(57)【要約】【解決手段】  被加工物としての結晶性材料２を透過するレーザ光Ｌを発振するレーザ発振器４を備え、上記レーザ光Ｌを結晶性材料の割断予定線に沿って照射して、照射部分を割断可能な状態に改質するようにした結晶性材料の割断方法と装置に関する。本発明においては、液体を上記結晶性材料に向けて液柱Ｗ状に噴射する加工ヘッド６と、この加工ヘッドに高圧の液体を供給する液体供給手段７と、上記レーザ発振器から発振されたレーザ光を上記液柱内に導入するレーザ導入手段１０とを備えており、液柱状で噴射された液体を結晶性材料の割断予定線に沿って相対移動させながら、レーザ光を上記液柱状に噴射した液体内に通過させて結晶性材料まで案内させて照射させることにより、照射部分を割断可能な状態に改質することができる。【効果】  高精度な焦点合わせを必要とせずに、サファイアなどの結晶性材料を割断可能な状態に改質することができる。【選択図】  図１
2009241119.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物としての結晶性材料を透過するレーザ光を発振するレーザ発振器を備え、上記レーザ光を結晶性材料の割断予定線に沿って照射して、照射部分を割断可能な状態に改質するようにした結晶性材料の割断方法において、
液体を上記結晶性材料に向けて液柱状に噴射する加工ヘッドと、この加工ヘッドに高圧の液体を供給する液体供給手段と、上記レーザ発振器から発振されたレーザ光を上記液柱内に導入するレーザ導入手段とを設け、液柱状で噴射された液体を結晶性材料の割断予定線に沿って相対移動させながら、レーザ光を上記液柱状に噴射した液体内に通過させて結晶性材料まで案内させて照射させることにより、照射部分を割断可能な状態に改質することを特徴とする結晶性材料の割断方法。
【請求項２】
上記結晶性材料のレーザ光照射側とは反対側又は内部に改質部を形成することを特徴とする請求項１に記載の結晶性材料の割断方法。
【請求項３】
上記液体は水であり、また結晶性材料はサファイアであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の結晶性材料の割断方法。
【請求項４】
上記レーザ光は、パルス幅１０〜１００ｎｓ、ピークパワー密度３０〜１２０ＭＷ／ｃｍ２のパルスレーザ光であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の結晶性材料の割断方法。
【請求項５】
上記液柱の直径は、１００μｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載の結晶性材料の割断方法。
【請求項６】
上記結晶性材料とレーザ光の照射位置との相対移動速度は、上記液柱の直径をＤ、レーザ光のパルス繰り返し周波数をＦとしたときに、（０．０００２〜１）Ｄ・Ｆの範囲であることを特徴とする請求項５に記載の結晶性材料の割断方法。
【請求項７】
被加工物としての結晶性材料を支持する加工テーブルと、上記結晶性材料を透過するパルスレーザ光を発振するレーザ発振器と、上記結晶性材料に対して上記レーザ光の照射位置を相対移動させる移動手段とを備えた結晶性材料の割断装置において、
液体を上記結晶性材料に向けて液柱状に噴射する加工ヘッドと、この加工ヘッドに高圧の液体を供給する液体供給手段と、上記レーザ発振器から発振されたレーザ光を上記液柱内に導入するレーザ導入手段とを設け、
また上記レーザ発振器を、パルス幅１０〜１００ｎｓ、ピークパワー密度３０〜１２０ＭＷ／ｃｍ２、４６０ｎｍ以下の波長を有するパルスレーザ光を発振するレーザ発振器とし、さらに上記加工ヘッドを、上記液柱の直径を１００μｍ以下として結晶性材料に噴射する加工ヘッドとして、上記レーザ光によって結晶性材料を上記割断予定線に沿って割断可能な状態に改質させることを特徴とする結晶性材料の割断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は結晶性材料の割断方法及びその装置に関し、より詳しくは、結晶性材料を透過するレーザ光をその結晶性材料の割断予定線に沿って照射して、照射部分を割断可能な状態に改質するようにした結晶性材料の割断方法とその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば波長３５５ｎｍのＹＡＧレーザ光は、ＬＥＤ用の基板として用いられているサファイアなどの結晶性材料を透過する性質がある。このため、ＹＡＧレーザ光を、サファイアを透過するように照射しても、その照射部分を割断可能な状態に改質することはできない。
