JP2007130675A - レーザスクライブ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】改質領域の形成範囲を狭めることなく、エアーブレークダウンの発生を防止可能
なレーザスクライブ加工方法を提供する。
【解決手段】水晶基板１０のレーザスクライブ加工方法は、レーザ光４が波長分散特性を
有しており、レーザ光４に軸上収差を生じさせると共に、レーザ光４の集光点３２におけ
るレーザ強度Ｐを改質領域の形成閾値Ｐ１以上およびエアーブレークダウンの発生可能閾
値Ｐ２以下に調節するための石英ガラス板８をレーザ加工装置１へ挿入する挿入工程と、
レーザ光４の集光点３２が水晶基板１０の内部となるように集光点３２の位置を調整する
調整工程と、レーザ光４を照射して改質領域を形成するために、水晶基板１０とレーザ光
４とをＸ軸方向切断予定線４３およびＹ軸方向切断予定線４４に沿って相対移動させる走
査工程と、を有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、レーザ光によって薄板基板等を分割（スクライブ）するためのレーザスクラ
イブ加工方法に関する。

従来、水晶、ガラスなどの光透過材の被加工物を分割するために、集光点の異なる２つ
のレーザ光（パルスレーザ光）を被加工物に照射し、それぞれのレーザ光による多光子吸
収の現象を利用して２つの改質領域を同時に形成している。これにより、被加工物へ形成
された改質領域に沿って、被加工物を容易に分割することが可能である。この場合、被加
工物の厚さ方向に対し異なった２つの位置へそれぞれ改質領域を形成することにより、１
回の加工で被加工物の厚さ方向に長く改質領域を形成でき、厚めの被加工物に対しては、
有効な加工方法である。

この従来の技術による改質領域の形成について詳細に説明する。図７（ａ）は、従来の
改質領域の形成を示す断面図であり、１つのレーザ光７０による改質領域７４の形成を示
している。図７（ａ）に示すように、レーザ光７０を集光レンズ７１によって集光し、被
加工物７２の内部の集光点７３へ照射することにより、多光子吸収による改質領域７４が
形成される。改質領域７４を形成するためには、レーザ光７０が極短時間のパルス幅を有
することと、改質領域７４を形成可能な閾値（改質領域形成可能閾値）Ｐ１以上のレーザ
強度Ｐが必要である。この場合、集光レンズ７０からの距離がＬ１〜Ｌ２の範囲である被
加工物７２内に、閾値Ｐ１以上のレーザ強度Ｐであるレーザ光７０が照射されて改質領域
７４が形成される。レーザ強度Ｐのピークは、閾値Ｐ１以上のＰｍで示されている。さら
に、集光点７３が異なるもう１つのレーザ光７０を同時に照射すれば、より広範囲に改質
領域７４を同時に形成することが可能である（たとえば特許文献１）。

特開２００４−３３７９０２号公報

しかし、従来の技術では、図７（ｂ）エアーブレークダウンの発生を示す断面図のよう
に、被加工物７２の表面近傍に改質領域７４を形成しようとする時、被加工物７２の表面
において、集光されたレーザ光により大気中の気体分子が電界破壊され、高温の大気プラ
ズマや衝撃波等が生じる場合がある。この現象をエアーブレークダウン（ブレークダウン
）と称し、エアーブレークダウンが発生すると、被加工物７２の表面にクラック７５等が
生じるという課題があった。エアーブレークダウンは、レーザ光７０のレーザ強度Ｐのピ
ークＰｍがエアーブレークダウンを発生させる閾値（ブレークダウン発生可能閾値）Ｐ２
以上の場合に発生する。従って、レーザ光７０のレーザ強度Ｐをエアーブレークダウンが
発生可能な閾値Ｐ２以下、且つ、改質領域７４を形成可能な閾値Ｐ１以上に設定する必要
がある。一方、図７（ａ）に示すように、パワーのピークＰｍを閾値Ｐ２以下のＰｍ’ま
で下げると、形成される改質領域７４がＬ１〜Ｌ２の範囲よりかなり狭くなってしまうと
いう課題もあった。

本発明は、上記課題を解決するために、改質領域の形成範囲を狭めることなく、エアー
ブレークダウンの発生を防止可能なレーザスクライブ加工方法を提供することを目的とす
る。

本発明のレーザスクライブ加工方法は、レーザ加工装置からレーザ光を被加工物へ照射
し、レーザ光の集光点において被加工物の切断予定位置の厚さ方向に多光子吸収による改
質領域を形成する。この加工方法によれば、レーザ光は波長分散特性を有しており、レー
ザ光に軸上収差を生じさせると共に、レーザ光の集光点におけるレーザ強度を改質領域の
形成可能閾値以上およびブレークダウンの発生可能閾値以下に調整するための収差制御部
をレーザ加工装置へ挿入する挿入工程と、レーザ光の集光点が切断予定位置の被加工物内
部となるように集光点の位置を調整する調整工程と、レーザ光を照射して切断予定位置に
沿うように改質領域を形成するために、被加工物とレーザ光とを切断予定位置に沿って相
対移動させる走査工程と、を有することを特徴とする。

