レーザ光によるセラミック基板の加工方法
【課題】１工程で切断加工や貫通孔形成加工ができ、切断速度や貫通孔形成速度が速く、切断幅や貫通孔径の狭いセラミック基板の加工方法を提供することを目的とする。
【解決手段】波長１０００ｎm以上１１００nm以下の光の反射率が８０％以上であるセラミック基板の表面に、連続発振のレーザ光を照射して前記セラミック基板を切断加工する、レーザ光によるセラミック基板の加工方法であって、前記セラミック基板の加工点における前記レーザ光のパワー密度が、１．０×１０７W／ｃｍ２以上である加工方法。
【解決手段】波長１０００ｎm以上１１００nm以下の光の反射率が８０％以上であるセラミック基板の表面に、連続発振のレーザ光を照射して前記セラミック基板を切断加工する、レーザ光によるセラミック基板の加工方法であって、前記セラミック基板の加工点における前記レーザ光のパワー密度が、１．０×１０７W／ｃｍ２以上である加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を用いたセラミック基板の加工方法、特に、セラミック基板の切断方法及びセラミック基板に貫通孔を形成する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化アルミニウム、アルミナ等のセラミック材料は、電子部品実装用の基板として広く使用されている。近年、セラミック基板は、実装する電子部品の小型化や高密度搭載化、セラミック基板を使用する電子機器の小型化等により、基板の切断によるチップ化や穴あけにあたって、より精密な加工が要求されている。
【０００３】
セラミック基板の切断方法としては、精度の高い加工端面を有するチップを形成するために、窒化アルミニウム焼結体よりなる基板を、その切断位置において、表面から一部の深さまでレーザ加工にて溝を形成し、該溝の幅より研削幅の小さい回転研削砥石によって残部を研削して基板を切断する方法が提案されている（特許文献１）。
【０００４】
また、セラミック基板の割断箇所にレーザ光を照射して分割溝を形成し、厚み方向に荷重を加えることでセラミック基板を分割溝で割断して個片化する切断方法が提案されている（特許文献２）。
【０００５】
さらに、スクライブ線を形成するにあたり、基板の加工点の周辺に予め圧縮応力を作用させてある状態で、加工点に紫外線レーザを照射させて加工点を形成し、加工点を形成することで熱応力を除去させ、スクライブ線を基板の厚さ方向に伸展させることが開示されている（特許文献３）。
【０００６】
しかし、従来技術のセラミック基板の切断方法では、レーザ光によるスクライブの形成工程と、ブレードによる割断工程または荷重や熱応力を利用した割断工程と、の２工程が必要なので、切断加工が複雑であり加工効率に問題があった。また、従来技術では、例えば、厚さ０．５ｍｍのセラミック基板の切断速度は数ｍｍ／ｓ程度なので、セラミック基板の製造にあたって基板を個片化するための切断工程が律速となり製造効率の向上が図れないという問題、切断加工における切断幅が１００μｍ超にもなるので、製品ロスが大きくなってしまうという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２４６５１８号公報
【特許文献２】特開２００５−２９４５２３号公報
【特許文献３】特開２００６−１７５４８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記事情に鑑み、本発明は、１工程で切断加工や貫通孔形成加工ができ、切断速度や貫通孔形成速度が速く、切断幅や貫通孔径の狭いセラミック基板の加工方法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】
【０００９】
本発明の態様は、波長１０００ｎm以上１１００nm以下の光の反射率が８０％以上であるセラミック基板の表面に、連続発振のレーザ光を照射して前記セラミック基板を切断加工する、レーザ光によるセラミック基板の加工方法であって、前記セラミック基板の加工点における前記レーザ光のパワー密度が、１．０×１０７W／ｃｍ２以上である加工方法である。
【００１０】
この態様では、連続発振のレーザ光をセラミック基板に照射することでセラミック基板を完全に切断するので、ブレードによる割断工程または荷重や熱応力を利用した割断工程は必要ない。なお、明細書中、「波長１０００ｎm以上１１００nm以下の光の反射率が８０％以上」とは、半球反射率測定器にて測定した波長１０００ｎm以上１１００nm以下の光の半球反射率が８０％以上であることを意味する。
【００１１】
本発明の態様は、波長１０００ｎm以上１１００nm以下の光の反射率が８０％以上であるセラミック基板の表面に、連続発振のレーザ光を照射して前記セラミック基板に貫通孔を形成する、レーザ光によるセラミックス基板の加工方法であって、前記セラミック基板の加工点における前記レーザ光のパワー密度が、１．０×１０７W／ｃｍ２以上である加工方法である。
【００１２】
本発明の態様は、前記レーザ光の波長が１０００ｎm以上１１００nm以下、前記レーザ光のエムスクエア値M２が１．０〜２．０の範囲であり、前記加工点における前記レーザ光のスポット径が１０〜１００μｍである加工方法である。エムスクエア値M２は、レーザ光の集束性を表す値であり、ISO１１１４６規格に従って規定される、レーザ光の品質を示す指標である。
【００１３】
本発明の態様は、前記レーザ光の前記セラミック基板への入射角度が、前記セラミック基板の表面に対して８５°超９０°以下の範囲である加工方法である。この態様では、被加工体であるセラミック基板の表面に対して鉛直方向または略鉛直方向から、すなわち該鉛直方向に対して０°以上５°未満の角度から、レーザ光が照射される。
【００１４】
本発明の態様は、さらに、前記セラミック基板からの前記レーザ光の反射光によって前記レーザ発振装置が損傷するのを防ぐための機構が備えられている加工方法である。
【００１５】
本発明の態様は、前記セラミック基板に、前記レーザ光の吸収率を向上させる処理が施されていない加工方法である。「レーザ光の吸収率を向上させる処理」とは、セラミック基板のレーザ光の吸収能を向上させて、レーザ光による加工効率を上げる処理を意味し、例えば、セラミック基板の表面にレーザ光を吸収する材料を塗布したり、該表面に粗面処理を施すことなどがある。
【００１６】
本発明の態様は、前記セラミック基板の切断加工における前記レーザ光の照射面側の切断幅が１０〜１００μｍ、切断面の表面粗さがRa１．０μｍ以下、前記セラミック基板の前記照射面側から２０％〜８０％の深さにおける切断幅の差が２０μｍ以下である加工方法である。この態様では、切断加工により、セラミック基板のレーザ光の照射面側表面における切断幅は１０〜１００μｍ、セラミック基板の厚み方向に対して照射面側から２０％〜８０％の厚さに対応する部分における切断幅の差が２０μｍ以下、レーザ顕微鏡にて測定した切断面の表面粗さがRa１．０μｍ以下である加工品質が得られる。
【００１７】
本発明の態様は、前記セラミック基板の貫通孔形成における貫通孔径が１０〜１００μｍ、前記セラミック基板の前記照射面側から２０％〜８０％の深さにおける貫通孔径の差が２０μｍ以下である加工方法である。この態様では、貫通孔形成加工により、セラミック基板の貫通孔径は１０〜１００μｍであり、セラミック基板の厚さ方向に対して、照射面側から２０％〜８０％の厚さに対応する部分における貫通孔径の差が２０μｍ以下である加工品質が得られる。
【００１８】
本発明の態様は、前記レーザ光が照射される前記セラミック基板の加工点に対して、前記レーザ光と同軸方向から、噴射口における圧力が０．６〜１．５MPaのガスを噴射する加工方法である。
【００１９】
