JP2010188370A - Laser beam machining apparatus and laser beam machining method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser beam machining apparatus having high flatness in a cut face and fast machining speed, and to provide a machining method. <P>SOLUTION: The laser beam machining apparatus includes: a laser beam source 1 for emitting a laser beam LB; an optical element 3 that utilizes diffraction for diffracting the laser beam LB in a direction parallel to a planned cutting line SL; and a condensing lens 4 that condenses, inside a workpiece 10, the laser beam LB diffracted by the optical element 3 utilizing diffraction. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、レーザ光を加工対象物の割断予定ラインに沿って集光照射して割断の起点となる改質領域を加工対象物の内部に形成するレーザ加工方法及びレーザ加工装置に関する。   The present invention relates to a laser processing method and a laser processing apparatus for forming a modified region which is a starting point of cleaving by condensing and irradiating laser light along a cleaving line of a processing object.

従来、半導体基板とか、圧電セラミック基板とか、ガラス基板等の硬脆材料板体を割断するにあたり、加工対象板体の内部に割断予定ラインに沿って板体に透明な波長を有する短光パルスレーザ光を集光照射し、内部に微小クラックが群生した微細溶融痕(改質領域)を生成させ、その後応力を加えて、その微細溶融痕を起点に板体の厚さ方向に向かって生じるクラックを利用して割断していた(例えば、特許文献1参照。)。   Conventionally, when cutting a hard and brittle material plate such as a semiconductor substrate, a piezoelectric ceramic substrate, a glass substrate, etc., a short optical pulse laser having a wavelength transparent to the plate along the line to be cut inside the plate to be processed Light is focused and irradiated to generate a fine melt mark (modified region) in which micro cracks are clustered inside, and then stress is applied, and cracks are generated in the thickness direction of the plate starting from the fine melt mark. (For example, refer to Patent Document 1).

また、レーザ光のビーム径を逆望遠鏡で拡大して指向性を高め、スリットで割断予定ラインに平行なシート状ビームに整形して集光レンズで集光照射する加工方法も知られている(例えば、特許文献2参照。)。   Also known is a processing method in which the beam diameter of the laser beam is enlarged with an inverse telescope to enhance directivity, and a sheet-like beam parallel to the line to be cleaved is shaped with a slit and condensed with a condenser lens ( For example, see Patent Document 2.)

特開2005−271563号公報JP 2005-271563 A 特開2007−75886号公報JP 2007-75886 A

しかし、この従来のレーザ加工方法では、レーザ光が円形スポットに集光されるため、クラックを発生させて成長させる内部応力が等方的に働く。そのため、クラックが割断予定ラインに沿う方向以外にも発生、成長してしまい、クラックの発生、成長を割断予定ライン方向に集中させることができない。その結果、割断面の平坦度が損なわれる。また、円形スポットを割断予定ラインに沿って照射する際、単位長さ当たりの照射スポットの数が多くなり、加工速度が遅いという問題もある。   However, in this conventional laser processing method, since the laser beam is focused on a circular spot, the internal stress that causes cracks to grow isotropically works. For this reason, cracks are generated and grow in directions other than the direction along the planned cutting line, and the generation and growth of cracks cannot be concentrated in the direction of the planned cutting line. As a result, the flatness of the fractured surface is impaired. Moreover, when irradiating a circular spot along the planned cutting line, there is a problem that the number of irradiation spots per unit length increases and the processing speed is slow.

また、従来の割断予定ラインに平行なシート状ビームを集光照射する方法では、集光点におけるレーザビームの断面形状を、割断予定ラインに垂直な方向の最大長さが割断予定ラインに平行な方向の最大長さより短い形状とする。そのため、割断面にツイストハックルが現れるのを抑制し、割断面の平坦度を向上させることができる。しかしながら、この方法による集光点における断面形状の割断予定ラインに平行な方向の最大長さは、通常の円形ビームを集光した場合の円形集光スポットの直径と同じであり、依然として単位長さ当たりの照射スポットの数を多くしなければならない。その結果、加工速度が遅いという問題が依然として残る。   Further, in the conventional method of condensing and irradiating a sheet beam parallel to the planned cutting line, the cross-sectional shape of the laser beam at the focal point is set so that the maximum length in the direction perpendicular to the planned cutting line is parallel to the planned cutting line. The shape is shorter than the maximum length in the direction. For this reason, it is possible to suppress the appearance of twist hackles on the fractured surface and improve the flatness of the fractured surface. However, the maximum length in the direction parallel to the planned cutting line of the cross-sectional shape at the condensing point by this method is the same as the diameter of the circular focused spot when a normal circular beam is collected, and it is still the unit length. The number of irradiation spots per hit must be increased. As a result, the problem that the processing speed is slow still remains.

