JP2002205180A

JP2002205180A - レーザ加工方法

Info

Publication number: JP2002205180A
Application number: JP2001278663A
Authority: JP
Inventors: Fumitsugu Fukuyo; 文嗣福世; Kenji Fukumitsu; 憲志福満; Naoki Uchiyama; 直己内山; Toshimitsu Wakuta; 敏光和久田
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2000-09-13
Filing date: 2001-09-13
Publication date: 2002-07-23
Anticipated expiration: 2021-09-13
Also published as: JP3626442B2

Abstract

(57)【要約】【課題】加工対象物の表面に溶融や切断予定ラインか
ら外れた割れが生じることなく、かつ精密に加工対象物
を切断することができるレーザ加工方法を提供するこ
と。【解決手段】多光子吸収を起こさせる条件でかつ加工
対象物１の内部に集光点を合わせて、パルスレーザ光L
を切断予定ライン５に照射することにより、加工対象物
１の内部に改質領域を形成している。改質領域を起点と
して切断予定ライン５に沿って加工対象物１を割ること
により、比較的小さな力で加工対象物１を切断すること
ができる。レーザ光Lの照射において、加工対象物１の
表面３ではパルスレーザ光Lがほとんど吸収されないの
で、改質領域形成が原因で表面３が溶融することはな
い。加工対象物１の入射方向におけるレーザ光Lの集光
点の位置を変えることにより、複数の改質領域を加工対
象物１の厚み方向に沿って並ぶように形成している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体材料基板、
圧電材料基板やガラス基板等の加工対象物の切断に使用
されるレーザ加工方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ応用の一つに切断があり、レーザ
による一般的な切断は次の通りである。例えば半導体ウ
ェハやガラス基板のような加工対象物の切断する箇所
に、加工対象物が吸収する波長のレーザ光を照射し、レ
ーザ光の吸収により切断する箇所において加工対象物の
表面から裏面に向けて加熱溶融を進行させて加工対象物
を切断する。しかし、この方法では加工対象物の表面の
うち切断する箇所となる領域周辺も溶融される。よっ
て、加工対象物が半導体ウェハの場合、半導体ウェハの
表面に形成された半導体素子のうち、上記領域付近に位
置する半導体素子が溶融する恐れがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】加工対象物の表面の溶
融を防止する方法として、例えば、特開２０００-２１
９５２８号公報や特開２０００-１５４６７号公報に開
示されたレーザによる切断方法がある。これらの公報の
切断方法では、加工対象物の切断する箇所をレーザ光に
より加熱し、そして加工対象物を冷却することにより、
加工対象物の切断する箇所に熱衝撃を生じさせて加工対
象物を切断する。

【０００４】しかし、これらの公報の切断方法では、加
工対象物に生じる熱衝撃が大きいと、加工対象物の表面
に、切断予定ラインから外れた割れやレーザ照射してい
ない先の箇所までの割れ等の不必要な割れが発生するこ
とがある。よって、これらの切断方法では精密切断をす
ることができない。特に、加工対象物が半導体ウェハ、
液晶表示装置が形成されたガラス基板や電極パターンが
形成されたガラス基板の場合、この不必要な割れにより
半導体チップ、液晶表示装置や電極パターンが損傷する
ことがある。また、これらの切断方法では平均入力エネ
ルギーが大きいので、半導体チップ等に与える熱的ダメ
ージも大きい。

【０００５】本発明の目的は、加工対象物の表面に不必
要な割れを発生させることなくかつその表面が溶融しな
いレーザ加工方法を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係るレーザ加工
方法は、レーザ光の集光点を加工対象物の内部に合わせ
て加工対象物にレーザ光を照射することにより、加工対
象物の切断予定ラインに沿って加工対象物の内部に多光
子吸収による改質領域を形成し、かつ、加工対象物に照
射されるレーザ光の加工対象物への入射方向におけるレ
ーザ光の集光点の位置を変えることにより、改質領域を
入射方向に沿って並ぶように複数形成する工程を備え
る、ことを特徴とする。

【０００７】本発明に係るレーザ加工方法によれば、加
工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射しか
つ多光子吸収という現象を利用することにより、加工対
象物の内部に改質領域を形成している。加工対象物の切
断する箇所に何らかの起点があると、加工対象物を比較
的小さな力で割って切断することができる。本発明に係
るレーザ加工方法によれば、改質領域を起点として切断
予定ラインに沿って加工対象物が割れることにより、加
工対象物を切断することができる。よって、比較的小さ
な力で加工対象物を切断することができるので、加工対
象物の表面に切断予定ラインから外れた不必要な割れを
発生させることなく加工対象物の切断が可能となる。な
お、集光点とはレーザ光が集光した箇所のことである。
切断予定ラインは加工対象物の表面や内部に実際に引か
れた線でもよいし、仮想の線でもよい。

【０００８】また、本発明に係るレーザ加工方法によれ
ば、加工対象物の内部に局所的に多光子吸収を発生させ
て改質領域を形成している。よって、加工対象物の表面
ではレーザ光がほとんど吸収されないので、加工対象物
の表面が溶融することはない。

【０００９】また、本発明に係るレーザ加工方法によれ
ば、加工対象物に照射されるレーザ光の加工対象物への
入射方向におけるレーザ光の集光点の位置を変えること
により、改質領域を入射方向に沿って並ぶように複数形
成している。このため、加工対象物を切断する際に起点
となる箇所を増やすことができる。なお、入射方向とし
ては、例えば加工対象物の厚み方向や厚み方向に直交す
る方向がある。

