JP4736633B2

JP4736633B2 - レーザ照射装置

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Publication number: JP4736633B2
Application number: JP2005250755A
Authority: JP
Inventors: 一成梅津; 泰宣黒木
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2005-08-31
Filing date: 2005-08-31
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2025-08-31
Also published as: JP2007061855A

Description

本発明は、レーザ照射装置に関し、特にレーザ内部スクライブ法に好適なレーザ照射装置に関する。

基板またはウエハなどの加工対象物をあるラインに沿って切断する技術として、加工対象物の内部に多光子吸収による改質領域の列を形成する技術が知られている。ここで、加工対象物の内部における多光子吸収は、レーザ光の照射によって生じさせる。この技術によれば、わずかな力を加えるだけで、改質領域を起点にして加工対象物を切断することができる。そしてこの技術は、切断屑が生じないので、微細な加工に適している。

さて、１本の切断予定ラインに対して、加工対象物の内部に複数本の改質領域の列を形成することが知られている（特許文献１）。この技術によれば、加工対象物の厚さが改質領域に対して大きい場合にも、切断予定ラインに沿って、加工対象物を容易に切断できる。具体的には、特許文献１によれば、１本のレーザ光を２本のレーザ光に分岐して、一方のレーザ光の広がり角を他方から異ならせる。そして、２本のレーザ光を互いに重畳して同じ集光レンズを介して加工対象物に照射する。そうすると、同じ集光レンズを介しても、２本のレーザ光は互いに異なる深さの位置にそれぞれ集光するので、それら異なる深さの位置に改質領域が生じる。

特開２００４―３３７９０２号公報

ただし、特許文献１が開示する装置によれば、一旦光学系がセットされてしまうと、２本のレーザ光のそれぞれのレーザパワーつまり光強度を、変更または調整することが困難である。

本発明は上記課題を鑑みてなされ、その目的の一つは、それぞれの光強度が調整可能な複数のレーザビームを加工対象物に照射する装置を提供することである。

本発明のレーザ照射装置は、所定波長の光に対して透過性を有する加工対象物を載置するステージと、前記所定波長の成分を有する第１のレーザビームを射出するレーザ光源と、前記第１のレーザ光を、いずれも第１の方向に伝播する第２のレーザビームと第３のレーザビームとに分割する分割器と、前記第２のレーザビームおよび前記第３のレーザビームによって、前記加工対象物内の互いに異なる深さの２つの箇所で多光子吸収が生じるように、前記第２のレーザビームおよび前記第３のレーザビームを前記２つの箇所にそれぞれ集光させる２つの光学素子と、前記第２のレーザビームおよび前記第３のレーザビームに対して前記加工対象物が、前記第１の方向に垂直な第２の方向に沿って相対移動するように、前記２つの光学素子および前記ステージの少なくとも一方を他方に対して相対移動させる走査機構と、を備えている。そして、前記分割器は前記複数のレーザビームのそれぞれの光強度を変える。

ある態様では、前記レーザ光源が射出する第１のレーザビームは直線偏光である。そして、前記分割器が、（ａ）前記第１のレーザビームを、互いに垂直な２つの偏光成分である前記第２のレーザビームと第４のレーザビームとに分割する第１の偏光ビームスプリッタと、（ｂ）前記第１の偏光ビームスプリッタと前記レーザ光源との間の前記第１のレーザビームの光路に位置する第１の半波長板と、（ｃ）前記第１の半波長板の光学軸と前記第１のレーザビームの偏光方向とがなす角が変わるように、前記第１の半波長板を回転させる第１の回転器と、（ｄ）前記第４のレーザビームを、互いに垂直な２つの偏光成分である前記第３のレーザビームと第５のレーザビームとに分割する第２の偏光ビームスプリッタと、（ｅ）前記第２の偏光ビームスプリッタと前記第１の偏光ビームスプリッタとの間の前記第４のレーザビームの光路に位置する第２の半波長板と、（ｆ）前記第１の半波長板の光学軸と前記第４のレーザビームの偏光方向とがなす角が変わるように、前記第２の半波長板を回転させる第２の回転器と、を有している。

