(57)【要約】【課題】機器の構成を複雑にすることなく、加工対象物１を小さな力で分割出来るとともに、加工対象物１の分割断面の分割予定ライン３に対するずれを小さく抑えることの出来るレーザスクライブ方法及びレーザスクライブ装置を提供する。【解決手段】照射エネルギーが所定値となる条件下でパルス幅が７００フェムト秒以上４．５ピコ秒以下でに設定されたレーザ光Ｌを、板状の加工対象物１の内部に合わせた集光点Ｐが加工対象物１の分割予定ライン３に沿って移動するように加工対象物１に照射することによって、分割予定ライン３に沿って多光子吸収による改質層５を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の加工対象物の内部に合わせた集光点が前記加工対象物の分割予定ラインに沿って移動するように、レーザ光を前記加工対象物に照射することによって、前記分割予定ラインに沿って多光子吸収による改質層を形成するレーザスクライブ方法であって、
前記レーザ光は、照射エネルギーが所定値となる条件下でパルス幅が７００フェムト秒以上４．５ピコ秒以下であることを特徴とするレーザスクライブ方法。
【請求項２】
前記加工対象物は、ガラス、サファイア、水晶、及びシリコンのうち、いずれかであることを特徴とする請求項１に記載のレーザスクライブ方法。
【請求項３】
前記レーザ光の繰り返し周波数は、１０ｋＨｚ以上１０ＭＨｚ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザスクライブ方法。
【請求項４】
前記レーザ光のパルス幅は、２ピコ秒以上４．５ピコ秒以下であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザスクライブ方法。
【請求項５】
板状の加工対象物の内部に多光子吸収による改質層を形成するレーザスクライブ装置であって、
前記加工対象物が載置される載置台と、
前記載置台に載置された加工対象物の内部に集光点が合うように前記加工対象物にレーザを照射するレーザ照射手段と、
前記集光点が前記加工対象物の分割予定ラインに沿って移動するように、前記載置台を前記レーザ光に対して相対移動させる移動手段とを備え、
前記レーザ照射手段は、照射エネルギーが所定値となる条件下で、パルス幅が７００フェムト秒以上４．５ピコ秒以下に設定されたレーザ光を前記加工対象物に照射することを特徴とするレーザスクライブ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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レーザスクライブ方法及びレーザスクライブ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、シリコン基板等の加工対象物を分割するために、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って、分割の起点となる改質層を加工対象物内部に形成する技術がある。例えば特許文献１には、集光点が加工対象物の表面に対して斜め方向に移動するようにレーザ光を照射することで、改質層を前記斜め方向に並設させる技術が開示されている。この技術においては、レーザ光の繰り返し周波数は数十〜百ヘルツに設定され、レーザ光の照射タイミングに同期させながら集光用のレンズを加工対象物に対して移動させることで、集光点の移動を図るようにしている。
【０００３】
また特許文献２には、レーザ光の集光点における電界強度やパルス幅が所定の条件を満たすと、集光点では多光子吸収を起因として局所的に加熱される現象が生じて、改質層が、溶融した材料が再固化した状態にある溶融領域に形成されることが記載されている。そして、加工対象物が所定の厚さを有する場合には、前記溶融領域が出来る条件下で、ガウシアンビームプロファイルに対してピーク位置が移動したパルス波形を有するレーザ光を加工対象物に照射することで、溶融領域の大きさを大きくして、加工対象物に割れを生じやすくすることが出来ると記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１６７８７５号公報
