JP2013169558A - レーザ加工方法およびレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコンカーバイド基板の表面にデブリをほとんど発生させることなく損傷を形成することができるレーザ加工方法を提供すること。
【解決手段】波長５００ｎｍ以上、パルスエネルギー７０μＪ以下、かつ繰り返し周波数８０ｋＨｚ以上のパルスレーザ光を、照射スポットの中心間距離が１.７μｍ未満となるように照射して、シリコンカーバイド基板の表面に損傷を形成する。パルスレーザ光のパルス幅は、１００ナノ秒以上が好ましい。パルスレーザ光の集光点の位置は、シリコンカーバイド基板の表面から上方１００μｍ〜表面から内部１００μｍの範囲内となるように調整される。
【選択図】図８

Description

本発明は、シリコンカーバイド基板の表面に損傷を形成するレーザ加工方法およびレーザ加工装置に関する。

シリコンカーバイド（炭化ケイ素；以下「ＳｉＣ」と略記する）は、シリコン（以下「Ｓｉ」と略記する）に比べて耐電圧性および耐熱性に優れている。ＳｉＣは、Ｓｉに比べてデバイスの電力損失を約１／１０に低減することができるため、パワーエレクトロニクスを支える半導体デバイス向けの材料として注目されている。しかしながら、ＳｉＣはＳｉに比べて非常に硬いため、従来から用いられているダイヤモンドブレードなどではＳｉＣ基板を効率的に切断することはできなかった。

一方、近年、ガラス基板や半導体基板などを切断する新たな技術として、レーザ加工方法が提案されている。レーザ加工方法では、レーザ光を基板の表面または内部に照射することで、基板の表面または内部に分割の起点となる損傷を形成する。この後、損傷を形成した基板に機械的応力を加えることで、損傷を起点として基板を分割することができる。

このようなレーザ加工方法では、レーザ光を照射した際にデブリ（加工屑）が発生することがある。デブリが基板に付着してしまうと、製品の信頼性および歩留まりが低下してしまう。このため、デブリの付着を抑制する様々な方法が提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。

たとえば、特許文献１に記載の発明は、レーザ加工を行う前にＳｉ基板の表面に保護膜を形成することで、デブリがＳｉ基板に付着することを防いでいる。この発明では、レーザ加工後に保護膜を除去することが必要である。また、特許文献２に記載の発明は、基板に付着する前にデブリを吸引除去することで、デブリが基板に付着することを防いでいる。この発明では、レーザ加工装置に専用のノズルを設ける必要がある。また、特許文献３に記載の発明は、基板の内部に損傷を形成することで、デブリの発生を防いでいる。この発明では、基板を分割するためには、レーザ光を複数回走査して基板内に生じた亀裂を進展させる必要がある。

特開２０１０−５６２９号公報 特開２００５−８８０６８号公報 特開２０１１−２００９２６号公報

上述の通り、ＳｉＣ基板は、Ｓｉ基板などに比べて非常に硬いため、従来から用いられているダイヤモンドブレードなどでは高精度かつ効率的に切断することはできなかった。そこで、本発明者らは、従来の一般的なレーザ加工方法によりＳｉＣ基板を分割することを試みた。しかしながら、従来のレーザ加工方法では、大量のデブリがＳｉＣ基板に付着してしまい、高品質な加工を行うことができなかった。また、デブリの付着を抑制する方法としては、上記特許文献１〜３に記載の方法などがあるが、いずれの方法も新たな工程または設備が必要であった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、レーザ光を照射するのみで、デブリの発生を抑制しつつＳｉＣ基板の表面に損傷を高精度かつ高速に形成することができるレーザ加工方法およびレーザ加工装置を提供することを目的とする。

本発明者は、レーザ加工の分野の技術常識に反し、波長５００ｎｍ以上のレーザ光を使用することで上記課題を解決できることを見出した。さらに詳しくは、本発明者は、波長５００ｎｍ以上、パルスエネルギー７０μＪ以下、繰り返し周波数８０ｋＨｚ以上のパルスレーザ光を、照射スポットの中心間距離が０μｍを超え、かつ１.７μｍ未満となるようにＳｉＣ基板に照射することで上記課題を解決できることを見出し、さらに検討を加えて本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、以下のレーザ加工方法に関する。
［１］シリコンカーバイド基板にパルスレーザ光をレンズを通して照射して、前記シリコンカーバイド基板の表面に損傷を形成するステップを含むレーザ加工方法であって：前記パルスレーザ光の波長は、５００ｎｍ以上であり；前記パルスレーザ光のパルスエネルギーは、７０μＪ以下であり；前記パルスレーザ光の繰り返し周波数は、８０ｋＨｚ以上であり；前記シリコンカーバイド基板の表面における前記パルスレーザ光の照射スポットの中心間距離は、０μｍを超え、かつ１.７μｍ未満である、レーザ加工方法。
［２］前記パルスレーザ光は、前記シリコンカーバイド基板の分割予定ラインに沿って照射され；前記損傷は、前記分割予定ラインに沿って前記シリコンカーバイド基板の表面に形成される、［１］に記載のレーザ加工方法。
［３］前記パルスレーザ光のパルス幅は、１００ナノ秒以上である、［１］または［２］に記載のレーザ加工方法。
［４］前記パルスレーザ光の波長は、１０μｍ以下である、［１］〜［３］のいずれかに記載のレーザ加工方法。
［５］前記パルスレーザ光の集光点は、前記シリコンカーバイド基板の表面から上方１００μｍ〜表面から内部１００μｍの範囲内に位置する、［１］〜［４］のいずれかに記載のレーザ加工方法。
［６］前記レンズの焦点深度をｂ（μｍ）とし、前記損傷の深さをｄ（μｍ）としたときに、０.７≦ｄ／ｂ≦１.６である、［１］〜［５］のいずれかに記載のレーザ加工方法。

