JP6944703B2 - 脆性材料基板の改質層形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス等の脆性材料基板の改質層形成方法並びに改質層形成装置に関する。

従来から基板に対して透過性を有する（透明な）パルスレーザビームを照射して内部改質層を形成する「ステルスダイシング」と称されるレーザ加工技術が利用されている（特許文献１参照）。このレーザ加工技術では、分断すべき領域の基板内部に焦点を合わせてパルスレーザビームを照射して改質し、これをストリート（分断予定ライン）に沿って連続的に行うことで改質層を形成する。そして、強度が低下した改質層に沿って外力を加えることにより分断している。

また、近年、パルス幅（パルス持続時間）がナノ秒（ｎｓ）、ピコ秒（ｐｓ）の分断用レーザビームの研究および開発が進んだ結果、個々のパルスが分割されたバースト列（バーストパルス光）として発振される「バーストモード」と称される分断用レーザビームを照射して基板の内部改質を行うレーザ加工技術も利用されている（特許文献２参照）。
すなわち、基板に対し透過性を有する波長のレーザを用いて、そのパルスレーザビームの繰り返し周波数やパルス幅が加工に適した分断用レーザビームとなるように調整し、基板内部に集光点を合わせて照射することでアブレーションを生じさせることなく改質層を形成することができる。このレーザ加工技術では、調整されたパルス幅を有する分断用レーザビームをそのまま照射するのではなく、個々のパルスを複数（例えば２〜１０個）の微細パルス幅からなるバーストパルス光（バースト列）に分割された状態で発振させて照射するようにしている。

例えば、パルス光生成手段によって、繰り返し周波数１００ｋＨｚ（１０μ秒（μｓ）周期でパルスを生成）かつパルス幅２００ｎｓの分断用レーザビームが、パルス光エネルギー１０μＪで生成される際に、バーストパルス光形成手段によりこの分断用レーザビームを微細パルス幅が１ｎｓの１０個のバーストパルス光（バースト列）に分割された状態で発振させる。この場合、バーストパルス光のピークパワーは、理論的には平均で（１０μＪ／１０個）／１ｎｓ＝１ｋＷとなるが、各バーストパルス光のピークパワーは相互に同等にすることも、相互に異ならせること（例えば、各バーストパルス光のピークパワーを順次大きくしていくこと、順次小さくしていくこと等）もできる。
そして、シリコン基板に対し透過性を有する波長（例えば１０６４ｎｍ）であって改質に適したパルス幅のパルスレーザビームを、このような複数の微細パルス幅からなるバーストパルス光として発振させ、集光器によりバーストパルス光の集光点を基板の厚み方向中央部に合わせ、シリコン基板に「バーストモード」として照射を行う。これにより、被加工物におけるレーザ入射面と反対面側への抜け光が反対面へ与えるダメージを抑制することができるようになり、この反対面上に予め形成されているデバイスへのダメージを抑制できることが開示されている。

また、分断用レーザビームのバースト列（バーストパルス光）を利用して基板を劈開する加工方法として、他の文献では基板内に「フィラメント」を形成して加工するレーザ加工技術が開示されている。すなわち、対物レンズにより集束された集束レーザビームを基板に照射して、長さが数百ミクロンまたは数ミリメートルの「レーザフィラメント」（以下「フィラメント」と略す）と称する、レーザエネルギーを蓄積させた長く狭いチャネルを基板内に形成し、基板を並進して直線状あるいは曲線状にフィラメントを移動することでフィラメントトラックを刻んで加工することが特許文献３に開示されている（特に００３５、００３９欄）。同文献ではこの加工方法が適用可能な基板材料として、ガラス、半導体、透明セラミックス、ポリマ、透明導体、広バンドギャップガラス、水晶、結晶石英、ダイヤモンド、およびサファイアが記載されている。

