KR102480251B1

KR102480251B1 - 레이저 빔 프로파일러 유닛 및 레이저 가공 장치

Info

Publication number: KR102480251B1
Application number: KR1020180094764A
Authority: KR
Inventors: 준이치 구키; 조엘 쾨르버; 게이노스케 마에다
Original assignee: 가부시기가이샤 디스코
Priority date: 2017-08-25
Filing date: 2018-08-14
Publication date: 2022-12-21
Also published as: US20190061063A1; US10532433B2; DE102018214335A1; TWI771474B; JP2019039830A; CN109454324B; KR20190022337A; CN109454324A; JP6955932B2; SG10201807226RA; TW201913049A

Abstract

(과제) 실제로 피가공물에 조사되는 집광 후의 레이저 빔의 프로파일을 정확하게 측정 가능한 레이저 빔 프로파일러 유닛 및 레이저 가공 장치를 제공한다.
(해결 수단) 레이저 발진기 (24) 로부터 발진되는 레이저 광선의 강도 분포를 측정하는 프로파일러 유닛으로서, 레이저 발진기 (24) 로부터 발진되고, 집광 렌즈 (26) 에서 집광된 레이저 광선의 스폿 직경을 확대하는 확대 광학계 (73) 와, 레이저 광선을 감쇠시키는 제 1 투과 프리즘 (72) 과, 이 제 1 투과 프리즘 (72) 에서 반사된 레이저 광선을 더욱 감쇠시키는 제 2 투과 프리즘 (74) 과, 이 제 2 투과 프리즘 (74) 에서 반사된 레이저 광선을 수광하는 촬상 소자 (77) 와, 촬상 소자 (77) 의 수광 데이터로부터 레이저 광선 (201) 의 스폿의 강도 분포를 해석하는 해석부 (80) 를 포함한다.

Description

레이저 빔 프로파일러 유닛 및 레이저 가공 장치 {LASER BEAM PROFILER UNIT AND LASER MACHINING APPARATUS}

본 발명은, 레이저 발진기로부터 발진되는 레이저 빔의 강도 분포를 측정하는 레이저 빔 프로파일러 유닛 및 레이저 가공 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 디바이스 웨이퍼 등 각종 디바이스가 형성된 피가공물에 레이저 빔을 조사하여, 분할 예정 라인을 따라 피가공물에 레이저 가공 홈이나 개질층을 형성하는 레이저 가공 장치가 알려져 있다. 이 종류의 레이저 가공 장치에 있어서, 레이저 빔은, 스폿 직경이나 스폿 형상 (원형이나 타원형 등), 파워 밀도가 피가공물에 따라 최적인 조건으로 조정되어 각종 가공에 사용되고 있다.

한편, 레이저 발진기나 광학계에서 사용하는 광학 소자는, 예를 들어, 시간 경과적 변화에 수반되는 열화에 의해 서서히 조정된 최적 조건으로부터 변화하는 경우가 있다. 이 때문에, 종래, 레이저 빔의 스폿 형상이나 강도 분포 등의 상황 (프로파일) 을 측정하는 기술이 제안되어 있다 (예를 들어, 특허문헌 1, 2 참조).

일본 공개특허공보 2010-249727호 일본 공개특허공보 2016-41437호

그러나, 특허문헌 1 의 기술은, 피가공물에 조사되는 집광 후의 레이저 빔이 아니라, 집광 전의 레이저 빔의 프로파일을 측정하고 있다. 레이저 빔은, 광로 중에서 변동되기 쉬운 성질을 갖기 때문에, 이 구성에서는, 실제로 피가공물에 조사되는 레이저 빔에 관한 정보를 정확하게 취득할 수 없다는 결점이 있었다. 또, 특허문헌 2 의 기술은, 발진된 레이저 빔을 요면경에서 반사시킨 복귀광의 프로파일을 측정하기 때문에, 집광 전의 레이저 빔과 측정 대상의 복귀광이 중첩되어 버려, 측정의 정밀도가 담보되지 않을 우려가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은, 실제로 피가공물에 조사되는 집광 후의 레이저 빔의 프로파일을 정확하게 측정 가능한 레이저 빔 프로파일러 유닛 및 레이저 가공 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 하나의 측면에 의하면, 레이저 가공 장치에 탑재된 레이저 발진기로부터 발진되는 레이저 빔의 강도 분포를 측정하는 레이저 빔 프로파일러 유닛으로서, 그 레이저 발진기로부터 발진되고, 집광 렌즈에서 집광된 그 레이저 빔의 스폿 직경을 확대하는 확대 광학계와, 그 레이저 빔을 감쇠시키는 제 1 투과 프리즘과, 그 제 1 투과 프리즘에서 반사된 레이저 빔을 더욱 감쇠시키는 제 2 투과 프리즘과, 그 제 2 투과 프리즘에서 반사된 그 레이저 빔을 수광하는 촬상 소자와, 그 촬상 소자의 수광 데이터로부터 레이저 빔의 스폿의 강도 분포를 해석하는 해석부를 구비하는 레이저 빔 프로파일러 유닛이 제공된다.

