JP6389638B2 - レーザー加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、ウェーハの内部にレーザー光を集光してウェーハを加工するレーザー加工装置に関する。

サファイア、炭化珪素（SiC）、シリコン（Si）などによって形成されたウェーハを分割するために、ウェーハに対して透過性を有する波長のパルスレーザー光をウェーハの内部に集光し、分割予定ラインに沿ってウェーハの内部の所定深さに改質層を形成する技術がある（例えば、特許文献１参照）。

特許５２４８８２５号

しかし、レーザー光をウェーハの内部に集光する場合においては、レーザー光の一部がウェーハの表面で反射する。反射したレーザー光は、ウェーハの加工に寄与せず無駄になるだけでなく、ウェーハ上方の一点に集光されるため、反射したレーザー光の集光点に集光レンズが配置されていると、集光レンズが損傷を受ける場合がある。

一方、集光レンズに反射光が集光されないようにするために、焦点距離の長い集光レンズを用いて集光レンズとウェーハとの間の距離を遠くすると、ウェーハの内部における集光点（スポット径）が大きくなる。そして、集光点が大きくなると、レーザー照射密度が低くなるので、レーザー光の出力を高くする必要がある。
集光点には、集光レンズの開口数（ＮＡ）に見合ったスポット径（Ｄ）が形成される。一般的には光線の波長（λ）と集光レンズの開口数（ＮＡ）とスポット径（Ｄ）との関係は、Ｄ＝１．２２λ／ＮＡとなる。

本発明は、このような問題にかんがみなされたもので、レーザー光の照射によるウェーハの加工において、ウェーハ表面におけるレーザー光の反射を抑えることを目的とする。

本発明に係るレーザー加工装置は、ウェーハを保持する保持テーブルと、該保持テーブルに保持されたウェーハに対して透過性を有するレーザー光をウェーハに照射するレーザー照射手段と、を備えたレーザー加工装置であって、該レーザー照射手段は、該レーザー光を放射するレーザー発光部と、該レーザー発光部が放射した該レーザー光をビーム断面が円環状のリングレーザー光に変換するリングレーザー形成手段と、該リングレーザー形成手段によって形成された該リングレーザー光の偏光状態をラジアル偏光に変換するラジアル偏光器と、該ラジアル偏光器によってラジアル偏光された該リングレーザー光をウェーハの内部に集光させる集光レンズと、ウェーハの屈折率に応じて、該集光レンズによってウェーハの内部に集光される該リングレーザー光がウェーハに入射する入射角をブリュースター角に変更する入射角変更手段と、を備える。

前記入射角変更手段は、ウェーハの屈折率に応じて前記集光レンズのレンズ球面角度を変更するレンズ球面変更機構と、前記保持テーブルに保持されたウェーハに対して該集光レンズが接近し離間する方向に該集光レンズを相対移動させるレンズ移動機構と、ウェーハの屈折率に応じて該レンズ移動機構を制御する制御部と、を備える構成でもよいし、前記集光レンズに入射する前記リングレーザー光の前記ビーム断面の径を変更するリング径変更部と、ウェーハの屈折率に応じて該リング径変更部を制御する制御部と、を備える構成でもよい。

本発明に係るレーザー加工装置は、ウェーハの屈折率に応じて集光レンズによってウェーハの内部に集光されるリングレーザー光がウェーハに入射する入射角をブリュースター角に変更する入射角変更手段を備えることにより、材質が異なる複数種類のウェーハを加工することができ、ラジアル偏光されたリングレーザー光をブリュースター角でウェーハに入射させることが可能となり、これによりウェーハの表面における反射をほとんどなくすことができる。したがって、ウェーハ表面でレーザー光が反射することによるエネルギーの損失を抑えることができる。また、集光レンズとウェーハとの間の距離を小さくすることができるので、集光点を小さくすることができ、レーザー加工装置の加工効率を高めることができる。

集光レンズのレンズ球面角度を変更すれば、焦点距離が変化するので、ウェーハの屈折率に応じて入射角を容易に変更することができる。また、焦点距離の変化に応じて集光レンズとウェーハとの距離を変更すれば、集光レンズのレンズ球面角度に関わらず、集光点をウェーハ内の所定の深さに位置付けることができる。
さらに、リングレーザー光のビーム断面の径を変更すれば、ウェーハの屈折率に応じて入射角を容易に変更することができる。

