专利名称：激光加工方法
技术领域：
本发明涉及使用激光去除待加工对象的一部分的激光加工方法。
背景技术：
至今为止，当要在作为待加工对象的基板(例如，半导体材料基板、玻璃基板或压 电材料基板)中形成孔或沟槽时，通过用于去除和加工的公知的激光加工方法用激光照射 基板。在这种激光加工方法中，一般基于由试验加工获得的结果确定对基板进行激光加工 所需要的激光照射时间。但是，即使当基于由试验加工获得的结果确定正确的激光照射时 间时，去除深度也会由于基板厚度和表面状态的波动而波动。作为解决这种问题的措施，可以构想在日本专利申请公开No. H02-092482中描述 的这样一种激光加工方法。在该激光加工方法中，基板由例如绝缘材料和金属材料的不同 的材料制成。当在对绝缘材料进行激光加工的同时检测到激光在金属材料上的反射率的变 化时，激光的加工停止。因此，可只在绝缘材料中形成孔。但是，在上述的常规的激光加工方法中，待加工对象是包含由不同的材料制成的 被加工部分和非加工部分的对象(例如，其中埋入有钢材料的印刷电路板)。当待加工对象 由例如单一材料(例如，Si晶片)制成时，不能应用上述的激光加工方法。在上述的常规 的激光加工方法中，取决于非加工部分的形状确定加工形状，因此，加工的自由度低。
发明内容
因此，本发明的一个目的是，提供一种能够提高加工形状的精度并且具有更高的 加工形状的自由度的激光加工方法。根据本发明的激光加工方法包括改性层形成步骤，通过用第一激光的会聚点扫 描待加工对象的内部，形成改性层，所述改性层成为激光加工区域的边界；以及去除/加工 步骤，通过用被会聚的第二激光照射待加工对象的表面，去除和加工由改性层限定的激光 加工区域。根据本发明，在改性层形成步骤中在待加工对象中形成的改性层的激光加工速度 低于非改性区域的激光加工速度。因此，当在去除/加工步骤中执行去除加工时，加工形状 可由改性层确定。因此，使用第二激光去除待加工对象的情况下的加工精度得到提高。可 使用第一激光将改性层形成为任意的形状，并由此提高加工形状的自由度。根据参照附图的示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清晰。
图1示出根据本发明的第一实施例的激光加工装置的示意性结构。图2A、图2B和图2C示出由根据本发明的第一实施例的激光加工装置的控制装置 控制的改性层(modified layer)形成步骤，其中，图2A示出用改性激光扫描基板的状态， 图2B示出在基板中形成改性层的状态，图2C是示出基板的平面图。
图3A、图;3B和图3C示出由根据本发明的第一实施例的激光加工装置的控制装置 控制的去除/加工步骤，其中，图3A示出用加工激光扫描基板的状态，图:3B示出用加工激 光扫描基板以继续加工的状态，图3C示出用加工激光扫描基板以完成加工的状态。图4A和图4B示出由激光加工方法形成的凹部，图4A是示出基板中的凹部的断面 图，图4B是示出基板的平面图。图5A、图5B和图5C示出由根据本发明的第二实施例的激光加工装置的控制装置 控制的改性层形成步骤，其中，图5A示出用改性激光扫描基板的状态，图5B示出在基板中 形成改性层的状态，图5C是示出基板的平面图。图6A和图6B示出由根据本发明的第二实施例的激光加工装置的控制装置控制的 去除/加工步骤，其中，图6A示出用加工激光扫描基板的状态，图6B示出用加工激光扫描 基板以继续加工的状态。图7A和图7B示出由激光加工方法形成的贯通部分，其中，图7A是示出基板中的 贯通部分的断面图，图7B是示出基板的平面图。
