JP2022145458A - レーザ加工装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体ウェーハやラジアル滑り軸受のような大量生産に適した製品を、所期の形状または状態に迅速にレーザ加工できるようにする。【解決手段】レーザ加工装置100は、回転対称な照射対象物Wの1つの面にレーザ光を照射してレーザ加工する。レーザ加工装置100は、レーザ光を出射可能なレーザ光源210,260と、レーザ光源210,260から出射されたレーザ光を出射方向とは異なる方向に変更させる第1の光学素子224,274を備える。さらに、第1の光学素子224,274から出射したレーザ光を照射対象物Wの周方向に走査させる駆動機構を含む第2の光学素子226,276も備える。【選択図】図1
Description
本発明は、レーザ加工装置に係り、特に半導体ウェーハのチップ形成予定面の平坦化加工や円筒軸受の内面加工に用いて好適なレーザ加工装置に関する。
半導体ウェーハ上に回路を形成するウェーハ加工においては、ウェーハ表面または裏面を表面粗さの小さな平坦な面に形成する工程がしばしば含まれる。従来は、そのような工程を研削ホイールや研磨パッドを用いて実施してきた。しかし、ウェーハの表面を研削または研磨加工する際に、研削ホイールや研磨パッドが偏摩耗していると、加工面の平坦性がゆがめられ、品質が劣化する。
このような不具合を解消するために、特許文献1では、半導体ウェーハをチップに分割する位置である切断予定位置に対して以下の3ステップを実行している。すなわち、レーザ加工前に、ウェーハの裏面を研削または研磨して平坦化するステップと、裏表逆にして配置されたウェーハの表面側と裏面側にレーザを照射して裏面側の平坦度を確認するステップと、ウェーハの切断予定位置へ裏面側からウェーハ内部に集光点を合わせてレーザを照射するステップの3つである。
特許文献2には、加工品質にムラのないレーザアニール方法を実現することが開示されている。この公報に記載のレーザアニール方法では、表側の面が凹凸を有する半導体ウェハを準備し、表側の面の凹側に充填剤を充填する。充填剤が充填された半導体ウェハの表側の面がアニールテーブルに対向する姿勢でアニールテーブルに保持し、保持された半導体ウェハの裏面にレーザビームを照射して、アニールを実行している。
また、特許文献3には、ウェーハに形成された欠陥をアニールすることが開示されている。この公報に記載のシステムは、ウェーハ表面において2000W~3000Wの光学出力を有する第1の線画像を形成するように構成された、CO2系線形成システムを含んでいる。第1の線画像はウェーハ表面上を走査され、欠陥アニール温度まで局所的に温度を上昇させる。さらに、可視波長線形成システムを含み、それは第2の線画像を形成し、ウェーハ表面温度をスパイクアニール温度まで局所的に上昇させる。スパイクアニールを行い、有害なパターン効果を減少し、温度均一性及びそれに伴うアニール均一性を改善している。
一方特許文献4には、小径の円筒状内面に高い寸法精度で溝を形成する円筒状内面の加工方法が開示されている。この公報では、レーザビームを集光レンズで絞り、軸受スリーブの内部に設けられた小型の反射ミラーで反射させ、軸受スリーブの内周面上に集光させている。軸受スリーブを軸方向および周方向に移動および回転することで、焦点を軸受スリーブの内周面上で移動させ、軸受スリーブの内面に溝を形成している。
ウェーハの表面または裏面を平坦にするために従来用いられてきた砥石や研磨パッドを用いた研削または研磨方法は、偏摩耗に起因する表面の凹凸の他に、砥石の摩耗により砥粒が摩耗粉となって、折角凹凸の少ない表面に仕上げた面に許容できない凹凸が形成される虞れがあった。また、加工時の加工応力の一部が残留応力としてウェハ内に残る虞れもある上に、表面の凹凸を低減すればするほど加工に多大な時間を要している。
上記特許文献1の方法では、そのような課題を解決するために、表裏逆にしたウェーハの表面上方と裏面の周縁部に照明手段を配置してウェーハの裏面の平坦度を確認し、その後、切断予定位置であってウェーハの内部に集光点を合わせてレーザ加工している。ウェーハ全体に対する裏面側からのレーザ照射は、平坦度を確認する撮像のためであり、乱反射するか否かを判断するものであるから、レーザ光をウェーハ表面または裏面に均一な強度及び均一な短時間照射して、当該照射面の平坦化アニールを短時間だけ実行して加工効率を向上させるようには構成されていない。
