JP7219878B2 - 亀裂検出装置及び亀裂検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、被加工物の内部に形成された亀裂に関する亀裂情報を検出する技術に関するものである。

従来、シリコンウェーハやガラスウェーハ等の基板（以下、「被加工物」という。）の内部に集光点を合わせてレーザー光を切断予定ラインに沿って照射し、加工ラインに沿って被加工物の内部に切断の起点となる改質領域を形成するレーザー加工装置（レーザーダイシング装置ともいう。）が知られている。改質領域が形成された被加工物は、その後、エキスパンドやブレーキングといった割断プロセスによって切断予定ラインで割断されて個々のチップに分断される。このようなレーザー加工装置によれば、被加工物の内部に改質領域が形成され、その改質領域を起点として切断予定ラインに沿って被加工物が分断されるので、ブレードを用いて被加工物を切削して分断するブレードダイシング装置と比べ、発塵量が低く、ダイシング傷、チッピングあるいは材料表面でのクラック等が発生する可能性が低くなる等の利点がある。

ところで、レーザー加工装置により被加工物に改質領域を形成すると、その改質領域から被加工物の厚さ方向に亀裂（クラック）が伸展する。その亀裂が被加工物の表面（レーザー光照射面）もしくは反対側の裏面まで到達してしているか、または被加工物の内部で十分に伸展していれば、割断プロセスにおいてチップへの分断を適正に行うことができる。その理由としては、被加工物の内部に形成された亀裂は被加工物を分断する際の起点となるため、その亀裂の伸展度合いが被加工物の分断率を左右することによる。また、厚い被加工物の場合には、亀裂が被加工物の表面または裏面に到達しないことがあるため、被加工物の表面または裏面に亀裂が到達したか否かでは必ずしも改質領域が適正に形成されたか否かを適切に判断できない場合がある。

したがって、レーザー加工装置により改質領域を形成した後、割断プロセス前において、被加工物を分断する際の起点となる改質領域が適正に形成されたか否か、すなわち、被加工物の内部に形成された亀裂の亀裂深さを検出することによって、割断プロセスにおけるチップへの分断の良否を正確に予測することが可能となる。そして、被加工物の内部に改質領域が適正に形成されていない箇所があれば、その部分だけ、再度、レーザー加工装置により再加工することや、割断プロセスにおける割断方法を変えるなどの対応が可能となる。これによって、その後の割断プロセスにおけるチップの損失を無くすことができる。また、不良箇所の発生状況などを参考にしてレーザー加工装置における加工条件を修正することもでき、その後に加工する被加工物での改質領域の不良箇所の発生を低減させることができる。不良箇所の改質領域を再加工する場合には、不良箇所が低減することによって、再加工に要する時間の損失も低減することができる。

一方、被加工物の内部に発生した亀裂の評価は、従来、試料を切断研磨するか、限られた条件下での観察が行われていた。そのため、レーザー加工装置を用いた加工プロセスへの適用は困難であった。

これに対し、例えば特許文献１には、被加工物の内部に形成された亀裂を非破壊で検査する技術が開示されている。特許文献１に開示された技術では、亀裂の一方から光を入射させ、亀裂を含む領域を透過した光を検出し、亀裂の散乱による検出光量の低下を利用して亀裂の検査を行っている。

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、受光器の信号レベルが亀裂の深さを直接示すものではなく、閾値として扱われる。そのため、予め実験を行い、閾値を設定する必要があった。また、亀裂長さ（亀裂深さ）を測定するためには、実験により亀裂長さに応じて予め閾値を複数設定しておく必要があった。また、透過光（亀裂を含む領域を透過した光）の減少のみを利用して亀裂先頭位置を確認するため、亀裂の亀裂深さの検出精度を向上させるには限界がある。

そこで、本願出願人は、上記課題を解決するために、被加工物の内部に形成された亀裂の亀裂深さを非破壊かつ精度よく検出することができる亀裂検出技術を提案している（特許文献２参照）。この亀裂検出技術では、集光レンズの集光点を被加工物の厚さ方向に変化させながら、被加工物に対して検出光を斜め方向に照射する偏射照明を行い、被加工物からの反射光を光検出器で検出し、その検出結果に基づいて被加工物の内部に形成された亀裂の亀裂深さを検出する。

特開２００８－２２２５１７号公報 特開２０１７－１３３９９７号公報

しかしながら、特許文献２に開示された技術では、亀裂の上方に亀裂検出装置を位置付けて、検出光の集光点を被加工物の厚さ方向に移動させながら検出を行っている。そのため、検査点（亀裂）毎に検出光の集光点を被加工物の厚さ方向に移動させる動作が必要となるため、複数箇所の亀裂を検査するときに時間がかかり、スループットが低下するという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、スループットを向上させることができ、被加工物の内部に形成された亀裂に関する亀裂情報を非破壊かつ精度よく高速に検出することができる亀裂検出装置及び亀裂検出方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、以下の発明を提供する。

本発明の第１態様に係る亀裂検出装置は、光源と、集光レンズと、光検出器とを有し、光源から出射された検出光を集光レンズの片側半分の第１領域を介して被加工物に偏射照明を行い、かつ被加工物で反射した検出光の反射光を集光レンズの反対側の片側半分の第２領域を介して光検出器で検出する光学ユニットと、被加工物と光学ユニットとを相対移動させることにより、検出光を被加工物の厚さ方向に直交する方向に走査する走査手段と、光学ユニットにより検出光を被加工物に偏射照明しつつ走査手段により検出光を走査した場合に光検出器で検出された検出結果に基づいて、被加工物の内部に形成された亀裂に関する亀裂情報を検出する亀裂検出手段と、を備える。