他の態様では、前記レーザ光源は所定周期でパルス状の前記第１のレーザビームを射出するパルスレーザである。そして、前記走査機構は前記２つの光学素子および前記ステージの一方を他方に対して、前記第２の方向に所定速度で相対移動させるように設定されている。ここで、前記２つの箇所の間の前記第２の方向に沿った距離が、前記所定周期と前記所定速度との積のＮ倍（Ｎは０以上の整数）と、前記積の１／２倍と、の和にほぼ一致するように、前記分割器と、前記２つの光学素子と、が設置されている。

上記特徴によれば、それぞれの光強度が調整可能な複数のレーザビームを加工対象物に照射するレーザ照射装置が得られる。

（１．レーザ照射装置）
図１に示すレーザ照射装置１００は、レーザビーム１を射出するレーザ光源１０と、レーザビーム１を複数のレーザビーム２，３，４に分割する分割器１２と、分割器１２からの３つのレーザビーム２，３，４のそれぞれを集光する光学素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３と、加工対象物Ｗを載置するステージ１４と、ステージ１４を光学素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３に対してＸ軸方向およびＹ軸方向に相対移動させる走査機構１６と、を備えている。なお、Ｘ軸方向およびＹ軸方向は、互いに垂直な方向である。

レーザ光源１０は、固体光源のフェムト秒パルスレーザを有している。本実施形態では、固体光源としてチタンサファイアが採用されている。ここで、フェムト秒パルスレーザとは、フェムト秒のオーダーのパルス幅を有するパルスレーザ光を射出するレーザである。また、レーザ光源１０が射出するレーザビーム１は、波長分散特性を有している。具体的には、レーザビーム１の中心波長は８００ｎｍであり、その半値幅はおよそ１０ｎｍである。また、得られるレーザビーム１のパルス幅はおよそ３００ｆｓ（フェムト秒）であり、パルス周波数は１ｋＨｚであり、そして、出力はおよそ７００ｍＷである。さらに、レーザビーム１は直線偏光である。

後述するように、本実施形態の加工対象物Ｗは、石英ガラスからなる基板であり、このため、レーザビーム１の波長に対して透過性を有している。そして、レーザ光源１０の上記構成は、このような加工対象物Ｗの内部で多光子吸収を生じさせるのに十分である。なお、加工対象物Ｗの厚さは、本実施形態では、ほぼ１．２ｍｍである。

分割器１２は、レーザビーム１を３つのレーザビーム２，３，４に分割する。ここで、３つのレーザビーム２，３，４は、いずれも同一の仮想面上を、Ｚ軸方向に平行に伝播するように、分割器１２が構成されている。本実施形態では、この仮想面は、Ｙ軸方向にも平行である。また、Ｚ軸方向は、Ｘ軸方向にもＹ軸方向にも垂直な方向である。なお、分割器１２の構成についてのより詳細な説明は、後に述べる。

光学素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、いずれも同じ集光レンズである。具体的には、これらはいずれも、倍率が１００倍であり、開口数（ＮＡ）が０．８であり、そして、ＷＤ（ＷｏｒｋｉｎｇＤｉｓｔａｎｃｅ）が３ｍｍである対物レンズである。ただし、光学素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、レーザ処理装置１００において、加工対象物Ｗからそれぞれ異なる距離の位置に設置されている。このため、光学素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、加工対象物Ｗ内の異なる深さの箇所にレーザビーム２，３，４のそれぞれを集光する。なお、レーザビーム２，３，４が集光する箇所（集光領域）に、後述する多光子吸収による改質領域が生じることになる。

