专利名称：激光加工装置及激光加工方法
技术领域：
本发明涉及用照射激光对加工对象物进行加工的激光加工装置及激光和激光加工方法。
背景技术：
在现有的激光加工装置上，相对于用于对加工对象进行加工的激光进行聚光的聚光透镜，以一定的间隔并排设置测量加工对象物表面高度的测量部件(如接触式位移计或超声波距离仪等)(例如，参照特开2002-219591号公报的图8～图10)。在这样的激光加工装置上，在沿着加工对象物表面进行激光扫描的时候，通过测量部件测量加工对象物的表面高度，在其测量点到达聚光透镜的正下方时，根据其表面高度的测量值，沿着光轴方向驱动聚光透镜，使聚光透镜和加工对照物的距离保持一定。通过这个方法，即使加工对象物表面凸凹不平，也能把激光的聚光点一直处于加工对象物的表面上照射激光。
发明内容
可是在上述的激光加工装置上还存在有以下的课题。因为聚光透镜和测量部件是按照一定的间隔并排设置的，由于承载加工对象物的载物台的振动等等，处于聚光透镜正下方的加工对象物的实际的表面高度，与通过测量部件得到的测量值之间产生误差，激光的聚光点的位置有可能会偏离加工对象物的表面。
鉴于上述情况，本发明是鉴于这些问题进行的发明，本发明的目的是提供可以把用于对加工对象进行加工的激光高精度地聚光到指定的位置上的激光加工装置及激光加工方法。
为达成上述目的，本发明的激光加工装置是使聚光点调整到晶片状的加工对象物的内部照射第一激光，通过在加工对象物的内部形成基于多光子吸收的改质区域的激光加工装置，其特征在于，具有把第一激光和用于测量加工对象物的激光照射面的位移的第二激光在同一轴线上向加工对象物进行聚光的聚光透镜；和通过检测被激光反射面反射的第二激光的反射光，对位于加工对象物内部的第一激光的聚光点的位置进行控制的聚光点位置控制机构。
在此激光加工装置上，把用于形成基于多光子吸收的改质区域的第一激光和为了测量加工对象物的激光照射面的位移的第二激光，在同一轴线上通过聚光透镜向加工对象物进行聚光。这时，通过聚光点位置控制机构检测激光照射面反射出的第二激光的反射光，使第一激光的聚光点的位置被控制在加工对象物内的指定位置上。这样，因为由第一激光所形成的改质区域和通过第二激光进行的激光照射面的位移的测量是在同一轴线上进行的，可以防止例如承载加工对象物的载物台的振动等原因，使第一激光的聚光点位置从加工对象物内部的指定位置偏离。从而能够把对加工对象物进行加工的第一激光高精度的聚光在指定位置上。
在晶片状加工对象物的内部形成基于多光子吸收的改质区域的情况下，有必要把聚光透镜的数值孔径(开口数)加大，为此与进行熔断等的激光加工的情况相比，聚光透镜和加工对象物变得更接近了。在这样的状态下，像现有激光加工装置那样的在聚光透镜一侧并排设置测量部件，在装置结构上是极其困难的。如采用本发明的激光加工装置，不用采用那样困难的结构。
激光照射面是加工对象物的聚光透镜一侧的表面，聚光点位置控制机构优选的是按照第一激光的聚光点的位置处于距聚光透镜侧的表面有一定深度的位置的方式控制第一激光的聚光点。这样，例如在以改质区域为起点切断加工对象物的情况下，可以使加工对象物的表面一侧的切断精度稳定。这样的加工对象物的表面侧的切断精度稳定化，在加工对象物的表面形成多个功能元件，针对每一个功能元件切断加工对象物时，可以特别有效地防止功能元件的损伤。所谓功能元件是指光电二极管等光接收元件和激光二极管等发光元件，或者作为电路而形成的电路元件等。
聚光点位置控制机构优选的是通过使聚光透镜和加工对象物间的距离发生变化，来控制位于加工对象物内的第一激光的聚光点的位置。也就是说，能够使聚光透镜及加工对象物中的至少一方移动，把第一激光的聚光点调整到位于加工对象物内部的指定位置上。
在第二激光的反射光的光路上，优选设置使第二激光的反射光通过，遮断由激光照射面反射的第一激光的反射光的滤光器。聚光点位置检测部件采用此滤光器，既不影响第一激光的反射光，又可以正确地检测出第二激光的反射光，可以使第一激光的聚光点的位置精度更进一步地提高。
本发明的激光加工装置是照射第一激光，对加工对象进行加工的激光加工装置，其特征是，具有把第一激光和用于测量加工对象物的激光照射面的位移的第二激光在同一轴线上向加工对象物进行聚光的聚光透镜；和通过检测由激光照射面反射的第二激光的反射光，控制第一激光的聚光点相对于加工对象物的位置的聚光点位置控制机构。