このレーザスクライブ加工方法によれば、レーザ光を被加工物の内部に集光させ、集光
点において被加工物の改質領域を形成する。改質領域は、被加工物内部に透過したレーザ
光の集光点において、集光された多数の光子が被加工物の電子と相互作用して吸収される
、いわゆる多光子吸収の現象が生じた領域である。被加工物とレーザ光とを、切断予定位
置に沿うように相対移動させることにより、切断予定位置に改質領域を連続して形成する
ことが可能である。そして、被加工物は、被加工物内部に形成された改質領域に沿って容
易に切断可能である。このとき、収差制御部を挿入し、波長分散特性を有するレーザ光に
軸上収差を生じさせると、集光点が拡大され、それに伴い、集光点におけるレーザ光の強
度が分散され、収差制御部を挿入しない場合と比べてレーザ光のピーク強度が減少する。
収差制御部により、改質領域を形成する集光点を広げることと、レーザ光の強度の調整が
可能である。従って、ブレークダウンを発生させる閾値以上の強度のレーザ光であっても
、収差制御部の挿入により、ブレークダウンが発生しないレーザ強度に落とすことが可能
で、同時に、軸上収差による集光点の拡大がなされて改質領域を拡大させることが可能で
ある。なお、ブレークダウンとは、被加工物表面近傍へ集光されたレーザ光の強度が一定
の閾値以上の場合に、大気中の気体分子が電界破壊され、高温の大気プラズマや衝撃波等
が生じる現象であり、改質領域の形成にとって好ましくない現象である。また、改質領域
は、切断予定位置に沿って被加工物の厚さ方向と直交方向に微小幅で形成することが可能
であり、この微小幅部分に沿って切断可能であるため、被加工物を切断屑として無駄にす
ることがほとんどない。

この場合、挿入工程では、収差制御部がレーザ光を集光させる集光部と被加工物との間
に挿入されることが好ましい。

この方法によれば、収差制御部は、必要時にレーザ加工装置に挿入可能であり、レーザ
加工装置の光学系を変えることなくレーザ光の制御が可能である。収差制御部を各種のも
のに変更して挿入すれば、目的に応じて自在に、且つ、容易にレーザ光の制御が可能であ
る。なお、集光部に近接して挿入すれば、集光部を保護する機能も有することになる。

この場合、走査工程は、集光点を被加工物の厚さ方向に移動させた複数回の相対移動を
有し、それぞれの相対移動で形成された改質領域が厚さ方向に連続していることが好まし
い。

この方法によれば、切断予定位置に沿って改質領域を形成する走査工程は、複数回行う
相対移動毎にレーザ光の集光点を被加工物の厚さ方向にそれぞれ移動させることにより、
改質領域を被加工物の厚さ方向へ拡大させて形成することが可能である。これにより、被
加工物の厚さに関わらず、被加工物の厚さ方向全域に改質領域を形成可能である。

この場合、走査工程では、レーザ光がピコ秒からフェムト秒の範囲のパルス幅で照射さ
れるパルスレーザであることが好ましい。

この方法によれば、多光子吸収による改質領域の形成に、パルス幅がピコ秒からフェム
ト秒という極めて短いレーザ光を用いる。そのため、改質領域の形成は、被加工物内部に
集光されたレーザ光のエネルギが熱に変換される前の極短時間の間に行われる。従って、
改質領域の形成時に熱の発生をほとんど伴わず、さらに、多光子吸収は、レーザ光を集光
させた被加工物内部にのみ作用させることが可能である。また、ピコ秒よりパルス幅の長
いレーザ光を用いた場合、レーザ光が被加工物に吸収されて熱エネルギに変換され、被加
工物を溶融・飛散させることがあるが、極短時間のパルス幅のレーザ光を用いると、レー
ザ光が熱にほとんど変換されず、被加工物に対し熱影響を与えることなく改質領域が形成
可能である。

以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。実施形態では、被
加工物として複数のＳＡＷ（Surface Acoustic Wave、弾性表面波）パターンが形成さ
れた水晶基板を例にして、レーザ加工装置によるレーザスクライブ方法について説明する
。水晶基板は、レーザ光の照射によって、水晶基板内に多光子吸収による改質領域が各Ｓ
ＡＷパターンを仕切るように形成され、この改質領域に沿って容易に切断可能である。
（実施形態）

最初に、水晶基板を切断するレーザ加工装置について説明する。図１は、レーザ加工装
置の構成を示すブロック図である。レーザ加工装置１は、レーザ光４を被加工物である水
晶基板１０へ照射する照射機構部２と、照射機構部２を制御するホストコンピュータ３と
を備えている。照射機構部２は、レーザ光４を出射するレーザ光源５と、出射されたレー
ザ光４を反射するダイクロイックミラー６と、反射したレーザ光４を集光する集光レンズ
（集光部）７と、集光レンズ７の出射側に設けられている石英ガラス板（収差制御部）８
とを備えている。

