(57)【要約】【課題】レーザ光照射により発生する亀裂を効率良く進展させることが可能な脆性材料の加工方法及び加工装置を提供する。【解決手段】レーザ光源からのレーザ光を脆性材料Ｗに照射するとともに、その照射位置を加工予定ラインＣに沿って材料表面上を相対的に移動させることにより脆性材料を加工する方法において、脆性材料Ｗの表面全体に冷却液膜ｔを形成して脆性材料Ｗを冷却し、次いで脆性材料Ｗの表面に気体ａを吹き付けて冷却液膜ｔに穴ｈをあけた状態で、この穴ｈ内に露呈する脆性材料Ｗの表面にレーザ光Ｌを照射しながら、レーザ光Ｌの照射位置及び気体ａの吹き付け位置を、加工予定ラインＣに沿って移動させて加工を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源からのレーザ光を脆性材料に照射するとともに、その照射位置を加工予定ラインに沿って脆性材料表面上を相対的に移動させることにより脆性材料を加工する方法において、
脆性材料の表面全体に冷却液膜を形成して脆性材料を冷却し、次いで脆性材料の表面に気体を吹き付けて冷却液膜に穴をあけた状態で、この穴内に露呈する脆性材料の表面にレーザ光を照射しながら、レーザ光の照射位置及び気体の吹き付け位置を、加工予定ラインに沿って移動させて加工を行うことを特徴とする脆性材料の加工方法。
【請求項２】
レーザ光源からのレーザ光を脆性材料に照射するとともに、その照射位置を加工予定ラインに沿って移動させることにより脆性材料を加工する加工装置において、
脆性材料の表面に冷却液を供給して材料表面の全体に冷却液膜を形成する冷却液供給系と、レーザ光照射位置に気体を吹き付けるためのノズルと、脆性材料へのレーザ光照射位置及び気体の吹き付け位置を加工予定ラインに沿って脆性材料表面上を相対的に移動させる走査手段を具備することを特徴とする脆性材料の加工装置。
【請求項３】
レーザ光源からのレーザ光を脆性材料に照射するとともに、その照射位置を加工予定ラインに沿って脆性材料表面上を相対的に移動させることにより脆性材料を加工する方法において、
脆性材料の表面全体に冷却液膜を形成して脆性材料を冷却した状態で、脆性材料の表面にレーザ光を冷却液膜を介して照射しながら、レーザ光の照射位置を加工予定ラインに沿って移動させて加工を行うに際し、前記冷却液に対して吸収率が低い波長のレーザ光を脆性材料表面に照射することを特徴する脆性材料の加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガラス、セラミックあるいは半導体ウエハなどの脆性材料の加工方法及び加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ光源からのレーザ光を加工対象の脆性材料の表面に照射し、その際に発生する加熱冷却変化による熱歪を利用して脆性材料を加工することが知られている。
【０００３】
例えば、特公平３−１３０４０号公報には、脆性材料の加工始点に形成した亀裂を、レーザ光照射による熱応力により加工予定ラインに沿って誘導することによって、脆性材料を割断する加工方法が開示されている。
【０００４】
また、日本特許第３０２７７６８号（特表平８−５０９９４７号公報）には、脆性材料へのレーザ光照射により発生する熱応力変化によって材料表面から所定深さまで達する亀裂を形成し、その亀裂を利用して脆性材料を分断する加工方法が開示されている。
【０００５】
レーザ光を用いた加工方法では、従来、加工対象の脆性材料をテーブル上に載置し、そのテーブル上の脆性材料にレーザ光源からのレーザ光を照射しながら、レーザ光の照射位置を、レーザ光とテーブルとの相対的な移動により加工予定ラインに沿って移動させて加工を行っている。
【０００６】
従来の加工方法では、室温にある脆性材料にレーザ光を照射して加熱を行い、その後、冷却することにより熱歪を発生させて、亀裂を加工予定ラインに沿って進展させるという方法が採られている。
【０００７】
