レーザ加工方法
【課題】水晶で形成された加工対象物を寸法精度よく切断することができるレーザ加工方法を提供する。
【解決手段】水晶で形成された加工対象物１にレーザ光Ｌを集光させることにより、切断予定ライン５に沿って、複数の改質スポットＳを含む改質領域７を加工対象物１に形成する。このとき、加工対象物１に対しレーザ光Ｌを照射しながら切断予定ライン５に沿って相対移動させ、加工対象物１の内部に位置する複数の改質スポットＳ１を切断予定ライン５に沿って形成した後、加工対象物１に対しレーザ光Ｌを照射しながら切断予定ライン５に沿って相対移動させ、加工対象物１の表面３に露出する複数の改質スポットＳ２を、表面３に露出する亀裂が形成されないように切断予定ライン５に沿って形成する。
【解決手段】水晶で形成された加工対象物１にレーザ光Ｌを集光させることにより、切断予定ライン５に沿って、複数の改質スポットＳを含む改質領域７を加工対象物１に形成する。このとき、加工対象物１に対しレーザ光Ｌを照射しながら切断予定ライン５に沿って相対移動させ、加工対象物１の内部に位置する複数の改質スポットＳ１を切断予定ライン５に沿って形成した後、加工対象物１に対しレーザ光Ｌを照射しながら切断予定ライン５に沿って相対移動させ、加工対象物１の表面３に露出する複数の改質スポットＳ２を、表面３に露出する亀裂が形成されないように切断予定ライン５に沿って形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工対象物を切断するためのレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のレーザ加工方法としては、加工対象物にレーザ光を集光させ、加工対象物に改質領域を切断予定ラインに沿って形成し、加工対象物を切断予定ラインに沿って切断するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このようなレーザ加工方法では、切断予定ラインに沿って複数の改質スポットを形成し、これら複数の改質スポットによって改質領域を形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１０８４５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、上述したようなレーザ加工方法においては、水晶で形成された加工対象物を切断する場合、例えば大きい亀裂が発生し易いことから、当該亀裂を制御して切断後の加工対象物の寸法精度（加工品質）を制御することは容易でなく、寸法精度を向上させることが困難とされている。
【０００５】
そこで、本発明は、水晶で形成された加工対象物を寸法精度よく切断することができるレーザ加工方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係るレーザ加工方法は、水晶で形成された加工対象物を切断予定ラインに沿って切断するためのレーザ加工方法であって、加工対象物にレーザ光を集光させることにより、切断予定ラインに沿って、複数の改質スポットを含む改質領域を加工対象物に形成する改質領域形成工程を備え、改質領域形成工程は、加工対象物に対しレーザ光を照射しながら切断予定ラインに沿って相対移動させ、加工対象物の内部に位置する複数の第１改質スポットを切断予定ラインに沿って形成する工程と、加工対象物に対しレーザ光を照射しながら切断予定ラインに沿って相対移動させ、加工対象物のレーザ光入射面に露出する複数の第２改質スポットを、レーザ光入射面に露出する亀裂が形成されないように切断予定ラインに沿って形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【０００７】
このレーザ加工方法により加工された加工対象物を切断する場合、内部に形成された複数の第１改質スポットにより切断予定ラインに沿って容易に切断されると共に、レーザ光入射面に露出する複数の第２改質スポットがいわゆる切取り線となるように作用し、かかる切断が当該複数の第２改質スポットによりアシストされることとなる。従って、加工対象物を寸法精度よく切断することが可能となる。
【０００８】
