(57)【要約】【課題】加工用レーザ光を所定の位置に精度良く集光し得るレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供する。【解決手段】レーザ加工装置においては、加工用レーザ光Ｌ１と測距用レーザ光Ｌ２とが同一の軸線上で集光レンズ３１により加工対象物１に向けて集光される。このとき、集光点位置制御手段４０によって、加工対象物１の表面３で反射された測距用レーザ光の反射光Ｌ３が検出され、加工用レーザ光Ｌ１の集光点Ｐ１が所定の位置に制御される。このように、加工用レーザ光Ｌ１による加工と、測距用レーザ光Ｌ２による表面３の変位の測定とが同一の軸線上で行われるため、ステージ２１の振動などによって加工用レーザ光Ｌ１の集光点Ｐ１が所定の位置からずれるのを防止することができる。したがって、加工用レーザ光Ｌ１を所定の位置に精度良く集光することが可能になる。【選択図】  図１５
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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第１のレーザ光を照射し、前記加工対象物の内部に多光子吸収による改質領域を形成するレーザ加工装置であって、
前記第１のレーザ光と、前記加工対象物のレーザ光照射面の変位を測定するための第２のレーザ光とを同一の軸線上で前記加工対象物に向けて集光する集光レンズと、
前記レーザ光照射面で反射された前記第２のレーザ光の反射光を検出することにより、前記加工対象物の内部における前記第１のレーザ光の集光点の位置を制御する集光点位置制御手段とを備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記レーザ光照射面は、前記加工対象物の前記集光レンズ側の表面であり、
前記集光点位置制御手段は、前記第１のレーザ光の集光点の位置が前記集光レンズ側の表面から一定の深さとなるように前記第１のレーザ光の集光点の位置を制御することを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記集光点位置制御手段は、前記集光レンズと前記加工対象物との距離を変化させることで、前記加工対象物の内部における前記第１のレーザ光の集光点の位置を制御することを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記第２のレーザ光の反射光の光路上には、前記第２のレーザ光の反射光を通過させ、前記レーザ光照射面で反射された前記第１のレーザ光の反射光を遮断するフィルタが設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
第１のレーザ光を照射して前記加工対象物を加工するレーザ加工装置であって、
前記第１のレーザ光と、前記加工対象物のレーザ光照射面の変位を測定するための第２のレーザ光とを同一の軸線上で前記加工対象物に向けて集光する集光レンズと、
前記レーザ光照射面で反射された前記第２のレーザ光の反射光を検出することにより、前記加工対象物に対する前記第１のレーザ光の集光点の位置を制御する集光点位置制御手段とを備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項６】
ウェハ状の加工対象物の内部に集光点を合わせて第１のレーザ光を照射し、前記加工対象物の内部に多光子吸収による改質領域を形成するレーザ加工方法であって、
前記第１のレーザ光と、前記加工対象物のレーザ光照射面の変位を測定するための第２のレーザ光とを同一の軸線上で前記加工対象物に向けて集光し、
前記レーザ光照射面で反射された前記第２のレーザ光の反射光を検出することにより、前記加工対象物の内部における前記第１のレーザ光の集光点の位置を制御することを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項７】
第１のレーザ光を照射して前記加工対象物を加工するレーザ加工方法であって、
前記第１のレーザ光と、前記加工対象物のレーザ光照射面の変位を測定するための第２のレーザ光とを同一の軸線上で前記加工対象物に向けて集光し、
前記レーザ光照射面で反射された前記第２のレーザ光の反射光を検出することにより、前記加工対象物に対する前記第１のレーザ光の集光点の位置を制御することを特徴とするレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光を照射することで加工対象物を加工するためのレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のレーザ加工装置には、加工対象物を加工するためのレーザ光を集光する集光レンズに対し、加工対象物の表面高さを測定する測定手段（接触式変位計や超音波距離計等）を所定の間隔をもって並設させたものがある（例えば、特許文献１の図８〜図１０参照）。