JP2014147946A - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】微細な改質領域を精度良くかつ効率良く形成することができるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供する。
【解決手段】レーザ加工装置１は、レーザ光Ｌを加工対象物Ｓに照射することにより、加工対象物Ｓに改質領域Ｒを形成する装置である。レーザ加工装置１は、レーザ光Ｌを出射するレーザ光源２と、加工対象物Ｓを支持する載置台８と、レーザ光源２から出射されたレーザ光Ｌのうち、当該レーザ光Ｌの光軸を含む中央部を囲む環状部を、載置台８に支持された加工対象物Ｓの所定部に集光させる光学系１１と、を備える。光学系１１は、加工対象物Ｓにおける所定部の位置に応じて、レーザ光Ｌの環状部の内縁及び外縁の少なくとも一方の形状を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、加工対象物に改質領域を形成するためのレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。

従来のレーザ加工装置及びレーザ加工方法として、特許文献１には、加工対象物の内部においてレーザ光の波面が所定の波面となるように（或いは、加工対象物の内部に集光されるレーザ光の収差が所定の収差以下となるように）反射型空間光変調器によって変調されたレーザ光を加工対象物に照射するものが記載されている。

特開２００９−３４７２３号公報

上述したようなレーザ加工装置及びレーザ加工方法によって形成される改質領域には、インターポーザ基板に三次元的にビアを形成する場合、薄物の半導体ウェハを切断する場合、及び半導体基板にゲッタリング領域を形成する場合等、改質領域の微細化が求められる場合がある。

そこで、本発明は、微細な改質領域を精度良くかつ効率良く形成することができるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することを目的とする。

本発明のレーザ加工装置は、レーザ光を加工対象物に照射することにより、加工対象物に改質領域を形成するレーザ加工装置であって、レーザ光を出射するレーザ光源と、加工対象物を支持する支持部と、レーザ光源から出射されたレーザ光のうち、当該レーザ光の光軸を含む中央部を囲む環状部を、支持部に支持された加工対象物の所定部に集光させる光学系と、を備え、光学系は、加工対象物における所定部の位置に応じて、環状部の内縁及び外縁の少なくとも一方の形状を調整する。

本発明者らは、レーザ光の環状部（レーザ光のうち、その光軸を含む中央部を囲む部分）を加工対象物の所定部に集光させると、レーザ光の中央部及び環状部を加工対象物の所定部に集光させる場合に比べ、加工対象物の所定部に微細な改質領域を精度良く形成し得ることを見出した。上記レーザ加工装置では、レーザ光の環状部が加工対象物の所定部に集光させられるので、加工対象物の所定部に微細な改質領域を精度良く形成することができる。しかも、レーザ光の環状部の内縁及び外縁の少なくとも一方の形状が、加工対象物における所定部の位置に応じて調整されるので、加工対象物の所定部に微細な改質領域を効率良く形成することができる。よって、上記レーザ加工装置によれば、微細な改質領域を精度良くかつ効率良く形成することが可能となる。

環状部は、円環形状を有し、光学系は、加工対象物における所定部の位置に応じて、環状部の内径及び外径の少なくとも一方を調整してもよい。この構成によれば、レーザ光の環状部の内縁及び外縁の形状を正確にかつ容易に調整することができる。

光学系は、所定部が加工対象物の内部に位置する場合には、加工対象物にレーザ光が入射する表面から所定部までの距離に応じて、環状部の内縁及び外縁の少なくとも一方の形状を調整してもよい。この構成によれば、加工対象物にレーザ光が入射する表面から所定部までの距離に応じて、当該所定部に改質領域を所望の状態（改質領域自体の大きさの状態、及び改質領域から加工対象物に発生する亀裂の長さの状態等を含む）で形成することができる。

光学系は、レーザ光を加工対象物に照射した際に形成される予定の改質領域の状態に応じて、環状部の内縁及び外縁の少なくとも一方の形状を調整してもよい。この構成によれば、形成予定の改質領域の状態を所望の状態とするために、レーザ光の環状部の内縁及び外縁の少なくとも一方の形状を予め調整することができる。

レーザ加工装置は、レーザ光を加工対象物に照射した際に形成された改質領域の状態を検出する検出部を更に備え、光学系は、検出部によって検出された改質領域の状態に応じて、環状部の内縁及び外縁の少なくとも一方の形状を調整してもよい。この構成によれば、形成中又は形成済みの改質領域の状態が何らかの原因によって所望の状態から外れた場合に、レーザ光の環状部の内縁及び外縁の少なくとも一方の形状を直ちに調整することができる。

改質領域の状態は、レーザ光を加工対象物に照射した際に改質領域から加工対象物に発生する亀裂の長さの状態を含んでもよい。この構成によれば、改質領域から加工対象物に発生する亀裂の長さを所望の長さとすることができる。

光学系は、所定部が加工対象物の内部に位置する場合には、所定部で発生する球面収差が抑制されるように、加工対象物の屈折率、レーザ光の波長、及び、加工対象物にレーザ光が入射する表面から所定部までの距離に応じて、レーザ光を整形してもよい。この構成によれば、加工対象物の所定部で発生する球面収差が抑制されるので、加工対象物の所定部に、より微細な改質領域を形成することができる。

光学系は、環状部の内縁及び外縁の少なくとも一方の形状が調整されるように、レーザ光を変調する空間光変調器と、空間光変調器によって変調されたレーザ光を所定部に集光させる集光光学系と、を有してもよい。この構成によれば、レーザ光の環状部の内縁及び外縁の少なくとも一方の形状を動的にかつ瞬時に調整することができる。

