高さ位置検出装置および高さ位置検出方法
【課題】サファイアや石英等の可視光に対して透過性を有する材料で形成されたワークであっても、ワークの上面高さ位置を確実に精度高く検出できるようにする。
【解決手段】ワークＷに照射された環状のスポット形状を有するレーザビームは、ワークＷの上面および下面で反射するが、ワークＷの下面で反射した環状のスポット形状の反射光はピンホールマスク４５によって遮断し、ピンホールマスク４５を通過したワークＷの上面で反射した環状スポット形状の反射光に基づいて受光強度を検出するので、ワークＷが可視光に対して透過性を有する場合であってもその上面高さ位置を検出できる。この際、ワークＷの上面で反射した環状スポット形状の反射光に関してレーザビーム拡散手段４６で拡散された強度を所定面積の検出面４７ａを有する検出手段４７で検出することで、環状スポット形状にバラツキがあっても、ワークＷの上面高さ位置を確実に精度高く検出できる。
【解決手段】ワークＷに照射された環状のスポット形状を有するレーザビームは、ワークＷの上面および下面で反射するが、ワークＷの下面で反射した環状のスポット形状の反射光はピンホールマスク４５によって遮断し、ピンホールマスク４５を通過したワークＷの上面で反射した環状スポット形状の反射光に基づいて受光強度を検出するので、ワークＷが可視光に対して透過性を有する場合であってもその上面高さ位置を検出できる。この際、ワークＷの上面で反射した環状スポット形状の反射光に関してレーザビーム拡散手段４６で拡散された強度を所定面積の検出面４７ａを有する検出手段４７で検出することで、環状スポット形状にバラツキがあっても、ワークＷの上面高さ位置を確実に精度高く検出できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工装置に装備される保持手段に保持されたワークの上面高さ位置を、レーザビームを用いて検出するための高さ位置検出装置および高さ位置検出方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイス製造工程においては、略円板形状の半導体ウエーハの表面に格子状に配列されたストリートと称される分割予定ラインによって複数の領域が区画され、この区画された領域にＩＣ，ＬＳＩ等のデバイスを形成する。そして、半導体ウエーハをストリートに沿って切断することによりデバイスが形成された領域を分割して個々のデバイスを製造している。また、サファイア基板の表面に窒化ガリウム系化合物半導体等が積層された光デバイスウエーハもストリートに沿って切断することにより個々の発光ダイオード、レーザダイオード等の光デバイスに分割され、電子機器に広く利用されている。
【０００３】
上述した半導体ウエーハや光デバイス等のストリートに沿って分割する方法として、ウエーハに対して透過性を有するパルスレーザビームを用い、分割すべき領域の内部に集光点を合わせてパルスレーザビームを照射するレーザ加工方法も試みられている。このレーザ加工方法を用いた分割方法は、ウエーハの一方の面側から内部に集光点を合わせてウエーハに対して透過性を有する波長、例えば波長が１０６４ｎｍのパルスレーザビームを照射することで、ウエーハの内部にストリートに沿って変質層を連続的に形成し、この変質層が形成されることによって強度が低下したストリートに沿って外力を加えることにより、ウエーハを分割するものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
ところが、半導体ウエーハ等の板状のワークにはウネリがあり、その厚さにバラツキがあると、レーザビームを照射する際に屈折率の関係で所定の深さ位置に均一に変質層を形成することができない。したがって、半導体ウエーハ等のワークの内部の所定の深さ位置に均一に変質層を形成するためには、予めレーザビームを照射する領域（ストリート部分）の凹凸を検出し、その凹凸にレーザビーム照射手段を追従させて加工する必要がある。
【０００５】
このような問題点を解消するための提案例として、例えば特許文献２がある。この特許文献２では、チャックテーブルに保持されたワークの表面に可視光のレーザビームを照射し、ワークの表面で反射した面積に対応した光量に基づいてワークの表面（上面）の高さ位置を検出する高さ位置検出手段を備えている。
【０００６】
【特許文献１】特許第３４０８８０５号公報
【特許文献２】特開２００７−１５２３５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献２に示される高さ位置検出手段においては、ワークとしてのウエーハがシリコンによって形成されている場合には検出用の波長（特許文献２では、６３５ｎｍ）のレーザビームがワークを透過しないため、ワークの上面で反射した面積に対応した光量を正確に測定することができる。しかしながら、ワークが６３５ｎｍの波長に対して透過性を有するサファイアや石英等によって形成されている場合には、検出用のレーザビームがワークを透過してワークの下面でも反射するため、ワークの上面で反射した光だけを測定することができない。よって、特許文献２に示される高さ位置検出手段による検出方式では、サファイアや石英等の可視光に対して透過性を有する材料で形成されたワークの上面高さ位置を検出することができない。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、サファイアや石英等の可視光に対して透過性を有する材料で形成されたワークであっても、ワークの上面高さ位置を確実に精度高く検出することができる高さ位置検出装置および高さ位置検出方法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】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる高さ位置検出装置は、保持手段に保持されたワークの上面高さ位置を検出するための高さ位置検出装置であって、レーザビームを発振するレーザビーム発振手段と、該レーザビーム発振手段によって発振されたレーザビームのスポット形状を環状に形成する環状スポット形成手段と、該環状スポット形成手段によってスポット形状が環状に形成されたレーザビームを第１の経路に導くビームスプリッタと、前記第１の経路に導かれたレーザビームを集光して前記保持手段に保持されたワークに照射する集光器と、前記保持手段に保持されたワークで反射したレーザビームが前記ビームスプリッタによって分光される第２の経路に配設されたピンホールマスクと、前記第２の経路上で前記ピンホールマスクよりも後段位置に配設されてレーザビームを拡散させるレーザビーム拡散手段と、前記レーザビームの環状スポットの略中心位置に配置され前記レーザビーム拡散手段によって拡散されたレーザビームの強度を検出する所定面積の検出面を有する検出手段と、該検出手段によって検出された反射光の強度に基づいて前記保持手段に保持されたワークの上面高さ位置を算出する制御手段と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明にかかる高さ位置検出装置は、上記発明において、前記環状スポット形成手段は、レーザビームの光軸に沿って所定の間隔をあけて直列に配設された一対の円錐レンズからなることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明にかかる高さ位置検出方法は、保持手段に保持されたワークの上面高さ位置をレーザビームを用いて検出する高さ位置検出方法であって、レーザビームを発振させるステップと、発振されたレーザビームのスポット形状を環状に形成するステップと、スポット形状が環状に形成されたレーザビームを第１の経路に導くステップと、前記第１の経路に導かれたレーザビームを集光して前記保持手段に保持されたワークに照射させるステップと、前記保持手段に保持されたワークで反射したレーザビームを分光させて前記第１の経路とは異なる第２の経路に導くステップと、前記第２の経路上で、ワークの下面で反射した環状スポット形状のレーザビームは遮断させるとともにワークの上面で反射した環状スポット形状のレーザビームは通過させるステップと、前記第２の経路上で、ワークの上面で反射した環状スポット形状のレーザビームを拡散させるステップと、拡散されたレーザビームの強度を、所定面積の検出面を有する検出手段によって検出するステップと、検出されたレーザビームの強度に基づいて前記保持手段に保持されたワークの上面高さ位置を算出するステップと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明にかかる高さ位置検出装置および高さ位置検出方法によれば、ワークに照射された環状のスポット形状を有するレーザビームは、ワークの上面で環状のスポット形状で反射するとともに、ワークがこのレーザビームに対して透過性を有する場合には、ワークの下面でも環状のスポット形状で反射するが、ワークの下面で反射した環状のスポット形状の反射光はピンホールマスクによって遮断し、ピンホールマスクを通過したワークの上面で反射した環状スポット形状の反射光に基づいて受光強度を検出するので、ワークが可視光に対して透過性を有する場合であってもその上面高さ位置を検出することができ、この際、ワークの上面で反射した環状スポット形状の反射光に関してレーザビーム拡散手段で拡散された強度を所定面積の検出面を有する検出手段で検出しているので、環状スポット形状の中心位置にある程度のバラツキがあっても、ワークの上面高さ位置を確実に精度高く検出することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための最良の形態である高さ位置検出装置および高さ位置検出方法について図面を参照して説明する。本実施の形態は、ワークの所望の加工予定位置であるストリート（切断予定ライン）に沿ってパルスレーザビームを、ワーク内部に焦点を合わせて照射することにより改質層を形成して切断させるレーザ加工装置における高さ位置検出装置および高さ位置検出方法への適用例で説明する。
