特許 5966468 レーザー加工装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5966468

(24)【登録日】2016年7月15日

(45)【発行日】2016年8月10日

(54)【発明の名称】レーザー加工装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/53 20140101AFI20160728BHJP

   B23K 26/38 20140101ALI20160728BHJP

   B23K 26/067 20060101ALI20160728BHJP

   B23K 26/046 20140101ALI20160728BHJP

   B28D 5/00 20060101ALI20160728BHJP

   H01L 21/301 20060101ALN20160728BHJP

【ＦＩ】

   B23K26/53

   B23K26/38 Z

   B23K26/067

   B23K26/046

   B28D5/00 Z

   !H01L21/78 B

【請求項の数】4

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2012-59053(P2012-59053)

(22)【出願日】2012年3月15日

(65)【公開番号】特開2013-193081(P2013-193081A)

(43)【公開日】2013年9月30日

【審査請求日】2014年7月28日

(73)【特許権者】

【識別番号】390000608

【氏名又は名称】三星ダイヤモンド工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088672

【弁理士】

【氏名又は名称】吉竹 英俊

(74)【代理人】

【識別番号】100088845

【弁理士】

【氏名又は名称】有田 貴弘

(72)【発明者】

【氏名】中谷 郁祥

(72)【発明者】

【氏名】岩坪 佑磨

【審査官】 岩瀬 昌治

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−１３８１４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１３０５５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０２４８１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１３１２５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−３３７９０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１０８４７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０５６５４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００３／００２４９０６（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２６／５３

Ｂ２３Ｋ ２６／０４６

Ｂ２３Ｋ ２６／０６７

Ｂ２３Ｋ ２６／３８

Ｂ２８Ｄ ５／００

Ｈ０１Ｌ ２１／３０１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザー光を照射して被加工物を加工するレーザー加工装置であって、
被加工物を固定するステージ部と、
レーザー光源から出射されるパルスレーザー光を照射用レンズから前記ステージ部に固定された前記被加工物に対して照射する光学系と、
を備え、
前記光学系が、前記レーザー光源から出射された一のパルスレーザー光を複数の分岐光路に光学的に分岐させる分岐手段、
を備えており、
前記複数の分岐光路のそれぞれが、前記照射用レンズを共通に含む一方で合成焦点距離が相異なるレンズ群を備えることにより、前記複数の分岐光路を経たうえで前記照射用レンズから前記被照射位置に対し照射される複数のパルスレーザー光の少なくとも一つが非平行光として前記照射用レンズに入射することによって前記複数のパルスレーザー光のそれぞれの焦点位置が異なり、
前記レーザー光源が、前記パルスレーザー光としてパルス幅がｐｓｅｃオーダーの超短パルス光を出射するものであり、
パルスレーザー光を走査しつつ被加工物の被加工面に照射することによって、個々のパルスごとの被照射領域の間で被加工物の劈開もしくは裂開を順次に生じさせるものである、
ことを特徴とするレーザー加工装置。

【請求項2】

請求項１に記載のレーザー加工装置であって、
前記分岐手段が前記一のパルスレーザー光を第１と第２の分岐光路に分岐させるものであり、
前記第１の分岐光路は、前記レンズ群として前記照射用レンズのみを備え、
前記第２の分岐光路は、前記照射用レンズと少なくとも１つの焦点位置調整用レンズとから構成されることにより、前記照射用レンズの焦点距離とは異なる値の前記合成焦点距離を有する前記レンズ群を備え、
前記複数のパルスレーザーのうち前記第１光路を進むものを第１のパルスレーザー光とし、前記複数のパルスレーザーのうち前記第２光路を進むものを第２のパルスレーザー光とするとき、
前記第１のパルスレーザー光は、前記照射用レンズから当該照射用レンズの焦点距離だけ離れた位置が前記焦点位置となるように照射され、
前記第２のパルスレーザー光は、前記第１のパルスレーザー光の前記焦点位置と異なる位置が前記焦点位置となるように照射される、
ことを特徴とするレーザー加工装置。

【請求項3】

請求項２に記載のレーザー加工装置であって、
前記焦点位置調整用レンズが、凹レンズと凸レンズの少なくとも一方を含む、
ことを特徴とするレーザー加工装置。

【請求項4】

請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のレーザー加工装置であって、
前記第１または第２の分岐光路の少なくとも一方の光路長を可変可能な光路長可変手段、
をさらに備えることを特徴とするレーザー加工装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザー光を照射して被加工物を加工するレーザー加工装置に関する。

【背景技術】

【0002】

パルスレーザー光（以下、単にレーザー光とも称する）を照射して被加工物を加工する技術（以下、単にレーザー加工もしくはレーザー加工技術とも称する）として、パルス幅がｐｓｅｃオーダーである超短パルスのレーザー光を走査しつつ被加工物の上面に照射することによって、個々の単位パルス光ごとの被照射領域の間で被加工物の劈開もしくは裂開を順次に生じさせていき、それぞれにおいて形成された劈開面もしくは裂開面の連続面として分割のための起点（分割起点）を形成する手法が既に公知である（例えば、特許文献１参照）。

【0003】

特許文献１においては、サファイアなどの硬脆性かつ光学的に透明な材料からなる基板の上に、ＬＥＤ構造などの発光素子構造を形成した被加工物をチップ（分割素片）単位に分割する場合において、上述の手法が特に有効であるとされている。その理由は、劈開／裂開面に微細な凹凸が形成されることで、当該位置での全反射率が低下し、発光素子における光取り出し効率を向上させることができるからである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１１−１３１２５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

