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JP4402708B2 - レーザ加工方法、レーザ加工装置及びその製造方法 - Google Patents

レーザ加工方法、レーザ加工装置及びその製造方法 Download PDF

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JP4402708B2 JP2007203529A JP2007203529A JP4402708B2 JP 4402708 B2 JP4402708 B2 JP 4402708B2 JP 2007203529 A JP2007203529 A JP 2007203529A JP 2007203529 A JP2007203529 A JP 2007203529A JP 4402708 B2 JP4402708 B2 JP 4402708B2
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Description

本発明は、板状の加工対象物を切断予定ラインに沿って切断するためのレーザ加工方法、レーザ加工装置及びその製造方法に関する。
従来のレーザ加工装置として、特許文献１には、レーザ光源から出射されたレーザ光をレーザ発散点移動手段によって発散し、発散したレーザ光を集光光学系によって加工対象物の内部における所定の位置に集光するものが記載されている。このレーザ加工装置によれば、加工対象物の内部における所定の位置で発生するレーザ光の収差を軽減することができる。
なお、特許文献２には、空間光変調器によってレーザ光を変調することでレーザ光の波面補償を行う波面補償装置が記載されている。また、特許文献３には、空間光変調器によってレーザ光を変調することで加工対象物の内部における複数の位置にレーザ光を集光するレーザ加工装置が記載されている。
国際公開第２００５／１０６５６４号パンフレット 特開２００５−２９２６６２号公報 特開２００６−６８７６２号公報
ところで、板状の加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射することにより、切断予定ラインに沿って改質領域を形成する技術においては、加工対象物のレーザ光入射面からの距離等の加工条件によって、切断の起点としての機能が低い（例えば、割れを発生させ難い）改質領域が形成される場合がある。
そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、切断の起点となる改質領域を確実に形成することができるレーザ加工方法、レーザ加工装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係るレーザ加工方法は、板状の加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射することにより、加工対象物の切断予定ラインに沿って、切断の起点となる改質領域を形成するレーザ加工方法であって、改質領域を形成する際には、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反射型空間光変調器によってレーザ光を変調することを特徴とする。
また、本発明に係るレーザ加工方法は、板状の加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射することにより、加工対象物の切断予定ラインに沿って、切断の起点となる改質領域を形成するレーザ加工方法であって、改質領域を形成する際には、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レーザ光を変調することを特徴とする。
これらのレーザ加工方法では、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が加工対象物に照射される。そのため、例えば、レーザ光の集光点を合わせる位置で発生するレーザ光の収差を略ゼロとして、その位置でのレーザ光のエネルギー密度を高め、切断の起点としての機能が高い（例えば、割れを発生させ易い）改質領域を形成することができる。しかも、反射型空間光変調器を用いるため、透過型空間光変調器に比べてレーザ光の利用効率を向上させることができる。このようなレーザ光の利用効率の向上は、切断の起点となる改質領域を板状の加工対象物に形成する場合、特に重要である。従って、これらのレーザ加工方法によれば、切断の起点となる改質領域を確実に形成することが可能となる。
本発明に係るレーザ加工方法は、板状の加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射することにより、加工対象物の切断予定ラインに沿って、加工対象物の厚さ方向に並ぶように、切断の起点となる改質領域を複数列形成するレーザ加工方法であって、複数列の改質領域のうち、加工対象物のレーザ光入射面から最も遠い改質領域を含む１列又は複数列の改質領域を形成する際には、形成する改質領域に応じて、加工対象物の内部にレーザ光を集光する集光光学系と加工対象物との距離が所定の距離となるように集光光学系と加工対象物との距離を変化させると共に、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反射型空間光変調器によってレーザ光を変調することを特徴とする。
また、本発明に係るレーザ加工方法は、板状の加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射することにより、加工対象物の切断予定ラインに沿って、加工対象物の厚さ方向に並ぶように、切断の起点となる改質領域を複数列形成するレーザ加工方法であって、複数列の改質領域のうち、加工対象物のレーザ光入射面から最も遠い改質領域を含む１列又は複数列の改質領域を形成する際には、形成する改質領域に応じて、加工対象物の内部にレーザ光を集光する集光光学系と加工対象物との距離が所定の距離となるように集光光学系と加工対象物との距離を変化させると共に、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レーザ光を変調することを特徴とする。
これらのレーザ加工方法では、複数列の改質領域のうち、加工対象物のレーザ光入射面から最も遠い改質領域を含む１列又は複数列の改質領域を形成する際に、反射型空間光変調器によって変調されたレーザ光が加工対象物に照射される。このように、レーザ光入射面から最も遠い改質領域を形成する際に、反射型空間光変調器によるレーザ光の変調を必須とするのは、改質領域を形成する位置がレーザ光入射面から遠くなるほど、レーザ光の集光点を合わせる位置で発生するレーザ光の収差が大きくなるからである。従って、これらのレーザ加工方法によれば、１本の切断予定ラインに対して複数列の改質領域を形成する場合であっても、切断の起点となる改質領域を確実に形成することが可能となる。
このとき、切断予定ラインが加工対象物に対して複数本設定されている場合には、１本の切断予定ラインに沿って複数列の改質領域を形成した後に、他の１本の切断予定ラインに沿って複数列の改質領域を形成すると、次のような効果が奏される。すなわち、加工対象物のレーザ光入射面にうねりが存在するような場合には、レーザ光入射面から所定の距離の位置にレーザ光の集光点を精度良く合わせるために、切断予定ラインに沿ったレーザ光入射面の変位データを取得し、その変位データに基づいて集光光学系と加工対象物との距離を微調整する。従って、１本の切断予定ラインに沿って複数列の改質領域を形成した後に、他の１本の切断予定ラインに沿って複数列の改質領域を形成すれば、変位データの切替回数を減少させることができ、各切断予定ラインにおいて複数列の改質領域をレーザ光入射面から所定の距離の位置に精度良く形成することが可能となる。
また、切断予定ラインが加工対象物に対して複数本設定されている場合には、複数本の切断予定ラインに沿って１列の改質領域を形成した後に、複数本の切断予定ラインに沿って他の１列の改質領域を形成すると、次のような効果が奏される。すなわち、１本の切断予定ラインに沿った複数列の改質領域の形成によって加工対象物が割れるような場合には、１本の切断予定ラインに沿って複数列の改質領域を形成した後に、他の１本の切断予定ラインに沿って複数列の改質領域を形成すると、加工対象物の割れによって加工対象物の位置にずれが生じる。そこで、切断予定ラインに沿って改質領域を精度良く形成するためには、加工対象物の位置を補正する必要がある。しかしながら、複数本の切断予定ラインに沿って１列の改質領域を形成した後に、複数本の切断予定ラインに沿って他の１列の改質領域を形成すれば、加工対象物の割れによって加工対象物の位置がずれるのを防止することができ、加工対象物の位置の補正回数を減少させて、複数本の切断予定ラインに沿って複数列の改質領域を短時間で形成することが可能となる。
本発明に係るレーザ加工方法は、板状の加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射することにより、加工対象物の切断予定ラインに沿って、切断の起点となる改質領域を形成するレーザ加工方法であって、改質領域を形成する際には、加工対象物の内部に集光されるレーザ光の開口数が所定の開口数となるように反射型空間光変調器によってレーザ光を変調することを特徴とする。
このレーザ加工方法では、加工対象物の内部に集光されるレーザ光の開口数が所定の開口数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が加工対象物に照射される。そのため、例えば、加工対象物の材質や改質領域を形成すべき位置までの距離等に応じてレーザ光の開口数を変化させて、切断の起点としての機能が高い改質領域を形成することができる。
本発明に係るレーザ加工方法は、板状の加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射することにより、加工対象物の切断予定ラインに沿って、加工対象物の厚さ方向に並ぶように、切断の起点となる改質領域を複数列形成するレーザ加工方法であって、複数列の改質領域のうち、加工対象物のレーザ光入射面又は加工対象物においてレーザ光入射面と対向する対向表面に最も近い改質領域を除く改質領域を形成する際には、レーザ光入射面又は対向表面に最も近い改質領域を形成する場合に比べ、加工対象物の内部に集光されるレーザ光の開口数が小さくなるように反射型空間光変調器によってレーザ光を変調することを特徴とする。
このレーザ加工方法では、切断の起点として特に重要な改質領域として、加工対象物のレーザ光入射面又は加工対象物においてレーザ光入射面と対向する対向表面に最も近い改質領域を形成する際に、その他の改質領域を形成する場合に比べ、加工対象物の内部に集光されるレーザ光の開口数が大きく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が加工対象物に照射される。そのため、加工対象物のレーザ光入射面又は加工対象物においてレーザ光入射面と対向する対向表面に最も近い改質領域を、切断の起点としての機能が極めて高い改質領域（例えば、割れを含む改質領域）とすることができる。
