WO2011013449A1 - レーザースクライブ加工方法 - Google Patents

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Definitions

  • the mirror 8 guides the laser beam P transmitted through the optical path correction optical system 7 to the focusing lens 10.
  • the 1 ⁇ 4 wavelength plate 9 is disposed after the optical path correction optical system 7 with reference to the traveling direction of the laser beam P, and converts linearly polarized light of the laser beam P guided from the mirror 8 into circularly polarized light.
  • the condensing lens 10 condenses the ordinary light component 13 and the extraordinary light component 14 of the laser beam P transmitted through the 1 ⁇ 4 wavelength plate 9 onto the object Q to be processed.
  • Example 1 and Example 2 by rotating the quartz wedge plate by 90 ° (45 ° + 45 °) around the optical axis of the irradiation optical system, the formation direction of the crack generated between the pair of beam spots changes by 90 ° It turned out to be done.
  • Example 3 it was found that the formation direction of the crack generated between the pair of beam spots coincides with the scribing direction, and the formation of the crack extending in the direction different from the scribing direction is suppressed.
  • Example 4 regular connection of cracks was observed.
  • Example 5 as in Example 4, regular connection of cracks was observed.
  • Example 6 and Example 7 it was recognized that the cracks in the 45 ° direction in which the beam spots were aligned were greatly elongated.
  • Example 8 and Example 9 it was recognized that the direction of the largest crack rotated 90 degrees with respect to Example 6 and Example 7.

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Abstract

　サファイアなどの硬脆性材料等の加工に使用されるレーザースクライブ加工方法の提供を目的とする。本発明は、レーザー光線を出射する光源と、このレーザー光線を加工対象物に導く照射光学系とを用い、加工対象物のスクライブ方向に沿うクラックを形成するレーザースクライブ加工方法であって、光源からレーザー光線を出射する出射工程と、レーザー光線を進行方向が異なる常光成分及び異常光成分に分離する分離工程と、常光成分及び異常光成分を集光し、複数対のビームスポットを形成する集光工程と、複数対のビームスポットを有するレーザー光線を加工対象物のスクライブ方向に間欠的に照射する照射工程とを有するレーザースクライブ加工方法である。この分離工程における常光成分及び異常光成分の分離に、照射光学系に配設される複屈折性プリズムを用いるとよい。

Description

レーザースクライブ加工方法
　本発明は、硬脆性材料等の加工に使用されるレーザースクライブ加工方法に関するものである。
　電子部品を搭載する回路基板等を割断する手段として、レーザー加工が広く用いられている。レーザー加工は、光源から出射されるレーザー光線をレンズ等の照射光学系を用いて集光すると共に、高いパワー密度となったレーザー集光スポット（ビームスポット）を基板に対して照射し、基板を割断するものである。
