JPWO2012063348A1 - レーザ加工方法及び装置 - Google Patents

Abstract

レーザ加工方法は、加工対象物の内部に集光部を合わせてレーザ光を照射し、前記加工対象物の内部に多光子吸収による改質領域を形成する照射工程と、前記改質領域の周囲に形成されるクラック領域が、前記加工対象物のレーザ光入射面側に対して反対側となる表面から該レーザ光入射面側の表面まで連続するよう、前記改質領域を複数形成する切断工程とを備える。

Description

本発明は、レーザ光を照射して加工対象物に対して、切断等の加工を行うレーザ加工方法及び装置の技術分野に関する。

この種の加工装置として、ガラス基板等の加工対象物の表面又は内部に、レーザ光を集光させることで、多光子吸収によって局所的に脆化した改質領域を形成する装置が知られている。下記に示す先行技術文献には、加工対象物の内部に形成した改質領域を起点として、劈開等の手順を加えることで加工対象物を分断する方法について説明されている。

また、先行技術文献には、レーザ照射により、棒状の脆性加工対象物の外周に切断のための切欠を形成し、該切欠に側圧を付加することで分断を行う方法についても説明されている。このような加工対象物の分断は、例えばチップ等の電子部品を形成する際に用いられ、加工対象物の分断面の平面度の向上等、加工精度の向上のために、種々の工夫が為されている。

特許第３４０８８０５号 特許第４３９９９６０号

ところで、前述した先行技術文献に説明される方法によれば、加工対象物の内部に改質領域を形成することで、分断の起点となるライン等を形成し、該ラインに沿って割断することで、加工対象物の分断を行っている。該方法によれば、レーザ光の照射によって起点となるラインを形成する工程と、ラインに沿って割断する工程とが必要となり、夫々の工程を実現するための設備や機構が求められる。また、該方法では、改質領域によって形成されたラインは、分断面の一部にしかすぎないため、割断の際に分断面を規定出来ず、分断面の平面度を管理することが出来ないとの技術的な問題がある。また、側圧による分断を行う場合にも、同様に分断面の平面度を管理出来ないため、分断面に大きなうねりが生じる可能性がある。このように分断後の加工対象物の分断面の平面度が十分でない場合、分断面の研磨等の工程が更に必要となる。

本発明は、例えば上述の問題点に鑑み為されたものであり、レーザ光の照射を用いて加工対象物の分断を行う場合において、分断面の平面度を向上させ、且つより少ない工程数で加工を実現可能なレーザ加工方法及び装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明のレーザ加工方法は、加工対象物の内部に集光部を合わせてレーザ光を照射し、前記加工対象物の内部に多光子吸収による改質領域を形成する照射工程と、前記改質領域の周囲に形成されるクラック領域が、前記加工対象物のレーザ光入射面側に対して反対側となる表面から該レーザ光入射面側の表面まで連続するよう、前記改質領域を複数形成する切断工程とを備える。

上記課題を解決するために、本発明のレーザ加工装置は、加工対象物の内部に集光部を合わせてレーザ光を照射し、前記加工対象物の内部に多光子吸収による改質領域を形成する照射手段と、前記改質領域の周囲に形成されるクラック領域が、前記加工対象物のレーザ光入射面側に対して反対側となる表面から該レーザ光入射面側の表面まで連続するよう、前記改質領域を複数形成する切断手段とを備える。

加工対象物内部に形成される改質領域及びクラック領域の態様を示すブロック図である。 加工対象物内部の分断予定面の例を示す図である。 パルス状のレーザ光の例を示す図である。 レーザ光の照射条件に応じて形成される改質領域のサイズの例を示す表である。 レーザ光の照射による加工動作の例を示す図である。 レーザ光の照射による加工動作の例を示す図である。 レーザ光の照射による加工動作の例を示す図である。 レーザ光の照射による加工動作の例を示す図である。 レーザ光の照射による加工動作の流れを示すフローチャートである。 レーザ加工装置の構成例を示すブロック図である。

本発明のレーザ加工方法の実施形態は、加工対象物の内部に集光部を合わせてレーザ光を照射し、前記加工対象物の内部に多光子吸収による改質領域を形成する照射工程と、前記改質領域の周囲に形成されるクラック領域が、前記加工対象物のレーザ光入射面側に対して反対側となる表面から該レーザ光入射面側の表面まで連続するよう、前記改質領域を複数形成する切断工程とを備える。

本発明のレーザ加工方法の実施形態では、加工対象物に対してレーザ光を照射し、該レーザ光を加工対象物の表面又は内部に集光させる。このとき、集光部近傍において多光子吸収による改質が生じ、改質領域が形成される。改質領域は、改質が生じていない領域と比較して脆化している。

また、改質領域の周縁には、改質に伴う内部応力の作用によって、細かいヒビなどのクラックが生じることがある。クラック領域とは、加工対象物の内部又は表面において、このようなクラックが生じた領域を示す趣旨である。このようなクラックは、加工対象物の内部のレーザ光の集光部の近傍の領域に蓄積された余剰のエネルギによる熱膨張に起因する応力の作用によって生じるとされる。

尚、加工対象物の内部に形成される改質領域及びクラック領域の夫々の大きさは、レーザ光の出力や波長等の照射条件、加工対象物の材質に応じた光吸収度合い等に応じて変化する。また、改質領域及びクラック領域は、レーザ光の集光部を中心とした球状、楕円体状、又は円柱状等の立体となる。特に、楕円体状又は円柱状の改質領域及びクラック領域は、レーザ光の光軸方向にその長軸を有する。

照射工程では、加工対象物の内部を少なくとも改質領域を形成する領域まで透過可能な波長であって、典型的にはパルス状のレーザ光を加工対象物の内部に照射する。例えば、照射工程では、レーザ光を照射可能なレーザ光源と、照射されたレーザ光を加工対象物の内部に集光するための集光レンズとが用いられる。その他のレーザ光の照射条件については後述する。