上記特許文献2に記載のウェーハのアニール装置では、ウェーハを表裏逆に保持して裏面側にレーザビームを集光している。レーザビームの形状は所定の長尺形状であり、長尺形状内では光強度分布が均一にされている。この装置では、レーザビーム位置を固定しているので、ウェーハ面内をくまなくアニールするためには、ウェーハをウェーハビーム圏内に常時移動させる必要があり、レーザが載置されるアニールテーブルを2次元または3次元的に移動させる必要がある。この移動および位置決めは一般的な3次元テーブルまたは3次元+θテーブルで行われるため、位置決めに時間がかかり、ウェーハ加工のスループットが低下する。
また上記特許文献3に記載の欠陥アニーリング装置では、光源からのレーザ光を複数のミラーを介してウェーハ表面に斜めに導き、ウェーハに形成された欠陥部にレーザ光を照射している。この装置では、折り返しミラー光学システムを可変にして、ウェーハへのレーザの照射角度を可変にしているので、ウェーハの所望位置にレーザ光を照射するには、折り返しミラー光学システムを高度に制御する必要があり、該光学システムが複雑化する。
一方特許文献4には、軸受スリーブ内に小型のミラーを配置して軸受の内面に溝を形成している。この加工装置では小型のミラーをスリーブ内に配置しているので、ミラーがスリーブと隙間を持って入ることができる大きさに限定される。そのため、極端に小さな軸受の内面を加工するためには、ミラーをスリーブの移動に干渉しない位置に保持するための微小でかつ複雑な治具が必要になる。
本発明は、上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、半導体ウェーハやラジアル滑り軸受のような大量生産に適した製品を所期の形状または状態に迅速にレーザ加工できるようにすることを目的とする。そして、特に半導体ウェーハの場合には、ウェーハ表面または裏面を迅速に、平坦化及び均一アニールすることを可能にすることを目的とし、小型の軸受部品等の場合には内面を所望形状に短時間で加工できるようにすることを目的とする。
本発明者らは、下記の構成により、上記課題を解決できることを見出した。
[1] 半導体ウェーハである照射対象物の1つの面にレーザ光を照射して回転対称的にレーザ加工するレーザ加工装置において、レーザ光を出射可能なレーザ光源と、上記レーザ光源から出射されたレーザ光を出射方向とは異なる方向に変更させる第1の光学素子と、上記第1の光学素子から出射したレーザ光を上記照射対象物の周方向に走査させ制御する機構を含む第2の光学素子と、上記第2の光学素子から出射されたレーザ光を集光する集光手段と、を備え、上記第1、第2の光学素子は、それぞれ固定のウェッジプリズムと併進制御機構及び/または回転制御機構を含むウェッジプリズムであり、上記集光手段は、同心円状に配置された多数のマイクロレンズからなる集光レンズである、レーザ加工装置。
[2] 上記1つの面はこの半導体ウェーハの回路が形成される面またはその反対面のいずれかであり、上記レーザ光源から出射されたレーザ光を上記照射対象物に照射して上記1つの面をアニールすることを特徴とする[1]に記載のレーザ加工装置。
[3] 上記第2の光学素子と上記照射対象物の間に、ガルバノスキャナとf-θレンズを配設したことを特徴とする[2]に記載のレーザ加工装置。
[4] 上記レーザ光源と上記第1の光学素子と上記第2の光学素子からなる組を2組有し、照射対象物を挟んで互いに反対側の位置に、上記レーザ光源と上記第1の光学素子と上記第2の光学素子の組を対称に配設し、一方の上記第2の光学素子と上記照射対象物の間に、ガルバノスキャナとf-θレンズを配設したことを特徴とする[1]または[2]に記載のレーザ加工装置。
[5] 上記第2の光学素子から出射されたレーザ光を反射させる第1、第2の反射手段を更に有し、上記集光手段は、上記反射手段で反射されたレーザ光を集光する[1]~[4]のいずれかに記載のレーザ加工装置。
[6] 上記1つの面が、上記レーザ光源が配置された側の背面側である、[1]又は[2]に記載のレーザ加工装置。
[2] 上記1つの面はこの半導体ウェーハの回路が形成される面またはその反対面のいずれかであり、上記レーザ光源から出射されたレーザ光を上記照射対象物に照射して上記1つの面をアニールすることを特徴とする[1]に記載のレーザ加工装置。
[3] 上記第2の光学素子と上記照射対象物の間に、ガルバノスキャナとf-θレンズを配設したことを特徴とする[2]に記載のレーザ加工装置。
[4] 上記レーザ光源と上記第1の光学素子と上記第2の光学素子からなる組を2組有し、照射対象物を挟んで互いに反対側の位置に、上記レーザ光源と上記第1の光学素子と上記第2の光学素子の組を対称に配設し、一方の上記第2の光学素子と上記照射対象物の間に、ガルバノスキャナとf-θレンズを配設したことを特徴とする[1]または[2]に記載のレーザ加工装置。
[5] 上記第2の光学素子から出射されたレーザ光を反射させる第1、第2の反射手段を更に有し、上記集光手段は、上記反射手段で反射されたレーザ光を集光する[1]~[4]のいずれかに記載のレーザ加工装置。
