JP2007130768A - 水晶基板の切断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水晶基板の切断において、切断屑をほとんど排出しない水晶基板の切断方法を提
供する。
【解決手段】水晶基板１の切断方法は、レーザ加工装置２０にセットされた水晶基板１の
厚みを測定する工程と、フェムト秒レーザであるレーザ光２３の水晶基板１内の集光点４
５を調整する工程と、切断予定位置にそって改質領域５０を形成するために、レーザ光２
３を走査する工程とを有する。レーザ光２３を走査する工程は、水晶基板１の厚み方向に
集光点４５を順に３回移動させて、厚み方向の全面に改質領域５０を形成する。
【選択図】図６

Description

本発明は、水晶基板をレーザ加工によってチップに分割するための水晶基板の切断方法
に関する。

従来、水晶基板を複数のチップに分割するためには、円板状のダイシングソーを備えた
ダイシング装置によって水晶基板を切断する方法が行われている。切断されたチップは、
振動子やフィルタなどとして使用される。ダイシングソーによって、水晶基板への応力を
抑制しながら切断を行うことにより、脆性を有する水晶基板であっても、切断予定線に沿
って切断可能である。また、洗浄水を併用して、切断屑などによって水晶基板が損傷する
ことを防止している（たとえば特許文献１）。

特開２００５−１６７１４５号公報

しかし、従来の技術では、ダイシングソーの厚みである３００μｍ程度の切断幅で、切
断予定線に沿って水晶基板を切断するために、切断部分の水晶基板が切断屑として除去さ
れる。そのため、チップの配置は、切断幅を考慮してチップ間の距離を離すように設定す
る必要がある。近年、チップの小型化が図られて、水晶基板から取得可能なチップ数が増
加可能な状況であるが、それに伴い、切断予定線の数が増えて、切断屑も増えている。つ
まり、チップに対する切断屑の割り合いが増加しており、ダイシングソーの切断幅による
切断屑の発生が、水晶基板から採取可能なチップ数の増加およびコスト低減等の妨げとな
っている。

本発明は、上記課題を解決するために、水晶基板の切断において、切断屑をほとんど排
出しない水晶基板の切断方法を提供することを目的とする。

本発明の水晶基板の切断方法は、複数の機能素子が表面に形成されている水晶基板をレ
ーザ光によって水晶基板の切断予定位置に沿うように切断する。この切断方法は、レーザ
光の集光点が切断予定位置の水晶基板内部となるように集光点の位置を調整する調整工程
と、切断予定位置における水晶基板の厚さ方向に多光子吸収による改質領域を形成するた
めに、レーザ光をピコ秒からフェムト秒の範囲のパルス幅で照射する照射工程と、切断予
定位置に沿うように改質領域を形成するために、水晶基板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。

この水晶基板の切断方法によれば、レーザ光を水晶基板の内部に集光させ、集光点にお
いて水晶の改質領域を形成するために、レーザ光を照射している時間であるパルス幅が、
ピコ秒（１０^-12秒）からフェムト秒（１０^-15秒）の範囲のパルスレーザを用いる。この
ような極めて短時間のレーザ光照射を水晶基板に行うと、水晶基板内部に透過したレーザ
光の集光点では、集光された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。この多光子吸収が生じた領域が改質領域である。そして、
水晶基板とレーザ光とを、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。水晶基板は、水晶基板内部に形
成された改質領域に沿って容易に切断可能である。なお、改質領域は、多光子吸収により
水晶の結晶構造の変化が誘引された屈折率変化領域であって、切断予定位置に沿って水晶
基板の厚さ方向と直交方向に２０μｍ以下の微小幅で形成することが可能である。従って
、ダイシングソーのように幅広の切断幅を設定する必要がなく、多くの水晶を切断屑とし
て無駄にすることがない。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
ザ光が水晶基板に吸収されて熱エネルギーに変換され、水晶基板を溶融・飛散させること
がある。一方、フェムト秒のパルスレーザを用いると、極めて短時間のレーザ光照射の繰
り返しのため、レーザ光が熱に変換されず、改質領域のみが形成される。

