KR102411865B1 - 레이저가공장치 - Google Patents

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Abstract

레이저가공에서 사용하는 물체에 대하여 용이하며 적절한 검사를 실현할 수 있는 레이저가공장치(101)를 제공한다. 이 레이저가공장치(101)는, 레이저광이 조사된 가공대상물의 열복사의 강도를 측정하는 열복사측정부(126)와, 가공에 사용하는 물체를 대상물(41)로 하여 대상물(41)의 상태를 열복사측정부(126)에 의하여 측정된 열복사의 강도에 근거하여 판정하는 판정부(11)를 구비한다.

Description

레이저가공장치{LASER PROCESSING APPARATUS}
본 발명은, 레이저가공장치에 관한 것이다.
종래, 레이저광을 가공대상물에 조사하여, 천공(穿孔), 어닐링 또는 용접 등의 소정의 가공을 행하는 레이저가공장치가 있다.
특허문헌 1에는, 레이저용접장치에 있어서, 용접개소의 온도를 적외선검출기에 의하여 검출하여, 용접의 결함을 발견하는 구성이 개시되어 있다.
특허문헌 1: 일본 공개특허공보 2005-007415호
레이저가공장치는, 레이저광원, 광학계 및 가공대상물을 사용하여, 가공개소에 가공내용에 따른 가공생성물을 형성한다. 즉, 레이저천공장치이면 구멍부, 레이저어닐링장치이면 가열에 의한 변태부, 레이저용접장치이면 용접부가 생성된다.
특허문헌 1의 기술은, 적외선검출기에 의하여 검출된 온도에 근거하여, 용접부 즉 가공에 의하여 생성된 부분의 결함을 발견한다. 그러나, 특허문헌 1에는, 적외선검출기에 의하여 검출된 온도에 근거하여, 레이저가공에서 사용하는 물체, 예를 들면 레이저광원, 광학계 또는 가공대상물에 대하여 검사 또는 제어하는 사상은 개시되어 있지 않다.
본 발명은, 레이저가공에서 사용하는 물체에 대하여 용이하며 적절한 검사를 실현할 수 있는 레이저가공장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 레이저가공장치는,
레이저광이 조사된 가공대상물의 열복사(熱輻射)의 강도를 측정하는 열복사측정부와,
가공에 사용하는 물체를 대상물로 하여 상기 대상물의 상태를 상기 열복사측정부에 의하여 측정된 열복사의 강도에 근거하여 판정하는 판정부를 구비하는 구성으로 했다.
본 발명에 의하면, 레이저가공에서 사용하는 물체에 대하여 용이하며 적절한 검사를 실현할 수 있다는 효과가 얻어진다.
도 1은 본 발명의 실시형태 1에 관한 레이저가공장치를 나타내는 구성도이다.
도 2는 제어부에 의하여 실행되는 가공처리의 수순을 나타내는 플로차트이다.
도 3a는 도 2의 스텝 S102~S105의 루프처리에 의하여 취득된 열복사의 데이터의 일례를 나타내는 그래프이며, 정상이라고 판단된 데이터를 나타낸다.
도 3b는 도 2의 스텝 S102~S105의 루프처리에 의하여 취득된 열복사의 데이터의 일례를 나타내는 그래프이며, 이상(異常)있음이라고 판단된 데이터를 나타낸다.
도 4a는 도 2의 스텝 S108에 의하여 이차원배열된 열복사의 데이터의 일례를 나타내는 도이며, 정상이라고 판단된 데이터를 나타낸다.
도 4b는 도 2의 스텝 S108에 의하여 이차원배열된 열복사의 데이터의 일례를 나타내는 도이며, 이상이라고 판단된 데이터를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시형태 2에 관한 레이저가공장치를 나타내는 구성도이다.
도 6은 파워측정부의 출력의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 7은 제어부에 의하여 실행되는 기준데이터취득처리의 흐름을 나타내는 플로차트이다.
도 8은 기억부에 기억되는 측정값의 정상범위의 일례를 나타내는 도이다.
도 9는 제어부에 의하여 실행되는 레이저가공장치의 조정처리의 흐름을 나타내는 플로차트이다.
도 10은 본 발명의 실시형태 3에 관한 레이저가공장치를 나타내는 구성도이다.
도 11은 제어부의 내부구성의 일부를 나타내는 블록도이다.
도 12a는 일정한 강도의 레이저광을 웨이퍼의 표면부에 주사했을 때에 측정된 온도분포의 일례를 나타내는 것이며, 웨이퍼전체의 도이다.
도 12b는 도 12a의 범위 C의 확대도이다.
도 13은 3개의 주사패턴에 대응하는 열복사의 측정값을 나타내는 그래프이다.
도 14는 도 13의 3개의 주사패턴 중, 도 14a는 "Plus"의 주사패턴, 도 14b는 "Minus"의 주사패턴, 도 14c는 "Raster"의 주사패턴을 각각 나타내는 설명도이다.
이하, 본 발명의 각 실시형태에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
(실시형태 1)
이전부터, 레이저광을 이용하여 가공대상물의 가공을 행하는 레이저가공장치가 있다. 레이저가공장치 중에는, 반도체소자의 재료가 되는 웨이퍼를 가공대상물로 하여, 가공대상물의 표면부를 레이저광으로 주사하고, 표면부를 가열처리하는 레이저어닐링장치가 있다. 문헌 1(일본 공개특허공보 2005-007415호)에는, 본 실시형태 1에 관한 발명에 관련된 기술로서, 레이저용접장치에 있어서, 용접개소의 온도를 적외선검출기에 의하여 검출하고, 용접의 결함을 발견하는 구성이 개시되어 있다.
가공대상물은, 예를 들면 크랙, 이물의 혼입, 또는 큰 휨 등, 이상을 포함하고 있는 경우가 있다. 그러나, 종래 레이저가공장치를 이용하여 가공대상물에 가공을 행할 때, 가공대상물에 포함되는 이상을 검출할 수 없었다. 문헌 1의 기술은, 가공부분에 결함이 발생하고 있지 않은지 검출하는 것이며, 가공대상물에 포함되는 이상을 검출하는 것은 아니다.
본 실시형태 1에 관한 발명은, 가공처리 시에, 가공대상물에 포함되는 이상개소를 검출할 수 있는 레이저가공장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
계속해서, 실시형태 1의 레이저가공장치(101)에 대하여 설명한다. 도 1은, 본 발명의 실시형태 1에 관한 레이저가공장치를 나타내는 구성도이다. 도 중, 레이저광의 광축을 실선으로 나타내고, 열방사를 간격이 넓은 파선으로 나타내며, 제어선 및 측정결과의 출력선을 간격이 좁은 파선으로 나타낸다.
본 실시형태 1의 레이저가공장치(101)는, 반도체소자재료의 웨이퍼를 가공대상물(141)로 하여, 가공대상물(141)에 어닐링처리를 행하는 레이저어닐링장치이다. 어닐링처리는, 가공대상물(141)의 표면부에 설정된 이차원의 영역에 걸쳐 레이저광을 주사시켜, 가공대상물(141)의 표면부를 고온으로 가열하는 처리이다.
레이저가공장치(101)는, 제어부(110), 레이저광원(121), 주사광학계(122), 다이크로익미러(123), 렌즈(124, 125), 열복사측정부(126) 및 스테이지(131)를 구비한다. 주사광학계(122)는, 본 발명에 관한 주사부의 일례에 상당한다.
레이저광원(121)은, 예를 들면 YAG레이저 등의 고체레이저 또는 CO2레이저 등의 가스레이저이며, 가공대상물(141)에 조사되어 가공대상물(141)의 피가공위치(P100)를 고온으로 가열하는 레이저광을 출력한다. 레이저광원(121)은 레이저발진기라고 불러도 된다.
주사광학계(122)는, 예를 들면 갈바노미러를 포함하며, 레이저광의 조사위치 즉 피가공위치(P100)를 예를 들면 스테이지(131)의 상면을 따른 2방향으로 변화시킬 수 있다.
다이크로익미러(123)는, 레이저광원(121)의 출력파장의 광을 반사하며, 열복사를 포함하는 적외영역의 광을 투과한다.
렌즈(124)는, 예를 들면 Fθ렌즈이며, 피가공위치에 레이저광을 수렴시킨다. 또, 렌즈(124)는, 가공대상물의 피가공위치(P100)로부터 열복사를 집광한다.
렌즈(125)는, 렌즈(124)에 의하여 집광되어, 다이크로익미러(123)를 투과한 열복사를 열복사측정부(126)에 수렴시킨다.
열복사측정부(126)는, 예를 들면 적외선센서이며 수광부에 입력된 열복사의 강도를 측정한다.
스테이지(131)는, 가공대상물(141)을 지지하는 대(臺)이다. 스테이지(131)는, 레이저광의 광축과 교차하는 2방향으로 이동 가능하도록 구성되어 있어도 된다.
제어부(110)는, 프로그램이 저장된 기억장치, 프로그램을 실행하는 CPU(Central Processing Unit), 작업용 메모리와, 제어신호 및 검출신호의 입출력을 행하는 I/O 등을 갖는 컴퓨터이다. 제어부(110)는, 레이저광원(121)의 구동제어와 주사광학계(122)의 구동제어를 행하여, 열복사측정부(126)의 측정결과를 입력한다. 제어부(110)는, 표시부(112)와, CPU가 프로그램을 실행하여 기능하는 기능모듈로서 판정부(111)를 더 구비한다.