　上記基板の材料としては、硬脆性材料が用いられている。硬脆性材料は、ガラス材に代表される非結晶性の硬脆性材料と、サファイア等に代表される結晶性の硬脆性材料とに分類される。例えば、非結晶性の硬脆性材料から形成される基板にレーザー光線を照射すると、基板の一部に熱的加工の結果として溶融加工痕や熱変質部が形成されると共に、熱的加工と同時に発生する歪応力を起因とする不定形のクラックが形成される。このようなクラックは、基板表面の様々な方向に形成されるものであり、この形成方向は、レーザー光線や照射光学系の非対称性や波面収差等によって影響されることが知られている。また、結晶性材料は、劈開の起こりやすい方位（劈開面）を有する。かかる結晶性材料から構成される基板にレーザー加工を施すと、基板を構成する結晶性材料の劈開面方向に沿ってクラックが形成されることが一般的である。このように、レーザー加工により基板の表面及び／又は内部の様々な方向に形成されるクラックは、基板の割断を不均一（非対称）にすると共に、所望の割断方向への割断を困難とする可能性が考えられる。
　このようなクラックの発生に対し、（Ａ）クラックの発生を防止する手段として、特開２００８－９３７０６号公報には、レーザービームを被加工物に対して相対移動させながら加工を行うレーザー加工方法であって、このレーザービームが被加工物の照射面において相対移動方向に長軸を有する楕円形状のビーム径状を有し、長軸方向に沿った光強度分布が非対称であることを特徴とするレーザー加工方法が開示されている。また、（Ｂ）クラックの発生を利用して基板の割断を行う手段として、特開２００７－２６０７４９号公報には、被加工物の表面近傍に第１レーザー光を集光させて初期クラックを形成し、この初期クラックを起点として被加工物に割断クラックを進展させて、被加工物を割断するレーザー加工方法が開示されている。
　しかしながら、上記（Ａ）のレーザー加工方法では、クラックの発生を防止するために特殊な集光光学系等が必要となる。また、上記（Ｂ）のレーザー加工方法では、基板の硬脆性材料にレーザー光線を照射することで発生する熱応力を利用して割断を行うものであるが、かかる熱応力が大きい場合には、基板の変形や不均一な割断面を生じるという問題がある。さらに、レーザー照射領域に冷却媒体を吹き付ける冷却工程を設ける必要があることから、調製・製作上の問題がある。
特開２００７－２６０７４９号公報 特開２００８－９３７０６号公報
　本発明は、これらの不都合に鑑みてなされたものであり、ガラスやサファイアなどの硬脆性材料等から形成される基板のレーザースクライブ加工において、レーザー光線の照射により複数対のビームスポットを基板表面に同時に形成し、この複数対のビームスポットにより形成されるクラックの伸長方向を制御することで、基板の割断方向を所望の方向と一致させるよう調整可能なレーザースクライブ加工方法の提供を目的とするものである。
　上記課題を解決するためになされた発明は、
　レーザー光線を出射する光源と、このレーザー光線を加工対象物に導く照射光学系とを用い、加工対象物のスクライブ方向に沿うクラックを形成するレーザースクライブ加工方法であって、
　光源からレーザー光線を出射する出射工程と、
　このレーザー光線を進行方向が異なる常光成分及び異常光成分に分離する分離工程と、
　この常光成分及び異常光成分を集光しつつ、複数対のビームスポットを形成する集光工程と、
　この複数対のビームスポットを有するレーザー光線を加工対象物のスクライブ方向に間欠的に照射する照射工程と
　を有するレーザースクライブ加工方法である。
　当該レーザー加工方法は、レーザー光線を出射する光源と、このレーザー光線を加工対象物に導く照射光学系とを用いて、加工対象物のスクライブ方向に沿うクラックを形成するレーザースクライブ加工方法である。具体的には、出射されたレーザー光線を常光成分及び異常光成分に分けつつ、それぞれ異なる方向に進行させ、集光することで形成される複数対のビームスポットを加工対象物に同時照射し、この複数対のビームスポット間に形成されるクラックを利用して加工対象物を割断する方法である。このように、互いに離間する複数対のビームスポットを加工対象物上に同時に形成することにより、熱影響層が少なく、かつ方向性を有するクラックを効果的に形成・伸長させることができ、その結果、加工対象物の均一的かつ対称的な割断を実現することができる。また、この複数対のビームスポットを有するレーザー光線を、加工対象物のスクライブ方向に間欠的に照射することで、複数対のビームスポットを結ぶ直線上に伸長するクラック同士が連結し、熱応力の影響を最小限に抑えつつ、加工対象物を均一的かつ対称的に割断することができる。
　上記分離工程における常光成分及び異常光成分の分離に、照射光学系に配設される複屈折性プリズムを用いるとよい。このような複屈折性プリズムを用いることで、レーザー光線の常光成分及び異常光成分への分離と、この分離された常光成分及び異常光成分の異なる方向への進行とを同時に実現することができ、その結果、装置構成の単純化や操作容易性を向上することができる。
　上記照射工程における一対のビームスポットの分離方向を、加工対象物のスクライブ方向に沿うよう常光成分及び異常光成分の分離方向を調整するとよい。このように、常光成分及び異常光成分の分離方向を調整すると、かかる調整に対応させて、離間する一対のビームスポットの分離方向を加工対象物のスクライブ方向に沿うよう調整することができることから、スクライブ方向に対してクラックを効果的に伸長させることができると共に、クラックの伸長方向を制御して所望の方向に形成させることが可能となる。その結果、加工対象物の破断を均一的かつ対称的なものとすることができる。
　上記照射工程における一対のビームスポットの分離方向を、加工対象物の劈開面に沿うよう常光成分及び異常光成分の分離方向を調整するとよい。例えば、加工対象物がサファイア等の硬脆性材料から形成される場合には、常光成分及び異常光成分の分離方向を調整し、離間する一対のビームスポットの分離方向を加工対象物が有する劈開面に沿うよう調整することで、劈開面に対してクラックを伸長させることができ、かかるクラックの伸長を利用して所望の方向に対する均一的かつ対称的な割断を実現することができる。
