JP5025530B2

JP5025530B2 - レーザーマーキング方法、レーザーマーキング装置

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Publication number: JP5025530B2
Application number: JP2008057512A
Authority: JP
Inventors: 秀和宮入; 康行荒井
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2008-03-07
Filing date: 2008-03-07
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2022-09-05
Also published as: JP2008229722A

Description

本発明は、レーザーマーキング装置に関し、特に半導体装置の製造工程におけるガラス基板へのマーキングに用いるレーザーマーキング装置に関する。

半導体装置の製造工程において、製造ラインを流れる基板を管理するために、レーザーを用いて基板に直接文字や数字を刻印することが行われている。

従来のレーザーマーキング装置の一例は、ＣＯ₂ガスレーザー発振器を用い、ポリゴンミラーによりレーザービームを振らせてガラス基板の所定の領域に照射することで、文字や記号などのマーキングを行っている。そして、マーキングを施す領域にはクラックの防止及び冷却を目的としてＮ₂ガスを吹き付けるガスノズルが設けられている場合もある（例えば、特許文献１参照。）。

特開平１１−５１８１（第３−４頁、第１図）

この種のレーザーマーキング装置の問題点は、ガラス基板の表面にアブレーションによる凹部を多数形成する過程で、副次的に発生する微細なパーティクル又は塵の類がその表面を汚染してしまうことである。

本発明者は、レーザーマーキングの過程で発生した０．１〜１μm程度の微小なパーティクルが、ガラス基板の主表面に付着すると通常の表面洗浄では除去が困難になり、その表面上に１μm以下の薄い半導体膜を形成すると微小な凸部が形成され、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の特性が素子間でばらついてしまうことを見いだした。また、当該半導体膜に対し、レーザーアニールの如き熱加工を行うと、その部分の半導体膜がはじけ飛んでしまい、０．２〜２μm程度の微小な空孔が形成されてしまうことを発見した。これが原因となってＴＦＴの特性が素子間でばらつき、さらに上述のような凸部や空孔のような異常形状は、ＴＦＴにとってその部分で電界が集中して発熱を引き起こし、特性異常や信頼性を低下させる原因となっていた。

勿論、ガラス基板の裏面側（半導体膜など被膜を形成する主表面とは反対側の面）にマーキングすることも考えられるが、アブレーションによりマーキング部が凹凸化するので、半導体装置の製造工程において、平板面にガラス基板を載置する場合に当該平板表面と基板の主表面とが平行にならず支障が生じるといった問題が発生する。例えば、露光装置の載置台に基板を固定しようとすると、ガラス基板が反ってしまい、正確なパターンを露光できないといった不具合が生じてしまう。

本発明は、上記問題点を鑑み成されたものであり、可及的に安価でかつ良好なマーキングをすることができるレーザーマーキング装置を提供することを目的とする。

本発明のレーザーマーキング装置は、パルス状のレーザービームを出力するレーザー発振器と、該パルス状のレーザービームを偏向させて被加工物に照射する偏向手段と、被加工物を載置して一軸方向又は互いに直交する二軸方向に移動可能な載置台を有し、該パルス状のレーザービームを被加工物の照射するときに、レーザービームが照射される被加工物の表面の雰囲気を制御する局所シールド手段を備えているものである。

局所シールド手段は、当該パルス状のレーザービームを透過する窓が設けられ、上面にパルス状のレーザービームを受け、レーザービームが照射される被加工物の表面の雰囲気気体を強制的に排出する排気口が内側の側面上部に設けられている。

また、他の構成として、局所シールド手段は、当該パルス状のレーザービームを透過する窓が設けられ、上面にパルス状のレーザービームを受け、外周部から窒素又は不活性気体を噴出する開口部が設けられ、レーザービームが照射される被加工物の表面に充満する気体を強制的に排出する排気口が内側の側面上部に設けられている。

上記本発明の構成において、局所シールド手段の内側に排気口を設け、局所シールド手段の気体を強制的に排出させることにより、外周部から排気口が設けられた内側の側面上部に向けての気流ができ、レーザーマーキングにより発生した０．１〜１μm程度の微小なパーティクルが被加工物の周辺に飛散してその主表面に付着するのを防ぐことができる。

