(57)【要約】【課題】  加工対象物の表面に不必要な割れを発生させることなくかつその表面が溶融しないレーザ加工方法を提供する。【解決手段】  ウェハ状の加工対象物１の内部に集光点Ｐを合わせて、集光点Ｐにおけるピークパワー密度が１×１０８（Ｗ／ｃｍ２）以上で、パルス幅が１μｓ以下で、且つ開口数が０．５５〜０．８の条件でレーザ光Ｌを照射することにより、切断の起点となる改質領域を加工対象物１の切断予定ライン５に沿って加工対象物１の内部に形成する。【選択図】  図３１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウェハ状の加工対象物の内部に集光点を合わせて、集光点におけるピークパワー密度が１×１０８（Ｗ／ｃｍ２）以上で、パルス幅が１μｓ以下で、且つ開口数が０．５５〜０．８の条件でレーザ光を照射することにより、切断の起点となる改質領域を前記加工対象物の切断予定ラインに沿って前記加工対象物の内部に形成することを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２】
前記改質領域を切断の起点として前記加工対象物を前記切断予定ラインに沿って切断することを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
【請求項３】
前記改質領域は溶融処理領域であることを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ加工方法。
【請求項４】
前記改質領域はクラック領域であることを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ加工方法。
【請求項５】
前記改質領域は屈折率変化領域であることを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ加工方法。
【請求項６】
前記加工対象物は半導体材料基板であることを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ加工方法。
【請求項７】
前記加工対象物はガラス基板であることを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ加工方法。
【請求項８】
前記加工対象物は圧電材料基板であることを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ加工方法。
【請求項９】
前記改質領域は、単結晶構造から非晶質構造に変化した領域、単結晶構造から多結晶構造に変化した領域、又は単結晶構造から非晶質構造及び多結晶構造を含む構造に変化した領域である溶融処理領域であることを特徴とする請求項６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、半導体材料基板、圧電材料基板やガラス基板等の加工対象物の切断に使用されるレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ応用の一つに切断があり、レーザによる一般的な切断は次の通りである。例えば半導体ウェハやガラス基板のような加工対象物の切断する箇所に、加工対象物が吸収する波長のレーザ光を照射し、レーザ光の吸収により切断する箇所において加工対象物の表面から裏面に向けて加熱溶融を進行させて加工対象物を切断する。しかし、この方法では加工対象物の表面のうち切断する箇所となる領域周辺も溶融される。よって、加工対象物が半導体ウェハの場合、半導体ウェハの表面に形成された半導体素子のうち、上記領域周辺に位置する半導体素子が溶融する恐れがある。
【０００３】
加工対象物の表面の溶融を防止する方法として、例えば、下記の特許文献１や特許文献２に開示されたレーザによる切断方法がある。これらの文献に開示された切断方法では、加工対象物の切断する箇所をレーザ光により加熱し、そして加工対象物を冷却することにより、加工対象物の切断する箇所に熱衝撃を生じさせて加工対象物を切断する。
【特許文献１】特開２０００−２１９５２８号公報
【特許文献２】特開２０００−１５４６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、これらの文献に開示された切断方法では、加工対象物に生じる熱衝撃が大きいと、加工対象物の表面に、切断予定ラインから外れた割れやレーザ照射していない先の箇所までの割れ等の不必要な割れが発生することがある。よって、これらの切断方法では精密切断をすることができない。特に、加工対象物が半導体ウェハ、液晶表示装置が形成されたガラス基板、電極パターンが形成されたガラス基板の場合、この不必要な割れにより半導体チップ、液晶表示装置、電極パターンが損傷することがある。また、これらの切断方法では平均入力エネルギーが大きいので、半導体チップ等に与える熱的ダメージも大きい。
【０００５】
本発明の目的は、加工対象物の表面に不必要な割れを発生させることなくかつその表面が溶融しないレーザ加工方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るレーザ加工方法は、ウェハ状の加工対象物の内部に集光点を合わせて、集光点におけるピークパワー密度が１×１０８（Ｗ／ｃｍ２）以上で、パルス幅が１μｓ以下で、且つ開口数が０．５５〜０．８の条件でレーザ光を照射することにより、切断の起点となる改質領域を加工対象物の切断予定ラインに沿って加工対象物の内部に形成することを特徴とする。
【０００７】
本発明に係るレーザ加工方法においては、ウェハ状の加工対象物の内部に集光点を合わせて、集光点におけるピークパワー密度が１×１０８（Ｗ／ｃｍ２）以上で、パルス幅が１μｓ以下で、且つ開口数が０．５５〜０．８の条件でレーザ光を照射する。これにより、加工対象物の内部には改質領域が形成される。加工対象物の切断する箇所に何らかの起点があると、加工対象物を比較的小さな力で割って切断することができる。よって、本発明に係るレーザ加工方法により加工された加工対象物は、改質領域を起点として切断予定ラインに沿って割る又は割れることにより切断することができる。従って、比較的小さな力で加工対象物を切断することができるので、加工対象物の表面に切断予定ラインから外れた不必要な割れを発生させることなく加工対象物の切断が可能となる。
【０００８】
また、本発明に係るレーザ加工方法においては、開口数が０．５５〜０．８の条件でレーザ光を照射することにより、加工対象物の内部に局所的に改質領域を形成している。よって、加工対象物の表面ではレーザ光がほとんど吸収されないので、加工対象物の表面が溶融することはない。なお、集光点とはレーザ光が集光した箇所のことである。切断予定ラインは加工対象物の表面や内部に実際に引かれた線でもよいし、仮想の線でもよい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係るレーザ加工方法によれば、加工対象物の表面に溶融や切断予定ラインから外れた割れが生じることなく、加工対象物を切断することができる。よって、加工対象物を切断することにより作製される製品（例えば、半導体チップ、圧電デバイスチップ、液晶等の表示装置）の歩留まりや生産性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて説明する。本実施形態に係るレーザ加工方法及びレーザ加工装置は、多光子吸収により改質領域を形成している。多光子吸収はレーザ光の強度を非常に大きくした場合に発生する現象である。まず、多光子吸収について簡単に説明する。
【００１１】
