CN101346207B - 激光加工装置 - Google Patents

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Abstract

激光加工装置，具备：使加工用激光与测距用激光(L2)向晶圆(1)聚光的聚光用透镜(31)，使聚光用透镜(31)动作的致动器，对测距用激光的反射光(L3)附加非点像差的整形光学系统(49)，接收反射光(L3)而输出配合其光量的电压值的(4)分割光电二极管(42)，和控制致动器的控制部；使测距用激光(L2)的聚光点(P2)位于透镜焦点(P0)与透镜(31)之间，可以在距表面(3)更深的位置形成改质区域，并抑制反射光(L3)造成的不良影响。根据实施了基于电压值总和的除算的运算值来加以控制，可由此防止运算值的反射光量所造成的变化。

Description

激光加工装置
技术领域
本发明有关将加工对象物沿着切断预定线切断，而使用的激光加工装置。
背景技术
作为以往的激光加工装置，已知有例如专利文件1所记载的激光加工装置。此激光加工装置中，利用聚光用透镜，使第1激光(加工用激光)与第2激光(测距用激光)聚光，同时利用聚光点位置控制单元，检测出在加工对象物的激光反射面被反射的第2激光的反射光，来控制第1激光的聚光点的位置。由此，可以使第1激光的聚光点位于从激光照射面起算的规定距离，而在加工对象物内部的所希望位置形成改质区域。
专利文件1：日本专利特开2004-188422号公报
发明内容
然而在上述激光加工装置中，为了使沿着切断预定线的加工对象物的切断质量更加提升，希望在加工对象物内部的所希望位置，以更好的精确度形成作为切断起点的改质区域。
因此本发明有鉴于上述情况而完成，其目的为提供一种激光加工装置，其可在加工对象物内部的所希望位置以高精确度形成作为切断起点的改质区域。
为了达成上述目的，本发明的激光加工装置，在板状的加工对象物的内部对准聚光点并照射第1激光，而在上述加工对象物内部形成作为切断的起点的改质区域，其特征在于，具备：聚光用透镜，使上述第1激光、和用于在照射有上述第1激光的上述加工对象物的激光照射面上进行反射的第2激光，向着上述加工对象物聚光；驱动单元，使上述聚光用透镜沿着其光轴方向动作；非点像差附加单元，对由上述激光照射面反射的上述第2激光的反射光附加非点像差；光检测元件，对附加了非点像差的上述第2激光的反射光进行分割受光，输出与被分割受光的上述第2激光的反射光的各个光量相对应的输出值；控制单元，对上述驱动单元进行控制，以使上述第1激光的聚光点位于距上述激光照射面规定距离，上述第2激光利用上述聚光用透镜向上述加工对象物聚光，以使其聚光点位于上述聚光用透镜的焦点和上述聚光用透镜之间；上述控制单元，根据对由前述光检测元件输出的上述输出值实施基于上述输出值的总和的除算及规定运算而取得的运算值，对上述驱动单元进行控制。
在此激光加工装置中，利用聚光用透镜向着加工对象物被聚光的第2激光的聚光点，位于聚光用透镜的焦点与聚光用透镜之间，故在聚光用透镜的光轴方向，有关激光照射面位置的位置信息的可取得区域，以聚光用透镜的焦点为基准，向聚光用透镜侧移动。这是因为位置信息是利用第2激光的反射光的聚光像变化，故其可取得区域在聚光用透镜的光轴方向上，存在于以第2激光的聚光点为中心的对称区域中。由此，在照射第1激光的同时也照射第2激光的情况下，在将聚光用透镜的焦点对准加工对象物内部的状态下，即，使激光照射面比聚光用焦点更靠近聚光用透镜的状态下，照射第1及第2激光，故可在实质上加宽位置信息的可取得区域。从而即使在从激光照射面起算更深的位置形成改质区域时，可高精确度地取得激光照射面的位置信息，从而可在加工对象物内部的所希望位置以高精确度形成改质区域。
另外，因为利用聚光用透镜向着加工对象物被聚光的第2激光的聚光点，位于聚光用透镜的焦点与聚光用透镜之间，故聚光用透镜的焦点位置中，第2激光的聚光像的面积会变大。由此，在照射第1激光之前，使聚光用透镜的焦点位置在对准激光照射面的状态下，并照射第2激光时，即使激光照射面是例如切削痕迹较多的背研磨面，也因为切削痕迹占聚光像的比例较小，而可抑制激光照射面中的切削痕迹造成第2激光的反射光散乱的不良影响。从而可用高精确度取得激光照射面的位置信息，而可在加工对象物内部的所希望位置以高精确度形成改质区域。
另外，由于在运算值中，施加基于由多个光检测元件所输出的输出值总和的除算，故运算值成为相对于所受光的总光量的相对值。由此，即使例如受到在加工对象物表面上形成的膜厚影响，使在激光照射面被反射的第2激光的光亮起变化，而改变光检测元件所输出的输出值，也可防止运算值变动，而可在加工对象物内部的所希望位置上以高精确度形成改质区域。
在此，利用控制单元对驱动单元进行控制，以使运算值成为一定值，则可使作为切断起点的改质区域位于从激光照射面起算的一定距离。