このようなレーザ加工装置では、加工対象物の表面に沿ってレーザ光をスキャンする際に、測定手段により加工対象物の表面高さを測定し、その測定点が集光レンズの直下に到達したときに、その表面高さの測定値に基づいて集光レンズと加工対象物の表面との距離が一定となるように集光レンズをその光軸方向に駆動する。これにより、加工対象物の表面が凸凹していても、レーザ光の集光点を常に加工対象物の表面に位置させてレーザ光を照射することができる。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−２１９５９１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したようなレーザ加工装置にあっては、次のような課題が存在する。すなわち、集光レンズと測定手段とが所定の間隔をもって並設されているため、加工対象物を載置するステージの振動などによって、集光レンズ直下における加工対象物の実際の表面高さと測定手段による測定値との間に誤差を生じてしまい、レーザ光の集光点の位置が加工対象物の表面からずれるおそれがある。
【０００５】
そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、加工対象物を加工するためのレーザ光を所定の位置に精度良く集光することのできるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係るレーザ加工装置は、ウェハ状の加工対象物の内部に集光点を合わせて第１のレーザ光を照射し、加工対象物の内部に多光子吸収による改質領域を形成するレーザ加工装置であって、第１のレーザ光と、加工対象物のレーザ光照射面の変位を測定するための第２のレーザ光とを同一の軸線上で加工対象物に向けて集光する集光レンズと、レーザ光照射面で反射された第２のレーザ光の反射光を検出することにより、加工対象物の内部における第１のレーザ光の集光点の位置を制御する集光点位置制御手段とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
このレーザ加工装置においては、多光子吸収による改質領域を形成するための第１のレーザ光と、加工対象物のレーザ光照射面の変位を測定するための第２のレーザ光とが同一の軸線上において集光レンズにより加工対象物に向けて集光される。このとき、集光点位置制御手段によって、レーザ光照射面で反射された第２のレーザ光の反射光が検出され、第１のレーザ光の集光点の位置が加工対象物の内部における所定の位置に制御される。このように、第１のレーザ光による改質領域の形成と、第２のレーザ光によるレーザ光照射面の変位の測定とが同一の軸線上において行われるため、例えば、加工対象物を載置するステージの振動などを原因として、第１のレーザ光の集光点の位置が加工対象物の内部における所定の位置からずれてしまうのを防止することができる。したがって、加工対象物を加工するための第１のレーザ光を所定の位置に精度良く集光することが可能になる。
【０００８】
そして、ウェハ状の加工対象物の内部に多光子吸収による改質領域を形成する場合には集光レンズの開口数を大きくする必要があり、そのため、溶断等のレーザ加工を行う場合に比べて、集光レンズと加工対象物とが近接することになる。このような状態で、従来のレーザ加工装置のように集光レンズの側方に測定手段を並設させることは装置構成上極めて困難であるが、本発明に係るレーザ加工装置によれば、そのような困難な構成を採用することも不要になる。
【０００９】
また、レーザ光照射面は、加工対象物の集光レンズ側の表面であり、集光点位置制御手段は、第１のレーザ光の集光点の位置が集光レンズ側の表面から一定の深さとなるように第１のレーザ光の集光点の位置を制御することが好ましい。これにより、例えば、改質領域を起点として加工対象物を切断する場合に、加工対象物の表面側での切断精度を安定化させることができる。このような表面側での切断精度の安定化は、加工対象物の表面に複数の機能素子が形成され、機能素子毎に加工対象物を切断する場合には、機能素子の損傷を防止可能であるため特に有効である。なお、機能素子とは、フォトダイオード等の受光素子やレーザダイオード等の発光素子、或いは回路として形成された回路素子等を意味する。
【００１０】
また、集光点位置制御手段は、集光レンズと加工対象物との距離を変化させることで、加工対象物の内部における第１のレーザ光の集光点の位置を制御することが好ましい。すなわち、集光レンズ及び加工対象物の少なくとも一方を移動させることで、第１のレーザ光の集光点を加工対象物の内部における所定の位置に合わせることが可能になる。
【００１１】
また、第２のレーザ光の反射光の光路上には、第２のレーザ光の反射光を通過させ、レーザ光照射面で反射された第１のレーザ光の反射光を遮断するフィルタが設けられていることが好ましい。このフィルタを採用することで、集光点位置検出手段は、第１のレーザ光の反射光に影響されることなく第２のレーザ光の反射光を正確に検出することができ、第１のレーザ光の集光点の位置精度をより一層向上させることが可能になる。
【００１２】
