JP2015062943A - レーザ加工装置、レーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ加工装置において、十分な出力のもとで被加工物に２つの集光点を形成してレーザ加工を施す。
【解決手段】本発明に係るレーザ加工装置は、第一の波長の第一レーザビームＬＢ１を発生させる第一レーザビーム発生手段５０と、第一の波長より長波長の第二の波長の第二レーザビームＬＢ２を発生させる第二レーザビーム発生手段６０とを有し、第一レーザビームＬＢ１と第二レーザビームＬＢ２との屈折率の差による焦点深度の差を利用してそれぞれのレーザビームを異なる集光点１１，１２に集光させるため、複数の集光点１１，１２に十分な出力のレーザビームを集光してレーザ加工を施すことができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、２焦点を形成することができるレーザ加工装置、及びそのレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法に関する。

ウェーハ状の被加工物の内部にレーザビームを集光して改質層を形成した後、被加工物に対して外力を加えることにより被加工物を分割する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、かかる技術を用いて厚い被加工物を分割するには、被加工物の厚み方向に複数の改質層を形成する必要があるため、そのような場合における加工時間を短縮するために、被加工物の内部に複数の集光点を形成した状態でレーザ加工を施すことを可能とするレーザ加工装置も提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特許第３４０８８０５号公報 特開２００５−０２８４３８号公報

しかし、特許文献２に記載されたレーザ加工装置のように、レーザ発生手段から発生されたレーザビームを分岐させて複数の集光点に集光させる形態では、各集光点に集光されるレーザビームの出力は、レーザ発生手段において発生した時点の出力よりも小さくなるため、十分な加工を施せないおそれがある。

本発明は、このような問題にかんがみなされたもので、その目的は、レーザ加工装置において、十分な出力のもとで被加工物に２つの集光点を形成してレーザ加工を施すことを可能とすることにある。

第一の発明は、レーザ加工装置であって、被加工物を保持する保持手段と、保持手段で保持された被加工物に対して透過性を有するレーザビームを照射するレーザビーム照射機構と、を備え、レーザビーム照射機構は、第一の波長の第一レーザビームを発生させる第一レーザビーム発生手段と、第一の波長より長波長の第二の波長の第二レーザビームを発生させる第二レーザビーム発生手段と、第一レーザビームと第二レーザビームとを集光する集光レンズと、を有し、集光レンズは、第一レーザビームと第二レーザビームとの波長の違いによって生じる屈折率の差によって保持手段で保持された被加工物中で異なる集光点に第一レーザビームと第二レーザビームとをそれぞれ集光することを特徴とする。

上記レーザ加工装置においては、第一レーザビーム発生手段と第二レーザビーム発生手段とは、第一レーザビームと第二レーザビームとを発生させる多波長レーザビーム発生手段により構成することができる。

第二の発明は、上記レーザ加工装置を用いて被加工物にレーザ加工を施すレーザ加工方法であって、保持手段で被加工物を保持する保持ステップと、第一レーザビームを集光レンズで集光した第一集光点を保持手段で保持された被加工物の内部に位置付けた状態で被加工物に第一レーザビームを照射して第一改質領域を形成する第一改質領域形成ステップと、第二レーザビームを集光レンズで集光した第二集光点を保持手段で保持された被加工物の内部であって第一集光点よりも集光レンズから離反する位置に位置付けた状態で被加工物に第二レーザビームを照射して第二改質領域を形成する第二改質領域形成ステップと、を備える。

上記レーザ加工方法において、被加工物には複数の加工予定ラインが設定され、加工予定ラインに対して第一改質領域形成ステップと第二改質領域形成ステップとを交互に複数回実施することで、加工予定ラインに沿って第一改質領域と第二改質領域とを形成することが望ましい。

