JP5940936B2 - レーザー加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエーハ等の被加工物に対して透過性を有するレーザー光線を照射し、被加工物の内部に改質層を形成する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、シリコン基板、サファイア基板、炭化珪素基板、リチウムタンタレート基板、ガラス基板或いは石英基板の如き適宜の基板を含むウエーハの表面に格子状に形成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、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デバイスを製造している。ウエーハを分割するための方法としては、レーザー光線を利用する種々の様式が提案されている。

半導体ウエーハ等の板状の被加工物を分割する方法として、その被加工物に対して透過性を有するパルスレーザー光線を用い、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レーザー加工方法も試みられている。このレーザー加工方法を用いた分割方法は、被加工物の一方の面側から内部に集光点を合わせて被加工物に対して透過性を有する波長のパルスレーザー光線を照射し、被加工物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、被加工物を分割するものである（例えば、特許文献１参照）。

しかるに、ウエーハに外力を加えてストリートに沿って精密に破断せしめるためには、改質層の厚さ、即ちウエーハの厚さ方向における改質層の寸法を大きくすることが必要である。上述したレーザー加工方法によって形成される改質層の厚さはパルスレーザー光線の集光点近傍において１０〜５０μmであるため、改質層の厚さを増大せしめるためにはパルスレーザー光線の集光点の位置をウエーハの厚さ方向に変位せしめて、パルスレーザー光線とウエーハとをストリートに沿って繰り返し相対的に移動せしめることが必要である。従って、特にウエーハの厚さが比較的厚い場合、ウエーハを精密に破断するのに必要な厚さの改質層の形成に長時間を要する。

上記問題を解消するため、レーザー光線を複屈折レンズによって常光と異常光とに分離し、分離された常光と異常光をそれぞれ集光レンズによって集光せしめ、常光の集光点と異常光の集光点とを形成するレーザー加工装置が下記特許文献２に開示されている。

また、チャックテーブルに保持された半導体ウエーハ等の被加工物の高さ位置を検出する高さ位置計測手段を装備したレーザー加工装置も実用化されている。この高さ位置計測手段としては、検出用レーザー光線を集光レンズを通してチャックテーブルに保持された被加工物の上面に照射し、その反射光の面積に基いてチャックテーブルに保持された被加工物の高さ位置を計測する方式が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特許第３４０８８０５号公報 特許第４７９１２４８号公報 特許第４７３４１０１号公報

而して、複屈折レンズを用いたレーザー加工装置においては、複屈折レンズを通して高さ位置計測用の検出光をチャックテーブルに保持された被加工物の上面に照射すると、被加工物の上面で反射した反射光が２個存在するため、チャックテーブルに保持された被加工物の上面の高さ位置を正確に計測することができないという問題がある。

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、レーザー光線を複屈折レンズによって常光と異常光とに分離し、分離された常光と異常光をそれぞれ集光レンズによって集光せしめ、常光の集光点と異常光の集光点とを形成することができるとともに、複屈折レンズおよび集光レンズを通して高さ位置計測用の検出光をチャックテーブルに保持された被加工物の上面に照射することによりチャックテーブルに保持された被加工物の上面の高さ位置を正確に計測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。

上記主たる技術的課題を解決するために、本発明によれば、被加工物を保持するチャックテーブルと、該チャックテーブル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、該チャックテーブルと該レーザー光線照射手段とを相対的に加工送りする加工送り手段と、該チャックテーブルに保持された被加工物の上面の高さ位置を計測する高さ位置計測手段とを具備し、
該レーザー光線照射手段は、加工用のレーザー光線を発振する加工用レーザー光線発振器と、該加工用レーザー光線発振器が発振する加工用レーザー光線を常光と異常光に分離する複屈折レンズと、該複屈折レンズによって分離された常光と異常光をそれぞれ集光して常光の集光点と異常光の集光点とからなる２個の集光点を形成する対物集光レンズを具備している、レーザー加工装置において、
該高さ位置計測手段は、計測用のレーザー光線を発振する計測用レーザー光線発振器と、該計測用レーザー光線発振器から発振された計測用レーザー光線を該複屈折レンズおよび該対物集光レンズが配設された第１の経路に導くとともに該複屈折レンズおよび該対物集光レンズを通して照射され該チャックテーブルに保持された被加工物の上面で反射し該対物集光レンズおよび該複屈折レンズを介して導かれた反射光を第２の経路に導く第１のビームスプリッターと、該第２の経路に導かれた反射光を第３の経路と第４の経路に分光する第２のビームスプリッターと、該第３の経路に分光された反射光を受光する第１のホトデテクターと、該第４の経路に配設され該第４の経路に分光された反射光を遮光して中央部の反射光を通過させるマスクと、該マスクを通過した反射光を受光する第２のホトデテクターと、該第１のホトデテクターによって受光した光量と該第２のホトデテクターによって受光した光量との比率を求め、該比率に基づいてチャックテーブルに保持された被加工物の高さ位置を求める制御手段と、を具備しており、
該第１のビームスプリッターと該複屈折レンズとの間には、該複屈折レンズを介し該対物集光レンズによって形成される集光点を１個の集光点に調整する集光点調整手段が配設されている、
ことを特徴とするレーザー加工装置が提供される。