이 구성에 의하면, 집광 후의 레이저 빔을, 가공 광학계로 되돌리지 않고, 감쇠시키면서 확대하여 촬상함으로써, 실제로 피가공물에 조사되는 레이저 빔의 스폿의 강도 분포나 스폿의 형상을 정확하게 측정할 수 있다.

바람직하게는, 그 제 1 투과 프리즘과 그 제 2 투과 프리즘에 의해 1 쌍의 투과 프리즘을 구성하고, 그 1 쌍의 투과 프리즘의 일방은 P 편광의 감쇠율이 높고, 타방의 그 투과 프리즘은 S 편광의 감쇠율이 높음으로써, P 편광과 S 편광이 동일하게 감쇠된다. 이 구성에 의하면, P 편광과 S 편광을 동일하게 감쇠시킴으로써, P 편광과 S 편광이 혼재하는 레이저 빔의 스폿의 강도 분포를 정확하게 측정할 수 있다.

바람직하게는, 제 1 및 제 2 투과 프리즘은, 직각 이등변 삼각형을 바닥면으로 하는 삼각 기둥상의 프리즘으로서, 그 레이저 빔은, 직각 이등변 삼각형의 직각을 이루는 변을 포함하는 삼각 기둥의 측면에 입사된다. 이 구성에 의하면, 직각 이등변 삼각형의 직각을 이루는 변을 포함하는 삼각 기둥의 측면에 레이저 빔을 입사시킴으로써, 투과 프리즘을 투과한 광의 일부가 투과 프리즘 내에서 내부 반사되었다고 해도, 이 내부 반사광은, 상기 측면에서 반사된 반사광과 교차하지 않기 때문에, 고스트의 발생이 억제되어 반사광만을 정확하게 측정할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 레이저 가공 장치로서, 척 테이블에 유지된 피가공물에 레이저 빔을 조사하는 레이저 빔 조사 유닛과, 그 레이저 빔 조사 유닛의 레이저 빔 조사 조건을 제어하는 제어 유닛과, 그 레이저 빔의 스폿의 강도 분포를 측정하는 레이저 빔 프로파일러 유닛을 구비하고, 그 레이저 빔 프로파일러 유닛은, 레이저 발진기로부터 발진되고, 집광 렌즈에서 집광된 그 레이저 빔의 스폿 직경을 확대하는 확대 광학계와, 그 레이저 빔을 감쇠시키는 제 1 투과 프리즘과, 그 제 1 투과 프리즘에서 반사된 레이저 빔을 더욱 감쇠시키는 제 2 투과 프리즘과, 그 제 2 투과 프리즘에서 반사된 그 레이저 빔을 수광하는 수광 소자와, 그 수광 소자의 수광 데이터로부터 그 레이저 빔의 스폿 직경의 강도 분포를 해석하는 해석부를 포함하는 레이저 가공 장치가 제공된다.

이 구성에 있어서, 그 레이저 빔 조사 유닛은, 레이저 빔을 발진하는 레이저 발진기와, 그 레이저 빔을 집광하는 집광 렌즈와, 그 레이저 발진기로부터 그 집광 렌즈로 그 레이저 빔을 안내하는 확대 광학계를 구비하고, 그 확대 광학계는, 그 레이저 빔의 스폿 형상을 정형한다.

본 발명에 의하면, 집광 후의 레이저 빔을, 가공 광학계로 되돌리지 않고, 감쇠시키면서 확대하여 촬상함으로써, 실제로 피가공물에 조사되는 레이저 빔의 스폿의 강도 분포나 스폿의 형상을 정확하게 측정할 수 있다.

도 1 은, 본 실시형태에 관련된 레이저 가공 장치를 나타내는 사시도이다.
도 2 는, 프로파일러 유닛의 유닛 본체가 조사 헤드의 하방의 측정 위치로 이동한 상태를 나타내는 개략도이다.
도 3 은, 유닛 본체가 조사 헤드로부터 퇴피한 퇴피 위치로 이동한 상태를 나타내는 개략도이다.
도 4 는, 레이저 조사부와 프로파일러 유닛의 내부 구성을 나타내는 사시도이다.
도 5 는, 레이저 조사부와 프로파일러 유닛의 내부 구성을 나타내는 측면도이다.
도 6 은, 집광 렌즈, 투과 프리즘 및 확대 광학계의 배치 관계를 나타내는 도면이다.
도 7 은, 투과 프리즘에 있어서의 직각 이등변 삼각형의 직각을 이루는 변을 포함하는 삼각 기둥의 측면을 광이 입사하는 면으로 했을 때의 그 면에서 반사되는 반사광과, 투과 프리즘의 내부 반사광의 관계를 나타내는 도면이다.
도 8 은, 투과 프리즘에 있어서의 직각 이등변 삼각형의 사변을 포함하는 삼각 기둥의 측면을 광이 입사하는 면으로 했을 때의 그 면에서 반사되는 반사광과, 투과 프리즘의 내부 반사광의 관계를 나타내는 도면이다.

