专利名称：激光加工装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于半导体装置的硅片等的半导体材料基板、液晶面板/等离子显示器等的大口径玻璃的透明基板、半导体材料基板、压电材料基板、玻璃基板等的切断所使用的激光加工装置。
本申请要求2004年3月5日申请的特愿2004-062225号以及特愿2004-062226号的优先权，这里引用其内容。
背景技术：
以往，为了将硅片等半导体基板切断为格子状(片状)而得到半导体芯片，一般进行通过切断装置等进行机械切断的方法。该方法如下在半导体基板的表面格子状地形成划线，在半导体基板的背面沿着该划线按压刀刃等，从而切断半导体基板。
此外，近年来，随着激光的发达，在各种领域中开始开发利用激光的装置。例如，作为其一已知利用激光来切断半导体基板等被加工对象物的激光加工装置(例如，参照专利文献1)。
该激光加工装置包括载置作为被加工对象物的半导体基板的载置台；使载置台绕着Z轴旋转的θ工作台；使载置台分别向XYZ轴方向移动的各个XYZ轴工作台；控制这些各工作台的移动的工作台控制部；发生脉冲激光的Nd:YAG激光器等激光源；控制激光源来调整脉冲激光的功率或重复频率等的激光源控制部；将从激光源发生的脉冲激光的光轴的方向朝半导体基板改变90度地进行反射的分色镜；以及将被分色镜反射的脉冲激光会聚到被加工对象物上的聚光透镜。
说明通过这样构成的激光加工装置来切断半导体基板的情况。
首先，通过工作台控制部使各工作台动作，将半导体基板移动至规定位置，以使脉冲激光的会聚点位于半导体基板的内部。然后，激光源控制部使激光源动作，以便以规定的重复频率照射脉冲激光。从激光源照射的脉冲激光由分色镜反射后入射到聚光透镜，并点状地会聚在半导体基板的内部。由此，在半导体基板的内部形成改质区域。
此外，由XY轴工作台使半导体基板向XY方向移动，由此分别在半导体基板的内部形成多个平行切断预定部以及垂直切断预定部。然后，可以通过在半导体基板的背面按压刀刃而沿平行切断预定部以及垂直切断预定部切断半导体基板。
特别如图34所示，通过使用双点透镜50作为聚光透镜，可以在半导体基板51的内部同时会聚沿厚度方向排列的2个光点S。即，通过分别会聚通过双点透镜50的中心部的光线和通过双点透镜50的外缘部的光线，可以在半导体基板51的厚度方向上会聚2个光点S。
由此，可以在半导体基板51的内部沿厚度方向同时形成两列改质区域，还可以对应于有厚度的半导体基板51。
此外，在利用了激光的情况下，由于难以产生切断后的碎片所以不需要洗净等，同时由于仅在要切断的区域会聚激光而使被加工对象变质，所以可以尽可能抑制对除此以外的区域带来的热影响。因此，利用激光的被加工对象物的切断方法作为代替上述机械切断的新的方法而受到关注。
另一方面，当前在各种领域应用激光，例如，作为其中之一已知利用激光来切断半导体晶片等加工对象物的激光加工装置(例如，参照专利文献2～5)。
图35表示这种激光加工装置的一般的结构。图35所示的激光加工装置150包括工作台152，其在上面载置作为加工对象物的晶片151，同时向与水平面平行的X方向以及Y方向移动；工作台控制器153，其控制向工作台152的XY方向的移动；激光振荡装置154，其向晶片51的表面垂直地照射例如脉宽为1μs或以下的非常短且强的脉冲激光；聚光透镜等聚光光学系统155，其将由激光振荡装置154照射的脉冲激光会聚，同时会聚到晶片151的表面或内部；激光振荡控制部156，其控制激光振荡装置154；以及系统控制部157，其综合地控制激光振荡控制部156以及工作台控制器153。
晶片51如图36所示，以例如形成为圆形的情况为例。
说明通过这样构成的激光加工装置150利用激光加工而将晶片151切断为片状的情况。
首先，由工作台控制器153将工作台152向XY方向移动，将晶片151移动到图36所示的切断开始位置。然后，由激光振荡控制部156使激光振荡装置154动作，照射脉冲激光。此时，脉冲激光的振荡重复频率被设定为某一限定的频率。如图35所示，照射的脉冲激光由聚光光学系统155会聚到晶片151的内部而使高密度的能量集中到1点。通过该能量，在晶片151的内部，应力集中于一点，在该部分产生裂缝。
此外，与脉冲激光的照射同时，系统控制部157对工作台控制器153传送扫描指令(信号)，通过工作台152移动晶片151。此时，如图36所示，首先依次重复向晶片151的X方向的扫描，并在晶片151的整个区域进行脉冲激光的照射。换言之，系统控制部157综合地控制激光振荡控制部156以及工作台控制器153，控制脉冲激光的振荡的同时进行工作台的扫描。
由此，如图37所示，在晶片151的内部向X方向如点线这样以隔开一定的间隔的状态连续地产生裂缝。将该动作重复规定次数，产生多条点线，进行X方向的裂缝生成。
在向X方向的裂缝生成结束之后，改变工作台152的移动方向，依次重复向晶片151的Y方向的扫描，与上述同样地在晶片151的整个区域进行脉冲激光的照射。由此，向XY方向网眼状地形成裂缝，所以通过施加外力，可以将晶片151沿裂缝切断为小的片状。
这里，由于为了切断晶片151而需要将如点线这样形成的各裂缝彼此连接，所以裂缝间的间隔不能大于某一规定值。换言之，裂缝间的间隔大时，难以连接裂缝彼此，并难以平滑地切断晶片151。因此，决定了裂缝间的最大加工间隔。
此外，脉冲激光的重复频率由激光振荡装置154的性能决定，同时其值有极限，所以决定了由将该重复频率和最大加工间隔相乘决定的加工速度的最大值。例如，将脉冲激光的振荡频率设为20kpps，将最大加工间隔设为10μm时，最大加工速度成为10μm(最大加工间隔)×20kpps(振荡重复频率)＝200mm/秒。该加工速度成为决定激光加工装置150的生产能力的大的要素。
特开2003-266185号公报(图16等)[专利文献2]特开2002-205181号公报(图1-图6等)[专利文献3]特开2002-205180号公报(图1-图6等)[专利文献4]特开2002-192371号公报(图1-图6等)[专利文献5]特开2002-192370号公报(图1-图6等)发明内容但是，在图34所示的激光加工装置中，可以在半导体基板51的厚度方向并列地同时会聚2个光点S，但由于分别会聚通过双点透镜50的中心部的光线和通过双点透镜50的外缘部的光线，所以不能由双点透镜50的整体将光线集中，得不到大的数值孔径(大NA)。从而，由于光点直径扩大，所以锋利度劣化，可能对切断性带来影响。
此外，由于难以会聚2个焦点，即会聚2个或以上的光点，所以难以应用到有厚度的半导体基板。
另一方面，图35所示的激光加工装置150由于在一定程度上决定了脉冲激光的重复频率以及裂缝间的最大加工间隔，所以难以提高加工速度，并难以提高生产能力。
本发明考虑这样的情况而完成，第一目的在于提供一种可以增加锋利度而实现切断性的提高，同时可以容易地切断有厚度的试样的激光加工装置。
此外，第二目的在于提供一种可以不改变激光的重复频率以及裂缝间的最大加工间隔而可以高速地进行激光加工，同时实现生产能力的提高的激光加工装置。
为了实现上述目的，本发明提供以下的单元。
本发明提供一种激光加工装置，该激光加工装置包括工作台，其载置被加工对象物；照射单元，其向所述被加工对象物的表面出射激光；光学系统，其将所述激光分离为多个光束，同时在所述被加工对象物的表面或内部会聚为多个光点；以及移动单元，其使所述多个光点相对于所述被加工对象物向水平方向相对移动。
在本发明的激光加工装置中，从照射单元照射的激光由光学系统分离为多个光束，同时在被加工对象物的表面或内部会聚为多个光点。例如，在水平方向或厚度(深度)方向上并列地会聚多个光点。然后，密度高的能量集中在多个光点各自的位置，产生裂缝。换言之，可以向水平方向或厚度方向同时产生多个裂缝。
此外，由于可以通过移动单元使多个裂缝相对于被加工对象物向水平方向相对移动，所以可以如点线这样连续地形成多个裂缝，并可以将裂缝彼此连接并沿着点线来切断被加工对象物。此外，在多个裂缝在厚度方向上排列的情况下，即使是有厚度的被加工对象物也可以容易且可靠地进行切断。
特别是与以往的使用双点透镜的系统不同，光学系统例如在将激光分离为多个光束之后，会聚为多个光点，或者在将激光会聚之后分离为多个光点，所以可以维持大数值孔径(大NA)。从而，可以减小光点直径，并可以增加锋利度。从而，可以实现切断性的提高。
