(57)【要約】【課題】  微細加工を高精度に実行することが可能なレーザー加工装置を提供する。【解決手段】  Ｘ−Ｙ−θテーブル１２により支持されたウエハ１の表面に純水を供給する純水供給ノズル１４と、ウエハ１の表面に供給された純水の表面に空気を供給する空気供給ノズル１５と、この空気供給ノズル１５の上方に配設された合成石英板１６と、水滴吸引ノズル１７と、ウエハ１に対してレーザービームＬを照射するレーザービーム照射機構２０とを備える。このとき、空気供給ノズル１５における純水流側のスリットから、純水流が流れる方向に空気流を噴出することにより、純水流の膜厚を極めて小さいものとすることが可能となる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工対象物を支持する支持部材と、
前記支持部材に支持された加工対象物の表面に液体を供給する液体供給手段と、
前記加工対象物の表面に供給された液体の表面に気体を供給する気体供給手段と、
前記液体が供給された加工対象物に対してレーザービームを照射するレーザービーム照射手段と、
前記支持部材を前記レーザービーム照射手段に対して相対的に移動させる移動手段と、
を備えたことを特徴とするレーザー加工装置。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザー加工装置において、
前記液体供給手段は、前記加工対象物の表面に層状の液体流を形成するものであり、
前記気体供給手段は、前記液体供給手段により形成された層状の液体流と同じ方向に気体を供給することにより、液体流の層厚を小さくするレーザー加工装置。
【請求項３】
請求項２に記載のレーザー加工装置において、
前記気体供給手段は、レーザービームの入射側にレーザービームの入射孔が形成されるとともに、層状の液体側に液体流の流れ方向を向くスリットが形成された管状部材を備えるレーザー加工装置。
【請求項４】
請求項３に記載のレーザー加工装置において、
前記気体供給手段における入射孔の上部に、レーザービームを透過させる透光性部材を配設したレーザー加工装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のレーザー加工装置において、
前記液体供給手段から供給された液体に対して前記気体供給手段から供給気体を供給することで生ずる水滴を吸引する水滴吸引手段を備えたレーザー加工装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のレーザー加工装置において、
前記レーザービーム照射手段から照射されるレーザービームはパルス状であって、
前記レーザービームの照射スポット径をＤ、前記レーザービームの繰り返し周波数をｆとしたとき、前記液体の加工領域における平均流速がＤ×ｆ以上であるレーザー加工装置。
【請求項７】
請求項６に記載のレーザー加工装置において、
前記気体供給手段から供給された気体の平均流速が２×Ｄ×ｆ以上であるレーザー加工装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のレーザー加工装置において、
前記加工対象物表面の加工領域における液体流の厚さが１００μｍ以下であるレーザー加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、加工対象物に対してレーザービームを照射することにより加工対象物を加工するレーザー加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、微細加工を行う場合にレーザー加工技術が注目されている。例えば、半導体ウエハをチップに分割する場合に、レーザービームを利用したレーザー加工が採用されている。しかしながら、レーザー加工時においては、一般的に、デブリと呼称される加工屑が発生し、このデブリが加工領域周辺に付着するという問題が生ずる。また、レーザービームを利用して加工対象物を加工したときには、レーザービームに起因する熱ストレスにより、加工対象物が損傷を受けるという問題も生ずる。
【０００３】
このため、特許文献１には、加工対象物の表面にその垂線方向から液体を勢い良く噴出することで液体ビームを形成し、この液体ビームをレーザービームガイドとする状態で加工対象物にレーザービームを照射する加工装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３６８０８６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した特許文献１に記載の加工装置は、液体ビーム内部をレーザー光が全反射を繰り返すことによりレーザービームを加工対象物に誘導するものであることから、加工用のレーザービームを一定以上絞り込むことが難しく、微細加工が困難であるという問題が生ずる。
【０００６】