在此激光加工装置中也与上述的用于形成基于多光子吸收的改质区域的激光加工装置相同，可以把用于对加工对象物进行加工的的第一激光高精度地聚光在指定位置上。
为达成上述目的，本发明的激光加工方法是把聚光点调整到晶片状的加工对象物的内部照射第一激光，在加工对象物的内部通过多光子吸收形成改质区域的激光加工方法。其特征在于，第一激光和用于测量加工对象物的激光照射面的位移的第二激光在同一轴线上向加工对象物进行聚光，通过检测由激光照射面反射的第二激光的反射光，控制位于加工对象物的内部的第一激光的聚光点的位置。
本发明的激光加工方法是照射第一激光对加工对象进行加工的激光加工方法。其特征在于，是第一激光和用于测量加工对象物的激光照射面的位移的第二激光在同一轴线上向加工对象物进行聚光，通过检测由激光照射面反射的第二激光的反射光，控制位于加工对象物的内部的第一激光的聚光点的位置。
图1是采用本实施方式的激光加工方法的激光加工中的加工对象物的平面图。
图2是图1所示加工对象物的沿II-II线的截面图。
图3是用本实施方式的激光加工方法进行激光加工后的加工对象的平面图。
图4是图3所示的加工对象物的沿IV-IV线的截面图。
图5是图3所示的加工对象物的沿V-V线的截面图。
图6是使用本实施方式的激光加工方法进行切断的加工对象物的平面图。
图7是显示本实施方式的激光加工方法中，电场强度和断裂点的大小的关系。
图8是本实施方式的激光加工方法的第一工序中的加工对象物的截面图。
图9是本实施方式的激光加工方法的第二工序中的加工对象物的截面图。
图10是本实施方式的激光加工方法的第三工序中的加工对象物的截面图。
图11是本实施方式的激光加工方法的第四工序中的加工对象物的截面图。
图12是用本实施方式的激光加工方法切断硅晶片的一部分的截面的照片。
图13是表示本实施方式的激光加工方法中激光的波长和硅基板的内部的透过率的关系的曲线图。
图14是本实施方式的激光加工装置的简要结构图。
图15是表示图14所示激光加工装置的聚光点位置控制机构的简要结构图。
图16为用以说明测距用激光的聚光点处于加工对象物表面上时，测距用激光的反射光的聚光像图形的图。
图17为用以说明测距用激光的聚光点处于加工对象物表面的前端时，测距用激光的反射光的聚光像图形的图。
图18为用以说明测距用激光的聚光点处于加工对象物表面的前边时，测距用激光的反射光的聚光像图形的图。
图19为表示图14所示激光加工装置对加工对象进行加工的情形。
具体实施例方式
下面参照图对适合本发明的加工装置及激光加工方法的实施方式进行详细说明。
本实施方式的激光加工装置是使聚光点调整到晶片状的加工对象物内部照射激光，在加工对象物的内部通过多光子吸收形成改质区域的装置。在此，在说明本实施方式的激光加工装置之前，针对形成基于多光子吸收的改质区域进行说明。
如光子的能量hv比材料的吸收的能隙EG小，光学透明。因此，在材料上产生吸收的条件是hv＞EG。不过，即使光学特性是透明的，如果把激光的强度搞得非常大，在nhv＞EG的条件下(n＝2，3，4，……)，在材料上产生吸收。此现象就叫做多光子吸收。在脉冲波的情况下，激光的强度由激光的聚光点的峰值功率密度(W/cm2)决定，例如在峰值功率密度1×108(W/cm2)以上的条件下，产生多光子吸收。峰值功率密度由(在聚光点上的激光的每个脉冲的能量)÷(激光的光束斑的截面积×脉冲宽度)来求得。此外，在连续波的情况下，激光的强度由激光的聚光点的电场强度(W/cm2)来决定。
参照图1～图6，对利用这样的多光子吸收的本实施方式的激光加工原理进行说明。图1是激光加工中的加工对象物1的平面图，图2是图1所示的加工对象物1的沿II-II线的截面图，图3是激光加工后的加工对象物1的平面图，图4是图3所示的加工对象物1的沿IV-IV线的截面图，图5是图3所示的加工对象物1的沿V-V线的截面图，图6是被切断的加工对象物1的平面图。
如图1图2所示，在加工对象物1的表面3上，有切断加工对象物1所期望的预定切断线5，预定切断线5是呈直线状延长的假想线。(在加工对象物1上实际划线作为预定切断线5也行)。本实施方式的激光加工在产生多光子吸收的条件下，将聚光点P调整到加工对象物1内部而向加工对象物1照射激光L，形成改质区域7。所谓聚光点就是激光L聚光的位置。
