JP2007167875A - レーザ内部スクライブ方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン基板やガラス基板等の加工対象物の内部にパルス幅がピコ秒からフェムト秒の範囲のレーザ光を集光して、加工対象物の分割が容易に行えると共に、短時間に分割が可能なレーザ内部スクライブ方法を提供する。
【解決手段】石英ガラス基板１の内部に集光点５０を合わせて、パルス幅がピコ秒からフェムト秒の範囲のレーザ光ＬＢが照射され、レーザ光ＬＢに対して石英ガラス基板１を分割予定線に沿って相対移動し、石英ガラス基板１の内部に、多光子吸収による改質領域５１が、石英ガラス基板１の表面２，３に対して斜めに形成される。
【選択図】図８

Description

本発明は、シリコン基板やガラス基板等の加工対象物の分割に用いられるレーザ加工方法に関し、特に加工対象物の内部にレーザ光を集光して分割するレーザ内部スクライブ方法に関する。

従来、シリコン基板やガラス基板等の加工対象物を分割するために、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切断する方法が用いられている。この切断方法は、切断される切断幅が広く不効率であると共に、洗浄水や研削液が使用されるために、濡れによる不具合を伴う電子デバイス等が形成された加工対象物には不向きであった。こうした課題に対応するために、近年は、レーザ光を応用した加工方法が用いられるようになってきた。
例えば、加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射し、加工対象物の分割予定線に沿って加工対象物の内部に多光子吸収による改質領域を形成するレーザ加工方法が提案されている（特許文献１参照）。

特開２００２−１９２３７０号公報

加工対象物の内部にレーザ光を集光して分割する加工方法、すなわちレーザ内部スクライブ方法は、加工対象物の内部にレーザ光が照射されて形成される改質領域に沿って分割される。並設される改質領域の間隔は、狭いほど分割がし易く、改質領域が近接して形成されるのが望ましい。多数の改質領域を近接して形成するのには、多大な加工時間を必要とする。

本発明は、上記問題を解決するために、シリコン基板やガラス基板等の加工対象物の内部にレーザ光を集光して、加工対象物の分割が容易に行えると共に、短時間に分割が可能なレーザ内部スクライブ方法を提供することを目的とする。

本発明のレーザ内部スクライブ方法は、加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射し、前記レーザ光に対して前記加工対象物を分割予定線に沿って相対移動し、前記加工対象物の内部に多光子吸収による改質領域を形成するレーザ内部スクライブ方法であって、前記加工対象物の内部にパルス幅がピコ秒からフェムト秒の範囲の前記レーザ光が照射され、前記改質領域が、前記加工対象物の厚さ方向に対して斜めに形成されることを特徴とする。

このスクライブ方法によれば、加工対象物の内部に集光点を合わせて、パルス幅がピコ秒からフェムト秒の範囲のレーザ光が照射されることにより、加工対象物の内部に、多光子吸収による直径０．５μｍ程度、長さ３００μｍ程度の中空状の加工痕を含む改質領域が形成される。レーザ光に対して加工対象物を分割予定線に沿って相対移動し、改質領域が加工対象物の厚さ方向に対して斜めに形成されることにより、曲げ応力または引っ張り応力等の微少の外部応力を加えることで、中空状の加工痕を起点として分割予定線に沿った位置で、加工対象物を容易に分離することができる。また、分割予定線に沿った改質領域の幅は、数μｍ程度の微小幅であるため、外形寸法精度の良好な分割が可能となる。

また、本発明のレーザ内部スクライブ方法は、前記加工対象物の厚さ方向に対して斜めに形成された改質領域は、前記加工対象物の表面に対して斜め方向に向かって並設されることを特徴とする。
このスクライブ方法によれば、レーザ光に対して加工対象物を分割予定線に沿って相対移動し、改質領域が加工対象物の厚さ方向の内部に、加工対象物の表面に対して斜め方向に向かって並設されることにより、加工対象物の厚みに応じた多層の改質領域を一度に連続的に形成することが可能となり、加工対象物を短時間に分割することができる。また、曲げ応力または引っ張り応力等の微少の外部応力を加えことにより、中空状の加工痕を起点として、分割予定線に沿った位置で加工対象物を容易に、良好な寸法精度で分離することができる。

また、本発明のレーザ内部スクライブ方法は、前記加工対象物の厚さ方向に対して斜めに形成された改質領域は、前記改質領域そのものが前記加工対象物の表面に対して斜めに形成され、前記加工対象物の厚さ方向に並設されることを特徴とする。
このスクライブ方法によれば、レーザ光に対して加工対象物を分割予定線に沿って相対移動し、改質領域が加工対象物の厚さ方向の内部に、改質領域そのものが、加工対象物の表面に対して斜めに形成され、加工対象物の厚さ方向に並設されることにより、加工対象物の厚みに応じた多層の改質領域を一度に連続的に形成することが可能となり、加工対象物を短時間に分割することができる。また、曲げ応力または引っ張り応力等の微少の外部応力を加えることにより、中空状の加工痕を起点として、分割予定線に沿った位置で加工対象物を容易に、良好な寸法精度で分離することができる。

また、本発明のレーザ内部スクライブ方法は、加工対象物の内部にパルス幅がピコ秒からフェムト秒の範囲のレーザ光を照射し、前記レーザ光に対して前記加工対象物を分割予定線に沿って相対移動し、前記加工対象物の内部に多光子吸収による改質領域を形成するレーザ内部スクライブ方法であって、前記レーザ光の集光点が前記分割予定線に沿う前記加工対象物の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、前記加工対象物の厚さ方向の内部に前記レーザ光を照射し、前記レーザ光の照射に同期して前記加工対象物が前記レーザ光に対して相対移動し、多数の前記改質領域が前記加工対象物の厚さ方向に対して斜めに形成されるレーザ照射・走査工程と、を有することを特徴とする。

