JP6809952B2

JP6809952B2 - レーザ加工装置

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Publication number: JP6809952B2
Application number: JP2017056828A
Authority: JP
Inventors: 健相場
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2017-03-23
Filing date: 2017-03-23
Publication date: 2021-01-06
Anticipated expiration: 2037-03-23
Also published as: JP2018158361A

Description

本発明は、レーザ加工装置に関する。

レーザ加工装置としては、半導体素子材料のウェハを加工対象物として、加工対象物にアニール処理を行うレーザアニール装置がある。また、レーザ加工装置には、樹脂層と金属層とを有する基板を加工対象物として、レーザ光を用いて加工対象物に孔をあけるレーザドリル装置、加工対象物の溶接を行うレーザ溶接装置などがある。

このようなレーザ加工装置は、一般に、レーザ光源の出力パワーを測定するパワー測定部を有する（例えば特許文献１を参照）。そして、加工処理の前に、パワー測定部がレーザ光のパワーを測定し、フィードバック制御によりレーザ光源の出力調整が行われる。

また、本願発明に関連する技術として、特許文献２には、輻射加熱器を用いたレーザ焼結装置において赤外線センサによりターゲット表面の温度を監視する技術が示されている。

特開２０１３−２３３５５６号公報特表平１１−５０８３２２号公報

レーザ加工装置においては、加工対象物に照射されるレーザ光のパワーが設定通りに調整されると好ましい。本発明者が検討したところ、加工対象物に照射されるレーザ光のパワーは、レーザ光源の出力誤差、レンズ又はミラーの汚れ又は位置ズレなどの光学系の誤差要因、及びパワー測定部の測定誤差に起因して、変化することが分かった。このうち、レーザ光源の出力誤差は、パワー測定部の測定が正しく行われれば、許容範囲内に調整することができる。また、光学系の誤差要因はレーザ光のビーム形状を検査して発見することができる。

一方、従来のレーザ加工装置では、パワー測定部の測定誤差を検出する手段がなく、パワー測定部に比較的に大きな測定誤差が生じると、被加工位置に照射されるレーザ光のパワーの誤差が大きくなるという課題があった。パワー測定部の測定誤差は、一例として周囲温度の変化に起因して生じる。

本発明は、パワー測定部に許容範囲を超えるような測定誤差が生じた場合に、これを検出できるレーザ加工装置を提供することを目的とする。

本発明のレーザ加工装置は、
レーザ光源から出射されたレーザ光のパワーを測定するパワー測定部と、
レーザ光が照射された加工対象物の熱輻射の強度を測定する熱輻射測定部と、
前記パワー測定部が測定したレーザ光のパワーと前記熱輻射測定部が測定した熱輻射の強度との組み合わせが、所定の範囲に含まれるか否かを判定する判定部と、
を備え、
少なくとも複数回の前記パワー測定部の検査処理において、前記熱輻射測定部は、毎回同一の加工対象物にレーザ光が照射されたときの熱輻射の強度を測定する構成とした。

本発明によれば、パワー測定部に許容範囲を超えるような測定誤差が生じた場合に、これを検知できるレーザ加工装置を提供できる。

本発明の実施形態に係るレーザ加工装置を示す構成図である。パワー測定部の出力の一例を示すグラフである。制御部により実行される基準データ取得処理の流れを示すフローチャートである。記憶部に記憶される測定値の正常範囲の一例を示す図である。制御部により実行されるレーザ加工装置の調整処理の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置を示す構成図である。図１中、レーザ光の光軸を実線又は二点鎖線で示し、熱輻射を粗い破線で示し、制御線及び測定結果の出力線を細かい破線で示す。