具体实施例方式以下，参照附图详细描述本发明的实施例。[第一实施例]图1示出根据本发明的第一实施例的激光加工装置的示意性结构。图1所示的激 光加工装置100具有能够用激光照射作为待加工对象的基板W以在基板W中形成凹部(例 如，点(孔)或直线状或曲线状的沟槽)的结构。激光加工装置100包含激光振荡器1、会 聚透镜2 (12)、XY台架3和控制装置4。YAG激光器、(X)2激光器、受激准分子激光器、固体激 光器或染料激光器被使用作为激光振荡器1。作为待加工对象的基板W被设置在XY台架3 上。会聚透镜2 (12)被设置在激光振荡器1和XY台架3 (基板W)之间。控制装置4控制 激光振荡器1的激光发射时间和激光发射定时，并且控制XY台架3在X轴方向和Y轴方向 上的移动。此外，控制装置4控制会聚透镜2(1 在Z轴方向上的移动。因此，由会聚透镜 2(12)产生的激光的会聚点可相对于基板W而在X轴方向、Y轴方向和Z轴方向上移位。作 为XY台架3的替代，可以使用CTZ台架以在Z轴方向上移动基板W。注意，X轴方向和Y轴 方向中的每一个是与基板W的表面平行的方向，并且，Z轴方向是与基板W的表面垂直的方 向。从激光振荡器1发射的激光通过会聚透镜2 (1 被会聚，并且，基板W被会聚的激 光照射。在第一实施例中，基板W在X轴方向和Y轴方向上移动，以用激光扫描基板W。当 要用激光扫描基板W时，例如，可以使用反射镜以相对于基板W而在X轴方向和Y轴方向 上使激光移位。基板W由单一材料制成。基板W的例子包括半导体材料基板(例如，硅晶 片)、由LiTaO3制成的压电材料基板，以及玻璃基板。在第一实施例中，对基板W的激光加工由控制装置4控制。激光加工方法宽泛地 来说包括在基板W的内部形成改性层的改性层形成步骤和在由改性层限定的激光加工区 域上执行去除加工的去除/加工步骤。在改性层形成步骤中，通过会聚透镜2会聚作为第一激光的改性激光，并且，用会 聚的改性激光照射基板W以在基板W的内部形成改性层。使用对于基板W透明的激光作为
4改性激光。具体而言，希望改性激光具有“(基板W上的透射率)> (基板W的入射面上的 吸收系数)”的特性。在去除/加工步骤中，用作为第二激光的加工激光照射基板W以在基 板W中形成凹部。执行激光去除加工，使得通过会聚透镜12会聚加工激光，以用于照射而 熔融和蒸发(或侵蚀)基板W的一部分。在第一实施例中，从共用的激光振荡器1发射改性激光和加工激光。用于改性层 形成步骤的会聚透镜2在去除/加工步骤中变为会聚透镜12。在改性层形成步骤和去除/ 加工步骤之间，激光振荡器可变为另一激光振荡器。改性激光和加工激光可具有相同的性 质。参照图2A、图2B和图2C具体描述改性层形成步骤。如图2A所示，从激光振荡器 1发射的改性激光Ll的会聚点Lsi通过会聚透镜2被设定于基板W的内部。被设定于基板 W的内部的会聚点Lsi和接近该会聚点的区域具有比会聚点Lsi和所述接近的区域以外的、 改性激光Ll穿过的区域高的能量密度。因此，在设定于基板W的内部的会聚点Lsi和所述 接近的区域中，由于局部加热而引发吸收系数的变化和包括多光子吸收的现象，以由此执 行改性。当如图2A所示的那样执行利用改性激光Ll的会聚点Lsi的扫描时，如图2B所示， 形成改性层Wr，该改性层^ 成为激光加工区域的边界。在第一实施例中，如图2C所示，在 X轴方向(或Y轴方向)上执行利用改性激光Ll的会聚点Lsi的扫描，以形成改性层Wr，该 改性层Wr成为凹部(例如，孔或沟槽)的底部。