レーザー加工装置を示す斜視図。 レーザー照射手段を示す側面図。 レーザー光の偏光状態を示す斜視図。 入射角変更手段の動作を示す側面図。 レーザー照射手段を示す側面図。 入射角変更手段の動作を示す側面図。

図１に示すレーザー加工装置１０は、ウェーハを透過する波長のレーザー光をウェーハに照射してウェーハの内部に集光させることにより、ウェーハを加工する装置であって、ウェーハを保持する保持テーブル１１と、保持テーブル１１を移動させる送り手段１２，１３と、保持テーブル１１に保持されたウェーハにレーザー光を照射するレーザー照射手段１４と、レーザー照射すべき位置を検出するためにウェーハを撮像する撮像手段１５とを備えている。

送り手段１３は、±Ｘ方向に平行なねじ軸１３２をモータ１３１が回転させることにより、ねじ軸１３２に係合した移動部１３３がガイド１３４に案内されて±Ｘ方向に移動する構成となっている。保持テーブル１１は、送り手段１３の移動部１３３に固定されていて、移動部１３３の移動に伴って、±Ｘ方向に移動する。

送り手段１２は、±Ｙ方向に平行なねじ軸１２２をモータ１２１が回転させることにより、ねじ軸１２２に係合した移動部１２３がガイド１２４に案内されて±Ｙ方向に移動する構成となっている。送り手段１３は、送り手段１２の移動部１２３に固定されていて、移動部１２３の移動に伴って、±Ｙ方向に移動し、これに伴って、保持テーブル１１も±Ｙ方向に移動する。

このように構成されるレーザー装置１０においては、ウェーハを保持した保持テーブル１１が送り手段１２，１３によって所定の±Ｙ方向の位置に位置付けられるとともに±Ｘ方向に移動し、レーザー光を照射すべき位置が撮像手段１５によって検出された後、保持テーブル１１が同方向に移動しながらウェーハに対してレーザー照射手段１４からレーザー光が照射され、ウェーハの内部にレーザー光が集光されて改質層が形成される。ここで照射されるレーザー光は、保持テーブル１１に保持されたウェーハに対して透過性を有する波長のレーザー光である。

図２に示すように、レーザー照射手段１４は、所定の波長のレーザー光４８１を放射するレーザー発光部１４１と、レーザー発光部１４１が放射したレーザー光４８１のビーム断面形状を変換するリングレーザー形成手段１４２と、リングレーザー形成手段１４２によってビーム断面形状が変換されたリングレーザー光４８２の偏光状態を変換するラジアル偏光器１４３と、ラジアル偏光器１４３によって偏光状態が変換されたリングレーザー光４８３をウェーハ２０の内部に集光させる集光レンズ１４４と、集光レンズ１４４が集光させたリングレーザー光４８４がウェーハ２０に入射する入射角を変更する入射角変更手段１４５とを備える。

レーザー発光部１４１が放射するレーザー光４８１は、レーザー光４８１の進行方向に対して垂直な平面と交わるビーム断面４９１の形状がほぼ円形の平行光であり、電場の振動方向が所定の向きに揃った直線偏光状態である。

リングレーザー形成手段１４２は、中心軸が一致し頂点が互いに対向して配置された２つの円錐レンズ４２１，４２２を備え、入射したレーザー光４８１のビーム断面の形状を円環状に変換する。リングレーザー形成手段１４２から出力されるリングレーザー光４８２は、ビーム断面４９２の形状がリング状の平行光であり、偏光状態は直線偏光のままである。

ラジアル偏光器１４３は、例えばナノフォトン株式会社が販売しているＺＰｏｌ（登録商標）であり、入射したリングレーザー光４８２の偏光状態を、電場の振動方向がビーム中心から放射状に広がるラジアル偏光状態に変換する機能を有している。ラジアル偏光器１４３から出力されるリングレーザー光４８３は、ラジアル偏光された平行光であり、ビーム断面４９３の形状は円環状のままである。

集光レンズ１４４は、入射したリングレーザー光４８３を屈折させて、集光点４７３に集光するリングレーザー光４８４に変換する。リングレーザー光４８４の偏光状態はラジアル偏光のままであり、ビーム断面の形状も円環状のままである。

