JP6163035B2

JP6163035B2 - レーザ加工装置

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Publication number: JP6163035B2
Application number: JP2013149158A
Authority: JP
Inventors: 秀和土本; 康永奈良
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2013-07-18
Filing date: 2013-07-18
Publication date: 2017-07-12
Anticipated expiration: 2033-07-18
Also published as: JP2015020187A

Description

本発明は、切断予定ライン等の所定ラインに沿って半導体ウェハ等の加工対象物にレーザ光を照射することにより、所定ラインに沿って加工対象物に改質領域を形成するレーザ加工装置に関する。

切断予定ラインに沿って半導体ウェハの内部に形成した改質領域から亀裂を伸展させて、切断予定ラインに沿って半導体ウェハを切断する場合、亀裂を精度良く且つ効率良く繋げて切断品質を向上させる観点から、半導体ウェハのレーザ光入射面から改質領域までの距離を一定距離に維持することが極めて重要である。そのためには、レーザ光の集光点を切断予定ラインに沿って移動させる際に、半導体ウェハのレーザ光入射面からレーザ光の集光点までの距離を一定距離に維持する必要がある。

そこで、次のようなレーザ加工装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。すなわち、集光レンズを介して、改質領域を形成するための加工用レーザ光と共に測定用レーザ光を半導体ウェハに照射し、半導体ウェハのレーザ光入射面での測定用レーザ光の反射光を検出することで、半導体ウェハのレーザ光入射面の変位に追従するようにアクチュエータを制御し、集光レンズをその光軸方向に駆動させる装置である。

特開２００４−１８８４２２号公報

しかしながら、上記レーザ加工装置には、次のような問題がある。すなわち、レーザ光の集光点の位置がレーザ光の光軸方向に変化する際の応答速度が集光レンズの重量によって制限されるため、レーザ光の集光点を切断予定ラインに沿って高速で移動させると、反り、段差、研磨による凹凸、デバイスパターンに起因する凹凸等によって半導体ウェハのレーザ光入射面の変位が大きく変化したときに、半導体ウェハのレーザ光入射面からレーザ光の集光点までの距離を一定距離に維持することができず、結果として、半導体ウェハのレーザ光入射面から改質領域までの距離を一定距離に維持することができないおそれがある。

特に、厚さが５０μｍ以下のような薄い半導体ウェハでは、上記問題はシビアとなる。その理由は、複数のデバイスパターンが形成された半導体ウェハの表面をエキスパンドテープに貼り付けて、半導体ウェハの裏面をレーザ光入射面とすると、複数のデバイスパターンの凹凸の影響が半導体ウェハの裏面に現れて、半導体ウェハのレーザ光入射面に大きなうねりが生じることになるからである。

そこで、本発明は、レーザ光の集光点を所定ラインに沿って高速で移動させたり、薄い加工対象物に改質領域を形成したりする場合であっても、加工対象物のレーザ光入射面から改質領域までの距離を所定距離に維持することができるレーザ加工装置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、板状の加工対象物に設定された所定ラインに沿って加工対象物にレーザ光を照射することにより、所定ラインに沿って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、加工対象物を支持する支持台と、レーザ光をパルス発振するレーザ発振器と、レーザ光を集光する集光レンズと、レーザ発振器から集光レンズに至るレーザ光の光路上に配置され、入力された正弦波信号の位相に応じて焦点距離が変化する焦点可変レンズと、レーザ光の集光点が加工対象物の内部に位置した状態で集光点が所定ラインに沿って移動するように、支持台及び集光レンズの少なくとも一方を制御する制御部と、を備え、制御部は、レーザ光の発振周期を正弦波信号の所定位相に同期させ、所定ラインに沿った加工対象物のレーザ光入射面の変位情報に基づいて、集光点とレーザ光入射面との距離が所定距離に維持されるように、正弦波信号の振幅を調整する。