另外，本发明的激光加工装置，利用聚光用透镜在板状的加工对象物的内部对准聚光点并照射第1激光，而在上述加工对象物内部，沿着上述加工对象物的切断预定线形成作为切断的起点的改质区域，其特征在于：利用上述聚光用透镜，使上述第1激光聚光在上述加工对象物内部，同时，使上述聚光用透镜相对于上述加工对象物沿着上述切断预定线进行相对移动；与此相应，使用于在照射有上述第1激光的上述加工对象物的激光照射面上进行反射的第2激光，利用上述聚光用透镜向上述加工对象物聚光，以使其聚光点位于上述聚光用透镜的焦点和上述聚光用透镜之间；对由上述激光照射面反射的上述第2激光的反射光附加非点像差；对附加了非点像差的上述第2激光的反射光进行分割受光，输出与被分割受光的上述第2激光的反射光的各个光量相对应的输出值；根据对所输出的上述输出值实施基于上述输出值的总和的除算及规定运算而取得运算值，而使上述聚光用透镜沿着其光轴方向动作，以使上述第1激光的聚光点位于距上述激光照射面规定距离。
根据该激光加工装置，因为在照射第1激光同时照射第2激光，而可发挥上述作用效果，即，实质上可加宽位置信息的可取得区域。而且，在运算值中，施加基于由多个光检测元件输出的输出值总和的除算，故可防止运算值变动而发挥上述作用效果。利用于上所述，则可在加工对象物内部的所希望位置上以高精确度形成改质区域。
另外，本发明的激光加工装置，利用聚光用透镜在板状的加工对象物的内部对准聚光点并照射第1激光，而在上述加工对象物内部，沿着上述加工对象物的切断预定线形成作为切断的起点的改质区域，其特征在于：使用于在照射有上述第1激光的上述加工对象物的激光照射面上进行反射的第2激光，利用上述聚光用透镜向上述加工对象物聚光，同时，使上述聚光用透镜相对于上述加工对象物沿着上述切断预定线进行相对移动，以使其聚光点位于上述聚光用透镜的焦点和上述聚光用透镜之间；与此相应，对由上述激光照射面反射的上述第2激光的反射光附加非点像差；对附加了非点像差的上述反射光进行分割受光，输出与被分割受光的上述第2激光的反射光的各个光量相对应的输出值；根据对所输出的上述输出值实施基于上述输出值的总和的除算及规定运算而取得运算值，使上述聚光用透镜沿着其光轴方向动作，以使上述第1激光的聚光点位于距上述激光照射面规定距离，在预先取得有关上述聚光用透镜的动作的动作信息后；利用上述聚光用透镜使上述第1激光聚光在上述加工对象物内部，同时，使上述聚光用透镜相对于上述加工对象物沿着上述切断预定线进行相对移动；与此相应，根据预先所取得的上述动作信息，使上述聚光用透镜动作。
根据此激光加工装置，因为在照射第1激光之前，使得激光的聚光像面积变大而照射第2激光，故可抑制激光照射面中的切削痕迹造成第2激光的反射光散乱的不良影响，而发挥上述作用效果。在运算值中，施加基于多个光检测元件所输出的输出值总和的除算，故可防止运算值变动而发挥上述作用效果。利用于上所述，则可在加工对象物内部的所希望位置以高精确度形成改质区域。
发明效果
根据本发明，可在加工对象物内部的所希望位置上以高精确度形成改质区域。
附图说明
图1是基于本实施方式的激光加工装置的激光加工中的加工对象物的平面图。
图2是沿着图1所示的加工对象物的II-II线的断面图。
图3是基于本实施方式的激光加工装置的激光加工后的加工对象物的平面图。
图4是沿着图3所示的加工对象物的IV-IV线的断面图。
图5是沿着图3所示的加工对象物的V-V线的断面图。
图6是本实施方式中激光加工装置所切断的加工对象物的平面图。
图7是本实施方式的激光加工装置中，表示电场强度与破裂点大小的关系的图表。
图8是本实施方式中激光加工装置的第1工序的加工对象物的断面图。
图9是本实施方式中激光加工装置的第2工序的加工对象物的断面图。
图10是本实施方式中激光加工装置的第3工序的加工对象物的断面图。
图11是本实施方式中激光加工装置的第4工序的加工对象物的断面图。
图12是本实施方式中激光加工装置所切断的硅晶圆，表示其一部分的断面照片的图。
图13是本实施方式的激光加工装置中，表示激光波长与硅基板内部的透过率的关系的图表。
图14是本实施方式的激光加工装置的概略构造图。
图15是有关图14所示的激光加工装置中加工用激光及测距用激光的略构造图。
图16是用于说明加工对象物与测距用激光的聚光点在相同位置时，测距用激光的反射光聚光像的图。
图17是用于说明加工对象物在比测距用激光的聚光点更靠近聚光用透镜的位置时，测距用激光的反射光聚光像的图。
图18是用于说明加工对象物在比测距用激光的聚光点更远离聚光用透镜的位置时，测距用激光的反射光聚光像的图。
图19是表示对于从激光照射面到聚光用透镜的焦点的距离，其运算值的曲线图。
图20是表示激光照射面的位置信息的可取得区域的图。
图21是用于说明图14所示的激光加工装置中测距用激光的聚光点的图。
图22是表示测距用激光在激光照射面的聚光像的图。
符号说明
1：晶圆(加工对象物)，3：表面(激光照射面)，7：改质区域，28：致动器(驱动单元)，31：聚光用透镜，40：控制部(控制单元)，42：4分割光电二极管(多个受光元件)，49：整形光学系统(非点像差附加单元)，L1：加工用激光(第1激光)，L2：测距用激光(第2激光)，L3：测距用激光的反射光，P0：聚光用透镜的焦点，P1：加工用激光的聚光点，P2：测距用激光的聚光点
具体实施方式
以下参照附图，说明本发明的适宜的实施方式。本实施方式的激光加工方法中，为了在加工对象物内部形成改质区域，利用所谓多光子吸收现象。因此，首先说明以多光子吸收现象来形成改质区域所使用的激光加工方法。