通过让激光L沿着预定切断线5(即沿着箭头A的方向)相对地移动，聚光点P沿着预定切断线5移动。这样，如图3～图5所示，改质区域7只是在沿着预定切断线5在加工对象物1的内部形成，并且由此改质区域7形成预定切断部8。本实施方式的激光加工方法中，加工对象物1并不是通过吸收激光L而使加工对象物1发热并形成改质区域7的。是让激光L透过加工对象物1在加工对象物1的内部发生多光子吸收而形成改质区域7的。在加工对象物1的表面3上，激光L几乎是不被吸收的，所以加工对象物1的表面3不熔融。
在切断加工对象物1时，在切断的位置上如果有起点时，就从那个起点开始割裂加工对象物1，所以，如图6所示，用比较小的力就可以切断加工对象物1。从而能够使加工对象物1的表面3不会发生不必要的裂纹而切断加工对象物1。
以预定切断部为起点切断加工对象物时，应考虑以下两种情况。第一种情况是预定切断部形成后，通过向加工对象物施加人为的力，加工对象物以预定切断部为起点而被割裂，加工对象物被切断的情况。这是，例如，加工对象物的厚度很大时的切断。所谓施加人为的力，例如沿着加工对象物的预定切断部向加工对象物施加弯曲应力或剪切应力，或对加工对象物施加温度差使之产生热应力等。另一种情况是由于形成预定切断部，以预定切断部作为起点向加工对象物的截面方向(厚度方向)自然地开裂，其结果是加工对象物被切断。在这种情况下，假如加工对象物的厚度小，由于1排的改质区域可以形成预定切断部，而如果加工对象物的厚度大，则可以在厚度方向上由形成的多排的改质区域而形成预定切断部。另外，这种自然开裂的情况，在进行切断的位置上，裂缝不发展到与没有形成预定切断部的部位相对应的部分的表面上，而仅在与形成了预定切断部相对应的部分进行割裂，所以可以很好地控制割断。近年来，像硅晶片等的加工对象物的厚度有向更薄发展的倾向，所以，这样的控制性好的切断方法是非常有效的。
作为在本实施方式中由于多光子吸收而形成的改质区域，有以下(1)～(3)种情况。
(1)改质区域是含有一个或者多个裂纹的裂纹区域的情况把聚光点调整到加工对象物(例如由玻璃或LiTaO3构成的压电材料)的内部，在聚光点上的电场强度在1×108(W/cm2)以上且脉冲宽度在1μs以下的条件下照射激光。此脉冲宽度的大小以生成多光子吸收而不对加工对象物的表面产生多余的损害，且能仅在加工对象物的内部形成裂纹区域为条件。这样，在加工对象物的内部发生由于多光子吸收而造成的光学损伤这一现象。由于这种光学损伤在加工对象物的内部诱发热应变，此热应变使得加工对象物的内部形成裂纹区域。作为电场强度的上限值，例如是1×1012(W/cm2)。脉冲宽度优选是1ns～200ns。此外，通过多光子吸收而导致的裂纹区域的形成刊载于第45届激光热加工研究会论文集(1998年12月)的第23页～第28页的“采用固体激光高次谐波的玻璃基板的内部划线”中。
本发明者通过实验求出了电场强度和裂纹大小的关系。实验条件如下。
(A)加工对象物派瑞克斯(注册商标)玻璃(厚度700μm)(B)激光光源半导体激光激发Nd:YAG激光波长1046nm激光斑截面积3.14×10-8cm2振荡方式Q开关脉冲反复频率100kHz脉冲宽度30ns输出输出＜1mJ/脉冲激光品质TEM00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)承载加工对象物的载物台的移动速度100mm/秒所谓激光品质TEM00，就是聚光性高，能够聚光到激光的波长程度。
图7是显示上述实验结果的曲线图。横轴是峰值功率密度，激光是脉冲激光，所以电场强度用峰值功率密度来表示。纵轴是表示一个脉冲的激光在加工对象物的内部所形成的裂纹部分(裂纹点)的大小。裂纹点聚集成为裂纹区域。裂纹点的大小是指裂纹点的形状中最大长度部分的大小。曲线中的黑点表示的数据是聚光用透镜(C)的倍率为100倍、数值孔径(NA)为0.80的情况。曲线中的白圈表示的数据是聚光用透镜(C)的倍率为50倍、数值孔径(NA)为0.55的情况。由图可知从峰值功率密度是1011(W/cm2)左右在加工对象物的内部开始发生裂纹点，随着峰值功率密度加大，裂纹点也加大。