판정부(111)는, 제어부(110)에 도입된 열복사의 강도의 데이터에 근거하여, 가공대상물(141)에 포함되는 이상개소의 판정을 행한다.
표시부(112)는, 경고등 또는 화상표시가 가능한 디스플레이이며, 가공대상물(141)에 이상개소가 있다고 판정된 경우에, 이상을 알리는 표시를 행한다. 표시부(112)는, 또한 제어부(110)에 도입되어 이차원화상으로 가공된 열복사의 강도의 데이터(도 4를 참조)를 표시출력한다.
<가공처리>
도 2는, 제어부에 의하여 실행되는 가공처리의 수순을 나타내는 플로차트이다.
도 2의 가공처리는, 가공대상물(141)에 어닐링처리를 행하면서, 가공대상물(141)의 이상 유무 및 이상개소를 검출하는 처리이다. 가공처리는, 스테이지(131)에 가공대상물(141)이 배치된 상태로 개시된다.
가공처리가 개시되면, 제어부(110)는, 레이저광원(121)을 구동하고, 레이저광을 가공대상물(141)의 표면부에 걸쳐 주사하는 주사처리를 개시한다(스텝 S101). 여기에서, 레이저광원(121)으로부터 출력된 레이저광은, 주사광학계(122), 다이크로익미러(123) 및 렌즈(124)를 거쳐, 가공대상물(141)의 피가공위치(P100)에 조사되고, 이 개소가 고온으로 가열된다. 또한, 고온으로 가열된 피가공위치(P100)로부터 열복사가 방사되고, 렌즈(124), 다이크로익미러(123) 및 렌즈(125)를 거쳐, 열복사가 열복사측정부(126)의 수광부에 집광된다. 열복사측정부(126)는 수광한 열복사의 강도에 따른 측정결과(예를 들면 전압)를 출력한다.
주사가 개시되면, 제어부(110)는, 스텝 S102~S105의 루프처리로 처리를 이행한다. 루프처리에서는, 먼저 제어부(110)는, 레이저광의 출력을 계속하면서, 주사광학계(122)를 제어하여, 레이저광의 조사위치를 미리 설정된 경로를 따른 다음의 위치로 변경한다(스텝 S102). 이로써, 주사경로 중의 다음의 위치를 피가공위치(P100)로 하여, 이 위치에 레이저광이 조사되고, 이 위치로부터 열복사가 방사된다. 그리고, 열복사측정부(126)가 열복사의 강도를 측정하고, 제어부(110)가 이 측정값을 입력한다(스텝 S103). 다음으로, 제어부(110)는, 입력한 열복사의 측정값과 주사위치를 대응시켜 기억한다(스텝 S104). 계속해서, 제어부(110)는 미리 설정된 영역의 주사가 완료되었는지 판별하고(스텝 S105), 미완료이면 처리를 스텝 S102로 되돌리지만, 완료되면 루프처리를 빠져나와 처리를 다음으로 진행한다.
상기 스텝 S102~S105의 루프처리가 반복하여 행해짐으로써, 미리 설정된 이차원의 영역에 걸쳐 순차 레이저광이 조사되고, 가공대상물(141)의 설정된 영역의 어닐링처리가 완료된다. 추가로, 가공대상물(141)의 각 주사위치에 레이저광이 조사되었을 때의 열복사의 강도의 측정값이 제어부(110)에 도입된다.
루프처리를 빠져나오면, 제어부(110)는, 도입된 열복사의 강도의 측정값에 근거하여, 가공대상물(141)의 이상 유무를 판정한다. 계속해서, 4개의 이상판정처리를 채용한 예를 나타낸다.
제1 이상판정처리(스텝 S106)에서는, 제어부(110)는, 각 주사위치에 있어서의 열복사의 측정값과 이상을 식별하는 상한의 임곗값 및 하한의 임곗값의 일방 또는 양방을 비교한다. 그리고, 제어부(110)는, 상한의 임곗값을 초과한 측정값을 갖는 주사위치, 또는 하한의 임곗값을 하회한 측정값을 갖는 주사위치를 이상개소라고 판정한다. 웨이퍼 등의 가공대상물(141)에 있어서는, 크랙 또는 이물의 혼입이 있으면, 레이저광의 조사에 의하여 발생한 고열이 크랙 또는 이물의 개소에서 통상과 다른 양태로 전달되기 때문에, 이 개소의 주위에서 열복사의 측정값이 높아지거나 낮아지거나 한다. 따라서, 제1 이상판정처리에 의하여, 이들의 이상의 개소를 판정할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는, 도 2의 스텝 S102~S105의 루프처리에 의하여 취득된 열복사의 데이터의 일례를 나타내는 그래프이다.
제2 이상판정처리(스텝 S107)에서는, 제어부(110)는, 도 3a 또는 도 3b의 그래프에 나타내는 바와 같이, 열복사의 측정값의 데이터 중, 도입된 순서에 따라, 각 주사위치의 측정값과 전단의 위치의 측정값 및 후단의 위치의 측정값을 비교한다. 여기에서, "각 주사위치의 측정값"은, 본 발명에 관한 "제1 위치에 레이저광이 조사되었을 때의 열복사의 강도"에 상당한다. "전단의 위치의 측정값 및 후단의 위치의 측정값"은, 본 발명에 관한 "제1 위치의 근방에 레이저광이 조사되었을 때의 열복사의 강도"에 상당한다. 비교할 때, 제어부(110)는, 각 주사위치의 측정값의 이동평균을 계산하고, 이동평균의 값을 비교하는 등, 측정값을 통계처리한 값을 이용하여 비교를 행해도 된다. 그리고, 제어부(110)는, 측정값의 급격한 변화가 있는 주사위치(예를 들면 도 3b의 개소(D101, D102))를 이상개소라고 판정한다. 상술한 바와 같이, 웨이퍼 등의 가공대상물(141)에 있어서는, 크랙 또는 이물의 혼입이 있는 경우에, 레이저광의 조사에 의하여 발생한 고열이 크랙 또는 이물의 개소에서 통상과 다른 양태로 전달된다. 이 때문에, 이 개소의 주위에서 열복사의 측정값에 급격한 변화가 발생하기 쉽다. 이상이 없으면, 도 3a에 나타내는 바와 같이, 측정값의 급격한 변화는 나타나지 않는다. 따라서, 제2 이상판정처리에 의하여, 이들의 이상의 개소를 판정할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는, 도 2의 스텝 S108에 의하여 이차원배열된 열복사의 데이터의 일례를 나타낸다. 도 4a 및 도 4b는, 레이저광을 X축방향으로 주사하고, 또한 이와 같은 주사를 Y축방향으로 위치를 어긋나게 하면서 복수 회 행하여, 각 주사위치의 열복사의 강도를 측정했을 때의 데이터를 나타내고 있다. 도 4a 및 도 4b에 있어서, 열복사의 강도는 색의 농담(濃淡)에 의하여 나타난다.
제3 이상판정처리(스텝 S108, S109)에서는, 제어부(110)는, 먼저 일련의 열복사의 측정값의 데이터를, 주사위치에 맞추어 이차원배열한다(스텝 S108). 이로써, 도 4a 또는 도 4b에 나타내는 바와 같이, 시계열로 도입된 일련의 열복사의 측정값이, 가공대상물(141)의 표면부가 사영(射影)된 X-Y좌표의 위치에 관련되어 나타난다.
다음으로, 제어부(110)는, X-Y좌표의 위치가 대응된 열복사의 측정값의 데이터로부터, 각 주사위치의 측정값과 그 근방의 위치의 측정값을 비교한다(스텝 S109). 비교할 때, 제어부(110)는, 각 주사위치의 측정값의 이동평균을 계산하여, 이동평균의 값을 비교하는 등, 측정값을 통계처리한 값을 이용하여 비교를 행해도 된다. 스텝 S109에 있어서 제어부(110)는, 레이저광의 주사방향(X축방향)뿐만 아니라, 이것에 교차하는 방향(Y축방향)에 대해서도, 열복사의 강도가 급격하게 변화하고 있는 개소가 없는지 판정한다. 그리고, 제어부(110)는, X-Y의 이차원좌표 상에서 측정값의 급격한 변화가 있는 주사위치(예를 들면 도 4b의 개소(D103, D104))를 이상개소라고 판정한다. 상술한 바와 같이, 웨이퍼 등의 가공대상물(141)에서는, 크랙 또는 이물의 혼입이 있는 경우에, 이 개소의 주위에서 열복사의 측정값이 급격하게 변화하기 쉽다. 예를 들면 개소(D103)는 웨이퍼에 흠집이 있는 개소이며, 개소(D104)는 이물이 있는 개소이다. 이상이 없으면, 도 4b에 나타내는 바와 같이, 열복사의 측정값이 급격하게 변화하는 개소가 발생하지 않는다. 제3 이상판정처리에 의하여, 이들의 이상의 개소가, 레이저광이 주사되는 경로의 도중, 또는 인접하는 주사경로의 사이에 있었던 경우에, 이들의 이상의 개소를 판정할 수 있다.
