JP6786374B2 - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。

従来、加工対象物に加工用レーザ光を集光することにより、加工対象物に改質領域を形成するレーザ加工装置が知られている（例えば特許文献１参照）。このようなレーザ加工装置は、測定用光を出射する測定用光源と、加工用レーザ光及び測定用光を加工対象物に集光する集光用レンズと、加工対象物のレーザ光入射面で反射された測定用光の反射光に基づいてレーザ光入射面の変位（以下、単に「変位」とも称する）を検出する変位検出部と、を備える。変位検出部は、測定用光の反射光に非点収差を付加し、非点収差を付加した反射光のビーム形状を検出し、その検出結果に基づいて変位に関する信号を取得する。

特開２０１５−１８６８２５号公報

上述したようなレーザ加工装置では、取得する変位に対する信号の変動（信号の傾き）が緩やかになり過ぎる場合がある。この場合、例えばレーザ光入射面が研削面であると、その研削痕（ソーマークとも称される）で測定用光が散乱し、同じ変位でも信号が異なる現象が生じるため、検出する変位の誤差が顕著になる。その結果、レーザ光入射面の変位を精度よく検出することが困難になるおそれがある。

本発明は、レーザ光入射面の変位を精度よく検出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。

本発明に係るレーザ加工装置は、加工対象物に加工用レーザ光を集光することにより、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、測定用光を出射する測定用光源と、加工用レーザ光及び測定用光を加工対象物に集光する集光用レンズと、加工対象物のレーザ光入射面で反射された測定用光の反射光に基づいて、レーザ光入射面の変位を検出する変位検出部と、測定用光及び測定用光の反射光の少なくとも何れかの結像状態を移動する結像状態調整部と、を備え、変位検出部は、測定用光の反射光を複数の分岐反射光へ分岐する分岐部と、複数の分岐反射光の光路それぞれに設けられ、複数の分岐反射光それぞれに対して互いに異なる大きさの非点収差量を付加する複数の非点収差付加部と、複数の分岐反射光の光路それぞれに設けられ、非点収差が付加された複数の分岐反射光それぞれのビーム形状を検出する複数のビーム形状検出部と、複数の分岐反射光の光路の中から結像状態調整部で移動する結像状態に応じた一つを選択し、選択した分岐反射光の光路におけるビーム形状検出部の検出結果に基づいて変位に関する信号を取得する信号取得部と、を有する。

本発明者らは鋭意検討を重ね、取得する信号の傾きは、測定用光及び測定用光の反射光の少なくとも何れかの結像状態と相関があることを見出した。さらに、信号の傾きが緩やかになり過ぎる要因として、当該結像状態と反射光に付加する非点収差量とのミスマッチに起因することを見出した。そこで、本発明のレーザ加工装置では、測定用光の反射光を複数の分岐反射光へ分岐し、各分岐反射光の光路において互いに異なる大きさの非点収差量を付加した分岐反射光のビーム形状を検出する。そして、複数の分岐反射光の光路の中から、結像状態調整部で移動する結像状態に応じた一つを選択し、選択した当該光路の分岐反射光のビーム形状に基づく信号を取得する。これにより、取得する信号に係る分岐反射光に付加される非点収差量を、結像状態に応じたものとすることができる。その結果、取得する信号の傾きが緩やかになり過ぎるのを抑制することが可能となる。したがって、レーザ光入射面の変位を精度よく検出することが可能となる。

本発明に係るレーザ加工装置では、結像状態調整部は、結像状態を移動することでオフセット量を調整し、信号取得部は、複数の分岐反射光の光路の中から、結像状態調整部で調整するオフセット量に応じた一つを選択してもよい。ここで、オフセット量とは、加工対象物のレーザ入射面の変位に対する信号が基準値（典型的にはゼロ）となるときの、加工対象物のレーザ入射面の相対変位を示す尺度である。例えばオフセット量が０μｍであるとは、測定用光と同じ波長の平行光が集光用レンズに入射したとき、加工対象物のレーザ入射面で最小に絞れる配置となり、そのときの変位信号に対する信号が基準値となる幾何学的配置状態である。また、例えばオフセット量が−１８０μｍであるとは、オフセット量が０μｍであるときの上記配置から加工対象物のレーザ入射面が集光用レンズへ１８０μｍ近づいたときに信号が基準値となる幾何学的配置状態である。オフセット量の値が小さい（マイナス幅が大きい）ときには、オフセット又はオフセット量が深いといい、オフセット量の値が大きい（マイナス幅が小さい）ときには、オフセット又はオフセット量が浅いという。

取得する信号の傾きは、具体的には、オフセット量と相関があり、オフセット量と非点収差量とのミスマッチに起因して緩やかになり過ぎるという知見が見出される。そこで、本発明のレーザ加工装置では、複数の分岐反射光の光路の中からオフセットに応じた一つを選択する。これにより、取得する信号に係る分岐反射光に付加される非点収差量を、オフセット量に応じたものとすることができる。取得する信号の傾きが緩やかになり過ぎるのを抑制することが可能となる。

本発明に係るレーザ加工装置では、分岐部は、測定用光の反射光を少なくとも第１分岐反射光及び第２分岐反射光へ分岐し、非点収差付加部は、第１分岐反射光の光路に設けられ、第１非点収差量を第１分岐反射光に付加する第１非点収差付加部と、第２分岐反射光の光路に設けられ、第１非点収差量よりも大きい第２非点収差量を第２分岐反射光に付加する第２非点収差付加部と、を有し、信号取得部は、結像状態調整部で調整するオフセット量が第１範囲にある場合には、第１分岐反射光の光路を選択し、結像状態調整部で調整するオフセット量が第１範囲よりも深い第２範囲にある場合には、第２分岐反射光の光路を選択してもよい。

取得する信号の傾きは、より具体的には、同じ非点収差量が付加されている場合、オフセットが深いほど緩やかになり過ぎるという知見が見出される。そこで、本発明のレーザ加工装置では、オフセット量が第１範囲にある場合には、第１分岐反射光の光路を選択し、結像状態調整部で調整するオフセット量が第１範囲よりも深い第２範囲にある場合には、第２分岐反射光の光路を選択する。これにより、取得する信号に係る分岐反射光に付加される非点収差量を、オフセットが深い場合には大きく（浅い場合には小さく）できる。取得する信号の傾きが緩やかになり過ぎるのを抑制することが可能となる。

本発明に係るレーザ加工装置は、結像状態調整部で調整するオフセット量を設定するオフセット量設定部と、オフセット量設定部で設定されたオフセット量となるように結像状態調整部を制御する結像状態制御部と、を備えていてもよい。この構成によれば、設定されたオフセット量となるように結像状態を自動調整することができる。

本発明に係るレーザ加工装置は、集光用レンズの光軸方向に沿って、加工対象物及び集光用レンズの少なくとも何れかを動作させる駆動機構と、信号取得部で取得した信号が目標値を維持するように駆動機構を動作させる駆動機構制御部と、を備えていてもよい。この構成によれば、レーザ光入射面に追従するように、集光用レンズをその光軸方向に沿って相対移動させることができる。

本発明に係るレーザ加工装置は、加工用レーザ光の光軸に測定用光の光軸を合わせる光軸調整機構を備えていてもよい。この構成によれば、加工用レーザ光の光軸に測定用光の光軸を精度よく合わせることができる。

本発明に係るレーザ加工装置では、測定用光源は、互いに異なる波長を有する複数の光の何れかを出射可能であって、複数の波長の光のうち加工対象物に対する反射率が最も高い波長を有する光を測定用光として出射してもよい。この場合、測定用光をレーザ光入射面で反射した反射光を、検出しやすくすることが可能となる。

本発明に係るレーザ加工方法は、加工対象物に加工用レーザ光を集光することにより、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、加工対象物に加工用レーザ光を集光用レンズで集光しながら、測定用光を加工対象物に集光用レンズで集光し、加工対象物のレーザ光入射面で反射された当該測定用光の反射光を少なくとも第１分岐反射光及び第２分岐反射光へ分岐し、第１分岐反射光の光路において第１非点収差量を付加した第１分岐反射光のビーム形状を検出すると共に第２分岐反射光の光路において第１非点収差量よりも大きい第２非点収差量を付加した第２分岐反射光のビーム形状を検出し、当該ビーム形状の検出結果に基づいてレーザ光入射面の変位に関する信号を取得し、取得した信号が目標値を維持するように集光用レンズの光軸方向に沿って加工対象物及び集光用レンズの少なくとも何れかを動作させるレーザ加工ステップを備え、レーザ加工ステップは、オフセット量を設定する第１ステップと、第１ステップで設定したオフセット量が第１範囲の場合には第１分岐反射光の光路を選択し、第１ステップで設定したオフセット量が第１範囲よりも深い第２範囲の場合には第２分岐反射光の光路を選択する第２ステップと、第１ステップで設定したオフセット量となるように、測定用光及び測定用光の反射光の少なくとも何れかの結像状態を移動する第３ステップと、第１ステップで設定したオフセット量となるように、加工対象物及び集光用レンズの少なくとも何れかを動作させる第４ステップと、第３ステップ及び第４ステップの後、目標値を取得する第５ステップと、第５ステップの後、加工対象物に加工用レーザ光を集光用レンズで集光しながら、第２ステップで選択した分岐反射光の光路においてビーム形状を検出し、当該ビーム形状の検出結果に基づいて信号を取得し、取得した信号が目標値を維持するように集光用レンズの光軸方向に沿って加工対象物及び集光用レンズの少なくとも何れかを動作させる第６ステップと、を含む。

