專利名稱：激光加工方法以及激光加工裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及適于對半導體材料或者陶瓷材料等進行切槽加工或者切斷加工等的激光加工方法以及激光加工裝置。
背景技術：
近年來，樹脂襯底、金屬板、陶瓷板、半導體晶片等的切槽加工(劃線加工)或者切斷加工等采用了使用能夠進行高精度加工的紫外線激光等的激光加工技術。
在該激光加工技術中公開了如下數(shù)據(jù)為了提高切槽加工等的加工能力，以往，在同一處照射多少個激光束的脈沖是非常重要的，并且，在提高紫外線激光束的平均輸出、注量(fluence)、峰值功率上很有效。
例如，在專利文獻1中提出了如下技術在噴墨頭的制造中，為了除去形成在PZ陶瓷上的金屬膜，在同一處多次照射峰值功率較高的激光。在該技術中，在使金屬膜蒸發(fā)汽化時，優(yōu)選以峰值功率較高、短脈沖寬度進行能量照射。
專利文獻1 特開2003-266709號公報(第0028段)在所述現(xiàn)有技術中，存在以下課題。
在上述現(xiàn)有的激光加工技術中，例如在對硅襯底等半導體材料或者氧化鋁襯底等的陶瓷材料進行切槽加工或者切斷加工時，為了提高加工能力，采取了提高平均輸出或者峰值功率等辦法，但是，與加工樹脂材料等有機物或者金屬等情況相比，難以提高加工能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于所述課題而進行的，其目的在于提供一種能夠在針對半導體材料或者陶瓷材料的切槽加工或者切斷加工中實現(xiàn)更高的加工能力的激光加工方法以及激光加工裝置。
本發(fā)明者們發(fā)現(xiàn)對針對半導體材料或者陶瓷材料的激光加工的切槽加工或者切斷加工進行專心研究，其結果是，與平均輸出的大小相比，加工能力對脈沖寬度有很大的依賴性。
本發(fā)明為了解決所述課題，基于如上認識，采用了以下的結構。即，本發(fā)明的激光加工方法是對無機物的被加工物脈沖照射紫外線激光束并進行切槽加工或者切斷加工的方法，其特征在于切槽加工或者切斷加工的加工深度越深、或者紫外線激光束的掃描速度越快，將紫外線激光束的脈沖寬度設定得越長。
此外，本發(fā)明的激光加工裝置是對無機物的被加工物脈沖照射紫外線激光束并進行切槽加工或者切斷加工的裝置，其特征在于，具有輸出紫外線激光束的激光光源部；對紫外線激光束進行聚光并照射在被加工物上的光學系統(tǒng)；使紫外線激光束相對移動并使照射到被加工物的照射位置發(fā)生移動的移動機構；以及分別控制激光光源部、光學系統(tǒng)以及移動機構的控制部，控制部在切槽加工或者切斷加工的加工深度越深、或者紫外線激光束的掃描速度越快，將紫外線激光束的脈沖寬度設定得越長。
即，在這些激光加工方法以及激光加工裝置中，加工深度越深或者掃描速度越快，將紫外線激光束的脈沖寬度設定得越長，由此，與提高平均輸出的情況相比較，能夠跨越性地提高加工能力。
此外，本發(fā)明的激光加工方法的特征在于，將紫外線激光束的脈沖寬度設為15nsec以上。
此外，本發(fā)明的激光加工裝置的特征在于，控制部將紫外線激光束的脈沖寬度設為15nsec以上。
即，紫外線激光束的脈沖寬度小于15nsec時，不能夠充分提高加工能力，但是，在本發(fā)明的激光加工方法以及激光加工裝置中，將紫外線激光束的脈沖寬度至少設定為15nsec以上，由此，以相同的平均輸出也能夠充分提高加工能力。
