JP5094337B2 - レーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、加工対象物を切断するためのレーザ加工方法に関する。

従来のレーザ加工方法としては、板状の加工対象物に集光点を合わせて第１のレーザ光を照射することで、加工対象物を切断するための領域を切断予定ラインに沿って形成するものが知られている（例えば、特許文献１参照。）このようなレーザ加工方法では、第２のレーザ光を照射しながら、加工対象物の縁部を跨ぐように、第２のレーザ光を加工対象物の厚さ方向と交差する一方向に移動させるのに併せて、第２のレーザ光の反射光を受光する。そして、第２のレーザ光の反射光の全光量の変化に基づいて、加工対象物の縁部の位置を検出する。
特開２００７−１６７９１８号公報

ここで、上述したようなレーザ加工方法では、例えば、加工対象物のレーザ光照射面に酸化膜や窒化膜等の薄膜が形成されることがある。薄膜の透過率は、レーザ光の波長と薄膜の膜圧に依存しており、膜厚に対して周期的に変化することが知られている。透過率が小さくなる膜厚になると、レーザ光照射面の第２のレーザ光の反射率が低くなる。よって、この場合、レーザ光照射面で反射する反射光の全光量と、加工対象物以外で反射する反射光の全光量との差が小さくなり、加工対象物の縁部の位置を精度よく検出することができないおそれがある。

そこで、本発明は、加工対象物の縁部の位置を精度よく検出することができるレーザ加工方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るレーザ加工方法は、板状の加工対象物に集光点を合わせて第１のレーザ光を照射することにより、加工対象物を切断するための領域を切断予定ラインに沿って形成するレーザ加工方法であって、第２のレーザ光をレンズを介して照射しながら、加工対象物の縁部を跨ぐように、第２のレーザ光を加工対象物の厚さ方向と交差する一方向に移動させるのに併せて、第２のレーザ光の反射光を受光することにより、第２のレーザ光が反射する反射面の変位に関する変位信号を、受光した反射光の全光量で正規化して求め、求められた変位信号が一定になるように、駆動手段に駆動信号を入力してレンズをその光軸方向に沿って駆動させる工程と、駆動信号の変化に基づいて、縁部の位置を検出する工程と、を含むこと特徴とする。

このレーザ加工方法によれば、照射された第２のレーザ光が加工対象物の縁部を跨ぐように一方向に移動され、これに併せて、第２のレーザ光の反射光が受光されて変位信号が求められ、変位信号が一定となるように、駆動手段でレンズがその光軸方向に沿って駆動される。これにより、第２のレーザ光を一方向に移動させる際、加工対象物の外及び加工対象物上において、第２のレーザ光が反射する反射面の変位に追従するようにレンズが駆動されることになる。ここで、例えば第２のレーザ光が加工対象物に乗り上げたときには、反射面の位置が大きく変化することになるため、駆動手段に入力される駆動信号が大きく変化する。さらに、変位信号は、受光した反射光の全光量で正規化され、反射光の全光量の相対値として求められているため、反射光の全光量が少ない場合においても、駆動手段に駆動信号が入力され、反射面の変位に追従するようにレンズが駆動される。つまり、駆動信号は、反射光の光量によらないものとなる。従って、駆動信号の変化に基づいて、加工対象物の縁部の位置を検出することにより、反射光の全光量が少ない場合でも、かかる縁部の位置を精度よく検出することが可能となる。

また、第２のレーザ光を一方向に移動させる際には、縁部を含む所定領域での第２のレーザ光の移動速度を、所定領域以外での移動速度よりも遅くすることが好ましい。この場合、縁部を含む所定領域では、駆動信号の変化が細かく検出されることになり、加工対象物の縁部の位置を一層精度よく検出することが可能となる。

また、加工対象物を切断するための領域は、切断の起点となる改質領域であることが好ましい。これにより、加工対象物を精度よく切断することができる。

また、上記作用効果を好適に奏する場合としては、具体的には、レンズのピントが加工対象物のレーザ光照射面に合う状態とし、この状態にて駆動手段に入力されている駆動信号を基準駆動信号として求める工程を含み、縁部の位置を検出する際には、駆動信号が基準駆動信号となったときの光軸の一方向における位置を、縁部の位置として検出する場合が挙げられる。

また、第１のレーザ光を照射することで加工対象物を切断するための領域を切断予定ラインに沿って形成する際には、加工対象物に対し離れた位置から加工対象物上の位置まで、レンズを切断予定ラインに沿って移動させるのに併せて、レンズの光軸が、検出した縁部の位置にあると判断されるまでは、駆動手段によるレンズの駆動を停止し、レンズの光軸が、検出した縁部の位置にあると判断された後には、変位信号が一定になるように、駆動手段に駆動信号を入力してレンズをその光軸方向に沿って駆動させることが好ましい。また、第１のレーザ光を照射することで加工対象物を切断するための領域を切断予定ラインに沿って形成する際には、加工対象物上の位置から加工対象物に対し離れた位置まで、レンズを切断予定ラインに沿って移動させるのに併せて、レンズの光軸が、検出した縁部の位置にあると判断されるまでは、変位信号が一定になるように、駆動手段に駆動信号を入力してレンズをその光軸方向に沿って駆動させ、レンズの光軸が、検出した縁部の位置にあると判断された後には、駆動手段によるレンズの駆動を停止することが好ましい。これらの場合、レンズがレーザ光照射面に好適に追従されることになり、加工対象物を切断するための領域を切断予定ラインに沿って精度よく形成することができる。