本発明の態様は、前記セラミック基板の２５℃における熱伝導率が、２０〜２５０W／（ｍ・K）である加工方法である。明細書中の熱伝導率は、レーザフラッシュ法により測定した熱伝導率を意味する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の態様では、パワー密度が１．０×１０７W／ｃｍ２以上である連続発振のレーザ光をセラミック基板の表面に照射する工程で、セラミック基板を完全に切断するので、その後の割断工程は必要ない。すなわち、１工程でセラミック基板を切断できるので、切断工程が簡略化できる。従来はパワー密度を稼ぐためにパワーの尖頭値の高いパルス発振のレーザが多用されていたが、加工速度がパルスの重畳に縛られてしまっていた。本発明では連続発振のレーザ光を使用するので、高速加工が可能であり、また、加工部におけるドロス（溶融凝固物）の形成と切断面のテーパの発生を抑制できる。このように、切断工程の簡略化と高速化により生産効率が向上する。また、連続発振のレーザ光による加工では、加工点の溶融が一度起こると当該部のセラミック材料の反射率が急激に低下するので安定な加工が実現される。同様に、本発明の態様では、セラミック基板に貫通孔を簡略かつ高速にて形成でき、また加工部におけるドロスの形成と切断面のテーパの発生を抑制できる。
【００２１】
本発明の態様では、レーザ光のエムスクエア値M２が１．０〜２．０に抑えられる。従って、エムスクエア値M２に比例して大きくなる集光直径を小さくでき、加工点におけるレーザ光のスポット径を１０〜１００μｍまで小さくできるので、レーザ光のパワー密度が高まって切断加工や貫通孔形成加工を容易化・確実化し、さらに切断幅や貫通孔径を小さくできる。このように、切断幅を小さくできるので、セラミック基板を個片化する際の製造ロスを抑えることができる。
【００２２】
本発明の態様では、レーザ光のセラミック基板への入射角度が、セラミック基板の表面に対して８５°超９０°以下と、レーザ発振装置への反射戻り光防止のために上記角度を７５°程度傾けた従来技術よりもセラミック基板表面に対して鉛直方向により近い入射角度でレーザ光を加工点に照射するので、レーザ光の照射面積が従来よりも減少してレーザ光のパワー密度がより高まる。よって、切断加工や貫通孔形成加工を容易化・確実化できる。また、加工に要する深さを低減できるので、加工速度が向上する。さらに、レーザ光の加工点におけるスポット形状が従来よりも円形に近くなるので、切断加工時に切断方向を変更しても変更後の切断面が斜めになるのを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態例に係る加工方法の概要を示す説明図である。
【図２】本発明の他の実施形態例に係る加工方法の概要を示す説明図である。
【図３】各種材料の波長と反射率の関係を説明するグラフである。
【図４】本発明の実施例にて切断した被加工体の切断面のレーザ顕微鏡写真である。
【図５】従来方法であるレーザ光によるスクライブ線の形成工程と割断工程にて切断した切断面のレーザ顕微鏡写真である。
【図６】従来方法であるレーザ光によるスクライブ線の形成工程と割断工程にて切断した切断面の凹凸状態を説明する写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
次に、図面を用いながら、本発明の実施形態例のセラミック基板の加工方法について説明する。ここでは、セラミック基板を切断加工する方法を例にとって説明する。
【００２５】
図１に示すように、本発明の実施形態例のセラミック基板の加工方法は、シングルモード光ファイバ２を介してレーザ発振装置１と接続された加工ヘッド３から、レーザ光Lが出射され、この加工ヘッド３から出射されたレーザ光Lが被加工体であるセラミック基板Wと相対的に移動して所定の加工部位に照射されることで、セラミック基板Wが完全に切断される。
【００２６】
本発明の実施形態例で使用するレーザ発振装置１は、波長１０００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下のレーザ光Lを射出する光ファイバレーザFLである。レーザ発振装置１は連続発振にてレーザ光Lを射出する。レーザ発振装置１から出射されるレーザ光Lは、エムスクエア値M２が１．０〜２．０、好ましくは１．０〜１．３である。レーザ発振装置１の平均出力は加工条件に応じて適宜選択可能であり、ここで使用する光ファイバレーザFLでは、例えば１００〜５００Wである。
【００２７】
図１に示すように、レーザ発振装置１である光ファイバレーザFLは、励起光の光源である複数の半導体レーザ素子１１と、半導体レーザ素子１１が出力する励起光を導波するマルチモード光ファイバ１２と、マルチモード光ファイバ１２が導波した励起光を結合してダブルクラッド光ファイバ１４から励起光を出力させるTFB１３と、励起光を出力するダブルクラッド光ファイバ１４と接続するダブルクラッド型の光ファイバグレーティング１５と、ダブルクラッド型の光ファイバグレーティング１５と接続するダブルクラッド型の希土類元素添加光ファイバ１７と、ダブルクラッド型の希土類元素添加光ファイバ１７と接続し、出力用シングルモード光ファイバ１８から増幅光を出力させるダブルクラッド型の光ファイバグレーティング１６とを備えている。
【００２８】
ダブルクラッド型の希土類元素添加光ファイバ１７は、コア部に増幅物質としてイッテルビウム（Yｂ）がドープされた増幅光ファイバである。
【００２９】
レーザ発振装置１から出射されるレーザ光Lは、一方の端部にてレーザ発振装置１の出力用シングルモード光ファイバ１８と接続するシングルモード光ファイバ２にて導光され、シングルモード光ファイバ２にて導光されるレーザ光Lは、該シングルモード光ファイバ２の他方の端部と接続する加工ヘッド３へ入射する。従って、シングルモード光ファイバ２はレーザ光Lの導光手段であり、レーザ光Lは、シングルモード光ファイバ２を介してレーザ発振装置１から加工ヘッド３へ供給される。
【００３０】
加工ヘッド３は、レーザ光照射手段であり、シングルモード光ファイバ２から入射した発散光であるレーザ光Lを反射する凹面のミラー３１と、レーザ光Lを集光するための焦点レンズ３２とを備えている。ミラー３１は、加工ヘッド３内部へ入射したレーザ光Lを焦点レンズ３２に向けて反射するように配置されている。図１では、ミラー３１は、レーザ光Lが入射方向に対して鉛直方向に反射されるように配置されている。ミラー３１によって反射されたレーザ光Lは、焦点レンズ３２にて集光され、所定の焦点距離にて、レーザ光Lが最も集光された集光点（焦点）が形成される。焦点レンズ３２は、集光されたレーザ光Lが加工ヘッド３のレーザ光射出口３４を介してセラミック基板Wへ向けて出射するように、配置されている。
【００３１】
加工ヘッド３から出射したレーザ光Lは、ステージ（図示せず）に載置された被加工体のセラミック基板W上に照射される。ステージはスライド可能なテーブルであり、セラミック基板Wの平面方向に沿ってスライドさせる構成となっている。従って、ステージは、加工ヘッド３から出射したレーザ光Lに対して相対移動できるように設置されている。ステージの相対移動の速度と方向を調整することで切断速度と切断方向を設定する。セラミック基板Wの表面に対するレーザ光射出口３４の高さは、レーザ光Lの集光点がセラミック基板Wの表面付近に位置するよう、すなわち、集光点の位置（焦点位置）は、レーザLによってセラミック基板Wの加工部分が溶融するように調整する。例えば、集光点の位置は、ドロスの形成を抑える点からセラミック基板Wの加工点より上方、すなわち加工点より加工ヘッド３側が好ましく、ドロスの形成を確実に抑える点から加工点より２０〜４００μｍ上方がより好ましく、５０〜３５０μｍ上方が特に好ましい。
【００３２】
被加工体であるセラミック基板Wは、波長１０００ｎm以上１１００nm以下の光の反射率が８０％以上のセラミック材である。また、被加工体であるセラミック基板Wには、波長１０００ｎm以上１１００nm以下の光の反射率が９８％以下のセラミック材が好ましい。上記反射率のセラミック材を被加工体とすることで、被加工体を過剰に溶かすことなく、平坦かつ粗さの低減された切断面を得ることができる。さらには、被加工体を２５℃における熱伝導率が２０〜２５０W／（ｍ・K）のセラミック材にすることで、加工性がより向上する。上記反射率を有するセラミック材には、図３に示すように、アルミナを挙げることができ、その他には、例えば、窒化アルミニウム等を挙げることができる。なお、図３のグラフは、「実用レーザ加工応用ハンドブック」（オプトロニクス社）に掲載されているものである。
