JP2003088978A - Laser beam machining method - Google Patents

Laser beam machining method

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JP2003088978A
JP2003088978A JP2002094617A JP2002094617A JP2003088978A JP 2003088978 A JP2003088978 A JP 2003088978A JP 2002094617 A JP2002094617 A JP 2002094617A JP 2002094617 A JP2002094617 A JP 2002094617A JP 2003088978 A JP2003088978 A JP 2003088978A
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laser
laser beam
region
cut
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Japanese (ja)
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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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Original Assignee
Hamamatsu Photonics KK
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    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03BMANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B33/00Severing cooled glass
    • C03B33/09Severing cooled glass by thermal shock
    • C03B33/091Severing cooled glass by thermal shock using at least one focussed radiation beam, e.g. laser beam
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/50Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece
    • B23K26/53Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece for modifying or reforming the material inside the workpiece, e.g. for producing break initiation cracks
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser beam machining method by which an unnecessary cleavage is not caused on the surface of a work and the surface is not melted. SOLUTION: The laser beam machining method comprises a process for placing a work 1 on the placing table 107 of a laser beam machining apparatus 100, a process for forming an intended cutting part based on a reformed region in the inside of a work 1 along the intended cutting line 5 of the work 1 by adjusting a converging point P in the inside of the work 1 and by irradiating the work 1 with a laser beam L, a process for transporting the work 1 in which the intended cutting part based on the reformed region is formed and placing it on the placing plate of an absorptive laser irradiation apparatus, and a process for cutting the work 1 by irradiating the surface of the work 1 with an absorptive laser beam and making a crack arrive at the surface of the work 1 from the internal reformed region of the work 1 as a starting point.

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、レーザ加工装置の載置台上に加工対象物を載置
する工程と、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
工対象物の内部に改質領域による切断予定部を形成する
工程と、改質領域による切断予定部が内部に形成された
加工対象物を搬送し、吸収性レーザ照射装置の載置台上
に載置する工程と、加工対象物の表面に吸収性レーザ光
を照射し、加工対象物の内部の改質領域を起点として加
工対象物の表面にクラックを到達させて加工対象物を切
断する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、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、
加工対象物の内部に改質領域を形成している。加工対象
物の切断する箇所に何らかの起点があると、加工対象物
を比較的小さな力で割って切断することができる。本発
明に係るレーザ加工方法によれば、改質領域を起点とし
て切断予定ラインに沿って加工対象物が割れることによ
り、加工対象物を切断することができる。よって、比較
的小さな力で加工対象物を切断することができるので、
加工対象物の表面に切断予定ラインから外れた不必要な
割れを発生させることなく加工対象物の切断が可能とな
る。 【0008】また、本発明に係るレーザ加工方法によれ
ば、加工対象物の内部に局所的に改質領域を形成してい
る。よって、加工対象物の表面ではレーザ光がほとんど
吸収されないので、加工対象物の表面が溶融することは
ない。なお、集光点とはレーザ光が集光した箇所のこと
である。切断予定ラインは加工対象物の表面や内部に実
際に引かれた線でもよいし、仮想の線でもよい。 【0009】 【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。 【0010】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。 【0011】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。 【0012】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。 【0013】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。 【0014】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。 【0015】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。 【0016】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。 【0017】(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。 【0018】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。 【0019】(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。 【0020】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。 【0021】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。 【0022】(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。 【0023】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。 【0024】(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。 【0025】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。 【0026】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。 【0027】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。 【0028】(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。 【0029】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
と、加工対象物が切断される箇所にストレスを生じさせ
るストレス工程とを備えている。 【0030】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。 【0031】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。 【0032】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。 【0033】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。 【0034】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。 【0035】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。 【0036】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。 【0037】また、ストレス工程で用いられる吸収性レ
ーザ照射装置は、上述したレーザ加工装置100に対し
て、レーザ光源とダイクロイックミラーとだけが異なっ
た構成を採っている。吸収性レーザ照射装置のレーザ光
源としては、連続波レーザ光を発生する、波長が10.