제4 이상판정처리(스텝 S110)에서는, 먼저 제어부(110)는, X-Y좌표 상에 전개된 열복사의 측정값의 데이터로부터, X-Y좌표 상에 있어서의 측정값의 분포를 해석한다. 그리고, 측정값의 분포에 소정의 특징이 없는지 해석하고, 이 해석의 결과에 근거하여 가공대상물의 휨의 패턴, 휨의 위치, 또는 휨의 대소를 판정한다. 해석의 처리에 있어서는, 제어부(110)가, 몇 가지 패턴으로 휨을 갖는 복수의 가공대상물의 열복사의 측정값의 분포데이터를 기준데이터로서 기억해 두고, 이들 기준데이터와 열복사의 측정값의 분포와의 공통도(共通度)를 계산하여, 분포의 해석을 행해도 된다. 웨이퍼에 휨이 있으면, 레이저광의 조사위치가 휨의 패턴에 따라 높이방향으로 변화하기 때문에, 휨의 패턴이 열복사의 측정값의 분포의 패턴에 나타난다. 따라서, 제4 이상판정처리에 의하여, 가공대상물(141)의 휨에 대한 이상을 판정할 수 있다.
이상판정처리를 끝내면, 제어부(110)는, 판정의 결과가 이상있음이었는지 판별하고, 이상있음이면, 예를 들면 데이터출력, 표시출력 또는 인자출력 등에 의하여, 이상의 종류와 이상개소를 출력한다(스텝 S112). 출력할 때, 이상개소는 화상에 의하여 나타나도 된다.
다만, 가공대상물(141)이 패턴을 가진 웨이퍼인 경우, 패턴의 경계 등, 정상인 개소여도 열복사의 강도가 급격하게 변화하는 경우가 있다. 이와 같은 경우, 화상에 의하여 이상개소가 나타남으로써, 작업자는 화상과 웨이퍼의 패턴을 비교함으로써, 본래의 이상개소와 패턴경계 등의 정상인 개소를 구별하는 것이 가능해진다. 혹은, 패턴의 경계 등 이상이 없는데도 열복사의 강도가 급격하게 변화하는 위치가 이미 알려진 경우, 이들의 정보를 제어부(110)에 기억해 두어도 된다. 그리고, 제어부(110)는, 이들의 정보에 근거하여, 이상이 없는데도 열복사의 강도가 급격하게 변화하는 개소를, 이상의 판정개소로부터 제외하는 구성으로 해도 된다.
제어부(110)는, 스텝 S112에서 이상의 출력을 행하거나, 혹은 스텝 S111에서 이상이 없다고 판정되면, 도 2의 가공처리를 종료한다.
이상과 같이, 본 실시형태 1의 레이저가공장치(101)에 의하면, 가공대상물(141)에 레이저광을 주사시켜 가공처리를 행할 수 있는 것에 더하여, 가공처리할 때, 가공대상물(141)에 이상개소가 없는지 판정할 수 있다. 따라서, 검사만을 위하여 시간을 소비할 필요가 없고, 가공처리와 병행하여, 가공대상물(141)의 이상개소를 발견할 수 있다. 이로써, 이상이 있는 가공대상물을 제조프로세스로부터 제거하거나 하여, 최종적인 제품의 수율을 향상시킬 수 있다.
또, 제2 이상판정처리(스텝 S107)와 제3 이상판정처리(스텝 S108)에 의하면, 각 주사위치의 열복사의 측정값과. 그 근방의 열복사의 측정값이 비교되어, 이상개소가 판정된다. 따라서, 가공대상물의 종류 또는 두께 등에 따라 열복사의 측정값이 전체적으로 높아지거나 낮아지거나 하여, 이상을 식별할 수 있는 측정값의 임곗값이 정해지지 않는 경우여도, 가공대상물의 이상개소를 판정할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태 1에 대하여 설명했다. 그러나, 본 발명은 상기 실시형태 1에 한정되지 않는다. 예를 들면, 상기 실시형태 1에서는, 어닐링처리와 병행하여 가공대상물(141)의 이상개소를 판정하는 구성을 예로 들어 설명했다. 그러나, 레이저광을 가공대상물(141)의 표면부에 주사시켜 행하는 가공처리이면 어닐링처리 이외의 처리와 병행하여 이상개소를 판정하는 처리를 행해도 된다. 또, 상기 실시형태 1에서는, 본 발명에 관한 주사부로서, 레이저광의 조사위치를 변화시키는 주사광학계(122)를 나타냈다. 그러나, 본 발명에 관한 주사부는, 가공대상물(141)을 움직이게 함으로써 레이저광이 조사되는 가공대상물(141)의 위치를 변화시키는 구성이어도 된다. 그 외에, 상기 실시형태 1에서는, 가공대상물로서 반도체소자재료의 웨이퍼를 나타내고, 이상으로서 웨이퍼의 크랙, 혼입이물, 또는 휨을 나타냈다. 그러나, 가공대상물로서는, 전자기판 등 다양한 구성을 적용할 수 있다. 또, 검출하는 이상으로서는, 예를 들면 가공대상물의 표면에 부착된 이물 등, 다양한 이상을 적용해도 된다. 그 외에, 실시형태 1에서 나타낸 상세한 부분은, 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위에서 적절히 변경 가능하다.
이하, 본 실시형태 1에 나타난 몇 가지 발명에 대하여 기재한다.
<발명 1>
가공대상물에 대한 레이저광의 조사위치를 변화시키는 주사부와,
상기 레이저광이 조사된 상기 가공대상물의 열복사의 강도를 측정하는 열복사측정부와,
상기 열복사측정부에 의하여 측정된 열복사의 강도에 근거하여 상기 가공대상물의 이상개소를 판정하는 판정부를 구비하는 레이저가공장치.
<발명 2>
상기 판정부는, 상기 가공대상물의 제1 위치에 상기 레이저광이 조사되었을 때의 열복사의 강도와, 상기 제1 위치의 근방에 상기 레이저광이 조사되었을 때의 열복사의 강도와의 비교에 근거하여, 상기 제1 위치 또는 상기 제1 위치의 근방의 이상 유무를 판정하는, 발명 1에 기재된 레이저가공장치.
<발명 3>
상기 가공대상물은 반도체소자재료의 웨이퍼이며,
상기 주사부는, 상기 레이저광의 조사위치를 변화시켜 상기 가공대상물의 표면부를 어닐링처리하고,
상기 판정부는, 상기 가공대상물의 크랙, 이물의 혼입 또는 휨을 판정하는, 발명 1 또는 발명 2에 기재된 레이저가공장치.
<실시형태 1에 나타난 발명의 효과>
이들 발명에 의하면, 가공처리할 때, 가공대상물에 포함되는 이상개소를 검출할 수 있다.
(실시형태 2)
레이저가공장치로서는, 반도체소자재료의 웨이퍼를 가공대상물로 하여, 가공대상물에 어닐링처리를 행하는 레이저어닐링장치가 있다. 또, 레이저가공장치에는, 수지층과 금속층을 갖는 기판을 가공대상물로 하여, 레이저광을 이용하여 가공대상물에 구멍을 뚫는 레이저드릴장치, 가공대상물의 용접을 행하는 레이저용접장치 등이 있다. 이와 같은 레이저가공장치는, 일반적으로 레이저광원의 출력파워를 측정하는 파워측정부를 갖는다(예를 들면 문헌 3: 일본 공개특허공보 2013-233556호를 참조). 그리고, 가공처리 전에, 파워측정부가 레이저광의 파워를 측정하고, 피드백제어에 의하여 레이저광원의 출력조정이 행해진다. 또, 실시형태 2에 관한 발명에 관련된 기술로서 문헌 4(일본 공표특허공보 평11-508322호)에는, 복사가열기를 이용한 레이저소결장치에 있어서 적외선센서에 의하여 타겟표면의 온도를 감시하는 기술이 나타나 있다.
레이저가공장치에 있어서는, 가공대상물에 조사되는 레이저광의 파워가 설정대로 조정되면 바람직하다. 본 발명자가 검토한바, 가공대상물에 조사되는 레이저광의 파워는, 레이저광원의 출력오차, 렌즈 또는 미러의 오염 또는 위치어긋남 등의 광학계의 오차요인, 및 파워측정부의 측정오차에 기인하여, 변화하는 것을 알 수 있었다. 이 중, 레이저광원의 출력오차는, 파워측정부의 측정이 올바르게 행해지면, 허용범위 내로 조정할 수 있다. 또, 광학계의 오차요인은 레이저광의 빔형상을 검사하여 발견할 수 있다. 한편, 종래의 레이저가공장치에서는, 파워측정부의 측정오차를 검출하는 수단이 없으며, 파워측정부에 비교적으로 큰 측정오차가 발생하면, 피가공위치에 조사되는 레이저광의 파워의 오차가 커진다는 과제가 있었다. 파워측정부의 측정오차는, 일례로서 주위온도의 변화에 기인하여 발생한다.