본 발명을 실시하기 위한 형태 (실시형태) 에 대해, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 이하의 실시형태에 기재한 내용에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 또, 이하에 기재한 구성 요소에는, 당업자가 용이하게 상정할 수 있는 것, 실질적으로 동일한 것이 포함된다. 또한, 이하에 기재한 구성은 적절히 조합하는 것이 가능하다. 또, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 구성의 여러 가지 생략, 치환 또는 변경을 실시할 수 있다.

도 1 은, 본 실시형태에 관련된 레이저 가공 장치를 나타내는 사시도이다. 도 1 에 나타내는 바와 같이, 레이저 가공 장치 (1) 는, 피가공물로서의 웨이퍼 (100) 를 유지하는 척 테이블 (10) 과, 웨이퍼 (100) 에 레이저 광선 (레이저 빔) 을 조사하는 레이저 조사부 (레이저 조사 유닛) (20) 를 구비한다. 웨이퍼 (100) 는, 실리콘을 모재로 하는 원판상의 반도체 웨이퍼나 사파이어, SiC (탄화규소) 등을 모재로 하는 광 디바이스 웨이퍼, 디바이스가 수지 봉지된 패키지 기판, 세라믹스 기판 등의 판상물 등이다. 웨이퍼 (100) 는, 표면에 격자상으로 형성된 복수의 분할 예정 라인에 의해 구획된 복수의 영역에 디바이스 (103) 가 형성되어 있다. 웨이퍼 (100) 는, 이면에 첩착 (貼着) 된 점착 테이프 (105) 를 통해, 환상 프레임 (106) 에 지지되어 있다.

레이저 가공 장치 (1) 는, 척 테이블 (10) 에 유지된 웨이퍼 (100) 의 분할 예정 라인을 따라, 레이저 조사부 (20) 로부터 레이저 광선을 조사하여 레이저 가공 홈을 형성한다. 또, 웨이퍼 (100) 의 분할 예정 라인에 레이저 광선을 조사하여 분할 예정 라인에 개질층을 형성할 수도 있다. 개질층이란, 웨이퍼 (100) 에 있어서의 밀도, 굴절률, 기계적 강도나 그 밖의 물리적 특성이 주위와는 상이한 상태로 된 영역을 말한다.

또, 레이저 가공 장치 (1) 는, 척 테이블 (10) 을 X 축 방향 (가공 이송 방향) 을 따라 이동하는 X 축 이동부 (가공 이송부) (30) 와, 척 테이블 (10) 을 Y 축 방향 (산출 이송 방향) 을 따라 이동하는 Y 축 이동부 (산출 이송부) (40) 를 구비한다. 이로써, 척 테이블 (10) 과 레이저 조사부 (20) 는, 상기한 X 축 방향 및 Y 축 방향으로 각각 상대적으로 이동하는 것이 가능한 구성으로 되어 있다.

레이저 가공 장치 (1) 는, 환상 프레임 (106) 에 지지된 웨이퍼 (100) 를 수용하는 카세트 (50) 가 재치 (載置) 되는 카세트 재치대 (55) 와, 레이저 가공 후의 웨이퍼 (100) 를 세정하는 스피너 세정부 (60) 와, 웨이퍼 (100) 를 상기한 각 부위로 반송하는 반송부 (65) 를 구비한다. 또, 본 구성에서는, 레이저 가공 장치 (1) 는, 레이저 조사부 (20) 가 조사하는 레이저 광선의 스폿 형상이나 강도 분포 등의 프로파일을 측정하는 프로파일러 유닛 (레이저 빔 프로파일러 유닛, 강도 분포 유닛) (70) 을 구비한다.

척 테이블 (10) 은, 웨이퍼 (100) 에 대하여 레이저 가공을 실시할 때에 그 웨이퍼 (100) 를 유지한다. 본 구성에서는, 웨이퍼 (100) 는, 점착 테이프 (105) 에 의해 환상 프레임 (106) 에 유지된 형태로 척 테이블 (10) 에 유지된다. 척 테이블 (10) 은, 웨이퍼 (100) 및 환상 프레임 (106) 이 재치되어 흡인되는 유지면 (11) 과, 이 유지면 (11) 의 외주측에 복수 배치되어 환상 프레임 (106) 을 고정시키는 클램프부 (12) 를 갖고 있다.

