激光加工装置的制作方法

专利名称：激光加工装置的制作方法
技术领域：
本发明有关将加工对象物沿着切断预定线切断，而使用的激光加 工装置。
背景技术：
作为以往的激光加工装置，已知有例如专利文件1所记载的激光 加工装置。此激光加工装置中，利用聚光用透镜，使第1激光(加工
用激光)与第2激光(测距用激光)聚光，同时利用聚光点位置控制 单元，检测出在加工对象物的激光反射面被反射的第2激光的反射光， 来控制第1激光的聚光点的位置。由此，可以使第1激光的聚光点位 于从激光照射面起算的规定距离，而在加工对象物内部的所希望位置 形成改质区域。
专利文件l:日本专利特开2004-188422号公报

发明内容
然而在上述激光加工装置中，为了使沿着切断预定线的加工对象 物的切断质量更加提升，希望在加工对象物内部的所希望位置，以更 好的精确度形成作为切断起点的改质区域。
因此本发明有鉴于上述情况而完成，其目的为提供一种激光加工 装置，其可在加工对象物内部的所希望位置以高精确度形成作为切断 起点的改质区域。
为了达成上述目的，本发明的激光加工装置，在板状的加工对象 物的内部对准聚光点并照射第1激光，而在上述加工对象物内部形成
作为切断的起点的改质区域，其特征在于，具备聚光用透镜，使上 述第1激光、和用于在照射有上述第1激光的上述加工对象物的激光 照射面上进行反射的第2激光，向着上述加工对象物聚光；驱动单元， 使上述聚光用透镜沿着其光轴方向动作；非点像差附加单元，对由上述激光照射面反射的上述第2激光的反射光附加非点像差；光检测元 件，对附加了非点像差的上述第2激光的反射光进行分割受光，输出 与被分割受光的上述第2激光的反射光的各个光量相对应的输出值；
控制单元，对上述驱动单元进行控制，以使上述第1激光的聚光点位
于距上述激光照射面规定距离，上述第2激光利用上述聚光用透镜向 上述加工对象物聚光，以使其聚光点位于上述聚光用透镜的焦点和上 述聚光用透镜之间；上述控制单元，根据对由前述光检测元件输出的 上述输出值实施基于上述输出值的总和的除算及规定运算而取得的运 算值，对上述驱动单元进行控制。
在此激光加工装置中，利用聚光用透镜向着加工对象物被聚光的 第2激光的聚光点，位于聚光用透镜的焦点与聚光用透镜之间，故在 聚光用透镜的光轴方向，有关激光照射面位置的位置信息的可取得区 域，以聚光用透镜的焦点为基准，向聚光用透镜侧移动。这是因为位 置信息是利用第2激光的反射光的聚光像变化，故其可取得区域在聚 光用透镜的光轴方向上，存在于以第2激光的聚光点为中心的对称区 域中。由此，在照射第1激光的同时也照射第2激光的情况下，在将 聚光用透镜的焦点对准加工对象物内部的状态下，即，使激光照射面 比聚光用焦点更靠近聚光用透镜的状态下，照射第1及第2激光，故 可在实质上加宽位置信息的可取得区域。从而即使在从激光照射面起 算更深的位置形成改质区域时，可高精确度地取得激光照射面的位置 信息，从而可在加工对象物内部的所希望位置以高精确度形成改质区 域。
另外，因为利用聚光用透镜向着加工对象物被聚光的第2激光的 聚光点，位于聚光用透镜的焦点与聚光用透镜之间，故聚光用透镜的 焦点位置中，第2激光的聚光像的面积会变大。由此，在照射第l激 光之前，使聚光用透镜的焦点位置在对准激光照射面的状态下，并照 射第2激光时，即使激光照射面是例如切削痕迹较多的背研磨面，也 因为切削痕迹占聚光像的比例较小，而可抑制激光照射面中的切削痕 迹造成第2激光的反射光散乱的不良影响。从而可用高精确度取得激 光照射面的位置信息，而可在加工对象物内部的所希望位置以高精确 度形成改质区域。
另外，由于在运算值中，施加基于由多个光检测元件所输出的输 出值总和的除算，故运算值成为相对于所受光的总光量的相对值。由 此，即使例如受到在加工对象物表面上形成的膜厚影响，使在激光照 射面被反射的第2激光的光亮起变化，而改变光检测元件所输出的输 出值，也可防止运算值变动，而可在加工对象物内部的所希望位置上 以高精确度形成改质区域。
在此，利用控制单元对驱动单元进行控制，以使运算值成为一定 值，则可使作为切断起点的改质区域位于从激光照射面起算的一定距 离。
另外，本发明的激光加工装置，利用聚光用透镜在板状的加工对 象物的内部对准聚光点并照射第1激光，而在上述加工对象物内部， 沿着上述加工对象物的切断预定线形成作为切断的起点的改质区域， 其特征在于利用上述聚光用透镜，使上述第1激光聚光在上述加工 对象物内部，同时，使上述聚光用透镜相对于上述加工对象物沿着上 述切断预定线进行相对移动；与此相应，使用于在照射有上述第1激 光的上述加工对象物的激光照射面上进行反射的第2激光，利用上述 聚光用透镜向上述加工对象物聚光，以使其聚光点位于上述聚光用透 镜的焦点和上述聚光用透镜之间；对由上述激光照射面反射的上述第2 激光的反射光附加非点像差；对附加了非点像差的上述第2激光的反 射光进行分割受光，输出与被分割受光的上述第2激光的反射光的各 个光量相对应的输出值；根据对所输出的上述输出值实施基于上述输 出值的总和的除算及规定运算而取得运算值，而使上述聚光用透镜沿 着其光轴方向动作，以使上述第1激光的聚光点位于距上述激光照射 面规定距离。