【００１４】
図１は、本実施の形態の高さ位置検出装置および高さ位置検出方法が適用されるレーザ加工装置の主要部を示す外観斜視図である。本実施の形態で用いるレーザ加工装置２０は、ワークＷを保持する保持手段２１と、保持手段２１上に保持されたワークＷに透過性を有する波長のパルスレーザビームを照射するレーザビーム照射手段２２と、保持手段２１上に保持されたワークＷを撮像する撮像手段２３とを備えている。また、保持手段２１は、ワークＷを吸引保持するとともに、モータ２４に連結されて回転可能に設けられている。また、保持手段２１は、ボールネジ２５、ナット（図示せず）、パルスモータ２６等により構成された加工送り手段２７によって水平方向となるＸ軸方向に移動可能に設けられ、搭載されたワークＷをレーザビーム照射手段２２が照射するパルスレーザビームに対して相対的に加工送りさせる。
【００１５】
また、レーザビーム照射手段２２は、実質上水平に配置された円筒形状のケーシング２８を含んでおり、このケーシング２８を介してボールネジ（図示せず）、ナット（図示せず）、パルスモータ２９等により構成されたＺ軸移動手段３０によってＺ軸方向に移動可能に設けられている。さらに、レーザビーム照射手段２２は、ケーシング２８、Ｚ軸移動手段３０を搭載した基台３１、ボールネジ３２、ナット（図示せず）、パルスモータ３３等により構成された割り出し送り手段３４によって水平方向となるＹ軸方向に移動可能に設けられ、レーザビーム照射手段２２を保持手段２１上のワークＷに対して相対的に割り出し送りさせる。
【００１６】
ここで、ケーシング２８内には、図示しないパルスレーザビーム発振手段等が配設されている。パルスレーザビーム発振手段には、例えば波長が１０６４ｎｍである加工用パルスレーザビームを発振するＹＶＯ４パルスレーザ発振器あるいはＹＡＧレーザ発振器等が用いられている。また、ケーシング２８の先端部には、組レンズ等の周知構成からなる集光レンズ（図示せず）を収容した集光器３５が装着されている。
【００１７】
また、ケーシング２８の先端部に装着された撮像手段２３は、保持手段２１上に保持されたワークＷの上面を撮像し、レーザビーム照射手段２２の集光器３５から照射されるパルスレーザビームによって加工すべき領域を検出するためのものである。この撮像手段２３は、可視光線によって撮像する撮像素子（ＣＣＤ）等で構成され、撮像した画像信号を後述の制御手段に送る。
【００１８】
また、本実施のレーザ加工装置２０は、レーザビーム照射手段２２の一部を利用して、保持手段２１に保持されたワークＷの上面高さ位置を検出するための高さ位置検出装置４０を備えている。図２は、高さ位置検出装置４０の構成例を示す概略図である。高さ位置検出装置４０は、レーザビーム発振手段４１と環状スポット形成手段４２とビームスプリッタ４３と集光器４４とピンホールマスク４５とレーザビーム拡散手段４６と検出手段４７と制御手段４８とを備える。
【００１９】
レーザビーム発振手段４１は、レーザビーム照射手段２２中の図示しないパルスレーザビーム発振手段から発振される加工用パルスレーザビームの周波数とは異なる周波数のレーザビームＬＢａを発振するためのものである。本実施の形態では、例えば、波長が６３５ｎｍ、ビーム径１ｍｍ、出力５ｍＷのレーザビームＬＢａを発振するＣＷレーザ光源が用いられている。
【００２０】
また、環状スポット形成手段４２は、レーザビーム発振手段４１によって発振されたスポット形状（断面形状）がガウス形状（円形）のレーザビームＬＢａを、スポット形状（断面形状）が環状（ドーナツ状）のレーザビームＬＢｂに変換するためのものである。本実施の形態では、環状スポット形成手段４２は、レーザビームＬＢａの光軸に沿って所定の間隔をあけて直列に配設された一対の円錐レンズ４２ａ，４２ｂからなる。なお、図示例の一対の円錐レンズ４２ａ，４２ｂは、頂点を互いに向かい合わせて配設した例を示しているが、互いに背中合わせでも同じ方向に向けて配設してもよい。
【００２１】
ビームスプリッタ４３は、例えば偏光ビームスプリッタと１／４波長板とからなり、環状スポット形成手段４２によってスポット形状が環状に形成されたレーザビームＬＢｂを透過させることで第１の経路４９ａに導くとともに、後述するワークＷ側からの反射ビームを反射させることで第１の経路４９ａとは異なる第２の経路４９ｂに導くためのものである。
【００２２】
また、集光器４４は、ビームスプリッタ４３によって第１の経路４９ａに導かれたスポット形状が環状に形成されたレーザビームＬＢｂを集光して保持手段２１に保持されたワークＷに照射するための集光レンズからなる。ここで、本実施の形態では、集光器３５中に設けられたレーザビーム照射手段２２用の組レンズ等の周知構成からなる集光レンズが兼用使用される。このため、レーザビーム照射手段２２用のパルスレーザビーム発振手段からのレーザビームの経路とレーザビーム発振手段４１からのレーザビームの経路とを集光器４４（集光器３５）で兼用・分離させるための図示しないダイクロイックハーフミラーをビームスプリッタ４３と集光器４４（集光器３５）との間の経路上に備えている。
【００２３】
ピンホールマスク４５は、所定の径よりも大きい径の反射ビームの通過を規制するピンホール４５ａを有して第２の経路４９ｂに配設され、反射ビーム中、ワークＷの下面からの反射ビームを遮断させることで、ワークＷの上面からの反射ビームとワークＷの下面からの反射ビームとを空間的に分離するためのものである。ピンホール４５ａは、その直径が例えば１ｍｍに設定されている。
【００２４】
レーザビーム拡散手段４６は、ピンホールマスク４５のピンホール４５ａを透過したスポット形状が環状のレーザビームを拡散させるためのものであり、第２の経路４９ｂ上に配設されている。このようなレーザビーム拡散手段４６は、摺りガラス、オパール光拡散ガラス、ホログラフィックディフューザ等からなる。
【００２５】
検出手段４７は、第２の経路４９ｂ上においてレーザビームの環状スポットの略中心位置に配置された所定面積の検出面４７ａを有するフォトディテクタからなり、レーザビーム拡散手段４６によって拡散されたレーザビームを受光しその光量を測定することで強度を検出するためのものである。
【００２６】
図３は、制御手段４８周りの構成例を示す概略ブロック図である。制御手段４８は、ＲＯＭ４８２に格納された制御プログラムに従い演算処理を実行するＣＰＵ４８１を備えるコンピュータからなり、レーザ加工装置２０全体の制御を司るとともに、検出手段４７によって検出された反射光の強度に基づいて保持手段２１に保持されたワークＷの上面高さ位置を算出する処理を実行する。この制御手段４８は、さらに、演算結果等を格納するＲＡＭ４８３と、入力インタフェース４８４と、出力インタフェース４８５とを備える。入力インタフェース４８４には、撮像手段２３、Ｚ軸移動手段３０、検出手段４７等からの検出信号が入力される。また、出力インタフェース４８５からは、パルスモータ２６，２９，３３、レーザビーム発振手段４１等に対して制御信号が出力される。なお、ＲＡＭ４８３は、ワークＷの上面高さ位置を算出するために後述の図１１に示すようなビーム径と検出光量との関係を示すデータを格納した記憶領域４８３ａや、ワークＷの座標値等に関する情報を格納する記憶領域４８３ｂ、その他の記憶領域を備えている。
【００２７】
このような構成からなる高さ位置検出装置４０の作用について説明する。図４は、環状スポット形成手段４２により環状スポットを形成する状態を示す説明図である。まず、図４に示すように、レーザビーム発振手段４１から発振された円形のスポット形状Ｓ１を有するレーザビームＬＢａは、環状スポット形成手段４２によって環状のスポット形状Ｓ２を有するレーザビームＬＢｂに変換される。すなわち、環状スポット形成手段４２は、直径が２ｍｍのレーザビームＬＢａを例えば外径が１０ｍｍ、内径が８ｍｍの環状レーザビームＬＢｂに拡張するとともに、平行なビームを形成する。環状スポット形成手段４２によって環状のスポット形状Ｓ２に形成されたレーザビームＬＢｂは、図２に示すように、ビームスプリッタ４３によって第１の経路４９ａに導かれ、集光器４４によってワークＷに集光される。
【００２８】
