(57)【要約】【課題】非対称の放射線密度分布を有するレーザによる脆性材料を分断するための方法を提供する。【解決手段】この方法によって、脆性材料、たとえば、サファイア、ガラスセラミックまたはガラスなどからなる平坦な加工物は、加工物上に非対称の放射線密度分布のビームスポットを有するレーザビームを用いて、放物線密度における鏡面対称の変化が方法変数を変更するだけで成し遂げられるという点で、異なる方向における相対的な移動によって、特に同一の方向の分断線に沿って、熱機械的応力を誘発することによって、分断されることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザによって分断線に沿って熱機械的応力を誘発することによって、脆性材料からなる平坦な加工物を分断するための方法であって、
−所定の出力Ｅ１が第１のレーザで調整され、Ｅ１とは異なる出力Ｅ２が第２のレーザで調整され、各レーザがレーザビーム束を生成するステップと、
−前記２つのレーザビーム束は、分断されるべき前記加工物の表面に向けられ、そこでは前記２つのレーザビーム束のそれぞれが、それぞれ長半軸および短半軸によって決定される楕円形のビームスポット幾何構成を有し、その結果、部分的に重なるように、それら長半軸はいずれも分断線上にあって、前記２つのレーザビーム束の２つのビームスポットは、その放射線密度分布がその短半軸に対して非対称であるような共通の楕円形のビームスポットを形成するステップと、
−前記レーザビーム束は、前記分断線によって決定される方向において前記加工物に対して移動させられるステップと、
−冷却剤の流れは、前記移動方向に対して前記レーザビームスポットの後で前記加工物に向けられるステップと
を備える方法。
【請求項２】
前記加工物は、複数のストリップにおいて同一の方向の分断線に沿って切断され、それぞれ別のレーザの前記出力Ｅ１またはＥ２は、分断切断の終了で調整され、偶数回の切断のたびに前記第２のレーザにおいて調整される前記出力は、奇数回の切断のたびに前記第１のレーザに関して調整され、逆の場合も同様であり、前記分断切断は交互の方向に実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記２つのレーザビーム束の前記短半軸および前記長半軸は、１でないサイズの比を予め設定することによって異なるように選択され、前記共通のビームスポットの前記放射線密度分布に影響を及ぼすことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記２つのレーザビーム束に関するサイズの比は、分断切断の終了の後に逆転されることを特徴とする、請求項２または３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特許文献１から公知であるような誘発された熱応力の原理に基づくレーザ放射線による脆性材料を分断するための方法に関する。
【０００２】
最も堅い脆性材料の１つとして、サファイアが現在では青色ＬＥＤ用のウェーハディスクの形で基板材料として主に用いられている。サファイア基板材料が高い硬度（モース硬度９）を有し、ＬＥＤがきわめて小さなチップサイズ（約３００×３００μｍ）であることから、ウェーハディスクを分断して個別のチップに分断することは、特に困難な課題となりうる。類似の要件は、単結晶石英（モース硬度７）、セラミック基板（モース硬度８〜９）およびガラスを分断する場合にもある。
【背景技術】
【０００３】
堅い脆性材料を分断するための最も古い方法は、ダイヤモンド工具を用いて機械的にスクライビングを行い、次にスクライビングによる切欠きに沿って分断する。
【０００４】
ここ数年、機械的な罫書きは紫外線レーザまたはＣＯ２レーザによって行われており、この方法において高精度で、磨耗のない作業で生産性の著しい向上を実現することができる。狭いＶ字形の溝または小さな孔の列は、アブレーションによって生成され、続いて、慎重な態様で分断されることができる。
【０００５】
このレーザスクライビング法には欠点があり、気化した材料成分が切り口に堆積すること、及びまた、次の分断処理ステップが必要になることである。分断は、ぎざぎざの縁および角を生じる原因となる。
【０００６】
材料が除去されることなく、材料が誘発された熱応力によって分割されるレーザによる方法は、特許文献２に記載されている。この方法では、材料は、波長１０．６μｍのＣＯ２レーザによって局所的に加熱されるため、圧縮応力が材料に生じる。続いて、引張応力を生成するために、材料が方向の決められた冷却剤の噴射によって冷却される。材料に生じる応力は、亀裂を生じるという結果になる。材料が気化せず、また除去もされないために、材料の表面にも切り口にも不純物が生じず、材料の消失がない。