并且，本發(fā)明的激光加工方法的特征在于，將紫外線激光束的峰值功率密度設為0.8GW/cm2以下。
并且，本發(fā)明的激光加工裝置的特征在于，控制部將紫外線激光束的峰值功率密度設為0.8GW/cm2以下。
即，在本發(fā)明的激光加工方法以及激光加工裝置中，將紫外線激光束的峰值功率密度設為0.8GW/cm2以下，由此，能夠防止切削能力的顯著降低。
此外，本發(fā)明的激光加工方法的特征在于，紫外線激光束是使基波激光束入射到非線性光學晶體的波長變換元件內(nèi)并進行波長變換后的高次諧波激光束。
此外，本發(fā)明的激光加工裝置的特征在于，紫外線激光束是使基波激光束入射到非線性光學晶體的波長變換元件內(nèi)并進行波長變換后的高次諧波激光束。
即，在這些激光加工方法以及激光加工裝置中，由于使用通過波長變換元件得到的高次諧波激光束，故能夠以小型的裝置穩(wěn)定地照射高能量的短波長激光。
此外，本發(fā)明的激光加工方法的特征在于，紫外線激光束由固體激光器產(chǎn)生，其波長為400nm以下。
此外，本發(fā)明的激光加工裝置的特征在于，紫外線激光束由固體激光器產(chǎn)生，其波長為400nm以下。
此外，本發(fā)明的激光加工方法的特征在于，非線性光學晶體至少使用了Li2B4O7。
此外，本發(fā)明的激光加工裝置的特征在于，非線性光學晶體至少使用了Li2B4O7。
本發(fā)明起到如下效果。
即，按照本發(fā)明的激光加工方法以及激光加工裝置，在針對半導體材料或者陶瓷材料的切槽加工或者切斷加工中，加工深度越深或者掃描速度越快，將紫外線激光束的脈沖寬度設定得越長，與提高平均輸出的情況相比，能夠跨越性地提高加工能力。因此，即便是這些材料，也能夠以較高的加工能力有效地進行較深的加工，并且，能夠提高激光束的掃描速度，大幅提高加工生產(chǎn)率。


圖1是表示本發(fā)明一個實施方式的激光加工方法中所使用的激光加工裝置的概要結構圖。
圖2是表示在本發(fā)明的實施例中，改變脈沖寬度以及平均輸出時槽深度與掃描速度的關系的圖表。
圖3是表示在本發(fā)明的實施方式中，針對總劑量和脈沖寬度的能夠加工固定槽深的掃描速度的圖表。
圖4是表示在本發(fā)明的實施例中，在掃描速度分別為10mm/s(a)、50mm/s(b)、100mm/s(c)時對于總劑量和加工槽的槽深度的關系的研究結果的圖表。
圖5是表示在本發(fā)明的實施例中，在掃描速度分別為10mm/s(a)、50mm/s(b)、100mm/s(c)時對于脈沖寬度和加工槽的槽深度的關系的研究結果的圖表。
圖6是表示在本發(fā)明的實施例中，在掃描速度分別為10mm/s(a)、50mm/s(b)、100mm/s(c)時對于脈沖寬度和切削能力的關系的研究結果的圖表。
圖7是表示在本發(fā)明的實施例中，在掃描速度分別為10mm/s(a)、50mm/s(b)、100mm/s(c)時對于峰值功率密度和切削能力的關系的研究結果的圖表。
具體實施例方式
以下，參照圖1對本發(fā)明的激光加工方法以及激光加工裝置的一個實施方式進行說明。