また、本発明に係るレーザ加工装置は、第１のレーザ光を照射して加工対象物を加工するレーザ加工装置であって、第１のレーザ光と、加工対象物のレーザ光照射面の変位を測定するための第２のレーザ光とを同一の軸線上で加工対象物に向けて集光する集光レンズと、レーザ光照射面で反射された第２のレーザ光の反射光を検出することにより、加工対象物に対する第１のレーザ光の集光点の位置を制御する集光点位置制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００１３】
このレーザ加工装置においても、上述した多光子吸収による改質領域を形成するためのレーザ加工装置と同様に、加工対象物を加工するための第１のレーザ光を所定の位置に精度良く集光することができる。
【００１４】
さらに、上記目的を達成するために、本発明はレーザ加工方法にも係り、ウェハ状の加工対象物の内部に集光点を合わせて第１のレーザ光を照射し、加工対象物の内部に多光子吸収による改質領域を形成するレーザ加工方法であって、第１のレーザ光と、加工対象物のレーザ光照射面の変位を測定するための第２のレーザ光とを同一の軸線上で加工対象物に向けて集光し、レーザ光照射面で反射された第２のレーザ光の反射光を検出することにより、加工対象物の内部における第１のレーザ光の集光点の位置を制御することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係るレーザ加工方法は、第１のレーザ光を照射して加工対象物を加工するレーザ加工方法であって、第１のレーザ光と、加工対象物のレーザ光照射面の変位を測定するための第２のレーザ光とを同一の軸線上で加工対象物に向けて集光し、レーザ光照射面で反射された第２のレーザ光の反射光を検出することにより、加工対象物に対する第１のレーザ光の集光点の位置を制御することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るレーザ加工装置及びレーザ加工方法の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
本実施形態に係るレーザ加工装置は、ウェハ状の加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射し、前記加工対象物の内部に多光子吸収による改質領域を形成するものである。そこで、本実施形態に係るレーザ加工装置の説明に先立って、多光子吸収による改質領域の形成について説明する。
【００１８】
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。
【００１９】
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を参照して説明する。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。
【００２０】
図１及び図２に示すように、加工対象物１の表面３には、加工対象物１を切断すべき所望の切断予定ライン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（加工対象物１に実際に線を引いて切断予定ライン５としてもよい）。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。
【００２１】
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、この改質領域７でもって切断予定部８が形成される。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。
【００２２】
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。
【００２３】
なお、切断予定部を起点とした加工対象物の切断には、次の２通りが考えられる。１つは、切断予定部形成後、加工対象物に人為的な力が印加されることにより、切断予定部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さ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部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１つは、切断予定部を形成することにより、切断予定部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さが小さい場合には、１列の改質領域により切断予定部が形成されることで可能となり、加工対象物の厚さが大きい場合には、厚さ方向に複数列形成された改質領域により切断予定部が形成され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、切断予定部が形成されていない部位に対応する部分の表面上にまで割れが先走ることがなく、切断予定部を形成した部位に対応する部分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加工対象物の厚さ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。
