(57)【要約】【解決手段】  レーザ加工装置２は、被加工物としての単結晶シリコン基板１を載置する加工テーブル３と、レーザ光Ｌを照射するレーザ発振器４と、上記レーザ光Ｌを導光するライトガイド５と、上記ライトガイド５を回転させるとともに進退動させる駆動手段６とを備えている。  上記ライトガイド５は断面多角形の角柱状を有しており、上記レーザ発振器４が照射したレーザ光Ｌを集光レンズ８が集光して上記ライトガイド５の内部に入射させると、レーザ光Ｌは上記ライトガイド５の内部で反射しながら導光され、該ライトガイド５の先端から拡散した状態で出射されるようになっている。【効果】  加工スピードが速く、また加工くずの排出性に優れている。【選択図】  図１
2011121082.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物を載置する加工テーブルと、レーザ光を発振するレーザ発振器と、上記レーザ光を基端部より入射させるとともに該レーザ光を導光して先端より出射させるライトガイドと、上記加工テーブル上の被加工物と上記ライトガイドとを相対的に回転させるとともに相対的に進退動させる駆動手段とを備え、
レーザ光を上記ライトガイドの先端より出射するとともに、上記駆動手段が上記加工テーブル上の被加工物と上記ライトガイドとを相対的に回転させながら接近させて、被加工物に加工孔を穿設するレーザ加工装置において、
上記ライトガイドは断面多角形の角柱状を有し、
上記レーザ光は上記ライトガイドの内部で反射しながら導光され、該ライトガイドの先端から拡散した状態で出射されることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
上記被加工物は単結晶シリコン基板であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
レーザ光を発振するレーザ発振器と、上記レーザ光を基端部より入射させるとともに該レーザ光を導光して先端より出射させるライトガイドとを備え、
上記ライトガイド内部でレーザ光を導光して上記ライトガイドの先端より出射させるとともに、上記被加工物と上記ライトガイドとを回転させながら接近させて被加工物に加工孔を穿設するレーザ加工方法において、
上記ライトガイドは断面多角形の角柱状を有するとともに、該ライトガイドの内部で反射させながら導光したレーザ光を該ライトガイドの先端から拡散した状態で照射することを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項４】
上記被加工物は単結晶シリコン基板であることを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザ加工装置およびレーザ加工方法に関し、詳しくは被加工物とレーザ光を導光するライドガイドとを相対的に回転させながら接近させて、ライドガイドの先端より照射されるレーザ光により被加工物に加工孔を穿設するレーザ加工装置およびレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体集積回路を構成するシリコンウエハをエッチングするためにプラズマエッチング装置が用いられており、このようなプラズマエッチング装置には単結晶シリコン製の電極板（単結晶シリコン基板）が設けられている（特許文献１）。
単結晶シリコン製の電極板には複数の貫通孔が形成されており、上記特許文献１ではこの貫通孔をダイヤモンドドリルによって穿設しているが、ドリルの消耗による交換が必要であるため、ランニングコストが高いという問題点があった。
これに対し、上記貫通孔を加工するため、被加工物とレーザ光を導光するライドガイドとを相対的に回転させながら接近させて、ライドガイドの先端より照射されるレーザ光により被加工物に加工孔を穿設するものが知られている（特許文献２）
この特許文献２では、ライトガイドとして光ファイバの先端に傾斜レンズを設けたものを使用し、上記傾斜レンズより光ファイバの光軸から斜めにレーザ光を照射して、光ファイバよりも大径の加工孔を穿設するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−２０３８７９号公報
