JP2003088976A - レーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 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方法を
提供する。 【解決手段】 加工対象物１の内部に集光点Pを合わせ
てレーザ光Lを照射し、加工対象物１の切断予定ライン
５に沿って加工対象物１の内部に多光子吸収による改質
領域を形成する第１の工程と、第１の工程後、改質領域
に集光点Pを合わせて、第１の工程と同じレーザ光照射
を行い、切断予定ライン５に沿って加工対象物１が切断
される箇所にストレスを生じさせる第２の工程と、を備
えることを特徴とする。

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、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、加工対象物の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第１
の工程と、第１の工程後、加工対象物の非改質領域に対
して透過性を有しかつ非改質領域に比べ改質領域に対し
て高い吸収性を有するレーザ光を改質領域に照射し、切
断予定ラインに沿って加工対象物が切断される箇所にス
トレスを生じさせる第２の工程と、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、第
１の工程において、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。

【０００８】上記レーザ加工方法によれば、第２の工程
において、加工対象物の非改質領域に対して透過性を有
しかつ非改質領域に比べ改質領域に対して高い吸収性を
有するレーザ光を切断予定ラインに沿って照射するた
め、加工対象物が改質領域に沿って加熱され、温度差に
よる熱応力等のストレスが生じる。このストレスによ
り、改質領域を起点として加工対象物の厚さ方向にクラ
ックを成長させ、加工対象物を割って切断することが可
能となる。

【０００９】よって、温度差による熱応力等のストレス
といった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。

【００１０】また、本発明に係るレーザ加工方法によれ
ば、第１の工程では、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。第２の工
程では、加工対象物の非改質領域に対しては透過性を有
するレーザ光を照射している。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、両工程に
おいて、加工対象物の表面が溶融することはない。な
お、非改質領域とは、第１の工程後、加工対象物におい
て改質領域が形成されていない領域のことである。ま
た、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。

【００１１】本発明に係るレーザ加工方法は、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１
μs以下の条件でレーザ光を照射し、加工対象物の切断
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第１の工程と、第１の工程後、
加工対象物の非改質領域に対して透過性を有しかつ非改
質領域に比べ改質領域に対して高い吸収性を有するレー
ザ光を改質領域に照射し、切断予定ラインに沿って加工
対象物にストレスを生じさせる第２の工程と、を備える
ことを特徴とする。

【００１２】本発明に係るレーザ加工方法によれば、第
１の工程において、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/c
m²）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り
かつ第２の工程は上述したものと同等であるので、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。

【００１３】本発明に係るレーザ加工方法は、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１
μs以下の条件でレーザ光を照射し、加工対象物の切断
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第１の工程と、第１の工程後、
加工対象物の非改質領域に対して透過性を有しかつ非改
質領域に比べ改質領域に対して高い吸収性を有するレー
ザ光を改質領域に照射し、切断予定ラインに沿って加工
対象物にストレスを生じさせる第２の工程と、を備える
ことを特徴とする。

【００１４】本発明に係るレーザ加工方法によれば、第
１の工程において、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/c
m²）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りかつ第２の工程は上述
したものと同等であるので、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。

【００１５】本発明に係るレーザ加工方法は、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１
ns以下の条件でレーザ光を照射し、加工対象物の切断予
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第
１の工程と、第１の工程後、加工対象物の非改質領域に
対して透過性を有しかつ非改質領域に比べ改質領域に対
して高い吸収性を有するレーザ光を改質領域に照射し、
切断予定ラインに沿って加工対象物にストレスを生じさ
せる第２の工程と、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、第
１の工程において、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/c
m²）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
の一例でありかつ第２の工程は上述したものと同等であ
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。

【００１７】上記本発明に係るレーザ加工方法に適用で
きる態様として、第２の工程では、改質領域に集光点を
合わせて、第１の工程と同じレーザ光照射を行ってもよ
い。第２の工程において第１の工程と同じレーザ光照射
を行っても、改質領域による散乱や改質領域の物性の変
化等によるレーザ光の吸収、或いは改質領域での多光子
吸収の発生により、加工対象物の表面を溶融させること
なく加工対象物を改質領域に沿って加熱させ、温度差に
よる熱応力等のストレスを生じさせることができるから
である。

【００１８】

【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。

【００１９】材料の吸収のバンドギャップE_G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＞E_G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＞E_G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。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】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（本実施形態に係るレーザ加工方法）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、改質領域を形成
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。

【００２５】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。

【００２６】（１）改質領域が一つ又は複数のクラック
スポット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に余計なダメージ
を与えずに、加工対象物の内部に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〜２００ns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（１９
９８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。

