JP4478184B2 - Laser cleaving method and laser processing apparatus - Google Patents

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Description

本発明はレーザ割断方法およびレーザ加工装置に関する。   The present invention relates to a laser cutting method and a laser processing apparatus.

近年のエレクトロニクスやフォトニクスなどの先端技術分野の急速な発展に伴い、これらを支える各種デバイス素子の更なる微細化が大きく望まれている。従来、半導体デバイスを微細化する手段として、ダイヤモンドブレードなどによる機械的な切断技術が用いられてきた。これらは十分確立された技術ともいえる半面、「切りしろ」による材料の歩留まりの低下や、微細化の加工分解能といった本質的な限界に行き当たりつつある。一方、これらの機械的な加工技術に代わり、急速に進展しつつある微細加工技術として、レーザ加工法が挙げられる。   With the rapid development of advanced technology fields such as electronics and photonics in recent years, further miniaturization of various device elements that support these has been greatly desired. Conventionally, a mechanical cutting technique using a diamond blade or the like has been used as means for miniaturizing a semiconductor device. While these can be said to be well-established technologies, they are approaching the essential limits such as the reduction of material yield due to “cutting” and the processing resolution of miniaturization. On the other hand, instead of these mechanical processing techniques, a laser processing method is given as a fine processing technique that is rapidly progressing.

これは、加工対象物に高輝度のレーザパルスを照射し、焦点位置の微小な領域における物質の構造破壊や改質により発生する損傷(クラック)を起点として、加工対象物を切断する方法である。この方法では、レーザ照射で生起される損傷を切断予定ラインに沿って配列形成させた後、加工対象材料に機械的応力を印加し、当該材料を微細なチップ状に切断する。これを「ダイシング」と呼ぶ。   This is a method of irradiating a processing object with a high-intensity laser pulse and cutting the processing object starting from damage (cracks) caused by structural destruction or modification of the substance in a minute region at the focal position. . In this method, after damages caused by laser irradiation are arranged along a planned cutting line, mechanical stress is applied to a material to be processed, and the material is cut into a fine chip shape. This is called “dicing”.

加工対象物として実用上特に重要なものとして、機能性半導体層(例えば、シリコンやガリウム砒素)をコーティングした誘電体基板(例えば、サファイアやガラス)からなる薄い板状のデバイスが挙げられる。   As a processing object, what is particularly important in practical use is a thin plate-like device made of a dielectric substrate (for example, sapphire or glass) coated with a functional semiconductor layer (for example, silicon or gallium arsenide).

例えば、特許文献1には、ガラスなどの加工対象物に対し、これに透明な波長(例えば、1064nm)を有する(つまり、吸収しない)レーザパルスを、対物レンズを用いて加工対象物の内部に集光し、この集光位置において、大きさが数10〜数100μm程度の乱れた形状を有する損傷(クラック)を生起させ、配列させたこのクラックを起点として、応力を印加して基板を切断する方法が開示されている。   For example, in Patent Document 1, a laser pulse having a transparent wavelength (for example, 1064 nm) (that is, not absorbing) is applied to a processing object such as glass in the processing object using an objective lens. Condensation occurs, and at this condensing position, damage (cracks) having a disordered shape with a size of several tens to several hundreds of μm is generated, and the substrate is cut by applying stress using the arranged cracks as a starting point. A method is disclosed.

また、特許文献2には、光学系を介してレーザパルスを加工対象物の表面上方に集光照射し、加工対象物の表面にV字型の損傷を形成し、加工対象物を高い分解能で加工する方法が記載されている。
特開2003−19582号公報 特開2006−114786号公報
In Patent Document 2, a laser pulse is condensed and irradiated on the surface of a workpiece by way of an optical system, V-shaped damage is formed on the surface of the workpiece, and the workpiece is processed with high resolution. A method of processing is described.
JP 2003-19582 A JP 2006-114786 A

特許文献1の加工方法では、加工対象物の内部に多光子吸収による改質(クラック領域または溶融処理領域または屈折率の形成のこと)領域を誘発させることで加工を行なっている。クラック形成は光学的絶縁破壊(ブレイクダウン)により、溶融熱処理領域形成は光熱的効果により誘起される。そのため損傷のサイズが比較的大きくなってしまい(数10μm〜数100μm)、加工精度には一定の限界がある。   In the processing method of Patent Document 1, processing is performed by inducing a modified region (crack region, melt processing region, or refractive index formation) region by multiphoton absorption inside a processing target. Crack formation is induced by optical breakdown (breakdown), and melt heat treatment region formation is induced by a photothermal effect. Therefore, the size of the damage becomes relatively large (several tens of μm to several hundreds of μm), and there is a certain limit in processing accuracy.

特許文献2の加工方法では、高い分解能で加工対象物を加工することはできるものの(クラック幅:10μm)、クラックの深さが浅い(30μm)。そのため加工対象物を加工(割断)するためには、クラックを連結させて形成する必要があり、加工速度には限界があった(10mm/s)。   In the processing method of Patent Document 2, although the processing object can be processed with high resolution (crack width: 10 μm), the crack depth is shallow (30 μm). For this reason, in order to process (cleave) the workpiece, it is necessary to form cracks connected to each other, and the processing speed is limited (10 mm / s).

本発明は、加工対象物の表面にアブレーション・プラズマを、そして加工対象物内部に応力ひずみ領域を発生させ、プラズマから発生する衝撃波を利用して、応力ひずみ領域内にクラックを成長させることで、短時間でかつ高い分解能で加工対象物をレーザ加工する方法を提供することを目的とする。   The present invention generates an ablation plasma on the surface of the workpiece, generates a stress strain region inside the workpiece, and uses a shock wave generated from the plasma to grow a crack in the stress strain region. It is an object of the present invention to provide a method for laser processing a workpiece in a short time and with high resolution.

[1]レーザパルスを発生させるステップと、前記レーザパルスを、集光レンズを通過させて、加工対象物の表面近傍に照射するステップと、を有するレーザ割断方法であって、前記レーザパルスのパルス幅は100〜1000フェムト秒であり、前記集光レンズの開口数は0.1〜0.5であり、前記集光レンズを通過したレーザパルスのパルスエネルギは、1〜1000μJ/パルスである、レーザ割断方法。
[2]パルス幅が100〜1000フェムト秒のレーザパルスを発生させるステップと、前記レーザパルスを、集光レンズを通して、加工対象物の表面近傍に照射して、前記加工対象物上にアブレーション・プラズマを発生させるステップと、前記アブレーション・プラズマのエネルギにより前記加工対象物にクラックと、前記クラックの周辺に応力ひずみを形成するステップと、前記アブレーション・プラズマから生じる衝撃波で、前記応力ひずみが発生した領域に前記クラックを伸長させるステップと、を有するレーザ割断方法。
[1] A laser cleaving method comprising: generating a laser pulse; and irradiating the laser pulse near the surface of the object to be processed through a condenser lens, the pulse of the laser pulse The width is 100 to 1000 femtoseconds, the numerical aperture of the condenser lens is 0.1 to 0.5, and the pulse energy of the laser pulse that has passed through the condenser lens is 1-1000 μJ / pulse. Laser cleaving method.
[2] A step of generating a laser pulse having a pulse width of 100 to 1000 femtoseconds, and irradiating the laser pulse in the vicinity of the surface of the object to be processed through a condenser lens and ablation plasma on the object to be processed Generating a crack by the ablation plasma energy, forming a stress strain around the crack, and a region where the stress strain is generated by a shock wave generated from the ablation plasma Extending the crack to a laser cleaving method.

本発明のレーザ割断方法およびレーザ加工装置により短時間でかつ高い分解能で加工対象物をレーザ加工することができる。   With the laser cleaving method and laser processing apparatus of the present invention, it is possible to laser process a workpiece with a high resolution in a short time.

1.本発明のレーザ割断方法について
本発明のレーザ割断方法は、1)レーザパルスを発生させるステップ、2)レーザパルスを集光レンズを通して、加工対象物の表面近傍に照射するステップ、を有する。
1. About the laser cleaving method of the present invention The laser cleaving method of the present invention includes 1) a step of generating a laser pulse, and 2) a step of irradiating the laser pulse in the vicinity of the surface of the object to be processed through a condenser lens.

ステップ1)では、レーザパルスを発生させる。レーザパルスを発生させる手段はとくに限定されないが、例えば、Ti:サファイアレーザやクロムフォルステライトレーザ、Yb:YAGレーザ、Yb:KGWレーザ、Yb:KG(WOレーザ、各種ファイバーレーザ、各種ディスクレーザ、各種色素レーザなどがある。発生されたレーザパルスの種類は特に限定されないが、好ましいレーザパルスの種類は、ガウシアンビームである。また、発生したレーザパルスを2以上のレーザパルスに分割してもよい。レーザパルスは、例えば、ハーフミラーなどによって適当なエネルギ強度に分配されるように分割されてもよい。 In step 1), a laser pulse is generated. The means for generating the laser pulse is not particularly limited. For example, Ti: sapphire laser, chrome forsterite laser, Yb: YAG laser, Yb: KGW laser, Yb: KG (WO 4 ) 2 laser, various fiber lasers, various disks There are lasers and various dye lasers. The type of the generated laser pulse is not particularly limited, but a preferable type of laser pulse is a Gaussian beam. Further, the generated laser pulse may be divided into two or more laser pulses. The laser pulse may be divided so as to be distributed to an appropriate energy intensity by, for example, a half mirror.

