WO2010116917A1 - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

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隆二 杉浦
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浜松ホトニクス株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a laser processing apparatus and a laser processing method for cutting a workpiece.
  • a modified region is formed on a processing object along the planned cutting line of the processing object by irradiating a laser beam with a focusing point inside the plate-shaped processing object.
  • an object of the present invention is to provide a laser processing apparatus and a laser processing method capable of generating a crack having a desired length from a modified region.
  • the present inventors have conducted intensive studies and found, for example, that the crack length is increased by increasing the pulse width of the laser beam, and the pulse width of the laser beam and the crack length are increased. It was found that there is a correlation between Then, if it could be based on this relationship, it came to the idea that a crack of a desired length could be generated from the modified region, and the present invention was completed.
  • the laser processing apparatus applies a laser beam to a plate-like processing object within a focused spot, thereby irradiating the modified region along the planned cutting line of the processing object.
  • a laser processing apparatus for forming a crack in the workpiece and generating a crack extending along the thickness direction of the workpiece from the modified region along with the formation of the modified region, a laser light source for emitting laser light, Control means for controlling the pulse width of the laser light, and the control means varies the pulse width based on the length of a crack generated from the modified region.
  • the pulse width is varied based on the length of the crack generated from the modified region. Therefore, the above relationship found between the pulse width and the crack length can be suitably used, and a crack having a desired length can be generated from the modified region.
  • control means may change the pulse width so that the pulse width becomes larger as the length of the crack to be generated becomes longer.
  • control means varies the pulse width according to the input value related to the crack length.
  • the pulse width is increased according to the input value relating to the length of the crack.
  • control means varies the pulse width according to the input value related to the thickness of the workpiece. For example, when the length of a crack to be generated is known in advance, it is possible to carry out laser processing with (based on) the length of the crack in advance.
  • the pulse width can be varied according to the value.
  • control means varies the pulse width according to the input value related to the condensing point position of the laser beam. For example, if the length of the crack to be generated and the thickness of the workpiece are grasped in advance, it is possible to carry out laser processing after taking these into account in advance.
  • the pulse width can be varied according to the value.
  • the laser light source is a fiber laser
  • the object to be processed is a silicon substrate
  • the wavelength of the laser light emitted from the laser light source is 1064 nm to 3000 nm
  • the variable width of the pulse width by the control means is 100 ns to 1500 ns.
  • the laser light has a substantially rectangular pulse waveform. According to this laser processing method, the modified region can be formed with high accuracy.
  • a crack having a desired length can be generated from the modified region.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line III-III of the workpiece in FIG. 2. It is a top view of the processing target after laser processing.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line VV of the workpiece in FIG. 4.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line VI-VI of the workpiece in FIG. 4.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the object to be processed of FIG. 7 along the line BB. It is a figure which shows an example of a data table. It is a figure which shows the pulse width of a laser beam. It is sectional drawing which shows the example of the process target to which the laser processing by this embodiment was given. It is sectional drawing which shows an example different from FIG. It is sectional drawing which shows another example from FIG. It is sectional drawing which shows the other example of the processing target object in which the laser processing by this embodiment was given. It is sectional drawing which shows the further another example of the process target object to which the laser processing by this embodiment was given. It is a figure which shows the other example of a data table.
  • the modified region is formed in the processing target by irradiating the processing target with the laser beam with the focusing point inside the processing target.
  • the laser processing apparatus 100 is a so-called SDE (Stealth Dicing Engine: registered trademark), and a laser light source 101 that pulsates laser light L and an optical axis of the laser light L ( A dichroic mirror 103 disposed so as to change the direction of the optical path) by 90 ° and a condensing lens (condensing optical system) 105 for condensing the laser light L are provided.
  • a polarization-maintaining fiber laser is used as the laser light source 101, and a laser beam L having a wavelength of 1064 nm to 3000 nm is emitted.
  • the laser processing apparatus 100 also includes a support 107 for supporting the workpiece 1 irradiated with the laser light L collected by the condensing lens 105, and the support 107 in the X, Y, and Z axis directions.
  • a stage 111 for moving the light source a laser light source control unit (control means) 102 for controlling the laser light source 101 to adjust the output and pulse width of the laser light L, and a stage control unit for controlling the movement of the stage 111 115.
  • the laser light L emitted from the laser light source 101 has its optical axis changed by 90 ° by the dichroic mirror 103, and the inside of the processing object 1 placed on the support base 107.
  • the light is condensed by the condensing lens 105.
  • the stage 111 is moved, and the workpiece 1 is moved relative to the laser beam L along the planned cutting line 5. As a result, a modified region along the planned cutting line 5 is formed on the workpiece 1.
  • a semiconductor material, a piezoelectric material, or the like is used, and as shown in FIG. 2, a cutting scheduled line 5 for cutting the processing object 1 is set in the processing object 1.
  • the planned cutting line 5 is a virtual line extending linearly.
  • the laser beam L is projected along the planned cutting line 5 in a state where the focused point P is aligned with the inside of the workpiece 1. It moves relatively (that is, in the direction of arrow A in FIG. 2).
  • the modified region 7 is formed inside the workpiece 1 along the planned cutting line 5, and the modified region 7 formed along the planned cutting line 5 is formed. It becomes the cutting start area 8.
  • the condensing point P is a location where the laser light L is condensed.
  • the planned cutting line 5 is not limited to a straight line, but may be a curved line, or may be a line actually drawn on the surface 3 of the workpiece 1 without being limited to a virtual line.
  • the modified region 7 may be formed continuously or intermittently. Further, the modified region 7 may be in the form of a line or a dot. In short, the modified region 7 only needs to be formed at least inside the workpiece 1.
