JP6901261B2

JP6901261B2 - レーザー装置

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Publication number: JP6901261B2
Application number: JP2016253186A
Authority: JP
Inventors: 圭司能丸
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Current assignee: Disco Corp
Priority date: 2016-12-27
Filing date: 2016-12-27
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Description

本発明は、レーザー発振器から発振され波長変換手段を通過した後のレーザー光線の光強度分布を、適正なガウシアン分布とすることができるレーザー装置に関する。

ＩＣ、ＬＳＩ等の複数のデバイスが分割予定ラインによって区画され表面に形成されたウエーハは、レーザー装置によってレーザー光線が照射され個々のデバイスに分割されて携帯電話、パソコン等の電気機器に利用される。

レーザー装置は、被加工物を保持する保持手段と、該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、から少なくとも構成されている。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器と、該レーザー光線発振器が発振したレーザー光線を集光し、保持手段に保持された被加工物にレーザー光線を集光する集光器と、該レーザー光線発振器と該集光器との間に配設され少なくともレーザー光線を所定の光路に導く光学系と、から構成されていて、被加工物に所望の加工を施すことができる（例えば、特許文献１を参照。）。

また、被加工物の加工に適したレーザー光線の波長が３５５ｎｍ、２６６ｎｍ等の紫外光の場合は、光学系の損傷が比較的激しいことから、光学系の損傷を軽減するために、レーザー光線発振器が発振するレーザー光線の波長を光学系に与える負担が少ない１０６４ｎｍの赤外光とし、集光器の手前に波長変換手段を配設して３５５ｎｍ、２６６ｎｍ等の紫外光に変換するレーザー装置が本出願人によって提案されている（特許文献２を参照。）。なお、波長変換手段としては、波長変換機能を奏する非線形結晶としてＣＬＢＯ結晶、ＢＢＯ結晶、ＬＢＯ結晶、ＫＴＰ結晶等を採用することができ、得ようとする波長に応じて、該非線形結晶を適宜組み合わせ、種々の波長変換方式（ＳＨＧ、ＦＨＫ、ＴＨＧ等）を実現することができる。

特開２００６−１０８４７８号公報特許第５９６４６２１号公報

上記したレーザー装置により、所望の波長のレーザー光線を得ることはできるものの、波長変換手段によって変換されたレーザー光線は、設計上想定している理想的なガウシアン分布に対して乱れ、設計上想定するレーザー加工強度が得られず、そのまま被加工物に照射しても安定的な加工を施すことができないという問題がある。

また、上記した波長変換手段を構成する非線形結晶は、同じ箇所にレーザー光線を照射し続けると照射箇所が劣化を起こすことから、長期間使用できるように適宜レーザー光線の照射位置を変更する必要がある。しかし、波長変換を実現する非線形結晶は、レーザー光線が照射される位置によっては、必ずしもその結晶構造が均一ではなく、照射箇所を変更する度に波長変換された後の光強度分布が変化し、その意味でも安定的な加工を阻害するという問題が生じ得る。

本発明は、上記事実に鑑みなされたものであり、その主たる技術課題は、波長変換手段を通過した後のレーザー光線のガウシアン分布を理想的なガウシアン分布に近づけるべく整形することができるレーザー装置を提供することにある。

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保持手段と、該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、から少なくとも構成されたレーザー装置であって、該レーザー光線照射手段は、レーザー発振器と、該レーザー発振器が発振したレーザー光線の波長を、非線形結晶を用いて変換する波長変換手段と、該波長変換手段によって波長が変換されたレーザー光線を該保持手段に保持された被加工物に集光する集光器と、該波長変換手段と該集光器との間に配設された光ファイバーと、を少なくとも含み構成され、該光ファイバーは、該波長変換手段を通過して乱れたレーザー光線のガウシアン分布を整形するレーザー装置が提供される。