材料の吸収のバンドギャップＥＧよりも光子のエネルギーｈνが小さいと光学的に透明となる。よって、材料に吸収が生じる条件はｈν＞ＥＧである。しかし、光学的に透明でも、レーザ光の強度を非常に大きくするとｎｈν＞ＥＧの条件（ｎ＝２，３，４，・・・である）で材料に吸収が生じる。この現象を多光子吸収という。パルス波の場合、レーザ光の強度はレーザ光の集光点のピークパワー密度（Ｗ／ｃｍ２）で決まり、例えばピークパワー密度が１×１０８（Ｗ／ｃｍ２）以上の条件で多光子吸収が生じる。ピークパワー密度は、（集光点におけるレーザ光の１パルス当たりのエネルギー）÷（レーザ光のビームスポット断面積×パルス幅）により求められる。また、連続波の場合、レーザ光の強度はレーザ光の集光点の電界強度（Ｗ／ｃｍ２）で決まる。
【００１２】
このような多光子吸収を利用する本実施形態に係るレーザ加工の原理について図１〜図６を用いて説明する。図１はレーザ加工中の加工対象物１の平面図であり、図２は図１に示す加工対象物１のII−II線に沿った断面図であり、図３はレーザ加工後の加工対象物１の平面図であり、図４は図３に示す加工対象物１のIV−IV線に沿った断面図であり、図５は図３に示す加工対象物１のV−V線に沿った断面図であり、図６は切断された加工対象物１の平面図である。
【００１３】
図１及び図２に示すように、加工対象物１の表面３には切断予定ライン５がある。切断予定ライン５は直線状に延びた仮想線である。本実施形態に係るレーザ加工は、多光子吸収が生じる条件で加工対象物１の内部に集光点Ｐを合わせてレーザ光Ｌを加工対象物１に照射して改質領域７を形成する。なお、集光点とはレーザ光Ｌが集光した箇所のことである。
【００１４】
レーザ光Ｌを切断予定ライン５に沿って（すなわち矢印Ａ方向に沿って）相対的に移動させることにより、集光点Ｐを切断予定ライン５に沿って移動させる。これにより、図３〜図５に示すように改質領域７が切断予定ライン５に沿って加工対象物１の内部にのみ形成される。本実施形態に係るレーザ加工方法は、加工対象物１がレーザ光Ｌを吸収することにより加工対象物１を発熱させて改質領域７を形成するのではない。加工対象物１にレーザ光Ｌを透過させ加工対象物１の内部に多光子吸収を発生させて改質領域７を形成している。よって、加工対象物１の表面３ではレーザ光Ｌがほとんど吸収されないので、加工対象物１の表面３が溶融することはない。
【００１５】
加工対象物１の切断において、切断する箇所に起点があると加工対象物１はその起点から割れるので、図６に示すように比較的小さな力で加工対象物１を切断することができる。よって、加工対象物１の表面３に不必要な割れを発生させることなく加工対象物１の切断が可能となる。
【００１６】
なお、改質領域を起点とした加工対象物の切断は、次の二通りが考えられる。一つは、改質領域形成後、加工対象物に人為的な力が印加されることにより、改質領域を起点として加工対象物が割れ、加工対象物が切断される場合である。これは、例えば加工対象物の厚みが大きい場合の切断である。人為的な力が印加されるとは、例えば、加工対象物の切断予定ラインに沿って加工対象物に曲げ応力やせん断応力を加えたり、加工対象物に温度差を与えることにより熱応力を発生させたりすることである。他の一つは、改質領域を形成することにより、改質領域を起点として加工対象物の断面方向（厚さ方向）に向かって自然に割れ、結果的に加工対象物が切断される場合である。これは、例えば加工対象物の厚みが小さい場合、改質領域が１つでも可能であり、加工対象物の厚みが大きい場合、厚さ方向に複数の改質領域を形成することで可能となる。なお、この自然に割れる場合も、切断する箇所において、改質領域が形成されていない部分上の表面まで割れが先走ることがなく、改質部を形成した部分上の表面のみを割断することができるので、割断を制御よくすることができる。近年、シリコンウェハ等の半導体ウェハの厚みは薄くなる傾向にあるので、このような制御性のよい割断方法は大変有効である。
【００１７】
さて、本実施形態において多光子吸収により形成される改質領域として、次の（１）〜（３）がある。
【００１８】
（１）改質領域が一つ又は複数のクラックを含むクラック領域の場合
レーザ光を加工対象物（例えばガラスやＬｉＴａＯ３からなる圧電材料）の内部に集光点を合わせて、集光点における電界強度が１×１０８（Ｗ／ｃｍ２）以上でかつパルス幅が１μｓ以下の条件で照射する。このパルス幅の大きさは、多光子吸収を生じさせつつ加工対象物表面に余計なダメージを与えずに、加工対象物の内部にのみクラック領域を形成できる条件である。これにより、加工対象物の内部には多光子吸収による光学的損傷という現象が発生する。この光学的損傷により加工対象物の内部に熱ひずみが誘起され、これにより加工対象物の内部にクラック領域が形成される。電界強度の上限値としては、例えば１×１０１２（Ｗ／ｃｍ２）である。パルス幅は例えば１ｎｓ〜２００ｎｓが好ましい。なお、多光子吸収によるクラック領域の形成は、例えば、第４５回レーザ熱加工研究会論文集（１９９８年．１２月）の第２３頁〜第２８頁の「固体レーザー高調波によるガラス基板の内部マーキング」に記載されている。
【００１９】
本発明者は、電界強度とクラックの大きさとの関係を実験により求めた。実験条件は次ぎの通りである。
【００２０】
（Ａ）加工対象物：パイレックス（登録商標）ガラス（厚さ７００μｍ）
（Ｂ）レーザ
光源：半導体レーザ励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザ
波長：１０６４ｎｍ
レーザ光スポット断面積：３．１４×１０−８ｃｍ２
発振形態：Ｑスイッチパルス
繰り返し周波数：１００ｋＨｚ
パルス幅：３０ｎｓ
出力：出力＜１ｍＪ／パルス
レーザ光品質：ＴＥＭ００
偏光特性：直線偏光
（Ｃ）集光用レンズ
レーザ光波長に対する透過率：６０パーセント
（Ｄ）加工対象物が載置される載置台の移動速度：１００ｍｍ／秒
【００２１】
なお、レーザ光品質がＴＥＭ００とは、集光性が高くレーザ光の波長程度まで集光可能を意味する。
【００２２】
図７は上記実験の結果を示すグラフである。横軸はピークパワー密度であり、レーザ光がパルスレーザ光なので電界強度はピークパワー密度で表される。縦軸は１パルスのレーザ光により加工対象物の内部に形成されたクラック部分（クラックスポット）の大きさを示している。クラックスポットが集まりクラック領域となる。クラックスポットの大きさは、クラックスポットの形状のうち最大の長さとなる部分の大きさである。グラフ中の黒丸で示すデータは集光用レンズ（Ｃ）の倍率が１００倍、開口数（ＮＡ）が０．８０の場合である。一方、グラフ中の白丸で示すデータは集光用レンズ（Ｃ）の倍率が５０倍、開口数（ＮＡ）が０．５５の場合である。ピークパワー密度が１０１１（Ｗ／ｃｍ２）程度から加工対象物の内部にクラックスポットが発生し、ピークパワー密度が大きくなるに従いクラックスポットも大きくなることが分かる。
【００２３】
次に、本実施形態に係るレーザ加工において、クラック領域形成による加工対象物の切断のメカニズムについて図８〜図１１を用いて説明する。図８に示すように、多光子吸収が生じる条件で加工対象物１の内部に集光点Ｐを合わせてレーザ光Ｌを加工対象物１に照射して切断予定ラインに沿って内部にクラック領域９を形成する。クラック領域９は一つ又は複数のクラックを含む領域である。図９に示すようにクラック領域９を起点としてクラックがさらに成長し、図１０に示すようにクラックが加工対象物１の表面３と裏面２１に到達し、図１１に示すように加工対象物１が割れることにより加工対象物１が切断される。加工対象物の表面と裏面に到達するクラックは自然に成長する場合もあるし、加工対象物に力が印加されることにより成長する場合もある。
【００２４】
（２）改質領域が溶融処理領域の場合
