(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射し、前記加工対象物の切断予定ラインに沿って前記加工対象物の内部に、切断の起点となる改質領域を形成する第１の工程と、
前記第１の工程後、前記加工対象物の非改質領域に対して透過性を有するレーザ光を前記改質領域に照射し、前記切断予定ラインに沿って前記加工対象物が切断される箇所にストレスを生じさせる第２の工程と、
を備えるレーザ加工方法。
【請求項２】
加工対象物の内部に集光点を合わせて、集光点におけるピークパワー密度が１×１０８（W/cm2）以上でかつパルス幅が１μs以下の条件でレーザ光を照射し、前記加工対象物の切断予定ラインに沿って前記加工対象物の内部に、切断の起点となるクラック領域を含む改質領域を形成する第１の工程と、
前記第１の工程後、前記加工対象物の非改質領域に対して透過性を有するレーザ光を前記改質領域に照射し、前記切断予定ラインに沿って前記加工対象物が切断される箇所にストレスを生じさせる第２の工程と、
を備えるレーザ加工方法。
【請求項３】
加工対象物の内部に集光点を合わせて、集光点におけるピークパワー密度が１×１０８（W/cm2）以上でかつパルス幅が１μs以下の条件でレーザ光を照射し、前記加工対象物の切断予定ラインに沿って前記加工対象物の内部に、切断の起点となる溶融処理領域を含む改質領域を形成する第１の工程と、
前記第１の工程後、前記加工対象物の非改質領域に対して透過性を有するレーザ光を前記改質領域に照射し、前記切断予定ラインに沿って前記加工対象物が切断される箇所にストレスを生じさせる第２の工程と、
を備えるレーザ加工方法。
【請求項４】
加工対象物の内部に集光点を合わせて、集光点におけるピークパワー密度が１×１０８（W/cm2）以上でかつパルス幅が１ns以下の条件でレーザ光を照射し、前記加工対象物の切断予定ラインに沿って前記加工対象物の内部に、切断の起点となる屈折率が変化した領域である屈折率変化領域を含む改質領域を形成する第１の工程と、
前記第１の工程後、前記加工対象物の非改質領域に対して透過性を有するレーザ光を前記改質領域に照射し、前記切断予定ラインに沿って前記加工対象物が切断される箇所にストレスを生じさせる第２の工程と、
を備えるレーザ加工方法。
【請求項５】
半導体材料からなるウエハ状の加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射し、前記加工対象物の切断予定ラインに沿って前記加工対象物の内部に、切断の起点となる、単結晶構造から非晶質構造に変化した領域、単結晶構造から多結晶構造に変化した領域、又は単結晶構造から非晶質構造及び多結晶構造を含む構造に変化した領域である溶融処理領域を含む改質領域を形成する第１の工程と、
前記第１の工程後、前記加工対象物の非改質領域に対して透過性を有するレーザ光を前記改質領域に照射し、前記切断予定ラインに沿って前記加工対象物が切断される箇所にストレスを生じさせる第２の工程と、
を備えるレーザ加工方法。
【請求項６】
前記第２の工程では、前記改質領域に集光点を合わせて、前記第１の工程と同じレーザ光照射を行うこと特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のレーザ加工方法。
【請求項７】
前記第２の工程において照射されるレーザ光と、前記第１の工程において照射されるレーザ光は、パルスレーザ光であり、同一のレーザ光源により発生させられることを特徴とする請求項６記載のレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体材料基板、圧電材料基板やガラス基板等の加工対象物の切断に使用されるレーザ加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ応用の一つに切断があり、レーザによる一般的な切断は次の通りである。例えば半導体ウェハやガラス基板のような加工対象物の切断する箇所に、加工対象物が吸収する波長のレーザ光を照射し、レーザ光の吸収により切断する箇所において加工対象物の表面から裏面に向けて加熱溶融を進行させて加工対象物を切断する。しかし、この方法では加工対象物の表面のうち切断する箇所となる領域周辺も溶融される。よって、加工対象物が半導体ウェハの場合、半導体ウェハの表面に形成された半導体素子のうち、上記領域周辺に位置する半導体素子が溶融する恐れがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
加工対象物の表面の溶融を防止する方法として、例えば、特開２０００−２１９５２８号公報や特開２０００−１５４６７号公報に開示されたレーザによる切断方法がある。これらの公報の切断方法では、加工対象物の切断する箇所をレーザ光により加熱し、そして加工対象物を冷却することにより、加工対象物の切断する箇所に熱衝撃を生じさせて加工対象物を切断する。
【０００４】
しかし、これらの公報の切断方法では、加工対象物に生じる熱衝撃が大きいと、加工対象物の表面に、切断予定ラインから外れた割れやレーザ照射していない先の箇所までの割れ等の不必要な割れが発生することがある。よって、これらの切断方法では精密切断をすることができない。特に、加工対象物が半導体ウェハ、液晶表示装置が形成されたガラス基板、電極パターンが形成されたガラス基板の場合、この不必要な割れにより半導体チップ、液晶表示装置、電極パターンが損傷することがある。また、これらの切断方法では平均入力エネルギーが大きいので、半導体チップ等に与える熱的ダメージも大きい。