この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、微細加工を高精度に実行することが可能なレーザー加工装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の発明は、加工対象物を支持する支持部材と、前記支持部材に支持された加工対象物の表面に液体を供給する液体供給手段と、前記加工対象物の表面に供給された液体の表面に気体を供給する気体供給手段と、前記液体が供給された加工対象物に対してレーザービームを照射するレーザービーム照射手段と、前記支持部材を前記レーザービーム照射手段に対して相対的に移動させる移動手段とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記液体供給手段は、前記加工対象物の表面に層状の液体流を形成するものであり、前記気体供給手段は、前記液体供給手段により形成された層状の液体流と同じ方向に気体を供給することにより、液体流の層厚を小さくする。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記気体供給手段は、レーザービームの入射側にレーザービームの入射孔が形成されるとともに、層状の液体側に液体流の流れ方向を向くスリットが形成された管状部材を備えている。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記気体供給手段における入射孔の上部に、レーザービームを透過させる透光性部材を配設している。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の発明において、前記液体供給手段から供給された液体に対して前記気体供給手段から供給気体を供給することで生ずる水滴を吸引する水滴吸引手段を備えている。
【００１２】
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の発明において、前記レーザービーム照射手段から照射されるレーザービームはパルス状であって、前記レーザービームの照射スポット直径をＤ、前記レーザービームの繰り返し周波数をｆとしたとき、前記液体の加工領域における平均流速がＤ×ｆ以上である。
【００１３】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、前記気体供給手段から供給された気体の平均流速が２×Ｄ×ｆ以上である。
【００１４】
請求項８に記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の発明において、前記加工対象物表面の加工領域における液体流の厚さが１００μｍ以下である。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に記載の発明によれば、加工対象物の表面に液体と気体を供給することによりデブリの付着や熱ストレスの損傷を防止しつつも、微細加工を高精度に実行することが可能となる。
【００１６】
請求項２に記載の発明によれば、液体流の層厚を小さくすることにより、加工時に液体中で発生した気泡を瞬時に気体中に放出することができる。このため、気泡によるレーザービームの散乱により加工領域の周辺でレーザー照射損傷が生ずることを有効に防止することが可能となる。
【００１７】
請求項３に記載の発明によれば、液体の表面に供給される気体の気流の乱れを抑制することで層状の液体流の表面の乱れを低減させることができる。このため、レーザービームの流体の表面における光学散乱を防止することができ、加工精度を向上させることが可能となる。
【００１８】
請求項４に記載の発明によれば、管状部材の入射孔から噴出する気体による気流の乱れを抑制することで層状の液体流の表面の乱れをさらに低減させることができる。このため、レーザービームの流体の表面における光学散乱をより高度に防止することができ、加工精度をさらに向上させることが可能となる。
【００１９】
請求項５に記載の発明によれば、水滴を吸引除去することで、水滴に起因するレーザー加工形状の悪化を抑制することが可能となる。
【００２０】
請求項６および請求項７に記載の発明によれば、レーザービームの照射により液体中に発生する気泡に起因して加工対象物の表面に液体が除去された領域が発生しても、次のレーザービームの照射までにこの領域を除去することが可能となる。
【００２１】
請求項８に記載の発明によれば、加工時に液体中で発生した気泡を瞬時に気体中に放出することができる。このため、気泡によるレーザービームの散乱により加工領域の周辺でレーザー照射損傷が生ずることを有効に防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】この発明に係るレーザー加工装置の概要図である。
【図２】純水供給ノズル１４および空気供給ノズル１５と、合成石英板１６およびウエハ１との配置関係を示す図である。
【図３】空気供給ノズル１５の形状を示す図である。
【図４】レーザー加工時の気泡４２の発生と放出の様子を模式的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、この発明に係るレーザー加工装置の概要図である。
【００２４】
