(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス幅が１μs以下のパルスレーザ光を出射するレーザ光源と、
周波数の大きさの入力に基づいて前記レーザ光源から出射されるパルスレーザ光の繰り返し周波数の大きさを調節する周波数調節手段と、
前記レーザ光源から出射されたパルスレーザ光の集光点のピークパワー密度が１×１０8（W/cm2）以上になるようにパルスレーザ光を集光する集光手段と、
前記集光手段により集光されたパルスレーザ光の集光点を加工対象物の内部に合わせる手段と、
前記加工対象物の切断予定ラインに沿ってパルスレーザ光の集光点を相対的に移動させる移動手段と、
を備え、
前記内部に集光点を合わせて１パルスのパルスレーザ光を前記加工対象物に照射することにより、前記内部に１つの改質スポットが形成され、
前記内部に集光点を合わせかつ前記切断予定ラインに沿って集光点を相対的に移動させて、複数パルスのパルスレーザ光を前記加工対象物に照射することにより、前記切断予定ラインに沿って前記内部に複数の前記改質スポットが形成され、
前記入力された周波数の大きさに基づいて隣り合う前記改質スポット間の距離を演算する距離演算手段と、
前記距離演算手段により演算された距離を表示する距離表示手段と、
を備える、レーザ加工装置。
【請求項２】
パルス幅が１μs以下のパルスレーザ光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたパルスレーザ光の集光点のピークパワー密度が１×１０8（W/cm2）以上になるようにパルスレーザ光を集光する集光手段と、
前記集光手段により集光されたパルスレーザ光の集光点を加工対象物の内部に合わせる手段と、
前記加工対象物の切断予定ラインに沿ってパルスレーザ光の集光点を相対的に移動させる移動手段と、
速度の大きさの入力に基づいて前記移動手段によるパルスレーザ光の集光点の相対的移動速度の大きさを調節する速度調節手段と、
を備え、
前記内部に集光点を合わせて１パルスのパルスレーザ光を前記加工対象物に照射することにより、前記内部に１つの改質スポットが形成され、
前記内部に集光点を合わせかつ前記切断予定ラインに沿って集光点を相対的に移動させて、複数パルスのパルスレーザ光を前記加工対象物に照射することにより、前記切断予定ラインに沿って前記内部に複数の前記改質スポットが形成され、
前記入力された速度の大きさに基づいて隣り合う前記改質スポット間の距離を演算する距離演算手段と、
前記距離演算手段により演算された距離を表示する距離表示手段と、
を備える、レーザ加工装置。
【請求項３】
パルス幅が１μs以下のパルスレーザ光を出射するレーザ光源と、
周波数の大きさの入力に基づいて前記レーザ光源から出射されるパルスレーザ光の繰り返し周波数の大きさを調節する周波数調節手段と、
前記レーザ光源から出射されたパルスレーザ光の集光点のピークパワー密度が１×１０8（W/cm2）以上になるようにパルスレーザ光を集光する集光手段と、
前記集光手段により集光されたパルスレーザ光の集光点を加工対象物の内部に合わせる手段と、
前記加工対象物の切断予定ラインに沿ってパルスレーザ光の集光点を相対的に移動させる移動手段と、
速度の大きさの入力に基づいて前記移動手段によるパルスレーザ光の集光点の相対的移動速度の大きさを調節する速度調節手段と、
を備え、
前記内部に集光点を合わせて１パルスのパルスレーザ光を前記加工対象物に照射することにより、前記内部に１つの改質スポットが形成され、
前記内部に集光点を合わせかつ前記切断予定ラインに沿って集光点を相対的に移動させて、複数パルスのパルスレーザ光を前記加工対象物に照射することにより、前記切断予定ラインに沿って前記内部に複数の前記改質スポットが形成され、
前記入力された周波数の大きさと速度の大きさとに基づいて隣り合う前記改質スポット間の距離を演算する距離演算手段と、
前記距離演算手段により演算された距離を表示する距離表示手段と、
を備える、レーザ加工装置。
【請求項４】
前記レーザ加工装置により形成される前記改質スポットの寸法を予め記憶している寸法記憶手段と、
前記寸法記憶手段に記憶された寸法と前記距離演算手段により演算された距離とに基づいて、前記切断予定ラインに沿って形成される複数の前記改質スポットの画像を作成する画像作成手段と、
前記画像作成手段により作成された画像を表示する画像表示手段と、
を備える、請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
パルス幅が１μs以下のパルスレーザ光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されるパルスレーザ光の繰り返し周波数の大きさを調節する周波数調節手段と、
前記レーザ光源から出射されたパルスレーザ光の集光点のピークパワー密度が１×１０8（W/cm2）以上になるようにパルスレーザ光を集光する集光手段と、
前記集光手段により集光されたパルスレーザ光の集光点を加工対象物の内部に合わせる手段と、
前記加工対象物の切断予定ラインに沿ってパルスレーザ光の集光点を相対的に移動させる移動手段と、
を備え、
前記内部に集光点を合わせて１パルスのパルスレーザ光を前記加工対象物に照射することにより、前記内部に１つの改質スポットが形成され、
前記内部に集光点を合わせかつ前記切断予定ラインに沿って集光点を相対的に移動させて、複数パルスのパルスレーザ光を前記加工対象物に照射することにより、前記切断予定ラインに沿って前記内部に複数の前記改質スポットが形成され、
隣り合う前記改質スポット間の距離の大きさの入力に基づいて、隣り合う前記改質スポット間の距離をこの大きさにするために、前記レーザ光源から出射されるパルスレーザ光の繰り返し周波数の大きさを演算する周波数演算手段を備え、
前記周波数調節手段は、前記周波数演算手段により演算された周波数の大きさとなるように前記レーザ光源から出射されるパルスレーザ光の繰り返し周波数の大きさを調節する、レーザ加工装置。
【請求項６】
前記周波数演算手段により演算された周波数の大きさを表示する周波数表示手段を備える、請求項５記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
パルス幅が１μs以下のパルスレーザ光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたパルスレーザ光の集光点のピークパワー密度が１×１０8（W/cm2）以上になるようにパルスレーザ光を集光する集光手段と、
前記集光手段により集光されたパルスレーザ光の集光点を加工対象物の内部に合わせる手段と、
