JP2021020242A

JP2021020242A - レーザー加工装置およびレーザー加工方法

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Publication number: JP2021020242A
Application number: JP2019139002A
Authority: JP
Inventors: 晋田畑; Shin Tabata
Original assignee: Disco Abrasive Systems Ltd
Current assignee: Disco Corp
Priority date: 2019-07-29
Filing date: 2019-07-29
Publication date: 2021-02-18
Anticipated expiration: 2039-07-29
Also published as: JP7321022B2

Abstract

【課題】レーザービームを用いて厚みの厚い被加工物であっても高品質なレーザー加工が可能であるレーザー加工装置およびレーザー加工方法を提供すること。【解決手段】レーザー加工装置は、被加工物１００の表面と裏面とを露出して保持する保持手段４と、レーザービーム照射手段８と、を備える。レーザービーム照射手段８は、レーザー発振器８２と、レーザー発振器８２から発振されたレーザービーム８１を二つに分岐するビーム分岐手段８４と、分岐されたレーザービームの一方８１１を表面に集光する第一の集光レンズ８６１と、分岐されたレーザービームの他方８１２を裏面に集光する第二の集光レンズ８６２と、を有し、分岐された各々のレーザービーム８１１、８１２を被加工物１００の表面と裏面との同じ位置に位置付けて略同時に集光照射し、被加工物１００の表面側および裏面側からレーザー加工を施す。【選択図】図３

Description

本発明は、レーザー加工装置およびレーザー加工方法に関する。

半導体デバイスの高集積化を図る実装技術の一つとして、半導体チップの内部を垂直に貫通する貫通電極によって、複数積層させた上下のチップ同士を接続する方法が知られている。貫通電極は、基板に形成した貫通孔の内部に導電材料を埋め込むことで形成される。この貫通孔を形成する方法として、エッチング技術が知られている（特許文献１参照）。

特開２０１１−２２８５３４号公報

ところで、上記のエッチング技術は、加工速度が遅い、またはレジストを用いたリソグラフィ過程が必要であるなどの問題があった。貫通孔形成の代替方法として、レーザービームの照射による孔あけ加工方法が検討されている。しかしながら、レーザー加工においては、レーザービームが照射された面から厚み方向の深い位置に向かうにつれて孔径が小さくなっていく。このため、レーザービームが照射されていない面の孔径が小さくなったり、被加工物の厚みが厚い場合に貫通孔が形成できなかったりする問題があった。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、レーザービームを用いて厚みの厚い被加工物であっても高品質なレーザー加工が可能であるレーザー加工装置およびレーザー加工方法を提供することである。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のレーザー加工装置は、被加工物にレーザービームを照射してレーザー加工を施すレーザー加工装置であって、被加工物の表面と裏面とを露出して保持する保持手段と、レーザービーム照射手段と、を備え、該レーザービーム照射手段は、レーザービームを発振するレーザー発振器と、該レーザー発振器から発振されたレーザービームを二つに分岐するビーム分岐手段と、該ビーム分岐手段により分岐されたレーザービームの一方を表面に集光する第一の集光レンズと、該ビーム分岐手段により分岐されたレーザービームの他方を裏面に集光する第二の集光レンズと、を有し、該ビーム分岐手段により分岐された各々のレーザービームを該被加工物の表面と裏面との同じ位置に位置付けて略同時に集光照射し、該被加工物の表面側および裏面側からレーザー加工を施すことを特徴とする。

該ビーム分岐手段は、第一の偏光ビームスプリッターであり、該被加工物の表面側に照射されるレーザービームと裏面側に照射されるレーザービームとは、偏光成分が異なってもよい。

該レーザー発振器と該ビーム分岐手段との間に１／２波長板が配設され、該ビーム分岐手段で分岐される各々のレーザービームの光量を制御可能としてもよい。

該レーザービーム照射手段は、該第一の偏光ビームスプリッターによって分岐された第一の偏光成分を有する第一のレーザービームの光路に配設され、該第一のレーザービームの偏光成分を透過する第二の偏光ビームスプリッターと、該第一の偏光成分とは異なる第二の偏光成分を有する第二のレーザービームが該第二の偏光ビームスプリッターに入射したときに、該第二のレーザービームが反射される方向に位置付けられたレーザービーム検出ユニットと、をさらに含み、該レーザービーム検出ユニットの検出結果に基づいて該被加工物のレーザー加工が完了したと判断して該レーザービームの照射を停止してもよい。

また、本発明のレーザー加工方法は、板状の被加工物にレーザービームを照射してレーザー加工を施す被加工物のレーザー加工方法であって、被加工物を保持する保持ステップと、レーザー発振器から発振されたレーザービームを分岐するレーザービーム分岐ステップと、該保持ステップおよび該レーザービーム分岐ステップの後、該分岐された各々のレーザービームが該被加工物の表面と裏面との同じ位置に集光するように位置付け、被加工物に対して各々のレーザービームを略同時に集光照射することで被加工物にレーザー加工を施すレーザービーム照射ステップと、を含むことを特徴とする。

