JP7105639B2

JP7105639B2 - レーザ加工装置

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Publication number: JP7105639B2
Application number: JP2018128476A
Authority: JP
Inventors: 惇治奥間
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2018-07-05
Filing date: 2018-07-05
Publication date: 2022-07-25
Anticipated expiration: 2038-07-05
Also published as: WO2020009072A1; EP3819065A4; CN112437709A; JP2020006393A; KR20210027349A; US20210268607A1; CN112437709B; US11872655B2; EP3819065A1

Description

本発明は、レーザ加工装置に関する。

特許文献１には、レーザ加工方法が記載されている。このレーザ加工方法は、被加工物の被照射面におけるレーザビームの反射率を検出する反射率検出ステップと、検出した反射率に基づいて被加工物の被照射面に反射防止膜を形成して該被照射面を所定の反射率以下にする反射防止膜形成ステップと、該反射防止膜形成ステップを実施した後、レーザビームを被加工物の被照射面に照射して被加工物の内部に改質層を形成するレーザ加工ステップと、を備える。

特許第５９０２５２９号

ところで、反射率検出のために被加工物にレーザビームを照射すると、被加工物にダメージが生じるおそれがある。これに対して、上記のレーザ加工方法においては、具体的にどのような構成により実現されるかは不明なものの、反射率検出用のレーザビームの出力が、改質層を形成する際の出力よりも小さくされている。このように、上記技術分野においては、加工対象物へのダメージを抑制しつつ反射率を取得することが望まれている。

本発明は、加工対象物へのダメージを抑制しつつ反射率を取得可能なレーザ加工装置を提供することを目的とする。

本発明に係るレーザ加工装置は、第１波長のレーザ光を加工対象物の第１表面側から加工対象物に照射することにより、加工対象物のレーザ加工を行うためのレーザ加工装置であって、レーザ光を出力するレーザ光源と、第１表面に向けてレーザ光を集光して集光点を形成する集光ユニットと、第１表面からのレーザ光の反射光を撮像するカメラと、変調パターンに応じてレーザ光を変調するための空間光変調器と、レーザ光源の制御によって第１表面にレーザ光を照射すると共に、カメラの制御により反射光を撮像することによって、第１波長に対する第１表面の反射率を取得する取得処理を実行する制御部と、を備え、制御部は、取得処理を実行する前に、第１表面におけるレーザ光のパワー密度を低下させるための変調パターンを空間光変調器に提示させる変調処理を実行する。

このレーザ加工装置においては、制御部が、レーザ光源の制御により加工対象物の第１表面にレーザ光を照射すると共に、カメラの制御によりレーザ光の反射光を撮像することによって、レーザ光に対する第１表面の反射率を取得する取得処理を実行する。このとき、制御部は、第１表面におけるレーザ光のパワー密度を低下させるための変調パターンを空間光変調器に提示させる変調処理を実行する。このように、このレーザ加工装置にあっては、反射率取得に際して、空間光変調器を用いてレーザ光のパワー密度を低下させる。これにより、加工対象物へのダメージを抑制しつつ反射率を取得可能である。

本発明に係るレーザ加工装置においては、制御部は、変調処理として、集光点を第１表面からシフトさせるための変調パターンであるシフトパターンを空間光変調器に提示させてもよい。このとき、本発明に係るレーザ加工装置は、加工対象物を支持する支持台と、支持台を移動させるための移動機構と、反射光をカメラに向けて集光するための集光レンズと、をさらに備え、制御部は、集光点を第１表面からシフトさせたときに第１表面からの反射光がカメラに集光するように、移動機構によって支持台を移動させてもよい。この場合、第１表面におけるレーザ光のパワー密度を低下させつつ、カメラ上での反射光のパワー密度の低下を抑制できる。

本発明に係るレーザ加工装置においては、制御部は、変調処理として、レーザ光の第１表面におけるスポット形状を変化させるための変調パターンであるスポット変形パターンを空間光変調器に提示させてもよい。この場合、第１表面におけるレーザ光のスポットの状態と、カメラ上での反射光のスポットの状態との乖離を抑制しつつ、第１表面におけるレーザ光のパワー密度を低下させることでできる。

本発明に係るレーザ加工装置においては、制御部は、取得処理として、カメラの制御によって第１表面からの反射光を撮像することにより、第１表面からの反射光の光量である第１光量を取得する第１処理と、レーザ光源の制御によって、第１波長に対する反射率が既知である参照表面を有する参照物に参照表面側からレーザ光を照射すると共に、カメラの制御によって、参照表面からの反射光を撮像することにより参照表面からの反射光の光量である参照光量を取得する第２処理と、第１波長に対する参照表面の反射率、第１光量、及び、参照光量に基づいて、第１波長に対する第１表面の反射率を算出する第３処理と、を実行し、制御部は、変調処理として、第１処理における第１表面でのレーザ光のスポット形状が、第２処理における参照表面でのレーザ光のスポット形状と異なるように、変調パターンを空間光変調器に提示させてもよい。このように、参照表面での反射光の光量を取得する場合（第２処理）と、加工対象物の第１表面での反射光の光量を取得する場合（第１処理）との間において、レーザ光のスポット形状を異ならせることにより、それぞれの表面の反射率に応じた適切なスポット形状を実現できる。この結果、計測可能な反射率のダイナミックレンジを拡大できる。

本発明によれば、加工対象物へのダメージを抑制しつつ反射率を取得可能なレーザ加工装置を提供することができる。

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。実施形態に係るレーザ加工装置の斜視図である。図７のレーザ加工装置の支持台に取り付けられる加工対象物の斜視図である。図７のＺＸ平面に沿ってのレーザ出力部の断面図である。図７のレーザ加工装置におけるレーザ出力部及びレーザ集光部の一部の斜視図である。図７のＸＹ平面に沿ってのレーザ集光部の断面図である。図１１のXII－XII線に沿ってのレーザ集光部の断面図である。図１２のXIII－XIII線に沿ってのレーザ集光部の断面図である。図１１のレーザ集光部における反射型空間光変調器、４ｆレンズユニット及び集光レンズユニットの光学的配置関係を示す図である。図７のレーザ加工装置における反射型空間光変調器の部分断面図である。図７に示されたレーザ加工装置の部分的な模式図である。レーザ光及び反射光のスポットを示す図である。図７に示されたレーザ加工装置の部分的な模式図であって、制御部によるフォーカスシフトの様子を示す図である。変調パターンとレーザ光及び反射光のスポットとを示す図である。図７に示されたレーザ加工装置の部分的な模式図であって、制御部によるフォーカスシフトの様子を示す図である。レーザ光及び反射光のスポットを示す図ある。変調パターン及びレーザ光のスポットを示す図である。レーザ光のスポットを示す図である。効果を説明するためのグラフである。各モードにおける加工の様子を示す模式的な断面図である。レーザ加工方法の第１工程を示すフローチャートである。レーザ加工方法の第２工程を示すフローチャートである。レーザ加工方法の第３工程及び第４工程を示すフローチャートである。

以下、図面を参照してレーザ加工方法及びレーザ加工装置の一実施形態について説明する。なお、図面の説明においては、同一の要素同士、或いは、相当する要素同士には、互いに同一の符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。

実施形態に係るレーザ加工装置では、加工対象物にレーザ光を集光することにより、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、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が照射される対象物である加工対象物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移動機構であるステージ１１１と、レーザ光Ｌの出力やパルス幅、パルス波形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。

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。なお、ここでは、レーザ光Ｌを相対的に移動させるためにステージ１１１を移動させたが、集光用レンズ１０５を移動させてもよいし、或いはこれらの両方を移動させてもよい。

加工対象物１としては、半導体材料で形成された半導体基板や圧電材料で形成された圧電基板等を含む板状の部材（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（集光位置）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５及び図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。切断予定ライン５は、照射予定ラインに対応する。

集光点Ｐとは、レーザ光Ｌが集光する箇所のことである。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、これらが組み合わされた３次元状であってもよいし、座標指定されたものであってもよい。切断予定ライン５は、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。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。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、表面３又は裏面に形成されていればよい。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３、裏面、若しくは外周面）に露出していてもよい。改質領域７を形成する際のレーザ光入射面は、加工対象物１の表面３に限定されるものではなく、加工対象物１の裏面であってもよい。

ちなみに、加工対象物１の内部に改質領域７を形成する場合には、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の内部に位置する集光点Ｐ近傍にて特に吸収される。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）。この場合、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。一方、加工対象物１の表面３又は裏面に改質領域７を形成する場合には、レーザ光Ｌは、表面３又は裏面に位置する集光点Ｐ近傍にて特に吸収され、表面３又は裏面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）。

改質領域７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７としては、例えば、溶融処理領域（一旦溶融後再固化した領域、溶融状態中の領域及び溶融から再固化する状態中の領域のうち少なくとも何れか一つを意味する）、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７としては、加工対象物１の材料において改質領域７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。加工対象物１の材料が単結晶シリコンである場合、改質領域７は、高転位密度領域ともいえる。

溶融処理領域、屈折率変化領域、改質領域７の密度が非改質領域の密度と比較して変化した領域、及び、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７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７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は、結晶構造を有する結晶材料からなる基板を含む。例えば加工対象物１は、窒化ガリウム（ＧａＮ）、シリコン（Ｓｉ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、ＬｉＴａＯ_３、及び、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）の少なくとも何れかで形成された基板を含む。換言すると、加工対象物１は、例えば、窒化ガリウム基板、シリコン基板、ＳｉＣ基板、ＬｉＴａＯ_３基板、又はサファイア基板を含む。結晶材料は、異方性結晶及び等方性結晶の何れであってもよい。また、加工対象物１は、非結晶構造（非晶質構造）を有する非結晶材料からなる基板を含んでいてもよく、例えばガラス基板を含んでいてもよい。

実施形態では、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り、改質領域７を形成することができる。この場合、複数の改質スポットが集まることによって改質領域７となる。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。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１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できる。また、実施形態では、切断予定ライン５に沿って、改質スポットを改質領域７として形成することができる。
［実施形態に係るレーザ加工装置］

次に、実施形態に係るレーザ加工装置について説明する。以下の説明では、水平面内において互いに直交する方向をＸ軸方向及びＹ軸方向とし、鉛直方向をＺ軸方向とする。
［レーザ加工装置の全体構成］

図７に示されるように、レーザ加工装置２００は、装置フレーム２１０と、第１移動機構（移動機構）２２０と、支持台２３０と、第２移動機構（移動機構）２４０と、を備えている。さらに、レーザ加工装置２００は、レーザ出力部３００と、レーザ集光部４００と、制御部５００と、を備えている。

第１移動機構２２０は、装置フレーム２１０に取り付けられている。第１移動機構２２０は、第１レールユニット２２１と、第２レールユニット２２２と、可動ベース２２３と、を有している。第１レールユニット２２１は、装置フレーム２１０に取り付けられている。第１レールユニット２２１には、Ｙ軸方向に沿って延在する一対のレール２２１ａ，２２１ｂが設けられている。第２レールユニット２２２は、Ｙ軸方向に沿って移動可能となるように、第１レールユニット２２１の一対のレール２２１ａ，２２１ｂに取り付けられている。第２レールユニット２２２には、Ｘ軸方向に沿って延在する一対のレール２２２ａ，２２２ｂが設けられている。可動ベース２２３は、Ｘ軸方向に沿って移動可能となるように、第２レールユニット２２２の一対のレール２２２ａ，２２２ｂに取り付けられている。可動ベース２２３は、Ｚ軸方向に平行な軸線を中心線として回転可能である。

