JP5446631B2 - レーザ加工方法及びレーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光を被割断部材の割断予定ラインに沿って集光照射して割断の起点となる改質領域を被割断部材の内部に形成するレーザ加工方法及びレーザ加工装置に関する。

従来、半導体基板、圧電セラミック基板、サファイア基板、ガラス基板等の硬脆材料板体を割断するにあたり、被割断板体の内部に割断予定ラインに沿って板体に透明な波長を有する短パルスレーザ光を集光照射し、内部に微小クラックが群生した微細溶融痕（改質領域）を生成させ、その後応力を加えて、その微細溶融痕を起点に板体の厚さ方向に向かって生じるクラックを利用して割断していた（例えば、特許文献１参照。）。

また、一つのパルスレーザ光を三つに分割して時間差を付け（一つより二つ、二つより三つと遅延させ）、その後位置をずらして集光照射する加工法も知られている。（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００５−２７１５６３号公報 特開２００６−１６７８０４号公報

しかし、この従来のレーザ加工方法では、レーザ光が円形スポットに集光されるため、クラックを発生させて成長させる内部応力が等方的に働く。そのため、クラックが割断予定ラインに沿う方向以外にも発生、成長してしまい、クラックの発生、成長を割断予定ライン方向に集中させることができない。その結果、割断面の平坦度が損なわれる。また、円形スポットを割断予定ラインに沿って照射する際、単位長さ当たりの照射スポットの数が多くなり、加工速度が低いという問題もある。さらに、被割断板体が厚い場合、焦点位置を厚み方向にずらして加工を繰り返す必要があるが、厚み方向にずらす量を少なくしなければならず、加工速度が益々低くなってしまう。

一つのパルスレーザ光を三つに分割して時間差を付け、その後位置をずらして集光照射する加工方法は、割断予定ライン方向に三つのスポットを繋げて形成することで、割断予定ライン方向の加工速度（集光レンズの光軸の相対移動速度）を高くできることが期待される。また、三つのスポットを厚み方向に繋げて形成することで焦点位置を厚み方向にずらす量を大きくでき、厚み方向の加工速度（集光レンズの厚み方向の相対移動速度）を高くできることが期待される。

しかしながら、時間差を付けて連続して照射される三つのパルス光のうち、最初に照射される一つ目のパルス光を除いて、後続のパルス光は、それより前に照射されたパルス光によって引き起こされる熱の影響を受けてしまう。すなわち、被割断部材である脆性材料はアモルファス転移が起こるような温度に熱せられると、延性材化するため、前のパルス光によって熱せられた領域付近に後続のパルス光を照射しても、温度差に伴う応力発生が生じにくくなると共に、材料物性の変化（例えば、溶解）が影響してクラックが成長し難くなる。その結果、期待される程加工速度は高くならない。

また、被割断部材である脆性材料のレーザ光に対する屈折率や吸収係数も温度によって変化するため、前のパルス光によって熱せられた領域付近に後続のパルス光を照射しても、レーザ光が集光点に至るまでに吸収されてしまい、集光点に十分なエネルギーが到達しない問題や、集光点の位置がずれてしまう問題も有している。集光点の位置がずれると、三つのスポットが厚み方向に繋がらず、焦点位置を厚み方向にずらす量を大きくできない。その結果、厚み方向の加工速度（集光レンズの厚み方向の相対移動速度）の低下をもたらす。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、加工速度が高く、エネルギー効率の高いレーザ加工方法及びレーザ加工装置を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するためになされた本発明のレーザ加工方法は、集光レンズと被割断部材とを相対的に移動させながらレーザ光を被割断部材に集光照射することにより、割断予定ラインに沿うように前記被割断部材の内部に割断の起点となる内部改質領域を形成するレーザ加工方法であって、前記内部改質領域を形成しようとする領域に対して複数の前記レーザ光を照射することによって同時に複数の集光スポットを形成するステップであって、前記複数のレーザ光の照射によって前記被割断部材の温度が上昇する領域が互いに融合するように前記複数の集光スポットを形成するステップを備えることを特徴とする。

上記のレーザ加工方法において、前記複数の集光スポットは、前記被割断部材の表面から所定の深さ位置で前記集光レンズの光軸と直交し前記表面と平行な断面の上に形成され、前記複数の集光スポットのうち少なくとも一つは、前記割断予定ラインの前記表面と平行な前記断面への射影線上に形成されるとよい。

上記のレーザ加工方法において、前記複数の集光スポットは、前記割断予定ラインの位置で前記表面と垂直な断面の上に形成され、前記複数の集光スポットのうち少なくとも一つは、前記集光レンズの光軸上に形成されるとよい。

上記のレーザ加工方法において、前記レーザ光は、超短パルスレーザ光が好ましい。

また、上記のレーザ加工方法において、前記複数の断面集光スポットを結ぶ図形が三角形であるとよい。

また、前記複数の深さ集光スポットを結ぶ図形が三角形であるとよい。

また、前記複数の断面集光スポットを結ぶ図形が平行四辺形であり、前記平行四辺形の鋭角をなす二つの頂点を前記割断予定ラインの前記断面への射影線上に位置するようにするとよい。

また、前記複数の深さ集光スポットを結ぶ図形が平行四辺形であり、前記平行四辺形の鋭角をなす二つの頂点を前記集光レンズの光軸上に位置するようにするとよい。

また、前記複数の断面集光スポットの前記断面の上での空間位置と該集光スポットのエネルギー密度との組み合わせを用いることで前記所望の形状の前記内部改質領域を形成するようにするとよい。

また、前記複数の深さ集光スポットの前記割断予定ラインを含む面内の空間位置と該集光スポットのエネルギー密度との組み合わせを用いることで前記所望の形状の前記内部改質領域を形成するようにするとよい。