【００３３】
また、後述するように、本発明の実施形態例で使用する光ファイバレーザFLは、加工点でのレーザ光Lのパワー密度を他のレーザ発振装置よりも高めることができるので、セラミック基板Wには、表面にレーザ光Lを吸収する材料を塗布したり、表面を粗面化するなどの、レーザ光Lの吸収率を向上させる処理を施さなくてよい。セラミック基板Wの厚さは、特に限定されないが、加工速度の点から５ｍｍ以下が好ましく、１ｍｍ以下が特に好ましい。
【００３４】
セラミック基板Wの加工点に照射されるレーザ光Lのパワー密度の下限値は、セラミック基板Wを十分溶融させてレーザ光Lの１回照射によってセラミック基板Wを完全に切断する点から１．０×１０７W／ｃｍ２であり、加工速度をより上げる点から１．０×１０８W／ｃｍ２が好ましい。セラミック基板Wの加工点に照射されるレーザ光Lのパワー密度の上限値は、セラミック基板Wの材質や加工条件から設定し、例えば、セラミック基板Wの過度なエネルギー投入を避ける点から２．０×１０９W／ｃｍ２が好ましい。
【００３５】
上記の通り、本発明の実施形態例で使用する光ファイバレーザFLは、波長（λ）が１０００ｎm以上１１００nm以下、エムスクエア値M２が１．０〜２．０のレーザ光Lを射出するのに対して、他の高出力レーザ発振装置、例えば、YAGレーザではλが１０６４ｎm、エムスクエア値M２が３〜７０、CO2レーザではλが１０６００ｎm、エムスクエア値M２が１．０〜２．０のレーザ光を、それぞれ射出する。集光点の集光直径（ｗ）は、焦点レンズ３２の焦点距離（ｆ）、レーザ光Lの波長（λ）、レーザ光Lのエムスクエア値M２、焦点レンズ３２に入射する前のレーザ光Lの直径（D）から、ｗ＝（４×ｆ×λ×M２）／（π×D）の式で算出できる。この算出式から、本発明の実施形態例で使用する光ファイバレーザFLは、YAGレーザやCO2レーザと比較して集光点の集光直径を小さくできるので、加工点におけるレーザ光Lのスポット径も小さくできる。
【００３６】
このように、実施形態例で使用する光ファイバレーザFLは、焦点レンズ３２の焦点距離（ｆ）、レーザ光Lの波長（λ）、レーザ光Lのエムスクエア値M２、焦点レンズ３２に入射する前のレーザ光Lの直径（D）及び集光点と加工点との距離をそれぞれ調整することで、レーザ光Lの加工点におけるスポット径を、他のレーザ発振装置よりも小さく設定できる。従って、実施形態例で使用する光ファイバレーザFLは、加工点におけるレーザ光Lのパワー密度を他のレーザ発振装置よりも高めることができ、結果、波長１０００ｎm以上１１００nm以下の光の反射率が８０％以上と高反射率のセラミック基板であっても加工閾値を超えて切断加工できる。また、加工点のスポット径を小さくすることで、溶融部の幅を狭くする、すなわち、切断幅を狭くすることができる。例えば、加工点のスポット径を１０〜１００μｍの範囲に調整することで、切断加工時の切断幅を１０〜１００μｍに抑えることができる。さらに、加工点のスポット径を小さくすることで、セラミック基板の厚さに対して、照射面側から２０％〜８０％の厚さに対応する部分における切断幅の差を２０μｍ以下に抑えることができる。そして、照射面から裏面まで一括で溶融除去する加工なので、表面粗さRa１．０μｍ以下と、従来よりも平滑な切断面が得られる。加工点のスポット径の下限値は、ドロスの形成を防止する点から１０μｍが好ましく、ドロスの形成を確実に防止する点から２０μｍが特に好ましい。加工点のスポット径の上限値は、切断幅を小さくする点から１００μｍが好ましく、５０μｍが特に好ましい。
【００３７】
光ファイバレーザFLの出力と加工点のスポット径を調整することで、セラミック基板Wの加工点に照射されるレーザ光Lのパワー密度を上記の１．０×１０７W／ｃｍ２以上に設定する。
【００３８】
レーザ光Lのセラミック基板Wへの入射方向は、セラミック基板Wの表面に対して鉛直方向、略鉛直方向または鉛直方向近傍に設定される。この実施形態例では、レーザ光Lの入射角度はセラミック基板Wの表面に対して８５°超〜９０°の範囲、すなわち、レーザ光Lは鉛直方向または略鉛直方向からセラミック基板Wへ照射されるのが好ましい。このように、セラミック基板Wの表面に対して従来（セラミック基板の表面に対して７５°程度）よりも鉛直方向に近い方向からレーザ光Lを加工点に照射することで、レーザ光Lの加工点における照射面積が従来よりも減少してレーザ光Lの加工点でのパワー密度を確実に高めることができる。また、より鉛直方向に近い方向からレーザ光Lを照射するので、切断加工の深さを低減でき、切断速度が向上する。さらに、入射角度を傾ける場合、その方向を切断方向とセラミック基板W表面に対して鉛直方向とを含む平面内で傾けることで切断溝が斜めに形成されることを防ぐことができるが、レーザ光Lがセラミック基板W表面に対して鉛直方向または略鉛直方向から照射されていれば、切断加工時に切断方向を変更しても変更後の切断面が斜めになるのを抑えることができる。さらに、レーザ光Lは鉛直方向または略鉛直方向からセラミック基板Wへ照射されるので、切断先端部は斜めにならず、よって、加工時に、後述する高圧ガスの抜けがよくなり、切断部はドロスフリーとなる。
【００３９】
通常、光ファイバレーザFLは反射戻り光を常時モニタリングし、反射戻り光が所定値を超えた場合に、光ファイバレーザFLのレーザ発振を停止させる装置破損防止機構が備えられているが、本発明の実施形態例では、反射戻り光のレベルがレーザ発振装置１である光ファイバレーザFLに対して問題ない程度であることを確認した上で、上記装置破損防止装置は停止させている。一方で、本発明の実施形態例では、シングルモード光ファイバ２を介してレーザ発振装置１と加工ヘッド３が接続されている。そこで、被加工体であるセラミック基板Wは波長１０００ｎm以上１１００nm以下の光の反射率が８０％以上であることから、レーザ発振装置１の安全性をより高めるために、念のために、セラミック基板Wにて反射するレーザ光Lからレーザ発振装置１をまもる機構、例えば、アイソレータを設けてもよい。アイソレータを設けることで、セラミック基板Wから加工ヘッド３を介して戻ってくるレーザ光Lの反射光をレーザ発振装置１の外部に逃がすことができる。アイソレータを設ける位置は適宜選択可能であり、例えば、加工ヘッド３とレーザ発振装置１との間に配置する。
【００４０】
本発明の実施形態例では、図１に示すように、必要に応じて、さらに、セラミック基板Wの加工点、すなわち、レーザ光Lが照射される部分に対して高圧ガスGを噴射してもよい。加工点に高圧ガスGを噴射することで、切断加工部にドロスが形成されるのを防止でき、また切断部を速やかに冷却できる。高圧ガスGは、ガス充填容器（図示せず）からガス輸送用の管状部材３５を介して加工ヘッド３に設けられたガス噴射用ノズル３３へ供給され、ガス噴射用ノズル３３から加工点へ噴射される。高圧ガスGが加工点に噴射されるよう、ガス噴射用ノズル３３の噴射口はレーザ光射出口３４と同軸に配置するのが好ましい。高圧ガス種は、窒素、酸素、ヘリウム、アルゴン、空気等であり、ガス噴射用ノズル３３の噴射口での圧力は０．６〜１．５MPaが好ましい。
【００４１】
このように、波長１０００ｎm以上１１００nm以下の光の反射率が８０％以上であるセラミック基板Wの表面に、加工点におけるパワー密度が、１．０×１０７W／ｃｍ２以上である連続発振のレーザ光Lを照射して前記セラミック基板Wを切断することで、個片化されたセラミック基板を製造できる。
【００４２】
次に、本発明の他の実施形態例について、図２を用いて説明する。なお、図１と同じ構成要素については同じ符号を付して説明する。図２の他の実施形態例に示すように、コリメートレンズ３６にてシングルモード光ファイバ２から入射したレーザ光Lを平行光にし、凹面のミラー３１に代えて平板ミラー３７を用いて、上記平行光を焦点レンズ３２に向けて反射させてもよい。この他の実施形態例では、コリメートレンズ３６はシングルモード光ファイバ２から出射した拡散光を平行にするよう配置されている。この態様では、焦点レンズ３２の光軸上の位置を定めることで、焦点位置を容易に制御、調整できる。
【００４３】