【０００５】
本発明の目的は、加工対象物の表面に不必要な割れを発生させることなくかつその表面が溶融しないレーザ加工方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るレーザ加工方法は、加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射し、加工対象物の切断予定ラインに沿って加工対象物の内部に多光子吸収による改質領域を形成する第１の工程と、第１の工程後、加工対象物の非改質領域に対して透過性を有しかつ非改質領域に比べ改質領域に対して高い吸収性を有するレーザ光を改質領域に照射し、切断予定ラインに沿って加工対象物が切断される箇所にストレスを生じさせる第２の工程と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係るレーザ加工方法によれば、第１の工程において、加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射しかつ多光子吸収という現象を利用することにより、加工対象物の内部に改質領域を形成している。加工対象物の切断する箇所に何らかの起点があると、加工対象物を比較的小さな力で割って切断することができる。
【０００８】
上記レーザ加工方法によれば、第２の工程において、加工対象物の非改質領域に対して透過性を有しかつ非改質領域に比べ改質領域に対して高い吸収性を有するレーザ光を切断予定ラインに沿って照射するため、加工対象物が改質領域に沿って加熱され、温度差による熱応力等のストレスが生じる。このストレスにより、改質領域を起点として加工対象物の厚さ方向にクラックを成長させ、加工対象物を割って切断することが可能となる。
【０００９】
よって、温度差による熱応力等のストレスといった比較的小さな力で加工対象物を切断することができるので、加工対象物の表面に切断予定ラインから外れた不必要な割れを発生させることなく加工対象物の切断が可能となる。
【００１０】
また、本発明に係るレーザ加工方法によれば、第１の工程では、加工対象物の内部に局所的に多光子吸収を発生させて改質領域を形成している。第２の工程では、加工対象物の非改質領域に対しては透過性を有するレーザ光を照射している。よって、加工対象物の表面ではレーザ光がほとんど吸収されないので、両工程において、加工対象物の表面が溶融することはない。なお、非改質領域とは、第１の工程後、加工対象物において改質領域が形成されていない領域のことである。また、集光点とはレーザ光が集光した箇所のことである。切断予定ラインは加工対象物の表面や内部に実際に引かれた線でもよいし、仮想の線でもよい。
【００１１】
本発明に係るレーザ加工方法は、加工対象物の内部に集光点を合わせて、集光点におけるピークパワー密度が１×１０8（W/cm2）以上でかつパルス幅が１μs以下の条件でレーザ光を照射し、加工対象物の切断予定ラインに沿って加工対象物の内部にクラック領域を含む改質領域を形成する第１の工程と、第１の工程後、加工対象物の非改質領域に対して透過性を有しかつ非改質領域に比べ改質領域に対して高い吸収性を有するレーザ光を改質領域に照射し、切断予定ラインに沿って加工対象物にストレスを生じさせる第２の工程と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係るレーザ加工方法によれば、第１の工程において、加工対象物の内部に集光点を合わせて、集光点におけるピークパワー密度が１×１０8（W/cm2）以上でかつパルス幅が１μs以下の条件でレーザ光を照射している。このため、加工対象物の内部では多光子吸収による光学的損傷という現象が発生する。この光学的損傷により加工対象物の内部に熱ひずみが誘起され、これにより加工対象物の内部にクラック領域が形成される。このクラック領域は上記改質領域の一例でありかつ第２の工程は上述したものと同等であるので、本発明に係るレーザ加工方法によれば、加工対象物の表面に溶融や切断予定ラインから外れた不必要な割れを発生させることなく、レーザ加工が可能となる。このレーザ加工方法の加工対象物としては、例えば、ガラスを含む部材がある。なお、ピークパワー密度とは、パルスレーザ光の集光点の電界強度を意味する。
【００１３】
本発明に係るレーザ加工方法は、加工対象物の内部に集光点を合わせて、集光点におけるピークパワー密度が１×１０8（W/cm2）以上でかつパルス幅が１μs以下の条件でレーザ光を照射し、加工対象物の切断予定ラインに沿って加工対象物の内部に溶融処理領域を含む改質領域を形成する第１の工程と、第１の工程後、加工対象物の非改質領域に対して透過性を有しかつ非改質領域に比べ改質領域に対して高い吸収性を有するレーザ光を改質領域に照射し、切断予定ラインに沿って加工対象物にストレスを生じさせる第２の工程と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係るレーザ加工方法によれば、第１の工程において、加工対象物の内部に集光点を合わせて、集光点におけるピークパワー密度が１×１０8（W/cm2）以上でかつパルス幅が１μs以下の条件でレーザ光を照射している。よって、加工対象物の内部は多光子吸収によって局所的に加熱される。この加熱により加工対象物の内部に溶融処理領域が形成される。この溶融処理領域は上記改質領域の一例でありかつ第２の工程は上述したものと同等であるので、本発明に係るレーザ加工方法によれば、加工対象物の表面に溶融や切断予定ラインから外れた不必要な割れを発生させることなく、レーザ加工が可能となる。このレーザ加工方法の加工対象物としては、例えば、半導体材料を含む部材がある。
