JP5964621B2

JP5964621B2 - レーザー加工装置

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Publication number: JP5964621B2
Application number: JP2012060018A
Authority: JP
Inventors: 圭司能丸; 五郎渡邉; 洋司森數
Original assignee: Disco Corp
Current assignee: Disco Corp
Priority date: 2012-03-16
Filing date: 2012-03-16
Publication date: 2016-08-03
Anticipated expiration: 2032-03-16
Also published as: US20130240494A1; TW201343297A; KR102028205B1; US9156109B2; TWI584903B; CN103302402A; DE102013204582A1; CN103302402B; JP2013193090A; KR20130105351A

Description

本発明は、半導体ウエーハ等の被加工物にレーザー加工を施すためのレーザー加工装置に関する。

半導体デバイス製造工程においては、略円板形状である半導体ウエーハの表面に格子状に配列されたストリートと呼ばれる分割予定ラインによって複数の領域が区画され、この区画された領域にＩＣ、ＬＳＩ等のデバイスを形成する。そして、半導体ウエーハをストリートに沿って切断することによりデバイスが形成された領域を分割して個々の半導体チップを製造している。また、サファイア基板の表面にフォトダイオード等の受光素子やレーザーダイオード等の発光素子等が積層された光デバイスウエーハもストリートに沿って切断することにより個々のフォトダイオード、レーザーダイオード等の光デバイスに分割され、電気機器に広く利用されている。

上述した半導体ウエーハや光デバイスウエーハ等のウエーハをストリートに沿って分割する方法として、ウエーハに形成されたストリートに沿ってパルスレーザー光線を照射してアブレーション加工することによりレーザー加工溝を形成し、ウエーハをストリートに沿って分割する方法が提案されている。

また、上述した半導体ウエーハや光デバイスウエーハ等のウエーハをストリートに沿って分割する方法として、ウエーハに対して透過性を有する波長のパルスレーザー光線を用いて、分割すべき領域の内部に集光点を合わせてパルスレーザー光線を照射することにより、ウエーハの内部にストリートに沿って改質層を連続的に形成し、この改質層が形成されることによって強度が低下したストリートに沿って外力を加えることにより、ウエーハを分割するものである。

被加工物にレーザー加工を施すレーザー加工装置は、被加工物を保持する被加工物保持手段と、該被加工物保持手段に保持された被加工物にレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段とを具備している。レーザー光線照射手段は、レーザー光線を発振するレーザー光線発振手段と、該レーザー光線発振手段が発振したレーザー光線を集光して被加工物保持手段に保持された被加工物に照射する集光器と、レーザー光線発振手段と集光器との間に配設されレーザー光線の出力を調整する出力調整手段やビーム径を調整するビームエクスパンダー等の光学系と、から構成されている。（例えば、特許文献１参照。）

特開２００６−１０８４７８号公報

而して、レーザー光線発振手段が発振するレーザー光線の波長が３５５nmや２６６nmのように紫外線の領域に達する短波長の場合には、光学系が比較的短時間で損傷せしめられる。従って、レーザー光線発振手段が発振するレーザー光線の波長が短波長の場合には、光学系を高い頻度で交換しなければならず、不経済であるという問題がある。

本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、その主たる技術的課題は、光学系の損傷を抑制することができるレーザー加工装置を提供することである。

上記主たる技術課題を解決するため、本発明によれば、被加工物を保持する被加工物保持手段と、該被加工物保持手段に保持された被加工物にレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段とを具備し、該レーザー光線照射手段は、レーザー光線を発振するレーザー光線発振手段と、該レーザー光線発振手段が発振したレーザー光線を集光して被加工物保持手段に保持された被加工物に照射する集光器と、該レーザー光線発振手段と該集光器との間に配設されレーザー光線発振手段が発振したレーザー光線を伝送する光学系とを具備しているレーザー加工装置において、
該光学系と該集光器との間に該レーザー光線発振手段が発振したレーザー光線の波長を被加工物の加工に適した短波長に変換する波長変換機構が配設され、該波長変換機構によって短波長に変換されたレーザー光線を、ビーム径を変更することなく該集光器に導くと共に、該集光器を介して被加工物に照射してレーザー加工を実施する、
ことを特徴とするレーザー加工装置が提供される。