6μmのCO2レーザを用いた。パイレックスガラスウェハ
である加工対象物1に対して吸収性を有するからであ
る。以下、このレーザ光源で発生するレーザ光を「吸収
性レーザ光」とする。なお、ビーム品質はTEM00であ
り、偏光特性は直線偏光である。また、加工対象物1を
加熱しかつ溶融させない程度の強度とするために、この
レーザ光源の出力は10W以下とされている。吸収性レ
ーザ照射装置のダイクロイックミラーは、吸収性レーザ
光の反射機能を有しかつ吸収性レーザ光の光軸の向きを
90°変えるように配置されている。 【0038】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。 【0039】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と、加
工対象物1に対して吸収性波長の吸収性レーザ光を発生
するレーザ光源とを選定し、それぞれレーザ加工装置1
00と吸収性レーザ照射装置とに設定される(S10
1)。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10
0の全体制御部127に入力される。 【0040】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(S104)。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(S105)。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117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)。 【0041】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。 【0042】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)。 【0043】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)。 【0044】レーザ加工装置100により改質領域を形
成した後、加工対象物1を吸収性レーザ照射装置の載置
台107に搬送し、載置する(S115)。改質領域形
成工程におけるクラック領域9は加工対象物1の内部の
みに形成されるため、加工対象物1はばらばらになら
ず、よって、加工対象物1を容易に搬送することができ
る。 【0045】そして、ステップ117において加工対象
物1を照明し、ステップ119において観察用光源の可
視光の焦点が加工対象物1の表面3に位置するような焦
点データを演算し、ステップ121において前記焦点が
加工対象物1の表面3に位置するように加工対象物1を
Z軸方向に移動し、これにより、吸収性レーザ光の集光
点が加工対象物1の表面3に合わされる。なお、これら
のステップ117、ステップ119、ステップ121に
おける動作の詳細は、上述したレーザ加工装置100に
おけるステップ105、ステップ107、ステップ10
9とそれぞれ同様である。 【0046】次に、吸収性レーザ照射装置のレーザ光源
から吸収性レーザ光を発生させて、吸収性レーザ光を加
工対象物1の表面3の切断予定ライン5に照射する。な
お、この照射は切断予定ライン5近傍への照射であって
もよい。そして、切断予定ライン5に沿うように吸収性
レーザ照射装置のX軸ステージやY軸ステージを移動させ
て、切断予定ライン5に沿って加工対象物1を加熱する
ことで、切断予定ライン5に沿って加工対象物1が切断
される箇所に温度差による熱応力等のストレスを生じさ
せる(S123)。このとき、吸収性レーザの強度は加
工対象物1を加熱しかつ溶融させない程度であるため、
加工対象物の表面が溶融することはない。 【0047】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、吸収性レーザ光の照射により、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(S125)。これにより、加工対象物1をシ
リコンチップに分割する。 【0048】なお、本実施形態においては、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、吸
収性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。 【0049】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。 【0050】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、加工対象物1に切断予定ライン5に沿って吸収性レ
ーザ光を照射し、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。 【0051】また、本実施形態によれば、改質領域形成
工程においては、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
ス工程においては、吸収性レーザ光の強度は加工対象物
1を加熱しかつ溶融させない程度である。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。 【0052】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。 【0053】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。 【0054】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。 【0055】 【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。 【0056】また、加工対象物の内部にのみ改質領域に
よる切断予定部を形成するため、加工対象物がバラバラ
にならず、よって、加工対象物を搬送することが可能と
なる。そして、特別な外力を与えなくとも、改質領域に
よる切断予定部が内部に形成された加工対象物の表面に
吸収性レーザ光を照射することによって加工対象物を切
断分離することができるため、きれいに加工対象物を切
断することが可能となる。
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 method 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, there is a possibility that the semiconductor elements located around the region are melted. [0003] As a method for preventing melting of the surface of a workpiece, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 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 and a glass substrate on which an electrode pattern is formed, this unnecessary crack may damage the semiconductor chip, the liquid crystal display device, and 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 method in which unnecessary cracks are not generated on the surface of an object to be processed and the surface does not melt. [0006] A laser processing method according to the present invention includes a step of placing a processing object on a mounting table of a laser processing apparatus, and a condensing point within the processing object. Irradiate laser beam to form a planned cutting part by the modified region inside the processing object along the planned cutting line of the processing object, and processing by which the planned cutting part by the modified region is formed inside The process of transporting the object and placing it on the mounting table of the absorptive laser irradiation device, and irradiating the surface of the object to be processed with the absorptive laser beam, starting from the modified region inside the object to be processed And a step of cutting the object to be processed by causing a crack to reach the surface of the object. According to the laser processing method of the present invention, the laser beam is irradiated with the focusing point inside the object to be processed,
A modified region is formed inside the workpiece. 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 method of the present invention, the processing object can be cut by breaking the processing object along the scheduled cutting line starting from the modified region. Therefore, the workpiece can be cut with a relatively small force,
The workpiece can be cut without causing unnecessary cracks that are off the cutting line on the surface of the workpiece. Also, according to the laser processing method of the present invention, the modified region is locally formed 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. 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. DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the laser processing method according to the present embodiment, the modified region is formed 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. [0010] 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 beam L along the planned cutting line 5 (that is, along the direction of the 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 location 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. 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. (Laser processing method according to this embodiment). 