JP2013107123A - レーザ加工方法及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エッチング液を用いてワークをレーザ加工する際に、カーフロスを抑え、特にエッチング液に色素としての添加物が不要となる加工方法を提供する。
【解決手段】この加工方法は、レーザを照射してワークを加工する方法であって、第１〜第３工程を含んでいる。第１工程は、レーザを吸収可能でありかつレーザに対して吸収ピークを有する溶媒を含むエッチング液を容器に充填するとともに、ワークの少なくとも下面がエッチング液に接触するように容器内にワークを支持する。第２工程は、ワークを透過しかつワーク下面で集光するようにワーク表面からレーザを照射する。第３工程は、ワークとレーザとを相対的に移動させてワークを加工する。
【選択図】図４

Description

本発明は、レーザ加工方法、特に、被加工物としてのワークにレーザを照射してワークを加工するレーザ加工方法及びそれを実施するためのレーザ加工装置に関する。

シリコンやサファイヤ等のワークを加工する手段として、従来からドリルやワイヤが用いられている。しかし、例えばワイヤでワークをスライス加工する場合、ワイヤの径に応じて比較的大きなカーフロスが生じる。また紫外線や赤外線レーザを用いたアブレーション加工によってワークを加工することも提案されているが、一般的なパルス幅のレーザを用いた加工では、加工部位の周囲に熱影響が生じ、良好な加工品質を得ることができない。

そこで、特許文献１に示されるような加工方法が提案されている。この特許文献１に示された加工方法は、ワークの加工面にのみレーザを吸収するエッチング液を作用させ、レーザを、ワークを透過させて加工面の反対面から照射して加工するものである。

特開昭６２−１８００８８号公報

特許文献１に示された加工方法について、以下に具体的に説明する。

まず、レーザとしては、ワーク（ニオブ酸リチウム基板）を透過する波長０．５μmのアルゴンレーザが用いられる。そして、レーザを吸収する色素としての黒鉛微粒子を含んだ水酸化カリウム水溶液が基板の下面に配置される。以上のような状態で、レーザが、基板の下面と接するエッチング液に集光させられる。そして、基板が移動されて、基板に溝加工が施される。

以上のような加工方法では、レーザの集光位置でレーザが吸収され、基板が加熱処理されるように、レーザ吸収用の黒鉛微粒子をエッチング液に含ませる必要がある。しかし、この黒鉛微粒子は、粒子径が比較的大きいために粒子径よりも十分に大きな加工幅を確保しなければならず切断加工のカーフロスが大きくなり、効率的な加工を行えない。また、この黒鉛微粒子のためにワーク表面が着色されたり、黒煙微粒子がワーク表面に焦げ付いたりする場合がある。さらに、このような添加物は加工コストが高くなる要因となる。

本発明の課題は、エッチング液を用いてワークをレーザ加工する際に、カーフロスを抑え、特にエッチング液にレーザ吸収用の添加物が不要となる加工方法及びそれを実現するための加工装置を提供することにある。

第１発明に係るレーザ加工方法は、レーザを照射してワークを加工する方法であって、以下の工程を含んでいる。

第１工程：レーザを吸収可能でありかつレーザに対して吸収ピークを有する溶媒を含むエッチング液を容器に充填するとともに、ワークの少なくとも下面がエッチング液に接触するように容器内にワークを支持する。

第２工程：ワークを透過しかつワークとエッチング液とが接触する位置に集光するようにワーク上面からレーザを照射する。

第３工程：ワークとレーザとを相対的に移動させてワークを加工する。

この方法では、容器内にエッチング液が充填されており、ワークは、その少なくとも下面がエッチング液に接触するように、容器内に支持される。そして、レーザがワークに照射される。この場合のレーザは、ワークを透過し、かつエッチング液の溶媒自体にレーザが吸収されるような波長のレーザが用いられる。すると、ワークを透過したレーザは、集光位置でエッチング液の溶媒に吸収される。このため、レーザの集光位置でワークが加熱され、ワークの集光点付近が高速でエッチング処理される。

ここでは、エッチング液の溶媒自体がレーザを吸収するため、エッチング液にレーザを吸収するための黒鉛微粒子等の色素を含ませる必要がない。したがって、色素によるワークへのダメージ等をなくすことができ、また加工コストを低減することができる。しかも、カーフロスを抑えることができる。

第２発明に係るレーザ加工方法は、第１発明の方法において、第１工程において使用されるエッチング液の溶媒は水酸基を有する液体である。

エッチング液の溶媒として、水酸基を有する液体、例えば水を用いることができる。この場合は、エッチング液の後処理が容易であり、また加工コスト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２発明の方法において、第１工程において使用されるエッチング液は、レーザを吸収するための添加物を含んでいない。

ここで、第１発明の方法によれば、エッチング液にレーザを吸収するための添加物を含ませる必要がない。このため、添加物によるワークへの悪影響をなくすことができ、また加工コストを抑えることができる。

第４発明に係るレーザ加工方法は、第２又は第３発明の方法において、第１工程におけるレーザの波長は、１．５μm以上６．５μm以下である。

ここでは、エッチング液の溶媒が水酸基を有する液体の場合、レーザ波長と吸収係数との関係を示す特性において、１．５μm以上６．５μm以下の範囲に複数の吸収ピークが生じる。そこで、波長が以上の範囲のレーザを使用することによって、レーザはエッチング液の溶媒に効率良く吸収され、エッチングが促進される。

第５発明に係るレーザ加工方法は、第４発明の方法において、第１工程におけるレーザの波長は、２．７μm以上３．２μm以下である。

ここで、エッチング液の溶媒が水酸基を有する液体の場合、レーザ波長と吸収係数との関係を示す特性において、波長が３μm近辺に最大の吸収ピークが生じる。そこで、波長が２．７〜３．２μmのレーザを使用することにより、もっとも効率良くレーザがエッチング液の溶媒に吸収され、効率の良いエッチング処理が可能になる。