本発明では、レーザパルスのパルス幅がフェムト秒域であることを特徴とする。レーザパルスのパルス幅をフェムト秒域にすることで、加工対象物の表面に後述するアブレーション・プラズマを効率的に発生させることができる。また、レーザパルスのパルス幅をフェムト秒域にすることで、プラズマの寿命も短くすることができ、プラズマによる後続レーザパルスの遮蔽効果も回避することができる。   In the present invention, the pulse width of the laser pulse is in the femtosecond region. By setting the pulse width of the laser pulse to the femtosecond region, ablation plasma described later can be efficiently generated on the surface of the workpiece. In addition, by setting the pulse width of the laser pulse in the femtosecond region, the life of the plasma can be shortened and the effect of shielding the subsequent laser pulse by the plasma can be avoided.

レーザパルスのパルス幅が、1000フェムト秒以上であると、加工しきい値が上昇する恐れがあることから好ましくない。また、レーザパルスのパルス幅が、100フェムト秒以下であると、現実的に安定して高出力レーザパルスを供給することが困難になる。したがって、好ましいレーザパルスのパルス幅は100〜1000フェムト秒である。   If the pulse width of the laser pulse is 1000 femtoseconds or more, the processing threshold may increase, which is not preferable. Further, when the pulse width of the laser pulse is 100 femtoseconds or less, it becomes difficult to supply a high-power laser pulse in a practically stable manner. Therefore, the preferable pulse width of the laser pulse is 100 to 1000 femtoseconds.

レーザパルスのパルスエネルギは、1〜1000μJ/パルスであり、レーザパルスの波長は、500〜1600nmであり、レーザパルスの繰り返し周波数は、1kHz〜1MHzであることが好ましい。ここで、パルスエネルギとは、後述する集光レンズ通過後のレーザパルスの1パルス当りのエネルギを意味する。レーザパルスのパルスエネルギは、加工対象物の表面にアブレーション・プラズマを発生させる程度であれば特に限定されないが、加工対象物の材質、厚さによって適宜選択されることが好ましい。また、レーザパルスの波長は、後述する加工対象物の材質のバンドギャップエネルギによって適宜選択されることが好ましい。例えば、レーザパルスの1光子のエネルギh(c/l)(h;プランク定数、c:光速、l:レーザ光の波長)は、バンドギャップエネルギ(Eg)に対して、1h(c/l)≦Eg≦nh(c/l)、n=8〜9程度の範囲の関係にあればよい。すなわち本発明では、後述する応力ひずみ領域は、1光子吸収または多光子吸収のいずれによっても形成されうる。また、この範囲を若干逸脱しても加工は可能である。   The pulse energy of the laser pulse is preferably 1 to 1000 μJ / pulse, the wavelength of the laser pulse is preferably 500 to 1600 nm, and the repetition frequency of the laser pulse is preferably 1 kHz to 1 MHz. Here, the pulse energy means energy per one pulse of a laser pulse after passing through a condenser lens described later. The pulse energy of the laser pulse is not particularly limited as long as it generates an ablation plasma on the surface of the workpiece, but is preferably selected as appropriate depending on the material and thickness of the workpiece. The wavelength of the laser pulse is preferably selected as appropriate according to the band gap energy of the material of the workpiece to be described later. For example, the energy h (c / l) (h: Planck constant, c: speed of light, l: wavelength of laser light) of one photon of a laser pulse is 1 h (c / l) with respect to the band gap energy (Eg). ≦ Eg ≦ nh (c / l), n may be in the range of about 8-9. That is, in the present invention, the stress strain region described later can be formed by either one-photon absorption or multi-photon absorption. Further, the machining can be performed even if it slightly deviates from this range.

例えば、加工対象物が厚さ50〜200μmのサファイアの場合、レーザパルスのパルスエネルギは5〜15μJ/パルスであり、波長は、500〜1500nmであることが好ましい。加工対象物の厚みが増した場合、レーザパルスのレーザパルスエネルギを増大させたり、繰り返し周波数を増大させたり、または走査速度を遅くすればよい。   For example, when the workpiece is sapphire having a thickness of 50 to 200 μm, the pulse energy of the laser pulse is preferably 5 to 15 μJ / pulse, and the wavelength is preferably 500 to 1500 nm. When the thickness of the workpiece is increased, the laser pulse energy of the laser pulse may be increased, the repetition frequency may be increased, or the scanning speed may be decreased.

また、加工対象物が機能層を下層に有する場合、レーザパルスのパルスエネルギは、後述する応力ひずみ領域が機能層まで到達しない程度の強度であることが好ましい。応力ひずみ領域が機能層まで到達すると、機能層の機能を阻害し、デバイスの寿命を縮めるおそれがあるからである。   Further, when the workpiece has a functional layer in the lower layer, the pulse energy of the laser pulse is preferably strong enough that a stress strain region described later does not reach the functional layer. This is because when the stress-strain region reaches the functional layer, the function of the functional layer is hindered and the life of the device may be shortened.

また、レーザパルスは、直線偏光、円偏光または楕円偏光のような偏光であってもよい。   The laser pulse may be polarized light such as linearly polarized light, circularly polarized light, or elliptically polarized light.

ステップ2)では、ステップ1)で発生させたレーザパルスを集光レンズを通して加工対象物の表面近傍に照射する。   In step 2), the laser pulse generated in step 1) is irradiated to the vicinity of the surface of the object to be processed through the condenser lens.

集光レンズはレーザパルスを集光するための凸レンズである。集光レンズの開口数は、0.1〜0.5であることが好ましい。すなわち本発明では、開口数の小さい集光レンズを用いて、レーザパルスをルーズフォーカスし加工対象物内部に形成される応力ひずみ領域をレーザパルスの照射方向(以下「照射方向」という)に長くすることを特徴とする。「応力ひずみ領域」とは、加工対象物がレーザ光を吸収し、改質(例えばアモルファス化や化学結合の切断の生起、イオン化による電子価数/イオン価数の変化)やクーロン爆発、原子構造再配列、熱膨張により、加工対象物内において密度が膨張または収縮し応力がかかって脆くなった領域をいう。レーザパルスをルーズフォーカスすることで応力ひずみ領域を照射方向に長くする理由およびメカニズムについては後述する。   The condensing lens is a convex lens for condensing the laser pulse. The numerical aperture of the condenser lens is preferably 0.1 to 0.5. That is, in the present invention, using a condensing lens having a small numerical aperture, the laser pulse is loosely focused and the stress strain region formed inside the workpiece is lengthened in the laser pulse irradiation direction (hereinafter referred to as “irradiation direction”). It is characterized by that. The “stress-strain region” means that the workpiece absorbs laser light and is modified (for example, amorphization or chemical bond breakage, change in electron valence / ion valence due to ionization), Coulomb explosion, atomic structure A region in which the density expands or contracts in the workpiece due to rearrangement and thermal expansion, and becomes brittle due to stress. The reason and mechanism for lengthening the stress strain region in the irradiation direction by loosely focusing the laser pulse will be described later.

集光レンズによって集光されたレーザパルスは、加工対象物の表面近傍に照射される。ここで「加工対象物の表面近傍に照射する」とは、レーザパルスの集光点を加工対象物の表面から±200μmの範囲内に位置するように照射することを意味する。すなわち、集光レンズと加工対象物との距離(L)は、集光レンズの作動距離(WD)±200μmの範囲を満たすように配置されている。つまり、本発明では、以下の式を満たす。   The laser pulse condensed by the condenser lens is irradiated near the surface of the workpiece. Here, “irradiate near the surface of the object to be processed” means to irradiate the condensing point of the laser pulse so as to be within a range of ± 200 μm from the surface of the object to be processed. That is, the distance (L) between the condenser lens and the object to be processed is arranged so as to satisfy the range of the working distance (WD) ± 200 μm of the condenser lens. That is, in the present invention, the following expression is satisfied.

WD−200μm≦L≦WD+200μm       WD−200 μm ≦ L ≦ WD + 200 μm

ここで作動距離(WD)とは、物体面に焦点を合わせた時の集光(対物)レンズの先端(表面)から加工対象物までの距離を意味する。
したがってレーザパルスの集光点を加工対象物の表面よりも上に配置してもよく、加工対象物の表面よりも内部に配置してもよい。好ましくは、レーザパルスの集光点を、加工対象物の表面よりも内部に配置する。
Here, the working distance (WD) means the distance from the tip (surface) of the condensing (objective) lens to the object to be processed when the object surface is focused.
Therefore, the condensing point of the laser pulse may be arranged above the surface of the workpiece, or may be arranged inside the surface of the workpiece. Preferably, the condensing point of the laser pulse is arranged inside the surface of the workpiece.

レーザパルスの加工対象物の表面における、パルスフルエンスは、加工対象物の材質および厚さによって適宜選択される。加工対象物の厚さが大きくなれば、パルスフルエンスを増加させることが好ましい。レーザパルスのパルスフルエンスは、1〜5000J/cmの範囲内であることが好ましい。例えば加工対象物が厚さ90μmのサファイアである場合、レーザパルスのパルスフルエンスは、100〜2000J/cmであることが好ましい。 The pulse fluence on the surface of the laser pulse workpiece is appropriately selected according to the material and thickness of the workpiece. As the thickness of the workpiece increases, it is preferable to increase the pulse fluence. Pulse fluence of the laser pulses is preferably in the range of 1~5000J / cm 2. For example, when the object to be processed is sapphire with a thickness of 90 μm, the pulse fluence of the laser pulse is preferably 100 to 2000 J / cm 2 .

