JP2009241119A - Dividing method of crystalline material, and its apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は結晶性材料の割断方法及びその装置に関し、より詳しくは、結晶性材料を透過するレーザ光をその結晶性材料の割断予定線に沿って照射して、照射部分を割断可能な状態に改質するようにした結晶性材料の割断方法とその装置に関する。 More particularly, the present invention relates to a method and apparatus for cleaving a crystalline material, and more specifically, irradiates a laser beam that passes through the crystalline material along a planned cutting line of the crystalline material so that the irradiated portion can be cleaved. The present invention relates to a method and apparatus for cleaving a crystalline material to be modified.
従来、例えば波長355nmのYAGレーザ光は、LED用の基板として用いられているサファイアなどの結晶性材料を透過する性質がある。このため、YAGレーザ光を、サファイアを透過するように照射しても、その照射部分を割断可能な状態に改質することはできない。
このため従来、サファイア内部でレーザ光を集光させ、その集光部分を割断可能な状態に改質することが行われている(特許文献1、2)。
Conventionally, for example, YAG laser light having a wavelength of 355 nm has a property of transmitting a crystalline material such as sapphire used as an LED substrate. For this reason, even if it irradiates with YAG laser light so that it may permeate | transmit sapphire, it cannot modify | reform to the state which can cleave the irradiated part.
For this reason, conventionally, laser light is condensed inside sapphire and the condensing portion is modified so as to be cleaved (
また従来、液柱状で噴射された液体を被加工物の割断予定線に沿って相対移動させながら、レーザ光を上記液柱状に噴射した液体内に通過させて被加工物まで案内させることにより、被加工物の割断予定線に沿ってレーザ光を照射するようにしたレーザ加工方法が知られている(特許文献3)。
この場合、例えばガラスやシリコンウエハなどの被加工物を透過するレーザ光を上記割断予定線に沿って照射することによって溝を形成し、この溝を利用して被加工物を割断するようにしている。
In this case, for example, a groove is formed by irradiating a laser beam passing through a workpiece such as glass or a silicon wafer along the planned cutting line, and the workpiece is cut using the groove. Yes.
LED用の基板として用いられているサファイアは、通常その厚さは100μm程度であり、このような薄さの内部に集光点を合わせるのは極めて煩雑な作業となっていた。特に、特許文献2のようにフェムト秒レーザ発振器を用いる場合には、装置が非常に高価となっていた。
他方、特許文献3に開示されている液柱を用いたレーザ加工方法においては、被加工物の表面に溝を形成するため製品となる領域がとられることになり、また溝の面精度がよくないという問題があった。
ところで、この特許文献3のレーザ加工方法の場合、レーザ光は集光レンズによって液柱内に導入されているが、この集光レンズはレーザ光を液柱内に導入させるために用いられており、被加工物にレーザ光の焦点を結ぶためではない。すなわち上記液柱内に導入されたレーザ光は、液柱と外部の空気との屈折率の差により液柱と空気との境界面で全反射されながら該液柱によって被加工物に向けて案内されるようになり、このような液柱の導波路としての機能から、液柱によって案内されて被加工物に照射されるレーザ光は、広がり角をもつ光束となる。
したがって従来、液柱を用いたレーザ加工方法を利用して、レーザ光を透過させる結晶性材料の内部に焦点を形成し、それによって結晶性材料の内部を割断可能な状態に改質させようとすることは、全く考えられていなかった。
しかるに本発明は、液柱を用いたレーザ加工方法を利用して、レーザ光を、該レーザ光を透過させる結晶性材料に照射したところ、照射部分を割断可能な状態に改質することができたという知見に基づいてなされたものである。
Sapphire used as a substrate for LED usually has a thickness of about 100 μm, and it has been an extremely complicated task to adjust the light condensing point inside such a thin film. In particular, when a femtosecond laser oscillator is used as in
On the other hand, in the laser processing method using a liquid column disclosed in
By the way, in the laser processing method of
Therefore, conventionally, a laser processing method using a liquid column is used to form a focal point inside a crystalline material that transmits laser light, thereby modifying the inside of the crystalline material to a state that can be cleaved. It was never considered to do.