レーザ光を加工対象物（例えばシリコンのような半導体材料）の内部に集光点を合わせて、集光点における電界強度が１×１０８（Ｗ／ｃｍ２）以上でかつパルス幅が１μｓ以下の条件で照射する。これにより加工対象物の内部は多光子吸収によって局所的に加熱される。この加熱により加工対象物の内部に溶融処理領域が形成される。溶融処理領域とは一旦溶融後再固化した領域、溶融状態中の領域及び溶融から再固化する状態中の領域のうち少なくともいずれか一つを意味する。また、溶融処理領域は相変化した領域や結晶構造が変化した領域ということもできる。また、溶融処理領域とは単結晶構造、非晶質構造、多結晶構造において、ある構造が別の構造に変化した領域ということもできる。つまり、例えば、単結晶構造から非晶質構造に変化した領域、単結晶構造から多結晶構造に変化した領域、単結晶構造から非晶質構造及び多結晶構造を含む構造に変化した領域を意味する。加工対象物がシリコン単結晶構造の場合、溶融処理領域は例えば非晶質シリコン構造である。なお、電界強度の上限値としては、例えば１×１０１２（Ｗ／ｃｍ２）である。パルス幅は例えば１ｎｓ〜２００ｎｓが好ましい。
【００２５】
本発明者は、シリコンウェハの内部で溶融処理領域が形成されることを実験により確認した。実験条件は次ぎの通りである。
【００２６】
（Ａ）加工対象物：シリコンウェハ（厚さ３５０μｍ、外径４インチ）
（Ｂ）レーザ
光源：半導体レーザ励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザ
波長：１０６４ｎｍ
レーザ光スポット断面積：３．１４×１０−８ｃｍ２
発振形態：Ｑスイッチパルス
繰り返し周波数：１００ｋＨｚ
パルス幅：３０ｎｓ
出力：２０μＪ／パルス
レーザ光品質：ＴＥＭ００
偏光特性：直線偏光
（Ｃ）集光用レンズ
倍率：５０倍
ＮＡ：０．５５
レーザ光波長に対する透過率：６０パーセント
（Ｄ）加工対象物が載置される載置台の移動速度：１００ｍｍ／秒
【００２７】
図１２は上記条件でのレーザ加工により切断されたシリコンウェハの一部における断面の写真を表した図である。シリコンウェハ１１の内部に溶融処理領域１３が形成されている。なお、上記条件により形成された溶融処理領域の厚さ方向の大きさは１００μｍ程度である。
【００２８】
溶融処理領域１３が多光子吸収により形成されたことを説明する。図１３は、レーザ光の波長とシリコン基板の内部の透過率との関係を示すグラフである。ただし、シリコン基板の表面側と裏面側それぞれの反射成分を除去し、内部のみの透過率を示している。シリコン基板の厚みｔが５０μｍ、１００μｍ、２００μｍ、５００μｍ、１０００μｍの各々について上記関係を示した。
【００２９】
例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの波長である１０６４ｎｍにおいて、シリコン基板の厚みが５００μｍ以下の場合、シリコン基板の内部ではレーザ光が８０％以上透過することが分かる。図１２に示すシリコンウェハ１１の厚さは３５０μｍであるので、多光子吸収による溶融処理領域はシリコンウェハの中心付近、つまり表面から１７５μｍの部分に形成される。この場合の透過率は、厚さ２００μｍのシリコンウェハを参考にすると、９０％以上なので、レーザ光がシリコンウェハ１１の内部で吸収されるのは僅かであり、ほとんどが透過する。このことは、シリコンウェハ１１の内部でレーザ光が吸収されて、溶融処理領域がシリコンウェハ１１の内部に形成（つまりレーザ光による通常の加熱で溶融処理領域が形成）されたものではなく、溶融処理領域が多光子吸収により形成されたことを意味する。多光子吸収による溶融処理領域の形成は、例えば、溶接学会全国大会講演概要第６６集（２０００年４月）の第７２頁〜第７３頁の「ピコ秒パルスレーザによるシリコンの加工特性評価」に記載されている。
【００３０】
なお、シリコンウェハは、溶融処理領域を起点として断面方向に向かって割れを発生させ、その割れがシリコンウェハの表面と裏面に到達することにより、結果的に切断される。シリコンウェハの表面と裏面に到達するこの割れは自然に成長する場合もあるし、加工対象物に力が印加されることにより成長する場合もある。なお、溶融処理領域からシリコンウェハの表面と裏面に割れが自然に成長するのは、一旦溶融後再固化した状態となった領域から割れが成長する場合、溶融状態の領域から割れが成長する場合及び溶融から再固化する状態の領域から割れが成長する場合のうち少なくともいずれか一つである。いずれの場合も切断後の切断面は図１２に示すように内部にのみ溶融処理領域が形成される。加工対象物の内部に溶融処理領域を形成する場合、割断時、切断予定ラインから外れた不必要な割れが生じにくいので、割断制御が容易となる。
【００３１】
（３）改質領域が屈折率変化領域の場合
レーザ光を加工対象物（例えばガラス）の内部に集光点を合わせて、集光点における電界強度が１×１０８（Ｗ／ｃｍ２）以上でかつパルス幅が１ｎｓ以下の条件で照射する。パルス幅を極めて短くして、多光子吸収を加工対象物の内部に起こさせると、多光子吸収によるエネルギーが熱エネルギーに転化せずに、加工対象物の内部にはイオン価数変化、結晶化又は分極配向等の永続的な構造変化が誘起されて屈折率変化領域が形成される。電界強度の上限値としては、例えば１×１０１２（Ｗ／ｃｍ２）である。パルス幅は例えば１ｎｓ以下が好ましく、１ｐｓ以下がさらに好ましい。多光子吸収による屈折率変化領域の形成は、例えば、第４２回レーザ熱加工研究会論文集（１９９７年．１１月）の第１０５頁〜第１１１頁の「フェムト秒レーザー照射によるガラス内部への光誘起構造形成」に記載されている。
【００３２】
以上のように本実施形態によれば、改質領域を多光子吸収により形成している。そして、本実施形態は、パルスレーザ光のパワーの大きさや集光用レンズを含む光学系の開口数の大きさを調節することにより、改質スポットの寸法を制御している。改質スポットとは、パルスレーザ光の１パルスのショット（つまり１パルスのレーザ照射）で形成される改質部分であり、改質スポットが集まることにより改質領域となる。改質スポットの寸法制御の必要性についてクラックスポットを例に説明する。
【００３３】
クラックスポットが大きすぎると、切断予定ラインに沿った加工対象物の切断の精度が下がり、また、切断面の平坦性が悪くなる。これについて図１４〜図１９を用いて説明する。図１４は本実施形態に係るレーザ加工方法を用いてクラックスポットを比較的大きく形成した場合の加工対象物１の平面図である。図１５は図１４の切断予定ライン５上のXV−XVに沿って切断した断面図である。図１６、図１７、図１８はそれぞれ図１４の切断予定ライン５と直交するXVI−XVI、XVII−XVII、XVIII−XVIIIに沿って切断した断面図である。これらの図から分かるように、クラックスポット９０が大きすぎると、クラックスポット９０の大きさのばらつきも大きくなる。よって、図１９に示すように切断予定ライン５に沿った加工対象物１の切断の精度が悪くなる。また、加工対象物１の切断面４３の凹凸が大きくなるので切断面４３の平坦性が悪くなる。これに対して、図２０に示すように、本実施形態に係るレーザ加工方法を用いてクラックスポット９０を比較的小さく（例えば２０μｍ以下）形成すると、クラックスポット９０を均一に形成できかつクラックスポット９０の切断予定ラインの方向からずれた方向の広がりを抑制できる。よって、図２１に示すように切断予定ライン５に沿った加工対象物１の切断の精度や切断面４３の平坦性を向上させることができる。
【００３４】
このようにクラックスポットが大きすぎると、切断予定ラインに沿った精密な切断や平坦な切断面が得られる切断をすることができない。但し、厚みが大きい加工対象物に対してクラックスポットが極度に小さすぎると加工対象物の切断が困難となる。
