JP2002192369A - レーザ加工方法及びレーザ加工装置 - Google Patents

レーザ加工方法及びレーザ加工装置

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JP2002192369A JP2001278752A JP2001278752A JP2002192369A JP 2002192369 A JP2002192369 A JP 2002192369A JP 2001278752 A JP2001278752 A JP 2001278752A JP 2001278752 A JP2001278752 A JP 2001278752A JP 2002192369 A JP2002192369 A JP 2002192369A
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文嗣 福世
Kenji Fukumitsu
憲志 福満
Naoki Uchiyama
直己 内山
Toshimitsu Wakuta
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 加工対象物の表面にクラックや溶融が生じる
ことなく、かつ効率的に加工対象物を切断することがで
きるレーザ加工方法を提供すること。 【解決手段】 多光子吸収を起こさせる条件でかつ加工
対象物1の内部に集光点を合わせて、パルスレーザ光L
を切断予定ライン5に照射することにより、加工対象物
1の内部に改質領域を形成している。パルスレーザ光L
は直線偏光であり、その向きは切断予定ライン5と沿う
ように調節されている。改質領域を起点として切断予定
ライン5に沿って加工対象物1を割ることにより、比較
的小さな力で加工対象物1を切断することができる。レ
ーザ光Lの照射において、加工対象物1の表面3ではパ
ルスレーザ光Lがほとんど吸収されないので、改質領域
形成が原因で表面3が溶融することはない。改質領域は
切断予定ライン5に沿った方向の寸法を相対的に大きく
できるので、少ないショット数で切断予定ライン5に沿
った改質領域を形成できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体材料基板、
圧電材料基板やガラス基板等の加工対象物の切断に使用
されるレーザ加工方法及びレーザ加工装置に関する。
【0002】
【従来の技術】レーザ応用の一つに切断があり、レーザ
による一般的な切断は次の通りである。例えば半導体ウ
ェハやガラス基板のような加工対象物の切断する箇所
に、加工対象物が吸収する波長のレーザ光を照射し、レ
ーザ光の吸収により切断する箇所において加工対象物の
表面から裏面に向けて加熱溶融を進行させて加工対象物
を切断する。しかし、この方法では加工対象物の表面の
うち切断する箇所となる領域周辺も溶融される。よっ
て、加工対象物が半導体ウェハの場合、半導体ウェハの
表面に形成された半導体素子のうち、上記領域周辺に位
置する半導体素子が溶融する恐れがある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】加工対象物の表面の溶
融を防止する方法として、例えば、特開2000-21
9528号公報や特開2000-15467号公報に開
示されたレーザによる切断方法がある。これらの公報の
切断方法では、加工対象物の切断する箇所をレーザ光に
より加熱し、そして加工対象物を冷却することにより、
加工対象物の切断する箇所に熱衝撃を生じさせて加工対
象物を切断する。
【0004】しかし、これらの公報の切断方法では、加
工対象物に生じる熱衝撃が大きいと、加工対象物の表面
に、切断予定ラインから外れた割れやレーザ照射してい
ない先の箇所までの割れ等の不必要な割れが発生するこ
とがある。よって、これらの切断方法では精密切断をす
ることができない。特に、加工対象物が半導体ウェハ、
液晶表示装置が形成されたガラス基板、電極パターンが
形成されたガラス基板の場合、この不必要な割れにより
半導体チップ、液晶表示装置、電極パターンが損傷する
ことがある。また、これらの切断方法では平均入力エネ
ルギーが大きいので、半導体チップ等に与える熱的ダメ
ージも大きい。
【0005】本発明の目的は、加工対象物の表面に不必
要な割れを発生させることなくかつその表面が溶融しな
いレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することで
ある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明に係るレーザ加工
方法は、1以外の楕円率の楕円偏光をしたレーザ光の集
光点を加工対象物の内部に合わせかつレーザ光の楕円偏
光を表す楕円の長軸が加工対象物の切断予定ラインと沿
うように、加工対象物にレーザ光を照射することによ
り、切断予定ラインに沿って加工対象物の内部に多光子
吸収による改質領域を形成する工程を備えることを特徴
とする。
【0007】本発明に係るレーザ加工方法によれば、加
工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射しか
つ多光子吸収という現象を利用することにより、加工対
象物の内部に改質領域を形成している。加工対象物の切
断する箇所に何らかの起点があると、加工対象物を比較
的小さな力で割って切断することができる。本発明に係
るレーザ加工方法によれば、改質領域を起点として切断
予定ラインに沿って加工対象物が割れることにより、加
工対象物を切断することができる。よって、比較的小さ
な力で加工対象物を切断することができるので、加工対
象物の表面に切断予定ラインから外れた不必要な割れを
発生させることなく加工対象物の切断が可能となる。
【0008】また、本発明に係るレーザ加工方法によれ
ば、加工対象物の内部に局所的に多光子吸収を発生させ
て改質領域を形成している。よって、加工対象物の表面
ではレーザ光がほとんど吸収されないので、加工対象物
の表面が溶融することはない。なお、集光点とはレーザ
光が集光した箇所のことである。切断予定ラインは加工
対象物の表面や内部に実際に引かれた線でもよいし、仮
想の線でもよい。
【0009】また、本発明に係るレーザ加工方法によれ
ば、レーザ光の楕円偏光を表す楕円の長軸が加工対象物
の切断予定ラインと沿うように、加工対象物にレーザ光
を照射することにより改質領域を形成している。本発明
者によれば、楕円偏光をしたレーザ光を用いると、楕円
偏光を表す楕円の長軸方向(つまり、偏光の偏りが強い
方向)に改質領域の形成が促進されることが分かった。
よって、楕円偏光を表す楕円の長軸方向が加工対象物の
切断予定ラインと沿うように、レーザ光を加工対象物に
照射して改質領域を形成すると、切断予定ラインに沿っ
た改質領域を効率的に形成することが可能となる。
【0010】また、本発明に係るレーザ加工方法によれ
ば、切断予定ラインに沿った方向以外において改質領域
の形成が抑制されるので、加工対象物を切断予定ライン
に沿って精密に切断することが可能となる。
【0011】ここで、楕円率とは楕円の短軸の長さの半
分/長軸の長さの半分である。レーザ光の楕円率が小さ
いほど、改質領域は、切断予定ラインに沿う方向の形成
が促進されかつそれ以外の方向の形成が抑制される。楕
円率は加工対象物の厚さや材質等を考慮して定めること
ができる。直線偏光は楕円率が零の楕円偏光である。
【0012】本発明に係るレーザ加工方法は、1以外の
楕円率の楕円偏光をしたレーザ光の集光点を加工対象物
の内部に合わせかつレーザ光の楕円偏光を表す楕円の長
軸が加工対象物の切断予定ラインと沿うように、集光点
におけるピークパワー密度が1×108(W/cm2)以上で
かつパルス幅が1μs以下の条件でレーザ光を照射する
ことにより、切断予定ラインに沿って加工対象物の内部
にクラック領域を含む改質領域を形成する工程を備える
ことを特徴とする。
【0013】本発明に係るレーザ加工方法によれば、加
工対象物の内部に集光点を合わせて、集光点におけるピ
ークパワー密度が1×108(W/cm2)以上でかつパルス
幅が1μs以下の条件でレーザ光を照射している。この
ため、加工対象物の内部では多光子吸収による光学的損
傷という現象が発生する。この光学的損傷により加工対
象物の内部に熱ひずみが誘起され、これにより加工対象
物の内部にクラック領域が形成される。このクラック領
域は上記改質領域の一例であるので、本発明に係るレー
ザ加工方法によれば、加工対象物の表面に溶融や切断予
定ラインから外れた不必要な割れを発生させることな
く、レーザ加工が可能となる。このレーザ加工方法の加
