JP5805224B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、シリコンウェハの切断等に用いられるレーザ加工装置に関するものである。

パルスレーザ光源を用いたレーザ加工において発生する加工分解物（デブリス）は、加工点近傍の表面を汚染し、製品品質を劣化させてしまう。そのため、加工時にデブリスを除去することが望まれている。

デブリスに対する方策は、様々に提案されている。例えば、レーザ加工の光軸と同軸にガス噴出口を持つノズルを、加工点を覆い囲むように構成してデブリスを除去回収するものが知られている。また、レーザ加工点とは異なる位置にガス吹き付けノズルを配置し、ガス流で形成される最大圧力勾配の方向にレーザ加工点の移動方向をあわせた方式もある。

さらに、特許文献１に開示されたものは、レーザ加工の光軸を加工対象物に対して斜めに配置して、加工表面に沿った流れを与えると同時に、飛散してきた分解物を除去するために光軸を横切る筒を設け、その筒の中にエアー流れを形成させる。同時に、筒の開口部からデブリスがさらに飛散しないようにエアーを噴きつける。

特許文献２に開示された構成では、加工対象物の表面近傍に噴出、吸引ノズルを配置して、表面に沿った流れを形成すると同時に、噴出側から加工点近傍に高圧ガスを噴出し、加工点から発生するデブリスを除去する。同時に高圧ガスを噴きつけ、そこから飛散したデブリスが高圧部を避けて、流れる低圧ガスのエアーカーテンで運ばれて吸引ノズルに除去回収される。特に、ｆθレンズを使用して加工する装置において、加工点全体を高圧ガスで吹き飛ばすように配置されている。

特開２００５−２１９１０８号公報 特開２００５−３０５５３７号公報

しかしながら、シリコンウェハのレーザ切断加工では、加工自体が製造工程の最終に近く、加工点近傍には半導体素子が構築されている。切断方向は２方向存在し、格子状となっており、レーザ加工点と半導体素子との間隔は短ければ短いほどよく、通常１ｍｍ以下のことが多い。

このような半導体素子には様々な素子が形成されており、デブリスなどの汚染物質が付着することはあってはならない。従来は、ダイシングソーという回転砥石を用いて研磨材を流しながら回転切断加工している。この方式では切断後に必ず洗浄工程が必要となっていた。しかしこのような方式では、液状研磨材の管理あるいは洗浄工程での洗浄剤の管理が難しく、同時に付加的な工程の維持費用が膨大となり、問題となっていた
前述のように、レーザ光と同軸にガス噴出口を有する従来の構成では、デブリスの飛散方向は不安定であり、噴出したガスが加工表面とぶつかったところでは、流速が非常に低いよどみ状態が形成される。このよどみ状態は圧力は高いが流速が低い状態をさす。一方、レーザ加工を行うと、加工プロセスで発生する衝撃波によって形成される高圧力衝撃波面が伝播し、その内側でデブリスが再結合して表面に向かう力を受けて表面に至る。このよどみ点圧力に対して衝撃波面の圧力は大幅に大きく、同軸方向に噴出しただけではデブリス飛散を押さえ込むことは不可能である。

また、ガス流で形成される圧力勾配の最大となる位置にレーザ加工点を配置し、加工点の送り方向と圧力勾配の方向を一致させる構成では、衝撃波面を伴う場合は、ガス流の圧力よりまさってしまう。また、圧力勾配が大きいとは必ずしもその流体が持つ速度が大きいことに対応しておらず、速度差が大きいことである。デブリスを除去するにはその加工位置での速度が問題であり、衝撃波面を伴う現象にそのまま適用することは難しい。

特許文献１に開示されたものは、主としてレーザ加工における光学素子の保護として流体を使用している。したがって、加工点より離れた光学素子近傍に構成物を設置することでデブリス除去を行っているが、加工点近傍では噴出ノズルと吸引ノズルを配置して流体の流れを形成して除去するのみである。これでは、前述のように衝撃波面を有した加工に対して完全にデブリスを回収することは難しく、表面の汚染が加工位置からずれて発生してしまう。

特許文献２に開示されたものも同様に、衝撃波面を有する加工で生じる圧力が高く、デブリス発生は阻止されない。特に、低圧ガスでの回収では、強い衝撃波を伴う加工においてデブリス飛散を防ぐことは難しい。