上記波長変換機構は、波長変換結晶を備えた波長変換手段と、該波長変換手段を通過し波長変換されたレーザー光線と波長変換されなかったレーザー光線とを分光するペランブロッカープリズムとからなり、該ペランブロッカープリズムによって分光された波長変換されたレーザー光線を集光器に導く。
また、上記波長変換機構は、ペランブロッカープリズムによって分光された波長変換されなかったレーザー光線を吸収するビームダンパーを備え、上記波長変換手段は、波長変換結晶を複数個備え、複数個の波長変換結晶が選択または組み合わせ可能に構成されている。
更に、該波長変換手段は、第１の波長変換手段と、第２の波長変換手段からなり、第１の波長変換手段と、第２の波長変換手段とは、それぞれ波長変換結晶を含む貫通穴と、波長変換結晶を含まない貫通穴とを有し、第１の波長変換手段と、第２の波長変換手段とは軸方向に互いに対向して配置され、軸心を中心にそれぞれ回動されるように構成され、
該レーザー光線発振手段は、波長が１０６４ｎｍのレーザー光線を発振し、該第１、第２の波長変換手段のいずれか一方の波長変換結晶のみをレーザー光線が通過することで波長が５３２ｎｍとなり、両方の波長変換結晶を通過することで波長が２６６ｎｍとなるように設定される。

本発明においては、光学系と集光器との間にレーザー光線発振手段が発振したレーザー光線の波長を短波長に変換する波長変換機構が配設されているので、光学系を通過するパルスレーザー光線は波長が長いため光学系の損傷が抑制できる。

本発明に従って構成されたレーザー加工装置の斜視図。図１に示すレーザー加工装置に装備されるレーザー光線照射手段のブロック構成図。図２に示すレーザー光線照射手段を構成する波長変換機構のブロック構成図。図３に示す波長変換機構を構成する波長変換手段の斜視図。

以下、本発明に従って構成されたレーザー加工装置の好適な実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。

図１には、本発明に従って構成されたレーザー加工装置の斜視図が示されている。図１に示すレーザー加工装置は、静止基台２と、該静止基台２に矢印Ｘで示す加工送り方向（X軸方向）に移動可能に配設され被加工物を保持するチャックテーブル機構３と、静止基台２に上記X軸方向と直交する矢印Ｙで示す割り出し送り方向（Ｙ軸方向）に移動可能に配設されたレーザー光線照射ユニット支持機構４と、該レーザー光線照射ユニット支持機構４に矢印Ｚで示す集光点位置調整方向（Z軸方向）に移動可能に配設されたレーザー光線照射ユニット５とを具備している。

上記チャックテーブル機構３は、静止基台２上にX軸方向に沿って平行に配設された一対の案内レール３１、３１と、該案内レール３１、３１上にX軸方向に移動可能に配設された第１の滑動ブロック３２と、該第１の滑動ブロック３２上に矢印Ｙで示す割り出し送り方向に移動可能に配設された第２の滑動ブロック３３と、該第２の滑動ブロック３３上に円筒部材３４によって支持されたカバーテーブル３５と、被加工物保持手段としてのチャックテーブル３６を具備している。このチャックテーブル３６は多孔性材料から形成された吸着チャック３６１を具備しており、吸着チャック３６１の上面（保持面）に被加工物である例えば円盤状の半導体ウエーハを図示しない吸引手段によって保持するようになっている。このように構成されたチャックテーブル３６は、円筒部材３４内に配設された図示しないパルスモータによって回転せしめられる。なお、チャックテーブル３６には、後述する環状のフレームを固定するためのクランプ３６２が配設されている。

