JP2016030292A - 透明材料の内部スクライビング方法とレーザ・ダイシング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】確実な加工層を生成し、高速で安定した割断をしやすいダイシング・プロセスおよびスクライビング・プロセスを提供する。【解決手段】レーザ光により水平方向に少なくとも一層の改質層を生じさせ、水平方向の改質層に加えてレーザ光６の焦点を垂直方向に振動させながら同時に透明材料１またはレーザ光６を水平移動させて生成した少なくとも一層の波状改質層１１の組み合わせにより透明材料内部の底面近傍から表面近傍まで垂直方向に連続した改質層１０を生成して割断を容易にする。【選択図】図１

Description

本発明は、透明材料の内部改質の方法を用いたレーザ・ダイシング装置に係わる。

透明材料の例としてガラス、石英、サファイア、シリコン、ＳｉＣなどが挙げられる。レーザを光源として加工する例として、透明材料の表面近傍の内部改質によるスクライビング及び内部改質によるダイシング方法が発表されている

透明材料の内部改質層の作成方法として熱による方法あるいは、多光子吸収による方法あるいは、電子雪崩現象等によるヴォイドなどの微小空間や脆弱な層を生じさせる方法が考案されている。

透明材料に内部改質層を作る為にはパルス幅ではフェムト秒、ピコ秒などの超短パルスのレーザやＹＡＧレーザ基本波の３倍波以上の短い波長が用いられる場合がある。それらのレーザを用いて内部改質層が得られる原理は其々異なる。

透明材料の内部改質による加工の利点は表面加工と比較して外部に加工屑を出さないので被加工物の汚れが少ない。また光学系や加工環境に対しても加工屑の影響を最小限に抑える事が出来る利点がある。

実際の内部改質プロセスでは、クラックを生じない程度の適度なレーザエネルギーと焦点位置の変更による走査の繰り返しによる多層（マルチレイヤー）プロセスが必要である。

特許第４５８４３２２公報 特許第４８１３６２４公報 特許第５５２５６０１公報

特許文献１では「レーザパルスを集光レンズを通して加工対象物の表面近傍に集光照射しながら」云々とある。加工対象物はＬＥＤ基板用、厚さ数百ミクロンのサファイアである事を推測する。当然厚いサファイア基板を加工する際にレーザのエネルギーを高くして深い応力歪を生成させると基板に不規則なクラックを生じる危険性がある。

特許文献２によると、図１４に示している内部改質では一層だけの改質層ではサファイアなどの硬質な基板を分割する際には大きな切断力が必要となる為、実施例ではパルスの相を同相又は異相による２層の改質層を示している。

特許文献２の図１５の断面を見るかぎり、被加工物に対して深い改質層がえられていない。この改質層によってサファイアなどの硬質な基板を分割する際には大きな切断力が必要となる為、実際のプロセスに追加の改質層が必要と推定されるが、それについての検討がされていない。

特許文献３の図１に内部改質によるダイシングの原理が示されている。基板の内部に改質層を生成して割断を可能とすると記述されているが、厚いガラスの場合図１の様に１層による割断は容易でない事が推定される。この文献では触れていないが実際は多層の改質層によるダイシングが必要であると推定される。

特許文献３によると、「スクライビング・プロセスにおいては、ビームはビームの表面に溝を生成するために基板の表面近傍に集光させる」とある。適応する基板は１００ミクロン未満の厚さに有効であるとの記述がある。そして「スクライビングの深さは典型的には基板の全厚の１５％である」と記述されている。

しかしながら実際には１００ミクロンの基板をこのスクライビング・プロセス即ち表面近傍にレーザの焦点を合わせることによって表面に１５ミクロン以下の溝を均一に生成することは基板の精度と光学系を含む加工機の動作に於ける精度を考慮すると、このプロセスは容易でない事が想定される。

内部に改質層を生成して基板の割断を実施する際に、内部に延びる溝の具体的な記述が無く、これらの改質層を生成することも基板の精度と光学系を含む加工機の動作に於ける精度を考慮すると、このプロセスは容易でない事を想定される。