このスクライブ方法によれば、加工対象物の厚さ方向の内部に、パルス幅がピコ秒からフェムト秒の範囲のレーザ光を照射し、レーザ光の照射に同期して前記加工対象物が前記レーザ光に対して相対移動し、多数の改質領域が加工対象物の厚さ方向に対して斜めに形成されることにより、加工対象物の内部に、多光子吸収による直径０．５μｍ程度、長さ３００μｍ程度の中空状の加工痕を含む改質領域が、加工対象物の厚みに応じた連続的な多層に、一度に形成することが可能となり、加工対象物を短時間に分割することができる。また、曲げ応力又は引っ張り応力等の微少の外部応力を加えることにより、中空状の加工痕を起点として分割予定線に沿った位置で加工対象物を容易に、良好な寸法精度で分離することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。本実施形態は、加工対象物として石英ガラス基板を例にして説明する。なお、以下に示す各図面においては、説明の便宜のために各構成要素の寸法や比率を実際のものとは異ならせてある。
図１（ａ）はレーザ内部スクライブ方法の概要を示す石英ガラス基板の平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。図２（ａ）はレーザ内部スクライブされた石英ガラス基板の分離方法を示す断面図であり、図２（ｂ）は分割予定線に沿って分離された石英ガラス基板の状態を示す断面図である。

図１（ａ）において、レーザ内部スクライブは、パルスレーザ光ＬＢ（以後、レーザ光ＬＢと表す）が、加工対象物としての石英ガラス基板１の一方の表面２のＹ軸方向に一直線状に延びた分割予定線１０（二点鎖線で示す仮想線）に沿って相対移動しながら、石英ガラス基板１の表面２側から内部に向かって照射される。

照射されたレーザ光ＬＢは、図１（ｂ）に示すように、石英ガラス基板１の表面２で屈折して石英ガラス基板１の内部へ入射し、石英ガラス基板１の内部の集光点５０に集光する。集光点５０では、多光子吸収によって改質領域５１が形成される。改質領域５１は、集光点５０における性質（屈折率、透過率、光吸収率、結晶性等）が母材と異なる状態に変態した変質領域である。

石英ガラス基板１とレーザ光ＬＢは、加工対象物の厚みに応じて、加工対象物の厚み方向に繰り返し相対移動され、石英ガラス基板１の分割予定線１０に沿う厚み方向（表面２と表面３との間）の内部に、多層の改質領域５１が並設され連続的に形成される。

分割予定線１０に沿う厚み方向の内部に多層の改質領域５１が形成された石英ガラス基板１は、図２（ａ）に示すように、分割予定線１０に沿う厚み方向に対して、比較的小さな曲げ応力Ａ、又は引っ張り応力Ｂ等の外部応力を加えることにより、図２（ｂ）に示すように、石英ガラス基板１は、分割予定線１０に沿って分離することができる。

レーザ光ＬＢとして可視領域のレーザ光を用いた場合には、レーザ光が石英ガラス基板１の母材である石英に吸収されずに透過してしまうため、石英ガラス基板１を分割するのが困難である。また、ピコ秒（１０^-12秒）以上のパルス幅の長いレーザ光を用いた場合には、レーザ光が石英に吸収されて熱エネルギーに変換され、石英ガラス基板１を溶融、飛散させることがある。

パルス幅が極めて小さいピコ秒からフェムト秒（１０^-15秒）の範囲のパルスレーザ光ＬＢを、石英ガラス基板１の内部に集光させることにより、極短時間にレーザ光ＬＢのエネルギーが石英に集中し、集光されたレーザ光ＬＢの多数の光子が、石英の電子との相互作用で吸収される。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ＬＢのエネルギーが熱に変換される前に、極短時間の間に行われ、熱の発生をほとんど伴わない。また、多光子吸収は、レーザ光ＬＢを集光させた石英ガラス基板１の内部のみに作用させることができ、石英ガラス基板１の表面２，３には、影響を及ぼさない。

ここで実験的に、フェムト秒レーザの光源を用いて、石英ガラス基板１に対してレーザ内部スクライブを行った。レーザ内部スクライブは、後述するレーザ加工装置２０を用い、石英ガラス基板１の表面２側から内部に向かってレーザ光ＬＢを照射し、分割予定線１０に沿って相対移動させた。そして、分割予定線１０に沿って分割された石英ガラス基板１の分割面の観察を行った。
実験は、開口数０．８の集光レンズを用い、波長８００ｎｍ、パルス幅３００ｆｓ（フェムト秒）、出力７００ｍＷ、繰り返し率１ｋＨｚのフェムト秒レーザを、走査速度２０ｍｍ／ｓｅｃで相対移動して行った。

その結果、フェムト秒レーザが集光されたレーザ光ＬＢにより、石英ガラス基板１の内部に、直径０．５μｍ程度、長さ３００μｍ程度の中空状の加工痕が確認された。また、レーザ光ＬＢの照射により影響が出る範囲としては少なくとも２μｍ程度以上であることが確認できた。

図３および図４に、この実験における加工痕の撮影画像を示す。なお、画像の撮影は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）を用いて行った。
図３は、レーザ内部スクライブされた石英ガラス基板の分割面のＳＥＭ撮影画像であり、（ａ）は１０００倍における画像を示し、（ｂ）は１００００倍における画像を示す。図４は、石英ガラス基板の分割面を直交する方向にカットしたカット面を斜視した３０００倍におけるＳＥＭ撮影画像である。なお、図４に示す石英ガラス基板には、分割面の明瞭な観察を行う目的で、レーザ内部スクライブされた分割面に無機物の層が塗布されている。

図３（ａ），（ｂ）において、紙面の上下方向に延伸する縦線ａおよび縦幅線ｂが、レーザ光ＬＢにより形成された中空状の加工痕である。
図４において、紙面の上下方向の略中央部から上方向がレーザ内部スクライブされた分割面であり、略中央部から下方向がカット面を示している。この分割面の上下方向に延伸する縦幅線ｃが中空状の加工痕であり、分割面から石英ガラス基板１の内部（カット面）に延伸するクラックｄが観察される。このクラックｄの先端は、分割面から略２μｍの深さであり、レーザ光ＬＢの照射により影響が出る範囲が、少なくとも２μｍ程度以上であると考えられる。
したがって、前記改質領域５１は、加工痕を略中心として、加工痕の周縁方向に少なくとも２μｍ程度以上の広さを有すると推測される。

