(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-11-08
(45)【発行日】2022-11-16
(54)【発明の名称】レーザ加工装置及びレーザ加工方法
(51)【国際特許分類】
B23K 26/046 20140101AFI20221109BHJP
【ＦＩ】
B23K26/046
【請求項の数】
3
(21)【出願番号】P 2019041148
(22)【出願日】2019-03-07
(65)【公開番号】P2019162665
(43)【公開日】2019-09-26
【審査請求日】2022-02-25
(31)【優先権主張番号】P 2018052870
(32)【優先日】2018-03-20
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000151494
【氏名又は名称】株式会社東京精密
(74)【代理人】
【識別番号】100083116
【弁理士】
【氏名又は名称】松浦 憲三
(74)【代理人】
【識別番号】100170069
【弁理士】
【氏名又は名称】大原 一樹
(74)【代理人】
【識別番号】100128635
【弁理士】
【氏名又は名称】松村 潔
(74)【代理人】
【識別番号】100140992
【弁理士】
【氏名又は名称】松浦 憲政
(72)【発明者】
【氏名】塩谷 敬生
【審査官】奥隅 隆
(56)【参考文献】
【文献】特許第６４８１８４２（ＪＰ，Ｂ１）
【文献】特開２００５－１９３２８４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－０９３７２４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－２００７４５（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２３Ｋ ２６／００－２６／７０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
加工用レーザ光及び検出用レーザ光をワークに向けて集光する集光レンズと、前記集光レンズと前記ワークとを前記集光レンズの光軸方向に直交する方向に相対的に移動させることにより、前記加工用レーザ光及び前記検出用レーザ光を前記ワークに対してスキャンするスキャン手段と、
前記集光レンズと前記ワークとの間隔を調整する調整手段と、
前記ワークの主面で反射した前記検出用レーザ光の反射光を検出することで、前記ワークの主面の高さに応じた検出信号を出力する検出手段と、
前記加工用レーザ光及び前記検出用レーザ光のスキャン位置が前記ワークの中央部である場合には、前記検出用レーザ光の集光点が前記ワークの主面の変位に追従するように、前記検出手段が出力した前記検出信号に基づいて前記調整手段を制御する第１制御手段と、
前記加工用レーザ光及び前記検出用レーザ光のスキャン位置が前記ワークの端部である場合には、前記第１制御手段よりも前記ワークの主面の変位に対する追従性を低下させた状態で、前記検出用レーザ光の集光点が前記ワークの主面の変位に追従するように、前記検出手段が出力した前記検出信号に基づいて前記調整手段を制御する第２制御手段と、
を備えるレーザ加工装置。
【請求項2】
前記第２制御手段は、前記検出手段が出力した前記検出信号に基づいて前記集光レンズの目標制御量を算出する目標制御量算出手段と、
前記目標制御量算出手段が算出した前記目標制御量に基づいて、前記検出用レーザ光の集光点が前記ワークの主面の変位に追従するように、前記調整手段を制御する追従制御手段と、
を備える、請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項3】
加工用レーザ光及び検出用レーザ光をワークに向けて集光する集光レンズと、前記集光レンズと前記ワークとを前記集光レンズの光軸方向に直交する方向に相対的に移動させることにより、前記加工用レーザ光及び前記検出用レーザ光を前記ワークに対してスキャンするスキャン手段と、
前記集光レンズと前記ワークとの間隔を調整する調整手段と、
前記ワークの主面で反射した前記検出用レーザ光の反射光を検出することで、前記ワークの主面の高さに応じた検出信号を出力する検出手段と、
を備えるレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法であって、
前記加工用レーザ光及び前記検出用レーザ光のスキャン位置が前記ワークの中央部である場合には、前記検出用レーザ光の集光点が前記ワークの主面の変位に追従するように、前記検出手段が出力した前記検出信号に基づいて前記調整手段を制御する第１制御ステップと、
前記加工用レーザ光及び前記検出用レーザ光のスキャン位置が前記ワークの端部である場合には、前記第１制御ステップよりも前記ワークの主面の変位に対する追従性を低下させた状態で、前記検出用レーザ光の集光点が前記ワークの主面の変位に追従するように、前記検出手段が出力した前記検出信号に基づいて前記調整手段を制御する第２制御ステップと、
を備えるレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、レーザ光を利用してワークを加工するためのレーザ加工技術に関する。
【背景技術】
【0002】
従来のレーザ加工技術として、ワーク上をスキャンしながら、集光レンズを介して加工用レーザ光をワークの表面またはその内部に集光させて加工する技術が知られている。
【0003】
このようなレーザ加工技術では、加工用レーザ光の集光点の高さ（又は加工深さ）を一定に保つために、オートフォーカス機能を利用して、ワークの表面（レーザ光照射面）の変位に集光レンズが追従するように集光レンズの位置を調節するフィードバック制御が行われている（例えば、特許文献１参照）。