　上記照射工程における一対のビームスポットの分離方向の調整に、照射光学系に配設され、照射光学系の光軸を中心に回転可能な複屈折性プリズムを用いるとよい。このような照射光学系の光軸を中心に回転可能な複屈折性プリズムを採用することで、（１）レーザー光線を常光成分及び異常光成分に分離することと、（２）この常光成分及び異常光成分を異なる方向に進行させることとを同時に実現しつつ、さらに、（３）この常光成分及び異常光成分について、照射光学系の光軸に垂直な面内における分離方向をも容易に調整することができる。
　上記照射工程における一対のビームスポットの中心間距離を調整するよう常光成分及び異常光成分の分離方向を調整するとよい。分離されたレーザー光線の常光成分及び異常光成分の分離方向を調整すると、かかる調整に対応して一対のビームスポットの中心間距離を調整することができる。このように、一対のビームスポットの中心間距離を加工対象物の種類・性質や加工特性等に応じた最適な値に調整することで、この一対のビームスポットを結ぶ直線上のクラックの形成及び伸長を効果的に実現することができると共に、かかるクラックの形成及び伸長を容易に制御することができる。
　上記照射工程における一対のビームスポットの中心間距離を、スポット径の０．２倍以上５０倍以下に調整することが好ましい。この一対のビームスポットの中心間距離を上記範囲とすることで、一対のビームスポットを結ぶ直線上のクラックの形成・伸長を最も効果的に実現することができ、その結果、加工対象物のスクライブ方向に直線的かつ安定的なクラックを形成・伸長させ、加工対象物の割断をより一層均一的かつ対称的なものとすることができる。
　上記分離工程において、照射光学系に配設され、照射光学系の光軸を中心に回転可能な１／２波長板を用いて常光成分及び異常光成分の強度比を調整するとよい。この１／２波長板のような偏光回転素子を用いて常光成分及び異常光成分の強度比を調整することで、複数対のビームスポットのパワー密度を制御し、複数対のビームスポットが形成するクラックの伸長方向を調整することができる。その結果、加工対象物の種類・性質や加工特性に最適な熱影響層の発生や加工対象物の割断方向を容易に調整することができる。
　上記照射工程において形成される複数対のビームスポットのスポット径が、０．３μｍ以上３００μｍ以下であることが好ましい。このスポット径を上記範囲とすることで、複数対のビームスポットを結ぶ直線上に形成されるクラックを、より大きく伸長させることができると共に、熱応力の影響を最小限に抑えつつ、加工対象物の均一的かつ対称的な割断を容易に実現することができる。
　上記照射光学系が、１／４波長板をさらに備えるものであるとよい。この１／４波長板を備えることで、レーザー光線の直線偏光を円偏光へと変換して偏光の影響を除去し、加工特性の安定化を容易に図ることができる。
　ここで、「スクライブ方向」とは、加工対象物に対してレーザー光線を間欠的に照射していく方向を意味する。「割断方向」とは、加工対象物に生じる破断の方向を意味する。「一対のビームスポットの分離方向」とは、常光成分及び異常光成分から形成される一対のビームスポットの分離方向であり、かつ照射光学系の光軸と垂直な面内における分離方向を意味する。「一対のビームスポットの中心間距離」とは、常光成分及び異常光成分から形成される一対のビームスポットが、照射光学系の光軸と垂直な面内にそれぞれ形成する略円形の中心点同士の距離を意味する。「照射光学系の光軸」とは、この光軸の対比対象となる照射対象物部分の光軸を意味する。
　以上説明したように、本発明のレーザースクライブ加工方法は、レーザー光線の照射により複数対のビームスポットを加工対象物に同時に形成すると共に、この複数対のビームスポットにより形成されるクラックを加工対象物が割れ易い方向に伸長させるよう制御することにより、加工対象物の均一的で対称的な割断を効果的かつ容易に実現することができる。また、本発明のレーザースクライブ加工方法は、簡便かつ単純な工程から構成されており、クラックの形成・伸長方向の制御を容易に行うことができることから、作業効率の向上を図ることができる。
本発明の一実施形態に係るレーザー加工方法を示すフロー図 図１のレーザー加工方法のシステム構成例を示す概略構成図 実施例１において形成されたクラックを示す観察画像 実施例２において形成されたクラックを示す観察画像 実施例３において形成されたクラックを示す観察画像 比較例１において形成されたクラックを示す観察画像 比較例２において形成されたクラックを示す観察画像 比較例３において形成されたクラックを示す観察画像 比較例４において形成されたクラックを示す観察画像 実施例４において形成されたクラックを示す観察画像 実施例５において形成されたクラックを示す観察画像 実施例６において形成されたクラックを示す観察画像 実施例７において形成されたクラックを示す観察画像 実施例８において形成されたクラックを示す観察画像 実施例９において形成されたクラックを示す観察画像
　以下、適宜図面を参照しつつ本発明の実施の形態を詳説する。
　図１のレーザースクライブ加工方法は、レーザー光線Ｐを硬脆性材料等から形成される加工対象物Ｑ（基板）に照射し、加工対象物Ｑのスクライブ方向に沿うクラックを形成して加工を行うものである。当該レーザースクライブ加工方法は、出射工程ＳＴＰ１、分離工程ＳＴＰ２、集光工程ＳＴＰ３及び照射工程ＳＴＰ４を有する。
　当該レーザースクライブ加工方法を実現するためのシステム構成例は、図２に示すように光源１、ステージ２及び照射光学系３を備えている。光源１は、レーザー光線Ｐを出射するものである。ステージ２は、加工対象物Ｑを設置するものであり、照射光学系３に対する加工対象物Ｑの位置を、照射光学系３の光軸Ｒと垂直な面内における直交２方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向）に移動させる手段を備えるものである。
