TWI594832B - Laser processing method - Google Patents

Description

雷射加工方法

本發明係關於一種用以切斷加工對象物的雷射加工方法。

作為習知的雷射加工方法，已為人知的有以下之方法：使雷射光聚光於加工對象物，沿著切斷預定線在加工對象物形成改質區域，且沿著切斷預定線切斷加工對象物的方法(例如，參照專利文獻1)。

(專利文獻1)日本特開2006-108459號公報

在此，如上述的雷射加工方法中，當在由水晶所形成的加工對象物形成改質區域時，一般而言，由於用以形成改質區域的雷射光之加工臨限值較高，所以可視為使聚光的雷射光之加工能量密度較高。因此，龜裂容易從改質區域延伸，且容易產生露出於雷射光入射面之龜裂。此點，當產生露出於雷射光入射面之龜裂時，由於該龜裂就會因例如水晶所具有之加工特性而容易蛇行，所以不容易控制切斷後的加工對象物之尺寸精度(加工品質)，且難以提高尺寸精度。

又，如上述的雷射加工方法中，較佳是要抑制對加工對象物之雷射光的照射在加工對象物之外表面產生損傷。

因此，本發明之課題係在於提供一種能夠尺寸精度佳地切斷由水晶所形成的加工對象物，並且能夠抑制在該加工對象物之外表面產生損傷。

為了解決上述課題，本發明之一態樣的雷熱加工方法，係用以將由水晶所形成且具有表面以及該表面之相反側之作為粗糙面的背面之加工對象物，沿著切斷預定線而切斷的雷射加工方法，其包含：改質區域形成工序，其係以表面作為雷射光入射面使雷射光聚光於加工對象物，且在加工對象物中的背面側沿著切斷預定線形成改質區域。

在該雷射加工方法中，係在作為雷射光入射面之表面的相反側之背面側形成有改質區域。因而，可抑制露出於雷射光入射面之龜裂的產生，且可提高切斷後的加工對象物之尺寸精度。此時，雖然因改質區域形成於背面側而擔心會給背面帶來損傷但是由於水晶之加工臨限值較高所以雷射光之能量在形成改質區域時消耗大，並且由於背面被形成為粗糙面所以到達背面的雷射光會散射，故而在背面產生損傷的情形也少。因而，依據該雷射加工方法，能夠尺寸精度佳地切斷由水晶所形成的加工對象物，並且能夠抑制在加工對象物之外表面產生損傷。

又，背面之中心線平均粗糙度，也可設為0.05μm以 上。在此情況下，例如可有效地產生到達背面的雷射光之散射，且更進一步抑制帶給背面之損傷。

又，為了較佳地達成上述作用效果，具體而言，有以下的情況，加工對象物之厚度，係100μm以下，在改質區域形成工序中，係在加工對象物內距離背面5μm以下之位置形成改質區域。

又，也可更進一步具備：切斷工序，其係沿著切斷預定線從外部對加工對象物施力，藉此以改質區域為切斷起點來切斷加工對象物。藉此，能夠確實地沿著切斷預定線而切斷加工對象物。

依據本發明，能夠尺寸精度佳地切斷由水晶所形成的加工對象物，並且能夠抑制在加工對象物之外表面產生損傷。

以下，就本發明之較佳實施形態，參照圖式加以詳細說明。另外，在以下之說明中係在相同或相當要素上附記同一符號，且省略重複的說明。

在本實施形態之雷射加工方法中，係使雷射光聚光於加工對象物，且沿著切斷預定線形成改質區域。因此，首先，就改質區域之形成，參照第1圖至第6圖來加以說明。

如第1圖所示，雷射加工裝置100，係具備：雷射光源101，其係將雷射光L進行脈衝振盪；及二向分光鏡(dichroic mirror)103，其係以將雷射光L之光軸(光程)的方向改變90°的方式所配置；以及聚光用透鏡(聚光光學系)105，其係用以將雷射光L予以聚光。又，雷射加工裝置100，係具備：支撐台107，其係支撐在聚光用透鏡105聚光後之雷射光L所照射的加工對象物1；及載物台(stage)111，其係用以使支撐台107移動；及雷射光源控制部(控制手段)102，其係為了調節雷射光L之輸出或脈寬、脈衝波形等而控制雷射光源101；以及載物台控制部115，其係控制載物台111之移動。