本實施方式的激光加工方法是通過UV(紫外光)激光對氧化鋁襯底等無機物進行切槽加工(劃線加工)的方法，使用下述本發(fā)明的激光加工裝置進行加工。如圖1所示，該激光加工裝置包括激光器頭部(激光光源部)1，輸出紫外光(波長為266nm)的4倍頻激光束λ4；光學系統(tǒng)3，對4倍頻激光束λ4進行聚光并照射在氧化鋁襯等被加工物2上；移動機構4，使4倍頻激光束λ4相對移動以便使照射到被加工物2的照射位置發(fā)生移動并能夠改變4倍頻激光束λ4的移動方向；以及控制部C，分別控制激光器頭部1、光學系統(tǒng)3以及移動機構4。
所述激光器頭部1包括半導體激光器LD，射出波長810nm的激勵光；YAG激光器5，射出通過所述激勵光進行泵浦作用后的波長為1064nm的基波激光束λ1；第一波長變換元件6，在內(nèi)部將基波激光束λ1變換為作為二次諧波的波長為532nm(綠光)的2倍頻激光束(高次諧波激光束)λ2并輸出；第二波長變換元件7，在內(nèi)部將2倍頻激光束λ2變換為作為二次諧波的波長為266nm(紫外光)的4倍波激光束(高次諧波激光束)λ4并輸出。
所述YAG激光器5具有Nd:YAG晶體5a和配置在該YAG晶體5a兩端的諧振器反射鏡5b。
所述第一波長變換元件6是LBO(LiB3O5)晶體(非線性光學晶體)，所述第二波長變換元件7是LB4(Li2B4O7四硼酸鋰單晶)晶體(非線性光學晶體)。
在所述第二波長變換元件7中，由于非線性晶體的雙折射性，故在晶體中具有離散(walk off)角并分為輸入光束和所產(chǎn)生的高次諧波光束，并且產(chǎn)生高次諧波光束的光束外形(光束截面形狀)沿一個方向呈扁平的所謂離散現(xiàn)象。而且，使用于所述第二波長變換元件7的LB4晶體在化學穩(wěn)定性或者耐激光損傷性方面很突出，同時能夠通過CZ法等培養(yǎng)優(yōu)質(zhì)的大型晶體，并且，加工性上也較突出，長尺寸化較容易。
所述光學系統(tǒng)3包括改變4倍波激光束λ4的光路的反射鏡8a、8b；擴大4倍頻激光束λ4的光束直徑的擴展透鏡9；對光束直徑擴展后的4倍頻激光束λ4進行聚光并照射在被加工物2表面上的聚光透鏡10；以及使所述扁平方向與經(jīng)移動機構4改變后的4倍波激光束λ4的移動方向一致的棱鏡插拔結構11。
此外，通過光學系統(tǒng)3照射在被加工物2上的4倍頻激光束λ4的光束外形和從激光器頭部1出射后的形狀相似地一致。
所述移動機構4是具有步進式電動機等的、能夠安裝被加工物2的XY載物臺結構，以4倍頻激光束λ4的移動方向與所述扁平方向一致的方式設定。
所述棱鏡插拔機構11是能夠在4倍頻激光束λ4的光路上插拔改變所述扁平方向的棱鏡12的機構，由棱鏡12和移動該棱鏡12的電動機等驅(qū)動部13構成。在將切槽加工的方向變更為與所述X方向正交的Y方向時使用該棱鏡插拔機構11，所以，對驅(qū)動部13進行驅(qū)動將棱鏡12插入4倍頻激光束λ4的光路(在本實施方式中，在反射鏡8a和擴展透鏡9之間)中，由此，扁平方向旋轉90°，在被加工物2上，沿Y方向扁平為橢圓形的狀態(tài)下進行聚光。
在此狀態(tài)下，通過移動機構4，沿進行切槽加工的Y方向使被加工物2相對地移動，由此，聚光后的4倍頻激光束λ4沿著與該扁平方向(Y方向)一致的切槽加工的方向(Y方向)移動，在Y方向上，也能夠進行切槽加工。
所述控制部C由IC或者存儲器等構成，具有如下功能進行激光器頭部1的控制，以便使預先設定輸入的切槽加工或者切斷加工的加工深度越深或者4倍頻激光束λ4的掃描速度越快，4倍頻激光束λ4的脈沖寬度越長。