当光子的能量hν小于材料的带隙EG时，会成为光学性透明。因此材料要产生吸收的条件必须是hν＞EG。但即使是光学性透明，在激光强度非常大时，在nhν＞EG(n＝2、3、4...)的条件下，会在材料中产生吸收。该现象称为多光子吸收。在脉冲波的情况下，激光强度是以激光的聚光点的峰值功率密度(W/cm2)来决定的，例如在峰值功率密度为1×108(W/cm2)以上的条件下会产生多光子吸收。峰值功率密度可由(聚光点上的激光每一个脉冲的能量)÷(激光的光束点剖面积×脉冲宽度)求出。另外，在连续波的情况下，激光强度是由激光的聚光点的电场强度(W/cm2)来决定的。
参照图1～图6，说明利用上述多光子吸收的本实施方式中激光加工方法的原理。如图1所示，在晶圆状(平板状)的晶圆1的表面3上，具有用于切断晶圆1的切断预定线5。切断预定线5是直线状延伸的虚拟线。在本实施方式的激光加工方法中，如图2所示，在产生多光子吸收的条件下，在晶圆1内部对准聚光点P并照射激光L，而形成改质区域7。另外所谓聚光点P，是激光L聚光的部位。另外，切断预定线5并不限于直线，也可为曲线，并且不限于虚拟线也可以是实际画在晶圆1上的线。
然后，将激光L沿着切断预定线5(即在图1的箭头A方向)相对移动，由此使聚光点P沿着切断预定线5移动。因此，如图3～图5所示，沿着切断预定线5在晶圆1内部形成改质区域7，而此改质区域7则成为切断起点区域8。在此所谓切断起点区域8，是指切断晶圆1时作为切断(断裂)起点的区域。此切断起点区域8，存在通过连续形成改质区域7而形成的情况，也存在间断形成改质区域7而形成的情况。
本实施方式的激光加工方法，由于在晶圆1的表面3几乎不吸收激光L，故晶圆1的表面3不会熔融。
当在晶圆1的内部形成切断起点区域8时，则容易以此切断起点区域8为起点而产生断裂，故如图6所示，可由较小的力切断晶圆1。因此不会在晶圆1的表面3产生不必要的断裂，可以高精确度地切断晶圆1。
在以此切断起点区域8为起点来切断晶圆1时，考虑有如下两种方法。一种情况是在形成切断起点区域8之后，对晶圆1施加人为力，从而以切断起点区域8为起点来使晶圆1断裂。可以用于例如晶圆1的厚度大的情况下的切断。所谓施加人为力，是指例如沿着晶圆1的切断起点区域8施加弯曲应力或剪应力，或者是通过对晶圆1赋予温度差来产生热应力。另一个情况是，通过形成切断起点区域8，以切断起点区域8为起点，向晶圆1的断面方向(厚度方向)自然断裂，结果切断晶圆1。在例如晶圆1厚度较小的情况下，可利用1列改质区域7来形成切断起点区域8，而在晶圆1厚度较大的情况下，可以通过在厚度方向形成多列改质区域7来形成切断起点区域8。另外在此自然断裂的情况下，在切断部位上，断裂不会先行到达没有形成切断起点区域8的部位所对应的表面3上，而可仅割断形成有切断起点区域8的部位所对应的部分，故可良好控制割断。近年来硅晶圆等晶圆1的厚度有变薄的倾向，故上述控制性良好的割断方法非常有效。
而且，在本实施方式的激光加工方法中，作为多光子吸收所形成的改质区域，有以下(1)～(3)的情况。
(1)改质区域包含1个或多个破裂的破裂区域的情况
在加工对象物(例如玻璃或LiTaO3所构成的压电材料)内部对准聚光点，在聚光点上的电场强度为1×108(W/cm2)以上且脉冲宽度在1μs以下的条件下照射激光。此脉冲宽度的大小的条件是，产生多光子吸收且不会对加工对象物表面造成多余损伤，并可仅在加工对象物内部形成破裂区域。由此，加工对象物内部会发生因为多光子吸收而造成的光学损伤的现象。利用此光学损伤在加工对象物内部引起热歪曲，由此在加工对象物内部形成破裂区域。作为电场强度的上限值，例如为1×1012(W/cm2)。脉冲宽度优选为1ns～200ns。另外多光子吸收所造成的破裂区域形成，例如记载在日本第45次激光热加工论文集(1998年，12月)中第23～第28页的「基于固体激光高调波的玻璃基板的内部标记」中。
本发明人，通过实验求出电场强度与破裂大小的关系，实验条件如以下所述。
(A)加工对象物：派热克斯(PYREX)(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
波长：1064nm
激光点剖面积：3.14×10-8cm2
激振型态：Q开关脉冲
重复频率：100kHz
脉冲宽度：30ns
输出：输出＜1mJ/脉冲
激光品质：TEM00
偏光特性：直线偏光
(C)聚光用透镜
对激光波长的透过率：60％
(D)承载加工对象物的承载台的移动速度：100mm/秒
另外所谓激光品质是TEM00，是指聚光性高，达到可聚光到激光的波长程度。
图7是表示上述实验结果的图表。横轴为峰值功率密度，因为激光是脉冲激光，故电场强度以峰值功率密度来表示。纵轴是利用1脉冲的激光在加工对象物内部形成的破裂部分(破裂点)的大小。破裂点集合成为破裂区域。破裂点的大小，是破裂点形状中成为最大长度的部分的长度。图表中以黑圆点表示的数据是聚光用透镜(C)的倍率为100倍，开口数(NA)为0.80的情况。另一方面，图表中以白圆点表示的数据是聚光用透镜(C)的倍率为50倍，开口数(NA)为0.55的情况。可知峰值功率密度从1011(W/cm2)左右开始会在加工对象物内部产生破裂点，并随着峰值功率密度变大，破裂点也会变大。