However, according to the present invention, when a laser beam is irradiated to a crystalline material that transmits the laser beam by using a laser processing method using a liquid column, the irradiated portion can be modified to a state that can be cleaved. It was made based on the knowledge that.
すなわち請求項1の発明は、被加工物としての結晶性材料を透過するレーザ光を発振するレーザ発振器を備え、上記レーザ光を結晶性材料の割断予定線に沿って照射して、照射部分を割断可能な状態に改質するようにした結晶性材料の割断方法において、
液体を上記結晶性材料に向けて液柱状に噴射する加工ヘッドと、この加工ヘッドに高圧の液体を供給する液体供給手段と、上記レーザ発振器から発振されたレーザ光を上記液柱内に導入するレーザ導入手段とを設け、液柱状で噴射された液体を結晶性材料の割断予定線に沿って相対移動させながら、レーザ光を上記液柱状に噴射した液体内に通過させて結晶性材料まで案内させて照射させることにより、照射部分を割断可能な状態に改質することを特徴とするものである。
また請求項7の発明は、被加工物としての結晶性材料を支持する加工テーブルと、上記結晶性材料を透過するパルスレーザ光を発振するレーザ発振器と、上記結晶性材料に対して上記レーザ光の照射位置を相対移動させる移動手段とを備えた結晶性材料の割断装置において、
液体を上記結晶性材料に向けて液柱状に噴射する加工ヘッドと、この加工ヘッドに高圧の液体を供給する液体供給手段と、上記レーザ発振器から発振されたレーザ光を上記液柱内に導入するレーザ導入手段とを設け、
また上記レーザ発振器を、パルス幅10〜100ns、ピークパワー密度30〜120MW/cm2、460nm以下の波長を有するパルスレーザ光を発振するレーザ発振器とし、さらに上記加工ヘッドを、上記液柱の直径を100μm以下として結晶性材料に噴射する加工ヘッドとして、上記レーザ光によって結晶性材料を上記割断予定線に沿って割断可能な状態に改質させることを特徴とするものである。
That is, the invention of
A processing head that ejects liquid in a liquid column shape toward the crystalline material, a liquid supply unit that supplies high-pressure liquid to the processing head, and a laser beam oscillated from the laser oscillator is introduced into the liquid column. Laser introducing means is provided, and the liquid jetted in the liquid column shape is relatively moved along the planned cutting line of the crystalline material, and the laser beam is passed through the liquid column-shaped jetted liquid and guided to the crystalline material. Then, the irradiated portion is modified so that the irradiated portion can be cut off.
The invention of
A processing head that ejects liquid in a liquid column shape toward the crystalline material, a liquid supply unit that supplies high-pressure liquid to the processing head, and a laser beam oscillated from the laser oscillator is introduced into the liquid column. A laser introducing means;
The laser oscillator is a laser oscillator that oscillates a pulsed laser beam having a pulse width of 10 to 100 ns, a peak power density of 30 to 120 MW / cm 2 , and a wavelength of 460 nm or less, and the processing head has a diameter of the liquid column. As a processing head for spraying to a crystalline material with a thickness of 100 μm or less, the crystalline material is modified by the laser beam so that it can be cut along the planned cutting line.
上述した本願発明によれば、液柱状で噴射された液体を結晶性材料の割断予定線に沿って相対移動させながら、レーザ光を上記液柱状に噴射した液体内に通過させて被加工物まで案内させて照射させることにより、結晶性材料の内部に焦点を合わせるという作業を要することなく、照射部分を割断可能な状態に改質することができる。
したがって、従来のように薄い結晶性材料の内部に高精度に焦点を合わせる必要がないので、作業性が遥かに向上するという効果が得られる。
According to the above-described invention of the present application, while the liquid jetted in the liquid column shape is relatively moved along the planned cutting line of the crystalline material, the laser beam is passed through the liquid jetted liquid to the workpiece. By irradiating with guidance, the irradiated portion can be modified to a state that can be cleaved without requiring an operation of focusing on the inside of the crystalline material.