第６発明に係るレーザ加工方法は、第１から第５発明の方法において、ワークはシリコン及びサファイヤのいずれかである。

第７発明に係るレーザ加工装置は、レーザを照射してワークを加工する装置であって、レーザ発振器と、容器と、テーブルと、光学系と、移動装置と、を備えている。レーザ発振器はワークを透過するレーザを出力する。容器は、レーザを吸収可能でありかつレーザに対して吸収ピークを有する溶媒を含むエッチング液が充填され、ワークの少なくとも下面がエッチング液に接触するように支持される。テーブルは容器が載置される。光学系は、レーザ発振器から出力されるレーザを、ワーク上面に導くとともにワークとエッチング液とが接触する位置に集光させる。移動装置はワークとレーザとを相対的に移動させる。

以上のような本発明では、エッチング液を用いてワークをレーザ加工する際に、カーフロスを抑え、しかもエッチング液に添加物が不要となり、加工品質を向上できるとともに、加工コストを低減できる。

本発明の一実施形態によるレーザ加工装置の概略構成図。 エッチング液の溶媒（水）とシリコンのレーザ波長と吸収係数との関係を示す図。 第２レンズユニットの概略構成図。 レーザ加工方法の基本的作用を説明する図。 本発明の一実施形態による孔あけ加工を説明する図。 本発明の一実施形態によるスライス加工（１）を説明する図。 本発明の一実施形態によるスライス加工（２）を説明する図。 エッチング液の溶媒（水）とサファイヤのレーザ波長と吸収係数との関係を示す図。

［装置構成］
図１に、本発明の一実施形態によるレーザ加工装置の概略構成を示す。このレーザ加工装置は、レーザを照射して被加工物であるワークを加工する装置である。図に示すように、レーザ加工装置は、テーブル１と、テーブル１に載置される容器２と、レーザ発振器３と、光学系４と、レンズ駆動機構５と、テーブル移動機構６と、を備えている。以下、ワークとして、シリコンを例にとって説明する。

容器２内には、エッチング液７が充填されるとともに、シリコンブロック８が１対の支持部材９によって支持される。シリコンブロック８は、加工領域がエッチング液に接触するように配置される。この実施形態では、エッチング液７として、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液等の水酸基を有する溶媒を含む液体が用いられる。なお、エッチング液７には、黒鉛微粒子等のレーザ吸収用の色素は混入されていない。

レーザ発振器３は、波長が３μm近辺のレーザを発振する。波長が３μm近辺のレーザとしては、例えば以下のレーザが利用できる。

セラミックレーザ
Er:YAGレーザ−−−−波長２．９μm
Er:YLFレーザ−−−−波長２．８μm
Er:BYFレーザ−−−−波長２．８μm
Ho:YLFレーザ−−−−波長３．９μm
Ho:BYFレーザ−−−−波長３．９μm
Cr:ZnSeレーザ−−−−波長１．９〜３．３μm
Fe:ZnSeレーザ−−−−波長３．９〜５．０μm
中赤外ファイバレーザ
Er中赤外ファイバレーザ−−−−−−波長２．７〜２．８μm，３．５μm
Er/Pr中赤外ファイバレーザ−−波長２．７μm
Ho中赤外ファイバレーザ−−−波長２．９μｍ，３μm，４μm
Ho/Pr中赤外ファイバレーザ−−波長２．９μm
以上のような波長のレーザを使用することにより、エッチング液の溶媒が水等の水酸基を有する液体の場合、最も効率良くレーザが吸収され、加工効率が良くなる。この点について、図２を用いて説明する。

図２は、横軸はレーザの波長［μm］、縦軸は吸収係数［cm^−１］である。図において、実線は水のレーザ波長に対する吸収係数を示し、破線はシリコンのレーザ波長に対する吸収係数を示している。この図から明らかなように、レーザ波長が１．３μm〜７μmの範囲では、レーザは、シリコンに吸収されずに透過する。一方、レーザ波長が３μm近辺では、最も高い吸収ピークが存在する。したがって、シリコンブロックを、水酸基を有する溶媒を含むエッチング液に浸して加工する場合は、波長が２．７μm以上３．２μm以下のレーザを用いることによって、レーザは最も効率良くエッチング液に吸収されることがわかる。

なお、図２に示すように、水酸基を有する溶媒を含むエッチング液では、レーザ波長が、１．５μm近辺、２μm近辺、３μm近辺、６μm近辺の複数個所に吸収ピークを有している。したがって、波長が１．５μm以上６．５μm以下のレーザを用いることによって、比較的効率良くレーザがエッチング液に吸収され、効率の良い加工を行うことができる。

光学系４は、レーザ発振器３からのレーザをシリコンブロック８に導くためのものであり、第１レンズユニット１１と、ミラー１２と、第２レンズユニット１３と、を有している。第１ユニット１１は、レーザのビームを成型するためのレンズ等を含んでいる。ミラー１２は、第１レンズユニット１１でビーム成型されたレーザを下方に反射する。第２レンズユニット１３は、図３に示すように、第１及び第２ウェッジプリズム１３ａ，１３ｂと、集光レンズ１３ｃと、を有している。両ウェッジプリズム１３ａ，１３ｂ及び集光レンズ３ｃは、中空モータ（図示せず）の内部に配置されており、中空モータの中心軸Ｃの周りに回転させることが可能である。また、第２ウェッジプリズム１３ｂは、第１ウェッジプリズム３ａに対して接近及び離反自在に配置されている。

なお、この実施形態では、シリコンを透過し水酸基を有する溶媒を含むエッチング液に吸収される波長のレーザを用いるために、各レンズはレーザを吸収しない材料で製造する必要がある。例えば、波長が３μmのレーザを用いる場合は、フッ化カルシウムを材料とするレンズにする必要がある。