【００３５】
本実施形態によればクラックスポットの寸法を制御できることについて説明する。図７に示すように、ピークパワー密度が同じ場合、集光用レンズの倍率１００、ＮＡ０．８の場合のクラックスポットの大きさは、集光用レンズの倍率５０、ＮＡ０．５５の場合のクラックスポットの大きさよりも小さくなる。ピークパワー密度は、先程説明したようにレーザ光の１パルス当たりのエネルギー、つまりパルスレーザ光のパワーと比例するので、ピークパワー密度が同じとはレーザ光のパワーが同じであることを意味する。このように、レーザ光のパワーが同じでかつビームスポット断面積が同じ場合、集光用レンズの開口数が大きく（小さく）なるとクラックスポットの寸法を小さく（大きく）制御できる。
【００３６】
また、集光用レンズの開口数が同じでも、レーザ光のパワー（ピークパワー密度）を小さくするとクラックスポットの寸法を小さく制御でき、レーザ光のパワーを大きくするとクラックスポットの寸法を大きく制御できる。
【００３７】
よって、図７に示すグラフから分かるように、集光用レンズの開口数を大きくすることやレーザ光のパワーを小さくすることによりクラックスポットの寸法を小さく制御できる。逆に、集光用レンズの開口数を小さくすることやレーザ光のパワーを大きくすることによりクラックスポットの寸法を大きく制御できる。
【００３８】
クラックスポットの寸法制御について、図面を用いてさらに説明する。図２２に示す例は、所定の開口数の集光用レンズを用いてパルスレーザ光Ｌが内部に集光されている加工対象物１の断面図である。領域４１は、このレーザ照射により多光子吸収を起こさせるしきい値以上の電界強度になった領域である。図２３は、このレーザ光Ｌの照射による多光子吸収が原因で形成されたクラックスポット９０の断面図である。一方、図２４に示す例は、図２２に示す例より大きい開口数の集光用レンズを用いてパルスレーザ光Ｌが内部に集光されている加工対象物１の断面図である。図２５は、このレーザ光Ｌの照射による多光子吸収が原因で形成されたクラックスポット９０の断面図である。クラックスポット９０の高さｈは領域４１の加工対象物１の厚さ方向における寸法に依存し、クラックスポット９０の幅ｗは領域４１の加工対象物１の厚さ方向と直交する方向の寸法に依存する。つまり、領域４１のこれらの寸法を小さくするとクラックスポット９０の高さｈや幅ｗを小さくでき、これらの寸法を大きくするとクラックスポット９０の高さｈや幅ｗを大きくできる。図２３と図２５を比較すれば明らかなように、レーザ光のパワーが同じ場合、集光用レンズの開口数を大きく（小さく）することにより、クラックスポット９０の高さｈや幅ｗの寸法を小さく（大きく）制御できる。
【００３９】
さらに、図２６に示す例は、図２２に示す例より小さいパワーのパルスレーザ光Ｌが内部に集光されている加工対象物１の断面図である。図２６に示す例ではレーザ光のパワーを小さくしているので領域４１の面積は図２２に示す領域４１よりも小さくなる。図２７は、このレーザ光Ｌの照射による多光子吸収が原因で形成されたクラックスポット９０の断面図である。図２３と図２７の比較から明らかなように、集光用レンズの開口数が同じ場合、レーザ光のパワーを小さく（大きく）するとクラックスポット９０の高さｈや幅ｗの寸法を小さく（大きく）制御できる。
【００４０】
さらに、図２８に示す例は、図２４に示す例より小さいパワーのパルスレーザ光Ｌが内部に集光されている加工対象物１の断面図である。図２９は、このレーザ光Ｌの照射による多光子吸収が原因で形成されたクラックスポット９０の断面図である。図２３と図２９の比較から分かるように、集光用レンズの開口数を大きく（小さく）しかつレーザ光のパワーを小さく（大きく）すると、クラックスポット９０の高さｈや幅ｗの寸法を小さく（大きく）制御できる。
【００４１】
ところで、クラックスポットの形成可能な電界強度のしきい値以上の電界強度となっている領域を示す領域４１が集光点Ｐ及びその付近に限定されている理由は以下の通りである。本実施形態は、高ビーム品質のレーザ光源を利用しているため、レーザ光の集光性が高くかつレーザ光の波長程度まで集光可能となる。このため、このレーザ光のビームプロファイルはガウシアン分布となるので、電界強度はビームの中心が最も強く、中心から距離が大きくなるに従って強度が低下していくような分布となる。このレーザ光が実際に集光用レンズによって集光されていく過程においても基本的にはガウシアン分布の状態で集光されていく。よって、領域４１は集光点Ｐ及びその付近に限定される。
【００４２】
以上のように本実施形態によればクラックスポットの寸法を制御できる。クラックスポットの寸法は、精密な切断の程度の要求、切断面における平坦性の程度の要求、加工対象物の厚みの大きさを考慮して決める。また、クラックスポットの寸法は加工対象物の材質を考慮して決定することもできる。本実施形態によれば、改質スポットの寸法を制御できるので、厚みが比較的小さい加工対象物については改質スポットを小さくすることにより、切断予定ラインに沿って精密に切断ができ、かつ、切断面の平坦性がよい切断をすることが可能となる。また、改質スポットを大きくすることにより、厚みが比較的大きい加工対象物でも切断が可能となる。
【００４３】
また、例えば加工対象物の結晶方位が原因により、加工対象物に切断が容易な方向と切断が困難な方向とがある場合がある。このような加工対象物の切断において、例えば図２０及び図２１に示すように、切断が容易な方向に形成するクラックスポット９０の寸法を小さくする。一方、図２１及び図３０に示すように、切断予定ライン５と直交する切断予定ラインの方向が切断困難な方向の場合、この方向に形成するクラックスポット９０の寸法を大きくする。これにより、切断が容易な方向では平坦な切断面を得ることができ、また切断が困難な方向でも切断が可能となる。
【００４４】
改質スポットの寸法の制御ができることについて、クラックスポットの場合で説明したが、溶融処理スポットや屈折率変化スポットでも同様のことが言える。パルスレーザ光のパワーは例えば１パルス当たりのエネルギー（Ｊ）で表すこともできるし、１パルス当たりのエネルギーにレーザ光の周波数を乗じた値である平均出力（Ｗ）で表すこともできる。
【００４５】
次に、本実施形態の具体例を説明する。
【００４６】
［第１例］
本実施形態の第１例に係るレーザ加工装置について説明する。図３１はこのレーザ加工装置４００の概略構成図である。レーザ加工装置４００は、レーザ光Ｌを発生するレーザ光源１０１と、レーザ光Ｌのパワーやパルス幅等を調節するためにレーザ光源１０１を制御するレーザ光源制御部１０２と、レーザ光源１０１から出射されたレーザ光Ｌのパワーを調節するパワー調節部４０１と、を備える。
【００４７】
パワー調節部４０１は、例えば、複数のＮＤ（neutral density）フィルタと、各ＮＤフィルタをレーザ光Ｌの光軸に対して垂直な位置に移動させたりレーザ光Ｌの光路外に移動させたりする機構と、を備える。ＮＤフィルタは、エネルギーの相対分光分布を変えることなく光の強さを減らすフィルタである。複数のＮＤフィルタはそれぞれ減光率が異なる。パワー調節部４０１は、複数のＮＤフィルタの何れか又はこれらを組み合わせることにより、レーザ光源１０１から出射されたレーザ光Ｌのパワーを調節する。なお、複数のＮＤフィルタの減光率を同じとし、パワー調節部４０１がレーザ光Ｌの光軸に対して垂直な位置に移動させるＮＤフィルタの個数を変えることにより、レーザ光源１０１から出射されたレーザ光Ｌのパワーを調節することもできる。
【００４８】
