JP2005144484A - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 加工物に対する物理的、熱的損傷を最小限にするとともに、加工に伴う材料のロスを少なくすることができるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供する。
【解決手段】 レーザ光源２０と、インゴット１０を保持するインゴット保持部１２と、保持部１２に保持されたインゴット１０の被加工部にレーザ光源２０からのレーザ光を照射するレーザ照射部材３４と、レーザ照射部材３４とインゴット１０とを相対的に移動させるモータ４６と、レーザ照射部材３４とインゴット１０の被加工部との間の距離を調整するスライダ３８とを備えた。レーザ照射部材３４の照射側の端部３４ａ及び入射側の端部３４ｃは薄板状である。
【選択図】 図３

Description

本発明は、レーザ加工装置及びレーザ加工方法に係り、特に半導体インゴットやガラス、セラミックスなどの脆性材料を切断するレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関するものである。

従来から、シリコンインゴットなどの硬脆性材料を複数枚のウェハに切断（スライス）する加工装置として、ブレードソーを用いた加工装置が知られている。図１は、従来のブレードソー式加工装置を示す概略斜視図である。図１に示すように、ブレードソー式加工装置は、インゴット５００を載置する支持台５１０と、ドーナツ状の薄板ブレード５２０とを備えており、このブレード５２０の内周には、ダイヤモンドなどの砥粒を固着した内周刃５２０ａが形成されている。このようなブレードソー式加工装置においては、回転する５２０の内周刃５２０ａによりインゴット５００が切断され、１枚のウェハが切り出される。そして、支持台５１０をインゴット５００の軸方向に移動させることで次のウェハが順次切り出される。

また、最近では、複数のウェハを一括して切断可能なワイヤソー式加工装置も用いられている。図２は、従来のワイヤソー式加工装置を示す概略斜視図である。図２に示すように、ワイヤソー式加工装置は、ダイヤモンドなどの砥粒を付着させた複数本の金属ワイヤ５３０を備えている。このようなワイヤソー式加工装置においては、ワイヤ５３０の上に配置されたインゴット５００を下方に押し付けるとともにワイヤ５３０を連続的に移動させることで、複数のウェハを同時に切り出すことができる。

しかしながら、このような従来の加工装置は、硬脆性材料を機械的に切断するものであるため、切り出されたウェハには、機械的加工に伴う材料欠陥（例えば、歪みや結晶の転位などの物理的、熱的損傷）が生じてしまう。このため、従来の加工装置を用いてウェハを切り出した後には、上記欠陥が生じた部分（カーフロス）を研磨して除去する必要があり、この研磨除去によって材料のロスが多くなっていた。

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、被加工物に対する物理的、熱的損傷を最小限にするとともに、加工に伴う材料のロスを少なくすることができるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することを目的とする。

このような従来技術における問題点を解決するために、本発明の第１の態様は、レーザ光源と、被加工物を保持する保持部と、上記保持部に保持された被加工物の被加工部に上記レーザ光源からのレーザ光を照射するレーザ照射部材と、上記レーザ照射部材と上記被加工物とを相対的に移動させる相対移動機構と、上記レーザ照射部材と上記被加工物の被加工部との間の距離を調整する距離調整機構とを備え、上記レーザ照射部材の照射側の端部は薄板状であることを特徴とするレーザ加工装置である。この場合において、上記レーザ照射部材の入射側の端部も薄板状であることがより好ましい。

本発明によれば、レーザ照射部材から高エネルギのレーザ光を被加工物の被加工部に照射することができる。このような高エネルギのレーザ光の照射により、被加工物の被加工部においてアブレーション（ablation）現象が生じ、このアブレーション現象によって被加工物の被加工部を切断することができる。このアブレーション現象は、従来の機械的加工とは異なり、被加工物に対する熱的影響も少なく、切断加工で生ずる被加工物に対する物理的、熱的損傷を大幅に低減することができる。また、レーザ光を用いるため、切断部分の幅を小さくすることができ、切断加工に伴う材料のロスを少なくすることができる。また、レーザ照射部材を薄板状にしているので、最小限の切断幅で被加工物を切断することができ、切断加工に伴う材料のロスを大幅に少なくすることができる。

本発明の第２の態様は、レーザ光源と、被加工物を保持する保持部と、上記保持部に保持された被加工物の被加工部に上記レーザ光源からのレーザ光を照射するレーザ照射部材と、上記レーザ照射部材と上記被加工物とを相対的に移動させる相対移動機構と、上記レーザ照射部材と上記被加工物の被加工部との間の距離を調整する距離調整機構とを備え、上記レーザ照射部材は、少なくとも１つの側板と、該側板に固定される導波材とを備え、上記レーザ照射部材の内部を通過するレーザ光は、上記導波材と該導波材の外部空間との界面において上記レーザ照射部材の厚さ方向に全反射しながら進行することを特徴としている。この場合において、上記レーザ照射部材を通過するレーザ光は、上記レーザ照射部材の厚さ方向と垂直な面内では平行光であることが好ましい。

また、上記レーザ光が全反射する導波材の表面の領域は上記側板に接触しないことが好ましい。更に、上記導波材の外部空間は、上記レーザ照射部材の厚さ方向に上記レーザ光の１波長以上の幅を有することが好ましい。

本発明の第３の態様は、レーザ光源と、被加工物を保持する保持部と、上記保持部に保持された被加工物の被加工部に上記レーザ光源からのレーザ光を照射するレーザ照射部材と、上記レーザ照射部材と上記被加工物とを相対的に移動させる相対移動機構と、上記レーザ照射部材と上記被加工物の被加工部との間の距離を調整する距離調整機構とを備え、上記レーザ照射部材は、少なくとも１つの側板と、該側板に固定される導波材とを備え、上記導波材の表面に流体を存在させることを特徴とするレーザ加工装置である。この場合において、上記流体は気体又は液体であることが好ましい。

加工に伴って発生する切り屑などの異物が導波材の表面に付着するとエネルギ集中が生じて導波材が割れてしまうことがあるが、上述のように、導波材の表面に気体又は液体を存在させることで、このような異物が導波材の表面に付着することが防止され、導波材の物理的損傷を防止することができる。

