(57)【要約】【課題】  レーザ加工方法に関し、機能膜に影響を与えることなく、単結晶基板を高精度に且つ高効率に分割する。【解決手段】  劈開性或いは裂開性を有する単結晶基板１の機能膜形成面２と反対側の面に設けられた光吸収膜３が焦点位置になるようにレーザ光４を局所的に照射・走査して溝５を形成する際に、溝５の形成工程に伴って生じる局所的な熱衝撃応力が、単結晶基板１の劈開或いは裂開破壊強度をわずかに超えるよう、レーザ光４のピークエネルギ及び走査速度、及び、光吸収膜３の材質及び膜厚を設定することによって、溝５の形成工程において単結晶基板１の厚さ方向にクラック７を誘発させる。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
劈開性或いは裂開性を有する単結晶基板の機能膜形成面と反対側の面に設けられた光吸収膜が焦点位置になるようにレーザ光を局所的に照射・走査して溝を形成する際に、前記溝の形成工程に伴って生じる局所的な熱衝撃応力が、前記単結晶基板の劈開或いは裂開破壊強度をわずかに超えるよう、前記レーザ光のピークエネルギ及び走査速度、及び、前記光吸収膜の材質及び膜厚を設定することによって、前記溝の形成工程において前記単結晶基板の厚さ方向にクラックを誘発させることを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２】
上記レーザ光の走査方向が、上記単結晶基板の劈開方向或いは裂開方向からずれた方向であ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】
上記レーザ光を、上記の単結晶基板の機能膜形成面側から照射することを特徴とする請求項１または２の記載のレーザ加工方法。
【請求項４】
上記レーザ光が、シングルモード発振ファイバレーザの発振光であり、且つ、スポット径が１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工方法。
【請求項５】
上記単結晶基板が、ＬｉＴａＯ3 、ＬｉＮｂＯ3 、或いは、サファイアのいずれかであり、且つ、上記レーザ光の波長が、可視及び近赤外線帯域であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザ加工方法に関するものであり、特に、ＳＡＷフィルタやレーザ能動部等の機能膜を形成した単結晶基板を高効率且つ高精度で割断するための構成に特徴のあるレーザ加工方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
表面弾性波フィルタ（ＳＡＷフィルタ）や、青色発光ダイオード或いは青色半導体レーザ等は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）や物理気相成長方法（ＰＶＤ法）等を用いて絶縁性単結晶基板上に各種の機能膜や電極を形成したのち、絶縁性単結晶基板を分割してチップ化している。
【０００３】
例えば、ＳＡＷフィルタにおいてはタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3 ）等の単結晶基板が用いられており、青色発光ダイオード或いは青色半導体レーザにおいてはサファイア基板等の単結晶基板が用いられている。
【０００４】
これらの単結晶材料は脆性が高く、ある決まった方向に割れやすい性質、即ち、劈開性或いは裂開性ことが知られており、このような単結晶基板を、劈開面或いは裂開面と異なる方向に切断する場合、通常のダイヤモンドホイールを用いたダイシング法を用いた場合には、基板の欠け、割れ、エッジのチッピング等の不良が多発する問題がある。
【０００５】
この様な単結晶基板を切断する場合に、ダイヤモンドホイールを用いたダイシング法に代えてレーザスクライブ法を用いることが試みられており、この場合には、まず、レーザ光を照射して切断線に沿った溝を形成し、その後、切断線に沿って力を加えて力学的に割断・分離するものである。