工対象物としては、例えば、ガラスを含む部材がある。
なお、ピークパワー密度とは、パルスレーザ光の集光点
の電界強度を意味する。
【0014】また、レーザ光の楕円偏光を表す楕円の長
軸が加工対象物の切断予定ラインと沿うように加工対象
物にレーザ光を照射しているので、上記本発明に係るレ
ーザ加工方法と同様に、改質領域を効率的に形成でき、
また、切断予定ラインに沿って加工対象物を精密に切断
することができる。
【0015】本発明に係るレーザ加工方法は、1以外の
楕円率の楕円偏光をしたレーザ光の集光点を加工対象物
の内部に合わせかつレーザ光の楕円偏光を表す楕円の長
軸が加工対象物の切断予定ラインと沿うように、集光点
におけるピークパワー密度が1×108(W/cm2)以上で
かつパルス幅が1μs以下の条件でレーザ光を照射する
ことにより、切断予定ラインに沿って加工対象物の内部
に溶融処理領域を含む改質領域を形成する工程を備える
ことを特徴とする。
【0016】本発明に係るレーザ加工方法によれば、加
工対象物の内部に集光点を合わせて、集光点におけるピ
ークパワー密度が1×108(W/cm2)以上でかつパルス
幅が1μs以下の条件でレーザ光を照射している。よっ
て、加工対象物の内部は多光子吸収によって局所的に加
熱される。この加熱により加工対象物の内部に溶融処理
領域が形成される。この溶融処理領域は上記改質領域の
一例であるので、本発明に係るレーザ加工方法によれ
ば、加工対象物の表面に溶融や切断予定ラインから外れ
た不必要な割れを発生させることなく、レーザ加工が可
能となる。このレーザ加工方法の加工対象物としては、
例えば、半導体材料を含む部材がある。
【0017】また、レーザ光の楕円偏光を表す楕円の長
軸が加工対象物の切断予定ラインと沿うように加工対象
物にレーザ光を照射しているので、上記本発明に係るレ
ーザ加工方法と同様に、改質領域を効率的に形成でき、
また、切断予定ラインに沿って加工対象物を精密に切断
することができる。
【0018】本発明に係るレーザ加工方法は、1以外の
楕円率の楕円偏光をしたレーザ光の集光点を加工対象物
の内部に合わせかつレーザ光の楕円偏光を表す楕円の長
軸が加工対象物の切断予定ラインと沿うように、集光点
におけるピークパワー密度が1×108(W/cm2)以上で
かつパルス幅が1ns以下の条件でレーザ光を照射するこ
とにより、切断予定ラインに沿って加工対象物の内部に
屈折率が変化した領域である屈折率変化領域を含む改質
領域を形成する工程を備えることを特徴とする。
【0019】本発明に係るレーザ加工方法によれば、加
工対象物の内部に集光点を合わせて、集光点におけるピ
ークパワー密度が1×108(W/cm2)以上でかつパルス
幅が1ns以下の条件でレーザ光を照射している。本発明
のようにパルス幅を極めて短くして、多光子吸収を加工
対象物の内部に起こさせると、多光子吸収によるエネル
ギーが熱エネルギーに転化せずに、加工対象物の内部に
はイオン価数変化、結晶化又は分極配向等の永続的な構
造変化が誘起されて屈折率変化領域が形成される。この
屈折率変化領域は上記改質領域の一例であるので、本発
明に係るレーザ加工方法によれば、加工対象物の表面に
溶融や切断予定ラインから外れた不必要な割れを発生さ
せることなく、レーザ加工が可能となる。このレーザ加
工方法の加工対象物としては、例えば、ガラスを含む部
材である。
【0020】また、レーザ光の楕円偏光を表す楕円の長
軸が加工対象物の切断予定ラインと沿うように加工対象
物にレーザ光を照射しているので、上記本発明に係るレ
ーザ加工方法と同様に、改質領域を効率的に形成でき、
また、切断予定ラインに沿って加工対象物を精密に切断
することができる。
【0021】上記本発明に係るレーザ加工方法に適用で
きる態様は以下の通りである。
【0022】楕円率零の楕円偏光を有するレーザ光を用
いることができる。楕円率零の場合、直線偏光となる。
直線偏光によれば、改質領域の切断予定ラインに沿う方
向の寸法を最大限にしつつかつそれ以外の方向の寸法を
最小限にすることが可能となる。また、楕円偏光の楕円
率を1/4波長板の方位角変化により調節することがで
きる。1/4波長板を用いれば、方位角を変化させるだ
けで楕円率を調節することができる。
【0023】改質領域を形成する工程後、1/2波長板
によりレーザ光の偏光を略90°だけ回転させて、加工
対象物にレーザ光を照射することができる。また、改質
領域を形成する工程後、加工対象物の厚さ方向を軸とし
て、加工対象物を略90°だけ回転させて、加工対象物
にレーザ光を照射することができる。これらにより、加
工対象物の表面に沿った方向に延びかつ改質領域と交差
した他の改質領域を加工対象物の内部に形成することが
できる。従って、例えば、X軸方向及びY軸方向の切断予
定ラインに沿った改質領域を効率的に形成することがで
きる。
【0024】本発明に係るレーザ加工方法は、1以外の
楕円率の楕円偏光をしたレーザ光の集光点を加工対象物
の内部に合わせかつレーザ光の楕円偏光を表す楕円の長
軸が加工対象物の切断予定ラインに沿うようして、加工
対象物にレーザ光を照射することにより、切断予定ライ
ンに沿って加工対象物を切断する工程を備えることを特
徴とする。
【0025】本発明に係るレーザ加工方法によれば、レ
ーザ光の楕円偏光を表す楕円の長軸が加工対象物の切断
予定ラインと沿うように、加工対象物の内部に集光点を
合わせて加工対象物にレーザ光を照射している。よっ
て、加工対象物を切断予定ラインに沿って効率的に切断
することが可能となる。本発明に係るレーザ加工方法
は、加工対象物にレーザ光を吸収させ、加工対象物を加
熱溶融させることにより、加工対象物を切断してもよ
い。また、本発明に係るレーザ加工方法は、加工対象物
にレーザ光を照射することにより多光子吸収を発生さ
せ、これにより加工対象物の内部に改質領域を形成し、
改質領域を起点として加工対象物を切断してもよい。
【0026】本発明に係るレーザ加工装置は、パルス幅
が1μs以下のパルスレーザ光を出射するレーザ光源
と、レーザ光源から出射されたパルスレーザ光を1以外
の楕円率の楕円偏光に調節する楕円率調節手段と、楕円
率調節手段により調節されたパルスレーザ光の楕円偏光
を表す楕円の長軸が加工対象物の切断予定ラインと沿う
ように調節する長軸調節手段と、長軸調節手段により調
節されたパルスレーザ光の集光点のピークパワー密度が
1×108(W/cm2)以上になるようにパルスレーザ光を
集光する集光手段と、集光手段により集光されたパルス
レーザ光の集光点を加工対象物の内部に合わせる手段
と、切断予定ラインに沿ってパルスレーザ光の集光点を
相対的に移動させる移動手段と、を備えることを特徴と
する。
【0027】本発明に係るレーザ加工装置によれば、上
記本発明に係るレーザ加工方法と同様の理由により、加
工対象物の表面に溶融や切断予定ラインから外れた不必
要な割れを発生させることなく、レーザ切断加工が可能
となる。また、レーザ光の楕円偏光を表す楕円の長軸が
加工対象物の切断予定ラインと沿うように加工対象物に
レーザ光を照射しているので、上記本発明に係るレーザ
加工方法と同様に、改質領域を効率的に形成でき、ま
た、切断予定ラインに沿って加工対象物を精密に切断す
ることができる。
【0028】上記本発明に係るレーザ加工装置に適用で
きる態様は以下の通りである。
【0029】楕円率調節手段により調節されたパルスレ
ーザ光の偏光を略90°だけ回転調節する90°回転調
節手段を備えるようにすることができる。また、加工対
象物の厚さ方向を軸として加工対象物が載置される載置
台を略90°だけ回転させる回転手段を備えるようにす
ることができる。これらにより、パルスレーザ光の楕円
偏光を表す楕円の長軸を、加工対象物の表面に沿った方
向に延びかつ切断予定ラインと交差する方向に延びる他
の切断予定ラインと沿うようにすることができる。従っ
て、例えば、X軸方向及びY軸方向の切断予定ラインに沿
った改質領域を効率的に形成することができる。
【0030】本発明に係るレーザ加工装置は、パルス幅
が1μs以下であってかつ直線偏光を有するパルスレー
ザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光源から出射され
たパルスレーザ光の直線偏光の向きが加工対象物の切断
予定ラインと沿うように調節する直線偏光調節手段と、
直線偏光調節手段により調節されたパルスレーザ光の集
光点のピークパワー密度が1×108(W/cm2)以上にな
るようにパルスレーザ光を集光する集光手段と、集光手
段により集光されたパルスレーザ光の集光点を加工対象
