JP5300544B2 - 光学系及びレーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ微細加工を含む各種レーザ加工プロセスで利用されるレーザ加工装置においてマルチビームを生成する光学系及びそれを用いたレーザ加工装置に関する。

半導体デバイス製造工程においては、半導体ウェーハの表面に格子状に配列されたストリートと呼ばれる分割予定ラインによって複数の領域が区画され、この区画された領域に集積回路等のデバイスが形成される。この半導体ウェーハをストリートに沿って切断することによりデバイスが形成された領域を分割し、個々の半導体チップを製造している。

半導体ウェーハ等の板状をなす被加工物に形成したストリートに沿った分割は、ダイサーと呼ばれる切削装置によって行われていたが、近年は被加工物に形成されたストリートに沿ってパルスレーザ光線を照射することによりレーザ加工溝を形成し、このレーザ加工溝に沿ってメカニカルブレーキング装置によって割断する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−３０５４２０号公報 特開２００４−２６８１４４号公報

ところで、パル幅がピコ秒領域の短パルスレーザを用いた加工では、ナノ秒領域の短パルスレーザを用いた場合に比べ、高い抗折強度や加工面品質を実現できることが分かってきた。また、ピコ秒領域の短パルスレーザの平均出力として、ナノ秒領域の短パルスレーザ出力に匹敵する出力（１５Ｗ以上）を実現できるようになったので、高いスループットの加工が期待できる。

しかしながら、加工プロセスの特性上、単位面積当たりの加工に寄与できるレーザパルスのエネルギーは限られており、レーザ発振器の出力を十分に活かし切れていなかった。

なお、回折光学素子（ＤＯＥ：Diffractive Optical Elements）又は回折光学素子と集光レンズの組み合わせを用いて単一のレーザビームを複数のレーザビームに変換して集光し、複数のレーザビームにより複数のライン状の加工を同時に行なうレーザ加工装置が提案されている（特許文献２参照）。かかるレーザ加工装置において、光軸を中心に前記回折光学素子を回転させ、その回転角度の調整によって加工ラインのピッチ間隔を調整できることが開示されている。

ところが、特許文献２に記載のレーザ加工装置は、回折光学素子を回転させることによって加工ラインのピッチ間隔を調整するので、光軸調整が難しいといった問題がある。また、ピッチ間隔の変更に回折光学素子の回転が伴うので、自由なビームスポット配置に制限があるといった問題がある。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであり、単位面積当たり加工に寄与できるレーザパルスのエネルギーが限られていても、レーザ発振器の効力を十分に活用でき、しかもマルチビームのビーム間距離を任意に設定可能であると共に、光軸調整が容易で、かつ加工条件を被加工物毎に簡単に切り替えることができる光学系及びレーザ加工装置を提供することを目的とする。

本発明の光学系は、光源と、前記光源から発した光が入射し、該入射光を複数の光に分岐する回折光学素子と、前記回折光学素子で分岐した光を分岐角度に応じた複数個所に集光する集光レンズと、前記光源側から前記回折光学素子に入射する光に少なくとも１軸方向へ変倍する第１の作用を与え、前記回折光学素子から出射して前記集光レンズ側へ向かう光に前記第１の作用を打ち消す第２の作用を与えるアナモルフィック光学手段とを具備することを特徴とする。

この構成によれば、回折光学素子に入射する光に少なくとも１軸方向へ変倍する第１の作用を与え、回折光学素子から出射して集光レンズ側へ向かう光に第１の作用を打ち消す第２の作用を与えるので、集光レンズの集光点におけるビームスポット間隔を、回折光学素子を回転させることなく、アナモルフィック光学手段による第１及び第２の作用を調整することで任意に設定することができる。

上記光学系において、前記アナモルフィック光学手段に設定する変倍率を調整して、前記集光レンズの集光位置に形成されるスポット間隔を制御することができる。

上記光学系において、前記アナモルフィック光学手段は、変倍光学系を構成するプリズム体を含んだ構成とすることができる。

アナモルフィック光学手段をプリズム体で構成することにより、集光レンズを除いて、他の光学素子を非球面光学部品で構成でき、光軸合わせが容易になる。

また上記光学系において、前記アナモルフィック光学手段は、前記プリズム体を回転させる回転機構を備える。

これにより、プリズム体を回転させる簡単な動作でスポット間隔を調整でき、スペースも小さくて良いことから、省スペース化を図ることができ、小型化が可能になる。

また本発明は、上記光学系において、前記回折光学素子は、透過型回折光学素子であり、前記アナモルフィック光学手段は、前記回折光学素子の光軸上の前後に配置された第１及び第２のプリズム体を有し、前記回転機構は、前記透過型回折光学素子を対称面として、前記第１のプリズム体と前記第２のプリズム体とを対称的に回転させることを特徴とする。