また、照射機構部２は、水晶基板１０を載置する載置台１１と、載置台１１をレーザ光
４の光軸と略直交する平面内でＸ軸方向へ相対的に移動させるＸ軸移動部１２と、Ｙ軸方
向へ相対的に移動させるＹ軸移動部１３とを備えている。さらに、集光レンズ７に対して
、水晶基板１０を載置した載置台１１を相対的に移動させて、レーザ光４の集光点の位置
を水晶基板１０の厚み方向であるＺ軸方向へ調整可能なＺ軸移動部１４と、Ｘ軸移動部１
２、Ｙ軸移動部１３およびＺ軸移動部１４を移動させるための移動機構部１５とを備えて
いる。そして、ダイクロイックミラー６を挟んで集光レンズ７と反対側に位置する撮像部
１６を備えている。

このような構成の照射機構部２を制御するホストコンピュータ３について、次に説明す
る。ホストコンピュータ３の制御部２０は、撮像部１６が撮像した画像情報を処理する画
像処理部２１と、レーザ光源５の出力やパルス幅、パルス周期を制御するレーザ制御部２
２と、移動機構部１５を制御する移動制御部２３とを有している。また、ホストコンピュ
ータ３は、レーザ光４による加工の際に用いられる各種加工条件のデータなどを入力する
入力部２８と、レーザ光４による加工状態などの情報を表示する表示部２７を有している
。

そして、制御部２０は、入力部２８から入力されたデータなどを一時的に保存するＲＡ
Ｍ（Random Access Memory）２６と、画像処理部２１、レーザ制御部２２、移動制御部
２３の制御用プログラムなどを記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）２５と、ＲＯＭ２
５に記憶されているプログラムに従って各種の制御を実行するＣＰＵ（Central Process
ing Unit）２４とを有している。これら画像処理部２１、レーザ制御部２２、移動制御
部２３、ＣＰＵ２４、ＲＯＭ２５およびＲＡＭ２６は、バス２９を介して相互に接続され
ている。

以上のような構成のレーザ加工装置１において、Ｘ軸移動部１２と、Ｙ軸移動部１３と
、Ｚ軸移動部１４とは、それぞれ図示していないサーボモータによって駆動される。水晶
基板１０へのレーザ光４の集光点をＺ軸方向に移動させるＺ軸移動部１４には、移動距離
を検出可能な位置センサが内蔵されており、移動制御部２３は、この位置センサの出力を
検出してレーザ光４の集光点のＺ軸方向位置を制御可能となっている。

撮像部１６は、可視光を発する光源とＣＣＤ（Charge Coupled Device：固体撮像素
子）が組み込まれたものである。光源から出射した可視光は、集光レンズ７を透過して焦
点を結ぶ。水晶基板１０のレーザ光４の入射面と入射面の反対側の面とに、それぞれ焦点
を合わせるようにＺ軸移動部１４を移動させて、移動距離を位置センサで検出すれば水晶
基板１０の厚みを計測することが可能である。この計測は、石英ガラス板８を挿入しない
状態で行う。

また、レーザ加工装置１において、レーザ光源５は、チタンサファイアを固体光源とし
、チタンサファイアからのレーザ光４をフェムト秒（１０^-15秒）の極短パルス幅で出射
可能なフェムト秒レーザである。この場合、フェムト秒レーザは、波長分散特性を有して
おり、中心波長が８００ｎｍである。集光レンズ７は、倍率が１００倍、開口数（ＮＡ：
Numerical Aperture）が０．８、ＷＤ（Working Distance）が３ｍｍの対物レンズを使
用している。

ところで、一般に、水晶基板１０として用いられる水晶は、可視領域のレーザ光を吸収
せずに透過させるため、通常、この種のレーザ光によって水晶を切断加工することは、困
難であった。これに対して、レーザ加工装置１のようにパルス幅が極めて小さいフェムト
秒のレーザ光４を水晶内に集光させ、且つ、レーザ光４のレーザ強度を多光子吸収が生じ
る強度以上に設定すると、極短時間にレーザ光４のエネルギが水晶に集中し、集光された
レーザ光４の多数の光子が水晶の電子と相互作用して吸収される、いわゆる多光子吸収の
現象が生じる。多光子吸収は、レーザ光４のエネルギが熱に変換される前に、極短時間の
間に行われるため、熱の発生をほとんど伴わない。さらに、多光子吸収は、レーザ光４を
集光させた水晶内部にのみ作用させることが可能である。多光子吸収が生じて加工された
水晶内部の領域が改質領域であり、この改質領域は、いわゆる屈折率変化領域である。