物の内部に合わせる手段と、切断予定ラインに沿ってパ
ルスレーザ光の集光点を相対的に移動させる移動手段
と、を備えることを特徴とする。
【0031】本発明に係るレーザ加工装置によれば、上
記本発明に係るレーザ加工方法と同様の理由により、加
工対象物の表面に溶融や切断予定ラインから外れた不必
要な割れを発生させることなく、レーザ切断加工が可能
となる。また、本発明に係るレーザ加工装置によれば、
上記本発明に係るレーザ加工方法と同様に、改質領域を
効率的に形成でき、また、切断予定ラインに沿って加工
対象物を精密に切断することができる。
【0032】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態に
ついて図面を用いて説明する。本実施形態に係るレーザ
加工方法及びレーザ加工装置は、多光子吸収により改質
領域を形成している。多光子吸収はレーザ光の強度を非
常に大きくした場合に発生する現象である。まず、多光
子吸収について簡単に説明する。
【0033】材料の吸収のバンドギャップEGよりも光子
のエネルギーhνが小さいと光学的に透明となる。よっ
て、材料に吸収が生じる条件はhν>EGである。しか
し、光学的に透明でも、レーザ光の強度を非常に大きく
するとnhν>EGの条件(n=2,3,4,・・・であ
る)で材料に吸収が生じる。この現象を多光子吸収とい
う。パルス波の場合、レーザ光の強度はレーザ光の集光
点のピークパワー密度(W/cm2)で決まり、例えばピー
クパワー密度が1×108(W/cm2)以上の条件で多光子
吸収が生じる。ピークパワー密度は、(集光点における
レーザ光の1パルス当たりのエネルギー)÷(レーザ光
のビームスポット断面積×パルス幅)により求められ
る。また、連続波の場合、レーザ光の強度はレーザ光の
集光点の電界強度(W/cm2)で決まる。
【0034】このような多光子吸収を利用する本実施形
態に係るレーザ加工の原理について図1〜図6を用いて
説明する。図1はレーザ加工中の加工対象物1の平面図
であり、図2は図1に示す加工対象物1のII−II線に沿
った断面図であり、図3はレーザ加工後の加工対象物1
の平面図であり、図4は図3に示す加工対象物1のIV−
IV線に沿った断面図であり、図5は図3に示す加工対象
物1のV−V線に沿った断面図であり、図6は切断された
加工対象物1の平面図である。
【0035】図1及び図2に示すように、加工対象物1
の表面3には切断予定ライン5がある。切断予定ライン
5は直線状に延びた仮想線である。本実施形態に係るレ
ーザ加工は、多光子吸収が生じる条件で加工対象物1の
内部に集光点Pを合わせてレーザ光Lを加工対象物1に照
射して改質領域7を形成する。なお、集光点とはレーザ
光Lが集光した箇所のことである。
【0036】レーザ光Lを切断予定ライン5に沿って
(すなわち矢印A方向に沿って)相対的に移動させるこ
とにより、集光点Pを切断予定ライン5に沿って移動さ
せる。これにより、図3〜図5に示すように改質領域7
が切断予定ライン5に沿って加工対象物1の内部にのみ
形成される。本実施形態に係るレーザ加工方法は、加工
対象物1がレーザ光Lを吸収することにより加工対象物
1を発熱させて改質領域7を形成するのではない。加工
対象物1にレーザ光Lを透過させ加工対象物1の内部に
多光子吸収を発生させて改質領域7を形成している。よ
って、加工対象物1の表面3ではレーザ光Lがほとんど
吸収されないので、加工対象物1の表面3が溶融するこ
とはない。
【0037】加工対象物1の切断において、切断する箇
所に起点があると加工対象物1はその起点から割れるの
で、図6に示すように比較的小さな力で加工対象物1を
切断することができる。よって、加工対象物1の表面3
に不必要な割れを発生させることなく加工対象物1の切
断が可能となる。
【0038】なお、改質領域を起点とした加工対象物の
切断は、次の二通りが考えられる。一つは、改質領域形
成後、加工対象物に人為的な力が印加されることによ
り、改質領域を起点として加工対象物が割れ、加工対象
物が切断される場合である。これは、例えば加工対象物
の厚みが大きい場合の切断である。人為的な力が印加さ
れるとは、例えば、加工対象物の切断予定ラインに沿っ
て加工対象物に曲げ応力やせん断応力を加えたり、加工
対象物に温度差を与えることにより熱応力を発生させた
りすることである。他の一つは、改質領域を形成するこ
とにより、改質領域を起点として加工対象物の断面方向
(厚さ方向)に向かって自然に割れ、結果的に加工対象
物が切断される場合である。これは、例えば加工対象物
の厚みが小さい場合、改質領域が1つでも可能であり、
加工対象物の厚みが大きい場合、厚さ方向に複数の改質
領域を形成することで可能となる。なお、この自然に割
れる場合も、切断する箇所において、改質領域が形成さ
れていない部分上の表面まで割れが先走ることがなく、
改質部を形成した部分上の表面のみを割断することがで
きるので、割断を制御よくすることができる。近年、シ
リコンウェハ等の半導体ウェハの厚みは薄くなる傾向に
あるので、このような制御性のよい割断方法は大変有効
である。
【0039】さて、本実施形態において多光子吸収によ
り形成される改質領域として、次の(1)〜(3)があ
る。
【0040】(1)改質領域が一つ又は複数のクラック
を含むクラック領域の場合 レーザ光を加工対象物(例えばガラスやLiTaO3からなる
圧電材料)の内部に集光点を合わせて、集光点における
電界強度が1×108(W/cm2)以上でかつパルス幅が1
μs以下の条件で照射する。このパルス幅の大きさは、
多光子吸収を生じさせつつ加工対象物表面に余計なダメ
ージを与えずに、加工対象物の内部にのみクラック領域
を形成できる条件である。これにより、加工対象物の内
部には多光子吸収による光学的損傷という現象が発生す
る。この光学的損傷により加工対象物の内部に熱ひずみ
が誘起され、これにより加工対象物の内部にクラック領
域が形成される。電界強度の上限値としては、例えば1
×1012(W/cm2)である。パルス幅は例えば1ns〜2
00nsが好ましい。なお、多光子吸収によるクラック領
域の形成は、例えば、第45回レーザ熱加工研究会論文
集(1998年.12月)の第23頁〜第28頁の「固
体レーザー高調波によるガラス基板の内部マーキング」
に記載されている。
【0041】本発明者は、電界強度とクラックの大きさ
との関係を実験により求めた。実験条件は次ぎの通りで
ある。
【0042】(A)加工対象物:パイレックス(登録商
標)ガラス(厚さ700μm) (B)レーザ 光源:半導体レーザ励起Nd:YAGレーザ 波長:1064nm レーザ光スポット断面積:3.14×10-8cm2 発振形態:Qスイッチパルス 繰り返し周波数:100kHz パルス幅:30ns 出力:出力<1mJ/パルス レーザ光品質:TEM00 偏光特性:直線偏光 (C)集光用レンズ レーザ光波長に対する透過率:60パーセント (D)加工対象物が載置される載置台の移動速度:10
0mm/秒 なお、レーザ光品質がTEM00とは、集光性が高くレーザ
光の波長程度まで集光可能を意味する。
【0043】図7は上記実験の結果を示すグラフであ
る。横軸はピークパワー密度であり、レーザ光がパルス
レーザ光なので電界強度はピークパワー密度で表され
る。縦軸は1パルスのレーザ光により加工対象物の内部
に形成されたクラック部分(クラックスポット)の大き
さを示している。クラックスポットが集まりクラック領
域となる。クラックスポットの大きさは、クラックスポ
ットの形状のうち最大の長さとなる部分の大きさであ
る。グラフ中の黒丸で示すデータは集光用レンズ(C)
の倍率が100倍、開口数(NA)が0.80の場合であ
る。一方、グラフ中の白丸で示すデータは集光用レンズ
(C)の倍率が50倍、開口数(NA)が0.55の場合
である。ピークパワー密度が1011(W/cm2)程度から
加工対象物の内部にクラックスポットが発生し、ピーク
パワー密度が大きくなるに従いクラックスポットも大き
くなることが分かる。
【0044】次に、本実施形態に係るレーザ加工におい
て、クラック領域形成による加工対象物の切断のメカニ
ズムについて図8〜図11を用いて説明する。図8に示
すように、多光子吸収が生じる条件で加工対象物1の内
部に集光点Pを合わせてレーザ光Lを加工対象物1に照射
して切断予定ラインに沿って内部にクラック領域9を形
成する。クラック領域9は一つ又は複数のクラックを含
む領域である。図9に示すようにクラック領域9を起点
としてクラックがさらに成長し、図10に示すようにク
ラックが加工対象物1の表面3と裏面21に到達し、図
11に示すように加工対象物1が割れることにより加工