【００２７】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。

【００２８】（A）加工対象物：パイレックス（登録商
標）ガラス（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 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。

【００２９】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スポットの大きさを示している。
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１０
０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）程度では加工対象物の
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。

【００３０】次に、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
のクラックスポットを含む領域である。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と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（本実施形態に係るレーザ加工方法）
もある。

【００３１】（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や、まさに溶融
状態の領域や、溶融状態から再固化する状態の領域であ
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。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。

【００３２】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。

【００３３】（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 N.A.：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１３の厚さ方向の大きさは１００μm程度であ
る。

【００３４】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。

【００３５】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１３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１３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１３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。

【００３６】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、溶融処理領域からウェハの表面と裏面に割れ
が自然に成長する場合において、溶融処理領域が溶融の
状態から割れが成長するか、もしくは溶融の状態から再
固化する際に割れが成長する場合のいずれもある。ただ
し、これらの場合も溶融処理領域はウェハの内部のみに
形成され、切断後の切断面は図１２のように内部にのみ
溶融処理領域が形成されている。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。

【００３７】（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。

【００３８】次に、本実施形態の具体例を説明する。本
実施形態に係るレーザ加工方法は、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改質領域形成工程
（第１の工程）と、加工対象物が切断される箇所にスト
レスを生じさせるストレス工程（第２の工程）とを備え
ている。本実施形態においては、改質領域形成工程とス
トレス工程とで同じレーザ光照射を行う。したがって、
後述するレーザ加工装置により、改質領域形成工程とス
トレス工程とにおいて２回、同じ条件でレーザ光が照射
される。

【００３９】本実施形態のレーザ加工装置について説明
する。図１４は改質領域形成工程で用いられるレーザ加
工装置１００の概略構成図である。図示するように、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１
０２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１０
７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１０９,１１１,１１
３の移動を制御するステージ制御部１１５と、を備え
る。なお、本実施形態において、加工対象物１はパイレ
ックスガラスウェハである。

【００４０】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。

【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レーザがある。レーザ光源は、クラック領域、溶融
処理領域を形成する場合、前述のレーザ光源を用いるの
が好適であり、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。本実施形態
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。

【００４２】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。

【００４３】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。

【００４４】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を表面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。なお、可視光の焦点は
レーザ光Lの集光点に一致している。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。

【００４５】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
データ等が入力され、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。

【００４６】次に、図１４及び図１５を参照して、本実
施形態に係るレーザ加工方法について説明する。図１５
は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。

【００４７】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、レーザ加工装置１００における加工対象物１のZ
軸方向の移動量を決定する（S１０３）。これは、レー
ザ光Lの集光点Pを加工対象物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。この移動量は、改質領域形成工程で用いられるレー
ザ加工装置１００の全体制御部１２７に入力される。

【００４８】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）。

【００４９】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。

【００５０】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）。

【００５１】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。図１６は、改質領域形成工程
においてレーザ加工中のクラック領域９を含む加工対象
物１の断面図である。図示するように、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、クラ
ック領域９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１０
９やY軸ステージ１１１を移動させて、クラック領域９
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（S１１３）。

【００５２】改質領域を形成した後、同じ条件でもう一
度（すなわち、集光点Pは改質領域であるクラック領域
９に合わされる。）、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に沿ってクラック領域９に照射す
る。これにより、クラック領域９による散乱等によるレ
ーザ光Lの吸収、或いはクラック領域９での多光子吸収
の発生により、加工対象物１がクラック領域９に沿って
加熱され、温度差による熱応力等のストレスが生じる
（S１１４）。図１７は、ストレス工程においてレーザ
加工中のクラック領域９を含む加工対象物１の断面図で
ある。図示するように、ストレス工程によりクラック領
域９を起点としてクラックがさらに成長しクラックが加
工対象物１の表面３と裏面２１とに到達して、加工対象
物１に切断面１０が形成され加工対象物１が切断される
（S１１５）。これにより、加工対象物１をシリコンチ
ップに分割する。

【００５３】なお、本実施形態では、ストレス工程にお
いては、改質領域形成工程と同じレーザ光照射を行った
が、加工対象物においてクラック領域が形成されていな
い領域である非改質領域に対して透過性を有しかつ非改
質領域に比べクラック領域に対して高い吸収性を有する
レーザ光の照射であればよい。この場合にも、加工対象
物の表面ではレーザ光がほとんど吸収されず、加工対象
物がクラック領域に沿って加熱され、温度差による熱応
力等のストレスが生じるからである。

