CN111801190B - 激光功率控制装置、激光加工装置及激光功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够缩短激光的功率测定所花费的时间的激光功率控制装置、激光加工装置及激光功率控制方法。该激光加工装置(1)及激光功率控制装置(10)具备存储部(12)，所述存储部(12)存储将热辐射传感器(27)的测定值与激光加工装置的加工面上的激光的功率值建立对应关联的关系数据，其中，所述热辐射传感器(27)测定从激光加工装置照射了激光的照射对象物(42)的热辐射。

Description

激光功率控制装置、激光加工装置及激光功率控制方法

技术领域

本发明涉及一种激光功率控制装置、激光加工装置及激光功率控制方法。

背景技术

有一种将半导体晶片作为加工对象物并对加工对象物照射激光来进行退火处理的激光退火装置。激光退火装置通常具备用于测定加工面上的激光功率的功率计。并且，在装置开始运转之前或每处理一张或多张加工对象物时，利用功率计测定激光的功率，并且调整其后的退火处理中向加工面照射的激光的功率。

专利文献1中示了，在激光退火装置中，在退火处理期间监视激光束的漏光来迅速检测激光的能量密度下降等异常的技术。

以往技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2007-059458号公报

发明内容

发明要解决的技术课题

测定激光的功率的功率计具备将被照射的激光转换为热量的受光面，通过将受光面的温度转换为电压从而得到激光的功率值。在这种功率计中，基于激光的照射而输入于受光面的热量与从受光面释放出的热量达到平衡状态后测定值变成稳定。因此，存在得到稳定的测定值为止需要较长时间的课题。例如，想要满足激光退火装置所要求的测定精确度，需要1分钟左右的测定时间。这种较长的测定时间成为激光退火装置的处理能力(throughput)大幅下降的主要原因。

本发明的目的在于提供一种能够缩短激光的功率调整所花费的时间的激光功率控制装置、激光加工装置及激光功率控制方法。

用于解决技术课题的手段

本发明所涉及的激光控制装置构成为具备存储部，所述存储部存储将热辐射传感器的测定值与激光加工装置的加工面上的激光的功率值建立对应关联的关系数据，其中，所述热辐射传感器检测从所述激光加工装置照射了激光的照射对象物的热辐射的强度。

本发明所涉及的激光加工装置构成为具备：

光学系统，对加工对象物照射激光；

热辐射传感器，测定利用所述光学系统照射了激光的照射对象物的热辐射；及

存储部，存储将所述热辐射传感器的测定值与加工面上的激光的功率值建立对应关联的关系数据。

本发明所涉及的激光控制方法构成为，

测定从激光加工装置照射了激光的照射对象物的热辐射，

从所测定的热辐射的值推断出所述激光加工装置的加工面上的激光的功率值，

根据推断出的功率值调整所述加工面上的激光的功率。

发明效果

根据本发明，可获得提供一种能够缩短激光的功率调整所花费的时间的激光功率控制装置、激光加工装置及激光功率控制方法的效果。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式的激光加工装置的结构图。

图2是表示由制作处理部执行的关系数据的制作处理的流程图。

图3是表示由控制装置执行的激光功率的调整处理的流程图。

图4是表示由要否判定部执行的功率调整的要否判定处理的流程图。

图5是表示图1的显示部的显示例的图。

具体实施方式

以下，参考附图对本发明的各实施方式进行详细说明。

图1是表示本发明的实施方式的激光加工装置的结构图。图1中，以单点划线及双点划线表示激光的光路，以虚线表示热辐射，以实线表示信号线。

本发明的实施方式所涉及的激光加工装置1是将半导体元件材料的晶片作为加工对象物(工件)41并对加工对象物41照射激光来进行退火处理的激光退火装置。激光加工装置1具备控制装置10、激光光源21、衰减光学系统22、分光镜24、透镜25、透镜26、热辐射传感器27、功率计29、工作台31、全反射镜33及照射对象物42。其中，控制装置10的控制激光的功率的结构相当于本发明所涉及的激光功率控制装置的一例。

