JP2010158686A - Optical device for laser processing, laser processing device and laser processing method - Google Patents

Optical device for laser processing, laser processing device and laser processing method Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To efficiently form a modified layer or a laser processed groove with a depth required for dividing a workpiece with fewer number of times of irradiation of laser beam while reducing processing time. <P>SOLUTION: An optical device for laser processing includes a light source for emitting light and a condenser for condensing light toward the workpiece 1 being an object for processing and processes the workpiece 1. Light is made to be multiwavelength coherent light 113. The condenser irradiates the multiwavelength coherent light 113 to form condensing points at different positions per multiwavelength along the optical length, so that a plurality of the condensing points are made to be present per wavelength contained in the multiwavelength coherent light 113 in a range L inside the workpiece 1 on the optical axis. A long modified layer is formed over the range L in a depth direction inside the workpiece 1 by irradiating pulse laser once. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体ウエーハ等のワークに加工を施すためのレーザ加工用光学装置、このレーザ加工用光学装置を備えるレーザ加工装置およびレーザ加工方法に関するものである。   The present invention relates to a laser processing optical apparatus for processing a workpiece such as a semiconductor wafer, a laser processing apparatus including the laser processing optical apparatus, and a laser processing method.

半導体ウエーハや光デバイスウエーハ等のストリートに沿って分割する方法として、ウエーハに対して透過性を有するパルスレーザ光線を用い、分割すべき領域の内部に集光点を合わせてパルスレーザ光線を照射するレーザ加工方法も試みられている。このレーザ加工方法を用いた分割方法は、ウエーハの一方の面側から内部に集光点を合わせてウエーハに対して透過性を有する波長のパルスレーザ光線を照射し、ウエーハの内部にストリートに沿って変質層を連続的に形成し、この変質層が形成されることによって強度が低下したストリートに沿って外力を加えることにより、ワークを分割するものである(例えば、特許文献1参照)。   As a method of dividing along the streets of semiconductor wafers, optical device wafers, etc., a pulsed laser beam having transparency to the wafer is used, and the focused laser beam is irradiated within the region to be divided and the pulsed laser beam is irradiated. Laser processing methods have also been attempted. The dividing method using this laser processing method is to irradiate the inside of the wafer along the street by irradiating a pulse laser beam having a wavelength that is transparent to the wafer by aligning the condensing point from one side of the wafer to the inside. Thus, the workpiece is divided by continuously forming a deteriorated layer and applying an external force along a street whose strength is reduced by forming the deteriorated layer (see, for example, Patent Document 1).

また、ウエーハの表面近傍に光を集光してアブレーションによってレーザ加工溝を形成する提案例もあり(例えば、特許文献2参照)、実用化もされている。   There is also a proposal example in which light is condensed near the surface of the wafer and laser processing grooves are formed by ablation (see, for example, Patent Document 2), which has been put into practical use.

特許第3408805号公報Japanese Patent No. 3408805 特開平10−305420号公報JP-A-10-305420

しかしながら、従来方式にあっては、ワークを適正に分割するためにはストリートに沿って複数回パルスレーザ光線を照射する工程を繰返すことで、所定深さ分の変質層やレーザ加工溝を形成する必要がある。この結果、加工処理時間が長くかかってしまう不具合がある。   However, in the conventional method, in order to properly divide the workpiece, the process of irradiating a pulsed laser beam a plurality of times along the street is repeated to form an altered layer or a laser processing groove having a predetermined depth. There is a need. As a result, there is a problem that it takes a long processing time.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ワークを分割するために必要な深さ分の変質層やレーザ加工溝を、より少ない回数のレーザ光線の照射によって加工処理時間を短縮させて効率よく形成することができるレーザ加工用光学装置、レーザ加工装置およびレーザ加工方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above, and it is possible to shorten the processing time of a modified layer and a laser processing groove having a depth necessary for dividing a work by irradiating a laser beam with a smaller number of times. It is an object of the present invention to provide a laser processing optical device, a laser processing device, and a laser processing method that can be efficiently formed.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるレーザ加工用光学装置は、光を発する光源と、加工対象となるワークに前記光を集光する集光器と、を含み、前記ワークに加工を施すためのレーザ加工用光学装置であって、前記光は、多波長かつコヒーレントな多波長コヒーレント光であり、前記集光器は、前記多波長コヒーレント光をその光軸に沿って波長毎に異なる位置に集光点を形成することを特徴とする。   In order to solve the above-described problems and achieve the object, an optical apparatus for laser processing according to the present invention includes a light source that emits light and a condenser that condenses the light onto a workpiece to be processed. An optical apparatus for laser processing for processing the workpiece, wherein the light is multi-wavelength and coherent multi-wavelength coherent light, and the condenser uses the multi-wavelength coherent light as its optical axis. A condensing point is formed at a different position for each wavelength along.

また、本発明にかかるレーザ加工用光学装置は、上記発明において、前記光源は、フォトニック結晶ファイバを含むことを特徴とする。   In the optical apparatus for laser processing according to the present invention as set forth in the invention described above, the light source includes a photonic crystal fiber.

また、本発明にかかるレーザ加工用光学装置は、上記発明において、前記光源は、前記多波長コヒーレント光を波長毎に遅延させる波長依存遅延機構を含むことを特徴とする。   In the laser processing optical apparatus according to the present invention as set forth in the invention described above, the light source includes a wavelength-dependent delay mechanism that delays the multi-wavelength coherent light for each wavelength.

また、本発明にかかるレーザ加工用光学装置は、上記発明において、前記加工は、前記多波長コヒーレント光を前記ワークの内部に集光させることによる改質層形成加工であり、前記波長依存遅延機構は、前記集光器から遠い位置に集光される波長の光から順次前記ワークに到達するように前記多波長コヒーレント光を波長毎に遅延させることを特徴とする。   The optical device for laser processing according to the present invention is the above-described invention, wherein the processing is a modified layer forming processing by condensing the multi-wavelength coherent light inside the workpiece, and the wavelength-dependent delay mechanism. Is characterized in that the multi-wavelength coherent light is delayed for each wavelength so as to reach the work sequentially from light having a wavelength collected at a position far from the condenser.