このレーザ加工装置では、正弦波信号の位相に応じて焦点距離が変化する焦点可変レンズが用いられて、レーザ光の発振周期が正弦波信号の所定位相に同期させられる一方で、レーザ光の集光点と加工対象物のレーザ光入射面との距離が所定距離に維持されるように正弦波信号の振幅が調整される。これにより、アクチュエータを用いて集光レンズを駆動させるだけの場合に比べ、レーザ光の集光点の位置がレーザ光の光軸方向に変化する際の応答速度を高速化することができる。よって、このレーザ加工装置によれば、レーザ光の集光点を所定ラインに沿って高速で移動させたり、薄い加工対象物に改質領域を形成したりする場合であっても、加工対象物のレーザ光入射面から改質領域までの距離を所定距離に維持することが可能となる。

本発明のレーザ加工装置では、制御部は、集光レンズとレーザ光入射面との距離が大きくなるほど正弦波信号の振幅が大きくなるように、正弦波信号の振幅を調整してもよい。これによれば、レーザ光の集光点と加工対象物のレーザ光入射面との距離を容易に且つ確実に所定距離とすることができる。

本発明のレーザ加工装置では、制御部は、レーザ光の発振周期を正弦波信号の複数の所定位相に同期させてもよい。これによれば、複数の所定位相のそれぞれについて、レーザ光の集光点と加工対象物のレーザ光入射面との距離が異なることになるので、加工対象物のレーザ光入射面からの距離が異なる複数列の改質領域を効率良く形成することができる。

本発明のレーザ加工装置は、集光レンズをその光軸方向に駆動させるアクチュエータを更に備え、制御部は、変位情報に基づいて、集光点とレーザ光入射面との距離が所定距離に維持されるように、アクチュエータを制御してもよい。このように、レーザ光の集光点の位置をレーザ光の光軸方向に変化させるために、集光レンズを駆動させるアクチュエータを焦点可変レンズと併用することで、レーザ光の集光点と加工対象物のレーザ光入射面との距離を容易に且つ確実に所定距離とすることができる。

本発明のレーザ加工装置では、制御部は、変位情報に基づいて、所定ラインに沿ったレーザ光入射面の変位波形を、第１周波数域の第１変位波形と、第１周波数域よりも高い第２周波数域の第２変位波形とに分解し、第１変位波形を変位情報として、集光点とレーザ光入射面との距離が所定距離に維持されるように、アクチュエータを制御し、第２変位波形を変位情報として、集光点とレーザ光入射面との距離が所定距離に維持されるように、正弦波信号の振幅を調整してもよい。これによれば、上述したように、レーザ光の集光点と加工対象物のレーザ光入射面との距離を容易に且つ確実に所定距離とすることができる。

本発明によれば、レーザ光の集光点を所定ラインに沿って高速で移動させたり、薄い加工対象物に改質領域を形成したりする場合であっても、加工対象物のレーザ光入射面から改質領域までの距離を所定距離に維持することができるレーザ加工装置を提供することが可能となる。

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。本発明の第１実施形態のレーザ加工装置の概略構成図である。図７のレーザ加工装置において実施されるレーザ加工方法を説明するための図である。図７のレーザ加工装置において実施されるレーザ加工方法を説明するための図である。図７のレーザ加工装置において実施されるレーザ加工方法を説明するための図である。本発明の第２実施形態のレーザ加工装置の概略構成図である。図１１のレーザ加工装置において実施されるレーザ加工方法を説明するための図である。図１１のレーザ加工装置において実施されるレーザ加工方法を説明するための図である。図１１のレーザ加工装置において実施されるレーザ加工方法を説明するための図である。

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。

本発明の第１実施形態及び第２実施形態のレーザ加工装置は、切断予定ラインに沿って加工対象物に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の内部に切断の起点となる改質領域を形成する。そこで、本発明の第１実施形態及び第２実施形態のレーザ加工装置の説明に先立って、改質領域の形成について、図１〜図６を参照して説明する。

図１に示されるように、レーザ加工装置１００は、レーザ光Ｌをパルス発振するレーザ光源１０１と、レーザ光Ｌの光軸（光路）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の駆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に沿った改質領域が加工対象物１に形成されることとなる。

