JPWO2005084874A1 - レーザ加工装置 - Google Patents

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Abstract

このレーザ加工装置（１，４０，１０１）は、被加工対象物（２，１０２）を載置するステージ（３，３００）と、被加工対象物の表面に向けてレーザ光（Ｐ）を出射する照射手段（４，１０４）と、レーザ光（Ｐ）を、複数の光束（Ｐ’）に分岐させると共に、被加工対象物（４，１０４）の表面又は内部に複数のスポット（Ｓ）として集光させる光学系（６）と、被加工対象物（２，１０２）に対して複数のスポット（Ｓ）を、水平方向に向けて相対的に移動させる移動手段（７，１０７）とを備える。

Description

本発明は、半導体デバイス用のシリコンウエハ等の半導体材料基板、液晶パネル／プラズマディスプレイ等の大口径ガラスの透明基板、半導体材料基板、圧電材料基板、ガラス基板等の切断に使用されるレーザ加工装置に関する。
本願は、２００４年３月５日に出願された特願２００４−０６２２２５号及び特願２００４−０６２２２６号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。
従来、シリコンウエハ等の半導体基板を格子状（チップ状）に切断して半導体チップを得るには、切断装置等による機械的な切断方法が一般的に行われていた。この方法は、半導体基板の表面に格子状にスクライブラインを形成し、このスクライブラインに沿うように半導体基板の裏面にナイフエッジ等を押し当てて、半導体基板を切断する方法である。
また、近年、レーザ光の発達に伴って様々な分野でレーザ光を利用した装置が開発され始めている。例えば、その１つとして半導体基板等の被加工対象物を、レーザ光を利用して切断するレーザ加工装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
このレーザ加工装置は、被加工対象物である半導体基板が載置される載置台と、載置台をＺ軸回りに回転させるθステージと、載置台をＸＹＺ軸方向にそれぞれ移動させる各ＸＹＺ軸ステージと、これら各ステージの移動を制御するステージ制御部と、パルスレーザ光を発生するＮｄ：ＹＡＧレーザ等のレーザ光源と、レーザ光源を制御して、パルスレーザ光のパワーや繰り返し周波数等を調整するレーザ光源制御部と、レーザ光源から発生されたパルスレーザ光の光軸の向きを、半導体基板に向けて９０度変えるように反射するダイクロイックミラーと、ダイクロイックミラーで反射されたパルスレーザ光を被加工対象物に集光する集光レンズとを備えている。
このように構成されたレーザ加工装置により、半導体基板を切断する場合について説明する。
まず、ステージ制御部により、各ステージを作動させて、パルスレーザ光の集光点が半導体基板の内部に位置するように、半導体基板を所定位置に移動させる。そして、レーザ光源制御部は、所定の繰り返し周波数でパルスレーザ光を照射するようにレーザ光源を作動させる。レーザ光源から照射されたパルスレーザ光は、ダイクロイックミラーで反射された後、集光レンズに入射し、半導体基板の内部にスポット状に集光する。これにより、半導体基板の内部に改質領域が形成される。
また、ＸＹ軸ステージにより半導体基板をＸＹ方向に移動させることで、半導体基板の内部に平行切断予定部及び垂直切断予定部をそれぞれ複数形成する。その後、半導体基板の裏面にナイフエッジを押し当てることで、半導体基板を平行切断予定部及び垂直切断予定部に沿って切断することができる。
特に、図３４に示すように、集光レンズとして２点スポットレンズ５０を使用することで、半導体基板５１の内部に、厚さ方向に並ぶ２つのスポットＳを同時に集光させることができる。即ち、２点スポットレンズ５０の中心部を通る光線と、２点スポットレンズ５０の外縁部を通る光線とを、それぞれ集光することで、半導体基板５１の厚さ方向に２つのスポットＳを集光することができる。
これにより、半導体基板５１の内部に、改質領域を厚さ方向に２列同時に形成することでき、厚みのある半導体基板５１にも対応することができる。
また、レーザ光を利用した場合には、切断後のチッピングが生じ難いので洗浄等が不要であると共に、切断したい領域にのみレーザ光を集光させて被加工対象物を変質させるので、それ以外の領域に与える熱的な影響を極力抑えることができる。そのため、レーザ光を利用した被加工対象物の切断方法は、上述した機械的な切断に変わる新たな方法として注目されている。
一方、現在、様々な分野でレーザ光が応用されており、例えば、その１つとして半導体ウエハ等の加工対象物を、レーザ光を利用して切断するレーザ加工装置が知られている（例えば、特許文献２〜５参照）。
この種のレーザ加工装置の一般的な構成を図３５に示す。図３５に示すレーザ加工装置１５０は、加工対象物であるウエハ１５１を上面に載置すると共に、水平面に平行なＸ方向及びＹ方向に向けて移動するステージ１５２と、ステージ１５２のＸＹ方向への移動を制御するステージコントローラ１５３と、ウエハ５１の表面に向けて、例えば、パルス幅が１μｓ以下の非常に短く、強いパルスレーザ光を垂直に照射するレーザ発振装置１５４と、レーザ発振装置１５４により照射されたパルスレーザ光を集光すると共にウエハ１５１の表面又は内部に集光させる集光レンズ等の集光光学系１５５と、レーザ発振装置１５４を制御するレーザ発振制御部１５６と、レーザ発振制御部１５６及びステージコントローラ１５３を総合的に制御するシステム制御部１５７とを備えている。
ウエハ５１は、図３６に示すように、例えば、円状に形成されている場合を例にする。
このように構成されたレーザ加工装置１５０により、ウエハ１５１をレーザ加工によりチップ状に切断する場合について説明する。
まず、ステージコントローラ１５３によりステージ１５２をＸＹ方向に移動させて、ウエハ１５１を図３６に示す切断開始位置まで移動させる。そして、レーザ発振制御部１５６よりレーザ発振装置１５４を作動させ、パルスレーザ光を照射させる。この際、パルスレーザ光の発振繰り返し周波数は、ある限られた周波数に設定されている。照射されたパルスレーザ光は、集光光学系１５５によって、図３５に示すように、ウエハ１５１の内部に集光されて密度の高いエネルギーが１点に集中する。このエネルギーにより、ウエハ１５１の内部に応力が１点集中し、この部分にクラックが生じる。
また、パルスレーザ光の照射と同時に、システム制御部１５７は、ステージコントローラ１５３に走査指令（信号）を送り、ステージ１５２を介してウエハ１５１を移動させる。この際、図３６に示すように、まずウエハ１５１のＸ方向への走査を順次繰り返して、ウエハ１５１の全面領域にパルスレーザ光の照射を行う。つまり、システム制御部１５７は、レーザ発振制御部１５６及びステージコントローラ１５３を総合的に制御して、パルスレーザ光の発振をコントロールしながらステージの走査を行う。
これにより、ウエハ１５１の内部には、図３７に示すように、Ｘ方向に向けて点線のように一定の間隔を空けた状態でクラックが連続的に生じる。この動作を所定の回数繰り返し、複数本の点線を生じさせ、Ｘ方向のクラック生成を行う。
Ｘ方向へのクラック生成が終了した後に、ステージ１５２の移動方向を変えて、ウエハ１５１のＹ方向への走査を順次繰り返し、上述したと同様にウエハ１５１の全面領域にパルスレーザ光の照射を行う。これにより、クラックがＸＹ方向に向けて網の目状に形成されるので、外力を加えることにより、クラックに沿ってウエハ１５１を小さなチップ状に切断することができる。
ここで、ウエハ１５１を切断するには、点線のように形成された各クラック同士を連結させる必要があるので、クラック間の間隔は、ある規定値より大きくすることができない。つまり、クラック間の間隔が大きいと、クラック同士を連結することが困難となり、ウエハ１５１を円滑に切断することが困難となってしまう。そのため、クラック間の最大加工間隔が決まっていた。
また、パルスレーザ光の繰り返し周波数は、レーザ発振装置１５４の性能により決定されるものであると共にその値に限界があるので、この繰り返し周波数と最大加工間隔との乗算で決定する加工速度の最大値が決まってしまうものであった。例えば、パルスレーザ光の発振周波数を２０ｋｐｐｓとし、最大加工間隔を１０μｍとすると、最大加工速度は、１０μｍ（最大加工間隔）×２０ｋｐｐｓ（発振繰り返し周波数）＝２００ｍｍ／秒となる。この加工速度は、レーザ加工装置１５０のスループットを決定する大きな要素となっている。
特開２００３−２６６１８５号公報（図１６等） 特開２００２−２０５１８１号公報（図１−図６等） 特開２００２−２０５１８０号公報（図１−図６等） 特開２００２−１９２３７１号公報（図１−図６等） 特開２００２−１９２３７０号公報（図１−図６等）
ところで、図３４に示すレーザ加工装置では、半導体基板５１の厚さ方向に並ぶように２つのスポットＳを同時に集光させることができるが、２点スポットレンズ５０の中心部を通る光線と、２点スポットレンズ５０の外縁部を通る光線とをそれぞれ集光するので、２点スポットレンズ５０の全体で光線を集めることができず、大開口（大ＮＡ）が得られなかった。従って、スポット径が広がるので切れ味が劣り、切断性に影響を与える恐れがあった。
また、焦点を２つ、即ち、スポットを２つ以上集光させることが困難であるので、厚みのある半導体基板への適用が難しかった。
一方、図３５に示すレーザ加工装置１５０は、パルスレーザ光の繰り返し周波数及びクラック間の最大加工間隔がある程度決められてしまうので、加工速度を上げることが困難であり、スループットを上げることが難しいものであった。
この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、第１の目的は、切れ味を増して切断性の向上を図ることができると共に、厚みのある試料を容易に切断することができるレーザ加工装置を提供することである。
また、第２の目的は、レーザ光の繰り返し周波数及びクラック間の最大加工間隔を変えることなく、高速にレーザ加工が行えると共にスループットの向上を図ることができるレーザ加工装置を提供することである。
上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明は、被加工対象物を載置するステージと；前記被加工対象物の表面に向けてレーザ光を出射する照射手段と；前記レーザ光を、複数の光束に分岐させると共に、前記被加工対象物の表面又は内部に複数のスポットとして集光させる光学系と；前記被加工対象物に対して前記複数のスポットを、水平方向に向けて相対的に移動させる移動手段と；を備えるレーザ加工装置を提供する。