被加工物に分割起点を設ける場合、一般に、分割起点を深く形成するほど、その後の分割が容易である。しかしながら、特許文献１に開示されている手法の場合、劈開／裂開が生じるのは被加工物の表面近傍のみであるために、被加工物の厚みが大きくなると、より深い位置にまで劈開／裂開を生じさせて良好な分割起点を形成すること困難となるという問題がある。単純に、レーザー光の照射パワーやスクライブラインの単位長さあたりの照射エネルギーを大きくしたとしても、被加工物に必要以上のダメージを与えてしまうことになり、好ましくない。

【0006】

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、被加工物の分割にあたって、従来よりも被加工物内部の深い位置にまで劈開／裂開を生じさせて分割起点を形成することが可能なレーザー加工装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するため、本発明は、レーザー光を照射して被加工物を加工するレーザー加工装置であって、被加工物を固定するステージ部と、レーザー光源から出射されるパルスレーザー光を照射用レンズから前記ステージ部に固定された前記被加工物に対して照射する光学系と、を備え、前記光学系が、前記レーザー光源から出射された一のパルスレーザー光を複数の分岐光路に光学的に分岐させる分岐手段、を備えており、前記複数の分岐光路のそれぞれが、前記照射用レンズを共通に含む一方で合成焦点距離が相異なるレンズ群を備えることにより、前記複数の分岐光路を経たうえで前記照射用レンズから前記被照射位置に対し照射される複数のパルスレーザー光の少なくとも一つが非平行光として前記照射用レンズに入射することによって前記複数のパルスレーザー光のそれぞれの焦点位置が異なり、前記レーザー光源が、前記パルスレーザー光としてパルス幅がｐｓｅｃオーダーの超短パルス光を出射するものであり、パルスレーザー光を走査しつつ被加工物の被加工面に照射することによって、個々のパルスごとの被照射領域の間で被加工物の劈開もしくは裂開を順次に生じさせるものである、ことを特徴とする。

【0008】

本発明は、前記のレーザー加工装置であって、前記分岐手段が前記一のパルスレーザー光を第１と第２の分岐光路に分岐させるものであり、前記第１の分岐光路は、前記レンズ群として前記照射用レンズのみを備え、前記第２の分岐光路は、前記照射用レンズと少なくとも１つの焦点位置調整用レンズとから構成されることにより、前記照射用レンズの焦点距離とは異なる値の前記合成焦点距離を有する前記レンズ群を備え、前記複数のパルスレーザーのうち前記第１光路を進むものを第１のパルスレーザー光とし、前記複数のパルスレーザーのうち前記第２光路を進むものを第２のパルスレーザー光とするとき、前記第１のパルスレーザー光は、前記照射用レンズから当該照射用レンズの焦点距離だけ離れた位置が前記焦点位置となるように照射され、前記第２のパルスレーザー光は、前記第１のパルスレーザー光の前記焦点位置と異なる位置が前記焦点位置となるように照射される、ことを特徴とすることもできる。

【0009】

本発明では、前記のレーザー加工装置であって、前記焦点位置調整用レンズが、凹レンズと凸レンズの少なくとも一方を含む、ことを特徴とすることもできる。

【0010】

本発明では、前記のいずれかに記載のレーザー加工装置であって、前記第１または第２の分岐光路の少なくとも一方の光路長を可変可能な光路長可変手段、をさらに備えることを特徴とすることもできる。

【0011】

本発明では、前記レーザー光源が、前記パルスレーザー光としてパルス幅がｐｓｅｃオーダーの超短パルス光を出射する、ことを特徴とする。

【発明の効果】

【0012】

請求項１ないし請求項５の発明によれば、被加工物を固定したステージ部を適宜に移動させつつ、焦点位置が相異なる複数のパルスレーザー光を被加工物に対して重畳的に照射することにより、被加工物の所望の加工位置に対し種々の加工を行うことが出来る。例えば、パルスレーザー光の照射条件等を適宜に定めることにより、複数のパルスレーザー光を、それぞれの単位パルス光の被照射面における被照射位置が空間的かつ時間的に同一となるように、かつ、それぞれの焦点位置が被加工物内部の相異なる深さ位置となるように、照射用レンズから重畳的に照射しつつ、被照射位置が照射面において離散する条件にて加工予定線に沿って走査した場合には、被加工物の異なる深さ位置において加工予定線の向きに沿った劈開／裂開を生じさせる加工が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】劈開／裂開加工による加工態様を模式的に示す図である。

【図2】同時複数焦点加工の様子を模式的に示す図である。

【図3】同時複数焦点加工におけるパルスレーザー光の進み方と焦点位置とを、通常の劈開／裂開加工と対比させて示す図である。

【図4】同時複数焦点加工を行ったサファイア単結晶基板を分割することによって得られた分割個片のＳＥＭ像である。

【図5】レーザー加工装置１００の構成を模式的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

＜加工の基本原理＞
本発明の実施の形態において実現される加工の基本的な原理は、特許文献１に開示された加工の原理と同様である。それゆえ、以下においては、概略のみを説明する。本発明において行われる加工は、概略的に言えば、パルスレーザー光（以下、単にレーザー光とも称する）を走査しつつ被加工物の上面（被加工面）に照射することによって、個々のパルスごとの被照射領域の間で被加工物の劈開もしくは裂開を順次に生じさせていき、それぞれにおいて形成された劈開面もしくは裂開面の連続面として分割のための起点（分割起点）を形成するものである。

【0015】

なお、本実施の形態において、裂開とは、劈開面以外の結晶面に沿って被加工物が略規則的に割れる現象を指し示すものとし、当該結晶面を裂開面と称する。なお、結晶面に完全に沿った微視的な現象である劈開や裂開以外に、巨視的な割れであるクラックがほぼ一定の結晶方位に沿って発生する場合もある。物質によっては主に劈開、裂開もしくはクラックのいずれか１つのみが起こるものもあるが、以降においては、説明の煩雑を避けるため、劈開、裂開、およびクラックを区別せずに劈開／裂開などと総称する。さらに、上述のような態様の加工を、単に劈開／裂開加工などとも称することがある。