레이저 조사부 (20) 는, 장치 본체 (2) 의 벽부 (3) 에 고정되어 있고, 척 테이블 (10) 에 유지된 웨이퍼 (100) 를 향하여 레이저 광선을 조사한다. 레이저 조사부 (20) 는, 레이저 광선을 웨이퍼 (100) 를 향하여 조사하는 조사 헤드 (집광기) (21) 와, 이 조사 헤드 (21) 와 X 축 방향으로 옆으로 나란히 배치된 촬상부 (22) 와, 이들 조사 헤드 (21) 및 촬상부 (22) 를 유지하는 본체부 (23) 를 구비한다. 촬상부 (22) 는, 척 테이블 (10) 상의 웨이퍼 (100) 의 배치 상황 및 웨이퍼 (100) 에 대한 가공 상황 등을 촬상하는 카메라이고, 본 실시형태에서는 일반적인 카메라 또는 적외선 카메라가 사용되고 있다. 조사 헤드 (21) 및 본체부 (23) 의 내부 구성에 대해서는 후술한다.

X 축 이동부 (30) 는, X 축 방향으로 연장되는 볼 나사 (31) 와, 볼 나사 (31) 와 평행하게 배치 형성된 가이드 레일 (32) 과, 볼 나사 (31) 의 일단에 연결되어 볼 나사 (31) 를 회동 (回動) 시키는 펄스 모터 (33) 와, 하부가 가이드 레일 (32) 에 슬라이딩 접촉함과 함께 볼 나사 (31) 에 나사 결합하는 너트 (도시 생략) 를 내부에 구비한 슬라이드판 (34) 을 구비한다. 슬라이드판 (34) 은, 볼 나사 (31) 의 회동에 수반하여, 가이드 레일 (32) 에 가이드되어 X 축 방향으로 이동한다. 또, 슬라이드판 (34) 에는, 내부에 펄스 모터 (도시 생략) 를 구비한 회전 구동부 (35) 가 고정되어 있고, 회전 구동부 (35) 는, 척 테이블 (10) 을 소정 각도 회전시킬 수 있다. 본 실시형태에서는, 예를 들어, 촬상부 (22) 에 의해 촬상된 웨이퍼 (100) 의 화상에 기초하여, 서로 교차하는 분할 예정 라인이 각각 X 축 방향 및 Y 축 방향을 향하도록, 척 테이블 (10) (웨이퍼 (100)) 을 회전시킨다.

Y 축 이동부 (40) 는, Y 축 방향으로 연장되는 볼 나사 (41) 와, 볼 나사 (41) 와 평행하게 배치 형성된 가이드 레일 (42) 과, 볼 나사 (41) 의 일단에 연결되어 볼 나사 (41) 를 회동시키는 펄스 모터 (43) 와, 하부가 가이드 레일 (42) 에 슬라이딩 접촉함과 함께 볼 나사 (41) 에 나사 결합하는 너트 (도시 생략) 를 내부에 구비한 슬라이드판 (44) 을 구비한다. Y 축 이동부 (40) 는, 장치 본체 (2) 상에 재치되고, 볼 나사 (41) 의 회동에 수반하여 슬라이드판 (44) 이 가이드 레일 (42) 에 가이드되어 Y 축 방향으로 이동한다. 슬라이드판 (44) 에는 상기한 X 축 이동부 (30) 가 배치 형성되어 있어, 슬라이드판 (44) 의 Y 축 방향의 이동에 수반하여, X 축 이동부 (30) 도 동일 방향으로 이동한다.

카세트 (50) 는, 점착 테이프 (105) 를 통해 환상 프레임 (106) 에 지지된 형태의 웨이퍼 (100) 를 복수 장 수용한다. 카세트 재치대 (55) 는, 장치 본체 (2) 에 Z 축 방향으로 자유롭게 승강할 수 있도록 형성되어 있다. 프로파일러 유닛 (70) 은, 조사 헤드 (21) 로부터 조사되는 레이저 광선을 수광 가능한 유닛 본체 (71) 와, 이 유닛 본체 (71) 가 수광한 레이저 광선으로부터 그 레이저 광선의 강도 분포를 해석하는 해석부 (80) 를 구비한다.

