JPWO2004050291A1 - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

レーザ加工装置（２０）は、ビームエキスパンダ（３４）とレンズホルダ（２９）の第１の光通過孔（３２）とを結ぶレーザ光（Ｌ１）の光路上に、第１の光通過孔（３２）と同径の第２の光通過孔（３９）を有する絞り部材（３８）が配置されている。絞り（３８）は、レンズホルダ（２９）から離間しているため、第２の光通過孔（３９）の周囲部分でカットされるレーザ光（Ｌ１）により、絞り部材（３８）が加熱されても、絞り部材（３８）からレンズホルダ（２９）への熱伝達が防止される。したがって、レンズホルダ（２９）の加熱によるレーザ光（Ｌ１）の集光点（Ｐ１）の位置変動を小さく抑える。

Description

本発明は、ウェハ状の加工対象物の内部に多光子吸収による改質領域を形成するためのレーザ加工装置に関する。

従来から、レーザ光を加工対象物に照射することで溶断等の加工を行うレーザ工装置がある。この種のレーザ加工装置は、レーザ光を加工対象物に向けて集光するための集光レンズが設けられたレーザヘッドを有し、このレーザヘッドのレーザ光入射側には、集光レンズに入射するレーザ光の径を一定にするための入射瞳として光通過孔が設けられるのが一般的である（例えば、特開平５−２１２５７１号公報、実開平３−１８９７９号公報参照）。

上述したようなレーザ加工装置においては、入射瞳径より大きいビームサイズのレーザ光がレーザヘッドの光通過孔に向けて照射されるので、光通過孔の周囲部分でカットされたレーザ光によってレーザヘッドが加熱され、これにより集光レンズも加熱されることになる。そのため、レーザヘッドや集光レンズが膨張するなどして、加工対象物に対するレーザ光の集光点の位置がレーザ加工中に変動してしまうおそれがある。

そして、このような集光点の位置変動は、ウェハ状の加工対象物の内部に多光子吸収による改質領域を形成するようなレーザ加工では、特にシビアな問題となる。その理由としては、例えば、厚さ１００μｍ以下のシリコンウェハを加工対象物とする際には、レーザ光の集光点の位置制御がμｍオーダーで要求される場合があるからである。

そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、レーザ加工中におけるレーザ光の集光点の位置変動を小さく抑えることのできるレーザ加工装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るレーザ加工装置は、ウェハ状の加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射し、加工対象物の内部に多光子吸収による改質領域を形成するレーザ加工装置であって、レーザ光源から出射されたレーザ光のビームサイズを拡大するビームエキスパンダと、ビームエキスパンダを介して入射したレーザ光を加工対象物の内部に集光する集光レンズと、集光レンズを保持すると共に、集光レンズにレーザ光を入射させる第１の光通過孔を有するレンズホルダとを備え、ビームエキスパンダと第１の光通過孔とを結ぶレーザ光の光路上には、レーザ光を絞って通過させる第２の光通過孔を有する絞り部材が設けられ、その絞り部材はレンズホルダから離間していることを特徴とする。

このレーザ加工装置においては、ビームエキスパンダによりビームサイズを拡大されたレーザ光が絞り部材の第２の光通過孔に向けて照射されるため、第２の光通過孔より大きいレーザ光の外周部分がカットされ、これにより、レーザ光はビームサイズを絞られて第２の光通過孔を通過することになる。この第２の光通過孔を通過したレーザ光は、集光レンズを保持するレンズホルダの第１の光通過孔に向けて照射され、この第１の光通過孔を通過したレーザ光が集光レンズにより集光される。そして、その集光点をウェハ状（すなわち、薄く平たい形状）の加工対象物の内部に合わせることで、加工対象物の内部に多光子吸収による改質領域を形成する。このようにビームエキスパンダと第１の光通過孔とを結ぶレーザ光の光路上に絞り部材を設けることで、ビームエキスパンダによりビームサイズを拡大されたレーザ光をレンズホルダの第１の光通過孔に向けて直接照射させる場合に比べ、第１の光通過孔の周囲部分によるレーザ光のカット量を減少させることができ、カットされたレーザ光によるレンズホルダの加熱を抑えることが可能になる。しかも、絞り部材はレンズホルダから離間しているため、第２の光通過孔の周囲部分でカットされたレーザ光によって絞り部材が加熱されても、絞り部材からレンズホルダへの熱伝達が防止される。したがって、レーザ加工中におけるレンズホルダの加熱を主原因としたレーザ光の集光点の位置変動を小さく抑えることができ、ウェハ状の加工対象物の内部における所定の位置に精度良く改質領域を形成することが可能になる。

また、ビームエキスパンダから出射されたレーザ光が略平行光である場合、第２の光通過孔の径は第１の光通過孔の径以下であることが好ましい。ビームエキスパンダから出射されたレーザ光が完全な平行光である場合には、第２の光通過孔の径と第１の光通過孔の径とを同径にすることで、絞り部材の第２の光通過孔を通過したレーザ光の径を第１の光通過孔の径と同等にすることができる。また、ビームエキスパンダから出射されたレーザ光が若干拡がるような略平行光である場合には、レーザ光の拡がり分を考慮して第２の光通過孔の径を第１の光通過孔の径より小さくすることで、第１の光通過孔の周囲部分に入射するレーザ光をほとんどなくすことができる。したがって、集光レンズの集光特性を最大限に発揮させつつ、第１の光通過孔の周囲部分によるレーザ光のカット量をほとんどなくし、レンズホルダの加熱をより一層抑えることが可能になる。ここで、略平行光とは、完全な平行光をも含む意味である。