【0016】

以下においては、被加工物が六方晶の単結晶物質であって、そのＣ面内において互いに１２０°ずつの角度をなして互いに対称の位置にあるａ１軸、ａ２軸、およびａ３軸の各軸方向が劈開／裂開容易方向であり、かつ、加工予定線が、ａ１軸方向、ａ２軸方向、ａ３軸方向のいずれかと垂直な場合を例に説明する。より一般的にいえば、これは、相異なる２つの劈開／裂開容易方向に対して等価な方向（２つの劈開／裂開容易方向の対称軸となる方向）が加工予定線の方向となる場合である。なお、以下においては、個々のパルスごとに照射されるレーザー光を単位パルス光と称する。

【0017】

図１は、劈開／裂開加工による加工態様を模式的に示す図である。図１においては、ａ１軸方向と加工予定線Ｌとが直交する場合を例示している。図１（ａ）は、係る場合のａ１軸方向、ａ２軸方向、ａ３軸方向と加工予定線Ｌとの方位関係を示す図である。図１（ｂ）は、レーザー光の１パルス目の単位パルス光が加工予定線Ｌの端部の被照射領域ＲＥ１１に照射された状態を示している。

【0018】

一般に、単位パルス光の照射は、被加工物の極微小領域に対して高いエネルギーを与えることから、係る照射は、被照射面において単位パルス光の（レーザー光の）被照射領域相当もしくは被照射領域よりも広い範囲において物質の変質・溶融・蒸発除去などを生じさせる。

【0019】

ところが、単位パルス光の照射時間つまりはパルス幅を極めて短く設定すると、レーザー光のスポットサイズより狭い、被照射領域ＲＥ１１の略中央領域に存在する物質が、照射されたレーザー光から運動エネルギーを得ることでプラズマ化されたり気体状態などに高温化されたりして変質しさらには被照射面に垂直な方向に飛散する一方、係る飛散に伴って生じる反力を初めとする単位パルス光の照射によって生じる衝撃や応力が、該被照射領域の周囲、特に、劈開／裂開容易方向であるａ１軸方向、ａ２軸方向、ａ３軸方向に作用する。これにより、当該方向に沿って、見かけ上は接触状態を保ちつつも微小な劈開もしくは裂開が部分的に生じたり、あるいは、劈開や裂開にまでは至らずとも熱的な歪みが内在される状態が生じる。換言すれば、超短パルスの単位パルス光の照射が、劈開／裂開容易方向に向かう上面視略直線状の弱強度部分を形成するための駆動力として作用しているともいえる。

【0020】

図１（ｂ）においては、上記各劈開／裂開容易方向において形成される弱強度部分のうち、加工予定線Ｌの延在方向に近い−ａ２方向および＋ａ３方向における弱強度部分Ｗ１１ａ、Ｗ１２ａを破線矢印にて模式的に示している。

【0021】

続いて、図１（ｃ）に示すように、レーザー光の２パルス目の単位パルス光が照射されて、加工予定線Ｌ上において被照射領域ＲＥ１１から所定距離だけ離れた位置に被照射領域ＲＥ１２が形成されると、１パルス目と同様に、この２パルス目においても、劈開／裂開容易方向に沿った弱強度部分が形成されることになる。例えば、−ａ３方向には弱強度部分Ｗ１１ｂが形成され、＋ａ２方向には弱強度部分Ｗ１２ｂが形成され、＋ａ３方向には弱強度部分Ｗ１２ｃが形成され、−ａ２方向には弱強度部分Ｗ１１ｃが形成されることになる。

【0022】

ただし、この時点においては、１パルス目の単位パルス光の照射によって形成された弱強度部分Ｗ１１ａ、Ｗ１２ａがそれぞれ、弱強度部分Ｗ１１ｂ、Ｗ１２ｂの延在方向に存在する。すなわち、弱強度部分Ｗ１１ｂ、Ｗ１２ｂの延在方向は他の箇所よりも小さなエネルギーで劈開または裂開が生じ得る（エネルギーの吸収率の高い）箇所となっている。そのため、実際には、２パルス目の単位パルス光の照射がなされると、その際に生じる衝撃や応力が劈開／裂開容易方向およびその先に存在する弱強度部分に伝播し、弱強度部分Ｗ１１ｂから弱強度部分Ｗ１１ａにかけて、および、弱強度部分Ｗ１２ｂから弱強度部分Ｗ１２ａにかけて、完全な劈開もしくは裂開が、ほぼ照射の瞬間に生じる。これにより、図１（ｄ）に示す劈開／裂開面Ｃ１１ａ、Ｃ１１ｂが形成される。なお、劈開／裂開面Ｃ１１ａ、Ｃ１１ｂは、被加工物の図面視垂直な方向において数μｍ〜数十μｍ程度の深さにまで形成され得る。なお、劈開／裂開面Ｃ１１ａ、Ｃ１１ｂにおいては、強い衝撃や応力を受けた結果として結晶面の滑りが生じ、深さ方向に起伏が生じる。

【0023】

そして、図１（ｅ）に示すように、その後、加工予定線Ｌに沿ってレーザー光を走査することにより被照射領域ＲＥ１１、ＲＥ１２、ＲＥ１３、ＲＥ１４・・・・に順次に単位パルス光を照射していくと、その照射の際に生じる衝撃や応力によって、図面視直線状の劈開／裂開面Ｃ１１ａおよびＣ１１ｂ、Ｃ１２ａおよびＣ１２ｂ、Ｃ１３ａおよびＣ１３ｂ、Ｃ１４ａおよびＣ１４ｂ・・・が加工予定線Ｌに沿って順次に形成されていくことになる。係る態様にて劈開／裂開面を連続的に形成するのが、本実施の形態における劈開／裂開加工の基本原理である。

