CN100445014C - 激光加工装置 - Google Patents

Abstract

激光加工装置(20)中，在连接光束扩展器(34)和透镜保持件(29)的第一光通过孔(32)的激光(L1)的光路上，配置有具有和第一光通过孔(32)相同直径的第二光通过孔(39)的光阑部件(38)。由于光阑部件(38)从透镜保持件(29)分离开，即使光阑部件(38)被在第二光通过孔(39)的周围部分被截除的激光(L1)加热，也能防止从光阑部件(38)向透镜保持件(29)进行的热传导。所以，可将因透镜保持件(29)的加热造成的激光(L1)的聚光点(P1)的位置变动抑制得小。

Description

激光加工装置

技术领域

本发明涉及用于在晶片状的加工对象物内部形成通过多光子吸收产生改质区域的激光加工装置。

背景技术

目前，有这样的激光加工装置：通过对加工对象物照射激光进行熔断等的加工。这种激光加工装置，具有设置了用于对加工对象物聚光激光的聚光透镜的激光头，一般在该激光头的激光射入侧，作为用于将射入聚光透镜的激光的直径固定的射入孔，设置光通过孔(比如，参照特开平5-212571号公报、实开平3-18979号公报)。

发明内容

上述那样的激光加工装置中，由于比射入孔径大的光束尺寸的激光向激光头的光通过孔照射，因此，激光头被在光通过孔的周围部分截除的激光加热，这样，导致聚光透镜也被加热。因此，激光头或者聚光透镜发生膨胀等，在激光加工过程中激光对加工对象物的聚光点的位置有可能发生变动。

接着，这种聚光点的位置变动，在晶片状的加工对象物的内部形成基于多光子吸收的改质区域这样的激光加工中，成为特别严峻的问题。作为其理由，是因为存在这样的情况：在以厚度为100μm以下的硅晶片为加工对象物时，激光的聚光点的位置控制要求在μm级别。

因此，本发明鉴于这种情况而进行，目的在于提供一种激光加工装置，能够较小地抑制住在激光加工过程中的激光聚光点的位置变动。

为了达到上述目的，涉及本发明的激光加工装置具有如下特征：使聚光点对准(位于)晶片状加工对象物的内部而照射激光，在加工对象物的内部形成基于多光子吸收的改质区域，该激光加工装置具备：放大从激光光源射出的激光的光束尺寸的光束扩展器、将通过光束扩展器射入的激光聚光到对加工对象物的内部的聚光透镜、保持聚光透镜并具有将激光射入聚光透镜的第一光通过孔的透镜保持件，在连接光束扩展器和第一光通过孔的激光的光路上，设置有具有缩小激光使之通过的第二光通过孔的光阑部件(diaphragm member)，该光阑部件从透镜保持件分离开。

该激光加工装置中，由于被光束扩展器放大了光束尺寸的激光向光阑部件的第二光通过孔照射，因此，比第二光通过孔大的激光的外周部分被消切，这样，激光被缩小光束尺寸，通过第二光通过孔。通过了该第二光通过孔的激光，向保持聚光透镜的透镜保持件的第一光通过孔照射，通过了该第一光通过孔的激光被聚光透镜聚光。然后，通过将该聚光点调整定位于晶片状(即薄平形状)的加工对象物的内部，在加工对象物的内部形成基于多光子吸收的改质区域。这样，通过在连接光束扩展器和第一光通过孔的激光的光路上设置光阑部件，与向第一光通过孔直接照射被光束扩展器放大了光束尺寸的激光的情况相比，可以减少第一光通过孔的周围部分的激光的消切量，能够抑制住因被消切的激光产生的透镜保持件的加热。并且，由于光阑部件从透镜保持件分离开，因此，即使光阑部件被在第二光通过孔的周围部分被消切的激光加热，也可防止从光阑部件向透镜保持件进行的热传导。因此，能够将以激光加工中透镜保持件的加热为主要原因的激光的聚光点的位置变动抑制得小，可在晶片状的加工对象物的内部的特定位置上高精度地形成改质区域。

另外，在从光束扩展器射出的激光为大致平行光线的情况下，第二光通过孔的直径优选在第一光通过孔的直径以下。在从光束扩展器射出的激光为完全平行光线的情况下，通过使第二光通过孔的直径和第一光通过孔的直径相同，可以使通过了光阑部件的第二光通过孔的激光的直径与第一光通过孔的直径等同。另外，在从光束扩展器射出的激光为些许放大了的大致平行光线的情况下，考虑到激光的扩大分量，通过使第二光通过孔的直径比第一光通过孔的直径小，可以几乎完全地消除射入第一光通过孔的周围部分的激光。因此，可以最大限度地发挥聚光透镜的聚光特性，同时，几乎完全地消除第一光通过孔的周围部分的激光的截除量，进一步抑制住透镜保持件的加热。这里，所谓大致平行的光线，也包括完全的平行光线的意思。

另外，在激光光源以光束直径φ₀、发散角度2θ₀射出激光，光束扩展器以倍率M放大激光的光束尺寸，以发散角度2θ₁射出激光的情况下，假设激光光源的射出部和光束扩展器的射入部之间的距离为d₁，光束扩展器的射出部和第二光通过孔的射入侧开口之间的距离为d₂，第二光通过孔的射入侧开口和第一光通过孔的射入侧开口之间的距离为d₃，将第一光通过孔的直径设为φ_L，第二光通过孔的直径设为φ_S，则φ_L及φ_S优选满足以下关系，即：

