CN1902026A - 激光加工装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种激光加工装置，加工用激光极力地聚光于不离开指定位置的位置处。该激光加工装置包括：物镜单元(5)，其包括，加工用物镜(42)，其使加工用激光以及用于测定加工对象物的主面的变位的测距用激光聚光于同一轴线上；接收测距用激光的主面的反射光的受光部(45)、和根据该接收的反射光而使加工用物镜(42)相对于主面进退自如地保持的致动器(43)；以及筐体(21)，其安装有用于发射加工用激光的激光单元，其中，物镜单元(5)可装卸地安装在筐体(21)上。

Description

激光加工装置
技术领域
本发明涉及用于通过照射激光对加工对象物进行加工的激光加工装置。
背景技术
在现有技术的激光加工技术中，相对于对加工对象物加工的激光进行聚光用的聚光透镜，而隔开规定间隔并列设置有用于测定加工对象物的主面高度的测定装置(接触式变位计或者超声波测距计等)(例如参照下述专利文献1中的图6～图10)。在这种激光加工技术中，当以激光沿着加工对象物的主面进行扫描时，利用测定装置来测定加工对象物的主面高度，在其测定点到达聚光透镜的正下方时，依据其主面高度的测定值，使聚光透镜沿着其光轴方向驱动，使得聚光透镜与加工对象物的主面的距离成为一定。
【专利文献1】日本专利特开2002-219591号公报
然而，在上述专利文献1中所揭示的激光加工技术具有下述需要解决的问题。即，对于从加工对象物的外侧位置开始激光的照射而使激光与加工对象物沿着其主面移动以进行加工的情况下，测定装置是从加工对象物的外侧开始测定，而朝向加工对象物的内侧进行测定。然后，若依据该测定所得到的主面高度的测定值来驱动聚光透镜，则有时在加工对象物的端部会发生激光的聚光点偏离的情况。
发明内容
因此，在本发明的目的在于提供一种能够极力地将用于对加工对象物进行加工的激光聚光于不偏离指定位置的激光加工装置。
本发明者针对上述问题进行了各种检讨。首先，针对将加工用的第一激光以及用于测定加工对象物的主面的变位的第二激光以在同一的轴线上朝向加工对象物照射的激光加工装置进行了研究。该被研究的激光加工装置的概要如图4所示。
图4所示的激光加工装置8为，使用加工用激光L1通过加工用物镜81来进行聚光，使加工用激光L1的聚光点P位于距离加工对象物9的表面91的指定深度而形成改质区域。在形成该改质区域时，使加工用物镜81与加工对象物9沿着表面91进行相对移动，以形成沿着指定线的改质区域。在此，加工对象物9的表面91的平面度越高则越理想，然而，实际上，有时表面91会产生起伏。即使在产生这种起伏的情况下，为了将改质区域保持在距离表面91的指定的深度，而以压电致动器(图未示出)保持加工用物镜81，且使该压电致动器伸缩而使加工用物镜81沿着加工用激光L1的光轴进退。这样一来，为了跟随加工对象物9的表面91的起伏来驱动压电致动器，而使用象散信号。
对利用象散信号由激光加工装置8驱动压电致动器的方法进行说明。由作为激光二极管等的测距用光源82所发射的测距用激光L2，通过光束扩展器83而被镜84、半透明反射镜85所依序反射并被导入分色镜86。由该分色镜86所反射的测距用激光L2，在加工用激光L1的光轴上朝着图中下方行进，且在加工用物镜81上聚光而照射于加工对象物9。其中，加工用激光L1透过分色镜86。
接着，由加工对象物9的表面91所反射的测距用激光L2的反射光L3再次入射至加工用物镜81而在加工用激光L1的光轴上朝着图中上方行进，并由分色镜86所反射。由该分色镜86所反射的反射光L3通过半透明反射镜85而被由圆柱透镜与平凸透镜所构成的整形光学系统87聚光而被照射到将光二极管四等分所成的四分割位置检测元件88上。
