(57)【要約】【課題】割断面の平坦度が高く、加工速度の速いレーザ加工装置及び加工方法を提供すること。【解決手段】レーザ光LBを出射するレーザ光源１と、レーザ光LBを割断予定ラインSLに平行な方向に回折させる回折を利用した光学素子３と、回折を利用した光学素子３で回折されたレーザ光LBを加工対象物１０の内部に集光する集光レンズ４と、を有することを特徴とするレーザ加工装置。【選択図】図１
2010188370.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工対象物にレーザ光を集光照射することにより、前記加工対象物の割断予定ラインに沿って、割断の起点となる改質領域を前記加工対象物の内部に形成す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、
前記レーザ光源から出射された前記レーザ光を前記割断予定ラインに平行な方向に回折させる回折を利用した光学素子と、
前記回折を利用した光学素子で回折された前記レーザ光を前記加工対象物の内部に集光する集光レンズと、を有することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記レーザ光を、前記割断予定ラインと光軸を含む面と直交する方向に偏光させる偏光素子を有する請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記回折を利用した光学素子は、前記割断予定ラインと前記光軸を含む面と直交する方向に延在するスリットを形成する一対のナイフエッジを備える請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記回折を利用した光学素子の回折角をθx、前記集光レンズの入射瞳径をＤ、としたとき、前記回折を利用した光学素子と前記集光レンズとの間隔がＤ／２θx以下である請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
加工対象物にレーザ光を集光照射することにより、前記加工対象物の割断予定ラインに沿って、割断の起点となる改質領域を前記加工対象物の内部に形成するレーザ加工方法であって、
前記レーザ光を回折を利用した光学素子で前記割断予定ラインに平行な方向に回折させる回折ステップと、
前記回折ステップで回折されたレーザ光を集光レンズで前記加工対象物の内部に集光照射する集光照射ステップと、を有することを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項６】
前記レーザ光を、前記割断予定ラインと光軸を含む面と直交する方向に偏光させる偏光ステップを有する請求項５に記載のレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を加工対象物の割断予定ラインに沿って集光照射して割断の起点となる改質領域を加工対象物の内部に形成するレーザ加工方法及びレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体基板とか、圧電セラミック基板とか、ガラス基板等の硬脆材料板体を割断するにあたり、加工対象板体の内部に割断予定ラインに沿って板体に透明な波長を有する短光パルスレーザ光を集光照射し、内部に微小クラックが群生した微細溶融痕（改質領域）を生成させ、その後応力を加えて、その微細溶融痕を起点に板体の厚さ方向に向かって生じるクラックを利用して割断していた（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、レーザ光のビーム径を逆望遠鏡で拡大して指向性を高め、スリットで割断予定ラインに平行なシート状ビームに整形して集光レンズで集光照射する加工方法も知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２７１５６３号公報
【特許文献２】特開２００７−７５８８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、この従来のレーザ加工方法では、レーザ光が円形スポットに集光されるため、クラックを発生させて成長させる内部応力が等方的に働く。そのため、クラックが割断予定ラインに沿う方向以外にも発生、成長してしまい、クラックの発生、成長を割断予定ライン方向に集中させることができない。その結果、割断面の平坦度が損なわれる。また、円形スポットを割断予定ラインに沿って照射する際、単位長さ当たりの照射スポットの数が多くなり、加工速度が遅いという問題もある。
【０００６】
また、従来の割断予定ラインに平行なシート状ビームを集光照射する方法では、集光点におけるレーザビームの断面形状を、割断予定ラインに垂直な方向の最大長さが割断予定ラインに平行な方向の最大長さより短い形状とする。そのため、割断面にツイストハックルが現れるのを抑制し、割断面の平坦度を向上させることができる。しかしながら、この方法による集光点における断面形状の割断予定ラインに平行な方向の最大長さは、通常の円形ビームを集光した場合の円形集光スポットの直径と同じであり、依然として単位長さ当たりの照射スポットの数を多くしなければならない。その結果、加工速度が遅いという問題が依然として残る。
