WO2014119114A1 - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

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laser light
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optical system
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翼 廣瀬
優 瀧口
泰則 伊ケ崎
英樹 下井
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浜松ホトニクス株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a laser processing apparatus and a laser processing method for forming a modified region in a workpiece.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-228867 discloses a laser beam focused on the inside of a workpiece so that the wavefront of the laser beam becomes a predetermined wavefront inside the workpiece.
  • the object to be processed is irradiated with a laser beam modulated by a reflective spatial light modulator (so that the aberration is less than a predetermined aberration).
  • a via is three-dimensionally formed in the interposer substrate, a thin semiconductor wafer is cut, and a gettering region is formed in the semiconductor substrate. In some cases, for example, it is required to refine the modified region.
  • an object of the present invention is to provide a laser processing apparatus and a laser processing method capable of forming a fine modified region with high accuracy and efficiency.
  • a laser processing apparatus is a laser processing apparatus that forms a modified region on a processing object by irradiating the processing object with laser light, the laser light source that emits the laser light, and the processing Of the laser light emitted from the laser light source, a support part that supports the object and an annular part that surrounds the central part including the optical axis of the laser light are collected in a predetermined part of the processing object supported by the support part.
  • An optical system for causing light to be emitted, and the optical system adjusts the shape of at least one of the inner edge and the outer edge of the annular portion in accordance with the position of the predetermined portion of the workpiece.
  • the present inventors condense the annular portion of the laser light (the portion of the laser light surrounding the central portion including the optical axis) onto a predetermined portion of the workpiece, the central portion and the annular portion of the laser light are collected. It has been found that a fine modified region can be accurately formed in a predetermined part of the processing object as compared with the case where the light is condensed on the predetermined part of the processing object. In the laser processing apparatus, since the annular portion of the laser beam is focused on the predetermined portion of the processing target, a fine modified region can be formed with high accuracy in the predetermined portion of the processing target.
  • the annular part has an annular shape
  • the optical system may adjust at least one of the inner diameter and the outer diameter of the annular part according to the position of the predetermined part in the workpiece. According to this configuration, the shape of the inner edge and the outer edge of the annular portion of the laser beam can be adjusted accurately and easily.
  • the optical system When the predetermined portion is located inside the workpiece, the optical system has a shape of at least one of the inner edge and the outer edge of the annular portion according to the distance from the surface on which the laser light is incident on the workpiece to the predetermined portion. May be adjusted. According to this configuration, according to the distance from the surface on which the laser beam is incident on the object to be processed to the predetermined portion, the modified region is placed in a desired state (the size of the modified region itself and the modified region). Including the state of the length of cracks generated in the workpiece from the quality region).
  • the optical system may adjust the shape of at least one of the inner edge and the outer edge of the annular portion in accordance with the state of the modified region that is to be formed when the workpiece is irradiated with laser light. According to this configuration, the shape of at least one of the inner edge and the outer edge of the annular portion of the laser beam can be adjusted in advance in order to obtain a desired state of the modified region to be formed.
  • the laser processing apparatus further includes a detection unit that detects a state of the modified region formed when the workpiece is irradiated with laser light, and the optical system responds to the state of the modified region detected by the detection unit.
  • the shape of at least one of the inner edge and the outer edge of the annular portion may be adjusted. According to this configuration, when the state of the modified region that is being formed or has already been formed deviates from a desired state for some reason, it is possible to immediately adjust the shape of at least one of the inner edge and the outer edge of the annular portion of the laser light. it can.
  • the state of the modified region may include a state of the length of a crack generated in the processed object from the modified region when the laser beam is irradiated to the processed object. According to this configuration, the length of the crack generated in the workpiece from the modified region can be set to a desired length.
  • the optical system has a refractive index of the processing object, a wavelength of the laser beam, and a processing object so that the spherical aberration generated in the predetermined part is suppressed when the predetermined part is located inside the processing object.
  • the laser beam may be shaped according to the distance from the surface on which the laser beam is incident to the predetermined portion. According to this configuration, since spherical aberration that occurs in a predetermined portion of the workpiece is suppressed, a finer modified region can be formed in the predetermined portion of the workpiece.
  • the optical system condenses the spatial light modulator that modulates the laser light and the laser light modulated by the spatial light modulator on a predetermined portion so that the shape of at least one of the inner edge and the outer edge of the annular portion is adjusted. And a condensing optical system. According to this configuration, the shape of at least one of the inner edge and the outer edge of the annular portion of the laser light can be adjusted dynamically and instantaneously.
  • a laser processing method is a laser processing method for forming a modified region on a processing target by irradiating the processing target with laser light, and the laser beam is included in the laser light.
  • the annular part surrounding the central part including the shaft is condensed on a predetermined part of the processing object, and at that time, the shape of at least one of the inner edge and the outer edge of the annular part is set according to the position of the predetermined part in the processing object. adjust.
  • the present invention it is possible to provide a laser processing apparatus and a laser processing method capable of forming a fine modified region with high accuracy and efficiency.
  • surface which shows another example of the data table memorize
  • substrate which is a process target of the laser processing apparatus of FIG.
  • the laser processing apparatus 1 forms a modified region R in the processing target S by irradiating the processing target S with laser light L.
  • the laser processing apparatus 1 is modified when forming a three-dimensional via in an interposer substrate, cutting a thin semiconductor wafer, and forming a gettering region in a semiconductor substrate. This device is particularly effective when the region R is required to be miniaturized.
  • the laser beam L passes through the workpiece S and is particularly absorbed in the vicinity of the condensing point inside the workpiece S, whereby a modified region R is formed in the workpiece S ( That is, internal absorption laser processing). Therefore, since the laser beam L is hardly absorbed on the surface S1 of the workpiece S, the surface S1 of the workpiece S is not melted. In general, when a removed portion such as a hole or a groove is formed by being melted and removed from the front surface S1 (surface absorption laser processing), the processing region gradually proceeds from the front surface S1 side to the back surface side.
  • the modified region R refers to a region where the density, refractive index, mechanical strength and other physical characteristics are different from the surroundings.
  • Examples of the modified region R include a melt processing region, a crack region, a dielectric breakdown region, a refractive index change region, and the like, and there is a region where these are mixed.
  • the modified region R includes a region in which the density of the modified region R has changed in comparison with the density of the non-modified region in the material to be processed, and a region in which lattice defects are formed (collectively, Also called high-density transition region).
  • the melt-processed region, the refractive index changing region, the region where the density of the modified region R is changed compared to the density of the non-modified region, and the region where lattice defects are formed further
  • cracks are included in the interface between the region R and the non-modified region.
  • the included crack may be formed over the entire surface of the modified region R, or may be formed in only a part or a plurality of parts.
  • the laser processing apparatus 1 includes a laser light source 2, an attenuator 3, a spatial light modulator 4, a 4 f optical system 5, a mirror 6, and an objective lens unit (condensing optical system) 7. And a mounting table (support unit) 8, a detection unit 9, and a control unit 10.
  • the laser light source 2 emits the laser light L by, for example, pulsing the laser light L.
  • the wavelength of the laser beam L is a wavelength that is transmissive to the workpiece S.
  • the attenuator 3 adjusts the output of the laser light L emitted from the laser light source 2.
  • the spatial light modulator 4 is, for example, a reflective liquid crystal (LCOS: Liquid Crystal on Silicon) spatial light modulator (SLM: Spatial Light Modulator), and modulates the laser light L emitted from the laser light source 2.
  • LCOS Liquid Crystal on Silicon
  • SLM Spatial Light Modulator
  • the configuration of the spatial light modulator 4 will be described.
  • the transparent substrate 49 is laminated in this order.
  • the transparent substrate 49 is made of a light transmissive material such as glass.
  • a surface 49 a of the transparent substrate 49 parallel to the XY plane is an incident / exit surface of the laser light L in the spatial light modulator 4.
  • the transparent conductive film 48 is made of a light transmissive and conductive material such as ITO, and is formed on the back surface 49 b of the transparent substrate 49. The transparent substrate 49 and the transparent conductive film 48 transmit the laser light L.
  • the pixel electrode 43 is made of a metal material such as aluminum. Each pixel electrode 43 is two-dimensionally arranged on the silicon substrate 41 according to the arrangement of a plurality of pixels.
  • the plurality of pixel electrodes 43 are driven by an active matrix circuit provided in the drive circuit layer 42.
  • the active matrix circuit applies to each pixel electrode 43 according to the light image to be output from the spatial light modulator 4 (that is, according to the modulation pattern (modulation image) input from the control unit 10). Control the voltage.
  • the active matrix circuit includes, for example, a first driver circuit that controls a voltage applied to each pixel column aligned in the X-axis direction and a second driver circuit that controls a voltage applied to each pixel column aligned in the Y-axis direction. And a driver circuit. As a result, a predetermined voltage corresponding to the modulation pattern is applied to the pixel electrode 43 corresponding to the pixel specified by the first and second driver circuits.
  • the liquid crystal layer 46 modulates the laser light L according to the electric field formed by each pixel electrode 43 and the transparent conductive film 48.
  • the reflection film 44 is made of, for example, a dielectric multilayer film and reflects the laser light L incident on the spatial light modulator 4.