また、本発明にかかるレーザ加工用光学装置は、上記発明において、前記加工は、前記多波長コヒーレント光を前記ワークの表面近傍に集光させることによるアブレーション除去加工であり、前記波長依存遅延機構は、前記集光器から近い位置に集光される波長の光から順次前記ワークに到達するように前記多波長コヒーレント光を波長毎に遅延させることを特徴とする。   Further, in the optical apparatus for laser processing according to the present invention, in the above invention, the processing is ablation removal processing by condensing the multi-wavelength coherent light near the surface of the workpiece, and the wavelength-dependent delay mechanism is The multi-wavelength coherent light is delayed for each wavelength so as to reach the workpiece sequentially from light having a wavelength condensed at a position close to the condenser.

また、本発明にかかるレーザ加工用光学装置は、上記発明において、前記波長依存遅延機構は、チャープ光ファイバーブラッググレーティングであることを特徴とする。   In the optical apparatus for laser processing according to the present invention as set forth in the invention described above, the wavelength dependent delay mechanism is a chirped optical fiber Bragg grating.

また、本発明にかかるレーザ加工用光学装置は、上記発明において、前記光源は、光サーキュレータを有することを特徴とする。   The optical apparatus for laser processing according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the light source has an optical circulator.

また、本発明にかかるレーザ加工用光学装置は、上記発明において、前記多波長コヒーレント光に含まれる波長のうち任意の波長をカットする光カット手段を有することを特徴とする。   The optical apparatus for laser processing according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the optical apparatus has a light cutting means for cutting an arbitrary wavelength among wavelengths included in the multi-wavelength coherent light.

また、本発明にかかるレーザ加工装置は、ワークを保持する保持面を有する保持手段と、該保持手段の前記保持面に保持された前記ワークに加工を施すための上記いずれか一つの発明に記載のレーザ加工用光学装置と、を備えることを特徴とする。   In addition, the laser processing apparatus according to the present invention is described in any one of the above-described inventions for processing the holding unit having a holding surface for holding the workpiece and the workpiece held on the holding surface of the holding unit. And an optical device for laser processing.

また、本発明にかかるレーザ加工方法は、保持手段に保持されたワークに対して、光源から発せられた多波長かつコヒーレントな多波長コヒーレント光を、集光器によって該集光器の光軸に沿って波長毎に異なる位置に集光点を形成するように照射して、前記ワークに加工を施すようにしたことを特徴とする。   In the laser processing method according to the present invention, the multi-wavelength and coherent multi-wavelength coherent light emitted from the light source is applied to the optical axis of the light collector by the light collector. Irradiation is performed so as to form a condensing point at a different position for each wavelength along the workpiece, and the workpiece is processed.

本発明によれば、ワークを分割するために必要な深さ分の変質層やレーザ加工溝を、より少ない回数のレーザ光線の照射によって加工処理時間を短縮させて効率よく形成することができるレーザ加工用光学装置、レーザ加工装置およびレーザ加工方法を提供することができる。   According to the present invention, a laser capable of efficiently forming an altered layer and a laser processing groove having a depth necessary for dividing a workpiece by reducing the processing time by irradiating a laser beam a smaller number of times. A processing optical device, a laser processing device, and a laser processing method can be provided.

以下、本発明を実施するための最良の形態であるレーザ加工用光学装置を備えるレーザ加工装置およびレーザ加工方法について図面を参照して説明する。本発明は、各実施の形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば、種々の変形が可能である。   Hereinafter, a laser processing apparatus and a laser processing method including an optical apparatus for laser processing, which is the best mode for carrying out the present invention, will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to each embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

(実施の形態1)
図1は、本実施の形態1のレーザ加工装置の主要部を示す外観斜視図である。本実施の形態1のレーザ加工装置20は、概略的には、ワーク1を保持する保持面21aを有する保持手段21と、保持手段21の保持面21a上に保持されたワーク1に光を照射して加工を施すレーザ加工用光学装置100Aとを備えている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an external perspective view showing the main part of the laser processing apparatus of the first embodiment. The laser processing apparatus 20 according to the first embodiment schematically irradiates light onto the holding means 21 having the holding surface 21a for holding the work 1 and the work 1 held on the holding surface 21a of the holding means 21. And an optical device for laser processing 100A for processing.

保持手段21は、ワーク1を吸引保持するとともに、円筒部22内の図示しないモータに連結されて回転可能に設けられている。また、保持手段21は、ボールネジ等を用いた周知構成からなる加工送り手段23によって水平方向となるX軸方向に移動可能に設けられ、搭載されたワーク1をレーザ加工用光学装置100Aが照射する光線に対して相対的に加工送りさせる。保持手段21は、同様に、ボールネジ等を用いた周知構成からなる割り出し送り手段24によって水平方向となるY軸方向に移動可能に設けられ、搭載されたワーク1をレーザ加工用光学装置100Aが照射する光線に対して相対的に割り出し送りさせる。   The holding means 21 sucks and holds the workpiece 1 and is rotatably connected to a motor (not shown) in the cylindrical portion 22. The holding means 21 is provided so as to be movable in the X-axis direction, which is the horizontal direction, by a processing feed means 23 having a known configuration using a ball screw or the like, and the mounted work 1 is irradiated by the laser processing optical device 100A. Processed relative to the light beam. Similarly, the holding means 21 is provided so as to be movable in the Y-axis direction, which is the horizontal direction, by an index feed means 24 having a well-known configuration using a ball screw or the like, and the mounted work 1 is irradiated by the laser processing optical device 100A. Index and send relative to the light beam.