このレーザ加工方法においても、取得する信号に係る分岐反射光に付加される非点収差量を、オフセットが深い場合には大きく（浅い場合には小さく）できる。上記知見により、取得する信号の傾きが緩やかになり過ぎるのを抑制することが可能となる。したがって、レーザ光入射面の変位を精度よく検出することが可能となる。

本発明によれば、レーザ光入射面の変位を精度よく検出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。

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。 一実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成図である。 図７のレーザ加工装置の反射型空間光変調器の部分断面図である。 図７のレーザ加工装置のＡＦユニットを含むオートフォーカス制御系の概略構成図である。 （ａ）は、反射光のビーム形状が縦長楕円の場合を説明する図である。（ｂ）は、反射光のビーム形状が真円の場合を説明する図である。（ｃ）は、反射光のビーム形状が横長楕円の場合を説明する図である。 誤差信号の一例を示すグラフである。 図７のレーザ加工装置で実施されるレーザ加工方法を示すフローチャートの一例である。 第１ビーム形状検出部で検出したビーム形状のみに基づき生成した誤差信号を示すグラフである。 図７のレーザ加工装置において生成した誤差信号を示すグラフである。 第２ビーム形状検出部で検出したビーム形状のみに基づき生成した誤差信号を示すグラフである。 変形例に係るＡＦユニットの概略構成図である。 図１６のＡＦユニットによる効果を説明するためのグラフである。

以下、本発明の実施形態について、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。

実施形態に係るレーザ加工装置及びレーザ加工方法では、加工対象物にレーザ光を集光することにより、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、改質領域の形成について、図１〜図６を参照して説明する。

図１に示されるように、レーザ加工装置１００は、加工用レーザ光であるレーザ光Ｌをパルス発振する加工用レーザ光源であるレーザ光源１０１と、レーザ光Ｌを導光する光学系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を移動させるためのステージ１１１と、レーザ光Ｌの出力（パルスエネルギ，光強度）やパルス幅、パルス波形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。

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、光学系１０３で導かれ、支持台１０７上に載置された加工対象物１の内部に集光用レンズ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に沿った改質領域が加工対象物１に形成される。なお、ここでは、レーザ光Ｌを相対的に移動させるためにステージ１１１を移動させたが、集光用レンズ１０５を移動させてもよいし、或いはこれらの両方を移動させてもよい。

加工対象物１としては、半導体材料で形成された半導体基板や圧電材料で形成された圧電基板等を含む板状の部材（例えば、基板、ウェハ等）が用いられる。図２に示されるように、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に示されるように、加工対象物１の内部に集光点（集光位置）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５及び図６に示されるように、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。

集光点Ｐとは、レーザ光Ｌが集光する箇所のことである。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、これらが組み合わされた３次元状であってもよいし、座標指定されたものであってもよい。切断予定ライン５は、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。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。改質領域７は列状でも点状でもよく、要は、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３、裏面、若しくは外周面）に露出していてもよい。改質領域７を形成する際のレーザ光入射面は、加工対象物１の表面３に限定されるものではなく、加工対象物１の裏面であってもよい。

ちなみに、加工対象物１の内部に改質領域７を形成する場合には、レーザ光Ｌは、加工対象物１を透過すると共に、加工対象物１の内部に位置する集光点Ｐ近傍にて特に吸収される。これにより、加工対象物１に改質領域７が形成される。この場合、加工対象物１の表面３ではレーザ光Ｌのエネルギー密度が低いので、加工対象物１の表面３が溶融することはない。一方、加工対象物１の表面３又は裏面に改質領域７を形成する場合には、レーザ光Ｌは、表面３又は裏面に位置する集光点Ｐ近傍にて特に吸収され、表面３又は裏面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。

改質領域７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７としては、例えば、溶融処理領域（一旦溶融後再固化した領域、溶融状態中の領域及び溶融から再固化する状態中の領域のうち少なくとも何れか一つを意味する）、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７としては、加工対象物１の材料において改質領域７の密度が非改質領域の密度と比較して変化した領域や、格子欠陥が形成された領域がある。加工対象物１の材料が単結晶シリコンである場合、改質領域７は、高転位密度領域ともいえる。

溶融処理領域、屈折率変化領域、改質領域７の密度が非改質領域の密度と比較して変化した領域、及び、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７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７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。加工対象物１は、結晶構造を有する結晶材料からなる基板を含む。例えば加工対象物１は、窒化ガリウム（ＧａＮ）、シリコン（Ｓｉ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、ＬｉＴａＯ_３、及び、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）の少なくとも何れかで形成された基板を含む。換言すると、加工対象物１は、例えば、窒化ガリウム基板、シリコン基板、ＳｉＣ基板、ＬｉＴａＯ_３基板、又はサファイア基板を含む。結晶材料は、異方性結晶及び等方性結晶の何れであってもよい。また、加工対象物１は、非結晶構造（非晶質構造）を有する非結晶材料からなる基板を含んでいてもよく、例えばガラス基板を含んでいてもよい。

実施形態では、切断予定ライン５に沿って改質スポット（加工痕）を複数形成することにより、改質領域７を形成することができる。この場合、複数の改質スポットが集まることによって改質領域７となる。改質スポットについては、要求される切断精度、要求される切断面の平坦性、加工対象物１の厚さ、種類、結晶方位等を考慮して、その大きさや発生する亀裂の長さを適宜制御することができる。また、実施形態では、切断予定ライン５に沿って、改質スポットを改質領域７として形成することができる。

次に、実施形態に係るレーザ加工装置及びレーザ加工方法について説明する。以下では、加工対象物１の裏面２１をレーザ光入射面とする場合を例示する。加工対象物１の厚さ方向をＺ方向として説明する。

図７に示されるように、レーザ加工装置３００は、レーザ光源２０２、反射型空間光変調器２０３、４ｆ光学系２４１、及び集光光学系２０４を筐体２３１内に備えている。レーザ加工装置３００は、加工対象物１にレーザ光Ｌを集光することにより、切断予定ライン５に沿って加工対象物１に改質領域７を形成する。

レーザ光源２０２は、レーザ光Ｌを出射するものである。レーザ光源２０２は、１μｓ以下のパルス幅を有するレーザ光であるパルスレーザ光をレーザ光Ｌとして出射する。レーザ光源２０２は、レーザ発振器として超短パルスレーザ光源を含む。レーザ発振器としては、例えば固体レーザ、ファイバレーザ又は外部変調素子等で構成できる。レーザ光源２０２は、レーザ光Ｌの出力を調整する出力調整部を含んでいる。出力調整部としては、λ／２波長板ユニット及び偏光板ユニット等で構成できる。また、レーザ光源２０２は、レーザ光Ｌの径を調整しつつ平行化するビームエキスパンダを含んでいる。

レーザ光源２０２から出射されるレーザ光Ｌの波長は、５００〜５５０ｎｍ、１０００〜１１５０ｎｍ又は１３００〜１４００ｎｍのいずれかの波長帯に含まれる。ここでのレーザ光Ｌの波長は、１０６４ｎｍである。このようなレーザ光源２０２は、水平方向にレーザ光Ｌを出射するように、筐体２３１の天板２３６にねじ等で固定されている。

反射型空間光変調器２０３は、レーザ光源２０２から出射されたレーザ光Ｌを変調するものである。反射型空間光変調器２０３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）である。反射型空間光変調器２０３は、水平方向から入射するレーザ光Ｌを変調すると共に、水平方向に対し斜め上方に反射する。

図８に示されるように、反射型空間光変調器２０３は、シリコン基板２１３、駆動回路層９１４、複数の画素電極２１４、誘電体多層膜ミラー等の反射膜２１５、配向膜９９９ａ、液晶層２１６、配向膜９９９ｂ、透明導電膜２１７、及びガラス基板等の透明基板２１８がこの順に積層されることで構成されている。透明基板２１８は、所定平面に沿った表面２１８ａを有している。透明基板２１８の表面２１８ａは、反射型空間光変調器２０３の表面を構成する。透明基板２１８は、例えばガラス等の光透過性材料からなる。透明基板２１８は、反射型空間光変調器２０３の表面２１８ａから入射した所定波長のレーザ光Ｌを、反射型空間光変調器２０３の内部へ透過する。透明導電膜２１７は、透明基板２１８の裏面上に形成されている。透明導電膜２１７は、レーザ光Ｌを透過する導電性材料（例えばＩＴＯ）からなる。

