JP2012246151A - レーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】パルスレーザ光の走査速度を低下させずにチッピングを抑えて、分断が容易なスクライブ溝を形成する。
【解決手段】このレーザ加工方法は、脆性材料基板表面のスクライブ予定ラインに沿ってレーザ光を照射し、スクライブ溝を形成する方法であって、予備加工工程と、スクライブ工程と、を含む。予備工程は、レーザ光を脆性材料基板のスクライブ予定ラインに沿って照射し、スクライブ予定ラインに沿って基板に熱影響を与えるための工程である。スクライブ工程は、パルスレーザ光をスクライブ予定ラインに沿って４０mm/s以上、１２０mm/s以下の走査速度で照射し、アブレーション加工によってスクライブ溝を形成する工程である。
【選択図】図５

Description

本発明は、レーザ加工方法、特に、脆性材料基板表面のスクライブ予定ラインに沿ってレーザ光を照射し、スクライブ溝を形成するレーザ加工方法に関する。

ガラス基板、半導体基板、セラミック基板等の脆性材料基板を分断加工する方法の１つとして、レーザ光を用いた加工方法が提供されている。この方法では、まず、脆性材料基板の表面のスクライブ予定ラインに沿ってレーザ光を移動させつつ照射することによって、スクライブ溝が形成される。その後、ブレーク装置等により、脆性材料基板上においてスクライブ溝の両側に押圧力を加えることにより、基板はスクライブ溝に沿って分断される（特許文献１及び２参照）。

また、特許文献３には、半導体ウェハに対してパルスレーザ光を順次照射してアブレーション加工によりスクライブ溝を形成する際に、先のパルスレーザ光の照射によるスクライブ溝の形成に伴って形成される熱歪みを打ち消さない間隔をあけて後続のパルスレーザ光を照射させて加工を行うことが示されている。

特開２００５−２７１５６３号公報 特開２００５−３１４１２７号公報 特開２０１０−１２９９８７号公報

レーザ光によるアブレーション加工によってスクライブ溝を形成する際、レーザ光の走査速度を速くしてパルスレーザ光のオーバーラップ率を低くすると、チッピング（欠け）が発生する場合がある。これは、レーザ光照射時に、スクライブラインに沿った方向以外の方向に亀裂が進展することが理由であると考えられる。

そこで、欠陥を抑えてスクライブ溝を形成するには、パルスレーザ光の走査速度をある速度以下に落とす必要がある。また、スクライブ溝形成後の分断工程において、スクライブ溝が浅すぎると、分断が不可能になる、したがって、分断工程で分断可能なスクライブ溝を形成するためには、同様にパルスレーザ光の走査速度をある速度以下に落とす必要がある。

以上の状況において、分断可能なパルスレーザ光の走査速度のしきい値よりも、チッピングが発生する走査速度のしきい値の方が低いため、チッピングを抑えてスクライブ溝を形成しようとすると、加工効率が低下するという問題がある。

本発明の課題は、パルスレーザ光の走査速度を低下させずにチッピングを抑えて、分断が容易なスクライブ溝を形成できるようにすることにある。

第１発明に係るレーザ加工方法は、脆性材料基板表面のスクライブ予定ラインに沿ってレーザ光を照射し、スクライブ溝を形成する方法であって、予備加工工程と、スクライブ工程と、を含む。予備工程は、レーザ光を脆性材料基板のスクライブ予定ラインに沿って照射し、スクライブ予定ラインに沿って基板に熱影響を与えるための工程である。スクライブ工程は、パルスレーザ光をスクライブ予定ラインに沿って４０mm/s以上、１２０mm/s以下の走査速度で照射し、アブレーション加工によってスクライブ溝を形成する工程である。

ここでは、予備加工工程において、スクライブ予定ラインに沿って基板に熱影響が与えられる。このため、基板におけるスクライブ予定ライン周辺が変質し、レーザ光をより吸収しやすくなる。このような状態では、パルスレーザ光の走査速度を比較的速くし、隣接するパルスレーザ光のオーバーラップ率を低くしてスクライブ溝を形成しても、レーザスクライブ加工と同時に、レーザスクライブ加工によって形成したスクライブ溝の近傍が加熱され溶融されることとなる。したがって、チッピングを抑えて分断可能なスクライブ溝を形成することができる。

第２発明に係るレーザ加工方法は、第１発明の加工方法において、予備工程では、スクライブ予定ラインに沿った基板領域に対してアブレーションを起こさずに変質させる。

予備工程では、アブレーションを起こさずに溶融のみが生じるような加工条件でレーザ光が照射される。これにより、スクライブ予定ラインが熱的影響を受けて変質し、残留応力が発生する。そして、このような熱的影響を受けた後に、スクライブ工程において、同じ個所にパルスレーザ光が照射され、アブレーション加工によってスクライブ溝が形成される。このとき、前記同様に、スクライブ工程において、亀裂がスクライブ予定ラインに沿って進展することになり、チッピングを抑えることができる。