加工対象物１としては、種々の材料（例えば、ガラス、半導体材料、圧電材料等）からなる板状の部材（例えば、基板、ウェハ等）が用いられる。図２に示されるように、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に示されるように、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に示されるように、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は列状でも点状でもよく、要は、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。

ここでのレーザ光Ｌは、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Ｐ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。

本実施形態で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。改質領域としては、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、改質領域としては、加工対象物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や、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、マイクロクラック等）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。加工対象物１としては、例えばシリコン、ガラス、ＬｉＴａＯ_３又はサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる基板やウェハ、又はそのような基板やウェハを含むものが挙げられる。

また、本実施形態においては、切断予定ライン５に沿って改質スポット（加工痕）を複数形成することによって、改質領域７を形成している。改質スポットとは、パルスレーザ光の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）で形成される改質部分であり、改質スポットが集まることにより改質領域７となる。改質スポットとしては、クラックスポット、溶融処理スポット若しくは屈折率変化スポット、又はこれらの少なくとも１つが混在するもの等が挙げられる。

この改質スポットについては、要求される切断精度、要求される切断面の平坦性、加工対象物の厚さ、種類、結晶方位等を考慮して、その大きさや発生する亀裂の長さを適宜制御することが好ましい。
［第１実施形態］

図７に示されるように、レーザ加工装置１０Ａは、板状の加工対象物１を支持する支持台１１と、レーザ光Ｌをパルス発振するレーザ発振器１２と、レーザ光Ｌを集光する集光レンズ１３と、焦点可変レンズ１４と、制御部２０と、を備えている。加工対象物１は、表面１ａに複数のデバイスパターンがマトリックス状に形成された半導体ウェハであり、表面１ａがエキスパンドテープに貼り付けられた状態で支持台１１上に載置されている。加工対象物１には、隣り合うデバイスパターンの間を通るように複数の切断予定ライン（所定ライン）５が格子状に設定されている。

レーザ加工装置１０Ａでは、加工対象物１の裏面１ｂをレーザ光入射面２として各切断予定ラインに沿って加工対象物１にレーザ光Ｌが照射され、それにより、各切断予定ライン５に沿って加工対象物１の内部に改質領域７（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、これらが混在した領域等）が形成される。そして、改質領域７が形成された後にエキスパンドテープが拡張されると、改質領域７から伸展した亀裂が加工対象物１の表面１ａ及び裏面１ｂに到達し、それにより、加工対象物１は、各切断予定ライン５に沿って複数のチップに切断される。なお、加工対象物１の表面１ａがレーザ光入射面２とされてもよい。また、改質領域７から伸展した亀裂は、改質領域７が形成された時点で自然に（エキスパンドテープの拡張等による外力を印加しなくても）加工対象物１の表面１ａ及び裏面１ｂに到達する場合もある。

焦点可変レンズ１４には、レーザ発振器１２から出射されてミラー１５によって反射されたレーザ光Ｌが入射する。そして、焦点可変レンズ１４から出射されたレーザ光Ｌは、集光レンズ１３に入射する。つまり、焦点可変レンズ１４は、レーザ発振器１２から集光レンズ１３に至るレーザ光Ｌの光路上に配置されている。

焦点可変レンズ１４は、制御部２０から入力された高周波信号（電圧値、電流値等の強度が時間に対して正弦的に変化する正弦波信号）の位相に応じて焦点距離が変化するレンズである。一例として、焦点可変レンズ１４は、レーザ光Ｌを通過させ得るレンズケースと、当該レンズケース内に封入されたレンズ液に高周波を付与するピエゾ素子と、を有している。このように構成された焦点可変レンズ１４では、ピエゾ素子に高周波信号が入力されると、レンズケース内に封入されたレンズ液の屈折率が変化して、出射されるレーザ光Ｌの発散角（集光角）が高周波信号の位相に応じて変化する。このような焦点可変レンズ１４としては、TAG OPTICS社製のＴＡＧ（Tunable Acoustic Gradient）レンズを用いることができる。なお、焦点可変レンズ１４として、非線形光学結晶の屈折率変化を用いてもよい。

