JP2006123004A - レーザ加工方法及びレーザ加工装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 レーザ加工方法及びレーザ加工装置において、半導体材料やセラミックス材料に対する溝切り加工や切断加工において、より高い加工能力の向上を図ること。
【解決手段】 無機物の被加工物に紫外線レーザビームをパルス照射して溝切り加工又は切断加工を行うレーザ加工方法及びレーザ加工装置であって、溝切り加工又は切断加工の加工深さが深いほど又は紫外線レーザビームの走査速度が速いほど、紫外線レーザビームのパルス幅を長く設定する。これにより、平均出力を高める場合に比べて飛躍的に加工能力を高めることができる。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体材料やセラミックス材料等に対し、溝切り加工や切断加工等に好適なレーザ加工方法及びレーザ加工装置に関する。
近年、樹脂基板、金属板、セラミックス板、半導体ウエーハ等の溝切り加工(スクライビング加工)や切断加工等には、高精度な加工が可能な紫外線レーザ等を用いたレーザ加工技術が採用されている。
このレーザ加工技術において、溝切り加工等の加工能力を高めるためには、従来、同一個所にどれだけ多くのレーザビームのパルスを打ち込むかが重要とされていると共に、紫外線レーザビームの平均出力、フルエンス、ピークパワー等を高めることが有効であるとするデータが示されている。
例えば、特許文献1には、インクジェットヘッドの製造において、PZTセラミックス上に形成された金属膜除去のため、同一個所に複数回、ピークパワーの高いレーザを照射する技術が提案されている。この技術では、金属膜を蒸発気化させる際に、ピークパワーが高く、短パルス幅でエネルギー照射を行うことが好ましいとされている。
特開2003−266709号公報(段落番号0028)
上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
上記従来のレーザ加工技術では、例えばシリコン基板等の半導体材料やアルミナ基板等のセラミックス材料に対して溝切り加工や切断加工を行う際に、加工能力を高めるためには平均出力やピークパワーを高める等の対応を行っているが、樹脂材料等の有機物や金属を加工する場合等に比べて加工能力を大きく向上させることが難しかった。
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、半導体材料やセラミックス材料に対する溝切り加工や切断加工において、より高い加工能力の向上を図ることができるレーザ加工方法及びレーザ加工装置を提供することを目的とする。
本発明者らは、半導体材料やセラミックス材料に対するレーザ加工による溝切り加工や切断加工について鋭意研究を進めた結果、平均出力の大小よりもパルス幅に加工能力が大きく依存することを見出した。
本発明は、前記課題を解決するために上記知見に基づいて以下の構成を採用した。すなわち、本発明のレーザ加工方法は、無機物の被加工物に紫外線レーザビームをパルス照射して溝切り加工又は切断加工を行うレーザ加工方法であって、溝切り加工又は切断加工の加工深さが深いほど又は紫外線レーザビームの走査速度が速いほど、紫外線レーザビームのパルス幅を長く設定することを特徴とする。
また、本発明のレーザ加工装置は、無機物の被加工物に紫外線レーザビームをパルス照射して溝切り加工又は切断加工を行うレーザ加工装置であって、紫外線レーザビームを出力するレーザ光源部と、紫外線レーザビームを集光して被加工物に照射する光学系と、紫外線レーザビームを相対的に移動させて被加工物への照射位置を移動させる移動機構と、レーザ光源部、光学系及び移動機構のそれぞれを制御する制御部と、を備え、制御部が、溝切り加工又は切断加工の加工深さが深いほど又は紫外線レーザビームの走査速度が速いほど、紫外線レーザビームのパルス幅を長く設定することを特徴とする。