対象物1が切断される。加工対象物の表面と裏面に到達
するクラックは自然に成長する場合もあるし、加工対象
物に力が印加されることにより成長する場合もある。
【0045】(2)改質領域が溶融処理領域の場合 レーザ光を加工対象物(例えばシリコンのような半導体
材料)の内部に集光点を合わせて、集光点における電界
強度が1×108(W/cm2)以上でかつパルス幅が1μs
以下の条件で照射する。これにより加工対象物の内部は
多光子吸収によって局所的に加熱される。この加熱によ
り加工対象物の内部に溶融処理領域が形成される。溶融
処理領域とは一旦溶融後再固化した領域、溶融状態中の
領域及び溶融から再固化する状態中の領域のうち少なく
ともいずれか一つを意味する。溶融処理領域は相変化し
た領域や結晶構造が変化した領域ということもできる。
また、溶融処理領域とは単結晶構造、非晶質構造、多結
晶構造において、ある構造が別の構造に変化した領域と
いうこともできる。つまり、例えば、単結晶構造から非
晶質構造に変化した領域、単結晶構造から多結晶構造に
変化した領域、単結晶構造から非晶質構造及び多結晶構
造を含む構造に変化した領域を意味する。加工対象物が
シリコン単結晶構造の場合、溶融処理領域は例えば非晶
質シリコン構造である。なお、電界強度の上限値として
は、例えば1×1012(W/cm2)である。パルス幅は例
えば1ns〜200nsが好ましい。
【0046】本発明者は、シリコンウェハの内部で溶融
処理領域が形成されることを実験により確認した。実験
条件は次ぎの通りである。
【0047】(A)加工対象物:シリコンウェハ(厚さ
350μm、外径4インチ) (B)レーザ 光源:半導体レーザ励起Nd:YAGレーザ 波長:1064nm レーザ光スポット断面積:3.14×10-8cm2 発振形態:Qスイッチパルス 繰り返し周波数:100kHz パルス幅:30ns 出力:20μJ/パルス レーザ光品質:TEM00 偏光特性:直線偏光 (C)集光用レンズ 倍率:50倍 NA:0.55 レーザ光波長に対する透過率:60パーセント (D)加工対象物が載置される載置台の移動速度:10
0mm/秒 図12は上記条件でのレーザ加工により切断されたシリ
コンウェハの一部における断面の写真を表した図であ
る。シリコンウェハ11の内部に溶融処理領域13が形
成されている。なお、上記条件により形成された溶融処
理領域の厚さ方向の大きさは100μm程度である。
【0048】溶融処理領域13が多光子吸収により形成
されたことを説明する。図13は、レーザ光の波長とシ
リコン基板の内部の透過率との関係を示すグラフであ
る。ただし、シリコン基板の表面側と裏面側それぞれの
反射成分を除去し、内部のみの透過率を示している。シ
リコン基板の厚みtが50μm、100μm、200μm、
500μm、1000μmの各々について上記関係を示し
た。
【0049】例えば、Nd:YAGレーザの波長である106
4nmにおいて、シリコン基板の厚みが500μm以下の
場合、シリコン基板の内部ではレーザ光が80%以上透
過することが分かる。図12に示すシリコンウェハ11
の厚さは350μmであるので、多光子吸収による溶融
処理領域はシリコンウェハの中心付近、つまり表面から
175μmの部分に形成される。この場合の透過率は、
厚さ200μmのシリコンウェハを参考にすると、90
%以上なので、レーザ光がシリコンウェハ11の内部で
吸収されるのは僅かであり、ほとんどが透過する。この
ことは、シリコンウェハ11の内部でレーザ光が吸収さ
れて、溶融処理領域がシリコンウェハ11の内部に形成
(つまりレーザ光による通常の加熱で溶融処理領域が形
成)されたものではなく、溶融処理領域が多光子吸収に
より形成されたことを意味する。多光子吸収による溶融
処理領域の形成は、例えば、溶接学会全国大会講演概要
第66集(2000年4月)の第72頁〜第73頁の
「ピコ秒パルスレーザによるシリコンの加工特性評価」
に記載されている。
【0050】なお、シリコンウェハは、溶融処理領域を
起点として断面方向に向かって割れを発生させ、その割
れがシリコンウェハの表面と裏面に到達することによ
り、結果的に切断される。シリコンウェハの表面と裏面
に到達するこの割れは自然に成長する場合もあるし、加
工対象物に力が印加されることにより成長する場合もあ
る。なお、溶融処理領域からシリコンウェハの表面と裏
面に割れが自然に成長するのは、一旦溶融後再固化した
状態となった領域から割れが成長する場合、溶融状態の
領域から割れが成長する場合及び溶融から再固化する状
態の領域から割れが成長する場合のうち少なくともいず
れか一つである。いずれの場合も切断後の切断面は図1
2に示すように内部にのみ溶融処理領域が形成される。
加工対象物の内部に溶融処理領域を形成する場合、割断
時、切断予定ラインから外れた不必要な割れが生じにく
いので、割断制御が容易となる。
【0051】(3)改質領域が屈折率変化領域の場合 レーザ光を加工対象物(例えばガラス)の内部に集光点
を合わせて、集光点における電界強度が1×108(W/c
m2)以上でかつパルス幅が1ns以下の条件で照射する。
パルス幅を極めて短くして、多光子吸収を加工対象物の
内部に起こさせると、多光子吸収によるエネルギーが熱
エネルギーに転化せずに、加工対象物の内部にはイオン
価数変化、結晶化又は分極配向等の永続的な構造変化が
誘起されて屈折率変化領域が形成される。電界強度の上
限値としては、例えば1×1012(W/cm2)である。パ
ルス幅は例えば1ns以下が好ましく、1ps以下がさらに
好ましい。多光子吸収による屈折率変化領域の形成は、
例えば、第42回レーザ熱加工研究会論文集(1997
年.11月)の第105頁〜第111頁の「フェムト秒
レーザー照射によるガラス内部への光誘起構造形成」に
記載されている。
【0052】以上のように本実施形態によれば改質領域
を多光子吸収により形成している。そして、本実施形態
は、直線偏光をしたレーザ光の直線偏光の向きが加工対
象物の切断予定ラインと沿うようにして、加工対象物に
レーザ光を照射することにより、加工対象物に改質領域
を形成している。これにより、レーザ光がパルスレーザ
光の場合、1パルスのショット(つまり1パルスのレー
ザ照射)で形成された改質スポットにおいて、切断予定
ラインに沿った方向の寸法を相対的に大きくすることが
できる。これを本発明者は実験により確認した。実験条
件は次ぎの通りである。
【0053】(A)加工対象物:パイレックスガラスウ
ェハ(厚さ700μm、外径4インチ) (B)レーザ 光源:半導体レーザ励起Nd:YAGレーザ 波長:1064nm レーザ光スポット断面積:3.14×10-8cm2 発振形態:Qスイッチパルス 繰り返し周波数:100kHz パルス幅:30ns 出力:出力<1mJ/パルス レーザ光品質:TEM00 偏光特性:直線偏光 (C)集光用レンズ 倍率:50倍 NA:0.55 レーザ光波長に対する透過率:60パーセント (D)加工対象物が載置される載置台の移動速度:10
0mm/秒 加工対象物であるサンプル1,2の各々において、加工
対象物の内部に集光点を合わせてパルスレーザ光を1パ
ルスショットし、加工対象物の内部に多光子吸収による
クラック領域を形成した。サンプル1に直線偏光のパル
スレーザ光を照射し、サンプル2に円偏光のパルスレー
ザ光を照射した。
【0054】図14はサンプル1の平面の写真を表した
図であり、図15はサンプル2の平面の写真を表した図
である。これらの平面はパルスレーザ光の入射面209
である。記号LPは直線偏光を模式的に示しており、記号
CPは円偏光を模式的に示している。そして、図16は図
14に示すサンプル1のXVI- XVI線に沿った断面を模式
的に表した図である。図17は図15に示すサンプル2
のXVII- XVII線に沿った断面を模式的に表した図であ
る。加工対象物であるガラスウェハ211の内部にクラ
ックスポット90が形成されている。
【0055】図16に示すようにパルスレーザ光が直線
偏光の場合、1パルスのショットで形成されるクラック
スポット90の寸法は直線偏光の向きに沿った方向にお
いて相対的に大きくなっている。これは、クラックスポ
ット90の形成がこの方向に促進されていることを示し
ている。一方、図17に示すようにパルスレーザ光が円
偏光の場合、1パルスのショットで形成されるクラック
スポット90の寸法は特定の方向に大きくならない。長
さが最大となる方向のクラックスポット90の寸法は、
サンプル1の方がサンプル2より大きくなっている。
【0056】この実験結果から切断予定ラインに沿った
クラック領域を効率的に形成することができることを説