本発明に係るレーザ加工装置は、第一の波長の第一レーザビームを発生させる第一レーザビーム発生手段と、第一の波長より長波長の第二の波長の第二レーザビームを発生させる第二レーザビーム発生手段とを有し、第一レーザビームと第二レーザビームとの屈折率の差による焦点深度の差を利用してそれぞれのレーザビームを異なる集光点に集光させるため、複数の集光点に十分な出力のレーザビームを集光してレーザ加工を施すことができる。

また、第一レーザビーム発生手段と第二レーザビーム発生手段とが多波長レーザビーム発生手段からなることで、よりコンパクトに装置を構成できる。

本発明に係るレーザ加工方法は、第一集光点を被加工物の内部に位置付けた状態で被加工物に第一レーザビームを照射して第一改質領域を形成する第一改質領域形成ステップと、第二集光点を被加工物の内部であって第一集光点よりも集光レンズから離反する位置に位置付けた状態で被加工物に第二レーザビームを照射して第二改質領域を形成する第二改質領域形成ステップとから構成されるため、厚い被加工物の異なる集光点に十分な出力を有するレーザビームを集光して複数の改質領域を形成することができる。

また、第一改質領域形成ステップと第二改質領域形成ステップとを交互に実施することで、レーザビームの照射によって被加工物が加熱された後、冷却されてから次のレーザビームが照射されるよう制御することができ、被加工物が熱ダメージを受けるのを防止することができる。

レーザ加工装置を示す斜視図。 レーザ照射機構の第一例を示す断面図。 第一レーザビーム発生手段及び第二レーザビーム発生手段の構成を示すブロック図。 第一レーザビーム及び第二レーザビームの第一例を示す波形図。 第一レーザビーム及び第二レーザビームの第二例を示す波形図。 レーザ照射機構の第一例を示す断面図。 多波長ビーム発生手段の構成を示す断面図。

図１に示すレーザ加工装置１は、保持手段１０に保持された被加工物に対してレーザビーム照射機構４０がレーザビームを照射してレーザ加工を施す装置である。レーザビーム照射機構４０には、被加工物を撮像してレーザビームを照射すべき位置を検出する検出手段４５を備えている。

保持手段１０は、被加工物を保持して回転可能となっている。また、保持手段１０は、Ｘ軸方向送り手段２０によって駆動されてＸ軸方向に移動可能となっているとともに、Ｙ軸方向送り手段３０によって駆動されてＹ軸方向に移動可能となっている。

Ｘ軸方向送り手段２０は、Ｘ軸方向にのびるボールネジ２１と、ボールネジ２１の一端に接続されたモータ２２と、ボールネジ２１と平行にのびる一対のガイドレール２３と、図示しない内部のナットがボールネジ２１に螺合するとともに下部がガイドレール２３に摺接する移動基台２４とを備えており、モータ２２によって駆動されてボールネジ２１が回動することにより、移動基台２４がガイドレール２３にガイドされてＸ軸方向に移動し、保持手段１０及びＹ軸方向送り手段３０をＸ軸方向に移動させることができる。

Ｙ軸方向送り手段３０は、Ｙ軸方向にのびるボールネジ３１と、ボールネジ３１の一端に接続されたモータ３２と、ボールネジ３１と平行に配設された一対のガイドレール３３と、図示しない内部のナットがボールネジ３１に螺合するとともに下部がガイドレール３３に摺接する移動基台３４とを備えており、モータ３２によって駆動されてボールネジ３１が回動することにより、移動基台３４がガイドレール３３にガイドされてＹ軸方向に移動し、移動基台３４の上に配設された保持手段１０をＹ軸方向に移動させることができる。

レーザビーム照射機構４０は、保持手段１０に保持された被加工物に対して透過性を有するレーザビームを照射するもので、図２に示すように、第一の波長（例えば１０６４ｎｍ）の第一レーザビームを発生させる第一レーザビーム発生手段５０と、第一の波長より長波長の第二の波長（例えば１３００ｎｍ）の第二レーザビームを発生させる第二レーザビーム発生手段６０とを備えている。なお、第一の波長及び第二の波長は、上記例には限定されず、被加工物に応じて適宜設定する。