【００２４】
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は、次の（１）〜（３）がある。
【００２５】
（１）改質領域が１つ又は複数のクラックを含むクラック領域の場合
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）以上で且つパルス幅が１μｓ以下の条件でレーザ光を照射する。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の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。
【００２６】
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。
【００２７】
（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
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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１つ又は複数のクラックを含む領域である。このクラック領域９でもって切断予定部が形成される。図９に示すようにクラック領域９を起点として（すなわち、切断予定部を起点として）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１７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。
【００３１】
（２）改質領域が溶融処理領域の場合
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）以上で且つパルス幅が１μｓ以下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や、まさに溶融状態の領域や、溶融状態から再固化する状態の領域であり、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。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。
【００３２】
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。実験条件は次の通りである。
【００３３】
（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
Ｎ．Ａ．：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
【００３４】
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１３の厚さ方向の大きさは１００μｍ程度である。
【００３５】
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。シリコン基板の厚さｔが５０μｍ、１００μｍ、２００μｍ、５００μｍ、１０００μｍの各々について上記関係を示した。
【００３６】
例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの波長である１０６４ｎｍにおいて、シリコン基板の厚さが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１３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１３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１３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。
【００３７】
なお、シリコンウェハは、溶融処理領域でもって形成される切断予定部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と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、シリコンウェハに力が印加されることにより成長する場合もある。なお、切断予定部からシリコンウェハの表面と裏面とに割れが自然に成長する場合には、切断予定部を形成する溶融処理領域が溶融している状態から割れが成長する場合と、切断予定部を形成する溶融処理領域が溶融している状態から再固化する際に割れが成長する場合とのいずれもある。ただし、どちらの場合も溶融処理領域はシリコンウェハの内部のみに形成され、切断後の切断面には、図１２のように内部にのみ溶融処理領域が形成されている。加工対象物の内部に溶融処理領域でもって切断予定部を形成すると、割断時、切断予定部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。