【００１５】
本発明に係るレーザ加工方法は、加工対象物の内部に集光点を合わせて、集光点におけるピークパワー密度が１×１０8（W/cm2）以上でかつパルス幅が１ns以下の条件でレーザ光を照射し、加工対象物の切断予定ラインに沿って加工対象物の内部に屈折率が変化した領域である屈折率変化領域を含む改質領域を形成する第１の工程と、第１の工程後、加工対象物の非改質領域に対して透過性を有しかつ非改質領域に比べ改質領域に対して高い吸収性を有するレーザ光を改質領域に照射し、切断予定ラインに沿って加工対象物にストレスを生じさせる第２の工程と、を備えることを特徴とする。
【００１６】
本発明に係るレーザ加工方法によれば、第１の工程において、加工対象物の内部に集光点を合わせて、集光点におけるピークパワー密度が１×１０8（W/cm2）以上でかつパルス幅が１ns以下の条件でレーザ光を照射している。本発明のようにパルス幅を極めて短くして、多光子吸収を加工対象物の内部に起こさせると、多光子吸収によるエネルギーが熱エネルギーに転化せずに、加工対象物の内部にはイオン価数変化、結晶化又は分極配向等の永続的な構造変化が誘起されて屈折率変化領域が形成される。この屈折率変化領域は上記改質領域の一例でありかつ第２の工程は上述したものと同等であるので、本発明に係るレーザ加工方法によれば、加工対象物の表面に溶融や切断予定ラインから外れた不必要な割れを発生させることなく、レーザ加工が可能となる。このレーザ加工方法の加工対象物としては、例えば、ガラスを含む部材である。
【００１７】
上記本発明に係るレーザ加工方法に適用できる態様として、第２の工程では、改質領域に集光点を合わせて、第１の工程と同じレーザ光照射を行ってもよい。第２の工程において第１の工程と同じレーザ光照射を行っても、改質領域による散乱や改質領域の物性の変化等によるレーザ光の吸収、或いは改質領域での多光子吸収の発生により、加工対象物の表面を溶融させることなく加工対象物を改質領域に沿って加熱させ、温度差による熱応力等のストレスを生じさせることができるからである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて説明する。本実施形態に係るレーザ加工方法は、多光子吸収により改質領域を形成している。多光子吸収はレーザ光の強度を非常に大きくした場合に発生する現象である。まず、多光子吸収について簡単に説明する。
【００１９】
材料の吸収のバンドギャップEGよりも光子のエネルギーhνが小さいと光学的に透明となる。よって、材料に吸収が生じる条件はhν＞EGである。しかし、光学的に透明でも、レーザ光の強度を非常に大きくするとnhν＞EGの条件（n＝２，３，４，・・・である）で材料に吸収が生じる。この現象を多光子吸収という。パルス波の場合、レーザ光の強度はレーザ光の集光点のピークパワー密度（W/cm2）で決まり、例えばピークパワー密度が１×１０8（W/cm2）以上の条件で多光子吸収が生じる。ピークパワー密度は、（集光点におけるレーザ光の１パルス当たりのエネルギー）÷（レーザ光のビームスポット断面積×パルス幅）により求められる。また、連続波の場合、レーザ光の強度はレーザ光の集光点の電界強度（W/cm2）で決まる。
【００２０】
このような多光子吸収を利用する本実施形態に係るレーザ加工の原理について図１〜図６を用いて説明する。図１はレーザ加工中の加工対象物１の平面図であり、図２は図１に示す加工対象物１のII−II線に沿った断面図であり、図３はレーザ加工後の加工対象物１の平面図であり、図４は図３に示す加工対象物１のIV−IV線に沿った断面図であり、図５は図３に示す加工対象物１のV−V線に沿った断面図であり、図６は切断された加工対象物１の平面図である。
【００２１】
図１及び図２に示すように、加工対象物１の表面３には切断予定ライン５がある。切断予定ライン５は直線状に延びた仮想線である。本実施形態に係るレーザ加工は、多光子吸収が生じる条件で加工対象物１の内部に集光点Pを合わせてレーザ光Lを加工対象物１に照射して改質領域７を形成する。なお、集光点とはレーザ光Lが集光した箇所のことである。
【００２２】
レーザ光Lを切断予定ライン５に沿って（すなわち矢印A方向に沿って）相対的に移動させることにより、集光点Pを切断予定ライン５に沿って移動させる。これにより、図３〜図５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の内部にのみ形成される。本実施形態に係るレーザ加工方法は、加工対象物１がレーザ光Lを吸収することにより加工対象物１を発熱させて改質領域７を形成するのではない。加工対象物１にレーザ光Lを透過させ加工対象物１の内部に多光子吸収を発生させて改質領域７を形成している。よって、加工対象物１の表面３ではレーザ光Lがほとん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。
【００２３】
加工対象物１の切断において、切断する箇所に起点があると加工対象物１はその起点から割れるので、図６に示すように比較的小さな力で加工対象物１を切断することができる。よって、加工対象物１の表面３に不必要な割れを発生させることなく加工対象物１の切断が可能となる。
【００２４】