　照射光学系３は、光源１から出射されるレーザー光線Ｐを加工対象物Ｑに導光及び集光するものであり、ビームエキスパンダ４、１／２波長板５、複屈折性プリズム６、光路補正光学系７、ミラー８、１／４波長板９及び集光レンズ１０を主として備える。
　ビームエキスパンダ４は、凹レンズ１１及び凸レンズ１２をレーザー光線Ｐの進行方向順に有し、光源１から出射されるレーザー光線Ｐを拡大するものである。１／２波長板５は、レーザー光線Ｐの進行方向を基準としてビームエキスパンダ４の後に配設され、レーザー光線Ｐの電場ベクトルを回転させるものであり、レーザー光線Ｐの光軸Ｒを中心に回転可能な構成を採用している。複屈折性プリズム６は、光源１から出射されるレーザー光線Ｐを進行方向が異なる常光成分１３及び異常光成分１４に分離するものである。光路補正光学系７は、複屈折性プリズム６を透過する常光成分１３及び異常光成分１４の進行方向を補正するものである。ミラー８は、光路補正光学系７を透過するレーザー光線Ｐを集光レンズ１０に導光するものであり、このミラー８を用いてレーザー光線Ｐの反射角度を変化させることで、レーザー光線Ｐの進行方向を容易に調整することができる。１／４波長板９は、レーザー光線Ｐの進行方向を基準として光路補正光学系７の後に配設され、ミラー８から導光されるレーザー光線Ｐの直線偏光を円偏光へと変換するものである。集光レンズ１０は、１／４波長板９を透過するレーザー光線Ｐの常光成分１３及び異常光成分１４を加工対象物Ｑに集光するものである。
　出射工程ＳＴＰ１は、光源１からレーザー光線Ｐを出射する工程である。レーザー光線Ｐの発振手段としては、パルス発振を採用するとよい。この発振手段としてパルス発振を採用することで、短い時間幅の中にエネルギーを集中しつつ高いピークパワーを有するレーザーパルスを発生させることができ、その結果、加工対象物Ｑに対し熱影響層の少ない効率的な加工を実現することができる。
　上記パルス発振の発振形態としては、特に限定されるものではなく、例えばパルス幅が０．１ｐｓから２０ｎｓ程度であるパルス発振、Ｑスイッチパルス発振等が挙げられる。また、このＱスイッチパルス発振において、高速繰り返し用のＡ／Ｏ素子や、短パルス発生用のＥ／Ｏ素子を採用することもできる。なお、連続波発振であっても、Ａ／Ｏ－Ｑスイッチ等を用いることで、約数十ＫＨｚの繰り返しでパルス様発振出力を得ることもできる。
　出射工程ＳＴＰ１で出射されるレーザー光線Ｐの波長としては、加工対象物Ｑがサファイア等の硬脆性材料から形成されている場合には、２００ｎｍ以上１１μｍ以下に調整することが好ましく、２４０ｎｍ以上１６００ｎｍ以下に調整することが特に好ましい。このレーザー光線Ｐの波長を上記範囲に調整することで、結晶性の硬脆性材料から形成される加工対象物Ｑの割断に最適なレーザー出力を実現することができ、レーザースクライブ加工の効率性及び確実性を向上することができる。
　光源１の種類としては、特に限定されるものではなく、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザー、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザー、Ｙｂ：ＹＡＧレーザー、Ｔｉ：サファイアレーザーなどの固体レーザー；ファイバーレーザー及びその高調波；エキシマレーザー、ＣＯ２レーザーなどの気体レーザー等が挙げられる。中でも、熱影響の少ない短パルスレーザーや、硬脆性材料に強く吸収される紫外域の発振波長を持つレーザーを採用することが好ましい。
　分離工程ＳＴＰ２は、光源１から出射されるレーザー光線Ｐを、進行方向が異なる常光成分１３及び異常光成分１４に分離する工程である。この分離工程ＳＴＰ２により、単一束のレーザー光線Ｐを常光成分１３及び異常光成分１４の２つの成分に分け、この常光成分１３及び異常光成分１４を照射光学系３の光軸Ｒと垂直な面内における方向に分離しつつ、それぞれ異なる方向に進行させ、その結果、一対のビームスポットを加工対象物Ｑに対し離間して形成することができる。このように離間した一対のビームスポットが形成するクラックは、熱影響層が少なく、一対のビームスポットを結ぶ直線方向に連続して伸長する。このクラックの伸長方向に沿って加工対象物Ｑは割断し易くなり、その結果、均一的かつ対称的な割断が可能となる。なお、かかるビームスポットを離間せずに単一のスポットとすると、スポットの加工痕中央部から形成されるクラックが加工対象物Ｑ表面の周辺方向に多数形成され、均一的かつ対称的な割断が困難となるため好ましくない。
　分離工程ＳＴＰ２における常光成分１３及び異常光成分１４の分離に、照射光学系３に配設される複屈折性プリズム６を用いるとよい。このような複屈折性プリズム６を用いることにより、（１）レーザー光線Ｐを常光成分１３及び異常光成分に分離することと、（２）分離された常光成分１３及び異常光成分１４を異なる方向に進行させることとを同時に実現することができる。その結果、装置構成の単純化や操作容易性の向上を図ることができる。
　上記複屈折性プリズム６は、結晶方位に関して２つの異なる屈折率を有し、これらの屈折率差を利用することで、入射したレーザー光線Ｐを常光成分１３と異常光成分１４とに分離することができる。かかる複屈折性プリズム６の結晶軸Ｓの方向を照射光学系３の光軸Ｒの方向と直交させ、結晶軸Ｓの方向と光源１から出射されたレーザー光線Ｐの電界方向との成す角を調整することで、レーザー光線Ｐの成分を常光成分１３と異常光成分１４とに確実かつ効率よく分離することができる。また、複屈折性プリズム６は、ウェッジ頂角θＷ（プリズムの光入射面と光出射面との交差角度）を有することで、常光成分１３及び異常光成分１４を、それぞれ異なる方向に進行させることが容易となる。
