JP3727548B2 - Laser processing equipment for silicon substrates - Google Patents
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Description
【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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser processing apparatus in which molten silicon does not scatter during laser drilling of a silicon substrate constituting a semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
Silicon is used as the most typical substrate material in semiconductor devices, particularly semiconductor integrated circuits (ICs), microelectronic devices, or precision measurement devices. As described above, the silicon substrate is frequently used because an industrially high-purity silicon wafer can be manufactured at a low cost, and furthermore, a chemically extremely stable oxide film (SiO 2 ) is formed on the silicon substrate. This is because it is possible to easily achieve insulation separation between elements important for manufacturing a highly integrated device.
[0003]
For example, in the manufacture of an IC by a batch system, a large number of devices are simultaneously formed on a single silicon wafer, but the individual devices must be electrically isolated from each other. The insulation separation required for the device characteristics can be achieved by forming an oxide film of about 0.3 to 1.0 μm on the wafer.
[0004]
On the other hand, with the miniaturization of devices, development of micromachining technology is required in the manufacturing process. Correspondingly, a processing method using laser light irradiation has been developed as means for processing a work piece in a non-contact manner with high accuracy and high efficiency, such as cutting, drilling, metal welding or heat treatment.
[0005]
This laser processing apparatus is classified into a solid-state laser, a gas laser, an excimer laser, a metal vapor laser, a dye laser, and the like depending on the light emitting medium. The ruby as a solid laser light source, YAG (yttrium aluminum garnet), glass, alexandrite, CO 2 as a gas laser source, CO, Ar ions, ArF as excimer laser light source, KrF, XeCl, XeF, metal vapor A Cu ion is known as a laser light source, and a Dye laser is known as a dye laser.
[0006]
Factors that influence the processing characteristics of these lasers include the light collection characteristics, the beam wavelength that affects the beam reflectivity of the workpiece, the output configuration required to optimize the heat input to the workpiece, and the processing There is an average output of the laser that affects the ability of the laser. Therefore, considering the processing characteristics of various lasers, it is necessary to use different lasers according to the material and thickness of the workpiece, the purpose of processing, etc., but in general, a large output can be obtained. Or, CO 2 lasers are widely used.
[0007]
FIG. 1 is a diagram showing laser output in a temporal mode. Laser oscillation forms include CW (continuous wave) shown in (a) and pulses that are periodically and intermittently irradiated. Further, the pulse oscillation is classified into a normal pulse shown in (b) and a Q-switch pulse having a high peak value but a very short irradiation time as shown in (c).
[0008]
Usually, when there is a possibility of cracking in the workpiece due to rapid heating, such as when cutting or drilling the workpiece, a processing method that repeatedly irradiates pulses is adopted, and metal welding CW processing is suitable for heat treatment and the like.
[0009]
Furthermore, it is necessary to change the energy density with which the surface of the workpiece is irradiated depending on the processing purpose. When cutting or drilling a workpiece, since it is necessary to melt and evaporate the workpiece, a laser having a high energy density is irradiated. For example, when drilling a silicon substrate with a YAG laser (wavelength: 532 μm), it is usually necessary to process with a laser having an energy density of about 110,000 J / m 2 .
[0010]
However, when the energy density of the laser irradiated to the workpiece is high, there is a phenomenon that the molten silicon substrate scatters in the portion irradiated with the laser. When such scattering occurs, the isolation between elements, which is the most important element in a semiconductor device, is destroyed, and the insulation characteristics are hindered. This causes a problem of significantly reducing device reliability.
[0011]
An example of a sophisticated device is a ring-type vibration gyro. Conventionally, various improvements have been studied in order to improve the reliability of the vibration gyro, and as a part thereof, a method of adjusting the driving state of the semiconductor vibrator constituting the ring-type vibration gyro has been proposed (Japanese Patent Laid-Open No. 11/1997). -83498). Even in the method proposed here, it is necessary to study a drilling method with excellent processing accuracy in order to ensure insulation characteristics.
[0012]
FIG. 2 is a diagram schematically showing the configuration of the ring-type vibrating gyroscope. As shown in the figure, the ring-
[0013]
The ring-type vibrating gyroscope having such a configuration is processed with high accuracy by applying micromachining technology, but there may be variations in performance as a sensor head. Specifically, this is a case where an angular error (α) in the driving position of the vibration mode or a variation in resonance frequency (F split) in each vibration direction occurs due to unevenness in mass or rigidity in the circumferential direction of the ring. Therefore, in the adjustment method proposed in the above publication, the angular error (α) in the vibration mode and the variation in the resonance frequency of the ring (F split) are detected, and the laser beam is applied to the assumed machining position determined based on the detection result. Irradiation is performed to remove a part of the silicon substrate.