また、第１のレーザ光を照射することで加工対象物を切断するための領域を切断予定ラインに沿って形成する際には、加工対象物に対し離れた位置から加工対象物上の位置まで、レンズを切断予定ラインに沿って移動させるのに併せて、レンズの光軸が、検出した縁部の位置にあると判断されるまでは、第１のレーザ光の照射を停止し、レンズの光軸が、検出した縁部の位置にあると判断された後には、第１のレーザ光を照射することにより領域を切断予定ラインに沿って形成することが好ましい。また、第１のレーザ光を照射することで加工対象物を切断するための領域を切断予定ラインに沿って形成する際には、加工対象物上の位置から加工対象物に対し離れた位置まで、レンズを切断予定ラインに沿って移動させるのに併せて、レンズの光軸が、検出した縁部の位置にあると判断されるまでは、第１のレーザ光を照射することにより領域を切断予定ラインに沿って形成し、レンズの光軸が、検出した縁部の位置にあると判断された後には、第１のレーザ光の照射を停止することが好ましい。これらの場合、検出した縁部の位置に基づいて第１のレーザ光の照射が開始及び停止されることになり、加工対象物を切断するための領域を切断予定ラインに沿って一層精度よく形成することができる。なお、「第１のレーザ光の照射を停止する」とは、例えば第１のレーザ光の発振を停止したり、シャッタ等で第１のレーザ光を物理的に遮断したりすることだけでなく、例えばレーザ強度を加工閾値（加工対象物を切断するための領域が形成されるに足るレーザ強度の低限値）未満にする等の「第１のレーザ光の照射を実質的に停止する」場合を含むものである。

本発明によれば、加工対象物の縁部の位置を精度よく検出することが可能となる。

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要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

本実施形態に係るレーザ加工方法においては、板状の加工対象物に集光点を合わせて第１のレーザ光を照射することにより、切断予定ラインに沿って加工対象物に改質領域を形成する。そこで、まず、本実施形態に係るレーザ加工方法における改質領域の形成について、図１〜図９を参照して説明する。

図１に示すように、レーザ加工装置１００は、レーザ光（第１のレーザ光）Ｌをパルス発振等するレーザ光源１０１と、レーザ光Ｌの光軸の向きを９０°変えるように配置されたダイクロイックミラー１０３と、レーザ光Ｌを集光するための集光用レンズ１０５と、を備えている。また、レーザ加工装置１００は、集光用レンズ１０５で集光されたレーザ光Ｌが照射される加工対象物１を支持するための支持台１０７と、支持台１０７をＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に移動させるためのステージ１１１と、レーザ光Ｌの出力やパルス幅等を調節するためにレーザ光源１０１を制御するレーザ光源制御部１０２と、ステージ１１１の移動を制御するステージ制御部１１５と、を備えている。

このレーザ加工装置１００においては、レーザ光源１０１から出射されたレーザ光Ｌは、ダイクロイックミラー１０３によってその光軸の向きを９０°変えられ、支持台１０７上に載置された加工対象物１の内部に集光用レンズ１０５によって集光される。これと共に、ステージ１１１が移動させられ、加工対象物１がレーザ光Ｌに対して切断予定ライン５に沿って相対移動させられる。これにより、切断予定ライン５に沿って、切断の起点となる改質領域が加工対象物１に形成されることとなる。以下、この改質領域について詳細に説明する。

図２に示すように、板状の加工対象物１には、加工対象物１を切断するための切断予定ライン５が設定されている。切断予定ライン５は、直線状に延びた仮想線である。加工対象物１の内部に改質領域を形成する場合、図３に示すように、加工対象物１の内部に集光点Ｐを合わせた状態で、レーザ光Ｌを切断予定ライン５に沿って（すなわち、図２の矢印Ａ方向に）相対的に移動させる。これにより、図４〜図６に示すように、改質領域７が切断予定ライン５に沿って加工対象物１の内部に形成され、切断予定ライン５に沿って形成された改質領域７が切断起点領域８となる。

なお、集光点Ｐとは、レーザ光Ｌが集光する箇所のことである。また、切断予定ライン５は、直線状に限らず曲線状であってもよいし、仮想線に限らず加工対象物１の表面３に実際に引かれた線であってもよい。また、改質領域７は、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。また、改質領域７は少なくとも加工対象物１の内部に形成されていればよい。また、改質領域７を起点に亀裂が形成される場合があり、亀裂及び改質領域７は、加工対象物１の外表面（表面、裏面、若しくは外周面）に露出していてもよい。

ちなみに、ここでは、レーザ光Ｌが、加工対象物１を透過すると共に加工対象物１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１に改質領域７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１の表面３ではレーザ光Ｌが殆ど吸収されないので、加工対象物１の表面３が溶融することはない。一般的に、表面３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３側から徐々に裏面側に進行する。

ところで、本実施形態に係るレーザ加工方法及びレーザ加工装置にて形成される改質領域は、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。例えば、（１）溶融処理領域、（２）クラック領域、絶縁破壊領域、（３）屈折率変化領域等があり、これらが混在した領域もある。

本実施形態に係るレーザ加工方法及びレーザ加工装置における改質領域は、レーザ光の局所的な吸収や多光子吸収という現象により形成される。多光子吸収とは、材料の吸収のバンドギャップＥ_Ｇよりも光子のエネルギーｈνが小さいと光学的に透明となるため、材料に吸収が生じる条件はｈν＞Ｅ_Ｇであるが、光学的に透明でも、レーザ光Ｌの強度を非常に大きくするとｎｈν＞Ｅ_Ｇの条件（ｎ＝２，３，４，・・・）で材料に吸収が生じる現象をいう。多光子吸収による溶融処理領域の形成は、例えば、溶接学会全国大会講演概要第６６集（２０００年４月）の第７２頁〜第７３頁の「ピコ秒パルスレーザによるシリコンの加工特性評価」に記載されている。

また、D.Du,X.Liu,G.Korn,J.Squier,and G.Mourou,”Laser Induced Breakdown by Impact Ionization in SiO₂ with Pulse Widths from 7ns to 150fs”,Appl Phys Lett64(23),Jun.6,1994に記載されているようにパルス幅が数ピコ秒からフェムト秒の超短パルスレーザ光を利用することにより形成される改質領域を利用してもよい。