【０００６】
しかし、溝が浅い場合には、溝に沿って分割することができないという問題があるとともに、溝形成工程の他に基板分離工程が必要になるため、生産性が低いという問題がある。
【０００７】
そこで、ＳＡＷデバイス等を形成するサファイア基板をレーザスクライブする際に、サファイア基板の表面にＣＯ2 レーザからのスポット径が１００〜２００μｍのパルスレーザ光を照射・走査してサファイア基板の表面に溝を形成するとともに、溝の底部において蓄積された熱による応力によってサファイア基板の厚さ方向にクラックを発生させて、切断線に沿って力学的に割断することなく分離することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
なお、一般のレーザスクライブ法において、レーザ光の吸収効率を高めるために、基板の表面の切断線に沿って予め光吸収膜を形成しておくことも提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平１１−２２４８６６号公報
【特許文献２】特開昭５４−１２６９５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上述の特許文献１においては、機能膜形成面側からレーザ光を照射するものであるので、レーザ照射に伴って蒸発・飛散した残渣が機能膜面に付着してデバイスの機能低下の原因となる虞がある。
【００１０】
また、使用しているレーザ光に対してサファイア基板はかなり透明であるので、エネルギー効率が悪いとともに、レーザ光のスポット径が大きいので、基板分割のための糊代を広くとる必要があるので、基板に示める無駄な面積が多くなるという問題がある。
【００１１】
なお、レーザ光の吸収効率を高めるために上記の特許文献２に提案されているように、切断線に沿って光吸収膜を設けた場合には、エネルギー効率は高まるものの、光吸収膜パターンの形成工程が必要になるとともに、この光吸収膜としては一般に導電体膜を用いるので、その残渣が機能膜や電極に付着した場合には、短絡の原因となる虞がある。
【００１２】
したがって、本発明は、機能膜に影響を与えることなく、単結晶基板を高精度に且つ高効率に分割することを特徴とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
図１は本発明の原理的構成図であり、ここで図１を参照して、本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図１参照
上記課題を解決するために、本発明は、レーザ加工方法において、劈開性或いは裂開性を有する単結晶基板１の機能膜形成面２と反対側の面に設けられた光吸収膜３が焦点位置になるようにレーザ光４を局所的に照射・走査して溝５を形成する際に、溝５の形成工程に伴って生じる局所的な熱衝撃応力が、単結晶基板１の劈開或いは裂開破壊強度をわずかに超えるよう、レーザ光４のピークエネルギ及び走査速度、及び、光吸収膜３の材質及び膜厚を設定することによって、溝５の形成工程において単結晶基板１の厚さ方向にクラック７を誘発させることを特徴とする。
【００１４】
このように、単結晶基板１の機能膜形成面２と反対側の面に光吸収膜３を設け、この光吸収膜３が焦点位置になるようにレーザ光４を局所的に照射・走査して溝５を形成することによって、エネルギー効率が高まるとともに、レーザ照射に伴う残渣が機能膜に付着することがなくなる。
なお、本発明においては、立方晶系以外の結晶構造の単結晶で発生する劈開状の断裂を「裂開」という。
【００１５】
また、溝５形成に伴うクラック７は機能膜形成面２側に細い線状に現れるので、各チップ間の切断のためのスペースを極力少なくすることができるので、１枚の基板から得られるチップの収率を高めることができる。
【００１６】