このため従来、サファイア内部でレーザ光を集光させ、その集光部分を割断可能な状態に改質することが行われている（特許文献１、２）。
【０００３】
また従来、液柱状で噴射された液体を被加工物の割断予定線に沿って相対移動させながら、レーザ光を上記液柱状に噴射した液体内に通過させて被加工物まで案内させることにより、被加工物の割断予定線に沿ってレーザ光を照射するようにしたレーザ加工方法が知られている（特許文献３）。
この場合、例えばガラスやシリコンウエハなどの被加工物を透過するレーザ光を上記割断予定線に沿って照射することによって溝を形成し、この溝を利用して被加工物を割断するようにしている。
【特許文献１】特許第３８７３０９８号公報
【特許文献２】特開２００８−６４９２号公報
【特許文献３】特開２００７−２５３２１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＬＥＤ用の基板として用いられているサファイアは、通常その厚さは１００μｍ程度であり、このような薄さの内部に集光点を合わせるのは極めて煩雑な作業となっていた。特に、特許文献２のようにフェムト秒レーザ発振器を用いる場合には、装置が非常に高価となっていた。
他方、特許文献３に開示されている液柱を用いたレーザ加工方法においては、被加工物の表面に溝を形成するため製品となる領域がとられることになり、また溝の面精度がよくないという問題があった。
ところで、この特許文献３のレーザ加工方法の場合、レーザ光は集光レンズによって液柱内に導入されているが、この集光レンズはレーザ光を液柱内に導入させるために用いられており、被加工物にレーザ光の焦点を結ぶためではない。すなわち上記液柱内に導入されたレーザ光は、液柱と外部の空気との屈折率の差により液柱と空気との境界面で全反射されながら該液柱によって被加工物に向けて案内されるようになり、このような液柱の導波路としての機能から、液柱によって案内されて被加工物に照射されるレーザ光は、広がり角をもつ光束となる。
したがって従来、液柱を用いたレーザ加工方法を利用して、レーザ光を透過させる結晶性材料の内部に焦点を形成し、それによって結晶性材料の内部を割断可能な状態に改質させようとすることは、全く考えられていなかった。
しかるに本発明は、液柱を用いたレーザ加工方法を利用して、レーザ光を、該レーザ光を透過させる結晶性材料に照射したところ、照射部分を割断可能な状態に改質することができたという知見に基づいてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
すなわち請求項１の発明は、被加工物としての結晶性材料を透過するレーザ光を発振するレーザ発振器を備え、上記レーザ光を結晶性材料の割断予定線に沿って照射して、照射部分を割断可能な状態に改質するようにした結晶性材料の割断方法において、
液体を上記結晶性材料に向けて液柱状に噴射する加工ヘッドと、この加工ヘッドに高圧の液体を供給する液体供給手段と、上記レーザ発振器から発振されたレーザ光を上記液柱内に導入するレーザ導入手段とを設け、液柱状で噴射された液体を結晶性材料の割断予定線に沿って相対移動させながら、レーザ光を上記液柱状に噴射した液体内に通過させて結晶性材料まで案内させて照射させることにより、照射部分を割断可能な状態に改質することを特徴とするものである。
また請求項７の発明は、被加工物としての結晶性材料を支持する加工テーブルと、上記結晶性材料を透過するパルスレーザ光を発振するレーザ発振器と、上記結晶性材料に対して上記レーザ光の照射位置を相対移動させる移動手段とを備えた結晶性材料の割断装置において、