制御部２０は、集光点移動制御部２１と、集光点深さ制御部２２と、電圧印加電源２３と、レーザ駆動電源２４と、を有している。なお、制御部２０において、集光点移動制御部２１、集光点深さ制御部２２、電圧印加電源２３及びレーザ駆動電源２４は、それぞれ別々にソフトウェア又はハードウェアとして構成されていてもよいし、複数まとまってソフトウェア又はハードウェアとして構成されていてもよい。

集光点移動制御部２１は、レーザ光Ｌの集光点Ｐが加工対象物１の内部に位置した状態で集光点Ｐが切断予定ライン５に沿って移動するように、支持台１１及び集光レンズ１３の少なくとも一方を制御する。つまり、集光点移動制御部２１は、切断予定ライン５に沿って集光点Ｐを相対的に移動させることができれば、支持台１１のみを駆動させてもよいし、集光レンズ１３のみを駆動させてもよいし、或いは、支持台１１及び集光レンズ１３の両方を駆動させてもよい。

集光点深さ制御部２２は、各切断予定ライン５に沿ったレーザ光入射面２の変位情報（各切断予定ライン５に沿った「集光レンズ１３の光軸に垂直な基準面からレーザ光入射面２までの距離」を示す情報）に基づいて、集光点Ｐとレーザ光入射面２との距離が一定距離に維持されるように、焦点可変レンズ１４に入力する高周波信号の振幅を調整する（詳細は後述する）。

ここで、各切断予定ライン５に沿ったレーザ光入射面２の変位情報は、一例として、次のように取得される。すなわち、測定用レーザ光源から出射された測定用レーザ光を、集光レンズ１３を介して加工対象物１に照射する。そして、レーザ光入射面２で反射された測定用レーザ光の反射光を、集光レンズ１３及び整形光学系（シリンドリカルレンズと平凸レンズとからなる光学系）を介して４分割位置検出素子（フォトダイオードを４等分してなる受光素子）で検出する。４分割位置検出素子上に集光された測定用レーザ光の反射光の集光像パターンは、集光レンズ１３による測定用レーザ光の集光点がレーザ光入射面２に対してどの位置にあるかによって変化する。換言すれば、集光像パターンに基づいて、集光レンズ１３による測定用レーザ光の集光点に対してレーザ光入射面２がどの位置にあるかが分かる。したがって、各切断予定ライン５に沿って測定用レーザ光を加工対象物に照射し、そのときの測定用レーザ光の反射光の集光パターンを４分割位置検出素子で検出することにより、集光レンズ１３による測定用レーザ光の集光点と上記基準面との位置関係に基づいて、各切断予定ライン５に沿ったレーザ光入射面２の変位情報を取得することができる。

電圧印加電源２３は、焦点可変レンズ１４に入力する高周波信号に対しての位相又は生成パルスに対して外部トリガ信号をレーザ駆動電源２４に出力する。レーザ駆動電源２４は、レーザ発振器１２におけるレーザ光Ｌの出力、繰り返し周波数等を制御するが、ここでは、電圧印加電源２３から入力された外部トリガ信号に従って、レーザ発振器１２にレーザ光Ｌをパルス発振させる。このようにして、電圧印加電源２３及びレーザ駆動電源２４は、焦点可変レンズ１４に入力する高周波信号の所定位相に、レーザ発振器１２におけるレーザ光Ｌの発振周期を同期させる（詳細は後述する）。

次に、レーザ加工装置１０Ａにおいて実施されるレーザ加工方法について説明する。まず、図８に示されるように、制御部２０は、各切断予定ライン５に沿ったレーザ光入射面２の変位情報（各切断予定ライン５に沿った「集光レンズ１３の光軸に垂直な基準面ＲＰからレーザ光入射面２までの距離」を示す情報）を取得する。なお、図８には、１本の切断予定ライン５を通り且つ基準面ＲＰに垂直な平面における加工対象物１の断面が示されている。