なお、パワー調節部４０１は、直線偏光のレーザ光Ｌの光軸に対して垂直に配置された偏光フィルタと、偏光フィルタをレーザ光Ｌの光軸を中心に所望の角度だけ回転させる機構と、を備えたものでもよい。パワー調節部４０１において光軸を中心に所望の角度だけ偏光フィルタを回転させることにより、レーザ光源１０１から出射されたレーザ光Ｌのパワーを調節する。
【００４９】
なお、レーザ光源１０１の励起用半導体レーザの駆動電流を駆動電流制御手段の一例であるレーザ光源制御部１０２で制御することにより、レーザ光源１０１から出射されるレーザ光Ｌのパワーを調節することもできる。よって、レーザ光Ｌのパワーは、パワー調節部４０１及びレーザ光源制御部１０２の少なくともいずれか一方により調節することができる。レーザ光源制御部１０２によるレーザ光Ｌのパワーの調節だけで改質領域の寸法を所望値にできるのであればパワー調節部４０１は不要である。以上説明したパワーの調節は、レーザ加工装置の操作者が後で説明する全体制御部１２７にキーボード等を用いてパワーの大きさを入力することによりなされる。
【００５０】
レーザ加工装置４００はさらに、パワー調節部４０１でパワーが調節されたレーザ光Ｌが入射しかつレーザ光Ｌの光軸の向きを９０°変えるように配置されたダイクロイックミラー１０３と、ダイクロイックミラー１０３で反射されたレーザ光Ｌを集光する集光用レンズを複数含むレンズ選択機構４０３と、レンズ選択機構４０３を制御するレンズ選択機構制御部４０５と、を備える。
【００５１】
レンズ選択機構４０３は集光用レンズ１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃと、これらを支持する支持板４０７と、を備える。集光用レンズ１０５ａを含む光学系の開口数、集光用レンズ１０５ｂを含む光学系の開口数、集光用レンズ１０５ｃを含む光学系の開口数はそれぞれ異なる。レンズ選択機構４０３は、レンズ選択機構制御部４０５からの信号に基づいて支持板４０７を回転させることにより、集光用レンズ１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃの中から所望の集光用レンズをレーザ光Ｌの光軸上に配置させる。すなわち、レンズ選択機構４０３はレボルバー式である。
【００５２】
なお、レンズ選択機構４０３に取付けられる集光用レンズの数は３個に限定されず、それ以外の数でもよい。レーザ加工装置の操作者が後で説明する全体制御部１２７にキーボード等を用いて開口数の大きさ又は集光用レンズ１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃのうちどれかを選択する指示を入力することにより、集光用レンズの選択、つまり開口数の選択がなされる。
【００５３】
レーザ加工装置４００はさらに、集光用レンズ１０５ａ〜１０５ｃのうちレーザ光Ｌの光軸上に配置された集光用レンズで集光されたレーザ光Ｌが照射される加工対象物１が載置される載置台１０７と、載置台１０７をＸ軸方向に移動させるためのＸ軸ステージ１０９と、載置台１０７をＸ軸方向に直交するＹ軸方向に移動させるためのＹ軸ステージ１１１と、載置台１０７をＸ軸及びＹ軸方向に直交するＺ軸方向に移動させるためのＺ軸ステージ１１３と、これら三つのステージ１０９，１１１，１１３の移動を制御するステージ制御部１１５と、を備える。
【００５４】
Ｚ軸方向は加工対象物１の表面３と直交する方向なので、加工対象物１に入射するレーザ光Ｌの焦点深度の方向となる。よって、Ｚ軸ステージ１１３をＺ軸方向に移動させることにより、加工対象物１の内部にレーザ光Ｌの集光点Ｐを合わせることができる。また、この集光点ＰのＸ（Ｙ）軸方向の移動は、加工対象物１をＸ（Ｙ）軸ステージ１０９（１１１）によりＸ（Ｙ）軸方向に移動させることにより行う。Ｘ（Ｙ）軸ステージ１０９（１１１）が移動手段の一例となる。
【００５５】
レーザ光源１０１はパルスレーザ光を発生するＮｄ：ＹＡＧレーザである。レーザ光源１０１に用いることができるレーザとして、この他、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザやＮｄ：ＹＬＦレーザやチタンサファイアレーザがある。クラック領域や溶融処理領域を形成する場合、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザを用いるのが好適である。屈折率変化領域を形成する場合、チタンサファイアレーザを用いるのが好適である。
【００５６】
第１例では加工対象物１の加工にパルスレーザ光を用いているが、多光子吸収を起こさせることができるなら連続波レーザ光でもよい。集光用レンズ１０５ａ〜１０５ｃは集光手段の一例である。Ｚ軸ステージ１１３はレーザ光の集光点を加工対象物の内部に合わせる手段の一例である。集光用レンズ１０５ａ〜１０５ｃをＺ軸方向に移動させることによっても、レーザ光の集光点を加工対象物の内部に合わせることができる。
【００５７】
レーザ加工装置４００はさらに、載置台１０７に載置された加工対象物１を可視光線により照明するために可視光線を発生する観察用光源１１７と、ダイクロイックミラー１０３及び集光用レンズ１０５と同じ光軸上に配置された可視光用のビームスプリッタ１１９と、を備える。ビームスプリッタ１１９と集光用レンズ１０５との間にダイクロイックミラー１０３が配置されている。ビームスプリッタ１１９は、可視光線の約半分を反射し残りの半分を透過する機能を有しかつ可視光線の光軸の向きを９０°変えるように配置されている。観察用光源１１７から発生した可視光線はビームスプリッタ１１９で約半分が反射され、この反射された可視光線がダイクロイックミラー１０３及び集光用レンズ１０５を透過し、加工対象物１の切断予定ライン５等を含む表面３を照明する。
【００５８】
レーザ加工装置４００はさらに、ビームスプリッタ１１９、ダイクロイックミラー１０３及び集光用レンズ１０５と同じ光軸上に配置された撮像素子１２１及び結像レンズ１２３を備える。撮像素子１２１としては例えばＣＣＤ（charge-coupled device）カメラがある。切断予定ライン５等を含む表面３を照明した可視光線の反射光は、集光用レンズ１０５、ダイクロイックミラー１０３、ビームスプリッタ１１９を透過し、結像レンズ１２３で結像されて撮像素子１２１で撮像され、撮像データとなる。
【００５９】
レーザ加工装置４００はさらに、撮像素子１２１から出力された撮像データが入力される撮像データ処理部１２５と、レーザ加工装置４００全体を制御する全体制御部１２７と、モニタ１２９と、を備える。撮像データ処理部１２５は、撮像データを基にして観察用光源１１７で発生した可視光の焦点が表面３上に合わせるための焦点データを演算する。この焦点データを基にしてステージ制御部１１５がＺ軸ステージ１１３を移動制御することにより、可視光の焦点が表面３に合うようにする。よって、撮像データ処理部１２５はオートフォーカスユニットとして機能する。また、撮像データ処理部１２５は、撮像データを基にして表面３の拡大画像等の画像データを演算する。この画像データは全体制御部１２７に送られ、全体制御部で各種処理がなされ、モニタ１２９に送られる。これにより、モニタ１２９に拡大画像等が表示される。
【００６０】
全体制御部１２７には、ステージ制御部１１５からのデータ、撮像データ処理部１２５からの画像データ等が入力し、これらのデータも基にしてレーザ光源制御部１０２、観察用光源１１７及びステージ制御部１１５を制御することにより、レーザ加工装置４００全体を制御する。よって、全体制御部１２７はコンピュータユニットとして機能する。また、全体制御部１２７はパワー調節部４０１と電気的に接続されている。図３１はこの図示を省略している。全体制御部１２７にパワーの大きさが入力されることにより、全体制御部１２７はパワー調節部４０１を制御し、これによりパワーが調節される。