ここで、多光子吸収による改質領域の形成について説明する。加工対象物Ｗが所定波長の光に対して透過性を有する材料からなっていても、材料の吸収のバンドギャップＥｇよりも光子のエネルギーｈνが非常に大きいと吸収が生じる。この吸収を多光子吸収と言う。しかも、レーザ光のパルス幅を極めて短くして、多光子吸収を加工対象物Ｗの内部に起こさせると、多光子吸収のエネルギーが熱エネルギーに転化せずに、イオン価数変化、結晶化または分極配向等の永続的な構造変化が誘起されて屈折率変化領域が形成される。本実施形態では、この屈折率変化領域を改質領域と呼ぶ。

（２．分割器）
図２（ａ）、（ｂ）および（ｃ）と、図３（ａ）および（ｂ）と、を参照しながら、分割器１２の構成と機能とをより詳細に説明する。図２（ａ）に示すように、分割器１２は、３つの半波長板Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３と、それぞれが３つの半波長板Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３のそれぞれを回転させる３つの回転器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３と、３つの偏光ビームスプリッタＢＳ１，ＢＳ２，ＢＳ３と、ビームダンパ１８と、を有している。

半波長板Ｋ１は、半波長板Ｋ１に入射した直線偏光の偏光方向を所定角度だけ回転する機能を有する。この機能は、以下のように説明される。

図３（ａ）および（ｂ）に示すように、半波長板Ｋ１は、複屈折性を有した光学素子である。複屈折性は、半波長板Ｋ１内の互いに垂直な遅相軸ＯＰＳおよび進相軸ＯＰＦによって表される。このような半波長板Ｋ１へ、遅相軸ＯＰＳおよび進相軸ＯＰＦの双方に垂直な方向（厚さ方向）から直線偏光が入射すると、直線偏光は、遅相軸ＯＰＳの方向に震動しながら半波長板Ｋ１を伝播する偏光成分Ｏと、進相軸ＯＰＦの方向に震動しながら半波長板Ｋ１を伝播する偏光成分Ｅと、に分解される。そして、偏光成分Ｏの速度は偏光成分Ｅの速度よりも遅いため、直線偏光が半波長板Ｋ１を射出する際には、これら２つの偏光成分Ｏ，Ｅの間に位相差が生じる。そして、その位相差の大きさは、半波長板Ｋ１の厚さに依存する。そこで、この位相差が半波長の奇数倍になるように、半波長板Ｋ１の厚さが設定されている。なお、進相軸ＯＰＦは光学軸とも呼ばれる。

入射した直線偏光が半波長板Ｋ１を射出する際には、入射した直線偏光は、上記の２つの偏光成分Ｏ，Ｅが合成された直線偏光として射出される。上述のように、２つの偏光成分Ｏ，Ｅの位相差が半波長の奇数倍なので、入射時の偏光方向と進相軸ＯＰＦとがなす角度がθであれば、半波長板Ｋ１を射出する際にその偏光方向は、入射時の偏光方向から２θ（θの２倍）だけ回転する。例えば、進相軸ＯＰＦに対して４５°の偏光方向を有した直線偏光が入射すれば、９０°だけ回転した直線偏光が半波長板Ｋ１から射出される。なお、半波長板Ｋ２，Ｋ３のそれぞれも、半波長板Ｋ１と同じである。

再び図２（ａ）を参照すると、回転器Ｒ１は、半波長板Ｋ１に入射する直線偏光の偏光方向と、進相軸ＯＰＦと、の間の角度θが変わるように、直線偏光の光路に垂直な面内で半波長板Ｋ１を回転する。上述のように、この角度θに依存して、半波長板Ｋ１によって偏光方向が回転させられる角度が決まる。つまり、回転器Ｒ１は、半波長板Ｋ１によって偏光方向が回転させられる角度を可変にする。なお、回転器Ｒ２，Ｒ３の構成と機能も、回転器Ｒ１の構成と機能と同じである。