在该受光元件的四分割位置检测元件88上所聚光的反射光L3的聚光像图案F，其根据加工用物镜81的测距用激光L2的聚光点位于加工对象物9的表面91的哪个位置而变化。因此，为了显示该聚光像图案F，可使用来自四分割位置检测元件88的输出信号(来自于纵向对向的受光面的输出与来自于横向对向的受光面的输出间的差)。根据该输出信号，可求出相对于加工对象物9的表面91的测距用激光L2的聚光点位置。因此，当使压电致动器(图未示出)根据该输出信号而伸缩时，可对应加工对象物9的表面91的起伏而驱动加工用物镜81。
但是，在将该激光加工装置8使用于半导体晶圆等的切断中的情况下，激光驱动时间变长。因为加工用物镜81的部件寿命以及压电致动器(图未示出)的部件寿命，而有必要对该等部件进行交换。如上所述，因为将加工用激光L1与测距用激光L2以在同一轴线上朝着加工对象物9进行聚光，所以在对加工用物镜81进行交换时，不仅需要对加工用激光L1进行轴校准(调心)，而且还有必要对测距用激光L2进行调心。为了对测距用激光L2进行调心，而有必要调整由测距用光源82、光束扩展器83、镜84、半透明反射镜85、分色镜86、整形光学系统87、四分割位置检测元件88等所构成的测长用光学系统，可以预想到其调整会变得很烦杂。于是，本发明者们为了解决在上述讨论过程中所发现的新问题而完成本发明。
本发明的激光加工装置是对加工对象物照射第一激光来加工该加工对象物的激光加工装置，包括：加工单元，其包括：透镜，使第一激光和用于测定加工对象物的主面的变位的第二激光在同一轴线上朝着加工对象物进行聚光；受光装置，接收第二激光在主面的反射光；以及保持装置，根据该接收的反射光来相对于主面进退自如地保持透镜；和筐体部，包括用于发射所述第一激光的激光单元，其中，加工单元相对于筐体部可装卸地安装。
根据本发明的激光加工装置，因为加工单元相对于筐体部可装卸地安装，所以，例如在加工单元的构成部件产生故障时，可对各加工单元进行交换。此外，因为加工单元包含透镜与受光装置，所以，在将加工单元安装在筐体部时，若加工单元中的第二激光的轴线对准筐体部中的第一激光的轴线，则能够进行调心。
此外，在本发明的激光加工装置中，优选筐体部包括观察光学系统，该观察光学系统构成为使观察用可视光在与第一激光以及第二激光相同的轴线上朝着加工对象物进行照射，且根据该照射而能够观察由加工对象物的主面反射的反射光。因为构成为将观察用可视光在与第一激光相同的轴线上朝着加工对象物进行照射，而能够观察其反射光，所以依据观察用可视光，能够调整透镜与加工对象物的距离。
此外，在本发明的激光加工装置中，筐体部优选具有沿着第一激光以及第二激光的轴线的安装板，在该安装板的主面上可装卸地安装有加工单元，该安装板与加工单元通过使从一方延伸的突起部插入到穿设于另一方的孔内而被相互定位。因为加工单元被安装在沿着第一激光以及第二激光的轴线的安装板上，所以能够拘束加工单元在轴线周围的活动。安装板与加工单元通过将突起部插入孔内而被定位，所以，使加工单元安装在正确位置上的作业变得容易。
本发明的激光加工装置，其特征在于，包括：筐体部，包括射出用于对加工对象物进行加工的第一激光的第一激光源；以及加工单元，其包括：第二激光源，发射用于测定所述加工对象物的主面的变位的第二激光；受光装置，用于接收从该第二激光源所发射的第二激光；加工单元筐体，在其内部收纳有所述第二激光源以及所述受光装置；和透镜，其经由保持装置而固定在该加工单元筐体的外周面，且使所述第一激光以及所述第二激光在同一轴线上朝着所述加工对象物进行聚光，其中，所述加工单元相对于所述筐体部可装卸地安装。
根据本发明的激光加工装置，因为加工单元相对于筐体部可装卸地而被安装，所以，例如在加工单元所包括的称为第二激光源以及受光装置的构成部件发生故障的情况下，可对各加工单元进行交换。此外，加工单元包括透镜和受光装置，所以在将加工单元安装到筐体部时，若使加工单元中的第二激光的轴线对准筐体部中的第一激光的轴线，则可进行调心。