なお、改質領域を起点とした加工対象物の切断は、次の二通りが考えられる。一つは、改質領域形成後、加工対象物に人為的な力が印加されることにより、改質領域を起点として加工対象物が割れ、加工対象物が切断される場合である。これは、例えば加工対象物の厚みが大きい場合の切断である。人為的な力が印加されるとは、例えば、加工対象物の切断予定ラインに沿って加工対象物に曲げ応力やせん断応力を加えたり、加工対象物に温度差を与えることにより熱応力を発生させたり（本実施形態に係るレーザ加工方法）することである。他の一つは、改質領域を形成することにより、改質領域を起点として加工対象物の断面方向（厚さ方向）に向かって自然に割れ、結果的に加工対象物が切断される場合である。これは、例えば加工対象物の厚みが小さい場合、改質領域が１つでも可能であり、加工対象物の厚みが大きい場合、厚さ方向に複数の改質領域を形成することで可能となる。なお、この自然に割れる場合も、切断する箇所において、改質領域が形成されていない部分上の表面まで割れが先走ることがなく、改質領域を形成した部分上の表面のみを割断することができるので、割断を制御よくすることができる。近年、シリコンウェハ等の半導体ウェハの厚みは薄くなる傾向にあるので、このような制御性のよい割断方法は大変有効である。
【００２５】
さて、本実施形態において多光子吸収により形成される改質領域として、次の（１）〜（３）がある。
【００２６】
（１）改質領域が一つ又は複数のクラックスポットを含むクラック領域の場合
レーザ光を加工対象物（例えばガラスやLiTaO3からなる圧電材料）の内部に集光点を合わせて、集光点における電界強度が１×１０8（W/cm2）以上でかつパルス幅が１μs以下の条件で照射する。このパルス幅の大きさは、多光子吸収を生じさせつつ加工対象物に余計なダメージを与えずに、加工対象物の内部にクラック領域を形成できる条件である。これにより、加工対象物の内部には多光子吸収による光学的損傷という現象が発生する。この光学的損傷により加工対象物の内部に熱ひずみが誘起され、これにより加工対象物の内部にクラック領域が形成される。電界強度の上限値としては、例えば１×１０12（W/cm2）である。パルス幅は例えば１ns〜２００nsが好ましい。なお、多光子吸収によるクラック領域の形成は、例えば、第４５回レーザ熱加工研究会論文集（１９９８年．１２月）の第２３頁〜第２８頁の「固体レーザー高調波によるガラス基板の内部マーキング」に記載されている。
【００２７】
本発明者は、電界強度とクラックの大きさとの関係を実験により求めた。実験条件は次ぎの通りである。
【００２８】
（A）加工対象物：パイレックスガラス（厚さ７００μm、外径４インチ）
（B）レーザ
光源：半導体レーザ励起Nd:YAGレーザ
波長：１０６４nm
レーザ光スポット断面積：３．１４×１０-8cm2
発振形態：Qスイッチパルス
繰り返し周波数：１００kHz
パルス幅：３０ns
出力：出力＜１mJ／パルス
レーザ光品質：TEM00
偏光特性：直線偏光
（C）集光用レンズ
レーザ光波長に対する透過率：６０パーセント
（D）加工対象物が載置される載置台の移動速度：１００mm／秒
なお、レーザ光品質がTEM00とは、集光性が高くレーザ光の波長程度まで集光可能を意味する。
【００２９】
図７は上記実験の結果を示すグラフである。横軸はピークパワー密度であり、レーザ光がパルスレーザ光なので電界強度はピークパワー密度で表される。縦軸は１パルスのレーザ光により加工対象物の内部に形成されたクラックスポットの大きさを示している。クラックスポットの大きさは、クラックスポットの形状のうち最大の長さとなる部分の大きさである。グラフ中の黒丸で示すデータは集光用レンズ（C）の倍率が１００倍、開口数（NA）が０．８０の場合である。一方、グラフ中の白丸で示すデータは集光用レンズ（C）の倍率が５０倍、開口数（NA）が０．５５の場合である。ピークパワー密度が１０11（W/cm2）程度では加工対象物の内部にクラックスポットが発生し、ピークパワー密度が大きくなるに従いクラックスポットも大きくなることが分かる。
【００３０】
次に、クラック領域形成による加工対象物の切断のメカニズムについて図８〜図１１を用いて説明する。図８に示すように、多光子吸収が生じる条件で加工対象物１の内部に集光点Pを合わせてレーザ光Lを加工対象物１に照射して切断予定ラインに沿って内部にクラック領域９を形成する。クラック領域９は一つ又は複数のクラックスポットを含む領域である。図９に示すようにクラック領域９を起点としてクラックがさらに成長し、図１０に示すようにクラックが加工対象物１の表面３と裏面２１に到達し、図１１に示すように加工対象物１が割れることにより加工対象物１が切断される。加工対象物の表面と裏面とに到達するクラックは自然に成長する場合もあるし、加工対象物に力が印加されることにより成長する場合（本実施形態に係るレーザ加工方法）もある。
【００３１】
（２）改質領域が溶融処理領域の場合
レーザ光を加工対象物（例えばシリコンのような半導体材料）の内部に集光点を合わせて、集光点における電界強度が１×１０8（W/cm2）以上でかつパルス幅が１μs以下の条件で照射する。これにより加工対象物の内部は多光子吸収によって局所的に加熱される。この加熱により加工対象物の内部に溶融処理領域が形成される。溶融処理領域とは一旦溶融後再固化した領域や、まさに溶融状態の領域や、溶融状態から再固化する状態の領域であり、相変化した領域や結晶構造が変化した領域ということもできる。また、溶融処理領域とは単結晶構造、非晶質構造、多結晶構造において、ある構造が別の構造に変化した領域ということもできる。つまり、例えば、単結晶構造から非晶質構造に変化した領域、単結晶構造から多結晶構造に変化した領域、単結晶構造から非晶質構造及び多結晶構造を含む構造に変化した領域を意味する。加工対象物がシリコン単結晶構造の場合、溶融処理領域は例えば非晶質シリコン構造である。電界強度の上限値としては、例えば１×１０12（W/cm2）である。パルス幅は例えば１ns〜２００nsが好ましい。