レンズ駆動機構５は、第２レンズユニット１３の各レンズ１３ａ，１３ｂ，１３ｃを回転駆動するための、また第２ウェッジプリズム１３ｂ及び集光レンズ１３ｃを上下方向に移動するための機構である。このレンズ駆動機構５により集光レンズ１３ｃを上下方向に移動させることによって、レーザの上下方向の集光位置を制御することができる。また、第１及び第２ウェッジプリズム１３ａ，１３ｂを中空モータによって回転させることにより、レーザの集光位置を所定の半径の円形の加工ラインに沿って走査させることができる。さらに、第１ウェッジプリズム１３ａと第２ウェッジプリズム１３ｂとの間隔を制御することによって、円形の加工ラインに沿って加工を行う際の半径を任意に設定することができる。

テーブル移動機構６は、テーブル１を水平面内で移動させて、シリコンブロックにおけるレーザの集光位置を水平面内で移動させるための機構である。

［加工方法］
次に、以上のような加工装置を用いて、レーザによりエッチング加工する方法について説明する。以下では、レーザ加工方法の基本的作用について説明する。

まず、容器２内にエッチング液７を充填する。ここで、エッチング液７としては、前述のように、水等の水酸基を有する溶媒を含む液体を使用する。そして、このエッチング液７が満たされた容器２内に、シリコンブロック８を入れ、支持部材９によって支持する。なお、シリコンブロック８は、加工すべき高さ位置までエッチング液７に浸す必要がある。

次に、前述の例で示したような波長が３μm近辺のレーザを、シリコンブロック８の表面から照射する。そして、図４（ａ）に模式的に示すように、レーザＬがシリコンブロック８の下面で集光するように、集光レンズ１３ｃの上下位置を調整する。なお、図４では、シリコンブロック８において、エッチング液７と接触している部分のみを示している。ここでは、レーザＬは、シリコンブロック８を透過し、集光点でエッチング液の溶媒に吸収される。このため、集光点ではシリコンブロック８が局部的に加熱される。この加熱によってエッチング速度が速くなり、図４（ｂ）に示すように、集光点において微小な穴８ａが形成される。そして、この穴８ａに周囲のエッチング液が侵入する。

次に、集光レンズ１３ｃを上方に移動させ、集光位置をシリコンブロック８の上面側に移動させる。これにより、前述と同様の作用によって穴８ａが上方に向かって深くなる。この様子を図４（ｃ）に示している。

＜孔あけ加工＞
以上のような加工方法を用いて、シリコンブロック８の下面から上面に貫通する孔を形成する場合について説明する。

小径の孔を形成する場合は、図４に示した加工方法と同様の方法を実施する。この場合の加工孔径は、レーザの集光径と同程度の径になる。レーザの集光径は、集光レンズ１３ｃの焦点距離と、集光レンズ１３ｃに入射するレーザのビーム径と、を調整することによって制御することができる。

一方、大きな径の孔を形成する場合は、まず、レーザＬの集光径を加工孔径よりも十分に小さくする必要がある。そして、図５（ａ）に示すように、集光点をシリコンブロック８の下面に設定する。この場合のエッチング処理については、図４で説明した通りである。次に、集光点の上下方向の位置を固定した状態で、すなわち集光レンズ１３ｃの高さ位置を固定した状態で、第２レンズユニット１３を中空モータにより回転させる。これにより、シリコンブロック８の下面に、図５（ａ）に示すように円形の溝８ｂが形成され、エッチング液はこの溝８ｄ内に侵入する。

次に、図５（ｂ）に示すように、集光レンズ１３ｃを上方に移動させ、前述と同様の処理を実行する。このような処理を繰り返し実行することにより、図５（ｃ）に示すように、シリコンブロック８の下面から上面にわたって連続する円形の溝８ｂが形成される。したがって、この後、シリコンブロック８をテーブル１上から取り出すことにより、シリコンブロック８から加工くず８１を分離させることができる。これにより、円形の孔８ｃをシリコンブロック８に形成することができる。

なお、レーザＬの集光点は、螺旋状に上方に移動させてもよいし、上方への移動及び旋回を段階的に実行するようにしてもよい。

＜スライス加工（１）＞
次に、シリコンブロック８の下面から上面にかけて複数の溝を形成し、シリコンブロック８をスライスする場合について説明する。

まず、前述と同様の加工方法によって、シリコンブロック８の下面に集光位置を設定してレーザを照射する。そして、図６（ａ）に示すように、シリコンブロック８が載置されたテーブル１をｘ方向に移動し、ｘ方向に延びる溝８ｄをシリコンブロック８の下面に形成する。このとき、溝８ｄにはエッチング液が侵入する。

次に、集光レンズ１３ｃを上方に移動する。すなわち、溝８ｄの底面（上面）にレーザＬの集光位置がくるように、集光レンズ１３ｃを移動する。この状態でテーブル１をｘ方向に移動してレーザＬを走査し、同様の加工を行う。これにより、図６（ｂ）に示すように、溝８ｄの深さが上方に向かって深くなり、この溝８ｄに前記同様にエッチング液が侵入する。

以上の処理を繰り返し実行することにより、ｘ方向に延びる溝８ｄがシリコンブロック８の下面から上面につながり、スライスされたことになる。この後、図６（ｄ）及び（ｅ）に示すように、レーザをｙ方向に移動し、前述の処理と同様の処理を繰り返し実行する。これにより、シリコンブロック８を複数枚のウェハにスライスすることができる。図６（ｅ）は図６（ｄ）の側面視である。