【特許文献２】特開２００７−２４５１７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで特許文献１では、繰り返し周波数が数十〜百ヘルツとなる短いレーザ光の照射タイミングに同期させてレンズの移動を行うようにしていることから、レンズの移動を高速で行う必要がある。このため、該レンズの移動を実現する移動機構の構造が複雑になるために、移動機構の製造コストが高くなったり、移動機構の精度に狂いが生じて改質層を所望の位置に形成できないといった問題が生じ得る。また、レーザ光の照射タイミングを長く設定し、該設定した照射タイミングに同期させてレンズの移動を行うこととした場合には、改質層の加工速度が遅くなるために、加工に要する時間が長くなる。
【０００６】
また、特許文献２では、パルス波形のピーク位置を移動させるためには、単なる波長変調のみならず、位相変調が必要であるため、パルス変調機の構成が複雑になる。このため、パルス変調機の精度に狂いが生じたり、パルス変調機の製造コストが高くなる。また、溶融領域の再固化状態を上手くコントロールしないと、溶融領域が割れを成長させるための切断起点になりえず、逆に割れの成長を妨げる要因になってしまう。また、必要以上に大きな溶融領域が形成された場合には、溶融領域は、加工対象物にダレや突起等の変形を生じさせたり、加工対象物の強度等の材料物性に悪影響を与える。
【０００７】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、機器の構成を複雑にすることなく、加工対象物を小さな力で分割出来るとともに、加工対象物の分割断面の分割予定ラインに対するずれを小さく抑えることの出来るレーザスクライブ方法及びレーザスクライブ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係るレーザスクライブ方法は、板状の加工対象物の内部に合わせた集光点が前記加工対象物の分割予定ラインに沿って移動するように、レーザ光を前記加工対象物に照射することによって、前記分割予定ラインに沿って多光子吸収による改質層を形成するレーザスクライブ方法であって、前記レーザ光は、照射エネルギーが所定値となる条件下でパルス幅が７００フェムト秒以上４．５ピコ秒以下であることを特徴とする。
【０００９】
好ましくは、前記加工対象物は、ガラス、サファイア、水晶、及びシリコンのうち、いずれかであることを特徴とする。
【００１０】
好ましくは、前記レーザ光の繰り返し周波数は、１０ｋＨｚ以上１０ＭＨｚ以下であることを特徴とする。
【００１１】
好ましくは、前記レーザ光のパルス幅は、２ピコ秒以上４．５ピコ秒以下であることを特徴とする。
【００１２】
本発明の第２の観点に係るレーザスクライブ装置は、板状の加工対象物の内部に、多光子吸収による改質層を形成するレーザスクライブ装置であって、前記加工対象物が載置される載置台と、前記載置台に載置された加工対象物の内部に集光点が合うように前記加工対象物にレーザを照射するレーザ照射手段と、前記集光点が前記加工対象物の分割予定ラインに沿って移動するように、前記載置台を前記レーザ光に対して相対移動させる移動手段とを備え、前記レーザ照射手段は、照射エネルギーが所定値となる条件下で、パルス幅が７００フェムト秒以上４．５ピコ秒以下に設定されたレーザ光を前記加工対象物に照射することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、加工対象物に照射するレーザ光は、照射エネルギーが所定値となる条件下でパルス幅が７００フェムト秒以上４．５ピコ秒以下に設定されることで、分割の起点となるクラックを改質層から加工対象物の厚さ方向に長く生成することが出来るとともに、割れの進行を妨げるアモルファス相の発生を小さく抑えることが出来る。これにより、加工対象物を小さな力で分割出来るとともに、加工対象物の分割断面の分割予定ラインに対するずれを小さく抑えることが出来る。
【００１４】
また、パルス幅を７００フェムト秒以上４．５ピコ秒以下の範囲に制御することは、グレーティングミラーと分散プリズムの反射光路長を調整することで実現できる。これにより、機器の構成を複雑にすることがない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本実施形態にかかるレーザスクライブ方法は、レーザ光の照射により加工対象物の内部に形成される改質層を利用するものであり、まず本実施形態にかかるレーザスクライブ方法の原理について説明する。
【００１６】
図１は、本実施形態にかかるレーザスクライブ方法によってレーザ加工中の加工対象物１の斜視図である。