【００３２】
本発明者は、シリコンウェハの内部で溶融処理領域が形成されることを実験により確認した。実験条件は次ぎの通りである。
【００３３】
（A）加工対象物：シリコンウェハ（厚さ３５０μm、外径４インチ）
（B）レーザ
光源：半導体レーザ励起Nd:YAGレーザ
波長：１０６４nm
レーザ光スポット断面積：３．１４×１０-8cm2
発振形態：Qスイッチパルス
繰り返し周波数：１００kHz
パルス幅：３０ns
出力：２０μJ／パルス
レーザ光品質：TEM00
偏光特性：直線偏光
（C）集光用レンズ
倍率：５０倍
N.A.：０．５５
レーザ光波長に対する透過率：６０パーセント
（D）加工対象物が載置される載置台の移動速度：１００mm／秒
図１２は上記条件でのレーザ加工により切断されたシリコンウェハの一部における断面の写真を表した図である。シリコンウェハ１１の内部に溶融処理領域１３が形成されている。なお、上記条件により形成された溶融処理領域１３の厚さ方向の大きさは１００μm程度である。
【００３４】
溶融処理領域１３が多光子吸収により形成されたことを説明する。図１３は、レーザ光の波長とシリコン基板の内部の透過率との関係を示すグラフである。ただし、シリコン基板の表面側と裏面側それぞれの反射成分を除去し、内部のみの透過率を示している。シリコン基板の厚みtが５０μm、１００μm、２００μm、５００μm、１０００μmの各々について上記関係を示した。
【００３５】
例えば、Nd:YAGレーザの波長である１０６４nmにおいて、シリコン基板の厚みが５００μm以下の場合、シリコン基板の内部ではレーザ光が８０％以上透過することが分かる。図１２に示すシリコンウェハ１１の厚さは３５０μmであるので、多光子吸収による溶融処理領域１３はシリコンウェハの中心付近、つまり表面から１７５μmの部分に形成される。この場合の透過率は、厚さ２００μmのシリコンウェハを参考にすると、９０％以上なので、レーザ光がシリコンウェハ１１の内部で吸収されるのは僅かであり、ほとんどが透過する。このことは、シリコンウェハ１１の内部でレーザ光が吸収されて、溶融処理領域１３がシリコンウェハ１１の内部に形成（つまりレーザ光による通常の加熱で溶融処理領域が形成）されたものではなく、溶融処理領域１３が多光子吸収により形成されたことを意味する。多光子吸収による溶融処理領域の形成は、例えば、溶接学会全国大会講演概要第６６集（２０００年４月）の第７２頁〜第７３頁の「ピコ秒パルスレーザによるシリコンの加工特性評価」に記載されている。
【００３６】
なお、シリコンウェハは、溶融処理領域を起点として断面方向に向かって割れを発生させ、その割れがシリコンウェハの表面と裏面に到達することにより、結果的に切断される。シリコンウェハの表面と裏面に到達するこの割れは自然に成長する場合もあるし、加工対象物に力が印加されることにより成長する場合もある。なお、溶融処理領域からウェハの表面と裏面に割れが自然に成長する場合において、溶融処理領域が溶融の状態から割れが成長するか、もしくは溶融の状態から再固化する際に割れが成長する場合のいずれもある。ただし、これらの場合も溶融処理領域はウェハの内部のみに形成され、切断後の切断面は図１２のように内部にのみ溶融処理領域が形成されている。加工対象物の内部に溶融処理領域を形成する場合、割断時、切断予定ラインから外れた不必要な割れが生じにくいので、割断制御が容易となる。
【００３７】
（３）改質領域が屈折率変化領域の場合
レーザ光を加工対象物（例えばガラス）の内部に集光点を合わせて、集光点における電界強度が１×１０8（W/cm2）以上でかつパルス幅が１ns以下の条件で照射する。パルス幅を極めて短くして、多光子吸収を加工対象物の内部に起こさせると、多光子吸収によるエネルギーが熱エネルギーに転化せずに、加工対象物の内部にはイオン価数変化、結晶化又は分極配向等の永続的な構造変化が誘起されて屈折率変化領域が形成される。電界強度の上限値としては、例えば１×１０12（W/cm2）である。パルス幅は例えば１ns以下が好ましく、１ps以下がさらに好ましい。多光子吸収による屈折率変化領域の形成は、例えば、第４２回レーザ熱加工研究会論文集（１９９７年．１１月）の第１０５頁〜第１１１頁の「フェムト秒レーザー照射によるガラス内部への光誘起構造形成」に記載されている。
【００３８】
次に、本実施形態の具体例を説明する。本実施形態に係るレーザ加工方法は、加工対象物の内部に多光子吸収による改質領域を形成する改質領域形成工程（第１の工程）と、加工対象物が切断される箇所にストレスを生じさせるストレス工程（第２の工程）とを備えている。本実施形態においては、改質領域形成工程とストレス工程とで同じレーザ光照射を行う。したがって、後述するレーザ加工装置により、改質領域形成工程とストレス工程とにおいて２回、同じ条件でレーザ光が照射される。
【００３９】