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, and when the workpiece is large, a plurality of modified regions can be formed in the thickness direction. . Even in the case of natural cracking, it is possible to cleave only the surface on the portion where the modified region is formed, without causing cracks to advance to the surface on the portion where the modified region is not formed at the location to be cut. Since it is possible, the cleaving can be controlled well. In recent years, since the thickness of semiconductor wafers such as silicon wafers 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 crack spots, a laser beam is focused on the inside of a workpiece (for example, a piezoelectric material made of glass or LiTaO 3 ), The electric field strength at the focal point 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 inside the processing target without causing extra damage to the processing target 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. As an upper limit value of the electric field strength, for example, 1 × 10 12
(W / cm 2 ). The pulse width is preferably 1 ns to 200 ns, for example. The formation of the crack region by multiphoton absorption is, for example, the 45th Laser Thermal Processing Society Proceedings (19
1998. (December), page 23 to page 28, "Internal marking of glass substrate by solid laser harmonics". 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) Workpiece: Pyrex (registered trademark) glass (thickness 700 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: Output <1 mJ / pulse Laser light quality: TEM 00 Polarization characteristics: Linearly polarized light (C) Condensing lens with respect to laser light wavelength Transmittance: 60% (D) Moving speed of mounting table on which workpiece is mounted: 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 indicates the size of a crack spot formed inside the workpiece by one pulse of laser light.
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 shows that the magnification of the condenser lens (C) is 10
This is a case of 0 times and a numerical aperture (NA) of 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. It can be seen that when the peak power density is about 10 11 (W / cm 2 ), a crack spot is generated inside the workpiece, and the crack spot increases as the peak power density increases. Next, 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 crack spots. 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. A crack that reaches the front surface and the back surface of the workpiece may grow naturally, or grows when a force is applied to the workpiece (laser machining method according to this embodiment).
There is also. (2) When the modified region is a melted region The laser beam is focused on the inside of a workpiece (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 melt treatment region is a region once solidified after melting, a region in a molten state, or a region re-solidified from a molten state, and can also be referred to as a phase-changed region or a region in which 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 ). The pulse width is preferably 1 ns to 200 ns, for example. 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. The size in the thickness direction of the melt processing region 13 formed under the above conditions is about 100 μm. The fact that the melt processing region 13 is formed by multiphoton absorption will be described. 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 is melted by 350 μm, the melt-processed region 13 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 as follows with reference to a silicon wafer having a thickness of 200 μm.
Since it is 90% or more, the laser beam is hardly absorbed inside the silicon wafer 11 and almost all is transmitted.
This is not because the laser beam is absorbed inside the silicon wafer 11 and the melt processing region 13 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 melt processing region 13 is formed by multiphoton absorption. The formation of the melt processing region by multiphoton absorption is, for example, from page 72 of the 66th Annual Meeting of the Japan Welding Society (April 2000).
It is described in “Evaluation of processing characteristics of silicon by picosecond pulse laser” on page 73. The silicon wafer is cracked as a result of cracking in the cross-sectional direction starting from the melting treatment region, and the crack reaching the front and back surfaces of the silicon wafer. 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. When cracks grow naturally from the melt processing area to the front and back surfaces of the wafer, the crack grows when the melt processing area grows from the molten state or resolidifies from the molten state None of them. However, also in these cases, the melt processing region is formed only inside the wafer, and the cut surface after cutting is formed only inside as shown in FIG. 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 (for example, glass), and the electric field intensity 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". Next, a specific example of this embodiment will be described. The laser processing method according to the present embodiment includes a modified region forming step for forming a modified region by multiphoton absorption inside a workpiece, and a stress step for causing stress at a location where the workpiece is cut. I have. The laser processing apparatus of this embodiment will be described. FIG. 14 is a schematic configuration diagram of a laser processing apparatus 100 used in the modified region forming step. As illustrated, a laser processing apparatus 100 includes a laser light source 101 that generates laser light L, and a laser light source control unit 1 that controls the laser light source 101 in order to adjust the output, pulse width, and the like of the laser light L.