上記の課題を解決するためになされた本発明のレーザ加工装置は、集光レンズと被割断部材とを相対的に移動させながらレーザ光を被割断部材に集光照射することにより、割断予定ラインに沿うように前記被割断部材の内部に割断の起点となる内部改質領域を形成するレーザ加工装置であって、前記内部改質領域を形成しようとする領域に対して複数の前記レーザ光を照射することによって同時に複数の集光スポットを形成する光学系であって、前記複数のレーザ光の照射によって前記被割断部材の温度が上昇する領域が互いに融合するように前記複数の集光スポットを形成する光学系を備えることを特徴とする。

上記のレーザ加工装置において、前記光学系は、前記複数の集光スポットを、前記被割断部材の表面から所定の深さ位置で前記集光レンズの光軸と直交し前記表面と平行な断面の上に形成し、前記複数の集光スポットのうち少なくとも一つを、前記割断予定ラインの前記表面と平行な前記断面への射影線上に形成するように適合されているとよい。

上記のレーザ加工装置において、前記光学系は、前記複数の集光スポットを、前記割断予定ラインの位置で前記表面と垂直な断面の上に形成し、前記複数の集光スポットのうち少なくとも一つを、前記集光レンズの光軸上に形成するように適合されているとよい。

被割断部材の表面から所定の深さ位置で前記集光レンズの光軸と直交し前記表面と平行する断面の上に複数の断面集光スポットを同時に形成するので、延性材化による応力発生の抑制や物性変化によるクラック伸展の抑制がなく、割断予定ライン方向の加工速度が高くなる。

被割断部材の表面から所定の深さ位置で深さ方向に複数の深さ集光スポットを同時に形成するので、延性材化による応力発生の抑制や物性変化によるクラック伸展の抑制がなく、厚み方向の加工速度が高くなる。

被割断部材の表面から所定の深さ位置で前記集光レンズの光軸と直交し前記表面と平行する断面の上に複数の断面集光スポットを同時に形成し、所定の深さ位置で深さ方向にも複数の深さ集光スポットを同時に形成するので、割断予定ライン方向の加工速度及び厚み方向の加工速度を共に高くすることができる。

レーザ光が超短パルスレーザ光であると、一つのレーザ光を複数に分岐しても各レーザ光のパルスのピーク尖頭値は、アモルファスの相転移に必要な一定の閾値に対して十分余裕がある。また、熱源が生成するまでにパルス照射が完了し、パルス自身が熱の影響を受けずに安定的に所望の熱源によるクラック制御ができる。

複数の断面集光スポットを結ぶ図形が三角形であるので、割断予定ライン方向の一方向に楔効果が働き、割断予定ライン方向の加工速度を一層高めることができる。

複数の深さ集光スポットを結ぶ図形が三角形であるので、厚み方向の一方向に楔効果が働き、厚み方向の加工速度を一層高めることができる。

複数の断面集光スポットを結ぶ図形が平行四辺形であり、前記平行四辺形の鋭角をなす二つの頂点を前記割断予定ラインの前記断面への射影線上に位置させるので、割断予定ライン方向の両方向に楔効果が働き、割断予定ライン方向の加工速度をより一層高めることができる。

複数の深さ集光スポットを結ぶ図形が平行四辺形であり、前記平行四辺形の鋭角をなす二つの頂点を前記集光レンズの光軸上に位置させるので、厚み方向の両方向に楔効果が働き、厚み方向の加工速度をより一層高めることができる。

複数の断面集光スポットの前記断面の上での空間位置と該集光スポットのエネルギー密度との組み合わせを用いることで前記所望の形状の前記内部改質領域を形成するので、割断予定ライン方向の楔効果の働きを自由に制御することができる。

複数の深さ集光スポットの前記割断予定ラインを含む面内の空間位置と該集光スポットのエネルギー密度との組み合わせを用いることで前記所望の形状の前記内部改質領域を形成するので、厚み方向の楔効果の働きを自由に制御することができる。

本発明に係る実施形態１のレーザ加工装置の概略構成図である。 図１の被割断部材３の斜視図である。 図１のA−A線断面図である。 実施形態１の変形態様を説明するための図１のA−A線断面図である。 実施形態１の別の変形態様を説明するための図１のA−A線断面図である。 実施形態１のレーザ加工装置における光学系の一例を示す図である。 図６の光学系の変形態様を示す図である。 実施形態２のレーザ加工装置の概略構成図である。 図８の被割断部材３の斜視図である。 図９のＢ−Ｂ線断面図である。 実施形態２の変形態様を説明するための図９のＢ−Ｂ線断面図である。 実施形態２の別の変形態様を説明するための図９のＢ−Ｂ線断面図である。 実施形態２のレーザ加工装置における光学系の一例を示す図である。 図１３の光学系の変形態様を示す図である。 実施形態３のレーザ加工装置の概略構成図である。 図１５の被割断部材３の斜視図である。 図１６のA−A線断面図及びＢ−Ｂ線断面図である。 実施形態３のレーザ加工装置における光学系の一例を示す図である。 図１８の光学系の変形態様を示す図である。 図１８の光学系の別の変形態様を示す図である。 図１８の光学系の別の変形態様を示す図である。 二つの集光スポット形成直後の熱源温度分布パターンである。 三つの集光スポットを時間差τを変えて形成した場合の１０ｎｓｅｃ後の熱源温度分布パターンである。 二つの集光スポット（スポット径：２μｍ）間隔が２μｍの場合の熱源温度分布パターンと応力分布パターンである。 二つの集光スポット（スポット径：２μｍ）間隔が４μｍの場合の熱源温度分布パターンと応力分布パターンである。 集光スポット間隔と応力の関係を示すグラフである。 応力の時間変化を示すグラフである。 実施例における集光スポットの空間配置を説明する図と、レーザ加工後のサファイアの透過写真である。 比較例における集光スポットの空間配置を説明する図と、レーザ加工後のサファイアの透過写真である。