この場合、調整工程は、水晶基板におけるレーザ光の入射面と入射面と反対側の表面の
位置とを測定して、水晶基板の基板厚を測定する測定工程を含んでいることが好ましい。

この方法によれば、水晶基板の２面の位置を測定することにより、水晶基板の基板厚が
求められる。位置を測定した２面のいずれかを基準面にすれば、調整工程において、基準
面からレーザ光の集光点までの距離を容易に調整することが可能である。従って、水晶基
板内の任意の位置へ集光点を設定可能である。

また、走査工程は、集光点を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水晶基板の厚さ方向に移動させることにより、改質領域
を水晶基板の厚さ方向へ拡大させることが可能である。これにより、水晶基板の厚さに関
わらず、水晶基板の厚さ方向全域に改質領域を形成可能である。

本発明の水晶基板の切断方法は、水晶と光透過材とが多層に形成された水晶基板をレー
ザ光によって水晶基板の切断予定位置に沿うように切断する。この切断方法は、レーザ光
の集光点が切断予定位置の水晶内部または光透過材内部となるように集光点の位置を調整
する調整工程と、切断予定位置における水晶および光透過材の厚さ方向に多光子吸収によ
る改質領域を形成するために、レーザ光をピコ秒からフェムト秒の範囲のパルス幅で照射
する照射工程と、切断予定位置に沿うように改質領域を形成するために、水晶基板とレー
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。

この水晶基板の切断方法によれば、水晶基板は、水晶と光透過材とを有しており、レー
ザ光を水晶基板の内部に集光させ、集光点において水晶または光透過材の改質領域を形成
するために、レーザ光を照射している時間であるパルス幅がピコ秒（１０^-12秒）からフ
ェムト秒（１０^-15秒）の範囲のパルスレーザを用いる。このような極めて短時間のレー
ザ光照射を水晶基板に行うと、水晶基板内部に透過したレーザ光の集光点では、集光され
た多数の光子が水晶または光透過材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。この多光子吸収が生じた領域が改質領域である。そして、水晶基板と
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。水晶および光透過材内部に形成された改質
領域に沿って、水晶基板は、容易に切断可能である。なお、改質領域は、多光子吸収によ
り水晶および光透過材の結晶構造の変化が誘引された多光子吸収による屈折率変化領域で
あって、切断予定位置に沿って水晶基板の厚さ方向と直交方向に２０μｍ以下の微小幅で
形成することが可能である。従って、ダイシングソーのように幅広の切断幅を設定する必
要がなく、多くの水晶および光透過材を切断屑として無駄にすることがない。また、ピコ
秒よりパルス幅の長いレーザ光を用いた場合、レーザ光が水晶または光透過材に吸収され
て熱エネルギーに変換され、水晶基板を溶融・飛散させることがある。一方、フェムト秒
のパルスレーザを用いると、極めて短時間のレーザ光照射の繰り返しのため、レーザ光が
熱に変換されず、改質領域のみが形成される。

この場合、調整工程は、水晶基板におけるレーザ光の入射面と入射面と反対側の表面の
位置とを測定して水晶基板の基板厚を測定する測定工程を含んでいることが好ましい。

この方法によれば、水晶と光透過材とが貼り合わされた水晶基板の最外面である２面の
位置を測定することにより、水晶基板の総基板厚が求められる。位置を測定した２面のい
ずれかを基準面にすれば、調整工程において、基準面からレーザ光の集光点までの距離を
容易に調整することが可能である。従って、水晶基板内の任意の位置へ集光点を設定可能
である。

また、走査工程は、集光点を水晶および光透過材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水晶基板の厚さ方向に移動させることにより、改質領域
を水晶基板の厚さ方向へ拡大させることが可能である。これにより、水晶基板の水晶の厚
さおよび光透過材の厚さに関わらず、水晶基板の厚さ方向全域に渡り改質領域を形成可能
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１では、
機能素子として複数のＳＡＷ（Surface Acoustic Wave、弾性表面波）パターンが形成
されたＳＡＷデバイス機能を有する水晶基板を例にして説明する。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ＳＡＷ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。切断された水晶片は、ＳＡ
Ｗ共振片（チップ）のデバイスとして使用される。
（実施形態１）

