(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザパルスを発生させるステップと、
前記レーザパルスを、集光レンズを通過させて、加工対象物の表面近傍に照射するステップと、を有するレーザ加工方法であって、
前記加工対象物を、サファイアまたはシリコンカーバイドとし、
前記レーザパルスのパルス幅は１００〜１０００フェムト秒とし、
前記集光レンズの開口数は０．１〜０．５とし、
前記集光レンズを通過したレーザパルスのパルスエネルギは、１〜１０００μＪ／パルスとし、
前記レーザパルスの前記加工対象物の表面におけるパルスフルエンスは、５００〜２５００Ｊ／ｃｍ２として、
前記加工対象物の表面近傍にアブレーション・プラズマを発生させて前記加工対象物の表面に損傷領域を形成し、かつ前記加工対象物の内部に前記レーザパルスの照射方向に伸長した応力ひずみ領域を形成して、
前記損傷領域を起点として前記応力ひずみ領域内部に前記レーザパルスの照射方向にクラックを伸長させる、
レーザ加工方法。
【請求項２】
前記加工対象物は、ステージ上に載置されており、
請求項１に記載のレーザパルスを発生させるステップと、前記集光レンズを通過したレーザパルスを加工対象物に照射するステップとを含むプロセスを繰り返しながら、前記ステージを１０〜２０００ｍｍ／ｓで移動させて、前記繰り返し発生させたレーザパルスで前記加工対象物の割断線を走査する、
請求項１に記載のレーザ加工方法。
【請求項３】
前記レーザパルスの照射位置は、前記ステージを移動させることにより制御される、請求項２に記載のレーザ加工方法。
【請求項４】
前記加工対象物は、前記繰り返されるプロセスの１サイクルタイムに１〜５０μｍ移送される、請求項３に記載のレーザ加工方法。
【請求項５】
前記加工対象物には、前記割断線に沿って２以上の損傷領域が形成され、
前記損傷領域は互いに離間している、
請求項３に記載のレーザ加工方法。
【請求項６】
前記加工対象物には、前記割断線に沿って２以上の損傷領域が形成され、
前記損傷領域は互いに連結している、
請求項３に記載のレーザ加工方法。
【請求項７】
前記割断線を、１回または２回以上走査する、請求項３に記載のレーザ加工方法。
【請求項８】
前記集光レンズと加工対象物との距離は、前記集光レンズの作動距離±２００μｍの範囲内である、請求項１に記載のレーザ加工方法。
【請求項９】
前記レーザパルスの波長は、１０３０〜１６００ｎｍである、請求項１に記載のレーザ加工方法。
【請求項１０】
前記レーザパルスの繰り返し周波数は１ｋＨｚ〜１ＭＨｚである、請求項１に記載のレーザ加工方法。
【請求項１１】
前記集光レンズを通過したレーザパルスの偏光方向は、直線偏光、円偏光または楕円偏光である、請求項１に記載のレーザ加工方法。
【請求項１２】
２以上のレーザビームを発生させるステップと、
前記レーザビームの全てを、１つの集光レンズに通過させるステップと、
前記集光レンズを通過したレーザビームを、加工対象物の表面近傍に照射するステップと、を有するレーザ加工方法であって、
前記加工対象物を、サファイアまたはシリコンカーバイドとし、
前記レーザビーム光のパルス幅は１００〜１０００フェムト秒とし、
前記集光レンズの開口数は０．１〜０．５とし、
前記集光レンズを通過したそれぞれのレーザビーム光のパルスエネルギは、１〜１０００μＪ／パルスとし、
前記レーザパルスの前記加工対象物の表面におけるパルスフルエンスは、５００〜２５００Ｊ／ｃｍ２として、
前記加工対象物の表面近傍にアブレーション・プラズマを発生させて前記加工対象物の表面に損傷領域を形成し、かつ前記加工対象物の内部に前記レーザパルスの照射方向に伸長した応力ひずみ領域を形成して、
前記損傷領域を起点として前記応力ひずみ領域内部に前記レーザパルスの照射方向にクラックを伸長させる、
レーザ加工方法。
【請求項１３】
レーザビームを２以上に分割するステップと、
それぞれの前記レーザビームを、それぞれ別の集光レンズに通過させるステップと、
それぞれの前記集光レンズを通過したレーザビームを、それぞれ別の加工対象物の表面近傍に照射するステップと、を有するレーザ加工方法であって、
前記加工対象物を、サファイアまたはシリコンカーバイドとし、
前記レーザビーム光のパルス幅は１００〜１０００フェムト秒とし、
前記集光レンズの開口数は０．１〜０．５とし、
それぞれの前記集光レンズを通過したレーザビーム光のパルスエネルギは、１〜１０００μＪ／パルスとし、
前記レーザパルスの前記加工対象物の表面におけるパルスフルエンスは、５００〜２５００Ｊ／ｃｍ２として、
前記加工対象物の表面近傍にアブレーション・プラズマを発生させて前記加工対象物の表面に損傷領域を形成し、かつ前記加工対象物の内部に前記レーザパルスの照射方向に伸長した応力ひずみ領域を形成して、
前記損傷領域を起点として前記応力ひずみ領域内部に前記レーザパルスの照射方向にクラックを伸長させる、
レーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザ割断方法およびレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のエレクトロニクスやフォトニクスなどの先端技術分野の急速な発展に伴い、これらを支える各種デバイス素子の更なる微細化が大きく望まれている。従来、半導体デバイスを微細化する手段として、ダイヤモンドブレードなどによる機械的な切断技術が用いられてきた。これらは十分確立された技術ともいえる半面、「切りしろ」による材料の歩留まりの低下や、微細化の加工分解能といった本質的な限界に行き当たりつつある。一方、これらの機械的な加工技術に代わり、急速に進展しつつある微細加工技術として、レーザ加工法が挙げられる。