なお、簡便な手段としては、当該パルス状のレーザービームの波長に対して透明な物質で局所シールドを形成し、加工領域を覆っても良い。

本発明のレーザーマーキング装置は、パルス状のレーザービームを出力するレーザー発振器と、該パルス状のレーザービームを偏向させて基板に照射する偏向手段と、基板を載置して一軸方向又は互いに直交する二軸方向に移動可能な載置台を有し、パルス状のレーザービームを照射するときに、基板表面に保護膜を形成する塗布手段を具備するものである。

保護膜はレーザーマーキング時に一時的に形成すれば良く、被膜を固着させる必要は必ずしも無い。液体状の保護膜として、水やアルコールなどの液体を基板表面に薄く塗布して保護膜としても良い。この場合、保護膜は該当溶液をスピン塗布、霧状に散布して形成しても良い。保護膜は、レーザーマーキング時に微小なパーティクルが飛散するのを防ぐ効果があり、仮に０．１〜１μm程度の微小なパーティクルが飛散したとしても、基板の主表面に付着するのを防ぐことができる。その後、液体状の保護膜はレーザーマーキング後に乾燥させれば容易に除去することができる。

以上、説明したように、レーザーマーキング装置に局所シールド手段を設け、局所シールド手段の気体を強制的に排出させることにより、外周部から排気口が設けられた内側の側面上部に向けての気流ができ、レーザーマーキングにより発生した０．１〜１μm程度の微小なパーティクルが被加工物の周辺に飛散してその主表面に付着するのを防ぐことができる。

また、他の形態として、レーザーマーキング装置に塗布手段を設け、基板の表面に液体状の保護膜として、水やアルコールなどの液体を基板表面に薄く塗布して保護膜を形成することにより、レーザーマーキング時に微小なパーティクルが飛散するのを防ぎ、仮に０．１〜１μm程度の微小なパーティクルが飛散したとしても、基板の主表面に付着するのを防ぐことができる。

本発明は、レーザーマーキングをするガラス基板の表面に、マーキング時に飛散するパーティクルの付着を防止して、ガラス基板の表面を清浄に保つという効果を有する。勿論、本発明はガラス基板に限定されず、石英基板や半導体基板、プラスチック基板などにも適用することができる。

本発明のレーザーマーキング装置の態様について、図面を参照して説明する。
但し、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は本実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。

（実施の形態１）
本実施の形態のレーザーマーキング装置は、マーキング時に飛散する微粒子を基板表面に付着させないために、局所シールド手段を設ける構成である。図１において示すレーザーマーキング装置は、レーザー発振器１０、ビーム整形光学系１１、偏向手段１２、集光光学系１３、局所シールド手段１４、載置台１５を具備している。載置台１５は制御手段２０により、レーザー発振器１０と連動して一軸方向又は二軸方向に動作し、載置台１５上のガラス基板２１の任意の位置に所望のマーキングを行うことができる。

筒状の局所シールド手段１４に対して、ガス供給手段１６は窒素又は希ガスなどの不活性気体を供給する。不活性気体は局所シールド手段１４の下部であって、ガラス基板２１に面し、その外周部に設けられた開口部１７から噴出することで、レーザービームの照射部周辺の雰囲気を置換し、大気からシールドしている。局所シールド手段１４の内側に設けた排気口１８は排気手段１９により開口部１７から噴出し内側に充満する不活性気体を強制的に排出させる。

図２は局所シールド手段１４の詳細を示す図である。レーザービームは集光レンズ１３を通ってガラス基板２１に照射されるが、概略その照射位置を中心として同軸状に局所シールド手段１４が位置している。局所シールド手段１４がガラス基板２１と密接することを妨げないが、好ましくは１〜１０mm程度の空隙をもって配置させると良い。不活性気体を噴出する開口部１７は局所シールド手段１４の内筒側に気流が生じるように開口面が内向きとなっていると良い。開口部１７から噴出し内側に充満する不活性気体を強制的に排出させる。この場合、外周部から排気口が設けられた内側の側面上部に向けての気流ができ、レーザーマーキングにより発生した０．１〜１μm程度の微小なパーティクルが気流により排出され、局所シールド手段１４の周辺部に飛散してガラス基板２１を汚染するのを防いでいる。また、不活性気体はマーキング加工している間、ガラス基板を冷却する作用もあり、ひび割れなどを防止する効果もある。