該波長変換手段と該光ファイバーとの間にハーモニックセパレータが配設され、該ハーモニックセパレータ該波長変換手段により所定の波長に波長変換されたレーザー光線から、該所定の波長以外の波長のレーザー光線を排除するようにすることができる。また、該光ファイバーと該集光器との間に配設され、出力測定経路にレーザー光線の一部を導く分光器と、該出力測定経路に配設された出力測定手段と、該分光器と該集光器との間に配設された透過率調整手段と、を備え、該保持手段に保持された被加工物に照射するレーザー光線の出力を該透過率調整手段で調整するようにしてもよい。さらに、該波長変換手段を構成する波長変換結晶を、該レーザー発振器が発振したレーザー光線の光路から適宜ずらし該波長変換結晶の寿命を延ばすようにするようにしてもよい。

本発明のレーザー装置におけるレーザー光線照射手段は、レーザー発振器と、該レーザー発振器が発振したレーザー光線の波長を、非線形結晶を用いて変換する波長変換手段と、該波長変換手段によって波長が変換されたレーザー光線を該保持手段に保持された被加工物に集光する集光器と、該波長変換手段と該集光器との間に配設された光ファイバーと、を少なくとも含み構成され、該光ファイバーは、該波長変換手段を通過して乱れたレーザー光線を整形することから、レーザー光線が波長変換手段等を経る等してガウシアン分布が乱れ、そのままでは安定的な加工が施せない状態となっても、該光ファイバーの作用により集光器に至るレーザー光線が適正なガウシアン分布に近づくように整形され、安定的なレーザー加工を施すことが可能になる。

本発明のレーザー装置が適用されたレーザー加工装置の全体斜視図、及び被加工物であるウエーハの斜視図を示す図面である。図１のレーザー装置を構成するレーザー光線照射手段の構成を説明するためのブロック図である。本発明のレーザー光線照射手段によって整形される前のレーザー光線の光強度分布、及び整形された後のレーザー光線の光強度分布を説明するための模式図である。

以下、本発明によるレーザー装置について添付図面を参照ながら詳細に説明する。図１には、本発明に基づき構成されたレーザー装置２０を備えたレーザー加工装置２の全体斜視図が示されている。レーザー装置２０は、被加工物を保持する保持手段２２と、該保持手段２２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２４とを少なくとも含んでいる。保持手段２２は、図中左上方に拡大して示す粘着テープＴを介して環状のフレームＦに保持された被加工物（ウエーハ１０）を保持するものであり、レーザー加工装置２は、上述したレーザー装置２０に加え、静止基台２ａ上に配設され該保持手段２２を移動させる移動手段２３と、該静止基台２ａ上の移動手段２３の側方に立設される垂直壁部５１と、垂直壁部５１の上端部から水平方向に延びる水平壁部５２とからなる枠体５０を備えている。枠体５０の水平壁部５２内部には、本発明のレーザー装置２０の主要部を構成するレーザー光線照射手段２４の光学系が内蔵されており、その構成についてはおって詳述する。

該保持手段２２は、図中に矢印Ｘで示すＸ方向において移動自在に基台２ａに搭載された矩形状のＸ方向可動板３０と、図中に矢印Ｙで示すＹ方向において移動自在にＸ方向可動板３０に搭載された矩形状のＹ方向可動板３１と、Ｙ方向可動板３１の上面に固定された円筒状の支柱３２と、支柱３２の上端に固定された矩形状のカバー板３３とを含む。カバー板３３には該カバー板３３上に形成された長穴を通って上方に延びる円形状の被加工物を保持する保持テーブル３４が配設され、保持テーブル３４の上面には、多孔質材料から形成され実質上水平に延在する円形状の吸着チャック３５が配置されている。吸着チャック３５は、支柱３２を通る流路によって図示しない吸引手段に接続されている。なお、Ｘ方向は図１に矢印Ｘで示す方向であり、Ｙ方向は矢印Ｙで示す方向であってＸ方向に直交する方向である。Ｘ方向、Ｙ方向で規定される平面は実質上水平である。