【０００３】
これは、加工対象物に高輝度のレーザパルスを照射し、焦点位置の微小な領域における物質の構造破壊や改質により発生する損傷（クラック）を起点として、加工対象物を切断する方法である。この方法では、レーザ照射で生起される損傷を切断予定ラインに沿って配列形成させた後、加工対象材料に機械的応力を印加し、当該材料を微細なチップ状に切断する。これを「ダイシング」と呼ぶ。
【０００４】
加工対象物として実用上特に重要なものとして、機能性半導体層（例えば、シリコンやガリウム砒素）をコーティングした誘電体基板（例えば、サファイアやガラス）からなる薄い板状のデバイスが挙げられる。
【０００５】
例えば、特許文献１には、ガラスなどの加工対象物に対し、これに透明な波長（例えば、１０６４ｎｍ）を有する（つまり、吸収しない）レーザパルスを、対物レンズを用いて加工対象物の内部に集光し、この集光位置において、大きさが数１０〜数１００μｍ程度の乱れた形状を有する損傷（クラック）を生起させ、配列させたこのクラックを起点として、応力を印加して基板を切断する方法が開示されている。
【０００６】
また、特許文献２には、光学系を介してレーザパルスを加工対象物の表面上方に集光照射し、加工対象物の表面にＶ字型の損傷を形成し、加工対象物を高い分解能で加工する方法が記載されている。
【特許文献１】特開２００３−１９５８２号公報
【特許文献２】特開２００６−１１４７８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の加工方法では、加工対象物の内部に多光子吸収による改質（クラック領域または溶融処理領域または屈折率の形成のこと）領域を誘発させることで加工を行なっている。クラック形成は光学的絶縁破壊（ブレイクダウン）により、溶融熱処理領域形成は光熱的効果により誘起される。そのため損傷のサイズが比較的大きくなってしまい（数１０μｍ〜数１００μｍ）、加工精度には一定の限界がある。
【０００８】
特許文献２の加工方法では、高い分解能で加工対象物を加工することはできるものの（クラック幅：１０μｍ）、クラックの深さが浅い（３０μｍ）。そのため加工対象物を加工（割断）するためには、クラックを連結させて形成する必要があり、加工速度には限界があった（１０ｍｍ／ｓ）。
【０００９】
本発明は、加工対象物の表面にアブレーション・プラズマを、そして加工対象物内部に応力ひずみ領域を発生させ、プラズマから発生する衝撃波を利用して、応力ひずみ領域内にクラックを成長させることで、短時間でかつ高い分解能で加工対象物をレーザ加工する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
［１］レーザパルスを発生させるステップと、前記レーザパルスを、集光レンズを通過させて、加工対象物の表面近傍に照射するステップと、を有するレーザ割断方法であって、前記レーザパルスのパルス幅は１００〜１０００フェムト秒であり、前記集光レンズの開口数は０．１〜０．５であり、前記集光レンズを通過したレーザパルスのパルスエネルギは、１〜１０００μＪ／パルスである、レーザ割断方法。
［２］パルス幅が１００〜１０００フェムト秒のレーザパルスを発生させるステップと、前記レーザパルスを、集光レンズを通して、加工対象物の表面近傍に照射して、前記加工対象物上にアブレーション・プラズマを発生させるステップと、前記アブレーション・プラズマのエネルギにより前記加工対象物にクラックと、前記クラックの周辺に応力ひずみを形成するステップと、前記アブレーション・プラズマから生じる衝撃波で、前記応力ひずみが発生した領域に前記クラックを伸長させるステップと、を有するレーザ割断方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のレーザ割断方法およびレーザ加工装置により短時間でかつ高い分解能で加工対象物をレーザ加工することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
１．本発明のレーザ割断方法について
本発明のレーザ割断方法は、１)レーザパルスを発生させるステップ、２）レーザパルスを集光レンズを通して、加工対象物の表面近傍に照射するステップ、を有する。
【００１３】
ステップ１）では、レーザパルスを発生させる。レーザパルスを発生させる手段はとくに限定されないが、例えば、Ｔｉ:サファイアレーザやクロムフォルステライトレーザ、Ｙｂ:ＹＡＧレーザ、Ｙｂ:ＫＧＷレーザ、Ｙｂ:ＫＧ（ＷＯ４）２レーザ、各種ファイバーレーザ、各種ディスクレーザ、各種色素レーザなどがある。発生されたレーザパルスの種類は特に限定されないが、好ましいレーザパルスの種類は、ガウシアンビームである。また、発生したレーザパルスを２以上のレーザパルスに分割してもよい。レーザパルスは、例えば、ハーフミラーなどによって適当なエネルギ強度に分配されるように分割されてもよい。
【００１４】