被加工物の表面側に照射されるレーザービームと裏面側に照射されるレーザービームとは異なる偏光成分を有してもよい。

被加工物を通過したレーザービームを検出する検出ステップと、該検出ステップの後、検出結果に基づいて該レーザービームの照射を停止する照射停止ステップと、をさらに含んでもよい。

または、被加工物に貫通孔が形成されたときに、該貫通孔を介してレーザービームを照射した面とは反対側の面から抜けてくるレーザービームを検出する検出ステップと、該検出ステップの後、該レーザービームの照射を停止する照射停止ステップと、をさらに含んでもよい。

本願発明は、レーザービームを用いて厚みの厚い被加工物であっても高品質なレーザー加工が可能である。

図１は、実施形態に係るレーザー加工装置の構成例を示す斜視図である。図２は、図１のレーザー加工装置の保持手段の構成例を示す分解図である。図３は、図１に示すレーザービーム照射手段によるレーザー加工の一状態を示す断面模式図である。図４は、実施形態に係るレーザー加工方法の流れを示すフローチャートである。図５は、第一変形例に係るレーザービーム照射手段によるレーザー加工の一状態を示す断面模式図である。図６は、第二変形例に係るレーザービーム照射手段によるレーザー加工の一状態を示す断面模式図である。図７は、図６の後の一状態を示す断面模式図である。図８は、第二変形例に係るレーザー加工方法の流れを示すフローチャートである。

本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成は適宜組み合わせることが可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の種々の省略、置換または変更を行うことができる。

〔実施形態〕
本発明の実施形態に係るレーザー加工装置１およびレーザー加工方法を図面に基づいて説明する。まず、実施形態に係るレーザー加工装置１の構成について説明する。図１は、実施形態に係るレーザー加工装置１の構成例を示す斜視図である。図２は、図１のレーザー加工装置１の保持手段４の構成例を示す分解図である。以下の説明において、Ｘ軸方向は、水平面における一方向である。Ｙ軸方向は、水平面において、Ｘ軸方向に直交する方向である。Ｚ軸方向は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に直交する方向である。

実施形態に係るレーザー加工装置１は、加工対象である被加工物１００に対してレーザービーム８１（図３参照）を照射することにより、被加工物１００に貫通孔を形成する装置である。実施形態では、被加工物１００に孔あけ加工する方法として説明するが、アブレーションによるフルカット加工またはステルスダイシングによる改質層形成加工に適用することも可能である。被加工物１００は、例えば、シリコン、サファイア、ガリウムヒ素などの基板を有する円板状の半導体ウエーハまたは光デバイスウエーハである。被加工物１００は、実施形態において、環状フレーム１１０が貼着されかつ被加工物１００の外径よりも大径なテープ１１１が裏面に貼着される。これにより、被加工物１００は、環状フレーム１１０の開口内に支持される。

レーザー加工装置１は、図１に示すように、静止基台２と、加工送りユニット３と、保持手段４と、割り出し送りユニット５と、集光点位置調整ユニット６と、レーザービーム照射ユニット７と、撮像ユニット９と、を備える。

加工送りユニット３は、静止基台２に対して、保持手段４を加工送り方向であるＸ軸方向に移動させるユニットである。加工送りユニット３は、保持手段４を支持する。加工送りユニット３は、実施形態において、一対のガイドレール３１と、ボールねじ３２と、サーボモータ３３と、Ｘ軸方向移動基台３５と、を有する。一対のガイドレール３１は、静止基台２の上面に設けられる。一対のガイドレール３１は、Ｘ軸方向に延在する。ボールねじ３２は、一対のガイドレール３１と平行に設けられる。ボールねじ３２は、一対のガイドレール３１の間に設けられる。ボールねじ３２は、静止基台２に対して回動可能に支持される。サーボモータ３３は、ボールねじ３２を回転させる。

Ｘ軸方向移動基台３５は、一対のガイドレール３１上に設けられる。Ｘ軸方向移動基台３５の下面には、Ｘ軸方向に延在し、かつ一対のガイドレール３１に嵌合する一対の溝部３６が設けられる。Ｘ軸方向移動基台３５は、溝部３６がガイドレール３１に対してスライドすることにより、一対のガイドレール３１に沿ってＸ軸方向に移動可能である。Ｘ軸方向移動基台３５は、ボールねじ３２に螺合される。Ｘ軸方向移動基台３５は、ボールねじ３２に螺合されたナットなどに固定されてもよい。Ｘ軸方向移動基台３５は、保持手段４を支持する。加工送りユニット３は、サーボモータ３３がボールねじ３２を回転させることによって、保持手段４を支持するＸ軸方向移動基台３５をＸ軸方向に移動させる。

保持手段４は、被加工物１００を保持する。保持手段４は、加工送りユニット３によって、静止基台２に対してＸ軸方向に移動可能である。保持手段４は、支持基台４１と、支持部材４２と、回転筒４３と、サーボモータ４４と、駆動歯車４５と、外周保持部４６と、を有する。

