JP2012196711A - レーザ加工方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】この発明に従ったレーザ加工方法は、加工対象材を準備する工程(S10)と、加工対象材にレーザ光を照射することにより、加工対象材に改質領域を形成する工程(S20)とを備える。上記工程(S20)では、連続スペクトルを有するパルス状のレーザ光をレンズで集光することにより、レーザ光の連続スペクトルを形成する所定バンドの複数の焦点により構成される集光線が形成され、当該集光線の少なくとも一部が加工対象材の表面に位置するように、レーザ光を加工対象材に照射し、集光線の軸線上に改質領域を形成する。
【選択図】図1
Description
本発明によるレーザ加工方法では、まず加工対象材準備工程(S10)を実施する。具体的には、レーザ加工を実施する対象である加工対象材としての半導体基板やその他の部材(たとえばサファイア基板)を所定の位置に配置する。たとえば、加工対象材をXY平面方向に移動可能なXYステージ上に固定する。
図12〜図16は、サファイア内部での改質領域の形成メカニズムを説明するための模式図である。
A:(サンプル上面より0.1mm上方の空気中の位置に集光点が存在する場合):サンプルのエピタキシャル層は、領域α間に位置するため損傷する。領域βは空気中にある。
B:(エピタキシャル層上に集光点がある場合):エピタキシャル層は、Aの場合と同様に領域α間にあるため損傷する。領域βは、一部分サファイア基板に達しているが、損傷したエピタキシャル層によりレーザ光は散乱し、領域βでの光パワー密度は大幅に低下する。よって、サファイア基板内部に改質領域は形成されない。
C:(エピタキシャル層より0.1mm下方のサファイア基板内に集光点が存在する場合):エピタキシャル層は、A、Bと同様に領域α間にあるため、損傷する。領域β間は、サファイア基板内部に存在するが、損傷したエピタキシャル層によりレーザ光が散乱するため、Bと同様にサファイア基板内部に改質領域は形成されない。
D:(エピタキシャル層より0.2mm下方のサファイア基板内に集光点が存在する場合):エピタキシャル層は、領域α外であるため、損傷しない。領域βは、サファイア基板内部に存在する。エピタキシャル層は損傷しないため、レーザ光は散乱することなくサファイア基板内部へ入射され、領域β内に改質領域が形成される。
E:(サファイア基板内を通り抜けた空気中に焦点位置がある場合):エピタキシャル層は、領域α外であるため、Dと同様に損傷しない。領域βの一部はサファイア基板内部に存在する。エピタキシャル層は損傷しないため、Dと同様に入射光は領域β内に高いパワー密度を生成し、その領域β内に改質領域が形成される。
本発明によるレーザ加工方法の効果を説明するため、以下のような実験を行なった。なお、以下の実験では、光源として用いるパルス光のパルス幅を180psとした。
本発明によるレーザ加工方法の加工対象材の試料として、厚さが400μmのサファイヤ基板を準備した。なお、当該サファイヤ基板の平面形状は、四角形状であって、縦×横が10mm×10mmである。試料の表面(光沢面12)は鏡面加工を施し、裏面(梨地面13)については梨地加工を施した。
図2に示したMOPA光源から得られるパルスレーザ光を焦点距離が20mmのレンズを用いて集光し、加工対象材としてのサファイヤ基板に照射した。なお、レンズに入射したレーザ光のビーム径は5mmである。そして、サファイヤ基板に入射するレーザ光の集光線の位置が5つの条件になるように、サファイア基板とレンズとの間の距離を変更しながら、当該サファイア基板にレーザ加工を行なった。
図22〜図24を参照して、実験の結果を説明する。図22は、条件2〜条件5における試料のレーザ加工後の側面および光沢面(レーザ照射面)の状態を示す光学顕微鏡写真を示している。つまり、図22では、4つのカラムの左側から順番に条件2〜条件5の試料のレーザ照射部についての光学顕微鏡写真を示している。各カラムの上段の写真はレーザ照射された部分の側面の光学顕微鏡写真であり、下段はレーザ照射面である光沢面の光学顕微鏡写真である。なお、図22の光学顕微鏡写真は、図6に示したX軸の方向から試料の側面(端面)を観察したものである。図22からもわかるように、条件2〜条件3については、レーザ光照射面である光沢面におけるレーザ照射を受けた部分において、レーザ照射を受けた痕跡が確認できるものの、その側面を確認すると、深さ方向には殆ど改質領域は形成されていなかった。
