JP2006114786A - Laser beam machining method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To precisely cut a machining object with higher accuracy and superior efficiency. <P>SOLUTION: A pulse laser beam L of energy intensity generating no plasma is emitted and converged above the surface 7 of the machining object 1 through an optical system (objective lens 3). By the interaction of a pulse laser beam Ld incident at a divergence angle widened to the machining object 1 with the material of the machining object 1, a V-shaped notching 5 is formed on the surface 7 of the machining object 1. Consequently, the machining object 1 can be cut by one or two times of irradiation scan. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、レーザ加工方法に関し、特に、加工対象物を切断するのに好適なレーザ加工方法に関する。   The present invention relates to a laser processing method, and particularly to a laser processing method suitable for cutting a workpiece.

近年のエレクトロニクスやフォトニクスなどの先端技術分野の急速な発展に伴い、これらを支える各種デバイス素子の更なる微細化が大きく望まれている。従来、半導体デバイスを微細化する手段として、ダイヤモンドブレードなどによる機械的な切断技術が用いられてきた。これらは十分確立された技術ともいえる半面、「切りしろ」による材料の歩留まりの低下や、微細化の加工分解能といった本質的な限界に行き当たりつつある。一方、これらの機械的な加工技術に代わり、急速に進展しつつある微細加工技術として、レーザ加工法が挙げられる。   With the rapid development of advanced technology fields such as electronics and photonics in recent years, further miniaturization of various device elements that support these has been greatly desired. Conventionally, a mechanical cutting technique using a diamond blade or the like has been used as means for miniaturizing a semiconductor device. While these can be said to be well-established technologies, they are approaching the essential limits such as the reduction of material yield due to “cutting” and the processing resolution of miniaturization. On the other hand, instead of these mechanical processing techniques, a laser processing method is given as a fine processing technique that is rapidly progressing.

これは、加工対象物に高輝度のパルスレーザ光を照射し、焦点位置の微小な領域における物質の構造破壊や改質により発生する損傷(クラック)を起点として、加工対象物を切断する方法である。この方法では、レーザ照射で生起される損傷を切断予定ラインに沿って配列形成させた後、加工対象材料に機械的応力を印加し、当該材料を微細なチップ状に切断する。これを「ダイシング」と呼ぶ。   This is a method of irradiating a processing object with high-intensity pulsed laser light and cutting the processing object starting from damage (cracks) generated by structural destruction or modification of the substance in a minute region at the focal position. is there. In this method, after damages caused by laser irradiation are arranged along a planned cutting line, mechanical stress is applied to a material to be processed, and the material is cut into a fine chip shape. This is called “dicing”.

加工対象物として実用上特に重要なものとして、機能性半導体層(例えば、シリコンやガリウム砒素)をコーティングした誘電体基板(例えば、サファイアやガラス)からなる薄い板状のデバイスが挙げられる。   As a processing object, what is particularly important in practical use is a thin plate-like device made of a dielectric substrate (for example, sapphire or glass) coated with a functional semiconductor layer (for example, silicon or gallium arsenide).

例えば、特許文献1には、ガラスなどの基板材料に対し、これに透明な波長(例えば、1064nm)を有する(つまり、吸収しない)パルスレーザ光を、対物レンズを用いて加工対象物の内部に集光し、この集光位置において、大きさが数10μm程度の乱れた形状を有する損傷(クラック)を生起させ、配列させたこのクラックを起点として、応力を印加して基板を切断する方法が開示されている。   For example, in Patent Document 1, pulsed laser light having a transparent wavelength (for example, 1064 nm) (that is, not absorbing) is applied to a substrate material such as glass in an object to be processed using an objective lens. There is a method of condensing, causing damage (cracks) having a disordered shape with a size of about several tens of μm at this condensing position, and applying a stress to cut the substrate using the arranged cracks as a starting point. It is disclosed.

特許文献1に開示された切断方法においては、加工対象材料の光学バンドギャップエネルギに比して、加工に使用するレーザ光の光子エネルギが1/3以下と小さいために、損傷は、バンドギャップ間の光学的多光子吸収によるものではなく、むしろいわゆる光学的絶縁破壊(ブレイクダウン)により生起されていると考えられる。そのために、損傷のサイズは比較的大きくなってしまい(数10μm)、加工分解能/精度の向上には一定の限界がある。   In the cutting method disclosed in Patent Document 1, since the photon energy of the laser light used for processing is as small as 1/3 or less compared to the optical band gap energy of the material to be processed, damage is caused between the band gaps. This is not caused by the optical multi-photon absorption, but rather by the so-called optical breakdown (breakdown). For this reason, the size of damage becomes relatively large (several tens of μm), and there is a certain limit to the improvement of processing resolution / accuracy.

このような内部集光型の切断方法に対して、特許文献2には、表面集光型の光学配置によって、サファイアなどの透明誘電体材料に対し、切断起点(損傷を配列させた溝)を材料表面に加工する技術が開示されている。
特開2002−192370号公報 特開2004−114075号公報
In contrast to such an internal condensing type cutting method, Patent Document 2 discloses a cutting starting point (groove in which damage is arranged) for a transparent dielectric material such as sapphire by a surface condensing type optical arrangement. A technique for processing a material surface is disclosed.
JP 2002-192370 A JP 2004-1114075 A

しかしながら、特許文献1記載の技術においては、次のような問題がある。   However, the technique described in Patent Document 1 has the following problems.

すなわち、特許文献1記載の技術においては、レーザ光を加工対象物の内部に集光している。上記のように、実際に取り扱われる加工対象材料の形態は、ガラスやサファイアなどからなる支持基板にシリコンやガリウム砒素などの半導体層の薄膜をコーティングしたデバイスである。レーザ加工により切断起点を刻むのは、この支持基板であるが、これは通常は厚さが100〜500μm以下である極めて薄い基板である。半導体層は、デバイス動作において伝導や発光といった実際の機能を担うものであるため、これにレーザ損傷を与えればこれらの機能の大幅な劣化が生じてしまう。従って、このようなデバイスを切断する目的でレーザ加工する場合、半導体層に全く損傷を与えずに、この薄い支持基板の内部のみに、極めて正確に損傷を与えなければならない。   That is, in the technique described in Patent Document 1, laser light is condensed inside the object to be processed. As described above, the form of the material to be processed that is actually handled is a device in which a support substrate made of glass, sapphire, or the like is coated with a thin film of a semiconductor layer such as silicon or gallium arsenide. It is this support substrate that cuts the cutting starting point by laser processing, which is usually a very thin substrate having a thickness of 100 to 500 μm or less. Since the semiconductor layer is responsible for actual functions such as conduction and light emission in device operation, if these are damaged by laser, these functions will be significantly degraded. Therefore, when laser processing is performed for the purpose of cutting such a device, only the inside of this thin support substrate must be damaged very accurately without damaging the semiconductor layer.

しかし、レーザ損傷のサイズは、特許文献1記載の技術においては30μm程度である。一方、デバイスの軽薄短小化は疑うべくもないテクノロジーの流れであり、将来的には支持基板の厚さは100μm以下になると考えられている。この厚さの値は、損傷のサイズ(30μm)と大きくは異ならないものである。従って、特許文献1記載の技術を用いた場合、半導体層への損傷を回避するには、厚さ100μmの基板の中央付近に精密にビーム焦点を合わせなければならないという困難が付きまとうことになる。さもなくば、支持基板の損傷が半導体層自身に達してしまうのである。   However, the size of laser damage is about 30 μm in the technique described in Patent Document 1. On the other hand, miniaturization of devices is an unquestionable technology flow, and it is considered that the thickness of the support substrate will be 100 μm or less in the future. This thickness value is not significantly different from the size of the damage (30 μm). Therefore, when the technique described in Patent Document 1 is used, in order to avoid damage to the semiconductor layer, it is difficult to accurately focus the beam near the center of the 100 μm thick substrate. Otherwise, the damage of the support substrate reaches the semiconductor layer itself.

さらに、上記のように、極めて薄い支持基板(厚さ100μm程度)の内部に焦点を結ぶように集光すれば、焦点位置において損傷を生起したレーザ光の一部はそのまま支持基板内部を進行するが、焦点位置と半導体層が数10μmと近いために、半導体層においても損傷を与えるに十分な空間エネルギ密度を有する場合が起こりうる。その結果、このようなレーザ光による直接のデバイス層の損傷も容易に想像できる。   Furthermore, as described above, if the light is condensed so as to focus on the inside of a very thin support substrate (thickness of about 100 μm), a part of the laser beam that causes damage at the focus position proceeds directly inside the support substrate. However, since the focal position and the semiconductor layer are close to several tens of μm, the semiconductor layer may have a sufficient spatial energy density to damage the semiconductor layer. As a result, the direct damage of the device layer due to such laser light can be easily imagined.

このように、特許文献1記載の技術においては、損傷の拡大という大きな問題がある。   As described above, the technique described in Patent Document 1 has a big problem of increased damage.