続いて、図９に示されるように、制御部２０は、レーザ光Ｌの集光点Ｐが加工対象物１の内部に位置した状態で集光点Ｐが切断予定ライン５に沿って移動するように、支持台１１及び集光レンズ１３の少なくとも一方を制御する。同時に、制御部２０は、焦点可変レンズ１４に入力する高周波信号Ｓの所定位相に、レーザ発振器１２におけるレーザ光Ｌの発振周期Ｔ２を同期させて、レーザ発振器１２にレーザ光Ｌをパルス発振させる。ここでは、レーザ発振器１２におけるレーザ光Ｌの発振周期Ｔ２は、高周波信号Ｓの周期Ｔ１の３倍となっており、高周波信号Ｓの３π／２radの位相（下側のピーク値）に同期させられている。具体例として、高周波信号Ｓの周期Ｔ１は１Ｈｚ〜１０ＭＨｚであり、レーザ光Ｌの発振周期Ｔ２は１ｋＨｚ〜１０ＭＨｚである。

このとき、制御部２０は、切断予定ライン５に沿ったレーザ光入射面２の変位情報に基づいて、集光点Ｐとレーザ光入射面２との距離Ｄ２が一定距離に維持されるように、高周波信号Ｓの振幅Ａを調整する。より具体的には、制御部２０は、集光レンズ１３とレーザ光入射面２との距離Ｄ１が大きくなるほど高周波信号Ｓの振幅Ａが大きくなるように、高周波信号Ｓの振幅Ａを調整する。なお、制御部２０は、振幅Ａ、距離Ｄ１及び距離Ｄ２の相互間の関係を予め記憶している。

これにより、焦点可変レンズ１４に入射したレーザ光Ｌは、高周波信号Ｓの振幅Ａに対応する発散角で集光レンズ１３に入射することになる。そして、レーザ光Ｌの１パルスのレーザ照射によって形成された改質スポット７０とレーザ光入射面２との距離は、一定距離に維持されることになる。すなわち、複数の改質スポット７０からなる改質領域７は、レーザ光入射面２からの距離が一定距離に維持された状態で、切断予定ライン５に沿って形成されることになる。なお、図９には、（ａ）焦点可変レンズ１４に入力する高周波信号Ｓの波形、（ｂ）レーザ発振器１２における出力波形、並びに（ｃ）図８と同様の平面における加工対象物１の断面、焦点可変レンズ１４、集光レンズ１３及びレーザ光Ｌが示されている。

以上説明したように、レーザ加工装置１０Ａでは、高周波信号Ｓの位相に応じて焦点距離が変化する焦点可変レンズ１４が用いられて、レーザ光Ｌの発振周期が高周波信号Ｓの所定位相に同期させられる一方で、レーザ光Ｌの集光点Ｐと加工対象物１のレーザ光入射面２との距離が一定距離に維持されるように高周波信号Ｓの振幅が調整される。これにより、アクチュエータを用いて集光レンズ１３を駆動させるだけの場合に比べ、数十倍〜数百倍のオーダーで、レーザ光Ｌの集光点Ｐの位置がレーザ光Ｌの光軸方向に変化する際の応答速度を高速化することができる。よって、レーザ加工装置１０Ａによれば、レーザ光Ｌの集光点Ｐを切断予定ライン５に沿って高速で移動させたり、薄い加工対象物１に改質領域７を形成したりする場合であっても、加工対象物１のレーザ光入射面２から改質領域７までの距離を一定距離に維持することが可能となる。

また、レーザ加工装置１０Ａでは、制御部２０が、集光レンズ１３とレーザ光入射面２との距離が大きくなるほど高周波信号Ｓの振幅が大きくなるように、高周波信号Ｓの振幅を調整するので、レーザ光Ｌの集光点Ｐと加工対象物１のレーザ光入射面２との距離を容易に且つ確実に一定距離とすることができる。