换句话说，在第一实施例中，凹部的底部对 应于激光加工区域Rl的边界。在边界中形成改性层Wr。改性层fe是通过用改性激光Ll照射基板W的材料的一部分获得的并且特性和结 构与非照射区域不同的区域。具体而言，改性层Wr具有以下的三种状态(1)、⑵和(3)。 注意，在以下的三种改性作用中，可以同时引起多种改性作用。(1)改性层是熔融处理区域的情况熔融处理区域是例如在基板W的材料熔融然后再次凝固的情况下引发结晶结构 的变化的区域。熔融处理区域可以是相变区域或者其中结晶结构改变的区域。作为替代方 案，熔融处理区域可以是其中单晶结构、非晶结构和多晶结构中的一种结构变为另一种结 构的区域。在这种情况下，改性激光Ll的会聚点Lsi聚焦于基板W(半导体材料基板，例如， 硅晶片)的内部。在会聚点Lsi处的电场强度大于或等于IX IO8(W/cm2)并且脉冲宽度小于 或等于1 μ sec的条件下，用改性激光Ll照射基板W。因此，在基板W的内部发生多光子吸 收，并且，基板W被局部加热，由此，在基板W的内部形成熔融处理区域。当基板W具有单晶 硅结构时，熔融处理区域具有例如非晶硅结构。在这种情况下，电场强度为例如IXlO8OV/ cm2)。脉冲宽度优选处于例如Insec 200nsec的范围中。(2)改性层是裂纹区域(crack region)的情况裂纹区域是这样的区域在该区域中，由于基板W上的会聚点Lsi的照射区域的膨 胀而在该照射区域和接近该照射区域的区域中产生的应力导致裂纹。在这种情况下，改性 激光Ll的会聚点Lsi聚焦于基板W(例如，玻璃或压电材料(LiTaO3))的内部。在会聚点Lsi 处的电场强度大于或等于IX IO8(W/cm2)并且脉冲宽度小于或等于1 μ sec的条件下，用改 性激光Ll照射基板W。因此，在基板W的内部发生多光子吸收，由此，在基板W的内部形成 裂纹区域而不对基板W造成不必要的损伤。电场强度为例如IX IO8 (W/cm2)。脉冲宽度优 选处于例如Insec 200nsec的范围中。
(3)改性层是折射率改变区域的情况折射率改变区域是其中由利用高能量的局部曝光引发密度或折射率的改变的区 域。在这种情况下，改性激光Ll的会聚点Lsi聚焦于基板W(例如，玻璃)的内部。在会聚 点Lsi处的电场强度大于或等于IX IO8 (W/cm2)并且脉冲宽度小于或等于Insec的条件下， 用改性激光Ll照射基板W。当脉冲宽度极度缩短以在基板W的内部引起多光子吸收时，由 多光子吸收产生的能量不变为热能，由此在基板W的内部发生结构变化，例如，结晶化或离 子价(ion valence)的变化。因此，形成折射率改变区域。电场强度为例如1 X IO12 (W/cm2)。 脉冲宽度优选例如小于或等于lnsec，更优选为小于或等于lpsec。以下，描述基板W是硅晶片的情况下的具体例子。基板W是硅晶片，并且具有 625μπι的厚度和6英寸的外部尺寸。会聚透镜2具有50的倍率和0.55的ΝΑ。改性激 光Ll的透射率为60%。改性层fe为上述的熔融处理区域、裂纹区域和折射率区域中的一 个。激光振荡器1是YAG激光器。关于在改性层形成步骤中发射的改性激光Li，波长为 1，064nm，振荡模式是Q开关脉冲，脉冲宽度是30nm，输出功率是20 μ J/脉冲，激光斑断面 面积为3. 1 X 108cm2,并且，重复频率为80kHz。当改性激光Ll通过会聚透镜2会聚到基板 W的内部时，基板W的表面Wa上的改性激光Ll的能量密度小于lX108W/cm2，并且，会聚点 Lsi处的改性激光Ll的能量密度大于或等于1 X 108W/cm2。