根据该激光加工装置，因为在照射第1激光同时照射第2激光， 而可发挥上述作用效果，即，实质上可加宽位置信息的可取得区域。 而且，在运算值中，施加基于由多个光检测元件输出的输出值总和的 除算，故可防止运算值变动而发挥上述作用效果。利用于上所述，则 可在加工对象物内部的所希望位置上以高精确度形成改质区域。
另外，本发明的激光加工装置，利用聚光用透镜在板状的加工对 象物的内部对准聚光点并照射第1激光，而在上述加工对象物内部，
沿着上述加工对象物的切断预定线形成作为切断的起点的改质区域， 其特征在于使用于在照射有上述第1激光的上述加工对象物的激光 照射面上进行反射的第2激光，利用上述聚光用透镜向上述加工对象 物聚光，同时，使上述聚光用透镜相对于上述加工对象物沿着上述切 断预定线进行相对移动，以使其聚光点位于上述聚光用透镜的焦点和 上述聚光用透镜之间；与此相应，对由上述激光照射面反射的上述第2 激光的反射光附加非点像差；对附加了非点像差的上述反射光进行分 割受光，输出与被分割受光的上述第2激光的反射光的各个光量相对 应的输出值；根据对所输出的上述输出值实施基于上述输出值的总和 的除算及规定运算而取得运算值，使上述聚光用透镜沿着其光轴方向 动作，以使上述第1激光的聚光点位于距上述激光照射面规定距离， 在预先取得有关上述聚光用透镜的动作的动作信息后；利用上述聚光 用透镜使上述第1激光聚光在上述加工对象物内部，同时，使上述聚 光用透镜相对于上述加工对象物沿着上述切断预定线进行相对移动； 与此相应，根据预先所取得的上述动作信息，使上述聚光用透镜动作。
根据此激光加工装置，因为在照射第1激光之前，使得激光的聚 光像面积变大而照射第2激光，故可抑制激光照射面中的切削痕迹造 成第2激光的反射光散乱的不良影响，而发挥上述作用效果。在运算 值中，施加基于多个光检测元件所输出的输出值总和的除算，故可防 止运算值变动而发挥上述作用效果。利用于上所述，则可在加工对象 物内部的所希望位置以高精确度形成改质区域。
发明效果
根据本发明，可在加工对象物内部的所希望位置上以高精确度形 成改质区域。


图1是基于本实施方式的激光加工装置的激光加工中的加工对象 物的平面图。
图2是沿着图i所示的加工对象物的n-n线的断面图。
图3是基于本实施方式的激光加工装置的激光加工后的加工对象 物的平面图。
图4是沿着图3所示的加工对象物的IV-IV线的断面图。
图5是沿着图3所示的加工对象物的V-V线的断面图。
图6是本实施方式中激光加工装置所切断的加工对象物的平面图。
图7是本实施方式的激光加工装置中，表示电场强度与破裂点大
小的关系的图表。
图8是本实施方式中激光加工装置的第1工序的加工对象物的断面图。
图9是本实施方式中激光加工装置的第2工序的加工对象物的断面图。
图10是本实施方式中激光加工装置的第3工序的加工对象物的断 面图。
图11是本实施方式中激光加工装置的第4工序的加工对象物的断 面图。
图12是本实施方式中激光加工装置所切断的硅晶圆，表示其一部 分的断面照片的图。
图13是本实施方式的激光加工装置中，表示激光波长与硅基板内 部的透过率的关系的图表。
图14是本实施方式的激光加工装置的概略构造图。
图15是有关图14所示的激光加工装置中加工用激光及测距用激 光的略构造图。
图16是用于说明加工对象物与测距用激光的聚光点在相同位置 时，测距用激光的反射光聚光像的图。
图17是用于说明加工对象物在比测距用激光的聚光点更靠近聚光 用透镜的位置时，测距用激光的反射光聚光像的图。
图18是用于说明加工对象物在比测距用激光的聚光点更远离聚光 用透镜的位置时，测距用激光的反射光聚光像的图。
图19是表示对于从激光照射面到聚光用透镜的焦点的距离，其运 算值的曲线图。
图20是表示激光照射面的位置信息的可取得区域的图。
图21是用于说明图14所示的激光加工装置中测距用激光的聚光 点的图。
图22是表示测距用激光在激光照射面的聚光像的图。
符号说明
1:晶圆(加工对象物)，3:表面(激光照射面)，7:改质区域， 28:致动器(驱动单元)，31:聚光用透镜，40:控制部(控制单元)， 42: 4分割光电二极管(多个受光元件)，49:整形光学系统(非点像 差附加单元)，Ll:加工用激光(第1激光)，L2:测距用激光(第2 激光)，L3:测距用激光的反射光，PO:聚光用透镜的焦点，Pl:加工 用激光的聚光点，P2:测距用激光的聚光点
具体实施例方式
以下参照附图，说明本发明的适宜的实施方式。本实施方式的激 光加工方法中，为了在加工对象物内部形成改质区域，利用所谓多光 子吸收现象。因此，首先说明以多光子吸收现象来形成改质区域所使 用的激光加工方法。
当光子的能量hv小于材料的带隙EG时，会成为光学性透明。因 此材料要产生吸收的条件必须是hv〉EG。但即使是光学性透明，在激 光强度非常大时，在nlw〉EG (n=2、 3、 4...)的条件下，会在材料 中产生吸收。该现象称为多光子吸收。在脉冲波的情况下，激光强度 是以激光的聚光点的峰值功率密度(W/cm2)来决定的，例如在峰值功 率密度为lxl08 (W/cm2)以上的条件下会产生多光子吸收。峰值功率 密度可由(聚光点上的激光每一个脉冲的能量)+ (激光的光束点剖面 积x脉冲宽度)求出。另夕卜，在连续波的情况下，激光强度是由激光的 聚光点的电场强度(W/cm2)来决定的。
