JP5380986B2 - Laser scribing method and laser scribing apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射するレーザスクライブ方法及びレーザスクライブ装置に関する。 The present invention relates to a laser scribing method and a laser scribing apparatus for irradiating a laser beam with a focusing point inside a workpiece.
従来、シリコン基板等の加工対象物を分割するために、加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射することによって、分割の起点となる改質層を加工対象物内部に形成する技術がある。例えば特許文献1には、集光点が加工対象物の表面に対して斜め方向に移動するようにレーザ光を照射することで、改質層を前記斜め方向に並設させる技術が開示されている。この技術においては、レーザ光の繰り返し周波数は数十〜百ヘルツに設定され、レーザ光の照射タイミングに同期させながら集光用のレンズを加工対象物に対して移動させることで、集光点の移動を図るようにしている。 Conventionally, in order to divide a workpiece such as a silicon substrate, a modified layer that is the starting point of the division is formed inside the workpiece by irradiating a laser beam with the focusing point inside the workpiece. There is technology to do. For example, Patent Document 1 discloses a technique in which modified layers are arranged in parallel in the oblique direction by irradiating a laser beam so that the focal point moves in an oblique direction with respect to the surface of the workpiece. Yes. In this technique, the repetition frequency of the laser beam is set to several tens to hundreds of hertz, and the focusing point is moved by moving the focusing lens with respect to the workpiece while synchronizing with the irradiation timing of the laser beam. I try to move.
また特許文献2には、レーザ光の集光点における電界強度やパルス幅が所定の条件を満たすと、集光点では多光子吸収を起因として局所的に加熱される現象が生じて、改質層が、溶融した材料が再固化した状態にある溶融領域に形成されることが記載されている。そして、加工対象物が所定の厚さを有する場合には、前記溶融領域が出来る条件下で、ガウシアンビームプロファイルに対してピーク位置が移動したパルス波形を有するレーザ光を加工対象物に照射することで、溶融領域の大きさを大きくして、加工対象物に割れを生じやすくすることが出来ると記載されている。 Further, in Patent Document 2, when the electric field intensity and pulse width at the condensing point of the laser beam satisfy predetermined conditions, a phenomenon in which the condensing point is locally heated due to multiphoton absorption occurs. It is described that the layer is formed in a molten region where the molten material is in a resolidified state. When the object to be processed has a predetermined thickness, the object to be processed is irradiated with a laser beam having a pulse waveform whose peak position is moved with respect to the Gaussian beam profile under the condition that the melting region is formed. Thus, it is described that the size of the melting region can be increased to easily cause cracks in the workpiece.
ところで特許文献1では、繰り返し周波数が数十〜百ヘルツとなる短いレーザ光の照射タイミングに同期させてレンズの移動を行うようにしていることから、レンズの移動を高速で行う必要がある。このため、該レンズの移動を実現する移動機構の構造が複雑になるために、移動機構の製造コストが高くなったり、移動機構の精度に狂いが生じて改質層を所望の位置に形成できないといった問題が生じ得る。また、レーザ光の照射タイミングを長く設定し、該設定した照射タイミングに同期させてレンズの移動を行うこととした場合には、改質層の加工速度が遅くなるために、加工に要する時間が長くなる。 By the way, in Patent Document 1, since the lens is moved in synchronization with the irradiation timing of a short laser beam having a repetition frequency of several tens to hundreds of hertz, it is necessary to move the lens at a high speed. For this reason, since the structure of the moving mechanism that realizes the movement of the lens becomes complicated, the manufacturing cost of the moving mechanism becomes high, or the accuracy of the moving mechanism is distorted, so that the modified layer cannot be formed at a desired position. Such a problem may occur. Further, when the laser beam irradiation timing is set to be long and the lens is moved in synchronization with the set irradiation timing, the processing speed of the modified layer is slowed down. become longer.
また、特許文献2では、パルス波形のピーク位置を移動させるためには、単なる波長変調のみならず、位相変調が必要であるため、パルス変調機の構成が複雑になる。このため、パルス変調機の精度に狂いが生じたり、パルス変調機の製造コストが高くなる。また、溶融領域の再固化状態を上手くコントロールしないと、溶融領域が割れを成長させるための切断起点になりえず、逆に割れの成長を妨げる要因になってしまう。また、必要以上に大きな溶融領域が形成された場合には、溶融領域は、加工対象物にダレや突起等の変形を生じさせたり、加工対象物の強度等の材料物性に悪影響を与える。 Further, in Patent Document 2, in order to move the peak position of the pulse waveform, not only simple wavelength modulation but also phase modulation is required, so that the configuration of the pulse modulator becomes complicated. For this reason, the accuracy of the pulse modulator is distorted, and the manufacturing cost of the pulse modulator increases. If the re-solidification state of the molten region is not controlled well, the molten region cannot serve as a starting point for growing cracks, and conversely becomes a factor that hinders crack growth. Further, when an unnecessarily large melting region is formed, the melting region causes a deformation such as sagging or protrusion on the workpiece, and adversely affects material properties such as strength of the workpiece.
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、機器の構成を複雑にすることなく、加工対象物を小さな力で分割出来るとともに、加工対象物の分割断面の分割予定ラインに対するずれを小さく抑えることの出来るレーザスクライブ方法及びレーザスクライブ装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and can divide an object to be processed with a small force without complicating the configuration of the apparatus, and can suppress a shift of a divided cross section of the object to be divided from a planned division line. It is an object of the present invention to provide a laser scribing method and a laser scribing apparatus capable of performing the same.
上記目的を達成するため、本発明の第1の観点に係るレーザスクライブ方法は、板状の加工対象物であるサファイア基板の内部に合わせた集光点が前記加工対象物の分割予定ラインに沿って移動するように、繰り返し周波数が10kHz以上10MHz以下であるレーザ光を前記加工対象物に照射することによって、前記分割予定ラインに沿って多光子吸収による改質層を形成するレーザスクライブ方法であって、前記改質層は、前記レーザ光の照射時に前記基板の厚み方向に発生するクラックを有する微小空洞であり、前記レーザ光は、照射エネルギーが所定値となる条件下でパルス幅が2.0ピコ秒以上4.5ピコ秒以下であることを特徴とする。 In order to achieve the above object, in the laser scribing method according to the first aspect of the present invention, the condensing point aligned with the inside of the sapphire substrate, which is a plate-like workpiece , is along the planned dividing line of the workpiece. The laser scribing method forms a modified layer by multiphoton absorption along the division line by irradiating the workpiece with a laser beam having a repetition frequency of 10 kHz to 10 MHz so as to move. The modified layer is a microcavity having a crack generated in the thickness direction of the substrate when the laser beam is irradiated, and the laser beam has a pulse width of 2. under the condition that the irradiation energy becomes a predetermined value . It is 0 picoseconds or more and 4.5 picoseconds or less.