ステップ1)で、レーザパルスが2以上のレーザパルスに分割された場合、それぞれのレーザパルスは、それぞれ別の集光レンズを通過し、それぞれ別の加工対象物の表面近傍に照射されてもよい。これにより1つのレーザ光源で2以上の加工対象物を同時に加工することができる。   When the laser pulse is divided into two or more laser pulses in step 1), each laser pulse may pass through a different condenser lens and be irradiated near the surface of a different workpiece. . Thereby, two or more objects to be processed can be simultaneously processed with one laser light source.

また、1の集光レンズには2以上のレーザビームが導入されていてもよい。2以上のレーザビームは、それぞれ別のレーザ光源から発生したレーザパルスでもよいし、1つのレーザ光源から発生したレーザパルスを分割したレーザパルスでもよい。2以上のレーザビームのそれぞれのパルスエネルギ、レーザ波長は、上述したように加工対象物の表面にアブレーション・プラズマを発生させる程度であればよい。また、2以上のレーザパルスは、同時に1の集光レンズに導入されてもよく、時系列で導入されてもよい。   Two or more laser beams may be introduced into one condenser lens. The two or more laser beams may be laser pulses generated from different laser light sources, or may be laser pulses obtained by dividing laser pulses generated from one laser light source. The pulse energy and laser wavelength of each of the two or more laser beams may be such that ablation plasma is generated on the surface of the workpiece as described above. Two or more laser pulses may be simultaneously introduced into one condenser lens or may be introduced in time series.

2以上のレーザビームは、それぞれ加工対象物表面の割断線上の異なる位置を照射するように、1の集光レンズに導入されることが好ましい。具体的には、2以上のレーザビームの集光レンズへの入射角度を違えることで、レーザビームの加工対象物表面の照射位置をずらすことができる。2以上のレーザビームの集光レンズへの入射角度は、例えば、ミラーを用いてレーザビームを反射させることにより変化させることができる(図2参照)。より具体的には、レーザビームの集光レンズへの入射角度は、ミラーのチルト角を調整することにより制御することができる。2以上のレーザビームの照射位置の間隔は1〜50μmであることが好ましい。   The two or more laser beams are preferably introduced into one condenser lens so as to irradiate different positions on the cutting line on the surface of the workpiece. Specifically, by changing the incident angles of two or more laser beams to the condensing lens, the irradiation position of the laser beam on the surface of the workpiece can be shifted. The incident angles of two or more laser beams to the condenser lens can be changed by reflecting the laser beams using a mirror, for example (see FIG. 2). More specifically, the incident angle of the laser beam to the condenser lens can be controlled by adjusting the tilt angle of the mirror. The interval between the irradiation positions of two or more laser beams is preferably 1 to 50 μm.

1の集光レンズに2以上のレーザビームを導入することで、更なる加工時間の短縮を図ることができる。   By introducing two or more laser beams into one condenser lens, the processing time can be further shortened.

加工対象物は、結晶性の部材であることが好ましい。加工対象物が結晶性部材であると、後述する割断工程が容易になる。また加工対象物のバンドギャップエネルギは0.9eV以上であることが好ましい。このような加工対象物の材質の例には、サファイアやシリコンカーバイド、ガラス類、ダイアモンドなどが含まれる。   The object to be processed is preferably a crystalline member. When the object to be processed is a crystalline member, the cleaving process described later becomes easy. The band gap energy of the workpiece is preferably 0.9 eV or more. Examples of the material of such a workpiece include sapphire, silicon carbide, glass, diamond and the like.

レーザパルスを加工対象物の表面近傍に照射すると、加工対象物の表面から内部にレーザ照射方向に伸長したクラックが形成される。ここで「クラック」とは、加工対象物表面または内部に形成された割れ目を意味する。   When the laser pulse is applied to the vicinity of the surface of the workpiece, a crack extending in the laser irradiation direction from the surface of the workpiece is formed. Here, the “crack” means a crack formed on the surface of the workpiece or inside.

以下、図を用いてクラックが伸長するメカニズムについて説明する。図1A〜Eでは、本発明においてレーザパルスが加工対象物の表面近傍に照射されてから、加工対象物にクラックが形成されるフローが示されている。   Hereinafter, the mechanism by which a crack extends will be described with reference to the drawings. 1A to 1E show a flow in which cracks are formed in a workpiece after the laser pulse is irradiated near the surface of the workpiece in the present invention.

図1Aでは、レーザパルス20が集光レンズ109を通して、加工対象物10の表面近傍に照射されている様子が示される。図1Aにおいてレーザパルス20の集光点21は、加工対象物10の表面上に位置している。   FIG. 1A shows a state in which the laser pulse 20 is irradiated near the surface of the workpiece 10 through the condenser lens 109. In FIG. 1A, the focal point 21 of the laser pulse 20 is located on the surface of the workpiece 10.

図1Bでは、レーザパルス20の照射により加工対象物の表面付近でアブレーション・プラズマ30と加工対象物の表面に損傷領域34(不図示)とが同時に発生し、それとほぼ同じタイミングで加工対象物内部のレーザパルス20の照射方向に応力ひずみ領域31が形成される様子が示されている。ただし応力ひずみ領域は、機能層11まで到達していないことが好ましい。アブレーション・プラズマとは、加工対象物表面近傍で集光フェムト秒レーザの吸収により、局所的な原子解離(化学結合切断)や高密度イオン化が生起されて誕生する高温電離ガス状態のことである。また、アブレーション・プラズマによって形成された、損傷領域とは後述するクラックが成長するための起点となる領域である。損傷領域34の大きさは、加工対象物の材質および厚さによって異なるが、1μm以下まで小さくすることが可能である。
さらにアブレーション・プラズマは後述する衝撃波も発生させる。応力ひずみ領域では、機械的な刺激、すなわち衝撃波の伝播により容易にクラックが伸長する。
In FIG. 1B, an ablation plasma 30 and a damaged region 34 (not shown) are simultaneously generated near the surface of the workpiece by the irradiation of the laser pulse 20, and the inside of the workpiece is almost at the same timing. A state in which the stress strain region 31 is formed in the irradiation direction of the laser pulse 20 is shown. However, it is preferable that the stress strain region does not reach the functional layer 11. Ablation plasma is a high-temperature ionized gas state created by local atomic dissociation (chemical bond breakage) or high-density ionization due to absorption of a focused femtosecond laser near the surface of a workpiece. Further, the damaged region formed by ablation plasma is a region serving as a starting point for growth of cracks described later. The size of the damaged region 34 depends on the material and thickness of the workpiece, but can be reduced to 1 μm or less.
Further, the ablation plasma generates a shock wave which will be described later. In the stress-strain region, cracks are easily extended by mechanical stimulation, that is, shock wave propagation.

本発明では、開口数が小さいレンズを集光レンズとして用いることから、レーザパルスはルーズフォーカスされる。ルーズフォーカスされたレーザパルスは照射方向に伸びた集点深度を有する。したがって、ルーズフォーカスされたレーザパルスによって加工対象物が照射されると、加工対象物内部に形成される応力ひずみ領域は、照射方向に長くなる。すなわち、本発明では、開口数の小さいレンズを用いることで、応力ひずみ領域を照射方向に長く形成することを特徴としている。一方で、応力ひずみ領域が加工対象物の機能層まで達しないよう、レーザパルスのパルスエネルギを適宜選択することに留意すべきである。   In the present invention, since a lens having a small numerical aperture is used as a condenser lens, the laser pulse is loosely focused. The loosely focused laser pulse has a focal depth extending in the irradiation direction. Therefore, when the workpiece is irradiated with the loosely focused laser pulse, the stress strain region formed inside the workpiece is elongated in the irradiation direction. That is, the present invention is characterized in that the stress strain region is formed long in the irradiation direction by using a lens having a small numerical aperture. On the other hand, it should be noted that the pulse energy of the laser pulse is appropriately selected so that the stress strain region does not reach the functional layer of the workpiece.

図1Cでは、アブレーション・プラズマから発生した衝撃波32が加工対象物内部に伝播する様子が示されている。上述したように、応力ひずみ領域では、機械的刺激が加わるとクラックが伸長するため、機械的刺激である衝撃波32が伝播した応力ひずみ領域31では、クラック33が伸長していく。   FIG. 1C shows a state in which the shock wave 32 generated from the ablation plasma propagates inside the workpiece. As described above, in the stress-strain region, when a mechanical stimulus is applied, the crack expands. Therefore, in the stress-strain region 31 where the shock wave 32 that is a mechanical stimulus propagates, the crack 33 extends.

図1Dでは、衝撃波の伝播により応力ひずみ領域にクラックが伸長していく様子が示される。本発明は、応力ひずみ領域が照射方向に長く形成されていることを特徴としているので、応力ひずみ領域31に形成されるクラック33も、照射方向に伸長する。その結果、加工対象物内部には照射方向に伸長した鋭いクラック33が形成される。クラック33の伸長は、衝撃波が応力ひずみ領域31の最深部まで到達するか、衝撃波が消滅するまで続く。   FIG. 1D shows a situation in which cracks extend in the stress strain region due to the propagation of shock waves. Since the present invention is characterized in that the stress strain region is formed long in the irradiation direction, the crack 33 formed in the stress strain region 31 also extends in the irradiation direction. As a result, a sharp crack 33 extending in the irradiation direction is formed inside the workpiece. The extension of the crack 33 continues until the shock wave reaches the deepest portion of the stress strain region 31 or the shock wave disappears.

