CN101027161A - 激光加工方法以及激光加工装置 - Google Patents

Abstract

在由激光对半导体材料或者陶瓷材料进行切槽加工或者切断加工的过程中，实现更高的加工能力的提高。一种激光加工方法和激光加工装置，对无机物的被加工物(2)脉冲照射紫外线激光束(λ4)以进行切槽加工或者切断加工，切槽加工或者切断加工的加工深度越深、或者紫外线激光束的扫描速度越快，将紫外线激光束的脉冲宽度设定得越长。由此，与提高平均输出的情况相比，能够跨越性地提高加工能力。

Description

激光加工方法以及激光加工装置

技术领域

本发明涉及适于对半导体材料或者陶瓷材料等进行切槽加工或者切断加工等的激光加工方法以及激光加工装置。

背景技术

近年来，树脂衬底、金属板、陶瓷板、半导体晶片等的切槽加工(划线加工)或者切断加工等采用了使用能够进行高精度加工的紫外线激光等的激光加工技术。

在该激光加工技术中公开了如下数据：为了提高切槽加工等的加工能力，以往，在同一处照射多少个激光束的脉冲是非常重要的，并且，在提高紫外线激光束的平均输出、注量(fluence)、峰值功率上很有效。

例如，在专利文献1中提出了如下技术：在喷墨头的制造中，为了除去形成在PZ陶瓷上的金属膜，在同一处多次照射峰值功率较高的激光。在该技术中，在使金属膜蒸发汽化时，优选以峰值功率较高、短脉冲宽度进行能量照射。

专利文献1 特开2003-266709号公报(第0028段)

在所述现有技术中，存在以下课题。

在上述现有的激光加工技术中，例如在对硅衬底等半导体材料或者氧化铝衬底等的陶瓷材料进行切槽加工或者切断加工时，为了提高加工能力，采取了提高平均输出或者峰值功率等办法，但是，与加工树脂材料等有机物或者金属等情况相比，难以提高加工能力。

发明内容

本发明是鉴于所述课题而进行的，其目的在于提供一种能够在针对半导体材料或者陶瓷材料的切槽加工或者切断加工中实现更高的加工能力的激光加工方法以及激光加工装置。

本发明者们发现：对针对半导体材料或者陶瓷材料的激光加工的切槽加工或者切断加工进行专心研究，其结果是，与平均输出的大小相比，加工能力对脉冲宽度有很大的依赖性。

本发明为了解决所述课题，基于如上认识，采用了以下的结构。即，本发明的激光加工方法是对无机物的被加工物脉冲照射紫外线激光束并进行切槽加工或者切断加工的方法，其特征在于：切槽加工或者切断加工的加工深度越深、或者紫外线激光束的扫描速度越快，将紫外线激光束的脉冲宽度设定得越长。

此外，本发明的激光加工装置是对无机物的被加工物脉冲照射紫外线激光束并进行切槽加工或者切断加工的装置，其特征在于，具有：输出紫外线激光束的激光光源部；对紫外线激光束进行聚光并照射在被加工物上的光学系统；使紫外线激光束相对移动并使照射到被加工物的照射位置发生移动的移动机构；以及分别控制激光光源部、光学系统以及移动机构的控制部，控制部在切槽加工或者切断加工的加工深度越深、或者紫外线激光束的扫描速度越快，将紫外线激光束的脉冲宽度设定得越长。

即，在这些激光加工方法以及激光加工装置中，加工深度越深或者扫描速度越快，将紫外线激光束的脉冲宽度设定得越长，由此，与提高平均输出的情况相比较，能够跨越性地提高加工能力。

此外，本发明的激光加工方法的特征在于，将紫外线激光束的脉冲宽度设为15nsec以上。

此外，本发明的激光加工装置的特征在于，控制部将紫外线激光束的脉冲宽度设为15nsec以上。

即，紫外线激光束的脉冲宽度小于15nsec时，不能够充分提高加工能力，但是，在本发明的激光加工方法以及激光加工装置中，将紫外线激光束的脉冲宽度至少设定为15nsec以上，由此，以相同的平均输出也能够充分提高加工能力。