本発明では、レーザパルスのパルス幅がフェムト秒域であることを特徴とする。レーザパルスのパルス幅をフェムト秒域にすることで、加工対象物の表面に後述するアブレーション・プラズマを効率的に発生させることができる。また、レーザパルスのパルス幅をフェムト秒域にすることで、プラズマの寿命も短くすることができ、プラズマによる後続レーザパルスの遮蔽効果も回避することができる。
【００１５】
レーザパルスのパルス幅が、１０００フェムト秒以上であると、加工しきい値が上昇する恐れがあることから好ましくない。また、レーザパルスのパルス幅が、１００フェムト秒以下であると、現実的に安定して高出力レーザパルスを供給することが困難になる。したがって、好ましいレーザパルスのパルス幅は１００〜１０００フェムト秒である。
【００１６】
レーザパルスのパルスエネルギは、１〜１０００μＪ／パルスであり、レーザパルスの波長は、５００〜１６００ｎｍであり、レーザパルスの繰り返し周波数は、１ｋＨｚ〜１ＭＨｚであることが好ましい。ここで、パルスエネルギとは、後述する集光レンズ通過後のレーザパルスの１パルス当りのエネルギを意味する。レーザパルスのパルスエネルギは、加工対象物の表面にアブレーション・プラズマを発生させる程度であれば特に限定されないが、加工対象物の材質、厚さによって適宜選択されることが好ましい。また、レーザパルスの波長は、後述する加工対象物の材質のバンドギャップエネルギによって適宜選択されることが好ましい。例えば、レーザパルスの１光子のエネルギｈ（ｃ／l）（ｈ；プランク定数、ｃ：光速、l：レーザ光の波長）は、バンドギャップエネルギ（Ｅｇ）に対して、１ｈ（ｃ／l）≦Ｅｇ≦ｎｈ（ｃ／l）、ｎ＝８〜９程度の範囲の関係にあればよい。すなわち本発明では、後述する応力ひずみ領域は、１光子吸収または多光子吸収のいずれによっても形成されうる。また、この範囲を若干逸脱しても加工は可能である。
【００１７】
例えば、加工対象物が厚さ５０〜２００μｍのサファイアの場合、レーザパルスのパルスエネルギは５〜１５μＪ／パルスであり、波長は、５００〜１５００ｎｍであることが好ましい。加工対象物の厚みが増した場合、レーザパルスのレーザパルスエネルギを増大させたり、繰り返し周波数を増大させたり、または走査速度を遅くすればよい。
【００１８】
また、加工対象物が機能層を下層に有する場合、レーザパルスのパルスエネルギは、後述する応力ひずみ領域が機能層まで到達しない程度の強度であることが好ましい。応力ひずみ領域が機能層まで到達すると、機能層の機能を阻害し、デバイスの寿命を縮めるおそれがあるからである。
【００１９】
また、レーザパルスは、直線偏光、円偏光または楕円偏光のような偏光であってもよい。
【００２０】
ステップ２）では、ステップ１）で発生させたレーザパルスを集光レンズを通して加工対象物の表面近傍に照射する。
【００２１】
集光レンズはレーザパルスを集光するための凸レンズである。集光レンズの開口数は、０．１〜０．５であることが好ましい。すなわち本発明では、開口数の小さい集光レンズを用いて、レーザパルスをルーズフォーカスし加工対象物内部に形成される応力ひずみ領域をレーザパルスの照射方向（以下「照射方向」という）に長くすることを特徴とする。「応力ひずみ領域」とは、加工対象物がレーザ光を吸収し、改質（例えばアモルファス化や化学結合の切断の生起、イオン化による電子価数/イオン価数の変化）やクーロン爆発、原子構造再配列、熱膨張により、加工対象物内において密度が膨張または収縮し応力がかかって脆くなった領域をいう。レーザパルスをルーズフォーカスすることで応力ひずみ領域を照射方向に長くする理由およびメカニズムについては後述する。
【００２２】
集光レンズによって集光されたレーザパルスは、加工対象物の表面近傍に照射される。ここで「加工対象物の表面近傍に照射する」とは、レーザパルスの集光点を加工対象物の表面から±２００μｍの範囲内に位置するように照射することを意味する。すなわち、集光レンズと加工対象物との距離（L）は、集光レンズの作動距離（ＷＤ）±２００μｍの範囲を満たすように配置されている。つまり、本発明では、以下の式を満たす。
【００２３】
ＷＤ−２００μｍ≦Ｌ≦ＷＤ＋２００μｍ
【００２４】
ここで作動距離（ＷＤ）とは、物体面に焦点を合わせた時の集光（対物）レンズの先端（表面）から加工対象物までの距離を意味する。
したがってレーザパルスの集光点を加工対象物の表面よりも上に配置してもよく、加工対象物の表面よりも内部に配置してもよい。好ましくは、レーザパルスの集光点を、加工対象物の表面よりも内部に配置する。
【００２５】
レーザパルスの加工対象物の表面における、パルスフルエンスは、加工対象物の材質および厚さによって適宜選択される。加工対象物の厚さが大きくなれば、パルスフルエンスを増加させることが好ましい。レーザパルスのパルスフルエンスは、１〜５０００Ｊ／ｃｍ２の範囲内であることが好ましい。例えば加工対象物が厚さ９０μｍのサファイアである場合、レーザパルスのパルスフルエンスは、１００〜２０００Ｊ／ｃｍ２であることが好ましい。
【００２６】
ステップ１）で、レーザパルスが２以上のレーザパルスに分割された場合、それぞれのレーザパルスは、それぞれ別の集光レンズを通過し、それぞれ別の加工対象物の表面近傍に照射されてもよい。これにより１つのレーザ光源で２以上の加工対象物を同時に加工することができる。
【００２７】