この場合、レーザ光４の走査方向を、単結晶基板１の劈開方向或いは裂開方向からずれた方向としても、熱応力により溝５に沿って発生するクラック７を利用しているので、基板の欠け、割れ、エッジのチッピング等の不良が発生することがない。
【００１７】
また、レーザ光４を単結晶基板１の機能膜形成面２側から照射することが望ましく、それによって、デバイス形成領域の位置を確認しながら各チップの間の切断線６に沿って正確にレーザ光４を照射することができる。
【００１８】
また、この場合のレーザ光４は、シングルモード発振ファイバレーザの発振光であり、且つ、スポット径が１００μｍ以下であることが望ましく、それによって、狭い幅を溝５を精度良く形成することが可能になるとともに、クラック７に伴う割断面を良好にすることができる。
【００１９】
なお、この光吸収膜３は、切断線６に沿って選択的に設けても良く、特に、光吸収膜形成面側からレーザ光４を照射する場合に、予め、デバイス形成領域の位置を確認する必要がないので効果的になる。
【００２０】
この場合の光吸収膜３の膜厚は１０００ｎｍ以下であることが望ましく、それによって、単結晶基板１を過度に発熱させることなく、溝５を形成するとともにクラック７を発生することができる。
【００２１】
また、単結晶基板１としては、ＬｉＴａＯ3 、ＬｉＮｂＯ3 、或いは、サファイアが典型的なものであり、この場合に、波長が可視或いは近赤外線帯域のレーザ光４を使用することによって、機能膜形成面２側からレーザ光４を照射する場合にも、単結晶基板１でレーザ光４はほとんど吸収されないので、発熱位置を光吸収膜３とすることができ、精度の高い割断を行うことができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、低出力で微小径に集光したレーザにより加工が可能なため、加工設備を安価にすることができるとともに、１回のレーザ照射で切断線に沿って溝生成と割断を同時に行うため、工程を短縮することができると同時に、希望切断線から実際の切断線が逸脱しない高精度の加工が可能になる。
【００２３】
また、レーザをデフォーカスさせて割断する方式と比較し、微小デバイスパターンへのダメージが無く、且つ、より狭い分割領域を設けるだけで分離が可能になるので、有効チップ面積比率を大きくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明は、分離しようとする単結晶基板のデバイス形成面と反対側の面、即ち、裏面に１０００ｎｍ以下のＴｉ膜等の極めて薄いレーザエネルギ吸収膜を設けたのち、このレーザエネルギ吸収膜が焦点位置になるように、スポット径が１００μｍ以下のシングルモード発振光、特に、ファイバレーザの発振光を一点に集光して照射しながら走査して切断線に沿って溝を形成するとともに、単結晶基板の厚さ方向にクラックを誘発させて単結晶基板を割断するものである。
【００２５】
この時、溝の形成工程に伴って生じる局所的な熱衝撃応力が、単結晶基板の劈開或いは裂開破壊強度をわずかに超えるよう、レーザ光のピークエネルギ及び走査速度、及び、レーザエネルギー吸収膜の材質及び膜厚を設定する必要がある。
【実施例１】
【００２６】
ここで、図２乃至図４を参照して、本発明の実施例１の単結晶基板のレーザ加工工程を説明する。
図２参照  
図２は、本発明の実施例１の単結晶基板のレーザ加工工程に用いるレーザ加工装置の概念的構成図であり、数値制御ＸＹＺステージのモータ１２によって並進駆動されるＸＹステージ１１上にホルダ１４を介して加工物１５を搭載するとともに、モータ１７によって並進駆動されるＺステージ１６上に小型ファイバレーザ発振機１９を搭載し、制御部２１からの指令によってモータ１２によって並進機構１３を駆動してＸＹステージ１１を移動させるとともに、モータ１７によって並進機構１８を駆動してＺステージ１６を移動させて焦点位置を決定し、レーザパワーサプライ２２からのパワーによって集光レンズを備えた出射ヘッド２０から集光したレーザ光２３を加工物１５の任意の位置に照射・走査するものである。