このとき、切断予定ラインに沿って、加工対象物の厚さ方向に並ぶように、改質領域を少なくとも３列形成する場合において、少なくとも３列の改質領域のうち、レーザ光入射面から最も遠い改質領域及びレーザ光入射面に最も近い改質領域を除く改質領域を形成する際には、レーザ光入射面から最も遠い改質領域及びレーザ光入射面に最も近い改質領域を形成する場合に比べ、加工対象物の内部に集光されるレーザ光の開口数が小さくなるように反射型空間光変調器によってレーザ光を変調することが好ましい。この場合、切断の起点として特に重要な改質領域として、レーザ光入射面から最も遠い改質領域及びレーザ光入射面に最も近い改質領域を形成する際に、その間の改質領域を形成する場合に比べ、加工対象物の内部に集光されるレーザ光の開口数が大きく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が加工対象物に照射される。そのため、レーザ光入射面から最も遠い改質領域及びレーザ光入射面に最も近い改質領域を、切断の起点としての機能が極めて高い改質領域（例えば、割れを含む改質領域）とすることができる。
本発明に係るレーザ加工方法は、板状の加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射することにより、加工対象物の切断予定ラインに沿って、切断の起点となる改質領域を形成するレーザ加工方法であって、改質領域を形成する際には、レーザ光の光学特性が所定の光学特性となるように複数の反射型空間光変調器によってレーザ光を変調することを特徴とする。
このレーザ加工方法では、レーザ光の光学特性が所定の光学特性となるように複数の反射型空間光変調器によって変調されたレーザ光が加工対象物に照射される。このように複数の反射型空間光変調器を用いると、レーザ光の光学特性としてビーム径や光軸等を制御することができる。これにより、切断の起点となる改質領域を確実に形成することが可能となる。
本発明に係るレーザ加工装置は、板状の加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射することにより、加工対象物の切断予定ラインに沿って、切断の起点となる改質領域を形成するレーザ加工装置であって、加工対象物を支持する支持台と、レーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光源から出射されたレーザ光を変調する反射型空間光変調器と、支持台によって支持された加工対象物の内部に、反射型空間光変調器によって変調されたレーザ光を集光する集光光学系と、改質領域を形成する際に、レーザ光の集光点が加工対象物のレーザ光入射面から所定の距離に位置し且つレーザ光の集光点が切断予定ラインに沿って相対的に移動するように支持台及び集光光学系の少なくとも１つを制御すると共に、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反射型空間光変調器を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
このレーザ加工装置によれば、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反射型空間光変調器によって変調されたレーザ光を切断予定ラインに沿って加工対象物に照射することができる。これにより、切断の起点となる改質領域を確実に形成することが可能となる。なお、「制御部が支持台及び集光光学系の少なくとも１つを制御する」とは、制御部が支持台及び集光光学系の少なくとも１つを直接的に制御する場合だけでなく、制御部が、支持台を含む系及び集光光学系を含む系の少なくとも１つを直接的に制御することで、支持台及び集光光学系の少なくとも１つを間接的に制御する場合を含むものとする。
このとき、制御部は、加工対象物の厚さ方向に並ぶように切断予定ラインに沿って複数列形成される改質領域毎に、レーザ光の集光点がレーザ光入射面から所定の距離に位置するように支持台及び集光光学系の少なくとも１つを制御するための制御信号と、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反射型空間光変調器を制御するための制御信号とを対応付けて記憶していることが好ましい。この場合、形成すべき複数列の改質領域のそれぞれに応じて、加工対象物の内部においてレーザ光の波面を所定の波面とすることができる。
本発明に係るレーザ加工装置は、板状の加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射することにより、加工対象物の切断予定ラインに沿って、切断の起点となる改質領域を形成するレーザ加工装置であって、加工対象物を支持する支持台と、レーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光源から出射されたレーザ光を変調する反射型空間光変調器と、支持台によって支持された加工対象物の内部に、反射型空間光変調器によって変調されたレーザ光を集光する集光光学系と、改質領域を形成する際に、レーザ光の集光点が加工対象物のレーザ光入射面から所定の距離に位置し且つレーザ光の集光点が切断予定ラインに沿って相対的に移動するように支持台及び集光光学系の少なくとも１つを制御すると共に、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を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
このレーザ加工装置によれば、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切断予定ラインに沿って加工対象物に照射することができる。これにより、切断の起点となる改質領域を確実に形成することが可能となる。
このとき、制御部は、加工対象物の厚さ方向に並ぶように切断予定ラインに沿って複数列形成される改質領域毎に、レーザ光の集光点がレーザ光入射面から所定の距離に位置するように支持台及び集光光学系の少なくとも１つを制御するための制御信号と、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を制御するための制御信号とを対応付けて記憶していることが好ましい。この場合、形成すべき複数列の改質領域のそれぞれに応じて、加工対象物の内部に集光されるレーザ光の収差を所定の収差以下とすることができる。
本発明に係るレーザ加工装置は、板状の加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射することにより、加工対象物の切断予定ラインに沿って、切断の起点となる改質領域を形成するレーザ加工装置であって、加工対象物を支持する支持台と、レーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光源から出射されたレーザ光を変調する複数の反射型空間光変調器と、支持台によって支持された加工対象物の内部に、反射型空間光変調器によって変調されたレーザ光を集光する集光光学系と、改質領域を形成する際に、レーザ光の集光点が加工対象物のレーザ光入射面から所定の距離に位置し且つレーザ光の集光点が切断予定ラインに沿って相対的に移動するように支持台及び集光光学系の少なくとも１つを制御する制御部と、を備え、制御部は、レーザ光の光学特性が所定の光学特性となるように反射型空間光変調器を制御する機能を有することを特徴とする。
このレーザ加工装置によれば、複数の反射型空間光変調器を備えているため、レーザ光の光学特性としてビーム径や光軸等を制御することができる。従って、何らかの原因でレーザ光の光軸にずれが生じた場合であっても、そのずれを容易に補正して、切断の起点となる改質領域を確実に形成することが可能となる。
本発明に係るレーザ加工装置の製造方法は、板状の加工対象物を支持する支持台と、レーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光源から出射されたレーザ光を変調する反射型空間光変調器と、支持台によって支持された加工対象物の内部に、反射型空間光変調器によって変調されたレーザ光を集光する集光光学系と、反射型空間光変調器を制御する制御部と、を備え、加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射することにより、加工対象物の切断予定ラインに沿って、切断の起点となる改質領域を形成するレーザ加工装置の製造方法であって、基準レーザ加工装置を用意し、基準レーザ加工装置の基準集光光学系から出射された基準レーザ光の波面を計測して基準波面データを取得する工程と、集光光学系から出射されたレーザ光の波面を計測して波面データを取得する工程と、基準波面データ及び波面データに基づいて、レーザ光の波面が基準レーザ光の波面となるように反射型空間光変調器を制御するための制御信号を算出し、制御信号を制御部に記憶させる工程と、を含むことを特徴とする。
このレーザ加工装置の製造方法によれば、切断の起点としての機能が高い改質領域を形成し得るレーザ加工装置を基準レーザ加工装置として用意することで、装置間の個体差を埋めて、基準レーザ加工装置と同等の性能を有するレーザ加工装置を製造することができる。
本発明によれば、切断の起点となる改質領域を確実に形成することができる。
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。
本実施形態に係るレーザ加工方法及びレーザ加工装置においては、板状の加工対象物に集光点を合わせてレーザ光を照射することにより、切断予定ラインに沿って加工対象物に改質領域を形成する。
そこで、まず、本実施形態に係るレーザ加工方法及びレーザ加工装置における改質領域の形成について、図１〜図９を参照して説明する。
図１に示すように、レーザ加工装置１００は、レーザ光（加工用レーザ光）Ｌをパルス発振するレーザ光源１０１と、レーザ光Ｌの光軸の向きを９０°変えるように配置されたダイクロイックミラー１０３と、レーザ光Ｌを集光するための集光用レンズ１０５と、を備えている。また、レーザ加工装置１００は、集光用レンズ１０５で集光されたレーザ光Ｌが照射される加工対象物１を支持するための支持台１０７と、支持台１０７をＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に移動させるためのステージ１１１と、レーザ光Ｌの出力やパルス幅等を調節するためにレーザ光源１０１を制御するレーザ光源制御部１０２と、ステージ１１１の移動を制御するステージ制御部１１５と、を備えている。
このレーザ加工装置１００においては、レーザ光源１０１から出射されたレーザ光Ｌは、ダイクロイックミラー１０３によってその光軸の向きを９０°変えられ、支持台１０７上に載置された加工対象物１の内部に集光レンズ１０５によって集光される。これと共に、ステージ１１１が移動させられ、加工対象物１がレーザ光Ｌに対して切断予定ライン５に沿って相対移動させられる。これにより、切断予定ライン５に沿って、切断の起点となる改質領域が加工対象物１に形成されることとなる。以下、この改質領域について詳細に説明する。