支持台２３０は、可動ベース２２３に取り付けられている。支持台２３０は、加工対象物１を支持する。加工対象物１は、例えば、シリコン等の半導体材料からなる基板の表面側に複数の機能素子（フォトダイオード等の受光素子、レーザダイオード等の発光素子、又は回路として形成された回路素子等）がマトリックス状に形成されたものである。加工対象物１が支持台２３０に支持される際には、図８に示されるように、環状のフレーム１１に張られたフィルム１２上に、例えば加工対象物１の表面１ａ（複数の機能素子側の面）が貼付される。支持台２３０は、クランプによってフレーム１１を保持すると共に真空チャックテーブルによってフィルム１２を吸着することで、加工対象物１を支持する。支持台２３０上において、加工対象物１には、互いに平行な複数の切断予定ライン５ａ、及び互いに平行な複数の切断予定ライン５ｂが、隣り合う機能素子の間を通るように格子状に設定される。

図７に示されるように、支持台２３０は、第１移動機構２２０において第２レールユニット２２２が動作することで、Ｙ軸方向に沿って移動させられる。また、支持台２３０は、第１移動機構２２０において可動ベース２２３が動作することで、Ｘ軸方向に沿って移動させられる。更に、支持台２３０は、第１移動機構２２０において可動ベース２２３が動作することで、Ｚ軸方向に平行な軸線を中心線として回転させられる。このように、支持台２３０は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に沿って移動可能となり且つＺ軸方向に平行な軸線を中心線として回転可能となるように、装置フレーム２１０に取り付けられている。

レーザ出力部３００は、装置フレーム２１０に取り付けられている。レーザ集光部４００は、第２移動機構２４０を介して装置フレーム２１０に取り付けられている。レーザ集光部４００は、第２移動機構２４０が動作することで、Ｚ軸方向に沿って移動させられる。このように、レーザ集光部４００は、レーザ出力部３００に対してＺ軸方向に沿って移動可能となるように、装置フレーム２１０に取り付けられている。

制御部５００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）等によって構成されている。制御部５００は、レーザ加工装置２００の各部の動作を制御する。

一例として、レーザ加工装置２００では、次のように、各切断予定ライン５ａ，５ｂ（図８参照）に沿って加工対象物１の内部に改質領域が形成される。

まず、加工対象物１の裏面１ｂ（図８参照）がレーザ光入射面となるように、加工対象物１が支持台２３０に支持され、加工対象物１の各切断予定ライン５ａがＸ軸方向に平行な方向に合わせられる。続いて、加工対象物１の内部において加工対象物１のレーザ光入射面から所定距離だけ離間した位置にレーザ光Ｌの集光点が位置するように、第２移動機構２４０によってレーザ集光部４００が移動させられる。続いて、加工対象物１のレーザ光入射面とレーザ光Ｌの集光点との距離が一定に維持されつつ、各切断予定ライン５ａに沿ってレーザ光Ｌの集光点が相対的に移動させられる。これにより、各切断予定ライン５ａに沿って加工対象物１の内部に改質領域が形成される。

各切断予定ライン５ａに沿っての改質領域の形成が終了すると、第１移動機構２２０によって支持台２３０が回転させられ、加工対象物１の各切断予定ライン５ｂがＸ軸方向に平行な方向に合わせられる。続いて、加工対象物１の内部において加工対象物１のレーザ光入射面から所定距離だけ離間した位置にレーザ光Ｌの集光点が位置するように、第２移動機構２４０によってレーザ集光部４００が移動させられる。続いて、加工対象物１のレーザ光入射面とレーザ光Ｌの集光点との距離が一定に維持されつつ、各切断予定ライン５ｂに沿ってレーザ光Ｌの集光点が相対的に移動させられる。これにより、各切断予定ライン５ｂに沿って加工対象物１の内部に改質領域が形成される。

このように、レーザ加工装置２００では、Ｘ軸方向に平行な方向が加工方向（レーザ光Ｌのスキャン方向）とされている。なお、各切断予定ライン５ａに沿ったレーザ光Ｌの集光点の相対的な移動、及び各切断予定ライン５ｂに沿ったレーザ光Ｌの集光点の相対的な移動は、第１移動機構２２０によって支持台２３０がＸ軸方向に沿って移動させられることで、実施される。また、各切断予定ライン５ａ間におけるレーザ光Ｌの集光点の相対的な移動、及び各切断予定ライン５ｂ間におけるレーザ光Ｌの集光点の相対的な移動は、第１移動機構２２０によって支持台２３０がＹ軸方向に沿って移動させられることで、実施される。

図９に示されるように、レーザ出力部３００は、取付ベース３０１と、カバー３０２と、複数のミラー３０３，３０４と、を有している。更に、レーザ出力部３００は、レーザ発振器（レーザ光源）３１０と、シャッタ３２０と、λ／２波長板ユニット３３０と、偏光板ユニット３４０と、ビームエキスパンダ３５０と、ミラーユニット３６０と、を有している。

取付ベース３０１は、複数のミラー３０３，３０４、レーザ発振器３１０、シャッタ３２０、λ／２波長板ユニット３３０、偏光板ユニット３４０、ビームエキスパンダ３５０及びミラーユニット３６０を支持している。複数のミラー３０３，３０４、レーザ発振器３１０、シャッタ３２０、λ／２波長板ユニット３３０、偏光板ユニット３４０、ビームエキスパンダ３５０及びミラーユニット３６０は、取付ベース３０１の主面３０１ａに取り付けられている。取付ベース３０１は、板状の部材であり、装置フレーム２１０（図７参照）に対して着脱可能である。レーザ出力部３００は、取付ベース３０１を介して装置フレーム２１０に取り付けられている。つまり、レーザ出力部３００は、装置フレーム２１０に対して着脱可能である。

カバー３０２は、取付ベース３０１の主面３０１ａ上において、複数のミラー３０３，３０４、レーザ発振器３１０、シャッタ３２０、λ／２波長板ユニット３３０、偏光板ユニット３４０、ビームエキスパンダ３５０及びミラーユニット３６０を覆っている。カバー３０２は、取付ベース３０１に対して着脱可能である。

レーザ発振器３１０は、直線偏光のレーザ光ＬをＸ軸方向に沿ってパルス発振する。レーザ発振器３１０から出射されるレーザ光Ｌの波長は、５００～５５０ｎｍ、１０００～１１５０ｎｍ又は１３００～１４００ｎｍのいずれかの波長帯に含まれる。５００～５５０ｎｍの波長帯のレーザ光Ｌは、例えばサファイアからなる基板に対する内部吸収型レーザ加工に適している。１０００～１１５０ｎｍ及び１３００～１４００ｎｍの各波長帯のレーザ光Ｌは、例えばシリコンからなる基板に対する内部吸収型レーザ加工に適している。レーザ発振器３１０から出射されるレーザ光Ｌの偏光方向は、例えば、Ｙ軸方向に平行な方向である。レーザ発振器３１０から出射されたレーザ光Ｌは、ミラー３０３によって反射され、Ｙ軸方向に沿ってシャッタ３２０に入射する。

レーザ発振器３１０では、次のように、レーザ光Ｌの出力のＯＮ／ＯＦＦが切り替えられる。レーザ発振器３１０が固体レーザで構成されている場合、共振器内に設けられたＱスイッチ（ＡＯＭ（音響光学変調器）、ＥＯＭ（電気光学変調器）等）のＯＮ／ＯＦＦが切り替えられることで、レーザ光Ｌの出力のＯＮ／ＯＦＦが高速に切り替えられる。レーザ発振器３１０がファイバレーザで構成されている場合、シードレーザ、アンプ（励起用）レーザを構成する半導体レーザの出力のＯＮ／ＯＦＦが切り替えられることで、レーザ光Ｌの出力のＯＮ／ＯＦＦが高速に切り替えられる。レーザ発振器３１０が外部変調素子を用いている場合、共振器外に設けられた外部変調素子（ＡＯＭ、ＥＯＭ等）のＯＮ／ＯＦＦが切り替えられることで、レーザ光Ｌの出力のＯＮ／ＯＦＦが高速に切り替えられる。

シャッタ３２０は、機械式の機構によってレーザ光Ｌの光路を開閉する。レーザ出力部３００からのレーザ光Ｌの出力のＯＮ／ＯＦＦの切り替えは、上述したように、レーザ発振器３１０でのレーザ光Ｌの出力のＯＮ／ＯＦＦの切り替えによって実施されるが、シャッタ３２０が設けられていることで、例えばレーザ出力部３００からレーザ光Ｌが不意に出射されることが防止される。シャッタ３２０を通過したレーザ光Ｌは、ミラー３０４によって反射され、Ｘ軸方向に沿ってλ／２波長板ユニット３３０及び偏光板ユニット３４０に順次入射する。

λ／２波長板ユニット３３０及び偏光板ユニット３４０は、レーザ光Ｌの出力（光強度）を調整するアッテネータ５５０として機能する。また、λ／２波長板ユニット３３０及び偏光板ユニット３４０は、レーザ光Ｌの偏光方向を調整する偏光方向調整部として機能する。λ／２波長板ユニット３３０及び偏光板ユニット３４０を順次通過したレーザ光Ｌは、Ｘ軸方向に沿ってビームエキスパンダ３５０に入射する。

ビームエキスパンダ３５０は、レーザ光Ｌの径を調整しつつ、レーザ光Ｌを平行化する。ビームエキスパンダ３５０を通過したレーザ光Ｌは、Ｘ軸方向に沿ってミラーユニット３６０に入射する。

ミラーユニット３６０は、支持ベース３６１と、複数のミラー３６２，３６３と、を有している。支持ベース３６１は、複数のミラー３６２，３６３を支持している。支持ベース３６１は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に沿って位置調整可能となるように、取付ベース３０１に取り付けられている。ミラー（第１ミラー）３６２は、ビームエキスパンダ３５０を通過したレーザ光ＬをＹ軸方向に反射する。ミラー３６２は、その反射面が例えばＺ軸に平行な軸線回りに角度調整可能となるように、支持ベース３６１に取り付けられている。

ミラー（第２ミラー）３６３は、ミラー３６２によって反射されたレーザ光ＬをＺ軸方向に反射する。ミラー３６３は、その反射面が例えばＸ軸に平行な軸線回りに角度調整可能となり且つＹ軸方向に沿って位置調整可能となるように、支持ベース３６１に取り付けられている。ミラー３６３によって反射されたレーザ光Ｌは、支持ベース３６１に形成された開口３６１ａを通過し、Ｚ軸方向に沿ってレーザ集光部４００（図７参照）に入射する。つまり、レーザ出力部３００によるレーザ光Ｌの出射方向は、レーザ集光部４００の移動方向に一致している。上述したように、各ミラー３６２，３６３は、反射面の角度を調整するための機構を有している。

ミラーユニット３６０では、取付ベース３０１に対する支持ベース３６１の位置調整、支持ベース３６１に対するミラー３６３の位置調整、及び各ミラー３６２，３６３の反射面の角度調整が実施されることで、レーザ出力部３００から出射されるレーザ光Ｌの光軸の位置及び角度がレーザ集光部４００に対して合わされる。つまり、複数のミラー３６２，３６３は、レーザ出力部３００から出射されるレーザ光Ｌの光軸を調整するための構成である。

図１０に示されるように、レーザ集光部４００は、筐体４０１を有している。筐体４０１は、Ｙ軸方向を長手方向とする直方体状の形状を呈している。筐体４０１の一方の側面４０１ｅには、第２移動機構２４０が取り付けられている（図１１及び図１３参照）。筐体４０１には、ミラーユニット３６０の開口３６１ａとＺ軸方向において対向するように、円筒状の光入射部４０１ａが設けられている。光入射部４０１ａは、レーザ出力部３００から出射されたレーザ光Ｌを筐体４０１内に入射させる。ミラーユニット３６０と光入射部４０１ａとは、第２移動機構２４０によってレーザ集光部４００がＺ軸方向に沿って移動させられた際に互いに接触することがない距離だけ、互いに離間している。

