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JP5887928B2 - 被加工物の分断方法および光学素子パターン付き基板の分断方法 - Google Patents

被加工物の分断方法および光学素子パターン付き基板の分断方法 Download PDF

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Description

本発明は、レーザ光を照射することによって被加工物を分断する方法に関する。
ガラス板やサファイア基板などの硬くて脆い材料（脆性材料）を切り出す加工方法として、種々の手法が公知である。例えば、ガラス板の加工として、切り分けたい材料の端部から線状にダイヤモンドの結晶などで浅い傷（初期亀裂）を設けるいわゆる罫書きを行い、形成された初期亀裂の両側に力をかけて該初期亀裂を厚み方向に進展させて分断する方法が広く知られている。
しかしながら、係る手法の場合、分断作業に際して、罫書きの深さや力の与え方などによっては、分断面に傾きが生じたり、予想外の方向へ割れてしまったりするなどして、所望の分断精度が出ず、最悪の場合、材料全体の破損の危険性もある。
また、被加工物の端部に初期亀裂を与えておき、該端部からレーザ光による加熱走査を行うことより、亀裂を進展させて被加工物を分断する手法も広く知られている（例えば、特許文献１参照）。
係る手法の場合、分断対象たる脆性材料が均質であって発生する応力場が理想的なものであるならば、亀裂進展の位置や方向などを高精度に制御できる可能性はあるが、現実には、材料の不均質性や、加熱エネルギー分布の不均一性や、加熱点の高精度な位置制御の困難さなどの点から、高精度で亀裂進展を制御することは難しい。ここでいう高精度とは、μｍオーダーの精度での位置制御を想定している。
しかも、被加工物の端部では、応力分散が生じ、応力分布が均等でなくなるなどの理由から、亀裂進展制御においては、加工手順の制限や敢えて加熱点をずらす処理などが必要となる（例えば、特許文献２参照）。
また、表面に単位パターンが２次元的に配列された脆性材料を単位パターン毎の個片に（チップ単位に）切り出す場合など、互いに直交する２方向での切り出しを、レーザ割断によって行おうとする場合、ある一方向に切り出した後にそれに直交する方向に切り出しを行うことになるが、大量のチップ加工のような場合には初期亀裂の与え方などがより煩雑になる。
以上の手法の組合せとして、ダイヤモンドやビッカース圧子などによって微小な傷（初期亀裂）を硬脆性材料基板（例えばガラス、シリコン、セラミックス、サファイアなど）の端部に設けたうえで、基板裏面側にレーザ光吸収材を配置し、基板裏面に焦点を合わせたレーザ照射による局所加熱を行い、これによって生じる応力集中によって亀裂を進展させてガラスを分断する手法も知られている（例えば、特許文献３参照）。
あるいは、あらかじめ被加工物の表面に、機械的にあるいはレーザ光の照射によって罫書き線やスクライブラインと称される線状の加工痕を施した後、係る加工痕に沿ってレーザ光による照射加熱を行い、該加工痕からのクラック進展を生じさせることで被加工物を分断する手法も公知である（例えば、特許文献４および特許文献５参照）。
なお、特許文献３には、罫書き線と反対側の面からレーザを照射して分断を行う態様も開示されている。
さらには、発光素子の側面にドライエッチングにより凹凸を設けることで発光効率を向上させる手法も既に公知である（例えば特許文献６参照）。
特公平３−１３０４０号公報 特開平９−４５６３６号公報 特開２００８−６２５４７号公報 特許第２７１２７２３号公報 特許第３０３６９０６号公報 特許第３８５２０００号公報
特許文献３に開示された手法の場合、レーザ光によって直接に加熱されるのはあくまでレーザ光吸収材であり、硬脆性材料基板はあくまで、レーザ光吸収材からの熱伝導によって間接的に加熱されるのみである。それゆえ、熱伝導の均一性の確保が難しく、引張応力が意図した方向に作用するとは限らない。また、特許文献１に開示されているような従来のレーザ割断と同じく、亀裂の進展方向を制御することは難しい。従って、係る手法によって精度の良い分断を行うことは難しい。
また、特許文献４および特許文献５に開示されているのはせいぜい、機械的にあるいはレーザ光により形成した加工痕に沿ってレーザ光を照射することにより被加工物を分断する基本的な原理に過ぎず、係る分断を効率的に生じさせる手法について、何らの開示も示唆もなされてはいない。
また、特許文献６には、発光素子の半導体膜の側面に凹凸加工を施すことによる光取り出し効率の向上については開示があるものの、その基材であるサファイアウェハに対する加工については開示がない。仮に、特許文献６に開示された手法でサファイア基板に凹凸加工を施すとなると、改めてレジスト塗布処理が必要であるとともに、エッチング自体に時間を要し、生産性が低いという問題がある。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、脆性材料からなる被加工物を高精度かつ効率的に分断することができる技術を提供することを目的とする。また、特に、表面に発光素子パターンが２次元的に形成されたパターン付き基板が被加工物である場合において、これら高精度かつ効率的な加工に加えて、発光素子の発光効率の向上をも併せて実現する技術を提供する。