02, a dichroic mirror 103 having a function of reflecting the laser light L and arranged so as to change the direction of the optical axis of the laser light L by 90 °, and a collector for condensing the laser light L reflected by the dichroic mirror 103 The mounting lens 107 on which the processing object 1 irradiated with the lens 105 for light, the laser beam L condensed with the condensing lens 105 is mounted, and the mounting table 10
X-axis stage 109 for moving 7 in the X-axis direction;
A Y-axis stage 111 for moving the mounting table 107 in the Y-axis direction orthogonal to the X-axis direction, and the mounting table 107 as the X-axis and Y-axis
A Z-axis stage 113 for moving in the Z-axis direction orthogonal to the axial direction, and these three stages 109, 111, 11
And a stage control unit 115 for controlling the movement of 3. In the present embodiment, the workpiece 1 is a Pyrex glass wafer. 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 beam 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 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 is a YLF laser. As the laser light source, the above-described laser light source is preferably used when forming the crack region and the melting treatment region, and when forming the refractive index changing region, it is preferable to use the titanium sapphire laser. In this embodiment, pulsed laser light is used for processing the workpiece 1, but continuous wave laser light may be used as long as multiphoton absorption can be caused. 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 imaging data processing unit 125 to which imaging data output from the imaging element 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 focal point of visible light coincides with the condensing point of the laser light L. 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.
Sent to the monitor 129. Thereby, an enlarged image or the like is displayed on the monitor 129. The overall controller 127 includes a stage controller 1
15, image data from the imaging data processing unit 125, and the like are input. Based on these data, the laser light source control unit 102, the observation light source 117, and the stage control unit 115 are controlled, thereby the laser processing apparatus. 100
Control the whole. Therefore, the overall control unit 127 functions as a computer unit. Further, the absorptive laser irradiation apparatus used in the stress process is different from the above-described laser processing apparatus 100 only in the laser light source and the dichroic mirror. As a laser light source of the absorptive laser irradiation apparatus, a wavelength of 10.4 that generates continuous wave laser light is generated.
A 6 μm CO 2 laser was used. This is because the workpiece 1 is a Pyrex glass wafer and has an absorptivity. Hereinafter, laser light generated by this laser light source is referred to as “absorbing laser light”. The beam quality is TEM 00 , and the polarization characteristic is linearly polarized light. Further, the output of the laser light source is set to 10 W or less so that the workpiece 1 is heated and is not melted. The dichroic mirror of the absorptive laser irradiation apparatus has a function of reflecting the absorptive laser beam and is arranged so as to change the direction of the optical axis of the absorptive laser beam by 90 °. Next, the laser processing method according to this embodiment will be described with reference to FIGS. FIG.
These are the flowcharts for demonstrating the laser processing method. 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 that is transparent or less absorbed with respect to the workpiece 1, and an absorptive laser beam having an absorptive wavelength with respect to the workpiece 1. The laser light source to be generated is selected, and each laser processing apparatus 1
00 and an absorptive laser irradiation device (S10
1). Next, the thickness of the workpiece 1 is measured. Based on the measurement result of the thickness and the refractive index of the workpiece 1, the amount of movement of the workpiece 1 in the Z-axis direction in the laser machining apparatus 100 is determined (S 103). This is the condensing point P of the laser beam L
Is the amount of movement in the Z-axis direction of the workpiece 1 with reference to the condensing point of the laser beam L located on the surface 3 of the workpiece 1. This movement amount is determined by the laser processing apparatus 10 used in the modified region forming process.
0 is input to the overall control unit 127. The workpiece 1 is placed on the mounting table 107 of the laser processing apparatus 100 (S104). Then, visible light is generated from the observation light source 117 to illuminate the workpiece 1 (S105). The imaging device 121 images the surface 3 of the workpiece 1 including the illuminated cutting line 5.