[6] 上記1つの面が、上記レーザ光源が配置された側の背面側である、[1]又は[2]に記載のレーザ加工装置。
本発明の他の形態の特徴は、照射対象物の1つの面にレーザ光を回転対称的に照射してレーザ加工するレーザ加工装置において、レーザ光を出射可能なレーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を出射方向とは異なる方向に変更させる第1の光学素子と、前記第1の光学素子から出射したレーザ光を前記照射対象物の周方向に走査制御する機構を含む第2の光学素子を備えることにある。
そしてこの特徴において、前記第1、第2の光学素子は、それぞれウェッジプリズムと併進制御機構及び/または回転制御機構を含むウェッジプリズムであり、前記照射対象物は半導体ウェーハであり、前記1つの面はこの半導体ウェーハの回路が形成される面またはその反対面のいずれかであり、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記照射対象物に照射して前記1つの面をアニールすることが好ましく、前記第1、第2の光学素子は、それぞれウェッジプリズムと併進制御機構及び/または回転制御機構を含むウェッジプリズムであり、前記照射対象物の前記1つの面はスリーブ状の内周面であり、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記照射対象物に照射して前記1つの面に溝を形成することが、また好ましい。
上記特徴において、前記第2の光学素子と前記照射対象物の間に、ガルバノスキャナとf-θレンズを配設してもよく、前記レーザ光源と前記第1の光学素子と前記第2の光学素子からなる組を2組有し、照射対象物を挟んで互いに反対側の位置に、前記レーザ光源と前記第1の光学素子と前記第2の光学素子の組を対称に配設し、一方の前記第2の光学素子と前記照射対象物の間に、ガルバノスキャナとf-θレンズを配設してもよい。
さらに上記特徴において、前記第2の光学素子から出射されたレーザ光を反射させる第1、第2の反射手段と、これら反射手段で反射されたレーザ光を集光する集光手段を設けてもよく、前記ガルバノスキャナとf-θレンズからなる組を2組有し、前記第2の光学素子と前記照射対象物の間に、前記ガルバノスキャナとf-θレンズの組をそれぞれ対称に配設してもよい。
本発明によれば、光学部品を可変速で回動させることにより、レーザ光源から出射したレーザ光をウェーハまたは軸受部品等の所望位置へ即座に位置を変えて照射することが可能になり、半導体ウェーハやラジアル滑り軸受のような大量生産に適した製品を高精度かつ短時間で加工できる。特に、半導体ウェーハの場合には、ウェーハ表面または裏面を平坦化と均一アニールを迅速に行える。小型の軸受部品等の場合には、内面を所望形状に短時間で加工できる。
以下本発明に係るレーザ加工装置のいくつかの実施例を、図面を用いて説明する。図1は、レーザ加工装置100の一実施例の模式正面図である。本実施例のレーザ加工装置100は、図示しないXYZ-θテーブルを備える、例えばウェーハの面取り装置と組み合わせて使用される。
ウェーハ面取り装置等の加工装置の吸引部240には、半導体ウェーハWが回路形成面を下側にして下向きに吸引されている。この半導体ウェーハW部を挟んで、上下にほぼ同じ構成のレーザ加工装置100の主要部が配置されている。すなわち、上側に位置するレーザ加工装置100の主要部として、レーザ光源210がウェーハWの真上であって最上部に固定配置されている。レーザ光源210はパルスレーザを出射するものであり、出射するレーザ光110の強度やタイミング等はレーザ光源制御部212で制御される。
レーザ光源210の下方には、レーザ光源210から出射されたレーザ光110を所定強度を有し所定スポット径となるようにするビームエキスパンダー222が固定配置されている。ビームエキスパンダー222の下方には、複数のプリズムを有する光学素子(可動部)220が配置されている。
光学素子220は、ワークであるウェーハW上の照射位置を特定位置に定めるための部品であり、円柱を斜めに切断した形状をした2種のウェッジプリズム224、226を含んでいる。上側に位置するウェッジプリズム224は、第1の光学素子であり、詳細を後述するように照射角調整用であり、互いに光軸方向に対して間隔を置いた上プリズム(固定のプリズム)224aと下プリズム224bを含み、上プリズム224aと下プリズム224bの間隔は、併進制御部232により可変制御される。上側のウェッジプリズム224では、併進制御部232が上プリズム224aと下プリズム224b間の光軸方向距離を変えることで、ウェーハW上の、レーザ光110の光軸に直角な方向、つまり半径方向位置を変えることが可能になる。