  • the alignment films 45 and 47 align the liquid crystal molecules 46a of the liquid crystal layer 46 in a certain direction.
  • the alignment films 45 and 47 are made of, for example, a polymer material such as polyimide, and the contact surfaces of the alignment films 45 and 47 with the liquid crystal layer 46 are rubbed.
  • the spatial light modulator 4 configured as described above, when a predetermined voltage is applied to each pixel electrode 43 by the active matrix circuit, an electric field is formed between each pixel electrode 43 and the transparent conductive film 48.
  • the This electric field is applied to each of the reflective film 44 and the liquid crystal layer 46 at a ratio corresponding to the thickness.
  • the alignment direction of the liquid crystal molecules 46 a changes according to the magnitude of the electric field applied to the liquid crystal layer 46.
  • the laser light L incident on the spatial light modulator 4 is modulated by the liquid crystal molecules 46 a when passing through the liquid crystal layer 46, reflected by the reflective film 44, and again when passing through the liquid crystal layer 46. Is modulated by.
  • the laser beam L modulated by the liquid crystal layer 46 is emitted from the spatial light modulator 4.
  • the phase of each light beam constituting the laser light L is adjusted according to the modulation pattern input from the control unit 10, and the wavefront of the laser light L is adjusted.
  • the 4f optical system 5 includes a pair of lenses 5a and 5b, and adjusts the wavefront shape of the laser light L modulated by the spatial light modulator 4.
  • the distance (optical path length) between the spatial light modulator 4 and the lens 5a is the focal length f1 of the lens 5a
  • the distance (optical path length) between the objective lens unit 7 and the lens 5b is the lens.
  • the focal length f2 is 5b.
  • the distance (optical path length) between the lens 5a and the lens 5b is f1 + f2
  • the lens 5a and the lens 5b are both-side telecentric optical systems. According to such a 4f optical system 5, it is possible to suppress an increase in aberration due to a change in the wavefront shape of the laser light L modulated by the spatial light modulator 4 due to spatial propagation.
  • the mirror 6 reflects the laser beam L incident from the 4f optical system 5 side and makes it incident on the objective lens unit 7.
  • the objective lens unit 7 focuses the incident laser light L on a predetermined portion of the workpiece S.
  • the objective lens unit 7 has an actuator 7a such as a piezoelectric element.
  • the actuator 7a can reciprocate the objective lens unit 7 along its optical axis.
  • the mounting table 8 supports the workpiece S and is movable with respect to the objective lens unit 7.
  • the mounting table 8 moves the focusing point P of the laser light L with respect to the processing target S by moving with respect to the processing target S while supporting the processing target S.
  • the actuator 7a causes the objective lens unit 7 to emit light of the objective lens unit 7 along the swell of the surface of the workpiece S based on the detection value of the reflected light of the measurement laser beam reflected on the surface of the workpiece S. It can be reciprocated along the axis.
  • the detection unit 9 detects the state of the modified region R formed when the workpiece S is irradiated with the laser light L.
  • the detection unit 9 detects, for example, the amount of light emitted from the plasma generated in the modified region R to detect cracks generated in the processed object S from the modified region R when the laser beam L is irradiated onto the processed object S. Detect the length condition.
  • Control unit 10 controls the entire laser processing apparatus 1. For example, the control unit 10 controls the laser light source 2 so that the output and pulse width of the laser light L emitted from the laser light source 2 become predetermined values. The control unit 10 generates a modulation pattern based on the detection value input from the detection unit 9 and inputs the modulation pattern to the spatial light modulator 4. Furthermore, the control unit 10 controls the operations of the mounting table 8 and the actuator 7a.
  • the optical system 11 is configured by the spatial light modulator 4, the 4f optical system 5, the mirror 6, and the objective lens unit 7. As shown in FIG. 3, the optical system 11 cuts a central portion La that is a central component (a component having a small NA of the laser light, that is, a low NA component) including the optical axis OA of the laser light L, and A peripheral component (a component having a large NA of the laser beam, that is, a high NA component) surrounding the central portion La, that is, an annular portion Lb that is an annular component is condensed on a predetermined portion of the workpiece S.
  • a central component a component having a small NA of the laser light, that is, a low NA component
  • a peripheral component a component having a large NA of the laser beam, that is, a high NA component
  • the central portion La of the laser light L is cut by the modulation of the laser light L by the spatial light modulator 4, and the condensing of the annular portion Lb of the laser light L is performed by the laser by the objective lens unit 7. This is realized by condensing the light L.
  • the central portion La has a circular shape with the optical axis OA as the center line
  • the annular portion Lb has an annular shape with the optical axis OA as the center line.
  • the optical system 11 irradiates the processing object S with a position of a predetermined portion in the processing object S (that is, a position where the condensing point P of the laser light L is matched in the processing object S) and the laser light L.
  • the shape of at least one of the inner edge and the outer edge of the annular portion Lb is adjusted according to the state of the modified region R to be formed.
  • the position of the predetermined portion in the workpiece S is the processing depth (that is, the predetermined portion from the surface S1 on which the laser light is incident on the workpiece S).
  • Distance to the portion) Z m (m 1, 2, 3,).
  • adjustment of at least one of the inner diameter ID m and the outer diameter OD m of the annular portion Lb is performed by the laser by the spatial light modulator 4. This is realized by modulation of the light L.
  • the optical system 11 is configured so that the spherical aberration generated in the predetermined portion is suppressed.
  • refractive index of n according to the wavelength ⁇ and machining depth Z m of the laser beam L, to shape the laser beam L.
  • the shaping of the laser light L for suppressing the spherical aberration is realized by the modulation of the laser light L by the spatial light modulator 4. Note that when the laser light L collected by the objective lens unit 7 is incident on the workpiece S, defocusing occurs due to the incident height of the light incident on the condenser lens, and the focal point position differs depending on the incident light.
  • spherical aberration occurs.
  • the amount of deviation in the optical axis OA direction from the converging position of the paraxial light beam becomes spherical aberration expressed by longitudinal aberration (longitudinal spherical aberration), and the aberration becomes the largest in the outermost edge light beam.
  • Spherical aberration expressed as longitudinal aberration may be expressed as longitudinal aberration, longitudinal aberration, longitudinal ray aberration, and longitudinal error.
  • Control unit 10 by referring to the data table stored in a memory in advance, the refractive index n, the aberration correction parameters A m corresponding to the wavelength ⁇ and machining depth Z m it can be read out, it is also possible to calculate the aberration correction parameters a m on the basis of the refractive index n, the wavelength ⁇ and machining depth Z m.
  • the control unit 10 acquires the crack length X m (step S ⁇ b> 05).
  • the crack length Xm is a value input to the control unit 10 in advance, and is a desired crack length to be generated in the workpiece S from the modified region R.
  • the memory in advance by referring to the data table stored, reads the modulation pattern P m corresponding to the length X m of the aberration correction parameters A m and cracks
  • the modulation pattern P m can be calculated based on the aberration correction parameter Am and the crack length X m .
  • the modulation pattern P (A m , X m ) is a predetermined portion that can adjust at least one of the inner diameter ID m and the outer diameter OD m of the annular portion Lb of the laser light L and that should form the modified region R. This is a modulation pattern capable of suppressing the generated spherical aberration.
  • the control unit 10 starts laser processing (step S07). Specifically, the control unit 10, a modulation pattern P m which is determined in the step S06 is input to the spatial light modulator 4, and emits a laser beam L from the laser light source 2 under a predetermined condition. On the other hand, the control unit 10 operates the mounting table 8 and the actuator 7a so that the condensing point P of the laser light L is aligned with a predetermined part of the workpiece S. As a result, the annular portion Lb of the laser light L modulated by the spatial light modulator 4 is condensed on the predetermined portion of the workpiece S with the spherical aberration suppressed by the objective lens unit 7.
  • the control unit 10 operates the mounting table 8 and the actuator 7a to move the position of the condensing point P of the laser light L on the workpiece S along the desired line, while processing the depth Zm. It is determined whether or not is changed (step S08). As a result, when the machining depth Zm is changed, the control unit 10 returns to step S03, and thereafter performs the same processing.
  • the control unit 10 has a length X m of the crack is determined whether to change (step S09). As a result, when the crack length Xm is changed, the control unit 10 returns to step S05, and thereafter performs the same processing. Is determined in step S09, if the length X m crack is not changed, the control unit 10 terminates the laser processing.
  • the control unit 10 acquires the machining depth Z m and the crack length X m (steps S11 and S12).
  • the processing depth Z m and the crack length X m are values that are input to the control unit 10 in advance, and the desired processing depth at which the modified region R is to be formed and the processing target from the modified region R, respectively. This is the desired crack length to be generated in the object S.
  • the control unit 10 can read the modulation pattern P m corresponding to the machining depth Z m and the crack length X m with reference to a data table stored in the memory in advance.
  • the modulation pattern P m can also be calculated based on the processing depth Z m and the crack length X m .
  • the modulation pattern P (Z m , X m ) is a modulation pattern that can adjust at least one of the inner diameter ID m and the outer diameter OD m of the annular portion Lb of the laser light L.