【0024】

別の見方をすれば、単位パルス光の照射によって熱的エネルギーが与えられることで被加工物の表層部分が膨張し、被照射領域ＲＥ１１、ＲＥ１２、ＲＥ１３、ＲＥ１４・・・・のそれぞれの略中央領域よりも外側において劈開／裂開面Ｃ１１ａおよびＣ１１ｂ、Ｃ１２ａおよびＣ１２ｂ、Ｃ１３ａおよびＣ１３ｂ、Ｃ１４ａおよびＣ１４ｂ・・・に垂直な引張応力が作用することで、劈開／裂開が進展しているともいえる。

【0025】

すなわち、図１に示した場合においては、加工予定線Ｌに沿って離散的に存在する複数の被照射領域と、それら複数の被照射領域の間に形成された劈開／裂開面とが、全体として、被加工物を加工予定線Ｌに沿って分割する際の分割起点となる。係る分割起点の形成後は、所定の治具や装置を用いた分割を行うことで、加工予定線Ｌに概ね沿う態様にて被加工物を分割することができる。

【0026】

なお、図１に示した場合においては、加工予定線が、ａ１軸方向、ａ２軸方向、ａ３軸方向のいずれかと垂直となるように、単位パルス光が照射されているが、これに代わり、加工予定線がａ１軸方向、ａ２軸方向、ａ３軸方向のいずれかと平行となるように単位パルス光が照射される態様であってもよいし、あるいは、個々の被照射領域が、加工予定線Ｌを挟む２つの劈開／裂開容易方向に交互に沿う態様にて千鳥状に（ジグザグに）形成されるように、それぞれの被照射領域を形成する単位パルス光が照射される態様であってもよい。

【0027】

以上のような劈開／裂開加工を実現するには、パルス幅の短い、短パルスのレーザー光を照射する必要がある。具体的には、パルス幅が１００ｐｓｅｃ以下のレーザー光を用いることが必要である。例えば、１ｐｓｅｃ〜５０ｐｓｅｃ程度のパルス幅を有するレーザー光を用いるのが好適である。

【0028】

＜同時複数焦点加工＞
本実施の形態においては、上述した原理の劈開／裂開加工をさらに発展させた、同時複数焦点加工にて、被加工物に分割起点を形成する。図２は、同時複数焦点加工の様子を模式的に示す図である。図３は、同時複数焦点加工におけるパルスレーザー光の進み方と焦点位置とを、上述した加工原理に従う通常の劈開／裂開加工と対比させて示す図である。図３（ａ）が同時複数焦点加工の様子を示しており、図３（ｂ）が単一のパルスレーザー光ＬＢのみを照射する通常の劈開／裂開加工の様子を示している。

【0029】

本実施の形態において、同時複数焦点加工とは、概略的にいえば、複数のパルスレーザー光を、それぞれの単位パルス光の被照射面における被照射位置が空間的かつ時間的に同一となるように、かつ、それぞれの焦点位置が被加工物内部の相異なる深さ位置となるように、照射用レンズから重畳的に照射しつつ、被照射位置が照射面において離散する条件にて加工予定線に沿って走査することにより、被加工物の異なる深さ位置において加工予定線の向きに沿った劈開／裂開を生じさせる加工態様である。

【0030】

なお、本実施の形態において、被照射位置とは、被加工物の被照射面における単位パルス光の被照射領域の中心位置（狙いの位置）のことをいう。確認的にいえば、同時複数焦点加工においては、それぞれのパルスレーザー光の単位パルス光の被照射位置は同じとなるが、被照射領域は異なってもよい。

【0031】

また、照射用レンズとは、被加工物の被照射面（被加工面）に対向配置されるレンズであり、被加工物にとってはパルスレーザー光の直接の出射源となるものである。

【0032】

さらには、被照射面における単位パルス光の被照射位置を空間的かつ時間的に同一とするということは、被加工物の、加工予定線に沿ったそれぞれの被照射位置について、全てのパルスレーザー光の照射タイミングを同一とするということである。

【0033】

同時複数焦点加工によれば、それぞれのパルスレーザー光の照射用レンズから焦点位置までの距離を適宜に設定することで、それぞれのパルスレーザー光によって形成される劈開／裂開面が連続した大きな劈開／裂開面が形成される。すなわち、単一のパルスレーザー光のみを照射する場合に比して、より深い位置に分割起点を形成することが可能となる。

【0034】

なお、本実施の形態でいう焦点位置とは、必ずしも照射用レンズからその焦点距離だけ離れた位置を意味しているわけではない。焦点距離はレンズもしくはレンズ群に固有の値であり、通常、レンズの一方面側に存在する焦点は１つのみであるので、一の照射レンズに関しその一方面側に異なる複数の焦点位置を観念することはできないからである。詳細は後述するが、本実施の形態の場合は、照射用レンズを共通に用いつつも構成の異なる複数のレンズ群を用意し、それぞれの合成焦点距離を異ならせることで、複数のパルスレーザー光の焦点位置を違えた状態を実現する。係る場合においては、便宜上、照射用レンズのみを備えるレンズ構成の場合も、レンズ群をなしているとみなし、その場合においては、照射用レンズの焦点距離を合成焦点距離とみなすものとする。