并且，本发明的激光加工方法的特征在于，将紫外线激光束的峰值功率密度设为0.8GW/cm²以下。

并且，本发明的激光加工装置的特征在于，控制部将紫外线激光束的峰值功率密度设为0.8GW/cm²以下。

即，在本发明的激光加工方法以及激光加工装置中，将紫外线激光束的峰值功率密度设为0.8GW/cm²以下，由此，能够防止切削能力的显著降低。

此外，本发明的激光加工方法的特征在于，紫外线激光束是使基波激光束入射到非线性光学晶体的波长变换元件内并进行波长变换后的高次谐波激光束。

此外，本发明的激光加工装置的特征在于，紫外线激光束是使基波激光束入射到非线性光学晶体的波长变换元件内并进行波长变换后的高次谐波激光束。

即，在这些激光加工方法以及激光加工装置中，由于使用通过波长变换元件得到的高次谐波激光束，故能够以小型的装置稳定地照射高能量的短波长激光。

此外，本发明的激光加工方法的特征在于，紫外线激光束由固体激光器产生，其波长为400nm以下。

此外，本发明的激光加工装置的特征在于，紫外线激光束由固体激光器产生，其波长为400nm以下。

此外，本发明的激光加工方法的特征在于，非线性光学晶体至少使用了Li₂B₄O₇。

此外，本发明的激光加工装置的特征在于，非线性光学晶体至少使用了Li₂B₄O₇。

本发明起到如下效果。

即，按照本发明的激光加工方法以及激光加工装置，在针对半导体材料或者陶瓷材料的切槽加工或者切断加工中，加工深度越深或者扫描速度越快，将紫外线激光束的脉冲宽度设定得越长，与提高平均输出的情况相比，能够跨越性地提高加工能力。因此，即便是这些材料，也能够以较高的加工能力有效地进行较深的加工，并且，能够提高激光束的扫描速度，大幅提高加工生产率。

附图说明

图1是表示本发明一个实施方式的激光加工方法中所使用的激光加工装置的概要结构图。

图2是表示在本发明的实施例中，改变脉冲宽度以及平均输出时槽深度与扫描速度的关系的图表。

图3是表示在本发明的实施方式中，针对总剂量和脉冲宽度的能够加工固定槽深的扫描速度的图表。

图4是表示在本发明的实施例中，在扫描速度分别为10mm/s(a)、50mm/s(b)、100mm/s(c)时对于总剂量和加工槽的槽深度的关系的研究结果的图表。

图5是表示在本发明的实施例中，在扫描速度分别为10mm/s(a)、50mm/s(b)、100mm/s(c)时对于脉冲宽度和加工槽的槽深度的关系的研究结果的图表。

图6是表示在本发明的实施例中，在扫描速度分别为10mm/s(a)、50mm/s(b)、100mm/s(c)时对于脉冲宽度和切削能力的关系的研究结果的图表。

图7是表示在本发明的实施例中，在扫描速度分别为10mm/s(a)、50mm/s(b)、100mm/s(c)时对于峰值功率密度和切削能力的关系的研究结果的图表。

具体实施方式

以下，参照图1对本发明的激光加工方法以及激光加工装置的一个实施方式进行说明。

本实施方式的激光加工方法是通过UV(紫外光)激光对氧化铝衬底等无机物进行切槽加工(划线加工)的方法，使用下述本发明的激光加工装置进行加工。如图1所示，该激光加工装置包括：激光器头部(激光光源部)1，输出紫外光(波长为266nm)的4倍频激光束λ₄；光学系统3，对4倍频激光束λ₄进行聚光并照射在氧化铝衬等被加工物2上；移动机构4，使4倍频激光束λ₄相对移动以便使照射到被加工物2的照射位置发生移动并能够改变4倍频激光束λ₄的移动方向；以及控制部C，分别控制激光器头部1、光学系统3以及移动机构4。

所述激光器头部1包括：半导体激光器LD，射出波长810nm的激励光；YAG激光器5，射出通过所述激励光进行泵浦作用后的波长为1064nm的基波激光束λ₁；第一波长变换元件6，在内部将基波激光束λ₁变换为作为二次谐波的波长为532nm(绿光)的2倍频激光束(高次谐波激光束)λ₂并输出；第二波长变换元件7，在内部将2倍频激光束λ₂变换为作为二次谐波的波长为266nm(紫外光)的4倍波激光束(高次谐波激光束)λ₄并输出。