本発明のレーザ加工方法は、レーザ光を加工対象物に照射することにより、加工対象物に改質領域を形成するレーザ加工方法であって、レーザ光のうち、当該レーザ光の光軸を含む中央部を囲む環状部を、加工対象物の所定部に集光させ、その際に、加工対象物における所定部の位置に応じて、環状部の内縁及び外縁の少なくとも一方の形状を調整する。

このレーザ加工方法によれば、上記レーザ加工装置と同様に、微細な改質領域を精度良くかつ効率良く形成することが可能となる。

本発明によれば、微細な改質領域を精度良くかつ効率良く形成することができるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することが可能となる。

本発明の一実施形態のレーザ加工装置の構成図である。 図１のレーザ加工装置の空間光変調器の一部拡大断面図である。 図１のレーザ加工装置におけるレーザ光の集光状態を示す概念図である。 図１のレーザ加工装置における加工深さとレーザ光の断面形状との関係を示す概念図である。 図１のレーザ加工装置において実施されるレーザ加工方法の一例を示すフローチャートである。 図１のレーザ加工装置において記憶されるデータテーブルの一例を示す表である。 図１のレーザ加工装置において実施されるレーザ加工方法の別の例を示すフローチャートである。 図１のレーザ加工装置において記憶されるデータテーブルの別の例を示す表である。 図１のレーザ加工装置の加工対象であるインターポーザ基板の断面図である。 レーザ光の出力と亀裂の長さとの関係を示すグラフである。 シリコンウェハの切断面での亀裂の状態を示す画像である。 中央成分のカット率と亀裂の長さとの関係を示すグラフである。 中央成分のカット率とレーザ光の出力調整幅との関係を示すグラフである。 光学系の変形例の構成図である。 光学系の変形例の構成図である。 光学系の変形例の構成図である。 光学系の変形例の構成図である。 レーザ加工方法の変形例におけるレーザ光の集光状態を示す概念図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１に示されるように、レーザ加工装置１は、レーザ光Ｌを加工対象物Ｓに照射することにより、加工対象物Ｓに改質領域Ｒを形成する。レーザ加工装置１は、以下に説明するように、インターポーザ基板に三次元的にビアを形成する場合、薄物の半導体ウェハを切断する場合、及び半導体基板にゲッタリング領域を形成する場合等、改質領域Ｒの微細化が求められる場合に特に有効な装置である。

ここで、レーザ光Ｌは、加工対象物Ｓを透過すると共に加工対象物Ｓの内部の集光点近傍にて特に吸収され、これにより、加工対象物Ｓに改質領域Ｒが形成される（すなわち、内部吸収型レーザ加工）。よって、加工対象物Ｓの表面Ｓ１ではレーザ光Ｌが殆ど吸収されないので、加工対象物Ｓの表面Ｓ１が溶融することはない。一般的に、表面Ｓ１から溶融され除去されて穴や溝等の除去部が形成される（表面吸収型レーザ加工）場合、加工領域は表面Ｓ１側から徐々に裏面側に進行する。

なお、改質領域Ｒとは、密度、屈折率、機械的強度やその他の物理的特性が周囲とは異なる状態になった領域をいう。改質領域Ｒとしては、例えば、溶融処理領域、クラック領域、絶縁破壊領域、屈折率変化領域等があり、これらが混在した領域もある。更に、改質領域Ｒとしては、加工対象物の材料において改質領域Ｒの密度が非改質領域の密度と比較して変化した領域、格子欠陥が形成された領域がある（これらをまとめて高密転移領域ともいう）。また、溶融処理領域、屈折率変化領域、改質領域Ｒの密度が非改質領域の密度と比較して変化した領域、格子欠陥が形成された領域は、更に、それら領域の内部や改質領域Ｒと非改質領域との界面に亀裂（割れ、マイクロクラック）を内包している場合がある。内包される亀裂は改質領域Ｒの全面に渡る場合や一部分のみや複数部分に形成される場合がある。

図１に示されるように、レーザ加工装置１は、レーザ光源２と、アッテネータ３と、空間光変調器４と、４ｆ光学系５と、ミラー６と、対物レンズユニット（集光光学系）７と、載置台（支持部）８と、検出部９と、制御部１０と、を備えている。

レーザ光源２は、例えばレーザ光Ｌをパルス発振することにより、レーザ光Ｌを出射する。レーザ光Ｌの波長は、加工対象物Ｓに対して透過性を有する波長である。アッテネータ３は、レーザ光源２から出射されたレーザ光Ｌの出力を調整する。空間光変調器４は、例えば反射型液晶（ＬＣＯＳ：Liquid Crystal on Silicon）の空間光変調器（ＳＬＭ：Spatial Light Modulator）であって、レーザ光源２から出射されたレーザ光Ｌを変調する。

ここで、空間光変調器４の構成について説明する。図２に示されるように、空間光変調器４では、シリコン基板４１、駆動回路層４２、複数の画素電極４３、反射膜４４、配向膜４５、液晶層４６、配向膜４７、透明導電膜４８及び透明基板４９がこの順序で積層されている。

透明基板４９は、例えばガラス等の光透過性の材料からなる。ＸＹ平面に平行な透明基板４９の表面４９ａは、空間光変調器４におけるレーザ光Ｌの入出射面となっている。透明導電膜４８は、例えばＩＴＯ等の光透過性かつ導電性の材料からなり、透明基板４９の裏面４９ｂに形成されている。透明基板４９及び透明導電膜４８は、レーザ光Ｌを透過させる。