図２に示すように、板状の加工対象物１には、加工対象物１を切断するための切断予定ライン５が設定されている。切断予定ライン５は、直線状に延びた仮想線である。加工対象物１の内部に改質領域を形成する場合、図３に示すように、加工対象物１の内部に集光点Ｐを合わせた状態で、レーザ光Ｌを切断予定ライン５に沿って（すなわち、図２の矢印Ａ方向に）相対的に移動させる。これにより、図４〜図６に示すように、改質領域７が切断予定ライン５に沿って加工対象物１の内部に形成され、切断予定ライン５に沿って形成された改質領域７が切断起点領域８となる。
なお、集光点Ｐとは、レーザ光Ｌが集光する箇所のことである。また、切断予定ライン５は、直線状に限らず曲線状であってもよいし、仮想線に限らず加工対象物１の表面３に実際に引かれた線であってもよい。また、改質領域７は、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。また、改質領域７は少なくとも加工対象物１の内部に形成されていればよい。また、改質領域７を起点に亀裂が形成される場合があり、亀裂及び改質領域７は、加工対象物１の外表面（表面、裏面、若しくは外周面）に露出していてもよい。
ちなみに、ここでは、レーザ光Ｌが、加工対象物１を透過すると共に加工対象物１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１に改質領域７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１の表面３ではレーザ光Ｌが殆ど吸収されないので、加工対象物１の表面３が溶融することはない。一般的に、表面３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３側から徐々に裏面側に進行する。
ところで、本実施形態に係るレーザ加工方法及びレーザ加工装置にて形成される改質領域は、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。例えば、（１）溶融処理領域、（２）クラック領域、絶縁破壊領域、（３）屈折率変化領域等があり、これらが混在した領域もある。
本実施形態に係るレーザ加工方法及びレーザ加工装置における改質領域は、レーザ光の局所的な吸収や多光子吸収という現象により形成される。多光子吸収とは、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が小さいと光学的に透明となるため、材料に吸収が生じる条件はｈν＞ＥＧであるが、光学的に透明でも、レーザ光Ｌの強度を非常に大きくするとｎｈν＞ＥＧの条件（ｎ＝２，３，４，・・・）で材料に吸収が生じる現象をいう。多光子吸収による溶融処理領域の形成は、例えば、溶接学会全国大会講演概要第６６集（２０００年４月）の第７２頁〜第７３頁の「ピコ秒パルスレーザによるシリコンの加工特性評価」に記載されている。
また、D.Du,X.Liu,G.Korn,J.Squier,and G.Mourou,”Laser Induced Breakdown by Impact Ionization in SiO2 with Pulse Widths from 7ns to 150fs”,Appl Phys Lett64(23),Jun.6,1994に記載されているようにパルス幅が数ピコ秒からフェムト秒の超短パルスレーザ光を利用することにより形成される改質領域を利用してもよい。
（１）改質領域が溶融処理領域を含む場合
加工対象物（例えばシリコンのような半導体材料）の内部に集光点を合わせて、集光点における電界強度が１×１０８（Ｗ／ｃｍ２）以上で且つパルス幅が１μｓ以下の条件でレーザ光Ｌを照射する。これにより、集光点近傍にてレーザ光Ｌが吸収されて加工対象物の内部が局所的に加熱され、この加熱により加工対象物の内部に溶融処理領域が形成される。
溶融処理領域とは、一旦溶融後再固化した領域や、まさに溶融状態の領域や、溶融状態から再固化する状態の領域であり、相変化した領域や結晶構造が変化した領域ということもできる。また、溶融処理領域とは単結晶構造、非晶質構造、多結晶構造において、ある構造が別の構造に変化した領域ということもできる。つまり、例えば、単結晶構造から非晶質構造に変化した領域、単結晶構造から多結晶構造に変化した領域、単結晶構造から非晶質構造及び多結晶構造を含む構造に変化した領域を意味する。加工対象物がシリコン単結晶構造の場合、溶融処理領域は例えば非晶質シリコン構造である。
図７は、レーザ光が照射されたシリコンウェハ（半導体基板）の一部における断面の写真を表した図である。図７に示すように、半導体基板１１の内部に溶融処理領域１３が形成されている。
入射するレーザ光の波長に対して透過性の材料の内部に溶融処理領域１３が形成されたことを説明する。図８は、レーザ光の波長とシリコン基板の内部の透過率との関係を示す線図である。ただし、シリコン基板の表面側と裏面側それぞれの反射成分を除去し、内部のみの透過率を示している。シリコン基板の厚さｔが５０μｍ、１００μｍ、２００μｍ、５００μｍ、１０００μｍの各々について上記関係を示した。
例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの波長である１０６４ｎｍにおいて、シリコン基板の厚さが５００μｍ以下の場合、シリコン基板の内部ではレーザ光Ｌが８０％以上透過することが分かる。図７に示す半導体基板１１の厚さは３５０μｍであるので、溶融処理領域１３は半導体基板１１の中心付近、つまり表面から１７５μｍの部分に形成される。この場合の透過率は、厚さ２００μｍのシリコンウェハを参考にすると、９０％以上なので、レーザ光Ｌが半導体基板１１の内部で吸収されるのは僅かであり、殆どが透過する。しかし、１×１０８（Ｗ／ｃｍ２）以上で且つパルス幅が１μｓ以下の条件でレーザ光Ｌをシリコンウェハ内部に集光することで集光点とその近傍で局所的にレーザ光が吸収され溶融処理領域１３が半導体基板１１の内部に形成される。
なお、シリコンウェハには、溶融処理領域を起点として亀裂が発生する場合がある。また、溶融処理領域に亀裂が内包されて形成される場合があり、この場合には、その亀裂が、溶融処理領域においての全面に渡って形成されていたり、一部分のみや複数部分に形成されていたりすることがある。更に、この亀裂は、自然に成長する場合もあるし、シリコンウェハに力が印加されることにより成長する場合もある。溶融処理領域から亀裂が自然に成長する場合には、溶融処理領域が溶融している状態から成長する場合と、溶融処理領域が溶融している状態から再固化する際に成長する場合とのいずれもある。ただし、どちらの場合も溶融処理領域はシリコンウェハの内部に形成され、切断面においては、図７に示すように、内部に溶融処理領域が形成されている。
（２）改質領域がクラック領域を含む場合
加工対象物（例えばガラスやＬｉＴａＯ３からなる圧電材料）の内部に集光点を合わせて、集光点における電界強度が１×１０８（Ｗ／ｃｍ２）以上で且つパルス幅が１μｓ以下の条件でレーザ光Ｌを照射する。このパルス幅の大きさは、加工対象物の内部にレーザ光Ｌが吸収されてクラック領域が形成される条件である。これにより、加工対象物の内部には光学的損傷という現象が発生する。この光学的損傷により加工対象物の内部に熱ひずみが誘起され、これにより加工対象物の内部に、１つ又は複数のクラックを含むクラック領域が形成される。クラック領域は絶縁破壊領域とも言える。
図９は電界強度とクラックの大きさとの関係の実験結果を示す線図である。横軸はピークパワー密度であり、レーザ光Ｌがパルスレーザ光なので電界強度はピークパワー密度で表される。縦軸は１パルスのレーザ光Ｌにより加工対象物の内部に形成されたクラック部分（クラックスポット）の大きさを示している。クラックスポットが集まりクラック領域となる。クラックスポットの大きさは、クラックスポットの形状のうち、最大の長さとなる部分の大きさである。グラフ中の黒丸で示すデータは集光用レンズ（Ｃ）の倍率が１００倍、開口数（ＮＡ）が０．８０の場合である。一方、グラフ中の白丸で示すデータは集光用レンズ（Ｃ）の倍率が５０倍、開口数（ＮＡ）が０．５５の場合である。ピークパワー密度が１０１１（Ｗ／ｃｍ２）程度から加工対象物の内部にクラックスポットが発生し、ピークパワー密度が大きくなるに従いクラックスポットも大きくなることが分かる。
（３）改質領域が屈折率変化領域を含む場合
加工対象物（例えばガラス）の内部に集光点を合わせて、集光点における電界強度が１×１０８（Ｗ／ｃｍ２）以上で且つパルス幅が１ｎｓ以下の条件でレーザ光Ｌを照射する。このように、パルス幅が極めて短い状態で加工対象物の内部にレーザ光Ｌが吸収されると、そのエネルギーが熱エネルギーに転化せず、加工対象物の内部にはイオン価数変化、結晶化又は分極配向等の永続的な構造変化が誘起され、屈折率変化領域が形成される。
なお、改質領域とは、溶融処理領域、絶縁破壊領域、屈折率変化領域等やそれらが混在した領域を含めて、その材料において改質領域の密度が非改質領域の密度と比較して変化した領域であったり、格子欠陥が形成された領域であったりする。これらをまとめて高密転移領域と言うこともできる。
また、溶融処理領域や屈折率変化領域、改質領域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。
ちなみに、加工対象物の結晶構造やその劈開性等を考慮して、改質領域を次のように形成すれば、精度よく加工対象物を切断することが可能になる。
すなわち、シリコン等のダイヤモンド構造の単結晶半導体からなる基板の場合は、（１１１）面（第１劈開面）や（１１０）面（第２劈開面）に沿った方向に改質領域を形成するのが好ましい。また、ＧａＡｓ等の閃亜鉛鉱型構造のIII−V族化合物半導体からなる基板の場合は、（１１０）面に沿った方向に改質領域を形成するのが好ましい。更に、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）等の六方晶系の結晶構造を有する基板の場合は、（０００１）面（Ｃ面）を主面として（１１２０）面（Ａ面）或いは（１１００）面（Ｍ面）に沿った方向に改質領域を形成するのが好ましい。
また、上述した改質領域を形成すべき方向（例えば、単結晶シリコン基板における（１１１）面に沿った方向）、或いは改質領域を形成すべき方向に直交する方向に沿って基板にオリエンテーションフラットを形成すれば、そのオリエンテーションフラットを基準とすることで、改質領域を容易且つ正確に基板に形成することが可能になる。
次に、本実施形態に係るレーザ加工装置について説明する。
図１０に示すように、レーザ加工装置２００は、板状の加工対象物１を支持する支持台２０１と、レーザ光Ｌを出射するレーザ光源２０２と、レーザ光源２０２から出射されたレーザ光Ｌを変調する反射型空間光変調器２０３と、支持台２０１によって支持された加工対象物１の内部に、反射型空間光変調器２０３によって変調されたレーザ光Ｌを集光する集光光学系２０４と、反射型空間光変調器２０３を制御する制御部２０５と、を備えている。レーザ加工装置２００は、加工対象物１の内部に集光点Ｐを合わせてレーザ光Ｌを照射することにより、加工対象物１の切断予定ライン５に沿って、切断の起点となる改質領域７を形成するものである。