本発明は、デブリス発生を抑制し、加工対象物の表面の汚染を回避できるレーザ加工装置を提供することを目的とするものである。

本発明のレーザ加工装置は、加工対象物をレーザ光によって加工するレーザ加工装置において、加工対象物を前記レーザ光に対して移動させるステージと、前記レーザ光の加工点に向かってガスを噴出し、加工対象物の表面に沿って前記ステージの移動方向に延在するガス流動路を形成するための、第１のガスポート及び第２のガスポートを有する第１のガスポート対と、前記第１のガスポート対の上層側で、前記ステージの移動方向に延在するガス流動路を形成するための、第３のガスポート及び第４のガスポートを有し、前記第３のガスポート及び前記第４のガスポートのうちの少なくとも一方が、前記ステージの移動方向上流側に前記ガスを吸引するように構成された第２のガスポート対と、前記レーザ光の加工点より前記ステージの移動方向上流側にずれた位置に前記ガスの高圧部が形成されるように、前記第１のガスポートまたは前記第２のガスポートから噴出されるガスの圧力を制御する手段、または、前記第３のガスポートまたは前記第４のガスポートから吸引されるガスの圧力を制御する手段と、を有することを特徴とする。

レーザ加工点付近の空間部に加工対象物の表面に沿った高速な流れを形成し、流れによって流されるデブリスとよどみ点圧力を利用して吸引側のガスポートに高圧ガス流を用いて強制的に誘導する。同時に、空間部の上部を低圧にすることで衝撃波伝播速度を上げ、時間的に遅れて発生するデブリスに対して流れが有効に作用するように構成する。

このようなデブリス回収機構をレーザ加工装置に付加することで、ウェット洗浄工程等を排除することが可能となり、完全にドライなレーザ加工システムを実現できる。

一実施形態によるレーザ加工装置を示す模式図である。 図１の装置の回収ユニットのみを示すもので、（ａ）はその断面図、（ｂ）は（ａ）の主要部を拡大して示す部分拡大断面図である。

図１に示すレーザ加工装置は、加工対象物をレーザ光に対して相対的に移動させるステージであるＸＹステージ１、Ｚ軸の回りに回転する回転ステージ２、レーザ加工によって生じる加工分解物（デブリス）を回収除去する回収ユニット３等を備える。回転ステージ上に支持される加工対象物は、シリコンウェハであり、集光レンズ４によって集光されるレーザ光により切断加工される。

さらに、回収ユニット３から噴出されるガスの温度を調整するヒータ５、回収ユニット３からガスを噴出させるためのファンモータ６、ガス内のゴミを除去するフィルター７等を有する。また、回収ユニット３から噴出されるガスの流量と圧力を調整する調整弁８、９、吸引ガスのゴミを除去するフィルター１０、１１、温調ヒータ１２、１３、吸引と噴出を切り替える２方向電磁弁１４、１５が設けられている。また、ファン１６、吸引ポンプ１７、ゴミフィルター１８、全体を制御する制御ユニット１９等が設けられる。電磁弁１４、１５は圧力調整機能も有するものを使用している。そのため、制御ユニット１９の指令によって、吸引、噴出の切り替えとその圧力調整が可能となっている。

ＸＹステージ１は、制御ユニット１９の指令に従ってＸＹ方向に移動する。レーザ光は集光レンズ４によって回転ステージ２の上に配置された加工対象物の表面に集光される。その状態でＸＹステージ１が直交方向に移動することで、格子状にレーザ加工が行われる。回転ステージ２は、ＸＹステージ１が加工範囲の端部に達したとき必要に応じて９０°回転するものである。当然、それ以外の角度も設定することが可能であるので、この装置では格子状以外の形にレーザ加工を行うことも可能となっている。

回収ユニット３は、それぞれガス流動路を形成するための４つのガスポート２１〜２４を備える。第１のガスポート対を構成するガスポート２１、２２は、加工対象物の表面に沿ってＸＹステージ１の移動方向に延在する一対のガス流動路を形成する。第２のガスポート対を構成するガスポート２３、２４は、ガスポート２１、２２より上層側で、ＸＹステージ１の移動方向に延在する一対のガス流動路を形成する。ガスポート２３、２４は、それぞれ□１ｍｍの大きさの断面を持ち、少なくとも一方のガスポート２４は、ＸＹステージ１の移動方向上流側（進行方向）にガスを吸引する。他方のガスポート２３は加工点に向かってガスを噴出する。ガスポート２１、２２は噴出のみであるが、ガスポート２３、２４は噴出と吸引を切り替えることが可能である。