【００３８】
（３）改質領域が屈折率変化領域の場合
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）以上で且つパルス幅が１ｎｓ以下の条件でレーザ光を照射する。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。
【００３９】
次に、本実施形態に係るレーザ加工装置について、図１４及び図１５を参照して説明する。
【００４０】
図１４に示すように、レーザ加工装置２０は、ウェハ状の加工対象物１の内部に集光点Ｐ１を合わせて加工用レーザ光（第１のレーザ光）Ｌ１を照射することで、加工対象物１の内部に多光子吸収による改質領域７を形成し、この改質領域７でもって、加工対象物１の表面３に沿って延在する切断予定部８を形成する装置である。ここで、加工対象物１はシリコンウェハ等の半導体ウェハであり、改質領域７は溶融処理領域である。
【００４１】
このレーザ加工装置２０は、加工対象物１が載置されるステージ２１を有しており、このステージ２１は、上下方向をＺ軸方向としてＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の各方向に移動可能となっている。ステージ２１の上方には、加工用レーザ光Ｌ１を発生するレーザ光源２２等を収容した筐体２３が配置されている。このレーザ光源２２は、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザであり、真下に位置するステージ２１上の加工対象物１に向けてパルス幅１μｓ以下のパルスレーザ光である加工用レーザ光Ｌ１を出射する。
【００４２】
筐体２３の下端面には電動レボルバ２４が取り付けられており、この電動レボルバ２４には、加工対象物１を観察するための観察用対物レンズ２６と、加工用レーザ光Ｌ１を集光するための加工用対物レンズ２７とが装着されている。各対物レンズ２６，２７の光軸は、電動レボルバ２４の回転によって加工用レーザ光Ｌ１の光軸に一致させられる。なお、加工用対物レンズ２７と電動レボルバ２４との間には、ピエゾ素子を用いたアクチュエータ２８が介在されており、このアクチュエータ２８によって加工用対物レンズ２７の位置がＺ軸方向（上下方向）に微調整される。
【００４３】
図１５に示すように、加工用対物レンズ２７は円筒形状のレンズホルダ２９を有し、このレンズホルダ２９は、その内部において複数のレンズを組み合わせてなる開口数「０．８０」の集光レンズ３１を保持している。そして、レンズホルダ２９の上端部には、集光レンズ３１に対する加工用レーザ光Ｌ１の入射瞳として入射開口３２が形成され、レンズホルダ２９の下端部には加工用レーザ光Ｌ１の出射開口３３が形成されている。このように構成された加工用対物レンズ２７によって加工用レーザ光Ｌ１が集光され、集光レンズ３１による集光点Ｐ１での加工用レーザ光Ｌ１のピークパワー密度は１×１０８（Ｗ／ｃｍ２）以上となる。
【００４４】
また、筐体２３内における加工用レーザ光Ｌ１の光軸上には、図１４に示すように、レーザ光源２２で発生したレーザ光Ｌ１のビームサイズを拡大するビームエキスパンダ３４と、レーザ光Ｌ１の出力や偏光を調整するレーザ光調整光学系３６と、レーザ光Ｌ１の通過又は遮断を行う電磁シャッタ３７と、レーザ光Ｌ１のビームサイズを絞る絞り部材３８とが上から下にこの順序で配置されている。
【００４５】
図１５に示すように、絞り部材３８は、加工用対物レンズ２７の入射開口３２の上方に位置して筐体２３に取り付けられており、加工用レーザ光Ｌ１の光軸上においてこのレーザ光Ｌ１を絞って通過させるアパーチャ３９を有している。このアパーチャ３９の開口径は、加工用対物レンズ２７の入射開口３２と同径もしくは小さい径に形成されており、アパーチャ３９の中心軸は、絞り部材３８に設けられた調節ネジ３５によって入射開口３２の中心軸に正確に一致させることができる。
【００４６】
このように構成された絞り部材３８をビームエキスパンダ３４と加工用対物レンズ２７との間に配置することで、次のような作用・効果を奏する。すなわち、ビームエキスパンダ３４によりビームサイズを拡大された加工用レーザ光Ｌ１は、絞り部材３８によってアパーチャ３９より大きいレーザ光Ｌ１の外周部分がカットされ、これにより、アパーチャ３９を通過した加工用レーザ光Ｌ１の径は、加工用対物レンズ２７の入射開口３２の径と略同等になる。そのため、入射開口３２の周囲部分によるレーザ光Ｌ１のカット量をほとんどなくして、加工用レーザ光Ｌ１の照射によるレンズホルダ２９の加熱を防止することができる。したがって、レーザ加工中におけるレンズホルダ２９の加熱を主原因とした加工用レーザ光Ｌ１の集光点Ｐ１の位置変動を小さく抑えることが可能になる。
【００４７】
さらに、レーザ加工装置２０は、加工用レーザ光Ｌ１の集光点Ｐ１の位置が加工対象物１の表面３から一定の深さとなるように集光点Ｐ１の位置を制御する集光点位置制御手段４０を有している。この集光点位置検出手段４０について、図１５〜図１８を参照して説明する。