所述YAG激光器5具有Nd:YAG晶体5a和配置在该YAG晶体5a两端的谐振器反射镜5b。

所述第一波长变换元件6是LBO(LiB₃O₅)晶体(非线性光学晶体)，所述第二波长变换元件7是LB4(Li₂B₄O₇：四硼酸锂单晶)晶体(非线性光学晶体)。

在所述第二波长变换元件7中，由于非线性晶体的双折射性，故在晶体中具有离散(walk off)角并分为输入光束和所产生的高次谐波光束，并且产生高次谐波光束的光束外形(光束截面形状)沿一个方向呈扁平的所谓离散现象。而且，使用于所述第二波长变换元件7的LB4晶体在化学稳定性或者耐激光损伤性方面很突出，同时能够通过CZ法等培养优质的大型晶体，并且，加工性上也较突出，长尺寸化较容易。

所述光学系统3包括：改变4倍波激光束λ₄的光路的反射镜8a、8b；扩大4倍频激光束λ₄的光束直径的扩展透镜9；对光束直径扩展后的4倍频激光束λ₄进行聚光并照射在被加工物2表面上的聚光透镜10；以及使所述扁平方向与经移动机构4改变后的4倍波激光束λ₄的移动方向一致的棱镜插拔结构11。

此外，通过光学系统3照射在被加工物2上的4倍频激光束λ₄的光束外形和从激光器头部1出射后的形状相似地一致。

所述移动机构4是具有步进式电动机等的、能够安装被加工物2的XY载物台结构，以4倍频激光束λ₄的移动方向与所述扁平方向一致的方式设定。

所述棱镜插拔机构11是能够在4倍频激光束λ₄的光路上插拔改变所述扁平方向的棱镜12的机构，由棱镜12和移动该棱镜12的电动机等驱动部13构成。在将切槽加工的方向变更为与所述X方向正交的Y方向时使用该棱镜插拔机构11，所以，对驱动部13进行驱动将棱镜12插入4倍频激光束λ₄的光路(在本实施方式中，在反射镜8a和扩展透镜9之间)中，由此，扁平方向旋转90°，在被加工物2上，沿Y方向扁平为椭圆形的状态下进行聚光。

在此状态下，通过移动机构4，沿进行切槽加工的Y方向使被加工物2相对地移动，由此，聚光后的4倍频激光束λ₄沿着与该扁平方向(Y方向)一致的切槽加工的方向(Y方向)移动，在Y方向上，也能够进行切槽加工。

所述控制部C由IC或者存储器等构成，具有如下功能：进行激光器头部1的控制，以便使预先设定输入的切槽加工或者切断加工的加工深度越深或者4倍频激光束λ₄的扫描速度越快，4倍频激光束λ₄的脉冲宽度越长。

并且，所述控制部C分别控制激光器头部1、光学系统3以及移动机构4，以便使4倍频激光束λ₄的脉冲宽度为15nsec以上，并且，使4倍频激光束λ₄的峰值功率密度为0.8GW/cm²以下。

然后，参照图1对所述激光加工装置的被加工物2的切槽加工方法(激光加工方法)进行说明。

首先，在激光器头部1上，以预定的脉冲宽度向YAG激光器5脉冲入射来自半导体激光器LD的激励光，产生基波激光束λ₁，然后，向第一波长变换元件6入射该基波激光束λ₁，由此，变换为2倍频激光束λ₂，进而，向第二波长变换元件7入射该2倍频激光束λ₂，由此，变换为4倍频激光束λ₄并输出。此时，在第二波长变换元件7中，由于离散现象产生的二次谐波的激光外形沿固定方向呈扁平。

通过扩展透镜9以及聚光透镜10，从激光器头部1出射的4倍频激光束λ₄聚光后最终照射在被加工物2上。此时，在保持从激光器头部1出射时的光束外形的相似形状的状态下，在被加工物2上对4倍频激光束λ₄进行聚光。此外，控制部C对光学系统3的扩展透镜9以及聚光透镜10进行调整，由此，将4倍频激光束λ₄的峰值功率密度设定为0.8GW/cm²以下。

在本实施方式中，将来自所述半导体激光器LD的激励光向YAG激光器5脉冲入射而产生基波激光束λ时，按照加工槽的槽深以及移动机构4的扫描速度，改变半导体激光器LD的脉冲宽度，对最终的照射光束即4倍频激光束λ₄的脉冲宽度进行调整。即，控制部C对激光器头部1进行调整，由此，按照预先设定的加工槽的槽深以及扫描速度，加工槽的槽深度越长或者扫描速度越快，将4倍频激光束λ₄的脉冲宽度设定得越长。例如，为了进行CW照射，激励用的半导体激光器LD通过改变激励强度，由此，在某种程度上能够对脉冲宽度进行调整。此外，通过改变谐振器长，能够对脉冲宽度进行调整。