本実施形態のレーザ加工装置について説明する。図１４は改質領域形成工程で用いられるレーザ加工装置１００の概略構成図である。図示するように、レーザ加工装置１００は、レーザ光Lを発生するレーザ光源１０１と、レーザ光Lの出力やパルス幅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１０２と、レーザ光Lの反射機能を有しかつレーザ光Lの光軸の向きを９０°変えるように配置されたダイクロイックミラー１０３と、ダイクロイックミラー１０３で反射されたレーザ光Lを集光する集光用レンズ１０５と、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が載置される載置台１０７と、載置台１０７をX軸方向に移動させるためのX軸ステージ１０９と、載置台１０７をX軸方向に直交するY軸方向に移動させるためのY軸ステージ１１１と、載置台１０７をX軸及びY軸方向に直交するZ軸方向に移動させるためのZ軸ステージ１１３と、これら三つのステージ１０９,１１１,１１３の移動を制御するステージ制御部１１５と、を備える。なお、本実施形態において、加工対象物１はパイレックスガラスウェハである。
【００４０】
Z軸方向は加工対象物１の表面３と直交する方向なので、加工対象物１に入射するレーザ光Lの焦点深度の方向となる。よって、Z軸ステージ１１３をZ軸方向に移動させることにより、加工対象物１の内部にレーザ光Lの集光点Pを合わせることができる。また、この集光点PのX(Y)軸方向の移動は、加工対象物１をX(Y)軸ステージ１０９（１１１）によりX(Y)軸方向に移動させることにより行う。
【００４１】
レーザ光源１０１はパルスレーザ光を発生するNd:YAGレーザである。レーザ光源１０１に用いることができるレーザとして、この他、Nd:YVO4レーザやNd:YLFレーザがある。レーザ光源は、クラック領域、溶融処理領域を形成する場合、前述のレーザ光源を用いるのが好適であり、屈折率変化領域を形成する場合、チタンサファイアレーザを用いるのが好適である。本実施形態では加工対象物１の加工にパルスレーザ光を用いているが、多光子吸収を起こさせることができるなら連続波レーザ光でもよい。
【００４２】
レーザ加工装置１００はさらに、載置台１０７に載置された加工対象物１を可視光線により照明するために可視光線を発生する観察用光源１１７と、ダイクロイックミラー１０３及び集光用レンズ１０５と同じ光軸上に配置された可視光用のビームスプリッタ１１９と、を備える。ビームスプリッタ１１９と集光用レンズ１０５との間にダイクロイックミラー１０３が配置されている。ビームスプリッタ１１９は、可視光線の約半分を反射し残りの半分を透過する機能を有しかつ可視光線の光軸の向きを９０°変えるように配置されている。観察用光源１１７から発生した可視光線はビームスプリッタ１１９で約半分が反射され、この反射された可視光線がダイクロイックミラー１０３及び集光用レンズ１０５を透過し、加工対象物１の切断予定ライン５等を含む表面３を照明する。
【００４３】
レーザ加工装置１００はさらに、ビームスプリッタ１１９、ダイクロイックミラー１０３及び集光用レンズ１０５と同じ光軸上に配置された撮像素子１２１及び結像レンズ１２３を備える。撮像素子１２１としては例えばCCD(charge-coupled device)カメラがある。切断予定ライン５等を含む表面３を照明した可視光線の反射光は、集光用レンズ１０５、ダイクロイックミラー１０３、ビームスプリッタ１１９を透過し、結像レンズ１２３で結像されて撮像素子１２１で撮像され、撮像データとなる。
【００４４】
レーザ加工装置１００はさらに、撮像素子１２１から出力された撮像データが入力される撮像データ処理部１２５と、レーザ加工装置１００全体を制御する全体制御部１２７と、モニタ１２９と、を備える。撮像データ処理部１２５は、撮像データを基にして観察用光源１１７で発生した可視光の焦点を表面３上に合わせるための焦点データを演算する。この焦点データを基にしてステージ制御部１１５がZ軸ステージ１１３を移動制御することにより、可視光の焦点が表面３に合うようにする。よって、撮像データ処理部１２５はオートフォーカスユニットとして機能する。なお、可視光の焦点はレーザ光Lの集光点に一致している。また、撮像データ処理部１２５は、撮像データを基にして表面３の拡大画像等の画像データを演算する。この画像データは全体制御部１２７に送られ、全体制御部で各種処理がなされ、モニタ１２９に送られる。これにより、モニタ１２９に拡大画像等が表示される。
【００４５】
全体制御部１２７には、ステージ制御部１１５からのデータ、撮像データ処理部１２５からの画像データ等が入力され、これらのデータも基にしてレーザ光源制御部１０２、観察用光源１１７及びステージ制御部１１５を制御することにより、レーザ加工装置１００全体を制御する。よって、全体制御部１２７はコンピュータユニットとして機能する。
【００４６】
次に、図１４及び図１５を参照して、本実施形態に係るレーザ加工方法について説明する。図１５はレーザ加工方法を説明するためのフローチャートである。
【００４７】
まず、加工対象物１の光吸収特性を図示しない分光光度計等により測定する。この測定結果に基づいて、加工対象物１に対して透明な波長又は吸収の少ない波長のレーザ光Lを発生するレーザ光源１０１を選定する。（S１０１）。次に、加工対象物１の厚さを測定する。厚さの測定結果及び加工対象物１の屈折率を基にして、レーザ加工装置１００における加工対象物１のZ軸方向の移動量を決定する（S１０３）。これは、レーザ光Lの集光点Pを加工対象物１の内部に位置させるために、加工対象物１の表面３に位置するレーザ光Lの集光点を基準とした加工対象物１のZ軸方向の移動量である。この移動量は、改質領域形成工程で用いられるレーザ加工装置１００の全体制御部１２７に入力される。
