JP5464952B2 - レーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、サファイアガラス、水晶板、ウエハ等の脆性材料からなる基材にスクライブ線を形成したり、スクライブ線に沿って基材を分断したりするためのレーザ加工方法に関する。

レーザ光を用いて被加工物である基材を分断したりする加工技術には、レーザ光による加熱と冷却手段による冷却との熱的ショックによって基材にクラックを発生させる方法や、集光したパルスレーザ光により基材の一部を溶融し、その溶融により改質領域を形成する等して基材にクラックを形成する方法等がある。いずれの場合においても、レーザ光を集光する集光レンズと基材との距離が一定となっていなければ、クラック形成にレーザ光を効率的に作用させることができない。

ところが、レーザ加工によるクラック形成の対象の基材の厚さは、数１００μｍのものがあり、更に薄肉化の傾向がみられる。この薄肉の基材は、必ずしも平面度が所定の範囲内にあるとは限らず、加工テーブル上に載置された時、上記のように集光レンズと基材との距離が一定とはならない場合がある。このような問題を解決するために種々提案がなされている。

特許文献１に開示されているレーザ加工方法では、基材表面の変位の測定のために、距離を測るためのレーザ光をレンズで集光して基材に照射し、照射面からの反射光を検出することにより、切断予定ラインに沿った表面の変位を検知している。そして、検知された変位に基づいて加工用対物レンズと表面との間隔を調整しながら、加工用対物レンズと基材とを相対移動させて、切断予定ラインに沿って改質領域を形成するようにしている。

特許文献２に開示されているスクライブ装置では、基材の内部にレーザ光を集光して改質領域を形成する際、その改質領域の深さを精度良くするため、集光レンズと基材との距離を測長器で測定している。そして、その測定値と設定値との差分に相当する距離分、基材を光軸方向に移動して、集光レンズと基材との距離を設定値に近づけるようにしている。このとき、間隔調整テーブルを作動して基材を移動し、集光レンズと基材との距離を設定値に近づけている。

特開２００５−１９３２８５号公報 特開２００７−２９０９３１号公報

特許文献１の加工方法では、加工用対物レンズと基材との距離に対応して加工用対物レンズをアクチュエータにより作動して、基材の所定の位置にレーザ光を集光させるようにしている。この時、レーザ光の光軸と加工用対物レンズの光軸との間に傾きが生じる可能性があり、レーザ光の集光位置が、その光軸の傾きにより、基材の表面に沿う方向において切断予定ラインからそれる虞がある。

特許文献２のスクライブ装置では、間隔調整テーブルの作動により加工用対物レンズと基材との距離を設定値に近づけるようにしているので、上記のような光軸の傾きは起こり難い。従って、レーザ光の焦点が移動する虞はないが、基材を載置して移動するテーブルの構造が複雑なものとならざるを得ない。

上記のいずれの場合も、基材の平面度がレーザ光の焦点位置に対して許容できる範囲内にない時、基材の変形をそのままにして、レーザ光の焦点位置と基材との距離を調整するようにしている。

本発明は、このような問題に着目してなされたものであり、その目的とするところは、平面度がレーザ光の焦点位置に対して許容範囲を超えた基材について、簡単な構造の装置により、効率的なスクライブ加工或いは分断加工を可能とするレーザ加工方法を提供することにある。

上記問題を解決するために請求項１に記載のレーザ加工方法の発明は、集光レンズで集光したレーザ光の照射により脆性材料からなる基材を分断するためのレーザ加工方法であって、前記レーザ光と基材とが相対的に移動する移動方向において、前記レーザ光の前後に配置されたローラにより前記基材を載置面に押し付けて、前記集光レンズとの距離が一定に保たれた前記基材に対し、前記レーザ光を照射し、前記レーザ光の前後に配置されたローラのうち、後方に配置されたローラに対して冷却媒体を供給することを特徴とするものである。