【0035】

図２および図３（ａ）には、同時複数焦点加工の典型的な例として、焦点位置を違えた２つのパルスレーザー光が重畳的に照射される場合を示している。より詳細には、図２および図３（ａ）には、同時複数焦点加工の際のパルスレーザー光の照射態様の一例として、光軸ＡＸが共通する一方で照射用レンズＬＥから焦点位置までの距離が被加工物Ｓの深さ方向（厚み方向）において異なる第１加工用レーザー光ＬＢαと第２加工用レーザー光ＬＢβとを、それぞれの単位パルス光の照射タイミングと被照射面における被照射位置とを一致させつつ重畳的に照射し、かつ、被照射位置が加工予定線に沿って離散するように被加工物Ｓに対して相対的に走査する様子が例示されている。

【0036】

より詳細には、図２および図３（ａ）においては、平行光として照射用レンズＬＥに入射した第１加工用レーザー光ＬＢαの焦点Ｆαが、非平行光の一種である収束光として照射用レンズＬＥに入射した第２加工用レーザー光ＬＢβの焦点Ｆβよりも深くに位置する場合を示している。

【0037】

なお、本実施の形態において、レーザー光が平行光であるとは、光軸方向においてレーザー光のビーム径が実質的に変わらない（意図的に変化させられていない）ことをいう。これに対して、光軸方向においてレーザー光のビーム径が変化するレーザー光を、非平行光と称する。例えば、平行光を凹レンズ等に入射させたとき、該凹レンズからの出射光は非平行光（発散光）となる。

【0038】

図２および図３（ａ）に示す場合、焦点Ｆαの深さ位置およびその近傍では第１加工用レーザー光ＬＢαの単位パルス光による劈開／裂開が生じ、焦点Ｆβの深さ位置およびその近傍では第２加工用レーザー光ＬＢβの単位パルス光による劈開／裂開が生じる。図２に矢印ＡＲ１にて示すように、第１加工用レーザー光ＬＢαと第２加工用レーザー光ＬＢβとを、重畳状態を保ちつつ被加工物Ｓに対して相対移動させると、両者によって形成される劈開／裂開面が相対移動方向のみならず深さ方向においても連続し、結果として、深さ方向に大きな拡がりを持った劈開／裂開面が形成される。

【0039】

図３（ｂ）に示す、単一のパルスレーザー光ＬＢのみを照射する通常の場合は、被加工物の表面から確実に劈開／裂開が生じるように、その焦点Ｆの位置を定める必要があるが、図２および図３（ａ）に示す同時複数焦点加工の場合、被加工物の表面の近傍においては、第２加工用レーザー光ＬＢβが照射されることで劈開／裂開が生じるので、第１加工用レーザー光ＬＢαの照射により直接に形成される劈開／裂開面が、被加工物の表面に到達する必要はない。

【0040】

それゆえ、同時複数焦点加工の場合、第１加工用レーザー光ＬＢαの焦点Ｆαの位置を、単一のパルスレーザー光ＬＢを照射して劈開／裂開加工を行う場合の焦点Ｆの位置よりも深い位置に設定することができる。

【0041】

２つのパルスレーザー光を重畳させて同時複数焦点加工を行う場合、それぞれによって形成される劈開／裂開面を深さ方向に連続させるようにするには、それぞれのレーザー光の焦点位置は、被照射面から近い方（図２では第２加工用レーザー光ＬＢβ）が４μｍ〜４５μｍ程度であり、被照射面から遠い方（図２では第１加工用レーザー光ＬＢα）が１６μｍ〜６０μｍ程度であることが好ましい。

【0042】

同時複数焦点加工におけるそれぞれのパルスレーザー光の与え方には、種々の態様があるが、その好適な一例として、一の出射源から出射されたパルスレーザー光を光学的に二方向に分岐させ、照射用レンズは共用としつつ双方に設けるレンズ群を違えることで、双方のパルスレーザー光を重畳させる態様がある。係る場合、それぞれのパルスレーザー光の単位パルス光の被照射面に対する照射タイミングを実質的に同一にすることが容易である。

【0043】

あるいは、そのような分岐をさせる代わりに、照射用レンズ自体の構成を工夫することで、焦点位置の異なる複数のパルスレーザー光を生じさせるようにしてもよい。

【0044】

同時複数焦点加工を行う場合の単位パルス光の照射ピッチ（被照射位置の中心間隔）は、３μｍ〜５０μｍの範囲で定められればよい。これよりも照射ピッチが大きいと、劈開／裂開容易方向における弱強度部分の形成が劈開／裂開面を形成し得るほどにまで進展しない場合が生じるため、上述のような劈開／裂開面からなる分割起点を確実に形成するという観点からは、好ましくない。なお、走査速度、加工効率、製品品質の点からは、照射ピッチは大きい方が好ましいが、劈開／裂開面の形成をより確実なものとするには、３μｍ〜３０μｍの範囲で定めるのが望ましく、３μｍ〜２０μｍ程度であるのがより好適である。

【0045】

いま、レーザー光の繰り返し周波数がＲ（ｋＨｚ）である場合、１／Ｒ（ｍｓｅｃ）ごとに単位パルス光がレーザー光源から発せられることになる。被加工物に対してレーザー光が相対的に速度Ｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）で移動する場合、照射ピッチΔ（μｍ）は、Δ＝Ｖ／Ｒで定まる。従って、レーザー光の走査速度Ｖと繰り返し周波数は、Δが数μｍ程度となるように定められる。例えば、走査速度Ｖは５０ｍｍ／ｓｅｃ〜３０００ｍｍ／ｓｅｃ程度であり、繰り返し周波数Ｒが１ｋＨｚ〜２００ｋＨｚ、特には１０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚ程度であるのが好適である。ＶやＲの具体的な値は、被加工物の材質や吸収率、熱伝導率、融点などを勘案して適宜に定められてよい。