此外，由于在每次照射激光时同时可以产生多个裂缝，所以即使通过移动单元使多个光点向光点的分离方向快速移动，也可以将各裂缝间的加工间隔限制在最大加工间隔内。从而，不改变激光的重复频率以及裂缝间的最大加工间隔，即可高速地进行激光加工，并可以实现生产能力的提高。
在本发明的激光加工装置中，所述光学系统优选是具有双折射性的光轴方向分离元件的聚光光学系统，其中，该双折射性的光轴方向分离元件将所述激光分离为多个光束，同时沿着与所述被加工对象物的表面正交的方向并列地会聚所述多个光点。
在本发明的激光加工装置中，由照射单元照射的激光由光轴方向分离元件根据偏振方向而分离为多个光束，同时由聚光光学系统在被加工对象物内会聚为多个光点，使得焦点位置排列在沿着与表面正交的方向、即光轴方向从表面达到背面的部分。然后，密度高的能量在多个光点各自的位置集中，在多个光点各处产生裂缝。由此，可以在被加工对象物的厚度(深度)方向上并列地同时产生多个裂缝。
此外，由于通过移动单元使这些多个光点相对于被加工对象物向水平方向移动，所以可以如点线这样向水平方向连续地形成排列在厚度方向上的多个裂缝。然后，可以将裂缝彼此连接而沿着点线切断被加工对象物。此时，由于在厚度方向上产生多个裂缝，所以即使是有厚度的被加工对象物，也可以容易且可靠地进行切断。
特别是与以往的利用了双点透镜的系统不同，聚光光学系统例如在将激光由光轴方向分离元件分离为多个光束之后，由物镜等会聚为多个光点，或者在由物镜等将激光会聚之后由光轴分离元件分离为多个光束，所以可以维持大数值孔径(大NA)。从而，可以减小光点直径，并可以增加锋利度。从而，可以实现切断性的提高。
在本发明的激光加工装置中，所述聚光光学系统优选是具有使邻接的所述多个光点的相对的水平方向的位置偏移的双折射性的水平方向分离元件。
在本发明的激光加工装置中，由于具有水平方向分离元件，所以可以将被加工对象物的厚度方向上排列的各光点中、邻接的光点的相对的水平方向的位置偏移。换言之，可以将各光点在分为深度(上下)方向和左右方向的状态下会聚在被加工对象物内。
从而，可以将各光点如刀这样以锐角的角度连接，可以实现进一步的锋利度的提高。
此外，在本发明的激光加工装置中，包括对所述被加工对象物的表面进行观察的观察光学系统，所述移动单元可以使所述多个光点相对于所述被加工对象物向与所述表面正交的方向相对移动，在该移动时，基于由所述观察光学系统观察的数据对所述被加工对象物的表面的对焦进行自动调整。
在本发明的激光加工装置中，基于由观察光学系统观察的数据，移动单元使多个光点向与被加工对象物的表面正交的方向相对移动，对被加工对象物的表面的对焦进行自动调整。换言之，进行自动对焦，从而始终能捕捉被加工对象物的表面。由此，可以将被加工对象物的表面和聚光光学系统之间的距离始终维持为一定的距离。
从而，通过移动单元将多个光点向水平方向相对移动时，可以将多个光点会聚于离表面具有相同距离的位置的同时进行移动。从而，可以进行更高精度的激光加工。此外，也可以一边观察被加工对象物的表面一边进行激光加工。
此外，在本发明的激光加工装置中，优选为所述激光为脉冲激光，所述光学系统包括将所述激光分离为多个光束的激光分离元件；以及使所述多个光束在所述被加工对象物的表面或内部会聚为沿水平方向排列的多个光点的聚光光学系统。
在本发明的激光加工装置中，从照射单元出射的脉冲激光由激光分离元件分离为多个光束。分离后的多个光束入射到聚光光学系统之后，在被加工对象物的表面或内部会聚为在水平方向上排列的多个光点。由此，密度高的能量集中在多个光点各自的位置，在多个光点的各处产生裂缝。
此外，由于可以通过移动单元使多个光点相对于被加工对象物向水平方向移动，所以可以如点线这样连续地形成多个裂缝，并可以将裂缝彼此连接并沿着点线来切断被加工对象物。
特别是由于在每照射1个脉冲的脉冲激光时，可以由激光分离元件以及聚光光学系统同时产生多个裂缝，所以例如即使在通过移动单元将多个光点向光点的分离方向快速移动，也可以将各裂缝间的加工间隔限制在最大加工间隔内。从而，不改变激光的重复频率以及裂缝间的最大加工间隔也可以高速地进行激光加工，并可以实现生产能力的提高。
此外，在本发明的激光加工装置中，优选为所述激光分离元件使所述激光分离而使其在平面上扩展，所述聚光光学系统将所述多个光点会聚为向水平方向排列成直线状。
在本发明的激光加工装置中，由照射单元照射的脉冲激光由分离元件分离而在平面上扩展之后，由聚光光学系统在被加工对象物的表面或内部会聚为在水平方向上直线状地排列的多个光点，例如n个光点。
这里，在由移动单元将n个光点向与光点的朝向相同的方向移动的情况下，即使使移动单元加快n倍来进行移动，也可以将各裂缝间的加工间隔限制在最大加工间隔内，所以可以缩短加工时间，并可以实现生产能力的提高。
此外，在由移动单元将n个光点向与光点的朝向大致正交的方向上移动的情况下，可以同时形成多行，即在n个行同时形成光点，所以可以减少扫描次数，并可以实现生产能力的提高。
此外，在本发明的激光加工装置中，优选为所述激光分离元件使所述激光分离而使其在互相正交的平面上扩展，所述聚光光学系统将所述多个光点会聚为相对于水平面排列成二维状。
在本发明的激光加工装置中，由照射单元照射的脉冲激光由分离元件分离而在正交的平面上、即正交的2平面中扩展之后，由聚光光学系统在被加工对象物的表面或内部会聚为排列为二维、即与水平面平行的XY方向上的多个光点，例如n×m个光点。
从而，可以一边将各裂缝间的加工间隔限制在最大加工间隔内，一边由移动单元加速n倍(m倍)地移动，同时还可将扫描次数减少到1/m(1/n)次，所以可以实现进一步的生产能力的提高。
此外，在本发明的激光加工装置中，优选为包括使所述多个光点绕着与所述被加工对象物的表面正交的轴旋转的旋转单元。
在本发明的激光加工装置中，由于可以由旋转单元将多个光点围绕与被加工对象物的表面(水平面)正交的轴旋转，所以可以容易且平滑地进行多个光点的方向转换。特别是通过与移动单元进行组合，使移动方向和光点的排列方向的关系有相对性，可以进一步高速地进行激光加工，并可以实现生产能力的提高。
此外，在本发明的激光加工装置中，优选为所述激光以平行光束状态入射到所述激光分离元件，所述激光分离元件是使所述激光分离为角度不同的多个光束而成为所述多个光束的角度分离元件。
在本发明的激光加工装置中，由照射单元出射的脉冲激光以平行光束状态入射到衍射光栅等角度分离元件。然后，由角度分离元件分离为角度不同的多个光束之后入射到聚光光学系统。这样，由于将一个光束可靠地分离为多个光束，并会聚在被加工对象物的不同的点上，所以可以容易地得到多个光点。
在本发明的激光加工装置中，优选为所述角度分离元件是衍射光栅，其分离面被配置在所述聚光光学系统的光瞳位置或与光瞳位置光学共轭的位置。
在本发明的激光加工装置中，通过利用衍射光栅，可以更准确地将光束分离而使多个光束入射到聚光光学系统。此外，由于衍射光栅的分离面被配置在聚光光学系统的光瞳位置或与光瞳位置光学共轭的位置，因此可以确保对各光点的会聚光束的远心性，并可以确保激光加工时的均匀性。
在本发明的激光加工装置中，优选为所述角度分离元件是诺玛斯基棱镜(Nomarski prism)，局限(localize)面被配置在所述聚光光学系统的光瞳位置或与光瞳位置光学共轭的位置。
在本发明的激光加工装置中，通过利用诺玛斯基棱镜，可以根据偏振方向的不同而将光束分离为多个光束。此外，由于局限面被配置在聚光光学系统的光瞳位置或与光瞳位置光学共轭的位置，所以与上述衍射结构的情况同样可以确保远心性。此外，该方法由于以偏振方向来将光束分离，所以具有容易使2个光束的功率分配均匀的特征。
在本发明的激光加工装置中，优选为所述角度分离元件由镜面棱镜构成。
在本发明的激光加工装置中，通过利用镜面棱镜，可以在将脉冲激光可靠地分离为多个光束之后使其入射到聚光光学系统。
在本发明的激光加工装置中，优选为所述激光以非平行光束状态入射到所述激光分离元件，所述激光分离元件是使所述激光相对于光轴平行移动地分离为多个而成为所述多个光束的平行移动分离元件。
在本发明的激光加工装置中，由照射单元出射的脉冲激光以非平行光束状态入射到双折射晶体等平行移动分离元件。然后，通过平行移动分离元件根据偏振方向而折射之后，相对于光轴平行移动地分离为多个光束而入射到聚光光学系统。这样，可以将一个光束可靠地分离为多个光束，并可以容易地得到多个光点。