例えば、図８に示すように、脆性材料Ｗの表面に冷却液ｆを吹き付けるノズル１３を設け、レーザ光源１２からのレーザ光Ｌを脆性材料Ｗの表面に照射するとともに、レーザ光照射位置の後方に冷却液ｆを吹き付けることにより熱歪を発生させ、その熱歪によって亀裂を、レーザ光Ｌと脆性材料Ｗとの相対的な移動により、脆性材料Ｗの端部から加工予定ラインに沿って進展させている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、レーザ光を用いた加工方法において、室温付近にある脆性材料の表面をレーザ光照射により加熱し、その後冷却する場合、温度変化を大きくして、発生する熱歪の効果を最大限に利用する必要がある。しかし、熱歪効果が十分に得られないと亀裂の進展が遅くなり、亀裂を材料の内部深くまで形成することができない。また、加工速度を速めることも難しい。
【０００９】
本発明は、そのような実情に鑑みてなされたもので、レーザ光照射により発生する亀裂を効率よく進展させることが可能な脆性材料の加工方法及び加工装置の提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の加工方法は、レーザ光源からのレーザ光を脆性材料に照射するとともに、その照射位置を加工予定ラインに沿って脆性材料表面上を相対的に移動させることにより脆性材料を加工する方法において、脆性材料の表面全体に冷却液膜を形成して脆性材料を冷却し、次いで脆性材料の表面に気体を吹き付けて冷却液膜に穴をあけた状態で、この穴内に露呈する脆性材料の表面にレーザ光を照射しながら、レーザ光の照射位置及び気体の吹き付け位置を、加工予定ラインに沿って移動させて加工を行うことによって特徴づけられる。
【００１１】
また、本発明の加工方法は、レーザ光源からのレーザ光を脆性材料に照射するとともに、その照射位置を加工予定ラインに沿って脆性材料表面上を相対的に移動させることにより脆性材料を加工する方法において、脆性材料の表面全体に冷却液膜を形成して脆性材料を冷却した状態で、脆性材料の表面にレーザ光を冷却液膜を介して照射しながら、レーザ光の照射位置を加工予定ラインに沿って移動させて加工を行うに際し、前記冷却液に対して吸収率が低い波長のレーザ光を脆性材料表面に照射することによって特徴づけられる。
【００１２】
本発明の加工方法の作用を述べる。
【００１３】
まず、図８に示したような、従来の加工方法によると、亀裂発生時の温度変化は、図７（Ｂ）に示すように、室温→レーザ光照射温度→冷却液温度となる。これに対し、本発明の加工方法では、図７（Ａ）に示すように、冷却液温度→レーザ光照射温度→冷却液温度という温度変化となる。
【００１４】
ここで、従来の加工方法と本発明の加工方法において、冷却液の温度が同じであると仮定すると、レーザ光を脆性材料に照射する前の温度差つまり室温と冷却液温度との差の分だけ温度変化が異なり、本発明の加工方法の方が大きくなる。しかも、その温度差は、使用する冷却液の温度が低ければ低いほど顕著となる。
【００１５】
このように、本発明の加工方法によれば、従来の加工方法よりも大きな温度変化を得ることができるので、熱歪効果が大きくなって亀裂を効率よく進展させることができる。
【００１６】
また、室温は不安定な変動を示すのに対し、温度管理された冷却液は熱容量が大きいことから温度は安定であるので、レーザ光照射前に冷却液にて脆性材料を冷却しておくことにより、常に安定した熱歪効果を得ることができる。さらに、脆性材料に吹き付ける気体の圧力、レーザ光の強度などを制御することにより、冷却環境を比較的容易に一定に保つことができ、熱歪効果の安定性をより一層高めることができる。
【００１７】
本発明の加工装置は、以上の特徴をもつ脆性材料の加工方法の実施に適した装置であって、脆性材料の表面に冷却液を供給して材料表面の全体に冷却液膜を形成する冷却液供給系と、レーザ光照射位置に気体を吹き付けるためのノズルと、脆性材料へのレーザ光照射位置及び気体の吹き付け位置を加工予定ラインに沿って材料表面上を相対的に移動させる走査手段（例えばＸ−Ｙテーブル）を備えていることによって特徴づけられる。