参照图1 图6，说明利用上述多光子吸收的本实施方式中激光加 工方法的原理。如图1所示，在晶圆状(平板状)的晶圆1的表面3 上，具有用于切断晶圆1的切断预定线5。切断预定线5是直线状延伸 的虚拟线。在本实施方式的激光加工方法中，如图2所示，在产生多 光子吸收的条件下，在晶圆1内部对准聚光点P并照射激光L，而形 成改质区域7。另外所谓聚光点P,是激光L聚光的部位。另外，切断 预定线5并不限于直线，也可为曲线，并且不限于虚拟线也可以是实 际画在晶圆1上的线。
然后，将激光L沿着切断预定线5 (即在图1的箭头A方向)相
对移动，由此使聚光点P沿着切断预定线5移动。因此，如图3 图5 所示，沿着切断预定线5在晶圆1内部形成改质区域7，而此改质区域 7则成为切断起点区域8。在此所谓切断起点区域8，是指切断晶圆1 时作为切断(断裂)起点的区域。此切断起点区域8，存在通过连续形 成改质区域7而形成的情况，也存在间断形成改质区域7而形成的情 况。
本实施方式的激光加工方法，由于在晶圆1的表面3几乎不吸收 激光L，故晶圆1的表面3不会熔融。
当在晶圆1的内部形成切断起点区域8时，则容易以此切断起点 区域8为起点而产生断裂，故如图6所示，可由较小的力切断晶圆l。 因此不会在晶圆1的表面3产生不必要的断裂，可以高精确度地切断 晶圆1。
在以此切断起点区域8为起点来切断晶圆1时，考虑有如下两种 方法。 一种情况是在形成切断起点区域8之后，对晶圆l施加人为力， 从而以切断起点区域8为起点来使晶圆1断裂。可以用于例如晶圆1 的厚度大的情况下的切断。所谓施加人为力，是指例如沿着晶圆1的 切断起点区域8施加弯曲应力或剪应力，或者是通过对晶圆1赋予温 度差来产生热应力。另一个情况是，通过形成切断起点区域8，以切断 起点区域8为起点，向晶圆1的断面方向(厚度方向)自然断裂，结 果切断晶圆1。在例如晶圆1厚度较小的情况下，可利用1列改质区域 7来形成切断起点区域8，而在晶圆1厚度较大的情况下，可以通过在 厚度方向形成多列改质区域7来形成切断起点区域8。另外在此自然断 裂的情况下，在切断部位上，断裂不会先行到达没有形成切断起点区 域8的部位所对应的表面3上，而可仅割断形成有切断起点区域8的 部位所对应的部分，故可良好控制割断。近年来硅晶圆等晶圆1的厚 度有变薄的倾向，故上述控制性良好的割断方法非常有效。
而且，在本实施方式的激光加工方法中，作为多光子吸收所形成 的改质区域，有以下(1) (3)的情况。
(1)改质区域包含1个或多个破裂的破裂区域的情况
在加工对象物(例如玻璃或LiTa03所构成的压电材料)内部对准 聚光点，在聚光点上的电场强度为lxl08 (W/cm2)以上且脉冲宽度在 lps以下的条件下照射激光。此脉冲宽度的大小的条件是，产生多光子 吸收且不会对加工对象物表面造成多余损伤，并可仅在加工对象物内 部形成破裂区域。由此，加工对象物内部会发生因为多光子吸收而造 成的光学损伤的现象。利用此光学损伤在加工对象物内部引起热歪曲， 由此在加工对象物内部形成破裂区域。作为电场强度的上限值，例如 为lxl012 (W/cm2)。脉冲宽度优选为lns 200ns。另外多光子吸收所 造成的破裂区域形成，例如记载在日本第45次激光热加工论文集(1998 年，12月)中第23 第28页的「基于固体激光高调波的玻璃基板的 内部标记」中。
本发明人，通过实验求出电场强度与破裂大小的关系，实验条件 如以下所述。
(A) 加工对象物派热克斯(PYREX)(注册商标)玻璃(厚 度700,)
(B) 激光
光源半导体激光激发Nd: YAG激光 波长1064nm 激光点剖面积3.14x10—8cm2 激振型态Q开关脉冲 重复频率100kHz
脉冲宽度30ns 输出输出〈lmJ/脉冲 激光品质TEMOO
偏光特性直线偏光
(C) 聚光用透镜 对激光波长的透过率60%
(D) 承载加工对象物的承载台的移动速度100mm/秒 另外所谓激光品质是TEMOO，是指聚光性高，达到可聚光到激光
的波长程度。
图7是表示上述实验结果的图表。横轴为峰值功率密度，因为激 光是脉冲激光，故电场强度以峰值功率密度来表示。纵轴是利用1脉 冲的激光在加工对象物内部形成的破裂部分(破裂点)的大小。破裂 点集合成为破裂区域。破裂点的大小，是破裂点形状中成为最大长度 的部分的长度。图表中以黑圆点表示的数据是聚光用透镜(C)的倍率
为100倍，开口数(NA)为0.80的情况。另一方面，图表中以白圆点 表示的数据是聚光用透镜(C)的倍率为50倍，开口数(NA)为0.55 的情况。可知峰值功率密度从10" (W/cm2)左右开始会在加工对象物 内部产生破裂点，并随着峰值功率密度变大，破裂点也会变大。
其次参照8图 图11，说明破裂区域形成所造成的加工对象物的 切断结构。如图8所示，在产生多光子吸收的条件下在晶圆1内部对 准聚光点P并照射激光L，而沿着切断预定线5在内部形成破裂区域9。 破裂区域9包含1或多个破裂的区域。如此形成的破裂区域9成为切 断起点区域。如图9所示，破裂区域9为起点(即以切断起点区域为 起点)使破裂进一步成长，然后有如图IO所示使破裂到达晶圆1的表 面3及背面21，然后如图ll所示，利用使晶圆1割断来切断晶圆1。 到达晶圆1的表面3及背面21的破裂有自然成长的情况，也有对晶圆 1施加力而成长的情况。
(2)改质区域为熔融处理区域的情况