レーザ光の照射条件を変えて、本発明によるレーザ加工方法の効果を確認するための実験を行なった。
上述した実験1において準備した試料と同様の試料(サファイヤ基板)を加工対象材として準備した。
準備したサファイヤ基板に対して、実験1の場合と同様にレーザ加工を行なった。但し、レーザ光の照射条件は基本的には上述した実験1と同様であるが、試料の移動速度が40mm/sとされている点が異なっている。そして、試料とレンズとの間の距離の条件については、上述した実験1における条件1〜条件4と同様の条件について、それぞれレーザ加工の実験を行なった。そして、加工後の試料について、レーザ光を照射した領域の側面およびレーザ照射面(光沢面)について光学顕微鏡による観察を行なった。また、後述するように条件4については改質領域が形成された部分の断面についてSEMにより観察を行なった。
図25〜図28を参照して、条件1〜条件3については、レーザ照射された側の面である光沢面において、レーザ照射の痕跡は認められるものの、厚み方向に深く伸びるような改質領域は殆ど形成されなかった。一方、条件4においては、実験1における条件5の場合と定性的に類似した形態で、裏面側(梨地面側)に改質領域が形成されていた。また、条件4については光沢面側におけるレーザ照射痕は他の条件よりも比較的軽微であった。
本実験ではレーザ発振器に微細加工用パルスファイバーレーザ(住友電気工業社製)を使用した。本レーザ発振器は、図2に示したレーザ装置と同様にMOPA方式であり、高速変調可能な半導体レーザを種光源とし、アンプ器によってパワー増幅することから、パルス幅と繰り返し数を独立して設定することが可能である。当該レーザ発振器の発振中心波長は1060nmであり、パルス繰り返し数とパルス幅を広範囲で選択することができる。コリメータレンズにより出力された直径1.6mmのレーザ光はアイソレータを通過後、ビームエキスパンダによって5倍に拡大され、焦点距離20mmのアクロマティックレンズによってサンプルへ集光した。
Claims (21)
- 加工対象材を準備する工程と、
前記加工対象材にレーザ光を照射することにより、前記加工対象材に改質領域を形成する工程とを備え、
前記改質領域を形成する工程では、連続スペクトルを有するパルス状のレーザ光をレンズで集光することにより、前記レーザ光の前記連続スペクトルを形成する所定バンドの複数の焦点により構成される集光線が形成され、前記集光線の少なくとも一部が前記加工対象材の表面に位置するように、前記レーザ光を前記加工対象材に照射し、前記集光線の軸線上に前記改質領域を形成する、レーザ加工方法。 - 前記改質領域を形成する工程では、前記集光線全体が前記加工対象材の外部に位置するように、前記レーザ光を前記加工対象材に照射する、請求項1に記載のレーザ加工方法。
- 前記改質領域を形成する工程では、前記加工対象材の第1面から前記レーザ光が入射されるとともに、前記加工対象材の厚み方向において前記第1面と反対側に位置する第2面側に前記改質領域が形成される、請求項1または2に記載のレーザ加工方法。
- 前記加工対象材を準備する工程では、前記加工対象材において、前記第1面が鏡面加工され、かつ前記第2面が梨地加工されている、請求項3に記載のレーザ加工方法。
- 前記レーザ光の種光であるパルス光に対するラマン散乱効果を利用して前記連続スペクトルを有するパルス状のレーザ光を発生させている、請求項1〜4のいずれか1項に記載のレーザ加工方法。
- 前記レーザ光の前記連続スペクトルを構成する波長成分のうち最も強度の高い最大ピーク波長の強度に対して、前記連続スペクトルを構成する波長成分のうち前記最大ピーク波長以外の波長成分の強度の合計が10%以上である、請求項1〜5のいずれか1項に記載のレーザ加工方法。
- 前記レーザ光の前記連続スペクトルを構成する波長成分は、前記最大ピーク波長以外の波長成分のうち強度が局所的な極大値を示す1つ以上の局所ピーク波長を含み、