本発明の第２態様に係る亀裂検出装置は、第１態様において、被加工物の厚さ方向における被加工物の検出光照射面又は反対側の面の高さ位置を検出する高さ検出手段と、高さ検出手段の検出結果に基づいて、被加工物の厚さ方向における集光レンズの集光点の位置を調整する集光点調整手段と、を備える。

本発明の第３態様に係る亀裂検出装置は、第２態様において、集光点調整手段は、集光レンズの集光点の位置が被加工物の検出光照射面とは反対側の面に一致するように調整する。

本発明の第４態様に係る亀裂検出方法は、光源から出射された検出光を集光レンズの片側半分の第１領域を介して被加工物に偏射照明を行う照明ステップと、被加工物で反射した検出光の反射光を集光レンズの反対側の片側半分の第２領域を介して検出する光検出ステップと、検出光を被加工物の厚さ方向に直交する方向に相対的に走査する走査ステップと、照明ステップと走査ステップとが行われた場合に光検出ステップで検出された検出結果に基づいて、被加工物の内部に形成された亀裂に関する亀裂情報を検出する亀裂検出ステップと、を備える。

本発明の第５態様に係る亀裂検出方法は、第４態様において、被加工物の厚さ方向における被加工物の検出光照射面又は反対側の面の高さ位置を検出する高さ検出ステップと、高さ検出ステップの検出結果に基づいて、被加工物の厚さ方向における集光レンズの集光点の位置を調整する集光点調整ステップと、を備える。

本発明の第６態様に係る亀裂検出方法は、第５態様において、集光点調整ステップは、集光レンズの集光点の位置が被加工物の検出光照射面とは反対側の面に一致するように調整する。

本発明によれば、スループットを向上させることができ、被加工物の内部に形成された亀裂に関する亀裂情報を非破壊かつ精度よく高速に検出することができる。

本実施形態に係る亀裂検出装置の概略を示した構成図である。 光学ユニットの上方から集光レンズを見た図であり、集光レンズを通過する光束（検出光及び反射光の各光束）を説明するための図である。 制御装置の構成を示したブロック図である。 本実施形態の亀裂検出方法の概略を示した図である。 被加工物に対して検出光の偏射照明と走査が行われたときの様子を示した説明図である。 被加工物に対して検出光の偏射照明と走査が行われたときの様子を示した説明図である。 被加工物に対して検出光の偏射照明と走査が行われたときの様子を示した説明図である。 亀裂検出部で行われる亀裂情報の算出方法を説明するための図である。 亀裂検出部で行われる亀裂情報の算出方法を説明するための図である。 本実施形態における亀裂検出処理で得られる光検出器の出力信号を説明するための図である。 本実施形態における亀裂検出処理で得られる光検出器の出力信号を説明するための図である。 本実施形態における亀裂検出処理の効果を検証するための評価で亀裂検出処理の検出対象としたサンプルを示した図である。 図１２に示したサンプルに対して亀裂検出処理を行った場合に得られた計測結果（光検出器からの出力信号の実測値）を示した図である。

以下、添付図面に従って本発明の好ましい実施形態について説明する。

［亀裂検出装置］
図１は、本実施形態に係る亀裂検出装置１０の概略を示した構成図である。図１に示すように、本実施形態に係る亀裂検出装置１０は、被加工物Ｗに対して検出光Ｌ１を照射し、被加工物Ｗで反射した検出光Ｌ１の反射光Ｌ２を検出することで、被加工物Ｗの内部に形成された亀裂Ｋに関する亀裂情報の検出を行う装置である。なお、亀裂検出装置１０は、被加工物Ｗの内部に改質領域を形成するレーザー加工装置（不図示）と組み合わされたものであるが、図１では、図面の複雑化を避けるため、本発明の説明を行う上で必要な亀裂検出装置に係る構成要素のみを図示している。なお、図１において、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向は互いに直交しており、Ｘ方向は水平方向、Ｙ方向はＸ方向に直交する水平方向、Ｚ方向は鉛直方向である。θ方向は、Ｚ方向を中心とした回転方向である。

図１に示すように、亀裂検出装置１０は、ＸＹθステージ１２と、光学ユニット１４と、Ｚステージ１６と、高さ検出器２６と、制御装置５０と、を備えている。なお、本実施形態では、光学ユニット１４と制御装置５０とが別々に構成される場合を例示したが、この構成に限らず、光学ユニット１４が制御装置５０の一部又は全部を含んでいてもよい。

ＸＹθステージ１２は、被加工物Ｗを載置するものであり、Ｘ方向、Ｙ方向、及びθ方向に移動可能に構成される。被加工物Ｗは、その表面（検出光照射面）がデバイス面とは反対側の面となるようにＸＹθステージ１２上に載置される。なお、被加工物Ｗのデバイス面が被加工物Ｗの表面（検出光照射面）となるように、ＸＹθステージ１２上に被加工物Ｗが載置されてもよい。ＸＹθステージ１２は、被加工物Ｗと光学ユニット１４とを相対移動させることにより、後述する検出光Ｌ１を被加工物Ｗの厚さ方向に直交する方向（Ｘ方向又はＹ方向）に走査するものである。ＸＹθステージ１２は、本発明の「走査手段」の構成要素の１つである。

光学ユニット１４は、ＸＹθステージ１２上に載置された被加工物Ｗに対向する位置に配置される。光学ユニット１４は、集光レンズ１８と、光源２０と、光検出器２２とを有しており、光源２０から出射された検出光Ｌ１を集光レンズ１８を介して被加工物Ｗに向けて照射するとともに、被加工物Ｗからの反射光Ｌ２を集光レンズ１８を介して光検出器２２で検出するものである。

検出光Ｌ１としては、被加工物Ｗの内部を透過可能な波長を有する光が用いられる。例えば、被加工物Ｗがシリコンウェーハの場合には、検出光Ｌ１として、波長１１００ｎｍ以長の赤外光が好適に用いられる。