  • the laser beam L passes through the workpiece 1 and is particularly absorbed in the vicinity of the condensing point inside the workpiece 1, whereby a modified region 7 is formed in the workpiece 1. (Ie, internal absorption laser processing). Therefore, since the laser beam L is hardly absorbed by the surface 3 of the workpiece 1, the surface 3 of the workpiece 1 is not melted. In general, when a removed portion such as a hole or a groove is formed by being melted and removed from the front surface 3 (surface absorption laser processing), the processing region gradually proceeds from the front surface 3 side to the back surface side.
  • the modified region formed by the laser processing apparatus refers to a region where the density, refractive index, mechanical strength, and other physical characteristics are different from the surroundings.
  • the modified region include a melt treatment region, a crack region, a dielectric breakdown region, a refractive index change region, and the like, and there is a region where these are mixed.
  • the modified region there are a region where the density of the modified region in the material to be processed is changed compared to the density of the non-modified region, and a region where lattice defects are formed. Also known as the metastatic region).
  • the area where the density of the melt-processed area, the refractive index changing area, the modified area is changed compared to the density of the non-modified area, and the area where lattice defects are formed are further divided into these areas and the modified area.
  • cracks (cracks, microcracks) are included in the interface with the non-modified region.
  • the included crack may be formed over the entire surface of the modified region, or may be formed in only a part or a plurality of parts.
  • the workpiece 1 is a silicon substrate, and includes a silicon wafer 11 and a functional element layer 16 including a plurality of functional elements 15 and formed on the surface 11 a of the silicon wafer 11.
  • the functional element 15 is, for example, a semiconductor operation layer formed by crystal growth, a light receiving element such as a photodiode, a light emitting element such as a laser diode, or a circuit element formed as a circuit, and the orientation flat 6 of the silicon wafer 11. Are formed in a matrix form in a direction parallel to and perpendicular to.
  • an expanded tape is attached to the back surface 21 of the workpiece 1 and the workpiece 1 is placed on the support 107.
  • the condensing point P is aligned with the inside of the processing object 1 by the condensing lens 105, the laser light L is irradiated from the surface 3 side of the processing object 1, and the lattice passes so as to pass between the adjacent functional elements 15.
  • a modified region 7 serving as a starting point for cutting is formed inside the workpiece 1 along each scheduled cutting line 5 set in a shape.
  • the expanded tape the workpiece 1 is accurately cut along the planned cutting line 5 for each functional element 15 using the modified region 7 as a starting point for cutting.
  • a plurality of semiconductor chips having a chip size of 1 mm ⁇ 1 mm can be obtained.
  • a crack extending along the thickness direction of the processing object 1 by irradiating the processing object 1 with the laser beam L while aligning the condensing point P inside the processing object 1 is generated from the modified region 7 as the modified region 7 is formed.
  • FIG. 8 (a) and 8 (b) are cross-sectional views for explaining a crack generated from the modified region.
  • the left side is a cross-sectional view (crack cross-sectional view along crack C) corresponding to the cross-section along line AA in FIG. 7.
  • crack C appears as a crack mark.
  • the right-hand side view is a cross-sectional view corresponding to the cross section taken along line BB in FIG.
  • the crack C that is generated along with the formation of the modified region 7 is the first scan (that is, when the modified region 7 is formed in a row in the workpiece 1 (that is, This means what occurs when the modified region 7 in the first row is formed).
  • FIG. 8B when a plurality of the modified regions 7 are formed in a row, this means what occurs at the multiple (final) scans of the laser light L. This is because, when the modified regions 7 are formed in a plurality of rows, the cracks C are mainly formed at the final scan because the thermal effects and stress accumulated by the irradiation of the laser beam L are easily released at the final scan. This is due to the occurrence.
  • the length CL of the crack C (hereinafter referred to as “crack length CL”) means a distance from one end (upper end) to the other end (lower end) of the crack C.
  • the crack C extends along the thickness direction of the workpiece 1 from the modified region 7 to be formed.
  • the crack C when the formation position of the modified region 7 is close to the back surface 21, it tends to be a back surface side crack extending toward the back surface 21, and the formation position of the modified region 7 is close to the front surface 3. In this case, it tends to be a surface-side crack extending toward the surface 3 side.
  • the crack C is a crack (so-called BHC) reaching the back surface 21.
  • the crack C here is not included in the modified region 7 because it is not modified.
  • the modified region 7 formed by irradiating the laser beam L from the front surface 3 (or the back surface 21) of the workpiece 1 has an elongated shape in the thickness direction of the workpiece 1. It has become.
  • the compressive stress F1 and the tensile stress F2 are acting on the upper end and the lower end of the modified region 7. Therefore, when the modified region 1 is formed, the action of the stresses F1 and F2 can be controlled by controlling the pulse width of the laser light L to control the size of the modified region 7.
  • the modified region 7 The knowledge that the length of the crack C resulting from the above can be freely controlled is obtained.
  • the pulse width of the laser light L is made variable based on the length of the crack C generated from the modified region 7. That is, since the laser light source control unit 102 causes the crack C having a desired length to be generated from the modified region 7, the pulse width is increased (or the crack length is generated as the crack length CL to be generated is increased). The pulse width is controlled so that the pulse width decreases as the length CL decreases.
  • the laser light source control unit 102 creates a data table Tb (see FIG. 10) in which “crack length CL”, “thickness of the workpiece 1”, and “pulse width of the laser light L” are associated with each other. Have. Then, the laser light source control unit 102 varies the pulse width of the laser light L according to the data table Tb.
  • the variable width of the pulse width by the laser light source control unit 102 is set to 100 nsec to 1500 nsec as a condition for suitably realizing laser processing.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a data table.
  • the numerical value of the data table Tb indicates “pulse width”, and when “crack length CL” and “thickness of the workpiece 1” are set, they are selected according to these. It is configured to be determined.
  • a data string in which the thickness of the workpiece 1 is 300 ⁇ m and 600 ⁇ m indicates data for the second scan.