上記集光点調整手段は、第１のビームスプリッターを通過した直線偏光の計測用レーザー光線を円偏光に変換する１／４波長板と、該１／４波長板と複屈折レンズとの間に所定の間隔を持って配設された第３のビームスプリッターおよび第４のビームスプリッターと、第３のビームスプリッターによって分岐された第５の経路に導かれた計測用レーザー光線を第４のビームスプリッターに合流させる互いに所定の間隔を持って配設された第１の反射体および第２の反射体と、第３のビームスプリッターと第４のビームスプリッターとの間に配設された集光点調整レンズとを具備している。

本発明のレーザー加工装置においては、高さ位置計測手段は複屈折レンズを通り対物集光レンズによって集光される計測用レーザー光線の集光点を１個の集光点に調整する集光点調整手段を備えているので、複屈折レンズおよび対物集光レンズを介して照射される異常光に対応するP偏光のレーザー光線と常光に対応するS偏光のレーザー光線が同じ位置に集光されるため、被加工物の上面で反射する反射光は１個となる。従って、屈折レンズを用いたレーザー加工装置においても計測用レーザー光線の反射光が２個生成されることがないため、チャックテーブルに保持された被加工物の上面の高さ位置を正確に計測することができる。

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および高さ位置計測手段の構成を示すブロック図。 図２に示す高さ位置計測手段を構成する集光点調整手段の作動を示す説明図。 図２に示す高さ位置計測手段の計測用レーザー光線をチャックテーブルに保持された被加工物の上面に照射した状態を示す説明図。 図２に示す高さ位置計測手段の計測用レーザー光線の照射位置により照射面積が変化する状態を示す説明図。 図２に示す高さ位置計測手段の第１のホトデテクターから出力される電圧値（V1）と第２のホトデテクターから出力される電圧値（V2）との比と、チャックテーブルに保持された被加工物の高さとの関係を示す制御マップ。 図１に示すレーザー加工装置に装備される制御手段を示すブロック図。 被加工物としての半導体ウエーハの斜視図。

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に上記矢印Ｘで示す方向（X軸方向）と直角な矢印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上に矢印Ｘで示す加工送り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上に矢印Ｘで示す加工送り方向に（X軸方向）移動可能に配設された第一の滑動ブロック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（Y軸方向）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上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、その上面に矢印Ｙで示す割り出し送り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に沿って矢印Ｘで示す加工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１の滑動ブロック３２を一対の案内レール３１、３１に沿って矢印Ｘで示す加工送り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ド３７１と、該雄ネジロッド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。雄ネジロッド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、雄ネジロッド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ド３７１を正転および逆転駆動することにより、第一の滑動ブロック３２は案内レール３１、３１に沿って矢印Ｘで示す加工送り方向（X軸方向）に移動せしめられる。

図示の実施形態におけるレーザー加工装置は、上記チャックテーブル３６のX軸方向位置を検出するためのX軸方向位置検出手段３７４を備えている。X軸方向位置検出手段３７４は、案内レール３１に沿って配設されたリニアスケール３７４aと、第１の滑動ブロック３２に配設され第１の滑動ブロック３２とともにリニアスケール３７４aに沿って移動する読み取りヘッド３７４bとからなっている。このX軸方向位置検出手段３７４の読み取りヘッド３７４bは、図示の実施形態においては1μm毎に１パルスのパルス信号を後述する制御手段に送る。そして後述する制御手段は、入力したパルス信号をカウントすることにより、チャックテーブル３６のX軸方向位置を検出する。

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（Y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に沿って矢印Ｙで示す割り出し送り方向（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ド３８１と、該雄ネジロッド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。雄ネジロッド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、雄ネジロッド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ド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に沿って矢印Ｙで示す割り出し送り方向（Y軸方向）に移動せしめられる。

図示の実施形態におけるレーザー加工装置は、上記第２の滑動ブロック３３のY軸方向位置を検出するためのY軸方向位置検出手段３８４を備えている。Y軸方向位置検出手段３８４は、案内レール３２２に沿って配設されたリニアスケール３８４aと、第２の滑動ブロック３３に配設され第２の滑動ブロック３３とともにリニアスケール３８４aに沿って移動する読み取りヘッド３８４bとからなっている。このY軸方向位置検出手段３８４の読み取りヘッド３８４bは、図示の実施形態においては１μm毎に１パルスのパルス信号を後述する制御手段に送る。そして後述する制御手段は、入力したパルス信号をカウントすることにより、チャックテーブル３６のY軸方向位置を検出する。

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（Y軸方向）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上に矢印Ｙで示す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、一側面に矢印Ｚで示す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に沿って矢印Ｙで示す割り出し送り方向（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ド４３１と、該雄ネジロッド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。雄ネジロッド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、雄ネジロッド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ド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に沿って矢印Ｙで示す割り出し送り方向（Y軸方向）に移動せしめられる。