以IOOmm/秒的速度执行图2A所 示的用会聚点Lsi的扫描。因此，如图2B和图2C所示，在用会聚点Lsi扫描的区域中形成改 性层Wr。会聚透镜2和基板W相对于彼此移动以连续形成改性层Wr。可通过在变化的深度 位置处用会聚点Lsi进行扫描以层叠多个改性层区域，调整改性层Wr的厚度。当设计会聚 透镜2和基板W之间的相对运动轨迹时，必需防止已被改性的区域位于要被改性的区域与 会聚透镜2之间。其原因是要防止改性激光Ll入射到已被改性的区域并被散射。因此，改 性从远离表面Wa的区域开始。关于如上所述那样形成的改性层Wr，去除/加工步骤中的激光加工速度低于非改 性区域的激光加工速度。因此，在要停止在后面的去除/加工步骤中执行的去除加工的区 域中，即至少在要被去除的激光加工区域Rl的边界处，形成改性层Wr。换句话说，在第一实 施例中，在用激光进行去除加工之前，去除的凹部的底部由改性层Wr限定。改性层Wr可以 不如图2C所示的那样在各边具有直线状形状，而是可具有曲线形状。改性层Wr可位于基 板W的任何位置中，并且可到达基板W的表面Wa。可以在除了要停止去除加工的区域以外 的区域中形成改性层Wr。即，可以在面积比要停止去除加工的区域大的区域中形成改性层 Wr。下面，参照图3A、图;3B和图3C详细描述第一实施例中的去除/加工步骤。控制装 置4执行控制，以便用会聚的加工激光L2照射基板W的表面Wa，以去除由改性层Wr限定的 激光加工区域Rl。注意，只要获得去除基板W的一部分的特性，会聚透镜12和加工激光L2不被特别 限制。例如，可以使用固体激光器、受激准分子激光器和染料激光器中的任一种作为用于加 工激光L2的激光源。在第一实施例中，如上所述，从共用的激光振荡器1发射加工激光L2。 会聚透镜12优选防止被加工激光L2破坏。会聚透镜12对于加工激光L2的透射率优选大 于或等于20%。在这种条件下，加工激光L2优选会聚到会聚点LS2。会聚透镜12具有50
6的倍率和0.55的NA。加工激光L2的透射率为60%。在去除/加工步骤中，关于从激光振 荡器1发射的加工激光L2，波长为532nm，振荡模式为Q开关脉冲，脉冲宽度为30nm，输出 功率为20 μ J/脉冲，激光斑断面面积为3. 1 X 108cm2,并且，重复频率为80kHz。在这种情况 下，会聚点Ls2处的电场强度优选大于或等于lX108(W/cm2)并且脉冲宽度优选小于或等于 1 μ sec。会聚点Ls2是在加工激光L2被会聚透镜12会聚的情况下加工激光L2的能量密度 最大的点。如图3A所示，用会聚点Ls2扫描基板W的表面Wa，以在会聚点Ls2的扫描位置中 执行去除加工。会聚点Ls2的扫描速度为IOOmm/秒。图;3B示出去除加工过程中的状态。在图:3B中示出通过加工激光L2去除的区域 V的底部Vb。在通过加工激光L2去除的区域V中，去除量根据由去除加工排出的加工灰尘 或加工激光L2的强度的波动而波动，因此，底部Vb的形状波动。即使当去除的区域V的底 部Vb的一部分由于加工波动而早早地到达改性层Wr时，改性层fe的激光加工速度也低于 非改性区域的激光加工速度，因此，改性层Wr不容易被加工激光L2去除。因此，如图3C所 示，最终通过去除加工获得的去除的区域V的底部Vb的形状的波动(即去除深度的波动) 减小。换句话说，加工形状可由改性层Wr限定。图4A和图4B示出由上述的激光加工方法形成的凹部Wc。如图4A和图4B所示， 凹部Wc的底部恥对应于改性层Wr。当形成改性层Wr时，利用加工激光L2使基板W经受 去除加工的情况下的加工精度得到提高。