其次参照8图～图11，说明破裂区域形成所造成的加工对象物的切断结构。如图8所示，在产生多光子吸收的条件下在晶圆1内部对准聚光点P并照射激光L，而沿着切断预定线5在内部形成破裂区域9。破裂区域9包含1或多个破裂的区域。如此形成的破裂区域9成为切断起点区域。如图9所示，破裂区域9为起点(即以切断起点区域为起点)使破裂进一步成长，然后有如图10所示使破裂到达晶圆1的表面3及背面21，然后如图11所示，利用使晶圆1割断来切断晶圆1。到达晶圆1的表面3及背面21的破裂有自然成长的情况，也有对晶圆1施加力而成长的情况。
(2)改质区域为熔融处理区域的情况
在加工对象物(例如硅等半导体材料)内部对准聚光点，在聚光点上电场强度为1×108(W/cm2)以上且脉冲宽度在1μs以下的条件下照射激光。由此，在加工对象物内部因多光子吸收而被局部加热。利用此加热会在加工对象物内部形成熔融处理区域。所谓熔融区域是暂时熔融后再硬化的区域，或是正在熔融状态下的区域，或是从熔融状态再次硬化的区域；也可以是相变化后的区域或结晶构造变化后的区域。另外，所谓熔融处理区域是指，在单晶构造、非晶构造、多晶构造中，从一种构造变化为另一种构造的区域。即，可以是例如，从单晶构造变化为非晶构造的区域，从单晶构造变化为多晶构造的区域，从单晶构造变化为包含非晶构造和多晶构造的区域。在加工对象物为硅单晶构造的情况下，熔融处理区域例如为非晶硅构造。作为电场强度的上限值，例如为1×1012(W/cm2)。脉冲宽度优选为1ns～200ns。
本发明人，通过实验确认了在硅晶圆内部形成熔融处理区域。实验条件如以下所述。
(A)加工对象物：硅晶圆(厚度350μm，外径4英寸)
(B)激光：
光源：半导体激光激发Nd:YAG激光
波长：1064nm
激光点剖面积：3.14×10-8cm2
激振型态：Q开关脉冲
重复频率：100kHz
脉冲宽度：30ns
输出：20μJ/脉冲
激光品质：TEM00
偏光特性：直线偏光
(C)聚光用透镜
倍率：50倍
N.A.：0.55
对激光波长的透过率：60％
(D)承载有加工对象物的承载台的移动速度：100mm/秒
图12，是通过在上述条件下进行激光加工而切断的硅晶圆一部分的断面照片的图。硅晶圆11内部形成有熔融处理区域13。另外在上述条件下形成的熔融处理区域13，在厚度方向的大小为100μm左右。
对利用多光子吸收13形成熔融处理区域的情况进行说明。图13是表示激光波长与硅基板内部的透过率的关系的图表。但是，将硅基板的表面侧与背面侧各自的反射成分去除，仅表示内部的透过率。针对硅基板厚度t分别为50μm、100μm、200μm、500μm、1000μm的情况来表示上述关系。
例如在Nd:YAG激光的波长1064nm中，硅基板厚度为500μm以下时，得知在硅基板内部激光透过80％以上。因为图12所示的硅晶圆11的厚度为350μm，故多光子吸收所造成的熔融处理区域13形成在硅晶圆11的中心附近，即从表面起175μm的部分。此时的透过率，若参照厚度为200μm的硅晶圆，则为90％以上，故激光在硅晶圆11内部被吸收的只有极少部分，几乎都透过。这并不表示，在硅晶圆11内部激光被吸收，而在硅晶圆11内部形成熔融处理区域13(即利用一般的激光加热来形成熔融处理区域)，而是代表熔融处理区域13由多光子吸收而形成。基于多光子吸的熔融区域的形成，例如记载在日本焊接学会全国大会演讲概要第66集(2000年4月)中第72页～第73页的「基于皮秒脉冲激光的硅加工特性评价」。
另外，以熔融处理区域形成的切断起点区域为起点，向着断面方向发生断裂，利用使该断裂到达硅晶圆的表面与背面，在结果上切断晶圆。到达硅晶圆表面与背面的断裂，存在自然成长的情况，也存在对硅晶圆施加力来使其成长的情况。接着，使断裂从切断起点区域自然成长到硅晶圆表面与背面时，存在形成切断起点区域的熔融处理区域从熔融状态成长断裂的情况，和形成切断起点区域的熔融处理区域从熔融状态再次硬化时成长断裂的情况任一种。不过任何一种情况下，熔融处理区域都仅形成于硅晶圆内部，而切断后的切断面如图12所示，仅在内部形成有熔融处理区域。如上所述，当在加工对象物内部利用熔融处理区域来形成切断起点区域时，在割断中，不容易产生从切断起点区域线偏离的不必要断裂，故容易进行割断控制。与此同时，熔融处理区域的形成，可以不仅是因为多光子吸收，也存在其它吸收作用的原因。
(3)改质区域为折射率变化区域的情况
在加工对象物(例如硅等半导体材料)内部对准聚光点，在聚光点上的电场强度为1×108(W/cm2)以上且脉冲宽度1μs以下的条件下，照射激光。在使将脉冲宽度极短，并在加工对象物内部引起多光子吸收时，因多光子吸收所产生的能量不会转换为热能，而是在加工对象物内部引起离子价数变化、结晶化或分极取向等永久性的构造变化，从而形成折射率变化区域。作为电场强度的上限值，例如为1×1012(W/cm2)。脉冲宽度优选为1ns以下，更优选为1ps以下。基于多光子吸收的折射率变化区域的形成，例如记载在日本第42次激光热加工研究会论文集(1997年，11月)中第105页～第111页的「基于飞秒激光照射的对玻璃内部光激发构造形成」。
以上，说明了(1)～(3)的情况来作为多光子吸收所形成的改质区域，但是考虑晶圆状的加工对象物的结晶构造或其劈开性等，若是如以下来形成切断起点区域，则以该切断起点区域作为起点，可以用更小的力且更高精确度来切断加工对象物。