このような構成によれば、透過型回折光学素子を用いることにより、光源から集光レンズまでの経路に偏光ビームスプリッタを用いることなく、光学系を構成できるので、エネルギーロスの小さい光学系を構築可能である。

また上記光学系において、前記第１のプリズム体は、第１のプリズムと第２のプリズムを含み、前記第２のプリズム体は、第３のプリズムと第４のプリズムを含んで構成することができる。

このように、第１及び第２のプリズム体を、それぞれプリズムペアで構成することで、プリズムを回転させても、プリズムから出る光は一定方向であるので、回折光学素子と集光レンズの位置を固定することができ、光学系の機械的構成を簡単にできる。

また本発明は、上記光学系において、前記光源は、パルスレーザ光を発するレーザ光源であり、前記集光レンズは、被加工物に対して前記パルスレーザ光を集光させることを特徴とする。

このような構成によれば、パルスレーザを被加工物に集光させてレーザ加工するレーザ加工装置に適用可能である。

また、本発明は、被加工物を保持する保持機構と、前記保持機構に保持された被加工物にパルスレーザを照射する加工機構とを備えたレーザ加工装置であって、前記加工機構は上記いずれかの光学系を備えることを特徴とする。

このようなレーザ加工装置によれば、集光レンズの集光点におけるビームスポット間隔を、アナモルフィック光学手段による第１及び第２の作用を調整することで任意に設定することができるので、加工条件を被加工物毎に簡単に切り替えることができ、レーザ加工の効率化を図ることができる。

本発明によれば、単位面積当たり加工に寄与できるレーザパルスのエネルギーが限られていても、レーザ発振器の効力を十分に活用できて、短パルスレーザを効率良く加工に寄与させることができる。

一実施の形態に係るマルチビーム光学系の全体構成図 図１の光学系において１ラインマルチビームスポットを形成した状態を示す図 図２のビームスポットとはスポット間隔の異なるマルチビームスポットを形成した状態を示す図 （ａ）マルチビーム型のエネルギー分布及びビームプロファイルを示す図、（ｂ）トップハット型のエネルギー分布及びビームプロファイルを示す図 他の実施の形態に係るマルチビーム光学系の全体構成図 （ａ）１ライン５スポットで３ライン同時加工のビーム配列を示す図、（ｂ）トップハット型のラインビームで２ライン同時加工のビーム配列を示す図 反射型回折光学素子を用いたマルチビーム光学系の全体構成図 レーザ加工装置の外観図

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係る光学系の駆動機構まで含んだ構成図である。本実施の形態に係る光学系は、レーザ光源１１から出射された単一の短パルスレーザ光を透過型の回折光学素子１２に入射してそれぞれ所定角度を持った複数の光に分岐し、分岐した光を集光レンズ１３で被加工物Ｗ上にライン状又は２次マトリクス状に集光させるように構成されている。

本実施の形態では、回折光学素子１２の光源側の光路上に、第１のビーム径変倍光学系１４を配置し、回折光学素子１２の集光レンズ１３側の光路上に、第２のビーム径変倍光学系１５を配置している。第１及び第２のビーム径変倍光学系１４、１５は、それぞれアナモルフィック光学部品を備えている。本例では、第１及び第２のビーム径変倍光学系１４、１５でアナモルフィック光学手段を構成している。

第１のビーム径変倍光学系１４は、入射ビームの断面形状が楕円形状に変換されるような第１の作用を入射光に対して与える。また、第２のビーム径変倍光学系１５は、回折光学素子１２から出射した分岐光に対して第１のビーム径変倍光学系１４によって与えられた第１の作用を打ち消すような第２の作用を与えるような光学部品配置（角度を含む）に設定されている。