このようにして、環状のスポット形状Ｓ２に形成されたレーザビームＬＢｂを保持手段２１に保持されたワークＷの上面で照射する場合には、Ｚ軸移動手段３０を作動させて図５に示すように集光点ＰｂをワークＷの上面よりレーザビーム照射方向の上流側（上側）に位置するように調整する。図５は、ワークに環状のスポット形状を有するレーザビームを照射する状態を示す説明図である。この結果、環状のスポット形状Ｓ２に形成されたレーザビームＬＢｂは、保持手段２１に保持されたワークＷの上面に環状のスポット形状Ｓ３で照射され、環状のスポット形状Ｓ３の形状で反射する（第１の反射ビーム）。このとき、ワークＷがレーザビームＬＢｂに対して透過性を有するサファイアや石英等によって形成されている場合には、レーザビームＬＢｂはワークＷを透過して下面に達し、環状のスポット形状Ｓ４の大きさで反射する（第２の反射ビーム）。
【００２９】
このようにワークＷの上面で反射した環状のスポット形状Ｓ３の第１の反射ビームと、ワークＷの下面で反射した環状のスポット形状Ｓ４の第２の反射ビームは、集光器４４を介してビームスプリッタ４３に達する。図６は、ピンホールマスクによるレーザビームの遮断・通過の状態を示す説明図である。図６に示すように、ビームスプリッタ４３に達した環状のスポット形状Ｓ３の第１の反射ビームＬＢｃと環状のスポット形状Ｓ４の第２の反射ビームＬＢｄは、ビームスプリッタ４３によって反射されることで第２の経路４９ｂに導かれ、ピンホールマスク４５に達する。ピンホールマスク４５に形成されたピンホール４５ａは、本実施の形態では、例えば直径１ｍｍに設定されており、環状のスポット形状Ｓ３の第１の反射ビームＬＢｃは通過するが、環状のスポット形状Ｓ４の第２の反射ビームＬＢｄは遮断される。なお、ピンホール４５ａの直径は、ワークＷの厚みや集光点Ｐｂの位置等を考慮して、環状のスポット形状Ｓ３の第１の反射ビームＬＢｃは通過させるが、環状のスポット形状Ｓ４の第２の反射ビームＬＢｄは遮断される値に設定される。
【００３０】
このように、ワークＷの下面で反射した環状のスポット形状Ｓ４の第２の反射ビームＬＢｄは、ピンホールマスク４５によって遮断され、ワークＷの上面で反射した環状のスポット形状Ｓ３の第１の反射ビームＬＢｃだけがピンホールマスク４５のピンホール４５ａを通過することになる。
【００３１】
ここで、ワークＷの上面で反射した環状のスポット形状Ｓ３の第１の反射ビームＬＢｃの径の大きさは、レーザビームＬＢｂが照射されるワークＷの上面高さ位置によって変化する。図７は、厚みが異なるワークにレーザビームを照射する状態を示す説明図である。例えば、図７（ａ）に示すように、ワークＷの高さ位置が高く（ワークＷの厚みが厚く）、集光器４４からワークＷの上面までの距離Ｈが小さい場合には、レーザビームＬＢｂはワークＷの上面に照射される環状のスポット形状Ｓ３ａの大きさで反射する。この環状のスポット形状Ｓ３ａの大きさは小さめである。一方、図７（ｂ）に示すように、ワークＷの高さ位置が低く（ワークＷの厚みが薄く）、集光器４４からワークＷの上面までの距離Ｈが大きい場合には、レーザビームＬＢｂはワークＷの上面に照射される環状のスポット形状Ｓ３ｂの大きさで反射する。この環状のスポット形状Ｓ３ｂは上記の環状のスポット形状Ｓ３ａより径が大きなものとなる。
【００３２】
このように、ワークＷの上面で反射した環状のスポット形状Ｓ３の第１の反射ビームＬＢｃの径は、集光器４４からワークＷの上面までの距離Ｈが小さいほど小さくなり、集光器４４からワークＷの上面までの距離Ｈが大きいほど大きくなる。よって、ワークＷの上面で反射した環状のスポット形状Ｓ３の第１の反射ビームＬＢｃの径の大小を検出することで、ワークＷの上面高さ位置を求めることができる。
【００３３】
そこで、本実施の形態の高さ位置検出装置４０では、レーザビーム拡散手段４６と検出手段４７とを用いて、ワークＷの上面で反射した環状のスポット形状Ｓ３の第１の反射ビームＬＢｃの径の大きさを検出し、この結果に基づき、制御手段４８によってワークＷの上面高さ位置を求めるようにしたものである。
【００３４】
図８は、レーザビーム拡散手段４６および検出手段４７を拡大して示す原理図である。ワークＷの上面で反射した環状のスポット形状Ｓ３の第１の反射ビームＬＢｃを、レーザビーム拡散手段４６を通過させることによって散乱させた後、環状スポットの中心軸上に配置させた検出手段４７の検出面４７ａに入射する光量を測定することによって、環状のスポット形状Ｓ３のビーム径に比例した信号を得るものである。
【００３５】
すなわち、レーザビーム拡散手段４６を通過した環状のスポット形状Ｓ３の第１の反射ビームＬＢｃは、特定の発散角によりその環状スポット径を増加させながら検出手段４７側へ進行する。そして、検出手段４７の所定面積の検出面４７ａによって受光検出される光量は、発散した環状スポット全体の照射部に占める検出面４７ａの割合となる。よって、検出面４７ａによって検出される光量は、
ａ．検出面４７ａがレーザビーム拡散手段４６に近いほど、大きくなる。
ｂ．環状のスポット形状Ｓ３のビーム径が小さいほど、大きくなる。
という結果が得られる。
【００３６】
図９（ａ）（ｂ）は、環状のスポット形状Ｓ３のビーム径の小，大に伴う検出面４７ａでの検出光量の大，小を示す原理図である。すなわち、環状のスポット形状Ｓ３のビーム径が小さいほど、レーザビーム拡散手段４６による散乱後に検出面４７ａ上で重なり合う光量が増えて検出面４７ａでの検出光量が大きくなるのに対して、環状のスポット形状Ｓ３のビーム径が大きいほど、レーザビーム拡散手段４６による散乱後に検出面４７ａ上で重なり合う光量が減少して検出面４７ａでの検出光量が小さくなることがわかる。したがって、検出面４７ａの位置を固定することによって、環状のスポット形状Ｓ３のビーム径に比例した信号を得ることができる。
【００３７】
ここで、本実施の形態の高さ位置検出装置４０における検出手段４７の検出光量の一例を図１１に示す。なお、図１０は、検出面の寸法等を示す説明図である。図１０に示すように、検出手段４７は直径ａ＝１ｍｍの検出面４７ａを有するものを用い、これを環状のスポット形状Ｓ３の散乱光の幅（検出面４７ａへ到達時の環状スポットの環径ｒ）が１ｍｍとなる位置に配置した場合の測定例を示す。図１１に示す測定例によれば、環状のスポット形状Ｓ３のビーム径ｄが増加するに従って検出面４７ａの検出光量は線形的に減少しているのが分かる。よって、検出手段４７で検出された検出光量（強度）に基づき、制御手段４８によって環状のスポット形状Ｓ３のビーム径ｄを算出し、このビーム径ｄに基づきワークＷの上面の高さ位置を検出することが可能となる。
【００３８】
このように、本実施の形態の高さ位置検出装置４０によれば、ワークＷに照射された環状のスポット形状を有するレーザビームは、ワークＷの上面で環状のスポット形状で反射するとともに、ワークＷがこのレーザビームに対して透過性を有する場合には、ワークＷの下面でも環状のスポット形状で反射するが、ワークＷの下面で反射した環状のスポット形状の反射光はピンホールマスク４５によって遮断し、ピンホールマスク４５のピンホール４５ａを通過したワークＷの上面で反射した環状スポット形状の反射光に基づいて受光強度を検出するので、ワークＷが可視光に対して透過性を有する場合であってもその上面高さ位置を検出することができる。この際、ワークＷの上面で反射した環状スポット形状の反射光に関してレーザビーム拡散手段４６で拡散された強度を所定面積の検出面４７ａを有する検出手段４７で検出しているので、環状スポット形状の中心位置にある程度のバラツキがあっても（環状スポット形状に崩れがあっても）、ワークＷの上面高さ位置を確実に精度高く検出することができる。
【００３９】
続いて、上述したような高さ位置検出装置４０を備えるレーザ加工装置１０の作用について説明する。図１２は、レーザ加工装置１０で用いるワークＷの構成例を示す斜視図である。ワークＷは、特に限定されないが、本実施の形態では、例えばサファイアや石英等の可視光に対して透過性を有する材料製のものが用いられている。例えば、サファイア製のワークＷは、その表面Ｗａに格子状に配列された複数のストリート５１によって複数の矩形領域が区画され、この区画された矩形領域に発光ダイオード、レーザダイオード等の光デバイス５２が形成されている。
【００４０】
そこで、レーザ加工装置１０を用い、ワークＷのストリート５１に沿ってパルスレーザビームを照射し、ワークＷの内部にストリート５１に沿って変質層を形成するレーザ加工を行なう場合について説明する。なお、ワークＷの内部に変質層を形成する際に、ワークＷの厚さにバラツキがあると、上述したような屈折率の関係で、所定深さ位置に均一に変質層を形成することができない。そこで、本実施の形態では、上述した高さ位置検出装置４０によって保持手段２１に保持されたワークＷの上面高さ位置を検出し、検出結果に応じてＺ軸移動手段３０でＺ軸位置を調整しながら、同時に、レーザビーム照射手段２２によってレーザ加工を施すものである。すなわち、レーザビーム照射手段２２による加工用のパルスレーザビームと高さ位置検出装置４０による検出用のレーザビームとをワークＷに対して同時に照射しながらワークＷを走査させるものである。
【００４１】