[0014]
FIG. 3 is an enlarged view of the ring formed on the silicon substrate as viewed from above. The
[0015]
FIG. 4 is an enlarged view of the configuration of the AA cross section in FIG. As shown in the figure, in the
[0016]
However, when the
[0017]
To simply prevent the above-described scattering 8, if a hole is formed by repeatedly irradiating a laser having a low energy density, the scattering can be suppressed to some extent. However, such repeated irradiation with a laser having a low energy density has a large time loss even when processing a shallow hole, and it is difficult to process a deep hole. Further, silicon vaporized by laser irradiation is again deposited (deposited) in the vicinity of the processed hole, and the processed shape is deteriorated.
[0018]
In order to solve such a problem, the present inventors modified the silicon substrate surface by laser beam irradiation and then drilled to prevent the generated molten silicon from scattering and to improve the processing accuracy. An excellent laser processing method was developed (Japanese Patent Application No. 2001-38845 (Japanese Patent Laid-Open No. 2002-239765)).
[0019]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention is an apparatus that embodies the above laser processing method, and provides a laser processing apparatus that prevents scattering of molten silicon, has excellent processing accuracy, and can efficiently drill a silicon substrate. The purpose is to do.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
The gist of the present invention is the following laser processing apparatus for silicon substrate (1) and (2).
[0021]
(1) A processing device that adjusts the characteristics of a silicon substrate by laser drilling, a characteristic inspection unit that measures the characteristics of the workpiece, and a processing position that determines the assumed processing position based on the measurement data of the characteristic inspection unit Based on the data stored in the determination unit, the assumed processing position and the position of the processed hole, of which processing has already been performed, and the data stored in the processing position storage unit, the presence / absence of processing is determined and the processing is performed. The processing start determination part that transmits the processing start position and the position of the processed hole to be processed first among the assumed processing positions that are not processed, and when there is no processed hole within a radius of 80 μm of the processing start position If a processing pattern to be processed after the modification processing is selected, and there is a processed hole within a radius of 80 μm of the processing start position, the modification processing is not performed. A machining pattern determining unit for selecting a machining pattern to be machined, a machining control unit for adjusting machining conditions so that the machining pattern selected by the machining pattern determining unit can be performed, and a machining unit including at least a laser oscillator and a machining head A laser processing apparatus for a silicon substrate comprising:
[0022]
(2) A processing device that adjusts the ring characteristics of a ring-type vibrating gyroscope by laser drilling, a characteristic inspection unit that measures the vibration characteristics of the ring, and a process that determines the expected processing position based on the measurement data of the characteristic inspection unit Based on the data stored in the position determination unit, the assumed machining position and the position of the machined hole that has already been machined, and the data stored in the machining position storage unit, the presence or absence of machining is determined, and machining is performed. The processing start determination position that transmits the processing start position to be processed first and the position of the processed hole among the assumed processing positions that have not been processed to the processing pattern determination unit, ± 1 ° of the processing start position (center angle of the ring) If there is no machined hole within the range, select the machining pattern to be machined after the modification treatment, and within the range of ± 1 ° (ring center angle) of the machining start position If there is a machined hole, adjust the laser conditions so that drilling is performed with the machining pattern selected by the machining pattern determination unit that selects the machining pattern to be processed without performing the modification process. A laser processing apparatus for a ring-type vibration gyro comprising a processing control unit and a processing unit including at least a laser transmitter and a processing head.
[0023]
In the above (1) and (2), when the modification treatment is performed, it is performed by irradiating a laser whose energy density on the processed surface is 6,500 to 55,000 J / m 2 .
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 5 is a schematic diagram showing an example of the apparatus configuration of the present invention. As shown in the figure, the laser processing apparatus of the present invention is configured so that the
[0025]
FIG. 6 is a flow chart when laser processing is performed on a workpiece by the laser processing apparatus of the present invention. An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the following description, the assumed processing position refers to a position (a plurality of holes) to be drilled on the silicon substrate, and the processed hole position is the actual processing position among the assumed processing positions. The position of the hole that has been processed by the device of the invention means the processing start position, and the processing start position is the position where the drilling processing is first performed among the assumed processing positions that have not been processed by the device of the present invention. And
[0026]
(1) Characteristic Inspection of Work Material The
[0027]
As a result of the inspection, the
[0028]
(2) Determination of the processing assumed position of the workpiece The processing position determination unit 14-1 determines the processing assumed position on the
[0029]
The holes that have already been processed are transmitted from the processing determination unit 14-3 to the processing position storage unit 14-2 as the positions of the processed holes.