第３発明に係るレーザ加工方法は、第１又は第２発明の加工方法において、予備加工工程において、レーザ光の強度は、２．３×１０^７W/cm²以上、８．９×１０^７W/cm²以下であり、レーザ光をスクライブ予定ラインに沿って走査する回数は１回である。

ここでは、予備工程におけるレーザ光の強度を、２．３×１０^７W/cm²以上、８．９×１０^７W/cm²以下で、かつスクライブ予定ラインの基板領域を溶融させる強度にすることにより、スクライブ工程でチッピングを抑え、かつ容易に分断可能なスクライブ溝を形成することができる。

第４発明に係るレーザ加工方法は、第１から第３発明のいずれかの加工方法において、スクライブ工程において、パルスレーザ光の走査速度は９０mm/s以上、１２０mm/s以下である。

ここでは、パルスレーザ光の走査速度を高速側に広げることができるので、加工効率を高めることができる。

第５発明に係るレーザ加工方法は、第１から第４発明のいずれかの加工方法において、パルスレーザ光のレーザ強度は１．０×１０^８以上、１．０×１０^１０W/cm²以下であり、パルスレーザ光をスクライブ予定ラインに沿って走査する回数は１回である。

スクライブ工程におけるパルスレーザ光の強度を１．０×１０^８以上、１．０×１０^１０W/cm²以下にすることにより、基板は、アブレーション加工されると同時に、レーザ光が照射された脆性材料基板が熱影響を受けて加工部が溶融させられる。このような加工方法では、脆性材料基板の加工端面における欠陥やクラックを抑えることができる。

第６発明に係るレーザ加工方法は、第１から第５発明のいずれかの加工方法において、脆性材料基板はガラス基板であり、スクライブ工程におけるパルスレーザ光はUVレーザである。

以上のような本発明では、パルスレーザ光の走査速度を低下させずにチッピングを抑えて、分断が容易なスクライブ溝を形成することができる。

本発明の一実施形態によるレーザ加工装置の構成を示す模式図。 パルスレーザ光によるアブレーション加工の一例を示す図。 レーザ加工装置の焦点位置を示す模式図。 本発明の一実施形態による加工方法で加工した脆性材料基板の表面の様子を示す図。 基板に対する熱影響の有無によるレーザ波長と吸収率との関係を示すグラフ。 チッピング発生条件の比較を示す図。 熱影響を与えずにスクライブした場合と、熱影響を与えてスクライブした場合とを比較した基板上面の様子を示す図。

［レーザ加工装置］
本発明の一実施形態によるレーザ加工装置を図１に示す。このレーザ加工装置は、レーザ発振器１と、ミラー機構２と、レンズ機構３と、ＸＹステージ４と、を備えている。

レーザ発振器１はパルスレーザ光を発振する。このレーザ発振器１は、ＹＡＧレーザ、ＩＲレーザ等の周知のパルスレーザ光の発振器であれば、特に限定されるものではない。加工される脆性材料基板５の材質に応じて、アブレーション加工が可能な波長のレーザを適宜選択すればよい。また、パルスレーザ光のパルス幅は、レーザアブレーション加工が可能であり、脆性材料基板５に熱影響を与えるために、１ps以上１０００ns以下、より好ましくは１ns以上１０００ns以下の範囲であることが好ましい。

ミラー機構２は、レンズ機構３とともに集光光学機構を形成し、脆性材料基板５に略鉛直方向からパルスレーザ光を照射できるように、パルスレーザ光の進行方向を変更する。ミラー機構２として、１又は複数の鏡面を用いてもよいし、プリズム、回折格子等を利用してもよい。

レンズ機構３はパルスレーザ光を集光するものである。より詳細には、このレンズ機構３は、脆性材料基板５の厚みに応じて、パルスレーザ光を集光する位置である焦点位置の上下方向の位置を調整する。この焦点位置の調整は、レンズ機構３のレンズを交換することにより調整してもよいし、レンズ機構３の上下方向の位置を図示しないアクチュエータにより変更して調整してもよい。

ＸＹステージ４は、分断の対象となるガラス基板等の脆性材料基板５を載置するテーブルであり、互いに直交するＸ方向及びＹ方向に移動可能である。このＸＹステージ４をＸ方向及びＹ方向に所定の速度で移動させることにより、ＸＹステージ４に載置された脆性材料基板５とパルスレーザ光との相対位置を自在に変更することができる。通常は、ＸＹステージ４を移動させて、脆性材料基板５の表面に形成されるスクライブ溝６の予定ラインに沿ってパルスレーザ光を移動させる。また、加工時のＸＹステージ４の移動速度は、図示しない制御部により制御され、これによりパルスレーザ光が所定のオーバーラップ率で脆性材料基板５に照射されることになる。