移動手段２３は、Ｘ方向移動手段４０と、Ｙ方向移動手段４２と、を含む。Ｘ方向移動手段４０は、モータの回転運動を、ボールねじを介して直線運動に変換してＸ方向可動板３０に伝達し、基台２ａ上の案内レールに沿ってＸ方向可動板３０をＸ方向において進退させる。Ｙ方向移動手段４２は、モータの回転運動を、ボールねじを介して直線運動に変換し、Ｙ方向可動板３１に伝達し、Ｘ方向可動板３０上の案内レールに沿ってＹ方向可動板３１をＹ方向において進退させる。なお、図示は省略するが、Ｘ方向移動手段４０、Ｙ方向移動手段４２には、それぞれ位置検出手段が配設されており、保持テーブル３４のＸ方向の位置、Ｙ方向の位置、周方向の回転位置が正確に検出され、後述する制御手段から指示される信号に基づいてＸ方向移動手段４０、Ｙ方向移動手段４２が駆動され、任意の位置および角度に保持テーブル３４を正確に位置付けることが可能になっている。

図１に示すように、ウエーハ１０は、複数のデバイス１４が分割予定ライン１２によって区画され表面に形成されており、粘着テープＴを介して環状のフレームＦに支持された状態で保持テーブル３４に保持される。そして、レーザー光線照射手段２４を作動させてレーザー光線ＬＢを照射ながら、上記したＸ方向移動手段４０、Ｙ方向移動手段４２を作動させることにより、該分割予定ライン１２に対してアブレーション加工を実施し分割起点１００を形成する。

図２に、本発明のレーザー装置２０を構成するレーザー光線照射手段２４の一例を示す。該レーザー光線照射手段２４は、上記した集光器２４ａから所望のレーザー光線ＬＢ（例えば、波長３５５ｎｍ）を照射するものであり、基本波として１０６４ｎｍの波長を有するレーザー光線ＬＢ１を発振するレーザー発振器２４ｂと、該レーザー光線ＬＢ１を、波長が３５５ｎｍのレーザー光線ＬＢ２に変換する波長変換手段２４ｃと、該波長変換手段２４ｃから出力されるレーザー光線ＬＢ２から不要な波長成分を排除したレーザー光線ＬＢ３を出力するハーモニックセパレータ２４ｄと、該ハーモニックセパレータ２４ｄから出力されるレーザー光線ＬＢ３を集光する集光レンズ２４ｅと、該集光レンズ２４ｅにより集光されたレーザー光線ＬＢ４が入射される光ファイバーＦＢにより構成される光強度分布整形手段２４ｆと、該光強度分布整形手段２４ｆの光ファイバーＦＢによりガウシアン分布が整形されたレーザー光線ＬＢ４´を平行光に整形するコリメートレンズ２４ｇと、該平行光にされたレーザー光線ＬＢ５の一部、例えば、加工に影響のない程度の極めて小さい割合(１％）のレーザー光線ＬＢ６´を出力測定経路側に反射し、残りのレーザー光線ＬＢ６を集光器２４ａ側に透過させる分光器２４ｈと、該分光器２４ｈにより反射され、出力測定経路に導かれた出力測定用のレーザー光線ＬＢ６´の光量値を測定する受光素子からなる出力測定手段２４ｉと、該分光器２４ｈを透過したレーザー光線ＬＢ６の透過率を制御することで所望の出力に調整し、該集光器２４ａに所望の出力のレーザー光線ＬＢ７を出射する透過率調整手段（アッテネータ）２４ｊと、を備えており、レーザー光線ＬＢ７は、該集光器２４ａを構成する集光レンズ（図示せず）によって集光され所望のレーザー光線ＬＢとされて保持テーブル３４に保持されたウエーハ１０に照射される。

分光器２４ｈによって反射されるレーザー光線ＬＢ６´は、レーザー光線ＬＢ５の一部ではあるが、分光器２４ｈにおいて反射される割合が一定であるため、該出力測定手段２４ｉの光量値を測定することで、分光器２４ｈを透過するレーザー光線ＬＢ６の出力を実質的に測定するものである。なお、レーザー装置２０を構成する上記各手段は図示しない制御手段によって制御されるものであり、例えば、出力測定手段２４ｉにより測定される測定情報が該制御手段に送られ、該制御手段において実行される制御プログラムによって演算された値に基づいて透過率調整手段２４ｊが制御され、被加工物に照射されるレーザー光線ＬＢが所望の出力に調整される。