激光光源21例如是YAG激光器等固体激光器、CO₂激光器等气体激光器或LD(激光二极管(Laser Diode))等半导体激光器，其输出照射到加工对象物41后将加工对象物41加热至高温的激光。激光光源21的激光的输出和停止被控制装置10控制。激光光源21也可以被称为激光振荡器。

衰减光学系统22使从激光光源21射出的激光衰减后通过。衰减光学系统22的激光的衰减比可以改变，由控制装置10控制衰减比。

分光镜24反射激光光源21的输出波长的光，并使包含热辐射的红外区域的光透射。

透镜25将激光聚焦于规定的照射位置P0。并且，透镜25对从激光的照射位置P0的周边放射出的热辐射进行聚光。

透镜26对被透镜25聚光并且通过了分光镜24的热辐射聚焦于热辐射传感器27。

热辐射传感器27例如是红外线传感器，其测定输入到受光部的热辐射的强度。

工作台31是保持加工对象物41的台，其构成为能够沿与激光的光轴交叉的两个方向移动。工作台31具有保持加工对象物41的区域W1、保持激光功率的推断中使用的照射对象物42的区域W2及搭载全反射镜33的区域W3。通过使工作台31驱动，能够分别使区域W1、W2、W3与激光的照射位置P0对齐。若区域W1处于照射位置P0，则配置于区域W1的加工对象物41的上表面部成为加工面。区域W1与区域W2设置在相同的高度。在图1中，以双点划线表示全反射镜33移动到激光的照射位置P0的情况下的激光的光路。

在全反射镜33通过工作台31的驱动而移动到激光的照射位置P0的延长线上的情况下，全反射镜33将经由透镜25照射过来的激光朝向功率计29侧反射。

功率计29接收激光并测定激光的功率。功率是指激光的每单位时间的能量。功率的单位例如为J(焦耳)/秒、W(瓦特)等。并且，也可以将能量换算成热量，并用热量单位来表示功率。功率计29具有将入射的激光转换为热量的受光面和将受光面的温度转换为电压的传感器部。受光面构成为，其温度通过激光的入射而被输入的热量而上升，另一方面，随着温度的上升而释放热量。若热量输入与热量释放达到了平衡状态，则传感器部的输出变得稳定。由于功率计29具有这种结构，因此想要以退火处理所需的精确度测定激光的功率需要60秒左右的时间。

照射对象物42是在从热辐射传感器27的测定结果推断出激光的功率时激光照射从而产生热辐射的材料。照射对象物42的材料例如可以为与加工对象物41的材料相同的材料，也可以为金属材料等热量容易分散的材料。照射对象物42也可以被称为基准工件。

控制装置10是具备CPU(中央处理器(Central Processing Unit))、存储由CPU执行的控制程序及控制数据的存储装置以及用于输入或输出各部的信号的接口的计算机。控制装置10具备制作将热辐射与激光的功率建立对应关联的关系数据的关系数据制作处理部11、存储关系数据的关系数据存储部12及推断激光的功率的推断部13。另外，控制装置10还具备调整激光的功率的调整部14、判定是否调整功率的要否判定部15及能够输出图像或文字的显示部16。关系数据的制作处理部11、推断部13、调整部14及要否判定部15是由CPU执行控制程序而发挥功能的功能模块。关系数据存储部12是存储区域中的被设定成预先存储关系数据的区域，其相当于本发明所涉及的存储部的一例。

激光功率的推断中使用的关系数据是表示热辐射传感器27的测定值与功率计29的测定值之间的对应关系的数据表或关系式等数据。关系数据所示的热辐射传感器27的测定值是将照射对象物42配置于照射位置P0上后照射了激光时所得到的热辐射传感器27的测定值。并且，与其建立有对应关联的功率计29的测定值是在激光的功率与测定热辐射时的激光的功率一致的状态下将全反射镜33配置于照射位置P0的延长线上而得到的功率计29的测定值。