并且，此时为了充分提高加工能力，优选脉冲宽度设定为15nsec以上。

这样，在本实施方式中，加工深度越深或者扫描速度越快，将4倍频激光束λ₄的脉冲宽度设定得越长，由此，与提高平均输出的情况相比较，能够跨越性地提高加工能力。并且，即便提高4倍频激光束λ₄平均输出，加工能力的提高也较少，但是，这是考虑到如下理由，即：照射激光束时由于在被加工物2附近产生的等离子体而产生了屏蔽效应等。而在本实施方式中，使4倍频激光束λ₄的脉冲宽度变长，由此，能够降低所产生的等离子体的影响，跨越性地提高加工能力。

特别是，在本实施方式中，将4倍频激光束λ₄的脉冲宽度至少设定为15nsec以上，并且，将峰值功率密度设定为0.8GW/cm²以下，由此，如后述的实施例的数据所示，能够防止切削能力显著降低，即使平均输出相同，也能够充分提高加工能力。

此外，在本实施方式中，因为使用通过第一波长变换元件6以及第二波长变换元件7得到的4倍频激光束λ₄(波长266nm)，故在小型装置中，能够稳定地照射400nm以下的高能量短波长激光。

实施例

在本发明的激光加工中，对实际在氧化铝衬底上实施切槽加工的情况下的加工能力进行了研究。

在该实施例中，如表1所示，通过将扫描速度改变为20、50、100mm/s来改变槽深以进行加工。

作为加工条件，对分别将脉冲宽度、频率以及平均输出设为40nsec、30kHz以及1W的实施例(1)、以及55nsec、40kHz以及1W的实施例(2)进行了研究。并且，作为现有的加工条件，对分别将脉冲宽度、频率以及平均输出设为10nsec、30kHz以及3W的比较例也进行了研究。表1以及图2示出该研究结果。并且，跟踪(trace)次数均设定为2次。

表1

	比较例	实施例(1)	实施例(2)
				扫描速度(mm/s)	10nsec30kHz3W	40nsec30kHz1W	55nsec40kHz1W
20	35.0	54.9	56.7
				50	15.6	55.6	59.7
100	8.3	15.5	20.7

                                                 (μm)

如表1以及图2所示可知，在平均输出为1W的较小的情况下，使脉冲宽度为40nsec或55nsec的较长的情况下，相对于将平均输出设定为3倍的3W的比较例，扫描速度为20mm/s时能够得到1.5倍以上的加工能力(槽深度)。

然后，对于总剂量(脉冲能量×脉冲重叠度)和脉冲宽度，研究能够达到固定槽深(本实施例中为50μm)的激光束的扫描速度的结果在图3中示出。

由该图3可知，脉冲宽度越长扫描速度越快。即，脉冲宽度越长，能够使加工时间越短，并能够降低生产成本。

然后，图4到图7示出：在扫描速度为10mm/s(a)、50mm/s(b)、100mm/s(c)时对总剂量和加工槽的槽深度的关系、脉冲宽度与槽深度的关系、脉冲宽度与切削能力(表示每个脉冲能够挖掘多少的标准值)的关系以及峰值功率密度与切削能力的关系进行研究的结果。并且，为了得到这些图表，对于加工条件来说，不仅脉冲宽度、对频率以及平均输出也设定各种值并进行了测定。此外，跟踪次数均设为2次。

根据图4以及图5所示的总剂量和槽深度的关系以及脉冲宽度与槽深度的关系可知，总剂量越大或者脉冲宽度越长，槽深度越大。此外，根据图6所示的脉冲宽度与切削能力的关系可知，存在切削能力变高的脉冲宽度区域。并且，从图7所示的峰值功率密度与切削能力的关系可知，若峰值功率密度超过0.8GW/cm²时，则切削能力显著降低。

从所述脉冲宽度与槽深度的关系以及峰值功率密度与切削能力的关系可知，脉冲宽度为15nsec以上时，能够充分提高加工能力，特别是峰值功率密度为0.8GW/cm²以下时，由于良好的切削能力，故得到较深的加工槽。