よって、特許文献1記載の技術に起因する上記問題を回避するためには、レーザビームの集光位置を、深さ方向で半導体層からより遠い位置に置けばよいことになる。支持基板側からレーザを照射する場合、これは集光位置(焦点位置)を支持基板の表面付近に合わせることに対応する。すなわち、加工対象物の表面に損傷を生起し、この損傷を切断予定ラインに沿って配列形成させ、損傷の微細な溝を刻み、その後、機械的応力を印加して切断(ダイシング)を行えばよい。この際、所望の加工予定ラインに沿い、かつ、「切りしろ」をできるだけ少なくする精密なダイシングを達成するためには、損傷(溝)の断面が鋭利な、いわば「V字形」の形状を有することが望ましいことは明らかである。   Therefore, in order to avoid the above-described problem caused by the technique described in Patent Document 1, the laser beam condensing position may be placed at a position farther from the semiconductor layer in the depth direction. In the case of irradiating the laser from the support substrate side, this corresponds to matching the light collection position (focal position) near the surface of the support substrate. That is, if damage is caused on the surface of the workpiece, the damage is arrayed along a planned cutting line, a fine groove of the damage is cut, and then mechanical stress is applied to perform cutting (dicing). Good. At this time, in order to achieve precise dicing along the desired processing line and reducing “cutting margin” as much as possible, the cross-section of the damage (groove) is sharp, so-called “V-shaped”. Clearly this is desirable.

上記のように、特許文献2には、特許文献1に開示されたような、加工対象物の内部集光型ではなく、加工対象物の表面集光型の光学配置によって、サファイアなどの透明誘電体材料に対し、切断起点(損傷を配列させた溝)を材料表面に加工する技術が開示されている。   As described above, Patent Document 2 discloses a transparent dielectric such as sapphire by using an optical arrangement of a surface focusing type of a processing object instead of an internal focusing type of the processing object as disclosed in Patent Document 1. A technique for processing a cutting start point (a groove in which damage is arranged) on a surface of a body material is disclosed.

特許文献2によれば、加工対象物表面において、水平方向幅で30μm以下の損傷の生起が達成されている。ここにいう「水平方向」とは、基板表面に平行でありかつ光軸方向に垂直な方向を指す。また、損傷の深さ方向のサイズは数μmから100μm程度まで、レーザパルスの照射数により変化する。しかし、この水平方向のサイズ(30μm)では、微細なダイシング加工の分解能としては水準を満足するものではない。一般には10μmまたはそれ以下が要求される。また、損傷の深さを深くする、つまり、損傷のアスペクト比を高くするためには、多数のレーザパルス照射を必要とし、高いスループットの加工は困難である。さらに、特許文献2には生起される損傷の形態/構造を明示する顕微鏡写真などは全く提示されておらず、ダイシングに好適な損傷の形態、つまり、V字形の損傷を生起するものではないと、上記の水平/深さ方向の損傷のサイズから判断することができる。   According to Patent Document 2, the occurrence of damage of 30 μm or less in the horizontal width is achieved on the surface of the workpiece. Here, the “horizontal direction” refers to a direction parallel to the substrate surface and perpendicular to the optical axis direction. Further, the size in the depth direction of damage varies from several μm to about 100 μm depending on the number of laser pulses irradiated. However, this horizontal size (30 μm) does not satisfy the standard for fine dicing resolution. Generally, 10 μm or less is required. Further, in order to increase the depth of damage, that is, to increase the aspect ratio of damage, a large number of laser pulse irradiations are required, and high-throughput processing is difficult. Further, Patent Document 2 does not present any micrographs that clearly show the form / structure of the damage that occurs, and does not cause damage that is suitable for dicing, that is, V-shaped damage. This can be judged from the size of the damage in the horizontal / depth direction.

特許文献2においては、集光位置におけるレーザ光のエネルギ密度は、1パルス当たり100J/cmから、著しくは100kJ/cmにまで及ぶ。このような極めて高い光エネルギ強度においては、いかなる材料においても照射部位においてプラズマが生起されるものと考えられる。プラズマが生起されれば、高温プラズマ熱拡散や高い運動エネルギを有する自由電子の衝突過程などにより、損傷のサイズは所望のサイズを大きく上回ってしまう。これが、特許文献2の実施の形態で提示されている30μmもの大きな損傷の主要因と考えられ、勿論、このような大きな損傷は精緻なダイシングには好ましくない。 In Patent Document 2, the energy density of the laser beam at the condensing position ranges from 100 J / cm 2 per pulse to remarkably 100 kJ / cm 2 . At such an extremely high light energy intensity, it is considered that plasma is generated at the irradiation site in any material. When plasma is generated, the size of the damage greatly exceeds the desired size due to high temperature plasma thermal diffusion, collision process of free electrons having high kinetic energy, and the like. This is considered to be the main cause of the large damage of 30 μm presented in the embodiment of Patent Document 2. Of course, such a large damage is not preferable for precise dicing.

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、例えば、代表的な半導体デバイス用基板であるサファイアなどの透明誘電体材料基板の表面に、微細かつ鋭利な形状を有する損傷を生起し、かつ、基板の裏面に位置する半導体などのデバイス層への損傷を容易に回避しながら、当該材料基板に対して、より高い精度で効率良く精密な切断を行うことができるレーザ加工方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such points, for example, causes damage having a fine and sharp shape on the surface of a transparent dielectric material substrate such as sapphire, which is a typical semiconductor device substrate, In addition, there is provided a laser processing method capable of efficiently and precisely cutting a material substrate with higher accuracy while easily avoiding damage to a device layer such as a semiconductor located on the back surface of the substrate. For the purpose.

本発明は、光学系を介して、プラズマを発生させないエネルギ強度のパルスレーザ光を加工対象物の表面上方に集光照射し、前記加工対象物に対して広がったダイバージェンス角で入射する前記パルスレーザ光と前記加工対象物の材料との相互作用により、前記加工対象物の表面にV字形の損傷を形成するようにした。   The present invention contemplates that the pulsed laser beam having an energy intensity that does not generate plasma is focused and irradiated on the surface of the object to be processed through an optical system, and is incident on the object to be processed with a wide divergence angle. Due to the interaction between the light and the material of the workpiece, a V-shaped damage is formed on the surface of the workpiece.

本発明によれば、例えば、代表的な半導体デバイス用基板であるサファイアなどの透明誘電体材料基板の表面に、微細かつ鋭利な形状を有する損傷を生起し、かつ、基板の裏面に位置する半導体などのデバイス層への損傷を容易に回避しながら、当該材料基板に対して、より高い精度で効率良く精密な切断を行うことができるレーザ加工方法を得ることができる。   According to the present invention, for example, a semiconductor having a fine and sharp shape on the surface of a transparent dielectric material substrate such as sapphire, which is a typical semiconductor device substrate, and located on the back surface of the substrate Thus, it is possible to obtain a laser processing method capable of efficiently and precisely cutting the material substrate while avoiding damage to the device layer.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

本発明者は、加工の精度を向上させるためには、損傷のサイズと形状、さらには形状におけるアスペクト比(損傷の水平方向と垂直方向のそれぞれのサイズの比)を制御する必要があることを見出した。また、精密な切断の起点となる損傷の溝を形成するため、さらにはこれを1回または高々2回の照射走査で達成するためにも、損傷のサイズと形状、さらには形状におけるアスペクト比を制御する必要があることを見出した。これらの制御のためには、プラズマの発生を回避することが必須であり、損傷の生起には多光子吸収をトリガとする機構が最適であり、そのためには、レーザのパルスエネルギを最適化することが必要であることを見出したのである。   In order to improve the processing accuracy, the present inventor needs to control the size and shape of the damage, and also the aspect ratio of the shape (ratio of the size of the damage in the horizontal and vertical directions). I found it. Also, in order to form a damaged groove that is the starting point of precise cutting, and also to achieve this by one or at most two irradiation scans, the size and shape of the damage, and also the aspect ratio in the shape, are set. I found it necessary to control. For these controls, it is essential to avoid the generation of plasma, and the mechanism that triggers multiphoton absorption is optimal for the occurrence of damage, and for this purpose, the pulse energy of the laser is optimized. I found that it was necessary.

さらに、本発明者は、損傷のサイズと形状、さらには形状におけるアスペクト比を制御するためには、レーザ光の焦点位置の制御が極めて重要であることを見出した。すなわち、上記した従来技術のように、材料の内部や表面ではなく、当該材料の表面よりもある範囲の距離(d)で上方外部に集光し、ビームダイバージェンスが広がった角度で当該材料に入射すれば、サイズが小さく、高アスペクト比を有する鋭利なV字形の形状を有する損傷が形成されることを初めて見出した。本発明者は、損傷のサイズと形状のd依存性を詳細に調べ、ビームの光線角度と損傷生起プロセスを考察した。これら全く新しい損傷生起過程に基づき、本発明者は以下詳述する本発明を着想するに至った。   Furthermore, the present inventor has found that control of the focal position of the laser beam is extremely important in order to control the size and shape of the damage and the aspect ratio in the shape. That is, as in the prior art described above, the light is condensed not on the inside or on the surface of the material but on the upper outside at a distance (d) within a certain range from the surface of the material, and is incident on the material at an angle where the beam divergence spreads. It was found for the first time that a damage having a sharp V-shape with a small size and a high aspect ratio was formed. The inventor examined the d-dependence of the size and shape of the damage in detail, and considered the beam angle of the beam and the damage occurrence process. Based on these completely new damage generation processes, the present inventor has conceived the present invention described in detail below.