在加工对象物(例如硅等半导体材料)内部对准聚光点，在聚光 点上电场强度为lxl08 (W/cm2)以上且脉冲宽度在lps以下的条件下 照射激光。由此，在加工对象物内部因多光子吸收而被局部加热。利 用此加热会在加工对象物内部形成熔融处理区域。所谓熔融区域是暂 时熔融后再硬化的区域，或是正在熔融状态下的区域，或是从熔融状 态再次硬化的区域；也可以是相变化后的区域或结晶构造变化后的区 域。另外，所谓熔融处理区域是指，在单晶构造、非晶构造、多晶构 造中，从一种构造变化为另一种构造的区域。即，可以是例如，从单 晶构造变化为非晶构造的区域，从单晶构造变化为多晶构造的区域， 从单晶构造变化为包含非晶构造和多晶构造的区域。在加工对象物为 硅单晶构造的情况下，熔融处理区域例如为非晶硅构造。作为电场强 度的上限值，例如为lxl012 (W/cm2)。脉冲宽度优选为lns 200ns。
本发明人，通过实验确认了在硅晶圆内部形成熔融处理区域。实 验条件如以下所述。
(A) 加工对象物硅晶圆(厚度350(am，外径4英寸)
(B) 激光
光源半导体激光激发Nd: YAG激光
波长1064nm 激光点剖面积3.14xl0—8cm2
激振型态Q开关脉冲
重复频率100kHz 脉冲宽度30ns
输出20pJ/脉冲
激光品质TEMOO
偏光特性直线偏光
(c)聚光用透镜
倍率50倍 N. A. : 0.55
对激光波长的透过率60%
(D)承载有加工对象物的承载台的移动速度100mm/秒 图12，是通过在上述条件下进行激光加工而切断的硅晶圆一部分 的断面照片的图。硅晶圆11内部形成有熔融处理区域13。另外在上述 条件下形成的熔融处理区域13，在厚度方向的大小为100pm左右。
对利用多光子吸收13形成熔融处理区域的情况进行说明。图13 是表示激光波长与硅基板内部的透过率的关系的图表。但是，将硅基 板的表面侧与背面侧各自的反射成分去除，仅表示内部的透过率。针 对硅基板厚度t分别为50pm、 100pm、 200pm、 500fim、 lOOO^im的情
况来表示上述关系。
例如在Nd: YAG激光的波长1064nrn中，硅基板厚度为500pm 以下时，得知在硅基板内部激光透过80%以上。因为图12所示的硅晶 圆11的厚度为35(^m，故多光子吸收所造成的熔融处理区域13形成 在硅晶圆ll的中心附近，即从表面起175nm的部分。此时的透过率， 若参照厚度为200pm的硅晶圆，则为90%以上，故激光在硅晶圆11
内部被吸收的只有极少部分，几乎都透过。这并不表示，在硅晶圆11 内部激光被吸收，而在硅晶圆11内部形成熔融处理区域13 (即利用一 般的激光加热来形成熔融处理区域)，而是代表熔融处理区域13由多 光子吸收而形成。基于多光子吸的熔融区域的形成，例如记载在曰本
焊接学会全国大会演讲概要第66集(2000年4月)中第72页 第73 页的「基于皮秒脉冲激光的硅加工特性评价」。
另外，以熔融处理区域形成的切断起点区域为起点，向着断面方 向发生断裂，利用使该断裂到达硅晶圆的表面与背面，在结果上切断 晶圆。到达硅晶圆表面与背面的断裂，存在自然成长的情况，也存在 对硅晶圆施加力来使其成长的情况。接着，使断裂从切断起点区域自 然成长到硅晶圆表面与背面时，存在形成切断起点区域的熔融处理区 域从熔融状态成长断裂的情况，和形成切断起点区域的熔融处理区域 从熔融状态再次硬化时成长断裂的情况任一种。不过任何一种情况下， 熔融处理区域都仅形成于硅晶圆内部，而切断后的切断面如图12所示， 仅在内部形成有熔融处理区域。如上所述，当在加工对象物内部利用 熔融处理区域来形成切断起点区域时，在割断中，不容易产生从切断 起点区域线偏离的不必要断裂，故容易进行割断控制。与此同时，熔 融处理区域的形成，可以不仅是因为多光子吸收，也存在其它吸收作 用的原因。
(3)改质区域为折射率变化区域的情况
在加工对象物(例如硅等半导体材料)内部对准聚光点，在聚光 点上的电场强度为lxl08(W/cm2)以上且脉冲宽度lps以下的条件下， 照射激光。在使将脉冲宽度极短，并在加工对象物内部引起多光子吸 收时，因多光子吸收所产生的能量不会转换为热能，而是在加工对象 物内部引起离子价数变化、结晶化或分极取向等永久性的构造变化， 从而形成折射率变化区域。作为电场强度的上限值，例如为lxl012 (W/cm2)。脉冲宽度优选为lns以下，更优选为lps以下。基于多光 子吸收的折射率变化区域的形成，例如记载在日本第42次激光热加工 研究会论文集Q997年，11月)中第105页 第111页的「基于飞秒 激光照射的对玻璃内部光激发构造形成J 。
以上，说明了 (1) (3)的情况来作为多光子吸收所形成的改 质区域，但是考虑晶圆状的加工对象物的结晶构造或其劈开性等，若 是如以下来形成切断起点区域，则以该切断起点区域作为起点，可以 用更小的力且更高精确度来切断加工对象物。
艮P，在由硅等钻石构造的单结晶半导体所构成的基板的情况下， 优选沿着(111)面(第1劈开面)或(110)面(第2劈开面)的方
向形成切断起点区域。另外，在由GaAs等闪锌矿型构造的m-V族化 合物半导体所构成的基板的情况下，优选沿着(110)面的方向形成切 断起点区域。而且，在具有蓝宝石(A1203)等六方晶系的结晶构造的 基板的情况下，优选以(0001)面(C)面为主面，沿着(1120)面(A 面)或(1100)面(M面)的方向形成切断起点区域。