【特許文献２】特開昭６０−２２１１８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献２のレーザ加工方法では、傾斜レンズを光ファイバに設ける必要があることからライトガイドが高価となり、またレーザ光は傾斜レンズによって集光された状態で照射されるため、加工孔の底部の一部にしかレーザ光が照射されず、レーザ光の照射位置を加工孔の底部に沿って移動させる必要があることから、加工スピードが遅くなるという問題があった。
さらに、上記光ファイバの外周は円形であるため、加工した加工孔の内周との隙間が狭く、加工により発生した加工くずをこれらの隙間から排出しにくいという問題もあった。
このような問題に鑑み、本発明は加工スピードが速く、また加工くずの排出性に優れたレーザ加工装置およびレーザ加工方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
すなわち、請求項１の発明にかかるレーザ加工装置は、被加工物を載置する加工テーブルと、レーザ光を発振するレーザ発振器と、上記レーザ光を基端部より入射させるとともに該レーザ光を導光して先端より出射させるライトガイドと、上記加工テーブル上の被加工物と上記ライトガイドとを相対的に回転させるとともに相対的に進退動させる駆動手段とを備え、
レーザ光を上記ライトガイドの先端より出射するとともに、上記駆動手段が上記加工テーブル上の被加工物と上記ライトガイドとを相対的に回転させながら接近させて、被加工物に加工孔を穿設するレーザ加工装置において、
上記ライトガイドは断面多角形の角柱状を有し、
上記レーザ光は上記ライトガイドの内部で反射しながら導光され、該ライトガイドの先端から拡散した状態で出射されることを特徴としている。
【０００６】
請求項２の発明にかかるレーザ加工装置は、請求項１の発明におけるレーザ加工装置において、上記被加工物は単結晶シリコン基板であることを特徴としている。
【０００７】
また請求項３の発明にかかるレーザ加工方法は、レーザ光を発振するレーザ発振器と、上記レーザ光を基端部より入射させるとともに該レーザ光を導光して先端より出射させるライトガイドとを備え、
上記ライトガイド内部でレーザ光を導光して上記ライトガイドの先端より出射させるとともに、上記被加工物と上記ライトガイドとを回転させながら接近させて被加工物に加工孔を穿設するレーザ加工方法において、
上記ライトガイドは断面多角形の角柱状を有するとともに、該ライトガイドの内部で反射させながら導光したレーザ光を該ライトガイドの先端から拡散した状態で照射することを特徴としている。
【０００８】
請求項４の発明にかかるレーザ加工方法は、請求項３の発明におけるレーザ加工方法において、上記被加工物は単結晶シリコン基板であることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
上記請求項１の発明にかかるレーザ加工装置および請求項３の発明にかかるレーザ加工方法によれば、上記ライトガイドの先端からは該ライトガイドの断面形状と相似する多角形のレーザ光が出射されることとなる。
そして被加工物とライトガイドとを相対的に回転させることで、出射された多角形のレーザ光の頂点部分の移動軌跡により円形の照射範囲が得られるため、断面円形の加工孔を穿設することができ、かつレーザ光は加工孔の底部の大部分に照射されることから、高速に加工孔を加工することが可能となっている。
また、ライトガイドを断面多角形とすることで、穿設された加工孔とライトガイドとの間には空間が形成されることから、加工により発生した加工くずをこの空間を介して排出することが可能となっている。
【００１０】
上記請求項２の発明にかかるレーザ加工装置および請求項４の発明にかかるレーザ加工方法によれば、硬質なプラズマエッチング用単結晶シリコン基板の加工において、加工面のきれいな貫通孔を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施例にかかるレーザ加工装置の側面図
【図２】ライトガイドの断面図
【図３】ライトガイドの斜視図
【図４】レーザ加工装置の動作を示した側面図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下図示実施例について説明すると、図１は被加工物としての単結晶シリコン基板１に加工孔１ａを穿設するレーザ加工装置２を示し、上記単結晶シリコン基板１を載置する加工テーブル３と、レーザ光Ｌを発振するレーザ発振器４と、レーザ光Ｌを導光して上記単結晶シリコン基板１に出射させるライトガイド５と、該ライトガイド５を回転および昇降させる駆動手段６と、上記加工孔１ａより加工くずを排除する洗浄手段７とから構成されている。
