JP5836998B2 - Crack generation method, laser cutting method and crack generation apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、クラックの生成方法、レーザによる割断方法およびクラック生成装置に関し、特に加工対象物の材料に応じて、微細なクラックを生成することができるクラックの生成方法、レーザによる割断方法およびクラック生成装置に関する。 The present invention relates to a crack generation method, a laser cleaving method, and a crack generation apparatus, and more particularly, a crack generation method capable of generating a fine crack according to a material to be processed, a laser cleaving method, and a crack generation. Relates to the device.
透明材料の内部に、比較的パルス幅の狭い短パルス光源、例えば、パルス幅がフェムト秒（ｆｓ）オーダーであるフェムト秒レーザからの光パルスや、比較的パルス幅の広い長パルス光源、例えば、パルス幅がナノ秒（ｎｓ）オーダーであるナノ秒レーザからの光パルスなどを集光して集光点を形成し、該集光点近傍の電場強度をきわめて高い条件にすると多光子吸収が生じ、透明材料に該光パルスのエネルギーを注入することができる。そして、この注入されたエネルギーにより材料内に改質領域を形成することができるので、半導体材料基板、圧電材料基板、あるいはガラス基板などの内部にこのような改質領域を連続的にまたは断続的に形成して割断に利用する技術が知られている。 In a transparent material, a short pulse light source with a relatively narrow pulse width, for example, a light pulse from a femtosecond laser with a pulse width of the order of femtoseconds (fs), or a long pulse light source with a relatively wide pulse width, for example, Multi-photon absorption occurs when a condensing point is formed by condensing a light pulse from a nanosecond laser with a pulse width of the order of nanoseconds (ns), and the electric field strength in the vicinity of the condensing point is made extremely high. The energy of the light pulse can be injected into the transparent material. Then, a modified region can be formed in the material by the injected energy, so that such a modified region is continuously or intermittently provided in a semiconductor material substrate, a piezoelectric material substrate, a glass substrate, or the like. A technique that is formed and used for cleaving is known.
特許文献１には、上記技術を用いた、レーザを用いた割断技術が開示されている。特許文献１のものは、最初に照射したフェムト秒レーザによって加工対象物の内部に改質領域を形成し、次に照射したフェムト秒レーザによって一時的に光吸収率が高い領域を形成し、さらに該光吸収率が高い領域にナノ秒レーザを照射して吸収させることにより加熱し、
その加熱によって生じた熱膨張により上記改質領域を起点として切断を行うように構成されている。
Patent Document 1 discloses a cleaving technique using a laser using the above technique. In Patent Document 1, a modified region is formed inside a workpiece by the first irradiated femtosecond laser, and then a region having a high light absorption rate is temporarily formed by the irradiated femtosecond laser. Heat by irradiating and absorbing a nanosecond laser to the region where the light absorption rate is high,
The thermal expansion caused by the heating is configured to cut from the modified region as a starting point.
改質領域とは、材料の屈折率変化を伴う領域であるが、高精細な割断を行うためには該改質領域内に微細なクラックを含むことが望ましい。この点、特許文献１に開示されたレーザを用いた割断技術においては、最初に照射するフェムト秒レーザによって生じた改質領域にクラックが生成されるように意図して構成されていない。また、加工対象物の材料に応じてナノ秒レーザの光出力を適切な値に設定するという発想がないため、加工対象物が適切な加熱状態とならず、従って、特許文献１のものは微細なクラックを生成しつつ割断を実行するものとはなっていない。 The modified region is a region accompanied by a change in the refractive index of the material, but it is desirable to include fine cracks in the modified region in order to perform high-precision cleaving. In this regard, the cleaving technique using a laser disclosed in Patent Document 1 is not intended to generate a crack in a modified region caused by a femtosecond laser irradiated first. Moreover, since there is no idea of setting the optical output of the nanosecond laser to an appropriate value according to the material of the processing object, the processing object is not in an appropriate heating state. It is not designed to perform cleaving while generating a crack.
クラックが生成されないと、その後の熱膨張時に割断の起点として十分に機能せず、材料によっては割断が困難となる場合がある。また、仮にクラックが生成されたとしても、
微細なクラックが生成される条件にはなっていないため、割断面に荒れが生じてしまう。
そのため、種々の材料に対して高精細な割断を行うという点で改善の余地があった。
If a crack is not generated, it does not function sufficiently as a starting point for cleaving during subsequent thermal expansion, and cleaving may be difficult depending on the material. Moreover, even if a crack is generated,
Since it is not a condition for generating fine cracks, the fractured surface is roughened.
Therefore, there is room for improvement in that high-definition cutting is performed on various materials.
一方、微細なクラックを生成する場合において照射するレーザ光に対する条件は材料によって異なり、例えばフェムト秒レーザでソーダ石灰ガラスに微細なクラックを生成させることは困難である。微細なクラックの生成は、レーザ光を材料内に吸収させた後の温度分布や温度の持続時間、あるいはそれらに起因する熱膨張（つまり、材料の熱的な特性）に関係するところ、フェムト秒レーザから出射される光パルスは比較的小さなエネルギーを極めて短い時間で材料内に注入するものであり、材料に与える熱的な条件の点で材料によっては適していない場合があるためである。なお、上記の微細なクラックとは、微小の空洞にならない程度のヒビも含む。 On the other hand, the conditions for the laser light to be irradiated in the case of generating fine cracks differ depending on the material, and it is difficult to generate fine cracks in soda-lime glass with a femtosecond laser, for example. The generation of fine cracks is related to the temperature distribution and temperature duration after laser light is absorbed into the material, or the thermal expansion resulting from them (ie, the thermal properties of the material). This is because the light pulse emitted from the laser injects relatively small energy into the material in a very short time, and may not be suitable depending on the material in terms of thermal conditions applied to the material. Note that the fine crack includes a crack that does not form a minute cavity.
また、ナノ秒レーザからの光パルスは、フェムト秒レーザからの光パルスに比べて大きなエネルギーを持ち、フェムト秒レーザと同様に集光して電場強度を極めて高い条件にすれば多光子吸収を生じさせることも可能であるが、そのためにはレーザの出力が大きい高価な装置を用いる必要がある。また、仮にそのような装置を用いた場合でも、パルスのエネルギーが過大となって必要以上に大きなクラックを生じ、割断面の荒れ、デブリの発生、チップの歩留り低下などが問題になる。 In addition, the light pulse from the nanosecond laser has larger energy than the light pulse from the femtosecond laser, and multi-photon absorption occurs if the electric field strength is set to a very high condition by condensing like the femtosecond laser. However, for this purpose, it is necessary to use an expensive apparatus having a large laser output. Even if such a device is used, the energy of the pulse becomes excessive and a crack larger than necessary is generated, resulting in problems such as a rough section, generation of debris, and a decrease in chip yield.
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、加工対象物の材料に応じて、微細なクラックを生成することができるクラックの生成方法、レーザによる割断方法およびクラック生成装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and includes a crack generation method, a laser cleaving method, and a crack generation apparatus that can generate fine cracks according to the material of a workpiece. The purpose is to provide.
上記目的を達成するために、請求項１に記載のクラックの生成方法は、第１のレーザ光源から予め定められた第１のパルス幅及び加工対象物の材料が多光子吸収を生じる光強度を有する第１の光パルスを前記加工対象物に照射して、前記加工対象物の内部に光吸収率が一時的に高くなる第１の領域を予め定められた予定線に沿って形成しつつ、一時的に光吸収率が高くなった前記第１の領域の光吸収率が元に戻る前に、第２のレーザ光源から前記加工対象物の材料に対して予め定められた、前記加工対象物の材料が多光子吸収を生じない光強度及び前記第１のパルス幅より広い第２のパルス幅を有する第２の光パルスを、
前記第１の領域の少なくとも一部に照射して吸収させ、前記予め定められた予定線に沿って前記加工対象物にクラックを生成するものである。
In order to achieve the above object, the crack generation method according to claim 1 is characterized in that the first pulse width determined in advance from the first laser light source and the light intensity at which the material of the processing object causes multiphoton absorption. Irradiating the object to be processed with a first light pulse, and forming a first region where the light absorption rate is temporarily increased inside the object to be processed along a predetermined schedule line, Before the light absorption rate of the first region where the light absorption rate has temporarily increased returns to the original state, the processing target object determined in advance for the material of the processing target object from the second laser light source A second light pulse having a light intensity that does not cause multiphoton absorption and a second pulse width wider than the first pulse width,
At least a part of the first region is irradiated and absorbed, and a crack is generated in the workpiece along the predetermined planned line.
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第２のレーザ光源から前記第２の光パルスを照射することは、前記第１の光パルスと時間的及び空間的の少なくとも一方において重畳させて前記第２の光パルスを照射するものである。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the second light pulse emitted from the second laser light source is different from the first light pulse in terms of time and space. The second light pulse is irradiated in a superimposed manner on at least one of the target.
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記第２のパルス幅は、前記加工対象物においてクラックが生成されるときの前記第２のレーザ光源のパルス幅のうち、最小のパルス幅に対応する値となるように定められるものである。 The invention according to claim 3 is the invention according to claim 1 or 2, wherein the second pulse width is the second laser light source when a crack is generated in the workpiece. The pulse width is determined to be a value corresponding to the minimum pulse width.
また、請求項４に記載の発明は、請求項１ないしは請求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記第２の光パルスのピークは、前記第１の光パルスのピークより予め定められた時間だけ遅延しているものである。 The invention according to claim 4 is the invention according to any one of claims 1 to 3, wherein the peak of the second optical pulse is determined in advance from the peak of the first optical pulse. Is delayed by the specified time.
また、請求項５に記載の発明は、請求項１ないしは請求項４のいずれか１項に記載の発明において、前記第２のパルス幅を前記加工対象物の材料の熱膨張係数、熱伝導率、およびヤング率の少なくとも１つに基づいて定めるものである。 The invention according to claim 5 is the invention according to any one of claims 1 to 4, wherein the second pulse width is set to a coefficient of thermal expansion and a thermal conductivity of the material to be processed. And at least one of Young's modulus.
また、請求項６に記載の発明は、請求項１ないしは請求項５のいずれか１項に記載の発明において、前記第１の光パルスを照射することは、前記第１の光パルスを前記加工対象物の内部に集光するように照射し、前記第２の光パルスを照射することは、前記第２の光パルスを前記加工対象物の内部に集光するように照射し、前記第１の光パルス及び前記第２の光パルスの集光部分の大きさ、形状、及び個数の少なくとも１つが、クラックを生成する方向に応じて制御されるものである。 The invention according to claim 6 is the invention according to any one of claims 1 to 5, wherein the irradiation with the first light pulse is performed by processing the first light pulse. Irradiating so as to condense inside the object and irradiating the second light pulse may irradiate the second light pulse so as to condense inside the object to be processed. At least one of the size, the shape, and the number of the converging portions of the light pulse and the second light pulse is controlled in accordance with the direction in which the crack is generated.
また、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、前記第２の光パルスの前記集光部分の形状が楕円形状であり、該楕円の長軸が前記予め定められた予定線と平行であるものである。 The invention according to claim 7 is the invention according to claim 6, wherein the condensing part of the second light pulse has an elliptical shape, and the major axis of the ellipse is predetermined. It is parallel to the planned line.