在本发明的激光加工装置中，优选为所述平行移动分离元件是具有双折射性的双折射光学元件。
在本发明的激光加工装置中，通过利用石英或方解石等双折射光学元件，可以容易且可靠地得到多个光束。
在本发明的激光加工装置中，优选为所述平行移动分离元件由镜面棱镜构成。
在本发明的激光加工装置中，通过利用镜面棱镜，可以在可靠地分离为多个光束之后入射到聚光光学系统。
根据本发明，由于可以通过光轴方向分离元件在被加工对象物的厚度(深度)方向上并列地同时产生多个裂缝，所以即使是有厚度的被加工对象物，也可以容易且可靠地进行切断。
特别是与以往的使用双点透镜的系统不同，可以在维持大数值孔径(大NA)的状态下会聚光点。从而，可以减小光点直径，并可以增加锋利度，可以实现切断性的提高。
此外，在每照射1个脉冲的脉冲激光时，可以由激光分离元件以及聚光光学系统同时产生多个裂缝。从而，在不改变激光的重复频率以及裂缝间的最大加工间隔的情况下，可以高速地进行激光加工，并可以实现生产能力的提高。
图1是表示本发明的激光加工装置的第一实施方式的结构的图。
图2A是表示将脉冲激光分离为多个光束的物镜的结构的图，是双折射材料透镜的晶轴与光轴正交地进行配置的图。
图2B是表示将脉冲激光分离为多个光束的物镜的结构的图，是双折射材料透镜的晶轴与光轴平行地进行配置的图。
图3是表示在晶片内部向厚度方向并列地会聚2个光点的状态的图。
图4A是表示聚光光学系统的结构的图，是双折射材料透镜的晶轴与光轴正交地进行配置的图。
图4B是表示聚光光学系统的结构的图，是双折射材料透镜的晶轴与光轴平行地进行配置的图。
图5A是表示聚光光学系统的结构的图。
图5B是图5A所示的剖面向视A-A图。
图5C是图5A所示的剖面向视B-B图。
图6是表示通过图5A所示的聚光光学系统在晶片内部向厚度方向并列地会聚4个光点的状态的图。
图7是表示聚光光学系统的结构的图。
图8A是图7所示的剖面向视C-C图。
图8B是图7所示的剖面向视D-D图。
图9A是表示聚光光学系统的结构的图，是双折射板的晶轴相对于光轴倾斜45度地进行配置的图。
图9B是表示聚光光学系统的结构的图，是双折射板的晶轴相对于光轴倾斜60度地进行配置的图。
图10是表示通过图9A所示的聚光光学系统在晶片内部向厚度方向并列地会聚2个光点的状态的图。
图11是表示聚光光学系统的结构的图。
图12A是图11所示的剖面向视E-E图。
图12B是图11所示的剖面向视F-F图。
图13A是表示聚光光学系统的结构的图，是双折射板的晶轴相对于光轴正交地进行配置的图。
图13B是表示聚光光学系统的结构的图，是双折射板的晶轴相对于光轴倾斜45度地进行配置的图。
图14A是图13A所示的剖面向视G-G图。
图14B是图13B所示的剖面向视H-H图。
图15是表示通过图13A以及图13B所示的聚光光学系统在晶片内部会聚4个光点的状态的图。
图16是表示聚光光学系统的结构的图。
图17是表示本发明的激光加工装置的第二实施方式的结构的图。
图18是表示激光加工装置的结构的图。
图19是表示本发明的激光加工装置的第三实施方式的结构的图。
图20是表示通过衍射光栅将脉冲激光分离为多个光束，同时通过聚光透镜在晶片内部会聚光点的状态的图。
图21A是表示多个光点在晶片的X方向上排列地配置衍射光栅的状态的图。
图21B是表示通过旋转机构将衍射光栅从图21A所示的状态围绕Z轴旋转90度，使多个光点在Y方向上排列的状态的图。
图22是表示向多个光点的分离方向进行扫描的状态的图。
图23是表示对晶片表面向X方向进行扫描的轨迹的晶片的俯视图。
图24是表示向与多个光点的分离方向正交的方向进行扫描的状态的图。
图25是表示本发明的激光加工装置的第四实施方式的图，是表示将衍射光栅的分离面配置在隔着中继镜与聚光透镜的光瞳位置共轭的位置上的状态的图。
图26是表示本发明的激光加工装置的第五实施方式的图，是表示通过诺玛斯基棱镜将脉冲激光分离为多个光束的状态的图。
图27是诺玛斯基棱镜的具体的设计图。
图28是表示本发明的激光加工装置的第六实施方式的图，是表示通过镜面棱镜将脉冲激光分离为多个光束的状态的图。
图29是表示本发明的激光加工装置的第七实施方式的图，是表示通过偏振光束分离器将脉冲激光分离为多个光束的状态的图。
图30是表示本发明的激光加工装置的第八实施方式的图，是表示通过双折射性晶体将脉冲激光分离为多个光束的状态的图。
图31是表示以偏移会聚位置的方式配置双折射性晶体的状态的图。
图32是表示对双折射性晶体进行了级联连接的状态的图。
图33是在接近的状态下将多个光点会聚到一处的状态的图。
图34是表示以往的激光加工的图，通过双点透镜在半导体基板内部、在厚度方向上并列地会聚2个光点的状态的图。
图35是表示以往的激光加工装置的结构的图。
图36是表示对晶片表面向X方向进行扫描的轨迹的图。
图37是表示对晶片进行了激光加工的状态的图。
符号说明P激光(脉冲激光)，P’多个光束，S光点，1、40、101激光加工装置，2、102晶片(被加工对象物)，3a载置面，3、103工作台，4、104照射单元，5双折射材料透镜(光轴方向分离元件)，6物镜(光学系统，聚光光学系统)，7、107移动单元，8观察光学系统，23、26、60、61、64双折射板(光轴方向分离元件)，25凹透镜(光轴方向分离元件)，27、63双折射板(水平方向分离元件)，41第一激光振荡装置，42第二激光振荡装置(照射单元)，46聚光光学系统，47可调谐激光振荡装置(照射单元)，105衍射光栅(激光分离元件、角度分离元件)，106聚光透镜(聚光光学系统)，125诺玛斯基棱镜(激光分离元件、角度分离元件)，125a局限面，127镜面棱镜，130偏振光束分离器(激光分离元件、角度分离元件)，140双折射性晶体(激光分离元件、平行移动分离元件、双折射光学元件)具体实施方式
以下，参照
本发明的优选的实施方式。
参照图1至图3说明本发明的激光加工装置的第一实施方式。本实施方式的激光加工装置1作为通过激光加工将例如厚度为0.1mm且形成为圆形的晶片(被加工对象物)2精细地切断为片状的装置进行说明。
如图1所示，该激光加工装置1包括工作台3，其将晶片2载置于相对于水平面平行地配置的载置面3a上；照射单元4，其向晶片2的表面2a出射脉冲激光(激光)P；物镜(光学系统、聚光光学系统)6，其具有双折射性的双折射材料透镜(光轴方向分离元件)5，该双折射材料透镜5将脉冲激光P分离为多个光束P’，同时在晶片2内，将多个光束P’会聚为焦点位置排列在从晶片2的表面2a到达背面2b的部分的多个光点S；移动单元7，其可将多个光点S相对于晶片2向水平方向(XY方向)以及铅直方向(Z方向)相对移动；以及观察光学系统8，其对晶片2的表面2a进行光学观察。
工作台3被构成为可向平行于水平面的XY方向以及垂直于XY方向的Z轴方向移动。换言之，通过移动工作台3，如上所述，可以使多个光点S相对于晶片2向水平方向相对移动。该工作台3由工作台控制器10控制向XYZ方向的移动。即，工作台3以及工作台控制器10作为上述移动单元7而工作。
在晶片2的上方配置有垂直地对晶片2的表面2a照射脉冲激光P的Nd:YAG激光器等激光振荡装置11。该激光振荡装置11具有如下功能，即以20kpps的重复频率出射例如脉宽为1μs或以下的短而强的脉冲激光P。此外，激光振荡装置11能以平行光束状态出射脉冲激光P，通过激光振荡控制部12控制脉冲激光P的出射定时等。即，这些激光振荡装置11以及激光振荡控制部12作为上述照射单元4而工作。
激光振荡控制部12以及上述工作台控制器10由系统控制部13综合控制。
物镜6被配置在激光振荡装置11和晶片2之间，如图2(A)所示，由多枚透镜6a构成。这些多枚透镜6a中的一枚为上述双折射材料透镜5。另外，双折射材料透镜5不限于一枚。
该双折射材料透镜5在与光轴正交的方向(相对于纸面为上下方向)上配置晶轴。由此，物镜6具有以下功能，即利用偏振方向引起的折射率的不同而将脉冲激光P分离为2个(多个)光束P’，同时将这2个光束P’会聚为沿着与晶片2的表面2a正交的方向、即晶片2的厚度方向(深度方向)分为上下的2个光点S。
观察光学系统8如图1所示，具有光源15，其照射线偏光的半导体激光L；第一透镜16，其使从光源15照射的半导体激光L成为平行光；偏振光束分离器17，其与第一透镜16邻接配置；1/4波长板18，其通过光路的往复使透过偏振光束分离器17的半导体激光L的偏振方位旋转90度；分色镜19，其对透过了1/4波长板18的半导体激光L进行反射而使其光轴的方向改变90，并使其入射到物镜6；以及第二透镜21，其将来自物镜6的返回光中、被偏振光束分离器17反射的光会聚在光电二极管20上。