本発明の好ましい一態様は、上記レーザ照射部材の入射側の端部に気密空間を形成し、上記気密空間に上記流体を導入する流体導入管を接続し、上記気密空間の圧力を上記レーザ照射部材の照射側の端部の圧力よりも高くして上記流体を上記導波材の表面に存在させることを特徴としている。

本発明の第４の態様は、被加工物を保持部により保持し、上記保持部に保持された被加工物の被加工部にレーザ光源からのレーザ光をレーザ照射部材を介して照射し、上記レーザ照射部材の照射側の端部を薄板状とし、上記レーザ照射部材と上記被加工物の被加工部との間の距離を調整しつつ、上記レーザ照射部材と上記被加工物とを相対的に移動させて上記レーザ光により上記被加工物を加工することを特徴とするレーザ加工方法である。この場合において、上記レーザ照射部材の入射側の端部も薄板状とすることがより好ましい。

本発明の第５の態様は、被加工物を保持部により保持し、上記保持部に保持された被加工物の被加工部にレーザ光源からのレーザ光を、少なくとも１つの側板と該側板に固定された導波材とを有するレーザ照射部材を介して照射し、上記レーザ照射部材の内部を通過するレーザ光を、上記導波材と該導波材の外部空間との界面において上記レーザ照射部材の厚さ方向に全反射させながら進行させ、上記レーザ照射部材と上記被加工物の被加工部との間の距離を調整しつつ、上記レーザ照射部材と上記被加工物とを相対的に移動させて上記レーザ光により上記被加工物を加工することを特徴とするレーザ加工方法である。この場合において、上記レーザ照射部材を通過するレーザ光を、上記レーザ照射部材の厚さ方向と垂直な面内では平行光とすることが好ましい。

また、上記レーザ光が全反射する導波材の表面の領域を上記側板に接触させないことが好ましい。更に、上記導波材の外部空間は、上記レーザ照射部材の厚さ方向に上記レーザ光の１波長以上の幅を有することが好ましい。

本発明の第６の態様は、被加工物を保持部により保持し、上記保持部に保持された被加工物の被加工部にレーザ光源からのレーザ光を、少なくとも１つの側板と該側板に固定された導波材とを有するレーザ照射部材を介して照射し、上記レーザ照射部材と上記被加工物の被加工部との間の距離を調整しつつ、上記レーザ照射部材と上記被加工物とを相対的に移動させて上記レーザ光により上記被加工物を加工し、上記導波材の表面に流体を存在させることを特徴とするレーザ加工方法である。この場合において、上記流体は気体又は液体であることが好ましい。

本発明の好ましい一態様は、上記レーザ照射部材の入射側の端部に気密空間を形成し、上記気密空間に上記流体を導入する流体導入管を接続し、上記気密空間の圧力を上記レーザ照射部材の照射側の端部の圧力よりも高くして上記流体を上記導波材の表面に存在させることを特徴としている。

本発明によれば、レーザ照射部材から高エネルギのレーザ光を被加工物の被加工部に照射することができる。このような高エネルギのレーザ光の照射により、被加工物の被加工部においてアブレーション（ablation）現象が生じ、このアブレーション現象によって被加工物の被加工部を切断することができる。このアブレーション現象は、従来の機械的加工とは異なり、被加工物に対する熱的影響も少なく、切断加工で生ずる被加工物に対する物理的、熱的損傷を大幅に低減することができる。また、レーザ光を用いるため、切断部分の幅を小さくすることができ、切断加工に伴う材料のロスを少なくすることができる。また、レーザ照射部材を薄板状にしているので、最小限の切断幅で被加工物を切断することができ、切断加工に伴う材料のロスを大幅に少なくすることができる。

以下、本発明に係るレーザ加工装置の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、図３乃至図３５（ｃ）において、同一又は相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図３は本発明の第１の実施形態におけるレーザ加工装置の全体構成を示す模式図、図４は図３のＡ方向から見た模式図である。図３に示すように、レーザ加工装置は、被加工物としてのＧａＰインゴット１０を保持するインゴット保持部１２と、所定の波長及びエネルギのレーザを発生するレーザ光源２０とを備えている。レーザ光源２０にはレーザ導入管２２が接続されており、レーザ導入管２２の内部にはビーム拡大器（エクスパンダ）２４、ビーム減光器（アテネータ）２６、及び反射鏡２８が配置されている。反射鏡２８の下方には、シリンダレンズ３０と、シリンダレンズ３０を通過したレーザ光を集光する集光レンズ３２と、集光レンズ３２を通過したレーザ光をインゴット保持部１２に保持されたインゴット１０の被加工部に照射するレーザ照射部材３４とが配置されている。

レーザ照射部材３４は、インゴット保持部１２に保持されたインゴット１０の上方に配置されており、上述したビーム拡大器２４、ビーム減光器２６、反射鏡２８、シリンダレンズ３０、集光レンズ３２、及びレーザ照射部材３４によって、レーザ光源２０からのレーザ光をインゴット１０の被加工部に導く光学系が形成されている。

図３に示すように、固定フレーム３６には、スライダ３８を介して上下動自在な可動フレーム４０が取り付けられている。可動フレーム４０は、レーザ照射部材３４を保持する保持部材４２と、内部にシリンダレンズ３０及び集光レンズ３２を収容する筒体４４とを備えており、可動フレーム４０が上下方向（Ｚ方向）に移動することにより、シリンダレンズ３０、集光レンズ３２、及びレーザ照射部材３４が一体となって上下動するようになっている。

また、インゴット保持部１２はモータ４６に連結されており、モータ４６の回転に伴ってインゴット保持部１２に保持されたインゴット１０が回転するようになっている。また、このモータ４６は、スライダ４８を介して水平方向（Ｘ方向）に移動可能なモータ台４９に載置されており、モータ台４９がＸ方向に移動することによって、モータ４６及びインゴット保持部１２に保持されたインゴット１０がＸ方向に移動するようになっている。