まず、保持手段２１上にワークＷの裏面Ｗｂを上にして載置し、保持手段２１上にワークＷを吸引保持させる。ワークＷを吸引保持した保持手段２１は、加工送り手段２７によって撮像手段２３の直下に位置付けられる。
【００４２】
保持手段２１が撮像手段２３の直下に位置付けられると、撮像手段２３および制御手段４８によってワークＷのレーザ加工すべき加工領域を検出するアライメント作業を実行する。すなわち、撮像手段２３および制御手段４８は、ワークＷの所定方向に形成されているストリート５１と、このストリート５１に沿って集光器３５（したがって、ワークＷの高さ位置を検出する高さ位置検出装置４０の集光器４４）との位置合わせを行なうためのパターンマッチング等の画像処理を実行し、アライメントを遂行する。
【００４３】
このようにしてアライメントが行なわれると、保持手段２１上のワークＷは、図１３（ａ）に示すような座標位置に位置付けられた状態となる。図１３は、ワークＷが保持手段２１の所定位置に保持された状態における座標位置との関係を示す説明図である。なお、図１３（ｂ）は、保持手段２１、すなわちワークＷを図１３（ａ）に示す状態から９０度回転させた状態を示している。
【００４４】
なお、図１３（ａ）（ｂ）に示す座標位置に位置付けられた状態におけるワークＷに形成された各ストリート５１の送り開始位置座標値（Ａ１，Ａ２，Ａ３，・・・，Ａｎ）と送り終了位置座標値（Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，・・・，Ｂｎ）および送り開始位置座標値（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，・・・，Ｃｎ）と送り終了位置座標値（Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，・・・，Ｄｎ）は、ＲＡＭ４８３の記憶領域４８３ｂに格納されている。
【００４５】
そして、保持手段２１に保持されているワークＷに形成されているストリート５１を検出し、レーザ加工位置のアライメントが行なわれると、保持手段２１を移動させて、図１３（ａ）中の最上位のストリート５１を集光器４４の直下に位置付ける。図１４は、高さ位置検出工程および変質層を形成するレーザ加工工程を示す説明図である。そこで、さらに図１４に示すようにストリート５１の一端（図１４において左端）である送り開始位置座標値Ａ１を集光器４４（集光器３５でもある）の直下に位置付ける。そこで、高さ位置検出装置４０を作動させるとともに、保持手段２１を図１４において矢印Ｘ１で示す方向に所定の加工送り速度に合わせて移動させ、送り終了位置座標値Ｂ２まで移動させる。この結果、ワークＷの図１３（ａ）中の最上位のストリート５１における高さ位置（集光器４４からワークＷの上面（裏面Ｗｂ）までの距離Ｈ）が順次検出される。
【００４６】
制御手段４８は、このようにしてワークＷに形成された加工対象となるストリート５１に沿って高さ位置検出処理を実行するとともに、順次検出される高さ位置の検出結果により、Ｚ軸移動手段３０のパルスモータ２９をフィードバック制御して、集光器３５から照射されるパルスレーザビームの集光点Ｐａの高さ位置を調整しながら、ワークＷの内部にストリート５１に沿って変質層を形成するレーザ加工を実施する。すなわち、制御手段４８は、高さ位置検出装置４０の検出結果に基づいてＺ軸移動手段３０のパルスモータ２９をフィードバック制御し、図１４に示すように、集光器３５をワークＷのストリート５１における検出された高さ位置に応じて上下方向に移動させる。この結果、集光器３５から照射されるパルスレーザビームの集光点ＰａはワークＷの裏面Ｗｂ（上面）から所定深さ位置に合わせられ、ワークＷの内部には、図１４中に示すように、裏面Ｗｂ（上面）から所定の深さ位置に裏面Ｗｂ（上面）と平行に変質層５３が形成される。
【００４７】
そして、図１４中に示すように集光器３５の照射位置がストリート５１の他端（図１４において右端）に達したら、パルスレーザビームの照射を停止させるとともに、保持手段２１の移動を停止させる。
【００４８】
以上のようにして、ワークＷの所定方向に延在する全てのストリート５１に沿って上述したような高さ位置検出処理およびレーザ加工処理を実行したら、保持手段２１を９０度回転させて、上記の所定方向に対して直交する方向に延びる各ストリート５１に沿って同様に高さ位置検出処理およびレーザ加工処理を実行する。このようにして、ワークＷに形成された全てのストリート５１に沿って高さ位置検出処理およびレーザ加工処理を実行したら、ワークＷを保持している保持手段２１は最初にワークＷを吸引保持した位置に戻され、ここでワークＷの吸引保持を解除する。そして、ワークＷは、図示しない搬送手段によって分割工程に搬送される。
【００４９】
本発明は、上述した実施の形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば、種々の変形が可能である。例えば、本実施の形態では、レーザ加工装置２０における高さ位置検出装置４０および高さ位置検出方法への適用例として説明したが、本発明は、保持手段に保持されたワークを加工する種々の加工装置に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施の形態の高さ位置検出装置および高さ位置検出方法が適用されるレーザ加工装置の主要部を示す外観斜視図である。
【図２】高さ位置検出装置の構成例を示す概略図である。
【図３】制御手段周りの構成例を示す概略ブロック図である。
【図４】環状スポット形成手段により環状スポットを形成する状態を示す説明図である。
【図５】ワークに環状のスポット形状を有するレーザビームを照射する状態を示す説明図である。
【図６】ピンホールマスクによるレーザビームの遮断・通過の状態を示す説明図である。
【図７】厚みが異なるワークにレーザビームを照射する状態を示す説明図である。
【図８】レーザビーム拡散手段および検出手段を拡大して示す原理図である。
【図９】環状のスポット形状のビーム径の違いに伴う検出面での検出光量の大小を示す原理図である。
【図１０】検出面の寸法等を示す説明図である。
【図１１】検出手段の検出光量の一例を示す特性図である。
【図１２】レーザ加工装置で用いるワークの構成例を示す斜視図である。
【図１３】ワークが保持手段の所定位置に保持された状態における座標位置との関係を示す説明図である。
【図１４】高さ位置検出工程および変質層を形成するレーザ加工工程を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５１】
２１ 保持手段
４０ 高さ位置検出装置
４１ レーザビーム発振手段
４２ 環状スポット形成手段
４２ａ，４２ｂ 円錐レンズ
４３ ビームスプリッタ
４４ 集光器
４５ ピンホールマスク
４６ レーザビーム拡散手段
４７ 検出手段
４７ａ 検出面
４８ 制御手段
４９ａ 第１の経路
４９ｂ 第２の経路
Ｗ ワーク
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工装置に装備される保持手段に保持されたワークの上面高さ位置を、レーザビームを用いて検出するための高さ位置検出装置および高さ位置検出方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイス製造工程においては、略円板形状の半導体ウエーハの表面に格子状に配列されたストリートと称される分割予定ラインによって複数の領域が区画され、この区画された領域にＩＣ，ＬＳＩ等のデバイスを形成する。そして、半導体ウエーハをストリートに沿って切断することによりデバイスが形成された領域を分割して個々のデバイスを製造している。また、サファイア基板の表面に窒化ガリウム系化合物半導体等が積層された光デバイスウエーハもストリートに沿って切断することにより個々の発光ダイオード、レーザダイオード等の光デバイスに分割され、電子機器に広く利用されている。
【０００３】
上述した半導体ウエーハや光デバイス等のストリートに沿って分割する方法として、ウエーハに対して透過性を有するパルスレーザビームを用い、分割すべき領域の内部に集光点を合わせてパルスレーザビームを照射するレーザ加工方法も試みられている。このレーザ加工方法を用いた分割方法は、ウエーハの一方の面側から内部に集光点を合わせてウエーハに対して透過性を有する波長、例えば波長が１０６４ｎｍのパルスレーザビームを照射することで、ウエーハの内部にストリートに沿って変質層を連続的に形成し、この変質層が形成されることによって強度が低下したストリートに沿って外力を加えることにより、ウエーハを分割するものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
ところが、半導体ウエーハ等の板状のワークにはウネリがあり、その厚さにバラツキがあると、レーザビームを照射する際に屈折率の関係で所定の深さ位置に均一に変質層を形成することができない。したがって、半導体ウエーハ等のワークの内部の所定の深さ位置に均一に変質層を形成するためには、予めレーザビームを照射する領域（ストリート部分）の凹凸を検出し、その凹凸にレーザビーム照射手段を追従させて加工する必要がある。
【０００５】