また、１の集光レンズには２以上のレーザビームが導入されていてもよい。２以上のレーザビームは、それぞれ別のレーザ光源から発生したレーザパルスでもよいし、１つのレーザ光源から発生したレーザパルスを分割したレーザパルスでもよい。２以上のレーザビームのそれぞれのパルスエネルギ、レーザ波長は、上述したように加工対象物の表面にアブレーション・プラズマを発生させる程度であればよい。また、２以上のレーザパルスは、同時に１の集光レンズに導入されてもよく、時系列で導入されてもよい。
【００２８】
２以上のレーザビームは、それぞれ加工対象物表面の割断線上の異なる位置を照射するように、１の集光レンズに導入されることが好ましい。具体的には、２以上のレーザビームの集光レンズへの入射角度を違えることで、レーザビームの加工対象物表面の照射位置をずらすことができる。２以上のレーザビームの集光レンズへの入射角度は、例えば、ミラーを用いてレーザビームを反射させることにより変化させることができる（図２参照）。より具体的には、レーザビームの集光レンズへの入射角度は、ミラーのチルト角を調整することにより制御することができる。２以上のレーザビームの照射位置の間隔は１〜５０μｍであることが好ましい。
【００２９】
１の集光レンズに２以上のレーザビームを導入することで、更なる加工時間の短縮を図ることができる。
【００３０】
加工対象物は、結晶性の部材であることが好ましい。加工対象物が結晶性部材であると、後述する割断工程が容易になる。また加工対象物のバンドギャップエネルギは０．９ｅＶ以上であることが好ましい。このような加工対象物の材質の例には、サファイアやシリコンカーバイド、ガラス類、ダイアモンドなどが含まれる。
【００３１】
レーザパルスを加工対象物の表面近傍に照射すると、加工対象物の表面から内部にレーザ照射方向に伸長したクラックが形成される。ここで「クラック」とは、加工対象物表面または内部に形成された割れ目を意味する。
【００３２】
以下、図を用いてクラックが伸長するメカニズムについて説明する。図１Ａ〜Ｅでは、本発明においてレーザパルスが加工対象物の表面近傍に照射されてから、加工対象物にクラックが形成されるフローが示されている。
【００３３】
図１Ａでは、レーザパルス２０が集光レンズ１０９を通して、加工対象物１０の表面近傍に照射されている様子が示される。図１Ａにおいてレーザパルス２０の集光点２１は、加工対象物１０の表面上に位置している。
【００３４】
図１Ｂでは、レーザパルス２０の照射により加工対象物の表面付近でアブレーション・プラズマ３０と加工対象物の表面に損傷領域３４（不図示）とが同時に発生し、それとほぼ同じタイミングで加工対象物内部のレーザパルス２０の照射方向に応力ひずみ領域３１が形成される様子が示されている。ただし応力ひずみ領域は、機能層１１まで到達していないことが好ましい。アブレーション・プラズマとは、加工対象物表面近傍で集光フェムト秒レーザの吸収により、局所的な原子解離（化学結合切断）や高密度イオン化が生起されて誕生する高温電離ガス状態のことである。また、アブレーション・プラズマによって形成された、損傷領域とは後述するクラックが成長するための起点となる領域である。損傷領域３４の大きさは、加工対象物の材質および厚さによって異なるが、１μｍ以下まで小さくすることが可能である。
さらにアブレーション・プラズマは後述する衝撃波も発生させる。応力ひずみ領域では、機械的な刺激、すなわち衝撃波の伝播により容易にクラックが伸長する。
【００３５】
本発明では、開口数が小さいレンズを集光レンズとして用いることから、レーザパルスはルーズフォーカスされる。ルーズフォーカスされたレーザパルスは照射方向に伸びた集点深度を有する。したがって、ルーズフォーカスされたレーザパルスによって加工対象物が照射されると、加工対象物内部に形成される応力ひずみ領域は、照射方向に長くなる。すなわち、本発明では、開口数の小さいレンズを用いることで、応力ひずみ領域を照射方向に長く形成することを特徴としている。一方で、応力ひずみ領域が加工対象物の機能層まで達しないよう、レーザパルスのパルスエネルギを適宜選択することに留意すべきである。
【００３６】
図１Ｃでは、アブレーション・プラズマから発生した衝撃波３２が加工対象物内部に伝播する様子が示されている。上述したように、応力ひずみ領域では、機械的刺激が加わるとクラックが伸長するため、機械的刺激である衝撃波３２が伝播した応力ひずみ領域３１では、クラック３３が伸長していく。
【００３７】
図１Ｄでは、衝撃波の伝播により応力ひずみ領域にクラックが伸長していく様子が示される。本発明は、応力ひずみ領域が照射方向に長く形成されていることを特徴としているので、応力ひずみ領域３１に形成されるクラック３３も、照射方向に伸長する。その結果、加工対象物内部には照射方向に伸長した鋭いクラック３３が形成される。クラック３３の伸長は、衝撃波が応力ひずみ領域３１の最深部まで到達するか、衝撃波が消滅するまで続く。
【００３８】
図１Ｅでは、衝撃波３２が応力ひずみ領域３１の最深部まで伝播し、クラック３３が応力ひずみ領域の最深部まで形成された様子が示される。本発明では、レーザパルスの単発照射（１パルスのみ）で、上記現象が生じることを特徴としている。
【００３９】