切断工程では、クラック領域が加工対象物のレーザ光入射面側とは反対側の表面から、該レーザ光の入射側の表面まで連続して形成されるよう、レーザ光の集光部が加工対象物内を移動する。この時の移動は相対的なものであってよく、例えば、一方を固定して他方を移動するものや、双方を同時に移動するものであってもよい。

例えば、切断工程では、集光レンズをレーザ光の光軸方向に移動させることで集光部をレーザ光の光軸方向に沿って移動させるレンズユニットと、レーザ光の光軸方向と直交する方向に加工対象物を移動させるアクチュエータを備えるステージ等が用いられる。

本発明のレーザ加工方法の実施形態によれば、切断工程によって、加工対象物の内部であって、加工対象物の分断を行いたい面（以降、分断予定面と記載）内において、レーザ光の入射側とは反対側の表面から、該レーザ光の入射側の表面まで連続したクラック領域が形成される。このようなクラック領域を形成することで、分断予定面ではレーザ光の入射側とは反対側の表面から、該レーザ光の入射側の表面まで小さな傷やヒビが形成された状態となるため、例えば割断などの更なる工程を加えることなく、加工対象物の分断が可能となる。例えば、一般的なレーザダイシング法において実施されるような、割断後に分断した加工対象物を伸縮性の粘着シート上に配置して、該粘着シートを延伸することによる所謂分離工程等によって容易に分断可能となる。

更に、分離工程においては、このように連続して形成されるクラック領域に沿って加工対象物の分断が生じるため、分断後の断面の平面度の制御が可能となる。特に、後に詳述するように、照射するレーザ光について、波長を短く、平均出力を低く、又はパルス幅を短く設定することで、加工対象物の内部に形成される改質領域及びクラック領域は小さくなる。従って、本発明のレーザ加工方法の実施形態によれば、改質領域内に形成される改質領域及びクラック領域に沿った切断予定面の幅を狭めることが出来、分断後の切断面の平面度を良好に保つことが出来る。

尚、単にレーザ光の照射により形成される改質領域及びクラック領域を小さくするためには、パルス幅がフェムト秒、又はピコ秒となる超短パルスレーザを使用することも考えられる。特許第４０５４７７３号には、これらのレーザ光を用いて、シリコン基板内部にクラックを形成する手法について説明されている。本実施形態に係るレーザ加工方法において、このようなレーザ光を用いて小さな改質領域及びクラック領域を多数形成する場合、より狭まった幅の切断予定面を形成することが出来る可能性がある。このため、理論上より平面度に優れた切断面での切断が可能となる。

一方で、上述した超短パルスレーザを用いる場合には、切断予定面内に連続したクラック領域を形成するための総照射時間がナノ秒レーザなどの短パルスレーザを用いる場合と比べて長期化することが予測される。レーザ照射による加工方法が適用される産業上の場面においては、多くの加工対象物に対して迅速な加工が要求される傾向にある。このことから、上述の超短パルスレーザは、レーザ光照射による基板などの切断時の加工にはそぐわない。更に、超短パルスレーザを用いる加工には、超短パルスレーザを精確に照射可能な加工装置が必要となり、設置コストの上昇から、産業上の適用可能性に問題がある。

他方で、本発明のレーザ加工方法によれば、比較的設置コストが低く、一般的に用いられることが多いパルス幅がナノ秒オーダのレーザ光を照射可能な設備があれば実施可能である。また、加工対象物となるガラス、水晶、シリコン等の基板において一般的に求められる切断面の加工精度は、平面度が２０乃至５０μｍ程度が目安となっている。このことから、求められる加工精度を満たし、且つ高速に加工可能な本発明のレーザ加工方法は、産業上の適用可能性に優れるという利点も有する。

尚、本実施形態においては、加工対象物の内部の分断予定面においては、光軸と直交する方向にも一方の端部から他方の端部まで連続するクラック領域が形成されていることが好ましい。つまり、加工対象物の内部における分断予定面の全面に亘ってクラック領域が形成されることが好ましい。

本発明のレーザ加工方法の実施形態の他の態様において、前記切断工程では、前記レーザ光の光軸と直交する方向において連続して前記クラック領域を形成するよう前記レーザ光の集光部又は前記加工対象物の少なくとも一方を移動する第１の工程と、前記レーザ光の集光部を前記レーザ光の光軸方向に前記クラック領域のサイズに応じた所定距離移動する第２の工程とが繰り返し実施される。

この態様では、第１の工程と第２の工程とを繰り返し実施することで、加工対象物の内部における分断予定面において、レーザ光入射面側とは反対側の表面から、該レーザ光の入射側の表面まで連続したクラック領域を形成することが出来る。

例えば、上述したレンズユニットと、アクチュエータを備えるステージとを用いた例では、レーザ光を照射した状態で、加工対象物を移動することで、レーザ光の光軸と直交する方向にレーザ光の集光部をスキャンさせ、切断予定面内のスキャン経路上に連続的なクラック領域のラインを形成する。

次に、レンズユニットは、クラック領域のサイズに応じてレーザ光の集光部を光軸方向に移動させる。このとき、好適には、レーザ光の照射条件や、加工対象物の光学的な性質等に応じて変化するクラック領域のサイズに応じて、クラック領域が連続して形成されるよう（言い換えれば、移動後のレーザ光のスキャンによって形成されるクラック領域が及ぶ範囲と、移動前のスキャンによって形成される改質領域とが少なくとも接するように）、移動距離が設定される。

この態様によれば、好適に加工対象物の内部における分断予定面内において、レーザ光の入射側とは反対側の表面から、該レーザ光の入射側の表面まで連続したクラック領域を容易に得ることが出来る。このため、加工対象物の内部の分断予定面において、クラック領域が形成されない部分が残ることによる分断の不備を排除出来、また、分断後の断面の平面度を高精度とすることが出来る。

尚、レーザ光のスキャン時に、レーザ光の平均出力が比較的高い照射条件である場合や、加工対象物の移動速度が比較的遅い場合等、加工時の条件によっては、加工対象物の内部に連続的な改質領域のラインが形成される場合がある。改質領域内部に更に集光部を合わせることで更なる改質領域やクラック領域の形成に繋がることが知られているが、本態様の他の条件を満たし得る限りは、改質領域が連続的に形成されていてもよい。本態様を実施する上で好ましいレーザ光の照射条件や、加工対象物の移動速度については、後に詳述する。