【0046】

レーザー光は、約１μｍ〜１０μｍ程度のビーム径にて照射されることが好ましい。ただし、重畳されるそれぞれのレーザー光のビーム径は、異なっていてもよい。

【0047】

なお、それぞれのレーザー光の照射エネルギー（パルスエネルギー）は０．１μＪ〜５０μＪの範囲内で適宜に定められてよい。ただし、本実施の形態においては、０．１μＪ〜１０μＪの範囲で十分に好適な加工が可能である。

【0048】

図４は、サファイア単結晶基板に対し、２つのパルスレーザー光によって同時複数焦点加工を行い、これによって形成された劈開／裂開面に沿って当該基板を分割することによって得られた分割個片のＳＥＭ（走査電子顕微鏡）像である。より詳細には、図４は、該分割個片の上面（被加工物の被照射面）と劈開／裂開面を含む分割面との交線近傍のＳＥＭ像である。図中、上側約１／３の部分が上面であり、それ以外が分割面である。同時複数焦点加工においては、それぞれのパルスレーザー光の焦点位置は、被照射面から近い方が６μｍと設定され、被照射面から遠い方が１６μｍと設定され、単位パルス光の照射ピッチ（被照射位置の中心間隔）が１０μｍと設定されてなる。

【0049】

図４によると、分割面の被照射面から遠いところでは、上下方向に延在するくさび形の領域と、その左右において略対称な、斜め方向に多数の筋が入った筋状部分とが存在する。前者は、単位パルス光が照射された領域である。後者は、劈開／裂開面であるが、筋状部分は、０．１μｍ〜１μｍ程度の高低差を有する微小な凹凸であり、パルスレーザー光が照射されることで被加工物に強い衝撃や応力が作用することによって、特定の結晶面に滑りが生じることにより形成されたものである。

【0050】

図４には、単位パルス光の照射ピッチが１０μｍであったことが示されているが、これを参考にすると、劈開／裂開面の最大深さが３３μｍ前後であることがわかる。通常の劈開／裂開加工における劈開／裂開面の最大深さ（分割起点の深さ）はせいぜい１２μｍ程度であることから、同時複数焦点加工を行うことで、その約２倍程度の深さの位置に、分割起点を形成することが可能となる。よって、同時複数焦点加工を行ったうえで分割を行うようにすることで、より精度よく被加工物を分割することが可能となる。

【0051】

以上のように、本実施の形態においては、上述した劈開／裂開加工をさらに発展させた同時複数焦点加工を行うことで、被加工物の変質や飛散などの発生を局所的なものに留める一方、被加工物の劈開もしくは裂開を加工予定線の方向のみならず深さ方向においても積極的に生じさせることにより、従来よりも極めて高速に、被分割体に対して分割起点を形成することができる。

【0052】

＜レーザー加工装置の概要＞
図５は、本実施の形態に係る同時複数焦点加工を実現可能なレーザー加工装置１００の構成を模式的に示す図である。なお、レーザー加工装置１００は、同時複数焦点加工に限らず、光学系やパルスレーザー光の照射態様などを適宜に違えることにより、被加工物に溝加工や穴開け加工などを行うことも可能である。図５に示すように、レーザー加工装置１００は、主に、ステージ部１０と光学系２０とを備える。また、レーザー加工装置１００は、各部の動作を制御する図示しない制御部を備える。

【0053】

ステージ部１０は、被加工物Ｓが載置固定される部位である。ステージ部１０は、図示しない吸着機構を備え、ステージ部１０の上面１０ａに載置された被加工物Ｓを吸着固定することができる。また、ステージ部１０は移動機構１０ｍを備えており、係る移動機構１０ｍの作用によって、直交する２方向への水平移動および水平面内での回転移動が可能となっている。

【0054】

光学系２０は、ステージ部１０に載置固定された被加工物Ｓに対してレーザー光を照射するための部位である。光学系２０は、レーザー光源２１と、３つの１／２波長板２２（第１の１／２波長板２２ａ、第２の１／２波長板２２ｂ、第３の１／２波長板２２ｃ）と、４つの偏光ビームスプリッター２３（第１の偏光ビームスプリッター２３ａ、第２の偏光ビームスプリッター２３ｂ、第３の偏光ビームスプリッター２３ｃ、第４の偏光ビームスプリッター２３ｄ）と、焦点位置調整用レンズ２４（第１調整用レンズ２４ａ、第２調整用レンズ２４ｂ）と、照射用レンズ２５とを主として備える。

【0055】

レーザー光源２１は、直線偏光かつ平行光であるレーザー光ＬＢ０を出射させる。係るレーザー光源２１としては、種々の公知の光源を用いることができる。加工目的に応じ、適宜の光源が選択されて用いられればよい。Ｎｄ：ＹＡＧレーザーや、Ｎｄ：ＹＶＯ₄レーザーやその他の固体レーザーを用いる態様が好適である。なお、レーザー光源２１には、シャッターＳＴが付随する。

【0056】

例えば、サファイア単結晶基材が下地基板として用いられたＬＥＤ基板のストリート位置にスクライブラインを形成する場合であれば、ｐｓｅｃレーザーを用いるのが好適である。なお、本実施の形態においてＬＥＤ基板とは、それぞれがＬＥＤを構成する単位パターンを２次元的に配列したＬＥＤ回路パターンが表面に形成された半導体基板のことをいい、そのストリートとは、係るＬＥＤ基板を個々のＬＥＤチップに分割する（個片化する）際の分割予定位置のことをいう。

【0057】

シャッターＳＴが開放されてレーザー光源２１から出射されたレーザー光ＬＢ０は、その光路Ｐ０上に設けられてなる第１の１／２波長板２２ａによって、その偏光の程度（Ｐ偏光とＳ偏光の比率）が適宜に調整される。