（実施形態１）
本発明を実施するための形態を図面に基づいて以下に詳しく説明する。

図１は、実施形態１のレーザ加工装置の概略構成図である。図２は、図１の被割断部材３の斜視図、図３は、図１のＡ−Ａ線断面図である。

本実施形態のレーザ加工装置は、図１〜図３に示すように、被割断部材３の表面３aから所定の深さ位置Ｚ0で集光レンズ２１の光軸Ｏと直交し表面３aと平行する断面３bの上に複数の断面集光スポットＰ0、Ｐ1を同時に形成し、その際、複数の断面集光スポットＰ0、Ｐ1のうち少なくとも一つの断面集光スポットを割断予定ラインＳ0の断面３bへの射影線Ｓ1上に形成する光学系２を備えている。

１は、被割断部材３に対し透明な波長を有する繰り返し超短パルスレーザ光を発生する光源である。光源１として、波長が１〜２μｍ、パルス幅が１０ｆｓ〜２０ｐｓ、繰り返し周波数が１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚのレーザ光を発生するErまたはYbをドープしたモードロックファイバーレーザを用いることで、ガラス、サファイア、水晶、シリコン等の被割断部材３の集光スポット位置でレーザ光が多光子吸収され内部改質領域が形成される。

本実施形態では、二つの集光スポットＰ0、Ｐ1が割断予定ラインＳ0の断面３bへの射影線Ｓ1上に形成される。図示しない移動ステージをＸ方向に移動させることで、二つの集光スポットＰ0、Ｐ1ペアがＳ1上に順次形成される。

二つの集光スポットＰ0、Ｐ1は、互いに接触あるいは近接しているので、図３（ａ）に示すように短時間内で融合して楕円状熱源温度分布パターンｅになる。二つの集光スポットＰ0、Ｐ1が射影線Ｓ1上にあるので、楕円状熱源温度分布パターンeの長軸も射影線Ｓ1上にある。その結果、応力の異方性、すなわち、長軸方向にクラックを成長させる応力が発生され、次の二つのスポットＰ0、Ｐ1を形成する間隔を大きくすることができる。すなわち、移動ステージのＸ軸方向への送り速度（割断方向の加工速度）を高くすることができる。

また、二つの集光スポットＰ0、Ｐ1は同時に形成されるので、集光点に十分なエネルギーが到達しない問題や、集光点の位置がずれてしまうといった問題がない。

次に、実施形態１の変形態様を説明する。図３（ｂ）に示すように、二つの集光スポットＰ0、Ｐ1の間隔を広げて所定の間隔になるように形成してもよい。すると、もはや二つの集光スポットＰ0、Ｐ1は融合せず、独立した円形状熱源温度分布パターンｒ0、ｒ1になる。独立した円形状熱源温度分布パターンｒ0、ｒ1間には、引張応力が働き、射影線Ｓ1方向（割断方向）へのクラックの伸展が助長される。

また、図４に示すように、三つの集光スポットＰ0、Ｐ1、Ｐ2を同時に形成してもよい。このとき、Ｐ0、Ｐ1、Ｐ2に注入されるエネルギー密度をE0、E1、E2として、E0＞E1、E0＞E2を満たすようにすることで、応力の異方性（楔効果）が高まり、一層加工速度を高くすることができる。

また、図５（ａ）に示すように、三つの集光スポットＰ0、Ｐ1、Ｐ2を結ぶ図形が三角形を描くようにするとよい。三つの集光スポットＰ0、Ｐ1、Ｐ2が融合して三角形状熱源温度分布パターンｆとなり、楔効果を左方向に作用させることができる。

また、図５（ｂ）に示すように、四つの集光スポットＰ0、Ｐ1、Ｐ2、Ｐ3を結ぶ図形が平行四辺形を描くようにし、平行四辺形の鋭角をなす二つの頂点Ｐ0、Ｐ3を射影線Ｓ1上に位置させてもよい。四つの集光スポットＰ0、Ｐ1、Ｐ2、Ｐ3が融合して平行四辺形状熱源温度分布パターンｇとなり、楔効果が左右に作用し、割断方向の加工速度を一層高くすることができる。

ここで、本発明における複数の集光スポットを同時に形成する事項における「同時」について説明する。複数の集光スポットを空間的に異なる位置に全く同時に形成することは不可能であり、自ずと時間幅（時間差）τがある。そこで、時間差τがどこまで許容されるかをシミュレーション実験で調べてみた（後述のシミュレーション２参照。）。その結果、被割断部材が典型的なサファイアの場合、τ＝０．３ｎｓｅｃを得た。そこで、本発明では、０〜サブｎｓｅｃの範囲を「同時」と定義する。

本実施形態のように、超短パルスレーザ光を用いることで、熱の発生を極めて局所的に且つ非常に高温にできるため次の二つのメリットがある。

先ず、溶融領域が局所のため、延性材化する範囲が狭く、その周りの脆性が保たれる。その結果、熱応力が作用したときに良好にクラックが伸展する。パルス幅が長いと、溶融範囲が広がるため、延性材化によるクラック伸展の抑制がある。

次に、ピークパワーが高いため、温度勾配が急峻になる。したがって、大きな熱応力が発生する。パルス幅が長いと、ピークパワーが小さいため、温度勾配がなだらかになる上、熱拡散しながら入熱が続く状態となり、温度勾配はますますなだらかになり、熱応力が発生しにくくなる。