すなわち、これらのレーザ加工方法及びレーザ加工装置では、加工深さが深いほど又は走査速度が速いほど、紫外線レーザビームのパルス幅を長く設定することにより、平均出力を高める場合に比べて飛躍的に加工能力を高めることができる。
また、本発明のレーザ加工方法は、紫外線レーザビームのパルス幅を15nsec以上とすることを特徴とする。
また、本発明のレーザ加工装置は、制御部が、紫外線レーザビームのパルス幅を15nsec以上に設定することを特徴とする。
すなわち、紫外線レーザビームのパルス幅が15nsec未満であると、十分な加工能力の向上を得ることができないが、本発明のレーザ加工方法及びレーザ加工装置では、紫外線レーザビームのパルス幅を少なくとも15nsec以上に設定することにより、同じ平均出力でも十分な加工能力の向上を図ることができる。
さらに、本発明のレーザ加工方法は、紫外線レーザビームのピークパワー密度を、0.8GW/cm以下とすることを特徴とする。
さらに、本発明のレーザ加工装置は、制御部が、紫外線レーザビームのピークパワー密度を0.8GW/cm以下に設定することを特徴とする。
すなわち、本発明のレーザ加工方法及びレーザ加工装置では、紫外線レーザビームのピークパワー密度を0.8GW/cm以下に設定することにより、著しい切削能の低下を防ぐことができる。
また、本発明のレーザ加工方法は、紫外線レーザビームが、非線形光学結晶の波長変換素子内に基本波レーザビームを入射させて波長変換した高調波レーザビームであることを特徴とする。
また、本発明のレーザ加工装置は、紫外線レーザビームが、非線形光学結晶の波長変換素子内に基本波レーザビームを入射させて波長変換した高調波レーザビームであることを特徴とする。
すなわち、これらのレーザ加工方法及びレーザ加工装置では、波長変換素子による高調波レーザビームを用いるので、小型の装置で高エネルギーの短波長レーザを安定して照射することができる。
また、本発明のレーザ加工方法は、紫外線レーザビームが、固体レーザで発生させたものであり、その波長が、400nm以下であることを特徴とする。
また、本発明のレーザ加工装置は、紫外線レーザビームが、固体レーザで発生させたものであり、その波長が、400nm以下であることを特徴とする。
また、本発明のレーザ加工方法は、非線形光学結晶に、少なくともLiを使用していることを特徴とする。
また、本発明のレーザ加工装置は、非線形光学結晶に、少なくともLiを使用していることを特徴とする。
本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係るレーザ加工方法及びレーザ加工装置によれば、半導体材料やセラミックス材料に対する溝切り加工や切断加工において、加工深さが深いほど又は走査速度が速いほど、紫外線レーザビームのパルス幅を長く設定することにより、平均出力を高める場合に比べて飛躍的に加工能力を高めることができる。したがって、これらの材料でも、高い加工能力により、深い加工を効率的に行うことができると共に、レーザビームの走査速度を高めることが可能になって、加工生産性を大幅に向上させることができる。
以下、本発明に係るレーザ加工方法及びレーザ加工装置の一実施形態を、図1を参照しながら説明する。
本実施形態のレーザ加工方法は、UV(紫外光)レーザ光によりアルミナ基板等の無機物に溝切り加工(スクライビング加工)を行う方法であって、以下の本発明のレーザ加工装置を用いて行う。このレーザ加工装置は、図1に示すように、紫外光(波長266nm)の4倍波レーザビームλを出力するレーザヘッド部(レーザ光源部)1と、4倍波レーザビームλを集光してアルミナ基板等の被加工物2に照射する光学系3と、4倍波レーザビームλを相対的に移動させて被加工物2への照射位置を移動させると共に4倍波レーザビームλの移動方向を変更可能な移動機構4と、レーザヘッド部1、光学系3及び移動機構4のそれぞれを制御する制御部Cと、を備えている。