支持基台４１は、下板４１１と、上板４１２と、連結板４１３と、を含む。下板４１１は、Ｘ軸方向移動基台３５に支持される。下板４１１は、実施形態において、水平に設けられる矩形状の板材である。上板４１２は、下板４１１の上方に設けられる。上板４１２は、実施形態において、水平に設けられる矩形状の板材である。上板４１２には、支持部材４２が設けられる円形状の貫通孔が設けられる。連結板４１３は、下板４１１のＹ軸方向の一方の端部と、上板４１２のＹ軸方向の一方の端部とを連結する。一方の端部は、Ｙ軸方向において、レーザービーム照射ユニット７側とは反対側の端部である。連結板４１３は、実施形態において、垂直に設けられる矩形状の板材である。支持基台４１は、他方の端部が開放される。他方の端部は、Ｙ軸方向において、レーザービーム照射ユニット７側の端部である。

支持部材４２は、基部４２１と、支持部４２２と、凸部４２３と、を含む。基部４２１は、環形状に設けられる。基部４２１は、支持基台４１の上板４１２の上面に設けられる。基部４２１は、支持基台４１の上板４１２に設けられた円形状の貫通孔と同心かつ同径の貫通孔を有する。支持部４２２は、基部４２１と同心の円筒形状に設けられる。支持部４２２は、基部４２１の上面から上方に延在して設けられる。支持部４２２は、基部４２１と一体的に設けられる。凸部４２３は、基部４２１と同心の環形状に設けられる。支持部４２２の内径は、凸部４２３の外径より大きい。凸部４２３は、基部４２１の上面から上方に延在して設けられる。凸部４２３は、基部４２１と一体的に設けられる。

回転筒４３は、円筒形状に設けられる。回転筒４３は、支持部材４２に対して回動可能に支持される。回転筒４３は、支持部材４２の支持部４２２を囲繞するように設けられる。回転筒４３は、溝部と、従動歯車４３１と、を含む。溝部は、回転筒４３の下面に回転筒４３と同心に設けられる環形状の溝である。溝部は、支持部材４２の凸部４２３と嵌合する。従動歯車４３１は、回転筒４３の回転軸と同心の回転軸を有する外歯車である。従動歯車４３１は、回転筒４３の外周面の下部に設けられる。従動歯車４３１は、回転筒４３に固定される。従動歯車４３１は、回転筒４３と一体的に設けられてもよい。従動歯車４３１は、駆動歯車４５と嵌合する。

サーボモータ４４は、支持基台４１の上板４１２に設けられる。サーボモータ４４は、駆動歯車４５をＺ軸回りに回転させる。駆動歯車４５は、サーボモータ４４の駆動軸に装着される。駆動歯車４５は、回転筒４３の回転軸と平行な軸回りに回転する外歯車である。駆動歯車４５は、回転筒４３の従動歯車４３１と嵌合する。外周保持部４６は、実施形態において、被加工物１００を支持する環状フレーム１１０を固定する。外周保持部４６は、回転筒４３に設けられる。外周保持部４６は、実施形態において、回転筒４３外周の四方にそれぞれ設けられるクランプである。保持手段４は、サーボモータ４４が駆動歯車４５を回転させることによって、被加工物１００を保持する外周保持部４６が固定される回転筒４３をＺ軸回りに回転させる。

図１に示すように、割り出し送りユニット５は、静止基台２に対して、集光点位置調整ユニット６およびレーザービーム照射ユニット７の一部を割り出し送り方向であるＹ軸方向に移動させるユニットである。割り出し送りユニット５は、集光点位置調整ユニット６およびレーザービーム照射ユニット７の一部を支持する。割り出し送りユニット５は、実施形態において、一対のガイドレール５１と、ボールねじ５２と、パルスモータ５３と、Ｙ軸方向移動基台５５と、を有する。一対のガイドレール５１は、静止基台２の上面に設けられる。一対のガイドレール５１は、Ｙ軸方向に延在する。ボールねじ５２は、一対のガイドレール５１と平行に設けられる。ボールねじ５２は、一対のガイドレール５１の間に設けられる。ボールねじ５２は、静止基台２に対して回動可能に支持される。パルスモータ５３は、ボールねじ５２を回転させる。

Ｙ軸方向移動基台５５は、一対のガイドレール５１上に設けられる。Ｙ軸方向移動基台５５の下面には、Ｙ軸方向に延在し、かつ一対のガイドレール５１に嵌合する一対の溝部５６が設けられる。Ｙ軸方向移動基台５５は、溝部５６がガイドレール５１に対してスライドすることにより、一対のガイドレール５１に沿ってＹ軸方向に移動可能である。Ｙ軸方向移動基台５５は、ボールねじ５２に螺合される。Ｙ軸方向移動基台５５は、ボールねじ５２に螺合されたナットなどに固定されてもよい。Ｙ軸方向移動基台５５は、集光点位置調整ユニット６およびレーザービーム照射ユニット７の一部を支持する。割り出し送りユニット５は、パルスモータ５３がボールねじ５２を回転させることによって、集光点位置調整ユニット６およびレーザービーム照射ユニット７の一部を支持するＹ軸方向移動基台５５をＹ軸方向に移動させる。