Therefore, since it is not necessary to focus on the inside of a thin crystalline material with high accuracy as in the prior art, there is an effect that workability is greatly improved.
以下本発明の実施例について図面に基づいて説明すると、図1はレーザ加工装置1を示し、液体の噴射により形成した液柱Wにレーザ光Lを導光することで、被加工物としての結晶性材料2を所要の形状に割断することができるようになっている。
このレーザ加工装置1は、上記結晶性材料2を支持する加工テーブル3と、レーザ光LをQスイッチパルス発振するYAGレーザ発振器4と、高圧の液体を供給する液体供給手段5と、結晶性材料2に向けて液体を液柱Wとして噴射するとともに、レーザ光Lを上記液柱Wに導光する加工ヘッド6とを備え、これらは制御手段7によって制御されるようになっている。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a
The
上記レーザ加工装置1は、レーザ発振器4と加工ヘッド6との間に、レーザ光Lを加工ヘッド6に向けて反射させる反射ミラー8と、レーザ光Lを集光する集光レンズ9とを備えており、集光レンズ9によって集光されたレーザ光Lは、加工ヘッド6内の通路を通過して上記液柱W内に導入されるようになっている。
本実施例ではこれら反射ミラー8と集光レンズ9とによって、レーザ発振器4から発振されたレーザ光Lを上記液柱W内に導入するレーザ導入手段10を構成してある。そして液柱W内に導入されたレーザ光Lは、液柱Wと外部の空気との境界面によって全反射されながらその内部を案内されながら透過して結晶性材料2に照射されるようになる。
The
In this embodiment, the reflecting mirror 8 and the condenser lens 9 constitute a
上記加工ヘッド6は、上下方向に中空部が貫通して形成された筒状のハウジング11と、該ハウジング11における中空部の下部に設けられた噴射ノズル12と、ハウジング11の中空部の上部に設けられた透明な透過部材13とを備えている。
上記ハウジング11の中空部は上記集光レンズ9によって集光されたレーザ光Lの光路上に形成されており、上記噴射ノズル12および透過部材13はこの光路上に設けられている。
上記噴射ノズル12はハウジング11の下端部に形成された凹部内にシールリングを介して嵌合し、かつハウジング11の下方から固定部材14によって押圧保持されている。
The
The hollow portion of the
The
上記透過部材13はレーザ光Lを透過させる透明なガラス製で、上記噴射ノズル12と集光レンズ9との間に位置し、上記ハウジング11との間にシールリングを介在させて液密を保った状態で保持されている。この透過部材13は、中空状のナット部材15によってハウジング11に固定されている。
上記噴射ノズル12と透過部材13との間に形成された空間には上記液体供給手段5が接続された液体通路16が形成され、液体供給手段5から高圧の液体が供給されるようになっている。
そして、噴射ノズル12の中央には液体を噴射する噴射孔12aが形成され、上記固定部材14の中央には噴射ノズル12の噴射孔12aよりも大径の貫通孔14aが形成されている。
The
A
An
このため、上記液体供給手段5から加工ヘッド6に高圧の液体が供給されると、該液体は液体通路16を流通して上記噴射ノズル12の噴射孔12aから液柱Wとなって噴射され、この液柱Wは上記貫通孔14aを通過して結晶性材料2に衝突するようになっている。
また、レーザ発振器4からのレーザ光Lは上記集光レンズ9により上記噴射孔12aより噴射される液柱Wの内部に集光されるようになっており、これによりレーザ光Lは上記液柱Wを導光路として案内されて結晶性材料2に照射されるようになる。
For this reason, when a high-pressure liquid is supplied from the liquid supply means 5 to the
Further, the laser beam L from the
次に、上記加工テーブル3はX方向移動機構17上に設けられて水平面におけるX方向に移動可能となっている。このX方向移動機構17はY方向移動機構18上に設けられて水平面における上記X方向と直交するY方向に移動可能となっている。これらX方向移動機構17とY方向移動機構18は上記制御装置7によって作動を制御されるようになっている。
そして、制御装置7によって上記両移動機構17、18が所要量だけX−Y方向に移動されると、加工テーブル3上の結晶性材料2と加工ヘッド6とがX−Y方向に相対移動されるようになっている。本実施例においては、上記X方向移動機構17とY方向移動機構18とによって、加工ヘッド6と加工テーブル3とを水平面において相対移動させる移動手段21を構成している。
Next, the processing table 3 is provided on the X
Then, when both the
本実施例においては、上記YAGレーザ発振器4は、Qスイッチ付き半導体レーザ励起Nd:YAGレーザ発振器であって、波長355nmの第3高調波を発振することができ、パルス周波数などの発振条件を変更することができるようになっている。上記レーザ発振器4としては、Nd:YVO4、Nd:YLFでもよい。