前記レーザヘッド部1は、波長810nmの励起光を出射する半導体レーザLDと、前記励起光によってポンピングされた波長1064nmの基本波レーザビームλを出射するYAGレーザ5と、基本波レーザビームλを内部で第2高調波である波長532nm(グリーン光)の2倍波レーザビーム(高調波レーザビーム)λに変換して出力する第1の波長変換素子6と、2倍波レーザビームλを内部で第2高調波である波長266nm(紫外光)の4倍波レーザビーム(高調波レーザビーム)λに変換して出力する第2の波長変換素子7と、を備えている。
前記YAGレーザ5は、Nd:YAG結晶5aと、該YAG結晶5aの両端に配された共振器ミラー5bと、を備えている。
前記第1の波長変換素子6は、LBO(LiB)結晶(非線形光学結晶)であり、前記第2の波長変換素子7は、LB4(Li:四ホウ酸リチウム単結晶)結晶(非線形光学結晶)である。
前記第2の波長変換素子7では、非線形結晶の複屈折性により、入力ビームと発生する高調波ビームとが、結晶中でウォークオフ角を持って分かれ、高調波ビームのビームプロファイル(ビーム断面形状)が一方向に扁平する、いわゆるウォークオフ現象が生じる。なお、上記第2の波長変換素子7に用いられるLB4結晶は、化学的安定性や耐レーザ損傷性に優れていると共に、CZ法等により良質の大型結晶を育成することが可能であり、かつ、加工性にも優れており、長尺化が容易である。
前記光学系3は、4倍波レーザビームλの光路を変更するミラー8a、8bと、4倍波レーザビームλのビーム径を広げるエキスパンダレンズ9と、ビーム径が広げられた4倍波レーザビームλを被加工物2表面上に集光して照射する集光レンズ10と、移動機構4により変更された4倍波レーザビームλの移動方向に合わせて前記扁平の方向を一致させるプリズム挿抜機構11と、を備えている。
なお、光学系3を介して被加工物2上に照射される4倍波レーザビームλは、そのビームプロファイルがレーザヘッド部1からの出射直後のものと相似的に一致するようになっている。
前記移動機構4は、ステッピングモータ等を備え被加工物2を取り付け可能なXYステージ機構であり、4倍波レーザビームλの移動方向と前記扁平の方向とが一致するように設定されている。
前記プリズム挿抜機構11は、前記扁平の方向を変更するプリズム(ダヴプリズム)12を4倍波レーザビームλの光路上に挿抜可能な機構であり、プリズム12と該プリズム12を移動させるモータ等の駆動部13とから構成されている。このプリズム挿抜機構11は、溝切り加工の方向を上記X方向に直交するY方向に変更して行う場合に用いるもので、駆動部13を駆動してプリズム12を4倍波レーザビームλの光路上(本実施形態では、ミラー8aとエキスパンダレンズ9との間)に挿入することで、扁平方向が90°回転し、被加工物2上においてY方向に楕円形に扁平した状態で集光される。
この状態で、移動機構4によって、溝切り加工するY方向に被加工物2を相対的に移動させることにより、集光された4倍波レーザビームλがその扁平方向(Y方向)に一致した溝切り加工の方向(Y方向)に移動してY方向においても溝切り加工が行われる。
前記制御部Cは、ICやメモリ等で構成され、予め設定入力される溝切り加工又は切断加工の加工深さが深いほど又は4倍波レーザビームλの走査速度が速いほど、4倍波レーザビームλのパルス幅を長くするようにレーザヘッド部1の制御を行う機能を有する。
さらに、前記制御部Cは、4倍波レーザビームλのパルス幅を、15nsec以上とすると共に4倍波レーザビームλのピークパワー密度を、0.8GW/cm以下とするようにレーザヘッド部1、光学系3及び移動機構4のそれぞれを制御する。
次に、上記レーザ加工装置による被加工物2の溝切り加工方法(レーザ加工方法)を、図1を参照して以下に説明する。
まず、レーザヘッド部1において、半導体レーザLDからの励起光をYAGレーザ5に所定のパルス幅でパルス入射して基本波レーザビームλを発生させ、次に該基本波レーザビームλを第1の波長変換素子6に入射することで2倍波レーザビームλに変換し、さらに該2倍波レーザビームλを第2の波長変換素子7に入射することで4倍波レーザビームλに変換して出力させる。この際、第2の波長変換素子7では、ウォークオフ現象により発生した第2高調波ビームのビームプロファイルが一定方向に扁平している。