図１１及び図１２に示されるように、レーザ集光部４００は、ミラー４０２と、ダイクロイックミラー４０３と、を有している。更に、レーザ集光部４００は、反射型空間光変調器４１０と、４ｆレンズユニット４２０と、集光レンズユニット（集光ユニット、対物レンズ）４３０と、駆動機構４４０と、一対の測距センサ４５０と、を有している。

ミラー４０２は、光入射部４０１ａとＺ軸方向において対向するように、筐体４０１の底面４０１ｂに取り付けられている。ミラー４０２は、光入射部４０１ａを介して筐体４０１内に入射したレーザ光ＬをＸＹ平面に平行な方向に反射する。ミラー４０２には、レーザ出力部３００のビームエキスパンダ３５０によって平行化されたレーザ光ＬがＺ軸方向に沿って入射する。つまり、ミラー４０２には、レーザ光Ｌが平行光としてＺ軸方向に沿って入射する。そのため、第２移動機構２４０によってレーザ集光部４００がＺ軸方向に沿って移動させられても、Ｚ軸方向に沿ってミラー４０２に入射するレーザ光Ｌの状態は一定に維持される。ミラー４０２によって反射されたレーザ光Ｌは、反射型空間光変調器４１０に入射する。

反射型空間光変調器４１０は、反射面４１０ａが筐体４０１内に臨んだ状態で、Ｙ軸方向における筐体４０１の端部４０１ｃに取り付けられている。反射型空間光変調器４１０は、例えば反射型液晶（ＬＣＯＳ：Liquid Crystal on Silicon）の空間光変調器（ＳＬＭ：Spatial Light Modulator）であり、レーザ光Ｌを変調しつつ、レーザ光ＬをＹ軸方向に反射する。反射型空間光変調器４１０によって変調されると共に反射されたレーザ光Ｌは、Ｙ軸方向に沿って４ｆレンズユニット４２０に入射する。ここで、ＸＹ平面に平行な平面内において、反射型空間光変調器４１０に入射するレーザ光Ｌの光軸と、反射型空間光変調器４１０から出射されるレーザ光Ｌの光軸とがなす角度αは、鋭角（例えば、１０～６０°）とされている。つまり、レーザ光Ｌは、反射型空間光変調器４１０においてＸＹ平面に沿って鋭角に反射される。これは、レーザ光Ｌの入射角及び反射角を抑えて回折効率の低下を抑制し、反射型空間光変調器４１０の性能を十分に発揮させるためである。なお、反射型空間光変調器４１０では、例えば、液晶が用いられた光変調層の厚さが数μｍ～数十μｍ程度と極めて薄いため、反射面４１０ａは、光変調層の光入出射面と実質的に同じと捉えることができる。

４ｆレンズユニット４２０は、ホルダ４２１と、反射型空間光変調器４１０側のレンズ４２２と、集光レンズユニット４３０側のレンズ４２３と、スリット部材４２４と、を有している。ホルダ４２１は、一対のレンズ４２２，４２３及びスリット部材４２４を保持している。ホルダ４２１は、レーザ光Ｌの光軸に沿った方向における一対のレンズ４２２，４２３及びスリット部材４２４の互いの位置関係を一定に維持している。一対のレンズ４２２，４２３は、反射型空間光変調器４１０の反射面４１０ａと集光レンズユニット４３０の入射瞳面（瞳面）４３０ａとが結像関係にある両側テレセントリック光学系を構成している。

これにより、反射型空間光変調器４１０の反射面４１０ａでのレーザ光Ｌの像（反射型空間光変調器４１０において変調されたレーザ光Ｌの像）が、集光レンズユニット４３０の入射瞳面４３０ａに転像（結像）される。スリット部材４２４には、スリット４２４ａが形成されている。スリット４２４ａは、レンズ４２２とレンズ４２３との間であって、レンズ４２２の焦点面付近に位置している。反射型空間光変調器４１０によって変調されると共に反射されたレーザ光Ｌのうち不要な部分は、スリット部材４２４によって遮断される。４ｆレンズユニット４２０を通過したレーザ光Ｌは、Ｙ軸方向に沿ってダイクロイックミラー４０３に入射する。

ダイクロイックミラー４０３は、レーザ光Ｌの大部分（例えば、９５～９９．５％）をＺ軸方向に反射し、レーザ光Ｌの一部（例えば、０．５～５％）をＹ軸方向に沿って透過させる。レーザ光Ｌの大部分は、ダイクロイックミラー４０３においてＺＸ平面に沿って直角に反射される。ダイクロイックミラー４０３によって反射されたレーザ光Ｌは、Ｚ軸方向に沿って集光レンズユニット４３０に入射する。

集光レンズユニット４３０は、Ｙ軸方向における筐体４０１の端部４０１ｄ（端部４０１ｃの反対側の端部）に、駆動機構４４０を介して取り付けられている。集光レンズユニット４３０は、ホルダ４３１と、複数のレンズ４３２と、を有している。ホルダ４３１は、複数のレンズ４３２を保持している。複数のレンズ４３２は、支持台２３０に支持された加工対象物１（図７参照）に対してレーザ光Ｌを集光する。駆動機構４４０は、圧電素子の駆動力によって、集光レンズユニット４３０をＺ軸方向に沿って移動させる。

一対の測距センサ４５０は、Ｘ軸方向において集光レンズユニット４３０の両側に位置するように、筐体４０１の端部４０１ｄに取り付けられている。各測距センサ４５０は、支持台２３０に支持された加工対象物１（図７参照）のレーザ光入射面に対して測距用の光（例えば、レーザ光）を出射し、当該レーザ光入射面によって反射された測距用の光を検出することで、加工対象物１のレーザ光入射面の変位データを取得する。なお、測距センサ４５０には、三角測距方式、レーザ共焦点方式、白色共焦点方式、分光干渉方式、非点収差方式等のセンサを利用することができる。

レーザ加工装置２００では、上述したように、Ｘ軸方向に平行な方向が加工方向（レーザ光Ｌのスキャン方向）とされている。そのため、各切断予定ライン５ａ，５ｂに沿ってレーザ光Ｌの集光点が相対的に移動させられる際に、一対の測距センサ４５０のうち集光レンズユニット４３０に対して相対的に先行する測距センサ４５０が、各切断予定ライン５ａ，５ｂに沿った加工対象物１のレーザ光入射面の変位データを取得する。そして、加工対象物１のレーザ光入射面とレーザ光Ｌの集光点との距離が一定に維持されるように、駆動機構４４０が、測距センサ４５０によって取得された変位データに基づいて集光レンズユニット４３０をＺ軸方向に沿って移動させる。

レーザ集光部４００は、ビームスプリッタ４６１と、一対のレンズ４６２，４６３と、プロファイル取得用カメラ（強度分布取得部）４６４と、を有している。ビームスプリッタ４６１は、ダイクロイックミラー４０３を透過したレーザ光Ｌを反射成分と透過成分とに分ける。ビームスプリッタ４６１によって反射されたレーザ光Ｌは、Ｚ軸方向に沿って一対のレンズ４６２，４６３及びプロファイル取得用カメラ４６４に順次入射する。一対のレンズ４６２，４６３は、集光レンズユニット４３０の入射瞳面４３０ａとプロファイル取得用カメラ４６４の撮像面とが結像関係にある両側テレセントリック光学系を構成している。これにより、集光レンズユニット４３０の入射瞳面４３０ａでのレーザ光Ｌの像が、プロファイル取得用カメラ４６４の撮像面に転像（結像）される。上述したように、集光レンズユニット４３０の入射瞳面４３０ａでのレーザ光Ｌの像は、反射型空間光変調器４１０において変調されたレーザ光Ｌの像である。したがって、レーザ加工装置２００では、プロファイル取得用カメラ４６４による撮像結果を監視することで、反射型空間光変調器４１０の動作状態を把握することができる。

更に、レーザ集光部４００は、ビームスプリッタ４７１と、レンズ４７２と、レーザ光Ｌの光軸位置モニタ用のカメラ４７３と、を有している。ビームスプリッタ４７１は、ビームスプリッタ４６１を透過したレーザ光Ｌを反射成分と透過成分とに分ける。ビームスプリッタ４７１によって反射されたレーザ光Ｌは、Ｚ軸方向に沿ってレンズ４７２及びカメラ４７３に順次入射する。レンズ４７２は、入射したレーザ光Ｌをカメラ４７３の撮像面上に集光する。レーザ加工装置２００では、カメラ４６４及びカメラ４７３のそれぞれによる撮像結果を監視しつつ、ミラーユニット３６０において、取付ベース３０１に対する支持ベース３６１の位置調整、支持ベース３６１に対するミラー３６３の位置調整、及び各ミラー３６２，３６３の反射面の角度調整を実施することで（図９及び図１０参照）、集光レンズユニット４３０に入射するレーザ光Ｌの光軸のずれ（集光レンズユニット４３０に対するレーザ光の強度分布の位置ずれ、及び集光レンズユニット４３０に対するレーザ光Ｌの光軸の角度ずれ）を補正することができる。

複数のビームスプリッタ４６１，４７１は、筐体４０１の端部４０１ｄからＹ軸方向に沿って延在する筒体４０４内に配置されている。一対のレンズ４６２，４６３は、Ｚ軸方向に沿って筒体４０４上に立設された筒体４０５内に配置されており、プロファイル取得用カメラ４６４は、筒体４０５の端部に配置されている。レンズ４７２は、Ｚ軸方向に沿って筒体４０４上に立設された筒体４０６内に配置されており、カメラ４７３は、筒体４０６の端部に配置されている。筒体４０５と筒体４０６とは、Ｙ軸方向において互いに並設されている。なお、ビームスプリッタ４７１を透過したレーザ光Ｌは、筒体４０４の端部に設けられたダンパ等に吸収されるようにしてもよいし、或いは、適宜の用途で利用されるようにしてもよい。

図１２及び図１３に示されるように、レーザ集光部４００は、可視光源４８１と、複数のレンズ４８２と、レチクル４８３と、ミラー４８４と、ハーフミラー４８５と、ビームスプリッタ４８６と、レンズ４８７と、観察カメラ４８８と、を有している。可視光源４８１は、Ｚ軸方向に沿って可視光Ｖを出射する。複数のレンズ４８２は、可視光源４８１から出射された可視光Ｖを平行化する。レチクル４８３は、可視光Ｖに目盛り線を付与する。ミラー４８４は、複数のレンズ４８２によって平行化された可視光ＶをＸ軸方向に反射する。ハーフミラー４８５は、ミラー４８４によって反射された可視光Ｖを反射成分と透過成分とに分ける。ハーフミラー４８５によって反射された可視光Ｖは、Ｚ軸方向に沿ってビームスプリッタ４８６及びダイクロイックミラー４０３を順次透過し、集光レンズユニット４３０を介して、支持台２３０に支持された加工対象物１（図７参照）に照射される。

加工対象物１に照射された可視光Ｖは、加工対象物１のレーザ光入射面によって反射され、集光レンズユニット４３０を介してダイクロイックミラー４０３に入射し、Ｚ軸方向に沿ってダイクロイックミラー４０３を透過する。ビームスプリッタ４８６は、ダイクロイックミラー４０３を透過した可視光Ｖを反射成分と透過成分とに分ける。ビームスプリッタ４８６を透過した可視光Ｖは、ハーフミラー４８５を透過し、Ｚ軸方向に沿ってレンズ４８７及び観察カメラ４８８に順次入射する。レンズ４８７は、入射した可視光Ｖを観察カメラ４８８の撮像面上に集光する。レーザ加工装置２００では、観察カメラ４８８による撮像結果を観察することで、加工対象物１の状態を把握することができる。

