JP2003001473A - Laser beam machining device - Google Patents

Laser beam machining device

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JP2003001473A
JP2003001473A JP2002097240A JP2002097240A JP2003001473A JP 2003001473 A JP2003001473 A JP 2003001473A JP 2002097240 A JP2002097240 A JP 2002097240A JP 2002097240 A JP2002097240 A JP 2002097240A JP 2003001473 A JP2003001473 A JP 2003001473A
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laser beam
laser
laser light
magnitude
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Fumitsugu Fukuyo
文嗣 福世
Kenji Fukumitsu
憲志 福満
Naoki Uchiyama
直己 内山
Toshimitsu Wakuta
敏光 和久田
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Hamamatsu Photonics KK
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    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36Removing material
    • B23K26/40Removing material taking account of the properties of the material involved
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K26/50Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece
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    • B23K2103/00Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/50Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser beam machining device which is capable of cutting an object for machining without the occurrence of melting and a crack deviating from a planned cutting line on the surface of the object for machining. SOLUTION: This laser beam amchining device 100 has a laser beam source 101 which emits a laser beam L below 1 μs in pulse width, frequency adjusting means 102 which adjusts the magnitude of the repeating frequencies of the laser beam, condensing means 105 which condenses the laser beam in such a manner that the peak power density of the condensing point P of the emitted laser beam attains >=1×10<8> (w/cm<2> ), means 113 which aligns the condensing point of the laser to the inside of the object 1 for machining, means 109 and 111 which relatively move the condensing point along the planned cutting line 5 and frequency computing means 127 which computes the magnitude of the repeating frequencies of the laser beam in order to adjust the distance between he adjacent reforming spots to the input value. The frequency adjusting means adjusts the magnitude of the repeating frequencies of the laser beam in such a manner that the computed magnitude of the frequencies is attained.

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、上記領域付近に位
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や電極パターンが
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、液晶表示装置や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
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るパルスレ
ーザ光の繰り返し周波数の大きさを調節する周波数調節
手段と、レーザ光源から出射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、加工対象物の切断予定ライ
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、加工対象物の内部に集光点を合
わせて1パルスのパルスレーザ光を加工対象物に照射す
ることにより、加工対象物の内部に1つの改質スポット
が形成され、加工対象物の内部に集光点を合わせかつ切
断予定ラインに沿って集光点を相対的に移動させて、複
数パルスのパルスレーザ光を加工対象物に照射すること
により、切断予定ラインに沿って加工対象物の内部に複
数の改質スポットが形成され、隣り合う改質スポット間
の距離の大きさの入力に基づいて、隣り合う改質スポッ
ト間の距離をこの大きさにするために、レーザ光源から
出射されるパルスレーザ光の繰り返し周波数の大きさを
演算する周波数演算手段を備え、周波数調節手段は周波
数演算手段により演算された周波数の大きさとなるよう
にレーザ光源から出射されるパルスレーザ光の繰り返し
周波数の大きさを調節する、ことを特徴とする。 【0007】本発明に係るレーザ加工装置によれば、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
るレーザ加工装置によれば、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。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。 【0008】また、本発明に係るレーザ加工装置によれ
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。 【0009】また、本発明者によれば、パルスレーザ光
の集光点の相対的移動速度が一定の場合、パルスレーザ
光の繰り返し周波数を小さくすると、1パルスのパルス
レーザ光で形成される改質部分(改質スポットという)
と次の1パルスのパルスレーザ光で形成される改質スポ
ットとの距離が大きくなるように制御できることが分か
った。逆に、パルスレーザ光の繰り返し周波数を大きく
するとこの距離が小さくなるように制御できることが分
かった。なお、本明細書ではこの距離を隣り合う改質ス
ポット間の距離又はピッチと表現する。 【0010】よって、パルスレーザ光の繰り返し周波数
を大きく又は小さくする調節を行うことにより、隣り合
う改質スポット間の距離を制御できる。加工対象物の種
類や厚さ等に応じてこの距離を変えることにより、加工
対象物に応じた切断加工が可能となる。なお、切断予定
ラインに沿って加工対象物の内部に複数の改質スポット
が形成されることにより改質領域が規定される。 【0011】そして、本発明に係るレーザ加工装置によ
れば、隣り合う改質スポット間の距離の大きさの入力に
基づいて、隣り合う改質スポット間の距離をこの大きさ
にするために、レーザ光源から出射されるパルスレーザ
光の繰り返し周波数の大きさを演算している。周波数調
節手段は周波数演算手段により演算された周波数の大き
さとなるようにレーザ光源から出射されるパルスレーザ
光の繰り返し周波数の大きさを調節している。よって、
隣り合う改質スポット間の距離を所望の大きさにするこ
とができる。 【0012】 【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。 【0013】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。 【0014】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。 【0015】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。 【0016】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。 【0017】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。 【0018】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、厚さ方向に改質領域が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、切断する箇所の表面上におい
て、改質領域が形成されていない部分まで割れが先走る
ことがなく、改質部を形成した部分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さは薄くなる
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。 【0019】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。 【0020】(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。 【0021】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。 (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。 【0022】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。 【0023】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。 【0024】(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。また、溶融処理領域は一
旦溶融後再固化した領域であり、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。 【0025】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。 【0026】(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。 【0027】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。 【0028】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。 【0029】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。 【0030】(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。 【0031】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、パルスレーザ光の繰り返し周波数の大きさやパル
スレーザ光の集光点の相対的移動速度の大きさを調節す
ることにより、1パルスのパルスレーザ光で形成される
改質スポットと次の1パルスのパルスレーザ光で形成さ
れる改質スポットとの距離を制御している。つまり隣り
合う改質スポット間の距離を制御している。以下この距
離をピッチpとして説明をする。ピッチpの制御について
クラック領域を例に説明する。 【0032】パルスレーザ光の繰り返し周波数をf(H
z)、加工対象物のX軸ステージ又はY軸ステージの移動
速度をv(mm/sec)とする。これらのステージの移動速
度はパルスレーザ光の集光点の相対的移動の速度の一例
である。パルスレーザ光の1ショットで形成されるクラ
ック部分をクラックスポットという。よって、切断予定
ライン5の単位長さあたりに形成されるクラックスポッ
トの数nは、以下の通りである。 n=f/v 単位長さあたりに形成されるクラックスポットの数nの
逆数がピッチpに相当する。 p=1/n 【0033】よって、パルスレーザ光の繰り返し周波数
の大きさ及びパルスレーザ光の集光点の相対的移動速度
の大きさのうち少なくともいずれかを調節すれば、ピッ
チpを制御することができる。すなわち、繰り返し周波
数をf(Hz)を大きくすることやステージの移動速度をv
(mm/sec)を小さくすることにより、ピッチpを小さく
制御できる。逆に、繰り返し周波数をf(Hz)を小さく
することやステージの移動速度をv(mm/sec)を大きく
することにより、ピッチpを大きく制御できる。 【0034】ところで、ピッチpと切断予定ライン5方
向におけるクラックスポットの寸法dとの関係は図14
〜図16に示す三通りがある。図14〜図16は、本実
施形態に係るレーザ加工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5に沿った部分の平面図
である。クラックスポット90は1パルスのパルスレー
ザ光で形成される。複数のクラックスポット90が切断
予定ライン5に沿って並ぶように形成されることによ
り、クラック領域9が形成される。 【0035】図14は、ピッチpが寸法dより大きい場合
を示している。クラック領域9は切断予定ライン5に沿
って加工対象物の内部に断続的に形成されている。図1
5は、ピッチpが寸法dと略等しい場合を示している。ク
ラック領域9は切断予定ライン5に沿って加工対象物の
内部に連続に形成されている。図16は、ピッチpが寸
法dより小さい場合を示している。クラック領域9は切
断予定ライン5に沿って加工対象物の内部に連続的に形
成されている。 【0036】図14によれば、クラック領域9が切断予
定ライン5に沿って連続していないので、切断予定ライ
ン5の箇所はある程度の強度を保持している。よって、
レーザ加工終了後に加工対象物の切断工程を行う場合、
加工対象物のハンドリングが容易となる。図15及び図
16によれば、クラック領域9が切断予定ライン5に沿
って連続的に形成されているので、クラック領域9を起
点とした加工対象物の切断が容易となる。 【0037】図14によればピッチpが寸法dより大きく
されており、図15によればピッチpを寸法dと略等しく
されているので、パルスレーザ光の照射により多光子吸
収の生じる領域が既に形成されたクラックスポット90
と重なるのを防止できる。この結果、クラックスポット
の寸法のばらつきを小さくすることができる。すなわ
ち、本発明者によれば、パルスレーザ光の照射により多
光子吸収の生じる領域が既に形成されたクラックスポッ
ト90と重なると、この領域に形成されるクラックスポ
ット90の寸法のばらつきが大きくなる、ことが分かっ
た。クラックスポット90の寸法のばらつきが大きくな
ると、加工対象物を切断予定ラインに沿って精密に切断
するのが困難となり、また、切断面の平坦性も悪くな
る。図14及び図15によれば、クラックスポットの寸
法のばらつきを小さくできるので、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、かつ、切
断面を平坦にすることができる。 【0038】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、パルスレーザ光の繰り返し周波数の大きさやパルス
レーザ光の集光点の相対的移動速度の大きさを調節する
ことにより、ピッチpを制御することができる。これに
より、加工対象物の厚さや材質等を考慮してピッチpを
変えることにより、加工対象物に応じたレーザ加工が可
能となる。 【0039】なお、ピッチpの制御ができることについ
て、クラックスポットの場合で説明したが、溶融処理ス