另外，若沿着要形成上述切断起点区域的方向(例如单结晶硅基 板中的沿着(111)面的方向)，或沿着与要形成切断起点区域的方向 正交的方向在基板上形成准直面(orientation flat)，则通过以该准直 面为基准，可以沿着要形成切断起点区域的方向轻易且正确地在基板 上形成切断起点区域。
下面，参照图14、图15说明本实施方式的激光加工装置。
如图14所示，激光加工装置20，通过在作为板状的加工对象物的 晶圆1内部对准聚光点Pl并照射加工用激光(第1激光)Ll，由此在 晶圆1内部形成作为切断起点的改质区域7;然后利用此改质区域7， 形成沿着切断预定线5延伸的切断起点区域8。另外晶圆1是硅晶圆等 半导体晶圆，改质区域7为熔融处理区域。
该激光加工装置20，具有承载晶圆1的平台30;此平台30，可在 X方向(图示左右方向)，和以Z方向(图示上下方向)为轴的旋转 方向即0方向移动。此平台30上方，配置有收容了产生加工用激光Ll 的激光源22等的框体23，和使框体23在Y方向(与X轴及Z轴垂直 的方向)和Z方向上动作的框体驱动部25。在此，激光源22使用例如 Nd: YAG激光；向着位于正下方的平台30上的晶圆1照射作为脉冲 激光的脉冲宽度lps以下的加工用激光L1。
在框体23的下端面安装有电动旋转器(revolver) 24，该电动旋转 器24装配有用于观察晶圆1的观察用物镜26，和用于对加工用激光
Ll进行聚光的加工用物镜27。各物镜26、 27的光轴，利用电动旋转 器24的旋转而与加工用激光Ll的光轴一致。另外加工用物镜27和电 动旋转器24之间，间隔设置有使用例如压电元件的致动器(驱动单元) 28，利用此致动器28对加工用物镜27的位置在Z方向上进行微调。
如图15所示，加工用物镜27具有圆筒形状的透镜固定器29，此 透镜固定器29在内部保持对多个透镜进行组合的开口数为(0.80)的 聚光用透镜31。而且，在透镜固定器29的上端部，形成有入射开口 32，作为加工用激光L1对于聚光用透镜31的入射口，在透镜固定器 29的下端部则形成有加工用激光Ll的照射开口 33。利用如此构成的 加工用物镜27，使加工用激光L1聚光，在由聚光用透镜31形成的聚 光点P1上，加工用激光L1的峰值功率密度成为lxl08(W/cm2)以上。
另外，在框体23内的加工用激光L1的光轴上，如图14所示，从 上至下依次排列有将激光源22所产生的加工用激光Ll的光束径加 以放大的光束扩张器34，和调整加工用激光L1的输出或偏光的激光调 整光学系统36，和进行加工用激光L1的通过或遮断的电磁快门37， 和縮小加工用激光L1的光束尺寸的光圈构件38。
如图15所示，光圈构件38如图15所示，被安装在框体23上， 位于加工用物镜27的入射开口 32上方；在加工用激光L1的光轴上， 具有对此加工用激光Ll进行收縮而使其通过的孔径39。此孔径39的 开口径，形成为与加工用物镜27的入射开口 32相同或较小的直径， 利用设置在光圈构件38上的调节螺丝35，是孔径39的中心轴准确地 与入射开口 32的中心轴相一致。
利用此光圈构件38，使大于孔径39的加工用激光Ll的外周部分 被遮断，使由加工用物镜27的入射开口 32的周围部份造成的加工用 激光L1的遮断量几乎完全消失，故可防止加工用激光L1的照射造成 透镜固定器29的加热，从而将在激光加工中因透镜固定器29的加热 造成的加工用激光L1的聚光点P1位置变动抑制为较小。
另外，如图14所示，为了要观察被承载在平台30上的晶圆1，激 光加工装置20在框体23外具有产生观察用可见光L0的观察用光源 51，而在框体23内具有CCD摄影机52。
此观察用光源51所发出的观察用可见光LO，利用由光纤构成的光
导体53导入框体23内，依次通过视野光圈54、开口光圈56、分色镜 57等之后，再利用配置在光圈构件38与加工用物镜27的入射开口 32 之间的分色镜58进行反射。被反射的观察用可见光LO，在加工用激光 Ll的光轴上向着下方行进，利用电动旋转器24的旋转，通过配置在加 工用激光L1的光轴上的观察用物镜26，而照射在晶圆1上。另外加工 用激光L1，以及后述的测距用激光L2及其反射光L3，透过分色镜58。
接着，由晶圆1的表面3反射的观察用可见光L0的反射光，再次 射入观察用物镜26内而在加工用激光L1的光轴上向着上方行进，并 被分色镜58反射。该被分色镜58反射后的反射光，进一步被分色镜 57反射，并依次通过滤光片59、成像透镜61、中继透镜62，而射入 CCD摄影机52。利用此CCD摄影机52，在电视屏幕64上映出被摄像 的晶圆1的表面3等的图像。
而且，激光加工装置20具有使用例如激光二极管的激光源41。此 激光源41所产生的测距用激光(第2激光)L2，如图15所示，依次 通过针孔43、光束扩张器44之后，被镜46、半镜47依次反射，而导 引到配置在电磁快门37和光圈构件38之间的分色镜48。被此分色镜 48所反射的测距用激光L2,在加工用激光Ll的光轴上向着下方行进， 通过光圈构件38的孔径39之后，被加工用物镜27的聚光用透镜31 聚光，而照射在晶圆l上。另外加工用激光L1透过分色镜48。