ミラー４８４、ハーフミラー４８５及びビームスプリッタ４８６は、筐体４０１の端部４０１ｄ上に取り付けられたホルダ４０７内に配置されている。複数のレンズ４８２及びレチクル４８３は、Ｚ軸方向に沿ってホルダ４０７上に立設された筒体４０８内に配置されており、可視光源４８１は、筒体４０８の端部に配置されている。レンズ４８７は、Ｚ軸方向に沿ってホルダ４０７上に立設された筒体４０９内に配置されており、観察カメラ４８８は、筒体４０９の端部に配置されている。筒体４０８と筒体４０９とは、Ｘ軸方向において互いに並設されている。なお、Ｘ軸方向に沿ってハーフミラー４８５を透過した可視光Ｖ、及びビームスプリッタ４８６によってＸ軸方向に反射された可視光Ｖは、それぞれ、ホルダ４０７の壁部に設けられたダンパ等に吸収されるようにしてもよいし、或いは、適宜の用途で利用されるようにしてもよい。

なお、ここでは、加工対象物１に照射されたレーザ光Ｌは、加工対象物１のレーザ光入射面によって反射され、集光レンズユニット４３０を介してダイクロイックミラー４０３、ビームスプリッタ４８６、ハーフミラー４８５を順次透過し、Ｚ軸方向に沿ってレンズ４８７及び観察カメラ４８８に順次入射する。レンズ４８７は、入射したレーザ光Ｌを観察カメラ４８８の撮像面上に集光する。したがって、レーザ加工装置２００では、後述するように、観察カメラ４８８による撮像結果を観察（例えば画像処理）することで、加工対象物１のレーザ光入射面におけるレーザ光Ｌの反射光量を取得することができる。

レーザ加工装置２００では、レーザ出力部３００の交換が想定されている。これは、加工対象物１の仕様、加工条件等に応じて、加工に適したレーザ光Ｌの波長が異なるからである。そのため、出射するレーザ光Ｌの波長が互いに異なる複数のレーザ出力部３００が用意される。ここでは、出射するレーザ光Ｌの波長が５００～５５０ｎｍの波長帯に含まれるレーザ出力部３００、出射するレーザ光Ｌの波長が１０００～１１５０ｎｍの波長帯に含まれるレーザ出力部３００、及び出射するレーザ光Ｌの波長が１３００～１４００ｎｍの波長帯に含まれるレーザ出力部３００が用意される。

一方、レーザ加工装置２００では、レーザ集光部４００の交換が想定されていない。これは、レーザ集光部４００がマルチ波長に対応している（互いに連続しない複数の波長帯に対応している）からである。具体的には、ミラー４０２、反射型空間光変調器４１０、４ｆレンズユニット４２０の一対のレンズ４２２，４２３、ダイクロイックミラー４０３、及び集光レンズユニット４３０のレンズ４３２等がマルチ波長に対応している。

ここでは、レーザ集光部４００は、５００～５５０ｎｍ、１０００～１１５０ｎｍ及び１３００～１４００ｎｍの波長帯に対応している。これは、レーザ集光部４００の各構成に所定の誘電体多層膜をコーティングすること等、所望の光学性能が満足されるようにレーザ集光部４００の各構成が設計されることで実現される。なお、レーザ出力部３００において、λ／２波長板ユニット３３０はλ／２波長板を有しており、偏光板ユニット３４０は偏光板を有している。λ／２波長板及び偏光板は、波長依存性が高い光学素子である。そのため、λ／２波長板ユニット３３０及び偏光板ユニット３４０は、波長帯ごとに異なる構成としてレーザ出力部３００に設けられている。
［レーザ加工装置におけるレーザ光の光路及び偏光方向］

レーザ加工装置２００では、支持台２３０に支持された加工対象物１に対して集光されるレーザ光Ｌの偏光方向は、図１１に示されるように、Ｘ軸方向に平行な方向であり、加工方向（レーザ光Ｌのスキャン方向）に一致している。ここで、反射型空間光変調器４１０では、レーザ光ＬがＰ偏光として反射される。これは、反射型空間光変調器４１０の光変調層に液晶が用いられている場合において、反射型空間光変調器４１０に対して入出射するレーザ光Ｌの光軸を含む平面に平行な面内で液晶分子が傾斜するように、当該液晶が配向されているときには、偏波面の回転が抑制された状態でレーザ光Ｌに位相変調が施されるからである（例えば、特許第３８７８７５８号公報参照）。

一方、ダイクロイックミラー４０３では、レーザ光ＬがＳ偏光として反射される。これは、レーザ光ＬをＰ偏光として反射させるよりも、レーザ光ＬをＳ偏光として反射させたほうが、ダイクロイックミラー４０３をマルチ波長に対応させるための誘電体多層膜のコーティング数が減少する等、ダイクロイックミラー４０３の設計が容易となるからである。

したがって、レーザ集光部４００では、ミラー４０２から反射型空間光変調器４１０及び４ｆレンズユニット４２０を介してダイクロイックミラー４０３に至る光路が、ＸＹ平面に沿うように設定されており、ダイクロイックミラー４０３から集光レンズユニット４３０に至る光路が、Ｚ軸方向に沿うように設定されている。

図９に示されるように、レーザ出力部３００では、レーザ光Ｌの光路がＸ軸方向又はＹ軸方向に沿うように設定されている。具体的には、レーザ発振器３１０からミラー３０３に至る光路、並びに、ミラー３０４からλ／２波長板ユニット３３０、偏光板ユニット３４０及びビームエキスパンダ３５０を介してミラーユニット３６０に至る光路が、Ｘ軸方向に沿うように設定されており、ミラー３０３からシャッタ３２０を介してミラー３０４に至る光路、及び、ミラーユニット３６０においてミラー３６２からミラー３６３に至る光路が、Ｙ軸方向に沿うように設定されている。

ここで、Ｚ軸方向に沿ってレーザ出力部３００からレーザ集光部４００に進行したレーザ光Ｌは、図１１に示されるように、ミラー４０２によってＸＹ平面に平行な方向に反射され、反射型空間光変調器４１０に入射する。このとき、ＸＹ平面に平行な平面内において、反射型空間光変調器４１０に入射するレーザ光Ｌの光軸と、反射型空間光変調器４１０から出射されるレーザ光Ｌの光軸とは、鋭角である角度αをなしている。一方、上述したように、レーザ出力部３００では、レーザ光Ｌの光路がＸ軸方向又はＹ軸方向に沿うように設定されている。

したがって、レーザ出力部３００において、λ／２波長板ユニット３３０及び偏光板ユニット３４０を、レーザ光Ｌの出力を調整するアッテネータ５５０としてだけでなく、レーザ光Ｌの偏光方向を調整する偏光方向調整部としても機能させる必要がある。
［４ｆレンズユニット］

上述したように、４ｆレンズユニット４２０の一対のレンズ４２２，４２３は、反射型空間光変調器４１０の反射面４１０ａと集光レンズユニット４３０の入射瞳面４３０ａとが結像関係にある両側テレセントリック光学系を構成している。具体的には、図１４に示されるように、反射型空間光変調器４１０側のレンズ４２２の中心と反射型空間光変調器４１０の反射面４１０ａとの間の光路の距離がレンズ４２２の第１焦点距離ｆ１となり、集光レンズユニット４３０側のレンズ４２３の中心と集光レンズユニット４３０の入射瞳面４３０ａとの間の光路の距離がレンズ４２３の第２焦点距離ｆ２となり、レンズ４２２の中心とレンズ４２３の中心との間の光路の距離が第１焦点距離ｆ１と第２焦点距離ｆ２との和（すなわち、ｆ１＋ｆ２）となっている。反射型空間光変調器４１０から集光レンズユニット４３０に至る光路のうち一対のレンズ４２２，４２３間の光路は、一直線である。

レーザ加工装置２００では、反射型空間光変調器４１０の反射面４１０ａでのレーザ光Ｌの有効径を大きくする観点から、両側テレセントリック光学系の倍率Ｍが、０．５＜Ｍ＜１（縮小系）を満たしている。反射型空間光変調器４１０の反射面４１０ａでのレーザ光Ｌの有効径が大きいほど、高精細な位相パターンでレーザ光Ｌが変調される。反射型空間光変調器４１０から集光レンズユニット４３０に至るレーザ光Ｌの光路が長くなるのを抑制するという観点では、０．６≦Ｍ≦０．９５であることがより好ましい。ここで、（両側テレセントリック光学系の倍率Ｍ）＝（集光レンズユニット４３０の入射瞳面４３０ａでの像の大きさ）／（反射型空間光変調器４１０の反射面４１０ａでの物体の大きさ）である。レーザ加工装置２００の場合、両側テレセントリック光学系の倍率Ｍ、レンズ４２２の第１焦点距離ｆ１及びレンズ４２３の第２焦点距離ｆ２が、Ｍ＝ｆ２／ｆ１を満たしている。

なお、反射型空間光変調器４１０の反射面４１０ａでのレーザ光Ｌの有効径を小さくする観点から、両側テレセントリック光学系の倍率Ｍが、１＜Ｍ＜２（拡大系）を満たしていてもよい。反射型空間光変調器４１０の反射面４１０ａでのレーザ光Ｌの有効径が小さいほど、ビームエキスパンダ３５０（図９参照）の倍率が小さくて済み、ＸＹ平面に平行な平面内において、反射型空間光変調器４１０に入射するレーザ光Ｌの光軸と、反射型空間光変調器４１０から出射されるレーザ光Ｌの光軸とがなす角度α（図１１参照）が小さくなる。反射型空間光変調器４１０から集光レンズユニット４３０に至るレーザ光Ｌの光路が長くなるのを抑制するという観点では、１．０５≦Ｍ≦１．７であることがより好ましい。
［反射型空間光変調器］

図１５に示されるように、反射型空間光変調器４１０は、シリコン基板２１３、駆動回路層９１４、複数の画素電極２１４、誘電体多層膜ミラー等の反射膜２１５、配向膜９９９ａ、液晶層（変調層）２１６、配向膜９９９ｂ、透明導電膜２１７、及びガラス基板等の透明基板２１８がこの順に積層されることで構成されている。

透明基板２１８は、表面２１８ａを有している。表面２１８ａは、上述したように、実質的に反射型空間光変調器４１０の反射面４１０ａを構成しているとも捉えられるが、より具体的には、レーザ光Ｌが入射される入射面である。すなわち、透明基板２１８は、例えばガラス等の光透過性材料からなり、反射型空間光変調器４１０の表面２１８ａから入射したレーザ光Ｌを、反射型空間光変調器４１０の内部へ透過する。透明導電膜２１７は、透明基板２１８の裏面上に形成されており、レーザ光Ｌを透過する導電性材料（例えばＩＴＯ）からなる。

複数の画素電極２１４は、透明導電膜２１７に沿ってシリコン基板２１３上にマトリックス状に配列されている。各画素電極２１４は、例えばアルミニウム等の金属材料からなり、これらの表面２１４ａは、平坦且つ滑らかに加工されている。表面２１４ａは、透明基板２１８の表面２１８ａから入射したレーザ光Ｌを、表面２１８ａに向けて反射する。すなわち、反射型空間光変調器４１０は、レーザ光Ｌが入射される表面２１８ａと、表面２１８ａから入射したレーザ光Ｌを表面２１８ａに向けて反射する表面２１４ａと、を含む。複数の画素電極２１４は、駆動回路層９１４に設けられたアクティブ・マトリクス回路によって駆動される。

アクティブ・マトリクス回路は、複数の画素電極２１４とシリコン基板２１３との間に設けられており、反射型空間光変調器４１０から出力しようとする光像に応じて各画素電極２１４への印加電圧を制御する。このようなアクティブ・マトリクス回路は、例えば図示しないＸ軸方向に並んだ各画素列の印加電圧を制御する第１ドライバ回路と、Ｙ軸方向に並んだ各画素列の印加電圧を制御する第２ドライバ回路とを有しており、制御部５００によって双方のドライバ回路で指定された画素の画素電極２１４に所定電圧が印加されるように構成されている。