また、１本の切断予定ライン５に対して、加工対象物１の厚さ方向に並ぶように複数列の改質領域７を形成する場合には、制御部２０は、レーザ光Ｌの発振周期を高周波信号Ｓの複数の所定位相に同期させる。より具体的には、図１０に示されるように、制御部２０は、焦点可変レンズ１４に入力する高周波信号Ｓの複数の所定位相に、レーザ発振器１２におけるレーザ光Ｌの発振周期Ｔ２を同期させて、レーザ発振器１２にレーザ光Ｌをパルス発振させる。ここでは、レーザ発振器１２におけるレーザ光Ｌの発振周期Ｔ２は、高周波信号Ｓの周期Ｔ１の１．５倍となっており、高周波信号Ｓの３π／２radの位相（下側のピーク値）とπ／２radの位相（上側のピーク値）とに同期させられている。

このとき、制御部２０は、切断予定ライン５に沿ったレーザ光入射面２の変位情報に基づいて、集光点Ｐとレーザ光入射面２との距離Ｄ２ａ（レーザ光Ｌの発振タイミングが高周波信号Ｓの３π／２radの位相のとき）及び距離Ｄ２ｂ（レーザ光Ｌの発振タイミングが高周波信号Ｓのπ／２radの位相のとき）がそれぞれ一定距離に維持されるように、高周波信号Ｓの振幅Ａを調整する。より具体的には、制御部２０は、集光レンズ１３とレーザ光入射面２との距離Ｄ１が大きくなるほど高周波信号Ｓの振幅Ａが大きくなるように、高周波信号Ｓの振幅Ａを調整する。ここで、焦点可変レンズ１４から出射されるレーザ光Ｌの発散角は、高周波信号Ｓの振幅Ａが同じであっても、高周波信号Ｓの位相に応じて変化するため、レーザ光Ｌは、その発振タイミングによって、レーザ光入射面２から距離Ｄ２ａ及び距離Ｄ２ｂの位置に集光されることになる。なお、制御部２０は、振幅Ａ、距離Ｄ１、距離Ｄ２ａ及び距離Ｄ２ｂの相互間の関係を予め記憶している。

これにより、焦点可変レンズ１４に入射したレーザ光Ｌは、高周波信号Ｓの振幅Ａ及び位相に対応する発散角で集光レンズ１３に入射することになる。そして、高周波信号Ｓの３π／２radの位相のときに発振されたレーザ光Ｌの１パルスのレーザ照射によって形成された改質スポット７０ａとレーザ光入射面２との距離は、一定距離に維持されることになる。すなわち、複数の改質スポット７０ａからなる改質領域７ａは、レーザ光入射面２からの距離が一定距離に維持された状態で、切断予定ライン５に沿って形成されることになる。同様に、高周波信号Ｓのπ／２radの位相のときに発振されたレーザ光Ｌの１パルスのレーザ照射によって形成された改質スポット７０ｂとレーザ光入射面２との距離は、一定距離に維持されることになる。すなわち、複数の改質スポット７０ｂからなる改質領域７ｂは、レーザ光入射面２からの距離が一定距離に維持された状態で、切断予定ライン５に沿って形成されることになる。なお、レーザ光Ｌの発振周期を高周波信号Ｓの３つ以上の所定位相に同期させれば、加工対象物１のレーザ光入射面２からの距離が異なる３列以上の改質領域７が形成される。１本の切断予定ライン５に対する改質領域７の列数は、加工対象物１の厚さ等に応じて適宜決定することができる。

以上のように、レーザ光Ｌの発振周期を高周波信号Ｓの複数の所定位相に同期させることで、複数の所定位相のそれぞれについて、レーザ光Ｌの集光点Ｐと加工対象物１のレーザ光入射面２との距離が異なることになるので、加工対象物１のレーザ光入射面２からの距離が異なる複数列の改質領域７を１度のレーザ光Ｌのスキャンで効率良く形成することができる。
［第２実施形態］