また、レーザ光源が、ビーム径φ_０、発散角度２θ_０でレーザ光を出射し、ビームエキスパンダが、倍率Ｍでレーザ光のビームサイズを拡大し、発散角度２θ_１でレーザ光を出射する場合、レーザ光源の出射部とビームエキスパンダの入射部との距離をｄ_１、ビームエキスパンダの出射部と第２の光通過孔の入射側開口との距離をｄ_２、第２の光通過孔の入射側開口と第１の光通過孔の入射側開口との距離をｄ_３とし、第１の光通過孔の径をφ_Ｌ、第２の光通過孔の径をφ_Ｓとすると、φ_Ｌ及びφ_Ｓは、

の関係を満たすことが好ましい。このように、ビームエキスパンダから出射されたレーザ光が発散光である場合には、第１の光通過孔の径φ_Ｌと第２の光通過孔の径φ_Ｓとが上記関係を満たすことで、第１の光通過孔の周囲部分に入射するレーザ光をほとんどなくすことができる。したがって、第１の光通過孔の周囲部分によるレーザ光のカット量をほとんどなくし、レンズホルダの加熱をより一層抑えることが可能になる。

また、レーザ光源が、ビーム径φ_０、発散角度２θ_０でレーザ光を出射し、ビームエキスパンダが、倍率Ｍでレーザ光のビームサイズを拡大し、集束角度２θ_１でレーザ光を出射する場合、レーザ光源の出射部とビームエキスパンダの入射部との距離をｄ_１、ビームエキスパンダの出射部と第２の光通過孔の入射側開口との距離をｄ_２、第２の光通過孔の入射側開口と第１の光通過孔の入射側開口との距離をｄ_３とし、第１の光通過孔の径をφ_Ｌ、第２の光通過孔の径をφ_Ｓとすると、φ_Ｌ及びφ_Ｓは、

の関係を満たすことが好ましい。このように、ビームエキスパンダから出射されたレーザ光が集束光である場合には、第１の光通過孔の径φ_Ｌと第２の光通過孔の径φ_Ｓとが上記関係を満たすことで、第１の光通過孔の周囲部分に入射するレーザ光をほとんどなくすことができる。したがって、第１の光通過孔の周囲部分によるレーザ光のカット量をほとんどなくし、レンズホルダの加熱をより一層抑えることが可能になる。

図１は、本実施形態に係るレーザ加工方法によるレーザ加工中の加工対象物の平面図である。

図２は、図１に示す加工対象物のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。

図３は、本実施形態に係るレーザ加工方法によるレーザ加工後の加工対象物の平面図である。

図４は、図３に示す加工対象物のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。

図５は、図３に示す加工対象物のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。

図６は、本実施形態に係るレーザ加工方法により切断された加工対象物の平面図である。

図７は、本実施形態に係るレーザ加工方法における電界強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。

図８は、本実施形態に係るレーザ加工方法の第１工程における加工対象物の断面図である。

図９は、本実施形態に係るレーザ加工方法の第２工程における加工対象物の断面図である。

図１０は、本実施形態に係るレーザ加工方法の第３工程における加工対象物の断面図である。

図１１は、本実施形態に係るレーザ加工方法の第４工程における加工対象物の断面図である。

図１２は、本実施形態に係るレーザ加工方法により切断されたシリコンウェハの一部における断面の写真を表した図である。

図１３は、本実施形態に係るレーザ加工方法におけ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。

図１４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１５は、図１４に示すレーザ加工装置の要部を示す拡大図である。

図１６は、図１４に示すレーザ加工装置におけるレーザ加工開始からの経過時間とレンズホルダの上昇温度との関係を示すグラフである。

図１７は、ビームエキスパンダから出射されたレーザ光が発散光である場合のレーザ加工装置の要部を示す概略構成図である。

図１８は、ビームエキスパンダから出射されたレーザ光が集束光である場合のレーザ加工装置の要部を示す概略構成図である。

以下、本発明に係るレーザ加工装置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。

本実施形態に係るレーザ加工装置は、ウェハ状の加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射し、前記加工対象物の内部に多光子吸収による改質領域を形成するものである。そこで、本実施形態に係るレーザ加工装置の説明に先立って、多光子吸収による改質領域の形成について説明する。

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。よって、材料に吸収が生じる条件はｈν＞Ｅ_Ｇである。しかし、光学的に透明でも、レーザ光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。この現象を多光子吸収という。パルス波の場合、レーザ光の強度はレーザ光の集光点のピークパワー密度（Ｗ／ｃｍ^２）で決まり、例えばピークパワー密度が１×１０^８（Ｗ／ｃｍ^２）以上の条件で多光子吸収が生じる。ピークパワー密度は、（集光点におけるレーザ光の１パルス当たりのエネルギー）÷（レーザ光のビームスポット断面積×パルス幅）により求められる。また、連続波の場合、レーザ光の強度はレーザ光の集光点の電界強度（Ｗ／ｃｍ^２）で決まる。

このような多光子吸収を利用する本実施形態に係るレーザ加工の原理について、図１〜図６を参照して説明する。図１はレーザ加工中の加工対象物１の平面図であり、図２は図１に示す加工対象物１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図であり、図３はレーザ加工後の加工対象物１の平面図であり、図４は図３に示す加工対象物１のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図であり、図５は図３に示す加工対象物１のＶ−Ｖ線に沿った断面図であり、図６は切断された加工対象物１の平面図である。