配向膜９９９ａ，９９９ｂは、液晶層２１６の両端面に配置されており、液晶分子群を一定方向に配列させる。配向膜９９９ａ，９９９ｂは、例えばポリイミド等の高分子材料からなり、液晶層２１６との接触面にラビング処理等が施されている。

液晶層２１６は、複数の画素電極２１４と透明導電膜２１７との間に配置されており、各画素電極２１４と透明導電膜２１７とにより形成される電界に応じてレーザ光Ｌを変調する。すなわち、駆動回路層９１４のアクティブ・マトリクス回路によって各画素電極２１４に電圧が印加されると、透明導電膜２１７と各画素電極２１４との間に電界が形成され、液晶層２１６に形成された電界の大きさに応じて液晶分子２１６ａの配列方向が変化する。そして、レーザ光Ｌが透明基板２１８及び透明導電膜２１７を透過して液晶層２１６に入射すると、このレーザ光Ｌは、液晶層２１６を通過する間に液晶分子２１６ａによって変調され、反射膜２１５において反射した後、再び液晶層２１６により変調されて、出射する。

このとき、制御部５００により各画素電極２１４に印加される電圧が制御され、その電圧に応じて、液晶層２１６において透明導電膜２１７と各画素電極２１４とに挟まれた部分の屈折率が変化する（各画素に対応した位置の液晶層２１６の屈折率が変化する）。この屈折率の変化により、印加した電圧に応じて、レーザ光Ｌの位相を液晶層２１６の画素ごとに変化させることができる。つまり、ホログラムパターンに応じた位相変調を画素ごとに液晶層２１６によって付与することができる。

換言すると、変調を付与するホログラムパターンとしての変調パターンを、反射型空間光変調器４１０の液晶層２１６に表示させることができる。変調パターンに入射し透過するレーザ光Ｌは、その波面が調整され、そのレーザ光Ｌを構成する各光線において進行方向に直交する所定方向の成分の位相にずれが生じる。したがって、反射型空間光変調器４１０に表示させる変調パターンを適宜設定することにより、レーザ光Ｌが変調（例えば、レーザ光Ｌの強度、振幅、位相、偏光等が変調）可能となる。

さらに換言すれば、各画素電極２１４に印可する電圧に応じて、画素電極２１４の配列方向に沿って液晶層２１６に屈折率分布が発生し、レーザ光Ｌに位相変調を付与し得る位相パターンが液晶層２１６に表示される。すなわち、反射型空間光変調器４１０は、表面２１８ａと表面２１４ａとの間に配置され、位相パターンを表示してレーザ光Ｌを変調する液晶層（変調層）２１６を含む。
［レーザ加工装置の一実施形態］

上記のレーザ加工装置２００は、レーザ光Ｌの波長（以下、「第１波長」という）に対して、加工対象物１のレーザ光入射面の反射率が未知である場合であっても、適切な加工を行うことを可能とする。そのためのレーザ加工装置２００の構成について、模式図を用いて説明する。図１６は、図７に示されたレーザ加工装置の部分的な模式図である。図７，９，１２，１６に示されるように、レーザ加工装置２００は、上述した支持台２３０、第２移動機構（移動機構）２４０、レーザ発振器（レーザ光源）３１０、レンズ（集光レンズ）４８７、観察カメラ（カメラ）４８８、反射型空間光変調器（空間光変調器）４１０、及び、制御部５００を備えている。

支持台２３０は、加工対象物１、及び後述するリファレンスウェハ（参照物）１Ｒを支持する。レーザ発振器３１０は、レーザ光Ｌを出力する。集光レンズユニット４３０は、支持台２３０に支持された加工対象物１の裏面（第１表面）１ｂ、又は、支持台２３０に支持されたリファレンスウェハ１Ｒの参照表面１Ｒｂに向けて、レーザ光Ｌを集光して集光点Ｐを形成する。レーザ発振器３１０と集光レンズユニット４３０との間においてレーザ光Ｌの光路上に配置され、変調パターンに応じてレーザ光Ｌを変調する。

レンズ４８７は、レーザ光Ｌの裏面１ｂからの反射光ＬＬ、及び、レーザ光Ｌの参照表面１Ｒｂからの反射光ＬＲを観察カメラ４８８に向けて集光する。観察カメラ４８８は、レーザ光Ｌの裏面１ｂからの反射光ＬＬ、及び、レーザ光Ｌの参照表面１Ｒｂからの反射光ＬＲを撮像する。第２移動機構２４０は、Ｚ軸方向（裏面１ｂ及び参照表面１Ｒｂに交差する方向）に沿って支持台２３０を移動させる。制御部５００は、レーザ加工装置２００の各部の制御、及び演算処理等を行う。制御部５００は、例えば、第２移動機構２４０、レーザ発振器３１０、反射型空間光変調器４１０、及び、観察カメラ４８８の制御を行う。

レーザ加工装置２００においては、レーザ発振器３１０から出力されたレーザ光Ｌは、反射型空間光変調器４１０により変調・反射された後に、ダイクロイックミラー４０３により集光レンズユニット４３０に向けて反射される。集光レンズユニット４３０に入射されたレーザ光Ｌは、集光レンズユニット４３０によって支持台２３０上の加工対象物１の裏面１ｂ、又はリファレンスウェハ１Ｒの参照表面１Ｒｂに向けて集光され、裏面１ｂ又は参照表面１Ｒｂに照射される。裏面１ｂ及び参照表面１Ｒｂからの反射光ＬＬ，ＬＲは、集光レンズユニット４３０及びダイクロイックミラー４０３を介してレンズ４８７に入射される。レンズ４８７に入射された反射光ＬＬ，ＬＲは、レンズ４８７によって集光されつつ観察カメラ４８８に入射され、観察カメラ４８８での撮像に供される。

なお、集光レンズユニット４３０及びレンズ４８７は、裏面１ｂ及び参照表面１Ｒｂと観察カメラ４８８の撮像面とが共役面となるように調整されている。したがって、裏面１ｂ及び参照表面１Ｒｂが集光レンズユニット４３０の焦点位置Ｐｆに配置されている場合、図１７に示されるように、レーザ光Ｌの裏面１ｂ及び参照表面１Ｒｂ上のスポットＳ１と、反射光ＬＬ，ＬＲの観察カメラ４８８上のスポットＳｃと、は互いに同一形状となる。

制御部５００は、以上のようなレーザ加工装置２００において、レーザ発振器３１０の制御により裏面１ｂにレーザ光Ｌを照射すると共に、観察カメラ４８８の制御により反射光ＬＬを撮像することによって、第１波長に対する裏面１ｂの反射率を取得する取得処理を実行する。特に、制御部５００は、取得処理を実行する前に、裏面１ｂにおけるレーザ光Ｌのパワー密度を低下させるための変調パターンを反射型空間光変調器４１０に提示させる変調処理を実行する。

この点についてより具体的に説明する。制御部５００は、取得処理において、裏面１ｂからの反射光ＬＬを撮像することにより、裏面１ｂからの反射光ＬＬの光量である第１光量を取得する第１処理を実行する。また、制御部５００は、取得処理において、レーザ発振器３１０の制御によって、第１波長に対する反射率が既知である参照表面１Ｒｂを有するリファレンスウェハ１Ｒに参照表面１Ｒｂ側からレーザ光Ｌを照射すると共に、観察カメラ４８８の制御によって、参照表面１Ｒｂからの反射光ＬＲを撮像することにより反射光ＬＲの光量である参照光量を取得する第２処理を実行する。これらの第１処理及び第２処理の順序は逆であってもよい。そして、制御部５００は、第１波長に対する参照表面１Ｒｂの反射率、第１光量、及び、参照光量に基づいて、第１波長に対する裏面１ｂの反射率を算出する第３処理を実行する。

このように、制御部５００が取得処理によって加工対象物１の裏面１ｂの反射率を取得する際には、裏面１ｂにレーザ光Ｌが照射される。このとき、裏面１ｂにおけるレーザ光Ｌのパワー密度が加工対象物１の加工閾値を超過すると、裏面１ｂにダメージが生じするおそれがある。このため、制御部５００は、裏面１ｂにダメージが生じないように、裏面１ｂにおけるレーザ光Ｌのパワー密度を低下させるための変調パターンを反射型空間光変調器４１０に提示させる変調処理を実行する。引き続いて、変調処理の具体例について説明する。

制御部５００は、変調処理の１つの例として、レーザ光Ｌの集光点Ｐを裏面１ｂからシフトさせるフォーカスシフトを実行することができる。フォーカスシフトにおいては、制御部５００は、レーザ光Ｌの集光点Ｐを裏面１ｂからシフトさせるための変調パターンであるシフトパターンＳＰ（図１９の（ａ）参照）を反射型空間光変調器４１０に提示させる。

図１８に示されるように、ここでは、シフトパターンＳＰは、反射型空間光変調器４１０により変調・反射されたレーザ光Ｌを収束させることにより、ダイクロイックミラー４０３を介して発散しながら集光レンズユニット４３０に入射するようなレンズパターンである。これにより、集光点Ｐが、集光レンズユニット４３０の焦点位置ＰｆからＺ軸方向に沿って集光レンズユニット４３０と反対側にシフト量Ｚｆだけシフトされる。この結果、図１９の（ｂ）に示されるように、裏面１ｂ上において、レーザ光ＬのスポットＳ１が拡大され（デフォーカスされ）、パワー密度が低下される。ここでは、シフトパターンＳＰは、Ｘ軸方向（ＸＺ面内）及びＹ軸方向（ＹＺ面内）の両方において同一のシフト量Ｚｆを導入するパターンである。

ここで、制御部５００は、シフトパターンＳＰを反射型空間光変調器４１０に提示させて集光点Ｐを裏面１ｂからシフトさせたときに、裏面１ｂからの反射光ＬＬが観察カメラ４８８に集光するように、第２移動機構２４０によって支持台２３０を移動させる。より具体的には、制御部５００は、図１８に示されるように、第２移動機構２４０によって、集光点Ｐのシフト量Ｚｆに対して、Ｚｆ／２だけ支持台２３０をＺ軸方向に沿って集光レンズユニット４３０と反対側に移動させる。これにより、図１９の（ｃ）に示されるように、反射光ＬＬが観察カメラ４８８上に集光されることとなり、観察カメラ４８８上のスポットＳｃの形状がフォーカスシフト処理の前と同様に維持される。この結果、裏面１ｂ上においてレーザ光のパワー密度を低下させつつ、観察カメラ４８８上において反射光のパワー密度の低下を抑制して十分な輝度が確保される。

なお、制御部５００は、反射型空間光変調器４１０に提示するシフトパターンの制御によって、Ｘ軸方向（ＸＺ面内）及びＹ軸方向（ＹＺ面内）のそれぞれにおいて互いに異なるシフト量を導入することもできる。より具体的には、制御部５００は、シフトパターンの制御によって、例えば、ＹＺ面内において、図１８に示されるようにシフト量Ｚｆを導入すると共に、ＸＺ面内において、図２０に示されるようにシフト量Ｚｆの半分のシフト量Ｚｆ／２を導入することができる。

これにより、図２１に示されるように、裏面１ｂ上のレーザ光ＬのスポットＳ１は、Ｙ軸方向に長尺状の楕円形状に形成され、観察カメラ４８８上の反射光ＬＬのスポットＳｃは、Ｘ軸方向に長尺状の楕円形状に形成される。この結果、裏面１ｂ上においてレーザ光Ｌのパワー密度を低下させつつ、裏面１ｂにおけるレーザ光の入射エリアが制限される場合に対応可能である。なお、入射エリアが制限される場合とは、例えば、裏面１ｂ上に複数のデバイスが形成されており、レーザ光Ｌを入射させ得るエリアが、互いに隣接するデバイス間の長尺状のエリアに制限される場合等である。