図１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２は、ＳＡＷ共振片を示す平面図である。図１に示すように、水晶基板１は、主面とな
る表面２に複数のＳＡＷパターン３が形成されている。それぞれのＳＡＷパターン３は、
水晶基板１がＸ軸方向切断予定線（切断予定位置）４およびＹ軸方向切断予定線（切断予
定位置）５に沿って切断されて、図２に示すＳＡＷ共振片９として個別に取り出される。
図１は、４０個のＳＡＷパターン３が形成された場合が示されている。

ＳＡＷ共振片９は、図２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１０
の表面２の中央に、１組の電極１１ａおよび１１ｂによって交叉指電極（ＩＤＴ：Inter
Digital Transducer）１１が構成されている。また、このＩＤＴ１１の長手方向の両
側に格子状の反射器１２ａおよび１２ｂが形成されている。そして、水晶片１０の長手方
向の縁に沿って、電極１１ａおよび１１ｂとそれぞれ繋がった導通用のボンディングラン
ド１３ａおよび１３ｂが、形成されている。このボンディングランド１３ａ，１３ｂ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１１ａ，１１ｂ、反射器１２ａ，１２ｂおよびボンディングランド１３ａ，
１３ｂ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、ＳＡＷ共振片９を得るために、Ｘ軸方向切断予定線４およびＹ軸方向切断予定線
５に沿って、水晶基板１を切断するレーザ加工装置について説明する。図３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２０は、レーザ光２３を加工対象
物へ照射する照射機構部２１と、照射機構部２１を制御するホストコンピュータ２２とを
備えている。照射機構部２１は、レーザ光２３を出射するレーザ光源２４と、出射された
レーザ光２３を反射するダイクロイックミラー２５と、反射したレーザ光２３を集光する
集光レンズ２６とを備えている。

また、照射機構部２１は、加工対象物である水晶基板１を載置する載置台２７と、載置
台２７をレーザ光２３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２８と、Ｙ軸方向へ相対的に移動させるＹ軸移動部２９とを備えている。さらに、集
光レンズ２６に対して、水晶基板１を載置した載置台２７を相対的に移動させて、レーザ
光２３の集光点の位置を水晶基板１の厚み方向であるＺ軸方向へ調整可能なＺ軸移動部３
０と、Ｘ軸移動部２８、Ｙ軸移動部２９およびＺ軸移動部３０を移動させるための移動機
構部３１とを備えている。そして、ダイクロイックミラー２５を挟んで集光レンズ２６と
反対側に位置する撮像部３２を備えている。

このような構成の照射機構部２１を制御するホストコンピュータ２２について、次に説
明する。ホストコンピュータ２２の制御部３５は、撮像部３２が撮像した画像情報を処理
する画像処理部３６と、レーザ光源２４の出力やパルス幅、パルス周期を制御するレーザ
制御部３７と、移動機構部３１を制御する移動制御部３８とを有している。また、ホスト
コンピュータ２２は、レーザ光２３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４３と、レーザ光２３による加工状態などの情報を表示する表示部４
２を有している。

そして、制御部３５は、入力部４３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）４１と、画像処理部３６、レーザ制御部３７、移動制御部
３８の制御用プログラムなどを記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）４０と、ＲＯＭ４
０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）３９とを有している。これら画像処理部３６、レーザ制御部３７、移動制御
部３８、ＣＰＵ３９、ＲＯＭ４０およびＲＡＭ４１は、バス４４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２０において、Ｘ軸移動部２８と、Ｙ軸移動部２９
と、Ｚ軸移動部３０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１へのレーザ光２３の集光点をＺ軸方向に移動させるＺ軸移動部３０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３８は、この位置センサの出力
を検出してレーザ光２３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３２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２６を透過して
焦点を結ぶ。水晶基板１の主面である表面２と表面２の反対側の表面とに、それぞれ焦点
を合わせるようにＺ軸移動部３０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１の厚みを計測することが可能である。

また、レーザ加工装置２０において、レーザ光源２４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２３をフェムト秒（１０^-15秒）のパルス幅で出
射可能なフェムト秒レーザである。集光レンズ２６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。

次に、レーザ加工装置２０が有するフェムト秒（１０^-15秒）のパルス幅のレーザ光２
３による水晶基板１への改質領域の形成について説明する。図４（ａ）は、パルス幅がピ
コ秒〜フェムト秒のレーザ光の照射状態を示すグラフであり、（ｂ）は、一般的なパルス
レーザのレーザ光の照射状態を示すグラフである。図５は、水晶基板内の集光点に形成さ
れた改質領域を示す断面図である。