本実施例のレーザ加工装置２は、レーザ光Ｌによって厚さ約５ｍｍの単結晶シリコン基板１の表面から裏面に貫通する直径約０．３ｍｍの貫通孔を複数穿設する装置であって、加工によって得られた単結晶シリコン基板１はシリコンウエハをエッチングするためのプラズマエッチング装置の部品として用いられる。
【００１３】
上記加工テーブル３は、純水を貯溜する純水パン３ａと、該純水パン３ａを水平方向に移動させる従来公知のＸ−Ｙテーブル３ｂとから構成されている。
上記純水パン３ａの底部には加工孔１ａを穿設する部分を避けて単結晶シリコン基板１を保持する保持部材３ｃが設けられるとともに、上記単結晶シリコン基板１が完全に水没する程度の深さで純水が貯溜されている。
上記レーザ発振器４は、本実施例ではＹＡＧレーザ発振器を使用し、発振されるレーザ光Ｌは緑色の波長を有したいわゆるグリーンレーザとなっており、単結晶シリコンへの吸収率が高く、かつ、上記ライトガイド５や純水への吸収率が低い波長を有している。
なお、上記レーザ発振器４としては、その他の発振波長の発振器、例えば炭酸ガスレーザ発振器等、各種レーザ発振器４を用いることができる。炭酸ガスレーザを照射するガスレーザ発振器など、各種レーザ発振器を用いてもよい。
そして上記レーザ発振器４から水平に発振されたレーザ光Ｌは、該レーザ光Ｌの光路上に配置したベンドミラー４ａによって下方に反射されるようになっている。
【００１４】
上記ライトガイド５の上方には上記ベンドミラー４ａによって反射されたレーザ光Ｌを集光する集光レンズ８が設けられ、このライトガイド５と集光レンズ８とは筒状のホルダ９によって連結保持されている。
上記集光レンズ８はホルダ９の内部にレーザ光Ｌの焦点を形成して、集光したレーザ光Ｌを上記ライトガイド５の上端から内部へと入射させるようになっている。なお、上記レーザ光Ｌの焦点位置はライトガイド５の内部であってもよい。
上記ライトガイド５は、アクリルやガラス等のレーザ光Ｌの透過率が高い材料によって製造され、図２に示すように断面正６角形の角柱状を有するとともに、外周面を構成する６つの反射面５ａにはレーザ光Ｌを反射させるための反射膜（図示せず）が形成されている。
このような断面６角形のライトガイド５に上記集光レンズ８が集光させたレーザ光Ｌを入射させると、レーザ光Ｌは上記反射面５ａで反射を繰り返しながらライトガイド５の先端へと導光され、図２、図３に示すように断面形状と相似する６角形に拡散した状態で出射されるようになっている。
このとき出射されるレーザ光Ｌは、ライトガイド５内で反射を繰り返すことにより、照射範囲の略全域で均等な出力が得られるいわゆるトップハット型の出力分布となり、レーザ光Ｌの照射された部分を均等に加工することが可能となっている。
なお、上記ライトガイド５の断面は６角形に限らないが、断面を偶数角形とするとともに対向する反射面５ａの平行度を高くすることで、ライトガイド５の内部でレーザ光Ｌを全反射させることができ、効率的にレーザ光Ｌを導光することが可能となる。
これに対し、断面を円形や奇数角形とした場合、レーザ光Ｌが効率的に導光されるように反射面５ａを加工するのは困難であり、かつ偶数角形として対向する反射面５ａを平行に加工する場合に比べ高価になるという問題がある。
【００１５】
上記駆動手段６は、上記ホルダ９を保持する回転手段１１と、該回転手段１１を昇降させる昇降手段１２とから構成されている。
上記回転手段１１は中心に貫通孔が形成されたサーボモータとなっており、この貫通孔に上記ホルダ９を装着するとともに、回転手段１１の回転中心は上記ライトガイド５の中心軸およびレーザ光Ｌの光軸と一致している。
上記回転手段１１がホルダ９を介してライトガイド５を回転させると、該ライトガイド５から出射された６角形のレーザ光Ｌの頂点部分が描く回転軌跡によって円形の照射範囲が得られ、単結晶シリコン基板１を円形に切削することが可能となっている。
上記昇降手段１２は、上下方向に設けられたスライドレール１２ａと、上記サーボモータを保持するとともにスライドレール１２ａに沿って昇降するスライダ１２ｂと、回転により上記スライダ１２ｂを昇降させるボールねじ１２ｃと、ボールねじ１２ｃを回転させるモータ１２ｄとから構成されている。