複数の画素電極２１４は、透明導電膜２１７に沿ってシリコン基板２１３上にマトリックス状に配列されている。複数の画素電極２１４は、例えばアルミニウム等の金属材料で形成されている。複数の画素電極２１４の表面２１４ａは、平坦且つ滑らかに加工されている。複数の画素電極２１４は、駆動回路層９１４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、複数の画素電極２１４とシリコン基板２１３との間に設けられている。アクティブ・マトリクス回路は、反射型空間光変調器２０３から出力しようとする光像に応じて各画素電極２１４への印加電圧を制御する。例えばアクティブ・マトリクス回路は、表面２１８ａに沿う一方向に並んだ各画素列の印加電圧を制御する第１ドライバ回路と、当該一方向に直交し且つ表面２１８ａに沿う他方向に並んだ各画素列の印加電圧を制御する第２ドライバ回路と、を有している。このようなアクティブ・マトリクス回路は、制御部２５０（図７参照）によって双方のドライバ回路で指定された画素の画素電極２１４に所定電圧が印加されるように構成されている。

配向膜９９９ａ，９９９ｂは、液晶層２１６の両端面に配置されており、液晶分子群を一定方向に配列させる。配向膜９９９ａ，９９９ｂは、例えばポリイミド等の高分子材料で形成されている。配向膜９９９ａ，９９９ｂにおける液晶層２１６との接触面には、ラビング処理等が施されている。

液晶層２１６は、複数の画素電極２１４と透明導電膜２１７との間に配置されている。液晶層２１６は、各画素電極２１４と透明導電膜２１７とにより形成される電界に応じてレーザ光Ｌを変調する。すなわち、駆動回路層９１４のアクティブ・マトリクス回路によって各画素電極２１４に電圧が印加されると、透明導電膜２１７と各画素電極２１４との間に電界が形成され、液晶層２１６に形成された電界の大きさに応じて液晶分子２１６ａの配列方向が変化する。そして、レーザ光Ｌが透明基板２１８及び透明導電膜２１７を透過して液晶層２１６に入射すると、このレーザ光Ｌは、液晶層２１６を通過する間に液晶分子２１６ａによって変調され、反射膜２１５において反射した後、再び液晶層２１６により変調されて出射する。

このとき、制御部２５０（図７参照）によって各画素電極２１４に印加される電圧が制御され、その電圧に応じて、液晶層２１６において透明導電膜２１７と各画素電極２１４とに挟まれた部分の屈折率が変化する（各画素に対応した位置の液晶層２１６の屈折率が変化する）。この屈折率の変化により、印加した電圧に応じて、レーザ光Ｌの位相を液晶層２１６の画素ごとに変化させることができる。つまり、ホログラムパターンに応じた位相変調を画素ごとに液晶層２１６によって付与することができる。変調パターンに入射し透過するレーザ光Ｌは、その波面が調整され、レーザ光Ｌを構成する各光線において進行方向に直交する方向の成分の位相にずれが生じる。したがって、反射型空間光変調器２０３に表示させる変調パターンを適宜設定することにより、レーザ光Ｌが変調（例えば、レーザ光Ｌの強度、振幅、位相、偏光等が変調）可能となる。

図７に戻り、４ｆ光学系２４１は、反射型空間光変調器２０３によって変調されたレーザ光Ｌの波面形状を調整する調整光学系である。４ｆ光学系２４１は、第１レンズ２４１ａ及び第２レンズ２４１ｂを有している。第１レンズ２４１ａ及び第２レンズ２４１ｂは、反射型空間光変調器２０３と第１レンズ２４１ａとの間の光路の距離が第１レンズ２４１ａの第１焦点距離ｆ１となり、集光光学系２０４と第２レンズ２４１ｂとの間の光路の距離が第２レンズ２４１ｂの第２焦点距離ｆ２となり、第１レンズ２４１ａと第２レンズ２４１ｂとの間の光路の距離が第１焦点距離ｆ１と第２焦点距離ｆ２との和（すなわち、ｆ１＋ｆ２）となり、第１レンズ２４１ａ及び第２レンズ２４１ｂ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と集光光学系２０４との間の光路上に配置されている。４ｆ光学系２４１によれば、反射型空間光変調器２０３で変調されたレーザ光Ｌが空間伝播により波面形状が変化し収差が増大するのを抑制することができる。

集光光学系２０４は、レーザ光源２０２により出射されて反射型空間光変調器２０３により変調されたレーザ光Ｌと、後述のＡＦユニット２１２により出射された測定用光ＬＢ１と、を加工対象物１に集光する。集光光学系２０４は、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２３３に設置されている。集光光学系２０４は、集光用レンズであり、複数のレンズを含んで構成されている。

以上のように構成されたレーザ加工装置３００では、レーザ光源２０２から出射されたレーザ光Ｌは、筐体２３１内にて水平方向に進行した後、ミラー２０５ａによって下方に反射され、アッテネータ２０７によって光強度が調整される。その後、レーザ光Ｌは、ミラー２０５ｂによって水平方向に反射され、ビームホモジナイザ２６０によってレーザ光Ｌの強度分布が均一化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、液晶層２１６に表示された変調パターンを透過することにより当該変調パターンに応じて変調される。その後、レーザ光Ｌは、ミラー２０６ａによって上方に反射され、λ／２波長板２２８によって偏光方向が変更され、ミラー２０６ｂによって水平方向に反射されて４ｆ光学系２４１に入射する。

４ｆ光学系２４１に入射したレーザ光Ｌは、平行光で集光光学系２０４に入射するよう波面形状が調整される。具体的には、レーザ光Ｌは、第１レンズ２４１ａを透過し収束され、ミラー２１９によって下方へ反射され、集光点Ｏを経て発散すると共に、第２レンズ２４１ｂを透過し、平行光となるように再び収束される。そして、レーザ光Ｌは、ダイクロイックミラー２１０，２３８を順次透過して集光光学系２０４に入射し、ステージ１１１上に載置された加工対象物１内に集光光学系２０４によって集光される。

また、レーザ加工装置３００は、加工対象物１のレーザ光入射面を観察するための表面観察ユニット２１１と、集光光学系２０４と加工対象物１との距離を微調整するためのＡＦ（AutoFocus）ユニット２１２と、を筐体２３１内に備えている。

表面観察ユニット２１１は、可視光ＶＬ１を出射する観察用光源２１１ａと、加工対象物１のレーザ光入射面で反射された可視光ＶＬ１の反射光ＶＬ２を受光して検出する検出器２１１ｂと、を有している。表面観察ユニット２１１では、観察用光源２１１ａから出射された可視光ＶＬ１が、ミラー２０８、ハーフミラー２０９及びダイクロイックミラー２１０，２３８で反射・透過され、集光光学系２０４で加工対象物１に向けて集光される。加工対象物１のレーザ光入射面で反射された反射光ＶＬ２が、集光光学系２０４で集光されてダイクロイックミラー２３８，２１０で透過・反射された後、ハーフミラー２０９を透過して検出器２１１ｂにて受光される。

ＡＦユニット２１２は、測定用光ＬＢ１を出射し、レーザ光入射面で反射された測定用光ＬＢ１の反射光ＬＢ２を受光し検出することで、切断予定ライン５に沿ったレーザ光入射面の変位データである誤差信号（変位に関する信号）を取得する。ＡＦユニット２１２は、改質領域７を形成する際、取得した誤差信号を制御部２５０に出力する。制御部２５０は、当該誤差信号に基づいて駆動ユニット２３２を駆動させ、レーザ光入射面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る。ＡＦユニット２１２の構成及び動作について、詳しくは後述する。

レーザ加工装置３００は、当該レーザ加工装置３００の各部の動作を制御する制御部２５０を備えている。制御部２５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）等によって構成されている。

制御部２５０は、レーザ光源２０２の動作を制御し、レーザ光源２０２からレーザ光Ｌを出射させる。制御部２５０は、レーザ光源２０２の動作を制御し、レーザ光源２０２から出射されるレーザ光Ｌの出力やパルス幅等を調節する。制御部２５０は、改質領域７を形成する際、レーザ光Ｌの集光点Ｐが加工対象物１の表面３又は裏面２１から所定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、筐体２３１、ステージ１１１の位置、及び駆動ユニット２３２の駆動の少なくとも１つを制御する。制御部２５０は、上記レーザ光源制御部１０２及び上記ステージ制御部１１５の機能を有する。

