JP4299185B2

JP4299185B2 - レーザー加工装置

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Inventors: 圭司能丸
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Description

本発明は、チャックテーブルに保持された板状の被加工物に所定の加工予定ラインに沿ってレーザー加工を施すレーザー加工装置に関する。

半導体デバイス製造工程においては、略円板形状である半導体ウエーハの表面に格子状に配列されたストリートと呼ばれる分割予定ラインによって複数の領域が区画され、この区画された領域にＩＣ、ＬＳＩ等の回路を形成する。そして、半導体ウエーハを分割予定ラインに沿って切断することにより回路が形成された領域を分割して個々の半導体チップを製造している。また、サファイヤ基板の表面に窒化ガリウム系化合物半導体等が積層された光デバイスウエーハも分割予定ラインに沿って切断することにより個々の発光ダイオード、レーザーダイオード等の光デバイスに分割され、電気機器に広く利用されている。

上述した半導体ウエーハや光デバイスウエーハ等の分割予定ラインに沿った切断は、通常、ダイサーと称されている切削装置によって行われている。この切削装置は、半導体ウエーハや光デバイスウエーハ等の被加工物を保持するチャックテーブルと、該チャックテーブルに保持された被加工物を切削するための切削手段と、チャックテーブルと切削手段とを相対的に移動せしめる切削送り手段とを具備している。切削手段は、回転スピンドルと該スピンドルに装着された切削ブレードおよび回転スピンドルを回転駆動する駆動機構を備えたスピンドルユニットを含んでいる。切削ブレードは円盤状の基台と該基台の側面外周部に装着された環状の切れ刃からなっており、切れ刃は例えば粒径３μｍ程度のダイヤモンド砥粒を電鋳によって基台に固定し厚さ２０μｍ程度に形成されている。

しかるに、サファイヤ基板、炭化珪素基板等はモース硬度が高いため、上記切削ブレードによる切断は必ずしも容易ではない。更に、切削ブレードは２０μｍ程度の厚さを有するため、デバイスを区画する分割予定ラインとしては幅が５０μｍ程度必要となる。このため、例えば大きさが３００μｍ×３００μｍ程度のデバイスの場合には、ストリートの占める面積比率が１４％にもなり、生産性が悪いという問題がある。

一方、近年半導体ウエーハ等の板状の被加工物を分割する方法として、その被加工物に対して透過性を有するパルスレーザー光線を用い、分割すべき領域の内部に集光点を合わせてパルスレーザー光線を照射するレーザー加工方法も試みられている。このレーザー加工方法を用いた分割方法は、被加工物の一方の面側から内部に集光点を合わせて被加工物に対して透過性を有する例えば波長が１０６４ｎｍのパルスレーザー光線を照射し、被加工物の内部に分割予定ラインに沿って変質層を連続的に形成し、この変質層が形成されることによって強度が低下した分割予定ラインに沿って外力を加えることにより、被加工物を分割するものである。（例えば、特許文献１参照。）
特許第３４０８８０５号公報

しかるに、半導体ウエーハ等の板状の被加工物にはウネリがあり、その厚さにバラツキがあると、レーザー光線を照射する際に屈折率の関係で所定の深さに均一に変質層を形成することができない。従って、半導体ウエーハ等の内部の所定深さに均一に変質層を形成するためには、予めレーザー光線を照射する領域の凹凸を検出し、その凹凸にレーザー光線照射手段を追随させて加工する必要がある。

また、板状の被加工物の内部に集光点を合わせてレーザー光線を照射し、被加工物の内部にマーキングを施すレーザー加工も実用化されているが、被加工物の内部の所定深さにマーキングを施すには被加工物の表面の凹凸にレーザー光線照射手段を追随させて加工する必要がある。

上述した問題を解消するために、ワークテーブルに載置されたワークの高さ位置を検出する高さ位置検出手段を設け、該高さ位置検出手段によってワークの切削領域の高さ位置を検出し、切削領域の高さマップを作成し、このマップに基づいて切削ブレードの切り込み位置を制御するようにしたダイシング装置が提案されている。（例えば、特許文献１参照。）
特開平２００３−１６８６５５号公報

上記公報に開示された技術は、高さ位置検出手段によってワークの切削領域の高さ位置を検出して切削領域の高さマップを作成し、その後に作成したマップに基づいて切削ブレードの切り込み位置を制御しつつ切削加工を実施するもので、高さ位置検出工程と切削工程が分離されているため、生産性の面で効率的ではない。

そこで、本出願人は、板状物の厚さにバラツキがあっても板状物における所望位置に効率よくレーザー加工を施すことができるレーザー加工装置を特願２００４−１１７４９６として提案した。このレーザー加工装置は、高さ位置検出手段によってチャックテーブルに保持された被加工物における集光器から照射されるレーザー光線の照射位置の高さ位置を検出し、その検出信号に基づいて集光器をチャックテーブルの保持面に対して垂直な方向に移動調整するようにしたものである。

而して、上述したレーザー加工装置においては、高さ位置検出手段からの検出信号に対応して集光器を迅速に移動させることが困難である。即ち、集光器は組みレンズ（対物集光レンズ）からなっているために１ｋｇ程度の重量があり、その慣性力が大きいため迅速に作動することが難しい。また、慣性力の大きい集光器が上下方向に移動すると微震動が発生し、レーザー加工精度に影響を及ぼすという問題もある。

本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、その主たる技術的課題は、板状の被加工物の厚さにバラツキがあっても被加工物における所望位置に効率よく加工を施すことができるレーザー加工装置を提供することである。

上記主たる技術課題を解決するため、本発明によれば、被加工物を保持するチャックテーブルと、レーザー光線発振手段と該レーザー光線発振手段によって発振されたレーザー光線を集光して該チャックテーブルに保持された被加工物に照射するための対物レンズを備えた集光器とを有するレーザー光線照射手段と、該チャックテーブルと該レーザー光線照射手段とを加工送り方向に相対移動せしめる加工送り手段と、を具備するレーザー加工装置において、
該レーザー光線発振手段と該対物レンズとの間に該対物レンズが集光するレーザー光線の集光点位置を変移させる集光点変移手段が配設されており、
該集光点変移手段は、該レーザー光線発振手段によって発振されたレーザー光線を透過する第１のレンズと、該第１のレンズを透過したレーザー光線を透過する第２のレンズと、該第１のレンズと該第２のレンズとの間の光路長を変移せしめる光路長変移手段とを備えている、
ことを特徴とするレーザー加工装置が提供される。