【００１７】
加工対象物１は、板状（ウェハ状）を呈し、その表面には加工対象物を分割するための分割予定ライン３が設けられている。本実施形態に係るレーザスクライブ方法では、加工対象物１の内部に集光点Ｐが合うように、レーザ光Ｌが加工対象物１に照射され、集光点Ｐでは、多光子吸収によって改質層５が形成される。
【００１８】
そして、集光点Ｐが分割予定ラインに沿って移動するように、加工対象物１をレーザ光Ｌに対して加工対象物の分割予定ライン３に沿う方向Ａに相対移動させる。また、分割予定ライン３に沿う位置において集光点Ｐが加工対象物の厚み方向Ｂにも移動するように、加工対象物１をレーザ光Ｌに対して加工対象物１の厚み方向Ｂにも相対移動させる。この厚み方向Ｂへの相対移動は、集光点Ｐが、レーザ光Ｌの照射面に対して反対側から手前側に移動するように行われる。これにより、先に形成された改質層５によってレーザ光Ｌの進行が妨げられることが防止される。
【００１９】
以上のレーザ照射が行われることで、分割予定ライン３に沿う加工対象物１の内部では、加工対象物１の厚み方向Ｂに、多光子吸収による改質層５が並んで形成される。なお加工対象物１の厚さによっては、加工対象物１の厚み方向Ｂの１つの位置に改質層５が形成されるようにしてもよい。この場合、上述した厚み方向Ｂへの相対移動は省略される。
【００２０】
そして、改質層５が形成された加工対象物１は、分割予定ライン３に沿う厚み方向Ｂに曲げ応力等が加えられることで分割される。この際、加工対象物１は、改質層５から加工対象物の厚み方向Ｂ（レーザ光Ｌの照射方向）に伸びて発生しているクラック７を割れの起点として分割される。このクラック７はレーザ光Ｌの照射時に発生するものであって、該クラック７の発生に影響を与える要因として、以下の(i)〜(iii)に示す３つの要因がある。
【００２１】
(i)クーロン爆発 
レーザ光Ｌの集光点Ｐでは、レーザ光Ｌの電界によって材料の分極が誘起されたり、電子が激しく運動するようになり、電界の高まりとともに共鳴的に光子の吸収が進行し、電子が剥ぎ取られるようになる。剥ぎ取られた電子は、自由電子となって周囲の原子やイオンと衝突して、アバランシェイオン化（雪崩現象的にイオン化が増幅される）が生じる。この結果、クーロン反発力の高まりとともに集光点Ｐにおけるプラズマ密度が急激に増加し、微小領域に閉じこめられた高圧プラズマが爆発的に拡散するクーロン爆発が生じる。プラズマの拡散は極めて高速であり、このプラズマの拡散が進行することで集光点Ｐは断熱的に冷却される。この結果、集光点Ｐでは、電子とイオンとが再結合して中性原子になることで材料の緻密化が進み、材料内部に微小空洞が生成される。そして、プラズマの拡散後に生じた衝撃波が、微小空洞を中心として周囲に伝播する。その結果、加工対象物１の内部にクラック７が生成される。
【００２２】
(ii)高温プラズマからの熱伝導  
集光点Ｐでは高温のプラズマが生じる。このプラズマの熱は、材料に伝導されることで、材料内部に応力を発生させ、その結果、クラック７の成長が促進される。なお、プラズマから材料に伝導される熱量が大きい場合には、材料の溶融領域が増大することで、(i)で述べた衝撃波によるクラック７の成長が妨げられたり、一旦出来たクラック７が再溶着により消失する。
【００２３】
(iii)材料の光吸収
集光点Ｐでは、材料の光吸収によって材料温度が上昇する。この温度上昇は、材料内部に応力を発生させ、その結果、クラック７の成長が促進される。また、材料温度が高くなった場合には、材料の溶融領域が増大して、クラック７の成長を妨げたり、一旦出来たクラック７が再溶着により消失する。
【００２４】
このようにクラック７の成長には上述の(i)〜(iii)の現象が関わっているが、レーザ光Ｌの照射エネルギーが一定である条件下では、各現象がクラック７の生成に影響を与える大きさは、加工対象物１に照射されるレーザ光Ｌのパルス幅に応じて変わると考えられる。以下、上述の(i)〜(iii)の現象とパルス幅との関係について説明する。
【００２５】