本発明は、プラズマを生起させないエネルギ強度のパルスレーザ光を加工対象物質表面よりも上方に焦点を結ばせるよう照射し、当該物質表面に鋭利かつ微細な損傷を生起させるものである。   In the present invention, pulsed laser light having energy intensity that does not generate plasma is irradiated so as to be focused above the surface of the material to be processed, thereby causing sharp and fine damage to the surface of the material.

まず、本発明の原理を説明する。   First, the principle of the present invention will be described.

固体における本質的なレーザ損傷機構としては、1)電子なだれ、2)多光子吸収、の2つの機構が考えられる。ここにいう「電子なだれ」とは、「電気絶縁破壊」とほぼ同義である。この絶縁破壊による加工対象物内部の改質・破壊は、領域制御に困難を伴う。すなわち、絶縁破壊によって生ずる内部クラックは径が大きく、その周辺領域に不規則な凹凸が発生するため、精密微細な加工・改質には不適であると考えられる。   There are two possible laser damage mechanisms in solids: 1) avalanche and 2) multiphoton absorption. “Electronic avalanche” here is almost synonymous with “electrical breakdown”. The modification / destruction inside the workpiece due to the dielectric breakdown is accompanied by difficulty in controlling the region. In other words, internal cracks caused by dielectric breakdown are large in diameter, and irregular irregularities are generated in the peripheral region thereof, so that it is considered unsuitable for precise and fine processing / modification.

使用するレーザの波長が1060nmよりも長波長の場合、上記1)の「電子なだれ」による破壊理論が適用されると解される。一方、レーザの周波数が高くなり(つまり、波長が短くなり)、または、材料の禁止帯幅(バンドギャップ)Egが狭くなり、光子エネルギhνとバンドギャップEgとの関係がhν>Eg/3となると(つまり、3光子のエネルギがバンドギャップを越えると)、破壊機構は「電子なだれ」よりもむしろ「多光子吸収」による機構となると考えられる。逆に言えば、純粋な多光子過程での破壊は3光子過程以上ではほとんど重要ではなく、4光子吸収や5光子吸収は、実際はほとんど無視できるといえる。   When the wavelength of the laser used is longer than 1060 nm, it is understood that the destruction theory by “electron avalanche” of 1) above is applied. On the other hand, the laser frequency increases (that is, the wavelength decreases), or the band gap Eg of the material decreases, and the relationship between the photon energy hν and the band gap Eg is hν> Eg / 3. Then (that is, when the energy of three photons exceeds the band gap), the destruction mechanism is considered to be a mechanism based on “multiphoton absorption” rather than “electron avalanche”. In other words, destruction in a pure multiphoton process is hardly important beyond the three-photon process, and it can be said that the four-photon absorption and the five-photon absorption are practically negligible.

例えば、光子エネルギhν=1.165eVである波長1064nmレーザ光を用い、加工対象物質を、シリコン(バンドギャップEg≒1.12eV)やパイレックス(登録商標)ガラス(Eg≒4eV以上)とした場合には、多光子吸収は生じない。理由は、シリコンにおいては、1光子エネルギが既にバンドギャップとほぼ等しくなっているため、多光子吸収ではなく、単純な1光子吸収により損傷が誘起されていると考えられ、また、パイレックス(登録商標)ガラスにおいては、そもそも上記の関係hν>Eg/3が成り立たないためである。光子エネルギhν=1.165eVである波長1064nmレーザ光を加工対象物のサファイア(Eg≒8eV)に照射した場合も、もちろんhν>Eg/3の関係は成り立たない。この場合、7hν≒Egであり、多光子吸収を誘起するには7光子吸収を要することとなるが、そのような多光子吸収は実際上はほとんど無視できる。すなわち、これらにおけるレーザ損傷の機構は、いずれの場合も「多光子吸収」ではなく「電子なだれ」破壊機構によるものと考えられるのである。   For example, when a laser beam having a wavelength of 1064 nm with photon energy hν = 1.165 eV is used and the material to be processed is silicon (band gap Eg≈1.12 eV) or Pyrex (registered trademark) glass (Eg≈4 eV or more). Does not cause multiphoton absorption. The reason is that, in silicon, since the one-photon energy is already almost equal to the band gap, it is considered that damage is induced by simple one-photon absorption rather than multiphoton absorption, and Pyrex (registered trademark) This is because, in glass, the above relationship hν> Eg / 3 does not hold in the first place. Even when sapphire (Eg≈8 eV) having a photon energy of hν = 1.165 eV is irradiated to the processing target sapphire (Eg≈8 eV), the relationship of hν> Eg / 3 does not hold. In this case, 7hν≈Eg, and 7-photon absorption is required to induce multi-photon absorption, but such multi-photon absorption is practically negligible. In other words, the laser damage mechanism in these cases is considered to be due to the “electron avalanche” destruction mechanism rather than “multi-photon absorption”.

本実施の形態では、光子エネルギhν=3.5eVである波長355nmレーザ光を用い、これを加工対象物のサファイアに照射する。サファイアのバンドギャップEgは約8eVである。この場合、hν>Eg/3の関係が成り立つ。波長355nmレーザ光をバンドギャップEgが約4eV以上であるパイレックス(登録商標)ガラスに照射する場合もhν>Eg/3の関係は同様である。   In the present embodiment, laser light having a wavelength of 355 nm with photon energy hν = 3.5 eV is used, and this is irradiated onto sapphire that is a workpiece. The band gap Eg of sapphire is about 8 eV. In this case, a relationship of hν> Eg / 3 is established. The relationship of hν> Eg / 3 is the same when the Pyrex (registered trademark) glass having a band gap Eg of about 4 eV or more is irradiated with laser light having a wavelength of 355 nm.

後述する実施例に示すように、波長355nmのレーザ光をサファイアに照射すると、波長1064nmのレーザ光を用いた場合と比べて、1/10以下の小さなクラックが形成された。これは、クラックの発生が、「多光子吸収」によって誘起されるレーザ損傷によるものであるからである。   As shown in Examples described later, when sapphire was irradiated with laser light having a wavelength of 355 nm, a small crack of 1/10 or less was formed compared to the case where laser light having a wavelength of 1064 nm was used. This is because the occurrence of cracks is due to laser damage induced by “multiphoton absorption”.

本実施の形態において使用されるレーザ光はガウシアンビームの特性を有している。ここで、このガウシアンビームについて説明しておく。通常、レーザ光の、光軸に対して垂直な方向における強度分布はガウス型の関数に従い、このようなレーザ光をガウシアンビームという。ガウシアンビームでは、ビームの中央部で光の強度が最も高く、周辺に向かうにつれて光の強度が低くなる。ガウシアンビームがガラスやサファイアのような透明材料中を進行する場合、光の強度が低ければ、レーザ光は直進するのみであり、これをレンズで集光しても通常の幾何光学に従う角度で集光・発散される。   The laser beam used in this embodiment has a Gaussian beam characteristic. Here, the Gaussian beam will be described. Usually, the intensity distribution of laser light in the direction perpendicular to the optical axis follows a Gaussian function, and such laser light is called a Gaussian beam. In the Gaussian beam, the light intensity is highest at the center of the beam, and the light intensity decreases toward the periphery. When a Gaussian beam travels through a transparent material such as glass or sapphire, if the light intensity is low, the laser beam only travels straight, and even if it is collected by a lens, it is collected at an angle according to normal geometric optics. Light is emitted.

図1(A)は、ガウシアンビームの特性を有するパルスレーザ光Lを、対物レンズ3で一旦焦点Pを結ばせてから加工対象物1の表面に照射した状態を示している。このとき、パルスレーザ光Lの集光位置(焦点位置)Pと加工対象物1の表面との距離を「d」と定義する。dの最適値は、前提条件に依存する。実験によれば、V字形の損傷生起に好適なdの値は、1〜100μmの範囲にあり、例えば、サファイアを加工対象物質にした場合は、4〜20μmの範囲であることが好ましい。従って、本実施の形態において、dは20μm以下である。パルスレーザ光Lは、加工対象物1に到達する前に既に焦点を結んでいるため、加工対象物1に到達する時には、ビームは広がったダイバージェンスを有するビームLdとなり、光強度を最適化すれば、加工対象物1の表面に、鋭利かつ微細な「V字形」の損傷5が形成される。加工対象物1は、例えば、サファイア基板(一例として、サファイア層1aとGaN層1bからなる二層構造体)である。   FIG. 1A shows a state in which a pulse laser beam L having the characteristics of a Gaussian beam is irradiated on the surface of the workpiece 1 after the focal point P is once focused by the objective lens 3. At this time, the distance between the condensing position (focal position) P of the pulse laser beam L and the surface of the workpiece 1 is defined as “d”. The optimum value of d depends on the precondition. According to experiments, the value of d suitable for occurrence of V-shaped damage is in the range of 1 to 100 μm. For example, when sapphire is used as the material to be processed, it is preferably in the range of 4 to 20 μm. Therefore, in the present embodiment, d is 20 μm or less. Since the pulse laser beam L is already focused before reaching the workpiece 1, when the pulse laser beam L reaches the workpiece 1, the beam becomes a beam Ld having a spread divergence, and the light intensity is optimized. A sharp and fine “V-shaped” damage 5 is formed on the surface of the workpiece 1. The workpiece 1 is, for example, a sapphire substrate (for example, a two-layer structure including a sapphire layer 1a and a GaN layer 1b).