なお、図６に示した処理では、溝８ｄをシリコンブロック８の下面から上面まで貫通させた場合について説明したが、この場合は、スライスされた各片がそれぞれ分離されて取扱いが不便である。そこで、後処理工程での取扱い性を容易にするために、溝８ｄを上面まで到達させることなく、上面から所定の距離の位置で溝８ｄの形成を止めるようにするのが望ましい。

＜スライス加工（２）＞
図６に示す加工方法において、スライス幅が狭い場合、ｙ方向に移動して加工しようとすると、このときのレーザが先の溝（加工痕）と干渉することがある。このような場合は、図７に示すような方法で加工する必要がある。

ここでは、まず、先の方法と同様に、図７（ａ）に示すように、シリコンブロック８の下面に集光位置を設定してレーザＬを照射し、さらにシリコンブロック８が載置されたテーブル１をｘ方向に移動して、ｘ方向に延びる溝８ｄを形成する。次に、スライス幅に応じてテーブル１をｙ方向に移動する。そして、同様に、シリコンブロック８の下面に溝８ｄを形成する（図７（ｂ））。以上の処理を繰り返し実行して、図７（ｃ）に示すように、すべてのスライス個所に溝８ｄを形成する。その後、図７（ｄ）に示すように、先に形成された溝８ｄの底面にレーザＬの集光点を設定し、前記同様にテーブル１をｘ方向に移動してレーザを走査する。この走査をすべての溝８ｄについて実行する。これにより、スライス幅が狭い場合であっても、図７（ｅ）に示すように、溝同士が干渉することなく加工を行うことができる。

なお、この図７に示す例においても、後処理工程での取扱い性を考慮し、溝８ｄを上面まで到達させることなく、上面から所定の距離の位置で溝８ｄの形成を止めるようにするのが望ましい。

［特徴］
（１）エッチング液の溶媒として水やアルコールなど、水酸基を含んだ液体を用い、かつ波長が３μm近辺のレーザを用いた場合、レーザは水酸基に効率良く吸収され、高速にエッチング処理を行うことができる。

（２）エッチング液の溶媒自体がレーザを吸収するため、エッチング液にレーザを吸収するための黒鉛微粒子等の添加物を含ませる必要がない。したがって、添加物によるシリコンブロックへのダメージ等をなくすことができ、また加工コストの低減を図ることができる。

（３）従来のワイヤによる加工に比較して、カーフロスを抑えることができ、歩留まりが向上する。例えば、波長２．８μm、直径１０mmのシングルモードErファイバレーザを焦点距離１００mmのレンズで集光した場合、集光径は３５．７μmとなり、カーフロスは著しく小さくなる。

（４）エッチング液の溶媒として水を使用することができ、エッチング液の後処理が容易であり、また加工コストを低減できる。

（５）従来のレーザアブレーションのように、加工部に溶融したシリコンや酸化物が付着するのを抑えることができ、加工品質が向上する。

（６）厚いワークに比較的大径の孔あけ加工する場合であって、孔がテーパ状に形成されるのを抑えることができる。

（７）大掛かりな設備が不要になる。

［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。

（ａ）前記実施形態では、テーブルを水平面内で移動させてレーザの走査を行ったが、図１におけるミラー１２に代えてガルバノスキャナミラーを用いることにより、テーブルを固定した状態でレーザｘ，ｙ方向に走査することができる。

（ｂ）使用するレーザの波長は、ワークを透過しかつエッチング液の溶媒に吸収されるような波長であれば、前記実施形態に示したものに限定されない。

（ｃ）レーザのビーム形状は、前記実施形態に限定されない。例えば、光学系として非球面シリンドリカルレンズを組み合わせたユニットを用い、レーザのビーム形状をガウス分布型ではなく矩形状のトップハット型にすれば、さらに効率良く加工を行うことができる。

（ｄ）ワークとしてサファイヤを用いてもよい。エッチング液の溶媒としての水とサファイヤのレーザ波長と吸収係数との関係を図８に示す。この図から明らかなように、サファイヤの場合においても、波長が３μm近辺、あるいは２μm近辺のレーザを用いることによって、前記実施形態とほぼ同様の加工を行うことができる。また、波長が３μm近辺のレーザを用いることによって、前記実施形態とほぼ同様の加工を行うことができるワークの例として、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＩｎＰ、ＧａＳｂが上げられる。なお、上記のワークを加工するためのエッチング液として、ＫＯＨ、ＨＦ、Ｈ_２ＳＯ_４、Ｈ_３ＰＯ_４、ＨＣＬ、ＮａＯＨの各水溶液やＨ_２Ｏ_２およびこれらの混合液をワークに応じて適宜選択して用いることができる。

（ｅ）ワーク表面に対してレーザの照射方向を傾けることによって、切断面をテーパ状にすることができる。

（ｆ）孔あけ加工において、円形の孔だけではなく、楕円形等の環状の孔を形成することができる。また、貫通する孔に限らず、下面から所定の深さを有する有底の孔を形成することも可能になる。

１ テーブル
２ 容器
３ レーザ発振器
４ 光学系
５ レンズ駆動機構
６ テーブル駆動機構
７ エッチング液
８ シリコンブロック
１３ 第２レンズユニット
１３ａ，１３ｂ ウェッジプリズム
１３ｃ 集光レンズ

本発明は、レーザ加工方法、特に、被加工物としてのワークにレーザを照射してワークを加工するレーザ加工方法及びそれを実施するためのレーザ加工装置に関する。

シリコンやサファイヤ等のワークを加工する手段として、従来からドリルやワイヤが用いられている。しかし、例えばワイヤでワークをスライス加工する場合、ワイヤの径に応じて比較的大きなカーフロスが生じる。また紫外線や赤外線レーザを用いたアブレーション加工によってワークを加工することも提案されているが、一般的なパルス幅のレーザを用いた加工では、加工部位の周囲に熱影響が生じ、良好な加工品質を得ることができない。