另外，分色镜19反射半导体激光L，同时使除此以外的波长的光，例如由激光振荡装置11照射的脉冲激光P透过。
偏振光束分离器17具有使线偏光中例如作为平行于入射面的振动分量的P分量的线偏光的光透过，同时将作为垂直于入射面的振动分量的S分量的光反射的功能。
系统控制部13基于由光电二极管20接收的摄像数据对工作台控制器10进行反馈控制，使工作台3向Z轴方向移动。即，进行自动对焦。由此，半导体激光L始终被调整为对焦在晶片2的表面2a上。
以下说明通过这样构成的激光加工装置1将晶片2切断为片状的情况。
首先，通过工作台控制器10将工作台3向XY方向方向移动，将晶片2移动到切断开始位置。移动到切断开始位置后，由激光振荡控制部12使激光振荡装置11动作，以平行光束状态出射脉冲激光P。所出射的脉冲激光P在透过了分色镜19之后，入射到物镜6。
入射到物镜6的脉冲激光P如图2(A)所示，通过双折射材料透镜5根据偏振方向而折射，分离为2个光束P’(分离为朝向与晶轴同一方向的偏振分量的光束和与其正交的偏振分量的光束)，同时沿着与晶片2的表面2a正交的方向(光轴方向)会聚为焦点位置排列在从晶片2的表面2a达到背面2b的部分的2个光点S。例如图3所示，在晶片2的内部，沿着光轴方向会聚为例如隔开2μm～500μm的距离的2个光点S。
另外，光点间隔不限于2μm～500μm。优选为2μm～50μm的间隔。
而且，密度高的能量分别集中于各光点S而产生裂缝。这样，每照射1个脉冲的脉冲激光P时，可以在晶片2内部同时产生沿着光轴(厚度方向)上下排列的2个裂缝。由于这2个裂缝而产生向晶片2的深度方向(厚度方向)的应力集中。
此外，与上述脉冲激光P的照射同时，系统控制部13对工作台控制器10传送信号并通过工作台3将晶片2向X方向移动。由此，可以向X方向如点线这样连续地产生上下2个光点S。
依次重复向上述X方向的扫描，在晶片2的所有面积上产生向X方向的裂缝。即，成为形成多条朝向X方向的点线的状态。另外，各裂缝间的间隔例如为10μm，被设定为维持为了将邻接的裂缝彼此连接而所需的最大加工间隔。
在向X方向的激光加工结束之后，由工作台控制器10通过工作台3将晶片2向Y方向移动，与上述同样，依次重复向Y方向的扫描，在晶片2的所有面积进行向Y方向的激光加工。
上述向XY方向的扫描结束后，在晶片2内部维持了最大加工间隔的状态下，成为向XY方向如网眼这样连续地产生裂缝的状态。由此，各裂缝沿着点线连接成格子状。从而，可以将晶片2切断为片状。此外，由于在晶片2的深度方向上同时产生2个裂缝而向深度方向集中应力，所以即使是厚的晶片2也可以容易且可靠地进行切断。
特别是与以往的使用双点透镜的系统不同，由于可在物镜6的整体上会聚光点S，所以可以将NA取得较大。从而，可以减小光点直径，将光束P’会聚在更小的一点，并可以增加锋利度。从而，可以更平滑地切断晶片2，并可以实现切断性的提高。此外，由于使用物镜6的整体来会聚各光点S，因此可以使各光点S的强度相同，并可以尽可能消除加工不均。
进而，在上述激光加工时，光源15进行线偏光的半导体激光L的照射。所照射的半导体激光L通过第一透镜16而成为平行光之后，入射到偏振光束分离器17。然后，成为作为平行于入射面的振动分量的P分量的线偏振的光而入射到1/4波长板18。入射的光透过1/4波长板18而成为圆偏光之后，被分色镜19反射而入射到物镜6。入射到物镜6的光对晶片2的表面2a进行照明。
被晶片2的表面2a反射的光由物镜6会聚之后，被分色镜19反射而入射到1/4波长板18，成为作为垂直于入射面的振动分量的S分量的偏振光。该光由偏振光束分离器17反射后由第二透镜21成像在光电二极管20上。该成像的数据被传送到系统控制部13。系统控制部13基于传送来的数据控制工作台控制器10而将工作台3向Z方向移动，以使半导体激光L的焦点对焦到晶片2的表面2a上。即，自动地进行自动对焦，始终对晶片2的表面2a进行拍摄。
由此，可以将物镜6和晶片2的表面2a之间的距离始终维持为一定距离的同时进行扫描。从而，由于可以将多个光点S会聚在离表面2a相同的位置的同时进行扫描，所以可以进行更高精度的激光加工。此外，也可以一边确认晶片2的表面2a一边进行激光加工。
如上所述，根据本实施方式的激光加工装置1，可以通过双折射材料透镜5在晶片2的厚度(深度)方向上并列地同时产生多个裂缝。从而，即使是有厚度的晶片2，也可以容易且可靠地进行切断。
特别是由于可以将NA取得较大，所以可以将光束P’会聚到更小的一点上。从而，可以减小光点直径而增加锋利度，更平滑地切断晶片2。
另外，在上述第一实施方式中，将双折射材料透镜5的晶轴配置在与光轴正交的方向上，但不限于此，更优选的是如图2(B)所示，可以与光轴平行地设置晶轴。
另外，在上述第一实施方式中，采用以将多枚透镜6中的一枚作为双折射材料透镜5的物镜6作为聚光光学系统，但不限于此。例如图4(A)所示，也可以采用在物镜6的前端插入双折射性的双折射板(光轴方向分离元件)23的聚光光学系统。作为双折射板23，例如使用在与光轴正交的方向(相对于纸面为上下方向)上具有晶轴的结构即可。在该情况下，以非平行光束状态将光入射到双折射板23即可。此外，作为双折射板的材料，例如，可以使用α-BBO、石英、方解石、LiNBO3或YVO4等。
此外，如图4(B)所示，也可以将双折射板23的晶轴构成为与光轴平行。
由于物镜6的射出光束相对于光轴有一定角度(具有NA0.2～0.8等的角度)，因此分离为包含光轴的面分量和与其正交的偏振分量。在两个偏振分量中，光轴横向偏移前进，将2个焦点连接。但是，入射线偏光时，光瞳面上的两偏振分量的分离比率根据光瞳位置而不同，因此成为变形的圆形状。因此，为了使2点的光量比更均等化，可以作为圆偏光而入射。此外，在该情况下，也可通过组合具有与双折射板23的光轴方向同方向的光轴的双折射材料，并在其间加入偏振消除板，进行向更多点的分离。
此外，图4表示在物镜6的前端插入了双折射板23的结构，但不限于此，也可以构成在物镜6的近前插入了双折射板的聚光光学系统。例如，也可以构成为将入射到物镜6的脉冲激光P的聚光光学系统的一部分作为双折射板，使实质的光源位置根据偏振方向而不同。这样，可以在晶片2内部会聚沿着厚度方向分开的多个光点。在该情况下也与上述情况同样，以非平行光束状态入射脉冲激光P即可。
此外，在上述第一实施方式中，构成为将脉冲激光P分离为2个光束P’，同时会聚为向光轴方向上下分开的2个光点，但光点S不限于2个。
例如，也可以将物镜6、图5所示的配置在物镜6的前端侧的双折射性的凹透镜(光轴方向分离元件)25、以及双折射板(光轴方向分离元件)26组合而构成聚光光学系统。这样，可以使光点S成为4个。
此时，凹透镜25的晶轴以及双折射板26的晶轴都配置在与光轴正交的方向上(相对于纸面为左右方向)，同时配置为从光轴方向观看时具有45度的相对角度。在该情况下，通过双折射板26将脉冲激光P入射为非平行光束状态即可。例如，以平行光束状态入射到凹透镜25即可。
在这样构成聚光光学系统的情况下，首先，脉冲激光P入射到凹透镜25时，焦点位置根据偏振方向而分离为2个(分离为朝向与晶轴同一方向的偏振分量的光束和与其正交的偏振分量的光束)。然后，由于从光轴方向观看的双折射板26的晶轴相对于凹透镜25旋转了45度，因此入射到双折射板26的2个光束根据偏振分量，使焦点位置分别进一步分离为2个。换言之，如图6所示，可以会聚为在晶片2的光轴方向上并列4个的光点S。
从而，特别是可以良好地使用有厚度的晶片2，并可以容易且可靠地切断有厚度的晶片2。
此外，上述聚光光学系统采用将一个双折射板和凹透镜组合的结构，但例如图7所示，也可以由光轴方向的分离距离不同(厚度不同的平面板)的2个双折射板(光轴方向分离元件)60、61和物镜6构成聚光光学系统。2个双折射板60、61的晶轴如图8所示，被配置为从光轴方向观看时，具有45度的相对角度。
在该情况下，构成为在物镜6的近前侧加入1/4波长板62，以线偏振或圆偏振状态入射脉冲激光P。
在这样构成聚光光学系统的情况下，通过1/4波长板62以及物镜6的脉冲激光P以45度方位的线偏振或圆偏振方式入射到最初的双折射板60。所入射的脉冲激光P由双折射板60以与正交的偏振分量等光量分离为2个光束P’，然后，入射到第二个(下一个)双折射板61。然后，入射到第二个双折射板61的2个光束P’进一步分别以互相正交的偏振分量分离为2个光束。