【００４８】
図１５に示すように、レーザダイオード等である測距用光源４１から出射された測距用レーザ光（第２のレーザ光）Ｌ２は、ピンホール４３、ビームエキスパンダ４４を順次通過した後、ミラー４６、ハーフミラー４７により順次反射されて、電磁シャッタ３７と絞り部材３８との間に配置されたダイクロイックミラー４８に導かれる。このダイクロイックミラー４８により反射された測距用レーザ光Ｌ２は、加工用レーザ光Ｌ１の光軸上を下方に向かって進行し、絞り部材３８のアパーチャ３９を通過した後、加工用対物レンズ２７の集光レンズ３１により集光されて加工対象物１に照射される。なお、加工用レーザ光Ｌ１はダイクロイックミラー４８を透過する。
【００４９】
そして、加工対象物１の表面（レーザ光照射面）３で反射された測距用レーザ光の反射光Ｌ３は、加工用対物レンズ２７の集光レンズ３１に再入射して加工用レーザ光Ｌ１の光軸上を上方に向かって進行し、絞り部材３８のアパーチャ３９を通過した後、ダイクロイックミラー４８により反射される。このダイクロイックミラー４８により反射された測距用レーザ光の反射光Ｌ３は、ハーフミラー４７、フィルタ４５を順次通過する。このフィルタ４５は、波長に応じて光を通過させ或いは遮断するものであり、測距用レーザ光の反射光Ｌ３を通過させる一方、加工対象物１の表面３や裏面１７で反射した加工用レーザ光Ｌ１の反射光を遮断する。フィルタ４５を通過した測距用レーザ光の反射光Ｌ３は、シリンドリカルレンズと平凸レンズとからなる整形光学系４９により集光されて、フォトダイオードを４等分してなる４分割位置検出素子４２上に照射される。
【００５０】
この受光素子である４分割位置検出素子４２上に集光された測距用レーザ光の反射光Ｌ３の集光像パターンは、加工用対物レンズ２７の集光レンズ３１による測距用レーザ光Ｌ２の集光点（すなわち、焦点）が加工対象物１の表面３に対してどの位置にあるかによって変化する。ここで、測距用レーザ光Ｌ２の集光点の位置と測距用レーザ光の反射光Ｌ３の集光像パターンとの関係について説明する。
【００５１】
図１６に示すように、測距用レーザ光Ｌ２の集光点Ｐ２が加工対象物１の表面３上に位置する場合には、測距用レーザ光の反射光Ｌ３は、測距用レーザ光Ｌ２と同様の軌跡を辿って加工用対物レンズ２７の集光レンズ３１を逆行し、整形光学系４９を通過して４分割位置検出素子４２上に真円の集光像パターンＦを形成する。
【００５２】
また、図１７に示すように、測距用レーザ光Ｌ２の集光点Ｐ２が加工対象物１の表面３の先（すなわち、加工対象物１の内部）に位置する場合には、測距用レーザ光の反射光Ｌ３は、測距用レーザ光Ｌ２とは異なり拡散しながら加工用対物レンズ２７の集光レンズ３１を逆行し、整形光学系４９を通過して４分割位置検出素子４２上に縦長の楕円の集光像パターンＦを形成する。
【００５３】
また、図１８に示すように、測距用レーザ光Ｌ２の集光点Ｐ２が加工対象物１の表面３の手前に位置する場合には、測距用レーザ光の反射光Ｌ３は、測距用レーザ光Ｌ２とは異なり集光されながら加工用対物レンズ２７の集光レンズ３１を逆行し、整形光学系４９を通過して４分割位置検出素子４２上に横長の楕円の集光像パターンＦを形成する。
【００５４】
以上のように、４分割位置検出素子４２上における測距用レーザ光の反射光Ｌ３の集光像パターンＦは、測距用レーザ光Ｌ２の集光点Ｐ２の位置に応じて変化する。そのため、４分割位置検出素子４２からの出力信号（縦方向で対向する受光面からの出力と横方向で対向する受光面からの出力との差）に基づいて、加工対象物１の表面３に対する測距用レーザ光Ｌ２の集光点Ｐ２の位置を求めることができる。
【００５５】
そこで、集光点位置制御手段４０は、図１５に示すように、位置検出演算回路５０及びアクチュエータ制御部５５を有している。位置検出演算回路５０は、４分割位置検出素子４２からの出力信号に基づいて、加工対象物１の表面３に対する測距用レーザ光Ｌ２の集光点Ｐ２の位置を演算する。そして、アクチュエータ制御部５５は、位置検出演算回路５０により求められた集光点Ｐ２の位置に基づいて、加工用レーザ光Ｌ１の集光点Ｐ１の位置が加工対象物１の表面３から一定の深さとなるようにレーザ加工中常にアクチュエータ２８をフィードバック制御し、加工用対物レンズ２７の位置を上下方向に微調整する。
【００５６】
また、図１４に示すように、レーザ加工装置２０は、ステージ２１上に載置された加工対象物１を観察すべく、観察用可視光を発生する観察用光源５１を筐体２３外に有し、ＣＣＤカメラ５２を筐体２３内に有している。
【００５７】
すなわち、観察用光源５１で発せられた観察用可視光は、光ファイバからなるライトガイド５３により筐体２３内に導かれ、視野絞り５４、開口絞り５６、ダイクロイックミラー５７等を順次通過した後、絞り部材３８と加工用対物レンズ２７の入射開口３２と間に配置されたダイクロイックミラー５８により反射される。反射された観察用可視光は、加工用レーザ光Ｌ１の光軸上を下方に向かって進行し、電動レボルバ２４の回転によって加工用レーザ光Ｌ１の光軸上に配置された観察用対物レンズ２６を通過して加工対象物１に照射される。なお、加工用レーザ光Ｌ１、測距用レーザ光Ｌ２及びその反射光Ｌ３はダイクロイックミラー５８を透過する。