다음으로, 프로파일러 유닛 (70) 에 대해 설명한다. 유닛 본체 (71) 는, 도 2 및 도 3 에 나타내는 바와 같이, 장치 본체 (2) 의 벽부 (3) 로부터 Y 축 방향을 따라 연장되는 가이드 레일 (4) 에 매달려 지지되어 있다. 유닛 본체 (71) 는, 상방으로 연장되는 지지부 (71A) 를 갖고, 이 지지부 (71A) 는, 가이드 레일 (4) 내에 수용되는 볼 나사의 너트부 (도시 생략) 에 연결되어 있다. 그리고, 이 볼 나사의 모터 (도시 생략) 에 의해 회전함으로써, 유닛 본체 (71) 는, 가이드 레일 (4) 을 따라 이동 가능하게 구성되어 있다. 또, 유닛 본체 (71) 는, 조사 헤드 (21) 에 대향하는 면의 하부에, 조사 헤드 (21) 로부터 조사된 레이저 광선을 수광하는 수광부 (71B) 를 구비한다. 레이저 광선의 프로파일을 측정하는 측정시에는, 유닛 본체 (71) 는, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 가이드 레일 (4) 을 따라 화살표 (Y1) 방향으로 이동하여, 수광부 (71B) 는, 조사 헤드 (21) 와 척 테이블 (10) 사이의 측정 위치에 위치하게 된다. 또, 레이저 가공시에는, 유닛 본체 (71) 는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 가이드 레일 (4) 을 따라 화살표 (Y2) 방향으로 이동하여, 수광부 (71B) 는, 조사 헤드 (21) 의 하방으로부터 퇴피한 퇴피 위치에 위치하게 된다. 또한, 프로파일러 유닛 (70) 의 유닛 본체 (71) 를 이동시키는 구성으로는, 상기한 볼 나사와 모터를 사용한 직동 기구 이외에, 예를 들어, 실린더에 의한 진퇴 기구여도 된다. 또, 본 실시형태에서는, 유닛 본체 (71) 를 이동시키는 구성을 장치 본체 (2) 의 벽부 (3) 에 고정시키는 것으로 하여 설명하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 장치 본체 (2) 의 상면부 등에 고정시켜도 된다.

도 5 에 나타내는 바와 같이, 레이저 조사부 (20) 의 본체부 (23) 에는, 레이저 광선 (200) 을 발진하는 레이저 발진기 (24) 와, 이 발진된 레이저 광선 (200) 을 전송하는 광학계 (도시 생략) 가 수용되어 있다. 이 레이저 발진기 (24) 는, 제어 유닛 (도시 생략) 에 의해, 웨이퍼 (100) 의 종류, 가공 형태 등에 따라, 발진되는 레이저 광선의 파장 (주파수) 이나 출력, 반복 주파수를 적절히 조정한다. 조사 헤드 (21) 는, 레이저 발진기 (24) 에 의해 발진된 레이저 광선 (200) 의 진행 방향을 하방으로 변경하는 전반사 미러 (25) 와, 레이저 광선 (200) 을 집광하는 집광 렌즈 (26) 등을 포함하여 구성된다. 이 집광 렌즈 (26) 는, 복수의 볼록 렌즈와 오목 렌즈를 조합한 조합 렌즈로 구성되어 있고, 집광한 레이저 광선 (201) 을 출력한다. 조사 헤드 (21) 는, 집광 렌즈 (26) 등의 광학계의 조정에 의해, 레이저 광선 (201) 의 집광 위치 (포커스 위치) 를 Z 축 방향 (도 1 ; 연직 방향) 으로 조정하거나, 실린드리컬 렌즈나 마스크 등에 의해 스폿 형상을 타원이나 사각형 등 임의의 형상으로 수정할 수 있다.

유닛 본체 (71) 는, 도 4 및 도 5 에 나타내는 바와 같이, 조사 헤드 (21) 로부터 조사된 레이저 광선 (201) 을 감쇠시키면서 전송하는 4 개의 투과 프리즘 (72, 74, 75, 76) 과, 전송된 레이저 광선 (206) 을 수광하는 촬상 소자 (77) 와, 투과 프리즘 (제 1 투과 프리즘) (72) 과 투과 프리즘 (제 2 투과 프리즘) (74) 사이에 배치되는 확대 광학계 (73) 를 구비한다. 투과 프리즘 (72) 은, 유닛 본체 (71) 의 수광부 (71B) 에 배치되어 있다.

투과 프리즘 (72, 74, 75, 76) 은, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 모두 직각 이등변 삼각형을 바닥면으로 하는 삼각 기둥상의 프리즘이고, 직각 이등변 삼각형의 직각을 이루는 변을 포함하는 삼각 기둥의 측면 (72A, 74A, 75A, 76A) 을 각각 레이저 광선이 입사하는 면으로 한다. 투과 프리즘 (72, 74, 75, 76) 은, 입사된 레이저 광선의 대부분 (예를 들어 약 96 ％) 을 투과시키고, 나머지 약간 (약 2 ∼ 4 ％) 을 반사하여 전송함으로써, 촬상 소자 (77) 를 손상시키지 않고 촬상 가능한 정도로, 그 레이저 광선의 에너지 밀도를 감쇠시키고 있다. 본 구성에서는, 촬상 소자 (77) 에 전송되는 레이저 광선 (206) 의 에너지 밀도를 집광 렌즈 (26) 에서 집광된 레이저 광선 (201) 의 약 1/400000 로 감쇠시킬 수 있다.