This imaging data is sent to the imaging data processing unit 125.
Based on the imaging data, the imaging data processing unit 125 calculates focus data such that the visible light focus of the observation light source 117 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, a laser beam L is generated from the laser light source 101, and the laser beam L is irradiated onto the planned cutting line 5 on the surface 3 of the workpiece 1. FIG. 16 is a cross-sectional view of the workpiece 1 including the crack region 9 during laser processing in the modified region forming step. As shown in the drawing, since the condensing point P of the laser beam L is located inside the workpiece 1, the crack region 9 is formed only inside the workpiece 1. Then, the X-axis stage 10 is aligned along the planned cutting line 5.
9 and the Y-axis stage 111 are moved so that the crack region 9
Is formed inside the workpiece 1 along the planned cutting line 5 (S113). After the modified region is formed by the laser processing apparatus 100, the object to be processed 1 is transferred to the mounting table 107 of the absorptive laser irradiation apparatus and mounted (S115). Since the crack region 9 in the modified region forming step is formed only inside the workpiece 1, the workpiece 1 is not separated, and thus the workpiece 1 can be easily conveyed. In step 117, the object 1 is illuminated, and in step 119, focus data is calculated so that the visible light focus of the observation light source is located on the surface 3 of the object 1. In step 121, the focus data is calculated. The processing object 1 is placed so that the focal point is located on the surface 3 of the processing object 1.
By moving in the Z-axis direction, the condensing point of the absorptive laser beam is adjusted to the surface 3 of the workpiece 1. Note that the details of the operations in Step 117, Step 119, and Step 121 are Step 105, Step 107, and Step 10 in the laser processing apparatus 100 described above.
The same as 9. Next, an absorptive laser beam is generated from the laser light source of the absorptive laser irradiation device, and the absorptive laser beam is irradiated onto the planned cutting line 5 on the surface 3 of the workpiece 1. This irradiation may be irradiation to the vicinity of the cutting scheduled line 5. Then, by moving the X-axis stage or Y-axis stage of the absorptive laser irradiation device along the planned cutting line 5 and heating the workpiece 1 along the planned cutting line 5, A stress such as a thermal stress due to a temperature difference is generated at a location along which the workpiece 1 is cut (S123). At this time, since the intensity of the absorptive laser is such that the workpiece 1 is not heated and melted,
The surface of the workpiece is not melted. FIG. 17 is a sectional view of the workpiece 1 including the crack region 9 during laser processing in the stress process. As shown in the figure, by the absorption laser beam irradiation, 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,
The cut surface 10 is formed on the workpiece 1 and the workpiece 1 is cut (S125). Thereby, the workpiece 1 is divided into silicon chips. In the present embodiment, the case where the crack region is formed as the modified region has been described. However, the case where the melting treatment region or the refractive index changing region as described above is formed as the modified region is also described. It is the same, causing stress by the irradiation of the absorbing laser beam, generating cracks starting from the melt processing region and the refractive index change region,
The workpiece can be cut by growth. Further, even when the thickness of the workpiece is large, etc., even if the crack grown from the modified region as a starting point by the stress process does not reach the front and back surfaces of the workpiece, bending stress or shear By applying an artificial force such as stress, the workpiece can be broken and cut. Since this artificial force is sufficient with a smaller force, it is possible to prevent the occurrence of unnecessary cracks that deviate from the line to be cut on the surface of the workpiece. The effect of this embodiment will be described. According to this, in the modified region forming step, the line 5 to be cut is irradiated with the pulsed laser light L under conditions that cause multiphoton absorption and the focused point P is set inside the workpiece 1. . Then, by moving the X-axis stage 109 and the Y-axis stage 111, the condensing point P is moved along the scheduled 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. According to the present embodiment, in the stress process, the workpiece 1 is irradiated with the absorptive laser light along the planned cutting line 5 to generate a stress such as a thermal stress due to a temperature difference. Therefore, the workpiece 1 can be cut with a relatively small force such as a thermal stress due to a temperature difference. 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, in the modified region forming step, the pulse laser is formed by aligning the condensing point P inside the processing object 1 under the condition that the processing object 1 causes multiphoton absorption. Since the light L is irradiated, 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. In the stress process, the intensity of the absorptive laser beam is such that the workpiece 1 is not heated and melted. Therefore,
The surface 3 is not damaged such as melting due to the irradiation of the laser beam. 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. 18, even if the planned cutting line 5 has a complicated shape, cutting can be performed. According to the laser processing method 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. Further, since the portion to be cut by the modified region is formed only inside the workpiece, the workpiece does not fall apart, so that the workpiece can be transported. And, without giving a special external force, because it is possible to cut and separate the processing object by irradiating the surface of the processing object formed inside the portion to be cut by the modified region with the absorbing laser light, It is possible to cleanly cut the workpiece.