前記加工対象物の切断予定ラインに沿ってパルスレーザ光の集光点を相対的に移動させる移動手段と、
前記移動手段によるパルスレーザ光の集光点の相対的移動速度の大きさを調節する速度調節手段と、
を備え、
前記内部に集光点を合わせて１パルスのパルスレーザ光を前記加工対象物に照射することにより、前記内部に１つの改質スポットが形成され、
前記内部に集光点を合わせかつ前記切断予定ラインに沿って集光点を相対的に移動させて、複数パルスのパルスレーザ光を前記加工対象物に照射することにより、前記切断予定ラインに沿って前記内部に複数の前記改質スポットが形成され、
隣り合う前記改質スポット間の距離の大きさの入力に基づいて、隣り合う前記改質スポット間の距離をこの大きさにするために、前記移動手段によるパルスレーザ光の集光点の相対的移動速度の大きさを演算する速度演算手段と、
を備え、
前記速度調節手段は、前記速度演算手段により演算された相対的移動速度の大きさとなるように前記移動手段によるパルスレーザ光の集光点の相対的移動速度の大きさを調節する、レーザ加工装置。
【請求項８】
前記速度演算手段により演算された相対的移動速度の大きさを表示する速度表示手段を備える、請求項７記載のレーザ加工装置。
【請求項９】
パルス幅が１μs以下のパルスレーザ光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されるパルスレーザ光の繰り返し周波数の大きさを調節する周波数調節手段と、
前記レーザ光源から出射されたパルスレーザ光の集光点のピークパワー密度が１×１０8（W/cm2）以上になるようにパルスレーザ光を集光する集光手段と、
前記集光手段により集光されたパルスレーザ光の集光点を加工対象物の内部に合わせる手段と、
前記加工対象物の切断予定ラインに沿ってパルスレーザ光の集光点を相対的に移動させる移動手段と、
前記移動手段によるパルスレーザ光の集光点の相対的移動速度の大きさを調節する速度調節手段と、
を備え、
前記内部に集光点を合わせて１パルスのパルスレーザ光を前記加工対象物に照射することにより、前記内部に１つの改質スポットが形成され、
前記内部に集光点を合わせかつ前記切断予定ラインに沿って集光点を相対的に移動させて、複数パルスのパルスレーザ光を前記加工対象物に照射することにより、前記切断予定ラインに沿って前記内部に複数の前記改質スポットが形成され、
隣り合う前記改質スポット間の距離の大きさの入力に基づいて、隣り合う前記改質スポット間の距離をこの大きさにするために、前記レーザ光源から出射されるパルスレーザ光の繰り返し周波数の大きさと前記移動手段によるパルスレーザ光の集光点の相対的移動速度の大きさとの組み合わせを演算する組み合わせ演算手段を備え、
前記周波数調節手段は、前記組み合わせ演算手段により演算された周波数の大きさとなるように前記レーザ光源から出射されるパルスレーザ光の繰り返し周波数の大きさを調節し、
前記速度調節手段は、前記組み合わせ演算手段により演算された相対的移動速度の大きさとなるように前記移動手段によるパルスレーザ光の集光点の相対的移動速度の大きさを調節する、レーザ加工装置。
【請求項１０】
前記組み合わせ演算手段により演算された周波数の大きさ及び相対的移動速度の大きさを表示する表示手段を備える、請求項９記載のレーザ加工装置。
【請求項１１】
前記切断予定ラインに沿って前記加工対象物の前記内部に形成された複数の前記改質スポットにより改質領域が規定され、
前記改質領域は、前記内部においてクラックが発生した領域であるクラック領域、前記内部において溶融処理した領域である溶融処理領域及び前記内部において屈折率が変化した領域である屈折率変化領域のうち少なくともいずれか一つを含む、請求項１〜１０のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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、上記領域付近に位置する半導体素子が溶融する恐れがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
加工対象物の表面の溶融を防止する方法として、例えば、特開２０００-２１９５２８号公報や特開２０００-１５４６７号公報に開示されたレーザによる切断方法がある。これらの公報の切断方法では、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。
【０００４】
しかし、これらの公報の切断方法では、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や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、液晶表示装置や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装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るレーザ加工装置は、パルス幅が１μs以下のパルスレーザ光を出射するレーザ光源と、周波数の大きさの入力に基づいてレーザ光源から出射されるパルスレーザ光の繰り返し周波数の大きさを調節する周波数調節手段と、レーザ光源から出射されたパルスレーザ光の集光点のピークパワー密度が１×１０8（W/cm2）以上になるようにパルスレーザ光を集光する集光手段と、集光手段により集光されたパルスレーザ光の集光点を加工対象物の内部に合わせる手段と、加工対象物の切断予定ラインに沿ってパルスレーザ光の集光点を相対的に移動させる移動手段と、を備え、加工対象物の内部に集光点を合わせて１パルスのパルスレーザ光を加工対象物に照射することにより加工対象物の内部に１つの改質スポットが形成され、加工対象物の内部に集光点を合わせかつ切断予定ラインに沿って集光点を相対的に移動させて複数パルスのパルスレーザ光を加工対象物に照射することにより、切断予定ラインに沿って加工対象物の内部に複数の改質スポットが形成され、入力された周波数の大きさに基づいて隣り合う改質スポット間の距離を演算する距離演算手段と、距離演算手段により演算された距離を表示する距離表示手段と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係るレーザ加工装置によれば、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かつ多光子吸収という現象を利用することにより、加工対象物の内部に改質領域を形成している。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。本発明に係るレーザ加工装置によれば、改質領域を起点として切断予定ラインに沿って加工対象物が割れることにより、加工対象物を切断することができる。よって、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。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。