下面，用图8～图11对在本实施方式的激光加工中，由于形成裂纹区域而使加工对象物切断的机理进行说明。如图8所示，在产生多光子吸收的条件下，将聚光点P调整到加工对象物1的内部，向加工对象物1照射激光L，沿着预定切断线在内部形成裂纹区域9。裂纹区域9是包含一个或多个的裂纹的区域。通过此裂纹区域9形成预定切断部。如图9所示，把裂纹区域9作为起点，(即以预定切断部作为起点)使裂缝进一步成长，如图10所示，裂缝到达加工对象物1的表面3和背面17，如图11所示，通过加工对象物1的开裂，使加工对象物1被切断。到达加工对象物的表面和背面的裂缝，有自然成长的情况，也有依靠向加工对象物施加外力而使之成长的情况。
(2)改质区域是熔融处理区域的情况调整聚光点到加工对象物(例如硅那样的半导体材料)的内部，按照聚光点的电场强度为1×108(W/cm2)以上，并且脉冲宽度1μs以下的条件照射激光。这样，加工对象物的内部由于多光子吸收而局部被加热。通过这种加热在加工对象物的内部形成熔融处理区域。所谓熔融处理区域就是一旦熔融后再凝固的区域、和完全熔融的区域、以及由熔融状态到再凝固状态的区域，也可以说是发生了相变化的区域和晶体结构发生了变化的区域。此外，所谓熔融处理区域，是指在单晶结构、非晶态结构、多晶结构中，某种结构变成另一种结构的区域。也就是说例如，由单晶结构变化成非晶态结构的区域、由单晶结构变化成多晶结构的区域、由单晶结构变化成含有非晶态结构及多晶结构的结构的区域。加工对象物是硅单晶的情况下，熔融处理区域假如是非晶态硅结构，电场强度的上限值优选的是1×1012(W/cm2)，脉冲宽度优选的是例如1ns～200ns。
本发明人通过实验确认了在硅晶片的内部形成了熔融处理区域。实验条件如下。
(A)加工对象物硅晶片(厚度350μm、外径4英寸)(B)激光光源半导体激光激发Nd:YAG激光波长1064nm激光斑截面积3.14×10-8cm2振荡方式Q开关脉冲交变频率100kHz脉冲宽度30ns输出20μJ/脉冲激光品质TEM00偏光特性直线偏光(C)聚光用透镜倍率50倍N.A.0.55对于激光波长的透过率60％(D)承载加工对象物的载物台的移动速度100mm/秒图12是表示在上述条件下用激光加工切断硅晶片后的一个部位的截面照片。在硅晶片11的内部形成了熔融处理区域13。并且用上述条件形成的熔融处理区域13的厚度方向的尺寸为100μm左右。
对通过多光子吸收吸收而形成熔融处理区域13进行说明。图13是表示激光的波长和硅基板的内部的透过率的关系的曲线图。但是，除掉了硅基板的表面侧和背面侧的反射成分，表示的只是内部的透过率。表示了对硅基板的厚度t分别为50μm、100μm、200μm、500μm、1000μm的上述关系。
例如可以看出，在Nd:YAG激光的波长1064nm、硅基板厚度在500μm以下时，在硅基板内部激光透过80％以上。图12所表示的硅晶片11的厚度是350μm，所以由多光子吸收形成的熔融处理区域13形成在硅晶片的中心附近，也就是距表面175μm的部分。这时的透过率如果以厚度200μm硅晶片为参考是90％以上，所以激光在硅晶片11的内部被吸收的量极少，几乎全部透过。这表明并不是激光在硅晶片11的内部被吸收才在硅晶片11内部形成熔融处理区域13的(即以激光用通常的加热方式形成熔融处理区域)，熔融处理区域13是通过多光子吸收而形成的。基于多光子吸收的熔融处理区域形成刊载于焊接学会全国大会演讲概要第66集(2000年4月)的第72页～第73页的“采用微微秒脉冲激光的硅加工特性评价”中。
以在熔融处理区域形成的预定切断部位为起点，向截面方向使之产生裂纹，通过使该裂纹到达硅晶片的表面和背面，硅晶片最终被切断。到达硅晶片的表面和背面的裂纹有自然成长的情况，也有像硅晶片施加外力使之成长的情况。在裂纹由预定切断部向硅晶片的表面和背面自然成长的情况下，既有裂纹从形成预定切断部的熔融处理区域处于熔融的状态成长的情况，也有裂纹在形成预定切断部的熔融处理区域处于由熔融的状态开始到再凝固时成长的情况。不论哪种情况，熔融处理区域都是只在硅晶片的内部形成，如图12所示，在切断后的切断面上，只是在内部形成了熔融处理区域。如果在加工对象物的内部由熔融处理区域形成预定切断部，在切断时，就不容易产生超越预定确定部线的不必要的裂纹，使切断容易控制。