また、本発明は、以下のレーザ加工装置に関する。
［７］波長５００ｎｍ以上、パルスエネルギー７０μＪ以下かつ繰り返し周波数８０ｋＨｚ以上のパルスレーザ光を出射するレーザ光源と、前記パルスレーザ光をシリコンカーバイド基板に照射する光学系と、前記光学系および前記シリコンカーバイド基板の少なくとも一方を移動させて、前記光学系と前記シリコンカーバイド基板とを相対的に移動させる駆動部と、を有し、前記シリコンカーバイド基板の表面における前記パルスレーザ光の照射スポットの中心間距離は、０μｍを超え、かつ１.７μｍ未満である、レーザ加工装置。
［８］前記パルスレーザ光のパルス幅は、１００ナノ秒以上である、［７］に記載のレーザ加工装置。
［９］前記パルスレーザ光の波長は、１０μｍ以下である、［７］に記載のレーザ加工装置。

本発明のレーザ加工方法およびレーザ加工装置によれば、デブリの発生を抑制しつつ、ＳｉＣ基板の表面に損傷を高精度かつ高速に形成することができる。たとえば、本発明のレーザ加工方法およびレーザ加工装置を利用すれば、ＳｉＣ基板を高精度かつ高速に分割することができる。

図１Ａ〜Ｄは、本発明のレーザ加工方法を用いたＳｉＣ基板の分割工程の一例を示す模式図である。 ショットピッチを説明するための模式図である。 シミュレーションの初期条件を説明するための模式図である。 図４Ａ〜Ｆは、シミュレーション結果を示すグラフである。 本発明の一実施の形態に係るレーザ加工装置の構成を示す模式図である。 図６Ａ〜Ｃは、レーザ加工した後のＳｉＣ基板の加工部周辺の例を示す写真である。 図７Ａ〜Ｆは、パルスレーザ光を照射した後のＳｉＣ基板の加工部周辺の写真である。 図８Ａ，Ｂは、パルスレーザ光を照射した後のＳｉＣ基板の加工部周辺の写真である。 図９Ａ〜Ｅは、パルスレーザ光を照射した後のＳｉＣ基板の加工部周辺の写真である。 図１０Ａ〜Ｄは、パルスレーザ光を照射した後のＳｉＣ基板の加工部周辺の写真である。 図１１Ａ〜Ｇは、焦点深度が１５μｍのレンズを用いてレーザ加工したＳｉＣ基板の割断面の写真である。 図１２Ａ〜Ｇは、焦点深度が２６μｍのレンズを用いてレーザ加工したＳｉＣ基板の割断面の写真である。

１．本発明のレーザ加工方法
本発明のレーザ加工方法は、加工対象のシリコンカーバイド（ＳｉＣ）基板にパルスレーザ光を照射して、ＳｉＣ基板の表面に損傷（例えば、溝）を形成するステップを含む。後述するように、本発明のレーザ加工方法は、１）波長５００ｎｍ以上、パルスエネルギー７０μＪ以下、かつ繰り返し周波数８０ｋＨｚ以上のパルスレーザ光を照射すること、および２）ＳｉＣ基板の表面におけるパルスレーザ光の照射スポットの中心間距離（以下「ショットピッチ」という；図２参照）が１.７μｍ未満であることを特徴とする。

図１は、本発明のレーザ加工方法を用いてＳｉＣ基板を分割する例を示す模式図である。図１Ａに示されるように、波長５００ｎｍ以上、パルスエネルギー７０μＪ以下、かつ繰り返し周波数８０ｋＨｚ以上のパルスレーザ光１００をＳｉＣ基板１１０に照射しながら、パルスレーザ光１００とＳｉＣ基板１１０との相対的な位置を変える。このとき、パルスレーザ光１００の集光点は、ＳｉＣ基板１１０の外部、表面または内部に位置し、かつ照射スポットのショットピッチが１.７μｍ未満となるように、ＳｉＣ基板１１０の分割予定ライン１２０に沿って移動する。このように所定のパルスレーザ光１００を走査することで、図１Ｂに示されるように、分割予定ライン１２０に沿って損傷１３０を形成することができる（スクライブ工程）。この後、図１Ｃおよび図１Ｄに示されるように、損傷１３０を形成されたＳｉＣ基板１１０に折曲力および引張力を加えることにより、ＳｉＣ基板１１０を分割予定ライン１２０に沿って容易に割断することができる（ブレーク工程およびエキスパンド工程）。

以下、本発明のレーザ加工方法におけるパルスレーザ光の照射条件について詳細に説明する。

［波長］
本発明のレーザ加工方法は、ＳｉＣ基板に照射するレーザ光の波長が５００ｎｍ以上であることを一つの特徴とする。

本発明のレーザ加工方法では、多光子吸収や不純物による吸収、格子欠陥による吸収などにより損傷を形成する。したがって、所望の加工を実現するためには、１光子１吸収が生じることを回避しなければならない。ＳｉＣのバンドギャップ（Ｅｇ）は約３ｅＶであり、これを波長に換算すると４１３ｎｍである。よって、１光子１吸収が生じることを回避するためには、４１３ｎｍを越える波長のレーザ光を照射すればよい。吸収裾や不純物準位などを考慮すると、１光子１吸収が生じることを確実に回避するためには、５００ｎｍ以上の波長のレーザ光を照射することが好ましい。

波長５００ｎｍ以上のレーザ光をＳｉＣ基板に照射することで、電子遷移による吸収を回避することができ、加工時に発生するデブリの量を顕著に低減することができる（実施例２参照）。一方、波長５００ｎｍ未満のレーザ光をＳｉＣ基板に照射すると、大量のデブリが発生するおそれがある。なお、波長１０μｍ以上のレーザ光をＳｉＣ基板に照射すると、振動遷移による吸収が生じてしまい、所望の加工を行うことができなくなるおそれがある。したがって、ＳｉＣ基板に照射するレーザ光の波長は、１０μｍ以下であることが好ましい。

［パルスエネルギー］
本発明のレーザ加工方法は、ＳｉＣ基板に照射するパルスレーザ光のパルスエネルギーが７０μＪ以下であることも一つの特徴とする。パルスエネルギーを７０μＪ以下とすることで、加工時に発生するデブリの量を顕著に低減することができる（実施例３参照）。一方、パルスエネルギーが７０μＪ超のパルスレーザ光を照射すると、大量のデブリが発生するおそれがある。