本発明のレーザ加工方法の実施形態の他の態様において、前記照射工程では、前記加工対象物の内部における前記レーザ光の光軸方向において、前記改質領域が１０μｍ乃至９０μｍの間隔で複数形成する。

この態様によれば、加工対象物の内部におけるレーザ光の光軸方向に、連続したクラック領域を好適に形成可能な照射条件を設定出来る。このため、加工対象物の内部の分断予定面において、クラック領域が形成されない部分が残ることによる分断の不備を排除出来、また、分断後の断面の平面度を高精度とすることが出来る。

本発明のレーザ加工方法の実施形態の他の態様において、前記照射工程では、パルス幅が５ｎｓ乃至２０ｎｓ、繰り返し周波数が１５ｋＨｚ乃至５０ｋＨｚ、平均出力が０．０５Ｗ乃至０．２Ｗの条件を満たす条件で前記レーザ光を照射し、前記切断工程では、前記レーザ光と前記加工対象物との相対速度が５ｍｍ／ｓ乃至３００ｍｍ／ｓの条件で前記レーザ光の集光部が前記加工対象物の内部を前記レーザ光の光軸と直交する方向に移動するよう、前記レーザ光の集光部又は前記加工対象物の少なくとも一方を移動させる。

この態様によれば、ガラスを加工対象物とするレーザ加工に際し、パルス状のレーザ光の出射条件を適切に設定出来る。上述した加工条件では、レーザ光の出力が比較的小さいため、加工対象物内部に多光子吸収により形成される改質領域及びその周囲のクラック領域のサイズも比較的小さなものとなる。このため、加工対象物の内部であって、レーザ光の光軸方向に複数の改質領域を形成することで、分断予定面において連続したクラック領域を得ることが出来る。このため、加工対象物の内部の分断予定面において、クラック領域が形成されない部分が残ることによる分断の不備を排除出来、また、分断後の断面の平面度を高精度とすることが出来る。

本発明のレーザ加工方法の実施形態の他の態様において、前記照射工程では、波長が３５５ｎｍである前記レーザ光を照射する。

この態様では、レーザ加工用のレーザの波長が比較的短いため、比較的小さい領域内にレーザ光の集光部を形成することが可能となる。これにより、集光部内においては、比較的小さい領域内部に多光子吸収による改質領域を形成可能となると共に、集光部以外の領域に対するレーザ光照射による発熱などの影響を軽減することが出来る。

本発明のレーザ加工方法の実施形態の他の態様において、前記加工対象物は、前記レーザ光に対して透過性を有する。

このため、加工対象物の内部における、レーザ光の集光部以外の領域におけるレーザ光の吸収を低減し、且つ内部の加工のための所望の深さまでレーザ光を好適に透過させることが可能となる。尚、加工対象物がレーザ光に対して透過性を有する場合であっても、レーザ光の出力が十分高い場合には、多光子吸収による改質領域の形成が生じるため、上述した加工は依然可能となる。尚、レーザ光の出力や、その他の加工対象物の光学的な性質については、指定がない限りは、この多光子吸収が十分生じる範囲内で任意に決定されてよいものである。

本発明のレーザ加工方法の実施形態の他の態様において、前記加工対象物は、複数の基板を張り合わせたものである。

この態様における複数の基板を張り合わせた加工対象物とは、例えばガラスや水晶等の複数枚の基板を接着剤などで張り合わせて、所謂張り合わせガラス等を示す趣旨である。レーザ加工方法の実施形態では、加工対象物のレーザ光の入射側とは反対側の表面から、該レーザ光の入射側の表面まで連続してクラック領域が形成されるため、複数の基板を張り合わせた加工対象物であっても、各基板に連続したクラック領域が形成される。このため、連続したクラック領域を分断面とした加工対象物の分断を容易に実施することが可能となる。

尚、上述したように波長３５５ｎｍ、平均出力が０．０５Ｗ乃至０．２Ｗのレーザ光を加工に用いる場合、各基板を張り合わせる接着剤に生じる変質を抑制出来、更に好適な加工が可能となる。

本発明のレーザ加工装置の実施形態は、加工対象物の内部に集光部を合わせてレーザ光を照射し、前記加工対象物の内部に多光子吸収による改質領域を形成する照射手段と、前記改質領域の周囲に形成されるクラック領域が、前記加工対象物のレーザ光入射面側に対して反対側となる表面から該レーザ光入射面側の表面まで連続するよう、前記改質領域を複数形成する切断手段とを備える。

本発明のレーザ加工装置の実施形態は、例えば、上述したレーザ加工方法を実現するための装置である。レーザ加工装置は、照射手段として、例えば、所定の条件のレーザ光を照射するレーザ光源と、該レーザ光を加工対象物の内部に集光させて集光部を形成させる集光レンズとを備える。レーザ加工装置は、切断手段として、例えば、上述するような集光レンズを駆動可能なレンズユニットと、アクチュエータが設けられるステージとを備える。

尚、上述したレーザ加工方法の実施形態が取り得る各種態様に対応して、レーザ加工装置の実施形態もまた各種態様を採用してもよい。

以上、説明したように、本発明のレーザ加工方法の実施形態は、集光工程と、切断工程とを備える。本発明のレーザ加工装置の実施形態は、集光手段と、切断手段とを備える。

このため、加工対象物の内部の分断予定面において、クラック領域が形成されない部分が残ることによる分断の不備を排除出来、また、分断後の断面の平面度を高精度とすることが出来る。

本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

（１）レーザ加工方法の実施の例
本発明のレーザ加工方法は、加工対象物の内部に集光部を形成するようレーザ光を集光し、該集光部近傍に多光子吸収による改質領域とクラック領域を形成する。本実施例では、形成した改質領域及びクラック領域では、改質が生じていない領域と比較して脆化していることを利用し、改質領域及びクラック領域を用いて加工対象物を分断する方法について説明する。