特許文献３には改質層の層数の記述は無いが、実用上は何層かのプロセスにより基板の分割を容易にする必要があると推察される。

結晶体の割断について、特許文献２及び特許文献３の内部改質プロセス及びスクライブなどのプロセスでは劈開により、直角な断面を再現性良く得ることが困難である。

課題を解決する為の手段

本発明の加工方式とレーザ加工装置は、多層の内部改質によるスクライビングまたはダイシングの方法を備えた装置であり、図５に示す従来の直線的な多層の改質層に加え１Ｈｚ以上５０ＫＨｚ以下の正弦波、三角波、鋸波、台形波、またはそれらの波形の組み合わせによる電圧をピエゾ素子に印加する。

波状層を生成する際には、ピエゾ素子に印加する電圧は各層の高さに相当する直流電圧と正弦波、三角波、鋸波、台形波などの波形の電圧を重畳させて印加する。

よってレーザの対物レンズの焦点を変化させレーザを照射して図１に示すようなプロセスにより内部改質の位置を基板の表面近くから底面近くまで連続的に生成することが可能となる。

内部改質層を基板の表面近くから底面近くまで連続的に生成することが可能となるため、結晶性基板の劈開による斜めの割断を防止する事が可能となり、また厚い基板のプロセスも可能となる。

ピエゾ素子ユニットを用いた対物レンズの移動による焦点の移動距離はピエゾ素子の段数やその構造によって制限がある。また移動距離によって応答時間的が異なる。それを解決する為に、ピエゾ素子の多段化と段ごとの個別の制御によって可能であり、他の電気・機械的方式、例えばモータ駆動ボール・スクリューなど組み合わせで解決可能である。

組み合わせの例として、ミクロン単位の移動をピエゾ素子ユニットで行い、数百ミクロン以上の移動をモータ駆動ボール・スクリューで行えば内部改質の図２に示すような多層プロセスが可能となる。よって厚みのある板ガラスや透明材料の内部スクライブが可能になる。

本発明のプロセスについては、最下層改質層、波状層改質層、最上層改質層による内部改質のプロセスが基本であるが、最下層改質層または最上層改質層を省いても良い。基本的には最下層改質層と波状層改質層と最上層改質層が繋がって透明材料の上面と下面近傍に達する改質層を生成する事が要点である。多層のプロセスの場合も同様に最下層改質層、中間層改質層、再上層改質層の各層を省いてプロセスを簡略化することが可能である。

図５の最下層改質層と最上層改質層の改質層は説明上、粗く描いているが、実際はＫＨｚからＭＨｚの繰り返し周波数のパルス・レーザと透明材料とレーザ光の相対速度によって生成されるので改質層の密度が高く生成される。

図１から図４の改質層を説明上、粗く描いているが、実際は１０ＫＨｚから５０ＭＨｚの間の繰り返し周波数を備えたパルス・レーザとピエゾ素子に印加する電圧の変化と周波数の変化による振動による焦点の移動と透明材料の移動速度によって密度は異なる。

焦点が異なる波状層を生成する際、パルス・レーザの繰り返し周波数は最下層改質層または最上層改質層の場合と異なる設定が可能である。例えば波状層に第一層の１．１倍から１０倍の繰り返し周波数を用いて改質層を密にして改質層数の低減が可能である。

本発明のレーザ・ダイシング装置一例としてレーザ光源に波長１０６４ナノメータの２０ピコ秒台の超短パルス・ファイバー・レーザを用いる事が望ましい。その理由について、ファイバー・レーザは高品質で安定した高いエネルギーのレーザ光が得られ、特にＫＨｚからＭＨｚ台の高繰り返し周波数のレーザの場合は透明材料への吸収が高いため、安定した改質層が得られる。

発明の効果

本発明による加工方法より確実な加工層を生成し、高速で安定した割断しやすいダイシング・プロセスおよびスクライビング・プロセスを提供する事が可能となる。

本発明の加工方法である内部改質による透明材料の加工断面図および改質層を生成する光学系の概略図である。 図１の最下層改質層を生成するプロセスである。 図１の波状層改質層を生成するプロセスである。 図１の最上層改質層を生成するプロセスである。 本発明の加工方法である最下層改質層を省略した透明材料の加工断面図および改質層を生成する光学系の概略図である。 本発明の加工方法である最上層改質を省略した透明材料の加工断面図および改質層を生成する光学系の概略図である。 本発明の加工方法である多層改質による透明材料の加面図および改質層を生成する光学系の概略図である。 従来の加工方法である内部改質による加工時の断面図である。