【0004】
ところで、オートフォーカス機能により加工用レーザ光の集光点とワークの表面との間を所望の距離に維持する制御においては、その制御によって解消しようとするずれ量が大きい場合にオーバーシュート、ハンチングやオシレーション（以下、「オーバーシュート等」という。）といった好ましくない状態が発生する場合がある。
【0005】
特にワークの端（外縁）における加工開始部においては、オートフォーカス機能により制御を開始する以前から存在していたずれ量（加工用レーザ光の集光点とワークの表面との距離の初期誤差）が原因となり、上記のような現象が発生しやすい。
【0006】
このような好ましくない現象を緩和する方法として、ワークの加工開始端においてオートフォーカス制御を行わないようにした技術（例えば、特許文献１参照）や、近傍のワークの表面の高さから加工開始点の高さを予測する技術（例えば、特許文献２参照）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【文献】特開２００５－１９３２８４号公報
【文献】特開２００９－２９７７７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかしながら、特許文献１に開示された技術では、オートフォーカス制御を行わない領域においてずれ量が増大する場合があり、そのような場合にはオートフォーカス制御を開始した後にオーバーシュート等の好ましくない状態が発生しやすくなる。
【0009】
また、特許文献２に開示された技術では、予測した高さと実際の高さとのずれ量が大きい場合にオーバーシュート等の好ましくない状態が発生しやすくなる。
【0010】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、オーバーシュート等の好ましくない状態が発生することなく、オートフォーカス機能を安定動作させ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。
【課題を解決するための手段】
【0011】
上記目的を達成するために、以下の発明を提供する。
【0012】
本発明の第１態様に係るレーザ加工装置は、加工用レーザ光及び検出用レーザ光をワークに向けて集光する集光レンズと、集光レンズとワークとを集光レンズの光軸方向に直交する方向に相対的に移動させることにより、加工用レーザ光及び検出用レーザ光をワークに対してスキャンするスキャン手段と、集光レンズとワークとの間隔を調整する調整手段と、ワークの主面で反射した検出用レーザ光の反射光を検出することで、ワークの主面の高さに応じた検出信号を出力する検出手段と、加工用レーザ光及び検出用レーザ光のスキャン位置がワークの中央部である場合には、検出用レーザ光の集光点がワークの主面の変位に追従するように、検出手段が出力した検出信号に基づいて調整手段を制御する第１制御手段と、加工用レーザ光及び検出用レーザ光のスキャン位置がワークの端部である場合には、第１制御手段よりもワークの主面の変位に対する追従性を低下させた状態で、検出用レーザ光の集光点がワークの主面の変位に追従するように、検出手段が出力した検出信号に基づいて調整手段を制御する第２制御手段と、を備える。
【0013】
本発明の第２態様に係るレーザ加工装置は、第１態様において、第２制御手段は、検出手段が出力した検出信号に基づいて集光レンズの目標制御量を算出する目標制御量算出手段と、目標制御量算出手段が算出した目標制御量に基づいて、検出用レーザ光の集光点がワークの主面の変位に追従するように、調整手段を制御する追従制御手段と、を備える。
【0014】
本発明の第３態様に係るレーザ加工装置は、第２態様において、第２制御手段による追従が開始されたときの検出用レーザ光の集光点の位置を第１位置とし、ワークの主面上の位置を第２位置としたとき、目標制御量算出手段は、第１位置と第２位置との間の位置を目標位置に設定し、検出用レーザ光の集光点の現在位置と目標位置とに基づいて目標制御量を算出する。
【0015】
本発明の第４態様に係るレーザ加工装置は、第３態様において、第２制御手段は、検出用レーザ光の集光点の現在位置と目標位置との差分に制御ゲインを乗算して得られる値を目標制御量として算出する。
【0016】
本発明の第５態様に係るレーザ加工装置は、第４態様において、ユーザの指示に従って制御ゲインを調整する制御ゲイン調整手段を備える。
【0017】
本発明の第６態様に係るレーザ加工装置は、第１態様から第５態様のいずれか１つの態様において、加工用レーザ光及び検出用レーザ光のスキャン位置が、ワークの端部であるかワークの中央部であるかを判定する判定手段を備える。
【0018】
本発明の第７態様に係るレーザ加工方法は、加工用レーザ光及び検出用レーザ光をワークに向けて集光する集光レンズと、集光レンズとワークとを集光レンズの光軸方向に直交する方向に相対的に移動させることにより、加工用レーザ光及び検出用レーザ光をワークに対してスキャンするスキャン手段と、集光レンズとワークとの間隔を調整する調整手段と、ワークの主面で反射した検出用レーザ光の反射光を検出することで、ワークの主面の高さに応じた検出信号を出力する検出手段と、を備えるレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法であって、加工用レーザ光及び検出用レーザ光のスキャン位置がワークの中央部である場合には、検出用レーザ光の集光点がワークの主面の変位に追従するように、検出手段が出力した検出信号に基づいて調整手段を制御する第１制御ステップと、加工用レーザ光及び検出用レーザ光のスキャン位置がワークの端部である場合には、第１制御ステップよりもワークの主面の変位に対する追従性を低下させた状態で、検出用レーザ光の集光点がワークの主面の変位に追従するように、検出手段が出力した検出信号に基づいて調整手段を制御する第２制御ステップと、を備える。
