(57)【要約】【課題】  半導体材料、圧電セラミック材料、ガラス（非晶質）材料等の板体のみならず、非常に硬いサファイア等の硬脆材料板体にも、簡単かつ迅速に、精細な線状の分割容易化領域を形成可能とすること。【解決手段】  加工対象の硬脆材料板体に対し光学的に透明な波長を有する短パルスレーザ光を、集光レンズを介して上記板体に入射したとき、上記短パルスレーザ光の集光スポットが上記板体の表層部に存在するように上記集光レンズの焦点位置を調整し、上記短パルスレーザ光を想定された分割ラインに沿って移動させながら、該板体の表面に上記短パルスレーザ光のパルスを入射する毎に、上記板体の表層部位から表面に至り微小クラックが群生した微細な溶解痕を生成し、これらの溶解痕の連なった線状の分離容易化領域を形成するようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
分割加工対象の硬脆材料板体に対し光学的に透明な波長を有する短パルスレーザ光を、集光レンズを介して上記硬脆材料板体の表面に入射したとき、上記短パルスレーザ光の集光スポット又はウェスト部位が上記硬脆材料板体の表層部に存在するように上記集光レンズの焦点位置を調整し、上記短パルスレーザ光の光軸を上記硬脆材料板体に対し想定された分割ラインに沿って相対的に移動させながら、該硬脆材料板体の表面に上記短パルスレーザ光のパルスを入射する毎に、上記硬脆材料板体の表層部位からその表面に至り微小クラックが群生した微細な溶解痕を生成し、これらの溶解痕が断続的に又は連続的に連なった線状の分離容易化領域を形成する工程を含む、硬脆材料板体の分割加工方法。
【請求項２】
更に、分割加工対象の硬脆材料板体の一面に形成された線状の分離容易化領域に歪応力を作用させて当該硬脆材料板体を分割する工程を含む、請求項１に記載の分割加工方法。
【請求項３】
分割加工対象の硬脆材料板体に対し光学的に透明な波長を有しかつパルス幅が２ｐｓｅｃ〜８ｎｓｅｃとされる短パルスレーザ光であって、上記硬脆材料板体の表層部に集光レンズを介して絞られた短パルスレーザ光の集光スポット又はウェスト部位におけるパワー密度が１５ＧＷ／ｃｍ２〜８ＴＷ／ｃｍ２とされる、請求項１又は請求項２に記載の分割加工方法。
【請求項４】
分割加工対象がサファイア基板とされ、該サファイア基板の一方の面に集光レンズを介して入射される短パルスレーザ光の集光スポット又はウェスト部位を、当該サファイア基板の表面から０μｍ〜８μｍの深さ部位の表層部に設定するようにした、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の分割加工方法。
【請求項５】
分割加工対象の硬脆材料板体に対し光学的に透明な波長を有する短パルスレーザ光を発生する、レーザ光発生手段と、上記硬脆材料板体を載置する第１ステージと、上記短パルスレーザ光を集光して、上記第１ステージに載置された硬脆材料板体の表面に垂直に入射するように設けた、対物レンズ手段と、上記対物レンズ手段を、上記第１ステージに載置された硬脆材料板体に対し相対的に移動する、移動手段と、上記第１ステージに載置された硬脆材料板体と上記対物レンズ手段との間隔距離を調整して該対物レンズ手段の焦点位置を調整する、焦点位置調整手段と、上記レーザ光発生手段、上記移動手段及び上記焦点位置調整手段の動作を制御する、電子制御手段と、上記硬脆材料板体に対する加工条件に見合わせて焦点位置補正量を上記電子制御手段に入力する、データ入力手段とにより構成されたレーザスクライブ機構部を具備し、
上記対物レンズ手段の焦点位置を、照明光源からの可視光を用いて上記硬脆材料板体の表面に位置合わせした後、上記焦点位置補正量データに基づき上記焦点位置調整手段を調整することにより、上記対物レンズ手段を上記硬脆材料板体側に上記焦点位置補正量を偏移させて上記短パルスレーザ光の集光スポット又はウェスト部位が上記硬脆材料板体の表層部に存在するように調整し、上記移動手段により上記短パルスレーザ光の集光スポット又はウェストを、上記硬脆材料板体の表面上に想定された分割ラインに倣って相対的に移動することにより、上記短パルスレーザ光のパルスが該硬脆材料板体の表面に入射する毎に、上記硬脆材料板体の表層部位からその表面に至り微小クラックが群生した微細な溶解痕を生成し、これらの溶解痕が断続的に又は連続的に連なった線状の分離容易化領域を形成するように構成した、硬脆材料板体の分割加工装置。
【請求項６】
請求項５に記載の分割加工装置を用いて加工対象の硬脆材料板体の表層部位からその表面に至り微小クラックの群生した微細な溶解痕により線状の分離容易化領域が形成されたスクライブ加工済の硬脆材料板体を載置する、Ｘ−Ｙ−θ軸方向に移動可能とした第２ステージと、上記第２ステージに装着された硬脆材料板体を固定する一対の固定手段と、上記硬脆材料板体の固定手段に対向して間隔をあけて配置されたブレーク刃部材とを有し、上記第２ステージに載置された硬脆材料板体に形成された線状の分離容易化領域の両側部分を、上記一対の固定手段により固定するとともに、上記硬脆材料板体の他面における上記分離容易化領域と対応する部位を上記ブレーク刃部材により押圧することにより上記分離容易化領域に曲げ応力を作用させて割断するように構成した、硬脆材料板体の分割加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、硬脆材料板体の分割加工方法及び装置に関し、詳しくは、短パルスレーザ光を用いて分割加工対象の硬脆材料板体にスクライビングを施して形成された線状の分離容易化領域を介して当該硬脆材料板体を分割加工する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体基板とか、圧電セラミック基板とか、ガラス基板等の硬脆材料板体を分割加工するにあたり、加工対象の板体に、その表面に想定された分割ラインに沿って、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ等のレーザ光を移動させながら照射して、切込み溝部とか、ひび割れ（クラック）等を含む改質もしくは変質部等の線状の分離容易化領域を形成する、いわゆる、スクライビングを施した後、上記分離容易化領域に歪応力を作用させることにより当該板体を分割又は切断する加工方法が知られている（例えば、特許文献１、２及び３参照）。