【００２７】
この場合の小型ファイバレーザ発振機１９は、波長が１．１μｍで、数〜十数Ｗの低出力連続発振のシングルモード発振レーザであり、かつスポット径φは数μｍ以下にすることが可能であり、加工する材料表面に対し、極めて狭い領域にレーザを集光、照射することが可能である。
【００２８】
図３参照  
まず、裏面に厚さが、例えば、１００ｎｍのＴｉ膜３２を形成した厚さが、例えば、３５０μｍのＬｉＴａＯ3 基板３１の裏面側から小型ファイバレーザ発振機１９からのレーザ光２３を２〜４Ｗの出力、例えば２．４Ｗの出力でスポット径を５０〜６０μｍとして、２０ｍｍ／秒の走査速度で走査することによって、ＬｉＴａＯ3 基板３１の裏面に深さが４０μｍ程度の溝３３を形成するとほぼ同時に、溝３３の底部からレーザ照射衝撃によるクサビ効果によりＬｉＴａＯ3 基板３１の厚さ方向にクラック３４を生じさせる。
【００２９】
このクラック３４は、ＬｉＴａＯ3 基板３１を完全に貫通割断しているので、特段の力を加えることなく自然に分割することができる。
【００３０】
図４参照  
図４は、レーザ加工を行ったＬｉＴａＯ3 基板３１の顕微鏡写真の模写図であり、幅が１００μｍ以下で滑らかな縁を有する溝３３が形成されているとともに、この溝３３の底部にほぼ直線状に走る非常に細いクラック３４が観察された。
【００３１】
このことから、溝３３は、クラック３４が希望する切断線上から逸脱しないためのガイドの役割をするため、ほぼ直線状に走るクラック３４となることが分かる。
また、クラック３４は溝３３内から生じるため、レーザ光２３のスポット径を出来る限り小さくすることで、良好な割断面を得ることができる。
【００３２】
この場合、ＬｉＴａＯ3 基板３１の表面、即ち、デバイス形成面に幅の非常に狭いクラック３４が現れて分割線となるので、レーザ照射の影響を考慮することなく、隣接するチップ間の間隔をより狭くすることができる。
【００３３】
このように、本発明の実施例１においては、基板の裏面に光吸収膜を設け、この光吸収膜が焦点位置になるようにレーザ光を照射しているので、残渣の影響を考慮することなくレーザ切断が可能になるとともに、表面側に現れる分割線は非常に狭いクラックであるので、有効チップ面積比率を大きくすることができる。
【００３４】
なお、レーザ走査速度を２０ｍｍ／秒とした場合には、従来のダイヤモンドホイールを使用するダイシングと比較して４〜６倍の加工速度となり、スループットを大幅に向上することができる。
【実施例２】
【００３５】
次に、図５を参照して、本発明の実施例２の単結晶基板のレーザ加工工程を説明する。  図５参照  
まず、裏面に厚さが、例えば、１００ｎｍのＴｉ膜４２を形成した厚さが、例えば、２５０μｍのサファイア基板４１の裏面側から小型ファイバレーザ発振機１９からのレーザ光２３を８〜１０Ｗの出力、例えば、９Ｗでスポット径を５０〜６０μｍとして、２０ｍｍ／秒の走査速度で走査することによって、サファイア基板４１の裏面に深さが１２０μｍ程度の溝４３を形成するとほぼ同時に、溝４３の底部からレーザ照射衝撃によるクサビ効果によりサファイア基板４１の厚さ方向にクラック４４を生じさせる。
【００３６】
このクラック４４は、サファイア基板４１の裂開性があまり高くないので、ＬｉＴａＯ3 基板３１に形成されるクラック３４に比べてガタツキが大きくなるが、サファイア基板４１を完全に貫通割断される。
【００３７】
図６参照  
図６は、レーザ加工を行ったサファイア基板の顕微鏡写真の模写図であり、幅が１００μｍ程度で比較的滑らかな縁を有する溝４３が形成されているとともに、この溝４３の底部に蛇行して走るクラック４４が観察された。
なお、この場合も、溝４３がガイドとなるため、クラック４４は溝４３の底部から生じて希望する切断線上から逸脱することがない。