図１及び図２に示すように、加工対象物１の表面３には、加工対象物１を切断すべき所望の切断予定ライン５がある。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に実際に線を引いて切断予定ライン５としてもよい）。本実施形態に係るレーザ加工は、多光子吸収が生じる条件で加工対象物１の内部に集光点Ｐを合わせてレーザ光Ｌを加工対象物１に照射して改質領域７を形成する。なお、集光点とはレーザ光Ｌが集光した箇所のことである。

レーザ光Ｌを切断予定ライン５に沿って（すなわち矢印Ａ方向に沿って）相対的に移動させることにより、集光点Ｐを切断予定ライン５に沿って移動させる。これにより、図３〜図５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の内部にのみ形成され、この改質領域７でもって切断予定部８が形成される。本実施形態に係るレーザ加工方法は、加工対象物１がレーザ光Ｌを吸収することにより加工対象物１を発熱させて改質領域７を形成するのではない。加工対象物１にレーザ光Ｌを透過させ加工対象物１の内部に多光子吸収を発生させて改質領域７を形成している。よって、加工対象物１の表面３ではレーザ光Ｌがほとん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。

加工対象物１の切断において、切断する箇所に起点があると加工対象物１はその起点から割れるので、図６に示すように比較的小さな力で加工対象物１を切断することができる。よって、加工対象物１の表面３に不必要な割れを発生させることなく加工対象物１の切断が可能となる。

なお、切断予定部を起点とした加工対象物の切断には、次の２通りが考えられる。１つは、切断予定部形成後、加工対象物に人為的な力が印加されることにより、切断予定部を起点として加工対象物が割れ、加工対象物が切断される場合である。これは、例えば加工対象物の厚さが大きい場合の切断である。人為的な力が印加されるとは、例えば、加工対象物の切断予定部に沿って加工対象物に曲げ応力やせん断応力を加えたり、加工対象物に温度差を与えることにより熱応力を発生させたりすることである。他の１つは、切断予定部を形成することにより、切断予定部を起点として加工対象物の断面方向（厚さ方向）に向かって自然に割れ、結果的に加工対象物が切断される場合である。これは、例えば加工対象物の厚さが小さい場合には、１列の改質領域により切断予定部が形成されることで可能となり、加工対象物の厚さが大きい場合には、厚さ方向に複数列形成された改質領域により切断予定部が形成されることで可能となる。なお、この自然に割れる場合も、切断する箇所において、切断予定部が形成されていない部位に対応する部分の表面上にまで割れが先走ることがなく、切断予定部を形成した部位に対応する部分のみを割断することができるので、割断を制御よくすることができる。近年、シリコンウェハ等の加工対象物の厚さは薄くなる傾向にあるので、このような制御性のよい割断方法は大変有効である。

さて、本実施形態において多光子吸収により形成される改質領域としては、次の（１）〜（３）がある。

（１）改質領域が１つ又は複数のクラックを含むクラック領域の場合
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を照射する。このパルス幅の大きさは、多光子吸収を生じさせつつ加工対象物の表面に余計なダメージを与えずに、加工対象物の内部にのみクラック領域を形成できる条件である。これにより、加工対象物の内部には多光子吸収による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クラック領域が形成される。電界強度の上限値としては、例えば１×１０^１２（Ｗ／ｃｍ^２）である。パルス幅は例えば１ｎｓ〜２００ｎｓが好ましい。なお、多光子吸収によるクラック領域の形成は、例えば、第４５回レーザ熱加工研究会論文集（１９９８年．１２月）の第２３頁〜第２８頁の「固体レーザー高調波によるガラス基板の内部マーキング」に記載されている。

本発明者は、電界強度とクラックの大きさとの関係を実験により求めた。実験条件は次ぎの通りである。
（Ａ）加工対象物：パイレックス（登録商標）ガラス（厚さ７００μｍ）
（Ｂ）レーザ
光源：半導体レーザ励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザ
波長：１０６４ｎｍ
レーザ光スポット断面積：３．１４×１０^−８ｃｍ^２
発振形態：Ｑスイッチパルス
繰り返し周波数：１００ｋＨｚ
パルス幅：３０ｎｓ
出力：出力＜１ｍＪ／パルス
レーザ光品質：ＴＥＭ_００
偏光特性：直線偏光
（Ｃ）集光用レンズ
レーザ光波長に対する透過率：６０パーセント
（Ｄ）加工対象物が載置される載置台の移動速度：１００ｍｍ／秒

なお、レーザ光品質がＴＥＭ_００とは、集光性が高くレーザ光の波長程度まで集光可能を意味する。

図７は上記実験の結果を示すグラフである。横軸はピークパワー密度であり、レーザ光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。

次に、本実施形態に係るレーザ加工において、クラック領域形成による加工対象物の切断のメカニズムについて図８〜図１１を用いて説明する。図８に示すように、多光子吸収が生じる条件で加工対象物１の内部に集光点Ｐを合わせてレーザ光Ｌを加工対象物１に照射して切断予定ラインに沿って内部にクラック領域９を形成する。クラック領域９は１つ又は複数のクラックを含む領域である。このクラック領域９でもって切断予定部が形成される。図９に示すようにクラック領域９を起点として（すなわち、切断予定部を起点として）クラックがさらに成長し、図１０に示すようにクラックが加工対象物１の表面３と裏面１７に到達し、図１１に示すように加工対象物１が割れることにより加工対象物１が切断される。加工対象物の表面と裏面に到達するクラックは自然に成長する場合もあるし、加工対象物に力が印加されることにより成長する場合もある。