図1(B)は、図1(A)の要部詳細図であり、鋭利かつ微細なV字形の損傷が生起される様子をより詳細に説明した図である。   FIG. 1B is a detailed view of the main part of FIG. 1A, and is a diagram illustrating in more detail how sharp and fine V-shaped damage occurs.

ガウシアンビームであるパルスレーザ光Lが対物レンズ3で集光されると、焦点位置P付近のビーム形状はビームウェストと呼ばれる近似的な平行光Lwに絞られ、その後、一定の広がったダイバージェンスを有するビームLdとなり、加工対象物1に照射される。ここでも、レーザビームLdはガウシアンビームとしての特性を失っておらず、ビームの中心線Cに近づくにつれてそのエネルギ密度は高い。レーザビームLdは広がり角度を有するため、加工対象物1に侵入した後は、侵入深さが深くなればなるほど、ビーム径は発散し、その空間エネルギ密度が減少することになる。従って、加工対象物1の表面7においては、レーザビームLdの空間エネルギ密度が大きいため、ビームスポット近傍の大部分は損傷を被ることになる。しかし、レーザビームLdが侵入するに従って、その空間エネルギ密度が減少するため、損傷は光エネルギ強度の強いビーム中心線Cの近傍付近でのみ生起されることになる。さらにレーザビームLdが加工対象物1のより奥方内部に侵入すれば、レーザビームLdの空間エネルギ密度はさらに弱くなり、損傷は、レーザビームLdの空間エネルギ密度が損傷のエネルギ密度のしきい値を上回るビーム中心点9でのみ起こることになる。すなわち、レーザビームLdが加工対象物1の内部に侵入していくにつれて、損傷の水平方向のサイズは徐々に減少していく。かかる作用によって、加工対象物1の表面7に微細かつ鋭利な「V字形」の損傷5が形成されるのである。   When the pulsed laser light L, which is a Gaussian beam, is condensed by the objective lens 3, the beam shape in the vicinity of the focal position P is reduced to an approximate parallel light Lw called a beam waist, and then has a certain spread divergence. The beam Ld is applied to the workpiece 1. Again, the laser beam Ld does not lose its characteristics as a Gaussian beam, and its energy density increases as it approaches the center line C of the beam. Since the laser beam Ld has a spread angle, the beam diameter diverges and the spatial energy density decreases as the penetration depth increases after entering the workpiece 1. Therefore, on the surface 7 of the workpiece 1, since the spatial energy density of the laser beam Ld is large, most of the vicinity of the beam spot is damaged. However, since the spatial energy density decreases as the laser beam Ld enters, the damage occurs only in the vicinity of the beam center line C having a high light energy intensity. Further, if the laser beam Ld penetrates deeper into the workpiece 1, the spatial energy density of the laser beam Ld becomes even weaker, and damage is caused by the spatial energy density of the laser beam Ld becoming the threshold value of the energy density of damage. It will only occur at the higher beam center point 9. That is, as the laser beam Ld penetrates into the workpiece 1, the horizontal size of the damage gradually decreases. By this action, a fine and sharp “V-shaped” damage 5 is formed on the surface 7 of the workpiece 1.

このようなV字形の損傷5は、所定の切断予定ラインに沿った多数回のビーム照射の走査により形成されるのではなく、一つの切断予定ラインに対して1回のビーム走査または高々2回のビーム走査によって充分に生起されることも本発明の特徴である。すなわち、2回目の照射によってV字形の損傷をさらに深く形成することができる。この理由は、上記した1回目のV字形損傷形成と同様のメカニズムが起こるからである。2回目の照射については、1回目の照射によってある程度の深さになっているため、1回目の照射時よりも距離dを小さくして、例えば、僅かに数μm深い位置に損傷が生起されるようにする。   Such a V-shaped damage 5 is not formed by scanning a plurality of times of beam irradiation along a predetermined scheduled cutting line, but is performed once for one scheduled scanning line or at most twice. It is also a feature of the present invention that it is sufficiently caused by the beam scanning. That is, the V-shaped damage can be formed deeper by the second irradiation. This is because a mechanism similar to the first V-shaped damage formation described above occurs. Since the second irradiation has a certain depth due to the first irradiation, the distance d is made smaller than that at the first irradiation, for example, damage is caused at a position slightly deeper by several μm. Like that.

上記の損傷形成過程において、懸念されるのは、パルスレーザ光の空間エネルギ密度が最も高い、ビームウェスト内の焦点位置における大気中のプラズマ発生(エアブレイクダウン)である。加工対象物1の真上で発生するプラズマは、加工対象物1の表面7にも損傷を与える可能性がある。この場合、プラズマの高い熱エネルギと高運動エネルギを有する自由電子の攻撃により、損傷のサイズは大きなり、さらにその形状も大きく乱れたものとなるであろう。従って、精緻で形状の制御された損傷を形成するためには、このようなプラズマの発生は是が非でも回避しなければならない。   In the above damage formation process, the concern is the generation of air plasma (air breakdown) at the focal point in the beam waist where the spatial energy density of the pulse laser beam is the highest. The plasma generated directly above the workpiece 1 may damage the surface 7 of the workpiece 1. In this case, the attack of free electrons having high thermal energy and high kinetic energy of the plasma will increase the size of the damage and greatly disturb its shape. Therefore, in order to form precise and shape-controlled damage, such plasma generation must be avoided even if it is not.

プラズマ発生の回避のためには、照射光学系装置/対物レンズを通過した段階でのパルスエネルギEを十分に低減させなければならない。具体的には、レーザが波長355nmのナノ秒パルス発振YAGレーザであり、加工対象物がサファイアである場合には、Eは10μJ以下(対物レンズ通過後で測定)であることが好ましい。さらに、焦点位置Pにおけるパルスレーザ光の空間エネルギ密度を低減するため、ビームウェスト部分Lwの空間体積を大きくする必要があり、そのためには集光用の対物レンズ3の開口数(NA:Numerical Aperture)を小さくする必要があり、具体的なNA値は0.4以下であることが好ましい。すなわち、ビームウェストの深さ方向の長さ(L)は、対物レンズの開口数(NA)に依存しており、NA値が大きくなればL値が小さくなる。例えば、NA=0.25のとき、L=4μmとなり、NA=0.4のとき、L=2.8μmとなる。本実施の形態では、使用できる対物レンズのNA値の範囲は、0.1〜0.8であり、より好ましいV字加工のためには、NA=0.25〜0.4であることが好ましい。   In order to avoid plasma generation, the pulse energy E at the stage of passing through the irradiation optical system / objective lens must be sufficiently reduced. Specifically, when the laser is a nanosecond pulse oscillation YAG laser with a wavelength of 355 nm and the object to be processed is sapphire, E is preferably 10 μJ or less (measured after passing through the objective lens). Furthermore, in order to reduce the spatial energy density of the pulsed laser beam at the focal position P, it is necessary to increase the spatial volume of the beam waist portion Lw. For this purpose, the numerical aperture (NA: Numerical Aperture) of the focusing objective lens 3 is required. ) Must be reduced, and the specific NA value is preferably 0.4 or less. That is, the length (L) of the beam waist in the depth direction depends on the numerical aperture (NA) of the objective lens, and the L value decreases as the NA value increases. For example, when NA = 0.25, L = 4 μm, and when NA = 0.4, L = 2.8 μm. In the present embodiment, the range of the NA value of the objective lens that can be used is 0.1 to 0.8, and for more preferable V-shaped processing, NA = 0.25 to 0.4. preferable.

上記損傷の形成は加工様態に応じて制御することができる。すなわち、当該「V字形」損傷において、V字の幅(水平方向のサイズ)とV字の高さ(深さ方向のサイズ)を所望のサイズに制御する。そのためには、パルスレーザ光の波長、焦点位置、およびパルスエネルギ、ならびに対物レンズの開口数およびビーム走査回数(1回または2回)を、損傷が所望の最適形状となるように制御すればよい。   The formation of the damage can be controlled according to the processing mode. That is, in the “V-shaped” damage, the V-shaped width (horizontal size) and the V-shaped height (depth direction size) are controlled to a desired size. For that purpose, the wavelength, focal position, and pulse energy of the pulse laser beam, the numerical aperture of the objective lens, and the number of times of beam scanning (one or two times) may be controlled so that the damage has a desired optimum shape. .