レーザヘッド部1から出射された4倍波レーザビームλを、エキスパンダレンズ9及び集光レンズ10を介して、最終的に被加工物2上に集光させて照射する。このとき、4倍波レーザビームλは、レーザヘッド部1から出射された際のビームプロファイルの相似形状のまま被加工物2上に集光される。また、制御部Cは、光学系3のエキスパンダレンズ9及び集光レンズ10を調整することで、4倍波レーザビームλのピークパワー密度を、0.8GW/cm以下に設定する。
本実施形態では、上記半導体レーザLDからの励起光をYAGレーザ5にパルス入射して基本波レーザビームλを発生させる際、加工溝の溝深さ及び移動機構4による走査速度に応じて、半導体レーザLDのパルス幅を変えて最終的な照射ビームである4倍波レーザビームλのパルス幅を調整する。すなわち、制御部Cは、レーザヘッド部1を調整することで、予め入力設定される加工溝の溝深さ及び走査速度に応じて、加工溝の溝深さが長いほど又走査速度が速いほど、4倍波レーザビームλのパルス幅を長く設定する。例えば、励起用の半導体レーザLDはCW照射のため励起強度を変えることで、ある程度パルス幅を調整することができる。また、共振器長を変えることで、パルス幅を調整することが可能である。
なお、このとき、パルス幅は、十分な加工能力の向上を得るために、15nsec以上に設定することが好ましい。
このように本実施形態では、加工深さが深いほど又は走査速度が速いほど、4倍波レーザビームλのパルス幅を長く設定することにより、平均出力を高める場合に比べて飛躍的に加工能力を高めることができる。なお、4倍波レーザビームλの平均出力を高めても加工能力の向上が少ないが、それはレーザビーム照射時に被加工物2近傍で発生したプラズマによってシールド効果が生じている等の理由が考えられる。しかしながら、本実施形態では、4倍波レーザビームλのパルス幅を長くすることで、発生したプラズマによる影響を低減し、加工能力を飛躍的に向上させることができると考えられる。
特に、本実施形態では、4倍波レーザビームλのパルス幅を少なくとも15nsec以上に設定すると共にピークパワー密度を0.8GW/cm以下に設定することにより、後述する実施例のデータで示すように、著しい切削能の低下を防ぎ、同じ平均出力でも十分な加工能力の向上を図ることができる。
また、本実施形態では、第1の波長変換素子6及び第2の波長変換素子7による4倍波レーザビームλ(波長266nm)を用いるので、小型の装置で400nm以下の高エネルギー短波長レーザを安定して照射することができる。
本発明に係るレーザ加工において、実際にアルミナ基板に溝切り加工を施した場合の加工能力について調べた。
この実施例では、表1に示すように、走査速度を20、50、100mm/sと変えることにより溝深さを変えて加工を行った。
加工条件としては、パルス幅、周波数及び平均出力をそれぞれ、40nsec、30kHz及び1Wとした実施例(1)と、55nsec、40kHz及び1Wとした実施例(2)と、を調べた。なお、従来の加工条件として、パルス幅、周波数及び平均出力をそれぞれ、10nsec、30kHz及び3Wとした比較例についても調べた。これらの結果を、表1及ぶ図2に示す。なお、トレース回数はいずれも2回に設定している。
Figure 2006123004
表1及び図2に示すように、平均出力が1Wと小さい場合でもパルス幅を40nsecや55nsecと長くした場合、平均出力を3倍に設定した3Wの比較例に対して、走査速度20mm/sで1.5倍以上の加工能力(溝深さ)が得られていることがわかる。
次に、一定の溝深さ(本実施例では50μm)を達成できるレーザビームの走査速度を、総Dose量(パルスエネルギー×パルス重なり度)とパルス幅とに対して調べた結果を、図3に示す。
この図3からわかるように、パルス幅が長いほど走査速度が早くなっていることがわかる。すなわち、パルス幅が長いほど、加工時間を短くすることができ、生産コストを下げることが可能になることがわかる。