【０００８】
また、本発明に係るレーザ加工装置によれば、加工対象物の内部に局所的に多光子吸収を発生させて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。以上のことはこれから説明するレーザ加工装置についても言えることである。
【０００９】
また、本発明者によれば、パルスレーザ光の集光点の相対的移動速度が一定の場合、パルスレーザ光の繰り返し周波数を小さくすると、１パルスのパルスレーザ光で形成される改質部分（改質スポットという）と次の１パルスのパルスレーザ光で形成される改質スポットとの距離が大きくなるように制御できることが分かった。逆に、パルスレーザ光の繰り返し周波数を大きくするとこの距離が小さくなるように制御できることが分かった。なお、本明細書ではこの距離を隣り合う改質スポット間の距離又はピッチと表現する。
【００１０】
よって、パルスレーザ光の繰り返し周波数を大きく又は小さくする調節を行うことにより、隣り合う改質スポット間の距離を制御できる。加工対象物の種類や厚さ等に応じてこの距離を変えることにより、加工対象物に応じた切断加工が可能となる。なお、切断予定ラインに沿って加工対象物の内部に複数の改質スポットが形成されることにより改質領域が規定される。
【００１１】
また、本発明に係るレーザ加工装置によれば、入力された周波数の大きさに基づいて隣り合う改質スポット間の距離を演算し、演算された距離を表示している。よって、レーザ加工装置に入力された周波数の大きさに基づいて形成される改質スポットについて、レーザ加工前に隣り合う改質スポット間の距離を知ることができる。
【００１２】
本発明に係るレーザ加工装置は、パルス幅が１μs以下のパルスレーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光源から出射されたパルスレーザ光の集光点のピークパワー密度が１×１０8（W/cm2）以上になるようにパルスレーザ光を集光する集光手段と、集光手段により集光されたパルスレーザ光の集光点を加工対象物の内部に合わせる手段と、加工対象物の切断予定ラインに沿ってパルスレーザ光の集光点を相対的に移動させる移動手段と、速度の大きさの入力に基づいて移動手段によるパルスレーザ光の集光点の相対的移動速度の大きさを調節する速度調節手段と、を備え、加工対象物の内部に集光点を合わせて１パルスのパルスレーザ光を加工対象物に照射することにより、加工対象物の内部に１つの改質スポットが形成され、加工対象物の内部に集光点を合わせかつ切断予定ラインに沿って集光点を相対的に移動させて、複数パルスのパルスレーザ光を加工対象物に照射することにより、切断予定ラインに沿って加工対象物の内部に複数の改質スポットが形成され、入力された速度の大きさに基づいて隣り合う改質スポット間の距離を演算する距離演算手段と、距離演算手段により演算された距離を表示する距離表示手段と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明者によれば、パルスレーザ光の繰り返し周波数が一定の場合、パルスレーザ光の集光点の相対的移動速度を小さくすると、隣り合う改質スポット間の距離が小さくなるように制御でき、逆にパルスレーザ光の集光点の相対的移動速度を大きくすると隣り合う改質スポット間の距離が大きくなるように制御できることが分かった。よって、パルスレーザ光の集光点の相対的移動速度を大きく又は小さくする調節を行うことにより、隣り合う改質スポット間の距離を制御できる。従って、加工対象物の種類や厚さ等に応じてこの距離を変えることにより、加工対象物に応じた切断加工が可能となる。なお、パルスレーザ光の集光点の相対的移動とは、パルスレーザ光の集光点を固定して加工対象物を移動させてもよいし、加工対象物を固定してパルスレーザ光の集光点を移動させてもよいし、両方を移動させてもよい。
【００１４】
また、本発明に係るレーザ加工装置によれば、入力された速度の大きさに基づいて隣り合う改質スポット間の距離を演算し、演算された距離を表示している。よって、レーザ加工装置に入力された速度の大きさに基づいて形成される改質スポットについて、レーザ加工前に隣り合う改質スポット間の距離を知ることができる。
【００１５】
本発明に係るレーザ加工装置は、パルス幅が１μs以下のパルスレーザ光を出射するレーザ光源と、周波数の大きさの入力に基づいてレーザ光源から出射されるパルスレーザ光の繰り返し周波数の大きさを調節する周波数調節手段と、レーザ光源から出射されたパルスレーザ光の集光点のピークパワー密度が１×１０8（W/cm2）以上になるようにパルスレーザ光を集光する集光手段と、集光手段により集光されたパルスレーザ光の集光点を加工対象物の内部に合わせる手段と、加工対象物の切断予定ラインに沿ってパルスレーザ光の集光点を相対的に移動させる移動手段と、速度の大きさの入力に基づいて移動手段によるパルスレーザ光の集光点の相対的移動速度の大きさを調節する速度調節手段と、を備え、加工対象物の内部に集光点を合わせて１パルスのパルスレーザ光を加工対象物に照射することにより、加工対象物の内部に１つの改質スポットが形成され、加工対象物の内部に集光点を合わせかつ切断予定ラインに沿って集光点を相対的に移動させて、複数パルスのパルスレーザ光を加工対象物に照射することにより、切断予定ラインに沿って加工対象物の内部に複数の改質スポットが形成され、入力された周波数の大きさと速度の大きさとに基づいて隣り合う改質スポット間の距離を演算する距離演算手段と、距離演算手段により演算された距離を表示する距離表示手段と、を備えることを特徴とする。
【００１６】
本発明に係るレーザ加工装置によれば、パルスレーザ光の繰り返し周波数の大きさ及びパルスレーザ光の集光点の相対的移動速度の大きさの両方を調節することにより、隣り合う改質スポット間の距離を制御できる。これらの調節を組み合わせることにより、この距離について制御できる大きさの種類を増やすことが可能となる。また、本発明に係るレーザ加工装置によれば、レーザ加工前に隣り合う改質スポット間の距離を知ることができる。
【００１７】