集光点位置調整ユニット６は、Ｙ軸方向移動基台５５に対して、レーザービーム照射ユニット７に含まれる集光器を集光点位置調整方向であるＺ軸方向に移動させるユニットである。集光点位置調整ユニット６は、実施形態において、一対のガイドレール６１と、ボールねじと、パルスモータ６３と、Ｚ軸方向移動基台６５と、を有する。一対のガイドレール６１は、Ｙ軸方向移動基台５５の側面に設けられる。一対のガイドレール６１は、Ｚ軸方向に延在する。ボールねじは、一対のガイドレール６１と平行に設けられる。ボールねじは、一対のガイドレール６１の間に設けられる。ボールねじは、Ｙ軸方向移動基台５５に対して回動可能に支持される。パルスモータ６３は、ボールねじを回転させる。

Ｚ軸方向移動基台６５は、一対のガイドレール６１上に設けられる。Ｚ軸方向移動基台６５の側面には、Ｚ軸方向に延在し、かつ一対のガイドレール６１に嵌合する一対の溝部６６が設けられる。Ｚ軸方向移動基台６５は、溝部６６がガイドレール６１に対してスライドすることにより、一対のガイドレール６１に沿ってＺ軸方向に移動可能である。Ｚ軸方向移動基台６５は、Ｙ軸方向移動基台５５に設けられたボールねじに螺合される。Ｚ軸方向移動基台６５は、ボールねじに螺合されたナットなどに固定されてもよい。Ｚ軸方向移動基台６５は、レーザービーム照射ユニット７の一部を支持する。Ｚ軸方向移動基台６５は、実施形態において、レーザービーム照射ユニット７のユニットホルダ７１と一体的に設けられる。集光点位置調整ユニット６は、パルスモータ６３がボールねじを回転させることによって、レーザービーム照射ユニット７の一部を支持するＺ軸方向移動基台６５をＺ軸方向に移動させる。

レーザービーム照射ユニット７は、ユニットホルダ７１と、ケーシング７２と、レーザービーム照射手段８と、を有する。

ユニットホルダ７１は、集光点位置調整ユニット６のＺ軸方向移動基台６５に支持される。ユニットホルダ７１は、実施形態において、Ｚ軸方向移動基台６５と一体的に設けられる。ユニットホルダ７１には、ケーシング７２が取り付けられる。ケーシング７２は、ユニットホルダ７１に固定される。

ケーシング７２は、上筒部７３と、中筒部７４と、下筒部７５と、第一の照射部７６と、第二の照射部７７と、を含む。上筒部７３は、Ｙ軸方向に延在する円筒形状に設けられる。上筒部７３の一方の端部は、ユニットホルダ７１に固定される。上筒部７３の他方の端部には、第一の照射部７６が固定される。中筒部７４は、Ｚ軸方向に延在する円筒形状に設けられる。中筒部７４の一方の端部は、上筒部７３に固定される。中筒部７４の内部は、上筒部７３の内部に連通する。中筒部７４の他方の端部は、下筒部７５に固定される。中筒部７４の内部は、下筒部７５の内部に連通する。下筒部７５は、Ｙ軸方向に延在する円筒形状に設けられる。下筒部７５の保持手段４側の端部は、第二の照射部７７が固定される。

第一の照射部７６は、Ｚ軸方向に延在する円筒形状に設けられる。第一の照射部７６は、上筒部７３の他方の端部に固定される。第一の照射部７６の内部は、上筒部７３の内部に連通する。第一の照射部７６は、下方の端部に設けられた照射口から、Ｚ軸方向かつ下方にレーザービーム８１を出射する。第二の照射部７７は、Ｚ軸方向に延在する円筒形状に設けられる。第二の照射部７７は、下筒部７５の保持手段４側の端部に固定される。第二の照射部７７の内部は、下筒部７５の内部に連通する。第二の照射部７７は、上方の端部に設けられた照射口から、Ｚ軸方向かつ上方にレーザービーム８１を出射する。

撮像ユニット９は、保持手段４に保持された被加工物１００を撮像する。撮像ユニット９は、保持手段４に保持された被加工物１００を撮像するＣＣＤカメラまたは赤外線カメラを含む。撮像ユニット９は、実施形態において、レーザービーム照射ユニット７の上筒部７３に取り付けられる。

次に、レーザービーム照射手段８の構成について説明する。図３は、図１に示すレーザービーム照射手段８によるレーザー加工の一状態を示す断面模式図である。

レーザービーム照射手段８は、保持手段４に保持された被加工物１００に対してレーザービーム８１を照射する。レーザービーム照射手段８は、レーザー発振器８２と、１／２波長板８３と、ビーム分岐手段８４と、ミラー８５と、集光レンズ８６と、を有する。ミラー８５は、第一のミラー８５１と、第二のミラー８５２と、第三のミラー８５３と、を含む。集光レンズ８６は、第一の集光レンズ８６１と、第二の集光レンズ８６２と、を含む。

レーザー発振器８２は、被加工物１００を加工するための所定の波長を有するレーザービーム８１を発振する。レーザー発振器８２は、例えば、ＹＡＧレーザー発振器、ＹＶＯ４レーザー発振器、または赤外線波長域のレーザービームを発振する発振器などを含む。

１／２波長板８３は、上筒部７３内またはユニットホルダ７１内に設けられる。１／２波長板８３は、モータなどの駆動源によって回動可能な状態で、レーザー発振器８２の後段に設けられる。１／２波長板８３は、回動角度に対応してレーザー発振器８２が発振したレーザービーム８１の直線偏光方向を変化させる。１／２波長板８３は、設けられなくてもよい。