（２）改質領域が溶融処理領域の場合
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を照射する。これにより加工対象物の内部は多光子吸収によって局所的に加熱される。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。電界強度の上限値としては、例えば１×１０^１２（Ｗ／ｃｍ^２）である。パルス幅は例えば１ｎｓ〜２００ｎｓが好ましい。

本発明者は、シリコンウェハの内部で溶融処理領域が形成されることを実験により確認した。実験条件は次の通りである。
（Ａ）加工対象物：シリコンウェハ（厚さ３５０μｍ、外径４インチ）
（Ｂ）レーザ
光源：半導体レーザ励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザ
波長：１０６４ｎｍ
レーザ光スポット断面積：３．１４×１０^−８ｃｍ^２
発振形態：Ｑスイッチパルス
繰り返し周波数：１００ｋＨｚ
パルス幅：３０ｎｓ
出力：２０μＪ／パルス
レーザ光品質：ＴＥＭ_００
偏光特性：直線偏光
（Ｃ）集光用レンズ
倍率：５０倍
Ｎ．Ａ．：０．５５
レーザ光波長に対する透過率：６０パーセント
（Ｄ）加工対象物が載置される載置台の移動速度：１００ｍｍ／秒

図１２は、上記条件でのレーザ加工により切断されたシリコンウェハの一部における断面の写真を表した図である。シリコンウェハ１１の内部に溶融処理領域１３が形成されている。なお、上記条件により形成された溶融処理領域１３の厚さ方向の大きさは１００μｍ程度である。

溶融処理領域１３が多光子吸収により形成されたことを説明する。図１３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グラフである。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が８０％以上透過することが分かる。図１２に示すシリコンウェハ１１の厚さは３５０μｍであるので、多光子吸収による溶融処理領域１３はシリコンウェハの中心付近、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、レーザ光がシリコンウェハ１１の内部で吸収されるのは僅かであり、ほとんどが透過する。このことは、シリコンウェハ１１の内部でレーザ光が吸収されて、溶融処理領域１３がシリコンウェハ１１の内部に形成（つまりレーザ光による通常の加熱で溶融処理領域が形成）されたものではなく、溶融処理領域１３が多光子吸収により形成されたことを意味する。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。

なお、シリコンウェハは、溶融処理領域でもって形成される切断予定部を起点として断面方向に向かって割れを発生させ、その割れがシリコンウェハの表面と裏面とに到達することにより、結果的に切断される。シリコンウェハの表面と裏面に到達するこの割れ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。なお、切断予定部からシリコンウェハの表面と裏面とに割れが自然に成長する場合には、切断予定部を形成する溶融処理領域が溶融している状態から割れが成長する場合と、切断予定部を形成する溶融処理領域が溶融している状態から再固化する際に割れが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のみに形成され、切断後の切断面には、図１２のように内部にのみ溶融処理領域が形成されている。加工対象物の内部に溶融処理領域でもって切断予定部を形成すると、割断時、切断予定部ラインから外れた不必要な割れが生じにくいので、割断制御が容易となる。

（３）改質領域が屈折率変化領域の場合
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を照射する。パルス幅を極めて短くして、多光子吸収を加工対象物の内部に起こさせると、多光子吸収によるエネルギーが熱エネルギーに転化せずに、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て屈折率変化領域が形成される。電界強度の上限値としては、例えば１×１０^１２（Ｗ／ｃｍ^２）である。パルス幅は例えば１ｎｓ以下が好ましく、１ｐｓ以下がさらに好ましい。多光子吸収による屈折率変化領域の形成は、例えば、第４２回レーザ熱加工研究会論文集（１９９７年．１１月）の第１０５頁〜第１１１頁の「フェムト秒レーザー照射によるガラス内部への光誘起構造形成」に記載されている。

次に、本実施形態に係るレーザ加工装置について、図１４及び図１５を参照して説明する。

図１４に示すように、レーザ加工装置２０は、ウェハ状の加工対象物１の内部に集光点Ｐ１を合わせて加工用レーザ光Ｌ１を照射することで、加工対象物１の内部に多光子吸収による改質領域７を形成し、この改質領域７でもって、加工対象物１の表面３に沿って延在する切断予定部８を形成する装置である。ここで、、加工対象物１はシリコンウェハ等の半導体ウェハであり、改質領域７は溶融処理領域である。

このレーザ加工装置２０は、加工対象物１が載置されるステージ２１を有しており、このステージ２１は、上下方向をＺ軸方向としてＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の各方向に移動可能となっている。ステージ２１の上方には、加工用レーザ光Ｌ１を発生するレーザ光源２２等を収容した筐体２３が配置されている。このレーザ光源２２は、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザであり、真下に位置するステージ２１上の加工対象物１に向けてパルス幅１μｓ以下のパルスレーザ光である加工用レーザ光Ｌ１を出射する。

筐体２３の下端面には電動レボルバ２４が取り付けられており、この電動レボルバ２４には、加工対象物１を観察するための観察用対物レンズ２６と、加工用レーザ光Ｌ１を集光するための加工用対物レンズ２７とが装着されている。各対物レンズ２６，２７の光軸は、電動レボルバ２４の回転によって加工用レーザ光Ｌ１の光軸に一致させられる。なお、加工用対物レンズ２７と電動レボルバ２４との間には、ピエゾ素子を用いたアクチュエータ２８が介在されており、このアクチュエータ２８によって加工用対物レンズ２７の位置がＺ軸方向（上下方向）に微調整される。