根据第一实施例，去除/加工步骤过程中的改性层Wr的激光加工速度低于非改性 区域中的激光加工速度，因此，非改性区域容易被加工。因此，即使当加工激光L2的空间强 度分布或脉冲能量随时间改变时，加工量的波动也通过改性层Wr减小，因此可以提高凹部 Wc的底部Wb的平坦性。因此，基板W的加工精度得到提高。可在改性层形成步骤过程中通 过改性激光Ll将改性层Wr形成为任意的形状，因此，加工形状的自由度得到提高。[第二实施例]在第一实施例中，描述在基板中形成凹部的情况。在第二实施例中，描述在基板中 形成贯通部分的情况。使用与第一实施例中相同的激光加工装置，因此参照图1所示的激 光加工装置进行描述。即使在第二实施例中，控制装置4也执行改性层形成步骤和去除/加工步骤。参 照图5A、图5B和图5C具体描述改性层形成步骤。在改性层形成步骤中，用作为第一激光的 改性激光Ll的会聚点Lsi扫描作为待加工对象的基板W的内部，以形成改性层Wra，该改性 层Wra成为激光加工区域R2的边界。改性激光Ll的条件与第一实施例中的相同。以下进行详细的描述。如图5A所示，从激光振荡器1发射的改性激光Ll的会聚 点Lsi通过会聚透镜2被设定于基板W的内部。设定于基板W的内部的会聚点Lsi和接近该 会聚点的区域具有比会聚点Lsi和该接近的区域以外的、改性激光Ll穿过的区域高的能量 密度。因此，在设定于基板W的内部的会聚点Lsi和该接近的区域中，由于局部加热而引发 吸收系数的变化和包括多光子吸收的现象，以由此执行改性。当如图5A所示的那样执行用 改性激光Ll的会聚点Lsi的扫描时，如图5B所示，形成改性层Wra，所述改性层Wra成为激 光加工区域R2的边界。在第二实施例中，如图5C所示，在X轴方向、Y轴方向和Z轴方向上 使改性激光Ll的会聚点Lsi偏移以用于扫描，以形成改性层Wra，所述改性层Wra成为贯通
7部分的侧壁。换句话说，在第二实施例中，成为贯通部分的侧壁的部分对应于激光加工区域 R2的边界，因此在边界中形成改性层Wra。形成的改性层Wra是熔融处理区域、裂纹区域和 折射率区域中的一个。通过在Z轴方向上在改变的深度位置处用会聚点Lsi进行扫描以层 叠多个改性层区域，形成改性层Wra。当设计会聚透镜2和基板W之间的相对运动轨迹时， 必需防止已被改性的区域位于要被改性的区域与会聚透镜2之间。其原因是要防止改性激 光Ll入射到已被改性的区域并被散射。因此，改性从远离表面Wa的区域依次开始。在去除/加工步骤过程中如上所述那样形成的改性层Wra的激光加工速度低于非 改性区域中的激光加工速度。因此，在第二实施例中，改性层Wra形成为包围激光加工区域 R2。换句话说，在第二实施例中，在用激光进行去除加工之前，去除的贯通部分的侧壁由改 性层Wra限定。改性层fea可以不如图5B所示的那样在各边中具有直线状形状，而是可具 有曲线形状。改性层Wra可位于基板W的任何位置中，并且可到达基板W的表面Wa。可以 在除了限定去除加工的区域以外的区域中形成改性层Wra。即，可以在面积比限定去除加工 的区域大的区域中形成改性层Wra。下面，参照图6A和图6B详细描述第二实施例中的去除/加工步骤。控制装置4 执行控制，以便用会聚的加工激光L2照射基板W的表面Wa，以去除由改性层Wra限定的激 光加工区域R2。注意，加工激光L2的条件与第一实施例中的相同。会聚点Ls2是在加工激光L2被会聚透镜12会聚的情况下加工激光L2的能量密度 最大的点。如图6A所示，用会聚点Ls2扫描基板W的表面Wa，以在会聚点Ls2的扫描位置中 执行去除加工。