また、上記特許文献３に記載の「レーザフィラメント」をさらに空間的に拡張し、空間的に同質なフィラメントを長く形成する改良方法が特許文献４に開示されている。
同文献によれば、特許文献３では超高速パルスレーザビームのバーストからなる入射レーザビームが「集束レンズ」によって基板内部で集束されて、基板内部で数百ミクロン程度のフィラメントを形成できることが開示されているとしている。

特許第３４０８８０５号公報 特開２０１４−１０４４８４号公報 特表２０１３−５３６０８１号公報 特開２０１５−０３７８０８号公報

上記特許文献３、４で示されている「レーザフィラメント」によって強度の弱くなった改質層が形成されたガラス基板を分断するには、改質層に沿ってブレイクバーを押し付けて基板を機械的に撓ませることにより分断する方法がとられている。この際、改質層を形成した分断予定ラインが直線の場合は分断予定ラインに沿ってきれいに分断することができるが、図７（ａ）に示すように分断予定ラインＳが角部に円弧Ｓ１を有する四角形状の場合や、図７（ｂ）に示すように直線状の分断予定ラインＳの中間に円弧状の凸部Ｓ２がある場合には、円弧Ｓ１や凸部Ｓ２の領域を分断予定ラインＳに沿って均等に撓ませることが困難となり、きれいに分断することができない。

そこで、ブレイクバーによる機械的分断手段に代えて、ＣＯ_２レーザを改質層に照射して加熱による圧縮応力によって分断する方法も考えられる。
しかし、ＣＯ_２レーザによるブレイクでは、レーザビームを改質層に照射してスキャンしたとき、図８に示すようにレーザ照射ポイントＰよりレーザ進行方向前方側に小さな割れＫが先行して発生する傾向がある。この現象は、分断予定ラインＳが直線の場合は問題がないが、円弧の場合は円弧の接線方向に割れが先行するので、図９（ａ）に示すように亀裂Ｋ１が先走るなどしてきれいに分断することができない。特に円弧の半径が５ｍｍ以下の場合は分断がより困難となる。また、図９（ｂ）に示すように直線の分断予定ラインＳの中間に円弧状の凸部Ｓ２がある場合には、凸部Ｓ２の底辺を横切るように亀裂Ｋ２が生じるなどして歩留まりが悪くなるといった問題点があった。

そこで本発明は、パルスレーザビームのバーストを含む収差レーザビームを利用して、脆性材料基板を精度よくきれいに分断することのできる改質層形成方法並びに改質層形成装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた本発明の脆性材料基板の改質層形成方法は、パルスレーザビームのバーストを含むレーザビームを、収差を生じさせる収差生成レンズを透過させて収差レーザビームに生成し、前記収差レーザビームを脆性材料基板の分断予定ラインに沿ってスキャンして改質層（通常、強度が低下した改質層）を形成することにより前記脆性材料基板を分断予定ラインに沿って分断するようにしている。
本発明の改質層形成方法においては、収差レーザビームの最も集束する最集束部を脆性材料基板の厚みの中間位置に合わせてスキャンすることが好ましい。ここで、収差レーザビームの最集束部は、収差レーザビームの照射方向に沿って、ビームプロファイル（強度分布）を測定したときに、ビームプロファイルのピークパワーが最も高くなる位置（収差レーザビームの照射方向に沿った位置）を意味する。

また、別の観点からなされた本発明の脆性材料基板の分断装置においては、脆性材料基板を載置するテーブルと、光源から出射されたパルスレーザビームのバーストを含んだレーザビームを、収差を生じさせる収差生成レンズを介して収差レーザビームに生成する収差レーザビーム発光部材と、前記収差レーザビーム発光部材を、前記脆性材料基板の分断予定ラインに沿って相対的に移動させる収差レーザビーム発光部材移動機構とからなる構成とした。