反射型空間光変調器２０３は筐体２３１内に設置されており、レーザ光源２０２は筐体２３１の天板に設置されている。また、集光光学系２０４は、複数のレンズを含んで構成されており、圧電素子等を含んで構成された駆動ユニット２３２を介して筐体２３１の底板に設置されている。そして、筐体２３１に設置された部品によってレーザエンジン２３０が構成されている。なお、制御部２０５は、レーザエンジン２３０の筐体２３１内に設置されてもよい。
筐体２３１には、筐体２３１を加工対象物１の厚さ方向に移動させる移動機構が設置されている（図示せず）。これにより、加工対象物１の深さに応じてレーザエンジン２３０を上下に移動させることができるため、集光光学系２０４の位置を変化させて、レーザ光Ｌを加工対象物１の所望の深さ位置に集光することが可能となる。なお、筐体２３１に移動機構を設置する代わりに、支持台２０１に、支持台２０１を加工対象物１の厚さ方向に移動させる移動機構を設けてもよい。また、後述するＡＦユニット２１２を利用して集光光学系２０４を加工対象物１の厚さ方向に移動させてもよい。そして、これらを組み合わせることも可能である。
制御部２０５は、反射型空間光変調器２０３を制御する他、レーザ加工装置２００の全体を制御する。例えば、制御部２０５は、改質領域７を形成する際に、レーザ光Ｌの集光点Ｐが加工対象物１の表面（レーザ光入射面）３から所定の距離に位置し且つレーザ光Ｌの集光点Ｐが切断予定ライン５に沿って相対的に移動するように集光光学系２０４を含むレーザエンジン２３０を制御する。なお、制御部２０５は、加工対象物１に対してレーザ光Ｌの集光点Ｐを相対的に移動させるために、集光光学系２０４を含むレーザエンジン２３０ではなく支持台２０１を制御してもよいし、或いは集光光学系２０４を含むレーザエンジン２３０及び支持台２０１の両方を制御してもよい。
レーザ光源２０２から出射されたレーザ光Ｌは、筐体２３１内において、ミラー２０６，２０７によって順次反射された後、プリズム等の反射部材２０８によって反射されて反射型空間光変調器２０３に入射する。反射型空間光変調器２０３に入射したレーザ光Ｌは、反射型空間光変調器２０３によって変調されて反射型空間光変調器２０３から出射される。反射型空間光変調器２０３から出射されたレーザ光Ｌは、筐体２３１内において、集光光学系２０４の光軸に沿うように反射部材２０８によって反射され、ビームスプリッタ２０９，２１０を順次透過して集光光学系２０４に入射する。集光光学系２０４に入射したレーザ光Ｌは、支持台２０１上に載置された加工対象物１の内部に集光光学系２０４によって集光される。
また、レーザ加工装置２００は、加工対象物１の表面３を観察するための表面観察ユニット２１１を筐体２３１内に備えている。表面観察ユニット２１１は、ビームスプリッタ２０９で反射され且つビームスプリッタ２１０を透過する可視光ＶＬを出射し、集光光学系２０４によって集光されて加工対象物１の表面３で反射された可視光ＶＬを検出することで、加工対象物１の表面３の像を取得する。
更に、レーザ加工装置２００は、加工対象物１の表面３にうねりが存在するような場合にも、表面３から所定の距離の位置にレーザ光Ｌの集光点Ｐを精度良く合わせるためのＡＦ（autofocus）ユニット２１２を筐体２３１内に備えている。ＡＦユニット２１２は、ビームスプリッタ２１０で反射されるＡＦ用レーザ光ＬＢを出射し、集光光学系２０４によって集光されて加工対象物１の表面３で反射されたＡＦ用レーザ光ＬＢを検出することで、例えば非点収差法を用いて、切断予定ライン５に沿った表面３の変位データを取得する。そして、ＡＦユニット２１２は、改質領域７を形成する際に、取得した変位データに基づいて駆動ユニット２３２を駆動させることで、加工対象物１の表面３のうねりに沿うように集光光学系２０４をその光軸方向に往復移動させ、集光光学系２０４と加工対象物１との距離を微調整する。
ここで、反射型空間光変調器２０３について説明する。図１１に示すように、反射型空間光変調器２０３は、シリコン基板２１３と、シリコン基板２１３上に設けられた金属電極層２１４と、金属電極層２１４上に設けられたミラー層２１５と、ミラー層２１５上に設けられた液晶層２１６と、液晶層２１６上に設けられた透明電極層２１７と、透明電極層２１７上に設けられたガラス板２１８と、を備えている。金属電極層２１４及び透明電極層２１７は、マトリックス状に配置された複数の電極部２１４ａ，２１７ａを有しており、金属電極層２１４の各電極部２１４ａと透明電極層２１７の各電極部２１７ａとは、反射型空間光変調器２０３の積層方向において互いに対向している。
以上のように構成された反射型空間光変調器２０３では、レーザ光Ｌは、外部からガラス板２１８及び透明電極層２１７を順次透過して液晶層２１６に入射し、ミラー層２１５によって反射されて、液晶層２１６から透明電極層２１７及びガラス板２１８を順次透過して外部に出射される。このとき、互いに対向する１対の電極部２１４ａ，２１７ａ毎に電圧が印加され、その電圧に応じて、液晶層２１６において互いに対向する１対の電極部２１４ａ，２１７ａに挟まれた部分の屈折率が変化している。これにより、レーザ光Ｌを構成する複数の光線のそれぞれにおいて、各光線の進行方向と直交する所定の方向の成分の位相にずれが生じ、レーザ光Ｌが整形（位相変調）されることになる。
制御部２０５は、改質領域７を形成する際に、加工対象物１の内部に集光されるレーザ光Ｌの収差が所定の収差以下となるように（換言すれば、加工対象物１の内部においてレーザ光Ｌの波面が所定の波面となるように）、互いに対向する１対の電極部２１４ａ，２１７ａ毎に電圧を印加することで、反射型空間光変調器２０３を制御する。制御部２０５は、反射型空間光変調器２０３に入射したレーザ光Ｌのビームパターン（ビーム波面）を整形（変調）させるための波面整形（収差補正）パターン情報を反射型空間光変調器２０３に入力する。そして、入力されたパターン情報に基づいた信号により反射型空間光変調器２０３の一対の電極２１４ａ，２１７ａ毎に対応する液晶層２１６の屈折率を変化させることで、反射型空間光変調器２０３から出射されるレーザ光Ｌのビームパターン（ビーム波面）を整形（変調）する。なお、反射型空間光変調器２０３に入力するパターン情報は逐次入力するようにしてもよいし、予め記憶されたパターン情報を選択して入力するようにしてもよい。
ところで、厳密に言えば、反射型空間光変調器２０３で変調（補正）されたレーザ光Ｌは、空間を伝播することにより波面形状が変化してしまう。特に、反射型空間光変調器２０３から出射されたレーザ光Ｌや集光光学系２０４に入射するレーザ光Ｌが所定の拡がりを有する光（すなわち、平行光以外の光）である場合には、反射型空間光変調器２０３での波面形状と集光光学系２０４での波面形状とが一致せず、結果的に、目的とする精密な内部加工を妨げるおそれがある。そこで、反射型空間光変調器２０３での波面形状と集光光学系２０４での波面形状とを一致させることが重要となる。そのためには、レーザ光Ｌが反射型空間光変調器２０３から集光光学系２０４に伝播したときの波面形状の変化を計測等により求め、その波面形状の変化を考慮した波面整形（収差補正）パターン情報を反射型空間光変調器２０３に入力することがより望ましい。
或いは、反射型空間光変調器２０３での波面形状と集光光学系２０４での波面形状とを一致させるために、図２３に示すように、反射型空間光変調器２０３と集光光学系２０４との間を進行するレーザ光Ｌの光路上に、調整光学系２４０を設けてもよい。これにより、正確に波面整形を実現することが可能となる。
調整光学系２４０は、少なくとも２つのレンズ（第１の光学素子）２４１ａ及びレンズ（第２の光学素子）２４１ｂを有している。レンズ２４１ａ，２４１ｂは、反射型空間光変調器２０３での波面形状と集光光学系２０４での波面形状とを相似的に一致させるためのものである。レンズ２４１ａ，２４１ｂは、反射型空間光変調器２０３とレンズ２４１ａとの距離がレンズ２４１ａの焦点距離（第１の焦点距離）ｆ１となり、集光光学系２０４とレンズ２４１ｂとの距離がレンズ２４１ｂの焦点距離（第２の焦点距離）ｆ２となり、レンズ２４１ａとレンズ２４１ｂとの距離がｆ１＋ｆ２となり、且つレンズ２４１ａとレンズ２４１ｂとが両側テレセントリック光学系となるように、反射型空間光変調器２０３と反射部材２０８との間に配置されている。
このように配置することで、１°以下程度の小さな拡がり角を有するレーザ光Ｌであっても、反射型空間光変調器２０３での波面と集光光学系２０４での波面とを合わせることができる。なお、より正確さを求める場合には、反射型空間光変調器２０３と液晶層２１６とレンズ２４１ａの主点との距離をｆ１とすることが望ましい。しかしながら、図１１に示すように、反射型空間光変調器２０３は非常に薄く、液晶層２１６とガラス板２１７との距離も極めて小さいため、液晶層２１６とガラス板２１７との間での波面形状の変化の程度も極めて小さい。従って、簡易的に、反射型空間光変調器２０３の構成上、焦点距離を設定し易い位置（例えば、反射型空間光変調器２０３の表面（表面近傍）等）とレンズ２４１ａとの距離をｆ１に設定してもよく、このようにすることで調整が容易となる。また、より正確さを求める場合には、集光光学系２０４の主点とレンズ２４１ｂの主点との距離をｆ２とすることが望ましい。しかしながら、集光光学系２０４は複数のレンズを含んで構成され、主点での位置合わせが困難となる場合がある。その場合には、簡易的に、集光光学系２０４の構成上、焦点距離を設定し易い位置（例えば、集光光学系２０４の表面（表面近傍）等）とレンズ２４１ｂとの距離をｆ２に設定してもよく、このようにすることで調整が容易となる。
また、レーザ光Ｌのビーム径は、ｆ１とｆ２との比で決まる（集光光学系２０４に入射するレーザ光Ｌのビーム径は、反射型空間光変調器２０３から出射されるレーザ光Ｌのビーム径のｆ２／ｆ１倍となる）。従って、レーザ光Ｌが平行光、或いは小さな拡がりを有する光のいずれの場合であっても、反射型空間光変調器２０３から出射される角度を保ったまま、集光光学系２０４に入射するレーザ光Ｌにおいて所望のビーム径を得ることができる。
以上のように、調整光学系２４０によれば、レーザ光Ｌのビーム径及び拡がり角を調整することも可能となる。切断の起点となる改質領域７を加工対象物１に形成するレーザ加工方法においては、精密な切断を実現するために表面から加工を行うレーザ加工方法と比較してレーザ光Ｌの拡がり角やビーム径に基づく集光条件は極めて重要で、切断に適した改質領域７を精度良く形成するために集光光学系２０４には平行光ではなく小さな拡がり角（例えば、数ｍｒａｄ〜十数ｍｒａｄ程度）を持ったレーザ光Ｌが必要となる場合もある。そのため、反射型空間光変調器２０３を設置している場合と、反射型空間光変調器２０３を設置していない場合とで、改質領域７を形成するための基本的な加工条件を合わせるために、集光光学系２０４に入射するレーザ光Ｌのビーム径及び拡がり角を（反射型空間光変調器２０３を設置していない場合と）合わせる必要がある。
そこで、調整光学系２４０を使用することにより、反射型空間光変調器２０３で変調された波面（収差）を維持したまま、レーザ光Ｌを集光光学系２０４で集光することができ、且つ所定のビーム径及び所定の拡がり角を有するレーザ光Ｌで内部に改質領域を形成することができる。これにより、所定の拡がり角を有するレーザ光Ｌで集光光学系２０４の有効径を効率良く利用することができ、切断に適した精密な改質領域を形成することが可能となる。