ステップ１）およびステップ２）を含むプロセス（以下、単に「プロセス」という）を繰り返しながら、加工対象物を割断線に沿って移送させることで、割断線上に２以上のクラックを形成することができる（図３参照）。本発明では、加工対象物を走査ラインに沿って移送させる速度は、１０〜２０００ｍｍ／ｓであることが好ましい。また、１のレーザパルスの発振が開始されてから、次のレーザパルスの発振が開始されるまでの時間（１サイクルタイム）に、加工対象物は、１〜５０μｍ移送されることが好ましい。また、１の集光レンズに２以上のレーザビームが導入される場合、各照射領域同士の間隔が等しくなるように、加工対象物が移送されることが好ましい。本発明では、クラック同士は連結していても離間していてもよい。本発明では、クラックは照射方向に長く形成されているので、クラック同士が互いに離間していても、加工対象物を割断することができる。
【００４０】
本発明のレーザ割断方法では、複数のクラックが割断線上に形成された加工対象物に外部から機械的な力を加え、加工対象物を割断するステップをさらに有していてもよい（図３参照）。割断された加工対象物は、乱れがなく平坦かつシャープな割断面を有することを特徴とする。
【００４１】
このように、パルスエネルギの高い（１〜１０００μＪ／パルス）フェムト秒レーザを加工対象物の表面近傍に照射することで、加工対象物表面にアブレーション・プラズマを発生させることができる。またこのようなレーザパルスをルーズフォーカスすることで、加工対象物内部に照射方向に長い応力ひずみ領域を形成することができる。すなわち本発明は、アブレーション・プラズマと照射方向に長い応力ひずみ領域とを組み合わせることで、照射方向に伸長したクラックを形成することができる。これにより、より容易に加工対象物を割断することができる。
【００４２】
また、本発明では、レーザパルスの単発照射で照射方向に伸長したクラックを形成することができ、かつクラック同士は連結している必要がないので、短時間で加工対象物を加工することができる。例えば、本発明における走査速度は１０〜２０００ｍｍ／ｓであり、特許文献２に記載の走査速度（１０ｍｍ／ｓ）よりも顕著に速い。
【００４３】
さらに本発明では、クラック同士が連結している必要はないため、より少ないレーザ照射で加工対象物を割断することができる。このため、連続的クラック形成に伴う、加工対象物の破片の発生を抑えることができる。
【００４４】
２．本発明のレーザ加工装置について
本発明のレーザ割断方法は、図４に示されるレーザ加工装置を用いて実施されることができる。
【００４５】
図４におけるレーザ加工装置１００は、レーザ光源１０１、テレスコープ光学系１０３、偏光板１０５、ダイクロイックミラー１０７、対物レンズ１０９、保護用窓プレート１１１、ステージ１１３、計測用光源１１５、ビーム整形器１１７、ハーフミラー１１９、光検出器１２１、コントローラ１２３、照明用光源１２５、ＣＣＤカメラ１２７、コンピュータ１２９、およびモニタ１３１を有する。
【００４６】
レーザ光源１０１は、レーザパルスを発生させる。レーザ光源は、例えば、波長５００〜１６００ｎｍ、パルス幅１００〜１０００フェムト秒、繰り返し周波数１ｋＨｚ〜１ＭＨｚ、パルスエネルギ１〜１０００μＪ／パルスのレーザパルスを発生させる。
【００４７】
レーザ光源１０１に用いることができるレーザとしては、Ｔｉ:サファイアレーザやクロムフォルステライトレーザ、Ｙｂ:ＹＡＧレーザ、Ｙｂ:ＫＧＷレーザ、Ｙｂ:ＫＧ（ＷＯ４）２レーザ、各種ファイバーレーザ、各種ディスクレーザ、各種色素レーザなどがある。
【００４８】
テレスコープ光学系１０３は、好ましい加工形状を得るために、レーザ光源１０１から出力されたレーザパルスのビーム径を最適化する。
【００４９】
偏光板１０５は、好ましい加工形状を得るために、加工予定ラインに対して平行／垂直な直線偏光や、円偏光、楕円偏光にテレスコープ光学系１０３を通過したレーザパルスを調整する。
【００５０】
ダイクロイックミラー１０７は、偏光板１０５を通過したパルスレーザをほぼ１００％反射し、計測用光源１１５からの計測用レーザ光をほぼ１００％透過するミラーである。
【００５１】
集光レンズ１０９は、顕微鏡用の対物レンズであって、ダイクロイックミラー１０７で反射されたレーザパルスを集光する。本発明では、上記のように、開口数が０．１〜０．４の集光レンズ１０９を用いる。集光レンズと表面との距離（L）は、集光レンズの作動距離（ＷＤ）±２００μｍの範囲を満たすように配置されている。
【００５２】
保護用窓プレート１１１は、加工対象物１０の表面を加工する場合に、加工によって表面から飛散する微小な破片などから集光レンズ１０９を保護するために設けられる。
【００５３】
ステージ１１３は、図示しない載置台を有し、この載置台の上に、対物レンズ１０９によって集光されたレーザパルスが照射される加工対象物１０が載置される。また、ステージ１１３は、載置台をＸＹＺ軸方向に移動させるとともにＸＹＺ軸の回りに回転させることができる駆動機構（図示せず）を有する。この駆動機構によって、ステージ１１３上の加工対象物１０は割断線に沿って（ＸＹ軸方向）に駆動される。また駆動機構はステージ１１３をＺ軸方向にも移動することができる。ステージ１１３のＺ軸方向の移動幅は４００μｍ程度であることが好ましい。ステージ１１３の駆動機構によって、加工対象物１０がＺ軸方向に移動されることで、レーザパレスの集光点を加工対象物１０の表面近傍に配置することができる。
【００５４】
計測用光源１１５は、ステージ１１３上の加工対象物１０の表面の位置を計測するためのレーザ光を発生させる。