本発明は上記のごとく構成されているので、収差レーザビームにより形成された改質層のラインに沿って分断用レーザビームを照射しながら移動させることにより、ガラス基板等の脆性材料基板を分断予定ラインに沿って完全分断することができる。したがって、分断予定ラインが、角部に円弧を有する四角形状であったり、直線状の分断予定ラインの途中に湾曲した凸部を有するような複雑な形状であったりしても、円弧の接線方向に先走る亀裂や、凸部の底辺を横切る亀裂等を生じさせることなく、分断予定ラインに沿ってきれいに分断することができるといった効果がある。

本発明において、前記収差生成レンズは平凸レンズで形成するのがよい。この場合、レーザビームを平凸レンズの平面側から当該平面の中央部を含む領域に入射させることにより、凸面側から収差レーザビームを出射させることができる。
さらに、本発明において、前記収差レーザビームの光源が波長０．７〜２．５μｍ（例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの基本波）の近赤外レーザであり、かつ、パルス幅が１００ピコ秒以下のレーザビームのバーストを用いるようにしてもよい。

本発明に係る改質層形成装置の概略的な説明図。 本発明における収差レーザビーム発光部材の光学系を示すブロック図。 収差レーザビームの集束状態を示す拡大説明図。 パルスレーザビームのバーストのプロファイルを示す概念図。 本発明における改質層形成工程（第一段階）を示す説明図。 本発明における改質層形成工程後の分断加工工程（第二段階）を示す説明図。 分断予定ラインの形状の一例を示す平面図。 ＣＯ_２レーザビームによる分断時の割れの発生を説明するための平面図。 図７で示した分断予定ラインでの亀裂の発生を説明するための平面図。

以下において、本発明の詳細を図に示した実施例に基づき説明する。
図１は本発明に係るスクライブ（改質層形成）装置（分断装置）Ａを示す図である。
スクライブ装置Ａには、左右の支柱１、１にＸ方向に沿ったガイド２を備えた水平なビーム（横梁）３が設けられている。このビーム３のガイド２には、収差レーザビーム発光部材４を備えたスクライブヘッド５と、分断用レーザビーム発光部材６および冷却部材（冷却媒体）７を備えたスクライブヘッド８とがモータＭ１によりＸ方向に移動できるように取り付けられている。加工対象となる脆性材料基板Ｗを載置して吸着保持するテーブル９は、縦軸を支点とする回動機構１０を介して台盤１１上に保持されており、台盤１１は、モータＭ２によって駆動するスクリューネジ１２によってＹ方向（図１における前後方向）に移動できるように形成されている。なお、本実施例では、収差レーザビーム発光部材４と分断用レーザビーム発光部材６とは個別のスクライブヘッド５、８に振り分けて取り付けられているが、共通のスクライブヘッドに取り付けるようにしてもよい。

スクライブヘッド５に取り付けられた収差レーザビーム発光部材４は、図２に示すように、パルス幅（パルス持続時間）が１００ピコ秒以下、好ましくは５０ピコ秒以下（通常は１ピコ秒以上）、ここでは１５ピコ秒のパルスレーザビームを出射する光源４ａと、この光源４ａから発振されたパルスレーザビームを分割されたバースト列の集合として出射させる光変調器４ｂと、この光変調器４ｂから出射されたレーザビームＬ１に収差を生じさせる収差生成レンズ４ｃとを備える。
なお、光源４ａには波長０．７〜２．５μｍの近赤外レーザを使用することができる。
また、パルスレーザビームのバースト列を出射させる光変調器４ｂについては、例えば特表２０１２−５１５４５０号公報に開示されており、ここでは公知の光変調器を利用してパルスレーザビームのバースト列を出射するものとし、詳細については説明を省略する。

光変調器４ｂから出射されたレーザビームＬ１に収差を生じさせるために用いる収差生成レンズ４ｃは、特に限定されるものではないが、ここでは焦点を光軸方向に分散させ、通過したレーザビームＬ１を軸方向にぼやけた焦点を結ぶように集束させて収差を生じさせる平凸レンズを利用している。この平凸レンズを通過したレーザビームＬ１は、焦点が分散した収差レーザビームＬ２となる。レーザビームＬ１を平凸レンズの平面側から入射させることによって、凸面側から収差レーザビームＬ２を出射させることができる。