接着，由晶圆1的表面(激光照射面)3反射的测距用激光的反射 光L3，再次射入加工用物镜27的聚光用透镜31，在加工用激光L1的 光轴上向着上方行进，通过光圈构件38的孔径39之后，被分色镜48 反射。此被分色镜48所反射的测距用激光的反射光L3，依次通过半镜 47、滤光片45。此滤光片45根据波长而使光通过或遮断，使测距用激 光的反射光L3通过，另一方面，在遮断晶圆1的表面3或背面17所 反射的加工用激光L1的反射光。通过滤光片45的测距用激光的反射 光L3，利用由圆柱透镜和平凸透镜构成的整形光学系统(非点像差附 加单元)49而附加非点像差并聚光，照射在将光电二极管四等分的4 分割光电二极管(光检测元件)42上，而在4分割光电二极管42的受 光面上形成聚光像。4分割光电二极管42，将测距用激光的反射光L3 的聚光像进行分割受光，输出与其各个的光量相对应的电压值(输出 值)V。
此聚光像由于对反射光L3附加了非点像差，故根据相对于测距用 激光L2的聚光点P2位于晶圆1的表面3的哪个位置，而改变为纵长、 正圆、横长。在此说明此变化的原理。
如图16所示，当晶圆1的表面3与测距用激光L2的聚光点P2在 相同位置时，测距用激光的反射光L3与测距用激光L2循着相同轨迹， 对加工用物镜27的聚光用透镜31逆向行进，故会在4分割光电二极 管42上形成正圆的聚光像K1。
另外，如图17所示，当晶圆1的表面3位于比测距用激光L2的 聚光点P2更靠近聚光用透镜31的位置时，由于测距用激光的反射光 L3与测距用激光L2相异而扩散，并且加工用物镜27的聚光用透镜31 逆向行进，故会在4分割光电二极管42上形成横长的椭圆聚光像K2。
另外，如图18所示，当晶圆1的表面3位于比测距用激光L2的 聚光点P2更远离聚光用透镜31的位置时，由于测距用激光的反射光 L3与测距用激光L2相异而聚光，并且加工用物镜27的聚光用透镜31 逆向行进，故会在4分割光电二极管42上形成纵长的椭圆聚光像K3。
如以上所述，测距用激光的反射光L3在4分割光电二极管42上 的聚光像，根据相对于测距用激光L2的聚光点P2的晶圆1的表面3 的位置而变化。因此由4分割光电二极管42所输出的电压值V，与相 对于测距用激光L2的聚光点P2的晶圆1的表面3的位置而变化。
因此如图15所示，激光加工装置20具有控制部(控制单元)40， 利用此控制部40，依据4分割光电二极管42所输出的电压值V，来运 算出运算值N，作为有关相对于测距用激光L2的聚光点P2的晶圆1 的表面3位置的位置信息。并且，控制部40对致动器28进行控制， 在上下方向对加工用物镜27的位置进行微调，以使加工用激光Ll的 聚光点Pl的位置成为距表面3 —定的深度。
具体来说，在控制部40中实施以下运算。即在4分割光电二极管 42 (参照图16)中，对与在纵方向上相对的受光面Rl、 R3的光量相 对应而输出的电压值V1、 V3，和与在横方向上相对的受光面R2、 R4 的光量相对应而输出的电压值V2、 V4，根据下述算式(1)进行运算，
而求出运算值N。此运算值N，以对应于4分割光电二极管42受光的 全部光量的电压值V1、 V2、 V3、 V4的总和来进行除算，而作为相对 于受光的总光量的相对值。
N= [(V1+V3)-(V2+V4)]/(V1+V2+V3+V4)…(1)
其中，
VI:依据受光面R1中的光量所输出的电压值
V2:依据受光面R2中的光量所输出的电压值
V3:依据受光面R3中的光量所输出的电压值
V4:依据受光面R4中的光量所输出的电压值
图19，表示对于从晶圆1的表面3，到作为由聚光用透镜31形成 的观察用可见光L》的聚光点的焦点(以下称为「聚光用透镜的焦点」) PO的距离，运算值N的曲线图。在此曲线图中，横轴表示从晶圆l的 表面3到聚光用透镜31的焦点PO的距离，纵轴表示运算值N的大小。 在此，以原点为基准往左侧越大，则晶圆1的表面3位于越接近聚光 用透镜31的位置。另外，以原点为基准往右侧越大，则表面3位于越 远离聚光用透镜31的位置。
在一般的激光加工装置中，如图19 (a)所示，从晶圆1的表面3 到聚光用透镜31的焦点PO的距离与运算值N的关系，成为相对测距 用激光L2的聚光点P2对称的大致S字状曲线F。此曲线F中，在上 侧的极点Fl与下侧的极点F2附近，所受光的测距用激光的反射光L3 会从4分割光电二极管42的受光面溢出，因此使运算值N反转而存在 有相同运算值。因此，如图19 (a)及图20 (a)所示，作为可取得正 确位置信息的区域的可取得范围W，成为极点Fl及F2之间的区域， 以聚光用透镜31的焦点P0为基准值0^im，成为例如从-20^im至j+20^im。
在此，在激光加工装置20中，通过使针孔43或光束扩张器44的 位置沿着测距用激光L2的光轴移动等，并调整测距用激光L2的光学 系统位置，从而在使聚光用透镜31的焦点位于晶圆1的表面3的状态 下，如图21所示，使测距用激光L2聚光并入射到聚光用透镜31。由 此，使测距用激光L2的聚光点P2位于聚光用透镜的焦点PO与聚光用 透镜31之间。因此，如图19 (b)及图20 (b)所示，使可取得范围 W向着比聚光用透镜31的焦点PO更接近聚光用透镜的方向移动，在
将聚光用透镜31的焦点PO作为基准值Opm时，则成为从-15(im到 +25|om。
其次，说明基于上述激光加工装置20的激光加工方法。此激光加 工方法，照射加工用激光L1，同时，照射测距用激光L2，在距晶圆l 的表面3—定距离的位置上形成改质区域7，利用此改质区域7，形成 沿着切断预定线5延伸的切断起点区域8 (以下称为「实时加工」)。