本発明の第2の観点に係るレーザスクライブ装置は、板状の加工対象物であるサファイア基板の内部に多光子吸収による改質層を形成するレーザスクライブ装置であって、前記加工対象物が載置される載置台と、前記載置台に載置された加工対象物の内部に集光点が合うように前記加工対象物に、繰り返し周波数が10kHz以上10MHz以下であるレーザ光を照射するレーザ照射手段と、前記集光点が前記加工対象物の分割予定ラインに沿って移動するように、前記載置台を前記レーザ光に対して相対移動させる移動手段とを備え、前記改質層は、前記レーザ光の照射時に前記基板の厚み方向に発生するクラックを有する微小空洞であり、前記レーザ照射手段は、照射エネルギーが所定値となる条件下で、パルス幅が2.0ピコ秒以上4.5ピコ秒以下に設定されたレーザ光を前記加工対象物に照射することを特徴とする。
A laser scribing apparatus according to a second aspect of the present invention is a laser scribing apparatus that forms a modified layer by multiphoton absorption inside a sapphire substrate, which is a plate-like processing object, and the processing object is mounted on the laser scribing apparatus. a mounting table which is location, the workpiece as the focal point is aligned within the object placed on the mounting table, the laser irradiation repetition frequency is irradiated with the laser beam is above 10kHz 10MHz or less Means and a moving means for moving the mounting table relative to the laser beam so that the focusing point moves along a division planned line of the workpiece, the modified layer includes: a microcavity having cracks generated in the thickness direction of the substrate during the irradiation of the laser beam, the laser irradiation means, under conditions where the irradiation energy becomes a predetermined value, the pulse width is 2.0 picoseconds 4 The laser light is set to 5 picosecond and irradiating the workpiece.
本発明によれば、加工対象物に照射するレーザ光は、照射エネルギーが所定値となる条件下でパルス幅が700フェムト秒以上4.5ピコ秒以下に設定されることで、分割の起点となるクラックを改質層から加工対象物の厚さ方向に長く生成することが出来るとともに、割れの進行を妨げるアモルファス相の発生を小さく抑えることが出来る。これにより、加工対象物を小さな力で分割出来るとともに、加工対象物の分割断面の分割予定ラインに対するずれを小さく抑えることが出来る。 According to the present invention, the laser beam applied to the object to be processed has the pulse width set to 700 femtoseconds or more and 4.5 picoseconds or less under the condition that the irradiation energy becomes a predetermined value, so that Can be generated long in the thickness direction of the object to be processed from the modified layer, and the generation of an amorphous phase that prevents the progress of the crack can be suppressed to a low level. Thereby, while being able to divide | segment a process target object with small force, the shift | offset | difference with respect to the division | segmentation planned line of the division | segmentation cross section of a process target object can be suppressed small.
また、パルス幅を700フェムト秒以上4.5ピコ秒以下の範囲に制御することは、グレーティングミラーと分散プリズムの反射光路長を調整することで実現できる。これにより、機器の構成を複雑にすることがない。 Control of the pulse width in the range of 700 femtoseconds to 4.5 picoseconds can be realized by adjusting the reflection optical path lengths of the grating mirror and the dispersion prism. This does not complicate the configuration of the device.
本実施形態にかかるレーザスクライブ方法は、レーザ光の照射により加工対象物の内部に形成される改質層を利用するものであり、まず本実施形態にかかるレーザスクライブ方法の原理について説明する。 The laser scribing method according to the present embodiment uses a modified layer formed inside a workpiece by laser light irradiation. First, the principle of the laser scribing method according to the present embodiment will be described.
図1は、本実施形態にかかるレーザスクライブ方法によってレーザ加工中の加工対象物1の斜視図である。 FIG. 1 is a perspective view of an object 1 to be processed during laser processing by the laser scribing method according to the present embodiment.
加工対象物1は、板状(ウェハ状)を呈し、その表面には加工対象物を分割するための分割予定ライン3が設けられている。本実施形態に係るレーザスクライブ方法では、加工対象物1の内部に集光点Pが合うように、レーザ光Lが加工対象物1に照射され、集光点Pでは、多光子吸収によって改質層5が形成される。 The workpiece 1 has a plate shape (wafer shape), and a division line 3 for dividing the workpiece is provided on the surface thereof. In the laser scribing method according to the present embodiment, the processing object 1 is irradiated with the laser beam L so that the focused point P is inside the workpiece 1, and the focused point P is modified by multiphoton absorption. Layer 5 is formed.
そして、集光点Pが分割予定ラインに沿って移動するように、加工対象物1をレーザ光Lに対して加工対象物の分割予定ライン3に沿う方向Aに相対移動させる。また、分割予定ライン3に沿う位置において集光点Pが加工対象物の厚み方向Bにも移動するように、加工対象物1をレーザ光Lに対して加工対象物1の厚み方向Bにも相対移動させる。この厚み方向Bへの相対移動は、集光点Pが、レーザ光Lの照射面に対して反対側から手前側に移動するように行われる。これにより、先に形成された改質層5によってレーザ光Lの進行が妨げられることが防止される。 Then, the workpiece 1 is moved relative to the laser light L in the direction A along the scheduled division line 3 of the workpiece so that the condensing point P moves along the scheduled division line. Further, the processing object 1 is moved in the thickness direction B of the processing object 1 with respect to the laser beam L so that the condensing point P also moves in the thickness direction B of the processing object at the position along the division line 3. Move relative. The relative movement in the thickness direction B is performed such that the condensing point P moves from the opposite side to the near side with respect to the irradiation surface of the laser light L. This prevents the progress of the laser light L from being hindered by the previously formed modified layer 5.
以上のレーザ照射が行われることで、分割予定ライン3に沿う加工対象物1の内部では、加工対象物1の厚み方向Bに、多光子吸収による改質層5が並んで形成される。なお加工対象物1の厚さによっては、加工対象物1の厚み方向Bの1つの位置に改質層5が形成されるようにしてもよい。この場合、上述した厚み方向Bへの相対移動は省略される。 By performing the above laser irradiation, the modified layer 5 by multiphoton absorption is formed side by side in the thickness direction B of the workpiece 1 inside the workpiece 1 along the scheduled division line 3. Depending on the thickness of the workpiece 1, the modified layer 5 may be formed at one position in the thickness direction B of the workpiece 1. In this case, the relative movement in the thickness direction B described above is omitted.
そして、改質層5が形成された加工対象物1は、分割予定ライン3に沿う厚み方向Bに曲げ応力等が加えられることで分割される。この際、加工対象物1は、改質層5から加工対象物の厚み方向B(レーザ光Lの照射方向)に伸びて発生しているクラック7を割れの起点として分割される。このクラック7はレーザ光Lの照射時に発生するものであって、該クラック7の発生に影響を与える要因として、以下の(i)〜(iii)に示す3つの要因がある。 The workpiece 1 on which the modified layer 5 is formed is divided by applying a bending stress or the like in the thickness direction B along the division line 3. At this time, the workpiece 1 is divided with the crack 7 generated by extending from the modified layer 5 in the thickness direction B (irradiation direction of the laser light L) of the workpiece as a starting point of the crack. The crack 7 is generated when the laser beam L is irradiated, and there are the following three factors (i) to (iii) as factors affecting the generation of the crack 7.
(i)クーロン爆発
レーザ光Lの集光点Pでは、レーザ光Lの電界によって材料の分極が誘起されたり、電子が激しく運動するようになり、電界の高まりとともに共鳴的に光子の吸収が進行し、電子が剥ぎ取られるようになる。剥ぎ取られた電子は、自由電子となって周囲の原子やイオンと衝突して、アバランシェイオン化(雪崩現象的にイオン化が増幅される)が生じる。この結果、クーロン反発力の高まりとともに集光点Pにおけるプラズマ密度が急激に増加し、微小領域に閉じこめられた高圧プラズマが爆発的に拡散するクーロン爆発が生じる。プラズマの拡散は極めて高速であり、このプラズマの拡散が進行することで集光点Pは断熱的に冷却される。この結果、集光点Pでは、電子とイオンとが再結合して中性原子になることで材料の緻密化が進み、材料内部に微小空洞が生成される。そして、プラズマの拡散後に生じた衝撃波が、微小空洞を中心として周囲に伝播する。その結果、加工対象物1の内部にクラック7が生成される。
(i) Coulomb explosion
At the condensing point P of the laser beam L, the polarization of the material is induced by the electric field of the laser beam L, or the electrons move violently. As the electric field increases, absorption of photons progresses resonatively, and the electrons peel off. To be taken. The stripped electrons become free electrons and collide with surrounding atoms and ions, resulting in avalanche ionization (ionization is amplified as an avalanche phenomenon). As a result, as the coulomb repulsive force increases, the plasma density at the focal point P increases abruptly, resulting in a Coulomb explosion in which the high-pressure plasma confined in a minute region explosively diffuses. The diffusion of the plasma is extremely fast, and the condensing point P is adiabatically cooled as the diffusion of the plasma proceeds. As a result, at the condensing point P, electrons and ions are recombined to become neutral atoms, so that the densification of the material proceeds and a microcavity is generated inside the material. A shock wave generated after the plasma diffusion propagates around the microcavity. As a result, a crack 7 is generated inside the workpiece 1.