また、光検出器２２としては、検出光Ｌ１（反射光Ｌ２）の波長帯域の光の光強度を検出可能なものであれば特に限定はされないが、例えば、フォトディテクタ、フォトダイオードアレイ、ＣＣＤ（Charged Coupled Device）イメージセンサなどが好適に用いられる。

光学ユニット１４は、Ｚステージ１６に取り付けられている。Ｚステージ１６は、Ｚ方向に移動可能に構成される。これにより、光学ユニット１４の高さ位置（Ｚ方向位置）は、Ｚステージ１６の移動により調整可能となっている。換言すれば、Ｚステージ１６は、光学ユニット１４と被加工物Ｗとの間の距離（ワーキングディスタンス）を調整するものであり、これによって集光レンズ１８の集光点の位置（すなわち、集光レンズ１８により集光される検出光Ｌ１の集光点の位置）を所望の位置（本例では、被加工物Ｗの裏面）に調整することが可能となっている。Ｚステージ１６は、本発明の「集光点調整手段」の構成要素の１つである。

光学ユニット１４の側面には、高さ検出器２６が取り付けられている。高さ検出器２６は、被加工物Ｗの厚さ方向（Ｚ方向）における被加工物Ｗの表面（検出光照射面）の高さ位置（Ｚ方向位置）を検出するものである。高さ検出器２６としては、被加工物Ｗの表面の高さ位置を検出可能であれば、接触式のもの、非接触式のものを問わず、各種のセンサを用いることができるが、測定対象となる被加工物Ｗに影響を与えない非接触式のセンサが望ましい。非接触式のセンサとしては、レーザーや超音波を用いた非接触式の距離センサ（例えば、レーザー測長センサ等）が好適に用いられる。本実施形態における高さ検出器２６は、非接触式の距離センサで構成される。高さ検出器２６の検出結果は、制御装置５０に対して出力される。高さ検出器２６は、本発明の「高さ検出手段」の一例である。

なお、本実施形態では、ＸＹθステージ１２とＺステージ１６とを組み合わせて、被加工物Ｗと光学ユニット１４とがＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向、及びθ方向に相対移動する構成を例示したが、この構成に限定されるものではなく、被加工物Ｗと光学ユニット１４とを各方向に相対移動できるものであればよい。例えば、光学ユニット１４を固定し、被加工物Ｗが載置されたステージを光学ユニット１４に対して各方向に相対移動させる構成としてもよい。

ここで、光学ユニット１４の具体的構成について詳しく説明すると、以下のとおりである。図２は、光学ユニット１４の上方（図１の矢印Ａ方向）から集光レンズ１８を見た図であり、集光レンズ１８を通過する光束（検出光Ｌ１及び反射光Ｌ２の各光束）を説明するための図である。なお、集光レンズ１８の光軸Ｐを含む平面で集光レンズ１８を２分割した場合に、片側半分の領域を第１領域１８ａとし、反対側の片側半分の領域を第２領域１８ｂとする。

本実施形態では、図１に示すように、光源２０と集光レンズ１８との間にはピンホール２４が配置されている。そのため、光源２０から出射された検出光Ｌ１は、ピンホール２４で絞り込まれて、集光レンズ１８の第１領域１８ａのみに入射するように構成される（図２参照）。そして、第１領域１８ａに入射した検出光Ｌ１は、集光レンズ１８で集光されて被加工物Ｗに向けて出射される。すなわち、被加工物Ｗに対して検出光Ｌ１が集光レンズ１８の光軸Ｐに対して斜め方向に照射される偏射照明が行われる。なお、集光レンズ１８に対する検出光Ｌ１の照射領域を絞り込む手段（マスク手段）としては、ピンホール２４に限らず、スリットなどを用いてもよい。

さらに本実施形態では、光検出器２２は、被加工物Ｗからの反射光Ｌ２のうち、集光レンズ１８で集光されて第２領域１８ｂを通過した反射光Ｌ２の光強度を検出可能に構成される。光検出器２２の検出結果（すなわち、第２領域１８ｂを通過した反射光Ｌ２の光強度）は、制御装置５０に対して出力される。

なお、図１では、図面を簡略化するために、光源２０から出射された検出光Ｌ１の光軸が集光レンズ１８の光軸Ｐの一方側（図１の右側）に偏心した位置に配置され、かつ光検出器２２の光軸が集光レンズ１８の光軸Ｐの他方側（図１の左側）に偏心した位置に配置された構成を示したが、これに限定されるものではない。例えば、光源２０から出射された検出光Ｌ１を第１領域１８ａのみに入射させることができるものであれば他の構成であってもよい。また、光検出器２２は、第２領域１８ｂのみを通過した反射光Ｌ２を検出可能に構成してもよいし、第１領域１８ａと第２領域１８ｂとの両方の領域を通過した反射光Ｌ２を領域毎に検出可能に構成してもよい。すなわち、光検出器２２は、第２領域１８ｂを通過した反射光Ｌ２の光強度を検出可能であれば、第１領域１８ａを通過した反射光Ｌ２を検出可能としてもよいし、検出不可能としてもよい。

制御装置５０は、例えばパーソナルコンピュータやマイクロコンピュータなどの汎用のコンピュータによって実現されるものである。制御装置５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のプロセッサ、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）等のメモリ、キーボードやマウス等の入力装置、モニタ等の出力装置、その他の周辺回路等を含んで構成され、これらを用いて所定の動作プログラムを実行することで、図３に示す制御装置５０の各部の機能を実現する処理を行う。

図３は、制御装置５０の構成を示したブロック図である。図３に示すように、制御装置５０は、主制御部５２と、移動制御部５４と、高さ制御部５６と、光源制御部５８と、亀裂検出部６０として機能する。