このような構成のレーザ加工装置において、モータ４６によりインゴット１０を所定の回転速度（例えば１〜２ｍｉｎ^−１）で回転させ、レーザ光源２０からのレーザ光をレーザ照射部材３４を通してインゴット１０の被加工部に照射する。このレーザ光の照射によりインゴット１０の被加工部においてアブレーション（ablation）現象が生じ、このアブレーション現象によってインゴット１０の被加工部が除去されていく。この場合において、上記スライダ３８により可動フレーム４０をＺ方向に移動させ、レーザ照射部材３４の下端部（照射側の端部）とインゴット１０の被加工部との間の距離が一定となるように、レーザ照射部材３４をＺ方向に移動させる。これにより、Ｚ方向に沿ってレーザ光の照射による切断加工が進行し、最終的には１枚のウェハ１０ａが切り出される。１枚のウェハを切り出した後、レーザ照射部材３４を上昇させ、スライダ４８によりインゴット１０をＸ方向に移動させ、次のウェハの切り出しが上述と同様に行われる。

本実施形態では、インゴット１０を回転させるモータ４６は、レーザ照射部材３４とインゴット１０とを相対的に移動させる相対移動機構を構成し、可動フレーム４０及びレーザ照射部材３４をＺ方向に移動させるスライダ３８は、インゴット１０における加工の進行方向（Ｚ方向）に沿って、レーザ照射部材３４とインゴット１０とを相対移動させ、レーザ照射部材３４とインゴット１０の被加工部との間の距離を調整する距離調整機構を構成するようになっている。

本実施形態においては、レーザ光源２０として、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）レーザの第２高調波を用いている。このＹＡＧレーザの第２高調波の波長は５３２ｎｍである。ここで、レーザ照射部材３４からインゴット１０の被加工部に照射されるレーザ光は、レーザ光の照射によってインゴット１０の被加工部が除去される限界以上のエネルギを有することが好ましい。ＹＡＧレーザの第２高調波を用いた場合には、インゴット１０の被加工部に照射されるエネルギは１．５Ｊ／ｃｍ^２以上となる。このように、１．５Ｊ／ｃｍ^２以上のエネルギを有するレーザ光を被加工部に照射することで、シリコンや化合物半導体などの種々の脆性材料の切断を行うことができる。なお、上述したレーザ光源２０は公知のものであるが、レーザ光源２０としてＹＡＧレーザ以外のものを用いてもよいことは言うまでもない。

次に、レーザ照射部材３４について説明する。図５は、本実施形態におけるレーザ照射部材３４の底面図である。図５に示すように、レーザ照射部材３４は、ステンレス製の２枚の側板５０，５０と、これらの側板５０，５０の間に挟持される導波材としての石英ファイバ５２とを備えている。この石英ファイバ５２の厚さは例えば４０μｍであり、側板５０の厚さは例えば３０μｍである。ここで、石英ファイバ５２及び側板５０の厚さとはそれぞれのＸ方向、すなわちインゴット１０の長手方向（軸方向）の厚さを意味する。なお、本実施形態における石英ファイバ５２の屈折率は約１．４である。集光レンズ３２からのレーザ光は、この石英ファイバ５２の内部を通過してインゴット１０の被加工部に照射される。図５に示すように、２枚の側板５０，５０は同一形状を有しており、これらの側板５０，５０が互いに対向して配置される。なお、導波材としてはレーザ光を伝えることができるものであればよく、石英ファイバやその他のガラス体に限られるものではない。

図６は、図５のレーザ照射部材３４の１つの側板５０を示す斜視図である。側板５０は、例えば厚さ３０μｍのステンレス薄板から形成されており、側板５０の（Ｙ方向の）中央部には石英ファイバ５２を配置するための凹部５４が形成されている。この凹部５４には、Ｚ方向に沿って互いに平行に延びる２つの支持部５６，５６が設けられており、上方に突出した支持部５６，５６の上面が石英ファイバ５２の表面と接触するようになっている。

対向配置された側板５０，５０の凹部５４に石英ファイバ５２を配置し、側板５０，５０のＹ方向の両端部に形成された孔５０ａ，５０ａにボルトを締結することにより、石英ファイバ５２が側板５０，５０の間に挟み込まれて固定される。このとき、図５に示すように、側板５０，５０はＸ方向に撓んでおり、支持部５６，５６は石英ファイバ５２の表面に対して垂直な方向に石英ファイバ５２を押さえて支持するようになっている。この状態においては、図５に示すように、支持部５６と凹部５４の側壁５４ａとの間に空間５８が形成され、石英ファイバ５２のＹ方向端部が側板５０に接触しないようになっている。このような構成により、石英ファイバ５２の角（端部）が側板５０に接触して破損してしまうことが防止される。

ここで、集光レンズ３２からのレーザ光は、石英ファイバ５２のＹ方向の中央部の例えば１．４〜３．２ｍｍの領域６０（図５参照）を通過するようになっている。この領域６０の表面は、上述した側板５０の支持部５６に接触しないようになっており、２つの支持部５６の間に形成された空間６２（図５参照）に露出している。

本実施形態では、集光レンズ３２によりレーザ光がＸ方向に集光され（図３参照）、例えば幅３０μｍの集光ビームとなってレーザ照射部材３４の石英ファイバ５２に入射する。このレーザ光は、図７（ａ）に示すように、石英ファイバ５２と上述した空間６２との界面においてＸ方向に全反射しながら進行する。上記空間６２のＸ方向の幅Ｗは、レーザ光の１波長以上あることが好ましく、この空間６２はＮ_２や空気などの気体又は水などの液体で満たされていることが好ましい。一方、Ｘ方向に垂直な面内においては、レーザ光は、例えば幅１．６ｍｍの平行光として石英ファイバ５２に入射し（図４参照）、図７（ｂ）に示すように、石英ファイバ５２内を平行光として進行する。

石英ファイバ５２に入射したレーザ光はＸ方向に全反射しながら進行するため、石英ファイバ５２内のレーザ光が通過する領域６０の表面は他の物体と接触していないことが必要である。このため、本実施形態では、レーザ光が通過する領域６０には支持部材５６が接触しないようにしており、領域６０以外の少なくとも一箇所において石英ファイバ５２と側板５０とが接触するようになっている。