[0030]
(3) Determination of laser processing pattern The processing determination unit 14-3 determines the presence / absence of processing based on data stored in the processing position storage unit 14-2. Specifically, the machining processing determination unit 14-3 stores the position of the machined hole in the machining position storage unit 14-2 after one machining is completed, and further stores the position in the machining position storage unit 14-2. When all of the processing at the assumed processing position is completed, the
[0031]
The processing pattern determination unit 14-4 selects a processing pattern to be applied to the processing start position based on the received processing assumed position data and processed hole position data, and transmits the determined processing pattern to the
[0032]
Specifically, if there is no processed hole within a radius of 80 μm at the processing start position, the processing pattern determination unit 14-4 performs a drilling process after the modification process (hereinafter, processing pattern A). If a processed hole exists within a radius of 80 μm at the processing start position, a processing pattern (hereinafter referred to as processing pattern B) for performing drilling without selecting a modification process is selected.
[0033]
This is because when there is no processed hole within a radius of 80 μm at the processing start position, the molten silicon will be scattered during the drilling process unless it has been subjected to the modification process beforehand. This is because, when there is a processed hole within a radius of 80 μm at the position, the molten silicon does not scatter during the drilling process without performing the modification treatment in advance. Therefore, the processing pattern selection criterion was set to a radius of 80 μm at the processing start position.
[0034]
For example, when the workpiece is a ring-type vibration gyro, the machining pattern determination unit 14-4 determines that the machining pattern is not present when the machining hole is within the range of ± 1 ° (ring central angle) of the machining start position. A is selected, and if there is a machining hole within a range of ± 1 ° (ring central angle) of the machining start position, a machining pattern B is selected.
[0035]
As shown in FIG. 3, the
[0036]
In addition, said modification | reformation process is realizable by irradiating with the laser whose energy density in a process surface is 6,500-55,000J / m < 2 >. This is because if the energy density on the machined surface is as low as less than 6,500 J / m 2 , silicon cannot be modified substantially, and the energy density on the machined surface exceeds 55,000 J / m 2. Then, the shape of the scattered silicon becomes a thread-like shape, and as shown in FIG. 4, the possibility of a decrease in insulation between the silicon and the electrode portion increases. Therefore, the energy density on the processed surface was set to 6,500-55,000 J / m 2 . More desirably, it is 6,500 to 30,000 J / m 2 .
[0037]
Hereinafter, an example of a processing pattern selection method in the processing pattern determination unit 14-4 will be described.
[0038]
FIG. 7 is a diagram schematically showing the assumed machining position. It should be noted that the boxes (1) to (5) in the figure have an interval of 80 μm or less, and the interval between the two boxes exceeds 80 μm. In the figure, “●” indicates a processed position, and “◯” indicates a processing start position. As shown in Fig. 7 (a), when drilling the box (3) with the holes already machined in the box (1) and box (5), select the above-mentioned machining pattern A. Drilling must be done. This is because the modification effect by laser irradiation when processing the box (1) or box (5) is applied is up to the box (2) or box (4), and the box (3) is processed. In this case, it is possible to prevent the molten silicon from scattering unless the modification treatment is performed in advance. On the other hand, as shown in FIG. 7 (b), when the hole is to be drilled in the box (3) in the state where the box (2) and the box (5) have the processed holes, the above-mentioned processing pattern B is selected. May be drilled. This is because the modification effect by laser irradiation when processing the box (2) extends to the box (3), so that even if the modification treatment is not performed in advance, the molten silicon splatters. Because there is no.
[0039]
(4) The
[0040]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to prevent scattering of molten silicon generated when processing a silicon substrate by laser light irradiation, to ensure excellent processing accuracy, and to efficiently drill a hole in the silicon substrate. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing laser output in a temporal mode.
FIG. 2 is a diagram schematically showing a configuration of a ring-type vibrating gyroscope.
FIG. 3 is an enlarged view of a ring formed on a silicon substrate as viewed from above.
4 is an enlarged view of the configuration of the AA cross section in FIG. 3; FIG.
FIG. 5 is a schematic diagram showing an example of the apparatus configuration of the present invention.
FIG. 6 is a flow chart when laser processing is performed on a workpiece by the laser processing apparatus of the present invention.
FIG. 7 is a diagram schematically showing an assumed processing position.
[Explanation of symbols]
1. Ring-type vibrating gyroscope, 2. Ring, 3. An approximately S-shaped beam,
4). Silicon substrate, 4-1. Silicon wafer, 4-2. 4. oxide film, Strip electrode,
6). Mark, 7 Hole, 8. Splattered,
11. Work material, 12. XY axis movement table, 13. Characteristic inspection department,
13-1. Probe card, 13-2. Measuring instrument, 14. PC, 14-1. Processing position determination unit,
14-2. Processing position storage unit, 14-3. Machining processing judgment part, 14-4.
15. Processing control unit, 16. Processing part, 16-1. Laser oscillator,
16-2. Optical fiber, 16-3. Processing head, 17. Z-axis motor,
18. CCD camera, 19. Auto focusing unit
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