【０００３】
上記従来公知のレーザスクライブ加工方法は、上述したように、加工対象の板体又は基板に形成される線状の分離容易化領域の形態に関して、次の２つのタイプに分けることができ、すなわち、板体の表面部に切込み溝を形成するもの（タイプＩ）と、板体の内部、すなわち、当該板体の表面部より深い部位にクラック等を含む改質又は変質部等の脆弱化領域を形成するもの（タイプII）とである。
【０００４】
上記従来公知のタイプＩの加工方法は、使用するレーザ光を、集光レンズを介して絞り込み、上記レーザ光の集光スポットを被加工体（ガラス板体）の表面から極めて浅い部分（表面部）に設定するとともに、上記レーザ光の集光スポットを当該板体の表面上に想定された分割ラインに沿って移動し、上記レーザ光の集光スポットから光エネルギーを吸収した部分（局部）に溶発（アブレーション）を生起させて該局部の板体材料（ガラス材）を外部へ蒸散（蒸発・飛散）させ、この蒸散局部から上記集光スポットが移動方向に離間するにつれて当該蒸散局部の溶融残部を再凝固させて当該板体の表面部に上記分割ラインに倣った切込み溝部を形成するものである（特許文献１参照）。また、上記従来公知のタイプIIの加工方法は、使用するレーザ光としてパルス幅の小さい、いわゆる、短パルスレーザ光を使用し、上記タイプＩにおけると同様、使用する短パルスレーザ光が集光レンズを介して絞り込まれ、当該短パルスレーザ光の各パルスに対応する集光スポットが被加工板体の内部に位置するように設定するとともに、上記集光スポットを予定の分割ラインに沿って当該板体の内部を横方向に移動させ、上記短パルスレーザ光の各パルスが上記板体の内部の集光スポット部分に相当する局部に入射する毎に、パルス（レーザ光）照射局部で多光子吸収による溶発を生起させてその局部を改質又は変質させ、上記集光スポットが離間するにつれて上記板材の内部にライン状の改質又は変質部を形成するものである（特許文献２、３参照）。
【０００５】
しかしながら、上記従来公知のスクライブ加工方法において、スクライブ加工対象がガラス板体とか、半導体基板、圧電セラミック基板とか、半導体基板等に金属層を接合した複合基板等の板体よりも数段に硬い、例えば、サファイア等の硬脆材料板体であると、上記タイプＩのものにおいては、当該加工に使用するレーザ光のエネルギー総投入量を格段に増強しないことには、当該サファイア板体の表面部にアブレーションを生じさせて切込み溝を形成することが不可能である。しかるに、集光スポットのパワー密度を大きくすると、形成される切込み溝の溝幅も大きくなり、該切込み溝を介して分割された板体の断面の粗さが増大し、加工精度が低下するという、不具合が生じる。また、当該サファイア板体の表面部に形成される切込み溝の底部が再凝固したサファイア層又は膜で覆われ、該切込み溝の底部が鋭角形状となりにくいことから、実質的に分割容易化効果を得難い。
【０００６】
また、上記タイプIIのものにおいては、当該サファイア等の硬脆材料板体の内部に改質部又は変質部を形成するものであり、その表面部は、実質的に未加工（未改質）状態、すなわち、サファイア層又は膜で覆われた状態とされるため、上記タイプＩのものにおけると同様、有効な分割又は切断容易化効果を得難い。また、当該サファイア基板の内部に形成した、改質又は変質部に作用する歪応力を強化して当該基板を分割することができるものの、その分割断面の表面粗さが粗くなり、この方法は、例えば、サファイア基板の一面に積層状に形成されたマイクロ電子ディバイスを、ディバイス毎に分離する、いわゆる、チップ化（ダイシング）加工等に実用し難い。
【０００７】
【特許文献１】特開平０５−３２４２８号公報
【特許文献２】特開平１０−２２２３７号公報
【特許文献３】特開２０００‐１９２３７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
解決しようとする問題点又は目的は、レーザ光を用いて分割加工対象の硬脆材料板体の表面部に、当該板体の表面に想定された分割ラインに倣って線状の分割容易化領域を形成する、いわゆる、レーザスクライブ加工を施すにあたり、例えば、半導体材料、圧電セラミック材料、ガラス（非晶質）材料等の板体のみならず、それらよりも格段に硬いサファイア等の硬脆材料板体にも、簡単かつ迅速に、精細な線状の分割容易化領域を形成可能とすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記問題点を解消する又は上記目的を達成するために、本発明の分割加工方法は、分割加工対象の硬脆材料板体をスクライブ加工するにあたり、当該加工対象の硬脆材料板体に対し光学的に透明な波長を有する短パルスレーザ光を、集光レンズを介して上記硬脆材料板体の表面に入射したとき、上記短パルスレーザ光の集光スポット又はウェスト部位が上記硬脆材料板体の表層部に存在するように上記集光レンズの焦点位置を調整し、上記短パルスレーザ光の光軸を上記硬脆材料板体に対し想定された分割ラインに沿って相対的に移動させながら、該硬脆材料板体の表面に上記短パルスレーザ光のパルスを入射する毎に、上記硬脆材料板体の表層部位からその表面に至り微小クラックが群生した微細な溶解痕を生成し、これらの溶解痕が断続的に又は連続的に連なった線状の分離容易化領域を形成する工程を含むことを特徴とするものである。
【００１０】