画素電極４３は、例えばアルミニウム等の金属材料からなる。各画素電極４３は、複数の画素の配列に応じて、シリコン基板４１上に二次元的に配列されている。複数の画素電極４３は、駆動回路層４２に設けられたアクティブ・マトリクス回路によって駆動される。アクティブ・マトリクス回路は、空間光変調器４から出力しようとする光像に応じて（すなわち、制御部１０から入力される変調パターン（変調用画像）に応じて）、各画素電極４３に印加する電圧を制御する。アクティブ・マトリクス回路は、例えば、Ｘ軸方向に並んだ各画素列に印加する電圧を制御する第１のドライバ回路と、Ｙ軸方向に並んだ各画素列に印加する電圧を制御する第２のドライバ回路と、を有している。これにより、第１及び第２のドライバ回路で指定された画素に対応する画素電極４３に、変調パターンに応じた所定電圧が印加されることになる。

液晶層４６は、各画素電極４３と透明導電膜４８とで形成される電界に応じてレーザ光Ｌを変調する。反射膜４４は、例えば誘電体多層膜からなり、空間光変調器４に入射したレーザ光Ｌを反射する。配向膜４５，４７は、液晶層４６の液晶分子４６ａ群を一定方向に配列させる。配向膜４５，４７は、例えばポリイミド等の高分子材料からなり、各配向膜４５，４７における液晶層４６との接触面には、ラビング処理等が施されている。

以上のように構成された空間光変調器４においては、アクティブ・マトリクス回路によって各画素電極４３に所定電圧が印加されると、各画素電極４３と透明導電膜４８との間に電界が形成される。この電界は、反射膜４４及び液晶層４６のそれぞれに対し、それぞれの厚さに応じた割合で印加される。これにより、液晶層４６に印加された電界の大きさに応じて液晶分子４６ａの配列方向が変化することになる。

このとき、空間光変調器４に入射したレーザ光Ｌは、液晶層４６を通過する際に液晶分子４６ａによって変調され、反射膜４４で反射されて再び液晶層４６を通過する際に液晶分子４６ａによって変調される。そして、液晶層４６で変調されたレーザ光Ｌは、空間光変調器４から出射される。このように、空間光変調器４では、制御部１０から入力された変調パターンに応じて、当該レーザ光Ｌを構成する各光線の位相が調整され、レーザ光Ｌの波面が調整される。

図１に戻り、４ｆ光学系５は、一対のレンズ５ａ，５ｂを有しており、空間光変調器４によって変調されたレーザ光Ｌの波面形状を調整する。４ｆ光学系５においては、空間光変調器４とレンズ５ａとの距離（光路長）がレンズ５ａの焦点距離ｆ１となっており、対物レンズユニット７とレンズ５ｂとの距離（光路長）がレンズ５ｂの焦点距離ｆ２となっている。更に、レンズ５ａとレンズ５ｂとの距離（光路長）がｆ１＋ｆ２となっており、レンズ５ａとレンズ５ｂとが両側テレセントリック光学系となっている。このような４ｆ光学系５によれば、空間光変調器４によって変調されたレーザ光Ｌの波面形状が空間伝播によって変化して収差が増大するのを抑制することができる。

ミラー６は、４ｆ光学系５側から入射したレーザ光Ｌを反射して対物レンズユニット７に入射させる。対物レンズユニット７は、入射したレーザ光Ｌを加工対象物Ｓの所定部に集光させる。対物レンズユニット７は、例えば圧電素子等のアクチュエータ７ａを有している。アクチュエータ７ａは、対物レンズユニット７をその光軸に沿って往復動させることができる。

載置台８は、加工対象物Ｓを支持すると共に、対物レンズユニット７に対して移動可能となっている。載置台８は、加工対象物Ｓを支持した状態で対物レンズユニット７に対して移動することにより、加工対象物Ｓに対してレーザ光Ｌの集光点Ｐを移動させる。なお、アクチュエータ７ａは、加工対象物Ｓの表面で反射された測定用レーザ光の反射光の検出値に基づいて、加工対象物Ｓの表面のうねり等に沿うように対物レンズユニット７をその光軸に沿って往復動させることができる。

検出部９は、レーザ光Ｌを加工対象物Ｓに照射した際に形成された改質領域Ｒの状態を検出する。検出部９は、例えば改質領域Ｒで発生するプラズマの発光量を検出することにより、レーザ光Ｌを加工対象物Ｓに照射した際に改質領域Ｒから加工対象物Ｓに発生した亀裂の長さの状態を検出する。

制御部１０は、レーザ加工装置１の全体を制御する。例えば、制御部１０は、レーザ光源２から出射されるレーザ光Ｌの出力及びパルス幅等が所定値となるように、レーザ光源２を制御する。また、制御部１０は、検出部９から入力された検出値に基づいて変調パターンを生成し、当該変調パターンを空間光変調器４に入力する。更に、制御部１０は、載置台８及びアクチュエータ７ａの動作を制御する。

以上のように構成されたレーザ加工装置１においては、空間光変調器４、４ｆ光学系５、ミラー６及び対物レンズユニット７によって光学系１１が構成されている。光学系１１は、図３に示されるように、レーザ光Ｌのうち、その光軸ＯＡを含む中央成分（レーザ光のＮＡの小さい成分すなわち低ＮＡ成分）である中央部Ｌａをカットし、当該中央部Ｌａを囲む周辺成分（レーザ光のＮＡの大きい成分すなわち高ＮＡ成分）、すなわち環状成分である環状部Ｌｂを加工対象物Ｓの所定部に集光させる。レーザ加工装置１では、レーザ光Ｌの中央部Ｌａのカットは、空間光変調器４によるレーザ光Ｌの変調によって実現され、レーザ光Ｌの環状部Ｌｂの集光は、対物レンズユニット７によるレーザ光Ｌの集光によって実現される。なお、ここでは、中央部Ｌａは、光軸ＯＡを中心線とする円形状を有しており、環状部Ｌｂは、光軸ＯＡを中心線とする円環形状を有している。