  • the laser light source control unit 102 when “the thickness of the workpiece 1” and “the crack length CL” are input by the laser light source control unit 102, these input values are collated with the data table Tb, A “pulse width” suitable for the length of the crack C to be generated according to the thickness of the workpiece 1 is selected. Then, the laser light source 101 is controlled so that the laser light L is emitted with such a pulse width. That is, the “pulse width” is varied according to the input values of “the thickness of the workpiece 1” and “the crack length CL”.
  • the condensing point P position of the laser beam L on the workpiece 1 may also be associated with the data table Tb as another parameter.
  • the pulse width is also changed according to the input value of “focusing point P position”, and the position of the stage 111 (or the position of the condensing lens 105) is changed by the stage control unit 115 to the data table Tb. It will be controlled according to.
  • the stage controller 115 may separately have a data table Tb related to the position of the condensing point P of the laser light L.
  • Tb a data table related to the position of the condensing point P of the laser light L.
  • the influence of the adjacent modified region 7 may affect the crack length CL (extension of the crack C), and therefore the position of the condensing point P of the laser beam L is important. Parameter.
  • the laser light source control unit 102 associates the “crack length CL”, “thickness of the workpiece 1”, and “pulse width of the laser light L” with each other. Accordingly, the pulse width of the laser light L is varied. That is, the pulse width is varied based on the crack length CL generated from the modified region 7. Therefore, the above knowledge obtained in the pulse width and the crack length CL can be suitably used, and a crack C having a desired length can be generated from the modified region.
  • the crack length CL can be increased by increasing the pulse width in order to reduce the number of scans of the laser light L. Further, for example, in the case where a plurality of rows of modified regions 7 are formed in order to improve the processing quality, the crack length CL can be shortened by reducing the pulse width.
  • FIG. 11 is a diagram showing the pulse width of the laser beam.
  • the horizontal axis indicates time.
  • the pulse width (half-value width) H means a time width from the rising edge Up to the falling edge Dw of the waveform, and changes depending on the current value applied to the laser light source 101, the repetition frequency, and the like. To do. That is, changing the pulse width H includes changing the current value, the repetition frequency, and the like. Note that the pulse width H is FWHM (Full Width at Half Maximum) in the case of Gaussian distribution.
  • the pulse waveform P1 shown in FIG. 11 (a) has a substantially rectangular shape
  • the pulse waveforms P2 and P3 shown in FIGS. 11 (b) and 11 (c) have a substantially serrated shape having a sharp rise Up.
  • the modified region 7 can be accurately formed by the laser light L having any of these pulse waveforms P1 to P3.
  • the rise Up is steep (vertical), and it is considered that such a steep rise Up contributes to the formation of the modified region 7 with high accuracy.
  • FIGS. 12 to 14 are cross-sectional views showing examples of workpieces to which laser machining according to the present embodiment has been performed.
  • the modified region 7 and the crack C are formed by irradiating the workpiece 1 having a thickness of 100 ⁇ m with the laser beam L from the surface 3 side.
  • the pulse width H is set to 150 nsec (E1 in FIG. 10), and the focal point P is located from the surface 3 in order to generate a crack C as a BHC with a crack length CL of 40 ⁇ m.
  • the position is 95 ⁇ m.
  • the pulse width H is set to 300 nsec (E2 in FIG. 10), and the condensing point P is positioned from the surface 3 in order to generate a crack C as a BHC having a crack length CL of 50 ⁇ m.
  • the position is 95 ⁇ m.
  • the pulse width H is set to 400 nsec (E3 in FIG. 10), and the condensing point P is located from the surface 3 in order to generate a crack C as a BHC having a crack length CL of 70 ⁇ m.
  • the position is 85 ⁇ m.
  • the pulse width H is set to 500 nsec (E4 in FIG. 10), and the condensing point P is positioned from the surface 3 in order to generate a crack C as a BHC having a crack length CL of 90 ⁇ m.
  • the position is 80 ⁇ m.
  • FIG. 13A the pulse width H is set to 400 nsec (E3 in FIG. 10), and the condensing point P is located from the surface 3 in order to generate a crack C as a BHC having a crack length CL of 70 ⁇ m.
  • the position is 85 ⁇ m.
  • the pulse width H is set to 500 nsec (E4 in FIG. 10)
  • the condensing point P is positioned from the surface 3 in order to generate
  • the pulse width H is set to 550 nsec so as to generate the crack C as a FC having a crack length CL of 100 ⁇ m (full cut: the crack C extending from the front surface 3 to the back surface 21) (FIG. 10).
  • the condensing point P is positioned 60 ⁇ m from the surface 3.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view showing another example of a workpiece to be processed by laser processing according to the present embodiment.
  • the processing object 1 having a thickness of 300 ⁇ m is irradiated with laser light L from the surface 3 side to form modified regions 7a and 7b, and a crack C is formed from the upper modified region 7b.
  • the condensing point P is aligned with the position of 240 ⁇ m from the surface 3 to form the modified region 7 a
  • the condensing point P is aligned with the position of 155 ⁇ m from the surface 3.
  • the modified region 7b is formed.
  • the pulse width H is set to 650 nsec in order to generate a crack C as an FC having a crack length CL of 300 ⁇ m (E6 in FIG. 10).
  • FIG. 16 is a cross-sectional view showing still another example of the workpiece to which the laser machining according to the present embodiment has been applied.
  • the processing object 1 having a thickness of 600 ⁇ m is irradiated with laser light L from the surface 3 side to form modified regions 7a and 7b, and a crack C is formed from the upper modified region 7b.
  • the condensing point P is aligned with the position of 591 ⁇ m from the surface 3 to form the modified region 7 a
  • the condensing point P is aligned with the position of 541 ⁇ m from the surface 3.
  • the modified region 7b is formed.
  • the pulse width H is set to 500 nsec in order to generate a crack C as a BHC having a crack length CL of 140 ⁇ m (E7 in FIG. 10).
  • the laser processing apparatus which concerns on this invention is not restricted to the laser processing apparatus 100 which concerns on embodiment, In the range which does not change the summary described in each claim It may be modified or applied to others.