ここで、加工対象となるワーク1は、図1中に示すように、環状のフレーム2に装着されたポリオレフィン等の合成樹脂シートからなるダイシングテープ3に表面を下側にして貼着された状態で用意される。このようなワーク1は、特に限定されないが、例えば半導体ウエーハ等のウエーハや、チップ実装用としてウエーハの裏面に設けられるDAF(Die Attach Film)等の粘着部材、あるいは半導体製品のパッケージ、セラミック、ガラス系あるいはシリコン系の基板、さらには、μmオーダの精度が要求される各種加工材料が挙げられる。本実施の形態のワーク1は、半導体ウエーハ等をベースとし、表面に格子状に配列されたストリート4によって区画された複数の矩形領域が形成され、この複数の矩形領域にデバイスが形成されている。加工に際して、このようなワーク1は、保持手段21の保持面21a上に載置されて、吸引保持させる。なお、フレーム2は、クランプ部材21bにより固定される。   Here, as shown in FIG. 1, the workpiece 1 to be processed is attached to a dicing tape 3 made of a synthetic resin sheet such as polyolefin attached to an annular frame 2 with the surface facing down. Prepared at. The workpiece 1 is not particularly limited. For example, an adhesive member such as a wafer such as a semiconductor wafer, a DAF (Die Attach Film) provided on the back surface of the wafer for chip mounting, or a package of semiconductor products, ceramic, glass, etc. Examples thereof include various types of processing materials that require accuracy of the order of μm. The workpiece 1 of the present embodiment is based on a semiconductor wafer or the like, and a plurality of rectangular areas partitioned by streets 4 arranged in a lattice pattern are formed on the surface, and devices are formed in the plurality of rectangular areas. . At the time of processing, such a workpiece 1 is placed on the holding surface 21a of the holding means 21 and sucked and held. The frame 2 is fixed by a clamp member 21b.

また、レーザ加工用光学装置100Aは、実質上水平に配置されたケーシング101を含んでおり、支持ブロック25に対してこのケーシング101を介して図示しないZ軸移動手段によってZ軸方向に移動可能に設けられている。図2は、レーザ加工用光学装置100Aの内部の光学系構成を模式的に示す概略図である。本実施の形態1のレーザ加工用光学装置100Aは、概略的には、光を発する光源110と、保持面21aに保持されたワーク1に光を集光する集光器120とを含む。ここで、光源110は、ピコ・フェトム秒発振器111を含む。よって、ピコ・フェトム秒発振器111を含む光源110は、図2中に示すように、波長λ1,λ2,・・・,λnを含む多波長かつコヒーレントな多波長コヒーレント光113を発する(図2中の網掛けで示すパルスは、多波長成分が含まれていることを表している)。すなわち、ピコ秒やフェトム秒のパルスレーザ光線を発振するピコ・フェトム発振器111は、それ自体で波長変換手段として機能し、例えば数十nmの波長分布範囲を有する多波長コヒーレント光113を発することができる。   The laser processing optical device 100A includes a casing 101 arranged substantially horizontally, and is movable in the Z-axis direction by a Z-axis moving means (not shown) via the casing 101 with respect to the support block 25. Is provided. FIG. 2 is a schematic view schematically showing an internal optical system configuration of the laser processing optical apparatus 100A. The laser processing optical device 100A according to the first embodiment schematically includes a light source 110 that emits light and a condenser 120 that condenses the light onto the work 1 held on the holding surface 21a. Here, the light source 110 includes a pico-fetom second oscillator 111. Therefore, as shown in FIG. 2, the light source 110 including the pico-fetom second oscillator 111 emits multi-wavelength and coherent multi-wavelength coherent light 113 including wavelengths λ1, λ2,. The shaded pulses indicate that multi-wavelength components are included). That is, the pico-fetom oscillator 111 that oscillates a picosecond or femtosecond pulse laser beam functions as a wavelength conversion unit by itself, and can emit, for example, multi-wavelength coherent light 113 having a wavelength distribution range of several tens of nm. it can.

集光器120は、例えば色収差レンズ121を有し、光源110から発せられた多波長コヒーレント光113を波長λ1,λ2,・・・,λn毎に光軸(Z軸)に沿って異なる位置に集光点を形成する。本実施の形態1では、レーザ加工として改質層形成加工に適用されており、集光器120は、多波長コヒーレント光113をストリート4に沿ってワーク1の内部に集光させるように設定されている。また、多波長コヒーレント光113としては、150〜1200nm程度から抽出された波長域が使用されている。   The concentrator 120 includes, for example, a chromatic aberration lens 121, and multi-wavelength coherent light 113 emitted from the light source 110 is placed at different positions along the optical axis (Z axis) for each of the wavelengths λ1, λ2,. A condensing point is formed. In the first embodiment, laser processing is applied to the modified layer forming processing, and the concentrator 120 is set to condense the multi-wavelength coherent light 113 along the street 4 inside the workpiece 1. ing. As the multi-wavelength coherent light 113, a wavelength range extracted from about 150 to 1200 nm is used.

ここで、改質層を形成するためのワーク1内部への光の集光の様子について説明する。図3は、従来方式と対比して示す本実施の形態1の方式によるワーク1内部への光の集光の様子を示す説明図である。   Here, the state of light collection into the work 1 for forming the modified layer will be described. FIG. 3 is an explanatory diagram showing the state of light condensing inside the workpiece 1 according to the method of the first embodiment shown in comparison with the conventional method.

まず、従来方式では、単一波長λ0によるコヒーレント光113aを用いているため、集光器(集光レンズ)で集光させた場合、図3(b)に示すように、ワーク1の内部の1点に集光する。よって、1回のパルス照射では、深さ方向に短い改質層しか形成できないため、深さ方向に所定長さ分の改質層を形成するためには、集光点位置を上下方向にずらしながら複数回パルスレーザを照射する工程を繰り返さなければならないものである。   First, in the conventional method, since coherent light 113a having a single wavelength λ0 is used, when the light is condensed by a condenser (condensing lens), as shown in FIG. Condensed to one point. Therefore, only a short modified layer in the depth direction can be formed by one pulse irradiation. Therefore, in order to form a modified layer for a predetermined length in the depth direction, the focal point position is shifted in the vertical direction. However, the step of irradiating the pulse laser a plurality of times must be repeated.