【0058】

第１の１／２波長板２２ａを経たレーザー光ＬＢ０は、光路Ｐ０上に設けられてなる第１の偏光ビームスプリッター２３ａに到達する。第１の偏光ビームスプリッター２３ａにおいて、レーザー光ＬＢ０は、第１分岐光路Ｐ１を進む第１分岐光ＬＢ１と、第２分岐光路Ｐ２を進む第２分岐光ＬＢ２に分岐される。換言すれば、第１の偏光ビームスプリッター２３ａは、レーザー光ＬＢ０を第１分岐光ＬＢ１と第２分岐光ＬＢ２とに分岐させる分岐手段として機能する。

【0059】

より詳細には、第１の偏光ビームスプリッター２３ａは、第１分岐光ＬＢ１はＰ偏光の透過光として出射し、第２分岐光ＬＢ２はＳ偏光の反射光として出射する。なお、第１の偏光ビームスプリッター２３ａをはじめとする偏光ビームスプリッター２３としては、透過効率が９０％〜９５％であり、反射効率は約９９％であるものを用いる。これにより、偏光ビームスプリッター２３における光学的な損失は最小限に低減される。

【0060】

第１分岐光路Ｐ１および第２分岐光路Ｐ２は、その途中に設けられた第１の反射ミラー２６または第２の反射ミラー２７にて第１分岐光ＬＢ１または第２分岐光ＬＢ２が反射されることによって、それぞれの向きが適宜に変化させられてなる。

【0061】

なお、図５においては、第１の反射ミラー２６と第２の反射ミラー２７とが、図面のなす平面内でのみパルスレーザー光を反射する姿勢にて配置されているが、これは図示の都合上のものに過ぎない。また、第１の反射ミラー２６と第２の反射ミラー２７の個数も図５に例示した場合には限定されない。すなわち、第１の反射ミラー２６と第２の反射ミラー２７は、光学系２０を構成する各要素の配置レイアウト上の要請等に応じて、適宜の個数、配置位置、および姿勢にて設けられる。

【0062】

第１分岐光路Ｐ１は、第２の１／２波長板２２ｂと、第２の偏光ビームスプリッター２３ｂとを、第１分岐光ＬＢ１の進む方向においてこの順に備える。また、第１分岐光路Ｐ１は、第２の偏光ビームスプリッター２３ｂを透過したＰ偏光である第１分岐光ＬＢ１が第４の偏光ビームスプリッター２３ｄに到達するように、構成される。

【0063】

第２の１／２波長板２２ｂと、第２の偏光ビームスプリッター２３ｂとは、第１分岐光ＬＢ１の光量を調整可能とするために設けられてなる。具体的にいえば、第１の偏光ビームスプリッター２３ａからＰ偏光として出射されている第１分岐光ＬＢ１は、第２の１／２波長板２２ｂが存在しない場合、上述の透過効率で第２の偏光ビームスプリッター２３ｂを透過することになる。これに対し、上述のように第２の１／２波長板２２ｂを設けた場合、第２の１／２波長板２２ｂにて偏光の程度を調整することによって、第２の偏光ビームスプリッター２３ｂを透過可能な第１分岐光ＬＢ１のＰ偏光の比率を調整できる。これにより、結果として第１分岐光ＬＢ１の光量が調整される。

【0064】

一方、第２分岐光路Ｐ２は、第３の１／２波長板２２ｃと、第３の偏光ビームスプリッター２３ｃと、焦点位置調整用レンズ２４とを、第２分岐光ＬＢ２の進む方向においてこの順に備える。また、図５では簡略化されているが、第２分岐光路Ｐ２は、第３の偏光ビームスプリッター２３ｃにて反射されたＳ偏光である第２分岐光ＬＢ２が、焦点位置調整用レンズ２４を経た上で、第４の偏光ビームスプリッター２３ｄに到達するように、構成される。

【0065】

また、第２分岐光路Ｐ２においては、２つの第２の反射ミラー２７が、移動機構２７ｍによって移動自在とされてなる。これにより、レーザー加工装置１００においては、第２分岐光路Ｐ２の光路長を適宜に調整できるようになっている。

【0066】

第３の１／２波長板２２ｃと、第３の偏光ビームスプリッター２３ｃとは、第２分岐光ＬＢ２の光量を調整可能とするために設けられてなる。具体的にいえば、第１の偏光ビームスプリッター２３ａからＳ偏光として出射されている第２分岐光ＬＢ２は、第３の１／２波長板２２ｃが存在しない場合、上述の反射効率で第３の偏光ビームスプリッター２３ｃにて反射されることになる。これに対し、上述のように第３の１／２波長板２２ｃを設けた場合、第３の１／２波長板２２ｃにて偏光の程度を調整することによって、第３の偏光ビームスプリッター２３ｃにて反射可能な第２分岐光ＬＢ２のＳ偏光の比率を調整できる。これにより、結果として第２分岐光ＬＢ２の光量が調整される。

【0067】

また、図５に示す場合においては、凹レンズである第１調整用レンズ２４ａと凸レンズである第２調整用レンズ２４ｂとによって、焦点位置調整用レンズ２４が構成されてなる。係る場合、平行光として第１調整用レンズ２４ａに入射した第２分岐光ＬＢ２は、前方ほど光軸周りの拡がりが大きくなる非平行光である発散光として第１調整用レンズ２４ａから出射され、第２調整用レンズ２４ｂによって光軸周りにおける拡がり度合いが調整されつつも、非平行光の状態にて、第４の偏光ビームスプリッター２３ｄに到達する。

【0068】

第１分岐光路Ｐ１と第２分岐光路Ｐ２とは、第４の偏光ビームスプリッター２３ｄにおいて合流し、共通光路Ｐ３となる。共通光路Ｐ３には、照射用レンズ２５が備わっており、該照射用レンズ２５の先方に、ステージ部１０が位置している。