本実施形態のレーザ加工装置１は、半導体素子材料のウェハを加工対象物４１として、加工対象物４１にレーザ光を照射してアニール処理を行うレーザアニール装置である。レーザ加工装置１は、制御部１０、レーザ光源２１、走査光学系２２、ダイクロイックミラー２３、レンズ２４、２５、熱輻射測定部２６、ステージ３１、イメージセンサ３２、全反射ミラー３３、パワー測定部３４、及び検査用の加工対象物３８を備える。

レーザ光源２１は、例えばＹＡＧレーザ等の固体レーザ、ＣＯ_２レーザ等のガスレーザ又はＬＤ（Laser Diode）等の半導体レーザであり、加工対象物４１に照射されて加工対象物４１の被加工位置Ｐ０を高温に加熱するレーザ光を出力する。レーザ光源２１はレーザ発振器と呼んでもよい。

走査光学系２２は、例えばガルバノミラーを含み、レーザ光の照射位置すなわち被加工位置Ｐ０を例えばステージ３１の上面に沿った２方向へ変化させることができる。なお、走査光学系２２を省略し、加工対象物４１を保持したステージ３１が移動することで、レーザ光の照射位置と加工対象物４１とが相対的に移動する構成を採用してもよい。

ダイクロイックミラー２３は、レーザ光源２１の出力波長の光を反射し、熱輻射を含む赤外領域の光を透過する。

レンズ２４は、例えばＦθレンズであり、被加工位置へレーザ光を収束させる。また、レンズ２４は、加工対象物の被加工位置Ｐ０から熱輻射を集光する。

レンズ２５は、レンズ２４により集光され、ダイクロイックミラー２３を透過した熱輻射を熱輻射測定部２６へ収束させる。

熱輻射測定部２６は、例えば赤外線センサであり受光部に入力された熱輻射の強度を測定する。

ステージ３１は、加工対象物４１を保持する台であり、レーザ光の光軸と交差する２方向へ移動可能なように構成されている。ステージ３１は、加工対象物４１を保持する領域と異なる箇所に、イメージセンサ３２及び全反射ミラー３３を保持している。また、ステージ３１は、加工対象物４１と同じ高さに検査用の加工対象物３８を保持する。

イメージセンサ３２は、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラなどであり、ステージ３１の駆動によって、レーザ光の照射位置（レンズ２４から照射されるレーザ光の光軸位置）まで移動できる。イメージセンサ３２は、レーザ光の照射位置において、レーザ光のビーム形状を撮像する。ビーム形状とは、レーザ光のビームスポット内の強度分布を意味し、ビームプロファイルとも呼ばれる。図１では、二点鎖線によりイメージセンサ３２がレーザ光の照射位置へ移動したときのレーザ光の光軸を示している。

全反射ミラー３３は、ステージ３１の駆動によって、レーザ光の照射位置（レンズ２４から照射されるレーザ光の光軸位置）まで移動できる。全反射ミラー３３は、レーザ光の照射位置において、レーザ光を反射してパワー測定部３４へ送る。図１では、二点鎖線により全反射ミラー３３がレーザ光の照射位置へ移動したときのレーザ光の光軸を示している。

図２は、パワー測定部の出力の一例を示すグラフである。

パワー測定部３４は、パワーメータとも呼ばれ、レーザ光を受光してレーザ光のパワーを測定する。パワーとは、レーザ光の単位時間当たりのエネルギーを意味する。パワー測定部３４としては、例えばレーザ光を熱に変換する受光面を有し、受光面の温度からレーザ光のパワーを測定するサーマルセンサを適用できる。パワー測定部３４は、図２に示すように、レーザ光を受光して少しの時間が経過すると出力が安定し、安定した状態でレーザ光のパワーを表わす計測結果を出力する。パワー測定部３４は、周囲温度により誤差が生じ、例えばレーザ光のパワーが同一でも、図２に示すように、周囲温度が２２℃の場合と２６℃の場合とで出力は異なる。レーザ加工装置１は、通常、設定された周囲温度に制御された環境で稼動されるため、多くの場合、パワー測定部３４の周囲温度に起因する測定誤差は大きくならない。しかし、異常時には、周囲温度あるいは他の要因に起因してパワー測定部３４の測定誤差が大きくなる場合がある。