改質領域及びクラック領域を用いた加工対象物の分断の概要について図を参照して説明する。図１は、レーザ加工の対象となる加工対象物１を加工用のレーザ光Ｌ１の光軸と直交する方向に沿った断面図である。

加工対象物１は、ガラスや水晶等から成る基板などである。加工対象物１は、レーザ加工に用いるレーザ光Ｌ１を透過可能（つまり、光学的に透明）であるとともに、レーザ光Ｌ１の強度が大きい場合に多光子吸収が生じる光学的な性質を有する。

加工対象物１の内部にレーザ光Ｌ１の集光部Ｆ１を形成することによって、集光部Ｆ１において多光子吸収の条件を満たす場合、該集光部Ｆ１の近傍に多光子吸収による改質が生じ、改質領域Ｒを形成する。また、改質領域の外側には、改質に伴う内部応力の作用等によって、細かいヒビなどのクラックが生じたクラック領域Ｃが形成される。改質領域Ｒ及びクラック領域Ｃは、典型的には、互いに略相似する形状の領域であって、レーザ光Ｌ１の光軸方向を長軸とする楕円体状、該方向を軸方向とする円筒状、又は球形状となる。集光部Ｆ１近傍の光軸方向において、レーザ光Ｌ１の多光子吸収がより多く発生することに起因する。

尚、本実施例においては、レーザ光Ｌ１は、加工対象物１の内部に集光部Ｆ１を合わせて、波長３５５ｎｍ、パルス幅５乃至２０ｎｓ、繰り返し周波数１５乃至５０ｋＨｚ、平均出力が０．０５乃至０．２Ｗの条件で照射される。

レーザ光Ｌ１を照射するレーザ光源は、図３に示されるトリガ信号に応じて、パルス状のレーザ光Ｌ１を照射する。トリガ信号は、レーザ光源の制御用の制御装置等から入力される信号であって、上述する１５乃至５０ｋＨｚの繰り返し周波数（言い換えれば、該繰り返し周波数に基づく繰り返し周期）を有するパルス信号である。レーザ光源は、該トリガ信号の入力を受け、上述した波長、パルス幅及び平均出力の条件下でレーザ光Ｌ１を照射する。パルス幅は、レーザ光Ｌ１の１パルスの半値幅等であって、時間長の形で規定される。平均出力は、レーザ光Ｌ１の出力を、トリガ信号の繰り返し周期の１周期内で平均化したものである。

該条件下では、集光部Ｆ１において多光子吸収が生じることで改質領域Ｒ及びクラック領域Ｃが形成される一方で、例えば、加工対象物１のレーザ光Ｌ１の入射側の表面１ａにおいては、改質やレーザ光Ｌ１の吸収による溶融等は生じない。

上述した条件では、平均出力が比較的低いため、形成される改質領域Ｒ及びクラック領域Ｃが比較的小さいものとなる。図４は、該条件下におけるレーザ光Ｌ１の光軸方向における改質領域Ｒの長さの例を示す表である。図４に示される表には、レーザ光Ｌ１について、波長３５５ｎｍ、集光に用いた集光用レンズの開口度ＮＡ０．５、集光部Ｆ１の径約９００ｎｍ、平均出力０．１Ｗの条件下で加工対象物１の内部に集光部Ｆ１を合わせて照射した際に形成される改質領域Ｒのレーザ光Ｌ１の光軸方向における長さを示す。該条件下では、加工対象物１が水晶である場合に、レーザ光Ｌ１の光軸方向に２０乃至６０μｍの長さの改質領域Ｒが形成され、加工対象物１がガラスである場合に、レーザ光Ｌ１の光軸方向に２０乃至５０μｍの長さの改質領域Ｒが形成される。

本実施例に係るレーザ加工方法は、このような改質領域Ｒ及びクラック領域Ｃを分断予定面内において連続して形成することで、加工対象物１を分断するものである。図２は、加工対象物１の斜視図である。本実施例に係るレーザ加工方法は、加工対象物１に分断予定面２を仮想的に設定し、該分断予定面２に沿って改質領域Ｒ及びクラック領域Ｃを形成するよう、レーザ光Ｌ１の照射及び集光を行う。

図５乃至図７を参照して、加工対象物１の加工に係る、改質領域Ｒ及びクラック領域Ｃを形成する際のレーザ光Ｌ１の照射及び集光の例について説明する。図５乃至図７は、レーザ加工の対象となる加工対象物１の分断予定面２（ＸＺ平面）に沿った断面図であって、加工の手順を説明するものである。

図５に示すように、加工対象物１の表面１ａに対向する表面１ｂから所定距離ｄ離隔した位置に集光部Ｆ１を合わせて、波長３５５ｎｍ、パルス幅５乃至２０ｎｓ、繰り返し周波数１５乃至５０ｋＨｚ、平均出力が０．０５乃至０．２Ｗの条件でレーザ光Ｌ１を照射する。

距離ｄは、レーザ光Ｌ１の照射によって形成される改質領域Ｒ及びクラック領域Ｃの影響によって表面１ｂに破砕が生じない程度の距離であって、且つクラック領域Ｃが表面１ｂに到達する距離に設定される。このため、距離ｄは、レーザ光Ｌ１の照射条件や加工対象物１の材質（より具体的には、バンドギャップ等の光吸収に係る性質）に応じて、適宜設定されることが好ましい。尚、破砕とは、単にクラック領域が表面に到達するだけではなく、実際に表面が破砕片に分断されている状態を示す趣旨である。このように破砕が生じる場合、分断予定面２における平面度の悪化に繋がり、加工対象物１を分断した際の分断面における凹凸の原因となるため好ましくない。

例えば、本発明の発明者らによる実験においては、波長３５５ｎｍのレーザ光Ｌ１の照射では、距離ｄが改質領域Ｒの光軸方向の大きさの０．５倍（つまり、改質領域Ｒの中心から一方の端部までの長さ）＋１５μｍの場合に表面に破砕が生じることが報告されている。他方で、距離ｄが改質領域Ｒの光軸方向の大きさの０．５倍（つまり、改質領域Ｒの中心から一方の端部までの長さ）＋２０μｍの場合に表面に破砕が生じず、且つクラック領域が表面にまで到達していることが報告されている。