次に、セラミック基板Wに貫通孔を形成する方法について説明する。貫通孔の形成加工も、上記した切断加工と同様の手段にて実施できる。つまり、シングルモード光ファイバ２を介してレーザ発振装置１である光ファイバレーザFLと接続された加工ヘッド３から、レーザ光Lが出射され、加工ヘッド３から出射されたレーザ光Lが被加工体であるセラミック基板Wの所定の加工部位に照射されることで、セラミック基板Wに貫通孔を形成する。なお、貫通孔を形成する場合には、加工ヘッド３から出射したレーザ光Lに対して、被加工体であるセラミック基板Wを載置したステージを相対移動させずに、レーザ光Lを照射する。
【００４４】
貫通孔の形成加工でも、切断加工と同様に、加工点のスポット径を小さく、例えば上記のように１０〜１００μｍに調整することで、貫通孔径を１０〜１００μｍに抑えることができる。また、加工点のスポット径を小さくすることで、セラミック基板の厚さに対して、照射面側から２０％〜８０％の厚さに対応する部分における貫通孔径の差が２０μｍ以下に抑えることができる。
【００４５】
このように、波長１０００ｎm以上１１００nm以下の光の反射率が９０％以上であるセラミック基板Wの表面に、加工点におけるパワー密度が、１．０×１０７W／ｃｍ２以上である連続発振のレーザ光Lを照射することで、貫通孔の形成されたセラミック基板を製造できる。
【実施例】
【００４６】
次に、本発明の実施例について説明する。ここでは、セラミック基板を切断加工する実施例について説明する。
【００４７】
被加工体
厚さ０．５３ｍｍのセラミック基板（９６質量％のＡｌ2Ｏ3、４質量％は不可避不純物、波長１０００ｎm以上１１００nm以下の光の反射率（半球反射率）は８９％）。
加工装置
レーザ発振装置には、出力４００Wであり、エムスクエア値M２が１．０７、波長１０８３nmのレーザ光を連続発振にて射出する光ファイバレーザを使用した。加工ヘッドの焦点レンズはｆ１００ｍｍを使用した。また、ガス出射用ノズルのノズル径が１ｍｍである高圧ガス噴射機構を設置し、レーザ光に対して相対移動できるステージに被加工体を載置した。
【００４８】
切断加工条件
セラミック基板表面とレーザ光射出口との距離を５００μｍ、集光点の位置はセラミック基板表面よりもレーザ光射出口側とし、セラミック基板表面と集光点との距離を５０μｍとした。これにより、加工点におけるレーザ光のスポット径が２３μｍ、加工点におけるパワー密度は９．５×１０７W／ｃｍ2となった。レーザ光の入射角度は、切断方向とセラミック基板表面に対して鉛直方向とを含む平面内でセラミック基板の表面に対して８６°（セラミック基板表面の鉛直方向に対して４°）に設定した。高圧ガス種は窒素とし、ガス出射用ノズル（ノズル径１．０ｍｍ）の噴射口における圧力を１．０MPaとした。切断速度が２００ｍｍ／ｓ、切断方向が直線状となるよう、ステージの移動速度と移動方向を設定した。なお、実施例では、同一使用条件における反射戻り光のレベルが光ファイバレーザに対して問題ない程度であることを確認した上で、装置破損防止装置は停止させた。
【００４９】
評価方法
切断面の粗さ：レーザ顕微鏡（キーエンス社製、VK‐９５１０）にて測定した。
ドロスの高さ：レーザ顕微鏡（キーエンス社製、VK‐９５１０）にて測定した。
【００５０】
結果
切断速度２００ｍｍ／ｓにて、上記セラミック基板を完全に切断して、セラミック基板を個片化できた。従って、従来技術である、厚さ０．５ｍｍのセラミック基板の場合における数ｍｍ／ｓの切断速度よりも、切断速度が著しく向上して、個片化の加工効率が向上した。図４の切断面の写真に示すように、切断面のレーザ顕微鏡写真から照射面側表面の切断幅は８２μｍと、１００μｍ以下に低減でき、従来よりも優れた切断幅が得られた。よって、セラミック基板の切断にともなう製造ロスを低減できた。また、図４に示すように、レーザ光の照射面側表面から厚み方向に２０％の深さの部分における切断幅は６６μｍ、レーザ光の照射面側表面から厚み方向に８０％の深さの部分における切断幅は６１μｍと、２０％〜８０％の深さ領域における切断幅の差は５μｍとなり、２０μｍ以下に低減できた。よって、切断加工の寸法精度が良好であり、平坦かつセラミック基板表面に対して略垂直な切断面が得られた。また、切断面には段差部及び凹部は生じず、全面に渡って平坦な切断面が得られた。
【００５１】
切断面の表面粗さRaは０．８１μｍであり、切断面表面の品質も良好であった。また、照射面側にはドロスが形成せず、裏面側のドロスの高さは１．７μｍ〜５．３μｍと、目標とする１０μｍ以下に抑えることができた。照射面側と裏面側ともにデブリは生じていなかった。
【００５２】
一方で、実施例と同じセラミック基板に、パルス状のレーザ光を照射してスクライブ線（分割溝）を形成後、厚み方向に荷重を加えることでセラミック基板をスクライブ線で割断した比較例では、図５に示すように、切断面にパルス状のレーザ光に基づく凹部が所定間隔で形成された。図６に示すように、上記凹部の深さは３５μｍ程度であった。また、切断面の表面粗さRaは２．６μｍであり、切断面表面の品質に劣っていた。さらに、比較例では、レーザ光により形成したスクライブ線の幅は平均７７μｍであるのに対して、割断による切断幅はほぼ０であることから、切断面に３８μｍ程度の段差部が生じて平坦な切断面が得られなかった点でも切断面表面の品質に劣っていた。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、高パワー密度のレーザ光を被加工体に照射する工程にて切断加工や貫通孔形成加工ができ、また、切断速度や貫通孔形成速度が速いので、例えば、セラミック基板の加工の分野で利用価値が高い。
【符号の説明】
【００５４】
１ レーザ発振装置
L レーザ光
W セラミック基板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を用いたセラミック基板の加工方法、特に、セラミック基板の切断方法及びセラミック基板に貫通孔を形成する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化アルミニウム、アルミナ等のセラミック材料は、電子部品実装用の基板として広く使用されている。近年、セラミック基板は、実装する電子部品の小型化や高密度搭載化、セラミック基板を使用する電子機器の小型化等により、基板の切断によるチップ化や穴あけにあたって、より精密な加工が要求されている。
【０００３】
セラミック基板の切断方法としては、精度の高い加工端面を有するチップを形成するために、窒化アルミニウム焼結体よりなる基板を、その切断位置において、表面から一部の深さまでレーザ加工にて溝を形成し、該溝の幅より研削幅の小さい回転研削砥石によって残部を研削して基板を切断する方法が提案されている（特許文献１）。
【０００４】
また、セラミック基板の割断箇所にレーザ光を照射して分割溝を形成し、厚み方向に荷重を加えることでセラミック基板を分割溝で割断して個片化する切断方法が提案されている（特許文献２）。
【０００５】
さらに、スクライブ線を形成するにあたり、基板の加工点の周辺に予め圧縮応力を作用させてある状態で、加工点に紫外線レーザを照射させて加工点を形成し、加工点を形成することで熱応力を除去させ、スクライブ線を基板の厚さ方向に伸展させることが開示されている（特許文献３）。
【０００６】
しかし、従来技術のセラミック基板の切断方法では、レーザ光によるスクライブの形成工程と、ブレードによる割断工程または荷重や熱応力を利用した割断工程と、の２工程が必要なので、切断加工が複雑であり加工効率に問題があった。また、従来技術では、例えば、厚さ０．５ｍｍのセラミック基板の切断速度は数ｍｍ／ｓ程度なので、セラミック基板の製造にあたって基板を個片化するための切断工程が律速となり製造効率の向上が図れないという問題、切断加工における切断幅が１００μｍ超にもなるので、製品ロスが大きくなってしまうという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２４６５１８号公報
【特許文献２】特開２００５−２９４５２３号公報