【０００７】
ビームスポットの幾何構成は楕円形状を有することが好ましく、放射線密度のガウス分布は両方の半軸（分断線に沿った半軸および分断線に垂直な半軸）に対して対称である。加熱はきわめて狭い領域で行われ、温度は、周辺から中心まで劇的に上昇する。
【０００８】
ビームスポットの中心における過熱を防止するため、したがって材料の軟化温度を超えないようにするために、材料の表面における放射線密度が周辺から中心に減少するように分散されるレーザビーム束を用いることが、特許文献３に提案されている。これは、材料の加熱状態を最適化することを目的としており、一方では放射部分の全幅のさらに一様な加熱を確保し、他方では中心における過熱を排除しなければならない。この種の放射線密度分布は、楕円形の環または長手方向に並んで配置されるガウス分布を伴う２つの楕円形のビームスポットによって実現される。特許文献２による方法と比べると、特許文献３による方法のプラス効果はまた、ビーム束における断面の出力密度が実質的に一様な態様で分散されるか、または中心の方向において増大したとしてもごくわずかであるように実現されることである。この場合には、この参考文献で提案された放射線密度分布は、２つの半軸に対して対称である。
【０００９】
特許文献１では、特許文献３によるビームスポットに対応する放射線密度分布が好ましくない温度分布を生じるものとして記載されており、最大の放射線強度が加熱放射線スポットの前端部に向かって開いているＶ字形またはＵ字形の曲線上にあり、温度の最高点が空間的にＶ字形またはＵ字形の曲線の頂点にあるような加熱放射線スポットを用いて、切断を実行することを提案している。
【００１０】
この種の加熱放射線スポットは、たとえば、均質な分布またはガウス分布を有する円形のレーザビーム断面を用いて加工物表面を走査することによって、または半分が切り落とされた環状のレーザビーム断面によって生成されることができる。
【００１１】
特許文献４は、加工物表面における強度分布がビーム経路に挿入された１つ以上の絞りによって影響される方法および装置について記載している。所与の強度プロファイルがコストのかかる補助的な光学素子によって実現されている従来技術に比べて、この参考文献に記載された解決策は、多数の異なる強度分布を実現することが可能であり、手近な用途にも適しており、経済的でわずかな調整で済む。たとえば、回転可能なストリップ状の絞りを用い、ストリップ状の絞りの角度位置に対応する幅を有するビーム束の回転対称な内部マスクを実現することを提案している。これには強度分布に作用することは強度の損失を常に伴うという欠点があり、すなわち、所望の出力生成を実現するために、著しく高い出力の放射線源を常に用いなければならない。
【００１２】
さらに、２つ以上のレーザビームを用いて誘発された熱機械的応力による脆性材料の分断は、特許文献５および特許文献６のほか、特許文献３（既に述べた）から周知である。
【００１３】
特許文献５に記載される方法では、決定された縁の幾何構成は、加工物表面に対して異なる角度の複数のレーザビームを用いて形成される。
【００１４】
特許文献６は、そこに記載された従来技術に比べてより高い切断速度およびより高い切断精度を供給し、特許文献７（特許文献２と同一）による方法は比較的優れており、実際に成功しているものとして記載されている。高い出力を達成するために、複数のレーザビーム束が切断線に沿って一直線に並んで案内されることが提案されている。この目的のために、この種の方法を実行するための装置において光学手段が設けられ、レーザビームが集束されてから、互いに分離するか、または完全にまたは部分的に重なるように分断線上に案内されるように、レーザビーム束を連結した態様で案内することができる。
【００１５】
特許文献８は、破断可能な材料を分断するための装置について記載しており、この装置では、ビームスプリッティング光学素子が下流に配置されたレーザから来るか、または２つのレーザから来る楕円形に成形されたビーム束は、所望の分断線に沿って加工物表面上に案内される。２つのビーム束の半軸はそれぞれ、分断線の方向に向けられている。互いからの距離（ゼロであってもよい）に応じて、ビーム外形は、分断線に対して異なるように形成され、ガウス外形、いわゆるヘッド・アンド・ショルダ型外形または２つのガウス外形であってもよい。
【００１６】