そこで、特許文献１に示されるような加工方法が提案されている。この特許文献１に示された加工方法は、ワークの加工面にのみレーザを吸収するエッチング液を作用させ、レーザを、ワークを透過させて加工面の反対面から照射して加工するものである。

特開昭６２−１８００８８号公報

特許文献１に示された加工方法について、以下に具体的に説明する。

まず、レーザとしては、ワーク（ニオブ酸リチウム基板）を透過する波長０．５μmのアルゴンレーザが用いられる。そして、レーザを吸収する色素としての黒鉛微粒子を含んだ水酸化カリウム水溶液が基板の下面に配置される。以上のような状態で、レーザが、基板の下面と接するエッチング液に集光させられる。そして、基板が移動されて、基板に溝加工が施される。

以上のような加工方法では、レーザの集光位置でレーザが吸収され、基板が加熱処理されるように、レーザ吸収用の黒鉛微粒子をエッチング液に含ませる必要がある。しかし、この黒鉛微粒子は、粒子径が比較的大きいために粒子径よりも十分に大きな加工幅を確保しなければならず切断加工のカーフロスが大きくなり、効率的な加工を行えない。また、この黒鉛微粒子のためにワーク表面が着色されたり、黒煙微粒子がワーク表面に焦げ付いたりする場合がある。さらに、このような添加物は加工コストが高くなる要因となる。

本発明の課題は、エッチング液を用いてワークをレーザ加工する際に、カーフロスを抑え、特にエッチング液にレーザ吸収用の添加物が不要となる加工方法及びそれを実現するための加工装置を提供することにある。

第１発明に係るレーザ加工方法は、レーザを照射してワークを加工する方法であって、以下の工程を含んでいる。

第１工程：レーザを吸収可能でありかつレーザに対して吸収ピークを有する溶媒を含むエッチング液を容器に充填するとともに、ワークの少なくとも下面がエッチング液に接触するように容器内にワークを支持する。

第２工程：ワークを透過しかつワークとエッチング液とが接触する位置に集光するようにワーク上面からレーザを照射する。

第３工程：ワークとレーザとを相対的に移動させてワークを加工する。

この方法では、容器内にエッチング液が充填されており、ワークは、その少なくとも下面がエッチング液に接触するように、容器内に支持される。そして、レーザがワークに照射される。この場合のレーザは、ワークを透過し、かつエッチング液の溶媒自体にレーザが吸収されるような波長のレーザが用いられる。すると、ワークを透過したレーザは、集光位置でエッチング液の溶媒に吸収される。このため、レーザの集光位置でワークが加熱され、ワークの集光点付近が高速でエッチング処理される。

ここでは、エッチング液の溶媒自体がレーザを吸収するため、エッチング液にレーザを吸収するための黒鉛微粒子等の色素を含ませる必要がない。したがって、色素によるワークへのダメージ等をなくすことができ、また加工コストを低減することができる。しかも、カーフロスを抑えることができる。

第２発明に係るレーザ加工方法は、第１発明の方法において、第１工程において使用されるエッチング液の溶媒は水酸基を有する液体である。

エッチング液の溶媒として、水酸基を有する液体、例えば水を用いることができる。この場合は、エッチング液の後処理が容易であり、また加工コスト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２発明の方法において、第１工程において使用されるエッチング液は、レーザを吸収するための添加物を含んでいない。

ここで、第１発明の方法によれば、エッチング液にレーザを吸収するための添加物を含ませる必要がない。このため、添加物によるワークへの悪影響をなくすことができ、また加工コストを抑えることができる。

第４発明に係るレーザ加工方法は、第２又は第３発明の方法において、第１工程におけるレーザの波長は、１．５μm以上６．５μm以下である。

ここでは、エッチング液の溶媒が水酸基を有する液体の場合、レーザ波長と吸収係数との関係を示す特性において、１．５μm以上６．５μm以下の範囲に複数の吸収ピークが生じる。そこで、波長が以上の範囲のレーザを使用することによって、レーザはエッチング液の溶媒に効率良く吸収され、エッチングが促進される。

第５発明に係るレーザ加工方法は、第４発明の方法において、第１工程におけるレーザの波長は、２．７μm以上３．２μm以下である。

ここで、エッチング液の溶媒が水酸基を有する液体の場合、レーザ波長と吸収係数との関係を示す特性において、波長が３μm近辺に最大の吸収ピークが生じる。そこで、波長が２．７〜３．２μmのレーザを使用することにより、もっとも効率良くレーザがエッチング液の溶媒に吸収され、効率の良いエッチング処理が可能になる。

第６発明に係るレーザ加工方法は、第１から第５発明の方法において、ワークはシリコン及びサファイヤのいずれかである。

第７発明に係るレーザ加工装置は、レーザを照射してワークを加工する装置であって、レーザ発振器と、容器と、テーブルと、光学系と、移動装置と、を備えている。レーザ発振器はワークを透過するレーザを出力する。容器は、レーザを吸収可能でありかつレーザに対して吸収ピークを有する溶媒を含むエッチング液が充填され、ワークの少なくとも下面がエッチング液に接触するように支持される。テーブルは容器が載置される。光学系は、レーザ発振器から出力されるレーザを、ワーク上面に導くとともにワークとエッチング液とが接触する位置に集光させる。移動装置はワークとレーザとを相対的に移動させる。

以上のような本発明では、エッチング液を用いてワークをレーザ加工する際に、カーフロスを抑え、しかもエッチング液に添加物が不要となり、加工品質を向上できるとともに、加工コストを低減できる。