其结果，从第二个双折射板61出射4个光束P’。由此，可以在晶片2的光轴方向上以邻接的状态会聚4个光点S。
此外，通过根据入射的脉冲激光P的偏振状态来改变正交的分量比，可以变更4个光点S的强度比。此外，通过改变2个双折射板60、61的互相的晶轴所成的角度，还可以变更4个光点S的强度比。
如上所述，使用2个双折射板60、61将脉冲激光P分离为4个光点S，但如果使用3个双折射板就可以分离为8个光点S，如果使用4个双折射板就可以分离为16个光点S。这样，也可以根据需要来增加双折射板的数量。
此外，在上述第一实施方式中，在与晶片2的表面正交的方向上且位于同一光轴上地上下会聚了2个光点S，但也可以不会聚在同一光轴上。
例如，也可以由物镜6、将邻接的多个光点S的相对的水平方向的位置错开的图9(A)所示的双折射性的双折射板(水平方向分离元件)27、以及与双折射板27邻接配置的凹透镜28构成聚光光学系统。双折射板27具有相对于光轴有45度的倾斜的晶轴，凹透镜28在与光轴正交(相对于纸面为左右方向)的方向上具有晶轴。
在这样构成了聚光光学系统的情况下，首先，脉冲激光P入射到凹透镜28时，焦点位置根据偏振方向而分离为上下2个。然后，光入射到下一个双折射板27，从而将在上下方向上分为2个的焦点位置在水平方向上错开(横向错开)。
从而，如图10所示，可以在晶片2内部以分为上下方向以及左右方向的状态会聚2个光点S。特别是对于2个光点S，在晶片2的扫描方向上产生水平方向横向错开，由此可以在晶片2内根据向扫描方向(切断方向)的应力来产生，因此可以实现切断性的进一步提高。
此外，将双折射板27的晶轴构成为相对于光轴具有45度的倾斜，但不限于该情况，如图9(B)所示，也可以构成为将晶轴相对于光轴倾斜了60度的双折射板27a。在该情况下，可以通过一个双折射板27a同时产生横向错开和深度方向的错开。
此外，在上述聚光光学系统中，采用将一个双折射板27和凹透镜28组合的结构，但例如图11所示，也可以利用作为厚度不同的2个平面板的双折射板(水平方向分离元件)63以及双折射板(光轴方向分离元件)64来构成聚光光学系统。2个双折射板63、64的晶轴如图12所示，与光轴正交(相对于纸面为左右方向)。
在这样构成聚光光学系统的情况下，脉冲激光P由最初的双折射板63分离到水平方向而成为2个光束P’。即，焦点位置分为左右2个。然后，通过第二个双折射板64，两个光束P’分别在垂直方向上错开。即，可以将在左右方向上分为2个的焦点位置在垂直方向上错开(纵向错开)。
从而，与图10同样，在晶片2内部可以以分为上下方向以及左右方向的状态会聚2个光点S。
特别是由于可以倾斜地设置改质层，所以除了高度方向的变形之外也可以加上向切断方向的变形，所以可以缩短扫描方向的扫描时间，也可以改善锋利度。
进而，如图13以及图14所示，也可以将具有与光轴正交(相对于纸面为左右方向)的晶轴的双折射板65、具有相对于光轴倾斜了45度的晶轴的双折射板66配置在45度方位而构成聚光光学系统。在该情况下，如图15所示，在晶片2的内部可以会聚分别在垂直方向以及水平方向上错开的4个光点S。
此外，也可以如图16这样构成聚光光学系统。即，聚光光学系统包括第一透镜组30，其使从激光振荡装置11照射的脉冲激光P的光束大致平行的具有正的屈光力；偏振光束分离器31，其将来自第一透镜组30的光束分离为反射光和透过光；第一凹面镜32以及第二凹面镜33，其将由偏振光束分离器31分离的反射光和透过光分别反射会聚；第一1/4波长板34，其配置在偏振光束分离器31和第一凹面镜32之间；第二1/4波长板35，其配置在偏振光束分离器31和第二凹面镜33之间；以及第二透镜组37，其通过第三1/4波长板36将透过第一1/4波长板34以及第二1/4波长板35并经由偏振光束分离器31的光束会聚在晶片2的内部的具有正的屈光力。
此外，构成为在由第一透镜组30、第二透镜组37以及第一凹面镜32构成的第一光学系统38，和由第一透镜组30、第二透镜组37以及第二凹面镜33构成的第二光学系统39之间，对成像特性赋予差别。即，由第一凹面镜32反射的光束和由第二凹面镜33反射的光束的收敛状态不同。
说明通过这样构成的聚光光学系统在晶片2内部沿着光轴方向会聚2个光点S的情况。
首先，从激光振荡装置11照射的脉冲激光P通过第一透镜组30而成为平行光并入射到偏振光束分离器31。此时，激光振荡装置11照射无偏振的脉冲激光P。
入射到偏振光束分离器31的脉冲激光P中，线偏光中P偏振的光束P’方向改变90度而入射到第一1/4波长板34，在成为圆偏光之后入射到第一凹面镜32。然后，通过第一凹面镜32一边收敛一边被反射。被反射的光束P’再次入射到第一1/4波长板34而成为S偏振的光束。从而，该光束P’透过偏振光束分离器31。并且，在透过之后，由第三1/4波长板36成为圆偏光而入射到第二透镜组37。
另一方面，入射到偏振光束分离器31的脉冲激光P中S偏振的光束P’透过偏振光束分离器31之后，入射到第二1/4波长板35而成为圆偏光，并入射到第二凹面镜33。然后，由第二凹面镜33一边收敛一边被反射。被反射的光束P’再次入射到第二1/4波长板35而成为P偏振的光束P’。从而，该光束P’通过偏振光束分离器31，其光轴的方向改变90度地被反射。被反射后，由第三1/4波长板36成为圆偏光而入射到第二透镜组37。
这样，可以将脉冲激光P分离为2个光束P’而分别入射到第二透镜组37。然后，通过第二透镜组37可以将各个光束P’在晶片2的内部会聚为2个光点S。
此外，在该聚光光学系统中，在由激光振荡装置11对偏振光束分离器31照射了P偏振或S偏振的脉冲激光P的情况下，可以将寻常光入射到第二透镜组37，所以还可以根据状况而分开使用光束。
进而，在上述聚光光学系统中，通过使第一凹面镜32以及第二凹面镜33互相稍微偏芯，在晶片2的内部，会聚除了上下方向的错开之外还向左右方向错开的光点S。
特别是通过利用该聚光光学系统，可以更准确地切断IC或LSI等半导体装置、CCD等摄像装置、液晶面板等显示装置、磁头等装置。
接着，参照图17说明本发明的激光加工装置的第二实施方式。另外，在该第二实施方式中，对于与第一实施方式中的构成要素相同的部分赋予同一标号并省略其说明。
第二实施方式和第一实施方式的不同点在于，在第一实施方式中利用脉冲激光P的偏振的不同将脉冲激光P分离为2个光束P’，同时会聚为2个光点S，但第二实施方式的激光加工装置40利用波长的不同将脉冲激光P会聚为2个光点S。
即，本实施方式的激光加工装置40包括第一激光振荡装置(照射单元)41以及第二激光振荡装置(照射单元)42，其照射波长不同的脉冲激光P；半反镜43，其将从两激光振荡装置41、42照射的脉冲激光P耦合在同一光轴上；色差发生透镜44，其根据波长来变改变两脉冲激光P的焦点位置；以及物镜45，其将脉冲激光P在晶片2的内部会聚为2个焦点位置排列在与表面正交的光轴方向上的2个光点S。
另外，色差发生透镜44以及物镜45构成聚光光学系统46。
在这样构成的激光加工装置40中，由第一激光振荡装置41照射的脉冲激光P透过半反镜43而入射到色差发生透镜44。此外，由第二激光振荡装置42照射的脉冲激光P由半反镜43反射而入射到色差发生透镜44。然后，入射到色差发生透镜44的各个脉冲激光P以焦点位置根据波长而不同的方式出射，同时由物镜45在晶片2内部会聚为在深度方向(厚度方向)上分开的2个光点S。
这样，可以利用脉冲激光P的波长不同而容易地产生2个光点S。
另外，在本实施方式中为2个光点S，但通过照射波长不同的多个脉冲激光P而可以产生希望数目的多个光点S。
另外，在第二实施方式中，构成为通过第一激光振荡装置41以及第二激光振荡装置42分别照射波长不同的脉冲激光P，但如图18所示，也可以利用可以任意地选择波长、并且可以同时照射多个所选择的波长的可调谐激光振荡装置(照射单元)47。这样，可以使结构更简单。
另外，在上述各实施方式中，在晶片2的内部向厚度方向会聚了多个光点S，但不仅是会聚到内部，也可以会聚到表面以及背面。此外，通过将工作台3向XY方向移动，可以将多个光点S相对于晶片2相对移动，但也可以通过构成为将照射单元4等向XY方向移动，使多个光点S相对于晶片2相对移动。