若向照射对象物42照射高频脉冲激光，则从热辐射传感器27能够得到峰值以与激光的脉冲相应的频率重复的测定结果等，从激光照射至产生与其相应的热辐射为止的响应性非常高。并且，只要不向同一点较长时间连续照射激光，则激光的功率与照射对象物42的热辐射的峰值具有大致恒定的关系。例如，向照射对象物42的室温的部位刚照射规定脉冲数(例如，10个脉冲数)的激光之后的热辐射的峰值成为高精确度地反映了激光的功率的值。如此得到的值用作关系数据的热辐射传感器27的测定值。

如上所述，对功率计29的测定值而言，得到稳定的值为止需要60秒左右的较长时间。关系数据所示的功率的测定值相当于如此花费较长时间从功率计29得到的稳定的测定值。

关系数据的制作处理部11执行后述的关系数据制作处理来制作出上述关系数据。

关系数据存储部12存储由制作处理部11制作出的关系数据。或者，关系数据存储部12也可以预先存储由另一装置等制作出的关系数据。

推断部13从照射了激光的照射对象物42的热辐射的强度与存储于关系数据存储部12的关系数据推断出照射位置P0上的激光的功率。

调整部14在激光加工装置开始运转前或激光的功率产生了一定以上的变动时实施的调整工序中根据由推断部13推断出的激光的功率来控制衰减光学系统22，从而调整照射位置P0上的激光的功率。

要否判定部15执行后述的要否判定处理，从而在激光加工装置1的运转中判定需要再调整激光的功率的时机。照射位置P0上的激光的功率在激光加工装置1的运转中因各部的温度偏差等而发生微小变动。在以往的装置中，为了应对这种功率的变动，退火处理的次数每达到规定的次数就实施了激光功率的再调整。但是，在该方法中，为了防止成品率的下降，确定再调整的间隔以便在功率的变动足够小的时候进行功率的再调整，因此，再调整频率变高，有时会导致退火处理的效率下降。要否判定部15判定是否进行功率的再调整，从而将激光的功率的变动抑制在成品率不会下降的范围内并且使功率的再调整频率不会变高。

显示部16显示由推断部13推断出的激光的功率值和在调整处理中得到调整后的激光的功率值等(参考图5)。

＜关系数据制作处理＞

接着，对激光功率的推断中使用的关系数据的制作处理进行说明。图2是表示由制作处理部执行的关系数据的制作处理的流程图。

关系数据的制作处理在激光加工装置1的初始设定时或因老化等而更换了照射对象物42等时基于操作员的指示或自动由制作处理部11执行。

若开始关系数据的制作处理，则制作处理部11驱动工作台31以使照射对象物42移动到激光的照射位置P0(步骤S1)。接着，制作处理部11向照射位置P0照射规定照射数的激光(步骤S2)，并输入热辐射传感器27的测定值(步骤S3)。在此，制作处理部11只要将与规定照射数的激光的照射相对应的热辐射测定值的峰值的平均值用作热辐射的测定值即可。激光的照射可以通过激光光源21的开关切换来实施，也可以利用光学元件使从激光光源21射出的激光透射或阻断从而进行切换。

接下来，制作处理部11驱动工作台31以使全反射镜33移动到激光的照射位置P0的延长线上(步骤S4)。并且，制作处理部11向照射位置P0照射激光(步骤S5)，并输入功率计29的测定值(步骤S6)，若得到了稳定的测定值，则停止激光的照射(步骤S7)。并且，制作处理部11将步骤S3的测定值与步骤S6的测定值建立对应关联后予以存储(步骤S8)。

接着，制作处理部11判别激光的功率设定是否改变了规定的多个阶段(步骤S9)，若尚未改变，则控制衰减光学系统22将功率设定改变一个阶段(步骤S10)。并且，将处理返回到步骤S1，重复步骤S1～S8的处理。通过重复该步骤S1至步骤S10的循环处理，在多个功率设定的每一个功率设定中得到热辐射的测定值和与其相对应的激光功率的测定值的组合数据。