図2は、本発明の一実施の形態に係るレーザ加工方法を実現するレーザ加工装置の構成を示すブロック図である。   FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a laser processing apparatus that realizes a laser processing method according to an embodiment of the present invention.

このレーザ加工装置100は、上記の原理に基づき、特定のレーザ光を利用して加工対象物を切断する装置であって、例えば、レーザ光源101、テレスコープ光学系103、偏光板105、ダイクロイックミラー107、対物レンズ109、保護用窓プレート111、ステージ113、計測用光源115、ビーム整形器117、ハーフミラー119、光検出器121、コントローラ123、照明用光源125、CCDカメラ127、コンピュータ129、およびモニタ131を有する。このレーザ加工装置100による加工対象物1は、例えば、サファイア/GaN層からなる二層構造体である。   The laser processing apparatus 100 is an apparatus that cuts an object to be processed using a specific laser beam based on the above principle. For example, the laser processing apparatus 100 includes a laser light source 101, a telescope optical system 103, a polarizing plate 105, a dichroic mirror. 107, objective lens 109, protective window plate 111, stage 113, measurement light source 115, beam shaper 117, half mirror 119, photodetector 121, controller 123, illumination light source 125, CCD camera 127, computer 129, and A monitor 131 is provided. An object 1 to be processed by the laser processing apparatus 100 is a two-layer structure made of, for example, a sapphire / GaN layer.

レーザ光源101は、加工用のレーザ光を発生する。レーザ光源としては、サファイアに対して効率的に多光子吸収を起こすことができるナノ秒パルス発振のパルスレーザを用いる。例えば、レーザ光源101は、波長355nm、パルス幅10ナノ秒(1〜50ナノ秒で可変)、発振繰り返し周波数50〜300kHzのパルスレーザ光を発生するNd:YAGレーザである。上記のように、サファイアは、355nmのレーザ光に対して透明である(つまり、吸収を持たない)。   The laser light source 101 generates laser light for processing. As the laser light source, a nanosecond pulse oscillation pulse laser capable of efficiently causing multiphoton absorption with respect to sapphire is used. For example, the laser light source 101 is an Nd: YAG laser that generates pulsed laser light having a wavelength of 355 nm, a pulse width of 10 nanoseconds (variable from 1 to 50 nanoseconds), and an oscillation repetition frequency of 50 to 300 kHz. As described above, sapphire is transparent to 355 nm laser light (ie, has no absorption).

なお、レーザ光源101に用いることができるレーザとしては、Nd:YAGレーザ以外に、Nd:YVOレーザ、Nd:YLFレーザ、チタンサファイアレーザなどがある。また、使用する波長としては、サファイアに対して3光子吸収を誘起する355nm以外に、サファイアに対して2光子吸収を誘起する266nmでもよいし、加工対象物によっては、可視光(例えば、532nm)や近赤外光(例えば、1064nm)でもよい。 In addition to the Nd: YAG laser, a laser that can be used for the laser light source 101 includes an Nd: YVO 4 laser, an Nd: YLF laser, a titanium sapphire laser, and the like. Moreover, as a wavelength to be used, in addition to 355 nm that induces three-photon absorption with respect to sapphire, 266 nm that induces two-photon absorption with respect to sapphire may be used. Or near infrared light (for example, 1064 nm).

テレスコープ光学系103は、好ましい加工形状を得るために、レーザ光源101から出力された加工用レーザ光のビーム径を最適化する。   The telescope optical system 103 optimizes the beam diameter of the processing laser light output from the laser light source 101 in order to obtain a preferable processing shape.

偏光板105は、好ましい加工形状を得るために、加工予定ラインに対して平行/垂直な直線偏光や、円偏光に、テレスコープ光学系103を通過したレーザビームを調整する。   In order to obtain a preferable processing shape, the polarizing plate 105 adjusts the laser beam that has passed through the telescope optical system 103 to linearly polarized light that is parallel / perpendicular to the processing line or circularly polarized light.

ダイクロイックミラー107は、偏光板105を通過した加工用レーザ光をほぼ100%反射し、計測用光源115からの計測用レーザ光をほぼ100%透過するミラーである。   The dichroic mirror 107 is a mirror that reflects almost 100% of the processing laser light that has passed through the polarizing plate 105 and transmits almost 100% of the measurement laser light from the measurement light source 115.

対物レンズ109は、顕微鏡用の対物レンズであって、ダイクロイックミラー107で反射された加工用レーザ光を集光する。対物レンズ109の開口数(NA)によって集光特性が異なる。本実施の形態では、上記のように、NA<0.4の対物レンズ109を用いる。なお、集光位置は、加工対象物の手前に位置させる。   The objective lens 109 is an objective lens for a microscope and condenses the processing laser light reflected by the dichroic mirror 107. Condensing characteristics vary depending on the numerical aperture (NA) of the objective lens 109. In the present embodiment, as described above, the objective lens 109 with NA <0.4 is used. In addition, a condensing position is located in front of a workpiece.

保護用窓プレート111は、加工対象物1の表面を加工する場合に、加工によって表面から飛散する微小な破片などから対物レンズ109を保護するために設けられる。   The protective window plate 111 is provided in order to protect the objective lens 109 from minute debris scattered from the surface by processing when the surface of the workpiece 1 is processed.

ステージ113は、図示しない載置台を有し、この載置台の上に、対物レンズ109によって集光されたレーザ光が照射される加工対象物1が載置される。また、ステージ113は、載置台をXYZ軸方向に移動させるとともにXYZ軸の回りに回転させることができる駆動機構(図示せず)を有する。この駆動機構によって、ステージ113は、ステージ113上の加工対象物1に対して加工予定ライン(XY軸方向)および加工予定位置(Z軸方向)に沿って損傷が形成されるよう、XYZ軸方向に駆動(平行移動および回転)される。   The stage 113 has a mounting table (not shown), and the workpiece 1 to be irradiated with the laser beam condensed by the objective lens 109 is mounted on the mounting table. The stage 113 has a drive mechanism (not shown) that can move the mounting table in the XYZ axis directions and rotate around the XYZ axes. With this drive mechanism, the stage 113 causes the workpiece 1 on the stage 113 to be damaged along the planned machining line (XY axis direction) and the planned machining position (Z axis direction). Driven (translated and rotated).

具体的には、Z軸方向は加工対象物1の表面に直交する方向、つまり、加工対象物1に入射するレーザ光に対して平行な方向(加工対象物1の深さ方向)であるため、ステージ113をZ軸方向に移動させることによって加工対象物1に対するレーザ光の集光位置を所定のZ軸方向の位置に合わせることができる。また、加工対象物1に対するレーザ光の照射位置の走査は、ステージ113をXY軸方向(つまり、水平方向)に移動させることによって行う。ステージ113の傾き制御は、ステージ113をXYZ軸の回りに回転させることによって行う。このようなステージ113によって加工対象物1の位置と姿勢が三次元制御される。なお、図3には、加工対象物1の前方表面に加工を施した様子が模式的に示されている。   Specifically, the Z-axis direction is a direction orthogonal to the surface of the workpiece 1, that is, a direction parallel to the laser beam incident on the workpiece 1 (depth direction of the workpiece 1). By moving the stage 113 in the Z-axis direction, the condensing position of the laser beam with respect to the workpiece 1 can be adjusted to a predetermined position in the Z-axis direction. Further, the scanning of the irradiation position of the laser beam on the workpiece 1 is performed by moving the stage 113 in the XY axis direction (that is, the horizontal direction). The tilt control of the stage 113 is performed by rotating the stage 113 around the XYZ axes. By such a stage 113, the position and orientation of the workpiece 1 are three-dimensionally controlled. FIG. 3 schematically shows that the front surface of the workpiece 1 is processed.

計測用光源115は、ステージ113上の加工対象物1の表面の位置を計測するためのレーザ光を発生する。   The measurement light source 115 generates laser light for measuring the position of the surface of the workpiece 1 on the stage 113.

ビーム整形器117は、計測用レーザ光を最適化するために、計測用光源115から出力されたレーザ光のビーム形状を調整する。   The beam shaper 117 adjusts the beam shape of the laser light output from the measurement light source 115 in order to optimize the measurement laser light.

ハーフミラー119は、計測用レーザ光を半透明に反射/透過するミラーである。ビーム整形器117を通過した計測用レーザ光は、ハーフミラー119、ダイクロイックミラー107、および対物レンズ109を透過して加工対象物1の表面に到達し、反射される。この反射光は、再び対物レンズ109およびダイクロイックミラー107を透過し、一部がハーフミラー119で反射されて光検出器121に到達する。   The half mirror 119 is a mirror that reflects / transmits the measurement laser beam translucently. The measurement laser light that has passed through the beam shaper 117 passes through the half mirror 119, the dichroic mirror 107, and the objective lens 109, reaches the surface of the workpiece 1, and is reflected. This reflected light passes through the objective lens 109 and the dichroic mirror 107 again, and a part of the reflected light is reflected by the half mirror 119 and reaches the photodetector 121.