上記構成によれば、レーザ光が照射される部分の近傍の基材がローラにより載置面に押し付けられるので、載置面を基準として高さが設定される集光レンズと、基材の表面との距離を常に一定に保つことができる。従って、レーザ光により基材に対して効率よくスクライブ線を形成したりすることができる。また、後方に配置されたローラに対して冷却媒体を供給することにより、基材の変形を一時的に矯正できるばかりでなく、加熱部を急冷することができるので、効率的なレーザ加工が可能となる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ加工方法において、前記レーザ光の左右にローラを配置し、前記ローラを転動させて、前記基材を前記載置面に押し付けることを特徴とするものである。

本発明によれば、レーザ光が照射される部分の近傍の基材がローラにより載置面に押し付けられるので、載置面を基準として高さが設定される集光レンズと、基材の表面との距離を常に一定に保つことができる。従って、レーザ光により基材に対して効率よくスクライブ線を形成したり、スクライブ線に沿って基材を分断したりすることができるレーザ加工方法を提供することができる。

第１実施形態のレーザ加工装置を示す正面図。 レーザ光の前後にローラを配置した態様を示す平面図。 スクライブ開始時のレーザ加工装置を示す正面図。 ローラの作用を示す正面図。 第２実施形態のローラの配置を示す平面図。 第３実施形態のローラの配置を示す平面図。

（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した第１実施形態を図１〜図４を用いて説明する。
図１に示すように、本実施形態のレーザ加工装置１は、脆性材料である基材８にスクライブ線を形成する装置であり、テーブル１０の載置面９には基材８が載置されている。このテーブル１０は、基材８に対するスクライブ方向を適宜選択できるように、水平面内を回転して任意の角度に配置することができるようになっている。そして、テーブル１０に対して図の左右方向に移動できるように、照射部２が図示しない移動手段により支持されている。なお、テーブル１０に対して照射部２が移動する方向を白抜きの矢印ＦＷで示している。

照射部２には、炭酸ガスレーザを発振するレーザ光源３が備えられ、そのレーザ光源３から発せられたレーザ光５が集光レンズ４で集光されて、基材８の集光部６で焦点を結ぶようになっている。なお、本実施形態では、テーブル１０の載置面９を基準面として、集光レンズ４の上下方向の位置決めを行っているが、各種厚さの基材８の表面でレーザ光５が焦点を結ぶことができるように、照射部２の上下方向の位置を微調節できるようになっている。

照射部２の下方の２ヶ所に突設された脚部７には、ローラＲ１、Ｒ２が回動可能に支持されている。このローラＲ１、Ｒ２間の中間位置は、レーザ光５の集光部６と一致するように配置されている。

また、ローラＲ２の後方（図１の右側）には、照射部２の図示しない支持部により冷却ノズル１１が支持されている。この冷却ノズル１１から、冷却水、窒素ガス或いは炭酸ガス等の低温ガス等の冷却媒体をローラＲ２及び基材８に向かって噴出し、ローラＲ２及び基材８を冷却するようになっている。

次に、本実施形態のレーザ加工方法を説明する。
基材８にスクライブ線を形成するに際し、先ず、図３に示すように、テーブル１０の載置面９上に基材８を載置する。載置面９には図示しない複数の吸引口が穿設されており、その吸引口からの吸引により基材８を載置面９に吸着させる。

次に、図示しない移動手段により、基材８の外側から照射部２を矢印ＦＷ方向へ移動させ、基材８上にローラＲ１を転動させながら、ローラＲ１により基材８を載置面９に押し付ける。そして、レーザ光５の集光部６の位置が基材８の端部に掛かった時にレーザ光５の照射を開始する。この時、基材８はローラＲ１により載置面９に押し付けられているので、レーザ光５の集光部６は適切に基材８の表面の所定位置にある。

図１に示すように、更に照射部２を矢印ＦＷ方向へ移動させ、転動するローラＲ１、Ｒ２により基材８を載置面９に押し付けながら、基材８に対してレーザ光５を照射する。レーザ光５の照射により加熱されて加熱部１２ａとなった基材８は、図２に示すように、冷却媒体１１ａにより冷却されるローラＲ２により載置面９に押し付けられると共に冷却される。また、基材８は、その冷却ゾーン１５に冷却媒体１１ａが供給されるので、更に冷却される。この加熱と冷却とにより熱的ショックを受けた部分の基材８にスクライブ線１２が形成される。