上記光路長変移手段は、上記第１のレンズを透過したレーザー光線を反射偏向する第１のミラーと、該第１のミラーで反射したレーザー光線を反射偏向する第２のミラーと、第１のミラーと第２のミラーの設置角度を調整する角度調整アクチュエータとからなる第１の偏向ミラー手段と、
第１のミラー手段の第２のミラーで反射したレーザー光線を反射偏向する第３のミラーと、該第３のミラーで反射したレーザー光線を反射偏向する第４のミラーと、第３のミラーと第４のミラーの設置角度を調整する角度調整アクチュエータとからなる第２の偏向ミラー手段とによって構成されている。第１の偏向ミラー手段の第１のミラーと第２のミラーは所定の間隔をもって互いに平行に配設され、第２の偏向ミラー手段の第３のミラーと第４のミラーは所定の間隔をもって互いに平行に配設されている。

また、レーザー加工装置は、上記チャックテーブルに保持された被加工物の上面における上記集光器から照射されるレーザー光線の照射領域の高さ位置を検出する高さ位置検出手段と、該高さ位置検出手段によって検出された高さ位置信号に基づいて上記角度調整アクチュエータを制御する制御手段とを具備している。

本発明によるレーザー加工装置においては、上記光路長変移手段によって第１のレンズと第２のレンズとの間の光路長を変移することにより、対物レンズが集光するレーザー光線の集光点位置を変移させることができるので、被加工物の厚さにバラツキがあっても被加工物における所望位置に効率よく加工を施すことができる。

以下、本発明に従って構成されたレーザー加工装置の好適な実施形態について、添付図面を参照して、更に詳細に説明する。

図１には、本発明に従って構成されたレーザー加工装置の斜視図が示されている。図１に示すレーザー加工装置は、静止基台２と、該静止基台２に矢印Ｘで示す加工送り方向に移動可能に配設され板状の被加工物を保持するチャックテーブル機構３と、静止基台２に上記矢印Ｘで示す方向と直角な矢印Ｙで示す割り出し方向に移動可能に配設されたレーザー光線照射ユニット支持機構４と、該レーザー光線ユニット支持機構４に矢印Ｚで示す焦点位置調整方向に移動可能に配設されたレーザー光線照射ユニット５とを具備している。

上記チャックテーブル機構３は、静止基台２上に矢印Ｘで示す方向に沿って平行に配設された一対の案内レール３１、３１と、該案内レール３１、３１上に矢印Ｘで示す方向に移動可能に配設された第一の滑動ブロック３２と、該第１の滑動ブロック３２上に矢印Ｙで示す方向に移動可能に配設された第２の滑動ブロック３３と、該第２の滑動ブロック３３上に円筒部材３４によって支持された支持テーブル３５と、被加工物保持手段としてのチャックテーブル３６を具備している。このチャックテーブル３６は多孔性材料から形成され被加工物保持面３６１を備えており、被加工物保持面３６１上に板状の被加工物である例えば円盤状の半導体ウエーハを図示しない吸引手段によって保持するようになっている。また、チャックテーブル３６は、円筒部材３４内に配設された図示しないパルスモータによって回転せしめられる。

上記第１の滑動ブロック３２は、その下面に上記一対の案内レール３１、３１と嵌合する一対の被案内溝３２１、３２１が設けられているとともに、その上面に矢印Ｙで示す方向に沿って平行に形成された一対の案内レール３２２、３２２が設けられている。このように構成された第１の滑動ブロック３２は、被案内溝３２１、３２１が一対の案内レール３１、３１に嵌合することにより、一対の案内レール３１、３１に沿って矢印Ｘで示す方向に移動可能に構成される。図示の実施形態におけるチャックテーブル機構３は、第１の滑動ブロック３２を一対の案内レール３１、３１に沿って矢印Ｘで示す方向に移動させるための加工送り手段３７を具備している。加工送り手段３７は、上記一対の案内レール３１と３１の間に平行に配設された雄ネジロッド３７１と、該雄ネジロッド３７１を回転駆動するためのパルスモータ３７２等の駆動源を含んでいる。雄ネジロッド３７１は、その一端が上記静止基台２に固定された軸受ブロック３７３に回転自在に支持されており、その他端が上記パルスモータ３７２の出力軸に図示しない減速装置を介して伝動連結されている。なお、雄ネジロッド３７１は、第１の滑動ブロック３２の中央部下面に突出して設けられた図示しない雌ネジブロックに形成された貫通雌ネジ穴に螺合されている。従って、パルスモータ３７２によって雄ネジロッド３７１を正転および逆転駆動することにより、第一の滑動ブロック３２は案内レール３１、３１に沿って矢印Ｘで示す加工送り方向に移動せしめられる。

上記第２の滑動ブロック３３は、その下面に上記第１の滑動ブロック３２の上面に設けられた一対の案内レール３２２、３２２と嵌合する一対の被案内溝３３１、３３１が設けられており、この被案内溝３３１、３３１を一対の案内レール３２２、３２２に嵌合することにより、矢印Ｙで示す方向に移動可能に構成される。図示の実施形態におけるチャックテーブル機構３は、第２の滑動ブロック３３を第１の滑動ブロック３２に設けられた一対の案内レール３２２、３２２に沿って矢印Ｙで示す方向に移動させるための第１の割り出し送り手段３８を具備している。第１の割り出し送り手段３８は、上記一対の案内レール３２２と３２２の間に平行に配設された雄ネジロッド３８１と、該雄ネジロッド３８１を回転駆動するためのパルスモータ３８２等の駆動源を含んでいる。雄ネジロッド３８１は、その一端が上記第１の滑動ブロック３２の上面に固定された軸受ブロック３８３に回転自在に支持されており、その他端が上記パルスモータ３８２の出力軸に図示しない減速装置を介して伝動連結されている。なお、雄ネジロッド３８１は、第２の滑動ブロック３３の中央部下面に突出して設けられた図示しない雌ネジブロックに形成された貫通雌ネジ穴に螺合されている。従って、パルスモータ３８２によって雄ネジロッド３８１を正転および逆転駆動することにより、第２の滑動ブロック３３は案内レール３２２、３２２に沿って矢印Ｙで示す割り出し送り方向に移動せしめられる。