偏光ビームスプリッタＢＳ１は、２つの三角柱プリズムと偏光反射膜とを有している。ここで、これら２つの三角柱プリズムは偏光反射膜を介して接合されている。このような偏光ビームスプリッタＢＳ１へ直線偏光が入射すると、図３（ａ）に示すように、直線偏光のうちｓ偏光成分は、直線偏光の入射方向に対して９０°の方向へ反射される。一方、直線偏光のうちｐ偏光成分は透過される。このように、偏光ビームスプリッタＢＳ１は、直線偏光をｓ偏光とｐ偏光とに分離する機能を有する。なお、偏光ビームスプリッタＢＳ２，ＢＳ３の構成と機能も、偏光ビームスプリッタＢＳ１の構成と機能と同じである。

再び図２（ａ）を参照して、ビームダンパ１８は、レーザ光源１０（図１）が射出するレーザビームを吸収する素材で構成されている。

以上のような構成を備えた分割器１２は、以下のように機能する。

半波長板Ｋ１は、レーザ光源１０と偏光ビームスプリッタＢＳ１との間の光路上に位置している。このため、図２（ａ）に示すように、レーザ光源１０を射出したレーザビーム１は、半波長板Ｋ１に入射する。本実施形態では、半波長板Ｋ１に入射する前のレーザビーム１は、偏光ビームスプリッタＢＳ１，ＢＳ２，ＢＳ３に対するｐ偏光からなる。

半波長板Ｋ１は、半波長板Ｋ１の進相軸ＯＰＦがレーザビーム１の偏光方向に対して角度θ１（図３）をなすように、回転器Ｒ１によってセットされている。このため、半波長板Ｋ１は、角度θ１に応じた角度だけ、レーザビーム１の偏光方向を回転する。

図２（ａ）に示すように、半波長板Ｋ１を射出したレーザビーム１は、偏光ビームスプリッタＢＳ１に入射する。偏光ビームスプリッタＢＳ１は、レーザビーム１のうち、ｓ偏光成分を、レーザビーム１の入射方向に対して９０°の方向に反射する。一方、偏光ビームスプリッタＢＳ１は、レーザビーム１のうち、ｐ偏光成分を透過する。ここで、偏光ビームスプリッタＢＳ１に反射されたｓ偏光成分が上述のレーザビーム２である。また、偏光ビームスプリッタＢＳ１を透過したｐ偏光成分を、便宜上、レーザビーム５と表記する。

レーザビーム２は光学素子Ｌ１に入射する。そして、レーザビーム２は、光学素子Ｌ１によって加工対象物Ｗ内の所定の深さに位置する集光領域Ｂ１に集光される。一方、偏光ビームスプリッタＢＳ１を射出したレーザビーム５は、半波長板Ｋ２に入射する。

半波長板Ｋ２は、半波長板Ｋ２の進相軸ＯＰＦがレーザビーム５の偏光方向に対して角度θ２（図３）をなすように、回転器Ｒ２によってセットされている。このため、半波長板Ｋ２は、角度θ２に応じた角度だけ、レーザビーム５の偏光方向を回転する。

図２（ａ）に示すように、半波長板Ｋ２を射出したレーザビーム５は、偏光ビームスプリッタＢＳ２に入射する。偏光ビームスプリッタＢＳ２は、レーザビーム５のうち、ｓ偏光成分を、レーザビーム５の入射方向に対して９０°の方向に反射する。一方、偏光ビームスプリッタＢＳ２は、レーザビーム５のうち、ｐ偏光成分を透過する。ここで、偏光ビームスプリッタＢＳ２に反射されたｓ偏光成分が上述のレーザビーム３である。また、偏光ビームスプリッタＢＳ２を透過したｐ偏光成分を、便宜上、レーザビーム６と表記する。

レーザビーム３は光学素子Ｌ２に入射する。そして、レーザビーム３は、光学素子Ｌ２によって加工対象物Ｗ内に集光される。ただし、図２（ａ）に示すように、光学素子Ｌ２と加工対象物Ｗの表面との間の距離が、光学素子Ｌ１と加工対象物Ｗの表面との間の距離よりも短いので、光学素子Ｌ２による集光領域Ｂ２は、光学素子Ｌ１による集光領域Ｂ１よりも深くに位置する。一方、偏光ビームスプリッタＢＳ２を射出したレーザビーム６は、半波長板Ｋ３に入射する。