会聚点Ls2的扫描速度为IOOmm/秒。图6B示出去除加工过程中的状态。在图6B中示出通过加工激光L2去除的区域 V的底部Vb。在通过加工激光L2去除的区域V中，去除量根据由去除加工排出的加工灰尘 或加工激光L2的强度的波动而波动，因此，底部Vb的形状波动。与此相对，改性层Wra的 激光加工速度低于非改性区域中的激光加工速度，因此，改性层Wra不容易被加工激光L2 去除，并且非改性区域被去除。因此，加工形状可由改性层Wra限定。图7A和图7B示出由上述的激光加工方法形成的贯通部分Wt。如图7A和图7B所 示，贯通部分Wt的侧壁Ws对应于改性层Wra。当形成改性层Wra时，用加工激光L2使基板 W经受去除加工的情况下的加工精度得到提高。根据第二实施例，去除/加工步骤过程中的改性层Wra的激光加工速度低于非改 性区域中的激光加工速度，因此，非改性区域容易被加工。因此，即使当加工激光L2的空间 强度分布或脉冲能量随时间改变时，加工量的波动也通过改性层Wra减小，因此可以提高 贯通部分Wt的侧壁Ws的平坦性。因此，基板W的加工精度得到提高。改性层Wra可在改 性层形成步骤过程中通过改性激光Ll形成为任意的形状，因此，加工形状的自由度得到提 尚ο在第一实施例中，仅在凹部的底部形成改性层。但是，如第二实施例中那样，可以 在凹部的侧壁中形成改性层。可以根据加工形状自由形成改性层。虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性 实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有的变更方式以及等同的结 构和功能。
权利要求
1.一种激光加工方法，包括改性层形成步骤，通过用第一激光的会聚点扫描待加工对象的内部，形成改性层，所述 改性层成为激光加工区域的边界；以及去除/加工步骤，通过用被会聚的第二激光照射所述待加工对象的表面，去除和加工 由所述改性层限定的所述激光加工区域。
2.根据权利要求1所述的激光加工方法，其中，在所述改性层形成步骤中，当在所述去 除/加工步骤中在所述待加工对象中加工凹部时，所述改性层被形成为所述凹部的底部。
3.根据权利要求1所述的激光加工方法，其中，在所述改性层形成步骤中，当在所述去 除/加工步骤中在所述待加工对象中加工贯通部分时，所述改性层被形成为所述贯通部分 的侧壁。
4.根据权利要求1所述的激光加工方法，其中，所述改性层包含熔融处理区域。
5.根据权利要求1所述的激光加工方法，其中，所述改性层包含裂纹区域。
6.根据权利要求1所述的激光加工方法，其中，所述改性层包含折射率改变区域。
全文摘要
本发明提供一种能够提高加工形状的精度和加工形状的自由度的激光加工方法。当在作为待加工对象的基板(W)中形成凹部时，用作为第一激光的改性激光(L1)的会聚点(LS1)扫描基板(W)的内部，以在与凹部的底部对应的位置中形成改性层(Wr)，所述改性层(Wr)成为激光加工区域(R1)的边界(改性层形成步骤)。然后，用作为第二激光的会聚加工激光照射基板(W)的表面(Wa)以去除和加工由改性层(Wr)限定的激光加工区域(R1)，以由此形成凹部(去除/加工步骤)。
文档编号B23K26/00GK102069296SQ20101053143
公开日2011年5月25日 申请日期2010年11月4日 优先权日2009年11月9日
发明者久保田雅彦, 仓知孝介, 冈野明彦, 平本笃司 申请人:佳能株式会社