また、結晶性材料2としてはLED用の基板となるサファイアを用いている。上記YAGレーザ光の355nmという波長はサファイアに対して透明な波長であるが、液柱Wを介してレーザ光Lをサファイアに照射すると、多光子吸収を生じさせて割断に適した改質部を形成することができる。サファイア以外の結晶性材料としては、窒化ガリウムや結晶性シリコンなどが挙げられる。
なお、上記レーザ発振器4の波長は、結晶性材料2に対して透明な波長であればよく、サファイアの場合には460nm以下であればよい。
In this embodiment, the
Further, as the
The wavelength of the
さらに上記液体供給手段は、上記サファイアの屈折率1.79よりも小さな屈折率1.34を有する水を高圧で供給するようにしてあり、また上記噴射ノズル12の噴射孔12aは、液柱Wの直径が100μm以下となるようにして、高圧の液体を結晶性材料2に噴射することができるようになっている。
実験によれば、上記液柱Wの直径が小さければ、より効果的にレーザ光Lを集中させることができ、液柱Wの直径が大きくなるとレーザ光を集中させる部位が広がって結晶性材料2の厚さ方向に深くなる傾向があり、割断に適した改質部を形成するためには高出力が必要となるからである。
Further, the liquid supply means supplies water having a refractive index 1.34 smaller than the refractive index 1.79 of the sapphire at a high pressure, and the
According to the experiment, if the diameter of the liquid column W is small, the laser beam L can be concentrated more effectively. If the diameter of the liquid column W is increased, the portion where the laser beam is concentrated spreads and the
以上の構成を有するレーザ加工装置1による結晶性材料2の割断工程を説明する。
先ず、YAGレーザ発振器4からのレーザ光Lの発振を停止させた状態で、かつ液体供給手段5からの高圧水の供給を停止させた状態において、被加工物としての結晶性材料2を加工テーブル3上に載置固定する。
この後、制御装置7によって移動手段21の両移動機構17、18が作動されて、加工テーブル3が水平面におけるX−Y方向に所要量だけ移動されて、加工ヘッド6の下方に結晶性材料2の加工開始位置が位置決めされる。
この後、制御装置7は、液体供給手段5を作動させて加工ヘッド6へ高圧水を供給し、加工ヘッド6から液柱Wに形成された高圧水を結晶性材料2の加工開始位置へ噴射させる。その後、制御装置7はレーザ発振器4からレーザ光Lを発振させ、レーザ発振器4から発振されたレーザ光Lを加工ヘッド6から液柱W内を透過して結晶性材料2の加工開始位置に照射させる。
The cleaving process of the
First, in a state where the oscillation of the laser beam L from the
Thereafter, both the moving
Thereafter, the
上記液柱W内を透過するレーザ光Lは、屈折率1.34を有する水と屈折率1.0を有する空気との間における屈折率の差から、液柱Wとその外部の空気との境界面によって全反射され、その全反射により液柱Wの外部に放射されることなく、該液柱Wにより結晶性材料2に向けて案内されるようになる。このとき、液柱Wはレーザ光の導波路として機能し、案内されるレーザ光は広がり角をもつようになる。
上記レーザ光Lが結晶性材料2の内面に到達すると、該結晶性材料2は波長355nmのレーザ光Lに対しては透明であるので、レーザ光Lは結晶性材料2内に進入するが、その際、結晶性材料2としてのサファイアの屈折率1.79は水の屈折率1.34に対して大きいので、レーザ光Lは大きな入射角に対して小さな入射角(透過角)となるように屈折して結晶性材料2内に入射されるようになる。
結晶性材料2内に入射されたレーザ光Lは、その一部により多光子吸収を起こし、照射部分を割断可能な状態に改質することができた。
The laser beam L that passes through the liquid column W has a refractive index difference between water having a refractive index of 1.34 and air having a refractive index of 1.0. It is totally reflected by the boundary surface, and is guided toward the
When the laser beam L reaches the inner surface of the
The laser beam L incident into the
上述したように液柱W内を通過させてレーザ光Lを結晶性材料2に照射させると、上記制御装置7は移動手段21の両移動機構17、18を介して加工ヘッド6と加工テーブル3とを相対移動させる。
この際の相対移動速度は、液柱Wの直径をD、レーザ光Lのパルス繰り返し周波数をFとしたときに、D*F以下とすることが好ましく、これによってレーザ光Lによって形成される改質部を相対移動方向に連続して形成することができる。但し、0.0002D*F以下では加工速度が遅くなりすぎるので、上記相対移動速度は(0.0002〜1)D・Fの範囲が好ましい。