明する。図18及び図19は、加工対象物の切断予定ラ
インに沿って形成されたクラック領域の平面図である。
1パルスのショットで形成されるクラックスポット90
を切断予定ライン5に沿って多数形成することにより、
切断予定ライン5に沿ったクラック領域9が形成されて
いる。図18は、パルスレーザ光の直線偏光の方向が切
断予定ライン5に沿うようにして、パルスレーザ光を照
射して形成されたクラック領域9を示している。クラッ
クスポット90は、切断予定ライン5の方向に沿っての
形成が促進されることにより、この方向の寸法が比較的
大きくなっている。よって、少ないショット数で切断予
定ライン5に沿ったクラック領域9を形成することがで
きる。一方、図19は、パルスレーザ光の直線偏光の方
向を切断予定ライン5と直交させてパルスレーザ光を照
射して形成されたクラック領域9を示している。クラッ
クスポット90の切断予定ライン5の方向の寸法は比較
的小さいので、クラック領域9を形成するのに図18の
場合に比べてショット数が多くなる。従って、図18に
示す本実施形態に係るクラック領域の形成方法は、図1
9に示す方法よりも効率的にクラック領域を形成するこ
とができる。
【0057】また、図19に示す方法は、パルスレーザ
光の直線偏光の方向が切断予定ライン5と直交させてパ
ルスレーザ光が照射されているので、ショット時に形成
されるクラックスポット90は、切断予定ライン5の幅
方向において形成が促進されている。よって、クラック
スポット90の切断予定ライン5の幅方向への延びが大
きくなりすぎると、加工対象物を切断予定ライン5に沿
って精密に切断することができない。これに対して、図
18に示す本実施形態に係る方法において、ショット時
に形成されるクラックスポット90は、切断予定ライン
5に沿った方向以外の方向にあまり延びていないので、
加工対象物の精密な切断が可能となる。
【0058】なお、改質領域の寸法のうち所定方向の寸
法が相対的に大きくすることについて、直線偏光の場合
で説明したが、楕円偏光でも同じことが言える。すなわ
ち、図20に示すように、レーザ光の楕円偏光EPを表す
楕円の長軸b方向にクラックスポット90の形成が促進
され、この方向に沿った寸法が相対的に大きいクラック
スポット90を形成できる。よって、1以外の楕円率の
楕円偏光をしたレーザ光の楕円偏光を表す楕円の長軸が
加工対象物の切断予定ラインと沿うようにしてクラック
領域を形成すると、直線偏光の場合と同様の効果が生じ
る。なお、楕円率とは短軸aの長さの半分/長軸bの長さ
の半分である。楕円率が小さくなるほど、クラックスポ
ット90は長軸b方向に沿った寸法が大きくなる。直線
偏光は楕円率が零の楕円偏光である。楕円率が1では円
偏光となり、クラック領域の所定方向の寸法を相対的に
大きくできない。よって、本実施形態においては楕円率
1の場合は含まれない。
【0059】改質領域の寸法のうち所定方向の寸法が相
対的に大きくすることについて、クラック領域の場合で
説明したが、溶融処理領域や屈折率変化領域でも同様の
ことが言える。また、パルスレーザ光について説明した
が、連続波レーザ光についても同様のことが言える。
【0060】次に、本実施形態の具体例を説明する。
【0061】[第1例]本実施形態の第1例に係るレー
ザ加工装置について説明する。図21はこのレーザ加工
装置200の概略構成図である。レーザ加工装置200
は、レーザ光Lを発生するレーザ光源101と、レーザ
光Lの出力やパルス幅等を調節するためにレーザ光源1
01を制御するレーザ光源制御部102と、レーザ光源
101から出射されたレーザ光Lの偏光の楕円率を調節
する楕円率調節部201と、楕円率調節部201から出
射されたレーザ光Lの偏光を略90°だけ回転調節する
90°回転調節部203と、を備える。
【0062】レーザ光源101はパルスレーザ光を発生
するNd:YAGレーザである。レーザ光源101に用いるこ
とができるレーザとして、この他、Nd:YVO4レーザやNd:
YLFレーザやチタンサファイアレーザがある。クラック
領域や溶融処理領域を形成する場合、Nd:YAGレーザ、N
d:YVO4レーザ、Nd:YLFレーザを用いるのが好適である。
屈折率変化領域を形成する場合、チタンサファイアレー
ザを用いるのが好適である。
【0063】楕円率調節部201は、図22に示すよう
な1/4波長板207を含む。1/4波長板207は方
位角θを変えることにより楕円偏光の楕円率を調節でき
る。すなわち、1/4波長板207に例えば直線偏光LP
の入射光が入射すると、透過光は所定の楕円率の楕円偏
光EPとなる。方位角とは楕円の長軸とX軸とのなす角で
ある。上述したように本実施形態において、楕円率は1
以外の数字が適用される。楕円率調節部201によりレ
ーザ光Lの偏光を所望の楕円率を有する楕円偏光EPでき
る。加工対象物1の厚さ、材質等を考慮して楕円率は調
節される。
【0064】加工対象物1に直線偏光LPのレーザ光Lを
照射する場合、レーザ光源101から出射されるレーザ
光Lは直線偏光LPなので、レーザ光Lが直線偏光LPのまま
で1/4波長板を通過するように、楕円率調節部201
は1/4波長板207の方位角θを調節する。また、レ
ーザ光源101からは直線偏光のレーザ光Lが出射され
るので、加工対象物1のレーザ照射に直線偏光LPのレー
ザ光だけを利用する場合、楕円率調節部201は不要と
なる。
【0065】90°回転調節部203は、図23に示す
ような1/2波長板205を含む。1/2波長板205
は直線偏光の入射光に対して直交する偏光をつくる波長
板である。すなわち、1/2波長板205に例えば方位
角45°の直線偏光LP1の入射光が入射すると、透過光
は入射光LP1に対して90°だけ回転した直線偏光LP2
なる。90°回転調節部203は、楕円率調節部201
から出射されたレーザ光Lの偏光を90°だけ回転させ
る場合、1/2波長板205をレーザ光Lの光軸上に配
置させる動作をする。また、90°回転調節部203
は、楕円率調節部201から出射されたレーザ光Lの偏
光を回転させない場合、1/2波長板205をレーザ光
Lの光路外(すなわち、レーザ光Lが1/2波長板205
を通過しない場所)に配置させる動作をする。
【0066】レーザ加工装置200はさらに、90°回
転調節部203で偏光を90°だけ回転調節され又はさ
れないレーザ光Lが入射しかつレーザ光Lの光軸の向きを
90°変えるように配置されたダイクロイックミラー1
03と、ダイクロイックミラー103で反射されたレー
ザ光Lを集光する集光用レンズ105と、集光用レンズ
105で集光されたレーザ光Lが照射される加工対象物
1が載置される載置台107と、載置台107をX軸方
向に移動させるためのX軸ステージ109と、載置台1
07をX軸方向に直交するY軸方向に移動させるためのY
軸ステージ111と、載置台107をX軸及びY軸方向に
直交するZ軸方向に移動させるためのZ軸ステージ113
と、載置台107のX-Y平面を加工対象物1の厚さ方向
を軸として回転させるためのθ軸ステージ213と、こ
れら四つのステージ109,111,113,213の移
動を制御するステージ制御部115と、を備える。
【0067】Z軸方向は加工対象物1の表面3と直交す
る方向なので、加工対象物1に入射するレーザ光Lの焦
点深度の方向となる。よって、Z軸ステージ113をZ軸
方向に移動させることにより、加工対象物1の内部にレ
ーザ光Lの集光点Pを合わせることができる。また、この
集光点PのX(Y)軸方向の移動は、加工対象物1をX(Y)軸
ステージ109(111)によりX(Y)軸方向に移動させ
ることにより行う。X(Y)軸ステージ109(111)が
移動手段の一例となる。
【0068】第1例では加工対象物1の加工にパルスレ
ーザ光を用いているが、多光子吸収を起こさせることが
できるなら連続波レーザ光でもよい。集光用レンズ10
5は集光手段の一例である。Z軸ステージ113はレー
ザ光の集光点を加工対象物の内部に合わせる手段の一例
である。集光用レンズ105をZ軸方向に移動させるこ
とによっても、レーザ光の集光点を加工対象物の内部に
合わせることができる。
【0069】レーザ加工装置200はさらに、載置台1
07に載置された加工対象物1を可視光線により照明す
るために可視光線を発生する観察用光源117と、ダイ
クロイックミラー103及び集光用レンズ105と同じ
光軸上に配置された可視光用のビームスプリッタ119
と、を備える。ビームスプリッタ119と集光用レンズ
105との間にダイクロイックミラー103が配置され
ている。ビームスプリッタ119は、可視光線の約半分
を反射し残りの半分を透過する機能を有しかつ可視光線