并且，所述控制部C分別控制激光器頭部1、光學系統(tǒng)3以及移動機構4，以便使4倍頻激光束λ4的脈沖寬度為15nsec以上，并且，使4倍頻激光束λ4的峰值功率密度為0.8GW/cm2以下。
然后，參照圖1對所述激光加工裝置的被加工物2的切槽加工方法(激光加工方法)進行說明。
首先，在激光器頭部1上，以預定的脈沖寬度向YAG激光器5脈沖入射來自半導體激光器LD的激勵光，產(chǎn)生基波激光束λ1，然后，向第一波長變換元件6入射該基波激光束λ1，由此，變換為2倍頻激光束λ2，進而，向第二波長變換元件7入射該2倍頻激光束λ2，由此，變換為4倍頻激光束λ4并輸出。此時，在第二波長變換元件7中，由于離散現(xiàn)象產(chǎn)生的二次諧波的激光外形沿固定方向呈扁平。
通過擴展透鏡9以及聚光透鏡10，從激光器頭部1出射的4倍頻激光束λ4聚光后最終照射在被加工物2上。此時，在保持從激光器頭部1出射時的光束外形的相似形狀的狀態(tài)下，在被加工物2上對4倍頻激光束λ4進行聚光。此外，控制部C對光學系統(tǒng)3的擴展透鏡9以及聚光透鏡10進行調(diào)整，由此，將4倍頻激光束λ4的峰值功率密度設定為0.8GW/cm2以下。
在本實施方式中，將來自所述半導體激光器LD的激勵光向YAG激光器5脈沖入射而產(chǎn)生基波激光束λ時，按照加工槽的槽深以及移動機構4的掃描速度，改變半導體激光器LD的脈沖寬度，對最終的照射光束即4倍頻激光束λ4的脈沖寬度進行調(diào)整。即，控制部C對激光器頭部1進行調(diào)整，由此，按照預先設定的加工槽的槽深以及掃描速度，加工槽的槽深度越長或者掃描速度越快，將4倍頻激光束λ4的脈沖寬度設定得越長。例如，為了進行CW照射，激勵用的半導體激光器LD通過改變激勵強度，由此，在某種程度上能夠?qū)γ}沖寬度進行調(diào)整。此外，通過改變諧振器長，能夠?qū)γ}沖寬度進行調(diào)整。
并且，此時為了充分提高加工能力，優(yōu)選脈沖寬度設定為15nsec以上。
這樣，在本實施方式中，加工深度越深或者掃描速度越快，將4倍頻激光束λ4的脈沖寬度設定得越長，由此，與提高平均輸出的情況相比較，能夠跨越性地提高加工能力。并且，即便提高4倍頻激光束λ4平均輸出，加工能力的提高也較少，但是，這是考慮到如下理由，即照射激光束時由于在被加工物2附近產(chǎn)生的等離子體而產(chǎn)生了屏蔽效應等。而在本實施方式中，使4倍頻激光束λ4的脈沖寬度變長，由此，能夠降低所產(chǎn)生的等離子體的影響，跨越性地提高加工能力。
特別是，在本實施方式中，將4倍頻激光束λ4的脈沖寬度至少設定為15nsec以上，并且，將峰值功率密度設定為0.8GW/cm2以下，由此，如后述的實施例的數(shù)據(jù)所示，能夠防止切削能力顯著降低，即使平均輸出相同，也能夠充分提高加工能力。
此外，在本實施方式中，因為使用通過第一波長變換元件6以及第二波長變換元件7得到的4倍頻激光束λ4(波長266nm)，故在小型裝置中，能夠穩(wěn)定地照射400nm以下的高能量短波長激光。
實施例在本發(fā)明的激光加工中，對實際在氧化鋁襯底上實施切槽加工的情況下的加工能力進行了研究。
在該實施例中，如表1所示，通過將掃描速度改變?yōu)?0、50、100mm/s來改變槽深以進行加工。