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、割断面の平坦度が高く、加工速度の速いレーザ加工装置及び加工方法を提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a laser processing apparatus and a processing method having a high flatness of a fractured surface and a high processing speed.

上記の課題を解決するためになされた本発明のレーザ加工装置は、加工対象物にレーザ光を集光照射することにより、前記加工対象物の割断予定ラインに沿って、割断の起点となる改質領域を前記加工対象物の内部に形成するレーザ加工装置であって、前記レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射された前記レーザ光を前記割断予定ラインに平行な方向に回折させる回折を利用した光学素子と、前記回折を利用した光学素子で回折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レンズと、を有することを特徴とする。   The laser processing apparatus according to the present invention, which has been made to solve the above-described problems, is a modification that becomes the starting point of cleaving along the planned cutting line of the processing object by condensing and irradiating the processing object with laser light. A laser processing apparatus for forming a quality region inside the object to be processed, the laser light source emitting the laser light, and diffracting the laser light emitted from the laser light source in a direction parallel to the cleaved line And an optical element that uses diffraction, and a condensing lens that condenses the laser light diffracted by the optical element that uses diffraction inside the object to be processed.

上記のレーザ加工装置において、前記レーザ光を、前記割断予定ラインと光軸を含む面と直交する方向に偏光させる偏光素子を有するようにするとよい。   In the above laser processing apparatus, it is preferable to have a polarizing element that polarizes the laser light in a direction orthogonal to the plane including the cleaving line and the optical axis.

また、前記回折を利用した光学素子は、前記割断予定ラインと前記光軸を含む面と直交する方向に延在するスリットを形成する一対のナイフエッジを備えるとよい。   The optical element using diffraction may include a pair of knife edges that form slits extending in a direction orthogonal to the plane including the cleaved line and the optical axis.

また、前記回折を利用した光学素子の回折角をθx、前記集光レンズの入射瞳径をD、としたとき、前記回折を利用した光学素子と前記集光レンズとの間隔がD/2θx以下であるとよい。   Further, when the diffraction angle of the optical element using the diffraction is θx and the entrance pupil diameter of the condenser lens is D, a distance between the optical element using the diffraction and the condenser lens is D / 2θx or less. It is good to be.

上記の課題を解決するためになされた本発明のレーザ加工方法は、加工対象物にレーザ光を集光照射することにより、前記加工対象物の割断予定ラインに沿って、割断の起点となる改質領域を前記加工対象物の内部に形成するレーザ加工方法であって、前記レーザ光を回折を利用した光学素子で前記割断予定ラインに平行な方向に回折させる回折ステップと、前記回折ステップで回折されたレーザ光を集光レンズで前記加工対象物の内部に集光照射する集光照射ステップと、を有することを特徴とする。   The laser processing method of the present invention, which has been made to solve the above-mentioned problems, is a modification that becomes the starting point of cleaving along the planned cutting line of the processing object by condensing and irradiating the processing object with laser light. A laser processing method for forming a quality region inside the workpiece, a diffraction step for diffracting the laser light in a direction parallel to the cleaved line by an optical element using diffraction, and diffraction by the diffraction step And a condensing irradiation step of condensing and irradiating the processed laser beam inside the object to be processed with a condensing lens.

上記のレーザ加工方法において、さらに、前記レーザ光を、前記割断予定ラインと光軸を含む面と直交する方向に偏光させる偏光ステップを有するとよい。   The laser processing method may further include a polarization step of polarizing the laser light in a direction perpendicular to the plane including the cleaved line and the optical axis.