次に、図６（ａ）又は（ｂ）に示すように、加工対象部１の内部をレーザ光Ｌ１の光軸と直交する方向にレーザ光Ｌ１をスキャンすることで、集光部Ｆ１を同方向に移動する。このとき、例えば、レーザ光Ｌ１の照射を維持した状態で、加工対象物１をスキャンを行う反対の方向（例えば、−Ｘ方向）に移動することで、レーザ光Ｌ１のスキャンを行ってもよい。尚、該スキャンは、レーザ光Ｌ１と加工対象物１との相対速度（言い換えれば、スキャン速度）が５乃至３００ｍｍ／ｓの条件下で実施される。係るスキャンを実施するための装置構成は任意であってよく、後に一例について説明する。

このとき、レーザ光Ｌ１のスキャンは、５乃至３００ｍｍ／ｓの速度にて実施される。例えば、上述した例では、加工対象物１をスキャンを行う反対の方向に上述した条件下で移動させる。このようなスキャンによって、集光部Ｆ１の移動経路上及びその近傍に連続的（例えば、図６（ｂ）参照）、又は非連続的（例えば、図６（ａ）参照）に改質領域Ｒが形成される。図６（ａ）に示すように、以降、非連続的に形成される隣接した改質領域Ｒ間の間隔（例えば、夫々の改質領域Ｒの中心点同士のＸ軸上における距離）をｄＲと記述する。尚、改質領域Ｒが連続的に形成される場合とは、かかる間隔ｄＲが十分小さい場合である。また、改質領域Ｒの近傍にクラック領域Ｃが連続的に形成される。好適には、クラック領域Ｃが分断予定面２における光軸と直交する方向の一方の端部から他方の端部に至るよう、レーザ光Ｌ１のスキャンを行う。

次に、図７に示すように、レーザ光の集光部Ｆ１を所定距離ｐだけ光軸方向入射側（図７Ｚ方向）に移動する。距離ｐは、１０乃至９０μｍに規定される。このように集光部Ｆ１を移動することで、集光部Ｆ１を移動する前の照射により形成された改質領域Ｒと移動後の照射により形成される改質領域Ｒ、又は少なくとも移動前の照射により形成されたクラック領域Ｃと移動後の照射により形成されたクラック領域Ｃとが連続する。

その後、集光部Ｆ１の光軸方向の位置（言い換えれば、加工対象物１内の深さ）を維持した状態で、図６（ａ）又は（ｂ）に示すスキャンを行う。

分断予定面２に沿って、図６及び図７に示すように連続したクラック領域Ｃを形成した後に、図８に示すように、加工対象物１のレーザ光Ｌ１の入射側の表面１ａから前述の距離ｄ離隔した位置に集光部Ｆ１を合わせて、レーザ光Ｌ１のスキャンを行う。このスキャンにより、分断予定面２に沿って連続的に形成されるクラック領域Ｃが表面１ｂから表面１ａにまで到達する。表面１ａから前述の距離ｄ離隔した位置でのスキャンを終了した後に、分断予定面２に対するレーザ光Ｌ１の照射を終了する。尚、このとき、スキャン位置は必ずしも距離ｄでなくともよく、好適には、上述した破砕が生じない程度であれば、距離ｄよりも短い距離であってもよい。

以上、説明したレーザ加工方法における動作の流れを図９のフローチャートにまとめる。実施例に係るレーザ加工方法では、加工開始時に、加工対象物１の材質等に合わせて、上述した範囲内において加工条件を設定する（ステップＳ１０１）。具体的には、レーザ光Ｌ１の照射条件について、パルス幅を５乃至２０ｎｓ、繰り返し周波数を１５乃至５０ｋＨｚ、平均出力を０．０５乃至０．２Ｗの範囲内で決定する。また、このとき、最初にレーザ光Ｌ１を集光させる際の表面１ｂからの集光部Ｆ１の距離ｄ、スキャン後の集光部Ｆ１の移動距離ｐ、スキャン時のレーザ光Ｌ１と加工対象物１との相対速度であるスキャン速度を決定する。具体的には、加工対象物１の材質や光軸方向の厚み、レーザ光Ｌ１の照射によって形成される改質領域Ｒ及びクラック領域Ｃの大きさ等に応じて、距離ｄを決定し、距離ｐを１０乃至９０μｍの範囲から決定する。また、スキャン時のレーザ光Ｌ１と加工対象物１との相対速度を５乃至３００ｍｍ／ｓの範囲内で決定する。

続いて、ステップＳ１０１で設定された条件下で照射されるレーザ光Ｌ１を集光レンズ等を用いて、加工対象物１のレーザ光Ｌ１入射側とは反対側の表面１ｂから距離ｄの位置に集光する（ステップＳ１０２）。そして、光軸と直交する方向に加工対象物１を移動させること等により、レーザ光Ｌ１をスキャンさせる（ステップＳ１０３）。スキャン終了後に、レーザ光Ｌ１の集光部Ｆ１を、集光レンズを移動させること等により、光軸方向であって表面１ａ方向に距離ｐ移動する（ステップＳ１０４）。ステップＳ１０３とステップＳ１０４の工程を、集光部Ｆ１が加工対象物１の表面１ａから距離ｄ又はそれ以内となるまで繰り返し実行する。集光部Ｆ１が加工対象物１の表面１ａから距離ｄ又はそれ以内となる場合（ステップＳ１０５：Ｙｅｓ）、該位置でのレーザ光Ｌ１のスキャン実行後に加工動作を終了する（ステップＳ１０６）。

以上、説明したレーザ光の照射による加工対象物の加工によれば、加工対象物１の内部の分断予定面２に沿って、表面１ｂから表面１ａまでクラック領域が連続して形成される。このように連続するクラック領域のため、例えば割断などの工程を加えることなく、一般的なレーザダイシング法において割断工程後に実施される加工対象物の分離工程を行うことで、加工対象物の分断が可能となる。クラック領域が連続して形成される分断予定面内部には、小さな傷やヒビが表面１ａから１ｂまで連続しているため、大きな力を加えることなく容易に分離可能だからである。