パルスレーザビームのバースト列から生成された収差レーザビームＬ２は、図３（ａ）に示すように、収差生成レンズ４ｃで集束させることによりレーザエネルギーを各焦点部ｆで蓄積させた狭くて長い高エネルギー分布領域Ｆを形成することができる。この高エネルギー分布領域Ｆを模式的に拡大した図を図３（ｂ）に示す。このような高エネルギー分布領域Ｆの形成によって、加工対象物である脆性材料基板Ｗとして、例えばソーダガラス基板の表面に照射したときに、加工対象基板Ｗの被照射面から内部深くまで強度の弱くなった改質層を加工することができる。

もう一方のスクライブヘッド８に取り付けられた分断用レーザビーム発光部材６から出射される分断用レーザビームＬ３（図６参照）には、加熱による圧縮力によって強度の弱くなった改質層を完全分断することのできるレーザビームが用いられる。本実施例では、この分断用レーザビームＬ３として波長１０．６μｍのＣＯ_２レーザビームを使用した。なお、ＣＯ_２レーザビームに代えて、波長０．７〜１０μｍのＩＲレーザビーム等を用いることもできる。また、冷却部材７から噴射される冷媒として、冷却エアや噴霧状の水などを用いることができる。

次に、上記のスクライブ装置Ａを用いた本発明に係る脆性材料基板Ｗの分断方法について、図１〜６を参照しつつ以下に説明する。本実施例では、加工対象となる脆性材料基板Ｗとして、厚み１．８ｍｍのソーダガラス基板を用いた。

まず、図５、６に示すように、テーブル９上に基板Ｗを載置し、収差レーザビーム発光部材４から出射される収差レーザビームＬ２を基板Ｗに向かって照射しながら、スクライブヘッド５とガイド２による収差レーザビーム発光部材移動機構により基板Ｗの分断予定ラインＳに沿って移動させる。このとき、収差レーザビームＬ２の集束部における高エネルギー分布領域Ｆが基板Ｗの厚みの中間位置となるようにする。これにより、基板Ｗの被照射面から内部の深くまで、分断予定ラインＳに沿って改質層（通常は、強度が弱くなった改質層）を加工することができる。

ここで、バーストを含む収差レーザビームＬ２（パルスレーザビームのバースト列）の好ましい実施条件の一例を下記に示す。

レーザ出力 ： １９．４Ｗ
繰り返し周波数 ： ３２．５ｋＨｚ
パルス幅 ： １５ピコ秒
パルス間隔（レーザパルスの基板上での照射スポットの照射間隔）： ４μｍ
バースト ： ４パルス
パルスエネルギー ： １５５μＪ／１バースト
走査速度 ： １３０ｍｍ／ｓ

なお、加工深さや加工状態は、上記したレーザ出力、繰り返し周波数、パルス幅、バースト数やパルス間隔、収差等の調整により容易にコントロールすることができる。

図４はパルスレーザビームのバースト列を示す模式図である。１つ１つのパルスレーザビームが分割された４つの微細パルスｐが形成され、これが繰り返し周波数ごとに間欠的に照射される。

上記のようにして、基板Ｗに対し分断予定ラインＳに沿って強度の弱くなった改質層を加工した後、図６（ａ）に示すように、改質層を加工した分断予定ラインＳに向かって分断用レーザビーム発光部材６からＣＯ_２レーザビームＬ３を照射しながら、スクライブヘッド８並びにガイド２を含む分断用レーザビーム発光部材移動機構により分断予定ラインＳに沿って移動させる。同時に、ＣＯ_２レーザビームＬ３の照射ポイントＰの進行方向前方側に向かって冷却部材７から冷媒を噴射する。図６（ｂ）は、基板Ｗに対するＣＯ_２レーザビームＬ３の照射ポイントＰの部位を上面から見た平面図であって、冷却部材７による冷却領域を符号Ｂで示す。冷却領域Ｂは冷媒の飛散によってレーザビームの照射ポイントＰの進行方向前方側を冷却する（好ましくは照射ポイントＰの進行方向前方側を中心に照射ポイントＰの周辺を取り巻く）ように形成される。

