(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板の特性をレーザ穴あけ加工によって調整する加工装置であって、被加工材の特性を測定する特性検査部、この特性検査部の測定データに基づいて加工想定位置を決定する加工位置決定部、前記加工想定位置およびそのうち既に加工を施した加工済み穴の位置を記憶する加工位置記憶部、加工位置記憶部に記憶されるデータに基づき加工の有無を判断するとともに、加工が施されていない加工想定位置のうち最先に加工を施す加工着手位置および加工済み穴の位置を加工パターン決定部に送信する加工処理判断部、前記加工着手位置の半径80μｍ以内に加工済み穴がない場合には、改質処理を施した後に加工を行う加工パターンを選択し、前記加工着手位置の半径80μｍ以内に加工済み穴がある場合には、改質処理を施すことなく加工を行う加工パターンを選択する加工パターン決定部、加工パターン決定部で選択された加工パターンが行えるように加工条件を調整する加工制御部、ならびに、少なくともレーザ発振器および加工ヘッドから構成される加工部を具備するシリコン基板用レーザ加工装置。
【請求項２】
リング型振動ジャイロのリング特性をレーザ穴あけ加工によって調整する加工装置であって、リングの振動特性を測定する特性検査部、特性検査部の測定データに基づいて加工想定位置を決定する加工位置決定部、前記加工想定位置およびそのうち既に加工を施した加工済み穴の位置を記憶する加工位置記憶部、加工位置記憶部に記憶されるデータに基づき加工の有無を判断するとともに、加工が施されていない加工想定位置のうち最先に加工を施す加工着手位置および加工済み穴の位置を加工パターン決定部に送信する加工処理判断部、前記加工着手位置の±１°（リングの中心角）の範囲内に加工済み穴がない場合には、改質処理を施した後に加工を行う加工パターンを選択し、前記加工着手位置の±１°（リングの中心角）の範囲内に加工済み穴がある場合には、改質処理を施すことなく加工を行う加工パターンを選択する加工パターン決定部、加工パターン決定部が選択した加工パターンで穴あけ加工を行うようにレーザ条件を調整する加工制御部、ならびに、少なくともレーザ発信器および加工ヘッドからなる加工部を具備するリング型振動ジャイロ用レーザ加工装置。
【請求項３】
上記の改質処理を加工表面におけるエネルギー密度が6,500〜55,000J/m２であるレーザを照射して行うことを特徴とする請求項１または２に記載のシリコン基板用レーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイスを構成するシリコン基板のレーザ穴あけにおいて、溶融シリコンの飛び散りが発生しないレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイス、特に半導体集積回路（ＩＣ）、マイクロエレクトロニクスデバイス、または精密測定デバイスにおいて、シリコンが最も代表的な基板材料として用いられている。このように、シリコン基板が多用されるのは、工業的に高純度のシリコンウェーハが廉価に製造でき、さらに化学的に極めて安定な酸化膜（SiＯ２）をシリコン基板上に形成することにより、高集積化デバイスの製造に重要な素子間の絶縁分離が容易に図れるからである。
【０００３】
例えば、バッチシステムによるＩＣの製造においては、多数のデバイスが１枚のシリコンウエーハ上に同時に形成されるが、個々のデバイスは互いに電気的に絶縁分離されなければならない。このデバイス特性に要求される絶縁分離は、ウエーハ上に0.3〜1.0μm程度の酸化膜を生成させることによって達成することができる。
【０００４】
一方、デバイスの微細化に伴って、その製造工程ではマイクロマシーニング技術の開発が要請されるようになる。これに対応して、被加工物を非接触で高精度かつ高効率に切断、穴あけ、金属の溶接または熱処理等の加工する手段として、レーザ光の照射による加工方法が開発されている。
【０００５】
このレーザ加工装置には、その発光媒体によって、固体レーザ、気体レーザ、エキシマレーザ、金属蒸気レーザおよび色素レーザ等に分類される。そして、固体レーザの光源としてルビー、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）、ガラス、アレキサンドライト、気体レーザの光源としてＣＯ２、ＣＯ、Arイオン、エキシマレーザの光源としてArＦ、KrＦ、XeCl、XeＦ、金属蒸気レーザの光源としてCuイオン、色素レーザとしてDyeレーザが知られている。
【０００６】