割断予定ラインに沿った方向に回折角をもつ回折を利用した光学素子を通過した光をレンズで集光すると、そのレンズの焦平面にフラウンホーファー回折パターンができる。その回折パターンは、レーザ光が割断予定ラインに平行な方向に回折しているので、割断予定ラインに平行な方向の最大長さを通常の円形ビームを集光した場合の円形集光スポットの直径より大きくすることができる。その結果、単位長さ当たりの照射スポットの数を少なくでき、加工速度を早くすることができる。   When light that has passed through an optical element that uses diffraction having a diffraction angle in a direction along the planned cutting line is collected by a lens, a Fraunhofer diffraction pattern is formed on the focal plane of the lens. The diffraction pattern is that the laser beam is diffracted in a direction parallel to the planned cleaving line, so that the maximum length in the direction parallel to the planned cleaving line is the diameter of the circular focused spot when a normal circular beam is collected. Can be larger. As a result, the number of irradiation spots per unit length can be reduced, and the processing speed can be increased.

レーザ光が割断予定ラインと光軸を含む面と直交する方向に偏光していると、割断予定ラインと光軸を含む面と平行方向(厚さ方向)にクラックが多く発生する。その結果、小さい割断荷重で割断することができる。   If the laser light is polarized in a direction perpendicular to the plane including the cleaved line and the optical axis, many cracks are generated in a direction (thickness direction) parallel to the plane including the cleaved line and the optical axis. As a result, it can be cleaved with a small cleaving load.

回折を利用した光学素子の回折角をθx、前記集光レンズの入射瞳径をD、としたとき、回折を利用した光学素子と集光レンズとの間隔がD/2θx以下であると、回折したレーザ光が入射瞳径から外れることがなく、効率よく集光することができる。   If the diffraction angle of the optical element using diffraction is θx and the entrance pupil diameter of the condenser lens is D, the distance between the optical element using diffraction and the condenser lens is D / 2θx or less. Thus, the laser beam is not deviated from the entrance pupil diameter and can be condensed efficiently.

本発明に係るレーザ加工装置のx−z平面視図である。1 is an xz plan view of a laser processing apparatus according to the present invention. 図1の要部斜視図である。It is a principal part perspective view of FIG. 図1の要部拡大視図である。It is a principal part enlarged view of FIG. 集光領域のx−y平面視図である。It is xy plane view of a condensing area | region. 実施例1のバーンパターン観察写真である。2 is a burn pattern observation photograph of Example 1. FIG. 比較例1のバーンパターン観察写真である。2 is a burn pattern observation photograph of Comparative Example 1. ブレーキング装置の模式図である。It is a schematic diagram of a braking device.

本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。   The best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明に係るレーザ加工装置のx−z平面視図、図2は、図1の要部斜視図である。図3は、図1の要部拡大視図、図4は、集光領域のx−y平面視図である。   FIG. 1 is an xz plan view of a laser processing apparatus according to the present invention, and FIG. 2 is a perspective view of a main part of FIG. 3 is an enlarged view of the main part of FIG. 1, and FIG. 4 is an xy plan view of the light condensing region.

本発明のレーザ加工装置は、図1に示すように、短パルスレーザ光を出射するレーザ光源1と、短パルスレーザ光を加工対象物10の割断予定ラインSLとz軸に平行な光軸OAを含む面と直交する方向(y軸方向)に偏光させる偏光素子2と、短パルスレーザ光を割断予定ラインSLに平行なx軸方向に回折させる回折を利用した光学素子3と、回折を利用した光学素子3で回折された短パルスレーザ光を加工対象物10の内部に集光する集光レンズ4と、を備えている。   As shown in FIG. 1, the laser processing apparatus of the present invention includes a laser light source 1 that emits a short pulse laser beam, an optical axis OA that is parallel to the cleaved line SL of the workpiece 10 and the z axis. A polarizing element 2 that polarizes in a direction perpendicular to the plane including the surface (y-axis direction), an optical element 3 that uses diffraction to diffract a short pulse laser beam in the x-axis direction parallel to the cleaving line SL, and uses diffraction And a condensing lens 4 that condenses the short pulse laser light diffracted by the optical element 3 inside the workpiece 10.

レーザ光源1は、例えば、モードロックファイバレーザ(米国イムラ社、モデルD1000)であり、仕様・性能は以下の通りである。   The laser light source 1 is, for example, a mode-locked fiber laser (Imura, USA, model D1000), and specifications and performance are as follows.