なお、複数のビームが同時に照射され且つ各スポットの間隔が波長の５倍程度以下と狭い場合、お互いのビームが干渉し合い、その程度に応じて強度分布が変動する可能性があるため、その影響を加味した加工を行う必要がある。したがって、意図した強度分布を維持し、より効率的に所望の熱源温度分布パターンを得るためには、各ビームをパルス幅程度の時間差を設けて照射するのが望ましい。本実施形態のように、超短パルスレーザ光を用いることで、本発明で定義する「同時」の範囲の中でパルス幅程度の時間差を付けて照射することが可能になるため、時間的に前に照射されたパルスによって生じる熱の影響を回避できるメリットがある。

本実施形態のレーザ加工方法における光学系２としては、例えば、図６に示すものがある。図中２２と２３は、ビームスプリッタ、２４と２５はミラーである。

光源１から射出されたレーザ光は、ビームスプリッタ２２で二つに分割される。ビームスプリッタ２２で反射されたレーザ光は、ミラー２４で反射されて集光レンズ２１に光軸Ｏとθ0をなして入射される。ビームスプリッタ２２を透過したレーザ光は、次のビームスプリッタ２３でさらに二つに分割される。ビームスプリッタ２３で反射されたレーザ光は、ミラー２５で反射されて集光レンズ２１に光軸Ｏとθ1をなして入射される。ビームスプリッタ２２を透過したレーザ光は、光軸Ｏ上を進み集光レンズ２１に入射される。

光軸Ｏ上を進んで入射されたレーザ光は、射影線Ｓ1と光軸Ｏの交点に集光され、集光スポットＰ0となる。光軸Ｏとθ0をなして入射されたレーザ光は、射影線Ｓ1上で集光スポットＰ0からＸ0離れた位置に集光され、集光スポットＰ2となる。光軸Ｏとθ1をなして入射されたレーザ光は、射影線Ｓ1上で集光スポットＰ0からＸ1離れた位置に集光され、集光スポットＰ1となる。

集光レンズ２１の焦点距離をＦとすると、
Ｘ0＝Ｆtanθ0
Ｘ1＝Ｆtanθ1
の関係があるので、θを変えることで三つの集光スポットＰ0、Ｐ1、Ｐ2の間隔を変えることができる。

なお、図６の光学系２では、三つの集光スポットＰ0、Ｐ1、Ｐ2を形成するレーザ光の光路が異なるが、上記の同時を満たすように光路差を小さくする必要がある。光遅延媒質を用いることで光路差を調整することができる。

次に、光学系２の変形態様を説明する。光学系２として、図７に示す光学系２０を用いることができる。ＡＯＭ（音響光学変調器）２０２によって波長シフトを起こしたビーム（１次光）と波長シフトを起こさないビーム（０次光）を生成し、グレーティングペア２０３に挿入する。グレーティングペア２０３によって同時を満たすように二つのビームの光路差が調整される。ＡＯＭ２０２の音波振動数を変えることでθを変化させるか、またはグレーティングペア２０３の格子の本数（ピッチ）、次数を調整することによって集光レンズ２０１に入射する角度を変化させ、集光スポットのＸ方向の位置を変化させる。

外部から電気信号によって、ＡＯＭ２０２の音波振動数を変化させることで、集光スポットの位置が制御される。

（実施形態２）
図８は、実施形態２のレーザ加工装置の概略構成図である。図９は、図８の被割断部材３の斜視図、図１０は、図９のＢ−Ｂ線断面図である。

本実施形態のレーザ加工装置は、図８〜１０に示すように、被割断部材３の表面３aから所定の深さＺ0位置で深さ方向に複数の深さ集光スポットＱ0、Ｑ1を同時に形成し、その際、複数の深さ集光スポットＱ0、Ｑ1のうち少なくとも一つの深さ集光スポットを集光レンズ２Ａ1の光軸Ｏ上に形成する光学系２Aを備えている。

本実施形態では、集光スポットＱ0が光軸Ｏ上の表面３aからＺ0の深さに形成され、集光スポットＱ1が光軸Ｏ上で集光スポットＱ0より深さ方向（Ｚ方向）に深い位置に形成される。図示しない移動ステージをＸ方向に移動させることで、二つの集光スポットＱ0、Ｑ1がＸ方向に順次形成される。

二つの集光スポットＱ0、Ｑ1は、一部重なる、接する或いは近接しているので、図１０（ａ）に示すように融合して楕円状スポットeになる。二つの集光スポットＱ0、Ｑ1が光軸Ｏ上にあるので、楕円状スポットeの長軸も光軸Ｏ上にある。その結果、応力の異方性、すなわち、長軸方向（深さ方向）にクラックを成長させる応力が発生され、深さ方向に別のスポットＱ0、Ｑ1を同時に形成する深さ方向の間隔を大きくすることができる。すなわち、移動ステージのＺ軸方向への送り速度（厚み方向の加工速度）を高くすることができる。

また、二つの集光スポットＱ0、Ｑ1は同時に形成されるので、集光点に十分なエネルギーが到達しない問題や、集光点の位置がずれてしまうといった問題がない。

次に、実施形態２の変形態様を説明する。図１０（ｂ）に示すように、二つの集光スポットＱ0、Ｑ1を所定の間隔以上あけて形成してもよい。すると、もはや二つの集光スポットＱ0、Ｑ1は融合せず、独立した円形状熱源温度分布パターンｒ0、ｒ1になる。独立した円形状熱源温度分布パターンｒ0、ｒ1間には、引張応力が働き、光軸Ｏ方向（厚さ方向）へのクラックの伸展が助長される。

また、図１１に示すように、三つの集光スポットＱ0、Ｑ1、Ｑ2を同時に形成してもよい。このとき、Ｑ0、Ｑ1、Ｑ2に注入されるエネルギー密度をＥ0、Ｅ1、Ｅ2として、Ｅ0＞Ｅ1、Ｅ0＞Ｅ2を満たすようにすることで、応力の異方性（楔効果）が高まり、一層加工速度を高くすることができる。