引き続いて、制御部５００が実行する変調処理の別の例について説明する。制御部５００は、変調処理の別の例として、レーザ光Ｌの裏面１ｂにおけるスポット形状を変化させるための変調パターンであるスポット変形パターンＳＤ（図２２の（ａ）参照）を反射型空間光変調器４１０に提示させるスポット変形を行うことができる。図２２の（ａ）の例では、スポット変形パターンＳＤは、螺旋状の位相分布を有するパターンであって、ラゲール・ガウスビームを生成する。

この場合、レーザ光Ｌの裏面１ｂにおけるスポットＳ１は、図２２の（ｂ）に示される通常集光の場合（ガウシンアンビームの場合）と比較して、図２３の（ａ）～（ｃ）に示されるように、拡大されると共に中心のパワー密度が低下される。なお、図２３の（ａ）～（ｃ）に示されるスポットＳ１は、そのスポットＳ１を形成するスポット変形パターンＳＤの位相分布の螺旋の数が異なる。図２３の（ａ）は、螺旋の数が１の場合であり、（ｂ）は螺旋の数が２の場合（図２２の（ａ）の場合）であり、（ｃ）は螺旋の数が５の場合である。

なお、図２１においてもスポットＳ１が変形されているが、この場合には集光点Ｐのシフト（フォーカスシフト）が伴う。ここでのスポット変形パターンＳＤは、フォーカスシフトを伴わない。このため、支持台２３０を移動させることなく、観察カメラ４８８上に反射光ＬＬが集光した状態を維持できる。したがって、裏面１ｂにおけるレーザ光ＬのスポットＳ１の状態と、観察カメラ４８８上での反射光ＬＬのスポットＳｃの状態との乖離を抑制しつつ、裏面１ｂにおけるレーザ光Ｌのパワー密度を低下させることでできる。ただし、制御部５００は、例えばシフトパターンＳＰとスポット変形パターンＳＤとを重畳させたパターンを反射型空間光変調器４１０に提示することにより、フォーカスシフトとスポット変形とを同時に行ってもよい。

このようなスポット変形を行うことにより、別の効果も得られる。図２４は、効果を説明するためのグラフである。図２４の（ａ）は、ガウシンアンビームＧ、位相分布の螺旋の数が２であるスポット変形パターンＳＤによって生成されるラゲール・ガウスビームＬＧ２、及び、位相分布の螺旋の数が４であるスポット変形パターンＳＤによって生成されるラゲール・ガウスビームＬＧ４のデフォーカス値とパワー密度のピーク値との関係を示す。図２４の（ｂ）は、ガウシンアンビームＧ、ラゲール・ガウスビームＬＧ２、及び、ラゲール・ガウスビームＬＧ４のデフォーカス値と輝度値総和との関係を示す図である。デフォーカス値は、集光レンズの焦点位置からの各ビームの集光点のシフト量である。また、輝度値総和とは、観察カメラ４８８のカメラ中央に設定された輝度範囲を求める円（アパーチャ）内の輝度値の総和である。

図２４の（ａ）に示されるように、ラゲール・ガウスビームＬＧ２，ＬＧ４は、ガウシンアンビームＧと比較して、デフォーカス値の変化に対するピーク値の変化が緩やかである。このため、図２４の（ｂ）に示されるように、ラゲール・ガウスビームＬＧ２，ＬＧ４は、ガウシンアンビームＧと比較して、デフォーカス値の変化に対して輝度値総和が安定している。したがって、スポット変形パターンＳＤを用いてレーザ光Ｌをラゲール・ガウスビームＬＧ２，ＬＧ４とすることにより、測定精度の悪化を防ぐことができる。また、スポット変形パターンＳＤを用いてレーザ光Ｌをラゲール・ガウスビームＬＧ２，ＬＧ４とすることにより、デフォーカス値の変化に対して観察カメラ４８８における輝度値不足が生じにくく、観察カメラ４８８のダイナミックレンジの不足が生じにくい。

なお、以上の例では、スポット変形パターンＳＤは、ラゲール・ガウスビームを生成するためのパターンであってが、スポット変形パターンＳＤはこれに限定されず、例えば、トップハットビームを生成するためのパターンであってもよいし、他のパターンであってもよい。
［レーザ加工方法の一実施形態］

引き続いて、以上のレーザ加工装置２００を用いたレーザ加工方法を説明することにより、レーザ加工装置２００の動作の詳細について説明する。まず、本実施形態に係るレーザ加工方法の概要について説明する。このレーザ加工方法においては、まず、第１波長に対する反射率が既知である参照表面１Ｒｂを有するリファレンスウェハ１Ｒに参照表面１Ｒｂ側から第１波長のレーザ光Ｌを照射することにより、レーザ光Ｌの参照表面１Ｒｂでの反射光量として参照光量を取得する（第１工程）。

続いて、同様のレーザ光Ｌを、加工対象物１のレーザ光入射面である裏面１ｂ側から加工対象物１に照射することにより、レーザ光Ｌの裏面１ｂでの反射光量として第１光量を取得する（第２工程）。なお、第１工程及び第２工程の順序は逆であってもよい。続いて、第１工程及び前記第２工程の後に、リファレンスウェハ１Ｒの既知の反射率、参照光量、及び、第１光量に基づいて、第１波長に対する裏面１ｂの反射率を算出する（第３工程）。

そして、第３工程の後に、第３工程において算出された裏面１ｂの反射率に応じて、加工用のレーザ光Ｌの照射条件を調整すると共に、調整された照射条件下において加工用のレーザ光Ｌを裏面１ｂ側から加工対象物１に照射することにより、加工対象物１の少なくとも内部に改質領域７を形成するレーザ加工を行う（第４工程）。

なお、図２５に示されるように、また上述したように、このレーザ加工方法においては、加工対象物１の裏面１ｂをレーザ光入射面とする。また、一例として、第４工程においては、加工対象物１の厚さ方向（表面１ａから裏面１ｂに向かう方向（Ｚ軸方向））に異なる２つの位置にそれぞれ改質領域７ａ，７ｂを形成する。

図２５の（ａ）の場合には、反射型空間光変調器４１０に提示する画像パターン（変調パターン）の制御によって、レーザ光Ｌをレーザ光Ｌ１，Ｌ２に分岐すると共に、レーザ光Ｌ１，Ｌ２のそれぞれを加工対象物１の厚さ方向の互いに異なる位置に集光させる。すなわち、レーザ光Ｌ１の集光点Ｐ１とレーザ光Ｌ２の集光点Ｐ２の集光点Ｐ２とをＺ軸方向に異なる位置に生じさせる。これにより、一度のスキャンにより２列の改質領域７ａ，７ｂを形成することが可能である。以下では、この場合を、２焦点加工モードと称する場合がある。なお、ここでは、集光点Ｐ１と集光点Ｐ２とは、スキャン方向（Ｘ軸方向）についても互いに異なる位置とされている。Ｚ軸方向における集光点Ｐ１と集光点Ｐ２との間の距離を距離Ｄｖとし、Ｘ軸方向における集光点Ｐ１と集光点Ｐ２との間の距離をＤｈとする。

一方、図２５の（ｂ）の場合には、反射型空間光変調器４１０に提示する変調パターンの制御によって、レーザ光Ｌを複数に分岐することなく、Ｚ軸方向の位置を変えて２回のスキャンを行うことにより、Ｚ軸方向に互いに異なる位置に２列の改質領域７ａ，７ｂを形成する。すなわち、レーザ光Ｌの１つの集光点Ｐの相対移動により、複数列の改質領域７ａ，７ｂを形成する。以下では、この場合を、単焦点加工モードと称する場合がある。これらの２つの場合（モード）は、後述するように、レーザ光Ｌの出力値の上限や加工対象物１のレーザ光入射面（ここでは裏面１ｂ）の反射率等に応じて選択され得る。

引き続いて、各工程の詳細について説明する。なお、以下の各工程において、各部の制御、画像処理を含む各種処理、及び、数値計算を含む各演算処理等は、制御部５００が行うことができる。図２６は、本実施形態に係るレーザ加工方法の第１工程を示すフローチャートである。図２６に示されるように、第１工程においては、まず、レーザ加工装置２００にリファレンスウェハ１Ｒをセットする（工程Ｓ１０１）。より具体的には、この工程Ｓ１０１においては、リファレンスウェハ１Ｒを、図８における加工対象物１と同様にして、環状のフレーム１１及びフィルム１２等を用いて支持台２３０により支持する。リファレンスウェハ１Ｒは、第１波長に対する反射率が既知である参照表面１Ｒｂを有する。第１波長は、加工対象物１の加工に適した波長である。また、リファレンスウェハ１Ｒは、例えばＳｉウェハである。

続いて、観察照明をオンとする（工程Ｓ１０２）。より具体的には、この工程Ｓ１０２においては、可視光源４８１から可視光Ｖを出射することにより、可視光Ｖにより参照表面１Ｒｂを照明する。このとき、上述したように、可視光Ｖにはレチクル４８３により目盛り線が付与される。

続いて、レチクル４８３を検出する（工程Ｓ１０３）。より具体的には、例えば、観察カメラ４８８により取得された可視光Ｖの反射光の画像からレチクル４８３による目盛り線を検出する。続いて、その検出結果に基づいて、レーザ集光部４００のＺ軸方向の位置を調整することにより、集光レンズユニット４３０のＺ軸方向における焦点位置を補正する（工程Ｓ１０４）。続いて、レーザ光Ｌの集光点ＰがＺ軸方向について参照表面１Ｒｂに一致するように、工程Ｓ１０４における焦点位置補正の分だけ、レーザ集光部４００をＺ軸方向にシフトさせる（工程Ｓ１０５）。続いて、観察照明をオフとする（工程Ｓ１０６）。より具体的には、この工程Ｓ１０６においては、可視光源４８１からの可視光Ｖの出射を停止する。

続いて、アッテネータ５５０を設定する（工程Ｓ１０７）。ここでは、参照表面１Ｒｂでのレーザ光Ｌの反射光が観察カメラ４８８に入射したときに、観察カメラ４８８の輝度が飽和しないように、且つ、リファレンスウェハ１Ｒの参照表面１Ｒｂに損傷を与えないように、アッテネータ５５０によりレーザ光Ｌの出力を調整する。このように、この第１工程においては、レーザ光Ｌをリファレンスウェハ１Ｒに照射する前に、アッテネータ５５０により測定用のレーザ光Ｌの出力を調整する。続いて、加工モードを単焦点加工モードとする（工程Ｓ１０８）。ここでは、反射型空間光変調器４１０に入力する画像パターンを単焦点用のパターン（レーザ光Ｌの分岐が生じないパターン）とする。

続いて、レーザ出力部３００をオンとし、リファレンスウェハ１Ｒの参照表面１Ｒｂに対してレーザ光Ｌの照射を開始する（工程Ｓ１０９）。この状態において、アパーチャ、レーザ発振モード、及び、露光時間等の条件設定を行う（工程Ｓ１１０）。アパーチャの設定では、観察カメラ４８８のカメラ中央に輝度範囲を求める円（アパーチャ）を設定する。レーザ発振モードの設定では、レーザ発振器３１０の発振モードをパルスからＣＷ（連続波）に変更する。ただし、パルス発振されたレーザ光の出力値が、リファレンスウェハ１Ｒの加工閾値を越えない場合には、発振モードはパルスであってもよい。また、発振モードをＣＷとする場合には、疑似ＣＷでもよい。

このように、ここでは、工程Ｓ１０７におけるアッテネータ５５０での出力の調整、及び、工程Ｓ１１０での発振モードの変更等によって、加工用のレーザ光Ｌと共通の光源から測定用のレーザ光Ｌが生成され、且つ、加工用のレーザ光Ｌと同一の光軸により測定用のレーザ光Ｌをリファレンスウェハ１Ｒに照射する。