  • the “crack length CL”, “thickness of the workpiece 1”, and “pulse width of the laser beam L” are associated with each other to configure the data table Tb (see FIG. 10).
  • the present invention is not limited to this as long as the pulse width can be varied based on the crack length CL generated from the modified region 7.
  • the data table Tb may be configured. That is, the pulse width may be varied only according to the input value related to the crack length CL.
  • the laser processing can be carried out with (based on) the crack length CL. Therefore, as shown in FIG. Only the “thickness of the object 1” and the “pulse width of the laser beam L” may be associated with each other to form the data table Tb. That is, the pulse width may be varied only according to the input value relating to the thickness of the workpiece 1.
  • a “processing condition” including a processing condition 1 that is a condition that emphasizes quality and a processing condition 2 that is a condition that emphasizes the processing speed is further associated with the data table. Tb may be configured. In this case, it is possible to suitably cope with the manufacture of a plurality of types of mass-produced products.
  • the data table Tb is input to the laser light source control unit 102 in advance, but the data table Tb may be read by the laser light source control unit 102 via a line such as the Internet.
  • the laser beam L when condensing the laser beam L at a deep position from the laser beam incident surface on which the laser beam L is incident on the workpiece 1, the laser beam L is focused on the condensing point P by increasing the transmittance of the workpiece 1.
  • the processing object for example, silicon, glass, LiTaO 3 or sapphire (Al 2 O 3 ) may be included, or may be composed of these.
  • SYMBOLS 1 Processing object, 5 ... Planned cutting line, 7, 7a, 7b ... Modified region, 100 ... Laser processing apparatus, 101 ... Laser light source, 102 ... Laser light source control part (control means), C ... Crack, CL ... Crack length (crack length), L ... laser light, P ... condensing point.

Abstract

　レーザ加工装置１００は、レーザ光Ｌを出射するレーザ光源１０１と、レーザ光Ｌのパルス幅を制御するレーザ光源制御部１０２と、を備えており、加工対象物１の内部に集光点Ｐを合わせてレーザ光Ｌを照射することにより、加工対象物１の切断予定ライン５に沿って改質領域を加工対象物１に形成すると共に、加工対象物１の厚さ方向に沿って延びる亀裂を改質領域の形成に伴って該改質領域から生じさせる。このレーザ加工装置１００においては、レーザ光源制御部１０２によって、「亀裂長さ」「加工対象物１の厚さ」「レーザ光Ｌのパルス幅」が互いに関連づけられてなるデータテーブルに応じてレーザ光Ｌのパルス幅が可変される。すなわち、改質領域から生じさせる亀裂長さに基づいて、パルス幅が可変される。このため、レーザ加工装置１００によれば、所望な長さの亀裂を改質領域から生じさせることができる。

Description

レーザ加工装置及びレーザ加工方法
　本発明は、加工対象物を切断するためのレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。
　従来のレーザ加工装置としては、板状の加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射することにより、加工対象物の切断予定ラインに沿って改質領域を加工対象物に形成するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６－１０８４５９号公報
　ところで、上述したようなレーザ加工装置では、加工対象物の厚さ方向に沿って延びる亀裂（以下、単に「亀裂」という）を、改質領域の形成に伴って該改質領域から生じさせる場合がある。そして、近年のレーザ加工装置においては、切断後の加工対象物の切断面状態や加工速度等の観点から、所望な長さの亀裂を改質領域から生じさせることが望まれている。