図４に示すように、載置面９に載置された基材８が変形部１３において載置面９から浮き上がっている場合、ローラＲ１、Ｒ２により載置面９に押し付けられた変形部１３は、一時的に矯正されて十分な平面度を有する状態の基材８となる。そうすると、焦点が結ばれる集光部６とは異なり、変形部１３の表面において焦点が結ばれない、擬似集光部１４の現出が防止される。その結果、レーザ光５による基材８に対する加熱条件が一定となるので、集光部６を基材８に沿って移動させて加熱部を形成する時、その加熱部を基材８の表面から一定の範囲に形成することができる。

一般に、基材８を載置面９に適切に沿わせるために、載置面９に吸引孔を設けてエア吸引することが行われるが、この時、吸引力を強めるために、吸引孔の径を大きくすれば、載置面９の表面形状は必然的に凹凸状となる。すると、基材８と載置面９との間の熱伝達条件が所によって異なるため、熱的ショックの度合いに変化が現れて、一様なスクライブ線の形成を難しくする。ところが、本実施形態では、ローラＲ１、Ｒ２により基材８を載置面９に押し付けて、基材８の変形を一時的に矯正するようにしたので、基材８を吸着するために、載置面９の吸引孔からエアを強く引く必要がなくなる。従って、吸引孔の径を小さくできるので、基材８と載置面９との間の熱伝達条件を好ましい状態に維持することができる。

なお、本実施形態ではレーザ加工装置１を、基材８にスクライブ線を形成する装置として説明したが、予めホイールカッター等でスクライブ線が形成された基材８を用いて、そのスクライブ線に沿ってレーザ光５を照射するようにすれば、基材８をスクライブ線に沿って分断することができる。この時、レーザ加工装置１は、基材８を所定位置で分断する分断装置となる。

従って、上記第１実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）上記実施形態では、レーザ光５の前後に配置されたローラＲ１、Ｒ２により基材８を載置面９に押し付けるようにしたので、基材８の浮き上がりを防止することができる。また、後方に配置されたローラＲ２により、加熱されて変形しやすい状態の基材８を抑えることができる。このため、基材８を載置面９に吸着するエア吸引力が小さい場合であっても、レーザ光５が照射される部分の基材８を載置面９に沿わせることができる。従って、載置面９を基準として高さが設定される集光レンズ４と、基材８の表面との距離を常に一定に保つことができるので、レーザ光５により基材８に対して効率よくスクライブ線１２を形成することができる。また、予めスクライブ線が形成された基材８にレーザ光５を照射すれば、基材８を効率よく分断することができる。

（２）上記実施形態では、レーザ光５により加熱された基材８の加熱部１２ａに対し、ローラＲ２を冷却媒体１１ａで冷却しながら押し付けるようにした。このため、ローラＲ２により、基材８の変形を一時的に矯正できるばかりでなく、加熱部１２ａを急冷することができるので、効率的なレーザ加工が可能なレーザ加工方法を提供することができる。

（３）上記実施形態では、照射部２と共にローラＲ１、Ｒ２が、テーブル１０に対して相対的に移動するようにした。そして、照射部２がレーザ光５を基材８に照射しながら移動する時、その照射される部分の前後に配置されたローラＲ１、Ｒ２により、基材８を基準面としての載置面９に押し付けることができるようにした。また、集光レンズ４の上下方向の位置決めを載置面９を基準とした。このため、集光レンズ４と基材８との距離を一定に保つことができる簡単な構造のレーザ加工装置１を提供することができる。

（４）上記実施形態では、ローラＲ２の後方に照射部２に支持された冷却ノズル１１を設けた。そして、冷却ノズル１１から冷却媒体１１ａをローラＲ２と基材８の加熱部１２ａとに向かって噴出し、冷却されたローラＲ２の押圧と冷却媒体１１ａの供給とにより、加熱部１２ａを急冷するようにした。このため、効率的な熱的ショックを生じさせることが可能なレーザ加工装置１を提供することができる。

