ガラス基板のレーザ割断加工における応力分布逐次観察法の開発
広島大学大学院 工学研究科教授 山田 啓司（平成 28 年度 一般研究開発助成 AF-2016215）
キーワード：レーザ割断，光弾性，熱応力

１．研究の目的と背景レーザを熱源とした熱応力割断加工（以下，レーザ割断

２．実験方法2・1

レーザ割断加工の原理加工と呼ぶ）は，レーザ照射点周りの熱応力を利用して初

図１には，レーザ割断加工の基本原理を示している．硬期き裂を進展させ，所望の形状に硬脆材料基板を分断する

脆材料基板にレーザ光を照射，一定速度で走査するとレー方法である．レーザ割断加工は，カーフロスが小さく，基ザスポットと共に周囲の熱応力分布も一定速度で移動す板の汚染がなく，高速加工が可能である等，原理上の利点

る．この応力分布は，スポット中心付近では熱膨張のためを持ち，薄刃砥石による切断加工に置換されれば生産性へに圧縮応力場となっており，その周囲には円周方向の引張

１）の貢献は大きい ．

応力場を形成している．基板に導入した初期欠陥上を通過

上記の加工原理によれば，基板にき裂を進展させ続けるするようにレーザスポットを走査すれば，円周方向の引張に十分な熱応力を継続的に生じさせることが求められる．

応力によってき裂は開口してスポット中心に向かって進このために，レーザ照射と同時に基板の一部を冷却したり展する．固体中を進展するき裂の速度は，音速に近いとい2）等の対策を講じて熱応力を高めたり，われていることから，レーザスポット走査速度よりもはる

割断は初期欠陥の導入のみに限定的に利用し，外力をかけかに高く，進展したき裂はスポットに追いついてしまう．

，与圧を付するて基板を割断する

3）4）等の後工程が追加されている．

ただし，スポット中心部の圧縮応力場に妨げられるため，さらに，加工原理によれば，基板中を進展するき裂を制スポットを追い越して進展することはない．したがって，御して精度の高い加工を実現するためには，基板に生ずるき裂はレーザスポットの後方を追従して間欠的に進展す熱応力分布を制御しなければならないが，基板端面近くをることとなり，曲線状に走査すれば硬脆基板を曲線状に割切り落とすトリミング加工において生ずる応力分布の不断することができ，端部に近い箇所を割断すればトリミン均衡 5）のため，精度の低下が起こり，現在も課題となってグ（切り落とし）加工が可能となる．

いる．

き裂を進展させるためには，き裂先端における応力拡大

このため，レーザ割断中のき裂周辺に注目して応力分布係数が基板材料の破壊靭性値に達する必要がある．たとえを理論解析した研究事例は多い 6）．応力分布を発生させる

ば，図 2 には，シリコンウエハを割断加工した際の AE 信

温度を得るためにはレーザ光吸収率推定値を必要とする号（上段），レーザスポット中心温度（中段），応力拡大係が，照射部温度の上昇に伴って，この吸収率が変動するこ数（下段）の変化を示している 7）．レーザ照射開始からとが正確な温度場を計算することを困難にしている．このため，温度場を乱さない非接触な方法を用いて，照射部温度を測定することで吸収率の温度依存性を考慮し，応力分布を理論解析した研究事例もある 7）．しかしながら，いずれの理論的解析手法においても，事前に最適な加工条件を予測することは可能であるが，加工中に生じる予期しない外乱によって誘発される応力分布の乱れに対しては有効ではなく，加工中に随時加工条件を制御するなどすることで加工誤差を修正して加工品質を維持することはできない．
そこで，本研究においては，ガラス基板を対象としたレーザ割断加工において，加工中に応力分布をリアルタイム観測する実験システム開発するとともに実験手法を確立し，これを適用してガラス基板の割断加工の精度向上に資することを目的とする．
図 1 レーザ熱応力割断加工の原理