上記レーザー光線照射ユニット支持機構４は、静止基台２上に矢印Ｙで示す方向に沿って平行に配設された一対の案内レール４１、４１と、該案内レール４１、４１上に矢印Ｙで示す方向に移動可能に配設された可動支持基台４２を具備している。この可動支持基台４２は、案内レール４１、４１上に移動可能に配設された移動支持部４２１と、該移動支持部４２１に取り付けられた装着部４２２とからなっている。装着部４２２は、一側面に矢印Ｚで示す方向に延びる一対の案内レール４２３、４２３が平行に設けられている。図示の実施形態におけるレーザー光線照射ユニット支持機構４は、可動支持基台４２を一対の案内レール４１、４１に沿って矢印Ｙで示す方向に移動させるための第２の割り出し送り手段４３を具備している。第２の割り出し送り手段４３は、上記一対の案内レール４１、４１の間に平行に配設された雄ネジロッド４３１と、該雄ねじロッド４３１を回転駆動するためのパルスモータ４３２等の駆動源を含んでいる。雄ネジロッド４３１は、その一端が上記静止基台２に固定された図示しない軸受ブロックに回転自在に支持されており、その他端が上記パルスモータ４３２の出力軸に図示しない減速装置を介して伝動連結されている。なお、雄ネジロッド４３１は、可動支持基台４２を構成する移動支持部４２１の中央部下面に突出して設けられた図示しない雌ネジブロックに形成された雌ネジ穴に螺合されている。このため、パルスモータ４３２によって雄ネジロッド４３１を正転および逆転駆動することにより、可動支持基台４２は案内レール４１、４１に沿って矢印Ｙで示す割り出し送り方向に移動せしめられる。

図示の実施形態におけるレーザー光線照射ユニット５は、ユニットホルダ５１と、該ユニットホルダ５１に取り付けられた加工手段としてのレーザー光線照射手段５２を具備している。ユニットホルダ５１は、上記装着部４２２に設けられた一対の案内レール４２３、４２３に摺動可能に嵌合する一対の被案内溝５１１、５１１が設けられており、この被案内溝５１１、５１１を上記案内レール４２３、４２３に嵌合することにより、矢印Ｚで示す方向に移動可能に支持される。

図示のレーザー光線照射手段５２は、上記ユニットホルダ５１に固定され実質上水平に延出する円筒形状のケーシング５３を具備している。また、レーザー光線照射手段５２は、図２に示すようにケーシング５３内に配設されたパルスレーザー光線発振手段５４と、ケーシング５３の先端に配設されパルスレーザー光線発振手段５４によって発振されたパルスレーザー光線を上記チャックテーブル３６に保持された被加工物に照射する加工ヘッド５５を具備している。パルスレーザー光線発振手段５４は、ＹＡＧレーザー発振器或いはＹＶＯ４レーザー発振器からなるパルスレーザー光線発振器５４１と、これに付設された繰り返し周波数設定手段５４２とから構成されている。

上記加工ヘッド５５は、偏向ミラー手段５５１と、該偏向ミラー手段５５１の下部に装着された集光器５５２とからなっている。偏向ミラー手段５５１は、ミラーケース５５１aと、該ミラーケース５５１a内に配設された偏向ミラー５５１ｂを含んでいる。偏向ミラー５５１bは、図2に示すように上記パルスレーザー光線発振手段５４から発振されたレーザー光線を下方即ち集光器５５２に向けて偏向する。集光器５５２は、集光器ケース５５２aと、該集光器ケース５５２a内に配設された対物レンズ５５２bを含む組レンズ（図示せず）とから構成されている。

上記パルスレーザー光線発振手段５４から発振されたレーザー光線は、偏向ミラー５５１ｂによって９０度偏向されて集光器５５２に至り、集光器５５２の対物集光レンズ５５２bを通して上記チャックテーブル３６に保持される被加工物に所定の集光スポット径Ｄ（集光点）で照射される。この集光スポット径Ｄは、図３に示すようにガウス分布を示すパルスレーザー光線が集光器５５２の対物集光レンズ５５２ｂを通して照射される場合、Ｄ（μｍ）＝４×λ×f２／（π×Ｗ）、ここでλはパルスレーザー光線の波長（μｍ）、Ｗは対物集光レンズ５５２ａに入射されるパルスレーザー光線の直径（ｍｍ）、f２は対物集光レンズ５５２ａの焦点距離（ｍｍ）、で規定される。

図示の実施形態におけるレーザー光線照射手段は５２は、図２に示すようにパルスレーザー光線発振手段５４と加工ヘッド５５即ち集光器５５２との間に配設された集光点変移手段６を備えている。この集光点変移手段６は、上記ケーシング５３内に配設されており、上記対物集光レンズ５５２bが集光するレーザー光線の集光点位置を変移する機能を具備している。

、
以下、集光点位置変移手段６の第1の実施形態について、図４および図５を参照して説明する。
図４および図5に示す第1の実施形態における集光点変移手段６は、上記パルスレーザー光線発振手段５４によって発振されたレーザー光線を透過する第１のレンズ６１と、該第１のレンズ６１を透過したレーザー光線を透過する第２のレンズ６２と、第１のレンズ６１と第２のレンズ６２との間の光路長を変移せしめる光路長変移手段６３とを備えている。光路長変移手段６３は、第１のレンズ６１と第２のレンズ６２との間に配設され第１のレンズ６１を透過したレーザー光線を反射偏向する第1の偏向ミラー手段６３０と、該第1の偏向ミラー手段６３０によって反射偏向されたレーザー光線を反射偏向する第2の偏向ミラー手段６４０とからなっている。