【００１８】
なお、本発明は、レーザ光源からのレーザ光の照射により、脆性材料に深い亀裂を入れる切断加工、あるいはレーザ光の照射のみで脆性材料を加工線（スクライブ線）の左右に完全に分離する割断加工のいずれの加工にも適用できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を、以下、図面に基づいて説明する。
【００２０】
図１は本発明の実施形態の構成を模式的に示す図である。図２はノズル３の先端部を模式的に示す図である。
【００２１】
この例の加工装置は、加工対象となる脆性材料Ｗを載置するＸ−Ｙテーブル１と、Ｘ−Ｙテーブル１上に置かれた脆性材料Ｗにレーザ光Ｌを上方から照射するレーザ光源２と、レーザ光照射位置に気体ａ（例えば空気）を吹き付けるためのノズル３と、Ｘ−Ｙテーブル１上の脆性材料Ｗの表面に冷却液（例えば水）を供給して材料表面の全体に冷却液膜ｔを形成する冷却液供給系４などを主体として構成されている。なお、レーザ光源２には、ＨＦレーザ、ＣＯレーザ、ＣＯ2 レーザあるいはＹＡＧレーザ等の各種レーザ装置が適用される。
【００２２】
次に、加工方法を説明する。
【００２３】
まず、Ｘ−Ｙテーブル１に加工対象となる脆性材料Ｗを載置する。次に脆性材料Ｗの表面に冷却液供給系４から冷却液を供給し、脆性材料Ｗの表面全体に冷却液膜ｔを形成することにより、脆性材料Ｗの一部または全体を冷却液温度に冷却しておく。予め刃先またはレーザ光によって初期亀裂が表面端部に形成された、脆性材料Ｗの該当端部（加工始点）をレーザ光源２及びノズル３の下方に配置した状態で、ノズル３から気体ａのジェットを脆性材料Ｗの表面に吹き付け、加工始点周辺の冷却液を吹き飛ばして冷却液膜ｔに穴ｈをあける。
【００２４】
次に、レーザ光源２からのレーザ光Ｌを脆性材料Ｗの表面（穴ｈ内）に照射するとともに、Ｘ−Ｙテーブル１を駆動して、レーザ光Ｌの脆性材料Ｗへの照射位置及び気体ａの吹き付け位置を加工予定ラインＣに沿って移動して、冷却液膜ｔに穴ｈをあけながら、レーザ光Ｌを脆性材料Ｗの表面に順次照射する。このようなレーザ光照射により亀裂が発生し、その亀裂が加工予定ラインＣに沿って進展してゆく。
【００２５】
なお、本実施形態では、レーザ光源２からのレーザ光Ｌの照射により、脆性材料Ｗの内部深くまで亀裂を入れる切断加工、あるいは脆性材料Ｗを完全に分離する割断加工のいずれの加工も可能である。
【００２６】
以上の実施形態によれば、レーザ光照射前の脆性材料Ｗの一部または全体を冷却液で覆って冷却液の温度にしておき、レーザ光照射による加熱後、再度冷却液温度に冷却しているので、大きな温度変化を得ることができる。これにより熱歪効果が大きくなって、深い領域まで延びる亀裂を高速で進展させることができる。
【００２７】
ここで、本実施形態において、図３に示すように、レーザ光照射スポットＳの中心位置から所定距離Ｄだけ離れた位置で、加熱された脆性材料Ｗの表面が再度冷却液で冷却されるように、冷却液膜ｔにあける穴ｈの半径Ｒを選定すれば、レーザ光照射後の材料表面を、再度同一の冷却液で冷却することができ、効率的に熱変化を起こさせることが可能となる。その理由を以下に述べる。
【００２８】
まず、日本特許第３０２７７６８号（特表平８−５０９９４７号公報）には、明細書の第５頁第９欄の４８行目から第１０欄の７行目にかけての記述において、第１図を引用して以下の内容が開示されている。
【００２９】
実験によれば、ビームスポット２及び冷媒流が流下される領域３からのその間隔によって、ビームスポット及び材料の相対的な移動速度Ｖ及び盲亀裂の深さδは次式で関係付けられることが見いだされた。
【００３０】
Ｖ＝ｋｘａ（ｂ＋ｌ）／δ
ｋ：材料の熱物理的特性及びビーム出力密度に依存する比例係数
ａ：ビームスポットの幅
ｂ：ビームスポットの長さ
ｌ：ビームスポット後端縁から冷却帯域の前端縁までの距離
この先願特許の開示に照らせば、本願の図３において、スポットＳの直径がａ（＝ｂ）に該当し、スポットＳの後端縁から穴ｈの縁までの距離がｌに該当する。従って、図３の配置にて加工を実施すると先願特許の場合と同じく、Ｖとδとの間で成立する関係式で亀裂が形成されていくことになる。