検査用の加工対象物３８は、ステージ３１の駆動によって、レーザ光が照射される被加工位置Ｐ０まで移動できる。検査用の加工対象物３８は、擬似的な加工対象物であり、パワー測定部３４に大きな測定誤差が生じていないか検査する際に使用される。パワー測定部３４の検査の際には、毎回同一の加工対象物３８が使用される。ただし、定期的あるいは任意のタイミングで検査用の加工対象物３８が新しいものに取り換えられるようにしてもよい。検査用の加工対象物３８は、厚み、幅、及び奥行は実際の加工対象物４１と異なってもよい。検査用の加工対象物３８は、実際には加工が行われないが、加工対象物３８と同様の態様でレーザ光が照射されることから、本明細書においては加工対象物と呼ぶ。なお、検査用の加工対象物は、実際の加工対象物４１と同一素材を用いると検査精度を向上できるが、レーザ光の照射により実際の加工対象物４１と類似した温度上昇が生じる素材であれば、実際の加工対象物４１と同一素材である必要はない。

制御部１０は、プログラムが格納された記憶装置、プログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）、作業用のメモリ、ならびに、制御信号及び検出信号の入出力を行うＩ／Ｏなどを有するコンピュータである。制御部１０は、レーザ光源２１の駆動制御と、ステージ３１の駆動制御と、走査光学系２２の駆動制御とを行う。さらに、制御部１０は、熱輻射測定部２６の測定値、イメージセンサ３２の撮像結果、パワー測定部３４の測定結果、及び熱輻射測定部２６の測定結果を入力する。また、制御部１０は、加工対象物４１の加工処理の前、適宜なタイミングでレーザ光源２１のパワー調整が含まれる調整処理を実行する。

制御部１０は、さらに、記憶部１３と、表示部１４と、ＣＰＵがプログラムを実行して機能する機能モジュールとして、判定部１１とデータ処理部１２とを備える。表示部１４は、警告灯又は画像表示が可能なディスプレイであり、調整処理で異常と判定された場合に、警告の表示を行う。判定部１１、データ処理部１２及び記憶部１３の各機能については後述する。

＜基準データ取得処理＞
図３は、制御部により実行される基準データ取得処理の手順を示すフローチャートである。

基準データ取得処理は、パワー測定部３４の測定誤差が許容範囲内か判断するために、予め必要な基準データを取得する処理である。基準データ取得処理は、レーザ加工装置１の光学系からゴミ、汚れ又は位置ズレなどの誤差要因が除去され、かつ、周囲温度などの環境パラメータが予め設定された条件を満たすことが保証された状態で実行される。このような状態が整ったら、ユーザは、制御部１０へ基準データ取得処理の開始指令を入力し、これにより制御部１０が図３の基準データ取得処理を開始する。

基準データ取得処理が開始されると、先ず、制御部１０は、検査用の加工対象物３８にレーザ光を照射して熱輻射を測定する処理を実行する（ステップＳ１）。具体的には、先ず、制御部１０は、ステージ３１を駆動して検査用の加工対象物３８をレーザ光の照射位置まで動かす。次に、制御部１０は、レーザ光源２１を駆動してレーザ光を出射する。すると、レーザ光は、走査光学系２２、ダイクロイックミラー２３及びレンズ２４を経て加工対象物３８に照射され、加工対象物３８の被加工位置Ｐ０が加熱される。被加工位置が加熱されると、被加工位置から加熱量に応じた熱輻射が発生し、熱輻射がレンズ２４、ダイクロイックミラー２３及びレンズ２５を経て熱輻射測定部２６へ入射される。熱輻射測定部２６は熱輻射の強度を測定し、制御部１０はこの測定結果を取り込む。ステップＳ１の測定処理で取得された熱輻射の測定値を「Ｐ１」と表わす。