此外，在本发明的激光加工装置中，优选在筐体部，在沿着轴线与加工单元接触的位置处形成有使第一激光通过的第一激光通过部，而在加工单元筐体，在沿着轴线与筐体部接触的位置处形成有使第一激光通过的第二激光通过部，同时，在沿着轴线与透镜相对的位置处形成有使第一激光以及第二激光通过的第三激光通过部。因为，沿着指定的轴线配置有第一激光通过部、第二激光通过部、第三激光通过部、以及透镜，所以，若在筐体部安装加工单元，则能够以第一激光通过筐体部以及加工单元筐体而到达透镜的方式来配置筐体部以及加工单元。
根据本发明的激光加工装置，可将用于对加工对象物进行加工的激光极力地聚光于不离开指定位置的位置上。而且，在交换透镜以及受光装置时，能够很容易地将第一激光的光轴与第二激光的光轴对准而在同一轴线上朝着加工对象物进行聚光。此外，例如在加工对象物为晶圆状的情况下，有时是对其晶圆状的加工对象物的内部照射激光而形成改质层，且以其形成的改质层为起点而将加工对象物割断，此时，精度高地对一定深度位置照射激光，因为提升割断品质、精度，所以很重要。若使本发明适用于这样的加工中，则在执行激光加工装置的维护时，能够使精度良好的安装变得容易。
附图说明
图1是表示本实施方式的激光加工装置的构成图。
图2是表示将图1的物镜单元安装在光学系统主体部的模式图。
图3是表示将图1的物镜单元安装在光学系统主体部的模式图。
图4是用于说明本发明相关检讨内容的图。
标号说明：
1…激光加工装置；2…平台(stage)；3…激光头单元；4…光学系统主体部；5…物镜单元；6…激光发射装置；7…控制装置；S…加工对象物；R…改质区域；42…加工用物镜；43…致动器；13…激光头；44…激光二极管；45…受光部。
具体实施方式
本发明的知识见解可以参照仅作为例示的附图并考虑以下的详细说明而很容易得到理解。接着，一边参照附图一边对本发明实施方式进行说明。在可能的情况下，对同一部分标注同一符号，并省略重复的说明。
参照图1，对本实施方式的激光加工装置进行说明。如图1所示，对于激光加工装置1来说，其是使聚光点P对准在平台2上所载置的平板状的加工对象物S的内部，并照射加工用激光L1(第一激光)，从而在加工对象物S的内部形成因多光子吸收所产生的改质区域R的装置。平台2能够朝向上下方向以及左右方向移动并可旋转移动，该平台2的上方主要配置有由激光头单元3(激光单元、筐体部)、光学系统主体部4(筐体部)以及物镜单元5(加工单元)所构成的激光发射装置6。此外，激光加工装置1具有控制装置7，控制装置7对平台2以及激光发射装置6输出用以控制各自动作(平台2的移动、激光发射装置6的激光的发射等)的控制信号。
激光头单元3装卸自如地安装在光学系统主体部4的上端部。该激光头单元3具有L字状的冷却护套11，在该冷却护套11的纵壁11a内，以蛇行的状态而埋设有流通有冷却水的冷却管12。在该纵壁11a的前面安装有朝着下方发射加工用激光L1的激光头13、以及选择性地对该激光头13所发射的加工用激光L1的光路进行开放以及关闭的快门单元(shutter unit)14。因此，能够防止激光头13以及快门单元14的过热。其中，激光头13例如使用Nd：YAG激光，而作为加工用激光L1，是射出脉冲宽度为1μs以下的脉冲激光。
而且，在激光头单元3中，在冷却护套11的底壁11b的下面，安装有用于调整冷却护套11的倾斜等的调整部15。该调整部15，用于以在上下方向延伸的方式，使从激光头13所发射的加工用激光L1的光轴α，与设定在光学系统主体部4以及物镜单元5上的轴线β一致。即，激光头单元3经由调整部15而安装在光学系统主体部4上。其后，当利用调整部15来调整冷却护套11的倾斜等时，激光头13的倾斜也随着冷却护套11的移动而被调整。因此，加工用激光L1形成为以其光轴α与轴线β一致的状态而在光学系统主体4内行进。其中，在冷却护套11的底壁11b、调整部15、以及光学系统主体部4的筐体21上，分别形成有加工用激光L1通过的贯通孔11c、贯通孔15a、贯通孔21a、以及贯通孔21b(第一激光通过部)。