多光子吸収による加工は、水晶などの被加工物の光学特性である固有の吸収波長に対応
した波長の極短パルス幅のレーザ光４を用いることが好ましい。従って、フェムト秒レー
ザのようにレーザ光４の発信する波長が限られているような場合、レーザ光４が被加工物
の吸収波長からずれていると、レーザ強度を強めに設定する必要がある。つまり、レーザ
光４をできるだけ小さな領域に集光させることなどで対応可能である。

また、パルス幅がピコ秒より長い例えばマイクロ秒（１０^-5秒）のレーザ光４であって
も、レーザ光４を水晶内に集光させ、且つ、レーザ光のレーザ強度を多光子吸収が生じる
強度以上に設定すれば、水晶内に多光子吸収の現象が生じる。しかし、パルス幅がフェム
ト秒レーザより長いため、その間に照射されたレーザ光４のエネルギの一部が熱に変換し
てしまい、水晶の溶解飛散、結晶の肥大化などのダメージを水晶基板１０へ与えてしまう
。これに大して、レーザ加工装置１のフェムト秒レーザによる加工は、水晶基板１０へダ
メージを与えることなく改質領域の形成ができる有効な方法である。

次に、レーザ加工装置１が有するフェムト秒のパルス幅のレーザ光４による水晶基板１
０への改質領域の形成について説明する。図２は、レーザ光の照射状態を示すグラフおよ
び断面図である。この場合、レーザ光４は、集光レンズ７によって水晶基板１０の集光点
へ集光されるように出射されるが、波長分散特性を有しているため、石英ガラス板８を透
過する際の屈折によって、長波長側レーザ光３０と短波長側レーザ光３１との集光点がず
れる軸上収差が拡大した状態で水晶基板１０へ入射する。水晶基板１０へ入射したレーザ
光４は、さらに屈折し、長波長側レーザ光３０は集光点３２へ集光され、短波長側レーザ
光３１は、集光点３３へ集光される。各波長のレーザ光４は、集光点３２および集光点３
３の間に集光され、ほぼこの間（Ｌ３からＬ４）に改質領域５０が形成される。

ここで、具体的数値で説明すると、パルス幅を３００フェムト秒のフェムト秒レーザに
よって多光子吸収を生じさせ改質領域の形成可能な閾値Ｐ１は、およそ１×１０⁸（Ｗ／
ｃｍ²）である。また、石英ガラス板８を挿入していない場合、レーザ強度のピークＰｍ
を１×１０¹³（Ｗ／ｃｍ²）、レーザ光４と水晶基板１０の相対移動速度を５ｍｍ／秒と
すれば、水晶基板１０の厚さ方向の改質領域５０の長さ（Ｌ１からＬ２）を、適切と考え
られる約１００μｍとすることが可能である。そして、水晶基板１０の厚さ方向に対し直
交方向の改質領域５０は、約２０μｍ程度の微小幅である。

一方、エアーブレークダウンが発生する閾値Ｐ２は、この場合、およそ１×１０¹²（Ｗ
／ｃｍ²）である。そのため、長さ１００μｍの改質領域５０を形成可能なレーザ強度Ｐ
のピークＰｍを１×１０¹³（Ｗ／ｃｍ²）とした設定では、水晶基板１０の表面において
閾値Ｐ２より大きなレーザ強度Ｐとなり、エアーブレークダウンが発生する可能性がある
。

そこで、照射機構部２の集光レンズ７に対し載置台１１側に、図示していない挿入機構
によって石英ガラス板８を挿入する。石英ガラス板８の厚みは、２ｍｍ、屈折率は、１．
４６である。石英ガラス板８の挿入により、レーザ光４は、既述したように軸上収差が生
じることにより、集光点３２から集光点３３の間に集光されている。そのため、集光点３
２から集光点３３の間におけるレーザ強度Ｐは、エネルギが分散されピークＰｍ’が１×
１０¹⁰（Ｗ／ｃｍ²）である。レーザ強度Ｐが１×１０¹³（Ｗ／ｃｍ²）に比べて低下した
ため、各波長の集光点個々における改質領域５０の長さは、１００μｍよりかなり短くな
るが、トータルでは、Ｌ３からＬ４の範囲に改質領域５０が形成されており、石英ガラス
板８の挿入前の改質領域長さＬ１からＬ２より長い１５０μｍに形成することが可能であ
る。

多光子吸収では、熱の発生をほとんど伴わないため、石英ガラス板８を挿入しない場合
において、フェムト秒レーザの集光点近傍における水晶への熱影響の範囲は、ピーク強度
Ｐｍを１×１０¹³（Ｗ／ｃｍ²）のように高めに設定した場合でも、およそ０．００５μ
ｍ以下であり、水晶への熱影響はないといえる。参考に、パルス幅がマイクロ秒程度の場
合、水晶への熱影響の範囲は、５μｍ程度である。