上記レーザー光線照射手段２４の波長変換手段２４ｃについて、さらに詳細に説明する。一般的なレーザー光線の波長を変換する手段としては、ＬＢＯ結晶、ＣＬＢＯ結晶、ＫＴＰ結晶等の非線形結晶を用いた変換方法が知られており、該変換方法は、基本波となるレーザー光線の波長、変換によって得ようとするレーザー光線の波長、最終的に加工に用いる際のレーザー光線の出力等を考慮して選択される。

図２に示すように、本実施形態における波長変換手段２４ｃは、第１のＬＢＯ結晶２４ｃ１、第２のＬＢＯ結晶２４ｃ２から構成される。基本波としてレーザー発振器２４ｂにより波長１０６４ｎｍのパルスレーザー光線ＬＢ１が発振され、波長変換手段２４ｃに入射される。該レーザー光線ＬＢ１は、波長変換手段２４ｃを構成する第１のＬＢＯ結晶２４ｃ１の所定の端面に入射され、波長１０６４ｎｍのレーザー光線が、波長５３２ｎｍのレーザー光線に変換されて他端面から出射される。そして、該第１のＬＢＯ結晶２４ｃ１の他端面から出射された該レーザー光線は、さらに第２のＬＢＯ結晶２４ｃ２の所定の端面に入射されて波長３５５ｎｍのレーザー光線ＬＢ２に変換されて、第２のＬＢＯ結晶２４ｃ２の他端面から、すなわち、波長変換手段２４ｃから出射される。

該波長変換手段２４ｃを構成する第１のＬＢＯ結晶２４ｃ１と第２のＬＢＯ結晶２４ｃ２は、図示しない入射位置変更手段が備えられている。波長変換機能を奏する非線形結晶は、長時間同じ位置にレーザー光線が照射されることにより劣化を起こすことが知られており、所定時間、或いは所定の入射回数毎に、基本波のレーザー光線ＬＢ１の光路に対して入射位置が変更されるように構成されている。これにより、波長変換手段２４ｃを構成する非線形結晶の長寿命化が図られる。なお、入射可能な全ての位置にレーザー光線の入射がなされた場合、該第１のＬＢＯ結晶２４ｃ１、第２のＬＢＯ結晶２４ｃ２は交換される。本発明のレーザー装置は、概ね上記したとおりの構成を備えており、その作用について、さらに説明する。

なお、上記したレーザー装置は、以下のような構成を備えることができる。
レーザー発振器：１０６４ｎｍ（Ｎｄ：ＹＡＧレーザー）
平均出力：１〜１０Ｗ
繰り返し周波数：１ｋＨｚ〜１ＭＨｚ
パルス幅：１００ｆｓ〜１００ｎｓ

本発明のレーザー加工装置に対してオペレータからレーザー光線の照射を開始する指示がなされると、レーザー発振器２４ｂから波長が１０６４ｎｍのレーザー光線ＬＢ１が発振され、波長変換手段２４ｃに入射される。波長変換手段２４ｃを構成する第１のＬＢＯ結晶２４ｃ１と第２のＬＢＯ結晶２４ｃ２は、上述したように波長を変換するものであるが、第１のＬＢＯ結晶２４ｃ１に入射されたレーザー光線ＬＢ１は、完全に５３２ｎｍの波長に変換されるわけではなく、所定の割合で１０６４ｎｍの波長のレーザー光線が残存した状態で出射される。よって、第２のＬＢＯ結晶２４ｃ２には、波長が５３２ｎｍのレーザー光線と波長が１０６４ｎｍのレーザー光線が入射されることになり、第２のＬＢＯ結晶２４ｃ２から出射されるレーザー光線、即ち波長変換手段２４ｃから出射されるレーザー光線ＬＢ２にも、変換された波長３５５ｎｍのレーザー光線に加え、変換されずに残存する波長１０６４ｎｍ及び波長５３２ｎｍのレーザー光線が含まれている。そこで、本実施形態のレーザー光線照射手段２４においては、レーザー光線ＬＢ２が通過する光軸上に、上述したハーモニックセパレータ２４ｄを配設し、不要な波長成分が排除されて、主に３５５ｎｍの波長で構成されるレーザー光線ＬＢ３が出射される。