실시형태 2에 관한 발명은, 파워측정부에 허용범위를 초과하는 측정오차가 발생한 경우에, 이것을 검출할 수 있는 레이저가공장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
계속해서, 실시형태 2의 레이저가공장치(201)에 대하여 설명한다. 도 5는, 본 발명의 실시형태 2에 관한 레이저가공장치를 나타내는 구성도이다. 도 5 중, 레이저광의 광축을 실선 또는 이점쇄선으로 나타내고, 열복사를 간격이 넓은 파선으로 나타내며, 제어선 및 측정결과의 출력선을 간격이 좁은 파선으로 나타낸다.
본 실시형태 2의 레이저가공장치(201)는, 반도체소자재료의 웨이퍼를 가공대상물(241)로 하여, 가공대상물(241)에 레이저광을 조사하여 어닐링처리를 행하는 레이저어닐링장치이다. 레이저가공장치(201)는, 제어부(210), 레이저광원(221), 주사광학계(222), 다이크로익미러(223), 렌즈(224, 225), 열복사측정부(226), 스테이지(231), 이미지센서(232), 전반사미러(233), 파워측정부(234), 및 검사용 가공대상물(238)을 구비한다.
레이저광원(221)은, 예를 들면 YAG레이저 등의 고체레이저, CO2레이저 등의 가스레이저 또는 LD(Laser Diode) 등의 반도체레이저이며, 가공대상물(241)에 조사되어 가공대상물(241)의 피가공위치(P200)를 고온으로 가열하는 레이저광을 출력한다. 레이저광원(221)은 레이저발진기라고 불러도 된다.
주사광학계(222)는, 예를 들면 갈바노미러를 포함하고, 레이저광의 조사위치 즉 피가공위치(P200)를 예를 들면 스테이지(231)의 상면을 따른 2방향으로 변화시킬 수 있다. 또한, 주사광학계(222)를 생략하고, 가공대상물(241)을 지지한 스테이지(231)가 이동함으로써, 레이저광의 조사위치와 가공대상물(241)이 상대적으로 이동하는 구성을 채용해도 된다.
다이크로익미러(223)는, 레이저광원(221)의 출력파장의 광을 반사하며, 열복사를 포함하는 적외영역의 광을 투과한다.
렌즈(224)는, 예를 들면 Fθ렌즈이며, 피가공위치에 레이저광을 수렴시킨다. 또, 렌즈(224)는, 가공대상물의 피가공위치(P200)로부터 열복사를 집광한다.
렌즈(225)는, 렌즈(224)에 의하여 집광되어, 다이크로익미러(223)를 투과한 열복사를 열복사측정부(226)에 수렴시킨다.
열복사측정부(226)는, 예를 들면 적외선센서이며 수광부에 입력된 열복사의 강도를 측정한다.
스테이지(231)는, 가공대상물(241)을 지지하는 대이며, 레이저광의 광축과 교차하는 2방향으로 이동 가능하도록 구성되어 있다. 스테이지(231)는, 가공대상물(241)을 지지하는 영역과 다른 개소에, 이미지센서(232) 및 전반사미러(233)를 지지하고 있다. 또, 스테이지(231)는, 가공대상물(241)과 동일한 높이에 검사용 가공대상물(238)을 지지한다.
이미지센서(232)는, 예를 들면 CCD(Charge Coupled Device) 카메라 등이며, 스테이지(231)의 구동에 의하여, 레이저광의 조사위치(렌즈(224)로부터 조사되는 레이저광의 광축위치)까지 이동할 수 있다. 이미지센서(232)는, 레이저광의 조사위치에 있어서, 레이저광의 빔형상을 촬상한다. 빔형상이란, 레이저광의 빔스폿 내의 강도분포를 의미하며, 빔프로파일이라고도 불린다. 도 5에서는, 이점쇄선에 의하여 이미지센서(232)가 레이저광의 조사위치로 이동했을 때의 레이저광의 광축을 나타내고 있다.
전반사미러(233)는, 스테이지(231)의 구동에 의하여, 레이저광의 조사위치(렌즈(224)로부터 조사되는 레이저광의 광축위치)까지 이동할 수 있다. 전반사미러(233)는, 레이저광의 조사위치에 있어서, 레이저광을 반사하여 파워측정부(234)로 보낸다. 도 5에서는, 이점쇄선에 의하여 전반사미러(233)가 레이저광의 조사위치로 이동했을 때의 레이저광의 광축을 나타내고 있다.
도 6은, 파워측정부의 출력의 일례를 나타내는 그래프이다.
파워측정부(234)는, 파워미터라고도 불리며, 레이저광을 수광하여 레이저광의 파워를 측정한다. 파워란, 레이저광의 단위시간당 에너지를 의미한다. 파워측정부(234)로서는, 예를 들면 레이저광을 열로 변환하는 수광면을 가지며, 수광면의 온도로부터 레이저광의 파워를 측정하는 서멀센서를 적용할 수 있다. 파워측정부(234)는, 도 6에 나타내는 바와 같이, 레이저광을 수광하여 잠시 동안 시간이 경과하면 출력이 안정되고, 안정된 상태로 레이저광의 파워를 나타내는 계측결과를 출력한다. 파워측정부(234)는, 주위온도에 의하여 오차가 발생하며, 예를 들면 레이저광의 파워가 동일해도, 도 6에 나타내는 바와 같이, 주위온도가 222℃인 경우와 226℃인 경우에서 출력은 다르다. 레이저가공장치(201)는, 통상 설정된 주위온도로 제어된 환경에서 가동되기 때문에, 대부분의 경우 파워측정부(234)의 주위온도에 기인하는 측정오차는 커지지 않는다. 그러나, 이상 시에는, 주위온도 혹은 다른 요인에 기인하여 파워측정부(234)의 측정오차가 커지는 경우가 있다.
검사용 가공대상물(238)은, 스테이지(231)의 구동에 의하여, 레이저광이 조사되는 피가공위치(P200)까지 이동할 수 있다. 검사용 가공대상물(238)은, 유사적인 가공대상물이며, 파워측정부(234)에 큰 측정오차가 발생하고 있지 않은지 검사할 때에 사용된다. 파워측정부(234)의 검사할 때에는, 매회 동일한 가공대상물(238)이 사용된다. 단, 정기적 혹은 임의의 타이밍으로 검사용 가공대상물(238)이 새로운 것으로 교환되도록 해도 된다. 검사용 가공대상물(238)은, 두께, 폭, 및 깊이는 실제의 가공대상물(241)과 달라도 된다. 검사용 가공대상물(238)은, 실제로는 가공이 행해지지 않지만, 가공대상물(238)과 동일한 양태에서 레이저광이 조사되는 점에서, 본 명세서에 있어서는 가공대상물이라고 부른다. 다만, 검사용 가공대상물은, 실제의 가공대상물(241)과 동일소재를 이용하면 검사정밀도를 향상시킬 수 있지만, 레이저광의 조사에 의하여 실제의 가공대상물(241)과 유사한 온도상승이 발생하는 소재이면, 실제의 가공대상물(241)과 동일소재일 필요는 없다.
제어부(210)는, 프로그램이 저장된 기억장치, 프로그램을 실행하는 CPU(Central Processing Unit), 작업용 메모리와, 제어신호 및 검출신호의 입출력을 행하는 I/O 등을 갖는 컴퓨터이다. 제어부(210)는, 레이저광원(221)의 구동제어와, 스테이지(231)의 구동제어와, 주사광학계(222)의 구동제어를 행한다. 또한, 제어부(210)는, 열복사측정부(226)의 측정값, 이미지센서(232)의 촬상결과, 파워측정부(234)의 측정결과, 및 열복사측정부(226)의 측정결과를 입력한다. 또, 제어부(210)는, 가공대상물(241)의 가공처리 전, 적절한 타이밍으로 레이저광원(221)의 파워조정이 포함되는 조정처리를 실행한다.
제어부(210)는, 기억부(213)와, 표시부(214)와, CPU가 프로그램을 실행하여 기능하는 기능모듈로서, 판정부(211)와 데이터처리부(212)를 더 구비한다. 표시부(214)는, 경고등 또는 화상표시가 가능한 디스플레이이며, 조정처리에서 이상이라고 판정된 경우에, 경고의 표시를 행한다. 판정부(211), 데이터처리부(212) 및 기억부(213)의 각 기능에 대해서는 후술한다.
<기준데이터취득처리>
도 7은, 제어부에 의하여 실행되는 기준데이터취득처리의 수순을 나타내는 플로차트이다.
기준데이터취득처리는, 파워측정부(234)의 측정오차가 허용범위 내인지 판단하기 위하여, 미리 필요한 기준데이터를 취득하는 처리이다. 기준데이터취득처리는, 레이저가공장치(201)의 광학계로부터 먼지, 오염 또는 위치어긋남 등의 오차요인이 제거되며, 또한 주위온도 등의 환경파라미터가 미리 설정된 조건을 충족시키는 것이 보증된 상태로 실행된다. 이와 같은 상태가 갖추어지면, 유저는 제어부(210)에 기준데이터취득처리의 개시지령을 입력하고, 이로써 제어부(210)가 도 7의 기준데이터취득처리를 개시한다.