入射角変更手段１４５は、集光レンズ１４４を交換するレンズ球面変更機構（不図示）と、集光レンズ１４４を±Ｚ方向に移動させるレンズ移動機構４５２と、レンズ球面変更機構及びレンズ移動機構４５２を制御する制御部４５１とを備えている。

制御部４５１は、焦点距離（レンズ球面角度）が異なる複数の集光レンズ１４４のなかから、ウェーハ２０の屈折率に合わせて適切な集光レンズ１４４を選択する。レンズ球面変更機構は、集光レンズ１４４を、制御部４５１が選択した集光レンズに交換する。

レンズ移動機構４５２は、例えばシリンダを備え、保持テーブル１１に保持されたウェーハ２０に対して集光レンズ１４４を接近させあるいは離間させる。集光レンズ１４４をウェーハ２０に接近させると、集光点４７３が−Ｚ方向に移動する。逆に、集光レンズ１４４をウェーハ２０から離間させると、集光点４７３が＋Ｚ方向に移動する。制御部４５１が選択した集光レンズの焦点距離に応じて、レンズ移動機構４５２が集光レンズ１４４を移動させることにより、集光レンズ１４４が集光したリングレーザー光４８４の集光点４７３をウェーハ２０の内部の所定の深さに位置付ける。

図３に示すように、ラジアル偏光器１４３によってラジアル偏光されたリングレーザー光４８３は、ビーム断面形状が円環状であり、ビーム断面の中心から放射状に広がる向きに電場が振動している。これを集光レンズ１４４が屈折させて集光させると、屈折による進行方向の変化に伴って電場の振動方向が斜めになるが、ビーム断面の中心から放射状に広がる向きである点は変化しない。

保持テーブル１１によってＸＹ平面に平行に保持されたウェーハ２０の表面は、リングレーザー光４８４の中心軸に対して垂直である。したがって、ウェーハ２０に入射するリングレーザー光４８４は、ｐ偏光成分のみを有し、ｓ偏光成分を有さない。一般に、ｐ偏光成分はｓ偏光成分よりも反射率が低く、特に入射角がブリュースター角である場合、ｐ偏光成分の反射率が０になることが知られている。

リングレーザー光４８４のビーム断面形状が円環状であるため、リングレーザー光４８４がウェーハ２０に入射する入射角は、非常に狭い範囲に限られる。そこで、この範囲内にブリュースター角が入るようにすれば、ウェーハ２０の表面での反射をほぼ０にすることができる。レーザー光の反射をほぼ０にすることで、集光レンズ１４４が損傷するのを防止することができる。また、リングレーザー光４８４のビーム断面形状が円環状であることで、集光レンズ１４４の球面収差が大きい場合でも、集光点を小さくすることができ、集光点におけるエネルギー密度を高めることができる。

ブリュースター角はウェーハ２０の屈折率によって変化するため、ウェーハ２０の屈折率に合わせて集光レンズ１４４の焦点距離を変えることにより、リングレーザー光４８４の入射角を変化させる。

図４に示すウェーハ２０ａの材質は、例えば屈折率約１．７７のサファイアであり、空気（屈折率約１．０）中から入射する場合のブリュースター角は、約６０．５度である。そこで、リングレーザー光４８４がウェーハ２０ａに入射する入射角４７１が約６０．５度になるように、集光レンズ１４４を選択する。

ウェーハ２０ｂの材質は、例えば屈折率約２．３の炭化珪素（SiC）であり、ウェーハ２０ａよりも屈折率が大きい。この場合のブリュースター角は、約６６．５度である。そこで、リングレーザー光４８４がウェーハ２０ｂに入射する入射角４７１が約６６．５度になるように、集光レンズ１４４を選択する。ウェーハ２０ａの場合よりも入射角４７１を大きくするため、焦点距離の短い集光レンズ１４４が選択される。集光レンズ１４４の焦点距離が短い分、レンズ移動機構４５２が集光レンズ１４４をウェーハ２０ｂに接近させることにより、リングレーザー光４８４が集光する集光点４７３の±Ｚ方向における位置（深さ）を所定の位置に保つ。