クーロン爆発を引き起こすアバランシェイオン化は、パルス幅の所定範囲内ではパルス幅が長くなるほど（レーザ光Ｌの照射時間が長いほど）電子剥離が活発になるために増進される。しかしながら、照射エネルギーが一定である条件下では、パルス幅を大きくすると、ピークパワーが小さくなるために、レーザエネルギーはプラズマ中に吸収されて材料内部に進行しにくくなる。このため、照射エネルギーが一定である条件下でパルス幅を大きくすると、(i)で述べたアバランシェイオン化は減退し、この結果、クーロン爆発の規模は小さくなる。また、パルス幅を大きくすると、レーザ光Ｌが照射される持続時間が長くなるため、材料の光吸収量が大きくなる。そして、材料温度が高くなると、材料の光吸収率は大きくなる。このため、パルス幅を大きくすると、上述の持続時間の増加とともに、この増加による温度上昇によって光吸収率も大きくなるために、材料の光吸収量は加速度的に大きくなる。これらのことから、パルス幅が大きい範囲では、クラック７の生成に対して(ii)プラズマの影響と(iii)材料の光吸収による影響とが強くなると考えられる。そして、これらの影響が強く現れて材料温度が高くなった場合には、クラック７を消失させる溶融領域が大きく生じると考えられる。
【００２６】
これに対して、照射エネルギーが一定である条件下でパルス幅を短くすると、ピークパワーが大きくなるために、レーザ光Ｌのエネルギーは材料内部に進行するようになる。このため、パルス幅の小さい範囲では、クラック７の生成に対する影響は、クーロン爆発によるものが支配的になると考えられる。以上のことから、クラック７の生成には、パルス幅に依存する(i)〜(iii)の現象が相互作用すると考えられる。
【００２７】
ここで上述のように、クラック７は、分割予定ライン３に沿う位置にある改質層５から加工対象物１の厚み方向Ｂ（レーザ光Ｌの照射方向）に延びて発生し、加工対象物１が分割される際には分割の起点になる。このため、クラック７の長さが短い場合には、クラック７による割れの導きが小さいために、加工対象物１の割れを進行させるために大きな力を要するとともに、加工対象物１の分割断面は分割予定ライン３から外れるようになると考えられる。このため、クラック７は大きく発生させる必要があるが、クラック７の生成に作用する(i)〜(iii)の現象がパルス幅に依存していることから、クラック７を大きくするために最適なパルス幅が存在すると考えられる。
【００２８】
また、クーロン爆発によって微小空洞の周囲には、アモルファス相が形成されることが知られている。アモルファス相は、その結晶構造の乱れによって、加工対象物１の割れの進行に対して抵抗になる。このため、アモルファス相が大きく生じた場合には、加工対象物１を割るために大きな力を要すると考えられる。このため、アモルファス相の発生は小さく抑える必要があるが、(i)クーロン爆発がパルス幅に依存していることから、アモルファス相を小さくするために最適なパルス幅が存在すると考えられる。
【００２９】
そこで本発明者らは、上述したクラック７とアモルファス相に関するパルス幅の最適な範囲を求めるべく、以下に示す実験を行った。
【００３０】
本実験では、複数のサファイア基板を準備し、各サファイア基板に４０本の分割予定ライン３を設定した。
【００３１】
そして各サファイア基板に、各分割予定ライン３に沿う位置に集光点Ｐが合うようにレーザを照射した。この際、各サファイア基板には、照射エネルギーが所定値になる（すなわち平均出力及び繰り返し周波数が所定値になる）条件下で、それぞれ異なるパルス幅のレーザ光Ｌを照射した。この結果、それぞれのサファイア基板では、各分割予定ライン３に沿う内部において、サファイア基板の厚み方向に改質層５が並設された。以下にレーザ加工の条件を示す。
【００３２】
レーザ加工条件
（Ａ）加工対象物１：サファイア基板
（Ｂ）レーザ
光源：フェムト秒パルスレーザ（ＩＭＲＡ社製、ＦＣＰＡ  μＪｅｗｅｌ  Ｄ−４００）
波長：１０４５ｎｍ
繰り返し周波数：１００ｋHz
平均出力：１２０ｍW（集光レンズ透過後）
偏光特性：直線偏光
レーザの空間的なビームプロファイル：ガウシアン
（Ｃ）集光レンズ
開口数（Ｎ．Ａ．：Numerical Aperture）：０．６５
焦点距離：４ｍｍ
（Ｄ）加工対象走査速度：５００ｍｍ／秒
【００３３】
そして上述のレーザ加工を行った後、各サファイア基板を分割する操作を行った。この分割操作は、それぞれのサファイア基板における各分割予定ライン３に対して行われ、一つの分割予定ライン３に対する分割操作では、サファイア基板の表面（レーザ照射面）を複数点で支持した状態で、裏面における分割予定ライン３上をブレードで押圧することで、分割予定ライン３に沿う厚み方向Ｂに曲げ応力を加えた。各分割操作において、ブレードから加えられた力は一律になっている。この分割操作の結果、各サファイア基板には、割れが生じた分割予定ライン３と、割れが生じなかった分割予定ライン３とが存在した。