［アブレーション加工の例］
ここでは、予備加工工程及びそれに続くスクライブ工程によって、脆性材料基板５のスクライブ予定ラインに沿ってスクライブ溝が形成される。スクライブ工程では、パルスレーザ光によってアブレーション加工が行われる。

図２は、パルスレーザ光によるアブレーション加工の一例を示したものである。この図に示されるように、レーザ発振器１から出射されたパルスレーザ光は、レンズ機構３により脆性材料基板５の上面近傍にて集光される。パルスレーザ光が吸収される場合、図２（ａ）に示すように、脆性材料基板５の焦点位置近傍が加熱される。

脆性材料基板５の焦点位置近傍の温度が、脆性材料基板５の沸点を超えた場合、図２（ｂ）に示すように、沸点を超える部分については成分が蒸散する。一方、焦点位置から少し離れた部分では、脆性材料基板５の沸点には到達しないが融点を超える部分が存在する。この部分は、図２（ｃ）に示すように表面が溶融し、その後放熱により温度が低下すると、図２（ｄ）に示すように固着することにより溶融痕が形成される。

［集光径の制御］
本発明では、パルスレーザ光の焦点位置を、従来のように基板上面近傍ではなく下方に移動させ、パルスレーザ光の基板上面でのビーム直径（集光径）が所定の値になるようにしている。図３は、本発明の一実施形態によるレーザ加工装置の焦点位置を示す模式図である。

図３に示すように、従来のレーザ加工装置では、焦点位置が脆性材料基板５の上面近傍になるようにパルスレーザ光４１を集光している。これに対して本実施形態では、焦点位置４３を従来装置に比較して下方に移動させて、脆性材料基板５の上面におけるパルスレーザ光４２のビーム直径Ｄが所定の値になるように調整される。なお、上記の方法に代えて、パルスレーザ光の焦点位置を、基板上面よりも上方に位置させて、脆性材料基板５の上面におけるパルスレーザ光４２のビーム直径Ｄが所定の値になるように調整してもよい。

［レーザ加工方法］
脆性材料基板５にスクライブ溝６を形成する場合は、まず、パルスレーザ光を集光して脆性材料基板５に照射し、このパルスレーザ光をスクライブ予定ラインに沿って走査する（予備加工工程）。なお、走査回数は１回である。この予備加工工程では、レーザ光の加工条件を調整し、スクライブ予定ラインに対してアブレーションを起こさずに溶融のみが生じるようにする。

この予備加工工程を実施することにより、脆性材料基板５のレーザ光が照射された部分においては、熱的影響を受けて変質するために、レーザ光をより吸収しやすい状態になっている。このため、後工程でさらにレーザ光を照射することにより、レーザアブレーション加工によって溝が形成されると同時に、レーザアブレーション加工により形成された溝の近傍が溶融しやすい状態になっている。

以上のような予備工程の後に、先にレーザ光を照射した部分（スクライブ予定ライン）に、パルスレーザ光を照射する。この場合のレーザ光の加工条件は、照射された部分において溶融アブレーションが生じるように調整される。なお、走査回数は１回である。これにより、スクライブ予定ラインに沿って、スクライブ溝６が形成される。ここで、本実施形態における「溶融アブレーション」とは、脆性材料基板に対してパルスレーザ光を用いたアブレーション加工を行うと同時に、脆性材料基板に熱影響を与えて加工部を溶融させる加工である。このような溶融アブレーションでは、従来のアブレーション加工と比較して、端面強度を維持することが可能である。

以下に、予備加工工程及びスクライブ工程の実施例を示す。なお、以下の実施例では、脆性材料基板５としてガラス基板（OA10（製品名：日本電気硝子社製））を、波長２６６nmのUVレーザを用いて加工した。

（１）予備加工
＜レーザ照射条件１＞
レーザ強度 ：８．９×１０^７ W/cm²
オーバーラップ率：９８．６％
走査回数 ：１回
なお、「オーバーラップ率」とは、隣接する２つのパルスレーザ光が重なり合う割合であり、走査速度と繰り返し周波数によって決まるものである。

＜レーザ照射条件２＞
レーザ強度 ：２．３×１０^７ W/cm²
オーバーラップ率：９９．３％
走査回数 ：１回
＜レーザ照射条件３＞
レーザ強度 ：８．２×１０^６ W/cm²
オーバーラップ率：９９．６％
走査回数 ：１回
以上の予備工程によって、スクライブ予定ラインに沿って基板に熱影響を与えることができる。なお、基板への熱影響は、条件１が最も大きく、条件１＞条件２＞条件３の順である。