また、請求項８に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、前記第２の光パルスの前記集光部分の個数が複数個であり、各々の集光部分の中心を結ぶ直線が前記予め定められた予定線と平行であるものである。 The invention according to claim 8 is the invention according to claim 6, wherein the number of the condensing portions of the second light pulse is plural, and a straight line connecting the centers of the respective condensing portions is provided. It is parallel to the predetermined schedule line.
一方、上記目的を達成するために、請求項９に記載のレーザによる割断方法は、請求項１ないしは請求項８のいずれか１項に記載のクラックの生成方法を用い、前記予め定められた予定線に沿って前記加工対象物の割断をさらに行うものである。 On the other hand, in order to achieve the above object, the cleaving method by a laser according to claim 9 uses the crack generation method according to any one of claims 1 to 8 and uses the predetermined schedule. The cutting of the workpiece is further performed along the line.
さらに、上記目的を達成するために、請求項１０に記載のレーザ割断装置は、パルス状の光を出射する第１のレーザ光源と、パルス状の光を出射する第２のレーザ光源と、加工対象物の内部に光吸収率が一時的に高くなる第１の領域を形成するように、前記第１のレーザ光源から予め定められた第１のパルス幅及び加工対象物の材料が多光子吸収を生じる光強度を有する第１の光パルスを前記加工対象物に照射させるように前記第１のレーザ光源を制御し、かつ、一時的に光吸収率が高くなった前記第１の領域の光吸収率が元に戻る前に、第２のレーザ光源から前記加工対象物の材料に対して予め定められた、前記加工対象物の材料が多光子吸収を生じない光強度及び第１のパルス幅より広い第２のパルス幅を有する第２の光パルスを、前記第１の領域の少なくとも一部に照射させるように前記第２のレーザ光源を制御して、前記加工対象物にクラックを生成する照射制御手段と、予め定められた予定線に沿って前記第１のレーザ光源からの前記第１の光パルス及び前記第２のレーザ光源からの前記第２の光パルスを照射するように、前記加工対象物と前記第１のレーザ光源及び前記第２のレーザ光源との少なくとも一方を移動させる移動手段と、を含むものである。 Furthermore, in order to achieve the above object, the laser cleaving apparatus according to claim 10 includes: a first laser light source that emits pulsed light; a second laser light source that emits pulsed light; The first pulse width predetermined from the first laser light source and the material of the processing object are multiphoton absorption so as to form a first region in which the light absorption rate is temporarily increased inside the object. The first laser light source is controlled to irradiate the object to be processed with a first light pulse having a light intensity that generates light, and the light in the first region in which the light absorption rate is temporarily increased The light intensity and the first pulse width, which are determined in advance from the second laser light source to the material of the object to be processed, so that the material of the object to be processed does not cause multiphoton absorption before the absorption rate is restored. A second light pulse having a wider second pulse width, An irradiation control means for controlling the second laser light source so as to irradiate at least a part of one region to generate a crack in the object to be processed; and the first control unit along a predetermined schedule line. The workpiece, the first laser light source, and the second laser light source so as to irradiate the first light pulse from the laser light source and the second light pulse from the second laser light source; Moving means for moving at least one of the above.
本発明によれば、加工対象物の材料に応じて、微細なクラックを生成することができるクラックの生成方法、レーザによる割断方法およびクラック生成装置を提供することができるという効果を奏する。 According to the present invention, there is an effect that it is possible to provide a crack generation method, a cleaving method using a laser, and a crack generation device that can generate fine cracks according to the material of the workpiece.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明するが、その前に本実施の形態の基本的な考え方について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Before that, a basic concept of the present embodiment will be described.
上述したように、高精細な割断を行うためには改質領域内に微細なクラックを含むことが望ましい。また、レーザを用いた割断において、短パルスレーザあるいは長パルスレーザを各々単独で用いても微細なクラックを生成させることは困難である。 As described above, it is desirable to include fine cracks in the modified region in order to perform high-definition cleavage. Further, in the cleaving using a laser, it is difficult to generate a fine crack even if a short pulse laser or a long pulse laser is used alone.
そこで本実施の形態では、短パルスレーザと長パルスレーザとを時間的または空間的に重畳させて照射することで単独では吸収させられない、低い光パワーの長パルスレーザの光を吸収させるようにしている。
つまり、本実施の形態では、エネルギーの比較的小さな短パルスレーザからの光によって材料の光吸収率を一時的に高くしておき、光吸収率が高くなった当該領域に長パルスレーザからの光を吸収させる方法を採用する。これによって、長パルスレーザが単独では吸収されない低い光パワーであっても吸収させることが可能となる。
Therefore, in this embodiment mode, the light of the long pulse laser with low optical power that cannot be absorbed alone is absorbed by irradiating the short pulse laser and the long pulse laser in a temporally or spatially superimposed manner. ing.
In other words, in the present embodiment, the light absorption rate of the material is temporarily increased by the light from the short pulse laser with relatively low energy, and the light from the long pulse laser is applied to the region where the light absorption rate is high. Adopting a method of absorbing This makes it possible to absorb a long pulse laser even with low optical power that cannot be absorbed by itself.
このことにより、吸収させる長パルスレーザの光パワーとパルス幅を材料に応じて自由に選択することが可能となり、長パルスレーザの光パワーとパルス幅を材料に応じて微細なクラックを生成するために適切な条件に設定することが可能となる。つまり、短パルスレーザを長パルスレーザを吸収させるための「きっかけ」とし、その後長パルスレーザによって適切な加熱具合や熱膨張の具合を調整することにより微細なクラックを生成させることができる。この際、長パルスレーザからの光パルスのパルス幅が狭いほどクラックが細かくなるので、クラックを生じる最小のパルス幅を長パルスレーザの光パルスのパルス幅として設定してもよい。 This makes it possible to freely select the optical power and pulse width of the long pulse laser to be absorbed according to the material, and to generate fine cracks according to the optical power and pulse width of the long pulse laser depending on the material. It is possible to set to an appropriate condition. That is, it is possible to generate a fine crack by using the short pulse laser as a “trigger” for absorbing the long pulse laser, and then adjusting an appropriate heating condition and thermal expansion condition with the long pulse laser. At this time, since the crack becomes finer as the pulse width of the optical pulse from the long pulse laser becomes narrower, the minimum pulse width that causes the crack may be set as the pulse width of the optical pulse of the long pulse laser.
［第１の実施の形態］
図１を参照して、本実施の形態に係るクラック生成装置１０の構成について説明する。
クラック生成装置１０は、レーザ光発生装置１２、ビーム径調整器２８、ダイクロイックフィルタ３０、集光レンズ３２、ＸＹＺステージ３４、ＣＣＤカメラ３６、および制御部３８を含んで構成されている。
レーザ光発生装置１２から出射したレーザ光Ｌは、ビーム径調整器２８、ダイクロイックフィルタ３０、および集光レンズ３２を通過して、ＸＹＺステージ３４上に保持された加工対象物４０に照射される。
[First Embodiment]
With reference to FIG. 1, the structure of the crack generation apparatus 10 which concerns on this Embodiment is demonstrated.
The crack generator 10 includes a laser beam generator 12, a beam diameter adjuster 28, a dichroic filter 30, a condenser lens 32, an XYZ stage 34, a CCD camera 36, and a controller 38.
The laser beam L emitted from the laser beam generator 12 passes through the beam diameter adjuster 28, the dichroic filter 30, and the condenser lens 32, and is irradiated onto the workpiece 40 held on the XYZ stage 34.
レーザ光発生装置１２は、第１のレーザ光源としての短パルス光源１４、１／２波長板１８、第２のレーザ光源としての長パルス光源１６、ミラー２０、遅延回路２２、１／２波長板２４、ＰＢＳ（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｔｅｒ：偏光ビームスプリッタ）２６、およびレーザ制御部４２を含んで構成されている。 The laser beam generator 12 includes a short pulse light source 14 as a first laser light source, a half-wave plate 18, a long pulse light source 16 as a second laser light source, a mirror 20, a delay circuit 22, and a half-wave plate. 24, a PBS (Polarization Beam Splitter) 26, and a laser control unit 42.
レーザ光発生装置１２は、短パルス光源１４および長パルス光源１６を各々単独で発振させることもできるし、短パルス光源１４および長パルス光源１６を同期させて発振させることもできるように構成されている。また、レーザ光発生装置１２は、短パルス光源１４から出射された光パルスのピークと長パルス光源１６から出射された光パルスのピークの相対的な位置関係を調節し、また、両光パルスを時間的または空間的に、あるいは時間的および空間的に重畳させて出射することができる。上記同期あるいは重畳の制御は、レーザ制御部４２を介して実行される。 The laser light generator 12 can be configured to oscillate the short pulse light source 14 and the long pulse light source 16 singly or to oscillate the short pulse light source 14 and the long pulse light source 16 in synchronization. Yes. The laser light generator 12 adjusts the relative positional relationship between the peak of the light pulse emitted from the short pulse light source 14 and the peak of the light pulse emitted from the long pulse light source 16, and The light can be emitted temporally or spatially, or superimposed temporally and spatially. The synchronization or superimposition control is executed via the laser control unit 42.
本実施の形態においては、短パルス光源１４からの光パルスのパルス幅は、長パルス光源１６からの光パルスのパルス幅より相対的に狭く設定されるが、具体的なパルス幅については特に限定されない。しかしながら、理解の容易化のために、ここでは、短パルス光源１４として、フェムト秒（ｆｓ）オーダーのパルス幅を有する光パルスを発生するフェムト秒レーザを適用し、長パルス光源１６として、ナノ秒オーダーのパルス幅を有する光パルスを発生するナノ秒レーザを適用した形態を例示して説明する。
従って、以下において、短パルス光源１４をフェムト秒レーザ１４と、長パルス光源１６をナノ秒レーザ１６と各々称する場合がある。
In the present embodiment, the pulse width of the light pulse from the short pulse light source 14 is set relatively narrower than the pulse width of the light pulse from the long pulse light source 16, but the specific pulse width is particularly limited. Not. However, for ease of understanding, here, a femtosecond laser that generates an optical pulse having a pulse width of the femtosecond (fs) order is applied as the short pulse light source 14, and a nanosecond as the long pulse light source 16. An example in which a nanosecond laser that generates an optical pulse having an order pulse width is applied will be described.
Therefore, hereinafter, the short pulse light source 14 may be referred to as a femtosecond laser 14, and the long pulse light source 16 may be referred to as a nanosecond laser 16, respectively.
本実施の形態においては、フェムト秒レーザ１４からの光パルスのパルス幅は、一例として、１０ｆｓ以上、１０ｐｓ以下に設定される。本実施の形態では、最初に照射するレーザとしてフェムト秒レーザ１４を用い、加工対象物４０の内部において、ナノ秒レーザ１６に対する光吸収率が非改質領域よりも高い領域（光吸収率増加領域）を一時的に形成する。 In the present embodiment, the pulse width of the light pulse from the femtosecond laser 14 is set to 10 fs or more and 10 ps or less as an example. In the present embodiment, a femtosecond laser 14 is used as a laser to be irradiated first, and a region where the light absorption rate for the nanosecond laser 16 is higher than that of the non-modified region (light absorption rate increasing region) inside the workpiece 40. ) Temporarily.