半波長板Ｋ３は、半波長板Ｋ３の進相軸ＯＰＦがレーザビーム６の偏光方向に対して角度θ３（図３）をなすように、回転器Ｒ３によってセットされている。このため、半波長板Ｋ３は、角度θ３に応じた角度だけ、レーザビーム６の偏光方向を回転する。

図２（ａ）に示すように、半波長板Ｋ３を射出したレーザビーム６は、偏光ビームスプリッタＢＳ３に入射する。偏光ビームスプリッタＢＳ３は、レーザビーム６のうち、ｓ偏光成分を、レーザビーム６の入射方向に対して９０°の方向に反射する。一方、偏光ビームスプリッタＢＳ３は、レーザビーム６のうち、ｐ偏光成分を透過する。ここで、偏光ビームスプリッタＢＳ３に反射されたｓ偏光成分が上述のレーザビーム４である。また、偏光ビームスプリッタＢＳ３を透過したｐ偏光成分を、便宜上、レーザビーム７と表記する。

レーザビーム４は光学素子Ｌ３に入射する。そして、レーザビーム４は、光学素子Ｌ３によって加工対象物Ｗ内に集光される。ただし、図２（ａ）に示すように、光学素子Ｌ３と加工対象物Ｗの表面との間の距離が、光学素子Ｌ２と加工対象物Ｗの表面との間の距離よりも短いので、光学素子Ｌ３による集光領域Ｂ３は、光学素子Ｌ２による集光領域Ｂ２よりも深くに位置する。一方、偏光ビームスプリッタＢＳ３を射出したレーザビーム７は、ビームダンパ１８に入射し、ビームダンパ１８に吸収される。

ここで、再び図３（ａ）および（ｂ）を参照しながら半波長板Ｋ１に着目して、上述の角度θ１が０（ゼロ）°の場合を考える。この場合、進相軸ＯＰＦと、ｐ偏光であるレーザビーム１の偏光方向と、が一致することになる。そしてこの場合には、レーザビーム１が半波長板Ｋ１を射出しても、レーザビーム１の偏光方向は変化せず、レーザビーム１はｐ偏光のままである。つまり、偏光ビームスプリッタＢＳ１に入射するレーザビーム１の１００％がｐ偏光である。そして、偏光ビームスプリッタＢＳ１に反射されるべきｓ偏光成分が０％なので、加工対象物Ｗにレーザビーム２は実質的に入射しない。

一方、上述の角度θ１が２２．５°の場合、レーザビーム１が半波長板Ｋ１を通過すると、レーザビーム１の偏光方向は４５°だけ回転する。そしてこの場合には、偏光ビームスプリッタＢＳ１に入射するレーザビーム１のうち、ｐ偏光成分の光強度とｓ偏光成分の光強度との比は、１：１になる。上述のように、ｓ偏光成分は偏光ビームスプリッタＢＳ１に反射されてレーザビーム２として加工対象物Ｗに入射する。したがって、加工対象物Ｗに入射するレーザビーム２の光強度は、レーザビーム１の光強度の５０％となる。

さらに、上述の角度θ１が４５°の場合、レーザビーム１が半波長板Ｋ１を通過すると、レーザビーム１の偏光方向は９０°だけ回転する。つまり、半波長板Ｋ１を通過したレーザビーム１は、ｓ偏光になる。つまり、偏光ビームスプリッタＢＳ１に入射するレーザビーム１の１００％がｓ偏光になる。このことから、加工対象物Ｗに入射するレーザビーム２の光強度は、レーザビーム１の光強度の実質的に１００％である。

