JP6843661B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工装置に関する。

以前より、レーザ光を用いて加工対象物の加工を行うレーザ加工装置がある。レーザ加工装置の中には、半導体素子の材料となるウェハを加工対象物として、加工対象物の表面部をレーザ光で走査し、表面部を加熱処理するレーザアニール装置がある。

特許文献１には、本発明に関連する技術として、レーザ溶接装置において、溶接箇所の温度を赤外線検出器により検出し、溶接の欠陥を発見する構成が開示されている。

特開２００５−００７４１５号公報

加工対象物は、例えばクラック、異物の混入、又は大きな反りなど、異常を含んでいる場合がある。しかし、従来、レーザ加工装置を用いて加工対象物に加工を行う際、加工対象物に含まれる異常を検出することはできなかった。

特許文献１の技術は、加工部分に欠陥が生じていないか検出するものであり、加工対象物に含まれる異常を検出するものではない。

本発明は、加工処理の際に、加工対象物に含まれる異常箇所を検出することのできるレーザ加工装置を提供することを目的とする。

本発明に係るレーザ加工装置は、
加工対象物へのレーザ光の照射位置を変化させる走査部と、
前記レーザ光が照射された前記加工対象物の熱輻射の強度を測定する熱輻射測定部と、
前記熱輻射測定部により測定された熱輻射の強度に基づいて前記加工対象物の異常箇所を判定する判定部と、
を備え、
前記判定部は、前記加工対象物の第１の位置に前記レーザ光が照射されたときの熱輻射の強度と、前記第１の位置の近傍に前記レーザ光が照射されたときの熱輻射の強度との比較を行う構成とした。

本発明によれば、加工処理の際、加工対象物に含まれる異常箇所を検出することができる。

本発明の実施形態に係るレーザ加工装置を示す構成図である。 制御部により実行される加工処理の手順を示すフローチャートである。 図２のステップＳ２〜Ｓ５のループ処理により取得された熱輻射のデータの一例を示すグラフであり、図３（Ａ）は正常と判断されたデータを示し、図３（Ｂ）は異常有りと判断されたデータを示す。 図２のステップＳ８により二次元配列された熱輻射のデータの一例を示す図であり、図４（Ａ）は正常と判断さたれデータを示し、図４（Ｂ）は異常と判断されたデータを示す。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置を示す構成図である。図中、レーザ光の光軸を実線で示し、熱放射を粗い破線で示し、制御線及び測定結果の出力線を細かい破線で示す。

本実施形態のレーザ加工装置１は、半導体素子材料のウェハを加工対象物４１として、加工対象物４１にアニール処理を行うレーザアニール装置である。アニール処理は、加工対象物４１の表面部に設定された二次元の領域に渡ってレーザ光を走査させ、加工対象物４１の表面部を高温に加熱する処理である。

レーザ加工装置１は、制御部１０、レーザ光源２１、走査光学系２２、ダイクロイックミラー２３、レンズ２４、２５、熱輻射測定部２６及びステージ３１を備える。走査光学系２２は、本発明に係る走査部の一例に相当する。

レーザ光源２１は、例えばＹＡＧレーザ等の固体レーザ又はＣＯ_２レーザ等のガスレーザであり、加工対象物４１に照射されて加工対象物４１の被加工位置Ｐ０を高温に加熱するレーザ光を出力する。レーザ光源２１はレーザ発振器と呼んでもよい。

走査光学系２２は、例えばガルバノミラーを含み、レーザ光の照射位置すなわち被加工位置Ｐ０を例えばステージ３１の上面に沿った２方向へ変化させることができる。

ダイクロイックミラー２３は、レーザ光源２１の出力波長の光を反射し、熱輻射を含む赤外領域の光を透過する。

レンズ２４は、例えばＦθレンズであり、被加工位置へレーザ光を収束させる。また、レンズ２４は、加工対象物の被加工位置Ｐ０から熱輻射を集光する。

レンズ２５は、レンズ２４により集光され、ダイクロイックミラー２３を透過した熱輻射を熱輻射測定部２６へ収束させる。

熱輻射測定部２６は、例えば赤外線センサであり受光部に入力された熱輻射の強度を測定する。

ステージ３１は、加工対象物４１を保持する台である。ステージ３１は、レーザ光の光軸と交差する２方向へ移動可能なように構成されていてもよい。

制御部１０は、プログラムが格納された記憶装置、プログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）、作業用のメモリ、ならびに、制御信号及び検出信号の入出力を行うＩ／Ｏなどを有するコンピュータである。制御部１０は、レーザ光源２１の駆動制御と、走査光学系２２の駆動制御とを行い、熱輻射測定部２６の測定結果を入力する。制御部１０は、さらに、表示部１２と、ＣＰＵがプログラムを実行して機能する機能モジュールとして、判定部１１を備える。