次に、レーザ加工装置１による加工例として取り上げた水晶基板１０について説明する
。図３（ａ）は、複数のＳＡＷパターンが形成されている水晶基板を示す平面図である。
また、図３（ｂ）は、ＳＡＷ共振片を示す平面図である。図３（ａ）に示すように、水晶
基板１０は、主面となる表面４１に複数のＳＡＷパターン４２が形成されている。それぞ
れのＳＡＷパターン４２は、水晶基板１０がＸ軸方向切断予定線（切断予定位置）４３お
よびＹ軸方向切断予定線（切断予定位置）４４に沿って切断されて、図３（ｂ）に示すＳ
ＡＷ共振片４５として個別に取り出される。図３（ａ）は、４０個のＳＡＷパターン４２
が形成された場合が示されている。

ＳＡＷ共振片４５は、図３（ｂ）に示すように、圧電体である水晶を矩形に切断した水
晶片４０の表面４１の中央に、１組の電極４６ａおよび４６ｂによって交叉指電極（ＩＤ
Ｔ：Inter Digital Transducer）４６が構成されている。また、このＩＤＴ４６の長手
方向の両側に格子状の反射器４７ａおよび４７ｂが形成されている。そして、水晶片４０
の長手方向の縁に沿って、電極４６ａおよび４６ｂとそれぞれ繋がった導通用のボンディ
ングランド４８ａおよび４８ｂが、形成されている。このボンディングランド４８ａ，４
８ｂに、外部からワイヤーボンディングすることによって電気的な接続が得られるように
なっている。

これら電極４６ａ，４６ｂ、反射器４７ａ，４７ｂおよびボンディングランド４８ａ，
４８ｂは、導電性を確保するため、例えば、金、アルミニウム、銅やそれらの合金などが
通常用いられ、加工およびコストの点からアルミニウム系の素材が最も多く用いられてい
る。

次に、レーザ加工装置１による水晶基板１０の切断方法について詳細に説明する。図４
は、水晶基板の切断方法を示すフローチャートである。図５（ａ）は、レーザ走査１によ
る改質領域の形成を示す断面図、（ｂ）は、レーザ走査２による改質領域の形成を示す断
面図である。そして、図６（ａ）は、水晶基板の切断方法を示す断面図、（ｂ）は、切断
された水晶基板の状態を示す断面図である。

図４のフローチャートに示すように、レーザ加工装置１を用いた水晶基板１０の切断方
法は、まず、集光レンズ７と載置台１１に載置された水晶基板１０とを相対的に位置決め
する水晶基板位置決め工程と、水晶基板１０の厚みを計測する水晶基板厚み計測工程と、
により水晶基板１０をレーザ加工装置１へ正しくセットする。次に、レーザ光４に軸上収
差を生じさせるための石英ガラス板８を挿入する挿入工程と、Ｚ軸移動部１４によりレー
ザ光４の集光点３２の位置を入射面である表面４１と反対側の表面近傍へ調整する集光点
位置調整１工程（調整工程）と、Ｘ軸移動部１２およびＹ軸移動部１３により水晶基板１
０を相対移動させながら、Ｘ軸方向切断予定線４３およびＹ軸方向切断予定線４４に沿っ
てレーザ光４を照射するレーザ走査１工程（走査工程）と、によって図５（ａ）に示す改
質領域５０ａを形成する。

同様に、Ｚ軸移動部１４によって集光点３２の位置を水晶基板１０の入射面側に移動調
整する集光点位置調整２工程（調整工程）と、Ｘ軸移動部１２およびＹ軸移動部１３によ
り水晶基板１０を相対移動させながら、Ｘ軸方向切断予定線４３よびＹ軸方向切断予定線
４４沿ってレーザ光４を照射するレーザ走査２工程（走査工程）と、によって図５（ｂ）
に示す改質領域５０ｂ形成する。そして、図６に示すように、水晶基板１０を切断する水
晶基板切断工程において、水晶基板１０が切断される。

これら図４に示す各ステップについて詳細に説明する。ステップＳ１において、図３（
ａ）に示す水晶基板１０を、ＳＡＷパターン４２が形成されている表面４１と反対側の表
面が図１に示す載置台１１に接するように載置する。そして、Ｘ軸方向切断予定線４３が
Ｘ軸に平行となるように水晶基板１０を位置決めする。また、移動制御部２３は、レーザ
光４の光軸が水晶基板１０のＸ軸方向切断予定線４３またはＹ軸方向切断予定線４４の線
上に位置するように、サーボモータを駆動しＸ軸移動部１２およびＹ軸移動部１３を移動
させる。この場合、水晶基板１０には、位置決め用のアライメントマークが形成されてお
り、撮像部１６によってこのアライメントマークを認識し、画像処理部２１に取り込んだ
画像データに基づいて座標を演算して、水晶基板１０を位置決めする。位置決め後、ステ
ップＳ２へ進む。