これに対して、本実施の形態1の方式では、色収差レンズ121は、通過した多波長コヒーレント光113が波長λ1,λ2,・・・,λnによって異なる焦点距離を有する。すなわち、この色収差レンズ121は、多波長コヒーレント光113に含まれる波長λ1,λ2,・・・,λn毎にワーク1の内部に光軸上に複数の集光点を形成する。よって、図3(a)に示すように、色収差レンズ121の光軸上でワーク1内部の範囲Lには、多波長コヒーレント光113に含まれる波長λ1,λ2,・・・,λn毎に複数の集光点が存在することとなる。したがって、多波長コヒーレント光113による1回のパルスレーザの照射で、ワーク1の内部に深さ方向に範囲Lに亘って長い改質層を形成することができる。よって、より少ない回数のパルスレーザの照射によって加工処理時間を短縮させて効率よく改質層を形成することができる。   On the other hand, in the system according to the first embodiment, the chromatic aberration lens 121 has the focal length that the multi-wavelength coherent light 113 that has passed through varies depending on the wavelengths λ1, λ2,. That is, the chromatic aberration lens 121 forms a plurality of condensing points on the optical axis inside the work 1 for each of the wavelengths λ1, λ2,... Λn included in the multi-wavelength coherent light 113. Therefore, as shown in FIG. 3A, the range L inside the work 1 on the optical axis of the chromatic aberration lens 121 is plural for each of the wavelengths λ1, λ2,... Λn included in the multiwavelength coherent light 113. There will be a condensing point. Therefore, a long modified layer over the range L in the depth direction can be formed inside the workpiece 1 by one-time pulse laser irradiation with the multi-wavelength coherent light 113. Therefore, it is possible to efficiently form the modified layer by shortening the processing time by irradiating the pulse laser a smaller number of times.

なお、本実施の形態1では、レーザ加工として、改質層形成加工への適用例で説明したが、ワーク1の表面にレーザ加工溝を形成するアブレーション除去加工の場合であっても同様に適用できる。すなわち、アブレーション除去加工の場合には、多波長コヒーレント光113をワーク1のストリート4に沿って表面近傍に集光させるようにすればよい(後述の各実施の形態についても同様である)。なお、この場合の多波長コヒーレント光113としては、300〜550nm程度から抽出された波長域が使用されている。したがって、多波長コヒーレント光113による1回のパルスレーザの照射で、ワーク1の表面に対して深さ方向に範囲Lに亘って長いレーザ加工溝を形成することができる。よって、より少ない回数のパルスレーザの照射によって加工処理時間を短縮させて効率よくレーザ加工溝を形成することができる。   In the first embodiment, the example of application to modified layer formation processing has been described as laser processing, but the present invention is similarly applied to the case of ablation removal processing in which a laser processing groove is formed on the surface of the workpiece 1. it can. That is, in the case of ablation removal processing, the multi-wavelength coherent light 113 may be condensed near the surface along the street 4 of the workpiece 1 (the same applies to each embodiment described later). In this case, as the multi-wavelength coherent light 113, a wavelength range extracted from about 300 to 550 nm is used. Therefore, a long laser processing groove can be formed over the range L in the depth direction with respect to the surface of the workpiece 1 by one-time irradiation of the pulse laser with the multiwavelength coherent light 113. Therefore, it is possible to efficiently form the laser processing groove by shortening the processing time by irradiating the pulse laser a smaller number of times.

(実施の形態2)
図4は、本発明の実施の形態2のレーザ加工用光学装置100Bの内部の光学系構成を模式的に示す概略図である。実施の形態1で説明した部分と同一または相当する部分は、同一符号を用いて示し、説明も省略する(以降の各実施の形態でも同様とする)。
(Embodiment 2)
FIG. 4 is a schematic diagram schematically showing an internal optical system configuration of the laser processing optical apparatus 100B according to the second embodiment of the present invention. Portions that are the same as or correspond to those described in Embodiment 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted (the same applies to the following embodiments).

本実施の形態2のレーザ加工装置20は、レーザ加工用光学装置100Aに代えて、レーザ加工用光学装置100Bを備える。このレーザ加工用光学装置100Bは、光源130と集光器120とを含む。光源130は、ナノ秒発振器131とフォトニック結晶ファイバ132と集光レンズ133とコリメートレンズ134とを含む。   The laser processing apparatus 20 according to the second embodiment includes a laser processing optical apparatus 100B instead of the laser processing optical apparatus 100A. This laser processing optical device 100B includes a light source 130 and a condenser 120. The light source 130 includes a nanosecond oscillator 131, a photonic crystal fiber 132, a condenser lens 133, and a collimator lens 134.

ナノ秒発振器131は、図4中に示すように、単一波長からなるコヒーレント光135をナノ秒のパルスレーザとして発するものである。フォトニック結晶ファイバ132は、ナノ秒発振器131から発せられた単一波長からなるコヒーレント光135を波長分布が数千nmの範囲に広がる波長λ1,λ2,・・・,λnの多波長コヒーレント光136とさせる波長変換手段である。図4中の多波長コヒーレント光136に関する網掛けで示すパルスは、多波長成分が含まれていることを表している。   As shown in FIG. 4, the nanosecond oscillator 131 emits coherent light 135 having a single wavelength as a nanosecond pulse laser. The photonic crystal fiber 132 is a multi-wavelength coherent light 136 having wavelengths λ1, λ2,..., Λn, in which the coherent light 135 having a single wavelength emitted from the nanosecond oscillator 131 is spread over a range of several thousand nm. Wavelength converting means. The shaded pulses for the multi-wavelength coherent light 136 in FIG. 4 indicate that multi-wavelength components are included.

また、集光レンズ133は、ナノ秒発振器131から発せられたコヒーレント光135を集光させて効率よくフォトニック結晶ファイバ132の入射端部に入射させるためのレンズであり、色収差なしのレンズが用いられている。また、コリメートレンズ134は、フォトニック結晶ファイバ132から出射される多波長コヒーレント光136を平行ビーム化させて色収差レンズ121に導くための色収差なしのレンズである。   The condensing lens 133 is a lens that condenses the coherent light 135 emitted from the nanosecond oscillator 131 and efficiently enters the incident end of the photonic crystal fiber 132, and a lens without chromatic aberration is used. It has been. The collimating lens 134 is a lens without chromatic aberration for converting the multi-wavelength coherent light 136 emitted from the photonic crystal fiber 132 into a parallel beam and guiding it to the chromatic aberration lens 121.