判定部１１は、制御部１０に取り込まれた熱輻射の強度のデータに基づき、加工対象物４１に含まれる異常箇所の判定を行う。

表示部１２は、警告灯又は画像表示が可能なティスプレイであり、加工対象物４１に異常箇所があると判定された場合に、異常を報知する表示を行う。表示部１２は、さらに、制御部１０に取り込まれて二次元画像に加工された熱輻射の強度のデータ（図４を参照）を表示出力する。

＜加工処理＞
図２は、制御部により実行される加工処理の手順を示すフローチャートである。

図２の加工処理は、加工対象物４１にアニール処理を行いながら、加工対象物４１の異常の有無及び異常箇所を検出する処理である。加工処理は、ステージ３１に加工対象物４１が配置された状態で開始される。

加工処理が開始されると、制御部１０は、レーザ光源２１を駆動し、レーザ光を加工対象物４１の表面部に渡って走査する走査処理を開始する（ステップＳ１）。ここで、レーザ光源２１から出力されたレーザ光は、走査光学系２２、ダイクロイックミラー２３及びレンズ２４を経て、加工対象物４１の被加工位置Ｐ０に照射され、この箇所が高温に加熱される。さらに、高温に加熱された被加工位置Ｐ０から熱輻射が放射され、レンズ２４、ダイクロイックミラー２３及びレンズ２５を経て、熱輻射が熱輻射測定部２６の受光部に集光される。熱輻射測定部２６は受光した熱輻射の強度に応じた測定結果（例えば電圧）を出力する。

走査が開始されると、制御部１０は、ステップＳ２〜Ｓ５のループ処理へ処理を移行する。ループ処理では、先ず、制御部１０は、レーザ光の出力を継続しつつ、走査光学系２２を制御して、レーザ光の照射位置を予め設定された経路に沿った次の位置へ変更する（ステップＳ２）。これにより、走査経路中の次の位置を被加工位置Ｐ０として、この位置にレーザ光が照射され、この位置から熱輻射が放射される。そして、熱輻射測定部２６が熱輻射の強度を測定し、制御部１０がこの測定値を入力する（ステップＳ３）。次に、制御部１０は、入力した熱輻射の測定値と走査位置とを対応づけて記憶する（ステップＳ４）。続いて、制御部１０は、予め設定された領域の走査が完了したか判別し（ステップＳ５）、未完了であれば処理をステップＳ２に戻すが、完了であればループ処理を抜けて処理を次に進める。

上記のステップＳ２〜Ｓ５のループ処理が繰り返し行われることで、予め設定された二次元の領域に渡って順次レーザ光が照射され、加工対象物４１の設定された領域のアニール処理が完了する。加えて、加工対象物４１の各走査位置にレーザ光が照射されたときの熱輻射の強度の測定値が制御部１０に取り込まれる。

ループ処理を抜けると、制御部１０は、取り込まれた熱輻射の強度の測定値に基づいて、加工対象物４１の異常の有無を判定する。続いて、４つの異常判定処理を採用した例を示す。

第１の異常判定処理（ステップＳ６）では、制御部１０は、各走査位置における熱輻射の測定値と異常を識別する上限の閾値及び下限の閾値の一方又は両方とを比較する。そして、制御部１０は、上限の閾値を超えた測定値を有する走査位置、又は下限の閾値を下回った測定値を有する走査位置を異常箇所と判定する。ウェハなどの加工対象物４１においては、クラック又は異物の混入があると、レーザ光の照射により生じた高熱がクラック又は異物の箇所で通常と異なる態様で伝達されるので、この箇所の周囲で熱輻射の測定値が高くなったり低くなったりする。従って、第１の異常判定処理により、これらの異常の箇所を判定することができる。

図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、図２のステップＳ２〜Ｓ５のループ処理により取得された熱輻射のデータの一例を示すグラフである。