  • the control unit 10 starts laser processing (step S14). Specifically, the control unit 10, a modulation pattern P m which was determined in step S13 is input to the spatial light modulator 4, and emits a laser beam L from the laser light source 2 under a predetermined condition. On the other hand, the control unit 10 operates the mounting table 8 and the actuator 7a so that the condensing point P of the laser light L is aligned with a predetermined part of the workpiece S. As a result, the annular portion Lb of the laser beam L modulated by the spatial light modulator 4 is condensed on a predetermined portion of the workpiece S by the objective lens unit 7.
  • the control unit 10 operates the mounting table 8 and the actuator 7a to move the position of the condensing point P of the laser light L on the workpiece S along the desired line, while processing the depth Zm. It is determined whether or not is changed (step S15). As a result, when the machining depth Zm is changed, the control unit 10 returns to step S11 and thereafter performs the same processing. On the other hand, if the processing depth Zm is not changed as a result of the determination in step S15, the control unit 10 determines whether or not the crack length Xm is changed (step S16). As a result, when the crack length Xm is changed, the control unit 10 returns to step S12, and thereafter performs the same processing. Is determined in step S16, if the length X m crack is not changed, the control unit 10 terminates the laser processing.
  • control unit 10 can also perform the following process. That is, the control unit 10 determines the length of the crack generated in the processing object S from the modified region R when the processing object S is irradiated with the laser light L based on the detection value input from the detection unit 9. Get state. Then, when the length of the crack is out of the desired crack length, the control unit 10 corrects the modulation pattern P m so that the length of the crack becomes the desired crack length, the corrected modulation pattern P m input to the spatial light modulator 4.
  • the laser beam At least one of the inner diameter ID m and the outer diameter OD m of the annular portion Lb of L can be immediately adjusted.
  • a silicon substrate having a thickness of about 300 ⁇ m, for example, serving as an interposer substrate is prepared as the processing object S.
  • a plurality of lines SL for forming vias in a three-dimensional manner are set for the workpiece S at a pitch of about 50 ⁇ m, for example.
  • the laser processing apparatus 1 moves the condensing point P of the laser light L along each line SL in a procedure of an example of the above-described laser processing method or another example, thereby at a desired processing depth.
  • a modified region R having a desired crack length is formed along each line SL.
  • a minute modified region R is formed by one pulse shot of laser light L (that is, one pulse of laser irradiation: laser shot), and this minute modified region R is formed along each line SL. It will be.
  • the fine modified region R may be continuously formed or intermittently formed on each line SL. However, even when formed intermittently, the cracks generated from the fine modified region R may be continuous.
  • the anisotropic etching process is performed using KOH or the like on the workpiece S in which the modified region R is formed along each line SL.
  • the modified region R is selectively etched, and a cavity is formed along each line SL.
  • a conductor is embedded in a cavity formed along each line SL by vacuum compression or the like.
  • an interposer substrate in which vias are three-dimensionally formed is formed.
  • the annular portion Lb of the laser light L is condensed on a predetermined portion of the processing target S.
  • the central portion La and the annular portion Lb of the laser light L are condensed on the predetermined portion of the workpiece S.
  • a fine modified region R can be accurately formed in a predetermined portion of the workpiece S.
  • at least one of the inner diameter and the outer diameter of the annular portion Lb of the laser beam L is adjusted according to the position of the predetermined portion in the workpiece S, so that the predetermined portion of the workpiece S is finely modified.
  • the quality region R can be formed efficiently. Therefore, according to the laser processing apparatus 1, it is possible to form the fine modified region R with high accuracy and efficiency.
  • the modified region R is required to be miniaturized. Especially effective.
  • a thin semiconductor wafer made of silicon having a thickness of about 20 ⁇ m to 30 ⁇ m, for example, in addition to the case where vias are three-dimensionally formed in the interposer substrate as described above. May be cut using the modified region R as a starting point, and a gettering region may be formed on a semiconductor substrate made of silicon, for example.
  • the annular portion Lb of the laser light L has an annular shape
  • the optical system 11 has an inner diameter of the annular portion Lb of the laser light L according to the position of the predetermined portion in the workpiece S. And adjusting at least one of the outer diameters. Thereby, the shape of the inner edge and outer edge of the annular portion Lb of the laser light L can be adjusted accurately and easily.
  • the inner diameter of the annular portion Lb of the laser light L according to the state of the modified region R to be formed when the optical system 11 irradiates the workpiece S with the laser light L. And adjusting at least one of the outer diameters.
  • at least one of the inner diameter and the outer diameter of the annular portion Lb of the laser light L can be adjusted in advance.
  • the optical system 11 has the refractive index of the processing object S, the wavelength of the laser light L, and the processing depth Z so that spherical aberration generated at a predetermined portion of the processing object S is suppressed.
  • the laser beam L is shaped according to m .
  • the optical system 11 focuses the spatial light modulator 4 that modulates the laser light L, and the laser light L modulated by the spatial light modulator 4 on a predetermined portion of the workpiece S.
  • Objective lens unit 7. thus, by using the spatial light modulator 4 to modulate the laser light L, at least one of the inner diameter and the outer diameter of the annular portion Lb of the laser light L can be adjusted dynamically and instantaneously.
  • a modulation pattern for randomly diffusing the central component of the laser light L, a modulation pattern for branching and diffusing the central component of the laser light L with a grating, and the like are input to the spatial light modulator 4, so that the central portion La Except for, only the annular portion Lb can be condensed.
  • a silicon wafer having a thickness of 300 ⁇ m was prepared, and a line extending in parallel to the surface of the silicon wafer was set at a processing depth (distance from the surface on which the laser beam is incident on the silicon wafer) of 100 ⁇ m. Then, a laser beam having a wavelength of 1080 nm was emitted with oscillation of a pulse width of 150 ns, and the condensing point of the laser beam was moved along the line set on the silicon wafer, thereby forming a modified region along the line.
  • the silicon wafer was cut so as to be orthogonal to the line set on the silicon wafer, and the silicon wafer was subjected to anisotropic etching using KOH for 2 minutes. And the length of the crack in the cavity formed in the cut surface of the silicon wafer was measured by selectively etching the modified region.
  • FIG. 10 shows the relationship between the laser beam output and the crack length in that case.
  • the cut rate of the central component refers to “the area of the annular portion of the laser beam in a predetermined cross section when the outer diameter of the annular portion is fixed in the laser beam and the inner diameter of the annular portion is changed. Is the ratio of the area of the central portion of the laser beam to “. Therefore, for example, when the cut rate of the central component is 0%, the area of the central portion of the laser beam at the predetermined cross section is 0, and therefore, when the laser beam having a circular shape at the predetermined cross section is irradiated. is there.
  • FIG. 11 shows a case where a silicon wafer is irradiated with laser light at a central component cut rate of 0% and an output of 0.07 W, and a laser on a silicon wafer at a central component cut rate of 50% and an output of 0.31 W. It is an image which shows the state of the crack in each case at the time of performing light irradiation. From the experimental results shown in FIG. 11, it is difficult to reduce the crack length to 10 ⁇ m or less simply by correcting the spherical aberration, but if the central component is cut in addition to correcting the spherical aberration, the crack length is reduced. It was found that can be reduced to 5 ⁇ m or less.
  • FIG. 12 shows the relationship between the cut rate of the central component and the crack length when the laser beam output is constant at 0.32 W. From the experimental results shown in FIG. 12, it was found that the crack length tends to decrease as the cut rate of the central component increases. Further, the difference between the laser beam output when the crack length is 12 ⁇ m and the laser beam output when the crack length is 16 ⁇ m is defined as an output adjustment width, and the cut rate of the central component in that case FIG. 13 shows a relationship between the laser beam output adjustment width and the laser beam output adjustment width. From the experimental results shown in FIG. 13, it was found that the output adjustment range tends to increase as the cut rate of the central component increases.
  • the larger the cut rate of the central component the smaller the change in the crack length with respect to the change in the laser beam output. Therefore, the larger the cut rate of the central component, the larger the laser beam output can be adjusted when the crack length is finely adjusted (the processing margin is increased). That is, by controlling the cut rate of the central component, the length of the crack can be adjusted, and the margin for adjusting the length of the crack is increased (the range of selection of accurate processing conditions is increased).
  • the spatial light modulator 4 is not limited to the LCOS-SLM, and may be a MEMS-SLM or a DMD (deformable mirror device).
  • the spatial light modulator 4 is not limited to the reflective type, and may be a transmissive type. Further, the spatial light modulator 4 may be a liquid crystal cell type or an LCD type.
  • At least one of the outer diameter and inner diameter of the annular portion Lb of the laser light L is adjusted by the spatial light modulator 4, but at least one of the outer diameter and inner diameter of the annular portion Lb of the laser light L is adjusted. It may be adjusted by the following optical system.
  • the outer diameter of the annular portion Lb is adjusted by the variable aperture 12, and the plurality of apertures 14 (each having a different opening diameter) attached to the rotary aperture 13,
  • the inner diameter may be adjusted.
  • the inner diameter of the annular portion Lb may be adjusted by a pair of axicon lenses 15a and 15b, at least one of which moves along the optical axis OA.
  • the inner diameter of the annular portion Lb is adjusted by the pair of concave cone reflectors 16a and 16b and the pair of convex cone reflectors 17a and 17b, at least one of which moves along the optical axis OA. May be.