このように、回転器Ｒ１は、レーザ光源１０からのレーザビーム１の偏光方向に対して、少なくとも０°から４５°の範囲で、半波長板Ｋ１を回転させる。そうすると、半波長板Ｋ１が回転した角度に応じて、レーザビーム１の偏光方向が回転する角度が変わる。この結果、偏光ビームスプリッタＢＳ１に入射するｐ偏光の成分の光強度とｓ偏光の成分の光強度との比が変わる。ここで、ｓ偏光は、偏光ビームスプリッタＢＳ１によって反射されるとレーザビーム２として加工対象物Ｗに入射するので、このような構成によって、加工対象物Ｗに入射するレーザビーム２の光強度を変えることができる。

そして、レーザビーム３の光強度も、レーザビーム２の光強度の場合と同様に、回転器Ｒ２と、半波長板Ｋ２と、偏光ビームスプリッタＢＳ２とによって、可変である。さらに、レーザビーム４の光強度も、レーザビーム２の光強度の場合と同様に、回転器Ｒ３と、半波長板Ｋ３と、偏光ビームスプリッタＢＳ３とによって、可変である。

（３．光学素子）
さて、３つの光学素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、同一の集光レンズである。このため、本実施形態の光学素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３のそれぞれの焦点距離はいずれも同じである。ただし、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、これら３つの光学素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、ステージ１４上の加工対象物Ｗの表面から、Ｚ軸方向に異なる位置に位置している。そして、このことで、光学素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、加工対象物Ｗ内のそれぞれ異なる深さの集光領域Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３に、レーザビーム２，３，４のそれぞれを集光させる。さらに、本実施形態では、集光領域Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３をＺ軸方向からＸＹ平面に写像すると、ＸＹ平面に写像された集光領域Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３の像はＹ軸方向に沿って一列に並ぶように見える。

また、レーザビーム２，３，４のそれぞれは、いずれも同一の仮想面上を伝播する。しかも、この仮想面上で、レーザビーム２，３，４のそれぞれはＺ軸方向に平行に進む。なお、この仮想面は、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の双方に平行な平面である。

このような構成によって、レーザビーム２，３，４のそれぞれによって、複数の改質領域が生じる。ここで、レーザビーム２，３，４のそれぞれは、パルスレーザ光なので、例えばレーザビーム２による複数の改質領域Ａ１は、レーザ光源１０のパルス周期とステージ１４の相対移動速度とで決まるピッチで、Ｙ軸方向に沿って並ぶ。同様に、レーザビーム３，４による複数の改質領域Ａ２，Ａ３も、上記ピッチでＹ軸方向にそれぞれ並ぶ。

そして、複数の改質領域Ａ１の列と、複数の改質領域Ａ２の列と、複数の改質領域Ａ３の列とは、加工対象物Ｗの厚さ方向に並ぶ。なお、Ｙ軸方向および加工対象物Ｗの厚さ方向の双方に平行な面が予定切断面であり、上記の仮想面でもある。また、本実施形態では、加工対象物Ｗの厚さ方向はＺ軸方向に一致している。

さて、加工対象物Ｗの屈折率は１より大きい。このため、光学素子Ｌ１によって集光されたレーザビーム２が加工対象物Ｗに入射すると、レーザビーム２の短波長成分の屈折角と長波長成分の屈折角との違いに起因して色収差が生じる。そしてこのため、レーザビーム２の集光領域Ｂ１の形状は、実際には点状ではなく、レーザビーム２の入射方向に延びた形状になる。

一方、レーザビーム３の集光領域Ｂ２は、レーザビーム２の集光領域Ｂ１よりも深くに位置するので、集光領域Ｂ２に達するまでにレーザビーム３が伝播する距離は、集光領域Ｂ１に達するまでにレーザビーム２が伝播する距離よりも長い、したがって、レーザビーム３が受ける色収差の影響は、レーザビーム２が受ける色収差の影響よりも、大きい。このため、集光領域Ｂ２の長さは、集光領域Ｂ１よりも長い。そしてこの結果、集光領域Ｂ２のピークパワー密度が、集光領域Ｂ１のピークパワー密度よりも小さくなる。このことから、集光領域Ｂ１で改質が生じても、集光領域Ｂ２では改質が生じない、ということが起こり得る。なお、レーザビーム４の集光領域Ｂ３のピークパワー密度は、同様な理由から、レーザビーム３の集光領域Ｂ２のピークパワー密度よりも小さい。

