JP2017170505A - レーザスライス加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】材料の割れが生じにくいレーザスライス加工方法を提供する。【解決手段】本発明の一態様に係るレーザスライス加工方法は、材料の内部の集光点にレーザを集光する工程と、集光点をレーザの前記材料に対する入射方向に対して垂直な平面上において相対的に移動させる工程とを備える。レーザは、材料に対して２光子吸収を生じさせる波長を有している。本発明の一態様に係るレーザスライス加工方法によると、割れが生じにくいレーザスライス加工を行うことができる。【選択図】図１

Description

本発明は、スライス加工方法に関し、特にレーザスライス加工方法に関する。

窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の材料に対してスライス加工を行う方法として、ワイヤーソーを用いたスライス加工方法がある。ワイヤーソーを用いたスライス加工方法においては、切り代を考慮してスライス加工を行う必要がある。特に、ＧａＮ、ＡｌＮ等の材料は、硬度が非常に高い。そのため、ワイヤーソーの太さを細くすることは困難である。換言すれば、切り代を狭くすることが困難である。その結果、１つのインゴットからの取れ数を増やすことは困難である。

スライス加工時の切り代を狭くする技術として、レーザスライス加工がある。このレーザスライス加工法としては、例えば特許文献１（特開２００５−２７７１３６号公報）記載のものが提案されている。

特許文献１記載のレーザスライス加工においては、シリコンのインゴットの内部に、レーザが集光される。これにより、シリコンのインゴットの内部にレーザを光吸収した加工領域を形成する。このレーザをシリコンのインゴットに対して相対的に移動させることにより、シリコンのインゴット内部に平面上に加工領域を形成する。特許文献１記載のレーザスライス加工は、このような方法により、加工領域の上下でシリコンのインゴットが分離される。

特開２００５−２７７１３６号公報

特許文献１記載のレーザスライス加工に用いられるレーザの波長は、８００ｎｍ以上である。そのため、特許文献１記載におけるレーザがＧａＮやＡｌＮ等の光の吸収端が４００ｎｍ以下の光の透過性が高い材料に吸収される場合、３光子吸収以上の多光子吸収となってしまう。３光子吸収以上の多光子吸収が生じる場合は、レーザの集光領域周辺に対する熱影響が極めて大きくなる。そのため、特許文献１記載のレーザスライス加工においては、レーザの集光領域の近傍が熱影響により割れてしまうおそれがある。

本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものである。より具体的には、本発明は材料の割れが生じにくいレーザスライス加工方法を提供するものである。

本発明の一実施形態に係るレーザスライス加工方法は、材料の内部の集光点にレーザを集光する工程と、集光点をレーザの入射方向に垂直な平面上において相対的に移動させる工程とを含む。レーザは、材料に対して２光子吸収を生じさせる波長を有している。

本発明の一実施形態に係るレーザスライス加工方法によると、材料の割れが生じにくいレーザスライス加工を行うことが可能となる。

実施形態に係るレーザスライス加工の模式図である。 レーザ集光後の材料の断面図である。 ２光子吸収のメカニズムを示す模式図である。 レンズの開口数がレーザ影響層の幅に与える影響を示す模式図である。 ３光子吸収のメカニズムを示す模式図である。

［本発明の実施形態の説明］
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。

（１）本発明の一態様に係るレーザスライス加工方法は、材料の内部の集光点にレーザを集光する工程と、集光点をレーザの入射方向に垂直な平面上において相対的に移動させる工程とを含む。レーザは、材料に対して２光子吸収を生じさせる波長を有している。

（１）の構成によると、材料の割れが生じにくいレーザスライス加工を行うことが可能となる。

（２）（１）のレーザスライス加工方法において、レーザのパルス幅は０．２ピコ秒以上１００ピコ秒以下であってもよい。

（２）の構成によると、レーザスライス加工における材料の割れをさらに抑制することが可能となる。

（３）（１）のレーザスライス加工方法において、材料はＧａＮ、ＡｌＮ、炭化珪素（ＳｉＣ）、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）又はダイヤモンドであってもよい。

（３）の構成によると、硬度の高い難加工性材料においても、割れが生じにくいレーザスライス加工が可能となる。

（４）（１）のレーザスライス加工方法において、レーザは０．８以上の開口数を有するレンズを用いて材料の内部に集光されてもよい。

（４）の構成によると、レーザスライス加工における材料の割れをさらに抑制することが可能となる。

［本発明の実施形態の詳細］
以下に、本発明の実施形態の詳細について図を参照して説明する。なお、各図中同一または相当部分には同一符号を付している。また、以下に記載する実施の形態の少なくとも一部を任意に組み合わせてもよい。