此外，在光学系统主体部4的筐体21内的轴线β上，由上到下以下述顺序配置有：放大由激光头13所发射的加工用激光L1的射束尺寸用的光束扩展器(beam expander)22、用于调整加工用激光L1的输出的光学衰减器(optical attenuator)23、观察通过光学衰减器23调整的加工用激光L1的输出用的输出观察光学系统24、以及用于调整加工用激光L1的偏光用的偏光调整光学系统25。其中，光学衰减器23安装有用于吸收被除去的激光的射束阻尼器(beam damper)26，该射束阻尼器26经由热管27而与冷却护套11连接。从而，能够防止吸收有激光的射束阻尼器26的过热。
而且，为了观察平台2上所载置的加工对象物S，而在光学系统主体部4的筐体21上安装有用于对观察用可视光进行导光的光导向装置(light guide)28，在筐体21内配置有CCD相机29。观察用可视光通过光导向装置28而被导入至筐体21内，且在顺序地通过光圈31、调制盘(reticle)32、分色镜(dichroic mirror)33等后，被配置在轴线β上的分色镜34所反射。而被反射的观察用可视光在轴线β上朝着下方行进而被照射于加工对象物S。其中，加工用激光L1透过分色镜34。
接着，在加工对象物S的表面S1被反射的观察用可视光的反射光在轴线β上朝着上方行进，且由分色镜34所反射。由该分色镜34所反射的反射光进一步被分色镜33所反射而通过成像透镜35等，并入射到CCD相机29。由该CCD相机29所摄像的加工对象物S的图像在监视器(图未示出)上被放映。从该观察用可视光导光开始至入射到CCD相机29为止的系统是实施本发明的观察光学系统的方式。
此外，物镜单元5装卸自如地被安装在光学系统主体部4的下端部。对于物镜单元5来说，因为利用多个定位销而被定位于光学系统主体部4的下端部，所以能够很容易地使设定在光学系统主体4上的轴线β与设定在物镜单元5上的轴线β一致。在该物镜单元5的筐体41的下端，经由使用压电元件的致动器43(保持装置)，以轴线β与光轴一致的状态来安装加工用物镜42。其中，在光学系统主体部4的筐体21以及物镜单元5的筐体41上，分别形成有加工用激光L1所通过的贯通孔21a、贯通孔21b、贯通孔41c(第二激光通过部)、以及贯通孔41d(第三激光通过部)。此外，由加工用物镜42所聚光的加工用激光L1的聚光点P中的峰值功率(peak power)密度为1×108(W/cm2)以上。
而且，在物镜单元5的筐体41内，为了使加工用激光L1的聚光点P位于距离加工对象物S的表面S1的指定深度处，而配置有用于发射测距用激光L2(第二激光)的激光二极管44以及受光部45(受光装置)。对于测距用激光L2来说，从激光二极管44发射，顺序地被镜46、半透明反射镜47所反射后，被配置在轴线β上的分色镜48所反射。被反射的测距用激光L2在轴腺β上朝着下方行进，且通过贯通孔41d后，通过安装在与其贯通孔41d相对位置的加工用物镜42而被照射在加工对象物S的表面S1。其中，加工用激光L1透过分色镜48。