ここで、Ｘ方向に全反射しながらレーザ照射部材３４内を通過したレーザ光は、図８（ａ）に示すように、Ｘ方向に広がってインゴット１０の被加工部に照射される。すなわち、インゴット１０の被加工部に照射されるレーザ光のＸ方向の幅がレーザ照射部材３４の厚さよりも広くなっており、レーザ照射部材３４の幅よりも広い範囲で加工（切断）が行われるようになっている。このようにすることで、加工の進行とともに、レーザ照射部材３４を加工進行方向（Ｚ方向）に連続的に挿入していくことが可能となる。なお、図８（ｂ）に示すように、レーザ照射部材３４の照射側の端部３４ａにレンズ３４ｂを埋め込み、レンズ３４ｂにより集光した後のレーザ光をインゴット１０の被加工部に照射してレーザ照射部材３４の厚さよりも広い範囲で加工（切断）を行うようにしてもよい。

また、本実施形態では、図９（ａ）に示すように、レーザ照射部材３４の照射側の端部３４ａ及び入射側の端部３４ｃがともにＸ方向に関して薄板状となっているが、図９（ｂ）に示すように、レーザ照射部材３４の照射側の端部３４ａのみ薄板状に形成してもよい。

次に、上述したレーザ照射部材３４を保持部材４２に取り付ける構造について説明する。図１０は図５のレーザ照射部材３４を保持部材４２に取り付けた状態を示す正面図、図１１は図１０のＢ−Ｂ線断面図、図１２は図１０のＣ−Ｃ線断面図である。

図１０に示すように、レーザ照射部材３４のＹ方向の両端部には、ボルト７０を介して第１の取付部材７２ａと第２の取付部材７２ｂとが取り付けられている。上述したように、これらのボルト７０の締結により、レーザ照射部材３４の石英ファイバ５２が側板５０内に挟み込まれて固定されるようになっている。

図１０及び図１１に示すように、第１の取付部材７２ａには貫通孔７４が形成されており、この貫通孔７４には保持部材４２に設けられたピン７６が挿通される。このように、第１の取付部材７２ａは保持部材４２に設けられたピン７６を中心として回転自在に構成されている。なお、ピン７６の上方には、ピン７６を保持部材４２に押し付けるための押付ボルト７８が設けられている。

第２の取付部材７２ｂは、Ｙ方向に延びる突出軸８０と２つ突出片８２とを備えている。図１２に示すように、保持部材４２には、この突出片８２を保持部材４２に押し付けるための押付ボルト８４が設けられており、この押付ボルト８４により第２の取付部材７２ｂを図１０においてＹ方向に摺動可能に保持することができる。また、突出軸８０の先端には係合部８６が設けられており、この係合部８６と保持部材４２との間には突出軸８０をＹ方向に付勢する圧縮ばね８８が設けられている。また、保持部材４２の石英ファイバ５２の上方には、通光孔９０が形成されており、集光レンズ３２からのレーザ光が通光孔９０を通って石英ファイバ５２に導入されるようになっている。

このように、レーザ照射部材３４は、ばね８８によりＹ方向（レーザ光の光軸に垂直な方向）に引っ張られた状態で保持部材４２に保持されるようになっている。すなわち、ばね８８によりレーザ照射部材３４のレーザ光の光軸と平行な２辺がこれと垂直な方向に引っ張られ、これによりレーザ照射部材３４が保持部材４２に安定した状態で保持され、またレーザ照射部材３４内の石英ファイバ５２も側板５０，５０の間に確実に固定されるようになっている。

上述した保持部材４２の下部には、レーザ照射部材３４とインゴット１０の被加工部との間に高速水流を供給する供給ノズルが設けられている。図１３は保持部材４２に取り付けられた供給ノズル９２を示す正面図、図１４は図１３の部分拡大底面図である。

図１３に示すように、保持部材４２に設けられた供給ノズル９２は、レーザ照射部材３４の下端面とインゴット１０の被加工部との間に高速水流９４をＹ方向に供給する。この供給ノズル９２から供給される水流は、レーザ照射部材３４から照射されるレーザ光の光軸と実質的に交差するようになっている。この場合において、レーザ照射部材３４の厚さ方向（Ｘ方向）の中心面と水流９４の中心軸とが交差することが好ましく、レーザ照射部材３４の石英ファイバ５２の厚さ方向（Ｘ方向）の中心面と水流９４の中心軸とが交差することがより好ましい。

レーザ光を照射してインゴット１０の被加工部を切断すると、切り屑などが被加工部の周囲に付着して加工を阻害することがある。上述したように、レーザ照射部材３４の下端面とインゴット１０の被加工部との間に高速水流９４を供給すれば、このような加工に伴い生じた切り屑などを高速水流９４により外部に排出することができ、切り屑などの付着により加工が阻害されることがない。また、高速水流９４により被加工部を冷却することもでき、インゴット１０に対するレーザ光の熱的損傷を抑えることができる。

なお、供給ノズル９２から供給される水流９４の断面形状は、円形や長円形、矩形のいずれであってもよく、あるいはこれらの組み合わせであってもよい。また、水流９４のノズル出口圧力は１ＭＰａ以上であることが好ましい。また、水以外の液体やＮ_２や空気などの気体を供給することとしてもよい。

図１５は、図１０のレーザ照射部材３４及び保持部材４２の近傍を示す側断面図である。図１５に示すように、レーザ照射部材３４の側板５０，５０の上部には枠体９５が設けられており、上述した保持部材４２は枠体９５の内部に形成される気密空間９６内に収容されている。枠体９５には、この気密空間９６に連通する流体導入管９７が接続されており、この流体導入管９７から枠体９５の気密空間９６にＮ_２や空気などの気体又は水などの液体が導入されるようになっている。この気密空間９６は、上述したレーザ照射部材３４内の空間５８，６２（図５参照）に連通している。

ここで、気密空間９６内の圧力は、レーザ照射部材３４内の空間５８，６２よりも高く設定されており、流体導入管９７から気密空間９６に導入された気体又は液体は、レーザ照射部材３４内の空間５８，６２を通って照射側の端部３４ａから下方に噴出されるようになっている。加工に伴って発生する切り屑などの異物が石英ファイバ５２の表面に付着するとエネルギ集中が生じて石英ファイバ５２が割れてしまうことがあるが、上述したように、石英ファイバ５２が面している空間５８，６２に気体又は液体を流通させることで、このような異物が石英ファイバ５２の表面に付着することを防止して石英ファイバ５２の物理的損傷を防止することができる。なお、本実施形態では、導波材としての石英ファイバ５２の表面に気体又は液体を流通させる例を説明したが、気体又は液体を流通させずに、導波材の表面に気体又は液体を存在させるだけでもよい。本件発明者等の実験では、側板５０又は石英ファイバ５２の表面に予め水を垂らした後にレーザ照射部材３４を組立ててレーザ照射部材３４内に水を封じ込め、石英ファイバ５２の表面に水を存在させただけでも、石英ファイバ５２への異物の付着が防止できることが確認された。