기준데이터취득처리가 개시되면, 먼저 제어부(210)는, 검사용 가공대상물(238)에 레이저광을 조사하여 열복사를 측정하는 처리를 실행한다(스텝 S201). 구체적으로는, 먼저 제어부(210)는, 스테이지(231)를 구동하여 검사용 가공대상물(238)을 레이저광의 조사위치까지 움직이게 한다. 다음으로, 제어부(210)는, 레이저광원(221)을 구동하여 레이저광을 출사한다. 그러면, 레이저광은, 주사광학계(222), 다이크로익미러(223) 및 렌즈(224)를 거쳐 가공대상물(238)에 조사되어, 가공대상물(238)의 피가공위치(P200)가 가열된다. 피가공위치가 가열되면, 피가공위치로부터 가열량에 따른 열복사가 발생하고, 열복사가 렌즈(224), 다이크로익미러(223) 및 렌즈(225)를 거쳐 열복사측정부(226)로 입사된다. 열복사측정부(226)는 열복사의 강도를 측정하고, 제어부(210)는 이 측정결과를 도입한다. 스텝 S201의 측정처리에서 취득된 열복사의 측정값을 "P201"이라고 나타낸다.
다만, 스텝 S201의 측정처리에 있어서는, 레이저광의 조사계속시간 및 열복사의 측정타이밍에 의하여 가공대상물(238)의 열복사의 강도가 변화하는 경우가 있다. 이와 같은 경우, 제어부(210)는, 레이저광의 조사계속시간 및 열복사의 측정타이밍을 미리 설정된 값으로 하여, 열복사의 측정처리를 행하도록 하면 된다. 혹은, 제어부(210)는, 레이저광의 조사계속시간을 일정하게 하고, 또한 측정기간 중의 열복사의 최댓값 혹은 평균값 등의 통곗값을 측정결과로서 도입하도록 해도 된다.
다음으로, 제어부(210)는, 레이저광의 파워의 측정처리를 행한다(스텝 S202). 구체적으로는, 먼저 제어부(210)는, 스테이지(231)를 구동하여, 전반사미러(233)를 레이저광의 조사위치까지 움직이게 한다. 다음으로, 제어부(210)는, 스텝 S201일 때와 동일한 파워설정으로 레이저광원(221)을 구동한다. 그러면, 레이저광은, 주사광학계(222), 다이크로익미러(223), 렌즈(224) 및 전반사미러(233)를 거쳐, 파워측정부(234)로 입사된다. 파워측정부(234)는 레이저광의 파워를 측정하여 측정결과를 출력하고, 제어부(210)는 이 측정결과를 입력한다. 제어부(210)는, 예를 들면 레이저광의 출력을 소정시간 계속하고, 파워측정부(234)의 출력이 안정되었을 때의 값을 측정결과로서 도입하면 된다. 스텝 S202의 측정처리에서 취득된 파워의 측정값을 "P202"라고 나타낸다.
계속해서, 제어부(210)는, 스텝 S201에서 도입된 열복사의 강도의 측정값 P201과, 스텝 S202에서 도입된 레이저광의 파워의 측정값 P202와의 조합을 1세트의 기준데이터 Di=(P201, P202)로서 보존한다(스텝 S203).
제어부(210)는, 또한 스텝 S204의 판별 처리에 의하여, 스텝 S201~S203의 루프처리를, 예를 들면 레이저광원(221)의 파워를 변경하여 복수 회 반복하여 행한다. 이와 같은 복수 회의 루프처리에 의하여, 복수의 기준데이터(D201, D202, D203, D204…)가 취득된다.
도 8은, 기억부에 기억되는 측정값의 정상범위의 일례를 나타내는 도이다.
기준데이터가 취득되면, 다음으로, 제어부(210)에서는, 데이터처리부(212)가, 기준데이터(D201, D202, D203, D204…)에 허용오차를 더하여, 측정값의 정상범위를 결정한다(스텝 S205). 예를 들면, 도 8에 나타내는 바와 같이, 4개의 기준데이터(D201~D204)가 취득된 경우를 상정한다. 이 경우, 데이터처리부(212)는, 복수의 기준데이터(D201~D204)로부터, 열복사의 강도와 레이저광의 파워와의 상관관계를 나타내는 회귀직선(L201)을 계산하고, 회귀직선(L201)에 허용오차를 더하여 정상범위(W201)를 결정한다.
다만, 상기 예에서는, 데이터처리부(212)는, 복수의 기준데이터(D201, D202, D203, D204…)에 근거하여 정상범위(W201)를 결정한다고 설명했지만, 데이터처리부(212)는, 하나의 기준데이터(D201)만으로부터 정상범위를 결정해도 된다. 이 경우, 데이터처리부(212)는, 예를 들면 열복사의 강도의 측정값 P201과, 파워측정부(234)의 측정값 P202와의 비 "P201/P202"에, 허용오차를 더하여, 예를 들면 "(P201/P202)±10%" 등의 정상범위를 결정할 수 있다.
데이터처리부(212)는, 측정값의 정상범위를 결정하면, 정상범위를 나타내는 데이터를 기억부(213)에 저장한다(스텝 S206). 그리고, 제어부(210)는, 기준데이터취득처리를 종료한다.
<조정처리>
도 9는, 제어부에 의하여 실행되는 레이저가공장치의 조정처리의 흐름을 나타내는 플로차트이다.
조정처리는, 레이저광이, 설정된 빔형상 및 설정된 파워로 가공대상물(241)에 조사되는지를, 가공처리 전에 확인하는 처리이다. 조정처리는, 예를 들면 정기적으로 혹은 복수의 가공대상물(241)을 일괄처리하기 전 등 적절한 타이밍으로 실행된다. 유저는 적절한 타이밍으로 조정처리의 개시지령을 제어부(210)에 입력하면, 제어부(210)는 도 9의 조정처리를 개시한다.
조정처리가 개시되면, 먼저 제어부(210)는, 레이저광의 파워조정의 처리를 실행한다(스텝 S211). 구체적으로는, 먼저 제어부(210)는, 스테이지(231)를 구동하여 전반사미러(233)를 레이저광의 조사위치까지 이동시킨다. 다음으로, 제어부(210)는, 설정된 파워로 레이저광원(221)을 구동하여, 파워측정부(234)의 측정결과를 입력한다. 그리고, 측정결과가 설정된 파워로부터 어긋나 있는 경우, 제어부(210)는, 파워측정부(234)의 측정값이 설정값과 동일해지도록, 레이저광원(221)의 설정파워를 조정한다.
계속해서, 제어부(210)는, 레이저광의 빔형상을 확인하는 처리를 실행한다(스텝 S212). 구체적으로는, 먼저 제어부(210)는, 스테이지(231)를 구동하여 이미지센서(232)를 레이저광의 조사위치까지 이동시킨다. 다음으로, 제어부(210)는, 레이저광원(221)을 구동하여 레이저광을 조사시키고, 이미지센서(232)의 촬상결과를 입력한다. 그리고, 제어부(210)는, 미리 설정되어 있는 빔형상과 촬상결과와의 비교를 행하며, 비교 결과, 차이가 허용범위 내이면, 제어부(210)는 정상이라고 판단하고, 차이가 허용범위를 초과하고 있으면, 제어부(210)는 이상이라고 판단한다.
빔형상의 확인을 행하면, 제어부(210)는, 그 결과를 판별하며(스텝 S213), 이상이면, 표시부(214)에 이상의 판정결과 및 경고의 표시를 행하게 하고(스텝 S217), 에러처리로 이행한다. 경고표시에 의하여, 유저는 광학계의 오염 또는 위치어긋남 등의 점검을 행하여, 빔형상의 이상을 수정할 수 있다.
한편, 빔형상의 확인의 결과가 정상이면, 제어부(210)는, 파워측정부(234)의 검사처리(스텝 S214~S216)로 처리를 이행한다. 즉, 먼저 제어부(210)는, 검사용 가공대상물(238)에 레이저광을 조사하여 열복사의 측정처리를 실행한다(스텝 S214). 이때에 도입된 측정값을 "P201"이라고 나타낸다. 스텝 S214의 처리는, 상술한 스텝 S201의 처리와 동일하다.
다음으로, 제어부(210)는, 레이저광의 파워의 측정처리를 실행한다(스텝 S215). 이때에 도입된 측정값을 "P202"라고 나타낸다. 스텝 S215의 처리는, 상술한 스텝 S202의 처리와 동일하다. 스텝 S215에서 구동되는 레이저광원(221)의 설정파워는, 스텝 S214에서 구동되는 레이저광원(221)의 설정파워와 동일해진다.
측정값이 도입되면, 계속해서, 제어부(210)에서는, 판정부(211)가 도입된 데이터 D=(P201, P202)와, 기억부(213)에 기억된 정상범위(W201)를 나타내는 데이터(도 8을 참조)를 비교한다. 그리고, 판정부(211)는, 데이터 D가 정상범위(W201)에 포함되는지 여부를 판정한다(스텝 S216).
스텝 S216의 판정의 결과, 데이터 D가 정상범위(W201)에 포함되면, 제어부(210)는, 이상의 경고 없이 조정처리를 종료한다. 이 경우, 유저는 정상적으로 레이저가공장치(201)의 조정이 이루어지고 있다고 판단하며, 가공대상물(241)의 가공처리로 이행할 수 있다.