また、図１２（ａ）に示すように、三つの集光スポットＱ0、Ｑ1、Ｑ2を結ぶ図形が三角形を描くようにするとよい。三つの集光スポットＱ0、Ｑ1、Ｑ2が融合して三角形状熱源温度分布パターンｆとなり、楔効果を上方向に作用させることができる。

また、図１２（ｂ）に示すように、四つの集光スポットＱ0、Ｑ1、Ｑ2、Ｑ3を結ぶ図形が平行四辺形を描くようにし、平行四辺形の鋭角をなす二つの頂点Ｑ0、Ｑ3を光軸Ｏ上に位置させてもよい。四つの集光スポットＱ0、Ｑ1、Ｑ2、Ｑ3が融合して平行四辺形状熱源温度分布パターンｇとなり、楔効果が上下に作用し、厚み方向の加工速度を一層高くすることができる。

本実施形態のレーザ加工装置における光学系２Ａとしては、例えば、図１３に示すものがある。図中２A2と２A3はビームスプリッタ、２A４と２A５はミラーである。２A6は、リレーレンズである。

光源１から射出されたレーザ光は、ビームスプリッタ２A２で二つに分割される。ビームスプリッタ２A２を透過したレーザ光は、ビームスプリッタ２A3を透過して集光レンズ２A1に入射される。ビームスプリッタ２A２で反射されたレーザ光は、リレー光学系２A6で拡がり角αのレーザ光に変換され、その後ビームスプリッタ２A3で反射されて集光レンズ２A1に入射される。

ビームスプリッタ２A3を透過したレーザ光は、図１３（ｂ）に示すように集光レンズ２A1の焦点位置に集光され、集光スポットＱ0となる。ビームスプリッタ２A3で反射されたレーザ光は、集光スポットＱ0よりＺ1下方に集光され、集光スポットＱ1となる。

ビームスプリッタ２A3で反射されたレーザ光の集光レンズ２A1でのビーム半径をＲとすると、
Ｚ1＝｛ＲＦ／（Ｒ−Ｆtanα）｝−Ｆ
の関係があるので、拡がり角αを変えることで、集光スポットＱ0、Ｑ1の間隔を変えることできる。

なお、図１３の光学系２Aでは、二つの集光スポットＱ0、Ｑ1を形成するレーザ光の光路が異なるが、上記の同時を満たすように光遅延媒質等を用いて光路差を小さくする必要がある。

次に、光学系２Aの変形態様を説明する。光学系２Aとして、図１４に示す光学系２０A、２０Bを用いることができる。

図１４（ａ）に示すように、中心部と周辺部で曲率の異なる多焦点レンズ２０A1を用いることで、集光スポットを分離することができる。図ではＺ方向の集光スポットを分離する方法を例示しているが、Ｘ方向の集光スポットを分離することもできる。

また、図１４（ｂ）に示すように、回折レンズ（フレネルレンズ）２０B1を用いることで、Ｚ方向の集光スポットを分離できる。回折レンズ２０B1の溝形状を調整することで各々の回折光による集光スポットの強度を調整できる。

（実施形態３）
図１５は、実施形態３のレーザ加工装置の概略構成図である。図１６は、図１５の被割断部材３の斜視図、図１７（ａ）は、図１６のA−A線断面図、図１７（ｂ）は、図１６のＢ−Ｂ線断面図である。

本実施形態のレーザ加工装置は、図１５〜１７に示すように、被割断部材３の表面３aから所定の深さ位置Ｚ0で集光レンズ２B１の光軸Ｏと直交し表面３aと平行する断面３bの上に複数の断面集光スポットＰ0、Ｐ1を同時に形成し、その際、複数の断面集光スポットＰ0、Ｐ1のうち少なくとも一つの断面集光スポットを割断予定ラインＳ0の断面３bへの射影線Ｓ1上に形成し、所定の深さ位置Ｚ0で深さ方向にも複数の深さ集光スポットＱ0、Ｑ1を同時に形成し、その際、複数の深さ集光スポットＱ0、Ｑ1のうち少なくとも一つの深さ集光スポットを集光レンズ２B１の光軸Ｏ上に形成する光学系２Bを備えている。

本実施形態では、二つの集光スポットＰ0、Ｐ1が割断予定ラインＳ0の断面（ＸＹ平面）３bへの射影線Ｓ1上に形成され、集光スポットＱ0が光軸Ｏ上の表面３aからＺ0の深さに形成され、集光スポットＱ1が光軸Ｏ上で集光スポットＱ0より深い位置（表面３aから（Ｚ0＋Ｚ1））に形成される。

二つの集光スポットＰ0、Ｐ1は、互いに接触あるいは近接しているので、図１７（ａ）に示すように、短時間内に融合して楕円スポットe1になる。二つの集光スポットＰ0、Ｐ1が射影線Ｓ1上にあるので、楕円状熱源温度分布パターンe1の長軸も射影線Ｓ1上にある。その結果、応力の異方性、すなわち、長軸方向にクラックを成長させる応力が発生され、次の二つのスポットＰ0、Ｐ1を形成する間隔を大きくすることができる。したがって、移動ステージのＸ軸方向への送り速度（割断方向の加工速度）を高くすることができる。

また、二つの集光スポットＱ0、Ｑ1は、一部重なる、接する或いは近接しているので、図１７（b）に示すように、短時間内に融合して楕円状スポットe2になる。二つの集光スポットＱ0、Ｑ1が光軸O上にあるので、楕円状熱源温度分布パターンe2の長軸も光軸Ｏ上にある。その結果、応力の異方性、すなわち、長軸方向（深さ方向）にクラックを成長させる応力が発生され、深さ方向に別のスポットＱ0、Ｑ1を同時に形成する深さ方向の間隔を大きくすることができる。すなわち、焦点位置を厚み方向にずらす量を大きくでき、厚み方向の加工速度（集光レンズの厚み方向の相対移動速度）を高くすることができる。