スポット温度は急速に上昇し，これに伴って応力拡大係数

る KIC=0.6MPam1/2 によく一致しており，前述の機構が妥当KI も上昇していることが分かる．そして，この条件下では，なものであることがわかる．したがって，レーザ加熱が不照射開始から 1.1ms 後，スポット温度が 396℃に達したと十分で熱応力が低い場合にはき裂先端の応力拡大係数もきに AE 波が観察され，き裂が進展している．このときの低く，き裂は進展しない．一方，レーザ出力が過大である

き裂先端の応力拡大係数は，Si ウエハの破壊靭性値であと照射部は溶融してしまい，再凝固時に不規則な微小き裂を生じさせる 8）．これら微小き裂は割断部のチッピング

Output of AE sen sor V

は，加工後の基板強度信頼性を低下させてしまう．したがって，加工品質としてはき裂の進展直線性のほかにも，微1小き裂，熱影響部（HAZ: Heat Affected Zone）がしばし0ば評価項目となる．
2・2P=567W
=3.0ms
L =1.0mm–1–210
Temperatu re at centerof laser spot ℃（欠け落ち）の原因となるほか，割断部に残存した場合にCrack propagation

T=1.1ms

6002Time msする手段として，本研究では光弾性観察法を採用した．図33 には，実験装置の平面偏光器の基本構成を示している．
光源 S から発せられた光のベクトル

T=1.1ms板を透過する．基板透過時に光弾性現象によって偏光を生じると，透過光の強度は次式のようになる．

396 ℃
20021Time0ms

23T=1.1ms

0.5x=0.112 mm
x=0.168 mm
001Time2ms

KC=0.6 MPa・m

K1 MPa・m12(1)ここで，φは X 軸から任意の傾き角θを与えた偏光軸1/201/2が，偏光軸が互いに直交している偏光子 ， ，およびガラス基Max temperature
596 ℃

400

光弾性観察実験装置の概略

基板中に発生している応力分布をインプロセスで貸し

3P1 と主応力方向σ１がなす角（図 3 右），δ は光弾性現象による相対的位相差を示す．式(1)から，
び，δ

2 π0， ⁄2およ0,1,2, ⋯ にて強度はゼロとなり暗黒点を生じ，この点を結ぶと等傾線が得られる．等傾線観察では任意に設定したθ方向に主応力方向が一致する点にて暗黒点が生じ，暗線を形成するので，基板上の任意点における主応力（σ1，σ2）の方向が観察できる．また，図示した装置に一対の 1/4 波長板を追加して円偏光器とすれば，等色線が得られる．等色線は主応力差（σ1-σ2）の等しい点を

図 2 レーザ割断加工中のき裂先端における応力拡大係数（Si ウエハ，Nd:YAG レーザ）7)

図 3 レーザ割断加工における光弾性観察の概略結んでおり，最大せん断応力（2τ max=σ1-σ2）分布を観察できる．

本研究では，偏光器内におかれたガラス基板に CO2 レ３．実験結果

ーザ光を照射し，き裂を進展させるため基板は一定速度の3・1送りを与えられて割断加工実験を行っている．ガラス基板

前述のように，き裂先端における応力拡大係数 KI が基（t =1.2mm）の端部には，1mm 長の初期欠陥を導入してお板材料の破壊靭性値 KIC に達した際にき裂が開口，進展すり，同欠陥を含むパス上をレーザスポットが所定の速度 Vることが割断加工の基本機構である．しかしながら，レーで走査される．実験は表 1 に示す照射条件下で実施した．

ザ走査パスに対して非対称な応力分布が生ずると，き裂先レーザ割断加工中の主応力方向の分布は，種々の角度

端には開口以外の変形モード（II:面内せん断，III:面外（偏光子の偏光軸と X 軸とのなす角）における等傾線からせん断）が起こり，き裂が走査パスから逸脱したり，き裂得る．図 4(a)に示す画像は， =0°における実験で撮影さ面のねじれ（割断面の倒れ）が生じてしまう 6,9)．