本発明のレーザ内部スクライブ方法は、このように加工対象物としての石英ガラス基板１の内部にレーザ光ＬＢを集光して形成される中空状の加工痕を含む改質領域５１が、分割予定線１０に沿って、石英ガラス基板１の厚み方向（表面２と表面３の間）の内部に、表面２，３に対して斜めに形成されて、石英ガラス基板１を分割する加工方法である。

石英ガラス基板１の厚み方向に、石英ガラス基板１の表面２，３に対して斜めに形成される改質領域５１は、図５（ａ）および図５（ｂ）に示す２つの場合を含む。
図５（ａ）は、斜めの改質領域が形成された石英ガラス基板の分割面の模式図であり、図５（ｂ）は、別の斜めの改質領域が形成された石英ガラス基板の分割面の模式図である。なお、図５（ａ），（ｂ）、および図５以後に示す石英ガラス基板の分割面の模式図において、中空状の加工痕を含む改質領域５１を、楕円形状で示す。

図５（ａ）において、分割予定線１０に沿って、石英ガラス基板１の厚み（表面２と表面３の間）方向の内部に形成された各改質領域５１は、表面２，３に直交する方向に形成され、形成された多数の改質領域５１が、石英ガラス基板１の表面２，３に対して斜め方向に向かって並設されている。本実施形態において、こうした多数の改質領域５１が表面２，３に対して斜め方向に向かって並設される方法を、改質領域斜方積み上げ法と称する。

図５（ｂ）において、分割予定線１０に沿って、石英ガラス基板１の厚み（表面２と表面３の間）方向の内部に形成された改質領域５１は、各改質領域５１そのものが石英ガラス基板１の表面２，３に対して斜めに形成されている。本実施形態において、改質領域５１そのものが、表面２，３に対して斜めに形成されたものを、斜め改質領域５１と称する。

斜め改質領域５１は、改質領域５１そのものが石英ガラス基板１の厚み方向に、石英ガラス基板１の表面２，３に対して斜めに形成される。各斜め改質領域５１は、石英ガラス基板１の内部に照射されるレーザ光ＬＢを、入射する表面２に対して傾けて入射することにより形成される。石英ガラス基板１の内部にレーザ光ＬＢを傾けて入射すると、石英ガラス基板１の内部に形成される改質領域５１が、表面２，３に対して斜めに形成される。

レーザ光ＬＢを石英ガラス基板１の表面２に対して傾けて入射する方法としては、石英ガラス基板１をレーザ光ＬＢの光軸に対して傾ける方法、あるいは、レーザ光ＬＢの光軸を石英ガラス基板１に対して傾ける方法を用いることができる。
斜め改質領域５１の傾きは、レーザ光ＬＢの光軸と石英ガラス基板１との相対的な傾き角度によって決定されるので、分割予定線１０に沿って分割した際の石英ガラス基板１の断面における面形状は、この傾き角度によって調節することができる。なお、分割される石英ガラス基板１の表面２，３に対する傾き角度は、±４５°の範囲において適宜、選択することができる。

なお、斜めに形成される改質領域５１は、これらの２つの形態を組み合わせた場合であっても良く、その一例を図６（ａ）〜（ｄ）に示す。
図６（ａ）〜（ｄ）は、斜めの改質領域５１が形成された石英ガラス基板１の分割面の模式図である。なお、各図に示す石英ガラス基板１の分割面の右側に、形成される各改質領域５１の方向を参考に示す。また、各図中に示す多数の改質領域５１は、斜めの形成形態を示すための模式図であり、改質領域５１が形成された間隔等は、実際とは異なる。

図６（ａ）において、石英ガラス基板１の厚み方向の内部には、表面２，３に対して角度が略４５°傾いた斜め改質領域５１ａと、表面２，３に対して角度が略−４５°傾いた斜め改質領域５１ｂとが、表面２，３に略直交する厚み方向に向かって交互に並設されている。

図６（ｂ）において、石英ガラス基板１の厚み方向の内部には、表面２，３に対して角度が略４５°傾いた斜め改質領域５１ａと、改質領域５１ａの略同一位置に表面２，３に対して角度が略−４５°傾いた斜め改質領域５１ｂとが交差して形成され、表面２，３に略直交する厚み方向に向かって並設されている。

図６（ｃ）において、石英ガラス基板１の厚み方向の内部には、表面２，３に対して角度が略−４５°傾いた斜め改質領域５１ｂが、表面３の側から、表面２，３に対して角度が略−４５°傾いた斜めの方向に向かって並設されている。

図６（ｄ）において、石英ガラス基板１の厚み方向の内部には、表面３の側から表面２に略直交する方向に形成された改質領域５１ｃと、表面２，３に対して角度が略−４５°傾いた斜め改質領域５１ｂが、表面３の側から表面２に略直交する方向に向かって、表面３側から、改質領域５１ｃ、改質領域５１ｂ、改質領域５１ｂ，改質領域５１ｃの順に並設されている。

なお、石英ガラス基板１の厚み方向の内部に斜めに並設して形成される各改質領域５１（５１ａ〜５１ｃ）は、図５（ａ）に示すように、分割予定線１０に沿う分割面を、表面２，３に略直交する面を側面視した際に、隣り合う改質領域５１の重なり量αが０（ゼロ）以上に形成される。すなわち、各改質領域５１は、石英ガラス基板１の厚み方向の内部に連続的に形成される。

これにより、石英ガラス基板１は、曲げ応力、または引っ張り応力等の外部応力を加えることにより、分割予定線１０に沿った位置で分離することができる（図２参照）。分割予定線１０に沿った分離は、石英ガラス基板１の厚み方向の内部に連続的に形成された多数の改質領域５１に、中空状の加工痕が形成されていることで、中空状の加工痕を起点として、容易に分離することができる。また、石英ガラス基板１の分割予定線１０に沿った改質領域５１の幅は、数μｍ程度の微小幅であるため、外形寸法精度の良好な分割が可能である。