(ii)高温プラズマからの熱伝導
集光点Pでは高温のプラズマが生じる。このプラズマの熱は、材料に伝導されることで、材料内部に応力を発生させ、その結果、クラック7の成長が促進される。なお、プラズマから材料に伝導される熱量が大きい場合には、材料の溶融領域が増大することで、(i)で述べた衝撃波によるクラック7の成長が妨げられたり、一旦出来たクラック7が再溶着により消失する。
(ii) Heat conduction from high-temperature plasma
High temperature plasma is generated at the condensing point P. The heat of the plasma is conducted to the material to generate a stress inside the material, and as a result, the growth of the crack 7 is promoted. When the amount of heat conducted from the plasma to the material is large, the melting region of the material is increased, which prevents the growth of the crack 7 due to the shock wave described in (i), or the crack 7 once formed is regenerated. Disappears due to welding.
(iii)材料の光吸収
集光点Pでは、材料の光吸収によって材料温度が上昇する。この温度上昇は、材料内部に応力を発生させ、その結果、クラック7の成長が促進される。また、材料温度が高くなった場合には、材料の溶融領域が増大して、クラック7の成長を妨げたり、一旦出来たクラック7が再溶着により消失する。
(iii) Light absorption of material At the condensing point P, the material temperature rises due to light absorption of the material. This temperature rise generates stress inside the material, and as a result, the growth of the crack 7 is promoted. In addition, when the material temperature is increased, the melting region of the material is increased, and the growth of the crack 7 is prevented, or the crack 7 once formed disappears by re-welding.
このようにクラック7の成長には上述の(i)〜(iii)の現象が関わっているが、レーザ光Lの照射エネルギーが一定である条件下では、各現象がクラック7の生成に影響を与える大きさは、加工対象物1に照射されるレーザ光Lのパルス幅に応じて変わると考えられる。以下、上述の(i)〜(iii)の現象とパルス幅との関係について説明する。 As described above, the growth of the crack 7 is related to the above-described phenomena (i) to (iii). Under the condition that the irradiation energy of the laser beam L is constant, each phenomenon affects the generation of the crack 7. It is considered that the magnitude to be given varies depending on the pulse width of the laser light L applied to the workpiece 1. Hereinafter, the relationship between the above-described phenomena (i) to (iii) and the pulse width will be described.
クーロン爆発を引き起こすアバランシェイオン化は、パルス幅の所定範囲内ではパルス幅が長くなるほど(レーザ光Lの照射時間が長いほど)電子剥離が活発になるために増進される。しかしながら、照射エネルギーが一定である条件下では、パルス幅を大きくすると、ピークパワーが小さくなるために、レーザエネルギーはプラズマ中に吸収されて材料内部に進行しにくくなる。このため、照射エネルギーが一定である条件下でパルス幅を大きくすると、(i)で述べたアバランシェイオン化は減退し、この結果、クーロン爆発の規模は小さくなる。また、パルス幅を大きくすると、レーザ光Lが照射される持続時間が長くなるため、材料の光吸収量が大きくなる。そして、材料温度が高くなると、材料の光吸収率は大きくなる。このため、パルス幅を大きくすると、上述の持続時間の増加とともに、この増加による温度上昇によって光吸収率も大きくなるために、材料の光吸収量は加速度的に大きくなる。これらのことから、パルス幅が大きい範囲では、クラック7の生成に対して(ii)プラズマの影響と(iii)材料の光吸収による影響とが強くなると考えられる。そして、これらの影響が強く現れて材料温度が高くなった場合には、クラック7を消失させる溶融領域が大きく生じると考えられる。 Avalanche ionization that causes a Coulomb explosion is promoted because electron separation becomes more active as the pulse width becomes longer (the irradiation time of the laser beam L becomes longer) within a predetermined range of the pulse width. However, under a condition where the irradiation energy is constant, if the pulse width is increased, the peak power is reduced, so that the laser energy is absorbed in the plasma and does not easily travel into the material. For this reason, when the pulse width is increased under the condition where the irradiation energy is constant, the avalanche ionization described in (i) decreases, and as a result, the scale of the Coulomb explosion decreases. Further, when the pulse width is increased, the duration of irradiation with the laser light L is increased, so that the light absorption amount of the material is increased. As the material temperature increases, the light absorption rate of the material increases. For this reason, when the pulse width is increased, the light absorption rate of the material increases in an accelerated manner because the light absorption rate increases with the increase in temperature due to the increase in duration as described above. From these facts, it is considered that (ii) the influence of plasma and (iii) the influence of light absorption of the material are strong on the generation of the crack 7 in the range where the pulse width is large. And when these influences appear strongly and material temperature becomes high, it is thought that the fusion | melting area | region which lose | disappears the crack 7 arises large.
これに対して、照射エネルギーが一定である条件下でパルス幅を短くすると、ピークパワーが大きくなるために、レーザ光Lのエネルギーは材料内部に進行するようになる。このため、パルス幅の小さい範囲では、クラック7の生成に対する影響は、クーロン爆発によるものが支配的になると考えられる。以上のことから、クラック7の生成には、パルス幅に依存する(i)〜(iii)の現象が相互作用すると考えられる。 On the other hand, when the pulse width is shortened under the condition that the irradiation energy is constant, the peak power increases, so that the energy of the laser beam L proceeds inside the material. For this reason, in the range where the pulse width is small, it is considered that the influence on the generation of the crack 7 is dominated by the Coulomb explosion. From the above, it is considered that the phenomena (i) to (iii) depending on the pulse width interact with the generation of the crack 7.
ここで上述のように、クラック7は、分割予定ライン3に沿う位置にある改質層5から加工対象物1の厚み方向B(レーザ光Lの照射方向)に延びて発生し、加工対象物1が分割される際には分割の起点になる。このため、クラック7の長さが短い場合には、クラック7による割れの導きが小さいために、加工対象物1の割れを進行させるために大きな力を要するとともに、加工対象物1の分割断面は分割予定ライン3から外れるようになると考えられる。このため、クラック7は大きく発生させる必要があるが、クラック7の生成に作用する(i)〜(iii)の現象がパルス幅に依存していることから、クラック7を大きくするために最適なパルス幅が存在すると考えられる。 Here, as described above, the crack 7 is generated by extending in the thickness direction B (irradiation direction of the laser beam L) of the workpiece 1 from the modified layer 5 located at the position along the planned division line 3. When 1 is divided, it becomes the starting point of the division. For this reason, when the length of the crack 7 is short, since the guidance of the crack by the crack 7 is small, a large force is required to advance the crack of the workpiece 1 and the divided cross section of the workpiece 1 is It is thought that it will deviate from the division line 3. For this reason, the crack 7 needs to be generated largely. However, since the phenomena (i) to (iii) that act on the generation of the crack 7 depend on the pulse width, the crack 7 is optimal. A pulse width is considered to exist.