なお、ステップＳ１の測定処理においては、レーザ光の照射継続時間及び熱輻射の測定タイミングによって加工対象物３８の熱輻射の強度が変化する場合がある。このような場合、制御部１０は、レーザ光の照射継続時間及び熱輻射の測定タイミングを予め設定された値にして、熱輻射の測定処理を行うようにすればよい。あるいは、制御部１０は、レーザ光の照射継続時間を一定にし、かつ、測定期間中の熱輻射の最大値あるいは平均値などの統計値を測定結果として取り込むようにしてもよい。

次に、制御部１０は、レーザ光のパワーの測定処理を行う（ステップＳ２）。具体的には、先ず、制御部１０は、ステージ３１を駆動して、全反射ミラー３３をレーザ光の照射位置まで動かす。次に、制御部１０は、ステップＳ１のときと同一のパワー設定でレーザ光源２１を駆動する。すると、レーザ光は、走査光学系２２、ダイクロイックミラー２３、レンズ２４及び全反射ミラー３３を経て、パワー測定部３４へ入射される。パワー測定部３４はレーザ光のパワーを測定して測定結果を出力し、制御部１０はこの測定結果を入力する。制御部１０は、例えばレーザ光の出力を所定時間継続し、パワー測定部３４の出力が安定したときの値を測定結果として取り込めばよい。ステップＳ２の測定処理で取得されたパワーの測定値を「Ｐ２」と表わす。

続いて、制御部１０は、ステップＳ１で取り込んだ熱輻射の強度の測定値Ｐ１と、ステップＳ２で取り込んだレーザ光のパワーの測定値Ｐ２との組み合わせを１組の基準データＤｉ＝（Ｐ１、Ｐ２）として保存する（ステップＳ３）。

制御部１０は、さらにステップＳ４の判別処理により、ステップＳ１〜Ｓ３のループ処理を、例えばレーザ光源２１のパワーを変えて複数回繰り返し行う。このような複数回のループ処理により、複数の基準データＤ１〜Ｄｎが取得される。

図４は、記憶部に記憶される測定値の正常範囲の一例を示す図である。

基準データが取得されたら、次に、制御部１０では、データ処理部１２が、基準データＤ１〜Ｄｎに許容誤差を加えて、測定値の正常範囲を決定する（ステップＳ５）。例えば、図４に示すように、４つの基準データＤ１〜Ｄ４が取得された場合を想定する。この場合、データ処理部１２は、複数の基準データＤ１〜Ｄ４から、熱輻射の強度とレーザ光のパワーとの相関関係を表わす回帰直線Ｌ１を計算し、回帰直線Ｌ１に許容誤差を加えて正常範囲Ｗ１を決定する。

なお、上記の例では、データ処理部１２は、複数の基準データＤ１〜Ｄｎに基づいて正常範囲Ｗ１を決定すると説明したが、データ処理部１２は、１つの基準データＤ１のみから正常範囲を決定してもよい。この場合、データ処理部１２は、例えば、熱輻射の強度の測定値Ｐ１と、パワー測定部３４の測定値Ｐ２との比「Ｐ１／Ｐ２」に、許容誤差を加えて、例えば「（Ｐ１／Ｐ２）±１０％」などの正常範囲を決定することができる。

データ処理部１２は、測定値の正常範囲を決定したら、正常範囲を示すデータを記憶部１３に格納する（ステップＳ６）。そして、制御部１０は、基準データ取得処理を終了する。

＜調整処理＞
図５は、制御部により実行されるレーザ加工装置の調整処理の流れを示すフローチャートである。

調整処理は、レーザ光が、設定されたビーム形状及び設定されたパワーで加工対象物４１に照射されるかを、加工処理の前に確認する処理である。調整処理は、例えば定期的にあるいは複数の加工対象物４１を一括処理する前など適宜なタイミングで実行される。ユーザは適宜なタイミングで調整処理の開始指令を制御部１０に入力すると、制御部１０は図５の調整処理を開始する。