回収ユニット３は、加工対象物の表面に対して１ｍｍ程度の距離で近接させるものであるため、ガスポート２１、２２の高さはこの１ｍｍ程度となる。レーザ光を通過させる光学ウィンドウ２５の表面は、ガスポート２３、２４によって形成されるガス流動路における流れの抵抗にならないように配置されている。上下のガスポート対は部材によって遮断していて、レーザが照射される部分が開口としてあいている。この開口部の端面形状について、Ｒ形状にしたり、テーパをつけてもよい。

レーザ加工が始まると、図２（ａ）に示すように、ガスポート２１〜２４から設定に応じたガスの噴出と吸引がなされる。ガスポート２１、２２は加工点に向かってガスを噴出する。噴出されるガスは、フィルター７からファン６によって取り込み、ヒータ５を通して温度を設定し、調整弁８、９を用いてガスポート２１、２２の圧力を制御する。なお、ヒータ５を調整弁８、９の出力側に配置してもかまわない。ヒータ５は、制御ユニット１９によって管理されている。部品端部領域では回収ユニット３でデブリスを回収するのではなく直接外に押し出すようにガスポート２１〜２４の圧力を設定する。たとえば、ガスポート２４方向に部品を加工する場合、加工で発生するデブリスはガスポート２３方向に押し出す。そのため、圧力設定はガスポート２３を吸引あるいは止めて、残りガスポート２１、２２、２４を噴出とする。この際、ガスポート２１、２２はガスポート２４より圧力を高めにすることで、ガスポート２４からの噴出がガスポート２１、２２へ流れないようにする。加工が進行し、部品端面が開口部よりガスポート２３側にかかった段階で、ガスポート２３を噴出させ、ガスポート２１、２２を吸引あるいは噴出に切り替える。

調整弁８、９によりガス圧力は以下のように制御される。レーザ加工においては、ＸＹステージ１の進行方向の反対側にデブリスが出てくるのが一般的であるため、デブリスを有効に除去するためには、飛散するデブリスが吸引ポートに確実に入るように構成することが必要である。

ガスポート２１、２２から噴出されるガス圧力は同一であるが、ガスポート２３、２４のうちの、ＸＹステージ１の進行方向のガスポート２４は吸引で、反対側のガスポート２３は噴出あるいは吸引となっている。ガスポート２３を吸引とする場合は、ガスポート２４の圧力を低くする。

このようにガスポート２３、２４の圧力設定を非対称にすることで、図２（ｂ）に示すように、ガスポート２１、２２によって形成される高圧部は各ガスポート対の中心からＸＹステージ１の移動方向にずれた位置に移動する。すなわち、ガスポート２４側へとシフトする。

また、同様なことはガスポート２１、２２の圧力を非対称にすることでも実現できる。例えば、吸引側がガスポート２４である場合、ガスポート２１の圧力をガスポート２２より高くする。

高圧部をＸＹステージ１の進行方向にシフトさせると、進行方向と反対側では非常に高速な流れ場が形成され、特に、表面に沿った方向に強くなる。衝撃波を伴うパルスレーザ加工であれば、衝撃波の圧力はこのようなガスでは防ぐことができないほどの圧力であるため、発生した衝撃波はこの高速な流れ場を越えて上部へと伝播する。流れ場以外の領域では比較的低圧であり、この領域に衝撃波が到達すると伝播速度は上昇し、急速に消滅する。一方、デブリスはこの衝撃波発生より時間的に遅れて発生し、この段階では衝撃波の保護は利かず、流れ場の影響を受けてしまい、この高速な流れに沿って飛散することになる。つまり、レーザ加工により発生するデブリスは、この流れ場にしたがって伝播して、先に述べた高圧部を避けるように上層側のガスポート２４に至る。その結果、デブリスはこの流れによって回収される。