【００３８】
このように、本発明の実施例２においては、基板の裏面に光吸収膜を設け、この光吸収膜が焦点位置になるようにレーザ光を照射しているので、裂開性が劣るサファイア基板の場合にも幅１００μｍ程度の分割領域で分割することができる。
【実施例３】
【００３９】
次に、図７を参照して、本発明の実施例３の単結晶基板のレーザ加工工程を説明する。  図７参照  
まず、裏面に厚さが、例えば、１００ｎｍのＴｉ膜３２を形成した厚さが、例えば、３５０μｍのＬｉＴａＯ3 基板３１の表面側から小型ファイバレーザ発振機１９からのレーザ光２３を２〜４Ｗの出力、例えば、２．４Ｗでスポット径を５０〜６０μｍとして、２０ｍｍ／秒の走査速度で走査することによって、ＬｉＴａＯ3 基板３１の裏面に溝３５を形成するとほぼ同時に、溝３５の底部からレーザ照射衝撃によるクサビ効果によりＬｉＴａＯ3 基板３１の厚さ方向の表面方向に向かってクラック３６を生じさせる。
【００４０】
このクラック３６も、ＬｉＴａＯ3 基板３１を完全に貫通割断しているので、特段の力を加えることなく自然に分割することができる。
【００４１】
このように、本発明の実施例３においては、基板の裏面に光吸収膜を設け、この光吸収膜が焦点位置になるようにレーザ光を基板の表面側から照射しているので、基板の表面側に形成したデバイス領域の位置を確認しながらレーザ照射することが可能になるので、位置精度の高い割断が可能になる。
【００４２】
また、使用しているレーザ光２３の波長に対してＬｉＴａＯ3 基板３１はほぼ透明であるので、ＬｉＴａＯ3 基板３１の途中でほとんど吸収されることはなく、Ｔｉ膜の位置で設定通りに吸収されることになる。
【実施例４】
【００４３】
次に、図８を参照して、本発明の実施例４の単結晶基板のレーザ加工工程を説明する。  図８参照  
まず、厚さが、例えば、３５０μｍのＬｉＴａＯ3 基板３１の裏面に厚さが、例えば、１００ｎｍで幅が１００μｍのＴｉ膜パターン３７を分割線に沿って形成したのち、ＬｉＴａＯ3 基板３１の裏面側から小型ファイバレーザ発振機１９からのレーザ光２３を２〜４Ｗの出力、例えば、２．４Ｗでスポット径を５０〜６０μｍとして、２０ｍｍ／秒の走査速度で走査することによって、ＬｉＴａＯ3 基板３１の裏面に溝３８を形成するとほぼ同時に、溝３８の底部からレーザ照射衝撃によるクサビ効果によりＬｉＴａＯ3 基板３１の厚さ方向にクラック３９を生じさせる。
【００４４】
この本発明の実施例４においては、Ｔｉ膜パターン３７を分割線に沿って形成しているので、裏面側からレーザ光２３を照射する場合にもデバイス形成領域の位置を確認することなくレーザ照射を行うことが可能になる。
【００４５】
以上、本発明の各実施例を説明してきたが、本発明は各実施例に記載した条件・構成に限られるものではなく、各種の変更が可能であり、例えば、各実施例に記載した単結晶基板は単なる一例にすぎず、壁開性或いは裂開性を有する単結晶基板であれば良く、典型的には実施例で示したＬｉＴａＯ3 及びサファイア以外にＬｉＮｂＯ3 が挙げられる。
【００４６】
また、上記の各実施例においては、レーザエネルギー吸収膜としてＴｉ膜を用いているが、Ｔｉ膜に限られるものではなく、使用するレーザ光の波長に対する吸収率が切断対象となる基板の吸収率より高く且つ反射率の低い材料であれば良い。
【００４７】
また、上記の各実施例においては、レーザ発振器としてファイバレーザを用いているが、ファイバレーザに限られるものではなく、１００μｍ以下の微小スポット径でシングルモード発振するものであれば良い。
【００４８】
また、上記の各実施例においては、単結晶基板の裏面にＴｉ膜を形成するように説明しているが、ＳＡＷフィルタデバイスは製造プロセスで基板裏面に１００ｎｍ程度のＴｉ膜が形成されているので、このＴｉ膜を活用してレーザ加工しても良いものである。
【００４９】
ここで再び図１を参照して、本発明の詳細な特徴を改めて説明する。