これらのレーザ加工装置において、レーザ加工装置により形成される改質スポットの寸法を予め記憶している寸法記憶手段と、寸法記憶手段に記憶された寸法と距離演算手段により演算された距離とに基づいて、切断予定ラインに沿って形成される複数の改質スポットの画像を作成する画像作成手段と、画像作成手段により作成された画像を表示する画像表示手段と、を備えるようにすることができる。これによれば、形成される複数の改質スポット、つまり改質領域についてレーザ加工前に視覚的に把握することができる。
【００１８】
本発明に係るレーザ加工装置は、パルス幅が１μs以下のパルスレーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光源から出射されるパルスレーザ光の繰り返し周波数の大きさを調節する周波数調節手段と、レーザ光源から出射されたパルスレーザ光の集光点のピークパワー密度が１×１０8（W/cm2）以上になるようにパルスレーザ光を集光する集光手段と、集光手段により集光されたパルスレーザ光の集光点を加工対象物の内部に合わせる手段と、加工対象物の切断予定ラインに沿ってパルスレーザ光の集光点を相対的に移動させる移動手段と、を備え、加工対象物の内部に集光点を合わせて１パルスのパルスレーザ光を加工対象物に照射することにより、加工対象物の内部に１つの改質スポットが形成され、加工対象物の内部に集光点を合わせかつ切断予定ラインに沿って集光点を相対的に移動させて、複数パルスのパルスレーザ光を加工対象物に照射することにより、切断予定ラインに沿って加工対象物の内部に複数の改質スポットが形成され、隣り合う改質スポット間の距離の大きさの入力に基づいて、隣り合う改質スポット間の距離をこの大きさにするために、レーザ光源から出射されるパルスレーザ光の繰り返し周波数の大きさを演算する周波数演算手段を備え、周波数調節手段は周波数演算手段により演算された周波数の大きさとなるようにレーザ光源から出射されるパルスレーザ光の繰り返し周波数の大きさを調節する、ことを特徴とする。
【００１９】
本発明に係るレーザ加工装置によれば、隣り合う改質スポット間の距離の大きさの入力に基づいて、隣り合う改質スポット間の距離をこの大きさにするために、レーザ光源から出射されるパルスレーザ光の繰り返し周波数の大きさを演算している。周波数調節手段は周波数演算手段により演算された周波数の大きさとなるようにレーザ光源から出射されるパルスレーザ光の繰り返し周波数の大きさを調節している。よって、隣り合う改質スポット間の距離を所望の大きさにすることができる。
【００２０】
本発明に係るレーザ加工装置において、周波数演算手段により演算された周波数の大きさを表示する周波数表示手段を備えるようにすることができる。これによれば、隣り合う改質スポット間の距離の大きさの入力に基づいてレーザ加工装置を動作させる場合、レーザ加工前に周波数を知ることができる。
【００２１】
本発明に係るレーザ加工装置は、パルス幅が１μs以下のパルスレーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光源から出射されたパルスレーザ光の集光点のピークパワー密度が１×１０8（W/cm2）以上になるようにパルスレーザ光を集光する集光手段と、集光手段により集光されたパルスレーザ光の集光点を加工対象物の内部に合わせる手段と、加工対象物の切断予定ラインに沿ってパルスレーザ光の集光点を相対的に移動させる移動手段と、移動手段によるパルスレーザ光の集光点の相対的移動速度の大きさを調節する速度調節手段と、を備え、加工対象物の内部に集光点を合わせて１パルスのパルスレーザ光を加工対象物に照射することにより、加工対象物の内部に１つの改質スポットが形成され、加工対象物の内部に集光点を合わせかつ切断予定ラインに沿って集光点を相対的に移動させて、複数パルスのパルスレーザ光を加工対象物に照射することにより、切断予定ラインに沿って加工対象物の内部に複数の改質スポットが形成され、隣り合う改質スポット間の距離の大きさの入力に基づいて、隣り合う改質スポット間の距離をこの大きさにするために、移動手段によるパルスレーザ光の集光点の相対的移動速度の大きさを演算する速度演算手段と、を備え、速度調節手段は速度演算手段により演算された相対的移動速度の大きさとなるように移動手段によるパルスレーザ光の集光点の相対的移動速度の大きさを調節する、ことを特徴とする。
【００２２】
本発明に係るレーザ加工装置によれば、隣り合う改質スポット間の距離の大きさの入力に基づいて、隣り合う改質スポット間の距離をこの大きさにするために、移動手段によるパルスレーザ光の集光点の相対的移動速度の大きさを演算している。速度調節手段は速度演算手段により演算された相対的移動速度の大きさとなるように移動手段によるパルスレーザ光の集光点の相対的移動速度の大きさを調節している。よって、隣り合う改質スポット間の距離を所望の大きさにすることができる。
【００２３】
本発明に係るレーザ加工装置において、速度演算手段により演算された相対的移動速度の大きさを表示する速度表示手段を備えるようにすることができる。これによれば、隣り合う改質スポット間の距離の大きさの入力に基づいてレーザ加工装置を動作させる場合、レーザ加工前に相対的移動速度を知ることができる。
【００２４】
本発明に係るレーザ加工装置は、パルス幅が１μs以下のパルスレーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光源から出射されるパルスレーザ光の繰り返し周波数の大きさを調節する周波数調節手段と、レーザ光源から出射されたパルスレーザ光の集光点のピークパワー密度が１×１０8（W/cm2）以上になるようにパルスレーザ光を集光する集光手段と、集光手段により集光されたパルスレーザ光の集光点を加工対象物の内部に合わせる手段と、加工対象物の切断予定ラインに沿ってパルスレーザ光の集光点を相対的に移動させる移動手段と、移動手段によるパルスレーザ光の集光点の相対的移動速度の大きさを調節する速度調節手段と、を備え、加工対象物の内部に集光点を合わせて１パルスのパルスレーザ光を加工対象物に照射することにより、加工対象物の内部に１つの改質スポットが形成され、加工対象物の内部に集光点を合わせかつ切断予定ラインに沿って集光点を相対的に移動させて、複数パルスのパルスレーザ光を加工対象物に照射することにより、切断予定ラインに沿って加工対象物の内部に複数の改質スポットが形成され、隣り合う改質スポット間の距離の大きさの入力に基づいて、隣り合う改質スポット間の距離をこの大きさにするために、レーザ光源から出射されるパルスレーザ光の繰り返し周波数の大きさと移動手段によるパルスレーザ光の集光点の相対的移動速度の大きさとの組み合わせを演算する組み合わせ演算手段を備え、周波数調節手段は組み合わせ演算手段により演算された周波数の大きさとなるようにレーザ光源から出射されるパルスレーザ光の繰り返し周波数の大きさを調節し、速度調節手段は組み合わせ演算手段により演算された相対的移動速度の大きさとなるように移動手段によるパルスレーザ光の集光点の相対的移動速度の大きさを調節する、ことを特徴とする。