これらのレーザによる加工特性を左右する要因には、集光特性、被加工物のビーム反射率に影響するビーム波長、被加工物への入熱状態を最適化するために必要な出力形態、加工の能力に影響するレーザの平均出力等がある。従って、各種レーザの加工特性を考慮して、被加工物の材質や厚み、加工の目的等に応じてレーザを使い分ける必要があるが、一般的には、大きな出力が得られることから、ＹＡＧレーザまたはＣＯ２レーザが広く普及している。
【０００７】
図１は、レーザ出力を時間的モードで示した図である。レーザの発振形式には、(a)に示すＣＷ（連続波）と周期的に断続照射するパルスとがある。さらに、パルス発振には(b)に示すノルマルパルスと、(c)に示すようにピーク値は高いが照射時間の極めて短いＱ−スイッチパルスに分類される。
【０００８】
通常、被加工物の切断または穴あけ加工を行う場合のように、急激な加熱により被加工物に割れが生じる可能性がある場合には、パルスを繰り返し照射する加工方法が採用され、金属の溶接や熱処理等にはＣＷによる加工が適している。
【０００９】
さらに、加工目的によって、被加工物の表面に照射されるエネルギー密度を変更する必要もある。被加工物の切断や穴あけを行う場合には、被加工物を溶融、蒸発させる必要があるため、高いエネルギー密度のレーザを照射させる。例えば、ＹＡＧレーザ（波長：532μm）よってシリコン基板に穴あけ加工する場合には、通常、110,000J/m２程度のエネルギー密度のレーザで加工する必要がある。
【００１０】
しかしながら、被加工物に照射されるレーザのエネルギー密度が高い場合には、レーザが照射された部分において、溶融したシリコン基板が飛び散るという現象がある。このような飛び散りが発生すると、半導体デバイスで最も重要な要素である素子間分離を破壊して、絶縁特性を阻害することになる。これにより、デバイスの信頼性を著しく低下させるという問題が生じる。
【００１１】
精緻なデバイスの事例として、リング型振動ジャイロが挙げられる。従来から、振動ジャイロの信頼性を向上されるため種々の改善が検討され、その一環として、リング型振動ジャイロを構成する半導体振動子の駆動状態を調整する方法が提案されている（特開平11-83498号公報参照）。ここで提案された方法であっても、絶縁特性を確保するために、加工精度に優れる穴あけ加工法の検討が必要になる。
【００１２】
図２は、リング型振動ジャイロの構成を模式的に表した図である。同図に示すように、リング型振動ジャイロ１は、リング２を略Ｓ字状ビーム３で懸架する構成のサスペンションを有している。さらに、リング２の内側には、図示しないが、マグネットが設置され、リング２周辺には磁界が発生しており、一方で略Ｓ字状ビーム３を介してリング２には電流が流されるので、リング２はローレンツ力を受けて径方向に振動モードが生じる。
【００１３】
このような構成を有するリング型振動ジャイロは、マイクロマシーニング技術を応用して、高精度な加工が施されるが、センサーヘッドとしての性能にばらつきが見られる場合がある。具体的には、リングの周方向における質量や剛性の不均一から生じる振動モードの駆動位置の角度エラー（α）または各振動方向での共振周波数のばらつき（Ｆスプリット）が発生する場合である。そこで、上記公報で提案された調整方法では、振動モードの角度エラー（α）およびリングの共振周波数のばらつき（Ｆスプリット）を検出して、検出結果に基づいて決定した加工想定位置にレーザ光を照射してシリコン基板の一部を除去することとしている。
【００１４】
図３は、シリコン基板に形成されたリングを上方から見た拡大図である。リング２は、シリコン基板４の上にマーク６を有した帯状電極５を設置した構成を有する。ここで、マーク６は、検出した角度エラー等の特性に基づいて決定した加工想定位置にレーザを照射する場合に、その位置を特定するために設置された角度指示マークである。上記の特開平11-83498号公報で提案された調整方法では、この角度指示マークの位置を目安として、レーザの照射によってシリコン基板の一部を除去し、穴７を作製することによって、リングの周方向における質量のバランスを調整して、振動子の駆動状態のばらつきを防止することとしている。
【００１５】
図４は、上記図３におけるＡ−Ａ断面の構成を拡大して示した図である。同図に示すとおり、シリコン基板４は、シリコンウエーハ4-1の表面に酸化膜（SiＯ２）4-2が絶縁層として形成され、酸化膜上に帯状電極５が構成されている。このため、シリコンウエーハ4-1および帯状電極５は、酸化膜4-2によって分離されているため、目的とされる電気的な絶縁性能が確保される。
【００１６】
しかしながら、前述した110,000J/m２以上という通常のエネルギー密度のレーザの照射によって、シリコン基板４に穴あけ加工を施す際に、糸状の飛び散り８が発生し、場合によってはシリコンウエーハ4-1と帯状電極５との間で絶縁低下が発生し（図中の左側の飛び散り８参照）、振動ジャイロとしての信頼性を低下させることがある。