図示の実施形態のおける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５２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、矢印Ｚで示す焦点位置調整方向（Z軸方向）に移動可能に支持される。

図示の実施形態における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に沿って矢印Ｚで示す焦点位置調整方向（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ド（図示せず）と、該雄ネジロッド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ド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５２を案内レール４２３、４２３に沿って矢印Ｚで示す集光点位置調整方向（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５２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５２を下方に移動するようになっている。

図示の実施形態におけるレーザー光線照射ユニット５は、レーザー光線照射手段５２のZ軸方向位置を検出するためのZ軸方向位置検出手段５５を具備している。Z軸方向位置検出手段５５は、上記案内レール４２３、４２３と平行に配設されたリニアスケール５５１と、上記ユニットホルダ５１に取り付けられユニットホルダ５１とともにリニアスケール５５１に沿って移動する読み取りヘッド５５２とからなっている。このZ軸方向位置検出手段５５の読み取りヘッド５５２は、図示の実施形態においては1μm毎に１パルスのパルス信号を後述する制御手段に送る。

図示のレーザー光線照射手段５２は、実質上水平に配置された円筒形状のケーシング５２１を含んでいる。このケーシング５２１内には図２に示すように加工用パルスレーザー光線発振器５２２と、この加工用パルスレーザー光線発振器５２２が発振する加工用パルスレーザー光線をチャックテーブル３６に向けて方向変換するダイクロイックミラー５２３と、該ダイクロイックミラー５２３によって方向変換された加工用パルスレーザー光線を常光と異常光に分離する複屈折レンズ５２４と、該複屈折レンズ５２４によって分離された常光と異常光をそれぞれ集光して常光の集光点と異常光の集光点とからなる２個の集光点を形成する対物集光レンズ５２７を具備している。加工用パルスレーザー光線発振器５２２は、被加工物に対して透過性を有する直線偏光のパルスレーザー光線LB1を発振する。この加工用パルスレーザー光線発振器５２２は、被加工物がシリコン基板、炭化珪素基板、リチウムタンタレート基板、ガラス基板或いは石英基板を含むウエーハである場合、例えば波長が１０６４ｎｍであるパルスレーザー光線LB1を発振するＹＶＯ４パルスレーザー発振器或いはＹＡＧパルスレーザー発振器を用いることができる。

上記複屈折レンズ５２４は、図示の実施形態においてはLASF35ガラス体５２５と、YVO4結晶体５２６とによって構成されている。LASF35ガラス体５２５は所定の曲率（例えば曲率半径が５８mm）を有する凸面５２５aを備え、YVO4結晶体５２６はガラス体５２５の凸面５２５aと対応する曲率を有する凹面５２６aを備えており、ガラス体５２５の凸面５２５aと結晶体５２６の凹面５２６aが結合して構成されている。このように構成された複屈折レンズ５２４は、ダイクロイックミラー５２３によって方向変換されたパルスレーザー光線LB1がYVO4結晶体５２６の光学軸に対して所定の角度をもって入射されると、パルスレーザー光線LB1を図において実線で示す常光LB1aと破線で示す異常光LB1bに分離する。即ち、複屈折レンズ５２４は、常光LB1aについては屈折させずにそのまま通過させ、異常光LB1bについては凹面５２６aを備えた結晶体５２６によって外側に屈折させる。なお、パルスレーザー光線LB1をYVO4結晶体５２６の光学軸に対して所定の角度をもって入射させるようにするには、複屈折レンズ５２４を入射するパルスレーザー光線LB1の光軸を中心として回動して調整してもよく、また、加工用パルスレーザー光線発振器５２２を発振するパルスレーザー光線の光軸を中心として回動して調整してもよい。

上記対物集光レンズ５２７は、複屈折レンズ５２４によって分離された常光LB1aと異常光LB1bをそれぞれ集光せしめる。即ち、対物集光レンズ５２７は、常光LB1aについては被加工物Wの内部における集光点Pａに集光せしめ、異常光LB1bについては被加工物Wの内部における集光点Pbに集光せしめる。この集光点Pbは、異常光LB1bが上述したように複屈折レンズ５２４によって外側に屈折せしめられているので、常光LB1aの集光点Pａより深い位置（図２において下方位置）、即ち対物集光レンズ５２７から光軸方向に離れた位置となる。
なお、図２に示す実施形態における複屈折レンズ５２４はガラス体５２５が凸面５２５aを備え結晶体５２６が凹面５２６aを備えた例を示したが、ガラス体に凹面を備え結晶体に凸面を備えた構成にしてもよい。このこのように構成した場合には、異常光の集光点が常光の集光点より浅い位置（図２において上方位置）、即ち光軸方向に対物集光レンズ５２７に近い位置となる。