レーザビーム照射機構４０には、第一反射ミラー４１と、第二反射ミラー４２と、ハーフミラー４３とを備えている。また、保持テーブル１０に保持された被加工物Ｗの上面Ｗ１に対向する位置には、集光レンズ４４が配設されている。第一レーザビーム発生手段５０において発生する第一レーザビームＬＢ１は、ハーフミラー４３を透過し、第二反射ミラー４２において正反射して集光レンズ４４に導かれる。一方、第二レーザビーム発生手段６０において発生する第二レーザビームＬＢ２は、第一反射ミラー４１、ハーフミラー４３及び第二反射ミラー４３においてそれぞれ正反射して集光レンズ４４に導かれる。集光レンズ４４においては、第一レーザビームＬＢ１及び第二レーザビームＬＢ２をそれぞれ集光する。

図３に示すように、第一レーザビーム発生手段５０は、第一の波長の第一レーザビームＬＢ１を発振する第一レーザ発振器５１と、第一レーザビームＬＢ１の繰り返し周波数を設定する繰り返し周波数設定手段５２と、第一レーザビームＬＢ１のパルス幅を設定するパルス幅調整手段５３と、第一レーザビームＬＢ１の出力を調整するパワー調整手段５４とを備えている。一方、第二レーザビーム発生手段６０は、第一の波長よりも長波長の第二の波長の第二レーザビームＬＢ２を発振する第二レーザ発振器６１と、第二レーザビームＬＢ２の繰り返し周波数を設定する繰り返し周波数設定手段６２と、第二レーザビームＬＢ２のパルス幅を設定するパルス幅調整手段６３と、第二レーザビームＬＢ２の出力を調整するパワー調整手段６４とを備えている。

次に、図１−図３に示したレーザ加工装置１を用い、保持手段１０に保持された被加工物Ｗの内部に改質領域を形成する加工を行う方法について、工程順に説明する。

（１）保持ステップ
最初に、図１に示すように、レーザビームを入射させる方の面である裏面Ｗ１を上方に露出させた状態で、加工しようとする被加工物Ｗの表面Ｗ２側を保持手段１０において保持する。被加工物Ｗの表面Ｗ１には、縦横に加工予定ラインＬが設定されている。

（２）第一改質領域形成ステップ
次に、図１に示したＸ軸方向送り手段２０及びＹ軸方向送り手段３０によって保持手段１０をＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させることにより、図１に示した検出手段４５の下方に被加工物Ｗを位置付け、レーザビームを照射すべき位置をＩＲカメラを有した検出手段４５が検出する。

第一レーザビーム発生手段５０においては、繰り返し周波数設定手段５２及びパルス幅調整手段５３によってレーザビームＬＢ１の繰り返し周波数及びパルス幅がそれぞれ所定の値に設定される。そして、図２に示したように、保持手段１０をＸ軸方向に移動させながら、所定の繰り返し周波数及びパルス幅を有するとともに１０６４ｎｍの波長を有する第一レーザビームＬＢ１が集光レンズ４４によって第一集光点１１に集光されて被加工物Ｗの内部に照射され、第一改質領域１１１が形成される。

（３）第二改質領域形成ステップ
検出手段４５によってレーザビームを照射すべき位置が検出された後、上記第一改質領域形成ステップと同様に、第二レーザビームＬＢ２を被加工物Ｗに対して照射する。すなわち、第二レーザビーム発生手段６０において、繰り返し周波数設定手段６２及びパルス幅調整手段６３によってレーザビームＬＢ２の繰り返し周波数及びパルス幅がそれぞれ所定の値に設定され、図２に示したように、保持手段１０をＸ軸方向に移動させながら、所定の繰り返し周波数及びパルス幅を有するとともに１３００ｎｍの波長を有する第二レーザビームＬＢ２が集光レンズ４４によって第二集光点１２に集光されて被加工物Ｗの内部に照射され、第二改質領域１２１が形成される。