また、光学系１１は、加工対象物Ｓにおける所定部の位置（すなわち、加工対象物Ｓにおいてレーザ光Ｌの集光点Ｐが合わせられる位置）、及びレーザ光Ｌを加工対象物Ｓに照射した際に形成される予定の改質領域Ｒの状態に応じて、環状部Ｌｂの内縁及び外縁の少なくとも一方の形状を調整する。

具体的には、図４の（ａ）に示されるように、加工対象物Ｓにおける所定部の位置とは、加工深さ（すなわち、加工対象物Ｓにレーザ光が入射する表面Ｓ１から当該所定部までの距離）Ｚ_ｍ（ｍ＝１，２，３・・・）である。また、改質領域Ｒの状態とは、レーザ光Ｌを加工対象物Ｓに照射した際に改質領域Ｒから加工対象物Ｓの表面Ｓ１に垂直な方向に発生する亀裂の長さＸ_ｍ（ｍ＝１，２，３・・・）である。光学系１１は、改質領域Ｒを形成すべき所定部が加工対象物Ｓの内部に位置する場合には、加工深さＺ_ｍ及び亀裂の長さＸ_ｍに応じて、環状部Ｌｂの内径ＩＤ_ｍ（ｍ＝１，２，３・・・）及び外径ＯＤ_ｍ（ｍ＝１，２，３・・・）の少なくとも一方を調整することにより、環状部Ｌｂの内縁及び外縁の少なくとも一方の形状を調整する。レーザ加工装置１では、環状部Ｌｂの内径ＩＤ_ｍ及び外径ＯＤ_ｍの少なくとも一方の調整（すなわち、環状部Ｌｂの内縁及び外縁の少なくとも一方の形状の調整）は、空間光変調器４によるレーザ光Ｌの変調によって実現される。なお、図４の（ｂ）場合には、ＯＤ_１＜ＯＤ_２＝ＯＤ_３、ＩＤ_１＞ＩＤ_２＜ＩＤ_３となっている。

更に、光学系１１は、改質領域Ｒを形成すべき所定部が加工対象物Ｓの内部に位置する場合には、当該所定部で発生する球面収差が抑制されるように、加工対象物Ｓの屈折率ｎ、レーザ光Ｌの波長λ及び加工深さＺ_ｍに応じて、レーザ光Ｌを整形する。レーザ加工装置１では、球面収差を抑制するためのレーザ光Ｌの整形は、空間光変調器４によるレーザ光Ｌの変調によって実現される。なお、対物レンズユニット７によって集光されたレーザ光Ｌが加工対象物Ｓに入射した際に、集光レンズに入射する光の入射高による焦点ずれが生じ、入射光によって集光点位置が異なることにより球面収差が発生することとなる。このとき近軸光線の集光位置からの光軸ＯＡ方向のずれ量が、縦収差表現された球面収差（longitudinal spherical aberration）となり、最外縁光線で最も収差が大きくなる。縦収差表現された球面収差は縦収差（longitudinal aberration）、縦方向収差や縦光線収差（longitudinal ray aberration）、縦方向誤差（longitudinal error）と表現されることもある。

次に、レーザ加工装置１において実施されるレーザ加工方法の一例について説明する。図５に示されるように、制御部１０は、加工対象物Ｓの屈折率ｎ、レーザ光Ｌの波長λ及び加工深さＺ_ｍを取得する（ステップＳ０１〜Ｓ０３）。屈折率ｎ、波長λ及び加工深さＺ_ｍは、予め制御部１０に入力される値であり、加工深さＺ_ｍは、改質領域Ｒを形成すべき所望の加工深さである。続いて、制御部１０は、ステップＳ０１〜Ｓ０３で取得した屈折率ｎ、波長λ及び加工深さＺ_ｍに応じて、収差補正パラメータＡ（ｎ，λ，Ｚ_ｍ）＝Ａ_ｍを確定する（ステップＳ０４）。制御部１０は、図６の（ａ）に示されるように、予めメモリに記憶したデータテーブルを参照して、屈折率ｎ、波長λ及び加工深さＺ_ｍに対応する収差補正パラメータＡ_ｍを読み出すこともできるし、屈折率ｎ、波長λ及び加工深さＺ_ｍに基づいて収差補正パラメータＡ_ｍを算出することもできる。

図５に戻り、続いて、制御部１０は、亀裂の長さＸ_ｍを取得する（ステップＳ０５）。亀裂の長さＸ_ｍは、予め制御部１０に入力される値であり、改質領域Ｒから加工対象物Ｓに発生させるべき所望の亀裂の長さである。続いて、制御部１０は、ステップＳ０４で確定した収差補正パラメータＡ_ｍ、及びステップＳ０５で取得した亀裂の長さＸ_ｍに応じて、変調パターンＰ（Ａ_ｍ，Ｘ_ｍ）＝Ｐ_ｍを確定する（ステップＳ０６）。制御部１０は、図６の（ｂ）に示されるように、予めメモリに記憶したデータテーブルを参照して、収差補正パラメータＡ_ｍ及び亀裂の長さＸ_ｍに対応する変調パターンＰ_ｍを読み出すこともできるし、収差補正パラメータＡ_ｍ及び亀裂の長さＸ_ｍに基づいて変調パターンＰ_ｍを算出することもできる。変調パターンＰ（Ａ_ｍ，Ｘ_ｍ）は、レーザ光Ｌの環状部Ｌｂの内径ＩＤ_ｍ及び外径ＯＤ_ｍの少なくとも一方を調整することができ、かつ改質領域Ｒを形成すべき所定部で発生する球面収差を抑制することができる変調パターンである。