第１及び第２のビーム径変倍光学系１４、１５は、アナモルフィック光学部品を構成するプリズム体（１４ａ，１４ｂ）（１５ａ，１５ｂ）をそれぞれ備えている。第１のビーム径変倍光学系１４は、プリズム体を構成するプリズム１４ａ，１４ｂの光軸に対する入射面角度（回転角度）を個別に調整可能な第１のプリズム駆動機構１６を備え、第２のビーム径変倍光学系１５は、プリズムペアを構成するプリズム１５ａ，１５ｂの光軸に対する入射面角度（回転角度）を個別に調整可能な第２のプリズム駆動機構１７を備える。第１及び第２のプリズム駆動機構１６、１７で回転機構を構成している。

各プリズム体を構成する個々のプリズム（１４ａ，１４ｂ）、（１５ａ，１５ｂ）の光軸に対する回転角度を調整することにより、第１及び第２のビーム径変倍光学系１４、１５における変倍倍率を変更できる。本実施の形態では、第１のビーム径変倍光学系１４が入射ビームの断面ビーム形状を楕円形状に変換する第１の作用を与え、第２のビーム径変倍光学系１５が第１の作用を打ち消すような第２の作用を与えるように、プリズム（１４ａ，１４ｂ）、（１５ａ，１５ｂ）の角度が調整される。具体的には、回折光学素子１２に対してビームが垂直に入射する条件を保ちつつ、両側に配置された４個のプリズムについて外側同士（１４ａ，１５ｂ）、内側同士（１４ｂ，１５ａ）を逆方向に同一角度だけ回転させる。すなわち、回折光学素子１２を対称面として、一方のプリズムペア（１４ａ，１４ｂ）と他方のプリズムペア（１５ａ，１５ｂ）を対称的に回転させることにより、集光レンズ１３に入射する各ビームの成す角度を、ビーム径を変更せずに制御することができる。集光レンズ１３に入射する各ビームの成す角度は、集光レンズ１３による作用で被加工物（焦点位置）にライン状に配列されるスポット間隔の変化として現れる。

制御回路１８は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等のハードウエア資源で構成されており、ＣＰＵがＲＯＭに記憶されている制御用ソフトウエアを読み出してプログラムにしたがって処理を実行する。制御回路１８は、被加工物Ｗに応じた加工条件にしたがって設定されるスポット間隔に対応した角度制御指令信号を生成し、第１及び第２のプリズム駆動機構１６、１７に入力する。図１には被加工物ＷをＸＹ軸テーブル１９ａ，１９ｂによって光軸に対しＸＹ平面内で二次元移動可能なシステムを例示している。制御回路１８は、レーザ光源１１及びＸＹ軸テーブル１９ａ，１９ｂに対して動作タイミングを与えるタイミング指令信号を与える。これにより、被加工物Ｗに形成した複数のストリートに沿ったレーザ加工が実現される。

図２にマルチビームをスポット間隔＝Ｄに設定した光学系及び該光学系の各図示位置におけるビーム断面形状を示している。回折光学素子１２は、入射光をそれぞれ異なる角度をもった複数の光に分岐するように設計されている。本例では１軸方向に異なる角度をもって分岐されるように設計しているが、例えば２軸方向に異なる分岐角度をもって二次元的に分岐されるように設計しても良い。

第１のビーム径変倍光学系１４の光源側のプリズム１４ａに対してレーザ光源１１から出射した短パルスレーザ光が入射している。レーザ光源１１は制御回路１８からのタイミング信号を受けて、パルス幅がピコ秒領域又はナノ秒領域の短パルスレーザ光を出射する。但し、本発明はピコ秒領域又はナノ秒領域の短パルスレーザに限定されるものではなく、さらに短波長のフェムト領域又はナノ秒領域よりも長波長のパルスレーザにも適用可能である。

第１のビーム径変倍光学系１４は、断面ビーム形状が略円形の入射ビームを１軸方向（図２に示すＸ方向）へ所定変倍率（Ｎ倍）で変倍し、楕円形状のビーム形状に変換する第１の作用を与える。第１のビーム径変倍光学系１４の回折光学素子側のプリズム１４ｂから出射した断面楕円形状のビームは、回折光学素子１２に対して垂直に入射する。

回折光学素子１２に垂直に入射した楕円形状のビームは、それぞれの入射点において同一軸方向に異なる角度をもった複数の光に分岐される。図２には１軸方向に異なる角度をもった３つの光に分岐される場合が例示されている。この結果、回折光学素子１２に入射した１つのビームは、それぞれ同一角度の分岐光の束からなる複数の分岐ビームに変換される。たとえば、回折光学素子１２において３つの光に分岐される場合であれば、回折光学素子１２に入射した１つのビームを、それぞれ１／３にエネルギー分割された３つの分岐ビームに変換されたことになる。回折光学素子１２で分岐された分岐ビームは、回折光学素子１２を挟んで反対側に配置された第２のビーム径変倍光学系１４に入射する。