このような問題点を解消するための提案例として、例えば特許文献２がある。この特許文献２では、チャックテーブルに保持されたワークの表面に可視光のレーザビームを照射し、ワークの表面で反射した面積に対応した光量に基づいてワークの表面（上面）の高さ位置を検出する高さ位置検出手段を備えている。
【０００６】
【特許文献１】特許第３４０８８０５号公報
【特許文献２】特開２００７−１５２３５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献２に示される高さ位置検出手段においては、ワークとしてのウエーハがシリコンによって形成されている場合には検出用の波長（特許文献２では、６３５ｎｍ）のレーザビームがワークを透過しないため、ワークの上面で反射した面積に対応した光量を正確に測定することができる。しかしながら、ワークが６３５ｎｍの波長に対して透過性を有するサファイアや石英等によって形成されている場合には、検出用のレーザビームがワークを透過してワークの下面でも反射するため、ワークの上面で反射した光だけを測定することができない。よって、特許文献２に示される高さ位置検出手段による検出方式では、サファイアや石英等の可視光に対して透過性を有する材料で形成されたワークの上面高さ位置を検出することができない。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、サファイアや石英等の可視光に対して透過性を有する材料で形成されたワークであっても、ワークの上面高さ位置を確実に精度高く検出することができる高さ位置検出装置および高さ位置検出方法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】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる高さ位置検出装置は、保持手段に保持されたワークの上面高さ位置を検出するための高さ位置検出装置であって、レーザビームを発振するレーザビーム発振手段と、該レーザビーム発振手段によって発振されたレーザビームのスポット形状を環状に形成する環状スポット形成手段と、該環状スポット形成手段によってスポット形状が環状に形成されたレーザビームを第１の経路に導くビームスプリッタと、前記第１の経路に導かれたレーザビームを集光して前記保持手段に保持されたワークに照射する集光器と、前記保持手段に保持されたワークで反射したレーザビームが前記ビームスプリッタによって分光される第２の経路に配設されたピンホールマスクと、前記第２の経路上で前記ピンホールマスクよりも後段位置に配設されてレーザビームを拡散させるレーザビーム拡散手段と、前記レーザビームの環状スポットの略中心位置に配置され前記レーザビーム拡散手段によって拡散されたレーザビームの強度を検出する所定面積の検出面を有する検出手段と、該検出手段によって検出された反射光の強度に基づいて前記保持手段に保持されたワークの上面高さ位置を算出する制御手段と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明にかかる高さ位置検出装置は、上記発明において、前記環状スポット形成手段は、レーザビームの光軸に沿って所定の間隔をあけて直列に配設された一対の円錐レンズからなることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明にかかる高さ位置検出方法は、保持手段に保持されたワークの上面高さ位置をレーザビームを用いて検出する高さ位置検出方法であって、レーザビームを発振させるステップと、発振されたレーザビームのスポット形状を環状に形成するステップと、スポット形状が環状に形成されたレーザビームを第１の経路に導くステップと、前記第１の経路に導かれたレーザビームを集光して前記保持手段に保持されたワークに照射させるステップと、前記保持手段に保持されたワークで反射したレーザビームを分光させて前記第１の経路とは異なる第２の経路に導くステップと、前記第２の経路上で、ワークの下面で反射した環状スポット形状のレーザビームは遮断させるとともにワークの上面で反射した環状スポット形状のレーザビームは通過させるステップと、前記第２の経路上で、ワークの上面で反射した環状スポット形状のレーザビームを拡散させるステップと、拡散されたレーザビームの強度を、所定面積の検出面を有する検出手段によって検出するステップと、検出されたレーザビームの強度に基づいて前記保持手段に保持されたワークの上面高さ位置を算出するステップと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明にかかる高さ位置検出装置および高さ位置検出方法によれば、ワークに照射された環状のスポット形状を有するレーザビームは、ワークの上面で環状のスポット形状で反射するとともに、ワークがこのレーザビームに対して透過性を有する場合には、ワークの下面でも環状のスポット形状で反射するが、ワークの下面で反射した環状のスポット形状の反射光はピンホールマスクによって遮断し、ピンホールマスクを通過したワークの上面で反射した環状スポット形状の反射光に基づいて受光強度を検出するので、ワークが可視光に対して透過性を有する場合であってもその上面高さ位置を検出することができ、この際、ワークの上面で反射した環状スポット形状の反射光に関してレーザビーム拡散手段で拡散された強度を所定面積の検出面を有する検出手段で検出しているので、環状スポット形状の中心位置にある程度のバラツキがあっても、ワークの上面高さ位置を確実に精度高く検出することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための最良の形態である高さ位置検出装置および高さ位置検出方法について図面を参照して説明する。本実施の形態は、ワークの所望の加工予定位置であるストリート（切断予定ライン）に沿ってパルスレーザビームを、ワーク内部に焦点を合わせて照射することにより改質層を形成して切断させるレーザ加工装置における高さ位置検出装置および高さ位置検出方法への適用例で説明する。
【００１４】
図１は、本実施の形態の高さ位置検出装置および高さ位置検出方法が適用されるレーザ加工装置の主要部を示す外観斜視図である。本実施の形態で用いるレーザ加工装置２０は、ワークＷを保持する保持手段２１と、保持手段２１上に保持されたワークＷに透過性を有する波長のパルスレーザビームを照射するレーザビーム照射手段２２と、保持手段２１上に保持されたワークＷを撮像する撮像手段２３とを備えている。また、保持手段２１は、ワークＷを吸引保持するとともに、モータ２４に連結されて回転可能に設けられている。また、保持手段２１は、ボールネジ２５、ナット（図示せず）、パルスモータ２６等により構成された加工送り手段２７によって水平方向となるＸ軸方向に移動可能に設けられ、搭載されたワークＷをレーザビーム照射手段２２が照射するパルスレーザビームに対して相対的に加工送りさせる。
【００１５】
また、レーザビーム照射手段２２は、実質上水平に配置された円筒形状のケーシング２８を含んでおり、このケーシング２８を介してボールネジ（図示せず）、ナット（図示せず）、パルスモータ２９等により構成されたＺ軸移動手段３０によってＺ軸方向に移動可能に設けられている。さらに、レーザビーム照射手段２２は、ケーシング２８、Ｚ軸移動手段３０を搭載した基台３１、ボールネジ３２、ナット（図示せず）、パルスモータ３３等により構成された割り出し送り手段３４によって水平方向となるＹ軸方向に移動可能に設けられ、レーザビーム照射手段２２を保持手段２１上のワークＷに対して相対的に割り出し送りさせる。
【００１６】
ここで、ケーシング２８内には、図示しないパルスレーザビーム発振手段等が配設されている。パルスレーザビーム発振手段には、例えば波長が１０６４ｎｍである加工用パルスレーザビームを発振するＹＶＯ４パルスレーザ発振器あるいはＹＡＧレーザ発振器等が用いられている。また、ケーシング２８の先端部には、組レンズ等の周知構成からなる集光レンズ（図示せず）を収容した集光器３５が装着されている。
【００１７】
また、ケーシング２８の先端部に装着された撮像手段２３は、保持手段２１上に保持されたワークＷの上面を撮像し、レーザビーム照射手段２２の集光器３５から照射されるパルスレーザビームによって加工すべき領域を検出するためのものである。この撮像手段２３は、可視光線によって撮像する撮像素子（ＣＣＤ）等で構成され、撮像した画像信号を後述の制御手段に送る。
【００１８】
また、本実施のレーザ加工装置２０は、レーザビーム照射手段２２の一部を利用して、保持手段２１に保持されたワークＷの上面高さ位置を検出するための高さ位置検出装置４０を備えている。図２は、高さ位置検出装置４０の構成例を示す概略図である。高さ位置検出装置４０は、レーザビーム発振手段４１と環状スポット形成手段４２とビームスプリッタ４３と集光器４４とピンホールマスク４５とレーザビーム拡散手段４６と検出手段４７と制御手段４８とを備える。
【００１９】