前記最大ピーク波長と、前記1つ以上の局所ピーク波長との差の最大値が100nm以上である、請求項6に記載のレーザ加工方法。 - 加工対象材を準備する工程と、
前記加工対象材にパルス光のレーザ光を照射することにより、前記加工対象材に改質領域を形成する工程とを備え、
前記改質領域を形成する工程では、
50nm以上のスペクトル領域を有する所定のスペクトルバンドのパルス光をレーザ光として集光手段で集光することにより、各パルスショット毎に、前記パルス光に含まれる各スペクトル成分の集光部位が、集光方向の直線上に所定の集光領域として形成され、
前記レーザ光を前記加工対象材に照射することにより、前記直線上に前記集光領域による前記改質領域を前記加工対象材の内部に形成する、レーザ加工方法。 - 加工対象材を準備する工程と、
前記加工対象材にパルス光のレーザ光を照射することにより、前記加工対象材に改質領域を形成する工程とを備え、
前記改質領域を形成する工程では、
50nm以上の連続したスペクトル領域を含む所定のスペクトルバンドのパルス光をレーザ光として集光手段で集光することにより、各パルスショット毎に、前記パルス光に含まれる各スペクトル領域の集光部位が、集光方向に沿って線状に所定の集光領域として形成され、
前記レーザ光を前記加工対象材に照射し、線状の前記集光領域による前記改質領域を前記加工対象材の内部に形成する、レーザ加工方法。 - 前記所定のスペクトルバンドは、50nm以上の連続したスペクトル領域以外の離散的なスペクトル領域を含む、請求項9に記載のレーザ加工方法。
- 前記所定のスペクトルバンドは、連続スペクトル、あるいは複数の離散的なスペクトルを有したスペクトル領域を含む、請求項8または9に記載のレーザ加工方法。
- 前記レーザ光は、CW成分を含む、請求項8〜11のいずれか1項に記載のレーザ加工方法。
- 前記パルス光は、スペクトルの異なるパルス光を個別に発生する複数のパルス光源からの複数のパルス光を同期して合波した単一のパルス光を含んでいる、請求項8〜12のいずれか1項に記載のレーザ加工方法。
- 前記パルス光は、受動ファイバに入力される基本パルス光由来の成分と、前記基本パルス光に対する前記受動ファイバでの誘導ラマン散乱効果を利用して形成された50nm以上のスペクトル幅の連続スペクトル成分とを有する、請求項8〜12のいずれか1項に記載のレーザ加工方法。
- 前記パルス光は、前記連続スペクトル成分を構成するスペクトル成分のうちの前記基本パルス光のスペクトル領域以外のスペクトル成分のパワーが、前記基本パルス光のパワーに対し、10%以上である、請求項14に記載のレーザ加工方法。
- 前記連続スペクトルは、前記基本パルス光のピークスペクトル領域以外の成分のうち、パワーが局所的な極大値を有する局所ピークスペクトルを一つ以上含み、
前記基本パルス光のピークスペクトルと、前記1つ以上の局所ピークスペクトルとの最小離間間隔が100nm以上である、請求項14または15に記載のレーザ加工方法。 - 前記改質領域を形成する工程では、前記レーザ光の前記集光領域の一部、あるいは全体が前記加工対象材の内部に位置するように、前記レーザ光を前記加工対象材に照射する、請求項8〜16のいずれか1項に記載のレーザ加工方法。
- 前記改質領域を形成する工程では、前記加工対象材の第1面から前記レーザ光が入射されるとともに、前記加工対象材の厚み方向において、前記第1面と反対側に位置する第2面に前記集光領域の一部を設定し、前記改質領域が前記第2面から前記加工対象材の内部に亘って形成される、請求項8〜17のいずれか1項に記載のレーザ加工方法。
- 前記加工対象材を準備する工程では、前記第2面の表面粗さRa(JIS規格)が0.1μm以上1.0μm以下となるように、前記第2面が非鏡面加工されている、請求項18に記載のレーザ加工方法。
- 前記加工対象材を準備する工程では、前記加工対象材において、前記第1面が鏡面加工されている、請求項18または19に記載のレーザ加工方法。
- 前記加工対象材を準備する工程では、前記加工対象材において、鏡面加工された前記第1面上にエピタキシャル層が形成される、請求項20に記載のレーザ加工方法。
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