第２のビーム径変倍光学系１４では、入射光に対して第１のビーム径変倍光学系１４で与えた第１の作用を打ち消す第２の作用を与える。具体的には、第１のビーム径変倍光学系１４では第１の作用として図２に示すＸ方向へ所定変倍率（Ｎ倍）で変倍したので、第２の作用としてＸ軸方に逆変倍（１／Ｎ倍）する。これにより、第２のビーム径変倍光学系１５を透過した分岐ビームは、ビームサイズ及び形状が、第１のビーム径変倍光学系１４への入射前と同じでありながら、複数に分岐された状態（マルチビーム）で出てくる。第２のビーム径変倍光学系１４から出射された分岐ビームは集光レンズ１３へ入射する。

集光レンズ１３は、第２のビーム径変倍光学系１４から入射する分岐ビームを被加工物Ｗ上に集光し、１ライン状に配列されたマルチビームのスポットを形成する。図２にはスポット間隔＝Ｄで１ライン状に配列されたマルチビームスポットを示している。

本実施の形態では、第１のビーム径変倍光学系１４で入射ビームに与える変倍作用（及び第２のビーム径変倍光学系１５で与える逆変倍作用）の変倍率により、図２に示す各分岐ビームのビームスポットのスポット間隔＝Ｄを制御する。第１のビーム径変倍光学系１４の変倍率を大きくすれば、各ビームのスポット間隔＝Ｄを大きくでき、第１のビーム径変倍光学系１４の変倍率を小さくすれば、スポット間隔＝Ｄを小さくできる。制御回路１８は、被加工物Ｗの加工条件に応じたスポット間隔＝Ｄが与えられると、プリズムペア（１４ａ，１４ｂ）、（１５ａ，１５ｂ）の回転量を計算して第１及び第２のプリズム駆動機構１６、１７に角度制御指令信号を与えて、プリズム１４ａ，１４ｂ、１５ａ，１５ｂの角度を、所要スポット間隔を実現する角度に制御する。

図３は、図２に示す光学系の状態よりもスポット間隔を小さくした光学系及び該光学系の各図示位置におけるビーム断面形状を示している。第１のビーム径変倍光学系１４の拡大率を、図２に示す光学系の状態よりも小さい値に設定し、第２のビーム径変倍光学系１５の逆変倍率を第１のビーム径変倍光学系１４の拡大率に対応させて変更している。具体的には、回折光学素子１２に対してビームが垂直に入射する条件は保ちつつ、第１のプリズム駆動機構１６が第１のビーム径変倍光学系１４のプリズム１４ａを反時計回りに所定角度回転すると共に、第２のプリズム駆動機構１７が第２のビーム径変倍光学系１５のプリズム１５ｂを、プリズム１４ａとは逆方向の時計回りに同じ角度だけ回転する。また、第１のプリズム駆動機構１６が第１のビーム径変倍光学系１４のプリズム１４ｂを時計回りに所定角度回転すると共に、第２のプリズム駆動機構１７が第２のビーム径変倍光学系１５のプリズム１５ａを、プリズム１４ｂとは逆方向の反時計回りに同じ角度だけ回転する。この結果、図３に示すように、回折光学素子１２に対してビームが垂直に入射する条件を保ちつつ、回折光学素子１２で異なる角度に分岐される各分岐光の分岐角度が小さくなり、集光レンズ１３で集光した分岐ビームのスポット間隔が狭くなっている。図３には被加工物Ｗ上に形成されたビームスポットが隙間無く配列される程度までスポット間隔が狭くなっている。

ここで、被加工物Ｗ上に形成された分岐ビームのビームプロファイルについて説明する。図４（ａ）は７ビームからなる分岐ビームによるビーム径方向のエネルギー分布とビームプロファイルを示している。被加工物Ｗに形成したストリート方向（加工方向）に７つのビームスポットを隙間なく並べることで、加工時間を大幅に短縮でき、レーザ光源１１に搭載する発振器の出力を最大限利用することが可能になる。