【００３４】
図２は、サファイア基板の割断歩留とパルス幅との関係を示す。割断歩留とは、前記分割操作によって実際に割れた分割予定ライン３の割合を意味している。例えば、パルス幅が７００フェムト秒のレーザ光Ｌが照射されたサファイア基板では、４０の分割予定ライン３のうち３５の分割予定ライン３で実際に割れが生じたことから、割断歩留は７０％になっている。
【００３５】
パルス幅が７００フェムト秒（０．７ピコ秒）以上４．５ピコ秒以下の範囲のレーザ光Ｌが照射されたサファイア基板では、全てのサファイア基板において割断歩留は７０％以上になった。これに対して、パルス幅が７００フェムト秒よりも小さい範囲や４．５ピコ秒よりも大きい範囲のレーザ光Ｌが照射されたサファイア基板では、割断歩留は急激に小さくなり４０％以下になった。この結果から、照射エネルギーが所定値となる条件下では、加工対象物１の割れやすさはパルス幅に依存しており、加工対象物１は、パルス幅が７００フェムト秒以上４．５ピコ秒以下の範囲のレーザ光Ｌが照射された場合に割れやすく、これ以外の範囲のパルス幅のレーザ光Ｌが照射された場合には、極端に割れにくくなることが確認された。
また、２ピコ秒以上４．５ピコ秒以下の範囲のレーザ光Ｌが照射されたサファイア基板では、全てのサファイア基板において割断歩留は８０％以上になった。これにより、２ピコ秒以上４．５ピコ秒以下の範囲のレーザ光Ｌが照射された場合、加工対象物１は、さらに一層割れやすくなることが確認された。
【００３６】
図３は、分割されたサファイア基板の分割断面を示す概略側面図であり、サファイア基板の厚さ方向Ｂは図に示す方向である。本実験では、サファイア基板の分割断面の粗さを測定し、この測定により得られた断面曲線から、サファイア基板の分割断面が分割予定ライン３に対して該分割予定ライン３と直交する方向にずれた最大の量ｄ（以下、最大ズレ量）を測定した。
【００３７】
図４は、最大ズレ量ｄとパルス幅との関係を示し、図５は、最大ズレ量ｄと割断歩留との関係を示している。まず、図４を見ると、最大ズレ量ｄが小さなサファイア基板ほど、割断歩留が大きく、多くの分割予定ライン３で割れが生じたことが確認された。図５は、４００フェムト秒以上１０００フェムト秒以下の範囲のパルス幅のレーザ光Ｌが照射されたサファイア基板についての最大ズレ量を示す。図５によれば、前記範囲内のパルス幅のレーザ光Ｌが照射されたサファイア基板では、パルス幅が大きなサファイア基板ほど、最大ズレ量ｄは小さくなる傾向になることが確認された。これらのことから、前記４００フェムト秒以上１０００フェムト秒以下のパルス幅の範囲では、パルス幅が大きなサファイア基板ほど、割断歩留は大きくなり、分割に要する力が小さく割れやすくなっていたと考えられる。
【００３８】
図６は、集光点Ｐをサファイア基板面上に位置させて加工したときのサファイア基板表面の加工痕９の写真であり、（ａ）はパルス幅４００フェムト秒のレーザ光Ｌが照射されたサファイア基板、（ｂ）は、パルス幅４ピコ秒のレーザ光Ｌが照射されたサファイア基板、（ｃ）は、パルス幅６．６ピコ秒のレーザ光Ｌが照射されたサファイア基板を示している。
【００３９】
図６の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を比較すると、パルス幅の大きなレーザ光Ｌが照射されたサファイア基板ほど、加工痕が不明瞭になることがわかる。このことから、材料内部に進行するレーザエネルギーの大きさは、パルス幅に依存しており、パルス幅が大きくなるにつれて減少すると考えられる。
【００４０】
図７は、分割されたサファイア基板の分割断面の写真であり、（ａ）は、パルス幅が４００フェムト秒のレーザ光Ｌが照射されたサファイア基板の分割断面、（ｂ）は、パルス幅が４ピコ秒のレーザ光Ｌが照射されたサファイア基板の分割断面、（ｃ）は、パルス幅が６．６ピコ秒のレーザ光Ｌが照射されたサファイア基板の分割断面を示している。
【００４１】
図７において、Ｅはレーザ光Ｌの照射方向を示し、Ｆは集光点Ｐの位置を示し、Ｌ１は改質層５のレーザ照射方向の幅を示し、Ｌ２は改質層５からレーザ光Ｌの照射側に延びているクラック７の長さを示している。
【００４２】
図７の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を比較すると、大きなパルス幅のレーザが照射されたサファイア基板ほど、改質層５の幅Ｌ１は短くなっていることが確認された。これは、パルス幅の大きい範囲では、ピークエネルギーが小さいことから、レーザエネルギーが、プラズマ中に吸収されることで材料内部に進行しにくかったためと考えられる。