なお、調整光学系２４０のレンズ２４１ａ，２４１ｂは、反射型空間光変調器２０３と反射部材２０８との間のレーザ光Ｌの光路上に設けることが好ましい。その理由は次の通りである。すなわち、平板状の反射部材２０８やビームスプリッタ２０９，２１０に大きな広がりを持った光（レンズ２４１ａとレンズ２４１ｂとの間の光）を入射すると球面収差や非点収差が発生する。従って、レンズ２４１ｂを反射部材２０８の後段に配置すると、レンズ２４１ａから出射されて光軸に対して角度を有する光が反射部材２０８やビームスプリッタ２０９，２１０に入射した後にレンズ２４１ｂに入射することになるため、球面収差や非点収差の影響を受け、集光光学系２０４に入射するレーザ光Ｌの精度が低下する。また、調整光学系２４０は、レンズ２４１ａ，２４１ｂのそれぞれの位置を独立して微調整する機構を備えることが望ましい。また、反射型空間光変調器２０３の有効エリアを有効に使用するために、反射型空間光変調器２０３とレーザ光源２０２との間のレーザ光Ｌの光路上にビームエキスパンダを設けてもよい。
次に、本実施形態に係るレーザ加工装置の製造方法として、上述したレーザ加工装置２００の製造方法について説明する。
まず、図１２に示すように、上述したレーザ加工装置２００と略同一の構成を有する基準レーザ加工装置２００ｓを用意する。基準レーザ加工装置２００ｓは、切断の起点としての機能が高い改質領域７を形成し得るレーザ加工装置であって、例えば、一定の条件下で、格子状に設定された複数の切断予定ライン５に沿って改質領域７を形成して加工対象物１を切断した場合に、未切断部分が所定の割合以下となるレーザ加工装置である。
この基準レーザ加工装置２００ｓに対して、加工対象物１に替えて参照球面ミラー２２１をその光軸が基準集光光学系２０４ｓの光軸と一致するように設置すると共に、ＡＦユニット２１２に替えて波面計測器２２２を設置する。そして、基準レーザ加工装置２００ｓの基準集光光学系２０４ｓから出射された基準レーザ光Ｌｓの波面を波面計測器２２２によって計測し、基準波面データを取得する。なお、参照球面ミラー２２１は、波面計測器２２２の精度を上回る精度で作製されているため、参照球面ミラー２２１よって基準レーザ光Ｌｓが反射されることで生じる基準レーザ光Ｌｓの波面の乱れは無視することができる。
続いて、図１３に示すように、支持台２０１と、レーザ光源２０２と、反射型空間光変調器２０３と、集光光学系２０４と、制御部２０５と、を備えている最終調整前のレーザ加工装置２００を用意する。
このレーザ加工装置２００に対して、加工対象物１に替えて参照球面ミラー２２１をその光軸が集光光学系２０４の光軸と一致するように設置すると共に、ＡＦユニット２１２に替えて波面計測器２２２を設置する。そして、レーザ加工装置２００の集光光学系２０４から出射されたレーザ光Ｌの波面を波面計測器２２２によって計測し、波面データを取得する。
続いて、基準波面データ及び波面データに基づいて、レーザ光Ｌの波面が基準レーザ光Ｌｓの波面となるように反射型空間光変調器２０３を制御するための制御信号を算出し、制御部２０５に記憶させる。具体的には、基準波面データ及び波面データをゼルニケ多項式として取得し、基準波面データのゼルニケ多項式と波面データのゼルニケ多項式との差をとって、その差を埋めるような制御信号を算出し、制御部２０５に記憶させる。例えば、基準波面データのゼルニケ多項式が「（１×第１項）＋（４×第２項）＋（４×第３項）」であり、波面データのゼルニケ多項式が「（１×第１項）＋（２×第２項）＋（４×第３項）」である場合、波面データのゼルニケ多項式の第２項が更に２倍となるような制御信号を算出し、制御部２０５に記憶させる。
なお、集光光学系２０４の出射側に波面計測器２２２を直接配置してレーザ光Ｌの波面を計測しないのは、次の理由による。すなわち、板状の加工対象物１の内部に集光点Ｐを合わせてレーザ光Ｌを照射することにより、切断の起点となる改質領域７を形成する場合には、集光光学系２０４によって加工対象物１の内部に集光されるレーザ光Ｌの開口数が例えば０．５５〜０．８０というように非常に大きくなる。そのため、レーザ光Ｌの強度が弱くなってしまったり、レーザ光Ｌを構成する複数の光線間の位相差が波面計測器２２２の測定限界を超えてしまったりするからである。このことは、基準レーザ加工装置２００ｓにおいて基準レーザ光Ｌｓの波面を計測する場合にも同様である。
以上のように、切断の起点としての機能が高い改質領域７を形成し得るレーザ加工装置を基準レーザ加工装置２００ｓとして用意することで、装置間の個体差を埋めて、基準レーザ加工装置２００ｓと同等の性能を有するレーザ加工装置２００を製造することができる。
続いて、図１４に示すように、レーザ加工装置２００において、ビームスプリッタ２１０と集光光学系２０４との間に参照平面ミラー２２３をレーザ光Ｌの光軸と直交するように設置する。そして、参照平面ミラー２２３及びビームスプリッタ２１０によって順次反射されたレーザ光Ｌの波面を波面計測器２２２によって計測し、波面データをゼルニケ多項式として取得する。なお、参照平面ミラー２２３は、波面計測器２２２の精度を上回る精度で作製されているため、参照平面ミラー２２３よってレーザ光Ｌが反射されることで生じるレーザ光Ｌの波面の乱れは無視することができる。
続いて、図１５に示すように、加工対象物１と同一の材料からなる所定の厚さの参照ウェハ２２４を用意し、レーザ加工装置２００において、集光光学系２０４によって集光されたレーザ光Ｌの集光点Ｐが参照ウェハ２２４の裏面（レーザ光出射面）に位置するように、参照ウェハ２２４を設置する。更に、参照ウェハ２２４の出射側に参照球面ミラー２２１をその光軸が集光光学系２０４の光軸と一致するように設置する。そして、集光光学系２０４及び参照ウェハ２２４を順次透過し、参照球面ミラー２２１によって反射されて参照ウェハ２２４及び集光光学系２０４を順次透過し、ビームスプリッタ２１０によって反射されたレーザ光Ｌの波面を波面計測器２２２によって計測し、波面データをゼルニケ多項式として取得する。なお、参照ウェハ２２４は、波面計測器２２２の精度を上回る精度で作製されているため、参照ウェハ２２４をレーザ光Ｌが透過することで生じるレーザ光Ｌの波面の乱れは無視することができる。
続いて、図１４の状態で取得した波面データのゼルニケ多項式と、図１５の状態で取得した波面データのゼルニケ多項式との差をとる。これにより、ビームスプリッタ２１０によって反射されることでレーザ光Ｌの波面が乱れたとしても、その波面の乱れをキャンセルすることができる。そして、ゼルニケ多項式間の差が所定の差以下となるように（すなわち、レーザ光Ｌの集光点Ｐを加工対象物１の表面３から所定の距離（参照ウェハ２２４の所定の厚さと等しい）に位置させた場合に、その位置で発生するレーザ光Ｌ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２０３を制御するための制御信号を算出する。
なお、ゼルニケ多項式間の差が所定の差以下であれば、反射型空間光変調器２０３を制御するための制御信号は不要となる。また、ゼルニケ多項式間の差が略ゼロとなるように（すなわち、レーザ光Ｌの集光点Ｐを加工対象物１の表面３から所定の距離（参照ウェハ２２４の所定の厚さと等しい）に位置させた場合に、その位置で発生するレーザ光Ｌの収差が略ゼロとなるように）反射型空間光変調器２０３を制御するための制御信号を算出してもよい。
この反射型空間光変調器２０３を制御するための制御信号の算出を、例えば参照ウェハ２２４の所定の厚さを５０μｍから７００μｍまで５０μｍずつ変えて実行する。そして、加工対象物１の内部に集光されるレーザ光Ｌの収差が所定の収差以下となるように（換言すれば、加工対象物１の内部においてレーザ光Ｌの波面が所定の波面となるように）反射型空間光変調器２０３を制御するための制御信号を、レーザ光Ｌの集光点Ｐが加工対象物１の表面３から所定の距離に位置するように集光光学系２０４を含むレーザエンジン２３０を制御するための制御信号と対応付けて制御部２０５に記憶させる。
これにより、１本の切断予定ライン５に対して、加工対象物１の厚さ方向に並ぶように改質領域７を複数列形成する場合に、形成すべき複数列の改質領域７のそれぞれに応じて、加工対象物１の内部に集光されるレーザ光Ｌの収差を所定の収差以下とすることができる（換言すれば、加工対象物１の内部においてレーザ光Ｌの波面を所定の波面とすることができる）。
ところで、厳密に言えば、反射型空間光変調器２０３，２０３ｓで変調（補正）されたレーザ光Ｌは、空間を伝播することにより波面形状が変化してしまう。特に、反射型空間光変調器２０３，２０３ｓから出射されるレーザ光Ｌや集光光学系２０４，２０４ｓに入射するレーザ光Ｌが所定の拡がりを有する光（すなわち、平行光以外の光）である場合には、反射型空間光変調器２０３，２０３ｓでの波面形状と集光光学系２０４，２０４ｓでの波面形状とが一致せず、結果的に目的とする精密な内部加工を妨げるおそれがある。そこで、反射型空間光変調器２０３，２０３ｓでの波面形状と集光光学系２０４，２０４ｓでの波面形状とを一致させる必要がある。また、集光光学系２０４，２０４ｓでの波面形状と波面計測器２２２での波面形状とを一致させることや、反射型空間光変調器２０３，２０３ｓでの波面形状と波面計測器２２での波面形状とを一致させることも重要である。そのためには、レーザ光Ｌが反射型空間光変調器２０３，２０３ｓから集光光学系２０４，２０４ｓに伝播したときの波面形状の変化を計測等によって求め、その波面形状の変化を考慮した波面整形（収差整形）パターン情報を反射型空間光変調器に入力することがより望ましい。
或いは、反射型空間光変調器２０３，２０３ｓでの波面形状と集光光学系２０４，２０４ｓでの波面形状とを一致させるために、図２４〜２７に示すように、調整光学系２４０，２５０を設けることで、より正確な波面整形を実現することが可能となる。この図２４〜２７に示すレーザ加工装置の製造方法は、図１２〜図１５に示すレーザ加工装置の製造方法と基本的に同じである。異なる点は調整光学系２４０，２５０が存在する点である。
まず、調整光学系２４０は、少なくとも２つのレンズ２４１ａ，２４１ｂを有している。レンズ２４１ａ，２４１ｂは、反射型空間光変調器２０３，２０３ｓでの波面形状と集光光学系２０４，２０４ｓでの波面形状とを相似的に一致させるためのものである。レンズ２４１ａ，２４１ｂは、反射型空間光変調器２０３とレンズ２４１ａとの距離がレンズ２４１ａの焦点距離ｆ１となり、集光光学系２０４とレンズ２４１ｂとの距離がレンズ２４１ｂの焦点距離ｆ２となり、レンズ２４１ａとレンズ２４１ｂとの距離がｆ１＋ｆ２となり、且つレンズ２４１ａとレンズ２４１ｂとが両側テレセントリック光学系となるように、反射型空間光変調器２０３と反射部材２０８との間に配置されている。
このように配置することで、小さな拡がり角を有するレーザ光Ｌであっても、反射型空間光変調器２０３，２０３ｓでの波面形状と集光光学系２０４，２０４ｓでの波面形状とを合わせることができる。
レーザ光Ｌのビーム径は、ｆ１とｆ２との比で決まる（集光光学系２０４，２０４ｓに入射するレーザ光Ｌのビーム径は、反射型空間光変調器２０３，２０３ｓから出射されるレーザ光Ｌのビーム径のｆ２／ｆ１倍となる）。従って、レーザ光Ｌが平行光、或いは小さな拡がりを有する光のいずれの場合であっても、反射型空間光変調器２０３，２０３ｓから出射される角度を保ったまま、集光光学系２０４，２０４ｓに入射するレーザ光Ｌにおいて所望のビーム径を得ることができる。