図４（ｂ）はトップハット型のビームのエネルギー分布とビームプロファイルを示している。トップハット用の回折光学素子を用いることで、トップハット型のビームを形成することができる。上述した光学系において回折光学素子１２にトップハット用の回折光学素子を用いることでビームの長さを調整できる。また、エネルギー分布がガウシアン分布となるガウシアン型のビームは、ビーム径方向端部のエネルギーが低い部分は加工に寄与できない。図４（ｂ）に示すトップハット型のビームの方がガウシアン型のビームよりもエネルギーを効率よく使用できる。さらに、トップハット型のビームは、トップハットラインを加工ラインに対して横にすれば加工ラインの幅を調整できる。また、レーザ加工された溝の底がフラットになるといった作用効果を奏することもできる。

以上のように本実施の形態によれば、透過型の回折光学素子１２の両端に第１の変倍光学系１４（アナモルフィックプリズムペア１４ａ，１４ｂ））と第２の変倍光学系１５（アナモルフィックプリズムペア１５ａ，１５ｂ））を配置し、第２の変倍光学系１５を透過した分岐光を集光レンズ１３へ導くようにしたので、第１のビーム径変倍光学系１４の変倍率（Ｎ）と第２のビーム径変倍光学系１５の逆変倍率（１／Ｎ）を、プリズム（１４ａ，１４ｂ）、（１５ａ，１５ｂ）の角度調整で設定する簡単な制御で、所望のスポット間隔Ｄを設定できる。また、プリズムを回転させるだけで、大きなスペースも必要としないことから小型化を図ることもできる。

また、本実施の形態によれば、アナモルフィックプリズムペア（１４ａ，１４ｂ）（１５ａ，１５ｂ）で構成されるに第１の変倍光学系１４、１５及び回折光学素子１２を全て非球面光学素子で構成できるので、球面光学素子を用いた場合に比べて、光軸合わせが非常に容易になる利点がある。

また、本実施の形態によれば、第１の変倍光学系１４、１５をアナモルフィックプリズムペア（１４ａ，１４ｂ）（１５ａ，１５ｂ）で構成しているので、プリズム１４ａ，１４ｂ、１５ａ，１５ｂを回転させても、プリズムから出射する光の方向を一定方向に固定できるので、回折光学素子１２及び集光レンズ１３の位置を固定でき、簡単な機械的構成で光学系を実現できる。

次に、図５を参照して、分岐ビームによるスポットを２次元状に配列可能な光学系について説明する。図５には該光学系の各図示位置におけるビーム断面形状を併せて示している。本実施の形態に係る光学系は、図１に示す第１及び第２の変倍光学系１４、１５と回折光学素子１２を第１セットとし、第１セットと同様の構成を有する第２セットを追加している。第１セットによって形成されるマルチビームが第１の方向に配列されるとすると、第２セットでは第１の方向と直交する第２の方向にマルチビームを配列させるように光学部品を配置している。

図５に示すマルチビーム光学系は、第１の変倍光学系１４、回折光学素子１２、第２の変倍光学系１５からなる第１セットと、第３の変倍光学系２１、透過型の回折光学素子２２、第４の変倍光学系２３からなる第２セットとを備える。第２の変倍光学系１５を透過した分岐ビームは、第３の変倍光学系２１へ入射する。
なお、図５における第１、第２、第３、第４の変倍光学系１４、１５、２１、２３の各プリズム配置は、構成要素を例示するために便宜的に示したに過ぎない。実際には、第１及び第２の変倍光学系１４、１５の変倍方向と、第３及び第４の変倍光学系２１、２３の変倍方向とが直交方向となるように各プリズムが配置される。

第３の変倍光学系２１は、アナモルフィックプリズムペア（２１ａ，２１ｂ）で構成されており、第１の変倍光学系１４における変倍方向である第１方向と直交する第２方向に任意の変倍率で変倍する第３の作用を与える。その結果、図５に示すように、第２方向を長軸方向とする楕円ビームが第１方向に向けて複数配列された状態となる。複数の楕円ビームが第２セットの回折光学素子２２に垂直に入射する。

第２セットの回折光学素子２２は、第１セットの回折光学素子１２と同一設計であるが、分岐方向が第１セットの回折光学素子１２と直交する方向になるように配置角度が設定されている。前段に配置された回折光学素子１２と後段に配置された回折光学素子２２の互いの分岐方向を直交させることにより、最も効率よくマトリクス状にビームスポットを配列できる。但し、必ずしも直交させなくても双方の回折光学素子の分岐方向の角度が互いに異なっていれば、マトリクス状にビームスポットを配列できる。