【００１０】本発明に係るレーザ加工方法は、レーザ光
の集光点を加工対象物の内部に合わせて加工対象物にレ
ーザ光を照射することにより、加工対象物の切断予定ラ
インに沿って加工対象物の内部に改質領域を形成し、か
つ、加工対象物に照射されるレーザ光の加工対象物への
入射方向におけるレーザ光の集光点の位置を変えること
により、改質領域を入射方向に沿って並ぶように複数形
成する工程を備える、ことを特徴とする。また、本発明
に係るレーザ加工方法は、レーザ光の集光点におけるピ
ークパワー密度が１×１０⁸（W/cm²）以上であってパル
ス幅が１μs以下の条件で、レーザ光の集光点を加工対
象物の内部に合わせて加工対象物にレーザ光を照射する
ことにより、加工対象物の切断予定ラインに沿って加工
対象物の内部に改質領域を形成し、かつ、加工対象物に
照射されるレーザ光の加工対象物への入射方向における
レーザ光の集光点の位置を変えることにより、改質領域
を入射方向に沿って並ぶように複数形成する工程を備え
る、ことを特徴とする。

【００１１】これらの本発明に係るレーザ加工方法は、
上記本発明に係るレーザ加工方法と同様の理由により、
加工対象物の表面に不必要な割れを発生させることなく
かつその表面が溶融しないレーザ加工ができかつ加工対
象物を切断する際に起点となる箇所を増やすことができ
る。但し、改質領域の形成は多光子吸収が原因の場合も
あるし、他の原因の場合もある。

【００１２】本発明に係るレーザ加工方法には以下の態
様がある。

【００１３】複数の改質領域は、加工対象物に照射され
るレーザ光が入射する加工対象物の入射面に対して遠い
方から順に形成する、ようにすることができる。これに
よれば、入射面とレーザ光の集光点との間に改質領域が
ない状態で複数の改質領域を形成できる。よって、レー
ザ光が既に形成された改質領域により散乱されることは
ないので、各改質領域を均一に形成することができる。

【００１４】なお、改質領域は、加工対象物の内部にお
いてクラックが発生した領域であるクラック領域、内部
において溶融処理した領域である溶融処理領域及び内部
において屈折率が変化した領域である屈折率変化領域の
うち少なくともいずれか一つを含む。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態に
ついて図面を用いて説明する。本実施形態に係るレーザ
加工方法は、多光子吸収により改質領域を形成してい
る。多光子吸収はレーザ光の強度を非常に大きくした場
合に発生する現象である。まず、多光子吸収について簡
単に説明する。

【００１６】材料の吸収のバンドギャップE_Gよりも光子
のエネルギーhνが小さいと光学的に透明となる。よっ
て、材料に吸収が生じる条件はhν＞E_Gである。しか
し、光学的に透明でも、レーザ光の強度を非常に大きく
するとnhν＞E_Gの条件（n＝２，３，４，・・・であ
る）で材料に吸収が生じる。この現象を多光子吸収とい
う。パルス波の場合、レーザ光の強度はレーザ光の集光
点のピークパワー密度（W/cm²）で決まり、例えばピー
クパワー密度が１×１０⁸（W/cm²）以上の条件で多光子
吸収が生じる。ピークパワー密度は、（集光点における
レーザ光の１パルス当たりのエネルギー）÷（レーザ光
のビームスポット断面積×パルス幅）により求められ
る。また、連続波の場合、レーザ光の強度はレーザ光の
集光点の電界強度（W/cm²）で決まる。

【００１７】このような多光子吸収を利用する本実施形
態に係るレーザ加工の原理について図１〜図６を用いて
説明する。図１はレーザ加工中の加工対象物１の平面図
であり、図２は図１に示す加工対象物１のII−II線に沿
った断面図であり、図３はレーザ加工後の加工対象物１
の平面図であり、図４は図３に示す加工対象物１のIV−
IV線に沿った断面図であり、図５は図３に示す加工対象
物１のV−V線に沿った断面図であり、図６は切断された
加工対象物１の平面図である。

【００１８】図１及び図２に示すように、加工対象物１
の表面３には切断予定ライン５がある。切断予定ライン
５は直線状に延びた仮想線である。本実施形態に係るレ
ーザ加工は、多光子吸収が生じる条件で加工対象物１の
内部に集光点Pを合わせてレーザ光Lを加工対象物１に照
射して改質領域７を形成する。なお、集光点とはレーザ
光Lが集光した箇所のことである。

【００１９】レーザ光Lを切断予定ライン５に沿って
（すなわち矢印A方向に沿って）相対的に移動させるこ
とにより、集光点Pを切断予定ライン５に沿って移動さ
せる。これにより、図３〜図５に示すように改質領域７
が切断予定ライン５に沿って加工対象物１の内部にのみ
形成される。本実施形態に係るレーザ加工方法は、加工
対象物１がレーザ光Lを吸収することにより加工対象物
１を発熱させて改質領域７を形成するのではない。加工
対象物１にレーザ光Lを透過させ加工対象物１の内部に
多光子吸収を発生させて改質領域７を形成している。よ
って、加工対象物１の表面３ではレーザ光Lがほとんど
吸収されないので、加工対象物１の表面３が溶融するこ
とはない。

【００２０】加工対象物１の切断において、切断する箇
所に起点があると加工対象物１はその起点から割れるの
で、図６に示すように比較的小さな力で加工対象物１を
切断することができる。よって、加工対象物１の表面３
に不必要な割れを発生させることなく加工対象物１の切
断が可能となる。

【００２１】なお、改質領域を起点とした加工対象物の
切断は、次の二通りが考えられる。一つは、改質領域形
成後、加工対象物に人為的な力が印加されることによ
り、改質領域を起点として加工対象物が割れ、加工対象
物が切断される場合である。これは、例えば加工対象物
の厚みが大きい場合の切断である。人為的な力が印加さ
れるとは、例えば、加工対象物の切断予定ラインに沿っ
て加工対象物に曲げ応力やせん断応力を加えたり、加工
対象物に温度差を与えることにより熱応力を発生させた
りすることである。他の一つは、改質領域を形成するこ
とにより、改質領域を起点として加工対象物の断面方向
（厚さ方向）に向かって自然に割れ、結果的に加工対象
物が切断される場合である。これは、例えば加工対象物
の厚みが小さい場合、改質領域が１つでも可能であり、
加工対象物の厚みが大きい場合、厚さ方向に複数の改質
領域を形成することで可能となる。なお、この自然に割
れる場合も、切断する箇所の表面上において、改質領域
が形成されていない部分まで割れが先走ることがなく、
改質部を形成した部分のみを割断することができるの
で、割断を制御よくすることができる。近年、シリコン
ウェハ等の半導体ウェハの厚さは薄くなる傾向にあるの
で、このような制御性のよい割断方法は大変有効であ
る。