制御部２５０は、改質領域７を形成する際、反射型空間光変調器２０３における各画素電極２１４に所定電圧を印加し、液晶層２１６に所定の変調パターンを表示させる。これにより、制御部２５０は、レーザ光Ｌを反射型空間光変調器２０３で所望に変調させる。液晶層２１６に表示される変調パターンは、例えば、改質領域７を形成しようとする位置、照射するレーザ光Ｌの波長、加工対象物１の材料、及び集光光学系２０４や加工対象物１の屈折率等に基づいて予め導出され、制御部２５０に記憶されている。変調パターンは、レーザ加工装置３００に生じる個体差（例えば、液晶層２１６に生じる歪）を補正するための個体差補正パターン、球面収差を補正するための球面収差補正パターン等を含んでいる。

次に、ＡＦユニット２１２の構成について具体的に説明する。

図９に示されるように、ＡＦユニット２１２は、測定用光源３０、変位検出部５０、結像状態調整部７０を備える。測定用光源３０は、測定用光ＬＢ１を出射する。測定用光源３０は、互いに異なる波長を有する複数の光の何れかを出射可能である。測定用光源３０は、複数のＳＬＤ（Super Luminescent Diode）光源３１，３２を有する。測定用光源３０では、制御部２５０により、複数のＳＬＤ光源３１，３２の中から、加工対象物１に対する反射率が高い波長の光を出射する一方が選択される。測定用光源３０は、選択されたＳＬＤ光源３１，３２の一方から、加工対象物１に対する反射率が高い波長の光を測定用光ＬＢ１として出射する。ＳＬＤ光源３１は、例えば６５０ｎｍの波長の光を出射する。ＳＬＤ光源３２は、例えば８３０ｎｍの波長の光を出射する。

測定用光源３０としては、ＳＬＤ光源３１，３２に限定されず、例えばＬＥＤ(Light Emitting Diode)光源を有していてもよいし、ＬＤ(Laser Diode)光源を有していてもよい。測定用光ＬＢ１の波長は、レーザ光入射面である裏面２１でゼロより大きい反射率を有していればよい。測定用光源３０は、複数波長の光を出射可能でなくともよく、例えばＳＬＤ光源３１，３２の何れか１つのみを有し、１波長の光のみを出射可能であってもよい。

測定用光源３０は、複数波長のレーザ光の合成に使用するＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）３３とシングルモードの光ファイバ３４とを介して、出射した測定用光ＬＢ１を調整光学系６０へ伝送する。なお、測定用光源３０が１波長の測定用光ＬＢ１のみを出射する場合には、ＷＤＭ３３は不要である。光ファイバ３４に代えて、空間光伝送デバイスを用いてもよい。調整光学系６０は、複数種のレンズを有しており、測定用光ＬＢ１が適切なビーム径となるように調整する。

変位検出部５０は、加工対象物１のレーザ光入射面である裏面２１で反射された測定用光ＬＢ１の反射光ＬＢ２に基づいて、裏面２１の変位を検出する。変位検出部５０は、第１分岐部５１、第２分岐部（分岐部）５２、第１及び第２非点収差付加部（非点収差付加部）５３，５４、第１及び第２ビーム形状検出部（ビーム形状検出部）５５，５６、及び誤差信号生成部５７を有する。

第１分岐部５１は、測定用光ＬＢ１と反射光ＬＢ２とを分岐するビームスプリッタである。第１分岐部５１は、測定用光ＬＢ１及び反射光ＬＢ２の光路を、測定用光ＬＢ１の光路と反射光ＬＢ２の光路とに分ける。第１分岐部５１は、測定用光ＬＢ１を透過させる一方で、反射光ＬＢ２を反射する。第１分岐部５１は、測定用光ＬＢ１及び反射光ＬＢ２の光路において、結像状態調整部７０と調整光学系６０との間に設けられている。

第２分岐部５２は、第１分岐部５１で分岐した反射光ＬＢ２を、第１分岐反射光ＬＳ１と第２分岐反射光ＬＳ２とに分岐するビームスプリッタである。第２分岐部５２は、反射光ＬＢ２の光路ＯＰを、第１分岐反射光ＬＳ１の光路である第１分岐光路ＯＰ１と第２分岐反射光ＬＳ２の光路である第２分岐光路ＯＰ２とに分ける。第２分岐部５２は、第２分岐反射光ＬＳ２を透過させる一方で、第１分岐反射光ＬＳ１を反射する。第２分岐部５２は、反射光ＬＢ２の光路ＯＰにおいて第１分岐部５１の下流に設けられている。

第１非点収差付加部５３は、第１分岐光路ＯＰ１において第２分岐部５２の下流に設けられている。第１非点収差付加部５３は、第２非点収差付加部５４が付加する非点収差量よりも小さい第１非点収差量を、第１分岐反射光ＬＳ１に付加する。非点収差量は、非点収差の大きさを表す尺度であり、ここでは、次のように定義される。測定用光ＬＢ１と同一波長の平行ビームが非点収差付加部に入射したとき、非点収差付加部より出射したビームの光軸に垂直な面に投影したビーム幅の短軸が最小となる点が存在し、光軸に垂直な面上でその短軸の方向を非点収差付加部の特性軸とする。非点収差付加部の特性軸方向に対する焦点距離をｆＬ１とし、特性軸に垂直な方向に対する焦点距離をｆＬ２としたとき、ｆＬ２／ｆＬ１を非点収差量とする。第１非点収差付加部５３は、凸レンズ５３ａとシリンドリカルレンズ５３ｂとの組合わせにより構成されている。例えば凸レンズ５３ａの焦点距離は４０ｍｍであり、シリンドリカルレンズ５３ｂの焦点距離は１００ｍｍである。

第２非点収差付加部５４は、第２分岐光路ＯＰ２において第２分岐部５２の下流にミラー５８を介して設けられている。第２非点収差付加部５４は、第１非点収差量とは異なる非点収差量を第２分岐反射光ＬＳ２に付加する。第２非点収差付加部５４は、第１非点収差量よりも大きい第２非点収差量を第２分岐反射光ＬＳ２に付加する。第２非点収差付加部５４は、凸レンズ５４ａとシリンドリカルレンズ５４ｂとの組合わせにより構成されている。例えば凸レンズ５３ａの焦点距離は７５ｍｍであり、シリンドリカルレンズ５３ｂの焦点距離は７５ｍｍである。

第１ビーム形状検出部５５は、第１分岐光路ＯＰ１に設けられている。第１ビーム形状検出部５５は、第１非点収差量が付加された第１分岐反射光ＬＳ１をフィルタ５９ａを介して受光し、当該第１分岐反射光ＬＳ１のビーム形状を検出する。第２ビーム形状検出部５６は、第２分岐光路ＯＰ２に設けられている。第２ビーム形状検出部５６は、第２非点収差量が付加された第２分岐反射光ＬＳ２をフィルタ５９ｂを介して受光し、当該第２分岐反射光ＬＳ２のビーム形状を検出する。

フィルタ５９ａは、第１分岐反射光ＬＳ１におけるレーザ光Ｌの波長の光を減衰する。フィルタ５９ａは、レーザ光Ｌの波長の光が第１ビーム形状検出部５５に入射することを防止する。フィルタ５９ｂは、第２分岐反射光ＬＳ２におけるレーザ光Ｌの波長の光を減衰する。フィルタ５９ｂは、レーザ光Ｌの波長の光が第２ビーム形状検出部５６に入射することを防止する。

第１ビーム形状検出部５５及び第２ビーム形状検出部５６としては、４象限検知器を用いることができる。第１ビーム形状検出部５５及び第２ビーム形状検出部５６は、その検出結果を誤差信号生成部５７へ出力する。具体的には、第１ビーム形状検出部５５及び第２ビーム形状検出部５６のそれぞれは、その受光面に形成されたビーム形状を分割して受光し、その各光量に応じた出力値（電圧値）を誤差信号生成部５７へ出力する。なお、第１ビーム形状検出部５５としては、ビーム形状を検出できれば特に限定されず、例えば２次元ＰＤ（Photo Diode）アレイであってもよい。

誤差信号生成部５７は、第１ビーム形状検出部５５及び第２ビーム形状検出部５６からの出力を受け取り、誤差信号を生成する。具体的には、誤差信号生成部５７は、制御部２５０により選択された第１及び第２分岐光路ＯＰ１，ＯＰ２の一方に設けられた第１及び第２ビーム形状検出部５５，５６の何れかの検出結果に基づいて、誤差信号を生成する。誤差信号生成部５７は、制御部２５０により第１分岐光路ＯＰ１が選択された場合、第１ビーム形状検出部５５の検出結果を用いて誤差信号を生成する。誤差信号生成部５７は、制御部２５０により第２分岐光路ＯＰ２が選択された場合、第２ビーム形状検出部５６の検出結果を用いて誤差信号を生成する。誤差信号生成部５７は、生成した誤差信号を制御部２５０へ出力する。