한편, 스텝 S216의 판정부(211)의 판별의 결과, 데이터 D가 정상범위(W201)에 없으면, 제어부(210)는, 표시부(214)에 이상의 경고표시를 행하여(스텝 S217), 에러처리로 이행한다. 이 경우, 유저는 경고표시에 의하여 레이저가공장치(201)의 조정이 정상이 아니라고 판단하며, 예를 들면 레이저가공장치(201)를 정지시켜, 어디에 이상이 있는지 원인조사할 수 있다. 이로써, 이상인 채 가공대상물을 가공처리하여, 제품의 수율을 저하시켜 버리는 것을 회피할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시형태 2의 레이저가공장치(201)에 의하면, 조정처리에 있어서, 레이저광의 파워의 측정값 "P201"과 열복사의 측정값 "P202"와의 조합의 데이터 D=(P201, P202)가, 정상 범위에 있는지 여부가 판정된다. 이로써, 파워측정부(234)에 허용범위를 초과하는 측정오차가 발생하는 경우에, 이것을 검출할 수 있다.
또, 본 실시형태 2의 레이저가공장치(201)에 의하면, 검사용의 유사적인 가공대상물(238)을 가지며, 복수 회의 검사처리에 있어서 매회 동일한 가공대상물(238)을 이용하여 파워측정부(234)의 검사처리가 행해진다. 따라서, 가공대상물(238)의 개체차가 영향을 주어, 열복사의 측정값 "P202"에 차이가 발생하며, 이 차이에 의하여, 잘못하여 파워측정부(234)가 이상이라고 판정되어 버린다는 사태를 회피할 수 있다.
또, 본 실시형태 2의 레이저가공장치(201)에 의하면, 데이터처리부(212)가, 도 7의 기준데이터취득처리에 있어서 취득된 기준데이터(D201, D202, D203, D204…)로부터, 조합의 데이터 D의 정상범위를 계산하고, 정상범위를 나타내는 데이터를 기억부(213)에 기억시킨다. 따라서, 레이저가공장치(201)의 사용환경 또는 사용조건이 변경된 경우 등에 있어서도, 기준데이터를 다시 취득하여, 정상범위의 데이터를 갱신함으로써, 파워측정부(234)의 올바른 검사를 실행할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태 2에 대하여 설명했다. 그러나, 본 발명은 상기 실시형태 2에 한정되지 않는다. 예를 들면, 상기 실시형태 2에서는, 본 발명을 레이저어닐링장치에 적용한 경우를 예로 들어 설명했다. 그러나, 본 발명은, 레이저드릴장치, 레이저용접장치 등, 다양한 레이저가공장치에 동일하게 적용할 수 있다. 또, 상기 실시형태 2에서는, 가공대상물로 하여 반도체소자재료의 웨이퍼를 나타내고, 검사용 가공대상물은 실제의 가공대상물과 동일소재로 유사적인 구성이라고 설명했다. 그러나, 검사용 가공대상물은, 실제의 가공대상물과 동일소재가 아니라, 검사용 전용으로 제조된 가공대상물으로 해도 된다. 이 경우, 가공대상물은 검사용 레이저조사대상물이라고 불러도 된다. 또, 상기 실시형태 2에서는, 레이저광원(221)의 파워를 조정하여, 피가공위치(P200)의 레이저광의 파워를 조정한다고 설명했다. 그러나, 레이저광원(221)의 파워를 조정하는 대신에, 레이저광이 통과하는 광학계에 있어서 레이저광의 감쇠율을 조정함으로써, 피가공위치(P200)의 레이저광의 파워를 조정하는 구성이 채용되어도 된다. 그 외에, 실시형태 2에서 나타낸 상세한 부분은, 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위에서 적절히 변경 가능하다.
이하, 본 실시형태 2에 나타난 몇 가지 발명에 대하여 기재한다.
<발명 1>
레이저광원으로부터 출사된 레이저광의 파워를 측정하는 파워측정부와,
레이저광이 조사된 가공대상물의 열복사의 강도를 측정하는 열복사측정부와,
상기 파워측정부가 측정한 레이저광의 파워와 상기 열복사측정부가 측정한 열복사의 강도와의 조합이, 소정의 범위에 포함되는지 여부를 판정하는 판정부를 구비하는 레이저가공장치.
<발명 2>
적어도 복수 회의 상기 파워측정부의 검사처리에 있어서, 상기 열복사측정부는, 매회 동일한 가공대상물에 레이저광이 조사되었을 때의 열복사의 강도를 측정하는 발명 1에 기재된 레이저가공장치.
<발명 3>
상기 판정부의 판정결과를 표시하는 표시부를 더 구비하는,
발명 1 또는 발명 2에 기재된 레이저가공장치.
<발명 4>
상기 소정의 범위는, 레이저광의 파워와 열복사의 강도와의 조합의 정상범위를 나타내는,
발명 1 내지 발명 3 중 어느 한 항에 기재된 레이저가공장치.
<발명 5>
상기 파워측정부가 측정한 레이저광의 파워와 상기 열복사측정부가 측정한 열복사의 강도와의 복수의 조합의 데이터로부터 상기 소정의 범위를 계산하는 데이터처리부와,
상기 데이터처리부에 의하여 계산된 상기 소정의 범위를 나타내는 데이터를 기억하는 기억부를 구비하는 발명 1 내지 발명 4 중 어느 한 항에 기재된 레이저가공장치.
<실시형태 2에 나타난 발명의 효과>
이들의 발명에 의하면, 파워측정부에 허용범위를 초과하는 측정오차가 발생한 경우에, 이것을 검지할 수 있는 레이저가공장치를 제공할 수 있다.
(실시형태 3)
이전부터, 레이저광의 조사에 의하여 피가공위치를 가열하여, 가공대상물의 가공을 행하는 레이저가공장치가 있다. 레이저가공장치에는, 반도체소자재료의 웨이퍼를 가공대상물로 하여, 레이저광을 이용하여 가공대상물의 표면부에 어닐링처리를 행하는 레이저어닐링장치가 포함된다. 문헌 5(일본 공개특허공보 2000-200760호)에는, 레이저광의 에너지를 측정하는 센서와, 레이저광의 투과율을 변경 가능한 어테뉴에이터를 구비하고, 레이저광의 에너지의 측정값에 근거하여 어테뉴에이터를 제어하는 레이저어닐링장치가 나타나 있다. 문헌 6(일본 공개특허공보 2001-338893호)에는, 레이저광의 빔형상을 측정하는 센서와, 레이저광의 투과율을 변경 가능한 어테뉴에이터를 구비하고, 레이저광의 단위면적당 강도에 근거하여 어테뉴에이터를 제어하는 레이저어닐링장치가 나타나 있다.
레이저광의 조사에 의하여 피가공위치를 가열하여 가공을 행하는 레이저가공장치에 있어서는, 레이저광을 조사했을 때의 피가공위치의 온도가 적절히 제어되는 것이 바람직하다. 문헌 5 및 문헌 6의 기술은, 레이저광의 강도를 일정하게 제어함으로써, 피가공위치의 가공의 품질 또는 가공의 안정성을 높이려 하고 있다.
그러나, 본 발명자들이 검토한바, 가공대상물에 일정한 강도의 레이저광을 조사한 경우여도, 피가공위치의 온도가 균일해지지 않는 경우가 있는 것이 명확해졌다. 예를 들면, 레이저광을 가공대상물의 표면부에 걸쳐 주사하고, 가공대상물을 어닐링처리하는 레이저어닐링장치의 경우, 일정한 강도의 레이저광을 주사시켜도, 주사경로가 반전되는 가공대상물의 가장자리부분의 온도가, 그 외의 부분에 비하여 고온이 된다. 또, 레이저광의 빔형상이 좌우비대칭인 경우, 좌측에 레이저광을 주사할 때와, 우측에 레이저광을 주사할 때에서, 피가공위치의 온도의 불균일에 차이가 발생하는 경우가 있다. 또, 일반적으로, 가공대상물의 표면부의 상태에 기인하여, 일정한 강도로 레이저광을 조사해도, 레이저광에 의하여 가열되는 온도에 차이가 발생하는 경우가 있었다.
본 실시형태 3에 관한 발명은, 피가공위치의 가열온도를 적절히 제어할 수 있는 레이저가공장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
계속해서, 실시형태 3의 레이저가공장치(301)에 대하여 설명한다. 도 10은, 본 발명의 실시형태 3에 관한 레이저가공장치를 나타내는 구성도이다. 도 10 중, 레이저광의 광축을 실선 또는 이점쇄선으로 나타내고, 열복사를 간격이 넓은 파선으로 나타내며, 제어선 및 측정결과의 신호선을 간격이 좁은 파선으로 나타낸다.
본 실시형태 3의 레이저가공장치(301)는, 반도체소자재료의 웨이퍼를 가공대상물(341)로 하여, 가공대상물(341)에 레이저광을 조사하여 어닐링처리를 행하는 레이저어닐링장치이다. 레이저가공장치(301)는, 제어부(310), 레이저광원(321), 투과율변경부로서의 어테뉴에이터(322), 주사부로서의 주사광학계(323), 다이크로익미러(324), 렌즈(325, 326), 열복사측정부(327), 스테이지(331), 전반사미러(333) 및 파워미터(334)를 구비한다.