$\frac{{\mathrm{\φ}}_L\{M({\mathrm{\φ}}_0+2d_1\tan {\mathrm{\θ}}_0)+2d_2\tan {\mathrm{\θ}}_1\}}{M({\mathrm{\φ}}_0+2d_1\tan {\mathrm{\θ}}_0)+2(d_2+d_3)\tan {\mathrm{\θ}}_1}\≥{\mathrm{\φ}}_S$

这样，在从光束扩展器射出的激光为发散光的情况下，通过第一光通过孔的直径φ_L和第二光通过孔的直径φ_S满足上述关系，可以几乎完全地消除射入第一光通过孔的周围部分的激光。因此，可以几乎完全地消除在第一光通过孔的周围部分的激光的截除量，进一步抑制住透镜保持件的加热。

另外，在激光光源以光束直径φ₀、发散角度2θ₀射出激光，光束扩展器以倍率M放大激光的光束尺寸，以集束角度2θ₁射出激光的情况下，假设激光光源的射出部和光束扩展器的射入部之间的距离为d₁，光束扩展器的射出部和第二光通过孔的射入侧开口之间的距离为d₂，第二光通过孔的射入侧开口和第一光通过孔的射入侧开口之间的距离为d₃，将第一光通过孔的直径设为φ_L，第二光通过孔的直径设为φ_S，则φ_L及φ_S优选满足以下关系。即：

$\frac{{\mathrm{\φ}}_L\{M({\mathrm{\φ}}_0+2d_1\tan {\mathrm{\θ}}_0)-2d_2\tan {\mathrm{\θ}}_1\}}{M({\mathrm{\φ}}_0+2d_1\tan {\mathrm{\θ}}_0)-2(d_2+d_3)\tan {\mathrm{\θ}}_1}\≥{\mathrm{\φ}}_S$

这样，在从光束扩展器射出的激光为集束光的情况下，通过第一光通过孔的直径φ_L和第二光通过孔的直径φ_S满足上述关系，可以几乎完全地消除射入第一光通过孔的周围部分的激光。因此，可以几乎完全地消除第一光通过孔的周围部分的激光的截除量，进一步抑制住透镜保持件的加热。

附图说明

图1为通过本实施方式的激光加工方法进行的激光加工时的加工对象物的平面图。

图2为沿图1所示加工对象物的II-II线的截面图。

图3为通过本实施方式的激光加工方法进行的激光加工后的加工对象物的平面图。

图4为沿图3所示加工对象物的IV-IV线的截面图。

图5为沿图3所示加工对象物的V-V线的截面图。

图6为通过本实施方式的激光加工方法所切断的加工对象物的平面图。

图7为表示本实施方式的激光加工方法中电场强度和裂纹点(crack spot)大小之间关系的图。

图8为本实施方式的激光加工方法的第一工序中加工对象物的截面图。

图9为本实施方式的激光加工方法的第二工序中加工对象物的截面图。

图10为本实施方式的激光加工方法的第三工序中加工对象物的截面图。

图11为本实施方式的激光加工方法的第四工序中加工对象物的截面图。

图12为表示通过本实施方式的激光加工方法所切断的硅晶片的部分截面照片图。

图13为表示本实施方式的激光加工方法中激光的波长和硅基板内部的透射率之间关系的图表。

图14为本实施方式的激光加工装置的构造示意图。

图15为表示图14所示激光加工装置主要部分的放大图。

图16为表示图14所示激光加工装置中从激光加工开始所经过的时间和透镜保持件的上升温度之间关系的图表。

图17为表示从光束扩展器射出的激光为发散光时的激光加工装置的主要部分的构造示意图。

图18为表示从光束扩展器射出的激光为集束光时的激光加工装置的主要部分的构造示意图。

具体实施方式

下面，关于涉及本发明的激光加工装置的恰当实施方式，参照附图详细地进行说明。

本实施方式的激光加工装置为这样一种装置：将聚光点调整到晶片状的加工对象物内部而照射激光，在前述加工对象物内部形成通过多光子吸收产生的改质区域。所以，在说明本实施方式的激光加工装置之前，先就通过多光子吸收产生的改质区域的形成进行说明。

如果光子的能量h_v比材料吸收的能隙E_G还小，则在光学性上变得透明。因此，材料上产生吸收的条件为h_v＞E_G。可是，即使在光学性上透明，如果非常地加大激光的强度，则在nh_v＞E_G的条件下(n＝2，3，4，……)，材料上也发生吸收。将该现象称为多光子吸收。在脉冲波的情况下，激光的强度由激光聚光点的峰值功率密度(W/cm²)决定，比如，在峰值功率密度为1×10⁸(W/cm²)以上的条件下发生多光子吸收。峰值功率密度通过(聚光点上激光的每一脉冲的能量)÷(激光的光束斑截面积×脉冲宽度)而获得。另外，在连续波的情况下，激光的强度由激光聚光点的电场强度(W/cm²)决定。