主制御部５２は、亀裂検出装置１０の各部を統括的に制御する機能部である。具体的には、主制御部５２は、移動制御部５４、高さ制御部５６、光源制御部５８、及び亀裂検出部６０を制御する。また、主制御部５２は、亀裂検出部６０から亀裂検出の結果を受け取り、その結果を図示しない表示装置（モニタ）に表示する。

移動制御部５４は、主制御部５２からの指示に従って、ＸＹθステージ１２の動作を制御する。具体的には、移動制御部５４は、被加工物Ｗと光学ユニット１４との相対位置な位置合わせ（アライメント調整）を行うアライメント制御を実行する。また、移動制御部５４は、被加工物Ｗと光学ユニット１４とを相対移動させることにより、検出光Ｌ１を被加工物Ｗの厚さ方向に直交する走査方向に走査する走査制御を実行する。移動制御部５４は、上述のＸＹθステージ１２とともに、本発明の「走査手段」の構成要素の１つである。

高さ制御部５６は、主制御部５２からの指示に従って、Ｚステージ１６の動作を制御する。具体的には、高さ制御部５６は、高さ検出器２６の検出結果（すなわち、被加工物Ｗの表面の高さ位置）に基づいて、Ｚステージ１６をＺ方向に移動させて光学ユニット１４の高さ位置を調整する。これにより、被加工物Ｗの厚さ方向（Ｚ方向）における光学ユニット１４と被加工物Ｗとの間の距離が所望の距離に調整され、集光レンズ１８の集光点（集光レンズ１８により集光される検出光Ｌ１の集光点）の位置を所望の位置に位置付けることが可能となる。高さ制御部５６は、上述のＺステージ１６とともに、本発明の「集光点調整手段」の構成要素の１つである。

光源制御部５８は、主制御部５２からの指示に従って、光源２０の動作を制御する。具体的には、光源制御部５８は、光源２０から出射される検出光Ｌ１の波長や強度などを制御する光源制御を実行する。

亀裂検出部６０は、光検出器２２の検出結果（すなわち、光検出器２２が検出した反射光Ｌ２の光強度）に基づいて、被加工物Ｗの内部に形成された亀裂Ｋに関する亀裂情報を検出する亀裂検出処理を行う。亀裂検出部６０は、本発明の「亀裂検出手段」の一例である。

［亀裂検出方法］
次に、本実施形態における亀裂検出方法について説明する。この亀裂検出方法は、上述した亀裂検出装置１０を用いて行われるものである。以下、特に断らない場合には、本実施形態における亀裂検出方法では、上述した制御装置５０の主制御部５２が全体的な制御を統括的に行い、主制御部５２からの指示に従って、移動制御部５４、高さ制御部５６、光源制御部５８、及び亀裂検出部６０がそれぞれ対応する制御を実行するものとする。

図４は、本実施形態の亀裂検出方法の概略を示した図である。なお、図４の下段には、本実施形態の亀裂検出方法が行われた場合に得られる光検出器２２の出力信号の一例を示している。光検出器２２の出力信号の横軸は移動距離（被加工物Ｗと光学ユニット１４との相対移動距離）であり、縦軸は光検出器２２が検出した反射光Ｌ２の光強度（信号強度）である。また、被加工物Ｗの内部には、被加工物Ｗと光学ユニット１４との相対移動方向に沿って複数の亀裂Ｋが一定又は任意の間隔に配列されているものとする。

本実施形態の亀裂検出方法では、まず事前処理として、図示しないアライメントカメラを用いて被加工物Ｗと光学ユニット１４との相対的な位置合わせを行うアライメント調整処理と、被加工物Ｗに対する集光レンズ１８の集光点の高さ位置を調整する高さ調整処理が行われる。

アライメント調整処理では、移動制御部５４は、被加工物Ｗと光学ユニット１４との相対位置を検出するアライメントカメラ（不図示）の検出結果に基づいて、ＸＹθステージ１２の移動を制御して、被加工物Ｗと光学ユニット１４との相対的な位置合わせを行う。これにより、複数の亀裂Ｋの配列方向と検出光Ｌ１の走査方向（本例では、Ｘ方向）とが一致したものとなる。

高さ調整処理では、移動制御部５４は、ＸＹθステージ１２の移動を制御して、被加工物Ｗの表面における所定の基準位置（例えば中央位置）に対向する位置に高さ検出器２６を配置する。その後、高さ検出器２６によって被加工物Ｗの表面の高さ位置が検出される。そして、高さ制御部５６は、高さ検出器２６の検出結果に基づいて、被加工物Ｗの裏面（検出光照射面とは反対側の面）に集光レンズ１８の集光点の高さ位置が一致するように、Ｚステージ１６の移動を制御して光学ユニット１４の高さ位置を調整する。なお、被加工物Ｗの裏面の高さ位置は、高さ検出器２６が検出した被加工物Ｗの表面の高さ位置から被加工物Ｗの厚さに相当する距離Ｄだけ下方にオフセットすることで、集光レンズ１８の集光点の高さ位置を被加工物Ｗの裏面に一致させることができる。なお、被加工物Ｗの厚さに関する情報は、制御装置５０の記憶部（不図示）に記憶されており、高さ制御部５６は記憶部に記憶された被加工物Ｗの厚さに関する情報を参照することで、上述した制御を行うことができる。