【００２５】
本発明に係るレーザ加工装置によれば、隣り合う改質スポット間の距離の大きさの入力に基づいて、隣り合う改質スポット間の距離をこの大きさにするために、パルスレーザ光の繰り返し周波数の大きさとパルスレーザ光の集光点の相対的移動速度の大きさとの組み合わせを演算している。周波数調節手段及び速度調節手段は演算された組み合わせの値となるように、パルスレーザ光の繰り返し周波数の大きさ及びパルスレーザ光の集光点の相対的移動速度の大きさを調節している。よって、隣り合う改質スポット間の距離を所望の大きさにすることができる。
【００２６】
本発明に係るレーザ加工装置において、組み合わせ演算手段により演算された周波数の大きさ及び相対的移動速度の大きさを表示する表示手段を備えるようにすることもできる。これによれば、隣り合う改質スポット間の距離の大きさの入力に基づいてレーザ加工装置を動作させる場合、レーザ加工前に周波数と相対的移動速度との組み合わせを知ることができる。
【００２７】
上記のすべての本発明に係るレーザ加工装置により、切断予定ラインに沿って加工対象物の内部に複数の改質スポットを形成することができる。これらの改質スポットにより改質領域が規定される。改質領域は加工対象物の内部においてクラックが発生した領域であるクラック領域、加工対象物の内部において溶融処理した領域である溶融処理領域及び加工対象物の内部において屈折率が変化した領域である屈折率変化領域のうち少なくともいずれか一つを含む。
【００２８】
上記のすべての本発明に係るレーザ加工装置によれば、隣り合う改質スポット間の距離を調節できるので、改質領域を切断予定ラインに沿って連続的に形成したり断続的に形成したりすることができる。改質領域を連続的に形成すると、連続的に形成しない場合と比べて改質領域を起点とした加工対象物の切断が容易となる。改質領域を断続的に形成すると、改質領域が切断予定ラインに沿って連続していないので、切断予定ラインの箇所はある程度の強度を保持している。
【００２９】
【発明の実施の形態】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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、厚さ方向に改質領域が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、切断する箇所の表面上において、改質領域が形成されていない部分まで割れが先走ることがなく、改質部を形成した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半導体ウェハ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。
【００３６】
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。
（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。
【００３７】
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。
（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
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
（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、溶融処理領域は一旦溶融後再固化した領域であり、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。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。
【００４１】
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。
【００４２】
（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
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
（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。
【００４７】
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、パルスレーザ光の繰り返し周波数の大きさやパルスレーザ光の集光点の相対的移動速度の大きさを調節することにより、１パルスのパルスレーザ光で形成される改質スポットと次の１パルスのパルスレーザ光で形成される改質スポットとの距離を制御している。つまり隣り合う改質スポット間の距離を制御している。以下この距離をピッチpとして説明をする。ピッチpの制御についてクラック領域を例に説明する。
【００４８】
パルスレーザ光の繰り返し周波数をf（Hz）、加工対象物のX軸ステージ又はY軸ステージの移動速度をv（mm/sec）とする。これらのステージの移動速度はパルスレーザ光の集光点の相対的移動の速度の一例である。パルスレーザ光の１ショットで形成されるクラック部分をクラックスポットという。よって、切断予定ライン５の単位長さあたりに形成されるクラックスポットの数nは、以下の通りである。
n＝f/v
単位長さあたりに形成されるクラックスポットの数nの逆数がピッチpに相当する。
p＝１/n
【００４９】
よって、パルスレーザ光の繰り返し周波数の大きさ及びパルスレーザ光の集光点の相対的移動速度の大きさのうち少なくともいずれかを調節すれば、ピッチpを制御することができる。すなわち、繰り返し周波数をf（Hz）を大きくすることやステージの移動速度をv（mm/sec）を小さくすることにより、ピッチpを小さく制御できる。逆に、繰り返し周波数をf（Hz）を小さくすることやステージの移動速度をv（mm/sec）を大きくすることにより、ピッチpを大きく制御できる。
【００５０】
ところで、ピッチpと切断予定ライン５方向におけるクラックスポットの寸法dとの関係は図１４〜図１６に示す三通りがある。図１４〜図１６は、本実施形態に係るレーザ加工によりクラック領域が形成された加工対象物の切断予定ライン５に沿った部分の平面図である。クラックスポット９０は１パルスのパルスレーザ光で形成される。複数のクラックスポット９０が切断予定ライン５に沿って並ぶように形成されることにより、クラック領域９が形成される。