作為加工條件，對分別將脈沖寬度、頻率以及平均輸出設為40nsec、30kHz以及1W的實施例(1)、以及55nsec、40kHz以及1W的實施例(2)進行了研究。并且，作為現(xiàn)有的加工條件，對分別將脈沖寬度、頻率以及平均輸出設為10nsec、30kHz以及3W的比較例也進行了研究。表1以及圖2示出該研究結果。并且，跟蹤(trace)次數(shù)均設定為2次。
表1

(μm)如表1以及圖2所示可知，在平均輸出為1W的較小的情況下，使脈沖寬度為40nsec或55nsec的較長的情況下，相對于將平均輸出設定為3倍的3W的比較例，掃描速度為20mm/s時能夠得到1.5倍以上的加工能力(槽深度)。
然后，對于總劑量(脈沖能量×脈沖重疊度)和脈沖寬度，研究能夠達到固定槽深(本實施例中為50μm)的激光束的掃描速度的結果在圖3中示出。
由該圖3可知，脈沖寬度越長掃描速度越快。即，脈沖寬度越長，能夠使加工時間越短，并能夠降低生產(chǎn)成本。
然后，圖4到圖7示出在掃描速度為10mm/s(a)、50mm/s(b)、100mm/s(c)時對總劑量和加工槽的槽深度的關系、脈沖寬度與槽深度的關系、脈沖寬度與切削能力(表示每個脈沖能夠挖掘多少的標準值)的關系以及峰值功率密度與切削能力的關系進行研究的結果。并且，為了得到這些圖表，對于加工條件來說，不僅脈沖寬度、對頻率以及平均輸出也設定各種值并進行了測定。此外，跟蹤次數(shù)均設為2次。
根據(jù)圖4以及圖5所示的總劑量和槽深度的關系以及脈沖寬度與槽深度的關系可知，總劑量越大或者脈沖寬度越長，槽深度越大。此外，根據(jù)圖6所示的脈沖寬度與切削能力的關系可知，存在切削能力變高的脈沖寬度區(qū)域。并且，從圖7所示的峰值功率密度與切削能力的關系可知，若峰值功率密度超過0.8GW/cm2時，則切削能力顯著降低。
從所述脈沖寬度與槽深度的關系以及峰值功率密度與切削能力的關系可知，脈沖寬度為15nsec以上時，能夠充分提高加工能力，特別是峰值功率密度為0.8GW/cm2以下時，由于良好的切削能力，故得到較深的加工槽。
并且，若考慮完成加工(加工槽剖面形狀、熔融急冷凝固層厚、碎片等)，則將脈沖寬度設定得較長較有利。特別是，若考慮到加工速度，則優(yōu)選設定為60nsec以上的較長脈沖寬度、50kHz以上的高重復頻率以及0.6W以上的平均輸出。
并且，本發(fā)明的技術范圍并不限于所述實施方式，只要在不超過本發(fā)明宗旨的范圍內(nèi)，可以進行各種變更。
例如，用作所述第一波長變換元件6以及第二波長變換元件7的非線性光學晶體，可以使用所述LBO或者LB4以外的例如BBO(β-BaB2O4)、KTP(KTiOPO4)、CLBO(CsLiB6O10)等。并且，如上所述，優(yōu)選如所述實施方式LB4晶體那樣，容易長尺寸化、并能夠得到較高的變換效率和由離散所引起的光束變形這二者的晶體。此外，雖然不能得到伴隨離散的效果，但是，也可以采用不產(chǎn)生離散的晶體。
此外，雖然使用了Nd:YAG晶體作為主晶體，但是，采用其他的主晶體，例如Nd:YLF等亦可。
并且，在所述實施方式中，雖然使用了4倍頻激光束λ4，但是，即使采用5倍頻激光束λ5也能夠得到相同的效果。
此外，雖然使用了波長為266nm的4倍頻激光束λ4，但是，若采用波長為355nm等波長為400nm以下的紫外線激光束也能得到相同的效果。