首先在平台30上承载晶圆1，使得此晶圆1位于激光加工开始位 置，在X方向及Y方向上移动平台30及框体23。接着，使保持加工 用物镜27的致动器28从最紧縮状态仅伸出最大伸长量的一半，例如 最大伸长量为50pm则在伸出25pm的状态下，利用电视屏幕64确认 投影在晶圆1的表面3上的刻度图像的对焦，同时利用框体驱动部25 使框体23上下，使聚光用透镜31的焦点PO位于晶圆1的表面3。
接着，使框体23在Z方向上移动，以使加工用激光L1的聚光点 Pl位于距晶圆1表面所希望的距离。然后，从激光源22照射加工用激 光Ll，同时，从激光源41照射测距用激光L2，并且平台30及框体 23在X方向及Y方向移动，以由聚光用透镜31聚光的激光Ll、 L2 在切断预定线5上进行扫描。此时，检测出测距用激光的反射光L3， 然后利用控制部40对致动器28进行反馈控制，以使加工用激光L1的 聚光点Pl始终位于距晶圆1表面3 —定距离。此反馈控制如图19 (b) 所示，使得基于所检测出的反射光L3的运算值维持在对应一定距离 TO的NO;对致动器28施加只能维持在NO的电压值，而对加工用物 镜27的位置在上下方向上进行微调。并且，沿着晶圆1的表面3，在 距表面3—定距离的位置，形成改质区域7。
如上所述，在实时加工中，因为是与照射加工用激光L1同时照射 测距用激光L2而形成改质区域7，故可有效率的形成改质区域7。另 外，在晶圆1厚度较薄的情况下，其表面的面偏差较多，故实时加工 尤其有效。
如上述说明，在激光加工装置20中，使由聚光用透镜31向着晶 圆1聚光的测距用激光L2的聚光点P2，位于聚光用透镜31的焦点P0 和聚光用透镜31之间，使得在聚光用透镜31的光轴方向上，有关晶 圆1的表面3的位置的位置信息的可取得范围W，以聚光用透镜31的
焦点PO为基准，向聚光用透镜31侧移动。因此，在聚光用透镜31的 焦点PO对准到晶圆1的内部的状态下，艮口，在使晶圆1的表面3比聚
光用透镜31的焦点P0更靠近聚光用透镜31的状态下，照射加工用激 光Ll及测距用激光L2，因此，实质上可增大位置信息的可取得范围 W。从而即使要在距晶圆1的表面3深的位置上形成改质区域7时， 也可高精确度取得晶圆1的表面3的位置信息，从而可高精确度地在 晶圆1内部的所希望的位置上形成改质区域7。
另外，在运算值N中，实施基于4分割光电二极管42所输出的电 压值V的除算，故运算值N是相对于所受光的总光量的相对值。由此， 即使例如因形成在晶圆1的表面3的膜厚影响，造成由晶圆1的表面3 反射的测距用激光L2的光量起变化，而使4分割光电二极管42所输 出的电压值V改变，也可以防止运算值N的变动，可在晶圆l内部的 所希望位置上以高精确度形成改质区域7。
其次，针对在照射加工用激光Ll之前先照射测距用激光L2的激 光加工方法(以下称为「跟踪加工」)，主要说明其与实时加工的相 异点。
在跟踪加工中，在照射加工用激光L1之前先照射测距用激光L2， 然后使平台30及框体23在X方向及Y方向移动，以使由聚光用透镜 31聚光的测距用激光L2在切断预定线5上进行扫描。此时会检测出测 距用激光的反射光L3，然后利用控制部40对致动器28进行反馈控制， 以使测距用激光L2的聚光点P2的位置始终位于距晶圆1的表面3 — 定的距离。为了进行此反馈控制，而将施加在致动器28上的电压的电 压值，存储在控制部40中。
接下来，使得加工用激光L1的聚光点Pl位于距晶圆1的表面一 定距离，并使框体23在Z方向上移动。然后，从激光源22照射加工 用激光L1，同时使平台30在X方向及Y方向再次移动，以使加工用 激光Ll切断预定线5上进行扫描。此时利用控制部40根据所存储的 电压值，对致动器28施加电压，而对加工用物镜27的位置在上下方 向上进行微调。
如此，在跟踪加工中，因为是在照射加工用激光L1之前先照射测 距用激光L2，故即使是晶圆l较厚，从切断起点区域8到晶圆1的表
面3的距离是无法利用实时加工来进行加工的，也可确实形成改质区 域7。
另外，在进行跟踪加工时，晶圆1的射入有激光的面通常是存在
有切削痕71的背研磨面。但是在一般的跟踪加工，在使测距用激光L2 在切断预定线5上进行扫描时，对致动器28进行反馈控制，以使测距 用激光L2的聚光点P2始终位于聚光用透镜31的焦点PO上，即位于 晶圆1的表面3上；如图22 (a)所示，在聚光用透镜31的焦点PO 中，测距用激光L2聚光像Q1的面积是被紧縮到较小的状态，故切削 痕71占聚光像Ql的比例变大。从而切削痕71造成测距用激光的反射 光L3散乱等的不良影响，有加大的可能。
因此，在基于激光加工装置20的跟踪加工中，使由聚光用透镜31 向着晶圆1聚光的测距用激光L2的聚光点P2，位于聚光用透镜31的 焦点P0和聚光用透镜31之间，由此如图22(b)所示，在聚光用透镜 31的焦点P0位置，即在晶圆1的表面3上，测距用激光L2的聚光像 Q2的面积会变大。由此，即使晶圆1的表面3是切削痕71较多的背 研磨面，也会因为切削痕71占聚光像Q2的比例较小，而可抑制晶圆 1的表面3中切削痕71造成测距用激光的反射光L3的散乱等不良影 响。因此，可用高精确度取得晶圆1的表面3的位置信息，而可在晶 圆1内部的所希望位置以高精确度形成改质区域7。