図１５に示すように、加工用対物レンズ２７は円筒形状のレンズホルダ２９を有し、このレンズホルダ２９は、その内部において複数のレンズを組み合わせてなる開口数「０．８０」の集光レンズ３１を保持している。そして、レンズホルダ２９の上端部には、集光レンズ３１に対する加工用レーザ光Ｌ１の入射瞳として第１の光通過孔３２が形成され、レンズホルダ２９の下端部には加工用レーザ光Ｌ１の出射開口３３が形成されている。このように構成された加工用対物レンズ２７によって加工用レーザ光Ｌ１が集光され、集光レンズ３１による集光点Ｐ１での加工用レーザ光Ｌ１のピークパワー密度は１×１０^８（Ｗ／ｃｍ^２）以上となる。

また、筐体２３内における加工用レーザ光Ｌ１の光軸上には、図１４に示すように、レーザ光源２２で発生したレーザ光Ｌ１のビームサイズを拡大するビームエキスパンダ３４と、レーザ光Ｌ１の出力や偏光を調整するレーザ光調整光学系３６と、レーザ光Ｌ１の通過又は遮断を行う電磁シャッタ３７と、レーザ光Ｌ１のビームサイズを絞る絞り部材３８とが上から下にこの順序で配置されている。なお、ビームエキスパンダ３４は、略平行光としてレーザ光Ｌ１を出射する。

図１５に示すように、絞り部材３８は、加工用対物レンズ２７の第１の光通過孔３２の上方に位置して筺体２３に取り付けられており、加工用レーザ光Ｌ１の光軸上においてこのレーザ光Ｌ１を絞って通過させるアパーチャとしての第２の光通過孔３９を有している。この第２の光通過孔３９は、加工用対物レンズ２７の第１の光通過孔３２と同径に形成されており、第２の光通過孔３９の中心軸線は、絞り部材３８に設けられた調節ネジ３５によって第１の光通過孔３２の中心軸線に正確に一致させることができる。したがって、ビームエキスパンダ３４によりビームサイズを拡大された加工用レーザ光Ｌ１は、絞り部材３８によって第２の光通過孔３９より大きいレーザ光Ｌ１の外周部分がカットされ、これにより、第２の光通過孔３９を通過した加工用レーザ光Ｌ１の径は、加工用対物レンズ２７の第１の光通過孔３２の径と同等になる。なお、ビームエキスパンダ３４から出射されたレーザ光Ｌ１が完全な平行光ではなく、レーザ光Ｌ１が若干拡がるような略平行光である場合には、レーザ光Ｌ１の拡がり分を考慮して、第１の光通過孔３２の周囲部分に入射するレーザ光Ｌ１がほとんどなくなるように第２の光通過孔３９の径を第１の光通過孔３２の径より小さくすればよい。

さらに、レーザ加工装置２０は、図１４に示すように、加工用対物レンズ２７と加工対象物１の表面３との距離をレーザ加工中常に一定に保つべく、測距用レーザ光を発生するレーザダイオード等の測距用光源４１と、フォトダイオードを４等分してなる４分割位置検出素子４２とを筐体２３内に有している。

すなわち、測距用光源４１から出射された測距用レーザ光は、ピンホール４３、ビームエキスパンダ４４を順次通過した後、ミラー４６、ハーフミラー４７により順次反射されて、電磁シャッタ３７と絞り部材３８との間に配置されたダイクロイックミラー４８に導かれる。このダイクロイックミラー４８により反射された測距用レーザ光は、加工用レーザ光Ｌ１の光軸上を下方に向かって進行し、絞り部材３８の第２の光通過孔３９を通過した後、加工用対物レンズ２７の集光レンズ３１により集光されて加工対象物１に照射される。なお、加工用レーザ光Ｌ１はダイクロイックミラー４８を透過する。

そして、加工対象物１の表面３で反射された測距用レーザ光の反射光は、加工用対物レンズ２７の集光レンズ３１に再入射して加工用レーザ光Ｌ１の光軸上を上方に向かって進行し、絞り部材３８の第２の光通過孔３９を通過した後、ダイクロイックミラー４８により反射される。このダイクロイックミラー４８により反射された測距用レーザ光の反射光は、ハーフミラー４７を通過した後、シリンドリカルレンズと平凸レンズとからなる整形光学系４９により集光されて４分割位置検出素子４２上に照射される。

この４分割位置検出素子４２上における測距用レーザ光の反射光の集光像パターンは、加工用対物レンズ２７と加工対象物１の表面３との距離に応じて変化する。このレーザ加工装置２０では、加工用対物レンズ２７と加工対象物１の表面３との距離がレーザ加工中常に一定となるように、４分割位置検出素子４２上の集光像パターンに基づいてアクチュエータ２８をフィードバック制御し、加工用対物レンズ２７の位置を上下方向に微調整する。

さらに、レーザ加工装置２０は、ステージ２１上に載置された加工対象物１を観察すべく、観察用可視光を発生する観察用光源５１を筐体２３外に有し、ＣＣＤカメラ５２を筐体２３内に有している。