光検出器121は、加工対象物1の表面からの反射光を検出して加工対象物1の表面位置を検出する。検出結果は、コントローラ123に出力される。   The photodetector 121 detects the reflected light from the surface of the workpiece 1 to detect the surface position of the workpiece 1. The detection result is output to the controller 123.

コントローラ123は、フィードバック回路を有し、光検出器121によって得られた加工対象物1の表面位置の情報に基づいて、加工用レーザ光の集光位置が加工予定ラインXY軸方向)および加工予定位置(Z軸方向)に合うように、ステージ113をフィードバック制御する。   The controller 123 has a feedback circuit, and based on the information on the surface position of the workpiece 1 obtained by the photodetector 121, the condensing position of the processing laser beam is in the planned processing line XY axis direction) and the planned processing. The stage 113 is feedback controlled so as to match the position (Z-axis direction).

照明用光源125は、ステージ113の下方に配置され、ステージ113上の加工対象物1の加工部位を観察するための照明光を発生する。   The illumination light source 125 is disposed below the stage 113 and generates illumination light for observing the processing portion of the processing target 1 on the stage 113.

CCDカメラ127は、照明用光源125から放射され加工対象物1を透過した照明光を取り込んで、加工対象物1の加工部位を撮像し、撮像データをコンピュータ129に出力する。   The CCD camera 127 takes in the illumination light emitted from the illumination light source 125 and transmitted through the processing object 1, images the processing site of the processing object 1, and outputs the imaging data to the computer 129.

コンピュータ129は、レーザ光源101、計測用光源115、コントローラ123、およびCCDカメラ127に接続されており、これら各部を総合的に制御する。例えば、コンピュータ129は、所定のプログラムに従って、コントローラ123によるフィードバック制御を通じてステージ113を駆動させることにより、レーザ光の集光位置を任意の加工予定ラインおよび加工予定位置に沿って走査させる。   The computer 129 is connected to the laser light source 101, the measurement light source 115, the controller 123, and the CCD camera 127, and comprehensively controls these units. For example, the computer 129 drives the stage 113 through feedback control by the controller 123 in accordance with a predetermined program, thereby scanning the condensing position of the laser light along any scheduled processing line and planned processing position.

モニタ131は、CCDカメラ127が撮像した映像を表示する。すなわち、加工対象物1の加工部位(表面に形成されたV字形損傷)は、CCDカメラ127およびモニタ131によって観察される。   The monitor 131 displays an image captured by the CCD camera 127. That is, the processing part of the processing object 1 (V-shaped damage formed on the surface) is observed by the CCD camera 127 and the monitor 131.

なお、加工対象物1としては、サファイアのほか、シリカガラス(Eg≒9eV)やパイレックス(登録商標)ガラスなどのガラス類、ダイヤモンド(Eg≒5.5eV)などでもよい。   In addition to the sapphire, the processing object 1 may be glass such as silica glass (Eg≈9 eV) or Pyrex (registered trademark), diamond (Eg≈5.5 eV), or the like.

次いで、上記構成を有するレーザ加工装置100を用いた加工工程について、図3に示すフローチャートを用いて説明する。なお、適宜、図4に示す説明図も参照する。ここでは、加工対象物1は、サファイア層1aとGaN層1bからなる二層構造体である。   Next, a processing process using the laser processing apparatus 100 having the above configuration will be described with reference to a flowchart shown in FIG. Note that the explanatory diagram shown in FIG. 4 is also referred to as appropriate. Here, the workpiece 1 is a two-layer structure including a sapphire layer 1a and a GaN layer 1b.

まず、ステップS1000では、加工対象物1に対するレーザ光源101の最適なレーザ強度を決定する。上記のように、355nmレーザ光は多光子吸収を効率良く誘起することができる。上記のように、サファイアに対しては1パルス当たり10μJ以下のエネルギ(対物レンズ通過後で測定)を有するレーザ光を用いることにより、プラズマを生起することなく、加工対象物1の切断に好適な損傷を生起することができる。このような光学配置とパルスエネルギの低いレーザ光を用いることにより、半導体層(GaN層1b)に与える光学的損傷を大幅に回避することができる。   First, in step S1000, the optimum laser intensity of the laser light source 101 for the workpiece 1 is determined. As described above, 355 nm laser light can efficiently induce multiphoton absorption. As described above, sapphire is suitable for cutting the workpiece 1 without generating plasma by using laser light having an energy of 10 μJ or less per pulse (measured after passing through the objective lens). Damage can occur. By using such an optical arrangement and laser light with low pulse energy, optical damage to the semiconductor layer (GaN layer 1b) can be largely avoided.

そして、ステップS1100では、加工用レーザ光の集光位置を決定する。鋭利なV字形の損傷を形成するために、加工対象物1の上方にレーザ光の焦点を結ばせる(図4(A)参照)。焦点位置と基板表面間の距離dは、20μm以下が好ましく、より好ましくは10μm以下である。   In step S1100, the condensing position of the processing laser beam is determined. In order to form sharp V-shaped damage, the laser beam is focused on the workpiece 1 (see FIG. 4A). The distance d between the focal position and the substrate surface is preferably 20 μm or less, more preferably 10 μm or less.

そして、ステップS1200では、コンピュータ129に対して切断予定ラインのプログラミングを行う。   In step S1200, the computer 129 is programmed for the line to be cut.

そして、ステップS1300では、加工対象物1をステージ113の載置台に載置して位置決めを行う。このとき、計測用光源115および照明用光源125をオンする。   In step S1300, the workpiece 1 is placed on the stage 113 and placed. At this time, the measurement light source 115 and the illumination light source 125 are turned on.

そして、ステップS1400では、レーザ光源101をオンして355nmレーザ光を加工対象物1の切断予定ラインに照射する(図4(A)参照)。そして、切断予定ラインに沿うようにステージ113をXY軸方向(水平方向)に走査して、損傷11を切断予定ラインに沿うように加工対象物1の表面に形成する(図4(B)参照)。   In step S1400, the laser light source 101 is turned on, and the cutting target line of the workpiece 1 is irradiated with 355 nm laser light (see FIG. 4A). Then, the stage 113 is scanned in the XY axis direction (horizontal direction) along the planned cutting line, and the damage 11 is formed on the surface of the workpiece 1 along the planned cutting line (see FIG. 4B). ).

そして、ステップS1500では、切断を確実なものとするため、ステップS1400と同じ切断予定ラインに沿って2回目のレーザ照射を行う。このとき、集光位置はステップS1400の場合よりも僅かに変更される。これにより、V字形損傷のアスペクト比を向上させることができる。実験によれば、このような工程により、幅10μm、深さ50μmのサイズを有する、高アスペクト比で鋭利なV字形の断面を有する微細な損傷11を表面に刻むことができた。   In step S1500, in order to ensure the cutting, the second laser irradiation is performed along the same scheduled cutting line as in step S1400. At this time, the light collection position is slightly changed as compared with the case of step S1400. As a result, the aspect ratio of the V-shaped damage can be improved. According to the experiment, by such a process, a fine damage 11 having a width of 10 μm and a depth of 50 μm and having a high aspect ratio and a sharp V-shaped cross section can be carved on the surface.

なお、ステップS1500の操作はオプションであって、常に行う必要はない。ただし、加工対象物1の厚さによっては、この処理を追加することにより、確実に切断を行うことが可能になる。   Note that the operation in step S1500 is optional and need not always be performed. However, depending on the thickness of the workpiece 1, it is possible to reliably cut by adding this process.

すなわち、ステップS1400およびステップS1500を通じて、加工対象物1の前方表面に鋭利なV字形の断面を有する微細な損傷11が形成される(図4(A)参照)。このようなレーザ光照射プロセスを切断予定ラインに沿って加工対象物1を水平方向に走査しながら行うことにより、切断予定ラインに沿った損傷11が形成される(図4(B)、図4(C)参照)。   That is, through step S1400 and step S1500, fine damage 11 having a sharp V-shaped cross section is formed on the front surface of the workpiece 1 (see FIG. 4A). By performing such a laser beam irradiation process while scanning the workpiece 1 along the planned cutting line in the horizontal direction, damage 11 along the planned cutting line is formed (FIGS. 4B and 4). (See (C)).

そして、ステップS1600では、ステップS1400およびステップS1500を通じて加工対象物1の表面に切断予定ラインに沿って配列形成された損傷を利用して、切断を行う。すなわち、加工対象物1に機械的応力を印加すれば、所望の精密切断が達成される。これにより、加工対象物1(ここでは、サファイア基板/GaN層からなるデバイスの板)は微小なチップに切断(分割)される。   In step S1600, cutting is performed using the damage formed on the surface of the workpiece 1 along the planned cutting line through steps S1400 and S1500. That is, if a mechanical stress is applied to the workpiece 1, desired precision cutting is achieved. As a result, the workpiece 1 (here, a sapphire substrate / device plate made of a GaN layer) is cut (divided) into minute chips.