(3)改质区域是折射率变化区域的情况调整聚光点使之位于加工对象物(如玻璃)的内部，按照聚光点的电场强度为1×108(W/cm2)以上并且脉冲宽度1ns以下的条件照射激光。如果使脉冲宽度极短，并且在加工对象物的内部产生多光子吸收，为使多光子吸收的能量不转化成热能，在加工对象物的内部诱发离子价数变化、结晶化或极化取向等永久性的结构变化，而形成折射率变化区域。电场强度的上限值例如是1×1012(W/cm2)，脉冲宽度优选是在例如1ns以下，更优选是在1ps以下。通过多光子吸收形成折射率变化区域，刊载于第42届激光热加工研究会论文集(1997年11月)的第105页～第111页的“采用费秒激光照射形成向玻璃内部的光诱发构造”中。
下面参照图14及图15对本实施方式的激光加工装置进行说明。
如图14所示，激光加工装置20是，通过将聚光点P1调整到晶片状加工对象物1的内部照射加工用激光(第一激光)L1，在加工对象物1的内部因多光子吸收形成改质区域7，由此由改质区域7形成沿加工对象物1的表面3延续的预定切断部8。其中加工对象物1是硅晶片等半导体晶片，改质区域7是熔融处理区域。
此激光加工装置20具有承载加工对象物1的载物台21，此载物台21以上下方向为Z轴方向，可以向X轴方向、Y轴方向、Z轴方向的各个方向移动。在载物台21的上方，配置有装入产生加工用激光L1的激光光源22等的框体23。此激光光源22例如是Nd:YAG激光，向位于其正下方的载物台21上的加工对象物1发射出脉冲宽度1μs以下的脉冲激光的加工用激光L1。
在框体23的下端面上装有电动旋转体24，在此电动旋转体24上安装有用于观察加工对象物1的观察用物镜26，和用于把加工用激光L1进行聚光的加工用物镜27。各物镜26、27的光轴通过电动旋转体的旋转，而使之与加工用激光L1的光轴一致。在加工用物镜27和电动旋转体24之间，装有使用压电元件的致动器28，通过此致动器28在Z轴方向(上下方向)对加工用物镜27的位置进行微调。
如图15所示，加工用物镜27具有圆筒形状的透镜保持件29，这个透镜保持件29的内部装有由多个透镜组合而成的数值孔径“0.80”的聚光透镜31。并且在透镜保持件29的上端部分形成作为加工用激光L1对聚光透镜31的入射孔的入射口32，在透镜保持件29的下端部分形成加工用激光L1的出射口33，通过这种结构的加工用物镜27使加工用激光L1聚光，在聚光透镜31形成的聚光点P1的加工用激光L1的峰值功率密度达到1×108(W/cm2)以上。
在框体23中的加工用激光L1的光轴上，如图14所示，按照从上到下的顺序配置了把激光光源22产生的激光L1的光束尺寸扩大的光束扩展器34；调整激光L1的输出和偏光的激光调整光学系统36；控制激光L1的通过或遮断的电磁光阀37；缩小激光L1的光束尺寸的光阑部件38。
如图15所示，光阑部件38位于加工用物镜27的入射口32的上方安装在框体23内，具有在加工用激光L1的光轴上缩小此激光L1并使之通过的孔(开口)39。此孔39的开口直径与加工用物镜27的入射口32的直径相同或稍小，孔39的中心轴通过在光阑部件38上设置的调节螺丝35，可以使之与入射口32的中心轴准确的保持一致。
把这种结构的光阑部件38配置在光束扩展器34和加工用物镜27之间，有以下的作用和效果。通过光束扩展器34扩大了光束尺寸的加工用激光L1，通过光阑部件38切除了比孔39大的激光L1的外圈部分，这样，使通过39的加工用激光L1的直径与加工用物镜27的入射口32的直径大体相同。因此，由入射口32的周围部分造成的激光L1的切除量就微乎其微了，可以防止由于加工用激光L1的照射而对透镜保持件29的加热。从而可以把以激光加工中的透镜保持件29的加热作为主要原因的加工用激光L1的聚光点P1的位置变动控制到极小。
再者，激光加工装置20具有可以把加工用激光L1的聚光点P1的位置控制成从加工对象物1的表面3直至一定深度的控制聚光点P1位置的聚光点位置控制机构40。参照图15～图18，对此聚光点位置测量部件40进行说明。
如图15所示，从激光二极管等测距用光源41射出的测距用激光(第二激光)L2顺次通过针孔43、射线束扩展器44之后，被反射镜46、半反射镜47顺次反射，导向配置在电磁光阀37和光阑部件38之间的分色镜48。由此分色镜48反射的测距用激光L2，沿着加工用激光L1的光轴向下方前进，通过光阑部件38的孔39之后，被加工用物镜27的聚光透镜31聚光，并照射向加工对象物1。同时，加工用激光L1透过分色镜48。