水晶基板１に用いられる水晶は、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
、図４（ａ）に示すように、パルス幅△ｔ₂が極めて小さいフェムト秒（１０^-15秒）のレ
ーザ光２３を水晶内に集光させ、且つ、レーザ光２３のピーク強度Ｒを多光子吸収が生じ
るべき強度Ｐｓである１×１０⁸（Ｗ／ｃｍ²）以上に設定すると、極短時間にレーザ光２
３のエネルギが水晶に集中し、集光されたレーザ光２３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２３
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２３を集光させた水晶内部にのみ作用させるこ
とができ、水晶基板１の表面２には、影響を及ぼさない。多光子吸収が生じて加工された
水晶内部の領域が図５に示す改質領域５０であり、改質領域５０は、いわゆる屈折率変化
領域である。

また、図４（ｂ）に示すように、パルス幅△ｔ₁がピコ秒より長い例えばマイクロ秒（
１０^-6秒）のレーザ光２３を水晶内に集光させ、且つ、レーザ光の強度Ｐを多光子吸収が
生じるべき強度Ｐｓ以上のピーク強度Ｑに設定しても、水晶内に多光子吸収の現象が生じ
る。しかし、パルス幅△ｔ₁が図４（ａ）に示すフェムト秒レーザより長いため、△ｔ₁の
間に照射されたレーザ光２３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１へ与えてしまう。図４（ａ）に示すようにパル
ス幅△ｔ₂がフェムト秒のレーザ光２３を用いることにより、水晶基板１へダメージを与
えることなく、水晶基板１へ改質領域５０の形成が可能である。

この改質領域５０の形成について、図５を参照して説明する。集光レンズ２６で集光さ
れて水晶基板１へ出射された図４（ａ）に示すようなフェムト秒のレーザ光２３は、水晶
基板１の表面２で屈折して水晶基板１へ入射し、水晶基板１内部の集光点４５に集光する
。集光点４５では、多光子吸収によって改質領域５０が形成される。レーザ加工装置２０
を用い、パルス幅△ｔ₂を３００フェムト秒、ピーク強度Ｒを１×１０¹³（Ｗ／ｃｍ²）、
載置台２７の移動速度を５ｍｍ／秒とした条件下において、水晶基板１の厚さ方向の改質
領域長さｈは、集光点４５をほぼ中心に含んで約１００μｍである。また、水晶基板１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。

多光子吸収では、熱の発生をほとんど伴わないため、集光点４５近傍における水晶への
熱影響の範囲は、ピーク強度Ｒを１×１０¹³（Ｗ／ｃｍ²）のように高めに設定した上記
加工条件においても、およそ０．００５μｍ以下であり、水晶への熱影響はないといえる
。参考に、パルス幅がパルス幅△ｔ₁のように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。図５に示す状態において、Ｙ軸方向切断予定線５に沿ってＹ
軸移動部２９を相対移動させると、水晶基板１内に改質領域５０を連続して形成すること
が可能である。

ところで、多光子吸収による加工は、水晶など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２３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２３の発信する波長が限られているような場合、レーザ光２３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２３をできるだけ小さな領域に集光させることなどにより、レーザ強度を上げて
対応可能である。

次に、レーザ加工装置２０による水晶基板１の切断方法について詳細に説明する。図６
は、水晶基板の切断方法を示すフローチャートである。図７（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、また、（ｃ）は、レーザ走査３後の改質領域の形成状態を示す断面図である。そし
て、図８（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６に示すように、レーザ加工装置２０を用いた水晶基板１の切断方法は、まず、集光
レンズ２６と載置台２７に載置された水晶基板１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１の厚みを測定する水晶基板厚み測定工程と、により水晶基板１を
レーザ加工装置２０へ正しくセットする。次に、Ｚ軸移動部３０によりレーザ光２３の集
光点４５の位置を入射面である表面２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２８およびＹ軸移動部２９により水晶基板１を相対移動さ
せながら、Ｘ軸方向切断予定線４およびＹ軸方向切断予定線５に沿ってレーザ光２３を照
射するレーザ走査１工程（照射・走査工程）と、によって図７（ａ）に示す改質領域５０
ａを形成する。