ここで、誤差信号及びその取得原理について、以下に具体的に説明する。

ＡＦユニット２１２は、加工対象物１のレーザ光入射面である裏面２１の変位（相対変位）をThrough the Lens方式を用いて、すなわち、レーザ光Ｌを集光する集光光学系２０４を通過する測定用光ＬＢ１を用いて計測する。また、ＡＦユニット２１２は、非点収差を利用して裏面２１の変位を計測する。ＡＦユニット２１２は、集光光学系２０４と裏面２１との相対変位の変化により光学系の距離が変化し、光学系を通過した際の測定用光ＬＢ１の反射光ＬＢ２の像点の位置が移動することを利用する。

ＡＦユニット２１２において、反射光ＬＢ２のビーム形状は、加工対象物１における後述の基準位置からの裏面２１の変位により、４象限検知器等のビーム形状検出部５５，５６上で変化する。具体的には、裏面２１で反射された反射光ＬＢ２は、当該裏面２１の変位に応じて異なるビーム拡がり角を有し、そのビーム拡がり角に応じてビーム形状検出部５５，５６上で異なるビーム形状となる。例えば図１０に示されるように、反射光ＬＢ２のビーム形状Ｈは、縦長楕円（図１０（ａ）参照）と真円（図１０（ｂ）参照）と横長楕円（図１０（ｃ）参照）との間で変化する。ＡＦユニット２１２では、このように変化するビーム形状を、ビーム形状検出部５５，５６において受光面Ｓ_Ａ，Ｓ_Ｂ，Ｓ_Ｃ，Ｓ_Ｄに分割して検出する。そして、ＡＦユニット２１２では、ビーム形状の検出結果に基づいて下式（１）の演算により誤差信号を生成する。
誤差信号＝［（Ｉ_Ａ＋Ｉ_Ｃ）−（Ｉ_Ｂ＋Ｉ_Ｄ）］／［（Ｉ_Ａ＋Ｉ_Ｂ＋Ｉ_Ｃ＋Ｉ_Ｄ）］…（１）
但し、
Ｉ_Ａ：受光面Ｓ_Ａにおける光量に基づいて出力された信号値、
Ｉ_Ｂ：受光面Ｓ_Ｂにおける光量に基づいて出力された信号値、
Ｉ_Ｃ：受光面Ｓ_Ｃにおける光量に基づいて出力された信号値、
Ｉ_Ｄ：受光面Ｓ_Ｄにおける光量に基づいて出力された信号値。

図１１は、誤差信号の一例を示すグラフである。図１１に示されるグラフでは、横軸はレーザ光入射面の誤差信号がゼロになる位置からの変位を示し、縦軸は誤差信号の大きさを示している。変位が小さくなるほど（図中左側に行くほど）、レーザ光入射面が集光光学系２０４に近づく方向に位置する。変位が大きくなるほど（図中右側に行くほど）、レーザ光入射面が集光光学系２０４から遠ざかる方向に位置する。

図１１に示されるように、誤差信号は、グラフ上でＳ字カーブ状に変化する。誤差信号がゼロになるときの変位は、ビーム形状がビーム形状検出部５５，５６上で真円になるときの変位である。誤差信号において利用可能な範囲は、ゼロ周辺の単調減少となる範囲（以下、この範囲を「測長レンジ」と称する）である。本実施形態の測長レンジは、加工対象物１の反りによるレーザ加工開始位置での裏面２１の変位のばらつきから、実用性を考慮して、少なくとも±１０μｍである。本実施形態の測長レンジは、好ましいとして±２０μｍ以上である。

図９に戻り、結像状態調整部７０は、測定用光ＬＢ１及び反射光ＬＢ２の結像状態を移動する。結像状態調整部７０は、測定用光ＬＢ１及び反射光ＬＢ２の光路において第１分岐部５１とダイクロイックミラー２３８との間に設けられている。結像状態調整部７０は、凹レンズ７１及び凸レンズ７２を有する。結像状態調整部７０は、制御部２５０からの指令に基づいて、凹レンズ７１及び凸レンズ７２間の距離を変化させ、当該結像状態を移動する。これにより、結像状態調整部７０は、オフセット量を調整する。結像状態の移動は、当該光路上のあらゆる結像位置関係の集合を別の結像位置関係の集合へ写すこと（つまり、結像位置の移動）を含む。

基準位置とは、後述の基準位置出し時（ステップＳ５）に設定されたレーザ光入射面の深さ位置である。具体的には、基準位置は、裏面２１を表面観察ユニット２１１で撮像し、投影されるレチクルのコントラストが最大になる状態のときの当該裏面２１の位置である。

結像状態調整部７０は、加工対象物１が最大で７７５μｍの厚さを有するシリコン基板である場合、測定用光ＬＢ１及び反射光ＬＢ２の結像状態を移動することで、０μｍ〜−１８０μｍの範囲でオフセット量を可変する。

加工対象物１が厚さ７７５μｍのシリコン基板であって加工対象物１内における裏面２１から浅い位置に改質領域７を形成する場合、結像状態調整部７０の収束パワーは弱くされ、オフセット量は０μｍないし０μｍに近い値とされ、集光光学系２０４と裏面２１との間の距離が遠距離とされる。これに対して、加工対象物１が厚さ７７５μｍのシリコン基板であって加工対象物１内における裏面２１から深い位置に改質領域７を形成する場合、結像状態調整部７０の収束パワーは強くされ、オフセット量は−１８０μｍないし−１８０μｍに近い値とされ、集光光学系２０４と表面３との間の距離が近距離とされる。

制御部２５０は、上位コントローラ等の上位システムからの指令に基づき、オフセット量を設定する。制御部２５０は、設定されたオフセット量となるように結像状態調整部７０を制御する。具体的には、制御部２５０には、オフセット量毎に定められた凹レンズ７１の位置に関するデータテーブルが、予め記憶されている。制御部２５０は、設定されたオフセット量になる凹レンズ７１の位置をデータテーブルを参照して求め、求められた凹レンズ７１の位置まで当該凹レンズ７１を移動させる指令を結像状態調整部７０へ出力する。

制御部２５０は、第１分岐光路ＯＰ１及び第２分岐光路ＯＰ２のうち、結像状態調整部７０で移動する結像状態に応じた一方を選択する。具体的には、制御部２５０は、第１分岐光路ＯＰ１及び第２分岐光路ＯＰ２の中から、結像状態調整部７０で調整するオフセット量に応じた一方を選択する。より具体的には、制御部２５０は、設定されたオフセット量が第１範囲にある場合には、第１分岐反射光ＬＳ１の光路である第１分岐光路ＯＰ１を選択する。設定されたオフセット量が第２範囲にある場合には、第２分岐反射光ＬＳ２の光路である第２分岐光路ＯＰ２を選択する。第２範囲は、第１範囲よりも深い範囲である。第１範囲は、０μｍ以下で−４０μｍよりも大きい範囲である。第２範囲は、−４０μｍ以下で−１８０μｍ以上の範囲である。制御部２５０は、第１分岐光路ＯＰ１及び第２分岐光路ＯＰ２の選択結果に係る指示を、誤差信号生成部５７へ出力する。制御部２５０は、誤差信号生成部５７で生成された誤差信号が目標値（ここでは、ゼロ）を維持するように、駆動ユニット２３２を動作させる。

ＡＦユニット２１２は、第１ステアリングミラー８１及び第２ステアリングミラー８２をさらに有する。第１及び第２ステアリングミラー８１，８２は、測定用光ＬＢ１及び反射光ＬＢ２の光路において、結像状態調整部７０とダイクロイックミラー２３８との間に配置されている。第１及び第２ステアリングミラー８１，８２は、レーザ光Ｌの光軸に測定用光ＬＢ１の光軸を合わせる（コアライメントする）。第１及び第２ステアリングミラー８１，８２は、光軸調整機構を構成する。

次に、レーザ加工装置３００において実施されるレーザ加工方法について説明する。

本実施形態のレーザ加工方法は、加工対象物１をレーザ加工して複数のチップを製造するためのチップの製造方法として用いられる。加工対象物１は、板状を呈している。加工対象物１は、例えば、サファイア基板、ＳｉＣ基板、ガラス基板（強化ガラス基板）、シリコン基板、半導体基板又は透明絶縁基板等である。ここでの加工対象物１は、シリコン基板である。加工対象物１においてレーザ光入射面側である裏面２１側とは反対側の表面３側には、機能素子層が形成されている。機能素子層は、マトリックス状に配列された複数の機能素子（例えば、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、又は回路として形成された回路素子等）を含んでいる。加工対象物１の裏面２１側は、加工対象物１が所望の厚さまで薄化するように研削されている。加工対象物１には、隣り合う機能素子間を通るように延びる切断予定ライン５が複数設定されている。複数の切断予定ライン５は、格子状に延在している。