【特許文献３】特開２００６−１７５４８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記事情に鑑み、本発明は、１工程で切断加工や貫通孔形成加工ができ、切断速度や貫通孔形成速度が速く、切断幅や貫通孔径の狭いセラミック基板の加工方法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】
【０００９】
本発明の態様は、波長１０００ｎm以上１１００nm以下の光の反射率が８０％以上であるセラミック基板の表面に、連続発振のレーザ光を照射して前記セラミック基板を切断加工する、レーザ光によるセラミック基板の加工方法であって、前記セラミック基板の加工点における前記レーザ光のパワー密度が、１．０×１０７W／ｃｍ２以上である加工方法である。
【００１０】
この態様では、連続発振のレーザ光をセラミック基板に照射することでセラミック基板を完全に切断するので、ブレードによる割断工程または荷重や熱応力を利用した割断工程は必要ない。なお、明細書中、「波長１０００ｎm以上１１００nm以下の光の反射率が８０％以上」とは、半球反射率測定器にて測定した波長１０００ｎm以上１１００nm以下の光の半球反射率が８０％以上であることを意味する。
【００１１】
本発明の態様は、波長１０００ｎm以上１１００nm以下の光の反射率が８０％以上であるセラミック基板の表面に、連続発振のレーザ光を照射して前記セラミック基板に貫通孔を形成する、レーザ光によるセラミックス基板の加工方法であって、前記セラミック基板の加工点における前記レーザ光のパワー密度が、１．０×１０７W／ｃｍ２以上である加工方法である。
【００１２】
本発明の態様は、前記レーザ光の波長が１０００ｎm以上１１００nm以下、前記レーザ光のエムスクエア値M２が１．０〜２．０の範囲であり、前記加工点における前記レーザ光のスポット径が１０〜１００μｍである加工方法である。エムスクエア値M２は、レーザ光の集束性を表す値であり、ISO１１１４６規格に従って規定される、レーザ光の品質を示す指標である。
【００１３】
本発明の態様は、前記レーザ光の前記セラミック基板への入射角度が、前記セラミック基板の表面に対して８５°超９０°以下の範囲である加工方法である。この態様では、被加工体であるセラミック基板の表面に対して鉛直方向または略鉛直方向から、すなわち該鉛直方向に対して０°以上５°未満の角度から、レーザ光が照射される。
【００１４】
本発明の態様は、さらに、前記セラミック基板からの前記レーザ光の反射光によって前記レーザ発振装置が損傷するのを防ぐための機構が備えられている加工方法である。
【００１５】
本発明の態様は、前記セラミック基板に、前記レーザ光の吸収率を向上させる処理が施されていない加工方法である。「レーザ光の吸収率を向上させる処理」とは、セラミック基板のレーザ光の吸収能を向上させて、レーザ光による加工効率を上げる処理を意味し、例えば、セラミック基板の表面にレーザ光を吸収する材料を塗布したり、該表面に粗面処理を施すことなどがある。
【００１６】
本発明の態様は、前記セラミック基板の切断加工における前記レーザ光の照射面側の切断幅が１０〜１００μｍ、切断面の表面粗さがRa１．０μｍ以下、前記セラミック基板の前記照射面側から２０％〜８０％の深さにおける切断幅の差が２０μｍ以下である加工方法である。この態様では、切断加工により、セラミック基板のレーザ光の照射面側表面における切断幅は１０〜１００μｍ、セラミック基板の厚み方向に対して照射面側から２０％〜８０％の厚さに対応する部分における切断幅の差が２０μｍ以下、レーザ顕微鏡にて測定した切断面の表面粗さがRa１．０μｍ以下である加工品質が得られる。
【００１７】
本発明の態様は、前記セラミック基板の貫通孔形成における貫通孔径が１０〜１００μｍ、前記セラミック基板の前記照射面側から２０％〜８０％の深さにおける貫通孔径の差が２０μｍ以下である加工方法である。この態様では、貫通孔形成加工により、セラミック基板の貫通孔径は１０〜１００μｍであり、セラミック基板の厚さ方向に対して、照射面側から２０％〜８０％の厚さに対応する部分における貫通孔径の差が２０μｍ以下である加工品質が得られる。
【００１８】
本発明の態様は、前記レーザ光が照射される前記セラミック基板の加工点に対して、前記レーザ光と同軸方向から、噴射口における圧力が０．６〜１．５MPaのガスを噴射する加工方法である。
【００１９】
本発明の態様は、前記セラミック基板の２５℃における熱伝導率が、２０〜２５０W／（ｍ・K）である加工方法である。明細書中の熱伝導率は、レーザフラッシュ法により測定した熱伝導率を意味する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の態様では、パワー密度が１．０×１０７W／ｃｍ２以上である連続発振のレーザ光をセラミック基板の表面に照射する工程で、セラミック基板を完全に切断するので、その後の割断工程は必要ない。すなわち、１工程でセラミック基板を切断できるので、切断工程が簡略化できる。従来はパワー密度を稼ぐためにパワーの尖頭値の高いパルス発振のレーザが多用されていたが、加工速度がパルスの重畳に縛られてしまっていた。本発明では連続発振のレーザ光を使用するので、高速加工が可能であり、また、加工部におけるドロス（溶融凝固物）の形成と切断面のテーパの発生を抑制できる。このように、切断工程の簡略化と高速化により生産効率が向上する。また、連続発振のレーザ光による加工では、加工点の溶融が一度起こると当該部のセラミック材料の反射率が急激に低下するので安定な加工が実現される。同様に、本発明の態様では、セラミック基板に貫通孔を簡略かつ高速にて形成でき、また加工部におけるドロスの形成と切断面のテーパの発生を抑制できる。
【００２１】
本発明の態様では、レーザ光のエムスクエア値M２が１．０〜２．０に抑えられる。従って、エムスクエア値M２に比例して大きくなる集光直径を小さくでき、加工点におけるレーザ光のスポット径を１０〜１００μｍまで小さくできるので、レーザ光のパワー密度が高まって切断加工や貫通孔形成加工を容易化・確実化し、さらに切断幅や貫通孔径を小さくできる。このように、切断幅を小さくできるので、セラミック基板を個片化する際の製造ロスを抑えることができる。
【００２２】
本発明の態様では、レーザ光のセラミック基板への入射角度が、セラミック基板の表面に対して８５°超９０°以下と、レーザ発振装置への反射戻り光防止のために上記角度を７５°程度傾けた従来技術よりもセラミック基板表面に対して鉛直方向により近い入射角度でレーザ光を加工点に照射するので、レーザ光の照射面積が従来よりも減少してレーザ光のパワー密度がより高まる。よって、切断加工や貫通孔形成加工を容易化・確実化できる。また、加工に要する深さを低減できるので、加工速度が向上する。さらに、レーザ光の加工点におけるスポット形状が従来よりも円形に近くなるので、切断加工時に切断方向を変更しても変更後の切断面が斜めになるのを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態例に係る加工方法の概要を示す説明図である。
【図２】本発明の他の実施形態例に係る加工方法の概要を示す説明図である。
【図３】各種材料の波長と反射率の関係を説明するグラフである。
【図４】本発明の実施例にて切断した被加工体の切断面のレーザ顕微鏡写真である。
【図５】従来方法であるレーザ光によるスクライブ線の形成工程と割断工程にて切断した切断面のレーザ顕微鏡写真である。
【図６】従来方法であるレーザ光によるスクライブ線の形成工程と割断工程にて切断した切断面の凹凸状態を説明する写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
次に、図面を用いながら、本発明の実施形態例のセラミック基板の加工方法について説明する。ここでは、セラミック基板を切断加工する方法を例にとって説明する。
【００２５】
図１に示すように、本発明の実施形態例のセラミック基板の加工方法は、シングルモード光ファイバ２を介してレーザ発振装置１と接続された加工ヘッド３から、レーザ光Lが出射され、この加工ヘッド３から出射されたレーザ光Lが被加工体であるセラミック基板Wと相対的に移動して所定の加工部位に照射されることで、セラミック基板Wが完全に切断される。