【００２２】さて、本実施形態において多光子吸収によ
り形成される改質領域として、次の（１）〜（３）があ
る。

【００２３】（１）改質領域が一つ又は複数のクラック
を含むクラック領域の場合レーザ光を加工対象物（例えばガラスやLiTaO₃からなる
圧電材料）の内部に集光点を合わせて、集光点における
電界強度が１×１０⁸（W/cm²）以上でかつパルス幅が１
μs以下の条件で照射する。このパルス幅の大きさは、
多光子吸収を生じさせつつ加工対象物表面に余計なダメ
ージを与えずに、加工対象物の内部にのみクラック領域
を形成できる条件である。これにより、加工対象物の内
部には多光子吸収による光学的損傷という現象が発生す
る。この光学的損傷により加工対象物の内部に熱ひずみ
が誘起され、これにより加工対象物の内部にクラック領
域が形成される。電界強度の上限値としては、例えば１
×１０¹²（W/cm²）である。パルス幅は例えば１ns〜２
００nsが好ましい。なお、多光子吸収によるクラック領
域の形成は、例えば、第４５回レーザ熱加工研究会論文
集（１９９８年．１２月）の第２３頁〜第２８頁の「固
体レーザー高調波によるガラス基板の内部マーキング」
に記載されている。

【００２４】本発明者は、電界強度とクラックの大きさ
との関係を実験により求めた。実験条件は次ぎの通りで
ある。（A）加工対象物：パイレックスガラス（厚さ７００μ
m）（B）レーザ光源：半導体レーザ励起Nd:YAGレーザ波長：１０６４nm レーザ光スポット断面積：３．１４×１０^-8cm² 発振形態：Qスイッチパルス繰り返し周波数：１００kHz パルス幅：３０ns 出力：出力＜１mJ／パルスレーザ光品質：TEM₀₀ 偏光特性：直線偏光（C）集光用レンズレーザ光波長に対する透過率：６０パーセント（D）加工対象物が載置される載置台の移動速度：１０
０mm／秒なお、レーザ光品質がTEM₀₀とは、集光性が高くレーザ
光の波長程度まで集光可能を意味する。

【００２５】図７は上記実験の結果を示すグラフであ
る。横軸はピークパワー密度であり、レーザ光がパルス
レーザ光なので電界強度はピークパワー密度で表され
る。縦軸は１パルスのレーザ光により加工対象物の内部
に形成されたクラック部分（クラックスポット）の大き
さを示している。クラックスポットが集まりクラック領
域となる。クラックスポットの大きさは、クラックスポ
ットの形状のうち最大の長さとなる部分の大きさであ
る。グラフ中の黒丸で示すデータは集光用レンズ（C）
の倍率が１００倍、開口数（NA）が０．８０の場合であ
る。一方、グラフ中の白丸で示すデータは集光用レンズ
（C）の倍率が５０倍、開口数（NA）が０．５５の場合
である。ピークパワー密度が１０¹¹（W/cm²）程度から
加工対象物の内部にクラックスポットが発生し、ピーク
パワー密度が大きくなるに従いクラックスポットも大き
くなることが分かる。

【００２６】次に、本実施形態に係るレーザ加工におい
て、クラック領域形成による加工対象物の切断のメカニ
ズムについて図８〜図１１を用いて説明する。図８に示
すように、多光子吸収が生じる条件で加工対象物１の内
部に集光点Pを合わせてレーザ光Lを加工対象物１に照射
して切断予定ラインに沿って内部にクラック領域９を形
成する。クラック領域９は一つ又は複数のクラックを含
む領域である。図９に示すようにクラック領域９を起点
としてクラックがさらに成長し、図１０に示すようにク
ラックが加工対象物１の表面３と裏面２１に到達し、図
１１に示すように加工対象物１が割れることにより加工
対象物１が切断される。加工対象物の表面と裏面に到達
するクラックは自然に成長する場合もあるし、加工対象
物に力が印加されることにより成長する場合もある。

【００２７】（２）改質領域が溶融処理領域の場合レーザ光を加工対象物（例えばシリコンのような半導体
材料）の内部に集光点を合わせて、集光点における電界
強度が１×１０⁸（W/cm²）以上でかつパルス幅が１μs
以下の条件で照射する。これにより加工対象物の内部は
多光子吸収によって局所的に加熱される。この加熱によ
り加工対象物の内部に溶融処理領域が形成される。溶融
処理領域とは一旦溶融後再固化した領域、溶融状態中の
領域及び溶融から再固化する状態中の領域のうち少なく
ともいずれか一つを意味する。また、溶融処理領域は相
変化した領域や結晶構造が変化した領域ということもで
きる。また、溶融処理領域とは単結晶構造、非晶質構
造、多結晶構造において、ある構造が別の構造に変化し
た領域ということもできる。つまり、例えば、単結晶構
造から非晶質構造に変化した領域、単結晶構造から多結
晶構造に変化した領域、単結晶構造から非晶質構造及び
多結晶構造を含む構造に変化した領域を意味する。加工
対象物がシリコン単結晶構造の場合、溶融処理領域は例
えば非晶質シリコン構造である。なお、電界強度の上限
値としては、例えば１×１０¹²（W/cm²）である。パル
ス幅は例えば１ns〜２００nsが好ましい。

【００２８】本発明者は、シリコンウェハの内部で溶融
処理領域が形成されることを実験により確認した。実験
条件は次ぎの通りである。

【００２９】（A）加工対象物：シリコンウェハ（厚さ
３５０μm、外径４インチ）（B）レーザ光源：半導体レーザ励起Nd:YAGレーザ波長：１０６４nm レーザ光スポット断面積：３．１４×１０^-8cm² 発振形態：Qスイッチパルス繰り返し周波数：１００kHz パルス幅：３０ns 出力：２０μJ／パルスレーザ光品質：TEM₀₀ 偏光特性：直線偏光（C）集光用レンズ倍率：５０倍 NA：０．５５レーザ光波長に対する透過率：６０パーセント（D）加工対象物が載置される載置台の移動速度：１０
０mm／秒