本発明のレーザ加工装置においては、照射手段から照射されたレーザ光が、光学系により複数の光束に分岐されると共に、被加工対象物の表面又は内部に複数のスポットとして集光される。例えば、水平方向又は厚さ（深さ）方向に並ぶように、複数のスポットを集光させる。そして、複数のスポットのそれぞれの箇所で密度の高いエネルギーが集中し、クラックが生じる。つまり、複数のクラックを、水平方向又は厚さ方向に向けて同時に生じさせることができる。
また、移動手段により、被加工対象物に対して複数のクラックを水平方向に向けて相対的に移動させるので、複数のクラックを点線のように連続的に形成することができ、クラック同士を連結させて被加工対象物を点線に沿って切断することができる。また、複数のクラックが、厚さ方向に並ぶ場合には、厚みのある被加工対象物であっても、容易且つ確実に切断を行うことができる。
特に、従来の２点スポットレンズを使用したものとは異なり、光学系が、例えば、レーザ光を複数の光束に分岐させた後に、複数のスポットに集光させたり、レーザ光を集光させた後に複数のスポットに分岐させたりするので、大開口（大ＮＡ）を維持することができる。よって、スポット径を小さくでき、切れ味を増すことができる。従って、切断性の向上を図ることができる。
また、レーザ光を照射する毎に、複数のクラックを同時に生じさせることができるので、移動手段により複数のスポットを、スポットの分岐方向に速く移動させたとしても、各クラック間の加工間隔を最大加工間隔内に納めることができる。従って、レーザ光の繰り返し周波数及びクラック間の最大加工間隔を変えることなく、高速にレーザ加工を行うことができ、スループットの向上化を図ることができる。
本発明のレーザ加工装置においては、前記光学系が、前記レーザ光を複数の光束に分岐させると共に、前記被加工対象物の表面に直交する方向に沿って前記複数のスポットを並べて集光させる複屈折性の光軸方向分岐素子を有する集光光学系であることが望ましい。
本発明のレーザ加工装置においては、照射手段により照射されたレーザ光が、光軸方向分岐素子により偏光方向に応じて複数の光束に分岐されると共に、集光光学系により被加工対象物内で、表面に直交する方向、即ち、光軸方向に沿って、表面から裏面に達する部分に焦点位置が並ぶよう複数のスポットとして集光される。そして、複数のスポットのそれぞれの箇所で密度の高いエネルギーが集中し、複数のスポットのそれぞれにクラックが生じる。これにより、被加工対象物の厚さ（深さ）方向に並ぶように、複数のクラックを同時に生じさせることができる。
また、移動手段により、被加工対象物に対してこれら複数のスポットを水平方向に向けて移動させるので、厚さ方向に並んだ複数のクラックを、水平方向に向けて点線のように連続的に形成することができる。そして、クラック同士を連結させて被加工対象物を点線に沿って切断することができる。この際、厚さ方向に複数のクラックが生じているので、厚みのある被加工対象物であっても、容易且つ確実に切断することができる。
特に、従来の２点スポットレンズを利用したものとは異なり、集光光学系が、例えば、レーザ光を光軸方向分岐素子により複数の光束に分岐させた後に、対物レンズ等により複数のスポットに集光させたり、レーザ光を対物レンズ等により集光させた後に光軸分岐素子により複数の光束に分岐させるので、大開口（大ＮＡ）を維持することができる。よって、スポット径を小さくでき、切れ味を増すことができる。従って、切断性の向上を図ることができる。
本発明のレーザ加工装置においては、前記集光光学系が、隣接する前記複数のスポットの相対的な水平方向の位置をずらす複屈折性の水平方向分岐素子を有することが望ましい。
本発明のレーザ加工装置においては、水平方向分岐素子を有しているので、被加工対象物の厚さ方向に並んだ各スポットのうち、隣接するスポットの相対的な水平方向の位置をずらすことができる。つまり、各スポットを深さ（上下）方向と左右方向とに分けた状態で被加工対象物内に集光させることができる。
従って、各スポットをナイフのように鋭角な角度で連結させることができ、さらなる切れ味の向上化を図ることができる。
また、本発明のレーザ加工装置においては、前記被加工対象物の表面を観察する観察光学系を備え、前記移動手段が、前記被加工対象物に対して前記複数のスポットを前記表面に直交する方向に相対的に移動でき、この移動時に、前記観察光学系により観察されたデータに基づいて、前記被加工対象物の表面の合焦を自動調整することが望ましい。
本発明のレーザ加工装置においては、観察光学系で観察されたデータに基づいて、移動手段が複数のスポットを被加工対象物の表面に直交する方向に相対的に移動させて、被加工対象物の表面の合焦を自動調整する。つまり、オートフォーカスを行って、被加工対象物の表面を常に捉えることができる。これにより、被加工対象物の表面と集光光学系との距離を常に一定の距離に維持することが可能である。
よって、移動手段により、複数のスポットを水平方向に相対的に移動させる際、複数のスポットを表面から常に同一の位置に集光させながら移動を行わせることできる。従って、より高精度なレーザ加工を行うことができる。また、被加工対象物の表面を観察しながらレーザ加工を行うことも可能である。
また、本発明のレーザ加工装置においては、前記レーザ光が、パルスレーザであり、前記光学系が、前記レーザ光を複数の光束に分岐させるレーザ分岐素子と；前記複数の光束を、前記被加工対象物の表面又は内部に水平方向に並んだ複数のスポットとして集光させる集光光学系と；を備えることが望ましい。
本発明のレーザ加工装置においては、照射手段により出射されたパルスレーザ光が、レーザ分岐素子により複数の光束に分岐される。分岐された複数の光束は、集光光学系に入射した後、被加工対象物の表面又は内部に水平方向に並んだ複数のスポットとして集光される。これにより、複数のスポットのそれぞれの個所で密度の高いエネルギーが集中し、複数のスポットのそれぞれにクラックが生じる。
また、移動手段により、被加工対象物に対して複数のスポットを水平方向に向けて移動させるので、複数のクラックを点線のように連続的に形成することができ、クラック同士を連結させて被加工対象物を点線に沿って切断することができる。
特に、パルスレーザ光を１パルス照射する毎に、レーザ分岐素子及び集光光学系により複数のクラックを同時に生じさせることができるので、例えば、移動手段により複数のスポットを、スポットの分岐方向に速く移動させたとしても各クラック間の加工間隔を最大加工間隔内に収めることができる。従って、パルスレーザ光の繰り返し周波数及びクラック間の最大加工間隔を変えることなく、高速にレーザ加工を行うことができ、スループットの向上化を図ることができる。
また、本発明のレーザ加工装置においては、前記レーザ分岐素子が、前記レーザ光を平面上に拡がるように分岐させ、前記集光光学系が、前記複数のスポットを水平方向に向けて直線状に並ぶように集光させることが望ましい。
本発明のレーザ加工装置においては、照射手段により照射されたパルスレーザ光が、分岐素子により平面上に拡がるように分岐された後、集光光学系により被加工対象物の表面又は内部に、水平方向に直線状に並んだ複数のスポット、例えば、ｎ個のスポットとして集光される。
ここで、移動手段によりｎ個のスポットを、スポットの向きと同一方向に移動させた場合には、移動手段をｎ倍速く移動させたとしても各クラック間の加工間隔を最大加工間隔内に収めることができるので、加工時間を短縮することができ、スループットの向上化を図ることができる。
また、移動手段によりｎ個のスポットを、スポットの向きと略直交する方向に移動させた場合には、同時に複数のライン、即ち、ｎ本のラインでスポットを同時に形成することができるので、走査回数を短縮でき、スループットの向上化を図ることができる。
また、本発明のレーザ加工装置においては、前記レーザ分岐素子が、前記レーザ光を互いに直交する平面上に拡がるように分岐させ、前記集光光学系が、前記複数のスポットを水平面に対して２次元状に並ぶように集光させることが望ましい。
本発明のレーザ加工装置においては、照射手段により照射されたパルスレーザ光が、分岐素子により直交する平面上、即ち、直交する２平面に拡がるように分岐された後、集光光学系により被加工対象物の表面又は内部に、２次元、即ち、水平面に平行なＸＹ方向に並んだ複数のスポット、例えば、ｎ×ｍ個のスポットとして集光される。
従って、各クラック間の加工間隔を最大加工間隔内に収めながら、移動手段によりｎ倍（ｍ倍）速く移動させることができると共に、走査回数を１／ｍ（１／ｎ）回に短縮することもできるので、さらなるスループットの向上化を図ることができる。
また、本発明のレーザ加工装置においては、前記複数のスポットを、前記被加工対象物の表面に直交する軸回りに回転させる回転手段を備えることが望ましい。
本発明のレーザ加工装置においては、回転手段により複数のスポットを被加工対象物の表面（水平面）に直交する軸回りに回転できるので、複数のスポットの方向転換を容易且つ円滑に行うことができる。特に、移動手段と組み合わせることで、移動方向とスポットの並び方向との関係を相対付けられ、レーザ加工をより高速に行うことができ、スループットの向上化を図ることことができる。
また、本発明のレーザ加工装置においては、前記レーザ光が、前記レーザ分岐素子に平行光束状態で入射し、前記レーザ分岐素子が、前記レーザ光を角度の異なる複数の光束に分岐させて前記複数の光束とする角度分岐素子であることが望ましい。
本発明のレーザ加工装置においては、照射手段により出射されたパルスレーザ光が、平行光束状態で、回折格子等の角度分岐素子に入射する。そして、角度分岐素子により、角度の異なる複数の光束に分岐された後、集光光学系に入射する。このように、１つの光束を確実に複数の光束に分岐させ、被加工対象物の異なる点に集光させられるので、容易に複数のスポットを得ることができる。
本発明のレーザ加工装置においては、前記角度分岐素子が、回折格子であり、その分岐面が前記集光光学系の瞳位置又は瞳位置と光学的に共役な位置に配置されることが望ましい。
本発明のレーザ加工装置においては、回折格子を利用することで、より正確に光束を分岐させて複数の光束を集光光学系に入射させることができる。また、回折格子の分岐面が、集光光学系の瞳位置又は瞳位置と光学的に共役な位置に配されているので、各スポットへの集光光束のテレセントリック性を確保することが可能となり、レーザ加工時の均一性を確保することができる。
本発明のレーザ加工装置においては、前記角度分岐素子が、ノマルスキープリズムであり、ローカライズ面が前記集光光学系の瞳位置又は瞳位置と光学的に共役な位置に配置されることが望ましい。
本発明のレーザ加工装置においては、ノマルスキープリズムを利用することで、光束を偏光方向の違いにより複数の光束に分岐させることができる。また、ローカライズ面が、集光光学系の瞳位置又は瞳位置と光学的に共役な位置に配されているので、上述した回折構成の場合と同様にテレセントリック性を確保できる。また、この方法は、偏光の方向で光束を分岐しているので、２つの光束のパワー配分を均一にすることが容易である特徴を持つ。