【００５８】
そして、加工対象物１の表面３で反射された観察用可視光の反射光は、観察用対物レンズ２６内に再入射して加工用レーザ光Ｌ１の光軸上を上方に向かって進行し、ダイクロイックミラー５８により反射される。このダイクロイックミラー５８により反射された反射光は、ダイクロイックミラー５７により更に反射されて、フィルタ５９、結像レンズ６１、リレーレンズ６２を順次通過し、ＣＣＤカメラ５２に入射することになる。
【００５９】
このＣＣＤカメラ５２により撮像された撮像データは全体制御部６３に取り込まれ、この全体制御部６３によってＴＶモニタ６４に加工対象物１の表面３等の画像が映し出される。なお、全体制御部６３は、各種処理を実行すると共に、ステージ２１の移動、電磁レボルバ２４の回転、電磁シャッタ３７の開閉、ＣＣＤカメラ５２による撮像等の他、レーザ加工装置２０の全体の動作を制御するものである。
【００６０】
次に、上述したレーザ加工装置２０によるレーザ加工手順について、図１９を参照して説明する。ここでは、加工対象物１の表面３に沿ってその表面３から深さＤの位置に改質領域７を形成し、この改質領域７でもって切断予定ラインに沿って延在する切断予定部８を形成するものとする。
【００６１】
まず、ステージ２１上に加工対象物１を載置し、加工対象物１の改質領域７の形成開始位置と加工用レーザ光Ｌ１の集光点Ｐ１とが一致するようにステージ２１を移動させる。このステージ２１の初期位置は、加工対処物１の厚さや屈折率、加工用対物レンズ２７の集光レンズ３１の開口数等に基づいて決定される。
【００６２】
続いて、レーザ光源２２から加工用レーザ光Ｌ１を出射すると共に、測距用レーザ光源４１から測距用レーザ光Ｌ２を出射し、集光レンズ３１により集光されたレーザ光Ｌ１，Ｌ２が切断予定ライン上をスキャンするようにステージ２１をＸ軸方向やＹ軸方向に駆動する。このとき、焦点位置制御手段４０によって、測距用レーザ光の反射光Ｌ３が検出され、加工用レーザ光Ｌ１の集光点Ｐ１の位置が常に加工対象物１の表面３から一定の深さＤとなるようにアクチュエータ２８がフィードバック制御されて、加工用対物レンズ２７の位置が上下方向に微調整される。
【００６３】
これにより、図１９に示すように、加工対象物１の表面３に面振れがあっても、表面３から一定の深さＤの位置に改質領域７を形成し、表面３から距離Ｄをもって表面３の面振れに追従した切断予定部８を形成することができる。このような表面３の面振れに追従した切断予定部８を有する加工対象物１をその切断予定部８に沿って切断すると、加工対象物１の表面３側での切断精度が安定化する。そのため、シリコンウェハである加工対象物１の表面３に受光素子や或いは発光素子等の機能素子が複数形成され、この機能素子毎に加工対象物１を切断する場合には、切断による機能素子の損傷を防止することが可能になる。
【００６４】
そして、加工対象物１の内部において裏面１７側より表面３側に近い位置に改質領域７を形成すると、表面３側での切断精度を向上させることができる。そのため、例えば、平均板厚１００μｍのシリコンウェハでは表面から深さ３０μｍの位置、また、平均板厚５０μｍのシリコンウェハでは表面から深さ１０μｍの位置といったように、表面３からの深さが僅か数十μｍの位置に改質領域７を形成する場合がある。このような場合に加工対象物１の表面３に面振れがあっても、レーザ加工装置２０によれば、表面３から改質領域７を露出させてしまうようなことなく、表面３の面振れに追従した切断予定部８を加工対象物１の内部に形成することができる。
【００６５】
以上説明したようにレーザ加工装置２０おいては、加工用レーザ光Ｌ１と測距用レーザ光Ｌ２とが同一の軸線上において加工用対物レンズ２７の集光レンズ３１により加工対象物１に向けて集光される。このとき、集光点位置制御手段４０によって、加工対象物１の表面３で反射された測距用レーザ光の反射光Ｌ３が検出され、加工用レーザ光Ｌ１の集光点Ｐ１の位置が加工対象物１の表面３から一定の深さＤの位置に制御される。このように、加工用レーザ光Ｌ１による改質領域７の形成と、測距用レーザ光Ｌ２による表面３の変位の測定とが同一の軸線上において行われるため、例えば、加工対象物１を載置するステージ２１の振動などを原因として、加工用レーザ光Ｌ１の集光点Ｐ１の位置が一定の深さＤの位置からずれてしまうのを防止することができる。したがって、加工用レーザ光Ｌ１を加工対象物１の表面３から一定の深さＤの位置に精度良く集光することが可能になる。
【００６６】
また、薄い板状の加工対象物１の内部に多光子吸収による改質領域７を形成する場合には加工用対物レンズ２７の集光レンズ３１の開口数を「０．８０」というように大きくする必要があり、そのため、集光レンズ３１と加工対象物１とが１０ｍｍ程度まで近接することになる。このような状態で、表面３の変位を測定するためのセンサ等を集光レンズ３１の側方に並設させることは装置構成上極めて困難であるが、レーザ加工装置２０によれば、そのような困難な構成を採用する必要もない。