本发明并不限于上述实施方式。例如在上述实施方式中，在距晶 圆1的表面3 —定距离的位置，对准加工用激光Ll的聚光点Pl;但 是也可以使对准聚光点的位置沿着切断预定线5发生变化，而进行聚 光点P1的位置控制。例如使加工用激光L1的聚光点P1的对准位置变 化为波浪状，或是使加工用激光L1的聚光点P1的对准位置深度在途 中改变等。
另外，在上述实施方式中，优选使用4分割光电二极管42，但是 也可使用例如2分割光电二极管元件或8分割光电二极管元件。在此 情况下，在控制部中用于求出运算值的运算，对应于与受光相应输出 的电压值的数量。
进一步，上述实施方式中，非点像差附加单元即整形光学系统49， 使用圆柱透镜构成，但也可以使用柱面透镜等非球面透镜来构成，只 要是对测距用激光的反射光附加非点像差即可。
产业上的可利用性
根据本发明，可在加工对象物内部的所希望位置以高精确度形成 作为切断起点的改质区域。
权利要求
1.一种激光加工装置，在板状的加工对象物的内部对准聚光点并照射第1激光，而在所述加工对象物内部形成作为切断的起点的改质区域，其特征在于，具备聚光用透镜，使所述第1激光、和用于在照射有所述第1激光的所述加工对象物的激光照射面上进行反射的第2激光，向着所述加工对象物聚光；驱动单元，使所述聚光用透镜沿着其光轴方向动作；非点像差附加单元，对由所述激光照射面反射的所述第2激光的反射光附加非点像差；光检测元件，对附加了非点像差的所述第2激光的反射光进行分割受光，输出与被分割受光的所述第2激光的反射光的各个光量相对应的输出值；和控制单元，对所述驱动单元进行控制，以使所述第1激光的聚光点位于距所述激光照射面规定距离，所述第2激光利用所述聚光用透镜向所述加工对象物聚光，以使其聚光点位于所述聚光用透镜的焦点和所述聚光用透镜之间；所述控制单元，根据对由前述光检测元件输出的所述输出值实施基于所述输出值的总和的除算及规定运算而取得的运算值，对所述驱动单元进行控制。
2. 如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于 所述控制单元对所述驱动单元进行控制，以使所述运算值成为一定。
3. —种激光加工装置，利用聚光用透镜在板状的加工对象物的内 部对准聚光点并照射第1激光，而在所述加工对象物内部，沿着所述 加工对象物的切断预定线形成作为切断的起点的改质区域，其特征在于利用所述聚光用透镜，使所述第1激光聚光在所述加工对象物内部，同时，使所述聚光用透镜相对于所述加工对象物沿着所述切断预 定线进行相对移动；与此相应，使用于在照射有所述第1激光的所述加工对象物的激 光照射面上进行反射的第2激光，利用所述聚光用透镜向所述加工对 象物聚光，以使其聚光点位于所述聚光用透镜的焦点和所述聚光用透镜之间；对由所述激光照射面反射的所述第2激光的反射光附加非点像差;对附加了非点像差的所述第2激光的反射光进行分割受光，输出 与被分割受光的所述第2激光的反射光的各个光量相对应的输出值；根据对所输出的所述输出值实施基于所述输出值的总和的除算及 规定运算而取得运算值，而使所述聚光用透镜沿着其光轴方向动作， 以使所述第1激光的聚光点位于距所述激光照射面规定距离。
4. 一种激光加工装置，利用聚光用透镜在板状的加工对象物的内 部对准聚光点并照射第1激光，而在所述加工对象物内部，沿着所述 加工对象物的切断预定线形成作为切断的起点的改质区域，其特征在 于使用于在照射有所述第1激光的所述加工对象物的激光照射面上进行反射的第2激光，利用所述聚光用透镜向所述加工对象物聚光，同时，使所述聚光用透镜相对于所述加工对象物沿着所述切断预定线 进行相对移动，以使其聚光点位于所述聚光用透镜的焦点和所述聚光用透镜之间；与此相应，对由所述激光照射面反射的所述第2激光的反射光附 加非点像差；对附加了非点像差的所述反射光进行分割受光，输出与被分割受 光的所述第2激光的反射光的各个光量相对应的输出值；根据对所输出的所述输出值实施基于所述输出值的总和的除算及 规定运算而取得运算值，使所述聚光用透镜沿着其光轴方向动作，以 使所述第1激光的聚光点位于距所述激光照射面规定距离，在预先取 得有关所述聚光用透镜的动作的动作信息后；利用所述聚光用透镜使所述第1激光聚光在所述加工对象物内部，同时，使所述聚光用透镜相对于所述加工对象物沿着所述切断预定线 进行相对移动；与此相应，根据预先所取得的所述动作信息，使所述聚光用透镜 动作。
全文摘要
激光加工装置，具备使加工用激光与测距用激光(L2)向晶圆(1)聚光的聚光用透镜(31)，使聚光用透镜(31)动作的致动器，对测距用激光的反射光(L3)附加非点像差的整形光学系统(49)，接收反射光(L3)而输出配合其光量的电压值的(4)分割光电二极管(42)，和控制致动器的控制部；使测距用激光(L2)的聚光点(P2)位于透镜焦点(P0)与透镜(31)之间，可以在距表面(3)更深的位置形成改质区域，并抑制反射光(L3)造成的不良影响。根据实施了基于电压值总和的除算的运算值来加以控制，可由此防止运算值的反射光量所造成的变化。
文档编号B23K26/04GK101346207SQ200680048830
公开日2009年1月14日 申请日期2006年12月12日 优先权日2005年12月22日
发明者久野耕司, 村松宪一, 渥美一弘, 筬岛哲也 申请人:浜松光子学株式会社