本発明のレーザ加工装置においては、前記角度分岐素子が、ミラープリズムから構成されることが望ましい。
本発明のレーザ加工装置においては、ミラープリズムを利用することで、パルスレーザ光を確実に複数の光束に分岐させた後に、集光光学系に入射させることができる。
本発明のレーザ加工装置においては、前記レーザ光が、前記レーザ分岐素子に非平行光束状態で入射し、前記レーザ分岐素子が、前記レーザ光を光軸に対して平行移動するよう複数に分岐させて、前記複数の光束とする平行移動分岐素子であることが望ましい。
本発明のレーザ加工装置においては、照射手段により出射されたパルスレーザ光が、非平行光束状態で複屈折結晶等の平行移動分岐素子に入射する。そして、平行移動分岐素子により、偏光方向に応じて屈折された後、光軸に対して平行移動するように複数の光束に分岐されて集光光学系に入射する。このように、１つの光束を確実に複数の光束に分岐でき、容易に複数のスポットを得ることができる。
本発明のレーザ加工装置においては、前記平行移動分岐素子が、複屈折性を有する複屈折光学素子であることが望ましい。
本発明のレーザ加工装置においては、水晶や方解石等の複屈折光学素子を利用することで、容易且つ確実に複数の光束を得ることができる。
本発明のレーザ加工装置においては、前記平行移動分岐素子が、ミラープリズムから構成されることが望ましい。
本発明のレーザ加工装置においては、ミラープリズムを利用することで、確実に複数の光束に分岐させた後に、集光光学系に入射させることができる。
この発明によれば、光軸方向分岐素子により、被加工対象物の厚さ（深さ）方向に並ぶように複数のクラックを同時に生じさせることができるので、厚みのある被加工対象物であっても、容易且つ確実に切断することができる。
特に、従来の２点スポットレンズを利用したものとは異なり、大開口（大ＮＡ）を維持した状態でスポットを集光させることができる。従って、スポット径を小さくして切れ味を増すことができ、切断性の向上化を図ることができる。
また、パルスレーザ光を１パルス照射する毎に、レーザ分岐素子及び集光光学系により複数のクラックを同時に生じさせることができる。従って、パルスレーザ光の繰り返し周波数及びクラック間の最大加工間隔を変えることなく、高速にレーザ加工を行うことができ、スループットの向上化を図ることができる。
本発明のレーザ加工装置の第１実施形態の構成を示す図である。 パルスレーザ光を複数の光束に分岐させる対物レンズの構成を示す図であって、複屈折素材レンズの結晶軸が光軸と直交するように配されている図である。 パルスレーザ光を複数の光束に分岐させる対物レンズの構成を示す図であって、複屈折素材レンズの結晶軸が光軸と平行に配されている図である。 ウエハの内部に厚さ方向に向けて並ぶように２つのスポットを集光させた状態を示す図である。 集光光学系の構成を示す図であって、複屈折素材レンズの結晶軸が光軸と直交するように配されている図である。 集光光学系の構成を示す図であって、複屈折素材レンズの結晶軸が光軸と平行に配されている図である。 集光光学系の構成を示す図である。 図５Ａに示す断面矢視Ａ−Ａ図である。 図５Ａに示す断面矢視Ｂ−Ｂ図である。 図５Ａに示す集光光学系により、ウエハの内部に厚さ方向に向けて並ぶように４つのスポットを集光させた状態を示す図である。 集光光学系の構成を示す図である。 図７に示す断面矢視Ｃ−Ｃ図である。 図７に示す断面矢視Ｄ−Ｄ図である。 集光光学系の構成を示す図であって、複屈折板の結晶軸が光軸に対して４５度傾くように配されている図である。 集光光学系の構成を示す図であって、複屈折板の結晶軸が光軸に対して６０度傾くように配されている図である。 図９Ａに示す集光光学系により、ウエハの内部に厚さ方向に向けて並ぶように２つのスポットを集光させた状態を示す図である。 集光光学系の構成を示す図である。 図１１に示す断面矢視Ｅ−Ｅ図である。 図１１に示す断面矢視Ｆ−Ｆ図である。 集光光学系の構成を示す図であって、複屈折板の結晶軸が光軸に対して直交するように配されている図である。 集光光学系の構成を示す図であって、複屈折板の結晶軸が光軸に対して４５度傾くように配されている図である。 図１３Ａに示す断面矢視Ｇ−Ｇ図である。 図１３Ｂに示す断面矢視Ｈ−Ｈ図である。 図１３Ａ及び図１３Ｂに示す集光光学系により、ウエハの内部に４つのスポットを集光させた状態を示す図である。 集光光学系の構成を示す図である。 本発明のレーザ加工装置の第２実施形態の構成を示す図である。 レーザ加工装置の構成を示す図である。 本発明のレーザ加工装置の第３実施形態の構成を示す図である。 回折格子により、パルスレーザ光を複数の光束に分岐させると共に、集光レンズによりウエハの内部にスポットを集光させた状態を示す図である。 複数のスポットがウエハのＸ方向に並ぶように回折格子を配置した状態を示す図である。 図２１Ａに示す状態から、回転機構により回折格子をＺ軸回りに９０度回転させて、複数のスポットがＹ方向に並んだ状態を示す図である。 複数のスポットの分岐方向に向けて走査を行った状態を示す図である。 ウエハ表面をＸ方向に走査した軌跡を示すウエハの上面図である。 複数のスポットの分岐方向と直交する方向に走査を行った状態を示す図である。 本発明のレーザ加工装置の第４実施形態を示す図であって、回折格子の分岐面を、リレーレンズを介して集光レンズの瞳位置と共役な位置に配置した状態を示す図である。 本発明のレーザ加工装置の第５実施形態を示す図であって、ノマルスキープリズムにより、パルスレーザ光を複数の光束に分岐した状態を示す図である。 ノマルスキープリズムの具体的な設計図である。 本発明のレーザ加工装置の第６実施形態を示す図であって、ミラープリズムにより、パルスレーザ光を複数の光束に分岐した状態を示す図である。 本発明のレーザ加工装置の第７実施形態を示す図であって、偏光ビームスプリッタにより、パルスレーザ光を複数の光束に分岐した状態を示す図である。 本発明のレーザ加工装置の第８実施形態を示す図であって、複屈折性結晶により、パルスレーザ光を複数の光束に分岐した状態を示す図である。 複屈折性結晶を、集光位置からずれるように配した状態を示す図である。 複屈折性結晶を、カスケード接続した状態を示す図である。 複数のスポットを近接させた状態で１箇所に集光させた状態を示す図である。 従来のレーザ加工を示す図であって、２点スポットレンズにより半導体基板内部に、厚さ方向に並ぶように２つのスポットを集光させた状態を示す図である。 従来のレーザ加工装置の構成を示す図である。 ウエハ表面をＸ方向に走査した軌跡を示す図である。 ウエハにレーザ加工を行っている状態を示す図である。
符号の説明
Ｐ；レーザ光（パルスレーザ光）、Ｐ’；複数の光束、Ｓ；スポット、１,４０,１０１；レーザ加工装置、２,１０２；ウエハ（被加工対象物）、３ａ；載置面、３,１０３；ステージ、４,１０４；照射手段、５；複屈折素材レンズ（光軸方向分岐素子）、６；対物レンズ（光学系,集光光学系）、７,１０７；移動手段、８；観察光学系、２３,２６,６０,６１,６４；複屈折板（光軸方向分岐素子）、２５；凹レンズ（光軸方向分岐素子）、２７,６３；複屈折板（水平方向分岐素子）、４１；第１のレーザ発振装置（照射手段）、４２；第２のレーザ発振装置（照射手段）、４６；集光光学系、４７；チューナブルレーザ発振装置（照射手段）、１０５；回折格子（レーザ分岐素子,角度分岐素子）、１０６；集光レンズ（集光光学系）、１２５；ノマルスキープリズム（レーザ分岐素子,角度分岐素子）、１２５ａ；ローカライズ面、１２７；ミラープリズム、１３０；偏光ビームスプリッタ（レーザ分岐素子,角度分岐素子）、１４０；複屈折性結晶（レーザ分岐素子,平行移動分岐素子,複屈折光学素子）
以下、図面を参照しつつ、本発明の好適な実施の形態について説明する。
本発明のレーザ加工装置の第１実施形態について、図１から図３を参照して説明する。本実施形態のレーザ加工装置１は、例えば、厚さが０．１ｍｍで円状に形成されたウエハ（被加工対象物）２を、レーザ加工によりチップ状に細かく切断する装置として説明する。
このレーザ加工装置１は、図１に示すように、ウエハ２を水平面に対して平行に配された載置面３ａに載置するステージ３と、ウエハ２の表面２ａに向けてパルスレーザ光（レーザ光）Ｐを出射する照射手段４と、パルスレーザ光Ｐを複数の光束Ｐ’に分岐させると共に複数の光束Ｐ’をウエハ２内で、ウエハ２の表面２ａから裏面２ｂに達する部分に焦点位置が並ぶ複数のスポットＳとして集光させる複屈折性の複屈折素材レンズ（光軸方向分岐素子）５を有する対物レンズ（光学系、集光光学系）６と、ウエハ２に対して複数のスポットＳを水平方向（ＸＹ方向）及び鉛直方向（Ｚ方向）に相対的に移動可能な移動手段７と、ウエハ２の表面２ａを光学的に観察する観察光学系８とを備えている。
ステージ３は、水平面に平行なＸＹ方向及びＸＹ方向に垂直なＺ軸方向に移動可能に構成されている。つまり、ステージ３を移動させることで、上述したように、ウエハ２に対して複数のスポットＳを水平方向に向けて相対的に移動させることができる。このステージ３は、ステージコントローラ１０によってＸＹＺ方向への移動が制御されている。即ち、ステージ３及びステージコントローラ１０は、上記移動手段７として機能する。
ウエハ２の上方には、パルスレーザ光Ｐをウエハ２の表面２ａ対して垂直に照射するＮｄ：ＹＡＧレーザ等のレーザ発振装置１１が配されている。このレーザ発振装置１１は、例えば、パルス幅が１μｓ以下の短く強いパルスレーザ光Ｐを、２０ｋｐｐｓの繰り返し周波数で出射する機能を有している。また、レーザ発振装置１１は、パルスレーザ光Ｐを平行光束状態で出射でき、レーザ発振制御部１２により、パルスレーザ光Ｐの出射タイミング等が制御されている。即ち、これらレーザ発振装置１１及びレーザ発振制御部１２は、上記照射手段４として機能する。
レーザ発振制御部１２及び上記ステージコントローラ１０は、システム制御部１３によって総合的に制御されている。
対物レンズ６は、レーザ発振装置１１とウエハ２との間に配されており、図２（Ａ）に示すように、複数枚のレンズ６ａにより構成されている。これら複数枚のレンズ６ａの１枚が、上記複屈折素材レンズ５とされている。なお、複屈折素材レンズ５は、１枚に限られるものではない。
この複屈折素材レンズ５は、光軸に対して直交する方向（紙面に対して上下方向）に結晶軸が配されている。これにより、対物レンズ６は、パルスレーザ光Ｐを偏光方向による屈折率の違いを利用して２つ（複数）の光束Ｐ’に分岐させると共に、これら２つの光束Ｐ’をウエハ２の表面２ａに直行する方向、即ち、ウエハ２の厚さ方向（深さ方向）に沿って上下に分かれた２つのスポットＳとして集光する機能を有している。