本実施形態では、上述の構成を有する分割器１２の機能のおかげで、レーザビーム２，３，４のそれぞれの光強度を、個別に調整できる。そこで、集光領域Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３のそれぞれのピークパワー密度がいずれも所定値以上のほぼ同じ値になるように、分割器１２がレーザビーム２，３，４の光強度（レーザパワー）をこの順番で大きくする。

（４．レーザビームの間隔）
改質領域Ａ１，Ａ２，Ａ３のそれぞれのピッチＰｔは、レーザ光源１０のパルス周期とステージ１４のＹ軸方向に沿った相対移動速度との積に等しい。上述のように、パルス周波数（パルス周期の逆数）は１ｋＨｚであり、Ｙ軸方向に沿った相対移動速度が２０ｍｍ／ｓｅｃなので、改質領域Ａ１，Ａ２，Ａ３のそれぞれのピッチＰｔの値を「ｐ」とすると、ｐは２０μｍである。ここで、図２（ｂ）に示すように、改質領域Ａ１，Ａ２，Ａ３が、互いに半ピッチずれて並ぶことが好ましい。そうすれば、予定切断面に沿って加工対象物Ｗを分割しやすいからである。このような改質領域Ａ１，Ａ２，Ａ３を実現するには、分割器１２および光学素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を調整して、集光領域Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３のＹ軸方向に沿った間隔が、Ｎ×ｐ＋（１／２）×ｐになるようにすればよい。つまり、集光領域Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３のＹ軸方向に沿った間隔が、ピッチＰｔのＮ倍と、ピッチＰｔの１／２倍と、の和にほぼ一致するようにすればよい。ここで、Ｎは０以上の整数である。

以上のように、本実施形態では、レーザビーム１が３つのレーザビーム２，３，４に分割される。しかしながら、分割されるレーザビームの数は３つに限定されず、少なくとも２つのレーザビームに分割されればよい。

レーザ光源１０におけるレーザが、非偏光レーザの場合には、レーザ光源１０が、非偏光をｐ偏光に変換する公知の偏光変換素子を有していればよい。そうすれば、上述の構成を実質的に変えることなく、分割器１２を用いることができる。

また、上述のように本実施形態では、光学素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、いずれも同じ集光レンズである。しかしながら、このような構成に代えて、光学素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３が、異なる焦点距離を有した集光レンズであってもよい。

要するに、１つのレーザビーム１から分割されたレーザビーム２，３，４が、異なる深さの集光領域Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３に集光できればよい。そうすれば、経済的にレーザ光源が１つしか利用できなくても、加工対象物Ｗを少なくとも１回相対移動すれば、相対移動の方向に延びる改質領域Ａ１，Ａ２，Ａ３の列を、厚さ方向に重ねることができる。このため、切断すべき加工対象物Ｗの厚さが改質領域Ａ１，Ａ２，Ａ３のそれぞれのサイズに比べて十分に大きくても、実際的な加工時間内に切断のための前処理（レーザ照射）を完了できる。

しかも、本実施形態では、レーザビーム２，３，４が、分割されたままで加工対象物Ｗにそれぞれ入射する。このため、集光領域Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３が位置する深さが、互いに独立な光学素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３によって、設定され得る。このことから、集光領域Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３間のＺ軸方向（厚さ方向）に沿った距離を設定する場合の自由度が高い。なお、集光領域Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３間の厚さ方向に沿った距離は、加工対象物Ｗを構成する材料に応じて、最適な値に決めればよい。ここで、本実施形態の加工対象物Ｗは石英ガラスから構成されているが、加工対象物Ｗは半導体から構成されてもよい。さらに、加工対象物Ｗは、ＭＥＭＳ基板であってもよい。要するに、加工対象物Ｗ内で多光子吸収による改質領域Ａ１，Ａ２，Ａ３が形成できる限り、本実施形態の材料または本実施形態のレーザ光源１０の仕様に、本発明は限定されない。