本実施形態のレーザ加工装置における光学系２Bとしては、例えば、図１８に示すものがある。図中２B2、２B3、２Ｂ4、２B5はビームスプリッタ、２B6、２B7、２B8、２B9はミラー、２B10と２B11はリレーレンズである。

光源１から射出されたレーザ光は、ビームスプリッタ２B２で二つに分割され、一方のレーザ光はビームスプリッタ２B3でさらに分割される。

ビームスプリッタ２B２を透過したレーザ光は、ビームスプリッタ２B3、２B4、２B5を透過して集光レンズ２B1に入射され、集光スポットＰ0（Ｑo）を形成する。

ビームスプリッタ２B２で反射されたレーザ光は、リレーレンズ２B10で拡がり角αのレーザ光に変換さる。その後、ビームスプリッタ２B4で反射されて集光レンズ２B1に入射され、集光スポットＱ1を形成する。なお、リレーレンズ２B10のレンズ間隔（Ｚ方向の距離）を変えることで拡がり角を変えることができる。

ビームスプリッタ２B3で反射されたレーザ光は、リレーレンズ２B11で伝搬方向が変えられる。その後、ビームスプリッタ２B5で反射されて集光レンズ２B1に光軸Ｏとθをなす方向から入射され、集光スポットＰ1を形成する。なお、リレーレンズ２B11の倍率が高い場合は、リレーレンズ２B11の煽り角を変えることで伝搬方向をかえることができる。

なお、図１８の光学系２Ｂでは、三つの集光スポットＰ0（Ｑ0）、Ｐ1、Ｑ1を形成するレーザ光の光路が異なるが、上記の同時を満たすように光路差を小さくする必要がある。

次に、光学系２Bの変形態様を説明する。光学系２Bを図１９に示すような光学系２Cとしてもよい。回折格子２C2によって得られる複数次の回折光に対して独立にミラー２C3〜２C7で反射させ、戻り光を集光レンズ２C1で集光する。

各ｎ次光を独立に反射するミラー２C3〜２C7を配置し、各ミラーの入射ビームに対する角度を調節することで、戻り光の集光レンズ２C1への入射角を各々変化させることが可能になり、集光スポットＰ0、Ｐ1が被割断部材３の割断予定ラインＳ0の断面（ＸＹ平面）への射影線Ｓ1上に形成される。

ミラー２C7の調節角αと集光レンズ２C1への入射角βとの間には
β＝２αcosθt／cosθi
の関係があるので、αを調節することで入射角βを変えることができる。ここで、θiは回折格子２C2への入射角、θtは回折格子２C2からの射出角である。

また、各ミラー２C3〜２C7の反射面の曲率を調整することで、戻り光の集光レンズ２C1に入射する際の拡がり角（または、窄まり角）を各々変化させることが可能になり、Ｚ方向に対して所望の空間的に分離された集光スポットを形成することができる。

回折格子２C2の格子形状を調節することで、各ｎ次光の強度を所望の強度に最適化することができる。

また、光学系２Bを図２０に示すような光学系２Dとしてもよい。光源１から射出される一つのビームがビームエキスパンダ２D2で拡げられ、多数のアパーチャ２D3〜２D5に取り付けられたガラス棒２D6〜２D8に入射される。ガラス棒２D6〜２D8の射出側の端面角度を変えることで、集光レンズ２D1に入射するビームの角度を変化させることができ、集光スポットのＸ方向の位置を変化させる。

また、ガラス棒２D6〜２D8の射出側端面の曲率を調整することで、集光レンズ２D1に入射する際の拡がり角（または、窄まり角）を各々変化させることができ、Ｚ方向の位置を変化させる。あるいは、単なるガラス棒の代わりにセルフォックレンズ（径の外側に行くほど屈折率が小さくなるように屈折率分布が施されているレンズ）を用いることによって集光レンズ２D1に入射する際の拡がり角（または、窄まり角）を各々変化させることができ、Ｚ方向の位置を変化させることもできる。

アパーチャ２D3〜２D5にガラス棒２D6〜２D8を取り付ける代わりに、６角形のガラスをスタックさせてフライアイレンズのようにすればケラレ部分が無くなるため、ロスが抑えられてさらに望ましい。

通常のガウシアンビームでは、分離後の各焦点間の強度分布もガウシアンに準じたものになってしまう。各集光スポットの強度分布を均一にするためには、アパーチャ２D3〜２D5の上流に、トップハット分布変換光学系を置いて各アパーチャに入射するビームの強度を等しくする方法が考えられる。

さらに、光学系２Bを図２１に示すような光学系２Eとしてもよい。穴あきアキシコンミラーペア２E2を用いて中心の小さなビームとドーナツ型のビームに分離して、集光レンズ２E1で集光する。アキシコンミラーペア２E2内で折り返されたレーザ光と中心の穴から抜けるレーザ光の集光レンズ２E1への到達時間をそろえるために、遅延媒質２E3の長さは、アキシコンミラーペア２E2内での折り返しの光路長と、遅延媒質２E3内の実効光路長が揃うように調整されている。遅延媒質２E3の射出側端面角度を変えることで、集光レンズ２E1に入射するビームの角度を変化させることができ、集光スポットのＸ方向の位置を変化させる。また、遅延媒質２E3の射出側端面の曲率を調整することで、集光レンズに入射する際の拡がり角（または、窄まり角）を各々変化させることができ、Ｚ方向の位置を変化させる。あるいは、遅延媒質２E3として単なる均一媒質の代わりにセルフォックレンズを用いることによって、集光レンズ２E1に入射する際の拡がり角（または、窄まり角）を各々変化させることができ、Ｚ方向の位置を変化させることもできる。