ステップＳ２において、水晶基板１０の厚みを測定するために、水晶基板１０のレーザ
光４の入射面である表面４１と、表面４１と反対側の表面とに、撮像部１６から出射され
る可視光の焦点を合わせ、撮像部１６が捉えた映像を表示部２７に表示させる。可視光の
焦点合わせは、Ｚ軸移動部１４を移動させて行う。これら一連の操作は、作業者がホスト
コンピュータ３を操作して行う。ホストコンピュータ３は、Ｚ軸移動部１４の位置センサ
の出力から水晶基板１０の厚みを演算し、演算結果は、ホストコンピュータ３のＲＡＭ２
６にＺ軸方向の座標として記憶される。この場合、水晶基板１０の厚みは、３００μｍで
ある。厚み測定後、ステップＳ３に進む。

ステップＳ３において、集光レンズ７の載置台１１側に収差制御部である石英ガラス板
８を挿入機構により挿入する。石英ガラス板８の挿入により、波長分散特性を有するレー
ザ光４の軸上収差を拡大させると共に、レーザ強度Ｐを調節することが可能である。挿入
後、ステップＳ４へ進む。

ステップＳ４において、撮像部１６が捉えた可視光の焦点の位置とレーザ光４の集光点
３２とのＺ軸方向の位置関係、および、レーザ光４の軸上収差により形成される改質領域
５０の水晶基板厚さ方向の長さを、予めレーザ光４の照射予備試験の結果から求めてあり
、その結果をデータとしてホストコンピュータ３へ入力してある。このデータとステップ
Ｓ２で求められた水晶基板１０の厚みデータ（Ｚ軸方向の座標）とに基づいて、図５（ａ
）に示すように、移動制御部２３は、Ｚ軸移動部１４を駆動して、改質領域５０の端部が
表面４１に対して反対側の表面に掛かるように、集光点３２をＺ軸方向に移動させる。集
光点３２の調整後、ステップＳ５へ進む。

ステップＳ５において、図５（ａ）に示すように、集光レンズ７および石英ガラス板８
に対して水晶基板１０を相対移動させる。この図５（ａ）の場合、Ｙ軸方向切断予定線４
４に沿ってレーザ光４を移動させつつ照射して、最初の改質領域５０ａを形成している。
水晶基板１０には、図３（ａ）に示すように、複数（４０個）のＳＡＷパターン４２が形
成されており、Ｘ軸方向の９本のＸ軸方向切断予定線４３と、Ｙ軸方向の８本のＹ軸方向
切断予定線４４とにより区画されている。つまり、Ｘ軸方向に所定のピッチでずらしなが
らレーザ操作を９回行い、続いてＹ軸方向に所定のピッチでずらしながらレーザ操作を８
回行って、各ＳＡＷパターン４２を改質領域５０ａで仕切る。Ｘ軸方向切断予定線４３お
よびＹ軸方向切断予定線４４は、あらかじめデータとして入力されているので、ホストコ
ンピュータ３は、このデータに基づいた制御信号を移動制御部２３へ送り、移動制御部２
３は、制御信号に基づいてＸ軸移動部１２とＹ軸移動部１３を移動させることにより、水
晶基板１０を集光レンズ７および石英ガラス板８に対して相対移動させることが可能であ
る。レーザ光４の照射に対応して水晶基板１０を移動させる速度は、およそ５ｍｍ／秒で
あり、形成される改質領域５０ａの長さは、約１５０μｍである。改質領域５０ａの形成
後、ステップＳ６へ進む。

ステップＳ６において、先のステップＳ４と同様にして、図５（ｂ）に示すように、移
動制御部２３は、Ｚ軸移動部１４を駆動してレーザ光４の集光点３２の位置を表面４１側
にずらす。このとき、ステップＳ６で形成される改質領域５０ｂが、既に形成された改質
領域５０ａに対し、水晶基板１０の厚み方向に連続するように集光点３２を調整する。集
光点３２の調整後、ステップＳ７に進む。

ステップＳ７において、先のステップＳ５と同様にして、集光レンズ７および石英ガラ
ス板８に対して水晶基板１０を相対移動させる。図５（ｂ）は、Ｙ軸方向切断予定線４４
に沿ってレーザ光４を移動させつつ照射して、水晶基板１０に２番目の改質領域５０ｂを
形成している場合を示している。このように、水晶基板１０を、Ｘ軸方向の９本のＸ軸方
向切断予定線４３と、Ｙ軸方向の８本のＹ軸方向切断予定線４４とに沿って、まず、Ｘ軸
方向に所定のピッチでずらしながらレーザ操作を９回行い、続いてＹ軸方向に所定のピッ
チでずらしながらレーザ操作を８回行う。これにより、各ＳＡＷパターン４２を仕切るよ
うにして改質領域５０ｂが形成される。これにより厚み３００μｍの水晶基板１０の厚み
方向全面に、改質領域５０ａ，５０ｂが形成される。改質領域５０ｂの形成後、ステップ
Ｓ８に進む。

ステップＳ８において、水晶基板１０をＸ軸方向切断予定線４３およびＹ軸方向切断予
定線４４に沿って切断する。図６（ａ）に示すように、ステップＳ５およびステップＳ７
によって、水晶基板１０の厚み方向に連続して形成された改質領域５０ａ，５０ｂに対し
て、曲げ応力Ａまたは引っ張り応力Ｂのような外部応力を加える。これにより水晶基板１
０は、図６（ｂ）に示すように、改質領域５０の位置で容易に切断可能である。