ビーム分岐手段８４は、上筒部７３内の中筒部７４との接続部に設けられる。ビーム分岐手段８４は、１／２波長板８３の後段に設けられる。ビーム分岐手段８４は、実施形態において、偏光ビームスプリッターである。ビーム分岐手段８４は、入射するレーザービーム８１を二つに分岐する。ビーム分岐手段８４は、１／２波長板８３を通過したレーザービーム８１のうち、第一の偏光成分を有する第一のレーザービーム８１１を第一のミラー８５１側に向けて透過する。第一の偏光成分は、実施形態において、ｐ偏光である。ビーム分岐手段８４は、１／２波長板８３を通過したレーザービーム８１のうち、第二の偏光成分を有する第二のレーザービーム８１２を第二のミラー８５２側に向けて分岐する。第二の偏光成分は、第一の偏光成分とは異なる偏光成分を有する。第二の偏光成分は、実施形態において、ｓ偏光である。

第一のミラー８５１は、第一の照射部７６内に設けられる。第一のミラー８５１は、ビーム分岐手段８４によって分岐された第一のレーザービーム８１１を、保持手段４に保持された被加工物１００の表面に向けて反射する。第一の集光レンズ８６１は、第一の照射部７６内に設けられる。第一の集光レンズ８６１は、第一のミラー８５１によって反射された第一のレーザービーム８１１を、被加工物１００の表面に集光させる。

第二のミラー８５２は、下筒部７５内の中筒部７４との接続部に設けられる。第二のミラー８５２は、ビーム分岐手段８４によって分岐された第二のレーザービーム８１２を、第三のミラー８５３に向けて反射する。第三のミラー８５３は、第二の照射部７７内に設けられる。

第三のミラー８５３は、第二の照射部７７内に設けられる。第三のミラー８５３は、第二のミラー８５２によって反射された第二のレーザービーム８１２を、保持手段４に保持された被加工物１００の裏面に向けて反射する。第二の集光レンズ８６２は、第二の照射部７７内に設けられる。第二の集光レンズ８６２は、第三のミラー８５３によって反射された第二のレーザービーム８１２を、被加工物１００の表面に集光させる。

第一の集光レンズ８６１および第二の集光レンズ８６２は、レーザービーム８１の光軸に沿って移動可能である。第一の集光レンズ８６１は、例えば、被加工物１００の表面に照射される第一のレーザービーム８１１の光軸に平行な方向に移動可能な第一の微調整基台に取り付けられる。第一の集光レンズ８６１の位置調節は、例えば、撮像ユニット９によって撮像した撮像画像と、第一の集光レンズ８６１と撮像ユニット９のカメラとの位置関係に基づいて、第一の微調整基台を移動させることによって行う。第二の集光レンズ８６２は、例えば、被加工物１００の裏面に照射される第二のレーザービーム８１２の光軸に平行な方向に移動可能な第二の微調整基台に取り付けられる。第二の集光レンズ８６２の位置調節は、例えば、撮像ユニット９によって撮像した撮像画像と、第二の集光レンズ８６２と撮像ユニット９のカメラとの位置関係に基づいて、第二の微調整基台を移動させることによって行う。第一の集光レンズ８６１および第二の集光レンズ８６２の位置を調整することによって、被加工物１００の表面および裏面へ照射する位置を調整することができる。

次に、レーザービーム照射手段８によるレーザー加工方法について説明する。図４は、実施形態に係るレーザー加工方法の流れを示すフローチャートである。レーザー加工方法は、図４に示すように、保持ステップＳＴ１１と、レーザービーム分岐ステップＳＴ１２と、レーザービーム照射ステップＳＴ１３と、を含む。

保持ステップＳＴ１１では、被加工物１００を保持する。より詳しくは、保持ステップＳＴ１１では、保持手段４の外周保持部４６によって、被加工物１００を支持する環状フレーム１１０を保持する。

レーザービーム分岐ステップＳＴ１２では、レーザー発振器８２から発振されたレーザービーム８１を分岐する。より詳しくは、レーザービーム分岐ステップＳＴ１２では、レーザービーム８１を、第一の偏光成分を有する第一のレーザービーム８１１と、第二の偏光成分を有する第二のレーザービーム８１２と、に分岐する。

レーザービーム照射ステップＳＴ１３では、保持ステップＳＴ１１およびレーザービーム分岐ステップＳＴ１２の後、まず、分岐された各々のレーザービーム８１が被加工物１００の表面と裏面との同じ位置に集光するように位置付ける。レーザービーム照射ステップＳＴ１３では、被加工物１００に対して各々のレーザービーム８１を略同時に集光照射することで被加工物１００にレーザー加工を施す。ここで、略同時とは、表面に照射するタイミングと裏面に照射するタイミングが必ずしも完全に一致することを示すものではなく、誤差程度のずれを許容する。具体的には、略同時とは、１μｓ以下の時間差を許容する。また、この際、被加工物１００の表面側に照射される第一のレーザービーム８１１と、被加工物１００の裏面側に照射される第二のレーザービーム８１２とは、異なる偏光成分を有する。