上記課題を解決するため、本発明は、被加工物を分断する方法であって、第１の出射源から第１のレーザ光を出射させ、前記第１のレーザ光を前記被加工物のスクライブ面に対して照射することにより、前記スクライブ面にスクライブラインを形成するスクライブ加工工程と、第２の出射源から第２のレーザ光を出射させ、前記第２のレーザ光を前記スクライブ面の反対面である非スクライブ面の側から前記スクライブラインに沿って照射することによって前記被加工物を前記スクライブラインに沿って加熱する照射加熱工程と、を備え、前記照射加熱工程においては、前記スクライブ面が冷却媒体と接触するように前記被加工物を前記冷却媒体上に載置した状態で前記第２のレーザ光を前記スクライブラインに沿って相対的に走査させることにより、前記非スクライブ面への前記第２のレーザ光の照射によって前記スクライブ面を含む前記被加工物の内部であって前記スクライブラインの近傍に形成される引張応力場を移動させるとともに冷却し、これによって、前記スクライブラインが前記引張応力場に位置することで生じる前記スクライブラインから前記非スクライブ面へのクラックの進展を、前記スクライブラインに沿って順次に生じさせることにより、前記被加工物を分断する、ことを特徴とする。
本発明は、前記の分断方法であって、前記照射加熱工程においては、前記第２の出射源から出射された前記第２のレーザ光の照射範囲を調整機構によって調整したうえで前記第２のレーザ光を前記非スクライブ面に照射する、こともできる。
本発明は、前記の分断方法であって、前記第２のレーザ光がＣＯ2レーザである、ことを特徴とする。
本発明は、前記の分断方法であって、前記照射加熱工程においては、記第２のレーザ光をパルス発振モードにて照射し、前記被加工物が分断されることで形成される個片の分断面に、パルス発振周期に応じた周期を有する全反射率低減用のうねりを生じさせる、ことを特徴とする。
本発明は、前記の分断方法であって、前記第１のレーザ光がＹＡＧレーザの３倍高調波である、こともできる。
本発明は、前記の分断方法であって、前記被加工物の水平面内における姿勢を補正するアライメント処理工程、をさらに備え、前記アライメント処理工程を行った前記被加工物に対して、前記スクライブ加工工程と前記照射加熱工程とを行う、こともできる。
本発明は、前記の分断方法であって、前記スクライブ加工工程においては、前記第１のレーザ光の被照射位置において溶融および再固化を生じさせ、前記被照射位置を変質領域とすることによって前記スクライブラインを形成する、こともできる。
本発明は、前記の分断方法であって、前記スクライブ加工工程においては、前記第１のレーザ光の被照射位置においてアブレーションを生じさせ、前記被照射位置に溝部を形成することによって前記スクライブラインを形成する、こともできる。
本発明は、前記の分断方法であって、前記スクライブ加工工程においては、互いに直交する第１の方向と第２の方向とにおいてそれぞれ複数のスクライブラインを形成し、前記照射加熱工程においては、前記非スクライブ面の側から、前記第１の方向に延在する前記スクライブラインに沿った照射加熱を行った後、前記第２の方向に延在する前記スクライブラインに沿った照射加熱を行う、こともできる。
本発明は、前記の分断方法であって、前記照射加熱工程においては、前記第２のレーザ光の照射ビーム径を、前記スクライブラインを形成する際のピッチ以下とする、こともできる。
本発明は、表面に光学素子パターンが２次元的に形成された光学素子パターン付き基板を分断する方法であって、第１の出射源から第１のレーザ光を出射させ、前記第１のレーザ光を前記光学素子パターン付き基板のスクライブ面に対して照射することにより、前記スクライブ面にスクライブラインを形成するスクライブ加工工程と、第２の出射源からＣＯ2レーザである第２のレーザ光を出射させ、前記第２のレーザ光を前記スクライブ面の側から前記スクライブラインに沿って照射することによって前記光学素子パターン付き基板を前記スクライブラインに沿って加熱する照射加熱工程と、を備え、前記照射加熱工程においては、前記光学素子パターン付き基板において前記第２のレーザ光の照射により照射加熱領域の周囲に形成される引張応力場を、前記第２のレーザ光を前記スクライブラインに沿って相対的に走査させることによって移動させ、これによって、前記スクライブラインが前記引張応力場に位置することで生じる前記スクライブラインから前記非スクライブ面へのクラックの進展を、前記スクライブラインに沿って順次に生じさせることにより、前記光学素子パターン付き基板を分断するとともに、前記第２のレーザ光をパルス発振モードで出射させることにより、前記被加工物が分断されることで形成される光学素子個片の分断面に、パルス発振周期に応じた周期を有する全反射率低減用のうねりを生じさせる、ことを特徴とする。
本発明によれば、第１のレーザ光を照射することによってあらかじめ被加工物の分断予定位置に形成されたスクライブラインに沿って第２のレーザ光を照射し、被加工物を加熱することで、スクライブラインに対し引張応力を作用させ、スクライブラインから非スクライブ面へのクラックの進展をスクライブラインの延在方向に沿って順次に生じさせることで、被加工物を精度よく分断することができる。しかも、第２のレーザ光の照射を、非スクライブ面に対して行うことにより、クラックの進展がより効率的に引き起こされるので、高い精度での分断が効率的に行える。
特に、本発明によれば、分断対象物の分断面に意図的にうねりを生じさせることができる。これにより、例えば、表面にＬＥＤパターンが２次元的に形成されたサファイア基板であるＬＥＤ製造用基板が分断対象物であり、これをＬＥＤチップ単位の個片に分断するような場合において、ＬＥＤチップの分断面における全反射を抑制し、ＬＥＤチップの発光効率を向上させることができる。
分断加工の途中の様子を模式的に示す図である。 加熱用レーザ光ＬＢｈとしてＣＯ2レーザを用い、サファイア基板を分断した時の分断面のＳＥＭ像である。 分断面が平坦な場合と平坦面にうねりがある場合との分断面における光の進み方の違いを示す図である。 分断装置１００の構成を概略的に示す図である。 スクライブ用レーザ光学系２０の詳細構成を示す図である。 加熱用レーザ光学系３０の詳細構成を示す図である。 加熱用レーザ光ＬＢｈによって被加工物Ｗの非スクライブ面Ｗ２を走査する態様を模式的に示す図である。 加熱用レーザ光ＬＢｈによって被加工物Ｗの非スクライブ面Ｗ２を走査する態様を模式的に示す図である。 分断装置２００の概略的な構成を示す図である。 スクライブ面Ｗ１に加熱用レーザ光ＬＢｈが照射される構成において、引張応力場ＳＦ２を冷却する様子を示す模式図である。 スクライブ面Ｗ１に加熱用レーザ光ＬＢｈが照射される構成において、引張応力場ＳＦ２を冷却する様子を示す模式図である。 分断装置１００において冷却ガスＣＧの噴射を実現する構成の一例を概略的に示す図である。 分断装置２００において引張応力場ＳＦ２を冷却する構成を設ける場合の一例を概略的に示す図である。 非スクライブ面Ｗ２に対して加熱用レーザ光ＬＢｈを照射する別態様について示す図である。