以上のようにして事前処理（アライメント調整処理及び高さ調整処理）が行われた後、亀裂検出処理が行われる。亀裂検出処理では、図４に示すように、被加工物Ｗに対して検出光Ｌ１を偏射照明しつつ、被加工物Ｗと光学ユニット１４との相対移動により検出光Ｌ１を被加工物Ｗの厚さ方向に直交する方向（Ｘ方向）に走査しながら、被加工物Ｗで反射した検出光Ｌ１の反射光Ｌ２が光検出器２２で検出される。そして、亀裂検出部６０は、光検出器２２の検出結果に基づき、被加工物Ｗの内部に形成された亀裂Ｋに関する亀裂情報を検出する。

ここで、本実施形態における亀裂検出処理について詳しく説明する。

図５から図７は、被加工物Ｗに対して検出光Ｌ１の偏射照明と走査が行われたときの様子を示した説明図である。なお、図５から図７は、図４の符号１００Ａから１００Ｃで示した位置でそれぞれ、被加工物Ｗに対して検出光Ｌ１の偏射照明が行われたときの反射光Ｌ２の進行方向を概略的に図示したものであり、被加工物Ｗや亀裂Ｋの形状は、図４とは必ずしも一致していない。

図５に示すように、検出光Ｌ１の光路上と、被加工物Ｗの裏面で反射した反射光Ｌ２の光路上とのいずれにも亀裂Ｋが存在しない場合には、その反射光Ｌ２は、集光レンズ１８の光軸Ｐに対して検出光Ｌ１の光路と反対側（図５の左側）の経路をたどって、第２領域１８ｂを通過して光検出器２２で検出される。

これに対し、図６に示すように、検出光Ｌ１の光路上に亀裂Ｋが存在する場合には、検出光Ｌ１は被加工物Ｗの裏面に到達する前に亀裂Ｋで反射し、その反射光Ｌ２は、集光レンズ１８の光軸Ｐを挟んで検出光Ｌ１の入射側と同じ側（図６の右側）に反射されるので、光検出器２２では反射光Ｌ２が検出されない。

また、図７に示すように、検出光Ｌ１の光路上に亀裂Ｋが存在しないが、被加工物Ｗの裏面で反射した反射光Ｌ２の光路上に亀裂Ｋが存在する場合には、その反射光Ｌ２は、検出光Ｌ１の入射側と同じ側に反射されるので、光検出器２２では反射光Ｌ２が検出されない。

したがって、被加工物Ｗに対して検出光Ｌ１の偏射照明と走査を行った場合には、図４に示すように、被加工物Ｗの内部に形成された亀裂Ｋの位置に応じて、被加工物Ｗからの反射光Ｌ２の進行方向が変化するので、光検出器２２において反射光Ｌ２の検出と非検出とが繰り返される。

本実施形態における亀裂検出処理は、このような原理を利用して、亀裂検出部６０が、光検出器２２が検出した反射光Ｌ２の光強度の変化から、被加工物Ｗの内部に形成された亀裂Ｋに関する亀裂情報として、被加工物Ｗの厚さ方向における亀裂Ｋの亀裂下端位置、亀裂上端位置、及び亀裂長さを算出することにより検出するものである。

図８及び図９は、亀裂検出部６０で行われる亀裂情報の算出方法を説明するための図である。図８は、被加工物Ｗに対して検出光Ｌ１の偏射照明と走査を行った場合に亀裂Ｋに対する検出光Ｌ１及び反射光Ｌ２の移動軌跡を示した図であり、図９は、図８の一部を拡大した図である。

被加工物Ｗに対して検出光Ｌ１の偏射照明と走査が行われると、図８に示すように、亀裂Ｋを基準（固定）として見た場合、集光レンズ１８が被加工物Ｗに対して図８の矢印Ｍ方向に向かって相対的に移動しながら、被加工物Ｗに対して検出光Ｌ１が照射される。これにより、被加工物Ｗに対する検出光Ｌ１の照射位置（入射位置）が相対的に変化し、その変化に伴って検出光Ｌ１及び反射光Ｌ２の進行方向が変化する。

このとき、光検出器２２が反射光Ｌ２を検出し始める位置（検出開始位置）における検出光Ｌ１及び反射光Ｌ２の軌跡をそれぞれＬ１ａ、Ｌ２ａとする。また、光検出器２２が反射光Ｌ２を検出しなくなる位置（検出終了位置）における検出光Ｌ１及び反射光Ｌ２の軌跡をそれぞれＬ１ｃ、Ｌ２ｃとする。また、集光レンズ１８の光軸Ｐが亀裂Ｋの位置と一致しているときの検出光Ｌ１及び反射光Ｌ２の軌跡をＬ１ｂ、Ｌ２ｂとする。なお、図８及び図９から分かるように、検出光Ｌ１の軌跡Ｌ１ｂは軌跡Ｌ１ａと軌跡Ｌ１ｃとの中間位置となり、反射光Ｌ２の軌跡Ｌ２ｂは軌跡Ｌ２ａと軌跡Ｌ２ｃとの中間位置となる。

検出光Ｌ１が軌跡Ｌ１ａから軌跡Ｌ１ｃとの間の範囲である場合には、検出光Ｌ１及びその反射光Ｌ２は、それらの進行方向の途中で亀裂Ｋに遮られることがないため、光検出器２２で検出される。一方、検出光Ｌ１が上記範囲の前後にある場合（例えば、検出光Ｌ１が軌跡Ｌ１ｄの位置にある場合）には、検出光Ｌ１又はその反射光Ｌ２の進行方向の途中で亀裂Ｋに遮られるため、光検出器２２で検出されない。

被加工物Ｗに対して検出光Ｌ１の偏射照明と走査を行った場合に得られる光検出器２２の検出結果から、光検出器２２による反射光Ｌ２の検出開始位置と検出終了位置とを求めることにより、以下のようにして、亀裂下端位置（被加工物Ｗの裏面からの距離）を算出することが可能である。すなわち、図９に示すように、被加工物Ｗに対する検出光Ｌ１の入射角度をθとし、検出開始位置から検出終了位置までの距離を２ｄとすると、亀裂下端位置ｈは、以下の式（１）によって求めることができる。