（５）上記実施形態では、基材８を載置面９に押し付けるために、レーザ光５の前後にローラＲ１、Ｒ２を配置し、基材８の浮き上がりを防止するようにした。このため、基材８を載置面９に吸着するためのエア吸引力を、基材８が載置面９上を移動しない程度の弱いものとすることができるので、載置面９に形成する吸引孔の開口を小径とすることができる。従って、基材８と載置面９との間の熱伝達条件が、吸引孔の存在により載置面９の部位によって異なることを防止することができるので、基材８に対して熱的ショックを一様に与えることができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明を具体化した第２実施形態を、第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。なお、本実施形態は、第１実施形態とはローラの配置が異なるのみなので、その異なる部分を説明し、同様部分の説明を省くものとする。

図５に示すように、本実施形態においては、矢印ＦＷが示す照射部２の進行方向に向かって、レーザ光５が照射される集光部６の左右にローラＲ３、Ｒ４を配置した。このローラＲ３、Ｒ４により、集光部６周辺の基材８は載置面９に押し付けられ、基材８と集光レンズ４とは所定の距離に保たれる。このため、冷却ノズル１１から噴出された冷却媒体１１ａの大部分を基材８の冷却ゾーン１５に供給することができる。また、集光部６と冷却ゾーン１５との距離を任意に調整できるので、加熱部１２ａの急冷条件を適宜選択することができる。

そして、この第２実施形態においては、第１実施形態における効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
（６）上記実施形態では、照射部２の進行方向に向かって、レーザ光５が照射される集光部６の左右にローラＲ３、Ｒ４を配置して集光部６周辺の基材８を載置面９に押し付けるようにした。このため、冷却ノズル１１から噴出された冷却媒体１１ａの全てを基材８の冷却ゾーン１５に供給できると共に、集光部６と冷却ゾーン１５との距離を任意に調整して、加熱部１２ａの急冷条件を適宜選択することができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明を具体化した第３実施形態を、第１、２実施形態と異なる部分を中心に説明する。なお、本実施形態は、第１、２実施形態とはローラの配置が異なるのみなので、その異なる部分を説明し、同様部分の説明を省くものとする。

図６に示すように、本実施形態においては、矢印ＦＷが示す照射部２の進行方向に向かって、レーザ光５が照射される集光部６の前後及び左右にローラＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４を配置した。このローラＲ１〜Ｒ４により、集光部６周辺の基材８は載置面９に押し付けられ、基材８と集光レンズ４とは所定の距離に保たれる。

このローラＲ１〜Ｒ４により、基材８を載置面９に対してより確実に押し付けることができる点は、第１実施形態のローラＲ１、Ｒ２及び第２実施形態のローラＲ３、Ｒ４と同様である。しかし、照射部２の移動に伴って、このローラＲ１〜Ｒ４が、矢印ＦＷが示す方向に向かって基材８の端部付近を転動する場合は、この４個のローラＲ１〜Ｒ４の配置は更に効果を発揮する。

即ち、照射部２が基材８の左端部付近を移動する場合、スクライブ開始位置となる基材８の前端部においては、ローラＲ１、Ｒ４が基材８上を転動し、スクライブ終了位置となる基材８の後端部においては、ローラＲ２、Ｒ４が基材８上を転動して、基材８を載置面９に対してより確実に押し付けることができる。また、基材８の前端部と後端部との間においては、ローラＲ１、Ｒ２、Ｒ４が基材８上を転動して、基材８を載置面９に対してより確実に押し付けることができる。

同様に、照射部２が基材８の右端部付近を移動する場合、スクライブ開始位置となる基材８の前端部においては、ローラＲ１、Ｒ３が基材８上を転動し、スクライブ終了位置となる基材８の後端部においては、ローラＲ２、Ｒ３が基材８上を転動して、基材８を載置面９に対してより確実に押し付けることができる。また、また、基材８の前端部と後端部との間においては、ローラＲ１、Ｒ２、Ｒ３が基材８上を転動して、基材８を載置面９に対してより確実に押し付けることができる。