また、上記本発明の分割加工方法は、分割加工対象の硬脆材料板体の一面に形成された上記短パルスレーザ光により形成された線状の分離容易化領域に歪応力を作用させて当該硬脆材料板体を分割する工程を含むことを特徴とするものである。
【００１１】
更に、本発明の分割加工方法を実施することができる分割加工装置は、分割加工対象の硬脆材料板体に対し光学的に透明な波長を有する短パルスレーザ光を発生する、レーザ光発生手段と、上記硬脆材料板体を載置する第１ステージと、上記短パルスレーザ光を集光して、上記第１ステージに載置された硬脆材料板体の表面に垂直に入射するように設けた、対物レンズ手段と、上記対物レンズ手段を、上記第１ステージに載置された硬脆材料板体に対し相対的に移動する、移動手段と、上記第１ステージに載置された硬脆材料板体と上記対物レンズ手段との間隔距離を調整して該対物レンズ手段の焦点位置を調整する、焦点位置調整手段と、上記レーザ光発生手段、上記移動手段及び上記焦点位置調整手段の動作をプログラム制御する、電子制御手段と、上記硬脆材料板体に対する加工条件に見合わせて焦点位置補正量を上記電子制御手段に入力する、データ入力手段とにより構成される、レーザスクライブ機構部を具備し、上記対物レンズ手段の焦点位置を、照明光源からの可視光を用いて上記硬脆材料板体の表面に位置合わせした後、上記焦点位置補正量データに基づき上記焦点位置調整手段を調整することにより、上記対物レンズ手段を上記硬脆材料板体側に上記焦点位置補正量を偏移させて上記短パルスレーザ光の集光スポット又はウェスト部位が上記硬脆材料板体の表層部に存在するように調整し、上記移動手段により上記短パルスレーザ光の集光スポット又はウェストを、上記硬脆材料板体の表面上に想定された分割ラインに倣って相対的に移動することにより、上記短パルスレーザ光のパルスが該硬脆材料板体の表面に入射する毎に、上記硬脆材料板体の表層部位からその表面に至り微小クラックが群生した微細な溶解痕を生成し、これらの溶解痕が断続的に又は連続的に連なった線状の分離容易化領域を形成するように構成したことを特徴とする。
【００１２】
別の本発明に係る分割加工装置は、加工対象の硬脆材料板体の表層部位からその表面に至り微小クラックの群生した微細な溶解痕により線状の分離容易化領域が形成されたスクライブ加工済の硬脆材料板体を載置する、Ｘ−Ｙ−θ軸方向に移動可能とした第２ステージと、上記第２ステージに装着された硬脆材料板体を固定する一対の固定手段と、上記硬脆材料板体の固定手段に対向して間隔をあけて配置されたブレーク刃部材とを有し、上記第２ステージに載置された硬脆材料板体に形成された線状の分離容易化領域の両側部分を、上記一対の固定手段により固定するとともに、上記硬脆材料板体の他面における上記分離容易化領域と対応する部位を上記ブレーク刃部材により押圧することにより上記分離容易化領域に曲げ応力を作用させて割断するように構成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、分割加工対象の硬脆材料板体の表面に近い層領域（表層部）にスクライブ加工用の短パルスレーザ光の集光スポット又はウェストの設定位置を調整することにより、上記板体の表層部における短パルスレーザ光の各パルスに対応するレーザ光入射局部に、分離又は割断を妨げる、溶融部とか焼結部等の変質部が含まれず、当該局部からその表面に至り微小クラックが群生した微細な溶解痕、したがって、これらの溶解痕が連続的に又は断続的に連なった、有効に脆弱化された線状の分離容易化領域を形成することができる。また、これと相俟って、上記硬脆材料板体に対する上記短パルスレーザ光の光軸の相対移動速度を調整可能とすることにより、上記短パルスレーザ光の各パルスの入射局部間の間隔Ｄを変化させ、現在のパルスの入射局部と１つ前のパルスの入射局部の間で生じる熱伝達作用（熱伝達率）を適当に調整することにより、各溶解痕の大きさ及び溶解痕領域の機械的強度（脆弱度）、したがって、これらの溶解痕により形成される線状の分離容易化領域の幅(線幅)及び機械的強度（脆弱度）を調整可能として、当該分割加工の作業性及び分割加工精度を有効に高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の分割加工方法は、マイクロ電子ディバイス製造材料、代表的に、半導体基板とか、セラミック基板とか、ガラス（非晶質）基板とか、複合合成基板等に限らず、特に、それらの板材よりも格段に硬い、例えば、サファイア等の硬脆材料板体に対しても適用できるものであり、分割加工対象の硬脆材料基板又は板体に対し透明な波長を有するとともにパルス幅が非常に短い、短パルスレーザ光（ビーム）を用いて当該加工対象の板体表面に、線状の分離容易化領域を形成する、いわゆる、レーザスクライブ加工について、図１〜図３とともに説明する。
【００１５】
図１及び図２に示すように、当該分割加工対象の脆性材料板体、たとえば、サファイア基板１に対し透明である、すなわち、該サファイア基板１により線形吸収を惹起しないような波長を有する、例えば、半導体レーザにより励起されるＮｄ：ＹＡＧモードロックレーザより発生された、例えば、１５ｐｓｅｃのパルス幅を有する短パルスレーザ光５が使用される。上記短パルスレーザ光５は、加工対象のサファイア基板１の表面２に垂直に、短パルスレーザ光５が集光レンズ６により絞り込まれて入射される。この場合、当該スクライブ加工を開始する前に、詳細に後述する本発明の加工装置（図１０）のオートフォーカスユニット３８等を用いて、当該加工対象のサファイア基板１の表面２と対物レンズ６との間隔距離を調整することにより、短パルスレーザ光５の集光スポット又はウェスト７が当該加工対象の板体１の表面２から深さ方向に浅い領域又は層４（図２中、斜線を付して示す部分であって、これを表層部という）に存在するように設定される。
【００１６】