　そこで、本発明は、所望な長さの亀裂を改質領域から生じさせることができるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することを課題とする。
　上記課題を解決するため、本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、例えばレーザ光のパルス幅を大きくすることで亀裂の長さが長くなることを見出し、レーザ光のパルス幅と亀裂の長さとの間には相関関係があるという知見を得た。そこで、かかる関係に基づくことができれば、所望な長さの亀裂を改質領域から生じさせ得ることに想到し、本発明を完成するに至った。
　すなわち、本発明に係るレーザ加工装置は、板状の加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射することにより、加工対象物の切断予定ラインに沿って改質領域を加工対象物に形成すると共に、加工対象物の厚さ方向に沿って延びる亀裂を改質領域の形成に伴って該改質領域から生じさせるレーザ加工装置であって、レーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光のパルス幅を制御する制御手段と、を備え、制御手段は、改質領域から生じさせる亀裂の長さに基づいてパルス幅を可変することを特徴とする。
　このレーザ加工装置では、改質領域から生じさせる亀裂の長さに基づいてパルス幅が可変されている。よって、パルス幅と亀裂の長さとの間において見出された上記関係を好適に利用することができ、所望な長さの亀裂を改質領域から生じさせることが可能となる。
　このとき、制御手段は、生じさせる亀裂の長さを長くするにつれパルス幅が大きくなるように、パルス幅を可変する場合がある。
　ここで、制御手段は、亀裂の長さに関する入力値に応じて、パルス幅を可変することが好ましい。この場合、例えば改質領域から長い亀裂を生じさせたい場合、かかる亀裂の長さに関する入力値に応じてパルス幅が大きくされることになる。
　また、制御手段は、加工対象物の厚さに関する入力値に応じてパルス幅を可変することが好ましい。例えば、生じる亀裂の長さを予め把握している場合、この亀裂の長さを予め加味した（基づいた）上でレーザ加工を実施することが可能であるため、加工対象物の厚さに関する入力値に応じてパルス幅が可変することができる。
　また、制御手段は、レーザ光の集光点位置に関する入力値に応じて、パルス幅を可変することが好ましい。例えば、生じる亀裂の長さ及び加工対象物の厚さを予め把握している場合、これらを予め加味した上でレーザ加工を実施することが可能であるため、レーザ光の集光点位置に関する入力値に応じてパルス幅が可変することができる。
　また、上記作用効果を好適に奏する構成として、具体的には、レーザ光源は、ファイバーレーザである構成が挙げられる。また、加工対象物は、シリコン基板であり、レーザ光源で出射するレーザ光の波長は、１０６４ｎｍ～３０００ｎｍであり、制御手段によるパルス幅の可変幅は、１００ｎｓ～１５００ｎｓである構成が挙げられる。
　板状の加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射することにより、加工対象物の切断予定ラインに沿って改質領域を加工対象物に形成するレーザ加工方法であって、レーザ光は、略矩形状のパルス波形を有することを特徴とする。このレーザ加工方法によれば、精度よく改質領域を形成できる。
　本発明によれば、所望な長さの亀裂を改質領域から生じさせることが可能となる。
本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成図である。 改質領域の形成の対象となる加工対象物の一例を示す平面図である。 図２の加工対象物のIII－III線に沿っての断面図である。 レーザ加工後の加工対象物の平面図である。 図４の加工対象物のV－V線に沿っての断面図である。 図４の加工対象物のVI－VI線に沿っての断面図である。 本実施形態に係る加工対象物を示す平面図である。 改質領域から生じる亀裂について説明するための断面図である。 図７の加工対象物のＢ－Ｂ線に沿っての断面図である。 データテーブルの一例を示す図である。 レーザ光のパルス幅を示す図である。 本実施形態によるレーザ加工が施された加工対象物の例を示す断面図である。 図１２とは別の例を示す断面図である。 図１２とはさらに別の例を示す断面図である。 本実施形態によるレーザ加工が施された加工対象物の他の例を示す断面図である。 本実施形態によるレーザ加工が施された加工対象物のさらに他の例を示す断面図である。 データテーブルの他の例を示す図である。
　以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、「上」「下」「左」「右」の語は、図面に示される状態に基づいており便宜的なものである。 
　本実施形態に係るレーザ加工装置では、加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射することにより加工対象物に改質領域を形成する。そこで、まず、本実施形態のレーザ加工装置による改質領域の形成について、図１～図６を参照して説明する。
　図１に示すように、レーザ加工装置１００は、いわゆるＳＤＥ（ステルスダイシングエンジン：登録商標）と称されるものであり、レーザ光Ｌをパルス発振するレーザ光源１０１と、レーザ光Ｌの光軸（光路）の向きを９０°変えるように配置されたダイクロイックミラー１０３と、レーザ光Ｌを集光するための集光用レンズ（集光光学系）１０５と、を備えている。ここでは、レーザ光源１０１として、偏波保持型のファイバーレーザを用いており、その波長が１０６４ｎｍ～３０００ｎｍのレーザ光Ｌを出射する。
　また、レーザ加工装置１００は、集光用レンズ１０５で集光されたレーザ光Ｌが照射される加工対象物１を支持するための支持台１０７と、支持台１０７をＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に移動させるためのステージ１１１と、レーザ光Ｌの出力やパルス幅等を調節するためにレーザ光源１０１を制御するレーザ光源制御部（制御手段）１０２と、ステージ１１１の移動を制御するステージ制御部１１５と、を備えている。