ここで、パルスエネルギーが７０μＪ以下のパルスレーザ光を照射することでデブリの発生量が低減する理由について、推察されるメカニズムを説明する。表１は、ＳｉＣおよびＳｉの物性を示す表である。

表１に示されるように、ＳｉＣとＳｉとでは、比熱はほぼ同じである。したがって、同じ条件でパルスレーザ光を照射すれば、集光点付近において同じように温度が上昇し、同じように熱応力が加わることになる。一方、ＳｉＣの破壊靭性値はＳｉの破壊靭性値よりも顕著に大きいため、加工に要するエネルギーは、ＳｉよりもＳｉＣの方が大きい。したがって、Ｓｉを加工した場合よりもＳｉＣを加工した場合の方が、加工時の集光点付近において温度がより上昇し、熱応力がより大きくなる。

ところが、ＳｉＣのヤング率は、Ｓｉのヤング率よりも顕著に大きい。すなわち、ＳｉＣは、Ｓｉに比べて膨張による熱応力に対して撓みにくい。したがって、ＳｉＣは、Ｓｉのように撓むことにより熱応力を逃がすことができない。そして、ＳｉＣに過剰なエネルギーが供給されると、周辺領域に過分な応力が加わり、破砕されてしまうと考えられる。よって、パルスエネルギーが高い（７０μＪ超）パルスレーザ光でＳｉＣを加工すると、ＳｉＣは容易に破砕されてしまい、大量のデブリが発生してしまうことになる。

したがって、デブリの発生量を低減させる観点からは、パルスエネルギーが７０μＪ以下のパルスレーザ光をＳｉＣ基板に照射することが好ましい。また、同様の理由により、パルスレーザ光のパルス幅は、１００ナノ秒以上であることが好ましい。パルス幅を長くすることで、パルスレーザ光の尖頭出力を小さくすることができ、結果としてＳｉＣの破砕を抑制することができる。

［照射スポットの空間的および時間的間隔］
本発明のレーザ加工方法は、ＳｉＣ基板に照射するパルスレーザ光の繰り返し周波数が８０ｋＨｚ以上であること、およびＳｉＣ基板表面におけるパルスレーザ光のショットピッチ（図２参照）が０μｍを超え、かつ１.７μｍ未満であることも一つの特徴とする。繰り返し周波数およびショットピッチを上記範囲内となるように調整することで、加工時に発生するデブリの量を顕著に低減することができる（実施例１および実施例４参照）。一方、繰り返し周波数およびショットピッチが上記範囲外となると、大量のデブリが発生するおそれがある。

前述の通り、ＳｉＣ基板にパルスレーザ光を照射すると、冷熱サイクルに伴う熱応力が繰り返し発生する。このとき、急激に発生した熱応力に耐え切れないＳｉＣが破砕し、デブリが発生してしまう。本発明者は、このようなＳｉＣの破砕を抑制する手段を検討したところ、パルスレーザ光照射の時間間隔および照射スポットのショットピッチを短くして、急激な温度変化を抑制することでＳｉＣの破砕を抑制できると考えた。

前述の通り、パルスレーザ光のパルスエネルギーを小さくすることで、熱応力発生の速度を遅くすることができる。その結果、熱応力によるＳｉＣの破砕が抑制されると考えられる。また、パルスレーザ光の繰り返し周波数を大きくするとともに、照射スポットのショットピッチを短くすることで、パルス間にＳｉＣが急激に冷却されることを防ぐことができる。その結果、加熱および冷却のサイクルによるＳｉＣの破砕が抑制されると考えられる。

本発明者は、パルスレーザ光を照射したときのＳｉＣ基板の温度変化を、熱伝導方程式に基づきシミュレーションした。図３は、シミュレーションの条件を示す模式図（ＳｉＣ基板の断面図）である。図３に示されるように、厚さ１５０μｍのＳｉＣ基板にパルスレーザ光を照射して、光軸状の各点が２７３０℃（ＳｉＣの融点）に達したと仮定する。図に示されるように、ＳｉＣ基板の周囲には、２３℃の空気が対流しているものとする。また、ＳｉＣ基板の熱伝導率は、１００Ｗｍ^−１Ｋ^−１または３５０Ｗｍ^−１Ｋ^−１であるものとする。この状態を時刻ｔ＝０（μ秒）として、光軸状の４点（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３およびＴ４）について温度変化をシミュレーションした。

図４Ａ〜Ｃは、熱伝導率を１００Ｗｍ^−１Ｋ^−１とした場合の各点の温度変化のシミュレーション結果を示すグラフである。図４Ａは、パルスレーザ光照射後０〜１マイクロ秒の間の温度変化を示すグラフであり、図４Ｂは、パルスレーザ光照射後０〜１０マイクロ秒の間の温度変化を示すグラフであり、図４Ｃは、パルスレーザ光照射後０〜１ミリ秒の間の温度変化を示すグラフである。図４Ｄ〜Ｆは、熱伝導率を３５０Ｗｍ^−１Ｋ^−１とした場合の各点の温度変化のシミュレーション結果を示すグラフである。図４Ｄは、パルスレーザ光照射後０〜１マイクロ秒の間の温度変化を示すグラフであり、図４Ｅは、パルスレーザ光照射後０〜１０マイクロ秒の間の温度変化を示すグラフであり、図４Ｆは、パルスレーザ光照射後０〜１ミリ秒の間の温度変化を示すグラフである。各グラフにおいて、「■」はＴ１の温度を示し、「●」はＴ２の温度を示し、「▲」はＴ３の温度を示し、「▼」はＴ４の温度を示す（各プロットはほとんど同じ位置に重なっている）。

図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｄおよび図４Ｅのグラフに示されるように、パルスレーザ光照射後１０マイクロ秒までは、光軸状の各点において温度が維持されている。これは、繰り返し周波数が１００ｋＨｚの場合は、パルス間で温度がほとんど低下しないことを意味する。一方、図４Ｃおよび図４Ｆのグラフに示されるように、パルスレーザ光照射後１ミリ秒の時点では、光軸状の各点において温度が約５℃低下している。これは、繰り返し周波数が１ｋＨｚの場合は、パルス間で温度が約５℃低下することを意味する。