ｈ＝ｄ／tanθ ・・・（１）
図１０及び図１１は、本実施形態における亀裂検出処理で得られる光検出器２２の出力信号（検出結果）を説明するための図である。図１０は、被加工物Ｗの内部に形成された亀裂Ｋが被加工物Ｗの裏面まで達していない場合である。図１１は、被加工物Ｗの内部に形成された亀裂Ｋが被加工物Ｗの裏面まで達している場合である。なお、図１０及び図１１に示した光検出器２２の出力信号の横軸は移動距離（被加工物Ｗと光学ユニット１４とを相対移動させたときの移動距離）であり、縦軸は光検出器２２が検出した反射光Ｌ２の光強度（信号強度）である。

図１０に示すように、被加工物Ｗの内部に形成された亀裂Ｋが被加工物Ｗの裏面まで達していない場合には、検出光Ｌ１が被加工物Ｗの裏面で反射する前に亀裂Ｋで遮蔽される場合と、検出光Ｌ１が被加工物Ｗの裏面で反射した後にその反射光Ｌ２が亀裂Ｋで遮蔽される場合とがあり、光検出器２２の出力信号は、１つの亀裂Ｋで２度低下する。

具体的には、被加工物Ｗに対して検出光Ｌ１の偏射照明と走査が行われた場合、光検出器２２の出力信号は、検出光Ｌ１及び反射光Ｌ２が亀裂Ｋで遮蔽されずにハイレベル信号となるハイレベル期間（Ｓ１）が継続し、続いて、検出光Ｌ１が被加工物Ｗの裏面で反射した後にその反射光Ｌ２が亀裂Ｋで遮蔽されてローレベル信号となるローレベル期間（Ｔ１）が継続し、さらに、検出光Ｌ１及び反射光Ｌ２が亀裂Ｋで遮蔽されずにハイレベル信号となるハイレベル期間（Ｓ２）が継続する。また、さらに続いて、検出光Ｌ１が被加工物Ｗの裏面で反射する前に亀裂Ｋで遮蔽されてローレベル信号となるローレベル期間（Ｔ２）が継続し、続いて、検出光Ｌ１及び反射光Ｌ２が亀裂Ｋで遮蔽されずにハイレベル信号となるハイレベル期間（Ｓ３）が継続する。

したがって、光検出器２２の出力信号の立上がりと立下がりのそれぞれのタイミングを検出することにより、ローレベル期間Ｔ１、Ｔ２及びハイレベル期間Ｓ２の各移動距離を求めることができる。

ここで、ハイレベル期間Ｓ２の移動距離に相当する距離Ｄ１は、図９に示した距離ｄの２倍に相当するものであり、亀裂下端位置ｈ１は、以下の式（２）によって求めることができる。

ｈ１＝（Ｄ１／２）／tanθ ・・・（２）
また、ローレベル期間Ｔ１、Ｔ２及びハイレベル期間Ｓ２の各移動距離の合計に相当する距離をＤ２とすると、亀裂上端位置ｈ２は、以下の式（３）によって求めることができる。

ｈ２＝（Ｄ２／２）／tanθ ・・・（３）
また、亀裂長さＨは、以下の式（４）によって求めることができる。

Ｈ＝ｈ２－ｈ１
＝（Ｄ１－Ｄ２）／（２×tanθ） ・・・（４）
一方、図１１に示すように、被加工物Ｗの内部に形成された亀裂Ｋが被加工物Ｗの裏面まで達している場合には、検出光Ｌ１が被加工物Ｗの裏面で反射する前に亀裂Ｋで遮蔽される場合と、検出光Ｌ１が被加工物Ｗの裏面で反射した後にその反射光Ｌ２が亀裂Ｋで遮蔽される場合とがあるが、いずれの場合も検出光Ｌ１又は反射光Ｌ２が亀裂Ｋの上側を通過する場合に限られるため、光検出器２２の出力信号は、１つの亀裂Ｋで１度低下するだけである。

具体的には、被加工物Ｗに対して検出光Ｌ１の偏射照明と走査が行われた場合、光検出器２２の出力信号は、検出光Ｌ１及び反射光Ｌ２が亀裂Ｋで遮蔽されずにハイレベル信号となるハイレベル期間（Ｓ４）が継続し、続いて、検出光Ｌ１が被加工物Ｗの裏面で反射した後にその反射光Ｌ２が亀裂Ｋで遮蔽されてローレベル信号となるローレベル期間（Ｔ３）が継続し、さらに、検出光Ｌ１及び反射光Ｌ２が亀裂Ｋで遮蔽されずにハイレベル信号となるハイレベル期間（Ｓ５）が継続する。

したがって、光検出器２２の出力信号の波形から、１つの亀裂Ｋに対するローレベル期間の数を検出することにより、被加工物Ｗの内部に形成された亀裂Ｋが被加工物Ｗの裏面まで達しているか否かを判定することができる。

具体的には、１つの亀裂Ｋに対するローレベル期間が２つである場合には、被加工物Ｗの内部に形成された亀裂Ｋが被加工物Ｗの裏面まで達していないと判定することができる。この場合には、式（２）から（４）により、亀裂下端位置ｈ１、亀裂上端位置ｈ２、及び亀裂長さＨを求めることができる。

また、１つの亀裂Ｋに対するローレベル期間が１つである場合には、光検出器２２の出力信号の立上がりと立下がりのそれぞれのタイミングを検出することにより、ローレベル期間Ｔの移動距離に相当する距離Ｄ３を求める。