一方、本実施の形態においては、ナノ秒レーザ１６からの光パルスのパルス幅は、一例として、１００ｐｓ以上、２０ｎｓ以下に設定される。そして、２番目に照射するレーザとしてナノ秒レーザ１６を用い、フェムト秒レーザ１４を用いて加工対象物４０の内部に形成した光吸収率増加領域を局所的に加熱する。なお、２番目に照射するレーザ光としては、上述のナノ秒レーザ１６のように、形成された光吸収率増加領域において吸収される波長帯のレーザであって、非改質領域に対しては透明、またはほぼ透明であるレーザであればいずれのレーザを用いてもよい。 On the other hand, in the present embodiment, the pulse width of the light pulse from the nanosecond laser 16 is set to 100 ps or more and 20 ns or less as an example. Then, the nanosecond laser 16 is used as the second laser to be irradiated, and the light absorption rate increasing region formed inside the workpiece 40 is locally heated using the femtosecond laser 14. The second laser beam to be irradiated is a laser having a wavelength band that is absorbed in the formed light absorption increase region, like the nanosecond laser 16 described above. Any laser that is transparent or nearly transparent may be used.
フェムト秒レーザ１４からのレーザ光の進行方向の後流側（下流側）には１／２波長板１８が設けられおり、該１／２波長板１８の後流側にＰＢＳ２６が設けられている。フェムト秒レーザ１４から出射される光は直線偏光であり、１／２波長板１８によって偏波面の方向を調整されて該直線偏光のＰ偏光成分のみがＰＢＳ２６を透過し、レーザ光発生装置１２から出射される。
なお、以下においては、光源から出力されたレーザの進行方向の後流側を単に「後流側」と称し、光源から出力されたレーザの進行方向の上流側を単に「上流側」と称することにする。
A half-wave plate 18 is provided on the downstream side (downstream side) of the laser light traveling from the femtosecond laser 14, and a PBS 26 is provided on the downstream side of the half-wave plate 18. . The light emitted from the femtosecond laser 14 is linearly polarized light, the direction of the polarization plane is adjusted by the half-wave plate 18, and only the P-polarized component of the linearly polarized light is transmitted through the PBS 26. Emitted.
In the following, the downstream side in the traveling direction of the laser output from the light source is simply referred to as “backward side”, and the upstream side in the traveling direction of the laser output from the light source is simply referred to as “upstream side”. To.
ナノ秒レーザ１６の後流側には、ミラー２０、遅延回路２２、および１／２波長板２４がこの順序で設けられており、ナノ秒レーザ１６から出射した光はミラー２０によって反射され、遅延回路２２および１／２波長板２４を介してＰＢＳ２６に入射するように位置決めされている。ナノ秒レーザ１６から出射された光は直線偏光であり、１／２波長板２４によって偏波面の方向を調整されて該直線偏光のＳ偏光成分のみがＰＢＳ２６で反射され、レーザ光発生装置１２から出射される。 On the downstream side of the nanosecond laser 16, a mirror 20, a delay circuit 22, and a half-wave plate 24 are provided in this order, and the light emitted from the nanosecond laser 16 is reflected by the mirror 20 and is delayed. It is positioned so as to enter the PBS 26 through the circuit 22 and the half-wave plate 24. The light emitted from the nanosecond laser 16 is linearly polarized light, the direction of the polarization plane is adjusted by the half-wave plate 24, and only the S-polarized component of the linearly polarized light is reflected by the PBS 26. Emitted.
フェムト秒レーザ１４からの光を透過させて出力し、ナノ秒レーザ１６からの光を反射して出力する上記ＰＢＳ２６は、フェムト秒レーザ１４からの光とナノ秒レーザ１６からの光を合波する合波手段としても機能している。 The PBS 26 that transmits and outputs the light from the femtosecond laser 14 and reflects and outputs the light from the nanosecond laser 16 multiplexes the light from the femtosecond laser 14 and the light from the nanosecond laser 16. It also functions as a multiplexing means.
遅延回路２２は、直角に配置された２枚１組のミラー２２ａおよび２２ｂを含んで構成され、該ミラーを入射するレーザの光軸と平行に移動することによってナノ秒レーザ１６の光路長を変化させ、フェムト秒レーザ１４から出射される光パルスとナノ秒レーザ１６から出射される光パルスとの間の時間的な関係を調整する。
当該調整の結果、ＰＢＳ２６からは、図３に示すように、遅延時間ｔＤが設定されたフェムト秒レーザ１４からの光パルスおよびナノ秒レーザ１６からの光パルスがレーザ光Ｌとして出射される。
なお、遅延回路２２は以上の構成に限らず、レトロリフレクタなどを用いてもよい。
The delay circuit 22 includes a pair of mirrors 22a and 22b arranged at right angles, and changes the optical path length of the nanosecond laser 16 by moving the mirrors parallel to the optical axis of the incident laser. The temporal relationship between the light pulse emitted from the femtosecond laser 14 and the light pulse emitted from the nanosecond laser 16 is adjusted.
As a result of the adjustment, a light pulse from the femtosecond laser 14 and a light pulse from the nanosecond laser 16 in which the delay time tD is set are emitted as laser light L from the PBS 26 as shown in FIG.
The delay circuit 22 is not limited to the above configuration, and a retro reflector or the like may be used.
ＰＢＳ２６の後流側にはビーム径調整器２８が配置されており、フェムト秒レーザ１４およびナノ秒レーザ１６から入射された光は、所望のビーム径に調整されて後流側に出射される。ビーム径調整器２８としては、ビームエキスパンダや開口（アパーチャー）などを用いることができる。 A beam diameter adjuster 28 is disposed on the downstream side of the PBS 26, and light incident from the femtosecond laser 14 and the nanosecond laser 16 is adjusted to a desired beam diameter and emitted to the downstream side. As the beam diameter adjuster 28, a beam expander, an aperture, or the like can be used.
ビーム径調整器２８の後流側には、フェムト秒レーザ１４およびナノ秒レーザ１６の双方からの光は反射するとともに、可視光は透過するように構成されたダイクロイックフィル夕３０、集光レンズ３２およびＸＹＺステージ３４がこの順序で設けられている。
ビーム径調整器２８から出射されたフェムト秒レーザ１４およびナノ秒レーザ１６からの光は、ダイクロイックフィルタ３０で反射され、集光レンズ３２を介してＸＹＺステージ３４上に保持された加工対象物４０に入射する。
On the downstream side of the beam diameter adjuster 28, light from both the femtosecond laser 14 and the nanosecond laser 16 is reflected, and visible light is transmitted, and a condensing lens 32 is configured. And the XYZ stage 34 is provided in this order.
The light from the femtosecond laser 14 and the nanosecond laser 16 emitted from the beam diameter adjuster 28 is reflected by the dichroic filter 30 and passes through the condenser lens 32 to the workpiece 40 held on the XYZ stage 34. Incident.
ここで、ＸＹＺステージ３４の各軸については、Ｘ軸およびＹ軸がＸＹＺステージ３４上の加工対象物４０を設置するための設置面の面内にあり、Ｚ軸が該設置面の法線方向であるものとする（図４参照）。
ＸＹＺステージ３４は、設置面上に設置された加工対象物４０を、所望の距離だけＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸に沿って移動できるように構成されている。
Here, for each axis of the XYZ stage 34, the X axis and the Y axis are in the plane of the installation surface for installing the workpiece 40 on the XYZ stage 34, and the Z axis is the normal direction of the installation surface (See FIG. 4).
The XYZ stage 34 is configured so that the workpiece 40 installed on the installation surface can be moved along the X, Y, and Z axes by a desired distance.
ＸＹＺステージ３４の設置面と対向して、ＣＣＤカメラ３６が設けられている。ＣＣＤカメラ３６は可視光をＸＹＺステージ３４の設置面に向けて照射する可視光光源を備えている。該可視光光源から出射された可視光がダイクロイックフィルタ３０、および集光レンズ３２を通過してＸＹＺステージ３４に保持された加工対象物４０に照射され、該加工対象物４０において反射された可視光が再びダイクロイックフィルタ３０を通過してＣＣＤカメラ３６の撮像素子に入射するように、ＣＣＤカメラ３６、ダイクロイックフィル夕３０、集光レンズ３２、およびＸＹＺステージ３４が位置決めされている。本実施の形態では、集光レンズ３２により集光された可視光の焦点と、集光レンズ３２により集光されたフェムト秒レーザ１４およびナノ秒レーザ１６の焦点とは一致している。 A CCD camera 36 is provided facing the installation surface of the XYZ stage 34. The CCD camera 36 includes a visible light source that irradiates visible light toward the installation surface of the XYZ stage 34. Visible light emitted from the visible light source passes through the dichroic filter 30 and the condenser lens 32 and is irradiated onto the processing object 40 held on the XYZ stage 34 and reflected by the processing object 40. The CCD camera 36, the dichroic filter 30, the condenser lens 32, and the XYZ stage 34 are positioned so as to pass through the dichroic filter 30 again and enter the image sensor of the CCD camera 36. In the present embodiment, the focal point of the visible light collected by the condenser lens 32 coincides with the focal points of the femtosecond laser 14 and the nanosecond laser 16 collected by the condenser lens 32.
ＸＹＺステージ３４、およびＣＣＤカメラ３６には、ＸＹＺステージ３４およびＣＣＤカメラ３６を制御する制御部３８が電気的に接続されている。
この制御部３８は、種々の演算、制御、判別などの処理動作を実行するＣＰＵ、およびこのＣＰＵによって実行されるさまざまな制御プログラムなどを格納するＲＯＭ、ＣＰＵの処理動作中のデータや入力データなどを一時的に格納するＲＡＭ、およびフラッシュメモリやＳＲＡＭ等の不揮発性メモリなどを含んで構成されている。また、制御部３８には、所定の指令あるいはデータなどを入力するキーボードあるいは各種スイッチなどを含む図示しない入力操作部、ＸＹＺステージ３４の入力・設定状態、ＣＣＤカメラ３６の撮像画像などをはじめとする種々の表示を行う図示しない表示部（例えば、ディスプレイ）が接続されている。
A controller 38 that controls the XYZ stage 34 and the CCD camera 36 is electrically connected to the XYZ stage 34 and the CCD camera 36.
The control unit 38 includes a CPU that executes processing operations such as various operations, control, and discrimination, a ROM that stores various control programs executed by the CPU, data during the CPU processing operations, input data, and the like. Are temporarily included, and a non-volatile memory such as flash memory or SRAM is included. The control unit 38 includes an input operation unit (not shown) including a keyboard or various switches for inputting predetermined commands or data, an input / setting state of the XYZ stage 34, a captured image of the CCD camera 36, and the like. A display unit (for example, a display) (not shown) that performs various displays is connected.
次に、レーザ光発生装置１２から出射した光の焦点を加工対象物４０の内部の所定の位置に設定する方法の一例を説明する。
制御部３８は、加工対象物４０が保持されたＸＹＺステージ３４をＺ軸方向に移動させながら、ＣＣＤカメラ３６により撮像データを取得するように、ＸＹＺステージ３４およびＣＣＤカメラ３６を制御する。制御部３８は、ＣＣＤカメラ３６により取得された該撮像データに基づいて、上記可視光光源から出射され集光レンズ３２によって集光された光の焦点の位置が加工対象物４０の表面と一致するときのＸＹＺステージ３４の位置を取得し、当該位置を基準位置とする。当該基準位置は、制御部３８に設けられた図示しないＲＡＭ等による記憶部に記憶しておいてもよい。なお、この基準位置は、集光レンズ３２が同一の位置に設けられ、加工対象物４０の厚さが同一である場合には流用できる。
Next, an example of a method for setting the focal point of the light emitted from the laser light generator 12 to a predetermined position inside the workpiece 40 will be described.