図１１に示されるように、レーザ加工装置１０Ｂは、アクチュエータ１６を更に備える点、及び制御部２０がアクチュエータ駆動電源２５を更に有する点で、上述したレーザ加工装置１０Ａと主に相違している。アクチュエータ１６は、ピエゾ素子等を利用したものであり、アクチュエータ駆動電源２５から出力された駆動信号によって動作し、集光レンズ１３をその光軸方向に駆動させる。

このレーザ加工装置１０Ｂでは、以下のように、レーザ加工方法が実施される。まず、図１２に示されるように、制御部２０は、各切断予定ライン５に沿ったレーザ光入射面２の変位情報（各切断予定ライン５に沿った「集光レンズ１３の光軸に垂直な基準面ＲＰからレーザ光入射面２までの距離」を示す情報）を取得する。続いて、制御部２０は、当該変位情報に基づいて、切断予定ライン５に沿ったレーザ光入射面２の変位波形Ｗを、第１周波数域の第１変位波形Ｗ１と、第１周波数域よりも高い第２周波数域の第２変位波形Ｗ２とに分解する。制御部２０は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）による周波数解析を実行することで、変位波形Ｗを第１変位波形Ｗ１と第２変位波形Ｗ２とに分解する。なお、図１２には、（ａ）１本の切断予定ライン５を通り且つ基準面ＲＰに垂直な平面における加工対象物１の断面、並びに（ｂ）変位波形Ｗ、第１変位波形Ｗ１及び第２変位波形Ｗ２が示されている。

続いて、図１３に示されるように、制御部２０は、レーザ光Ｌの集光点Ｐが加工対象物１の内部に位置した状態で集光点Ｐが切断予定ライン５に沿って移動するように、支持台１１及び集光レンズ１３の少なくとも一方を制御する。同時に、制御部２０は、第１変位波形Ｗ１を切断予定ライン５に沿ったレーザ光入射面２の変位情報として、集光点Ｐとレーザ光入射面２との距離Ｄ２が一定距離に維持されるように、アクチュエータ１６を制御する（すなわち、集光レンズ１３が第１変位波形Ｗ１に追従するように、アクチュエータ１６を制御する）。更に同時に、制御部２０は、第２変位波形Ｗ２を切断予定ライン５に沿ったレーザ光入射面２の変位情報として、上述したレーザ加工装置１０Ａと同様に、集光点Ｐとレーザ光入射面２との距離Ｄ２が一定距離に維持されるように、高周波信号Ｓの振幅Ａを調整する。

これにより、焦点可変レンズ１４に入射したレーザ光Ｌは、高周波信号Ｓの振幅Ａに対応する発散角で集光レンズ１３に入射することになる。そして、アクチュエータ１６による集光レンズ１３の駆動と相俟って、レーザ光Ｌの１パルスのレーザ照射によって形成された改質スポット７０とレーザ光入射面２との距離は、一定距離に維持されることになる。すなわち、複数の改質スポット７０からなる改質領域７は、レーザ光入射面２からの距離が一定距離に維持された状態で、切断予定ライン５に沿って形成されることになる。なお、図１３には、図１２と同様の平面における加工対象物１の断面、焦点可変レンズ１４、集光レンズ１３及びレーザ光Ｌが示されている。

以上説明したように、レーザ加工装置１０Ｂでは、レーザ光Ｌの集光点Ｐの位置をレーザ光Ｌの光軸方向に変化させるために、集光レンズ１３を駆動させるアクチュエータ１６を焦点可変レンズ１４と併用することで、レーザ光Ｌの集光点Ｐと加工対象物１のレーザ光入射面２との距離を容易に且つ確実に一定距離とすることが可能となっている。なお、レーザ加工装置１０Ｂにおいても、第２変位波形Ｗ２を切断予定ライン５に沿ったレーザ光入射面２の変位情報として、レーザ光Ｌの発振周期を高周波信号Ｓの複数の所定位相に同期させれば、加工対象物１のレーザ光入射面２からの距離が異なる複数列の改質領域７を１度のレーザ光Ｌのスキャンで効率良く形成することができる。