【００４３】
図７（ｃ）の写真から、パルス幅が６．６ピコ秒であるレーザ光Ｌが照射されたサファイア基板では、改質層５からレーザ光Ｌの照射側に、材料が溶融後に最固化した溶融領域が観察された。これは、パルス幅が大きいことから、(ii)プラズマの熱伝導や(iii)材料の光吸収による熱の影響が大きく生じたためと考えられる。
【００４４】
図７の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を比較すると、パルス幅が４ピコ秒のレーザ光Ｌが照射されたサファイア基板（ｂ）では、パルス幅が４００フェムト秒（ａ）や６．６ピコ秒（ｃ）のレーザが照射されたサファイア基板に比して、クラック７が、明瞭かつサファイア基板の厚さ方向に長く生じていることが確認された。これにより、照射エネルギーが所定値となる条件下では、クラック７を大きく成長させるパルス幅の範囲が存在し、この範囲からパルス幅が短くなったり長くなると、加工対象物１に発生するクラック７は小さくなると考えられる。
【００４５】
図８は、サファイア基板の分割断面の撮影画像である。なお画像の撮影は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）で行った。
【００４６】
サファイア基板の分割断面では集光点Ｐに相当すると思われる位置に微小空洞Ｈが生成されており、微小空洞Ｈは、細長の形状を呈し、その長手方向はサファイア基板の厚さ方向Ｂ（レーザ照射方向）に伸びているのが観察された。また、微小空洞Ｈの長手方向の各端部から厚さ方向Ｂの外向きにクラック７が延びているのが観察された。Ｌ３は、微小空洞Ｈから延びるクラック７の厚さ方向Ｂの長さを示している。
【００４７】
図９は、微小空洞Ｈの拡大図である。Ｌ４は微小空洞Ｈにおける長手方向の長さ（以下、長径）を示し、Ｌ５は微小空洞Ｈにおける長手方向と直交する方向における長さ（以下、短径）を示している。
【００４８】
図１０は、微小空洞Ｈの長径Ｌ４とパルス幅との関係を示し、図１１は、微小空洞Ｈの短径Ｌ５とパルス幅との関係を示している。図１０、１１は、パルス幅が４００フェムト秒以上１ピコ秒以下のレーザ光が照射されたサファイア基板について、パルス幅と微小空洞径Ｈの関係を示すグラフである。これらのサファイア基板では、大きなパルス幅のレーザ光Ｌが照射されたサファイア基板ほど、微小空洞Ｈの長径Ｌ４及び短径Ｌ５は、大きくなることが確認された。これは、４００フェムト秒以上１ピコ秒以下の範囲においては、パルス幅が大きくなるにつれて、多光子吸収に伴う電子剥離が活発になって自由電子密度が高くなるために、アバランシェイオン化が増進して、クーロン爆発の規模が大きくなったためと考えられる。
【００４９】
図１２は、微小空洞Ｈの面積とパルス幅の関係を示している。
【００５０】
微小空洞Ｈの面積は、パルス幅が４．５ピコ秒よりも大きなレーザ光が照射されたサファイア基板になると、急激に減少していくことが確認された。これは、照射エネルギーが所定値になる条件下では、パルス幅を４．５ピコ秒よりも大きくすると、ピークエネルギーの減少により、レーザエネルギーが材料内部に進行しなくなって、クーロン爆発の規模が小さくなったためと考えられる。
【００５１】
図１３は、図８に示したクラック７の長さＬ３と、パルス幅との関係を示している。
【００５２】
クラック７の長さＬ３は、パルス幅が４．５ピコ秒よりも大きなレーザ光が照射されたサファイア基板になると、急激に減少していくことが確認された。これは、パルス幅を４．５ピコ秒よりも大きくすると、(ii)高温プラズマからの熱伝導や(iii)材料の光吸収が大きく生じて材料温度が高くなった結果、溶融領域が大きく現れて、クーロン爆発等によって生成されたクラック７が消失したためと考えられる。
【００５３】
分割断面における微小空洞の周囲をフッ酸でエッチングすることによって、微小空洞Ｈの周囲に形成されたアモルファス相を観察した。
【００５４】
図１４は、アモルファス相のサファイア基板の厚み方向Ｂ（レーザ光Ｌの照射方向）における長さとパルス幅との関係を示している。アモルファス相の長さは、パルス幅が大きいレーザ光Ｌが照射されたサファイア基板ほど短くなっており、７００フェムト秒以下のパルス幅のレーザ光Ｌが照射されたサファイア基板では、アモルファス相が大きく生じていることが確認された。このことから、７００フェムト秒以下のパルス幅のレーザ光Ｌが照射されたサファイア基板では、アモルファス相が割れの進行に対して抵抗となったために、割断歩留が小さくなったと考えられる。