レーザビーム発振手段４１は、レーザビーム照射手段２２中の図示しないパルスレーザビーム発振手段から発振される加工用パルスレーザビームの周波数とは異なる周波数のレーザビームＬＢａを発振するためのものである。本実施の形態では、例えば、波長が６３５ｎｍ、ビーム径１ｍｍ、出力５ｍＷのレーザビームＬＢａを発振するＣＷレーザ光源が用いられている。
【００２０】
また、環状スポット形成手段４２は、レーザビーム発振手段４１によって発振されたスポット形状（断面形状）がガウス形状（円形）のレーザビームＬＢａを、スポット形状（断面形状）が環状（ドーナツ状）のレーザビームＬＢｂに変換するためのものである。本実施の形態では、環状スポット形成手段４２は、レーザビームＬＢａの光軸に沿って所定の間隔をあけて直列に配設された一対の円錐レンズ４２ａ，４２ｂからなる。なお、図示例の一対の円錐レンズ４２ａ，４２ｂは、頂点を互いに向かい合わせて配設した例を示しているが、互いに背中合わせでも同じ方向に向けて配設してもよい。
【００２１】
ビームスプリッタ４３は、例えば偏光ビームスプリッタと１／４波長板とからなり、環状スポット形成手段４２によってスポット形状が環状に形成されたレーザビームＬＢｂを透過させることで第１の経路４９ａに導くとともに、後述するワークＷ側からの反射ビームを反射させることで第１の経路４９ａとは異なる第２の経路４９ｂに導くためのものである。
【００２２】
また、集光器４４は、ビームスプリッタ４３によって第１の経路４９ａに導かれたスポット形状が環状に形成されたレーザビームＬＢｂを集光して保持手段２１に保持されたワークＷに照射するための集光レンズからなる。ここで、本実施の形態では、集光器３５中に設けられたレーザビーム照射手段２２用の組レンズ等の周知構成からなる集光レンズが兼用使用される。このため、レーザビーム照射手段２２用のパルスレーザビーム発振手段からのレーザビームの経路とレーザビーム発振手段４１からのレーザビームの経路とを集光器４４（集光器３５）で兼用・分離させるための図示しないダイクロイックハーフミラーをビームスプリッタ４３と集光器４４（集光器３５）との間の経路上に備えている。
【００２３】
ピンホールマスク４５は、所定の径よりも大きい径の反射ビームの通過を規制するピンホール４５ａを有して第２の経路４９ｂに配設され、反射ビーム中、ワークＷの下面からの反射ビームを遮断させることで、ワークＷの上面からの反射ビームとワークＷの下面からの反射ビームとを空間的に分離するためのものである。ピンホール４５ａは、その直径が例えば１ｍｍに設定されている。
【００２４】
レーザビーム拡散手段４６は、ピンホールマスク４５のピンホール４５ａを透過したスポット形状が環状のレーザビームを拡散させるためのものであり、第２の経路４９ｂ上に配設されている。このようなレーザビーム拡散手段４６は、摺りガラス、オパール光拡散ガラス、ホログラフィックディフューザ等からなる。
【００２５】
検出手段４７は、第２の経路４９ｂ上においてレーザビームの環状スポットの略中心位置に配置された所定面積の検出面４７ａを有するフォトディテクタからなり、レーザビーム拡散手段４６によって拡散されたレーザビームを受光しその光量を測定することで強度を検出するためのものである。
【００２６】
図３は、制御手段４８周りの構成例を示す概略ブロック図である。制御手段４８は、ＲＯＭ４８２に格納された制御プログラムに従い演算処理を実行するＣＰＵ４８１を備えるコンピュータからなり、レーザ加工装置２０全体の制御を司るとともに、検出手段４７によって検出された反射光の強度に基づいて保持手段２１に保持されたワークＷの上面高さ位置を算出する処理を実行する。この制御手段４８は、さらに、演算結果等を格納するＲＡＭ４８３と、入力インタフェース４８４と、出力インタフェース４８５とを備える。入力インタフェース４８４には、撮像手段２３、Ｚ軸移動手段３０、検出手段４７等からの検出信号が入力される。また、出力インタフェース４８５からは、パルスモータ２６，２９，３３、レーザビーム発振手段４１等に対して制御信号が出力される。なお、ＲＡＭ４８３は、ワークＷの上面高さ位置を算出するために後述の図１１に示すようなビーム径と検出光量との関係を示すデータを格納した記憶領域４８３ａや、ワークＷの座標値等に関する情報を格納する記憶領域４８３ｂ、その他の記憶領域を備えている。
【００２７】
このような構成からなる高さ位置検出装置４０の作用について説明する。図４は、環状スポット形成手段４２により環状スポットを形成する状態を示す説明図である。まず、図４に示すように、レーザビーム発振手段４１から発振された円形のスポット形状Ｓ１を有するレーザビームＬＢａは、環状スポット形成手段４２によって環状のスポット形状Ｓ２を有するレーザビームＬＢｂに変換される。すなわち、環状スポット形成手段４２は、直径が２ｍｍのレーザビームＬＢａを例えば外径が１０ｍｍ、内径が８ｍｍの環状レーザビームＬＢｂに拡張するとともに、平行なビームを形成する。環状スポット形成手段４２によって環状のスポット形状Ｓ２に形成されたレーザビームＬＢｂは、図２に示すように、ビームスプリッタ４３によって第１の経路４９ａに導かれ、集光器４４によってワークＷに集光される。
【００２８】
このようにして、環状のスポット形状Ｓ２に形成されたレーザビームＬＢｂを保持手段２１に保持されたワークＷの上面で照射する場合には、Ｚ軸移動手段３０を作動させて図５に示すように集光点ＰｂをワークＷの上面よりレーザビーム照射方向の上流側（上側）に位置するように調整する。図５は、ワークに環状のスポット形状を有するレーザビームを照射する状態を示す説明図である。この結果、環状のスポット形状Ｓ２に形成されたレーザビームＬＢｂは、保持手段２１に保持されたワークＷの上面に環状のスポット形状Ｓ３で照射され、環状のスポット形状Ｓ３の形状で反射する（第１の反射ビーム）。このとき、ワークＷがレーザビームＬＢｂに対して透過性を有するサファイアや石英等によって形成されている場合には、レーザビームＬＢｂはワークＷを透過して下面に達し、環状のスポット形状Ｓ４の大きさで反射する（第２の反射ビーム）。
【００２９】
このようにワークＷの上面で反射した環状のスポット形状Ｓ３の第１の反射ビームと、ワークＷの下面で反射した環状のスポット形状Ｓ４の第２の反射ビームは、集光器４４を介してビームスプリッタ４３に達する。図６は、ピンホールマスクによるレーザビームの遮断・通過の状態を示す説明図である。図６に示すように、ビームスプリッタ４３に達した環状のスポット形状Ｓ３の第１の反射ビームＬＢｃと環状のスポット形状Ｓ４の第２の反射ビームＬＢｄは、ビームスプリッタ４３によって反射されることで第２の経路４９ｂに導かれ、ピンホールマスク４５に達する。ピンホールマスク４５に形成されたピンホール４５ａは、本実施の形態では、例えば直径１ｍｍに設定されており、環状のスポット形状Ｓ３の第１の反射ビームＬＢｃは通過するが、環状のスポット形状Ｓ４の第２の反射ビームＬＢｄは遮断される。なお、ピンホール４５ａの直径は、ワークＷの厚みや集光点Ｐｂの位置等を考慮して、環状のスポット形状Ｓ３の第１の反射ビームＬＢｃは通過させるが、環状のスポット形状Ｓ４の第２の反射ビームＬＢｄは遮断される値に設定される。
【００３０】
このように、ワークＷの下面で反射した環状のスポット形状Ｓ４の第２の反射ビームＬＢｄは、ピンホールマスク４５によって遮断され、ワークＷの上面で反射した環状のスポット形状Ｓ３の第１の反射ビームＬＢｃだけがピンホールマスク４５のピンホール４５ａを通過することになる。
【００３１】
ここで、ワークＷの上面で反射した環状のスポット形状Ｓ３の第１の反射ビームＬＢｃの径の大きさは、レーザビームＬＢｂが照射されるワークＷの上面高さ位置によって変化する。図７は、厚みが異なるワークにレーザビームを照射する状態を示す説明図である。例えば、図７（ａ）に示すように、ワークＷの高さ位置が高く（ワークＷの厚みが厚く）、集光器４４からワークＷの上面までの距離Ｈが小さい場合には、レーザビームＬＢｂはワークＷの上面に照射される環状のスポット形状Ｓ３ａの大きさで反射する。この環状のスポット形状Ｓ３ａの大きさは小さめである。一方、図７（ｂ）に示すように、ワークＷの高さ位置が低く（ワークＷの厚みが薄く）、集光器４４からワークＷの上面までの距離Ｈが大きい場合には、レーザビームＬＢｂはワークＷの上面に照射される環状のスポット形状Ｓ３ｂの大きさで反射する。この環状のスポット形状Ｓ３ｂは上記の環状のスポット形状Ｓ３ａより径が大きなものとなる。
【００３２】
このように、ワークＷの上面で反射した環状のスポット形状Ｓ３の第１の反射ビームＬＢｃの径は、集光器４４からワークＷの上面までの距離Ｈが小さいほど小さくなり、集光器４４からワークＷの上面までの距離Ｈが大きいほど大きくなる。よって、ワークＷの上面で反射した環状のスポット形状Ｓ３の第１の反射ビームＬＢｃの径の大小を検出することで、ワークＷの上面高さ位置を求めることができる。
【００３３】
そこで、本実施の形態の高さ位置検出装置４０では、レーザビーム拡散手段４６と検出手段４７とを用いて、ワークＷの上面で反射した環状のスポット形状Ｓ３の第１の反射ビームＬＢｃの径の大きさを検出し、この結果に基づき、制御手段４８によってワークＷの上面高さ位置を求めるようにしたものである。
【００３４】