また、上述したレーザ光の照射条件及び加工条件では、比較的小さいクラック領域が連続して形成されるため、加工対象物の内部において、分断予定面に直交する方向に及ぶクラック領域のサイズも比較的小さなものとなる。従って、分断予定面に沿って分離を行う際に、分断面の平面度を比較的高精度に維持した状態で、分断面を制御可能となる。例えば、ガラスや水晶等に対しては、２０μｍ程度、複数の基板を接着剤で張り合わせた張り合わせガラスに対しては５０μｍ程度の平面度を実現出来る。このような高精度の断面を得ることが出来るため、分断後の断面の研磨等についても省略可能となる場合もある。

例えば、ガラスや水晶等の複数の基板を接着剤で貼り合わせた、貼り合わせガラス等を加工対象物１とする場合にも同様に効果が得られる。また、本実施例で説明した加工条件では、貼り合わせガラスの接着剤に対するレーザ光Ｌ１の影響を抑制出来、更に、３５５ｎｍのレーザ光の吸収が少ないこともあって、接着剤の変質を抑制出来る。一般に、従来技術において、上記のような貼り合わせガラスを切断しようとした場合に、接着剤の部分が、レーザ光により変質してしまい、影響が大であった。

また、レーザ光Ｌ１の波長が、比較的短いため、集光部Ｆ１において多光子吸収を生じさせるためにレーザ光Ｌ１を集光するための集光レンズの開口数が比較的小さくなる。このため、加工対象物１の分断予定面における光軸と直交する方向で、光軸と平行な端部において、レーザ光Ｌ１の光路が加工対象物１の端部より外側を通ることを好適に抑制出来る。このため、加工対象物１の分断予定面における光軸と直交する方向で、光軸と平行な端部においても、一方の端部から他方の端部まで連続してクラック領域Ｃを形成することが可能となる、好適には、分断予定面２の全面に亘ってクラック領域Ｃを形成可能となる。これにより、更に分断が容易となる、又、分断後の断面の平面度の向上を図ることが出来る。

（２）加工条件及び効果
上述したレーザ光Ｌ１の照射条件及び加工時のスキャン速度等の加工条件について、本発明の発明者によって実施された実験結果を説明する。尚、以下の結果については、分断予定面２に沿って加工対象物１を分断した後に、断面の平面度が良好であるものについて良好な加工として分類している。尚、良好な加工であると判断する断面の平面度は、例えば、加工対象物１が単板のガラスから成るものについては２０μｍ、複数のガラスや水晶等の基板を張り合わせたものについては５０μｍとしている。

レーザ光Ｌ１のパルス幅について、５．０ｎｓ、６．０ｎｓ、７．０ｎｓ、１２．０ｎｓ、１４．０ｎｓ、２０．０ｎｓの各条件下では良好な加工が観察される一方で、パルス幅が２２．０ｎｓ、２４．０ｎｓの２０．０ｎｓを越える領域では良好な加工は観察されなかった。

また、上述のように設定されたレーザ光の波長及びパルス幅の条件下では、レーザ光Ｌ１の繰り返し周波数と、スキャン速度によって、スキャンにより形成される改質領域Ｒの間隔ｄＲが変化する。このときの改質領域Ｒの間隔ｄＲに応じて、分断した後の分断面の平面度に影響が及ぶ。かかる影響について、上述のものと同様に良好な加工が観察される場合についての、発明者らの実験の結果について説明する。尚、一般的に、形成される改質領域Ｒの間隔ｄＲに対して、ｄＲ（μｍ）＝スキャン速度（ｍｍ／ｓ）／繰り返し周波数（ｋＨｚ）の関係が成立する。

繰り返し周波数１５ｋＨｚの場合、スキャン速度１０ｍｍ／ｓの場合では、間隔ｄＲは０．７μｍとなり、スキャン速度１００ｍｍ／ｓの場合では、間隔ｄＲは６．７μｍとなり、スキャン速度２００ｍｍ／ｓの場合では、間隔ｄＲは１３．３μｍとなり、いずれの場合も良好な加工が観察された。スキャン速度３００ｍｍ／ｓの場合では、間隔ｄＲは２０．０μｍとなり、良好な結果は観察されなかった。

繰り返し周波数２０ｋＨｚの場合、スキャン速度５ｍｍ／ｓの場合では、間隔ｄＲは０．３μｍとなり、スキャン速度１００ｍｍ／ｓの場合では、間隔ｄＲは５．０μｍとなり、いずれの場合も良好な加工が観察された。

繰り返し周波数３０ｋＨｚの場合、スキャン速度３００ｍｍ／ｓの場合では、間隔ｄＲは１０．７μｍとなり、良好な加工が観察された。スキャン速度４００ｍｍ／ｓの場合では、間隔ｄＲは１３．３μｍとなり、良好な結果は観察されなかった。

繰り返し周波数３５ｋＨｚの場合、スキャン速度１００ｍｍ／ｓの場合では、間隔ｄＲは２．９μｍとなり、良好な加工が観察された。

繰り返し周波数５０ｋＨｚの場合、スキャン速度１００ｍｍ／ｓの場合では、間隔ｄＲは２．０μｍとなり、スキャン速度２００ｍｍ／ｓの場合では、間隔ｄＲは４．０μｍとなり、いずれの場合も良好な加工が観察された。

以上の結果から、形成される改質領域Ｒの間隔ｄＲが１３．３μｍ程度までは良好な加工が観察され、それを越える領域では良好な加工が観察されない。このため、上述したように繰り返し周波とスキャン速度とを規定の範囲内で夫々選択することで、良好な加工を実現することが出来る。

（３）レーザ加工装置の構成例
上述した実施例のレーザ加工方法を実施するためのレーザ加工装置の一例について、図を参照してその構成を説明する。図１０は、レーザ加工装置３の装置構成を示す図である。