ポットや屈折率変化スポットでも同様のことが言える。
但し、溶融処理スポットや屈折率変化スポットについて
はすでに形成された溶融処理スポットや屈折率変化スポ
ットとの重なりが生じても問題はない。また、パルスレ
ーザ光の集光点の相対的移動とは、パルスレーザ光の集
光点を固定して加工対象物を移動させる場合でもよい
し、加工対象物を固定してパルスレーザ光の集光点を移
動させる場合でもよいし、加工対象物とパルスレーザ光
の集光点とを互いに逆方向に移動させる場合でもよい
し、加工対象物とパルスレーザ光の集光点とを速度を異
ならせかつ同じ方向に移動させる場合でもよい。 【0040】次に、本実施形態に係るレーザ加工装置に
ついて説明する。図17はこのレーザ加工装置100の
概略構成図である。レーザ加工装置100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101を制御する
レーザ光源制御部102と、レーザ光Lの反射機能を有
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103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107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、これら三つのステ
ージ109,111,113の移動を制御するステージ制
御部115と、を備える。 【0041】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。 【0042】レーザ光源101はQスイッチレーザであ
る。図18は、レーザ光源101に備えられるQスイッ
チレーザの概略構成図である。Qスイッチレーザは、所
定間隔を設けて配置されたミラー51,53と、ミラー
51とミラー53との間に配置されたレーザ媒質55
と、レーザ媒質55に励起用の入力を加える励起源5
7、レーザ媒質55とミラー51との間に配置されたQ
スイッチ59と、を備える。レーザ媒質55の材料は例
えばNd:YAGである。 【0043】Qスイッチ59を利用して共振器の損失を
高くした状態で励起源57から励起入力をレーザ媒質5
5に加えることにより、レーザ媒質55の反転分布を所
定値まで上昇させる。その後、Qスイッチ59を利用し
て共振器の損失を低くした状態にすることにより、蓄積
されたエネルギーを瞬時に発振させパルスレーザ光Lを
発生させる。レーザ光源制御部102からの信号S(例
えば超音波パルスの繰り返し周波数の変化)によりQス
イッチ59が高い状態になるように制御される。よっ
て、レーザ光源制御部102からの信号Sにより、レー
ザ光源101から出射されるパルスレーザ光Lの繰り返
し周波数を調節することができる。レーザ光源制御部1
02が周波数調節手段の一例となる。繰り返し周波数の
調節は、レーザ加工装置の操作者が後で説明する全体制
御部127にキーボード等を用いて繰り返し周波数の大
きさを入力することによりなされる。以上がレーザ光源
101の詳細である。 【0044】レーザ加工中、加工対象物1をX軸方向やY
軸方向に移動させることにより、切断予定ラインに沿っ
て改質領域を形成する。よって、例えば、X軸方向に改
質領域を形成する場合、X軸ステージ109の移動速度
を調節することにより、パルスレーザ光の集光点の相対
的移動の速度を調節することができる。また、Y軸方向
に改質領域を形成する場合、Y軸ステージ111の移動
速度を調節することにより、パルスレーザ光の集光点の
相対的移動の速度を調節することができる。これらのス
テージの移動速度の調節はステージ制御部115により
制御される。ステージ制御部115は速度調節手段の一
例となる。速度の調節は、レーザ加工装置の操作者が後
で説明する全体制御部127にキーボード等を用いて速
度の大きさを入力することによりなされる。なお、集光
点Pを移動可能とし、その移動速度を調節することによ
り、パルスレーザ光の集光点の相対的移動の速度を調節
することもできる。 【0045】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。 【0046】集光用レンズ105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1
05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。 【0047】レーザ加工装置100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。 【0048】レーザ加工装置100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。 【0049】レーザ加工装置100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100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。 【0050】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100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。 【0051】図19は全体制御部127の一例の一部分
を示すブロック図である。全体制御部127は距離演算
部141、寸法記憶部143及び画像作成部145を備
える。距離演算部141には、パルスレーザ光の繰り返
し周波数の大きさ及びステージ109、111の移動速
度の大きさが入力される。これらの入力はレーザ加工装
置の操作者がキーボード等を用いて行う。 【0052】距離演算部141は上述した式(n=f/v,
p=1/n)を利用して隣り合う改質スポット間の距離
(ピッチ)を演算する。距離演算部141は、この距離
データをモニタ129に送る。これにより、モニタ12
9には入力された周波数の大きさ及び速度の大きさのも
とで形成される改質スポット間の距離が表示される。 【0053】また、この距離データは画像作成部145
にも送られる。寸法記憶部143には予めこのレーザ加
工装置で形成される改質スポットの寸法が記憶されてい
る。画像作成部145は、この距離データと寸法記憶部
143に記憶された寸法のデータとを基にして、この距
離と寸法とにより形成される改質領域の画像データを作
成しモニタ129に送る。これにより、モニタ129に
は改質領域の画像も表示される。よって、レーザ加工前
に隣り合う改質スポット間の距離や改質領域の形状を知
ることができる。 【0054】距離演算部141は式(n=f/v, p=1/
n)を利用して改質スポット間の距離を演算しているが
次のようにしてもよい。まず、繰り返し周波数の大きさ
とステージ109、111の移動速度と改質スポット間
の距離との関係を予め登録したテーブルを作成し、この
テーブルのデータを距離演算部141に記憶させる。繰
り返し周波数の大きさ及びステージ109、111の移
動速度の大きさが距離演算部141に入力されることに
より、距離演算部141は上記テーブルの中からこれら
の大きさの条件で形成される改質スポットにおける改質
スポット間の距離を読み出す。 【0055】なお、繰り返し周波数の大きさを固定しス
テージの移動速度の大きさを可変としてもよい。逆に、
ステージの移動速度の大きさを固定し繰り返し周波数の
大きさを可変としてもよい。これらの場合も距離演算部
141において上述した式やテーブルを用いることによ
り、改質スポット間の距離や改質領域の画像をモニタ1
29に表示させるための処理を行う。 【0056】以上のように図19に示す全体制御部12
7では繰り返し周波数の大きさやステージの移動速度の
大きさを入力することにより、隣り合う改質スポット間
の距離を演算している。隣り合う改質スポット間の所望
の距離を入力し、繰り返し周波数の大きさやステージの
移動速度の大きさを制御してもよい。以下これについて
説明する。 【0057】図20は全体制御部127の他の例の一部
分を示すブロック図である。全体制御部127は周波数
演算部147を備える。レーザ加工装置の操作者はキー
ボード等により周波数演算部147に隣り合う改質スポ
ット間の距離の大きさを入力する。この距離の大きさ
は、加工対象物の厚さや材質等を考慮して決定される。
この入力により周波数演算部147は上記式やテーブル
を基にして、この距離の大きさとなるための周波数を演
算する。この例ではステージの移動速度は固定である。
周波数演算部147は演算されたデータをレーザ光源制
御部102に送る。この周波数の大きさに調節されたレ
ーザ加工装置で加工対象物をレーザ加工することによ
り、隣り合う改質スポット間の距離を所望の大きさにす
ることができる。この周波数の大きさのデータはモニタ
129にも送られ、この周波数の大きさが表示される。 【0058】図21は全体制御部127のさらに他の例
の一部分を示すブロック図である。全体制御部127は
速度演算部149を備える。上記と同様に隣り合う改質
スポット間の距離の大きさが速度演算部149に入力さ
れる。この入力により速度演算部149は上記式やテー
ブルを基にして、この距離の大きさとなるためのステー
ジ移動速度を演算する。この例では繰り返し周波数は固
定である。速度演算部149は演算されたデータをステ
ージ制御部115に送る。このステージ移動速度の大き
さに調節されたレーザ加工装置で加工対象物をレーザ加
工することにより、隣り合う改質スポット間の距離を所
望の大きさにすることができる。このステージ移動速度
の大きさのデータはモニタ129にも送られ、このステ
ージ移動速度の大きさが表示される。 【0059】図22は全体制御部127のさらに他の例
の一部分を示すブロック図である。全体制御部127は
組み合わせ演算部151を備える。図20及び図21の
場合と異なる点は、繰り返し周波数及びステージ移動速
度の両方が演算されることである。上記と同様に隣り合
う改質スポット間の距離の大きさを組み合わせ演算部1
51に入力する。組み合わせ演算部151は上記式やテ
ーブルを基にして、この距離の大きさとなるための繰り
返し周波数及びステージ移動速度を演算する。 【0060】組み合わせ演算部151は演算されたデー
タをレーザ光源制御部102及びステージ制御部115
に送る。レーザ光源制御部102は演算された繰り返し
周波数の大きさとなるようにレーザ光源101を調節す
る。ステージ制御部115は演算されたステージ移動速
度の大きさとなるようにステージ109、111を調節
する。これらの調節がなされたレーザ加工装置で加工対
象物をレーザ加工することにより、隣り合う改質スポッ
ト間の距離を所望の大きさにすることができる。演算さ
れた繰り返し周波数の大きさ及びステージ移動速度の大
きさのデータはモニタ129にも送られ、演算されたこ
れらの値が表示される。 【0061】次に、図17及び図23を用いて、本実施
形態に係るレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法を説
明する。図23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。 【0062】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。 【0063】加工対象物1をレーザ加工装置100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)。 【0064】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。 【0065】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)。 【0066】次に、1パルスのパルスレーザで形成され
る溶融処理スポットにおける隣り合う溶融処理スポット
間の距離、つまりピッチpの大きさを決定する(S11
2)。ピッチpは加工対象物1の厚さや材質等を考慮し
て決定される。ピッチpの大きさを図22に示す全体制
御部127に入力する。 【0067】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の切断
予定ライン5に照射する。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。そして、切断予定ラ
イン5に沿うようにX軸ステージ109やY軸ステージ1
11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(S11
3)。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(S11
5)。これにより、加工対象物1をシリコンチップに分
割する。 【0068】本実施形態の効果を説明する。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。 【0069】また、本実施形態によれば、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。 【0070】以上説明したように本実施形態によれば、
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、本実施形態によれば、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。 【0071】また、本実施形態によれば、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。 【0072】また、本実施形態によれば、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24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、本実施形態によれば切断加工が可能と
なる。これらの効果は後に説明する例でも同様である。 【0073】また、本実施形態によれば、パルスレーザ
光の繰り返し周波数の大きさの調節や、X軸ステージ1
09、Y軸ステージ111の移動速度の大きさの調節に
より、隣合う溶融処理スポットの距離を制御できる。加
工対象物1の厚さや材質等を考慮して距離の大きさを変
えることにより、目的に応じた加工が可能となる。 【0074】 【発明の効果】本発明に係る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。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor material substrate,
The present invention relates to a laser processing apparatus used for cutting a workpiece such as a piezoelectric material substrate or a glass substrate. 2. Description of the Related Art Cutting is one of laser applications, and general cutting with a laser is as follows. For example, a portion to be cut of a workpiece such as a semiconductor wafer or a glass substrate is irradiated with laser light having a wavelength that is absorbed by the workpiece, and the portion to be cut by the absorption of the laser light is directed from the front surface to the back surface of the workpiece. The workpiece is cut by advancing heating and melting. However, in this method, the periphery of the region to be cut out of the surface of the workpiece is also melted. Therefore, when the object to be processed is a semiconductor wafer, among the semiconductor elements formed on the surface of the semiconductor wafer, the semiconductor elements located in the vicinity of the region may be melted. [0003] As a method for preventing melting of the surface of a workpiece, for example, JP 2000-21
There are laser cutting methods disclosed in Japanese Patent No. 9528 and Japanese Patent Laid-Open No. 2000-15467. In the cutting methods of these publications, the part to be cut of the workpiece is heated by laser light, and the workpiece is cooled,