【００３０】図１２は上記条件でのレーザ加工により切
断されたシリコンウェハの一部における断面の写真を表
した図である。シリコンウェハ１１の内部に溶融処理領
域１３が形成されている。なお、上記条件により形成さ
れた溶融処理領域の厚さ方向の大きさは１００μm程度
である。

【００３１】溶融処理領域１３が多光子吸収により形成
されたことを説明する。図１３は、レーザ光の波長とシ
リコン基板の内部の透過率との関係を示すグラフであ
る。ただし、シリコン基板の表面側と裏面側それぞれの
反射成分を除去し、内部のみの透過率を示している。シ
リコン基板の厚みtが５０μm、１００μm、２００μm、
５００μm、１０００μmの各々について上記関係を示し
た。

【００３２】例えば、Nd:YAGレーザの波長である１０６
４nmにおいて、シリコン基板の厚みが５００μm以下の
場合、シリコン基板の内部ではレーザ光が８０％以上透
過することが分かる。図１２に示すシリコンウェハ１１
の厚さは３５０μmであるので、多光子吸収による溶融
処理領域はシリコンウェハの中心付近、つまり表面から
１７５μmの部分に形成される。この場合の透過率は、
厚さ２００μmのシリコンウェハを参考にすると、９０
％以上なので、レーザ光がシリコンウェハ１１の内部で
吸収されるのは僅かであり、ほとんどが透過する。この
ことは、シリコンウェハ１１の内部でレーザ光が吸収さ
れて、溶融処理領域がシリコンウェハ１１の内部に形成
（つまりレーザ光による通常の加熱で溶融処理領域が形
成）されたものではなく、溶融処理領域が多光子吸収に
より形成されたことを意味する。多光子吸収による溶融
処理領域の形成は、例えば、溶接学会全国大会講演概要
第６６集（２０００年４月）の第７２頁〜第７３頁の
「ピコ秒パルスレーザによるシリコンの加工特性評価」
に記載されている。

【００３３】なお、シリコンウェハは、溶融処理領域を
起点として断面方向に向かって割れを発生させ、その割
れがシリコンウェハの表面と裏面に到達することによ
り、結果的に切断される。シリコンウェハの表面と裏面
に到達するこの割れは自然に成長する場合もあるし、加
工対象物に力が印加されることにより成長する場合もあ
る。なお、溶融処理領域からシリコンウェハの表面と裏
面に割れが自然に成長するのは、一旦溶融後再固化した
状態となった領域から割れが成長する場合、溶融状態の
領域から割れが成長する場合及び溶融から再固化する状
態の領域から割れが成長する場合のうち少なくともいず
れか一つである。いずれの場合も切断後の切断面は図１
２に示すように内部にのみ溶融処理領域が形成される。
加工対象物の内部に溶融処理領域を形成する場合、割断
時、切断予定ラインから外れた不必要な割れが生じにく
いので、割断制御が容易となる。

【００３４】（３）改質領域が屈折率変化領域の場合レーザ光を加工対象物（例えばガラス）の内部に集光点
を合わせて、集光点における電界強度が１×１０⁸（W/c
m²）以上でかつパルス幅が１ns以下の条件で照射する。
パルス幅を極めて短くして、多光子吸収を加工対象物の
内部に起こさせると、多光子吸収によるエネルギーが熱
エネルギーに転化せずに、加工対象物の内部にはイオン
価数変化、結晶化又は分極配向等の永続的な構造変化が
誘起されて屈折率変化領域が形成される。電界強度の上
限値としては、例えば１×１０¹²（W/cm²）である。パ
ルス幅は例えば１ns以下が好ましく、１ps以下がさらに
好ましい。多光子吸収による屈折率変化領域の形成は、
例えば、第４２回レーザ熱加工研究会論文集（１９９７
年．１１月）の第１０５頁〜第１１１頁の「フェムト秒
レーザー照射によるガラス内部への光誘起構造形成」に
記載されている。

【００３５】以上のように本実施形態によれば、改質領
域を多光子吸収により形成している。そして、本実施形
態は加工対象物に照射されるレーザ光の加工対象物への
入射方向におけるレーザ光の集光点の位置を変えること
により、改質領域を入射方向に沿って並ぶように複数形
成している。

【００３６】複数の改質領域形成についてクラック領域
を例に説明する。図１４は、本実施形態に係るレーザ加
工方法を用いて加工対象物１の内部に二つのクラック領
域９が形成された加工対象物１の斜視図である。

【００３７】二つクラック領域９形成方法について簡単
に説明する。まず、パルスレーザ光Lの集光点を加工対
象物１の内部の裏面２１付近に合わし、切断予定ライン
５に沿って集光点を移動させながら加工対象物１にパル
スレーザ光Lを照射する。これにより、クラック領域９
（９A）が切断予定ライン５に沿って加工対象物１の内
部の裏面２１付近に形成される。次に、パルスレーザ光
Lの集光点を加工対象物１の内部の表面３付近に合わ
し、切断予定ライン５に沿って集光点を移動させながら
加工対象物１にパルスレーザ光Lを照射する。この照射
により、クラック領域９（９B）が切断予定ライン５に
沿って加工対象物１の内部の表面３付近に形成される。

【００３８】そして、図１５に示すように、クラック領
域９A,９Bからクラック９１が自然に成長する。詳しく
はクラック９１が、クラック領域９Aから裏面２１方
向、クラック領域９A（９B）からクラック領域９B（９
A）方向、クラック領域９Bから表面３方向にそれぞれ自
然に成長する。これにより、切断予定ライン５に沿った
加工対象物１の面、すなわち切断面となる面において、
加工対象物１の厚み方向に長く延びたクラック９を形成
することができる。よって、比較的小さな力を人為的に
印加するだけ又は印加することなく自然に加工対象物１
を切断予定ライン５に沿って切断することができる。