即，在由硅等钻石构造的单结晶半导体所构成的基板的情况下，优选沿着(111)面(第1劈开面)或(110)面(第2劈开面)的方向形成切断起点区域。另外，在由GaAs等闪锌矿型构造的III-V族化合物半导体所构成的基板的情况下，优选沿着(110)面的方向形成切断起点区域。而且，在具有蓝宝石(Al2O3)等六方晶系的结晶构造的基板的情况下，优选以(0001)面(C)面为主面，沿着(1120)面(A面)或(1100)面(M面)的方向形成切断起点区域。
另外，若沿着要形成上述切断起点区域的方向(例如单结晶硅基板中的沿着(111)面的方向)，或沿着与要形成切断起点区域的方向正交的方向在基板上形成准直面(orientation flat)，则通过以该准直面为基准，可以沿着要形成切断起点区域的方向轻易且正确地在基板上形成切断起点区域。
下面，参照图14、图15说明本实施方式的激光加工装置。
如图14所示，激光加工装置20，通过在作为板状的加工对象物的晶圆1内部对准聚光点P1并照射加工用激光(第1激光)L1，由此在晶圆1内部形成作为切断起点的改质区域7；然后利用此改质区域7，形成沿着切断预定线5延伸的切断起点区域8。另外晶圆1是硅晶圆等半导体晶圆，改质区域7为熔融处理区域。
该激光加工装置20，具有承载晶圆1的平台30；此平台30，可在X方向(图示左右方向)，和以Z方向(图示上下方向)为轴的旋转方向即θ方向移动。此平台30上方，配置有收容了产生加工用激光L1的激光源22等的框体23，和使框体23在Y方向(与X轴及Z轴垂直的方向)和Z方向上动作的框体驱动部25。在此，激光源22使用例如Nd:YAG激光；向着位于正下方的平台30上的晶圆1照射作为脉冲激光的脉冲宽度1μs以下的加工用激光L1。
在框体23的下端面安装有电动旋转器(revolver)24，该电动旋转器24装配有用于观察晶圆1的观察用物镜26，和用于对加工用激光L1进行聚光的加工用物镜27。各物镜26、27的光轴，利用电动旋转器24的旋转而与加工用激光L1的光轴一致。另外加工用物镜27和电动旋转器24之间，间隔设置有使用例如压电元件的致动器(驱动单元)28，利用此致动器28对加工用物镜27的位置在Z方向上进行微调。
如图15所示，加工用物镜27具有圆筒形状的透镜固定器29，此透镜固定器29在内部保持对多个透镜进行组合的开口数为(0.80)的聚光用透镜31。而且，在透镜固定器29的上端部，形成有入射开口32，作为加工用激光L1对于聚光用透镜31的入射口，在透镜固定器29的下端部则形成有加工用激光L1的照射开口33。利用如此构成的加工用物镜27，使加工用激光L1聚光，在由聚光用透镜31形成的聚光点P1上，加工用激光L1的峰值功率密度成为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，从上至下依次排列有：将激光源22所产生的加工用激光L1的光束径加以放大的光束扩张器34，和调整加工用激光L1的输出或偏光的激光调整光学系统36，和进行加工用激光L1的通过或遮断的电磁快门37，和缩小加工用激光L1的光束尺寸的光圈构件38。
如图15所示，光圈构件38如图15所示，被安装在框体23上，位于加工用物镜27的入射开口32上方；在加工用激光L1的光轴上，具有对此加工用激光L1进行收缩而使其通过的孔径39。此孔径39的开口径，形成为与加工用物镜27的入射开口32相同或较小的直径，利用设置在光圈构件38上的调节螺丝35，是孔径39的中心轴准确地与入射开口32的中心轴相一致。
利用此光圈构件38，使大于孔径39的加工用激光L1的外周部分被遮断，使由加工用物镜27的入射开口32的周围部份造成的加工用激光L1的遮断量几乎完全消失，故可防止加工用激光L1的照射造成透镜固定器29的加热，从而将在激光加工中因透镜固定器29的加热造成的加工用激光L1的聚光点P1位置变动抑制为较小。
另外，如图14所示，为了要观察被承载在平台30上的晶圆1，激光加工装置20在框体23外具有产生观察用可见光L0的观察用光源51，而在框体23内具有CCD摄影机52。
此观察用光源51所发出的观察用可见光L0，利用由光纤构成的光导体53导入框体23内，依次通过视野光圈54、开口光圈56、分色镜57等之后，再利用配置在光圈构件38与加工用物镜27的入射开口32之间的分色镜58进行反射。被反射的观察用可见光L0，在加工用激光L1的光轴上向着下方行进，利用电动旋转器24的旋转，通过配置在加工用激光L1的光轴上的观察用物镜26，而照射在晶圆1上。另外加工用激光L1，以及后述的测距用激光L2及其反射光L3，透过分色镜58。
接着，由晶圆1的表面3反射的观察用可见光L0的反射光，再次射入观察用物镜26内而在加工用激光L1的光轴上向着上方行进，并被分色镜58反射。该被分色镜58反射后的反射光，进一步被分色镜57反射，并依次通过滤光片59、成像透镜61、中继透镜62，而射入CCD摄影机52。利用此CCD摄影机52，在电视屏幕64上映出被摄像的晶圆1的表面3等的图像。
而且，激光加工装置20具有使用例如激光二极管的激光源41。此激光源41所产生的测距用激光(第2激光)L2，如图15所示，依次通过针孔43、光束扩张器44之后，被镜46、半镜47依次反射，而导引到配置在电磁快门37和光圈构件38之间的分色镜48。被此分色镜48所反射的测距用激光L2，在加工用激光L1的光轴上向着下方行进，通过光圈构件38的孔径39之后，被加工用物镜27的聚光用透镜31聚光，而照射在晶圆1上。另外加工用激光L1透过分色镜48。