の光軸の向きを90°変えるように配置されている。観
察用光源117から発生した可視光線はビームスプリッ
タ119で約半分が反射され、この反射された可視光線
がダイクロイックミラー103及び集光用レンズ105
を透過し、加工対象物1の切断予定ライン5等を含む表
面3を照明する。
【0070】レーザ加工装置200はさらに、ビームス
プリッタ119、ダイクロイックミラー103及び集光
用レンズ105と同じ光軸上に配置された撮像素子12
1及び結像レンズ123を備える。撮像素子121とし
ては例えばCCD(charge-coupled device)カメラがある。
切断予定ライン5等を含む表面3を照明した可視光線の
反射光は、集光用レンズ105、ダイクロイックミラー
103、ビームスプリッタ119を透過し、結像レンズ
123で結像されて撮像素子121で撮像され、撮像デ
ータとなる。
【0071】レーザ加工装置200はさらに、撮像素子
121から出力された撮像データが入力される撮像デー
タ処理部125と、レーザ加工装置200全体を制御す
る全体制御部127と、モニタ129と、を備える。撮
像データ処理部125は、撮像データを基にして観察用
光源117で発生した可視光の焦点が表面3上に合わせ
るための焦点データを演算する。この焦点データを基に
してステージ制御部115がZ軸ステージ113を移動
制御することにより、可視光の焦点が表面3に合うよう
にする。よって、撮像データ処理部125はオートフォ
ーカスユニットとして機能する。また、撮像データ処理
部125は、撮像データを基にして表面3の拡大画像等
の画像データを演算する。この画像データは全体制御部
127に送られ、全体制御部で各種処理がなされ、モニ
タ129に送られる。これにより、モニタ129に拡大
画像等が表示される。
【0072】全体制御部127には、ステージ制御部1
15からのデータ、撮像データ処理部125からの画像
データ等が入力し、これらのデータも基にしてレーザ光
源制御部102、観察用光源117及びステージ制御部
115を制御することにより、レーザ加工装置200全
体を制御する。よって、全体制御部127はコンピュー
タユニットとして機能する。
【0073】次に、図21及び図24を用いて、本実施
形態の第1例に係るレーザ加工方法を説明する。図24
は、このレーザ加工方法を説明するためのフローチャー
トである。加工対象物1はシリコンウェハである。
【0074】まず、加工対象物1の光吸収特性を図示し
ない分光光度計等により測定する。この測定結果に基づ
いて、加工対象物1に対して透明な波長又は吸収の少な
い波長のレーザ光Lを発生するレーザ光源101を選定
する(S101)。次に、加工対象物1の厚さを測定す
る。厚さの測定結果及び加工対象物1の屈折率を基にし
て、加工対象物1のZ軸方向の移動量を決定する(S10
3)。これは、レーザ光Lの集光点Pが加工対象物1の内
部に位置させるために、加工対象物1の表面3に位置す
るレーザ光Lの集光点を基準とした加工対象物1のZ軸方
向の移動量である。この移動量を全体制御部127に入
力される。
【0075】加工対象物1をレーザ加工装置200の載
置台107に載置する。そして、観察用光源117から
可視光を発生させて加工対象物1を照明する(S10
5)。照明された切断予定ライン5を含む加工対象物1
の表面3を撮像素子121により撮像する。この撮像デ
ータは撮像データ処理部125に送られる。この撮像デ
ータに基づいて撮像データ処理部125は観察用光源1
17の可視光の焦点が表面3に位置するような焦点デー
タを演算する(S107)。
【0076】この焦点データはステージ制御部115に
送られる。ステージ制御部115は、この焦点データを
基にしてZ軸ステージ113をZ軸方向の移動させる(S
109)。これにより、観察用光源117の可視光の焦
点が表面3に位置する。なお、撮像データ処理部125
は撮像データに基づいて、切断予定ライン5を含む加工
対象物1の表面3の拡大画像データを演算する。この拡
大画像データは全体制御部127を介してモニタ129
に送られ、これによりモニタ129に切断予定ライン5
付近の拡大画像が表示される。
【0077】全体制御部127には予めステップS10
3で決定された移動量データが入力されており、この移
動量データがステージ制御部115に送られる。ステー
ジ制御部115はこの移動量データに基づいて、レーザ
光Lの集光点Pが加工対象物1の内部となる位置に、Z軸
ステージ113により加工対象物1をZ軸方向に移動さ
せる(S111)。
【0078】次に、楕円率調節部201により、レーザ
光源101から出射される直線偏光LPのレーザ光Lの楕
円率を調節する(S113)。楕円率調節部201にお
いて1/4波長板の方位角θを変えることにより、所望
の楕円率の楕円偏光EPを有するレーザ光Lを得ることが
できる。
【0079】まず、加工対象物1をY軸方向に沿って加
工するので、レーザ光Lの楕円偏光EPを表す楕円の長軸
が加工対象物1のY軸方向に延びた切断予定ライン5の
方向と一致するように調節する(S115)。これは、
θ軸ステージ213を回転させることより達成される。
よって、θ軸ステージ213は長軸調節手段や直線偏光
調節手段として機能する。
【0080】Y軸方向に沿って加工対象物1を加工する
ので、90°回転調節部203は、レーザ光Lの偏光を
回転させないような調節をする(S117)。つまり、
1/2波長板をレーザ光Lの光路外に配置させる動作を
する。
【0081】レーザ光源101からレーザ光Lを発生さ
せて、レーザ光Lを加工対象物1の表面3のY軸方向に延
びた切断予定ライン5に照射する。図25は加工対象物
1の平面図である。レーザ光Lの楕円偏光EPの楕円を表
す長軸が加工対象物1の一番右の切断予定ライン5に沿
うようにして、加工対象物1にレーザ光Lが照射され
る。レーザ光Lの集光点Pは加工対象物1の内部に位置し
ているので、溶融処理領域は加工対象物1の内部にのみ
形成される。切断予定ライン5に沿うようにY軸ステー
ジ111を移動させて、溶融処理領域を切断予定ライン
5に沿うように加工対象物1の内部に形成する。
【0082】そして、X軸ステージ109を移動させて
レーザ光Lを隣の切断予定ライン5に照射し、上記と同
様にして溶融処理領域を隣の切断予定ライン5に沿うよ
うに加工対象物1の内部に形成する。これを繰り返すこ
とにより、右から順に各切断予定ライン5に沿って加工
対象物1の内部に溶融処理領域を形成する(S11
9)。なお、直線偏光LPのレーザ光Lを加工対象物1に
照射する場合は、図26に示すようになる。すなわち、
レーザ光Lの直線偏光LPの向きが加工対象物1の切断予
定ライン5に沿うように、レーザ光Lが加工対象物1に
照射される。
【0083】次に、90°回転調節部203により、1
/2波長板205(図23)をレーザ光Lの光軸上に配
置させる動作をする。これにより、楕円率調節部201
から出射されたレーザ光Lの偏光を90°だけ回転させ
る調節をする(S121)。
【0084】次に、レーザ光源101からレーザ光Lを
発生させて、レーザ光Lを加工対象物1の表面3のX軸方
向に延びた切断予定ライン5に照射する。図27は加工
対象物1の平面図である。レーザ光Lの楕円偏光EPを表
す楕円の長軸の方向が加工対象物1の一番下のX軸方向
に延びた切断予定ライン5に沿うようにして、加工対象
物1にレーザ光Lが照射される。レーザ光Lの集光点Pは
加工対象物1の内部に位置しているので、溶融処理領域
は加工対象物1の内部にのみ形成される。切断予定ライ
ン5に沿うようにX軸ステージ109を移動させて、溶
融処理領域を切断予定ライン5に沿うように加工対象物
1の内部に形成する。
【0085】そして、Y軸ステージ111を移動させ
て、レーザ光Lがすぐ上の切断予定ライン5を照射する
ようにし、上記と同様にして溶融処理領域を切断予定ラ
イン5に沿うように加工対象物1の内部に形成する。こ
れを繰り返すことにより、下から順に各切断予定ライン
に沿って加工対象物1の内部に溶融処理領域を形成する
(S123)。なお、直線偏光LPのレーザ光Lを加工対象
物1に照射する場合は、図28に示すようになる。
【0086】そして、加工対象物1を切断予定ライン5
に沿って曲げることにより、加工対象物1を切断する
(S125)。これにより、加工対象物1をシリコンチ
ップに分割する。
【0087】第1例の効果を説明する。これによれば、
多光子吸収を起こさせる条件でかつ加工対象物1の内部
に集光点Pを合わせて、パルスレーザ光Lを切断予定ライ
ン5に照射している。そして、X軸ステージ109やY軸