また、クーロン爆発によって微小空洞の周囲には、アモルファス相が形成されることが知られている。アモルファス相は、その結晶構造の乱れによって、加工対象物1の割れの進行に対して抵抗になる。このため、アモルファス相が大きく生じた場合には、加工対象物1を割るために大きな力を要すると考えられる。このため、アモルファス相の発生は小さく抑える必要があるが、(i)クーロン爆発がパルス幅に依存していることから、アモルファス相を小さくするために最適なパルス幅が存在すると考えられる。 It is also known that an amorphous phase is formed around the microcavity due to the Coulomb explosion. The amorphous phase becomes resistant to the progress of cracking of the workpiece 1 due to the disorder of the crystal structure. For this reason, when the amorphous phase is largely generated, it is considered that a large force is required to break the workpiece 1. For this reason, it is necessary to suppress the generation of the amorphous phase, but (i) since the Coulomb explosion depends on the pulse width, it is considered that there is an optimum pulse width for reducing the amorphous phase.
そこで本発明者らは、上述したクラック7とアモルファス相に関するパルス幅の最適な範囲を求めるべく、以下に示す実験を行った。 Therefore, the present inventors conducted the following experiment in order to obtain the optimum range of the pulse width related to the crack 7 and the amorphous phase.
本実験では、複数のサファイア基板を準備し、各サファイア基板に40本の分割予定ライン3を設定した。 In this experiment, a plurality of sapphire substrates were prepared, and 40 division lines 3 were set on each sapphire substrate.
そして各サファイア基板に、各分割予定ライン3に沿う位置に集光点Pが合うようにレーザを照射した。この際、各サファイア基板には、照射エネルギーが所定値になる(すなわち平均出力及び繰り返し周波数が所定値になる)条件下で、それぞれ異なるパルス幅のレーザ光Lを照射した。この結果、それぞれのサファイア基板では、各分割予定ライン3に沿う内部において、サファイア基板の厚み方向に改質層5が並設された。以下にレーザ加工の条件を示す。 Each sapphire substrate was irradiated with a laser so that the condensing point P was aligned with the position along each division planned line 3. At this time, each sapphire substrate was irradiated with laser light L having a different pulse width under the condition that the irradiation energy was a predetermined value (that is, the average output and the repetition frequency were a predetermined value). As a result, in each sapphire substrate, the modified layer 5 was arranged in parallel in the thickness direction of the sapphire substrate inside each division planned line 3. The laser processing conditions are shown below.
レーザ加工条件
(A)加工対象物1:サファイア基板
(B)レーザ
光源:フェムト秒パルスレーザ(IMRA社製、FCPA μJewel D−400)
波長:1045nm
繰り返し周波数:100kHz
平均出力:120mW(集光レンズ透過後)
偏光特性:直線偏光
レーザの空間的なビームプロファイル:ガウシアン
(C)集光レンズ
開口数(N.A.:Numerical Aperture):0.65
焦点距離:4mm
(D)加工対象走査速度:500mm/秒
Laser processing conditions (A) Processing target 1: Sapphire substrate (B) Laser Light source: Femtosecond pulse laser (manufactured by IMRA, FCPA μJewel D-400)
Wavelength: 1045nm
Repeat frequency: 100 kHz
Average output: 120mW (after passing through condensing lens)
Polarization characteristics: linearly polarized laser Spatial beam profile of laser: Gaussian (C) condenser lens Numerical Aperture (NA): 0.65
Focal length: 4mm
(D) Processing object scanning speed: 500 mm / second
そして上述のレーザ加工を行った後、各サファイア基板を分割する操作を行った。この分割操作は、それぞれのサファイア基板における各分割予定ライン3に対して行われ、一つの分割予定ライン3に対する分割操作では、サファイア基板の表面(レーザ照射面)を複数点で支持した状態で、裏面における分割予定ライン3上をブレードで押圧することで、分割予定ライン3に沿う厚み方向Bに曲げ応力を加えた。各分割操作において、ブレードから加えられた力は一律になっている。この分割操作の結果、各サファイア基板には、割れが生じた分割予定ライン3と、割れが生じなかった分割予定ライン3とが存在した。 And after performing the above-mentioned laser processing, operation which divides each sapphire substrate was performed. This division operation is performed for each division line 3 in each sapphire substrate, and in the division operation for one division line 3, the surface of the sapphire substrate (laser irradiation surface) is supported at a plurality of points. Bending stress was applied in the thickness direction B along the planned dividing line 3 by pressing the planned dividing line 3 on the back surface with a blade. In each division operation, the force applied from the blade is uniform. As a result of this division operation, each sapphire substrate had a division planned line 3 in which a crack occurred and a division planned line 3 in which no crack occurred.
図2は、サファイア基板の割断歩留とパルス幅との関係を示す。割断歩留とは、前記分割操作によって実際に割れた分割予定ライン3の割合を意味している。例えば、パルス幅が700フェムト秒のレーザ光Lが照射されたサファイア基板では、40の分割予定ライン3のうち35の分割予定ライン3で実際に割れが生じたことから、割断歩留は70%になっている。 FIG. 2 shows the relationship between the cleavage yield of the sapphire substrate and the pulse width. The cleaving yield means the ratio of the division planned lines 3 that are actually broken by the dividing operation. For example, in a sapphire substrate irradiated with a laser beam L having a pulse width of 700 femtoseconds, cracks were actually generated in 35 of the 40 planned division lines 3, so the cleaving yield was 70%. It has become.
パルス幅が700フェムト秒(0.7ピコ秒)以上4.5ピコ秒以下の範囲のレーザ光Lが照射されたサファイア基板では、全てのサファイア基板において割断歩留は70%以上になった。これに対して、パルス幅が700フェムト秒よりも小さい範囲や4.5ピコ秒よりも大きい範囲のレーザ光Lが照射されたサファイア基板では、割断歩留は急激に小さくなり40%以下になった。この結果から、照射エネルギーが所定値となる条件下では、加工対象物1の割れやすさはパルス幅に依存しており、加工対象物1は、パルス幅が700フェムト秒以上4.5ピコ秒以下の範囲のレーザ光Lが照射された場合に割れやすく、これ以外の範囲のパルス幅のレーザ光Lが照射された場合には、極端に割れにくくなることが確認された。
また、2ピコ秒以上4.5ピコ秒以下の範囲のレーザ光Lが照射されたサファイア基板では、全てのサファイア基板において割断歩留は80%以上になった。これにより、2ピコ秒以上4.5ピコ秒以下の範囲のレーザ光Lが照射された場合、加工対象物1は、さらに一層割れやすくなることが確認された。
In the sapphire substrate irradiated with the laser beam L having a pulse width of 700 femtoseconds (0.7 picoseconds) or more and 4.5 picoseconds or less, the cleaving yield was 70% or more in all sapphire substrates. On the other hand, in the sapphire substrate irradiated with the laser beam L having a pulse width smaller than 700 femtoseconds or larger than 4.5 picoseconds, the cleavage yield is rapidly reduced to 40% or less. It was. From this result, under the condition that the irradiation energy becomes a predetermined value, the ease of cracking of the workpiece 1 depends on the pulse width, and the workpiece 1 has a pulse width of 700 femtoseconds or more and 4.5 picoseconds. It was confirmed that the laser beam L was easily broken when irradiated with the laser beam L in the following range, and extremely difficult to break when irradiated with the laser beam L with a pulse width in a range other than this range.