前述の通り、デブリの発生量を低減する観点からは、冷熱サイクルを与えるのではなく、溶融状態を維持して加工することが好ましい。上記のシミュレーション結果から、パルスレーザ光の繰り返し周波数を１００ｋＨｚ付近以上とすることで、デブリの発生量を低減できることが示唆される。本発明者による実験によれば、パルスレーザ光の繰り返し周波数を８０ｋＨｚ以上とすることで、デブリの発生量を顕著に低減させられることがわかっている（実施例４参照）。したがって、パルスレーザ光の繰り返し周波数は、８０ｋＨｚ以上であることが好ましい。同様の理由により、パルスレーザ光のショットピッチは、０μｍを超え、かつ１.７μｍ未満であることが好ましい。

［その他］
本発明のレーザ加工方法において、レーザ光源として用いるレーザの種類は、波長５００ｎｍ以上、パルスエネルギー７０μＪ以下、かつ繰り返し周波数８０ｋＨｚ以上のパルスレーザ光のレーザ光を出射することができれば特に限定されない。そのようなレーザの例には、ＨｏレーザやＥｒレーザ、各種半導体レーザなどが含まれる。

レーザ光の集光点の位置は、特に限定されず、ＳｉＣ基板の外部、表面または内部のいずれであってもよい。加工効率および損傷の幅の観点からは、レーザ光の集光点の位置は、ＳｉＣ基板の表面から上方１００μｍ〜表面から内部１００μｍの範囲内に位置することが好ましく、ＳｉＣ基板の表面から上方２０μｍ〜表面から内部８０μｍの範囲内に位置することがより好ましい。ここで「レーザ光の集光点の位置」とは、ＳｉＣ基板の屈折率が空気と同じであると仮定した場合の集光点の位置（レンズオフセット）を意味する。

本発明のレーザ加工方法によりＳｉＣ基板に損傷を形成した後に、損傷を起点としてＳｉＣ基板を分割した場合、条件によっては割断面の凹凸の高さが大きくなることがある。このように割断面の凹凸の高さが大きくなることは、加工精度の観点から好ましくない。本発明者は、集光レンズの焦点深度（レイリー長）をｂ（μｍ）とし、ＳｉＣ基板に形成される損傷の深さをｄ（μｍ）としたときに、０.７≦ｄ／ｂ≦１.６を満たすように加工条件を調整すると、割断面の平滑性が向上することを見出した（実施例５参照）。したがって、割断面の平滑性が要求される場合は、上記条件を満たすように各種条件を調整することが好ましい。「ｄ／ｂ」が０.７未満の場合、損傷が浅く、適切に分割することができないため、割断面の平滑性が低下するおそれがある。一方、「ｄ／ｂ」が１.６超の場合も、理由は不明であるが、割断面の平滑性が低下する傾向がある（実施例５参照）。

本発明のレーザ加工方法を実施する手段は、特に限定されない。たとえば、本発明のレーザ加工方法は、次に説明する本発明のレーザ加工装置を用いて実施されうる。

２．本発明のレーザ加工装置
本発明のレーザ加工装置は、加工対象のＳｉＣ基板にパルスレーザ光を照射して、ＳｉＣ基板の表面に損傷を形成する装置である。本発明のレーザ加工装置は、波長５００ｎｍ以上、パルスエネルギー７０μＪ以下、繰り返し周波数８０ｋＨｚ以上のパルスレーザ光を、照射スポットのショットピッチが０μｍを超え、かつ１.７μｍ未満となるようにＳｉＣ基板に照射することを特徴とする。

本発明のレーザ加工装置は、少なくとも、ＳｉＣ基板に照射するレーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光源から出射されたレーザ光をＳｉＣ基板に照射する光学系と、光学系（レーザ光）とＳｉＣ基板とを相対的に移動させる駆動部とを有する。以下、各構成要素について説明する。

レーザ光源は、波長５００ｎｍ以上、パルスエネルギー７０μＪ以下、繰り返し周波数８０ｋＨｚ以上のパルスレーザ光を出射する。前述の通り、レーザ光源として用いるレーザの種類は、波長５００ｎｍ以上、パルスエネルギー７０μＪ以下、繰り返し周波数８０ｋＨｚ以上のパルスレーザ光を出射することができれば特に限定されない。そのようなレーザの例には、ＨｏレーザやＥｒレーザ、各種半導体レーザなどが含まれる。

光学系は、所望の位置に集光点が位置するように、レーザ光源から出射されたレーザ光をＳｉＣ基板に照射する。通常、光学系は、レーザ光のビーム径を最適化するテレスコープ光学系や、レーザ光を所望の位置に集光させる集光レンズなどを含む。

駆動部は、パルスレーザ光がＳｉＣ基板の分割予定ラインに沿って照射されるように、光学系（レーザ光）とＳｉＣ基板とを相対的に移動させる。また、駆動部は、パルスレーザ光のショットピッチが０μｍを超え、かつ１.７μｍ未満となるように、光学系（レーザ光）とＳｉＣ基板とを相対的に移動させる。駆動部は、ＳｉＣ基板を載置するステージを移動させてもよいし、光学系を移動させてもよいし、ステージおよび光学系の両方を移動させてもよい。

その他、後述する実施の形態で説明するように、本発明のレーザ加工装置は、加工対象のＳｉＣ基板を載置するステージや、所望の位置に集光点を位置させるための自動照準システムなどを有していてもよい。

以上の通り、本発明のレーザ加工方法およびレーザ加工装置は、波長５００ｎｍ以上、パルスエネルギー７０μＪ以下、繰り返し周波数８０ｋＨｚ以上のパルスレーザ光を、照射スポットのショットピッチが０μｍを超え、かつ１.７μｍ未満となるようにＳｉＣ基板に照射することで、ＳｉＣ基板の表面にデブリをほとんど発生させることなく損傷を高精度かつ高速に形成することができる。したがって、本発明のレーザ加工方法およびレーザ加工装置を利用すれば、ＳｉＣ基板を高精度かつ高速に分割することができる。