図1Eでは、衝撃波32が応力ひずみ領域31の最深部まで伝播し、クラック33が応力ひずみ領域の最深部まで形成された様子が示される。本発明では、レーザパルスの単発照射(1パルスのみ)で、上記現象が生じることを特徴としている。   FIG. 1E shows a state in which the shock wave 32 propagates to the deepest portion of the stress strain region 31 and the crack 33 is formed to the deepest portion of the stress strain region. The present invention is characterized in that the above phenomenon occurs by single-shot irradiation of laser pulses (only one pulse).

ステップ1)およびステップ2)を含むプロセス(以下、単に「プロセス」という)を繰り返しながら、加工対象物を割断線に沿って移送させることで、割断線上に2以上のクラックを形成することができる(図3参照)。本発明では、加工対象物を走査ラインに沿って移送させる速度は、10〜2000mm/sであることが好ましい。また、1のレーザパルスの発振が開始されてから、次のレーザパルスの発振が開始されるまでの時間(1サイクルタイム)に、加工対象物は、1〜50μm移送されることが好ましい。また、1の集光レンズに2以上のレーザビームが導入される場合、各照射領域同士の間隔が等しくなるように、加工対象物が移送されることが好ましい。本発明では、クラック同士は連結していても離間していてもよい。本発明では、クラックは照射方向に長く形成されているので、クラック同士が互いに離間していても、加工対象物を割断することができる。   By repeating the process including Step 1) and Step 2) (hereinafter simply referred to as “process”), two or more cracks can be formed on the breaking line by transferring the workpiece along the breaking line. (See FIG. 3). In this invention, it is preferable that the speed which moves a process target object along a scanning line is 10-2000 mm / s. In addition, it is preferable that the workpiece is transferred by 1 to 50 μm during a period (one cycle time) from the start of oscillation of one laser pulse to the start of oscillation of the next laser pulse. In addition, when two or more laser beams are introduced into one condenser lens, it is preferable that the object to be processed is transferred so that the intervals between the irradiation regions are equal. In the present invention, the cracks may be connected or separated. In the present invention, since the crack is formed long in the irradiation direction, the workpiece can be cleaved even if the cracks are separated from each other.

本発明のレーザ割断方法では、複数のクラックが割断線上に形成された加工対象物に外部から機械的な力を加え、加工対象物を割断するステップをさらに有していてもよい(図3参照)。割断された加工対象物は、乱れがなく平坦かつシャープな割断面を有することを特徴とする。   The laser cleaving method of the present invention may further include a step of cleaving the processing object by applying a mechanical force from the outside to the processing object in which a plurality of cracks are formed on the cutting line (see FIG. 3). ). The cleaved workpiece has a flat and sharp split section without any disturbance.

このように、パルスエネルギの高い(1〜1000μJ/パルス)フェムト秒レーザを加工対象物の表面近傍に照射することで、加工対象物表面にアブレーション・プラズマを発生させることができる。またこのようなレーザパルスをルーズフォーカスすることで、加工対象物内部に照射方向に長い応力ひずみ領域を形成することができる。すなわち本発明は、アブレーション・プラズマと照射方向に長い応力ひずみ領域とを組み合わせることで、照射方向に伸長したクラックを形成することができる。これにより、より容易に加工対象物を割断することができる。   In this way, by irradiating the surface of the workpiece with a femtosecond laser having a high pulse energy (1-1000 μJ / pulse), ablation plasma can be generated on the surface of the workpiece. Further, by loosely focusing such a laser pulse, a stress strain region that is long in the irradiation direction can be formed inside the workpiece. That is, the present invention can form a crack extending in the irradiation direction by combining the ablation plasma and a stress strain region long in the irradiation direction. Thereby, a workpiece can be cleaved more easily.

また、本発明では、レーザパルスの単発照射で照射方向に伸長したクラックを形成することができ、かつクラック同士は連結している必要がないので、短時間で加工対象物を加工することができる。例えば、本発明における走査速度は10〜2000mm/sであり、特許文献2に記載の走査速度(10mm/s)よりも顕著に速い。   Further, in the present invention, cracks extending in the irradiation direction can be formed by single irradiation of a laser pulse, and since it is not necessary that the cracks are connected to each other, it is possible to process an object to be processed in a short time. . For example, the scanning speed in the present invention is 10 to 2000 mm / s, which is significantly faster than the scanning speed described in Patent Document 2 (10 mm / s).

さらに本発明では、クラック同士が連結している必要はないため、より少ないレーザ照射で加工対象物を割断することができる。このため、連続的クラック形成に伴う、加工対象物の破片の発生を抑えることができる。   Furthermore, in the present invention, since it is not necessary for the cracks to be connected to each other, the workpiece can be cleaved with less laser irradiation. For this reason, generation | occurrence | production of the fragment of a processing target accompanying continuous crack formation can be suppressed.

2.本発明のレーザ加工装置について
本発明のレーザ割断方法は、図4に示されるレーザ加工装置を用いて実施されることができる。
2. About Laser Processing Apparatus of the Present Invention The laser cleaving method of the present invention can be implemented using the laser processing apparatus shown in FIG.

図4におけるレーザ加工装置100は、レーザ光源101、テレスコープ光学系103、偏光板105、ダイクロイックミラー107、対物レンズ109、保護用窓プレート111、ステージ113、計測用光源115、ビーム整形器117、ハーフミラー119、光検出器121、コントローラ123、照明用光源125、CCDカメラ127、コンピュータ129、およびモニタ131を有する。   A laser processing apparatus 100 in FIG. 4 includes a laser light source 101, a telescope optical system 103, a polarizing plate 105, a dichroic mirror 107, an objective lens 109, a protective window plate 111, a stage 113, a measurement light source 115, a beam shaper 117, A half mirror 119, a photodetector 121, a controller 123, an illumination light source 125, a CCD camera 127, a computer 129, and a monitor 131 are included.

レーザ光源101は、レーザパルスを発生させる。レーザ光源は、例えば、波長500〜1600nm、パルス幅100〜1000フェムト秒、繰り返し周波数1kHz〜1MHz、パルスエネルギ1〜1000μJ/パルスのレーザパルスを発生させる。   The laser light source 101 generates a laser pulse. For example, the laser light source generates a laser pulse having a wavelength of 500 to 1600 nm, a pulse width of 100 to 1000 femtoseconds, a repetition frequency of 1 kHz to 1 MHz, and a pulse energy of 1 to 1000 μJ / pulse.

レーザ光源101に用いることができるレーザとしては、Ti:サファイアレーザやクロムフォルステライトレーザ、Yb:YAGレーザ、Yb:KGWレーザ、Yb:KG(WOレーザ、各種ファイバーレーザ、各種ディスクレーザ、各種色素レーザなどがある。 Lasers that can be used for the laser light source 101 include Ti: sapphire laser, chrome forsterite laser, Yb: YAG laser, Yb: KGW laser, Yb: KG (WO 4 ) 2 laser, various fiber lasers, various disk lasers, There are various dye lasers.

テレスコープ光学系103は、好ましい加工形状を得るために、レーザ光源101から出力されたレーザパルスのビーム径を最適化する。   The telescope optical system 103 optimizes the beam diameter of the laser pulse output from the laser light source 101 in order to obtain a preferable processing shape.

偏光板105は、好ましい加工形状を得るために、加工予定ラインに対して平行/垂直な直線偏光や、円偏光、楕円偏光にテレスコープ光学系103を通過したレーザパルスを調整する。   In order to obtain a preferable processing shape, the polarizing plate 105 adjusts the laser pulse that has passed through the telescope optical system 103 to linearly polarized light that is parallel / perpendicular to the processing line, circularly polarized light, or elliptically polarized light.

ダイクロイックミラー107は、偏光板105を通過したパルスレーザをほぼ100%反射し、計測用光源115からの計測用レーザ光をほぼ100%透過するミラーである。   The dichroic mirror 107 is a mirror that reflects almost 100% of the pulse laser that has passed through the polarizing plate 105 and transmits almost 100% of the measurement laser light from the measurement light source 115.

集光レンズ109は、顕微鏡用の対物レンズであって、ダイクロイックミラー107で反射されたレーザパルスを集光する。本発明では、上記のように、開口数が0.1〜0.4の集光レンズ109を用いる。集光レンズと表面との距離(L)は、集光レンズの作動距離(WD)±200μmの範囲を満たすように配置されている。   The condensing lens 109 is an objective lens for a microscope, and condenses the laser pulse reflected by the dichroic mirror 107. In the present invention, as described above, the condensing lens 109 having a numerical aperture of 0.1 to 0.4 is used. The distance (L) between the condensing lens and the surface is arranged so as to satisfy the range of the working distance (WD) ± 200 μm of the condensing lens.

保護用窓プレート111は、加工対象物10の表面を加工する場合に、加工によって表面から飛散する微小な破片などから集光レンズ109を保護するために設けられる。   The protective window plate 111 is provided to protect the condensing lens 109 from minute debris scattered from the surface due to processing when the surface of the workpiece 10 is processed.