このように、本実施の形態によれば、確実かつ効率的に多光子吸収を誘起可能なレーザ光を利用し、焦点位置を加工対象物の外部(上方)に設定するため、サファイアなどの硬質結晶体に対しても、鋭利なV字形の断面を有する微細な損傷を1回または高々2回の照射走査により達成できるのである。   As described above, according to the present embodiment, the laser beam capable of inducing multiphoton absorption reliably and efficiently is used, and the focal position is set outside (above) the workpiece. Even for crystals, fine damage with a sharp V-shaped cross section can be achieved by one or at most two irradiation scans.

例えば、本実施の形態によれば、サファイアに対し、10μm以下の精度で精密な切断を行うことができる。このとき、形成されるV字形クラックの幅は10μm程度であり、切りしろも5μm以下に低減することができ、歩留まりも大きく向上することができる。   For example, according to the present embodiment, precise cutting can be performed on sapphire with an accuracy of 10 μm or less. At this time, the width of the formed V-shaped crack is about 10 μm, the cutting margin can be reduced to 5 μm or less, and the yield can be greatly improved.

本発明者は、本発明の効果(特許文献1および特許文献2に記載の発明に対する優位性)を実証するために実験を行った。なお、本発明は、次の実施例に限定して解釈されるものではない。   The inventor conducted an experiment to demonstrate the effect of the present invention (the advantage over the inventions described in Patent Document 1 and Patent Document 2). In addition, this invention is limited to a following example and is not interpreted.

本実施例では、本発明のレーザ加工方法を用いて加工対象物の表面にV字形の溝を形成して切断を行う実験を行った。条件は、次の通りである。
・加工対象物:サファイア/GaN(サファイア側からレーザ照射)
・レーザ:波長355nmのNd:YAGレーザ、パルス幅10ナノ秒
・レーザ出力:6.3μJ(1パルス当たり、対物レンズ通過後の試料位置において測定)
・レーザパルス発振繰り返し周波数:130kHz
・対物レンズ:開口数(NA)=0.28
・ビーム走査回数:1回
・試料ステージ駆動速度:10mm/s
・照射集光位置:サファイア基板から6μm上方
In this example, an experiment was performed in which a V-shaped groove was formed on the surface of a workpiece to be cut using the laser processing method of the present invention. The conditions are as follows.
・ Processing object: Sapphire / GaN (Laser irradiation from sapphire side)
・ Laser: Nd: YAG laser with a wavelength of 355 nm, pulse width: 10 nanoseconds ・ Laser output: 6.3 μJ (measured at the sample position after passing through the objective lens per pulse)
・ Laser pulse oscillation repetition frequency: 130 kHz
Objective lens: numerical aperture (NA) = 0.28
・ Number of beam scans: 1 time ・ Sample stage drive speed: 10 mm / s
・ Irradiation focusing position: 6μm above the sapphire substrate

図5(A)は、上記条件で形成した損傷の断面を示す顕微鏡写真、図5(B)は、その損傷溝の上面(サファイア側)を示す顕微鏡写真、図5(C)は、加工対象物の裏面(GaN側)を示す顕微鏡写真である。図5(A)からわかるように、本実施例では、鋭利なV字形の断面を有する損傷が観測されており、その幅は10μmであり、深さは33μmであった。また、図5(B)からは、このような断面を有する損傷の溝がサファイア基板に刻まれていることがわかる。また、図5(C)からは、照射側の裏面、つまり、GaNデバイス層には全く損傷がないことがわかる。   5A is a photomicrograph showing a cross section of damage formed under the above conditions, FIG. 5B is a photomicrograph showing the upper surface (sapphire side) of the damaged groove, and FIG. 5C is an object to be processed. It is a microscope picture which shows the back surface (GaN side) of a thing. As can be seen from FIG. 5A, in this example, damage having a sharp V-shaped cross section was observed, the width was 10 μm, and the depth was 33 μm. Further, FIG. 5B shows that a damaged groove having such a cross section is carved in the sapphire substrate. Further, from FIG. 5C, it can be seen that the back surface on the irradiation side, that is, the GaN device layer is not damaged at all.

図6(A)は、上記損傷を起点にし、機械的応力により実際に当該加工対象物を切断した時の切断面を示す顕微鏡写真、図6(B)は、その拡大写真である。   FIG. 6A is a micrograph showing a cut surface when the workpiece is actually cut by mechanical stress starting from the damage, and FIG. 6B is an enlarged photograph thereof.

本実施例によれば、本発明のレーザ加工方法により刻まれた損傷以外の箇所には、クラックの成長や破壊などは全く観測されず、損傷の深さも一定値(33μm)を保っており、本発明に係る技術が高い加工精度と加工形状制御性を有していることがわかる。   According to the present embodiment, no crack growth or destruction is observed at any place other than the damage carved by the laser processing method of the present invention, and the depth of damage is maintained at a constant value (33 μm). It can be seen that the technology according to the present invention has high machining accuracy and machining shape controllability.

本実施例では、次の条件の下で、本発明のレーザ加工方法を用いて加工対象物の表面にV字形の溝を形成して切断を行う実験を行った。
・加工対象物:サファイア/GaN(サファイア側からレーザ照射)
・レーザ:波長355nmのNd:YAGレーザ、パルス幅10ナノ秒
・レーザ出力:4μJ(1パルス当たり、対物レンズ通過後の試料位置において測定)
・レーザパルス発振繰り返し周波数:130kHz
・対物レンズ:開口数(NA)=0.28
・ビーム走査回数:2回
・試料ステージ駆動速度:9mm/s
・照射集光位置:サファイア基板から20μm上方の焦点で1回目の走査、次に8μm上方の焦点で2回目の走査
In this example, an experiment was performed in which a V-shaped groove was formed on the surface of a workpiece to be cut using the laser processing method of the present invention under the following conditions.
・ Processing object: Sapphire / GaN (Laser irradiation from sapphire side)
・ Laser: Nd: YAG laser with a wavelength of 355 nm, pulse width: 10 nanoseconds ・ Laser output: 4 μJ (measured at the sample position after passing through the objective lens per pulse)
・ Laser pulse oscillation repetition frequency: 130 kHz
Objective lens: numerical aperture (NA) = 0.28
・ Number of beam scans: 2 times ・ Sample stage drive speed: 9 mm / s
・ Irradiation condensing position: First scan at a focal point 20 μm above the sapphire substrate, then second scan at a focal point 8 μm above

図7(A)は、上記条件で形成した損傷の断面を示す顕微鏡写真、図7(B)は、その損傷溝の上面(サファイア側)を示す顕微鏡写真、図7(C)は、加工対象物の裏面(GaN側)を示す顕微鏡写真である。図7(A)からわかるように、本実施例でも、鋭利なV字形の断面を有する損傷が観測されており、その幅は13μmであり、深さは33μmであった。実施例2は実施例1よりもパルスエネルギが小さいが、2回の照射走査により、同様の損傷を生起できたことがわかる。また、図7(B)からは、このような断面を有する損傷の溝がサファイア基板に刻まれていることがわかる。また、図7(C)からは、照射側の裏面、つまり、GaNデバイス層には全く損傷がないことがわかる。従って、本実施例からも、本発明に係る技術が高い加工精度と加工形状制御性を有していることがわかる。   7A is a photomicrograph showing a cross section of damage formed under the above conditions, FIG. 7B is a photomicrograph showing the upper surface (sapphire side) of the damaged groove, and FIG. 7C is an object to be processed. It is a microscope picture which shows the back surface (GaN side) of a thing. As can be seen from FIG. 7A, also in this example, damage having a sharp V-shaped cross section was observed, the width was 13 μm, and the depth was 33 μm. Although the pulse energy of Example 2 is smaller than that of Example 1, it can be seen that similar damage could be caused by two irradiation scans. Further, FIG. 7B shows that a damaged groove having such a cross section is carved in the sapphire substrate. Further, from FIG. 7C, it can be seen that the back surface on the irradiation side, that is, the GaN device layer is not damaged at all. Therefore, it can be seen from this example that the technique according to the present invention has high machining accuracy and machining shape controllability.