なお、波長５００ｎｍ以上、パルスエネルギー７０μＪ以下、繰り返し周波数８０ｋＨｚ以上のパルスレーザ光をＳｉＣ以外の物質に照射しても、ＳｉＣに照射したときのようにデブリをほとんど発生させることなく損傷を高精度かつ高速に形成することはできない。

一例として、典型的な難加工性材料である石英やサファイアなどに、波長５００ｎｍ以上のパルスレーザ光を照射した場合について説明する。この場合、これらの透明誘電体材料のバンドギャップは５〜９ｅＶと大きいため、波長５００ｎｍ以上の光では３光子吸収または４光子吸収が生じてようやく電子のバンド間遷移を誘起できる。パルス幅の長い（ナノ秒〜マイクロ秒）レーザ光で３光子吸収または４光子吸収を誘起しようとすれば、尖頭出力が非常に大きい（ＧＷ／ｃｍ^２以上）パルスレーザ光を照射する必要がある。しかしながら、このような強い光を集光照射すると、３光子吸収または４光子吸収が生じる前に他の非線形過程（絶縁破壊）が必ず誘起されてしまうため、多量のデブリが発生するとともに損傷の形状が大きく乱れてしまう。したがって、石英やサファイアなどに波長５００ｎｍ以上のレーザ光を照射しても、非常に乱れた形状の損傷しか形成することができない。

また、金属加工では、炭酸ガスレーザ（波長１０μｍ）を照射することがあった。しかしながら、この方法でも損傷を高精度かつ高速に形成することはできない。すなわち、この方法は、金属の格子振動を直接励起して行う熱溶融加工であるため、高精度の加工（空間分解能がμｍレベル）を行うことはできない。

３．実施の形態
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明するが、本発明の範囲はこれらに限定されない。

図５は、本発明の一実施の形態に係るレーザ加工装置（ＳｉＣ基板のスクライビング装置）の構成を示す模式図である。

図５に示されるように、本発明のレーザ加工装置２００は、レーザ光源２１０、テレスコープ光学系２２０、集光レンズ２３０、ステージ２４０、ＡＦカメラ２５０、ＸＹステージコントローラ２６０、Ｚコントローラ２７０およびコンピュータ２８０を有する。

レーザ光源２１０は、波長５００ｎｍ以上、パルスエネルギー７０μＪ以下、繰り返し周波数８０ｋＨｚ以上のパルスレーザ光を出射する。レーザ光源は、例えば、波長５００ｎｍ〜１０μｍ、パルス幅１００ナノ秒以上、繰り返し周波数８０ｋＨｚ〜１０ＭＨｚ、パルスエネルギー１〜７０μＪのパルスレーザ光を出射する。

テレスコープ光学系２２０は、好ましい加工形状を得るために、レーザ光源２１０から出射されたパルスレーザ光のビーム径を最適化する。

集光レンズ２３０は、テレスコープ光学系２２０を透過したレーザ光を集光する。たとえば、集光レンズ２３０は、顕微鏡用の対物レンズである。

ステージ２４０は、加工対象のＳｉＣ基板１１０が載置される載置台と、この載置台を移動させることができる駆動機構とを有する。駆動機構は、載置台をＸ軸またはＹ軸方向に移動させたり、Ｘ軸またはＹ軸を中心として回転させたりすることができる。ステージ２４０上のＳｉＣ基板１１０は、この駆動機構によって分割予定ラインに沿ってＸＹ軸方向に移動される。

ＡＦカメラ２５０は、ＳｉＣ基板１１０の加工部位の表面プロファイルを取得するためのカメラである。取得されたプロファイルは、コンピュータ２８０に出力される。

ＸＹステージコントローラ２６０は、コンピュータ２８０の指示に基づいて、レーザ光の集光位置がＳｉＣ基板１１０の分割予定ラインに沿うように、ステージ２４０をＸＹ軸方向に移動させる。

Ｚコントローラ２７０は、コンピュータ２８０の指示に基づいて、レーザ光の集光位置がＳｉＣ基板１１０の表面近傍の所望の位置に合うように、集光レンズ２３０をＺ軸方向に移動させる。

コンピュータ２８０は、レーザ光源２１０、ＡＦカメラ２５０、ＸＹステージコントローラ２６０およびＺコントローラ２７０に接続されており、これら各部を総合的に制御する。たとえば、コンピュータ２８０は、ＡＦカメラ２５０およびＸＹステージコントローラ２６０を制御して、ＳｉＣ基板１１０の表面プロファイルを取得する。また、コンピュータ２８０は、ＸＹステージコントローラ２６０およびＺコントローラ２７０を制御して、ＳｉＣ基板１１０の分割予定ラインに沿ってレーザ光を走査する。

次に、上記構成を有するレーザ加工装置２００を用いてＳｉＣ基板１１０を分割する手順を説明する。

まず、裏面にダイシングテープ１４０が貼付されたＳｉＣ基板１１０をステージ２４０の載置台に載置して、ＡＦカメラ２５０およびＸＹステージコントローラ２６０によりＳｉＣ基板１１０の表面プロファイルを取得する。次いで、レーザ光源２１０からパルスレーザ光を出射して、レーザ光をＳｉＣ基板１１０に照射する。このとき、予め取得した表面プロファイルに基づき、ステージ２４０をＸＹ軸方向（水平方向）に移動することで、パルスレーザ光で分割予定ラインを走査する。これにより、ＳｉＣ基板１１０の分割予定ラインに沿って損傷を形成することができる。

次いで、図示しないブレーク装置およびエキスパンド装置により、ＳｉＣ基板１１０に機械的応力を加えて、損傷を起点としてＳｉＣ基板１１０を分割する（図１Ｃおよび図１Ｄ参照）。以上の手順により、ＳｉＣ基板１１０は、微小なチップに分割される。

以下、本発明を実施例を参照して詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されない。

［実施例１］
実施例１では、パルスレーザ光を照射してＳｉＣ基板の表面に損傷を形成した場合における、パルスレーザ光のショットピッチとデブリの発生との関係を調べた実験結果を示す。