第1の偏向ミラー手段６３０は、図５に示すように所定の間隔をもって互いに平行に対向して配設された一対の第1のミラー６３１および第2のミラー６３２と、該第1のミラー６３１および第2のミラー６３２の設置角度を調整する角度調整アクチュエータ６３３（ACT１）とによって構成されている。このように構成された第１の偏向ミラー手段６３０においては、図４に示すように第1のミラー６３１は第１のレンズ６１を透過したレーザー光線を第2のミラー６３２向けて反射偏向し、第2のミラー６３２は第１のミラー６３１で反射偏向されたレーザー光線を第2のミラー手段６４０に向けて反射偏向する。角度調整アクチュエータ６３３（ACT１）は、図5に示す実施形態においてはガルバノスキャナーからなっており、その回動軸６３３aが一対の第1のミラー６３１および第２のミラー６３２の連結部に伝動連結されている。この角度調整アクチュエータ６３３（ACT１）は、後述する制御手段によって制御され、一対の第1のミラー６３１および第2のミラー６３２の設置角度を図４において２点差線で示すように変更する。

第2の偏向ミラー手段６４０は、上記第1のミラー手段６３０と対向して配設されており、所定の間隔をもって互いに平行に対向して配設された一対の第３のミラー６４１および第４のミラー６４２と、該第３のミラー６４１および第４のミラー６４２の設置角度を調整する角度調整アクチュエータ６４３（ACT２）とによって構成されている。このように構成された第２の偏向ミラー手段６４０においては、図４に示すように第３のミラー６４１は上記第１のミラー手段６３０の第2のミラー６３２で反射偏向されたレーザー光線を第４のミラー６４２に向けて反射偏向し、第４のミラー６４２は第３のミラー６４１によって反射偏向されたレーザー光線を上記加工ヘッド５５の偏向ミラー５５１bに向けて反射偏向する。角度調整アクチュエータ６４３は、図5に示す実施形態においてはガルバノスキャナーからなっており、その回動軸６４３aが一対の第３のミラー６４１および第４のミラー６４２の連結部に伝動連結されている。この角度調整アクチュエータ６４３（ACT２）は、後述する制御手段によって制御され、一対の第３のミラー６４１および第４のミラー６４２の設置角度を図４において２点差線で示すように変更する。

図示の実施形態における集光点変移手段６は以上のように構成されており、以下、上記パルスレーザー光線発振手段５４によって発振され上記集光器５５２の対物集光レンズ５５２bによって集光されるレーザー光線の集光点位置を変移するメカニズムについて説明する。
図６に示すように上記一対の第1の偏向ミラー手段６３０の第1のミラー６３１にレーザー光線ＬＢが入光した場合、レーザー光線ＬＢは第1のミラー６３１と第2のミラー６３２で反射偏向せしめられる。ここで、第1のミラー６３１と第2のミラー６３２の間隔をdとすると、m1＝d／cosθ、m2＝m1cos２θ＝（d／cosθ）cos2θで表されるので、m1＋m2＝（d／cosθ）（1＋cos2θ）＝2d cosθとなる。なお、図示の実施形態における集光点変移手段６を構成する光路長変移手段６３は、第1の偏向ミラー手段６３０と第2の偏向ミラー手段６４０からなっているので、光路長は２（ｍ１＋m2）を変化させることで変移する。第1のミラー６３１と第2のミラー６３２の間隔dを２mmとすると、第1の偏向ミラー手段６３０と第2の偏向ミラー手段６４０の設置角度θに対する光路長差の変移を上式から計算することができ、第1の偏向ミラー手段６３０と第2の偏向ミラー手段６４０の設置角度θが４７.5度の状態を基準として表すと、光路長の変位は図７で示すようになる。即ち、第1の偏向ミラー手段６３０と第2の偏向ミラー手段６４０の設置角度θを４０度から５７.５度範囲で変更することにより、光路長の変位は１.８３mm得られる。

次に、上記光路長の変位と上記集光器５５２の対物集光レンズ５５２bによって集光されるレーザー光線の集光点位置の変位との関係について説明する。図４において、第２のレンズ６２の焦点距離をf１、対物集光レンズ５５２bの焦点距離をf２、第１のレンズ６１の集光点をＱ（パルスレーザー光線発振手段５４から発振されるレーザー光線が平行な光線である場合には、第１のレンズ６１の焦点距離と一致する）とし、第１のレンズ６１の集光点Ｑから第２のレンズ６２までの光路長をd１とし、第２のレンズ６２から対物集光レンズ５５２bまでの光路長をd２とすると、対物集光レンズ５５２bによって集光されるレーザー光線の集光点位置Ｐまでの距離d３は、次の数式１によって求められる。

従って、対物集光レンズ５５２bによって集光されるレーザー光線の集光点位置Ｐまでの距離d３は、第１のレンズ６１の集光点Ｑから第２のレンズ６２までの光路長d１の関数で表され、該光路長d１を変化させることによって対物集光レンズ５５２bによって集光されるレーザー光線の集光点位置Ｐを変化させることができる。ここで、上記第２のレンズ６２の焦点距離f１を１２.７mm、上記対物集光レンズ５５２bの焦点距離f２を２mm、第２のレンズ６２から対物集光レンズ５５２bまでの光路長d２を２０mmとすると、第１のレンズ６１の集光点Ｑから第２のレンズ６２までの光路長d1に対する対物集光レンズ５５２bによって集光されるレーザー光線の集光点位置Ｐまでの距離d３は、上記数式１によって求められる。そして、第１のレンズ６１の集光点Ｑから第２のレンズ６２までの光路長d１が第２のレンズ６２の焦点距離f１（１２.７mm）と一致している状態を基準（変位が０）として、上記光路長d１の変化に対するレーザー光線の集光点位置Ｐの変位（h）を表すと図８で示すようになる。

以上のように、第1の偏向ミラー手段６３０と第2の偏向ミラー手段６４０の設置角度θが４０度から５７．５まで変位すると光路長を＋０．７３mmから−１．１mmの範囲で変位することができ、これに対応し対物集光レンズ５５２bによって集光されるレーザー光線の集光点位置Ｐまでの距離d３が−２０μmから＋２８μmの範囲で変位することが判る。