また、調整光学系２５０は、少なくとも２つのレンズ２５１ａ，２５１ｂを有している。レンズ２５１ａ，２５１ｂは、集光光学系２０４，２０４ｓ若しくは参照平面ミラー２２３での波面形状と波面計測器２２２での波面形状とを相似的に一致させるためのものである。なお、調整光学系２５０の配置については、調整光学系２４０と同様の技術的思想に基づく。また、調整光学系２４０，２５０は、それぞれが有するレンズのそれぞれの位置を独立して微調整する機構を備えることが望ましい。
次に、本実施形態に係るレーザ加工方法として、上述したレーザ加工装置２００にて実施されるレーザ加工方法について説明する。
まず、加工対象物１を用意する。加工対象物１は、図１６に示すように、例えばシリコンからなる厚さ３００μｍの半導体基板である。この半導体基板の表面には、オリエンテーションフラット６に平行な方向及び垂直な方向にマトリックス状に配置された複数の機能素子（図示せず）が形成されるのが一般的である。なお、機能素子とは、例えば、結晶成長により形成された半導体動作層、フォトダイオード等の受光素子、レーザダイオード等の発光素子、或いは回路として形成された回路素子等である。
続いて、加工対象物１をレーザ加工装置２００の支持台２０１上に固定する。そして、オリエンテーションフラット６に平行な方向に延在する複数本の切断予定ライン５ａ及びオリエンテーションフラット６に垂直な方向に延在する複数本の切断予定ライン５ｂを隣り合う機能素子間を通るように格子状に設定する。ここでは、レーザ光Ｌの集光点Ｐが加工対象物１の表面３から２７０μｍ，２１０μｍ，１５０μｍ，５０μｍに位置するようにして、各切断予定ライン５ａ，５ｂに沿って、加工対象物１の厚さ方向に並ぶように、溶融処理領域を含む改質領域７を４列形成するものとする。
初めに、集光光学系２０４を含むレーザエンジン２３０の位置を制御するための制御信号を制御部２０５が出力し、図１７（ａ）に示すように、レーザ光Ｌの集光点Ｐが加工対象物１の表面３から２７０μｍに位置するように集光光学系２０４を含むレーザエンジン２３０を制御する。そして、レーザ光Ｌの集光点Ｐが１本の切断予定ライン５ａに沿って相対的に移動するように集光光学系２０４を含むレーザエンジン２３０を制御する。同時に、反射型空間光変調器２０３を制御するための制御信号を制御部２０５が出力し、加工対象物１の内部に集光されるレーザ光Ｌ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２０３を制御する。これにより、１本の切断予定ライン５ａに沿って、切断の起点となる改質領域７１が形成される。
なお、反射型空間光変調器２０３を制御するための制御信号は、レーザ光Ｌの集光点Ｐが加工対象物１の表面３から２７０μｍに位置するように集光光学系２０４を含むレーザエンジン２３０の位置を制御するための制御信号と対応付けられて制御部２０５に記憶されたものである。
続いて、集光光学系２０４を含むレーザエンジン２３０を制御するための制御信号を制御部２０５が出力し、図１７（ｂ）に示すように、レーザ光Ｌの集光点Ｐが加工対象物１の表面３から２１０μｍに位置するように集光光学系２０４を含むレーザエンジン２３０を制御する。そして、レーザ光Ｌの集光点Ｐが同じ１本の切断予定ライン５ａに沿って相対的に移動するように集光光学系２０４を含むレーザエンジン２３０を制御する。同時に、反射型空間光変調器２０３を制御するための制御信号を制御部２０５が出力し、加工対象物１の内部に集光されるレーザ光Ｌ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２０３を制御する。これにより、同じ１本の切断予定ライン５ａに沿って、切断の起点となる改質領域７２が形成される。
なお、反射型空間光変調器２０３を制御するための制御信号は、レーザ光Ｌの集光点Ｐが加工対象物１の表面３から２１０μｍに位置するように集光光学系２０４を含むレーザエンジン２３０の位置を制御するための制御信号と対応付けられて制御部２０５に記憶されたものである。また、レーザ光Ｌの集光点Ｐを切断予定ライン５ａに沿って相対的に移動させる方向は、改質領域７２の形成速度を向上させるために、改質領域７１を形成する場合と反対方向であってもよい。
続いて、集光光学系２０４を含むレーザエンジン２３０を制御するための制御信号を制御部２０５が出力し、図１８（ａ）に示すように、レーザ光Ｌの集光点Ｐが加工対象物１の表面３から１５０μｍに位置するように集光光学系２０４を含むレーザエンジン２３０を制御する。そして、レーザ光Ｌの集光点Ｐが同じ１本の切断予定ライン５ａに沿って相対的に移動するように集光光学系２０４を含むレーザエンジン２３０を制御する。同時に、反射型空間光変調器２０３を制御するための制御信号を制御部２０５が出力し、加工対象物１の内部に集光されるレーザ光Ｌ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２０３を制御する。これにより、同じ１本の切断予定ライン５ａに沿って、切断の起点となる改質領域７３が形成される。
なお、反射型空間光変調器２０３を制御するための制御信号は、レーザ光Ｌの集光点Ｐが加工対象物１の表面３から１５０μｍに位置するように集光光学系２０４を含むレーザエンジン２３０の位置を制御するための制御信号と対応付けられて制御部２０５に記憶されたものである。また、レーザ光Ｌの集光点Ｐを切断予定ライン５ａに沿って相対的に移動させる方向は、改質領域７３の形成速度を向上させるために、改質領域７２を形成する場合と反対方向であってもよい。
続いて、集光光学系２０４を含むレーザエンジン２３０を制御するための制御信号を制御部２０５が出力し、図１８（ｂ）に示すように、レーザ光Ｌの集光点Ｐが加工対象物１の表面３から５０μｍに位置するように集光光学系２０４を含むレーザエンジン２３０を制御する。そして、レーザ光Ｌの集光点Ｐが同じ１本の切断予定ライン５ａに沿って相対的に移動するように集光光学系２０４を含むレーザエンジン２３０を制御する。同時に、反射型空間光変調器２０３を制御するための制御信号を制御部２０５が出力し、加工対象物１の内部に集光されるレーザ光Ｌ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２０３を制御する。これにより、同じ１本の切断予定ライン５ａに沿って、切断の起点となる改質領域７４が形成される。
なお、反射型空間光変調器２０３を制御するための制御信号は、レーザ光Ｌの集光点Ｐが加工対象物１の表面３から５０μｍに位置するように集光光学系２０４を含むレーザエンジン２３０の位置を制御するための制御信号と対応付けられて制御部２０５に記憶されたものである。また、レーザ光Ｌの集光点Ｐを切断予定ライン５ａに沿って相対的に移動させる方向は、改質領域７４の形成速度を向上させるために、改質領域７３を形成する場合と反対方向であってもよい。
以上のようにして同じ１本の切断予定ライン５ａに沿って４列の改質領域７１〜７４を形成したら、他の１本の切断予定ライン５ａに沿って４列の改質領域７１〜７４を形成する。そして、全ての切断予定ライン５ａのそれぞれに沿って４列の改質領域７１〜７４を形成したら、切断予定ライン５ａに沿って改質領域７１〜７４を形成する場合と同様に、全ての切断予定ライン５ｂのそれぞれに沿って４列の改質領域７１〜７４を形成する。
このように、切断予定ライン５が加工対象物１に対して複数本設定されている場合には、１本の切断予定ライン５に沿って複数列の改質領域７を形成した後に、他の１本の切断予定ライン５に沿って複数列の改質領域７を形成すると、次のような効果が奏される。すなわち、ＡＦユニット２１２は、加工対象物１の表面３にうねりが存在するような場合であっても、表面３から所定の距離の位置にレーザ光Ｌの集光点Ｐを精度良く合わせるために、切断予定ライン５に沿った表面３の変位データを取得し、その変位データに基づいて集光光学系２０４と加工対象物１との距離を微調整する。従って、１本の切断予定ライン５に沿って複数列の改質領域７を形成した後に、他の１本の切断予定ライン５に沿って複数列の改質領域７を形成すれば、変位データの切替回数を減少させることができ、各切断予定ライン５において複数列の改質領域７を加工対象物１の表面３から所定の距離の位置に精度良く形成することが可能となる。
以上説明したように、本実施形態に係るレーザ加工方法では、加工対象物１の内部に集光されるレーザ光Ｌの収差が所定の収差以下となるように（或いは、加工対象物１の内部においてレーザ光Ｌの波面が所定の波面となるように）反射型空間光変調器２０３によって変調されたレーザ光Ｌが加工対象物１に照射される。そのため、レーザ光Ｌの集光点Ｐを合わせる位置で発生するレーザ光Ｌの収差を極力小さくして、その位置でのレーザ光Ｌのエネルギー密度を高め、切断の起点としての機能が高い改質領域７を形成することができる。しかも、反射型空間光変調器２０３を用いるため、透過型空間光変調器に比べてレーザ光Ｌの利用効率を向上させることができる。このようなレーザ光Ｌの利用効率の向上は、切断の起点となる改質領域７を板状の加工対象物１に形成する場合、特に重要である。従って、本実施形態に係るレーザ加工方法によれば、切断の起点となる改質領域７を確実に形成することが可能となる。その結果、改質領域７が形成された加工対象物１に対し、エキスパンドテープ等を介して応力を印加すると、改質領域７が切断の起点としての機能を充分に発揮するため、加工対象物１を切断予定ライン５に沿って精度良く切断することができ、未切断部分の発生を防止することが可能となる。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。
例えば、上記実施形態では、１本の切断予定ライン５に沿って複数列の改質領域７を形成した後に、他の１本の切断予定ライン５に沿って複数列の改質領域７を形成したが、複数本の切断予定ライン５に沿って１列の改質領域７を形成した後に、複数本の切断予定ライン５に沿って他の１列の改質領域７を形成してもよい。
その場合、次のような効果が奏される。すなわち、１本の切断予定ライン５に沿った複数列の改質領域７の形成によって加工対象物１が割れるような場合には、１本の切断予定ライン５に沿って複数列の改質領域７を形成した後に、他の１本の切断予定ライン５に沿って複数列の改質領域７を形成すると、加工対象物１の割れによって加工対象物１の位置にずれが生じる。そこで、切断予定ライン５に沿って改質領域７を精度良く形成するためには、加工対象物１の位置を補正する必要がある。しかしながら、複数本の切断予定ライン５に沿って１列の改質領域７を形成した後に、複数本の切断予定ライン５に沿って他の１列の改質領域７を形成すれば、加工対象物１の割れによって加工対象物１の位置がずれるのを防止することができ、加工対象物１の位置の補正回数を減少させて、複数本の切断予定ライン５に沿って複数列の改質領域７を短時間で形成することが可能となる。
また、複数列の改質領域７のうち、加工対象物１のレーザ光入射面である表面３から最も遠い改質領域７を含む１列又は複数列の改質領域７を形成する際に、形成する改質領域７に応じて、加工対象物１の内部にレーザ光Ｌを集光する集光光学系２０４と加工対象物１との距離が所定の距離となるように集光光学系２０４と加工対象物１との距離を変化させると共に、加工対象物１の内部においてレーザ光Ｌの波面が所定の波面となるように（或いは、加工対象物１の内部に集光されるレーザ光Ｌ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２０３によってレーザ光Ｌを変調してもよい。