ステージ113は、図示しない載置台を有し、この載置台の上に、対物レンズ109によって集光されたレーザパルスが照射される加工対象物10が載置される。また、ステージ113は、載置台をXYZ軸方向に移動させるとともにXYZ軸の回りに回転させることができる駆動機構(図示せず)を有する。この駆動機構によって、ステージ113上の加工対象物10は割断線に沿って(XY軸方向)に駆動される。また駆動機構はステージ113をZ軸方向にも移動することができる。ステージ113のZ軸方向の移動幅は400μm程度であることが好ましい。ステージ113の駆動機構によって、加工対象物10がZ軸方向に移動されることで、レーザパレスの集光点を加工対象物10の表面近傍に配置することができる。   The stage 113 has a mounting table (not shown), and the workpiece 10 to be irradiated with the laser pulse condensed by the objective lens 109 is mounted on the mounting table. The stage 113 has a drive mechanism (not shown) that can move the mounting table in the XYZ axis directions and rotate around the XYZ axes. By this drive mechanism, the workpiece 10 on the stage 113 is driven along the breaking line (XY axis direction). The drive mechanism can also move the stage 113 in the Z-axis direction. The movement width of the stage 113 in the Z-axis direction is preferably about 400 μm. By moving the workpiece 10 in the Z-axis direction by the drive mechanism of the stage 113, the laser palace condensing point can be arranged near the surface of the workpiece 10.

計測用光源115は、ステージ113上の加工対象物10の表面の位置を計測するためのレーザ光を発生させる。   The measurement light source 115 generates laser light for measuring the position of the surface of the workpiece 10 on the stage 113.

ビーム整形器117は、計測用レーザ光を最適化するために、計測用光源115から出力されたレーザ光のビーム形状を調整する。   The beam shaper 117 adjusts the beam shape of the laser light output from the measurement light source 115 in order to optimize the measurement laser light.

ハーフミラー119は、計測用レーザ光を半透明に反射/透過するミラーである。ビーム整形器117を通過した計測用レーザ光は、ハーフミラー119、ダイクロイックミラー107、および対物レンズ109を透過して加工対象物10の表面に到達し、反射される。この反射光は、再び対物レンズ109およびダイクロイックミラー107を透過し、一部がハーフミラー119で反射されて光検出器121に到達する。   The half mirror 119 is a mirror that reflects / transmits the measurement laser beam translucently. The measurement laser light that has passed through the beam shaper 117 passes through the half mirror 119, the dichroic mirror 107, and the objective lens 109, reaches the surface of the workpiece 10, and is reflected. This reflected light passes through the objective lens 109 and the dichroic mirror 107 again, and a part of the reflected light is reflected by the half mirror 119 and reaches the photodetector 121.

光検出器121は、加工対象物10の表面からの反射光を検出して加工対象物10の表面位置を検出する。検出結果は、コントローラ123に出力される。   The photodetector 121 detects the reflected light from the surface of the processing object 10 to detect the surface position of the processing object 10. The detection result is output to the controller 123.

コントローラ123は、フィードバック回路を有し、光検出器121によって得られた加工対象物10の表面位置の情報に基づいて、レーザパルスの照射が割断線(XY軸方向)に合うように、ステージ113をフィードバック制御する。   The controller 123 has a feedback circuit, and based on the information on the surface position of the workpiece 10 obtained by the photodetector 121, the stage 113 is set so that the irradiation of the laser pulse matches the breaking line (XY axis direction). Feedback control.

照明用光源125は、ステージ113の下方に配置され、ステージ113上の加工対象物10の加工部位を観察するための照明光を発生させる。   The illumination light source 125 is disposed below the stage 113 and generates illumination light for observing the processing portion of the processing target 10 on the stage 113.

CCDカメラ127は、照明用光源125から放射され加工対象物10を透過した照明光を取り込んで、加工対象物10の加工部位を撮像し、撮像データをコンピュータ129に出力する。   The CCD camera 127 takes in the illumination light emitted from the illumination light source 125 and transmitted through the processing object 10, images the processing site of the processing object 10, and outputs the imaging data to the computer 129.

コンピュータ129は、レーザ光源101、計測用光源115、コントローラ123、およびCCDカメラ127に接続されており、これら各部を総合的に制御する。例えば、コンピュータ129は、所定のプログラムに従って、コントローラ123によるフィードバック制御を通じてステージ113を駆動させることにより、レーザパルスで任意の割断線を走査する。   The computer 129 is connected to the laser light source 101, the measurement light source 115, the controller 123, and the CCD camera 127, and comprehensively controls these units. For example, the computer 129 scans an arbitrary breaking line with a laser pulse by driving the stage 113 through feedback control by the controller 123 according to a predetermined program.

次いで、上記構成を有するレーザ加工装置100を用いた加工工程について、図5に示すフローチャートを用いて説明する。   Next, processing steps using the laser processing apparatus 100 having the above-described configuration will be described using the flowchart shown in FIG.

まず、ステップS1000では、加工対象物10に対するレーザ光源101の最適なレーザ強度を決定する。   First, in step S1000, the optimum laser intensity of the laser light source 101 for the workpiece 10 is determined.

そして、ステップS1100では、ステージ113を移動させることでレーザパルスの照射位置を決定する。   In step S1100, the irradiation position of the laser pulse is determined by moving the stage 113.

そして、ステップS1200では、コンピュータ129に対して割断線のプログラミングを行う。   In step S1200, the computer 129 is programmed with a breaking line.

そして、ステップS1300では、加工対象物10をステージ113の載置台に載置して位置決めを行う。このとき、計測用光源115および照明用光源125をオンする。   In step S1300, the workpiece 10 is placed on the stage 113 and placed. At this time, the measurement light source 115 and the illumination light source 125 are turned on.

そして、ステップS1400では、レーザ光源101をオンしてレーザパルスを加工対象物10の割断線に照射する。そして、割断線に沿ってステージ113をXY軸方向(水平方向)に移動して、割断線に沿って加工対象物10の表面から内部にクラックを形成する。   In step S1400, the laser light source 101 is turned on to irradiate the cutting line of the workpiece 10 with a laser pulse. Then, the stage 113 is moved in the XY axis direction (horizontal direction) along the breaking line, and a crack is formed from the surface of the workpiece 10 along the breaking line.

そして、ステップS1500では、ステップS1400を通じて加工対象物10の表面から内部に割断線に沿って配列形成されたクラックを利用して、割断を行う。すなわち、加工対象物10に機械的応力を印加すれば、所望の精密切断が達成される。これにより、加工対象物10は微小なチップに割断される。   In step S1500, cleaving is performed using cracks arrayed along the cleaving line from the surface of the workpiece 10 to the inside through step S1400. That is, if a mechanical stress is applied to the workpiece 10, desired precision cutting is achieved. Thereby, the workpiece 10 is cleaved into small chips.

以下、実施例を用いて本発明を説明する。しかし、以下に説明する実施例は、本発明の範囲を限定するものではない。   Hereinafter, the present invention will be described using examples. However, the examples described below are not intended to limit the scope of the present invention.

(実施例1)
実施例1では、本発明の割断方法を用いてサファイア基板を割断した。加工対象物として、厚み90μmのサファイア(Al)基板を準備した。
Example 1
In Example 1, the sapphire substrate was cleaved using the cleaving method of the present invention. A sapphire (Al 2 O 3 ) substrate having a thickness of 90 μm was prepared as a processing object.

図4に示されるレーザ加工装置を準備した。レーザ光源101をYb:KGWとして、高出力半導体レーザからの励起光を照射して、100フェムト秒程度のレーザパルス(波長1030nm)を、繰り返し周波数を30kHzとして発振させた。レーザ光源の出力は0.2Wであった。また、集光レンズ109の開口数を0.5とした。   A laser processing apparatus shown in FIG. 4 was prepared. The laser light source 101 was set to Yb: KGW, and excitation light from a high-power semiconductor laser was irradiated to oscillate a laser pulse (wavelength 1030 nm) of about 100 femtoseconds with a repetition frequency of 30 kHz. The output of the laser light source was 0.2W. The numerical aperture of the condensing lens 109 was set to 0.5.

前記サファイア基板をステージ113に載置した。そしてレーザ光源101からのレーザパルスを、集光レンズ109を通してサファイア基板の表面近傍に集光して、サファイア基板に照射した。照射されたレーザパルスのパルスエネルギは6μJ/パルスであり、パルスフルエンスは、〜0.5kJ/cmであった。 The sapphire substrate was placed on the stage 113. The laser pulse from the laser light source 101 was condensed near the surface of the sapphire substrate through the condensing lens 109 and irradiated onto the sapphire substrate. The pulse energy of the irradiated laser pulse was 6 μJ / pulse, and the pulse fluence was ˜0.5 kJ / cm 2 .

レーザパルスをサファイア基板に照射しながら、サファイア基板を載置したステージを割断線に沿って150mm/sの速度で移動させた。それにより、割断線に沿って、基板に5μm毎にレーザパルスが照射された。各割断線には、1回だけスキャンを行った(シングルスキャン)。   While irradiating the sapphire substrate with the laser pulse, the stage on which the sapphire substrate was placed was moved at a speed of 150 mm / s along the breaking line. Thereby, a laser pulse was irradiated to the substrate every 5 μm along the breaking line. Each breaking line was scanned only once (single scan).