図１に戻って説明を続けると、図示の実施形態におけるレーザー加工装置は、上記チャックテーブル３６上に保持される板状の被加工物の上面、即ちレーザー光線を照射する側の面におけるレーザー光線の照射領域の高さ位置を検出する高さ位置検出手段７を備えている。高さ位置検出手段７について図９乃至１１を参照して説明する。
図示の実施形態における高さ位置検出手段７は、図９に示すようにＵ字状に形成された枠体７１を具備しており、この枠体７１が支持ブラケット７０を介して上記レーザー光線照射手段５２のケーシング５３に取り付けられている。枠体７１には、上記集光器５５２を挟んで発光手段７２と受光手段７３が矢印Ｙで示す方向に対向して配設されている。発光手段７２は、図１１に示すように発光素子７２１と投光レンズ７２２を具備している。発光素子７２１は、例えば波長が６７０n mのパルスレーザー光線を図１０および図１１に示すように上記チャックテーブル３６上に保持される被加工物Ｗに投光レンズ７２２を通して所定の入射角αをもって照射する。この発光手段７２によるレーザー光線の照射位置は、集光器５５２から被加工物Ｗに照射されるレーザー光線の照射位置と略一致させて設定されている。なお、入射角αは、集光器５５２の対物集光レンズ５５２bの集光角度βより大きく９０度より小さい角度に設定されている。受光手段７３は、光位置検出素子７３１と受光レンズ７３２を具備しており、上記発光手段７２から照射されたレーザー光線が被加工物Ｗで正反射する位置に配設されている。また、図示の実施形態における高さ位置検出手段７は、上記発光手段７２および受光手段７３の傾斜角度を調整するための角度調整ツマミ７２aおよび７３aを備えている。この角度調整ツマミ７２aおよび７３aを回動することにより、発光手段７２から照射されるレーザー光線の入射角αおよび受光手段７３の受光角度を調整することができる。

以上のように構成された高さ位置検出手段７による被加工物Ｗの高さ位置の検出について、図１１を参照して説明する。
被加工物Ｗの基準高さ位置が図１１において１点鎖線で示す位置である場合には、発光素７２１から投光レンズ７２２を通して被加工物Ｗの表面に照射されたレーザー光線は１点鎖線で示すように反射し、受光レンズ７３２を通して光位置検出素子７３１のＡ点で受光される。一方、被加工物Ｗの高さ位置が図１１において２点鎖線で示す位置である場合には、発光素子７２１から投光レンズ７２２を通して被加工物Ｗの表面に照射されたレーザー光線は２点鎖線で示すように反射し、受光レンズ７３２を通して光位置検出素子７３１のＢ点で受光される。このようにして光位置検出素子７３１が受光したデータは、後述する制御手段に送られる。そして、後述する制御手段は光位置検出素子７３１によって検出されたＡ点とＢ点との間隔Ｈに基づいて、被加工物Ｗの高さ位置の変位ｈを演算する（ｈ＝Ｈ／sin α）。従って、上記チャックテーブル３６に保持された被加工物Ｗの高さ位置の基準値が図１１において１点鎖線で示す位置である場合、被加工物Ｗの高さ位置が図１１において２点鎖線で示す位置に変位した場合には、高さｈだけ下方に変位したことが判る。

図1に戻って説明を続けると、上記レーザー光線照射手段５２を構成するケーシング５３の前端部には、上記レーザー光線照射手段５２によってレーザー加工すべき加工領域を検出するアライメント手段８が配設されている。このアライメント手８は、図示の実施形態においては可視光線によって撮像する通常の撮像素子（ＣＣＤ）の外に、被加工物に赤外線を照射する赤外線照明手段と、該赤外線照明手段によって照射された赤外線を捕らえる光学系と、該光学系によって捕らえられた赤外線に対応した電気信号を出力する撮像素子（赤外線ＣＣＤ）等で構成されており、撮像した画像信号を後述する制御手段に送る。

また、図示の実施形態におけるレーザー加工装置は、図１に示すように上記ユニットホルダ５１を一対の案内レール４２３、４２３に沿って矢印Ｚで示す方向、即ち上記チャックテーブル３６の被加工物保持面３６１に対して垂直な方向に移動させるための集光点位置調整手段５７を具備している。第２の集光点位置調整手段５７は、上記各送り手段と同様に一対の案内レール４２３、４２３の間に配設された雄ネジロッド（図示せず）と、該雄ネジロッドを回転駆動するためのパルスモータ５７２等の駆動源を含んでおり、パルスモータ５７２によって図示しない雄ネジロッドを正転および逆転駆動することにより、ユニットホルダ５１とレーザー光線照射手段５２を案内レール４２３、４２３に沿って矢印Ｚで示す方向に移動せしめる。

図示の実施形態におけるレーザー加工装置は、制御手段１０を具備している。制御手段１０は、制御プログラムに従って演算処理する中央処理装置（ＣＰＵ）１０１と、制御プログラム等を格納するリードオンリメモリ（ＲＯＭ）１０２と、演算結果等を格納する読み書き可能なランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１０３と、入力インターフェース１０４および出力インターフェース１０５とを備えている。このように構成された制御手段１０の入力インターフェース１０４には、上記高さ位置検出手段７やアライメント手段８等からの検出信号が入力される。また、出力インターフェース１０５からは、上記第1の偏向ミラー手段６３０の角度調整アクチュエータ６３３（ACT１）、第2の偏向ミラー手段６４０の角度調整アクチュエータ６４３（ACT２）、パルスモータ３７２、パルスモータ３８２、パルスモータ４３２、パルスモータ５７２、レーザー光線照射手段５２等に制御信号を出力する。なお、上記リードオンリメモリ（ＲＯＭ）１０２またはランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１０３には、上記図７および図８に示す制御マップが格納されている。

図示の実施形態におけるレーザー加工装置は以上のように構成されており、以下その作用について説明する。
図１２には、被加工物としての半導体ウエーハの斜視図が示されている。図１２に示す半導体ウエーハ２０は、シリコンウエーハからなる半導体基板２１の表面２１ａに格子状に配列された複数の分割予定ライン（加工予定ライン）２１１（複数の分割予定ラインは互いに平行に形成されている）によって複数の領域が区画され、この区画された領域にＩＣ、ＬＳＩ等の回路２１２が形成されている。