中心波長λ :1045nm
ビーム径d0 :4mm
モード :シングル(ガウシアン)
パルス幅 :700fs
パルスエネルギ:10μJ
繰り返し周波数:100kHz
平均パワー :1000mW
レーザ光源1から出射された短パルスレーザ光は、シャッタ5が開かれると加工対象物10に向かう。
Center wavelength λ: 1045 nm
Beam diameter d0: 4 mm
Mode: Single (Gaussian)
Pulse width: 700 fs
Pulse energy: 10μJ
Repeat frequency: 100 kHz
Average power: 1000mW
The short pulse laser beam emitted from the laser light source 1 travels toward the workpiece 10 when the shutter 5 is opened.

シャッタ5を通過したレーザ光は、次の減衰器6で所定のパワーに減衰される。減衰器6は1/2波長板6aと偏光ビームスプリッタ6bとからなる。   The laser light that has passed through the shutter 5 is attenuated to a predetermined power by the next attenuator 6. The attenuator 6 includes a half-wave plate 6a and a polarizing beam splitter 6b.

減衰器6を通過したレーザ光は、光路折り曲げミラー7でx軸方向からz軸方向に折り曲げられる。   The laser beam that has passed through the attenuator 6 is bent by the optical path bending mirror 7 from the x-axis direction to the z-axis direction.

偏光素子2は、1/2波長板であり、偏光素子2を通過したレーザ光は、割断予定ラインSLとz軸に平行な光軸OAを含む面と直交する方向(y軸方向)に偏光した直線偏光になる。   The polarizing element 2 is a half-wave plate, and the laser light that has passed through the polarizing element 2 is polarized in a direction (y-axis direction) orthogonal to the plane including the optical axis OA parallel to the cleaved line SL and the z-axis. Linearly polarized light.

回折を利用した光学素子3は、図2に示すように、割断予定ラインSLと光軸OAを含む面と直交する方向(y軸方向)に延在する幅wのスリットを形成する一対のナイフエッジである。本実施形態では、厚さ0.1mmの矩形ステンレス板31、32の一辺31a、32aがy軸方向に平行で、且つ隙間(スリット幅)がw=1mmとなるように対向して配置されてスリットを形成している。   As shown in FIG. 2, the optical element 3 using diffraction includes a pair of knives that form a slit having a width w extending in a direction (y-axis direction) perpendicular to the plane including the cleaving line SL and the optical axis OA. It is an edge. In this embodiment, the sides 31a and 32a of the rectangular stainless steel plates 31 and 32 having a thickness of 0.1 mm are arranged opposite to each other so that the sides are parallel to the y-axis direction and the gap (slit width) is w = 1 mm. A slit is formed.

回折を利用した光学素子3で回折されたレーザ光は、回折を利用した光学素子3からL=300mm離れた集光レンズ4で加工対象物10の内部に集光スポットの長軸が加工予定ラインSLに沿うように集光される。   The laser beam diffracted by the optical element 3 using diffraction is a processing target line in which the long axis of the condensing spot is processed inside the processing target 10 by the condenser lens 4 which is L = 300 mm away from the optical element 3 using diffraction. Condensed along SL.

集光レンズ3は、例えば、顕微鏡対物レンズ(ミツトヨ製 モデルM Plan Apo NIR HR50×/0.65)であり、仕様・性能は下記の通りである。   The condenser lens 3 is, for example, a microscope objective lens (Mitutoyo model M Plan Apo NIR HR50 × / 0.65), and the specifications and performance are as follows.

対象光:近赤外光
倍率 :50×(焦点距離:4mm)
開口数:0.65(入射瞳径:5.2mm)
加工対象物10は、xyz軸移動ステージ20に載置されている。
Target light: Near infrared light Magnification: 50 × (focal length: 4 mm)
Numerical aperture: 0.65 (incident pupil diameter: 5.2 mm)
The workpiece 10 is placed on the xyz axis moving stage 20.

次に、図3及び図4を参照しながら、回折を利用した光学素子3で回折されたレーザ光が集光レンズ4でどのように集光されるかを説明する。   Next, how the laser light diffracted by the optical element 3 using diffraction is condensed by the condenser lens 4 will be described with reference to FIGS. 3 and 4.

回折を利用した光学素子3に入射する波長λのレーザ光はシングルモードであるため、ビーム径をd0とすると、広がり角θは
θ≒2λ/πd0 (1)
と表される。
Since the laser beam having the wavelength λ incident on the optical element 3 utilizing diffraction is a single mode, if the beam diameter is d0, the spread angle θ is θ≈2λ / πd0 (1)
It is expressed.