上記昇降手段１２には予め下降速度が設定されており、ライトガイド５の先端とレーザ光Ｌによって徐々に深くなる加工孔１ａの底部との間隔を一定距離に保ち、レーザ光Ｌによって形成される円形の照射範囲が常時一定の径を保つようにしている。
【００１６】
上記洗浄手段７は、純水を供給するポンプＰと、該ポンプＰから供給された純水を噴射するノズル７ａと、該ノズル７ａを上下に昇降させる図示しない昇降手段とから構成されている。
上記ノズル７ａは加工孔１ａに挿入可能な直線部分を備えるとともに、加工孔１ａよりも細い径を有しており、図４に示すように加工孔１ａの壁面とノズル７ａの外周との間に加工くずが通過可能な空間を形成するようになっている。
【００１７】
上記構成を有するレーザ加工装置２の動作について説明する。
まず、上記加工テーブル３の純水パン３ａに純水を貯溜し、さらに上記保持部材３ｃに単結晶シリコン基板１を移動しないように固定すると、上記Ｘ−Ｙテーブル３ｂは純水パン３ａを移動させ、該単結晶シリコン基板１における加工孔１ａの加工位置を上記ライトガイド５の下方に位置させる。
次に、上記駆動手段６の昇降手段１２はライトガイド５の先端を単結晶シリコン基板１の表面に対して所定距離上方まで下降させ、このときライトガイド５の先端を純水に挿入させるようになっている。
続いて、上記駆動手段６の回転手段１１がライトガイド５を回転させると、上記レーザ発振器４がレーザ光Ｌを発振し、レーザ光Ｌは上記集光レンズ８によって集光された後、ライトガイド５の上端より入射する。
ライトガイド５に入射したレーザ光Ｌは、ライトガイド５の反射面５ａを反射しながら導光され、ライトガイド５は断面６角形を有していることから、レーザ光Ｌは図２、図３に示すように６角形に拡散した状態で単結晶シリコン基板１の表面に出射される。
【００１８】
一方、ライトガイド５は上記駆動手段６によって回転していることから、出射された６角形のレーザ光Ｌの頂点部分は回転により円形の軌跡を描き、これにより単結晶シリコン基板１は円形のレーザ光Ｌによる照射範囲の形状で切削される。
続いて、上記駆動手段６の昇降手段１２は、回転するライトガイド５を所定速度で下降させる。この下降速度は、予め切削される単結晶シリコン基板１とライトガイド５の先端との距離が一定となるように実験等により求められている。
これにより、単結晶シリコン基板１にはレーザ光が常時同じ径で照射されることとなり、ライトガイド５が下降することにより単結晶シリコン基板１には所定の直径で加工孔１ａが形成されることとなる。
また、上記単結晶シリコン基板１は純水パン３ａに貯溜された純水に水没していることから、上記レーザ光Ｌによって加工された部分は直ちに純水によって冷却され、これにより加工孔１ａの内壁へのクラックの発生が防止されるようになっている。
【００１９】
このようにして加工孔１ａが加工されると、レーザ光Ｌの照射された部分からは加工くずが発生するが、この加工くずはライトガイド５の外周と加工孔１ａの内周との隙間から排出されるようになっている。
具体的には、ライトガイド５は断面６角形を有しているため、ライトガイド５の各反射面５ａと加工孔１ａとの間には空間が形成され、またライトガイド５を回転させることで、発生した加工くずが該空間を介して加工孔１ａの開口部より排出されるようになっている。
しかしながら、加工孔１ａをある程度の深さまで加工すると、上記加工くずを完全に排出できなくなる場合があり、その場合にはライトガイド５の回転が阻害され、加工孔１ａを正確に加工することができなくなる。
このため、本実施例では加工孔１ａを所定深さまで加工すると、上記レーザ発振器４はレーザ光Ｌの照射を停止するとともに、上記駆動手段６の昇降手段１２によりライトガイド５を上昇させて加工孔１ａより離脱させる。
その後、上記加工テーブル３のＸ−Ｙテーブル３ｂが単結晶シリコン基板１を移動させて、上記洗浄手段７のノズル７ａの下方に加工孔１ａを位置させ、ノズル７ａを該加工孔１ａに挿入する（図４参照）。
そして、上記ポンプＰを介して純水をノズル７ａより噴射し、加工孔１ａの内部に貯溜した加工くずをノズル７ａの外周と加工孔１ａの内周との間を通って加工孔１ａの外部に排出する。
【００２０】
