(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶で形成され表面と該表面の反対側の粗面としての裏面とを有する加工対象物を、切断予定ラインに沿って切断するためのレーザ加工方法であって、
前記裏面は、梨地状に形成され、前記裏面の中心線平均粗さは、０．０５μｍ以上とされており、
前記表面をレーザ光入射面として前記加工対象物の内部における前記裏面側にレーザ光を集光させ、前記加工対象物の内部における前記裏面側に改質領域を前記切断予定ラインに沿って形成すると共に、前記加工対象物の内部における前記裏面側に集光され前記裏面に到達した当該レーザ光を、当該裏面で散乱させる改質領域形成工程を含むことを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２】
前記裏面の中心線平均粗さは、０．３０μｍ以下とされていることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
【請求項３】
前記加工対象物の厚さは、１００μｍ以下であり、
前記改質領域形成工程では、前記加工対象物内において前記裏面から５μｍ以下の位置に前記改質領域を形成することを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ加工方法。
【請求項４】
前記切断予定ラインに沿って外部から前記加工対象物に力を印加することにより、前記改質領域を切断の起点として前記加工対象物を切断する切断工程をさらに含むことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項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、加工対象物を切断するためのレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のレーザ加工方法としては、加工対象物にレーザ光を集光させ、加工対象物に改質領域を切断予定ラインに沿って形成し、加工対象物を切断予定ラインに沿って切断するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１０８４５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、上述したようなレーザ加工方法においては、水晶で形成された加工対象物に改質領域を形成する場合、一般的に、改質領域を形成するためのレーザ光の加工閾値が高いことから、集光させるレーザ光の加工エネルギ密度が高いものとされる。そのため、改質領域から亀裂が延び易く、レーザ光入射面に露出する亀裂が生じやすい。この点、レーザ光入射面に露出する亀裂を生じさせると、当該亀裂は例えば水晶が有する加工特性のために蛇行し易いことから、切断後の加工対象物の寸法精度（加工品質）を制御することは容易でなく、寸法精度を向上させることが困難とされている。
【０００５】
また、上述したようなレーザ加工方法では、加工対象物へのレーザ光の照射で加工対象物の外表面にダメージが生じるのを抑制することが好ましい。
【０００６】
そこで、本発明は、水晶で形成された加工対象物を寸法精度よく切断すると共に、その外表面にダメージが生じるのを抑制することが可能なレーザ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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係るレーザ加工方法は、水晶で形成され表面と該表面の反対側の粗面としての裏面とを有する加工対象物を、切断予定ラインに沿って切断するためのレーザ加工方法であって、表面をレーザ光入射面として加工対象物にレーザ光を集光させ、加工対象物における裏面側に改質領域を切断予定ラインに沿って形成する改質領域形成工程を含むことを特徴とする。
【０００８】
この本発明のレーザ加工方法では、レーザ光入射面としての表面とは反対側の裏面側に改質領域が形成されている。よって、レーザ光入射面に露出する亀裂が生じるのを抑制することができ、切断後の加工対象物の寸法精度を高めることができる。このとき、改質領域が裏面側に形成されるために裏面へのダメージが懸念されるが、水晶では加工閾値が高いためにレーザ光のエネルギが改質領域の形成で大きく消費されると共に、裏面が粗面とされているために裏面に到達したレーザ光が散乱することから、裏面にダメージが生じることも少ない。従って、本発明によれば、水晶で形成された加工対象物を寸法精度よく切断すると共に、加工対象物の外表面にダメージが生じるのを抑制することが可能となる。
【０００９】
また、裏面の中心線平均粗さは、０．０５μｍ以上とされていることが好ましい。この場合、例えば裏面に到達したレーザ光の散乱を効果的に生じさせ、裏面へのダメージを一層抑制することができる。
【００１０】
また、上記作用効果を好適に奏するために、具体的には、加工対象物の厚さは、１００μｍ以下であり、改質領域形成工程では、加工対象物内において裏面から５μｍ以下の位置に改質領域を形成する場合がある。
【００１１】