観察光学系８は、図１に示すように、直線偏光の半導体レーザ光Ｌを照射する光源１５と、光源１５から照射された半導体レーザ光Ｌを平行光にする第１のレンズ１６と、第１のレンズ１６に隣接配置された偏光ビームスプリッタ１７と、偏光ビームスプリッタ１７を透過した半導体レーザ光Ｌの偏光の方位を、光路の往復で９０度回転させる１／４波長板１８と、１／４波長板１８を透過した半導体レーザ光Ｌを、光軸の向きを９０度変えるように反射させて対物レンズ６に入射させるダイクロイックミラー１９と、対物レンズ６からの戻り光のうち偏光ビームスプリッタ１７で反射された光をフォトダイオード２０に集光させる第２のレンズ２１とを有している。
なお、ダイクロイックミラー１９は、半導体レーザ光Ｌを反射すると共に、それ以外の波長の光、例えば、レーザ発振装置１１で照射されたパルスレーザ光Ｐを透過させる。
偏光ビームスプリッタ１７は、直線偏光のうち、例えば、入射面に平行な振動成分であるＰ成分の直線偏光の光を透過させると共に、入射面に垂直な振動成分であるＳ成分の光を反射させる機能を有している。
システム制御部１３は、フォトダイオード２０により受光された撮像データに基づいて、ステージコントローラ１０をフィードバック制御して、ステージ３をＺ軸方向に移動させる。即ち、オートフォーカスする。これにより、半導体レーザ光Ｌは、常にウエハ２の表面２ａに焦点が合うように調整される。
このように構成されたレーザ加工装置１により、ウエハ２をチップ状に切断する場合について以下に説明する。
まず、ステージコントローラ１０によりステージ３をＸＹ方向に方向に移動させて、ウエハ２を切断開始位置まで移動させる。切断開始位置に移動させた後、レーザ発振制御部１２によりレーザ発振装置１１を作動させて、パルスレーザ光Ｐを平行光束状態で出射させる。出射されたパルスレーザ光Ｐは、ダイクロイックミラー１９を透過した後、対物レンズ６に入射する。
対物レンズ６に入射したパルスレーザ光Ｐは、図２（Ａ）に示すように、複屈折素材レンズ５により、偏光方向に応じて屈折して２つの光束Ｐ’に分岐する（結晶軸と同一の方向に向いた偏光成分の光束と、それに直交した偏光成分の光束とに分岐）と共に、ウエハ２の表面２ａに直交する方向（光軸方向）に沿ってウエハ２の表面２ａから裏面２ｂに達する部分に焦点位置が並ぶ２つのスポットＳとして集光される。例えば、図３に示すように、ウエハ２の内部に、光軸方向に沿って、例えば、２μｍ〜５００μｍの距離を空けた２つのスポットＳとして集光される。
なお、スポット間隔は、２μｍ〜５００μｍに限られるものではない。好ましくは、２μｍ〜５０μｍの間隔にすることが好ましい。
そして、各スポットＳのそれぞれに、密度の高いエネルギーが集中してクラックが生じる。このように、パルスレーザ光Ｐを１パルス照射する毎に、ウエハ２内部に光軸（厚さ方向）に沿って上下に並んだ２つのクラックを同時に生じさせることができる。この２つのクラックにより、ウエハ２の深さ方向（厚さ方向）への応力集中が発生する。
また、上述したパルスレーザ光Ｐの照射と同時に、システム制御部１３は、ステージコントローラ１０に信号を送りステージ３を介してウエハ２を、Ｘ方向に移動させる。これにより、上下２つのスポットＳをＸ方向に向けて点線のように連続的に生じさせることができる。
上述したＸ方向への走査を順次繰り返し、ウエハ２の全面積に亘ってＸ方向へのクラックを生じさせる。即ち、Ｘ方向へ向かう点線が複数本形成された状態となる。なお、各クラック間の間隔は、例えば、１０μｍであり、隣接するクラック同士を連結するために必要な最大加工間隔が維持されるよう設定されている。
Ｘ方向へのレーザ加工が終了した後に、ステージコントローラ１０によりステージ３を介してウエハ２をＹ方向に移動させて、上述したと同様にＹ方向への走査を順次繰り返し、ウエハ２の全面積に亘ってＹ方向へのレーザ加工を行う。
上述したＸＹ方向への走査が終了すると、ウエハ２内部には最大加工間隔が維持された状態で、クラックがＸＹ方向に向けて網の目の如く連続的に生じた状態となっている。これにより、各クラックは、点線に沿って格子状に連結する。従って、ウエハ２をチップ状に切断することができる。また、ウエハ２の深さ方向に２つのクラックを同時に生じさせて、深さ方向に向けて応力を集中させるので、厚いウエハ２でも容易且つ確実に切断することができる。
特に、従来の２点スポットレンズを利用したものとは異なり、対物レンズ６の全体でスポットＳを集光させることができるので、ＮＡを大きく取ることができる。従って、スポット径を小さくでき、光束Ｐ’をより小さな一点に集光させて、切れ味を増すことができる。よって、ウエハ２をより円滑に切断することができ、切断性の向上を図ることができる。また、対物レンズ６の全体を使用して各スポットＳを集光させるので、各スポットＳの強度を同一にでき、加工のむらを極力無くすことができる。
更に、上述したレーザ加工の際、光源１５は、直線偏光の半導体レーザ光Ｌの照射を行う。照射された半導体レーザ光Ｌは、第１のレンズ１６により平行光となった後、偏光ビームスプリッタ１７に入射する。そして、入射面に平行な振動成分であるＰ成分の直線偏光の光となって１／４波長板１８に入射する。入射した光は、１／４波長板１８を透過することで円偏光となった後、ダイクロイックミラー１９で反射されて対物レンズ６に入射する。対物レンズ６に入射した光は、ウエハ２の表面２ａに照明される。
ウエハ２の表面２ａで反射した光は、対物レンズ６で集光された後、ダイクロイックミラー１９で反射されて１／４波長板１８に入射し、入射面に垂直な振動成分であるＳ成分の偏光となる。この光は、偏光ビームスプリッタ１７により反射された後、第２のレンズ２１によりフォトダイオード２０上に結像される。この結像されたデータは、システム制御部１３に送られる。システム制御部１３は、送られてきたデータに基づいて半導体レーザ光Ｌの焦点がウエハ２の表面２ａに合うように、ステージコントローラ１０を制御してステージ３をＺ方向に移動させる。即ち、自動的にオートフォーカスを行って、ウエハ２の表面２ａを常に撮像する。
これにより、対物レンズ６とウエハ２の表面２ａとの距離を、常に一定の距離に維持しながら走査を行うことができる。従って、複数のスポットＳを表面２ａから同じ位置に集光させながら走査を行えるので、より高精度なレーザ加工を行うことができる。また、ウエハ２の表面２ａを確認しながらレーザ加工を行うことも可能である。
上述したように、本実施形態のレーザ加工装置１によれば、複屈折素材レンズ５により、ウエハ２の厚さ（深さ）方向に並ぶように複数のクラックを同時に生じさせることができる。従って、厚みのあるウエハ２であっても、容易且つ確実に切断することができる。
特に、ＮＡを大きく取ることができるので、光束Ｐ’をより小さな一点に集光可能である。従って、スポット径を小さくして切れ味を増し、ウエハ２をより円滑に切断することができる。
なお、上記第１実施形態では、複屈折素材レンズ５の結晶軸を光軸に対して直交する方向に配した構成にしたが、これに限られるものではなく、より好ましくは、図２（Ｂ）に示すように、光軸に対して平行になるように結晶軸を設けると良い。
なお、上記第１実施形態では、集光光学系として、複数枚のレンズ６ａのうちの１枚を複屈折素材レンズ５とする対物レンズ６を採用したが、これに限られるものではない。例えば、図４（Ａ）に示すように、対物レンズ６の先端に複屈折性の複屈折板（光軸方向分岐素子）２３を挿入した集光光学系を採用しても構わない。複屈折板２３としては、例えば、光軸に対して直交する方向（紙面に対して上下方向）に結晶軸を有しているものを用いれば良い。この場合には、複屈折板２３に、光を非平行光束状態で入射させれば良い。また、複屈折板の素材としては、例えば、α−ＢＢＯ、水晶、方解石、ＬｉＮＢＯ３やＹＶＯ４等を用いることができる。
また、図４（Ｂ）に示すように、複屈折板２３の結晶軸を、光軸に対して平行になるように構成しても構わない。
対物レンズ６の射出光束は、光軸に対してある角度（ＮＡ０．２〜０．８等の角度を有する）を有するため、光学軸を含む面成分と、それに直交する偏光成分とに分離する。両偏光成分では、光軸が横ずれして進み、２焦点を結ぶ。但し、直線偏光を入射させると、瞳面上での両偏光成分の分離比率が瞳位置で異なるため、変形した円形状となる。このため、より２点の光量比を均等化させるには、円偏光として入射すると良い。また、この場合も複屈折板２３の光軸方向と同方向の光学軸を有する複屈折材料を組み合わせ、その間に偏光解消板を入れることで、さらに多点への分離が可能である。
また、対物レンズ６の先端に複屈折板２３を挿入した構成を、図４に示したが、これに限られず、対物レンズ６の手前に複屈折板を挿入した集光光学系を構成しても構わない。例えば、対物レンズ６に入射させるパルスレーザ光Ｐの集光光学系の一部を複屈折板とし、実質的な光源位置が偏光方向によって異なるように構成しても良い。こうすることで、ウエハ２内部に、厚さ方向に沿って分かれた複数のスポットを集光させることができる。この場合も上述した場合と同様に、パルスレーザ光Ｐを非平行光束状態で入射させれば良い。
また、上記第１実施形態では、パルスレーザ光Ｐを２つの光束Ｐ’に分岐させると共に、光軸方向に向けて上下に分かれた２つのスポットとして集光するよう構成したが、スポットＳは２つに限られるものではない。
例えば、対物レンズ６と、図５に示す対物レンズ６の午前側に配された複屈折性の凹レンズ（光軸方向分岐素子）２５と、複屈折板（光軸方向分岐素子）２６とを組み合わせて集光光学系を構成しても構わない。こうすることで、スポットＳを４つにすることが可能である。
この際、凹レンズ２５の結晶軸及び複屈折板２６の結晶軸は、共に光軸に対して直交する方向（紙面に対して左右方向）に配されていると共に、光軸方向から見たときに４５度の相対角度を有するように配されている。この場合には、パルスレーザ光Ｐを複屈折板２６で非平行光束状態となるよう入射させれば良い。例えば、平行光束状態で凹レンズ２５に入射させれば良い。
このように集光光学系を構成した場合には、まず、凹レンズ２５にパルスレーザ光Ｐが入射すると、偏光方向によって焦点位置が２つに分かれるように分岐（結晶軸と同一の方向に向いた偏光成分の光束と、それに直交した偏光成分の光束とに分岐）する。そして、複屈折板２６に入射した２つの光束は、光軸方向から見た複屈折板２６の結晶軸が凹レンズ２５に対して４５度回転しているので、偏光成分に応じて、それぞれさらに焦点位置が２つに分かれるように分岐する。つまり、図６に示すように、ウエハ２の光軸方向に４つに並んだスポットＳとして集光させることができる。
従って、特に厚みのあるウエハ２に好適に使用することができ、厚みのあるウエハ２を容易且つ確実に切断することができる。