【0069】

第１分岐光路Ｐ１を経由したＰ偏光である第１分岐光ＬＢ１は、第４の偏光ビームスプリッター２３ｄを透過して共通光路Ｐ３を進み、照射用レンズ２５を経てステージ部１０に載置された被加工物Ｓに照射される。第１分岐光路Ｐ１およびこれに続く共通光路Ｐ３上に設けられたレンズは照射用レンズのみであるので、第１分岐光ＬＢ１は、照射用レンズ２５からその焦点距離だけ離れた位置を焦点位置として被加工物Ｓに照射される。

【0070】

一方、第２分岐光路Ｐ２を経由したＳ偏光である第２分岐光ＬＢ２は、第４の偏光ビームスプリッター２３ｄにて反射されて共通光路Ｐ３を進み、照射用レンズ２５を経てステージ部１０に載置された被加工物Ｓに照射される。このとき、第２分岐光路Ｐ２およびこれに続く共通光路Ｐ３上には焦点位置調整用レンズ２４と照射用レンズ２５とからなるレンズ群が設けられてなるので、第２分岐光ＬＢ２は、照射用レンズ２５から当該レンズ群の合成焦点距離だけ離れた位置を焦点位置として被加工物Ｓに照射される。

【0071】

以上のような構成を有するレーザー加工装置１００によれば、概略、被加工物Ｓを載置固定したステージ部１０を適宜に移動させつつ、焦点位置が相異なる第１分岐光ＬＢ１と第２分岐光ＬＢ２とを被加工物Ｓに対して重畳的に照射することにより、被加工物Ｓの所望の加工位置に対し種々の加工を行うことが出来る。その代表的な加工態様が、上述した同時複数焦点加工である。

【0072】

すなわち、レーザー光源２１として、パルス幅が１００ｐｓｅｃ以下の超短パルス光であるパルスレーザー光を出射可能なものとし、第１分岐光路Ｐ１と第２分岐光路Ｐ２との光路長が等しくなるように移動機構２７ｍによって第２の反射ミラー２７の配置位置を調整し、照射用レンズ２５の高さ位置および第２分岐光路Ｐ２における焦点位置調整用レンズ２４の配置位置を適宜に定めることにより第１分岐光ＬＢ１と第２分岐光ＬＢ２との焦点位置を被加工物Ｓの内部に設定し、かつ、パルスレーザー光の繰り返し周波数やビーム径やステージ部１０の移動速度の照射条件を適宜に設定すれば、レーザー加工装置１００において同時複数焦点加工を好適に行うことが出来る。その際に、焦点位置調整用レンズ２４と照射用レンズ２５とからなるレンズ群の合成焦点距離が照射用レンズ２５の焦点距離よりも短くなるように焦点位置調整用レンズ２４を配置した場合には、第１分岐光ＬＢ１が上述の第１加工用レーザー光ＬＢαとなり、第２分岐光ＬＢ２が第２加工用レーザー光ＬＢβとなって、図２および図３（ａ）に示した態様での同時複数焦点加工を行うことが出来る。

【0073】

＜変形例＞
レーザー加工装置１００において実施可能な加工は上述の同時複数焦点加工に限られるものではない。例えば、よりパルス幅の大きなパルスレーザー光を出射するレーザー光源２１を用いた加工を行うことも可能である。また、個々の単パルス光の被照射位置が連続する条件にてパルスレーザー光を照射する態様での加工も可能である。さらには、第２分岐光路Ｐ２の光路長を調整することによって第１加工用レーザー光ＬＢαと第２加工用レーザー光ＬＢβの照射タイミングを違えた状態での加工も可能である。

【0074】

また、上述のレーザー加工装置においては、レーザー光ＬＢ０を第１分岐光路Ｐ１と第２分岐光路Ｐ２の２つに分岐させることによって、焦点位置が異なる２つのパルスレーザー光を被加工物Ｓに照射可能となっているが、レーザー加工装置は、さらに多くの分岐光路を設け、それぞれのレンズ群の合成焦点距離を互いに違えることによって、焦点位置が異なる３つ以上のパルスレーザー光を被加工物Ｓに照射可能な構成を有していてもよい。

【符号の説明】

【0075】

１０ ステージ部
１０ｍ 移動機構
１１ａ 弱強度部分
２０ 光学系
２１ レーザー光源
２２ １／２波長板
２３ 偏光ビームスプリッター
２４ 焦点位置調整用レンズ
２５、ＬＥ 照射用レンズ
２６ 第１の反射ミラー
２７ 第２の反射ミラー
２７ｍ 移動機構
１００ レーザー加工装置
ＡＸ 光軸
Ｃ１１ａ〜Ｃ１４ａ、Ｃ１１ｂ〜Ｃ１４ｂ 劈開／裂開面
Ｆ、Ｆα、Ｆβ 焦点
Ｌ 加工予定線
ＬＢα 第１加工用レーザー光
ＬＢβ 第２加工用レーザー光
ＬＢ、ＬＢ０ （パルス）レーザー光
ＬＢ１ 第１分岐光
ＬＢ２ 第２分岐光
Ｐ０ 光路
Ｐ１ 第１分岐光路
Ｐ２ 第２分岐光路
Ｐ３ 共通光路
ＲＥ１１、ＲＥ１２、ＲＥ１３、ＲＥ１４ 被照射領域
Ｓ 被加工物
ＳＴ シャッター
Ｗ１１ａ〜Ｗ１１ｃ、Ｗ１２ａ〜Ｗ１２ｃ 弱強度部分

【図1】

【図3】

【図5】

【図2】

【図4】