このように、液柱W内のレーザ光Lの照射位置を結晶性材料2の割断予定線上を順次なぞるように相対移動させることにより、結晶性材料2の内部に割断予定線に沿って割断可能な改質部が形成されるようになる。
そして改質部を割断予定線に沿って連続して形成しておくと、後工程において弱い曲げ応力で簡単に結晶性材料2を割断することができる。
As described above, when the
The relative movement speed at this time is preferably not more than D * F, where D is the diameter of the liquid column W and F is the pulse repetition frequency of the laser light L. The mass part can be formed continuously in the relative movement direction. However, since the processing speed is too slow at 0.0002 D * F or less, the relative movement speed is preferably in the range of (0.0002 to 1) D · F.
As described above, the relative position of the irradiation position of the laser beam L in the liquid column W can be traced along the planned cutting line inside the
If the modified portion is continuously formed along the planned cutting line, the
本発明における具体的な実験例は、次の通りである。
サファイア2の厚さ:100μm
液柱Wの直径:100μm
レーザ光Lの波長:355nm
レーザ光Lのパルス幅:10ns
上述の条件で、1パルス当たりのパルスエネルギーを変えて照射したところ、25〜100μJの範囲でサファイア2の裏側(レーザ光の照射側とは反対側)に良好な改質部を形成することができた。レーザ光のピークパワー密度になおすと、30〜120MW/cm2の範囲となる。
上記パルスエネルギーを25μJより小さくすると改質部が形成されなかった。また100μJより大きくするとサファイア2の表面にスクライプ溝が発生した。さらにパルスエネルギを大きくしてもサファイア2の表面に改質部を形成することができるが、改質部の境界が粗くなり、割断面の精度が悪くなるので望ましくない。
Specific experimental examples in the present invention are as follows.
Diameter of liquid column W: 100 μm
Wavelength of laser light L: 355 nm
Pulse width of laser light L: 10 ns
Under the above-mentioned conditions, when irradiation is performed while changing the pulse energy per pulse, a good modified portion can be formed on the back side of sapphire 2 (opposite to the laser light irradiation side) in the range of 25 to 100 μJ. did it. When the peak power density of the laser light is corrected, the range is 30 to 120 MW / cm 2 .
When the pulse energy was less than 25 μJ, the modified portion was not formed. On the other hand, when it exceeds 100 μJ, a scribing groove was generated on the surface of
上記実験例からパルス幅を100nsに変えるとともに、1パルス当たりのパルスエネルギを変えて照射したところ、やはり25〜100μJの範囲で良好な改質部を形成することができた。
なお、パルス幅を10nsより短くするとサファイアの表面にスクライブ溝が形成され、逆にパルス幅が100nsよりも長いと改質部が形成されなかった。
上記改質部は、レーザ光Lの光軸方向でみると結晶性材料2の裏側またはそれよりも内部に形成されるようになり、出力を上げると厚さ方向上側に長く伸びて形成することができた。また、液柱Wの径により改質部の形成位置を深さ方向に変えることができた。
From the above experimental example, when the pulse width was changed to 100 ns and irradiation was performed while changing the pulse energy per pulse, a good modified portion could be formed in the range of 25 to 100 μJ.