第2の光学素子である下側に位置するウェッジプリズム226は、詳細を後述する回転操作円半径用であり、互いに光軸方向に対して間隔を置いた上プリズム(固定のプリズム)226aと下プリズム226bを含む。上プリズム226aと下プリズム226bの間隔が併進制御部234により可変制御されるとともに、上プリズム226aと下プリズム226bは回転制御部236により光軸周りの回転を制御される。回転制御部236が上プリズム226aと下プリズム226bを回転駆動することで、ウェーハWの周方向へのレーザ光の照射位置が制御される。つまり、ウェーハW面上に円状に照射する場合には、ウェッジプリズム226を一周以上連続して回転させればよい。上側のウェッジプリズム224の併進制御部232および下側のウェッジプリズム226の併進制御部234と回転制御部236は、光学素子制御部230を構成する。
上記レーザ光源210、ビームエキスパンダー222および光学素子220と実質的に同一構成である、レーザ光源260、ビームエキスパンダー272および光学素子270がウェーハWを挟んで対称的にウェーハWの下方に配置されている。すなわち、レーザ光源260の上方には、レーザ光110を拡散するビームエキスパンダー272が、さらにその上方には、複数のプリズムを有する光学素子(可動部)270が配置されている。なお、レーザ光源260はパルスレーザを出射する光源であり、出射するレーザ光110の強度やタイミング等はレーザ光源制御部262で制御される。
光学素子270は、円柱を斜めに切断した形状の2種のウェッジプリズム274、276を含み、下側のウェッジプリズム274は、光軸方向に間隔を置いた上プリズム274bと下プリズム(固定のプリズム)274aを含み、上プリズム274bと下プリズム(固定のプリズム)274aの間隔は、併進制御部282により可変制御される。
上側に位置するウェッジプリズム276は、互いに光軸方向に対して間隔を置いた上プリズム276bと下プリズム276aを含み、それらの間隔が併進制御部284により可変制御されるとともに、それらの回転が回転制御部286により回転制御される。下側のウェッジプリズム274の併進制御部282および上側のウェッジプリズム276の併進制御部284と回転制御部286は光学素子制御部230を構成する。光学素子制御部230が光学素子270を構成する各プリズム274a~276bを制御することで、ウェーハWの内径側から外径側までまたはその逆に、同心円状にレーザ光を万遍なく照射することが可能になる。
次に、ウェーハWを吸引保持する加工装置の吸引部240の周囲部には、本レーザ加工装置100の上部のレーザ光源210から出射されたレーザ光110を、ウェーハWの背面側に導く光学素子類と、下部のレーザ光源260から出射されたレーザ光110をこれもウェーハWの背面側に導く光学素子類が配置されている。これらの光学素子類は光学素子250を形成する。
具体的には、ウェーハWの外周縁とは半径方向に間隔を置いて反射ミラー254の円筒部254aが配置されており、円筒部254aの底部端には切頭円錐形状の反射ミラー254の円錐部254bが接続されている。さらに、円錐部254bに対応する上方位置であってウェーハWから下方に間隔を置いた位置には、集光レンズ252がリング状に配置されている。
一方、下部のレーザ光源260から出射されたレーザ光110を集光するために、ウェーハWの中心位置に対応する位置であってほぼ反射ミラーの開口部位置にf-θレンズ256が、f-θレンズ256と間隔を置いて下方にガルバノスキャナ258がそれぞれ配置されている。f-θレンズ256とガルバノスキャナ258は、駆動制御部288によりその回転等が駆動および制御される。このように光学素子類を配置することにより、上部のレーザ光源210は主としてウェーハWの外径側に、下部のレーザ光源260はウェーハWの中心側にレーザ光を照射するのに適する。したがって、ウェーハ径が小さい場合には、レーザ加工装置100は下側の構成を備えるだけでもよい。
なお、レーザ光源210、260を上下に配置し、ウェーハWの中心側と外周側をそれぞれ照射するようにしたのは、同時加工を可能にしてレーザ照射時間を短縮することとともに、ウェッジプリズムにより形成される偏向角を理論的に大きくできないからである。通常この偏向角は数度以内、最大でも10度以内である。
図1に示したレーザ加工装置100が備える光学素子の主要なものについて、図2を用いて説明する。図2は主要光学素子の動作や作用を説明するための図であり、図2(a)は光学素子220が備えるウェッジプリズム224、226の動作を説明するための模式図、図2(b)は反射ミラー254の作用を説明するための模式図、図2(c)は集光レンズ252の作用を説明するための模式図であり、集光レンズ252を示す図2(e)のA部の断面図、図2(d)は、ウェーハW上に同心円の走査軌跡を得る様子を説明するための模式図である。