  • the outer diameter of the annular portion Lb may be adjusted by the variable aperture 18, and the inner diameter of the annular portion Lb may be adjusted by the outer diameter variable wing group 19.
  • the laser light L is modulated by the spatial light modulator 4 so as to suppress the spherical aberration generated in the predetermined portion of the workpiece S. It may be corrected by a special optical system or the like.
  • the shape of the annular portion Lb of the laser light L is not limited to a complete annular shape, and may be, for example, an annular shape having an inner edge and an outer edge that are elliptical. Even in that case, the optical system 11 adjusts the shape of at least one of the inner edge and the outer edge of the annular portion Lb according to the position of the predetermined portion in the workpiece S.
  • the central portion La of the laser light L and the annular portion Lb of the laser light L may be simultaneously condensed at different positions on the workpiece S.
  • the central portion La of the laser beam L is condensed at the central portion in the thickness direction of the workpiece S.
  • a large modified region R1 and a crack F1 extending from the modified region R1 in the thickness direction of the workpiece S are formed.
  • the processing object S from the relatively small modified region R2 and the modified region R2.
  • a crack F2 extending in the thickness direction is formed.
  • the workpiece S is made into the cutting line. It can be easily and accurately cut along.
  • the functional element layer formed in the vicinity of the front surface or the back surface of the workpiece S is formed by forming the fine modified region R2 and the crack F2 in the vicinity of the front surface or the back surface of the processing object S. It is possible to accurately cut along the scheduled cutting line.
  • the present invention it is possible to provide a laser processing apparatus and a laser processing method capable of forming a fine modified region with high accuracy and efficiency.
  • SYMBOLS 1 Laser processing apparatus, 2 ... Laser light source, 4 ... Spatial light modulator, 7 ... Objective lens unit (condensing optical system), 8 ... Mounting stand (support part), 9 ... Detection part, 11 ... Optical system.

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Abstract

　レーザ加工装置(１)は、レーザ光(Ｌ)を加工対象物(Ｓ)に照射することにより、加工対象物(Ｓ)に改質領域(Ｒ)を形成する装置であって、レーザ加工装置(１)は、レーザ光(Ｌ)を出射するレーザ光源(２)と、加工対象物(Ｓ)を支持する載置台(８)と、レーザ光源(２)から出射されたレーザ光(Ｌ)のうち、当該レーザ光(Ｌ)の光軸を含む中央部を囲む環状部を、載置台(８)に支持された加工対象物(Ｓ)の所定部に集光させる光学系(１１)と、を備え、光学系(１１)は、加工対象物(Ｓ)における所定部の位置に応じて、レーザ光(Ｌ)の環状部の内縁及び外縁の少なくとも一方の形状を調整することで、微細な改質領域を精度良くかつ効率良く形成することを可能とする。

Description

レーザ加工装置及びレーザ加工方法
　本発明は、加工対象物に改質領域を形成するためのレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。
　従来のレーザ加工装置及びレーザ加工方法として、特許文献１には、加工対象物の内部においてレーザ光の波面が所定の波面となるように（或いは、加工対象物の内部に集光されるレーザ光の収差が所定の収差以下となるように）反射型空間光変調器によって変調されたレーザ光を加工対象物に照射するものが記載されている。
特開２００９－３４７２３号公報
　上述したようなレーザ加工装置及びレーザ加工方法によって形成される改質領域には、インターポーザ基板に三次元的にビアを形成する場合、薄物の半導体ウェハを切断する場合、及び半導体基板にゲッタリング領域を形成する場合等、改質領域の微細化が求められる場合がある。
　そこで、本発明は、微細な改質領域を精度良くかつ効率良く形成することができるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することを目的とする。
　本発明の一側面のレーザ加工装置は、レーザ光を加工対象物に照射することにより、加工対象物に改質領域を形成するレーザ加工装置であって、レーザ光を出射するレーザ光源と、加工対象物を支持する支持部と、レーザ光源から出射されたレーザ光のうち、当該レーザ光の光軸を含む中央部を囲む環状部を、支持部に支持された加工対象物の所定部に集光させる光学系と、を備え、光学系は、加工対象物における所定部の位置に応じて、環状部の内縁及び外縁の少なくとも一方の形状を調整する。
　本発明者らは、レーザ光の環状部（レーザ光のうち、その光軸を含む中央部を囲む部分）を加工対象物の所定部に集光させると、レーザ光の中央部及び環状部を加工対象物の所定部に集光させる場合に比べ、加工対象物の所定部に微細な改質領域を精度良く形成し得ることを見出した。上記レーザ加工装置では、レーザ光の環状部が加工対象物の所定部に集光させられるので、加工対象物の所定部に微細な改質領域を精度良く形成することができる。しかも、レーザ光の環状部の内縁及び外縁の少なくとも一方の形状が、加工対象物における所定部の位置に応じて調整されるので、加工対象物の所定部に微細な改質領域を効率良く形成することができる。よって、上記レーザ加工装置によれば、微細な改質領域を精度良くかつ効率良く形成することが可能となる。
　環状部は、円環形状を有し、光学系は、加工対象物における所定部の位置に応じて、環状部の内径及び外径の少なくとも一方を調整してもよい。この構成によれば、レーザ光の環状部の内縁及び外縁の形状を正確にかつ容易に調整することができる。
　光学系は、所定部が加工対象物の内部に位置する場合には、加工対象物にレーザ光が入射する表面から所定部までの距離に応じて、環状部の内縁及び外縁の少なくとも一方の形状を調整してもよい。この構成によれば、加工対象物にレーザ光が入射する表面から所定部までの距離に応じて、当該所定部に改質領域を所望の状態（改質領域自体の大きさの状態、及び改質領域から加工対象物に発生する亀裂の長さの状態等を含む）で形成することができる。