接着，由晶圆1的表面(激光照射面)3反射的测距用激光的反射光L3，再次射入加工用物镜27的聚光用透镜31，在加工用激光L1的光轴上向着上方行进，通过光圈构件38的孔径39之后，被分色镜48反射。此被分色镜48所反射的测距用激光的反射光L3，依次通过半镜47、滤光片45。此滤光片45根据波长而使光通过或遮断，使测距用激光的反射光L3通过，另一方面，在遮断晶圆1的表面3或背面17所反射的加工用激光L1的反射光。通过滤光片45的测距用激光的反射光L3，利用由圆柱透镜和平凸透镜构成的整形光学系统(非点像差附加单元)49而附加非点像差并聚光，照射在将光电二极管四等分的4分割光电二极管(光检测元件)42上，而在4分割光电二极管42的受光面上形成聚光像。4分割光电二极管42，将测距用激光的反射光L3的聚光像进行分割受光，输出与其各个的光量相对应的电压值(输出值)V。
此聚光像由于对反射光L3附加了非点像差，故根据相对于测距用激光L2的聚光点P2位于晶圆1的表面3的哪个位置，而改变为纵长、正圆、横长。在此说明此变化的原理。
如图16所示，当晶圆1的表面3与测距用激光L2的聚光点P2在相同位置时，测距用激光的反射光L3与测距用激光L2循着相同轨迹，对加工用物镜27的聚光用透镜31逆向行进，故会在4分割光电二极管42上形成正圆的聚光像K1。
另外，如图17所示，当晶圆1的表面3位于比测距用激光L2的聚光点P2更靠近聚光用透镜31的位置时，由于测距用激光的反射光L3与测距用激光L2相异而扩散，并且加工用物镜27的聚光用透镜31逆向行进，故会在4分割光电二极管42上形成横长的椭圆聚光像K2。
另外，如图18所示，当晶圆1的表面3位于比测距用激光L2的聚光点P2更远离聚光用透镜31的位置时，由于测距用激光的反射光L3与测距用激光L2相异而聚光，并且加工用物镜27的聚光用透镜31逆向行进，故会在4分割光电二极管42上形成纵长的椭圆聚光像K3。
如以上所述，测距用激光的反射光L3在4分割光电二极管42上的聚光像，根据相对于测距用激光L2的聚光点P2的晶圆1的表面3的位置而变化。因此由4分割光电二极管42所输出的电压值V，与相对于测距用激光L2的聚光点P2的晶圆1的表面3的位置而变化。
因此如图15所示，激光加工装置20具有控制部(控制单元)40，利用此控制部40，依据4分割光电二极管42所输出的电压值V，来运算出运算值N，作为有关相对于测距用激光L2的聚光点P2的晶圆1的表面3位置的位置信息。并且，控制部40对致动器28进行控制，在上下方向对加工用物镜27的位置进行微调，以使加工用激光L1的聚光点P1的位置成为距表面3一定的深度。
具体来说，在控制部40中实施以下运算。即在4分割光电二极管42(参照图16)中，对与在纵方向上相对的受光面R1、R3的光量相对应而输出的电压值V1、V3，和与在横方向上相对的受光面R2、R4的光量相对应而输出的电压值V2、V4，根据下述算式(1)进行运算，而求出运算值N。此运算值N，以对应于4分割光电二极管42受光的全部光量的电压值V1、V2、V3、V4的总和来进行除算，而作为相对于受光的总光量的相对值。
N＝[(V1+V3)-(V2+V4)]/(V1+V2+V3+V4)...(1)
其中，
V1：依据受光面R1中的光量所输出的电压值
V2：依据受光面R2中的光量所输出的电压值
V3：依据受光面R3中的光量所输出的电压值
V4：依据受光面R4中的光量所输出的电压值
图19，表示对于从晶圆1的表面3，到作为由聚光用透镜31形成的观察用可见光L0的聚光点的焦点(以下称为「聚光用透镜的焦点」)P0的距离，运算值N的曲线图。在此曲线图中，横轴表示从晶圆1的表面3到聚光用透镜31的焦点P0的距离，纵轴表示运算值N的大小。在此，以原点为基准往左侧越大，则晶圆1的表面3位于越接近聚光用透镜31的位置。另外，以原点为基准往右侧越大，则表面3位于越远离聚光用透镜31的位置。
在一般的激光加工装置中，如图19(a)所示，从晶圆1的表面3到聚光用透镜31的焦点P0的距离与运算值N的关系，成为相对测距用激光L2的聚光点P2对称的大致S字状曲线F。此曲线F中，在上侧的极点F1与下侧的极点F2附近，所受光的测距用激光的反射光L3会从4分割光电二极管42的受光面溢出，因此使运算值N反转而存在有相同运算值。因此，如图19(a)及图20(a)所示，作为可取得正确位置信息的区域的可取得范围W，成为极点F1及F2之间的区域，以聚光用透镜31的焦点P0为基准值0μm，成为例如从-20μm到+20μm。
在此，在激光加工装置20中，通过使针孔43或光束扩张器44的位置沿着测距用激光L2的光轴移动等，并调整测距用激光L2的光学系统位置，从而在使聚光用透镜31的焦点位于晶圆1的表面3的状态下，如图21所示，使测距用激光L2聚光并入射到聚光用透镜31。由此，使测距用激光L2的聚光点P2位于聚光用透镜的焦点P0与聚光用透镜31之间。因此，如图19(b)及图20(b)所示，使可取得范围W向着比聚光用透镜31的焦点P0更接近聚光用透镜的方向移动，在将聚光用透镜31的焦点P0作为基准值0μm时，则成为从-15μm到+25μm。