上述したようにパルスレーザー光線LB1の常光LB1aが集光点Pａに集光せしめられると、これに起因して集光点Pａの近傍、通常は集光点Pａから上方に向かって厚さＴ１を有する領域で被加工物Wに改質層W１が形成される。また、パルスレーザー光線LB1の異常光LB1bが集光点Pbに集光せしめられると、集光点Pb近傍、通常は集光点Pbから上方に向かって厚さＴ２を有する領域で被加工物Wに改質層W２が生成される。

図２を参照して説明を続けると、図示の実施形態におけるレーザー加工装置は、チャックテーブル３６に保持された被加工物Wの上面高さ位置を計測するための高さ位置計測手段６を具備している。高さ位置計測手段６は、所定の波長領域を有する光を発する発光源としての計測用レーザー光線を発振する計測用レーザー光線発振器６１と、該計測用レーザー光線発振器６１から発振された計測用のレーザー光線を上記複屈折レンズ５２４および対物集光レンズ５２７が配設された第１の経路６０aに導くとともに複屈折レンズ５２４および対物集光レンズ５２７を通して照射されチャックテーブル３６に保持された被加工物Wの上面で反射し対物集光レンズ５２７および複屈折レンズ５２４を介して導かれた反射光を第２の経路６０bに導く第１のビームスプリッター６２を具備している。

計測用レーザー光線発振器６１は、上記加工用パルスレーザー光線発振器５２２から発振される加工用パルスレーザー光線の波長と異なり被加工物Wに対して反射性を有する波長の例えば波長が６３２ｎｍの計測用レーザー光線LB2を発振するHe-Neレーザー発振器を用いることができる。

図示の実施形態における高さ位置計測手段６は、第２の経路６０bに配設され第1のビームスプリッター６２によって反射された反射光を第３の経路６０cと第４の経路６０dに分岐する第２のビームスプリッター６３を具備している。第３の経路６０cには、第２のビームスプリッター６３によって分岐された反射光を１００％集光する第１の集光レンズ６４aと、該第１の集光レンズ６４aによって集光された反射光を受光する第1のホトデテクター６５aが配設されている。なお、上記第1のホトデテクター６５aは、受光した光量に対応した電圧信号を後述する制御手段に送る。また、上記第４の経路６０dには、第２のビームスプリッター６３によって分岐された反射光を集光する第２の集光レンズ６４bと、該第２の集光レンズ６４bによって集光された反射光の両側を遮光して中央部の反射光を帯状に通過させるスリット６６１を備えたマスク６６と、該スリット６６１を通過した反射光を受光する第２のホトデテクター６５bが配設されている。なお、マスク６６に設けられたスリット６６１は、紙面に垂直な方向に細長い形状に形成されている。また、上記第２のホトデテクター６５bは、受光した光量に対応した電圧信号を後述する制御手段に送る。

図２に示す実施形態における高さ位置計測手段６は、計測用レーザー光線発振器６１から発振された計測用レーザー光線LB2の対物集光レンズ５２７によって形成される集光点を１個の集光点に調整する集光点調整手段７を具備している。集光点調整手段７は、計測用レーザー光線発振器６１と第1のビームスプリッター６２との間に配設された１／２波長板７１と、第1のビームスプリッター６２を通過した計測用レーザー光線の直線偏光を円偏光に変換する１／４波長板７２と、該１／４波長板７２と上記ダイクロイックミラー５２３との間に所定の間隔を持って配設された第３のビームスプリッター７３および第４のビームスプリッター７４と、第３のビームスプリッター７３によって分岐され第５の経路６０eに導かれた計測用レーザー光線を第４のビームスプリッター７４に合流させる互いに所定の間隔を持って配設された第１の反射体７５および第２の反射体７６と、第３のビームスプリッター７３と第４のビームスプリッター７４との間に配設された集光点調整レンズ７７とを具備している。なお、上記第３のビームスプリッター７３と第１の反射体７５および第４のビームスプリッター７４と第２の反射体７６は、プリズム体等によってそれぞれ一体に形成してもよい。また、上記集光点調整レンズ７７は、図示の実施形態においては焦点距離(f)が１３０mmに設定されている。この集光点調整レンズ７７は、第１の反射体７５と第２の反射体７６との間に配設してもよい。