并且，若考虑完成加工(加工槽剖面形状、熔融急冷凝固层厚、碎片等)，则将脉冲宽度设定得较长较有利。特别是，若考虑到加工速度，则优选设定为60nsec以上的较长脉冲宽度、50kHz以上的高重复频率以及0.6W以上的平均输出。

并且，本发明的技术范围并不限于所述实施方式，只要在不超过本发明宗旨的范围内，可以进行各种变更。

例如，用作所述第一波长变换元件6以及第二波长变换元件7的非线性光学晶体，可以使用所述LBO或者LB4以外的例如BBO(β-BaB₂O₄)、KTP(KTiOPO₄)、CLBO(CsLiB₆O₁₀)等。并且，如上所述，优选如所述实施方式LB4晶体那样，容易长尺寸化、并能够得到较高的变换效率和由离散所引起的光束变形这二者的晶体。此外，虽然不能得到伴随离散的效果，但是，也可以采用不产生离散的晶体。

此外，虽然使用了Nd:YAG晶体作为主晶体，但是，采用其他的主晶体，例如Nd:YLF等亦可。

并且，在所述实施方式中，虽然使用了4倍频激光束λ₄，但是，即使采用5倍频激光束λ₅也能够得到相同的效果。

此外，虽然使用了波长为266nm的4倍频激光束λ₄，但是，若采用波长为355nm等波长为400nm以下的紫外线激光束也能得到相同的效果。

此外，在所述实施方式中，采用了适于切槽加工的棱镜插拔机构11，但是，也可以将本发明应用于不安装该结构的装置中。

此外，对作为被加工物2的氧化铝衬底进行了加工，但是，也可以将其他的烧结体陶瓷、硅以及其他的半导体衬底、蓝宝石以及其他的氧化物单晶衬底等无机物作为被加工物。

Claims (12)

1.一种激光加工方法，对无机物的被加工物脉冲照射紫外线激光束以进行切槽加工或者切断加工，其特征在于：

所述切槽加工或者所述切断加工的加工深度越深、或者所述紫外线激光束的扫描速度越快，将所述紫外线激光束的脉冲宽度设定得越长。

2.如权利要求1记载的激光加工方法，其特征在于：

将所述紫外线激光束的脉冲宽度设为15nsec以上。

3.如权利要求2记载的激光加工方法，其特征在于：

将所述紫外线激光束的峰值功率密度设为0.8GW/cm²以下。

4.如权利要求1到3的任意一项记载的激光加工方法，其特征在于：

所述紫外线激光束是使基波激光束入射到非线性光学晶体的波长变换元件内并进行波长变换后的高次谐波激光束。

5.如权利要求1到4的任意一项记载的激光加工方法，其特征在于：

所述紫外线激光束由固体激光器产生，其波长为400nm以下。

6.如权利要求5记载的激光加工方法，其特征在于：

所述非线性光学晶体至少使用了Li₂B₄O₇。

7.一种激光加工装置，对无机物的被加工物脉冲照射紫外线激光束以进行切槽加工或者切断加工，其特征在于，

包括：激光光源部，输出所述紫外线激光束；光学系统，对所述紫外线激光束进行聚光并照射在所述被加工物上；移动机构，使所述紫外线激光束相对移动，并移动向所述被加工物的照射位置；控制部，分别控制所述激光光源部、所述光学系统以及所述移动机构，

所述切槽加工或者所述切断加工的加工深度越深、或者所述紫外线激光束的扫描速度越快，所述控制部将所述紫外线激光束的脉冲宽度设定得越长。

8.如权利要求7记载的激光加工装置，其特征在于：

所述控制部将所述紫外线激光束的脉冲宽度设为15nsec以上。

9.如权利要求8记载的激光加工装置，其特征在于：

所述控制部将所述紫外线激光束的峰值功率密度设为0.8GW/cm²以下。

10.如权利要求7到9的任意一项记载的激光加工装置，其特征在于：

所述紫外线激光束是使基波激光束入射到非线性光学晶体的波长变换元件内并进行波长变换后的高次谐波激光束。

11.如权利要求7到10的任意一项记载的激光加工装置，其特征在于：

所述紫外线激光束由固体激光器产生，其波长为400nm以下。

12.如权利要求11记载的激光加工方法，其特征在于：

所述非线性光学晶体使用了Li₂B₄O₇。

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