また、上述した集光光学系は、１つの複屈折板と凹レンズとを組み合わせた構成にしたが、例えば、図７に示すように、光軸方向の分離距離の異なる（厚さが異なる平面板）２枚の複屈折板（光軸方向分岐素子）６０、６１と対物レンズ６とで集光光学系を構成しても構わない。２枚の複屈折板６０、６１の結晶軸は、図８に示すように、光軸方向から見たときに、４５度の相対角度を有するように配されている。
この場合には、対物レンズ６の手前側に１／４波長板６２を入れて、パルスレーザ光Ｐを対物レンズ６に直線偏光又は円偏光状態で入射するように構成する。
このように集光光学系を構成した場合には、１／４波長板６２及び対物レンズ６を通過したパルスレーザ光Ｐが、最初の複屈折板６０に４５度の方位の直線偏光、又は、円偏光で入射する。入射したパスルレーザ光Ｐは、複屈折板６０により、直交する偏光成分に等光量で２つの光束Ｐ’に分離され、その後、２枚目の（次の）複屈折板６１に入射する。そして、２枚目の複屈折板６１に入射した２つの光束Ｐ’は、さらにそれぞれが互いに直交する偏光成分で２つの光束に分離される。
その結果、２枚目の複屈折板６１から４つの光束Ｐ’が出射される。これにより、ウエハ２の光軸方向に４つのスポットＳを隣接させた状態で集光させることができる。
また、入射させるパルスレーザ光Ｐの偏光状態により直交する成分比を変えることで、４つのスポットＳの強度比を変更することができる。また、２枚の複屈折板６０、６１の、互いの結晶軸のなす角度を変えることで、４つのスポットＳの強度比を変更することもできる。
上述したように、２枚の複屈折板６０、６１を用いて、パルスレーザ光Ｐを４つのスポットＳに分離させたが、複屈折板を３枚使用すれば８つのスポットＳに分離でき、複屈折板を４枚使用すれば１６のスポットＳに分離することができる。このように、必要に応じて複屈折板の数を増加させて構わない。
また、上記第１実施形態では、ウエハ２の表面に直交する方向であって、且つ、同一の光軸上に位置するように２つのスポットＳを上下に集光させたが、同一の光軸上に集光させなくても構わない。
例えば、集光光学系を、対物レンズ６と、隣接する複数のスポットＳの相対的な水平方向の位置をずらす、図９（Ａ）に示す複屈折性の複屈折板（水平方向分岐素子）２７と、複屈折板２７に隣接配置された凹レンズ２８とで構成しても構わない。複屈折板２７は、光軸に対して４５度の傾きを持った結晶軸を有しており、凹レンズ２８は、光軸に対して直交（紙面に対して左右方向）する方向に結晶軸を有している。
このように集光光学系を構成した場合には、まず、凹レンズ２８にパルスレーザ光Ｐが入射すると、偏光方向によって焦点位置が上下に２つ分かれるように分岐する。そして、次の複屈折板２７に光が入射することで、上下方向に２つに分かれた焦点位置を水平方向にずらす（横ずらし）ことができる。
従って、図１０に示すように、ウエハ２内部に上下方向及び左右方向に分かれた状態で２つのスポットＳを集光させることができる。特に、２つのスポットＳを、ウエハ２の走査方向に水平方向横ずらしを生じさせることで、ウエハ２内に走査方向（切断方向）への応力をあわせて生じさせることができるため、さらなる切断性の向上を図ることができる。
また、複屈折板２７の結晶軸を、光軸に対して４５度の傾きを持つように構成したが、この場合に限られず、図９（Ｂ）に示すように、結晶軸を光軸に対して６０度傾けた複屈折板２７ａとしても構わない。この場合には、複屈折板２７ａの１枚で、横ずれと、深さ方向のずれと、を同時に生じさせることができる。
また、上述した集光光学系では、１つの複屈折板２７と凹レンズ２８とを組み合わせた構成にしたが、例えば、図１１に示すように、厚さが異なる２枚の平面板である複屈折板（水平方向分岐素子）６３及び複屈折板（光軸方向分岐素子）６４を利用して集光光学系を構成しても構わない。２枚の複屈折板６３、６４の結晶軸は、図１２に示すように、光軸に対して直交（紙面に対して左右方向）である。
このように集光光学系を構成した場合には、パルスレーザ光Ｐは、最初の複屈折板６３により、水平方向に分離されて２つの光束Ｐ’となる。即ち、焦点位置が左右に２つ分かれる。そして、２枚目の複屈折板６４により、２つの光束Ｐ’は、それぞれ垂直方向にずれる。即ち、左右方向に２つに分かれた焦点位置を、垂直方向にずらす（縦ずらし）ことができる。
従って、図１０と同様に、ウエハ２内部に、上下方向及び左右方向に分かれた状態で２つのスポットＳを集光することができる。
特に、斜めに改質層を設けることができるので、高さ方向の歪に加え、切断方向への歪も加えることができるので、走査方向の走査時間の短縮もでき、切れ味も改善することができる。
更に、図１３及び図１４に示すように、光軸に対して直交（紙面に対して左右方向）する結晶軸を有する複屈折板６５と、光軸に対して４５度の傾いた結晶軸を有する複屈折板６６とを、４５度方位に配置して集光光学系を構成しても構わない。この場合には、図１５に示すように、ウエハ２の内部に垂直方向及び水平方向にそれぞれずれた４つのスポットＳを集光することができる。
また、集光光学系を、図１６に示すように構成しても構わない。即ち、集光光学系は、レーザ発振装置１１から照射されたパルスレーザ光Ｐの光束をほぼ平行にする正の屈折力を有する第１のレンズ群３０と、第１のレンズ群３０からの光束を反射光と透過光とに分離する偏光ビームスプリッタ３１と、偏光ビームスプリッタ３１により分離された反射光と透過光とをそれぞれ反射集光する第１の凹面鏡３２及び第２の凹面鏡３３と、偏光ビームスプリッタ３１と第１の凹面鏡３２との間に配された第１の１／４波長板３４と、偏光ビームスプリッタ３１と第２の凹面鏡３３との間に配された第２の１／４波長板３５と、第１の１／４波長板３４及び第２の１／４波長板３５を透過し偏光ビームスプリッタ３１を経由した光束を第３の１／４波長板３６を介してウエハ２の内部に集光する正の屈折力を有する第２のレンズ群３７、とを備えている。
また、第１のレンズ群３０、第２のレンズ群３７及び第１の凹面鏡３２により構成される第１の光学系３８と、第１のレンズ群３０、第２のレンズ群３７及び第２の凹面鏡３３により構成される第２の光学系３９との間で結像特性に差をつけるように構成されている。即ち、第１の凹面鏡３２により反射された光束と、第２の凹面鏡３３により反射された光束とは、収束状態が異なる。
このように構成された集光光学系によりウエハ２内部に光軸方向に沿って２つのスポットＳを集光させる場合について説明する。
まず、レーザ発振装置１１から照射されたパルスレーザ光Ｐは、第１のレンズ群３０により平行光となって偏光ビームスプリッタ３１に入射する。この際、レーザ発振装置１１は、無偏光のパルスレーザ光Ｐを照射する。
偏光ビームスプリッタ３１に入射したパルスレーザ光Ｐは、直線偏光のうちＰ偏光の光束Ｐ’が９０度向きを変えて第１の１／４波長板３４に入射して、円偏光となった後に第１の凹面鏡３２に入射する。そして、第１の凹面鏡３２により収束しながら反射される。反射された光束Ｐ’は、再度第１の１／４波長板３４に入射してＳ偏光の光束となる。よって、この光束Ｐ’は、偏光ビームスプリッタ３１を透過する。そして、透過した後、第３の１／４波長板３６により円偏光とされて第２のレンズ群３７に入射する。
一方、偏光ビームスプリッタ３１に入射したパルスレーザ光Ｐのうち、Ｓ偏光の光束Ｐ’は偏光ビームスプリッタ３１を透過した後、第２の１／４波長板３５に入射して円偏光となり第２の凹面鏡３３に入射する。そして、第２の凹面鏡３３により収束しながら反射される。反射された光束Ｐ’は、再度第２の１／４波長板３５に入射してＰ偏光の光束Ｐ’となる。よって、この光束Ｐ’は、偏光ビームスプリッタ３１により、光軸の向きが９０度変わるように反射される。反射された後、第３の１／４波長板３６により円偏光とされて第２のレンズ群３７に入射する。
このように、パルスレーザ光Ｐを２つの光束Ｐ’に分岐させて第２のレンズ群３７にそれぞれ入射させることができる。そして、第２のレンズ群３７により、それぞれの光束Ｐ’をウエハ２の内部に２つのスポットＳとして集光させることができる。
また、この集光光学系において、レーザ発振装置１１によりＰ偏光又はＳ偏光のパルスレーザ光Ｐを偏光ビームスプリッタ３１に照射した場合には、通常光を第２のレンズ群３７に入射させることができるので、状況に応じた光束の使い分けを行うことも可能である。
更に、上記集光光学系において、第１の凹面鏡３２及び第２の凹面鏡３３を互いに僅かに偏芯させることで、上下方向のずれに加えて左右方向にずれたスポットＳをウエハ２の内部に集光させることも可能である。
特に、この集光光学系を利用することで、ＩＣやＬＳＩ等の半導体デバイス、ＣＣＤ等の撮像デバイス、液晶パネル等の表示デバイス、磁気ヘッド等のデバイスをより正確に切断することができる。
次に、本発明のレーザ加工装置の第２実施形態を、図１７を参照して説明する。なお、この第２実施形態においては、第１実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。
第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、パルスレーザ光Ｐの偏光の違いを利用して、パルスレーザ光Ｐを２つの光束Ｐ’に分岐すると共に２つのスポットＳとして集光させたが、第２実施形態のレーザ加工装置４０は、波長の違いを利用してパルスレーザ光Ｐを２つのスポットＳとして集光させる点である。
即ち、本実施形態のレーザ加工装置４０は、波長の異なるパルスレーザ光Ｐを照射する第１のレーザ発振装置（照射手段）４１及び第２のレーザ発振装置(照射手段)４２と、両レーザ発振装置４１、４２から照射されたパルスレーザ光Ｐを同一の光軸上に結合させるハーフミラー４３と、両パルスレーザ光Ｐを波長に応じて焦点位置を変化させる色収差発生レンズ４４と、パルスレーザ光Ｐをウエハ２の内部で、表面に直交する光軸方向に２つの焦点位置が並ぶ２つのスポットＳとして集光させる対物レンズ４５とを備えている。
なお、色収差発生レンズ４４及び対物レンズ４５は、集光光学系４６を構成している。
このように構成されたレーザ加工装置４０では、第１のレーザ発振装置４１により照射されたパルスレーザ光Ｐは、ハーフミラー４３を透過して色収差発生レンズ４４に入射する。また、第２のレーザ発振装置４２により照射されたパルスレーザ光Ｐは、ハーフミラー４３で反射されて色収差発生レンズ４４に入射する。そして、色収差発生レンズ４４に入射したそれぞれのパルスレーザ光Ｐは、波長に応じて焦点位置が異なるように出射すると共に、対物レンズ４５によりウエハ２内部に、深さ方向（厚さ方向）に分かれた２つのスポットＳとして集光される。
このように、パルスレーザ光Ｐの波長の違いを利用して２つのスポットＳを容易に生じさせることができる。
なお、本実施形態においては、２つのスポットＳとしたが、波長の異なる複数のパルスレーザ光Ｐを照射させることで、所望する数の複数のスポットＳを生じさせることができる。