加工対象物として、ＳｉＣ単結晶基板（厚さ１５０μｍ）を準備した。パルスレーザ光（波長１０６４ｎｍ、パルス幅１９０ナノ秒）をＳｉＣ基板に照射して、ＳｉＣ基板の表面に損傷を形成した。このとき、ステージをＸＹ軸方向（水平方向）に移動させて、ＳｉＣ基板の分割予定ラインに沿って損傷を形成した。集光点は、ＳｉＣ基板の表面に合わせた。基板表面における照射スポット径（１／ｅ^２幅）は、４.３４μｍであった。パルスレーザ光のパルスエネルギーは、１４μＪである。エネルギー密度に換算すると９４.６Ｊ／ｃｍ^２であり、ピークパワー密度に換算すると４.９８×１０^８Ｗ／ｃｍ^２である。ステージの移動速度は、照射スポットのショットピッチ（図２参照）が０.１〜１.７μｍとなるように調整した。パルスレーザ光の繰り返し周波数は、２３５ｋＨｚ、３３３ｋＨｚまたは５００ｋＨｚである。

レーザ加工を行った後に、デブリの発生の有無を調べた。図６Ａ〜Ｃは、レーザ加工した後のＳｉＣ基板の加工部周辺の例（デブリの有無の判断基準）を示す写真である。図６Ａは、デブリが発生しなかったときのＳｉＣ基板の表面の写真であり、図６Ｂは、帯状デブリが発生したときのＳｉＣ基板の表面の写真であり、図６Ｃは、帯状デブリおよび散乱デブリが発生したときのＳｉＣ基板の表面の写真である。

図７は、実際にレーザ加工を行った後のＳｉＣ基板の加工部周辺の写真である。図７Ａは、ショットピッチ０.１μｍで加工したＳｉＣ基板の表面の写真であり、図７Ｂは、ショットピッチ０.５μｍで加工したＳｉＣ基板の表面の写真であり、図７Ｃは、ショットピッチ０.８μｍで加工したＳｉＣ基板の表面の写真であり、図７Ｄは、ショットピッチ１.２μｍで加工したＳｉＣ基板の表面の写真であり、図７Ｅは、ショットピッチ１.５μｍで加工したＳｉＣ基板の表面の写真であり、図７Ｆは、ショットピッチ１.７μｍで加工したＳｉＣ基板の表面の写真である。

図７Ａ〜Ｅに示されるように、ショットピッチが０.１〜１.５μｍとなるようにパルスレーザ光を照射した場合は、形成された損傷の周辺にデブリはほとんど観察されなかった。一方、図７Ｆに示されるように、ショットピッチが１.７μｍとなるようにパルスレーザ光を照射した場合は、形成された損傷の周辺に大量のデブリが帯状に発生した。

表２は、パルスレーザ光のショットピッチとデブリの発生との関係を示す表である。表２に示されるように、波長５００ｎｍ以上、パルスエネルギー７０μＪ以下、かつ繰り返し周波数８０ｋＨｚ以上のパルスレーザ光をＳｉＣ基板に照射して、ＳｉＣ基板の表面に損傷を形成する場合は、パルスレーザ光のショットピッチを１.７μｍ未満とすることで、デブリの発生を抑制できることがわかる。

［実施例２］
実施例２では、パルスレーザ光を照射してＳｉＣ基板の表面に損傷を形成した場合における、パルスレーザ光の波長とデブリの発生との関係を調べた実験結果を示す。

加工対象物として、ＳｉＣ単結晶基板（厚さ１５０μｍ）を準備した。パルスレーザ光（波長３５５ｎｍまたは１０６４ｎｍ、繰り返し周波数１００ｋＨｚ）をＳｉＣ基板に照射して、ＳｉＣ基板の表面に損傷を形成した。このとき、ステージをＸＹ軸方向（水平方向）に移動させて、ＳｉＣ基板の分割予定ラインに沿って損傷を形成した。集光点は、ＳｉＣ基板の表面に合わせた。パルスレーザ光のパルス幅は、２５ナノ秒（波長が３５５ｎｍの場合）または１９０ナノ秒（波長が１０６４ｎｍの場合）である。基板表面における照射スポット径（１／ｅ^２幅）は、６.２８μｍ（波長が３５５ｎｍの場合）または５.８１μｍ（波長が１０６４ｎｍの場合）であった。パルスレーザ光のパルスエネルギーは、１０μＪである。エネルギー密度に換算すると３２.３Ｊ／ｃｍ^２（波長が３５５ｎｍの場合）または３７.７Ｊ／ｃｍ^２（波長が１０６４ｎｍの場合）であり、ピークパワー密度に換算すると１.７０×１０^８Ｗ／ｃｍ^２（波長が３５５ｎｍの場合）または１.９８×１０^８Ｗ／ｃｍ^２（波長が１０６４ｎｍの場合）である。ステージの移動速度は、照射スポットのショットピッチが０.１μｍとなるように調整した。

図８は、レーザ加工を行った後のＳｉＣ基板の加工部周辺の写真である。図８Ａは、波長１０６４ｎｍのパルスレーザ光を照射したＳｉＣ基板の表面の写真であり、図８Ｂは、波長３５５ｎｍのパルスレーザ光を照射したＳｉＣ基板の表面の写真である。

図８Ａに示されるように、波長１０６４ｎｍのパルスレーザ光を照射した場合は、形成された損傷の周辺にデブリはほとんど観察されなかった。一方、図８Ｂに示されるように、波長３５５ｎｍのパルスレーザ光を照射した場合は、形成された損傷の周辺に帯状デブリおよび散乱デブリが発生した。

以上の結果から、パルスエネルギーを７０μＪ以下とし、繰り返し周波数を８０ｋＨｚ以上とし、ショットピッチを１.７μｍ未満としても、波長が５００ｎｍ未満の場合はデブリが発生してしまうことがわかる。

［実施例３］
実施例３では、パルスレーザ光を照射してＳｉＣ基板の表面に損傷を形成した場合における、パルスレーザ光のパルスエネルギーとデブリの発生との関係を調べた実験結果を示す。