【００３９】以上のように本実施形態によれば複数のク
ラック領域９を形成することにより加工対象物１を切断
する際の起点となる箇所を増やしている。従って、本実
施形態によれば加工対象物１の厚みが比較的大きい場合
や加工対象物１の材質がクラック領域９形成後のクラッ
ク９１が成長しにくい場合等においても、加工対象物１
の切断が可能となる。

【００４０】なお、二つのクラック領域９だけでは切断
が困難な場合、三つ以上のクラック領域９を形成する。
例えば、図１６に示すように、クラック領域９Aとクラ
ック領域９Bとの間にクラック領域９Cを形成する。ま
た、レーザ光の入射方向ならば図１７に示すように加工
対象物１の厚み方向と直交する方向にも切断することが
できる。

【００４１】本実施形態において、複数のクラック領域
９は、パルスレーザ光Lが入射する加工対象物の入射面
（例えば表面３）に対して遠い方から順に形成するのが
好ましい。例えば図１４において、先にクラック領域９
Aを形成し、その後にクラック領域９Bを形成する。入射
面に対して近い方から順にクラック領域９を形成する
と、後に形成されるクラック領域９形成時に照射される
パルスレーザ光Lが先に形成されたクラック領域９によ
り散乱される。これにより、後に形成されるクラック領
域９を構成する１ショットのパルスレーザ光Lで形成さ
れるクラック部分（クラックスポット）の寸法にばらつ
きが生じる。よって、後に形成されるクラック領域９を
均一に形成することができない。これに対して、入射面
に対して遠い方から順にクラック領域９を形成すると上
記散乱が生じないので、後に形成されるクラック領域９
を均一に形成することができる。

【００４２】但し、本実施形態において、複数のクラッ
ク領域９の形成順序は上記に限定されず、加工対象物の
入射面に対して近い方から順に形成してもよいし、また
ランダムに形成してもよい。ランダムに形成とは、例え
ば図１６において、まずクラック領域９Cを形成し、次
にクラック領域９Bを形成し、レーザ光の入射方向を反
対にして最後にクラック領域９Aを形成するのである。

【００４３】なお、複数の改質領域形成について、クラ
ック領域の場合で説明したが、溶融処理領域や屈折率変
化領域でも同様のことが言える。また、パルスレーザ光
について説明したが、連続波レーザ光についても同様の
ことが言える。

【００４４】次に、本実施形態に係るレーザ加工方法に
使用されるレーザ加工装置の一例について説明する。図
１８はこのレーザ加工装置１００の概略構成図である。
レーザ加工装置１００は、レーザ光Lを発生するレーザ
光源１０１と、レーザ光Lの出力やパルス幅等を調節す
るためにレーザ光源１０１を制御するレーザ光源制御部
１０２と、レーザ光Lの反射機能を有しかつレーザ光Lの
光軸の向きを９０°変えるように配置されたダイクロイ
ックミラー１０３と、ダイクロイックミラー１０３で反
射されたレーザ光Lを集光する集光用レンズ１０５と、
集光用レンズ１０５で集光されたレーザ光Lが照射され
る加工対象物１が載置される載置台１０７と、載置台１
０７をX軸方向に移動させるためのX軸ステージ１０９
と、載置台１０７をX軸方向に直交するY軸方向に移動さ
せるためのY軸ステージ１１１と、載置台１０７をX軸及
びY軸方向に直交するZ軸方向に移動させるためのZ軸ス
テージ１１３と、これら三つのステージ１０９,１１１,
１１３の移動を制御するステージ制御部１１５と、を備
える。

【００４５】レーザ光源１０１はパルスレーザ光を発生
するNd:YAGレーザである。レーザ光源１０１に用いるこ
とができるレーザとして、この他、Nd:YVO₄レーザやNd:
YLFレーザやチタンサファイアレーザがある。クラック
領域や溶融処理領域を形成する場合、Nd:YAGレーザ、N
d:YVO₄レーザ、Nd:YLFレーザを用いるのが好適である。
屈折率変化領域を形成する場合、チタンサファイアレー
ザを用いるのが好適である。

【００４６】集光点PのX(Y)軸方向の移動は、加工対象
物１をX(Y)軸ステージ１０９（１１１）によりX(Y)軸方
向に移動させることにより行う。Z軸方向は加工対象物
１の表面３と直交する方向なので、加工対象物１に入射
するレーザ光Lの焦点深度の方向となる。よって、Z軸ス
テージ１１３をZ軸方向に移動させることにより、加工
対象物１の内部にレーザ光Lの集光点Pを合わせることが
できる。つまり、Z軸ステージ１１３により加工対象物
１の厚み方向における集光点Pの位置が調節される。こ
れにより、例えば、集光点Pを加工対象物１の厚み方向
において厚みの半分の位置より入射面（表面３）に近い
位置又は遠い位置に調節したり、厚みの略半分の位置に
調節したりすることができる。なお、集光用レンズ１０
５をZ軸方向に移動させることによっても、これらの調
節やレーザ光の集光点を加工対象物の内部に合わせるこ
とができる。

【００４７】ここで、Z軸ステージによる加工対象物の
厚み方向における集光点Pの位置の調節について図１９
及び図２０を用いて説明する。本実施形態では加工対象
物の厚み方向におけるレーザ光の集光点の位置を、加工
対象物の表面（入射面）を基準として加工対象物の内部
の所望の位置に調節している。図１９はレーザ光Lの集
光点Pが加工対象物１の表面３に位置している状態を示
している。図２０に示すように、Z軸ステージを集光用
レンズ１０５に向けてz移動させると、集光点Pは表面３
から加工対象物１の内部に移動する。集光点Pの加工対
象物１の内部における移動量はNzである（Nはレーザ光L
に対する加工対象物１の屈折率である）。よって、レー
ザ光Lに対する加工対象物１の屈折率を考慮してZ軸ステ
ージを移動させることにより、加工対象物１の厚み方向
における集光点Pの位置を制御することができる。つま
り、集光点Pの加工対象物１の厚み方向における所望の
位置を表面３から加工対象物１の内部までの距離（Nz）
とする。この距離（Nz）を上記屈折率（N）で除するこ
とにより得られた移動量（z）だけ、加工対象物１を厚
み方向に移動させる。これにより、上記所望の位置に集
光点Pを合わせることができる。