＜加工の基本原理＞
まず、本実施の形態に係る加工（分断加工）の基本原理について説明する。本実施の形態において行う分断加工は、概略、被加工物（分断対象物）Ｗの分断予定位置に対して第１のレーザ光（スクライブ用レーザ光）を照射することによってスクライブラインＳＬを形成した後、第２のレーザ光（加熱用レーザ光）の照射による加熱（レーザ加熱）を行うことで該スクライブラインＳＬ近傍に応力場を生じさせ、これによって初期亀裂であるスクライブラインＳＬから亀裂（クラック）を進展させることで、被加工物を分断するというものである。
被加工物Ｗとしては、例えば、ガラス板やサファイア基板などの脆性材料、あるいはそれら脆性材料からなる基板の表面に薄膜層などによって単位パターンが２次元的に形成されたもの（以下、パターン付き基板）などが該当する。
図１は、本実施の形態において行われる分断加工の途中の様子を模式的に示す図である。より具体的には、図１は、被加工物Ｗにあらかじめ形成されたスクライブラインＳＬに沿って加熱用レーザ光ＬＢｈを照射することにより、レーザ加熱を行う様子を示している。
なお、以降の説明においては、被加工物ＷにおいてスクライブラインＳＬが形成されている面、もしくはスクライブラインＳＬの形成が予定される面をスクライブ面Ｗ１と称し、該スクライブ面Ｗ１の反対面を非スクライブ面Ｗ２と称する。また、図１においては、加熱用レーザ光ＬＢｈが矢印ＡＲ１にて示す走査方向（当然ながらスクライブラインＳＬの延在方向でもある）を移動することによりスクライブ面Ｗ１を走査する様子を示しているが、これに代わり、加熱用レーザ光ＬＢｈがある照射位置にて固定的に照射される一方で、被加工物Ｗが図示しない移動手段にて移動させられることによって、加熱用レーザ光ＬＢｈによる矢印ＡＲ１方向への相対的な走査が実現される態様であってもよい。
加熱用レーザ光ＬＢｈが照射されると、被加工物Ｗのスクライブ面Ｗ１における加熱用レーザ光ＬＢｈの照射領域は加熱されて膨張し、図１に示すように圧縮応力場ＳＦ１となる。一方で、該圧縮応力場ＳＦ１の外周領域は収縮し、引張応力場ＳＦ２となる。スクライブラインＳＬがこの引張応力場ＳＦ２に含まれると、被加工物Ｗにおいては、該スクライブラインＳＬの側方において引張応力ＴＳが作用する。係る引張応力ＴＳの作用により、スクライブラインＳＬから非スクライブ面Ｗ２側の分断予定位置Ｌ０に向けてクラックＣＲが進展する。加えて、上述のように、加熱用レーザ光ＬＢｈはスクライブラインＳＬに沿って相対的に走査されるので、これに伴い、引張応力場ＳＦ２もスクライブラインＳＬに沿って移動する。すると、非スクライブ面Ｗ２側へとクラックＣＲが進展する箇所が、スクライブラインＳＬの延在方向、つまりは加熱用レーザ光ＬＢｈの走査方向に沿って遷移していくこととなる。それゆえ、加熱用レーザ光ＬＢｈを、スクライブ面Ｗ１側の分断予定位置に設けられたスクライブラインＳＬの一方端から他方端に至るまで照射すれば、スクライブラインＳＬの形成位置全体で、分断予定位置Ｌ０へのクラックＣＲの進展を順次に生じさせることができるので、結果として、被加工物Ｗを分断することができる。これが、本実施の形態に係る分断加工の基本原理である。
係る態様にて被加工物Ｗを分断する場合、被加工物Ｗを正確に位置決めした上でスクライブ面Ｗ１上の所定の位置に精度良く形成されてなるスクライブラインＳＬを初期亀裂として、非スクライブ面Ｗ２側へとクラックＣＲを進展させることになる。通常、スクライブラインＳＬの長さに比べて被加工物Ｗの厚みは十分に小さく、また、加熱用レーザ光ＬＢｈによって形成される引張応力場ＳＦ２は比較的均一であるので、分断位置のずれは生じにくい。すなわち、本実施の形態においては、精度の優れた分断が可能となる。結果として、μｍオーダーの精度での分断が可能となる。
なお、表面にＬＥＤパターンが２次元的に形成されたサファイア基板であるＬＥＤ製造用基板などのパターン付き基板を、単位パターン毎の個片に（チップ単位に）分断する場合など、分断予定位置が格子状に設定されている場合、互いに直交する第１の方向と第２の方向とにおいてそれぞれ複数のスクライブラインＳＬが順次に形成されたうえで、それぞれの方向について、順次に加熱用レーザ光ＬＢｈによる加熱が行われる。係る場合、加熱用レーザ光ＬＢｈによってある第１の方向に延在するスクライブラインＳＬ（第１のスクライブライン）に沿ったレーザ加熱を行うと、これに直交する他のスクライブラインＳＬ（第２のスクライブライン）との格子点近傍では、部分的に、第２の方向に延在する第２のスクライブラインにおいてもわずかに非スクライブ面Ｗ２へのクラックＣＲの進展は生じる。しかしながら、係る場合においても、後で第２のスクライブラインに沿ったレーザ加熱を行うことで、精度には問題のない分断が行える。
スクライブ用レーザ光には、被加工物Ｗの材質等に応じて適宜のパルスレーザ光を選択して用いればよい。例えば、サファイア基板や、サファイア基板を用いて作製されたパターン付き基板であるＬＥＤ製造用基板が被加工物Ｗである場合であれば、ＹＡＧレーザの３倍高調波（波長３５５ｎｍ）を用いるのが好適な一例である。また、分断予定位置での分断の精度および確実性を高めるためには、スクライブラインＳＬはできるだけ細く形成されることが望ましいことから、スクライブ用レーザ光は数μｍ〜十数μｍ程度の照射範囲（照射ビーム径）で照射されるようにする。また、加工効率（エネルギーの利用効率）の観点から、スクライブ用レーザ光は、被加工物Ｗのスクライブ面Ｗ１あるいは内部のスクライブ面Ｗ１近傍（スクライブ面Ｗ１から数十μｍ程度までの範囲）で合焦するように照射される。なお、本実施の形態において、照射ビーム径とは、照射するレーザビームの断面のエネルギー分布がガウス分布形状であると仮定した場合に、そのエネルギー値が中心の最高値の１／ｅ2以上である領域の直径をいう。