また、切断予定ラインに沿って外部から加工対象物に力を印加することにより、改質領域を切断の起点として加工対象物を切断する切断工程をさらに備えたことが好ましい。これにより、加工対象物を確実に切断予定ラインに沿って切断することが可能となる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、水晶で形成された加工対象物を寸法精度よく切断することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】改質領域の形成に用いられるレーザ加工装置の概略構成図である。
【図２】改質領域の形成の対象となる加工対象物の平面図である。
【図３】図２の加工対象物のIII−III線に沿っての断面図である。
【図４】レーザ加工後の加工対象物の平面図である。
【図５】図４の加工対象物のV−V線に沿っての断面図である。
【図６】図４の加工対象物のVI−VI線に沿っての断面図である。
【図７】本実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成図である。
【図８】図７のレーザ加工装置の反射型空間光変調器の部分断面図である。
【図９】本実施形態に係る他のレーザ加工装置の概略構成図である。
【図１０】本実施形態に係る水晶振動子の製造工程を示すフロー図である。
【図１１】加工対象物を水晶チップに切断する工程を説明するための概略図である。
【図１３】（ａ）は本実施形態に係る第２改質スポットが形成された加工対象物の表面を示す写真図、（ｂ）は図１３（ａ）のｂ−ｂ線に沿った断面に対応する写真図である。
【図１４】比較例に係る第２改質スポットが形成された加工対象物の表面を示す写真図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１２】
本実施形態に係るレーザ加工方法では、加工対象物にレーザ光を集光させ、複数の改質スポットを含む改質領域を切断予定ラインに沿って形成する。そこで、まず、改質領域の形成について、図１〜図６を参照して説明する。
【００１３】
図１に示すように、レーザ加工装置１００は、レーザ光Ｌをパルス発振するレーザ光源１０１と、レーザ光Ｌの光軸（光路）の向きを９０°変えるように配置されたダイクロイックミラー１０３と、レーザ光Ｌを集光するための集光用レンズ（集光光学系）１０５と、を備えている。また、レーザ加工装置１００は、集光用レンズ１０５で集光されたレーザ光Ｌが照射される加工対象物１を支持するための支持台１０７と、支持台１０７を移動させるためのステージ１１１と、レーザ光Ｌの出力やパルス幅、パルス波形等を調節するためにレーザ光源１０１を制御するレーザ光源制御部１０２と、ステージ１１１の移動を制御するステージ制御部１１５と、を備えている。
【００１４】
このレーザ加工装置１００においては、レーザ光源１０１から出射されたレーザ光Ｌは、ダイクロイックミラー１０３によってその光軸の向きを９０°変えられ、支持台１０７上に載置された加工対象物１の内部に集光用レンズ１０５によって集光される。これと共に、ステージ１１１が移動させられ、加工対象物１がレーザ光Ｌに対して切断予定ライン５に沿って相対移動させられる。これにより、切断予定ライン５に沿った改質領域が加工対象物１に形成されることとなる。なお、ここでは、レーザ光Ｌを相対的に移動させるためにステージ１１１を移動させたが、集光用レンズ１０５を移動させてもよいし、或いはこれらの両方を移動させてもよい。
【００１５】
加工対象物１は、水晶で形成されており、図２に示すように、加工対象物１には、加工対象物１を切断するための切断予定ライン５が設定されている。切断予定ライン５は、直線状に延びた仮想線である。加工対象物１の内部に改質領域を形成する場合、図３に示すように、加工対象物１の内部に集光点（集光位置）Ｐを合わせた状態で、レーザ光Ｌを切断予定ライン５に沿って（すなわち、図２の矢印Ａ方向に）相対的に移動させる。これにより、図４〜図６に示すように、改質領域７が切断予定ライン５に沿って加工対象物１の内部に形成され、切断予定ライン５に沿って形成された改質領域７が切断起点領域８となる。
【００１６】
なお、集光点Ｐとは、レーザ光Ｌが集光する箇所のことである。また、切断予定ライン５は、直線状に限らず曲線状であってもよいし、これらが組み合わされた３次元状であってもよいし、座標指定されたものであってもよい。また、切断予定ライン５は、仮想線に限らず加工対象物１の表面３に実際に引かれた線であってもよい。改質領域７は、連続的に形成される場合もあるし、断続的に形成される場合もある。また、改質領域７は列状でも点状でもよく、要は、改質領域７は少なくとも加工対象物１の内部に形成されていればよい。また、改質領域７を起点に亀裂が形成される場合があり、亀裂及び改質領域７は、加工対象物１の外表面（表面３、裏面２１、若しくは外周面）に露出していてもよい。また、改質領域７を形成する際のレーザ光入射面は、加工対象物１の表面３に限定されるものではなく、加工対象物１の裏面２１であってもよい。