上記対物レンズ（集光レンズ）６により集光された短パルスレーザ光５の集光スポット又はウェスト７の加工対象の板体１の表層部４への設定、すなわち、当該板体１の表面２に垂直な方向（深さ方向）における位置設定は、まず、照明（可視光）光源を用いて上記対物レンズ６の焦点を加工対象の板体１の表面２位置（基準位置）に設定し、次いで、該対物レンズ６を基準位置から板体１側に予め定められた距離（本明細書において、これを焦点位置補正量と称す）を偏移させる、いわゆる、オフセットすることにより行われる。上記焦点位置補正量は、当該分割加工対象の硬脆材料板体１の屈折率、短パルスレーザ光５の波長、集光レンズ６の光学特性（開口数）に基づき、当該レーザ光の集光スポット又はウェスト位置についての理論計算式に基づく算定値と、当該加工対象の硬脆材料板体１の材質及び板厚、短パルスレーザ光５のピークパワー及びパルス幅をパラメータとして予備実験を行ない、そのスクライブ加工結果に応じて定められる微調整値との合算値とされる。
【００１７】
次いで、上記短パルスレーザ光５の光軸が、サファイア基板１の表面２上に想定された分割ライン８（図１中、二点鎖線で示す）に沿って、所定の加工速度Ｖｓをもって矢示する横方向Ｂ（図２においては、当該紙面に垂直方向）に、該基板１の表面２に対し相対的に移動させられる。このとき、短パルスレーザ光５の各パルスは基板１の表面２に、図１中、×印を付して示すように、当該短パルスレーザ光５のパルス繰返し速度Ｖｐ（レーザ発振の繰返し周期）と上記パルスの移動速度Ｖｓとにより一義的に定まる間隔Ｄをもってレーザ光照射領域９（図３中、符号Ｓを付して示す）に入射する。当該加工対象の基板１の表面２における短パルスレーザ光５の各パルスに対応する照射領域９は、当該レーザ光５の集光スポット又はウェスト７の断面積に略相当する大きさである。
【００１８】
いま、図３に示すように、図示しない集光レンズ（対物レンズ）を介して絞り込まれた短パルスレーザ光５の１つのパルスが当該加工対象のサファイア基板１の表面２に入射されたとする。上記サファイア基板１の表層部４におけるレーザ光の照射領域Ｓ、すなわち、上記短パルスレーザ光５の集光スポット７に対応する基板材料（サファイア）部分又は局部９において、例えば、テラワットオーダー（ＴＷ／ｃｍ２）の高パワー密度のレーザ光エネルギーの注入により多光子吸収が惹起され、局部９が瞬時間で溶融・昇華（蒸発）される、いわゆる、アブレーション（溶発）が発生し、当該局部９内の蒸気圧が急激に上昇するにつれて当該基板１の表層部における基板表面２との境界層部分も、その下部の高温蒸気により溶融・昇華が進展し、当該局部９内の蒸気の衝撃圧によりクラックが生じると、それを起点にして当該局部９の表面２との境界部さらに多くの微小クラック１０を生成しながら当該蒸気が基板１の外部に噴出もしくは放散することとなると考えられる。この高圧蒸気が噴出又は放散すると同時的に当該短パルスレーザ光５が上記分割ライン８に沿って横方向（図３の紙面に垂直方向）に移動するにつれて当該局部９内の溶融・蒸発の鎮静化に伴って収縮・急冷され、当該局部９の周辺部に、当該局部部位から基板表面２に至り微小クラックが群生することとなると考えられる。その結果、上記溶融・蒸発局部９を包囲する領域には、多光子吸収に基づく高温熱作用により改質又は変質されるとともに、当該基板１の表層部４からその表面２に至り微小クラック１０が群生した、溶解痕が生成されることとなる。上記溶解痕領域は、その内部に生起した無数の微小クラックにより、有効に脆弱化されたものとなる。
【００１９】
図３において、局部９の溶融・蒸発を誘発した短パルスレーザ光５のパルスが完全に消失し、後続のパルス（次のパルス）が上記基板２の表層部４に向けて入射されると、該パルスによる上記基板２の表層部４における照射領域、即ち、図３における先のパルスの照射領域Ｓから横方向（図３の紙面に垂直方向）に距離Ｄを移動した部位で、先のパルスによる照射領域Ｓにおけると同様にして、当該次のパルスの入射光に基づく多光子吸収により当該照射局部に溶発（アブレーション）が生起し、上述したように、当該照射局部を包囲する領域に、微小クラックの群生した溶解痕が生成されることとなる。以下、同様にして、上記短パルスレーザ光５の各パルスがサファイア基板１の表層部４に次々と入射される毎に、それぞれの照射領域には、上述したように微小クラック群を包含する溶解痕が生成される。これらの溶解痕は上記分割ライン８に倣って縦続状に配置され、当該サファイア基板１の表面２に、ミシン目状の分離容易化領域が形成されることとなる。
【００２０】
上記溶解痕の形状、大きさは、上記短パルスレーザ光５の集光スポット又はウェスト７の断面形状（小円形）に相似したものとされ、該溶解痕の深さ（円形孔）は上記短パルスレーザ光５のパルスのピークパワー（光出力パワー波高値）と対物レンズの開口数に応じたものとされる。また短パルスレーザ光５の各パルスの照射領域（局部）間の間隔距離Ｄ、特に、現在のパルスによる照射領域（局部）と１つ前のパルスによる照射領域(局部)間における熱伝達作用が上記溶解痕を生成する際の溶融・蒸発、したがって、微小クラック１０の発生に影響していると推測されることから、上記間隔距離Ｄ、したがって、短パルスレーザ光５の基板１に対する移動速度又は加工速度Ｖｓを調整することにより、各溶解痕の内部に、当該基板１の表層部４のレーザ光照射部位からその表面２に至り無数の微小クラックを発生させ、これらの溶解痕が連なって形成される線状の分離容易化領域（スクライビング部）を有効に脆弱化することができる。
【００２１】