　上記複屈折性プリズム６の素材としては、例えば光学水晶、サファイア、方解石等が挙げられ、中でも、レーザー光線に対する高い耐光強度を発揮し、広い波長範囲に対する高い透過率を発揮することができる光学水晶を用いることが好ましい。また、複屈折性プリズム６の種類としては、例えばウェッジプリズム、ドーブプリズム、ニコルプリズム、ウォラストンプリズム、ロコンプリズム等が挙げられる。中でも、上述の通り、ウェッジプリズムであることが好ましい。
　分離工程ＳＴＰ２において、照射工程ＳＴＰ４で形成される一対のビームスポットの分離方向を、加工対象物Ｑのスクライブ方向に沿うよう常光成分１３及び異常光成分１４の分離方向を調整するとよい。照射工程ＳＴＰ４で形成される一対のビームスポットの分離方向は、分離工程ＳＴＰ２で分離される常光成分１３及び異常光成分１４の分離方向により決定される。この常光成分１３及び異常光成分１４の分離方向を調整し、一対のビームスポットの分離方向を加工対象物のスクライブ方向に沿うよう調整することで、スクライブ方向に対してクラックを効果的に伸長させることができると共に、スクライブ方向とは異なる方向に伸長するクラックの形成を抑制することができる。その結果、加工対象物Ｑの破断を均一的かつ対称的なものとすることができる。さらに、かかるクラックの伸長方向を容易に制御し、所望の方向（スクライブ方向）に伸長させることも可能となる。
　また、加工対象物Ｑがサファイア等の結晶性の硬脆性材料である場合は、分離工程ＳＴＰ２において、照射工程ＳＴＰ４における一対のビームスポットの分離方向を、加工対象物Ｑの劈開面に沿うよう常光成分１３及び異常光成分１４の分離方向を調整するとよい。結晶性の硬脆性材料は、結晶構造の種類に応じた特有の劈開面を有し、かかる劈開面の方向に破断し易いという性質を有する。このような性質を利用して、常光成分１３及び異常光成分１４の分離方向を調整し、一対のビームスポットの分離方向を加工対象物Ｑの劈開面に沿うよう調整することで、劈開面に対してクラックが伸長し、このクラックの伸長方向に均一的かつ対称的な割断を実現することができる。なお、当該レーザースクライブ加工方法において加工可能な結晶性の硬脆性材料の結晶構造としては、例えば三斜晶、単斜晶、斜方晶、六方晶、三方晶、正方晶、立方晶等が挙げられる。
　このように、分離工程ＳＴＰ２において、常光成分１３及び異常光成分１４の分離方向を調整する場合には、照射光学系３の光軸Ｒを中心に回転可能な複屈折性プリズム６を用いるとよい。かかる照射光学系３の光軸Ｒを中心に回転可能な複屈折性プリズム６を用いることで、装置構成を複雑化することなくレーザー光線Ｐを常光成分１３及び異常光成分１４に分離し、それぞれ異なる方向に進行させることができると共に、複屈折性プリズム６の回転という簡単な操作により常光成分１３及び異常光成分１４の分離方向を容易に調整することができる。かかる分離方向の調整機構を詳説すると、複屈折プリズム６を照射光学系３の光軸Ｒを中心に４５°回転させると、この回転に対応して常光成分１３及び異常光成分１４の分離方向が同じく４５°回転し、その結果、一対のビームスポットの分離方向が、照射光学系３の光軸Ｒと垂直な面内において４５°回転する。なお、かかる複屈折プリズム６の回転は、照射光学系３の光軸Ｒを中心に３６０°回転可能であるため、一対のビームスポットの分離方向を、照射光学系３の光軸Ｒと垂直な面内において３６０°の方向に調整することができる。
　また、上記照射光学系３の光軸Ｒを中心に回転可能な複屈折性プリズム６を用いる場合には、レーザー光線Ｐの進行方向を基準として、複屈折性プリズム６の後に、照射光学系３の光軸Ｒを中心に回転可能な光路補正光学系７を備えるとよい。この光路補正光学系７は、複屈折性を有さないプリズムである。また、その頂角は、使用する素材のレーザー光線に対する屈折率から決まる値であり、通常は、複屈折性プリズム６の頂角θＷとは異なるものである。このような光路補正光学系７を用いることで、複屈折性プリズム６を回転することにより生じる常光成分１３及び異常光成分１４の進行方向の変位を補正することができ、その結果、常光成分１３及び異常光成分１４を所望の方向に進行させることができる。なお、かかる光路補正光学系７の素材としては、例えば合成石英等が挙げられる。
　分離工程ＳＴＰ２において、照射工程ＳＴＰ４における一対のビームスポットの中心間距離を調整するよう常光成分１３及び異常光成分１４の分離方向を調整するとよい。加工対象物Ｑに対して一対のビームスポットを形成し、この一対のビームスポットを結ぶ直線上に形成されるクラックを効率的に発生させつつ、かかるクラックを所望の方向に伸長させるためには、一対のビームスポットの中心間距離を加工対象物Ｑの種類・性質や加工特性等に応じた最適な値に調整する必要がある。従って、分離されたレーザー光線Ｐの常光成分１３及び異常光成分１４の分離方向を調整することで、かかる調整に対応して一対のビームスポットの中心間距離も調整され、その結果、加工対象物Ｑの種類・性質や加工特性等に応じた最適なクラックの形成及び伸長を効果的に実現することができると共に、かかるクラックの形成及び伸長を容易に制御することができる。
　上記一対のビームスポットの中心間距離の調整手段としては、例えば複屈折性プリズム６のウェッジ頂角θＷを調整する手段、レンズ光学系（図示しない）を用いてレーザービーム径を拡大する手段等が挙げられる。複屈折性プリズム６のウェッジ頂角θＷを調整する手段について詳説すると、例えばレーザー光線Ｐの波長を１．０６４μｍ、集光レンズの焦点距離を１００ｍｍ、ウェッジ頂角θＷを約２°に設定する場合、一対のビームスポットの中心間距離は約６０μｍとなる。このように、ウェッジ頂角θＷの異なる複数の複屈折プリズムを用意することで、加工対象物Ｑの性質等に最適な一対のビームスポットの中心間距離の調整が可能となる。また、レンズ光学系を用いてレーザービーム径を拡大する手段について詳説すると、例えば凹レンズ及び凸レンズをレーザー光線Ｐの進行方向順に有するレンズ光学系を用いてレーザー光線Ｐを拡大することで、一対のビームスポットの中心間距離を調整することができる。なお、かかるレンズ光学系のレーザービーム径の拡大機構を連続系とすることで、中心間距離の連続的な調整が可能となる。