투과 프리즘 (72) 은, 도 5 및 도 6 에 나타내는 바와 같이, 직각 이등변 삼각형의 사변을 포함하는 삼각 기둥의 측면 (72B) 을 연직 방향을 따르게 한 형태로 유지 부재 (78) 에 유지되어 있다. 투과 프리즘 (72) 은, 조사 헤드 (21) 로부터 연직 하방으로 조사된 레이저 광선 (201) 을 측면 (72A) 에서 수평 방향으로 반사한다. 이 반사된 레이저 광선 (202) 은, 확대 광학계 (73) 에서 스폿 직경이 확대된 레이저 광선 (203) 이 되어, 투과 프리즘 (74) 에 전송된다. 투과 프리즘 (74) 은, 도 4 및 도 5 에 나타내는 바와 같이, 삼각 기둥의 측면 (74B) 을 수평 방향을 따르게 한 형태로 유지 부재 (78) 에 유지되어 있다. 투과 프리즘 (74) 은, 레이저 광선 (203) 의 진행 방향을 측면 (74A) 에 의해 수평면 내에서 90°구부려 반사하고, 이 반사된 레이저 광선 (204) 을 투과 프리즘 (75) 에 전송한다.

본 실시형태에서는, 투과 프리즘 (72) 과 투과 프리즘 (74) 이 1 쌍의 투과 프리즘을 구성한다. 일반적으로, 레이저 광선은, 위상이 90°상이한 S 편광과 P 편광을 갖는 것이 알려져 있다. 이 종류의 S 편광과 P 편광은, 반사율이 상이하기 때문에, 복수의 투과 프리즘을 반사시켜 전송하는 구성에서는, S 편광과 P 편광의 감쇠율에 치우침이 발생할 우려가 있었다. 본 실시형태에서는, 투과 프리즘 (72) 을 직각 이등변 삼각형의 사변을 포함하는 측면 (72B) 을 연직 방향을 따르게 하고, 투과 프리즘 (74) 을 삼각 기둥의 단면 (74C) 을 수평 방향을 따르게 하여 배치함으로써, 투과 프리즘 (72) 에서는 일방의 편광의 감쇠율이 높고, 투과 프리즘 (74) 에서는 타방의 편광의 감쇠율을 높게 구성할 수 있다. 이들 투과 프리즘 (72) 과 투과 프리즘 (74) 을 1 쌍의 투과 프리즘으로 함으로써, S 편광과 P 편광이 균형을 맞춰 동등하게 감쇠된 레이저 광선 (204) 을 얻을 수 있다.

마찬가지로, 투과 프리즘 (제 2 투과 프리즘) (75) 과 투과 프리즘 (제 1 투과 프리즘) (76) 은 1 쌍의 투과 프리즘을 구성한다. 투과 프리즘 (75) 은, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 삼각 기둥의 단면 (75C) 을 수평 방향을 따르게 한 형태로 유지 부재 (78) (도 5) 에 유지되어 있다. 투과 프리즘 (75) 은, 레이저 광선 (204) 의 진행 방향을 측면 (75A) 에 의해 수평면 내에서 90°구부려 반사하고, 이 반사된 레이저 광선 (205) 을 투과 프리즘 (76) 에 전송한다. 투과 프리즘 (76) 은, 직각 이등변 삼각형의 사변을 포함하는 삼각 기둥의 측면 (76B) 을 연직 방향을 따르게 한 형태로 유지 부재 (78) (도 5) 에 유지되어 있다. 투과 프리즘 (76) 은, 레이저 광선 (205) 을 측면 (76A) 에서 연직 상방으로 반사하고, 이 반사된 레이저 광선 (206) 을 촬상 소자 (77) 에 전송한다. 이 구성에 의해, S 편광과 P 편광이 균형을 맞춰 동등하게 감쇠된 레이저 광선 (206) 을 얻을 수 있다.

촬상 소자 (77) 는, 레이저 광선 (206) 을 검출하여 전하를 발생시키는 광전 변환 소자를 갖는 것으로, 예를 들어 CCD 소자이다. 확대 광학계 (73) 는, 입사된 레이저 광선의 스폿 직경을 확대하는 것으로, 복수의 오목 렌즈 및 볼록 렌즈를 조합하여 구성되어 있는 이른바 대물 렌즈의 구성을 구비한다. 본 구성에서는, 확대 광학계 (73) 에 의해, 확대된 스폿 직경을 갖는 레이저 광선이 촬상 소자 (77) 에 전송되어 촬상되기 때문에, 스폿 직경의 형상을 정확하게 측정할 수 있다. 본 실시형태에서는, 확대 광학계 (73) 는, 투과 프리즘 (72) 과 투과 프리즘 (74) 사이에 배치하는 구성으로 하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니며, 레이저 조사부 (20) 의 조사 헤드 (21) 와 촬상 소자 (77) 사이이면 순서를 자유롭게 변경할 수 있다.