被加工对象物1的表面(激光照射面)3反射的测距用激光的反射光L3，再入射到加工用物镜27的聚光透镜31上，沿着加工用激光L1的光轴向上方前进，通过光阑部件38的孔39之后，被分色镜48反射。被分色镜48反射的测距用激光的反射光L3顺次通过半反射镜47、滤光器45。此滤光器45是根据波长让光通过或者进行遮断的部件，在让测距用激光的反射光L3通过的同时，遮断由加工对象物1的表面3或背面17反射的加工用激光L1的反射光。通过了滤光器45的测距用激光的反射光L3，被由圆筒透镜和平凹透镜组成的整形光学系统49聚光，照射到由光电二极管分成四等份而成的四分割位置检测元件42上。
被聚光到作为光接收元件的四分割位置检测元件42上的测距用激光的反射光L3的聚光像图形，随着基于加工用物镜27的聚光透镜31形成的测距用激光L2的聚光点(即焦点)相对于加工对象物1的表面3位于哪一个位置而变化。在这里对测距用激光L2的聚光点的位置和测距用激光的反射光L3的聚光像图形的关系进行说明。
如图16所示，在测距用激光L2的聚光点P2处于加工对象物1的表面3上时，测距用激光的反射光L3追寻着与测距用激光L2相同的轨迹逆行到加工用物镜27的聚光透镜31上，通过整形光学系统49，在四分割位置检测元件42上形成正圆的聚光像图形F。
再如图17所示，在测距用激光L2的聚光点P2处于加工对象物1的表面3的前端(即加工对象物1的内部)时，与测距用激光L2不同，测距用激光反射光L3边扩散边逆行向加工用物镜27的聚光透镜31，通过整形光学系统49，在四分割位置检测元件42上形成纵向长的椭圆的聚光像图形F。
如图18所示，在测距用激光L2的聚光点P2处于加工对象物1的表面3的外侧时，与测距用激光L2不同，测距用激光的反射光L3边聚光边逆行向加工用物镜27的聚光透镜31，通过整形光学系统49，在四分割位置检测元件42上形成横向长的椭圆的聚光像图形F。
如上所述，在四分割位置检测元件42上的测距用激光的反射光L3的聚光像图形F，是随着测距用激光L2的聚光点P2的位置而变化的。因此，根据从四分割位置检测元件42的输出信号(来自在纵方向相对的受光面的输出和来自在横方向相对的受光面的输出的差)，就可以求出测距用激光L2的聚光点P2相对于加工对象物1的表面3的位置。
如图15所示，聚光点位置控制机构40具有位置检测演算电路50及致动器控制部55。位置检测演算电路50根据四分割位置检测元件42输出的输出信号，演算测距用激光L2的聚光点P2相对于加工对象物1的表面3的位置。然后，致动器控制部55根据位置检测演算电路50所求出的聚光点P2的位置，以加工用激光L1的聚光点P1的位置要距离加工对象物1的表面3一定深度的方式，在通常的激光加工中对致动器28进行反馈控制，在上下方向上对加工用物镜27的位置进行微调。
再如图14所示，为了观察在载物台21上承载着的加工对象物1，在激光加工装置20上在框体23外部装有产生观察用可视光的观察用光源51，在框体23内部装有CCD照相机52。
就是说，观察用光源51发出的观察用可视光，经过由光纤组成的光导向器53导入框体23内，顺次通过视野光阑54、开口光阑56、分色镜57之后，通过配置在光阑部件38和加工用物镜27的入射口32之间的分色镜58进行反射。反射出来的观察可视光在加工用激光L1的光轴上向下方向前进，通过电动旋转体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，照射到加工对象物1上。加工用激光L1、测距用激光L2及其反射光L3都透过分色镜58。
由加工对象物1的表面3反射的观测用可视光的反射光，再入射到观察用物镜26内，并且沿着加工用激光L1的光轴向上方前进，被分色镜58反射。此被分色镜58反射的反射光被分色镜57再反射，顺次通过滤光器59、成像透镜61、中继透镜62，入射到CCD照相机52上。
此CCD照相机52拍摄到的摄像数据被取入到整体控制部63中，通过此整体控制部63把加工对象物1的表面3等的画像在TV监视器64上映现出来。整体控制部63，进行在各种处理，并且，除了控制载物台21的移动、电磁旋转体24的旋转、电磁光阀37的开闭、CCD照相机52的摄像等以外，还控制激光加工装置20的整体动作。