図１０に示されるように、レーザ加工装置３は、制御部１０と、レーザ電源１１と、レーザ光源１２と、ミラー１３と、１／２波長板１４と、ミラー１５と、ビームエキスパンダ１６と、ビームコンバイナ１７と、レンズブロック１８と、集光レンズ１９とを備える。また、レーザ加工装置３は、ガイド用のレーザダイオード（ＬＤ）２１と、ガイド用光学系２２とを備える。

制御部１０は、本発明の制御手段の一例であって、レーザ加工装置３の各部の動作を制御するＣＰＵ等を含む。制御部１０は、パルス状であり、所定の繰り返し周波数、平均出力、パルスピーク出力等の出射条件を満たすレーザ光Ｌ１を出射するようレーザ電源１１及びレーザ光源１２の動作を制御する。また、制御部１０は、レーザ光Ｌ１の出射による加工対象物１の加工に伴って、レーザ光Ｌ１の集光部Ｆ１の位置を変更するよう、レンズブロック１８の動作を制御する。また、制御部１０は、レーザ光Ｌ１の出射に伴って、加工対象物１を載置するステージ４０をレーザ光Ｌ１の光軸方向に直交する面内等において移動させる制御を行う。

レーザ電源１１は、レーザ光源１２を駆動させるための電力を供給する電源と、パルス制御装置とを備え、例えばユーザによる指示の入力を受けて、所望の態様でレーザ光源に対して電流の供給を行い、駆動させる。

レーザ光源１２は、レーザ発生部、結晶素子、位相変調器及び共振器等を備え、レーザ電源１１から供給される電流に応じてレーザ光Ｌ１を発生させ、ミラー１３方向へ出射する。レーザ光源１２は、パルス制御及び出力制御に優れる光源であることが好ましい。

レーザ光源１２より出射されるレーザ光Ｌ１は、ミラー１３を介して１／２波長版１４において位相差又は、偏光状態を調整された後、ミラー１５を介してビームエキスパンダ１６に入射する。

ビームエキスパンダ１６は、平行光の態様で入射するレーザ光Ｌ１のビーム径を拡大する機構である。具体的には、ビームエキスパンダ１６は、後述する集光レンズ１９による集光と併せて、レーザ光Ｌ１の加工対象物１における集光部Ｆ１のビーム径が所定の範囲内となるよう調整する。ビームエキスパンダ１６によるビーム径の拡大比率等は、後述する集光レンズ１９の開口度等に応じて設定される。

ビームコンバイナ１７は、レーザ光Ｌ１を透過させ、一方でガイド用のレーザ光Ｌ２を反射させることで、両者を同一の光路上に合成するハーフミラー等である。

ガイド用のレーザ光Ｌ２は、ガイド用のＬＤ２１により出射されるレーザ光であり、ビームコンバイナ１７によってレーザ光Ｌ１と同一の光路上に組み込まれ集光レンズ１９により加工対象物１上に集光される距離測定、又はサーボ駆動用のレーザ光である。レーザ光Ｌ２の光路上には、ビーム成形用のレンズ、集光レンズ又はシリンドリカルレンズ等、用途に応じたガイド用光学系２２が配置される。

レンズブロック１８は、集光レンズ１９を保持するレンズユニットであり、集光レンズ１９をレーザ光Ｌ１の光軸方向に移動させるスライド機構等を有する。

集光レンズ１９は、主にレーザ光Ｌ１を加工対象物１の表面又は内部に集光し、典型的には、焦点位置に集光部Ｆ１を形成するレンズである。集光レンズ１９の開口度は、集光部Ｆ１のビーム径に合わせて設定されることが好ましい。レンズブロック１８は、例えば、制御部１０からの制御信号に応じて集光レンズ１９をレーザ光Ｌ１の光軸方向に移動させることで、加工対象物１の表面又は内部の所望の位置に集光部Ｆ１を移動する。

ステージ４０は、加工対象物１を載置する載置台である。また、ステージ４０は、レーザ光Ｌ１の光軸方向に対して直行する面内等において加工対象物１を移動可能な機構を備えていてもよい。このような機構を備える場合、ステージ４０は、制御部１０から供給される制御信号に応じた速度で加工対象物１を移動させることで、加工対象物１をレーザ光Ｌ１の集光部Ｆ１に対して相対的に移動させることが出来る。尚、レーザ加工装置３は、その他の加工対象物１とレーザ光Ｌ１の集光部Ｆ１とを相対的に移動可能な機構を備えていてもよい。

本発明は、上述した実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴うレーザ加工方法及び装置等もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

Ｃ クラック領域、
Ｒ 改質領域、
１ 加工対象物
２ 分断予定面
３ レーザ加工装置、
１０ 制御部、
１１ レーザ電源
１２ レーザ光源、
１３、１５ ミラー、
１４ １／２波長板、
１６ ビームエキスパンダ、
１７ ビームコンバイナ、
１８ レンズブロック、
１９ 集光レンズ、
４０ ステージ、
５０ 加工対象物、
Ｌ１ （加工用）レーザ光、
Ｌ２ （ガイド用）レーザ光。

上記課題を解決するために、本発明のレーザ加工装置は、加工対象物の内部であって前記加工対象物を分断する面として予め定められた面である分断予定面内に集光部を合わせてレーザ光を照射し、前記加工対象物の内部に多光子吸収による改質領域を形成する照射工程と、割断することなく前記加工対象物を分断するために、前記改質領域の周囲に形成されるクラック領域が、前記加工対象物のレーザ光入射面側に対して反対側となる表面から該レーザ光入射面側の表面まで連続するよう、前記改質領域を複数形成する切断工程とを備え、前記切断工程では、前記分断予定面の全面に亘って前記クラック領域が連続して形成されるように、前記レーザ光の光軸と直交する方向に前記レーザ光の集光部又は前記加工対象物の少なくとも一方を移動する第１の工程と、前記レーザ光の集光部を前記レーザ光の光軸方向に前記クラック領域のサイズに応じた所定距離移動する第２の工程とが繰り返し実施される。