ウェーハ２０ｃの材質は、例えば屈折率約３．４のシリコン（Si）であり、ウェーハ２０ｂよりも更に屈折率が大きい。この場合のブリュースター角は、約７３．６度である。そこで、リングレーザー光４８４がウェーハ２０ｂに入射する入射角４７１が約７３．６度になるように、集光レンズ１４４を選択する。ウェーハ２０ｂの場合よりも更に入射角４７１を大きくするため、更に焦点距離の短い集光レンズ１４４が選択される。集光レンズ１４４の焦点距離が短い分、レンズ移動機構４５２が集光レンズ１４４をウェーハ２０ｃに更に接近させることにより、リングレーザー光４８４が集光する集光点４７３の±Ｚ方向における位置（深さ）を所定の位置に保つ。

このように、ウェーハの屈折率に応じて集光レンズ１４４を交換することにより、ウェーハの屈折率に関わらず、リングレーザー光４８４の入射角を常にブリュースター角とすることができる。したがって、ウェーハの表面での反射をほぼ０にすることができる。また、ウェーハの屈折率に応じて集光レンズ１４４とウェーハとの間の距離を変えることにより、ウェーハの屈折率に応じて集光レンズ１４４を交換しても、集光点４７３の位置を一定に保つことができる。

なお、レンズ球面変更機構は、ロボットアームなどを用いて集光レンズ１４４を自動的に交換する構成であってもよいし、単に集光レンズ１４４を交換することができる構成で、レーザー加工装置１０の操作者が手動で集光レンズ１４４を交換してもよい。

また、集光レンズ１４４を、液体レンズのようにレンズ球面角度を変えることができるレンズや、ズームレンズのように相対的に移動可能な複数のレンズを組み合わせることにより焦点距離を変えることができる光学系で構成し、レンズ球面変更機構は、集光レンズ１４４を交換する代わりに、集光レンズ１４４の焦点距離を切り換える構成であってもよい。

レーザー加工装置１０は、図２で示したレーザー照射手段１４に代えて、図５に示すレーザー照射手段１４Ａを備える構成であってもよい。レーザー照射手段１４Ａは、図２で示したレーザー照射手段１４の入射角変更手段１４５に代えて、入射角変更手段１４５Ａを備えている。

入射角変更手段１４５Ａは、集光レンズ１４４に入射するリングレーザー光４８３のビーム断面４９３の径を変更するリング径変更部４５３と、リング径変更部４５３を制御する制御部４５１Ａとを備えている。制御部４５１Ａは、ウェーハ２０の屈折率に合わせてリングレーザー光４８３のビーム断面４９３の径を決定する。

リング径変更部４５３は、例えばシリンダを備え、リングレーザー形成手段１４２の円錐レンズ４２２を光軸方向に移動させる。円錐レンズ４２２を円錐レンズ４２１に接近させると、リングレーザー光４８２のビーム断面４９２の径が小さくなる。逆に、円錐レンズ４２２を円錐レンズ４２１から離間させると、リングレーザー光４８２のビーム断面４９２の径が大きくなる。これにより、リング径変更部４５３は、リングレーザー光４８２のビーム断面４９２の径を変更して、制御部４５１が決定した径にする。ラジアル偏光器１４３で偏光状態をラジアル偏光にしてもビーム断面の径は変わらないので、リングレーザー光４８３のビーム断面４９３の径は、制御部４５１が決定した径になる。

リングレーザー光４８３のビーム断面４９３の径を変えると、集光レンズ１４４の焦点距離を変更しなくても、リングレーザー光４８４がウェーハ２０に入射する入射角が変化する。そこで、制御部４５１Ａは、ウェーハ２０の屈折率に応じて、リングレーザー光４８４の入射角がブリュースター角になるように、リングレーザー光４８３のビーム断面４９３の径を決定する。

図６に示すように、屈折率が比較的小さいウェーハ２０ａを加工する場合は、リングレーザー光４８３のビーム断面の径４７２を小さくすることにより、リングレーザー光４８４がウェーハ２０ａに入射する入射角４７１をブリュースター角にする。

ウェーハ２０ａよりも屈折率が大きいウェーハ２０ｂを加工する場合は、ウェーハ２０ａよりもブリュースター角が大きいので、リングレーザー光４８３のビーム断面の径４７２を大きくして、入射角４７１をブリュースター角にする。