并且，若在步骤S9的判别中判别为已完成，则使用在步骤S8中存储的数据更新将热辐射的测定值与激光的功率值建立对应关联的关系数据，并将其存储于关系数据存储部12(步骤S11)。然后，结束关系数据制作处理。

通过以上的关系数据制作处理，能够自动地制作出将热辐射的测定值与功率计29的测定值建立对应关联的关系数据。另外，使操作员进行与图2同样的处理来制作出关系数据也可。

＜调整处理＞

接着，对调整激光的功率的调整处理进行说明。图3是表示由控制装置执行的激光功率的调整处理的流程图。该调整处理相当于本发明所涉及的激光功率的控制方法的一例。

激光功率的调整处理在激光加工装置1开始运转之前、运转中激光功率变动了规定量时或者有操作员的指示时在之后的调整工序中执行。

若开始调整处理，则控制装置10驱动工作台31以使照射对象物42移动到照射位置P0(步骤S21)。接着，控制装置10向照射位置P0照射规定照射数的激光(步骤S22)，并输入热辐射传感器27的测定值(步骤S23)。在此，控制装置10只要将与规定照射数的激光的照射相对应的热辐射测定值的峰值的平均值用作热辐射的测定值即可。

接着，控制装置10的推断部13根据存储于关系数据存储部12的关系数据和在步骤S23中获取的热辐射的测定值推断出照射位置P0上的激光的功率(步骤S24)。在此，在关系数据中，热辐射的测定值和与其相对应的激光功率的测定值之间建立有对应关联，因此推断部13按照该对应关系推断出激光的功率。

若推断出了激光的功率，则控制装置10在显示部16上显示功率的推断值(步骤S25，参考图5)。另外，在重复执行的步骤S22～S26的中途显示的功率的推断值相当于表示调整后的激光功率的调整值。接下来，控制装置10的调整部14判别功率是否在指定范围内(步骤S26)，若在范围以外，则调整部14控制衰减光学系统22来调整功率进入范围内(步骤S27)。并且，控制装置10将处理返回到步骤S22并再次执行步骤S22～S26的处理。在此，功率的指定范围相当于在激光退火处理中应对加工对象物41照射的激光的功率。

另一方面，若在步骤S26的判别中判别为功率在指定范围内，则控制装置10结束调整处理。通过这种调整处理，能够迅速且高精确度地将激光的功率调整在指定范围内。

另外，在本实施方式中示出了由装置内的功能模块执行从激光功率的推断(步骤S24)至控制衰减光学系统22来调整激光功率的处理(步骤S27)为止的例子。但是，这些处理的一部分或全部也可以由操作员手动进行。例如，可以将热辐射的测定值输出到显示部16，由操作员参考其值和关系数据来推断功率，接着，操作员可以通过旋钮操作调整衰减光学系统22的衰减量从而将功率调整在指定范围内。

并且，在本实施方式中示出了根据向照射对象物42照射了激光时的热辐射的测定值来调整激光功率的处理。但是，在照射对象物42和加工对象物41的材质相同的情况下，也可以将加工对象物41用作照射对象物42并对加工对象物41的局部照射激光，并使用此时的热辐射的测定值来进行激光功率的推断及调整。

＜加工处理＞

加工工序是对加工对象物41进行加工处理(退火处理)的工序，而且在照射到照射位置P0的激光功率已被调整的状态下过渡到该加工工序。在加工工序中，控制装置10驱动工作台或者驱动光学系统来改变照射位置P0与加工对象物41的相对位置，以使照射位置P0沿着加工对象物41的处理对象区域的各部位描绘。而且，控制装置10使照射位置P0移动的同时向照射位置P0照射激光，从而对加工对象物41进行热处理。若对一张加工对象物41的处理对象的所有区域完成热处理，则结束对一张加工对象物41的加工处理。