（実施形態に係るレーザスライス加工の概要）
以下に、実施形態に係るレーザスライス加工の概要について説明する。

図１は、実施形態に係るレーザスライス加工の概要を示す模式図である。図１に示すように、実施形態に係るレーザスライス加工は、レーザ発振器１から出力されるレーザＬを用いて行われる。レーザ発振器１は、パルス幅が制御可能となっている。パルス幅の詳細については、後述する。レーザＬは、材料３に２光子吸収される波長を有している。レーザＬの波長の詳細については、後述する。レーザ発振器１より出力されるレーザＬの繰り返し周波数（パルス数）の１例は、１ｋＨｚである。

レーザ発振器１から出力されたレーザＬは、レンズ２により、材料３の内部に集光される。材料３の内部においてレーザＬが集光される集光点の位置には特に限定はない。この集光点の位置の１例としては、材料３表面からの距離が０．３ｍｍとなる位置である。また、集光点におけるレーザＬのスポット径の１例は、５μｍである。レンズ２は、例えば光学レンズである。レンズ２の開口数については後述する。材料３内部に入射したレーザＬは、材料３の屈折率により、材料３内部においてさらに屈折する。このような屈折の影響をキャンセルするため、レンズ２は、補正用レンズをさらに含んでいてもよい。

材料３は、レーザスライス加工の対象となる材料である。材料３は、インゴットの形態を有している。インゴットの形状は、例えば角柱、円柱である。材料３には、例えばＧａＮ、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ｃＢＮ、ダイヤモンド等が用いられる。但し、材料３はこれに限られるものではない。

材料３は、ステージ４上に載置される。ステージ４は、Ｘ方向及びＹ方向に移動可能に構成されている。１例としては、ステージ４はＹ方向に毎秒１ｍｍの移動速度で移動する。レーザＬの材料３内部の集光点が材料のＹ方向の端部に到達した際には、ステージ４はＸ方向に対して５μｍのステップ幅で折り返す。このようにステージ４を移動させることにより、レーザＬの材料３の内部における集光点が、レーザＬの入射方向に対して垂直な面の全面にわたって走査される。

但し、ステージ４の移動方法は、上記のものに限られない。例えば、ステージ４を回転させるとともに、ステージ４をＸ方向又はＹ方向に移動させてもよい。このようにステージ４を移動させることによっても、レーザＬの材料３の内部における集光点が、レーザＬの入射方向に対して垂直な面の全面にわたって走査されることになる。

図２は、レーザＬを集光後の材料３の断面図である。レーザＬの集光点がレーザＬの入射方向に対して垂直な面の全面にわたって走査された結果、材料３中には、レーザ影響層５が形成されている。レーザ影響層５は、亀裂を含んでいる。そのため、材料３は、レーザ影響層５において、容易に剥離することが可能である。なお、レーザ影響層５に含まれる亀裂は、レーザＬの照射に伴う材料３の分解、結晶構造の変化等に起因するものと考えられる。

（実施形態に係るレーザスライス加工に用いられるレーザの波長）
以下に、実施形態に係るレーザスライス加工に用いられるレーザＬの波長について説明する。

まず、レーザＬの材料３における多光子吸収について、以下に説明する。原則として、材料３は、励起状態のエネルギー準位である励起準位Ｅ_esと基底状態におけるエネルギー準位である基底準位Ｅ_bsのエネルギーレベルの差を超える光子エネルギーを有するレーザＬのみを吸収する。この差よりも小さい光子エネルギーしか有さないレーザＬが照射されても、基底準位Ｅ_bsにある電子が、励起準位Ｅ_esに達しないからである。励起準位Ｅ_esと基底準位Ｅ_bsの差に等しい光子エネルギーを有するレーザＬの波長が、吸収端となる。

しかしながら、レーザＬの波長が吸収端より長い場合であっても、材料３中の電子がレーザＬ中の複数の光子から光子エネルギーを受け取ることにより、レーザＬが材料３に吸収されることがある。この場合、基底準位Ｅ_bsにある電子が受け取る光子エネルギーの合計が励起準位Ｅ_esと基底準位Ｅ_bsのエネルギーレベルの差よりも大きくなるからである。

このようなレーザＬの吸収は、多光子吸収という。特に、２つの光子の光子エネルギーの合計が吸収端を超えることによりレーザＬが材料３に吸収される場合を２光子吸収といい、３つの光子の光子エネルギーの合計が吸収端を超えることによりレーザＬが材料３に吸収される場合を３光子吸収という。

図３は、２光子吸収のメカニズムを示す模式図である。図３に示すように、材料３の吸収端の１倍より大きく２倍以下となる波長を有するレーザＬ中の光子が電子に衝突すると、基底準位Ｅ_bsにある電子は、仮想準位Ｅ_vsに励起される。仮想準位Ｅ_vsは、基底準位Ｅ_bsと励起準位Ｅ_esの間にある仮想的な準位である。