また、スリット幅がwの回折を利用した光学素子3によるx軸方向(割断予定ラインSLに平行な方向)の回折角θxは、
θx≒0.688λ/w (2)
と表される。
Also, the diffraction angle θx in the x-axis direction (direction parallel to the cleaving line SL) by the optical element 3 using diffraction with a slit width of w is:
θx ≒ 0.688λ / w (2)
It is expressed.

レーザ光は、回折を利用した光学素子3でy軸方向には回折されないので、焦点距離fの集光レンズ4で集光したときの集光スポットのy軸方向の径(短軸の長さ)dsは、
ds≒2fθ≒4λf/πd0 (3)
と表される。
Since the laser light is not diffracted in the y-axis direction by the optical element 3 using diffraction, the diameter of the condensed spot in the y-axis direction (the length of the short axis) when condensed by the condenser lens 4 having the focal length f. Ds is
ds≈2fθ≈4λf / πd0 (3)
It is expressed.

一方、レーザ光は、回折を利用した光学素子でx軸方向に回折されるので、集光スポットのx軸方向の径(長軸の長さ)dlは、
dl≒2fθx≒1.376λf/w (4)
と表される。
On the other hand, since the laser light is diffracted in the x-axis direction by an optical element using diffraction, the diameter (long-axis length) dl of the focused spot in the x-axis direction is:
dl≈2fθx≈1.376λf / w (4)
It is expressed.

加工速度を速くするためには、
dl>ds (5)
を満たす必要がある。(3)〜(5)式から、加工速度を速くするためには、
w<0.344πd0
を満たす必要がある。すなわち、スリット幅wをレーザ光のビーム径d0に0.344πを乗じた値より小さくすれば、加工速度が速くなることがわかる。
To increase the processing speed,
dl> ds (5)
It is necessary to satisfy. From (3) to (5), in order to increase the processing speed,
w <0.344πd0
It is necessary to satisfy. That is, it can be seen that if the slit width w is made smaller than the value obtained by multiplying the beam diameter d0 of the laser beam by 0.344π, the processing speed is increased.

例えば、上記のように、do=4mmのレーザ光の場合、w<4.3mmとなり、スリット幅wを4.3mm未満にする必要がある。   For example, as described above, in the case of laser light with do = 4 mm, w <4.3 mm, and the slit width w needs to be less than 4.3 mm.

なお、本実施形態では、d0=4mm、λ=1045nm、f=4mm、w=1mmであるので、(3)式からds=1.3μm、(4)式からdl=5.8μm(短径と長径の比である楕円率が0.22)となる。すなわち、本発明によれば、レーザ光を回折させずに集光したときの集光スポットを割断予定ラインSLに6個配列したのと同等の集光スポットになり、加工速度が6倍になることがわかる。   In this embodiment, since d0 = 4 mm, λ = 1045 nm, f = 4 mm, and w = 1 mm, ds = 1.3 μm from the expression (3) and dl = 5.8 μm from the expression (4) (short diameter) The ellipticity, which is the ratio of the major axis and the major axis, is 0.22). That is, according to the present invention, the condensed spot when the laser beam is condensed without being diffracted is equivalent to the case where six condensed spots are arranged in the cleaved line SL, and the processing speed is increased six times. I understand that.

図3において回折角θxが大きい場合や回折を利用した光学素子3と集光レンズ4との間隔が大である場合、回折光の全てが集光レンズ3の入射瞳4aを通過できなくなり、レーザ光のパワーを損してしまう。回折を利用した光学素子3から入射瞳4aまでの距離をL、入射瞳径をDとすると、回折光が回折を利用した光学素子3からLだけ離れた位置では2Ltanθx≒2Lθxに拡がるので、これが入射瞳径Dより小さければ、パワー損失が起こらない。したがって、パワー損失を回避するためには、
2Lθx<D
L<D/2θx
を満たす必要がある。本実施形態ではD=5.2mm、θx=0.719mradであるので、Lが3600mm未満であればパワー損失が回避される。なお、本実施形態では、L=300mmであるので、入射瞳での蹴られによるパワー損失がない。
In FIG. 3, when the diffraction angle θx is large or when the distance between the optical element 3 using the diffraction and the condenser lens 4 is large, all of the diffracted light cannot pass through the entrance pupil 4a of the condenser lens 3, and the laser The power of light is lost. If the distance from the optical element 3 utilizing diffraction to the entrance pupil 4a is L and the diameter of the entrance pupil is D, the diffracted light spreads to 2Ltanθx≈2Lθx at a position L away from the optical element 3 utilizing diffraction. If it is smaller than the entrance pupil diameter D, no power loss occurs. Therefore, to avoid power loss,
2Lθx <D
L <D / 2θx
It is necessary to satisfy. In this embodiment, since D = 5.2 mm and θx = 0.719 mrad, power loss is avoided if L is less than 3600 mm. In this embodiment, since L = 300 mm, there is no power loss due to kicking at the entrance pupil.