図6(A)は、実施例1で得られた、レーザ照射後のサファイア基板の表面の顕微鏡写真である。図6(A)に示されたように、損傷領域の幅、つまり加工ラインの幅は3μmであり、きわめて高い分解能で加工することができた。損傷領域同士は連結しておらず、隣接する各損傷領域の中心間の間隔は、5μm程度であった。   FIG. 6A is a photomicrograph of the surface of the sapphire substrate obtained in Example 1 after laser irradiation. As shown in FIG. 6A, the width of the damaged region, that is, the width of the processing line was 3 μm, and the processing could be performed with extremely high resolution. The damaged areas are not connected to each other, and the distance between the centers of the adjacent damaged areas is about 5 μm.

実施例1でレーザ照射されたサファイア基板に、機械的応力を加えて割断した。図6(B)は、前記割断により得られた断面を示す顕微鏡写真である。図6(C)は、その断面をさらに拡大した顕微鏡写真である。図6(B)および図6(C)に示されたように、クラックは、サファイア基板の厚さ(90μm)の半分程度の深さ(45μm程度)まで伸長していた。そのため、割断は容易であった。また、割断面は平面であり、加工対象物の表面に対して垂直な割断面を得ることができた。さらに、本実施例では、基板の裏面への損傷は確認されなかった。   The sapphire substrate irradiated with laser in Example 1 was cleaved by applying mechanical stress. FIG. 6B is a photomicrograph showing a cross section obtained by the cleaving. FIG. 6C is a photomicrograph in which the cross section is further enlarged. As shown in FIGS. 6B and 6C, the cracks extended to a depth (about 45 μm) that was about half the thickness of the sapphire substrate (90 μm). Therefore, the cleaving was easy. Moreover, the split section was a flat surface, and a split section perpendicular to the surface of the workpiece could be obtained. Furthermore, in this example, damage to the back surface of the substrate was not confirmed.

また図6(C)では、X領域とY領域とで形状の異なるクラックが確認された。X領域のクラックは、約12μmの長さを有する。一方、Y領域のクラックは、X領域のクラックの長さの3倍程度の長さを有する。また、X領域のクラックは一定の長さであるのに対して、Y領域のクラックの長さにはばらつきが見られる。   In FIG. 6C, cracks having different shapes were confirmed in the X region and the Y region. The crack in the X region has a length of about 12 μm. On the other hand, the crack in the Y region has a length about three times the length of the crack in the X region. In addition, the cracks in the X region have a constant length, whereas the lengths of the cracks in the Y region vary.

X領域はアブレーション・プラズマおよび衝撃波によって形成された損傷領域であると考えられる。一方、Y領域は、レーザ加工(レーザ照射)によって伸長した応力ひずみ領域内にクラックが、レーザ照射後の割断過程によって成長した痕であると考えられる。   The X region is considered to be a damaged region formed by ablation plasma and shock waves. On the other hand, the Y region is considered to be a mark in which a crack grows in the crushing process after laser irradiation in the stress strain region extended by laser processing (laser irradiation).

(実施例2)
実施例2では、実施例1のレーザ照射条件(繰り返し周波数、レーザ出力、レーザパルスエネルギ、レーザパルスフルエンス、レーザ照射間隔)に変更を加えて、本発明の割断方法を用いてサファイア基板を割断した。まず実施例1と同様のサファイア基板(厚さ90μm、バンドギャップエネルギ:8eV)を準備した。
(Example 2)
In Example 2, the laser irradiation conditions (repetition frequency, laser output, laser pulse energy, laser pulse fluence, laser irradiation interval) of Example 1 were changed, and the sapphire substrate was cleaved using the cleaving method of the present invention. . First, the same sapphire substrate (thickness 90 μm, band gap energy: 8 eV) as in Example 1 was prepared.

図4に示されるレーザ加工装置を準備した。レーザ光源101をYb:KGWとして、高出力半導体レーザからの励起光を照射して、100フェムト秒程度のレーザパルス(波長1030nm)を、繰り返し周波数を60kHzとして発振させた。レーザ光源の出力は0.75Wであった。また、集光レンズ109の開口数を0.5とした。   A laser processing apparatus shown in FIG. 4 was prepared. The laser light source 101 was set to Yb: KGW, and excitation light from a high-power semiconductor laser was irradiated to oscillate a laser pulse (wavelength 1030 nm) of about 100 femtoseconds with a repetition frequency of 60 kHz. The output of the laser light source was 0.75W. The numerical aperture of the condensing lens 109 was set to 0.5.

前記サファイア基板をステージ113に載置した。そしてレーザ光源101からのレーザパルスを、集光レンズ109を通してサファイア基板の表面近傍に集光して、サファイア基板に照射した。照射されたレーザパルスのパルスエネルギは12μJ/パルスであり、パルスフルエンスは、〜1.0kJ/cmであった。 The sapphire substrate was placed on the stage 113. The laser pulse from the laser light source 101 was condensed near the surface of the sapphire substrate through the condensing lens 109 and irradiated onto the sapphire substrate. The pulse energy of the irradiated laser pulse was 12 μJ / pulse, and the pulse fluence was ˜1.0 kJ / cm 2 .

レーザパルスをサファイア基板に照射しながら、サファイア基板を載置したステージを割断線に沿って150mm/sの速度で移動させた。それにより、割断線に沿って、基板に2.5μm毎にレーザパルスが照射された。各割断線には、1回だけスキャンを行った(シングルスキャン)。   While irradiating the sapphire substrate with the laser pulse, the stage on which the sapphire substrate was placed was moved at a speed of 150 mm / s along the breaking line. Thereby, the laser pulse was irradiated to the substrate every 2.5 μm along the breaking line. Each breaking line was scanned only once (single scan).

図7(A)は、実施例2で得られた、レーザ照射後のサファイア基板の表面の顕微鏡写真である。図7(A)に示されたように、損傷領域の幅、つまり加工ラインの幅は5μmであり、きわめて高い分解能で加工することができた。実施例2では、損傷領域同士およびクラック同士は連結していた。   FIG. 7A is a photomicrograph of the surface of the sapphire substrate obtained in Example 2 after laser irradiation. As shown in FIG. 7A, the width of the damaged area, that is, the width of the processing line was 5 μm, and could be processed with extremely high resolution. In Example 2, damaged areas and cracks were connected.

実施例2でレーザ照射されたサファイア基板に、機械的応力を加えて割断した。割断は容易であった。図7(B)は、前記割断により得られた断面を示す顕微鏡写真である。図7(C)は、その断面をさらに拡大した顕微鏡写真である。図7(B)および図7(C)で示されたように、クラックはサファイア基板の厚さの20%程度の深さ(18μm程度)まで伸長していた。また、割断面は平面であり、加工対象物の表面に対して垂直な割断面を得ることができた。さらに、本実施例では、ウェハ面への損傷は確認されなかった。   The sapphire substrate irradiated with laser in Example 2 was cleaved by applying mechanical stress. Cleavage was easy. FIG. 7B is a photomicrograph showing a cross section obtained by the cleaving. FIG. 7C is a photomicrograph in which the cross section is further enlarged. As shown in FIGS. 7B and 7C, the crack extended to a depth (about 18 μm) of about 20% of the thickness of the sapphire substrate. Moreover, the split section was a flat surface, and a split section perpendicular to the surface of the workpiece could be obtained. Further, in this example, damage to the wafer surface was not confirmed.

(実施例3)
実施例3では、本発明の割断方法を用いてシリコンカーバイト(6H−SiC)基板を割断した。加工対象物として、厚み375μmのシリコンカーバイト(6H−SiC)基板を準備した。
(Example 3)
In Example 3, a silicon carbide (6H—SiC) substrate was cleaved using the cleaving method of the present invention. A silicon carbide (6H—SiC) substrate having a thickness of 375 μm was prepared as a processing object.

図4に示されるレーザ加工装置を準備した。レーザ光源101をYb:KGWとして、 高出力半導体レーザからの励起光を照射して、100フェムト秒程度のレーザパルス(波長1030nm)を、繰り返し周波数を100kHzとして発振させた。レーザ光源の出力は3Wであった。また、集光レンズ109の開口数を0.5とした。   A laser processing apparatus shown in FIG. 4 was prepared. The laser light source 101 was set to Yb: KGW, and the laser beam (wavelength 1030 nm) of about 100 femtoseconds was oscillated with a repetition frequency of 100 kHz by irradiating excitation light from a high-power semiconductor laser. The output of the laser light source was 3W. The numerical aperture of the condensing lens 109 was set to 0.5.

前記シリコンカーバイト基板をステージ113に載置した。そしてレーザ光源101からのレーザパルスを、集光レンズ109を通してシリコンカーバイト基板の表面から15μm内部に集光照射した。照射されたレーザパルスのパルスエネルギは30μJ/パルスであり、パルスフルエンスは、〜2.5kJ/cmであった。 The silicon carbide substrate was placed on the stage 113. Then, the laser pulse from the laser light source 101 was condensed and irradiated to the inside of 15 μm from the surface of the silicon carbide substrate through the condenser lens 109. The pulse energy of the irradiated laser pulse was 30 μJ / pulse, and the pulse fluence was ˜2.5 kJ / cm 2 .