【００１７】
ちなみに、ここでのレーザ光Ｌは、加工対象物１を透過すると共に加工対象物１の内部の集光点近傍にて特に吸収され、これにより、加工対象物１に改質領域７が形成される（すなわち、内部吸収型レーザ加工）。よって、加工対象物１の表面３ではレーザ光Ｌが殆ど吸収されないので、加工対象物１の表面３が溶融することはない。一般的に、表面３から溶融され除去されて穴や溝等の除去部が形成される（表面吸収型レーザ加工）場合、加工領域は表面３側から徐々に裏面側に進行する。
【００１８】
ところで、本実施形態で形成される改質領域は、密度、屈折率、機械的強度やその他の物理的特性が周囲とは異なる状態になった領域をいう。改質領域としては、例えば、溶融処理領域（一旦溶融後再固化した領域、溶融状態中の領域及び溶融から再固化する状態中の領域のうち少なくともいずれか一つを意味する）、クラック領域、絶縁破壊領域、屈折率変化領域等があり、これらが混在した領域もある。さらに、改質領域としては、加工対象物の材料において改質領域の密度が非改質領域の密度と比較して変化した領域や、格子欠陥が形成された領域がある（これらをまとめて高密転移領域ともいう）。
【００１９】
また、溶融処理領域や屈折率変化領域、改質領域の密度が非改質領域の密度と比較して変化した領域、格子欠陥が形成された領域は、さらに、それら領域の内部や改質領域と非改質領域との界面に亀裂（割れ、マイクロクラック）を内包している場合がある。内包される亀裂は改質領域の全面に渡る場合や一部分のみや複数部分に形成される場合がある。加工対象物１としては、水晶（ＳｉＯ２）又は水晶を含む材料が用いられている。
【００２０】
また、本実施形態においては、切断予定ライン５に沿って改質スポット（加工痕）を複数形成することによって、改質領域７を形成している。改質スポットとは、パルスレーザ光の１パルスのショット（つまり１パルスのレーザ照射：レーザショット）で形成される改質部分であり、改質スポットが集まることにより改質領域７となる。改質スポットとしては、クラックスポット、溶融処理スポット若しくは屈折率変化スポット、又はこれらの少なくとも１つが混在するもの等が挙げられる。
【００２１】
この改質スポットについては、要求される切断精度、要求される切断面の平坦性、加工対象物の厚さ、種類、結晶方位等を考慮して、その大きさや発生する亀裂の長さを適宜制御することが好ましい。
【００２２】
次に、本実施形態に係るレーザ加工装置について説明する。
【００２３】
図７に示すように、レーザ加工装置２００は、板状の加工対象物１を支持する支持台２０１と、レーザ光Ｌを出射するレーザ光源２０２と、レーザ光源２０２から出射されたレーザ光Ｌの収差を補正するための反射型空間光変調器２０３と、支持台２０１によって支持された加工対象物１の内部に、反射型空間光変調器２０３によって収差補正されたレーザ光Ｌを集光する集光光学系２０４と、反射型空間光変調器２０３を少なくとも制御する制御部（制御手段）２０５と、を備えている。レーザ加工装置２００は、加工対象物１にレーザ光Ｌを照射することにより、加工対象物１の切断予定ライン５に沿って、複数の改質スポットを含む改質領域７を形成する。
【００２４】
反射型空間光変調器２０３は筐体２３１内に設置されており、レーザ光源２０２は筐体２３１の天板に設置されている。また、集光光学系２０４は、複数のレンズを含んで構成されており、圧電素子等を含んで構成された駆動ユニット２３２を介して筐体２３１の底板に設置されている。そして、筐体２３１に設置された部品によってレーザエンジン２３０が構成されている。なお、制御部２０５は、レーザエンジン２３０の筐体２３１内に設置されてもよい。
【００２５】
筐体２３１には、筐体２３１を加工対象物１の厚さ方向に移動させる移動機構が設置されている（図示せず）。これにより、加工対象物１の深さに応じてレーザエンジン２３０を上下に移動させることができるため、集光光学系２０４の位置を変化させて、レーザ光Ｌを加工対象物１の所望の深さ位置に集光することが可能となる。なお、筐体２３１に移動機構を設置する代わりに、支持台２０１に、支持台２０１を加工対象物１の厚さ方向に移動させる移動機構を設けてもよい。また、後述するＡＦユニット２１２を利用して集光光学系２０４を加工対象物１の厚さ方向に移動させてもよい。そして、これらを組み合わせることも可能である。