参照图19对采用上述激光加工装置20进行激光加工的顺序加以说明。其中在沿着加工对象物1的表面3并且是在距表面3深度D的位置形成改质区域7，再用此改质区域7形成沿预定切断线的预定切断部8。
首先把加工对象物1装载到载物台21上，移动载物台21，使加工对象物1的改质区域7的形成开始位置与加工用激光L1的聚光点P1相一致。此载物台21的初始位置是由加工对象物1的厚度和折射率、加工用物镜27的聚光透镜31的数值孔径等决定的。
然后在从激光光源22发射出加工用激光L1的同时，从测距用激光光源41发射出测距用激光L2，沿X轴方向和Y轴方向驱动载物台21，使通过聚光透镜31聚光的激光L1、L2在预定切断线上进行扫描。这时通过焦点位置控制机构40检测测距用激光的反射光L3，用反馈控制致动器28对加工用物镜27的位置在上下方向上进行微调，使加工用激光L1的聚光点P1的位置始终保持在距离加工对象物1的表面3有一定的深度D。
如图19所示，即使加工对象物1的表面3上有面起伏，也能在距离表面3一定深度D的位置形成改质区域7，形成离表面3具有距离D而相应于表面3的面起伏的预定切断部8。如果沿着该预定切断部8把具有这样的追随表面3的面起伏的预定切断部8的加工对象物1切断，使得加工对象物1的表面3侧的切断精度稳定。为此，对于在硅晶片那样的加工对象物1的表面3上形成多个光接收元件或发光元件等功能元件，要按每一个功能元件切断加工对象物1的情况，就能够防止由于切断造成的功能元件的损伤。
如果在加工对象物1的内部，相比于背面17侧在更接近表面3侧的位置形成改质区域7，则可以提高表面3侧的切断精度。因此，例如也有在平均板厚100μm的硅晶片中在距离表面30μm的位置、在平均板厚50μm的硅晶片中在距离表面10μm的位置这样的位置，距离表面3的深度仅仅几十μm的位置上形成改质区域7的情况。在这样的情况下，即使加工对象物1的表面3上有面起伏，如果采用激光加工装置20，也能使改质区域7不从表面3露出来，可以在加工对象物1的内部形成追随表面3的面起伏的预定切断部8。
正如以上所说明所述，在激光加工装置20中加工用激光L1和测距用激光L2是在同一轴线上，并且通过加工用物镜27的聚光透镜31向加工对象物1聚光。这时，通过聚光点位置控制机构40检测由加工对象物1的表面3反射出来的测距用激光的反射光L3，使加工用激光L1的聚光点P1的位置被控制在距离加工对象物1的表面3有一定深度D的位置上。这样，基于加工用激光L1的改质区域7的形成和基于测距激光L2的表面3的位移的测量都是在同一轴线上进行的。所以，可以防止由于承载加工对象物1的载物台21的振动造成加工用激光L1的聚光点P1的位置偏离一定深度D的位置。从而，能够把加工用激光L1高精度地聚光到距离加工对象物1的表面3一定深度D的位置。
另外，在薄板状的加工对象物1的内部由于多光子吸收而形成改质区域7的情况下，有必要把加工用物镜27的聚光透镜31的数值孔径加大到“0.80”，为此，聚光透镜31和加工对象物1接近到10mm左右。在这样的状态下，要把测量表面3的位移的传感器并排设置在聚光透镜31的侧方，在装置的结构上是极其困难的，但是，如采用激光加工装置20，就没有必要采用那么困难的结构。
在激光加工装置20中在测距用激光的反射光3的光路上，设置了在让此反射光L3通过的同时，遮挡住由加工对象物1的表面3或背面17所反射的加工用激光L1的反射光的滤光器45。这样聚光点位置检测机构40就可以既不被加工用激光L1的反射光所影响，又能够正确地检测出测距用激光的反射光L3，使加工用激光L1的聚光点P1的位置精度更进一步的提高。
本发明不仅限于上述的实施方式。上述实施方式是在加工对象物1的内部通过多光子吸收形成改质区域7的，而本发明能适用于各种各样的激光加工，与上述实施方式一样，可以把用于对加工对象物1进行加工的激光更高精度地聚光到指定的位置上。