熱影響を受けた基板上面の様子を図４（ａ）に示している。ここでは、基板上面のスクライブ予定ラインに沿って、基板が溶融した後に固化していることがわかる。また、基板に与えた熱影響の有無（予備工程の有無）による光の吸収率の違いを図５に示している。図５の実験では、ガラス基板として、OA10、t=0.3mmを用いた。この図５から、熱影響により、吸収率が上昇していることが分かる。

（２）スクライブ工程
レーザ照射条件
レーザ強度 ：６．９×１０^９ W/cm²
走査回数 ：１回
走査速度 ：図６参照
以上の加工条件で、加工した場合の脆性材料基板５の上面の様子を図４（ｂ）に示している。ここでは、基板上面のスクライブ予定ラインに沿ってスクライブ溝が形成されていることがわかる。

（３）チッピング発生条件の比較
前述のように、レーザ照射条件１〜３で予備工程を実施し、その後走査速度を変えてスクライブ工程を行った結果を図６に示している。図６において、「熱影響無」の欄は、予備工程を実施していない。また、「○」はスクライブ工程の後に分断が可能であったことを示し、「△」は分断が可能であるがチッピングが発生したことを示している。また、「×」はチッピング発生したことを示している。

また、加工状態の比較を図７に示している。図７（ａ）は熱影響を与えていない部分をスクライブした場合の基板上面の様子である。また、図７（ｂ）は前述のレーザ照射条件２で熱影響を与え、スクライブした場合の基板上面の様子である。これらの図から明らかなように、熱影響を与えずにスクライブをした場合は、チッピングが発生している。また、熱影響を与えた部分をスクライブした場合は、チッピングは見られない。

以上の実験結果から、条件２で熱影響を与えた部分を加工したときが、最もスクライブ可能範囲が広いことがわかる。そして、条件１から条件２のレーザ強度、すなわち２．３×１０^７〜８．９×１０^７ W/cm²で基板に熱影響を与え、スクライブすれば、スクライブ可能範囲を、走査速度が速い側に広げることができることがわかる。具体的には、熱影響を与えない部分でのスクライブ可能範囲は４０〜８０mm/sであるが、レーザ強度２．３×１０^７〜８．９×１０^７ W/cm²の範囲で基板に熱影響を与えることによって、スクライブ可能範囲を４０〜１２０mm/sにすることができる。すなわち、基板に熱影響を与えることによって、熱影響を与えない場合では良好な分断が不可能であった９０〜１２０mm/sの速い速度でレーザを照射することができ、加工効率を高めることができる。

なお、条件３は条件２よりも基板に与えた熱影響は小さく、熱影響を与えていない部分とほぼ同じスクライブ可能範囲である。

［他の実施形態］
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形又は修正が可能である。

例えば、パルスレーザ光の強度は、スクライブ工程においては、１．０×１０^８以上１．０×１０^１０W/cm²以下であればよい。

１ レーザ発振器
５ 脆性材料基板
６ スクライブ溝

Claims (6)

1. 脆性材料基板表面のスクライブ予定ラインに沿ってレーザ光を照射し、スクライブ溝を形成するレーザ加工方法であって、
   レーザ光を脆性材料基板のスクライブ予定ラインに沿って照射し、前記スクライブ予定ラインに沿って基板に熱影響を与えるための予備加工工程と、
   パルスレーザ光を前記スクライブ予定ラインに沿って４０mm/s以上、１２０mm/s以下の走査速度で照射し、アブレーション加工によってスクライブ溝を形成するスクライブ工程と、
   を含む、
   レーザ加工方法。
2. 前記予備工程では、前記スクライブ予定ラインに沿った基板領域に対してアブレーションを起こさずに変質させる、請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. 前記予備加工工程において、
   レーザ光の強度は、２．３×１０^７W/cm²以上、８．９×１０^７W/cm²以下であり、
   前記レーザ光を前記スクライブ予定ラインに沿って走査する回数は１回である、
   請求項１又は２に記載のレーザ加工方法。
4. 前記スクライブ工程において、パルスレーザ光の走査速度は９０mm/s以上、１２０mm/s以下である、請求項１から３のいずれかに記載のレーザ加工方法。
5. 前記スクライブ工程において、パルスレーザ光のレーザ強度は１．０×１０^８以上１．０×１０^１０W/cm²以下であり、
   前記パルスレーザ光を前記スクライブ予定ラインに沿って走査する回数は１回である、
   請求項１から４のいずれかに記載のレーザ加工方法。
6. 前記脆性材料基板はガラス基板であり、前記スクライブ工程におけるパルスレーザ光はUVレーザである、請求項１から５のいずれかに記載のレーザ加工方法。