同様に、Ｚ軸移動部３０によって集光点４５の位置を水晶基板１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２８およびＹ軸移動部２９により
水晶基板１を相対移動させながら、Ｘ軸方向切断予定線４およびＹ軸方向切断予定線５に
沿ってレーザ光２３を照射するレーザ走査２工程（照射・走査工程）と、Ｚ軸移動部３０
によりレーザ光２３の集光点４５の位置を入射面側へさらに移動調整する集光点位置調整
３工程（調整工程）と、Ｘ軸移動部２８およびＹ軸移動部２９により水晶基板１を相対移
動させながら、Ｘ軸方向切断予定線４およびＹ軸方向切断予定線５に沿ってレーザ光２３
を照射するレーザ走査３工程（照射・走査工程）と、によって図７（ｂ）に示す改質領域
５０ｂおよび図７（ｃ）に示す改質領域５０ｃをそれぞれ形成する。そして、図８に示す
ように、水晶基板１を切断する水晶基板切断工程において、水晶基板１が切断される。

これら図６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に
示した水晶基板１を、ＳＡＷパターン３が形成されている表面２と反対側の表面が載置台
２７に接するように載置する。そして、Ｘ軸方向切断予定線４がＸ軸に平行となるように
水晶基板１を位置決めする。また、移動制御部３８は、レーザ光２３の光軸が水晶基板１
のＸ軸方向切断予定線４またはＹ軸方向切断予定線５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２８およびＹ軸移動部２９を移動させる。この場合、水晶基板１
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３２によってこのアラ
イメントマークを認識し、画像処理部３６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１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１の厚みを測定するために、水晶基板１のレーザ光２
３の入射面である表面２と、表面２と反対側の表面とに、撮像部３２から出射される可視
光の焦点を合わせ、撮像部３２が捉えた映像を表示部４２に表示させる。可視光の焦点合
わせは、Ｚ軸移動部３０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２２を操作して行う。ホストコンピュータ２２は、Ｚ軸移動部３０の位置センサの
出力から水晶基板１の厚みを演算し、演算結果は、ホストコンピュータ２２のＲＡＭ４１
にＺ軸方向の座標として記憶される。この場合、水晶基板１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、撮像部３２が捉えた可視光の焦点の位置とレーザ光２３の集光
点４５とのＺ軸方向の位置関係、および、レーザ光２３による改質領域長さｈを、予めレ
ーザ光２３の照射予備試験の結果から求めてあり、データとしてホストコンピュータ２２
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１の厚みデータ（Ｚ軸
方向の座標）とに基づいて、図７（ａ）に示すように、移動制御部３８は、Ｚ軸移動部３
０を駆動して、改質領域５０の端部が表面２に対して反対側の表面に掛かるように、集光
点４５をＺ軸方向に移動させる。集光点４５の調整後、ステップＳ４へ進む。

ステップＳ４において、図７（ａ）に示すように、集光レンズ２６に対して水晶基板１
を相対移動させる。この図７（ａ）の場合、Ｙ軸方向切断予定線５に沿ってレーザ光２３
を照射して最初の改質領域５０ａを形成している。水晶基板１には、図１に示すように、
複数（４０個）のＳＡＷパターン３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４と、Ｙ軸方向の８本のＹ軸方向切断予定線５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３を改質領域５０ａで仕
切る。Ｘ軸方向切断予定線４およびＹ軸方向切断予定線５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２２は、このデータに基づいた制御信号を移動制
御部３８へ送り、移動制御部３８は、制御信号に基づいてＸ軸移動部２８とＹ軸移動部２
９を移動させることにより、水晶基板１を集光レンズ２６に対して相対移動させることが
可能である。レーザ光２３の照射に対応して水晶基板１を移動させる速度は、およそ５ｍ
ｍ／秒であり、形成される改質領域長さｈは、約１００μｍである。改質領域５０ａの形
成後、ステップＳ５へ進む。

ステップＳ５において、先のステップＳ３と同様にして、図７（ｂ）に示すように、移
動制御部３８は、Ｚ軸移動部３０を駆動してレーザ光２３の集光点４５の位置を表面２側
にずらす。このとき、ステップＳ５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１の厚み方向に連続するように集光点４５を調整する。集光
点４５の調整後、ステップＳ６に進む。