また、スクライブラインＳＬについては、スクライブ用レーザ光の被照射位置において物質を蒸発させることによって形成される断面視三角形状もしくはくさび形状の溝部がスクライブラインＳＬとされる態様であってもよいし、当該被照射位置において物質を溶融・再固化させる（融解改質させる）ことによって形成される断面視三角形状もしくはくさび形状の変質領域がスクライブラインＳＬとされる態様であってもよい。いずれの態様を取るかに応じて、スクライブ用レーザ光の照射条件（パルス幅、繰り返し周波数、ピークパワー密度、走査速度など）が定められる。また、図１ではスクライブラインＳＬが連続的に形成されている場合を例示しているが、スクライブラインＳＬの形成態様はこれに限られない。例えば、分断予定位置に沿って点線状もしくは破線状にスクライブラインＳＬが形成される態様であってもよい。
一方、加熱用レーザ光ＬＢｈとしては、長波長レーザであるＣＯ2レーザ（波長９．４μｍ〜１０．６μｍ）を用いるのが好適である。ＣＯ2レーザは、ガラスやサファイアの表面において確実に吸収されるので、スクライブラインＳＬからのクラックＣＲの進展を確実に生じさせることが出来る。なお、スクライブラインＳＬの形成という、被加工物の加工を目的として照射するスクライブ用レーザ光とは異なり、加熱用レーザ光ＬＢｈは、被加工物を加熱することによって加熱領域に形成される圧縮応力場ＳＦ１の周囲に引張応力場ＳＦ２を形成するという目的で照射されるものである。それゆえ、被加工物を破壊や変質させないようにすることや、引張応力場ＳＦ２をなるべく広く形成させるようにするうえにおいては、加熱用レーザ光ＬＢｈの照射範囲はスクライブ用レーザ光に比べて大きくてよい。例えば、被加工物の厚みが１５０μmの場合では、１００μｍ〜１０００μｍ程度であればよい。
ただし、パターン付き基板から矩形形状のチップを切り出すような場合においては、加熱用レーザ光ＬＢｈの照射ビーム径を、チップの平面サイズ（分断予定位置のピッチとほぼ同等）と同じかそれ以下に設定する。これよりも照射ビーム径を大きくした場合、分断が良好に行われず、所定の形状のチップが得られなくなることが生じ、好ましくない。
＜加熱用レーザ光の発振モードと分断面の形状との関係＞
例えば加熱用レーザ光ＬＢｈとしてＣＯ2レーザを用いる場合、連続発振モードとパルス発振モードとの２通りの発振モードで加熱用レーザ光ＬＢｈを照射することができる。そして、この発振モードに応じて、被加工物Ｗの分断面の形状に違いが生じることが確認されている。具体的には、連続発振モードの場合、クラック進展によって形成される分断面は非常に滑らかな平坦面となる。一方、パルス発振モードの場合、分断面には、パルスの発振周期に応じた周期的なうねり（凹凸）が形成される。図２は、加熱用レーザ光ＬＢｈとしてＣＯ2レーザを用い、サファイア基板を分断した時の分断面のＳＥＭ（走査電子顕微鏡）像である。図中、”Fracture surface”が分断面であり、Grooveはスクライブラインであり、”Feed direction”はサファイア基板の移動方向（レーザ光の走査方向の反対方向）である。図２に示す場合においては、分断面は透明ではあるものの、数十μｍピッチでうねりが形成されてなる。一般に、被加工物Ｗの分断面は平坦面であることが好まれるため、多くの場合は、加熱用レーザ光ＬＢｈの照射は連続発振モードで行われる。
これに対して、分断面に意図的に（積極的に）うねりを生じさせることが好ましい場合もある。例えば、表面にＬＥＤ（発光素子）パターンが２次元的に形成されたサファイア基板（ウェハ）であるＬＥＤ製造用基板が被加工物Ｗであり、これをＬＥＤチップ単位の個片に分断する場合がこれに該当する。図３は、分断面が平坦な場合と平坦面にうねりがある場合との分断面における光の進み方の違いを示す図である。
一般に、発光素子（ＬＥＤチップ）は、基板の上に設けられた発光素子構造部分において生じる発光が出来るだけ遮られることなく外部に取り出されることが求められる。係る光の一部は、基板部分にも入射することから、発光素子の実質的な発光効率（光の取り出し効率）を高めるには、基板部分においても発光された光をできるだけ透過させることが必要となる。その一方で、屈折率の大きい媒質中から屈折率の小さい媒質中に向けて光が進む場合、その界面（入射面）に対して臨界角θc以上で入射した光は全反射されてしまうという光学的な制限（スネルの法則）がある。例えば、サファイアから空気へと光が進む場合はθc＝３４．４°である。
仮に、分断面が平坦面であるとすると、図３（ａ）に示すように、発光素子部分で生じた光のうち、臨界角θc以上の入射角で分断面に入射した光は全て、反射されることになる。また、原理的には、発生後の進行方向によっては、全反射を受け続け、結果としてＬＥＤチップ内部に閉じこめられた状態となる光も生じ得る。上述のようにサファイアから空気へと光が進む場合であれば、３４．４°以上５５．６°以下の入射角で分断面に入射する光がこれに該当する。
これに対して、分断面にうねりがある場合、図３（ｂ）に示すように、図３（ａ）の場合と同じ方向から入射した光であっても、その入射位置によっては入射角が図３（ａ）を下回ることになるため、分断面を透過する成分が生じることになる。また、仮にある分断面で反射を受けたとしても、異なる分断面で透過をする確率が高くなる。すなわち、分断面に入射した光が該分断面で全反射される割合（全反射率）を低減させることが出来る。それゆえ、分断面にうねりがある場合、分断面が平坦面である場合よりも、発生した光が取り出されやすい状態が実現される。なお、実際の発光素子では、必ずしもＬＥＤチップの基板が直接に外部に露出しているわけではなく、樹脂により封止等される場合があるが、係る場合でも、上述の効果は同様に得られる。