本実施例では、次の条件の下で、本発明のレーザ加工方法を用いて加工対象物の表面にV字形の溝を形成して切断を行う実験を行った。
・加工対象物:サファイア/GaN(サファイア側からレーザ照射)
・レーザ:波長355nmのNd:YAGレーザ、パルス幅10ナノ秒
・レーザ出力:6.3μJ(1パルス当たり、対物レンズ通過後の試料位置において測定)
・レーザパルス発振繰り返し周波数:130kHz
・対物レンズ:開口数(NA)=0.28
・ビーム走査回数:2回
・試料ステージ駆動速度:10mm/s
・照射集光位置:サファイア基板から10μm上方の焦点で1回目の走査、次に4μm上方の焦点で2回目の走査
In this example, an experiment was performed in which a V-shaped groove was formed on the surface of a workpiece to be cut using the laser processing method of the present invention under the following conditions.
・ Processing object: Sapphire / GaN (Laser irradiation from sapphire side)
・ Laser: Nd: YAG laser with a wavelength of 355 nm, pulse width of 10 nanoseconds ・ Laser output: 6.3 μJ (measured at the sample position after passing through the objective lens per pulse)
・ Laser pulse oscillation repetition frequency: 130 kHz
Objective lens: numerical aperture (NA) = 0.28
・ Number of beam scanning: 2 times ・ Sample stage driving speed: 10 mm / s
・ Irradiation condensing position: First scan at a focal point 10 μm above the sapphire substrate, then second scan at a focal point 4 μm above

図8(A)は、上記条件で形成した損傷の断面を示す顕微鏡写真、図8(B)は、その損傷溝の上面(サファイア側)を示す顕微鏡写真、図8(C)は、加工対象物の裏面(GaN側)を示す顕微鏡写真である。図8(A)からわかるように、本実施例では、鋭利なV字形の断面を有する損傷が観測されており、その幅は10μmであり、深さは50μmであった。このように実施例1と同じパルスエネルギで、ビーム走査回数を2回にすれば、このように極めて鋭利で高いアスペクト比を有するV字形損傷を刻むことができる。また、図8(B)からは、このような断面を有する損傷の溝がサファイア基板に刻まれていることがわかる。また、図8(C)からは、照射側の裏面、つまり、GaNデバイス層には全く損傷がないことがわかる。   8A is a photomicrograph showing a cross section of damage formed under the above conditions, FIG. 8B is a photomicrograph showing the upper surface (sapphire side) of the damaged groove, and FIG. 8C is a processing target. It is a microscope picture which shows the back surface (GaN side) of a thing. As can be seen from FIG. 8A, in this example, damage having a sharp V-shaped cross section was observed, the width was 10 μm, and the depth was 50 μm. As described above, when the number of beam scans is set to two with the same pulse energy as in the first embodiment, it is possible to carve V-shaped damage having a very sharp and high aspect ratio. Further, FIG. 8B shows that a damaged groove having such a cross section is carved in the sapphire substrate. Further, FIG. 8C shows that there is no damage at all on the back side of the irradiation side, that is, the GaN device layer.

図9(A)は、上記損傷を起点にし、機械的応力により実際に当該加工対象物を切断した時の切断面を示す顕微鏡写真、図9(B)は、その拡大写真である。   FIG. 9A is a photomicrograph showing a cut surface when the workpiece is actually cut by mechanical stress starting from the damage, and FIG. 9B is an enlarged photo thereof.

本実施例によれば、本発明のレーザ加工方法により刻まれた損傷以外の箇所には、クラックの成長や破壊などは全く観測されず、損傷の深さも一定値(50μm)を保っており、本発明に係る技術が高い加工精度と加工形状制御性を有していることがわかる。   According to the present embodiment, no crack growth or destruction is observed at any place other than the damage carved by the laser processing method of the present invention, and the damage depth is maintained at a constant value (50 μm). It can be seen that the technology according to the present invention has high machining accuracy and machining shape controllability.

本発明に係るレーザ加工方法は、例えば、代表的な半導体デバイス用基板であるサファイアなどの透明誘電体材料基板の表面に、微細かつ鋭利な形状を有する損傷を生起し、かつ、基板の裏面に位置する半導体などのデバイス層への損傷を容易に回避しながら、当該材料基板に対して、より高い精度で効率良く精密な切断を行うことができるレーザ加工方法として有用である。   The laser processing method according to the present invention causes, for example, damage having a fine and sharp shape on the surface of a transparent dielectric material substrate such as sapphire which is a typical semiconductor device substrate, and on the back surface of the substrate. This is useful as a laser processing method capable of efficiently and precisely cutting a material substrate while avoiding damage to a device layer such as a semiconductor that is positioned easily.

(A)パルスレーザ光を加工対象物の表面上方に集光させて照射した状態を示す図、(B)その要部の詳細を示す図(A) The figure which shows the state which condensed and irradiated the pulse laser beam above the surface of the workpiece, (B) The figure which shows the detail of the principal part 本発明の一実施の形態に係るレーザ加工方法を実現するレーザ加工装置の構成を示すブロック図The block diagram which shows the structure of the laser processing apparatus which implement | achieves the laser processing method concerning one embodiment of this invention 本発明の一実施の形態における加工工程を示すフローチャートThe flowchart which shows the process in one embodiment of this invention 本発明の一実施の形態における加工工程を示す工程別概略図Schematic by process showing processing steps in one embodiment of the present invention (A)本発明の実施例1における損傷の断面を示す顕微鏡写真、(B)その損傷溝の上面(サファイア側)を示す顕微鏡写真、(C)加工対象物の裏面(GaN側)を示す顕微鏡写真(A) Micrograph showing the cross section of damage in Example 1 of the present invention, (B) Micrograph showing the upper surface (sapphire side) of the damaged groove, (C) Microscope showing the back surface (GaN side) of the workpiece. Photo (A)本発明の実施例1における切断面を示す顕微鏡写真、(B)その拡大写真(A) Micrograph showing the cut surface in Example 1 of the present invention, (B) Enlarged photo (A)本発明の実施例2における損傷の断面を示す顕微鏡写真、(B)その損傷溝の上面(サファイア側)を示す顕微鏡写真、(C)加工対象物の裏面(GaN側)を示す顕微鏡写真(A) Micrograph showing the cross section of damage in Example 2 of the present invention, (B) Micrograph showing the upper surface (sapphire side) of the damaged groove, (C) Microscope showing the back surface (GaN side) of the workpiece. Photo (A)本発明の実施例3における損傷の断面を示す顕微鏡写真、(B)その損傷溝の上面(サファイア側)を示す顕微鏡写真、(C)加工対象物の裏面(GaN側)を示す顕微鏡写真(A) Micrograph showing a cross section of damage in Example 3 of the present invention, (B) Micrograph showing the upper surface (sapphire side) of the damaged groove, (C) Microscope showing the back surface (GaN side) of the workpiece. Photo (A)本発明の実施例3における切断面を示す顕微鏡写真、(B)その拡大写真(A) Micrograph showing the cut surface in Example 3 of the present invention, (B) Enlarged photo

符号の説明Explanation of symbols

1 加工対象物
3、109 対物レンズ
5、11 損傷
7 加工対象物表面
100 レーザ加工装置
101 レーザ光源
103 テレスコープ光学系
105 偏光板
107 ダイクロイックミラー
109 対物レンズ
111 保護用窓プレート
113 ステージ
115 計測用光源
117 ビーム整形器
119 ハーフミラー
121 光検出器
123 コントローラ
125 照明用光源
127 CCDカメラ
129 コンピュータ
131 モニタ
L パルスレーザ光
P 集光位置(焦点位置)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Processing object 3,109 Objective lens 5,11 Damage 7 Processing object surface 100 Laser processing apparatus 101 Laser light source 103 Telescope optical system 105 Polarizing plate 107 Dichroic mirror 109 Objective lens 111 Protection window plate 113 Stage 115 Measurement light source 117 Beam shaper 119 Half mirror 121 Photo detector 123 Controller 125 Illumination light source 127 CCD camera 129 Computer 131 Monitor L Pulse laser beam P Condensing position (focal position)

Claims (5)

光学系を介して、プラズマを発生させないエネルギ強度のパルスレーザ光を加工対象物の表面上方に集光照射し、前記加工対象物に対して広がったダイバージェンス角で入射する前記パルスレーザ光と前記加工対象物の材料との相互作用により、前記加工対象物の表面にV字形の損傷を形成することを特徴とするレーザ加工方法。   Through the optical system, the pulse laser beam with energy intensity that does not generate plasma is condensed and irradiated above the surface of the object to be processed, and the pulse laser light that is incident on the object to be processed with a wide divergence angle and the process A laser processing method characterized by forming a V-shaped damage on the surface of an object to be processed by interaction with the material of the object. 前記パルスレーザ光の照射走査は、1回または2回行うことを特徴とする請求項1記載のレーザ加工方法。   The laser processing method according to claim 1, wherein the irradiation scan of the pulse laser beam is performed once or twice. 前記パルスレーザ光の照射走査を2回行う場合、2回目の照射走査における前記パルスレーザ光の集光位置は、1回目の照射走査における前記パルスレーザ光の集光位置よりも前記加工対象物の表面に近づくように変更されることを特徴とする請求項2記載のレーザ加工方法。   When the irradiation scan of the pulse laser beam is performed twice, the focused position of the pulse laser beam in the second irradiation scan is closer to the processing object than the focused position of the pulse laser beam in the first irradiation scan. The laser processing method according to claim 2, wherein the laser processing method is changed so as to approach the surface. 前記加工対象物の材料がサファイアの場合、前記加工対象物の表面と前記パルスレーザ光の集光位置との距離dは、4μm≦d≦20μmの範囲内にあることを特徴とする請求項1記載のレーザ加工方法。   When the material of the workpiece is sapphire, the distance d between the surface of the workpiece and the focused position of the pulse laser beam is in the range of 4 μm ≦ d ≦ 20 μm. The laser processing method as described. 前記光学系内のレンズの開口数NAは、0.1≦NA≦0.8の範囲内にあることを特徴とする請求項1記載のレーザ加工方法。   2. The laser processing method according to claim 1, wherein the numerical aperture NA of the lens in the optical system is in a range of 0.1 ≦ NA ≦ 0.8.
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