以上説明したように、実施形態に係るレーザー加工装置１は、被加工物１００の表面と裏面とを露出して保持する保持手段４と、レーザービーム照射手段８と、を備える。レーザービーム照射手段８は、レーザー発振器８２と、ビーム分岐手段８４と、第一の集光レンズ８６１と、第二の集光レンズ８６２と、を有する。レーザー発振器８２は、レーザービーム８１を発振する。ビーム分岐手段８４は、レーザー発振器８２から発振されたレーザービーム８１を二つに分岐する。第一の集光レンズ８６１は、ビーム分岐手段８４により分岐されたレーザービーム８１の一方（第一のレーザービーム８１１）を表面に集光する。第二の集光レンズ８６２は、ビーム分岐手段８４により分岐されたレーザービーム８１の他方（第二のレーザービーム８１２）を裏面に集光する。レーザー加工装置１は、ビーム分岐手段８４により分岐された各々のレーザービーム８１（第一のレーザービーム８１１および第二のレーザービーム８１２）を被加工物１００の表面と裏面との同じ位置に位置付けて略同時に集光照射し、被加工物１００の表面側および裏面側からレーザー加工を施す。

これにより、被加工物１００の表面および裏面の同じ位置にレーザービーム８１を照射するので、例えば、孔あけ加工の場合、表面および裏面の孔径を同じにすることができる。また、一方の面から入射されたレーザービーム８１が加工すべき厚みが半分になるので、厚みの厚い被加工物１００であっても貫通孔などの加工をすることができる。したがって、レーザー加工装置１は、厚みの厚い被加工物１００であっても高品質なレーザー加工が可能であるという効果を奏する。さらに、一方の面から入射されたレーザービーム８１が加工すべき厚みが半分になるので、加工時間を短縮することができる。

［第一変形例］
第一変形例に係るレーザービーム照射手段８０１の構成について説明する。図５は、第一変形例に係るレーザービーム照射手段８０１によるレーザー加工の一状態を示す断面模式図である。

第一変形例に係るレーザー加工方法は、加工対象である被加工物１０１に対してレーザービーム８１を照射することにより貫通孔または改質層などを形成する加工方法である。被加工物１０１は、貼り合わせ基板である。第一変形例に係るレーザー加工方法は、被加工物１０１が表面と裏面とが異なる材質で形成される場合に特に有用である。

第一変形例のレーザービーム照射手段８０１は、実施形態のレーザービーム照射手段８と比較して、波長変換結晶８７を有する点で異なる。波長変換結晶８７は、実施形態において、ビーム分岐手段８４と、第二のミラー８５２との間に設けられる。波長変換結晶８７は、下筒部７５内に設けられる。波長変換結晶８７は、第二のレーザービーム８１２の波長を変換する素子である。波長変換結晶８７は、例えば、波長約１０６４ｎｍのＩＲレーザーを、波長約３５５ｎｍのＵＶレーザーまたは波長約５３２ｎｍのグリーンレーザーに変換する。

波長変換結晶８７を通過した第二のレーザービーム８１２は、第三のレーザービーム８１３として、第二のミラー８５２に向かう。ビーム分岐手段８４によって分岐された第二のレーザービーム８１２が波長約１０６４ｎｍのＩＲレーザーである場合、波長変換結晶８７は、例えば、第二のレーザービーム８１２を、波長約５３２ｎｍのグリーンレーザーである第三のレーザービーム８１３に変換する。

第一変形例における第二のミラー８５２は、波長変換結晶８７によって変換された第三のレーザービーム８１３を、第三のミラー８５３に向けて反射する。第一変形例における第三のミラー８５３は、第二のミラー８５２によって反射された第三のレーザービーム８１３を、保持手段４に保持された被加工物１００の裏面に向けて反射する。第二の集光レンズ８６２は、第三のミラー８５３によって反射された第三のレーザービーム８１３を、被加工物１００の表面に集光させる。

以上説明したように、第一変形例に係るレーザービーム照射手段８０１は、被加工物１００の表面側に照射される第一のレーザービーム８１１と、裏面側に照射される第三のレーザービーム８１３との波長が異なる。これにより、被加工物１００の表側および裏側を形成するそれぞれの基板の材質に応じて、レーザー発振器８２から発振されるレーザービーム８１の波長と、波長変換結晶８７によって変換される第三のレーザービーム８１３の波長とを設定することができる。したがって、より好適に高品質なレーザー加工が可能である。

［第二変形例］
第二変形例に係るレーザービーム照射手段８０２の構成について説明する。図６は、第二変形例に係るレーザービーム照射手段８０２によるレーザー加工の一状態を示す断面模式図である。図７は、図６の後の一状態を示す断面模式図である。第二変形例に係るレーザー加工方法は、被加工物１００に貫通孔を形成する孔あけ加工方法である。図６は、保持手段４に保持された被加工物１００の集光点に貫通孔が形成される前の状態を示す。図７は、被加工物１００の集光点に貫通孔が形成された後の状態を示す。