　光学系は、レーザ光を加工対象物に照射した際に形成される予定の改質領域の状態に応じて、環状部の内縁及び外縁の少なくとも一方の形状を調整してもよい。この構成によれば、形成予定の改質領域の状態を所望の状態とするために、レーザ光の環状部の内縁及び外縁の少なくとも一方の形状を予め調整することができる。
　レーザ加工装置は、レーザ光を加工対象物に照射した際に形成された改質領域の状態を検出する検出部を更に備え、光学系は、検出部によって検出された改質領域の状態に応じて、環状部の内縁及び外縁の少なくとも一方の形状を調整してもよい。この構成によれば、形成中又は形成済みの改質領域の状態が何らかの原因によって所望の状態から外れた場合に、レーザ光の環状部の内縁及び外縁の少なくとも一方の形状を直ちに調整することができる。
　改質領域の状態は、レーザ光を加工対象物に照射した際に改質領域から加工対象物に発生する亀裂の長さの状態を含んでもよい。この構成によれば、改質領域から加工対象物に発生する亀裂の長さを所望の長さとすることができる。
　光学系は、所定部が加工対象物の内部に位置する場合には、所定部で発生する球面収差が抑制されるように、加工対象物の屈折率、レーザ光の波長、及び、加工対象物にレーザ光が入射する表面から所定部までの距離に応じて、レーザ光を整形してもよい。この構成によれば、加工対象物の所定部で発生する球面収差が抑制されるので、加工対象物の所定部に、より微細な改質領域を形成することができる。
　光学系は、環状部の内縁及び外縁の少なくとも一方の形状が調整されるように、レーザ光を変調する空間光変調器と、空間光変調器によって変調されたレーザ光を所定部に集光させる集光光学系と、を有してもよい。この構成によれば、レーザ光の環状部の内縁及び外縁の少なくとも一方の形状を動的にかつ瞬時に調整することができる。
　本発明の一側面のレーザ加工方法は、レーザ光を加工対象物に照射することにより、加工対象物に改質領域を形成するレーザ加工方法であって、レーザ光のうち、当該レーザ光の光軸を含む中央部を囲む環状部を、加工対象物の所定部に集光させ、その際に、加工対象物における所定部の位置に応じて、環状部の内縁及び外縁の少なくとも一方の形状を調整する。
　このレーザ加工方法によれば、上記レーザ加工装置と同様に、微細な改質領域を精度良くかつ効率良く形成することが可能となる。
　本発明によれば、微細な改質領域を精度良くかつ効率良く形成することができるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することが可能となる。
本発明の一実施形態のレーザ加工装置の構成図である。 図１のレーザ加工装置の空間光変調器の一部拡大断面図である。 図１のレーザ加工装置におけるレーザ光の集光状態を示す概念図である。 図１のレーザ加工装置における加工深さとレーザ光の断面形状との関係を示す概念図である。 図１のレーザ加工装置において実施されるレーザ加工方法の一例を示すフローチャートである。 図１のレーザ加工装置において記憶されるデータテーブルの一例を示す表である。 図１のレーザ加工装置において実施されるレーザ加工方法の別の例を示すフローチャートである。 図１のレーザ加工装置において記憶されるデータテーブルの別の例を示す表である。 図１のレーザ加工装置の加工対象であるインターポーザ基板の断面図である。 レーザ光の出力と亀裂の長さとの関係を示すグラフである。 シリコンウェハの切断面での亀裂の状態を示す画像である。 中央成分のカット率と亀裂の長さとの関係を示すグラフである。 中央成分のカット率とレーザ光の出力調整幅との関係を示すグラフである。 光学系の変形例の構成図である。 光学系の変形例の構成図である。 光学系の変形例の構成図である。 光学系の変形例の構成図である。 レーザ加工方法の変形例におけるレーザ光の集光状態を示す概念図である。
　以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
　図１に示されるように、レーザ加工装置１は、レーザ光Ｌを加工対象物Ｓに照射することにより、加工対象物Ｓに改質領域Ｒを形成する。レーザ加工装置１は、以下に説明するように、インターポーザ基板に三次元的にビアを形成する場合、薄物の半導体ウェハを切断する場合、及び半導体基板にゲッタリング領域を形成する場合等、改質領域Ｒの微細化が求められる場合に特に有効な装置である。
　ここで、レーザ光Ｌは、加工対象物Ｓを透過すると共に加工対象物Ｓの内部の集光点近傍にて特に吸収され、これにより、加工対象物Ｓに改質領域Ｒが形成される（すなわち、内部吸収型レーザ加工）。よって、加工対象物Ｓの表面Ｓ１ではレーザ光Ｌが殆ど吸収されないので、加工対象物Ｓの表面Ｓ１が溶融することはない。一般的に、表面Ｓ１から溶融され除去されて穴や溝等の除去部が形成される（表面吸収型レーザ加工）場合、加工領域は表面Ｓ１側から徐々に裏面側に進行する。
　なお、改質領域Ｒとは、密度、屈折率、機械的強度やその他の物理的特性が周囲とは異なる状態になった領域をいう。改質領域Ｒとしては、例えば、溶融処理領域、クラック領域、絶縁破壊領域、屈折率変化領域等があり、これらが混在した領域もある。更に、改質領域Ｒとしては、加工対象物の材料において改質領域Ｒの密度が非改質領域の密度と比較して変化した領域、格子欠陥が形成された領域がある（これらをまとめて高密転移領域ともいう）。また、溶融処理領域、屈折率変化領域、改質領域Ｒの密度が非改質領域の密度と比較して変化した領域、格子欠陥が形成された領域は、更に、それら領域の内部や改質領域Ｒと非改質領域との界面に亀裂（割れ、マイクロクラック）を内包している場合がある。内包される亀裂は改質領域Ｒの全面に渡る場合や一部分のみや複数部分に形成される場合がある。
　図１に示されるように、レーザ加工装置１は、レーザ光源２と、アッテネータ３と、空間光変調器４と、４ｆ光学系５と、ミラー６と、対物レンズユニット（集光光学系）７と、載置台（支持部）８と、検出部９と、制御部１０と、を備えている。
　レーザ光源２は、例えばレーザ光Ｌをパルス発振することにより、レーザ光Ｌを出射する。レーザ光Ｌの波長は、加工対象物Ｓに対して透過性を有する波長である。アッテネータ３は、レーザ光源２から出射されたレーザ光Ｌの出力を調整する。空間光変調器４は、例えば反射型液晶（ＬＣＯＳ：Liquid　Crystal　on　Silicon）の空間光変調器（ＳＬＭ：Spatial　Light　Modulator）であって、レーザ光源２から出射されたレーザ光Ｌを変調する。
　ここで、空間光変調器４の構成について説明する。図２に示されるように、空間光変調器４では、シリコン基板４１、駆動回路層４２、複数の画素電極４３、反射膜４４、配向膜４５、液晶層４６、配向膜４７、透明導電膜４８及び透明基板４９がこの順序で積層されている。
　透明基板４９は、例えばガラス等の光透過性の材料からなる。ＸＹ平面に平行な透明基板４９の表面４９ａは、空間光変調器４におけるレーザ光Ｌの入出射面となっている。透明導電膜４８は、例えばＩＴＯ等の光透過性かつ導電性の材料からなり、透明基板４９の裏面４９ｂに形成されている。透明基板４９及び透明導電膜４８は、レーザ光Ｌを透過させる。
　画素電極４３は、例えばアルミニウム等の金属材料からなる。各画素電極４３は、複数の画素の配列に応じて、シリコン基板４１上に二次元的に配列されている。複数の画素電極４３は、駆動回路層４２に設けられたアクティブ・マトリクス回路によって駆動される。アクティブ・マトリクス回路は、空間光変調器４から出力しようとする光像に応じて（すなわち、制御部１０から入力される変調パターン（変調用画像）に応じて）、各画素電極４３に印加する電圧を制御する。アクティブ・マトリクス回路は、例えば、Ｘ軸方向に並んだ各画素列に印加する電圧を制御する第１のドライバ回路と、Ｙ軸方向に並んだ各画素列に印加する電圧を制御する第２のドライバ回路と、を有している。これにより、第１及び第２のドライバ回路で指定された画素に対応する画素電極４３に、変調パターンに応じた所定電圧が印加されることになる。
　液晶層４６は、各画素電極４３と透明導電膜４８とで形成される電界に応じてレーザ光Ｌを変調する。反射膜４４は、例えば誘電体多層膜からなり、空間光変調器４に入射したレーザ光Ｌを反射する。配向膜４５，４７は、液晶層４６の液晶分子４６ａ群を一定方向に配列させる。配向膜４５，４７は、例えばポリイミド等の高分子材料からなり、各配向膜４５，４７における液晶層４６との接触面には、ラビング処理等が施されている。
　以上のように構成された空間光変調器４においては、アクティブ・マトリクス回路によって各画素電極４３に所定電圧が印加されると、各画素電極４３と透明導電膜４８との間に電界が形成される。この電界は、反射膜４４及び液晶層４６のそれぞれに対し、それぞれの厚さに応じた割合で印加される。これにより、液晶層４６に印加された電界の大きさに応じて液晶分子４６ａの配列方向が変化することになる。