ステップＳ６において、先のステップＳ４と同様にして、集光レンズ２６に対して水晶
基板１を相対移動させる。図７（ｂ）は、Ｙ軸方向切断予定線５に沿ってレーザ光２３を
照射して、水晶基板１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１を、Ｘ軸方向の９本のＸ軸方向切断予定線４と、Ｙ軸方向の８本のＹ
軸方向切断予定線５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３を仕切るようにして改質領域５０ｂが形成される。厚み３
００μｍの水晶基板１に対して、合わせて２００μｍの改質領域５０ａ，５０ｂが厚み方
向に形成される。改質領域５０ｂの形成後、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、図７（ｃ）に示すように、移
動制御部３８は、Ｚ軸移動部３０を駆動してレーザ光２３の集光点４５の位置を、表面２
側へさらにずらす。このとき、ステップＳ７で形成される改質領域５０ｃが、既に形成さ
れた改質領域５０ｂに対し、水晶基板１の厚み方向に連続するように集光点４５を調整す
る。集光点４５の調整後、ステップＳ８に進む。

ステップＳ８において、先のステップＳ６と同様にして、集光レンズ２６に対して水晶
基板１を相対移動させ、水晶基板１に３番目の改質領域５０ｃを形成する。これにより、
図７（ｃ）に示すように、水晶基板１の厚み方向全面に、改質領域５０ａ，５０ｂ，５０
ｃが形成される。改質領域５０ｃの形成後、ステップＳ９に進む。

ステップＳ９において、水晶基板１をＸ軸方向切断予定線４およびＹ軸方向切断予定線
５に沿って切断する。図８（ａ）に示すように、ステップＳ４，ステップＳ６およびステ
ップＳ８によって、水晶基板１の厚み方向に連続して形成された改質領域５０ａ，５０ｂ
，５０ｃ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は、図８（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１の厚み方向に連続して形成されているため、改質領域５０
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９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１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
１を切断可能であるため、高い外形寸法精度のＳＡＷ共振片９が入手可能である。

以上説明した実施形態１の効果をまとめて記載する。

（１）パルス幅がフェムト秒（１０^-15秒）であるパルスレーザを用いることにより、
水晶基板１内に多光子吸収による改質領域５０が形成され、この改質領域５０に沿って水
晶基板１を容易に、且つ、切断屑をほとんど発生させずに切断可能である。従って、ダイ
シングソーのように幅広の切断幅を設定する必要がないため、水晶を切断屑として多量に
廃棄することがない。よって、水晶基板１から得られるＳＡＷ共振片９の数量を多く確保
可能である。

（２）フェムト秒パルスレーザのレーザ光２３を用いて、水晶基板１内に多光子吸収に
よって極めて短時間に改質領域５０が形成されるため、レーザ光２３が熱に変換されるこ
とがない。従って、水晶基板１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
１の切断による熱の影響を受けていないＳＡＷ共振片９を得ることが可能である。

（３）レーザ加工装置２０は、水晶基板１の基板厚を求める撮像部３２の焦点位置と、
レーザ光２３の集光点４５の位置との関係をデータとして記憶していて、水晶基板１内の
任意の位置へ集光点を設定可能である。従って、レーザ光２３の集光点４５を水晶基板１
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１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１であっても、改質領域５０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。

（４）水晶基板１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
微小幅であるため、水晶基板１の切断予定位置の近傍までＳＡＷパターン３を形成可能で
ある。水晶基板１上のほぼ全面にＳＡＷパターン３を無駄なく、多数形成することが可能
である。

（５）水晶基板１の厚みが１００μｍ以下の薄基板であれば、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５０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。
（実施形態２）

次に、本発明を具体化した実施形態２について説明する。図９は、実施形態２における
水晶基板の切断面の改質領域を示す断面図である。実施形態１との相違点は、水晶基板１
が、水晶５４を挟んで光透過材であるパイレックス（Ｒ）ガラス５５，５５を張り合わせ
た多層の水晶基板５３であることである。この水晶基板５３は、水晶５４の厚みが１００
μｍ、パイレックス（Ｒ）ガラス５５，５５の厚みがそれぞれ２００μｍであり、総厚５
００μｍである。