すなわち、観察用光源５１で発せられた観察用可視光は、光ファイバからなるライトガイド５３により筐体２３内に導かれ、視野絞り５４、開口絞り５６、ダイクロイックミラー５７等を順次通過した後、絞り部材３８と加工用対物レンズ２７の第１の光通過孔３２と間に配置されたダイクロイックミラー５８により反射される。反射された観察用可視光は、加工用レーザ光Ｌ１の光軸上を下方に向かって進行し、電動レボルバ２４の回転によって加工用レーザ光Ｌ１の光軸上に配置された観察用対物レンズ２６を通過して加工対象物１に照射される。なお、加工用レーザ光Ｌ１、測距用レーザ光及びその反射光はダイクロイックミラー５８を透過する。

そして、加工対象物１の表面３で反射された観察用可視光の反射光は、観察用対物レンズ２６内に再入射して加工用レーザ光Ｌ１の光軸上を上方に向かって進行し、ダイクロイックミラー５８により反射される。このダイクロイックミラー５８により反射された反射光は、ダイクロイックミラー５７により更に反射されて、フィルタ５９、結像レンズ６１、リレーレンズ６２を順次通過し、ＣＣＤカメラ５２に入射することになる。

このＣＣＤカメラ５２により撮像された撮像データは全体制御部６３に取り込まれ、この全体制御部６３によってＴＶモニタ６４に加工対象物１の表面３等の画像が映し出される。なお、全体制御部６３は、各種処理を実行すると共に、ステージ２１の移動、電磁レボルバ２４の回転、電磁シャッタ３７の開閉、ＣＣＤカメラ５２による撮像等の他、レーザ加工装置２０の全体の動作を制御するものである。

次に、上述したレーザ加工装置２０によるレーザ加工手順について説明する。まず、ステージ２１上に加工対象物１を載置する。続いて、加工対象物１の改質領域７の形成開始位置と加工用レーザ光Ｌ１の集光点Ｐ１とが一致するようにステージ２１を移動させる。なお、このときの加工用対物レンズ２７と加工対象物１の表面３との距離は、加工対処物１の厚さや屈折率に基づいて決定することができる。

続いて、レーザ光源２２から加工用レーザ光Ｌ１を加工対象物１に向けて出射させる。このとき、加工用レーザ光Ｌ１の集光点Ｐ１は、加工対象物１の表面３から所定距離内側に位置しているので、改質領域７は加工対象物１の内部に形成される。そして、切断すべき所望の切断予定ラインに沿うようにステージ２１をＸ軸方向やＹ軸方向に移動させて、加工対象物１の表面３に沿って延在する切断予定部８を改質領域７により形成する。

この切断予定部８の形成中は、４分割位置検出素子４２上における測距用レーザ光の反射光の集光像パターンに基づいて、加工用対物レンズ２７と加工対象物１の表面３との距離が一定となるように、アクチュエータ２８によって加工用対物レンズ２７の位置が上下方向に微調整される。そのため、加工対象物１の表面３に面振れがあったり、ステージ２１が振動したりしても、加工用対物レンズ２７と加工対象物１の表面３との距離は一定に保たれることになる。したがって、加工対象物１の表面３から所定距離内側に精度良く切断予定部８を形成することができる。

以上説明したようにレーザ加工装置２０おいては、ビームエキスパンダ３４とレンズホルダ２９の第１の光通過孔３２とを結ぶ加工用レーザ光Ｌ１の光路上に、第１の光通過孔３２と同径の第２の光通過孔３９を有する絞り部材３８が配置されている。そのため、ビームエキスパンダ３４によりビームサイズを拡大された加工用レーザ光Ｌ１は、絞り部材３８によって第２の光通過孔３９より大きいレーザ光Ｌ１の外周部分がカットされ、これにより、第２の光通過孔３９を通過した加工用レーザ光Ｌ１の径は、レンズホルダ２９の第１の光通過孔３２の径と略同等になる。したがって、第１の光通過孔３２の周囲部分によるレーザ光Ｌ１のカット量をほとんどなくすことができ、加工用レーザ光Ｌ１の照射によるレンズホルダ２９の加熱を防止することが可能になる。しかも、絞り部材３８はレンズホルダ２９から離間しているため、第２の光通過孔３９の周囲部分でカットされたレーザ光Ｌ１によって絞り部材３８が加熱されても、絞り部材３８からレンズホルダ２９への熱伝達が防止される。よって、レーザ加工中におけるレンズホルダ２９の加熱を主原因とした加工用レーザ光Ｌ１の集光点Ｐ１の位置変動を小さく抑えることができ、加工対象物１の内部における所定の位置に精度良く改質領域７を形成することが可能になる。

図１６は、レーザ加工開始からの経過時間とレンズホルダの上昇温度との関係を示すグラフである。このグラフに示されるように、レーザ加工装置２０においては、絞り部材３９を設けることによって、絞り部材３９を設けなかった場合に比べ、レーザ加工開始から３０分の経過後におけるレンズホルダ２９の上昇温度を１℃も抑えることができる。

また、レーザ加工装置２０においては、加工対象物１の内部に多光子吸収を起こさせるために、集光点Ｐ１での加工用レーザ光Ｌ１のピークパワー密度を１×１０^８（Ｗ／ｃｍ^２）以上というように高くする必要があり、また、加工対象物１がウェハ状であるがために多光子吸収により発生する改質領域７を微小なものにする必要がある。このような改質領域７を形成するためには、例えば「０．８０」といった開口数の大きい集光レンズ３１を用いる必要があり、そのため、集光レンズ３１の入射瞳径、すなわち第１の光通過孔３２の径を大きくする必要がある。このレーザ加工装置２０においては、ビームエキスパンダ３４を設けることで、レーザ光源２２で発生した加工用レーザ光Ｌ１のビームサイズを、大型化された第１の光通過孔３２の径に対応可能となるように十分に大きくすることができる。