以上を鑑み、被加工物ＷがＬＥＤ製造用基板であり、これをＬＥＤチップ単位に分断する場合には、加熱用レーザ光ＬＢｈをパルス発振モードで照射し、分断面にうねりを生じさせる態様にて分断を行うようにする。これにより、光取り出し効率の高いＬＥＤチップを得ることが出来る。係る手法は、被加工物Ｗの分断に併せてうねりを形成することができるので、例えば特許文献６に開示されているようなドライエッチングを用いて凹凸を形成する手法に比べて、効率的でかつ生産性が高いものである。
＜分断装置＞
次に、上述した加工原理に基づいて被加工物の分断を行う分断装置について説明する。図４は、分断装置１００の構成を概略的に示す図である。
図４に示すように、分断装置１００は、ステージ部１０と、スクライブ用レーザ光学系２０と、加熱用レーザ光学系３０と、位置読み取り光学系４０とを主として備える。また、分断装置１００は、例えば図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどからなり、スクライブ用レーザ光学系２０、加熱用レーザ光学系３０、および位置読み取り光学系４０などとの間で種々の信号を授受することにより、各構成要素の動作を制御する制御系５０を備える。なお、制御系５０は他の構成要素と一体のものとして分断装置１００の本体に組み込まれる態様であってもよいし、例えばパーソナルコンピュータ等で構成されて、分断装置１００の本体とは別に設けられる態様であってもよい。
ステージ部１０は、主として、ＸＹステージ１１と、該ＸＹステージ１１の上に設けられた加工用ステージ１２とから構成される。
ＸＹステージ１１は、制御系５０からの駆動制御信号ｓｇ１に基づいて、水平面内（ＸＹ平面内）の互いに直交する２つの方向（Ｘ方向、Ｙ方向）に移動自在とされてなる。なお、ＸＹステージ１１の位置情報信号ｓｇ２は絶えず制御系にフィードバックされる。
加工用ステージ１２は、その上に被加工物Ｗを載置固定するための部位である。加工用ステージ１２は図示しない吸着機構を備えており、制御系５０からの吸着制御信号ｓｇ３に基づいて吸着機構を作動させることにより、加工用ステージ１２の上面１２ａに被加工物Ｗを吸着固定するように構成されている。また、加工用ステージ１２は、図示しない回転駆動機構を備えており、制御系５０からの回転制御信号ｓｇ４に基づいて水平面内で回転動作が行えるようにもなっている。
なお、図４においては図示を省略するが、加工用ステージ１２への固定にあたっては、被加工物Ｗの非スクライブ面Ｗ２側（載置面側）に粘着性のフィルムを貼り付け、該フィルムともども被加工物Ｗを固定する態様であってもよい。
スクライブ用レーザ光学系２０は、制御系５０から与えられるスクライブ用レーザ制御信号ｓｇ５に基づいて、スクライブ用レーザ光を被加工物Ｗに対して照射する部位である。
図５は、スクライブ用レーザ光学系２０の詳細構成を示す図である。図５に示すように、スクライブ用レーザ光学系２０は、スクライブ用レーザ光ＬＢｓの光源（出射源）であるレーザ発振器２１と、レーザ発振器２１から出射されたスクライブ用レーザ光ＬＢｓの光量調整を行うためのアッテネータ２２と、スクライブ用レーザ光ＬＢｓの焦点調整を行うための対物レンズ２３とを主として備える。なお、上述のように、スクライブ用レーザ光ＬＢｓとしては、被加工物Ｗの材質等に応じたパルスレーザ光が用いられるので、レーザ発振器２１は、使用するスクライブ用レーザ光ＬＢｓの種類に応じて選択されればよい。
また、スクライブ用レーザ光学系２０には、スクライブ用レーザ光ＬＢｓを反射することによってスクライブ用レーザ光ＬＢｓの光路の向きを適宜に切り替えるミラー２４も備わっている。なお、図５においてはミラー２４が１つのみ備わる場合を例示しているが、ミラー２４の数はこれには限られず、スクライブ用レーザ光学系２０内部あるいはさらに分断装置１００内部におけるレイアウト上の要請その他の理由から、さらに多くのミラー２４が設けられ、スクライブ用レーザ光ＬＢｓの光路が適宜に設定される態様であってもよい。
より詳細には、レーザ発振器２１には、スクライブ用レーザ光ＬＢｓの出射／非出射を切り替えるためのシャッター２１ａが設けられてなる。シャッター２１ａの開閉動作は、スクライブ用レーザ制御信号ｓｇ５の一種であるＯＮ／ＯＦＦ制御信号ｓｇ５ａに基づいて制御される。また、アッテネータ２２におけるスクライブ用レーザ光ＬＢｓの光量の調整は、スクライブ用レーザ制御信号ｓｇ５の一種である出力パワー制御信号ｓｇ５ｂに基づいて制御される。
スクライブ用レーザ光学系２０においては、レーザ発振器２１から出射され、アッテネータ２２によって光量が調整されたスクライブ用レーザ光ＬＢｓが、被加工物Ｗのスクライブ面Ｗ１あるいは内部のスクライブ面Ｗ１近傍（スクライブ面Ｗ１から数十μｍ程度までの範囲）で合焦するように、かつ、照射ビーム径が数μｍ〜十数μｍ程度となるように、対物レンズ２３の配置位置が調整される。これにより、良好なスクライブラインＳＬが形成される。
加熱用レーザ光学系３０は、制御系５０から与えられる加熱用レーザ制御信号ｓｇ６に基づいて、加熱用レーザ光を被加工物Ｗに対して照射する部位である。
図６は、加熱用レーザ光学系３０の詳細構成を示す図である。図６に示すように、加熱用レーザ光学系３０は、加熱用レーザ光ＬＢｈの光源（出射源）であるレーザ発振器３１と、レーザ発振器３１から出射された加熱用レーザ光ＬＢｈの光量調整を行うためのアッテネータ３２と、被加工物Ｗに対する加熱用レーザ光ＬＢｈの照射範囲を調整するためのビーム調整機構３３と、加熱用レーザ光ＬＢｈの焦点調整を行うための対物レンズ３４とを主として備える。上述のように、加熱用レーザ光ＬＢｈとしてはＣＯ2レーザを用いるので、レーザ発振器３１はＣＯ2レーザ用の発振器である。
また、加熱用レーザ光学系３０には、加熱用レーザ光ＬＢｈを反射することによって加熱用レーザ光ＬＢｈの光路の向きを適宜に切り替えるミラー３５も備わっている。なお、図６においてはミラー３５が１つのみ備わる場合を例示しているが、ミラー３５の数はこれには限られず、加熱用レーザ光学系３０内部あるいはさらに分断装置１００内部におけるレイアウト上の要請その他の理由から、さらに多くのミラー３５が設けられ、加熱用レーザ光ＬＢｈの光路が適宜に設定される態様であってもよい。