　このレーザ加工装置１００においては、レーザ光源１０１から出射されたレーザ光Ｌは、ダイクロイックミラー１０３によってその光軸の向きを９０°変えられ、支持台１０７上に載置された加工対象物１の内部に集光用レンズ１０５によって集光される。これと共に、ステージ１１１が移動させられ、加工対象物１がレーザ光Ｌに対して切断予定ライン５に沿って相対移動させられる。これにより、切断予定ライン５に沿った改質領域が加工対象物１に形成されることとなる。
　加工対象物１は、半導体材料や圧電材料等が用いられ、図２に示すように、加工対象物１には、加工対象物１を切断するための切断予定ライン５が設定されている。切断予定ライン５は、直線状に延びた仮想線である。加工対象物１の内部に改質領域を形成する場合、図３に示すように、加工対象物１の内部に集光点Ｐを合わせた状態で、レーザ光Ｌを切断予定ライン５に沿って（すなわち、図２の矢印Ａ方向に）相対的に移動させる。これにより、図４～図６に示すように、改質領域７が切断予定ライン５に沿って加工対象物１の内部に形成され、切断予定ライン５に沿って形成された改質領域７が切断起点領域８となる。
　なお、集光点Ｐとは、レーザ光Ｌが集光する箇所のことである。また、切断予定ライン５は、直線状に限らず曲線状であってもよいし、仮想線に限らず加工対象物１の表面３に実際に引かれた線であってもよい。また、改質領域７は、連続的に形成される場合もあるし、断続的に形成される場合もある。また、改質領域７は列状でも点状でもよく、要は、改質領域７は少なくとも加工対象物１の内部に形成されていればよい。
　ちなみに、ここでは、レーザ光Ｌが、加工対象物１を透過すると共に加工対象物１の内部の集光点近傍にて特に吸収され、これにより、加工対象物１に改質領域７が形成される（すなわち、内部吸収型レーザ加工）。よって、加工対象物１の表面３ではレーザ光Ｌが殆ど吸収されないので、加工対象物１の表面３が溶融することはない。一般的に、表面３から溶融され除去されて穴や溝等の除去部が形成される（表面吸収型レーザ加工）場合、加工領域は表面３側から徐々に裏面側に進行する。
　ところで、本実施形態に係るレーザ加工装置にて形成される改質領域は、密度、屈折率、機械的強度やその他の物理的特性が周囲とは異なる状態になった領域をいう。改質領域としては、例えば、溶融処理領域、クラック領域、絶縁破壊領域、屈折率変化領域等があり、これらが混在した領域もある。さらに、改質領域としては、加工対象物の材料において改質領域の密度が非改質領域の密度と比較して変化した領域や、格子欠陥が形成された領域がある（これらをまとめて高密転移領域ともいう）。
　また、溶融処理領域や屈折率変化領域、改質領域の密度が非改質領域の密度と比較して変化した領域、格子欠陥が形成された領域は、更にそれら領域の内部や改質領域と非改質領域との界面に亀裂（割れ、マイクロクラック）を内包している場合がある。内包される亀裂は改質領域の全面に渡る場合や一部分のみや複数部分に形成される場合がある。
　図７に示すように、加工対象物１は、シリコン基板であって、シリコンウェハ１１と、複数の機能素子１５を含んでシリコンウェハ１１の表面１１ａに形成された機能素子層１６とを備えている。機能素子１５は、例えば、結晶成長により形成された半導体動作層、フォトダイオード等の受光素子、レーザダイオード等の発光素子、或いは回路として形成された回路素子等であり、シリコンウェハ１１のオリエンテーションフラット６に平行な方向及び垂直な方向にマトリックス状に多数形成されている。
　このレーザ加工装置１００を用いて加工対象物１を切断する場合、加工対象物１の裏面２１に、エキスパンドテープを貼り付けて当該加工対象物１を支持台１０７上に載置する。続いて、集光用レンズ１０５により加工対象物１の内部に集光点Ｐを合わせ、加工対象物１の表面３側からレーザ光Ｌを照射し、隣り合う機能素子１５間を通るように格子状に設定された各切断予定ライン５に沿って、切断の起点となる改質領域７を加工対象物１の内部に形成する。そして、エキスパンドテープを拡張させることにより、改質領域７を切断の起点として、加工対象物１を切断予定ライン５に沿って機能素子１５毎に精度よく切断する。その結果、例えばチップサイズが１ｍｍ×１ｍｍの複数の半導体チップが得られることになる。
　特に、本実施形態のレーザ加工装置１００においては、加工対象物１の内部に集光点Ｐを合わせてレーザ光Ｌを照射することにより、加工対象物１の厚さ方向に沿って延びる亀裂（割れ又はクラックともいう）を改質領域７の形成に伴って該改質領域７から生じさせている。
　図８（ａ），（ｂ）は、改質領域から生じる亀裂について説明するための断面図である。図８において、左側の図は、図７のＡ－Ａ線に沿っての断面に対応する断面図（亀裂Ｃに沿った亀裂断面図）であり、ここでは、亀裂Ｃが亀裂痕として現れている（後述の図１２～１６について同じ）。また、右側の図は、図７のＢ－Ｂ線に沿っての断面に対応する断面図である。
　図８（ａ）に示すように、この改質領域７の形成に伴って生じさせる亀裂Ｃとは、加工対象物１に改質領域７を一列形成する場合には、１スキャン目（つまり、一列目の改質領域７の形成の際）に生じるものを意味している。一方、図８（ｂ）に示すように、改質領域７を複数列形成する場合には、レーザ光Ｌの複数（最終）スキャン目に生じるものを意味している。これは、改質領域７を複数列形成する場合、通常、レーザ光Ｌの照射によって蓄積された熱影響や応力等が最終スキャン目に解放され易いことから、最終スキャン目に亀裂Ｃが主に発生することに起因している。また、亀裂Ｃの長さＣＬ（以下、「亀裂長さＣＬ」という）とは、亀裂Ｃの一端（上端）から他端（下端）に至る距離を意味している。
　この亀裂Ｃは、形成する改質領域７から、加工対象物１の厚さ方向に沿って延びている。特に、亀裂Ｃにあっては、改質領域７の形成位置が裏面２１に近い場合、裏面２１側に向けて延びる裏面側亀裂となり易く、また、改質領域７の形成位置が表面３に近い場合、表面３側に向けて延びる表面側亀裂となり易いやすい。図示する例では、亀裂Ｃは裏面２１に至る亀裂（いわゆるＢＨＣ）となっている。なお、ここでの亀裂Ｃは、改質されていないことから、改質領域７には含まれないものである。
　ここで、図９に示すように、加工対象物１の表面３（又は裏面２１）からレーザ光Ｌが照射され形成された改質領域７は、加工対象物１の厚さ方向に細長い形状となっている。そして、改質領域７の上端部及び下端部においては、圧縮応力Ｆ１と引張応力Ｆ２とが作用している。よって、改質領域１を形成する際、レーザ光Ｌのパルス幅を制御して改質領域７の大きさを制御すると、かかる応力Ｆ１，Ｆ２の作用を制御でき、その結果、改質領域７から生じる亀裂Ｃの長さが自在に制御できるという知見が得られる。