第２の異常判定処理（ステップＳ７）では、制御部１０は、図３（Ａ）又は図３（Ｂ）のグラフに示すように、熱輻射の測定値のデータのうち、取り込まれた順に沿って、各走査位置の測定値と前段の位置の測定値及び後段の位置の測定値とを比較する。ここで、「各走査位置の測定値」は、本発明に係る「第１の位置にレーザ光が照射されたときの熱輻射の強度」に相当する。「前段の位置の測定値及び後段の位置の測定値」は、本発明に係る「第１の位置の近傍にレーザ光が照射されたときの熱輻射の強度」に相当する。比較の際、制御部１０は、各走査位置の測定値の移動平均を計算し、移動平均の値を比較するなど、測定値を統計処理した値を用いて比較を行ってもよい。そして、制御部１０は、測定値の急激な変化のある走査位置（例えば図３（Ｂ）の箇所Ｄ１、Ｄ２）を異常箇所と判定する。上述したように、ウェハなどの加工対象物４１においては、クラック又は異物の混入がある場合に、レーザ光の照射により生じた高熱がクラック又は異物の箇所で通常と異なる態様で伝達される。このため、この箇所の周囲で熱輻射の測定値に急激な変化が生じやすい。異常が無ければ、図３（Ａ）に示すように、測定値の急激な変化は現れない。従って、第２の異常判定処理により、これらの異常の箇所を判定することができる。

図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、図２のステップＳ８により二次元配列された熱輻射のデータの一例を示す。図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、レーザ光をＸ軸方向に走査し、且つ、このような走査をＹ軸方向に位置をずらしながら複数回行って、各走査位置の熱輻射の強度を測定したときのデータを示している。図４（Ａ）及び図４（Ｂ）において、熱輻射の強度は色の濃淡により示される。

第３の異常判定処理（ステップＳ８、Ｓ９）では、制御部１０は、先ず、一連の熱輻射の測定値のデータを、走査位置に合わせて二次元配列する（ステップＳ８）。これにより、図４（Ａ）又は図４（Ｂ）に示すように、時系列で取り込まれた一連の熱輻射の測定値が、加工対象物４１の表面部が射影されたＸ−Ｙ座標の位置に関連づけられて表わされる。

次に、制御部１０は、Ｘ−Ｙ座標の位置が対応づけられた熱輻射の測定値のデータから、各走査位置の測定値とその近傍の位置の測定値とを比較する（ステップＳ９）。比較の際、制御部１０は、各走査位置の測定値の移動平均を計算し、移動平均の値を比較するなど、測定値を統計処理した値を用いて比較を行ってもよい。ステップＳ９において制御部１０は、レーザ光の走査方向（Ｘ軸方向）だけでなく、これに交差する方向（Ｙ軸方向）についても、熱輻射の強度が急激に変化している箇所がないか判定する。そして、制御部１０は、Ｘ−Ｙの二次元座標上で測定値の急激な変化のある走査位置（例えば図４（Ｂ）の箇所Ｄ３、Ｄ４）を異常箇所と判定する。上述したように、ウェハなどの加工対象物４１では、クラック又は異物の混入がある場合に、この箇所の周囲で熱輻射の測定値が急激に変化しやすい。例えば箇所Ｄ３はウェハに傷がある箇所であり、箇所Ｄ４は異物がある箇所である。異常が無ければ、図４（Ｂ）に示すように、熱輻射の測定値が急激に変化する箇所が生じない。第３の異常判定処理により、このような異常の箇所が、レーザ光が走査される経路の途中、又は、隣接する走査経路の間にあった場合に、これらの異常の箇所を判定することができる。

第４の異常判定処理（ステップＳ１０）では、先ず、制御部１０は、Ｘ−Ｙ座標上に展開された熱輻射の測定値のデータから、Ｘ−Ｙ座標上における測定値の分布を解析する。そして、測定値の分布に所定の特徴がないか解析し、この解析の結果に基づいて加工対象物の反りのパターン、反りの位置、又は反りの大小を判定する。解析の処理においては、制御部１０が、幾つかのパターンで反りを有する複数の加工対象物の熱輻射の測定値の分布データを基準データとして記憶しておき、これらの基準データと熱輻射の測定値の分布との共通度を計算して、分布の解析を行ってもよい。ウェハに反りがあると、レーザ光の照射位置が反りのパターンに従って高さ方向に変化するため、反りのパターンが熱輻射の測定値の分布のパターンに現れる。従って、第４の異常判定処理により、加工対象物４１の反りについての異常を判定することができる。