次に、石英ガラス基板１のレーザ内部スクライブ方法について説明する。
先ず、レーザ内部スクライブに用いられるレーザ加工装置について説明する。図７は、レーザ加工装置の構成を示すブロック図である。

図７において、レーザ加工装置２０は、加工対象物としての石英ガラス基板１へ向かってレーザ光ＬＢを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、レーザ光源２４、ダイクロイックミラー２５、集光レンズ２６、移動機構部２７、撮像部２８を備えている。

レーザ光源２４は、チタンサファイアの固体光源からなり、フェムト秒（１０^-15秒）のパルス幅のレーザ光ＬＢを出射するフェムト秒レーザである。
ダイクロイックミラー２５は、レーザ光源２４から射出されたレーザ光ＬＢを集光レンズ２６に向かって反射する。
集光レンズ２６は、例えば、倍率１００倍、開口数（ＮＡ：Numerical Aperture）０．８、ＷＤ（Working Distance）３ｍｍの対物レンズからなり、ダイクロイックミラー２５が反射したレーザ光ＬＢを集光する。

移動機構部２７は、石英ガラス基板１を載置する載置台２９、傾斜装置３０、Ｘ軸移動部３１、Ｙ軸移動部３２、Ｚ軸移動部３３を備えている。
傾斜装置３０、Ｘ軸移動部３１ならびにＹ軸移動部３２、Ｚ軸移動部３３は、それぞれ図示しないサーボモータによって駆動され、石英ガラス基板１を載置した載置台２９を、集光レンズ２６に対して相対移動する機能を有する。

傾斜装置３０は、任意方向に傾斜可能な球面受座を備え、載置台２９をレーザ光ＬＢの光軸に対して傾ける機能を有する。Ｘ軸移動部３１は、載置台２９をレーザ光ＬＢの光軸と直交する平面内でＸ軸方向へ相対移動する機能を有する。Ｙ軸移動部３２は、載置台２９をレーザ光ＬＢの光軸と直交する平面内でＹ軸方向へ相対移動する機能を有する。

Ｚ軸移動部３３は、載置台２９をＸ軸およびＹ軸方向に直交するＺ軸方向へ移動して、レーザ光ＬＢの集光点の位置を、載置台２９に載置される石英ガラス基板１の厚み方向に相対移動する機能を有する。また、Ｚ軸移動部３３には、Ｘ軸およびＹ軸方向に直交するＺ軸方向の移動位置を検出する位置センサ（図示せず）が配設されている。

撮像部２８は、可視光を出射する光源と、ＣＣＤ（Charge Coupled Device：固体撮像素子）を備え（いずれも図示せず）、ダイクロイックミラー２５を挟んで集光レンズ２６と反対側に配置されている。
撮像部２８の光源は、前記集光レンズ２６に向かって可視光を出射し、集光レンズ２６を透過して焦点を結ぶ。したがって、前記Ｚ軸移動部３３をＺ軸方向に移動して、石英ガラス基板１の一方の面である表面２と、他方の面である表面３とに、それぞれ焦点を合わせることにより、Ｚ軸移動部３３に配設された位置センサが、移動した各焦点の位置を検出することができる。

このように構成された照射機構部２１は、ホストコンピュータ２２に制御される。ホストコンピュータ２２は、制御部３５、表示部４２、入力部４３を備えている。
制御部３５は、撮像部２８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２７（傾斜装置３０、Ｘ軸移動部３１、Ｙ軸移動部３２およびＺ軸移動部３３）を制御する移動制御部３８とを有している。

また、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ＲＡＭ（Random Access Memory）３９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格納するＲＯＭ（Read Only Memory）４０と、ＲＯＭ４０に格納された制御プログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）４１とを有している。画像処理部３６、レーザ制御部３７、移動制御部３８、ＣＰＵ４１、ＲＯＭ４０およびＲＡＭ３９は、バス４４を介して相互に接続されている。

入力部４３は、レーザ光ＬＢによるレーザ内部スクライブ加工の際に用いられる各種加工条件等のデータを入力する入力手段である。表示部４２は、レーザ光ＬＢによる加工状態などの情報を表示する表示手段である。

次に、レーザ加工装置２０を用いた石英ガラス基板１のレーザ内部スクライブ方法を説明する。
先ず、レーザ内部スクライブにより分割される石英ガラス基板１がレーザ加工装置２０の載置台２９に載置される。そして、載置台２９に載置された石英ガラス基板１と集光レンズ２６とを相対的に位置決めする位置決め工程と、石英ガラス基板１の表面２，３の厚み方向の位置を検出する位置検出工程と、レーザ光ＬＢの集光点５０の位置を石英ガラス基板１内部に調節する集光点位置調節工程と、分割予定線１０に沿ってレーザ光ＬＢを照射し、Ｘ軸移動部３１、Ｙ軸移動部３２、Ｚ軸移動部３３により石英ガラス基板１の表面２，３に沿う方向および厚み方向に相対移動するレーザ照射・走査工程とによって、分割予定線１０に沿った石英ガラス基板１の内部に、多数の改質領域５１が形成される。

石英ガラス基板１のレーザ加工装置２０の載置台２９への載置は、表面３を載置台２９側にして、表面３が載置台２９に接するように載置される。
位置決め工程は、石英ガラス基板１の分割予定線１０がＹ軸移動部３２のＹ軸移動方向に平行に、且つレーザ光ＬＢの光軸が石英ガラス基板１の分割予定線１０の線上に位置するように、Ｘ軸移動部３１およびＹ軸移動部３２が、移動制御部３８の制御信号に基づいて各サーボモータが駆動され、各移動方向に移動して、石英ガラス基板１と集光レンズ２６とが相対的に位置決めされる。