図２に示す実施形態における集光点調整手段７は以上のように構成されており、以下その作用について説明する。
（１）計測用レーザー光線発振器６１から発振された計測用レーザー光線LB2は、第1のビームスプリッター６２に対してP偏光のレーザー光線のみが入光するように１／２波長板７１を回転して調整される。ただし、計測用レーザー光線発振器６１を回転させたり、伝送用の光ファイバーを回転させて第1のビームスプリッター６２に対してP偏光のレーザー光線のみが入光するように調整してもよい。
（２）第1のビームスプリッター６２を通過したP偏光のレーザー光線は、１／４波長板７２によって円偏光に変換され、図３に示すように第３のビームスプリッター７３に導かれて異常光に対応するP偏光と常光に対応するS偏光に分岐される。
（３）第３のビームスプリッター７３によって分岐された異常光に対応するP偏光のレーザー光線は、図３に示すように第３のビームスプリッター７３と第４のビームスプリッター７４との間に配設された集光点調整レンズ７７によって、上記複屈折レンズ５２４により外側に屈折される角度と対応して相殺する角度だけ内側に屈折せしめられて第４のビームスプリッター７４に導かれる。
（４）第３のビームスプリッター７３によって分岐された常光に対応するS偏光のレーザー光線は、図３に示すように第１の反射体７５および第２の反射体７６を介して第４のビームスプリッター７４に導かれる。
（５）第４のビームスプリッター７４に導かれたP偏光のレーザー光線とS偏光のレーザー光線は、図３に示すように第４のビームスプリッター７４によって合流されて複屈折レンズ５２４に導かれる。
（６）複屈折レンズ５２４に導かれたP偏光のレーザー光線とS偏光のレーザー光線とが合流されたレーザー光線のうち異常光に対応するP偏光は、上述したように集光点調整レンズ７７によって複屈折レンズ５２４により外側に屈折される角度と対応して相殺する角度だけ内側に屈折せしめられているので、図３に示すように常光に対応するS偏光のレーザー光線と同様に平行光となって対物集光レンズ５２７に導かれる。
（７）対物集光レンズ５２７に導かれたP偏光のレーザー光線とS偏光のレーザー光線はともに平行光として入光するため、図３に示すようにP偏光のレーザー光線とS偏光のレーザー光線は同じ位置に集光され、集光点P0が一致する。

以上のように集光点調整手段７を備えた高さ位置計測手段６においては、複屈折レンズ５２４および対物集光レンズ５２７を介して照射される異常光に対応するP偏光のレーザー光線と常光に対応するS偏光のレーザー光線が同じ位置に集光されるので、被加工物の上面で反射する反射光は１個となる。従って、屈折レンズ５２４を用いたレーザー加工装置においても計測用レーザー光線LB2の反射光が２個生成されることがないため、チャックテーブルに保持された被加工物の上面の高さ位置を正確に計測することができる。

上述した集光点調整手段７を備えた図２に示す実施形態における高さ位置計測手段６は以上のように構成されており、以下その作用について説明する。
計測用レーザー光線発振器６１から発振された計測用レーザー光線LB2は、上述したように集光点調整手段７および複屈折レンズ５２４を介して対物集光レンズ５２７により集光されてチャックテーブル３６に保持された被加工物Wの上面に１個の集光点を持って照射される。チャックテーブル３６に保持された被加工物Wの上面に照射された計測用レーザー光線LB2は、被加工物Wの表面（上面）に照射されるスポットの面積で反射する。例えば、図４に示すようにチャックテーブル３６に保持された被加工物Wに計測用レーザー光線LB2を照射する場合、計測用レーザー光線LB2は被加工物Wの表面（上面）に照射されるスポットの面積Sで反射する。

チャックテーブル３６に保持された被加工物Wの上面で反射された計測用レーザー光線LB2の反射光は、対物集光レンズ５２７、複屈折レンズ５２４、ダイクロイックミラー５２３、第４のビームスプリッター７４、第３のビームスプリッター７３、第２の反射体７６、第１の反射体７５、１／４波長板７２、第1のビームスプリッター６２を逆行する。１／４波長板７２に到達した反射光は回転方向が逆転した円偏光となっているため、１／４波長板７２を通過することでS偏光のレーザー光線となり、第1のビームスプリッター６２によって屈折し第２の経路６０bに導かれ、第２のビームスプリッター６３に達する。

第２のビームスプリッター６３に達した計測用レーザー光線LB2の反射光は、該第２のビームスプリッター６３によって第３の経路６０cと第４の経路６０dに分岐される。第３の経路６０cに分岐された計測用レーザー光線LB2の反射光は、第１の集光レンズ６４aによって集光され第1のホトデテクター６５aに１００％受光される。そして、第1のホトデテクター６５aは、受光した光量に対応した電圧値（V1）を後述する制御手段に送る。一方、第４の経路６０dに分岐された計測用レーザー光線LB2の反射光は、第２の集光レンズ６４bによって集光される。このように第２の集光レンズ６４bによって集光された計測用レーザー光線LB2の反射光は、マスク６６のスリット６６１を通過した一部が第２のホトデテクター６５bに受光される。そして第２のホトデテクター６５bは、受光した光量に対応した電圧値（V2）を後述する制御手段に送る。従って、第２のホトデテクター６５bから出力される電圧値（V2）は、計測用レーザー光線LB2の集光点の被加工物に対する位置によって変化する。

ここで、第１のホトデテクター６５aと第２のホトデテクター６５bによって受光される計測用レーザー光線LB2の反射光の受光量について説明する。
第１のホトデテクター６５aに受光される反射光は、上述したように１００％受光されるのでスポットの面積にかかわらず受光量は一定であり、第1のホトデテクター６５aから出力される電圧値（V1）は一定（例えば１０V）となる。一方、第２のホトデテクター６５bによって受光される反射光は、第２の集光レンズ６４bによって集光された後にマスク６６によって一部が遮蔽されて第２のホトデテクター６５bに受光されるので、図４に示すように計測用レーザー光線LB2が被加工物Wの上面に照射される際に、対物集光レンズ５２７から被加工物Wの上面までの距離、即ち被加工物Wの高さ位置（厚み）によってスポットの面積が変化することで第２のホトデテクター６５bの受光量は変化する。従って、第２のホトデテクター６５bから出力される電圧値（V2）は、計測用レーザー光線LB2が照射される被加工物Wの上面高さ位置によって変化する。