回折光学素子２２で分岐された光は第４の変倍光学系２３に入射し、第３の変倍光学系２１で与えられた第３の作用を解消する第４の作用を与える。すなわち、第１及び第２の変倍光学系１４，１５の関係と同様に、第４の変倍光学系２３には第３の変倍光学系２１に設定される変倍率に対する逆変倍率が設定される。第３及び第４の変倍光学系２１、２３に設定される変倍率は各プリズム２１ａ，２１ｂ，２３ａ，２３ｂの角度を制御することで任意に設定可能である。制御回路１８は、第３及び第４のプリズム駆動機構２４，２５を介して各プリズム２１ａ，２１ｂ，２３ａ，２３ｂの角度を制御する。

第４の変倍光学系２３を透過した二次元分岐ビームは集光レンズ１３で集光することによりマトリクス状に配列されたビームスポットを形成する。図５には１ラインに４スポット形成された状態を例示している。第１方向のスポット間隔は第１セットにおける第１及び第２の変倍光学系１４，１５で任意に設定可能で、第２方向のスポット間隔は第２セットにおける第３及び第４の変倍光学系２１，２３で任意に設定可能である。第１方向及び第２方向のスポット間隔から制御回路１８がプリズムの角度を計算し、計算した角度を実現する角度制御指令信号を生成し、第１〜第４のプリズム駆動回路１６，１７，２４，２５に入力する。このようにして、第１方向及び第２方向のスポット間隔が所望値に設定されたマトリクス状のビームスポットを形成することができる。

図６（ａ）には、１ラインに５スポット並べて、一度に３ラインを加工可能な二次元ビーム配列が示されている。たとえば、同一ライン上のスポット間隔は第１セットで設定し、ライン間隔は第２セットで設定することができる。尚、図中の矢印は加工進行方向を示す。

また、図６（ｂ）に示すように、１ラインに１０スポットを密に配列してトップハット型ラインビームを形成し、トップハット型ラインビームを同時に２ライン形成することも可能である。図６（ｂ）に示すように、トップハット型ラインビームを複数ライン形成することにより、被加工物Ｗが長尺チップのようなワークであっても、一度に２ライン加工でき、加工時間を大幅に短縮できる。尚、図中の矢印は加工進行方向を示す。

なお、図１に示す光学系において、回折光学素子１２に代えて入射光を２次元方向に分岐する２次元回折光学素子を用いることもできる。２次元回折光学素子を用いることにより、第２セット（２１，２２，２３）が不要となり、光学系の簡素化及び小型化を図ることができる。ただし、第１方向及び第２方向のスポット間隔を個別に制御することができなくなる。

以上の説明では、別々の変倍光学系を回折光学素子の両側に配置しているが、反射型の回折光学素子を用いることにより、変倍光学系を回折光学素子の片側に配置するだけの光学系を構築することが可能である。

図７は、反射型の回折光学素子を用いた光学系の構成図である。
図７に示す光学系は、不図示のレーザ光源から入射する短パルスレーザ光を、光軸上に配置された偏光ビームスプリッタ３１に入射して、所定の偏光面を有する反射成分を反射型回折光学素子側へ反射させる。偏光ビームスプリッタ３１によって光軸上に導かれた短パルスレーザ光は変倍光学系３２に入射する。変倍光学系３２はアナモルフィックプリズムペア３２ａ，３２ｂで構成されており、制御回路１８からプリズム駆動機構４１を介してプリズム角度を個別に制御可能に構成されている。変倍光学系３２は、一方のプリズム３２ａ側から他方のプリズム３２ｂ側へ透過する往路において、所定方向に所定倍率で変倍する第１の作用を与える。

変倍光学系３２の往路で第１の作用を与えられて楕円形状に変換された楕円レーザビームは１／４波長板３３を介して反射型回折光学素子３４に垂直に入射する。１／４波長板３３は直線偏光として入ってきたビームを円偏光に変換する。

反射型回折光学素子３４は、変倍光学系３２で第１の作用が与えられた楕円レーザビームを、反射すると共に異なる角度に分岐して出射する。反射型回折光学素子３４から出射する分岐ビームは再び１／４波長板３３を通過する際に円偏光を往路と偏光面が９０°回転した直線偏光に変換する。