図８は、レーザビーム拡散手段４６および検出手段４７を拡大して示す原理図である。ワークＷの上面で反射した環状のスポット形状Ｓ３の第１の反射ビームＬＢｃを、レーザビーム拡散手段４６を通過させることによって散乱させた後、環状スポットの中心軸上に配置させた検出手段４７の検出面４７ａに入射する光量を測定することによって、環状のスポット形状Ｓ３のビーム径に比例した信号を得るものである。
【００３５】
すなわち、レーザビーム拡散手段４６を通過した環状のスポット形状Ｓ３の第１の反射ビームＬＢｃは、特定の発散角によりその環状スポット径を増加させながら検出手段４７側へ進行する。そして、検出手段４７の所定面積の検出面４７ａによって受光検出される光量は、発散した環状スポット全体の照射部に占める検出面４７ａの割合となる。よって、検出面４７ａによって検出される光量は、
ａ．検出面４７ａがレーザビーム拡散手段４６に近いほど、大きくなる。
ｂ．環状のスポット形状Ｓ３のビーム径が小さいほど、大きくなる。
という結果が得られる。
【００３６】
図９（ａ）（ｂ）は、環状のスポット形状Ｓ３のビーム径の小，大に伴う検出面４７ａでの検出光量の大，小を示す原理図である。すなわち、環状のスポット形状Ｓ３のビーム径が小さいほど、レーザビーム拡散手段４６による散乱後に検出面４７ａ上で重なり合う光量が増えて検出面４７ａでの検出光量が大きくなるのに対して、環状のスポット形状Ｓ３のビーム径が大きいほど、レーザビーム拡散手段４６による散乱後に検出面４７ａ上で重なり合う光量が減少して検出面４７ａでの検出光量が小さくなることがわかる。したがって、検出面４７ａの位置を固定することによって、環状のスポット形状Ｓ３のビーム径に比例した信号を得ることができる。
【００３７】
ここで、本実施の形態の高さ位置検出装置４０における検出手段４７の検出光量の一例を図１１に示す。なお、図１０は、検出面の寸法等を示す説明図である。図１０に示すように、検出手段４７は直径ａ＝１ｍｍの検出面４７ａを有するものを用い、これを環状のスポット形状Ｓ３の散乱光の幅（検出面４７ａへ到達時の環状スポットの環径ｒ）が１ｍｍとなる位置に配置した場合の測定例を示す。図１１に示す測定例によれば、環状のスポット形状Ｓ３のビーム径ｄが増加するに従って検出面４７ａの検出光量は線形的に減少しているのが分かる。よって、検出手段４７で検出された検出光量（強度）に基づき、制御手段４８によって環状のスポット形状Ｓ３のビーム径ｄを算出し、このビーム径ｄに基づきワークＷの上面の高さ位置を検出することが可能となる。
【００３８】
このように、本実施の形態の高さ位置検出装置４０によれば、ワークＷに照射された環状のスポット形状を有するレーザビームは、ワークＷの上面で環状のスポット形状で反射するとともに、ワークＷがこのレーザビームに対して透過性を有する場合には、ワークＷの下面でも環状のスポット形状で反射するが、ワークＷの下面で反射した環状のスポット形状の反射光はピンホールマスク４５によって遮断し、ピンホールマスク４５のピンホール４５ａを通過したワークＷの上面で反射した環状スポット形状の反射光に基づいて受光強度を検出するので、ワークＷが可視光に対して透過性を有する場合であってもその上面高さ位置を検出することができる。この際、ワークＷの上面で反射した環状スポット形状の反射光に関してレーザビーム拡散手段４６で拡散された強度を所定面積の検出面４７ａを有する検出手段４７で検出しているので、環状スポット形状の中心位置にある程度のバラツキがあっても（環状スポット形状に崩れがあっても）、ワークＷの上面高さ位置を確実に精度高く検出することができる。
【００３９】
続いて、上述したような高さ位置検出装置４０を備えるレーザ加工装置１０の作用について説明する。図１２は、レーザ加工装置１０で用いるワークＷの構成例を示す斜視図である。ワークＷは、特に限定されないが、本実施の形態では、例えばサファイアや石英等の可視光に対して透過性を有する材料製のものが用いられている。例えば、サファイア製のワークＷは、その表面Ｗａに格子状に配列された複数のストリート５１によって複数の矩形領域が区画され、この区画された矩形領域に発光ダイオード、レーザダイオード等の光デバイス５２が形成されている。
【００４０】
そこで、レーザ加工装置１０を用い、ワークＷのストリート５１に沿ってパルスレーザビームを照射し、ワークＷの内部にストリート５１に沿って変質層を形成するレーザ加工を行なう場合について説明する。なお、ワークＷの内部に変質層を形成する際に、ワークＷの厚さにバラツキがあると、上述したような屈折率の関係で、所定深さ位置に均一に変質層を形成することができない。そこで、本実施の形態では、上述した高さ位置検出装置４０によって保持手段２１に保持されたワークＷの上面高さ位置を検出し、検出結果に応じてＺ軸移動手段３０でＺ軸位置を調整しながら、同時に、レーザビーム照射手段２２によってレーザ加工を施すものである。すなわち、レーザビーム照射手段２２による加工用のパルスレーザビームと高さ位置検出装置４０による検出用のレーザビームとをワークＷに対して同時に照射しながらワークＷを走査させるものである。
【００４１】
まず、保持手段２１上にワークＷの裏面Ｗｂを上にして載置し、保持手段２１上にワークＷを吸引保持させる。ワークＷを吸引保持した保持手段２１は、加工送り手段２７によって撮像手段２３の直下に位置付けられる。
【００４２】
保持手段２１が撮像手段２３の直下に位置付けられると、撮像手段２３および制御手段４８によってワークＷのレーザ加工すべき加工領域を検出するアライメント作業を実行する。すなわち、撮像手段２３および制御手段４８は、ワークＷの所定方向に形成されているストリート５１と、このストリート５１に沿って集光器３５（したがって、ワークＷの高さ位置を検出する高さ位置検出装置４０の集光器４４）との位置合わせを行なうためのパターンマッチング等の画像処理を実行し、アライメントを遂行する。
【００４３】
このようにしてアライメントが行なわれると、保持手段２１上のワークＷは、図１３（ａ）に示すような座標位置に位置付けられた状態となる。図１３は、ワークＷが保持手段２１の所定位置に保持された状態における座標位置との関係を示す説明図である。なお、図１３（ｂ）は、保持手段２１、すなわちワークＷを図１３（ａ）に示す状態から９０度回転させた状態を示している。
【００４４】
なお、図１３（ａ）（ｂ）に示す座標位置に位置付けられた状態におけるワークＷに形成された各ストリート５１の送り開始位置座標値（Ａ１，Ａ２，Ａ３，・・・，Ａｎ）と送り終了位置座標値（Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，・・・，Ｂｎ）および送り開始位置座標値（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，・・・，Ｃｎ）と送り終了位置座標値（Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，・・・，Ｄｎ）は、ＲＡＭ４８３の記憶領域４８３ｂに格納されている。
【００４５】
そして、保持手段２１に保持されているワークＷに形成されているストリート５１を検出し、レーザ加工位置のアライメントが行なわれると、保持手段２１を移動させて、図１３（ａ）中の最上位のストリート５１を集光器４４の直下に位置付ける。図１４は、高さ位置検出工程および変質層を形成するレーザ加工工程を示す説明図である。そこで、さらに図１４に示すようにストリート５１の一端（図１４において左端）である送り開始位置座標値Ａ１を集光器４４（集光器３５でもある）の直下に位置付ける。そこで、高さ位置検出装置４０を作動させるとともに、保持手段２１を図１４において矢印Ｘ１で示す方向に所定の加工送り速度に合わせて移動させ、送り終了位置座標値Ｂ２まで移動させる。この結果、ワークＷの図１３（ａ）中の最上位のストリート５１における高さ位置（集光器４４からワークＷの上面（裏面Ｗｂ）までの距離Ｈ）が順次検出される。
【００４６】
制御手段４８は、このようにしてワークＷに形成された加工対象となるストリート５１に沿って高さ位置検出処理を実行するとともに、順次検出される高さ位置の検出結果により、Ｚ軸移動手段３０のパルスモータ２９をフィードバック制御して、集光器３５から照射されるパルスレーザビームの集光点Ｐａの高さ位置を調整しながら、ワークＷの内部にストリート５１に沿って変質層を形成するレーザ加工を実施する。すなわち、制御手段４８は、高さ位置検出装置４０の検出結果に基づいてＺ軸移動手段３０のパルスモータ２９をフィードバック制御し、図１４に示すように、集光器３５をワークＷのストリート５１における検出された高さ位置に応じて上下方向に移動させる。この結果、集光器３５から照射されるパルスレーザビームの集光点ＰａはワークＷの裏面Ｗｂ（上面）から所定深さ位置に合わせられ、ワークＷの内部には、図１４中に示すように、裏面Ｗｂ（上面）から所定の深さ位置に裏面Ｗｂ（上面）と平行に変質層５３が形成される。
【００４７】
そして、図１４中に示すように集光器３５の照射位置がストリート５１の他端（図１４において右端）に達したら、パルスレーザビームの照射を停止させるとともに、保持手段２１の移動を停止させる。