（１）改質領域が溶融処理領域を含む場合
加工対象物（例えばシリコンのような半導体材料）の内部に集光点を合わせて、集光点における電界強度が１×１０^８（Ｗ／ｃｍ^２）以上で且つパルス幅が１μｓ以下の条件でレーザ光Ｌを照射する。これにより、集光点近傍にてレーザ光Ｌが吸収されて加工対象物の内部が局所的に加熱され、この加熱により加工対象物の内部に溶融処理領域が形成される。

溶融処理領域とは、一旦溶融後再固化した領域や、まさに溶融状態の領域や、溶融状態から再固化する状態の領域であり、相変化した領域や結晶構造が変化した領域ということもできる。また、溶融処理領域とは単結晶構造、非晶質構造、多結晶構造において、ある構造が別の構造に変化した領域ということもできる。つまり、例えば、単結晶構造から非晶質構造に変化した領域、単結晶構造から多結晶構造に変化した領域、単結晶構造から非晶質構造及び多結晶構造を含む構造に変化した領域を意味する。加工対象物がシリコン単結晶構造の場合、溶融処理領域は例えば非晶質シリコン構造である。

図７は、レーザ光が照射されたシリコンウェハ（半導体基板）の一部における断面の写真を表した図である。図７に示すように、半導体基板１１の内部に溶融処理領域１３が形成されている。

入射するレーザ光の波長に対して透過性の材料の内部に溶融処理領域１３が形成されたことを説明する。図８は、レーザ光の波長とシリコン基板の内部の透過率との関係を示す線図である。ただし、シリコン基板の表面側と裏面側それぞれの反射成分を除去し、内部のみの透過率を示している。シリコン基板の厚さｔが５０μｍ、１００μｍ、２００μｍ、５００μｍ、１０００μｍの各々について上記関係を示した。

例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの波長である１０６４ｎｍにおいて、シリコン基板の厚さが５００μｍ以下の場合、シリコン基板の内部ではレーザ光Ｌが８０％以上透過することが分かる。図７に示す半導体基板１１の厚さは３５０μｍであるので、溶融処理領域１３は半導体基板１１の中心付近、つまり表面から１７５μｍの部分に形成される。この場合の透過率は、厚さ２００μｍのシリコンウェハを参考にすると、９０％以上なので、レーザ光Ｌが半導体基板１１の内部で吸収されるのは僅かであり、殆どが透過する。しかし、１×１０^８（Ｗ／ｃｍ^２）以上で且つパルス幅が１μｓ以下の条件でレーザ光Ｌをシリコンウェハ内部に集光することで集光点とその近傍で局所的にレーザ光が吸収され溶融処理領域１３が半導体基板１１の内部に形成される。

なお、シリコンウェハには、溶融処理領域を起点として亀裂が発生する場合がある。また、溶融処理領域に亀裂が内包されて形成される場合があり、この場合には、その亀裂が、溶融処理領域においての全面に渡って形成されていたり、一部分のみや複数部分に形成されていたりすることがある。更に、この亀裂は、自然に成長する場合もあるし、シリコンウェハに力が印加されることにより成長する場合もある。溶融処理領域から亀裂が自然に成長する場合には、溶融処理領域が溶融している状態から成長する場合と、溶融処理領域が溶融している状態から再固化する際に成長する場合とのいずれもある。ただし、どちらの場合も溶融処理領域はシリコンウェハの内部に形成され、切断面においては、図７に示すように、内部に溶融処理領域が形成されている。

（２）改質領域がクラック領域を含む場合
加工対象物（例えばガラスやＬｉＴａＯ_３からなる圧電材料）の内部に集光点を合わせて、集光点における電界強度が１×１０^８（Ｗ／ｃｍ^２）以上で且つパルス幅が１μｓ以下の条件でレーザ光Ｌを照射する。このパルス幅の大きさは、加工対象物の内部にレーザ光Ｌが吸収されてクラック領域が形成される条件である。これにより、加工対象物の内部には光学的損傷という現象が発生する。この光学的損傷により加工対象物の内部に熱ひずみが誘起され、これにより加工対象物の内部に、１つ又は複数のクラックを含むクラック領域が形成される。クラック領域は絶縁破壊領域とも言える。

図９は電界強度とクラックの大きさとの関係の実験結果を示す線図である。横軸はピークパワー密度であり、レーザ光Ｌがパルスレーザ光なので電界強度はピークパワー密度で表される。縦軸は１パルスのレーザ光Ｌにより加工対象物の内部に形成されたクラック部分（クラックスポット）の大きさを示している。クラックスポットが集まりクラック領域となる。クラックスポットの大きさは、クラックスポットの形状のうち、最大の長さとなる部分の大きさである。グラフ中の黒丸で示すデータは集光用レンズ（Ｃ）の倍率が１００倍、開口数（ＮＡ）が０．８０の場合である。一方、グラフ中の白丸で示すデータは集光用レンズ（Ｃ）の倍率が５０倍、開口数（ＮＡ）が０．５５の場合である。ピークパワー密度が１０^１１（Ｗ／ｃｍ^２）程度から加工対象物の内部にクラックスポットが発生し、ピークパワー密度が大きくなるに従いクラックスポットも大きくなることが分かる。

（３）改質領域が屈折率変化領域を含む場合
加工対象物（例えばガラス）の内部に集光点を合わせて、集光点における電界強度が１×１０^８（Ｗ／ｃｍ^２）以上で且つパルス幅が１ｎｓ以下の条件でレーザ光Ｌを照射する。このように、パルス幅が極めて短い状態で加工対象物の内部にレーザ光Ｌが吸収されると、そのエネルギーが熱エネルギーに転化せず、加工対象物の内部にはイオン価数変化、結晶化又は分極配向等の永続的な構造変化が誘起され、屈折率変化領域が形成される。

なお、改質領域とは、溶融処理領域、絶縁破壊領域、屈折率変化領域等やそれらが混在した領域を含めて、その材料において改質領域の密度が非改質領域の密度と比較して変化した領域であったり、格子欠陥が形成された領域であったりする。これらをまとめて高密転移領域と言うこともできる。