Moreover, in the sapphire substrate irradiated with the laser beam L in the range of 2 picoseconds or more and 4.5 picoseconds or less, the cleaving yield was 80% or more in all the sapphire substrates. Thereby, when the laser beam L in the range of 2 picoseconds or more and 4.5 picoseconds or less was irradiated, it was confirmed that the workpiece 1 is more easily broken.
図3は、分割されたサファイア基板の分割断面を示す概略側面図であり、サファイア基板の厚さ方向Bは図に示す方向である。本実験では、サファイア基板の分割断面の粗さを測定し、この測定により得られた断面曲線から、サファイア基板の分割断面が分割予定ライン3に対して該分割予定ライン3と直交する方向にずれた最大の量d(以下、最大ズレ量)を測定した。 FIG. 3 is a schematic side view showing a divided section of the divided sapphire substrate, and the thickness direction B of the sapphire substrate is the direction shown in the figure. In this experiment, the roughness of the divided cross section of the sapphire substrate is measured, and the divided cross section of the sapphire substrate is shifted from the cross sectional curve obtained by this measurement in a direction perpendicular to the planned division line 3. The maximum amount d (hereinafter, the maximum amount of deviation) was measured.
図4は、最大ズレ量dとパルス幅との関係を示し、図5は、最大ズレ量dと割断歩留との関係を示している。まず、図4を見ると、最大ズレ量dが小さなサファイア基板ほど、割断歩留が大きく、多くの分割予定ライン3で割れが生じたことが確認された。図5は、400フェムト秒以上1000フェムト秒以下の範囲のパルス幅のレーザ光Lが照射されたサファイア基板についての最大ズレ量を示す。図5によれば、前記範囲内のパルス幅のレーザ光Lが照射されたサファイア基板では、パルス幅が大きなサファイア基板ほど、最大ズレ量dは小さくなる傾向になることが確認された。これらのことから、前記400フェムト秒以上1000フェムト秒以下のパルス幅の範囲では、パルス幅が大きなサファイア基板ほど、割断歩留は大きくなり、分割に要する力が小さく割れやすくなっていたと考えられる。 FIG. 4 shows the relationship between the maximum deviation amount d and the pulse width, and FIG. 5 shows the relationship between the maximum deviation amount d and the cleaving yield. First, referring to FIG. 4, it was confirmed that the sapphire substrate having a smaller maximum shift amount d had a higher cleaving yield and cracks occurred in many division lines 3. FIG. 5 shows the maximum deviation amount for the sapphire substrate irradiated with the laser beam L having a pulse width in the range of 400 femtoseconds or more and 1000 femtoseconds or less. According to FIG. 5, in the sapphire substrate irradiated with the laser beam L having the pulse width within the above range, it was confirmed that the maximum deviation amount d tends to decrease as the pulse width increases. From these facts, it is considered that in the range of the pulse width from 400 femtoseconds to 1000 femtoseconds, the sapphire substrate having a larger pulse width has a higher cleaving yield, and the force required for the division is small and the cracking is likely to occur.
図6は、集光点Pをサファイア基板面上に位置させて加工したときのサファイア基板表面の加工痕9の写真であり、(a)はパルス幅400フェムト秒のレーザ光Lが照射されたサファイア基板、(b)は、パルス幅4ピコ秒のレーザ光Lが照射されたサファイア基板、(c)は、パルス幅6.6ピコ秒のレーザ光Lが照射されたサファイア基板を示している。 FIG. 6 is a photograph of a processing mark 9 on the surface of the sapphire substrate when the condensing point P is positioned on the surface of the sapphire substrate, and (a) is irradiated with laser light L having a pulse width of 400 femtoseconds. A sapphire substrate, (b) is a sapphire substrate irradiated with a laser beam L having a pulse width of 4 picoseconds, and (c) is a sapphire substrate irradiated with a laser beam L having a pulse width of 6.6 picoseconds. .
図6の(a)、(b)、(c)を比較すると、パルス幅の大きなレーザ光Lが照射されたサファイア基板ほど、加工痕が不明瞭になることがわかる。このことから、材料内部に進行するレーザエネルギーの大きさは、パルス幅に依存しており、パルス幅が大きくなるにつれて減少すると考えられる。 When (a), (b), and (c) in FIG. 6 are compared, it can be seen that the sapphire substrate irradiated with the laser beam L having a larger pulse width becomes more unclear. From this, the magnitude of the laser energy traveling inside the material depends on the pulse width, and is considered to decrease as the pulse width increases.
図7は、分割されたサファイア基板の分割断面の写真であり、(a)は、パルス幅が400フェムト秒のレーザ光Lが照射されたサファイア基板の分割断面、(b)は、パルス幅が4ピコ秒のレーザ光Lが照射されたサファイア基板の分割断面、(c)は、パルス幅が6.6ピコ秒のレーザ光Lが照射されたサファイア基板の分割断面を示している。 FIG. 7 is a photograph of the divided cross section of the divided sapphire substrate, (a) is the divided cross section of the sapphire substrate irradiated with the laser beam L having a pulse width of 400 femtoseconds, and (b) is the pulse width. A divided section of the sapphire substrate irradiated with the laser beam L of 4 picoseconds, (c) shows a divided section of the sapphire substrate irradiated with the laser light L having a pulse width of 6.6 picoseconds.
図7において、Eはレーザ光Lの照射方向を示し、Fは集光点Pの位置を示し、L1は改質層5のレーザ照射方向の幅を示し、L2は改質層5からレーザ光Lの照射側に延びているクラック7の長さを示している。 In FIG. 7, E indicates the irradiation direction of the laser beam L, F indicates the position of the condensing point P, L1 indicates the width of the modified layer 5 in the laser irradiation direction, and L2 indicates the laser beam from the modified layer 5 The length of the crack 7 extending to the irradiation side of L is shown.
図7の(a)、(b)、(c)を比較すると、大きなパルス幅のレーザが照射されたサファイア基板ほど、改質層5の幅L1は短くなっていることが確認された。これは、パルス幅の大きい範囲では、ピークエネルギーが小さいことから、レーザエネルギーが、プラズマ中に吸収されることで材料内部に進行しにくかったためと考えられる。 When comparing (a), (b), and (c) of FIG. 7, it was confirmed that the width L1 of the modified layer 5 was shorter as the sapphire substrate irradiated with the laser having a larger pulse width. This is probably because the peak energy is small in the range where the pulse width is large, so that it is difficult for the laser energy to travel into the material by being absorbed into the plasma.
図7(c)の写真から、パルス幅が6.6ピコ秒であるレーザ光Lが照射されたサファイア基板では、改質層5からレーザ光Lの照射側に、材料が溶融後に最固化した溶融領域が観察された。これは、パルス幅が大きいことから、(ii)プラズマの熱伝導や(iii)材料の光吸収による熱の影響が大きく生じたためと考えられる。 From the photograph of FIG. 7C, in the sapphire substrate irradiated with the laser beam L having a pulse width of 6.6 picoseconds, the material solidified after melting from the modified layer 5 to the irradiation side of the laser beam L. A melting region was observed. This is presumably because of the large pulse width, (ii) the effect of heat due to the heat conduction of the plasma and (iii) the light absorption of the material.