【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。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a plan view of an object to be processed during laser processing by the laser processing method 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 the laser processing method 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 the laser processing method according to the present embodiment. FIG. 7 is a graph showing the relationship between electric field strength and crack spot size in the laser processing method according to the present embodiment. FIG. 8 is a cross-sectional view of an object to be processed in a first step of the laser processing method according to the present embodiment. FIG. 9 is a cross-sectional view of an object to be processed in a second step of the laser processing method according to the present embodiment. FIG. 10 is a cross-sectional view of an object to be processed in a third step of the laser processing method according to the present embodiment. FIG. 11 is a cross-sectional view of an object to be processed in a fourth step of the laser processing method 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 the laser processing method according to the embodiment. FIG. 13 is a graph showing the relationship between the wavelength of laser light and the transmittance inside the silicon substrate in the laser processing method according to the present embodiment. FIG. 14 is a schematic configuration diagram of a laser processing apparatus according to the present embodiment. FIG. 15 is a flowchart for explaining a laser processing method according to the embodiment; FIG. 16 is a cross-sectional view of a workpiece including a crack region during laser processing in a modified region forming step according to the present embodiment. FIG. 17 is a cross-sectional view of an object to be processed including a crack region during laser processing in the stress process according to the present embodiment. FIG. 18 is a plan view of an object to be processed for explaining a pattern that can be cut by the laser processing method according to the present embodiment. [Explanation of Symbols] 1 ... work object, 3 ... surface, 5 ... scheduled line, 7 ...
Modified region, 9 ... crack region, 100 ... laser processing apparatus, 101 ... laser light source, 105 ... condensing lens, 10
9 ... X axis stage, 111 ... Y axis stage, 113 ... Z axis stage, L ... laser beam, P ... condensing point.

───────────────────────────────────────────────────── 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 101:40 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 AA03 BA08 CA03 CA11 EA01 4E068 AA05 AD01 AE01 CA11 CE11 DA10 DA11 4G015 FA01 FA06 FB01 FB02 FC14──────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme code (reference) // H01L 21/301 B23K 101: 40 B23K 101: 40 H01L 21/78 B (72) Inventor Naoki Uchiyama Shizuoka No. 1126, Nomachi, Hamamatsu City, Prefecture Hamamatsu Photonics Co., Ltd. (72) Inventor Toshimitsu Wakuda No. 1 1126, Nomachi, Hamamatsu City, Shizuoka Prefecture F Reference Term, Hamamatsu Photonics Co., Ltd. AA05 AD01 AE01 CA11 CE11 DA10 DA11 4G015 FA01 FA06 FB01 FB02 FC14

Claims (1)

【特許請求の範囲】 【請求項1】 レーザ加工装置の載置台上に加工対象物
を載置する工程と、 前記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
工対象物の内部に改質領域による切断予定部を形成する
工程と、 改質領域による切断予定部が内部に形成された前記加工
対象物を搬送し、吸収性レーザ照射装置の載置台上に載
置する工程と、 前記加工対象物の表面に吸収性レーザ光を照射し、前記
加工対象物の内部の改質領域を起点として前記加工対象
物の表面にクラックを到達させて前記加工対象物を切断
する工程と、を備えるレーザ加工方法。
Claims: 1. A step of placing a processing object on a mounting table of a laser processing apparatus; and a laser beam with a focusing point inside the processing object and irradiating a laser beam, A step of forming a portion to be cut by the modified region inside the object to be processed along a line to be cut of the object, and transporting the object to be cut having the portion to be cut by the modified region formed therein, A step of placing on a mounting table of an absorptive laser irradiation device; and irradiating the surface of the workpiece with an absorptive laser beam, and starting from a modified region inside the workpiece, the surface of the workpiece And a step of causing the crack to reach and cutting the workpiece.
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