关于涉及利用这种多光子吸收的本实施方式的激光加工的原理，参照图1～图6进行说明。图1为激光加工中的加工对象物1的平面图。图2为沿图1所示加工对象物1的II-II线的截面图。图3为激光加工后的加工对象物1的平面图。图4为沿图3所示加工对象物1的IV-IV线的截面图。图5为沿图3所示加工对象物1的V-V线的截面图。图6为切断的加工对象物1的平面图。

如图1和图2所示，在加工对象物1的表面3，具有应切断加工对象物1的所希望的切断预定线5。切断预定线5是直线状延伸的假设线(可在加工对象物1上实际画线作为切断预定线5)。本实施方式的激光加工是在产生多光子吸收的条件将聚光点P调整到加工对象物1的内部，向加工对象物1照射激光L而形成改质区域7。此外，所谓聚光点是激光L聚光的位置。

通过使激光L沿着预定切断线5(即箭头A方向)相对地移动，使聚光点P沿着预定切断线5移动。由此，如图3～图5所示，沿着预定切断线5仅在加工对象物1的内部形成改质区域7，利用该改质区域7形成切断预定部8。本实施方式的激光加工方法，不是通过加工对象物1吸收激光L使加工对象物发热而形成改质区域7。在加工对象物1使激光L透过而在加工对象物1的内部产生多光子吸收而形成改质区域7。因此，在加工对象物1的表面3几乎不吸收激光L，所以加工对象物1的表面3不熔融。

加工对象物1的切断方面，如果在要切断的位置有起点，则加工对象物1就从该起点割裂，所以，如图6所示，以比较小的力就可切断加工对象物1。因此，可以在加工对象物1的表面3上不发生不必要的裂缝地切断加工对象物1。

另外，切断以切断预定部为起点的加工对象物，有下面两种方法。其一，切断预定部形成后，通过对加工对象物施加人为力量，以切断预定部为起点割裂加工对象物，来切断加工对象物。此为比如在加工对象物厚度大的情况下的切断。所谓施加人为力量为这样的情形：比如，沿加工对象物的切断预定部对加工对象物施加弯曲应力或者剪切应力，或者，通过对加工对象物施加温度差，使产生热应力。其二，通过形成切断预定部，以切断预定部为起点沿加工对象物的截面方向(厚度方向)自然地割裂，结果加工对象物被切断。这样，比如在加工对象物厚度小的情况下，可通过一列改质区域以形成切断预定部；在加工对象物厚度大的情况下，可通过在厚度方向上形成的多列改质区域以形成切断预定部。另外，在该自然地割裂的情况下，在切断位置，裂纹(裂缝)不会先进行到与未形成切断预定部的部位对应的部分的表面上，而能够仅割断与形成切断预定部对应的部分，因此，可以很好地控制住切断。近些年存在硅晶片等的加工对象物的厚度变薄的趋势，所以，这种控制性高的切断方法非常有效。

那么，本实施方式中，作为通过多光子吸收形成的改质区域，有下面(1)～(3)三种情形。

(1)改质区域包括一个或者多个裂纹的裂纹区域的情形

将聚光点调整到加工对象物(如由玻璃或者LiTaO₃构成的压电材料)的内部，在聚光点上的电场强度为1×10⁸(W/cm²)以上且脉冲宽度为1μs以下的条件下照射激光。该脉冲宽度的大小为这样一种条件：使发生多光子吸收，同时不会给加工对象物的表面造成多余的破坏而仅在加工对象物的内部形成裂纹区域。据此，在加工对象物的内部发生因多光子吸收引起的光学性损伤这样的现象。通过该光学性损伤在加工对象物的内部引发热应变，这样就在加工对象物的内部形成裂纹区域。作为电场强度的上限值，比如为1×10¹²(W/cm²)。脉冲宽度比如优选为1ns～200ns。另外，通过多光子吸收进行的裂纹区域的形成，比如记载于第四十五届激光热加工研究会论文集(1998年12月)第23页～第28页的《通过固体激光高次谐波进行的玻璃基板的内部划线》中。

本发明人通过实验获得了电场强度与裂纹大小之间的关系。实验条件如下。

(A)加工对象物：派拉克斯(注册商标)玻璃(厚度700μm)

(B)激光：

光源：半导体激光激发Nd:YAG激光器

波长：1064nm

激光斑截面积：3.14×10^-8cm²

震荡方式：Q开关式脉冲

重复频率：100kHz

脉冲宽度：30ns

输出：输出＜1mJ/脉冲

激光质量：TEM₀₀

偏光特性：直线偏光；

(C)聚光用透镜：

对于激光波长的透过率：60％

(D)载置加工对象物的载置台的移动速度：100mm/秒

另外，所谓激光质量为TEM₀₀意指聚光性高，可聚光到激光波长的程度。

图7为表示上述实验结果的图表。横轴为峰值功率密度，因激光为脉冲激光，所以电场强度用峰值功率密度表示。纵轴表示通过1脉冲的激光在加工对象物内部所形成的裂纹部分(裂纹点)的大小。裂纹点聚积成为裂纹区域。裂纹点的大小为裂纹点形状之中成为最大长度的部分的大小。图表中用黑圆点表示的数据为聚光用透镜(C)的倍率为100倍，数值孔径(NA开口数)为0.80时的情况。另一方面，图表中用白圆点表示的数据为聚光用透镜(C)的倍率为50倍，数值孔径(NA)为0.55时的情况。从中可知：从峰值功率密度为10¹¹(W/cm²)开始在加工对象物的内部产生裂纹点，随着峰值功率密度增大，裂纹点也开始增大。