上述したように構成された半導体ウエーハ２０は、図１に示すレーザー加工装置のチャックテーブル３６の被加工物保持面３６１上に裏面２１ｂを上側にして搬送され、該吸着チャック３６１に表面２１ａ側が吸引保持される。このようにして半導体ウエーハ２０を吸引保持したチャックテーブル３６は、加工送り手段３７の作動により案内レール３１、３１に沿って移動せしめられレーザー光線照射ユニット５に配設されたアライメント手段８の直下に位置付けられる。

チャックテーブル３６がアライメント手段８の直下に位置付けられると、アライメント手段８および制御手段１０によって半導体ウエーハ２０のレーザー加工すべき加工領域を検出するアライメント作業を実行する。即ち、アライメント手段８および制御手段１０は、半導体ウエーハ２０の所定方向に形成されている分割予定ライン２１１と、分割予定ライン２１１に沿ってレーザー光線を照射するレーザー光線照射ユニット５の集光器５５２との位置合わせを行うためのパターンマッチング等の画像処理を実行し、レーザー光線照射位置のアライメントを遂行する。また、半導体ウエーハ２０に形成されている上記所定方向に対して直角に延びる分割予定ライン２１１に対しても、同様にレーザー光線照射位置のアライメントが遂行される。このとき、半導体ウエーハ２０の分割予定ライン２１１が形成されている表面２１ａは下側に位置しているが、アライメント手段８が上述したように赤外線照明手段と赤外線を捕らえる光学系および赤外線に対応した電気信号を出力する撮像素子（赤外線ＣＣＤ）等で構成された撮像手段を備えているので、裏面２１ｂから透かして分割予定ライン２１１を撮像することができる。

以上のようにしてチャックテーブル３６上に保持されている半導体ウエーハ２０に形成されている分割予定ライン２１１を検出し、レーザビーム照射位置のアライメントが行われたならば、チャックテーブル３６を移動して図１３の(a)に示すように所定の分割予定ライン２１１の一端（図１３の(a)において左端）をレーザー光線照射手段５２の集光器５５２の直下に位置付ける。そして、集光器５５２から照射されるパルスレーザー光線の集光点Ｐを半導体ウエーハ２０の表面２１a（下面）付近にあわせる。次に、集光器５５２からパルスレーザー光線を照射しつつチャックテーブル３６を矢印Ｘ１で示す方向に所定の加工送り速度で移動せしめる（加工工程）。そして、図１３の(b)で示すように集光器５５２の照射位置が分割予定ライン２１１の他端（図１３の(b)において右端）に達したら、パルスレーザー光線の照射を停止するとともに、チャックテーブル３６の移動を停止する。この加工工程においては、上記高さ位置検出手段７によって集光器５５２から照射されるパルスレーザー光線の照射位置の高さ位置が検出され、その検出信号が随時制御手段１０に送られている。

以下、高さ位置検出手段７からの検出信号に基づいて、制御手段１０が対物集光レンズ５５２bによって集光されるレーザー光線の集光点位置Ｐを変更する制御手順について、図１５に示すフローチャートを参照して説明する。
制御手段１０は、先ずステップＳ１において高さ位置検出手段７からの検出信号に基づいて半導体ウエーハ２０の分割予定ライン２１１に沿った高さ位置の基準位置との変位ｈを演算する（ｈ＝Ｈ／sin α）。次に、制御手段１０はステップＳ２に進んで、上記図８に示す制御マップに基づいて上記ステップＳ１で求めた上記変位ｈに対応する第１のレンズ６１の集光点Ｑから第２のレンズ６２までの光路長d１を求める。そして、制御手段１０はステップＳ３に進んで、ステップＳ２で求めた上記変位ｈに対応する第１のレンズ６１の集光点Ｑから第２のレンズ６２までの光路長d１と第２のレンズ６２の焦点距離f１（図示の実施形態においては１２.７mm）との変位Δd１を演算する（Δd１＝f１−d１）。次に、制御手段１０はステップＳ４に進んで、上記図７に示す制御マップに基づいて上記ステップＳ３で求めた上記変位Δd１に対応する上記第1のミラー手段６３０と第2のミラー手段６４０の設置角度θを求める。

以上のようにして、高さ検出手段７からの検出信号に基づいて集光器５５２から照射されるパルスレーザー光線の照射位置の高さ位置に対応する第1の偏向ミラー手段６３０と一対の第2の偏向ミラー手段６４０の設置角度θを求めたならば、制御手段１０はステップＳ５に進んで、上記第1の偏向ミラー手段６３０の角度調整アクチュエータ６３３（ACT１）および第2の偏向ミラー手段６４０の角度調整アクチュエータ６４３（ACT２）を制御して、第1の偏向ミラー手段６３０の第1のミラー６３１と第2のミラー６３２および第2の偏向ミラー手段６４０の第1のミラー６４１と第2のミラー６４２の設置角度を上記ステップＳ４で求めた設置角度θに位置付ける。

従って、上記加工工程においては、図１３の(b)で示すように半導体ウエーハ２０の分割予定ライン２１１に沿った高さ位置が変化しても集光器５５２の位置は変わらないが、集光器５５２から照射されるパルスレーザー光線の集光点Ｐは半導体ウエーハ２０の表面２１aと所定の位置関係をもって位置付けられる。下面）付近に設定される。この結果、半導体ウエーハ２０の内部に形成される変質層２１０は、レーザー光線を照射する側と反対側の面（チャックテーブル３６上に保持される半導体ウエーハ２０の下面）に均一な位置に形成される。このように図示の実施形態におけるレーザー加工装置によれば、高さ位置検出手段６によってチャックテーブル３６に保持された半導体ウエーハ２０における集光器５５２から照射されるパルスレーザー光線の照射位置の高さ位置が随時検出され、その検出信号に基づいて制御手段１０が集光点変移手段６を構成する光路長変移手段６３を制御するので、半導体ウエーハ２０の厚さにバラツキがあっても所望位置に効率よくてレーザー加工を施すことができる。特に図示の実施形態においては、重量が軽い第1の偏向ミラー手段６３０の第1のミラー６３１と第2のミラー６３２および第2の偏向ミラー手段６４０の第３のミラー６４１と第４のミラー６４２の設置角度θを調整すればよいので、追随性がよいとともに振動が発生することもなく、加工精度に影響を与えることがない。