A thermal shock is generated at a portion of the workpiece to be cut to cut the workpiece. However, in the cutting methods of these publications, if the thermal shock generated on the workpiece is large, the surface of the workpiece will be cracked off the line to be cut or cracked to the previous part not irradiated with laser. Unnecessary cracks such as the above may occur. Therefore, these cutting methods cannot perform precision cutting. In particular, the object to be processed is a semiconductor wafer,
In the case of a glass substrate on which a liquid crystal display device is formed or a glass substrate on which an electrode pattern is formed, this unnecessary crack may damage the semiconductor chip, the liquid crystal display device or the electrode pattern. Moreover, since these cutting methods have a large average input energy, the thermal damage given to the semiconductor chip or the like is also large. An object of the present invention is to provide a laser processing apparatus that does not cause unnecessary cracks on the surface of a workpiece and does not melt the surface. A laser processing apparatus according to the present invention includes a laser light source that emits a pulse laser beam having a pulse width of 1 μs or less, and a repetition frequency of the pulse laser beam emitted from the laser light source. The pulse laser beam is focused so that the peak power density at the focusing point of the pulse laser beam emitted from the laser light source and the frequency adjusting means for adjusting the size is 1 × 10 8 (W / cm 2 ) or more. The focusing means, the means for aligning the focusing point of the pulsed laser beam focused by the focusing means with the inside of the object to be processed, and the focusing point of the pulsed laser beam along the planned cutting line of the processing object And a moving means for moving the target, and by aligning a condensing point inside the processing target and irradiating the processing target with one pulsed laser beam, one modified spot is formed inside the processing target. Formed By aligning the focal point inside the workpiece and moving the focal point relatively along the planned cutting line and irradiating the workpiece with multiple pulses of pulsed laser light, A plurality of modified spots are formed inside the workpiece along the line, and the distance between the adjacent modified spots is set to this size based on the input of the magnitude of the distance between the adjacent modified spots. And a frequency calculating means for calculating the repetition frequency of the pulsed laser light emitted from the laser light source, and the frequency adjusting means is emitted from the laser light source so as to have the frequency calculated by the frequency calculating means. The repetition frequency of the pulse laser beam is adjusted. According to the laser processing apparatus of the present invention, the inside of the object to be processed is modified by using the phenomenon of multi-photon absorption by irradiating the laser beam with the focusing point inside the object to be processed. Forming a quality region. If there is any starting point at the location where the workpiece is to be cut, the workpiece can be cut with a relatively small force. According to the laser processing apparatus according to the present invention, the workpiece can be cut by breaking the workpiece along the scheduled cutting line starting from the modified region. Therefore, since the workpiece can be cut with a relatively small force, it is possible to cut the workpiece without generating unnecessary cracks off the planned cutting line on the surface of the workpiece. In addition, a condensing point is a location which the laser beam condensed.
The line to be cut may be a line actually drawn on the surface or inside of the workpiece, or may be a virtual line. Also, according to the laser processing apparatus of the present invention, the modified region is formed by locally generating multiphoton absorption inside the object to be processed. Therefore, since the laser beam is hardly absorbed on the surface of the processing object, the surface of the processing object does not melt. Further, according to the present inventor, when the relative moving speed of the condensing point of the pulsed laser beam is constant, if the repetition frequency of the pulsed laser beam is reduced, the modified laser beam formed by one pulsed laser beam is used. Quality part (called reforming spot)
It was found that the distance between the modified spot formed by the next pulse laser beam of 1 pulse can be controlled to be large. Conversely, it has been found that the distance can be controlled to be small when the repetition frequency of the pulse laser beam is increased. In this specification, this distance is expressed as a distance or pitch between adjacent modified spots. Therefore, the distance between the adjacent modified spots can be controlled by adjusting the repetition frequency of the pulse laser beam to be larger or smaller. By changing this distance according to the type, thickness, etc. of the workpiece, cutting according to the workpiece can be performed. The modified region is defined by forming a plurality of modified spots inside the workpiece along the planned cutting line. According to the laser processing apparatus of the present invention, in order to make the distance between the adjacent modified spots based on the input of the magnitude of the distance between the adjacent modified spots, The magnitude of the repetition frequency of the pulse laser beam emitted from the laser light source is calculated. The frequency adjusting means adjusts the magnitude of the repetition frequency of the pulsed laser light emitted from the laser light source so as to be the magnitude of the frequency calculated by the frequency calculating means. Therefore,
The distance between adjacent modification spots can be set to a desired size. DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The laser processing apparatus according to the present embodiment forms the modified region by multiphoton absorption. Multiphoton absorption is a phenomenon that occurs when the intensity of laser light is very high. First, multiphoton absorption will be briefly described. [0013] a band gap E photon energy hν than G of absorption of the material is less optically clear. Therefore, a condition under which absorption occurs in the material is hv> E G. However, even when optically transparent, increasing the intensity of the laser beam very Nhnyu> of E G condition (n = 2, 3, 4, a, ...) absorbed in the material occurs. This phenomenon is called multiphoton absorption. In the case of a pulse wave, the intensity of the laser beam is determined by the peak power density (W / cm 2 ) at the condensing point of the laser beam. For example, the multiphoton is obtained under the condition that the peak power density is 1 × 10 8 (W / cm 2 ) or more. Absorption occurs. The peak power density is determined by (energy per pulse of laser light at the condensing point) / (laser beam cross-sectional area of laser light × pulse width). In the case of a continuous wave, the intensity of the laser beam is determined by the electric field intensity (W / cm 2 ) at the condensing point of the laser beam. The principle of laser processing according to this embodiment using such multiphoton absorption will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a plan view of a workpiece 1 during laser processing, FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II of the workpiece 1 shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a workpiece after laser processing. Thing 1
FIG. 4 is a plan view of the workpiece 1 shown in FIG.