【００６７】
また、レーザ加工装置２０において、測距用レーザ光の反射光Ｌ３の光路上には、この反射光Ｌ３を通過させる一方、加工対象物１の表面３や裏面１７で反射された加工用レーザ光Ｌ１の反射光を遮断するフィルタ４５が設けられている。これにより、集光点位置検出手段４０は、加工用レーザ光Ｌ１の反射光に影響されることなく測距用レーザ光の反射光Ｌ３を正確に検出することができ、加工用レーザ光Ｌ１の集光点Ｐ１の位置精度をより一層向上させることが可能になる。
【００６８】
本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、上記実施形態は、加工対象物１の内部に多光子吸収による改質領域７を形成する場合であったが、本発明は様々なレーザ加工に適用可能であり、上記実施形態と同様に、加工対象物１を加工するためのレーザ光を所定の位置に精度良く集光することが可能である。
【００６９】
また、上記実施形態は、集光点位置制御手段４０が加工対象物１の表面３での測距用レーザ光の反射光Ｌ３を検出する場合であったが、本発明はこれに限らない。例えば、加工対象物１の表面３での測距用レーザ光の反射光Ｌ３と共に、加工対象物１の裏面（レーザ光照射面）１７での測距用レーザ光Ｌ２の反射光を検出してもよい。これにより、加工対象物１の表面３の変位と裏面１７の変位とを測定することができ、よって、加工用対物レンズ２７の集光レンズ３１直下における加工対象物１の厚さを正確に求めることができる。したがって、例えば、加工用レーザ光Ｌ１の集光点Ｐ１を加工対象物１の厚さの半分の位置に合わせたり、加工対象物１の厚さの表面３側から１／３の位置に合わせたりというような集光点Ｐ１の位置制御が可能になる。
【００７０】
さらに、上記実施形態は、加工対象物１の表面３から一定の深さＤの位置に加工用レーザ光Ｌ１の集光点Ｐ１を合わせる場合であったが、集光点Ｐ１を合わせる位置を切断予定ラインに沿って変化させるような集光点Ｐ１の位置制御を行ってもよい。例えば、集光点Ｐ１を合わせる位置を波線状に変化させたり、集光点Ｐ１を合わせる位置の深さを途中で変えたりしてもよい。
【００７１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係るレーザ加工装置及びレーザ加工方法によれば、加工対象物を加工するためのレーザ光を所定の位置に精度良く集光することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係るレーザ加工方法による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り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スポット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装置の概略構成図である。
【図１５】図１４に示すレーザ加工装置の集光点位置制御手段を示す概略構成図である。
【図１６】測距用レーザ光の集光点が加工対象物の表面上に位置する場合の測距用レーザ光の反射光の集光像パターンを説明するための図である。
【図１７】測距用レーザ光の集光点が加工対象物の表面の先に位置する場合の測距用レーザ光の反射光の集光像パターンを説明するための図である。
【図１８】測距用レーザ光の集光点が加工対象物の表面の手前に位置する場合の測距用レーザ光の反射光の集光像パターンを説明するための図である。
【図１９】図１４に示すレーザ加工装置による加工対象物の加工の様子を示す図である。
【符号の説明】
１…加工対象物、３…表面（レーザ光照射面）、７…改質領域、１７…裏面（レーザ光照射面）２０…レーザ加工装置、３１…集光レンズ、４０…集光点位置制御手段、４５…フィルタ、Ｌ１…加工用レーザ光（第１のレーザ光）、Ｌ２…測距用レーザ光（第２のレーザ光）、Ｌ３…測距用レーザ光の反射光、Ｐ１…集光点。
【図１】
2004188422.tif 000003
【図２】
2004188422.tif 000004
【図３】
2004188422.tif 000005
【図４】
2004188422.tif 000006
【図５】
2004188422.tif 000007
【図６】
2004188422.tif 000008
【図７】
2004188422.tif 000009
【図８】
2004188422.tif 000010
【図９】
2004188422.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2004188422.tif 000016
【図１５】
2004188422.tif 000017
【図１６】
2004188422.tif 000018
【図１７】
2004188422.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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