そして、亀裂上端位置（被加工物Ｗの裏面からの距離）ｈ３は、以下の式（５）によって求めることができる。

ｈ３＝（Ｄ３／２）／tanθ ・・・（５）
また、この場合には、被加工物Ｗの内部に形成された亀裂Ｋが被加工物Ｗの裏面まで達しているので、亀裂長さＨは、以下の式（６）によって求めることができる。

Ｈ＝ｈ３
＝（Ｄ３／２）／tanθ ・・・（６）
なお、被加工物Ｗの厚さ方向に直交する面内における各亀裂Ｋの位置情報は、制御装置５０の記憶部（不図示）に予め記憶されており、既知である。したがって、検出光Ｌ１の走査方向に複数の亀裂Ｋが存在する場合には、亀裂検出部６０は、制御装置５０の記憶部に記憶された各亀裂Ｋの位置情報を参照することにより、被加工物Ｗに対して検出光Ｌ１の偏射照明と走査を行った場合に得られる光検出器２２の検出結果から、各亀裂Ｋの亀裂情報を亀裂毎に検出することが可能となっている。

以上のようにして、被加工物Ｗの内部に形成された亀裂Ｋに関する亀裂情報が亀裂検出部６０で検出されると、その検出結果は図示しない表示装置（モニタ）に表示され、亀裂検出処理が終了となる。なお、上述したように、被加工物Ｗの内部に形成された亀裂Ｋが検出光Ｌ１の走査方向に沿って複数形成されている場合には、１回の走査で、各亀裂Ｋに関する亀裂情報が亀裂毎に検出される。

ここで、本実施形態における亀裂検出処理の効果を検証するために、実際の亀裂に対して亀裂検出処理を行った場合の評価結果について説明する。具体的には、図１２に示すように、亀裂Ｋの位置及び長さが既知（亀裂下端位置ｈ１＝７９μｍ、亀裂上端位置ｈ２＝２０９μｍ、亀裂長さＨ＝１３０μｍ）であるサンプルに対して亀裂検出処理を行った場合の評価を行った。なお、図１２の下段には、光検出器２２からの出力信号の理論値を示している。また、この評価で用いた亀裂検出装置１０における検出光Ｌ１の入射角θは、約０．５７度（tanθ＝０．１）である。

図１３は、図１２に示したサンプルに対して亀裂検出処理を行った場合に得られた計測結果（光検出器２２からの出力信号の実測値）である。図１３に示した計測結果から、亀裂Ｋの亀裂下端位置ｈ１、亀裂上端位置ｈ２、及び亀裂長さＨは、以下の式（７）から式（９）に示すとおり求められる。

ｈ１＝（Ｄ１／２）／tanθ
＝１６／２／０．１＝８０（μｍ） ・・・（７）
ｈ２＝（Ｄ２／２）／tanθ
＝４４／２／０．１＝２２０（μｍ） ・・・（８）
Ｈ＝ｈ２－ｈ１
＝２２０－８０＝１４０（μｍ） ・・・（９）
被加工物Ｗの内部に形成された亀裂Ｋに関する亀裂情報（亀裂Ｋの亀裂下端位置ｈ１、亀裂上端位置ｈ２、及び亀裂長さＨ）に関して、図１２に示した実際の値と、図１３に示した計測結果から得られる計測値とを比較すると、これらの誤差が少なくとも１０％以下の精度で一致している。したがって、本実施形態における亀裂検出処理によれば、被加工物Ｗに対して検出光Ｌ１の偏射照明と走査が行われた場合の光検出器２２の検出結果を用いることで亀裂情報を精度良く検出することが可能となる。

［効果］
本実施形態によれば、被加工物Ｗに対して検出光Ｌ１を偏射照明しつつ被加工物Ｗの厚さ方向に直交する方向に走査しながら、被加工物Ｗからの反射光Ｌ２を光検出器２２で検出し、光検出器２２の検出結果に基づいて、被加工物Ｗの内部に形成された亀裂Ｋに関する亀裂情報を検出することが可能である。したがって、被加工物Ｗの厚さ方向に検出光Ｌ１を走査する必要がないのでスループットを向上させることができ、被加工物Ｗの内部に形成された亀裂Ｋに関する亀裂情報を非破壊かつ精度よく検出することができる。

また、本実施形態では、光検出器２２の検出結果である出力信号の波形形状から、被加工物Ｗの内部に形成された亀裂Ｋが被加工物Ｗの裏面（検出光照射面とは反対側の面）にまで到達しているか否かを判断することも可能である。例えば、被加工物Ｗの裏面に亀裂Ｋが到達しているか否かを確認したい場合には、亀裂検出部６０において、光検出器２２の出力信号の波形形状が、図１０示したパターンと図１１に示したパターンとのどちらのパターンに該当するかを判定することにより、容易かつ簡易に判定することが可能となる。

また、本実施形態では、好ましい態様として、集光レンズ１８の集光点（すなわち、集光レンズ１８で集光される検出光Ｌ１の集光点）の位置を被加工物Ｗの裏面に一致させた状態で亀裂検出処理を行う場合を示したが、これに限定されるものではなく、集光レンズ１８の集光点が被加工物Ｗの裏面に必ずしも一致していなくてもよい。この場合は、被加工物Ｗの裏面に対する集光レンズ１８の集光点の位置ずれ量を考慮して亀裂検出処理を行えばよい。

また、本実施形態では、高さ検出手段の一例である高さ検出器２６が、被加工物Ｗの厚さ方向における被加工物Ｗの表面（検出光照射面）の高さ位置を検出する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、被加工物Ｗの裏面（検出光照射面とは反対側の面）の高さ位置を検出するものであってもよい。この場合、高さ制御部５６は、被加工物Ｗの裏面の高さ位置を基準として、被加工物Ｗに対する集光レンズ１８の集光点の高さ位置の調整を行うことが可能となる。なお、高さ検出手段は、公知のオートフォーカス技術を用いて、被加工物Ｗの表面又は裏面の高さ位置を検出可能に構成されていてもよい。