【０００７】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、割断面の平坦度が高く、加工速度の速いレーザ加工装置及び加工方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するためになされた本発明のレーザ加工装置は、加工対象物にレーザ光を集光照射することにより、前記加工対象物の割断予定ラインに沿って、割断の起点となる改質領域を前記加工対象物の内部に形成す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、前記レーザ光源から出射された前記レーザ光を前記割断予定ラインに平行な方向に回折させる回折を利用した光学素子と、前記回折を利用した光学素子で回折された前記レーザ光を前記加工対象物の内部に集光する集光レンズと、を有することを特徴とする。
【０００９】
上記のレーザ加工装置において、前記レーザ光を、前記割断予定ラインと光軸を含む面と直交する方向に偏光させる偏光素子を有するようにするとよい。
【００１０】
また、前記回折を利用した光学素子は、前記割断予定ラインと前記光軸を含む面と直交する方向に延在するスリットを形成する一対のナイフエッジを備えるとよい。
【００１１】
また、前記回折を利用した光学素子の回折角をθx、前記集光レンズの入射瞳径をＤ、としたとき、前記回折を利用した光学素子と前記集光レンズとの間隔がＤ／２θx以下であるとよい。
【００１２】
上記の課題を解決するためになされた本発明のレーザ加工方法は、加工対象物にレーザ光を集光照射することにより、前記加工対象物の割断予定ラインに沿って、割断の起点となる改質領域を前記加工対象物の内部に形成するレーザ加工方法であって、前記レーザ光を回折を利用した光学素子で前記割断予定ラインに平行な方向に回折させる回折ステップと、前記回折ステップで回折されたレーザ光を集光レンズで前記加工対象物の内部に集光照射する集光照射ステップと、を有することを特徴とする。
【００１３】
上記のレーザ加工方法において、さらに、前記レーザ光を、前記割断予定ラインと光軸を含む面と直交する方向に偏光させる偏光ステップを有するとよい。
【発明の効果】
【００１４】
割断予定ラインに沿った方向に回折角をもつ回折を利用した光学素子を通過した光をレンズで集光すると、そのレンズの焦平面にフラウンホーファー回折パターンができる。その回折パターンは、レーザ光が割断予定ラインに平行な方向に回折しているので、割断予定ラインに平行な方向の最大長さを通常の円形ビームを集光した場合の円形集光スポットの直径より大きくすることができる。その結果、単位長さ当たりの照射スポットの数を少なくでき、加工速度を早くすることができる。
【００１５】
レーザ光が割断予定ラインと光軸を含む面と直交する方向に偏光していると、割断予定ラインと光軸を含む面と平行方向（厚さ方向）にクラックが多く発生する。その結果、小さい割断荷重で割断することができる。
【００１６】
回折を利用した光学素子の回折角をθx、前記集光レンズの入射瞳径をＤ、としたとき、回折を利用した光学素子と集光レンズとの間隔がＤ／２θx以下であると、回折したレーザ光が入射瞳径から外れることがなく、効率よく集光することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係るレーザ加工装置のｘ−ｚ平面視図である。
【図２】図１の要部斜視図である。
【図３】図１の要部拡大視図である。
【図４】集光領域のｘ−ｙ平面視図である。
【図５】実施例１のバーンパターン観察写真である。
【図６】比較例１のバーンパターン観察写真である。
【図７】ブレーキング装置の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。
【００１９】
図１は、本発明に係るレーザ加工装置のｘ−ｚ平面視図、図２は、図１の要部斜視図である。図３は、図１の要部拡大視図、図４は、集光領域のｘ−ｙ平面視図である。
【００２０】
本発明のレーザ加工装置は、図１に示すように、短パルスレーザ光を出射するレーザ光源１と、短パルスレーザ光を加工対象物１０の割断予定ラインSLとｚ軸に平行な光軸OAを含む面と直交する方向（ｙ軸方向）に偏光させる偏光素子２と、短パルスレーザ光を割断予定ラインSLに平行なｘ軸方向に回折させる回折を利用した光学素子３と、回折を利用した光学素子３で回折された短パルスレーザ光を加工対象物１０の内部に集光する集光レンズ４と、を備えている。
【００２１】
レーザ光源１は、例えば、モードロックファイバレーザ（米国イムラ社、モデルＤ１０００）であり、仕様・性能は以下の通りである。