その後、上記加工テーブル３のＸ−Ｙテーブル３ｂが単結晶シリコン基板１を移動させて、上記ライトガイド５の下方に加工孔１ａを再び位置させ、ライトガイド５を加工孔１ａに挿入する。
そして、ライトガイド５の先端が加工孔１ａの底部に対して所定距離に接近すると、レーザ発振器４は再びレーザ光Ｌを発振するとともに上記ライトガイド５が回転し、加工孔１ａの加工が再開される。
このようにして加工孔１ａを形成しながら、必要に応じて上記洗浄手段７による加工孔１ａの洗浄を行うことで、単結晶シリコン基板１を貫通する加工孔１ａが形成されることとなる。
加工孔１ａが単結晶シリコン基板１を貫通すると、レーザ発振器４からのレーザ光Ｌの照射が停止するとともに、上記駆動手段６によってライトガイド５が加工孔１ａより離脱し、その後Ｘ−Ｙテーブル３ｂが新たな加工孔１ａの加工位置をライトガイド５の下方に位置させ、新たな加工孔１ａを形成するようになっている。
【００２１】
本実施例のレーザ加工装置２によれば、駆動手段６により断面６角形のライトガイド５を回転させながら下降させるため、該ライトガイド５より出射される６角形のレーザ光Ｌの照射範囲を円形とすることができ、断面円形の加工孔１ａを形成することができる。
これに対し、特許文献２のレーザ加工装置２の場合、光ファイバの先端に設けた傾斜レンズによってレーザ光を所定方向に曲げて集光することから、このレーザ光Ｌの集光された部分だけでしか基板を切削することができず、光ファイバを１回転させなければ加工孔１ａの底部を加工することができないことから、加工速度が遅いという問題があった。
また、ライトガイド５からはレーザ光Ｌが拡散した状態で出射され、しかもライトガイド５の先端と加工孔１ａの底部との間には所定の間隔を設けることで、ライトガイド５の回転によって形成される円柱状の領域よりも大径の加工孔１ａを形成することができる。
その結果、ライトガイド５と加工孔１ａとの間から加工くずを排出することができ、しかもライトガイド５は断面６角形を有していることから、ライトガイド５の反射面５ａと加工孔１ａとの間に広い空間を形成することができ、加工くずを効率的に排出することが可能となる。
さらに、レーザ光Ｌをライトガイド５で導光することにより、出射されるレーザ光Ｌの出力分布はトップハット型となるため、加工孔１ａの底部を均等に加工することができる。
【００２２】
なお、上記単結晶シリコン基板１の板厚が薄い場合など、上記加工孔１ａにたまった加工くずを排出する必要がなく、１度で加工孔１ａを穿設することができる場合には、上記洗浄手段７を設ける必要はない。
また、上記実施例においては、集光レンズ８をホルダ９を介してライトガイド５と一体で回転させているが、集光レンズ８を必ずしも上記回転手段１１により回転させる必要はなく、回転手段１１に保持されたライトガイド５と、上記昇降手段１２に直接設けた集光レンズ８とを一体的に昇降させる構成としてもよい。
また、上記実施例では、集光レンズ８によってレーザ光Ｌを集光してライトガイド５の基端部へ入射させているが、集光レンズ８とライトガイド５との間に光ファイバを配設し、集光レンズ８を上記レーザ発振器４に隣接した位置に設けた構成としてもよい。
この場合、光ファイバを変形させることで、レーザ発振器４とライトガイド５とを自由に相対移動させることが可能となる。
つまり、レーザ発振器４から発振されたレーザ光Ｌを最終的にライトガイド５へ入射させることができれば、上記実施例に限られない。
また、上記実施例における駆動手段６は上記ライトガイド５を回転及び昇降させているが、上記駆動手段６を上記加工テーブル３に設けて、防水パンごと被加工物を回転および昇降させるようにしてもよい。
さらには、上記駆動手段６のうち回転手段１１が上記ライトガイド５を回転させ、昇降手段１２が被加工物を昇降させてもよく、またその逆の構成としてもよい。
【符号の説明】
【００２３】
１  単結晶シリコン基板  １ａ  加工孔
２  レーザ加工装置      ３  加工テーブル
４  レーザ発振器        ５  ライトガイド
１１  回転手段          １２  昇降手段
【図１】
2011121082.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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