また、本実施形態では、被加工物Ｗの内部に形成された亀裂Ｋに関する亀裂情報として、亀裂下端位置、亀裂上端位置、及び亀裂長さを検出する場合を示したが、これに限定されるものではなく、亀裂下端位置、亀裂上端位置、及び亀裂長さの少なくとも１つを検出するものであってもよい。また、亀裂下端位置及び亀裂上端位置とは、それぞれ、被加工物Ｗの裏面から亀裂Ｋの下端位置もしくは上端位置までの距離を示すものとして説明したが、もちろん、これに限定されるものではなく、被加工物Ｗの表面（検出光照射面）からの距離としてもよい。

また、本実施形態における亀裂検出装置１０は、上述したように、図示しないレーザー加工装置と組み合わされたものであり、集光レンズ１８はレーザー加工装置のレーザー加工部と共用されるが、これに限らず、レーザー加工装置とは組み合わされずに、単独の亀裂検出装置として構成されていてもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、以上の例には限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはもちろんである。

１０…亀裂検出装置、１２…ＸＹθステージ、１４…光学ユニット、１６…Ｚステージ、１８…集光レンズ、１８ａ…第１領域、１８ｂ…第２領域、２０…光源、２２…光検出器、２４…ピンホール、２６…高さ検出器、５０…制御装置、５２…主制御部、５４…移動制御部、５６…高さ制御部、５８…光源制御部、６０…亀裂検出部、Ｋ…亀裂、Ｌ１…検出光、Ｌ２…反射光、Ｐ…光軸、Ｗ…被加工物

Claims (10)

1. 光源と、集光レンズと、光検出器とを有し、前記光源から出射された検出光を前記集光レンズの片側半分の第１領域を介して被加工物に偏射照明を行い、かつ前記被加工物で反射した前記検出光の反射光を前記集光レンズの反対側の片側半分の第２領域を介して前記光検出器で検出する光学ユニットと、
   前記被加工物と前記光学ユニットとを相対移動させることにより、前記検出光を前記被加工物の厚さ方向に直交する方向に走査する走査手段と、
   前記光学ユニットにより前記検出光を前記被加工物に偏射照明しつつ前記走査手段により前記検出光を走査した場合に前記光検出器で検出された検出結果であって、前記反射光が、前記被加工物の内部に形成された亀裂で遮蔽されずにハイレベル信号となるハイレベル期間と、前記反射光が前記亀裂で遮蔽されてローレベル信号となるローレベル期間の検出結果に基づいて、前記亀裂に関する亀裂情報を検出する亀裂検出手段と、
   を備える、亀裂検出装置。
2. 前記被加工物の厚さ方向における前記被加工物の検出光照射面又は反対側の面の高さ位置を検出する高さ検出手段と、
   前記高さ検出手段の検出結果に基づいて、前記被加工物の厚さ方向における前記集光レンズの集光点の位置を調整する集光点調整手段と、
   を備える、請求項１に記載の亀裂検出装置。
3. 前記集光点調整手段は、前記集光レンズの集光点の位置が前記被加工物の検出光照射面とは反対側の面に一致するように調整する、
   請求項２に記載の亀裂検出装置。
4. 前記ハイレベル期間と前記ローレベル期間の検出結果に基づいて前記亀裂の亀裂下端位置、亀裂上端位置、及び亀裂長さのうちの少なくとも１つを算出する、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の亀裂検出装置。
5. １つの前記亀裂に対する前記ローレベル期間の数の検出結果に基づいて、前記亀裂が前記被加工物の裏面まで達しているか否かを判定する、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の亀裂検出装置。
6. 光源から出射された検出光を集光レンズの片側半分の第１領域を介して被加工物に偏射照明を行う照明ステップと、
   前記被加工物で反射した前記検出光の反射光を前記集光レンズの反対側の片側半分の第２領域を介して検出する光検出ステップと、
   前記検出光を前記被加工物の厚さ方向に直交する方向に相対的に走査する走査ステップと、
   前記照明ステップと前記走査ステップとが行われた場合に前記光検出ステップで検出された検出結果であって、前記反射光が、前記被加工物の内部に形成された亀裂で遮蔽されずにハイレベル信号となるハイレベル期間と、前記反射光が前記亀裂で遮蔽されてローレベル信号となるローレベル期間の検出結果に基づいて、前記亀裂に関する亀裂情報を検出する亀裂検出ステップと、
   を備える、亀裂検出方法。
7. 前記被加工物の厚さ方向における前記被加工物の検出光照射面又は反対側の面の高さ位置を検出する高さ検出ステップと、
   前記高さ検出ステップの検出結果に基づいて、前記被加工物の厚さ方向における前記集光レンズの集光点の位置を調整する集光点調整ステップと、
   を備える、請求項６に記載の亀裂検出方法。
8. 前記集光点調整ステップは、前記集光レンズの集光点の位置が前記被加工物の検出光照射面とは反対側の面に一致するように調整する、
   請求項７に記載の亀裂検出方法。
9. 前記亀裂検出ステップでは、前記ハイレベル期間と前記ローレベル期間の検出結果に基づいて前記亀裂の亀裂下端位置、亀裂上端位置、及び亀裂長さのうちの少なくとも１つを算出する、
   請求項６から８のいずれか１項に記載の亀裂検出方法。
10. 前記亀裂検出ステップでは、１つの前記亀裂に対する前記ローレベル期間の数の検出結果に基づいて、前記亀裂が前記被加工物の裏面まで達しているか否かを判定する、
    請求項６から９のいずれか１項に記載の亀裂検出方法。
    

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