このようにして、改質層を加工した分断予定ラインＳに沿ってＣＯ_２レーザビームＬ３を照射しながら移動させることにより、熱応力によって基板Ｗが分断予定ラインＳに沿って完全分断される。このとき、ＣＯ_２レーザビームＬ３の照射ポイントＰの進行方向前方側（好ましくは照射ポイントＰの進行方向前方側を中心に照射ポイントＰの周辺）が冷却されるので、照射ポイントＰの部位で生じる熱応力、すなわち、加熱による圧縮応力と、冷却による引張応力を効果的に高めることができ、これにより、先に図８で述べたような、レーザ進行方向前方側での割れＫを生じさせることなく、照射ポイントＰの部位のみを効果的に分断することができる。したがって、例えば、図９（ａ）に示すように分断予定ラインＳが、角部に円弧Ｓ１を有する四角形状の場合や、図９（ｂ）に示すように直線状の分断予定ラインＳの中間に円弧状凸部Ｓ２を有する場合であっても、円弧の接線方向に先走る亀裂Ｋ１や、凸部Ｓ２の底辺を横切る亀裂Ｋ２を生じさせることなく、分断予定ラインＳに沿ってきれいに分断することができる。
また、ＣＯ_２レーザビームＬ３の照射ポイントＰの進行方向前方側（好ましくは照射ポイントＰの進行方向前方側を中心にその周辺）を冷却することによって熱応力を高めることができるので、ＣＯ_２レーザビームＬ３の出力を下げても分断することが可能となり、消費電力を軽減することができる。

以上、本発明の代表的な実施形態について説明したが、本発明は必ずしも上記の実施形態のみに特定されるものでない。例えば、上記実施例では、収差レーザビームの照射によって全ての分断予定ラインに改質層を形成した後、ＣＯ_２レーザビームなどの分断用レーザビームを改質層に照射して分断するようにしたが、収差レーザビームの照射に追随して分断用レーザビームを照射するようにしてもよい。その他本発明では、本発明の目的を達成し、請求の範囲を逸脱しない範囲内で適宜修正および変更することが可能である。

本発明は、ガラス基板等の脆性材料基板を分断する際に利用することができる。

Ａ スクライブ（改質層形成）装置（分断装置）
Ｂ 冷却領域
Ｆ 高エネルギー分布領域
Ｋ 割れ
Ｌ１ レーザビーム
Ｌ２ 収差レーザビーム
Ｌ３ 分断用レーザビーム（ＣＯ_２レーザビーム）
Ｐ 分断用レーザビームの照射ポイント
Ｓ 分断予定ライン
Ｗ 脆性材料基板
２ ガイド
４ 収差レーザビーム発光部材
４ａ 光源
４ｂ 光変調器
４ｃ 収差生成レンズ
５ スクライブヘッド
６ 分断用レーザビーム発光部材
７ 冷却部材（冷却媒体）
８ スクライブヘッド
９ テーブル

Claims (1)

1. 脆性材料基板の改質層形成方法であって、
   パルスレーザビームのバーストを含み、波長が０．７〜２．５μｍでパルス幅が１００ピコ秒以下のレーザビームを、平凸レンズの平面側から当該平面の中央部を含む領域に入射させ、凸面側から収差レーザビームを出射させ、複数の焦点部で集束させ、レーザエネルギーを各焦点部で蓄積させた高エネルギー分布領域を形成させ、
   前記収差レーザビームを脆性材料基板の分断予定ラインに沿ってスキャンしてレーザフィラメントを形成させることなく改質層を形成することを特徴とする脆性材料基板の改質層形成方法。

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