下面，关于在进行本实施方式的激光加工时通过裂纹区域形成进行的加工对象物的切断机理，采用图8～图11进行说明。如图8所示，在产生多光子吸收的条件下将聚光点P调整到加工对象物1的内部，对加工对象物1照射激光L，沿着切断预定线在内部形成裂纹区域9。裂纹区域9为包括一个或多个裂纹的区域。在该裂纹区域9处形成切断预定部。如图9所示，以裂纹区域9为起点(即，以切断预定部为起点)，裂纹进一步扩大，如图10所示，裂纹从加工对象物1的表面3到达背面17，如图11所示，通过割裂加工对象物1，加工对象物1被切断。到达加工对象物的表面和背面的裂纹有时会自然地扩大，有时通过向对加工对象物施加力而扩大。

(2)改质区域为熔融处理区域的情形

将聚光点调整到加工对象物(比如像硅那样的半导体材料)的内部，在聚光点上的电场强度为1×10⁸(W/cm²)以上且脉冲宽度为1μs以下的条件下照射激光。据此，加工对象物的内部通过多光子吸收被局部加热。通过该加热在加工对象物的内部形成熔融处理区域。所谓熔融处理区域是指一旦熔融之后再次凝固的区域，或者即将熔融状态的区域，或者从熔融状态进行再次凝固的状态的区域，也可以指相变化后的区域或者结晶构造发生变化的区域。另外，所谓熔融处理区域也可以指在单晶体结构、非晶质结构、多晶体结构中从某结构变化为其他结构的区域。即意指比如从单晶体结构变化为非晶质结构的区域、从单晶体结构变化为多晶体结构的区域、从单晶体结构变化为包括非晶质结构及多晶体结构的结构的区域。在加工对象物为硅单晶体结构的情况下，熔融处理区域比如为非晶质硅结构。作为电场强度的上限数值比如为1×10¹²(W/cm²)。脉冲宽度优选比如为1ns～200ns。

本发明人通过实验确认了在硅晶片内部形成熔融处理区域的情况。实验条件如下。

(A)加工对象物：硅晶片(厚度350μm、外径4英寸)

(B)激光：

光源：半导体激光激发Nd:YAG激光器

波长：1064nm

激光斑截面积：3.14×10^-8cm²

震荡方式：Q开关式脉冲

重复频率：100kHz

脉冲宽度：30ns

输出：20μJ/脉冲

激光质量：TEM₀₀

偏光特性：直线偏光；

(C)聚光用透镜：

倍率：50倍

N.A.：0.55

对于激光波长的透过率：60％

(D)载置加工对象物的载置台的移动速度：100mm/秒

图12为表示通过在上述条件下的激光加工所切断的硅晶片的部分的截面照片图。在硅晶片11的内部形成了熔融处理区域13。另外，通过上述条件形成的熔融处理区域13的厚度方向的大小为100μm左右。

下面说明通过多光子吸收如何形成熔融处理区域13。图13为表示激光的波长和硅基板内部的透射率之间关系的图表。不过，除去硅基板的表面侧和背面侧各自的反射成分表示的是仅内部的透射率。关于硅基板的厚度t分别为50μm、100μm、200μm、500μm、1000μm时的情况，表示了上述关系。

从图中可知比如在Nd:YAG激光的波长为1064nm时，在硅基板的厚度为500μm以下的情况下，在硅基板的内部激光透过80％以上。图12所示的硅晶片11的厚度为350μm，因此，通过多光子吸收形成的熔融处理区域13形成在硅晶片的中心附近，即从表面起175μm的部分。此情况下的透过率若参考厚度为200μm的硅晶片为90％以上，所以，激光在硅晶片11的内部被吸收的极少，几乎全部透过。这就意味着并非是在硅晶片11的内部激光被吸收而在硅晶片11的内部形成了熔融处理区域13(即通过由激光进行的通常加热形成熔融处理区域)，而是通过多光子吸收形成了熔融处理区域13。通过多光子吸收进行的熔融处理区域的形成，比如记载于焊接学会全国大会讲演概要第66集(2000年4月)第72页～第73页的《由微微秒脉冲激光进行的硅加工的特性评价》中。

另外，以在熔融处理区域形成的切断预定部为起点向截面方向上产生裂缝，透过该裂缝到达硅晶片的表面和背面，硅晶片结果被切断。到达硅晶片的表面和背面的这种裂缝，有时会自然地扩大，也有时通过对硅晶片施加力而成长。另外，在裂缝自然地从切断预定部扩大到硅晶片的表面和背面的情况下，存在如下任一情形：裂缝从形成切断预定部的熔融处理区域熔融着的状态扩大；裂缝从形成切断预定部的熔融处理区域熔融着的状态在再次凝固时扩大。不过，在哪种情形下熔融处理区域都仅形成在硅晶片的内部，如图12所示，在切断后的切断面上，仅在内部形成熔融处理区域。在加工对象物的内部，如果在熔融处理区域形成切断预定部，则切断时，难以产生从切断预定部线上偏离的不必要的裂缝，因此，切断控制变得容易。