Ｘ軸移動部３１およびＹ軸移動部３２の移動する位置は、撮像部２８が集光レンズ２６を介して、石英ガラス基板１の表面２に形成された位置決め用のアライメントマーク等を認識し、制御部３５の画像処理部３６に取り込まれたアライメントマークの画像データに基づいて、制御部３５において移動する座標が演算されて決められる。

位置検出工程は、移動制御部３８の制御信号に基づいてＺ軸移動部３３が石英ガラス基板１の表面２，３の厚み方向移動して、撮像部２８が集光レンズ２６を介して、石英ガラス基板１の表面３および表面２の厚み方向の位置が検出される。検出された表面３および表面２の厚み方向の位置情報は、画像処理部３６を介して制御部３５に出力される。

集光点位置調節工程は、位置検出工程から入力された表面３の位置情報に基づいた移動制御部３８の制御信号によって、Ｚ軸移動部３３が石英ガラス基板１の表面３に向かう−Ｚ軸方向に移動して、集光レンズ２６によるレーザ光ＬＢの集光点５０の位置が、石英ガラス基板１の内部に調節される。レーザ光ＬＢの集光点５０の位置は、レーザ光ＬＢが照射されて形成される改質領域５１が、石英ガラス基板１の表面３に露出せずに、表面３にできる限り近い位置に設定される。

レーザ照射・走査工程は、石英ガラス基板１の分割予定線１０に沿ってレーザ光ＬＢを照射し、レーザ光ＬＢの照射タイミングに同期して石英ガラス基板１をレーザ光ＬＢ（集光レンズ２６）に対して相対移動する。
レーザ照射・走査工程の３つの具体例を説明する。なお、以下に説明する何れの具体例も、石英ガラス基板１の分割予定線１０がＹ軸移動部３２のＹ軸移動方向に平行に位置決めされ、石英ガラス基板１の表面２，３に直交する方向に形成された改質領域５１が、分割予定線１０に沿って、表面２，３に対して斜め方向に向かって並設された改質領域斜方積み上げ法の場合で説明する。

（改質領域斜方積み上げ法１）
図８（ａ）〜（ｅ）は、レーザ照射・走査工程における改質領域の形成の態様を示す石英ガラス基板の模式断面図である。なお、同図（ｂ）〜（ｅ）には、載置台２９に載置された石英ガラス基板１の走査（相対移動）される状態を明瞭にするために、集光点位置調節された石英ガラス基板１の位置を二点鎖線で示す。

図８（ａ）において、載置台２９に載置され、位置決め、位置検出および集光点位置調節が順次行われた石英ガラス基板１は、集光レンズ２６を介して石英ガラス基板１の内部にレーザ光ＬＢが照射される。１発目のパルスが照射されたレーザ光ＬＢは、集光レンズ２６の集光点５０に集光する。集光点５０は、石英ガラス基板１の厚み方向の１層目に位置し、集光点５０では、多光子吸収によって改質領域５１が形成される。

そして、１層目の改質領域５１が形成された石英ガラス基板１は、図８（ｂ）に示すように、レーザ光ＬＢの照射タイミングに同期しながら分割予定線１０に沿って、Ｚ軸移動部３３が集光レンズ２６に対して−Ｚ軸方向に所定ピッチ相対移動すると共に、Ｙ軸移動部３２が−Ｙ軸方向に所定ピッチ相対移動して、２発目のパルスで、１層目に形成された改質領域５１の表面３に対する斜め上方向に、２層目の改質領域５１が形成される。

そして、図８（ｃ）に示すように、前記２層目に形成された改質領域５１と同様に、レーザ光ＬＢの照射タイミングに同期しながら分割予定線１０に沿って、Ｚ軸移動部３３が集光レンズ２６に対して−Ｚ軸方向に所定ピッチ相対移動すると共に、Ｙ軸移動部３２が−Ｙ軸方向に所定ピッチ相対移動して、３発目のパルスで、２層目に形成された改質領域５１の表面３に対する斜め上方向に、３層目の改質領域５１が形成される。

そして、図８（ｄ）に示すように、レーザ光ＬＢの照射タイミングに同期して、分割予定線１０に沿ってＺ軸移動部３３が集光レンズ２６に対してＺ軸方向に、所定ピッチの２ピッチ分相対移動すると共に、Ｙ軸移動部３２が−Ｙ軸方向に所定ピッチ相対移動して、４発目のパルスで、１層目の厚み方向の位置に改質領域５１が形成される。

そして、図８（ｅ）に示すように、前記２層目に形成された改質領域５１と同様に、レーザ光ＬＢの照射タイミングに同期して、Ｚ軸移動部３３が分割予定線１０に沿って集光レンズ２６に対して−Ｚ軸方向に所定ピッチ相対移動すると共に、Ｙ軸移動部３２が−Ｙ軸方向に所定ピッチ相対移動して、５発目のパルスで、４発目のパルスで形成された改質領域５１の表面３に対する斜め上方向の２層目の厚み方向の位置に、改質領域５１が形成される。

こうした石英ガラス基板１の内部に照射するレーザ光ＬＢの照射タイミングに同期して、Ｚ軸移動部３３、Ｙ軸移動部３２の相対移動が、分割される加工対象物の厚みに応じたパス数繰り返されて、分割予定線１０に沿った石英ガラス基板１の内部の全域に、表面２，３に対して斜め方向に向かって並設された多数の改質領域５１が、連続的に形成される。

なお、石英ガラス基板１の表面２，３に対して斜め方向に向かって並設される改質領域５１の傾きは、集光レンズ２６の集光点５０位置に対する石英ガラス基板１の走査方向と走査速度とで決まる。
また、相対移動により形成される改質領域５１の層数は、３層の場合で説明したが、レーザ光ＬＢの１発目のパルスが照射された以後、加工対象物の厚み方向の内部に、加工対象物の厚みに応じた多層の改質領域５１を一度に形成しても良い。