ここで、図３に示すように、インゴット１０の一端部はインゴット保持部１２により保持されているが、インゴット１０の被加工部側の他端部は、図１６に示すように、真空チャック機構を有する吸着部１００により吸着保持されている。この吸着部１００は、多数の吸着孔１０２ａが形成された吸着板１０２と、インゴット保持部１２を回転させるモータ４６と同期して回転するモータ１０４とを備えている。吸着板１０２の吸着孔１０２ａは図示しない真空ポンプ等に接続されており、吸着板１０２の表面に切断加工中のウェハ１０ａの表面を吸着保持するようになっている。吸着板１０２を回転させるモータ１０４とインゴット１０を回転させるモータ４６とは互いに同期しているため、吸着板１０２はインゴット１０と同一の回転速度で回転し、加工中の被加工部に無理な力が作用しないようになっている。

上述したように、レーザ照射部材３４からレーザ光をインゴット１０の被加工部に照射することによりウェハ１０ａが切り出されるが、このウェハ１０ａの切断が完了した後、図１７に示すように、吸着部１００は、ウェハ１０ａを吸着した状態で所定の離脱位置まで移動した後、この離脱位置でウェハ１０ａを離脱する。ウェハ１０ａを離脱させるのに支障のない場所に離脱位置を設定すれば、ウェハ１０ａに損傷を与えずにウェハ１０ａの離脱を行うことができる。ここで、ウェハ１０ａが切り出された後のインゴット１０の表面は切断により粗くなっているので、吸着板１０２の表面は、加工により切断されたインゴット１０の表面に密着する程度の柔軟性を有することが好ましい。

インゴット１０の被加工部にレーザ光を照射して切断加工を行う場合、レーザ照射部材３４と被加工部との間隔を一定に保つために現在の加工点位置を検出する必要がある。本実施形態では、図１８に示すような加工点検出器１１０を用いて加工点の検出を行っている。この加工点検出器１１０は、支軸１１２を中心として回転可能な当接棒（当接部材）１１４と、当接棒１１４の一端を付勢して当接棒１１４をインゴット１０の被加工面に当接させるばね１１６と、当接棒１１４の回転角（位置）を検知するセンサ１１８とを備えている。インゴット１０は回転しているため、当接棒１１４が当接するインゴット１０の被加工面は、加工深さに関して現在加工が行われている被加工部と同等の位置にあるといえる。したがって、このような加工点検出器１１０によれば、センサ１１８により検出された当接棒１１４の回転角に基づいて現在の加工点（加工深さ）を検出することができる。

また、光学的に加工点を検出することもできる。図１９は、光学的に加工点を検出する加工点検出器１２０を示す模式図である。図１９に示す加工点検出器１２０は、インゴット１０に向けて測定光１２２を発する複数の投光素子を有する投光アレイ１２４と、投光アレイ１２４からの測定光１２２を受光する複数の受光素子を有する受光アレイ１２６とを備えている。このような加工点検出器１２０によれば、投光アレイ１２４から発された測定光１２２のうち、受光アレイ１２６で受光される測定光１２２を検出することで、現在の加工点（加工深さ）を検出することができる。

この場合において、図２０に示すように、投光アレイ１２４をＸ方向（インゴット１０の長手方向）に移動させて検出すべき加工点のＸ方向位置を決定することとしてもよい。すなわち、投光アレイ１２４をＸ方向に移動させると、受光アレイ１２６により測定される信号の大きさは図２１に示すようなカーブを描く。このとき、図２１において最大値を示す点Ｘ_０が検出すべき加工点のＸ方向位置を示すこととなるので、この点Ｘ_０において加工点の検出を行う。

このようにして検出された加工深さとレーザ照射部材３４の照射側の端部のＺ方向位置とから、レーザ照射部材３４とインゴット１０の被加工部との間の距離を求めることができる。そして、この求められた距離に基づいて、モータ４６によるインゴット１０の回転速度やスライダ３８によるレーザ照射部材３４のＺ方向への移動速度、あるいはレーザ光源２０のエネルギ強度を調整すれば、加工条件を最適化することができる。

また、上述したレーザ照射部材３４とインゴット１０の被加工部との間の距離が所定の値（閾値）を超えるまではレーザ照射部材３４をＺ方向に移動させずに、上記距離が所定の値を超えたときに所定の距離だけレーザ照射部材３４をＺ方向に移動させて、レーザ照射部材３４とインゴット１０の被加工部との間の距離を小さくするように制御してもよい。この場合にレーザ照射部材３４を移動させる距離は、上記閾値よりも小さくなるように設定する。

また、例えば、被加工物が実質的に透明な場合や、切断される被加工物が薄いために切断される被加工物に測定光を通過させることができる場合などにおいては、図２２に示すように、光学式の加工点検出器１２８を切り出されるウェハ１０ａ側に設置し、このウェハ１０ａに測定光を通過させてレーザ照射部材３４の端部及び被加工部の位置を光学的に直接検知することができる。

上述の実施形態では、被加工物としてのインゴット１０を相対移動機構としてのモータ４６により回転させて加工を行った例を説明したが、相対移動は回転に限られるものではない。例えば、図２３に示すように、被加工物１０が矩形状の断面を有する場合には、被加工物１０をＹ方向、すなわち加工の進行方向に対して垂直な方向に往復運動させる相対移動機構を用いることができる。

次に、上述したレーザ照射部材３４の側板５０の製造方法について図２４（ａ）乃至図２４（ｉ）を参照して説明する。まず、厚さ３０μｍのステンレス薄板２００を切り出し、表面を洗浄する（図２４（ａ））。このステンレス薄板２００の表面にレジスト２０２を塗布する（図２４（ｂ））。次に、レジスト２０２にマスキングを施して露光、現像することにより、上述した側板の凹部５４に対応する位置のレジスト２０２を取り除く（図２４（ｃ））。そして、残ったレジスト２０２をマスクとしてエッチングを施し、ステンレス薄板２００に例えば深さ１０μｍの凹部５４を形成する（図２４（ｄ））。