The control unit 38 controls the XYZ stage 34 and the CCD camera 36 so that the CCD camera 36 acquires image data while moving the XYZ stage 34 holding the workpiece 40 in the Z-axis direction. Based on the imaging data acquired by the CCD camera 36, the control unit 38 matches the focal position of the light emitted from the visible light source and collected by the condenser lens 32 with the surface of the workpiece 40. The position of the XYZ stage 34 is acquired, and the position is set as a reference position. The reference position may be stored in a storage unit such as a RAM (not shown) provided in the control unit 38. This reference position can be used when the condenser lens 32 is provided at the same position and the thickness of the workpiece 40 is the same.
加工対象物４０の内部の所定の位置に、集光レンズ３２を介したフェムト秒レーザ１４やナノ秒レーザ１６の焦点を設定する場合には、上記基準位置を基準としてＸＹＺステージ３４のＺ軸方向の位置を調整して設定する。
例えば、加工対象物４０の表面からｘμｍの位置に上記焦点を設定したい場合は、ユーザが先述の図示しない入力操作部により、加工対象物４０の表面から焦点までの距離に関する焦点距離情報としてｘμｍを入力し、さらに加工対象物４０の材料の屈折率を入力する。
When the focal point of the femtosecond laser 14 or the nanosecond laser 16 through the condenser lens 32 is set at a predetermined position inside the workpiece 40, the Z-axis direction of the XYZ stage 34 with the reference position as a reference. Adjust the position of and set.
For example, when the user wants to set the focal point at a position of x μm from the surface of the workpiece 40, the user sets x μm as focal length information regarding the distance from the surface of the workpiece 40 to the focal point by the input operation unit (not shown). Then, the refractive index of the material of the workpiece 40 is input.
制御部３８は、ＲＡＭ等に格納された基準位置に基づいてＸＹＺステージ３４を移動させ、加工対象物４０の表面が集光レンズ３２からの焦点と一致するようにする。ついで、
制御部３８は、ユーザにより入力された焦点距離情報および加工対象物４０の材料の屈折率に基づいて、入力された屈折率におけるｘμｍの対応距離を演算し、該演算結果に基づいて、加工対象物４０の表面から内部に向かってｘμｍの位置に焦点位置が来るように上記基準位置から所定距離だけ下方（Ｚ軸方向であって、集光レンズ３２から遠ざかる方向）にＸＹＺステージ３４を移動させる。これにより、集光レンズ３２により集光したフェムト秒レーザ１４およびナノ秒レーザ１６の焦点は、加工対象物４０の内部の所定の場所に位置することになる。
The control unit 38 moves the XYZ stage 34 based on the reference position stored in the RAM or the like so that the surface of the workpiece 40 matches the focal point from the condenser lens 32. Next,
The control unit 38 calculates a corresponding distance of x μm in the input refractive index based on the focal length information input by the user and the refractive index of the material of the processing target 40, and based on the calculation result, the processing target The XYZ stage 34 is moved downward by a predetermined distance from the reference position (in the Z-axis direction and away from the condenser lens 32) so that the focal position comes to the position of x μm from the surface of the object 40 toward the inside. . As a result, the focal points of the femtosecond laser 14 and the nanosecond laser 16 collected by the condenser lens 32 are located at predetermined positions inside the workpiece 40.
次に、レーザ光発生装置１２から出射される光パルスのパルス幅と光パワーの調整方法について説明する。 Next, a method for adjusting the pulse width and optical power of the optical pulse emitted from the laser beam generator 12 will be described.
ナノ秒レーザ１６のパルス幅の調整は、例えば、図１のナノ秒レーザ１６の内部において行うことができる。一例として、１ｎｓ程度以上のパルス幅にする場合は、ナノ秒レーザ１６の共振器内部の光路上に音響光学素子（ＡＯＭ：Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）を設けておき、該ＡＯＭのスイッチ動作の時間的な長さによってパルス幅を調整することができる。また、例えば１ｎｓ程度以下のパルス幅にする場合は、特許文献１等に開示された光ファイバストレッチャを用いることができる。
また、光ファイバストレッチャはその長さでパルス幅を調整することができ、例えばフェムト秒レーザ１４からの光パルスのようなパルス幅の狭い光パルスを光ファイバストレッチャ内に伝搬させることにより、該パルス幅を拡大することができる。
The pulse width of the nanosecond laser 16 can be adjusted, for example, inside the nanosecond laser 16 of FIG. As an example, when the pulse width is about 1 ns or more, an acousto-optic device (AOM) is provided on the optical path inside the resonator of the nanosecond laser 16, and the time of the switch operation of the AOM is determined. The pulse width can be adjusted depending on the length. For example, when a pulse width of about 1 ns or less is used, an optical fiber stretcher disclosed in Patent Document 1 or the like can be used.
Further, the optical fiber stretcher can adjust the pulse width according to its length. For example, an optical pulse having a narrow pulse width such as an optical pulse from the femtosecond laser 14 is propagated into the optical fiber stretcher. The width can be enlarged.
光パワーの調整は、図１の１／２波長板１８または２４とＰＢＳ２６とを用いて行うことが可能である。フェムト秒レーザ１４およびナノ秒レーザ１６から出射されるレーザ光は直線偏光であり、１／２波長板１８または２４を回転させて偏波面の方向を変えることにより、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分の量を変えることができる。
１／２波長板１８は、フェムト秒レーザ１４からの出射光がＰＢＳ２６に対してＰ偏光で入射するように構成されている。また、１／２波長板２４は、ナノ秒レーザ１６からの出射光がＰＢＳ２６に対してＳ偏光で入射するように構成されている。
The optical power can be adjusted using the half-wave plate 18 or 24 and the PBS 26 shown in FIG. The laser light emitted from the femtosecond laser 14 and the nanosecond laser 16 is linearly polarized light. By rotating the half-wave plate 18 or 24 and changing the direction of the polarization plane, the P-polarized component and the S-polarized component are changed. The amount can be changed.
The half-wave plate 18 is configured such that light emitted from the femtosecond laser 14 enters the PBS 26 with P-polarized light. The half-wave plate 24 is configured such that light emitted from the nanosecond laser 16 enters the PBS 26 as S-polarized light.
ＰＢＳ２６はＰ偏光成分を透過しＳ偏光成分を反射するので、フェムト秒レーザ１４から出射したレーザ光はＰ偏光成分を増やす（Ｓ偏光成分を減らす）と、レーザ光発生装置１２から外部に出射される光パルスの光パワーが増加し、逆にＰ偏光成分を減らす（Ｓ偏光成分を増やす）と光パルスの光パワーが減少する。
一方、ナノ秒レーザ１６から出射したレーザ光は、Ｓ偏光成分を増やす（Ｐ偏光成分を減らす）とレーザ光発生装置１２から外部に出射される光パルスの光パワーが増加し、逆にＳ偏光成分を減らす（Ｐ偏光成分を増やす）とレーザ光発生装置１２から外部に出射される光パルスの光パワーが減少する。
Since the PBS 26 transmits the P-polarized component and reflects the S-polarized component, the laser light emitted from the femtosecond laser 14 is emitted to the outside from the laser light generator 12 when the P-polarized component is increased (decreasing the S-polarized component). On the contrary, if the P-polarized component is decreased (the S-polarized component is increased), the optical power of the optical pulse is decreased.
On the other hand, in the laser light emitted from the nanosecond laser 16, when the S-polarized component is increased (P-polarized component is decreased), the optical power of the light pulse emitted from the laser light generator 12 increases, and conversely, the S-polarized light. When the component is decreased (the P-polarized component is increased), the optical power of the light pulse emitted from the laser light generator 12 to the outside decreases.
なお、フェムト秒レーザ１４あるいはナノ秒レーザ１６から出射された光の偏光状態が楕円偏光や円偏光となっているために、上記のようにして出力を調整する場合においてフェムト秒レーザ１４あるいはナノ秒レーザ１６から出射された光の消光比が劣化する場合には、各々１／２波長板１８あるいは１／２波長板２４の上流側に偏光子を挿入して該消光比を改善することが可能である。 Since the polarization state of the light emitted from the femtosecond laser 14 or the nanosecond laser 16 is elliptically polarized or circularly polarized, the femtosecond laser 14 or nanosecond is adjusted when the output is adjusted as described above. When the extinction ratio of the light emitted from the laser 16 deteriorates, it is possible to improve the extinction ratio by inserting a polarizer on the upstream side of the half-wave plate 18 or the half-wave plate 24, respectively. It is.
次に、図２を参照して、加工対象物４０にクラックを生成させる場合の手順を説明する。図２は、本実施の形態に係るクラック生成方法の工程を示している。 Next, with reference to FIG. 2, the procedure in the case of generating a crack in the workpiece 40 will be described. FIG. 2 shows steps of the crack generation method according to the present embodiment.
まず、工程Ｓ１００でフェムト秒レーザ１４およびナノ秒レーザ１６からの光パルスのパラメータ、ここでは、パルス幅と光パワーを加工対象物４０の材料に応じて設定する。
フェムト秒レーザ１４からの光パルスのパラメータは、加工対象物４０の内部に光吸収率増加領域を形成するのに必要最低限のエネルギーを有するように設定される。具体的には、光パワーは加工対象物４０の材料に固有の吸収しきい値（特定の材料において多光子吸収が発生する最低の光パワー）を越える光パワーに設定され、パルス幅はその光パワーと所要のエネルギーとに基づいて設定される。
First, in step S100, parameters of optical pulses from the femtosecond laser 14 and the nanosecond laser 16, here, the pulse width and optical power are set according to the material of the workpiece 40.
The parameters of the light pulse from the femtosecond laser 14 are set so as to have the minimum energy necessary for forming the light absorption rate increasing region inside the workpiece 40. Specifically, the optical power is set to an optical power that exceeds an absorption threshold specific to the material of the workpiece 40 (the lowest optical power at which multiphoton absorption occurs in a specific material), and the pulse width is the light width. It is set based on power and required energy.
一方、ナノ秒レーザ１６からの光パルスの光パワーは吸収しきい値未満に設定され、パルス幅は、当該ナノ秒レーザ１６からの光パルスを上記光吸収増加領域に照射した場合に、微細なクラックが生成されるエネルギーを有するように設定される。 On the other hand, the optical power of the optical pulse from the nanosecond laser 16 is set to be less than the absorption threshold, and the pulse width is fine when the optical absorption increase region is irradiated with the optical pulse from the nanosecond laser 16. It is set so as to have energy for generating cracks.
図３は、以上のように設定されるフェムト秒レーザ１４からの光パルスとナノ秒レーザ１６からの光パルスの時間的関係を模式的に示している。同図では、ナノ秒レーザ１６からの光パルスのピークが、フェムト秒レーザ１４からの光パルスのピークより遅延時間ｔＤだけ遅れるように設定されているが、遅延時間ｔＤの設定は必要に応じて行えばよいもので、必須のものではない。なお、遅延時間ｔＤの詳細については後述する。 FIG. 3 schematically shows the temporal relationship between the light pulse from the femtosecond laser 14 and the light pulse from the nanosecond laser 16 set as described above. In the figure, the peak of the optical pulse from the nanosecond laser 16 is set so as to be delayed by the delay time tD from the peak of the optical pulse from the femtosecond laser 14, but the setting of the delay time tD is necessary. You can do it, it's not essential. Details of the delay time tD will be described later.