其次，说明基于上述激光加工装置20的激光加工方法。此激光加工方法，照射加工用激光L1，同时，照射测距用激光L2，在距晶圆1的表面3一定距离的位置上形成改质区域7，利用此改质区域7，形成沿着切断预定线5延伸的切断起点区域8(以下称为「实时加工」)。
首先在平台30上承载晶圆1，使得此晶圆1位于激光加工开始位置，在X方向及Y方向上移动平台30及框体23。接着，使保持加工用物镜27的致动器28从最紧缩状态仅伸出最大伸长量的一半，例如最大伸长量为50μm则在伸出25μm的状态下，利用电视屏幕64确认投影在晶圆1的表面3上的刻度图像的对焦，同时利用框体驱动部25使框体23上下，使聚光用透镜31的焦点P0位于晶圆1的表面3。
接着，使框体23在Z方向上移动，以使加工用激光L1的聚光点P1位于距晶圆1表面所希望的距离。然后，从激光源22照射加工用激光L1，同时，从激光源41照射测距用激光L2，并且平台30及框体23在X方向及Y方向移动，以由聚光用透镜31聚光的激光L1、L2在切断预定线5上进行扫描。此时，检测出测距用激光的反射光L3，然后利用控制部40对致动器28进行反馈控制，以使加工用激光L1的聚光点P1始终位于距晶圆1表面3一定距离。此反馈控制如图19(b)所示，使得基于所检测出的反射光L3的运算值维持在对应一定距离T0的N0；对致动器28施加只能维持在N0的电压值，而对加工用物镜27的位置在上下方向上进行微调。并且，沿着晶圆1的表面3，在距表面3一定距离的位置，形成改质区域7。
如上所述，在实时加工中，因为是与照射加工用激光L1同时照射测距用激光L2而形成改质区域7，故可有效率的形成改质区域7。另外，在晶圆1厚度较薄的情况下，其表面的面偏差较多，故实时加工尤其有效。
如上述说明，在激光加工装置20中，使由聚光用透镜31向着晶圆1聚光的测距用激光L2的聚光点P2，位于聚光用透镜31的焦点P0和聚光用透镜31之间，使得在聚光用透镜31的光轴方向上，有关晶圆1的表面3的位置的位置信息的可取得范围W，以聚光用透镜31的焦点P0为基准，向聚光用透镜31侧移动。因此，在聚光用透镜31的焦点P0对准到晶圆1的内部的状态下，即，在使晶圆1的表面3比聚光用透镜31的焦点P0更靠近聚光用透镜31的状态下，照射加工用激光L1及测距用激光L2，因此，实质上可增大位置信息的可取得范围W。从而即使要在距晶圆1的表面3深的位置上形成改质区域7时，也可高精确度取得晶圆1的表面3的位置信息，从而可高精确度地在晶圆1内部的所希望的位置上形成改质区域7。
另外，在运算值N中，实施基于4分割光电二极管42所输出的电压值V的除算，故运算值N是相对于所受光的总光量的相对值。由此，即使例如因形成在晶圆1的表面3的膜厚影响，造成由晶圆1的表面3反射的测距用激光L2的光量起变化，而使4分割光电二极管42所输出的电压值V改变，也可以防止运算值N的变动，可在晶圆1内部的所希望位置上以高精确度形成改质区域7。
其次，针对在照射加工用激光L1之前先照射测距用激光L2的激光加工方法(以下称为「跟踪加工」)，主要说明其与实时加工的相异点。
在跟踪加工中，在照射加工用激光L1之前先照射测距用激光L2，然后使平台30及框体23在X方向及Y方向移动，以使由聚光用透镜31聚光的测距用激光L2在切断预定线5上进行扫描。此时会检测出测距用激光的反射光L3，然后利用控制部40对致动器28进行反馈控制，以使测距用激光L2的聚光点P2的位置始终位于距晶圆1的表面3一定的距离。为了进行此反馈控制，而将施加在致动器28上的电压的电压值，存储在控制部40中。
接下来，使得加工用激光L1的聚光点P1位于距晶圆1的表面一定距离，并使框体23在Z方向上移动。然后，从激光源22照射加工用激光L1，同时使平台30在X方向及Y方向再次移动，以使加工用激光L1切断预定线5上进行扫描。此时利用控制部40根据所存储的电压值，对致动器28施加电压，而对加工用物镜27的位置在上下方向上进行微调。
如此，在跟踪加工中，因为是在照射加工用激光L1之前先照射测距用激光L2，故即使是晶圆1较厚，从切断起点区域8到晶圆1的表面3的距离是无法利用实时加工来进行加工的，也可确实形成改质区域7。
另外，在进行跟踪加工时，晶圆1的射入有激光的面通常是存在有切削痕71的背研磨面。但是在一般的跟踪加工，在使测距用激光L2在切断预定线5上进行扫描时，对致动器28进行反馈控制，以使测距用激光L2的聚光点P2始终位于聚光用透镜31的焦点P0上，即位于晶圆1的表面3上；如图22(a)所示，在聚光用透镜31的焦点P0中，测距用激光L2聚光像Q1的面积是被紧缩到较小的状态，故切削痕71占聚光像Q1的比例变大。从而切削痕71造成测距用激光的反射光L3散乱等的不良影响，有加大的可能。
因此，在基于激光加工装置20的跟踪加工中，使由聚光用透镜31向着晶圆1聚光的测距用激光L2的聚光点P2，位于聚光用透镜31的焦点P0和聚光用透镜31之间，由此如图22(b)所示，在聚光用透镜31的焦点P0位置，即在晶圆1的表面3上，测距用激光L2的聚光像Q2的面积会变大。由此，即使晶圆1的表面3是切削痕71较多的背研磨面，也会因为切削痕71占聚光像Q2的比例较小，而可抑制晶圆1的表面3中切削痕71造成测距用激光的反射光L3的散乱等不良影响。因此，可用高精确度取得晶圆1的表面3的位置信息，而可在晶圆1内部的所希望位置以高精确度形成改质区域7。