【００４８】レーザ加工装置１００はさらに、載置台１
０７に載置された加工対象物１を可視光線により照明す
るために可視光線を発生する観察用光源１１７と、ダイ
クロイックミラー１０３及び集光用レンズ１０５と同じ
光軸上に配置された可視光用のビームスプリッタ１１９
と、を備える。ビームスプリッタ１１９と集光用レンズ
１０５との間にダイクロイックミラー１０３が配置され
ている。ビームスプリッタ１１９は、可視光線の約半分
を反射し残りの半分を透過する機能を有しかつ可視光線
の光軸の向きを９０°変えるように配置されている。観
察用光源１１７から発生した可視光線はビームスプリッ
タ１１９で約半分が反射され、この反射された可視光線
がダイクロイックミラー１０３及び集光用レンズ１０５
を透過し、加工対象物１の切断予定ライン５等を含む表
面３を照明する。

【００４９】レーザ加工装置１００はさらに、ビームス
プリッタ１１９、ダイクロイックミラー１０３及び集光
用レンズ１０５と同じ光軸上に配置された撮像素子１２
１及び結像レンズ１２３を備える。撮像素子１２１とし
ては例えばCCD(charge-coupled device)カメラがある。
切断予定ライン５等を含む表面３を照明した可視光線の
反射光は、集光用レンズ１０５、ダイクロイックミラー
１０３、ビームスプリッタ１１９を透過し、結像レンズ
１２３で結像されて撮像素子１２１で撮像され、撮像デ
ータとなる。

【００５０】レーザ加工装置１００はさらに、撮像素子
１２１から出力された撮像データが入力される撮像デー
タ処理部１２５と、レーザ加工装置１００全体を制御す
る全体制御部１２７と、モニタ１２９と、を備える。撮
像データ処理部１２５は、撮像データを基にして観察用
光源１１７で発生した可視光の焦点が表面３上に合わせ
るための焦点データを演算する。この焦点データを基に
してステージ制御部１１５がZ軸ステージ１１３を移動
制御することにより、可視光の焦点が表面３に合うよう
にする。よって、撮像データ処理部１２５はオートフォ
ーカスユニットとして機能する。可視光の焦点が表面３
に位置するZ軸ステージ１１３の位置において、レーザ
光Lの集光点Pも表面３に位置するようにレーザ加工装置
１は調整されている。また、撮像データ処理部１２５
は、撮像データを基にして表面３の拡大画像等の画像デ
ータを演算する。この画像データは全体制御部１２７に
送られ、全体制御部で各種処理がなされ、モニタ１２９
に送られる。これにより、モニタ１２９に拡大画像等が
表示される。

【００５１】全体制御部１２７には、ステージ制御部１
１５からのデータ、撮像データ処理部１２５からの画像
データ等が入力し、これらのデータも基にしてレーザ光
源制御部１０２、観察用光源１１７及びステージ制御部
１１５を制御することにより、レーザ加工装置１００全
体を制御する。よって、全体制御部１２７はコンピュー
タユニットとして機能する。また、全体制御部１２７
は、図１９及び図２０で説明した移動量（z）のデータ
が入力され、記憶される。

【００５２】次に、図１８及び図２１を用いて、本実施
形態に係るレーザ加工方法を説明する。図２１は、この
レーザ加工方法を説明するためのフローチャートであ
る。加工対象物１はシリコンウェハである。

【００５３】まず、加工対象物１の光吸収特性を図示し
ない分光光度計等により測定する。この測定結果に基づ
いて、加工対象物１に対して透明な波長又は吸収の少な
い波長のレーザ光Lを発生するレーザ光源１０１を選定
する（S１０１）。次に、加工対象物１の厚さを測定す
る。厚さの測定結果及び加工対象物１の屈折率を基にし
て、加工対象物１のZ軸方向の移動量（z）を決定する
（S１０３）。これは、レーザ光Lの集光点Pが加工対象
物１の内部に位置させるために、加工対象物１の表面３
に位置するレーザ光Lの集光点を基準とした加工対象物
１のZ軸方向の移動量である。つまり、加工対象物１の
厚み方向における集光点Pの位置が決定される。集光点P
の位置は加工対象物１の厚さ、材質等を考慮して決定す
る。本実施形態では加工対象物１の内部の裏面付近に集
光点Pを位置させるための第１移動量のデータと表面３
付近に集光点Pを位置させるための第２移動量のデータ
が使用される。最初に形成する溶融処理領域は第１移動
量のデータを用いて形成される。次に形成する溶融処理
領域は第２移動量のデータを用いて形成される。これら
の移動量のデータは全体制御部１２７に入力される。

【００５４】加工対象物１をレーザ加工装置１００の載
置台１０７に載置する。そして、観察用光源１１７から
可視光を発生させて加工対象物１を照明する（S１０
５）。照明された切断予定ライン５を含む加工対象物１
の表面３を撮像素子１２１により撮像する。この撮像デ
ータは撮像データ処理部１２５に送られる。この撮像デ
ータに基づいて撮像データ処理部１２５は観察用光源１
１７の可視光の焦点が表面３に位置するような焦点デー
タを演算する（S１０７）。

【００５５】この焦点データはステージ制御部１１５に
送られる。ステージ制御部１１５は、この焦点データを
基にしてZ軸ステージ１１３をZ軸方向の移動させる（S
１０９）。これにより、観察用光源１１７の可視光の焦
点が表面３に位置する。Z軸ステージ１１３のこの位置
において、パルスレーザ光Lの集光点Pは表面３に位置す
ることになる。なお、撮像データ処理部１２５は撮像デ
ータに基づいて、切断予定ライン５を含む加工対象物１
の表面３の拡大画像データを演算する。この拡大画像デ
ータは全体制御部１２７を介してモニタ１２９に送ら
れ、これによりモニタ１２９に切断予定ライン５付近の
拡大画像が表示される。