在該雷射加工裝置100中，從雷射光源101射出的雷射光L，係可藉由二向分光鏡103來將該雷射光L之光軸的方向改變90°，且藉由聚光用透鏡105聚光於支撐台107上所載置的加工對象物1之內部。與此同時，可使載置台111移動，且使加工對象物1相對於雷射光L沿著切斷預定線5而相對移動。藉此，沿著切斷預定線5的改質區域可形成於加工對象物1。另外，在此，雖然為了使雷射光L相對地移動而使載置台111移動，但是也可使聚光用透鏡105移動、或是使此等雙方移動。

加工對象物1，係由水晶所形成，如第2圖所示，在加工對象物1，係設定有用以切斷加工對象物1的切斷預定線5。切斷預定線5，係以直線狀延伸的假想線。當在加工對象物1之內部形成改質區域的情況，如第3圖所示 ，在使聚光點(聚光位置)P對準加工對象物1之內部的狀態下，使雷射光L沿著切斷預定線5(亦即，第2圖之箭頭A方向)相對地移動。藉此，如第4圖至第6圖所示，改質區域7可沿著切斷預定線5而形成於加工對象物1之內部，且沿著切斷預定線5而形成的改質區域7會成為切斷起點區域8。

另外，所謂聚光點P，係指雷射光L聚光之處。又，切斷預定線5，並不限於直線狀而也可為曲線狀，又可為此等所組合的三次元狀，又可為座標指定者。又，切斷預定線5，並不限於假想線而也可為在加工對象物1之表面3實際上被拉出的線。改質區域7，也有連續性形成的情況，也有斷續性形成的情況。又，改質區域7也可為行狀或點狀，要言之，改質區域7只要是至少形成於加工對象物1之內部即可。又，有以改質區域7為起點而形成龜裂的情形，且龜裂及改質區域7，也可露出於加工對象物1之外表面(表面3、背面21、或外周面)。又，形成改質區域7時的雷射光入射面，並非被限定於加工對象物1之表面3，也可為加工對象物1之背面21。

順便一提，在此的雷射光L，係穿透加工對象物1並且會在加工對象物1之內部的聚光點附近被特別吸收，藉此，可在加工對象物1形成改質區域7(亦即，內部吸收型雷射加工)。因而，由於雷射光L在加工對象物1之表面3幾乎不被吸收，所以加工對象物1之表面3不會熔融。一般而言，在從表面3熔融並被去除而形成有孔或溝槽 等的去除部(表面吸收型雷射加工)之情況，加工區域係從表面3側慢慢地進行至背面側。

然而，在本實施形態中所形成的改質區域，係指密度、折射率、機械強度或其他物理特性成為與周圍不同的狀態之區域。作為改質區域，例如有熔融處理區域(指暫時熔融後再固化的區域、熔融狀態中的區域及從熔融再固化的狀態中之區域中之至少一個區域之意)、裂痕(crack)區域、絕緣破壞區域、折射率變化區域等，也有此等混合存在的區域。再者，作為改質區域，在加工對象物之材料中有改質區域之密度與非改質區域之密度作比較並經變化後的區域、或形成有晶格缺陷的區域(將此等統稱為高密度轉移區域)。

又，熔融處理區域或折射率變化區域、改質區域之密度與非改質區域之密度作比較並經變化後的區域、形成有晶格缺陷的區域，係更有在此等區域之內部或改質區域與非改質區域之間內含龜裂(破裂、微小裂痕(micro crack))的情況。內含的龜裂係有遍及於改質區域之全面的情況或僅形成於一部分或形成於複數個部分的情況。作為加工對象物1，係可使用水晶(SiO₂)或包含水晶的材料。

又，在本實施形態中，係沿著切斷預定線5而形成複數個改質點(spot)(加工痕)，藉此而形成改質區域7。所謂改質點，係指由脈衝雷射光之1脈衝的發射(shot)(換句話說1脈衝的雷射照射：雷射發射(laser shot))所形成的改質部分，且藉由改質點集合而成為改質區 域7。作為改質點，係可列舉裂痕點(crack spot)、熔融處理點或折射率變化點、或是此等之至少一個混合存在的點等。