本発明に係るレーザ加工装置は上記実施形態に限定されない。例えば、絞り部材３８の第２の光通過孔３９は、レンズホルダ２９の第１の光通過孔３２の径と同径であるものに限らず、ビームエキスパンダ３４によりビームサイズを拡大された加工用レーザ光Ｌ１を絞って通過させるものであれば、第１の光通過孔３２の径より大きくてもよい。この場合にも、ビームエキスパンダ３４により拡大された加工用レーザ光Ｌ１を第１の光通過孔３２に向けて直接照射させる場合に比べ、第１の光通過孔３２の周囲部分によるレーザ光Ｌ１のカット量を減少させることができ、カットされたレーザ光Ｌ１によるレンズホルダ２９の加熱を抑えることが可能になる。

また、上記実施形態は、ビームエキスパンダ３４から出射されたレーザ光Ｌ１が略平行光である場合であったが、発散光や集束光であってもよい。

まず、ビームエキスパンダ３４から出射されたレーザ光Ｌ１が発散光である場合について説明する。なお、レーザ光源２２は、ビーム径φ_０、発散角度２θ_０でレーザ光Ｌ１を出射し、ビームエキスパンダ３４は、倍率Ｍでレーザ光Ｌ１のビームサイズを拡大し、発散角度２θ_１でレーザ光Ｌ１を出射するものとする。また、図１７に示すように、レーザ光源２２の出射部２２ａとビームエキスパンダ３４の入射部３４ａとの距離をｄ_１、ビームエキスパンダ３４の出射部３４ｂと第２の光通過孔３９の入射側開口３９ａとの距離をｄ_２、第２の光通過孔３９の入射側開口３９ａと第１の光通過孔３２の入射側開口３２ａとの距離をｄ_３とする。

このとき、ビームエキスパンダ３４の入射部３４ａでのレーザ光Ｌ１のビーム径は「φ_０＋２ｄ_１・ｔａｎθ_０」であるから、ビームエキスパンダ３４の出射部３４ｂでのレーザ光Ｌ１のビーム径φ_１は、次式（１）で表される。
φ_１＝Ｍ（φ_０＋２ｄ_１・ｔａｎθ_０）…（１）

ここで、ビームエキスパンダ３４が無いと仮定した場合、ビームエキスパンダ３４の出射部３４ｂの位置でビーム径φ_１、発散角度２θ_１となるレーザ光Ｌ１を出射する疑似点光源位置Ｑとビームエキスパンダ３４の出射部３４ｂとの距離ｄ_４は、次式（２）で表される。
ｄ_４＝φ_１／（２・ｔａｎθ_１）…（２）

そして、疑似点光源位置Ｑから発散角度２θ_１でレーザ光Ｌ１が出射されると仮定した場合、疑似点光源位置Ｑから距離「ｄ_４＋ｄ_２＋ｄ_３」の位置にある第１の光通過孔３２の入射側開口３２ａに入る光線角度２θ_Ｌは、第１の光通過孔３２の径をφ_Ｌとすると、次式（３）で表される。
２θ_Ｌ＝２・ｔａｎ^−１｛φ_Ｌ／２（ｄ_４＋ｄ_２＋ｄ_３）｝…（３）

したがって、第２の光通過孔３９の径をφ_Ｓとすると、光線角度２θ_Ｌ以下のレーザ光Ｌ１しか通さないように第２の光通過孔３９の径φ_Ｓを次式（４）で定義すれば、第１の光通過孔３２の周囲部分に入射するレーザ光Ｌ１をほとんどなくすことができる。
２（ｄ_４＋ｄ_２）ｔａｎθ_Ｌ≧φ_Ｓ…（４）

上記式（１）〜式（４）よりφ_１，ｄ_４，θ_Ｌを消去すると、第１の光通過孔３２の径φ_Ｌ及び第２の光通過孔３９の径φ_Ｓは、

の関係を満たすことになる。

以上のように、ビームエキスパンダ３４から出射されたレーザ光Ｌ１が発散光である場合には、第１の光通過孔３２の径φ_Ｌと第２の光通過孔３９の径φ_Ｓとが上記関係を満たすことで、第１の光通過孔３２の周囲部分に入射するレーザ光Ｌ１をほとんどなくすことができる。したがって、第１の光通過孔３２の周囲部分によるレーザ光Ｌ１のカット量をほとんどなくし、レンズホルダ２９の加熱をより一層抑えることが可能になる。

次に、ビームエキスパンダ３４から出射されたレーザ光Ｌ１が集束光である場合について説明する。なお、レーザ光源２２は、ビーム径φ_０、発散角度２θ_０でレーザ光Ｌ１を出射し、ビームエキスパンダ３４は、倍率Ｍでレーザ光Ｌ１のビームサイズを拡大し、集束角度２θ_１でレーザ光Ｌ１を出射するものとする。また、図１８に示すように、レーザ光源２２の出射部２２ａとビームエキスパンダ３４の入射部３４ａとの距離をｄ_１、ビームエキスパンダ３４の出射部３４ｂと第２の光通過孔３９の入射側開口３９ａとの距離をｄ_２、第２の光通過孔３９の入射側開口３９ａと第１の光通過孔３２の入射側開口３２ａとの距離をｄ_３とする。