【００２６】
本発明の実施形態例で使用するレーザ発振装置１は、波長１０００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下のレーザ光Lを射出する光ファイバレーザFLである。レーザ発振装置１は連続発振にてレーザ光Lを射出する。レーザ発振装置１から出射されるレーザ光Lは、エムスクエア値M２が１．０〜２．０、好ましくは１．０〜１．３である。レーザ発振装置１の平均出力は加工条件に応じて適宜選択可能であり、ここで使用する光ファイバレーザFLでは、例えば１００〜５００Wである。
【００２７】
図１に示すように、レーザ発振装置１である光ファイバレーザFLは、励起光の光源である複数の半導体レーザ素子１１と、半導体レーザ素子１１が出力する励起光を導波するマルチモード光ファイバ１２と、マルチモード光ファイバ１２が導波した励起光を結合してダブルクラッド光ファイバ１４から励起光を出力させるTFB１３と、励起光を出力するダブルクラッド光ファイバ１４と接続するダブルクラッド型の光ファイバグレーティング１５と、ダブルクラッド型の光ファイバグレーティング１５と接続するダブルクラッド型の希土類元素添加光ファイバ１７と、ダブルクラッド型の希土類元素添加光ファイバ１７と接続し、出力用シングルモード光ファイバ１８から増幅光を出力させるダブルクラッド型の光ファイバグレーティング１６とを備えている。
【００２８】
ダブルクラッド型の希土類元素添加光ファイバ１７は、コア部に増幅物質としてイッテルビウム（Yｂ）がドープされた増幅光ファイバである。
【００２９】
レーザ発振装置１から出射されるレーザ光Lは、一方の端部にてレーザ発振装置１の出力用シングルモード光ファイバ１８と接続するシングルモード光ファイバ２にて導光され、シングルモード光ファイバ２にて導光されるレーザ光Lは、該シングルモード光ファイバ２の他方の端部と接続する加工ヘッド３へ入射する。従って、シングルモード光ファイバ２はレーザ光Lの導光手段であり、レーザ光Lは、シングルモード光ファイバ２を介してレーザ発振装置１から加工ヘッド３へ供給される。
【００３０】
加工ヘッド３は、レーザ光照射手段であり、シングルモード光ファイバ２から入射した発散光であるレーザ光Lを反射する凹面のミラー３１と、レーザ光Lを集光するための焦点レンズ３２とを備えている。ミラー３１は、加工ヘッド３内部へ入射したレーザ光Lを焦点レンズ３２に向けて反射するように配置されている。図１では、ミラー３１は、レーザ光Lが入射方向に対して鉛直方向に反射されるように配置されている。ミラー３１によって反射されたレーザ光Lは、焦点レンズ３２にて集光され、所定の焦点距離にて、レーザ光Lが最も集光された集光点（焦点）が形成される。焦点レンズ３２は、集光されたレーザ光Lが加工ヘッド３のレーザ光射出口３４を介してセラミック基板Wへ向けて出射するように、配置されている。
【００３１】
加工ヘッド３から出射したレーザ光Lは、ステージ（図示せず）に載置された被加工体のセラミック基板W上に照射される。ステージはスライド可能なテーブルであり、セラミック基板Wの平面方向に沿ってスライドさせる構成となっている。従って、ステージは、加工ヘッド３から出射したレーザ光Lに対して相対移動できるように設置されている。ステージの相対移動の速度と方向を調整することで切断速度と切断方向を設定する。セラミック基板Wの表面に対するレーザ光射出口３４の高さは、レーザ光Lの集光点がセラミック基板Wの表面付近に位置するよう、すなわち、集光点の位置（焦点位置）は、レーザLによってセラミック基板Wの加工部分が溶融するように調整する。例えば、集光点の位置は、ドロスの形成を抑える点からセラミック基板Wの加工点より上方、すなわち加工点より加工ヘッド３側が好ましく、ドロスの形成を確実に抑える点から加工点より２０〜４００μｍ上方がより好ましく、５０〜３５０μｍ上方が特に好ましい。
【００３２】
被加工体であるセラミック基板Wは、波長１０００ｎm以上１１００nm以下の光の反射率が８０％以上のセラミック材である。また、被加工体であるセラミック基板Wには、波長１０００ｎm以上１１００nm以下の光の反射率が９８％以下のセラミック材が好ましい。上記反射率のセラミック材を被加工体とすることで、被加工体を過剰に溶かすことなく、平坦かつ粗さの低減された切断面を得ることができる。さらには、被加工体を２５℃における熱伝導率が２０〜２５０W／（ｍ・K）のセラミック材にすることで、加工性がより向上する。上記反射率を有するセラミック材には、図３に示すように、アルミナを挙げることができ、その他には、例えば、窒化アルミニウム等を挙げることができる。なお、図３のグラフは、「実用レーザ加工応用ハンドブック」（オプトロニクス社）に掲載されているものである。
【００３３】
また、後述するように、本発明の実施形態例で使用する光ファイバレーザFLは、加工点でのレーザ光Lのパワー密度を他のレーザ発振装置よりも高めることができるので、セラミック基板Wには、表面にレーザ光Lを吸収する材料を塗布したり、表面を粗面化するなどの、レーザ光Lの吸収率を向上させる処理を施さなくてよい。セラミック基板Wの厚さは、特に限定されないが、加工速度の点から５ｍｍ以下が好ましく、１ｍｍ以下が特に好ましい。
【００３４】
セラミック基板Wの加工点に照射されるレーザ光Lのパワー密度の下限値は、セラミック基板Wを十分溶融させてレーザ光Lの１回照射によってセラミック基板Wを完全に切断する点から１．０×１０７W／ｃｍ２であり、加工速度をより上げる点から１．０×１０８W／ｃｍ２が好ましい。セラミック基板Wの加工点に照射されるレーザ光Lのパワー密度の上限値は、セラミック基板Wの材質や加工条件から設定し、例えば、セラミック基板Wの過度なエネルギー投入を避ける点から２．０×１０９W／ｃｍ２が好ましい。
【００３５】
上記の通り、本発明の実施形態例で使用する光ファイバレーザFLは、波長（λ）が１０００ｎm以上１１００nm以下、エムスクエア値M２が１．０〜２．０のレーザ光Lを射出するのに対して、他の高出力レーザ発振装置、例えば、YAGレーザではλが１０６４ｎm、エムスクエア値M２が３〜７０、CO2レーザではλが１０６００ｎm、エムスクエア値M２が１．０〜２．０のレーザ光を、それぞれ射出する。集光点の集光直径（ｗ）は、焦点レンズ３２の焦点距離（ｆ）、レーザ光Lの波長（λ）、レーザ光Lのエムスクエア値M２、焦点レンズ３２に入射する前のレーザ光Lの直径（D）から、ｗ＝（４×ｆ×λ×M２）／（π×D）の式で算出できる。この算出式から、本発明の実施形態例で使用する光ファイバレーザFLは、YAGレーザやCO2レーザと比較して集光点の集光直径を小さくできるので、加工点におけるレーザ光Lのスポット径も小さくできる。
【００３６】
このように、実施形態例で使用する光ファイバレーザFLは、焦点レンズ３２の焦点距離（ｆ）、レーザ光Lの波長（λ）、レーザ光Lのエムスクエア値M２、焦点レンズ３２に入射する前のレーザ光Lの直径（D）及び集光点と加工点との距離をそれぞれ調整することで、レーザ光Lの加工点におけるスポット径を、他のレーザ発振装置よりも小さく設定できる。従って、実施形態例で使用する光ファイバレーザFLは、加工点におけるレーザ光Lのパワー密度を他のレーザ発振装置よりも高めることができ、結果、波長１０００ｎm以上１１００nm以下の光の反射率が８０％以上と高反射率のセラミック基板であっても加工閾値を超えて切断加工できる。また、加工点のスポット径を小さくすることで、溶融部の幅を狭くする、すなわち、切断幅を狭くすることができる。例えば、加工点のスポット径を１０〜１００μｍの範囲に調整することで、切断加工時の切断幅を１０〜１００μｍに抑えることができる。さらに、加工点のスポット径を小さくすることで、セラミック基板の厚さに対して、照射面側から２０％〜８０％の厚さに対応する部分における切断幅の差を２０μｍ以下に抑えることができる。そして、照射面から裏面まで一括で溶融除去する加工なので、表面粗さRa１．０μｍ以下と、従来よりも平滑な切断面が得られる。加工点のスポット径の下限値は、ドロスの形成を防止する点から１０μｍが好ましく、ドロスの形成を確実に防止する点から２０μｍが特に好ましい。加工点のスポット径の上限値は、切断幅を小さくする点から１００μｍが好ましく、５０μｍが特に好ましい。