本実施形態のレーザ加工方法では、まず、裏面２１がレーザ光入射面となるようにステージ１１１の支持台１０７上に加工対象物１を載置する。レーザ光源２０２からレーザ光Ｌを出射させ、当該レーザ光Ｌを集光光学系２０４により加工対象物１の内部に集光させる。併せて、制御部２５０によりステージ１１１の移動等を制御し、当該レーザ光Ｌを切断予定ライン５に沿った加工進行方向へ相対的に移動（スキャン）させ、加工対象物１の内部に改質領域７を切断予定ライン５に沿って形成する。その後、加工対象物１の表面３又は裏面２１に貼り付けられたエキスパンドテープを拡張して加工対象物１を切断し、加工対象物１を複数のチップに切断する。

ここで、加工対象物１の裏面２１は、表面３に機能素子層を形成したことに起因する応力等の影響により、反りやうねりを有している。よって、レーザ光Ｌを集光させて改質領域７を意図した深さに安定して形成するためには、集光光学系２０４と裏面２１との相対変位を意図した変位に保つ制御を行う必要がある。

そこで、本実施形態のレーザ加工方法では、加工対象物１にレーザ光Ｌを集光しながら、測定用光ＬＢ１を加工対象物１に集光する。裏面２１で反射した測定用光ＬＢ１の反射光ＬＢ２を第１及び第２分岐反射光ＬＳ１，ＬＳ２へ分岐し、第１分岐光路ＯＰ１において第１非点収差量を付加した第１分岐反射光ＬＳ１のビーム形状を検出すると共に第２分岐光路ＯＰ２において第２非点収差量を付加した第２分岐反射光ＬＳ２のビーム形状を検出する。当該ビーム形状の検出結果に基づいて誤差信号を取得し、その誤差信号が目標値を維持するように駆動ユニット２３２により集光光学系２０４をＺ方向に動作させる。具体的には、以下のステップを実行する。

すなわち、図１２に示されるように、上位システムからの指令に基づき、制御部２５０により、オフセット量を設定する（ステップＳ１）。上位システムからの指令に基づき、制御部２５０により、測定用光源３０のＳＬＤ光源３１，３２の中から、加工対象物１に対する反射率が高い波長を有する光を出射する一方を選択する（ステップＳ２）。

制御部２５０により、設定したオフセット量に基づいて、誤差信号を生成する分岐光路ＯＰ１，ＯＰ２を選択する（ステップＳ３）。ステップＳ３では、設定したオフセット量が第１範囲（−４０μｍ＜オフセット量≦０μｍ）にある場合には、第１非点収差量を第１分岐反射光ＬＳ１に付加する光路である第１分岐光路ＯＰ１を選択する。設定したオフセット量が第２範囲（−１８０μｍ≦オフセット量≦−４０μｍ）にある場合には、第１非点収差量よりも大きい第２非点収差量を第２分岐反射光ＬＳ２に付加する光路である第２分岐光路ＯＰ２を選択する。

制御部２５０により、設定したオフセット量となるように結像状態調整部７０を制御し、測定用光ＬＢ１及び反射光ＬＢ２の結像状態を移動する（ステップＳ４）。ステップＳ４では、データテーブルを参照して、設定したオフセット量に対応する凹レンズ７１の位置を導出し、この位置まで凹レンズ７１を移動させる。

加工対象物１を基準位置に位置させる基準位置出しを実行する（ステップＳ５）。ステップＳ５では、レーザ光入射面である裏面２１を表面観察ユニット２１１で撮像し、投影されるレチクルのコントラストが最大になる状態の深さ位置に裏面２１が位置するように、制御部２５０によりステージ１１１をＺ方向に移動させる。レチクルを投影する光の波長と測定用光ＬＢ１の波長とが等しい場合、オフセット量が０μｍのときに、この段階における誤差信号の大きさはゼロとなる。一方、レチクルを投影する光の波長と測定用光ＬＢ１の波長とが異なる場合、オフセット量が０μｍのときに、この段階における誤差信号の大きさは、集光光学系２０４のレチクル投影光と測定用光ＬＢ１に対する色収差の大きさに応じた値となる。基準位置とオフセット量とは、このように関連付けられる。その後、制御部２５０により、設定したオフセットとなるように、ステージ１１１を移動させて集光光学系２０４に加工対象物１を接近させる（ステップＳ６）。

誤差信号の目標値を取得し、制御部２５０にメモリーする（ステップＳ７）。ステップＳ７では、測定用光源３０のＳＬＤ光源３１，３２のうち上記ステップＳ２で選択した一方から測定用光ＬＢ１を出射する。測定用光ＬＢ１は、調整光学系６０でビーム径が調整され、第１分岐部５１を通過し、結像状態調整部７０で結像状態が調整された後、第１及び第２ステアリングミラー８１，８２及びダイクロイックミラー２３８で順に反射し、集光光学系２０４により加工対象物１に集光され、裏面２１で反射する。

裏面２１で反射した反射光ＬＢ２は、集光光学系２０４を通り、ダイクロイックミラー２３８、第２及び第１ステアリングミラー８２,８１で順に反射し、結像状態調整部７０で結像状態が調整され、第１分岐部５１で反射された後、第２分岐部５２で第１及び第２分岐反射光ＬＳ１，ＬＳ２に分岐される。第１分岐反射光ＬＳ１は、第１分岐光路ＯＰ１において、第１非点収差付加部５３により第１非点収差量が付加された後、フィルタ５９ａを介して第１ビーム形状検出部５５にて受光される。第２分岐反射光ＬＳ２は、第２分岐光路ＯＰ２において、第２非点収差付加部５４により第２非点収差量が付加された後、フィルタ５９ｂを介して第２ビーム形状検出部５６にて受光される。誤差信号生成部５７は、上記ステップＳ３で第１分岐光路ＯＰ１が制御部２５０により選択されている場合、第１ビーム形状検出部５５で検出したビーム形状に応じた誤差信号を上式（１）に従い生成する。一方、上記ステップＳ３で第２分岐光路ＯＰ２が制御部２５０により選択されている場合、第２ビーム形状検出部５６で検出したビーム形状に応じた誤差信号を上式（１）に従い生成する。生成した誤差信号を、目標値として制御部２０５にメモリーする。

続いて、レーザ加工を開始する（ステップＳ８）。ステップＳ８では、切断予定ライン５に沿ってレーザ光Ｌをスキャンしながら、上記ステップＳ７と同様にして誤差信号を取得し、取得した誤差信号が目標値を維持するように駆動ユニット２３２により集光光学系２０４をＺ方向に動作させる。これにより、レーザ光Ｌのスキャンと共に、集光光学系２０４と裏面２１との相対変位が一定に保たれるフィードバック制御が実行され、集光光学系２０４が裏面２１の変位に追従することとなる。その後、全ての切断予定ライン５に沿ったレーザ加工が完了したか否かを判定する（ステップＳ９）。ステップＳ９でＮｏの場合、レーザ加工が完了していない当該切断予定ライン５に沿って、上記ステップＳ１〜Ｓ９を繰り返し実施する一方、ステップＳ９でＹｅｓの場合、レーザ加工が終了する。

図１３は、第１ビーム形状検出部５５で検出したビーム形状のみに基づき生成した誤差信号を示すグラフである。図中では、オフセット量を０μｍから−１８０μｍまで１０μｍ刻みないし２０μｍ刻みで変更した場合の各誤差信号を示している。図１３に示されるように、誤差信号の傾きは、オフセット量（つまり、結像状態調整部７０で移動する結像状態）と相関を有している。また、オフセットが加工対象物１において深い位置になるほど、誤差信号の傾きは緩やかになり過ぎることがわかる。なお、誤差信号の傾きとは、取得する変位に対する誤差信号の変動である。誤差信号の傾きとは、変位に関する誤差信号の変化の割合である。誤差信号の傾きは、誤差信号が比例的に単調減少する場合に、その比例定数に対応する。誤差信号の傾きは、変位の変化に伴って誤差信号が変動するときの変動量に対応する。

ここで、誤差信号の傾きが緩やかになり過ぎる要因として、測定用光ＬＢ１の反射光ＬＢ２に付加する非点収差量とオフセット量とのミスマッチが見出される。そこで、レーザ加工装置３００では、第１及び第２分岐光路ＯＰ１，ＯＰ２の一方をオフセット量に応じて選択し、選択した第１及び第２分岐光路ＯＰ１，ＯＰ２の一方で検出されたビーム形状に基づき誤差信号を生成する。これにより、誤差信号の生成に用いられる第１及び第２分岐反射光ＬＳ１，ＬＳ２の一方に付加する非点収差量を、オフセット量に応じたものとすることができる。その結果、誤差信号の傾きが緩やかになり過ぎるのを抑制することが可能となる。したがって、レーザ光入射面である裏面２１の変位を精度よく検出することが可能となる。