　上記一対のビームスポットの中心間距離は、スポット径の０．２倍以上５０倍以下に調整することが好ましく、０．５倍以上４０倍以下に調整することが特に好ましい。この一対のビームスポットの中心間距離を上記範囲とすることで、加工対象物Ｑの割断方向に直線的かつ安定的なクラックを形成・伸長させるための最適なビームスポットの条件を付与することができる。かかる中心間距離がスポット径の０．２倍未満であると、単一のスポットとした場合と何ら変わりがなく、加工対象物Ｑ表面の周辺方向に多数形成され、均一的かつ対称的な割断を実現することが困難となるため好ましくない。また、５０倍を超えると、間欠的に形成される一対のビームスポット群において、各ビームスポットで伸長するクラック同士が連結せず、その結果、加工対象物Ｑの割断が困難となるため好ましくない。
　分離工程ＳＴＰ２において、照射光学系３に配設され、照射光学系３の光軸Ｒを中心に回転可能な１／２波長板５を用いて常光成分１３及び異常光成分１４の強度比を調整するとよい。この常光成分１３及び異常光成分１４の強度比により、一対のビームスポットが形成するクラックの長さや方向を最適化することができる。従って、１／２波長板５のような偏光回転素子を用いて常光成分１３及び異常光成分１４の強度比を調整することで、一対のビームスポットのパワー密度を制御し、加工対象物Ｑの種類や性質に最適な熱影響層の発生やクラックの伸長方向を容易に調整することができる。このような機構を詳説すると、１／２波長板５は、分離される前のレーザー光線Ｐの電場ベクトルを回転させる作用を有する。例えば１／２波長板５の遅相軸及び入射レーザー光線の電場ベクトルのなす角度をθとした場合に、レーザー光線Ｐが１／２波長板５を透過すると、透過後の電場ベクトルは２θ回転する。このような１／２波長板５を用いることで、装置構成を複雑化することなく分離された常光成分１３及び異常光成分１４の強度比を容易に調整することができる。さらに、この１／２波長板５をレーザー光線Ｐの光軸Ｒを中心に回転可能とすることで、その回転角度に応じて、遅相軸に垂直な常光成分１３と、これに直交する異常光成分１４との強度比を容易かつ連続的に変化させることができる。
　集光工程ＳＴＰ３は、分離工程ＳＴＰ２において分離され、進行方向がそれぞれ異なる常光成分１３及び異常光成分１４を集光しつつ、一対のビームスポットを形成する工程である。かかる集光手段としては、特に限定されるものではないが、使用するレーザー光線Ｐの波長に対して光学収差を補正した単レンズ又は組合せのレンズである集光レンズ１０を採用することが好ましい。なお、集光レンズ１０を構成するレンズの種類としては、例えば両凸レンズ、平凸レンズ、凸メニスカスレンズ、両凹レンズ、平凹レンズ、凹メニスカスレンズ等が挙げられる。
　照射工程ＳＴＰ４は、集光工程ＳＴＰ３で形成される一対のビームスポットを有するレーザー光線Ｐを、加工対象物Ｑのスクライブ方向に沿って間欠的に照射する工程である。このように、一対のビームスポットをスクライブ方向に沿って間欠的に照射することで、一対のビームスポットを結ぶ直線上に伸長するクラック同士が連結し、その結果、熱応力の影響を最小限に抑えつつ、加工対象物Ｑを均一的かつ対称的に割断することができる。なお、かかる照射工程ＳＴＰ４において、レーザー光線Ｐの間欠的照射のパルス幅を調整することで、１回目のパルス発振により形成されたクラックと、２回目のパルス発振により形成されたクラックとの連結を調整・制御することも可能である。
　照射工程ＳＴＰ４において形成される一対のビームスポットのスポット径は、０．３μｍ以上３００μｍ以下であることが好ましく、０．５μｍ以上２００μｍ以下に調整することが特に好ましい。このスポット径を上記範囲とすることで、一対のビームスポットを結ぶ直線上に形成されるクラックを、より大きく伸長させることができる。このスポット径が２００μｍを超えると、加工対象物Ｑ表面の広範囲に熱応力が発生し、加工対象物Ｑの変形を発生させるおそれがあるため好ましくない。
　上記照射光学系３が、１／４波長板９をさらに備えるとよい。この１／４波長板９を用いることで、レーザー光線Ｐの直線偏光を円偏光へと変換して偏光の影響を除去し、加工特性の安定化を図ることができる。なお、この１／４波長板９の遅相軸（図示せず）を、常光成分１３及び異常光成分１４の偏光方向に対して共に４５°の角度をなすように設定することで、円偏光への変換をより確実に実現することができる。
　なお、本発明のレーザー加工方法は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、加工対象物の性質により複数対のビームスポットの偏光方向を区別することが有効と想定される場合には、照射光学系に１／４波長板を配設しないこともできる。また、光源から出射されるレーザー光線のビーム径が集光レンズの入射瞳径より大きい場合には、照射光学系にビームエキスパンダを配設しないこともできる。
　また、照射光学系において、（１）１／２波長板、（２）複屈折性プリズム及び（３）光路補正光学系を１ユニットとしたビーム分離ユニットを、照射光学系の光軸上に複数配設することで、４つ以上のビームスポットを形成することもできる。例えば、かかるビームユニットを２つ配設した場合（レーザー光線の進行方向順に第１ユニット、第２ユニットとする）には、第２ユニットの１／２波長板の回転角を２２．５°に設定すると、第１ユニットで分離した異常光成分及び常光成分が、第２ユニットの結晶軸に対してそれぞれ４５度傾き、それぞれのビーム成分が、さらに異常光成分及び常光成分に分離される。その結果、第２ユニットを透過したレーザー光線は、４つのビームスポットに分離される。