次に、上記短パルスレーザ光５によるスクライビング加工により分割加工対象のサファイア基板１の一方の面（表面）２に形成された線状の分離容易化領域１２を介して分割又は割断（ブレーク）する方法について、図４とともに説明する。まず、図４に示すように、上述したスクライビング加工されたサファイア基板１の一面２における分離容易化領域１２の両側部（図４中、白抜き矢印１５で示す部分）を保持又は固定する一方、該基板１の他面（裏面）３における上記分離容易化領域１２に対応する部分（図４中、白抜き矢印１６で示す部分）に、図示しないブレーク刃等の刃先を当てて押圧することにより、上記分離容易化領域１２に歪応力を作用させることにより、上記サファイア基板１を簡単かつ迅速に分割又は割断することができる。
【００２２】
次に、本発明の分割加工方法を用いて種々の分割加工対象の硬脆材料基板又は板体に線状の分離容易化領域を形成する、即ち、短パルスレーザ光によるスクライビング加工した実施例を、スクライブ加工部を撮影した顕微鏡写真とともに説明する。
【実施例１】
【００２３】
下記加工条件の下に、加工対象のサファイア基板における集光レンズの焦点位置の変化に対するスクライブ加工した溶解痕の変化について確認した結果を図５（写真）に示す。
加工条件
加工対象：サファイア基板(厚みｔ＝１２０μｍ)
レーザ発生器：半導体レーザ励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザ
波長：１０６４ｎｍ
パルス幅：１５ｐｓｅｃ
パルス繰返し周波数：１ＫＨｚ
パワー密度：２ＴＷ／ｃｍ２
対物（集光）レンズの開口数（ＮＡ）：０．４
焦点位置補正量：３μｍ
移動速度（加工速度）：２０ｍｍ／ｓｅｃ
【００２４】
上記加工条件の下で、上記加工対象のサファイア基板の表層部における、レーザ光５の集光スポット７が当該サファイア基板の表面からの深さ方向に偏移させた量、即ち、偏移距離（オフセット値）を変更しながら、溶解痕１１における微小クラック１０の発生状況、すなわち、溶解痕１１が連なって形成される線状の分離容易化領域１２の形態を調べた結果（顕微鏡写真）を、図５（ａ）〜（ｇ）に示す。
【００２５】
図５における最下部に示される加工例（ｇ）においては、短パルスレーザ光５の集光スポット７が当該加工対象のサファイア基板の表面に設定され、それより上段にいくに従い、当該短パルスレーザ光の集光スポットが上記サファイア基板の表層部における、より深い位置に設定、即ち、上記オフセット値が順次より大きく設定された。最上の加工実施例（ａ）では、表面からのオフセット値は、５μｍとされた。この図５の顕微鏡写真をみると最上段(5μｍのオフセット値)の分離容易化領域１２において、各パルスによる溶解痕１１に微小クラックが最も多く生成されている。最下部の加工例における表面集光時には、各パルスによる微細クラックの長さは1μｍ程度である。これは、当該サファイア基板の表面に集光スポットを設定した場合、アブレーションの蒸散圧の大部分が大気中に蒸散されたことに拠るものと考えられる。上記オフセット値を増大する、すなわち、サファイア基板の表層部における、更に深い部位に当該レーザ光の集光スポットを設定すると、当該集光スポットを包囲する局部を昇華又は蒸発された蒸気が有効に当該溶解孔を介して当該基板外部に蒸散したものと考えられる。
【実施例２】
【００２６】
合成石英基板のスクライブ加工結果を図６に示す。
加工条件
加工対象：合成石英基板(厚みｔ＝５００μｍ)
レーザ発生器：半導体レーザ励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザ
波長：１０６４ｎｍ
パルス幅：２０ｐｓｅｃ
パルス繰返し周波数：５ＫＨｚ
パワー密度：１ＴＷ／ｃｍ２
対物（集光）レンズの開口数（ＮＡ）：０．５
焦点位置補正量：３μｍ
移動速度（加工速度）：１５ｍｍ／ｓｅｃ
【００２７】
結晶性を有しない、非晶質の材料板体又は基板に対しても、当該基板の各溶解痕１１には、無数の微小クラックが群生し、このような溶解痕１１が連なって形成される当該分離容易化領域１２は、当該非晶質基板の分割又は割断に有効な破壊基点となり得ることが確認された。
【実施例３】
【００２８】
水晶基板のスクライブ加工結果を図７Ａ及び図７Ｂに示す。 
加工条件
加工対象：水晶基板(厚みｔ＝１５０μｍ)
レーザ発生器：半導体レーザ励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザ
波長：１０６４ｎｍ
パルス幅：２０ｐｓｅｃ
パルス繰返し周波数：５ＫＨｚ
パワー密度：０．６ＴＷ／ｃｍ２
対物（集光）レンズの開口数（ＮＡ）：０．５
焦点位置補正量：３μｍ
移動速度（加工速度）：２２ｍｍ／ｓｅｃ
【００２９】
水晶基板は、その機械的強度特性から微細なクラックの生成と同時に、表層部が吹き飛ばされたような結果となる。しかし、短パルスレーザ光の単一パルスによる微細クラックにより、確実に基板分割の破壊基点となっている。
【実施例４】
【００３０】
紫外線領域の短パルスレーザ光によるスクライブ加工結果を図８Ａ及び図８Ｂに示す。
加工条件
加工対象：サファイア基板(厚みｔ＝７０μｍ)
レーザ発生器：半導体レーザ励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザ
波長：３５５ｎｍ
パルス幅：４．５ｎｓｅｃ
パルス繰返し周波数：１ＫＨｚ
パワー密度：２０ＧＷ／ｃｍ２
対物（集光）レンズの開口数（ＮＡ）：０．５
焦点位置補正量：３μｍ
移動速度（加工速度）：７ｍｍ／ｓｅｃ
【００３１】
この実施例によれば、機械的強度の高いサファイア基板を容易に分割できることが確認された。また、表層部のクラックが群生する部位においても、前述の従来公知のレーザスクライブ加工法（タイプＩ）と比べ、材料の変質や溶融箇所が少ないことが確認された。
【実施例５】
【００３２】
赤外線領域の短パルスレーザ光によるスクライブ加工結果を図９Ａ及び図９Ｂに示す。
加工条件
加工対象：サファイア基板(厚みｔ＝９０μｍ)
レーザ発生器：半導体レーザ励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザ
波長：１０６４ｎｍ