このレーザー加工装置は、加工対象物としてのシリコンウエハ（以下、単に「ウエハ」という）１に対してレーザービームＬを利用して加工を行うものであり、チャンバー１１内に配置されたＸ−Ｙ−θテーブル１２と、このＸ−Ｙ−θテーブル１２により支持されたウエハ１の表面に純水を供給する純水供給ノズル１４と、ウエハ１の表面に供給された純水の表面に空気を供給する空気供給ノズル１５と、この空気供給ノズル１５の上方に配設された合成石英板１６と、水滴吸引ノズル１７と、レーザービーム照射機構２０とを備える。
【００２５】
また、レーザービーム照射機構２０は、レーザービームを照射するレーザー光源２１と、レーザー光源２１から照射されたレーザービームを拡張するビームエキスパンダ２２と、ビームエキスパンダ２２により拡張されたレーザービームをウエハ１へ向けて反射するハーフミラー２３と、集光レンズ２４と、ハーフミラー２３を介してウエハ１を撮像することにより、ウエハ１の位置決めと観察を行うＣＣＤカメラ２５とを備える。
【００２６】
レーザー光源２１としては、ＱスイッチＮｄ:ＹＡＧ第三高周波を使用する。このときの波長は例えば３５５ｎｍであり、パルス幅は１２ｎｓｅｃである。また、繰り返し周波数は１５ｋＨｚ〜５０ｋＨｚの範囲で調整可能であり、１パルスあたりの照射エネルギー密度はウエハ１の表面で１〜１０Ｊ／ｃｍ2 、レーザービームの照射スポット直径はビームエキスパンダ２２により３０μｍ〜６０μｍの範囲で調整可能である。なお、このレーザー光源２１としては、ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧ基本波、ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧ第二高周波、ＱスイッチＮｄ：ＹＶＯ4 基本波、ＱスイッチＮｄ：ＹＶＯ4 第二高周波、ＱスイッチＮｄ：ＹＶＯ4 第三高調波等のパルス発振するその他のレーザー光源も使用可能である。
【００２７】
また、集光レンズの焦点距離を選択することで、レーザービームの照射スポット直径は、１０μｍ以下にすることも可能である。
【００２８】
このレーザー加工装置においては、Ｘ−Ｙ−θテーブル１２により支持されたウエハ１と合成石英板１６との間の領域に、純水供給ノズル１４および空気供給ノズル１５から、純水と空気が供給される。ウエハ１に供給された純水は、チャンバー１１により回収され、排出管１８を介して外部に排出される。また、そのときに発生する水滴は、水滴吸引ノズル１７により吸引除去される。
【００２９】
図２は、上述した純水供給ノズル１４および空気供給ノズル１５と、合成石英板１６およびウエハ１との配置関係を示す図である。なお、図２（ａ）はその側面概要を示し、図２（ｂ）はその縦断面概要を示している。また、図３は、空気供給ノズル１５の形状を示す図である。なお、図３（ａ）は空気供給ノズル１５を合成石英板１６とともに示す平面図であり、図３（ｂ）は空気供給ノズル１５の斜視図である。
【００３０】
図２（ａ）に示すように、Ｘ−Ｙ−θテーブル１２により支持されたウエハ１の表面と近接する位置には、ウエハ１の表面に対して斜め上方から小さい角度をもって純水を供給するための、上述した純水供給ノズル１４が配設されている。この純水供給ノズル１４からウエハ１の表面に小さい角度をもって供給された純水は、ウエハ１の表面に層状の純水流３１を形成する。一方、純水供給ノズル１４の上方には、上述した空気供給ノズル１５が配設されている。この空気供給ノズル１５は、ウエハ１の表面に供給された層状の純水流３１の表面に対して、この純水流３１の方向と同じ方向に空気を供給することにより、純水流３１の層厚を薄くするためのものである。
【００３１】
この空気供給ノズル１５は、図２（ｂ）および図３に示すように、レーザービームＬの入射側にレーザービームＬの入射孔としてのスリット３２が形成されるとともに、純水流３１側にスリット３３が形成された、その断面が略楕円状の管状部材から構成される。スリット３２、３３は、その長手方向が純水流３１の流れ方向となっている。そして、空気供給ノズル１５におけるレーザービームＬの入射側のスリット３２は、合成石英板１６と当接している。
【００３２】
次に、このような構成を有するレーザー加工装置によりウエハ１をレーザー加工する加工動作について説明する。
【００３３】
最初に、ウエハ１をＸ−Ｙ−θテーブル１２により支持させる。このＸ−Ｙ−θテーブル１２は、そこに支持したウエハ１を、Ｘ方向、Ｙ方向およびθ方向に移動させることが可能となっている。この状態において、純水供給ノズル１４より純水を噴出させるとともに、空気供給ノズル１５から高圧の空気を噴出させる。このときには、純水供給ノズル１４から噴出する純水の平均流速は、例えば、１ｍ／ｓｅｃであり、空気供給ノズル１５から噴出する空気の平均流速は、例えば、１５ｍ／ｓｅｃである。
【００３４】
