JP2013031880A - レーザ加工装置およびレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加工効率を向上させることができるレーザ加工装置およびレーザ加工方法を提供する。
【解決手段】レーザ加工装置１では、光源部１０から出力されるレーザ光は、そのビーム断面が光形状整形部２０により一方向に長い形状に整形された後、集光光学系３０により被加工物２に集光される。これにより、該被加工物２においてレーザ光集光位置から上記一方向および集光光学系の光軸の双方に垂直な方向にクラックが生じて被加工物２が加工される。また、移動ステージ４０により被加工物２が移動されて被加工物２が加工されることにより、また更には、移動ステージ４０による被加工物２の移動に応じて光形状整形部２０によるレーザ光のビーム断面形状の整形が制御されることにより、被加工物２に対して様々な形態の加工が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光を被加工物に集光して該被加工物を加工する装置および方法に関するものである。

レーザ光を被加工物の内部に集光して該被加工物を加工する技術は、例えば特許文献１に開示されたものが知られており、被加工物の内部において屈折率変化，結晶析出またはマイクロボイド生成を行うことが可能であり、さらには、光導波路，３次元メモリ，フォトニック結晶またはマイクロチャンネルなどの作成が可能であるとされている。特許文献１に開示されたレーザ加工技術は、フェムト秒レーザ光を透明材料（被加工物）の内部に集光して該透明材料を加工（改質を含む。）するものである。

特許文献１には、「透明材料内部における改質形状や加工形状などの処理形状が、フェムト秒レーザ光のビームの進行方向に延びた縦長の楕円形状となることは、工業的にマイクロチャネルや光導波路などを作成して利用することを考慮した場合には望ましいものではないという問題点があった。即ち、多くの場合に、透明材料内部における改質形状や加工形状などの処理形状としては、フェムト秒レーザ光のビームの進行方向に平行する方向の断面の形状が真円に近いものであることが要求されるものであった。」と記載されている。

そして、特許文献１に開示された発明が解決しようとする課題は、「フェムト秒レーザ光のビームの進行方向に平行する方向の断面の形状が真円に近いものを得ることができるようにした透明材料内部の処理方法およびその装置を提供しようとするものである。」とされている。

特許第３５５９８２７号公報

特許文献１に開示された発明は、加工断面の形状を真円に近いものとしようとするものであり、或る用途においては好ましいものであるものの、その一方では加工効率が低いという問題点を有している。本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、加工効率を向上させることができるレーザ加工装置およびレーザ加工方法を提供することを目的とする。

本発明に係るレーザ加工装置は、レーザ光を出力する光源部と、この光源部から出力されるレーザ光のビーム断面を一方向に長い形状に整形する光形状整形部と、この光形状整形部によりビーム断面形状を整形されたレーザ光を被加工物に集光して該被加工物においてレーザ光集光位置から上記一方向および集光光学系の光軸の双方に垂直な方向にクラックを生じさせる集光光学系と、を備えることを特徴とする。また、本発明に係るレーザ加工装置は、被加工物を移動させる移動ステージと、この移動ステージによる被加工物の移動を制御する制御部と、を更に備えるのが好適である。

本発明に係るレーザ加工方法は、光源部から出力されるレーザ光のビーム断面を光形状整形部により一方向に長い形状に整形し、このビーム断面形状を整形されたレーザ光を集光光学系により被加工物に集光し、該被加工物においてレーザ光集光位置から上記一方向および集光光学系の光軸の双方に垂直な方向にクラックを生じさせて被加工物を加工することを特徴とする。また、本発明に係るレーザ加工方法は、移動ステージにより被加工物を移動させて被加工物を加工するのが好適である。

本発明によれば、光源部から出力されるレーザ光は、そのビーム断面が光形状整形部により一方向に長い形状に整形された後、集光光学系により被加工物に集光される。これにより、該被加工物においてレーザ光集光位置から上記一方向および集光光学系の光軸の双方に垂直な方向にクラックが生じて被加工物が加工される。また、移動ステージにより被加工物が移動されて被加工物が加工される場合、更には、移動ステージによる被加工物の移動に応じて光形状整形部によるレーザ光のビーム断面形状の整形が制御される場合には、被加工物に対して様々な形態の加工が可能となる。