【発明の効果】
【0019】
本発明によれば、オーバーシュート等の好ましくない状態が発生することなく、オートフォーカス機能を安定動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】本実施形態のレーザ加工装置の概略を示した構成図
【図2】ワークの内部の集光点近傍に形成される改質領域を説明する概念図
【図3】制御装置の構成を示したブロック図
【図4】集光レンズとワークとをワークの分割予定ラインに沿って相対的に移動させる様子を示した図
【図5】低追従ＡＦ制御を説明するための図
【図6】本実施形態のレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法の流れを示したフローチャート
【図7】低追従ＡＦ制御の他の例が実行されない場合を説明するための図
【図8】低追従ＡＦ制御の他の例が実行された場合を説明するための図
【発明を実施するための形態】
【0021】
以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。
【0022】
【0023】
ステージ１２は、ワークＷを吸着保持するものである。ワークＷとしては、特に限定されるものではないが、例えば、シリコンウェーハ等の半導体基板、ガラス基板、圧電セラミック基板などを適用することができる。ワークＷは、デバイス面とは反対側の面が上向きとなるようにステージ１２上に載置されてもよいし、ワークＷのデバイス面が上向きとなるようにステージ１２上に載置されてもよい。以下、ワークＷの上側の面をワークＷの表面（レーザ光照射面）と称し、その反対側の面をワークＷの裏面と称することにする。なお、本実施形態においては、ワークＷの表面が本発明の「ワークの主面」に相当する。
【0024】
ステージ１２は、図示しないステージ移動機構によりＸＹＺθ方向に移動可能に構成される。ステージ移動機構としては、例えば、ボールねじ駆動、リニアモータ機構等の種々の機構にて構成することができる。ステージ１２は、本発明の「スキャン手段」の一例である。
【0025】
なお、図１に示す例では、ＸＹＺの３方向は互いに直交し、このうちＸ方向およびＹ方向は水平方向であり、Ｚ方向は鉛直方向である。またθ方向は、鉛直方向軸（Ｚ軸）を回転軸とする回転方向である。
【0026】
光学系装置２０は、ステージ１２に対向する位置に配置される。光学系装置２０は、ワークＷを吸着保持するステージ１２に対して相対的に移動しながら、ワークＷの内部に改質領域を形成するための加工用レーザ光Ｌ１をワークＷに対して照射するものである。
【0027】
光学系装置２０は、レーザ光源２１と、ダイクロイックミラー２３と、集光レンズ２４と、アクチュエータ２５と、オートフォーカス検出装置３０（以下、「ＡＦ検出装置」という。）とを備える。
【0028】
レーザ光源２１は、ワークＷの内部に改質領域を形成するための加工用レーザ光Ｌ１を出射する。
【0029】
ダイクロイックミラー２３は、加工用レーザ光Ｌ１を透過し、かつ後述するＡＦ検出装置３０から出射される検出用レーザ光Ｌ２を反射する。なお、本実施形態においては、ダイクロイックミラー２３によって、検出用レーザ光Ｌ２の光軸と加工用レーザ光Ｌ１の光軸とを同軸にして出射する構成となっている。
【0030】
レーザ光源２１から出射された加工用レーザ光Ｌ１は、ダイクロイックミラー２３を通過した後、集光レンズ２４によりワークＷの内部に集光される。加工用レーザ光Ｌ１の集光点の位置（焦点位置）は、アクチュエータ２５によって集光レンズ２４をＺ方向に微小移動させることにより調節される。なお、アクチュエータ２５は、集光レンズ２４とワークＷとの間隔を調整するものであり、本発明の「調整手段」の一例である。
【0031】
図２は、ワークＷの内部の集光点近傍に形成される改質領域を説明する概念図である。図２の２Ａは、ワークＷの内部に入射された加工用レーザ光Ｌ１が集光点に改質領域１４を形成した状態を示し、図２の２Ｂは断続するパルス状の加工用レーザ光Ｌ１の下でワークＷが水平方向に移動され、不連続な改質領域１４、１４、…が並んで形成された状態を表している。図２の２Ｃは、ワークＷの内部に改質領域１４が多層に形成された状態を示している。
【0032】
図２の２Ａに示すように、ワークＷの表面から入射した加工用レーザ光Ｌ１の集光点Ｐ１がワークＷの厚み方向の内部に設定されていると、ワークＷの表面を透過した加工用レーザ光Ｌ１は、ワークＷの内部の集光点Ｐ１でエネルギーが集中し、ワークＷの内部の集光点Ｐ１近傍に改質領域１４が形成される。図２の２Ｂに示すように、断続するパルス状の加工用レーザ光Ｌ１をワークＷに照射して複数の改質領域１４、１４、…を分割予定ラインに沿って形成することで、ワークＷは分子間力のバランスが崩れ、改質領域１４、１４、…を起点として自然に割断するか、或いは僅かな外力を加えることによって割断される。
【0033】
また、厚さの厚いワークＷの場合は、改質領域１４の層が１層では割断できないので、図２の２Ｃに示すように、ワークＷの厚み方向に加工用レーザ光Ｌ１の集光点を移動し、改質領域１４を多層に形成させて割断する。
【0034】
なお、図２の２Ｂ及び２Ｃに示した例では、断続するパルス状の加工用レーザ光Ｌ１で不連続な改質領域１４、１４、…を形成した状態を示したが、加工用レーザ光Ｌ１の連続波の下で連続的な改質領域１４を形成するようにしてもよい。不連続の改質領域１４を形成した場合は、連続した改質領域１４を形成した場合に比べて割断され難いので、ワークＷの厚さや搬送中の安全等の状況によって、加工用レーザ光Ｌ１の連続波を用いるか、断続波を用いるかが適宜選択される。
【0035】