この改質領域５１の形成は、例えば、開口数０．８の集光レンズ２６を用い、波長８００ｎｍ、パルス幅３００ｆｓ（フェムト秒）、出力７００ｍＷ、繰り返し率１ｋＨｚのフェムト秒レーザを、走査速度２０ｍｍ／ｓｅｃ、すなわち、レーザ光ＬＢのレーザ照射間隔が２０μｍで加工することができる。

（改質領域斜方積み上げ法２）
図９（ａ）〜（ｃ）は、レーザ照射・走査工程における別の改質領域の形成の態様を示す石英ガラス基板の模式断面図である。なお、同図（ｂ），（ｃ）には、載置台２９に載置された石英ガラス基板１の移動される状態を明瞭にするために、集光点位置調節された石英ガラス基板１の位置を二点鎖線で示す。

図９（ａ）において、載置台２９に載置され、位置決め、位置検出および集光点位置調節が順次行われた石英ガラス基板１は、集光レンズ２６を介して石英ガラス基板１の内部にレーザ光ＬＢが照射される。１発目のパルスが照射されたレーザ光ＬＢは、集光レンズ２６の集光点５０に集光する。集光点５０は、石英ガラス基板１の厚み方向の１層目に位置し、多光子吸収によって、１発目の改質領域５１が形成される。
１発目の改質領域５１が形成された石英ガラス基板１は、レーザ光ＬＢの照射タイミングに同期して、Ｙ軸移動部３２が分割予定線１０に沿って、−Ｙ軸方向に所定ピッチ相対移動し、石英ガラス基板１の表面３に沿う方向の１層目に、二点鎖線の楕円形で示す複数の改質領域５１が形成される。

そして、１層目に複数の改質領域５１が形成された石英ガラス基板１は、図９（ｂ）に示すように、レーザ光ＬＢの照射タイミングに同期し、Ｚ軸移動部３３が分割予定線１０に沿って、集光レンズ２６に対して−Ｚ軸方向に所定ピッチ相対移動すると共に、Ｙ軸移動部３２が−Ｙ軸方向に所定ピッチ相対移動して、１層目の１発目に形成された改質領域５１の表面３に対する斜め上方向に、２層目の最初の改質領域５１が形成される。
２層目の最初の改質領域５１が形成された石英ガラス基板１は、レーザ光ＬＢの照射タイミングに同期し、Ｙ軸移動部３２が分割予定線１０に沿って、−Ｙ軸方向に所定ピッチ相対移動して、既に形成された１層目の複数の各改質領域５１の表面３に対する斜め上方向に、２層目の複数の改質領域５１が形成される。

そして、２層目の複数の改質領域５１が形成された石英ガラス基板１は、図９（ｃ）に示すように、２層目に形成された複数の改質領域５１と同様に、レーザ光ＬＢの照射タイミングに同期し、Ｚ軸移動部３３が分割予定線１０に沿って、集光レンズ２６に対して−Ｚ軸方向に所定ピッチ相対移動すると共に、Ｙ軸移動部３２が−Ｙ軸方向に所定ピッチ相対移動して、３層目の複数の改質領域５１が形成される。

そして、こうした石英ガラス基板１の内部に照射するレーザ光ＬＢの照射タイミングに同期し、Ｚ軸移動部３３、Ｙ軸移動部３２の相対移動が、分割される加工対象物の厚みに応じたパス数繰り返されて、分割予定線１０に沿った石英ガラス基板１の内部の全域に、表面２，３に対して斜め方向に向かって並設された多数の改質領域５１が、連続的に形成される。

この改質領域５１の形成は、フェムト秒レーザの繰り返し率と、走査速度以外は、前記改質領域斜方積み上げ法１と同じ条件で行なうことができる。繰り返し率１００Ｈｚ、走査速度２０ｍｍ／ｓｅｃ、あるいは繰り返し率１ｋＨｚ、走査速度２００ｍｍ／ｓｅｃのフェムト秒レーザ、すなわちレーザ光ＬＢのレーザ照射間隔が２００μｍで加工することができる。

（改質領域斜方積み上げ法３）
図１０（ａ）〜（ｄ）は、レーザ照射・走査工程における、さらに別の改質領域の形成の態様を示す石英ガラス基板の模式断面図である。なお、同図（ｂ）〜（ｄ）には、載置台２９に載置された石英ガラス基板１の移動される状態を明瞭にするために、集光点位置調節された石英ガラス基板１の位置を二点鎖線で示す。

図１０（ａ）において、載置台２９に載置され、位置決め、位置検出および集光点位置調節が順次行われた石英ガラス基板１は、集光レンズ２６を介して石英ガラス基板１の内部にレーザ光ＬＢが照射される。１発目のパルスが照射されたレーザ光ＬＢは、集光レンズ２６の集光点５０に集光する。集光点５０では、多光子吸収によって１発目の改質領域５１が形成される。

そして、１発目の改質領域５１が形成された石英ガラス基板１が、レーザ光ＬＢの照射タイミングに同期して、Ｙ軸移動部３２が分割予定線１０に沿って、Ｙ軸移動部３２が−Ｙ軸方向に所定の走査速度で相対移動し、２発目のパルスが照射されると、図１０（ｂ）に示すように、既に形成された１発目の改質領域５１の表面３に対する斜め上方向に、２発目の改質領域５１が形成される。
同様に、レーザ光ＬＢの照射タイミングに同期して、Ｙ軸移動部３２が−Ｙ軸方向に所定の走査速度で相対移動し、３発目のパルスが照射されると、図１０（ｃ）に示すように、既に形成された２発目の改質領域５１の表面３に対する斜め上方向に、３発目の改質領域５１が形成される。

この改質領域５１の形成は、レーザ光ＬＢの１発目のパルスで形成された改質領域５１内に、次の２発目のパルスを集光しようとすると、１発目のパルスと同じようにレーザ光ＬＢが集光できない。これは既に形成された１発目の改質領域５１では、クラックが発生した領域だけでなく、目視では確認できないような屈折率、吸収率の変化等による変質領域も含まれるためである。その領域ではレーザ光ＬＢの吸収率が高い、及び／又は屈折率が異なるために、レーザ光ＬＢの集光点５０より手前のデフォーカスした位置に改質領域５１が形成される。