接着，在加工对象物S的表面S1被反射的测距用激光L2的反射光再次入射于加工用物镜42而在轴线β上朝着上方行进，再由分色镜48所反射。由该分色镜48所反射的测距用激光L2的反射光，通过半透明反射镜(half mirror)47而入射到受光部45内，并聚光于将光二极管四等分而成的四分割位置检测元件上。基于被聚光在该四分割位置检测元件上的测距用激光L2的反射光的聚光像图案，而能够检测加工用物镜42的测距用激光L2的聚光点位于加工对象物S的表面S1哪个位置。被聚光于四分割位置检测元件上的测距用激光L2的反射光的聚光像图案的相关信息被输出至控制装置7。控制装置7根据该信息来对致动器43输出控制信号，用以指示保持加工用物镜42的位置。
对以上那样构成的激光加工装置1的激光加工方法的概要进行说明。首先，在平台2上载置加工对象物S，使平台2移动而使加工用激光L1的聚光点P对准加工对象物S的内部。该平台2的初期位置是根据加工对象物S的厚度、折射率、加工用物镜42的孔径等所决定的。
接着，从激光头13发射加工用激光L1，同时，从激光二极管44发射测距用激光L2，以由加工用物镜42所聚光的加工用激光L1以及测距用激光L2在加工对象物S的所期望的线(切断预定线)上进行扫描的方式使平台2移动。此时，通过受光部45检测测距用激光L2的反射光，致动器43通过控制装置7而被反馈控制，对加工用物镜42的位置在轴线β方向进行微调整，使得加工用激光L1的聚光点P的位置总是位于距离加工对象物S的表面S1的一定深度。
因此，例如即使在加工对象物S的表面S1上具有面振(表面振动)，也可以在距表面S1一定深度的位置形成由多光子吸收所产生的改质区域R。这样一来，当在平板状的加工对象物S的内部形成线状的改质区域R时，其线状的改质区域R成为起点而产生破损，可沿着线状的改质区域R而容易且高精度地将加工对象物S切断。
接着，参照图2对将物镜单元5安装在光学系统主体部4的部分进行说明。在图2中，为了容易理解，将在物镜单元5的筐体41内部所收纳的部件予以省略。
在光学系统主体部4的底部，沿着轴线β(参照图1)设置有安装板211。在安装板211上，延伸地设置有突起部211d以及突起部211e。此外，在安装板211上还形成有螺旋孔211a、螺旋孔211b、以及螺旋孔211c。
物镜单元5的筐体41具有背板411，该背板411与安装板211相抵接而物镜单元5是固定在筐体21上。在背板411上穿设有孔411a、孔411b、孔411c、孔411d、以及孔411e。
以安装板211的突起部211d插入物镜单元5的孔411d，以及安装板211的突起部211e插入物镜单元5的孔411e的方式使物镜单元5与安装板211接触。因为安装板211是沿着轴线β(参照图1)而形成的，所以物镜单元5在轴线β周围的活动受到约束。此外，因为突起部211d以及突起部211e被插入到孔411d以及孔411e内而被定位，所以沿着物镜单元5的安装板211的面的活动受到约束。因此，可设置成轴线β与物镜单元5的加工用物镜42对准。
这样一来，当使物镜单元5与安装板211抵接之后，物镜单元5的孔411a与安装板211的螺旋孔211a、物镜单元5的孔411b与安装板211的螺旋孔211b、以及物镜单元5的孔411c与安装板211的螺旋孔211c被配置在各自对应的位置。在此，使螺旋(spiral)50a从物镜单元5的孔411a侧、使螺旋50b从物镜单元5的孔411b侧、使螺旋50c从物镜单元5的孔411c侧分别插入且紧固螺旋，从而使物镜单元5被固定在筐体21上。
如图3所示，物镜单元5被固定在筐体21的方式。物镜单元5是由经由致动器43而安装有加工用物镜42的第一部分41a、以及收纳有由激光二极管44、受光部45、镜46、以及半透明反射镜47所构成的测长光学系统的第二部分41b所构成。
如上所述，从激光二极管44所发射的测距用激光L2是由镜46、半透明反射镜47依序反射且由配置在第一部分41a的分色镜48所反射。该分色镜48是以位于轴线β上的方式而被配置。因此，被分色镜48所反射的测距用激光L2在轴线β上朝着图中下方行进，且通过加工用物镜42而被照射到加工对象物S的表面S1。