　このとき、空間光変調器４に入射したレーザ光Ｌは、液晶層４６を通過する際に液晶分子４６ａによって変調され、反射膜４４で反射されて再び液晶層４６を通過する際に液晶分子４６ａによって変調される。そして、液晶層４６で変調されたレーザ光Ｌは、空間光変調器４から出射される。このように、空間光変調器４では、制御部１０から入力された変調パターンに応じて、当該レーザ光Ｌを構成する各光線の位相が調整され、レーザ光Ｌの波面が調整される。
　図１に戻り、４ｆ光学系５は、一対のレンズ５ａ，５ｂを有しており、空間光変調器４によって変調されたレーザ光Ｌの波面形状を調整する。４ｆ光学系５においては、空間光変調器４とレンズ５ａとの距離（光路長）がレンズ５ａの焦点距離ｆ１となっており、対物レンズユニット７とレンズ５ｂとの距離（光路長）がレンズ５ｂの焦点距離ｆ２となっている。更に、レンズ５ａとレンズ５ｂとの距離（光路長）がｆ１＋ｆ２となっており、レンズ５ａとレンズ５ｂとが両側テレセントリック光学系となっている。このような４ｆ光学系５によれば、空間光変調器４によって変調されたレーザ光Ｌの波面形状が空間伝播によって変化して収差が増大するのを抑制することができる。
　ミラー６は、４ｆ光学系５側から入射したレーザ光Ｌを反射して対物レンズユニット７に入射させる。対物レンズユニット７は、入射したレーザ光Ｌを加工対象物Ｓの所定部に集光させる。対物レンズユニット７は、例えば圧電素子等のアクチュエータ７ａを有している。アクチュエータ７ａは、対物レンズユニット７をその光軸に沿って往復動させることができる。
　載置台８は、加工対象物Ｓを支持すると共に、対物レンズユニット７に対して移動可能となっている。載置台８は、加工対象物Ｓを支持した状態で対物レンズユニット７に対して移動することにより、加工対象物Ｓに対してレーザ光Ｌの集光点Ｐを移動させる。なお、アクチュエータ７ａは、加工対象物Ｓの表面で反射された測定用レーザ光の反射光の検出値に基づいて、加工対象物Ｓの表面のうねり等に沿うように対物レンズユニット７をその光軸に沿って往復動させることができる。
　検出部９は、レーザ光Ｌを加工対象物Ｓに照射した際に形成された改質領域Ｒの状態を検出する。検出部９は、例えば改質領域Ｒで発生するプラズマの発光量を検出することにより、レーザ光Ｌを加工対象物Ｓに照射した際に改質領域Ｒから加工対象物Ｓに発生した亀裂の長さの状態を検出する。
　制御部１０は、レーザ加工装置１の全体を制御する。例えば、制御部１０は、レーザ光源２から出射されるレーザ光Ｌの出力及びパルス幅等が所定値となるように、レーザ光源２を制御する。また、制御部１０は、検出部９から入力された検出値に基づいて変調パターンを生成し、当該変調パターンを空間光変調器４に入力する。更に、制御部１０は、載置台８及びアクチュエータ７ａの動作を制御する。
　以上のように構成されたレーザ加工装置１においては、空間光変調器４、４ｆ光学系５、ミラー６及び対物レンズユニット７によって光学系１１が構成されている。光学系１１は、図３に示されるように、レーザ光Ｌのうち、その光軸ＯＡを含む中央成分（レーザ光のＮＡの小さい成分すなわち低ＮＡ成分）である中央部Ｌａをカットし、当該中央部Ｌａを囲む周辺成分（レーザ光のＮＡの大きい成分すなわち高ＮＡ成分）、すなわち環状成分である環状部Ｌｂを加工対象物Ｓの所定部に集光させる。レーザ加工装置１では、レーザ光Ｌの中央部Ｌａのカットは、空間光変調器４によるレーザ光Ｌの変調によって実現され、レーザ光Ｌの環状部Ｌｂの集光は、対物レンズユニット７によるレーザ光Ｌの集光によって実現される。なお、ここでは、中央部Ｌａは、光軸ＯＡを中心線とする円形状を有しており、環状部Ｌｂは、光軸ＯＡを中心線とする円環形状を有している。
　また、光学系１１は、加工対象物Ｓにおける所定部の位置（すなわち、加工対象物Ｓにおいてレーザ光Ｌの集光点Ｐが合わせられる位置）、及びレーザ光Ｌを加工対象物Ｓに照射した際に形成される予定の改質領域Ｒの状態に応じて、環状部Ｌｂの内縁及び外縁の少なくとも一方の形状を調整する。
　具体的には、図４の（ａ）に示されるように、加工対象物Ｓにおける所定部の位置とは、加工深さ（すなわち、加工対象物Ｓにレーザ光が入射する表面Ｓ１から当該所定部までの距離）Ｚｍ（ｍ＝１，２，３・・・）である。また、改質領域Ｒの状態とは、レーザ光Ｌを加工対象物Ｓに照射した際に改質領域Ｒから加工対象物Ｓの表面Ｓ１に垂直な方向に発生する亀裂の長さＸｍ（ｍ＝１，２，３・・・）である。光学系１１は、改質領域Ｒを形成すべき所定部が加工対象物Ｓの内部に位置する場合には、加工深さＺｍ及び亀裂の長さＸｍに応じて、環状部Ｌｂの内径ＩＤｍ（ｍ＝１，２，３・・・）及び外径ＯＤｍ（ｍ＝１，２，３・・・）の少なくとも一方を調整することにより、環状部Ｌｂの内縁及び外縁の少なくとも一方の形状を調整する。レーザ加工装置１では、環状部Ｌｂの内径ＩＤｍ及び外径ＯＤｍの少なくとも一方の調整（すなわち、環状部Ｌｂの内縁及び外縁の少なくとも一方の形状の調整）は、空間光変調器４によるレーザ光Ｌの変調によって実現される。なお、図４の（ｂ）場合には、ＯＤ１＜ＯＤ２＝ＯＤ３、ＩＤ１＞ＩＤ２＜ＩＤ３となっている。
　更に、光学系１１は、改質領域Ｒを形成すべき所定部が加工対象物Ｓの内部に位置する場合には、当該所定部で発生する球面収差が抑制されるように、加工対象物Ｓの屈折率ｎ、レーザ光Ｌの波長λ及び加工深さＺｍに応じて、レーザ光Ｌを整形する。レーザ加工装置１では、球面収差を抑制するためのレーザ光Ｌの整形は、空間光変調器４によるレーザ光Ｌの変調によって実現される。なお、対物レンズユニット７によって集光されたレーザ光Ｌが加工対象物Ｓに入射した際に、集光レンズに入射する光の入射高による焦点ずれが生じ、入射光によって集光点位置が異なることにより球面収差が発生することとなる。このとき近軸光線の集光位置からの光軸ＯＡ方向のずれ量が、縦収差表現された球面収差（longitudinal　spherical　aberration）となり、最外縁光線で最も収差が大きくなる。縦収差表現された球面収差は縦収差（longitudinal　aberration）、縦方向収差や縦光線収差（longitudinal　ray　aberration）、縦方向誤差（longitudinal　error）と表現されることもある。
　次に、レーザ加工装置１において実施されるレーザ加工方法の一例について説明する。図５に示されるように、制御部１０は、加工対象物Ｓの屈折率ｎ、レーザ光Ｌの波長λ及び加工深さＺｍを取得する（ステップＳ０１～Ｓ０３）。屈折率ｎ、波長λ及び加工深さＺｍは、予め制御部１０に入力される値であり、加工深さＺｍは、改質領域Ｒを形成すべき所望の加工深さである。続いて、制御部１０は、ステップＳ０１～Ｓ０３で取得した屈折率ｎ、波長λ及び加工深さＺｍに応じて、収差補正パラメータＡ（ｎ，λ，Ｚｍ）＝Ａｍを確定する（ステップＳ０４）。制御部１０は、図６の（ａ）に示されるように、予めメモリに記憶したデータテーブルを参照して、屈折率ｎ、波長λ及び加工深さＺｍに対応する収差補正パラメータＡｍを読み出すこともできるし、屈折率ｎ、波長λ及び加工深さＺｍに基づいて収差補正パラメータＡｍを算出することもできる。
　図５に戻り、続いて、制御部１０は、亀裂の長さＸｍを取得する（ステップＳ０５）。亀裂の長さＸｍは、予め制御部１０に入力される値であり、改質領域Ｒから加工対象物Ｓに発生させるべき所望の亀裂の長さである。続いて、制御部１０は、ステップＳ０４で確定した収差補正パラメータＡｍ、及びステップＳ０５で取得した亀裂の長さＸｍに応じて、変調パターンＰ（Ａｍ，Ｘｍ）＝Ｐｍを確定する（ステップＳ０６）。制御部１０は、図６の（ｂ）に示されるように、予めメモリに記憶したデータテーブルを参照して、収差補正パラメータＡｍ及び亀裂の長さＸｍに対応する変調パターンＰｍを読み出すこともできるし、収差補正パラメータＡｍ及び亀裂の長さＸｍに基づいて変調パターンＰｍを算出することもできる。変調パターンＰ（Ａｍ，Ｘｍ）は、レーザ光Ｌの環状部Ｌｂの内径ＩＤｍ及び外径ＯＤｍの少なくとも一方を調整することができ、かつ改質領域Ｒを形成すべき所定部で発生する球面収差を抑制することができる変調パターンである。
　図５に戻り、続いて、制御部１０は、レーザ加工を開始させる（ステップＳ０７）。具体的には、制御部１０は、ステップＳ０６で確定した変調パターンＰｍを空間光変調器４に入力し、レーザ光源２から所定の条件でレーザ光Ｌを出射させる。その一方で、制御部１０は、載置台８及びアクチュエータ７ａを動作させて、加工対象物Ｓの所定部にレーザ光Ｌの集光点Ｐが合わせられるようにする。これにより、空間光変調器４によって変調されたレーザ光Ｌの環状部Ｌｂが、対物レンズユニット７によって加工対象物Ｓの所定部に球面収差が抑制された状態で集光されることになる。
　続いて、制御部１０は、載置台８及びアクチュエータ７ａを動作させて、加工対象物Ｓにおけるレーザ光Ｌの集光点Ｐの位置を所望のラインに沿って移動させつつ、加工深さＺｍが変更されるか否かを判断する（ステップＳ０８）。その結果、加工深さＺｍが変更される場合には、制御部１０は、ステップＳ０３に戻り、以降、同様の処理を行う。一方、ステップＳ０８の判断の結果、加工深さＺｍが変更されない場合には、制御部１０は、亀裂の長さＸｍが変更されるか否かを判断する（ステップＳ０９）。その結果、亀裂の長さＸｍが変更される場合には、制御部１０は、ステップＳ０５に戻り、以降、同様の処理を行う。ステップＳ０９の判断の結果、亀裂の長さＸｍが変更されない場合には、制御部１０は、レーザ加工を終了させる。