해석부 (80) 는, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 화상 처리부 (81) 와 데이터 수신부 (82) 를 구비한다. 데이터 수신부 (82) 는, 촬상 소자 (77) 가 촬상한 화상을 수신한다. 촬상 소자 (77) 가 촬상한 화상은, 감쇠시킨 레이저 광선 (206) 의 강도 분포를 나타내는 것으로, 예를 들어, 강도가 가장 큰 중심이 밝고, 주위로 퍼짐에 따라 어두워지는 것과 같은 화상이 된다. 화상 처리부 (81) 는, 예를 들어, 촬상한 화상의 농담값을 유한 레벨의 이산값으로 변환 처리한다. 해석부 (80) 는, 변환된 이산값으로부터 산출된 레이저 광선 (206) 의 강도 분포에 기초하여, 감쇠되기 전, 즉, 조사 헤드 (21) 로부터 조사된 레이저 광선 (201) 의 강도 분포, 스폿 직경 및 스폿 형상을 해석한다.

본 구성에 의하면, 투과 프리즘 (72, 74, 75, 76) 및 확대 광학계 (73) 에 의해, 조사 헤드 (21) 로부터 조사된 레이저 광선 (201) 을 감쇠시키면서 스폿 직경을 확대하고, 이 감쇠 및 확대된 레이저 광선 (206) 을 촬상하기 때문에, 실제로 웨이퍼 (100) 에 조사되는 레이저 광선 (201) 의 프로파일을, 그 레이저 광선 (201) 을 가공 광학계로 되돌리지 않고 정확하게 측정하는 것이 가능해진다.

또, 투과 프리즘 (72) 과 투과 프리즘 (74) 에 의해 1 쌍의 투과 프리즘을 구성하고, 투과 프리즘 (72) 에서는 일방 (S 편광) 의 감쇠율이 높고, 투과 프리즘 (74) 에서는 타방 (P 편광) 의 감쇠율을 높게 구성하였기 때문에, S 편광과 P 편광이 균형을 맞춰 동등하게 감쇠된 레이저 광선 (204) 을 얻을 수 있고, P 편광과 S 편광이 혼재하는 레이저 광선 (201) 의 스폿의 강도 분포를 정확하게 측정할 수 있다.

또, 투과 프리즘 (72, 74, 75, 76) 은, 직각 이등변 삼각형을 바닥면 (단면) 으로 하는 삼각 기둥상의 프리즘으로서, 레이저 광선은, 직각 이등변 삼각형의 직각을 이루는 변을 포함하는 삼각 기둥의 측면 (72A, 74A, 75A, 76A) 에 입사되기 때문에, 각 투과 프리즘 (72, 74, 75, 76) 을 투과한 광의 일부가 투과 프리즘 (72, 74, 75, 76) 내에서 내부 반사되었다고 해도, 이 내부 반사광은, 상기 측면 (72A, 74A, 75A, 76A) 에서 반사된 반사광과 교차하지 않기 때문에, 고스트의 발생이 억제되어 반사광만을 정확하게 측정할 수 있다.

여기에서, 본 구성에서는, 투과 프리즘 (72, 74, 75, 76) 의 배치에 연구가 이루어지고 있다. 일반적으로, 투과 프리즘은, 면적이 큰 면을 레이저 광선이 입사하는 면으로서 사용하는 경향이 있다. 이 때문에, 투과 프리즘 (72) 은, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 직각 이등변 삼각형의 사변을 포함하는 삼각 기둥의 측면 (72B) 을 레이저 광선이 입사하는 면으로 하는 구성이 상정된다. 이 경우, 레이저 광선 (201) 을 측면 (72B) 에서 수평 방향으로 반사하기 때문에, 투과 프리즘 (72) 은, 레이저 광선 (201) 과 측면 (72B) 의 입사각 (θ) 이 45°가 되도록 배치된다.

이 구성에서는, 투과 프리즘 (72) 을 투과하는 투과광 (210) 의 일부가 투과 프리즘 (72) 내에서 내부 반사되어, 이 내부 반사광 (211) 이 레이저 광선 (202) 과 중첩되는 고스트 광선이 되는 문제가 발생할 수 있다. 내부 반사광 (211) 이 레이저 광선 (202) 과 중첩되면, 정확한 프로파일의 측정이 불가능한 것이 상정된다.