【００５５】
ビーム整形器１１７は、計測用レーザ光を最適化するために、計測用光源１１５から出力されたレーザ光のビーム形状を調整する。
【００５６】
ハーフミラー１１９は、計測用レーザ光を半透明に反射／透過するミラーである。ビーム整形器１１７を通過した計測用レーザ光は、ハーフミラー１１９、ダイクロイックミラー１０７、および対物レンズ１０９を透過して加工対象物１０の表面に到達し、反射される。この反射光は、再び対物レンズ１０９およびダイクロイックミラー１０７を透過し、一部がハーフミラー１１９で反射されて光検出器１２１に到達する。
【００５７】
光検出器１２１は、加工対象物１０の表面からの反射光を検出して加工対象物１０の表面位置を検出する。検出結果は、コントローラ１２３に出力される。
【００５８】
コントローラ１２３は、フィードバック回路を有し、光検出器１２１によって得られた加工対象物１０の表面位置の情報に基づいて、レーザパルスの照射が割断線（ＸＹ軸方向）に合うように、ステージ１１３をフィードバック制御する。
【００５９】
照明用光源１２５は、ステージ１１３の下方に配置され、ステージ１１３上の加工対象物１０の加工部位を観察するための照明光を発生させる。
【００６０】
ＣＣＤカメラ１２７は、照明用光源１２５から放射され加工対象物１０を透過した照明光を取り込んで、加工対象物１０の加工部位を撮像し、撮像データをコンピュータ１２９に出力する。
【００６１】
コンピュータ１２９は、レーザ光源１０１、計測用光源１１５、コントローラ１２３、およびＣＣＤカメラ１２７に接続されており、これら各部を総合的に制御する。例えば、コンピュータ１２９は、所定のプログラムに従って、コントローラ１２３によるフィードバック制御を通じてステージ１１３を駆動させることにより、レーザパルスで任意の割断線を走査する。
【００６２】
次いで、上記構成を有するレーザ加工装置１００を用いた加工工程について、図５に示すフローチャートを用いて説明する。
【００６３】
まず、ステップＳ１０００では、加工対象物１０に対するレーザ光源１０１の最適なレーザ強度を決定する。
【００６４】
そして、ステップＳ１１００では、ステージ１１３を移動させることでレーザパルスの照射位置を決定する。
【００６５】
そして、ステップＳ１２００では、コンピュータ１２９に対して割断線のプログラミングを行う。
【００６６】
そして、ステップＳ１３００では、加工対象物１０をステージ１１３の載置台に載置して位置決めを行う。このとき、計測用光源１１５および照明用光源１２５をオンする。
【００６７】
そして、ステップＳ１４００では、レーザ光源１０１をオンしてレーザパルスを加工対象物１０の割断線に照射する。そして、割断線に沿ってステージ１１３をＸＹ軸方向（水平方向）に移動して、割断線に沿って加工対象物１０の表面から内部にクラックを形成する。
【００６８】
そして、ステップＳ１５００では、ステップＳ１４００を通じて加工対象物１０の表面から内部に割断線に沿って配列形成されたクラックを利用して、割断を行う。すなわち、加工対象物１０に機械的応力を印加すれば、所望の精密切断が達成される。これにより、加工対象物１０は微小なチップに割断される。
【実施例】
【００６９】
以下、実施例を用いて本発明を説明する。しかし、以下に説明する実施例は、本発明の範囲を限定するものではない。
【００７０】
（実施例１）
実施例１では、本発明の割断方法を用いてサファイア基板を割断した。加工対象物として、厚み９０μｍのサファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板を準備した。
【００７１】
図４に示されるレーザ加工装置を準備した。レーザ光源１０１をＹｂ：ＫＧＷとして、高出力半導体レーザからの励起光を照射して、１００フェムト秒程度のレーザパルス（波長１０３０ｎｍ）を、繰り返し周波数を３０ｋＨｚとして発振させた。レーザ光源の出力は０．２Ｗであった。また、集光レンズ１０９の開口数を０．５とした。
【００７２】
前記サファイア基板をステージ１１３に載置した。そしてレーザ光源１０１からのレーザパルスを、集光レンズ１０９を通してサファイア基板の表面近傍に集光して、サファイア基板に照射した。照射されたレーザパルスのパルスエネルギは６μＪ／パルスであり、パルスフルエンスは、〜０．５ｋＪ／ｃｍ２であった。
【００７３】
レーザパルスをサファイア基板に照射しながら、サファイア基板を載置したステージを割断線に沿って１５０ｍｍ／ｓの速度で移動させた。それにより、割断線に沿って、基板に５μｍ毎にレーザパルスが照射された。各割断線には、１回だけスキャンを行った（シングルスキャン）。
【００７４】
図６（Ａ）は、実施例１で得られた、レーザ照射後のサファイア基板の表面の顕微鏡写真である。図６（Ａ）に示されたように、損傷領域の幅、つまり加工ラインの幅は３μｍであり、きわめて高い分解能で加工することができた。損傷領域同士は連結しておらず、隣接する各損傷領域の中心間の間隔は、５μｍ程度であった。
【００７５】
実施例１でレーザ照射されたサファイア基板に、機械的応力を加えて割断した。図６（Ｂ）は、前記割断により得られた断面を示す顕微鏡写真である。図６（Ｃ）は、その断面をさらに拡大した顕微鏡写真である。図６（Ｂ）および図６（Ｃ）に示されたように、クラックは、サファイア基板の厚さ（９０μｍ）の半分程度の深さ（４５μｍ程度）まで伸長していた。そのため、割断は容易であった。また、割断面は平面であり、加工対象物の表面に対して垂直な割断面を得ることができた。さらに、本実施例では、基板の裏面への損傷は確認されなかった。