上記レジスト２０２を剥離した後、再びレジスト２０４を塗布し、凹部５４内の支持部５６に対応する位置にレジスト２０４が残るように、レジスト２０４にマスキングを施して露光、現像する（図２４（ｅ））。そして、残ったレジスト２０４をマスクとして例えば１０μｍの深さまでエッチングを施し、凹部５４内に支持部５６を形成する（図２４（ｆ））。

上記レジスト２０４を剥離した後、再びレジスト２０６を塗布し、レジスト２０６にマスキングを施して露光、現像することにより、側板の両端部の孔５０ａ及び不要部分に対応する位置のレジスト２０６を取り除く（図２４（ｇ））。そして、残ったレジスト２０６をマスクとしてエッチングを施し、側板の外形及び孔５０ａを形成する（図２４（ｈ））。その後、レジスト２０６を剥離することで、上述した側板５０を容易に製造することができる（図２４（ｉ））。なお、このような製造工程は、一般的な半導体製造装置を用いて行うことが可能である。

なお、本実施形態においては、側板５０をステンレス薄板で形成した例を説明したが、ステンレス以外の金属を用いてもよいことは言うまでもない。この場合において、側板５０を、石英ファイバ５２と熱膨張率が略同一の材料で形成すれば、レーザ照射部材３４の温度変化によって部材に歪みが生じて導波材が割れてしまうことを防止することができる。例えば、側板５０を、石英ファイバと略同一の熱膨張率を有するアンバー（インバー）材で形成してもよい。

ここで、図５に示す構造のレーザ照射部材３４に代えて、図２５に示す構造のレーザ照射部材１３４を用いることもできる。図２５に示すレーザ照射部材１３４は、ステンレス製の２枚の平板状側板１５０，１５０と、これらの側板１５０，１５０の間に挟持されるステンレス製のスペーサ１５１，１５１とを備えている。側板１５０は、有機物からなる支持部１５６，１５６をその表面に有している。側板１５０，１５０の支持部１５６，１５６の間には導波材としての石英ファイバ５２が挟持されている。この側板１５０の（Ｘ方向の）厚さは例えば１０μｍである。図２５に示すように、２枚の側板１５０，１５０は同一形状を有しており、これらの側板１５０，１５０が互いに対向して配置される。

図２６は、図２５のレーザ照射部材１３４の１つの側板１５０を示す斜視図である。側板１５０は、例えば厚さ１０μｍのステンレス薄板から形成されている。この側板１５０の表面には、Ｚ方向に沿って互いに平行に延びる２つの支持部１５６，１５６が設けられている。この支持部１５６，１５６の上面が石英ファイバ５２の表面と接触するようになっている。

対向配置された側板１５０，１５０上の支持部１５６，１５６の間に石英ファイバ５２を配置し、側板１５０，１５０のＹ方向の両端部に形成された孔１５０ａ，１５０ａにボルトを締結することにより、石英ファイバ５２が側板１５０，１５０上の支持部１５６，１５６の間に挟み込まれて固定される。このとき、図２５に示すように、側板１５０，１５０はＸ方向に撓んでおり、側板１５０，１５０の支持部１５６，１５６は石英ファイバ５２の表面に対して垂直な方向に石英ファイバ５２を押さえて支持する。この状態においては、図２５に示すように、スペーサ１５１と石英ファイバ５２のＹ方向端部との間に空間１５８が形成され、石英ファイバ５２のＹ方向端部がスペーサ１５１に接触しないようになっている。このような構成により、石英ファイバ５２の角（端部）がスペーサ１５１に接触して破損してしまうことが防止される。

次に、上述したレーザ照射部材１３４の側板１５０の製造方法について図２７（ａ）乃至図２７（ｇ）を参照して説明する。まず、両端に孔１５０ａを形成した厚さ１０μｍのステンレス薄板３００を用意する（図２７（ａ））。この例では、半導体製造装置を用いて側板を製造するため、便宜上、ウェハ３０１上に粘着テープ３０２を用いて上記ステンレス薄板３００を固定する（図２７（ｂ））。そして、このステンレス薄板３００の表面に絶縁膜形成用のレジスト（有機物）３０４を塗布する（図２７（ｃ））。次に、マスキングテープ３０６で支持部１５６に対応する部分以外をマスキングし、露光する（図２７（ｄ））。その後、マスキングテープ３０６を取り除き（図２７（ｅ））、現像してレジスト３０４の未露光部分を除去すると、露光部分３０４ａのみがステンレス薄板３００上に残る（図２７（ｆ））。そして、粘着テープ３０２をはがしてステンレス薄板３００をウェハ３０１上からはがすことで、有機物からなるレジスト３０４ａを支持部１５６として有する側板１５０が完成する（図２７（ｇ））。このような方法により、肉厚の薄い側板１５０を容易に製造することができる。側板１５０の製造方法としては、上述した方法（フォトリソグラフィ法）以外に、印刷法がある。

図１０に示す例では、側板５０，５０の間に石英ファイバ５２を配置し、側板５０，５０を引っ張ることにより、レーザ照射部材３４を保持しているが、このようにレーザ照射部材３４を引っ張って保持した場合に、側板５０の両面で圧力差が生じると、側板５０が振動して加工の精度が悪くなってしまうことが考えられる。したがって、このような振動を防止するために、図２８に示すように、側板５０に振動を防止するための複数の孔５０ｂを形成することが好ましい。また、この場合において、これらの複数の孔５０ｂを引っ張り方向（図２８の例ではＹ方向）に重ねて配置すると、この重なった部分に、引っ張り方向と垂直な方向のシワが生じるので、これらの複数の孔５０ｂを引っ張り方向に重ならないように配置することが好ましい。

また、上述の実施形態では、Ｙ方向にレーザ照射部材３４を引っ張る例を説明したが、図２９及び図３０に示すように、Ｚ方向にレーザ照射部材３４を引っ張ることとしてもよい。すなわち、レーザ照射部材３４のレーザ光の光軸と垂直な２辺をレーザ光の光軸の方向に引っ張ってもよい。図２９及び図３０に示す例では、図２９のレーザ照射部材３４の斜線で示した四隅を例えばクランプなどの治具３１０で把持してＺ方向に引っ張っている。