　以下、実施例に基づき本発明を詳述するが、この実施例の記載に基づいて本発明が限定的に解釈されるものではない。
（実験１）
［実施例１から３］
〈実験系の説明〉
　光源と、ステージと、少なくとも１／２波長板、複屈折性プリズム、集光レンズを備える照射光学系とを用いて、加工対象物であるホウ珪酸ガラス（非結晶性の硬脆性材料）に対して、一対のビームスポットを照射し、クラックを形成させた。その後、形成されたクラックの状態の観察画像を撮影した。
　実験１では、光源としてＮｄ：ＹＡＧ（ＴＨＧ）レーザーを採用し、複屈折性プリズムとして水晶ウェッジ板を採用した。また、一対のビームスポットの中心間距離が３μｍから４μｍとなるように、水晶ウェッジ板の頂角と集光レンズ焦点距離を選定した。レーザー光線のスポット照射によって形成されるクラックの長さは、硬脆性材料の劈開面破壊強度及びビームスポットの特性（例えば波長、パワー、パルス幅、スポット径等）に密接に関係しているが、クラックを所定方向に効率的に生成させるためには、一対のビームスポットの中心間距離を、レーザー光線の集光スポット径の０．５倍から４０倍程度とすることが好ましい。そこで、実験１では、硬脆性材料基板をビームスポットに対して相対移動させるＸＹステージ（Ｘ軸方向とＹ軸方向とに相対移動）の移動速度と、Ｑスイッチパルスレートを選定して、加工痕間隔を１５μｍとなるよう設定した。なお、集光点でのパワー密度は、各ビームスポットともスポット径が２．２μｍφ、１ショットのパワー密度が２．３×１０１０Ｗ／ｃｍ２となるようレーザーパワー、集光レンズ等を選定している。
　実施例１では、水晶ウェッジ板を照射光学系の光軸回りに４５°回転し、一対のビームスポットが、加工対象物のＸＹ平面上におけるスクライブ方向に対して４５°の角度となるように設定して加工を行った。実施例２では、実施例１における回転方向とは逆方向に４５°回転して加工を行った。実施例３では、一対のビームスポットの分離方向を、加工対象物のＸＹ平面上におけるスクライブ方向と平行として加工を行った。
（実験２）
［比較例１から３］
〈実験系の説明〉
　公知のレーザー加工方法と同様に、光源（ＴＨＧレーザー）、ステージ及び照射光学系を用い、加工対象物であるホウ珪酸ガラスに対して１つのビームスポットを照射し、クラックを形成させた。その後、形成されたクラックの状態の観察画像を撮影した。
　比較例１では、実験１の場合と同様に、ビームスポット径は２．２μｍφに設定した。また、パワー密度は、１スポットであることを考慮し、実験１の場合の値の約２倍である３．９×１０１０Ｗ／ｃｍ２に設定し、一対のビームスポットの中心間距離が１５μｍとなるように設定して加工を行った。比較例２では、１スポット加工の場合において、各照射スポットの中心間距離を小さくすると、２スポット加工の場合と同様にクラックの発生がスクライブ方向に集中するかどうかを確認した結果である。この比較例２では、Ｑスイッチパルスレートを実験１の場合と同様に設定し、ステージの移動速度を実験１の場合の約半分に設定して加工を行った。比較例３では、パワー密度を、２スポット加工時における１つのスポットパワー密度とほぼ同等の値である２．３×１０１０Ｗ／ｃｍ２に設定して加工を行った。
〈実験１及び２における特性の評価〉
　実験１及び２の結果を、図３から図８に示す。
　実施例１及び実施例２では、水晶ウェッジ板を照射光学系の光軸回りに９０°（４５°＋４５°）回転することで、一対のビームスポット間に発生したクラックの形成方向が９０度変化することがわかった。実施例３では、一対のビームスポット間に発生したクラックの形成方向がスクライブ方向と一致し、スクライブ方向とは異なる方向に伸長するクラックの形成は抑制されることがわかった。
　比較例１では、各ビームスポット加工痕中央部から形成されたクラックが、スクライブ方向だけでなく、加工痕の周辺方向にも多数形成されていることがわかった。比較例２では、加工痕間隔は７．５μｍであり、各ビームスポット加工痕の中央部から形成されたクラックが、スクライブ方向だけでなく、加工痕の周辺方向にも多数形成されていることがわかった。比較例３では、加工痕の周辺方向へのクラック形成は抑えられているが、スクライブ速度が実施例における速度の半分となり、スループットの低下が認められた。
　これらの結果から、本発明のレーザー加工方法によれば、一対のビームスポット間に形成されるクラックの伸長方向を制御することができ、その結果、加工速度を低下させることなく、スクライブ溝周辺へのクラック発生を抑制したスクライブ加工を実現することができると考えられる。
（実験３）
［比較例４］
〈実験系の説明〉
　公知のレーザー加工方法と同様に、光源（ＴＨＧレーザー）、ステージ及び照射光学系を用い、Ｃ面を主面とするサファイア基板に対して１つのビームスポットを照射し、クラックを形成させた。その後、形成されたクラックの状態の観察画像を撮影した。かかる実験３におけるスポット径は１．１μｍφに設定し、パワー密度は１３×１０１０Ｗ／ｃｍ２に設定した。
（実験４）
［実施例４から９］
〈実験系の説明〉
　実験系は、加工対象物がＣ面を主面とするサファイア基板であることを除いて、実験１の場合と同様である。各ビームスポット径は１．１μｍφ、各ビームスポットのパワー密度は４．６×１０１０Ｗ／ｃｍ２、一対のビームスポットの中心間距離は約３μｍとなるように、水晶ウェッジ板の頂角と集光レンズ焦点距離とを選定した。なお、照射スポット間隔は、Ｑスイッチパルスレート及びステージの移動速度を調整することで１５μｍとなるよう設定した。