電子が仮想準位Ｅ_vsに励起されている間に、さらに材料３の吸収端の１倍より大きく２倍以下となる波長を有するレーザＬ中の光子が電子に衝突すると、その電子のエネルギーレベルは励起準位Ｅ_esを超えることになる。その結果、材料３の吸収端の１倍より大きく２倍以下となる波長を有するレーザＬは、材料３に吸収されることになる。

次に、実施形態に係るレーザスライス加工に用いられるレーザＬの波長について説明する。レーザＬの波長は、材料３に対して、２光子吸収を生じさせる波長を有している。すなわち、レーザＬの波長は、材料３の吸収端の１倍より大きく２倍以下となるように選択される。

ＧａＮの吸収端は３６５．８ｎｍである。そのため、材料３がＧａＮである場合には、波長が３６５．８ｎｍより大きく、７３１．６ｎｍ以下であるレーザＬを用いることができる。このようなレーザＬとしては、例えば５３２ｎｍの波長となるＮｄ：ＹＡＧ（Neodymium：Yttrium Aluminum Garnet）レーザの２倍高調波を用いることができる。

ＡｌＮの吸収端は２００．０ｎｍである。そのため、材料３がＡｌＮである場合には、波長が２００ｎｍより大きく、４００ｎｍ以下であるレーザＬを用いることができる。このようなレーザＬとしては、例えば３５５ｍの波長となるＮｄ：ＹＡＧレーザの３倍高調波を用いることができる。

ＳｉＣの吸収端は４１３．３ｎｍである。そのため、材料３がＳｉＣである場合には、波長が４１３．３ｎｍより大きく、８２６．７ｎｍ以下であるレーザＬを用いることができる。このようなレーザＬとしては、例えば５３２ｍの波長となるＮｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波を用いることができる。

ｃＢＮの吸収端は２００．０ｎｍである。そのため、材料３がｃＢＮである場合には、波長が２００ｎｍより大きく、４００ｎｍ以下であるレーザＬを用いることができる。このようなレーザＬとしては、例えば３５５ｍの波長となるＮｄ：ＹＡＧレーザの３倍高調波を用いることができる。

ダイヤモンドの吸収端は２２９．６ｎｍである。そのため、材料３がダイヤモンドである場合には、波長が２２９．６ｎｍより大きく、４５９．３ｎｍ以下であるレーザＬを用いることができる。このようなレーザＬとしては、例えば３５５ｍの波長となるＮｄ：ＹＡＧレーザの３倍高調波を用いることができる。

（実施形態に係るレーザスライス加工におけるレーザのパルス幅）
上記のとおり、吸収端よりも長い波長を有するレーザＬが材料３に照射されると、レーザＬ中の光子により、材料３中の電子は基底準位Ｅ_bsと励起準位Ｅ_esの間にある仮想準位Ｅ_vsに励起される。また、上記のとおり、仮想準位Ｅ_vsにある電子に、さらにレーザＬ中の光子が衝突することにより、２光子吸収が生じる。

しかしながら、仮想準位Ｅ_vsは仮想的なものであるため、電子が仮想準位Ｅ_vsに留まれる時間は極めて短い。そのため、仮想準位Ｅ_vsに励起された電子がレーザＬ中の光子によりさらに励起される確率は低い。したがって、２光子吸収を生じさせるためには、レーザＬ中の光子が、仮想準位Ｅ_vsにある電子と衝突する確率を上げる必要がある。すなわち、レーザＬのパルス幅を狭めることにより、レーザＬの時間あたりのパワー密度を向上（レーザＬ中の光子の数を増加）させる必要がある。そのため、レーザＬのパルス幅は、１００ピコ秒以下であることが好ましい。

他方で、レーザＬのパルス幅を狭め過ぎると、レーザＬのパルスのピーク強度を制御することが困難となる。レーザＬのパルスのピーク強度が高すぎる場合には、レーザＬの熱影響範囲が広くなり過ぎ、材料３が割れてしまう。レーザＬのパルスのピーク強度が低すぎる場合には、２光子吸収が起こりにくくなってしまう。そのため、好ましくは、レーザＬのパルス幅は、０．２ピコ秒以上である。レーザＬのパルス幅のさらに好ましい範囲は、５ピコ秒以上１０ピコ秒以下である。