図1に示すレーザ加工装置で集光スポットの検証実験を行った。加工対象物10は、厚さ300μmのシリコン板である。シリコン板の表面に集光レンズ4の焦点を合わせ、集光スポットに対応するバーンパターンを観察した。なお、このときの回折を利用した光学素子3に入射するレーザ光のパワーは、減衰器6で5mWに調整された。また、移動ステージ20のx軸移動速度は、500mm/sであった。   A converging spot verification experiment was performed using the laser processing apparatus shown in FIG. The processing target 10 is a silicon plate having a thickness of 300 μm. The focus of the condensing lens 4 was focused on the surface of the silicon plate, and the burn pattern corresponding to the condensing spot was observed. Note that the power of the laser light incident on the optical element 3 using diffraction at this time was adjusted to 5 mW by the attenuator 6. Moreover, the x-axis moving speed of the moving stage 20 was 500 mm / s.

図5にバーンパターン観察写真を示す。図5aは、観察倍率が低い場合であり、図5bは、観察倍率を高くして観察した写真である。図5aから、集光スポットが割断予定ラインSLに沿って連続していることがわかる。また、一つの集光スポットは、長径が割断予定ラインSLと一致する楕円であることがわかる。なお、この写真から長径dl≒5μm、短径ds≒1.4μm、楕円率が0.28であった。これから、この実測値が上記計算値と誤差範囲で一致することがわかる。   FIG. 5 shows a burn pattern observation photograph. FIG. 5a is a case where the observation magnification is low, and FIG. 5b is a photograph observed with a high observation magnification. From FIG. 5a, it can be seen that the focused spot is continuous along the cleaving line SL. Moreover, it turns out that one condensing spot is an ellipse whose major axis coincides with the planned cutting line SL. From this photograph, the major axis dl≈5 μm, the minor axis ds≈1.4 μm, and the ellipticity was 0.28. From this, it can be seen that this measured value agrees with the calculated value in the error range.

〔比較例1〕
図1の回折を利用した光学素子3を除去した以外は、実施例1と同じ条件でバーンパターンを観察した。
[Comparative Example 1]
The burn pattern was observed under the same conditions as in Example 1 except that the optical element 3 utilizing diffraction in FIG. 1 was removed.

図6にバーンパターン観察写真を示す。これから、集光スポットが円形で、割断予定ラインSLに沿って飛び飛びに位置することがわかる。   FIG. 6 shows a burn pattern observation photograph. From this, it can be seen that the condensing spot is circular, and is positioned so as to jump along the planned cutting line SL.

図1に示すレーザ加工装置で割断実験を行った。加工対象物10は、厚さ100μmのサファイア板である。サファイア板をxyz軸移動ステージ20に載置し、サファイア板の表面に集光レンズ4の焦点を合わせてから、ステージ20をz軸方向(図1で上方)に8μm移動させた。この表面から8μmの深さの焦点位置は、サファイアの波長1045nmに対する屈折率(1.75)を考慮して、集光レンズ3の実効倍率(1.89)から、20μmの深さの焦点位置に相当する。   A cleaving experiment was conducted with the laser processing apparatus shown in FIG. The processing target 10 is a sapphire plate having a thickness of 100 μm. The sapphire plate was placed on the xyz axis moving stage 20 and the focusing lens 4 was focused on the surface of the sapphire plate, and then the stage 20 was moved 8 μm in the z axis direction (upward in FIG. 1). The focal position at a depth of 8 μm from the surface is a focal position at a depth of 20 μm from the effective magnification (1.89) of the condensing lens 3 in consideration of the refractive index (1.75) for the wavelength of sapphire of 1045 nm. It corresponds to.