以上のフェムト秒レーザ１４およびナノ秒レーザ１６の光パルスのパラメータ、および遅延時間ｔＤの設定値は、一例として、材料ごとに制御部３８に設けられた図示しないＲＯＭ等の記憶部に記憶させておき、制御部３８が、予め定められたタイミングで読み込むようにしてもよい。 The optical pulse parameters of the femtosecond laser 14 and the nanosecond laser 16 and the set value of the delay time tD are stored in a storage unit such as a ROM (not shown) provided in the control unit 38 for each material as an example. Alternatively, the control unit 38 may read at a predetermined timing.
次に、工程１０２で、加工対象物４０を保持したＸＹＺステージ３４をレーザ光発生装置１２からのレーザ光Ｌに対して相対的に移動させながら、フェムト秒レーザ１４からの光およびナノ秒レーザ１６からの光を加工対象物４０の内部に時間的または空間的に重畳させて照射することにより、予め定められた予定線に沿って微細なクラックを生成させていく。このレーザ光Ｌの照射は連続的に行ってもよいし、断続的に行ってもよい。また、
予め定められた予定線に沿うレーザ光Ｌの照射は、必要に応じ、加工対象物４０の内部における深さを変えて複数回（例えば、５回）行ってもよい。このレーザ光発生装置１２からのレーザ光Ｌの照射の制御は、制御部３８がＸＹＺステージ３４を制御するとともにレーザ制御部４２を制御して実行する。
Next, in step 102, the light from the femtosecond laser 14 and the nanosecond laser 16 are moved while the XYZ stage 34 holding the workpiece 40 is moved relative to the laser light L from the laser light generator 12. By irradiating the light from the workpiece 40 in a temporally or spatially superimposed manner within the workpiece 40, fine cracks are generated along a predetermined planned line. The irradiation with the laser light L may be performed continuously or intermittently. Also,
The irradiation of the laser beam L along a predetermined schedule line may be performed a plurality of times (for example, five times) by changing the depth inside the workpiece 40 as necessary. The control of the irradiation of the laser light L from the laser light generator 12 is executed by the control unit 38 controlling the XYZ stage 34 and the laser control unit 42.
図４に、上述のレーザ光Ｌとクラック生成領域Ｒとの関係を模式的に示す。同図に記載されたＳＬは、上記の予め定められた予定線を示している。なお、予め定められた予定線とは仮想的な線であってもよいし、加工対象物４０の表面に実際に書かれた線であってもよい。 FIG. 4 schematically shows the relationship between the laser beam L and the crack generation region R described above. SL shown in the figure indicates the predetermined schedule line. The predetermined scheduled line may be a virtual line or a line actually written on the surface of the workpiece 40.
図２では記載を省略しているが、上記レーザ光Ｌの照射の後に、予め定められた予定線に沿って加工対象物４０を割断してもよい。当該割断は、外部機械的応力によるブレーク工程を用いて行ってもよい。 Although not shown in FIG. 2, after the irradiation with the laser light L, the workpiece 40 may be cleaved along a predetermined schedule line. The cleaving may be performed using a break process due to external mechanical stress.
なお、本実施の形態では、加工対象物４０をレーザ光発生装置１２からのレーザ光Ｌに対して相対的に移動させるようにしているが、これに限定されず、レーザ光発生装置１２からのレーザ光Ｌを加工対象物４０に対して相対的に移動させるようにしてもよい。
また、本実施の形態では、別途ブレーク工程を設けて割断を行うようにしたが、上記特許文献１と同様に、レーザ照射によって割断を行うようにしてもよい。
In the present embodiment, the workpiece 40 is moved relative to the laser beam L from the laser beam generator 12, but the present invention is not limited to this. The laser beam L may be moved relative to the workpiece 40.
Further, in the present embodiment, the cleaving is performed by providing a separate break step. However, the cleaving may be performed by laser irradiation as in the case of Patent Document 1.
以下、図２に示す工程図に関連した内容についてさらに詳細に説明する。
本実施の形態に係るクラック生成の対象物としての加工対象物４０の例としては、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、サファイア、ガラス等の材料が挙げられる。しかしながら、加工対象物４０の材料としてはこれらの材料に限定されず、フェムト秒レーザ１４により光吸収率増加領域を形成し、ナノ秒レーザ１６を該光吸収率増加領域において吸収させ微細なクラックを生成させることが可能な材料であれば、いずれの材料にも適用することができる。
Hereinafter, the contents related to the process chart shown in FIG. 2 will be described in more detail.
Examples of the processing object 40 as an object of crack generation according to the present embodiment include materials such as GaN (gallium nitride), SiC (silicon carbide), sapphire, and glass. However, the material of the workpiece 40 is not limited to these materials, and a light absorption rate increasing region is formed by the femtosecond laser 14, and the nanosecond laser 16 is absorbed in the light absorption rate increasing region, thereby causing fine cracks. Any material that can be generated can be applied.
また、レーザ光発生装置１２（フェムト秒レーザ１４およびナノ秒レーザ１６）からのレーザ光Ｌの波長は、加工対象物４０の材料に対して透明になる波長が選択されている。
その意味において、加工対象物４０は、レーザ光発生装置１２から出射する光に対して透明な透明材料である。
Further, the wavelength of the laser beam L from the laser beam generator 12 (the femtosecond laser 14 and the nanosecond laser 16) is selected to be transparent to the material of the workpiece 40.
In that sense, the workpiece 40 is a transparent material that is transparent to the light emitted from the laser light generator 12.
まず、フェムト秒レーザ１４の照射について説明する。
工程Ｓ１０２では、加工対象物４０の内部に光吸収率増加領域を形成するために、固体内部プラズマもしくは光イオン化現象を発生させるのに十分なエネルギーを持ったフェムト秒レーザ１４からの光パルスを照射する。本実施の形態では、フェムト秒レーザ１４のエネルギー密度は必ずしも加工対象物を改質するほどのエネルギー密度（改質領域を形成するほどのエネルギー）に設定する必要はなく、固体内部プラズマもしくは光イオン化現象を誘起する程度のエネルギーに設定すればよい。
First, irradiation with the femtosecond laser 14 will be described.
In step S102, a light pulse from the femtosecond laser 14 having sufficient energy to generate a solid internal plasma or a photoionization phenomenon is formed in order to form a light absorption rate increasing region inside the workpiece 40. To do. In the present embodiment, the energy density of the femtosecond laser 14 does not necessarily need to be set to an energy density enough to modify the object to be processed (energy enough to form a modified region). What is necessary is just to set it as the energy which induces a phenomenon.
フェムト秒レーザ１４の具体的な設定は、一例として、波長＝１．０４μｍ、パルス幅（光パルスにおいて光パワーがピーク値の１／２となる部分の時間幅で規定、以下同様。
以下、この時間幅を「半値全幅」と称する場合がある。）＝５００ｆｓのレーザ光を用いて、ＮＡ＝０．６５の集光レンズ３２でおよそ１．５μｍのスポット径に集光する例が挙げられる。この場合の所要エネルギー（つまり、固体内部プラズマもしくは光イオン化現象を誘起する程度のエネルギー）は、およそ０．０１μＪである。
The specific setting of the femtosecond laser 14 is, for example, wavelength = 1.04 μm, pulse width (specified by the time width of the optical pulse where the optical power is ½ of the peak value, and so on.
Hereinafter, this time width may be referred to as “full width at half maximum”. ) = 500 fs laser beam is condensed to a spot diameter of about 1.5 μm by the condenser lens 32 with NA = 0.65. The required energy in this case (that is, the energy that induces solid internal plasma or photoionization phenomenon) is approximately 0.01 μJ.
フェムト秒レーザ１４からの出射光を加工対象物４０に照射すると、固体内部プラズマもしくは光イオン化に起因する自己吸収（アバランシェ吸収）が発生し、加工対象物４０におけるフェムト秒レーザ１４の照射部の光吸収率が一時的に上昇する。
図５はソーダ石灰ガラスに、また図６はＳｉＣにフェムト秒レーザ１４からの光を照射した場合の光吸収率の時間的変化の測定例である。測定はポンププローブ法により行った。
When the processing object 40 is irradiated with the light emitted from the femtosecond laser 14, self-absorption (avalanche absorption) due to solid internal plasma or photoionization occurs, and light of the irradiation part of the femtosecond laser 14 on the processing object 40 Absorption rate rises temporarily.
FIG. 5 is a measurement example of temporal change in light absorption rate when soda lime glass is irradiated with light and FIG. 6 is irradiated with light from femtosecond laser 14 on SiC. The measurement was performed by the pump probe method.
すなわち、図１において、フェムト秒レーザ１４からの光が出射した直後にハーフミラーを用いて一部を分岐して（この分岐した光を「プローブ光」と呼ぶ）遅延回路（遅延回路２２とは別の遅延回路）を通過させた後、ＰＢＳ（ＰＢＳ２６とは別のＰＢＳ）等を用いてフェムト秒レーザ１４からの光と合波して同じ経路に戻し、フェムト秒レーザ１４に対して遅延時間（図５および図６においては「経過時間」と表記）を与えて加工対象物４０に照射し、材料を透過したプローブ光の吸収率を求めて図５あるいは図６のグラフを作成している。なお、この測定の際ナノ秒レーザ１６は発振させていない。 That is, in FIG. 1, immediately after the light from the femtosecond laser 14 is emitted, a part is branched using a half mirror (this branched light is called “probe light”). After passing through another delay circuit), the light from the femtosecond laser 14 is multiplexed using PBS (PBS different from the PBS 26) or the like, and returned to the same path. (In FIG. 5 and FIG. 6, expressed as “elapsed time”), the workpiece 40 is irradiated, and the absorptance of the probe light that has passed through the material is obtained to create the graph of FIG. 5 or FIG. . In this measurement, the nanosecond laser 16 is not oscillated.
図５あるいは図６に示された測定結果より、ソーダ石灰ガラス、ＳｉＣともに、フェムト秒レーザ１４が照射された直後（つまり経過時間０の近傍）において吸収率が急激に上昇し、その後緩和することがわかる。また、当該光吸収率の変化は、ソーダ石灰ガラスは０．２ｎｓ程度、ＳｉＣは４ｎｓ程度で終了することがわかる。従って、この光吸収率が変化している時間を固体内部プラズマあるいは光イオン化による光吸収率の上昇の持続時間とみなすことができる。以下、この光吸収率の上昇の持続時間を「光吸収率持続時間」と称する場合がある。 From the measurement results shown in FIG. 5 or 6, the absorption rate of both soda lime glass and SiC increases rapidly immediately after the femtosecond laser 14 is irradiated (that is, in the vicinity of elapsed time 0), and then relaxes. I understand. Moreover, it turns out that the change of the said light absorption rate is complete | finished in about 0.2 ns for soda-lime glass, and about 4 ns for SiC. Therefore, the time during which the light absorptance is changed can be regarded as the duration of increase in the light absorptance due to solid internal plasma or photoionization. Hereinafter, the duration of the increase in the light absorption rate may be referred to as “light absorption rate duration”.
次に、ナノ秒レーザ１６からの光パルスのパルス幅の材料ごとの決定方法について説明する。 Next, a method for determining the pulse width of the light pulse from the nanosecond laser 16 for each material will be described.