また、切断予定ラインに沿って外部から加工対象物に力を印加することにより、改質領域を切断の起点として加工対象物を切断する切断工程をさらに含むことが好ましい。これにより、加工対象物を確実に切断予定ラインに沿って切断することが可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、水晶で形成された加工対象物を寸法精度よく切断すると共に、その外表面にダメージが生じるのを抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】改質領域の形成に用いられるレーザ加工装置の概略構成図である。
【図２】改質領域の形成の対象となる加工対象物の平面図である。
【図３】図２の加工対象物のIII−III線に沿っての断面図である。
【図４】レーザ加工後の加工対象物の平面図である。
【図５】図４の加工対象物のV−V線に沿っての断面図である。
【図６】図４の加工対象物のVI−VI線に沿っての断面図である。
【図７】本実施形態に係る水晶振動子の製造工程を示すフロー図である。
【図８】加工対象物を水晶チップに切断する工程を説明するための概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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、以下の説明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。
【００１５】
本実施形態に係るレーザ加工方法では、加工対象物にレーザ光を集光させ、改質領域を切断予定ラインに沿って形成する。そこで、まず、改質領域の形成について、図１〜図６を参照して説明する。
【００１６】
図１に示すように、レーザ加工装置１００は、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。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、パルス波形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。
【００１７】
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。なお、ここでは、レーザ光Ｌを相対的に移動させるためにステージ１１１を移動させたが、集光用レンズ１０５を移動させてもよいし、或いはこれらの両方を移動させてもよい。
【００１８】
加工対象物１は、水晶で形成されており、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（集光位置）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。
【００１９】
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、これらが組み合わされた３次元状であってもよいし、座標指定されたものであってもよい。また、切断予定ライン５は、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。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。また、改質領域７を起点に亀裂が形成される場合があり、亀裂及び改質領域７は、加工対象物１の外表面（表面３、裏面２１、若しくは外周面）に露出していてもよい。また、改質領域７を形成する際のレーザ光入射面は、加工対象物１の表面３に限定されるものではなく、加工対象物１の裏面２１であってもよい。
【００２０】
ちなみに、ここでのレーザ光Ｌは、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。
【００２１】
ところで、本実施形態で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（一旦溶融後再固化した領域、溶融状態中の領域及び溶融から再固化する状態中の領域のうち少なくともいずれか一つを意味する）、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）。
【００２２】
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、さらに、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。加工対象物１としては、水晶（ＳｉＯ２）又は水晶を含む材料が用いられている。
【００２３】
また、本実施形態においては、切断予定ライン５に沿って改質スポット（加工痕）を複数形成することによって、改質領域７を形成している。改質スポットとは、パルスレーザ光の１パルスのショット（つまり１パルスのレーザ照射：レーザショット）で形成される改質部分であり、改質スポットが集まることにより改質領域７となる。改質スポットとしては、クラックスポット、溶融処理スポット若しくは屈折率変化スポット、又はこれらの少なくとも１つが混在するもの等が挙げられる。
【００２４】
この改質スポットについては、要求される切断精度、要求される切断面の平坦性、加工対象物の厚さ、種類、結晶方位等を考慮して、その大きさや発生する亀裂の長さを適宜制御することが好ましい。
【００２５】