以下、図により本発明を実施する為の最良の形態（以下、実施の形態）を説明する。
本発明のダイシング・プロセスと、透明材料のレーザ・ダイシング装置の光学系の実施の形態（透明材料の加工断面図および改質層を生成する光学系の概略図）を図１から図４に示し、構成と機能を説明する。

図１は本発明の加工方法である内部改質による透明材料１の加工断面図および複数の改質層１０を生成する光学系の概略図である。本図の例では最下層改質層８と中間の波状層改質層１１と最上層改質層９の三層を加工したプロセスを示している。

図１の光学系の構成として、ピエゾ素子５と対物レンズ３を連結する。対物レンズ３は単純化して図式化しているが、実用上は組レンズを用いる。ピエゾ素子５はピエゾ素子ドライバー２２によるピエゾ印加電圧２３によってピエゾ素子５の厚みを変化させ、レンズ３のＺ軸移動４を生じさせ、平行光１５の集光光６の焦点７を変化させる構造である。改質層位置信号２０と波形信号２１を重畳した信号によりピエゾ素子ドライバー２２がピエゾ素子５にピエゾ印加電圧２３の高電圧を印加する構造である。

図１のステップ１のプロセスとして図１−１に示すようにピエゾ素子５に印加する改質層位置信号２０の電圧を増大してピエゾ印加電圧２３によりピエゾ素子５を厚い状態にして対物レンズ３のＺ軸移動４を行い、同時に透明材料１を水平移動２させながら透明材料１の内部の下面近傍に集光光６の焦点７によって底面近傍に改質層１０すなわち最下層改質層８を生成する。

図１のステップ２のプロセスとして図１−２に示す様にピエゾ素子５にステップ１より低い改質層位置信号２０に波形信号２１を重畳して増幅してピエゾ素子印加電圧２３によりピエゾ素子５を振動させて対物レンズ３のＺ軸移動４を行う。本プロセスの例では波形信号２１を三角波としているが、正弦波または台形波でも良い。同時に透明材料１を水平移動２させながら透明材料１の内部の中心部に集光光６の焦点７によって基板の中間近傍に改質層１０すなわち状層改質層１１を生成する。

図１のステップ３のプロセスとして図１−３に示す様にピエゾ素子５にステップ２の改質位置信号２０より低いピエゾ印加電圧２３を印加してピエゾ素子５を薄い状態にして対物レンズ３のＺ軸移動４を行い、同時に透明材料１を水平移動させながら透明材料１の内部の表面近傍に集光光６の焦点７によって基板表面近傍に改質層１０すなわち最上層改質層９を生成する。

本プロセスの評価としては各層の改質層１０が連結されているか、または各改質層１０の厚さ以下で上下の距離以下で生成されている状態が望ましい。

図２は本発明の加工方法である図１の最下層８を省略した透明材料１の加工断面図および改質層を生成する光学系の概略図である。本図の例では中間の波状層改質層１２と最上層改質層９の二層を加工したプロセスを示している。

図３は本発明の加工方法である図１の最下上層９を省略した透明材料１の加工断面図および改質層を生成する光学系の概略図である。本図の例では最下層改質層８と中間の波状改質層１２の二層を加工したプロセスを示している。

図４は本発明の加工方法である図１のプロセスを基に透明材料１の内部の垂直方向に多層の深い改質層を生成させるプロセスを示している。図１との異差として厚い透明材料１を加工する場合、ピエゾ素子５によるレンズ３の移動距離に限界があるため、電気・機械的な方法を用いる。本例ではモータ１７とモータ駆動ウォーム・ギア１６を用いてＺ軸の大きな移動１８によるプロセスを示したものである。
図４のプロセスは図１によるプロセスと基本的には同じ概念である。ステップ１のプロセスで最下層改質層８を生成する。ステップ２として第一波状層改質層１２を生成する。ステップ３として中間層改質層１９を生成する。ステップ４として第二波状層改質層１３を生成する。ステップ５として最上層改質層１４を生成する。