図7の(a)、(b)、(c)を比較すると、パルス幅が4ピコ秒のレーザ光Lが照射されたサファイア基板(b)では、パルス幅が400フェムト秒(a)や6.6ピコ秒(c)のレーザが照射されたサファイア基板に比して、クラック7が、明瞭かつサファイア基板の厚さ方向に長く生じていることが確認された。これにより、照射エネルギーが所定値となる条件下では、クラック7を大きく成長させるパルス幅の範囲が存在し、この範囲からパルス幅が短くなったり長くなると、加工対象物1に発生するクラック7は小さくなると考えられる。 When comparing (a), (b), and (c) of FIG. 7, in the sapphire substrate (b) irradiated with the laser beam L having a pulse width of 4 picoseconds, the pulse width is 400 femtoseconds (a) or 6 It was confirmed that the crack 7 was clearly and long in the thickness direction of the sapphire substrate as compared to the sapphire substrate irradiated with the .6 picosecond (c) laser. Thereby, under the condition that the irradiation energy becomes a predetermined value, there is a range of the pulse width that causes the crack 7 to grow greatly, and when the pulse width becomes shorter or longer from this range, the crack 7 generated in the workpiece 1 is reduced. It will be smaller.
図8は、サファイア基板の分割断面の撮影画像である。なお画像の撮影は、走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)で行った。 FIG. 8 is a captured image of a divided section of the sapphire substrate. In addition, the imaging | photography of the image was performed with the scanning electron microscope (SEM: Scanning Electron Microscope).
サファイア基板の分割断面では集光点Pに相当すると思われる位置に微小空洞Hが生成されており、微小空洞Hは、細長の形状を呈し、その長手方向はサファイア基板の厚さ方向B(レーザ照射方向)に伸びているのが観察された。また、微小空洞Hの長手方向の各端部から厚さ方向Bの外向きにクラック7が延びているのが観察された。L3は、微小空洞Hから延びるクラック7の厚さ方向Bの長さを示している。 In the divided cross section of the sapphire substrate, a microcavity H is generated at a position corresponding to the condensing point P. The microcavity H has an elongated shape, and its longitudinal direction is the thickness direction B of the sapphire substrate (laser Stretching in the irradiation direction) was observed. Further, it was observed that cracks 7 extended outward from each end in the longitudinal direction of the microcavity H in the thickness direction B. L3 indicates the length in the thickness direction B of the crack 7 extending from the minute cavity H.
図9は、微小空洞Hの拡大図である。L4は微小空洞Hにおける長手方向の長さ(以下、長径)を示し、L5は微小空洞Hにおける長手方向と直交する方向における長さ(以下、短径)を示している。 FIG. 9 is an enlarged view of the microcavity H. FIG. L4 indicates the length of the microcavity H in the longitudinal direction (hereinafter referred to as the major axis), and L5 indicates the length in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the microcavity H (hereinafter referred to as the minor axis).
図10は、微小空洞Hの長径L4とパルス幅との関係を示し、図11は、微小空洞Hの短径L5とパルス幅との関係を示している。図10、11は、パルス幅が400フェムト秒以上1ピコ秒以下のレーザ光が照射されたサファイア基板について、パルス幅と微小空洞径Hの関係を示すグラフである。これらのサファイア基板では、大きなパルス幅のレーザ光Lが照射されたサファイア基板ほど、微小空洞Hの長径L4及び短径L5は、大きくなることが確認された。これは、400フェムト秒以上1ピコ秒以下の範囲においては、パルス幅が大きくなるにつれて、多光子吸収に伴う電子剥離が活発になって自由電子密度が高くなるために、アバランシェイオン化が増進して、クーロン爆発の規模が大きくなったためと考えられる。 10 shows the relationship between the major axis L4 of the microcavity H and the pulse width, and FIG. 11 shows the relationship between the minor axis L5 of the microcavity H and the pulse width. 10 and 11 are graphs showing the relationship between the pulse width and the minute cavity diameter H for a sapphire substrate irradiated with a laser beam having a pulse width of 400 femtoseconds or more and 1 picosecond or less. In these sapphire substrates, it was confirmed that the longer diameter L4 and the shorter diameter L5 of the microcavity H become larger as the sapphire substrate irradiated with the laser light L having a larger pulse width. This is because, in the range from 400 femtoseconds to 1 picoseconds, as the pulse width increases, the electron separation associated with multiphoton absorption becomes active and the free electron density increases, so that avalanche ionization increases. This is probably because the scale of the Coulomb explosion has increased.
図12は、微小空洞Hの面積とパルス幅の関係を示している。 FIG. 12 shows the relationship between the area of the microcavity H and the pulse width.
微小空洞Hの面積は、パルス幅が4.5ピコ秒よりも大きなレーザ光が照射されたサファイア基板になると、急激に減少していくことが確認された。これは、照射エネルギーが所定値になる条件下では、パルス幅を4.5ピコ秒よりも大きくすると、ピークエネルギーの減少により、レーザエネルギーが材料内部に進行しなくなって、クーロン爆発の規模が小さくなったためと考えられる。 It was confirmed that the area of the microcavity H decreases rapidly when the sapphire substrate is irradiated with laser light having a pulse width greater than 4.5 picoseconds. This is because, under the condition that the irradiation energy becomes a predetermined value, if the pulse width is larger than 4.5 picoseconds, the peak energy is reduced, so that the laser energy does not advance inside the material, and the scale of the Coulomb explosion is reduced. It is thought that it became.
図13は、図8に示したクラック7の長さL3と、パルス幅との関係を示している。 FIG. 13 shows the relationship between the length L3 of the crack 7 shown in FIG. 8 and the pulse width.
クラック7の長さL3は、パルス幅が4.5ピコ秒よりも大きなレーザ光が照射されたサファイア基板になると、急激に減少していくことが確認された。これは、パルス幅を4.5ピコ秒よりも大きくすると、(ii)高温プラズマからの熱伝導や(iii)材料の光吸収が大きく生じて材料温度が高くなった結果、溶融領域が大きく現れて、クーロン爆発等によって生成されたクラック7が消失したためと考えられる。 It has been confirmed that the length L3 of the crack 7 decreases rapidly when the sapphire substrate is irradiated with laser light having a pulse width greater than 4.5 picoseconds. This is because when the pulse width is larger than 4.5 picoseconds, (ii) heat conduction from the high-temperature plasma and (iii) light absorption of the material occur and the material temperature increases, resulting in a large melting region. This is probably because the crack 7 generated by the Coulomb explosion or the like has disappeared.
分割断面における微小空洞の周囲をフッ酸でエッチングすることによって、微小空洞Hの周囲に形成されたアモルファス相を観察した。 The amorphous phase formed around the microcavity H was observed by etching the periphery of the microcavity in the divided section with hydrofluoric acid.
図14は、アモルファス相のサファイア基板の厚み方向B(レーザ光Lの照射方向)における長さとパルス幅との関係を示している。アモルファス相の長さは、パルス幅が大きいレーザ光Lが照射されたサファイア基板ほど短くなっており、700フェムト秒以下のパルス幅のレーザ光Lが照射されたサファイア基板では、アモルファス相が大きく生じていることが確認された。このことから、700フェムト秒以下のパルス幅のレーザ光Lが照射されたサファイア基板では、アモルファス相が割れの進行に対して抵抗となったために、割断歩留が小さくなったと考えられる。 FIG. 14 shows the relationship between the length and the pulse width in the thickness direction B (irradiation direction of the laser beam L) of the amorphous phase sapphire substrate. The length of the amorphous phase is shorter as the sapphire substrate irradiated with the laser beam L having a larger pulse width. In the sapphire substrate irradiated with the laser beam L having a pulse width of 700 femtoseconds or less, the amorphous phase is greatly generated. It was confirmed that From this, in the sapphire substrate irradiated with the laser beam L having a pulse width of 700 femtoseconds or less, it is considered that the cleavage yield was reduced because the amorphous phase became resistant to the progress of cracking.