続いて、レーザ出力部３００をオフとし、参照表面１Ｒｂに対するレーザ光Ｌの照射を停止する（工程Ｓ１１１）。これにより、レーザ光Ｌの反射光が観察カメラ４８８に入射しない状態となる。続いて、このように、レーザ光Ｌの反射光が観察カメラ４８８に入力されていないときの観察カメラ４８８の画像に基づいて、バックグランドを取得する（工程Ｓ１１２）。

そして、レーザ出力部３００を再びオンとし、参照表面１Ｒｂに対するレーザ光Ｌの照射を開始する（工程Ｓ１１３）。これにより、レーザ光Ｌの参照表面１Ｒｂでの反射光が観察カメラ４８８に入射することになる。その状態において、レーザ光Ｌの参照表面１Ｒｂでの反射光を観察カメラ４８８により撮像することにより、第１画像を取得する（工程Ｓ１１４）。そして、第１画像の画像処理により、レーザ光Ｌの参照表面１Ｒｂでの反射光の輝度値を取得する（工程Ｓ１１５）。このとき、工程Ｓ１１２において取得されたバックグランドによってバックグランド補正を行ってもよい。

ここでは、第１画像におけるアパーチャ（一部の領域）内の輝度値の総和を取得すると共に、露光時間により規格化することにより、レーザ光Ｌの参照表面１Ｒｂでの反射光量として参照光量を取得する。すなわち、ここでは、参照光量Ｉ_ｒｅｆ＝（アパーチャ内の輝度値の総和）／（露光時間）の計算により、参照光量Ｉ_ｒｅｆを取得する。一例として、アパーチャ内の輝度値の総和が６．９３×１０^３であり、露光時間が０．５［ｍｓ］である場合、参照光量Ｉ_ｒｅｆは１．３９×１０^４［１／ｍｓ］となる。

図２７は、本実施形態に係るレーザ加工方法の第２工程を示すフローチャートである。図１８に示されるように、第２工程においては、まず、レーザ加工装置２００にサンプルウェハ（加工対象物１）をセットする（工程Ｓ２０１）。より具体的には、この工程Ｓ２０１においては、図８に示されるように、環状のフレーム１１及びフィルム１２等を用いて支持台２３０により加工対象物１を支持する。加工対象物１は、例えば、ダイシングラインを含むウェハ表面に薄膜が形成されたＳｉ等の半導体ウェハやガラスウェハである。

続いて、観察照明をオンとする（工程Ｓ２０２）。より具体的には、この工程Ｓ２０２においては、上述した工程Ｓ１０２と同様に、可視光源４８１から可視光Ｖを出射することにより、可視光Ｖにより裏面１ｂを照明する。続いて、上述した工程Ｓ１０３と同様に、レチクル４８３を検出する（工程Ｓ２０３）。続いて、その検出結果に基づいて、レーザ集光部４００のＺ軸方向の位置を調整することにより、集光レンズユニット４３０のＺ軸方向における焦点位置を補正する（工程Ｓ２０４）。続いて、レーザ光Ｌの集光点ＰがＺ軸方向について裏面１ｂに一致するように、工程Ｓ２０４における焦点位置補正の分だけ、レーザ集光部４００をＺ軸方向にシフトさせる（工程Ｓ２０５）。続いて、工程Ｓ１０６と同様に、観察照明をオフとする（工程Ｓ２０６）。

続いて、アッテネータ５５０を設定する（工程Ｓ２０７）。ここでは、第１工程に係る上記の工程Ｓ１０７と同一の設定値において、アッテネータ５５０によりレーザ光Ｌの出力を調整する。このように、この第２工程においても、レーザ光Ｌを加工対象物１に照射する前に、アッテネータ５５０によりレーザ光Ｌの出力を調整する。続いて、上述した工程Ｓ１０８と同様に、加工モードを単焦点加工モードとする（工程Ｓ２０８）。

続いて、裏面１ｂにおけるレーザ光Ｌのパワー密度を低下させるための変調パターンを提示するように反射型空間光変調器４１０の設定を行う（工程Ｓ２０９）。この工程Ｓ２０９においては、制御部５００が、上述した変調処理を実行することにより、裏面１ｂにおけるレーザ光Ｌのパワー密度を低下させる。

続いて、上述した工程Ｓ１０９と同様に、レーザ出力部３００をオンとし、加工対象物１の裏面１ｂに対してレーザ光Ｌの照射を開始する（工程Ｓ２１０）。この状態において、アパーチャ、レーザ発振モード、及び、露光時間等の条件設定を行う（工程Ｓ２１１）。これらの条件設定は、上述した工程Ｓ１１０と同様に行うことができる。このように、ここでも、工程Ｓ２０７におけるアッテネータ５５０での出力の調整、工程Ｓ２０９における反射型空間光変調器４１０の設定、及び、工程Ｓ２１１での発振モードの変更等によって、加工用のレーザ光Ｌと共通の光源から測定用のレーザ光Ｌが生成され、且つ、加工用のレーザ光Ｌと同一の光軸により測定用のレーザ光Ｌを加工対象物１に照射する。

続いて、レーザ出力部３００をオフとし、裏面１ｂに対する測定用のレーザ光Ｌの照射を停止する（工程Ｓ２１２）。これにより、測定用のレーザ光Ｌの反射光が観察カメラ４８８に入射しない状態となる。続いて、このように、測定用のレーザ光Ｌの反射光が観察カメラ４８８に入力されていないときの観察カメラ４８８の画像に基づいて、バックグランドを取得する（工程Ｓ２１３）。

そして、レーザ出力部３００を再びオンとし、裏面１ｂに対するレーザ光Ｌの照射を開始する（工程Ｓ２１４）。これにより、レーザ光Ｌの裏面１ｂでの反射光が観察カメラ４８８に入射することになる。その状態において、レーザ光Ｌの裏面１ｂでの反射光を観察カメラ４８８により撮像することにより、第２画像を取得する（工程Ｓ２１５）。そして、第２画像の画像処理により、レーザ光Ｌの裏面１ｂでの反射光の輝度値を取得する（工程Ｓ２１６）。このとき、工程Ｓ２１３において取得されたバックグランドを用いてバックグランド補正を行ってもよい。

ここでは、上述した工程Ｓ１１５と同様に、第２画像におけるアパーチャ（第１画像の一部の領域に対応する第２画像の領域）内の輝度値の総和を取得すると共に、露光時間により規格化することにより、測定用のレーザ光Ｌの裏面１ｂでの反射光量として第１光量を取得する。すなわち、ここでは、第１光量Ｉ_ｓ＝（アパーチャ内の輝度値の総和）／（露光時間）の計算により、第１光量Ｉ_ｓを取得する。一例として、アパーチャ内の輝度値の総和が９．０６×１０^３であり、露光時間が５［ｍｓ］である場合、第１光量Ｉ_ｓは１．８１×１０^３［１／ｍｓ］となる。

図２８は、本実施形態に係るレーザ加工方法の第３工程及び第４工程を示すフローチャートである。図２８に示されるように、第３工程においては、まず、加工対象物１のレーザ光入射面である裏面１ｂの反射率を算出する（工程Ｓ３０１）。より具体的には、ここでは、第１工程及び第２工程の後に、リファレンスウェハ１Ｒの反射率Ｒ_ｒｅｆ、参照光量Ｉ_ｒｅｆ、及び、第１光量Ｉ_ｓに基づいて、第１波長に対する裏面１ｂの反射率Ｒ_ｓを算出する。すなわち、裏面１ｂの反射率Ｒ_ｓ＝参照表面１Ｒｂの反射率Ｒ_ｒｅｆ×（第１光量Ｉ_ｓ／参照光量Ｉ_ｒｅｆ）との計算を行う。一例として、反射率_Ｒｅｆが３１．４％であり、第１光量Ｉ_ｓが１．８１×１０^３［１／ｍｓ］であり、参照光量Ｉ_ｒｅｆが１．３９×１０^４［１／ｍｓ］である場合、反射率Ｒ_ｓは、約４．１％と相対的に求められる。この相対値は、裏面１ｂの第１波長における屈折率１．５から計算した値である４．０％と実質的に等しい。

引き続いて、第４工程においては、上述したように、第３工程において算出された裏面１ｂの反射率Ｒ_ｓに応じて、加工用のレーザ光Ｌの照射条件を調整すると共に、調整された照射条件下において加工用のレーザ光Ｌを裏面１ｂ側から加工対象物１に照射することにより、加工対象物１の少なくとも内部に改質領域７を形成する。

そのために、ここでは、まず、レーザ光Ｌの照射条件として、レーザ光Ｌの出力を算出する（工程Ｓ３０２）。より具体的には、２焦点加工モードにおいて、加工対象物１を加工する場合のアッテネータ５５０後段のレーザ光Ｌの出力Ｌ_ｓ２を、リファレンスウェハ１Ｒを加工する場合のアッテネータ５５０後段のレーザ光Ｌの出力Ｌ_ｒｅｆ２と、上記の反射率Ｒ_ｓ及び反射率Ｒ_ｒｅｆと、を用いて、出力Ｌ_ｓ２＝Ｌ_ｒｅｆ２×（１－Ｒ_ｒｅｆ）／（１－Ｒ_ｓ）と求める（図２５の（ａ）参照）。

続いて、算出された出力Ｌ_ｓ２が、アッテネータ５５０の設定範囲内であるか否かの判定を行う（工程Ｓ３０３）。工程Ｓ３０３の判定の結果、出力Ｌ_ｓ２がアッテネータ５５０の設定範囲内であれば（工程Ｓ３０３：ＹＥＳ）、アッテネータ５５０の設定値を出力Ｌ_ｓ２が出力できるように設定する（工程Ｓ３０４）。すなわち、加工用のレーザ光Ｌの照射条件をアッテネータ５５０により調整する。

続いて、反射型空間光変調器４１０の設定により、２焦点加工モードのためにレーザ光Ｌをレーザ光Ｌ１，Ｌ２に分岐するパターンを反射型空間光変調器４１０に表示させるようにする（工程Ｓ３０５）。続いて、第１工程における工程Ｓ１０２及び第２工程における工程Ｓ２０２と同様に、観察照明をオンとする（工程Ｓ３０６）。続いて、レーザ光Ｌ１の集光点Ｐ１及びレーザ光Ｌ２の集光点Ｐ２が、それぞれ、所望する加工深さとなるように、レーザ集光部４００をＺ軸方向に移動させる（工程Ｓ３０７）。そして、レーザ出力部３００をオンとし、調整された照射条件下においてレーザ光Ｌ１，Ｌ２を裏面１ｂ側から加工対象物１に照射することにより、加工対象物１の少なくとも内部に改質領域７ａ，７ｂを形成するレーザ加工を行い（Ｓ３０８）、処理を終了する。

一方、工程Ｓ３０３の判定の結果、出力Ｌ_ｓ２がアッテネータ５５０の設定範囲外である場合（工程Ｓ３０３：ＮＯ）、すなわち、２焦点加工モードにおいて、求められた出力Ｌ_ｓ２がアッテネータ５５０を最大にしても設定できない場合には、加工モードを単焦点加工モード（図２５の（ｂ）参照）として、以降の工程を実施する。

すなわち、まず、第１工程における工程Ｓ１０２及び第２工程における工程Ｓ２０２と同様に、観察照明をオンとする（工程Ｓ３０９）。続いて、加工用のレーザ光Ｌの集光点Ｐを、１列目の改質領域７ａの加工深さ（図２５の（ｂ）参照）に位置させ得るように、レーザ集光部４００をＺ軸方向に移動させる（工程Ｓ３１０）。続いて、１列目の改質領域７ａの加工深さに１つの集光点Ｐが形成されるように、反射型空間光変調器４１０に変調パターンを入力する（工程Ｓ３１１）。