上述したように、光学素子220は、2組のウェッジプリズム224、226を備え、各ウェッジプリズムは互いに間隔を置いた2個のプリズム224a、224b;226a、226bを備えている。各プリズム224a~226bは相対位置が可変であり、図2(a)では図示を省略したがその位置を光学素子制御部230で制御されている。つまり、上側のウェッジプリズム224では、上プリズム224aを固定し下プリズム224bを動かすことで、互いの相対位置が光軸方向に可変になっている。
例えば、下プリズム224bを実線で示した位置から破線で示した位置まで上プリズム224aに対して光軸方向に併進動TRL1させる、すなわち遠ざける。すると、レーザ光源210からビームエキスパンダー222を介して光学素子220に到達したレーザ光110は、ウェッジプリズム224において中心側に位置する一点鎖線の軌跡112aから外周側に位置する破線の軌跡112bに半径方向位置(光軸に対して直角な方向の位置)を変化する。
また、下側のウェッジプリズム226では上側のウェッジプリズム224と同様に上下プリズム226a、226bの少なくともいずれか、本例では上側のプリズム226bを併進動TRL2させてそれらの間の隙間を変化させると、レーザ光の半径方向位置の変化が拡大する。そして、上下プリズム226a、226bを、図示しないモータ等で高速に一緒に回転動ROT1させると、ウェーハW面上のレーザ光の照射軌跡は、同心円軌跡を形成する。つまり、上側のウェッジプリズム224で半径方向位置を変えられたレーザ光の軌跡112a、112bはそれぞれウェーハW面上の一点鎖線で示した円形の照射光軌跡114aから破線で示した円形の照射光軌跡114bに変化する。
したがって、上、下ウェッジプリズム224、226のそれぞれのプリズム224a~226bの光軸方向の相対距離を変えるとともに、下側のウェッジプリズム226のプリズム226a、226bを同時に回転させることにより、ウェーハWの面上にくまなくレーザ光を照射することが可能になる。なお、図1に示したように本実施例のウェーハWは、裏面を下にしてその裏面を加工するので、上側に配置したレーザ光源210からのレーザ光はそのままでは使用できない。そのため、反射ミラー254を使用している。
図2(b)に示すように、反射ミラー254は、ウェーハWの直径より大である直径の円筒部254aと円筒部254aの下端部で接続された中央部に開口部254cを有する切頭円錐形の円錐部254bを備える。反射ミラー254においてミラーの作用をする部分は、これら各部254a、254bの内面側である。光学素子220を出たレーザ光116は、光軸とは角度を持って反射ミラー254に到達し、初めに反射ミラー254の円筒部254aの内面に衝突し、反射光116aとなって円錐部254bの傾斜面に衝突する。そしてさらに反射光116bが形成される。この反射光116bが、半径方向にはウェーハWの外径縁位置よりも内側に位置し、しかも反射ミラー254の開口部254cよりも外側位置にある、光軸方向を向いたレーザ光となるように、反射ミラー254は設定される。これにより、反射ミラー254の開口部254cに対応するウェーハWの位置からウェーハWの外径位置まで、反射ミラー254の出射口部254dからウェーハWへレーザ光を万遍なく照射可能になる。
反射光116bには、2つの反射面254a、254bで乱反射したレーザ光も含まれる可能性がある。そこで、より光軸に平行なレーザ光となるように、ウェーハWの設定位置近傍であってウェーハWから間隔を置いて、少なくとも、反射ミラー254の開口部254cに対応するウェーハWの位置からウェーハWの外径位置までの幅を有するリング状の集光レンズ252を設けている。図2(c)に示すように、集光レンズ252は同心円状に配置された多数のマイクロレンズ252aからなり、マイクロレンズ252aは同一円周上でも互いに隣接して多数配置されている。レーザ光源210から出射されたレーザ光は、図示を省略した光学素子や反射ミラーを経てマイクロレンズ252aからなる集光レンズ252で集光されて、ウェーハW上に所定スポット径の照射部を形成する。図2(d)は、集光レンズ252を経て形成された光軸に平行なレーザ光118a、118bにより、ウェーハW面上に同心円状の照射光軌跡114a、114bが形成されることを示す。