이에 대하여, 본 구성에서는, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 투과 프리즘 (72) 은, 직각 이등변 삼각형의 직각을 이루는 변을 포함하는 삼각 기둥의 측면 (72A) 을 각각 레이저 광선이 입사하는 면으로 하고, 투과 프리즘 (72) 은, 레이저 광선 (201) 의 측면 (72A) 에 대한 입사각 (θ) 이 45°가 되도록 배치되어 있다. 이 구성에서는, 투과광 (210) 의 일부가 투과 프리즘 (72) 내에서 내부 반사되었다고 해도, 이 내부 반사광 (211) 은, 레이저 광선 (202) 과는 상이한 방향으로 출사되기 때문에, 내부 반사광 (211) 과 레이저 광선 (202) 이 중첩되는 고스트 광선이 되는 문제가 발생하는 경우가 없다. 이 때문에, 반사된 레이저 광선 (202) (204, 205, 206 을 포함한다) 에 의해 정확한 프로파일의 측정이 가능하다는 효과를 나타낸다.

또한, 본 발명은, 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 골자를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지 변형하여 실시할 수 있다. 예를 들어, 본 실시형태에서는, S 편광과 P 편광을 균형을 맞춰 동등하게 감쇠시키기 위해, 1 쌍의 투과 프리즘 (72, 74) 과 다른 1 쌍의 투과 프리즘 (75, 76) 을 구비하는 구성으로 하였지만, 촬상 소자 (77) 에 전송되는 레이저 광선을 원하는 감쇠율까지 감쇠시키고 있으면, 투과 프리즘의 쌍의 수를 적절히 변경할 수 있다.

1 : 레이저 가공 장치
10 : 척 테이블
20 : 레이저 조사부 (레이저 조사 유닛)
21 : 조사 헤드
24 : 발진기 (레이저 발진기)
25 : 전반사 미러 (광학계)
26 : 집광 렌즈
70 : 프로파일러 유닛 (레이저 빔 프로파일러 유닛)
71 : 유닛 본체
71B : 수광부
72, 76 : 투과 프리즘 (제 1 투과 프리즘)
72A, 74A, 75A, 76A : 측면
72B, 74B, 75B, 76B : 측면
74C, 75C : 단면
73 : 확대 광학계
74, 75 : 투과 프리즘 (제 2 투과 프리즘)
77 : 촬상 소자
80 : 해석부
81 : 화상 처리부
82 : 데이터 수신부
100 : 웨이퍼 (피가공물)
200, 201, 202, 203, 204, 205, 206 : 레이저 광선 (레이저 빔)
210 : 투과광
211 : 내부 반사광

Claims

레이저 가공 장치에 탑재된 레이저 발진기로부터 발진되어 웨이퍼에 조사되는 레이저 빔의 강도 분포를 측정하는 레이저 빔 프로파일러 유닛으로서,
상기 레이저 발진기로부터 발진되고, 집광 렌즈에서 집광된 상기 레이저 빔을 감쇠시키는 제 1 투과 프리즘과,
상기 제 1 투과 프리즘에서 반사된 레이저 빔의 스폿 직경을 확대하는 확대 광학계와,
상기 제 1 투과 프리즘에서 반사되고 또한 상기 확대 광학계에서 스폿 직경이 확대된 레이저 빔을 더욱 감쇠시키는 제 2 투과 프리즘과,
상기 제 2 투과 프리즘에서 반사한 상기 레이저 빔을 수광하는 촬상 소자와,
상기 촬상 소자의 수광 데이터로부터 레이저 빔의 스폿의 강도 분포를 해석하는 해석부를 구비하는, 레이저 빔 프로파일러 유닛.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 투과 프리즘과 상기 제 2 투과 프리즘에 의해 1 쌍의 투과 프리즘을 구성하고, 상기 1 쌍의 투과 프리즘의 일방은 P 편광의 감쇠율이 높고, 타방의 상기 투과 프리즘은 S 편광의 감쇠율이 높음으로써, P 편광과 S 편광이 동일하게 감쇠되는, 레이저 빔 프로파일러 유닛.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 투과 프리즘과 상기 제 2 투과 프리즘은, 직각 이등변 삼각형을 바닥면으로 하는 삼각 기둥상의 프리즘으로서, 상기 레이저 빔은, 직각 이등변 삼각형의 직각을 이루는 변을 포함하는 삼각 기둥의 측면에 입사하는, 레이저 빔 프로파일러 유닛.
척 테이블에 유지된 피가공물에 레이저 빔을 조사하는 레이저 빔 조사 유닛과, 레이저 빔 조사 유닛의 레이저 빔 조사 조건을 제어하는 제어 유닛과, 레이저 빔의 스폿의 강도 분포를 측정하는 강도 분포 유닛을 구비하는 레이저 가공 장치로서,
상기 강도 분포 유닛은, 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 레이저 빔 프로파일러 유닛인, 레이저 가공 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 레이저 빔 조사 유닛은, 레이저 빔을 발진하는 발진기와, 상기 레이저 빔을 집광하는 집광 렌즈와, 상기 발진기로부터 상기 집광 렌즈로 상기 레이저 빔을 안내하는 광학계를 구비하고,
상기 광학계는, 상기 레이저 빔의 스폿 형상을 형성하는, 레이저 가공 장치.