本発明に係るレーザ加工装置または本発明に係るレーザ加工方法では、光形状整形部は、スリットまたはナイフエッジを含むのが好適であり、複数のレンズを含むのも好適である。また、光形状整形部及び制御部が空間光変調器を含むのが好適である。

本発明に係るレーザ加工方法では、被加工物は、半導体材料であるのが好適であり、或いは、レーザ光波長において透明な材料であるのが好適である。

本発明によれば加工効率を向上させることができる。

本実施形態に係るレーザ加工装置１の構成を示す図である。 比較例の場合の被加工物２における加工例を示す図である。 比較例の場合の被加工物２における加工例を示す図である。 実施例の場合の被加工物２における加工例を示す図である。 実施例の場合の被加工物２における加工例を示す図である。 実施例の場合の被加工物２における加工例を示す図である。 実施例の場合の被加工物２における加工例を示す図である。 比較例および実施例それぞれの場合の被加工物２における加工例を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係るレーザ加工装置１の構成を示す図である。この図に示されるレーザ加工装置１は、レーザ光を被加工物２に集光して該被加工物２を加工する装置であって、光源部１０，光形状整形部２０，集光光学系３０，移動ステージ４０および制御部５０を備える。被加工物２は、特には限定されないが、半導体材料であるのが好適であり、或いは、レーザ光波長において透明な材料である。

光源部１０は、レーザ光を出力するものであり、好適にはパルスレーザ光を出力する。また、光源部１０は、パルス幅がフェムト秒オーダであるフェムト秒レーザ光源であるのが好適である。この光源部１０から出力されるレーザ光は、被加工物２を加工し得るだけのパワーを有する。

光形状整形部２０は、光源部１０から出力されるレーザ光のビーム断面を一方向に長い形状に整形する。この光形状整形部２０は、スリットまたはナイフエッジを含むのが好適であり、複数のレンズを含むのも好適であり、また、空間光変調器を含むのも好適である。光形状整形部２０が複数のレンズを含む場合、これら複数のレンズのうち少なくとも１つがシリンドリカルレンズであるのが好適である。

光形状整形部２０がスリットまたはナイフエッジを含んで構成される場合、光形状整形部２０の構成は簡易である。一方、光形状整形部２０が複数のレンズまたは空間光変調器を含んで構成される場合、光を遮断することなくビーム断面形状を任意に整形することができるので、光の損失なく加工をすることができる。

集光光学系３０は、光形状整形部２０によりビーム断面形状を整形されたレーザ光を被加工物２の表面または内部に集光して、被加工物２においてレーザ光集光位置から前記一方向に垂直な方向にクラックを生じさせる。なお、光源部１０と光形状整形部２０との間に、光源部１０から出力されるレーザ光のビーム径を調整するビーム径調整部が設けられているのが好適である。

移動ステージ４０は、被加工物２を移動させる。移動ステージ４０による被加工物２の移動は、集光光学系３０の光軸に垂直な任意の方向への平行移動、集光光学系３０の光軸方向への平行移動、および、集光光学系３０の光軸の周りの回転移動を含む。

制御部５０は、移動ステージ４０による被加工物２の移動を制御する。また、制御部５０は、移動ステージ４０による被加工物２の移動に応じて光形状整形部２０によるレーザ光のビーム断面形状の整形を制御するのが好適である。

光形状整形部２０がスリットを含む場合、光形状整形部２０によるレーザ光のビーム断面形状の整形の制御は、光軸の周りのスリットの回転やスリット幅調整を含む。光形状整形部２０がナイフエッジを含む場合、光形状整形部２０によるレーザ光のビーム断面形状の整形の制御は、光軸の周りのナイフエッジの回転や光軸に垂直な方向への平行移動を含む。