図５に従来の内部スクライブの加工例を示す。２層の加工例を示す。弱い改質層であれば多層（マルチレイヤ）によるプロセスが必要となると考えられる。

以上のことから本実施の形態では、波状改質層の組み合わせによる透明材料の加工法を用いたレーザ加工装置によれば、従来の装置と比較して厚い透明材料や結晶性を持つ透明材料を容易に割断することが可能なレーザ・ダイシング装置を提供する事が可能となる。

上記プロセスによりピコ秒ファイバー・レーザ波長１０２４ナノメータ、パルス幅２７ピコ秒、繰り返し周波数５０ＫＨｚから６ＭＨｚでバースト波３０ＭＨｚを含むレーザ発振器とピエゾ素子及びピエゾ素子ドライバーによる焦点変更ユニットとＮＡ０．７の対物レンズと最高速度５００ｍｍ／ＳのＸＹＺテーブルの構成により透明材料内部に図１に示した改質層を生成した。

本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、その他様々な構成が取り得る。

１ 透明材料、２ 水平移動、３ 対物レンズ、４ Ｚ軸移動、５ ピエゾ素子、６ 集光光、７ 焦点、８ 最下層改質層、９ 最上層改質層、１０ 改質層、１１ 波状層改質層、１２ 第一波状層改質層、１３ 第二波状層改質層、１４ 最上層改質層、１５ 平行光、１６ モータ駆動ウォーム・ギア、１７ モータ、１８ 大きな移動、１９ 中間層改質層、２０ 改質層位置信号、２１ 波形信号、２２ ピエゾ素子ドライバー、２３ ピエゾ印加電圧

Claims (8)

1. レーザ光によるダイシング及びスクライビング方法に於いて透明材料内でレーザ光の焦点を水平移動してレーザ光を照射し、レーザ光のエネルギーの吸収によって透明材料内部の水平方向に少なくとも一層の改質層を生じさせ、該改質層に加えてレーザ光の焦点を垂直方向に振動させながら同時に透明材料またはレーザ光を水平方向に移動させて生成した少なくとも一層の波状改質層の組み合わせにより透明材料内部の底面近傍から表面近傍まで垂直方向に連続する改質層によって透明材料の分割を容易にする加工方法。
2. 前記レーザ光の焦点の振動方法としてピエゾ素子を用いて、該素子に１Ｈｚから５０ＫＨｚの正弦波または台形波または三角波または鋸波またはそれらの組み合わせの印加電圧により対物レンズの位置を０ミクロンから１ミリメートルの間を調節することが可能な透明材料の加工方法。
3. 前記レーザ光の焦点の移動方法としてリニア・モータまたはモータ駆動ボール・スクリューまたは、エア・スピンドル・モータまたはモータ駆動ウォーム・ギアまたはヴォイス・コイルなどの電気機械的移動方法を用い、対物レンズの位置を０ミクロンから１０ミリの間を調節することが可能な透明材料の加工方法。
4. 前記レーザ光の焦点の移動方法として請求項２の単独または複数のピエゾ及び請求項３の単独または複数の電気機械的な移動法方法の組み合わせによって垂直方向に多層の深い改質層を生成させることが可能な透明材料の加工方法。
5. 前記レーザ光は赤外光から紫外光の超短パルス・レーザであり、波長は１００フェムト秒から１００ピコ秒、照射エネルギーは５０ミリワット以上３００ワット以下とし、被加工物上のパルス光のオーバーラップが５％以上から９５％である透明材料の加工方法。
6. 前記レーザ光の繰り返し周波数は１０ＫＨｚ以上５０ＭＨｚ以下であり、該周波数の内１０ＫＨｚ以上５０ＭＨｚ以下の組み合わせによるバースト波を選択可能にしたレーザ光による透明材料の加工方法。
7. 請求項１から請求項６のレーザ・ダイシング方法で、前記透明材料がガラス、セラミックス石英などの非結晶である厚い透明材料の加工方法を用いたレーザ・ダイシング装置。
8. 請求項１から請求項６のレーザ・ダイシング方法で、前記透明材料がサファイア、ＳｉＣ、水晶などの結晶である透明材料の加工方法を用いたレーザ・ダイシング装置。

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