(3)改质区域为折射率变化区域的情形

使聚光点调整到加工对象物(比如玻璃)的内部，在聚光点上的电场强度为1×10⁸(W/cm²)以上且脉冲宽度为1ns以下的条件下照射激光。如果极度缩小脉冲宽度，使在加工对象物的内部发生多光子吸收，则因多光子吸收产生的能量不转化为热能，在加工对象物的内部引起离子价数变化、晶体化或者极化取向等永久性的结构变化，形成折射率变化区域。作为电场强度的上限数值比如为1×10¹²(W/cm²)。脉冲宽度优选比如为1ns以下，1ps以下更优选。通过多光子吸收进行的折射率变化区域的形成，比如，记载于第42届激光热加工研究会论文集(1997年11月)的第105页～第111页的《通过费秒激光照射对玻璃内部进行的光诱发构造形成》中。

下面，关于本实施方式的激光加工装置，参照图14及图15进行说明。

如图14所示，激光加工装置20为这样一种装置：通过聚光点P1调整到晶片状的加工对象物1的内部而照射加工用激光L1，在加工对象物1的内部形成由多光子吸收产生的改质区域7，在该改质区域7处形成沿加工对象物1的表面3延伸的切断预定部8。在此，加工对象物1为硅晶片等半导体晶片，改质区域为熔融处理区域。

该激光加工装置20具有载置加工对象物1的载置台21，该载置台21以上下方向为Z轴方向，可以在X轴方向、Y轴方向、Z轴方向上移动。在载置台21的上方配置有装纳产生加工用激光L1的激光光源22等的框体23。该激光光源22比如为Nd:YAG激光，向位于其正下方的载置台21上的加工对象物1射出脉冲宽度为1μs以下的脉冲激光这样的加工用激光L1。

在框体23的下端面上安装有电动旋转体24，该电动旋转体24上安装着用于观察加工对象物1的观察用物镜26和用于聚光加工用激光L1的加工用物镜27。各物镜26、27的光轴通过电动旋转体24的转动与加工用激光L1的光轴一致。另外，在加工用物镜27和电动旋转体24之间夹着采用了压电元件的致动器28，通过该致动器28在Z轴方向(上下方向)上微调加工用物镜27的位置。

如图15所示，加工用物镜27具有圆筒形状的透镜保持件29，该透镜保持件29在其内部保持着组合多个透镜构成的数值孔径(开口数)为0.80的聚光透镜31。而且，作为加工用激光L1对聚光透镜31的射入孔，在透镜保持件29的上端部设置有第一光通过孔32，在透镜保持件29的下端部设置有加工用激光L1的射出开口33。通过如此构造的加工用物镜27，加工用激光L1被聚光，由聚光透镜31聚光的聚光点P1处的加工用激光L1的峰值功率密度达到1×10⁸(W/cm²)以上。

另外，在框体23内的加工用激光L1的光轴上，如图14所示，从上到下按顺序配置有：放大在激光光源22产生的加工用激光L1的光束尺寸的光束扩展器34、调整激光L1的输出或者偏光的激光调整光学系统36、进行激光L1的通过或者遮断的电磁光阀37和缩小激光L1的光束尺寸的光阑部件38。另外，光束扩展器34以作为大致平行的光线射出激光L1。

如图15所示，光阑部件38具有位于加工用物镜27的第一光通过孔32的上方，安装在框体23上，在加工用激光L1的光轴上缩小该激光L1使之通过的作为开口的第二光通过孔39。该第二光通过孔39形成与加工用物镜27的第一光通过孔32相同的直径，第二光通过孔39的中心轴线通过设置在光阑部件38上的调节螺钉35可以准确地与第一光通过孔32的中心轴线保持一致。因此，通过光束扩展器34放大了光束尺寸的加工用激光L1，通过光阑部件38截除比第二光通过孔39大的激光L1的外周部分，这样，透过第二光通过孔39的加工用激光L1的直径变得与加工用物镜27的第一光通过孔32的直径等同。另外，从光束扩展器34射出的激光L1并非为完全平行的光线，在激光L1为些许扩大的大致平行光线的情况下，考虑到激光L1的扩大部分，将第二光通过孔39的直径做得比第一光通过孔32的直径小即可，以使射入第一光通过孔32的周围部分的激光L1几乎没有。

另外，激光加工装置20如图14所示，为了将加工用物镜27和加工对象物1的表面3之间的距离在进行激光加工时总是保持一定，在框体23内设置有产生测距用激光的激光二极管等的测距用光源41和四等分光电二极管形成的四分割位置检测元件42。

即，从测距用光源41射出的测距用激光依次通过针孔43、光束扩展器44之后，被反射镜46、半反射镜47反射，引导至配置在电磁光阀37和光阑部件38之间的分色镜48。被该分色镜48反射的测距用激光在加工用激光L1的光轴上向下方行进，在通过光阑部件38的第二光通过孔39之后，被加工用物镜27的聚光透镜31聚光，照射在加工对象物1上。另外，加工用激光L1透过分色镜48。