より詳細には、レーザ発振器３１には、加熱用レーザ光ＬＢｈの出射／非出射を切り替えるためのシャッター３１ａが設けられてなる。シャッター３１ａの開閉動作は、加熱用レーザ制御信号ｓｇ６の一種であるＯＮ／ＯＦＦ制御信号ｓｇ６ａに基づいて制御される。また、アッテネータ３２における加熱用レーザ光ＬＢｈの光量の調整は、加熱用レーザ制御信号ｓｇ６の一種である出力パワー制御信号ｓｇ６ｂに基づいて制御される。
また、ビーム調整機構３３は、レーザ発振器３１から直線的に出射された加熱用レーザ光ＬＢｈの照射範囲を調整するために備わる。ビーム調整機構３３は、例えば、種々のレンズを適宜に組み合わせることによって実現され、それらのレンズの位置を調整することにより、被加工物Ｗに対して加熱用レーザ光ＬＢｈを適切な照射範囲で照射出来るようになっている。なお、図６においては、ビーム調整機構３３による調整によって、加熱用レーザ光ＬＢｈが、レーザ発振器３１から出射されたときのビーム径よりも大きな照射範囲で被加工物Ｗに照射される場合を例示している。
位置読み取り光学系４０は、加工用ステージ１２に吸着固定された被加工物Ｗを図示しないＣＣＤカメラなどで撮像し、得られた撮像画像のデータを画像情報信号ｓｇ７として制御系５０に与える。制御系５０は、得られた画像情報信号ｓｇ７に基づいて、ＸＹステージ１１の移動範囲や、スクライブ用レーザ光ＬＢｓや加熱用レーザ光ＬＢｈの照射位置などの設定を行う。
以上のような構成を有する分断装置１００においては、被加工物Ｗを加工用ステージ１２に吸着固定させた状態でＸＹステージ１１を移動させることにより、被加工物Ｗを、スクライブ用レーザ光学系２０、加熱用レーザ光学系３０、および位置読み取り光学系４０のそれぞれに対して下方から対向配置できるようになっている。なお、係る場合において、被加工物Ｗは、スクライブ面Ｗ１が上面（非載置面）となるように加工用ステージ１２に固定される。
そして、被加工物Ｗをスクライブ用レーザ光学系２０と対向配置させた状態で、スクライブ用レーザ光学系２０から被加工物Ｗに対してスクライブ用レーザ光ＬＢｓを照射しつつＸＹステージ１１を移動させることにより、被加工物Ｗに対するスクライブ用レーザ光ＬＢｓの相対走査が実現される。スクライブ面Ｗ１のあらかじめ想定された分断予定位置に沿ってスクライブ用レーザ光ＬＢｓを相対的に走査させることで、スクライブラインＳＬを形成することが出来る。
同様に、被加工物Ｗを加熱用レーザ光学系３０と対向配置させた状態で、加熱用レーザ光学系３０から被加工物Ｗに対して加熱用レーザ光ＬＢｈを照射しつつＸＹステージ１１を移動させることにより、被加工物Ｗに対する加熱用レーザ光ＬＢｈの相対走査が実現される。スクライブ用レーザ光ＬＢｓの照射によって形成されたスクライブラインＳＬに沿って加熱用レーザ光ＬＢｈを相対的に走査させることで、スクライブラインＳＬからクラックＣＲを被加工物Ｗの非スクライブ面Ｗ２の分断予定位置に向けて進展させ、これによって、被加工物Ｗを分断することが出来る。
また、分断装置１００においては、被加工物Ｗを位置読み取り光学系４０と対向配置させた状態で位置読み取り光学系４０による被加工物Ｗの撮像を行い、得られる撮像画像データに基づいて、被加工物Ｗの水平面内における傾き（姿勢）を補正するアライメント動作を行うことが出来る。具体的には、制御系５０が、該撮像画像データの画像内容（例えば、アライメントマークの配置位置や繰り返しパターンの配置位置など）に基づいて、被加工物Ｗの水平面内における傾き（ＸＹステージ１１の移動方向からの傾き）を特定し、係る傾きがキャンセルされるように、加工用ステージ１２に対して回転制御信号ｓｇ４を与えて、該加工用ステージ１２を回転させる。被加工物Ｗの水平面内における傾きを特定する主要としては、パターンマッチング法など、公知の手法を適用することが出来る。
通常の分断加工の場合は、スクライブ面Ｗ１が上面（非載置面）となるように被加工物Ｗが加工用ステージ１２に固定された状態で、位置読み取り光学系４０による撮像とその後のアライメント処理が行われた上で、スクライブ用レーザ光学系２０によるスクライブラインＳＬの形成が行われ、さらに、加熱用レーザ光学系３０において加熱用レーザ光ＬＢｈが照射されることにより、被加工物Ｗが分断される。
＜非スクライブ面への加熱用レーザ光照射＞
以下、上述の原理を応用した種々の分断処理の態様について、順次に説明する。図７および図８は、加熱用レーザ光ＬＢｈによって被加工物Ｗの非スクライブ面Ｗ２を走査する態様を模式的に示す図である。図７は、スクライブラインＳＬの延在方向に垂直な被加工物Ｗの断面図であり、図８は、スクライブラインＳＬに沿った被加工物Ｗの断面図である。
図７および図８に示す場合においては、図１の場合とは異なり、スクライブラインＳＬがあらかじめ形成されているスクライブ面Ｗ１は加工用ステージ１２に載置され、非載置面である非スクライブ面Ｗ２の分断予定位置Ｌ０に向けて加熱用レーザ光ＬＢｈが照射されている。係る態様にて加熱用レーザ光ＬＢｈが照射されると、非スクライブ面Ｗ２の加熱用レーザ光ＬＢｈの照射位置近傍が圧縮応力場ＳＦ１となり、その周囲が圧縮応力場ＳＦ１の下方も含め引張応力場ＳＦ２となる。なお、図７に示す場合においては、スクライブラインＳＬが溝部として形成される場合を例示しているが、スクライブラインＳＬの形成態様はこれに限られるものではない（図７、図１４も同様）。
より具体的には、図７に示す態様にて加熱用レーザ光ＬＢｈが照射されると、非スクライブ面Ｗ２のみならず被加工物Ｗの内部においても、引張応力場ＳＦ２は形成される。それゆえ、被加工物Ｗの内部に位置するスクライブラインＳＬの先端部分に対して、引張応力ＴＳが作用する。その結果、スクライブラインＳＬからその上方の分断予定位置Ｌ０に向けて、クラックＣＲが進展する。加熱用レーザ光ＬＢｈは図８に矢印ＡＲ１にて示す走査方向に走査されるので、これに伴い、クラックＣＲの進展箇所も移動する。結果として図１の場合と同様に、基板の分断が実現される。