次に、本実施形態について詳細に説明する。
【００２６】
本実施形態は、例えば水晶振動子を製造するための水晶振動子の製造方法として用いられるものであって、六方柱状の結晶である水晶で形成された加工対象物１を複数の水晶チップに切断する。そこで、まず、図７を参照しつつ水晶振動子の全体の製造工程フローを概略説明する。
【００２７】
初めに、人工水晶原石を例えばダイヤモンド研削によって切り出し、所定サイズの棒状体（ランバード）に加工する（Ｓ１）。続いて、水晶振動子の温度特性要求に応じた切断角度をＸ線により測定し、この切断角度に基づいてランバードをワイヤーソー加工によって複数のウェハ状の加工対象物１に切断する（Ｓ２）。ここでの加工対象物１は、１０ｍｍ×１０ｍｍの矩形板状を呈し、厚さ方向に対し３５．１５°傾斜した結晶軸を有している。
【００２８】
続いて、ラッピング加工を加工対象物１の表面３及び裏面２１に施し、その厚さを所定厚さとする（Ｓ３）。続いて、微小角度レベルで切断角度をＸ線により測定し、加工対象物１の選別及び分類を行った後、上記Ｓ３と同様なラッピング加工を加工対象物１の表面３及び裏面２１に再度施し、加工対象物１の厚さを微調整する（Ｓ４，Ｓ５）。
【００２９】
上記Ｓ５においては、加工対象物１は、その厚さが１００μｍ以下とされ、好ましいとして厚さ３５μｍの超極薄状とされている。また、上記Ｓ３，Ｓ５にて表面３及び裏面２１にラッピング加工が施されることにより、これら表面３及び裏面２１は粗面となっている。具体的には、表面３及び裏面２１は、例えば梨地状に形成され、その中心線平均粗さＲａ（以下、単に「粗さＲａ」）が０．０５μｍ以上とされ、好ましいとして０．０５μｍ〜０．３０μｍとされている。なお、粗さＲａは、日本工業規格（ＪＩＳ−Ｂ０６０１）で定義される中心線平均粗さを意味する。
【００３０】
続いて、切断加工及び外形加工として、加工対象物１に改質領域７を形成し当該改質領域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に沿って切断する（Ｓ６：詳しくは、後述）。これにより、±数μｍ以下の寸法精度の外形寸法を有する複数の水晶チップを得る。本実施形態では、表面３視において切断予定ライン５が格子状に加工対象物１に設定されており、１ｍｍ×０．５ｍｍの矩形板状の水晶チップとして加工対象物１を切断する。
【００３１】
続いて、所定周波数となるように水晶チップに面取り加工（コンベックス加工）を施す共に、所定周波数となるようにエッチング加工により水晶チップの厚さを調整する（Ｓ７，Ｓ８）。その後、この水晶チップを水晶振動子として組み立てる（Ｓ９）。具体的には、水晶チップ上にスパッタリングにより電極を形成し、この水晶チップをマウンタ内に搭載し、真空雰囲気中で熱処理した後、イオンエッチングで水晶チップの電極を削り周波数を調整し、マウンタ内をシーム封止する。これにより、水晶振動子の製造が完了する。
【００３２】
図８は、加工対象物を水晶チップに切断する工程を説明するための概略図である。図中においては、説明の便宜上、１つの切断予定ライン５に沿った切断を例示して示している。加工対象物１を水晶チップへ切断する上記Ｓ６においては、まず、加工対象物１の裏面２１にエキスパンドテープ３１を貼り付けて加工対象物１を支持台１０７（図１参照）上に載置する。
【００３３】
続いて、レーザ光源制御部１０２によりレーザ光源１０１を制御すると共にステージ制御部１１５によりステージ１１１を制御し、切断予定ライン５に沿って、加工対象物１にレーザ光Ｌを適宜集光させて改質領域７を形成する（改質領域形成工程）。
【００３４】
具体的には、図８（ａ）に示すように、加工対象物１内において裏面２１側に集光点を合わせ、例えば出力０．２Ｗでレーザ光Ｌを表面３側から照射する。これに併せて、このレーザ光Ｌを、例えば１３５ｍｍ／ｓの速度で加工対象物１に対し相対移動させる（スキャン）。これにより、加工対象物１の表面３に露出する亀裂を形成することなく、例えば３μｍのピッチを有する複数の改質スポットを含む改質領域７を、切断予定ライン５に沿って加工対象物１内の裏面２１側に一列形成する。そして、上記スキャンを全ての切断予定ライン５について実施する。
【００３５】
ここでは、好ましいとして、加工対象物１内において裏面２１から加工対象物１の厚さの半分以下の位置に集光点を合わせてレーザ光Ｌを照射し、加工対象物１内の当該位置に切断予定ライン５に沿って改質領域７を形成する。或いは、好ましいとして、加工対象物１内において裏面２１から０〜１０μｍ以内（より好ましいとして、５μｍ以下）の位置に集光点を合わせてレーザ光Ｌを照射し、加工対象物１内の当該位置に切断予定ライン５に沿って改質領域７を形成する。さらに或いは、好ましいとして、加工対象物１内において裏面２１近傍に集光点を合わせてレーザ光Ｌを照射し、加工対象物１内の当該裏面２１近傍に切断予定ライン５に沿って改質領域７を形成する。
【００３６】
続いて、図８（ｂ）に示すように、エキスパンドテープ３１を表面３に転写した後、加工対象物１に対し裏面２１側から、エキスパンドテープ３１を介して切断予定ライン５に沿ってナイフエッジ３２を押し当てる（切断工程）。これにより、改質領域７が開く（応力開放する）よう切断予定ライン５に沿って外部から加工対象物１に力を印加し、改質領域７を切断の起点として、加工対象物１を複数の水晶チップに切断する。そして、図８（ｃ）に示すように、エキスパンドテープ３１を拡張させ、チップ間隔を確保する。以上により、加工対象物１が複数の水晶チップ１０として切断されることとなる。