なお、上記加工工程における加工条件は、例えば次のように設定されている。
レーザー：ＹＶＯ４パルスレーザー
波長：１０６４ｎｍ
繰り返し周波数：１００ｋＨｚ
集光スポット径：φ１μｍ
加工送り速度：１００ｍｍ／秒

なお、半導体ウエーハ２０の厚さが厚い場合には、図１４に示すように集光点Ｐを段階的に変えて上述したレーザー光線照射工程を複数回実行することにより、複数の変質層２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃを形成することが望ましい。この変質層２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃの形成は、２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃの順番でレーザー光線の集光点を段階的に変位して行うことが好ましい。

以上のようにして、半導体ウエーハ２０の所定方向に延在する全ての分割予定ライン２１１に沿って上記加工工程を実行したならば、チャックテーブル３６を９０度回動せしめて、上記所定方向に対して直角に延びる各分割予定ラインに沿って上記加工工程を実行する。このようにして、半導体ウエーハ２０に形成された全ての分割予定ライン２１１に沿って上記加工工程を実行したならば、半導体ウエーハ２０を保持しているチャックテーブル３６は、最初に半導体ウエーハ２０を吸引保持した位置に戻され、ここで半導体ウエーハ２０の吸引保持を解除する。そして、半導体ウエーハ２０は、図示しない搬送手段によって分割工程に搬送される。

以上、本発明に従って構成されたレーザー加工装置を用いて半導体ウエーハ２０に形成された分割予定ライン２１１に沿って内部に変質層２１０を形成する加工例を説明したが、本発明によるレーザー加工装置を用いて被加工物の表面に溝を形成するレーザー加工を実施することにより、被加工物の正面に沿って所定深さの溝を形成することができる。この加工においては、被加工物の表面に溝が形成され表面状態が変化するので、高さ位置検出手段６による被加工物の高さ位置の検出は、加工点の２〜３ｍｍ前方の位置で実施する。なお、レーザー加工溝を形成する加工条件は例えば次のように設定される。
レーザー：ＹＶＯ４パルスレーザー
波長：３５５ｎｍ
繰り返し周波数：１００ｋＨｚ
集光スポット径：φ３μｍ
加工送り速度：６０ｍｍ／秒

次に、集光点変移手段６の第２の実施形態について、図１６を参照して説明する。なお、図１６に示す第２の実施形態においては、上記図４および図５に示した集光点変移手段６における各構成部材と同一部材には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
図１６に示す第２の実施形態における集光点変移手段６は、第１のレンズ６１aに凹レンズを用いたもので、その他の構成は上記図４および図５に示した集光点変移手段６と実質的に同一である。図１６に示す第２の実施形態における集光点変移手段６は、第１のレンズ６１aの集光点Ｑがパルスレーザー光線発振手段５４側となり、また、第２のレンズ６２の焦点f１が第１のレンズ６１aよりパルスレーザー光線発振手段５４側となる。このように構成された集光点変移手段６は、第１のレンズ６１aの集光点Ｑから第２のレンズ６２までの光路長d１と、第２のレンズ６２から対物集光レンズ５５２bまでの光路長d２と、対物集光レンズ５５２bによって集光されるレーザー光線の集光点位置Ｐまでの距離d３は図１６に示すとおりとなり、対物集光レンズ５５２bによって集光されるレーザー光線の集光点位置Ｐまでの距離d３は上記数式１によって求められる。

次に、集光点変移手段６の第３の実施形態について、図１７を参照して説明する。なお、図１７に示す第３の実施形態においては、上記図４および図５に示した集光点変移手段６における各構成部材と同一部材には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
図１７に示す第３の実施形態における集光点変移手段６は、パルスレーザー光線発振手段５４と光路長変移手段６３との間に配設されるレンズ６bに図４および図５に示した集光点変移手段６における第１のレンズ６１と第２のレンズ６２の機能を持たせるとともに、変更ミラー手段６３０bに図４および図５に示した集光点変移手段６における第1の偏向ミラー手段６３０と第２の偏向ミラー手段６４０の機能を持たせたものである。そして、パルスレーザー光線発振手段５４とレンズ６bとの間に例えばレーザー光線のＰ偏光を反射しＳ偏光のみを通過させる第１の偏向ビームスプリッタ６６を配設し、光路長変移手段６３を構成する偏向ミラー手段６３０bと第１の反射ミラー６５０との間にレーザー光線のＰ偏光を反射しＳ偏光のみを通過させる第の２偏向ビームスプリッタ６７を配設するとともに、第２の反射ミラー６５１と第の２偏向ビームスプリッタ６７との間にレーザー光線のＳ偏光をＰ偏光に変換する偏光板或いはファラデーローテータ等の偏向面回転子６８を配設している。

ここで、上記のように構成された集光点変移手段６におけるパルスレーザー光線発振手段５４から発振されたレーザー光線の光路について説明する。パルスレーザー光線発振手段５４から発振されたレーザー光線は、実線で示すように縦波のみが第１の偏向ビームスプリッタ６６を通過しレンズ６bを通して偏向ミラー手段６３０bの第１のミラー６３１bに至る。該第１のミラー６３１bに達したレーザー光線は、実線で示すように反射偏向し、更に第２のミラー６３２bで反射偏向して第の２偏向ビームスプリッタ６７を通って第１の反射ミラー６５０に達し、ここで反射偏向して第２の反射ミラー６５１に至る。該第２の反射ミラー６５１に達したレーザー光線は、破線で示すように偏向反射し、偏向面回転子６８を通過することにより縦波が横波に変換される。横波に変換されたレーザー光線は、第の２偏向ビームスプリッタ６７によって変更反射して、偏向ミラー手段６３０bの第２のミラー６３２bに達する。そして、該第２のミラー６３２bに達したレーザー光線は、破線で示すように反射偏向し、更に第１のミラー６３１bで反射偏向してレンズ６bを通過する。レンズ６bを通過したレーザー光線は、破線で示すように第１の偏向ビームスプリッタ６６によって反射偏向して対物集光レンズ５５２bに達する。対物集光レンズ５５２bに達したレーザー光線は、集光点位置Ｐに集光される。