また、溶融処理領域や屈折率変化領域、改質領域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。

ちなみに、加工対象物の結晶構造やその劈開性等を考慮して、改質領域を次のように形成すれば、精度よく加工対象物を切断することが可能になる。

すなわち、シリコン等のダイヤモンド構造の単結晶半導体からなる基板の場合は、（１１１）面（第１劈開面）や（１１０）面（第２劈開面）に沿った方向に改質領域を形成するのが好ましい。また、ＧａＡｓ等の閃亜鉛鉱型構造のIII−V族化合物半導体からなる基板の場合は、（１１０）面に沿った方向に改質領域を形成するのが好ましい。更に、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）等の六方晶系の結晶構造を有する基板の場合は、（０００１）面（Ｃ面）を主面として（１１２０）面（Ａ面）或いは（１１００）面（Ｍ面）に沿った方向に改質領域を形成するのが好ましい。

また、上述した改質領域を形成すべき方向（例えば、単結晶シリコン基板における（１１１）面に沿った方向）、或いは改質領域を形成すべき方向に直交する方向に沿って基板にオリエンテーションフラットを形成すれば、そのオリエンテーションフラットを基準とすることで、改質領域を容易且つ正確に基板に形成することが可能になる。

次に、本発明の一実施形態に係るレーザ加工方法について説明する。

図１０は、本実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成図である。図１０に示すように、レーザ加工装置２００は、ステージ２０１、レーザ光源２０２、レンズ２０３、ＡＦ（autofocus）ユニット２０４、制御部２０５及び駆動ユニット（駆動手段）２０６を備えている。

ステージ２０１は、ＸＹＺ方向に並進移動可能に構成され、加工対象物１を支持している。この加工対象物１は、例えばシリコンからなる厚さ３００μｍ半導体基板であり、図１１に示すように、上方視において略円形を呈している。半導体基板の表面には、オリエンテーションフラット６に平行な方向及び垂直な方向にマトリックス状に配置された複数の機能素子（例えば、受光素子等）が形成されている。このような加工対象物１には、隣り合う機能素子間を通るような格子状の切断予定ライン５が設定されている。

図１０に戻り、レーザ光源２０２は、ビームスプリッタ２１０で透過されてレンズ２０３で集光されるレーザ光（第１のレーザ光）Ｌを出射する。レンズ２０３は、複数のレンズを含んで構成されるレンズ群である。

ＡＦユニット２０４は、ビームスプリッタ２１０で反射されてレンズ２０３で集光されるＡＦ用レーザ光（第２のレーザ光）ＬＢを出射する。また、ＡＦユニット２０４は、ＡＦ用レーザ光ＬＢの反射光を受光することで、ＡＦ用レーザ光ＬＢの反射面（以下、単に「反射面」という）の変位（うねり）に関する変位信号を、受光した反射光の全光量で正規化して取得する。ここでは、例えば非点収差法を用いることで反射光の集光像に応じた非点信号を求めると共に、受光した反射光の全光量に相当する全光量信号を求め、そして、非点信号を全光量信号で除算することにより、変位信号を取得している。また、ＡＦユニット２０４は、取得した変位信号を制御部２０５に出力する。

制御部２０５は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭ等から構成され、変位信号が一定になるように、駆動ユニット２０６に電圧信号（駆動信号）を入力してレンズ２０３をその光軸方向に沿って駆動させる。これにより、レンズ２０３が、反射面の変位に追従するように駆動される。

駆動ユニット２０６は、制御部２０５から入力された電圧信号に応じて、レンズ２０３をその光軸方向に沿って駆動させる。ここでの駆動ユニット２０６としては、例えばピエゾが用いられており、２．５Ｖ±２．５Ｖの範囲内の電圧信号が入力され、２０μｍ±２０μｍのストローク範囲内でレンズ２０３を光軸方向に沿って駆動させる。

次に、レーザ加工装置２００を用いて加工対象物１を切断する場合について説明する。

まず、加工対象物１の裏面２１に、例えばエキスパンドテープ等のテープ２１１を貼り付け、この加工対象物１をステージ２０１に載置する。続いて、加工対象物１のレーザ光照射面である表面３を、ＣＣＤカメラ等の撮像手段（不図示）によりレンズ２０３を介して撮像する。そして、レンズ２０３をＺ軸方向に移動させ、投影されるレクチルパターンのコントラストが最大になる状態とする（ハイトセット）。

このハイトセット時において、ＡＦ用レーザ光ＬＢを照射し、レーザ光照射面３にて反射される反射光を受光して、変位信号を取得する。そして、この変位信号を基準変位信号として制御部２０５にメモリーする。これにより、ハイトセット時のレーザ光照射面３が変位信号での変位０とされる。また、ハイトセット時に駆動ユニット２０６に入力された電圧信号を、基準電圧信号（ここでは、２．５Ｖ）として制御部２０５にメモリーする。

次に、加工対象物１のエッジ（縁部）の位置を検出する。まず、加工対象物１の概略位置を既知の諸条件の下に算出する。ここでは、加工対象物１のサイズ、及び加工対象物１がステージ２０１の吸着テーブル（不図示）の中心に載置されている等の条件に基づいて、加工対象物１の概略位置を算出する。

続いて、図１２（ａ）に示すように、加工対象物１においてエッジ検出ライン１５ａ（図１８参照）の一方側のエッジｘ１の近傍（例えば、エッジｘ１の概略位置から数ｍｍ手前）にレンズ２０３の光軸Ｇが位置するように、加工対象物１を移動させる。このときのステージ２０１の速度は、例えば６００ｍｍ／秒とされている。

続いて、図１２（ｂ）〜図１３（ｂ）に示すように、縁部を含む所定領域において、ＡＦ用レーザ光ＬＢをレンズ２０３を介して照射しながら、エッジ検出ライン１５ａに沿う矢印Ａ１方向に加工対象物１を例えば１０ｍｍ／秒で移動させ、加工対象物１のエッジｘ１を跨ぐようにＡＦ用レーザ光ＬＢを矢印Ｂ１方向に相対移動させる。このエッジ検出ライン１５ａは、加工対象物１の厚さ方向と直交する一方向であり、ここでは、加工対象物１に形成されたアライメントマークを基準に設定されている。なお、エッジ検出ライン１５ａとして、切断予定ライン５を利用してもよい。