図５に戻り、続いて、制御部１０は、レーザ加工を開始させる（ステップＳ０７）。具体的には、制御部１０は、ステップＳ０６で確定した変調パターンＰ_ｍを空間光変調器４に入力し、レーザ光源２から所定の条件でレーザ光Ｌを出射させる。その一方で、制御部１０は、載置台８及びアクチュエータ７ａを動作させて、加工対象物Ｓの所定部にレーザ光Ｌの集光点Ｐが合わせられるようにする。これにより、空間光変調器４によって変調されたレーザ光Ｌの環状部Ｌｂが、対物レンズユニット７によって加工対象物Ｓの所定部に球面収差が抑制された状態で集光されることになる。

続いて、制御部１０は、載置台８及びアクチュエータ７ａを動作させて、加工対象物Ｓにおけるレーザ光Ｌの集光点Ｐの位置を所望のラインに沿って移動させつつ、加工深さＺ_ｍが変更されるか否かを判断する（ステップＳ０８）。その結果、加工深さＺ_ｍが変更される場合には、制御部１０は、ステップＳ０３に戻り、以降、同様の処理を行う。一方、ステップＳ０８の判断の結果、加工深さＺ_ｍが変更されない場合には、制御部１０は、亀裂の長さＸ_ｍが変更されるか否かを判断する（ステップＳ０９）。その結果、亀裂の長さＸ_ｍが変更される場合には、制御部１０は、ステップＳ０５に戻り、以降、同様の処理を行う。ステップＳ０９の判断の結果、亀裂の長さＸ_ｍが変更されない場合には、制御部１０は、レーザ加工を終了させる。

次に、レーザ加工装置１において実施されるレーザ加工方法の別の例について説明する。図７に示されるように、制御部１０は、加工深さＺ_ｍ及び亀裂の長さＸ_ｍを取得する（ステップＳ１１及びＳ１２）。加工深さＺ_ｍ及び亀裂の長さＸ_ｍは、予め制御部１０に入力される値であり、それぞれ、改質領域Ｒを形成すべき所望の加工深さ、及び改質領域Ｒから加工対象物Ｓに発生させるべき所望の亀裂の長さである。続いて、制御部１０は、ステップＳ１１及びＳ１２で取得した加工深さＺ_ｍ及び亀裂の長さＸ_ｍに応じて、変調パターンＰ（Ｚ_ｍ，Ｘ_ｍ）＝Ｐ_ｍを確定する（ステップＳ１３）。制御部１０は、図８に示されるように、予めメモリに記憶したデータテーブルを参照して、加工深さＺ_ｍ及び亀裂の長さＸ_ｍに対応する変調パターンＰ_ｍを読み出すこともできるし、加工深さＺ_ｍ及び亀裂の長さＸ_ｍに基づいて変調パターンＰ_ｍを算出することもできる。変調パターンＰ（Ｚ_ｍ，Ｘ_ｍ）は、レーザ光Ｌの環状部Ｌｂの内径ＩＤ_ｍ及び外径ＯＤ_ｍの少なくとも一方を調整することができる変調パターンである。

図７に戻り、続いて、制御部１０は、レーザ加工を開始させる（ステップＳ１４）。具体的には、制御部１０は、ステップＳ１３で確定した変調パターンＰ_ｍを空間光変調器４に入力し、レーザ光源２から所定の条件でレーザ光Ｌを出射させる。その一方で、制御部１０は、載置台８及びアクチュエータ７ａを動作させて、加工対象物Ｓの所定部にレーザ光Ｌの集光点Ｐが合わせられるようにする。これにより、空間光変調器４によって変調されたレーザ光Ｌの環状部Ｌｂが、対物レンズユニット７によって加工対象物Ｓの所定部に集光されることになる。

続いて、制御部１０は、載置台８及びアクチュエータ７ａを動作させて、加工対象物Ｓにおけるレーザ光Ｌの集光点Ｐの位置を所望のラインに沿って移動させつつ、加工深さＺ_ｍが変更されるか否かを判断する（ステップＳ１５）。その結果、加工深さＺ_ｍが変更される場合には、制御部１０は、ステップＳ１１に戻り、以降、同様の処理を行う。一方、ステップＳ１５の判断の結果、加工深さＺ_ｍが変更されない場合には、制御部１０は、亀裂の長さＸ_ｍが変更されるか否かを判断する（ステップＳ１６）。その結果、亀裂の長さＸ_ｍが変更される場合には、制御部１０は、ステップＳ１２に戻り、以降、同様の処理を行う。ステップＳ１６の判断の結果、亀裂の長さＸ_ｍが変更されない場合には、制御部１０は、レーザ加工を終了させる。

なお、上述したレーザ加工方法の一例又は別の例において、制御部１０は、次のような処理を行うこともできる。すなわち、制御部１０は、検出部９から入力された検出値に基づいて、レーザ光Ｌを加工対象物Ｓに照射した際に改質領域Ｒから加工対象物Ｓに発生した亀裂の長さの状態を取得する。そして、制御部１０は、当該亀裂の長さが所望の亀裂の長さから外れていた場合には、当該亀裂の長さが所望の亀裂の長さとなるように変調パターンＰ_ｍを補正し、補正した変調パターンＰ_ｍを空間光変調器４に入力する。このように空間光変調器４をフィードバック制御することで、形成中又は形成済みの改質領域Ｒから発生した亀裂の長さが何らかの原因によって所望の亀裂の長さから外れた場合に、レーザ光Ｌの環状部Ｌｂの内径ＩＤ_ｍ及び外径ＯＤ_ｍの少なくとも一方を直ちに調整することができる。