２つ以上のレーザビーム束が分断される材料に向けられる４つの参考文献（特許文献３、特許文献５、特許文献６、特許文献８）のいずれも、ビームスポットの半軸に対して非対称である放射線密度分布によってビームスポットが形成されるように、互いに対して材料を適合させることを提案していない。
【００１７】
熱機械的応力を誘発することによって脆性材料を分断するために、一見、無限の特許および特に付与された特許、そのなかで提案されている時には一見矛盾した解決策のほか、実際の実験から、個別の解決策はそれぞれ、用途の一定の実例に関して個別に多少好都合であることが分かる。ビームスポットサイズ、放射線出力および前送り速度に関連するさまざまな異なるビームスポット形状およびビームスポットに関する放射線密度分布は、特に熱伝導率および材料厚さに関して材料次第で、多少の差はあるが適している。
【００１８】
たとえば、特定の用途に応じて、たとえば特許文献７（特許文献２と同一）または特許文献６のように、放射線密度の最大が分断線の中心にあるときが有利である場合もあれば不利である場合もあり、特許文献１に記載したように、放射線密度の最大が分断線上にあるときが有利である場合もあれば不利である場合もある。
【００１９】
さらに、本願出願人は、実用試験を通じてビームスポットが分断線に沿って引き伸ばされるビームスポットの末端または冒頭で分断線に沿って高い放射線密度（以下、放射線ピーク）を有する場合、すなわち放射線密度分布が分断線と交差するビームスポットの半軸に対して非対称である場合、種々の用途に関して好都合であるという結論を下している。動作速度および切断品質は、材料およびその厚さに応じて、放射線ピークの位置および高さによって影響されうる。
【００２０】
しかし、実際には、上述のタイプのビームスポットは、機械加工の方向を逆にすることができないという欠点を有する。このことは、たとえば、板を第一の縁部から始まる個別の平行なストリップに分割することになっている場合に、レーザは常に最初にこの第１の縁部まで戻らなければならないか、またはレーザが静止している場合には、動作変数が各ステップに関して同一であるように、この第１の縁部をレーザに対して位置決めしなければならない。この切断モードが機械的に実行される場合には、遊休時間は約５０％である。
【００２１】
【特許文献１】ＤＥ  １９７  １５  ５３７  Ｃ２号明細書
【特許文献２】欧州特許第０  ６３３  ８６７  Ｂ１号明細書
【特許文献３】国際公開第９６／２００６２号パンフレット
【特許文献４】ＤＥ  １９８  ３３  ３６８  Ｃ１号明細書
【特許文献５】ＤＥ  ＡＳ  １  ２４４  ３４６号明細書
【特許文献６】ＤＥ  １９９  ５２  ３３１  Ｃ１号明細書
【特許文献７】国際公開第９３／２００１５号パンフレット
【特許文献８】米国特許出願公開第２００２／０００６７６５  Ａ１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
本発明の目的は、ビームスポットにおいて非対称の放射線密度分布を有するレーザビームによって熱機械的応力を誘発することによって、脆性材料が分断され、分断切断は双方向、すなわち交互の方向に有利に実行することができる方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本目的は、請求項１に記載の方法によって達成される。有利な構成については、従属項に記載される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明は、実施形態の例を参照して以下にさらに詳細に記載する。
【００２５】
実施形態の例において、直径２″および厚さ９０μｍのサファイアのウェーハを縁長さ３２０μｍのチップに切断しなければならない。この目的のために、分断切断が最初にＸ方向に、次にＹ方向に３２０μｍの間隔でウェーハに行われる。本発明によれば、Ｘ方向の分断切断およびＹ方向の分断切断は、対向する外側縁部から交互に開始される。すなわち、前の分断切断が終了したウェーハディスクの周縁部で３２０μｍのオフセットをとり、それぞれの次の切断が開始される。レーザビーム束とウェーハとの間の相対的な移動方向（双方向）に関係なく、同一の動作速度および同一の切断品質で分断切断を実行するために、一般的な状態は方向に関係なく完全に同一でなければならず、簡単かつ速やかに調整可能でなければならない。
【００２６】
第１の実施形態の例において本件の場合のようにサファイアのウェーハディスクを分断するために、ビームスポットにおける放射線密度分布が移動方向の末端で高い放射線密度（放射線ピーク）を有する場合が、実際には好都合であることが分かっている。
【００２７】