5 is a cross-sectional view taken along line IV, FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line VV of the workpiece 1 shown in FIG. 3, and FIG. 6 is a plan view of the cut workpiece 1. As shown in FIG. 1 and FIG.
The surface 3 has a cutting line 5. The planned cutting line 5 is a virtual line extending linearly. In the laser processing according to the present embodiment, the modified region 7 is formed by irradiating the processing object 1 with the laser beam L by aligning the condensing point P inside the processing object 1 under the condition that multiphoton absorption occurs. In addition, a condensing point is a location where the laser beam L is condensed. The condensing point P is moved along the planned cutting line 5 by relatively moving the laser light L along the planned cutting line 5 (that is, along the direction of arrow A). As a result, as shown in FIGS.
Is formed only inside the workpiece 1 along the planned cutting line 5. The laser processing method according to the present embodiment does not form the modified region 7 by causing the processing object 1 to generate heat when the processing object 1 absorbs the laser light L, thereby forming the modified region 7. The modified region 7 is formed by transmitting the laser beam L to the workpiece 1 and generating multiphoton absorption inside the workpiece 1. Therefore, since the laser beam L is hardly absorbed by the surface 3 of the workpiece 1, the surface 3 of the workpiece 1 is not melted. In cutting the workpiece 1, if there is a starting point at the part to be cut, the workpiece 1 is cracked from the starting point, so that the workpiece 1 can be cut with a relatively small force as shown in FIG. 6. it can. Therefore, the surface 3 of the workpiece 1
The workpiece 1 can be cut without causing unnecessary cracks. Note that the following two types of cutting of the object to be processed starting from the modified region can be considered. One is a case where, after the modified region is formed, an artificial force is applied to the workpiece, so that the workpiece is cracked and the workpiece is cut from the modified region as a starting point. This is, for example, cutting when the thickness of the workpiece is large. When artificial force is applied, for example, bending stress or shear stress is applied to the workpiece along the planned cutting line of the workpiece, or thermal stress is generated by giving a temperature difference to the workpiece. It is to let you. The other is that when the modified region is formed, the modified region starts as a starting point, and naturally breaks in the cross-sectional direction (thickness direction) of the workpiece, resulting in the workpiece being cut. It is. For example, when the thickness of the workpiece is small, even one modified region is possible in the thickness direction, and when the thickness of the workpiece is large, a plurality of modified regions are formed in the thickness direction. Is possible. In addition, even when this breaks naturally, on the surface of the portion to be cut, the crack does not run to the part where the modified region is not formed, and only the part where the modified part is formed can be cleaved, The cleaving can be controlled well. In recent years, since the thickness of a semiconductor wafer such as a silicon wafer tends to be thin, such a cleaving method with good controllability is very effective. Now, the modified regions formed by multiphoton absorption in this embodiment include the following (1) to (3). (1) When the modified region is a crack region including one or a plurality of cracks, the laser beam is focused on the inside of the object to be processed (for example, a piezoelectric material made of glass or LiTaO 3 ). The electric field intensity at the light spot is 1 × 10 8 (W / cm 2 ) or more and the pulse width is 1.
Irradiate under conditions of μs or less. The magnitude of this pulse width is
This is a condition in which a crack region can be formed only inside the workpiece without causing extra damage to the workpiece surface while causing multiphoton absorption. As a result, a phenomenon of optical damage due to multiphoton absorption occurs inside the workpiece. This optical damage induces thermal strain inside the workpiece, thereby forming a crack region inside the workpiece. The upper limit value of the electric field strength is, for example, 1
× 10 12 (W / cm 2 ) For example, the pulse width is 1 ns to 2
00 ns is preferred. The formation of the crack region by multiphoton absorption is described in, for example, “Inside of glass substrate by solid-state laser harmonics” on pages 23-28 of the 45th Laser Thermal Processing Research Papers (December 1998). marking"
It is described in. The inventor of the present invention obtained the relationship between the electric field strength and the crack size by experiment. The experimental conditions are as follows. (A) Processing object: Pyrex (registered trademark) glass (thickness 700 μm) (B) Laser light source: Semiconductor laser excitation Nd: YAG laser wavelength: 1064 nm Laser light spot cross section: 3.14 × 10 −8 cm 2 oscillation Form: Q switch pulse repetition frequency: 100 kHz Pulse width: 30 ns Output: Output <1 mJ / pulse Laser light quality: TEM 00 Polarization characteristics: Linearly polarized (C) Condensation lens Transmittance to wavelength of laser light: 60 percent (D) Moving speed of the mounting table on which the workpiece is placed: 10
0 mm / sec. Note that the laser beam quality TEM 00 means that the condensing property is high and the laser beam can be focused to the wavelength of the laser beam. FIG. 7 is a graph showing the results of the above experiment. The horizontal axis represents the peak power density. Since the laser beam is a pulsed laser beam, the electric field strength is represented by the peak power density. The vertical axis represents the size of a crack portion (crack spot) formed inside the workpiece by one pulse of laser light. Crack spots gather to form a crack region. The size of the crack spot is the size of the portion having the maximum length in the shape of the crack spot. The data indicated by black circles in the graph is the condensing lens (C)
The magnification is 100 times and the numerical aperture (NA) is 0.80. On the other hand, the data indicated by white circles in the graph is when the magnification of the condenser lens (C) is 50 times and the numerical aperture (NA) is 0.55. From the peak power density of about 10 11 (W / cm 2 ), it can be seen that a crack spot is generated inside the workpiece, and the crack spot increases as the peak power density increases. Next, in the laser processing according to this embodiment, the mechanism of cutting the workpiece by forming the crack region will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 8, the laser beam L is irradiated on the workpiece 1 by aligning the condensing point P inside the workpiece 1 under the condition that multiphoton absorption occurs, and a crack region is formed inside along the planned cutting line. 9 is formed. The crack region 9 is a region including one or a plurality of cracks. As shown in FIG. 9, the crack further grows starting from the crack region 9, and the crack reaches the front surface 3 and the back surface 21 of the workpiece 1 as shown in FIG. 10, and the workpiece 1 as shown in FIG. 11. The workpiece 1 is cut by cracking. Cracks that reach the front and back surfaces of the workpiece may grow naturally or may grow when a force is applied to the workpiece. (2) When the modified region is a melt processing region The laser beam is focused on the inside of the object to be processed (for example, a semiconductor material such as silicon), and the electric field strength at the focused point is 1 × 10. 8 (W / cm 2 ) or more and pulse width 1μs
Irradiate under the following conditions. As a result, the inside of the workpiece is locally heated by multiphoton absorption. By this heating, a melt processing region is formed inside the workpiece. The melting treatment region means at least one of a region once solidified after melting, a region in a molten state, and a region in a state of being resolidified from melting. Further, the melting treatment region is a region once solidified after being melted, and can also be referred to as a phase-changed region or a region where the crystal structure has changed. The melt treatment region can also be said to be a region in which one structure is changed to another structure in a single crystal structure, an amorphous structure, or a polycrystalline structure. In other words, for example, a region changed from a single crystal structure to an amorphous structure, a region changed from a single crystal structure to a polycrystalline structure, or a region changed from a single crystal structure to a structure including an amorphous structure and a polycrystalline structure. To do. When the object to be processed has a silicon single crystal structure, the melt processing region has, for example, an amorphous silicon structure. The upper limit value of the electric field strength is, for example, 1 × 10 12 (W / cm 2 ). For example, the pulse width is 1 ns
200 ns is preferred. The inventor has confirmed through experiments that a melt-processed region is formed inside a silicon wafer. The experimental conditions are as follows. (A) Processing object: silicon wafer (thickness 350 μm, outer diameter 4 inches) (B) Laser light source: semiconductor laser excitation Nd: YAG laser wavelength: 1064 nm Laser light spot cross-sectional area: 3.14 × 10 − 8 cm 2 oscillation form: Q switch pulse repetition frequency: 100 kHz Pulse width: 30 ns Output: 20 μJ / pulse Laser light quality: TEM 00 Polarization characteristics: Linearly polarized light (C) Condensing lens magnification: 50 times NA: 0.55 laser Transmittance with respect to light wavelength: 60% (D) Moving speed of mounting table on which workpiece is mounted: 10
FIG. 12 is a view showing a photograph of a cross section of a part of a silicon wafer cut by laser processing under the above conditions. A melt processing region 13 is formed inside the silicon wafer 11. In addition, the size in the thickness direction of the melt processing region formed under the above conditions is about 100 μm. It will be described that the melt processing region 13 is formed by multiphoton absorption. FIG. 13 is a graph showing the relationship between the wavelength of the laser beam and the transmittance inside the silicon substrate. However, the reflection components on the front side and the back side of the silicon substrate are removed to show the transmittance only inside. The thickness t of the silicon substrate is 50 μm, 100 μm, 200 μm,
The above relationship was shown for each of 500 μm and 1000 μm. For example, the wavelength 106 of the Nd: YAG laser is used.