移動ステージ20でサファイア板10をx軸方向(割断予定ラインSL方向)に500mm/sの速度で移動させながら、150mWのレーザ光を集光照射し、内部に微小クラックが群生した微細溶融痕(改質領域)を生成させた。   While moving the sapphire plate 10 in the x-axis direction (scheduled cutting line SL direction) with the moving stage 20 at a speed of 500 mm / s, a 150 mW laser beam is focused and irradiated to form a minute melt mark (in which minute cracks are clustered) Modified region).

次に、図7に模式的に示すように、ブレーキング装置(Daitron社製 モデルDBR-301R)を使って、微細溶融痕10aを起点にサファイア板10の厚さ方向に向かって生じるクラックを利用して割断した。   Next, as schematically shown in FIG. 7, using a breaking device (Daitron model DBR-301R), cracks generated in the thickness direction of the sapphire plate 10 starting from the fine melt mark 10a are used. And then cleaved.

図7に示すように、まず、サファイア板10の割断予定ラインSLに沿って内部に形成された微細溶融痕10aの両側(図8中、白抜き矢印17で示す部分)を裏面から保持する。次に、サファイア板10の表面における微細溶融痕10aに対応する部位(図7中、白抜き矢印18で示す部位)に図示しないブレードを押し当ててブレードを押し込むことにより、微細溶融痕10aに歪み応力を集中させて割断した。   As shown in FIG. 7, first, both sides (parts indicated by white arrows 17 in FIG. 8) of the fine melt mark 10 a formed inside along the planned cutting line SL of the sapphire plate 10 are held from the back surface. Next, a blade (not shown) is pressed against a portion corresponding to the fine melt mark 10a on the surface of the sapphire plate 10 (a portion indicated by a white arrow 18 in FIG. 7), and the blade is pushed into the fine melt mark 10a. The stress was concentrated and cleaved.

割断できるブレードの最小押し込み量を求めた結果、30μmであった。   It was 30 micrometers as a result of calculating | requiring the minimum pushing amount of the braid | blade which can be cleaved.

〔比較例2〕
図1の回折を利用した光学素子3を除去した以外は、実施例2と同じ条件でサファイア板の割断を行った。割断できるブレードの最小押し込み量は、60μmであった。また、割断面の平坦度も低かった。
[Comparative Example 2]
The sapphire plate was cleaved under the same conditions as in Example 2 except that the optical element 3 utilizing diffraction in FIG. 1 was removed. The minimum pushing amount of the blade that can be cut was 60 μm. Moreover, the flatness of the cut surface was also low.

実施例2に比べ、ブレードの押し込み量が60μmと2倍になり、平坦度が低下する。すなわち、本発明に比べ、割断し難くなるのは、比較例1のバーンパターン観察写真(図6)から、次にように考えられる。回折を利用した光学素子3がないため、サファイア板10の内部に形成される微細溶融痕10aが割断予定ラインSL方向に繋がらない。その結果、割断し難く、無理に割断するため平坦度が低下すると考えられる。   Compared to Example 2, the amount of pushing of the blade is doubled to 60 μm, and the flatness is lowered. That is, compared to the present invention, it becomes difficult to cleave as follows from the burn pattern observation photograph of Comparative Example 1 (FIG. 6). Since there is no optical element 3 using diffraction, the fine melt mark 10a formed inside the sapphire plate 10 is not connected in the direction of the planned cutting line SL. As a result, it is difficult to cleave, and it is considered that the flatness is lowered because of cleaving.

移動ステージ20の移動速度を落として、微細溶融痕10aが割断予定ラインSL方向に繋がるようにすれば、ブレードの少ない押し込み量で割断できるので、本発明に比べ加工速度が遅いことになる。このことは、本発明は加工速度が速く、且つ割断面の平坦度が高いことを意味する。   If the moving speed of the moving stage 20 is reduced so that the fine melt mark 10a is connected in the direction of the planned cutting line SL, the cutting speed can be reduced with a small amount of pushing of the blade, so that the processing speed is slower than that of the present invention. This means that the present invention has a high processing speed and a high flatness of the fractured surface.