このような高速な流れ場によりデブリスを流すと、同時に熱を奪うことも予想されるため、ヒータ１２、１３、５の設定を変えることで安定化させる。これは、温度変化が光吸収係数に大きく寄与する物質を加工する場合に有効である。使用するガスについては通常は空気を用いる。しかし、デブリスを流れ場に乗せるためには分子量の軽いガスが望ましい。一方で、分子量の少ないガスのみで加工を行うとガスコストがかかり問題となる。したがって、空気に若干分子量の軽いガス（アルゴン、ヘリウムなど）を添加する方式を用いている。また、デブリスを除去する手段としては対象物質と反応してガス化できる反応性ガスを添加する方式もある。分子量の軽いガスを用いると同じように、反応性ガスを添加して流す方式を用いることもある。この場合、ガスポート、電磁弁などの流路内部に配置される物品を構成する物質とは反応しないものを選択する必要がある。それらの通常使用するガスを添加してもヒータにて加熱して、流れによる熱除去を補うことも必要である。

次に、ガスポート２３、２４について詳しく説明する。ガスポート２３、２４には、フィルター１０、１１、ヒータ１２、１３と２方向電磁弁１４、１５がそれぞれ接続され、２方向電磁弁１４、１５を制御ユニット１９の指令に基づいて制御し、同時に吸引圧力設定も行っている。吸引では先に述べた高圧部がＸＹステージ１の進行方向にシフトするように構成される。ガスポート２４に吸引されたガスはフィルター１１をとおり、ヒータ１３に至る。排出するガスであるので、温度管理は不必要であるが、閉じた空間で配置された場合はその空間の温度変化を引き起こすものとなるため、排出部においても温度管理は必要となる。その後、２方向電磁弁１５を介してして圧力調整され、ポンプ１７によって排出される。同様に、ガスポート２３が吸引側であれば、吸引されたガスはフィルター１０をとおりヒータ１２に至り、２方向電磁弁１４を介してポンプ１７によって排出される。

ガスポート２３からガスを噴出する場合は、フィルター１８をとおりファン１６を介して２方向電磁弁１４に至る。ガス吸引の場合と同様に、２方向電磁弁１４で圧力調整も行っている。その後、ガスはヒータ１２を経由して温度設定され、フィルター１０を通してガスポート２３から噴出される。

このように、ガスポート２３が噴出の場合は、回収ユニット３の中に配置された光学ウィンドウ２５の汚れを軽減するためのエアーカーテンを形成する。

また、ＸＹステージ１の移動によって加工位置が変化した場合は、制御ユニット１９よりＸＹステージ１の位置情報から指令を与えて、ガスポート２１〜２４の構成を変化させる。また、そのときは回転ステージ２の情報も考慮し、ＸＹステージ１の進行方向に高圧部が形成できるようにガスポート２１〜２４の設定を変化させる。

１ ＸＹステージ
２ 回転ステージ
３ 回収ユニット
４ 集光レンズ
１４、１５ ２方向電磁弁
２１〜２４ ガスポート

Claims (5)

1. 加工対象物をレーザ光によって加工するレーザ加工装置において、
   加工対象物を前記レーザ光に対して移動させるステージと、
   前記レーザ光の加工点に向かってガスを噴出し、加工対象物の表面に沿って前記ステージの移動方向に延在するガス流動路を形成するための、第１のガスポート及び第２のガスポートを有する第１のガスポート対と、
   前記第１のガスポート対の上層側で、前記ステージの移動方向に延在するガス流動路を形成するための、第３のガスポート及び第４のガスポートを有し、前記第３のガスポート及び前記第４のガスポートのうちの少なくとも一方が、前記ステージの移動方向上流側に前記ガスを吸引するように構成された第２のガスポート対と、
   前記レーザ光の加工点より前記ステージの移動方向上流側にずれた位置に前記ガスの高圧部が形成されるように、前記第１のガスポートまたは前記第２のガスポートから噴出されるガスの圧力を制御する手段、または、前記第３のガスポートまたは前記第４のガスポートから吸引されるガスの圧力を制御する手段と、
   を有することを特徴とするレーザ加工装置。
2. 請求項１に記載されたレーザ加工装置において、
   前記第３のガスポート及び前記第４のガスポートのうちの他方は、ガスを噴出するように構成されていることを特徴とするレーザ加工装置。
3. 請求項２に記載されたレーザ加工装置において、
   前記第３のガスポートまたは前記第４のガスポートから噴出されるガスの圧力を制御する手段をさらに有することを特徴とするレーザ加工装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載されたレーザ加工装置において、
   前記第１のガスポート対及び前記第２のガスポート対から噴出するガスを加熱するヒータを有することを特徴とするレーザ加工装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載されたレーザ加工装置を用いて半導体素子を加工することを特徴とする半導体素子の製造方法。

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