さらに、反射型回折光学素子３４から出射する分岐ビームは、変倍光学系３２の逆方向から入射する。変倍光学系３２は、逆方向から入射する復路では、往路において与えた第１の作用を解消する第２の作用を与える。

変倍光学系３２の復路において第２の作用を与えられた分岐ビームは、偏光ビームスプリッタ３１に入射する。偏光ビームスプリッタ３１に入射した分岐ビームは、１／４波長板３３を２回通過して直線偏光の偏光面が９０°回転しているので、分岐面３１ａを透過する。偏光ビームスプリッタ３１を透過した分岐ビームは集光レンズ３５で被加工物Ｗ上に集光される。集光レンズ３５に入射する分岐ビームは反射型回折光学素子３４での分岐方向に対応して角度が異なるので、集光レンズ３５による集光点には分岐数に応じたビームスポットが所定間隔で形成される。

以上のように、反射型回折光学素子３４を用いてマルチビーム光学系を構成することにより、変倍光学系の数を削減することができ、構成を簡素化することができる。反射型回折光学素子３４を用いた場合には、ビームが透過する光学部品が増えることにより多少のエネルギーロスが生じる場合があるが、省スペース化の利点を生かした光学系設計が可能になる。
また、１/４波長板３３に代えてファラデー回転子を用いると、回折光学素子３４でのエネルギーロスを低減できるのでより好ましい。

次に、上述した光学系を用いたレーザ加工装置について説明する。
図８はマルチビーム光学系を用いたレーザ加工装置の構成例である。
半導体ウェーハＷは、略円板状に形成されており、表面に格子状に配列された分割予定ラインによって複数の領域に区画され、この区画された領域にＩＣ、ＬＳＩ等のデバイス７２が形成されている。また、半導体ウェーハＷは、貼着テープ７３を介して環状フレーム７１に支持される。
なお、本実施の形態においては、ワークとしてシリコンウェーハ等の半導体ウェーハを例に挙げて説明するが、この構成に限定されるものではなく、半導体ウェーハＷに貼着されるＤＡＦ（Die Attach Film）等の粘着部材、半導体製品のパッケージ、セラミック、ガラス、サファイヤ（Al2O3）系の無機材料基板、各種電気部品やミクロンオーダーの加工位置精度が要求される各種加工材料をワークとしてもよい。
レーザ加工装置５０は、加工台５１にＹ軸方向に形成された一対にＹ軸ガイドレール５２ａ，５２ｂが配設されている。Ｙ軸テーブル５３はＹ軸ガイドレール５２ａ，５２ｂに沿ってＹ軸方向に移動自在に載置されている。Ｙ軸テーブル５３の背面側には、図示しないナット部が形成され、ナット部にボールネジ５４が螺合されている。そして、ボールネジ５４の端部には、駆動モータ５５が連結され、駆動モータ５５によりボールネジ５４が回転駆動される。

Ｙ軸テーブル５３上にはＹ軸方向と直交するＸ軸方向に形成された一対にＸ軸ガイドレール５６ａ，５６ｂが配設されている。Ｘ軸テーブル５７はＸ軸ガイドレール５６ａ，５６ｂに沿ってＸ軸方向で移動自在に載置されている。Ｘ軸テーブル５７の背面側には、図示しないナット部が形成され、ナット部にボールネジ５８が螺合されている。そして、ボールネジ５８の端部には、駆動モータ５９が連結され、駆動モータ５９によりボールネジ５８が回転駆動される。

Ｘ軸テーブル５７上にチャックテーブル６０が設置されている。チャックテーブル６０は、テーブル支持部６１と、テーブル支持部６１の上部に設けられた加工予定ラインであるストリートを持つ半導体ウェーハＷを吸着保持するウェーハ保持部６２と、環状フレーム７１を保持するフレーム保持部６３とを備える。テーブル支持部６１の内部には、ウェーハ保持部６２に半導体ウェーハＷを吸着保持させる吸引源が設けられている。

また、加工台５１には支柱部６４が立設されており、支柱部６４の上端部からチャックテーブル６０の上方に伸びたアーム６５にレーザ照射ユニット６６が支持されている。レーザ照射ユニット６６には、前述した光学系が収納されている。