レーザパルスをシリコンカーバイト基板に照射しながら、シリコンカーバイト基板を載置したステージを割断線に沿って300mm/sの速度で移動させた。それにより、割断線に沿って、基板に3μm毎に損傷領域(スポット)が形成された。各割断線には、1回だけスキャンを行った(シングルスキャン)。   While irradiating the silicon carbide substrate with the laser pulse, the stage on which the silicon carbide substrate was placed was moved along the breaking line at a speed of 300 mm / s. Thereby, a damaged region (spot) was formed on the substrate every 3 μm along the breaking line. Each breaking line was scanned only once (single scan).

図8(A)は、実施例3で得られた、レーザ照射後のシリコンカーバイト基板の表面の顕微鏡写真である。図8(B)は、その表面をさらに拡大した顕微鏡写真である。図8(A)および図8(B)に示されたように、損傷領域の幅、つまり加工ラインの幅は20μm程度であり、高い分解能で加工することができた。実施例3では、損傷領域同士およびクラック同士は連結していた。   FIG. 8A is a photomicrograph of the surface of the silicon carbide substrate obtained in Example 3 after laser irradiation. FIG. 8B is a photomicrograph in which the surface is further enlarged. As shown in FIGS. 8A and 8B, the width of the damaged region, that is, the width of the processing line was about 20 μm, and could be processed with high resolution. In Example 3, damaged areas and cracks were connected.

実施例3でレーザ照射されたシリコンカーバイト基板に、機械的応力を加えて割断した。割断は容易であった。図9(A)は、前記割断により得られた断面を示す顕微鏡写真である。図9(B)は、その断面をさらに拡大した顕微鏡写真である。図9(A)および図9(B)で示されたように、クラックはシリコンカーバイト基板の厚さの5%程度の深さ(20μm程度)まで伸長していた。また、割断面は平面であり、加工対象物の表面に対して垂直な割断面を得ることができた。   The silicon carbide substrate irradiated with laser in Example 3 was cleaved by applying mechanical stress. Cleavage was easy. FIG. 9A is a photomicrograph showing a cross section obtained by the cleaving. FIG. 9B is a photomicrograph in which the cross section is further enlarged. As shown in FIGS. 9A and 9B, the cracks extended to a depth (about 20 μm) of about 5% of the thickness of the silicon carbide substrate. Moreover, the split section was a flat surface, and a split section perpendicular to the surface of the workpiece could be obtained.

図10(A)は、割断により得られたシリコンカーバイト基板の表面の切り口を示す顕微鏡写真である。図10(B)は、割断より得られたシリコンカーバイト基板の裏面の切り口を示した顕微鏡写真である。図10(A)および図10(B)で示されたように、本実施例において加工対象物の切り口は極めてシャープであった。   FIG. 10A is a photomicrograph showing the cut surface of the surface of the silicon carbide substrate obtained by cleaving. FIG. 10B is a photomicrograph showing a cut surface on the back surface of the silicon carbide substrate obtained by cleaving. As shown in FIGS. 10A and 10B, in the present example, the cut surface of the workpiece was extremely sharp.

(実施例4)
実施例4では、加工対象物をシリコンカーバイト(4H−SiC;バンドギャップエネルギ:3.26eV)基板に変え、レーザの集光位置をシリコンカーバイト基板から30μm内部に変更した以外は、実施例3と同じ方法で、シリコンカーバイト(4H−SiC)基板を割断した。
Example 4
In Example 4, the object to be processed was changed to a silicon carbide (4H-SiC; band gap energy: 3.26 eV) substrate, and the focusing position of the laser was changed from the silicon carbide substrate to 30 μm inside. The silicon carbide (4H—SiC) substrate was cleaved by the same method as in FIG.

図11(A)は、実施例4で得られた、レーザ照射後のシリコンカーバイト基板の表面の顕微鏡写真である。図11(B)は、その表面をさらに拡大した顕顕微鏡写真である。図11(A)および図11(B)に示されたように、損傷領域の幅、つまり加工ラインの幅は30μm程度であり、高い分解能で加工することができた。実施例4では、損傷領域同士およびクラック同士は連結していた。   FIG. 11A is a photomicrograph of the surface of the silicon carbide substrate obtained in Example 4 after laser irradiation. FIG. 11 (B) is a micrograph showing the surface further enlarged. As shown in FIGS. 11A and 11B, the width of the damaged region, that is, the width of the processing line was about 30 μm, and could be processed with high resolution. In Example 4, damaged areas and cracks were connected.

実施例4でレーザ照射されたシリコンカーバイト基板に、機械的応力を加えて割断した。割断は容易であった。図12(A)は、前記割断により得られた断面を示す顕微鏡写真である。図12(B)は、その断面をさらに拡大した顕微鏡写真である。図12(A)および図12(B)で示されたように、クラックはシリコンカーバイト基板の厚さの3%程度の深さ(12μm程度)まで伸長していた。また、割断面は平面であり、加工対象物の表面に対して垂直な割断面を得ることができた。   The silicon carbide substrate irradiated with laser in Example 4 was cleaved by applying mechanical stress. Cleavage was easy. FIG. 12A is a photomicrograph showing a cross section obtained by the cleaving. FIG. 12B is a photomicrograph in which the cross section is further enlarged. As shown in FIGS. 12A and 12B, the crack extended to a depth (about 12 μm) of about 3% of the thickness of the silicon carbide substrate. Moreover, the split section was a flat surface, and a split section perpendicular to the surface of the workpiece could be obtained.

図13(A)は、割断により得られたシリコンカーバイト基板の表面の切り口を示す顕微鏡写真である。図13(B)は、割断より得られたシリコンカーバイト基板の裏面の切り口を示した顕微鏡写真である。図13(A)および図13(B)で示されたように、本実施例において加工対象物の切り口は極めてシャープであった。   FIG. 13A is a photomicrograph showing the cut surface of the surface of the silicon carbide substrate obtained by cleaving. FIG. 13B is a photomicrograph showing a cut surface on the back surface of the silicon carbide substrate obtained by cleaving. As shown in FIGS. 13A and 13B, in the present example, the cut surface of the workpiece was extremely sharp.

本発明に係るレーザ割断方法は、例えば、代表的な半導体デバイス用基板であるサファイアなどの透明誘電体材料基板の内部に、レーザの照射方向に伸長したクラックを形成し、かつ、基板の下層部に位置する半導体などの機能層への損傷を回避しながら、当該基板材料を短時間かつ高い精度、空間分解能で加工することができるレーザ割断方法として有用である。   The laser cleaving method according to the present invention includes, for example, forming a crack extending in the laser irradiation direction inside a transparent dielectric material substrate such as sapphire, which is a typical semiconductor device substrate, and a lower layer portion of the substrate It is useful as a laser cleaving method that can process the substrate material in a short time, with high accuracy and spatial resolution, while avoiding damage to a functional layer such as a semiconductor located in the substrate.

本発明において生じる現象を示す図The figure which shows the phenomenon which occurs in this invention 2以上のレーザパルスが1の集光レンズに導入された状態を表す図The figure showing the state where two or more laser pulses were introduced into one condenser lens 割断線に沿って複数のクラックが形成された状態を表す図The figure showing the state where a plurality of cracks were formed along the breaking line 本発明のレーザ加工装置の構成を示すブロック図The block diagram which shows the structure of the laser processing apparatus of this invention 本発明のレーザ加工装置を用いた加工工程を示すフローチャートThe flowchart which shows the process using the laser processing apparatus of this invention 実施例1のサファイア基板の表面および断面の顕微鏡写真Micrograph of surface and cross section of sapphire substrate of Example 1 実施例2のサファイア基板の表面および断面の顕微鏡写真Micrographs of the surface and cross section of the sapphire substrate of Example 2 実施例3のシリコンカーバイト基板の表面の顕微鏡写真Micrograph of the surface of the silicon carbide substrate of Example 3 実施例3のシリコンカーバイト基板の断面の顕微鏡写真Micrograph of the cross section of the silicon carbide substrate of Example 3 実施例3のシリコンカーバイト基板の切り口の顕微鏡写真Micrograph of cut surface of silicon carbide substrate of Example 3 実施例4のシリコンカーバイト基板の表面の顕微鏡写真Micrograph of the surface of the silicon carbide substrate of Example 4 実施例4のシリコンカーバイト基板の断面の顕微鏡写真Micrograph of a cross section of the silicon carbide substrate of Example 4 実施例4のシリコンカーバイト基板の切り口の顕微鏡写真Micrograph of cut surface of silicon carbide substrate of Example 4

符号の説明Explanation of symbols

10 加工対象物
11 機能層
20、20’ レーザパルス
21 レーザ集光点
30 アブレーション・プラズマ
31 応力ひずみ領域
32 衝撃波
33 クラック
34 損傷領域
100 レーザ加工装置
101 レーザ光源
103 テレスコープ光学系
105 偏光板
107、107’ ダイクロイックミラー
109 対物レンズ
111 保護用窓プレート
113 ステージ
115 計測用光源
117 ビーム整形器
119 ハーフミラー
121 光検出器
123 コントローラ
125 照明用光源
127 CCDカメラ
129 コンピュータ
131 モニタ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Processing object 11 Functional layer 20, 20 'Laser pulse 21 Laser condensing point 30 Ablation plasma 31 Stress-strain area | region 32 Shock wave 33 Crack 34 Damaged area | region 100 Laser processing apparatus 101 Laser light source 103 Telescope optical system 105 Polarizing plate 107, 107 'Dichroic mirror 109 Objective lens 111 Protection window plate 113 Stage 115 Measurement light source 117 Beam shaper 119 Half mirror 121 Photo detector 123 Controller 125 Light source for illumination 127 CCD camera 129 Computer 131 Monitor