ナノ秒レーザ１６からの光パルスのパルス幅（時間幅）は、原理的には、加工対象物４０の材料に効率的に熱を与えることができ、かつ該光パルスに起因する電子励起→格子振動→熱拡散の過程が進むまで光照射が持続するように設定されることが望ましい。この点を考慮し、ナノ秒レーザ１６のパルス幅は、一般的には１００ｐｓ以上が望ましいといえる。以下では、実際に実験により求めたナノ秒レーザ１６からの光パルスのパルス幅について説明する。 In principle, the pulse width (time width) of the optical pulse from the nanosecond laser 16 can efficiently apply heat to the material of the workpiece 40, and the electronic excitation resulting from the optical pulse → lattice It is desirable to set the light irradiation so that the process of vibration → thermal diffusion proceeds. Considering this point, it can be said that the pulse width of the nanosecond laser 16 is generally preferably 100 ps or more. Below, the pulse width of the optical pulse from the nanosecond laser 16 actually obtained by experiment will be described.
図７に、フェムト秒レーザ１４からの光を一定条件下で照射した後、ナノ秒レーザ１６からの光を照射した場合の、ナノ秒レーザ１６からの光パルスのパルス幅とクラックの発生確率との関係を、加工対象物４０をＳｉＣとして測定した例を示す。同図から、パルス幅が１００ｐｓ付近でクラックの発生確率が飽和し、その後のパルス幅に対しては、クラックの発生確率がほぼ一定値となることがわかる。
図示はしてないが、パルス幅をさらに広げるとクラックの発生確率は減少し、クラックは、照射されるナノ秒レーザ１６からの光パルスのパルス幅がある範囲の場合において生じる。さらに、同図に示すように、パルス幅が狭いほどクラックは微細になる。
FIG. 7 shows the pulse width of the optical pulse from the nanosecond laser 16 and the probability of occurrence of cracks when the light from the femtosecond laser 14 is irradiated under a certain condition and then the light from the nanosecond laser 16 is irradiated. This example shows an example in which the workpiece 40 is measured as SiC. From the figure, it can be seen that the probability of occurrence of cracks saturates when the pulse width is around 100 ps, and the probability of occurrence of cracks becomes a substantially constant value for the subsequent pulse width.
Although not shown, if the pulse width is further expanded, the probability of occurrence of cracks decreases, and the crack occurs in a case where the pulse width of the light pulse from the irradiated nanosecond laser 16 is within a certain range. Further, as shown in the figure, the narrower the pulse width, the finer the crack.
従って、ナノ秒レーザ１６からの光パルスのパルス幅は、一例として、クラックの生じるパルス幅の範囲内における最小のパルス幅とすることができる。すなわち、加工対象物４０の材料がＳｉＣの場合には、図７から、ナノ秒レーザ１６のパルス幅は約１００ｐｓとすればよいことがわかる。 Therefore, the pulse width of the light pulse from the nanosecond laser 16 can be set to the minimum pulse width within the range of the pulse width in which the crack occurs as an example. That is, when the material of the workpiece 40 is SiC, it can be seen from FIG. 7 that the pulse width of the nanosecond laser 16 may be about 100 ps.
表１は、種々の材料について上記と同様に実験により求めた、クラックを生じる最小のパルス幅の一例である。このパルス幅より短くなるにつれてクラックの発生確率は減少し、最終的には生じなくなる（図７参照）。従って、前記最小のパルス幅よりパルス幅が狭い領域においても一定量のクラックは生じており、その意味において表１に示した最小のパルス幅は目安であって、一定の幅がある値である。 Table 1 shows an example of the minimum pulse width for causing cracks, which was obtained by experiments in the same manner as described above for various materials. As the pulse width becomes shorter than this, the probability of occurrence of cracks decreases and eventually does not occur (see FIG. 7). Therefore, a certain amount of cracks are generated even in a region where the pulse width is narrower than the minimum pulse width. In this sense, the minimum pulse width shown in Table 1 is a guideline and is a value with a certain width. .
表１に示す実験結果から、予めある材料に対してナノ秒レーザ１６のパルス幅を変えながら加工対象物４０に生じるクラックを観察し、クラックの生ずる最小のパルス幅を求めておけば、それと同種の材料のクラック生成を行う際には、そのパルス幅をナノ秒レーザ１６のパルス幅とすることもできる。 From the experimental results shown in Table 1, if the crack generated in the workpiece 40 is observed while changing the pulse width of the nanosecond laser 16 with respect to a certain material in advance and the minimum pulse width at which the crack occurs is obtained, When generating the crack of the material, the pulse width of the nanosecond laser 16 can be set as the pulse width.
また、図８に示すように、多くの材料について、材料の熱膨張係数と微細なクラックを生成できる最少のパルス幅との間には相関があるため、割断を行う加工対象物４０の材料の熱膨張係数に応じてナノ秒レーザ１６のパルス幅を決定してもよい。つまり、その材料の物性値から当該パルス幅を予測し、決定してもよい。 Also, as shown in FIG. 8, for many materials, there is a correlation between the thermal expansion coefficient of the material and the minimum pulse width that can generate fine cracks. The pulse width of the nanosecond laser 16 may be determined according to the thermal expansion coefficient. That is, the pulse width may be predicted and determined from the physical property value of the material.
例えば、図８から、一例として、熱膨張係数が３×１０−６〜７×１０−６（１／Ｋ）の範囲にある材料に対しては、ナノ秒レーザ１６のパルス幅を１０ｐｓ以上１ｎｓ以下に設定し、熱膨張係数が７×１０−６（１／Ｋ）以上の材料に対しては、ナノ秒レーザ１６のパルス幅を１ｎｓ以上２０ｎｓ以下に設定してもよい。 For example, from FIG. 8, as an example, for a material having a thermal expansion coefficient in the range of 3 × 10 −6 to 7 × 10 −6 (1 / K), the pulse width of the nanosecond laser 16 is 10 ps or more and 1 ns. For materials having a thermal expansion coefficient of 7 × 10 −6 (1 / K) or more, the pulse width of the nanosecond laser 16 may be set to 1 ns or more and 20 ns or less.
なお、実験の結果、加工対象物の材料の熱膨張係数以外にも、加工対象物の材料の熱伝導率あるいはヤング率と微細なクラックを生成できる最少のパルス幅との間にも相関が認められた。 As a result of the experiment, in addition to the thermal expansion coefficient of the material to be processed, there is a correlation between the thermal conductivity or Young's modulus of the material to be processed and the minimum pulse width that can generate fine cracks. It was.
以上のようにして材料ごとに設定したナノ秒レーザ１６のパルス幅および光パワーは、
制御部３８に設けられた図示しないＲＯＭ等に記憶させておいてもよい。
The pulse width and optical power of the nanosecond laser 16 set for each material as described above are as follows.
You may memorize | store in ROM etc. which are provided in the control part 38 and which are not shown in figure.
次に、図２の工程Ｓ１０２について説明する。工程Ｓ１０２では、フェムト秒レーザ１４からの光の照射によって加工対象物４０に局所的に形成された光吸収率増加領域に対して、当該光吸収率増加領域の光吸収率が元に戻る前に、つまり光吸収率持続時間内に、ナノ秒レーザ１６からの光を照射する。この際のナノ秒レーザ１６のパルス幅および光パワーは、工程Ｓ１００において設定されたパルス幅および光パワーである。 Next, step S102 in FIG. 2 will be described. In step S <b> 102, before the light absorption rate of the light absorption rate increasing region returns to the original with respect to the light absorption rate increasing region locally formed on the workpiece 40 by irradiation of light from the femtosecond laser 14. That is, the light from the nanosecond laser 16 is irradiated within the light absorption rate duration. The pulse width and optical power of the nanosecond laser 16 at this time are the pulse width and optical power set in step S100.
ナノ秒レーザ１６から出射される光パルスは、フェムト秒レーザ１４から出射される光パルスと時間的または空間的に、あるいは時間的および空間的にオーバーラップ（重畳）させることが好ましい。
図３は、フェムト秒レーザ１４からの光パルスとナノ秒レーザ１６からの光パルスとを時間的にオーバーラップさせる場合の例を示している。図３では、フェムト秒レーザ１４からの光パルスのピークに対するナノ秒レーザ１６からの光パルスのピークの遅れの時間差を遅延時間ｔＤ秒と定義している。
It is preferable that the light pulse emitted from the nanosecond laser 16 overlaps (superimposes) the light pulse emitted from the femtosecond laser 14 in time or space, or in time and space.
FIG. 3 shows an example in which the light pulse from the femtosecond laser 14 and the light pulse from the nanosecond laser 16 are temporally overlapped. In FIG. 3, the time difference of the delay of the peak of the light pulse from the nanosecond laser 16 with respect to the peak of the light pulse from the femtosecond laser 14 is defined as a delay time tD seconds.
図３で示す例では、フェムト秒レーザ１４からの光パルスのピークに対してナノ秒レーザ１６からの光パルスのピークは遅延時間ｔＤだけ遅れているが、加工対象物４０に入射するのはナノ秒レーザ１６からの光パルスが先である。そのため、フェムト秒レーザ１４からの光パルスとナノ秒レーザ１６からの光パルスとの間に時間的なオーバーラップが生じている。 In the example shown in FIG. 3, the peak of the light pulse from the nanosecond laser 16 is delayed by the delay time tD with respect to the peak of the light pulse from the femtosecond laser 14, but it is nano that is incident on the workpiece 40. The light pulse from the second laser 16 is first. Therefore, a temporal overlap occurs between the light pulse from the femtosecond laser 14 and the light pulse from the nanosecond laser 16.
図３には、吸収しきい値も併せて示している。先述したように、本実施の形態では、フェムト秒レーザ１４からの光パルスの光パワーのピーク値は、吸収しきい値を超える値に設定されている。また、ナノ秒レーザ１６からの光パルスの光パワーのピーク値は、吸収しきい値未満に設定されている。 FIG. 3 also shows the absorption threshold value. As described above, in the present embodiment, the peak value of the optical power of the optical pulse from the femtosecond laser 14 is set to a value exceeding the absorption threshold value. The peak value of the optical power of the optical pulse from the nanosecond laser 16 is set to be less than the absorption threshold value.
図９および図１０に、ソーダ石灰ガラスについて、上記遅延時間ｔＤを変えた場合の光吸収率の変化を示す。図９はｔＤ＝０．２５ｎｓの場合、図１０はｔＤ＝０．０５ｎｓの場合の光吸収率の変化を示している。図９および図１０の各々においては、フェムト秒レーザ１４に加えて、エネルギー約１．２μＪ、パルス幅約０．１ｎｓのナノ秒レーザ１６を照射している。また、本光吸収率の測定は、上述のポンププローブ法を用いて行った。 FIG. 9 and FIG. 10 show changes in the light absorption rate when the delay time tD is changed for soda-lime glass. FIG. 9 shows the change in the light absorption rate when tD = 0.25 ns, and FIG. 10 shows the change in the light absorption rate when tD = 0.05 ns. In each of FIGS. 9 and 10, a nanosecond laser 16 having an energy of about 1.2 μJ and a pulse width of about 0.1 ns is irradiated in addition to the femtosecond laser 14. Moreover, the measurement of this light absorption rate was performed using the above-mentioned pump probe method.