なお、より詳細にいえば、加熱用レーザ光ＬＢｈによって形成される応力場の空間的な分布自体は、図１の場合も図７および図８の場合も同じである。図１の場合は、スクライブ面Ｗ１を加熱用レーザ光ＬＢｈの被照射面とし、水平面である該スクライブ面Ｗ１内における応力分布を主に利用してクラックＣＲを進展させているのに対して、図７および図８の場合は、被加工物Ｗの厚み方向（断面方向）における応力分布を主に利用してクラックＣＲを進展させているという点で、両者は相違している。
図９は、以上のような非スクライブ面Ｗ２への加熱用レーザ光ＬＢｈの照射を実現する分断装置２００の概略的な構成を示す図である。なお、図９においては、図４ないし図６に示した分断装置１００と同一の構成要素については同一の符号を付している。また、図９においては図示を省略しているが、分断装置２００は、分断装置１００と同様に制御系５０を備えている。
分断装置２００は、概略、分断装置１００に反転機構６０を付加した構成を有する。反転機構６０は、被加工物Ｗに対して矢印ＡＲ３にて示すように進退自在とされてなり、被加工物Ｗを側方から挟持するチャック６１と、被加工物Ｗを挟持した状態のチャック６１を矢印ＡＲ４に示すように鉛直方向に昇降させる昇降部６２と、被加工物Ｗを挟持した状態のチャック６１をその挟持状態を保って図面に垂直な軸周りに１８０°反転させることによって被加工物Ｗを表裏反転させる反転部６３とを備える。反転機構６０は、制御系５０からの制御信号に従って動作する。
係る反転機構６０を備える分断装置２００においては、スクライブ面Ｗ１が上面（非載置面）となるように被加工物Ｗが加工用ステージ１２に固定された状態で、分断装置１００と同様に、位置読み取り光学系４０による撮像とその後のアライメント処理、および、スクライブ用レーザ光学系２０におけるスクライブラインＳＬとが行われる。スクライブラインＳＬの形成が完了すると、被加工物Ｗを固定してなる加工用ステージ１２が反転機構６０の下方へと移動する。
被加工物Ｗが反転機構６０の直下に位置すると、加工用ステージ１２における被加工物の吸引固定は解除され、チャック６１によって被加工物Ｗが挟持される。被加工物Ｗを挟持したチャック６１は、昇降部６２によって上方へと持ち上げられる。続いて、加工用ステージ１２がいったん反転機構６０の直下から退避した後、反転部６３は被加工物Ｗを反転させる。係る反転が終了すると、加工用ステージ１２が再び反転機構６０の下方へと配置される。そして、昇降部６２がチャック６１を下降させることで、被加工物Ｗは、非スクライブ面Ｗ２が上面となった状態で、加工用ステージ１２に載置され、再び吸着固定される。
その後は、改めて位置読み取り光学系４０による撮像とアライメント処理とが行われたうえで、加熱用レーザ光学系３０における分断処理に供される。
なお、反転機構６０によって反転させた被加工物Ｗを、非スクライブ面Ｗ２を上面して加工用ステージ１２に固定するに先立ち、加工用ステージ１２の上に粘着性のフィルムを貼り付けたリングを載置しておき、該フィルムの上に加工反転させた被加工物Ｗを配置して該フィルムに貼付けて、該フィルムともども被加工物Ｗを固定する態様であってもよい。
＜引張応力場の冷却＞
引張応力場ＳＦ２におけるクラックＣＲの進展をより効果的に引き起こす手法として引張応力場ＳＦ２を冷却する手法がある。
図１０および図１１は、スクライブ面Ｗ１に加熱用レーザ光ＬＢｈが照射される構成において、引張応力場ＳＦ２を冷却する様子を示す模式図である。図１０は、スクライブラインＳＬの延在方向に垂直な被加工物Ｗの断面図であり、図１１は、被加工物Ｗの上面図である。
図１０および図１１においては、加熱用レーザ光ＬＢｈによってスクライブ面Ｗ１を矢印ＡＲ１にて示す走査方向に走査する際に、形成される引張応力場ＳＦ２のうち走査方向後方の部分に対して、冷却ガスＣＧが噴射されている。
係る態様にて冷却を行うと、引張応力場ＳＦ２の冷却された箇所と、加熱用レーザ光ＬＢｈの照射によって加熱されてなる圧縮応力場ＳＦ１との温度差がより高くなり、引張応力場ＳＦ２における引張応力がより強められる。これにより、クラックＣＲの進展の確実性が高められる。結果として、被加工物Ｗをより精度よく分断することが出来るようになる。
なお、冷却ガスＣＧとしては、例えば不活性ガスなど、被加工物Ｗと反応しないガスを適宜に用いればよい。
図１２は、図４ないし図６に示した分断装置１００において冷却ガスＣＧの噴射を実現する構成の一例を概略的に示す図である。すなわち、図１２に示す場合においては、加熱用レーザ光学系３０に冷却ガスＣＧを噴射するためのノズル３６が付設されており、冷却ガス供給源３７から供給管３８を通じて供給される冷却ガスＣＧを、加熱用レーザ光ＬＢｈの走査（相対走査）と同期させてノズル３６から引張応力場ＳＦ２に向けて噴射することができるようになっている。
ただし、引張応力場ＳＦ２を冷却する態様は、以上のような冷却ガスＣＧの噴射によるものには限られず、被加工物との反応性や、分断装置の腐食等の問題がなければ、液体による冷却を行ってもよい。つまりは、ガスおよび液体を含む流体による冷却を行うようにしてもよい。また、固体冷媒を引張応力場ＳＦ２に近接または接触させることにて冷却を行うような態様であってもよい。
図１３は、図９に示した分断装置２００において引張応力場ＳＦ２を冷却する構成を設ける場合の一例を概略的に示す図である。分断装置２００においては、加工用ステージ１２に固定された被加工物Ｗの内部から載置面側にかけて引張応力場ＳＦ２が形成される。そこで、図１３に示すように、加工用ステージ１２に、その上面に載置された被加工物Ｗをスクライブ面Ｗ１の側から冷却するための冷却機構１３を設ける。係る冷却機構１３を設けることで、引張応力場ＳＦ２においては引張応力がより強められる。これにより、クラックＣＲの進展の確実性が高められる。結果として、被加工物Ｗをより精度よく分断することが出来るようになる。