このように、加工対象物１のレーザ光入射面である表面３から最も遠い改質領域７を形成する際に、反射型空間光変調器２０３によるレーザ光Ｌの変調を必須とするのは、改質領域７を形成する位置がレーザ光入射面から遠くなるほど、レーザ光Ｌの集光点Ｐを合わせる位置で発生するレーザ光Ｌの収差が大きくなるからである。つまり、例えば、加工対象物１のレーザ光入射面である表面３に最も近い改質領域７を形成する場合において、反射型空間光変調器２０３によってレーザ光Ｌを変調しなくても、加工対象物１の内部に集光されるレーザ光Ｌの収差が所定の収差以下となるときには、反射型空間光変調器２０３によるレーザ光Ｌの変調は不要である。これにより、１本の切断予定ライン５に対して複数列の改質領域７を形成する場合であっても、切断の起点となる改質領域７を確実に形成することが可能となる。なお、反射型空間光変調器２０３によるレーザ光Ｌの変調を行わない場合は、反射型空間光変調器２０３を通常の反射ミラーとして利用するように制御する（すなわち、パターン情報を未入力の状態もしくはＯＦＦ状態で使用する）。
また、レーザエンジン２３０を移動させる代わりに、支持台２０１に、支持台２０１を加工対象物１の厚さ方向に移動させる移動機構を設けてもよい。また、ＡＦユニット２１２を利用して集光光学系２０４を加工対象物１の厚さ方向に移動させてもよい。また、これらを組み合わせることも可能である。
また、上述した反射型空間光変調器２０３や調整光学系２４０は、図２９に示すように、ＡＦユニット２１２に代えて光路長光路長変移手段３００を備えるレーザ加工装置２００にも適用可能である。光路長変移手段３００は、高さ位置検出手段（不図示）により検出された加工対象物１の表面３の高さ位置に基づいて、複数の偏向ミラー３０１の設置角度を変化させることで、レンズ３０３とレンズ３０４との間の光路長を変化させ、集光光学系２０４によって集光されるレーザ光Ｌの集光点Ｐの位置を変化させる。これは、集光光学系２０４によって集光されるレーザ光Ｌの集光点Ｐの位置までの距離は、レンズ３０３からレンズ３０４までの光路長の関数で表されるためである。なお、高さ位置検出手段としては、例えば、所定の入射角度で加工対象物１の表面３にレーザ光Ｌを入射し、その反射光の高さ位置の変化に基づいて、表面３の高さ位置を検出するものが挙げられる。
また、図１９に示すように、レーザ加工装置２００は、支持台２０１と、レーザ光源２０２と、レーザ光源２０２から出射されたレーザ光Ｌを変調する複数（ここでは、２つ）の反射型空間光変調器２０３ａ，２０３ｂと、集光光学系２０４と、制御部２０５と、を備えたものであってもよい。制御部２０５は、レーザ光Ｌの光学特性が所定の光学特性となるように反射型空間光変調器２０３ａ，２０３ｂを制御する機能を有している。なお、図２０に示すように、２つの反射型空間光変調器２０３ａ，２０３ｂは、両側テレセントリック光学系のレンズ４０３ａ，４０３ｂの配置と等価となるように配置されているため、レーザ光Ｌの光学特性としてビーム径や光軸等を制御することができる。また、少なくとも１つの反射型空間光変調器２０３ａ又は２０３ｂによって、加工対象物１の内部においてレーザ光Ｌの波面が所定の波面となるように（或いは、加工対象物１の内部に集光されるレーザ光Ｌの収差が所定の収差以下となるように）レーザ光Ｌを変調することもできる。
このレーザ加工装置２００によれば、複数の反射型空間光変調器２０３ａ，２０３ｂを備えているため、レーザ光Ｌの光学特性としてビーム径や光軸等を制御することができる。従って、何らかの原因でレーザ光Ｌの光軸にずれが生じた場合であっても、そのずれを容易に補正して、切断の起点となる改質領域７を確実に形成することが可能となる。
このとき、図２８に示すように、調整光学系２４０を設けてもよい。調整光学系２４０の配置位置は、反射型空間光変調器２０３ａ，２０３ｂのどちらで波面を制御するかによって異なる。反射型空間光変調器２０３ａで波面を制御する場合は、反射型空間光変調器２０３ａとレンズ２４１ａとの距離が焦点距離ｆ１となるように配置する。一方、反射型空間光変調器２０３ｂで波面を制御する場合は、反射型空間光変調器２０３ｂとレンズ２４１ａとの距離が焦点距離ｆ１となるように配置する。そして、いずれの場合も、レンズ２４１ａとレンズ２４１ｂとの距離はｆ１＋ｆ２とし、レンズ２４１ｂと集光光学系２０４との距離はｆ２とする。
また、改質領域７を形成する際に、加工対象物１の内部に集光されるレーザ光Ｌの開口数が所定の開口数となるように反射型空間光変調器２０３によってレーザ光Ｌを変調してもよい。この場合、例えば、加工対象物１の材質や改質領域７を形成すべき位置までの距離等に応じてレーザ光Ｌの開口数を変化させて、切断の起点としての機能が高い改質領域７を形成することができる。
また、図２１，２２に示すように、１本の切断予定ライン５に対して、加工対象物１の厚さ方向に並ぶように、切断の起点となる改質領域７を少なくとも３列（ここでは、３列）形成する場合には、次のように改質領域７１〜７３を形成してもよい。
まず、図２１（ａ）に示すように、加工対象物１の内部に集光されるレーザ光Ｌの開口数が相対的に大きくなるように反射型空間光変調器２０３によって変調されたレーザ光Ｌを加工対象物１に照射することで、切断予定ライン５に沿って、加工対象物１のレーザ光入射面である表面３から最も遠い改質領域７１を形成する。
続いて、図２１（ｂ）に示すように、加工対象物１の内部に集光されるレーザ光Ｌの開口数が相対的に小さくなるように反射型空間光変調器２０３によって変調されたレーザ光Ｌを加工対象物１に照射することで、切断予定ライン５に沿って改質領域７２を形成する。
続いて、図２２に示すように、加工対象物１の内部に集光されるレーザ光Ｌの開口数が相対的に大きくなるように反射型空間光変調器２０３によって変調されたレーザ光Ｌを加工対象物１に照射することで、切断予定ライン５に沿って、加工対象物１のレーザ光入射面である表面３に最も近い改質領域７３を形成する。
以上のように、３列の改質領域７１〜７３のうち、加工対象物１のレーザ光入射面である表面３から最も遠い改質領域７１及び表面３に最も近い改質領域７３を除く改質領域７２を形成する際には、改質領域７１，７３を形成する場合に比べ、加工対象物１の内部に集光されるレーザ光Ｌの開口数が小さくなるように反射型空間光変調器２０３によってレーザ光Ｌを変調する。つまり、切断の起点として特に重要な改質領域７として、加工対象物１のレーザ光入射面である表面３から最も遠い改質領域７１及び表面３に最も近い改質領域７３を形成する際に、その間の改質領域７２を形成する場合に比べ、加工対象物１の内部に集光されるレーザ光Ｌの開口数が大きくなるように反射型空間光変調器２０３によって変調されたレーザ光Ｌが加工対象物１に照射される。
これにより、加工対象物１のレーザ光入射面である表面３から最も遠い改質領域７１及び表面３に最も近い改質領域７３を、切断の起点としての機能が極めて高い改質領域７（例えば、割れを含む改質領域７）とすることができる。また、その間の改質領域７２を、加工対象物１の厚さ方向に相対的に長い改質領域７（例えば、溶融処理領域を含む改質領域７）として、切断予定ライン５に沿ってのレーザ光Ｌのスキャン回数を減少させることができる。
なお、切断予定ライン５に沿って、加工対象物１の厚さ方向に並ぶように、改質領域７を複数列（例えば、２列）形成する場合において、複数列の改質領域７のうち、加工対象物１のレーザ光入射面である表面３又は加工対象物１においてレーザ光入射面と対向する対向表面である裏面２１に最も近い改質領域７を除く改質領域７を形成する際には、表面３又は裏面２１に最も近い改質領域７を形成する場合に比べ、加工対象物１の内部に集光されるレーザ光Ｌの開口数が小さくなるように反射型空間光変調器２０３によってレーザ光Ｌを変調することが好ましい。
このレーザ加工方法では、切断の起点として特に重要な改質領域７として、加工対象物の表面３又は裏面２１に最も近い改質領域７を形成する際に、その他の改質領域７を形成する場合に比べ、加工対象物１の内部に集光されるレーザ光Ｌの開口数が大きくなるように反射型空間光変調器２０３によって変調されたレーザ光Ｌが加工対象物１に照射される。そのため、加工対象物１の表面３又は裏面２１に最も近い改質領域を、切断の起点としての機能が極めて高い改質領域（例えば、割れを含む改質領域）とすることができる。
また、集光光学系２０４を含むレーザエンジン２３０や支持台２０１を移動させずに、反射型空間光変調器２０３によってレーザ光Ｌを変調することで、加工対象物１のレーザ光入射面である表面３から所定の距離の位置にレーザ光Ｌの集光点Ｐを合わせてもよい。具体的には、加工対象物１の表面３から相対的に深い位置に集光させる場合には、反射型空間光変調器２０３から出射されて集光光学系２０４に入射するレーザ光Ｌの拡がり角が相対的に小さくなるように反射型空間光変調器２０３を制御し、加工対象物１の表面３から相対的に浅い位置に集光させる場合には、反射型空間光変調器２０３から出射されて集光光学系２０４に入射するレーザ光Ｌの拡がり角が相対的に大きくなるように反射型空間光変調器２０３を制御すればよい。
また、上記実施形態では、波面データをゼルニケ多項式として取得したが、これに限定されない。例えば、波面データをザイデルの５収差やルジャンドル多項式等として取得してもよい。
また、上記実施形態では、加工対象物１の内部に集光されるレーザ光Ｌの収差が所定の収差以下となるように（或いは、加工対象物１の内部においてレーザ光Ｌの波面が所定の波面となるように）反射型空間光変調器２０３を制御するための制御信号を実測に基づいて算出したが、シミュレーション等に基づいて算出してもよい。シミュレーション等に基づいて制御信号を算出する場合には、制御信号を制御部２０５に記憶させておいてもよいことは勿論であるが、制御信号を制御部２０５に記憶させておかずに、改質領域７を形成する直前に制御信号を算出するようにしてもよい。
また、厚さが２０μｍ程度になると加工対象物１が反り易くなるため、加工対象物１のレーザ光入射面である表面３から所定の距離の位置に改質領域７を形成するためには、ガラス板等のレーザ光透過部材で、加工対象物１の表面３を支持台２０１側に押さえることが好ましい。しかしながら、この場合、レーザ光透過部材の影響で収差が生じ、レーザ光Ｌの集光度が劣化してしまう。そこで、レーザ光透過部材を考慮して、加工対象物１の内部に集光されるレーザ光Ｌ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２０３によってレーザ光Ｌを変調すれば、切断の起点となる改質領域７を確実に形成することができる。
また、改質領域７を形成する際におけるレーザ光入射面は、加工対象物１の表面３に限定されず、加工対象物１の裏面２１であってもよい。
また、上記実施形態では、半導体材料からなる加工対象物１の内部に、溶融処理領域を含む改質領域７を形成したが、ガラスや圧電材料等、他の材料からなる加工対象物１の内部に、クラック領域や屈折率変化領域等、他の改質領域７を形成してもよい。