調整処理が開始されると、先ず、制御部１０は、レーザ光のパワー調整の処理を実行する（ステップＳ１１）。具体的には、先ず、制御部１０は、ステージ３１を駆動して全反射ミラー３３をレーザ光の照射位置まで移動させる。次に、制御部１０は、設定されたパワーでレーザ光源２１を駆動し、パワー測定部３４の測定結果を入力する。そして、測定結果が設定されたパワーからズレていた場合、制御部１０は、パワー測定部３４の測定値が設定値と等しくなるように、レーザ光源２１の設定パワーを調整する。

続いて、制御部１０は、レーザ光のビーム形状を確認する処理を実行する（ステップＳ１２）。具体的には、先ず、制御部１０は、ステージ３１を駆動してイメージセンサ３２をレーザ光の照射位置まで移動させる。次に、制御部１０は、レーザ光源２１を駆動してレーザ光を照射させ、イメージセンサ３２の撮像結果を入力する。そして、制御部１０は、予め設定されているビーム形状と撮像結果との比較を行い、比較の結果、差異が許容範囲内であれば、制御部１０は正常と判断し、差異が許容範囲を超えていれば、制御部１０は異常と判断する。

ビーム形状の確認を行ったら、制御部１０は、その結果を判別し（ステップＳ１３）、異常であれば、表示部１４に異常の判定結果及び警告の表示を行わせて（ステップＳ１７）、エラー処理へ移行する。警告表示により、ユーザは、光学系の汚れ又は位置ズレなどの点検を行い、ビーム形状の異常を修正することができる。

一方、ビーム形状の確認の結果が正常であれば、制御部１０は、パワー測定部３４の検査処理（ステップＳ１４〜Ｓ１６）へ処理を移行する。すなわち、先ず、制御部１０は、検査用の加工対象物３８にレーザ光を照射して熱輻射の測定処理を実行する（ステップＳ１４）。このときに取り込まれた測定値を「Ｐ１」と表わす。ステップＳ１４の処理は、上述したステップＳ１の処理と同様である。

次に、制御部１０は、レーザ光のパワーの測定処理を実行する（ステップＳ１５）。このときに取り込まれた測定値を「Ｐ２」と表わす。ステップＳ１５の処理は、上述したステップＳ２の処理と同様である。ステップＳ１５で駆動されるレーザ光源２１の設定パワーは、ステップＳ１４で駆動されるレーザ光源２１の設定パワーと同一にされる。

測定値が取り込まれたら、続いて、制御部１０では、判定部１１が取り込まれたデータＤ＝（Ｐ１，Ｐ２）と、記憶部１３に記憶された正常範囲Ｗ１を示すデータ（図４を参照）とを比較する。そして、判定部１１は、データＤが正常範囲Ｗ１に含まれるか否かを判定する（ステップＳ１６）。

ステップＳ１６の判定の結果、データＤが正常範囲Ｗ１に含まれれば、制御部１０は、異常の警告なく調整処理を終了する。この場合、ユーザは、正常にレーザ加工装置１の調整がなされていると判断し、加工対象物４１の加工処理へ移行することができる。

一方、ステップＳ１６の判定部１１の判別の結果、データＤが正常範囲Ｗ１になければ、制御部１０は、表示部１４に異常の警告表示を行って（ステップＳ１７）、エラー処理へ移行する。この場合、ユーザは、警告表示によりレーザ加工装置１の調整が正常でないと判断し、例えばレーザ加工装置１を停止させ、どこに異常があるのか原因調査することができる。これにより、異常のまま加工対象物を加工処理し、歩留まりを低下させてしまうことを回避することができる。