レーザ加工装置２０の設定条件は、実施形態１と同様に、パルス幅△ｔ₂を３００フェ
ムト秒、ピーク強度Ｒを１×１０¹³（Ｗ／ｃｍ²）、載置台２７の移動速度を５ｍｍ／秒
とすれば、水晶より光透過性の良いパイレックス（Ｒ）ガラス５５であっても、パイレッ
クス（Ｒ）ガラス５５の内部に改質領域５６の形成が可能である。水晶基板５３の場合は
、図９に示すように、５回のレーザ操作を実行して、改質領域５６ａ，５６ｂ，５６ｃ，
５６ｄ，５６ｅを形成している。

つまり、図６に示すフローチャートにおいて、ステップＳ８のあとに続けて、集光点位
置調整４、レーザ走査４、集光点位置調整５、レーザ走査５、の４工程を追加し、工程追
加したフローチャートに従って加工をすればよい。具体的には、レーザ走査１で改質領域
５６ａを形成し、レーザ走査２で改質領域５６ｂを形成し、以下同様に、改質領域５６ｅ
までを形成する。改質領域５６ａ，５６ｂ，５６ｃ，５６ｄ，５６ｅが形成された水晶基
板５３は、図８（ａ）に示すように、ＡまたはＢ方向に外部応力を加えることにより、図
８（ｂ）に示す改質領域５０に相当する改質領域５６に沿って、容易に切断可能である。

以下に、実施形態２の効果を記載する。

（１）フェムト秒レーザの照射により、水晶５４とパイレックス（Ｒ）ガラス５５との
複合材である多層の水晶基板５３であっても、それぞれの内部に改質領域５６を形成可能
である。この改質領域５６に沿って、水晶基板５３を容易に、且つ、高精度で切断可能で
ある。これにより、水晶５４とパイレックス（Ｒ）ガラス５５などのような光透過材とが
多層になった水晶基板５３の切断が、それぞれ同一のレーザ加工条件によって可能である
。

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）改質領域５０ａ，５０ｂ，５０ｃの形成時に、それぞれの改質領域長さｈ
の端部が重なり合うように、レーザ光２３の集光点４５を調整しても良い。こうすれば、
改質領域５０ａ，５０ｂ，５０ｃ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無く、水晶基板１の厚み方向全面に改質領域５０を確実に形成可
能である。これにより、図８に示す水晶基板１の切断がより確実で容易になる。

（変形例２）改質領域５０の形成順序は、改質領域５０ａから形成するのではなく、改
質領域５０ｃから形成しても良い。水晶基板１の厚み方向において載置台２７から遠い位
置である改質領域５０ｃから改質領域５０を形成すれば、加工の最後まで載置台２７に接
する水晶基板１の面が、改質領域５０で分断されないため、水晶基板１を安定して載置可
能である。また、改質領域５０ａと改質領域５０ｃのいずれかから形成し、最後に改質領
域５０ｂを形成する方法も実施可能である。

（変形例３）多層の水晶基板５３は、水晶５４とパイレックス（Ｒ）ガラス５５などの
光透過材とが張り合わされておらず、離反している状態のものであっても良い。水晶５４
と光透過材のそれぞれの位置に合わせてレーザ光２３の集光点４５を調整して改質領域５
６を形成すれば、張り合わせた場合と同様の切断効果が得られる。

（変形例４）水晶基板１に形成されている機能素子は、ＳＡＷパターン３に限らず、水
晶振動子用の音叉状、Ｈ型、Ｔ型などの電極であっても良い。また、多層の水晶基板５３
にも、水晶基板１と同様に、各種の機能素子が形成されていても良い。

（変形例５）照射機構部２１における、レーザ光２３の集光点４５位置の調整は、集光
レンズ２６側を固定し、水晶基板１側をＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に移動可能な構成であるが、水
晶基板１側を固定し、レーザ光源２４、ダイクロイックミラー２５、集光レンズ２６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２
０の設計の自由度が広げられる。

（変形例６）照射機構部２１のレーザ光源２４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レーザやエキシマ
レーザ等を用いることも可能である。