その結果、２発目の改質領域５１は、１発目の改質領域５１の表面３に対する斜め上方向に形成される。同様に、３発目の改質領域５１は、２発目の改質領域５１の表面３に対する斜め上方向に形成される。このように、既に形成された改質領域５１内に次のレーザ光ＬＢのパルスを照射するように、レーザ光ＬＢの照射間隔を制御することで、集光点５０の位置を制御せずに、石英ガラス基板１の表面２，３に対して斜め方向に向かって並設された、多層からなる改質領域５１が形成される。

そして、載置台２９に載置された石英ガラス基板１が、さらに、レーザ光ＬＢの照射タイミングに同期して、Ｙ軸移動部３２が、分割予定線１０に沿って−Ｙ軸方向に所定の走査速度で相対移動して、レーザ光ＬＢのデフォーカス位置で、レーザ強度の加工閾値を超えなくなれば、４発目のパルスで改質領域５１は、斜め上方向に形成されなくなり、図１０（ｄ）に示すように、石英ガラス基板１の１発目の改質領域５１と略同じ厚み方向の位置に形成される。

そして、分割される加工対象物の厚みに応じたＺ軸移動部３３の移動を加えながら、石英ガラス基板１の内部に照射するレーザ光ＬＢの照射タイミングに同期して、Ｙ軸移動部３２の相対移動が繰り返されて、分割予定線１０に沿った石英ガラス基板１の内部の全域に、表面２，３に対して斜め方向に向かって並設された多数の改質領域５１が、連続的に形成される。

この方法を用いることで、複雑な集光点５０の位置制御を行うことなく、レーザ光ＬＢの照射間隔を制御するだけで、石英ガラス基板１の表面２，３に対して斜め方向に向かって並設された、改質領域５１を形成することができる。したがって、少ないパス数で、分割予定線１０に沿った石英ガラス基板１の内部の全域に、表面２，３に対して斜め方向に向かって並設された多数の改質領域５１を、連続的に形成することができる。

この改質領域５１の形成は、例えば、開口数０．８の集光レンズ２６を用い、波長８００ｎｍ、パルス幅３００ｆｓ（フェムト秒）、出力７００ｍＷ、繰り返し率１ｋＨｚ、走査速度２ｍｍ／ｓｅｃ、あるいは繰り返し率１０ｋＨｚ、走査速度２０ｍｍ／ｓｅｃのフェムト秒レーザ、すなわちレーザ光ＬＢのレーザ照射間隔が２μｍで加工することができる。

以上に説明した３例の具体例において、形成される各改質領域５１が石英ガラス基板１の表面２，３に直交する方向に形成される場合で説明したが、改質領域５１が、石英ガラス基板１の表面２，３に対して斜めに形成される斜め改質領域５１（図５（ｂ）参照）であっても良い。この場合には、載置台２９に載置された石英ガラス基板１を、照射機構部２１の傾斜装置３０を走査して、所定の傾き角度に傾けることにより形成することができる。

また、石英ガラス基板１の内部に多層に形成される改質領域５１は、石英ガラス基板１の表面２に露出せずに、表面２にできる限り近い位置まで形成される。
改質領域５１を表面２に近い位置まで形成する際には、位置検出工程において検出され、制御部３５に格納された、石英ガラス基板１の表面２および表面３の厚み方向の位置データに基づいて、Ｚ軸移動部３３の移動が制御される。

そして、レーザ内部スクライブされ、分割予定線１０に沿った石英ガラス基板１の内部に、表面２，３に対して斜め方向に向かって並設された多数の改質領域５１が、連続的に形成された石英ガラス基板１は、分割予定線１０に沿って分離する分離工程において、曲げ応力Ａまたは引っ張り応力Ｂ等の外部応力が加えられることにより、多数の改質領域５１に含まれる中空状の加工痕を起点として、分割予定線１０に沿って分離される（図２参照）。

本実施形態のレーザ内部スクライブ方法で分割された石英ガラス基板１の分割面のＳＥＭ撮影画像を、図１１（ａ），（ｂ）に示す。なお、ＳＥＭ撮影画像中に、石英ガラス基板１の内部に形成された改質領域５１を模式的に楕円形で示す。因みに、石英ガラス基板１の厚さは、１ｍｍである。
図１１（ａ）に示す石英ガラス基板は、厚み方向の内部の全域に、改質領域そのものが表面に対して同じ方向に傾いた多数の斜め改質領域が並設されて連続的に形成されている。
図１１（ｂ）に示す石英ガラス基板は、厚み方向の内部の全域に、改質領域そのものが表面に対して異なる方向に傾いた斜め改質領域が、厚み方向に対して交互に並設されて連続的に形成されている。

以上に説明した本実施形態のレーザ内部スクライブ方法によれば、石英ガラス基板１の内部に集光点５０を合わせて、パルス幅がピコ秒からフェムト秒の範囲のレーザ光ＬＢが照射されることにより、石英ガラス基板１の内部に、多光子吸収による直径０．５μｍ程度、長さ３００μｍ程度の中空状の加工痕を含む改質領域５１が形成される。レーザ光ＬＢに対して石英ガラス基板１を分割予定線１０に沿って相対移動し、改質領域５１が石英ガラス基板１の厚さ方向に対して斜めに形成されることにより、曲げ応力Ａまたは引っ張り応力Ｂ等の微少の外部応力を加えことにより、中空状の加工痕を起点として分割予定線１０に沿った位置で、石英ガラス基板１を容易に分離することができる。また、分割予定線１０に沿った改質領域５１の幅は、数μｍ程度の微小幅であるため、外形寸法精度の良好な分割が可能となる。

また、レーザ光ＬＢに対して石英ガラス基板１を分割予定線１０に沿って相対移動し、多数の改質領域５１が表面２，３に対して斜め方向に向かって並設される（改質領域斜方積み上げ法）、あるいは改質領域５１が石英ガラス基板１の表面２，３に対して斜めに形成された斜め改質領域５１が石英ガラス基板１の厚さ方向に並設して形成されることにより、石英ガラス基板１の厚みに応じた多層の改質領域を一度に連続的に形成することが可能となり、加工対象物を短時間に分割することができる。