　そこで、本実施形態のレーザ光源制御部１０２にあっては、改質領域７から生じさせる亀裂Ｃの長さに基づいて、レーザ光Ｌのパルス幅を可変にしている。つまり、レーザ光源制御部１０２は、所望の長さの亀裂Ｃが改質領域７から生じさせるため、生じさせる亀裂長さＣＬを長くするにつれパルス幅が大きくなるように（又は、生じさせる亀裂長さＣＬを短くするにつれパルス幅が小さくなるように）、パルス幅を制御している。
　具体的には、レーザ光源制御部１０２は、「亀裂長さＣＬ」「加工対象物１の厚さ」「レーザ光Ｌのパルス幅」が互いに関連づけられてなるデータテーブルＴｂ（図１０参照）を有している。そして、レーザ光源制御部１０２は、このデータテーブルＴｂに応じて、レーザ光Ｌのパルス幅を可変する。ここでのレーザ光源制御部１０２によるパルス幅の可変幅は、レーザ加工を好適に実現する上での条件として、１００ｎｓｅｃ～１５００ｎｓｅｃとされている。
　図１０は、データテーブルの一例を示す図である。図１０に示すように、データテーブルＴｂの数値は「パルス幅」を示しており、「亀裂長さＣＬ」及び「加工対象物１の厚さ」が設定されると、これらに応じて選択されて決定されるように構成されている。なお、図中において、加工対象物１の厚さが３００μｍと６００μｍとのデータ列は、２スキャン目のデータを示している。
　従って、本実施形態によれば、レーザ光源制御部１０２にて「加工対象物１の厚さ」と「亀裂長さＣＬ」とが入力されると、これら入力値がデータテーブルＴｂと照合され、加工対象物１の厚さに応じて生じさせたい亀裂Ｃの長さに適した「パルス幅」が選択される。そして、かかるパルス幅でレーザ光Ｌが出射するように、レーザ光源１０１が制御されることになる。つまり、「加工対象物１の厚さ」と「亀裂長さＣＬ」との入力値に応じて「パルス幅」が可変されることになる。
　なお、加工対象物１においてのレーザ光Ｌの集光点Ｐ位置（すなわち、改質領域７の形成位置）に関しても、上記データテーブルＴｂに別パラメータとして関連づけられていてもよい。この場合、「集光点Ｐ位置」の入力値に応じてもパルス幅が可変されると共に、ステージ１１１の位置（又は、集光用レンズ１０５の位置）が、ステージ制御部１１５によりデータテーブルＴｂに応じて制御されることになる。
　ちなみに、レーザ光Ｌの集光点Ｐ位置に関するデータテーブルＴｂをステージ制御部１１５が別途に有していてもよい。例えば改質領域７を複数列形成する場合、隣接する改質領域７の影響が亀裂長さＣＬ（亀裂Ｃの伸展）に及ぶことがあることから、レーザ光Ｌの集光点Ｐ位置は重要なパラメータである。
　以上、本実施形態のレーザ加工装置では、レーザ光源制御部１０２によって、「亀裂長さＣＬ」「加工対象物１の厚さ」「レーザ光Ｌのパルス幅」が互いに関連づけられてなるデータテーブルＴｂに応じてレーザ光Ｌのパルス幅が可変される。すなわち、改質領域７から生じさせる亀裂長さＣＬに基づいてパルス幅が可変される。よって、パルス幅と亀裂長さＣＬとにおいて得られた上記知見を好適に利用することができ、所望な長さの亀裂Ｃを改質領域から生じさせることが可能となる。
　その結果、例えば加工速度（タクトタイム）を高めたい場合において、レーザ光Ｌのスキャン本数を減らすため、パルス幅を大きくすることで亀裂長さＣＬを長くすることができる。また、例えば加工品質を高めるべく複数列の改質領域７を形成する場合において、パルス幅を小さくすることで亀裂長さＣＬを短くすることが可能となる。
　図１１は、レーザ光のパルス幅を示す図である。図中において横軸が時間を示している。図１１に示すように、パルス幅（半値幅）Ｈとは、波形の立ち上がりＵｐから立ち下りＤｗまでの時間幅を意味しており、レーザ光源１０１に印加される電流値や繰り返し周波数等によって変化する。つまり、パルス幅Ｈを可変することには、電流値や繰り返し周波数等を可変することが含まれている。なお、パルス幅Ｈは、ガウス分布の場合にはＦＷＨＭ（Full Width at Half Maximum：半値全幅）とする。
　また、図１１（ａ）に示すパルス波形Ｐ１は、略矩形状を呈しており、図１１（ｂ），（ｃ）に示すパルス波形Ｐ２，Ｐ３は、その立ち上がりＵｐが急峻な略鋸歯状を呈している。これら何れのパルス波形Ｐ１～Ｐ３のレーザ光Ｌによっても、改質領域７を精度よく形成することが可能である。なお、パルス波形Ｐ１～Ｐ３では、立ち上がりＵｐが急峻に（垂直状に）なっており、かかる急峻な立ち上がりＵｐは、改質領域７の精度よい形成に寄与していると考えられる。
　図１２～１４は、本実施形態によるレーザ加工が施された加工対象物の例を示す断面図である。各図においては、厚さが１００μｍの加工対象物１に対し表面３側からレーザ光Ｌを照射して改質領域７及び亀裂Ｃを形成している。
　図１２（ａ）に示す例では、亀裂長さＣＬが４０μｍのＢＨＣとしての亀裂Ｃを生じさせるべく、パルス幅Ｈが１５０ｎｓｅｃとされ（図１０のＥ１）、集光点Ｐ位置が表面３から９５μｍの位置とされている。図１２（ｂ）に示す例では、亀裂長さＣＬが５０μｍのＢＨＣとしての亀裂Ｃを生じさせるべく、パルス幅Ｈが３００ｎｓｅｃとされ（図１０のＥ２）、集光点Ｐ位置が表面３から９５μｍの位置とされている。
　図１３（ａ）に示す例では、亀裂長さＣＬが７０μｍのＢＨＣとしての亀裂Ｃを生じさせるべく、パルス幅Ｈが４００ｎｓｅｃとされ（図１０のＥ３）、集光点Ｐ位置が表面３から８５μｍの位置とされている。図１３（ｂ）に示す例では、亀裂長さＣＬが９０μｍのＢＨＣとしての亀裂Ｃを生じさせるべく、パルス幅Ｈが５００ｎｓｅｃとされ（図１０のＥ４）、集光点Ｐ位置が表面３から８０μｍの位置とされている。図１４に示す例では、亀裂長さＣＬが１００μｍのＦＣ（フルカット：亀裂Ｃが表面３から裏面２１に至るもの）としての亀裂Ｃを生じさせるべく、パルス幅Ｈが５５０ｎｓｅｃとされ（図１０のＥ５）、集光点Ｐ位置が表面３から６０μｍの位置とされている。
　図１５は、本実施形態によるレーザ加工が施された加工対象物の他の例を示す断面図である。この図においては、厚さが３００μｍの加工対象物１に対し表面３側からレーザ光Ｌを照射して改質領域７ａ，７ｂを形成すると共に、上段の改質領域７ｂから亀裂Ｃを形成している。具体的には、図１５に示す例では、表面３から２４０μｍの位置に集光点Ｐが合わせられて改質領域７ａが形成された後、表面３から１５５μｍの位置に集光点Ｐが合わせられて改質領域７ｂが形成されている。また、改質領域７ｂを形成する際には、亀裂長さＣＬが３００μｍのＦＣとしての亀裂Ｃを生じさせるべく、パルス幅Ｈが６５０ｎｓｅｃとされている（図１０のＥ６）。