ステージ111を移動させることにより、集光点Pを切
断予定ライン5に沿って移動させている。これにより、
改質領域(例えばクラック領域、溶融処理領域、屈折率
変化領域)を切断予定ライン5に沿うように加工対象物
1の内部に形成している。加工対象物の切断する箇所に
何らかの起点があると、加工対象物を比較的小さな力で
割って切断することができる。よって、改質領域を起点
として切断予定ライン5に沿って加工対象物1を割るこ
とにより、比較的小さな力で加工対象物1を切断するこ
とができる。これにより、加工対象物1の表面3に切断
予定ライン5から外れた不必要な割れを発生させること
なく加工対象物1を切断することができる。
【0088】また、第1例によれば、加工対象物1に多
光子吸収を起こさせる条件でかつ加工対象物1の内部に
集光点Pを合わせて、パルスレーザ光Lを切断予定ライン
5に照射している。よって、パルスレーザ光Lは加工対
象物1を透過し、加工対象物1の表面3ではパルスレー
ザ光Lがほとんど吸収されないので、改質領域形成が原
因で表面3が溶融等のダメージを受けることはない。
【0089】以上説明したように第1例によれば、加工
対象物1の表面3に切断予定ライン5から外れた不必要
な割れや溶融が生じることなく、加工対象物1を切断す
ることができる。よって、加工対象物1が例えば半導体
ウェハの場合、半導体チップに切断予定ラインから外れ
た不必要な割れや溶融が生じることなく、半導体チップ
を半導体ウェハから切り出すことができる。表面に電極
パターンが形成されている加工対象物や、圧電素子ウェ
ハや液晶等の表示装置が形成されたガラス基板のように
表面に電子デバイスが形成されている加工対象物につい
ても同様である。よって、第1例によれば、加工対象物
を切断することにより作製される製品(例えば半導体チ
ップ、圧電デバイスチップ、液晶等の表示装置)の歩留
まりを向上させることができる。
【0090】また、第1例によれば、加工対象物1の表
面3の切断予定ライン5は溶融しないので、切断予定ラ
イン5の幅(この幅は、例えば半導体ウェハの場合、半
導体チップとなる領域同士の間隔である。)を小さくで
きる。これにより、一枚の加工対象物1から作製される
製品の数が増え、製品の生産性を向上させることができ
る。
【0091】また、第1例によれば、加工対象物1の切
断加工にレーザ光を用いるので、ダイヤモンドカッタを
用いたダイシングよりも複雑な加工が可能となる。例え
ば、図29に示すように切断予定ライン5が複雑な形状
であっても、第1例によれば切断加工が可能となる。
【0092】また、第1例によれば、図25及び図27
に示すように加工対象物1には、パルスレーザ光Lの楕
円偏光EPを表す楕円の長軸の方向が切断予定ライン5に
沿うようにして、パルスレーザ光Lが照射されている。
このためクラックスポットの切断予定ライン5の方向の
寸法は比較的大きくなるので、少ないショット数で切断
予定ライン5に沿ったクラック領域を形成することがで
きる。このように第1例ではクラック領域を効率的に形
成できるので、加工対象物1の加工スピードを向上させ
ることができる。また、ショット時に形成されるクラッ
クスポットは切断予定ライン5に沿った方向以外の方向
にあまり延びないので、加工対象物1を切断予定ライン
5に沿って精密に切断することができる。これらの効果
は後に説明する例でも同様である。
【0093】[第2例]次に、本実施形態の第2例につい
て第1例との相違を中心に説明する。図30はこのレー
ザ加工装置300の概略構成図である。レーザ加工装置
300の構成要素のうち、図21に示す第1例に係るレ
ーザ加工装置200の構成要素と同一要素については同
一符号を付すことによりその説明を省略する。
【0094】レーザ加工装置300には、第1例の90
°回転調節部203が設けられていない。θ軸ステージ
213により、載置台107のX-Y平面が加工対象物1
の厚さ方向を軸として回転させることができる。これに
より、楕円率調節部203から出射されたレーザ光Lの
偏光を相対的に90°だけ回転させる調節をする。
【0095】本実施形態の第2例に係るレーザ加工方法
について説明する。第2例においても図24に示す第1
例に係るレーザ加工方法のステップS101からステッ
プS115の動作をする。第2例には90°回転調節部
203が設けられていないので、次のステップS117
の動作は行われない。
【0096】ステップS115後、ステップS119の動
作が行われる。ここまでの動作により、第2例において
も第1例と同様に加工対象物1は図25に示すように加
工される。その後、ステージ制御部115がθ軸ステー
ジ213を90°だけ回転させる制御をする。このθ軸
ステージ213の回転により加工対象物1はX-Y平面に
おいて90°回転する。これにより、図31に示すよう
に、すでに改質領域形成工程が終了した切断予定ライン
5と交差する切断予定ラインに沿って、楕円偏光EPの長
軸を合わせることができる。
【0097】そして、ステップS119と同様に、レー
ザ光Lを加工対象物1に照射することにより、右から順
に各切断予定ライン5に沿って加工対象物1の内部に溶
融処理領域を形成する。最後に、ステップS125と同
様にして加工対象物1を切断し、加工対象物1をシリコ
ンチップに分割する。
【0098】以上説明した本実施形態では、多光子吸収
による改質領域形成について説明した。しかしながら、
本発明は多光子吸収による改質領域を形成せずに、楕円
偏光を表す楕円の長軸方向が加工対象物の切断予定ライ
ンと沿うように、加工対象物の内部に集光点を合わせて
加工対象物にレーザ光を照射することにより加工対象物
を切断してもよい。これによっても加工対象物を切断予
定ラインに沿って効率的に切断することが可能となる。
【0099】
【発明の効果】本発明に係るレーザ加工方法及びレーザ
加工装置によれば、加工対象物の表面に溶融や切断予定
ラインから外れた割れが生じることなく、加工対象物を
切断することができる。よって、加工対象物を切断する
ことにより作製される製品(例えば、半導体チップ、圧
電デバイスチップ、液晶等の表示装置)の歩留まりや生
産性を向上させることができる。また、本発明に係るレ
ーザ加工方法及びレーザ加工装置によれば、効率的に改
質領域を形成できるので加工対象物の加工スピードを向
上させることができ、さらに加工対象物を切断予定ライ
ンに沿って精密に切断することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施形態に係るレーザ加工方法によってレー
ザ加工中の加工対象物の平面図である。
【図2】図1に示す加工対象物のII−II線に沿った断面
図である。
【図3】本実施形態に係るレーザ加工方法によるレーザ
加工後の加工対象物の平面図である。
【図4】図3に示す加工対象物のIV−IV線に沿った断面
図である。
【図5】図3に示す加工対象物のV−V線に沿った断面図
である。
【図6】本実施形態に係るレーザ加工方法によって切断
された加工対象物の平面図である。
【図7】本実施形態に係るレーザ加工方法における電界
強度とクラックの大きさとの関係を示すグラフである。
【図8】本実施形態に係るレーザ加工方法の第1工程に
おける加工対象物の断面図である。
【図9】本実施形態に係るレーザ加工方法の第2工程に
おける加工対象物の断面図である。
【図10】本実施形態に係るレーザ加工方法の第3工程
における加工対象物の断面図である。
【図11】本実施形態に係るレーザ加工方法の第4工程
における加工対象物の断面図である。
【図12】本実施形態に係るレーザ加工方法により切断
されたシリコンウェハの一部における断面の写真を表し
た図である。
【図13】本実施形態に係るレーザ加工方法におけるレ
ーザ光の波長とシリコン基板の内部の透過率との関係を
示すグラフである。
【図14】直線偏光のパルスレーザ光を照射することに
より内部にクラック領域が形成されたサンプルの平面の
写真を表した図である。
【図15】円偏光のパルスレーザ光を照射することによ
り内部にクラック領域が形成されたサンプルの平面の写
真を表した図である。
【図16】図14に示すサンプルのXVI-XVI線に沿った
断面図である。
【図17】図15に示すサンプルのXVII-XVII線に沿っ
た断面図である。
【図18】本実施形態に係るレーザ加工方法によりクラ
ック領域が形成された加工対象物の切断予定ラインに沿
った部分の平面図である。
【図19】比較となるレーザ加工方法によりクラック領
域が形成された加工対象物の切断予定ラインに沿った部
分の平面図である。
【図20】本実施形態に係る楕円偏光をしたレーザ光と