本発明の一実施形態によるレーザ加工装置の概略構成図。 エッチング液の溶媒（水）とシリコンのレーザ波長と吸収係数との関係を示す図。 第２レンズユニットの概略構成図。 レーザ加工方法の基本的作用を説明する図。 本発明の一実施形態による孔あけ加工を説明する図。 本発明の一実施形態によるスライス加工（１）を説明する図。 本発明の一実施形態によるスライス加工（２）を説明する図。 エッチング液の溶媒（水）とサファイヤのレーザ波長と吸収係数との関係を示す図。

［装置構成］
図１に、本発明の一実施形態によるレーザ加工装置の概略構成を示す。このレーザ加工装置は、レーザを照射して被加工物であるワークを加工する装置である。図に示すように、レーザ加工装置は、テーブル１と、テーブル１に載置される容器２と、レーザ発振器３と、光学系４と、レンズ駆動機構５と、テーブル移動機構６と、を備えている。以下、ワークとして、シリコンを例にとって説明する。

容器２内には、エッチング液７が充填されるとともに、シリコンブロック８が１対の支持部材９によって支持される。シリコンブロック８は、加工領域がエッチング液に接触するように配置される。この実施形態では、エッチング液７として、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液等の水酸基を有する溶媒を含む液体が用いられる。なお、エッチング液７には、黒鉛微粒子等のレーザ吸収用の色素は混入されていない。

レーザ発振器３は、波長が３μm近辺のレーザを発振する。波長が３μm近辺のレーザとしては、例えば以下のレーザが利用できる。

セラミックレーザ
Er:YAGレーザ−−−−波長２．９μm
Er:YLFレーザ−−−−波長２．８μm
Er:BYFレーザ−−−−波長２．８μm
Ho:YLFレーザ−−−−波長３．９μm
Ho:BYFレーザ−−−−波長３．９μm
Cr:ZnSeレーザ−−−−波長１．９〜３．３μm
Fe:ZnSeレーザ−−−−波長３．９〜５．０μm
中赤外ファイバレーザ
Er中赤外ファイバレーザ−−−−−−波長２．７〜２．８μm，３．５μm
Er/Pr中赤外ファイバレーザ−−波長２．７μm
Ho中赤外ファイバレーザ−−−波長２．９μｍ，３μm，４μm
Ho/Pr中赤外ファイバレーザ−−波長２．９μm
以上のような波長のレーザを使用することにより、エッチング液の溶媒が水等の水酸基を有する液体の場合、最も効率良くレーザが吸収され、加工効率が良くなる。この点について、図２を用いて説明する。

図２は、横軸はレーザの波長［μm］、縦軸は吸収係数［cm^−１］である。図において、実線は水のレーザ波長に対する吸収係数を示し、破線はシリコンのレーザ波長に対する吸収係数を示している。この図から明らかなように、レーザ波長が１．３μm〜７μmの範囲では、レーザは、シリコンに吸収されずに透過する。一方、レーザ波長が３μm近辺では、最も高い吸収ピークが存在する。したがって、シリコンブロックを、水酸基を有する溶媒を含むエッチング液に浸して加工する場合は、波長が２．７μm以上３．２μm以下のレーザを用いることによって、レーザは最も効率良くエッチング液に吸収されることがわかる。

なお、図２に示すように、水酸基を有する溶媒を含むエッチング液では、レーザ波長が、１．５μm近辺、２μm近辺、３μm近辺、６μm近辺の複数個所に吸収ピークを有している。したがって、波長が１．５μm以上６．５μm以下のレーザを用いることによって、比較的効率良くレーザがエッチング液に吸収され、効率の良い加工を行うことができる。

光学系４は、レーザ発振器３からのレーザをシリコンブロック８に導くためのものであり、第１レンズユニット１１と、ミラー１２と、第２レンズユニット１３と、を有している。第１レンズユニット１１は、レーザのビームを成型するためのレンズ等を含んでいる。ミラー１２は、第１レンズユニット１１でビーム成型されたレーザを下方に反射する。第２レンズユニット１３は、図３に示すように、第１及び第２ウェッジプリズム１３ａ，１３ｂと、集光レンズ１３ｃと、を有している。両ウェッジプリズム１３ａ，１３ｂ及び集光レンズ１３ｃは、中空モータ（図示せず）の内部に配置されており、中空モータの中心軸Ｃの周りに回転させることが可能である。また、第２ウェッジプリズム１３ｂは、第１ウェッジプリズム１３ａに対して接近及び離反自在に配置されている。

なお、この実施形態では、シリコンを透過し水酸基を有する溶媒を含むエッチング液に吸収される波長のレーザを用いるために、各レンズはレーザを吸収しない材料で製造する必要がある。例えば、波長が３μmのレーザを用いる場合は、フッ化カルシウムを材料とするレンズにする必要がある。

レンズ駆動機構５は、第２レンズユニット１３の各レンズ１３ａ，１３ｂ，１３ｃを回転駆動するための、また第２ウェッジプリズム１３ｂ及び集光レンズ１３ｃを上下方向に移動するための機構である。このレンズ駆動機構５により集光レンズ１３ｃを上下方向に移動させることによって、レーザの上下方向の集光位置を制御することができる。また、第１及び第２ウェッジプリズム１３ａ，１３ｂを中空モータによって回転させることにより、レーザの集光位置を所定の半径の円形の加工ラインに沿って走査させることができる。さらに、第１ウェッジプリズム１３ａと第２ウェッジプリズム１３ｂとの間隔を制御することによって、円形の加工ラインに沿って加工を行う際の半径を任意に設定することができる。

テーブル移動機構６は、テーブル１を水平面内で移動させて、シリコンブロックにおけるレーザの集光位置を水平面内で移動させるための機構である。

［加工方法］
次に、以上のような加工装置を用いて、レーザによりエッチング加工する方法について説明する。以下では、レーザ加工方法の基本的作用について説明する。

まず、容器２内にエッチング液７を充填する。ここで、エッチング液７としては、前述のように、水等の水酸基を有する溶媒を含む液体を使用する。そして、このエッチング液７が満たされた容器２内に、シリコンブロック８を入れ、支持部材９によって支持する。なお、シリコンブロック８は、加工すべき高さ位置までエッチング液７に浸す必要がある。