【００２２】
中心波長λ    ：１０４５nm
ビーム径ｄ0   ：４ｍｍ
モード        ：シングル（ガウシアン）
パルス幅      ：７００ｆｓ
パルスエネルギ：１０μＪ
繰り返し周波数：１００ｋＨｚ
平均パワー    ：１０００ｍＷ
レーザ光源１から出射された短パルスレーザ光は、シャッタ５が開かれると加工対象物１０に向かう。
【００２３】
シャッタ５を通過したレーザ光は、次の減衰器６で所定のパワーに減衰される。減衰器６は１／２波長板６aと偏光ビームスプリッタ６bとからなる。
【００２４】
減衰器６を通過したレーザ光は、光路折り曲げミラー７でｘ軸方向からｚ軸方向に折り曲げられる。
【００２５】
偏光素子２は、１／２波長板であり、偏光素子２を通過したレーザ光は、割断予定ラインSLとｚ軸に平行な光軸OAを含む面と直交する方向（ｙ軸方向）に偏光した直線偏光になる。
【００２６】
回折を利用した光学素子３は、図２に示すように、割断予定ラインSLと光軸OAを含む面と直交する方向（ｙ軸方向）に延在する幅ｗのスリットを形成する一対のナイフエッジである。本実施形態では、厚さ０．１ｍｍの矩形ステンレス板３１、３２の一辺３１a、３２aがｙ軸方向に平行で、且つ隙間（スリット幅）がｗ＝１ｍｍとなるように対向して配置されてスリットを形成している。
【００２７】
回折を利用した光学素子３で回折されたレーザ光は、回折を利用した光学素子３からＬ＝３００ｍｍ離れた集光レンズ４で加工対象物１０の内部に集光スポットの長軸が加工予定ラインSLに沿うように集光される。
【００２８】
集光レンズ３は、例えば、顕微鏡対物レンズ（ミツトヨ製  モデルM Plan Apo NIR HR50×/0.65）であり、仕様・性能は下記の通りである。
【００２９】
対象光：近赤外光
倍率  ：５０×（焦点距離：４ｍｍ）
開口数：０．６５（入射瞳径：５．２ｍｍ）
加工対象物１０は、ｘｙｚ軸移動ステージ２０に載置されている。
【００３０】
次に、図３及び図４を参照しながら、回折を利用した光学素子３で回折されたレーザ光が集光レンズ４でどのように集光されるかを説明する。
【００３１】
回折を利用した光学素子３に入射する波長λのレーザ光はシングルモードであるため、ビーム径をｄ0とすると、広がり角θは
θ≒２λ／πｄ0                      （１）
と表される。
【００３２】
また、スリット幅がｗの回折を利用した光学素子３によるｘ軸方向（割断予定ラインSLに平行な方向）の回折角θxは、
θx≒０．６８８λ／ｗ                          （２）
と表される。
【００３３】
レーザ光は、回折を利用した光学素子３でｙ軸方向には回折されないので、焦点距離ｆの集光レンズ４で集光したときの集光スポットのｙ軸方向の径（短軸の長さ）ｄsは、
ｄs≒２ｆθ≒４λｆ／πｄ0          （３）
と表される。
【００３４】
一方、レーザ光は、回折を利用した光学素子でｘ軸方向に回折されるので、集光スポットのｘ軸方向の径（長軸の長さ）ｄlは、
ｄl≒２ｆθx≒１．３７６λｆ／ｗ            （４）
と表される。
【００３５】
加工速度を速くするためには、
ｄl＞ｄs                            （５）
を満たす必要がある。（３）〜（５）式から、加工速度を速くするためには、
ｗ＜０．３４４πｄ0
を満たす必要がある。すなわち、スリット幅ｗをレーザ光のビーム径ｄ0に０．３４４πを乗じた値より小さくすれば、加工速度が速くなることがわかる。
【００３６】
例えば、上記のように、ｄo＝４ｍｍのレーザ光の場合、ｗ＜４．３ｍｍとなり、スリット幅ｗを４．３ｍｍ未満にする必要がある。
【００３７】
なお、本実施形態では、ｄ0＝４ｍｍ、λ＝１０４５ｎｍ、ｆ＝４ｍｍ、ｗ＝１ｍｍであるので、（３）式からｄs＝１．３μｍ、（４）式からｄl＝５．８μｍ（短径と長径の比である楕円率が０．２２）となる。すなわち、本発明によれば、レーザ光を回折させずに集光したときの集光スポットを割断予定ラインSLに６個配列したのと同等の集光スポットになり、加工速度が６倍になることがわかる。
【００３８】
図３において回折角θxが大きい場合や回折を利用した光学素子３と集光レンズ４との間隔が大である場合、回折光の全てが集光レンズ３の入射瞳４aを通過できなくなり、レーザ光のパワーを損してしまう。回折を利用した光学素子３から入射瞳４aまでの距離をＬ、入射瞳径をＤとすると、回折光が回折を利用した光学素子３からＬだけ離れた位置では２Ｌtanθx≒２Ｌθxに拡がるので、これが入射瞳径Ｄより小さければ、パワー損失が起こらない。したがって、パワー損失を回避するためには、
２Ｌθx＜Ｄ
Ｌ＜Ｄ／２θx
を満たす必要がある。本実施形態ではＤ＝５．２ｍｍ、θx＝０．７１９mradであるので、Ｌが３６００ｍｍ未満であればパワー損失が回避される。なお、本実施形態では、Ｌ＝３００ｍｍであるので、入射瞳での蹴られによるパワー損失がない。
【実施例１】
【００３９】