有關該改質點，較佳是考慮被要求的切斷精度、被要求的切斷面之平坦性、加工對象物之厚度、種類、結晶方位等，並適當控制該改質點之大小或所產生的龜裂之長度。

其次，就本實施形態加以詳細說明。

本實施形態，係例如被使用作為用以製造水晶共振器(crystal resonator)的水晶共振器之製造方法，其係將由水晶所形成的加工對象物1切斷成複數個水晶晶片，該水晶係屬於六方柱狀之結晶。因此，首先，一邊參照第7圖同時一邊概略說明水晶共振器之全體的製造工序流程。

最初，藉由例如鑽石(diamond)研磨來切出人工水晶原石，且加工成預定尺寸的棒狀體(棒狀水晶(Lumbered))(S1)。接著，利用X射線來測定與水晶共振器之溫度特性要求相應的切斷角度，且基於該切斷角度將棒狀水晶藉由線鋸(wire saw)加工而切斷成複數個晶圓(wafer)狀的加工對象物1(S2)。在此的加工對象物1，係呈10mm×10mm之矩形板狀，且具有對厚度方向傾斜35.15°的結晶軸。

接著，將研磨(lapping)加工施行於加工對象物1之表面3及背面21，將其厚度形成為預定厚度(S3)。接著，以微小角度級藉由X射線來測定切斷角度，且在 進行加工對象物1之挑選及分類之後，將與上述S3同樣的研磨加工再度施行於加工對象物1之表面3及背面21，而微調加工對象物1之厚度(S4、S5)。

在上述S5中，加工對象物1，係將其厚度形成為100μm以下，較佳是形成為厚度35μm之超極薄狀。又，藉由在上述S3、S5中對表面3及背面21施行研磨加工，此等表面3及背面21會成為粗糙面。具體而言，表面3及背面21，係形成例如梨皮花紋狀，且其中心線平均粗糙度Ra(以下，簡稱為「粗糙度Ra」)形成為0.05μm以上，較佳形成為0.05μm至0.30μm。另外，粗糙度Ra，係指日本工業規格(JIS-B0601)所定義的中心線平均粗糙度之意。

接著，作為切斷加工及外形加工，係在加工對象物1形成改質區域7且以該改質區域7為切斷起點並沿著切斷預定線5而切斷加工對象物1(S6：詳細，後述)。藉此，獲得具有±數μm以下之尺寸精度之外形尺寸的複數個水晶晶片。在本實施形態中，係在表面3觀察中使切斷預定線5以格子狀設定於加工對象物1，且切斷加工對象物1作為1mm×0.5mm之矩形板狀的水晶晶片。

接著，為了成為預定頻率而在水晶晶片施行倒角加工(凸面(convex)加工)，並且為了成為預定頻率而藉由蝕刻加工來調整水晶晶片之厚度(S7、S8)。之後，將該水晶晶片組裝作為水晶共振器(S9)。具體而言，在水晶晶片上藉由濺鍍而形成電極，且將該水晶晶片搭載於貼片 機(mounter)內，而在真空環境中進行熱處理之後，以離子蝕刻來刮削水晶晶片之電極且調整頻率，進而縫密封(seam sealing)於貼片機內。藉此，完成水晶共振器之製造。

第8圖係說明將加工對象物切斷成水晶晶片之工序用的概略圖。在圖中，為了方便說明起見，係例示沿著一個切斷預定線5之切斷來顯示。在將加工對象物1切斷成水晶晶片的上述S6中，首先，在加工對象物1之背面21貼上膨脹膠帶(expanded tape)31並將加工對象物1載置於支撐台107(參照第1圖)上。

接著，藉由雷射光源控制部102控制雷射光源101並且藉由載置台控制部115控制載置台111，且沿著切斷預定線5，使雷射光L適當聚光於加工對象物1而形成改質區域7(改質區域形成工序)。

具體而言，如第8圖(a)所示，在加工對象物1內使聚光點對準背面21側，例如以輸出0.2W從表面3側照射雷射光L。與此同時，使該雷射光L，以例如135mm/s之速度對加工對象物1相對移動(掃描)。藉此，不會形成露出於加工對象物1之表面3的龜裂，而會將包含具有例如3μm間距(pitch)之複數個改質點的改質區域7，沿著切斷預定線4形成一行於加工對象物1內之背面21側。然後，針對全部的切斷預定線5實施上述掃描。