＜功率调整的要否判定处理＞

接下来，对激光的功率调整的要否判定处理进行说明。图4是表示由要否判定部执行的功率调整的要否判定处理的流程图。

在激光加工装置1的运转中对多个加工对象物41依次进行退火处理时，由要否判定部15执行要否判定处理。若开始要否判定处理，则要否判定部15判别对一张加工对象物41的退火处理是否开始(步骤S31)，若已开始，则进行接下来的处理。接着，要否判定部15在向加工对象物41照射激光中输入并记录热辐射传感器27的测定值(步骤S32)，并且判别对一张加工对象物41的退火处理是否完成(步骤S33)。并且，直至完成退火处理为止重复测定值的输入和记录。由此，积累激光照射加工对象物41的处理对象区域的各部位时的热辐射的各测定值。

若完成对一张加工对象物41的退火处理，则要否判定部15针对在退火处理中记录的热辐射的多个测定值计算出表示平均热辐射的统计值(步骤S34)。统计值可以单纯为多个测定值的平均，也可以为将退火区域的周缘部的热辐射的测定值除外的范围的平均值。或者，要否判定部15也可以计算出热辐射的分散值作为统计值。

接着，要否判定部15从在步骤S34中计算出的统计值和存储于关系数据存储部12中的关系数据推断出激光的功率的变动量(步骤S35)。在关系数据中得到热辐射的测定值时的测定条件与对加工对象物41进行退火处理时不同，因此无法从退火处理中的热辐射的值并使用关系数据准确地获取激光的功率。但是，从关系数据可以求出热辐射的变化量相对于激光的功率的变化量的比率，而该比率与退火处理时的热辐射的变化量相对于功率的变化量的比率具有相关关系。该相关关系预先赋予到要否判定部15，要否判定部15能够根据该相关关系和从关系数据中得到的比率来计算出每一次退火处理时的激光的功率的变化量相对于热辐射的值的变化量的比率。在步骤S35中，要否判定部15从在前面的步骤S34中计算出的统计值计算出每一次退火处理的每次热辐射的变化量，并对其乘以从上述相关关系和关系数据计算出的比率来推断出激光的功率的变动量。

若推断出了激光的功率的变动量，则要否判定部15判别变动量是否超过了阈值(步骤S36)，若未超过，则将处理返回到步骤S31并继续进行要否判定处理。另一方面，若超过了阈值，则在下一次退火处理之前，将处理过渡到对激光的功率进行再调整的调整处理。阈值设定为退火处理的成品率不会下降且能够将功率的再调整频率抑制为较低的值。

通过这种要否判定处理，仅在需要调整激光的功率时执行再调整，由此，能够实现更加有效的加工对象物41的退火处理。

另外，在上述要否判定处理中示出了使用关系数据和热辐射的测定值来推断出激光功率的变动量并判定是否进行功率的再调整的例子。但是，加工处理中的加工对象物41的热辐射的值与激光的功率值具有相关关系。因此，要否判定部15也可以不使用关系数据而对加工处理中的热辐射的测定值的统计值与阈值进行比较来判定是否进行功率的再调整。或者，要否判定部也可以在多个加工对象物41的加工处理过程中根据从上次或上上次的上述统计值的变动量来判定是否进行功率的再调整。

如上，根据本实施方式的激光加工装置1及功率控制装置，存储有将向照射对象物42照射激光时的热辐射的测定值与利用功率计29测定的照射位置P0上的激光的功率建立对应关联的关系数据。因此，从关系数据和热辐射的测定值能够推断出照射位置P0上的激光的功率。并且，通过利用该激光功率的推断结果，无需利用功率计29每次花费较长时间来进行功率的测定，根据热辐射的测定无需花费时间即可准确地推断出激光的功率并进行其调整。由此，能够实现加工处理的处理能力的提高。另外，在本实施方式中，激光的功率的推断和功率的调整也可以由操作员手动进行。

并且，根据本实施方式的激光加工装置1及功率控制装置，设置有从热辐射的测定值和关系数据推断出激光的功率的推断部13。因此，能够利用推断部13在装置内执行激光的功率的推断，与由操作员手动进行的情况相比，能够省略操作员的繁琐的作业，能够得到错误少的推断结果。