図１に戻って、ＡＦ検出装置３０は、ワークＷの表面（レーザ光照射面）の高さ位置（Ｚ方向位置）に関する位置情報を検出するための検出用レーザ光Ｌ２を出射し、ワークＷの表面で反射した検出用レーザ光Ｌ２の反射光を受光し、その受光した反射光に基づいて、ワークＷの表面の高さに応じた検出信号を検出して出力する。なお、ＡＦ検出装置３０は、本発明の「検出手段」の一例である。
【0036】
ＡＦ検出装置３０は、検出用レーザ光Ｌ２を出射する検出用レーザ光源（不図示）を備える。検出用レーザ光Ｌ２は、加工用レーザ光Ｌ１とは異なる波長であってワークＷの表面で反射可能な波長を有する。
【0037】
ＡＦ検出装置３０の検出用レーザ光源から出射された検出用レーザ光Ｌ２は、ダイクロイックミラー２３で反射され、集光レンズ２４により集光されてワークＷの表面に照射される。ワークＷで反射された検出用レーザ光Ｌ２の反射光は、集光レンズ２４を経由してダイクロイックミラー２３で反射され、ＡＦ検出装置３０に設けられる光検出器（不図示）の受光面で受光される。そして、光検出器により受光した反射光の分布と光量が検出される。
【0038】
ここで、ワークＷの表面で反射された検出用レーザ光Ｌ２の反射光の分布と光量は、検出用レーザ光Ｌ２の集光点Ｐ２とワークＷの表面との距離（以下、「デフォーカス距離」という。）、すなわち、ワークＷの表面の変位（凹凸形状）に応じて変化する。ＡＦ検出装置３０は、この性質を利用して、ワークＷの表面で反射された検出用レーザ光Ｌ２の反射光の分布と光量の変化に基づいてワークＷの表面の高さ位置に応じた検出信号を検出して出力する。なお、ＡＦ検出装置３０における検出方法としては、例えば、非点収差方式、ナイフエッジ方式などを好ましく用いることができる。これらの方式については公知であるので、ここでは詳細な説明を省略する。
【0039】
上述のようなＡＦ検出装置３０による検出動作は、所定の分割予定ライン上で連続的に行われる。これにより、分割予定ラインに沿ってワークＷの内部に改質領域１４を形成する際に、ＡＦ検出装置３０の検出結果に基づいて加工用レーザ光Ｌ１の集光点Ｐ１をリアルタイムでフィードバック制御することが可能となる。
【0040】
図１に示す制御装置５０は、レーザ加工装置１０の各部の動作や加工に必要なデータの記憶等を行う。
【0041】
制御装置５０は、例えばパーソナルコンピュータやマイクロコンピュータなどの汎用のコンピュータによって実現されるものである。制御装置５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のプロセッサ、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）等のメモリ、キーボードやマウス等の入力装置、モニタ等の出力装置、その他の周辺回路等を含んで構成され、これらを用いて所定の動作プログラムを実行することで、図３に示す制御装置５０の各部の機能を実現する処理を行う。
【0042】
図３は、制御装置５０の構成を示したブロック図である。図３に示すように、制御装置５０は、主制御部５２と、ステージ制御部５４と、レーザ制御部５６と、ＡＦ制御部５８と、判定部６０と、制御ゲイン調整部６２として機能する。
【0043】
主制御部５２は、レーザ加工装置１０の各部を統括的に制御する機能部である。具体的には、主制御部５２は、ステージ制御部５４、レーザ制御部５６、ＡＦ制御部５８、判定部６０、及び制御ゲイン調整部６２を統括的に制御する。
【0044】
ステージ制御部５４は、ステージ１２の移動（回転を含む）を制御する制御信号をステージ１２に出力する。
【0045】
レーザ制御部５６は、加工用レーザ光Ｌ１の出射を制御する部分であり、加工用レーザ光Ｌ１の波長、パルス幅、強度、出射タイミング、及び繰り返し周波数などを制御する制御信号をレーザ光源２１に出力する。
【0046】
ＡＦ制御部５８は、ＡＦ検出装置３０から出力された検出信号に基づいて、アクチュエータ２５の駆動を制御する制御信号をアクチュエータ２５に出力する。また、ＡＦ制御部５８は、検出用レーザ光Ｌ２の出射を制御する制御信号をＡＦ検出装置３０の検出用レーザ光源に出力する。
【0047】
判定部６０は、ワークＷの分割予定ライン上をスキャンするレーザ光（加工用レーザ光Ｌ１及び検出用レーザ光Ｌ２）のスキャン位置がワーク端部Ｒ１とワーク中央部Ｒ２とのどちらのワーク領域に存在するかを判定する判定処理を行う機能部である。判定部６０は、本発明の「判定手段」の一例である。
【0048】
判定部６０における判定処理方法の一例として、例えば、制御装置５０のメモリ部（不図示）に設定されたワークＷに関する情報（ワークＷの大きさを含む）やステージ１２の移動速度等に基づいて判定処理を行う方法を採用することができる。なお、判定部６０における判定処理方法としては、ワークＷの分割予定ライン上をスキャンするレーザ光のスキャン位置がワーク端部Ｒ１とワーク中央部Ｒ２とのどちらのワーク領域に存在するかを判定することができる方法であれば他の判定処理方法を採用してもよい。例えば、ＡＦ検出装置３０の測定結果を利用してワーク領域の判定処理を行ってもよい。
【0049】
制御ゲイン調整部６２は、入力装置を介してユーザが指示した内容に従って、後述する制御ゲインを調整する機能部である。
【0050】
［ＡＦ制御］
次に、ＡＦ制御部５８が実行するＡＦ制御について詳細に説明する。
次に、ＡＦ制御部５８が実行するＡＦ制御について詳細に説明する。
【0051】
図４は、集光レンズ２４とワークＷとをワークＷの分割予定ラインに沿って相対的に移動させる様子を示した図である。
【0052】
図４に示すように、ワークＷの分割予定ラインに沿ってワークＷの外側の位置からワークＷの内側へ向かって集光レンズ２４を相対的に移動させることにより、加工用レーザ光Ｌ１及び検出用レーザ光Ｌ２をワークＷに対してスキャンする際、ＡＦ検出装置３０は、制御周期毎に、ワークＷの表面（以下、「ワーク表面」という。）の高さ位置を示す検出信号を検出してＡＦ制御部５８へ出力する。