なお、第２実施形態では、第１のレーザ発振装置４１及び第２のレーザ発振装置４２により、波長の異なるパルスレーザ光Ｐをそれぞれ照射するように構成したが、例えば、図１８に示すように、波長を任意に選択できると共に選択した波長の光を同時に複数照射することができるチューナブルレーザ発振装置（照射手段）４７を利用しても構わない。こうすることで、より構成をシンプルにすることができる。
なお、上記各実施形態において、スポットＳをウエハ２の内部に厚さ方向に向けて複数集光させたが、内部だけではなく、表面及び裏面に集光させても構わない。また、ステージ３をＸＹ方向に移動させることで、ウエハ２に対して複数のスポットＳを相対的に移動させたが、照射手段４等をＸＹ方向に移動させるように構成することで、ウエハ２に対して複数のスポットＳを相対的に移動させても構わない。
次に、本発明のレーザ加工装置の第３実施形態について、図１９から図２４を参照して説明する。なお、本実施形態のレーザ加工装置１０１は、円状に形成されたウエハ（被加工対象物）１０２を、レーザ加工によりチップ状に細かく切断する装置として説明する。
このレーザ加工装置１０１は、図１９に示すように、ウエハ１０２を水平面に対して平行に配された載置面１０３ａに載置するステージ１０３と、ウエハ１０２の表面１０２ａ又は内部に向けてパルスレーザ光Ｐを出射する照射手段１０４と、パルスレーザ光Ｐを複数の光束Ｐ’に分岐させる回折格子（レーザ分岐素子、角度分岐素子）１０５と、複数の光束Ｐ’をウエハ１０２の内部に複数のスポットＳとして集光させる集光レンズ（集光光学系）１０６と、ウエハ１０２に対して複数のスポットＳを、水平方向に向けて相対的に移動させる移動手段１０７とを備えている。
なお、回折格子１０５と集光レンズ１０６とで、パルスレーザ光Ｐを複数の高速Ｐ’に分岐させると共に、ウエハ１０２の表面１０２ａ又は内部に複数のスポットＳとして集光させる光学系を構成する。
ステージ１０３は、水平面に平行なＸＹ方向に移動可能に構成されている。このステージ１０３の移動により、上述したように、ウエハ１０２に対して複数のスポットＳを水平方向に向けて相対的に移動させることが可能である。また、ステージ１０３は、ステージコントローラ１１０によってＸＹ方向への移動が制御されている。即ち、これらステージ１０３及びステージコントローラ１１０は、上記移動手段１０７として機能する。
ウエハ１０２の上方には、パルスレーザ光Ｐをウエハ１０２の表面１０２ａ対して垂直に照射するレーザ発振装置１１１が配されている。このレーザ発振装置１１１は、例えば、パルス幅が１μｓ以下の短く強いパルスレーザ光Ｐを、ある限られた繰り返し周波数で出射する機能を有している。また、レーザ発振装置１１１は、パルスレーザ光Ｐを平行光束状態で出射するように構成されている。このレーザ発振装置１１１は、レーザ発振制御部１１２により、パルスレーザ光Ｐの出射タイミング等が制御されている。即ち、これらレーザ発振装置１１１及びレーザ発振制御部１１２は、上記照射手段１０４として機能する。
また、レーザ発振制御部１１２及びステージコントローラ１１０は、システム制御部１１３によって総合的に制御されている。
回折格子１０５は、図２０に示すように、レーザ発振装置１１１から出射されたパルスレーザ光Ｐを角度の異なる複数の光束Ｐ’に分岐させる透過型の回折格子であり、分岐面１０５ａが上記集光レンズ１０６の瞳位置にほぼ一致するようにウエハ１０２とレーザ発振装置１１１との間に配されている。また、この回折格子１０５は、ＣＧＨ（Computer Generated Hologram）のように、回折次数に応じた回折効率をコントロールして、各光束Ｐ’の分岐光量比を略同一にすることが可能とされている。更に、回折格子１０５は、パルスレーザ光Ｐを複数の光束Ｐ’に分岐させる際に、平面上（線状）に拡がるよう（紙面に対して左右方向）に分岐させている。
また、回折格子１０５は、図２１に示すように、回転機構（回転手段）１１４によりウエハ１０２の表面に直交するＺ軸回りに回転可能とされている。
集光レンズ１０６は、回折格子１０５とウエハ１０２との間に配され、回折格子１０５により平面上に拡がるように分岐された複数の光束Ｐ’を、図２０及び図２２に示すように、水平方向に向けて直線状に複数のスポットＳが並ぶように集光させる機能を有している。なお、本実施形態では、スポットＳ数を５つとして説明する。
このように構成されたレーザ加工装置１０１により、ウエハ１０２をチップ状に切断する場合について、以下に説明する。なお、初期状態として、図２１（Ａ）に示すように、ウエハ１０２のＸ方向に向けてスポットＳが並ぶように回折格子１０５の向きが回転機構１１４により設定されている。
まず、ステージコントローラ１１０によりステージ１０３をＸＹ方向に移動させて、図２３に示すように、ウエハ１０２を切断開始位置まで移動させる。切断開始位置に移動させた後、レーザ発振制御部１１２によりレーザ発振装置１１１を作動させて、パルスレーザ光Ｐを平行光束状態で出射させる。出射されたパルスレーザ光Ｐは、図２０に示すように、回折格子１０５に入射して、複数の光束Ｐ’、即ち５つの光束Ｐ’（−２次光、−１次光、０次光、１次光及び２次光）に分岐される。この際、各光束Ｐ’の分岐光量比は、上述したように略同一となっている。
これら各光束Ｐ’は、集光レンズ１０６に入射してウエハ１０２の内部に複数のスポットＳとして集光される。つまり、図２２に示すように、ウエハ１０２のＸ方向に向けて直線状に５つのスポットＳが並んだ状態で集光される。そして、各スポットＳのそれぞれに、密度の高いエネルギーが集中してクラックが生じる。このように、パルスレーザ光Ｐを１パルス照射する毎に、ウエハ１０２内部に直線状に並んだ５つのクラックを同時に生じさせることができる。特に、回折格子１０５の分岐面１０５ａは、集光レンズ１０６の瞳位置に配されているので、各スポットＳに集光する光束Ｐ’のテレセントリック性を確保することが可能であり、加工の均一性を得ることができる。
また、上述したパルスレーザ光Ｐの照射と同時に、システム制御部１１３は、ステージコントローラ１１０に信号を送りステージ１０３を介してウエハ１０２を、図２１に示すようにＸ方向に移動させる。即ち、スポットＳの分岐方向に向けてステージ１０３を移動させる。これにより、移動方向（走査方向）に向けて５つのクラックを次々と同時に生じさせることができる。従って、ステージ１０３を従来の移動速度より、例えば、５倍速い速度で移動させたとしても、各クラック間の最大加工間隔を維持した状態で、クラックを移動方向に点線のように連続的に生じさせることができる。なお、この点線状に並んだクラックは、後にウエハ１０２を切断する際の案内線となる。
そして、図２３に示すように、Ｘ方向への走査を順次繰り返し、ウエハ１０２の全面積に亘ってＸ方向へのクラックを生じさせる。即ち、Ｘ方向へ向かう点線が、複数本形成された状態となる。ここで、上述したように、各クラック間の最大加工間隔を維持した状態で、ステージ２を従来より５倍速い速度で移動させることができるので、レーザ加工にかける時間を短縮することができる。
Ｘ方向へのレーザ加工が終了した後、図２１（Ｂ）に示すように、回転機構１１４により回折格子１０５をＺ軸回りに９０度回転させて、複数のスポットＳをウエハ１０２のＹ方向に直線状に並ばせる。複数のスポットＳを回転させた後、ステージコントローラ１１０によりステージ１０３を介してウエハ１０２をＹ方向に移動させ、上述したと同様にＹ方向への走査を順次繰り返して、ウエハ１０２の全面積に亘ってＹ方向へのレーザ加工を行う。このＹ方向への走査も同様に、各クラック間の最大加工間隔を維持した状態で、ステージ２を従来より５倍速い速度で移動させることができるので、レーザ加工にかける時間を短縮することができる。
上述したＸＹ方向への走査が終了すると、ウエハ１０２内部には、最大加工間隔が維持された状態で、クラックがＸＹ方向に向けて網の目の如く連続的に生じた状態となっている。ここで、若干の外力をウエハ１０２に加えることで、ウエハ１０２を点線状に並んだクラックに沿って切断することができ、チップ状のウエハ１０２を得ることができる。
上述したように、本実施形態のレーザ加工装置１０１によれば、パルスレーザ光Ｐの繰り返し周波数を変えることなく、各クラック間の最大加工間隔を維持した状態で、ステージ２をＸＹ方向に向けて従来より５倍速い速度で移動させることができるので、レーザ加工にかける時間を短縮することができ、スループットの向上化を図ることができる。また、回転機構１１４により、回折格子１０５を回転させることで、複数のスポットＳの方向転換を容易且つ円滑に行えるので、ステージ１０３の移動と組み合わせてレーザ加工をより高速に行い易い。
また、回折格子１０５により、パルスレーザ光Ｐを確実に所望する複数の光束Ｐ’に分岐させることができる。更に、分岐面１０５ａが、集光レンズ１０６の瞳位置に配されているので、各スポットＳへの集光光束のテレセントリック性を確保することが可能であり、レーザ加工時の均一性を確保することができる。なお、分岐面１０５ａを必ずしも集光レンズ１０６の瞳位置に置かない場合でも効果はある。
なお、上記第３実施形態では、スポットＳを５つとして説明したが、これに限らず、複数であれば構わない。また、ステージ１０３の移動速度は、スポットＳの数に比例して速くすることができる。例えば、ｎ個のスポットＳを集光するように構成した場合には、ステージ１０３を従来の速度よりもｎ倍速くすることができる。
また、スポットＳの分岐方向にステージ１０３を移動させたが、これに限らず、図２４に示すように、スポットＳの分岐方向と略直交する方向にステージ１０３を移動させても構わない。この場合には、ステージ１０３の速度が従来のままでも、一度に複数のラインでスポットＳを形成することができ、走査回数の短縮を図ることができる。従って、レーザ加工にかける時間を短縮でき、スループットの向上化を図ることができる。
また、ステージ２の移動方向をＸ方向からＹ方向に切り替える際に、回折格子１０５を回転させたが、必ずしもこの方法でなく、例えば、ウエハ１０２を９０度回転させることでスポットＳの分岐方向と走査方向とを一致させることも可能である。
更に、第３実施形態では、スポットＳが直線状に並ぶように構成したが、これに限らず、例えば、パルスレーザ光Ｐを回折格子１０５により直交する２平面に拡がるように複数の光束Ｐ’に分岐させ、その後、集光レンズ１０６によりウエハ１０２の内部に２次元的、即ち、ＸＹ方向に並んだ複数のスポットＳ（Ｘ方向にｎ個、Ｙ方向にｍ個のスポット）として集光させるように構成しても構わない。
この場合には、各クラック間の加工間隔を最大加工間隔内に収めながら、ステージ１０３をＸ方向に従来速度よりｎ倍速く移動させることができると共に、走査回数を１／ｍに短縮することができるので、さらなるスループットの向上化を図ることができる。