　実施例４では、スクライブ方向をオリフラと平行として加工を行った。実施例５では、スクライブ方向をオリフラと直交方向として加工を行った。実施例６及び実施例７では、水晶ウェッジ板を照射光学系の光軸回りに４５°回転し、一対のビームスポットの分離方向が加工対象物のＸＹ平面上におけるスクライブ方向に対して４５°の角度となるように設定した上で、実施例６ではスクライブ方向をオリフラと平行として、実施例７ではスクライブ方向をオリフラと直交方向として加工を行った。実施例８及び実施例９では、実施例６及び実施例７における回転方向とは逆方向に４５°回転し、一対のビームスポットが加工対象物のＸＹ平面上におけるスクライブ方向に対して４５°の角度となるように設定した上で、実施例８ではスクライブ方向をオリフラと平行として、実施例９ではスクライブ方向をオリフラと直交方向として加工を行った。
〈実験３及び４における特性の評価〉
　比較例４では、照射スポットから３方向にクラックが形成されているが、ショットごとのクラック発生状況にムラが認められ、クラックの形成が不均一であった。また、各加工痕間でクラックが連結しない場合も発生した。
　実施例４では、クラックの規則的な連結が認められた。実施例５では、実施例４と同様に、クラックの規則的な連結が認められた。実施例６及び実施例７では、ビームスポットが並ぶ４５°方向のクラックが大きく伸長していることが認められた。実施例８及び実施例９では、実施例６及び実施例７に対して、最大クラックの方向が９０°回転していることが認められた。
　以上の結果から、結晶性の硬脆性材料でも劈開方向を容易に調整・制御できることがわかった。このような調整・制御を行うことで、レーザー照射により発生する劈開方向を制御し、サファイア等の基板のスクライブ方向に近い劈開を成長させることで、所望のスクライブ溝の形成を実現することができると考えられる。
　以上のように、本発明のレーザースクライブ加工方法は、複数対のビームスポットを有するレーザー光線を加工対象物に照射し、この複数対のビームスポットにより形成されるクラックを加工対象物が割れ易い方向に伸長させて割断を行うものであることから、少ないレーザーパワーで加工を行うことができ、省エネルギー化を実現することができる。また、熱応力の影響を最小限に抑えることから、加工対象物の変形等を効果的に防ぐことができ、スループットの向上を図ることができる。さらに、本発明のレーザースクライブ加工方法は、単純で簡便な工程から構成されており、低コスト化や作業効率の向上を図ることができる。
　　１　　　　光源
　　２　　　　ステージ
　　３　　　　照射光学系
　　４　　　　ビームエキスパンダ
　　５　　　　１／２波長板
　　６　　　　複屈折性プリズム
　　７　　　　光路補正光学系
　　８　　　　ミラー
　　９　　　　１／４波長板
　　１０　　　集光レンズ
　　１１　　　凹レンズ
　　１２　　　凸レンズ
　　１３　　　常光成分
　　１４　　　異常光成分
　　Ｐ　　　　レーザー光線
　　Ｑ　　　　加工対象物
　　Ｒ　　　　照射光学系の光軸
　　Ｓ　　　　結晶軸
　　ＳＴＰ１　出射工程
　　ＳＴＰ２　分離工程
　　ＳＴＰ３　集光工程
　　ＳＴＰ４　照射工程

Claims (10)

  1. 　レーザー光線を出射する光源と、このレーザー光線を加工対象物に導く照射光学系とを用い、加工対象物のスクライブ方向に沿うクラックを形成するレーザースクライブ加工方法であって、
    　光源からレーザー光線を出射する出射工程と、
    　このレーザー光線を進行方向が異なる常光成分及び異常光成分に分離する分離工程と、
    　この常光成分及び異常光成分を集光しつつ、複数対のビームスポットを形成する集光工程と、
    　この複数対のビームスポットを有するレーザー光線を加工対象物のスクライブ方向に間欠的に照射する照射工程と
    　を有するレーザースクライブ加工方法。
  2. 　上記分離工程における常光成分及び異常光成分の分離に、照射光学系に配設される複屈折性プリズムを用いる請求項１に記載のレーザースクライブ加工方法。
  3. 　上記照射工程における一対のビームスポットの分離方向を、加工対象物のスクライブ方向に沿うよう常光成分及び異常光成分の分離方向を調整する請求項１に記載のレーザースクライブ加工方法。
  4. 　上記照射工程における一対のビームスポットの分離方向を、加工対象物の劈開面に沿うよう常光成分及び異常光成分の分離方向を調整する請求項１に記載のレーザースクライブ加工方法。
  5. 　上記照射工程における一対のビームスポットの分離方向の調整に、照射光学系に配設され、照射光学系の光軸を中心に回転可能な複屈折性プリズムを用いる請求項３又は請求項４に記載のレーザースクライブ加工方法。
  6. 　上記照射工程における一対のビームスポットの中心間距離を調整するよう常光成分及び異常光成分の分離方向を調整する請求項１に記載のレーザースクライブ加工方法。
  7. 　上記照射工程における一対のビームスポットの中心間距離を、スポット径の０．２倍以上５０倍以下に調整する請求項６に記載のレーザースクライブ加工方法。
  8. 　上記分離工程において、照射光学系に配設され、かつ照射光学系の光軸を中心に回転可能な１／２波長板を用いて常光成分及び異常光成分の強度比を調整する請求項１に記載のレーザースクライブ加工方法。
  9. 　上記照射工程において形成される複数対のビームスポットのスポット径が、０．３μｍ以上３００μｍ以下である請求項１に記載のレーザースクライブ加工方法。
  10. 　上記照射光学系が、１／４波長板をさらに備える請求項１に記載のレーザー加工方法。
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