例えば、図５の(a)に示すように被加工物Wの高さ位置が低く（被加工物Wの厚みが薄く）対物集光レンズ５２７から被加工物Wの上面までの距離(H)が大きい場合には、計測用レーザー光線LB2は被加工物Wの上面に照射されるスポットS1で反射する。この反射光は上述したように第２のビームスプリッター６３によって第３の経路６０cと第４の経路６０dに分岐されるが、第３の経路６０cに分岐されたスポットS1の反射光は第１の集光レンズ６４aによって集光され、反射光の全ての光量が第1のホトデテクター６５aに受光される。一方、第２のビームスプリッター６３によって第４の経路６０dに分岐されたスポットS1の反射光は、第２の集光レンズ６４bによって集光された後、上述したようにマスク６６によって一部が遮蔽されて第２のホトデテクター６５bによって受光されることになる。従って、第２のホトデテクター６５bに受光される反射光の光量は上述した第1のホトデテクター６５aに受光される光量より少なくなる。

次に、図５の(b)に示すように被加工物Wの高さ位置が高く（被加工物Wの厚みが厚く）対物集光レンズ５２７から被加工物Wの上面までの距離(H)が小さい場合には、計測用レーザー光線LB2は被加工物Wの上面に照射されるスポットS2で反射する。このスポットS2は上記スポットS1より大きい。このスポットS2の反射光は上述したように第２のビームスプリッター６３によって第３の経路６０cと第４の経路６０dに分岐されるが、第３の経路６０cに分岐されたスポットS2の反射光は第１の集光レンズ６４aによって集光され、反射光の全ての光量が第1のホトデテクター６５aに受光される。一方、第２のビームスプリッター６３によって第４の経路６０dに分岐されたスポットS2の反射光は、第２の集光レンズ６４bによって集光された後、上述したようにマスク６６によって一部が遮蔽されて第２のホトデテクター６５bによって受光されることになる。反射光のスポットS2は上記スポットS1より大きいのでマスク６６によって遮蔽される割合が多くなる。従って、第２のホトデテクター６５bによって受光される光量は、上記図５の(a)に示す場合より少なくなる。このように第２のホトデテクター６５bに受光される反射光の光量は、対物集光レンズ５２７から被加工物Wの上面までの距離(H)、即ち被加工物Wの高さ位置が低い（被加工物Wの厚みが薄い）程多く、対物集光レンズ５２７から被加工物Wの上面までの距離(H)、即ち被加工物Wの高さ位置が高い（被加工物Wの厚みが厚い）程少なくなる。

ここで、上記第１のホトデテクター６５aから出力される電圧値（V1）と第２のホトデテクター６５bから出力される電圧値（V2）との比と、対物集光レンズ５２７から被加工物Wの上面までの距離(H)、即ち被加工物Wの高さ位置との関係について、図６に示す制御マップを参照して説明する。なお、図６において横軸はレンズ５２７から被加工物Wの上面までの距離に対する変位量を示し、縦軸は第1のホトデテクター６５aから出力される電圧値（V1）と第２のホトデテクター６５bから出力される電圧値（V2）との比（V2/V1）を示している。図６から判るように対物集光レンズ５２７から被加工物Wの上面までの上記距離に対する変位量が大きくなる程（被加工物Wの厚みが厚く、チャックテーブルに保持された被加工物Wの高さ位置が高くなり距離が短くなる程）、電圧値の比（V2/V1）が小さくなる。従って、上述したように第1のホトデテクター６５aから出力される電圧値（V1）と第２のホトデテクター６５bから出力される電圧値（V2）との比（V2/V1）を求め、この電圧値の比（V2/V1）を図６に示す制御マップに照合することにより、上記距離の変位量を求めることができ、この変位量を対物集光レンズ５２７の焦点距離（集光点位置までの距離）から減算することにより対物集光レンズ５２７から被加工物Wの上面までの距離(H)を求めることができる。例えば、対物集光レンズ５２７の焦点が被加工物Wの上面に位置付けられると上記電圧値の比（V2/V1）が１となり変位量は０となる。なお、図６に示す制御マップは、後述する制御手段のメモリに格納される。

図１に戻って説明を続けると、上記レーザー光線照射手段５２を構成するケーシング５２１の先端部には、レーザー光線照射手段５２によってレーザー加工すべき加工領域を検出する撮像手段９が配設されている。この撮像手段９は、可視光線によって撮像する通常の撮像素子（ＣＣＤ）の外に、被加工物に赤外線を照射する赤外線照明手段と、該赤外線照明手段によって照射された赤外線を捕らえる光学系と、該光学系によって捕らえられた赤外線に対応した電気信号を出力する撮像素子（赤外線ＣＣＤ）等で構成されており、撮像した画像信号を後述する制御手段に送る。