在此，較佳是在加工對象物1內使聚光點對準從背面 21起算到達加工對象物1之厚度的一半以下之位置而照射雷射光L，且在加工對象物1內之該位置沿著切斷預定線5而形成改質區域7。或是，較佳是在加工對象物1內使聚光點對準從背面21起算距離0μm至10μm以內(更佳是5μm以下)之位置而照射雷射光L，且在加工對象物1內之該位置沿著切斷預定線5而形成改質區域7。更或者，較佳是在加工對象物1內使聚光點對準背面21附近而照射雷射光L，且在加工對象物1內之該位置附近沿著切斷預定線5而形成改質區域7。

接著，如第8圖(b)所示，在將膨脹膠帶31轉印於表面3之後，對於加工對象物1從背面21側，中介膨脹膠帶31並沿著切斷預定線5而將刀刃(knife edge)32朝加工對象物1抵接(切斷工序)。藉此，沿著切斷預定線5從外部對加工對象物1施力俾使改質區域7開放(應力開放)，且以改質區域7為切斷起點，而將加工對象物1切斷成複數個水晶晶片。然後，如第8圖(c)所示，使膨脹膠帶31擴張，而確保間距間隔。藉由以上工序，加工對象物1可被切斷作為複數個水晶晶片10。

然而，在使雷射光L聚光於由水晶所形成的加工對象物1而形成改質區域7的情況時，由於加工臨限值較高所以有必要提高雷射光L之能量密度，因而，龜裂容易從改質區域7延伸，且容易產生露出於作為雷射光入射面之表面3的龜裂(半切斷(half-cut))。該半切斷，由於容易因水晶所具有的加工特性而蛇行，所以例如切斷面會被 形成鋸齒狀，而不容易控制切斷後的加工對象物1之尺寸精度(加工品質)。此點在本實施形態中，已如上面所述，在作為表面3之相反面的背面21側形成有改質區域7，該表面3為雷射光入射面，因而，可抑制半切斷之產生。結果，可提高切斷後的加工對象物1之尺寸精度。

當改質區域7形成於背面21側時，就有在背面21產生損傷之虞，此擔心在如本實施形態般加工對象物1較薄的情況更為顯著。相對於此，在本實施形態中，因水晶所具有之較高的加工臨限值而使得雷射光L之能量在改質區域7之形成時消耗大，並且因背面21被形成為粗糙面而使得到達背面21的雷射光L會散射，故而在背面21產生損傷也少。更且，即便改質區域7形成於背面21側，也會因加工對象物1本身具有較高之硬度，而對抗折強度之不良影響較少。

因而，依據本實施形態，在切斷由水晶所形成的加工對象物1之情況下，能夠一邊抑制在加工對象物1之外表面產生損傷，同時一邊能夠尺寸精度佳地切斷加工對象物1並提高加工品質。

又，在本實施形態中，如上述般，由於背面21之粗糙度Ra，係設為0.05μm以上，所以會有效地產生例如到達背面21的雷射光L之散射，故可更進一步抑制帶給背面21之損傷。

又，在本實施形態中，如上述般，係使用刀刃32對加工對象物1沿著切斷預定線5施加外部應力，且以改質 區域7為切斷起點而形成加工對象物1。藉此，即便是由難以切斷之水晶所形成的加工對象物1，也能夠確實地沿著切斷預定線5而精度佳地切斷加工對象物1。

另外，在加工對象物1中之作為雷射光入射面的表面3側形成改質區域7的情況，由於如前述般雷射光L需要較高之能量密度，所以恐有因發生半切斷而使加工品質降低之虞較大。又在此情況下，不容易控制雷射光L來避免半切割之發生，且容易發生所謂失敗(即便使雷射光L聚光於加工對象物1也無法形成改質點或改質區域7的現象)。在此點上，對於在加工對象物1之背面21側形成改質區域7的本實施形態而言可謂具有極大的技術意義。

順便一提，由於水晶共振器係利用水晶材料本身之特性的裝置(device)，所以水晶共振器用的水晶晶片之尺寸精度會給溫度特性或共振器特性帶來較大影響。因而，尺寸精度佳地切斷加工對象物1作為水晶晶片的上述作用效果，在製造水晶共振器的情況時更為顯著。

又，即便表面3及背面21被形成為粗糙面，其帶給壓電效應之不良影響也少。又，水晶晶片之厚度越薄，就越能夠較佳地利用作為高頻裝置。因而，可切斷加工對象物1作為表面粗糙且薄的水晶晶片之本實施形態，可謂特別有效。