然后，在加工对象物1的表面3上被反射的测距用激光的反射光，再次射入加工用物镜27的聚光透镜31，在加工用激光L1的光轴上向上方行进，在通过光阑部件38的第二光通过孔39之后，被分色镜48反射。被该分色镜48反射的测距用激光的反射光，在通过半反射镜47之后，被由圆柱形透镜和平凸透镜组成的整形光学系统49聚光，照射在四分割位置检测元件42上。

该四分割位置检测元件42上的测距用激光的反射光的聚光像图形，根据加工用物镜27和加工对象物1的表面3之间的距离发生变化。该激光加工装置20根据四分割位置检测元件42的聚光像图形反馈控制致动器28，在上下方向上微调加工用物镜27的位置，以使加工用物镜27和加工对象物1的表面3之间的距离在进行激光加工时总是保持一定。

另外，为了观察载置于载置台21上的加工对象物1，激光加工装置20在框体23外设置有产生观察用可视光的观察用光源51，在框体23内设置有CCD相机52。

即，观察用光源51产生的观察用可视光被由光纤制成的光导向器53引导进入框体23内，依次通过视界光阑54、孔径光阑56、分色镜57等之后，被配置在光阑部件38和加工用物镜27的第一光通过孔32之间的分色镜58反射。被反射的观察用可视光在加工用激光L1的光轴上向下方行进，通过旋转电动旋转体24通过配置在加工用激光L1的光轴上的观察用物镜26，照射在加工对象物1上。另外，加工用激光L1、测距用激光以及其反射光透过分色镜58。

然后，在加工对象物1的表面3上反射的观察用可视光的反射光再次射入观察用物镜26内，在加工用激光L1的光轴上向上方行进，被分色镜58反射。被该分色镜58反射的反射光再被分色镜57反射，依次通过过滤器59、成像透镜61、中继透镜62，射入CCD相机52。

被该CCD相机52摄像的摄像数据输入整体控制部63，通过该整体控制部63，加工对象物1的表面3等的画像被显示在TV监视器64中。另外，整体控制部63，进行各种处理，并且，除控制载置台21的移动、电磁旋转体24的旋转、电磁光阀37的开闭、CCD相机52的摄像等之外，还控制激光加工装置20的整体动作。

下面，关于通过上述激光加工装置20进行的激光加工过程进行说明。首先，将加工对象物1载置于载置台21上。接着，移动载置台21使加工对象物1的改质区域7的形成开始位置和加工用激光L1的聚光点P1一致。另外，此时的加工用物镜27和加工对象物1的表面3之间的距离可以根据加工对象物1的厚度或折射率决定。

接下来，从激光光源22向加工对象物1射出加工用激光L1。此时，加工用激光L1的聚光点P1由于位于离加工对象物1的表面3特定距离内侧，因此，改质区域7在加工对象物1的内部形成。然后，沿着要切断的所期望的切断预定线，使载置台21在X轴方向上或者Y轴方向上移动，通过改质区域7形成沿加工对象物1的表面3延伸的切断预定部8。

在形成该切断预定部8的过程中，根据四分割位置检测元件42上测距用激光的反射光的聚光像图形，通过致动器28在上下方向上微调加工用物镜27的位置，以使加工用物镜27和加工对象物1的表面3之间的距离一定。这样，即使在加工对象物1的表面3发生面振动、载置台21振动，加工用物镜27和加工对象物1的表面3之间的距离都能保持一定。因此，能够从加工对象物1的表面3在特定距离内侧高精度地形成切断预定部8。

如以上说明，激光加工装置20中，在连接光束扩展器34和透镜保持件29的第一光通过孔32的加工用激光L1的光路上，配置有具有和第一光通过孔32相同直径的第二光通过孔39的光阑部件38。这样，被光束扩展器34放大了光束尺寸的加工用激光L1，被光阑部件38截除比第二光通过孔39大的激光L1的外周部分，据此，通过第二光通过孔39的加工用激光L1的直径和透镜保持件29的第一光通过孔32的直径大致等同。因此，可以几乎完全地消除第一光通过孔32的周围部分的激光L1的截除量，可防止因加工用激光L1的照射引起的透镜保持件29的加热。并且，由于光阑部件38从透镜保持件29分离开，即使光阑部件38被在第二光通过孔39的周围部分被截除的激光L1加热，也能防止从光阑部件38向透镜保持件29进行的热传导。所以，能够将以激光加工中透镜保持件29的加热为主要原因的加工用激光L1的聚光点P1的位置变动抑制为小，可在加工对象物1的内部的特定位置上高精度地形成改质区域7。

图16为表示从激光加工开始所经过的时间和透镜保持件的上升温度之间关系的图表。如该图表中所示，激光加工装置20中，通过设置光阑部件39，与没有设置光阑部件39的情况相比，能够将从激光加工开始起经过30分钟后的透镜保持件29的上升温度抑制在1℃。