光形状整形部２０が複数のレンズを含む場合、光形状整形部２０によるレーザ光のビーム断面形状の整形の制御は、光軸の周りのシリンドリカルレンズの回転を含む。また、光形状整形部２０が空間光変調器を含む場合、光形状整形部２０によるレーザ光のビーム断面形状の整形の制御は、空間光変調器における光透過画素の配列の調整を含む。

次に、本実施形態に係るレーザ加工装置１の動作について説明するとともに、本実施形態に係るレーザ加工方法について説明する。光源部１０から出力されるレーザ光は、そのビーム断面が光形状整形部２０により一方向に長い形状に整形された後、集光光学系３０により被加工物２に集光される。これにより、該被加工物２においてレーザ光集光位置から上記一方向に垂直な方向にクラックが生じて被加工物２が加工される。また、移動ステージ４０により被加工物２が移動されて被加工物２が加工されることにより、また更には、移動ステージ４０による被加工物２の移動に応じて光形状整形部２０によるレーザ光のビーム断面形状の整形が制御されることにより、被加工物２に対して様々な形態の加工が可能となる。

このように、本実施形態に係るレーザ加工装置１またはレーザ加工方法では、被加工物２においてレーザ光集光位置から上記一方向に垂直な方向にクラックが生じて被加工物２が加工される。すなわち、クラックを細長い形状に制御することができる。レーザ光集光位置において加工痕に生じるドットに比べて、クラックが生じる範囲は非常に大きい。

したがって、このクラックをステルスダイシングなどの切断加工における改質部として適用することで、加工時間の短縮化などが可能となる。また、制御されたクラックをつなげることにより、光導波路、マイクロ流路およびマイクロＴＡＳなどを効率良く作製することができる。なお、ステルスダイシングとは、半導体ウェーハの内部にレーザ光を照射して任意の位置に改質層を形成させ、テープエキスパンドなど外部応力を加えることにより、ウェーハ表面に亀裂を成長させてチップを小片化するカッティング技術である（例えば特許第３４０８８０５号公報を参照）。

従来の内部改質による割断加工手法では、レーザ光の繰返し周波数などで加工条件が制限されていた。しかし、本実施形態に係るレーザ加工装置１またはレーザ加工方法を用いれば、レーザ光の繰返し周波数に関わらず、任意の方向にクラックを発生させる事ができるので、加工条件の制限緩和が可能となる。

次に、スリットまたはナイフエッジを含んで構成される光形状整形部２０を備える実施例について、光形状整形部２０を備えない比較例と対比して説明する。実施例および比較例では被加工物２としてスライドガラスを用いた。

図２は、比較例の場合の被加工物２における加工例を示す図である。光源部１０としてフェムト秒レーザ光源を用いた。光源部１０から出力されるパルスレーザ光は、波長が８００ｎｍであり、パルス幅が３５ｆｓであり、繰返し周波数が１ｋＨｚであった。電磁シャッタにより照射時間を１０ｍｓに制御した。ＮＡが０.６５であって倍率が４０倍、焦点距離が４．５１ｍｍ、瞳径が５．８６ｍｍの対物レンズを集光光学系３０として用い、被加工物２であるスライドガラスの内部（表面からの深さ２００μｍの位置）に集光した。また、レーザ光の光エネルギーを、３μＪ，７μＪ，８μＪ，１５μＪ，２３μＪおよび３６μＪの各値とした。この図に示されるように、光エネルギーが８μＪ以上である場合に加工痕にクラックが発生し、光エネルギーが更に高くなるに従ってクラックが顕著に現れた。

図３も、比較例の場合の被加工物２における加工例を示す図である。ここでも、光源部１０として上記と同様のフェムト秒レーザ光源を用い、電磁シャッタにより照射時間を１０ｍｓに制御した。ＮＡが０.６５であって倍率が４０倍、焦点距離が４.５１ｍｍ、瞳径が５.８６ｍｍの対物レンズを集光光学系３０として用い、被加工物２であるスライドガラスの内部（表面からの深さ１００μｍの位置）に集光した。また、レーザ光の光エネルギーを９０μＪとした。そして、同一の加工条件で複数の箇所に加工をした。この図に示されるように、同一の加工条件にも関らず、加工痕に生じるクラックの方向は不規則であった。