【００３７】
ところで、水晶で形成された加工対象物１にレーザ光Ｌを集光させて改質領域７を形成する場合、加工閾値が高いためにレーザ光Ｌのエネルギ密度を高める必要があり、よって、改質領域７から亀裂が延び易く、レーザ光入射面としての表面３に露出する亀裂（ハーフカット）が生じやすい。このハーフカットは、水晶が有する加工特性のために蛇行し易いことから、例えば切断面が鋸歯状に形成され、切断後の加工対象物１の寸法精度（加工品質）を制御することは容易でない。この点、本実施形態では、上述したように、レーザ光入射面である表面３の反対面としての裏面２１側に改質領域７が形成されており、よって、ハーフカットが生じるのを抑制することができる。その結果、切断後の加工対象物１の寸法精度を高めることができる。
【００３８】
ここで、改質領域７が裏面２１側に形成されると、裏面２１にダメージが生じることが懸念され、かかる懸念は本実施形態のように加工対象物１が薄い場合に顕著となる。これに対し、本実施形態では、水晶が有する高い加工閾値のためにレーザ光Ｌのエネルギが改質領域７の形成で大きく消費されると共に、裏面２１が粗面とされているために裏面２１に到達したレーザ光Ｌが散乱することから、裏面２１にダメージが生じることも少ない。さらに、改質領域７が裏面２１側に形成されても、加工対象物１自体が高い硬度を有するため、抗折強度に対する悪影響は少ない。
【００３９】
従って、本実施形態によれば、水晶で形成された加工対象物１を切断する場合において、加工対象物１の外表面にダメージが生じるのを抑制しながら、加工対象物１を寸法精度よく切断して加工品質を向上させることが可能となる。
【００４０】
また、本実施形態では、上述したように、裏面２１の粗さＲａは、０．０５μｍ以上とされていることから、例えば裏面２１に到達したレーザ光Ｌの散乱が効果的に生じるため、裏面２１へのダメージを一層抑制することができる。
【００４１】
また、本実施形態では、上述したように、ナイフエッジ３２を用いて加工対象物１に切断予定ライン５に沿って外部応力を印加し、改質領域７を切断の起点として加工対象物１をしている。これにより、切断し難い水晶で形成された加工対象物１であっても、加工対象物１を確実に切断予定ライン５に沿って精度切断することが可能となる。
【００４２】
なお、加工対象物１におけるレーザ光入射面としての表面３側に改質領域７を形成する場合、前述のようにレーザ光Ｌに高いエネルギ密度が必要であることから、ハーフカットが発生して加工品質が低下するおそれが大きい。またこの場合、ハーフカットが発生しないようレーザ光Ｌを制御することは容易でなく、いわゆる空振り（レーザ光Ｌを加工対象物１に集光させても改質スポットないし改質領域７が形成されない現象）が生じ易い。この点においても、加工対象物１の裏面２１側に改質領域７を形成する本実施形態の技術的意義は大きいといえる。
【００４３】
ちなみに、水晶振動子は水晶の材料そのものの特性を利用するデバイスであることから、水晶振動子用の水晶チップは寸法精度が温度特性や振動子特性に大きく影響を与える。よって、水晶チップとして寸法精度よく加工対象物１を切断する上記作用効果は、水晶振動子を製造する場合に顕著となる。
【００４４】
また、表面３及び裏面２１が粗面とされていても、圧電効果に与える悪影響は少ない。また、水晶チップはその厚さが薄いものほど、高周波デバイスとして好適に利用することが可能となる。よって、表面が荒れていて且つ薄い水晶チップとして加工対象物１を切断できる本実施形態は、特に有効なものといえる。
【００４５】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態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てもよい。
【００４６】
例えば上記において、加工対象物１の厚さ、改質領域７の形成位置、及び粗さＲａの各数値は、加工上、製造上及び設計上等の誤差を許容するものである。また、上記実施形態では、加工対象物１の内部に改質領域７を形成したが、改質領域７はレーザ光入射面の反対面である裏面２１から露出してもよい。なお、本発明は、上記レーザ加工方法により水晶振動子を製造する水晶振動子の製造方法又は製造装置として捉えることもできる一方、水晶振動子を製造するものに限定されず、水晶で形成された加工対象物を切断するための種々の方法又は装置に適用可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１…加工対象物、５…切断予定ライン、７…改質領域、Ｌ…レーザ光。
【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６】
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【図７】
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【図８】
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