Claims (13)

レーザパルスを発生させるステップと、
前記レーザパルスを、集光レンズを通過させて、加工対象物の表面近傍に照射するステップと、を有するレーザ加工方法であって、
前記加工対象物を、サファイアまたはシリコンカーバイドとし、
前記レーザパルスのパルス幅は100〜1000フェムト秒とし、
前記集光レンズの開口数は0.1〜0.5とし、
前記集光レンズを通過したレーザパルスのパルスエネルギは、1〜1000μJ/パルスとし、
前記レーザパルスの前記加工対象物の表面におけるパルスフルエンスは、500〜2500J/cmとして、
前記加工対象物の表面近傍にアブレーション・プラズマを発生させて前記加工対象物の表面に損傷領域を形成しかつ前記加工対象物の内部に前記レーザパルスの照射方向に伸長した応力ひずみ領域を形成して、
前記損傷領域を起点として前記応力ひずみ領域内部に前記レーザパルスの照射方向にクラックを伸長させる、
レーザ加工方法。
Generating a laser pulse;
Wherein the laser pulse, is passed through a condenser lens, a laser processing method and a step of irradiating the vicinity of the surface of the workpiece,
The processing object is sapphire or silicon carbide,
The pulse width of the laser pulse is 100 to 1000 femtoseconds,
The numerical aperture of the condenser lens is 0.1 to 0.5,
The pulse energy of the laser pulse that has passed through the condenser lens is 1-1000 μJ / pulse,
The pulse fluence on the surface of the workpiece of the laser pulse is 500-2500 J / cm 2 ,
Ablation plasma is generated near the surface of the workpiece to form a damaged region on the surface of the workpiece, and a stress strain region extending in the laser pulse irradiation direction is formed inside the workpiece. do it,
The damaged region Ru is extended to cracks in the irradiation direction of the laser pulse inside the stress-strain region as a starting point,
Laser processing method.
前記加工対象物は、ステージ上に載置されており、
請求項1に記載のレーザパルスを発生させるステップと、前記集光レンズを通過したレーザパルスを加工対象物に照射するステップとを含むプロセスを繰り返しながら、前記ステージを10〜2000mm/sで移動させて、前記繰り返し発生させたレーザパルスで前記加工対象物の割断線を走査する、
請求項1に記載のレーザ加工方法。
The processing object is placed on a stage,
The stage is moved at 10 to 2000 mm / s while repeating a process including the step of generating the laser pulse according to claim 1 and the step of irradiating the workpiece with the laser pulse that has passed through the condenser lens. Scanning the cutting line of the workpiece with the repeatedly generated laser pulses,
The laser processing method according to claim 1.
前記レーザパルスの照射位置は、前記ステージを移動させることにより制御される、請求項2に記載のレーザ加工方法。 The laser processing method according to claim 2, wherein the irradiation position of the laser pulse is controlled by moving the stage. 前記加工対象物は、前記繰り返されるプロセスの1サイクルタイムに1〜50μm移送される、請求項3に記載のレーザ加工方法。 The laser processing method according to claim 3, wherein the workpiece is transferred by 1 to 50 μm in one cycle time of the repeated process. 前記加工対象物には、前記割断線に沿って2以上の損傷領域が形成され、
前記損傷領域は互いに離間している、
請求項3に記載のレーザ加工方法。
In the workpiece, two or more damaged areas are formed along the breaking line,
The damaged areas are spaced apart from each other;
The laser processing method according to claim 3.
前記加工対象物には、前記割断線に沿って2以上の損傷領域が形成され、
前記損傷領域は互いに連結している、
請求項3に記載のレーザ加工方法。
In the workpiece, two or more damaged areas are formed along the breaking line,
The damaged areas are connected to each other;
The laser processing method according to claim 3.
前記割断線を、1回または2回以上走査する、請求項3に記載のレーザ加工方法。 The laser processing method according to claim 3, wherein the breaking line is scanned once or twice or more. 前記集光レンズと加工対象物との距離は、前記集光レンズの作動距離±200μmの範囲内である、請求項1に記載のレーザ加工方法。 2. The laser processing method according to claim 1, wherein a distance between the condenser lens and the object to be processed is within a range of a working distance of the condenser lens of ± 200 μm. 前記レーザパルスの波長は、1030〜1600nmである、請求項1に記載のレーザ加工方法。 The laser processing method according to claim 1, wherein a wavelength of the laser pulse is 1030 to 1600 nm. 前記レーザパルスの繰り返し周波数は1kHz〜1MHzである、請求項1に記載のレーザ加工方法。 The laser processing method according to claim 1, wherein a repetition frequency of the laser pulse is 1 kHz to 1 MHz. 前記集光レンズを通過したレーザパルスの偏光方向は、直線偏光、円偏光または楕円偏光である、請求項1に記載のレーザ加工方法。 The laser processing method according to claim 1, wherein the polarization direction of the laser pulse that has passed through the condenser lens is linearly polarized light, circularly polarized light, or elliptically polarized light. 2以上のレーザビームを発生させるステップと、
前記レーザビームの全てを、1つの集光レンズに通過させるステップと、
前記集光レンズを通過したレーザビームを、加工対象物の表面近傍に照射するステップと、を有するレーザ加工方法であって、
前記加工対象物を、サファイアまたはシリコンカーバイドとし、
前記レーザビーム光のパルス幅は100〜1000フェムト秒とし、
前記集光レンズの開口数は0.1〜0.5とし、
前記集光レンズを通過したそれぞれのレーザビーム光のパルスエネルギは、1〜1000μJ/パルスとし、
前記レーザパルスの前記加工対象物の表面におけるパルスフルエンスは、500〜2500J/cmとして、
前記加工対象物の表面近傍にアブレーション・プラズマを発生させて前記加工対象物の表面に損傷領域を形成しかつ前記加工対象物の内部に前記レーザパルスの照射方向に伸長した応力ひずみ領域を形成して、
前記損傷領域を起点として前記応力ひずみ領域内部に前記レーザパルスの照射方向にクラックを伸長させる、
レーザ加工方法。
Generating two or more laser beams;
Passing all of the laser beams through one condenser lens;
Irradiating the vicinity of the surface of the workpiece with the laser beam that has passed through the condenser lens, and a laser processing method comprising:
The processing object is sapphire or silicon carbide,
The pulse width of the laser beam light is 100 to 1000 femtoseconds,
The numerical aperture of the condenser lens is 0.1 to 0.5,
The pulse energy of each laser beam passing through the condenser lens is 1-1000 μJ / pulse,
The pulse fluence on the surface of the workpiece of the laser pulse is 500-2500 J / cm 2 ,
Ablation plasma is generated near the surface of the workpiece to form a damaged region on the surface of the workpiece, and a stress strain region extending in the laser pulse irradiation direction is formed inside the workpiece. do it,
The damaged region Ru is extended to cracks in the irradiation direction of the laser pulse inside the stress-strain region as a starting point,
Laser processing method.
レーザビームを2以上に分割するステップと、
それぞれの前記レーザビームを、それぞれ別の集光レンズに通過させるステップと、
それぞれの前記集光レンズを通過したレーザビームを、それぞれ別の加工対象物の表面近傍に照射するステップと、を有するレーザ加工方法であって、
前記加工対象物を、サファイアまたはシリコンカーバイドとし、
前記レーザビーム光のパルス幅は100〜1000フェムト秒とし、
前記集光レンズの開口数は0.1〜0.5とし、
それぞれの前記集光レンズを通過したレーザビーム光のパルスエネルギは、1〜1000μJ/パルスとし、
前記レーザパルスの前記加工対象物の表面におけるパルスフルエンスは、500〜2500J/cmとして、
前記加工対象物の表面近傍にアブレーション・プラズマを発生させて前記加工対象物の表面に損傷領域を形成しかつ前記加工対象物の内部に前記レーザパルスの照射方向に伸長した応力ひずみ領域を形成して、
前記損傷領域を起点として前記応力ひずみ領域内部に前記レーザパルスの照射方向にクラックを伸長させる、
レーザ加工方法。
Splitting the laser beam into two or more;
Passing each of the laser beams through a separate condenser lens;
The laser beam having passed through each of the condenser lens, and a step of irradiating the vicinity of the surface of another workpiece respectively, a laser processing method having,
The processing object is sapphire or silicon carbide,
The pulse width of the laser beam light is 100 to 1000 femtoseconds,
The numerical aperture of the condenser lens is 0.1 to 0.5,
The pulse energy of the laser beam light that has passed through each of the condenser lenses is 1-1000 μJ / pulse,
The pulse fluence on the surface of the workpiece of the laser pulse is 500-2500 J / cm 2 ,
Ablation plasma is generated near the surface of the workpiece to form a damaged region on the surface of the workpiece, and a stress strain region extending in the laser pulse irradiation direction is formed inside the workpiece. do it,
The damaged region Ru is extended to cracks in the irradiation direction of the laser pulse inside the stress-strain region as a starting point,
Laser processing method.
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