【００４８】
加工対象物１をレーザ加工装置１００の載置台１０７に載置する。そして、観察用光源１１７から可視光を発生させて加工対象物１を照明する（S１０５）。照明された切断予定ライン５を含む加工対象物１の表面３を撮像素子１２１により撮像する。この撮像データは撮像データ処理部１２５に送られる。この撮像データに基づいて撮像データ処理部１２５は観察用光源１１７の可視光の焦点が表面３に位置するような焦点データを演算する（S１０７）。
【００４９】
この焦点データはステージ制御部１１５に送られる。ステージ制御部１１５は、この焦点データを基にしてZ軸ステージ１１３をZ軸方向の移動させる（S１０９）。これにより、観察用光源１１７の可視光の焦点が表面３に位置する。なお、撮像データ処理部１２５は撮像データに基づいて、切断予定ライン５を含む加工対象物１の表面３の拡大画像データを演算する。この拡大画像データは全体制御部１２７を介してモニタ１２９に送られ、これによりモニタ１２９に切断予定ライン５付近の拡大画像が表示される。
【００５０】
全体制御部１２７には予めステップS１０３で決定された移動量データが入力されており、この移動量データがステージ制御部１１５に送られる。ステージ制御部１１５はこの移動量データに基づいて、レーザ光Lの集光点Pが加工対象物１の内部となる位置に、Z軸ステージ１１３により加工対象物１をZ軸方向に移動させる（S１１１）。
【００５１】
次に、レーザ光源１０１からレーザ光Lを発生させて、レーザ光Lを加工対象物１の表面３の切断予定ライン５に照射する。図１６は、改質領域形成工程においてレーザ加工中のクラック領域９を含む加工対象物１の断面図である。図示するように、レーザ光Lの集光点Pは加工対象物１の内部に位置しているので、クラック領域９は加工対象物１の内部にのみ形成される。そして、切断予定ライン５に沿うようにX軸ステージ１０９やY軸ステージ１１１を移動させて、クラック領域９を切断予定ライン５に沿うように加工対象物１の内部に形成する（S１１３）。
【００５２】
改質領域を形成した後、同じ条件でもう一度（すなわち、集光点Pは改質領域であるクラック領域９に合わされる。）、レーザ光Lを加工対象物１の表面３の切断予定ライン５に沿ってクラック領域９に照射する。これにより、クラック領域９による散乱等によるレーザ光Lの吸収、或いはクラック領域９での多光子吸収の発生により、加工対象物１がクラック領域９に沿って加熱され、温度差による熱応力等のストレスが生じる（S１１４）。図１７は、ストレス工程においてレーザ加工中のクラック領域９を含む加工対象物１の断面図である。図示するように、ストレス工程によりクラック領域９を起点としてクラックがさらに成長しクラックが加工対象物１の表面３と裏面２１とに到達して、加工対象物１に切断面１０が形成され加工対象物１が切断される（S１１５）。これにより、加工対象物１をシリコンチップに分割する。
【００５３】
なお、本実施形態では、ストレス工程においては、改質領域形成工程と同じレーザ光照射を行ったが、加工対象物においてクラック領域が形成されていない領域である非改質領域に対して透過性を有しかつ非改質領域に比べクラック領域に対して高い吸収性を有するレーザ光の照射であればよい。この場合にも、加工対象物の表面ではレーザ光がほとんど吸収されず、加工対象物がクラック領域に沿って加熱され、温度差による熱応力等のストレスが生じるからである。
【００５４】
また、本実施形態では、改質領域としてクラック領域が形成される場合について説明したが、改質領域として上述したような溶融処理領域や屈折率変化領域が形成される場合についても同様であり、ストレス工程におけるレーザ光の照射によりストレスを生じさせ、溶融処理領域や屈折率変化領域を起点としてクラックを発生、成長させて加工対象物を切断することができる。
【００５５】
また、加工対象物の厚みが大きい場合等で、ストレス工程により改質領域を起点として成長したクラックが加工対象物の表面と裏面とに到達しない場合であっても、曲げ応力やせん断応力等の人為的な力を印加することにより加工対象物を割って切断することができる。この人為的な力はより小さな力で足りるため、加工対象物の表面に切断予定ラインから外れた不必要な割れが発生するのを防止することができる。
【００５６】
本実施形態の効果を説明する。これによれば、改質領域形成工程において、多光子吸収を起こさせる条件でかつ加工対象物１の内部に集光点Pを合わせて、パルスレーザ光Lを切断予定ライン５に照射している。そして、X軸ステージ１０９やY軸ステージ１１１を移動させることにより、集光点Pを切断予定ライン５に沿って移動させている。これにより、改質領域（例えばクラック領域、溶融処理領域、屈折率変化領域）を切断予定ライン５に沿うように加工対象物１の内部に形成している。加工対象物の切断する箇所に何らかの起点があると、加工対象物を比較的小さな力で割って切断することができる。本実施形態によれば、ストレス工程において、改質領域成形工程と同じレーザ光照射を行って、温度差による熱応力等のストレスを生じさせている。よって、温度差による熱応力等のストレスといった比較的小さな力で加工対象物１を切断することができる。これにより、加工対象物１の表面３に切断予定ライン５から外れた不必要な割れを発生させることなく加工対象物１を切断することができる。
【００５７】