【0053】
ＡＦ制御部５８は、ＡＦ検出装置３０が検出した検出信号に基づいて、集光レンズ２４とワーク表面との距離が一定となるようにアクチュエータ２５を駆動して集光レンズ２４を光軸方向に移動させる。すなわち、ＡＦ制御部５８は、ワーク表面の変位に追従するように集光レンズ２４の高さ位置をフィードバック制御する。これにより、ワークＷに集光レンズ２４を介して加工用レーザ光Ｌ１を照射する際に、ワーク表面から一定の深さの位置に改質領域１４を形成することが可能となる。なお、検出用レーザ光Ｌ２の集光点Ｐ２は、加工用レーザ光Ｌ１の集光点Ｐ１よりも一定の距離分だけ上側に設定される。以下、この制御を「通常ＡＦ制御」という。なお、通常ＡＦ制御については公知の方法であるので、通常ＡＦ制御についての詳細な説明は省略する。
【0054】
ここで、ワーク端部Ｒ１においては、ワーク中央部Ｒ２（ワーク端部Ｒ１を除いた部分）に比べてワーク表面の変位が大きくなる。そのため、上述した通常ＡＦ制御により、加工用レーザ光Ｌ１の集光点Ｐ１とワーク表面との間を所望の距離に維持する制御を実行しようとすると、その制御によって解消しようとするずれ量が大きくなり、オーバーシュート等の好ましくない状態が発生しやすくなる。
【0055】
また、ワーク端部Ｒ１においてオートフォーカス機能を無効にすると、オートフォーカス機能を行わない領域において上記ずれ量が増大する場合があり、そのような場合にはＡＦ制御を開始した後にオーバーシュート等の好ましくない状態が発生しやすくなる。
【0056】
そこで本実施形態では、このような不具合を防ぐため、ＡＦ制御部５８は、ワーク中央部Ｒ２では通常ＡＦ制御を実行し、ワーク端部Ｒ１では通常ＡＦ制御とは異なるＡＦ制御（低追従ＡＦ制御）を実行する。なお、ＡＦ制御部５８は、通常ＡＦ制御を実行する場合は本発明の「第１制御手段」として機能し、低追従ＡＦ制御を実行する場合は本発明の「第２制御手段」として機能する。
【0057】
以下、ＡＦ制御部５８がワーク端部Ｒ１において実行する低追従ＡＦ制御について説明する。
【0058】
低追従ＡＦ制御では、オートフォーカス機能の制御力（調整力）を通常ＡＦ制御よりも小さくしてＡＦ制御を実行する。すなわち、ワーク端部Ｒ１では、オートフォーカス機能を無効にすることなく、オートフォーカス機能によるワーク表面の変位に対する追従性を低下させた状態でＡＦ制御を実行する。
【0059】
図５は、低追従ＡＦ制御を説明するための図である。図５には、ワーク端部Ｒ１におけるワーク表面の変位を示す表面変位曲線Ｃ１と、低追従ＡＦ制御によりワーク表面の変位を追従したときにおける、検出用レーザ光Ｌ２の集光点Ｐ２の移動軌跡を示す追従曲線Ｃ２とを示している。図５において、横軸はスキャン位置（分割予定ラインに沿った方向の位置）を示し、縦軸は高さ位置を示す。
【0060】
図５に示すように、低追従ＡＦ制御では、ワーク端部Ｒ１の一端（Ｑ０で示した位置）を追従開始位置として、この追従開始位置から検出用レーザ光Ｌ２の集光点Ｐ２がワーク表面の変位に追従するように、アクチュエータ２５により集光レンズ２４を光軸方向に移動させる制御を行う。この低追従ＡＦ制御では、追従開始位置において、検出用レーザ光Ｌ２の集光点Ｐ２が所定の突入高さ（制御開始高さ）ｈとなるように集光レンズ２４が予め設定した高さ（基準高さ）に保持される。そして、低追従ＡＦ制御が開始されると、ＡＦ検出装置３０は、制御周期毎に、ワークＷの表面の高さ位置を示す検出信号を検出してＡＦ制御部５８へ出力する。
【0061】
ＡＦ制御部５８は、ＡＦ検出装置３０が検出した検出信号に基づき、検出用レーザ光Ｌ２の集光点Ｐ２とワーク表面との距離ａを算出する（以下、距離ａを「デフォーカス距離ａ」という。）。そして、ＡＦ制御部５８は、算出したデフォーカス距離ａに基づいて、次の制御周期における、検出用レーザ光Ｌ２の集光点Ｐ２の目標位置（高さ）ｂを算出する。検出用レーザ光Ｌ２の集光点Ｐ２の目標位置ｂは、以下の式（１）によって求められる。
【0062】
ｂ＝ｈ＋ａ ・・・（１）
なお、デフォーカス距離ａは、検出用レーザ光Ｌ２の集光点Ｐ２がワーク表面よりも上側にある場合は負の値を示し、検出用レーザ光Ｌ２の集光点Ｐ２がワーク表面よりも下側にある場合は正の値を示す。
なお、デフォーカス距離ａは、検出用レーザ光Ｌ２の集光点Ｐ２がワーク表面よりも上側にある場合は負の値を示し、検出用レーザ光Ｌ２の集光点Ｐ２がワーク表面よりも下側にある場合は正の値を示す。
【0063】
次に、ＡＦ制御部５８は、検出用レーザ光Ｌ２の集光点Ｐ２の目標位置ｂに基づいて、次の制御周期において集光レンズ２４を光軸方向に移動させるための目標制御量ｄを算出する。なお、この場合、ＡＦ制御部５８は、本発明の「目標制御量算出手段」として機能する。
【0064】
次の目標制御量ｄは、検出用レーザ光Ｌ２の集光点Ｐ２の現在位置（高さ）をｐとすると、以下の式（２）によって求められる。
【0065】
ｄ＝（ｂ－ｐ）×Ｇ ・・・（２）
すなわち、次の目標制御量ｄは、検出用レーザ光Ｌ２の集光点Ｐ２の現在位置ｐと目標位置ｂとの差分に制御ゲインＧを乗算して得られる値である。
すなわち、次の目標制御量ｄは、検出用レーザ光Ｌ２の集光点Ｐ２の現在位置ｐと目標位置ｂとの差分に制御ゲインＧを乗算して得られる値である。
【0066】
ここで、ある制御周期における検出用レーザ光Ｌ２の集光点Ｐ２の位置（高さ）をｐ０とし、そのときに算出された目標制御量をｄとし、次の制御周期における検出用レーザ光Ｌ２の集光点Ｐ２の位置（高さ）をｐ１とし、追従率をＦとすると、以下の式（３）が成り立つ。
【0067】
ｐ１＝ｐ０＋ｄ×Ｆ ・・・（３）
但し、追従率Ｆは、ある制御周期で目標制御量ｄを指令したときに次の制御周期までに実際に移動できる検出用レーザ光Ｌ２の集光点Ｐ２の光軸方向の移動量をｅとしたとき、移動量ｅを目標制御量ｄで除算して得られる値である。すなわち、追従率Ｆは、以下の式（４）によって定義される値である。