【００６１】
図３２は全体制御部１２７の一例の一部分を示すブロック図である。全体制御部１２７は、寸法選択部４１１、相関関係記憶部４１３及び画像作成部４１５を備える。寸法選択部４１１にはレーザ加工装置の操作者がキーボード等により、パルスレーザ光のパワーの大きさや集光用レンズを含む光学系の開口数の大きさが入力される。この例においては、開口数の大きさを直接入力する代わりに集光用レンズ１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃのいずれかを選択する入力にしてもよい。この場合、全体制御部１２７に集光用レンズ１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ、それぞれの開口数を予め登録しておき、選択された集光用レンズを含む光学系の開口数のデータが自動的に寸法選択部４１１に入力される。
【００６２】
相関関係記憶部４１３には、パルスレーザ光のパワーの大きさ及び開口数の大きさの組と改質スポットの寸法との相関関係が予め記憶されている。図３３は、この相関関係を示すテーブルの一例である。この例では、開口数の欄には集光用レンズ１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃの各々について、それらを含む光学系の開口数が登録される。パワーの欄にはパワー調節部４０１により調節されるパルスレーザ光のパワーの大きさが登録される。寸法の欄には、対応する組のパワーと開口数との組み合わせにより形成される改質スポットの寸法が登録される。例えば、パワーが１．２４×１０１１（Ｗ／ｃｍ２）で、開口数が０．５５のときに形成される改質スポットの寸法は１２０μｍである。この相関関係のデータは、例えば、レーザ加工前に図２２〜図２９で説明した実験をすることにより得ることができる。
【００６３】
寸法選択部４１１にパワーの大きさ及び開口数の大きさが入力されることにより、寸法選択部４１１は相関関係記憶部４１３からこれらの大きさと同じ値の組を選択し、その組に対応する寸法のデータをモニタ１２９に送る。これにより、モニタ１２９には入力されたパワーの大きさ及び開口数の大きさのもとで形成される改質スポットの寸法が表示される。これらの大きさと同じ値の組がない場合は、最も近い値の組に対応する寸法データがモニタ１２９に送られる。
【００６４】
寸法選択部４１１で選択された組に対応する寸法のデータは、寸法選択部４１１から画像作成部４１５に送られる。画像作成部４１５は、この寸法のデータを基にしてこの寸法の改質スポットの画像データを作成し、モニタ１２９に送る。これにより、モニタ１２９には改質スポットの画像も表示される。よって、レーザ加工前に改質スポットの寸法や改質スポットの形状を知ることができる。
【００６５】
パワーの大きさを固定し、開口数の大きさを可変とすることもできる。この場合のテーブルは図３４に示すようになる。例えば、パワーを１．４９×１０１１（Ｗ／ｃｍ２）と固定し開口数が０．５５のときに形成される改質スポットの寸法は１５０μｍである。また、開口数の大きさを固定し、パワーの大きさを可変とすることもできる。この場合のテーブルは図３５に示すようになる。例えば、開口数を０．８と固定しパワーが１．１９×１０１１（Ｗ／ｃｍ２）のときに形成される改質スポットの寸法は３０μｍである。
【００６６】
次に、図３１及び図３６を用いて、本実施形態の第１例に係るレーザ加工方法を説明する。図３６は、このレーザ加工方法を説明するためのフローチャートである。加工対象物１はシリコンウェハである。
【００６７】
まず、加工対象物１の光吸収特性を図示しない分光光度計等により測定する。この測定結果に基づいて、加工対象物１に対して透明な波長又は吸収の少ない波長のレーザ光Ｌを発生するレーザ光源１０１を選定する（Ｓ１０１）。次に、加工対象物１の厚さを測定する。厚さの測定結果及び加工対象物１の屈折率を基にして、加工対象物１のＺ軸方向の移動量を決定する（Ｓ１０３）。これは、レーザ光Ｌの集光点Ｐが加工対象物１の内部に位置させるために、加工対象物１の表面３に位置するレーザ光Ｌの集光点を基準とした加工対象物１のＺ軸方向の移動量である。この移動量を全体制御部１２７に入力される。
【００６８】
加工対象物１をレーザ加工装置４００の載置台１０７に載置する。そして、観察用光源１１７から可視光を発生させて加工対象物１を照明する（Ｓ１０５）。照明された切断予定ライン５を含む加工対象物１の表面３を撮像素子１２１により撮像する。この撮像データは撮像データ処理部１２５に送られる。この撮像データに基づいて撮像データ処理部１２５は観察用光源１１７の可視光の焦点が表面３に位置するような焦点データを演算する（Ｓ１０７）。
【００６９】
この焦点データはステージ制御部１１５に送られる。ステージ制御部１１５は、この焦点データを基にしてＺ軸ステージ１１３をＺ軸方向の移動させる（Ｓ１０９）。これにより、観察用光源１１７の可視光の焦点が表面３に位置する。なお、撮像データ処理部１２５は撮像データに基づいて、切断予定ライン５を含む加工対象物１の表面３の拡大画像データを演算する。この拡大画像データは全体制御部１２７を介してモニタ１２９に送られ、これによりモニタ１２９に切断予定ライン５付近の拡大画像が表示される。
【００７０】
全体制御部１２７には予めステップＳ１０３で決定された移動量データが入力されており、この移動量データがステージ制御部１１５に送られる。ステージ制御部１１５はこの移動量データに基づいて、レーザ光Ｌの集光点Ｐが加工対象物１の内部となる位置に、Ｚ軸ステージ１１３により加工対象物１をＺ軸方向に移動させる（Ｓ１１１）。
【００７１】
次に、上記で説明したようにパワー及び開口数の大きさを全体制御部１２７に入力する。入力されたパワーのデータに基づいて、レーザ光Ｌのパワーはパワー調節部４０１により調節される。入力された開口数のデータに基づいて、開口数はレンズ選択機構制御部４０５を介してレンズ選択機構４０３が集光用レンズを選択することにより調節される。また、これらのデータは全体制御部１２７の寸法選択部４１１（図３２）に入力される。これにより、１パルスのレーザ光Ｌの照射により加工対象物１の内部に形成される溶融処理スポットの寸法及び溶融処理スポットの形状がモニタ１２９に表示される（Ｓ１１２）。
【００７２】
次に、レーザ光源１０１からレーザ光Ｌを発生させて、レーザ光Ｌを加工対象物１の表面３の切断予定ライン５に照射する。レーザ光Ｌの集光点Ｐは加工対象物１の内部に位置しているので、溶融処理領域は加工対象物１の内部にのみ形成される。そして、切断予定ライン５に沿うようにＸ軸ステージ１０９やＹ軸ステージ１１１を移動させて、溶融処理領域を切断予定ライン５に沿うように加工対象物１の内部に形成する（Ｓ１１３）。そして、加工対象物１を切断予定ライン５に沿って曲げることにより、加工対象物１を切断する（Ｓ１１５）。これにより、加工対象物１をシリコンチップに分割する。
【００７３】
第１例の効果を説明する。これによれば、多光子吸収を起こさせる条件でかつ加工対象物１の内部に集光点Ｐを合わせて、パルスレーザ光Ｌを切断予定ライン５に照射している。そして、Ｘ軸ステージ１０９やＹ軸ステージ１１１を移動させることにより、集光点Ｐを切断予定ライン５に沿って移動させている。これにより、改質領域（例えばクラック領域、溶融処理領域、屈折率変化領域）を切断予定ライン５に沿うように加工対象物１の内部に形成している。加工対象物の切断する箇所に何らかの起点があると、加工対象物を比較的小さな力で割って切断することができる。よって、改質領域を起点として切断予定ライン５に沿って加工対象物１を割ることにより、比較的小さな力で加工対象物１を切断することができる。これにより、加工対象物１の表面３に切断予定ライン５から外れた不必要な割れを発生させることなく加工対象物１を切断することができる。