When the thickness of the silicon substrate is 4 μm or less at 4 nm, it can be seen that 80% or more of the laser light is transmitted inside the silicon substrate. Silicon wafer 11 shown in FIG.
Since the thickness of the film is 350 μm, the melted region by multiphoton absorption is formed near the center of the silicon wafer, that is, at a portion of 175 μm from the surface. The transmittance in this case is
When referring to a silicon wafer with a thickness of 200 μm, 90
% Or more, the laser beam is hardly absorbed inside the silicon wafer 11 and is almost transmitted. This is not because the laser beam is absorbed inside the silicon wafer 11 and the melt processing region is formed inside the silicon wafer 11 (that is, the melt processing region is formed by normal heating with laser light). It means that the processing region is formed by multiphoton absorption. The formation of the melt processing region by multiphoton absorption is, for example, “Evaluation of processing characteristics of silicon by picosecond pulse laser” on pages 72 to 73 of the 66th Annual Meeting of the Japan Welding Society (April 2000).
It is described in. The silicon wafer is cracked in the direction of the cross section starting from the melt processing region, and the crack reaches the front and back surfaces of the silicon wafer, resulting in cutting. The cracks that reach the front and back surfaces of the silicon wafer may grow naturally or may grow by applying force to the workpiece. In addition, the crack grows naturally from the melt processing area to the front and back surfaces of the silicon wafer when the crack grows from the area once solidified after being melted, or when the crack grows from the melted area. And at least one of the cases where cracks grow from a region in a state of being resolidified from melting. In either case, the cut surface after cutting is shown in FIG.
As shown in FIG. 2, a melt processing region is formed only inside.
In the case where the melt processing region is formed inside the object to be processed, since the unnecessary cracks that are off the planned cutting line are not easily generated at the time of cleaving, cleaving control is facilitated. (3) When the modified region is a refractive index changing region The laser beam is focused on the inside of the object to be processed (eg, glass), and the electric field strength at the focused point is 1 × 10 8 (W / c
Irradiation is performed under conditions of m 2 ) or more and a pulse width of 1 ns or less.
When the pulse width is made extremely short and multiphoton absorption occurs inside the workpiece, the energy due to the multiphoton absorption is not converted into thermal energy, and the ion valence change and crystallization occur inside the workpiece. Alternatively, a permanent structural change such as polarization orientation is induced to form a refractive index change region. The upper limit value of the electric field strength is, for example, 1 × 10 12 (W / cm 2 ). For example, the pulse width is preferably 1 ns or less, and more preferably 1 ps or less. Formation of the refractive index change region by multiphoton absorption is
For example, the 42nd Laser Thermal Processing Workshop Proceedings (1997)
Year. (November), page 105 to page 111, "Photo-induced structure formation in glass by femtosecond laser irradiation". As described above, according to the present embodiment, the modified region is formed by multiphoton absorption. And this embodiment adjusts the magnitude | size of the repetition frequency of a pulse laser beam, and the magnitude | size of the relative moving speed of the condensing point of a pulse laser beam, and the modification spot formed with a pulse laser beam of 1 pulse. And the modified spot formed by the next pulse laser beam of one pulse is controlled. That is, the distance between adjacent reforming spots is controlled. Hereinafter, this distance will be described as the pitch p. The control of the pitch p will be described taking a crack region as an example. The repetition frequency of the pulse laser beam is f (H
z) Let the moving speed of the X-axis stage or Y-axis stage of the workpiece be v (mm / sec). The moving speed of these stages is an example of the relative moving speed of the condensing point of the pulse laser beam. A crack portion formed by one shot of pulsed laser light is called a crack spot. Therefore, the number n of crack spots formed per unit length of the planned cutting line 5 is as follows. n = f / v The inverse of the number n of crack spots formed per unit length corresponds to the pitch p. Therefore, the pitch p is controlled by adjusting at least one of the repetition frequency of the pulse laser beam and the relative moving speed of the focused point of the pulse laser beam. be able to. In other words, increase the repetition frequency f (Hz) and the stage moving speed v
By reducing (mm / sec), the pitch p can be controlled to be small. Conversely, the pitch p can be largely controlled by decreasing the repetition frequency f (Hz) and increasing the stage moving speed v (mm / sec). By the way, the relationship between the pitch p and the crack spot dimension d in the direction of the cutting line 5 is shown in FIG.
There are three ways shown in FIG. 14-16 is a top view of the part along the cutting scheduled line 5 of the process target object in which the crack area | region was formed by the laser processing which concerns on this embodiment. The crack spot 90 is formed by one pulsed laser beam. A crack region 9 is formed by forming a plurality of crack spots 90 so as to line up along the planned cutting line 5. FIG. 14 shows a case where the pitch p is larger than the dimension d. The crack region 9 is intermittently formed inside the workpiece along the planned cutting line 5. FIG.
5 shows a case where the pitch p is substantially equal to the dimension d. The crack region 9 is continuously formed along the planned cutting line 5 inside the workpiece. FIG. 16 shows a case where the pitch p is smaller than the dimension d. The crack region 9 is continuously formed along the planned cutting line 5 inside the workpiece. According to FIG. 14, since the crack region 9 is not continuous along the planned cutting line 5, the portion of the planned cutting line 5 maintains a certain level of strength. Therefore,
When performing the cutting process of the workpiece after laser processing is finished,
Handling of the workpiece is easy. According to FIG.15 and FIG.16, since the crack area | region 9 is continuously formed along the cutting scheduled line 5, the cutting | disconnection of the workpiece from the crack area | region 9 becomes easy. According to FIG. 14, the pitch p is larger than the dimension d, and according to FIG. 15, the pitch p is substantially equal to the dimension d. Already formed crack spot 90
Can be prevented from overlapping. As a result, the variation in the size of the crack spot can be reduced. That is, according to the present inventors, when a region where multiphoton absorption occurs due to irradiation with pulsed laser light overlaps with a crack spot 90 that has already been formed, variation in the size of the crack spot 90 formed in this region increases. I understood that. If the variation in the size of the crack spot 90 becomes large, it becomes difficult to precisely cut the workpiece along the line to be cut, and the flatness of the cut surface also deteriorates. According to FIGS. 14 and 15, since the variation in the size of the crack spot can be reduced, the workpiece can be precisely cut along the planned cutting line, and the cut surface can be flattened. As described above, according to this embodiment, the pitch p is controlled by adjusting the repetition frequency of the pulse laser beam and the relative moving speed of the focused point of the pulse laser beam. can do. As a result, by changing the pitch p in consideration of the thickness and material of the workpiece, laser processing according to the workpiece can be performed. Although the control of the pitch p has been described in the case of a crack spot, the same can be said for a melting treatment spot and a refractive index change spot.
However, there is no problem even if the melt processing spot and the refractive index change spot overlap with the already formed melt processing spot and the refractive index change spot. The relative movement of the focused point of the pulsed laser beam may be a case where the focused object of the pulsed laser beam is fixed and the object to be processed is moved, or the focused object of the pulsed laser beam is collected while the processed object is fixed. The light spot may be moved, the object to be processed and the focused point of the pulse laser light may be moved in opposite directions, or the speed of the processed object and the focused point of the pulse laser light may be different. And may be moved in the same direction. Next, the laser processing apparatus according to this embodiment will be described. FIG. 17 is a schematic configuration diagram of the laser processing apparatus 100. The laser processing apparatus 100 is a laser beam
A laser light source 101 for generating L, a laser light source control unit 102 for controlling the laser light source 101 to adjust the output, pulse width, etc. of the laser light L; A dichroic mirror 103 arranged to change the direction of the optical axis by 90 °, a condensing lens 105 for condensing the laser light L reflected by the dichroic mirror 103, and a laser condensed by the condensing lens 105 A mounting table 107 on which the workpiece 1 irradiated with the light L is mounted, and X for moving the mounting table 107 in the X-axis direction.