以上のように、本実施形態のレーザ加工装置１によれば、調整処理において、レーザ光のパワーの測定値「Ｐ１」と熱輻射の測定値「Ｐ２」との組み合わせのデータＤ＝（Ｐ１、Ｐ２）が、正常な範囲にあるか否かが判定される。これにより、パワー測定部３４に許容範囲を超えるような測定誤差が生じるような場合に、このことを検出することができる。

また、本実施形態のレーザ加工装置１によれば、検査用の擬似的な加工対象物３８を有し、複数回の検査処理において毎回同じ加工対象物３８を用いてパワー測定部３４の検査処理が行われる。従って、加工対象物３８の個体差が影響して、熱輻射の測定値「Ｐ２」に差異が生じ、この差異により、誤ってパワー測定部３４が異常と判定されてしまうといった事態を回避できる。

また、本実施形態のレーザ加工装置１によれば、データ処理部１２が、図３の基準データ取得処理において取得された基準データＤ１〜Ｄｎから、組み合わせのデータＤの正常範囲を計算し、正常範囲を示すデータを記憶部１３に記憶させる。従って、レーザ加工装置１の使用環境又は使用条件が変わった場合などにおいても、基準データを取得し直して、正常範囲のデータを更新することで、パワー測定部３４の正しい検査を実行することができる。

以上、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は上記の実施形態に限られない。例えば、上記実施形態では、本発明をレーザアニール装置に適用した場合を例にとって説明した。しかし、本発明は、レーザドリル装置、レーザ溶接装置など、種々のレーザ加工装置に同様に適用することができる。また、上記実施形態では、加工対象物として半導体素子材料のウェハを示し、検査用の加工対象物は実際の加工対象物と同一素材で擬似的な構成であると説明した。しかし、検査用の加工対象物は、実際の加工対象物と同一素材でなく、検査用に専用に製造された加工対象物としてもよい。この場合、加工対象物は検査用のレーザ照射対象物と呼んでもよい。また、上記実施形態では、レーザ光源２１のパワーを調整して、被加工位置Ｐ０のレーザ光のパワーを調整すると説明した。しかし、レーザ光源２１のパワーを調整する代わりに、レーザ光が通過する光学系においてレーザ光の減衰率を調整することで、被加工位置Ｐ０のレーザ光のパワーを調整する構成が採用されてもよい。その他、実施形態で示した細部は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１レーザ加工装置
１０制御部
１１判定部
１２データ処理部
１３記憶部
１４表示部
２１レーザ光源
２２走査光学系
２３ダイクロイックミラー
２４、２５レンズ
２６熱輻射測定部
３１ステージ
３２イメージセンサ
３３全反射ミラー
３４パワー測定部
３８検査用の加工対象物
４１加工対象物
Ｐ０被加工位置
Ｗ１正常範囲

Claims

レーザ光源から出射されたレーザ光のパワーを測定するパワー測定部と、
レーザ光が照射された加工対象物の熱輻射の強度を測定する熱輻射測定部と、
前記パワー測定部が測定したレーザ光のパワーと前記熱輻射測定部が測定した熱輻射の強度との組み合わせが、所定の範囲に含まれるか否かを判定する判定部と、
を備え、
少なくとも複数回の前記パワー測定部の検査処理において、前記熱輻射測定部は、毎回同一の加工対象物にレーザ光が照射されたときの熱輻射の強度を測定するレーザ加工装置。
前記判定部の判定結果を表示する表示部を更に備える、
請求項１記載のレーザ加工装置。
前記所定の範囲は、レーザ光のパワーと熱輻射の強度との組み合わせの正常範囲を表わす、
請求項１又は請求項２に記載のレーザ加工装置。
前記パワー測定部が測定したレーザ光のパワーと前記熱輻射測定部が測定した熱輻射の強度との複数の組み合わせのデータから前記所定の範囲を計算するデータ処理部と、
前記データ処理部により計算された前記所定の範囲を示す表わすデータを記憶する記憶部と、
を備える請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。