異常判定処理を終えたら、制御部１０は、判定の結果が異常有りであったか判別し、異常有りであれば、例えばデータ出力、表示出力又は印字出力等により、異常の種類と異常箇所とを出力する（ステップＳ１２）。出力の際、異常箇所は画像により示されてもよい。

なお、加工対象物４１がパターン付きのウェハである場合、パターンの境界など、正常な箇所であっても熱輻射の強度が急激に変化することがある。このような場合、画像により異常箇所が示されることで、作業者は、画像とウェハのパターンとを比較することにより、本来の異常箇所とパターン境界などの正常な箇所とを区別することが可能となる。あるいは、パターンの境界など異常が無いのに熱輻射の強度が急激に変化する位置が既知である場合、これらの情報を制御部１０に記憶しておいてもよい。そして、制御部１０は、これらの情報に基づいて、異常が無いのに熱輻射の強度が急激に変わる箇所を、異常の判定箇所から除外する構成としてもよい。

制御部１０は、ステップＳ１２で異常の出力を行うか、あるいは、ステップＳ１１で異常が無しと判定されたら、図２の加工処理を終了する。

以上のように、本実施形態のレーザ加工装置１によれば、加工対象物４１にレーザ光を走査させて加工処理を行うことができることに加えて、加工処理の際、加工対象物４１に異常箇所がないか判定することができる。従って、検査だけのために時間を費やす必要がなく、加工処理と並行して、加工対象物４１の異常箇所を発見することができる。これにより、異常のある加工対象物を製造プロセスから取り除いたりして、最終的な製品の歩留まりを向上できる。

また、第２の異常判定処理（ステップＳ７）と第３の異常判定処理（ステップＳ８）によれば、各走査位置の熱輻射の測定値と、その近傍の熱輻射の測定値とが比較されて、異常箇所が判定される。従って、加工対象物の種類又は厚さなどよって熱輻射の測定値が全体的に高くなったり低くなったりして、異常を識別できる測定値の閾値が定まらない場合でも、加工対象物の異常箇所を判定することができる。

以上、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は上記の実施形態に限られない。例えば、上記実施形態では、アニール処理と並行して加工対象物４１の異常箇所を判定する構成を例にとって説明した。しかし、レーザ光を加工対象物４１の表面部に走査させて行う加工処理であればアニール処理以外の処理と並行して異常箇所を判定する処理を行ってもよい。また、上記実施形態では、本発明に係る走査部として、レーザ光の照射位置を変化させる走査光学系２２を示した。しかし、本発明に係る走査部は、加工対象物４１を動かすことでレーザ光が照射される加工対象物４１の位置を変化させる構成であってもよい。その他、上記実施形態では、加工対象物として半導体素子材料のウェハを示し、異常としてウェハのクラック、混入異物、又は反りを示した。しかし、加工対象物としては、電子基板など種々の構成を適用できる。また、検出する異常としては、例えば加工対象物の表面に付着された異物など、種々の異常を適用してもよい。その他、実施形態で示した細部は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１ レーザ加工装置
１０ 制御部
１１ 判定部
１２ 表示部
２１ レーザ光源
２２ 走査光学系
２３ ダイクロイックミラー
２４、２５ レンズ
２６ 熱輻射測定部
３１ ステージ
４１ 加工対象物
Ｐ０ 被加工位置

Claims (3)

1. 加工対象物へのレーザ光の照射位置を変化させる走査部と、
   前記レーザ光が照射された前記加工対象物の熱輻射の強度を測定する熱輻射測定部と、
   前記熱輻射測定部により測定された熱輻射の強度に基づいて前記加工対象物の異常箇所を判定する判定部と、
   を備え、
   前記判定部は、前記加工対象物の第１の位置に前記レーザ光が照射されたときの熱輻射の強度と、前記第１の位置の近傍に前記レーザ光が照射されたときの熱輻射の強度との比較を行うレーザ加工装置。
2. 前記判定部は、前記比較に基づいて、前記第１の位置又は前記第１の位置の近傍の異常の有無を判定する、
   請求項１記載のレーザ加工装置。
3. 前記加工対象物は半導体素子材料のウェハであり、
   前記走査部は、前記レーザ光の照射位置を変化させて前記加工対象物の表面部をアニール処理し、
   前記判定部は、前記加工対象物のクラック、異物の混入又は反りを判定する、
   請求項１又は請求項２記載のレーザ加工装置。