【００５６】全体制御部１２７には予めステップS１０
３で決定された第１移動量のデータが入力されており、
この移動量のデータがステージ制御部１１５に送られ
る。ステージ制御部１１５はこの移動量のデータに基づ
いて、レーザ光Lの集光点Pが加工対象物１の内部となる
位置に、Z軸ステージ１１３により加工対象物１をZ軸方
向に移動させる（S１１１）。この内部の位置は加工対
象物１の裏面付近である。

【００５７】次に、レーザ光源１０１からレーザ光Lを
発生させて、レーザ光Lを加工対象物１の表面３の切断
予定ライン５に照射する。レーザ光Lの集光点Pは加工対
象物１の内部に位置しているので、溶融処理領域は加工
対象物１の内部にのみ形成される。そして、切断予定ラ
イン５に沿うようにX軸ステージ１０９やY軸ステージ１
１１を移動させて、溶融処理領域を切断予定ライン５に
沿うように加工対象物１の内部に形成する（S１１
３）。溶融処理領域は加工対象物１の内部のうち、裏面
付近に形成される。

【００５８】次に、ステップS１１１と同様にして第２
移動量のデータに基づいて、レーザ光Lの集光点Pが加工
対象物１の内部の表面３付近となる位置に、Z軸ステー
ジ１１３により加工対象物１をZ軸方向に移動させる（S
１１５）。そして、ステップS１１３と同様にして加工
対象物１の内部に溶融処理領域を形成する（S１１
７）。このステップでは溶融処理領域が加工対象物１の
内部の表面３付近に形成される。

【００５９】最後に、加工対象物１を切断予定ライン５
に沿って曲げることにより、加工対象物１を切断する
（S１１９）。これにより、加工対象物１をシリコンチ
ップに分割する。

【００６０】本実施形態の効果を説明する。本実施形態
によれば多光子吸収を起こさせる条件でかつ加工対象物
１の内部に集光点Pを合わせて、パルスレーザ光Lを切断
予定ライン５に照射している。そして、X軸ステージ１
０９やY軸ステージ１１１を移動させることにより、集
光点Pを切断予定ライン５に沿って移動させている。こ
れにより、改質領域（例えばクラック領域、溶融処理領
域、屈折率変化領域）を切断予定ライン５に沿うように
加工対象物１の内部に形成している。加工対象物の切断
する箇所に何らかの起点があると、加工対象物を比較的
小さな力で割って切断することができる。よって、改質
領域を起点として切断予定ライン５に沿って加工対象物
１を割ることにより、比較的小さな力で加工対象物１を
切断することができる。これにより、加工対象物１の表
面３に切断予定ライン５から外れた不必要な割れを発生
させることなく加工対象物１を切断することができる。

【００６１】また、本実施形態によれば、加工対象物１
に多光子吸収を起こさせる条件でかつ加工対象物１の内
部に集光点Pを合わせて、パルスレーザ光Lを切断予定ラ
イン５に照射している。よって、パルスレーザ光Lは加
工対象物１を透過し、加工対象物１の表面３ではパルス
レーザ光Lがほとんど吸収されないので、改質領域形成
が原因で表面３が溶融等のダメージを受けることはな
い。

【００６２】以上説明したように本実施形態によれば、
加工対象物１の表面３に切断予定ライン５から外れた不
必要な割れや溶融が生じることなく、加工対象物１を切
断することができる。よって、加工対象物１が例えば半
導体ウェハの場合、半導体チップに切断予定ラインから
外れた不必要な割れや溶融が生じることなく、半導体チ
ップを半導体ウェハから切り出すことができる。表面に
電極パターンが形成されている加工対象物や、圧電素子
ウェハや液晶等の表示装置が形成されたガラス基板のよ
うに表面に電子デバイスが形成されている加工対象物に
ついても同様である。よって、本実施形態によれば、加
工対象物を切断することにより作製される製品（例えば
半導体チップ、圧電デバイスチップ、液晶等の表示装
置）の歩留まりを向上させることができる。

【００６３】また、本実施形態によれば、加工対象物１
の表面３の切断予定ライン５は溶融しないので、切断予
定ライン５の幅（この幅は、例えば半導体ウェハの場
合、半導体チップとなる領域同士の間隔である。）を小
さくできる。これにより、一枚の加工対象物１から作製
される製品の数が増え、製品の生産性を向上させること
ができる。

【００６４】また、本実施形態によれば、加工対象物１
の切断加工にレーザ光を用いるので、ダイヤモンドカッ
タを用いたダイシングよりも複雑な加工が可能となる。
例えば、図２３に示すように切断予定ライン５が複雑な
形状であっても、本実施形態によれば切断加工が可能と
なる。

【００６５】また、本実施形態によれば改質領域を入射
方向に沿って並ぶように複数形成することにより、加工
対象物１を切断する際に起点となる箇所を増やしてい
る。例えば、加工対象物１のレーザ光の入射方向の寸法
が比較的大きい場合や、加工対象物１が改質領域からク
ラックが成長しにくい材質の場合、切断予定ライン５に
沿った改質領域が一本だけでは加工対象物１の切断が困
難である。従って、このような場合、本実施形態のよう
に複数の改質領域を形成することにより、加工対象物１
を容易に切断することができる。

【００６６】

【発明の効果】本発明に係るレーザ加工方法によれば、
加工対象物の表面に溶融や切断予定ラインから外れた割
れが生じることなく、加工対象物を切断することができ
る。よって、加工対象物を切断することにより作製され
る製品（例えば、半導体チップ、圧電デバイスチップ、
液晶等の表示装置）の歩留まりや生産性を向上させるこ
とができる。