次に、上述したレーザ加工方法の一例又は別の例を用いて、インターポーザ基板に三次元的にビアを形成する場合について説明する。図９に示されるように、加工対象物Ｓとして、インターポーザ基板となる例えば厚さ３００μｍ程度のシリコン基板を準備する。続いて、当該加工対象物Ｓに対し、三次元的にビアを形成するためのラインＳＬを例えば５０μｍ程度のピッチで複数設定する。続いて、レーザ加工装置１は、上述したレーザ加工方法の一例又は別の例の手順で、レーザ光Ｌの集光点Ｐを各ラインＳＬに沿って移動させることにより、所望の加工深さにおいて所望の亀裂の長さを有する改質領域Ｒを各ラインＳＬに沿って形成する。

このとき、レーザ光Ｌの１パルスのショット（つまり１パルスのレーザ照射：レーザショット）で微細な改質領域Ｒが形成され、この微細な改質領域Ｒが各ラインＳＬに沿って形成されることになる。微細な改質領域Ｒは、各ラインＳＬ上において、連続的に形成される場合もあるし、断続的に形成される場合もある。ただし、断続的に形成される場合であっても、微細な改質領域Ｒから発生した亀裂同士は連続している場合がある。

このように各ラインＳＬに沿って改質領域Ｒが形成された加工対象物Ｓに対し、ＫＯＨ等を用いて異方性エッチング処理を施す。これにより、改質領域Ｒが選択的にエッチングされ、各ラインＳＬに沿って空洞が形成される。続いて、各ラインＳＬに沿って形成された空洞に、真空圧縮等により導体を埋め込む。これにより、三次元的にビアを形成されたインターポーザ基板が形成される。

以上説明したように、レーザ加工装置１では、レーザ光Ｌの環状部Ｌｂを加工対象物Ｓの所定部に集光させる。このようにレーザ光Ｌの環状部Ｌｂを加工対象物Ｓの所定部に集光させると、レーザ光Ｌの中央部Ｌａ及び環状部Ｌｂを加工対象物Ｓの所定部に集光させる場合に比べ、加工対象物Ｓの所定部に微細な改質領域Ｒを精度良く形成することができる。しかも、その際に、加工対象物Ｓにおける所定部の位置に応じて、レーザ光Ｌの環状部Ｌｂの内径及び外径の少なくとも一方を調整するので、加工対象物Ｓの所定部に微細な改質領域Ｒを効率良く形成することができる。よって、レーザ加工装置１によれば、微細な改質領域Ｒを精度良くかつ効率良く形成することが可能となる。

このようなレーザ加工装置１は、例えばレーザ光Ｌの１パルスのショットで形成される改質領域Ｒの大きさが数μｍ〜１０μｍ程度というように、改質領域Ｒの微細化が求められる場合に特に有効となる。なお、改質領域Ｒの微細化が求められる場合には、上述したようなインターポーザ基板に三次元的にビアを形成する場合の他、例えば厚さ２０μｍ〜３０μｍ程度のシリコンからなる薄物の半導体ウェハを改質領域Ｒを起点として切断する場合、及び例えばシリコンからなる半導体基板にゲッタリング領域を形成する場合等がある。

また、レーザ加工装置１では、レーザ光Ｌの環状部Ｌｂが円環形状を有し、光学系１１が、加工対象物Ｓにおける所定部の位置に応じて、レーザ光Ｌの環状部Ｌｂの内径及び外径の少なくとも一方を調整する。これにより、レーザ光Ｌの環状部Ｌｂの内縁及び外縁の形状を正確にかつ容易に調整することができる。

また、レーザ加工装置１では、光学系１１が、加工深さ（加工対象物Ｓにレーザ光Ｌが入射する表面Ｓ１から所定部までの距離）Ｚ_ｍに応じて、レーザ光Ｌの環状部Ｌｂの内径及び外径の少なくとも一方を調整する。これにより、加工深さＺ_ｍに応じて、当該所定部に改質領域Ｒを所望の状態（改質領域Ｒ自体の大きさの状態、及び改質領域Ｒから加工対象物Ｓに発生する亀裂の長さの状態等を含む）で形成することができる。

また、レーザ加工装置１では、光学系１１が、レーザ光Ｌを加工対象物Ｓに照射した際に形成される予定の改質領域Ｒの状態に応じて、レーザ光Ｌの環状部Ｌｂの内径及び外径の少なくとも一方を調整する。これにより、形成予定の改質領域Ｒの状態を所望の状態とするために、レーザ光Ｌの環状部Ｌｂの内径及び外径の少なくとも一方を予め調整することができる。

また、レーザ加工装置１では、光学系１１が、加工対象物Ｓの所定部で発生する球面収差が抑制されるように、加工対象物Ｓの屈折率、レーザ光Ｌの波長及び加工深さＺ_ｍに応じて、レーザ光Ｌを整形する。これにより、加工対象物Ｓの所定部で発生する球面収差が抑制されるので、加工対象物Ｓの所定部に、より微細な改質領域Ｒを形成することができる。