次に、前述の例で示したような波長が３μm近辺のレーザを、シリコンブロック８の表面から照射する。そして、図４（ａ）に模式的に示すように、レーザＬがシリコンブロック８の下面で集光するように、集光レンズ１３ｃの上下位置を調整する。なお、図４では、シリコンブロック８において、エッチング液７と接触している部分のみを示している。ここでは、レーザＬは、シリコンブロック８を透過し、集光点でエッチング液の溶媒に吸収される。このため、集光点ではシリコンブロック８が局部的に加熱される。この加熱によってエッチング速度が速くなり、図４（ｂ）に示すように、集光点において微小な穴８ａが形成される。そして、この穴８ａに周囲のエッチング液が侵入する。

次に、集光レンズ１３ｃを上方に移動させ、集光位置をシリコンブロック８の上面側に移動させる。これにより、前述と同様の作用によって穴８ａが上方に向かって深くなる。この様子を図４（ｃ）に示している。

＜孔あけ加工＞
以上のような加工方法を用いて、シリコンブロック８の下面から上面に貫通する孔を形成する場合について説明する。

小径の孔を形成する場合は、図４に示した加工方法と同様の方法を実施する。この場合の加工孔径は、レーザの集光径と同程度の径になる。レーザの集光径は、集光レンズ１３ｃの焦点距離と、集光レンズ１３ｃに入射するレーザのビーム径と、を調整することによって制御することができる。

一方、大きな径の孔を形成する場合は、まず、レーザＬの集光径を加工孔径よりも十分に小さくする必要がある。そして、図５（ａ）に示すように、集光点をシリコンブロック８の下面に設定する。この場合のエッチング処理については、図４で説明した通りである。次に、集光点の上下方向の位置を固定した状態で、すなわち集光レンズ１３ｃの高さ位置を固定した状態で、第２レンズユニット１３を中空モータにより回転させる。これにより、シリコンブロック８の下面に、図５（ａ）に示すように円形の溝８ｂが形成され、エッチング液はこの溝８ｂ内に侵入する。

次に、図５（ｂ）に示すように、集光レンズ１３ｃを上方に移動させ、前述と同様の処理を実行する。このような処理を繰り返し実行することにより、図５（ｃ）に示すように、シリコンブロック８の下面から上面にわたって連続する円形の溝８ｂが形成される。したがって、この後、シリコンブロック８をテーブル１上から取り出すことにより、シリコンブロック８から加工くず８１を分離させることができる。これにより、円形の孔８ｃをシリコンブロック８に形成することができる。

なお、レーザＬの集光点は、螺旋状に上方に移動させてもよいし、上方への移動及び旋回を段階的に実行するようにしてもよい。

＜スライス加工（１）＞
次に、シリコンブロック８の下面から上面にかけて複数の溝を形成し、シリコンブロック８をスライスする場合について説明する。

まず、前述と同様の加工方法によって、シリコンブロック８の下面に集光位置を設定してレーザを照射する。そして、図６（ａ）に示すように、シリコンブロック８が載置されたテーブル１をｘ方向に移動し、ｘ方向に延びる溝８ｄをシリコンブロック８の下面に形成する。このとき、溝８ｄにはエッチング液が侵入する。

次に、集光レンズ１３ｃを上方に移動する。すなわち、溝８ｄの底面（上面）にレーザＬの集光位置がくるように、集光レンズ１３ｃを移動する。この状態でテーブル１をｘ方向に移動してレーザＬを走査し、同様の加工を行う。これにより、図６（ｂ）に示すように、溝８ｄの深さが上方に向かって深くなり、この溝８ｄに前記同様にエッチング液が侵入する。

以上の処理を繰り返し実行することにより、ｘ方向に延びる溝８ｄがシリコンブロック８の下面から上面につながり、スライスされたことになる。この後、図６（ｄ）及び（ｅ）に示すように、レーザをｙ方向に移動し、前述の処理と同様の処理を繰り返し実行する。これにより、シリコンブロック８を複数枚のウェハにスライスすることができる。図６（ｅ）は図６（ｄ）の側面視である。

なお、図６に示した処理では、溝８ｄをシリコンブロック８の下面から上面まで貫通させた場合について説明したが、この場合は、スライスされた各片がそれぞれ分離されて取扱いが不便である。そこで、後処理工程での取扱い性を容易にするために、溝８ｄを上面まで到達させることなく、上面から所定の距離の位置で溝８ｄの形成を止めるようにするのが望ましい。

＜スライス加工（２）＞
図６に示す加工方法において、スライス幅が狭い場合、ｙ方向に移動して加工しようとすると、このときのレーザが先の溝（加工痕）と干渉することがある。このような場合は、図７に示すような方法で加工する必要がある。

ここでは、まず、先の方法と同様に、図７（ａ）に示すように、シリコンブロック８の下面に集光位置を設定してレーザＬを照射し、さらにシリコンブロック８が載置されたテーブル１をｘ方向に移動して、ｘ方向に延びる溝８ｄを形成する。次に、スライス幅に応じてテーブル１をｙ方向に移動する。そして、同様に、シリコンブロック８の下面に溝８ｄを形成する（図７（ｂ））。以上の処理を繰り返し実行して、図７（ｃ）に示すように、すべてのスライス個所に溝８ｄを形成する。その後、図７（ｄ）に示すように、先に形成された溝８ｄの底面にレーザＬの集光点を設定し、前記同様にテーブル１をｘ方向に移動してレーザを走査する。この走査をすべての溝８ｄについて実行する。これにより、スライス幅が狭い場合であっても、図７（ｅ）に示すように、溝同士が干渉することなく加工を行うことができる。