これに併せて、ＡＦ用レーザ光ＬＢの反射光を受光し、反射面の変位に関する変位信号を、受光した反射光の全光量で正規化して求める。そして、この変位信号が基準変位信号になるように、駆動ユニット２０６に電圧信号を入力してレンズ２０３を光軸Ｇ方向に沿って駆動させる。これにより、レンズ２０３が反射面の変位に追従するように駆動され、レンズ２０３と反射面との間の距離が、ハイトセット時のレンズ２０３とレーザ光照射面３との間の距離となるように制御される。

具体的には、図１２（ｂ）に示すように、ＡＦ用レーザ光ＬＢを矢印Ｂ１方向に相対移動させながら、テープ２１１のＡＦ用レーザ光ＬＢが照射される側の面であるテープ面２１１ａにて反射した反射光を受光して変位信号を求める。これと共に、この変位信号が基準変位信号になるように駆動ユニット２０６に電圧信号を入力し、レンズ２０３を光軸Ｇ方向に沿って駆動させる。このとき、変位信号が略０Ｖとなることから、図１４に示すように、駆動ユニット２０６に入力される電圧信号が、最大値の５Ｖで一定になっている。これは、以下の理由によるためである。

図１５は、変位信号の特性を示すグラフである。図中において、横軸は反射面の変位を示し、縦軸は変位信号の値を示す。矢印Ｒは、反射面の変位を測定できる範囲である測長レンジを示す。図１５に示すように、レンズ２０３が加工対象物１に近づく方向に測長レンジＲを拡げるべく、かかる方向に変位センサの中心がずれているため、反射面の変位が０の場合（図中の丸印）には、変位信号値が負の値となっている。よって、変位信号が略０Ｖの場合には、変位信号が基準変位信号となる（変位信号が図中の右方向に移動する）ように、駆動ユニット２０６が縮小作動され、レンズ２０３が加工対象物１に遠ざかる方向に移動する。一方、加工対象物１の厚さは、駆動ユニット２０６のストローク範囲を超えたものとなっている。従って、ＡＦ用レーザ光ＬＢがテープ面２１１ａで反射する場合には、駆動ユニット２０６がフルストロークした縮小限の状態となり、電圧信号が最大値である５Ｖになるのである。

そして、ＡＦ用レーザ光ＬＢが加工対象物１のエッジｘ１に乗り上げたとき（図１３（ａ）の状態）にあっては、ＡＦ用レーザ光ＬＢの反射面がテープ面２１１ａからレーザ光照射面３に変化する。さらに、上述したようにハイトセット時には２．５Ｖの電圧信号が駆動ユニット２０６に入力されている。そのため、図１４に示すように、電圧信号が５Ｖから２．５Ｖになったときに、ＡＦ用レーザ光ＬＢが加工対象物１に乗り上げたと判断することができる。よって、電圧信号が２．５Ｖ（基準電圧信号）となったとき（図中の丸印）の座標を、エッジｘ１の位置として取得し、制御部２０５にメモリーする。

続いて、図１３（ｂ）に示すように、ＡＦ用レーザ光ＬＢを矢印Ｂ１方向に引き続き相対移動させながら、加工対象物１のレーザ光照射面３にて反射した反射光を受光して変位信号を求め、この変位信号が基準変位信号になるように、駆動ユニット２０６に電圧信号を入力してレンズ２０３を光軸Ｇ方向に沿って駆動させ、レンズ２０３をレーザ光照射面３に追従させる。

次に、図１６（ａ）に示すように、加工対象物１においてエッジ検出ライン１５ａ（図１８参照）の他方側のエッジｘ２の近傍にレンズ２０３の光軸Ｇが位置するように、ステージ２０１を移動させて加工対象物１を移動させる。図１６（ｂ）〜図１７（ｂ）に示すように、縁部を含む所定領域において、ＡＦ用レーザ光ＬＢをレンズ２０３を介して照射しながら、エッジ検出ライン１５ａに沿う矢印Ａ２方向に加工対象物１を移動させ、加工対象物１のエッジｘ２を跨ぐようにＡＦ用レーザ光ＬＢを矢印Ｂ２方向に相対移動させる。これに併せて、ＡＦ用レーザ光ＬＢの反射光を受光して変位信号を求め、この変位信号が基準変位信号になるように、駆動ユニット２０６に電圧信号を入力してレンズ２０３を光軸Ｇ方向に沿って駆動させる。

そして、ＡＦ用レーザ光ＬＢがエッジｘ１に乗り上げたときと同様に、電圧信号が２．５Ｖとなったときの座標をエッジｘ２の位置として取得し、制御部２０５にメモリーする。

次に、上記のエッジｘ１，ｘ２の位置の取得と同様に、加工対象物１のエッジ検出ライン１５ｂ（図１８参照）に沿うエッジｘ３，ｘ４の位置をそれぞれ取得し、これらを制御部２０５にそれぞれメモリーする。続いて、図１８に示すように、メモリーしたエッジｘ１，ｘ２の位置から求められる垂直２等分線１６ａと、メモリーしたエッジｘ３，ｘ４の位置から求められる垂直２等分線１６ｂとの交点に基づいて、加工対象物１の中心点ｏの位置を算出する。そして、この中心点ｏ位置と、加工対象物１の直径とから、加工対象物１の全周に亘るエッジの位置を導出し、加工対象物１におけるエッジの位置の検出が完了することとなる。

なお、加工対象物１の直径は、加工対象物１のサイズから求めてもよく、エッジｘ１〜ｘ４を通る円の公式から求めてもよい。また、以上においては、説明の便宜上、オリエンテーションフラット６を省略して扱っている。