本実施の形態2の場合も、実施の形態1の場合と同様に、多波長コヒーレント光113による1回のパルスレーザの照射で、ワーク1の内部に深さ方向に範囲Lに亘って長い改質層を形成することができる。よって、より少ない回数のパルスレーザ光線の照射によって加工処理時間を短縮させて効率よく改質層を形成することができる。特に、前述のピコ・フェムト秒のパルスレーザの場合の波長分布は、数十nmの範囲であり、十分広い範囲に集光点を分散させるのは難しいが、本実施の形態2のように、フォトニック結晶ファイバ132を用いると波長分布を数千nmの範囲に広げることができ、容易に十分広い範囲に集光点を分散させることができる。また、発振器として、ピコ・フェトム秒発振器111に比べて安価なナノ秒発振器131を用いることができる。   In the case of the second embodiment as well, as in the case of the first embodiment, a single pulse laser irradiation with the multi-wavelength coherent light 113 causes a long modification over the range L in the depth direction inside the work 1. A quality layer can be formed. Therefore, it is possible to efficiently form the modified layer by shortening the processing time by irradiating the pulse laser beam a smaller number of times. In particular, the wavelength distribution in the case of the above-described pico-femtosecond pulse laser is in the range of several tens of nanometers, and it is difficult to disperse the focal point over a sufficiently wide range. When the photonic crystal fiber 132 is used, the wavelength distribution can be expanded to a range of several thousand nm, and the condensing points can be easily dispersed in a sufficiently wide range. Further, as the oscillator, a nanosecond oscillator 131 that is less expensive than the pico-fetom second oscillator 111 can be used.

(実施の形態3)
図5は、本発明の実施の形態3のレーザ加工用光学装置100Cの内部の光学系構成を模式的に示す概略図である。本実施の形態3のレーザ加工装置20は、レーザ加工用光学装置100Aに代えて、レーザ加工用光学装置100Cを備える。このレーザ加工用光学装置100Cは、光源140と集光器120とを含む。光源140は、ピコ・フェトム秒発振器111に加えて、波長依存遅延機構141を構成する光ファイバ141aと集光レンズ142とコリメートレンズ143とを含む。
(Embodiment 3)
FIG. 5 is a schematic diagram schematically showing an internal optical system configuration of the laser processing optical device 100C according to Embodiment 3 of the present invention. The laser processing apparatus 20 according to the third embodiment includes a laser processing optical apparatus 100C instead of the laser processing optical apparatus 100A. This laser processing optical device 100 </ b> C includes a light source 140 and a condenser 120. The light source 140 includes an optical fiber 141 a, a condenser lens 142, and a collimator lens 143 that constitute the wavelength-dependent delay mechanism 141 in addition to the pico-fetom second oscillator 111.

波長依存遅延機構141は、ピコ・フェトム秒発振器111から発せられた多波長コヒーレント光113を波長λ1,λ2,・・・,λn毎に遅延させるためのものである。本実施の形態3では、波長依存遅延機構141は、ピコ・フェトム秒発振器111と色収差レンズ121との間に配設された、数メートルの長さの通常の光ファイバ141aからなる。数メートルの長さの通常の光ファイバ141aであっても、数百ピコ秒程度の遅延が発生するので、多波長コヒーレント光113のパルスがピコ・フェトム秒であれば、多波長コヒーレント光113を時間的に波長λ1,λ2,・・・,λn毎に分解することができる。よって、光ファイバ141aを通過した後は、図5中に示すように、時間的に波長λ1,λ2,・・・,λn毎に分解されて1パルス内で波長λ1,λ2,・・・,λn毎に時間差を有する時間差多波長コヒーレント光144を得ることができる。図5中の時間差多波長コヒーレント光144に関する網掛けで示す部分は、異なる波長成分λ1,λ2,・・・,λnを表している。   The wavelength dependent delay mechanism 141 is for delaying the multi-wavelength coherent light 113 emitted from the pico-fetom second oscillator 111 for each of the wavelengths λ1, λ2,. In the third embodiment, the wavelength-dependent delay mechanism 141 includes a normal optical fiber 141 a having a length of several meters disposed between the pico-fetom second oscillator 111 and the chromatic aberration lens 121. Even in the case of a normal optical fiber 141a having a length of several meters, a delay of about several hundred picoseconds occurs. Therefore, if the pulse of the multiwavelength coherent light 113 is pico-fetomsecond, the multiwavelength coherent light 113 is In terms of time, it can be decomposed into wavelengths λ1, λ2,. Therefore, after passing through the optical fiber 141a, as shown in FIG. 5, the wavelengths λ1, λ2,..., Λn are temporally decomposed and the wavelengths λ1, λ2,. The time difference multiwavelength coherent light 144 having a time difference for each λn can be obtained. The shaded portions of the time difference multiwavelength coherent light 144 in FIG. 5 represent different wavelength components λ1, λ2,.

また、集光レンズ142は、ピコ・フェトム秒発振器111から発せられた多波長コヒーレント光113を集光させて効率よく光ファイバ141aの入射端部に入射させるためのレンズであり、色収差なしのレンズが用いられている。また、コリメートレンズ143は、光ファイバ141aから出射される時間差多波長コヒーレント光144を平行ビーム化させて色収差レンズ121に導くための色収差なしのレンズである。   The condensing lens 142 is a lens that condenses the multi-wavelength coherent light 113 emitted from the pico-fetom second oscillator 111 and efficiently enters the incident end of the optical fiber 141a, and has no chromatic aberration. Is used. The collimator lens 143 is a lens having no chromatic aberration for converting the time-difference multi-wavelength coherent light 144 emitted from the optical fiber 141 a into a parallel beam and guiding it to the chromatic aberration lens 121.

(実施の形態4)
図6は、本発明の実施の形態4のレーザ加工用光学装置100Dの内部の光学系構成を模式的に示す概略図である。本実施の形態4のレーザ加工装置20は、レーザ加工用光学装置100Bに代えて、レーザ加工用光学装置100Dを備える。このレーザ加工用光学装置100Dは、光源150と集光器120とを含む。光源150は、ナノ秒発振器131とフォトニック結晶ファイバ132と集光レンズ133とコリメートレンズ134に加えて、光サーキュレータ151と、波長依存遅延機構152を構成するチャープ光ファイバーブラッググレーティング152aとを含む。
(Embodiment 4)
FIG. 6 is a schematic diagram schematically showing an internal optical system configuration of the laser processing optical apparatus 100D according to Embodiment 4 of the present invention. The laser processing apparatus 20 according to the fourth embodiment includes a laser processing optical apparatus 100D instead of the laser processing optical apparatus 100B. This laser processing optical device 100 </ b> D includes a light source 150 and a condenser 120. In addition to the nanosecond oscillator 131, the photonic crystal fiber 132, the condensing lens 133, and the collimating lens 134, the light source 150 includes an optical circulator 151 and a chirped optical fiber Bragg grating 152a that constitutes the wavelength-dependent delay mechanism 152.