接着，参照图19至图24说明本发明的激光加工装置的第三实施方式。另外，本实施方式的激光加工装置101作为通过激光加工将形成为圆形的晶片(被加工对象物)102精细地切断为片状的装置而进行说明。
如图19所示，该激光加工装置101包括工作台103，其将晶片102载置于相对于水平面平行地配置的载置面103a上；照射单元104，其向晶片102的表面102a或内部出射脉冲激光P；衍射光栅(激光分离元件、角度分离元件)105，其将脉冲激光P分离为多个光束P’；聚光透镜(聚光光学系统)106，其在晶片102的内部将多个光束P’会聚为多个光点S；以及移动单元107，其将多个光点S相对于晶片102向水平方向相对移动。
另外，通过衍射光栅105和聚光透镜106构成为将脉冲激光P分离为多个高速P’，同时在晶片102的表面102a或内部会聚为多个光点S的光学系统。
工作台103被构成为可向平行于水平面的XY方向移动。通过该工作台103的移动，如上所述，可以使多个光点S相对于晶片102向水平方向相对移动。此外，工作台103被工作台控制器110控制向XY方向的移动。即，这些工作台103以及工作台控制器110作为上述移动单元107而工作。
在晶片102的上方配置有垂直地对晶片102的表面102a照射脉冲激光P的激光振荡装置111。该激光振荡装置111具有如下功能，即以某一限定的重复频率出射例如脉宽为1μs或以下的短而强的脉冲激光P。此外，激光振荡装置111构成为以平行光束状态出射脉冲激光P。该激光振荡装置111由激光振荡控制部112控制脉冲激光P的出射定时等。即，这些激光振荡装置111以及激光振荡控制部112作为上述照射单元104而工作。
此外，激光振荡控制部112以及工作台控制器110由系统控制部113综合控制。
如图20所示，衍射光栅105是将从激光振荡装置111出射的脉冲激光P分离为角度不同的多个光束P’的透过型的衍射光栅，被配置在晶片102和激光振荡装置111之间，以使分离面105a与上述聚光透镜106的光瞳位置大致一致。此外，该衍射光栅105如CGH(Computer GeneratedHologram，计算机生成综合衍射图)这样，能够控制与衍射次数对应的衍射效率而使各光束P’的分离光量比大致相同。进而，衍射光栅105将脉冲激光P分离为多个光束P’时，(相对于纸面为左右方向)进行分离以使其在平面上(线状)扩展。
此外，如图21所示，衍射光栅105可通过旋转机构(旋转单元)114围绕与晶片102的表面正交的Z轴旋转。
聚光透镜106配置在衍射光栅105和晶片102之间，如图20和图22所示，具有将由衍射光栅105分离为在平面上扩展的多个光束P’会聚，以便向水平方向直线状地排列多个光点S的功能。另外，在本实施方式中，将光点S数设为5个来进行说明。
以下说明通过这样构成的激光加工装置101将晶片102切断为片状的情况。另外，作为初始状态，如图21(A)所示，由旋转机构114设定衍射光栅105的朝向，使得光点S向晶片102的X方向排列。
首先，由工作台控制器110将工作台103向XY方向移动，如图23所示，将晶片102移动到切断开始位置。移动到切断开始位置后，由激光振荡控制部112使激光振荡装置111动作，以平行光束状态出射脉冲激光P。如图20所示，所出射的脉冲激光P入射到衍射光栅105后，分离为多个光束P’、即5个光束P’(-2次光、-1次光、0次光、1次光以及2次光)。此时，如上所述，各光束P’的分离光量比大致与上述相同。
这些各光束P’入射到聚光透镜106而在晶片102的内部会聚为多个光点S。换言之，如图22所示，以向晶片102的X方向直线状地排列5个光点S的状态聚光。然后，密度高的能量分别集中在各光点S处而产生裂缝。这样，每照射1个脉冲的脉冲激光P时，可以在晶片102内部同时产生直线状排列的5个裂缝。特别是由于衍射光栅105的分离面105a配置在聚光透镜106的光瞳位置，所以可以确保会聚在各光点S上的光束P’的远心性，并可以得到加工的均匀性。
此外，与上述脉冲激光P的照射同时，系统控制单元113对工作台控制器110传送信号，并通过工作台103将晶片102如图21所示向X方向移动。即，向光点S的分离方向移动工作台103。由此，可以向移动方向(扫描方向)不断地同时产生5个裂缝。从而，即使将工作台103以比以往的移动速度例如快5倍的速度移动，也可以在维持各裂缝间的最大加工间隔的状态下如点线这样向移动方向连续产生裂缝。另外，该排列为点线状的裂缝成为以后切断晶片102时的引导线。
然后，如图23所示，依次重复向X方向的扫描，并在晶片102的所有面积上产生向X方向的裂缝。即，达到形成多条向X方向的点线的状态。这里，如上所述，可以在维持了各裂缝间的最大加工间隔的状态下，将工作台2以比以往快5倍的速度移动，所以可以缩短激光加工所耗的时间。
向X方向的激光加工结束后，如图21(B)所示，由旋转机构114将衍射光栅105围绕Z轴旋转90度，并将多个光点S在晶片102的Y方向上直线状地排列。使多个光点S旋转之后，由工作台控制器110通过工作台103将晶片102向Y方向移动，与上述同样，依次重复向Y方向的扫描，并在晶片102的所有面积上进行向Y方向的激光加工。该向Y方向的扫描也同样，可以在维持了各裂缝间的最大加工间隔的状态下，将工作台2以比以往快5倍的速度移动，所以可以缩短激光加工所耗的时间。
上述向XY方向的扫描结束后，在晶片102内部维持了最大加工间隔的状态下，成为向XY方向如网眼这样连续地产生裂缝的状态。这里，通过对晶片102施加稍许的外力，可以将晶片102沿着点线状排列的裂缝切断，可以得到片状的晶片102。
如上所述，根据本实施方式的激光加工装置101，在不改变脉冲激光P的重复频率的情况下，可以以维持各裂缝间的最大加工间隔的状态，以比以往快5倍的速度将工作台2向XY方向移动，所以可以缩短激光加工所消耗的时间，并可以实现生产能力的提高。此外，通过由旋转机构114旋转衍射光栅105，可以容易且平滑地进行多个光点S的方向转换，所以与工作台103的移动组合而容易更高速地进行激光加工。
此外，可以通过衍射光栅105将脉冲激光P可靠地分离为希望的多个光束P’。进而，由于分离面105a配置在聚光透镜106的光瞳位置，所以可以确保向各光点S的聚光光束的远心性，并可以确保激光加工时的均匀性。另外，在不一定将分离面105a置于聚光透镜106的光瞳位置的情况下也有效果。
另外，在上述第三实施方式中，说明了光点S为5个，但不限于此，如果是多个也没关系。此外，工作台103的移动速度可以与光点S的数量成正比地提高。例如，在构成为会聚n个光点S的情况下，可以使工作台103比以往的速度快n倍。
此外，向光点S的分离方向移动了工作台103，但不限于此，如图24所示，也可以将工作台103向与光点S的分离方向大致正交的方向移动。在该情况下，即使工作台103的速度保持以往状态，也可以在多行同时形成光点S，可以实现扫描次数的减少。从而，可以缩短激光加工所消耗的时间，并可以实现生产能力的提高。
此外，在将工作台2的移动方向从X方向切换到Y方向时，旋转了衍射光栅105，但并非一定是该方法，例如，也可以通过将晶片102旋转90度而使光点S的分离方向和扫描方向一致。
进而，在第三实施方式中，构成为直线状地排列光点S，但不限于此，例如也可以构成为通过衍射光栅105将脉冲激光P分离为多个光束P’而使其在正交的2平面上扩展，然后，由聚光透镜106在晶片102的内部会聚为二维、即XY方向上排列的多个光点S(X方向上n个，Y方向上m个光点)。
在该情况下，可以一边将各裂缝间的加工间隔限制在最大加工间隔内，一边将工作台103向X方向比以往速度快n倍地移动，同时可以将扫描次数减少为1/m，因此可以实现进一步的生产能力的提高。
接着，参照图25说明本发明的激光加工装置的第四实施方式。另外，在该第四实施方式中，对与第三实施方式中的结构要素相同的部分赋予同一标号并省略其说明。
第四实施方式和第三实施方式的不同之处在于，在第三实施方式中，采用将衍射光栅105的分离面105a配置在聚光透镜106的光瞳位置的结构，但在第四实施方式中，将衍射光栅105的分离面105a配置在与聚光透镜106的光瞳位置光学共轭的位置。
即，如图25所示，本实施方式的激光加工装置在衍射光栅105和聚光透镜106之间配置有第一中继镜120以及第二中继镜121。衍射光栅105通过经由这两个中继镜120、121，将分离面105a配置在与聚光透镜106的光瞳位置共轭的位置。