레이저광원(321)은, 예를 들면 YAG레이저 등의 고체레이저 또는 CO2레이저 등의 가스레이저이며, 가공대상물(341)의 표면부를 고온으로 가열하는 레이저광을 출력한다. 레이저광원(321)은, 예를 들면 파장 808nm 등 파장이 가시광파장역의 상계(上界)에 있는 근적외빔을 출력한다. 레이저광원(321)은 레이저발진기라고 불러도 된다.
어테뉴에이터(322)는, 레이저광의 투과광량을 변경 가능한 모듈이다. 어테뉴에이터(322)는, 제어신호에 근거하여 레이저광의 반사율 또는 흡수율을 변화시키며, 이로써 레이저광의 투과광량을 연속적으로 변경할 수 있다.
주사광학계(323)는, 예를 들면 갈바노미러를 포함하며, 레이저광의 조사위치 즉 피가공위치(P300)를 예를 들면 스테이지(331)의 상면을 따른 2방향으로 변경할 수 있다.
다이크로익미러(324)는, 레이저광원(321)의 출력파장의 광을 반사하며, 열복사를 포함하는 적외영역의 광을 투과한다. 투과하는 적외영역의 파장은, 예를 들면 2~3μm 등이며, 적외영역 중 가공대상물(341)(예를 들면 단결정 웨이퍼)의 흡수가 적은 파장이 설정된다.
렌즈(325)는, 예를 들면 Fθ렌즈이며, 피가공위치에 레이저광을 수렴시킨다. 또, 렌즈(325)는, 가공대상물의 피가공위치(P300)로부터 열복사를 집광한다.
렌즈(326)는, 렌즈(325)에 의하여 집광되어, 다이크로익미러(324)를 투과한 열복사를 열복사측정부(327)에 수렴시킨다.
열복사측정부(327)는, 예를 들면 적외선센서이며 수광부에 입력된 열복사의 강도를 측정한다.
스테이지(331)는, 가공대상물(341)을 지지하는 대이며, 레이저광의 광축과 교차하는 2방향으로 이동 가능하게 구성되어 있다. 스테이지(331)는, 가공대상물(341)을 지지하는 영역과 다른 개소에, 전반사미러(333)를 지지하고 있다.
전반사미러(333)는, 스테이지(331)의 구동에 의하여, 레이저광의 조사위치(렌즈(325)로부터 조사되는 레이저광의 광축위치)까지 이동할 수 있다. 전반사미러(333)는, 레이저광의 조사위치에 있어서, 레이저광을 반사하여 파워미터(334)로 보낸다. 도 10에서는, 이점쇄선에 의하여 전반사미러(333)가 레이저광의 조사위치로 이동했을 때의 레이저광의 광축을 나타내고 있다.
파워미터(334)는, 레이저광을 수광하여 레이저광의 파워를 측정한다. 파워란, 레이저광의 단위시간당 에너지를 의미한다.
제어부(310)는, 프로그램이 저장된 기억장치, 프로그램을 실행하는 CPU(Central Processing Unit), 작업용 메모리, 제어신호 및 검출신호의 입출력을 행하는 I/O, 및 다양한 기능회로를 갖는 컴퓨터이다. 제어부(310)는, 레이저광원(321)의 구동제어와, 주사광학계(323)의 구동제어와, 어테뉴에이터(322)의 제어를 행한다. 또한, 제어부(310)는, 열복사측정부(327)의 측정값 및 파워미터(334)의 측정값을 입력한다. 제어부(310)는, 본 발명에 관한 판정부의 일례에 상당하며, 열복사측정부(327)의 측정값 및 파워미터(334)의 측정값에 근거하여 어테뉴에이터(322) 상태에 대하여 판정을 행한다.
도 11은, 제어부의 내부구성의 일부를 나타내는 블록도이다.
제어부(310)는, 목푯값설정부(311)와, 피드백제어부(312)를 더 갖는다.
목푯값설정부(311)는, 가공처리 중에 가공대상물로부터 방사되는 열복사의 목푯값을 계산한다. 열복사의 목푯값은, 예를 들면, 가공대상물의 이상적인 가열온도에 대응하는 일정값으로 설정된다. 혹은, 이상적인 가열온도가 주사위치에 따라 다른 경우, 열복사의 목푯값은, 주사위치에 따라 변화하는 값으로 설정되어도 된다. 이상적인 가열온도는, 유저로부터 제어부(310)에 입력되는 가공데이터에 포함되어 있어도 되는, 가공데이터에 포함되는 다양한 파라미터로부터 목푯값설정부(311)가 계산되어도 된다. 가공데이터란, 가공대상물의 어디에 어떻게 레이저광을 조사할지를 정한 데이터이며, 유저가 작성한다. 목푯값설정부(311)는, 레이저광이 가공대상물에 조사되는 주사기간에 있어서 목푯값을 피드백제어부(312)에 출력한다.
피드백제어부(312)는, 목푯값설정부(311)가 설정한 목푯값과, 열복사측정부(327)의 측정값을 입력한다. 피드백제어부(312)는, 입력된 목푯값과 측정값과의 차에 근거하여, 이 차가 작아지도록 피드백처리를 행하여 어테뉴에이터 제어신호를 생성한다. 어테뉴에이터 제어신호는, 어테뉴에이터(322)로 보내져, 어테뉴에이터(322)가 레이저광을 투과하는 양을 제어한다. 피드백제어부(312)는, 예를 들면 PID(Proportional-Integral-Differential)제어에 의하여, 어테뉴에이터 제어신호를 생성하는 구성으로 해도 된다.
<동작설명>
상기 구성의 레이저가공장치(301)에 의하면, 먼저 가공대상물(341)의 어닐링처리 전의 단계에서, 레이저광원(321)의 출력조정이 행해진다. 출력조정 시에는, 스테이지(331)가 이동하여 전반사미러(333)가 레이저광의 조사위치에 배치되며, 어테뉴에이터(322)가 소정의 투과율(예를 들면 100%)로 제어된다. 그리고, 제어부(310)가, 레이저광원(321)으로부터 레이저광을 출사시키며, 또한 파워미터(334)의 측정값을 입력하여, 레이저광의 파워가 설정값이 되도록 레이저광원(321)의 출력이 조정된다.
계속해서, 스테이지(331)에 지지된 가공대상물(341)이 레이저광의 조사위치에 배치된 상태로, 가공대상물(341)의 어닐링처리가 개시된다. 어닐링처리에서는, 제어부(310)의 제어에 의하여 레이저광원(321)으로부터 레이저광이 출사된다. 그러면, 레이저광은, 어테뉴에이터(322), 주사광학계(323), 다이크로익미러(324) 및 렌즈(325)를 경유하여, 가공대상물(341)의 피가공위치(P300)에 조사된다. 레이저광이 조사되면, 가공대상물(341)의 피가공위치(P300)가 가열되며, 피가공위치(P300)로부터 열복사가 방사된다. 이 열복사는, 렌즈(325), 다이크로익미러(324) 및 렌즈(326)를 경유하여 열복사측정부(327)로 보내져, 열복사측정부(327)가 열복사의 양을 측정한다. 제어부(310)는, 레이저광원(321)의 구동을 계속하면서 주사광학계(323)를 제어하며, 레이저광의 조사위치를 가공데이터에 설정된 주사경로를 따라 변경한다.
레이저광원(321)의 구동이 계속되는 동안, 피드백제어부(312)는, 열복사측정부(327)의 측정값과, 목푯값설정부(311)가 설정한 목푯값을 입력하고, 이들의 차가 작아지도록 어테뉴에이터 제어신호를 생성한다. 그리고, 어테뉴에이터 제어신호에 의하여 어테뉴에이터(322)를 통과하는 레이저광의 투과량이 제어되고, 이로써 피가공위치(P300)에 조사되는 레이저광의 파워가 조정되어, 피가공위치(P300)의 가열온도가, 미리 설정된 이상적인 온도에 근접하도록 제어된다.
여기에서, 이와 같은 제어를 행하지 않고 어닐링처리를 행한 경우에, 가공대상물(341)로부터 방사되는 열복사량에 대하여 설명한다.
도 12a 및 도 12b는, 일정한 강도의 레이저광을 웨이퍼의 표면부에 주사했을 때에 측정된 온도분포의 일례를 나타내는 것이며, 도 12a는 웨이퍼전체의 도, 도 12b는 범위 C의 확대도이다. 도 12a, 도 12b는 그레이의 농담에 의하여 온도의 높낮이를 나타낸다. 진한 쪽이 저온을 나타낸다. 도 12의 예는, 주사경로(L301)가 X방향으로 뻗으며, 복수의 주사경로(L301)가 Y방향으로 나열되고, 레이저광이 이들 주사경로(L301)를 따라 주사한 경우를 나타낸다. 레이저광의 조사위치는, 각 주사경로(L301)의 가장자리부에서 반전되어, 인접하는 주사경로(L301)로 이동하며, 인접하는 2개의 주사경로(L301)에서는 주사방향이 역전된다.