また、レーザ加工装置１では、光学系１１が、レーザ光Ｌを変調する空間光変調器４と、空間光変調器４によって変調されたレーザ光Ｌを加工対象物Ｓの所定部に集光させる対物レンズユニット７と、を有している。このようにレーザ光Ｌの変調に空間光変調器４を用いることで、レーザ光Ｌの環状部Ｌｂの内径及び外径の少なくとも一方を動的にかつ瞬時に調整することができる。なお、レーザ光Ｌの中央成分を無作為に拡散させる変調パターン、及びレーザ光Ｌの中央成分をグレーティングで分岐して拡散させる変調パターン等を空間光変調器４に入力させることで、中央部Ｌａを除いて、環状部Ｌｂのみを集光せることができる。

次に、本発明の効果を確認するための実験について説明する。まず、厚さ３００μｍのシリコンウェハを準備し、加工深さ（シリコンウェハにおいてレーザ光が入射する表面からの距離）１００μｍの位置に、シリコンウェハの表面に平行に延在するラインを設定した。そして、波長１０８０ｎｍのレーザ光をパルス幅１５０ｎｓ発振で出射し、シリコンウェハに設定したラインに沿ってレーザ光の集光点を移動させることにより、当該ラインに沿って改質領域を形成した。続いて、シリコンウェハに設定したラインと直交するようにシリコンウェハを切断し、当該シリコンウェハに対し、ＫＯＨを用いて異方性エッチング処理を２分間施した。そして、改質領域が選択的にエッチングされることによりシリコンウェハの切断面に形成された空洞における亀裂の長さを測定した。

上記実験では、レーザ光の中央成分（低ＮＡ成分）のカット率を複数設定し、更に、中央成分のカット率ごとにレーザ光の出力を複数設定することにより、中央成分のカット率と出力との組合せごとに、シリコンウェハに対するレーザ光の照射を行った。なお、いずれの組合せにおいても球面収差の補正は行った。その場合におけるレーザ光の出力と亀裂の長さとの関係を図１０に示す。ここで、中央成分のカット率とは、レーザ光において円環形状の環状部の外径を固定とし、当該環状部の内径を変化させた場合における「所定断面でのレーザ光の環状部の面積に対するレーザ光の中央部の面積の割合」である。したがって、例えば中央成分のカット率が０％の場合は、所定断面でのレーザ光の中央部の面積が０の場合であるから、所定断面での形状が円形状のレーザ光を照射した場合である。

図１０に示された実験結果から、中央成分のカット率が大きくなるほど、亀裂の長さが小さくなる傾向があることが分かった。図１１は、中央成分のカット率０％、出力０．０７Ｗで、シリコンウェハに対するレーザ光の照射を行った場合、及び、中央成分のカット率５０％、出力０．３１Ｗで、シリコンウェハに対するレーザ光の照射を行った場合のそれぞれの場合における亀裂の状態を示す画像である。図１１に示された実験結果から、球面収差を補正しただけでは亀裂の長さを１０μｍ以下に小さくすることが困難であるものの、球面収差の補正に加え中央成分をカットすれば亀裂の長さを５μｍ以下に小さくすることが可能であることが分かった。

次に、レーザ光の出力を０．３２Ｗで一定とした場合における中央成分のカット率と亀裂の長さとの関係を図１２に示す。図１２に示された実験結果から、中央成分のカット率が大きくなるほど、亀裂の長さが小さくなる傾向があることが分かった。更に、亀裂の長さが１２μｍとなったときのレーザ光の出力と亀裂の長さが１６μｍとなったときのレーザ光の出力との差を出力調整幅とし、その場合における中央成分のカット率とレーザ光の出力調整幅との関係を図１３に示す。図１３に示された実験結果から、中央成分のカット率が大きくなるほど、出力調整幅が大きくなる傾向があることが分かった。これは、中央成分のカット率が大きくなるほど、レーザ光の出力の変化に対する亀裂の長さの変化が小さくなることを意味する。したがって、中央成分のカット率が大きくなるほど、亀裂の長さを微調整する際にレーザ光の出力を大きく調整することができる（加工マージンが大きくなる）。つまり、中央成分のカット率を制御することにより、亀裂の長さを調節することができ、かつ亀裂の長さを調節するマージンが大きくなる（正確な加工条件の選択の幅が大きくなる）。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、空間光変調器４は、ＬＣＯＳ−ＳＬＭに限定されず、ＭＥＭＳ−ＳＬＭ又はＤＭＤ(デフォーマブルミラーデバイス)等であってもよい。また、空間光変調器４は、反射型に限定されず、透過型であってもよい。更に、空間光変調器４としては、液晶セルタイプ又はＬＣＤタイプ等が挙げられる。

また、上記実施形態では、レーザ光Ｌの環状部Ｌｂの外径及び内径の少なくとも一方が空間光変調器４によって調整されたが、レーザ光Ｌの環状部Ｌｂの外径及び内径の少なくとも一方は、次のような光学系によって調整されてもよい。

すなわち、図１４に示されるように、可変アパーチャ１２によって、環状部Ｌｂの外径が調整され、回転式アパーチャ１３に取り付けられた複数のアパーチャ１４（それぞれ開口径が異なる）によって、環状部Ｌｂの内径が調整されてもよい。また、図１５に示されるように、少なくとも一方が光軸ＯＡに沿って移動する一対のアキシコンレンズ１５ａ，１５ｂによって、環状部Ｌｂの内径が調整されてもよい。また、図１６に示されるように、少なくとも一方が光軸ＯＡに沿って移動する一対の凹型円錐反射鏡１６ａ，１６ｂ及び一対の凸型円錐反射鏡１７ａ，１７ｂによって、環状部Ｌｂの内径が調整されてもよい。更に、図１７に示されるように、可変アパーチャ１８によって、環状部Ｌｂの外径が調整され、外径可変羽群１９によって、環状部Ｌｂの内径が調整されてもよい。