【００１７】
単に、上述の飛び散り８を防止するためであれば、エネルギー密度の低いレーザを繰り返し照射して穴あけ加工を行えば、ある程度の飛び散りを抑えることができる。しかし、このような低いエネルギー密度のレーザによる繰り返し照射では、浅い穴を加工する場合でも時間的ロスが大きく、深い穴の加工は困難である。また、レーザの照射によって気化したシリコンが、その加工穴付近に再び蒸着（析出）し、加工形状が悪くなるので、実用上採用できない。
【００１８】
このような問題を解決するために、本発明者らは、レーザ光の照射によってシリコン基板表面を改質処理した後、穴あけ加工することによって、発生する溶融シリコンの飛び散りを防止し、加工精度に優れるレーザ加工方法を開発した（特願2001-38845号(特開2002-239765号)）。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のレーザ加工方法を具現化した装置であって、溶融シリコンの飛び散りを防止し、加工精度に優れるとともに、効率的にシリコン基板の穴あけ加工を行うことができるレーザ加工装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、下記の(1)および(2)のシリコン基板用レーザ加工装置を要旨としている。
【００２１】
(1)シリコン基板の特性をレーザ穴あけ加工によって調整する加工装置であって、被加工材の特性を測定する特性検査部、この特性検査部の測定データに基づいて加工想定位置を決定する加工位置決定部、前記加工想定位置およびそのうち既に加工を施した加工済み穴の位置を記憶する加工位置記憶部、加工位置記憶部に記憶されるデータに基づき加工の有無を判断するとともに、加工が施されていない加工想定位置のうち最先に加工を施す加工着手位置および加工済み穴の位置を加工パターン決定部に送信する加工処理判断部、前記加工着手位置の半径80μｍ以内に加工済み穴がない場合には、改質処理を施した後に加工を行う加工パターンを選択し、前記加工着手位置の半径80μｍ以内に加工済み穴がある場合には、改質処理を施すことなく加工を行う加工パターンを選択する加工パターン決定部、加工パターン決定部で選択された加工パターンが行えるように加工条件を調整する加工制御部、ならびに、少なくともレーザ発振器および加工ヘッドから構成される加工部を具備するシリコン基板用レーザ加工装置。
【００２２】
(2)リング型振動ジャイロのリング特性をレーザ穴あけ加工によって調整する加工装置であって、リングの振動特性を測定する特性検査部、特性検査部の測定データに基づいて加工想定位置を決定する加工位置決定部、前記加工想定位置およびそのうち既に加工を施した加工済み穴の位置を記憶する加工位置記憶部、加工位置記憶部に記憶されるデータに基づき加工の有無を判断するとともに、加工が施されていない加工想定位置のうち最先に加工を施す加工着手位置および加工済み穴の位置を加工パターン決定部に送信する加工処理判断部、前記加工着手位置の±１°（リングの中心角）の範囲内に加工済み穴がない場合には、改質処理を施した後に加工を行う加工パターンを選択し、前記加工着手位置の±１°（リングの中心角）の範囲内に加工済み穴がある場合には、改質処理を施すことなく加工を行う加工パターンを選択する加工パターン決定部、加工パターン決定部が選択した加工パターンで穴あけ加工を行うようにレーザ条件を調整する加工制御部、ならびに、少なくともレーザ発信器および加工ヘッドからなる加工部を具備するリング型振動ジャイロ用レーザ加工装置。
【００２３】
なお、上記の(1)および(2)において、改質処理を施す場合には、加工表面におけるエネルギー密度が6,500〜55,000J/m２であるレーザを照射して行う。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図５は、本発明の装置構成の一例を示した模式図である。同図に示すとおり、本発明のレーザ加工装置は、被加工材１１をプローブカード13-1直下の測定位置（図中矢印の左側）または加工ヘッド16-3直下の加工位置（図中矢印の右側）に移動させるとともに、加工の際に被加工材１１をレーザ照射位置に移動するＸＹ軸移動テーブル１２、プローブカード13-1および測定器13-2を有する特性検査部１３、加工位置決定部14-1、加工位置記憶部14-2、加工処理判断部14-3および加工パターン決定部14-4を内蔵するＰＣ１４、Ｑスイッチ周波数、照射時間等のレーザ条件を調整する加工制御部１５、ならびに、レーザ発振器16-1、光ファイバ16-2および加工ヘッド16-3から構成される加工部１６からなり、さらに、Ｚ軸モータ１７およびＣＣＤカメラ１８と連動してレーザの焦点位置を調整するオートフォーカシングユニット１９を有する装置である。