以上のように構成されたレーザ加工装置５０において、半導体ウェーハＷがチャックテーブル６０に載置される。そして、半導体ウェーハＷは、図示しない吸引源によりウェーハ保持部６２に吸着される。

次に、レーザ光線照射ユニット６６が駆動し、Ｘ軸テーブル５７、Ｙ軸テーブル５３により位置調整されてレーザ加工が開始される。この場合、レーザ光線照射ユニット６６は、ストリートに向けてレーザ光線を照射する。このとき、図５に示す光学系を用いて、図６（ａ）に示す３ライン同時加工する場合、ライン間隔及び同一ライン状のスポット間隔に対応してレーザ光線照射ユニット６６に搭載した光学系のプリズム角度を制御する。また、図６（ｂ）に示すトップハット型ラインビームによる２ライン同時加工の場合は、第１セットでライン間隔を設定し、第２セットでトップハット型ラインビームを形成するようにスポット間隔を制御する。

このようにして、上述した光学系を用いたレーザ加工装置によれば、複数ライン同時加工が可能になると共に、ワークに応じたライン間隔及び同一ライン上でのスポット間隔を、プリズム角度を調整するだけで、任意に設定可能である。
また、上記したライン加工だけでなく、ビアホール加工の様な穴あけ加工、ウェーハの一部を陥没させる様な面加工にも適用できる。

今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であってこの実施の形態に制限されるものではない。本発明の範囲は、上記した実施の形態のみの説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

本発明は、半導体ウェーハ等の被加工物を、マルチビームを用いてレーザ加工するレーザ加工装置に適用可能である。

１１ レーザ光源
１２ 回折光学素子（透過型）
１３ 集光レンズ
１４ 第１の変倍光学系
１４ａ，１４ｂ プリズム
１５ 第２の変倍光学系
１５ａ，１５ｂ プリズム
１６ 第１のプリズム駆動機構
１７ 第２のプリズム駆動機構
１８ 制御回路
２１ 第３の変倍光学系
２１ａ，２１ｂ プリズム
２２ 回折光学素子
２３ 第４の変倍光学系
２３ａ，２３ｂ プリズム
２４ 第３のプリズム駆動機構
２５ 第４のプリズム駆動機構
３１ 偏光ビームスプリッタ
３２ 変倍光学系
３３ １／４波長板
３４ 反射型回折光学素子
３５ 集光レンズ
５０ レーザ加工装置
６０ チャックテーブル
６６ レーザ照射ユニット

Claims (8)

1. 光源と、
   前記光源から発した光が入射し、該入射光を複数の光に分岐する回折光学素子と、
   前記回折光学素子で分岐した光を分岐角度に応じた複数個所に集光する集光レンズと、
   前記光源側から前記回折光学素子に入射する光に少なくとも１軸方向へ変倍する第１の作用を与え、前記回折光学素子から出射して前記集光レンズ側へ向かう光に前記第１の作用を打ち消す第２の作用を与えるアナモルフィック光学手段と、
   を具備することを特徴とする光学系。
2. 前記アナモルフィック光学手段に設定する変倍率を調整して、前記集光レンズの集光位置に形成されるスポット間隔を制御することを特徴とする請求項１記載の光学系。
3. 前記アナモルフィック光学手段は、変倍光学系を構成するプリズム体を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の光学系。
4. 前記アナモルフィック光学手段は、前記プリズム体を回転させる回転機構を備えることを特徴とする請求項３記載の光学系。
5. 前記回折光学素子は、透過型回折光学素子であり、
   前記アナモルフィック光学手段は、前記回折光学素子の光軸上の前後に配置された第１及び第２のプリズム体を有し、
   前記回転機構は、前記透過型回折光学素子を対称面として、前記第１のプリズム体と前記第２のプリズム体とを対称的に回転させることを特徴とする請求項４記載の光学系。
6. 前記第１のプリズム体は、第１のプリズムと第２のプリズムを含み、
   前記第２のプリズム体は、第３のプリズムと第４のプリズムを含む、
   ことを特徴とする請求項５記載の光学系。
7. 前記光源は、パルスレーザ光を発するレーザ光源であり、
   前記集光レンズは、被加工物に対して前記パルスレーザ光を集光させることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の光学系。
8. 被加工物を保持する保持機構と、前記保持機構に保持された被加工物にパルスレーザを照射する加工機構とを備えたレーザ加工装置であって、
   前記加工機構は、請求項７記載の光学系を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
   
   
   

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