上記第１の滑動ブロック３２は、その下面に上記一対の案内レール３１、３１と嵌合する一対の被案内溝３２１、３２１が設けられているとともに、その上面にＹ軸方向に沿って平行に形成された一対の案内レール３２２、３２２が設けられている。このように構成された第１の滑動ブロック３２は、被案内溝３２１、３２１が一対の案内レール３１、３１に嵌合することにより、一対の案内レール３１、３１に沿ってX軸方向に移動可能に構成される。図示の実施形態におけるチャックテーブル機構３は、第１の滑動ブロック３２を一対の案内レール３１、３１に沿ってX軸方向に移動させるための加工送り手段３７を具備している。加工送り手段３７は、上記一対の案内レール３１と３１の間に平行に配設された雄ネジロット３７１と、該雄ネジロット３７１を回転駆動するためのパルスモータ３７２等の駆動源を含んでいる。雄ネジロット３７１は、その一端が上記静止基台２に固定された軸受ブロック３７３に回転自在に支持されており、その他端が上記パルスモータ３７２の出力軸に伝動連結されている。なお、雄ネジロット３７１は、第１の滑動ブロック３２の中央部下面に突出して設けられた図示しない雌ネジブロックに形成された貫通雌ネジ穴に螺合されている。従って、パルスモータ３７２によって雄ネジロット３７１を正転および逆転駆動することにより、第１の滑動ブロック３２は案内レール３１、３１に沿ってX軸方向に移動せしめられる。

上記第２の滑動ブロック３３は、その下面に上記第１の滑動ブロック３２の上面に設けられた一対の案内レール３２２、３２２と嵌合する一対の被案内溝３３１、３３１が設けられており、この被案内溝３３１、３３１を一対の案内レール３２２、３２２に嵌合することにより、矢印Ｙで示す割り出し送り方向に移動可能に構成される。図示の実施形態におけるチャックテーブル機構３は、第２の滑動ブロック３３を第１の滑動ブロック３２に設けられた一対の案内レール３２２、３２２に沿ってＹ軸方向に移動させるための第１の割り出し送り手段３８を具備している。第１の割り出し送り手段３８は、上記一対の案内レール３２２と３２２の間に平行に配設された雄ネジロット３８１と、該雄ネジロット３８１を回転駆動するためのパルスモータ３８２等の駆動源を含んでいる。雄ネジロット３８１は、その一端が上記第１の滑動ブロック３２の上面に固定された軸受ブロック３８３に回転自在に支持されており、その他端が上記パルスモータ３８２の出力軸に伝動連結されている。なお、雄ネジロット３８１は、第２の滑動ブロック３３の中央部下面に突出して設けられた図示しない雌ネジブロックに形成された貫通雌ネジ穴に螺合されている。従って、パルスモータ３８２によって雄ネジロット３８１を正転および逆転駆動することにより、第２の滑動ブロック３３は案内レール３２２、３２２に沿ってＹ軸方向に移動せしめられる。

上記レーザー光線照射ユニット支持機構４は、静止基台２上に矢印Ｙで示す割り出し送り方向に沿って平行に配設された一対の案内レール４１、４１と、該案内レール４１、４１上にＹ軸方向に移動可能に配設された可動支持基台４２を具備している。この可動支持基台４２は、案内レール４１、４１上に移動可能に配設された移動支持部４２１と、該移動支持部４２１に取り付けられた装着部４２２とからなっている。装着部４２２は、一方の側面にZ軸方向に延びる一対の案内レール４２３、４２３が平行に設けられている。図示の実施形態におけるレーザー光線照射ユニット支持機構４は、可動支持基台４２を一対の案内レール４１、４１に沿ってＹ軸方向に移動させるための第２の割り出し送り手段４３を具備している。第２の割り出し送り手段４３は、上記一対の案内レール４１、４１の間に平行に配設された雄ネジロット４３１と、該雄ネジロット４３１を回転駆動するためのパルスモータ４３２等の駆動源を含んでいる。雄ネジロット４３１は、その一端が上記静止基台２に固定された図示しない軸受ブロックに回転自在に支持されており、その他端が上記パルスモータ４３２の出力軸に伝動連結されている。なお、雄ネジロット４３１は、可動支持基台４２を構成する移動支持部４２１の中央部下面に突出して設けられた図示しない雌ネジブロックに形成された雌ネジ穴に螺合されている。このため、パルスモータ４３２によって雄ネジロット４３１を正転および逆転駆動することにより、可動支持基台４２は案内レール４１、４１に沿ってＹ軸方向に移動せしめられる。