ここで、レーザー光線ＬＢ３について説明する。図３（ａ）（ｂ）には、横軸でレーザー光線の光軸の中心位置を「０」とする断面位置（ｍｍ）を表し、縦軸で該光軸の断面位置における光強度を表すことにより、レーザー光線の光軸の断面位置に応じた光強度分布を模式的に表している。なお、本実施形態では、レーザー発振器２４ｂから発振されるレーザー光線の光軸の半径をＮｍｍとしている。波長変換手段２４ｃを通過したレーザー光線ＬＢ２は、図３（ａ）に示すように、光強度分布が光軸の中心をピークとする理想的なガウシアン分布にはならず、乱れた形状となっている。この乱れは、波長変換手段２４ｃを構成する非線形結晶を構成する結晶構造が必ずしも一定ではないことに起因すると推測され、また、所定位置に長時間レーザー光線が照射されることによって該非線形結晶の内部に劣化が生じた際にも起こりうる現象である。このように光強度分布に乱れが生じた場合、所定の位置にレーザー光線を集光して照射しても、所望のピークエネルギーが得られず、レーザー加工条件によって想定される所望の加工がなされない問題が生じ得る。そこで、本発明では、該波長変換手段２４ｃによって波長が変換されたレーザー光線を、該波長変換手段２４ｃと該集光器２４ａとの間のいずれかに配設された光ファイバーＦＢに入射させる。図２に基づきより具体的に説明すると、本実施形態では、該ハーモニックセパレータ２４ｄから出射されたレーザー光線ＬＢ３を、光強度分布整形手段２４ｆを構成する光ファイバーＦＢの一端面ＦＢａに入射させるべく、集光レンズ２４ｅに入射して集光する。集光レンズ２４ｅによって集光されたレーザー光線ＬＢ４の焦点は、該光ファイバーＦＢの一端面ＦＢａの位置になるように調整され、該レーザー光線ＬＢ４が、光ファイバーＦＢに入射される。なお、光ファイバーＦＢは、例えば直径が１．０ｍｍ程度であり、その長さは１ｍ程度に設定される。

ここで、光ファイバーＦＢに入射されたレーザー光線ＬＢ４は、光ファイバーＦＢ内の側壁面において反射を繰り返して進行し、その他端部ＦＢｂから出射される。光ファイバーＦＢの他端部ＦＢｂから出射されたレーザー光線ＬＢ４´は、そのままでは拡散するため、コリメートレンズ２４ｇによって平行光に変換されレーザー光線ＬＢ５とされる。

上記光ファイバーＦＢから出射され平行光とされたレーザー光線ＬＢ５は、上記した光ファイバーＦＢを通過していることにより、図３（ｂ）に示すような、光軸の中心に光強度のピークが出現し、外側に行くに従い滑らかに低下する理想的なガウシアン分布に近づくように整形されている。よって、波長変換手段２４ｃを通過することにより、図３（ａ）に示したように乱れたガウシアン分布が、図３（ｂ）に記載したような理想的なガウシアン分布に整形され、所望の加工を実行することが容易になる。

そして、光強度分布が図３（ｂ）に示した形状に整形されているレーザー光線ＬＢ５は、分光器２４ｈ、出力測定手段２４ｉに基づいて出力が測定され、分光器２４ｈからレーザー光線ＬＢ６が出射されるとともに、当該出力測定手段２４ｉの出力情報に基づき透過率調整手段２４ｊが制御され、レーザー光線ＬＢ７となって集光器２４ａに入射される。これにより、理想的なガウシアン分布になるように整形された上で集光されたレーザー光線ＬＢが、保持テーブル３４上のウエーハ１０に照射される。