【００５５】
以上の実験結果から、照射エネルギーが所定値となる条件下では、パルス幅を７００フェムト秒よりも短くすると、アモルファス相が、加工対象物１の厚み方向Ｂに長くなるために、分割時には、アモルファス相が抵抗となって割れの進行を妨げる可能性が高い。また、パルス幅を４．５ピコ秒よりも長くすると、クラック７の長さが短くなって、加工対象物１に生じる割れがつながりにくくなる可能性が高い。このことから、パルス幅を７００フェムト秒よりも短くしたりパルス幅を４．５ピコ秒よりも長くすると、加工対象物１を分割するために大きな力が必要になったり、加工対象物１の分割断面が分割予定ライン３から大きく外れてしまうと考察される。
【００５６】
このため、本実施形態にかかるレーザスクライブ方法では、加工対象物１に照射するレーザ光Ｌは、照射エネルギーが所定値となる条件下でパルス幅が７００フェムト秒以上４．５ピコ秒以下に設定されている。これにより、分割の起点となるクラック７を改質層５から加工対象物１の厚さ方向に長く生成することが出来るとともに、割れの進行を妨げるアモルファス相の発生を小さく抑えることが出来る。これにより、加工対象物１を小さな力で分割出来るとともに、加工対象物１の分割断面の分割予定ライン３に対するずれを小さく抑えることが出来る。その結果、分割断面に欠けやひびが生じることを防止することが出来る。
【００５７】
また、パルス幅を７００フェムト秒以上４．５ピコ秒以下の範囲に制御することは、波長分散の状態を制御することに相当するため、グレーティングミラーと分散プリズムの反射光路長を調整することで実現できる。このため、レーザ加工装置の構成を複雑にする必要がない。
【００５８】
また、本実施形態にかかるレーザスクライブ方法では、加工対象物１として、ガラス、サファイア、水晶、及びシリコンのうちいずれかが選定される。これにより、パルス幅が７００フェムト秒以上４．５ピコ秒以下のレーザ光Ｌを照射した場合に、集光点Ｐで確実に多光子吸収を生じさせることが出来る。
【００５９】
また、本実施形態にかかるレーザスクライブ方法では、レーザ光Ｌの繰り返し周波数は、１０ｋＨｚ以上１０ＭＨｚ以下に設定される。これにより、集光点Ｐの移動を高速化できるために、加工速度を速めることが出来る。
【００６０】
また、図２に示した結果に基づき、本実施形態にかかるレーザスクライブ方法では、パルス幅は、より好ましくは１ピコ秒以上４．５ピコ秒以下に設定される。これにより、加工対象物１は、より一層割れやすくなる。
【００６１】
次に、本実施形態に係るレーザスクライブ装置について説明する。図１５は、本実施形態に係るレーザスクライブ装置２０の構成を示す図である。
【００６２】
レーザ加工装置２０は、レーザ発生器２２と、集光レンズ２４と、載置台２６と、Ｘ軸ステージ２８と、Ｙ軸ステージ３０と、Ｚ軸ステージ３２と、制御部４０とを備えている。
【００６３】
レーザ発生器２２は、波長が１μｍ以上２μｍ以下、パルス幅が１０フェムト秒以上２０ピコ秒以下、繰り返し周波数が１００ｋＨｚ以上１０ＭＨｚ以下のレーザ光Ｌを発生するエルビウム（Ｅｒ）または イットリビウム（Ｙｂ）をドープしたファイバレーザである。
集光レンズ２４は、レーザ発生器２２が発生したレーザ光Ｌを集光し、載置台２６は、該集光されたレーザ光Ｌが加工対象物１にＺ軸方向から入射するように、加工対象物１を支持する。載置台２６は、Ｘ軸ステージ２８、Ｙ軸ステージ３０、及びＺ軸ステージ３２によって各軸方向に移動可能になっている。制御部４０は、レーザ発生器２２から発生するレーザ光Ｌの出力やパルス幅を制御するとともに、三つのステージ２８、３０、３２の移動を制御する。
【００６４】
レーザ加工装置２０によれば、Ｚ軸方向は集光レンズ２４の集点深度の方向となるため、Ｚ軸ステージ３２をＺ軸方向に移動させることによって、加工対象物１の内部の所定の深さ位置にレーザ光Ｌの集光点Ｐを設定することができる。
【００６５】
集光点ＰのＸ（Ｙ）軸方向の移動は、加工対象物１をＺ軸ステージ３２によりＸ（Ｙ）軸方向に移動させることにより行われる。このＸ（Ｙ）軸方向の移動によって、分割予定ライン３に沿う方向に、集光点Ｐを移動させることが出来る。
【００６６】