次に、検出したエッジの位置を基に、レンズ２０３を駆動ユニット２０６で光軸Ｇ方向に沿って駆動させつつ加工対象物１に集光点Ｐを合わせてレーザ光Ｌを照射し、加工対象物１を切断するための改質領域７を切断予定ライン５に沿って形成する。具体的には、切断予定ライン５の延長線上の一端側で加工対象物１に対し所定距離だけ離れた位置から、切断予定ライン５の延長線上の他端側で加工対象物１に対し所定距離だけ離れた位置まで、レンズ２０３を切断予定ライン５に沿って相対移動させる。併せて、検出したエッジの位置に基づいて、レンズ２０３の光軸Ｇがテープ２１１上にあると判断される場合には、レンズ２０３がテープ面２１１ａに追従しない状態とすると共に、レーザ光Ｌの照射をＯＦＦとする。一方、検出したエッジの位置に基づいて、レンズ２０３の光軸Ｇがレーザ光照射面３上にあると判断される場合には、レンズ２０３をレーザ光照射面３の変位に追従させると共に、レーザ光Ｌの照射をＯＮとする。より具体的には、以下の動作を実行する。

すなわち、まず、加工対象物１に対し所定距離だけ離れた位置から加工対象物１上の位置まで、レンズ２０３を切断予定ライン５に沿って移動させる。ここで、レンズ２０３の光軸Ｇが、検出したエッジの位置にあると判断されるまでは、駆動ユニット２０６を非作動にしてレンズ２０３が駆動しない状態とすると共に、レーザ光Ｌの照射を停止する。なお、この状態のレンズ２０３の光軸Ｇ方向における位置は、レンズ２０３の焦点がレーザ光照射面３に合うような位置とされている。ちなみに、「レーザ光Ｌの照射を停止」とは、レーザ光Ｌの発振を停止すること、及びシャッタ等を用いて加工対象物１に向かうレーザ光Ｌを物理的に遮断することだけでなく、例えばレーザ光源１０１をＣＷ駆動したりレーザ出力を低く設定したり等することで、レーザ強度を加工閾値（改質領域７が形成されるに足るレーザ強度の低限値）未満にするような「レーザ光Ｌの照射を実質的に停止」する場合も含む（以下の説明において同じ）。

そして、レンズ２０３の光軸Ｇが、検出したエッジの位置にあると判断された後には、ＡＦユニット２０４からＡＦ用レーザ光ＬＢを照射して変位信号を取得し、この変位信号が一定になるように、駆動ユニット２０６に電圧信号を入力してレンズ２０３を駆動することで、レンズ２０３をレーザ光照射面３の変位に追従させる。併せて、レーザ光Ｌを照射して改質領域７を切断予定ライン５に沿って形成する。これにより、加工対象物１の内部の所望位置に改質領域７が精度よく形成されることとなる。なお、「レーザ光Ｌを照射」とは、レーザ光Ｌを発振させて当該レーザ光Ｌを加工対象物１に照射すること、及びシャッタ等で物理的に遮断されていたレーザ光Ｌが加工対象物１に照射されるように遮断状態を開放することだけでなく、例えばレーザ光源１０１をパルス駆動することにより、既に照射しているレーザ光Ｌのレーザ強度を加工閾値以上にするような場合も含む（以下の説明において同じ）。

これに続いて、加工対象物１上の位置から加工対象物１に対し所定距離だけ離れた位置まで、レンズ２０３を切断予定ライン５に沿って移動させる。ここで、レンズ２０３の光軸Ｇが、検出したエッジの位置にあると判断されるまでは、引き続き駆動ユニット２０６に電圧信号を入力してレンズ２０３を駆動し、レンズ２０３をレーザ光照射面３の変位に追従させると共に、引き続きレーザ光Ｌを照射して改質領域７を切断予定ライン５に沿って形成する。

そして、レンズ２０３の光軸Ｇが、検出したエッジの位置にあると再び判断された後には、ＡＦ用レーザ光ＬＢの照射を停止して駆動ユニット２０６を非作動とし、レンズ２０３が駆動しない状態とすると共に、レーザ光Ｌの照射を停止する。

その後、上記と同様に、他の切断予定ライン５に沿って改質領域７を形成する。これを各切断予定ライン５に沿って繰り返すことにより、各切断予定ライン５に沿って改質領域７が形成されることとなる。

最後に、テープ２１１を拡張させ、改質領域７を切断の起点として加工対象物１を切断予定ライン５に沿って分断し、複数の半導体チップとして互いに離間させる。

以上、本実施形態によれば、照射されたＡＦ用レーザ光ＬＢが加工対象物１のエッジｘ１，ｘ２，ｘ３，ｘ４を跨ぐように、エッジ検出ライン１５ａ，１５ｂに沿って移動され、これに併せて、ＡＦ用レーザ光ＬＢの反射光が受光されて変位信号が求められ、変位信号が一定となるように、駆動ユニット２０６でレンズ２０３が光軸Ｇ方向に沿って駆動される。よって、ＡＦ用レーザ光ＬＢをエッジ検出ライン１５ａ，１５ｂに沿って移動させる際、テープ２１１上及び加工対象物１上において、ＡＦ用レーザ光ＬＢが反射するテープ面２１１ａ及びレーザ光照射面３の変位に追従するようにレンズ２０３が駆動されることになる。

ここで、ＡＦ用レーザ光ＬＢがテープ２１１から加工対象物１に乗り上げたときには、反射面がテープ面２１１ａからレーザ光照射面３となることから、反射面の位置が大きく変化するため、駆動ユニット２０６に入力される電圧信号が大きく変化する。さらに、変位信号にあっては、受光した反射光の全光量で正規化され、反射光の全光量の相対値として求められている。よって、反射光の全光量が少ない場合でも、駆動ユニット２０６に電圧信号が入力され、反射面の変位に追従するようにレンズ２０３が駆動される。つまり、電圧信号は、反射光の光量によらないものとなる。従って、電圧信号の変化に基づいて加工対象物１のエッジｘ１〜ｘ４の位置を検出することにより、反射光の全光量が少ない場合でも、エッジｘ１〜ｘ４の位置を精度よく検出することができる。その結果、レーザ光照射面３に形成された酸化膜や窒化膜等の膜厚にばらつきのある加工対象物１に対しても、そのエッジｘ１〜ｘ４の位置を精度よく検出することができる。