另外，激光加工装置20中，为了使在加工对象物1的内部发生多光子吸收，需要将聚光点P1处的加工用激光L1的峰值密度提高到1×10⁸(W/cm²)以上，另外，由于加工对象物1为晶片状，所以，需要将由多光子吸收产生的改质区域7微小化。为了形成这种改质区域7，比如需要采用“0.80”这样大的数值孔径的聚光透镜31，为此，需要增大聚光透镜31的射入孔径即第一光通过孔32的直径。在该激光加工装置20中，通过设置光束扩展器34，能够充分放大激光光源22产生的加工用激光L1的光束尺寸，以使之能够与大型化了的第一光通过孔32的直径对应。

涉及本发明的激光加工装置不限于上述实施方式。比如，光阑部件38的第二光通过孔39不限于与透镜保持件29的第一光通过孔32的直径相同直径，如果缩小通过光束扩展器34放大了光束尺寸的加工用激光L1使之通过，也可以比第一光通过孔32的直径大。此情况下，与向第一光通过孔32直接照射通过光束扩展器34放大了光束尺寸的加工用激光L1的情况相比，可以减少第一光通过孔32的周围部分的激光L1的截除量，可抑制因被截除的激光L1引起的透镜保持件29的加热。

另外，上述实施方式中从光束扩展器34射出的激光L1为大致平行的光线，但也可以是发散光或集束光。

首先，关于从光束扩展器34射出的激光L1为发散光的情况进行说明。另外，假设激光光源22以光束直径φ₀、发散角度2θ₀射出激光L1，光束扩展器34以倍率M放大激光L1的光束尺寸，以发散角度2θ₁射出激光L1。另外，如图17所示，将激光光源22的射出部22a和光束扩展器34的射入部34a之间的距离设为d₁，将光束扩展器34的射出部34b和第二光通过孔39的射入侧开口39a之间的距离设为d₂，将第二光通过孔39的射入侧开口39a和第一光通过孔32的射入侧开口32a之间的距离设为d₃。

此时，光束扩展器34的射入部34a处的激光L1的光束直径为“φ₀+2d₁·tanθ₀”，因此，光束扩展器34的射出部34b处的激光L1的光束直径φ₁用如下公式(1)表示。

φ₁＝M(φ₀+2d₁·tanθ₀)………(1)

这里，在假定没有光束扩展器34的情况下，射出光束直径φ₁、发散角度2θ₁的激光L1的模拟点光源位置Q和光束扩展器34的射出部34b的之间距离d₄用如下公式(2)表示。

d₄＝φ₁/(2·tanθ₁)            ………(2)

另外，在假定从模拟点光源位置Q以发散角度2θ₁射出激光L1的情况下，如将第一光通过孔32的直径设为θ_L，从模拟点光源位置Q进入位于距离“d₄+d₂+d₃”的位置的第一光通过孔32的射入侧开口32a的光线角度2θ_L用如下公式(3)表示。

2θ_L＝2·tan^-1{φ_L/2(d₄+d₂+d₃)}………(3)

因此，若将第二光通过孔39的直径设为φ_S，如果以如下公式(4)定义第二光通过孔39的直径φ_S，以仅使光线角度2θ_L以下的激光L1通过，则可以几乎完全消除照射在第一光通过孔32的周围部分的激光L1。

2(d₄+d₂)tanθ_L≥φ_S            ………(4)

若从上述公式(1)～公式(4)中去除φ₁、d₄、θ_L，则第一光通过孔32的直径φ_L及第二光通过孔39的直径φ_S满足以下关系。

即：

$\frac{{\mathrm{\φ}}_L\{M({\mathrm{\φ}}_0+2d_1\tan {\mathrm{\θ}}_0)+2d_2\tan {\mathrm{\θ}}_1\}}{M({\mathrm{\φ}}_0+2d_1\tan {\mathrm{\θ}}_0)+2(d_2+d_3)\tan {\mathrm{\θ}}_1}\≥{\mathrm{\φ}}_S$

如上所述，在从光束扩展器34射出的激光L1为发散光的情况下，通过使第一光通过孔32的直径φ_L和第二光通过孔39的直径φ_S满足上述关系，可以几乎完全消除照射在第一光通过孔32的周围部分的激光L1。因此，几乎完全消除了第一光通过孔32的周围部分的激光L1的截除量，可进一步抑制透镜保持件29的加热。

下面，关于从光束扩展器34射出的激光L1为集束光的情况进行说明。另外，假设激光光源22以光束直径φ₀、发散角度2θ₀射出激光L1，光束扩展器34以倍率M放大激光L1的光束尺寸，以集束角度2θ₁射出激光L1。另外，如图18所示，将激光光源22的射出部22a和光束扩展器34的射入部34a之间的距离设为d₁，将光束扩展器34的射出部34b和第二光通过孔39的射入侧开口39a之间的距离设为d₂，将第二光通过孔39的射入侧开口39a和第一光通过孔32的射入侧开口32a之间的距离设为d₃。

此时，光束扩展器34的射入部34a处的激光L1的光束直径为“φ₀+2d₁·tanθ₀”，因此，光束扩展器34的射出部34b处的激光L1的光束直径φ₁用如下公式(5)表示。

φ₁＝M(φ₀+2d₁·tanθ₀)          ………(5)

这里，假定在光束扩展器34的射出部34b的位置，光束直径φ₁、集束角度2θ₁的激光L1聚光的情况下，模拟聚光点位置R和光束扩展器34的射出部34b之间的距离d₅用如下公式(6)表示。

d₅＝φ₁/(2·tanθ₁)              ………(6)