また、石英ファイバ５２を側板５０，５０の内部に固定する方法は、上述したものに限られない。例えば、図３１に示すように、押圧部材３１２を介して側板５０の外部から石英ファイバ５２の表面と垂直な方向に押圧することにより、側板５０，５０の間に配置した石英ファイバ５２を固定することもできる。このような構成により、石英ファイバ５２の内部を通過するレーザ光の光軸のずれを防止することができる。また、石英ファイバ５２を接着材により側板５０，５０の間に固定することもできる。この場合には、図３２に示すように、側板５０に接着材を溜める溜め部５０ｃを形成することが好ましい。

また、図３３に示すように、石英ファイバ５２に係合溝５２ａを形成するとともに、側板５０にこの係合溝５２ａに係合する突起５０ｄを形成し、石英ファイバ５２の係合溝５２ａに側板５０の突起５０ｄに係合させて石英ファイバ５２を固定してもよい。更に、図３４に示すように、側板５０及び石英ファイバ５２に貫通孔を形成し、この貫通孔にピン３１４を挿通させて石英ファイバ５２を固定してもよい。これにより、石英ファイバ５２のずれを防止することができる。

また、図５に示す例では、２枚の側板５０，５０の間に石英ファイバ５２を挟み込んでいるが、これに限られるものではない。例えば、図３５（ａ）に示すように、１枚の側板２５０と、側板２５０に固定される石英ファイバ５２とによりレーザ照射部材２３４を形成することもできる。この場合において、図３５（ｂ）に示すように、接着材３１６を用いて石英ファイバ５２を側板２５０に固定してもよく、あるいは図３５（ｃ）に示すように、ブラケット３１８を用いて石英ファイバ５２を側板２５０に固定してもよい。また、ねじやピン、溶接などにより石英ファイバ５２を側板２５０に固定することもできる。

上述した実施形態では、被加工物としてＧａＰインゴットを用いた例について説明したが、被加工物はこれに限られるものではなく、例えばＳｉインゴットやウェハを被加工物として用いることもできる。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

従来のブレードソー式加工装置を示す概略斜視図である。 従来のワイヤソー式加工装置を示す概略斜視図である。 本発明の第１の実施形態におけるレーザ加工装置の全体構成を示す模式図である。 図３のＡ方向から見た模式図である。 本発明の第１の実施形態におけるレーザ加工装置のレーザ照射部材を示す底面図である。 図５のレーザ照射部材の側板を示す斜視図である。 図７（ａ）及び図７（ｂ）は、図５のレーザ照射部材の石英ファイバの内部を通るレーザ光を示す模式図であり、図７（ａ）はＸ方向の断面図、図７（ｂ）はＹ方向の断面図である。 図８（ａ）は図５のレーザ照射部材から照射されるレーザを示す模式図であり図８（ｂ）は本発明の他の実施形態におけるレーザ照射部材から照射されるレーザを示す模式図である。 図９（ａ）は図５のレーザ照射部材の形状を示す模式図であり、図９（ｂ）は本発明の他の実施形態におけるレーザ照射部材の形状を示す模式図である。 図５のレーザ照射部材を保持部材に取り付けた状態を示す正面図である。 図１０のＢ−Ｂ線断面図である。 図１０のＣ−Ｃ線断面図である。 図１０の保持部材に取り付けられた供給ノズルを示す正面図である。 図１３の部分拡大底面図である。 図１０のレーザ照射部材及び保持部材の近傍を示す側断面図である。 本発明の第１の実施形態における吸着部を示す模式図である。 切断加工後における図１６に示す吸着部を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態における加工点検出器を示す模式図である。 本発明の他の実施形態における加工点検出器を示す模式図である。 図１９の加工点検出器を用いて検出すべき加工点を決定する方法を説明する模式図である。 測定される信号の大きさと図２０におけるＸ方向位置との関係を示すグラフである。 本発明の他の実施形態における加工点検出器を示す模式図である。 本発明の他の実施形態における相対移動機構による相対移動を示す模式図である。 図２４（ａ）乃至図２４（ｉ）は、図６に示す側板を製造する工程を示す模式図である。 図５のレーザ照射部材の変形例を示す底面図である。 図２５のレーザ照射部材の側板を示す斜視図である。 図２７（ａ）乃至図２７（ｇ）は、図２６に示す側板を製造する工程を示す模式図である。 図１０のレーザ照射部材の改良例を示す正面図である。 図１０のレーザ照射部材の引っ張り方向を変えた例を示す正面図である。 図２９の側面図である。 図５の石英ファイバを側板の間に固定する方法の変形例を示す斜視図である。 図６に示す側板の変形例を示す斜視図である。 図５のレーザ照射部材の変形例を示す断面図である。 図５のレーザ照射部材の他の変形例を示す斜視図である。 図３５（ａ）は本発明の他の実施形態におけるレーザ照射部材を示す斜視図、図３５（ｂ）は図３５（ａ）における側板と石英ファイバとの固定方法を示す断面図、図３５（ｃ）は図３５（ａ）における側板と石英ファイバとの他の固定方法を示す断面図である。

符号の説明

１０ インゴット
１２ インゴット保持部
２０ レーザ光源
２２ レーザ導入管
２４ ビーム拡大器（エクスパンダ）
２６ ビーム減光器（アテネータ）
２８ 反射鏡
３０ シリンダレンズ
３２ 集光レンズ
３４，１３４，２３４ レーザ照射部材
３６ 固定フレーム
３８，４８ スライダ
４０ 可動フレーム
４２ 保持部材
４４ 筒体
４６，１０４ モータ
４９ モータ台
５０，１５０，２５０ 側板
５０ｃ 溜め部
５０ｄ 突起
５２ 石英ファイバ
５２ａ 係合溝
５４ 凹部
５６，１５６ 支持部
７０ ボルト
７２ａ，７２ｂ 取付部材
７４ 貫通孔
７６ ピン
７８，８４ 押付ボルト
８０ 突出軸
８２ 突出片
８６ 係合部
８８ 圧縮ばね
９０ 通光孔
９２ 供給ノズル
９４ 水流
９５ 枠体
９６ 気密空間
９７ 流体導入管
１００ 吸着部
１０２ 吸着板
１１０，１２０，１２８ 加工点検出器
１１２ 支軸
１１４ 当接棒（当接部材）
１１６ ばね
１１８ センサ
１２２ 測定光
１２４ 投光アレイ
１２６ 受光アレイ
１５１ スペーサ
２００，３００ ステンレス薄板
２０２，２０４，２０６，３０４ レジスト
３０１ ウェハ
３０２ 粘着テープ
３０６ マスキングテープ
３１０ 治具
３１２ 押圧部材
３１４ ピン
３１６ 接着材
３１８ ブラケット