通过这样构成，在聚光透镜106的光瞳位置位于透镜内部的情况，或在光瞳位置不能直接配置衍射光栅105的情况下，都可以进行应对，所以可以提高设计的自由度。
接着，参照图26以及图27说明本发明的激光加工装置的第五实施方式。另外，在该第五实施方式中，对与第三实施方式中的结构要素相同的部分标以同一标号并省略其说明。
第五实施方式和第三实施方式的不同之处在于，在第三实施方式中，利用作为激光分离元件的衍射光栅105将脉冲激光P分离为多个光束P’，但在第五实施方式中，使用诺玛斯基棱镜125作为激光分离元件(角度分离元件)。
诺玛斯基棱镜125将石英等具有双折射性的晶体的晶轴组合而构成，例如，设计为使激光振荡装置111侧的晶轴为与光轴正交方向(相对于纸面为垂直方向)，聚光透镜106侧的晶轴相对于光轴具有45度的倾斜。
此外，诺玛斯基棱镜125的局限面(分离面)125a被构成为与位于聚光透镜106内部的光瞳位置一致。
另外，本实施方式的激光加工装置被构成为向诺玛斯基棱镜125入射无偏振的脉冲激光P，或入射利用未图示的1/4波长板而成为圆偏振的脉冲激光P。即，在预先采用了照射线偏振状态的脉冲激光P的激光振荡装置111的情况下，利用1/4波长板变换为圆偏振即可。这样，激光振荡装置111只要能够与偏振状态无关地照射脉冲激光P即可。
通过这样构成的激光加工装置将脉冲激光P分离为两个(多个)光束P’的情况下，首先从激光振荡装置111出射的脉冲激光P以无偏振或圆偏振状态入射到诺玛斯基棱镜125。入射的脉冲激光P分为互相正交的两个线偏光而折射，并分离为两个光束P’。所分离的光束P’由聚光透镜106在晶片102的内部会聚为2个光点S。此时，由于局限面125a与聚光透镜106的光瞳位置一致，所以可进行良好的光束分离。此外，脉冲激光P以无偏振或圆偏振状态入射到诺玛斯基棱镜125，所以分离比均等，可以使2个光点上的光量比相等。
这样，不使用特别的光学系统，可以利用诺玛斯基棱镜125将脉冲激光P容易地分离为2个光束P’。
这里，例如图27所示，在构成了诺玛斯基棱镜125的情况下，即将在与光轴正交的方向(相对于纸面为垂直方向)上具有晶轴的第一石英125b和在相对于光轴为45度的方向上具有晶轴的第二石英125c接合而使其顶角分别为16°20′的情况下，将脉冲激光P入射到离接合面125d的距离为3mm的位置时，可以在离第二石英125c为15mm的位置得到以4mrad的角度分离的2个光束P’。然后，在对该诺玛斯基棱镜125组合使用焦点距离1.8mm的聚光透镜(100X物镜)106的情况下，可以得到成为7.2μm(1.8mm×4mrad)间隔的两个光点S。
另外，也可以在诺玛斯基棱镜125和聚光透镜106之间配置1/4波长板。通过这样，可以将2个光束P’以圆偏振状态入射到聚光透镜106，并可以使各光点S的偏振分量均匀。从而，可以尽可能消除偏振分量的不同引起的加工性影响。
接着，参照图28说明本发明的激光加工装置的第六实施方式。另外，在该第六实施方式中，对与第三实施方式中的结构要素相同的部分赋予同一标号并省略其说明。
第六实施方式和第三实施方式的不同之处在于，在第三实施方式中，利用作为激光分离元件的衍射光栅105将脉冲激光P分离为多个光束P’，但在第六实施方式中，利用镜面棱镜(激光分离元件、角度分离元件)127将脉冲激光P分离为2个(多个)光束P’。
即，如图28所示，在激光振荡装置111和聚光透镜106之间，在脉冲激光P的光轴上配置有半反镜128。该半反镜128具有使脉冲激光P透过50％，同时反射50％的功能。此外，由半反镜128反射的脉冲激光P由反射镜129向聚光透镜106的光瞳位置反射。换言之，脉冲激光P由半反镜128以及反射镜129分离为2个光束P’。这些半反镜128以及反射镜129作为上述镜面棱镜127而工作。
根据本实施方式的激光加工装置，可以不使用特别的光学系统而利用镜面棱镜127容易地将脉冲激光P分支为2个光束P’。
另外，虽然将脉冲激光P分离为2个光束P’，但通过半反镜128以及反射镜129的组合，也可以分离为2个或以上的光束P’。
此外，在该方法中，可以产生比衍射光栅、诺玛斯基棱镜大的角度分离。特别是成为与工作台102的移动方向成直角地分离光点S，而适于同时加工2条或以上的行的方法。
接着，参照图29说明本发明的激光加工装置的第七实施方式。另外，在该第七实施方式中，对与第三实施方式中的结构要素相同的部分赋予同一标号并省略其说明。
第七实施方式和第三实施方式的不同之处在于，在第三实施方式中，利用作为激光分离元件的衍射光栅105将脉冲激光P分离为多个光束P’，但在第七实施方式中，使用偏振光束分离器(激光分离元件、角度分离元件)130将脉冲激光P分离为2个(多个)光束P’。
即，偏振光束分离器(PBSPolarized Beam Splitter)130如图29所示，配置在激光振荡装置111和聚光透镜106之间，根据偏振而将入射的脉冲激光P分离为2个光束P’。换言之，偏振光束分离器130有如下功能，即使具有作为平行于入射面的振动分量的P分量的线偏振的光束P’(p)透过，同时将具有作为垂直于入射面的振动分量的S分量的线偏振的光束P’(s)反射，由此将脉冲激光P分离为2个光束P’。
此外，在偏振光束分离器130的一侧配置第一1/4波长板131，与第一1/4波长板131邻接地配置有第一反射镜132。该第一反射镜132对由偏振光束分离器130反射来的光束P’(s)略微改变光轴的角度后进行反射。
此外，在偏振光束分离器130的另一侧也同样配置第二1/4波长板133以及第二反射镜134。该第二反射镜134对由第一反射镜31反射来的光束略微改变光轴的角度后进行反射。
说明由这样构成的激光加工装置将脉冲激光P分离为2个光束P’的情况。由激光振荡装置111出射的脉冲激光P以平行光束状态入射到偏振光束分离器130。入射的脉冲激光P中、P分量的线偏振的光束P’(p)透过偏振光束分离器130而入射到聚光透镜106。
另一方面，入射的脉冲激光P中、S分量的线偏振的光束P’(s)由偏振光束分离器130的反射面反射，将光轴方向改变90度后入射到第一1/4波长板131。入射的光束P’(s)通过第一1/4波长板131成为圆偏光而入射到第一反射镜132。然后，由第一反射镜132反射而再次入射到第一1/4波长板131。此时，圆偏光通过第一1/4波长板131成为相对于原来的S分量的偏振旋转90度的P分量的线偏光。此外，光束P’的光轴以略微变更了角度的状态被反射。
再次返回到偏振光束分离器130的光成为P分量的光，因此通过偏振光束分离器130并入射到第二1/4波长板133。然后，入射的光束P’(p)通过第二1/4波长板133成为圆偏光而入射到第二反射镜134，同时以略微变更了光轴的角度的状态被反射。被反射后，圆偏光再次通过第二1/4波长板133成为相对于原来的P分量旋转90度的S分量的线偏光，并入射到偏振光束分离器130。
入射到偏振光束分离器130的光束P’(s)由于是S分量，因此由偏振光束分离器130的反射面反射，光轴的方向改变90度后入射到聚光透镜106。换言之，原来通过偏振光束分离器130的P分量的光束P和由左右的反射镜132、134进行了2次反射的S分量的光束的2个光束P’入射到聚光透镜106。
此外，通过调整左右的反射镜132、134的倾斜，可以相对于P分量的光束任意地调整S分量的光束的角度。通过这2个角度不同的光束，可以将2个光点S会聚在晶片102的内部。
这样，不使用特别的光学系统而将偏振光束分离器130、两个1/4波长板131、133以及两个反射镜132、134进行组合，从而可以容易地将脉冲激光P分离为具有2个任意的角度的光束P’。
另外，在本实施方式中，也可以在偏振光束分离器130和聚光透镜106之间配置1/4波长板。通过这样，可以以圆偏振状态对聚光透镜106入射2个光束P’，并可以使各光点S的偏振分量均匀。从而，可以尽可能减小偏振分量的不同对加工性的影响。
此外，该方法中，在平行于纸面的面中倾斜了反射镜132、134，但也可以在垂直于纸面的面内进行倾斜。因此，对于通过偏振光束分离器130的P分量的偏振光，可以赋予XY两方向上的倾斜，如图所示，不仅与纸面平行，在垂直或其组合方向上也可以进行光点S的分离。
接着，参照图30说明本发明的激光加工装置的第八实施方式。另外，在该第八实施方式中，对与第一实施方式中的结构要素相同的部分赋予同一标号并省略其说明。