　次に、レーザ加工装置１において実施されるレーザ加工方法の別の例について説明する。図７に示されるように、制御部１０は、加工深さＺｍ及び亀裂の長さＸｍを取得する（ステップＳ１１及びＳ１２）。加工深さＺｍ及び亀裂の長さＸｍは、予め制御部１０に入力される値であり、それぞれ、改質領域Ｒを形成すべき所望の加工深さ、及び改質領域Ｒから加工対象物Ｓに発生させるべき所望の亀裂の長さである。続いて、制御部１０は、ステップＳ１１及びＳ１２で取得した加工深さＺｍ及び亀裂の長さＸｍに応じて、変調パターンＰ（Ｚｍ，Ｘｍ）＝Ｐｍを確定する（ステップＳ１３）。制御部１０は、図８に示されるように、予めメモリに記憶したデータテーブルを参照して、加工深さＺｍ及び亀裂の長さＸｍに対応する変調パターンＰｍを読み出すこともできるし、加工深さＺｍ及び亀裂の長さＸｍに基づいて変調パターンＰｍを算出することもできる。変調パターンＰ（Ｚｍ，Ｘｍ）は、レーザ光Ｌの環状部Ｌｂの内径ＩＤｍ及び外径ＯＤｍの少なくとも一方を調整することができる変調パターンである。
　図７に戻り、続いて、制御部１０は、レーザ加工を開始させる（ステップＳ１４）。具体的には、制御部１０は、ステップＳ１３で確定した変調パターンＰｍを空間光変調器４に入力し、レーザ光源２から所定の条件でレーザ光Ｌを出射させる。その一方で、制御部１０は、載置台８及びアクチュエータ７ａを動作させて、加工対象物Ｓの所定部にレーザ光Ｌの集光点Ｐが合わせられるようにする。これにより、空間光変調器４によって変調されたレーザ光Ｌの環状部Ｌｂが、対物レンズユニット７によって加工対象物Ｓの所定部に集光されることになる。
　続いて、制御部１０は、載置台８及びアクチュエータ７ａを動作させて、加工対象物Ｓにおけるレーザ光Ｌの集光点Ｐの位置を所望のラインに沿って移動させつつ、加工深さＺｍが変更されるか否かを判断する（ステップＳ１５）。その結果、加工深さＺｍが変更される場合には、制御部１０は、ステップＳ１１に戻り、以降、同様の処理を行う。一方、ステップＳ１５の判断の結果、加工深さＺｍが変更されない場合には、制御部１０は、亀裂の長さＸｍが変更されるか否かを判断する（ステップＳ１６）。その結果、亀裂の長さＸｍが変更される場合には、制御部１０は、ステップＳ１２に戻り、以降、同様の処理を行う。ステップＳ１６の判断の結果、亀裂の長さＸｍが変更されない場合には、制御部１０は、レーザ加工を終了させる。
　なお、上述したレーザ加工方法の一例又は別の例において、制御部１０は、次のような処理を行うこともできる。すなわち、制御部１０は、検出部９から入力された検出値に基づいて、レーザ光Ｌを加工対象物Ｓに照射した際に改質領域Ｒから加工対象物Ｓに発生した亀裂の長さの状態を取得する。そして、制御部１０は、当該亀裂の長さが所望の亀裂の長さから外れていた場合には、当該亀裂の長さが所望の亀裂の長さとなるように変調パターンＰｍを補正し、補正した変調パターンＰｍを空間光変調器４に入力する。このように空間光変調器４をフィードバック制御することで、形成中又は形成済みの改質領域Ｒから発生した亀裂の長さが何らかの原因によって所望の亀裂の長さから外れた場合に、レーザ光Ｌの環状部Ｌｂの内径ＩＤｍ及び外径ＯＤｍの少なくとも一方を直ちに調整することができる。
　次に、上述したレーザ加工方法の一例又は別の例を用いて、インターポーザ基板に三次元的にビアを形成する場合について説明する。図９に示されるように、加工対象物Ｓとして、インターポーザ基板となる例えば厚さ３００μｍ程度のシリコン基板を準備する。続いて、当該加工対象物Ｓに対し、三次元的にビアを形成するためのラインＳＬを例えば５０μｍ程度のピッチで複数設定する。続いて、レーザ加工装置１は、上述したレーザ加工方法の一例又は別の例の手順で、レーザ光Ｌの集光点Ｐを各ラインＳＬに沿って移動させることにより、所望の加工深さにおいて所望の亀裂の長さを有する改質領域Ｒを各ラインＳＬに沿って形成する。
　このとき、レーザ光Ｌの１パルスのショット（つまり１パルスのレーザ照射：レーザショット）で微細な改質領域Ｒが形成され、この微細な改質領域Ｒが各ラインＳＬに沿って形成されることになる。微細な改質領域Ｒは、各ラインＳＬ上において、連続的に形成される場合もあるし、断続的に形成される場合もある。ただし、断続的に形成される場合であっても、微細な改質領域Ｒから発生した亀裂同士は連続している場合がある。
　このように各ラインＳＬに沿って改質領域Ｒが形成された加工対象物Ｓに対し、ＫＯＨ等を用いて異方性エッチング処理を施す。これにより、改質領域Ｒが選択的にエッチングされ、各ラインＳＬに沿って空洞が形成される。続いて、各ラインＳＬに沿って形成された空洞に、真空圧縮等により導体を埋め込む。これにより、三次元的にビアを形成されたインターポーザ基板が形成される。
　以上説明したように、レーザ加工装置１では、レーザ光Ｌの環状部Ｌｂを加工対象物Ｓの所定部に集光させる。このようにレーザ光Ｌの環状部Ｌｂを加工対象物Ｓの所定部に集光させると、レーザ光Ｌの中央部Ｌａ及び環状部Ｌｂを加工対象物Ｓの所定部に集光させる場合に比べ、加工対象物Ｓの所定部に微細な改質領域Ｒを精度良く形成することができる。しかも、その際に、加工対象物Ｓにおける所定部の位置に応じて、レーザ光Ｌの環状部Ｌｂの内径及び外径の少なくとも一方を調整するので、加工対象物Ｓの所定部に微細な改質領域Ｒを効率良く形成することができる。よって、レーザ加工装置１によれば、微細な改質領域Ｒを精度良くかつ効率良く形成することが可能となる。
　このようなレーザ加工装置１は、例えばレーザ光Ｌの１パルスのショットで形成される改質領域Ｒの大きさが数μｍ～１０μｍ程度というように、改質領域Ｒの微細化が求められる場合に特に有効となる。なお、改質領域Ｒの微細化が求められる場合には、上述したようなインターポーザ基板に三次元的にビアを形成する場合の他、例えば厚さ２０μｍ～３０μｍ程度のシリコンからなる薄物の半導体ウェハを改質領域Ｒを起点として切断する場合、及び例えばシリコンからなる半導体基板にゲッタリング領域を形成する場合等がある。
　また、レーザ加工装置１では、レーザ光Ｌの環状部Ｌｂが円環形状を有し、光学系１１が、加工対象物Ｓにおける所定部の位置に応じて、レーザ光Ｌの環状部Ｌｂの内径及び外径の少なくとも一方を調整する。これにより、レーザ光Ｌの環状部Ｌｂの内縁及び外縁の形状を正確にかつ容易に調整することができる。
　また、レーザ加工装置１では、光学系１１が、加工深さ（加工対象物Ｓにレーザ光Ｌが入射する表面Ｓ１から所定部までの距離）Ｚｍに応じて、レーザ光Ｌの環状部Ｌｂの内径及び外径の少なくとも一方を調整する。これにより、加工深さＺｍに応じて、当該所定部に改質領域Ｒを所望の状態（改質領域Ｒ自体の大きさの状態、及び改質領域Ｒから加工対象物Ｓに発生する亀裂の長さの状態等を含む）で形成することができる。
　また、レーザ加工装置１では、光学系１１が、レーザ光Ｌを加工対象物Ｓに照射した際に形成される予定の改質領域Ｒの状態に応じて、レーザ光Ｌの環状部Ｌｂの内径及び外径の少なくとも一方を調整する。これにより、形成予定の改質領域Ｒの状態を所望の状態とするために、レーザ光Ｌの環状部Ｌｂの内径及び外径の少なくとも一方を予め調整することができる。
　また、レーザ加工装置１では、光学系１１が、加工対象物Ｓの所定部で発生する球面収差が抑制されるように、加工対象物Ｓの屈折率、レーザ光Ｌの波長及び加工深さＺｍに応じて、レーザ光Ｌを整形する。これにより、加工対象物Ｓの所定部で発生する球面収差が抑制されるので、加工対象物Ｓの所定部に、より微細な改質領域Ｒを形成することができる。
　また、レーザ加工装置１では、光学系１１が、レーザ光Ｌを変調する空間光変調器４と、空間光変調器４によって変調されたレーザ光Ｌを加工対象物Ｓの所定部に集光させる対物レンズユニット７と、を有している。このようにレーザ光Ｌの変調に空間光変調器４を用いることで、レーザ光Ｌの環状部Ｌｂの内径及び外径の少なくとも一方を動的にかつ瞬時に調整することができる。なお、レーザ光Ｌの中央成分を無作為に拡散させる変調パターン、及びレーザ光Ｌの中央成分をグレーティングで分岐して拡散させる変調パターン等を空間光変調器４に入力させることで、中央部Ｌａを除いて、環状部Ｌｂのみを集光せることができる。
　次に、本発明の効果を確認するための実験について説明する。まず、厚さ３００μｍのシリコンウェハを準備し、加工深さ（シリコンウェハにおいてレーザ光が入射する表面からの距離）１００μｍの位置に、シリコンウェハの表面に平行に延在するラインを設定した。そして、波長１０８０ｎｍのレーザ光をパルス幅１５０ｎｓ発振で出射し、シリコンウェハに設定したラインに沿ってレーザ光の集光点を移動させることにより、当該ラインに沿って改質領域を形成した。続いて、シリコンウェハに設定したラインと直交するようにシリコンウェハを切断し、当該シリコンウェハに対し、ＫＯＨを用いて異方性エッチング処理を２分間施した。そして、改質領域が選択的にエッチングされることによりシリコンウェハの切断面に形成された空洞における亀裂の長さを測定した。