次に、総Dose量と加工溝の溝深さとの関係、パルス幅と溝深さとの関係、パルス幅と切削能(1パルス当たりにどれだけ掘れたかを示す目安値)との関係及びピークパワー密度と切削能との関係について、走査速度10mm/s(a)、50mm/s(b)、100mm/s(c)のそれぞれの場合で調べた結果を、図4から図7に示す。なお、これらのグラフを得るため、加工条件は、パルス幅だけでなく、周波数及び平均出力についても種々の値に設定して測定した。なお、トレース回数はいずれも2回に設定している。
図4及び図5に示す総Dose量と溝深さとの関係及びパルス幅と溝深さとの関係から、総Dose量が大きいほど、またパルス幅が長いほど溝深さが大きくなっていることがわかる。また、図6に示すパルス幅と切削能の関係から、切削能が高くなるパルス幅の領域が存在することがわかる。さらに、図7に示すピークパワー密度と切削能との関係から、ピークパワー密度が0.8GW/cmを超えると著しく切削能が低下していることがわかる。
上記パルス幅と溝深さとの関係及びピークパワー密度と切削能との関係から、パルス幅は15nsec以上であると、十分な加工能力の向上が得られ、特に、ピークパワー密度が0.8GW/cm以下であると、良好な切削能により深い加工溝を得ることがわかる。
なお、加工仕上がり(加工溝断面形状、溶融急冷凝固層厚、デブリ等)を考慮すると、パルス幅を長く設定する方が有利である。特に、加工速度を考慮すると、60nsec以上の長いパルス幅、50kHz以上の高繰り返し周波数及び0.6W以上の平均出力に設定することが望ましい。
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記第1の波長変換素子6及び第2の波長変換素子7として用いた非線形光学結晶としては、上記LBOやLB4以外のもの、例えばBBO(β−BaB)、KTP(KTiOPO)、CLBO (CsLiB10)等を用いても構わない。なお、上述したように、上記実施形態のLB4結晶のように長尺化がしやすく、高い変換効率とウォークオフによるビーム変形との両方が得られる結晶が好ましい。また、ウォークオフに伴う効果は得られないが、ウォークオフが発生しない結晶を採用しても構わない。
また、ホスト結晶としてNd:YAG結晶を用いているが、他のホスト結晶、例えばNd:YLF等を採用しても構わない。
さらに、上記実施形態では、4倍波レーザビームλを用いているが、5倍波のレーザビームを採用しても同様の効果を得ることができる。
また、波長266nmの4倍波レーザビームλを用いているが、波長355nm等の波長400nm以下の紫外線レーザビームであれば同様の効果が得られる。
また、上記実施形態では、溝切り加工に適したプリズム挿抜機構11を採用しているが、この機構を搭載していない装置に本発明を適用しても構わない。
また、被加工物2としてアルミナ基板を加工したが、その他の焼結体セラミックス、シリコン及びその他の半導体基板、サファイア及びその他の酸化物単結晶基板等の無機物を被加工物としても構わない。
本発明に係る一実施形態のレーザ加工方法で用いるレーザ加工装置を示す概略的な構成図である。 本発明に係る実施例において、パルス幅及び平均出力を変えた場合の走査速度に対する溝深さを示すグラフである。 本発明に係る実施例において、総Dose量とパルス幅とに対する一定溝深さを加工可能な走査速度を示すグラフである。 本発明に係る実施例において、総Dose量と加工溝の溝深さとの関係について、走査速度10mm/s(a)、50mm/s(b)、100mm/s(c)のそれぞれの場合で調べた結果を示すグラフである。 本発明に係る実施例において、パルス幅と溝深さとの関係について、走査速度10mm/s(a)、50mm/s(b)、100mm/s(c)のそれぞれの場合で調べた結果を示すグラフである。 本発明に係る実施例において、パルス幅と切削能との関係について、走査速度10mm/s(a)、50mm/s(b)、100mm/s(c)のそれぞれの場合で調べた結果を示すグラフである。 本発明に係る実施例において、ピークパワー密度と切削能との関係について、走査速度10mm/s(a)、50mm/s(b)、100mm/s(c)のそれぞれの場合で調べた結果を示すグラフである。