第八实施方式和第三实施方式的不同之处在于，在第三实施方式中，通过衍射光栅105将脉冲激光P分离为角度不同的多个光束，但在第八实施方式中，使用具有双折射性的石英等双折射性晶体(平行移动分离元件、双折射光学元件)140作为激光分离元件，将脉冲激光P相对于光轴平行移动地分离为多个，从而成为2个(多个)光束P’。
即，如图30所示，在激光振荡装置111和聚光透镜106之间配置有双折射性晶体140。该双折射性晶体140被配置在聚焦光学系统141、即第一凸透镜142以及第二凸透镜143之间。由此，脉冲激光P以非平行光束状态入射到双折射性晶体140。
说明由这样构成的激光加工装置将脉冲激光P分离为2个光束P’的情况。首先，由激光振荡装置111出射的脉冲激光P通过第一凸透镜142而成为聚焦光，以非平行光束状态入射到双折射性晶体140。入射到双折射性晶体140的脉冲激光P根据偏振方向而折射，光轴平行移动地分离为2个光束P’。然后，这些各光束P’通过第二凸透镜143而再次成为平行光束状态并入射到聚光透镜106。由此，可以在晶片102内部会聚多个光点S。
另外，在本实施方式中，采用双折射性晶体140作为激光分离元件，但也可以采用镜面棱镜。
这里，在例如使用了10mm厚度的方解石作为双折射性晶体140的情况下，可以在将光轴平行移动了约1mm的状态下将光束分离为2个。在该情况下，在进行组合倍率100X(100倍)的聚光光学系统(由物镜106和凸透镜143构成)缩小投影时，成为10μm间隔的光点S。
此外，在本实施方式中，采用将双折射性晶体140配置在像侧会聚位置的结构，但如图31所示，也可以配置在从会聚位置偏移的位置。
进而如图32所示，也可以将双折射性晶体140级联连接而将脉冲激光P进行2n分离为多个光束P’。即，隔着1/4波长板144配置厚度不同的双折射性晶体140。通过这样，首先由最初的双折射性晶体140将脉冲激光P分离为S分量的线偏振的光束P’(s)和P分量的线偏振的光束P’(p)。然后，由1/4波长板144使其成为圆偏振，并可以将其由下一个双折射性晶体140分离为分别具有S分量以及P分量的线偏振的光束P’(p)(s)。
这样，通过将双折射性晶体140级联连接，可以容易地将脉冲激光P分离为希望的数量的光束。
此外，在上述各实施方式中，示出了将光点S分离为多个的例子，但在完全相同的结构下，通过减小光点S的分离量，如图33所示，可以由接近的多个光点S对一处进行加工。
若是1个光点S，则仅能进行具有各向同性的加工，但如果利用接近的多个光点S，则根据将光点S错开的方向和错开量而使加工点具有各向异性。可以通过该各向异性而有意地使晶片102内产生的变形或裂缝具有方向性，优化相邻的加工点间的连接，其结果，具有容易地进行晶片102的分断(切断)的效果。
此外，在上述各实施方式中，将光点S会聚在晶片102的内部，但也可以构成为会聚在晶片102的表面102a上。根据晶片102的厚度适当选择即可。
此外，通过将工作台103在XY方向上移动，使多个光点S相对于晶片102相对移动，但也可以通过构成为将照射单元104、衍射光栅105等激光分离元件以及聚光透镜在XY方向上移动，从而使多个光点S相对于晶片102相对移动。
此外，通过旋转衍射光栅105来旋转多个光点S，但也可以构成为可旋转工作台103。
进而，本发明也包含以下。
本发明的激光加工装置中，所述激光分离元件在将所述脉冲激光向水平方向分离为多个光束之后，将多个光束的焦点位置分别在光轴方向上相对错开，所述聚光光学系统将所述多个光束在所述被加工对象物的表面或内部会聚为在水平方向以及与水平方向正交的方向上排列的多个光点。
在该激光加工装置中，由于可以会聚多个光点而使其排列在被加工对象物的水平方向以及深度方向(厚度方向)上，所以即使是有厚度的被加工对象也可以容易地切断。
以上，说明了本发明的优选实施方式，但本发明不限定于上述实施方式。在不脱离本发明的宗旨的范围内，可以进行结构的附加、省略、置换及其它变更。本发明不被所述说明所限定，仅由附加的权利要求的范围来限定。
产业上的可利用性本发明涉及激光加工装置，该激光加工装置包括工作台，其载置被加工对象物；照射单元，其向所述被加工对象物的表面出射激光；光学系统，其将所述激光分离为多个光束，同时在所述被加工对象物的表面或内部会聚为多个光点；以及移动单元，其使所述多个光点相对于所述被加工对象物向水平方向相对移动。
根据本发明的激光加工装置，可以增加锋利度而实现切断性的提高，同时可以容易地切断有厚度的试样。此外，可以不改变激光的重复频率以及裂缝间的最大加工间隔就可以高速地进行激光加工，同时实现生产能力的提高。
权利要求
1.一种激光加工装置，该激光加工装置包括工作台，其载置被加工对象物；照射单元，其向所述被加工对象物的表面出射激光；光学系统，其将所述激光分离为多个光束，同时在所述被加工对象物的表面或内部会聚为多个光点；以及移动单元，其使所述多个光点相对于所述被加工对象物向水平方向相对移动。
2.如权利要求1所述的激光加工装置，其中，所述光学系统是具有双折射性的光轴方向分离元件的聚光光学系统，其中，该双折射性的光轴方向分离元件将所述激光分离为多个光束，同时沿着与所述被加工对象物的表面正交的方向并列地会聚所述多个光点。
3.如权利要求2所述的激光加工装置，其中，所述聚光光学系统具有双折射性的水平方向分离元件，该双折射性的水平方向分离元件使邻接的所述多个光点的相对的水平方向的位置错开。
4.如权利要求2所述的激光加工装置，其中，该激光加工装置包括对所述被加工对象物的表面进行观察的观察光学系统，所述移动单元可以使所述多个光点相对于所述被加工对象物向与所述表面正交的方向相对移动，在该移动时，基于由所述观察光学系统观察到的数据对所述被加工对象物的表面的对焦进行自动调整。
5.如权利要求1所述的激光加工装置，其中，所述激光为脉冲激光，所述光学系统包括将所述激光分离为多个光束的激光分离元件；以及聚光光学系统，其使所述多个光束在所述被加工对象物的表面或内部会聚为沿水平方向排列的多个光点。
6.如权利要求5所述的激光加工装置，其中，所述激光分离元件使所述激光分离而使其在平面上扩展，所述聚光光学系统将所述多个光点会聚为向水平方向排列成直线状。
7.如权利要求5所述的激光加工装置，其中，所述激光分离元件使所述激光分离而使其在互相正交的平面上扩展，所述聚光光学系统将所述多个光点会聚为相对于水平面排列成二维状。
8.如权利要求5所述的激光加工装置，其中，该激光加工装置包括旋转单元，该旋转单元使所述多个光点绕着与所述被加工对象物的表面正交的轴旋转。
9.如权利要求5所述的激光加工装置，其中，所述激光以平行光束状态入射到所述激光分离元件，所述激光分离元件是使所述激光分离为角度不同的多个光束而成为所述多个光束的角度分离元件。
10.如权利要求5所述的激光加工装置，其中，所述角度分离元件是衍射光栅，其分离面被配置在所述聚光光学系统的光瞳位置或与光瞳位置光学共轭的位置。
11.如权利要求5所述的激光加工装置，其中，所述角度分离元件是诺玛斯基棱镜，局限面被配置在所述聚光光学系统的光瞳位置或与光瞳位置光学共轭的位置。
12.如权利要求5所述的激光加工装置，其中，所述角度分离元件由镜面棱镜构成。
13.如权利要求5所述的激光加工装置，其中，所述激光以非平行光束状态入射到所述激光分离元件，所述激光分离元件是使所述激光相对于光轴平行移动地分离为多个而成为所述多个光束的平行移动分离元件。
14.如权利要求13所述的激光加工装置，其中，所述平行移动分离元件是具有双折射性的双折射光学元件。
15.如权利要求13所述的激光加工装置，其中，所述平行移动分离元件由镜面棱镜构成。
全文摘要
本发明提供一种激光加工装置，该激光加工装置(1、40、101)包括工作台(3、300)，其载置被加工对象物(2、102)；照射单元(4、104)，其向被加工对象物的表面出射激光(P)；光学系统(6)，其将激光(P)分离为多个光束(P’)，同时在被加工对象物(4、104)的表面或内部会聚为多个光点(S)；以及移动单元(7、107)，其使多个光点(S)相对于被加工对象物(2、102)向水平方向相对移动。
文档编号B28D5/00GK1925945SQ20058000667
公开日2007年3月7日 申请日期2005年3月2日 优先权日2004年3月5日
发明者森田晃正, 高桥进 申请人:奥林巴斯株式会社