本发明并不限于上述实施方式。例如在上述实施方式中，在距晶圆1的表面3一定距离的位置，对准加工用激光L1的聚光点P1；但是也可以使对准聚光点的位置沿着切断预定线5发生变化，而进行聚光点P1的位置控制。例如使加工用激光L1的聚光点P1的对准位置变化为波浪状，或是使加工用激光L1的聚光点P1的对准位置深度在途中改变等。
另外，在上述实施方式中，优选使用4分割光电二极管42，但是也可使用例如2分割光电二极管元件或8分割光电二极管元件。在此情况下，在控制部中用于求出运算值的运算，对应于与受光相应输出的电压值的数量。
进一步，上述实施方式中，非点像差附加单元即整形光学系统49，使用圆柱透镜构成，但也可以使用柱面透镜等非球面透镜来构成，只要是对测距用激光的反射光附加非点像差即可。
产业上的可利用性
根据本发明，可在加工对象物内部的所希望位置以高精确度形成作为切断起点的改质区域。

Claims (4)

1.一种激光加工装置，在板状的加工对象物的内部对准聚光点并照射第1激光，而在所述加工对象物内部形成作为切断的起点的改质区域，其特征在于，具备：
聚光用透镜，使所述第1激光、和用于在照射有所述第1激光的所述加工对象物的激光照射面上进行反射的第2激光，向着所述加工对象物聚光；
驱动单元，使所述聚光用透镜沿着其光轴方向动作；
非点像差附加单元，对由所述激光照射面反射的所述第2激光的反射光附加非点像差；
光检测元件，对附加了非点像差的所述第2激光的反射光进行分割受光，输出与被分割受光的所述第2激光的反射光的各个光量相对应的输出值；和
控制单元，对所述驱动单元进行控制，以使所述第1激光的聚光点位于距所述激光照射面规定距离，
所述第2激光利用所述聚光用透镜向所述加工对象物聚光，以使其聚光点位于所述聚光用透镜的焦点和所述聚光用透镜之间；
在所述聚光用透镜的光轴方向上，有关所述加工对象物的所述激光照射面的位置的位置信息的可取得范围，以所述聚光用透镜的焦点为基准，向所述聚光用透镜侧移动；
所述控制单元，根据对由前述光检测元件输出的所述输出值实施基于所述输出值的总和的除算及规定运算而取得的运算值，对所述驱动单元进行控制。
2.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于：
所述控制单元对所述驱动单元进行控制，以使所述运算值成为一定。
3.一种激光加工装置，利用聚光用透镜在板状的加工对象物的内部对准聚光点并照射第1激光，而在所述加工对象物内部，沿着所述加工对象物的切断预定线形成作为切断的起点的改质区域，其特征在于：
利用所述聚光用透镜，使所述第1激光聚光在所述加工对象物内部，同时，使所述聚光用透镜相对于所述加工对象物沿着所述切断预定线进行相对移动；
与此相应，使用于在照射有所述第1激光的所述加工对象物的激光照射面上进行反射的第2激光，利用所述聚光用透镜向所述加工对象物聚光，以使其聚光点位于所述聚光用透镜的焦点和所述聚光用透镜之间；
在所述聚光用透镜的光轴方向上，有关所述加工对象物的所述激光照射面的位置的位置信息的可取得范围，以所述聚光用透镜的焦点为基准，向所述聚光用透镜侧移动；
由非点像差附加单元对由所述激光照射面反射的所述第2激光的反射光附加非点像差；
由光检测元件对附加了非点像差的所述第2激光的反射光进行分割受光，输出与被分割受光的所述第2激光的反射光的各个光量相对应的输出值；
根据对所输出的所述输出值实施基于所述输出值的总和的除算及规定运算而取得运算值，而由驱动单元使所述聚光用透镜沿着其光轴方向动作，以使所述第1激光的聚光点位于距所述激光照射面规定距离。
4.一种激光加工装置，利用聚光用透镜在板状的加工对象物的内部对准聚光点并照射第1激光，而在所述加工对象物内部，沿着所述加工对象物的切断预定线形成作为切断的起点的改质区域，其特征在于：
使用于在照射有所述第1激光的所述加工对象物的激光照射面上进行反射的第2激光，利用所述聚光用透镜向所述加工对象物聚光，同时，使所述聚光用透镜相对于所述加工对象物沿着所述切断预定线进行相对移动，以使其聚光点位于所述聚光用透镜的焦点和所述聚光用透镜之间；
在所述聚光用透镜的光轴方向上，有关所述加工对象物的所述激光照射面的位置的位置信息的可取得范围，以所述聚光用透镜的焦点为基准，向所述聚光用透镜侧移动；
与此相应，由非点像差附加单元对由所述激光照射面反射的所述第2激光的反射光附加非点像差；
由光检测元件对附加了非点像差的所述反射光进行分割受光，输出与被分割受光的所述第2激光的反射光的各个光量相对应的输出值；
根据对所输出的所述输出值实施基于所述输出值的总和的除算及规定运算而取得运算值，由驱动单元使所述聚光用透镜沿着其光轴方向动作，以使所述第1激光的聚光点位于距所述激光照射面规定距离，在预先取得有关所述聚光用透镜的动作的动作信息后；
利用所述聚光用透镜使所述第1激光聚光在所述加工对象物内部，同时，使所述聚光用透镜相对于所述加工对象物沿着所述切断预定线进行相对移动；
与此相应，根据预先所取得的所述动作信息，由驱动单元使所述聚光用透镜动作。
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