JP6843657B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工装置に関する。

以前より、レーザ光の照射により被加工位置を加熱して、加工対象物の加工を行うレーザ加工装置がある。レーザ加工装置には、半導体素子材料のウェハを加工対象物として、レーザ光を用いて加工対象物の表面部にアニール処理を行うレーザアニール装置が含まれる。

先行技術文献１には、レーザ光のエネルギーを測定するセンサと、レーザ光の透過率を変更可能なアッテネータとを備え、レーザ光のエネルギーの測定値に基づいてアッテネータを制御するレーザアニール装置が示されている。

先行技術文献２には、レーザ光のビーム形状を測定するセンサと、レーザ光の透過率を変更可能なアッテネータとを備え、レーザ光の単位面積当たりの強度に基づいてアッテネータを制御するレーザアニール装置が示されている。

特開２０００-２００７６０号公報 特開２００１-３３８８９３号公報

レーザ光の照射により被加工位置を加熱して加工を行うレーザ加工装置においては、レーザ光を照射したときの被加工位置の温度が適切に制御されることが好ましい。先行技術文献１及び先行技術文献２の技術は、レーザ光の強度を一定に制御することで、被加工位置の加工の品質又は加工の安定性を高めようとしている。

しかしながら、本発明者らが検討したところ、加工対象物に一定の強度のレーザ光を照射した場合でも、被加工位置の温度が一様にならない場合があることが明らかになった。例えば、レーザ光を加工対象物の表面部に渡って走査し、加工対象物をアニール処理するレーザアニール装置の場合、一定の強度のレーザ光を走査させても、走査経路が折り返される加工対象物の縁部分の温度が、その他の部分に比べて高温になる。また、レーザ光のビーム形状が左右非対称である場合、左方にレーザ光を走査するときと、右方にレーザ光を走査するときとで、被加工位置の温度のムラに差異が生じることがある。また、一般に、加工対象物の表面部の状態に起因して、一定の強度でレーザ光を照射しても、レーザ光によって加熱される温度に差異が生じることがあった。

本発明は、被加工位置の加熱温度を適切に制御できるレーザ加工装置を提供することを目的とする。

本発明に係るレーザ加工装置は、
レーザ光の透過率を変更可能な透過率変更部と、
前記透過率変更部を通過したレーザ光が照射された加工対象物の熱輻射を測定する熱輻射測定部と、
前記熱輻射測定部により測定された熱輻射の測定値に基づいて前記透過率変更部におけるレーザ光の透過率を制御する制御部と、
前記熱輻射測定部により測定される熱輻射の目標値を設定する目標設定部と、
を備え、
前記制御部は、前記熱輻射の目標値と前記熱輻射の測定値との差に基づいて前記透過率変更部へ出力される制御信号を生成し、
前記目標設定部は、レーザ光の照射位置に応じて変化する前記熱輻射の目標値を設定可能である構成とした。

本発明によれば、被加工位置の加熱温度を適切に制御することができるという効果が得られる。

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。 制御部の内部構成の一部を示すブロック図である。 一定の強度のレーザ光をウェハの表面部に走査したときに測定された温度分布の一例を示すもので、（Ａ）はウェハ全体の図、（Ｂ）は範囲Ｃの拡大図である。 ３つの走査パターンに対応する熱輻射の測定値を示すグラフである。 図４の３つの走査パターンのうち、（Ａ）は「Plus」の走査パターン、（Ｂ）は「Minus」の走査パターン、（Ｃ）は「Raster」の走査パターンをそれぞれ示す説明図である。

以下、本発明の実施の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信号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、透過率変更部としてのアッテネータ２２、走査部としての走査光学系２３、ダイクロイックミラー２４、レンズ２５、２６、熱輻射測定部２７、ステージ３１、全反射ミラー３３及びパワーメータ３４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又はＣＯ２レーザ等のガスレーザであり、加工対象物４１の表面部を高温に加熱するレーザ光を出力する。レーザ光源２１は、例えば波長８０８ｎｍなど波長が可視光波長域の上界にある近赤外ビームを出力する。レーザ光源２１はレーザ発振器と呼んでもよい。

アッテネータ２２は、レーザ光の透過光量を変更可能なモジュールである。アッテネータ２２は、制御信号に基づいてレーザ光の反射率又は吸収率を変化させ、これによりレーザ光の透過光量を連続的に変更できる。

走査光学系２３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方向へ変更できる。

ダイクロイックミラー２４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。透過する赤外領域の波長は、例えば２〜３μｍなどであり、赤外領域のうち加工対象物４１（例えば単結晶ウェハ）の吸収の少ない波長が設定される。

レンズ２５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２５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２６は、レンズ２５により集光され、ダイクロイックミラー２４を透過した熱輻射を熱輻射測定部２７へ収束させる。

熱輻射測定部２７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、全反射ミラー３３を保持している。

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２５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メータ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。

パワーメータ３４は、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。

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、制御信号及び検出信号の入出力を行うＩ／Ｏ、ならびに、種々の機能回路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、走査光学系２３の駆動制御と、アッテネータ２２の制御とを行う。さらに、制御部１０は、熱輻射測定部２７の測定値及びパワーメータ３４の測定値を入力する