加工対象物として、ＳｉＣ単結晶基板（厚さ３５０μｍ）を準備した。パルスレーザ光（波長１０６４ｎｍ、パルス幅１９０ナノ秒）をＳｉＣ基板に照射して、ＳｉＣ基板の表面に損傷を形成した。このとき、ステージをＸＹ軸方向（水平方向）に移動させて、ＳｉＣ基板の分割予定ラインに沿って損傷を形成した。集光点は、ＳｉＣ基板の表面に合わせた。基板表面における照射スポット径（１／ｅ^２幅）は、４.３４μｍであった。パルスレーザ光のパルスエネルギーは、１４〜８０μＪで変化させた。エネルギー密度に換算すると９４.６〜５４０Ｊ／ｃｍ^２であり、ピークパワー密度に換算すると４.９８×１０^８〜２.８４×１０^９Ｗ／ｃｍ^２である。繰り返し周波数は、２００〜５００ｋＨｚで変化させた。ステージの移動速度は、照射スポットのショットピッチが０.１μｍとなるように調整した。

図９は、レーザ加工を行った後のＳｉＣ基板の加工部周辺の写真である。図９Ａは、パルスエネルギー１４μＪ（繰り返し周波数５００ｋＨｚ）のパルスレーザ光を照射したＳｉＣ基板の表面の写真であり、図９Ｂは、パルスエネルギー４０μＪ（繰り返し周波数３００ｋＨｚ）のパルスレーザ光を照射したＳｉＣ基板の表面の写真であり、図９Ｃは、パルスエネルギー７０μＪ（繰り返し周波数３００ｋＨｚ）のパルスレーザ光を照射したＳｉＣ基板の表面の写真であり、図９Ｄは、パルスエネルギー８０μＪ（繰り返し周波数２００ｋＨｚ）のパルスレーザ光を照射したＳｉＣ基板の表面の写真である。図９Ｅは、図９Ｄの写真の破線の領域の部分拡大写真である。

表３は、パルスレーザ光のパルスエネルギーとデブリの発生との関係を示す表である。表３に示されるように、波長５００ｎｍ以上かつ繰り返し周波数８０ｋＨｚ以上のパルスレーザ光をショットピッチを１.７μｍ未満でＳｉＣ基板に照射して、ＳｉＣ基板の表面に損傷を形成する場合は、パルスレーザ光のパルスエネルギーを７０μＪ以下とすることで、デブリの発生を抑制できることがわかる。

［実施例４］
実施例４では、パルスレーザ光を照射してＳｉＣ基板の表面に損傷を形成した場合における、パルスレーザ光の繰り返し周波数とデブリの発生との関係を調べた実験結果を示す。

加工対象物として、ＳｉＣ単結晶基板（厚さ１５０μｍ）を準備した。パルスレーザ光（波長１０６４ｎｍ、パルス幅１９０ナノ秒）をＳｉＣ基板に照射して、ＳｉＣ基板の表面に損傷を形成した。このとき、ステージをＸＹ軸方向（水平方向）に移動させて、ＳｉＣ基板の分割予定ラインに沿って損傷を形成した。集光点は、ＳｉＣ基板の表面に合わせた。基板表面における照射スポット径（１／ｅ^２幅）は、５.８１μｍであった。パルスレーザ光のパルスエネルギーは、１４μＪである。エネルギー密度に換算すると５２.７Ｊ／ｃｍ^２であり、ピークパワー密度に換算すると２.７８×１０^８Ｗ／ｃｍ^２である。繰り返し周波数は、５０〜５００ｋＨｚで変化させた。ステージの移動速度は、照射スポットのショットピッチが０.１μｍとなるように調整した。

図１０は、レーザ加工を行った後のＳｉＣ基板の加工部周辺の写真である。図１０Ａは、繰り返し周波数５００ｋＨｚのパルスレーザ光を照射したＳｉＣ基板の表面の写真であり、図１０Ｂは、繰り返し周波数１００ｋＨｚのパルスレーザ光を照射したＳｉＣ基板の表面の写真であり、図１０Ｃは、繰り返し周波数８０ｋＨｚのパルスレーザ光を照射したＳｉＣ基板の表面の写真であり、図１０Ｄは、繰り返し周波数５０ｋＨｚのパルスレーザ光を照射したＳｉＣ基板の表面の写真である。

表４は、パルスレーザ光の繰り返し周波数とデブリの発生との関係を示す表である。表４に示されるように、波長５００ｎｍ以上かつパルスエネルギーを７０μＪ以下のパルスレーザ光をショットピッチを１.７μｍ未満でＳｉＣ基板に照射して、ＳｉＣ基板の表面に損傷を形成する場合は、パルスレーザ光の繰り返し周波数を８０ｋＨｚ以上とすることで、デブリの発生を抑制できることがわかる。

［実施例５］
実施例５では、パルスレーザ光を照射してＳｉＣ基板を分割した場合における、レンズの焦点深度および損傷の深さと、割断面の平滑性との関係を調べた実験結果を示す。

加工対象物として、ＳｉＣ単結晶基板（厚さ１５０μｍ）を準備した。パルスレーザ光（波長１０６４ｎｍ、繰り返し周波数５００ｋＨｚ、パルス幅１９０ナノ秒）をＳｉＣ基板に照射して、ＳｉＣ基板の表面に損傷を形成した。このとき、ステージをＸＹ軸方向（水平方向）に移動させて、ＳｉＣ基板の分割予定ラインに沿って損傷を形成した。パルスレーザ光の集光には、焦点深度が１５μｍのレンズまたは焦点深度が２６μｍのレンズを使用した。集光点は、ＳｉＣ基板の表面に合わせた。基板表面における照射スポット径（１／ｅ^２幅）は、４.３μｍ（焦点深度が１５μｍのレンズを使用した場合）または５.８μｍ（焦点深度が２６μｍのレンズを使用した場合）であった。パルスレーザ光のパルスエネルギーは、６〜２０μＪで変化させた。ステージの移動速度は、照射スポットのショットピッチが０.０５〜０.３０μｍとなるように調整した。