図示の実施形態におけるレーザー加工装置は、図７に示す制御手段１０を具備している。制御手段１０はコンピュータによって構成されており、制御プログラムに従って演算処理する中央処理装置（ＣＰＵ）１０１と、制御プログラム等を格納するリードオンリメモリ（ＲＯＭ）１０２と、演算結果等を格納する読み書き可能なランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１０３と、入力インターフェース１０４および出力インターフェース１０５とを備えている。制御手段１０の入力インターフェース１０４には、上記X軸方向位置検出手段３７４、Y軸方向位置検出手段３８４、Z軸方向位置検出手段５５の読み取りヘッド５５２、第１のホトデテクター６５a、第２のホトデテクター６５bおよび撮像手段９等からの検出信号が入力される。そして、制御手段１０の出力インターフェース１０５からは、上記パルスモータ３７２、パルスモータ３８２、パルスモータ４３２、パルスモータ５３２、加工用パルスレーザー光線発振器５２２、計測用レーザー光線発振器６１等に制御信号を出力する。なお、上記ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１０３は、上述した図６に示す制御マップを格納する第１の記憶領域１０３a、後述する被加工物の設計値のデータを記憶する第２の記憶領域１０３b、後述する半導体ウエーハ２０の高さ位置を記憶する第３の記憶領域１０３cや他の記憶領域を備えている。

図示の実施形態におけるレーザー加工装置は以上のように構成されており、以下その作用について説明する。
図８にはレーザー加工される被加工物として半導体ウエーハ２０の斜視図が示されている。図８に示す半導体ウエーハ２０は、シリコンウエーハからなっており、その表面２０ａに格子状に配列された複数のストリート２０１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２０２が形成されている。

上述したレーザー加工装置を用い、上記半導体ウエーハ２０の分割予定ライン２０１に沿ってレーザー光線を照射し、半導体ウエーハ２０の内部にストリート２０１に沿って改質層を形成するレーザー加工の実施形態について説明する。なお、半導体ウエーハ２０の内部に改質層を形成する際に、半導体ウエーハ２０の厚さにバラツキがあると、上述したように屈折率の関係で所定の深さに均一に改質層を形成することができない。そこで、レーザー加工を施す前に、上述した高さ位置計測手段６によってチャックテーブル３６に保持された半導体ウエーハ２０の高さ位置を計測する。
即ち、先ず上述した図１に示すレーザー加工装置のチャックテーブル３６上に半導体ウエーハ２０の裏面２０ｂを上にして載置し、該チャックテーブル３６上に半導体ウエーハ２０を吸引保持する。半導体ウエーハ２０を吸引保持したチャックテーブル３６は、加工送り手段３７によって撮像手段９の直下に位置付けられる。

チャックテーブル３６が撮像手段９の直下に位置付けられると、撮像手段９および制御手段１０によって半導体ウエーハ２０のレーザー加工すべき加工領域を検出するアライメント作業を実行する。即ち、撮像手段９および制御手段１０は、半導体ウエーハ２０の所定方向に形成されているストリート２０１と、該ストリート２０１に沿って半導体ウエーハ２０の高さを計測する高さ位置計測手段６の対物集光レンズ５２７との位置合わせを行うためのパターンマッチング等の画像処理を実行し、アライメントを遂行する。また、半導体ウエーハ２０に形成されている所定方向と直交する方向に形成されているストリート２０１に対しても、同様にアライメントが遂行される。このとき、半導体ウエーハ２０のストリート２０１が形成されている表面２０ａは下側に位置しているが、撮像手段９が上述したように赤外線照明手段と赤外線を捕らえる光学系および赤外線に対応した電気信号を出力する撮像素子（赤外線ＣＣＤ）等で構成された撮像手段を備えているので、裏面２０ｂから透かしてストリート２０１を撮像することができる。

そして、チャックテーブル３６上に保持されている半導体ウエーハ２０に形成されているストリート２０１を検出し、高さ計測位置のアライメントが行われたならば、チャックテーブル３６を移動して計測開始位置のストリート２０１の一端を対物集光レンズ５２７の直下に位置付ける。そして、高さ位置計測手段６を作動するとともに、チャックテーブル３６を矢印Ｘで示す方向に移動し、送り終了位置まで移動する（高さ位置計測工程）。この結果、半導体ウエーハ２０の計測開始位置のストリート２０１における高さ位置（対物集光レンズ５２７から被加工物Wの上面までの距離(H)）を上述したように計測することができる。この計測された高さ位置（対物集光レンズ５２７から被加工物Wの上面までの距離(H)）は、上記ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１０３の第２に記憶領域１０３ｂに格納されているストリート２０１の座標値に対応して第３の記憶領域１０３cに格納される。このようにして、半導体ウエーハ２０に形成された全てのストリート２０１に沿って高さ位置計測工程を実施し、各ストリート２０１における高さ位置を上記ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１０３の第３の記憶領域１０３cに格納する。