（実施形態に係るレーザスライス加工におけるレンズの開口数）
図４は、レンズ２の開口数が亀裂発生に与える影響を示す模式図である。図４（Ａ）に示すように、レーザＬの照射により、材料３中において、焦点付近に熱影響領域６が形成される。レンズ２の開口数が小さい場合、焦点深度が大きい。そのため、レンズ２の開口数が小さい場合、材料３中において、焦点付近にレーザのエネルギー密度が高い領域が存在することになる。その結果として、材料３中において、レーザＬの入射方向において幅の広い熱影響領域６が形成される。他方、図４（Ｂ）に示すように、レンズ２の開口数が大きい場合には、焦点深度が小さくなる。その結果、熱影響領域６のレーザＬの入射方向における幅は狭くなる。熱影響領域６のレーザ入射方向における幅が広くなれば、レーザ入射方向に沿って亀裂が形成されやすくなる。

レーザＬの波長５３２ｎｍ、レーザＬのパルス幅１２．５ピコ秒、ステージ４の移動速度３０ｍｍ／秒、材料３をＧａＮとして、レーザＬを材料３の内部に照射したところ、レンズ２の開口数が０．４２である場合、レーザＬの入射方向に平行な方向に沿って１０４．２μｍの長さを有する亀裂が観察された。他方、レンズ２の開口数が０．８５である場合、レーザＬの入射方向に平行な方向に沿って４０．０μｍの長さを有する亀裂が観察された。このような結果から、レンズ２の開口数は、０．８以上であることが好ましい。

（実施形態に係るレーザスライス加工方法の効果）
以下に、実施形態に係るレーザスライス加工方法の効果について、比較例と対比することにより説明する。

レーザＬの波長が材料３に単光子吸収される波長である場合（すなわち、レーザＬの波長として材料３の吸収端よりも短い波長を用いた場合）、レーザＬは材料３の内部において集光することは困難である。レーザＬの大半が材料３の表面において吸収されてしまうからである。その結果、レーザＬの波長が材料３に単光子吸収される波長である場合、レーザスライス加工を行うことは困難となってしまう。

レーザＬの波長が材料３に３光子吸収される波長である場合（すなわち、レーザＬの波長が材料３の吸収端の２倍より大きい波長を用いた場合）、材料３は割れやすくなってしまう。この理由を以下に説明する。

図５は、３光子吸収のメカニズムを示す模式図である。図５に示すように、３光子吸収は、基底状態にある電子がレーザＬ中の光子により第１の仮想準位Ｅ_vs1に励起され、第１の仮想準位に励起された電子がレーザＬ中の光子により第２の仮想準位Ｅ_vs2に励起され、かつ第２の仮想準位Ｅ_vs2にある電子がレーザ中の光子によりさらに励起されることにより、実現される。

上記のとおり、仮想準位にある電子がさらにレーザＬ中の光子により励起される確率は低い。３光子吸収においては、このような過程を２回経る必要があるため、３光子吸収を効率的に生じさせるためには、レーザＬの時間あたりのパワー密度を相当に高く設定する必要がある。しかし、このように相当に高いパワー密度のレーザＬを用いた場合、材料３の広い範囲にレーザＬの熱影響が及んでしまう。その結果、材料３は割れやすくなってしまうのである。

他方、実施形態に係るレーザスライス加工方法においては、レーザＬの波長は材料３に２光子吸収される波長となっている。そのため、レーザＬの波長が材料３に単光子吸収される波長となっている場合と異なり、レーザＬの内部において集光させることが可能である。すなわち、レーザＬの波長を材料３に２光子吸収される波長とすることにより、レーザスライス加工が可能になる。レーザＬの波長が材料３に３光子吸収される波長となっている場合と比較して、時間あたりのパワー密度を過度に向上させる必要はない。その結果、熱影響により材料３が割れてしまうことを抑制することができる。以上から、実施形態に係るレーザスライス加工方法によると、材料の割れが生じにくいレーザスライス加工を行うことが可能となる。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ レーザ発振器
２ レンズ
３ 材料
４ ステージ
５ レーザ影響層
６ 熱影響領域
Ｌ レーザ。

Claims (4)

1. 材料の内部の集光点にレーザを集光する工程と、
   前記集光点を、前記レーザの前記材料に対する入射方向に対して垂直な平面上において相対的に移動させる工程とを備え、
   前記レーザは、前記材料に対して２光子吸収を生じさせる波長を有している、レーザスライス加工方法。
2. 前記レーザのパルス幅は０．２ピコ秒以上１００ピコ秒以下である、請求項１に記載のレーザスライス加工方法。
3. 前記材料は窒化ガリウム、窒化アルミニウム、炭化珪素、立方晶窒化ホウ素又はダイヤモンドである、請求項１に記載のレーザスライス加工方法。
4. 前記レーザは０．８以上の開口数を有するレンズを用いて前記材料の内部に集光される、請求項１に記載のレーザスライス加工方法。

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