但し、追従率Ｆは、ある制御周期で目標制御量ｄを指令したときに次の制御周期までに実際に移動できる検出用レーザ光Ｌ２の集光点Ｐ２の光軸方向の移動量をｅとしたとき、移動量ｅを目標制御量ｄで除算して得られる値である。すなわち、追従率Ｆは、以下の式（４）によって定義される値である。
【0068】
Ｆ＝ｅ／ｄ ・・・（４）
追従率Ｆは、アクチュエータ２５の遅延等により、例えば０．０１といった１よりも小さい値になる。
追従率Ｆは、アクチュエータ２５の遅延等により、例えば０．０１といった１よりも小さい値になる。
【0069】
ここで、追従率Ｆは、アクチュエータ２５の推力や集光レンズ２４の重量など、光学系装置２０を構成する部品の特性により決まる値である。また、追従率Ｆは複数回の制御周期に渡って同一方向に移動を続けた場合には増加するため定数ではない。このため、低追従ＡＦ制御においては、追従率Ｆの値やその変動特性を考慮して制御ゲインＧを決めることが望ましい。
【0070】
但し、制御ゲインＧが大きすぎると、集光レンズ２４の加速により集光レンズ２４の目標制御量ｄが発振してしまい、制御ゲインＧが小さすぎると集光レンズ２４の応答が遅く所望の動作を実現することができなくなる。したがって、本実施形態では、ワーク端部Ｒ１における制御の発振を抑制し、応答性と安定性を向上させるために、制御ゲインＧは１よりも小さい値（例えば０．７）に設定される。なお、本実施形態では、制御装置５０には制御ゲイン調整部６２が設けられており、入力装置を介してユーザが制御ゲインの設定変更を指示すると、その指示に従って、制御ゲイン調整部６２により制御ゲインが調整されるようになっている。制御ゲイン調整部６２は、本発明の「制御ゲイン調整手段」の一例である。
【0071】
さらにＡＦ制御部５８は、上述のようにして次の目標制御量ｄを算出した後、次の目標制御量ｄに応じた分だけ集光レンズ２４を光軸方向に移動させるようにアクチュエータ２５の駆動を制御する。これにより、次の制御周期における検出用レーザ光Ｌ２の集光点Ｐ２は、上述した式（３）によって求められる位置に移動する。なお、この場合、ＡＦ制御部５８は、本発明の「追従制御手段」として機能する。
【0072】
以上のような制御を行う低追従ＡＦ制御によれば、次の制御周期における検出用レーザ光Ｌ２の集光点Ｐ２の目標位置（高さ）ｂは、検出用レーザ光Ｌ２の集光点Ｐ２の現在位置（高さ）ｐを基準とするのではなく、検出用レーザ光Ｌ２の集光点Ｐ２の突入高さｈを基準として、ＡＦ検出装置３０が検出した検出信号に基づいて算出されるデフォーカス距離ａに応じて決定される（式（１）を参照）。これにより、図５に示すように、検出用レーザ光Ｌ２の集光点Ｐ２の移動軌跡を示す追従曲線Ｃ２は、検出用レーザ光Ｌ２の集光点Ｐ２の突入高さｈを示す直線Ｎと表面変位曲線Ｃ１との間のほぼ中央を通る中間曲線Ｍ（一点鎖線で図示）に近づくように制御される。例えば、ある制御周期における検出用レーザ光Ｌ２の集光点Ｐ２が中間曲線Ｍ上にある場合には、次の目標制御量ｄがゼロになる。
【0073】
［レーザ加工方法］
次に、本実施形態のレーザ加工装置１０を用いたレーザ加工方法について、図６を参照して説明する。図６は、本実施形態のレーザ加工装置１０を用いたレーザ加工方法の流れを示したフローチャートである。なお、ここでは、加工対象となっている任意の分割予定ラインに対して加工が実行される場合について説明する。
次に、本実施形態のレーザ加工装置１０を用いたレーザ加工方法について、図６を参照して説明する。図６は、本実施形態のレーザ加工装置１０を用いたレーザ加工方法の流れを示したフローチャートである。なお、ここでは、加工対象となっている任意の分割予定ラインに対して加工が実行される場合について説明する。
【0074】
まず、ステージ１２上にワークＷが載置された後、アライメント処理が行われる（ステップＳ１０）。アライメント処理では、図示しないアライメント光学系を用いてワークＷのアライメントが行われる。
【0075】
次に、レーザ光照射走査工程が行われる（ステップＳ１２）。レーザ光照射走査工程では、レーザ光源２１から加工用レーザ光Ｌ１を出射するとともに、ＡＦ検出装置３０の検出用レーザ光源から検出用レーザ光Ｌ２を出射し、集光レンズ２４により集光された加工用レーザ光Ｌ１及び検出用レーザ光Ｌ２がワークＷの分割予定ライン上をスキャンするようにステージ１２を移動させる。このとき、図４に示すように、ワークＷの外側の位置からワークＷの内側へ向かって加工用レーザ光Ｌ１及び検出用レーザ光Ｌ２をスキャンさせる。
【0076】
次に、第１判定処理が行われる（ステップＳ１４）。第１判定処理では、判定部６０により、現在のスキャン位置がワーク端部Ｒ１に存在するか否かが判定される。
【0077】
第１判定処理の結果、現在のスキャン位置がワーク端部Ｒ１に存在すると判定された場合（ステップＳ１４においてＹｅｓの場合）には、ＡＦ制御部５８は、低追従ＡＦ制御により集光レンズ２４の位置をフィードバック制御しながら（ステップＳ１６；本発明の「第２制御ステップ」に相当）、集光レンズ２４を介して加工用レーザ光Ｌ１をワークＷに対して照射することにより、ワークＷの内部に改質領域を形成する（ステップＳ２２）。
【0078】
一方、第１判定処理の結果、現在のスキャン位置がワーク端部Ｒ１に存在しないと判定された場合（ステップＳ１４においてＮｏの場合）には、第２判定処理が行われる（ステップＳ１８）。第２判定処理では、判定部６０により、現在のスキャン位置がワーク中央部Ｒ２に存在するか否かが判定される。
【0079】