An axis stage 109, a Y-axis stage 111 for moving the mounting table 107 in the Y-axis direction orthogonal to the X-axis direction, and a Z-axis direction for moving the mounting table 107 in the Z-axis direction orthogonal to the X-axis and Y-axis directions A Z-axis stage 113 and a stage control unit 115 that controls the movement of these three stages 109, 111, 113 are provided. The laser light source 101 is an Nd: YAG laser that generates pulsed laser light. Other lasers that can be used for the laser light source 101 include Nd: YVO 4 laser and Nd:
There are YLF laser and titanium sapphire laser. Nd: YAG laser, N
It is preferable to use a d: YVO 4 laser or an Nd: YLF laser.
When forming the refractive index changing region, it is preferable to use a titanium sapphire laser. The laser light source 101 is a Q switch laser. FIG. 18 is a schematic configuration diagram of a Q switch laser provided in the laser light source 101. The Q-switched laser has mirrors 51 and 53 arranged at a predetermined interval, and a laser medium 55 arranged between the mirror 51 and the mirror 53.
And an excitation source 5 for applying an excitation input to the laser medium 55
7. Q placed between the laser medium 55 and the mirror 51
A switch 59. The material of the laser medium 55 is Nd: YAG, for example. The excitation input from the excitation source 57 is applied to the laser medium 5 with the loss of the resonator increased by using the Q switch 59.
By adding to 5, the inversion distribution of the laser medium 55 is raised to a predetermined value. After that, by using the Q switch 59 to reduce the loss of the resonator, the accumulated energy is instantly oscillated to generate the pulsed laser light L. The Q switch 59 is controlled to be in a high state by a signal S from the laser light source control unit 102 (for example, a change in the repetition frequency of the ultrasonic pulse). Therefore, the repetition frequency of the pulsed laser light L emitted from the laser light source 101 can be adjusted by the signal S from the laser light source control unit 102. Laser light source controller 1
02 is an example of the frequency adjusting means. The repetition frequency is adjusted by the operator of the laser processing apparatus inputting the repetition frequency using a keyboard or the like to the overall control unit 127 described later. The details of the laser light source 101 have been described above. During laser processing, the workpiece 1 is moved in the X-axis direction or Y direction.
By moving in the axial direction, the modified region is formed along the planned cutting line. Therefore, for example, when the modified region is formed in the X-axis direction, the relative movement speed of the focused point of the pulse laser beam can be adjusted by adjusting the movement speed of the X-axis stage 109. Further, when the modified region is formed in the Y-axis direction, the relative movement speed of the focused point of the pulse laser beam can be adjusted by adjusting the movement speed of the Y-axis stage 111. Adjustment of the moving speed of these stages is controlled by the stage controller 115. The stage control unit 115 is an example of a speed adjustment unit. The speed is adjusted by the operator of the laser processing apparatus inputting the magnitude of the speed using a keyboard or the like to the overall control unit 127 described later. Note that the speed of relative movement of the focused point of the pulse laser beam can be adjusted by making the focused point P movable and adjusting the moving speed. Since the Z-axis direction is a direction orthogonal to the surface 3 of the workpiece 1, it is the direction of the focal depth of the laser light L incident on the workpiece 1. Therefore, by moving the Z-axis stage 113 in the Z-axis direction, the condensing point P of the laser light L can be adjusted inside the workpiece 1. Further, the movement of the condensing point P in the X (Y) axis direction is performed by moving the workpiece 1 in the X (Y) axis direction by the X (Y) axis stage 109 (111). The X (Y) axis stage 109 (111) is an example of the moving means. The condensing lens 105 is an example of a condensing means. The Z-axis stage 113 is an example of means for aligning the laser beam condensing point with the inside of the workpiece. Condensing lens 1
By moving 05 in the Z-axis direction, the condensing point of the laser beam can be adjusted to the inside of the workpiece. The laser processing apparatus 100 further includes a mounting table 1.
The observation light source 117 that generates visible light to illuminate the workpiece 1 placed on 07 with visible light, and the visible light disposed on the same optical axis as the dichroic mirror 103 and the condensing lens 105. Beam splitter 119
And comprising. A dichroic mirror 103 is disposed between the beam splitter 119 and the condensing lens 105. The beam splitter 119 has a function of reflecting about half of visible light and transmitting the other half, and is arranged so as to change the direction of the optical axis of visible light by 90 °. About half of the visible light generated from the observation light source 117 is reflected by the beam splitter 119, and the reflected visible light is reflected by the dichroic mirror 103 and the condensing lens 105.
, And the surface 3 including the planned cutting line 5 of the workpiece 1 is illuminated. The laser processing apparatus 100 further includes an image sensor 12 disposed on the same optical axis as the beam splitter 119, the dichroic mirror 103, and the condensing lens 105.
1 and an imaging lens 123. An example of the image sensor 121 is a CCD (charge-coupled device) camera.
The reflected light of the visible light that illuminates the surface 3 including the planned cutting line 5 passes through the condensing lens 105, the dichroic mirror 103, and the beam splitter 119, is imaged by the imaging lens 123, and is imaged by the imaging device 121. And becomes imaging data. The laser processing apparatus 100 further includes an image data processing unit 125 to which the image data output from the image sensor 121 is input, an overall control unit 127 for controlling the entire laser processing apparatus 100, and a monitor 129. . The imaging data processing unit 125 calculates focus data for focusing the visible light generated by the observation light source 117 on the surface 3 based on the imaging data. The stage control unit 115 controls the movement of the Z-axis stage 113 based on the focus data so that the visible light is focused on the surface 3. Therefore, the imaging data processing unit 125 functions as an autofocus unit. The imaging data processing unit 125 calculates image data such as an enlarged image of the surface 3 based on the imaging data. This image data is sent to the overall control unit 127, where various processes are performed by the overall control unit, and sent to the monitor 129. Thereby, an enlarged image or the like is displayed on the monitor 129. The overall control unit 127 includes a stage control unit 1.
15, image data from the imaging data processing unit 125, and the like are input, and the laser processing apparatus is controlled by controlling the laser light source control unit 102, the observation light source 117 and the stage control unit 115 based on these data. The entire 100 is controlled. Therefore, the overall control unit 127 functions as a computer unit. FIG. 19 is a block diagram showing a part of an example of the overall control unit 127. The overall control unit 127 includes a distance calculation unit 141, a dimension storage unit 143, and an image creation unit 145. The distance calculation unit 141 receives the magnitude of the repetition frequency of the pulse laser beam and the magnitude of the moving speed of the stages 109 and 111. These inputs are performed by the operator of the laser processing apparatus using a keyboard or the like. The distance calculation unit 141 receives the above equation (n = f / v,
p = 1 / n) is used to calculate the distance (pitch) between adjacent reforming spots. The distance calculation unit 141 sends this distance data to the monitor 129. As a result, the monitor 12
9 shows the distance between the reforming spots formed under the inputted frequency and speed. The distance data is stored in the image creation unit 145.
Also sent to. The dimension storage unit 143 stores in advance the dimensions of the modified spots formed by this laser processing apparatus. Based on the distance data and the dimension data stored in the dimension storage unit 143, the image creation unit 145 creates image data of the modified region formed by the distance and the dimension and sends it to the monitor 129. Thereby, the image of the modified region is also displayed on the monitor 129. Therefore, it is possible to know the distance between adjacent modified spots and the shape of the modified region before laser processing. The distance calculation unit 141 uses the formula (n = f / v, p = 1 /
The distance between the reforming spots is calculated using n), but may be as follows. First, a table in which the relationship between the magnitude of the repetition frequency, the moving speed of the stages 109 and 111, and the distance between the reforming spots is registered in advance is stored in the distance calculation unit 141. When the magnitude of the repetition frequency and the magnitude of the moving speed of the stages 109 and 111 are input to the distance computing unit 141, the distance computing unit 141 is reformed that is formed from the above table under the conditions of these sizes. Read the distance between the modified spots in the spot. Note that the magnitude of the repetition frequency may be fixed and the magnitude of the stage moving speed may be variable. vice versa,
The stage moving speed may be fixed and the repetition frequency may be variable. Also in these cases, the distance calculation unit 141 uses the above-described formulas and tables to monitor the distance between the modified spots and the image of the modified region on the monitor 1.
The processing for displaying on the screen 29 is performed. As described above, the overall control unit 12 shown in FIG.