此外，上述实施方式是聚光点位置控制机构40检测出在加工对象物1的表面3的测距用激光的反射光L3的情况，本发明不仅局限于此。例如与检测出在加工对象物1的表面3的测距用激光的反射光L3的同时，也可以检测出在加工对象物1的背面(激光照射面)17的测距用激光L2的反射光。这样可以测量加工对象物1的表面3的位移和背面17的位移，因而也能正确求出在加工用物镜27的聚光透镜31正下方的加工对象物1的厚度。例如可以以把加工用激光L1的聚光点P1调整到加工对象物1的厚度的一半的位置上，或者调整到距离加工对象物1的表面3侧1/3的位置上的方式进行聚光点P1的位置控制。
再者，上述的实施方式是把加工用激光L1的聚光点P1调整到距离加工对象物1的表面3一定深度D的位置上，但是，也可以通过对距焦点P1的位置控制，使调整聚光点P1的位置沿着预定切断线变化。例如，可以使调整聚光点P1的位置按照波线形变化，还可以在途中改变调整聚光点P1的位置的深度。
工业实用性如上所述，采用本发明的激光加工装置及激光加工方法，可以把对加工对象物加以加工的激光高精度地聚光在指定的位置上。
权利要求
1.一种激光加工装置，把聚光点调整到晶片状加工对象物的内部而照射第一激光，在所述加工对象物的内部形成基于多光子吸收的改质区域，其特征在于，该激光加工装置具有把所述第一激光、和用于测量所述的加工对象物的激光照射面的位移的第二激光在同一轴线上向所述加工对象物进行聚光的聚光透镜；和通过检测被所述激光照射面反射的所述第二激光的反射光，控制在所述加工对象物内部的所述第一激光的聚光点位置的聚光点位置控制机构。
2.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，所述激光照射面是所述加工对象物的所述聚光透镜侧的表面，所述聚光点位置控制机构是按照所述第一激光的聚光点的位置处于距离所述激光透镜侧的表面具有一定深度的方式控制所述第一激光的聚光点的位置。
3.如权利要求1或2所述的激光加工装置，其特征在于，所述聚光点位置控制机构是以通过使所述聚光透镜和所述加工对象物的距离发生变化，控制在所述加工对象物内部的所述第一激光的聚光点的位置。
4.如权利要求1～3任一项所述的激光加工装置，其特征在于，在所述第二激光的反射光的光路上，设有让所述第二激光的反射光通过，遮断被所述激光照射面反射的所述第一激光的反射光的滤光器。
5.一种激光加工装置，是照射第一激光来对所述加工对象物进行加工的激光加工装置，其特征在于，具有把所述第一激光和用于测量所述加工对象物的激光照射面的位移的第二激光在同一轴线上向所述加工对象物进行聚光的聚光透镜；和通过检测被所述激光照射面反射的所述第二激光的反射光，控制第一激光的聚光点相对于所述加工对象物的位置的聚光点位置控制机构。
6.一种激光加工方法，把聚光点调整到晶片状加工对象物的内部而照射第一激光，在所述加工对象物的内部形成基于多光子吸收的改质区域，其特征在于，把所述第一激光、和用于测量所述加工对象物的激光照射面的位移的第二激光在同一轴线上向所述加工对象物进行聚光，通过检测被所述激光照射面反射的所述第二激光的反射光，控制在所述加工对象物内部的所述第一激光的聚光点的位置。
7.一种激光加工方法，照射第一激光来加工所述加工对象物，其特征在于，把所述第一激光、和用于测量所述加工对象物的激光照射面的位移的第二激光在同一轴线上向所述加工对象物进行聚光，通过检测被所述激光照射面反射的所述第二激光的反射光，控制第一激光的聚光点相对于所述加工对象物的位置。
全文摘要
本发明提供能在指定位置上将加工用激光进行高精度聚光的激光加工装置及激光加工方法。在激光加工装置上，加工用激光(L1)和测距用激光(L2)在同一轴线上通过聚光透镜(31)向加工对象物(1)聚光。这时，通过聚光点位置控制机构(40)，检测在加工对象物(1)的表面(3)上反射的测距用激光的反射光(L3)，使加工用激光(L1)的聚光点(P1)被控制在指定的位置上。这样，由于基于加工用激光(L1)的加工和基于测距用激光(L2)的表面(3)的位移的测量都是在同一轴线上进行，所以可防止由于载物台(21)的振动等而造成的加工用激光(L1)的聚光点(P1)偏离所指定的位置。从而使加工用激光(L1)能够高精度地聚光在指定位置上。
文档编号H01L21/301GK1720117SQ20038010472
公开日2006年1月11日 申请日期2003年12月4日 优先权日2002年12月6日
发明者福满宪志, 福世文嗣, 久野耕司 申请人:浜松光子学株式会社