第２判定処理の結果、現在のスキャン位置がワーク中央部Ｒ２に存在すると判定された場合（ステップＳ１８においてＹｅｓの場合）には、ＡＦ制御部５８は、通常ＡＦ制御により集光レンズ２４の位置をフィードバック制御しながら（ステップＳ２０；本発明の「第１制御ステップ」に相当）、集光レンズ２４を介して加工用レーザ光Ｌ１をワークＷに対して照射することにより、ワークＷの内部に改質領域を形成する（ステップＳ２２）。
【0080】
一方、第２判定処理の結果、現在のスキャン位置がワーク中央部Ｒ２に存在しないと判定された場合（ステップＳ１８においてＮｏの場合）には、現在のスキャン位置がワークＷ上に存在しない場合であり、この場合にはステップＳ２４に進む。
【0081】
ステップＳ２２の改質領域形成処理が行われた後、または、ステップＳ１８の第２判定処理でＮｏと判定された場合には、ワークＷに対する加工が完了したか否かを判断する判断処理が行われる（ステップＳ２４）。判断処理では、主制御部５２により、加工対象となっている分割予定ラインに対して改質領域の形成が完了したか否かが判断される。
【0082】
判断処理の結果、ワークＷに対する加工が完了していないと判断された場合（ステップＳ２４においてＮｏの場合）には、ステップＳ１４に戻って、同様の処理を繰り返し行う。一方、判断処理の結果、ワークＷに対する加工が完了したと判断された場合（ステップＳ２４においてＹｅｓの場合）には、フローチャートが終了となる。
【0083】
なお、ここでは、加工対象となっている任意の分割予定ラインに対して加工が実行される場合について説明したが、ワークＷの全ての分割予定ラインに対して同様の処理が実行される。
【0084】
［本実施形態の効果］
本実施形態によれば、ワーク中央部Ｒ２では通常ＡＦ制御が実行され、ワーク端部Ｒ１では低追従ＡＦ制御が実行される。低追従ＡＦ制御は、通常ＡＦ制御よりもワーク表面の変位に対する追従性を低下させたものであり、ワーク端部Ｒ１における制御の発振を抑制しつつ、ワーク表面の変位に対する追従を安定して行うことが可能となる。これにより、ワーク端部Ｒ１においても加工用レーザ光Ｌ１の集光点Ｐ１が大きく乱れることなく、安定した制御を実現することが可能となる。すなわち、オーバーシュート等の好ましくない状態が発生することなく、オートフォーカス機能を安定動作させることができる。その結果、ワーク表面から一定の深さの位置に加工用レーザ光Ｌ１の集光点Ｐ１を位置付けることできるので、ワークＷの内部の所望の位置に改質領域１４を精度よく安定して形成することが可能となる。
本実施形態によれば、ワーク中央部Ｒ２では通常ＡＦ制御が実行され、ワーク端部Ｒ１では低追従ＡＦ制御が実行される。低追従ＡＦ制御は、通常ＡＦ制御よりもワーク表面の変位に対する追従性を低下させたものであり、ワーク端部Ｒ１における制御の発振を抑制しつつ、ワーク表面の変位に対する追従を安定して行うことが可能となる。これにより、ワーク端部Ｒ１においても加工用レーザ光Ｌ１の集光点Ｐ１が大きく乱れることなく、安定した制御を実現することが可能となる。すなわち、オーバーシュート等の好ましくない状態が発生することなく、オートフォーカス機能を安定動作させることができる。その結果、ワーク表面から一定の深さの位置に加工用レーザ光Ｌ１の集光点Ｐ１を位置付けることできるので、ワークＷの内部の所望の位置に改質領域１４を精度よく安定して形成することが可能となる。
【0085】
なお、低追従ＡＦ制御としては、通常ＡＦ制御よりもワーク表面の変位に対する追従性を低下させる機能を有するものであれば、本実施形態以外のものであってもよい。
【0086】
例えば、低追従ＡＦ制御の他の例として、ＡＦ検出装置３０が検出した検出信号に基づいて算出されるデフォーカス距離ａ（すなわち、検出用レーザ光Ｌ２の集光点Ｐ２とワーク表面との距離ａ）の値に所定の変数ｍ（０以上１以下の値で、集光レンズ２４がワークＷの外側の位置からワークＷの内側へ向かうにつれて１に近づく変数）を乗じた値を、集光レンズ２４を光軸方向（Ｚ方向）に進退移動させるための制御指令値（すなわち、アクチュエータ２５に対する制御指令値）としてもよい。
【0087】
ここで、ワーク端部Ｒ１において、低追従ＡＦ制御の他の例が実行された場合と実行されない場合とでは、次のような違いがある。
【0088】
図７は、低追従ＡＦ制御の他の例が実行されない場合の一例として、ワーク端部Ｒ１において、オートフォーカス機能を動作させずに、集光レンズ２４を特定の位置である初期位置に保持（固定）した場合における集光レンズ２４の高さ位置（集光点Ｐ２の位置）の変化を示した図である。図８は、ワーク端部Ｒ１において、低追従ＡＦ制御の他の例が実行された場合における集光レンズ２４の高さ位置（集光点Ｐ２の位置）の変化を示した図である。なお、図７及び図８には、集光レンズ２４の高さ位置とともに、ワークＷの表面の高さ位置を示している。また、ここでは一例として、ワークＷがシリコンウェーハであり、ワークＷの表面がシリコンウェーハのデバイス面とは反対側の面となる場合を示している。すなわち、図７及び図８においては、ワークＷの表面（すなわち、シリコンウェーハのデバイス面とは反対側の面）の高さ位置がワークＷの外側の位置（外縁）からワークＷの内側（中心側）に向かうにつれて低くなる場合を示している。つまり、シリコンウェーハの外縁（ウェーハエッジ）部分が反りあがっていることを示している。図７及び図８に示したワークＷの表面の高さ位置の変化は、シリコンウェーハによくみられる現象である。
【0089】
図７に示すように、ワーク端部Ｒ１において、オートフォーカス機能を動作させずに、集光レンズ２４を特定の位置である初期位置に保持した場合には、ワークＷの外縁から所定距離内側の区間（高さ固定区間）において、集光レンズ２４の位置は一定の高さに保持される。ここで、高さ固定区間において集光レンズ２４を一定の高さに保持した後に集光レンズ２４の保持が解除されると、集光レンズ２４の集光点Ｐ２の位置とワークＷの表面との距離であるデフォーカス距離ａが大きくなるため、デフォーカス距離ａが０（ゼロ）となるように集光レンズ２４を光軸方向に進退移動させるための制御指令値が大きくなり、その制御指令値に基づいてアクチュエータ２５の駆動を制御すると、集光レンズ２４が急激に大きく変動することになる。その結果、集光レンズ２４の集光点Ｐ２の位置とワークＷの表面の高さ位置との差分（すなわち、デフォーカス距離ａ）が大きくなり、その後さらに制御が行われると、オーバーシュート等の好ましくない状態が発生しやすくなる。