【００５４】また、本実施形態では、改質領域としてク
ラック領域が形成される場合について説明したが、改質
領域として上述したような溶融処理領域や屈折率変化領
域が形成される場合についても同様であり、ストレス工
程におけるレーザ光の照射によりストレスを生じさせ、
溶融処理領域や屈折率変化領域を起点としてクラックを
発生、成長させて加工対象物を切断することができる。

【００５５】また、加工対象物の厚みが大きい場合等
で、ストレス工程により改質領域を起点として成長した
クラックが加工対象物の表面と裏面とに到達しない場合
であっても、曲げ応力やせん断応力等の人為的な力を印
加することにより加工対象物を割って切断することがで
きる。この人為的な力はより小さな力で足りるため、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
れが発生するのを防止することができる。

【００５６】本実施形態の効果を説明する。これによれ
ば、改質領域形成工程において、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。本実施形態によれば、ストレス工程におい
て、改質領域成形工程と同じレーザ光照射を行って、温
度差による熱応力等のストレスを生じさせている。よっ
て、温度差による熱応力等のストレスといった比較的小
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。

【００５７】また、本実施形態によれば、改質領域形成
工程では、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を照射しているため、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。また、ストレス工程
では、改質領域成形工程と同じレーザ光照射を行ってい
る。したがって、レーザ光の照射が原因で表面３が溶融
等のダメージを受けることはない。

【００５８】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。

【００５９】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。

【００６０】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１８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、切断加工が可能となる。

【００６１】

【発明の効果】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。

【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
強度とクラックスポット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】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１５】本実施形態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１６】本実施形態に係る改質領域形成工程において
レーザ加工中のクラック領域を含む加工対象物の断面図
である。

【図１７】本実施形態に係るストレス工程においてレー
ザ加工中のクラック領域を含む加工対象物の断面図であ
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、１００…レーザ加工装
置、１０１…レーザ光源、１０５…集光用レンズ、１０
９…X軸ステージ、１１１…Y軸ステージ、１１３…Z軸
ステージ、L…レーザ光、P…集光点。

───────────────────────────────────────────────────── 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） Ｈ０１Ｌ 21/301 Ｂ２３Ｋ 101:42 // Ｂ２３Ｋ 101:42 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 BB03 BB04 BC01 CA05 CA06 CA11 EA02 EA04 EA05 4E068 AE01 CA02 CA03 CB06 DA10 DA11 DB12 DB13 4G015 FA07 FB01 FC10

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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、前記加工対象物の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
   を形成する第１の工程と、 前記第１の工程後、前記加工対象物の非改質領域に対し
   て透過性を有しかつ前記非改質領域に比べ前記改質領域
   に対して高い吸収性を有するレーザ光を前記改質領域に
   照射し、前記切断予定ラインに沿って前記加工対象物が
   切断される箇所にストレスを生じさせる第２の工程と、
   を備えるレーザ加工方法。
2. 【請求項２】 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、前記加工対象物の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
   る第１の工程と、 前記第１の工程後、前記加工対象物の非改質領域に対し
   て透過性を有しかつ前記非改質領域に比べ前記改質領域
   に対して高い吸収性を有するレーザ光を前記改質領域に
   照射し、前記切断予定ラインに沿って前記加工対象物が
   切断される箇所にストレスを生じさせる第２の工程と、
   を備えるレーザ加工方法。
3. 【請求項３】 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、前記加工対象物の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
   る第１の工程と、 前記第１の工程後、前記加工対象物の非改質領域に対し
   て透過性を有しかつ前記非改質領域に比べ前記改質領域
   に対して高い吸収性を有するレーザ光を前記改質領域に
   照射し、前記切断予定ラインに沿って前記加工対象物が
   切断される箇所にストレスを生じさせる第２の工程と、
   を備えるレーザ加工方法。
4. 【請求項４】 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、前記加工対象物の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第１の工程と、 前記第１の工程後、前記加工対象物の非改質領域に対し
   て透過性を有しかつ前記非改質領域に比べ前記改質領域
   に対して高い吸収性を有するレーザ光を前記改質領域に
   照射し、前記切断予定ラインに沿って前記加工対象物が
   切断される箇所にストレスを生じさせる第２の工程と、
   を備えるレーザ加工方法。
5. 【請求項５】 前記第２の工程では、前記改質領域に集
   光点を合わせて、前記第１の工程と同じレーザ光照射を
   行うこと特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレ
   ーザ加工方法。