本発明は、上述した実施形態に限定されず、種々の変形例を想定することができる。例えば、上述した実施形態では、レーザー発振器から発振される基本波のレーザー光線の波長を１０６４ｎｍとして、該基本波を２つのＬＢＯ結晶を用いて３５５ｎｍの波長に変換する波長変換手段２４ｃを用いる場合に適用した例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、波長が１０６４ｎｍであるレーザー光線を、ＫＴＰ結晶、及びＣＬＢＯ結晶を用いて波長が２６６ｎｍであるレーザー光線に変換する場合、或いは波長が１０６４ｎｍのレーザー光線を１つのＫＴＰ結晶を用いて５３２ｎｍの波長に変換して使用するレーザー装置に適用することができる。また、基本波として１０６４ｎｍの波長のレーザー光線を発振するレーザー発振器２４ｂを用いる場合に限定されず、例えば、ＹＶＯ４レーザー（波長１０５４ｎｍ）、ＬＤレーザー（波長６５０〜９０５ｎｍ）等、その他の波長のレーザー光線を基本波として発振するレーザー発振器を用いるレーザー装置に適用することも可能である。

また上述した実施形態では、分光器２４ｈと、出力測定手段２４ｉの配設位置を、光強度分布整形手段２４ｆの下流側に配設するようにしたがこれに限定されず、ハーモニックセパレータ２４ｄの直後に配設するようにしてもよい。さらに、上述した光ファイバーＦＢの直径、長さは、単なる一例にすぎず、適用するレーザー光線照射手段２４の基本波の波長や加工時に必要となるレーザー光線の出力、或いは波長変換手段２４ｃによるガウシアン分布の乱れ具合に応じて適宜調整される。

上述した実施形態では、本発明のレーザー装置を、ウエーハを加工するためのレーザー加工装置に適用した例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、レーザー光線を使用する形状測定装置等にも適用することができる。本発明は、レーザー光線のガウシアン分布を整形することが有効な、レーザーを利用したあらゆる装置に適用することを除外しない。

２：レーザー加工装置
１０：ウエーハ
２０：レーザー装置
２２：保持手段
２３：移動手段
２４：レーザー光線照射手段
２４ａ：集光器
２４ｂ：レーザー発振器
２４ｃ：波長変換手段
２４ｄ：ハーモニックセパレータ
２４ｅ：集光レンズ
２４ｆ：光強度分布整形手段
２４ｇ：コリメートレンズ
２４ｈ：分光器
２４ｉ：出力測定手段
２４ｊ：透過率調整手段
３４：保持テーブル
４０：Ｘ方向移動手段
４２：Ｙ方向移動手段
ＦＢ：光ファイバー

Claims

被加工物を保持する保持手段と、該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、から少なくとも構成されたレーザー装置であって、
該レーザー光線照射手段は、レーザー発振器と、該レーザー発振器が発振したレーザー光線の波長を、非線形結晶を用いて変換する波長変換手段と、該波長変換手段によって波長が変換されたレーザー光線を該保持手段に保持された被加工物に集光する集光器と、該波長変換手段と該集光器との間に配設された光ファイバーと、を少なくとも含み構成され、
該光ファイバーは、該波長変換手段を通過して乱れたレーザー光線のガウシアン分布を整形するレーザー装置。
該波長変換手段と該光ファイバーとの間にハーモニックセパレータが配設され、該ハーモニックセパレータは、該波長変換手段により所定の波長に波長変換されたレーザー光線から、該所定の波長以外の波長のレーザー光線を排除する請求項１に記載のレーザー装置。
該光ファイバーと該集光器との間に配設され、出力測定経路にレーザー光線の一部を導く分光器と、該出力測定経路に配設された出力測定手段と、
該分光器と該集光器との間に配設された透過率調整手段と、
を備え、
該保持手段に保持された被加工物に照射するレーザー光線の出力を該透過率調整手段で調整する請求項１に記載のレーザー装置。
該波長変換手段を構成する波長変換結晶を、該レーザー発振器が発振したレーザー光線の光路から適宜ずらし該波長変換結晶の寿命を延ばす構成を備えた請求項１に記載のレーザー装置。