이와 같은 주사패턴에 있어서는, 레이저광의 강도가 일정해도, 도 12a에 나타내는 바와 같이, 가공대상물(341)의 가장자리부분이 중앙부보다 높은 온도가 된다. 이것은, 도 12b에 나타내는 바와 같이, 가공대상물(341)의 가장자리부에서는, 레이저광이 중앙에서 단부를 향하여 레이저광이 주사된 후, 이 주변에 열이 잔류하고 있는 동안에, 인접하는 주사경로(L301)를 따라, 레이저광이 단부에서 중앙을 향하여 주사하는 것에 의한다. 즉, 잔류열에 레이저광의 열이 가해지기 때문이라고 생각된다.
도 13은, 3개의 주사패턴에 대응하는 열복사의 측정값의 그래프를 나타낸다. 도 13의 3개의 주사패턴 중, 도 14a는 "Plus"의 주사패턴, 도 14b는 "Minus"의 주사패턴, 도 14c는 "Raster"의 주사패턴을 각각 나타내는 설명도이다. 도 13의 각 그래프는, 세로축에 열복사측정부(327)의 센서전압을 나타내며, 가로축에 측정 No. 를 나타낸다. 측정 No.란, 각 측정값에 시계열로 부가한 일련번호이다. 도 13의 3개의 그래프선은, 도 14a~도 14c의 주사패턴으로 계측된 측정값을 나타낸다.
상술한 도 12a, 도 12b의 예는, 도 14c의 주사패턴을 적용했을 때의 예에 상당한다. 이 경우의 열복사의 측정값을 시계열로 나열하면, 도 13의 "Raster"의 그래프가 된다. 도 13의 하락개소(n301~n303)는, 하나의 직선상의 주사경로(L301)로부터 인접하는 직선상의 주사경로(L301)로 이동할 때를 나타내고 있다. 도 13의 "Raster"의 그래프로부터 주사경로(L301)를 반전한 직후의 열복사가 높아지고 있는 것을 알 수 있다.
또, 도 14a 및 도 14b에 나타내는 바와 같이, 일방향("Plus")의 주사패턴, 또는 그 역방향("Minus")의 주사패턴으로 한 경우여도, 레이저광의 강도가 일정하면, 도 13에 나타내는 바와 같이, 열복사의 양은 균일해지지 않는다. 또한, 도 13의 그래프로부터 일방향의 주사와 역방향의 주사에서 열복사가 나타나는 방법에 차이가 발생하는 것을 알 수 있다. 이것은, 레이저광의 빔형상이 주사방향을 따른 일방과 타방에서 완전하게 대칭이 되지 않고, 레이저광의 주사방향에 의하여, 동일점에 조사되는 레이저광의 강도의 시간적인 변화패턴에 차이가 발생하기 때문이라고 생각된다. 빔형상이란, 레이저광의 스폿 내의 강도분포를 의미하며, 빔프로파일이라고도 불린다.
이와 같이, 일정한 파워의 레이저광으로 어닐링처리를 행한 경우, 주사패턴 또는 주사방향에 의하여, 가공대상물의 표면부의 가열온도는 불균일해진다.
한편, 본 실시형태 3의 레이저가공장치(301)에 의하면, 열복사의 측정값에 근거하는 피드백제어에 의하여, 열복사의 측정값이 목푯값에 근접하도록, 피가공위치(P300)에 조사되는 레이저광의 광량이 제어된다. 이로써, 도 12와 도 13에 나타낸 바와 같은 가공대상물의 표면부의 가열온도의 불균일함이 저감되며, 예를 들면 각부의 가열온도를 균일에 가까워지게 할 수 있는 등, 적절한 가열처리를 실현할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시형태 3의 레이저가공장치(301)에 의하면, 열복사의 측정값에 근거하는 어테뉴에이터(322)의 제어에 의하여, 가공대상물(341)의 피가공위치(P300)를 적절한 온도로 가열처리할 수 있다. 이로써, 가공대상물(341)의 표면부의 각부를, 예를 들면 균일한 가열온도로 할 수 있는 등, 적절한 가열온도로 어닐링처리하는 것이 가능해진다.
또, 본 실시형태 3의 레이저가공장치(301)에 의하면, 피드백제어부(312)가 목푯값과 열복사의 측정값과의 차에 근거하여 어테뉴에이터(322)를 제어하기 때문에, 목푯값의 설정에 의하여 가열온도를 용이하게 설정 변경할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태 3에 대하여 설명했다. 그러나, 본 발명은 상기 실시형태 3에 한정되지 않는다. 예를 들면, 상기 실시형태 3에서는, 레이저어닐링장치에 본 발명을 적용한 구성을 일례로 설명했다. 그러나, 본 발명은, 레이저광을 조사하여 용접 또는 솔더링을 행하는 레이저용접장치 또는 레이저솔더링장치에도 동일하게 적용할 수 있다. 또한, 본 발명은 레이저광을 조사하여 기판에 구멍을 형성하는 레이저드릴장치에도 적용할 수 있다. 레이저드릴장치는, 예를 들면 레이저광의 펄스를 한 개소에 복수 회 조사하여 구멍을 형성하지만, 1회째의 레이저광의 펄스출력 시에 측정된 열복사의 양에 근거하여, 2회째 이후의 레이저광의 투과량을 제어할 수 있다. 이와 같은 제어에 의하여, 구멍을 형성하는 기판의 위치에 따라 레이저광에 의한 가열량이 적절한 값에서 벗어나는 경우에, 2회째 이후의 레이저광에 의한 가열량을 적절한 값으로 하여 각 구멍을 균일한 품질로 형성하는 것이 가능해진다.
또, 상기 실시형태 3에서는, 주사부로서 레이저광의 조사위치를 변화시키는 주사광학계(323)를 나타냈다. 그러나, 본 발명에 관한 주사부는, 가공대상물(341)을 움직이게 함으로써 레이저광이 조사되는 위치를 변화시키는 구성이어도 된다. 그 외에, 실시의 형태에서 나타낸 상세한 부분은, 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위에서 적절히 변경 가능하다.
이하, 본 실시형태 3에 나타난 몇 가지 발명에 대하여 기재한다.
<발명 1>
레이저광의 투과율을 변경 가능한 투과율변경부와,
상기 투과율변경부를 통과한 레이저광이 조사된 가공대상물의 열복사를 측정하는 열복사측정부와,
상기 열복사측정부에 의하여 측정된 열복사의 측정값에 근거하여 상기 투과율변경부에 있어서의 레이저광의 투과율을 제어하는 제어부를 구비하는 레이저가공장치.
<발명 2>
가공대상물에 대한 상기 레이저광의 조사위치를 변경하는 주사부를 더 구비하고,
가공대상물의 어닐링처리를 행하는 발명 1에 기재된 레이저가공장치.
<발명 3>
상기 제어부는, 열복사의 목푯값과 상기 열복사의 측정값과의 차에 근거하여 상기 투과율변경부에 출력되는 제어신호를 생성하는 피드백제어부를 갖는,
발명 1 또는 발명 2에 기재된 레이저가공장치.
<실시형태 3에 나타난 발명의 효과>
실시형태 3에 관한 발명에 의하면, 피가공위치의 가열온도를 적절히 제어할 수 있다는 효과가 얻어진다.
본 발명은, 레이저가공장치에 이용할 수 있다.
101 레이저가공장치
110 제어부
111 판정부
112 표시부
121 레이저광원
122 주사광학계
123 다이크로익미러
124, 125 렌즈
126 열복사측정부
131 스테이지
141 가공대상물
P100 피가공위치
201 레이저가공장치
210 제어부
211 판정부
212 데이터처리부
213 기억부
214 표시부
221 레이저광원
222 주사광학계
223 다이크로익미러
224, 225 렌즈
226 열복사측정부
231 스테이지
232 이미지센서
233 전반사미러
234 파워측정부
238 검사용 가공대상물
241 가공대상물
P200 피가공위치
W201 정상범위
301 레이저가공장치
310 제어부
311 목푯값설정부
312 피드백제어부
321 레이저광원
322 어테뉴에이터
323 주사광학계
324 다이크로익미러
325, 326 렌즈
327 열복사측정부
331 스테이지
333 전반사미러
334 파워미터
341 가공대상물
P300 피가공위치
L301 주사경로

Claims (2)

  1. 레이저광의 투과율을 변경 가능한 투과율변경부와,
    상기 투과율변경부를 통과한 레이저광이 조사된 가공대상물의 열복사를 측정하는 열복사측정부와,
    상기 열복사측정부에 의해서 측정된 열복사의 측정값에 근거하여 상기 투과율변경부에 있어서의 레이저광의 투과율을 제어하는 제어부와,
    상기 열복사측정부에 의해서 측정된 열복사의 목푯값을 설정하는 목표설정부를 구비하고,
    상기 제어부는, 상기 열복사의 목푯값과 상기 열복사의 측정값의 차에 근거하여 상기 투과율변경부에 출력되는 제어신호를 생성하며,
    상기 목표설정부는, 레이저광의 조사위치에 따라서 변화하는 상기 열복사의 목푯값을 설정 가능한 레이저가공장치.
  2. 제1항에 있어서,
    가공대상물에 대한 상기 레이저광의 조사위치를 변경하는 주사부를 더 구비하고,
    가공대상물의 어닐링처리를 행하는 레이저가공장치.

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