上記課題を解決するために、本発明のレーザ加工装置は、加工対象物の内部であって前記加工対象物を分断する面として予め定められた面である分断予定面内に集光部を合わせてレーザ光を照射し、前記加工対象物の内部に多光子吸収による改質領域を形成する照射手段と、割断することなく前記加工対象物を分断するために、前記改質領域の周囲に形成されるクラック領域が、前記加工対象物のレーザ光入射面側に対して反対側となる表面から該レーザ光入射面側の表面まで連続するよう、前記改質領域を複数形成する切断手段とを備え、前記切断手段は、前記分断予定面の全面に亘って前記クラック領域が連続して形成されるように、前記レーザ光の光軸と直交する方向に前記レーザ光の集光部又は前記加工対象物の少なくとも一方を移動する第１の工程と、前記レーザ光の集光部を前記レーザ光の光軸方向に前記クラック領域のサイズに応じた所定距離移動する第２の工程とを繰り返し実施する。

上記課題を解決するために、本発明のレーザ加工装置は、加工対象物の内部であって前記加工対象物を分断する面として予め定められた面である分断予定面内に集光部を合わせてレーザ光を照射し、前記加工対象物の内部に多光子吸収による改質領域を形成する照射工程と、割断することなく前記加工対象物を分断するために、前記改質領域が複数形成され、且つ、前記複数の改質領域各々の周囲に形成されるクラック領域が互いに繋がることにより前記クラック領域が前記加工対象物のレーザ光入射面側に対して反対側となる表面から該レーザ光入射面側の表面まで連続するよう、前記照射工程を複数回実施する切断工程とを備え、前記切断工程では、前記分断予定面の全面に亘って前記クラック領域が連続して形成されるように、前記レーザ光の光軸と直交する方向に前記レーザ光の集光部又は前記加工対象物の少なくとも一方を移動する第１の工程と、前記レーザ光の集光部を前記レーザ光の光軸方向に前記クラック領域のサイズに応じた所定距離移動する第２の工程と
が繰り返し実施される。

上記課題を解決するために、本発明のレーザ加工装置は、加工対象物の内部であって前記加工対象物を分断する面として予め定められた面である分断予定面内に集光部を合わせてレーザ光を照射し、前記加工対象物の内部に多光子吸収による改質領域を形成する照射手段と、割断することなく前記加工対象物を分断するために、前記改質領域が複数形成され、且つ、前記複数の改質領域各々の周囲に形成されるクラック領域が互いに繋がることにより前記クラック領域が、前記加工対象物のレーザ光入射面側に対して反対側となる表面から該レーザ光入射面側の表面まで連続するよう、前記照射手段を制御する切断手段とを備え、前記切断手段は、前記分断予定面の全面に亘って前記クラック領域が連続して形成されるように、前記レーザ光の光軸と直交する方向に前記レーザ光の集光部又は前記加工対象物の少なくとも一方を移動する第１の工程と、前記レーザ光の集光部を前記レーザ光の光軸方向に前記クラック領域のサイズに応じた所定距離移動する第２の工程とを繰り返し実施する。

制御部１０は、本発明の切断手段の一例であって、レーザ加工装置３の各部の動作を制御するＣＰＵ等を含む。制御部１０は、パルス状であり、所定の繰り返し周波数、平均出力、パルスピーク出力等の出射条件を満たすレーザ光Ｌ１を出射するようレーザ電源１１及びレーザ光源１２の動作を制御する。また、制御部１０は、レーザ光Ｌ１の出射による加工対象物１の加工に伴って、レーザ光Ｌ１の集光部Ｆ１の位置を変更するよう、レンズブロック１８の動作を制御する。また、制御部１０は、レーザ光Ｌ１の出射に伴って、加工対象物１を載置するステージ４０をレーザ光Ｌ１の光軸方向に直交する面内等において移動させる制御を行う。

Claims (8)

1. 加工対象物の内部に集光部を合わせてレーザ光を照射し、前記加工対象物の内部に多光子吸収による改質領域を形成する照射工程と、
   前記改質領域の周囲に形成されるクラック領域が、前記加工対象物のレーザ光入射面側に対して反対側となる表面から該レーザ光入射面側の表面まで連続するよう、前記改質領域を複数形成する切断工程と
   を備えることを特徴とするレーザ加工方法。
2. 前記切断工程では、
   前記レーザ光の光軸と直交する方向において連続して前記クラック領域を形成するよう前記レーザ光の集光部又は前記加工対象物の少なくとも一方を移動する第１の工程と、
   前記レーザ光の集光部を前記レーザ光の光軸方向に前記クラック領域のサイズに応じた所定距離移動する第２の工程と
   が繰り返し実施されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. 前記照射工程では、前記加工対象物の内部における前記レーザ光の光軸方向において、前記改質領域が１０μｍ乃至９０μｍの間隔で複数形成することを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ加工方法。
4. 前記照射工程では、パルス幅が５ｎｓ乃至２０ｎｓ、繰り返し周波数が１５ｋＨｚ乃至５０ｋＨｚ、平均出力が０．０５Ｗ乃至０．２Ｗの条件を満たす条件で前記レーザ光を照射し、
   前記切断工程では、前記レーザ光と前記加工対象物との相対速度が５ｍｍ／ｓ乃至３００ｍｍ／ｓの条件で前記レーザ光の集光部が前記加工対象物の内部を前記レーザ光の光軸と直交する方向に移動するよう、前記レーザ光の集光部又は前記加工対象物の少なくとも一方を移動させることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
5. 前記照射工程では、波長が３５５ｎｍである前記レーザ光を照射することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
6. 前記加工対象物は、前記レーザ光に対して透過性を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
7. 前記加工対象物は、複数の基板を張り合わせたものであることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
8. 加工対象物の内部に集光部を合わせてレーザ光を照射し、前記加工対象物の内部に多光子吸収による改質領域を形成する照射手段と、
   前記改質領域の周囲に形成されるクラック領域が、前記加工対象物のレーザ光入射面側に対して反対側となる表面から該レーザ光入射面側の表面まで連続するよう、前記改質領域を複数形成する切断手段と
   を備えることを特徴とするレーザ加工装置。

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