なお、この図７に示す例においても、後処理工程での取扱い性を考慮し、溝８ｄを上面まで到達させることなく、上面から所定の距離の位置で溝８ｄの形成を止めるようにするのが望ましい。

［特徴］
（１）エッチング液の溶媒として水やアルコールなど、水酸基を含んだ液体を用い、かつ波長が３μm近辺のレーザを用いた場合、レーザは水酸基に効率良く吸収され、高速にエッチング処理を行うことができる。

（２）エッチング液の溶媒自体がレーザを吸収するため、エッチング液にレーザを吸収するための黒鉛微粒子等の添加物を含ませる必要がない。したがって、添加物によるシリコンブロックへのダメージ等をなくすことができ、また加工コストの低減を図ることができる。

（３）従来のワイヤによる加工に比較して、カーフロスを抑えることができ、歩留まりが向上する。例えば、波長２．８μm、直径１０mmのシングルモードErファイバレーザを焦点距離１００mmのレンズで集光した場合、集光径は３５．７μmとなり、カーフロスは著しく小さくなる。

（４）エッチング液の溶媒として水を使用することができ、エッチング液の後処理が容易であり、また加工コストを低減できる。

（５）従来のレーザアブレーションのように、加工部に溶融したシリコンや酸化物が付着するのを抑えることができ、加工品質が向上する。

（６）厚いワークに比較的大径の孔あけ加工する場合であって、孔がテーパ状に形成されるのを抑えることができる。

（７）大掛かりな設備が不要になる。

［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。

（ａ）前記実施形態では、テーブルを水平面内で移動させてレーザの走査を行ったが、図１におけるミラー１２に代えてガルバノスキャナミラーを用いることにより、テーブルを固定した状態でレーザｘ，ｙ方向に走査することができる。

（ｂ）使用するレーザの波長は、ワークを透過しかつエッチング液の溶媒に吸収されるような波長であれば、前記実施形態に示したものに限定されない。

（ｃ）レーザのビーム形状は、前記実施形態に限定されない。例えば、光学系として非球面シリンドリカルレンズを組み合わせたユニットを用い、レーザのビーム形状をガウス分布型ではなく矩形状のトップハット型にすれば、さらに効率良く加工を行うことができる。

（ｄ）ワークとしてサファイヤを用いてもよい。エッチング液の溶媒としての水とサファイヤのレーザ波長と吸収係数との関係を図８に示す。この図から明らかなように、サファイヤの場合においても、波長が３μm近辺、あるいは２μm近辺のレーザを用いることによって、前記実施形態とほぼ同様の加工を行うことができる。また、波長が３μm近辺のレーザを用いることによって、前記実施形態とほぼ同様の加工を行うことができるワークの例として、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＩｎＰ、ＧａＳｂが上げられる。なお、上記のワークを加工するためのエッチング液として、ＫＯＨ、ＨＦ、Ｈ_２ＳＯ_４、Ｈ_３ＰＯ_４、ＨＣＬ、ＮａＯＨの各水溶液やＨ_２Ｏ_２およびこれらの混合液をワークに応じて適宜選択して用いることができる。

（ｅ）ワーク表面に対してレーザの照射方向を傾けることによって、切断面をテーパ状にすることができる。

（ｆ）孔あけ加工において、円形の孔だけではなく、楕円形等の環状の孔を形成することができる。また、貫通する孔に限らず、下面から所定の深さを有する有底の孔を形成することも可能になる。

１ テーブル
２ 容器
３ レーザ発振器
４ 光学系
５ レンズ駆動機構
６ テーブル駆動機構
７ エッチング液
８ シリコンブロック
１３ 第２レンズユニット
１３ａ，１３ｂ ウェッジプリズム
１３ｃ 集光レンズ

Claims (7)

1. レーザを照射してワークを加工するレーザ加工方法であって、
   前記レーザを吸収可能でありかつ前記レーザに対して吸収ピークを有する溶媒を含むエッチング液を容器中に充填するとともに、ワークの少なくとも下面が前記エッチング液に接触するように前記容器内にワークを支持する第１工程と、
   前記ワークを透過しかつ前記ワークと前記エッチング液とが接触する位置に集光するように前記ワーク上面からレーザを照射する第２工程と、
   前記ワークと前記レーザとを相対的に移動させて前記ワークを加工する第３工程と、
   を含むレーザ加工方法。
2. 前記第１工程において使用されるエッチング液の溶媒は水酸基を有する液体である、請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. 前記第１工程において使用されるエッチング液は、前記レーザを吸収するための添加物を含んでいない、請求項２に記載のレーザ加工方法。
4. 前記第１工程におけるレーザの波長は、１．５μm以上６．５μm以下である、請求項２又は３に記載のレーザ加工方法。
5. 前記第１工程におけるレーザの波長は、２．７μm以上３．２μm以下である、請求項４に記載のレーザ加工方法。
6. 前記ワークはシリコン及びサファイアのいずれかである、請求項１から５のいずれかに記載のレーザ加工方法。
7. レーザを照射してワークを加工するレーザ加工装置であって、
   前記ワークを透過するレーザを出力するレーザ発振器と、
   前記レーザを吸収可能でありかつ前記レーザに対して吸収ピークを有する溶媒を含むエッチング液が充填され、前記エッチング液中にワークの少なくとも下面が接触するようにワークが支持される容器と、
   前記容器が載置されるテーブルと、
   前記レーザ発振器から出力されるレーザを、前記ワーク上面に導くとともに前記ワークと前記エッチング液とが接触する位置に集光させる光学系と、
   前記ワークと前記レーザとを相対的に移動させる移動装置と、
   を備えたレーザ加工装置。

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