符号の説明
1…レーザヘッド部(レーザ光源部)、2…被加工物、3…光学系、4…移動機構、5…YAGレーザ、6…第1の波長変換素子、7…第2の波長変換素子、11…プリズム挿抜機構、12…プリズム、C…制御部、λ…基本波レーザビーム、λ…2倍波レーザビーム(高調波レーザビーム)、λ…4倍波レーザビーム(高調波レーザビーム)

Claims (12)

  1. 無機物の被加工物に紫外線レーザビームをパルス照射して溝切り加工又は切断加工を行うレーザ加工方法であって、
    前記溝切り加工又は前記切断加工の加工深さが深いほど又は前記紫外線レーザビームの走査速度が速いほど、前記紫外線レーザビームのパルス幅を長く設定することを特徴とするレーザ加工方法。
  2. 前記紫外線レーザビームのパルス幅を、15nsec以上とすることを特徴とする請求項1に記載のレーザ加工方法。
  3. 前記紫外線レーザビームのピークパワー密度を、0.8GW/cm以下とすることを特徴とする請求項2に記載のレーザ加工方法。
  4. 前記紫外線レーザビームが、非線形光学結晶の波長変換素子内に基本波レーザビームを入射させて波長変換した高調波レーザビームであることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
  5. 前記紫外線レーザビームが、固体レーザで発生させたものであり、その波長が、400nm以下であることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
  6. 前記非線形光学結晶に、少なくともLiを使用していることを特徴とする請求項5に記載のレーザ加工方法。
  7. 無機物の被加工物に紫外線レーザビームをパルス照射して溝切り加工又は切断加工を行うレーザ加工装置であって、
    前記紫外線レーザビームを出力するレーザ光源部と、前記紫外線レーザビームを集光して前記被加工物に照射する光学系と、前記紫外線レーザビームを相対的に移動させて前記被加工物への照射位置を移動させる移動機構と、前記レーザ光源部、前記光学系及び前記移動機構のそれぞれを制御する制御部と、を備え、
    前記制御部が、前記溝切り加工又は前記切断加工の加工深さが深いほど又は前記紫外線レーザビームの走査速度が速いほど、前記紫外線レーザビームのパルス幅を長く設定することを特徴とするレーザ加工装置。
  8. 前記制御部が、前記紫外線レーザビームのパルス幅を15nsec以上に設定することを特徴とする請求項7に記載のレーザ加工装置。
  9. 前記制御部が、前記紫外線レーザビームのピークパワー密度を0.8GW/cm以下に設定することを特徴とする請求項8に記載のレーザ加工装置。
  10. 前記紫外線レーザビームが、非線形光学結晶の波長変換素子内に基本波レーザビームを入射させて波長変換した高調波レーザビームであることを特徴とする請求項7から9のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
  11. 前記紫外線レーザビームが、固体レーザで発生させたものであり、その波長が、400nm以下であることを特徴とする請求項7から10のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
  12. 前記非線形光学結晶に、Liを使用していることを特徴とする請求項11に記載のレーザ加工装置。
JP2005274157A 2004-09-27 2005-09-21 レーザ加工方法及びレーザ加工装置 Pending JP2006123004A (ja)

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