図４は、実施例の場合の被加工物２における加工例を示す図である。ここでも、光源部１０として上記と同様のフェムト秒レーザ光源を用い、電磁シャッタにより照射時間を１０ｍｓに制御した。ＮＡが０.６５であって倍率が４０倍、焦点距離が４,５１ｍｍ、瞳径が５,８６ｍｍの対物レンズを集光光学系３０として用い、被加工物２であるスライドガラスの内部（表面からの深さ１００μｍの位置）に集光した。

同図（ａ）は、ナイフエッジを用いてビーム断面の左側を遮蔽した場合を示し、この場合には加工痕の左側にクラックが生じた。同図（ｂ）は、ナイフエッジを用いてビーム断面の右側を遮蔽した場合を示し、この場合には加工痕の右側にクラックが生じた。同図（ｃ）は、ナイフエッジを用いてビーム断面の上側を遮蔽した場合を示し、この場合には加工痕の上側にクラックが生じた。同図（ｄ）は、ナイフエッジを用いてビーム断面の下側を遮蔽した場合を示し、この場合には加工痕の下側にクラックが生じた。

同図（ｅ）は、スリットを用いてビーム断面を左右方向に長い形状とした場合を示し、この場合には加工痕の上側および下側の双方にクラックが生じた。また、同図（ｆ）は、スリットを用いてビーム断面を上下方向に長い形状とした場合を示し、この場合には加工痕の左側および右側の双方にクラックが生じた。このように、光を遮断した方向にのみクラックが発生した。

同図（ａ）から（ｆ）の加工例で用いた光源部１０の偏光は横偏光である。偏光に依存せず、ナイフエッジの遮蔽方向にだけ、発生するクラックの方向が依存することがわかった。したがって、光源部１０は如何なる偏光であってもよい。

実施例では、レーザ光を被加工物２に照射する際、移動ステージ４０は固定させているが、移動ステージ４０を移動させながら加工を行ってもよい。

図５も、実施例の場合の被加工物２における加工例を示す図である。同図（ａ）は平面図を示し、同図（ｂ）は断面図を示す。ここでは、図４の場合と同一条件とし、光形状整形部２０としてスリットを用いた。この図に示されるように、一度に広い領域にクラックが発生した。

図６も、実施例の場合の被加工物２における加工例を示す図である。ここでも、図４の場合と同一条件とし、光形状整形部２０としてスリットを用いた。また、移動ステージ４０により被加工物２を移動させることで、被加工物２において円周上の複数の位置に加工をした。スリット幅は１.０ｍｍであった。同図（ａ）では、スリットの長手方向を円周に沿った方向とし、被加工物２であるスライドガラスの内部（表面からの深さ１００μｍの位置）に集光したところ、円周に垂直な方向にクラックを発生させることができた。また、同図（ｂ）では、スリットの長手方向を円周に垂直な方向とし、被加工物２であるスライドガラスの表面に集光したところ、円周に沿った方向にクラックを発生させることができた。

以上までの実施例および比較例では、光源部１０としてフェムト秒レーザ光源を用い、その光源部１０から出力されるパルスレーザ光は、波長が８００ｎｍであり、パルス幅が３５ｆｓであり、繰返し周波数が１ｋＨｚであった。しかし、これに限られるものではない。

光源部１０から出力されるパルスレーザ光のパルス幅は１ｎｓ以下であることが好ましい。図７は、実施例の場合の被加工物２における加工例を示す図である。同図（ａ）は平面図を示し、同図（ｂ）は断面図を示す。ここでは、光源部１０としてＮｄ：ＹＡＧレーザ光源を用いた。光源部１０から出力されるパルスレーザ光は、波長が１０６４ｎｍであり、パルス幅が１０ｐｓであり、繰返し周波数が５０ｋＨｚであった。光形状整形部２０としてスリットを用い、スリット幅を０.９ｍｍとした。ＮＡが０.６５であって倍率が４０倍、焦点距離が４.５１ｍｍ、瞳径が５.８６ｍｍの対物レンズを集光光学系３０として用い、被加工物２であるスライドガラスの内部（表面からの深さ７０μｍの位置）に集光した。光エネルギーは７μＪであり、ショット数は１０ショットであった。この図に示されるように、パルス幅が１０ｐｓのレーザ光であっても、光形状整形部２０によってレーザ光のビーム断面が一方向に長い形状に整形されることにより、任意の方向にクラックを発生させることができた。