また、本実施形態によれば、上述したように、ＡＦ用レーザ光ＬＢがエッジ検出ライン１５ａ，１５ｂに沿って移動される際、エッジｘ１〜ｘ４の近傍でのＡＦ用レーザ光ＬＢの移動速度が、エッジｘ１〜ｘ４の近傍以外での移動速度よりも遅くなっている。そのため、エッジｘ１〜ｘ４の近傍では、電圧信号の変化を細かく（高分解能で）検出することができ、加工対象物１のエッジｘ１〜ｘ４の位置を一層精度よく検出することができる。

また、本実施形態では、上述したように、レーザ光Ｌを照射することで改質領域７を切断予定ライン５に沿って形成する際、レーザ光照射面３の変位に追従するようにレンズ２０３をその光軸Ｇに沿って駆動させている。そのため、加工対象物１の内部の所望位置に改質領域７が精度よく形成されることになる。ここで、従来のレーザ加工方法では、レンズ２０３の光軸Ｇが、加工対象物１に乗り上げたとき／加工対象物１から乗り降りたとき、前述のように反射面の位置が大きく変化して電圧信号が大きく変化（ここでは、電圧信号５Ｖと２．５Ｖとの間で変化）する。そのため、レンズ２０３の駆動量が大きくなってしまう。よって、例えば、光軸Ｇが加工対象物１に乗り上げたとき、レンズ２０３が大きく駆動されるために、レンズ２０３がエッジに追従するのに遅れが生じることがある。

この点、本実施形態では、次の作用効果を奏する。すなわち、上記のように、加工対象物１に対し離れた位置から加工対象物１上の位置までレンズ２０３を切断予定ライン５に沿って移動させるのに併せて、光軸Ｇがエッジの位置にあると判断されるまでは、レンズ２０３の駆動を停止し、光軸Ｇがエッジの位置にあると判断された後、レンズ２０３をレーザ光照射面３の変位に追従させている。よって、レンズ２０３の光軸Ｇが加工対象物に乗り上げたときにレンズ２０３が大きく駆動されることが抑制され、レンズ２０３を好適にエッジに追従させることができる。さらに、上述したように、レンズ２０３が駆動しない状態において、レンズ２０３の光軸Ｇ方向における位置をその焦点がレーザ光照射面３に合うような位置としているため、かかる追従の応答性を高めることができ、レンズ２０３を一層好適にエッジに追従させることができる。

また、上記のように、加工対象物１上の位置から加工対象物１に対し離れた位置までレンズ２０３を切断予定ライン５に沿って移動させるのに併せて、光軸Ｇがエッジの位置にあると判断されるまでは、レンズ２０３をレーザ光照射面３の変位に追従させ、光軸Ｇがエッジの位置にあると判断された後には、レンズ２０３の駆動を停止している。よって、レンズ２０３の光軸Ｇが加工対象物１から乗り降りたとき以後にも、レンズ２０３の光軸Ｇ方向における位置を、レンズ２０３の焦点がレーザ光照射面３に合うような位置のままにすることができる。その結果、例えば、その後続けて他の切断予定ライン５に沿って改質領域７を形成する場合、レンズ２０３の光軸Ｇが加工対象物１に乗り上げたとき、レンズ２０３を好適にエッジに追従させることができる。従って、本実施形態では、レンズ２０３をレーザ光照射面３に好適に追従させることができ、改質領域７を切断予定ライン５に沿って精度よく形成することができる。

また、本実施形態では、上述したように、レーザ光Ｌを照射することで改質領域７を切断予定ライン５に沿って形成する際、加工対象物１に対し離れた位置から加工対象物１上の位置まで、レンズ２０３を切断予定ライン５に沿って移動させるのに併せて、光軸Ｇがエッジの位置にあると判断されるまでは、レーザ光Ｌの照射を停止し、光軸Ｇがエッジの位置にあると判断された後には、レーザ光Ｌを照射して改質領域７を切断予定ライン５に沿って形成している。そして、加工対象物１上の位置から加工対象物１に対し離れた位置まで、レンズ２０３を切断予定ライン５に沿って移動させるのに併せて、光軸Ｇがエッジの位置にあると判断されるまでは、レーザ光Ｌを照射して改質領域７を切断予定ライン５に沿って形成し、光軸Ｇがエッジの位置にあると判断された後には、レーザ光Ｌの照射を停止している。従って、検出したエッジの位置に基づいてレーザ光Ｌの照射が開始及び停止されることになり、改質領域７を切断予定ライン５に沿って一層精度よく形成することができる。

以上に説明したレーザ加工方法に関し、高倍カメラを用いた画像により検出したエッジの位置との比較検証を行った。その結果、本実施形態により検出したエッジの位置と画像により検出したエッジの位置と平均誤差が０．００８５ｍｍとなった。これにより、加工対象物１のエッジの位置を精度よく検出できるという上記効果を確認することができた。

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、上記実施形態は、半導体材料からなる加工対象物１に溶融処理領域を含む改質領域７を形成したが、ガラスや圧電材料等、他の材料からなる加工対象物の内部に、クラック領域や屈折率変化領域等、他の改質領域を形成してもよい。また、本発明は加工対象物の内部に改質領域を正確に形成するために、より好適であるが、レーザアブレーション法を用いたレーザ加工方法にも適用し、加工対象物を切断するための領域として、溝等を形成する場合にも適用できる。

また、上記実施形態では、ＡＦ用レーザ光ＬＢの光軸をレーザ光Ｌの光軸と同軸にして出射したが、非同軸にして出射しても勿論よい。また、上記実施形態では、エッジの位置を検出する際、照射したＡＦ用レーザ光ＬＢが加工対象物１に乗り上げるように移動させたが、ＡＦ用レーザ光が加工対象物から乗り降りるように移動させてもよく、要は、ＡＦ用レーザ光を加工対象物のエッジを跨ぐように移動させればよい。