并且，根据本实施方式的激光加工装置1及功率控制装置，设置有根据功率的推断结果来调整照射位置P0上的激光的功率的调整部14。因此，能够利用调整部14在装置内完成激光的功率调整，与由操作员手动进行的情况相比，能够省略操作员的繁琐的作业，能够进行准确且迅速的功率调整。

并且，根据本实施方式的激光加工装置1及功率控制装置，设置有根据关系数据和加工处理中的热辐射的测定结果来判定是否调整照射位置P0上的激光功率的要否判定部15。因此，在对多张加工对象物41的加工处理持续的期间，能够通过要否判定部15的判定来适当地确定进行下一次的功率再调整的时机。例如，能够确定进行功率再调整的适当的时机，从而将激光功率的变动抑制在激光加工装置1的成品率不会下降的范围内并且能够避免功率的再调整频率变高。由此，能够提高激光加工装置的加工处理的处理能力。

以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明并不只限于上述实施方式。例如，在上述实施方式中示出了在激光加工装置中设置有功率计的例子，但是，作为激光加工装置，也可以采用从装置的外部提供将热辐射的测定值与激光的功率值建立对应关联的关系数据从而不具有功率计的结构。并且，在上述实施方式中示出了激光加工装置为激光退火装置的情况，但是，作为激光加工装置，也可以适用利用激光在配线基板上设置贯穿孔或非贯穿孔的激光钻孔装置、利用激光进行焊接的激光焊接装置等。此外，在从激光光源至加工对象物为止的光路上也可以追加设置发挥各种功能的各种光学系统，关于实施方式中示出的细节，在不脱离本发明的主旨的范围内能够适当地进行变更。

产业上的可利用性

本发明能够利用于激光功率控制装置、激光加工装置及激光功率控制方法。

符号说明

1-激光加工装置，10-控制装置，11-制作处理部，12-关系数据存储部，13-推断部，14-调整部，15-要否判定部，16-显示部，21-激光光源，22-衰减光学系统，24-分光镜，25、26-透镜，27-热辐射传感器，29-功率计，31-工作台，33-全反射镜，P0-照射位置(加工面)。

Claims (7)

1.一种激光功率控制装置，其在对加工对象物加工之前，制作将热辐射传感器的测定值与激光加工装置的加工面上的激光的功率值建立对应关联的关系数据，并利用制作出的关系数据进行加工，其中，所述热辐射传感器检测从所述激光加工装置照射了激光的照射对象物的热辐射的强度。

2.根据权利要求1所述的激光功率控制装置，其还具备推断部，所述推断部根据所述热辐射传感器的测定值与存储于存储部中的所述关系数据推断出所述加工面上的激光的功率。

3.根据权利要求2所述的激光功率控制装置，其还具备调整部，所述调整部根据所述推断部的推断结果来调整所述加工面上的激光的功率。

4.根据权利要求3所述的激光功率控制装置，其还具备显示部，所述显示部显示由所述推断部推断出的激光的功率或由所述调整部调整后的激光的功率。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的激光功率控制装置，其还具备要否判定部，所述要否判定部根据对加工对象物照射激光中得到的所述热辐射传感器的测定值和所述关系数据来判定是否调整激光的功率。

6.一种激光加工装置，其具备：

光学系统，对加工对象物照射激光；

热辐射传感器，测定利用所述光学系统照射了激光的照射对象物的热辐射；及

存储部，存储将所述热辐射传感器的测定值与加工面上的激光的功率值建立对应关联的关系数据；

其中，所述关系数据是在对所述加工对象物进行加工前制作并保存到所述存储部，

在对所述加工对象物加工过程中利用所述关系数据进行加工。

7.一种激光功率控制方法，其中，

在对加工对象物加工前，制作将热辐射传感器的测定值与加工面上的激光的功率值建立对应关联的关系数据，所述热辐射传感器检测从所述激光加工装置照射了激光的照射对象物的热辐射的强度；

在对所述加工对象物加工过程中，测定从激光加工装置照射了激光的照射对象物的热辐射，

从所测定的热辐射的值推断出所述激光加工装置的加工面上的激光的功率值，

根据推断出的功率值来调整所述加工面上的激光的功率。

Images