以上の実験結果から、照射エネルギーが所定値となる条件下では、パルス幅を700フェムト秒よりも短くすると、アモルファス相が、加工対象物1の厚み方向Bに長くなるために、分割時には、アモルファス相が抵抗となって割れの進行を妨げる可能性が高い。また、パルス幅を4.5ピコ秒よりも長くすると、クラック7の長さが短くなって、加工対象物1に生じる割れがつながりにくくなる可能性が高い。このことから、パルス幅を700フェムト秒よりも短くしたりパルス幅を4.5ピコ秒よりも長くすると、加工対象物1を分割するために大きな力が必要になったり、加工対象物1の分割断面が分割予定ライン3から大きく外れてしまうと考察される。 From the above experimental results, under the condition that the irradiation energy becomes a predetermined value, if the pulse width is shorter than 700 femtoseconds, the amorphous phase becomes longer in the thickness direction B of the workpiece 1. There is a high possibility that the phase becomes a resistance and prevents the progress of cracking. Moreover, when the pulse width is longer than 4.5 picoseconds, the length of the crack 7 is shortened, and there is a high possibility that the crack generated in the workpiece 1 is difficult to be connected. Therefore, if the pulse width is shorter than 700 femtoseconds or the pulse width is longer than 4.5 picoseconds, a large force is required to divide the workpiece 1 or the workpiece 1 It is considered that the divided cross section greatly deviates from the division planned line 3.
このため、本実施形態にかかるレーザスクライブ方法では、加工対象物1に照射するレーザ光Lは、照射エネルギーが所定値となる条件下でパルス幅が700フェムト秒以上4.5ピコ秒以下に設定されている。これにより、分割の起点となるクラック7を改質層5から加工対象物1の厚さ方向に長く生成することが出来るとともに、割れの進行を妨げるアモルファス相の発生を小さく抑えることが出来る。これにより、加工対象物1を小さな力で分割出来るとともに、加工対象物1の分割断面の分割予定ライン3に対するずれを小さく抑えることが出来る。その結果、分割断面に欠けやひびが生じることを防止することが出来る。 For this reason, in the laser scribing method according to the present embodiment, the laser beam L irradiated to the workpiece 1 is set to have a pulse width of 700 femtoseconds or more and 4.5 picoseconds or less under the condition that the irradiation energy becomes a predetermined value. Has been. Thereby, the crack 7 which becomes the starting point of the division can be generated long in the thickness direction of the workpiece 1 from the modified layer 5, and the generation of an amorphous phase which prevents the progress of the crack can be suppressed to a small level. Thereby, while being able to divide the process target object 1 with small force, the shift | offset | difference with respect to the division | segmentation planned line 3 of the division | segmentation cross section of the process target object 1 can be suppressed small. As a result, it is possible to prevent the split cross section from being chipped or cracked.
また、パルス幅を700フェムト秒以上4.5ピコ秒以下の範囲に制御することは、波長分散の状態を制御することに相当するため、グレーティングミラーと分散プリズムの反射光路長を調整することで実現できる。このため、レーザ加工装置の構成を複雑にする必要がない。 Also, controlling the pulse width in the range of 700 femtoseconds or more and 4.5 picoseconds or less corresponds to controlling the state of chromatic dispersion. Therefore, by adjusting the reflection optical path lengths of the grating mirror and the dispersion prism. realizable. For this reason, it is not necessary to make the structure of a laser processing apparatus complicated.
また、本実施形態にかかるレーザスクライブ方法では、加工対象物1として、ガラス、サファイア、水晶、及びシリコンのうちいずれかが選定される。これにより、パルス幅が700フェムト秒以上4.5ピコ秒以下のレーザ光Lを照射した場合に、集光点Pで確実に多光子吸収を生じさせることが出来る。 In the laser scribing method according to the present embodiment, any one of glass, sapphire, crystal, and silicon is selected as the workpiece 1. Thereby, when the laser beam L having a pulse width of 700 femtoseconds or more and 4.5 picoseconds or less is irradiated, multiphoton absorption can be surely caused at the condensing point P.
また、本実施形態にかかるレーザスクライブ方法では、レーザ光Lの繰り返し周波数は、10kHz以上10MHz以下に設定される。これにより、集光点Pの移動を高速化できるために、加工速度を速めることが出来る。 In the laser scribing method according to the present embodiment, the repetition frequency of the laser light L is set to 10 kHz or more and 10 MHz or less. Thereby, since the movement of the condensing point P can be speeded up, the processing speed can be increased.
また、図2に示した結果に基づき、本実施形態にかかるレーザスクライブ方法では、パルス幅は、より好ましくは1ピコ秒以上4.5ピコ秒以下に設定される。これにより、加工対象物1は、より一層割れやすくなる。 Further, based on the result shown in FIG. 2, in the laser scribing method according to the present embodiment, the pulse width is more preferably set to 1 picosecond or more and 4.5 picoseconds or less. Thereby, the workpiece 1 becomes easier to break.
次に、本実施形態に係るレーザスクライブ装置について説明する。図15は、本実施形態に係るレーザスクライブ装置20の構成を示す図である。 Next, the laser scribing apparatus according to this embodiment will be described. FIG. 15 is a diagram illustrating a configuration of the laser scribing apparatus 20 according to the present embodiment.
レーザ加工装置20は、レーザ発生器22と、集光レンズ24と、載置台26と、X軸ステージ28と、Y軸ステージ30と、Z軸ステージ32と、制御部40とを備えている。 The laser processing apparatus 20 includes a laser generator 22, a condenser lens 24, a mounting table 26, an X-axis stage 28, a Y-axis stage 30, a Z-axis stage 32, and a control unit 40.
レーザ発生器22は、波長が1μm以上2μm以下、パルス幅が10フェムト秒以上20ピコ秒以下、繰り返し周波数が100kHz以上10MHz以下のレーザ光Lを発生するエルビウム(Er)または イットリビウム(Yb)をドープしたファイバレーザである。
集光レンズ24は、レーザ発生器22が発生したレーザ光Lを集光し、載置台26は、該集光されたレーザ光Lが加工対象物1にZ軸方向から入射するように、加工対象物1を支持する。載置台26は、X軸ステージ28、Y軸ステージ30、及びZ軸ステージ32によって各軸方向に移動可能になっている。制御部40は、レーザ発生器22から発生するレーザ光Lの出力やパルス幅を制御するとともに、三つのステージ28、30、32の移動を制御する。
The laser generator 22 is doped with erbium (Er) or yttrium (Yb) that generates laser light L having a wavelength of 1 μm to 2 μm, a pulse width of 10 femtoseconds to 20 picoseconds, and a repetition frequency of 100 kHz to 10 MHz. Fiber laser.
The condensing lens 24 condenses the laser light L generated by the laser generator 22, and the mounting table 26 processes the condensing laser light L so that it is incident on the workpiece 1 from the Z-axis direction. The object 1 is supported. The mounting table 26 can be moved in each axial direction by an X-axis stage 28, a Y-axis stage 30, and a Z-axis stage 32. The control unit 40 controls the output and pulse width of the laser light L generated from the laser generator 22 and controls the movement of the three stages 28, 30 and 32.
レーザ加工装置20によれば、Z軸方向は集光レンズ24の集点深度の方向となるため、Z軸ステージ32をZ軸方向に移動させることによって、加工対象物1の内部の所定の深さ位置にレーザ光Lの集光点Pを設定することができる。 According to the laser processing apparatus 20, the Z-axis direction is the direction of the focal point depth of the condensing lens 24. Therefore, by moving the Z-axis stage 32 in the Z-axis direction, a predetermined depth inside the workpiece 1 is obtained. The condensing point P of the laser beam L can be set at the position.