改質領域の形成に用いられるレーザ加工装置の概略構成図である。 改質領域の形成の対象となる加工対象物の平面図である。 図２の加工対象物のIII−III線に沿っての断面図である。 レーザ加工後の加工対象物の平面図である。 図４の加工対象物のV−V線に沿っての断面図である。 図４の加工対象物のVI−VI線に沿っての断面図である。 レーザ加工後のシリコンウェハの切断面の写真を表した図である。 レーザ光の波長とシリコン基板の内部の透過率との関係を示すグラフである。 レーザ光のピークパワー密度とクラックスポットの大きさとの関係を示すグラフである。 本実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成図である。 本実施形態に係るレーザ加工方法の対象となる加工対象物の平面図である。 本実施形態に係るレーザ加工方法についての説明図である。 図１２の後続の説明図である。 本実施形態に係るレーザ加工方法における電圧信号を示す図である。 本実施形態に係るレーザ加工方法における変位信号の特性を示すグラフである。 図１３の後続の説明図である。 図１６の後続の説明図である。 本実施形態に係るレーザ加工方法における加工対象物の中心点位置を算出する工程の説明図である。

符号の説明

１…加工対象物、３…レーザ光照射面（反射面）、５…切断予定ライン、７…改質領域（領域）、２０３…レンズ、２０６…駆動ユニット（駆動手段）、２１１…テープ面（反射面）、Ｌ…レーザ光（第１のレーザ光）、ＬＢ…ＡＦ用レーザ光（第２のレーザ光）、Ｐ…集光点、ｘ１，ｘ２，ｘ３，ｘ４…エッジ（縁部）、Ｇ…レンズの光軸。

Claims (8)

1. 板状の加工対象物に集光点を合わせて第１のレーザ光を照射することにより、前記加工対象物を切断するための領域を切断予定ラインに沿って形成するレーザ加工方法であって、
   第２のレーザ光をレンズを介して照射しながら、前記加工対象物の縁部を跨ぐように、前記第２のレーザ光を加工対象物の厚さ方向と交差する一方向に移動させるのに併せて、
   前記第２のレーザ光の反射光を受光することにより、前記第２のレーザ光が反射する反射面の変位に関する変位信号を、受光した前記反射光の全光量で正規化して求め、
   求められた前記変位信号が一定になるように、駆動手段に駆動信号を入力して前記レンズをその光軸方向に沿って駆動させる工程と、
   前記駆動信号の変化に基づいて、前記縁部の位置を検出する工程と、を含むこと特徴とするレーザ加工方法。
2. 前記第２のレーザ光を前記一方向に移動させる際には、
   前記縁部を含む所定領域での前記第２のレーザ光の移動速度を、前記所定領域以外での移動速度よりも遅くすることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
3. 前記加工対象物を切断するための前記領域は、切断の起点となる改質領域であることを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ加工方法。
4. 前記レンズのピントが前記加工対象物のレーザ光照射面に合う状態とし、この状態にて前記駆動手段に入力されている前記駆動信号を基準駆動信号として求める工程を含み、
   前記縁部の前記位置を検出する際には、
   前記駆動信号が前記基準駆動信号となったときの前記光軸の前記一方向における位置を、前記縁部の前記位置として検出することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項記載のレーザ加工方法。
5. 前記第１のレーザ光を照射することで前記加工対象物を切断するための前記領域を前記切断予定ラインに沿って形成する際には、
   前記加工対象物に対し離れた位置から前記加工対象物上の位置まで、前記レンズを前記切断予定ラインに沿って移動させるのに併せて、
   前記レンズの光軸が、検出した前記縁部の位置にあると判断されるまでは、前記駆動手段による前記レンズの駆動を停止し、
   前記レンズの光軸が、検出した前記縁部の位置にあると判断された後には、前記変位信号が一定になるように、前記駆動手段に前記駆動信号を入力して前記レンズをその光軸方向に沿って駆動させることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項記載のレーザ加工方法。
6. 前記第１のレーザ光を照射することで前記加工対象物を切断するための前記領域を前記切断予定ラインに沿って形成する際には、
   前記加工対象物上の位置から前記加工対象物に対し離れた位置まで、前記レンズを前記切断予定ラインに沿って移動させるのに併せて、
   前記レンズの光軸が、検出した前記縁部の位置にあると判断されるまでは、前記変位信号が一定になるように、前記駆動手段に前記駆動信号を入力して前記レンズをその光軸方向に沿って駆動させ、
   前記レンズの光軸が、検出した前記縁部の位置にあると判断された後には、前記駆動手段による前記レンズの駆動を停止することを特徴とする請求項１〜５の何れか一項記載のレーザ加工方法。
7. 前記第１のレーザ光を照射することで前記加工対象物を切断するための前記領域を前記切断予定ラインに沿って形成する際には、
   前記加工対象物に対し離れた位置から前記加工対象物上の位置まで、前記レンズを前記切断予定ラインに沿って移動させるのに併せて、
   前記レンズの光軸が、検出した前記縁部の位置にあると判断されるまでは、前記第１のレーザ光の照射を停止し、
   前記レンズの光軸が、検出した前記縁部の位置にあると判断された後には、前記第１のレーザ光を照射することにより前記領域を前記切断予定ラインに沿って形成することを特徴とする請求項１〜６の何れか一項記載のレーザ加工方法。
8. 前記第１のレーザ光を照射することで前記加工対象物を切断するための前記領域を前記切断予定ラインに沿って形成する際には、
   前記加工対象物上の位置から前記加工対象物に対し離れた位置まで、前記レンズを前記切断予定ラインに沿って移動させるのに併せて、
   前記レンズの光軸が、検出した前記縁部の位置にあると判断されるまでは、前記第１のレーザ光を照射することにより前記領域を前記切断予定ラインに沿って形成し、
   前記レンズの光軸が、検出した前記縁部の位置にあると判断された後には、前記第１のレーザ光の照射を停止することを特徴とする請求項１〜７の何れか一項記載のレーザ加工方法。

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