波長依存遅延機構152は、フォトニック結晶ファイバ132から射出される多波長コヒーレント光136を波長λ1,λ2,・・・,λn毎に遅延させるためのものである。本実施の形態4では、波長依存遅延機構152は、チャープ光ファイバーブラッググレーティング152aからなる。チャープ光ファイバーブラッググレーティング152aは、例えば紫外線を用いてコア中の数ヶ所の適宜位置にグレーティングを形成することで、光フィルタ機能を持たせたデバイスであり、特定の波長光だけをそれぞれのグレーティングで反射させるものである。反射光は波長λ1,λ2,・・・,λn毎に光路長が変化するため、それぞれの波長毎に時間差の異なる遅延が生ずる。具体的には、チャープ光ファイバーブラッググレーティング152aの場合、20メートル程度の長さで100〜200nm程度の遅延が発生するので、ナノ秒のパルスレーザでも波長毎に分解できる。よって、多波長コヒーレント光136は、チャープ光ファイバーブラッググレーティング152aを往復した後は、図6中に示すように、時間的に波長λ1,λ2,・・・,λn毎に分解されて1パルス内で波長λ1,λ2,・・・,λn毎に時間差を有する時間差多波長コヒーレント光153を得ることができる。図6中の時間差多波長コヒーレント光153に関する網掛けで示す部分は、異なる波長成分λ1,λ2,・・・,λnを表している。   The wavelength dependent delay mechanism 152 is for delaying the multi-wavelength coherent light 136 emitted from the photonic crystal fiber 132 for each of the wavelengths λ1, λ2,. In the fourth embodiment, the wavelength dependent delay mechanism 152 includes a chirped optical fiber Bragg grating 152a. The chirped optical fiber Bragg grating 152a is a device having an optical filter function by forming gratings at appropriate positions in the core using, for example, ultraviolet rays, and reflects only light of a specific wavelength by each grating. It is something to be made. Since the optical path length of the reflected light changes for each of the wavelengths λ1, λ2,..., Λn, delays having different time differences occur for each wavelength. Specifically, in the case of the chirped optical fiber Bragg grating 152a, a delay of about 100 to 200 nm occurs with a length of about 20 meters, so even a nanosecond pulse laser can be decomposed for each wavelength. Therefore, after reciprocating the chirped optical fiber Bragg grating 152a, the multi-wavelength coherent light 136 is temporally decomposed into wavelengths λ1, λ2,..., Λn within one pulse as shown in FIG. A time-difference multi-wavelength coherent light 153 having a time difference for each of the wavelengths λ1, λ2,. The shaded portions of the time difference multiwavelength coherent light 153 in FIG. 6 represent different wavelength components λ1, λ2,.

また、光サーキュレータ151は、フォトニック結晶ファイバ132側から入射してチャープ光ファイバーブラッググレーティング152a内を往復した時間差多波長コヒーレント光153を色収差レンズ121側に結合させるための光学デバイスである。カップリング等の使用も可能であるが、光サーキュレータ151を用いることで、ナノ秒発振器131側から発せられた光のロスを抑えて伝搬させることが可能であり、安定したレーザ加工を行わせることができる。   The optical circulator 151 is an optical device for coupling the time-difference multi-wavelength coherent light 153 incident from the photonic crystal fiber 132 side and reciprocating in the chirped optical fiber Bragg grating 152a to the chromatic aberration lens 121 side. Coupling or the like can be used, but by using the optical circulator 151, it is possible to suppress the loss of light emitted from the nanosecond oscillator 131 side and propagate it, and to perform stable laser processing. Can do.

レーザの吸収過程は、ワーク1の種類や使用するレーザの種類によって様々な場合が考えられる。したがって、実施の形態3,4の場合、多波長コヒーレント光113,136を波長λ1,λ2,・・・,λn毎に遅延させることで時間差多波長コヒーレント光144,153として1パルス内でワーク1に照射するので、それぞれの吸収過程に合わせて任意の順番で波長λ1,λ2,・・・,λn毎にワーク1に到達させて加工を行わせることができ、加工効率を向上させることができる。レーザの吸収過程の一例を挙げると、短波長域の光では多光子吸収を起こし、長波長域では電子・正孔対をきっかけに吸収が起こる場合がある。このような場合には、短波長側から順次ワーク1に到達するように遅延させた時間差多波長コヒーレント光144,153を用いることで、効率のよい加工が可能になるものと予想される。なお、照射する波長λ1,λ2,・・・,λnの順序は、短波長側からであっても、長波長側からであってもよい。   There are various laser absorption processes depending on the type of workpiece 1 and the type of laser used. Therefore, in the third and fourth embodiments, the multi-wavelength coherent light 113, 136 is delayed for each of the wavelengths λ1, λ2,. Therefore, it is possible to cause the workpiece 1 to reach the workpiece 1 for each of the wavelengths λ1, λ2,..., Λn in any order according to each absorption process, and to improve the processing efficiency. . As an example of the laser absorption process, multi-photon absorption may occur in light in a short wavelength region, and absorption may occur in the long wavelength region triggered by an electron / hole pair. In such a case, it is expected that efficient processing can be performed by using the time-difference multi-wavelength coherent lights 144 and 153 that are delayed so as to reach the workpiece 1 sequentially from the short wavelength side. Note that the order of the wavelengths λ1, λ2,..., Λn to be irradiated may be from the short wavelength side or from the long wavelength side.