【００５１】
図１４は、ピッチpが寸法dより大きい場合を示している。クラック領域９は切断予定ライン５に沿って加工対象物の内部に断続的に形成されている。図１５は、ピッチpが寸法dと略等しい場合を示している。クラック領域９は切断予定ライン５に沿って加工対象物の内部に連続に形成されている。図１６は、ピッチpが寸法dより小さい場合を示している。クラック領域９は切断予定ライン５に沿って加工対象物の内部に連続的に形成されている。
【００５２】
図１４によれば、クラック領域９が切断予定ライン５に沿って連続していないので、切断予定ライン５の箇所はある程度の強度を保持している。よって、レーザ加工終了後に加工対象物の切断工程を行う場合、加工対象物のハンドリングが容易となる。図１５及び図１６によれば、クラック領域９が切断予定ライン５に沿って連続的に形成されているので、クラック領域９を起点とした加工対象物の切断が容易となる。
【００５３】
図１４によればピッチpが寸法dより大きくされており、図１５によればピッチpを寸法dと略等しくされているので、パルスレーザ光の照射により多光子吸収の生じる領域が既に形成されたクラックスポット９０と重なるのを防止できる。この結果、クラックスポットの寸法のばらつきを小さくすることができる。すなわち、本発明者によれば、パルスレーザ光の照射により多光子吸収の生じる領域が既に形成されたクラックスポット９０と重なると、この領域に形成されるクラックスポット９０の寸法のばらつきが大きくなる、ことが分かった。クラックスポット９０の寸法のばらつきが大きくなると、加工対象物を切断予定ラインに沿って精密に切断するのが困難となり、また、切断面の平坦性も悪くなる。図１４及び図１５によれば、クラックスポットの寸法のばらつきを小さくできるので、切断予定ラインに沿って加工対象物を精密に切断することができ、かつ、切断面を平坦にすることができる。
【００５４】
以上説明したように、本実施形態によれば、パルスレーザ光の繰り返し周波数の大きさやパルスレーザ光の集光点の相対的移動速度の大きさを調節することにより、ピッチpを制御することができる。これにより、加工対象物の厚さや材質等を考慮してピッチpを変えることにより、加工対象物に応じたレーザ加工が可能となる。
【００５５】
なお、ピッチp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。但し、溶融処理スポットや屈折率変化スポットについてはすでに形成された溶融処理スポットや屈折率変化スポットとの重なりが生じても問題はない。また、パルスレーザ光の集光点の相対的移動とは、パルスレーザ光の集光点を固定して加工対象物を移動させる場合でもよいし、加工対象物を固定してパルスレーザ光の集光点を移動させる場合でもよいし、加工対象物とパルスレーザ光の集光点とを互いに逆方向に移動させる場合でもよいし、加工対象物とパルスレーザ光の集光点とを速度を異ならせかつ同じ方向に移動させる場合でもよい。
【００５６】
次に、本実施形態に係るレーザ加工装置について説明する。図１７はこのレーザ加工装置１００の概略構成図である。レーザ加工装置１００は、レーザ光Lを発生するレーザ光源１０１と、レーザ光Lの出力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Lの反射機能を有しかつレーザ光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１０５と、集光用レンズ１０５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。
【００５７】
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。
【００５８】
レーザ光源１０１はQスイッチレーザである。図１８は、レーザ光源１０１に備えられるQスイッチレーザの概略構成図である。Qスイッチレーザは、所定間隔を設けて配置されたミラー５１，５３と、ミラー５１とミラー５３との間に配置されたレーザ媒質５５と、レーザ媒質５５に励起用の入力を加える励起源５７、レーザ媒質５５とミラー５１との間に配置されたQスイッチ５９と、を備える。レーザ媒質５５の材料は例えばNd:YAGである。
【００５９】
Qスイッチ５９を利用して共振器の損失を高くした状態で励起源５７から励起入力をレーザ媒質５５に加えることにより、レーザ媒質５５の反転分布を所定値まで上昇させる。その後、Qスイッチ５９を利用して共振器の損失を低くした状態にすることにより、蓄積されたエネルギーを瞬時に発振させパルスレーザ光Lを発生させる。レーザ光源制御部１０２からの信号S（例えば超音波パルスの繰り返し周波数の変化）によりQスイッチ５９が高い状態になるように制御される。よって、レーザ光源制御部１０２からの信号Sにより、レーザ光源１０１から出射されるパルスレーザ光Lの繰り返し周波数を調節することができる。レーザ光源制御部１０２が周波数調節手段の一例となる。繰り返し周波数の調節は、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繰り返し周波数の大きさを入力することによりなされる。以上がレーザ光源１０１の詳細である。
【００６０】
レーザ加工中、加工対象物１をX軸方向やY軸方向に移動させることにより、切断予定ラインに沿って改質領域を形成する。よって、例えば、X軸方向に改質領域を形成する場合、X軸ステージ１０９の移動速度を調節することにより、パルスレーザ光の集光点の相対的移動の速度を調節することができる。また、Y軸方向に改質領域を形成する場合、Y軸ステージ１１１の移動速度を調節することにより、パルスレーザ光の集光点の相対的移動の速度を調節することができる。これらのステージの移動速度の調節はステージ制御部１１５により制御される。ステージ制御部１１５は速度調節手段の一例となる。速度の調節は、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速度の大きさを入力することによりなされる。なお、集光点Pを移動可能とし、その移動速度を調節することにより、パルスレーザ光の集光点の相対的移動の速度を調節することもできる。
【００６１】
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。
【００６２】