特に、加工対象物１が所望厚さに薄化するまで裏面２１が研削されていることから、裏面２１には、研削痕が形成された状態（深さの極めて浅い溝が多数形成された状態）となっている。この場合、裏面２１で測定用光ＬＢ１が散乱して同じ変位であっても誤差信号がばらつくおそれがあるため、誤差信号の傾きが緩やかになり過ぎると、実用性に問題が生じ得る。よって、このように裏面２１に研削痕が形成されている場合には、誤差信号の傾きが緩やかになり過ぎるのを抑制するという上記作用効果は顕著である。

レーザ加工装置３００では、オフセット量が第１範囲にある場合には、第１分岐光路ＯＰ１を選択し、オフセット量が第１範囲よりも深い第２範囲にある場合には、第２分岐光路ＯＰ２を選択する。この場合、オフセットが浅い場合には、小さい非点収差量が付加された第１分岐反射光ＬＳ１を誤差信号の生成に用い、オフセットが深い場合には、大きい非点収差量が付加された第２分岐反射光ＬＳ２を誤差信号の生成に用いることができる。誤差信号の傾きが緩やかになり過ぎるのを抑制することが可能となり、裏面２１の変位を精度よく検出することが可能となる。

図１４は、レーザ加工装置３００において生成した誤差信号を示すグラフである。図中では、オフセット量を０μｍから−１８０μｍまで１０μｍ刻みないし２０μｍ刻みで変更した場合の各誤差信号を示している。図中の各項目（系列）名において、第１分岐光路ＯＰ１のビーム形状に基づく誤差信号である場合に「ＯＰ１」を付し、第２分岐光路ＯＰ２のビーム形状に基づく誤差信号である場合に「ＯＰ２」を付している。図１４に示されるように、レーザ加工装置３００によれば、誤差信号の傾きが緩やかになり過ぎるのを抑制できることが分かる。例えばレーザ加工装置３００では、誤差信号は、研削痕による測定誤差が実用範囲内となる一定以上の傾きを有している。例えば誤差信号は、誤差信号がゼロになる変位において、好ましいとして０．０２５／μｍ以上の傾きの絶対値を有しており、より好ましいとして０．０２７５／μｍ以上の傾きの絶対値を有している。

なお、オフセット量が−４０μｍの場合には、第１分岐光路ＯＰ１のビーム形状に基づく誤差信号であっても、第２分岐光路ＯＰ２のビーム形状に基づく誤差信号であっても、その傾きは一定以上となることがわかる。よって、本実施形態では、第１範囲を０μｍ以下で−４０μｍよりも大きい範囲とし、第２範囲を−４０μｍ以下で−１８０μｍ以上の範囲としたが、第１範囲を０μｍ以下で−４０μｍ以上の範囲とし、第２範囲を−４０μｍ未満で−１８０μｍ以上の範囲としてもよい。

図１５は、第２ビーム形状検出部５６で検出したビーム形状のみに基づき生成した誤差信号を示すグラフである。図中では、オフセット量を０μｍから−１８０μｍまで１０μｍ刻みないし２０μｍ刻みで変更した場合の各誤差信号を示している。図１５に示される結果によれば、オフセットが加工対象物１において浅い位置になるほど、誤差信号の傾きは急になり過ぎ、測長レンジが不十分になることがわかる。これに対して、レーザ加工装置３００では、誤差信号の傾きが急になり過ぎるのを抑制でき、且つ、測長レンジを十分に確保することが可能となる（図１４参照）。

レーザ加工装置３００では、制御部２５０によりオフセット量が設定され、設定されたオフセット量となるように結像状態調整部７０が制御される。この構成によれば、設定されたオフセット量となるように測定用光ＬＢ１及び反射光ＬＢ２の結像状態を自動調整できる。

レーザ加工装置３００は、Ｚ方向に集光光学系２０４を動作させる駆動ユニット２３２を備え、誤差信号が目標値を維持するように制御部２０５により駆動ユニット２３２が動作される。この構成によれば、裏面２１に追従するように集光光学系２０４をＺ方向に移動させることができる。

レーザ加工装置３００は、レーザ光Ｌの光軸に測定用光ＬＢ１の光軸を合わせる第１及び第２ステアリングミラー８１，８２を備える。この構成によれば、レーザ光Ｌの光軸に測定用光ＬＢ１の光軸を精度よく合わせることができる。

レーザ加工装置３００では、測定用光源３０は、複数の波長の光のうち加工対象物１に対する反射率が高い波長を有する光を、測定用光ＬＢ１として出射する。これにより、測定用光ＬＢ１を裏面２１で反射させやすくすることが可能となる。

ちなみに、結像状態調整部７０と集光光学系２０４との間の物理的距離を短くする、又は、この間に４ｆレンズ系を挿入して光学的距離を短くすることにより、誤差信号の傾きの変化を抑制することも考えられる。しかし、装置構成上の制限から当該物理的距離を短くし難く、また４ｆレンズ系を挿入することは装置大型化にもつながるために、実現困難となる可能性がある。特に、第１及び第２ステアリングミラー８１，８２を配置する場合、当該物理的距離を短くすることは困難である。この点、レーザ加工装置３００では、装置構成上の制限を受けることは少なく、また、装置大型化を抑制できる。レーザ加工装置３００では、第１及び第２ステアリングミラー８１，８２を配置することが可能である。

図１６は、変形例に係るＡＦユニット２１２Ｂの一部を示す構成図である。図１６に示されるように、ＡＦユニット２１２Ｂの第１及び第２ビーム形状検出部５５，５６それぞれは、結像状態調整部７０の凹レンズ７１の移動に応じて、第１及び第２分岐光路ＯＰ１，ＯＰ２それぞれに沿って移動可能であってもよい。具体的には、制御部２５０により、オフセットが深まるように凹レンズ７１が移動されるほど、第１及び第２ビーム形状検出部５５，５６を第１及び第２非点収差付加部５３，５４から近づく方向に連動させてもよい（換言すると、オフセットが深くなるに従って第１及び第２ビーム形状検出部５５，５６を第１及び第２非点収差付加部５３，５４に近づけてもよい）。

図１７は、図１６のＡＦユニット２１２Ｂによる効果を説明するためのグラフである。図１７では、第１ビーム形状検出部５５で検出したビーム形状に基づき生成した誤差信号を示している。図１７（ａ）は、第１ビーム形状検出部５５が固定の場合の誤差信号である。図１７（ｂ）は、ＡＦユニット２１２Ｂで生成された誤差信号、つまり、第１ビーム形状検出部５５が可動の場合の誤差信号である。図１７（ａ）及び図１７（ｂ）に示されるように、変形例に係るＡＦユニット２１２Ｂでは、どのオフセット量に対しても、誤差信号のＳ字カーブを、横軸においてゼロを中心に均整のとれた形状とすることができる。このことは、ＰＩＤ制御等の応答性改善に寄与する。

ＡＦユニット２１２Ｂでは、第１及び第２ビーム形状検出部５５，５６の移動に代えてもしくは加えて、第１及び第２非点収差付加部５３，５４の凸レンズ５３ａ，５４ａ及びシリンドリカルレンズ５３ｂ，５４ｂの少なくとも何れかを同様に移動させてもよい。この場合でも、同様な効果が奏される。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用してもよい。

上記実施形態では、第２分岐部５２により反射光ＬＢ２の光路ＯＰを２光路（第１及び第２分岐光路ＯＰ１，ＯＰ２）に分岐したが、３光路以上に分岐してもよい。３光路以上の光路のそれぞれにおいて、互いに異なる大きさの非点収差量を付加する複数の非点収差付加部と、非点収差が付加された複数の分岐反射光それぞれのビーム形状を検出する複数のビーム形状検出部と、が設けられていればよい。この場合、複数の光路の中から、オフセットが深いほど大きい非点収差量が分岐反射光に付加されるように光路を選択し、選択した光路の当該分岐反射光のビーム形状の検出結果に基づいて誤差信号を生成してもよい。

上記実施形態では、測定用光ＬＢ１及び反射光ＬＢ２の光路において、第１分岐部５１とダイクロイックミラー２３８との間に結像状態調整部７０を配置したが、結像状態調整部７０の配置は限定されない。上記実施形態の配置に代えてもしくは加えて、測定用光ＬＢ１の光路において第１分岐部５１よりも上流側、及び、反射光ＬＢ２の光路ＯＰにおいて第１分岐部５１と第２分岐部５２との間の少なくとも何れかに、結像状態調整部７０を配置してもよい。