圧電材である水晶を利用する振動子やフィルタの需要は、増加の一途を辿っており、合
わせて小型化も急速に進んでいる。このような状況下において、振動子やフィルタなどを
ウエハ状の水晶基板から、無駄なく効率的に多数個切り出すことが急務である。本発明は
、フェムト秒レーザを用いることにより、脆性な水晶基板１であっても内部に改質領域を
形成でき、この改質領域に沿って切断することにより、切断屑がほとんど出ず、また、切
断された形状精度が良好な切断方法である。水晶に限らず、光透過性の材料等に対して利
用範囲の広い有効な切断方法である。

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。 ＳＡＷ共振片を示す平面図。 レーザ加工装置の構成を示すブロック図。 （ａ）一般的なパルスレーザのレーザ光の照射状態を示すグラフ。（ｂ）パルス幅がピコ秒〜フェムト秒のレーザ光の照射状態を示すグラフ。 水晶基板内の集光点に形成された改質領域を示す断面図。 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。（ｃ）レーザ走査３後の改質領域の形成状態を示す断面図。 （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。 実施形態２における水晶基板の切断面の改質領域を示す断面図。

符号の説明

１…水晶基板、３…ＳＡＷパターン、４…切断予定位置としてのＸ軸方向切断予定線、
５…切断予定位置としてのＹ軸方向切断予定線、９…ＳＡＷ共振片、１０…水晶片、２０
…レーザ加工装置、２１…照射機構部、２２…ホストコンピュータ、２３…レーザ光、２
４…レーザ光源、２６…集光レンズ、２７…載置台、３１…移動機構部、３２…撮像部、
３５…制御部、３６…画像処理部、３７…レーザ制御部、３８…移動制御部、４５…集光
点、５０ａ，５０ｂ，５０ｃ…改質領域、５３…水晶基板、５４…水晶、５５…光透過材
としてのパイレックス（Ｒ）ガラス、５６ａ，５６ｂ，５６ｃ，５６ｄ，５６ｅ…改質領
域、Ａ…曲げ応力、Ｂ…引っ張り応力、ｈ…改質領域長さ、Ｐ…レーザ光の強度、Ｑ、Ｒ
…ピーク強度。

Claims (6)

1. 複数の機能素子が表面に形成されている水晶基板をレーザ光によって前記水晶基板の切
   断予定位置に沿うように切断する水晶基板の切断方法であって、
   前記レーザ光の集光点が前記切断予定位置の前記水晶基板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、
   前記切断予定位置における前記水晶基板の厚さ方向に多光子吸収による改質領域を形成
   するために、前記レーザ光をピコ秒からフェムト秒の範囲のパルス幅で照射する照射工程
   と、
   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、前記水晶基板と前記レ
   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
   する水晶基板の切断方法。
2. 請求項１に記載の水晶基板の切断方法において、
   前記調整工程は、前記水晶基板における前記レーザ光の入射面と前記入射面と反対側の
   表面の位置とを測定して、前記水晶基板の基板厚を測定する測定工程を含んでいることを
   特徴とする水晶基板の切断方法。
3. 請求項１または２に記載の水晶基板の切断方法において、
   前記走査工程は、前記集光点を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
   を特徴とする水晶基板の切断方法。
4. 水晶と光透過材とが多層に形成された水晶基板をレーザ光によって前記水晶基板の切断
   予定位置に沿うように切断する水晶基板の切断方法であって、
   前記レーザ光の集光点が前記切断予定位置の前記水晶内部または前記光透過材内部とな
   るように前記集光点の位置を調整する調整工程と、
   前記切断予定位置における前記水晶および前記光透過材の厚さ方向に多光子吸収による
   改質領域を形成するために、前記レーザ光をピコ秒からフェムト秒の範囲のパルス幅で照
   射する照射工程と、
   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、前記水晶基板と前記レ
   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
   する水晶基板の切断方法。
5. 請求項４に記載の水晶基板の切断方法において、
   前記調整工程は、前記水晶基板における前記レーザ光の入射面と前記入射面と反対側の
   表面の位置とを測定して前記水晶基板の基板厚を測定する測定工程を含んでいることを特
   徴とする水晶基板の切断方法。
6. 請求項４または５に記載の水晶基板の切断方法において、
   前記走査工程は、前記集光点を前記水晶および前記光透過材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水晶基板の切断方法。