それにより形成されるクラック領域を示す図である。
【図21】本実施形態の第1例に係るレーザ加工装置の
概略構成図である。
【図22】本実施形態の第1例に係る楕円率調節部に含
まれる1/4波長板の斜視図である。
【図23】本実施形態の第1例に係る90°回転調節部
に含まれる1/2波長板の斜視図である。
【図24】本実施形態の第1例に係るレーザ加工方法を
説明するためのフローチャートである。
【図25】本実施形態の第1例に係るレーザ加工方法に
より楕円偏光を有するレーザ光が照射されたシリコンウ
ェハの平面図である。
【図26】本実施形態の第1例に係るレーザ加工方法に
より直線偏光を有するレーザ光が照射されたシリコンウ
ェハの平面図である。
【図27】図25に示すシリコンウェハに本実施形態の
第1例に係るレーザ加工方法により楕円偏光を有するレ
ーザ光が照射されたシリコンウェハの平面図である。
【図28】図26に示すシリコンウェハに本実施形態の
第1例に係るレーザ加工方法により直線偏光を有するレ
ーザ光が照射されたシリコンウェハの平面図である。
【図29】本実施形態の第1例に係るレーザ加工方法に
より切断可能なパターンを説明するための加工対象物の
平面図である。
【図30】本実施形態の第2例に係るレーザ加工装置の
概略構成図である。
【図31】図25に示すシリコンウェハに本実施形態の
第2例に係るレーザ加工方法により楕円偏光を有するレ
ーザ光が照射されたシリコンウェハの平面図である。
【符号の説明】
1・・・加工対象物、3・・・表面、5・・・切断予定
ライン、7・・・改質領域、9・・・クラック領域、1
1・・・シリコンウェハ、13・・・溶融処理領域、7
0・・・改質領域、90・・・クラック領域、101・
・・レーザ光源、105・・・集光用レンズ、107・
・・載置台、109・・・X軸ステージ、111・・・Y
軸ステージ、113・・・Z軸ステージ、200・・・
レーザ加工装置、201・・・楕円率調節部、203・
・・90°回転調節部、213・・・θ軸ステージ、3
00・・・レーザ加工装置、P・・・集光点、LP・・・
直線偏光、EP・・・楕円偏光
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) B23K 101:40 H01L 21/78 B (72)発明者 内山 直己 静岡県浜松市市野町1126番地の1 浜松ホ トニクス株式会社内 (72)発明者 和久田 敏光 静岡県浜松市市野町1126番地の1 浜松ホ トニクス株式会社内 Fターム(参考) 3C069 AA01 BA08 CA05 CA11 EA01 EA02 EA05 4E068 AE00 CA02 CA03 CB10 CD08 DA10 DB13 4G015 FA06 FB01 FC14

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 1以外の楕円率の楕円偏光をしたレーザ
    光の集光点を加工対象物の内部に合わせかつレーザ光の
    楕円偏光を表す楕円の長軸が前記加工対象物の切断予定
    ラインと沿うように、前記加工対象物にレーザ光を照射
    することにより、前記切断予定ラインに沿って前記加工
    対象物の内部に多光子吸収による改質領域を形成する工
    程を備える、レーザ加工方法。
  2. 【請求項2】 1以外の楕円率の楕円偏光をしたレーザ
    光の集光点を加工対象物の内部に合わせかつレーザ光の
    楕円偏光を表す楕円の長軸が前記加工対象物の切断予定
    ラインと沿うように、集光点におけるピークパワー密度
    が1×108(W/cm2)以上でかつパルス幅が1μs以下
    の条件でレーザ光を照射することにより、前記切断予定
    ラインに沿って前記加工対象物の内部にクラック領域を
    含む改質領域を形成する工程を備える、レーザ加工方
    法。
  3. 【請求項3】 1以外の楕円率の楕円偏光をしたレーザ
    光の集光点を加工対象物の内部に合わせかつレーザ光の
    楕円偏光を表す楕円の長軸が前記加工対象物の切断予定
    ラインと沿うように、集光点におけるピークパワー密度
    が1×108(W/cm2)以上でかつパルス幅が1μs以下
    の条件でレーザ光を照射することにより、前記切断予定
    ラインに沿って前記加工対象物の内部に溶融処理領域を
    含む改質領域を形成する工程を備える、レーザ加工方
    法。
  4. 【請求項4】 1以外の楕円率の楕円偏光をしたレーザ
    光の集光点を加工対象物の内部に合わせかつレーザ光の
    楕円偏光を表す楕円の長軸が前記加工対象物の切断予定
    ラインと沿うように、集光点におけるピークパワー密度
    が1×108(W/cm2)以上でかつパルス幅が1ns以下の
    条件でレーザ光を照射することにより、前記切断予定ラ
    インに沿って前記加工対象物の内部に屈折率が変化した
    領域である屈折率変化領域を含む改質領域を形成する工
    程を備える、レーザ加工方法。
  5. 【請求項5】 前記楕円偏光は楕円率が零の直線偏光で
    ある、請求項1〜4のいずれかに記載のレーザ加工方
    法。
  6. 【請求項6】 前記楕円偏光の楕円率を1/4波長板の
    方位角変化により調節する、請求項1〜5のいずれかに
    記載のレーザ加工方法。
  7. 【請求項7】 前記改質領域を形成する工程後、1/2
    波長板によりレーザ光の偏光を略90°だけ回転させ
    て、前記加工対象物にレーザ光を照射する工程を備え
    る、請求項1〜6のいずれかに記載のレーザ加工方法。
  8. 【請求項8】 前記改質領域を形成する工程後、 前記加工対象物の厚さ方向を軸として、前記加工対象物
    を略90°だけ回転させて、前記加工対象物にレーザ光
    を照射する工程を備える、請求項1〜6のいずれかに記
    載のレーザ加工方法。
  9. 【請求項9】 1以外の楕円率の楕円偏光をしたレーザ
    光の集光点を加工対象物の内部に合わせかつレーザ光の
    楕円偏光を表す楕円の長軸が前記加工対象物の切断予定
    ラインに沿うようして、前記加工対象物にレーザ光を照
    射することにより、前記切断予定ラインに沿って前記加
    工対象物を切断する工程を備える、レーザ加工方法。
  10. 【請求項10】 パルス幅が1μs以下のパルスレーザ
    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パルスレーザ光を1以外
    の楕円率の楕円偏光に調節する楕円率調節手段と、 前記楕円率調節手段により調節されたパルスレーザ光の
    楕円偏光を表す楕円の長軸が加工対象物の切断予定ライ
    ンと沿うように調節する長軸調節手段と、 前記長軸調節手段により調節されたパルスレーザ光の集
    光点のピークパワー密度が1×108(W/cm2)以上にな
    るようにパルスレーザ光を集光する集光手段と、 前記集光手段により集光されたパルスレーザ光の集光点
    を加工対象物の内部に合わせる手段と、 前記切断予定ラインに沿ってパルスレーザ光の集光点を
    相対的に移動させる移動手段と、 を備える、レーザ加工装置。
  11. 【請求項11】 前記楕円率調節手段により調節された
    パルスレーザ光の偏光を略90°だけ回転調節する90
    °回転調節手段を備える、請求項10記載のレーザ加工
    装置。
  12. 【請求項12】 前記加工対象物の厚さ方向を軸として
    前記加工対象物が載置される載置台を略90°だけ回転
    させる回転手段を備える、請求項10記載のレーザ加工
    装置。
  13. 【請求項13】 パルス幅が1μs以下であってかつ直
    線偏光を有するパルス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パルスレーザ光の直線偏
    光の向きが加工対象物の切断予定ラインと沿うように調
    節する直線偏光調節手段と、 前記直線偏光調節手段により調節されたパルスレーザ光
    の集光点のピークパワー密度が1×108(W/cm2)以上
    になるようにパルスレーザ光を集光する集光手段と、 前記集光手段により集光されたパルスレーザ光の集光点
    を加工対象物の内部に合わせる手段と、 前記切断予定ラインに沿ってパルスレーザ光の集光点を
    相対的に移動させる移動手段と、 を備える、レーザ加工装置。
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