　上記実験では、レーザ光の中央成分（低ＮＡ成分）のカット率を複数設定し、更に、中央成分のカット率ごとにレーザ光の出力を複数設定することにより、中央成分のカット率と出力との組合せごとに、シリコンウェハに対するレーザ光の照射を行った。なお、いずれの組合せにおいても球面収差の補正は行った。その場合におけるレーザ光の出力と亀裂の長さとの関係を図１０に示す。ここで、中央成分のカット率とは、レーザ光において円環形状の環状部の外径を固定とし、当該環状部の内径を変化させた場合における「所定断面でのレーザ光の環状部の面積に対するレーザ光の中央部の面積の割合」である。したがって、例えば中央成分のカット率が０％の場合は、所定断面でのレーザ光の中央部の面積が０の場合であるから、所定断面での形状が円形状のレーザ光を照射した場合である。
　図１０に示された実験結果から、中央成分のカット率が大きくなるほど、亀裂の長さが小さくなる傾向があることが分かった。図１１は、中央成分のカット率０％、出力０．０７Ｗで、シリコンウェハに対するレーザ光の照射を行った場合、及び、中央成分のカット率５０％、出力０．３１Ｗで、シリコンウェハに対するレーザ光の照射を行った場合のそれぞれの場合における亀裂の状態を示す画像である。図１１に示された実験結果から、球面収差を補正しただけでは亀裂の長さを１０μｍ以下に小さくすることが困難であるものの、球面収差の補正に加え中央成分をカットすれば亀裂の長さを５μｍ以下に小さくすることが可能であることが分かった。
　次に、レーザ光の出力を０．３２Ｗで一定とした場合における中央成分のカット率と亀裂の長さとの関係を図１２に示す。図１２に示された実験結果から、中央成分のカット率が大きくなるほど、亀裂の長さが小さくなる傾向があることが分かった。更に、亀裂の長さが１２μｍとなったときのレーザ光の出力と亀裂の長さが１６μｍとなったときのレーザ光の出力との差を出力調整幅とし、その場合における中央成分のカット率とレーザ光の出力調整幅との関係を図１３に示す。図１３に示された実験結果から、中央成分のカット率が大きくなるほど、出力調整幅が大きくなる傾向があることが分かった。これは、中央成分のカット率が大きくなるほど、レーザ光の出力の変化に対する亀裂の長さの変化が小さくなることを意味する。したがって、中央成分のカット率が大きくなるほど、亀裂の長さを微調整する際にレーザ光の出力を大きく調整することができる（加工マージンが大きくなる）。つまり、中央成分のカット率を制御することにより、亀裂の長さを調節することができ、かつ亀裂の長さを調節するマージンが大きくなる（正確な加工条件の選択の幅が大きくなる）。
　以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、空間光変調器４は、ＬＣＯＳ－ＳＬＭに限定されず、ＭＥＭＳ－ＳＬＭ又はＤＭＤ(デフォーマブルミラーデバイス)等であってもよい。また、空間光変調器４は、反射型に限定されず、透過型であってもよい。更に、空間光変調器４としては、液晶セルタイプ又はＬＣＤタイプ等が挙げられる。
　また、上記実施形態では、レーザ光Ｌの環状部Ｌｂの外径及び内径の少なくとも一方が空間光変調器４によって調整されたが、レーザ光Ｌの環状部Ｌｂの外径及び内径の少なくとも一方は、次のような光学系によって調整されてもよい。
　すなわち、図１４に示されるように、可変アパーチャ１２によって、環状部Ｌｂの外径が調整され、回転式アパーチャ１３に取り付けられた複数のアパーチャ１４（それぞれ開口径が異なる）によって、環状部Ｌｂの内径が調整されてもよい。また、図１５に示されるように、少なくとも一方が光軸ＯＡに沿って移動する一対のアキシコンレンズ１５ａ，１５ｂによって、環状部Ｌｂの内径が調整されてもよい。また、図１６に示されるように、少なくとも一方が光軸ＯＡに沿って移動する一対の凹型円錐反射鏡１６ａ，１６ｂ及び一対の凸型円錐反射鏡１７ａ，１７ｂによって、環状部Ｌｂの内径が調整されてもよい。更に、図１７に示されるように、可変アパーチャ１８によって、環状部Ｌｂの外径が調整され、外径可変羽群１９によって、環状部Ｌｂの内径が調整されてもよい。
　また、上記実施形態では、加工対象物Ｓの所定部で発生する球面収差が抑制されるように、レーザ光Ｌが空間光変調器４によって変調されたが、当該球面収差は、補正管レンズ又は特殊光学系等によって補正されてもよい。
　また、レーザ光Ｌの環状部Ｌｂの形状は、完全な円環形状に限定されず、例えば内縁及び外縁が楕円形状の環形状等であってもよい。その場合にも、光学系１１は、加工対象物Ｓにおける所定部の位置に応じて、環状部Ｌｂの内縁及び外縁の少なくとも一方の形状を調整する。
　また、図１８に示されるように、レーザ光Ｌの中央部Ｌａとレーザ光Ｌの環状部Ｌｂとを加工対象物Ｓにおける異なる位置に同時に集光させてもよい。例えば、改質領域Ｒを起点として板状の加工対象物Ｓを切断する場合に、加工対象物Ｓの厚さ方向における中央部にレーザ光Ｌの中央部Ｌａを集光させることにより、比較的大きな改質領域Ｒ１、及び当該改質領域Ｒ１から加工対象物Ｓの厚さ方向に伸展する亀裂Ｆ１を形成する。その一方で、加工対象物Ｓの表面近傍部又は裏面近傍部にレーザ光Ｌの環状部Ｌｂを集光させることにより、比較的小さな改質領域Ｒ２、及び当該改質領域Ｒ２から加工対象物Ｓの厚さ方向に伸展する亀裂Ｆ２を形成する。このように加工対象物Ｓの切断予定ラインに沿って加工対象物Ｓの厚さ方向に並ぶように複数列の改質領域Ｒ１，Ｒ２を形成することで、加工対象物Ｓを切断予定ラインに沿って容易にかつ精度良く切断することができる。しかも、加工対象物Ｓの表面近傍部又は裏面近傍部に微細な改質領域Ｒ２及び亀裂Ｆ２を形成することで、加工対象物Ｓの表面近傍部又は裏面近傍部に形成された機能素子層を切断予定ラインに沿って精度良く切断することができる。
　本発明によれば、微細な改質領域を精度良くかつ効率良く形成することができるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することが可能となる。
　１…レーザ加工装置、２…レーザ光源、４…空間光変調器、７…対物レンズユニット（集光光学系）、８…載置台（支持部）、９…検出部、１１…光学系。

Claims (9)

  1. 　レーザ光を加工対象物に照射することにより、前記加工対象物に改質領域を形成するレーザ加工装置であって、
    　前記レーザ光を出射するレーザ光源と、
    　前記加工対象物を支持する支持部と、
    　前記レーザ光源から出射された前記レーザ光のうち、当該レーザ光の光軸を含む中央部を囲む環状部を、前記支持部に支持された前記加工対象物の所定部に集光させる光学系と、を備え、
    　前記光学系は、前記加工対象物における前記所定部の位置に応じて、前記環状部の内縁及び外縁の少なくとも一方の形状を調整する、レーザ加工装置。
  2. 　前記環状部は、円環形状を有し、
    　前記光学系は、前記加工対象物における前記所定部の前記位置に応じて、前記環状部の内径及び外径の少なくとも一方を調整する、請求項１記載のレーザ加工装置。
  3. 　前記光学系は、前記所定部が前記加工対象物の内部に位置する場合には、前記加工対象物に前記レーザ光が入射する表面から前記所定部までの距離に応じて、前記環状部の前記内縁及び前記外縁の少なくとも一方の前記形状を調整する、請求項１又は２記載のレーザ加工装置。
  4. 　前記光学系は、前記レーザ光を前記加工対象物に照射した際に形成される予定の前記改質領域の状態に応じて、前記環状部の前記内縁及び前記外縁の少なくとも一方の前記形状を調整する、請求項１～３のいずれか一項記載のレーザ加工装置。
  5. 　前記レーザ光を前記加工対象物に照射した際に形成された前記改質領域の状態を検出する検出部を更に備え、
    　前記光学系は、前記検出部によって検出された前記改質領域の前記状態に応じて、前記環状部の前記内縁及び前記外縁の少なくとも一方の前記形状を調整する、請求項１～４のいずれか一項記載のレーザ加工装置。
  6. 　前記改質領域の前記状態は、前記レーザ光を前記加工対象物に照射した際に前記改質領域から前記加工対象物に発生する亀裂の長さの状態を含む、請求項４又は５記載のレーザ加工装置。
  7. 　前記光学系は、前記所定部が前記加工対象物の内部に位置する場合には、前記所定部で発生する球面収差が抑制されるように、前記加工対象物の屈折率、前記レーザ光の波長、及び、前記加工対象物に前記レーザ光が入射する表面から前記所定部までの距離に応じて、前記レーザ光を整形する、請求項１～６のいずれか一項記載のレーザ加工装置。
  8. 　前記光学系は、
    　前記環状部の前記内縁及び前記外縁の少なくとも一方の前記形状が調整されるように、前記レーザ光を変調する空間光変調器と、
    　前記空間光変調器によって変調された前記レーザ光を前記所定部に集光させる集光光学系と、を有する、請求項１～７のいずれか一項記載のレーザ加工装置。
  9. 　レーザ光を加工対象物に照射することにより、前記加工対象物に改質領域を形成するレーザ加工方法であって、
    　前記レーザ光のうち、当該レーザ光の光軸を含む中央部を囲む環状部を、前記加工対象物の所定部に集光させ、その際に、前記加工対象物における前記所定部の位置に応じて、前記環状部の内縁及び外縁の少なくとも一方の形状を調整する、レーザ加工方法。
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