次に、本発明のシミュレーション結果と実験結果を説明する。
〔シミュレーション１〕実施形態１のレーザ加工装置によって同時且つ複数形成される集光スポットが短時間内に融合して一つの楕円状熱源温度分布パターンになる様子を「内部円筒熱源列による熱伝導数値解析モデル」を使用してシミュレーションした。

主なシミュレーション条件は、以下の通り。

被割断部材：サファイア
集光スポット形成深さＺ0：２０μｍ
集光スポット径：２μｍ
集光スポット中心間隔：２μｍ
集光スポット数：３
集光スポット当たりのレーザパルスエネルギー：０．２５μＪ
シミュレーション結果を図２２に示す。レーザパルスを照射後約１０ｐｓ経過すると、図２２（ａ）に示す楕円状熱源温度分布パターンが形成された。図２２（ｂ）は、図２２（ａ）から１０ｎｓ経過した楕円状熱源温度分布パターンを示している。中心の最も黒い領域は約４０００°Ｋ、外側の白っぽい領域は約１５００°Ｋ、中間領域は２５００〜３０００°Ｋであった。

このシミュレーションから、レーザパルスが複数同時に集光照射されると、ほとんど瞬時（約１０ｐｓ後）に融合して楕円状熱源温度分布パターンが発現することがわかる。
〔シミュレーション２〕三つの集光スポットを時間差ゼロ（τ＝０）で形成した場合の熱源温度分布パターンの形状寸法と、時間差０．００３ｎｓｅｃ、０．０３ｎｓｅｃ、０．３ｎｓｅｃで形成した場合の熱源温度分布パターンの形状寸法とを、「内部円筒熱源列による熱伝導数値解析モデル」を使用してシミュレーションした。

主なシミュレーション条件は、以下の通り。

被割断部材：サファイア
集光スポット形成深さＺ0：５μｍ
集光スポット径：２μｍ
集光スポット中心間隔：２μｍ
集光スポット数：３
集光スポットの時間差：０sec、０．００３nsec、０．０３nsec、０．３nsec
集光スポット当たりのレーザパルスエネルギー：１μＪ
シミュレーション結果を図２３に示す。図２３は、三つの集光スポットを形成してから１０ｎｓｅｃ後の熱源の温度分布パターンであり、（ａ）は三つの集光スポットを時間差ゼロで形成した場合の熱源の温度分布パターン、（ｂ）は真ん中の集光スポットを両側の集光スポットより０．００３ｎｓｅｃ遅らせて形成した場合の熱源の温度分布パターン、（ｃ）は両側の集光スポットを真ん中の集光スポットより０．００３ｎｓｅｃ遅らせて形成した場合の熱源の温度分布パターン、（ｄ）は真ん中の集光スポットを両側の集光スポットより０．０３ｎｓｅｃ遅らせて形成した場合の熱源の温度分布パターン、（ｅ）は両側の集光スポットを真ん中の集光スポットより０．０３ｎｓｅｃ遅らせて形成した場合の熱源の温度分布パターン、（ｆ）は真ん中の集光スポットを両側の集光スポットより０．３ｎｓｅｃ遅らせて形成した場合の熱源の温度分布パターン、（ｇ）は両側の集光スポットを真ん中の集光スポットより０．３ｎｓｅｃ遅らせて形成した場合の熱源の温度分布パターン、である。

図２３より、本シミュレーションで最も大きく遅らせたτ＝０．３ｎｓｅｃの場合の温度分布パターン（ｆ）、（ｇ）でもτ＝０の場合の温度分布パターン（ａ）と形状及び寸法が同じであることがわかる。従って、複数の集光スポットをサファイアに形成する場合、複数の集光スポットの時間差が少なくとも０．３ｎｓｅｃの以内であれば、同時に（時間差ゼロで）形成した場合と同じ形状寸法の熱源温度分布パターンが得られる。
〔シミュレーション３〕二つの集光スポット間隔を変化させた場合の熱源の温度分布パターンを「内部円筒熱源列による熱伝導数値解析モデル」を使用してシミュレーションした。次に、その時の応力分布を「有限要素法による応力解析モデル」を使用して求めた。

主なシミュレーション条件は、以下の通り。

被割断部材：サファイア
集光スポット形成深さＺ0：２０μｍ
集光スポット径：２μｍ
集光スポット中心間隔：２μｍ、４μｍ、６μｍ
集光スポット数：２
集光スポット当たりのレーザパルスエネルギー：１μＪ
解析領域：５μｍ×１０μｍ
要素：２次元４節点線形要素
要素数：５０００
節点数：５１５１
初期温度：０℃
シミュレーション結果を図２４〜図２６に示す。図２４及び図２５は、集光スポット中心間隔が２μｍ及び４μｍの場合の熱源温度分布パターン及び応力分布パターンをそれぞれ示している（集光スポット中心間隔が６μｍの場合は割愛）。図２６は、図２４等の応力分布パターンの最大応力を縦軸にとり、横軸に集光スポット間隔をとってグラフ化したものである。

図２４及び図２５からスポット間隔が２μｍの場合は、熱源が発現してから２０ｎｓ後には融合して楕円状熱源温度分布パターンになるが、スポット間隔が少なくとも４μｍ以上になると、もはや融合しなくなることがわかる。

また、スポット間隔が２μｍの場合は、熱源の外側にのみ引張応力が発生するのに対し、スポット間隔が少なくとも４μｍ以上になると、二つの円形熱源の間に引張応力が働くことがわかる。
〔シミュレーション４〕実施形態１のレーザ加工装置によって発現した楕円状熱源温度分布パターンにより発生する応力を「有限要素法による応力解析モデル」を使用して求めた。