図示のレーザー光線照射ユニット５は、ユニットホルダ５１と、該ユニットホルダ５１に取り付けられたレーザー光線照射手段６を具備している。ユニットホルダ５１は、上記装着部４２２に設けられた一対の案内レール４２３、４２３に摺動可能に嵌合する一対の被案内溝５１１、５１１が設けられており、この被案内溝５１１、５１１を上記案内レール４２３、４２３に嵌合することにより、Z軸方向に移動可能に支持される。

図示のレーザー光線照射ユニット５は、ユニットホルダ５１を一対の案内レール４２３、４２３に沿ってZ軸方向に移動させるための集光点位置調整手段５３を具備している。集光点位置調整手段５３は、一対の案内レール４２３、４２３の間に配設された雄ネジロット（図示せず）と、該雄ネジロットを回転駆動するためのパルスモータ５３２等の駆動源を含んでおり、パルスモータ５３２によって図示しない雄ネジロットを正転および逆転駆動することにより、ユニットホルダ５１およびレーザー光線照射手段６を案内レール４２３、４２３に沿ってZ軸方向に移動せしめる。なお、図示の実施形態においてはパルスモータ５３２を正転駆動することによりレーザー光線照射手段６を上方に移動し、パルスモータ５３２を逆転駆動することによりレーザー光線照射手段６を下方に移動するようになっている。

図示のレーザー光線照射手段６は、上記ユニットホルダ５１に固定され実質上水平に延出する円筒形状のケーシング６１を含んでいる。このレーザー光線照射手段６について、図２を参照して説明する。
図示のレーザー光線照射手段６は、上記ケーシング６１内に配設されたパルスレーザー光線発振手段６２と、該パルスレーザー光線発振手段６２によって発振されたパルスレーザー光線を伝送する光学系６３と、該光学系６３によって伝送されたパルスレーザー光線を集光して上記チャックテーブル３６の保持面に保持された被加工物Wに照射する集光器６４と、上記光学系６３と集光器６４との間に配設されパルスレーザー光線発振手段６２によって発振されたパルスレーザー光線の波長を被加工物の加工に適した短波長に変換する波長変換機構６５とを具備している。

上記パルスレーザー光線発振手段６２は、例えば波長が１０６４nmのパルスレーザー光線を発振するパルスレーザー光線発振器６２１と、パルスレーザー光線発振器６２１が発振するパルスレーザー光線の繰り返し周波数を設定する繰り返し周波数設定手段６２２とから構成されている。上記光学系６３は、パルスレーザー光線発振手段６２から発振されたパルスレーザー光線のビーム径を調整するビーム径調整器６３１と、パルスレーザー光線発振手段６２から発振されたパルスレーザー光線の出力を所定の出力に調整する出力調整手段６３２とからなっている。これらパルスレーザー光線発振手段６２のパルスレーザー光線発振器６２１および繰り返し周波数設定手段６２２、光学系６３のビーム径調整器６３１および出力調整手段６３２は、図示しない制御手段によって制御される。

上記集光器６４は、パルスレーザー光線発振手段６２から発振され光学系６３によって伝送されるとともに後述する波長変換機構６５によって波長変換されたパルスレーザー光線をチャックテーブル３６の保持面に向けて方向変換する方向変換ミラー６４１と、該方向変換ミラー６４１によって方向変換されたパルスレーザー光線を集光してチャックテーブル３６に保持された被加工物Wに照射する集光レンズ６４２を具備している。このように構成された集光器６４は、図１に示すようにケーシング６１の先端に装着される。