本発明によれば、この種の放射線密度分布は、ガウス放射線密度分布および異なる出力を有する２つの楕円形のレーザビーム束を重ねることによって生成される。
【００２８】
図１は、共通のビームスポットにおいてその長半軸ｂに沿った２つのレーザビーム束（破線）と、２つのレーザビーム束の重なりのために生じる非対称の放射線密度分布（実線）からなる放射線密度分布を示している。長半軸ｂは分断方向Ｔに延在し、共通のビームスポットの長半軸ｂに対する垂直な短半軸の交差点ａに対する非対称性が明確に示されている。
【００２９】
末端に放射線ピークがある共通のビームスポットにおける放射線密度分布を得るために、その放射線が移動方向に関して他方のレーザの放射線の背後の面に向けられるレーザの選択された出力の方が高くなければならない。放射線密度分布のプロファイルは、２つのレーザの出力、特に出力の差および重なり具合によって決定される。
【００３０】
共通のビームスポットにおける放射線密度分布はまた、２つのレーザビーム束が加工物表面上に異なるサイズのビームスポット、すなわち、異なる長さの短半軸および／または異なる長さの長半軸を有するビームスポットを生成するという点で、さらに影響を及ぼしうる。重なり具合および重なるビームスポットの寸法の比に関して、２つのレーザで調整される出力の事前設定は、分断される材料および材料厚さに左右され、試行錯誤によって最適化され、対応する態様に予め設定される。
【００３１】
２つのレーザに関する所定の出力の比、レーザの出力設定およびサイズの比に関係なく、レーザの出力設定およびサイズの比が、ゼロでない限り、逆にすることができる場合には、鏡面対称の放射線密度分布を有するビームスポットが生じる。
【００３２】
従来技術から周知の方法に対応して、レーザ放射線は、ウェーハの表面に向けられ、ウェーハに対する第１の分断線に沿って案内される。共通のビームスポットの直後の冷却スポットは、分断線に沿って同様に案内される冷却剤噴射によって生成される。
【００３３】
本発明によれば、同一の方向の分断切断を異なる方向における相対的な移動によって分断することができるようにするためにサイズの比が１に等しくない限り、レーザの出力は切断のたびに切り替えられる。このステップは、たとえば特定の放射線密度分布が生じる拡散素子などの特定の光学部品の位置の変更に比べて、時間の消費が少なく済む。
【００３４】
拡散素子によって特定の放射線密度分布のみを実現することができ、本発明による異なる変数に関して放射線密度分布を変化させ、特定の用途のために最適化することができる。
【００３５】
さらなる試験において、９６％のＡｌ２Ｏ３およびフロートガラスからなるセラミック基板は、本発明による方法による分断に成功した。
【００３６】
この方法を実行するのに適した装置には、
−調整可能なレーザ出力を有する同一のビーム特性の２つのレーザと、
−ビームスポットが共通のビームスポットを生じるように、２つのレーザビーム束が所定の重なり具合で加工物上に案内されるような光学手段と、
−分断線に対して冷却剤の流れを適用するための手段と、
−一方ではレーザビーム束と冷却剤の流れとの間、他方ではレーザビーム束と加工物との間の相対的な移動を生成するための手段と、が必要である。
−相対的な移動を生成するための手段は、交互の方向における相対的な移動を実行するのに適していることが有利である。
−冷却剤の流れを適用するための手段は、レーザ放射線によって加熱される分断線を冷却するのに適していなければならない。すなわち、冷却剤の流れはレーザビームを追跡するように分断線に向けられなければならない。交互の方向に関する相対的な移動では、これは、旋回可能な冷却剤ノズルまたは冷却剤を選択的に分配することができる２つの冷却ノズルを静止態様で取り付けることによって実現することができる。
−ビーム成形のための手段はまた、２つの重なるビームスポットのサイズを寸法において変化させることが可能であるように設けられることが有利である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】共通のビームスポットにおいてその長半軸ｂに沿った２つのレーザビーム束（破線）と、２つのレーザビーム束の重なりのために生じる非対称の放射線密度分布（実線）からなる放射線密度分布を示している。
【符号の説明】
【００３８】
ａ  交差点
ｂ  長半軸
Ｔ  分断方向
Ｅ１  レーザ出力
Ｅ２  レーザ出力
【図１】
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【外国語明細書】
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