第二レーザビームＬＢ２は、第一レーザビームＬＢ１と同一の集光レンズ４４によって集光されるが、第一レーザビームＬＢ１とは波長が異なるため、集光レンズ４４における屈折率も第一レーザビームＬＢ１とは異なる。したがって、集光レンズ４４は、第一レーザビームＬＢ１と第二レーザビームＬＢ２との波長の違いによって生じる屈折率の差によって、被加工物Ｗ中で厚み方向の位置が異なる集光点に第一レーザビームＬＢ１と第二レーザビームＬＢ２とをそれぞれ集光する。詳しくは、波長が長いほど屈折率が小さいため、第二集光点１２は、第一集光点１１よりも集光レンズ４４から離反する位置となる。このように、第一レーザビームＬＢ１と第二レーザビームＬＢ２との波長の差による焦点深度の差を利用してそれぞれのレーザビームを異なる集光点に集光させるため、複数の集光点に十分な出力のレーザビームを集光してレーザ加工を施すことができる。したがって、厚い被加工物の異なる集光点に十分な出力を有するレーザビームを集光して複数の改質領域を形成することができる。

第一改質領域形成ステップと第二改質領域形成ステップとは、同時に実施することもできるし、交互に実施することもできる。例えば、図４に示すように、レーザビームＬＢ１及びレーザビームＬＢ２の繰り返し周波数を等しくし、かつ、照射タイミングを合わせることにより、第一改質領域形成ステップと第二改質領域形成ステップとを同時に実施することができる。

一方、図５に示すように、第一改質領域形成ステップと第二改質領域形成ステップとを交互に実施する場合は、繰り返し周波数を同一にしつつ、図５に示す時間ｔだけ照射タイミングをずらすと、第一改質領域形成ステップと第二改質領域形成ステップとを交互に並行して実施することができる。時間ｔは、例えば１００〜５００［μｓｅｃ］とする。この時間ｔのずれがあることにより、第一レーザビームＬＢ１の照射により被加工物Ｗが加熱された後に冷却されてから次の第二レーザビームＬＢ２を照射することができるため、被加工物Ｗが熱によるダメージを受けるのを防止することができる。

図２に示したレーザビーム照射機構４０に代えて、図６に示すレーザビーム照射機構４０ａを使用することもできる。このレーザビーム照射機構４０ａは、多波長ビーム発生手段７０と、多波長ビーム発生手段７０において発生したレーザビームを正反射させる反射ミラー４２と、反射ミラー４２で正反射したレーザビームを集光する集光レンズ４４とを備えている。

多波長ビーム発生手段７０は、第一の波長の第一レーザビームを発生させる第一レーザビーム発生手段７１と、第一の波長より長波長の第二の波長の第二レーザビームを発生させる第二レーザビーム発生手段７２とを備え、多波長レーザビームを発生させる機能を有しており、第一レーザビームと第二レーザビームとをタイミングをずらして出射することができる。

図７に示すように、多波長ビーム発生手段７０は、レーザビームを発振する多波長レーザビーム発振器７３と、多波長レーザビーム発振器７３が発振するレーザビームの波長を切り替える波長切り替え手段７４と、多波長レーザビーム発振器７３が発振するレーザビームの繰り返し周波数を設定する繰り返し周波数設定手段７５と、多波長レーザビーム発振器７３が発振するレーザビームのパルス幅を設定するパルス幅調整手段７６と、多波長レーザビーム発振器７３が発振するレーザビームの出力を調整するパワー調整手段７７とを備えている。