【００２５】
図６は、本発明のレーザ加工装置によって被加工材にレーザ加工を施す場合のフローチャート図である。同図を用いて本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明において、加工想定位置とは、シリコン基板上に穴あけ加工を施すべき位置（複数であっても良い）をいい、加工済み穴の位置とは、加工想定位置のうち、既に本発明装置による加工が施されてできた穴の位置をいい、また、加工着手位置とは、本発明装置による加工が施されていない加工想定位置のうち最先に穴あけ加工を施す位置をいうものとする。
【００２６】
（１）被加工材の特性検査
被加工材１１は、まず、ＸＹ軸移動テーブル１２によってプローブカード13-1直下の測定位置にセットされ、特性検査部１３によってその特性が測定される。特性検査部１３は、測定データを加工位置決定部14-1に送信する。例えば、被加工材がリング型振動ジャイロである場合、特性検査部１３は、リングの共振周波数のばらつき（Ｆスプリット）および角度エラー（α）を把握するためのリング特性を測定し、測定データを加工位置決定部14-1に送信する。
【００２７】
上記検査の結果、被加工材１１は、所定の基準を満たしている場合には次工程に送られ、本発明のレーザ加工装置による処理を施す必要はないが、所定の基準を満たししていない場合にはＸＹ軸移動テーブルによって加工ヘッド16-3直下の加工位置にセットされる。
【００２８】
（２）被加工材の加工想定位置の決定
加工位置決定部14-1は、受信した測定データに基づいて被加工材１１上の加工想定位置を決定し、加工位置記憶部14-2に加工想定位置のデータを送信する。例えば、被加工材がリング型振動ジャイロである場合、加工位置決定部14-1は、受信した測定データに基づきＦスプリット値およびα値を算出し、Ｆスプリット値に基づいてリング上に作製するべき加工穴の数を決定するとともに、α値に基づいてリング上に作製するべき加工穴の位置を決定し、加工位置記憶部14-2に決定した加工穴の数および位置（即ち、加工想定位置）を送信する。
【００２９】
なお、既に加工を行った穴は、加工済み穴の位置として加工処理判断部14-3から加工位置記憶部14-2に送信される。
【００３０】
（３）レーザ加工パターンの決定
加工処理判断部14-3は、加工位置記憶部14-2に記憶されるデータに基づいて、加工処理の有無を判断する。具体的には、加工処理判断部14-3は、１回の加工が完了した後に加工済み穴の位置を加工位置記憶部14-2に記憶させ、更に、加工位置記憶部14-2に記憶される加工想定位置の全ての加工が完了している場合には、被加工材１１をＸＹ軸移動テーブル１２によってプローブカード13-1直下の位置に移動させ、特性検査部１３に上記の（１）の処理を行わせる。一方、加工位置記憶部14-2に記憶される加工想定位置のうち加工が施されていない位置がある場合には、加工処理判断部14-3は、加工着工位置をＸＹ軸移動テーブル１２に送信して、被加工材１１をレーザ照射位置に移動させるとともに、加工着工位置および加工済み穴の位置を加工パターン決定部14-4に送信する。
【００３１】
加工パターン決定部14-4は、受信した加工想定位置および加工済み穴の位置のデータに基づいて、加工着手位置に施す加工パターンを選択し、決定した加工パターンを加工制御部１５に送信する。
【００３２】
具体的には、加工パターン決定部14-4は、加工着手位置の半径80μｍ以内に加工済み穴がない場合には、改質処理を施した後に穴あけ加工を行う加工パターン（以下、加工パターンＡという）を選択し、加工着手位置の半径80μｍ以内に加工済み穴がある場合には、改質処理を施すことなく穴あけ加工を行う加工パターン（以下、加工パターンＢという）を選択する。
【００３３】
これは、加工着手位置の半径80μｍ以内に加工済み穴がない場合には、予め改質処理を施した後でなければ、穴あけ加工の際に溶融シリコンの飛び散りが発生するからであり、加工着手位置の半径80μｍ以内に加工済み穴がある場合には、予め改質処理を施さなくても穴あけ加工の際に溶融シリコンの飛び散りが発生することはないからである。従って、加工パターンの選択基準を加工着手位置の半径80μｍとした。
【００３４】
例えば、被加工材がリング型振動ジャイロである場合、加工パターン決定部14-4は、加工着手位置の±１°（リングの中心角）の範囲内に加工穴がない場合には、加工パターンＡを選択し、加工着手位置の±１°（リングの中心角）の範囲内に加工穴がある場合には、加工パターンＢを選択する。
【００３５】