次に、本発明のレーザ加工装置の第４実施形態を、図２５を参照して説明する。なお、この第４実施形態においては、第３実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。
第４実施形態と第３実施形態との異なる点は、第３実施形態では、回折格子１０５の分岐面１０５ａを集光レンズ１０６の瞳位置に配した構成としたが、第４実施形態では、回折格子１０５の分岐面１０５ａを集光レンズ１０６の瞳位置と光学的に共役な位置に配している点である。
即ち、本実施形態のレーザ加工装置は、図２５に示すように、回折格子１０５と集光レンズ１０６との間に、第１のリレーレンズ１２０及び第２のリレーレンズ１２１が配されている。回折格子１０５は、この両リレーレンズ１２０、１２１を介することで、分岐面１０５ａを集光レンズ１０６の瞳位置と共役な位置に配されている。
このように構成することで、集光レンズ１０６の瞳位置が、レンズの内部にある場合や、瞳位置に直接回折格子１０５を配置できない場合であっても、対応することができるので、設計の自由度を向上することができる。
次に、本発明のレーザ加工装置の第５実施形態を、図２６及び図２７を参照して説明する。なお、この第５実施形態においては、第３実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。
第５実施形態と第３実施形態との異なる点は、第３実施形態では、パルスレーザ光Ｐをレーザ分岐素子である回折格子１０５を利用して複数の光束Ｐ’に分岐させたが、第５実施形態では、レーザ分岐素子（角度分岐素子）としてノマルスキープリズム１２５を用いた点である。
ノマルスキープリズム１２５は、水晶等の複屈折性を有する結晶の結晶軸を組み合わせて構成されており、例えば、レーザ発振装置１１１側の結晶軸は光軸に対して直交方向（紙面に対して垂直方向）とされ、集光レンズ１０６側の結晶軸は光軸に対して４５度の傾きを持つように設計されている。
また、ノマルスキープリズム１２５のローカライズ面（分岐面）１２５ａは、集光レンズ１０６の内部にある瞳位置に一致するよう構成されている。
なお、本実施形態のレーザ加工装置は、ノマルスキープリズム１２５に無偏光又は図示しない１／４波長板を利用して円偏光のパルスレーザ光Ｐが入射するよう構成されている。即ち、予め直線偏光状態のパルスレーザ光Ｐを照射するレーザ発振装置１１１を採用した場合には、１／４波長板を利用して円偏光に変換すれば良い。このように、レーザ発振装置１１１は、偏光状態に関係なくパルスレーザ光Ｐを照射できれば良い。
このように構成されたレーザ加工装置により、パルスレーザ光Ｐを２つ（複数）の光束Ｐ’に分岐させる場合、まずレーザ発振装置１１１から出射されたパルスレーザ光Ｐは、無偏光又は円偏光状態でノマルスキープリズム１２５に入射する。入射したパルスレーザ光Ｐは、互いに直交する２つの直線偏光に分かれて屈折し、２つの光束Ｐ’に分岐する。分岐された光束Ｐ’は、集光レンズ１０６によりウエハ１０２の内部に２つのスポットＳとして集光される。この際、ローカライズ面１２５ａが、集光レンズ１０６の瞳位置に一致しているので、良好な光束分岐が可能となる。また、パルスレーザ光Ｐは、無偏光又は円偏光状態でノマルスキープリズム１２５に入射するので、分岐比が均等となり２つのスポットでの光量比を等しくすることができる。
このように、特別な光学系を用いずに、ノマルスキープリズム１２５を利用して、パルスレーザ光Ｐを容易に２つの光束Ｐ’に分岐することができる。
ここで、例えば、図２７に示すように、ノマルスキープリズム１２５を構成した場合、即ち、光軸に対して直交方向（紙面に対して垂直方向）に結晶軸を有する第１の水晶１２５ｂと、光軸に対して４５度の方向に結晶軸を有する第２の水晶１２５ｃとを、それぞれ頂角が１６°２０’となるように接合して構成した場合には、接合面１２５ｄからの距離が３ｍｍとなる位置にパルスレーザ光Ｐを入射すると、第２の水晶１２５ｃから１５ｍｍ離れた位置で４ｍｒａｄの角度で分岐する２つの光束Ｐ’を得ることができる。そして、このノマルスキープリズム１２５に、焦点距離１．８ｍｍの集光レンズ（１００Ｘ対物レンズ）１０６を組み合わせて使用した場合には、７．２μｍ（１．８ｍｍ×４ｍｒａｄ）間隔となる２つのスポットＳを得ることができる。
なお、ノマルスキープリズム１２５と集光レンズ１０６との間に、１／４波長板を配置しても構わない。こうすることで、集光レンズ１０６に２つの光束Ｐ’を円偏光状態で入射させることができ、各スポットＳの偏光成分を均一にすることができる。従って、偏光成分の違いによる加工性の影響を極力なくすことが可能である。
次に、本発明のレーザ加工装置の第６実施形態を、図２８を参照して説明する。なお、この第６実施形態においては、第３実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。
第６実施形態と第３実施形態との異なる点は、第３実施形態では、パルスレーザ光Ｐをレーザ分岐素子である回折格子１０５を利用して複数の光束Ｐ’に分岐させたが、第６実施形態では、ミラープリズム（レーザ分岐素子、角度分岐素子）１２７を利用してパルスレーザ光Ｐを２つ（複数）の光束Ｐ’に分岐する点である。
即ち、図２８に示すように、レーザ発振装置１１１と集光レンズ１０６との間であって、パルスレーザ光Ｐの光軸上にハーフミラー１２８が配されている。このハーフミラー１２８は、パルスレーザ光Ｐを５０％透過させると共に、５０％反射させる機能を有している。また、ハーフミラー１２８によって反射されたパルスレーザ光Ｐは、ミラー１２９によって集光レンズ１０６の瞳位置に向けて反射される。つまり、パルスレーザ光Ｐは、ハーフミラー１２８及びミラー１２９によって、２つの光束Ｐ’に分岐される。これらハーフミラー１２８及びミラー１２９は、上記ミラープリズム１２７として機能する。
本実施形態のレーザ加工装置によれば、特別な光学系を用いずに、ミラープリズム１２７を利用して容易にパルスレーザ光Ｐを２つの光束Ｐ’に分岐させることができる。
なお、パルスレーザ光Ｐを２つの光束Ｐ’に分岐させたが、ハーフミラー１２８及びミラー１２９の組み合わせにより、２以上の光束Ｐ’に分岐させることも可能である。
また、この方法では、回折格子、ノマルスキープリズムに比べ大きな角度分岐を発生させることができる。特に、ステージ１０２の移動方向に直角にスポットＳを分岐させ、２本以上のラインを同時に加工するのに適した方法となる。
次に、本発明のレーザ加工装置の第７実施形態を、図２９を参照して説明する。なお、この第７実施形態においては、第３実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。
第７実施形態と第３実施形態との異なる点は、第３実施形態では、パルスレーザ光Ｐをレーザ分岐素子である回折格子１０５を利用して複数の光束Ｐ’に分岐させたが、第７実施形態では、偏光ビームスプリッタ（レーザ分岐素子、角度分岐素子）１３０を利用してパルスレーザ光Ｐを２つ（複数）の光束Ｐ’に分岐する点である。
即ち、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ：Polarized Beam Splitter）１３０は、図２９に示すように、レーザ発振装置１１１と集光レンズ１０６との間に配されており、入射されたパルスレーザ光Ｐを偏光に応じて２つの光束Ｐ’に分岐させている。つまり、偏光ビームスプリッタ１３０は、入射面に平行な振動成分であるＰ成分の直線偏光を有する光束Ｐ’（ｐ）を透過させると共に、入射面に垂直な振動成分であるＳ成分の直線偏光を有する光束Ｐ’（ｓ）を反射させる機能を有しており、これによりパルスレーザ光Ｐを２つの光束Ｐ‘に分岐している。
また、偏光ビームスプリッタ１３０の一方の側には、第１の１／４波長板１３１が配されており、第１の１／４波長板１３１に隣接して第１のミラー１３２が配されている。この第１のミラー１３２は、偏光ビームスプリッタ１３０により反射されてきた光束Ｐ’（ｓ）を、若干光軸の角度を変えて反射する。
また、偏光ビームスプリッタ１３０の他方の側にも同様に、第２の１／４波長板１３３及び第２のミラー１３４が配されている。この第２のミラー１３４は、第１のミラー３１により反射されてきた光束を、若干光軸の角度を変えて反射する。
このように構成されたレーザ加工装置によりパルスレーザ光Ｐを２つの光束Ｐ’に分岐させる場合ついて説明する。レーザ発振装置１１１により出射されたパルスレーザ光Ｐは、平行光束状態で偏光ビームスプリッタ１３０に入射する。入射したパルスレーザ光Ｐのうち、Ｐ成分の直線偏光の光束Ｐ’（ｐ）は偏光ビームスプリッタ１３０を透過して集光レンズ１０６に入射する。
一方、入射したパルスレーザ光Ｐのうち、Ｓ成分の直線偏光の光束Ｐ’（ｓ）は、偏光ビームスプリッタ１３０の反射面にて反射し、９０度光軸の向きを変えて第１の１／４波長板１３１に入射する。入射した光束Ｐ’（ｓ）は、第１の１／４波長板１３１により円偏光となって第１のミラー１３２に入射する。そして、第１のミラー１３２により反射されて再度第１の１／４波長板１３１に入射する。この際、円偏光は、第１の１／４波長板１３１でもとのＳ成分の偏光とは９０度回転したＰ成分の直線偏光光となる。また、光束Ｐ’の光軸は、若干角度が変更された状態で反射される。
再び、偏光ビームスプリッタ１３０に戻ってきた光は、Ｐ成分の光となるため、偏光ビームスプリッタ１３０を通過し、第２の１／４波長板１３３に入射する。そして、入射した光束Ｐ’（ｐ）は、第２の１／４波長板１３３により円偏光となって第２のミラー１３４に入射すると共に、若干光軸の角度が変更された状態で反射される。反射された後、再度第２の１／４波長板１３３によって、円偏光がもとのＰ成分とは９０度回転したＳ成分の直線偏光となり、偏光ビームスプリッタ１３０に入射する。
偏光ビームスプリッタ１３０に入射した光束Ｐ’（ｓ）は、Ｓ成分であるため偏光ビームスプリッタ１３０の反射面により反射され、９０度光軸の向きを変えて集光レンズ１０６に入射する。つまり、集光レンズ１０６には、もともと偏光ビームスプリッタ１３０を通過してきたＰ成分の光束Ｐと、左右のミラー１３２、１３４で２回反射してきたＳ成分の光束との２つの光束Ｐ’が入射する。
また、左右のミラー１３２、１３４の傾きを調整することにより、Ｐ成分の光束に対しＳ成分の光束の角度を任意に調整することが可能である。この２つの角度の異なる光束により、２つのスポットＳをウエハ１０２の内部に集光させることができる。
このように、特別な光学系を用いずに、偏光ビームスプリッタ１３０、両１／４波長板１３１、１３３及び両ミラー１３２、１３４を組み合わせることで、パルスレーザ光Ｐを容易に２つの任意の角度をもった光束Ｐ’に分岐させることができる。