改質領域５０は、水晶基板１０の厚み方向に連続して形成されているため、改質領域５
０以外が切断されて、いわゆるチッピングなどによるＳＡＷ共振片４５の外形不良が発生
することをほぼ防止可能である。また、既述したように、水晶基板１０の厚さ方向に対し
直交方向の改質領域５０の幅は、約２０μｍ程度の微小幅であり、この微小幅に沿って水
晶基板１０を切断可能であるため、高い外形寸法精度のＳＡＷ共振片４５が入手可能であ
る。

以上説明した実施形態の効果をまとめて記載する。

（１）レーザ加工装置１に石英ガラス板８を挿入し、波長分散特性を有するレーザ光４
に軸上収差を生じさせることにより、水晶基板１０内部では拡大された集光点３２，３３
となり、それに伴い、集光点３２，３３におけるレーザ光４の強度が分散されるため、石
英ガラス板８を挿入しない場合と比べるとレーザ光４のピーク強度が減少する。従って、
エアーブレークダウンを発生させる閾値Ｐ２以上の強度のレーザ光４であっても、石英ガ
ラス板８の挿入により、エアーブレークダウンが発生しない強度に落とすことが可能であ
り、同時に、軸上収差により拡大された集光点３２，３３へ改質領域を広げて形成するこ
とが可能である。

（２）石英ガラス板８を挿入することにより、エアーブレークダウンを発生させる強度
のレーザ光４であっても、エアーブレークダウンが発生しないレベルに抑制可能であるた
め、水晶基板１０の表面近傍にも改質領域５０を容易に形成可能である。

（３）石英ガラス板８は、必要時にレーザ加工装置１へ挿入可能であり、レーザ加工装
置１の光学系を変えることなくレーザ光４の制御が可能である。石英ガラス板８を厚みや
屈折率の異なるものに変更して挿入すれば、目的に応じて自在に、且つ、容易にレーザ光
４の制御が可能である。また、集光レンズ７に近接して挿入すれば、集光レンズ７を保護
する機能も果たす。

（４）レーザ加工装置１は、水晶基板１０の基板厚を求める撮像部１６の焦点位置と、
レーザ光４の集光点３２の位置との関係をデータとして記憶していて、水晶基板１０内の
任意の位置へ集光点３２を設定可能である。従って、レーザ光４の集光点３２を水晶基板
１０の厚さ方向に順に移動させて改質領域５０を形成し、水晶基板１０の厚さ方向全域に
改質領域５０を形成可能である。これにより、厚い水晶基板１０であっても、改質領域５
０に沿って容易に切断可能である。また、チッピングなどが無く、外形寸法精度の良好な
切断が可能である。

（５）フェムト秒パルスレーザのレーザ光４を用いて、水晶基板１０内へ多光子吸収に
よって極めて短時間に改質領域５０が形成されるため、水晶基板１０内でレーザ光４が熱
に変換されることがほとんどない。従って、水晶基板１０に対して熱によるダメージを与
えることが無く、水晶基板１０の切断による熱の影響を受けていないＳＡＷ共振片４５を
得ることが可能である。

（６）水晶基板１０の厚みが１５０μｍ以下程度の薄基板であれば、１回の走査で厚み
方向全域に改質領域５０を形成でき、外部応力のＡまたはＢを加えなくても、改質領域５
０に沿って切断可能であるため、切断予定位置を直線に限らず自由な形状に設定可能であ
る。

また、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、次のような変形例が挙げら
れる。

（変形例１）収差制御部は、石英ガラス板８に限定されず、回折レンズやアキシコンレ
ンズなどの光学レンズを用いても良い。収差を積極的に生じさせ、より確実に集光点調節
が可能である。

（変形例２）収差制御部である石英ガラス板８は、照射機構部２の挿入機構によって挿
入されるが、これに限定されず、カメラのレンズにフィルタをねじ込みまたはバヨネット
機構等で取り付けるように、集光レンズ７の保持部へ取り付けても良い。こうすれば、挿
入機構のような構成が不要で、容易に石英ガラス板８を取り付け可能である。

（変形例３）改質領域５０ａ，５０ｂの形成時に、それぞれの改質領域の端部が水晶基
板１０の厚み方向に重なり合うように、レーザ光４の集光点３２を調整しても良い。こう
すれば、改質領域５０ａ，５０ｂの各境界部において、改質領域５０の未形成部分がわず
かであっても生じることが無く、水晶基板１０の厚み方向全面に改質領域５０を確実に形
成可能である。改質領域５０を重ならせても、石英ガラス板８による軸上収差により、改
質領域５０を水晶基板１０の厚み方向に拡大して形成することで、走査回数を増やす必要
が無い。これにより、図６に示す水晶基板１０の切断がより確実で容易になる。