また、石英ガラス基板１とレーザ光ＬＢとが石英ガラス基板１の表面２，３に沿う方向に相対移動することで、石英ガラス基板１の表面２，３に対して斜め方向に向かって並設された複数の改質領域５１が形成されるので、複雑な石英ガラス基板１とレーザ光ＬＢとの相対移動を行うことなく、レーザ光ＬＢの照射間隔を制御するだけで、石英ガラス基板１の表面２，３に対して斜め方向に向かって並設された、複数の改質領域５１を形成することができる。したがって、石英ガラス基板１を短時間に分割することができる。

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）
レーザ内部スクライブする加工対象物として、石英ガラス基板１を用いた場合で説明したが、レーザ光ＬＢの透過性を有する部材に適用することができる。また、透過性を有する部材が多層に構成されたものであっても良い。
石英ガラス基板１の他に、ソーダ石灰ガラス、ホウ珪酸ガラス、光学ガラス等のガラス基板、水晶基板、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。これらは、石英ガラス基板１の場合と同様に分割することができる。

（変形例２）
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の場合で説明したが、これに限定されず、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とができる。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。

（変形例３）
レーザ加工装置２０の照射機構部２１における、パルスレーザ光ＬＢの集光点５０の位置の走査は、集光レンズ２６側を固定し、分割される石英ガラス基板１側をＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に移動、および傾斜可能に構成した場合で説明したが、石英ガラス基板１側を固定し、レーザ光源２４、ダイクロイックミラー２５および集光レンズ２６を一体にして、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向に移動、および傾斜可能な構成としても良い。これにより、レーザ加工装置の設計の自由度が広げられる。

（ａ）は、レーザ内部スクライブ方法の概要を示す石英ガラス基板の平面図。（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線における断面図。 （ａ）は、レーザ内部スクライブされた石英ガラス基板の分離方法を示す断面図。（ｂ）は、分割予定線に沿って分離された石英ガラス基板の状態を示す断面図。 レーザ内部スクライブされた石英ガラス基板の分割面のＳＥＭ撮影画像であり、（ａ）は１０００倍における画像。（ｂ）は、１００００倍における画像。 石英ガラス基板の分割面を直交する方向にカットしたカット面を斜視した３０００倍におけるＳＥＭ撮影画像。 （ａ）は、斜めの改質領域が形成された石英ガラス基板の分割面の模式図。（ｂ）は、別の斜めの改質領域が形成された石英ガラス基板の分割面の模式図。 （ａ）〜（ｄ）は、さらに別の斜めの改質領域が形成された石英ガラス基板の分割面の模式図。 レーザ加工装置の構成を示すブロック図。 （ａ）〜（ｅ）は、レーザ照射・走査工程における改質領域の形成の態様を示す石英ガラス基板の模式断面図。 （ａ）〜（ｃ）は、レーザ照射・走査工程における別の改質領域の形成の態様を示す石英ガラス基板の模式断面図。 （ａ）〜（ｄ）は、レーザ照射・走査工程における、さらに別のレーザ光の照射・走査による改質領域の形成の態様を示す石英ガラス基板の模式断面図。 （ａ），（ｂ）は、レーザ内部スクライブ方法で分割された石英ガラス基板の分割面のＳＥＭ撮影画像。

符号の説明

１…加工対象物としての石英ガラス基板、２，３…表面、１０…分割予定線、２０…レーザ加工装置、２１…照射機構部、２２…ホストコンピュータ、２５…ダイクロイックミラー、２６…集光レンズ、２７…移動機構部、２８…撮像部、２９…載置台、３０…傾斜装置、３１…Ｘ軸移動部、３２…Ｙ軸移動部、３３…Ｚ軸移動部、３５…制御部、３６…画像処理部、３７…レーザ制御部、３８…移動制御部、５０…集光点、５１，５１ａ，５１ｂ，５１ｃ…改質領域、Ａ…曲げ応力、Ｂ…引っ張り応力、ＬＢ…レーザ光。

Claims (4)

1. 加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射し、前記レーザ光に対して前記加工対象物を分割予定線に沿って相対移動し、前記加工対象物の内部に多光子吸収による改質領域を形成するレーザ内部スクライブ方法であって、
   前記加工対象物の内部にパルス幅がピコ秒からフェムト秒の範囲の前記レーザ光が照射され、
   前記改質領域が、前記加工対象物の厚さ方向に対して斜めに形成されることを特徴とするレーザ内部スクライブ方法。
2. 請求項１に記載のレーザ内部スクライブ方法において、
   前記加工対象物の厚さ方向に対して斜めに形成された改質領域は、
   前記加工対象物の表面に対して斜め方向に向かって並設されることを特徴とするレーザ内部スクライブ方法。
3. 請求項１に記載のレーザ内部スクライブ方法において、
   前記加工対象物の厚さ方向に対して斜めに形成された改質領域は、
   前記改質領域そのものが前記加工対象物の表面に対して斜めに形成され、前記加工対象物の厚さ方向に並設されることを特徴とするレーザ内部スクライブ方法。
4. 加工対象物の内部にパルス幅がピコ秒からフェムト秒の範囲のレーザ光を照射し、前記レーザ光に対して前記加工対象物を分割予定線に沿って相対移動し、前記加工対象物の内部に多光子吸収による改質領域を形成するレーザ内部スクライブ方法であって、
   前記レーザ光の集光点が前記分割予定線に沿う前記加工対象物の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、
   前記加工対象物の厚さ方向の内部に前記レーザ光を照射し、前記レーザ光の照射に同期して前記加工対象物が前記レーザ光に対して相対移動し、多数の前記改質領域が前記加工対象物の厚さ方向に対して斜めに形成されるレーザ照射・走査工程と、
   を有することを特徴とするレーザ内部スクライブ方法。