ＳｉＣ基板の表面に損傷を形成した後、ブレーク工程（図１Ｃ参照）およびエキスパンド工程（図１Ｄ参照）を行うことでＳｉＣ基板を分割予定ラインに沿って分割した。その後、各ＳｉＣ基板について、レーザ加工により形成された損傷の深さを測定するとともに、割断面の平滑性を評価した。割断面の平滑性は、３Ｄ測定レーザ顕微鏡（ＯＬＳ４０００；オリンパス株式会社）を用いて測定した。割断面に形成された凹凸の高さが５μｍ以下の場合は「○」と評価し、５μｍ超の場合は「×」と評価した。

図１１は、焦点深度が１５μｍのレンズを用いてレーザ加工したＳｉＣ基板の割断面の写真である。図１１Ａおよび図１１Ｂは、パルスエネルギー１０μＪ、かつショットピッチ０.３０μｍで加工したＳｉＣ基板の割断面の写真であり（ｄ／ｂ＝０.７５）、図１１Ｃおよび図１１Ｄは、パルスエネルギー１０μＪ、かつショットピッチ０.０５μｍで加工したＳｉＣ基板の割断面の写真であり（ｄ／ｂ＝０.９５）、図１１Ｅおよび図１１Ｆは、パルスエネルギー１４μＪ、かつショットピッチ０.２０μｍで加工したＳｉＣ基板の割断面の写真であり（ｄ／ｂ＝１.０９）、図１１Ｇは、パルスエネルギー１８μＪ、かつショットピッチ０.１０μｍで加工したＳｉＣ基板の割断面の写真である（ｄ／ｂ＝１.８４）。

図１２は、焦点深度が２６μｍのレンズを用いてレーザ加工したＳｉＣ基板の割断面の写真である。図１２Ａおよび図１２Ｂは、パルスエネルギー１０μＪ、かつショットピッチ０.１０μｍで加工したＳｉＣ基板の割断面の写真であり（ｄ／ｂ＝０.９１）、図１２Ｃおよび図１２Ｄは、パルスエネルギー１４μＪ、かつショットピッチ０.２０μｍで加工したＳｉＣ基板の割断面の写真であり（ｄ／ｂ＝１.２９）、図１２Ｅおよび図１２Ｆは、パルスエネルギー１８μＪ、かつショットピッチ０.１０μｍで加工したＳｉＣ基板の割断面の写真であり（ｄ／ｂ＝１.６０）、図１２Ｇは、パルスエネルギー２０μＪ、かつショットピッチ０.１０μｍで加工したＳｉＣ基板の割断面の写真である（ｄ／ｂ＝１.９０）。

表５および表６は、レンズの焦点深度および形成された損傷の深さと、割断面の平滑性との関係を示す表である。表５は、焦点深度が１５μｍのレンズを用いてレーザ加工したときの結果を示し、表６は、焦点深度が２６μｍのレンズを用いてレーザ加工したときの結果を示す。表５および表６に示されるように、「損傷の深さｄ／レンズの焦点深度ｂ」の値を０.７以上かつ１.６以下とすることで、割断面の平滑性を向上させうることがわかる。

本発明のレーザ加工方法およびレーザ加工装置は、これまで加工が困難であったＳｉＣ基板に損傷を高精度かつ高速に形成することができる。したがって、本発明のレーザ加工方法およびレーザ加工装置は、ＳｉＣ基板のスクライビング技術およびダイシング技術として有用である。

１００ パルスレーザ光
１１０ シリコンカーバイド基板
１２０ 分割予定ライン
１３０ 損傷
２００ レーザ加工装置
２１０ レーザ光源
２２０ テレスコープ光学系
２３０ 集光レンズ
２４０ ステージ
２５０ ＡＦカメラ
２６０ ＸＹステージコントローラ
２７０ Ｚコントローラ
２８０ コンピュータ

Claims (9)

1. シリコンカーバイド基板にパルスレーザ光をレンズを通して照射して、前記シリコンカーバイド基板の表面に損傷を形成するステップを含むレーザ加工方法であって、
   前記パルスレーザ光の波長は、５００ｎｍ以上であり、
   前記パルスレーザ光のパルスエネルギーは、７０μＪ以下であり、
   前記パルスレーザ光の繰り返し周波数は、８０ｋＨｚ以上であり、
   前記シリコンカーバイド基板の表面における前記パルスレーザ光の照射スポットの中心間距離は、０μｍを超え、かつ１.７μｍ未満である、
   レーザ加工方法。
2. 前記パルスレーザ光は、前記シリコンカーバイド基板の分割予定ラインに沿って照射され、
   前記損傷は、前記分割予定ラインに沿って前記シリコンカーバイド基板の表面に形成される、
   請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. 前記パルスレーザ光のパルス幅は、１００ナノ秒以上である、請求項１に記載のレーザ加工方法。
4. 前記パルスレーザ光の波長は、１０μｍ以下である、請求項１に記載のレーザ加工方法。
5. 前記パルスレーザ光の集光点は、前記シリコンカーバイド基板の表面から上方１００μｍ〜表面から内部１００μｍの範囲内に位置する、請求項１に記載のレーザ加工方法。
6. 前記レンズの焦点深度をｂ（μｍ）とし、前記損傷の深さをｄ（μｍ）としたときに、０.７≦ｄ／ｂ≦１.６である、請求項１に記載のレーザ加工方法。
7. 波長５００ｎｍ以上、パルスエネルギー７０μＪ以下かつ繰り返し周波数８０ｋＨｚ以上のパルスレーザ光を出射するレーザ光源と、
   前記パルスレーザ光をシリコンカーバイド基板に照射する光学系と、
   前記光学系および前記シリコンカーバイド基板の少なくとも一方を移動させて、前記光学系と前記シリコンカーバイド基板とを相対的に移動させる駆動部と、を有し、
   前記シリコンカーバイド基板の表面における前記パルスレーザ光の照射スポットの中心間距離は、０μｍを超え、かつ１.７μｍ未満である、
   レーザ加工装置。
8. 前記パルスレーザ光のパルス幅は、１００ナノ秒以上である、請求項７に記載のレーザ加工装置。
9. 前記パルスレーザ光の波長は、１０μｍ以下である、請求項７に記載のレーザ加工装置。