液体を上記結晶性材料に向けて液柱状に噴射する加工ヘッドと、この加工ヘッドに高圧の液体を供給する液体供給手段と、上記レーザ発振器から発振されたレーザ光を上記液柱内に導入するレーザ導入手段とを設け、
また上記レーザ発振器を、パルス幅１０〜１００ｎｓ、ピークパワー密度３０〜１２０ＭＷ／ｃｍ２、４６０ｎｍ以下の波長を有するパルスレーザ光を発振するレーザ発振器とし、さらに上記加工ヘッドを、上記液柱の直径を１００μｍ以下として結晶性材料に噴射する加工ヘッドとして、上記レーザ光によって結晶性材料を上記割断予定線に沿って割断可能な状態に改質させることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００６】
上述した本願発明によれば、液柱状で噴射された液体を結晶性材料の割断予定線に沿って相対移動させながら、レーザ光を上記液柱状に噴射した液体内に通過させて被加工物まで案内させて照射させることにより、結晶性材料の内部に焦点を合わせるという作業を要することなく、照射部分を割断可能な状態に改質することができる。
したがって、従来のように薄い結晶性材料の内部に高精度に焦点を合わせる必要がないので、作業性が遥かに向上するという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下本発明の実施例について図面に基づいて説明すると、図１はレーザ加工装置１を示し、液体の噴射により形成した液柱Ｗにレーザ光Ｌを導光することで、被加工物としての結晶性材料２を所要の形状に割断することができるようになっている。
このレーザ加工装置１は、上記結晶性材料２を支持する加工テーブル３と、レーザ光ＬをＱスイッチパルス発振するＹＡＧレーザ発振器４と、高圧の液体を供給する液体供給手段５と、結晶性材料２に向けて液体を液柱Ｗとして噴射するとともに、レーザ光Ｌを上記液柱Ｗに導光する加工ヘッド６とを備え、これらは制御手段７によって制御されるようになっている。
【０００８】
上記レーザ加工装置１は、レーザ発振器４と加工ヘッド６との間に、レーザ光Ｌを加工ヘッド６に向けて反射させる反射ミラー８と、レーザ光Ｌを集光する集光レンズ９とを備えており、集光レンズ９によって集光されたレーザ光Ｌは、加工ヘッド６内の通路を通過して上記液柱Ｗ内に導入されるようになっている。
本実施例ではこれら反射ミラー８と集光レンズ９とによって、レーザ発振器４から発振されたレーザ光Ｌを上記液柱Ｗ内に導入するレーザ導入手段１０を構成してある。そして液柱Ｗ内に導入されたレーザ光Ｌは、液柱Ｗと外部の空気との境界面によって全反射されながらその内部を案内されながら透過して結晶性材料２に照射されるようになる。
【０００９】
上記加工ヘッド６は、上下方向に中空部が貫通して形成された筒状のハウジング１１と、該ハウジング１１における中空部の下部に設けられた噴射ノズル１２と、ハウジング１１の中空部の上部に設けられた透明な透過部材１３とを備えている。
上記ハウジング１１の中空部は上記集光レンズ９によって集光されたレーザ光Ｌの光路上に形成されており、上記噴射ノズル１２および透過部材１３はこの光路上に設けられている。
上記噴射ノズル１２はハウジング１１の下端部に形成された凹部内にシールリングを介して嵌合し、かつハウジング１１の下方から固定部材１４によって押圧保持されている。
【００１０】
上記透過部材１３はレーザ光Ｌを透過させる透明なガラス製で、上記噴射ノズル１２と集光レンズ９との間に位置し、上記ハウジング１１との間にシールリングを介在させて液密を保った状態で保持されている。この透過部材１３は、中空状のナット部材１５によってハウジング１１に固定されている。
上記噴射ノズル１２と透過部材１３との間に形成された空間には上記液体供給手段５が接続された液体通路１６が形成され、液体供給手段５から高圧の液体が供給されるようになっている。
そして、噴射ノズル１２の中央には液体を噴射する噴射孔１２ａが形成され、上記固定部材１４の中央には噴射ノズル１２の噴射孔１２ａよりも大径の貫通孔１４ａが形成されている。
【００１１】