図１に示すレーザ加工装置で集光スポットの検証実験を行った。加工対象物１０は、厚さ３００μｍのシリコン板である。シリコン板の表面に集光レンズ４の焦点を合わせ、集光スポットに対応するバーンパターンを観察した。なお、このときの回折を利用した光学素子３に入射するレーザ光のパワーは、減衰器６で５ｍＷに調整された。また、移動ステージ２０のｘ軸移動速度は、５００ｍｍ／ｓであった。
【００４０】
図５にバーンパターン観察写真を示す。図５aは、観察倍率が低い場合であり、図５bは、観察倍率を高くして観察した写真である。図５aから、集光スポットが割断予定ラインSLに沿って連続していることがわかる。また、一つの集光スポットは、長径が割断予定ラインSLと一致する楕円であることがわかる。なお、この写真から長径ｄl≒５μｍ、短径ｄs≒１．４μｍ、楕円率が０．２８であった。これから、この実測値が上記計算値と誤差範囲で一致することがわかる。
【００４１】
〔比較例１〕
図１の回折を利用した光学素子３を除去した以外は、実施例１と同じ条件でバーンパターンを観察した。
【００４２】
図６にバーンパターン観察写真を示す。これから、集光スポットが円形で、割断予定ラインSLに沿って飛び飛びに位置することがわかる。
【実施例２】
【００４３】
図１に示すレーザ加工装置で割断実験を行った。加工対象物１０は、厚さ１００μｍのサファイア板である。サファイア板をｘｙｚ軸移動ステージ２０に載置し、サファイア板の表面に集光レンズ４の焦点を合わせてから、ステージ２０をｚ軸方向（図１で上方）に８μｍ移動させた。この表面から８μｍの深さの焦点位置は、サファイアの波長１０４５ｎｍに対する屈折率（１．７５）を考慮して、集光レンズ３の実効倍率（１．８９）から、２０μｍの深さの焦点位置に相当する。
【００４４】
移動ステージ２０でサファイア板１０をｘ軸方向（割断予定ラインSL方向）に５００ｍｍ／ｓの速度で移動させながら、１５０ｍＷのレーザ光を集光照射し、内部に微小クラックが群生した微細溶融痕（改質領域）を生成させた。
【００４５】
次に、図７に模式的に示すように、ブレーキング装置（Daitron社製  モデルDBR-301R）を使って、微細溶融痕１０aを起点にサファイア板１０の厚さ方向に向かって生じるクラックを利用して割断した。
【００４６】
図７に示すように、まず、サファイア板１０の割断予定ラインSLに沿って内部に形成された微細溶融痕１０aの両側（図８中、白抜き矢印１７で示す部分）を裏面から保持する。次に、サファイア板１０の表面における微細溶融痕１０aに対応する部位（図７中、白抜き矢印１８で示す部位）に図示しないブレードを押し当ててブレードを押し込むことにより、微細溶融痕１０aに歪み応力を集中させて割断した。
【００４７】
割断できるブレードの最小押し込み量を求めた結果、３０μｍであった。
【００４８】
〔比較例２〕
図１の回折を利用した光学素子３を除去した以外は、実施例２と同じ条件でサファイア板の割断を行った。割断できるブレードの最小押し込み量は、６０μｍであった。また、割断面の平坦度も低かった。
【００４９】
実施例２に比べ、ブレードの押し込み量が６０μｍと２倍になり、平坦度が低下する。すなわち、本発明に比べ、割断し難くなるのは、比較例１のバーンパターン観察写真（図６）から、次にように考えられる。回折を利用した光学素子３がないため、サファイア板１０の内部に形成される微細溶融痕１０aが割断予定ラインSL方向に繋がらない。その結果、割断し難く、無理に割断するため平坦度が低下すると考えられる。
【００５０】
移動ステージ２０の移動速度を落として、微細溶融痕１０aが割断予定ラインSL方向に繋がるようにすれば、ブレードの少ない押し込み量で割断できるので、本発明に比べ加工速度が遅いことになる。このことは、本発明は加工速度が速く、且つ割断面の平坦度が高いことを意味する。
【００５１】
〔比較例３〕
図１の１／２波長板２を除去した以外は、実施例２と同じ条件でサファイア板の割断を行った。割断できるブレードの最小押し込み量は、４０μｍであった。すなわち、実施例２に比べ、割断し難かった。
【符号の説明】
【００５２】
１・・・・・・レーザ光源
２・・・・・・偏光素子
３・・・・・・回折を利用した光学素子（ナイフエッジ）
４・・・・・・集光レンズ
１０・・・・・加工対象物
１０a・・ ・改質領域（微細溶融痕）
３０・・・・・透過型回折格子
LB・・・・・・レーザ光
SL・・・・・・割断予定ライン
【図１】
2010188370.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図７】
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【図５】
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【図６】
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