次に、図1、図3を併用して上記のように構成したレーザ加工装置100の動作を説明する。図3は、本レーザ加工装置100の装置構成を示すブロック図である。本レーザ加工装置100では、半導体回路が形成されたウェーハWの裏面を、回路形成後に残留応力の除去やウェーハW面の平坦化のためにアニール処理する。これまでは機械加工、主として研削加工や薬液処理で平坦化を実施していたが、加工時の残留応力や廃液処理等の付随的な処理が必要であった。本実施例では、ウェーハWの裏面をレーザ照射でアニールすることにより、次工程である薄板化工程における割れや欠けの発生を防止するとともに、処理の均一性が高まり、かつ高スループットの処理が可能になる。
本レーザ加工装置100の各光学素子を駆動制御する各制御部は、レーザ加工制御装置200として、一般に一体化されて筐体内に配置される。初めに、研削装置等の加工装置の駆動制御部150を用いて加工対象ウェーハWを吸引部240に搬送し、ウェーハWの裏面を下側にして吸引する。次に、上側のレーザ光源210からレーザ光110を下向きに、下側のレーザ光源260からレーザ光110を上向きにそれぞれ照射する。この時レーザ光の出力タイミングや強度は、レーザ光源制御部212、262で制御される。初期状態では、光学素子を経過した上側のレーザ光110はウェーハWの外周側領域を、光学素子を経過した下側のレーザ光110はウェーハWの中心側領域を照射している。
上側のレーザ光源210から出射されたレーザ光110については、光学素子制御部230が光学素子220が備えるウェッジプリズム224、226を調整・制御して、ウェッジプリズム226への入射偏向角度である入射角度と、ウェッジプリズム226から出射されるレーザ光の半径方向位置(回転走査円半径)を定める。これにより、反射ミラー254へのレーザ光の入射位置が決定される。反射ミラー254で偏向されたレーザ光は、ウェーハW形状に対応した集光レンズ252で集光されて、ウェーハ面に実質的に垂直な照射光として照射される。ある半径でのレーザ照射が終了したら、次の半径位置へ照射位置を変更する。そこで、光学素子制御部230が光学素子220のウェッジプリズム224、226を構成する各プリズム224a~226bの光軸方向位置を調整および制御する。光軸方向位置の変化量は、最終的にウェーハW上のレーザ照射位置の半径方向ピッチに対応する。レーザ照射位置の半径方向移動、すなわち各プリズム224a~226bの光軸方向移動を繰り返すことにより、ウェーハWの外周側領域全体のレーザ照射が完了する。
一方、下側のレーザ光源260から出射されたレーザ光110については、光学素子制御部280が、光学素子270が備えるウェッジプリズム274、276を調整および制御して、ウェッジプリズム276への入射角度と、ウェッジプリズム276から出射されるレーザ光の半径方向位置(回転走査円半径)を定める。次いで、光学素子制御部280がガルバノスキャナ258とf-θレンズ256を駆動および制御して、光学素子270を経たレーザ光を集光して、ウェーハWの中心領域に実質的に垂直にレーザ光を照射する。この下側のレーザ光110についても、ある半径でのレーザ照射が終了したら、次の半径位置へ照射位置を変更する。そのため、光学素子制御部280がウェッジプリズム274、276を構成する各プリズム274a~276bの光軸方向位置を調整および制御する。レーザ照射位置の半径方向移動、すなわち各プリズム274a~276bの光軸方向移動を繰り返すことにより、ウェーハWの中心領域全体のレーザ照射が完了する。なお、下側の集光手段としてガルバノスキャナ258とf-θレンズ256の代わりに集光レンズ252のような集光レンズを用いてもよい。その場合、集光レンズ形状はウェーハWの中心部に対応した円板形状となる。
以上の動作においては、ウェッジプリズム226、276は高速に回転駆動および制御される。これにより、上側のレーザ光源210から出射されたレーザ光110は、ウェーハWの外周側領域内の所定半径位置の部分を同心円状にレーザ照射し、下側のレーザ光源260から出射されたレーザ光110はウェーハWの中心領域内の所定半径位置の部分を同心円状にレーザ照射することが可能になる。なお、上記から明らかなように、ウェーハWの径が小径の場合には、ウェーハW1枚当たりの加工量が少ないので、図1で下側に配置したレーザ光源260のみを使用してレーザ加工することもできる。
以上説明したように本実施例によれば、ウェーハの平面全体に高精度に均一な処理をすることができる。それによりウェーハの品質を高品質に維持できる。また、大気圧下の加工であり、特殊な薬液も必要としないので、廃液処理や消耗品の必要性の発生がなく、低コストでかつクリーンに加工できる。