In step 7, the distance between adjacent reforming spots is calculated by inputting the magnitude of the repetition frequency and the magnitude of the moving speed of the stage. A desired distance between adjacent reforming spots may be input to control the repetition frequency and the stage moving speed. This will be described below. FIG. 20 is a block diagram showing a part of another example of the overall control unit 127. The overall control unit 127 includes a frequency calculation unit 147. The operator of the laser processing apparatus inputs the magnitude of the distance between the modified spots adjacent to the frequency calculation unit 147 using a keyboard or the like. The magnitude of this distance is determined in consideration of the thickness and material of the workpiece.
Based on this input, the frequency calculation unit 147 calculates a frequency for achieving the distance based on the above formula and table. In this example, the moving speed of the stage is fixed.
The frequency calculation unit 147 sends the calculated data to the laser light source control unit 102. The distance between adjacent modified spots can be set to a desired size by laser processing a workpiece with a laser processing apparatus adjusted to the frequency size. This frequency magnitude data is also sent to the monitor 129, and the frequency magnitude is displayed. FIG. 21 is a block diagram showing a part of still another example of the overall control unit 127. The overall control unit 127 includes a speed calculation unit 149. Similarly to the above, the magnitude of the distance between adjacent reforming spots is input to the speed calculation unit 149. Based on this input, the speed calculation unit 149 calculates the stage moving speed for achieving the distance based on the above formula and table. In this example, the repetition frequency is fixed. The speed calculation unit 149 sends the calculated data to the stage control unit 115. The distance between adjacent modified spots can be set to a desired size by laser processing the workpiece with the laser processing apparatus adjusted to the magnitude of the stage moving speed. The data on the magnitude of the stage moving speed is also sent to the monitor 129, and the magnitude of the stage moving speed is displayed. FIG. 22 is a block diagram showing a part of still another example of the overall control unit 127. The overall control unit 127 includes a combination calculation unit 151. A difference from the cases of FIGS. 20 and 21 is that both the repetition frequency and the stage moving speed are calculated. Similar to the above, the calculation unit 1 combines the magnitudes of the distances between adjacent reforming spots.
Input to 51. The combination calculation unit 151 calculates a repetition frequency and a stage moving speed for achieving the distance based on the above formula and table. The combination calculation unit 151 outputs the calculated data to the laser light source control unit 102 and the stage control unit 115.
Send to. The laser light source control unit 102 adjusts the laser light source 101 so as to have the calculated repetition frequency. The stage control unit 115 adjusts the stages 109 and 111 so that the calculated stage moving speed is obtained. The distance between adjacent modified spots can be set to a desired size by laser processing a workpiece with the laser processing apparatus in which these adjustments have been made. Data of the calculated repetition frequency magnitude and stage movement speed magnitude is also sent to the monitor 129, and these calculated values are displayed. Next, a laser processing method using the laser processing apparatus according to this embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 23 is a flowchart for explaining this laser processing method. The workpiece 1 is a silicon wafer. First, the light absorption characteristic of the workpiece 1 is measured by a spectrophotometer or the like (not shown). Based on the measurement result, a laser light source 101 that generates a laser beam L having a wavelength transparent to the workpiece 1 or a wavelength with little absorption is selected (S101). Next, the thickness of the workpiece 1 is measured. Based on the thickness measurement result and the refractive index of the workpiece 1, the amount of movement of the workpiece 1 in the Z-axis direction is determined (S10).
3). This is because the converging point P of the laser light L is located inside the processing object 1, so that the processing object 1 is based on the condensing point of the laser light L positioned on the surface 3 of the processing object 1. This is the amount of movement in the Z-axis direction. This movement amount is input to the overall control unit 127. The object 1 to be processed is placed on the mounting table 107 of the laser processing apparatus 100. Then, visible light is generated from the observation light source 117 to illuminate the workpiece 1 (S10).
5). Work object 1 including illuminated cutting line 5
The surface 3 is imaged by the image sensor 121. This imaging data is sent to the imaging data processing unit 125. Based on this imaging data, the imaging data processing unit 125 uses the observation light source 1.
Focus data is calculated such that the focus of the visible light 17 is located on the surface 3 (S107). This focus data is sent to the stage controller 115. The stage control unit 115 moves the Z-axis stage 113 in the Z-axis direction based on the focus data (S
109). Thereby, the focal point of the visible light of the observation light source 117 is located on the surface 3. The imaging data processing unit 125
Calculates the enlarged image data of the surface 3 of the workpiece 1 including the planned cutting line 5 based on the imaging data. This enlarged image data is sent to the monitor 129 via the overall control unit 127.
This causes the monitor 129 to send a cut line 5
A nearby enlarged image is displayed. The overall control unit 127 is previously provided with step S10.
The movement amount data determined in 3 is input, and this movement amount data is sent to the stage control unit 115. The stage control unit 115 moves the workpiece 1 in the Z-axis direction by the Z-axis stage 113 to a position where the condensing point P of the laser light L is inside the workpiece 1 based on the movement amount data ( S111). Next, the distance between adjacent melt processing spots in the melt processing spot formed by one pulse laser, that is, the size of the pitch p is determined (S11).
2). The pitch p is determined in consideration of the thickness and material of the workpiece 1. The magnitude of the pitch p is input to the overall control unit 127 shown in FIG. Next, a laser beam L is generated from the laser light source 101, and the laser beam L is irradiated to the cutting line 5 on the surface 3 of the workpiece 1. Since the condensing point P of the laser beam L is located inside the workpiece 1, the melted region is formed only inside the workpiece 1. Then, the X-axis stage 109 and the Y-axis stage 1 are aligned along the scheduled cutting line 5.
11 is moved, and the melt processing region is formed inside the workpiece 1 along the planned cutting line 5 (S11).
3). Then, the workpiece 1 is cut by bending the workpiece 1 along the planned cutting line 5 (S11).
5). Thereby, the workpiece 1 is divided into silicon chips. The effect of this embodiment will be described. According to this, the pulse laser beam L is irradiated on the planned cutting line 5 under the condition that causes multiphoton absorption and the focusing point P is set inside the workpiece 1. And the X axis stage 109
Or by moving the Y axis stage 111, the focal point P
Is moved along the planned cutting line 5. As a result, a modified region (for example, a crack region, a melt processing region, a refractive index change region) is formed inside the workpiece 1 along the planned cutting line 5. If there is any starting point at the location where the workpiece is to be cut, the workpiece can be cut with a relatively small force. Therefore, the workpiece 1 can be cut with a relatively small force by dividing the workpiece 1 along the scheduled cutting line 5 starting from the modified region. Thereby, the processing target object 1 can be cut | disconnected, without generating the unnecessary crack which remove | deviated from the cutting scheduled line 5 to the surface 3 of the processing target object 1. FIG. Further, according to the present embodiment, the processing object 1
The laser beam L is irradiated on the planned cutting line 5 under the conditions that cause multiphoton absorption at the same time and the focusing point P is set inside the workpiece 1. Therefore, the pulse laser beam L passes through the workpiece 1 and the pulse laser beam L is hardly absorbed by the surface 3 of the workpiece 1, so that the surface 3 is damaged by melting due to the formation of the modified region. There is no. As described above, according to this embodiment,
The processing object 1 can be cut without causing unnecessary cracks and melting off the cutting line 5 on the surface 3 of the processing object 1. Therefore, when the workpiece 1 is, for example, a semiconductor wafer, the semiconductor chip can be cut out from the semiconductor wafer without causing unnecessary cracking or melting of the semiconductor chip off the line to be cut. The same applies to a workpiece on which an electrode pattern is formed on the surface, and a workpiece on which an electronic device is formed on the surface, such as a glass substrate on which a display device such as a piezoelectric element wafer or liquid crystal is formed. Therefore, according to the present embodiment, the yield of a product (for example, a display device such as a semiconductor chip, a piezoelectric device chip, or a liquid crystal) manufactured by cutting the workpiece can be improved. Further, according to the present embodiment, the processing object 1
Since the planned cutting line 5 on the surface 3 of the surface is not melted, the width of the planned cutting line 5 (this width is, for example, the interval between the regions to be semiconductor chips in the case of a semiconductor wafer) can be reduced. Thereby, the number of products produced from one piece of processing object 1 increases, and productivity of a product can be improved. Further, according to the present embodiment, the processing object 1
Since laser light is used for the cutting process, it is possible to perform more complicated processing than dicing using a diamond cutter.
For example, as shown in FIG. 24, even if the planned cutting line 5 has a complicated shape, the cutting process is possible according to this embodiment. These effects are the same in the examples described later. Further, according to the present embodiment, the magnitude of the repetition frequency of the pulsed laser beam is adjusted, and the X-axis stage 1 is adjusted.
09, by adjusting the magnitude of the moving speed of the Y-axis stage 111, the distance between adjacent melting processing spots can be controlled. By changing the distance in consideration of the thickness and material of the workpiece 1, processing according to the purpose can be performed. According to the laser processing apparatus of the present invention,
The object to be processed can be cut without melting or cracking off the line to be cut on the surface of the object to be processed. Therefore, products manufactured by cutting a workpiece (for example, semiconductor chips, piezoelectric device chips,
Yield and productivity of a display device such as a liquid crystal display can be improved.