割断加工面品位と主応力方向分布れたものであり，同図から等傾線を抽出した結果が図

本研究では，基板下端に導入した初期欠陥から円弧状に0， ⁄2）で割断加工を行い，主応力方向分布と割断品位との関係を調4(b)である．等傾線上の各点は暗黒点（あるから，主応力方向が に一致していると同定できる．

べた（図 5）．走査パスの曲率半径：ρ=21.9mm，割断部の長したがって，偏光子を回転させて角度を変化させて同様

さ:L=40mm，走査速度:V=100mm/min の条件下で加工を行い，の作業を繰り返せば，種々の方向の主応力が生じている点

このとき，パス中央部では，パスは基板の下端から 13mm分布が明らかとなり，主応力方向分布図が得られる．

離れていることとなる．
図 6 には，レーザスポットが走査パスの中央部に達した時点での主応力方向分布図（図 6(a)）と，スポットが基板下端から照射開始した直後の分布図（図 6(b)）を示している．図中には，破線でスポット走査パスも記載しており，丸印はスポット中心位置，▲がき裂先端を表している．図6(a)からわかるように，パス中央部では，き裂先端におけ

表 1 レーザ照射条件る主応力方向はレーザ走査パスと直角をなしており，き裂パルス周波数（Hz）20が開口されてレーザ走査線に沿う方向へ進展するよう主平均出力（W）

4.2応力が作用していることがわかる．この結果，き裂は走査スポットサイズ(mm)3×2パスに追従して進展した．しかし，図 6(b)に示した基板下端の近傍では，き裂先端の主応力方向はレーザ走査線に対して斜めに傾いており，応力分布に非対称性が生じている．これは，基板の下端が自由境界であるために熱流が制限されること，材料の熱膨張が拘束されていないことが原因であると考えられる．
3・2

レーザ走査速度の主応力分布への影響

一方，図 7 には走査パス中央部の割断面を詳細に観察し(a) 撮影画像
図 4 光弾性観察結果の一例

図 5 曲線割断加工実験概略(b) 等傾線た結果を示している．上述のように走査パス中央部ではパスに沿ってき裂は進展した．しかしながら，割断面にはねじれ（割断面の倒れ）が観察された．割断面のねじれとは，(a) パス中央部(b) 自由端近傍
図 6 曲線割断加工における主応力方向分布

模式図（図 7(a)）に示すように，基板のレーザ照射面側と裏面（非加熱面側）とでき裂の進展位置が異なる状態である．詳細な観察から，この”割断面倒れ”は裏面において距離 d を図中に記載した．
主応力方向の分布をみると，高走査速度（V=100mm/min）においても，き裂先端における主応力方向は大きくは乱れき裂進展が外側にずれることで生じていることが確認さていない．しかしながら，走査速度 V が高くなるほど，きれた．図 7 (b)に示すように，基板表裏のき裂進展位置の裂先端―スポット中心間距離 d は増大し，V=50mm/min

ずれΔを調査すると，レーザ走査速度が V=50mm/min と低では d=1.74mm であるのに対し，V=100mm/min ではいときにはΔ=0.23mm と進展位置のずれが小さいのに対d=3.60mm と倍以上に拡がった．前述したように，レーザして，走査速度が V=50mm/min と高くなるとずれは Δが照射される時間内に，き裂先端は間欠的に進展するが，=0.54mm と大きく割断面のねじれが顕著となった．

本研究条件下の観察においては，レーザスポット走査速度

そこで，異なる走査速度下における同一位置の主応力方

とき裂先端―スポット中心間距離 d の間には相関を見出向の分布図を比較検討した結果を図 8 に示す．レーザスポした．き裂を進展させるのはレーザスポットを中心としたット走査速度 V =50，100mm/min の 2 条件下の割断加工