接着，在加工对象物S的表面S1被反射的测距用激光L2的反射光再次入射于加工用物镜42而在轴线β上朝着图中上方行进，且被分色镜48所反射。由该分色镜48所反射的测距用激光L2的反射光通过配置在第二部分41b的半透明反射镜47而入射到受光部45内，且被聚光于将光二极管作四等分而成的四分割位置检测元件上。
这样一来，在本实施方式中，因为各构成部件是以从激光二极管44发射的测距用激光L2依次经由镜46、半透明反射镜47、以及分色镜48对加工用物镜42入射的方式而被配置，所以，即使在将物镜单元5作交换的情况下也不需要对测长光学系统进行微调整。此外，因为构成为在将物镜单元5安装在光学系统主体部4的筐体21上的情况下，被定位在指定位置，所以加工用物镜42以及分色镜48被配置成位于轴线β上。
产业上可利用性：
根据本发明的激光加工装置，可将用于对加工对象物进行加工的激光极力地聚光于不离开指定位置的位置上。而且，在交换透镜以及受光装置时，能够很容易地将第一激光的光轴与第二激光的光轴对准而在同一轴线上朝着加工对象物聚光。此外，例如在加工对象物为晶圆状的情况下，有时是对其晶圆状的加工对象物的内部照射激光而形成改质层，且以其形成的改质层为起点将加工对象物割断，此时，精度高地对一定深度位置照射激光，因为提升割断品质、精度，所以很重要。若使本发明适用于这样的加工中，则在执行激光加工装置的维护时，能够使精度良好的安装变得容易。

Claims (5)

1.一种激光加工装置，其是对加工对象物照射第一激光来加工该加工对象物的激光加工装置，其特征在于，包括：
加工单元，其包括：透镜，使所述第一激光和用于测定所述加工对象物的主面的变位的第二激光在同一轴线上朝着所述加工对象物进行聚光；受光装置，接收所述第二激光在所述主面的反射光；以及保持装置，根据该接收的反射光来相对于所述主面进退自如地保持所述透镜；和
筐体部，包括用于发射所述第一激光的激光单元，其中，
所述加工单元相对于所述筐体部可装卸地安装。
2.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于：
所述筐体部包括观察光学系统，该观察光学系统构成为使观察用可视光在所述轴线上朝着所述加工对象物照射，根据该照射而能够观察由所述加工对象物的主面反射的反射光。
3.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于：
所述筐体部具有沿着所述轴线的安装板，在该安装板的主面上可装卸地安装有所述加工单元，该安装板与所述加工单元通过将从一方延伸的突起部插入到穿设在另一方的孔内而被互相定位。
4.一种激光加工装置，其特征在于，包括：
筐体部，包括发射用于对加工对象物进行加工的第一激光的第一激光源；以及
加工单元，其包括：第二激光源，发射用于测定所述加工对象物的主面的变位的第二激光；受光装置，用于接收从该第二激光源所发射的第二激光；加工单元筐体，在其内部收纳有所述第二激光源以及所述受光装置；和透镜，其经由保持装置而固定在该加工单元筐体的外周面，且使所述第一激光以及所述第二激光在同一轴线上朝着所述加工对象物进行聚光，其中，
所述加工单元相对于所述筐体部可装卸地安装。
5.如权利要求4所述的激光加工装置，其特征在于：
在所述筐体部上，在沿着所述轴线而与所述加工单元接触的位置处形成有用于使所述第一激光通过的第一激光通过部，
在所述加工单元筐体上，在沿着所述轴线而与所述筐体部接触的位置处形成有用于使所述第一激光通过的第二激光通过部，同时，在沿着所述轴线而与所述透镜相对的位置处形成有用于使所述第一激光以及所述第二激光通过的第三激光通过部。
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