冷却機構１３としては、例えばペルチェ素子やクールプレートなどを用いることが出来る。
以上、説明したように、本実施の形態によれば、スクライブ用レーザ光を照射することによってあらかじめ被加工物の分断予定位置に形成されたスクライブラインに沿って加熱用レーザ光を照射し、被加工物を加熱することで、スクライブラインに対し引張応力を作用させ、スクライブラインから非スクライブ面へのクラックの進展をスクライブラインの延在方向に沿って順次に生じさせることで、被加工物を分断することができる。また、引張応力場を冷却することで、クラックの進展をより効率的に引き起こすことが出来る。
しかも、スクライブ用レーザ光を照射してクライブラインを形成するスクライブ加工は、高精度に加工対象位置を位置決めしたうえで行うことが可能である。それゆえ、同一の装置内で、分断予定位置に高精度にスクライブラインを形成し、これに引き続いて、レーザ加熱による引張応力の発生を行うようにすることで、高精度な分断加工を効率的に行うことが可能となる。
＜変形例＞
図１４は、非スクライブ面Ｗ２に対して加熱用レーザ光ＬＢｈを照射する別態様について示す図である。上述の実施の形態においては、非スクライブ面Ｗ２を上側に向け、上方から加熱用レーザ光ＬＢｈを照射することによって、非スクライブ面Ｗ２に対して加熱用レーザ光ＬＢｈを照射する態様を示しているが、これに代わり、図１４に示すように、非スクライブ面Ｗ２を下側に向けたままで、下方から非スクライブ面Ｗ２に向けて加熱用レーザ光ＬＢｈを照射することによって、スクライブラインＳＬに引張応力ＴＳを作用させるようにしてもよい。これは例えば、分断装置１００において、加工用ステージ１２を加熱用レーザ光ＬＢｈを透過させる材質にて形成し、加工用ステージ１２の下方に加熱用レーザ光学系３０を設けることによって実現することが出来る。
１０ ステージ部
１１ ＸＹステージ
１２ 加工用ステージ
１３ 冷却機構
２０ スクライブ用レーザ光学系
２１ レーザ発振器
２１ａ シャッター
２２ アッテネータ
２３ 対物レンズ
２４ ミラー
３０ 加熱用レーザ光学系
３１ レーザ発振器
３１ａ シャッター
３２ アッテネータ
３３ ビーム調整機構
３４ 対物レンズ
３５ ミラー
３６ ノズル
３７ 冷却ガス供給源
３８ 供給管
４０ 光学系
５０ 制御系
６０ 反転機構
６１ チャック
６２ 昇降部
６３ 反転部
１００、２００ 分断装置
ＣＧ 冷却ガス
ＣＲ クラック
Ｌ０ 分断予定位置
ＬＢｈ 加熱用レーザ光
ＬＢｓ スクライブ用レーザ光
ＳＦ１ 圧縮応力場
ＳＦ２ 引張応力場
ＳＬ スクライブライン
ＴＳ 引張応力
Ｗ 被加工物
Ｗ１ （被加工物の）スクライブ面
Ｗ２ （被加工物の）非スクライブ面

Claims (2)

  1. 被加工物を分断する方法であって、
    第１の出射源から第１のレーザ光を出射させ、前記第１のレーザ光を前記被加工物のスクライブ面に対して照射することにより、前記スクライブ面にスクライブラインを形成するスクライブ加工工程と、
    第２の出射源から第２のレーザ光を出射させ、前記第２のレーザ光を前記スクライブ面の反対面である非スクライブ面の側から前記スクライブラインに沿って照射することによって前記被加工物を前記スクライブラインに沿って加熱する照射加熱工程と、
    を備え、
    前記照射加熱工程においては、前記第２のレーザ光がＣＯ2レーザであり、前記スクライブ面が冷却媒体と接触するように前記被加工物を前記冷却媒体上に載置した状態で前記第２のレーザ光を前記スクライブラインに沿って相対的に走査させることにより、前記非スクライブ面への前記第２のレーザ光の照射によって前記スクライブ面を含む前記被加工物の内部であって前記スクライブラインの近傍に形成される引張応力場を移動させるとともに冷却し、これによって、前記スクライブラインが前記引張応力場に位置することで生じる前記スクライブラインから前記非スクライブ面へのクラックの進展を、前記スクライブラインに沿って順次に生じさせることにより、前記被加工物を分断し、前記第２のレーザ光をパルス発振モードにて照射し、前記被加工物が分断されることで形成される個片の分断面に、パルス発振周期に応じた周期を有する全反射率低減用のうねりを生じさせる、
    ことを特徴とする被加工物の分断方法。
  2. 表面に光学素子パターンが２次元的に形成された光学素子パターン付き基板を分断する方法であって、
    第１の出射源から第１のレーザ光を出射させ、前記第１のレーザ光を前記光学素子パターン付き基板のスクライブ面に対して照射することにより、前記スクライブ面にスクライブラインを形成するスクライブ加工工程と、
    第２の出射源からＣＯ2レーザである第２のレーザ光を出射させ、前記第２のレーザ光を前記スクライブ面の側から前記スクライブラインに沿って照射することによって前記光学素子パターン付き基板を前記スクライブラインに沿って加熱する照射加熱工程と、
    を備え、
    前記照射加熱工程においては、
    前記光学素子パターン付き基板において前記第２のレーザ光の照射により照射加熱領域の周囲に形成される引張応力場を、前記第２のレーザ光を前記スクライブラインに沿って相対的に走査させることによって移動させ、これによって、前記スクライブラインが前記引張応力場に位置することで生じる前記スクライブラインから前記非スクライブ面へのクラックの進展を、前記スクライブラインに沿って順次に生じさせることにより、前記光学素子パターン付き基板を分断するとともに、
    前記第２のレーザ光をパルス発振モードで出射させることにより、前記被加工物が分断されることで形成される光学素子個片の分断面に、パルス発振周期に応じた周期を有する全反射率低減用のうねりを生じさせる、
    ことを特徴とする光学素子パターン付き基板の分断方法。
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