第二変形例のレーザービーム照射手段８０２は、実施形態のレーザービーム照射手段８と比較して、第一のビーム分岐手段８４１に加えて、第二のビーム分岐手段８４２およびレーザービーム検出ユニット８８を有する点で異なる。第一のビーム分岐手段８４１の構成は、実施形態のビーム分岐手段８４の構成と同様であるため、詳細な説明を省略する。

第二のビーム分岐手段８４２は、第一のビーム分岐手段８４１と第一のミラー８５１との間に設けられる。第二のビーム分岐手段８４２は、上筒部７３内に設けられる。第二のビーム分岐手段８４２は、第二変形例において、偏光ビームスプリッターである。第二のビーム分岐手段８４２は、第一のビーム分岐手段８４１から入射する第一のレーザービーム８１１を第一のミラー８５１側に向けて透過する。第二のビーム分岐手段８４２は、第一のミラー８５１側から入射する第二のレーザービーム８１２をレーザービーム検出ユニット８８に向けて分岐する。

第一のビーム分岐手段８４１に分岐された第一のレーザービーム８１１は、第二のビーム分岐手段８４２を透過した後、第一のミラー８５１によって、被加工物１００の表面に向けて反射する。第一のミラー８５１によって反射された第一のレーザービーム８１１は、第一の集光レンズ８６１によって、被加工物１００の表面に集光する。

第一のビーム分岐手段８４１に分岐された第二のレーザービーム８１２は、図７に示すように、レーザービーム検出ユニット８８に入射する。レーザービーム検出ユニット８８は、第一のビーム分岐手段８４１によって第二のレーザービーム８１２が反射される方向に設けられる。レーザービーム検出ユニット８８は、被加工物１００の裏面側から表面側に向けて通過する第二のレーザービーム８１２を検出する。

図６に示すように、被加工物１００に貫通孔が形成されていない状態においては、被加工物１００の裏面側に集光した第二のレーザービーム８１２は、被加工物１００を通過しない。このとき、第二のレーザービーム８１２がレーザービーム検出ユニット８８に入射しないので、レーザービーム検出ユニット８８は、第二のレーザービーム８１２を検出しない。

図７に示すように、被加工物１００に貫通孔が形成された状態においては、被加工物１００の裏面側に集光した第二のレーザービーム８１２は、被加工物１００に形成された貫通孔を通過する。このとき、第二のレーザービーム８１２がレーザービーム検出ユニット８８に入射するので、レーザービーム検出ユニット８８は、第二のレーザービーム８１２を検出する。被加工物１００の裏面側から表面側に通過した第二のレーザービーム８１２は、第一のミラー８５１によって、第二のビーム分岐手段８４２に向けて反射する。第一のミラー８５１によって、反射された第二のレーザービーム８１２は、第二のビーム分岐手段８４２によって、レーザービーム検出ユニット８８側に向けて分岐される。

次に、レーザービーム照射手段８０２によるレーザー加工方法について説明する。図８は、第二変形例に係るレーザー加工方法の流れを示すフローチャートである。レーザー加工方法は、図８に示すように、保持ステップＳＴ１１と、レーザービーム分岐ステップＳＴ１２と、レーザービーム照射ステップＳＴ１３と、検出ステップＳＴ１４と、照射停止ステップＳＴ１５と、を含む。保持ステップＳＴ１１、レーザービーム分岐ステップＳＴ１２、およびレーザービーム照射ステップＳＴ１３は、実施形態と同様であるため、説明を省略する。

検出ステップＳＴ１４では、被加工物１００を通過したレーザービーム８１を検出する。具体的には、検出ステップＳＴ１４では、被加工物１００の裏面側から表面側に通過した第二のレーザービーム８１２を、レーザービーム検出ユニット８８によって検出する。第二変形例においては、被加工物１００に貫通孔が形成されたときに、貫通孔を介して第二のレーザービーム８１２を照射した裏面とは反対側の表面から抜けてくる第二のレーザービーム８１２を検出する。

照射停止ステップＳＴ１５では、検出ステップＳＴ１４の後、検出結果に基づいてレーザービーム８１の照射を停止する。具体的には、照射停止ステップＳＴ１５では、レーザービーム検出ユニット８８が第二のレーザービーム８１２を検出した場合、被加工物１００に貫通孔が形成されたものとして、レーザービーム８１の照射を停止する。

以上説明したように、第二変形例に係るレーザービーム照射手段８０２は、被加工物１００の裏面側から表面側に通過する第二のレーザービーム８１２を検出するレーザービーム検出ユニット８８を含む。これにより、孔あけ加工が完了したタイミングを検出できるので、加工完了のタイミングでレーザービーム８１の照射を停止させることにより、レーザービーム８１の過剰照射による品質の低下を抑制することができる。また、レーザービーム８１の照射時間を短縮することにより、生産性の向上に貢献することができる。

第二変形例においては、被加工物１００に孔あけ加工する方法として説明したが、改質層形成加工などに適用することも可能である。この場合、レーザービーム検出ユニット８８は、第二のレーザービーム８１２の出力の変化量を検出する。例えば、被加工物１００の内部に改質層を形成する場合、レーザービーム８１は、被加工物１００に対して透過性を有するレーザービームなので、第二のレーザービーム８１２は、常にレーザービーム検出ユニット８８に入射する。被加工物１００に改質層が形成された場合、被加工物１００の第二のレーザービーム８１２が通過する部分が変質するので、被加工物１００を通過した第二のレーザービーム８１２の出力が変化する。これを利用して、レーザービーム検出ユニット８８が検出した第二のレーザービーム８１２の出力の変化量が所定の閾値以上だった場合、被加工物１００に改質層が形成されたものとして、レーザービーム８１の照射を停止させてもよい。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