参考として、図１４に示されるように、高周波信号Ｓの振幅Ａを一定とする一方で、集光点Ｐとレーザ光入射面２との距離Ｄ２ａ及び距離Ｄ２ｂがそれぞれ一定距離に維持されるように、アクチュエータ１６のみによって、集光レンズ１３を変位波形Ｗに追従させることができれば、レーザ光Ｌの発振周期を高周波信号Ｓの複数の所定位相に同期させることで、加工対象物１のレーザ光入射面２からの距離が異なる複数列の改質領域７を１度のレーザ光Ｌのスキャンで効率良く形成することができる。

以上、本発明の第１及び第２実施形態について説明したが、本発明は、上記第１及び第２実施形態に限定されるものではない。例えば、上記第１及び第２実施形態では、集光点Ｐとレーザ光入射面２との距離が一定距離に維持されるように、レーザ光Ｌの照射を実施したが、切断予定ライン５に応じて当該距離を変化させたり、１本の切断予定ラインの途中で当該距離を変化させたりするなど、集光点Ｐとレーザ光入射面２との距離が所定距離に維持されるように、レーザ光Ｌの照射を実施することもできる。また、各切断予定ライン５に沿ったレーザ光入射面２の変位情報の取得は、測定用レーザ光を加工対象物１に照射して測定用レーザ光の反射光を検出しつつ、レーザ光Ｌを加工対象物１に照射することで、加工対象物１に対するレーザ光Ｌの照射と同時に実施することもできる。

１０Ａ，１０Ｂ…レーザ加工装置、１１…支持台、１２…レーザ発振器、１３…集光レンズ、１４…焦点可変レンズ、１６…アクチュエータ、２０…制御部。

Claims

板状の加工対象物に設定された所定ラインに沿って前記加工対象物にレーザ光を照射することにより、前記所定ラインに沿って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、
前記加工対象物を支持する支持台と、
前記レーザ光をパルス発振するレーザ発振器と、
前記レーザ光を集光する集光レンズと、
前記レーザ発振器から前記集光レンズに至る前記レーザ光の光路上に配置され、入力された正弦波信号の位相に応じて焦点距離が変化する焦点可変レンズと、
前記レーザ光の集光点が前記加工対象物の内部に位置した状態で前記集光点が前記所定ラインに沿って移動するように、前記支持台及び前記集光レンズの少なくとも一方を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記レーザ光の発振周期を前記正弦波信号の所定位相に同期させ、
前記所定ラインに沿った前記加工対象物のレーザ光入射面の変位情報に基づいて、前記集光点と前記レーザ光入射面との距離が所定距離に維持されるように、前記正弦波信号の振幅を調整する、レーザ加工装置。
前記制御部は、前記集光レンズと前記レーザ光入射面との距離が大きくなるほど前記正弦波信号の前記振幅が大きくなるように、前記正弦波信号の前記振幅を調整する、請求項１記載のレーザ加工装置。
前記制御部は、前記レーザ光の前記発振周期を前記正弦波信号の複数の前記所定位相に同期させる、請求項１又は２記載のレーザ加工装置。
前記集光レンズをその光軸方向に駆動させるアクチュエータを更に備え、
前記制御部は、前記変位情報に基づいて、前記集光点と前記レーザ光入射面との前記距離が前記所定距離に維持されるように、前記アクチュエータを制御する、請求項１〜３のいずれか一項記載のレーザ加工装置。
前記制御部は、
前記変位情報に基づいて、前記所定ラインに沿った前記レーザ光入射面の変位波形を、第１周波数域の第１変位波形と、前記第１周波数域よりも高い第２周波数域の第２変位波形とに分解し、
前記第１変位波形を前記変位情報として、前記集光点と前記レーザ光入射面との前記距離が前記所定距離に維持されるように、前記アクチュエータを制御し、
前記第２変位波形を前記変位情報として、前記集光点と前記レーザ光入射面との前記距離が前記所定距離に維持されるように、前記正弦波信号の前記振幅を調整する、請求項４記載のレーザ加工装置。