本実施形態のレーザ照射装置の模式図。（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、加工対象物と、レーザ照射装置における分割器および光学素子と、を示す模式図である。（ａ）は、半波長板と偏光ビームスプリッタとを通過するレーザビームの偏光方向を示す模式図であり、（ｂ）は、半波長板の光学軸（進相軸）の方向と、半波長板に入射する直線偏光の偏光方向と、がなす角を示す模式図。

符号の説明

Ａ１，Ａ２，Ａ３…改質領域、Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３…集光領域、ＢＳ１，ＢＳ２，ＢＳ３…偏光ビームスプリッタ、Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３…半波長板、１〜７…レーザビーム、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３…回転器、Ｗ…加工対象物、１０…レーザ光源、１２…分割器、１４…ステージ、１６…走査機構、１８…ビームダンパ、１００…レーザ照射装置。

Claims

所定波長の光に対して透過性を有する加工対象物を載置するステージと、
前記所定波長の成分を有し、直線偏光である第１のレーザビームを射出するレーザ光源と、
前記第１のレーザ光を、前記ステージにおける前記加工対象物を載置する面に垂直な第１の方向に伝播する第２のレーザビームと第３のレーザビームとに分割する分割器と、
前記第２のレーザビームによって、前記加工対象物内の第１の集光位置に多光子吸収が生じるように、前記第２のレーザビームを集光させる第１の光学素子と、
前記第３のレーザビームによって、前記加工対象物内の前記第１の集光位置よりも前記加工対象物の表面から深い位置である第２の集光位置で多光子吸収が生じるように、前記第３のレーザビームを集光させる第２の光学素子と、
前記第１の方向に垂直な面と、前記第２のレーザビームと前記第３のレーザビームのそれぞれの光軸を含む面、が交る直線である第２の方向に沿って相対移動するように、前記第１の光学素子と前記第２の光学素子に対して前記ステージを相対移動させる走査機構と、
を備え、
前記レーザ光源は、所定周期でパルス状の前記第１のレーザビームを射出するパルスレーザであり、
前記分割器は、
（ａ）前記第１のレーザビームを、互いに垂直な２つの偏光成分である前記第２のレーザビームと第４のレーザビームとに分割する第１の偏光ビームスプリッタと、
（ｂ）前記第１の偏光ビームスプリッタと前記レーザ光源との間の前記第１のレーザビームの光路に位置する第１の半波長板と、
（ｃ）前記第１の半波長板の光学軸と前記第１のレーザビームの偏光方向とがなす角が
変わるように、前記第１の半波長板を回転させる第１の回転器と、
（ｄ）前記第４のレーザビームを、互いに垂直な２つの偏光成分である前記第３のレーザビームと第５のレーザビームとに分割する第２の偏光ビームスプリッタと、
（ｅ）前記第２の偏光ビームスプリッタと前記第１の偏光ビームスプリッタとの間の前記第４のレーザビームの光路に位置する第２の半波長板と、
（ｆ）前記第１の半波長板の光学軸と前記第４のレーザビームの偏光方向とがなす角が変わるように、前記第２の半波長板を回転させる第２の回転器と、
を有し、
前記走査機構は、前記第２の方向に所定速度で相対移動させるように設定されており、
前記第２の方向に沿った前記第１の光学素子と前記第２の光学素子の距離が、前記所定周期と前記所定速度との積のＮ倍（Ｎは０以上の整数）と、前記積の１／２倍と、の和に一致するように、前記第１の光学素子と前記第２の光学素子が設置され、
前記第３のレーザビームのパワーは、前記第２のレーザビームのパワーより大きく、かつ、前記第２の集光位置でのパワー密度は、前記第３の集光位置でのパワー密度と等しい、
ことを特徴とするレーザ照射装置。