【００７４】
また、第１例によれば、加工対象物１に多光子吸収を起こさせる条件でかつ加工対象物１の内部に集光点Ｐを合わせて、パルスレーザ光Ｌを切断予定ライン５に照射している。よって、パルスレーザ光Ｌは加工対象物１を透過し、加工対象物１の表面３ではパルスレーザ光Ｌがほとんど吸収されないので、改質領域形成が原因で表面３が溶融等のダメージを受けることはない。
【００７５】
以上説明したように第１例によれば、加工対象物１の表面３に切断予定ライン５から外れた不必要な割れや溶融が生じることなく、加工対象物１を切断することができる。よって、加工対象物１が例えば半導体ウェハの場合、半導体チップに切断予定ラインから外れた不必要な割れや溶融が生じることなく、半導体チップを半導体ウェハから切り出すことができる。表面に電極パターンが形成されている加工対象物や、圧電素子ウェハや液晶等の表示装置が形成されたガラス基板のように表面に電子デバイスが形成されている加工対象物についても同様である。よって、第１例によれば、加工対象物を切断することにより作製される製品（例えば半導体チップ、圧電デバイスチップ、液晶等の表示装置）の歩留まりを向上させることができる。
【００７６】
また、第１例によれば、加工対象物１の表面３の切断予定ライン５は溶融しないので、切断予定ライン５の幅（この幅は、例えば半導体ウェハの場合、半導体チップとなる領域同士の間隔である。）を小さくできる。これにより、一枚の加工対象物１から作製される製品の数が増え、製品の生産性を向上させることができる。
【００７７】
また、第１例によれば、加工対象物１の切断加工にレーザ光を用いるので、ダイヤモンドカッタを用いたダイシングよりも複雑な加工が可能となる。例えば、図３７に示すように切断予定ライン５が複雑な形状であっても、第１例によれば切断加工が可能となる。これらの効果は後に説明する例でも同様である。
【００７８】
［第２例］
次に、本実施形態の第２例について第１例との相違を中心に説明する。図３８はこのレーザ加工装置５００の概略構成図である。レーザ加工装置５００の構成要素のうち、図３１に示す第１例に係るレーザ加工装置４００の構成要素と同一要素については同一符号を付すことによりその説明を省略する。
【００７９】
レーザ加工装置５００は、パワー調節部４０１とダイクロイックミラー１０３との間のレーザ光Ｌの光軸上にビームエキスパンダ５０１が配置されている。ビームエキスパンダ５０１は倍率可変であり、ビームエキスパンダ５０１によりレーザ光Ｌのビーム径が大きくなるように調節される。ビームエキスパンダ５０１は開口数調節手段の一例である。また、レーザ加工装置５００はレンズ選択機構４０３の代わりに１つの集光用レンズ１０５を備える。
【００８０】
レーザ加工装置５００の動作が第１例のレーザ加工装置の動作と異なる点は、全体制御部１２７に入力された開口数の大きさに基づく開口数の調節である。以下、これについて説明する。全体制御部１２７はビームエキスパンダ５０１と電気的に接続されている。図３８はこの図示を省略している。全体制御部１２７に開口数の大きさが入力されることにより、全体制御部１２７はビームエキスパンダ５０１の倍率を変える制御をする。これにより、集光用レンズ１０５に入射するレーザ光Ｌのビーム径の拡大率を調節する。よって、集光用レンズ１０５が１つであっても、集光用レンズ１０５を含む光学系の開口数を大きくする調節が可能となる。これを図３９及び図４０を用いて説明する。
【００８１】
図３９は、ビームエキスパンダ５０１が配置されていない場合の集光用レンズ１０５によるレーザ光Ｌの集光を示す図である。一方、図４０は、ビームエキスパンダ５０１が配置されている場合の集光用レンズ１０５によるレーザ光Ｌの集光を示す図である。図３９及び図４０を比較すれば分かるように、ビームエキスパンダ５０１が配置されていない場合の集光用レンズ１０５を含む光学系の開口数を基準にすると、第２例では開口数が大きくなるように調節することができる。
【００８２】
［第３例］
次に、本実施形態の第３例についてこれまでの例との相違を中心に説明する。図４１はこのレーザ加工装置６００の概略構成図である。レーザ加工装置６００の構成要素のうち、これまでの例に係るレーザ加工装置の構成要素と同一要素については同一符号を付すことによりその説明を省略する。
【００８３】
レーザ加工装置６００は、ビームエキスパンダ５０１の代わりに、ダイクロイックミラー１０３と集光用レンズ１０５との間のレーザ光Ｌの光軸上に虹彩絞り６０１が配置されている。虹彩絞り６０１の開口の大きさを変えることにより集光用レンズ１０５の有効径を調節する。虹彩絞り６０１は開口数調節手段の一例である。また、レーザ加工装置６００は虹彩絞り６０１の開口の大きさを変える制御をする虹彩絞り制御部６０３を備える。虹彩絞り制御部６０３は全体制御部１２７により制御される。
【００８４】
レーザ加工装置６００の動作がこれまでの例のレーザ加工装置の動作と異なる点は、全体制御部１２７に入力された開口数の大きさに基づく開口数の調節である。レーザ加工装置６００は入力された開口数の大きさに基づいて虹彩絞り６０１の開口の大きさを変えることにより、集光用レンズ１０５の有効径の縮小する調節をする。これにより、集光用レンズ１０５が１つであっても、集光用レンズ１０５を含む光学系の開口数を小さくなるように調節することができる。これを図４２及び図４３を用いて説明する。
【００８５】
図４２は、虹彩絞りが配置されていない場合の集光用レンズ１０５によるレーザ光Ｌの集光を示す図である。一方、図４３は、虹彩絞り６０１が配置されている場合の集光用レンズ１０５によるレーザ光Ｌの集光を示す図である。図４２及び図４３を比較すれば分かるように、虹彩絞りが配置されていない場合の集光用レンズ１０５を含む光学系の開口数を基準にすると、第３例では開口数が小さくなるように調節することができる。
【００８６】
次に、本実施形態の変形例を説明する。図４４は本実施形態のレーザ加工装置の変形例に備えられる全体制御部１２７のブロック図である。全体制御部１２７はパワー選択部４１７及び相関関係記憶部４１３を備える。相関関係記憶部４１３には、図３５に示す相関関係のデータが予め記憶されている。レーザ加工装置の操作者はキーボード等によりパワー選択部４１７に改質スポットの所望の寸法を入力する。改質スポットの寸法は、加工対象物の厚さや材質等を考慮して決定される。この入力により、パワー選択部４１７は相関関係記憶部４１３からこの寸法と同じ値の寸法に対応するパワーを選択し、そのパワーのデータをパワー調節部４０１に送る。よって、このパワーの大きさに調節されたレーザ加工装置でレーザ加工することにより、所望の寸法の改質スポットを形成することが可能となる。このパワーの大きさのデータはモニタ１２９にも送られ、パワーの大きさが表示される。この例では開口数が固定でパワーが可変となる。なお、入力された寸法と同じ値の寸法が相関関係記憶部４１３に記憶されていない場合、最も近い値の寸法に対応するパワーのデータがパワー調節部４０１及びモニタ１２９に送られる。これは以下に説明する変形例でも同様である。
【００８７】