続いて、１列目の改質領域７ａを形成するときのアッテネータ５５０の設定値を決定する（工程Ｓ３１２）。より具体的には、レーザ光Ｌのアッテネータ５５０後段の出力Ｌ_ｓ１が、リファレンスウェハ１Ｒに対する１列目の改質領域７ａの加工深さでのレーザ光Ｌの出力Ｌ_{ｒｅｆｌｏｗｅｒ}と、アッテネータ５５０から集光レンズユニット４３０までのエネルギー損失Ｌｏｓｓ_１と、上記の反射率Ｒ_ｓ及び反射率Ｒ_ｒｅｆと、を用いて、出力Ｌ_ｓ１＝（（Ｌ_{ｒｅｆｌｏｗｅｒ}）／（１－Ｌｏｓｓ_１））×（（１－Ｒ_ｒｅｆ）／（１－Ｒ_ｓ））となるように（図１６の（ｂ）参照）、アッテネータ５５０の設定値を決定する。つまり、ここでは、アッテネータ５５０を用いて、裏面１ｂの反射率Ｒ_ｓに応じて、レーザ光Ｌの照射条件として出力を調整する。

そして、調整された照射条件下（出力）においてレーザ光Ｌを裏面１ｂ側から加工対象物１に照射することにより、加工対象物１の少なくとも内部に改質領域７ａを形成するレーザ加工を行う（工程Ｓ３１３）。

続いて、加工用のレーザ光Ｌの集光点Ｐを、２列目の改質領域７ｂの加工深さ（図２５の（ｂ）参照）に位置させ得るように、レーザ集光部４００をＺ軸方向に移動させる（工程Ｓ３１４）。続いて、２列目の改質領域７ｂの加工深さに１つの集光点Ｐが形成されるように、反射型空間光変調器４１０に変調パターンを入力する（工程Ｓ３１５）。

続いて、２列目の改質領域７ｂを形成するときのアッテネータ５５０の設定値を決定する（工程Ｓ３１６）。より具体的には、レーザ光Ｌのアッテネータ５５０後段の出力Ｌ_ｓ１が、リファレンスウェハ１Ｒに対する２列目の改質領域７ｂの加工深さでのレーザ光Ｌの出力Ｌ_{ｒｅｆｕｐｐｅｒ}と、アッテネータ５５０から集光レンズユニット４３０までのエネルギー損失Ｌｏｓｓ_１と、上記の反射率Ｒ_ｓ及び反射率Ｒ_ｒｅｆと、を用いて、出力Ｌ_ｓ１＝（（Ｌ_{ｒｅｆｕｐｐｅｒ}）／（１－Ｌｏｓｓ_１））×（（１－Ｒ_ｒｅｆ）／（１－Ｒ_ｓ））となるように（図１６の（ｂ）参照）、アッテネータ５５０の設定値を決定する。つまり、ここでは、アッテネータ５５０を用いて、裏面１ｂの反射率Ｒ_ｓに応じて、加工用のレーザ光Ｌの照射条件として出力を調整する。

そして、調整された照射条件下（出力）においてレーザ光Ｌを裏面１ｂ側から加工対象物１に照射することにより、加工対象物１の少なくとも内部に改質領域７ｂを形成するレーザ加工を行い（工程Ｓ３１３）、処理を終了する。
［レーザ加工装置の作用・効果］

レーザ加工装置２００においては、制御部５００が、レーザ発振器３１０の制御により加工対象物１の裏面１ｂにレーザ光Ｌを照射すると共に、観察カメラ４８８の制御によりレーザ光Ｌの反射光ＬＬを撮像することによって、レーザ光Ｌに対する裏面１ｂの反射率を取得する取得処理を実行する。このとき、制御部５００は、裏面１ｂにおけるレーザ光Ｌのパワー密度を低下させるための変調パターンを反射型空間光変調器４１０に提示させる変調処理を実行する。このように、レーザ加工装置２００にあっては、反射率取得に際して、反射型空間光変調器４１０を用いてレーザ光Ｌのパワー密度を低下させる。これにより、加工対象物１へのダメージを抑制しつつ反射率を取得可能である。

また、レーザ加工装置２００においては、制御部５００は、変調処理として、集光点Ｐを裏面１ｂからシフトさせるための変調パターンであるシフトパターンＳＰを反射型空間光変調器４１０に提示させることができる。このときには、制御部５００は、集光点Ｐを裏面１ｂからシフトさせたときに裏面１ｂからの反射光ＬＬが観察カメラ４８８に集光するように、第２移動機構２４０によって支持台２３０を移動させる。この場合、裏面１ｂにおけるレーザ光Ｌのパワー密度を低下させつつ、観察カメラ４８８上での反射光ＬＬのパワー密度の低下を抑制できる。

また、レーザ加工装置２００においては、制御部５００は、変調処理として、レーザ光Ｌの裏面１ｂにおけるスポット形状を変化させるための変調パターンであるスポット変形パターンＳＤを反射型空間光変調器４１０に提示させることができる。この場合、裏面１ｂにおけるレーザ光ＬのスポットＳ１の状態と、観察カメラ４８８上での反射光ＬＬのスポットＳｃの状態との乖離を抑制しつつ、裏面１ｂにおけるレーザ光Ｌのパワー密度を低下させることでできる。

以上の実施形態は、本発明に係るレーザ加工装置の一実施形態について説明したものである。したがって、本発明に係るレーザ加工装置は、上述したレーザ加工装置２００に限定されず、任意に変更したものとすることができる。

例えば、制御部５００は、参照表面１Ｒｂでの反射光ＬＲの光量を取得する場合（第２処理）と、加工対象物１の裏面１ｂでの反射光ＬＬの光量を取得する場合（第１処理）との間において、レーザ光Ｌのスポット形状を異ならせるように、変調パターンを反射型空間光変調器４１０に提示させことができる。これにより、それぞれの表面の反射率に応じた適切なスポット形状を実現できる。この結果、計測可能な反射率のダイナミックレンジを拡大できる。

より具体的には、まず、カメラ（例えば観察カメラ４８８）の適切な露光時間は、一例として０．１ｍｓ～１０ｍｓに制限される。これは、露光時間が短すぎると、電子的なシャッタスピードの精度の問題が懸念され、露光時間が長すぎるとノイズが問題となるおそれがあるからである。通常集光の場合（ガウシンアンビームの場合）、計測可能な反射率のダイナミックレンジは、カメラのダイナミックレンジに比例し、１０ｍｓ／０．１ｍｓ＝１×１０^２となる。一方、リファレンスウェハ１Ｒに対して通常集光、反射率が相対的に高い加工対象物１に対して、パワー密度のピーク値が１／１０となるラゲール・ガウスビームＬＧ２を用いれば、計測可能な反射率のダイナミックレンジは、１０ｍｓ／（０．１ｍｓ／１０）＝１×１０^３となり、拡大される。

なお、カメラのダイナミックレンジ対策として、次のような手法も考えられる。すなわち、上記実施形態においては、制御部５００が、参照光量Ｉ_ｒｅｆと第１光量Ｉ_ｓとを用いて、反射率Ｒ_ｒｅｆ×（第１光量Ｉ_ｓ／参照光量Ｉ_ｒｅｆ）との計算を行うことにより、反射率Ｒ_ｓを算出した。なお、参照光量Ｉ_ｒｅｆは、（アパーチャ内の輝度値の総和ＳＶ_ｒ）／（露光時間Ｔ_ｒ）であり、第１光量Ｉ_ｓは、（アパーチャ内の輝度値の総和ＳＶ_ｓ）／（露光時間Ｔ_ｓ）である。

これに対して、参照光量Ｉ_ｒｅｆを取得する際のレーザ光Ｌのパワーを計測パワーＰ_ｒとし、第１光量Ｉ_ｓを取得する際のレーザ光Ｌのパワーを計測パワーＰ_ｓとしたとき、反射率Ｒ_ｒｅｆ×（計測パワーＰ_ｒ／計測パワーＰ_ｓ）×（第１光量Ｉ_ｓ／参照光量Ｉ_ｒｅｆ）との計算により反射率Ｒ_ｓを算出することができる。これにより、カメラのダイナミックレンジに律速されていた計測可能な反射率のダイナミックレンジが拡大可能となる。

なお、以上の実施形態においては、参照物としてＳｉウェハであるリファレンスウェハ１Ｒを例示したが、参照物はＳｉに限らないし、ウェハ状であることにも限定されない。また、カメラとして、観察カメラ４８８を利用したが、別のカメラを利用することもできる。さらに２焦点加工モードを例示したが、２焦点に限らず任意の多焦点加工モードに応用可能である。

１…加工対象物、１ｂ…裏面（第１表面）、１Ｒ…リファレンスウェハ（参照物）、１Ｒｂ…参照表面、１００，２００…レーザ加工装置、２３０…支持台、２４０…第２移動機構（移動機構）、３１０…レーザ発振器（レーザ光源）、４１０…反射型空間光変調器（空間光変調器）、４３０…集光レンズユニット、４８８…観察カメラ（カメラ）、５００…制御部、Ｌ…レーザ光、Ｐ…集光点。

Claims

第１波長のレーザ光を加工対象物の第１表面側から前記加工対象物に照射することにより、前記加工対象物のレーザ加工を行うためのレーザ加工装置であって、
前記レーザ光を出力するレーザ光源と、
前記第１表面に向けて前記レーザ光を集光して集光点を形成する集光ユニットと、
前記第１表面からの前記レーザ光の反射光を撮像するカメラと、
変調パターンに応じて前記レーザ光を変調するための空間光変調器と、
前記レーザ光源の制御によって前記第１表面に前記レーザ光を照射すると共に、前記カメラの制御により前記反射光を撮像することによって、前記第１波長に対する前記第１表面の反射率を取得する取得処理を実行する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記取得処理を実行する前に、前記第１表面における前記レーザ光のパワー密度を低下させるための前記変調パターンを前記空間光変調器に提示させる変調処理を実行する、
レーザ加工装置。
前記制御部は、前記変調処理として、前記集光点を前記第１表面からシフトさせるための前記変調パターンであるシフトパターンを前記空間光変調器に提示させる、
請求項１に記載のレーザ加工装置。
前記加工対象物を支持する支持台と、
前記支持台を移動させるための移動機構と、
前記反射光を前記カメラに向けて集光するための集光レンズと、をさらに備え、
前記制御部は、前記集光点を前記第１表面からシフトさせたときに前記第１表面からの反射光が前記カメラに集光するように、前記移動機構によって前記支持台を移動させる、
請求項２に記載のレーザ加工装置。
前記制御部は、前記変調処理として、前記レーザ光の前記第１表面におけるスポット形状を変化させるための前記変調パターンであるスポット変形パターンを前記空間光変調器に提示させる、
請求項１～３のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
前記制御部は、取得処理として、
前記カメラの制御によって前記第１表面からの反射光を撮像することにより、前記第１表面からの反射光の光量である第１光量を取得する第１処理と、
前記レーザ光源の制御によって、前記第１波長に対する反射率が既知である参照表面を有する参照物に前記参照表面側から前記レーザ光を照射すると共に、前記カメラの制御によって、前記参照表面からの反射光を撮像することにより前記参照表面からの反射光の光量である参照光量を取得する第２処理と、
前記第１波長に対する前記参照表面の反射率、前記第１光量、及び、前記参照光量に基づいて、前記第１波長に対する前記第１表面の反射率を算出する第３処理と、
を実行し、
前記制御部は、前記変調処理として、前記第１処理における前記第１表面での前記レーザ光のスポット形状が、前記第２処理における前記参照表面での前記レーザ光のスポット形状と異なるように、前記変調パターンを前記空間光変調器に提示させる、
請求項１～４のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。