次に、上記光学系６３と集光器６４との間に配設された波長変換機構６５について、図３を参照して説明する。
図示の実施形態における波長変換機構６５は、LBO結晶やCLBO結晶やBBO結晶からなる波長変換結晶を備えた波長変換手段６６とペランブロッカープリズム６９およびビームダンパー７０とを具備している。
図示の実施形態における波長変換手段６６は、図４に示すように第１の波長変換手段６７と第２の波長変換手段６８とからなっている。第１の波長変換手段６７は、回転円盤６７１を具備している。回転円盤６７１は、図示の実施形態においては４個の貫通穴６７１a、６７１b、６７１c、６７１dを備えている。このように形成された回転円盤６７１の貫通穴６７１a、６７１b、６７１cには、それぞれLBO結晶からなる波長変換結晶６７２a、６７２b、６７２cが配設されており、貫通穴６７１dには波長変換結晶が配設されていない。第２の波長変換手段６８も、第１の波長変換手段６７の回転円盤６７１と同様の回転円盤６８１を具備している。回転円盤６８１は、図示の実施形態においては４個の貫通穴６８１a、６８１b、６８１c、６８１dを備えている。このように形成された回転円盤６８１の貫通穴６８１a、６８１b、６８１cには、それぞれCLBO結晶からなる波長変換結晶６８２a、６８２b、６８２cが配設されており、貫通穴６８１dには波長変換結晶が配設されていない。このように構成された第１の波長変換手段６７と第２の波長変換手段６８は、軸方向に互いに対向して配設され、図示しない回動機構によってそれぞれ軸心を中心として回動せしめられるようになっている。なお、上記LBO結晶からなる波長変換結晶６７２a、６７２b、６７２cおよびCLBO結晶からなる波長変換結晶６８２a、６８２b、６８２cは、それぞれ入力したレーザー光線の波長を１／２の波長に変換する機能を有している。従って、上記パルスレーザー光線発振手段６２から発振された波長が１０６４nmのパルスレーザー光線は、LBO結晶からなる波長変換結晶６７２a、６７２b、６７２cまたはCLBO結晶からなる波長変換結晶６８２a、６８２b、６８２cのみを通過することによって波長が５３２nmのパルスレーザー光線に変換される。また、上記パルスレーザー光線発振手段６２から発振された波長が１０６４nmのパルスレーザー光線は、LBO結晶からなる波長変換結晶６７２a、６７２b、６７２cおよびCLBO結晶からなる波長変換結晶６８２a、６８２b、６８２cを通過することによって波長が２６６nmのパルスレーザー光線に変換される。

以上のように図示の実施形態における波長変換手段６６においては、光学系６３を通過した波長が１０６４nmのパルスレーザー光線を波長が５３２nmおよび２６６nmのパルスレーザー光線に変換するので、光学系６３を通過するパルスレーザー光線は波長が長いため光学系６３の損傷が抑制できる。また、図示の実施形態における波長変換手段６６においては、第１の波長変換手段６７に配設されたLBO結晶からなる波長変換結晶６７２a、６７２b、６７２cとCLBO結晶からなる波長変換結晶６８２a、６８２b、６８２cを適宜選択するとともに、組み合わせることにより、レーザー光線の波長を被加工物の加工に適した波長に変換することができ、また、波長変換結晶が損傷しても未使用の波長変換結晶を適宜選択してレーザー加工を継続できるので、生産性が向上する。

図３に戻って説明を続けると、上述したように波長変換結晶を備えた波長変換手段６６を通過したパルスレーザー光線は、ペランブロッカープリズム６９に達する。ペランブロッカープリズム６９は、上記波長変換手段６６によって波長変換されたパルスレーザー光線と波長変換されなかったパルスレーザー光線とを分光する。そして、ペランブロッカープリズム６９は、波長変換手段６６によって波長変換されたパルスレーザー光線を上記集光器６４に導き、波長変換されなかったパルスレーザー光線をビームダンパー７０に導く。このようにしてビームダンパー７０に導かれた波長変換されなかったパルスレーザー光線は、ビームダンパー７０によって吸収される。

以上のようにパルスレーザー光線発振手段６２から発振された波長が１０６４nmのパルスレーザー光線が波長変換手段６６によって波長が５３２nmおよび２６６nmに変換されたパルスレーザー光線を集光器６４を通してチャックテーブル３６に保持された被加工物Wに照射することにより、ウエーハに形成されたストリートに沿ってレーザー加工溝を形成するアブレーション加工や、ウエーハの裏面から表面に配設された電極に達するレーザー加工孔を形成するビアホール加工や、エピタキシー基板の裏面側からバッファー層にレーザー光線を照射することによりエピタキシー基板を剥離して、光デバイス層を移設基板に移し替えるリフトオフ加工等のレーザー加工を実施することができる。