【００２６】
制御部２０５は、反射型空間光変調器２０３を制御する他、レーザ加工装置２００の全体を制御する。例えば、制御部２０５は、改質領域７を形成する際に、レーザ光Ｌの集光点Ｐが加工対象物１の表面（レーザ光入射面）３から所定の距離に位置し且つレーザ光Ｌの集光点Ｐが切断予定ライン５に沿って相対的に移動するように集光光学系２０４を含むレーザエンジン２３０を制御する。なお、制御部２０５は、加工対象物１に対してレーザ光Ｌの集光点Ｐを相対的に移動させるために、集光光学系２０４を含むレーザエンジン２３０ではなく支持台２０１を制御してもよいし、或いは集光光学系２０４を含むレーザエンジン２３０及び支持台２０１の両方を制御してもよい。
【００２７】
レーザ光源２０２から出射されたレーザ光Ｌは、筐体２３１内において、ミラー２０６，２０７によって順次反射された後、プリズム等の反射部材２０８によって反射されて反射型空間光変調器２０３に入射する。反射型空間光変調器２０３に入射したレーザ光Ｌは、反射型空間光変調器２０３によって変調されて反射型空間光変調器２０３から出射される。反射型空間光変調器２０３から出射されたレーザ光Ｌは、筐体２３１内において、集光光学系２０４の光軸に沿うように反射部材２０８によって反射され、ビームスプリッタ２０９，２１０を順次透過して集光光学系２０４に入射する。集光光学系２０４に入射したレーザ光Ｌは、支持台２０１上に載置された加工対象物１の内部に集光光学系２０４によって集光される。
【００２８】
また、レーザ加工装置２００は、加工対象物１の表面３を観察するための表面観察ユニット２１１を筐体２３１内に備えている。表面観察ユニット２１１は、ビームスプリッタ２０９で反射され且つビームスプリッタ２１０を透過する可視光ＶＬを出射し、集光光学系２０４によって集光されて加工対象物１の表面３で反射された可視光ＶＬを検出することで、加工対象物１の表面３の像を取得する。
【００２９】
さらに、レーザ加工装置２００は、加工対象物１の表面３にうねりが存在するような場合にも、表面３から所定の距離の位置にレーザ光Ｌの集光点Ｐを精度良く合わせるためのＡＦ（autofocus）ユニット２１２を筐体２３１内に備えている。ＡＦユニット２１２は、ビームスプリッタ２１０で反射されるＡＦ用レーザ光ＬＢを出射し、集光光学系２０４によって集光されて加工対象物１の表面３で反射されたＡＦ用レーザ光ＬＢを検出することで、例えば非点収差法を用いて、切断予定ライン５に沿った表面３の変位データを取得する。そして、ＡＦユニット２１２は、改質領域７を形成する際に、取得した変位データに基づいて駆動ユニット２３２を駆動させることで、加工対象物１の表面３のうねりに沿うように集光光学系２０４をその光軸方向に往復移動させ、集光光学系２０４と加工対象物１との距離を微調整する。
【００３０】
ここで、反射型空間光変調器２０３について説明する。反射型空間光変調器２０３は、レーザ光源２０２から出射されたレーザ光Ｌの収差を補正するものであり、例えば反射型液晶（LCOS：Liquid Crystal on Silicon）の空間光変調器（SLM：Spatial Light Modulator）が用いられている。図８は、図７のレーザ加工装置の反射型空間光変調器の部分断面図である。図８に示すように、反射型空間光変調器２０３は、シリコン基板２１３、駆動回路層９１４、複数の画素電極２１４、誘電体多層膜ミラー等の反射膜２１５、配向膜９９９ａ、液晶層２１６、配向膜９９９ｂ、透明導電膜２１７、及びガラス基板等の透明基板２１８を備え、これらがこの順に積層されている。
【００３１】
透明基板２１８は、ＸＹ平面に沿った表面２１８ａを有しており、該表面２１８ａは反射型空間光変調器２０３の表面を構成する。透明基板２１８は、例えばガラス等の光透過性材料を主に含んでおり、反射型空間光変調器２０３の表面２１８ａから入射した所定波長のレーザ光Ｌを、反射型空間光変調器２０３の内部へ透過する。透明導電膜２１７は、透明基板２１８の裏面２１８ｂ上に形成されており、レーザ光Ｌを透過する導電性材料（例えばＩＴＯ）を主に含んで構成されている。
【００３２】