純水供給ノズル１４から噴出された純水はウエハ１の表面で層状の純水流３１となる。そして、この純水流３１の上部に、空気供給ノズル１５内を通過する空気流４１が純水流３１と同方向に向けて形成される。この空気流４１は、純水流３１を薄くする作用を奏し、この空気流４１の作用により純水流３１の層厚が小さくなる。特に、この実施形態においては、空気供給ノズル１５における純水流３１側のスリット３３から、純水流３１が流れる方向に空気流４１が噴出されることから、純水流３１の膜厚を極めて小さいものとすることが可能となる。
【００３５】
例えば、空気供給ノズル１５から噴出される空気の平均流速が１５ｍ／ｓｅｃであり、空気供給ノズル１５の高さが１００μｍ〜５００μｍ、空気供給ノズル１５における純水流３１側のスリット３３の幅を５００μｍとした場合、空気供給ノズル１５から生ずる空気流４１の作用により、純水流３１の層厚を１００μｍ以下とすることができる。
【００３６】
そして、空気流４１が純水流３１の表面を純水流３１と平行に流れ、かつ、空気流４１の流速が純水流３１の流速より大幅に速いことから、純水流３１の速度向上が達成され、レーザービームＬによる加工領域においては、純水流３１の流速は、６〜８ｍ／ｓｅｃ程度となる。すなわち、レーザービームＬによるウエハ１の加工領域においては、純水流３１の流速は空気流４１の流速の約１／２倍となることになる。
【００３７】
この状態において、レーザービームＬを、合成石英板１６および空気供給ノズル１５のスリット３２、３３を介してウエハ１の表面に照射する。このときには、レーザービームＬの絞り限界は、純水によっては殆ど制限を受けないことから、数μｍ程度までの微細加工が可能となる。そして、レーザー加工時に生ずるデブリが加工領域周辺に付着するという問題と、レーザービームＬに起因する熱ストレスの問題を、純水流３１の作用により解消することが可能となる。
【００３８】
ところで、このようにウエハ１に対して純水を供給しながらレーザービームＬを照射してレーザー加工を実行したときには、レーザービームＬの照射直後に、純水中に気泡が発生することを本発明者は見いだした。パルス状のレーザービームＬを照射してこのような気泡が発生し、この気泡４２が次のパルス状のレーザービームＬが照射される前に純水中から除去されなかった場合には、この気泡による光学散乱の影響で、加工領域周辺で散乱したレーザービームに起因するレーザー照射損傷が形成されることになる。しかしながら、この発明に係るレーザー加工装置においては、純水流３１の厚さを小さく制御することで、気泡の影響を防止している。
【００３９】
図４は、レーザー加工時の気泡４２の発生と放出の様子を模式的に示す説明図である。
【００４０】
図４（ａ）に示すように、ウエハ１にパルス状のレーザービームＬを照射したときには、ウエハ１が加工されるときに気泡４２が発生する。このままの状態で、次のパルス状のレーザービームＬが照射された場合には、この気泡４２により光学散乱が生ずる。しかしながら、この発明においては、純水流３１の層厚が十分小さいことから、図４（ｂ）に示すように、この気泡４２は純水流３１を突き破って外部に放出される。従って、散乱レーザービームに起因するレーザー照射損傷を有効に防止することが可能となる。
【００４１】
このときの純水流３１の層厚は、例えば、１００μｍ以下であることが好ましい。すなわち、この純水流３１の層厚を、純水中で発生する気泡４２の大きさより小さくすれば、この気泡４２を速やかに外部に放出することが可能となる。ここで、レーザービームＬの照射スポット直径をレーザー加工に最適な３０μｍ〜６０μｍ程度に設定した場合には、気泡４２の大きさが１００μｍ以上となる。このため、純水流３１の層厚を１００μｍ以下とすることにより、純水中で発生する気泡４２を速やかに外部に放出することが可能となる。
【００４２】
このように、本願発明においては、空気流４１の作用により純水流３１の層厚を小さくすることで、気泡４２を速やかに放出させて光学散乱の影響を防止している。しかしながら、図４（ｂ）に示すように、気泡４２が放出された直後に次のパルス状のレーザービームＬが照射された場合には、純水流３１が存在しないウエハ１の表面にレーザービームＬが照射されることになり、従来のレーザー加工の場合と同様、デブリの発生や熱によるストレスの問題が生ずる。
【００４３】
パルス状のレーザービームＬを使用したときに、レーザービームＬが照射されることにより発生した気泡４２により純水が除去された領域が、次のパルス状のレーザービームＬが照射される前に加工領域から除去されるためには、純水流３１の流速をＦＷ、ウエハ１に照射されるレーザービームの照射スポット直径をＤ、レーザービームＬの繰り返し周波数をｆとしたときに、純水流３１の加工領域における平均流速ＦＷを、Ｄ×ｆ以上とする必要がある。純水流３１の流速ＦＷとレーザービームの照射スポット直径ＤとレーザービームＬの繰り返し周波数ｆとの関係をこのように設定することにより、レーザービームＬの照射で発生した気泡４２により純水が除去された領域が、次のパルス状のレーザービームＬが照射される前に加工領域から退出することになる。
【００４４】