パルス幅：２０ｐｓｅｃ
パルス繰返し周波数：５ＫＨｚ
パワー密度：１ＴＷ／ｃｍ２
対物（集光）レンズの開口数（ＮＡ）：０．５
焦点位置補正量：３μｍ
移動速度（加工速度）：１０ｍｍ／ｓｅｃ
【００３３】
発振器や光学系、加工諸条件を適正化することにより、幅1μm以下というより微細なクラック群を生成することに成功している。この実施例においても、本発明に係るレーザスクライブ加工方法により当該非常に硬いサファイア基板に形成された分離容易化領域１２は、精確な破壊基点となることが確認された。
【００３４】
次に、本発明の分割加工方法を実施する装置の一実施例を、図１０及び図１１とともに詳細に説明する。なお、上記実施例の装置は、分割加工対象の硬脆材料板体又は基板に線状の分離容易化領域をレーザスクライブ加工する、レーザスクライブ機構部２０（図１０）と、上記レーザスクライブ機構部により形成された分離容易化領域に歪応力を作用させて上記板体又は基板を分割又は割断する分割又は割断機構部５０（図１１）とにより構成される。
【００３５】
図１０に示されるように、本発明の分割加工装置のレーザスクライブ機構部２０は、概略、レーザ発生器２１、メインコントローラ３１、上記発生器２１からの短パルスレーザ光５を集光する対物レンズ（集光レンズ）３５、焦点位置調整機構部４０及びＸ−Ｙ−θステージ４１により構成される。
【００３６】
上記レーザ発生器２１は、基本的に、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ等の固体レーザ発振器２２と、レーザコントローラ２５と、減衰器２６と、ビームエキスパンダ２９とにより構成される。上記レーザ共振器２２は、例えば、マルチモードロック方式にて励起されて当該加工対象の硬脆材料板体１に対し光学的に透明な波長を有するとともに非常に短いパルス幅及び高パワー密度を有する、短パルスレーザ光（ビーム）を射出する。このレーザ共振器２２から出力された短パルスレーザ光は減衰器２６に入力され、減衰器２６の出力光の一部がビームスプリッタ２７を介して光検出器２８に入力され、該光検出器２８の検出信号に基づき、当該減衰器２６に含まれる補償回路（図示しない）により当該減衰器２６の出力が所定のパワーとなるように定出力制御される。上記定出力制御された短パルスレーザ光はビームエキスパンダ２９に入力され、該ビームエキスパンダ２９により、当該短パルスレーザ光５の直径が上記対物レンズ３５の直径に合致するように拡大して当該短パルスレーザ光のパワー密度を有効に高められる。このようにして、当該レーザ発生器２１からは、当該スクライブ加工対象の板体又は基板に対し透明である、すなわち、対物レンズ３５により集光された短パルスレーザ光５が上記板体１に入射されたとき、当該短パルスレーザ光の集光スポット又はウェスト部を除く部位において線形吸収が発生しないような波長を有するとともに、好ましくは、ｐｓｅｃ（ピコ秒）オーダーの短いパルス幅を有する、短パルスレーザ光５が射出される。
【００３７】
上記レーザ発生器２１のビームエキスパンダ２９から出力された短パルスレーザ光５は、光路変更用のミラー３３、シャッター３４を含む光学系３２を介して上記対物レンズ（集光レンズ）３５に導入（入射）され、当該対物レンズ３５の光学特性にしたがって、上記短パルスレーザ光５は絞り込まれてＸ−Ｙ−θステージ（第１ステージ）４１に載置された加工対象の基板又は板体１の表面２に垂直に入射される。上記対物レンズ３５は、上記Ｘ−Ｙ−θステージ４１の上方に、該ステージ４１に載置された被加工体（板体又は基板）１の表面２に垂直（Ｚ軸）方向に、図示しないパルスモータにより駆動されるボールねじ（図示しない）を介して上下動可能とした、第１Ｚ軸ステージ４２に搭載される。第１Ｚ軸ステージ４２に搭載されたパルスモータが、詳細に後述する、ステージコントローラ４７からの制御信号により駆動され、当該第１Ｚ軸ステージ４２に搭載された対物レンズ３５のＺ軸方向における位置、即ち、該対物レンズ３５の焦点位置が粗調整される。
【００３８】
また、上記第１Ｚ軸ステージ４２に、照明用（可視光）光源３６が装着され、該照明用光源３６からの可視光が上記光学系３２における光路上に配置されたプリズム３７を介して上記対物レンズ３５に入射可能とされる。更にまた、第１Ｚ軸ステージ４２に、オートフォーカスユニット３８が装着され、上記プリズム３７と同様、上記光学系３２における光路上に配置されたプリズム３９を介して、上記照明用光源３６から放射された可視光の上記加工対象の板体１の表面２上の集光スポット７からの戻り光（上記集光スポット像）を受けるオートフォーカスユニット３８が装着される。このオートフォーカスユニット３８は、上記戻り光に基づき対物レンズ３５の焦点位置が上記板体１の表面に設定されるように、上記対物レンズ３５のＺ軸上の位置を微調整するように構成したものである。
【００３９】
上記Ｘ−Ｙ−θステージ４１は、Ｘ軸、Ｙ軸及びθ軸の３軸方向に移動可能とされた、３つの移動台を有し、これらの移動台は、それぞれ、図示しない電気モータにより駆動される。これらの電気モータは、ステージコントローラ４７により制御される。このＸ−Ｙ−θステージ４１の載置台に、固定リング４３が取り外し自在に取り付けられる。まず、固定リング４３に粘着シート４４が張り付けられ、該粘着シート４４に加工対象の板体又は基板１を貼着してから、該固定リング４３を、上記Ｘ−Ｙ−θステージ４１の載置台に、図示しない真空吸着部材を介して固定される。また、上記載置台の上方にＣＣＤカメラ４５を配置し、該ＣＣＤカメラ４５により上記載置台に固定された被加工体１の表面２が撮像され、この撮像信号が画像処理ユニット４８に転送され、該画像処理ユニット４８により画像処理され、この画像処理結果に基づいて上記ステージコントローラ４７により、Ｘ−Ｙ−θステージ４１の載置台に固定された被加工体１のアライメントが行われる。
【００４０】