レーザーマーキング加工は、パルス状のレーザービームを用いてドット式の描画により文字、数字、記号などを刻印する。この場合、ＣＯ₂レーザー（波長１０．６μm）、ＣＯレーザー（波長５．５μm）などをレーザー発振器として用い、偏向手段１２にポリゴンミラーを入れて組み合わせても良い。

レーザーマーキングをするガラス基板は、液晶パネル用途のものに代表されるようにアルミノシリケートガラスやバリウムホウケイ酸ガラスなど市販の無アルカリガラスであり、被膜を形成する前の素ガラスの状態である。本実施の形態のレーザーマーキング装置を適用すれば、酸化シリコン膜やアモルファスシリコン膜など数百ナノメートルの薄膜を形成したガラス基板であっても、飛散物が周囲に拡散しないので清浄な状態を保ってレーザーマーキングが可能である。

（実施の形態２）
マーキング時に飛散する微粒子を基板表面に付着させないための簡便な局所シールド手段としては、当該パルス状のレーザービームの波長に対して透明な物質でおおいを形成して加工領域を覆っても良い。

図３はその態様を説明する図であり、集光レンズ１３とガラス基板２１の間に、ガラス基板２１のマーキング部を覆うようにして局所シールド手段２２を設ける。局所シールド手段２２はマーキングに使うレーザー光に対して透明な物質であれば良く、合成石英、バリウムホウケイ酸ガラスやアルミノシリケートガラスなどのガラスを適用する。レーザー光の波長が１〜１０μmの場合にはＺｎＳｅを用いる場合もある。

（実施の形態３）
本実施の形態で示すレーザーマーキング装置は、マーキング時に飛散する微粒子を基板表面に付着させないために、基板表面に保護膜を形成する塗布手段を具備するものである。図４において示すレーザーマーキング装置は、レーザー発振器１０、ビーム整形光学系１１、ミラー１２、集光光学系１３、塗布手段５０、ガラス基板２１をチャックして回転する載置台５２、回転速度センサー５３を具備している。この載置台５２は制御手段２０により、レーザー発振器１０と連動して動作し、載置台５２に固定されるガラス基板２１の任意の位置にマーキングを行うことを可能とする。

保護膜を形成する塗布手段５０は、ガラス基板２１を回転させながら、その表面に水（純水）やアルコールなどの液体を供給する。それにより、ガラス基板２１の表面に液膜５５を形成してこの状態でマーキングを行う。液膜５５はガラス基板の全面に形成されるので、仮に０．１〜１μm程度の微小なパーティクルが飛散したとしても、基板の主表面に付着するのを防ぐことができる。マーキング後は、液膜５５は不要となるので、載置台５２を回転させたままスピン乾燥させる。従って、塗布手段２１から供給する液体は、アルコールなど比較的揮発性に高いものが良い。マーキング時の発生する微小なパーティクルは溶液中に包含され、溶液と共に遠心力でガラス基板外へ放出されるので、ガラス基板の表面に再付着することはない。仮に０．１〜１μm程度の微小なパーティクルが気相中に飛散したとしても、基板の主表面に付着するのを防ぐことができる。

ガラス基板２１を回転させながらマーキングを行うので、回転速度センサー５３は基板の回転速度と載置台５２に取り付けられたマーカー５４の位置を光学的に検知して、制御手段２０によりレーザー発振器１０と連動させて、所定のタイミングでレーザーパルスを発振させる。また、載置台５２は一軸方向又は互いに直交する二軸方向に移動可能とし、その動きもガラス基板の回転と連動させる。

レーザーマーキング加工は、パルス状のレーザービームを用いてドット式の描画により文字、数字、記号などを刻印する。この場合、ＣＯ₂レーザー（波長１０．６μm）、ＣＯレーザー（波長５．５μm）などをレーザー発振器として用い、ビーム整形光学系１１にポリゴンミラーを入れて組み合わせても良い。