複数の画素電極２１４は、複数の画素の配列に従って二次元状に配列されており、透明導電膜２１７に沿ってシリコン基板２１３上に配列されている。各画素電極２１４は、例えばアルミニウム等の金属材料からなり、これらの表面２１４ａは、平坦且つ滑らかに加工されている。複数の画素電極２１４は、駆動回路層９１４に設けられたアクティブ・マトリクス回路によって駆動される。
【００３３】
アクティブ・マトリクス回路は、複数の画素電極２１４とシリコン基板２１３との間に設けられ、反射型空間光変調器２０３から出力しようとする光像に応じて各画素電極２１４への印加電圧を制御する。このようなアクティブ・マトリクス回路は、例えば図示しないＸ軸方向に並んだ各画素列の印加電圧を制御する第１のドライバ回路と、Ｙ軸方向に並んだ各画素列の印加電圧を制御する第２のドライバ回路とを有しており、制御部２５０によって双方のドライバ回路で指定された画素の画素電極２１４に所定電圧が印加されるよう構成されている。
【００３４】
なお、配向膜９９９ａ，９９９ｂは、液晶層２１６の両端面に配置されており、液晶分子群を一定方向に配列させる。配向膜９９９ａ，９９９ｂは、例えばポリイミドといった高分子材料からなり、液晶層２１６との接触面にラビング処理等が施されたものが適用される。
【００３５】
液晶層２１６は、複数の画素電極２１４と透明導電膜２１７との間に配置されており、各画素電極２１４と透明導電膜２１７とにより形成される電界に応じてレーザ光Ｌを変調する。すなわち、アクティブ・マトリクス回路によって或る画素電極２１４に電圧が印加されると、透明導電膜２１７と該画素電極２１４との間に電界が形成される。
【００３６】
この電界は、反射膜２１５及び液晶層２１６のそれぞれに対し、各々の厚さに応じた割合で印加される。そして、液晶層２１６に印加された電界の大きさに応じて液晶分子２１６ａの配列方向が変化する。レーザ光Ｌが透明基板２１８及び透明導電膜２１７を透過して液晶層２１６に入射すると、このレーザ光Ｌは液晶層２１６を通過する間に液晶分子２１６ａによって変調され、反射膜２１５において反射した後、再び液晶層２１６により変調されてから取り出されることとなる。そして、レーザ光Ｌのビーム波面を整形（変調）させるための収差補正（波面整形）パターンが液晶層２１６に表示され、これにより、液晶層２１６の収差補正パターンを透過したレーザ光Ｌは、当該収差補正パターンに応じて位相変調され収差が補正される。
【００３７】
制御部２０５は、改質領域７を形成する際、収差補正パターンに関するパターン情報を反射型空間光変調器２０３に入力し、液晶層２１６上に所定の収差補正パターンを表示させることで、反射型空間光変調器２０３から出射されるレーザ光Ｌの収差を制御する。なお、反射型空間光変調器２０３に入力するパターン情報は逐次入力するようにしてもよいし、予め記憶されたパターン情報を選択して入力するようにしてもよい。
【００３８】
ところで、厳密に言えば、反射型空間光変調器２０３で収差補正されたレーザ光Ｌは、空間を伝播することにより波面形状が変化してしまう。特に、反射型空間光変調器２０３から出射されたレーザ光Ｌや集光光学系２０４に入射するレーザ光Ｌが所定の拡がりを有する光（すなわち、平行光以外の光）である場合、反射型空間光変調器２０３での波面形状と集光光学系２０４での波面形状とが一致せず、結果的に、目的とする精密な内部加工を妨げるおそれがある。そこで、反射型空間光変調器２０３での波面形状と集光光学系２０４での波面形状とを一致させることが重要となる。そのためには、レーザ光Ｌが反射型空間光変調器２０３から集光光学系２０４に伝播したときの波面形状の変化を計測等により求め、その波面形状の変化を考慮した収差補正パターンのパターン情報を反射型空間光変調器２０３に入力することがより望ましい。
【００３９】
或いは、反射型空間光変調器２０３での波面形状と集光光学系２０４での波面形状とを一致させるために、図９に示すように、反射型空間光変調器２０３と集光光学系２０４との間を進行するレーザ光Ｌの光路上に、調整光学系２４０を設けてもよい。これにより、正確に波面整形を実現することが可能となる。
【００４０】
調整光学系２４０は、少なくとも２つのレンズ２４１ａ及びレンズ２４１ｂを有している。レンズ２４１ａ，２４１ｂは、反射型空間光変調器２０３での波面形状と集光光学系２０４での波面形状とを相似的に一致させるためのものである。レンズ２４１ａ，２４１ｂは、反射型空間光変調器２０３とレンズ２４１ａとの距離がレンズ２４１ａの焦点距離ｆ１となり、集光光学系２０４とレンズ２４１ｂとの距離がレンズ２４１ｂの焦点距離ｆ２となり、レンズ２４１ａとレンズ２４１ｂとの距離がｆ１＋ｆ２となり、且つレンズ２４１ａとレンズ２４１ｂとが両側テレセントリック光学系となるように、反射型空間光変調器２０３と反射部材２０８との間に配置されている。