【００７６】
また図６（Ｃ）では、Ｘ領域とＹ領域とで形状の異なるクラックが確認された。Ｘ領域のクラックは、約１２μｍの長さを有する。一方、Ｙ領域のクラックは、Ｘ領域のクラックの長さの３倍程度の長さを有する。また、Ｘ領域のクラックは一定の長さであるのに対して、Ｙ領域のクラックの長さにはばらつきが見られる。
【００７７】
Ｘ領域はアブレーション・プラズマおよび衝撃波によって形成された損傷領域であると考えられる。一方、Ｙ領域は、レーザ加工（レーザ照射）によって伸長した応力ひずみ領域内にクラックが、レーザ照射後の割断過程によって成長した痕であると考えられる。
【００７８】
（実施例２）
実施例２では、実施例１のレーザ照射条件（繰り返し周波数、レーザ出力、レーザパルスエネルギ、レーザパルスフルエンス、レーザ照射間隔）に変更を加えて、本発明の割断方法を用いてサファイア基板を割断した。まず実施例１と同様のサファイア基板（厚さ９０μｍ、バンドギャップエネルギ：８ｅＶ）を準備した。
【００７９】
図４に示されるレーザ加工装置を準備した。レーザ光源１０１をＹｂ：ＫＧＷとして、高出力半導体レーザからの励起光を照射して、１００フェムト秒程度のレーザパルス（波長１０３０ｎｍ）を、繰り返し周波数を６０ｋＨｚとして発振させた。レーザ光源の出力は０．７５Ｗであった。また、集光レンズ１０９の開口数を０．５とした。
【００８０】
前記サファイア基板をステージ１１３に載置した。そしてレーザ光源１０１からのレーザパルスを、集光レンズ１０９を通してサファイア基板の表面近傍に集光して、サファイア基板に照射した。照射されたレーザパルスのパルスエネルギは１２μＪ／パルスであり、パルスフルエンスは、〜１．０ｋＪ／ｃｍ２であった。
【００８１】
レーザパルスをサファイア基板に照射しながら、サファイア基板を載置したステージを割断線に沿って１５０ｍｍ／ｓの速度で移動させた。それにより、割断線に沿って、基板に２．５μｍ毎にレーザパルスが照射された。各割断線には、１回だけスキャンを行った（シングルスキャン）。
【００８２】
図７（Ａ）は、実施例２で得られた、レーザ照射後のサファイア基板の表面の顕微鏡写真である。図７（Ａ）に示されたように、損傷領域の幅、つまり加工ラインの幅は５μｍであり、きわめて高い分解能で加工することができた。実施例２では、損傷領域同士およびクラック同士は連結していた。
【００８３】
実施例２でレーザ照射されたサファイア基板に、機械的応力を加えて割断した。割断は容易であった。図７（Ｂ）は、前記割断により得られた断面を示す顕微鏡写真である。図７（Ｃ）は、その断面をさらに拡大した顕微鏡写真である。図７（Ｂ）および図７（Ｃ）で示されたように、クラックはサファイア基板の厚さの２０％程度の深さ（１８μｍ程度）まで伸長していた。また、割断面は平面であり、加工対象物の表面に対して垂直な割断面を得ることができた。さらに、本実施例では、ウェハ面への損傷は確認されなかった。
【００８４】
（実施例３）
実施例３では、本発明の割断方法を用いてシリコンカーバイト（６Ｈ−ＳｉＣ）基板を割断した。加工対象物として、厚み３７５μｍのシリコンカーバイト（６Ｈ−ＳｉＣ）基板を準備した。
【００８５】
図４に示されるレーザ加工装置を準備した。レーザ光源１０１をＹｂ：ＫＧＷとして、  高出力半導体レーザからの励起光を照射して、１００フェムト秒程度のレーザパルス（波長１０３０ｎｍ）を、繰り返し周波数を１００ｋＨｚとして発振させた。レーザ光源の出力は３Ｗであった。また、集光レンズ１０９の開口数を０．５とした。
【００８６】
前記シリコンカーバイト基板をステージ１１３に載置した。そしてレーザ光源１０１からのレーザパルスを、集光レンズ１０９を通してシリコンカーバイト基板の表面から１５μｍ内部に集光照射した。照射されたレーザパルスのパルスエネルギは３０μＪ／パルスであり、パルスフルエンスは、〜２．５ｋＪ／ｃｍ２であった。
【００８７】
レーザパルスをシリコンカーバイト基板に照射しながら、シリコンカーバイト基板を載置したステージを割断線に沿って３００ｍｍ／ｓの速度で移動させた。それにより、割断線に沿って、基板に３μｍ毎に損傷領域（スポット）が形成された。各割断線には、１回だけスキャンを行った（シングルスキャン）。
【００８８】
図８（Ａ）は、実施例３で得られた、レーザ照射後のシリコンカーバイト基板の表面の顕微鏡写真である。図８（Ｂ）は、その表面をさらに拡大した顕微鏡写真である。図８（Ａ）および図８（Ｂ）に示されたように、損傷領域の幅、つまり加工ラインの幅は２０μｍ程度であり、高い分解能で加工することができた。実施例３では、損傷領域同士およびクラック同士は連結していた。
【００８９】
実施例３でレーザ照射されたシリコンカーバイト基板に、機械的応力を加えて割断した。割断は容易であった。図９（Ａ）は、前記割断により得られた断面を示す顕微鏡写真である。図９（Ｂ）は、その断面をさらに拡大した顕微鏡写真である。図９（Ａ）および図９（Ｂ）で示されたように、クラックはシリコンカーバイト基板の厚さの５％程度の深さ（２０μｍ程度）まで伸長していた。また、割断面は平面であり、加工対象物の表面に対して垂直な割断面を得ることができた。