（変形例４）被加工物は、水晶基板１０に限らず、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）
ディスプレイ、液晶ディスプレイ、各種半導体、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical
System）デバイスなどが形成された光透過性のガラス、シリコンなどからなる基板であ
っても良い。照射機構部２からのレーザ光４による切断方法は、多様な機能デバイスの基
板切断に適用可能である。

（変形例５）照射機構部２における、レーザ光４の集光点３２位置の調整は、集光レン
ズ７および石英ガラス板８を固定し、水晶基板１０側をＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に移動可能な構
成であるが、水晶基板１０側を固定し、レーザ光源５、ダイクロイックミラー６、集光レ
ンズ７、および石英ガラス板８とを一体でＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に移動可能な構成としても良
い。これにより、レーザ加工装置１の設計の自由度が広げられる。

（変形例６）照射機構部２のレーザ光源５は、固体光源としてチタンサファイアを用い
たフェムト秒レーザであるが、これに限定されず、例えば、ＹＡＧレーザ、エキシマレー
ザ等を用いることも可能である。

本発明は、エアーブレークダウンの発生を防止し、被加工物内部に多光子吸収による改
質領域を効率的に形成可能な方法である。脆性な水晶基板であっても、表面へのエアーブ
レークダウンの影響を排除して、改質領域の形成および切断が可能であり、水晶基板に限
らず、ＴＦＴディスプレイ、液晶ディスプレイ、各種半導体、ＭＥＭＳデバイスなどが形
成された光透過性の材料基板の切断に対して、利用価値のある有効な切断方法である。

レーザ加工装置の構成を示すブロック図。 レーザ光の照射状態を示すグラフおよび断面図。 （ａ）複数のＳＡＷパターンが形成されている水晶基板を示す平面図。（ｂ）ＳＡＷ共振片を示す平面図。 水晶基板の切断方法を示すフローチャート。 （ａ）レーザ走査１による改質領域の形成を示す断面図。（ｂ）レーザ走査２による改質領域の形成を示す断面図。 （ａ）水晶基板の切断方法を示す断面図。（ｂ）切断された水晶基板の状態を示す断面図。 （ａ）従来の改質領域の形成方法を示す断面図。（ｂ）エアーブレークダウンの発生を示す断面図。

符号の説明

１…レーザ加工装置、２…照射機構部、３…ホストコンピュータ、４…レーザ光、５…
レーザ光源、７…集光後部としての集光レンズ、８…収差制御部としての石英ガラス板、
１０…被加工物としての水晶基板、１１…載置台、１５…移動機構部、１６…撮像部、２
０…制御部、２１…画像処理部、２２…レーザ制御部、２３…移動制御部、３０…長波長
側レーザ光、３１…短波長側レーザ光、３２，３３…集光点、４０…水晶片、４２…ＳＡ
Ｗパターン、４３…切断予定位置としてのＸ軸方向切断予定線、４４…切断予定位置とし
てのＹ軸方向切断予定線、４５…ＳＡＷ共振片、５０…改質領域、Ｐ₁…改質領域形成可
能閾値としての閾値、Ｐ₂…ブレークダウン発生可能閾値としての閾値。

Claims (4)

1. レーザ加工装置からレーザ光を被加工物へ照射し、前記レーザ光の集光点において前記
   被加工物の切断予定位置の厚さ方向に多光子吸収による改質領域を形成するレーザスクラ
   イブ加工方法であって、
   前記レーザ光は波長分散特性を有しており、
   前記レーザ光に軸上収差を生じさせると共に、前記レーザ光の前記集光点におけるレー
   ザ強度を前記改質領域の形成可能閾値以上およびブレークダウンの発生可能閾値以下に調
   整するための収差制御部を前記レーザ加工装置へ挿入する挿入工程と、
   前記レーザ光の集光点が前記切断予定位置の前記被加工物内部となるように前記集光点
   の位置を調整する調整工程と、
   前記レーザ光を照射して前記切断予定位置に沿うように前記改質領域を形成するために
   、前記被加工物と前記レーザ光とを前記切断予定位置に沿って相対移動させる走査工程と
   、を有することを特徴とするレーザスクライブ加工方法。
2. 請求項１に記載のレーザスクライブ加工方法において、
   前記挿入工程では、前記収差制御部が前記レーザ光を集光させる集光部と前記被加工物
   との間に挿入されることを特徴とするレーザスクライブ加工方法。
3. 請求項１または２に記載のレーザスクライブ加工方法において、
   前記走査工程は、前記集光点を前記被加工物の前記厚さ方向に移動させた複数回の前記
   相対移動を有し、それぞれの前記相対移動で形成された前記改質領域が前記厚さ方向に連
   続していることを特徴とするレーザスクライブ加工方法。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザスクライブ加工方法において、
   前記走査工程では、前記レーザ光がピコ秒からフェムト秒の範囲のパルス幅で照射され
   るパルスレーザであることを特徴とするレーザスクライブ加工方法。
   
   

Images