また、本実施形態によれば、改質領域形成工程では、加工対象物１に多光子吸収を起こさせる条件でかつ加工対象物１の内部に集光点Pを合わせてパルスレーザ光Lを照射しているため、パルスレーザ光Lは加工対象物１を透過し、加工対象物１の表面３ではパルスレーザ光Lがほとんど吸収されない。また、ストレス工程では、改質領域成形工程と同じレーザ光照射を行っている。したがって、レーザ光の照射が原因で表面３が溶融等のダメージを受けることはない。
【００５８】
以上説明したように本実施形態によれば、加工対象物１の表面３に切断予定ライン５から外れた不必要な割れや溶融が生じることなく、加工対象物１を切断することができる。よって、加工対象物１が例えば半導体ウェハの場合、半導体チップに切断予定ラインから外れた不必要な割れや溶融が生じることなく、半導体チップを半導体ウェハから切り出すことができる。表面に電極パターンが形成されている加工対象物や、圧電素子ウェハや液晶等の表示装置が形成されたガラス基板のように表面に電子デバイスが形成されている加工対象物についても同様である。よって、本実施形態によれば、加工対象物を切断することにより作製される製品（例えば半導体チップ、圧電デバイスチップ、液晶等の表示装置）の歩留まりを向上させることができる。
【００５９】
また、本実施形態によれば、加工対象物１の表面３の切断予定ライン５は溶融しないので、切断予定ライン５の幅（この幅は、例えば半導体ウェハの場合、半導体チップとなる領域同士の間隔である。）を小さくできる。これにより、一枚の加工対象物１から作製される製品の数が増え、製品の生産性を向上させることができる。
【００６０】
また、本実施形態によれば、加工対象物１の切断加工にレーザ光を用いるので、ダイヤモンドカッタを用いたダイシングよりも複雑な加工が可能となる。例えば、図１８に示すように切断予定ライン５が複雑な形状であっても、切断加工が可能となる。
【００６１】
【発明の効果】
本発明に係るレーザ加工方法によれば、加工対象物の表面に溶融や切断予定ラインから外れた割れが生じることなく、加工対象物を切断することができる。よって、加工対象物を切断することにより作製される製品（例えば、半導体チップ、圧電デバイスチップ、液晶等の表示装置）の歩留まりや生産性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係るレーザ加工方法によってレーザ加工中の加工対象物の平面図である。
【図２】図１に示す加工対象物のII−II線に沿った断面図である。
【図３】本実施形態に係るレーザ加工方法によるレーザ加工後の加工対象物の平面図である。
【図４】図３に示す加工対象物のIV−IV線に沿った断面図である。
【図５】図３に示す加工対象物のV−V線に沿った断面図である。
【図６】本実施形態に係るレーザ加工方法によって切断された加工対象物の平面図である。
【図７】本実施形態に係るレーザ加工方法における電界強度とクラックスポットの大きさとの関係を示すグラフである。
【図８】本実施形態に係るレーザ加工方法の第１工程における加工対象物の断面図である。
【図９】本実施形態に係るレーザ加工方法の第２工程における加工対象物の断面図である。
【図１０】本実施形態に係るレーザ加工方法の第３工程における加工対象物の断面図である。
【図１１】本実施形態に係るレーザ加工方法の第４工程における加工対象物の断面図である。
【図１２】本実施形態に係るレーザ加工方法により切断されたシリコンウェハの一部における断面の写真を表した図である。
【図１３】本実施形態に係るレーザ加工方法におけるレーザ光の波長とシリコン基板の内部の透過率との関係を示すグラフである。
【図１４】本実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成図である。
【図１５】本実施形態に係るレーザ加工方法を説明するためのフローチャートである。
【図１６】本実施形態に係る改質領域形成工程においてレーザ加工中のクラック領域を含む加工対象物の断面図である。
【図１７】本実施形態に係るストレス工程においてレーザ加工中のクラック領域を含む加工対象物の断面図である。
【図１８】本実施形態に係るレーザ加工方法により切断可能なパターンを説明するための加工対象物の平面図である。
【符号の説明】
１…加工対象物、３…表面、５…切断予定ライン、７…改質領域、９…クラック領域、１００…レーザ加工装置、１０１…レーザ光源、１０５…集光用レンズ、１０９…X軸ステージ、１１１…Y軸ステージ、１１３…Z軸ステージ、L…レーザ光、P…集光点。
【図１】
0004659301.tif 000002
【図２】
0004659301.tif 000003
【図３】
0004659301.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
0004659301.tif 000007
【図７】
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【図８】
0004659301.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0004659301.tif 000011
【図１１】
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【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１７】
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【図１８】
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