集光用レンズ１０５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１０５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。
【００６３】
レーザ加工装置１００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。
【００６４】
レーザ加工装置１００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。
【００６５】
レーザ加工装置１００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１００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。
【００６６】
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１００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。
【００６７】
図１９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は距離演算部１４１、寸法記憶部１４３及び画像作成部１４５を備える。距離演算部１４１には、パルスレーザ光の繰り返し周波数の大きさ及びステージ１０９、１１１の移動速度の大きさが入力される。これらの入力はレーザ加工装置の操作者がキーボード等を用いて行う。
【００６８】
距離演算部１４１は上述した式（n＝f/v, p＝１/n）を利用して隣り合う改質スポット間の距離（ピッチ）を演算する。距離演算部１４１は、この距離データをモニタ１２９に送る。これにより、モニタ１２９には入力された周波数の大きさ及び速度の大きさのもとで形成される改質スポット間の距離が表示される。
【００６９】
また、この距離データは画像作成部１４５にも送られる。寸法記憶部１４３には予めこのレーザ加工装置で形成される改質スポットの寸法が記憶されている。画像作成部１４５は、この距離データと寸法記憶部１４３に記憶された寸法のデータとを基にして、この距離と寸法とにより形成される改質領域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には改質領域の画像も表示される。よって、レーザ加工前に隣り合う改質スポット間の距離や改質領域の形状を知ることができる。
【００７０】
距離演算部１４１は式（n＝f/v, p＝１/n）を利用して改質スポット間の距離を演算しているが次のようにしてもよい。まず、繰り返し周波数の大きさとステージ１０９、１１１の移動速度と改質スポット間の距離との関係を予め登録したテーブルを作成し、このテーブルのデータを距離演算部１４１に記憶させる。繰り返し周波数の大きさ及びステージ１０９、１１１の移動速度の大きさが距離演算部１４１に入力されることにより、距離演算部１４１は上記テーブルの中からこれらの大きさの条件で形成される改質スポットにおける改質スポット間の距離を読み出す。
【００７１】
なお、繰り返し周波数の大きさを固定しステージの移動速度の大きさを可変としてもよい。逆に、ステージの移動速度の大きさを固定し繰り返し周波数の大きさを可変としてもよい。これらの場合も距離演算部１４１において上述した式やテーブルを用いることにより、改質スポット間の距離や改質領域の画像をモニタ１２９に表示させるための処理を行う。
【００７２】
以上のように図１９に示す全体制御部１２７では繰り返し周波数の大きさやステージの移動速度の大きさを入力することにより、隣り合う改質スポット間の距離を演算している。隣り合う改質スポット間の所望の距離を入力し、繰り返し周波数の大きさやステージの移動速度の大きさを制御してもよい。以下これについて説明する。
【００７３】
図２０は全体制御部１２７の他の例の一部分を示すブロック図である。全体制御部１２７は周波数演算部１４７を備える。レーザ加工装置の操作者はキーボード等により周波数演算部１４７に隣り合う改質スポット間の距離の大きさを入力する。この距離の大きさは、加工対象物の厚さや材質等を考慮して決定される。この入力により周波数演算部１４７は上記式やテーブルを基にして、この距離の大きさとなるための周波数を演算する。この例ではステージの移動速度は固定である。周波数演算部１４７は演算されたデータをレーザ光源制御部１０２に送る。この周波数の大きさに調節されたレーザ加工装置で加工対象物をレーザ加工することにより、隣り合う改質スポット間の距離を所望の大きさにすることができる。この周波数の大きさのデータはモニタ１２９にも送られ、この周波数の大きさが表示される。
【００７４】
図２１は全体制御部１２７のさらに他の例の一部分を示すブロック図である。全体制御部１２７は速度演算部１４９を備える。上記と同様に隣り合う改質スポット間の距離の大きさが速度演算部１４９に入力される。この入力により速度演算部１４９は上記式やテーブルを基にして、この距離の大きさとなるためのステージ移動速度を演算する。この例では繰り返し周波数は固定である。速度演算部１４９は演算されたデータをステージ制御部１１５に送る。このステージ移動速度の大きさに調節されたレーザ加工装置で加工対象物をレーザ加工することにより、隣り合う改質スポット間の距離を所望の大きさにすることができる。このステージ移動速度の大きさのデータはモニタ１２９にも送られ、このステージ移動速度の大きさが表示される。
【００７５】
図２２は全体制御部１２７のさらに他の例の一部分を示すブロック図である。全体制御部１２７は組み合わせ演算部１５１を備える。図２０及び図２１の場合と異なる点は、繰り返し周波数及びステージ移動速度の両方が演算されることである。上記と同様に隣り合う改質スポット間の距離の大きさを組み合わせ演算部１５１に入力する。組み合わせ演算部１５１は上記式やテーブルを基にして、この距離の大きさとなるための繰り返し周波数及びステージ移動速度を演算する。
【００７６】
組み合わせ演算部１５１は演算されたデータをレーザ光源制御部１０２及びステージ制御部１１５に送る。レーザ光源制御部１０２は演算された繰り返し周波数の大きさとなるようにレーザ光源１０１を調節する。ステージ制御部１１５は演算されたステージ移動速度の大きさとなるようにステージ１０９、１１１を調節する。これらの調節がなされたレーザ加工装置で加工対象物をレーザ加工することにより、隣り合う改質スポット間の距離を所望の大きさにすることができる。演算された繰り返し周波数の大きさ及びステージ移動速度の大きさのデータはモニタ１２９にも送られ、演算されたこれらの値が表示される。
【００７７】