また、波長λ1,λ2,・・・,λnを含む多波長コヒーレント光113,136をワーク1の内部に集光させることによる改質層形成加工の場合、波長依存遅延機構141,152としては、集光器120から遠い位置に集光される波長の光から順次ワーク1に到達するように多波長コヒーレント光113,136を波長毎に遅延させた時間差多波長コヒーレント光144,153を用いることが望ましい。すなわち、ワーク1の内部に改質層を形成する場合、下側(深い方)から集光させることにより引き続き形成される改質層の上部側が先行するレーザ照射による影響を受けにくいものとなり、安定した加工が可能となる。また、改質層の上部側の広がりが抑制され、シャープな形状に改質層が形成されるため、後工程における分割特性を向上させることもできる。   In the case of the modified layer forming processing by condensing the multi-wavelength coherent lights 113 and 136 including the wavelengths λ1, λ2,..., Λn inside the work 1, as the wavelength-dependent delay mechanisms 141, 152, It is possible to use time-difference multi-wavelength coherent lights 144 and 153 obtained by delaying the multi-wavelength coherent lights 113 and 136 for each wavelength so as to reach the workpiece 1 sequentially from light having a wavelength condensed at a position far from the condenser 120. desirable. That is, when the modified layer is formed inside the work 1, the upper side of the modified layer that is subsequently formed by condensing from the lower side (deeper side) becomes less affected by the preceding laser irradiation, and is stable. Can be processed. In addition, since the expansion of the modified layer on the upper side is suppressed and the modified layer is formed in a sharp shape, it is possible to improve the division characteristics in the subsequent process.

一方、波長λ1,λ2,・・・,λnを含む多波長コヒーレント光をワーク1の表面近傍に集光させることによるアブレーション除去加工の場合であれば、波長依存遅延機構としては、集光器から近い位置に集光される波長の光から順次ワーク1に到達するように多波長コヒーレント光を波長毎に遅延させた時間差多波長コヒーレント光を用いることが望ましい。すなわち、アブレーション加工によりレーザ加工溝を形成する場合、上側から集光させることによりアブレーション除去を表面側から順次行わせることができ、効率よくレーザ加工溝を形成することができる。   On the other hand, in the case of ablation removal processing by condensing multi-wavelength coherent light including wavelengths λ1, λ2,..., Λn near the surface of the work 1, the wavelength-dependent delay mechanism is as follows: It is desirable to use time-difference multi-wavelength coherent light obtained by delaying multi-wavelength coherent light for each wavelength so as to sequentially reach the work 1 from light having a wavelength collected at a close position. That is, in the case of forming a laser processing groove by ablation, ablation removal can be sequentially performed from the surface side by condensing light from the upper side, and the laser processing groove can be formed efficiently.

(実施の形態5)
図7は、本発明の実施の形態5のレーザ加工用光学装置100Eの内部の光学系構成の一部を模式的に示す概略図である。本実施の形態5のレーザ加工装置20は、レーザ加工用光学装置100A〜100Dに代えて、レーザ加工用光学装置100Eを備える。このレーザ加工用光学装置100Eは、前述の光源110,130,140,150(図7では図示を省略)の出射側に光カット手段160を備える。この光カット手段160は、多波長コヒーレント光(あるいは、時間差多波長コヒーレント光)に含まれる波長λ1,λ2,・・・,λnのうち任意の波長をカットするためのものである。この光カット手段160としては、例えばバンドパスフィルタ、シャープカットフィルタ等が用いられる。
(Embodiment 5)
FIG. 7 is a schematic diagram schematically showing a part of the optical system configuration inside the laser processing optical apparatus 100E according to the fifth embodiment of the present invention. The laser processing apparatus 20 according to the fifth embodiment includes a laser processing optical apparatus 100E instead of the laser processing optical apparatuses 100A to 100D. This laser processing optical device 100E includes a light cutting means 160 on the emission side of the light sources 110, 130, 140, and 150 (not shown in FIG. 7). The light cut means 160 is for cutting an arbitrary wavelength among the wavelengths λ1, λ2,... Λn included in the multiwavelength coherent light (or time difference multiwavelength coherent light). As the light cut means 160, for example, a band pass filter, a sharp cut filter or the like is used.

これによれば、完成したレーザ加工用光学装置100A〜100Dに対して、光カット手段160を追加してレーザ加工用光学装置100Eを構成することで、対象となるワーク1等に応じて深さが所望の長さとなるように改質層やレーザ加工溝を形成することができる。よって、レーザ加工用光学装置100A〜100Dの完成後に、光カット手段160を挿入することで、対象となるワーク1等に応じて所望外の波長を除去すればよく、レーザ加工用光学装置100A〜100Dの汎用性を広げることができる。   According to this, by adding the light cutting means 160 to the completed laser processing optical devices 100A to 100D to configure the laser processing optical device 100E, the depth depends on the target workpiece 1 or the like. The modified layer and the laser processed groove can be formed so as to have a desired length. Therefore, after completion of the laser processing optical devices 100A to 100D, an undesired wavelength may be removed by inserting the light cutting means 160 in accordance with the target workpiece 1 or the like. The versatility of 100D can be expanded.

また、前述の実施の形態1〜4では、集光器120を色収差レンズ121で代表して説明したが、集光器としては色収差レンズ121は必ずしも必須ではなく、種々の構成を採ることができる。例えば、図7では、色収差特性を有しない集光レンズ171と、色収差特性を有する光学部品172との組合せからなる色収差組レンズからなる集光器170の例を示している。要は、多波長コヒーレント光をその光軸に沿って波長毎に異なる位置に集光点を形成する色収差機能を有する光学部品を光軸上のいずれかの位置に備えていればよい。   In the first to fourth embodiments described above, the concentrator 120 has been described by using the chromatic aberration lens 121 as a representative. However, the chromatic aberration lens 121 is not necessarily required as the concentrator, and various configurations can be employed. . For example, FIG. 7 shows an example of a condenser 170 composed of a chromatic aberration combination lens that is a combination of a condenser lens 171 having no chromatic aberration characteristics and an optical component 172 having chromatic aberration characteristics. In short, an optical component having a chromatic aberration function for forming a condensing point at different positions for each wavelength along the optical axis of multi-wavelength coherent light may be provided at any position on the optical axis.