上記メインコントローラ３１は、たとえば、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）を用いて構成されたもので、当該メインコントローラ３１の記憶部に格納された当該スクライブ加工シーケンスプログラムにしたがって上記レーザ発生器２１の冷却用チラー２４、レーザコントローラ２５、ステージコントローラ４７、画像処理ユニット４８の作動を制御する。このメインコントローラ３１に、焦点位置補正量設定用のディジタルスイッチ４９が接続され、このスイッチ４９に、当該スクライブ加工条件に見合わせて定められた焦点位置補正量が設定される。この設定データはステージコントローラ４７に転送される。ステージコントローラ４７は、ディジタルスイッチ４９を介して設定された焦点位置補正量に基づいて上記第１Ｚ軸ステージ４２の上下移動、したがって、対物レンズ３５の基準位置から当該加工対象の板体又は基板１側に向けて当該焦点位置補正量（距離）を偏移させるようになっている。
【００４１】
なお、上記ディジタルスイッチ４９に代えて、例えば、コンピュータの記憶部（メモリ）に、予め種々のパラメータの組み合わせに応じて一義的に選定される、当該加工対象の硬脆材料板体の表層部における表面からの深さを示す数値、すなわち、照明光による集光レンズの焦点位置（硬脆材料板体表面）からの当該短パルスレーザ光の集光スポット位置と見做される深さ（以下、これをオフセット値と称す）データを格納し、当該コンピュータのキーボードを介して当該硬脆材料板体の分割加工に関するパラメータデータを入力し、当該コンピュータのＣＰＵ（中央演算処理部）により入力されたパラメータの組み合わせに応じて一義的にオフセット値が算定され、算定されたオフセット値に応じて当該加工対象の硬脆材料板体の高さ位置、即ち、入射されるレーザ光の集光スポット又はウェスト位置を調整するようにしてもよい。
【００４２】
上記レーザ光発生器２１は、加工対象の硬脆材料板体又は基板の材質に応じて選択される。本発明に適用できるレーザ光発生器２１としては、上記実施例１〜５において使用された半導体レーザ励起モードロックＮｄ：ＹＡＧレーザの外、Ｑスイッチパルス発振されるＮｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＶ０４、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＶＡＮ等がある。また、これらのレーザ発振器の出力波長を変換した可視光レーザ、紫外線領域レーザ、パルス圧縮を施したレーザ項発生器を使用することができる。また、短パルスレーザにおいてはチタンサファイアレーザ等のフェムト秒レーザやＮｄ：ＹＡＧなどのモードロックレーザ、また、これを再生増幅したレーザ、及びマイクロチップレーザ発振器を使用することができる。
【００４３】
次に、上記構成のレーザスクライブ機構部２０の操作手順について説明する。まず、操作を開始するにあたり、冷却用チラー２４の電源をＯＮとし、レーザ光発生器２１の共振器２２の励起用半導体レーザ及び当該共振媒質の温度コントロールを開始する。次に、レーザ共振器２２、第１Ｘ−Ｙ−θステージス４１、第１Ｚ軸ステージ４２、メインコントローラ３１を起動して短パルスレーザ光５を射出する。該短パルスレーザ光５の出力制御は、ビームスプリッタ２７により分離された参照光を光検出器」２８により検出し、その検出値に基づき、減衰器２６を作動させて当該短パルスレーザ光５の出力を制御する。レーザ共振器２２は、最も安定した出力及び繰返し周波数に固定する。
【００４４】
次に、加工対象の硬脆材料板体を第１Ｘ−Ｙ−θステージ４１に取り付ける。まず、固定リング４３に粘着シート４４を張り付け、該粘着シート４４に加工対象の硬脆材料板体１を、当該スクライブ加工する面を上向きにして貼着する。このようにして、加工対象の硬脆材料板体１が貼着された固定リング４３を、第１Ｘ−Ｙ−θステージ４１の載置部に載置し、真空吸着して固定する。次に、照明光源３６を点灯し、被加工体の硬脆材料板体１の表面を照明し、オートフォーカスユニット３８により硬脆材料板体１の表面に焦点位置合わせをする。
【００４５】
加工対象の硬脆材料板体の材料物性、表面粗さ、硬脆材料板体上に積層された半導体ディバイスなどの物性、使用する対物レンズ６、短パルスレーザ光５の波長、その出力パワー等のデータに基づき、第１Ｘ−Ｙ−θステージ４１におけるＸ−Ｙステージの掃引速度等に関して最適加工条件が設定される。また、対物レンズ６の焦点位置については、所望の微小クラックの形態から、硬脆材料板体１の表層部に焦点位置を微調整量と、短パルスレーザ光５とオートフォーカス時における照明光源３６とにおいて焦点位置にずれがある場合の補正量とを考慮して、第１Ｚ軸ステージ４２により最適値に設定する。
【００４６】
次に、ＣＣＤカメラ４５を用いて、加工対象の硬脆材料板体１の表面上に記された分割ライン８を観察し、画像処理ユニット４８による処理データに基づき、第１Ｘ−Ｙ−θステージ４１を操作して、当該加工対象の板体１を分割ライン８と合致させる。このとき、加工速度とか、分割ラインのピッチ等の情報をメインコントローラ３１に入力する。全ての設定が終了すると、所定の加工開始位置へ第１Ｘ−Ｙ−θステージ４１が移動し、スタンバイ状態とされる。
【００４７】
メインコントローラ３１からの加工指令により、照明用光源３６が消灯し、シャッター３４が開き、短パルスレーザ光５が硬脆材料板体１に照射される。予め定められた加工条件の下で第１Ｘ−Ｙ−θステージ４１が作動し、スクライブ加工が行われる。
【００４８】
当該スクライブ加工が終了するととともにシャッター３４が閉じ、第１Ｘ−Ｙ−θステージ４１が待機位置に戻る。次に、メインコントローラ３１から搬出指令が転送されると、第１Ｘ−Ｙ−θステージ４１がその後取出し指令とともに第１Ｘ−Ｙ−θステージ４１が搬出位置に移動し、固定リング４３の真空吸着が終了する。このようにして、スクライブ加工された被加工体１は、固定リング４３ごと取出され、分割工程に移行する。