図５との比較で明らかなように、図１０では、光吸収率が高くなり、また光吸収率持続時間も大幅に拡大されている一方、図９では図５との対比において明確な差異がない。このことから、図１０は、フェムト秒レーザ１４からの光パルス照射で生じた０．２ｎｓ程度の光吸収持続時間（図５参照）において照射した、ナノ秒レーザ１６からの光パルスのエネルギーの一部が加工対象物４０に吸収され、該エネルギーの吸収によりさらに固体内部プラズマもしくはイオン化に起因する自己吸収が持続していることを示しているといえる。 As is clear from comparison with FIG. 5, in FIG. 10, the light absorption rate is high and the light absorption rate duration is greatly expanded, whereas in FIG. 9, there is a clear difference in comparison with FIG. 5. Absent. From this, FIG. 10 shows the energy of the light pulse from the nanosecond laser 16 irradiated for the light absorption duration of about 0.2 ns (see FIG. 5) generated by the light pulse irradiation from the femtosecond laser 14. It can be said that the self-absorption due to solid internal plasma or ionization is further sustained by the absorption of the energy by the workpiece 40 and the absorption of the energy.
また、ナノ秒レーザ１６からの光パルスのパルス幅がさらに長い場合（例えば、一例として、１０ｎｓ程度のパルス幅）であっても、該光パルスの最初の一部が吸収されれば、
それに続く光パルスの残りの部分も吸収されるということであり、換言すれば、光パルスのパルス幅全域の時間に渡って吸収させることができることを示している。
Even if the pulse width of the optical pulse from the nanosecond laser 16 is longer (for example, a pulse width of about 10 ns as an example), if the first part of the optical pulse is absorbed,
This means that the remaining part of the subsequent light pulse is also absorbed, in other words, it can be absorbed over the entire pulse width of the light pulse.
本実施の形態においては、上記遅延時間ｔＤを加工対象物４０の材料ごとに実験等から求めることを基本としている。
しかしながら、図５および図１０の結果から示される事実、すなわち、フェムト秒レーザ１４からの光パルスを加工対象物４０に照射した直後から光吸収率の増加が生じ、ナノ秒レーザ１６からの光パルスの最初の一部が加工対象物４０に吸収されれば、それに続くナノ秒レーザ１６からの光パルスの残りの部分も吸収されるという事実から、遅延時間ｔＤは、材料にかかわらず、例えばナノ秒レーザ１６からの光パルスのパルス幅（半値全幅）の約１／２に設定してもよい。遅延時間ｔＤの設定をこのように行えば、フェムト秒レーザ１４を照射した後の光吸収率持続時間を予め材料ごとに調べる手間を省くことができる。
In the present embodiment, the delay time tD is basically obtained from experiments or the like for each material of the workpiece 40.
However, the fact shown from the results of FIGS. 5 and 10, that is, the light absorption rate increases immediately after the object 40 is irradiated with the light pulse from the femtosecond laser 14, and the light pulse from the nanosecond laser 16 is generated. Due to the fact that if the first part of is absorbed by the workpiece 40, then the rest of the light pulses from the nanosecond laser 16 are also absorbed, the delay time tD is, for example, nano, regardless of the material. You may set to about 1/2 of the pulse width (full width at half maximum) of the light pulse from the second laser 16. If the delay time tD is set in this way, it is possible to save the trouble of checking the duration of light absorption after irradiation with the femtosecond laser 14 for each material.
また、仮にフェムト秒レーザ１４からの光パルスとナノ秒レーザ１６からの光パルスとを遅延時間ｔＤ＝０ｓで加工対象物４０に照射した場合には、ナノ秒レーザ１６からの光パルスの前半部分を吸収させることができずに、エネルギーを無駄にすることになるが、
そのような問題も生じない。なお、パルス幅の１／２とは目安であって、遅延時間ｔＤをある程度拡大しても吸収させることは可能であり、必要に応じて別の固定値に変えてもよい。
Further, if the workpiece 40 is irradiated with the light pulse from the femtosecond laser 14 and the light pulse from the nanosecond laser 16 with a delay time tD = 0 s, the first half of the light pulse from the nanosecond laser 16 Ca n’t absorb the energy and wasted energy,
Such a problem does not occur. Note that ½ of the pulse width is a guideline and can be absorbed even if the delay time tD is increased to some extent, and may be changed to another fixed value as necessary.
以上のようにして、ナノ秒レーザ（加工対象物４０に対して透明なレーザ）１６からの光パルスを加工対象物４０に照射することにより、該光パルスのエネルギーが光吸収率増加領域（励起された領域）で吸収され、加工対象物４０の内部を局所的に加熱することが可能となる。その結果本実施の形態では、微細なクラックを生成させることができる。 As described above, by irradiating the workpiece 40 with the light pulse from the nanosecond laser 16 (laser transparent to the workpiece 40), the energy of the light pulse is increased in the light absorption rate region (excitation). And the inside of the workpiece 40 can be locally heated. As a result, in this embodiment, fine cracks can be generated.
本実施の形態では、以上のようにして、フェムト秒レーザ１４およびナノ秒レーザ１６の照射を予め定められた予定線に沿って行い、微細なクラックを含んだクラック生成領域を連続的に、または断続的に形成することができる。その後、必要に応じ、外部機械的応力によるブレーク工程により当該クラック生成領域に沿って割断を行ってもよい。 In the present embodiment, irradiation with the femtosecond laser 14 and the nanosecond laser 16 is performed along a predetermined schedule line as described above, and a crack generation region including a fine crack is continuously formed, or It can be formed intermittently. Thereafter, if necessary, cleaving may be performed along the crack generation region by a break process using an external mechanical stress.
［第２の実施の形態］
本実施の形態は、第１の実施の形態において、さらにクラックの生ずる方向の制御を可能とする形態である。
[Second Embodiment]
The present embodiment is a form that further enables control of the direction in which cracks occur in the first embodiment.
レーザ光によりクラックを形成する場合、一般に、真円ピームを照射すると集光部での熱応力が等方的に広がるため、クラックは任意の方向に発生する。そのため、加工対象物４０として例えば半導体材料を選択し、所定の方向にクラックの連続するラインを形成してから割断するような場合については好ましくない形状のクラックが発生する可能性がある。そのため、クラックの生ずる方向を制御する必要性が生ずる。 When a crack is formed by laser light, generally, when a perfect circular beam is irradiated, the thermal stress at the light condensing part isotropically spreads, so that the crack occurs in an arbitrary direction. Therefore, for example, when a semiconductor material is selected as the workpiece 40 and a line in which cracks are continuously formed is formed in a predetermined direction and then cleaved, cracks having an unfavorable shape may occur. Therefore, it is necessary to control the direction in which cracks occur.
クラックの生ずる方向を制御する方法としては、ピームの集光形状に方向性を持たせる（例えば、ビームの集光形状を楕円にする等）もしくは、集光スポットを２個にしてそれらを近接させて照射するなどの方法が知られている（例えば、特開２０１１−０５６５４４号公報）。 As a method for controlling the direction in which cracks occur, the beam condensing shape has directionality (for example, the beam condensing shape is made into an ellipse), or two condensing spots are brought close to each other. For example, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2011-056544 is known.
しかしながら上記の方法では超短パルスレーザを用いている為に、材料によっては十分な熱応力を付加する事ができず、そのため、ある特定の材料についてのみしか適用することができない。また、楕円もしくは複数の集光スポットが必要となるために、レーザの所要エネルギーが大きくなってしまう。さらに、熱応力を付加するのに十分なパルス幅のナノ秒レーザからの光パルスを用いて多光子吸収を発生させようとすると、シングルパルスに比べてさらに大きなエネルギーが必要とされるために、クラックは大きくなりすぎてしまう。 However, since an ultrashort pulse laser is used in the above method, sufficient thermal stress cannot be applied depending on the material, and therefore, it can be applied only to a specific material. Further, since an ellipse or a plurality of focused spots are required, the required energy of the laser becomes large. Furthermore, if an attempt is made to generate multiphoton absorption using a light pulse from a nanosecond laser with a pulse width sufficient to apply thermal stress, more energy is required compared to a single pulse, Cracks become too big.
また、フェムト秒レーザのパルスとナノ秒レーザのパルスの混合パルスを用いる場合でも、フェムト秒光パルスおよびナノ秒光パルスの双方とも楕円もしくは複数集光スポットにした場合には、フェムト秒光パルスの光エネルギーがシングルスポットの場合に比べて倍以上必要となるので、安価でかつ高速な加工に対しては好ましくない。 Even when a mixed pulse of femtosecond laser pulses and nanosecond laser pulses is used, when both femtosecond light pulses and nanosecond light pulses are elliptical or multiple focused spots, femtosecond light pulses Since the light energy is more than double that of a single spot, it is not preferable for inexpensive and high-speed processing.
本実施の形態は、フェムト秒光パルスによって発生した光吸収増加領域のエリアが、該フェムト秒光パルスの集光スポットのエリアよりも広くなることに注目して（経験的に光吸収増加領域の面積は、フェムト秒光パルスの集光スポットの面積の４倍以上）、フェムト秒光パルスはシングルスポットで照射することにより必要エネルギーを小さくし、ナノ秒光パルスの集光形状のみを制御することによって、クラックの生ずる方向の制御を行なうことを特徴とする。 In the present embodiment, attention is paid to the fact that the area of the light absorption increase region generated by the femtosecond light pulse is wider than the area of the condensing spot of the femtosecond light pulse (empirically, the light absorption increase region The area is at least 4 times the area of the focused spot of the femtosecond light pulse), and the femtosecond light pulse is irradiated with a single spot to reduce the required energy and control only the focused shape of the nanosecond light pulse. Thus, the direction in which cracks occur is controlled.
以下、本実施の形態についてさらに詳細に説明する。まず、図１において加工対象物４０の表面に対し垂直な方向から加工対象物４０の内部を見た図である図１１および図１２を参照して、ナノ秒レーザ１６から出射された楕円スポットの長軸方向と、クラックの方向との関係について説明する。 Hereinafter, the present embodiment will be described in more detail. First, referring to FIG. 11 and FIG. 12, which are views of the inside of the workpiece 40 viewed from a direction perpendicular to the surface of the workpiece 40 in FIG. 1, the elliptical spot emitted from the nanosecond laser 16 is shown. The relationship between the major axis direction and the crack direction will be described.
図１１（ａ）のように、加工対象物４０の内部にフェムト秒レーザ１４から出射された光を集光すると、該光が加工対象物４０に吸収された後、該集光部およびその周囲に固体内部プラズマが発生する。該個体内部プラズマにナノ秒レーザ１６から出射された光パルスを吸収させると、該個体内部プラズマと該ナノ秒レーザ１６から出射された楕円スポットの重なった領域が加熱され、該領域では熱応力が非等方的に広がり、該楕円スポットの長軸方向にクラックが発生する。よって、図１１（ｂ）に示すように、例えばＸ軸方向に長軸を持つ楕円のナノ秒レーザ１６からの光パルスを照射すると、クラックはＸ軸方向に発生する。 When the light emitted from the femtosecond laser 14 is condensed inside the workpiece 40 as shown in FIG. 11A, after the light is absorbed by the workpiece 40, the condensing unit and its surroundings. A solid internal plasma is generated. If the solid internal plasma absorbs the light pulse emitted from the nanosecond laser 16, the region where the solid internal plasma and the elliptical spot emitted from the nanosecond laser 16 overlap is heated, and thermal stress is generated in the region. It spreads anisotropically and cracks occur in the major axis direction of the elliptical spot. Therefore, as shown in FIG. 11B, for example, when an optical pulse from an elliptical nanosecond laser 16 having a long axis in the X-axis direction is irradiated, a crack is generated in the X-axis direction.