図４５は本実施形態のレーザ加工装置の他の変形例に備えられる全体制御部１２７のブロック図である。全体制御部１２７は開口数選択部４１９及び相関関係記憶部４１３を備える。図４４の変形例と異なる点は、パワーではなく開口数が選択されることである。相関関係記憶部４１３には、図３４に示すデータが予め記憶されている。レーザ加工装置の操作者はキーボード等により開口数選択部４１９に改質スポットの所望の寸法を入力する。これにより、開口数選択部４１９は、相関関係記憶部４１３からこの寸法と同じ値の寸法に対応する開口数を選択し、その開口数のデータをレンズ選択機構制御部４０５、ビームエキスパンダ５０１又は虹彩絞り制御部６０３に送る。よって、この開口数の大きさに調節されたレーザ加工装置でレーザ加工することにより、所望の寸法の改質スポットを形成することが可能となる。この開口数の大きさのデータはモニタ１２９にも送られ、開口数の大きさが表示される。この例ではパワーが固定で開口数が可変となる。
【００８８】
図４６は本実施形態のレーザ加工装置のさらに他の変形例に備えられる全体制御部１２７のブロック図である。全体制御部１２７は組選択部４２１及び相関関係記憶部４１３を備える。図４４及び図４５の例と異なる点は、パワー及び開口数の両方が選択されることである。相関関係記憶部４１３には、図３３のパワー及び開口数の組と寸法との相関関係のデータが予め記憶されている。レーザ加工装置の操作者はキーボード等により組選択部４２１に改質スポットの所望の寸法を入力する。これにより、組選択部４２１は、相関関係記憶部４１３からこの寸法と同じ値の寸法に対応するパワー及び開口数の組を選択する。選択された組のパワーのデータはパワー調節部４０１に送られる。一方、選択された組の開口数のデータはレンズ選択機構制御部４０５、ビームエキスパンダ５０１又は虹彩絞り制御部６０３に送られる。よって、この組のパワー及び開口数の大きさに調節されたレーザ加工装置でレーザ加工することにより、所望の寸法の改質スポットを形成することが可能となる。この組のパワー及び開口数の大きさのデータはモニタ１２９にも送られ、パワー及び開口数の大きさが表示される。
【００８９】
これらの変形例によれば、改質スポットの寸法を制御することができる。よって、改質スポットの寸法を小さくすることにより、加工対象物の切断予定ラインに沿って精密に切断でき、また平坦な切断面を得ることができる。加工対象物の厚みが大きい場合、改質スポットの寸法を大きくすることにより、加工対象物の切断が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本実施形態に係るレーザ加工方法によってレーザ加工中の加工対象物の平面図である。
【図２】図１に示す加工対象物のII−II線に沿った断面図である。
【図３】本実施形態に係るレーザ加工方法によるレーザ加工後の加工対象物の平面図である。
【図４】図３に示す加工対象物のIV−IV線に沿った断面図である。
【図５】図３に示す加工対象物のV−V線に沿った断面図である。
【図６】本実施形態に係るレーザ加工方法によって切断された加工対象物の平面図である。
【図７】本実施形態に係るレーザ加工方法における電界強度とクラックの大きさとの関係を示すグラフである。
【図８】本実施形態に係るレーザ加工方法の第１工程における加工対象物の断面図である。
【図９】本実施形態に係るレーザ加工方法の第２工程における加工対象物の断面図である。
【図１０】本実施形態に係るレーザ加工方法の第３工程における加工対象物の断面図である。
【図１１】本実施形態に係るレーザ加工方法の第４工程における加工対象物の断面図である。
【図１２】本実施形態に係るレーザ加工方法により切断されたシリコンウェハの一部における断面の写真を表した図である。
【図１３】本実施形態に係るレーザ加工方法におけるレーザ光の波長とシリコン基板の内部の透過率との関係を示すグラフである。
【図１４】本実施形態に係るレーザ加工方法を用いてクラックスポットを比較的大きく形成した場合の加工対象物の平面図である。
【図１５】図１４に示す切断予定ライン上のXV−XVに沿って切断した断面図である。
【図１６】図１４に示す切断予定ラインと直交するXVI−XVIに沿って切断した断面図である。
【図１７】図１４に示す切断予定ラインと直交するXVII−XVIIに沿って切断した断面図である。
【図１８】図１４に示す切断予定ラインと直交するXVIII−XVIIIに沿って切断した断面図である。
【図１９】図１４に示す加工対象物を切断予定ラインに沿って切断した平面図である。
【図２０】本実施形態に係るレーザ加工方法を用いてクラックスポットを比較的小さく形成した場合の切断予定ラインに沿った加工対象物の断面図である。
【図２１】図２０に示す加工対象物を切断予定ラインに沿って切断した平面図である。
【図２２】所定の開口数の集光用レンズを用いてパルスレーザ光が加工対象物の内部に集光されている状態を示す加工対象物の断面図である。
【図２３】図２２に示すレーザ光の照射による多光子吸収が原因で形成されたクラックスポットを含む加工対象物の断面図である。
【図２４】図２２に示す例より大きい開口数の集光用レンズを用いた場合の加工対象物の断面図である。
【図２５】図２４に示すレーザ光の照射による多光子吸収が原因で形成されたクラックスポットを含む加工対象物の断面図である。
【図２６】図２２に示す例より小さいパワーのパルスレーザ光を用いた場合の加工対象物の断面図である。
【図２７】図２６に示すレーザ光の照射による多光子吸収が原因で形成されたクラックスポットを含む加工対象物の断面図である。
【図２８】図２４に示す例より小さいパワーのパルスレーザ光を用いた場合の加工対象物の断面図である。
【図２９】図２８に示すレーザ光の照射による多光子吸収が原因で形成されたクラックスポットを含む加工対象物の断面図である。
【図３０】図２１に示す切断予定ラインと直交するXXX−XXXに沿って切断した断面図である。
【図３１】本実施形態の第１例に係るレーザ加工装置の概略構成図である。
【図３２】本実施形態に係るレーザ加工装置に備えられる全体制御部の一例の一部分を示すブロック図である。
【図３３】本実施形態に係るレーザ加工装置の全体制御部に含まれる相関関係記憶部のテーブルの一例を示す図である。
【図３４】本実施形態に係るレーザ加工装置の全体制御部に含まれる相関関係記憶部のテーブルの他の例を示す図である。
【図３５】本実施形態に係るレーザ加工装置の全体制御部に含まれる相関関係記憶部のテーブルのさらに他の例を示す図である。
【図３６】本実施形態の第１例に係るレーザ加工方法を説明するためのフローチャートである。
【図３７】本実施形態の第１例に係るレーザ加工方法により切断可能なパターンを説明するための加工対象物の平面図である。
【図３８】本実施形態の第２例に係るレーザ加工装置の概略構成図である。
【図３９】ビームエキスパンダが配置されていない場合の集光用レンズによるレーザ光の集光を示す図である。
【図４０】ビームエキスパンダが配置されている場合の集光用レンズによるレーザ光の集光を示す図である。
【図４１】本実施形態の第３例に係るレーザ加工装置の概略構成図である。
【図４２】虹彩絞りが配置されていない場合の集光用レンズによるレーザ光の集光を示す図である。
【図４３】虹彩絞りが配置されている場合の集光用レンズによるレーザ光の集光を示す図である。
【図４４】本実施形態のレーザ加工装置の変形例に備えられる全体制御部の一例のブロック図である。
【図４５】本実施形態のレーザ加工装置の変形例に備えられる全体制御部の他の例のブロック図である。
【図４６】本実施形態のレーザ加工装置の変形例に備えられる全体制御部のさらに他の例のブロック図である。
【符号の説明】
【００９１】
１…加工対象物、５…切断予定ライン、７…改質領域、Ｌ…レーザ光、Ｐ…集光点。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2006192506.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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