【００４８】
以上のようにして、ワークＷの所定方向に延在する全てのストリート５１に沿って上述したような高さ位置検出処理およびレーザ加工処理を実行したら、保持手段２１を９０度回転させて、上記の所定方向に対して直交する方向に延びる各ストリート５１に沿って同様に高さ位置検出処理およびレーザ加工処理を実行する。このようにして、ワークＷに形成された全てのストリート５１に沿って高さ位置検出処理およびレーザ加工処理を実行したら、ワークＷを保持している保持手段２１は最初にワークＷを吸引保持した位置に戻され、ここでワークＷの吸引保持を解除する。そして、ワークＷは、図示しない搬送手段によって分割工程に搬送される。
【００４９】
本発明は、上述した実施の形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば、種々の変形が可能である。例えば、本実施の形態では、レーザ加工装置２０における高さ位置検出装置４０および高さ位置検出方法への適用例として説明したが、本発明は、保持手段に保持されたワークを加工する種々の加工装置に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施の形態の高さ位置検出装置および高さ位置検出方法が適用されるレーザ加工装置の主要部を示す外観斜視図である。
【図２】高さ位置検出装置の構成例を示す概略図である。
【図３】制御手段周りの構成例を示す概略ブロック図である。
【図４】環状スポット形成手段により環状スポットを形成する状態を示す説明図である。
【図５】ワークに環状のスポット形状を有するレーザビームを照射する状態を示す説明図である。
【図６】ピンホールマスクによるレーザビームの遮断・通過の状態を示す説明図である。
【図７】厚みが異なるワークにレーザビームを照射する状態を示す説明図である。
【図８】レーザビーム拡散手段および検出手段を拡大して示す原理図である。
【図９】環状のスポット形状のビーム径の違いに伴う検出面での検出光量の大小を示す原理図である。
【図１０】検出面の寸法等を示す説明図である。
【図１１】検出手段の検出光量の一例を示す特性図である。
【図１２】レーザ加工装置で用いるワークの構成例を示す斜視図である。
【図１３】ワークが保持手段の所定位置に保持された状態における座標位置との関係を示す説明図である。
【図１４】高さ位置検出工程および変質層を形成するレーザ加工工程を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５１】
２１ 保持手段
４０ 高さ位置検出装置
４１ レーザビーム発振手段
４２ 環状スポット形成手段
４２ａ，４２ｂ 円錐レンズ
４３ ビームスプリッタ
４４ 集光器
４５ ピンホールマスク
４６ レーザビーム拡散手段
４７ 検出手段
４７ａ 検出面
４８ 制御手段
４９ａ 第１の経路
４９ｂ 第２の経路
Ｗ ワーク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
保持手段に保持されたワークの上面高さ位置を検出するための高さ位置検出装置であって、
レーザビームを発振するレーザビーム発振手段と、
該レーザビーム発振手段によって発振されたレーザビームのスポット形状を環状に形成する環状スポット形成手段と、
該環状スポット形成手段によってスポット形状が環状に形成されたレーザビームを第１の経路に導くビームスプリッタと、
前記第１の経路に導かれたレーザビームを集光して前記保持手段に保持されたワークに照射する集光器と、
前記保持手段に保持されたワークで反射したレーザビームが前記ビームスプリッタによって分光される第２の経路に配設されたピンホールマスクと、
前記第２の経路上で前記ピンホールマスクよりも後段位置に配設されてレーザビームを拡散させるレーザビーム拡散手段と、
前記レーザビームの環状スポットの略中心位置に配置され前記レーザビーム拡散手段によって拡散されたレーザビームの強度を検出する所定面積の検出面を有する検出手段と、
該検出手段によって検出された反射光の強度に基づいて前記保持手段に保持されたワークの上面高さ位置を算出する制御手段と、
を備えることを特徴とする高さ位置検出装置。
【請求項２】
前記環状スポット形成手段は、レーザビームの光軸に沿って所定の間隔をあけて直列に配設された一対の円錐レンズからなることを特徴とする請求項１に記載の高さ位置検出装置。
【請求項３】
保持手段に保持されたワークの上面高さ位置をレーザビームを用いて検出する高さ位置検出方法であって、
レーザビームを発振させるステップと、
発振されたレーザビームのスポット形状を環状に形成するステップと、
スポット形状が環状に形成されたレーザビームを第１の経路に導くステップと、
前記第１の経路に導かれたレーザビームを集光して前記保持手段に保持されたワークに照射させるステップと、
前記保持手段に保持されたワークで反射したレーザビームを分光させて前記第１の経路とは異なる第２の経路に導くステップと、
前記第２の経路上で、ワークの下面で反射した環状スポット形状のレーザビームは遮断させるとともにワークの上面で反射した環状スポット形状のレーザビームは通過させるステップと、
前記第２の経路上で、ワークの上面で反射した環状スポット形状のレーザビームを拡散させるステップと、
拡散されたレーザビームの強度を、所定面積の検出面を有する検出手段によって検出するステップと、
検出されたレーザビームの強度に基づいて前記保持手段に保持されたワークの上面高さ位置を算出するステップと、
を含むことを特徴とする高さ位置検出方法。
【請求項１】
保持手段に保持されたワークの上面高さ位置を検出するための高さ位置検出装置であって、
レーザビームを発振するレーザビーム発振手段と、
該レーザビーム発振手段によって発振されたレーザビームのスポット形状を環状に形成する環状スポット形成手段と、
該環状スポット形成手段によってスポット形状が環状に形成されたレーザビームを第１の経路に導くビームスプリッタと、
前記第１の経路に導かれたレーザビームを集光して前記保持手段に保持されたワークに照射する集光器と、
前記保持手段に保持されたワークで反射したレーザビームが前記ビームスプリッタによって分光される第２の経路に配設されたピンホールマスクと、
前記第２の経路上で前記ピンホールマスクよりも後段位置に配設されてレーザビームを拡散させるレーザビーム拡散手段と、
前記レーザビームの環状スポットの略中心位置に配置され前記レーザビーム拡散手段によって拡散されたレーザビームの強度を検出する所定面積の検出面を有する検出手段と、
該検出手段によって検出された反射光の強度に基づいて前記保持手段に保持されたワークの上面高さ位置を算出する制御手段と、
を備えることを特徴とする高さ位置検出装置。
【請求項２】
前記環状スポット形成手段は、レーザビームの光軸に沿って所定の間隔をあけて直列に配設された一対の円錐レンズからなることを特徴とする請求項１に記載の高さ位置検出装置。
【請求項３】
保持手段に保持されたワークの上面高さ位置をレーザビームを用いて検出する高さ位置検出方法であって、
レーザビームを発振させるステップと、
発振されたレーザビームのスポット形状を環状に形成するステップと、
スポット形状が環状に形成されたレーザビームを第１の経路に導くステップと、
前記第１の経路に導かれたレーザビームを集光して前記保持手段に保持されたワークに照射させるステップと、
前記保持手段に保持されたワークで反射したレーザビームを分光させて前記第１の経路とは異なる第２の経路に導くステップと、
前記第２の経路上で、ワークの下面で反射した環状スポット形状のレーザビームは遮断させるとともにワークの上面で反射した環状スポット形状のレーザビームは通過させるステップと、
前記第２の経路上で、ワークの上面で反射した環状スポット形状のレーザビームを拡散させるステップと、
拡散されたレーザビームの強度を、所定面積の検出面を有する検出手段によって検出するステップと、
検出されたレーザビームの強度に基づいて前記保持手段に保持されたワークの上面高さ位置を算出するステップと、
を含むことを特徴とする高さ位置検出方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１０−４８７１５（Ｐ２０１０−４８７１５Ａ）
【公開日】平成２２年３月４日（２０１０．３．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２１４４２６（Ｐ２００８−２１４４２６）
【出願日】平成２０年８月２２日（２００８．８．２２）
【出願人】（０００１３４０５１）株式会社ディスコ (2,397)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月４日（２０１０．３．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月２２日（２００８．８．２２）
【出願人】（０００１３４０５１）株式会社ディスコ (2,397)
【Ｆターム（参考）】
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