ところで、従来の割断加工手法において、レーザ光の集光によって被加工物の内部に発生させたクラックをつなげることによって、その部分を割断させる手法がある。このとき、レーザ光のパルス幅が広く数百ｐｓ以上であると、そのレーザ光の光エネルギーを高くしなければクラックを発生させることができない。しかし、本実施形態のレーザ加工装置またはレーザ加工方法を用いることによって、数百ｐｓ以上のパルス幅のレーザ光であっても、低い光エネルギーでクラックを発生させることができる。

図８は、比較例および実施例それぞれの場合の被加工物２における加工例を示す図である。同図（ａ）は、比較例の場合の平面図を示す。同図（ｂ）は、光形状整形部２０としてスリットを用いた実施例の場合の平面図を示す。ここでは、光源部１０としてＮｄ：ＹＡＧレーザ光源を用いた。光源部１０から出力されるパルスレーザ光は、波長１０６４ｎｍの第２高調波５３２ｎｍであり、パルス幅が９００ｐｓであった。光形状整形部を用いない比較例の場合、１５０μＪの光エネルギーを有するパルスレーザ光を照射しないとクラックが発生しないのに対して、光形状整形部２０としてスリットを用いた実施例の場合では、４μＪの光エネルギーを有するパルスレーザ光を照射することでクラックを発生させることができた。

光源部１０から出力されるパルスレーザ光のパルス幅が１ｎｓ以下である場合、光形状整形部２０によりビーム断面形状を整形されたレーザ光を被加工物２の表面または内部に集光して、被加工物２においてレーザ光集光位置から前記一方向に垂直な方向に屈折率変化を生じさせることができる。

１…レーザ加工装置、２…被加工物、１０…光源部、２０…光形状整形部、３０…集光光学系、４０…移動ステージ、５０…制御部。

Claims (12)

1. レーザ光を出力する光源部と、この光源部から出力されるレーザ光のビーム断面を一方向に長い形状に整形する光形状整形部と、この光形状整形部によりビーム断面形状を整形されたレーザ光を被加工物に集光して該被加工物においてレーザ光集光位置から前記一方向および前記集光光学系の光軸の双方に垂直な方向にクラックを生じさせる集光光学系と、を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記被加工物を移動させる移動ステージと、この移動ステージによる前記被加工物の移動を制御する制御部と、を更に備えることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
3. 前記光形状整形部がスリットまたはナイフエッジを含むことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
4. 前記光形状整形部が複数のレンズを含むことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
5. 前記光形状整形部及び前記制御部が空間光変調器を含むことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
6. 光源部から出力されるレーザ光のビーム断面を光形状整形部により一方向に長い形状に整形し、このビーム断面形状を整形されたレーザ光を集光光学系により被加工物に集光し、該被加工物においてレーザ光集光位置から前記一方向および前記集光光学系の光軸の双方に垂直な方向にクラックを生じさせて前記被加工物を加工する、ことを特徴とするレーザ加工方法。
7. 移動ステージにより前記被加工物を移動させて前記被加工物を加工することを特徴とする請求項６記載のレーザ加工方法。
8. 前記光形状整形部がスリットまたはナイフエッジを含むことを特徴とする請求項６記載のレーザ加工方法。
9. 前記光形状整形部が複数のレンズを含むことを特徴とする請求項６記載のレーザ加工方法。
10. 前記光形状整形部及び前記制御部が空間光変調器を含むことを特徴とする請求項６記載のレーザ加工方法。
11. 前記被加工物が半導体材料であることを特徴とする請求項６記載のレーザ加工方法。
12. 前記被加工物がレーザ光波長において透明な材料であることを特徴とする請求項６記載のレーザ加工方法。