なお、本実施形態において、偏光ビームスプリッタ１３０と集光レンズ１０６との間に、１／４波長板を配置しても構わない。こうすることで、集光レンズ１０６に２つの光束Ｐ’を円偏光状態で入射させることができ、各スポットＳの偏光成分を均一にすることができる。従って、偏光成分の違いによる加工性の影響を極力なくすことが可能である。
また、この方法では、ミラー１３２、１３４の傾きを紙面に平行な面で傾けたが、紙面に垂直な面内で傾けることも可能である。このため、偏光ビームスプリッタ１３０を通過したＰ成分の偏光光光に対して、ＸＹ両方向での傾きを与えることが可能であり、図示のように紙面に平行のみならず、垂直又はその組み合わせ方向にも、スポットＳの分岐が可能となる。
次に、本発明のレーザ加工装置の第８実施形態を、図３０を参照して説明する。なお、この第８実施形態においては、第１実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。
第８実施形態と第３実施形態との異なる点は、第３実施形態では、パルスレーザ光Ｐを回折格子１０５により角度の異なる複数の光束に分岐させたが、第８実施形態では、レーザ分岐素子として複屈折性を有する水晶等の複屈折性結晶（平行移動分岐素子、複屈折光学素子）１４０を利用し、パルスレーザ光Ｐを光軸に対して平行移動するように複数分岐させて、２つ（複数）の光束Ｐ’とする点である。
即ち、図３０に示すように、レーザ発振装置１１１と集光レンズ１０６との間に、複屈折性結晶１４０が配されている。この複屈折性結晶１４０は、収束光学系１４１、即ち、第１の凸レンズ１４２及び第２の凸レンズ１４３間に配されている。これにより、パルスレーザ光Ｐは、非平行光束状態で複屈折性結晶１４０に入射する。
このように構成されたレーザ加工装置によりパルスレーザ光Ｐを２つの光束Ｐ’に分岐させる場合ついて説明する。まず、レーザ発振装置１１１により出射されたパルスレーザ光Ｐは、第１の凸レンズ１４２により収束光となって、非平行光束状態で複屈折性結晶１４０に入射する。複屈折性結晶１４０に入射したパルスレーザ光Ｐは、偏光方向に応じて屈折し、光軸が平行移動するように２つの光束Ｐ’に分岐する。そして、これら各光束Ｐ’は、第２の凸レンズ１４３により再び平行光束状態となって集光レンズ１０６に入射する。これにより、ウエハ１０２内部に複数のスポットＳを集光させることができる。
なお、本実施形態においては、レーザ分岐素子として複屈折性結晶１４０を採用したが、ミラープリズムを採用しても構わない。
ここで、複屈折性結晶１４０として、例えば、１０ｍｍ厚さの方解石を利用した場合、光軸を約１ｍｍ平行移動させた状態で光束を２つに分岐させることができる。この場合には、結合倍率１００Ｘ（１００倍）の集光光学系（対物レンズ１０６と凸レンズ１４３とにより構成される）縮小投影を行うと、１０μｍ間隔のスポットＳとなる。
また、本実施形態においては、複屈折性結晶１４０を像側集光位置に配した構成にしたが、図３１に示すように、集光位置からずれた位置に配しても構わない。
更に、図３２に示すように、複屈折性結晶１４０をカスケード接続して、パルスレーザ光Ｐを複数の光束Ｐ’に２ｎ分岐させても構わない。即ち、１／４波長板１４４を挟むように厚さの異なる複屈折性結晶１４０を配置させる。こうすることで、まず、最初の複屈折性結晶１４０により、パルスレーザ光ＰをＳ成分の直線偏光の光束Ｐ’（ｓ）とＰ成分の直線偏光の光束Ｐ’（ｐ）とに分岐させる。その後、１／４波長板１４４により円偏光にさせ、これを次の複屈折性結晶１４０によりそれぞれＳ成分及びＰ成分の直線偏光を持つ光束Ｐ’（ｐ）（ｓ）に分岐させることが可能である。
このように、複屈折性結晶１４０をカスケード接続することで、パルスレーザ光Ｐを容易に所望する数の光束に分岐させることができる。
また、上記各実施形態において、スポットＳを複数に分離する例を示したが、全く同じ構成のもとで、スポットＳの分岐量を小さくすることで、図３３に示すように、近接した複数のスポットＳで１箇所を加工することができる。
１個のスポットＳでは、等方性を持った加工しかできないが、近接した複数のスポットＳを利用すると、スポットＳをずらす方向やずらし量により、加工点に異方性を持たせることが可能となる。この異方性により、意図的にウエハ１０２内にできる歪みやクラックに方向性を持たせることが可能となり、隣り合った加工ポイントとのつながりを良くし、その結果、ウエハ１０２の分断（切断）を容易にする効果を持つことになる。
また、上記各実施形態において、スポットＳをウエハ１０２の内部に集光させたが、ウエハ１０２の表面１０２ａに集光するように構成しても構わない。ウエハ１０２の厚さに応じて適宜選択すれば良い。
また、ステージ１０３をＸＹ方向に移動させることで、ウエハ１０２に対して複数のスポットＳを相対的に移動させたが、照射手段１０４、回折格子１０５等のレーザ分岐素子及び集光レンズをＸＹ方向に移動させるように構成することで、ウエハ１０２に対して複数のスポットＳを相対的に移動させても構わない。
また、回折格子１０５を回転させることで、複数のスポットＳを回転させたが、ステージ１０３を回転可能に構成しても構わない。
更に、本発明には以下も含まれる。
〔付記項１〕
本発明のレーザ加工装置であって、
前記レーザ分岐素子が、前記パルスレーザを水平方向に向けて複数の光束に分岐させた後に、複数の光束の焦点位置をそれぞれ光軸方向に相対的にずらし、
前記集光光学系が、前記複数の光束を前記被加工対象物の表面又は内部に、水平方向及び水平方向に直交する方向に並んだ複数のスポットとして集光させるレーザ加工装置。
このレーザ加工装置においては、複数のスポットを被加工対象物の水平方向及び深さ方向（厚さ方向）に並ぶように集光させることができるので、厚みのある被加工対象物であっても容易に切断することができる。
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されることはない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付のクレームの範囲によってのみ限定される。
本発明は、被加工対象物を載置するステージと、前記被加工対象物の表面に向けてレーザ光を出射する照射手段と、前記レーザ光を、複数の光束に分岐させると共に、前記被加工対象物の表面又は内部に複数のスポットとして集光させる光学系と、前記被加工対象物に対して前記複数のスポットを、水平方向に向けて相対的に移動させる移動手段と、を備えるレーザ加工装置に関する。
本発明のレーザ加工装置によれば、切れ味を増して切断性の向上を図ることができると共に、厚みのある試料を容易に切断することができる。また、レーザ光の繰り返し周波数及びクラック間の最大加工間隔を変えることなく、高速にレーザ加工が行えると共にスループットの向上を図ることができる。

Claims (15)

  1. 被加工対象物を載置するステージと；
    前記被加工対象物の表面に向けてレーザ光を出射する照射手段と；
    前記レーザ光を、複数の光束に分岐させると共に、前記被加工対象物の表面又は内部に複数のスポットとして集光させる光学系と；
    前記被加工対象物に対して前記複数のスポットを、水平方向に向けて相対的に移動させる移動手段と；を備えるレーザ加工装置。
  2. 請求項１に記載のレーザ加工装置であって、
    前記光学系は、前記レーザ光を複数の光束に分岐させると共に、前記被加工対象物の表面に直交する方向に沿って前記複数のスポットを並べて集光させる複屈折性の光軸方向分岐素子を有する集光光学系であるレーザ加工装置。
  3. 請求項２に記載のレーザ加工装置であって、
    前記集光光学系が、隣接する前記複数のスポットの相対的な水平方向の位置をずらす複屈折性の水平方向分岐素子を有するレーザ加工装置。
  4. 請求項２に記載のレーザ加工装置であって、
    前記被加工対象物の表面を観察する観察光学系を備え、
    前記移動手段は、前記被加工対象物に対して前記複数のスポットを前記表面に直交する方向に相対的に移動でき、この移動時に、前記観察光学系により観察されたデータに基づいて、前記被加工対象物の表面の合焦を自動調整するレーザ加工装置。
  5. 請求項１に記載のレーザ加工装置であって、
    前記レーザ光が、パルスレーザ光であり、
    前記光学系が、前記レーザ光を複数の光束に分岐させるレーザ分岐素子と；前記複数の光束を、前記被加工対象物の表面又は内部に水平方向に並んだ複数のスポットとして集光させる集光光学系と；を備えるレーザ加工装置。
  6. 請求項５に記載のレーザ加工装置であって、
    前記レーザ分岐素子が、前記レーザ光を平面上に拡がるように分岐させ、
    前記集光光学系が、前記複数のスポットを水平方向に向けて直線状に並ぶように集光させるレーザ加工装置。
  7. 請求項５に記載のレーザ加工装置であって、
    前記レーザ分岐素子が、前記レーザ光を互いに直交する平面上に拡がるように分岐させ、
    前記集光光学系が、前記複数のスポットを水平面に対して２次元状に並ぶように集光させるレーザ加工装置。
  8. 請求項５に記載のレーザ加工装置であって、
    前記複数のスポットを、前記被加工対象物の表面に直交する軸回りに回転させる回転手段を備えるレーザ加工装置。
  9. 請求項５に記載のレーザ加工装置であって、
    前記レーザ光が、前記レーザ分岐素子に平行光束状態で入射し、
    前記レーザ分岐素子が、前記レーザ光を角度の異なる複数の光束に分岐させて前記複数の光束とする角度分岐素子であるレーザ加工装置。
  10. 請求項５に記載のレーザ加工装置であって、
    前記角度分岐素子が、回折格子であり、その分岐面が前記集光光学系の瞳位置又は瞳位置と光学的に共役な位置に配置されるレーザ加工装置。
  11. 請求項５に記載のレーザ加工装置であって、
    前記角度分岐素子が、ノマルスキープリズムであり、ローカライズ面が前記集光光学系の瞳位置又は瞳位置と光学的に共役な位置に配置されるレーザ加工装置。
  12. 請求項５に記載のレーザ加工装置であって、
    前記角度分岐素子が、ミラープリズムから構成されるレーザ加工装置。
  13. 請求項５に記載のレーザ加工装置であって、
    前記レーザ光は、前記レーザ分岐素子に非平行光束状態で入射し、
    前記レーザ分岐素子が、前記レーザ光を光軸に対して平行移動するよう複数に分岐させて、前記複数の光束とする平行移動分岐素子であるレーザ加工装置。
  14. 請求項１３に記載のレーザ加工装置であって、
    前記平行移動分岐素子が、複屈折性を有する複屈折光学素子であるレーザ加工装置。
  15. 請求項１３に記載のレーザ加工装置であって、
    前記平行移動分岐素子が、ミラープリズムから構成されるレーザ加工装置。





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