再び、図１参照  
（付記１）  劈開性或いは裂開性を有する単結晶基板１の機能膜形成面２と反対側の面に設けられた光吸収膜３が焦点位置になるようにレーザ光４を局所的に照射・走査して溝５を形成する際に、前記溝５の形成工程に伴って生じる局所的な熱衝撃応力が、前記単結晶基板１の劈開或いは裂開破壊強度をわずかに超えるよう、前記レーザ光４のピークエネルギ及び走査速度、及び、前記光吸収膜３の材質及び膜厚を設定することによって、前記溝５の形成工程において前記単結晶基板１の厚さ方向にクラック７を誘発させることを特徴とするレーザ加工方法。
（付記２）  上記レーザ光４の走査方向が、上記単結晶基板１の劈開方向或いは裂開方向からずれた方向であることを特徴とする付記１記載のレーザ加工方法。
（付記３）  上記レーザ光４を、上記の単結晶基板１の機能膜形成面２側から照射することを特徴とする付記１または２の記載のレーザ加工方法。
（付記４）  上記レーザ光４が、シングルモード発振ファイバレーザの発振光であり、且つ、スポット径が１００μｍ以下であることを特徴とする付記１または２に記載のレーザ加工方法。
（付記５）  上記光吸収膜３を、切断線６に沿って選択的に設けたことを特徴とする付記１乃至４いずれか１に記載のレーザ加工方法。
（付記６）  上記光吸収膜３の膜厚が、１０００ｎｍ以下であることを特徴とする付記１乃至５のいずれか１に記載のレーザ加工方法。
（付記７）  上記単結晶基板１が、ＬｉＴａＯ3 、ＬｉＮｂＯ3 、或いは、サファイアのいずれかであり、且つ、上記レーザ光４の波長が可視或いは近赤外線帯域であることを特徴とする付記１乃至６のいずれか１に記載のレーザ加工方法。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明の活用例としては、ＳＡＷフィルタを形成した単結晶基板のレーザ切断が典型的であるが、ＳＡＷフィルタデバイスに限られるものではなく、青色発光ダイオードや青色半導体レーザ、或いは、強誘電体基板を用いた光偏向素子等の光デバイスの基板分割をはじめとした各種の単結晶基板の分割に適用されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】本発明の実施例１の単結晶基板のレーザ加工工程に用いるレーザ加工装置の概念的構成図である。
【図３】本発明の実施例１の単結晶基板のレーザ加工工程の説明図である。
【図４】レーザ加工を行ったＬｉＴａＯ3 基板の顕微鏡写真の模写図である。
【図５】本発明の実施例２の単結晶基板のレーザ加工工程の説明図である。
【図６】レーザ加工を行ったサファイア基板の顕微鏡写真の模写図である。
【図７】本発明の実施例３の単結晶基板のレーザ加工工程の説明図である。
【図８】本発明の実施例４の単結晶基板のレーザ加工工程の説明図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  単結晶基板
２  機能膜形成面
３  光吸収膜
４  レーザ光
５  溝
６  切断線
７  クラック
１１  ＸＹステージ
１２  モータ
１３  並進機構
１４  ホルダ
１５  加工物
１６  Ｚステージ
１７  モータ
１８  並進機構
１９  小型ファイバレーザ発振機
２０  出射ヘッド
２１  制御部
２２  レーザパワーサプライ
２３  レーザ光
３１  ＬｉＴａＯ3 基板
３２  Ｔｉ膜
３３  溝
３４  クラック
３５  溝
３６  クラック
３７  Ｔｉ膜パターン
３８  溝
３９  クラック
４１  サファイア基板
４２  Ｔｉ膜
４３  溝
４４  クラック
【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】
2006082232.tif 000008
【図７】
2006082232.tif 000009
【図８】
2006082232.tif 000010