When the pulse width was shorter than 10 ns, a scribe groove was formed on the surface of sapphire, and conversely, when the pulse width was longer than 100 ns, the modified portion was not formed.
The modified portion is formed on the back side or inside of the
1 レーザ加工装置 2 被加工物(サファイア)
3 加工テーブル 4 レーザ発振器
5 液体供給装置 6 加工ヘッド
7 制御手段 9 集光レンズ
10 レーザ導入手段 12 噴射ノズル
12a 噴射孔 13 透過部材
21 移動手段 L レーザ光
W 液柱
1
DESCRIPTION OF
Claims (7)
液体を上記結晶性材料に向けて液柱状に噴射する加工ヘッドと、この加工ヘッドに高圧の液体を供給する液体供給手段と、上記レーザ発振器から発振されたレーザ光を上記液柱内に導入するレーザ導入手段とを設け、液柱状で噴射された液体を結晶性材料の割断予定線に沿って相対移動させながら、レーザ光を上記液柱状に噴射した液体内に通過させて結晶性材料まで案内させて照射させることにより、照射部分を割断可能な状態に改質することを特徴とする結晶性材料の割断方法。 A laser oscillator that oscillates a laser beam that passes through a crystalline material as a workpiece is provided, and the laser beam is irradiated along the planned cutting line of the crystalline material, so that the irradiated portion is modified into a cleaving state. In the method for cleaving the crystalline material,
A processing head that ejects liquid in a liquid column shape toward the crystalline material, a liquid supply unit that supplies high-pressure liquid to the processing head, and a laser beam oscillated from the laser oscillator is introduced into the liquid column. Laser introducing means is provided, and the liquid jetted in the liquid column shape is relatively moved along the planned cutting line of the crystalline material, and the laser beam is passed through the liquid column-shaped jetted liquid and guided to the crystalline material. A method for cleaving a crystalline material, wherein the irradiated portion is modified so that the irradiated portion can be cleaved by irradiation.
液体を上記結晶性材料に向けて液柱状に噴射する加工ヘッドと、この加工ヘッドに高圧の液体を供給する液体供給手段と、上記レーザ発振器から発振されたレーザ光を上記液柱内に導入するレーザ導入手段とを設け、
また上記レーザ発振器を、パルス幅10〜100ns、ピークパワー密度30〜120MW/cm2、460nm以下の波長を有するパルスレーザ光を発振するレーザ発振器とし、さらに上記加工ヘッドを、上記液柱の直径を100μm以下として結晶性材料に噴射する加工ヘッドとして、上記レーザ光によって結晶性材料を上記割断予定線に沿って割断可能な状態に改質させることを特徴とする結晶性材料の割断装置。 A processing table that supports a crystalline material as a workpiece, a laser oscillator that oscillates a pulsed laser beam that passes through the crystalline material, and a movement that moves the irradiation position of the laser light relative to the crystalline material A crystal material cleaving apparatus comprising:
A processing head that ejects liquid in a liquid column shape toward the crystalline material, a liquid supply unit that supplies high-pressure liquid to the processing head, and a laser beam oscillated from the laser oscillator is introduced into the liquid column. A laser introducing means;
The laser oscillator is a laser oscillator that oscillates a pulsed laser beam having a pulse width of 10 to 100 ns, a peak power density of 30 to 120 MW / cm 2 , and a wavelength of 460 nm or less, and the processing head has a diameter of the liquid column. An apparatus for cleaving a crystalline material, wherein the crystalline material is modified into a state that can be cleaved along the planned cutting line by the laser beam as a processing head that is injected to the crystalline material at 100 μm or less.
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