【００３７】
光ファイバレーザFLの出力と加工点のスポット径を調整することで、セラミック基板Wの加工点に照射されるレーザ光Lのパワー密度を上記の１．０×１０７W／ｃｍ２以上に設定する。
【００３８】
レーザ光Lのセラミック基板Wへの入射方向は、セラミック基板Wの表面に対して鉛直方向、略鉛直方向または鉛直方向近傍に設定される。この実施形態例では、レーザ光Lの入射角度はセラミック基板Wの表面に対して８５°超〜９０°の範囲、すなわち、レーザ光Lは鉛直方向または略鉛直方向からセラミック基板Wへ照射されるのが好ましい。このように、セラミック基板Wの表面に対して従来（セラミック基板の表面に対して７５°程度）よりも鉛直方向に近い方向からレーザ光Lを加工点に照射することで、レーザ光Lの加工点における照射面積が従来よりも減少してレーザ光Lの加工点でのパワー密度を確実に高めることができる。また、より鉛直方向に近い方向からレーザ光Lを照射するので、切断加工の深さを低減でき、切断速度が向上する。さらに、入射角度を傾ける場合、その方向を切断方向とセラミック基板W表面に対して鉛直方向とを含む平面内で傾けることで切断溝が斜めに形成されることを防ぐことができるが、レーザ光Lがセラミック基板W表面に対して鉛直方向または略鉛直方向から照射されていれば、切断加工時に切断方向を変更しても変更後の切断面が斜めになるのを抑えることができる。さらに、レーザ光Lは鉛直方向または略鉛直方向からセラミック基板Wへ照射されるので、切断先端部は斜めにならず、よって、加工時に、後述する高圧ガスの抜けがよくなり、切断部はドロスフリーとなる。
【００３９】
通常、光ファイバレーザFLは反射戻り光を常時モニタリングし、反射戻り光が所定値を超えた場合に、光ファイバレーザFLのレーザ発振を停止させる装置破損防止機構が備えられているが、本発明の実施形態例では、反射戻り光のレベルがレーザ発振装置１である光ファイバレーザFLに対して問題ない程度であることを確認した上で、上記装置破損防止装置は停止させている。一方で、本発明の実施形態例では、シングルモード光ファイバ２を介してレーザ発振装置１と加工ヘッド３が接続されている。そこで、被加工体であるセラミック基板Wは波長１０００ｎm以上１１００nm以下の光の反射率が８０％以上であることから、レーザ発振装置１の安全性をより高めるために、念のために、セラミック基板Wにて反射するレーザ光Lからレーザ発振装置１をまもる機構、例えば、アイソレータを設けてもよい。アイソレータを設けることで、セラミック基板Wから加工ヘッド３を介して戻ってくるレーザ光Lの反射光をレーザ発振装置１の外部に逃がすことができる。アイソレータを設ける位置は適宜選択可能であり、例えば、加工ヘッド３とレーザ発振装置１との間に配置する。
【００４０】
本発明の実施形態例では、図１に示すように、必要に応じて、さらに、セラミック基板Wの加工点、すなわち、レーザ光Lが照射される部分に対して高圧ガスGを噴射してもよい。加工点に高圧ガスGを噴射することで、切断加工部にドロスが形成されるのを防止でき、また切断部を速やかに冷却できる。高圧ガスGは、ガス充填容器（図示せず）からガス輸送用の管状部材３５を介して加工ヘッド３に設けられたガス噴射用ノズル３３へ供給され、ガス噴射用ノズル３３から加工点へ噴射される。高圧ガスGが加工点に噴射されるよう、ガス噴射用ノズル３３の噴射口はレーザ光射出口３４と同軸に配置するのが好ましい。高圧ガス種は、窒素、酸素、ヘリウム、アルゴン、空気等であり、ガス噴射用ノズル３３の噴射口での圧力は０．６〜１．５MPaが好ましい。
【００４１】
このように、波長１０００ｎm以上１１００nm以下の光の反射率が８０％以上であるセラミック基板Wの表面に、加工点におけるパワー密度が、１．０×１０７W／ｃｍ２以上である連続発振のレーザ光Lを照射して前記セラミック基板Wを切断することで、個片化されたセラミック基板を製造できる。
【００４２】
次に、本発明の他の実施形態例について、図２を用いて説明する。なお、図１と同じ構成要素については同じ符号を付して説明する。図２の他の実施形態例に示すように、コリメートレンズ３６にてシングルモード光ファイバ２から入射したレーザ光Lを平行光にし、凹面のミラー３１に代えて平板ミラー３７を用いて、上記平行光を焦点レンズ３２に向けて反射させてもよい。この他の実施形態例では、コリメートレンズ３６はシングルモード光ファイバ２から出射した拡散光を平行にするよう配置されている。この態様では、焦点レンズ３２の光軸上の位置を定めることで、焦点位置を容易に制御、調整できる。
【００４３】
次に、セラミック基板Wに貫通孔を形成する方法について説明する。貫通孔の形成加工も、上記した切断加工と同様の手段にて実施できる。つまり、シングルモード光ファイバ２を介してレーザ発振装置１である光ファイバレーザFLと接続された加工ヘッド３から、レーザ光Lが出射され、加工ヘッド３から出射されたレーザ光Lが被加工体であるセラミック基板Wの所定の加工部位に照射されることで、セラミック基板Wに貫通孔を形成する。なお、貫通孔を形成する場合には、加工ヘッド３から出射したレーザ光Lに対して、被加工体であるセラミック基板Wを載置したステージを相対移動させずに、レーザ光Lを照射する。
【００４４】
貫通孔の形成加工でも、切断加工と同様に、加工点のスポット径を小さく、例えば上記のように１０〜１００μｍに調整することで、貫通孔径を１０〜１００μｍに抑えることができる。また、加工点のスポット径を小さくすることで、セラミック基板の厚さに対して、照射面側から２０％〜８０％の厚さに対応する部分における貫通孔径の差が２０μｍ以下に抑えることができる。
【００４５】
このように、波長１０００ｎm以上１１００nm以下の光の反射率が９０％以上であるセラミック基板Wの表面に、加工点におけるパワー密度が、１．０×１０７W／ｃｍ２以上である連続発振のレーザ光Lを照射することで、貫通孔の形成されたセラミック基板を製造できる。
【実施例】
【００４６】
次に、本発明の実施例について説明する。ここでは、セラミック基板を切断加工する実施例について説明する。
【００４７】
被加工体
厚さ０．５３ｍｍのセラミック基板（９６質量％のＡｌ2Ｏ3、４質量％は不可避不純物、波長１０００ｎm以上１１００nm以下の光の反射率（半球反射率）は８９％）。
加工装置
レーザ発振装置には、出力４００Wであり、エムスクエア値M２が１．０７、波長１０８３nmのレーザ光を連続発振にて射出する光ファイバレーザを使用した。加工ヘッドの焦点レンズはｆ１００ｍｍを使用した。また、ガス出射用ノズルのノズル径が１ｍｍである高圧ガス噴射機構を設置し、レーザ光に対して相対移動できるステージに被加工体を載置した。
【００４８】
切断加工条件
セラミック基板表面とレーザ光射出口との距離を５００μｍ、集光点の位置はセラミック基板表面よりもレーザ光射出口側とし、セラミック基板表面と集光点との距離を５０μｍとした。これにより、加工点におけるレーザ光のスポット径が２３μｍ、加工点におけるパワー密度は９．５×１０７W／ｃｍ2となった。レーザ光の入射角度は、切断方向とセラミック基板表面に対して鉛直方向とを含む平面内でセラミック基板の表面に対して８６°（セラミック基板表面の鉛直方向に対して４°）に設定した。高圧ガス種は窒素とし、ガス出射用ノズル（ノズル径１．０ｍｍ）の噴射口における圧力を１．０MPaとした。切断速度が２００ｍｍ／ｓ、切断方向が直線状となるよう、ステージの移動速度と移動方向を設定した。なお、実施例では、同一使用条件における反射戻り光のレベルが光ファイバレーザに対して問題ない程度であることを確認した上で、装置破損防止装置は停止させた。
【００４９】
評価方法
切断面の粗さ：レーザ顕微鏡（キーエンス社製、VK‐９５１０）にて測定した。
ドロスの高さ：レーザ顕微鏡（キーエンス社製、VK‐９５１０）にて測定した。
【００５０】
結果