　図１６は、本実施形態によるレーザ加工が施された加工対象物のさらに他の例を示す断面図である。この図においては、厚さが６００μｍの加工対象物１に対し表面３側からレーザ光Ｌを照射して改質領域７ａ，７ｂを形成すると共に、上段の改質領域７ｂから亀裂Ｃを形成している。具体的には、図１６に示す例では、表面３から５９１μｍの位置に集光点Ｐが合わせられて改質領域７ａが形成された後、表面３から５４１μｍの位置に集光点Ｐが合わせられて改質領域７ｂが形成されている。また、改質領域７ｂを形成する際には、亀裂長さＣＬが１４０μｍのＢＨＣとしての亀裂Ｃを生じさせるべく、パルス幅Ｈが５００ｎｓｅｃとされている（図１０のＥ７）。
　図１２～１６に示す断面図によれば、レーザ光Ｌのパルス幅を可変することで、所望な亀裂長さＣＬの亀裂Ｃを改質領域７から生じさせることができるという上記作用効果を確認することができる。
　以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明に係るレーザ加工装置は、実施形態に係るレーザ加工装置１００に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。
　例えば、上記実施形態では、「亀裂長さＣＬ」、「加工対象物１の厚さ」及び「レーザ光Ｌのパルス幅」が互いに関連づけられてデータテーブルＴｂが構成されている（図１０参照）が、改質領域７から生じさせる（生じさせようとする）亀裂長さＣＬに基づいてパルス幅を可変できれば、これに限定されるものではない。
　すなわち、加工対象物１の厚さを予め把握している場合、かかる厚さを加味した上でレーザ加工を実施できるため、「亀裂長さＣＬ」及び「レーザ光Ｌのパルス幅」のみが関連づけられてデータテーブルＴｂが構成されていてもよい。つまり、亀裂長さＣＬに関する入力値のみに応じてパルス幅を可変してもよい。
　また、形成される亀裂長さＣＬを予め把握している場合、この亀裂長さＣＬを加味した（基づいた）上でレーザ加工を実施できるため、図１８（ａ）に示すように、「加工対象物１の厚さ」及び「レーザ光Ｌのパルス幅」のみが互いに関連づけられてデータテーブルＴｂが構成されてもよい。つまり、加工対象物１の厚さに関する入力値のみに応じてパルス幅を可変してもよい。このとき、図１８（ｂ）に示すように、例えば品質を重視する条件である加工条件１と加工速度を重視する条件である加工条件２とを含む「加工条件」がさらに関連付けられてデータテーブルＴｂが構成されていてもよい。この場合、複数種類の量産製品の製造に好適に対応することが可能となる。
　また、形成される亀裂長さＣＬ及び加工対象物１の厚さを予め把握している場合、これらを加味した上でレーザ加工を実施できるため、図１８（ｃ）に示すように、「集光点Ｐ位置」及び「レーザ光Ｌのパルス幅」のみが互いに関連づけられてデータテーブルＴｂが構成されてもよい。つまり、集光点Ｐ位置に関する入力値のみに応じてパルス幅を可変してもよい。
　また、上記実施形態では、データテーブルＴｂがレーザ光源制御部１０２に予め入力されているが、データテーブルＴｂがインターネット等の回線を介してレーザ光源制御部１０２により読み出されてもよい。
　なお、加工対象物１においてレーザ光Ｌが入射するレーザ光入射面から深い位置にレーザ光Ｌを集光する場合、加工対象物１の透過率を高めることによってレーザ光Ｌを集光点Ｐにて有効に利用することが可能となる。ちなみに、加工対象物１としては、例えばシリコン、ガラス、ＬｉＴａＯ３又はサファイア（Ａｌ２Ｏ３）を含む、又はこれらからなるものでもよい。
　所望な長さの亀裂を改質領域から生じさせることが可能となる。
　１…加工対象物、５…切断予定ライン、７，７ａ，７ｂ…改質領域、１００…レーザ加工装置、１０１…レーザ光源、１０２…レーザ光源制御部（制御手段）、Ｃ…亀裂、ＣＬ…亀裂長さ（亀裂の長さ）、Ｌ…レーザ光、Ｐ…集光点。

Claims (8)

  1. 　板状の加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射することにより、前記加工対象物の切断予定ラインに沿って改質領域を前記加工対象物に形成すると共に、前記加工対象物の厚さ方向に沿って延びる亀裂を前記改質領域の形成に伴って該改質領域から生じさせるレーザ加工装置であって、
    　前記レーザ光を出射するレーザ光源と、
    　前記レーザ光のパルス幅を制御する制御手段と、を備え、
    　前記制御手段は、前記改質領域から生じさせる前記亀裂の長さに基づいて前記パルス幅を可変することを特徴とするレーザ加工装置。
  2. 　前記制御手段は、生じさせる前記亀裂の長さを長くするにつれ前記パルス幅が大きくなるように、前記パルス幅を可変することを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
  3. 　前記制御手段は、前記亀裂の長さに関する入力値に応じて、前記パルス幅を可変することを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
  4. 　前記制御手段は、前記加工対象物の厚さに関する入力値に応じて、前記パルス幅を可変することを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
  5. 　前記制御手段は、前記レーザ光の前記集光点の位置に関する入力値に応じて、前記パルス幅を可変することを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
  6. 　前記レーザ光源は、ファイバーレーザであることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
  7. 　前記加工対象物は、シリコン基板であり、
    　前記レーザ光源で出射する前記レーザ光の波長は、１０６４ｎｍ～３０００ｎｍであり、
    　前記制御手段による前記パルス幅の可変幅は、１００ｎｓｅｃ～１５００ｎｓｅｃであることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
  8. 　板状の加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射することにより、前記加工対象物の切断予定ラインに沿って改質領域を前記加工対象物に形成するレーザ加工方法であって、
    　前記レーザ光は、略矩形状のパルス波形を有することを特徴とするレーザ加工方法。
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