上記実施形態では、結像状態調整部７０を凹レンズ７１及び凸レンズ７２により構成したが、結像状態調整部７０は特に限定されず、例えば可変焦点距離レンズであってもよい。上記実施形態の光学系は、レーザ光Ｌを透過させ且つ測定用光ＬＢ１及び反射光ＬＢ２を反射させるダイクロイックミラー２３８を備えているが、これに代えて、レーザ光Ｌを反射させ且つ測定用光ＬＢ１及び反射光ＬＢ２を透過させるダイクロイックミラーを備えた構成であってもよい。同様に、上記実施形態の光学系は、第１分岐部５１において測定用光ＬＢ１を反射させ且つ反射光ＬＢ２を透過させる構成であってもよい。同様に、上記実施形態の光学系は、第２分岐部５２において第１分岐反射光ＬＳ１を透過させ且つ第２分岐反射光ＬＳ２を反射させる構成であってもよい。

上記実施形態では、上記ステップＳ６と上記ステップＳ７との間において、第１及び第２ビーム形状検出部５５，５６のバイアスオフセット値（ビーム形状を検出していない状態の第１及び第２ビーム形状検出部５５，５６の出力値）を取得して調整してもよい。上記実施形態では、オフセット量を誤差信号がゼロになる光学配置として設定したが、誤差信号がゼロになる場合に限定されず、オフセット量を誤差信号が基準値になる光学配置として設定してもよい。

上記実施形態では、上位システムからの指令に基づきオフセット量を設定したが、オペレータの操作によりオフセット量を設定してもよいし、形成する改質領域７の位置に応じて予めオフセット量が設定されていてもよい。上記実施形態では、設定されたオフセット量となるように結像状態調整部７０を制御部２５０により制御したが、オペレータの操作により結像状態調整部７０を制御してもよい。

上記実施形態は、空間光変調器として反射型空間光変調器２０３を備えているが、空間光変調器は反射型のものに限定されず、透過型の空間光変調器を備えていてもよい。上記実施形態では、加工対象物１の裏面２１をレーザ光入射面としたが、加工対象物１の表面３をレーザ光入射面としてもよい。上記において、制御部２５０及び誤差信号生成部５７は、信号取得部を構成する。制御部２５０は、オフセット量設定部、結像状態制御部及び駆動機構制御部を構成する。

１…加工対象物、３…表面、７…改質領域、２１…裏面、３０…測定用光源、５０…変位検出部、５２…第２分岐部（分岐部）、５３…第１非点収差付加部（非点収差付加部）、５４…第２非点収差付加部（非点収差付加部）、５５…第１ビーム形状検出部（ビーム形状検出部）、５６…第２ビーム形状検出部（ビーム形状検出部）、５７…誤差信号生成部（信号取得部）、７０…結像状態調整部、８１…第１ステアリングミラー（光軸調整機構）、８２…第２ステアリングミラー（光軸調整機構）、１００，３００…レーザ加工装置、２０４…集光光学系（集光用レンズ）、２３２…駆動ユニット（駆動機構）、２５０…制御部（信号取得部，オフセット量設定部，結像状態制御部，駆動機構制御部）、Ｌ…レーザ光（加工用レーザ光）、ＬＢ１…測定用光、ＬＢ２…反射光、ＬＳ１…第１分岐反射光（分岐反射光）、ＬＳ２…第２分岐反射光（分岐反射光）、ＯＰ１…第１分岐光路（第１分岐反射光の光路）、ＯＰ２…第２分岐光路（第２分岐反射光の光路）。

Claims (8)

1. 加工対象物に加工用レーザ光を集光することにより、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、
   測定用光を出射する測定用光源と、
   前記加工用レーザ光及び前記測定用光を前記加工対象物に集光する集光用レンズと、
   前記加工対象物のレーザ光入射面で反射された前記測定用光の反射光に基づいて、前記レーザ光入射面の変位を検出する変位検出部と、
   前記測定用光及び前記測定用光の反射光の少なくとも何れかの結像状態を移動する結像状態調整部と、を備え、
   前記変位検出部は、
   前記測定用光の反射光を複数の分岐反射光へ分岐する分岐部と、
   複数の前記分岐反射光の光路それぞれに設けられ、複数の前記分岐反射光それぞれに対して互いに異なる大きさの非点収差量を付加する複数の非点収差付加部と、
   複数の前記分岐反射光の光路それぞれに設けられ、非点収差が付加された複数の前記分岐反射光それぞれのビーム形状を検出する複数のビーム形状検出部と、
   複数の前記分岐反射光の光路の中から前記結像状態調整部で調整する前記結像状態に応じた一つを選択し、選択した前記分岐反射光の光路における前記ビーム形状検出部の検出結果に基づいて前記変位に関する信号を取得する信号取得部と、を有する、レーザ加工装置。
2. 前記結像状態調整部は、前記結像状態を移動することでオフセット量を調整し、
   前記信号取得部は、複数の前記分岐反射光の光路の中から、前記結像状態調整部で調整する前記オフセット量に応じた一つを選択する、請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記分岐部は、前記測定用光の反射光を少なくとも第１分岐反射光及び第２分岐反射光へ分岐し、
   前記非点収差付加部は、
   前記第１分岐反射光の光路に設けられ、第１非点収差量を前記第１分岐反射光に付加する第１非点収差付加部と、
   前記第２分岐反射光の光路に設けられ、前記第１非点収差量よりも大きい第２非点収差量を前記第２分岐反射光に付加する第２非点収差付加部と、を有し、
   前記信号取得部は、
   前記結像状態調整部で調整する前記オフセット量が第１範囲にある場合には、前記第１分岐反射光の光路を選択し、
   前記結像状態調整部で調整する前記オフセット量が前記第１範囲よりも深い第２範囲にある場合には、前記第２分岐反射光の光路を選択する、請求項２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記結像状態調整部で調整する前記オフセット量を設定するオフセット量設定部と、
   前記オフセット量設定部で設定された前記オフセット量となるように前記結像状態調整部を制御する結像状態制御部と、を備える請求項２又は３に記載のレーザ加工装置。
5. 前記集光用レンズの光軸方向に沿って、前記加工対象物及び前記集光用レンズの少なくとも何れかを動作させる駆動機構と、
   前記信号取得部で取得した前記信号が目標値を維持するように前記駆動機構を動作させる駆動機構制御部と、を備える、請求項１〜４の何れか一項に記載のレーザ加工装置。
6. 前記加工用レーザ光の光軸に前記測定用光の光軸を合わせる光軸調整機構を備える、請求項１〜５の何れか一項に記載のレーザ加工装置。
7. 前記測定用光源は、互いに異なる波長を有する複数の光の何れかを出射可能であって、複数の波長の光のうち前記加工対象物に対する反射率が最も高い波長を有する光を前記測定用光として出射する、請求項１〜５の何れか一項に記載のレーザ加工装置。
8. 加工対象物に加工用レーザ光を集光することにより、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、
   前記加工対象物に前記加工用レーザ光を集光用レンズで集光しながら、測定用光を前記加工対象物に前記集光用レンズで集光し、前記加工対象物のレーザ光入射面で反射された当該測定用光の反射光を少なくとも第１分岐反射光及び第２分岐反射光へ分岐し、前記第１分岐反射光の光路において第１非点収差量を付加した前記第１分岐反射光のビーム形状を検出すると共に前記第２分岐反射光の光路において前記第１非点収差量よりも大きい第２非点収差量を付加した前記第２分岐反射光のビーム形状を検出し、当該ビーム形状の検出結果に基づいて前記レーザ光入射面の変位に関する信号を取得し、取得した前記信号が目標値を維持するように前記集光用レンズの光軸方向に沿って前記加工対象物及び前記集光用レンズの少なくとも何れかを動作させるレーザ加工ステップを備え、
   前記レーザ加工ステップは、
   オフセット量を設定する第１ステップと、
   前記第１ステップで設定した前記オフセット量が第１範囲の場合には前記第１分岐反射光の光路を選択し、前記第１ステップで設定した前記オフセット量が前記第１範囲よりも深い第２範囲の場合には前記第２分岐反射光の光路を選択する第２ステップと、
   前記第１ステップで設定した前記オフセット量となるように、前記測定用光及び前記測定用光の反射光の少なくとも何れかの結像状態を移動する第３ステップと、
   前記第１ステップで設定した前記オフセット量となるように、前記加工対象物及び前記集光用レンズの少なくとも何れかを動作させる第４ステップと、
   前記第３ステップ及び前記第４ステップの後、前記目標値を取得する第５ステップと、
   前記第５ステップの後、前記加工対象物に前記加工用レーザ光を前記集光用レンズで集光しながら、前記第２ステップで選択した前記分岐反射光の光路において前記ビーム形状を検出し、当該ビーム形状の検出結果に基づいて前記信号を取得し、取得した前記信号が前記目標値を維持するように前記集光用レンズの光軸方向に沿って前記加工対象物及び前記集光用レンズの少なくとも何れかを動作させる第６ステップと、を含む、レーザ加工方法。