図２は、制御部の内部構成の一部を示すブロック図である。

制御部１０は、さらに、目標値設定部１１と、フィードバック制御部１２とを有する。

目標値設定部１１は、加工処理中に加工対象物から放射される熱輻射の目標値を計算する。熱輻射の目標値は、例えば、加工対象物の理想の加熱温度に対応する一定値に設定される。あるいは、理想の加熱温度が走査位置に応じて異なる場合、熱輻射の目標値は、走査位置に応じて変化する値に設定されてもよい。理想の加熱温度は、ユーザから制御部１０に入力される加工データに含まれていてもよい、加工データに含まれる種々のパラメータから目標値設定部１１が計算してもよい。加工データとは、加工対象物の何処にどのようにレーザ光を照射するかを定められたデータであり、ユーザが作成する。目標値設定部１１は、レーザ光が加工対象物に照射される走査期間において目標値をフィードバック制御部１２へ出力する。

フィードバック制御部１２は、目標値設定部１１が設定した目標値と、熱輻射測定部２７の測定値とを入力する。フィードバック制御部１２は、入力された目標値と測定値との差に基づいて、この差が小さくなるようにフィードバック処理を行ってアッテネータ制御信号を生成する。アッテネータ制御信号は、アッテネータ２２へ送られて、アッテネータ２２がレーザ光を透過する量を制御する。フィードバック制御部１２は、例えばＰＩＤ（Proportional-Integral-Differential）制御により、アッテネータ制御信号を生成する構成としてもよい。

＜動作説明＞
上記構成のレーザ加工装置１によれば、先ず、加工対象物４１のアニール処理の前の段階で、レーザ光源２１の出力調整が行われる。出力調整の際には、ステージ３１が移動して全反射ミラー３３がレーザ光の照射位置に配置され、アッテネータ２２が所定の透過率（例えば１００％）に制御される。そして、制御部１０が、レーザ光源２１からレーザ光を出射させ、かつ、パワーメータ３４の測定値を入力し、レーザ光のパワーが設定値になるようにレーザ光源２１の出力が調整される。

続いて、ステージ３１に保持された加工対象物４１がレーザ光の照射位置に配置された状態で、加工対象物４１のアニール処理が開始される。アニール処理では、制御部１０の制御によりレーザ光源２１からレーザ光が出射される。すると、レーザ光は、アッテネータ２２、走査光学系２３、ダイクロイックミラー２４及びレンズ２５を経由して、加工対象物４１の被加工位置Ｐ０に照射される。レーザ光が照射されると、加工対象物４１の被加工位置Ｐ０が加熱され、被加工位置Ｐ０から熱輻射が放射される。この熱輻射は、レンズ２５、ダイクロイックミラー２４及びレンズ２６を経由して熱輻射測定部２７に送られ、熱輻射測定部２７が熱輻射の量を測定する。制御部１０は、レーザ光源２１の駆動を継続しながら走査光学系２３を制御し、レーザ光の照射位置を加工データに設定された走査経路に沿って変更する。

レーザ光源２１の駆動が継続される間、フィードバック制御部１２は、熱輻射測定部２７の測定値と、目標値設定部１１が設定した目標値とを入力し、これらの差が小さくなるようにアッテネータ制御信号を生成する。そして、アッテネータ制御信号によりアッテネータ２２を通過するレーザ光の透過量が制御され、これにより、被加工位置Ｐ０に照射されるレーザ光のパワーが調整されて、被加工位置Ｐ０の加熱温度が、予め設定された理想の温度に近づくように制御される。

ここで、このような制御を行わずにアニール処理を行った場合に、加工対象物４１から放射される熱輻射量について説明する。

図３は、一定の強度のレーザ光をウェハの表面部に走査したときに測定された温度分布の一例を示すもので、（Ａ）はウェハ全体の図、（Ｂ）は範囲Ｃの拡大図である。図３（Ａ）、図３（Ｂ）はグレーの濃淡により温度の高低を表わす。濃い方が低温を表わす。図３の例は、走査経路Ｌ１がＸ方向に延び、複数の走査経路Ｌ１がＹ方向に並び、レーザ光がこれらの走査経路Ｌ１に沿って走査した場合を示す。レーザ光の照射位置は、各走査経路Ｌ１の縁部で折り返されて、隣接する走査経路Ｌ１に移動し、隣接する２つの走査経路Ｌ１では走査方向が逆転する。

このような走査パターンにおいては、レーザ光の強度が一定であっても、図３（Ａ）に示すように、加工対象物４１の縁部分が中央部よりも高い温度になる。これは、図３（Ｂ）に示すように、加工対象物４１の縁部では、レーザ光が中央から端へ向かってレーザ光が走査した後、この周辺に熱が残留している間に、隣接する走査経路Ｌ１に沿って、レーザ光が端から中央へ向かって走査することによる。つまり、残留熱にレーザ光の熱が加わるためと考えられる。