【００６７】また、本発明に係るレーザ加工方法によれ
ば、複数の改質領域を形成することにより加工対象物を
切断する際の起点となる箇所を増やしている。従って、
加工対象物の厚みが比較的大きい場合等においても、加
工対象物の切断が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態に係るレーザ加工方法によってレー
ザ加工中の加工対象物の平面図である。

【図２】図１に示す加工対象物のII−II線に沿った断面
図である。

【図３】本実施形態に係るレーザ加工方法によるレーザ
加工後の加工対象物の平面図である。

【図４】図３に示す加工対象物のIV−IV線に沿った断面
図である。

【図５】図３に示す加工対象物のV−V線に沿った断面図
である。

【図６】本実施形態に係るレーザ加工方法によって切断
された加工対象物の平面図である。

【図７】本実施形態に係るレーザ加工方法における電界
強度とクラックの大きさとの関係を示すグラフである。

【図８】本実施形態に係るレーザ加工方法の第１工程に
おける加工対象物の断面図である。

【図９】本実施形態に係るレーザ加工方法の第２工程に
おける加工対象物の断面図である。

【図１０】本実施形態に係るレーザ加工方法の第３工程
における加工対象物の断面図である。

【図１１】本実施形態に係るレーザ加工方法の第４工程
における加工対象物の断面図である。

【図１２】本実施形態に係るレーザ加工方法により切断
されたシリコンウェハの一部における断面の写真を表し
た図である。

【図１３】本実施形態に係るレーザ加工方法におけるレ
ーザ光の波長とシリコン基板の内部の透過率との関係を
示すグラフである。

【図１４】本実施形態に係るレーザ加工方法を用いて加
工対象物の内部にクラック領域が形成された加工対象物
の一例の斜視図である。

【図１５】図１４に示すクラック領域から延びたクラッ
クが形成された加工対象物の斜視図である。

【図１６】本実施形態に係るレーザ加工方法を用いて加
工対象物の内部にクラック領域が形成された加工対象物
の他の例の斜視図である。

【図１７】本実施形態に係るレーザ加工方法を用いて加
工対象物の内部にクラック領域が形成された加工対象物
のさらに他の例の斜視図である。

【図１８】本実施形態に係るレーザ加工方法に使用でき
るレーザ加工装置の一例の概略構成図である。

【図１９】レーザ光の集光点が加工対象物の表面に位置
している状態を示す図である。

【図２０】レーザ光の集光点が加工対象物の内部に位置
している状態を示す図である。

【図２１】本実施形態に係るレーザ加工方法を説明する
ためのフローチャートである。

【図２２】本実施形態に係るレーザ加工方法により切断
可能なパターンを説明するための加工対象物の平面図で
ある。

【符号の説明】１・・・加工対象物、３・・・表面、５・・・切断予定
ライン、７・・・改質領域、９,９A,９B,９C・・・クラ
ック領域、１１・・・シリコンウェハ、１３・・・溶融
処理領域、１００・・・レーザ加工装置、１０１・・・
レーザ光源、１０５・・・集光用レンズ、１０９・・・
X軸ステージ、１１１・・・Y軸ステージ、１１３・・・
Z軸ステージ、P・・・集光点

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０３Ｆ 7/20 ５０５Ｇ０３Ｆ 7/20 ５０５ // Ｈ０１Ｌ 21/301 Ｂ２３Ｋ 101:40 Ｂ２３Ｋ 101:40 Ｈ０１Ｌ 21/78 Ｂ (72)発明者内山直己静岡県浜松市市野町1126番地の１浜松ホトニクス株式会社内 (72)発明者和久田敏光静岡県浜松市市野町1126番地の１浜松ホトニクス株式会社内Ｆターム(参考） 2H097 AA03 BA01 BB01 CA17 LA10 LA20 3C069 AA03 BA08 CA05 CA11 EA02 4E068 AE01 CA02 CA03 DA10 DA11 4G015 FA06 FB01 FB02 FC14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光の集光点を加工対象物の内部に
合わせて前記加工対象物にレーザ光を照射することによ
り、前記加工対象物の切断予定ラインに沿って前記加工
対象物の内部に多光子吸収による改質領域を形成し、か
つ、前記加工対象物に照射されるレーザ光の前記加工対象物
への入射方向におけるレーザ光の集光点の位置を変える
ことにより、前記改質領域を前記入射方向に沿って並ぶ
ように複数形成する工程を備える、レーザ加工方法。
【請求項２】レーザ光の集光点を加工対象物の内部に
合わせて前記加工対象物にレーザ光を照射することによ
り、前記加工対象物の切断予定ラインに沿って前記加工
対象物の内部に改質領域を形成し、かつ、前記加工対象物に照射されるレーザ光の前記加工対象物
への入射方向におけるレーザ光の集光点の位置を変える
ことにより、前記改質領域を前記入射方向に沿って並ぶ
ように複数形成する工程を備える、レーザ加工方法。
【請求項３】レーザ光の集光点におけるピークパワー
密度が１×１０⁸（W/cm²）以上であってパルス幅が１μ
s以下の条件で、レーザ光の集光点を加工対象物の内部
に合わせて前記加工対象物にレーザ光を照射することに
より、前記加工対象物の切断予定ラインに沿って前記加
工対象物の内部に改質領域を形成し、かつ、前記加工対象物に照射されるレーザ光の前記加工対象物
への入射方向におけるレーザ光の集光点の位置を変える
ことにより、前記改質領域を前記入射方向に沿って並ぶ
ように複数形成する工程を備える、レーザ加工方法。
【請求項４】前記複数の改質領域は、前記加工対象物
に照射されるレーザ光が入射する前記加工対象物の入射
面に対して遠い方から順に形成する、請求項１〜３のい
ずれかに記載のレーザ加工方法。
【請求項５】前記改質領域は、前記加工対象物の前記
内部においてクラックが発生した領域であるクラック領
域、前記内部において溶融処理した領域である溶融処理
領域及び前記内部において屈折率が変化した領域である
屈折率変化領域のうち少なくともいずれか一つを含む、
請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ加工方法。