以上，雖然已就本發明之較佳實施形態加以說明，但是本發明並非被限定於上述實施形態，也可在未變更各請求項所述的要旨之範圍內進行變化、或應用於其他物。

例如在上述中，加工對象物1之厚度、改質區域7之形成位置、及粗糙度Ra之各數值，係容許加工上、製造上及設計上等的誤差。又，在上述實施形態中，雖然已在加工對象物1之內部形成有改質區域7，但是改質區域7也可從作為雷射光入射面之相反面的背面21露出。另外，本發明也可掌握作為藉由上述雷射加工方法而製造水晶共振器的水晶共振器之製造方法或製造裝置，另一方面，並未被限定於製造水晶共振器，其能夠應用於用以切斷由水晶所形成的加工對象物之種種的方法或裝置。

(產業上之可利用性)

依據本發明，能夠尺寸精度佳地切斷由水晶所形成的加工對象物，並且能夠抑制在該加工對象物之外表面產生損傷。

1‧‧‧加工對象物

3‧‧‧表面

5‧‧‧切斷預定線

7‧‧‧改質區域

8‧‧‧切斷起點區域

10‧‧‧水晶晶片

21‧‧‧背面

31‧‧‧膨脹膠帶

32‧‧‧刀刃

100‧‧‧雷射加工裝置

101‧‧‧雷射光源

102‧‧‧雷射光源控制部(控制手段)

103‧‧‧二向分光鏡

105‧‧‧聚光用透鏡(聚光光學系)

107‧‧‧支撐台

111‧‧‧載物台

L‧‧‧雷射光

P‧‧‧聚光點(聚光位置)

Ra‧‧‧粗糙度

第1圖係用於形成改質區域的雷射加工裝置之概略構成圖。

第2圖係成為改質區域之形成之對象的加工對象物之俯視圖。

第3圖係沿著第2圖之加工對象物的III-III線的剖視圖。

第4圖係雷射加工後的加工對象物之俯視圖。

第5圖係沿著第4圖之加工對象物的V-V線的剖視 圖。

第6圖係沿著第4圖之加工對象物的VI-VI線的剖視圖。

第7圖係顯示本實施形態的水晶共振器之製造工序的流程圖。

第8圖(a)至(c)係說明將加工對象物切斷成水晶晶片之工序用的概略圖。

1‧‧‧加工對象物

3‧‧‧表面

5‧‧‧切斷預定線

7‧‧‧改質區域

10‧‧‧水晶晶片

21‧‧‧背面

31‧‧‧膨脹膠帶

32‧‧‧刀刃

L‧‧‧雷射光

Claims (4)

1. 一種雷射加工方法，係用以將由水晶所形成且具有表面以及該表面之相反側之作為粗糙面的背面之加工對象物，沿著切斷預定線而切斷的雷射加工方法，其特徵為，包含：改質區域形成工序，其係以前述表面作為雷射光入射面使雷射光聚光於前述加工對象物，且在前述加工對象物中的前述背面側沿著前述切斷預定線形成改質區域，前述背面之中心線平均粗糙度，係設為0.05μm以上。
2. 一種雷射加工方法，係用以將由水晶所形成且具有表面以及該表面之相反側之作為粗糙面的背面之加工對象物，沿著切斷預定線而切斷的雷射加工方法，其特徵為，包含：改質區域形成工序，其係以前述表面作為雷射光入射面使雷射光聚光於前述加工對象物，且在前述加工對象物中的前述背面側沿著前述切斷預定線形成改質區域，前述背面之中心線平均粗糙度係比前述表面更大，前述加工對象物之厚度，係100μm以下，在前述改質區域形成工序中，係在前述加工對象物內距離前述背面5μm以下之位置形成前述改質區域。
3. 如申請專利範圍第1項所述的雷射加工方法，其中，前述加工對象物之厚度，係100μm以下，在前述改質區域形成工序中，係在前述加工對象物內 距離前述背面5μm以下之位置形成前述改質區域。
4. 如申請專利範圍第1、2或3項所述的雷射加工方法，其中，更進一步具備：切斷工序，其係沿著前述切斷預定線從外部對前述加工對象物施力，藉此以前述改質區域為切斷起點來切斷前述加工對象物。