また、上記実施形態では、加工対象物Ｓの所定部で発生する球面収差が抑制されるように、レーザ光Ｌが空間光変調器４によって変調されたが、当該球面収差は、補正管レンズ又は特殊光学系等によって補正されてもよい。

また、レーザ光Ｌの環状部Ｌｂの形状は、完全な円環形状に限定されず、例えば内縁及び外縁が楕円形状の環形状等であってもよい。その場合にも、光学系１１は、加工対象物Ｓにおける所定部の位置に応じて、環状部Ｌｂの内縁及び外縁の少なくとも一方の形状を調整する。

また、図１８に示されるように、レーザ光Ｌの中央部Ｌａとレーザ光Ｌの環状部Ｌｂとを加工対象物Ｓにおける異なる位置に同時に集光させてもよい。例えば、改質領域Ｒを起点として板状の加工対象物Ｓを切断する場合に、加工対象物Ｓの厚さ方向における中央部にレーザ光Ｌの中央部Ｌａを集光させることにより、比較的大きな改質領域Ｒ１、及び当該改質領域Ｒ１から加工対象物Ｓの厚さ方向に伸展する亀裂Ｆ１を形成する。その一方で、加工対象物Ｓの表面近傍部又は裏面近傍部にレーザ光Ｌの環状部Ｌｂを集光させることにより、比較的小さな改質領域Ｒ２、及び当該改質領域Ｒ２から加工対象物Ｓの厚さ方向に伸展する亀裂Ｆ２を形成する。このように加工対象物Ｓの切断予定ラインに沿って加工対象物Ｓの厚さ方向に並ぶように複数列の改質領域Ｒ１，Ｒ２を形成することで、加工対象物Ｓを切断予定ラインに沿って容易にかつ精度良く切断することができる。しかも、加工対象物Ｓの表面近傍部又は裏面近傍部に微細な改質領域Ｒ２及び亀裂Ｆ２を形成することで、加工対象物Ｓの表面近傍部又は裏面近傍部に形成された機能素子層を切断予定ラインに沿って精度良く切断することができる。

１…レーザ加工装置、２…レーザ光源、４…空間光変調器、７…対物レンズユニット（集光光学系）、８…載置台（支持部）、９…検出部、１１…光学系。

Claims (9)

1. レーザ光を加工対象物に照射することにより、前記加工対象物に改質領域を形成するレーザ加工装置であって、
   前記レーザ光を出射するレーザ光源と、
   前記加工対象物を支持する支持部と、
   前記レーザ光源から出射された前記レーザ光のうち、当該レーザ光の光軸を含む中央部を囲む環状部を、前記支持部に支持された前記加工対象物の所定部に集光させる光学系と、を備え、
   前記光学系は、前記加工対象物における前記所定部の位置に応じて、前記環状部の内縁及び外縁の少なくとも一方の形状を調整する、レーザ加工装置。
2. 前記環状部は、円環形状を有し、
   前記光学系は、前記加工対象物における前記所定部の前記位置に応じて、前記環状部の内径及び外径の少なくとも一方を調整する、請求項１記載のレーザ加工装置。
3. 前記光学系は、前記所定部が前記加工対象物の内部に位置する場合には、前記加工対象物に前記レーザ光が入射する表面から前記所定部までの距離に応じて、前記環状部の前記内縁及び前記外縁の少なくとも一方の前記形状を調整する、請求項１又は２記載のレーザ加工装置。
4. 前記光学系は、前記レーザ光を前記加工対象物に照射した際に形成される予定の前記改質領域の状態に応じて、前記環状部の前記内縁及び前記外縁の少なくとも一方の前記形状を調整する、請求項１〜３のいずれか一項記載のレーザ加工装置。
5. 前記レーザ光を前記加工対象物に照射した際に形成された前記改質領域の状態を検出する検出部を更に備え、
   前記光学系は、前記検出部によって検出された前記改質領域の前記状態に応じて、前記環状部の前記内縁及び前記外縁の少なくとも一方の前記形状を調整する、請求項１〜４のいずれか一項記載のレーザ加工装置。
6. 前記改質領域の前記状態は、前記レーザ光を前記加工対象物に照射した際に前記改質領域から前記加工対象物に発生する亀裂の長さの状態を含む、請求項４又は５記載のレーザ加工装置。
7. 前記光学系は、前記所定部が前記加工対象物の内部に位置する場合には、前記所定部で発生する球面収差が抑制されるように、前記加工対象物の屈折率、前記レーザ光の波長、及び、前記加工対象物に前記レーザ光が入射する表面から前記所定部までの距離に応じて、前記レーザ光を整形する、請求項１〜６のいずれか一項記載のレーザ加工装置。
8. 前記光学系は、
   前記環状部の前記内縁及び前記外縁の少なくとも一方の前記形状が調整されるように、前記レーザ光を変調する空間光変調器と、
   前記空間光変調器によって変調された前記レーザ光を前記所定部に集光させる集光光学系と、を有する、請求項１〜７のいずれか一項記載のレーザ加工装置。
9. レーザ光を加工対象物に照射することにより、前記加工対象物に改質領域を形成するレーザ加工方法であって、
   前記レーザ光のうち、当該レーザ光の光軸を含む中央部を囲む環状部を、前記加工対象物の所定部に集光させ、その際に、前記加工対象物における前記所定部の位置に応じて、前記環状部の内縁及び外縁の少なくとも一方の形状を調整する、レーザ加工方法。