図１６は、本実施形態に係るレーザスクライブ装置２０によって加工された加工対象物１の例を示している。
【００６７】
図１６では、分割予定ライン３に沿う５つの位置で、改質層５が、加工対象物１の厚み方向Ｂの所定位置に並設された状態が示されている。これらの改質層５は、Ｘ軸ステージ２８、またはＹ軸ステージ３０の作動によって、集光点ＰをＸ軸またはＹ軸方向に所定の速度で移動させたことで形成される。
【００６８】
また図１に示すように、分割予定ライン３に沿う５つの位置で改質層５を加工対象物１の厚み方向Ｂに２層で並設させるためには、Ｚ軸ステージ３２の作動によって、集光点ＰをＺ軸方向に所定のピッチで移動させる度に、例えばＸ軸ステージ２８の作動によって、集光点ＰをＸ軸方向に移動させることで達成される。
【００６９】
本実施形態におけるレーザスクライブ装置によれば、７００フェムト秒以上４．５ピコ秒以下のパルス幅のレーザ光Ｌが加工対象物１に照射されるように制御部４０がレーザ発生器２２を制御することで、加工対象物１に発生するクラック７の長さを長くするとともに、アモルファス相の長さを小さく抑えることが出来る。これにより、加工対象物１を小さな力で分割出来るとともに、加工対象物１の分割断面の分割予定ライン３に対するずれを小さく抑えることが出来る。
【００７０】
また、加工対象物１としてガラス、サファイア、水晶、シリコンのいずれかを選定した場合には、レーザ発生器２２が７００フェムト秒以上４．５ピコ秒以下のパルス幅のレーザ光Ｌを加工対象物１に照射することで、集光点Ｐで確実に多光子吸収を生じさせることが出来る。
【００７１】
また、制御部４０が、レーザ発生器２２に繰り返し周波数が１００ｋＨｚ以上１０ＭＨｚ以下のレーザ光Ｌを発生させるとともに、この周波数に追従させてＸＹＺステージの移動を行うことで、集光点Ｐの移動を高速化できるために、改質層５の加工速度を速めることが出来る。
【００７２】
本実施形態にかかるレーザスクライブ装置は、以下のように変更することが出来る。
【００７３】
例えば、加工対象物１において背向する２つの面が平行でない場合は、載置台としてＸ−Ｚ面内で回転できるゴニオステージを用いてもよい。この場合、加工対象物１のレーザ光Ｌの入射面をＸ−Ｚ面内にして、Ｘ軸及びＹ軸方向に平行になるように加工対象物１をゴニオステージに配置すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本実施形態にかかるレーザスクライブ方法によってレーザ加工中の加工対象物の斜視図である。
【図２】サファイア基板の割断歩留とパルス幅との関係を示す図である。
【図３】分割されたサファイア基板の分割断面を示す概略側面図である。
【図４】最大ズレ量とパルス幅との関係を示す図である。
【図５】最大ズレ量と割断歩留との関係を示す図である。
【図６】集光点をサファイア基板面上に位置させて加工したときのサファイア基板表面の加工痕の写真である。
【図７】分割されたサファイア基板の分割断面の写真である。
【図８】サファイア基板の分割断面の撮影画像である。
【図９】微小空洞の拡大図である。
【図１０】微小空洞の長径とパルス幅との関係を示す図である。
【図１１】微小空洞の短径とパルス幅との関係を示す図である。
【図１２】微小空洞の面積とパルス幅の関係を示す図である。
【図１３】クラックの長さとパルス幅との関係を示す図である。
【図１４】アモルファス相のサファイア基板の厚み方向における長さとパルス幅との関係を示す図である。
【図１５】本実施形態に係るレーザスクライブ装置の構成を示す図である。
【図１６】本実施形態に係るレーザスクライブ装置によって加工された加工対象物の例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００７５】
１    加工対象物
３    分割予定ライン
５    改質層
Ｌ    レーザ光
Ｐ    集光点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図１０】
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【図１１】
2010082645.tif 000009
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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