従って、図１１（ｂ）に示すスポットを有するナノ秒レーザ１６を用いて、図１２（ａ）に示すように、フェムト秒レーザ１４からの光パルスとナノ秒レーザ１６からの光パルスを照射しながら加工対象物４０をＸ軸方向に走査すれば、割断したい線と平行にクラックができるので、本実施の形態が目的とする、加工対象物４０の材料に応じた微細なクラックの生成上好ましい状態を得ることができる。一方、図１２（ｂ）に示すように、ナノ秒レーザ１６からの出射光における楕円スポットの長軸をＹ軸方向に向けた状態でＸ軸方向に走査すると、割断したい線と垂直にクラックができるので好ましくない。 Therefore, using the nanosecond laser 16 having the spot shown in FIG. 11B, the light pulse from the femtosecond laser 14 and the light pulse from the nanosecond laser 16 are irradiated as shown in FIG. However, if the workpiece 40 is scanned in the X-axis direction, a crack can be formed in parallel with the line to be cut, which is preferable in terms of generating fine cracks according to the material of the workpiece 40, which is an object of the present embodiment. The state can be obtained. On the other hand, as shown in FIG. 12 (b), when the long axis of the elliptical spot in the light emitted from the nanosecond laser 16 is scanned in the X-axis direction, cracks are perpendicular to the line to be cleaved. It is not preferable because it is possible.
以上のように、本実施の形態では、楕円スポットを有するナノ秒レーザ１６からの光パルスの長軸方向を割断予定線に平行になるように設定する。かかる構成により、加工対象物の材料に応じて微細なクラックを好ましい方向に生成することができ、さらに高精細な割断を行うことができる。 As described above, in this embodiment, the major axis direction of the optical pulse from the nanosecond laser 16 having an elliptical spot is set to be parallel to the planned cutting line. With such a configuration, it is possible to generate fine cracks in a preferable direction according to the material of the workpiece, and it is possible to perform high-precision cleaving.
また、図１３（ａ）あるいは図１３（ｂ）に示すように、加工対象物４０の割断面（割断によって生ずる面、ＸＺ面）と、楕円スポットを有するナノ秒レーザ１６からの光パルスの長軸が平行となる（クラックの方向が割断面に平行となる）ようにしてもよい。このような構成によっても加工対象物４０を割断する上で好ましい方向にクラックを発生させることができる。 Further, as shown in FIG. 13 (a) or 13 (b), the length of the light pulse from the nanosecond laser 16 having a fractured section (surface generated by cleaving, XZ plane) of the workpiece 40 and an elliptical spot. You may make it an axis | shaft become parallel (the direction of a crack becomes parallel to a split surface). Even with such a configuration, cracks can be generated in a preferable direction when the workpiece 40 is cleaved.
さらに、ナノ秒レーザ１６からの出射光のスポットを楕円にする方法以外に、図１４に示すように、ナノ秒レーザ１６からの出射光のスポットを略真円とし、該スポットを複数個（図１４では２個）照射するようにしてもよい。この場合のクラックの方向は図中に矢印で示すとおり、ナノ秒レーザ１６からの出射光のスポットの中心を結んだ直線の方向となる。 Further, in addition to the method of making the emitted light spot from the nanosecond laser 16 into an ellipse, as shown in FIG. 14, the emitted light spot from the nanosecond laser 16 is made into a substantially perfect circle, and a plurality of spots (see FIG. 14 may be irradiated). The direction of the crack in this case is the direction of a straight line connecting the centers of the spots of the emitted light from the nanosecond laser 16 as indicated by arrows in the figure.
以上のように、本実施の形態では、楕円スポットを有するナノ秒レーザ１６からの光パルスの長軸の方向を割断面に平行になるように設定する。あるいは、略真円のスポットを複数個有するナノ秒レーザからの光パルスのスポットの中心を結んだ線の方向を割断予定線に平行になるように設定する。かかる構成により、加工対象物の材料に応じて微細なクラックを好ましい方向に生成することができ、さらに高精細な割断を行うことができる。 As described above, in the present embodiment, the direction of the long axis of the optical pulse from the nanosecond laser 16 having an elliptical spot is set to be parallel to the split surface. Alternatively, the direction of the line connecting the centers of the spots of the optical pulse from the nanosecond laser having a plurality of substantially circular spots is set to be parallel to the planned cutting line. With such a configuration, it is possible to generate fine cracks in a preferable direction according to the material of the workpiece, and it is possible to perform high-precision cleaving.
１０ クラック生成装置
１２ レーザ光発生装置
１４ 短パルス光源（フェムト秒レーザ）
１６ 長パルス光源（ナノ秒レーザ）
１８、２４ １／２波長板
２０ ミラー
２２ 遅延回路
２２ａ、２２ｂ ミラー
２６ ＰＢＳ
２８ ビーム径調整器
３０ ダイクロイックフィルタ
３２ 集光レンズ
３４ ＸＹＺステージ
３６ ＣＣＤカメラ
３８ 制御部
４０ 加工対象物
４２ レーザ制御部
Ｌ レーザ光
ＳＬ 予め定められた予定線
10 Crack generator 12 Laser light generator 14 Short pulse light source (femtosecond laser)
16 Long pulse light source (nanosecond laser)
18, 24 1/2 wavelength plate 20 mirror 22 delay circuit 22a, 22b mirror 26 PBS
28 Beam Diameter Adjuster 30 Dichroic Filter 32 Condensing Lens 34 XYZ Stage 36 CCD Camera 38 Controller 40 Processing Object 42 Laser Controller L Laser Light SL Predetermined Schedule Line
Claims (10)
一時的に光吸収率が高くなった前記第１の領域の光吸収率が元に戻る前に、第２のレーザ光源から前記加工対象物の材料に対して予め定められた、前記加工対象物の材料が多光子吸収を生じない光強度及び前記第１のパルス幅より広い第２のパルス幅を有する第２の光パルスを、前記第１の領域の少なくとも一部に照射して吸収させ、前記予め定められた予定線に沿って前記加工対象物にクラックを生成する
クラックの生成方法。 The processing object is irradiated with a first light pulse having a predetermined first pulse width from a first laser light source and a light intensity at which the material of the processing object causes multiphoton absorption. While forming a first region in which the light absorption rate is temporarily increased along a predetermined planned line,
Before the light absorption rate of the first region where the light absorption rate has temporarily increased returns to the original state, the processing target object determined in advance for the material of the processing target object from the second laser light source Irradiating at least a part of the first region with a second light pulse having a light intensity that does not cause multiphoton absorption and a second pulse width wider than the first pulse width, A crack generation method for generating a crack in the workpiece along the predetermined schedule line.
前記第１の光パルスと時間的及び空間的の少なくとも一方において重畳させて前記第２の光パルスを照射する
請求項１に記載のクラックの生成方法。 Irradiating the second light pulse from the second laser light source
The crack generation method according to claim 1, wherein the second light pulse is irradiated with the first light pulse superimposed in at least one of time and space.
請求項１または請求項２に記載のクラックの生成方法。 The second pulse width is determined so as to be a value corresponding to a minimum pulse width among pulse widths of the second laser light source when a crack is generated in the workpiece. The crack generation method according to claim 2.
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のクラックの生成方法。 The crack generation method according to any one of claims 1 to 3, wherein the peak of the second optical pulse is delayed by a predetermined time from the peak of the first optical pulse.
請求項１ないしは請求項４のいずれか１項に記載のクラックの生成方法。 5. The crack width according to claim 1, wherein the second pulse width is determined based on at least one of a thermal expansion coefficient, a thermal conductivity, and a Young's modulus of a material of the workpiece. Generation method.
前記第２の光パルスを照射することは、前記第２の光パルスを前記加工対象物の内部に集光するように照射し、
前記第１の光パルス及び前記第２の光パルスの集光部分の大きさ、形状、及び個数の少なくとも１つが、クラックを生成する方向に応じて制御される
請求項１ないしは請求項５のいずれか１項に記載のクラックの生成方法。 Irradiating the first light pulse irradiates the first light pulse so as to be condensed inside the workpiece,
Irradiating the second light pulse irradiates the second light pulse so as to be condensed inside the workpiece,
6. At least one of the size, shape, and number of condensing portions of the first light pulse and the second light pulse is controlled according to a direction in which a crack is generated. The crack generation method according to claim 1.
請求項６に記載のクラックの生成方法。 The crack generation method according to claim 6, wherein a shape of the condensing part of the second light pulse is an ellipse, and a major axis of the ellipse is parallel to the predetermined planned line.
請求項６に記載のクラックの生成方法。 The crack generation according to claim 6, wherein the number of the condensing portions of the second light pulse is plural, and a straight line connecting the centers of the respective condensing portions is parallel to the predetermined predetermined line. Method.
前記予め定められた予定線に沿って前記加工対象物の割断をさらに行う
レーザによる割断方法。 Using the crack generation method according to any one of claims 1 to 8,
A cleaving method using a laser, further cleaving the workpiece along the predetermined schedule line.
パルス状の光を出射する第２のレーザ光源と、
加工対象物の内部に光吸収率が一時的に高くなる第１の領域を形成するように、前記第１のレーザ光源から予め定められた第１のパルス幅及び加工対象物の材料が多光子吸収を生じる光強度を有する第１の光パルスを前記加工対象物に照射させるように前記第１のレーザ光源を制御し、かつ、
一時的に光吸収率が高くなった前記第１の領域の光吸収率が元に戻る前に、第２のレーザ光源から前記加工対象物の材料に対して予め定められた、前記加工対象物の材料が多光子吸収を生じない光強度及び第１のパルス幅より広い第２のパルス幅を有する第２の光パルスを、前記第１の領域の少なくとも一部に照射させるように前記第２のレーザ光源を制御して、前記加工対象物にクラックを生成する照射制御手段と、
予め定められた予定線に沿って前記第１のレーザ光源からの前記第１の光パルス及び前記第２のレーザ光源からの前記第２の光パルスを照射するように、前記加工対象物と前記第１のレーザ光源及び前記第２のレーザ光源との少なくとも一方を移動させる移動手段と、
を含むクラック生成装置。 A first laser light source that emits pulsed light;
A second laser light source that emits pulsed light;
A first pulse width predetermined from the first laser light source and a material of the processing object are multiphotons so as to form a first region in which the light absorption rate is temporarily increased inside the processing object. Controlling the first laser light source to irradiate the workpiece with a first light pulse having a light intensity that causes absorption; and
Before the light absorption rate of the first region where the light absorption rate has temporarily increased returns to the original state, the processing target object determined in advance for the material of the processing target object from the second laser light source The second light pulse having a light intensity that does not cause multiphoton absorption and a second pulse width wider than the first pulse width so that at least a part of the first region is irradiated with the second light pulse. An irradiation control means for controlling the laser light source to generate cracks in the workpiece;
The workpiece and the workpiece so as to irradiate the first light pulse from the first laser light source and the second light pulse from the second laser light source along a predetermined schedule line. Moving means for moving at least one of the first laser light source and the second laser light source;
A crack generating apparatus including:
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