以上、上記パルスレーザー光線発振手段６２から発振された波長が１０６４nmのパルスレーザー光線を波長が５３２nmおよび２６６nmのパルスレーザー光線に変換するための第１の波長変換手段６７と第２の波長変換手段６８とからなる波長変換手段６６について説明したが、波長が５３２nmのパルスレーザー光線を発振するパルスレーザー光線発振手段を用いた場合には、第１の波長変換手段６７か第２の波長変換手段６８のいずれかを使用すればよい。なお、波長変換手段６６は、可能な限り集光器６４の近傍に配設し、パルスレーザー光線発振手段から発振された波長が長いレーザー光線の光路長をできる限り長くすることが望ましい。

３：チャックテーブル機構
３６：チャックテーブル
３７：加工送り手段
３８：第１の割り出し送り手段
４：レーザー光線照射ユニット支持機構
４３：第２の割り出し送り手段
５：レーザー光線照射ユニット
５３：集光点位置調整手段
６：レーザー光線照射手段
６２：パルスレーザー光線発振手段
６３：光学系
６４：集光器
６５：波長変換機構
６６：波長変換手段
６７：第１の波長変換手段
６７１：回転円盤
６７２a、６７２b、６７２c：LBO結晶からなる波長変換結晶
６８：第２の波長変換手段
６８１：回転円盤
６８２a、６８２b、６８２c：CLBO結晶からなる波長変換結晶
６９：ペランブロッカープリズム
７０：ビームダンパー

Claims

被加工物を保持する被加工物保持手段と、該被加工物保持手段に保持された被加工物にレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段とを具備し、該レーザー光線照射手段は、レーザー光線を発振するレーザー光線発振手段と、該レーザー光線発振手段が発振したレーザー光線を集光して被加工物保持手段に保持された被加工物に照射する集光器と、該レーザー光線発振手段と該集光器との間に配設されレーザー光線発振手段が発振したレーザー光線を伝送する光学系とを具備しているレーザー加工装置において、
該光学系と該集光器との間に該レーザー光線発振手段が発振したレーザー光線の波長を短波長に変換する波長変換機構が配設され
該波長変換機構によって短波長に変換されたレーザー光線を、ビーム径を変更することなく該集光器に導くと共に、該集光器を介して被加工物に照射してレーザー加工を実施する、
ことを特徴とするレーザー加工装置。
該波長変換機構は、波長変換結晶を備えた波長変換手段と、該波長変換手段を通過し波長変換されたレーザー光線と波長変換されなかったレーザー光線とを分光するペランブロッカープリズムとからなり、該ペランブロッカープリズムによって分光された波長変換されたレーザー光線を該集光器に導く、請求項1記載のレーザー加工装置。
該波長変換機構は、該ペランブロッカープリズムによって分光された波長変換されなかったレーザー光線を吸収するビームダンパーを備えている、請求項２記載のレーザー加工装置。
該波長変換手段は、該波長変換結晶を複数個備え、複数個の該波長変換結晶が選択または組み合わせ可能に構成されている、請求項２記載のレーザー加工装置。
該波長変換手段は、第１の波長変換手段と、第２の波長変換手段からなり、第１の波長変換手段と、第２の波長変換手段とは、それぞれ波長変換結晶を含む貫通穴と、波長変換結晶を含まない貫通穴とを有し、第１の波長変換手段と、第２の波長変換手段とは軸方向に互いに対向して配置され、軸心を中心にそれぞれ回動されるように構成され、
該レーザー光線発振手段は、波長が１０６４ｎｍのレーザー光線を発振し、該第１、第２の波長変換手段のいずれか一方の波長変換結晶のみをレーザー光線が通過することで波長が５３２ｎｍとなり、両方の波長変換結晶を通過することで波長が２６６ｎｍとなるように設定される請求項１ないし４のいずれかに記載のレーザー加工装置。