【図面の簡単な説明】 【図1】本実施形態に係るレーザ加工によってレーザ加
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】本実施形態に係るレーザ加工によりクラック
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
部分の第1例の平面図である。 【図15】本実施形態に係るレーザ加工によりクラック
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
部分の第2例の平面図である。 【図16】本実施形態に係るレーザ加工によりクラック
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
部分の第3例の平面図である。 【図17】本実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成
図である。 【図18】本実施形態に係るレーザ加工装置のレーザ光
源に備えられるQスイッチレーザの概略構成図である。 【図19】本実施形態に係るレーザ加工装置の全体制御
部の一例の一部分を示すブロック図である。 【図20】本実施形態に係るレーザ加工装置の全体制御
部の他の例の一部分を示すブロック図である。 【図21】本実施形態に係るレーザ加工装置の全体制御
部のさらに他の例の一部分を示すブロック図である。 【図22】本実施形態に係るレーザ加工装置の全体制御
部のさらに他の例の一部分を示すブロック図である。 【図23】本実施形態に係るレーザ加工を説明するため
のフローチャートである。 【図24】本実施形態に係るレーザ加工により切断可能
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。 【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、9
0・・・クラックスポット、100・・・レーザ加工装
置、101・・・レーザ光源、105・・・集光用レン
ズ、109・・・X軸ステージ、111・・・Y軸ステー
ジ、113・・・Z軸ステージ、141・・・距離演算
部、143・・・寸法記憶部、145・・・画像作成
部、147・・・周波数演算部、149・・・速度演算
部、151・・・組み合わせ演算部、P・・・集光点、p
・・・クラックスポットのピッチ、d・・・クラックス
ポットの寸法
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a plan view of an object to be processed during laser processing by laser processing according to the present embodiment. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II of the workpiece shown in FIG. FIG. 3 is a plan view of an object to be processed after laser processing by laser processing according to the present embodiment. 4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV of the workpiece shown in FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line VV of the workpiece shown in FIG. FIG. 6 is a plan view of a processing object cut by laser processing according to the present embodiment. FIG. 7 is a graph showing the relationship between electric field strength and crack size in laser processing according to the present embodiment. FIG. 8 is a cross-sectional view of an object to be processed in a first step of laser processing according to the present embodiment. FIG. 9 is a cross-sectional view of an object to be processed in a second step of laser processing according to the present embodiment. FIG. 10 is a cross-sectional view of an object to be processed in a third step of laser processing according to the present embodiment. FIG. 11 is a cross-sectional view of an object to be processed in a fourth step of laser processing according to the present embodiment. FIG. 12 is a view showing a photograph of a cross section of a part of a silicon wafer cut by laser processing according to the present embodiment. FIG. 13 is a graph showing the relationship between the wavelength of laser light and the transmittance inside a silicon substrate in laser processing according to the present embodiment. FIG. 14 is a plan view of a first example of a portion along a planned cutting line of a workpiece on which a crack region is formed by laser processing according to the present embodiment; FIG. 15 is a plan view of a second example of a portion along a planned cutting line of a workpiece on which a crack region is formed by laser processing according to the present embodiment; FIG. 16 is a plan view of a third example of a portion along a planned cutting line of a workpiece on which a crack region is formed by laser processing according to the present embodiment; FIG. 17 is a schematic configuration diagram of a laser processing apparatus according to the present embodiment. FIG. 18 is a schematic configuration diagram of a Q-switched laser provided in a laser light source of the laser processing apparatus according to the present embodiment. FIG. 19 is a block diagram illustrating a part of an example of an overall control unit of the laser processing apparatus according to the present embodiment. FIG. 20 is a block diagram illustrating a part of another example of the overall control unit of the laser processing apparatus according to the present embodiment. FIG. 21 is a block diagram showing a part of still another example of the overall control unit of the laser processing apparatus according to the present embodiment. FIG. 22 is a block diagram showing a part of still another example of the overall control unit of the laser processing apparatus according to the present embodiment. FIG. 23 is a flowchart for explaining laser processing according to the present embodiment. FIG. 24 is a plan view of a processing object for explaining a pattern that can be cut by laser processing according to the present embodiment. [Explanation of Symbols] 1 ... workpiece, 3 ... surface, 5 ... scheduled line, 7 ... modified region, 9 ... crack region, 1
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Silicon wafer, 13 ... Melting process area, 9
DESCRIPTION OF SYMBOLS 0 ... Crack spot, 100 ... Laser processing apparatus, 101 ... Laser light source, 105 ... Condensing lens, 109 ... X-axis stage, 111 ... Y-axis stage, 113 ...・ Z axis stage, 141... Distance calculation unit, 143... Dimension storage unit, 145... Image creation unit, 147... Frequency calculation unit, 149. Arithmetic unit, P ... Condensing point, p
... Pitch of crack spots, d ... Dimensions of crack spots

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) B28D 5/00 B28D 5/00 Z H01L 21/301 C03B 33/09 // C03B 33/09 B23K 101:40 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 BB01 BB02 BC01 CA05 CA11 EA02 EA05 4E068 AA01 AD00 AE00 CA03 CA04 CA09 CA11 CC06 CD01 CD05 CE04 DA10 DA11 4G015 FA06 FB01 FC14 Front page continuation (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme code (reference) B28D 5/00 B28D 5/00 Z H01L 21/301 C03B 33/09 // C03B 33/09 B23K 101: 40 B23K 101: 40 H01L 21/78 B (72) Inventor Naomi Uchiyama 1 1126 Nomachi, Hamamatsu City, Shizuoka Prefecture 1 Hamamatsu Photonics Co., Ltd. (72) Inventor Toshimitsu Wakuda 1126 Nomachi, Hamamatsu City Shizuoka Prefecture 1 Hamamatsu Photonics Stock Internal F-term (Reference) 3C069 AA01 BA08 BB01 BB02 BC01 CA05 CA11 EA02 EA05 4E068 AA01 AD00 AE00 CA03 CA04 CA09 CA11 CC06 CD01 CD05 CE04 DA10 DA11 4G015 FA06 FB01 FC14

Claims (1)

【特許請求の範囲】 【請求項1】 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るパルスレーザ光の繰り返
し周波数の大きさを調節する周波数調節手段と、 前記レーザ光源から出射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、 前記加工対象物の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、 前記内部に集光点を合わせて1パルスのパルスレーザ光
を前記加工対象物に照射することにより、前記内部に1
つの改質スポットが形成され、 前記内部に集光点を合わせかつ前記切断予定ラインに沿
って集光点を相対的に移動させて、複数パルスのパルス
レーザ光を前記加工対象物に照射することにより、前記
切断予定ラインに沿って前記内部に複数の前記改質スポ
ットが形成され、 隣り合う前記改質スポット間の距離の大きさの入力に基
づいて、隣り合う前記改質スポット間の距離をこの大き
さにするために、前記レーザ光源から出射されるパルス
レーザ光の繰り返し周波数の大きさを演算する周波数演
算手段を備え、 前記周波数調節手段は、前記周波数演算手段により演算
された周波数の大きさとなるように前記レーザ光源から
出射されるパルスレーザ光の繰り返し周波数の大きさを
調節する、レーザ加工装置。
1. A laser light source that emits pulsed laser light having a pulse width of 1 μs or less, and a frequency adjusting means that adjusts the repetition frequency of the pulsed laser light emitted from the laser light source; Condensing means for condensing the pulsed laser light so that the peak power density of the condensing point of the pulsed laser light emitted from the laser light source is 1 × 10 8 (W / cm 2 ) or more; Means for aligning the focal point of the pulsed laser beam focused by the means with the inside of the workpiece, and moving means for relatively moving the focal point of the pulsed laser beam along the planned cutting line of the workpiece. And irradiating the object to be processed with a pulse laser beam of one pulse with the converging point inside.
Two modified spots are formed, and the object to be processed is irradiated with a plurality of pulsed laser beams by aligning the condensing point in the interior and relatively moving the condensing point along the planned cutting line. A plurality of the modified spots are formed in the interior along the planned cutting line, and the distance between the adjacent modified spots is determined based on the input of the magnitude of the distance between the adjacent modified spots. In order to achieve this size, it comprises frequency calculating means for calculating the magnitude of the repetition frequency of the pulsed laser light emitted from the laser light source, and the frequency adjusting means is the magnitude of the frequency calculated by the frequency calculating means. The laser processing apparatus which adjusts the magnitude | size of the repetition frequency of the pulse laser beam radiate | emitted from the said laser light source so that it may become.
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