此外，在所述實施方式中，采用了適于切槽加工的棱鏡插拔機構11，但是，也可以將本發(fā)明應用于不安裝該結構的裝置中。
此外，對作為被加工物2的氧化鋁襯底進行了加工，但是，也可以將其他的燒結體陶瓷、硅以及其他的半導體襯底、藍寶石以及其他的氧化物單晶襯底等無機物作為被加工物。
權利要求
1.一種激光加工方法，對無機物的被加工物脈沖照射紫外線激光束以進行切槽加工或者切斷加工，其特征在于所述切槽加工或者所述切斷加工的加工深度越深、或者所述紫外線激光束的掃描速度越快，將所述紫外線激光束的脈沖寬度設定得越長。
2.如權利要求1記載的激光加工方法，其特征在于將所述紫外線激光束的脈沖寬度設為15nsec以上。
3.如權利要求2記載的激光加工方法，其特征在于將所述紫外線激光束的峰值功率密度設為0.8GW/cm2以下。
4.如權利要求1到3的任意一項記載的激光加工方法，其特征在于所述紫外線激光束是使基波激光束入射到非線性光學晶體的波長變換元件內(nèi)并進行波長變換后的高次諧波激光束。
5.如權利要求1到4的任意一項記載的激光加工方法，其特征在于所述紫外線激光束由固體激光器產(chǎn)生，其波長為400nm以下。
6.如權利要求5記載的激光加工方法，其特征在于所述非線性光學晶體至少使用了Li2B4O7。
7.一種激光加工裝置，對無機物的被加工物脈沖照射紫外線激光束以進行切槽加工或者切斷加工，其特征在于，包括激光光源部，輸出所述紫外線激光束；光學系統(tǒng)，對所述紫外線激光束進行聚光并照射在所述被加工物上；移動機構，使所述紫外線激光束相對移動，并移動向所述被加工物的照射位置；控制部，分別控制所述激光光源部、所述光學系統(tǒng)以及所述移動機構，所述切槽加工或者所述切斷加工的加工深度越深、或者所述紫外線激光束的掃描速度越快，所述控制部將所述紫外線激光束的脈沖寬度設定得越長。
8.如權利要求7記載的激光加工裝置，其特征在于所述控制部將所述紫外線激光束的脈沖寬度設為15nsec以上。
9.如權利要求8記載的激光加工裝置，其特征在于所述控制部將所述紫外線激光束的峰值功率密度設為0.8GW/cm2以下。
10.如權利要求7到9的任意一項記載的激光加工裝置，其特征在于所述紫外線激光束是使基波激光束入射到非線性光學晶體的波長變換元件內(nèi)并進行波長變換后的高次諧波激光束。
11.如權利要求7到10的任意一項記載的激光加工裝置，其特征在于所述紫外線激光束由固體激光器產(chǎn)生，其波長為400nm以下。
12.如權利要求11記載的激光加工方法，其特征在于所述非線性光學晶體使用了Li2B4O7。
全文摘要
在由激光對半導體材料或者陶瓷材料進行切槽加工或者切斷加工的過程中，實現(xiàn)更高的加工能力的提高。一種激光加工方法和激光加工裝置，對無機物的被加工物(2)脈沖照射紫外線激光束(λ4)以進行切槽加工或者切斷加工，切槽加工或者切斷加工的加工深度越深、或者紫外線激光束的掃描速度越快，將紫外線激光束的脈沖寬度設定得越長。由此，與提高平均輸出的情況相比，能夠跨越性地提高加工能力。
文檔編號B28D5/00GK101027161SQ200580032638
公開日2007年8月29日 申請日期2005年9月29日 優(yōu)先權日2004年9月29日
發(fā)明者加藤浩和, 日向野哲 申請人:三菱麻鐵里亞爾株式會社