【００３１】
図７の（Ａ）と（Ｂ）との違いが加工特性に与える影響は比例係数ｋの中に集約される形で取り込まれるので、図７（Ａ）の場合のｋの値が図７（Ｂ）の場合のそれよりも大きくなっている。従って、形成されるδが、本発明と従来例とがほぼ同じ場合には移動速度が速くなることに相当し、加工効率が上がることになる。逆に、移動速度がほぼ同じ場合には、形成されるδの値が図７（Ａ）の場合には大きくなることに相当し、大きな亀裂が得られることになる。その結果、亀裂の発生効率つまり加工効率を更に向上させることが可能となる。
【００３２】
なお、冷却液膜ｔにあける穴は、図４に示すような細長い楕円形状の穴ｈ′であってもよい。また、同様にスポットＳも細長い楕円形状をしたものを用いてもよい。この場合、先願特許で開示された関係式から移動速度を速くすることが可能となる。
【００３３】
以上の実施形態では、レーザ光源２と同軸のノズル３を用いているが、本発明はこれに限られることなく、例えば図５に示すように、レーザ光源２の側方にノズル３′に配置して、このノズル３′から気体ａのジェットを脆性材料Ｗ表面に吹き付けるようにしてもよい。この場合も同様に、図５の配置で与えられる数値パラメータの間で先願特許で開示された関係式を満たす移動速度または亀裂深さが与えられる。
【００３４】
また、以上の実施形態では、ノズルから気体を吹き付けて冷却液膜に穴をあけているが、本発明はこれに限られることなく、例えば図６に示すように、レーザ光Ｌを脆性材料Ｗの表面に冷却液膜ｔを介して照射するようにしてもよい。
【００３５】
図６の実施形態の場合、レーザ光Ｌは冷却液膜ｔを介して脆性材料Ｗの表面に照射されるので、冷却液膜ｔ中でのレーザ光Ｌの吸収損失ができるだけ少ないことが望ましい。従って、図５の実施形態で用いたレーザ光Ｌの波長が、図６の実施形態で用いる冷却液との吸収率の関係で適切であるかどうかを、予め調べておく必要がある。
【００３６】
なお、冷却液に対して吸収率の低いレーザ光波長は、冷却液の種類・膜厚などの条件によって左右されるので、具体的な数値は記載しないが、冷却液膜中でのレーザ光の吸収損失が加工に悪影響を及ぼさない程度の波長を選択すればよい。また、レーザ光の波長を選択する方法に替えて、レーザ光の吸収率が低い冷却液を選択するようにしてもよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、レーザ光照射前の脆性材料の一部または全体を冷却液の温度にしておき、レーザ光の照射による加熱後、冷却液温度に再度冷却しているので、従来よりも大きな温度変化を得ることができる。これにより、熱歪効果が大きくなって亀裂を効率よく進展させることができる結果、材料の深い領域まで延びる亀裂を高速で進展させることができ、高速な加工が実現可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明の実施形態に用いるノズルの先端部を模式的に示す図である。
【図３】レーザ光照射位置と冷却液膜にあける穴の位置関係の説明図である。
【図４】冷却液膜にあける穴の一例を示す図である。
【図５】本発明の他の実施形態の構成を模式的に示す図である。
【図６】本発明の別の実施形態の構成を模式的に示す図である。
【図７】本発明の作用説明図である。
【図８】従来の加工方法の一例を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１  Ｘ−Ｙテーブル
２  レーザ光源
３  ノズル（気体吹き付け用）
４  冷却液供給系
Ｗ  脆性材料
Ｃ  加工予定ライン
Ｌ  レーザ光
ａ  気体
ｔ  冷却液膜
ｈ  穴
【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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