另外，如将第一光通过孔32的直径设为θ_L，以集束角度2θ₁在模拟聚光点位置R聚光的激光L1之中，从模拟聚光点位置R进入位于距离“d₅-(d₂+d₃)”的位置的第一光通过孔32的射入侧开口32a的光线角度2θ_L用如下公式(7)表示。

2θ_L＝2·tan^-1[φ_L/2{d₅-(d₂+d₃)}]………(7)

因此，若将第二光通过孔39的直径设为φ_S，如果以如下公式(8)定义第二光通过孔39的直径φ_S，以仅使光线角度2θ_L以下的激光L1通过，则可以几乎完全消除照射在第一光通过孔32的周围部分的激光L1。

φ_L+2d₃·tanθ_L≥φ_S             ………(8)

若从上述公式(5)～公式(8)中去除φ₁、d₅、θ_L，则第一光通过孔32的直径φ_L及第二光通过孔39的直径φ_S满足以下关系。

即：

$\frac{{\mathrm{\φ}}_L\{M({\mathrm{\φ}}_0+2d_1\tan {\mathrm{\θ}}_0)-2d_2\tan {\mathrm{\θ}}_1\}}{M({\mathrm{\φ}}_0+2d_1\tan {\mathrm{\θ}}_0)-2(d_2+d_3)\tan {\mathrm{\θ}}_1}\≥{\mathrm{\φ}}_S$

如上所述，在从光束扩展器34射出的激光L1为集束光的情况下，通过使第一光通过孔32的直径φ_L和第二光通过孔39的直径φ_S满足上述关系，可以几乎完全消除照射在第一光通过孔32的周围部分的激光L1。因此，几乎完全消除了第一光通过孔32的周围部分的激光L1的截除量，可进一步抑制透镜保持件29的加热。

产业上的实用性：

正如以上说明，根据涉及本发明的激光加工装置，能够将以激光加工中透镜保持件的加热为主要原因的激光的聚光点的位置变动抑制在小的范围，可在晶片状加工对象物的内部的特定位置上高精度地形成改质区域。

Claims (5)

1.一种激光加工装置，将聚光点调整到晶片状加工对象物的内部而照射激光，在所述加工对象物的内部形成改质区域，其特征在于，该激光加工装置具备：

放大从激光光源射出的激光的光束尺寸的光束扩展器；

将通过所述光束扩展器入射的激光聚光在所述加工对象物的内部的聚光透镜；和

保持所述聚光透镜，并具有使激光射入到所述聚光透镜的第一光通过孔的透镜保持件，

在连接所述光束扩展器和所述第一光通过孔的激光的光路上，设置有具有缩小激光使之通过的第二光通过孔的光阑部件，该光阑部件从所述透镜保持件分离开。

2.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于：

在所述加工对象物的内部形成基于多光子吸收的改质区域。

3.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于：

在从所述光束扩展器射出的激光为大致平行光线的情况下，所述第二光通过孔的直径在第一光通过孔的直径以下。

4.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于：

在所述激光光源以光束直径φ₀、发散角度2θ₀射出激光，光束扩展器以倍率M放大激光的光束尺寸，以发散角度2θ₁射出激光的情况下，

设所述激光光源的射出部和所述光束扩展器的射入部之间的距离为d₁，所述光束扩展器的射出部和所述第二光通过孔的射入侧开口之间的距离为d₂，所述第二光通过孔的射入侧开口和所述第一光通过孔的射入侧开口之间的距离为d₃，

将所述第一光通过孔的直径设为φ_L，所述第二光通过孔的直径设为φ_S，则所述φ_L及所述φ_S满足以下关系。

$\frac{{\mathrm{\φ}}_L\{M({\mathrm{\φ}}_0+2d_1\tan {\mathrm{\θ}}_0)+2d_2\tan {\mathrm{\θ}}_1\}}{M({\mathrm{\φ}}_0+2d_1\tan {\mathrm{\θ}}_0)+2(d_2+d_3)\tan {\mathrm{\θ}}_1}\≥{\mathrm{\φ}}_S$

5.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于：

在所述激光光源以光束直径φ₀、发散角度2θ₀射出激光，所述光束扩展器以倍率M放大激光的光束尺寸，以集束角度2θ₁射出激光的情况下，

设所述激光光源的射出部和所述光束扩展器的射入部之间的距离为d₁，所述光束扩展器的射出部和所述第二光通过孔的射入侧开口之间的距离为d₂，所述第二光通过孔的射入侧开口和所述第一光通过孔的射入侧开口之间的距离为d₃，

将所述第一光通过孔的直径设为φ_L，所述第二光通过孔的直径设为φ_S，则所述φ_L及所述φ_S满足以下关系。

$\frac{{\mathrm{\φ}}_L\{M({\mathrm{\φ}}_0+2d_1\tan {\mathrm{\θ}}_0)-2d_2\tan {\mathrm{\θ}}_1\}}{M({\mathrm{\φ}}_0+2d_1\tan {\mathrm{\θ}}_0)-2(d_2+d_3)\tan {\mathrm{\θ}}_1}\≥{\mathrm{\φ}}_S.$

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