【0090】
これに対し、図８に示すように、低追従ＡＦ制御の他の例では、上述したデフォーカス距離ａ（すなわち、検出用レーザ光Ｌ２の集光点Ｐ２とワーク表面との距離ａ）に所定の変数ｍを乗じた値を、集光レンズ２４を光軸方向（Ｚ方向）に進退移動させるための制御指令値としているので、制御指令値がそもそも大きな値とはならない。そのため、この制御指令値に基づいてアクチュエータ２５の駆動を制御すると、集光レンズ２４が急激に大きく変動することがない。これにより、集光レンズ２４の集光点Ｐ２の位置とワークＷの表面の高さ位置との差分が大きくなることはなく、その後さらに制御が行われても、オーバーシュート等の好ましくない状態が発生することなく、オートフォーカス機能を安定動作させることができる。
【0091】
したがって、低追従ＡＦ制御の他の例においても、ワーク端部Ｒ１における制御の発振を抑制しつつ、ワーク表面の変位に対する追従を安定して行うことが可能となるため、上述した本実施形態における低追従ＡＦ制御と同様の効果を得ることができる。
【0092】
なお、低追従ＡＦ制御の他の例において、好ましい態様の１つとして、デフォーカス距離ａに乗じる変数ｍを、０以上１以下の値で、集光レンズ２４がワークＷの外側の位置からワークＷの内側へ向かうにつれて１に近づく変数とした場合を示したが、これに限らない。例えば、変数ｍは、０以上１以下の値で、平面視でワークＷに対する集光レンズ２４の相対位置に関係なく固定値であってもよい。また、変数ｍを、０以上１以下の値で、集光レンズ２４がワークＷの外側の位置からワークＷの内側へ向かうにつれて１に近づく変数とする場合、ワークＷの外縁からの距離に応じて線形的に変数ｍを増加するようにしてもよいし、ワークＷの外縁からの距離に応じて段階的（離散的）に変数ｍを増加するようにしてもよい。
【0093】
本実施形態のレーザ加工装置１０では、加工用レーザ光Ｌ１をワークＷに対して直線的に相対移動させ、ワーク無しの位置（ワークＷの外縁よりも外側の位置）からワーク位置（ワークＷが存在する位置）を通り越して直線的に加工する。このレーザ加工装置１０は、加工用レーザ光Ｌ１を直線的に相対移動してワークＷを分割（切断）することを目的としたものであり、ワーク無しの位置から、ワークエッジ部分（ワークＷの外縁部分）、ワークフラット部分（ワークＷの厚みが均一な部分）を含め、オーバーシュートすることなく加工する必要がある。そのため、ワークＷの表面（レーザ光照射面）からワークＷの内部の所定深さ位置に精度よく改質領域１４を形成しなくてはいけないので、ワークＷの表面形状を正確にトレースする必要がある。本実施形態のレーザ加工装置１０で行われる低追従ＡＦ制御（上述した他の例を含む）によれば、上述したように、ワーク端部Ｒ１における制御の発振を抑制しつつ、ワーク表面の変位に対する追従を安定して行うことが可能となるため、上記目的を達成することが可能となる。
【0094】
また、本実施形態では、ワークＷの表面（レーザ光照射面）で反射された検出用レーザ光Ｌ２の反射光を利用して、ワークＷの表面の変位に追従するように集光レンズ２４の位置を制御しているが、これに限らない。例えば、ワークＷの裏面（レーザ光照射面とは反対側の面）で反射された検出用レーザ光Ｌ２の反射光を利用して、ワークＷの裏面の変位に追従するように集光レンズ２４の位置を制御してもよい。この場合、ワークＷの裏面が本発明の「ワークの主面」に相当する。
【0095】
また、本実施形態では、低追従ＡＦ制御が適用されるワーク端部Ｒ１の範囲が固定されていてもよいし変更可能であってもよい。例えば、予め設定した複数の範囲の中から所望の範囲をユーザが図示しない入力装置（キーボードやマウスなど）を介して選択できるように構成してもよい。また、加工対象となるワークＷの種類等に応じて、ユーザがワーク端部Ｒ１を任意の範囲で自由に変更できるように構成してもよい。
【0096】
また、本実施形態では、ステージ１２がＸＹＺθ方向に移動可能に構成されているが、光学系装置２０とステージ１２とをＸＹＺθ方向に相対的に移動することができるものであれば他の構成であってもよい。例えば、ステージ１２がＸＺθ方向に移動可能に構成され、光学系装置２０がＹ方向に移動可能に構成されていてもよい。
【0097】
また、本実施形態では、本発明のレーザ加工装置の一例として、加工用レーザ光Ｌ１を集光レンズ２４を介してワークＷの内部に集光して加工するレーザ加工装置（レーザ加工装置１０）を示したが、これに限らず、加工用レーザ光Ｌ１を集光レンズ２４を介してワークＷの表面に集光して加工するレーザ加工装置に対しても本発明を適用することが可能である。
【0098】
本発明の一例について詳細に説明したが、本発明は、これに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはもちろんである。
【符号の説明】
【0099】
１０…レーザ加工装置、１２…ステージ、２０…光学系装置、２１…レーザ光源、２３…ダイクロイックミラー、２４…集光レンズ、２５…アクチュエータ、３０…ＡＦ検出装置、５０…制御装置、５２…主制御部、５４…ステージ制御部、５６…レーザ制御部、５８…ＡＦ制御部、６０…判定部、６２…制御ゲイン調整部、Ｌ１…加工用レーザ光、Ｌ２…検出用レーザ光
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】