〔比較例3〕
図1の1/2波長板2を除去した以外は、実施例2と同じ条件でサファイア板の割断を行った。割断できるブレードの最小押し込み量は、40μmであった。すなわち、実施例2に比べ、割断し難かった。
[Comparative Example 3]
The sapphire plate was cleaved under the same conditions as in Example 2 except that the half-wave plate 2 in FIG. 1 was removed. The minimum push amount of the blade that can be cut was 40 μm. That is, it was hard to cleave compared with Example 2.

1・・・・・・レーザ光源
2・・・・・・偏光素子
3・・・・・・回折を利用した光学素子(ナイフエッジ)
4・・・・・・集光レンズ
10・・・・・加工対象物
10a・・ ・改質領域(微細溶融痕)
30・・・・・透過型回折格子
LB・・・・・・レーザ光
SL・・・・・・割断予定ライン
1 .... Laser light source 2 .... Polarizing element 3 .... Optical element using diffraction (knife edge)
4 .... Condensing lens 10 ... Workpiece 10a ... Modified region (fine melt marks)
30 ... Transmission diffraction grating
LB ・ ・ ・ ・ ・ ・ Laser beam
SL ・ ・ ・ ・ Scheduled line

Claims (6)

加工対象物にレーザ光を集光照射することにより、前記加工対象物の割断予定ラインに沿って、割断の起点となる改質領域を前記加工対象物の内部に形成するレーザ加工装置であって、
前記レーザ光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射された前記レーザ光を前記割断予定ラインに平行な方向に回折させる回折を利用した光学素子と、
前記回折を利用した光学素子で回折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レンズと、を有することを特徴とするレーザ加工装置。
A laser processing apparatus that forms a modified region, which is a starting point of cleaving, along the planned cleaving line of the processing object by condensing and irradiating the processing object with laser light. ,
A laser light source for emitting the laser light;
An optical element utilizing diffraction that diffracts the laser light emitted from the laser light source in a direction parallel to the cleaving line;
A laser processing apparatus comprising: a condensing lens that condenses the laser light diffracted by the optical element using the diffraction inside the object to be processed.
前記レーザ光を、前記割断予定ラインと光軸を含む面と直交する方向に偏光させる偏光素子を有する請求項1に記載のレーザ加工装置。   The laser processing apparatus according to claim 1, further comprising a polarizing element that polarizes the laser light in a direction orthogonal to a plane including the cleaving line and an optical axis. 前記回折を利用した光学素子は、前記割断予定ラインと前記光軸を含む面と直交する方向に延在するスリットを形成する一対のナイフエッジを備える請求項1または2に記載のレーザ加工装置。   The laser processing apparatus according to claim 1, wherein the optical element using diffraction includes a pair of knife edges that form slits extending in a direction perpendicular to the plane including the cleaving line and the optical axis. 前記回折を利用した光学素子の回折角をθx、前記集光レンズの入射瞳径をD、としたとき、前記回折を利用した光学素子と前記集光レンズとの間隔がD/2θx以下である請求項1ないし3のいずれか1項に記載のレーザ加工装置。   When the diffraction angle of the optical element using the diffraction is θx and the entrance pupil diameter of the condenser lens is D, the distance between the optical element using the diffraction and the condenser lens is D / 2θx or less. The laser processing apparatus of any one of Claim 1 thru | or 3. 加工対象物にレーザ光を集光照射することにより、前記加工対象物の割断予定ラインに沿って、割断の起点となる改質領域を前記加工対象物の内部に形成するレーザ加工方法であって、
前記レーザ光を回折を利用した光学素子で前記割断予定ラインに平行な方向に回折させる回折ステップと、
前記回折ステップで回折されたレーザ光を集光レンズで前記加工対象物の内部に集光照射する集光照射ステップと、を有することを特徴とするレーザ加工方法。
A laser processing method for forming a modified region, which is a starting point of cleaving, along a planned cutting line of the processing object by condensing and irradiating the processing object with laser light. ,
A diffraction step of diffracting the laser beam in a direction parallel to the cleaved line with an optical element using diffraction;
And a condensing irradiation step of condensing and irradiating the laser beam diffracted in the diffraction step into the object to be processed with a condensing lens.
前記レーザ光を、前記割断予定ラインと光軸を含む面と直交する方向に偏光させる偏光ステップを有する請求項5に記載のレーザ加工方法。   The laser processing method according to claim 5, further comprising a polarization step of polarizing the laser light in a direction perpendicular to a plane including the cleaved line and an optical axis.
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