前記の図３に示したとおり、リング型振動ジャイロのリング上には角度指示マーク６が設置されているが、各マークの間隔は１°（リングの中心角）であり、通常リングの半径が3mmであるので各マークの間隔は、52μｍである。従って、リング型振動ジャイロの場合、加工着手位置の±１°（リングの中心角）の範囲内に既に加工穴が存在する場合には、その穴を作製したときのレーザ照射による改質効果が及ぶため、加工パターンの選択基準を加工着手位置の±１°（リングの中心角）とした。
【００３６】
なお、上記の改質処理は、加工表面におけるエネルギー密度が6,500〜55,000J/m２であるレーザを照射して行うことによって実現できる。これは、加工表面におけるエネルギー密度が6,500J/m２未満と低いと、実質的にシリコンの改質を行うことができないからであり、加工表面におけるエネルギー密度を55,000J/m２を超えて大きくすると、飛び散るシリコンの形状が糸状のものとなり、前記の図４に示したように、シリコンと電極部との間で絶縁低下が発生する可能性が大きくなるからである。従って、加工表面におけるエネルギー密度は、6,500〜55,000J/m２とした。更に望ましくは、6,500〜30,000J/m２である。
【００３７】
以下、加工パターン決定部14-4における加工パターンの選択方法の一例を説明する。
【００３８】
図７は、加工想定位置を模式的に表した図である。なお、図中の(1)〜(5)のボックスは、それぞれの間隔が80μｍ以内であり、２ボックスの間隔が80μｍを超えるものとする。また、図中の「●」は加工済み位置を示し、「○」は加工着手位置を示す。図７(a)に示すように、ボックス(1)およびボックス(5)に加工済みの穴がある状態でボックス(3)に穴あけ加工を施す場合には、前述の加工パターンＡを選択して穴あけ加工を施さなければならない。これは、ボックス(1)またはボックス(5)についての加工を施した際のレーザ照射による改質効果が及ぶのはボックス(2)またはボックス(4)までであり、ボックス(3)を加工する際には、予め改質処理を施さなければ、溶融シリコンの飛び散りを防止することができないからである。一方、図７(b)に示すように、ボックス(2)およびボックス(5)に加工済み穴がある状態でボックス(3)に穴あけ加工を施す場合には、前述の加工パターンＢを選択して穴あけ加工を施しても良い。これは、ボックス(2)についての加工を施した際のレーザ照射による改質効果がボックス(3)にも及ぶため、予め改質処理を施さなくても、溶融シリコンの飛び散りが発生することはないからである。
【００３９】
（４）加工
加工制御部１５は、加工パターン決定部14-4が決定した加工パターンに基づいて、Ｑスイッチ周波数、照射時間等のレーザ条件を設定し、加工部１６から出射するレーザ光のエネルギー密度を調整する。このようにして、被加工材１１は、加工部１６によって溶融シリコンの飛び散りが発生することなく、効率的な加工が施される。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、レーザ光の照射によってシリコン基板を加工する際に発生する溶融シリコンの飛び散りを防止し、優れた加工精度を確保できるとともに、効率的にシリコン基板に穴あけ加工を施すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】レーザ出力を時間的モードで示した図である。
【図２】リング型振動ジャイロの構成を模式的に表した図である。
【図３】シリコン基板に形成されたリングを上方から見た拡大図である。
【図４】上記図３におけるＡ−Ａ断面の構成を拡大して示した図である。
【図５】本発明の装置構成の一例を示した模式図である。
【図６】本発明のレーザ加工装置によって被加工材にレーザ加工を施す場合のフローチャート図である。
【図７】加工想定位置を模式的に表した図である。
【符号の説明】
１．リング型振動ジャイロ、２．リング、３．略Ｓ字状ビーム、
４．シリコン基板、4-1．シリコンウエーハ、4-2．酸化膜、５．帯状電極、
６．マーク、７．穴、８．飛び散り、
１１．被加工材、１２．ＸＹ軸移動テーブル、１３．特性検査部、
13-1．プローブカード、13-2．測定器、１４．ＰＣ、14-1．加工位置決定部、
14-2．加工位置記憶部、14-3．加工処理判断部、14-4.加工パターン決定部、
１５．加工制御部、１６．加工部、16-1．レーザ発振器、
16-2．光ファイバー、16-3．加工ヘッド、１７．Ｚ軸モータ、
１８．ＣＣＤカメラ、１９．オートフォーカシングユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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