図１７に示す集光点変移手段６においては、実線で示す光路におけるレンズ６bの集光点Ｑが第１の反射ミラー６５０と第２の反射ミラー６５１との間となる。このように構成された集光点変移手段６は、上述したようにレンズ６bが図４および図５に示した集光点変移手段６における第１のレンズ６１と第２のレンズ６２の機能有するとともに、変更ミラー手段６３０bが図４および図５に示した集光点変移手段６における第1の偏向ミラー手段６３０と第２の偏向ミラー手段６４０の機能有する。従って、図１７に示す集光点変移手段６においては、破線で示す光路における上記集光点Ｑからレンズ６bまでの光路長がd１、レンズ６bから対物集光レンズ５５２bまでの光路長がd２、対物集光レンズ５５２bによって集光されるレーザー光線の集光点位置Ｐまでの距離がd３となり、レンズ６bの焦点距離をｆ1とすると、対物集光レンズ５５２bによって集光されるレーザー光線の集光点位置Ｐまでの距離d３は上記数式１によって求められる。

本発明に従って構成されたレーザー加工装置の斜視図。図１に示すレーザー加工装置に装備されるレーザー光線加工手段の構成を簡略に示すブロック図。図２に示すレーザー光線加工手段から照射されるレーザー光線の集光スポット径を説明するための簡略図。図１に示すレーザー加工装置に装備される集光点変移手段の第１の実施形態を示す概略構成図。図４に示す集光点変移手段を構成する第1のミラー手段および第2のミラー手段を示す斜視図。図５に示す第1のミラー手段を通過するレーザー光線の光路長を示す説明図。図５に示す第1のミラー手段と第2のミラー手段の設置角度の変化に対する集光器の対物集光レンズから集光点位置までの変位を示す制御マップ。レーザー光線の光路長の変位に対する集光器の対物集光レンズから集光点位置までの変位を示す制御マップ。図１に示すレーザー加工装置に装備される加工ヘッドおよび高さ位置検出手段を示す斜視図。図９に示す高さ位置検出手段を構成する発光手段と受光手段およびレーザー光線照射手段の集光器との位置関係を示す説明図。図９に示す高さ検出手段の検出状態を示す説明図。板状の被加工物としての半導体ウエーハの斜視図。図１に示すレーザー加工装置によって被加工物を加工する加工工程を示す説明図。被加工物の厚さが厚い場合の加工工程を示す説明図。図１に示すレーザー加工装置に装備される制御手段の制御処理手順を示すフローチャート。図１に示すレーザー加工装置に装備される集光点変移手段の第２の実施形態を示す概略構成図。図１に示すレーザー加工装置に装備される集光点変移手段の第３の実施形態を示す概略構成図。

符号の説明

２：静止基台
３：チャックテーブル機構
３１：案内レール
３６：チャックテーブル
４：レーザー光線照射ユニット支持機構
４１：案内レール
４２：可動支持基台
５：レーザー光線照射ユニット
５１：ユニットホルダ
５２：レーザー光線加工手段（加工手段）
５５：加工ヘッド
５５１：偏向ミラー手段
５５２：集光器
６：集光点変移手段
６１：第１のレンズ
６２：第２のレンズ
６３：光路長変移手段
６３０：第１の偏向ミラー手段
６３１：第１のミラー
６３２：第２のミラー
６４０：第２の偏向ミラー手段
６４１：第３のミラー
６４２：第４のミラー
７：高さ位置検出手段
７２：発光手段
７３：受光手段
８：アライメント手段
１０：制御手段
２０：半導体ウエーハ
２１：半導体基板
２１０：変質層
２１１：分割予定ライン（加工予定ライン）
２１２：回路

Claims

被加工物を保持するチャックテーブルと、レーザー光線発振手段と該レーザー光線発振手段によって発振されたレーザー光線を集光して該チャックテーブルに保持された被加工物に照射するための対物レンズを備えた集光器とを有するレーザー光線照射手段と、該チャックテーブルと該レーザー光線照射手段とを加工送り方向に相対移動せしめる加工送り手段と、を具備するレーザー加工装置において、
該レーザー光線発振手段と該対物レンズとの間に該対物レンズが集光するレーザー光線の集光点位置を変移させる集光点変移手段が配設されており、
該集光点変移手段は、該レーザー光線発振手段によって発振されたレーザー光線を透過する第１のレンズと、該第１のレンズを透過したレーザー光線を透過する第２のレンズと、該第１のレンズと該第２のレンズとの間の光路長を変移せしめる光路長変移手段とを備えている、
ことを特徴とするレーザー加工装置。
該光路長変移手段は、該第１のレンズを透過したレーザー光線を反射偏向する第１のミラーと、該第１のミラーで反射したレーザー光線を反射偏向する第２のミラーと、該第１のミラーと該第２のミラーの設置角度を調整する角度調整アクチュエータとからなる第１の偏向ミラー手段と、
該第１のミラー手段の該第２のミラーで反射したレーザー光線を反射偏向する第３のミラーと、該第３のミラーで反射したレーザー光線を反射偏向する第４のミラーと、該第３のミラーと該第４のミラーの設置角度を調整する角度調整アクチュエータとからなる第２の偏向ミラー手段と、によって構成されている、請求項１記載のレーザー加工装置。
該第１の偏向ミラー手段の該第１のミラーと該第２のミラーは所定の間隔をもって互いに平行に配設され、該第２の偏向ミラー手段の該第３のミラーと該第４のミラーは所定の間隔をもって互いに平行に配設されている、請求項２記載のレーザー加工装置。
該チャックテーブルに保持された被加工物の上面における該集光器から照射されるレーザー光線の照射領域の高さ位置を検出する高さ位置検出手段と、該高さ位置検出手段によって検出された高さ位置信号に基づいて該角度調整アクチュエータを制御する制御手段と、を具備している、請求項２又は３記載のレーザー加工装置。