以上のようにして半導体ウエーハ２０に形成された全てのストリート２０１に沿って高さ位置計測工程を実施したならば、半導体ウエーハ２０の内部にストリート２０１に沿って改質層を形成する改質層形成工程を実施する。
この改質層形成工程を実施するに際しては、制御手段１０はランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１０３の第３の記憶領域１０３cに格納されている半導体ウエーハ２０のストリート２０１における高さ位置に基いて、集光点位置調整手段５３のパルスモータ５３２を制御し、対物集光レンズ５２７を半導体ウエーハ２０のストリート２０１における高さ位置に対応して上下方向に移動せしめる。この結果、半導体ウエーハ２０の内部には、裏面２０b(上面)から所定の深さ位置に裏面２０b(上面)と平行に２層の改質層が形成される。

以上のようにして、半導体ウエーハ２０の全てのストリート２０１に沿って上記レーザー加工工程を実施したならば、半導体ウエーハ２０を保持しているチャックテーブル３６は、最初に半導体ウエーハ２０を吸引保持した位置に戻され、ここで半導体ウエーハ２０の吸引保持を解除する。そして、半導体ウエーハ２０は、図示しない搬送手段によって分割工程に搬送される。

２：静止基台
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
３７４：X軸方向位置検出手段
３８：第１の割り出し送り手段
３８４：Y軸方向位置検出手段
４：レーザー光線照射ユニット支持機構
４２：可動支持基台
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
５２：レーザー光線照射手段
５２２：加工用パルスレーザー光線発振器
５２３：ダイクロイックミラー
５２４：複屈折レンズ
５２７：対物集光レンズ
６：高さ位置計測手段
６１：計測用レーザー光線発振器
６２：第１のビームスプリッター
６３：第２のビームスプリッター
６４ａ：第１の集光レンズ
６４ｂ：第２の集光レンズ
６５ａ：第1のホトデテクター
６５ｂ：第２のホトデテクター
６６：マスク
７：集光点調整手段
７１：１／２波長板
７２：１／４波長板
７３：第３のビームスプリッター
７４：第４のビームスプリッター
７５：第１の反射体
７６：第２の反射体
７７：集光点調整レンズ
９：撮像手段
１０：制御手段
２０：半導体ウエーハ

Claims (2)

1. 被加工物を保持するチャックテーブルと、該チャックテーブル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、該チャックテーブルと該レーザー光線照射手段とを相対的に加工送りする加工送り手段と、該チャックテーブルに保持された被加工物の上面の高さ位置を計測する高さ位置計測手段とを具備し、
   該レーザー光線照射手段は、加工用のレーザー光線を発振する加工用レーザー光線発振器と、該加工用レーザー光線発振器が発振する加工用レーザー光線を常光と異常光に分離する複屈折レンズと、該複屈折レンズによって分離された常光と異常光をそれぞれ集光して常光の集光点と異常光の集光点とからなる２個の集光点を形成する対物集光レンズを具備している、レーザー加工装置において、
   該高さ位置計測手段は、計測用のレーザー光線を発振する計測用レーザー光線発振器と、該計測用レーザー光線発振器から発振された計測用レーザー光線を該複屈折レンズおよび該対物集光レンズが配設された第１の経路に導くとともに該複屈折レンズおよび該対物集光レンズを通して照射され該チャックテーブルに保持された被加工物の上面で反射し該対物集光レンズおよび該複屈折レンズを介して導かれた反射光を第２の経路に導く第１のビームスプリッターと、該第２の経路に導かれた反射光を第３の経路と第４の経路に分光する第２のビームスプリッターと、該第３の経路に分光された反射光を受光する第1のホトデテクターと、該第４の経路に配設され該第４の経路に分光された反射光を遮光して中央部の反射光を通過させるマスクと、該マスクを通過した反射光を受光する第２のホトデテクターと、該第1のホトデテクターによって受光した光量と該第２のホトデテクターによって受光した光量との比率を求め、該比率に基づいてチャックテーブルに保持された被加工物の高さ位置を求める制御手段と、を具備しており、
   該第１のビームスプリッターと該複屈折レンズとの間には、該複屈折レンズを介し該対物集光レンズによって形成される集光点を１個の集光点に調整する集光点調整手段が配設されている、
   ことを特徴とするレーザー加工装置。
2. 集光点調整手段は、該第1のビームスプリッターを通過した直線偏光の計測用レーザー光線を円偏光に変換する１／４波長板と、該１／４波長板と該複屈折レンズとの間に所定の間隔を持って配設された第３のビームスプリッターおよび第４のビームスプリッターと、該第３のビームスプリッターによって分岐され第５の経路に導かれた計測用レーザー光線を該第４のビームスプリッターに合流させる互いに所定の間隔を持って配設された第１の反射体および第２の反射体と、該第３のビームスプリッターと該第４のビームスプリッターとの間に配設された集光点調整レンズとを具備している、請求項１記載のレーザー加工装置。

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