本発明に係るレーザ加工装置102の他の実施例を、図4ないし図6を用いて説明する。図4は図1に対応するレーザ加工装置102の模式図であり、図5は加工パターンのいくつかの実例を示す図であり、図6は図3に対応したレーザ加工装置102の装置構成を示すブロック図である。加工対象であるワークWKは、例えばスリーブ状の内周面を有するラジアル滑り軸受であり、ラジアル滑り軸受の内周面にたとえば螺旋溝を形成する場合である。図1~図3に示した実施例と同様の部品には、100位の数字を変えた同一番号を付している。つまり、符号210、310は同様にレーザ光源を示す。部品の一部については、図1の実施例と同様であるから煩雑さを避けて、その説明を省略する。
ワークWKが円筒状の構成であるので、円筒軸を上下方向に配置して、その外周部を加工装置の保持部340が固定保持している。これにより、ワークWKの上下に配置したレーザ光源310、360から、レーザ光110をワークWKの内面の同一位置に直接照射可能になり、この点が図1に示した実施例における半導体ウェーハWの加工と相違している。また、この相違点により、レーザ加工装置102の上部側では反射ミラーは不要となっている。なお、集光手段は集光レンズに代わってf-θレンズ352とガルバノスキャナ354およびそれらの駆動制御部338から構成される。同様に下側においても、集光手段は、f-θレンズ392とガルバノスキャナ394およびそれらの駆動制御部388から構成される。レーザ加工装置102のワークWKより下側の部分は、ワークWKを挟んで上側の部分と対称に構成されているので、説明を省略する。
ワークWKへの螺旋溝加工であるので、加工装置の保持部340は、加工装置の駆動制御部160(図4参照)が備える併進制御部162および回転制御部164により、上下光学素子320、390が備えるウェッジプリズム326、376の回転と同期して、上下動するように制御される。同期の方法に応じて、ワークWKへのレーザ加工状態が異なる。図5(a)は、レーザ加工中に保持部340を上下動させない場合であり、すなわち、レーザ加工中ワークWKは静止しており、図4に示した上、下のレーザ光源310、360からレーザ光122、124が上下の開口部132を通って照射される。ワークWK内壁134の照射点は同一点である。ウェッジプリズム326、376を回転することにより、ワークWK内壁134の照射点が移動し、照射軌跡142が形成される。レーザ強度を調整して、所望の円周溝が照射軌跡142部に形成される。
図5(b)は、レーザ光の照射を一方のレーザ光源310からだけとし、レーザ光の周方向照射位置の変化に同期してワークWKを下方に併進動TRL3させている。加工状態の経過と合わせると、加工の早期においてはレーザ光122bによりワークWKの下側が加工されているが、時間が経過するにつれてワークWKが下方に移動し、レーザ光122aによりワークWKの上部が加工されている。これにより螺旋の照射軌跡144が得られ、レーザ光の強度を調整および制御することにより、照射軌跡144部に螺旋溝が形成される。
図5(c)は、図5(b)に示す実施例にレーザ光源360からのレーザ光124a、124bも加えた例である。ワークWKは上下のレーザ光の回転に同期して併進動TRL4する。その結果、2つの螺旋の照射軌跡144、146が得られる。この2つの螺旋の照射軌跡144、146は交差する螺旋の照射軌跡144、146であり、レーザ光強度を調整および制御することにより交差螺旋溝が形成される。
図5(d)は、ワークWKを固定保持したまま、上下のレーザ光源からレーザを照射するもので、図5(a)示した実施例とレーザ加工装置の構成及び動作は同一である。ただし、図5(a)に示した実施例とは、レーザ加工内容が相違している。今までの実施例では円筒状の内面に溝を形成するものであったが、本例では円筒状ワークWKの内壁134にリング状やシート状の被着物136をレーザ溶接または溶着させている。被着物を例えば微小突起とすることで、溝と逆の効果を得られる。
図5に示した各例は、開口部径が小さくて加工具を挿入することが困難である、または加工具が小さくなりすぎて強度を維持できない場合等に、特に好適である。例えば高速プリンタの軸受やマイクロタービン用のラジアル軸受等の加工に適している。
以上説明したように、上記実施例によれば、加工部位に高速にレーザ光を照射することが可能であり、従来方法に比べて加工時間を短縮できる。また、レーザ光が届く範囲であれば加工が可能であるので、これまでは加工が困難であった細穴内部の溝加工等の加工や細穴内部への微小部品の溶着が可能になる。