【００４９】
次に、図１０に、本発明の分割加工装置における分割又は割断機構部５０の概略構成が示される。この分割又は割断機構部５０は、前述したレーザスクライブ機構部２０により加工対象の板体１にスクライブ加工された面と反対側の面における、線状の分離容易化領域１２に対応する部位に押圧力を作用する、ブレーク刃５７と、該ブレーク刃５７が装着され、上下に移動可能とした第２Ｚ軸ステージ５２とを備えている。上記スクライブ加工機構部２０におけるものと同様、固定リング５３に張り付けられた粘着シート５４に、当該分割加工対象のスクライブ加工済の板体１がスクライブ加工面を裏返して貼着され、この状態で第２Ｘ−Ｙ−θステージ５１の載置台に固定される。このとき、前述した第１Ｘ−Ｙ−θステージ４１と同様、第２Ｘ−Ｙ−θステージ５１が３軸方向（Ｘ−Ｙ−θ軸方向）にステージを移動させて固定リング５３が位置決めされる。上記固定リング５３の下方にＣＣＤカメラ５５が配置され、該リング５３に貼着された上記板体１のスクライブ加工された線状の分離容易化領域１２が下側から観察される。上記第２Ｘ−Ｙ−θステージ５１及び第２Ｚ軸ステージ５２は、制御パネル５８により制御される。
【００５０】
なお、上記レーザスクライブ加工機構部２０における第１Ｘ−Ｙ−θステージ４１と、上記分割又は割断機構部５０における第２Ｘ−Ｙ−θステージ５１とに、当該加工対象の板体１を搬送する、たとえば、ベルトコンベヤ（図示しない）等の搬送手段を設けて、レーザスクライブ加工機構部２０と、分割加工機構部５０とを連係して操業するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の基本的構成概念を説明する、模式図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線から見た一部切欠断面図である。
【図３】図２における短パルスレーザ光の集光スポットに生起したアブレーションにに基づく溶融・蒸発現象を説明する模式図である。
【図４】本発明のレーザスクライブ加工方法により形成された線状の分離容易化領域      を介して加工対象の硬脆材料板体を分割する原理を説明する模式図である。
【図５】本発明の分割加工方法を使用してサファイア基板の表層部における短パルスレーザ光の集光スポット又はウェスト部位の存在位置を種々に変化させた場合の７つのスクライブ加工結果を同一スケールで撮像した顕微鏡写真である。
【図６】本発明の方法を用いて合成石英基板をレーザスクライブ加工した実施例の平面（Ａ）及び断面（Ｂ）を撮影した顕微鏡写真である。
【図７】本発明の方法を用いて水晶基板をレーザスクライブ加工した実施例の平面（Ａ）及び断面（Ｂ）を撮影した顕微鏡写真である。
【図８】本発明の方法を用いてサファイア基板をレーザスクライブ加工した実施例の平面（Ａ）及び断面（Ｂ）を撮影した顕微鏡写真である。
【図９】本発明の方法を用いて、図８における加工条件とは別の条件にてサファイア基板をレーザスクライブ加工した実施例の平面（Ａ）及び断面（Ｂ）を撮影した顕微鏡写真である。
【図１０】本発明の分割加工方法におけるスクライブ加工工程を実施できる、分割加      工装置の概略構成を示すブロック図である。
【図１１】本発明の分割加工方法における分割又は割断工程を実施できる、分割加工      装置の概略構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  加工対象の硬脆材料板体（又は基板）
２  加工対象の板体の表面
３  加工対象の板体の裏面
４  加工対象の板体の表層部
５  短パルスレーザ光（ビーム）
６  対物レンズ（集光レンズ）
７  レーザビームの集光スポット又はウェスト
８  分割ライン
９  レーザ光照射領域（局部）
１０  微小クラック
１１  溶解痕
１２  分離容易化領域（レーザスクライブ部）
１５  白抜き矢印（歪応力作用方向）
１６  白抜き矢印（歪応力作用方向）
２０  レーザスクライブ機構部
２１  レーザ光発生器
２２  レーザ共振器
２４  レーザ共振器冷却用チラー
２５  レーザコントローラ
２６  減衰器
２７  ビームスプリッタ
２８  光検出器
２９  ビームエキスパンダ
３１  メインコントローラ
３２  光学系
３３  ミラー
３４  シャッター
３５  対物レンズ（集光レンズ）
３６  照明光源
３７  プリズム
３８  オートフォーカスユニット
３９  プリズム
４０  焦点位置調整機構部
４１  Ｘ−Ｙ−θステージ（第１ステージ）
４２  第１Ｚ軸ステージ
４３  固定リング
４４  粘着シート
４５  ＣＣＤカメラ
４７  ステージコントローラ
４８  画像処理ユニット
４９  ディジタルスイッチ
５０  分割又は割断機構部
５１  Ｘ−Ｙ−θステージ（第２ステージ）
５２  第２Ｚ軸ステージ
５３  固定リング
５４  粘着シート
５５  ＣＣＤカメラ
５６  受け刃
５７  ブレーク刃
５８  制御パネル
【図１】
2005271563.tif 000003
【図２】
2005271563.tif 000004
【図３】
2005271563.tif 000005
【図４】
2005271563.tif 000006
【図１０】
2005271563.tif 000007
【図１１】
2005271563.tif 000008
【図５】
2005271563.tif 000009
【図６】
2005271563.tif 000010
【図７】
2005271563.tif 000011
【図８】
2005271563.tif 000012
【図９】
2005271563.tif 000013