周方向引張応力であるが，高速度では主応力線が楕円形と時の同一位置における主応力方向の分布図を示している．

なってしまい，き裂先端を中心に向かって進展させる作用

分布図に重ね，照射面側のき裂先端位置を▲で，スポットが低下したと考えられる．これが原因となってき裂のスポ中心位置を●で示すとともに，き裂先端―スポット中心間ット追従性が悪化し，とくに非照射面では顕著となってズレΔが増大したと考えられる．

４．結言
本研究においては，レーザ割断加工において，加工中に応力分布をリアルタイム観測する実験システムを開発するとともに実験手法を確立し，これを適用してガラス基板の割断加工の精度向上に資することを目的としている．
今回は，CO2 ガスレーザを使用したガラス基板の割断加工における加工精度の向上，加工損傷の抑制を実現する最適条件を探索するとともに，応力分布の実験的解析によって精度低下や損傷増大をもたらす要因について明らかとすべく，非対称な応力分布を生ずることが以前から指摘されている曲線状割断加工を試み，提案手法によって主応力方向分布について検討した．得られた結果を以下にまとめる．

(a) 模式図(b) 割断面の拡大写真
図 7 割断面のねじれ（倒れ）

図 8 主応力方向分布への走査速度の影響

(１)

(２)

基板下端から曲線状割断を開始した直後は，基板

3)C-W. Tsai・B-C. Lin, “Laser cutting withの下端が自由境界であるために熱流が制限され，controlled fracture and pre-bending applied to

さらに熱膨張が拘束されていないために応力分布

LCD glass separation”, International Journalに非対称性が生じ，レーザ走査パスからのき裂進of Advanced Manufacturing Technology,展の乖離が観測された．

V32(2007), pp.1155-1162.

曲線割断において割断面のねじれが観測され，こ4)

M. Kumagai et al., "Advanced Dicing Technology

れは走査速度が高くなるにつれて顕著になること

for Semiconductor Wafer - Stealth Dicing",が確認された．このとき，き裂先端とレーザスポッ

IEEE Transactions on Semiconductor

ト中心との間の距離は拡大し，き裂の走査パスへ

Manufacturing 20(2007), pp.259.の追従性が低下していると考えられる．

5)

C-W. Tsai・C-J. Chen, “Application ofiterative path revision technique for laser

謝 辞

cutting with controlled fracture”, Optics and

本研究は公益財団法人天田財団の一般研究開発助成

Lasers in Engineering, V41,No.1(2004),pp.189204.

(AF-2016215)の支援を受けて行われたものであり，深く感謝の意を表する．レーザ割断実験に際しては，広島大学

6)

今井康文・才本明秀，本村文孝，”移動熱源による大学院工学研究科博士課程前期の福島一樹君ならびに中自由縁近傍の熱応力割断”，日本機械学会論文集（A嶋祐基君の協力を得て実施した．深く感謝の意を表する．

編）V68,No.670(2002), pp.993-998.

また，光弾性実験装置の開発，および光弾性実験結果の解7)

山田啓司・西岡真吾，細川晃，上田隆司，”パルスYAG レーザによる脆性材料の割断加工

析については，金沢大学自然科学研究科岩井智明先生にご─Si ウエハ

割断における熱応力解析─”，精密工学会誌，V69,

指導を賜った．深甚なる感謝の意を表する．

No.1 (2003) , pp.120-124

参考文献1)

8)

YAG レーザによる Si ウエハの割断機構に関する研沖山俊裕，“レーザ割断”，精密工学会誌，V60，究”，精密工学会誌，V67,No.11（2001），pp.1861-No.2（1994），pp.196.
2)

山本幸司・羽坂登・森田英毅・大村悦二，”ガラスのレーザクロススクライブにおける熱応力解析”，
精密工学会誌，V74, No.9(2008), pp.937-943.

山田啓司・大磯桂一・細川晃・上田隆司，”パルス

1865.
9)

本村文孝・今井康文・才本明秀，”レーザ割断における割断面の傾き”，2003 年度精密工学会春季大会
学術講演会講演論文集（2003）, pp.407.