図４は、３つの走査パターンに対応する熱輻射の測定値のグラフを示す。図５は、図４の３つの走査パターンのうち、（Ａ）は「Plus」の走査パターン、（Ｂ）は「Minus」の走査パターン、（Ｃ）は「Raster」の走査パターンをそれぞれ示す説明図である。図４の各グラフは、縦軸に熱輻射測定部２７のセンサ電圧を示し、横軸に測定Ｎｏ．を示す。測定Ｎｏ．とは、各測定値に時系列に付加した通し番号である。図４の３つのグラフ線は、図５（Ａ）〜図５（Ｃ）の走査パターンで計測された測定値を表わす。

上述した図３（Ａ）、図３（Ｂ）の例は、図５（Ｃ）の走査パターンを適用したときの例に相当する。この場合の熱輻射の測定値を時系列に並べると、図４の「Raster」のグラフになる。図４の落ち込み箇所ｎ１〜ｎ３は、１つの直線状の走査経路Ｌ１から隣接する直線状の走査経路Ｌ１に移るときを示している。図４の「Raster」のグラフから走査経路Ｌ１を折り返した直後の熱輻射が高くなっていることが分かる。

また、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示すように、一方向（「Plus」）の走査パターン、又はその逆方向（「Minus」）の走査パターンとした場合でも、レーザ光の強度が一定であると、図４に示すように、熱輻射の量は均一にならない。さらに、図４のグラフから一方向の走査と逆方向の走査とで熱輻射の現れ方に差異が生じることが分かる。これは、レーザ光のビーム形状が走査方向に沿った一方と他方とで完全に対称とならず、レーザ光の走査方向によって、同一点に照射されるレーザ光の強度の時間的な変化パターンに差異が生じるためと考えられる。ビーム形状とは、レーザ光の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

このように、一定のパワーのレーザ光でアニール処理を行った場合、走査パターン又は走査方向によって、加工対象物の表面部の加熱温度は不均一になる。

一方、本実施形態のレーザ加工装置１によれば、熱輻射の測定値に基づくフィードバック制御によって、熱輻射の測定値が目標値に近づくよう、被加工位置Ｐ０に照射されるレーザ光の光量が制御される。これにより、図３と図４に示したような加工対象物の表面部の加熱温度の不均一さが低減され、例えば各部の加熱温度を均一に近づけることができるなど、適切な加熱処理を実現できる。

以上のように、本実施形態のレーザ加工装置１によれば、熱輻射の測定値に基づくアッテネータ２２の制御によって、加工対象物４１の被加工位置Ｐ０を適切な温度に加熱処理できる。これにより、加工対象物４１の表面部の各部を、例えば均一な加熱温度にできるなど、適切な加熱温度でアニール処理することが可能になる。

また、本実施形態のレーザ加工装置１によれば、フィードバック制御部１２が目標値と熱輻射の測定値との差に基づいてアッテネータ２２を制御するので、目標値の設定により加熱温度を容易に設定変更することができる。

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、レーザアニール装置に本発明を適用した構成を一例に説明した。しかし、本発明は、レーザ光を照射して溶接又はソルダリングを行うレーザ溶接装置又はレーザソルダリング装置にも同様に適用できる。さらに、本発明は、レーザ光を照射して基板に孔を形成するレーザドリル装置にも適用することができる。レーザドリル装置は、例えばレーザ光のパルスを一箇所に複数回照射して孔を形成するが、１回目のレーザ光のバルス出力のときに測定された熱輻射の量に基づいて、２回目以降のレーザ光の透過量を制御することができる。このような制御により、孔を形成する基板の位置に応じてレーザ光による加熱量が適切な値から外れる場合に、２回目以降のレーザ光による加熱量を適切な値にして各孔を均一な品質で形成することが可能となる。

また、上記実施形態では、走査部として、レーザ光の照射位置を変化させる走査光学系２３を示した。しかし、本発明に係る走査部は、加工対象物４１を動かすことでレーザ光が照射される位置を変化させる構成であってもよい。その他、実施の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 目標値設定部
１２ フィードバック制御部
２１ レーザ光源
２２ アッテネータ
２３ 走査光学系
２４ ダイクロイックミラー
２５、２６ レンズ
２７ 熱輻射測定部
３１ ステージ
３３ 全反射ミラー
３４ パワーメータ
４１ 加工対象物
Ｐ０ 被加工位置
Ｌ１ 走査経路

Claims (2)

1. レーザ光の透過率を変更可能な透過率変更部と、
   前記透過率変更部を通過したレーザ光が照射された加工対象物の熱輻射を測定する熱輻射測定部と、
   前記熱輻射測定部により測定された熱輻射の測定値に基づいて前記透過率変更部におけるレーザ光の透過率を制御する制御部と、
   前記熱輻射測定部により測定される熱輻射の目標値を設定する目標設定部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記熱輻射の目標値と前記熱輻射の測定値との差に基づいて前記透過率変更部へ出力される制御信号を生成し、
   前記目標設定部は、レーザ光の照射位置に応じて変化する前記熱輻射の目標値を設定可能であるレーザ加工装置。
2. 加工対象物への前記レーザ光の照射位置を変更する走査部を更に備え、
   加工対象物のアニール処理を行う請求項１記載のレーザ加工装置。