このため、上記液体供給手段５から加工ヘッド６に高圧の液体が供給されると、該液体は液体通路１６を流通して上記噴射ノズル１２の噴射孔１２ａから液柱Ｗとなって噴射され、この液柱Ｗは上記貫通孔１４ａを通過して結晶性材料２に衝突するようになっている。
また、レーザ発振器４からのレーザ光Ｌは上記集光レンズ９により上記噴射孔１２ａより噴射される液柱Ｗの内部に集光されるようになっており、これによりレーザ光Ｌは上記液柱Ｗを導光路として案内されて結晶性材料２に照射されるようになる。
【００１２】
次に、上記加工テーブル３はＸ方向移動機構１７上に設けられて水平面におけるＸ方向に移動可能となっている。このＸ方向移動機構１７はＹ方向移動機構１８上に設けられて水平面における上記Ｘ方向と直交するＹ方向に移動可能となっている。これらＸ方向移動機構１７とＹ方向移動機構１８は上記制御装置７によって作動を制御されるようになっている。
そして、制御装置７によって上記両移動機構１７、１８が所要量だけＸ−Ｙ方向に移動されると、加工テーブル３上の結晶性材料２と加工ヘッド６とがＸ−Ｙ方向に相対移動されるようになっている。本実施例においては、上記Ｘ方向移動機構１７とＹ方向移動機構１８とによって、加工ヘッド６と加工テーブル３とを水平面において相対移動させる移動手段２１を構成している。
【００１３】
本実施例においては、上記ＹＡＧレーザ発振器４は、Ｑスイッチ付き半導体レーザ励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザ発振器であって、波長３５５ｎｍの第３高調波を発振することができ、パルス周波数などの発振条件を変更することができるようになっている。上記レーザ発振器４としては、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＹＬＦでもよい。
また、結晶性材料２としてはＬＥＤ用の基板となるサファイアを用いている。上記ＹＡＧレーザ光の３５５ｎｍという波長はサファイアに対して透明な波長であるが、液柱Ｗを介してレーザ光Ｌをサファイアに照射すると、多光子吸収を生じさせて割断に適した改質部を形成することができる。サファイア以外の結晶性材料としては、窒化ガリウムや結晶性シリコンなどが挙げられる。
なお、上記レーザ発振器４の波長は、結晶性材料２に対して透明な波長であればよく、サファイアの場合には４６０ｎｍ以下であればよい。
【００１４】
さらに上記液体供給手段は、上記サファイアの屈折率１．７９よりも小さな屈折率１．３４を有する水を高圧で供給するようにしてあり、また上記噴射ノズル１２の噴射孔１２ａは、液柱Ｗの直径が１００μｍ以下となるようにして、高圧の液体を結晶性材料２に噴射することができるようになっている。
実験によれば、上記液柱Ｗの直径が小さければ、より効果的にレーザ光Ｌを集中させることができ、液柱Ｗの直径が大きくなるとレーザ光を集中させる部位が広がって結晶性材料２の厚さ方向に深くなる傾向があり、割断に適した改質部を形成するためには高出力が必要となるからである。
【００１５】
以上の構成を有するレーザ加工装置１による結晶性材料２の割断工程を説明する。
先ず、ＹＡＧレーザ発振器４からのレーザ光Ｌの発振を停止させた状態で、かつ液体供給手段５からの高圧水の供給を停止させた状態において、被加工物としての結晶性材料２を加工テーブル３上に載置固定する。
この後、制御装置７によって移動手段２１の両移動機構１７、１８が作動されて、加工テーブル３が水平面におけるＸ−Ｙ方向に所要量だけ移動されて、加工ヘッド６の下方に結晶性材料２の加工開始位置が位置決めされる。
この後、制御装置７は、液体供給手段５を作動させて加工ヘッド６へ高圧水を供給し、加工ヘッド６から液柱Ｗに形成された高圧水を結晶性材料２の加工開始位置へ噴射させる。その後、制御装置７はレーザ発振器４からレーザ光Ｌを発振させ、レーザ発振器４から発振されたレーザ光Ｌを加工ヘッド６から液柱Ｗ内を透過して結晶性材料２の加工開始位置に照射させる。
【００１６】