レーザーマーキングをするガラス基板は、液晶パネル用途のものに代表されるようにアルミノシリケートガラスやバリウムホウケイ酸ガラスなど市販の無アルカリガラスであり、被膜を形成する前の素ガラスの状態である。本実施の形態のレーザーマーキング装置を用いれば、飛散物が周囲に拡散しないので清浄な状態を保ってレーザーマーキングが可能である。また、塗布手段５０に複数の薬液を供給可能な系を設ければ、スピン洗浄の機能を付加することもできる。

（実施の形態４）
実施の形態３において、ガラス基板をチャックして回転する載置台の代わりに、図５で示すような基板２１を傾斜させて保持する載置台６０を設けても良い。

傾斜したガラス基板２１の上部より、塗布手段５０でガラス基板２１の表面に水（純水）やアルコールなどの液体を供給する。これは霧状に供給してもよい。
結局液体は傾斜させて保持した基板の上端部から下方に流れ、液膜５５を形成する。集光光学系１３はガラス基板２１の法線方向に配置させ、レーザービームを照射する。レーザーマーキング加工は、パルス状のレーザービームを用いてドット式の描画により文字、数字、記号などを刻印する。この場合、ＣＯ₂レーザー（波長１０．６μm）、ＣＯレーザー（波長５．５μm）などをレーザー発振器として用い、ビーム整形光学系１１にポリゴンミラーを入れて組み合わせても良い。

このような形態としても実施の形態３と同様な効果を得ることができる。本実施の形態の場合、回転機構が不要となる分、レーザーマーキング装置の構成を簡略化することができる。

実施の形態１で示すレーザーマーキング装置の構成を説明する図。本発明のレーザーマーキング装置における局所シールド手段の構成を説明する図。実施の形態２で示すレーザーマーキング装置の構成を説明する図。実施の形態３で示すレーザーマーキング装置の構成を説明する図。実施の形態４で示すレーザーマーキング装置の構成を説明する図。

符号の説明

１０レーザー発振器
１１ビーム整形光学系
１２偏向手段
１３集光光学系
１４局所シールド手段
１５載置台
２０制御手段
２１ガラス基板
５０塗布手段
５２ガラス基板をチャックして回転する載置台
５３回転速度センサー

Claims

パルス状のレーザービームの照射手段と、
基板を載置する載置台と、
前記載置台の端に取り付けられた目印と、
回転速度センサーと、を有し、
前記レーザービームの照射時に前記基板の表面に液膜を形成する塗布手段が設けられており、
前記レーザービームの照射手段と連動して前記載置台を回転させる制御手段が設けられており、
前記回転速度センサーを用いて光学的な検知を行うことにより前記基板の回転速度と前記目印の位置とを検知し、
前記制御手段により、前記回転速度センサーと前記レーザービームの照射手段とを連動して所定のタイミングで前記レーザービームを照射することを特徴とするレーザーマーキング装置。
請求項１において、
前記液膜は、水又はアルコールであることを特徴とするレーザーマーキング装置。
請求項１又は請求項２において、
前記制御手段により、前記載置台の移動と前記基板の回転とを連動させることを特徴とするレーザーマーキング装置。
目印が取り付けられた載置台に載置された基板の表面に液体を塗布するとともに前記基板を回転させながら、前記基板にパルス状のレーザービームを照射し、
前記レーザービームの照射は、回転速度センサーを用いて光学的な検知を行うことにより前記基板の回転速度と前記目印の位置とを検知しながら行い、
前記目印は前記載置台の端に取り付けられており、
前記回転速度センサーによる前記検知と連動して所定のタイミングで前記レーザービームを照射することを特徴とするレーザーマーキング方法。
請求項４において、
前記レーザービームの照射後に、前記基板を回転させることにより前記液体を乾燥させて除去することを特徴とするレーザーマーキング方法。
請求項４又は請求項５において、
前記液体は、水又はアルコールであることを特徴とするレーザーマーキング方法。
請求項４乃至請求項６のいずれか一項において、
前記載置台の移動と前記基板の回転とを連動させながら前記レーザービームを照射することを特徴とするレーザーマーキング方法。