次に、図１７及び図２３を用いて、本実施形態に係るレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法を説明する。図２３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。
【００７８】
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。
【００７９】
加工対象物１をレーザ加工装置１００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）。
【００８０】
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。
【００８１】
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）。
【００８２】
次に、１パルスのパルスレーザで形成される溶融処理スポットにおける隣り合う溶融処理スポット間の距離、つまりピッチpの大きさを決定する（S１１２）。ピッチpは加工対象物１の厚さや材質等を考慮して決定される。ピッチpの大きさを図２２に示す全体制御部１２７に入力する。
【００８３】
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。
【００８４】
本実施形態の効果を説明する。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。
【００８５】
また、本実施形態によれば、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。
【００８６】
以上説明したように本実施形態によれば、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、本実施形態によれば、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。
【００８７】
また、本実施形態によれば、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。
【００８８】
また、本実施形態によれば、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２４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、本実施形態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。
【００８９】
また、本実施形態によれば、パルスレーザ光の繰り返し周波数の大きさの調節や、X軸ステージ１０９、Y軸ステージ１１１の移動速度の大きさの調節により、隣合う溶融処理スポットの距離を制御できる。加工対象物１の厚さや材質等を考慮して距離の大きさを変えることにより、目的に応じた加工が可能となる。
【００９０】
【発明の効果】
本発明に係るレーザ加工装置によれば、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。
【００９１】
本発明に係るレーザ加工装置によれば、パルスレーザ光の繰り返し周波数の大きさやパルスレーザ光の集光点の相対的移動速度の大きさを調節することにより、隣り合う改質スポット間の距離を制御できる。加工対象物の種類や厚さ等に応じてこの距離を変えることにより、加工対象物に応じた切断加工が可能となる。
【００９２】
本発明に係るレーザ加工装置によれば、隣り合う改質スポット間の距離の演算結果を表示することができる。
【００９３】
本発明に係るレーザ加工装置によれば、隣り合う改質スポット間の距離の入力に基づいてパルスレーザ光の繰り返し周波数の大きさやパルスレーザ光の集光点の相対的移動速度の大きさを調節するので、この距離を所望の大きさにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係るレーザ加工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によりクラック領域が形成された加工対象物の切断予定ラインに沿った部分の第１例の平面図である。
【図１５】本実施形態に係るレーザ加工によりクラック領域が形成された加工対象物の切断予定ラインに沿った部分の第２例の平面図である。
【図１６】本実施形態に係るレーザ加工によりクラック領域が形成された加工対象物の切断予定ラインに沿った部分の第３例の平面図である。
【図１７】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１８】本実施形態に係るレーザ加工装置のレーザ光源に備えられるQスイッチレーザの概略構成図である。
【図１９】本実施形態に係るレーザ加工装置の全体制御部の一例の一部分を示すブロック図である。
【図２０】本実施形態に係るレーザ加工装置の全体制御部の他の例の一部分を示すブロック図である。
【図２１】本実施形態に係るレーザ加工装置の全体制御部のさらに他の例の一部分を示すブロック図である。
【図２２】本実施形態に係るレーザ加工装置の全体制御部のさらに他の例の一部分を示すブロック図である。
【図２３】本実施形態に係るレーザ加工を説明するためのフローチャートである。
【図２４】本実施形態に係るレーザ加工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。
【符号の説明】
１・・・加工対象物、３・・・表面、５・・・切断予定ライン、７・・・改質領域、９・・・クラック領域、１１・・・シリコンウェハ、１３・・・溶融処理領域、９０・・・クラックスポット、１００・・・レーザ加工装置、１０１・・・レーザ光源、１０５・・・集光用レンズ、１０９・・・X軸ステージ、１１１・・・Y軸ステージ、１１３・・・Z軸ステージ、１４１・・・距離演算部、１４３・・・寸法記憶部、１４５・・・画像作成部、１４７・・・周波数演算部、１４９・・・速度演算部、１５１・・・組み合わせ演算部、P・・・集光点、p・・・クラックスポットのピッチ、d・・・クラックスポットの寸法
【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】
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【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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