なお、上述したように、レーザービームＬによるウエハ１の加工領域においては、空気流４１の流速は純水流３１の流速の約２倍となることが判明している。このため、空気流４１の流速をＦＧとしたときには、空気流４１の加工領域における平均流速ＦＧを、２×Ｄ×ｆ以上とすることが好ましい。空気流４１の流速ＦＧとレーザービームの照射スポット直径ＤとレーザービームＬの繰り返し周波数ｆとの関係をこのように設定した場合においても、レーザービームＬの照射で発生した気泡４２による純水が除去された領域を、次のパルス状のレーザービームＬが照射される前に加工領域から退出させることができる。
【００４５】
本発明者の実験によると、レーザービームＬの照射スポット直径Ｄを６０μｍとし、レーザービームＬの繰り返し周波数ｆを３０ｋＨｚとしたときに、空気流４１の加工領域における平均流速ＦＧを、上記の条件から外れる３．５ｍ／ｓｅｃ以下とすると、デブリによる汚染の発生が確認される。このときの純水流３１の平均流速は１．７５ｍ／ｓｅｃであり、純水流３１の層厚は１００μｍであった。なお、このときには、加工領域周辺においてレーザー照射損傷は観測されていないことから、レーザービームＬの照射により発生する気泡４２の問題は解消されていることが確認できる。
【００４６】
この発明に係るレーザー加工装置においては、レーザービームＬの入射側に入射孔としてのスリット３２が形成されるとともに、純水流３１側にスリット３３が形成された、その断面が略楕円状の管状部材からなる空気供給ノズル１５を使用して、純水流３１の表面に空気流４１を供給している。このため、空気供給ノズル１５におけるスリット３３から噴出される空気流４１における気流の乱れが抑制される。これにより、純水流３１の表面の乱れを低減することができ、純水流３１の表面におけるレーザービームＬの光散乱が抑制されることから、微細加工を行うことができ、加工精度を向上させることが可能となる。
【００４７】
また、このとき、空気供給ノズル１５におけるレーザービームＬの入射側のスリット３２と当接する位置に、合成石英板１６が配設されている。このため、スリット３２から空気が噴出されることにより生ずる空気流４１の気流の乱れが抑制される。これにより、気体供給ノズル１５内で発生する空気流４１の気流の乱れを低減することができ、純水流３１の表面におけるレーザービームＬの光散乱が抑制されることから、微細加工を行うことができ、加工精度を向上させることが可能となる。
【００４８】
ただし、空気供給ノズル１５におけるレーザービームＬの入射側のスリット３２にかえて、十分小さなレーザービーム通過孔を使用することにより、この合成石英板１６を省略することも可能である。すなわち、このスリット３２にかわるレーザービームＬの通過孔として、例えば、その直径が１ｍｍ程度の円形の孔を使用した場合には、空気供給ノズル１５内の空気の流速を保ったまま、気体供給ノズル１５内で発生する空気流４１の気流の乱れを低減することができ、純水流３１の表面におけるレーザービームＬの光散乱を抑制して、加工精度を向上させることが可能となる。
【００４９】
なお、上述したレーザー加工装置によりレーザー加工を継続して実行した場合においては、純水流３１に対して空気供給ノズル１５から空気流４１を供給したときに、純水による極めて小さな水滴が発生する。この水滴が合成石英板１６や集光レンズ２４に付着した場合には、この水滴によりレーザービームＬが散乱し、レーザービームＬによる加工形状が悪化するという問題を生ずる。
【００５０】
このため、このレーザー加工装置においては、上述したように、純水流３１から発生する水滴を、水滴吸引ノズル１７により吸引除去する構成を採用している。この水滴吸引ノズル１７は、純水流３１の下流側に配設された円錐状の形状を有する。そして、この水滴吸引ノズル１７は、その吸引力が例えば３００ｌ／ｓｅｃのロータリポンプと接続されている。このため、この水滴吸引ノズル１７により、純水流３１から発生する水滴を有効に吸引除去することが可能となる。
【００５１】
上述した実施形態においては、液体として純水を使用しているが、この液体としてはレーザービームＬに対して透明な液体であれば、純水以外を使用してもよい。例えば、この液体としてエタノールやメタノールを使用し、レーザー光源２１としてＱスイッチＮｄ:ＹＡＧ第二高周波を使用してＳｉウエハを加工した場合には、加工領域周辺での酸化を抑止する効果を期待することができる。
【００５２】
また、上述した実施形態においては、気体として空気を使用しているが、窒素、酸素、アルゴン、ヘリウム等の他の気体を使用してもよい。
【符号の説明】
【００５３】
１      シリコンウエハ
１１    チャンバー
１２    Ｘ−Ｙ−θテーブル
１４    純水供給ノズル
１５    空気供給ノズル
１６    合成石英板
１７    水滴吸引ノズル
２０    レーザービーム照射機構
２１    レーザー光源
２２    ビームエキスパンダ
２３    ハーフミラー
２４    集光レンズ
２５    ＣＣＤカメラ
３１    純水流
３２    スリット
３３    スリット
４１    空気流
【図１】
2010253521.tif 000003
【図２】
2010253521.tif 000004
【図３】
2010253521.tif 000005
【図４】
2010253521.tif 000006