100、102…レーザ加工装置、110…レーザ光、112a、112b…レーザ光軌跡、114a、114b…照射光軌跡、116…レーザ光、116a、116b…反射光、118a、118b…(光軸に平行な)レーザ光、122、122a、122b…(上)レーザ光、124、124a、124b…(下)レーザ光、132…開口部、134…内壁、136…被着物、142、144、146…照射軌跡、150、160…(加工装置の)駆動制御部、162…併進制御部、164…回転制御部、200…レーザ加工制御装置、210…レーザ光源、212…レーザ光源制御部、220…光学素子、222…ビームエキスパンダー、224…(照射角調整用)ウェッジプリズム、224a…上プリズム(固定のプリズム)、224b…下プリズム、226…(回転操作円用)ウェッジプリズム、226a…上プリズム(固定のプリズム)、226b…下プリズム、230…光学素子制御部、232…併進制御部、234…併進制御部、236…回転制御部、240…(加工装置の)吸引部、250…光学素子、252…集光レンズ、252a…マイクロレンズ、254…反射ミラー、254a…反射面(円筒部)、254b…反射面(円錐部)、254c…開口部、256…f-θレンズ、258…ガルバノスキャナ、260…レーザ光源、262…レーザ光源制御部、270…光学素子(可動部)、272…ビームエキスパンダー、274…ウェッジプリズム、274a…下プリズム、274b…上プリズム、276…ウェッジプリズム、276a…下プリズム、276b…上プリズム、280…光学素子制御部、282、284…併進制御部、286…回転制御部、288…駆動制御部、300…光学素子制御部、310…レーザ光源、312…レーザ光源制御部、320…光学素子(可動部)、322…ビームエキスパンダー、324…(照射角調整用)ウェッジプリズム、324a…上プリズム(固定のプリズム)、324b…下プリズム、326…(回転操作円用)ウェッジプリズム、326a…上プリズム(固定のプリズム)、326b…下プリズム、330…光学素子制御部、332、334…併進制御部、336…回転制御部、338…駆動制御部、340…(加工装置の)保持部、350…光学素子、352…f-θレンズ、354…ガルバノスキャナ、360…レーザ光源、362…レーザ光源制御部、370…光学素子、372…ビームエキスパンダー、374…(照射角調整用)ウェッジプリズム、374a…下プリズム(固定のプリズム)、374b…上プリズム、376…(回転操作円用)ウェッジプリズム、376a…下プリズム(固定のプリズム)、376b…上プリズム、380…光学素子制御部、382、384…併進制御部、386…回転制御部、388…駆動制御部、390…光学素子、392…f-θレンズ、394…ガルバノスキャナ、ROT1…回転動、TRL1、TRL2、TRL3、TRL4…併進動、W…ウェーハ、WK…ワーク
Claims (6)
- 半導体ウェーハである照射対象物の1つの面にレーザ光を照射して回転対称的にレーザ加工するレーザ加工装置において、
レーザ光を出射可能なレーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を出射方向とは異なる方向に変更させる第1の光学素子と、前記第1の光学素子から出射したレーザ光を前記照射対象物の周方向に走査させ制御する機構を含む第2の光学素子と、前記第2の光学素子から出射されたレーザ光を集光する集光手段と、を備え、
前記第1、第2の光学素子は、それぞれ固定のウェッジプリズムと併進制御機構及び/または回転制御機構を含むウェッジプリズムであり、
前記集光手段は、同心円状に配置された多数のマイクロレンズからなる集光レンズである、レーザ加工装置。 - 前記1つの面は前記半導体ウェーハの回路が形成される面またはその反対面のいずれかであり、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記照射対象物に照射して前記1つの面をアニールすることを特徴とする請求項1に記載のレーザ加工装置。
- 前記第2の光学素子と前記照射対象物の間に、ガルバノスキャナとf-θレンズを配設したことを特徴とする請求項2に記載のレーザ加工装置。
- 前記レーザ光源と前記第1の光学素子と前記第2の光学素子からなる組を2組有し、照射対象物を挟んで互いに反対側の位置に、前記レーザ光源と前記第1の光学素子と前記第2の光学素子の組を対称に配設し、一方の前記第2の光学素子と前記照射対象物の間に、ガルバノスキャナとf-θレンズを配設したことを特徴とする請求項1または2に記載のレーザ加工装置。
- 前記第2の光学素子から出射されたレーザ光を反射させる第1、第2の反射手段を更に有し、前記集光手段は、前記反射手段で反射されたレーザ光を集光する請求項1~4のいずれか1項に記載のレーザ加工装置。
- 前記1つの面が、前記レーザ光源が配置された側の背面側である、請求項1又は2に記載のレーザ加工装置。
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