多波長ビーム発生手段７０は、例えば図５に示したように、第一レーザビームＬＢ１と第二レーザビームＬＢ２とを交互に被加工物Ｗに照射することにより、第一レーザビームＬＢ１の照射により被加工物Ｗが加熱された後に冷却されてから次の第二レーザビームＬＢ２を照射することができるため、被加工物Ｗが熱によるダメージを受けるのを防止することができる。また、多波長ビーム発生手段７０が第一レーザビーム発生手段７１と第二レーザビーム発生手段７２とを備えることで、よりコンパクトに装置を構成することができる。

１：レーザ加工装置
１０：保持手段
１１：第一集光点 １２：第二集光点
１１１：第一改質領域 １２１：第二改質領域
２０：Ｘ軸方向送り手段
２１：ボールネジ ２２：モータ ２３：ガイドレール ２４：移動基台
３０：Ｙ軸方向送り手段
３１：ボールネジ ３２：モータ ３３：ガイドレール ３４：移動基台
４０：レーザビーム照射機構
４１：第一反射ミラー ４２：第二反射ミラー ４３：ハーフミラー ４４：集光レンズ
４５：検出手段
５０：第一レーザビーム発生手段
５１：第一レーザ発振器 ５２：周波数設定手段 ５３：パルス幅調整手段
５４：パワー調整手段
６０：第二レーザビーム発生手段
６１：第二レーザ発振器 ６２：周波数設定手段 ６３：パルス幅調整手段
６４：パワー調整手段
４０ａ：レーザビーム照射機構
７０：多波長ビーム発生手段
７１：第一レーザビーム発生手段 ７２：第二レーザビーム発生手段
７３：多波長レーザビーム発振器 ７４：波長切り替え手段
７５：繰り返し周波数設定手段 ７６：パルス幅調整手段 ７７：パワー調整手段
ＬＢ１：第一レーザビーム ＬＢ２：第二レーザビーム
Ｗ：被加工物
Ｗ１：表面 Ｌ：加工予定ライン
Ｗ２：裏面

Claims (4)

1. レーザ加工装置であって、
   被加工物を保持する保持手段と、
   該保持手段で保持された被加工物に対して透過性を有するレーザビームを照射するレーザビーム照射機構と、を備え、
   該レーザビーム照射機構は、
   第一の波長の第一レーザビームを発生させる第一レーザビーム発生手段と、
   該第一の波長より長波長の第二の波長の第二レーザビームを発生させる第二レーザビーム発生手段と、
   該第一レーザビームと該第二レーザビームとを集光する集光レンズと、を有し、
   該集光レンズは、該第一レーザビームと該第二レーザビームとの波長の違いによって生じる屈折率の差によって該保持手段で保持された被加工物中で異なる集光点に該第一レーザビームと該第二レーザビームとをそれぞれ集光することを特徴とするレーザ加工装置。
2. 該第一レーザビーム発生手段と該第二レーザビーム発生手段とは、
   該第一レーザビームと該第二レーザビームとを発生させる多波長レーザビーム発生手段からなる、請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 請求項１または２に記載のレーザ加工装置を用いて被加工物にレーザ加工を施すレーザ加工方法であって、
   保持手段で被加工物を保持する保持ステップと、
   該第一レーザビームを該集光レンズで集光した第一集光点を該保持手段で保持された被加工物の内部に位置付けた状態で被加工物に該第一レーザビームを照射して第一改質領域を形成する第一改質領域形成ステップと、
   該第二レーザビームを該集光レンズで集光した第二集光点を該保持手段で保持された被加工物の内部であって該第一集光点よりも該集光レンズから離反する位置に位置付けた状態で被加工物に該第二レーザビームを照射して第二改質領域を形成する第二改質領域形成ステップと、を備えたレーザ加工方法。
4. 被加工物には複数の加工予定ラインが設定され、
   該加工予定ラインに対して該第一改質領域形成ステップと該第二改質領域形成ステップとを交互に複数回実施することで、該加工予定ラインに沿って該第一改質領域と該第二改質領域とを形成する、請求項３に記載のレーザ加工方法。

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