また、照射部２が基材８の左右の端部の間を移動する場合、スクライブ開始位置となる基材８の前端部においては、ローラＲ１、Ｒ３、Ｒ４が基材８上を転動し、スクライブ終了位置となる基材８の後端部においては、ローラＲ２、Ｒ３、Ｒ４が基材８上を転動して、基材８を載置面９に対してより確実に押し付けることができる。

そして、この第３実施形態においては、第１、２実施形態における効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
（７）上記実施形態では、矢印ＦＷが示す照射部２の進行方向に向かって、レーザ光５が照射される集光部６の前後及び左右にローラＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４を配置した。このため、基材８の前後及び左右の端部付近では、４個のローラＲ１〜Ｒ４のうちの２個又は３個が基材８上を転動して、基材８を載置面９に対してより確実に押し付けることができる。

（変更例）
なお、上記実施形態は、次のように変更して具体化することも可能である。
・ 上記実施形態では、各種厚さの基材８の表面でレーザ光５が焦点を結ぶことができるように、照射部２の上下方向の位置を微調節できるようにしたが、照射部２の上下方向の位置を固定して、集光レンズ４の上下方向の位置を微調節できるようにすること。また、照射部２に対してテーブル１０の上下方向の位置を微調節できるようにすること。
・ 上記実施形態では、固定したテーブル１０に対して照射部２が移動するようにしたが、固定した照射部２に対してテーブル１０が移動するようにすること。
・ 上記実施形態では、レーザ光を用いて基材８の一部を加熱した後に冷却して、基材８にスクライブ線を形成したり、基材８を分断したりするようにしたが、パルスレーザ光を用いた多光子吸収により基材８の一部を溶融し、その溶融により改質領域を形成する等してスクライブ線を形成すること。

さらに、上記実施形態より把握できる技術的思想について、それらの効果と共に以下に記載する。
（イ）請求項１に記載のレーザ加工方法に用いられるレーザ加工装置であって、前記基材を載置するための基準面を有するテーブルと、前記レーザ光を前記基材に照射する照射部と、前記基材上を転動して基材を前記載置面に押し付ける前記ローラと、前記テーブルと前記照射部及びローラとを相対移動させる移動手段とを備えたことを特徴とするレーザ加工装置。このように構成した場合、レーザ光が基材を照射しながら移動する時、その照射される部分の近傍において、ローラは基材をテーブルの基準面に押し付けることができる。この照射部と共に移動するローラを設けた簡単な構造の装置によって、レーザ光の集光レンズと基材との距離を常に一定に保つことができる。

（ロ）前記ローラは、前記移動手段により前記レーザ光と基材とが相対的に移動する移動方向において、前記レーザ光の前後又は左右に配置されていることを特徴とする（イ）に記載のレーザ加工装置。このように構成した場合、基材を、その端部においても、レーザ光の前後又は左右に配置されたローラにより適切に載置面に押し付けることができる。

（ハ）前記レーザ光の後方に配置されたローラに対して冷却媒体を供給する冷却ノズルが設けられたことを特徴とする（ロ）に記載のレーザ加工装置。このように構成した場合、基材を、冷却されながら転動するローラにより、載置面に押し付けると共に冷却することができる。

Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４…ローラ、１…レーザ加工装置、２…照射部、４…集光レンズ、５…レーザ光、８…基材、９…載置面、１０…テーブル、１１…冷却ノズル、１１ａ…冷却媒体、１２…スクライブ線。

Claims (2)

1. 集光レンズで集光したレーザ光の照射により脆性材料からなる基材を分断するためのレーザ加工方法であって、前記レーザ光と基材とが相対的に移動する移動方向において、前記レーザ光の前後に配置されたローラにより前記基材を載置面に押し付けて、前記集光レンズとの距離が一定に保たれた前記基材に対し、前記レーザ光を照射し、前記レーザ光の前後に配置されたローラのうち、後方に配置されたローラに対して冷却媒体を供給することを特徴とするレーザ加工方法。
2. 前記レーザ光の左右にローラを配置し、前記ローラを転動させて、前記基材を前記載置面に押し付けることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。

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