Claims (18)

1. レーザ光源と、
   被加工物を保持する保持部と、
   前記保持部に保持された被加工物の被加工部に前記レーザ光源からのレーザ光を照射するレーザ照射部材と、
   前記レーザ照射部材と前記被加工物とを相対的に移動させる相対移動機構と、
   前記レーザ照射部材と前記被加工物の被加工部との間の距離を調整する距離調整機構とを備え、
   前記レーザ照射部材の照射側の端部は薄板状であることを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記レーザ照射部材の入射側の端部は薄板状であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. レーザ光源と、
   被加工物を保持する保持部と、
   前記保持部に保持された被加工物の被加工部に前記レーザ光源からのレーザ光を照射するレーザ照射部材と、
   前記レーザ照射部材と前記被加工物とを相対的に移動させる相対移動機構と、
   前記レーザ照射部材と前記被加工物の被加工部との間の距離を調整する距離調整機構とを備え、
   前記レーザ照射部材は、少なくとも１つの側板と、該側板に固定される導波材とを備え、
   前記レーザ照射部材の内部を通過するレーザ光は、前記導波材と該導波材の外部空間との界面において前記レーザ照射部材の厚さ方向に全反射しながら進行することを特徴とするレーザ加工装置。
4. 前記レーザ照射部材を通過するレーザ光は、前記レーザ照射部材の厚さ方向と垂直な面内では平行光であることを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工装置。
5. 前記レーザ光が全反射する導波材の表面の領域は前記側板に接触しないことを特徴とする請求項３又は４に記載のレーザ加工装置。
6. 前記導波材の外部空間は、前記レーザ照射部材の厚さ方向に前記レーザ光の１波長以上の幅を有することを特徴とする請求項３乃至５のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
7. レーザ光源と、
   被加工物を保持する保持部と、
   前記保持部に保持された被加工物の被加工部に前記レーザ光源からのレーザ光を照射するレーザ照射部材と、
   前記レーザ照射部材と前記被加工物とを相対的に移動させる相対移動機構と、
   前記レーザ照射部材と前記被加工物の被加工部との間の距離を調整する距離調整機構とを備え、
   前記レーザ照射部材は、少なくとも１つの側板と、該側板に固定される導波材とを備え、
   前記導波材の表面に流体を存在させることを特徴とするレーザ加工装置。
8. 前記レーザ照射部材の入射側の端部に気密空間を形成し、
   前記気密空間に前記流体を導入する流体導入管を接続し、
   前記気密空間の圧力を前記レーザ照射部材の照射側の端部の圧力よりも高くして前記流体を前記導波材の表面に存在させることを特徴とする請求項７に記載のレーザ加工装置。
9. 前記流体は気体又は液体であることを特徴とする請求項７又は８に記載のレーザ加工装置。
10. 被加工物を保持部により保持し、
    前記保持部に保持された被加工物の被加工部にレーザ光源からのレーザ光をレーザ照射部材を介して照射し、
    前記レーザ照射部材の照射側の端部を薄板状とし、
    前記レーザ照射部材と前記被加工物の被加工部との間の距離を調整しつつ、前記レーザ照射部材と前記被加工物とを相対的に移動させて前記レーザ光により前記被加工物を加工することを特徴とするレーザ加工方法。
11. 前記レーザ照射部材の入射側の端部を薄板状としたことを特徴とする請求項１０に記載のレーザ加工方法。
12. 被加工物を保持部により保持し、
    前記保持部に保持された被加工物の被加工部にレーザ光源からのレーザ光を、少なくとも１つの側板と該側板に固定された導波材とを有するレーザ照射部材を介して照射し、
    前記レーザ照射部材の内部を通過するレーザ光を、前記導波材と該導波材の外部空間との界面において前記レーザ照射部材の厚さ方向に全反射させながら進行させ、
    前記レーザ照射部材と前記被加工物の被加工部との間の距離を調整しつつ、前記レーザ照射部材と前記被加工物とを相対的に移動させて前記レーザ光により前記被加工物を加工することを特徴とするレーザ加工方法。
13. 前記レーザ照射部材を通過するレーザ光を、前記レーザ照射部材の厚さ方向と垂直な面内では平行光としたことを特徴とする請求項１２に記載のレーザ加工方法。
14. 前記レーザ光が全反射する導波材の表面の領域を前記側板に接触させないことを特徴とする請求項１２又は１３に記載のレーザ加工方法。
15. 前記導波材の外部空間は、前記レーザ照射部材の厚さ方向に前記レーザ光の１波長以上の幅を有することを特徴とする請求項１２乃至１４のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
16. 被加工物を保持部により保持し、
    前記保持部に保持された被加工物の被加工部にレーザ光源からのレーザ光を、少なくとも１つの側板と該側板に固定された導波材とを有するレーザ照射部材を介して照射し、
    前記レーザ照射部材と前記被加工物の被加工部との間の距離を調整しつつ、前記レーザ照射部材と前記被加工物とを相対的に移動させて前記レーザ光により前記被加工物を加工し、
    前記導波材の表面に流体を存在させることを特徴とするレーザ加工方法。
17. 前記レーザ照射部材の入射側の端部に気密空間を形成し、
    前記気密空間に前記流体を導入する流体導入管を接続し、
    前記気密空間の圧力を前記レーザ照射部材の照射側の端部の圧力よりも高くして前記流体を前記導波材の表面に存在させることを特徴とする請求項１６に記載のレーザ加工方法。
18. 前記流体は気体又は液体であることを特徴とする請求項１６又は１７に記載のレーザ加工方法。

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