主なシミュレーション条件は、以下の通り。

被割断部材：サファイア
楕円状熱源の長径×短径：２μｍ×０．５μｍ
楕円状熱源当たりのレーザパルスエネルギー：１μＪ
シミュレーション結果を図２７に示す。レーザパルスを照射後約１００ｐｓ後に熱源の中心温度が９８４３°Ｋに達し、その時（図２７の横軸０ｎｓ時点）、最大応力を示した。曲線アがＹ方向の応力、曲線イがＸ方向の応力を示しているが、図２７から楕円状熱源温度分布パターンの長軸と直交する方向（Ｙ方向）の引張応力が長軸方向（Ｘ方向）の引張応力より大きいことがわかる。

図２７には円熱源の応力曲線ウも示してある。これから楕円熱源温度分布パターン発生直後は、円熱源よりも大きな引張応力が作用するが、円熱源より冷却スピードが速いため、所定時間経過後は円熱源より引張応力が小さくなることもわかる。

これらのことから、最大応力が作用するタイミングで長軸と直交する方向の応力が被割断部材の破壊閾値を超え、一方、長軸方向の応力が被割断部材の破壊閾値以下であるような熱源温度分布パターンが生じるようにパルスレーザを集光照射することで、楕円の長軸方向にのみクラックを生じさせることが可能になる。

また、時間の経過とともに応力は減っていき、初期の、温度が高い状態のとき最も大きな応力が作用するので、クラックを生じうる破壊応力が作用し得る限界時間までに楕円プロファイルを有する熱源を形成させておく必要があることが判る。

実施形態１のレーザ加工装置で加工実験を行った。加工条件は以下の通りである。

光源１：下記仕様・性能のモードロックファイバレーザ（米国イムラ社、モデルＤ１０
００）
中心波長 ：１０４５nm
ビーム径 ：４ｍｍ
モード ：シングル（ガウシアン）
パルス幅 ：７００ｆｓ
パルスエネルギ：１０μＪ（最大）
繰り返し周波数：１００ｋＨｚ（最大）
平均パワー ：１０００ｍＷ（最大）
集光レンズ２１：顕微鏡用対物レンズ（焦点距離：４ｍｍ、開口数：０．６５）
集光スポット径：２μｍ
被割断部材３：サファイア
同時集光スポット数：２
集光スポット中心間隔：２μｍ
ステージ走査速度：１０００ｍｍ／ｓ（隣り合う二つの集光スポットの間隔が１０μｍ、
図２８（ａ）参照。）
図２８（ｂ）は、サファイアを内部加工した透過像である。二つの同時集光スポットから割断方向にきれいにクラックが延びているのがわかる。

比較例

上記実施例の加工条件において、同時集光スポット数を１にしたこととステージ走査速度を５００ｍｍ／ｓ（スポット間隔が５μｍ、図２９（a）参照。）にしたこと以外は、上記実施例と同じ加工条件である。

図２９（ｂ）は、サファイアを内部加工した透過像である。集光スポットを繋ぐ方向とは異なる方向（結晶方位）に割断に寄与しない余分なクラックが発生していることがわかる。

２１、２０１、２A1、２０A1、２０B1、２B1、２C1、２D1、２E1：集光レンズ、
Ｏ：光軸、
Ｓ0：割断予定ライン、
３：被割断部材
３a：表面
３b：断面
Ｐ0、Ｐ1、Ｐ2、Ｐ3：断面集光スポット
Ｑ0、Ｑ1、Ｑ2、Ｑ3：深さ集光スポット
２、２０、２A、２０A、２０B、２B、２C、２D、２E：光学系

Claims (4)

1. 集光レンズと被割断部材とを相対的に移動させながらレーザ光を被割断部材に集光照射することにより、割断予定ラインに沿うように前記被割断部材の内部に割断の起点となる内部改質領域を形成するレーザ加工方法であって、
   前記内部改質領域を形成しようとする領域に対して複数の前記レーザ光を照射することによって同時に複数の集光スポットを形成するステップであって、前記複数のレーザ光の照射によって前記被割断部材の温度が上昇する領域が互いに融合するように前記複数の集光スポットを形成するステップを備え、
   前記複数の集光スポットは、前記被割断部材の表面から所定の深さ位置で前記集光レンズの光軸と直交し前記表面と平行な断面の上に形成され、
   前記複数の集光スポットのうち少なくとも一つは、前記割断予定ラインの前記表面と平行な前記断面への射影線上に形成され、
   前記複数の集光スポットを結ぶ図形が、前記表面と平行な前記断面の上で、三角形または平行四辺形であり、
   前記複数の集光スポットを結ぶ図形が前記平行四辺形である場合には、前記平行四辺形の鋭角をなす二つの頂点を、前記割断予定ラインの前記表面と平行な前記断面への射影線上に位置させる
   ことを特徴とするレーザ加工方法。
2. 前記複数の集光スポットを形成する前記ステップは、前記複数のレーザ光の照射によって前記被割断部材の温度が上昇する領域が互いに融合するように、前記割断予定ラインの位置で前記表面と垂直な断面の上に複数の深さ集光スポットを形成することをさらに含み、
   前記複数の深さ集光スポットのうち少なくとも一つは、前記集光レンズの光軸上に形成される
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. 前記内部改質領域は、前記表面と平行な前記断面の上で、前記複数の集光スポットの空間位置と該集光スポットのエネルギー密度との組み合わせを用いることで所望の形状に形成されることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工方法。
4. 前記被割断部材の温度が上昇する前記領域は、前記レーザ光の照射後に温度が１５００°Ｋ以上に上昇する領域であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。