このとき、ビームエキスパンダ３４の入射部３４ａでのレーザ光Ｌ１のビーム径は「φ_０＋２ｄ_１・ｔａｎθ_０」であるから、ビームエキスパンダ３４の出射部３４ｂでのレーザ光Ｌ１のビーム径φ_１は、次式（５）で表される。
φ_１＝Ｍ（φ_０＋２ｄ_１・ｔａｎθ_０）…（５）

ここで、ビームエキスパンダ３４の出射部３４ｂの位置でビーム径φ_１、集束角度２θ_１となるレーザ光Ｌ１が集光すると仮定した場合、疑似集光点位置Ｒとビームエキスパンダ３４の出射部３４ｂとの距離ｄ_５は、次式（６）で表される。
ｄ_５＝φ_１／（２・ｔａｎθ_１）…（６）

そして、疑似集光点位置Ｒに集束角度２θ_１で集光されるレーザ光Ｌ１のうち、疑似集光点位置Ｒから距離「ｄ_５−（ｄ_２＋ｄ_３）」の位置にある第１の光通過孔３２の入射側開口３２ａに入る光線角度２θ_Ｌは、第１の光通過孔３２の径をφ_Ｌとすると、次式（７）で表される。
２θ_Ｌ＝２・ｔａｎ^−１［φ_Ｌ／２｛ｄ_５−（ｄ_２＋ｄ_３）｝］…（７）

したがって、第２の光通過孔３９の径をφ_Ｓとすると、光線角度２θ_Ｌ以下のレーザ光Ｌ１しか通さないように第２の光通過孔３９の径φ_Ｓを次式（８）で定義すれば、第１の光通過孔３２の周囲部分に入射するレーザ光Ｌ１をほとんどなくすことができる。
φ_Ｌ＋２ｄ_３・ｔａｎθ_Ｌ≧φ_Ｓ…（８）

上記式（５）〜式（８）よりφ_１，ｄ_５，θ_Ｌを消去すると、第１の光通過孔３２の径φ_Ｌ及び第２の光通過孔３９の径φ_Ｓは、

の関係を満たすことになる。

以上のように、ビームエキスパンダ３４から出射されたレーザ光Ｌ１が集束光である場合には、第１の光通過孔３２の径φ_Ｌと第２の光通過孔３９の径φ_Ｓとが上記関係を満たすことで、第１の光通過孔３２の周囲部分に入射するレーザ光Ｌ１をほとんどなくすことができる。したがって、第１の光通過孔３２の周囲部分によるレーザ光Ｌ１のカット量をほとんどなくし、レンズホルダ２９の加熱をより一層抑えることが可能になる。

以上説明したように本発明に係るレーザ加工装置によれば、レーザ加工中におけるレンズホルダの加熱を主原因としたレーザ光の集光点の位置変動を小さく抑えることができ、ウェハ状の加工対象物の内部における所定の位置に精度良く改質領域を形成することが可能になる。

Claims (4)

1. ウェハ状の加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射し、前記加工対象物の内部に多光子吸収による改質領域を形成するレーザ加工装置であって、
   レーザ光源から出射されたレーザ光のビームサイズを拡大するビームエキスパンダと、
   前記ビームエキスパンダを介して入射したレーザ光を前記加工対象物の内部に集光する集光レンズと、
   前記集光レンズを保持すると共に、前記集光レンズにレーザ光を入射させる第１の光通過孔を有するレンズホルダとを備え、
   前記ビームエキスパンダと前記第１の光通過孔とを結ぶレーザ光の光路上には、レーザ光を絞って通過させる第２の光通過孔を有する絞り部材が設けられ、その絞り部材は前記レンズホルダから離間していることを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記ビームエキスパンダから出射されたレーザ光が略平行光である場合、
   前記第２の光通過孔の径は前記第１の光通過孔の径以下であることを特徴とする請求の範囲第１項記載のレーザ加工装置。
3. 前記レーザ光源が、ビーム径φ_０、発散角度２θ_０でレーザ光を出射し、前記ビームエキスパンダが、倍率Ｍでレーザ光のビームサイズを拡大し、発散角度２θ_１でレーザ光を出射する場合、
   前記レーザ光源の出射部と前記ビームエキスパンダの入射部との距離をｄ_１、前記ビームエキスパンダの出射部と前記第２の光通過孔の入射側開口との距離をｄ_２、前記第２の光通過孔の入射側開口と前記第１の光通過孔の入射側開口との距離をｄ_３とし、
   前記第１の光通過孔の径をφ_Ｌ、前記第２の光通過孔の径をφ_Ｓとすると、
   前記φ_Ｌ及び前記φ_Ｓは、
   

   

   の関係を満たすことを特徴とする請求の範囲第１項記載のレーザ加工装置。
4. 前記レーザ光源が、ビーム径φ_０、発散角度２θ_０でレーザ光を出射し、前記ビームエキスパンダが、倍率Ｍでレーザ光のビームサイズを拡大し、集束角度２θ_１でレーザ光を出射する場合、
   前記レーザ光源の出射部と前記ビームエキスパンダの入射部との距離をｄ_１、前記ビームエキスパンダの出射部と前記第２の光通過孔の入射側開口との距離をｄ_２、前記第２の光通過孔の入射側開口と前記第１の光通過孔の入射側開口との距離をｄ_３とし、
   前記第１の光通過孔の径をφ_Ｌ、前記第２の光通過孔の径をφ_Ｓとすると、
   前記φ_Ｌ及び前記φ_Ｓは、
   

   

   の関係を満たすことを特徴とする請求の範囲第１項記載のレーザ加工装置。

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