本発明の実施の形態1のレーザ加工装置の主要部を示す外観斜視図である。It is an external appearance perspective view which shows the principal part of the laser processing apparatus of Embodiment 1 of this invention. 実施の形態1のレーザ加工用光学装置の内部の光学系構成を模式的に示す概略図である。2 is a schematic diagram schematically showing an internal optical system configuration of the laser processing optical apparatus according to Embodiment 1. FIG. 従来方式と対比して示す実施の形態1の方式によるワーク内部への光の集光の様子を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the mode of the condensing of the light inside the workpiece | work by the system of Embodiment 1 shown in contrast with the conventional system. 本発明の実施の形態2のレーザ加工用光学装置の内部の光学系構成を模式的に示す概略図である。It is the schematic which shows typically the optical system structure inside the optical apparatus for laser processing of Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態3のレーザ加工用光学装置の内部の光学系構成を模式的に示す概略図である。It is the schematic which shows typically the optical system structure inside the optical apparatus for laser processing of Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態4のレーザ加工用光学装置の内部の光学系構成を模式的に示す概略図である。It is the schematic which shows typically the optical system structure inside the optical apparatus for laser processing of Embodiment 4 of this invention. 本発明の実施の形態5のレーザ加工用光学装置の内部の一部の光学系構成を模式的に示す概略図である。It is the schematic which shows typically the one part optical system structure inside the optical apparatus for laser processing of Embodiment 5 of this invention.

1 ワーク
100A〜100E レーザ加工用光学装置
110 光源
113 多波長コヒーレント光
120 集光器
130 光源
132 フォトニック結晶ファイバ
136 多波長コヒーレント光
140 光源
141 波長依存遅延機構
144 時間差多波長コヒーレント光
150 光源
151 光サーキュレータ
152 波長依存遅延機構
152a チャープ光ファイバーブラッググレーティング
153 時間差多波長コヒーレント光
160 光カット手段
170 集光器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Work | work 100A-100E Optical apparatus for laser processing 110 Light source 113 Multi-wavelength coherent light 120 Condenser 130 Light source 132 Photonic crystal fiber 136 Multi-wavelength coherent light 140 Light source 141 Wavelength-dependent delay mechanism 144 Time difference multi-wavelength coherent light 150 Light source 151 Light Circulator 152 Wavelength-dependent delay mechanism 152a Chirped optical fiber Bragg grating 153 Time difference multiwavelength coherent light 160 Optical cut means 170 Condenser

Claims (10)

光を発する光源と、加工対象となるワークに前記光を集光する集光器と、を含み、前記ワークに加工を施すためのレーザ加工用光学装置であって、
前記光は、多波長かつコヒーレントな多波長コヒーレント光であり、
前記集光器は、前記多波長コヒーレント光をその光軸に沿って波長毎に異なる位置に集光点を形成することを特徴とするレーザ加工用光学装置。
A laser processing optical device for processing the workpiece, comprising: a light source that emits light; and a condenser that collects the light on the workpiece to be processed;
The light is multiwavelength and coherent multiwavelength coherent light,
The optical apparatus for laser processing, wherein the concentrator forms a condensing point at different positions for each wavelength along the optical axis of the multi-wavelength coherent light.
前記光源は、フォトニック結晶ファイバを含むことを特徴とする請求項1に記載のレーザ加工用光学装置。   The optical device for laser processing according to claim 1, wherein the light source includes a photonic crystal fiber. 前記光源は、前記多波長コヒーレント光を波長毎に遅延させる波長依存遅延機構を含むことを特徴とする請求項1または2に記載のレーザ加工用光学装置。   The optical device for laser processing according to claim 1, wherein the light source includes a wavelength-dependent delay mechanism that delays the multi-wavelength coherent light for each wavelength. 前記加工は、前記多波長コヒーレント光を前記ワークの内部に集光させることによる改質層形成加工であり、
前記波長依存遅延機構は、前記集光器から遠い位置に集光される波長の光から順次前記ワークに到達するように前記多波長コヒーレント光を波長毎に遅延させることを特徴とする請求項3に記載のレーザ加工用光学装置。
The processing is a modified layer forming processing by condensing the multi-wavelength coherent light inside the workpiece,
4. The wavelength-dependent delay mechanism delays the multi-wavelength coherent light for each wavelength so as to reach the workpiece sequentially from light having a wavelength condensed at a position far from the condenser. An optical device for laser processing as described in 1.
前記加工は、前記多波長コヒーレント光を前記ワークの表面近傍に集光させることによるアブレーション除去加工であり、
前記波長依存遅延機構は、前記集光器から近い位置に集光される波長の光から順次前記ワークに到達するように前記多波長コヒーレント光を波長毎に遅延させることを特徴とする請求項3に記載のレーザ加工用光学装置。
The processing is ablation removal processing by condensing the multi-wavelength coherent light near the surface of the workpiece,
4. The wavelength-dependent delay mechanism delays the multi-wavelength coherent light for each wavelength so as to reach the workpiece sequentially from light having a wavelength condensed at a position close to the condenser. An optical device for laser processing as described in 1.
前記波長依存遅延機構は、チャープ光ファイバーブラッググレーティングであることを特徴とする請求項3〜5のいずれか一つに記載のレーザ加工用光学装置。   6. The laser processing optical apparatus according to claim 3, wherein the wavelength dependent delay mechanism is a chirped optical fiber Bragg grating. 前記光源は、光サーキュレータを有することを特徴とする請求項6に記載のレーザ加工用光学装置。   The optical apparatus for laser processing according to claim 6, wherein the light source includes an optical circulator. 前記多波長コヒーレント光に含まれる波長のうち任意の波長をカットする光カット手段を有することを特徴とする請求項1〜7のいずれか一つに記載のレーザ加工用光学装置。   The optical apparatus for laser processing according to any one of claims 1 to 7, further comprising light cutting means for cutting an arbitrary wavelength among wavelengths included in the multi-wavelength coherent light. ワークを保持する保持面を有する保持手段と、
該保持手段の前記保持面に保持された前記ワークに加工を施すための請求項1〜8のいずれか一つに記載のレーザ加工用光学装置と、
を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
Holding means having a holding surface for holding the workpiece;
An optical device for laser processing according to any one of claims 1 to 8, for processing the workpiece held on the holding surface of the holding means,
A laser processing apparatus comprising:
保持手段に保持されたワークに対して、光源から発せられた多波長かつコヒーレントな多波長コヒーレント光を、集光器によって該集光器の光軸に沿って波長毎に異なる位置に集光点を形成するように照射して、前記ワークに加工を施すようにしたことを特徴とするレーザ加工方法。   The multi-wavelength and coherent multi-wavelength coherent light emitted from the light source is focused on the workpiece held by the holding means at different positions for each wavelength along the optical axis of the light collector. The laser processing method is characterized in that the workpiece is processed by irradiation so as to form.
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