切断速度２００ｍｍ／ｓにて、上記セラミック基板を完全に切断して、セラミック基板を個片化できた。従って、従来技術である、厚さ０．５ｍｍのセラミック基板の場合における数ｍｍ／ｓの切断速度よりも、切断速度が著しく向上して、個片化の加工効率が向上した。図４の切断面の写真に示すように、切断面のレーザ顕微鏡写真から照射面側表面の切断幅は８２μｍと、１００μｍ以下に低減でき、従来よりも優れた切断幅が得られた。よって、セラミック基板の切断にともなう製造ロスを低減できた。また、図４に示すように、レーザ光の照射面側表面から厚み方向に２０％の深さの部分における切断幅は６６μｍ、レーザ光の照射面側表面から厚み方向に８０％の深さの部分における切断幅は６１μｍと、２０％〜８０％の深さ領域における切断幅の差は５μｍとなり、２０μｍ以下に低減できた。よって、切断加工の寸法精度が良好であり、平坦かつセラミック基板表面に対して略垂直な切断面が得られた。また、切断面には段差部及び凹部は生じず、全面に渡って平坦な切断面が得られた。
【００５１】
切断面の表面粗さRaは０．８１μｍであり、切断面表面の品質も良好であった。また、照射面側にはドロスが形成せず、裏面側のドロスの高さは１．７μｍ〜５．３μｍと、目標とする１０μｍ以下に抑えることができた。照射面側と裏面側ともにデブリは生じていなかった。
【００５２】
一方で、実施例と同じセラミック基板に、パルス状のレーザ光を照射してスクライブ線（分割溝）を形成後、厚み方向に荷重を加えることでセラミック基板をスクライブ線で割断した比較例では、図５に示すように、切断面にパルス状のレーザ光に基づく凹部が所定間隔で形成された。図６に示すように、上記凹部の深さは３５μｍ程度であった。また、切断面の表面粗さRaは２．６μｍであり、切断面表面の品質に劣っていた。さらに、比較例では、レーザ光により形成したスクライブ線の幅は平均７７μｍであるのに対して、割断による切断幅はほぼ０であることから、切断面に３８μｍ程度の段差部が生じて平坦な切断面が得られなかった点でも切断面表面の品質に劣っていた。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、高パワー密度のレーザ光を被加工体に照射する工程にて切断加工や貫通孔形成加工ができ、また、切断速度や貫通孔形成速度が速いので、例えば、セラミック基板の加工の分野で利用価値が高い。
【符号の説明】
【００５４】
１ レーザ発振装置
L レーザ光
W セラミック基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長１０００ｎm以上１１００nm以下の光の反射率が８０％以上であるセラミック基板の表面に、連続発振のレーザ光を照射して前記セラミック基板を切断加工する、レーザ光によるセラミック基板の加工方法であって、
前記セラミック基板の加工点における前記レーザ光のパワー密度が、１．０×１０７W／ｃｍ２以上である加工方法。
【請求項２】
波長１０００ｎm以上１１００nm以下の光の反射率が８０％以上であるセラミック基板の表面に、連続発振のレーザ光を照射して前記セラミック基板に貫通孔を形成する、レーザ光によるセラミックス基板の加工方法であって、
前記セラミック基板の加工点における前記レーザ光のパワー密度が、１．０×１０７W／ｃｍ２以上である加工方法。
【請求項３】
前記レーザ光の波長が１０００ｎm以上１１００nm以下、前記レーザ光のエムスクエア値Ｍ２が１．０〜２．０の範囲であり、前記加工点における前記レーザ光のスポット径が１０〜１００μｍである請求項１または２に記載の加工方法。
【請求項４】
前記レーザ光の前記セラミック基板への入射角度が、前記セラミック基板の表面に対して８５°超９０°以下の範囲である請求項１または２に記載の加工方法。
【請求項５】
さらに、前記セラミック基板からの前記レーザ光の反射光によって前記レーザ発振装置が損傷するのを防ぐための機構が備えられている請求項１または２に記載の加工方法。
【請求項６】
前記セラミック基板に、前記レーザ光の吸収率を向上させる処理が施されていない請求項１または２に記載の加工方法。
【請求項７】
前記セラミック基板の切断加工における前記レーザ光の照射面側の切断幅が１０〜１００μｍ、切断面の表面粗さがRa１．０μｍ以下、前記セラミック基板の前記照射面側から２０％〜８０％の深さにおける切断幅の差が２０μｍ以下である請求項１に記載の加工方法。
【請求項８】
前記セラミック基板の貫通孔形成における貫通孔径が１０〜１００μｍ、前記セラミック基板の前記照射面側から２０％〜８０％の深さにおける貫通孔径の差が２０μｍ以下である請求項２に記載の加工方法。
【請求項９】
前記レーザ光が照射される前記セラミック基板の加工点に対して、前記レーザ光と同軸方向から、噴射口における圧力が０．６〜１．５MPaのガスを噴射する請求項１または２に記載の加工方法。
【請求項１０】
前記セラミック基板の２５℃における熱伝導率が、２０〜２５０W／（ｍ・K）である請求項１に記載の加工方法。
【請求項１】
波長１０００ｎm以上１１００nm以下の光の反射率が８０％以上であるセラミック基板の表面に、連続発振のレーザ光を照射して前記セラミック基板を切断加工する、レーザ光によるセラミック基板の加工方法であって、
前記セラミック基板の加工点における前記レーザ光のパワー密度が、１．０×１０７W／ｃｍ２以上である加工方法。
【請求項２】
波長１０００ｎm以上１１００nm以下の光の反射率が８０％以上であるセラミック基板の表面に、連続発振のレーザ光を照射して前記セラミック基板に貫通孔を形成する、レーザ光によるセラミックス基板の加工方法であって、
前記セラミック基板の加工点における前記レーザ光のパワー密度が、１．０×１０７W／ｃｍ２以上である加工方法。
【請求項３】
前記レーザ光の波長が１０００ｎm以上１１００nm以下、前記レーザ光のエムスクエア値Ｍ２が１．０〜２．０の範囲であり、前記加工点における前記レーザ光のスポット径が１０〜１００μｍである請求項１または２に記載の加工方法。
【請求項４】
前記レーザ光の前記セラミック基板への入射角度が、前記セラミック基板の表面に対して８５°超９０°以下の範囲である請求項１または２に記載の加工方法。
【請求項５】
さらに、前記セラミック基板からの前記レーザ光の反射光によって前記レーザ発振装置が損傷するのを防ぐための機構が備えられている請求項１または２に記載の加工方法。
【請求項６】
前記セラミック基板に、前記レーザ光の吸収率を向上させる処理が施されていない請求項１または２に記載の加工方法。
【請求項７】
前記セラミック基板の切断加工における前記レーザ光の照射面側の切断幅が１０〜１００μｍ、切断面の表面粗さがRa１．０μｍ以下、前記セラミック基板の前記照射面側から２０％〜８０％の深さにおける切断幅の差が２０μｍ以下である請求項１に記載の加工方法。
【請求項８】
前記セラミック基板の貫通孔形成における貫通孔径が１０〜１００μｍ、前記セラミック基板の前記照射面側から２０％〜８０％の深さにおける貫通孔径の差が２０μｍ以下である請求項２に記載の加工方法。
【請求項９】
前記レーザ光が照射される前記セラミック基板の加工点に対して、前記レーザ光と同軸方向から、噴射口における圧力が０．６〜１．５MPaのガスを噴射する請求項１または２に記載の加工方法。
【請求項１０】
前記セラミック基板の２５℃における熱伝導率が、２０〜２５０W／（ｍ・K）である請求項１に記載の加工方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−４３１９３（Ｐ２０１３−４３１９３Ａ）
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８１７４８（Ｐ２０１１−１８１７４８）
【出願日】平成２３年８月２３日（２０１１．８．２３）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月２３日（２０１１．８．２３）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
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