ウェーハ２０ｂよりも更に屈折率が大きいウェーハ２０ｃを加工する場合は、ウェーハ２０ｂよりも更にブリュースター角が大きいので、リングレーザー光４８３のビーム断面の径４７２を更に大きくして、入射角４７１をブリュースター角にする。

このように、ウェーハの屈折率に応じてリングレーザー光のビーム断面の径を変えることにより、ウェーハの屈折率に関わらず、リングレーザー光４８４の入射角を常にブリュースター角とすることができる。したがって、ウェーハの表面での反射をほぼ０にすることができる。レーザー光の反射をほぼ０にすることで、集光レンズ１４４が損傷するのを防止することができる。

なお、リング径変更部４５３は、円錐レンズ４２２を移動させることによりリングレーザー形成手段１４２が出力するリングレーザー光４８２のビーム断面の径を変更するのではなく、他の構成によりリングレーザー光４８２のビーム断面の径を変更するものであってもよい。また、リング径変更部４５３は、リングレーザー形成手段１４２が出力するリングレーザー光４８２のビーム断面の径を変更するのではなく、例えばビームエキスパンダーをリングレーザー形成手段１４２とラジアル偏光器１４３との間、あるいはラジアル偏光器１４３と集光レンズ１４４との間に配置し、リングレーザー光４８２あるいはリングレーザー光４８３のビーム断面の径を変更する構成であってもよい。

なお、ラジアル偏光器だけでもビーム断面の形状を円環状にすることができるので、リングレーザー形成手段はなくてもよい。ただし、その場合には、リングレーザー光の強度が弱くなるので、リングレーザー形成手段を設けるほうが好ましい。

１０ レーザー加工装置、１１ 保持テーブル、
１２，１３ 送り手段、１２１，１３１ モータ、１２２，１３２ ねじ軸、
１２３，１３３ 移動部、１２４，１３４ ガイド、
１４，１４Ａ レーザー照射手段、１４１ レーザー発光部、
１４２ リングレーザー形成手段、４２１，４２２ 円錐レンズ、
１４３ ラジアル偏光器、１４４ 集光レンズ、
１４５，１４５Ａ 入射角変更手段、
４５１，４５１Ａ 制御部、４５２ レンズ移動機構、４５３ リング径変更部、
１５ 撮像手段、
２０，２０ａ〜２０ｃ ウェーハ、
４７１ 入射角、４７２ 径、４７３ 集光点、
４８１ レーザー光、４８２〜４８４ リングレーザー光、４９１〜４９３ ビーム断面

Claims (3)

1. ウェーハを保持する保持テーブルと、
   該保持テーブルに保持されたウェーハに対して透過性を有するレーザー光をウェーハに照射するレーザー照射手段と、
   を備えたレーザー加工装置であって、
   該レーザー照射手段は、
   該レーザー光を放射するレーザー発光部と、
   該レーザー発光部が放射した該レーザー光をビーム断面が円環状のリングレーザー光に変換するリングレーザー形成手段と、
   該リングレーザー形成手段によって形成された該リングレーザー光の偏光状態をラジアル偏光に変換するラジアル偏光器と、
   該ラジアル偏光器によってラジアル偏光された該リングレーザー光をウェーハの内部に集光させる集光レンズと、
   ウェーハの屈折率に応じて、該集光レンズによってウェーハの内部に集光される該リングレーザー光がウェーハに入射する入射角をブリュースター角に変更する入射角変更手段と、
   を備える、レーザー加工装置。
2. 前記入射角変更手段は、
   ウェーハの屈折率に応じて前記集光レンズのレンズ球面角度を変更するレンズ球面変更機構と、
   前記保持テーブルに保持されたウェーハに対して該集光レンズが接近し離間する方向に該集光レンズを相対移動させるレンズ移動機構と、
   ウェーハの屈折率に応じて該レンズ移動機構を制御する制御部と、
   を備える、請求項１記載のレーザー加工装置。
3. 前記入射角変更手段は、
   前記集光レンズに入射する前記リングレーザー光の前記ビーム断面の径を変更するリング径変更部と、
   ウェーハの屈折率に応じて該リング径変更部を制御する制御部と、
   を備える、請求項１記載のレーザー加工装置。

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