集光点PのX(Y)軸方向の移動は、加工対象物1をZ軸ステージ32によりX(Y)軸方向に移動させることにより行われる。このX(Y)軸方向の移動によって、分割予定ライン3に沿う方向に、集光点Pを移動させることが出来る。 The movement of the condensing point P in the X (Y) axis direction is performed by moving the workpiece 1 in the X (Y) axis direction by the Z axis stage 32. By the movement in the X (Y) axis direction, the condensing point P can be moved in the direction along the planned division line 3.
図16は、本実施形態に係るレーザスクライブ装置20によって加工された加工対象物1の例を示している。 FIG. 16 shows an example of the processing object 1 processed by the laser scribing apparatus 20 according to this embodiment.
図16では、分割予定ライン3に沿う5つの位置で、改質層5が、加工対象物1の厚み方向Bの所定位置に並設された状態が示されている。これらの改質層5は、X軸ステージ28、またはY軸ステージ30の作動によって、集光点PをX軸またはY軸方向に所定の速度で移動させたことで形成される。 FIG. 16 shows a state in which the modified layers 5 are arranged in parallel at predetermined positions in the thickness direction B of the workpiece 1 at five positions along the planned division line 3. These modified layers 5 are formed by moving the condensing point P at a predetermined speed in the X-axis or Y-axis direction by the operation of the X-axis stage 28 or the Y-axis stage 30.
また図1に示すように、分割予定ライン3に沿う5つの位置で改質層5を加工対象物1の厚み方向Bに2層で並設させるためには、Z軸ステージ32の作動によって、集光点PをZ軸方向に所定のピッチで移動させる度に、例えばX軸ステージ28の作動によって、集光点PをX軸方向に移動させることで達成される。 As shown in FIG. 1, in order to arrange the modified layers 5 in two layers in the thickness direction B of the workpiece 1 at five positions along the scheduled division line 3, by operating the Z-axis stage 32, This is achieved by moving the condensing point P in the X-axis direction by, for example, operating the X-axis stage 28 every time the condensing point P is moved at a predetermined pitch in the Z-axis direction.
本実施形態におけるレーザスクライブ装置によれば、700フェムト秒以上4.5ピコ秒以下のパルス幅のレーザ光Lが加工対象物1に照射されるように制御部40がレーザ発生器22を制御することで、加工対象物1に発生するクラック7の長さを長くするとともに、アモルファス相の長さを小さく抑えることが出来る。これにより、加工対象物1を小さな力で分割出来るとともに、加工対象物1の分割断面の分割予定ライン3に対するずれを小さく抑えることが出来る。 According to the laser scribing apparatus in the present embodiment, the control unit 40 controls the laser generator 22 so that the laser beam L having a pulse width of 700 femtoseconds or more and 4.5 picoseconds or less is irradiated to the workpiece 1. Thus, the length of the crack 7 generated in the workpiece 1 can be increased, and the length of the amorphous phase can be reduced. Thereby, while being able to divide the process target object 1 with small force, the shift | offset | difference with respect to the division | segmentation planned line 3 of the division | segmentation cross section of the process target object 1 can be suppressed small.
また、加工対象物1としてガラス、サファイア、水晶、シリコンのいずれかを選定した場合には、レーザ発生器22が700フェムト秒以上4.5ピコ秒以下のパルス幅のレーザ光Lを加工対象物1に照射することで、集光点Pで確実に多光子吸収を生じさせることが出来る。 When glass, sapphire, crystal, or silicon is selected as the processing object 1, the laser generator 22 applies laser light L having a pulse width of 700 femtoseconds or more and 4.5 picoseconds or less. By irradiating 1, the multiphoton absorption can be surely caused at the condensing point P.
また、制御部40が、レーザ発生器22に繰り返し周波数が100kHz以上10MHz以下のレーザ光Lを発生させるとともに、この周波数に追従させてXYZステージの移動を行うことで、集光点Pの移動を高速化できるために、改質層5の加工速度を速めることが出来る。 In addition, the control unit 40 causes the laser generator 22 to generate a laser beam L having a repetition frequency of 100 kHz to 10 MHz, and moves the XYZ stage by following this frequency, thereby moving the focal point P. Since the speed can be increased, the processing speed of the modified layer 5 can be increased.
本実施形態にかかるレーザスクライブ装置は、以下のように変更することが出来る。 The laser scribing apparatus according to this embodiment can be modified as follows.
例えば、加工対象物1において背向する2つの面が平行でない場合は、載置台としてX−Z面内で回転できるゴニオステージを用いてもよい。この場合、加工対象物1のレーザ光Lの入射面をX−Z面内にして、X軸及びY軸方向に平行になるように加工対象物1をゴニオステージに配置すればよい。 For example, when two back surfaces of the workpiece 1 are not parallel, a gonio stage that can rotate in the XZ plane may be used as a mounting table. In this case, the processing target 1 may be arranged on the goniostage so that the laser light L incident surface of the processing target 1 is in the XZ plane and is parallel to the X-axis and Y-axis directions.
1 加工対象物
3 分割予定ライン
5 改質層
L レーザ光
P 集光点
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Processing target object 3 Dividing line 5 Modified layer L Laser beam P Focusing point
Claims (2)
前記改質層は、前記レーザ光の照射時に前記基板の厚み方向に発生するクラックを有する微小空洞であり、
前記レーザ光は、照射エネルギーが所定値となる条件下でパルス幅が2.0ピコ秒以上4.5ピコ秒以下である、ことを特徴とするレーザスクライブ方法。 A laser beam having a repetition frequency of 10 kHz or more and 10 MHz or less is selected as the processing target so that a condensing point aligned with the inside of the sapphire substrate , which is a plate-shaped processing target, moves along a division line of the processing target. A laser scribing method for forming a modified layer by multiphoton absorption along the division line by irradiating an object,
The modified layer is a microcavity having a crack that occurs in the thickness direction of the substrate when irradiated with the laser beam,
The laser light irradiation energy is 4.5 picosecond pulse widths than 2.0 picoseconds under conditions of a predetermined value, the laser scribing method characterized by.
前記加工対象物が載置される載置台と、
前記載置台に載置された加工対象物の内部に集光点が合うように前記加工対象物に、繰り返し周波数が10kHz以上10MHz以下であるレーザ光を照射するレーザ照射手段と、
前記集光点が前記加工対象物の分割予定ラインに沿って移動するように、前記載置台を前記レーザ光に対して相対移動させる移動手段とを備え、
前記改質層は、前記レーザ光の照射時に前記基板の厚み方向に発生するクラックを有する微小空洞であり、
前記レーザ照射手段は、照射エネルギーが所定値となる条件下で、パルス幅が2.0ピコ秒以上4.5ピコ秒以下に設定されたレーザ光を前記加工対象物に照射する、ことを特徴とするレーザスクライブ装置。 A laser scribing device for forming a modified layer by multiphoton absorption inside a sapphire substrate , which is a plate-like workpiece,
A mounting table on which the workpiece is mounted;
A laser irradiation means for irradiating the processing object with a laser beam having a repetition frequency of 10 kHz or more and 10 MHz or less so that a condensing point fits inside the processing object placed on the mounting table;
A moving means for moving the mounting table relative to the laser beam so that the condensing point moves along a division line of the workpiece;
The modified layer is a microcavity having a crack that occurs in the thickness direction of the substrate when irradiated with the laser beam,
The laser illumination means, characterized in conditions where radiation energy is a predetermined value, irradiating a laser beam whose pulse width is set to 4.5 picosecond to 2.0 picoseconds to the workpiece, the Laser scribing device.
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