上記液柱Ｗ内を透過するレーザ光Ｌは、屈折率１．３４を有する水と屈折率１．０を有する空気との間における屈折率の差から、液柱Ｗとその外部の空気との境界面によって全反射され、その全反射により液柱Ｗの外部に放射されることなく、該液柱Ｗにより結晶性材料２に向けて案内されるようになる。このとき、液柱Ｗはレーザ光の導波路として機能し、案内されるレーザ光は広がり角をもつようになる。
上記レーザ光Ｌが結晶性材料２の内面に到達すると、該結晶性材料２は波長３５５ｎｍのレーザ光Ｌに対しては透明であるので、レーザ光Ｌは結晶性材料２内に進入するが、その際、結晶性材料２としてのサファイアの屈折率１．７９は水の屈折率１．３４に対して大きいので、レーザ光Ｌは大きな入射角に対して小さな入射角（透過角）となるように屈折して結晶性材料２内に入射されるようになる。
結晶性材料２内に入射されたレーザ光Ｌは、その一部により多光子吸収を起こし、照射部分を割断可能な状態に改質することができた。
【００１７】
上述したように液柱Ｗ内を通過させてレーザ光Ｌを結晶性材料２に照射させると、上記制御装置７は移動手段２１の両移動機構１７、１８を介して加工ヘッド６と加工テーブル３とを相対移動させる。
この際の相対移動速度は、液柱Ｗの直径をＤ、レーザ光Ｌのパルス繰り返し周波数をＦとしたときに、Ｄ＊Ｆ以下とすることが好ましく、これによってレーザ光Ｌによって形成される改質部を相対移動方向に連続して形成することができる。但し、０．０００２Ｄ＊Ｆ以下では加工速度が遅くなりすぎるので、上記相対移動速度は（０．０００２〜１）Ｄ・Ｆの範囲が好ましい。
このように、液柱Ｗ内のレーザ光Ｌの照射位置を結晶性材料２の割断予定線上を順次なぞるように相対移動させることにより、結晶性材料２の内部に割断予定線に沿って割断可能な改質部が形成されるようになる。
そして改質部を割断予定線に沿って連続して形成しておくと、後工程において弱い曲げ応力で簡単に結晶性材料２を割断することができる。
【００１８】
本発明における具体的な実験例は、次の通りである。
サファイア２の厚さ：１００μｍ
液柱Ｗの直径：１００μｍ
レーザ光Ｌの波長：３５５ｎｍ
レーザ光Ｌのパルス幅：１０ｎｓ
上述の条件で、１パルス当たりのパルスエネルギーを変えて照射したところ、２５〜１００μＪの範囲でサファイア２の裏側（レーザ光の照射側とは反対側）に良好な改質部を形成することができた。レーザ光のピークパワー密度になおすと、３０〜１２０ＭＷ／ｃｍ２の範囲となる。
上記パルスエネルギーを２５μＪより小さくすると改質部が形成されなかった。また１００μＪより大きくするとサファイア２の表面にスクライプ溝が発生した。さらにパルスエネルギを大きくしてもサファイア２の表面に改質部を形成することができるが、改質部の境界が粗くなり、割断面の精度が悪くなるので望ましくない。
【００１９】
上記実験例からパルス幅を１００ｎｓに変えるとともに、１パルス当たりのパルスエネルギを変えて照射したところ、やはり２５〜１００μＪの範囲で良好な改質部を形成することができた。
なお、パルス幅を１０ｎｓより短くするとサファイアの表面にスクライブ溝が形成され、逆にパルス幅が１００ｎｓよりも長いと改質部が形成されなかった。
上記改質部は、レーザ光Ｌの光軸方向でみると結晶性材料２の裏側またはそれよりも内部に形成されるようになり、出力を上げると厚さ方向上側に長く伸びて形成することができた。また、液柱Ｗの径により改質部の形成位置を深さ方向に変えることができた。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施例を示す断面図。
【符号の説明】
【００２１】
１  レーザ加工装置            ２  被加工物（サファイア）
３  加工テーブル              ４  レーザ発振器
５  液体供給装置              ６  加工ヘッド
７  制御手段                  ９  集光レンズ
１０  レーザ導入手段          １２  噴射ノズル
１２ａ  噴射孔                １３  透過部材
２１  移動手段                Ｌ  レーザ光
Ｗ  液柱
【図１】
2009241119.tif 000003