例えば、外周保持部４６は、バキュームであってもよい。例えば、回転筒４３の上面に開口する吸引通路を用いて被加工物１００、１０１の外周部を吸引することによって保持してもよい。ビーム分岐手段８４は、実施形態において、偏光ビームスプリッターであるが、ハーフミラーでもよい。アブレーションによるフルカットなど、被加工物１００、１０１の全面を加工する場合、レーザー側でビームを走査するようにカルバノミラーなどを備えていてもよいし、保持手段４を移動させる移動機構を備えていてもよい。

１レーザー加工装置
２静止基台
３加工送りユニット
４保持手段
４６外周保持部
５割り出し送りユニット
６集光点位置調整ユニット
７レーザービーム照射ユニット
８、８０１、８０２レーザービーム照射手段
８１レーザービーム
８１１第一のレーザービーム
８１２第二のレーザービーム
８１３第三のレーザービーム
８２レーザー発振器
８３１／２波長板
８４ビーム分岐手段
８４１第一のビーム分岐手段
８４２第二のビーム分岐手段
８５ミラー
８５１第一のミラー
８５２第二のミラー
８５３第三のミラー
８６集光レンズ
８６１第一の集光レンズ
８６２第二の集光レンズ
８７波長変換結晶
８８レーザービーム検出ユニット
９撮像ユニット
１００、１０１被加工物

Claims

被加工物にレーザービームを照射してレーザー加工を施すレーザー加工装置であって、
被加工物の表面と裏面とを露出して保持する保持手段と、
レーザービーム照射手段と、
を備え、
該レーザービーム照射手段は、
レーザービームを発振するレーザー発振器と、
該レーザー発振器から発振されたレーザービームを二つに分岐するビーム分岐手段と、
該ビーム分岐手段により分岐されたレーザービームの一方を表面に集光する第一の集光レンズと、
該ビーム分岐手段により分岐されたレーザービームの他方を裏面に集光する第二の集光レンズと、
を有し、
該ビーム分岐手段により分岐された各々のレーザービームを該被加工物の表面と裏面との同じ位置に位置付けて略同時に集光照射し、該被加工物の表面側および裏面側からレーザー加工を施すことを特徴とする、レーザー加工装置。
該ビーム分岐手段は、第一の偏光ビームスプリッターであり、
該被加工物の表面側に照射されるレーザービームと裏面側に照射されるレーザービームとは、偏光成分が異なることを特徴とする、
請求項１に記載のレーザー加工装置。
該レーザー発振器と該ビーム分岐手段との間に１／２波長板が配設され、
該ビーム分岐手段で分岐される各々のレーザービームの光量を制御可能とすることを特徴とする、
請求項２に記載のレーザー加工装置。
該レーザービーム照射手段は、
該第一の偏光ビームスプリッターによって分岐された第一の偏光成分を有する第一のレーザービームの光路に配設され、該第一のレーザービームの偏光成分を透過する第二の偏光ビームスプリッターと、
該第一の偏光成分とは異なる第二の偏光成分を有する第二のレーザービームが該第二の偏光ビームスプリッターに入射したときに、該第二のレーザービームが反射される方向に位置付けられたレーザービーム検出ユニットと、
をさらに含み、
該レーザービーム検出ユニットの検出結果に基づいて該被加工物のレーザー加工が完了したと判断して該レーザービームの照射を停止することを特徴とする、
請求項２または３に記載のレーザー加工装置。
板状の被加工物にレーザービームを照射してレーザー加工を施す被加工物のレーザー加工方法であって、
被加工物を保持する保持ステップと、
レーザー発振器から発振されたレーザービームを分岐するレーザービーム分岐ステップと、
該保持ステップおよび該レーザービーム分岐ステップの後、該分岐された各々のレーザービームが該被加工物の表面と裏面との同じ位置に集光するように位置付け、被加工物に対して各々のレーザービームを略同時に集光照射することで被加工物にレーザー加工を施すレーザービーム照射ステップと、
を含むことを特徴とする、レーザー加工方法。
被加工物の表面側に照射されるレーザービームと裏面側に照射されるレーザービームとは異なる偏光成分を有することを特徴とする、
請求項５に記載のレーザー加工方法。
被加工物を通過したレーザービームを検出する検出ステップと、
該検出ステップの後、検出結果に基づいて該レーザービームの照射を停止する照射停止ステップと、
をさらに含むことを特徴とする、請求項６に記載のレーザー加工方法。
被加工物に貫通孔が形成されたときに、該貫通孔を介してレーザービームを照射した面とは反対側の面から抜けてくるレーザービームを検出する検出ステップと、
該検出ステップの後、該レーザービームの照射を停止する照射停止ステップと、
をさらに含むことを特徴とする、請求項６に記載のレーザー加工方法。