【００９０】
図１０（Ａ）は、割断により得られたシリコンカーバイト基板の表面の切り口を示す顕微鏡写真である。図１０（Ｂ）は、割断より得られたシリコンカーバイト基板の裏面の切り口を示した顕微鏡写真である。図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）で示されたように、本実施例において加工対象物の切り口は極めてシャープであった。
【００９１】
（実施例４）
実施例４では、加工対象物をシリコンカーバイト（４Ｈ−ＳｉＣ；バンドギャップエネルギ：３．２６ｅＶ）基板に変え、レーザの集光位置をシリコンカーバイト基板から３０μｍ内部に変更した以外は、実施例３と同じ方法で、シリコンカーバイト（４Ｈ−ＳｉＣ）基板を割断した。
【００９２】
図１１（Ａ）は、実施例４で得られた、レーザ照射後のシリコンカーバイト基板の表面の顕微鏡写真である。図１１（Ｂ）は、その表面をさらに拡大した顕顕微鏡写真である。図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）に示されたように、損傷領域の幅、つまり加工ラインの幅は３０μｍ程度であり、高い分解能で加工することができた。実施例４では、損傷領域同士およびクラック同士は連結していた。
【００９３】
実施例４でレーザ照射されたシリコンカーバイト基板に、機械的応力を加えて割断した。割断は容易であった。図１２（Ａ）は、前記割断により得られた断面を示す顕微鏡写真である。図１２（Ｂ）は、その断面をさらに拡大した顕微鏡写真である。図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）で示されたように、クラックはシリコンカーバイト基板の厚さの３％程度の深さ（１２μｍ程度）まで伸長していた。また、割断面は平面であり、加工対象物の表面に対して垂直な割断面を得ることができた。
【００９４】
図１３（Ａ）は、割断により得られたシリコンカーバイト基板の表面の切り口を示す顕微鏡写真である。図１３（Ｂ）は、割断より得られたシリコンカーバイト基板の裏面の切り口を示した顕微鏡写真である。図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）で示されたように、本実施例において加工対象物の切り口は極めてシャープであった。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明に係るレーザ割断方法は、例えば、代表的な半導体デバイス用基板であるサファイアなどの透明誘電体材料基板の内部に、レーザの照射方向に伸長したクラックを形成し、かつ、基板の下層部に位置する半導体などの機能層への損傷を回避しながら、当該基板材料を短時間かつ高い精度、空間分解能で加工することができるレーザ割断方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】本発明において生じる現象を示す図
【図２】２以上のレーザパルスが１の集光レンズに導入された状態を表す図
【図３】割断線に沿って複数のクラックが形成された状態を表す図
【図４】本発明のレーザ加工装置の構成を示すブロック図
【図５】本発明のレーザ加工装置を用いた加工工程を示すフローチャート
【図６】実施例１のサファイア基板の表面および断面の顕微鏡写真
【図７】実施例２のサファイア基板の表面および断面の顕微鏡写真
【図８】実施例３のシリコンカーバイト基板の表面の顕微鏡写真
【図９】実施例３のシリコンカーバイト基板の断面の顕微鏡写真
【図１０】実施例３のシリコンカーバイト基板の切り口の顕微鏡写真
【図１１】実施例４のシリコンカーバイト基板の表面の顕微鏡写真
【図１２】実施例４のシリコンカーバイト基板の断面の顕微鏡写真
【図１３】実施例４のシリコンカーバイト基板の切り口の顕微鏡写真
【符号の説明】
【００９７】
１０  加工対象物
１１  機能層
２０、２０’  レーザパルス
２１  レーザ集光点
３０  アブレーション・プラズマ
３１  応力ひずみ領域
３２  衝撃波
３３  クラック
３４  損傷領域
１００  レーザ加工装置
１０１  レーザ光源
１０３  テレスコープ光学系
１０５  偏光板
１０７、１０７’  ダイクロイックミラー
１０９  対物レンズ
１１１  保護用窓プレート
１１３  ステージ
１１５  計測用光源
１１７  ビーム整形器
１１９  ハーフミラー
１２１  光検出器
１２３  コントローラ
１２５  照明用光源
１２７  ＣＣＤカメラ
１２９  コンピュータ
１３１  モニタ
【図１】
0004478184.tif 000002
【図２】
0004478184.tif 000003
【図３】
0004478184.tif 000004
【図４】
0004478184.tif 000005
【図５】
0004478184.tif 000006
【図６】
0004478184.tif 000007
【図７】
0004478184.tif 000008
【図８】
0004478184.tif 000009
【図９】
0004478184.tif 000010
【図１０】
0004478184.tif 000011
【図１１】
0004478184.tif 000012
【図１２】
0004478184.tif 000013
【図１３】
0004478184.tif 000014