改質領域の形成に用いられるレーザ加工装置の概略構成図である。 改質領域の形成の対象となる加工対象物の平面図である。 図２の加工対象物のIII−III線に沿っての断面図である。 レーザ加工後の加工対象物の平面図である。 図４の加工対象物のV−V線に沿っての断面図である。 図４の加工対象物のVI−VI線に沿っての断面図である。 レーザ加工後のシリコンウェハの切断面の写真を表した図である。 レーザ光の波長とシリコン基板の内部の透過率との関係を示すグラフである。 レーザ光のピークパワー密度とクラックスポットの大きさとの関係を示すグラフである。 本実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成図である。 図１０のレーザ加工装置の反射型空間光変調器の分解斜視図である。 本実施形態に係るレーザ加工装置の製造方法に用いられる基準レーザ加工装置の概略構成図である。 本実施形態に係るレーザ加工装置の製造方法に用いられるレーザ加工装置の概略構成図である。 本実施形態に係るレーザ加工装置の製造方法に用いられるレーザ加工装置の概略構成図である。 本実施形態に係るレーザ加工装置の製造方法に用いられるレーザ加工装置の概略構成図である。 本実施形態に係るレーザ加工方法の対象となる加工対象物の平面図である。 本実施形態に係るレーザ加工方法が実施されている図１６の加工対象物の断面図である。 本実施形態に係るレーザ加工方法が実施されている図１６の加工対象物の断面図である。 本実施形態に係る他のレーザ加工装置の概略構成図である。 図１９のレーザ加工装置の反射型空間光変調器の配置についての説明図である。 本実施形態に係る他のレーザ加工方法についての説明図である。 本実施形態に係る他のレーザ加工方法についての説明図である。 本実施形態に係る他のレーザ加工装置の概略構成図である。 本実施形態に係るレーザ加工装置の製造方法に用いられる他の基準レーザ加工装置の概略構成図である。 本実施形態に係るレーザ加工装置の製造方法に用いられる他のレーザ加工装置の概略構成図である。 本実施形態に係るレーザ加工装置の製造方法に用いられる他のレーザ加工装置の概略構成図である。 本実施形態に係るレーザ加工装置の製造方法に用いられる他のレーザ加工装置の概略構成図である。 本実施形態に係る他のレーザ加工装置の概略構成図である。 本実施形態に係る他のレーザ加工装置の概略構成図である。
符号の説明
１…加工対象物、３…表面（レーザ光入射面）、５…切断予定ライン、７，７１〜７４…改質領域、２００…レーザ加工装置、２００ｓ…基準レーザ加工装置、２０１…支持台、２０２…レーザ光源、２０３…反射型空間光変調器、２０４…集光光学系、２０４ｓ…基準集光光学系、２０５…制御部、Ｌ…レーザ光、Ｌｓ…基準レーザ光、Ｐ…集光点。

Claims (10)

  1. 板状の加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射することにより、前記加工対象物の切断予定ラインに沿って、切断の起点となる改質領域を形成するレーザ加工方法であって、
    前記レーザ光を変調する反射型空間光変調器と、前記反射型空間光変調器によって変調された前記レーザ光を前記加工対象物の内部に集光する集光光学系と、レンズとしての機能を有する第１の光学素子及び第２の光学素子を有すると共に前記反射型空間光変調器と前記集光光学系との間の光路上に配置される調整光学系と、を用意し、
    前記反射型空間光変調器と前記第１の光学素子との距離が前記第１の光学素子の第１の焦点距離となり、前記集光光学系と前記第２の光学素子との距離が前記第２の光学素子の第２の焦点距離となり、前記第１の光学素子と前記第２の光学素子との距離が前記第１の焦点距離と前記第２の焦点距離との和となり、且つ前記第１の光学素子と前記第２の光学素子とが両側テレセントリック光学系となるように、前記第１の光学素子及び前記第２の光学素子を配置し、
    前記改質領域を形成する際には、前記加工対象物の内部における前記レーザ光の集光点を合わせる位置で発生する前記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前記レーザ光を変調することを特徴とするレーザ加工方法。
  2. 板状の加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射することにより、前記加工対象物の切断予定ラインに沿って、前記加工対象物の厚さ方向に並ぶように、切断の起点となる改質領域を複数列形成するレーザ加工方法であって、
    前記レーザ光を変調する反射型空間光変調器と、前記反射型空間光変調器によって変調された前記レーザ光を前記加工対象物の内部に集光する集光光学系と、レンズとしての機能を有する第１の光学素子及び第２の光学素子を有すると共に前記反射型空間光変調器と前記集光光学系との間の光路上に配置される調整光学系と、を用意し、
    前記反射型空間光変調器と前記第１の光学素子との距離が前記第１の光学素子の第１の焦点距離となり、前記集光光学系と前記第２の光学素子との距離が前記第２の光学素子の第２の焦点距離となり、前記第１の光学素子と前記第２の光学素子との距離が前記第１の焦点距離と前記第２の焦点距離との和となり、且つ前記第１の光学素子と前記第２の光学素子とが両側テレセントリック光学系となるように、前記第１の光学素子及び前記第２の光学素子を配置し、
    複数列の前記改質領域のうち、前記加工対象物のレーザ光入射面から最も遠い改質領域を含む１列又は複数列の前記改質領域を形成する際には、形成する前記改質領域に応じて、前記加工対象物の内部に前記レーザ光を集光する集光光学系と前記加工対象物との距離が所定の距離となるように前記集光光学系と前記加工対象物との距離を変化させると共に、前記加工対象物の内部における前記レーザ光の集光点を合わせる位置で発生する前記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前記レーザ光を変調することを特徴とするレーザ加工方法。
  3. 前記切断予定ラインが前記加工対象物に対して複数本設定されている場合には、１本の前記切断予定ラインに沿って複数列の前記改質領域を形成した後に、他の１本の前記切断予定ラインに沿って複数列の前記改質領域を形成することを特徴とする請求項２記載のレーザ加工方法。
  4. 前記切断予定ラインが前記加工対象物に対して複数本設定されている場合には、複数本の前記切断予定ラインに沿って１列の前記改質領域を形成した後に、複数本の前記切断予定ラインに沿って他の１列の前記改質領域を形成することを特徴とする請求項２記載のレーザ加工方法。
  5. 板状の加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射することにより、前記加工対象物の切断予定ラインに沿って、切断の起点となる改質領域を形成するレーザ加工方法であって、
    前記改質領域を形成する際には、前記加工対象物の内部に集光される前記レーザ光の開口数が所定の開口数となるように反射型空間光変調器によって前記レーザ光を変調することを特徴とするレーザ加工方法。
  6. 板状の加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射することにより、前記加工対象物の切断予定ラインに沿って、前記加工対象物の厚さ方向に並ぶように、切断の起点となる改質領域を複数列形成するレーザ加工方法であって、
    複数列の前記改質領域のうち、前記加工対象物のレーザ光入射面又は前記加工対象物において前記レーザ光入射面と対向する対向表面に最も近い前記改質領域を除く前記改質領域を形成する際には、前記レーザ光入射面又は前記対向表面に最も近い前記改質領域を形成する場合に比べ、前記加工対象物の内部に集光される前記レーザ光の開口数が小さくなるように反射型空間光変調器によって前記レーザ光を変調することを特徴とするレーザ加工方法。
  7. 前記切断予定ラインに沿って、前記加工対象物の厚さ方向に並ぶように、前記改質領域を少なくとも３列形成する場合において、
    少なくとも３列の前記改質領域のうち、前記レーザ光入射面から最も遠い前記改質領域及び前記レーザ光入射面に最も近い前記改質領域を除く前記改質領域を形成する際には、前記レーザ光入射面から最も遠い前記改質領域及び前記レーザ光入射面に最も近い前記改質領域を形成する場合に比べ、前記加工対象物の内部に集光される前記レーザ光の開口数が小さくなるように反射型空間光変調器によって前記レーザ光を変調することを特徴とする請求項６記載のレーザ加工方法。
  8. 板状の加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射することにより、前記加工対象物の切断予定ラインに沿って、切断の起点となる改質領域を形成するレーザ加工装置であって、
    前記加工対象物を支持する支持台と、
    前記レーザ光を出射するレーザ光源と、
    前記レーザ光源から出射された前記レーザ光を変調する反射型空間光変調器と、
    前記支持台によって支持された前記加工対象物の内部に、前記反射型空間光変調器によって変調された前記レーザ光を集光する集光光学系と、
    レンズとしての機能を有する第１の光学素子及び第２の光学素子を有すると共に前記反射型空間光変調器と前記集光光学系との間の光路上に配置される調整光学系と、
    前記改質領域を形成する際に、前記レーザ光の集光点が前記加工対象物のレーザ光入射面から所定の距離に位置し且つ前記レーザ光の集光点が前記切断予定ラインに沿って相対的に移動するように前記支持台及び前記集光光学系の少なくとも１つを制御すると共に、前記加工対象物の内部における前記レーザ光の集光点を合わせる位置で発生する前記レーザ光の収差が所定の収差以下となるように前記反射型空間光変調器を制御する制御部と、を備え、
    前記第１の光学素子及び前記第２の光学素子は、前記反射型空間光変調器と前記第１の光学素子との距離が前記第１の光学素子の第１の焦点距離となり、前記集光光学系と前記第２の光学素子との距離が前記第２の光学素子の第２の焦点距離となり、前記第１の光学素子と前記第２の光学素子との距離が前記第１の焦点距離と前記第２の焦点距離との和となり、且つ前記第１の光学素子と前記第２の光学素子とが両側テレセントリック光学系となるように、配置されていることを特徴とするレーザ加工装置。
  9. 前記制御部は、前記加工対象物の厚さ方向に並ぶように前記切断予定ラインに沿って複数列形成される前記改質領域毎に、前記レーザ光の集光点が前記レーザ光入射面から前記所定の距離に位置するように前記支持台及び前記集光光学系の少なくとも１つを制御するための制御信号と、前記加工対象物の内部における前記レーザ光の集光点を合わせる位置で発生する前記レーザ光の収差が前記所定の収差以下となるように前記反射型空間光変調器を制御するための制御信号とを対応付けて記憶していることを特徴とする請求項８記載のレーザ加工装置。
  10. 前記調整光学系は、前記反射型空間光変調器と、前記反射型空間光変調器から出射された前記レーザ光を反射する反射部材との間に配置されていることを特徴とする請求項８又は９記載のレーザ加工装置。
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