【００４１】
このように配置することで、１°以下程度の小さな拡がり角を有するレーザ光Ｌであっても、反射型空間光変調器２０３での波面と集光光学系２０４での波面とを合わせることができる。また、レーザ光Ｌのビーム径は、ｆ１とｆ２との比で決まる（集光光学系２０４に入射するレーザ光Ｌのビーム径は、反射型空間光変調器２０３から出射されるレーザ光Ｌのビーム径のｆ２／ｆ１倍となる）。従って、レーザ光Ｌが平行光、或いは小さな拡がりを有する光のいずれの場合であっても、反射型空間光変調器２０３から出射される角度を保ったまま、集光光学系２０４に入射するレーザ光Ｌにおいて所望のビーム径を得ることができる。
【００４２】
なお、調整光学系２４０は、レンズ２４１ａ，２４１ｂのそれぞれの位置を独立して微調整する機構を備えることが望ましい。また、反射型空間光変調器２０３の有効エリアを有効に使用するために、反射型空間光変調器２０３とレーザ光源２０２との間のレーザ光Ｌの光路上にビームエキスパンダを設けてもよい。
【００４３】
次に、本実施形態に係るレーザ加工方法について説明する。
【００４４】
本実施形態のレーザ加工方法は、例えば水晶振動子を製造するための水晶振動子の製造方法として用いられるものであって、六方柱状の結晶である水晶で形成された加工対象物１をレーザ加工装置２００により複数の水晶チップに切断する。そこで、まず、図１０を参照しつつ水晶振動子の全体の製造工程フローを概略説明する。
【００４５】
初めに、人工水晶原石を例えばダイヤモンド研削によって切り出し、所定サイズの棒状体（ランバード）に加工する（Ｓ１）。続いて、水晶振動子の温度特性要求に応じた切断角度をＸ線により測定し、この切断角度に基づいてランバードをワイヤーソー加工によって複数のウェハ状の加工対象物１に切断する（Ｓ２）。ここでの加工対象物１は、１０ｍｍ×１０ｍｍの矩形板状を呈し、厚さ方向に対し３５．１５°傾斜した結晶軸を有している。
【００４６】
続いて、ラッピング加工を加工対象物１の表面３及び裏面２１に施し、その厚さを所定厚さとする（Ｓ３）。続いて、微小角度レベルで切断角度をＸ線により測定し、加工対象物１の選別及び分類を行った後、上記Ｓ３と同様なラッピング加工を加工対象物１の表面３及び裏面２１に再度施し、加工対象物１の厚さを例えば１００μｍ程度に微調整する（Ｓ４，Ｓ５）。
【００４７】
そして、切断加工及び外形加工として、加工対象物１に改質領域７を形成し当該改質領域７を切断の起点として加工対象物１を切断予定ライン５に沿って切断する（Ｓ６：詳しくは、後述）。これにより、±数μｍ以下の寸法精度の外形寸法を有する複数の水晶チップを得る。本実施形態では、表面３視において切断予定ライン５が格子状に加工対象物１に設定されており、１ｍｍ×０．５ｍｍの矩形板状の水晶チップとして加工対象物１を切断する。
【００４８】
続いて、所定周波数となるように水晶チップに面取り加工（コンベックス加工）を施す共に、所定周波数となるようにエッチング加工により水晶チップの厚さを調整する（Ｓ７，Ｓ８）。その後、この水晶チップを水晶振動子として組み立てる（Ｓ９）。具体的には、水晶チップ上にスパッタリングにより電極を形成し、この水晶チップをマウンタ内に搭載し、真空雰囲気中で熱処理した後、イオンエッチングで水晶チップの電極を削り周波数を調整し、マウンタ内をシーム封止する。これにより、水晶振動子の製造が完了する。
【００４９】
図８は、加工対象物を水晶チップに切断する工程を説明するための概略図である。図中においては、説明の便宜上、１つの切断予定ライン５に沿った切断を例示して示している。加工対象物１を水晶チップへ切断する上記Ｓ６においては、まず、加工対象物１の裏面２１にエキスパンドテープ３１を貼り付けて加工対象物１を支持台２０１（図７参照）上に載置する。
【００５０】
続いて、制御部２０５によりレーザエンジン２３０及び反射型空間光変調器２０３を制御し、切断予定ライン５に沿って、加工対象物１にレーザ光Ｌを適宜集光させて複数の改質スポットＳを含む改質領域７を形成する（改質領域形成工程）。
【００５１】
具体的には、図１１（ａ）に示すように、例えば出力０．０３Ｗ、繰返し周波数１５ｋＨｚ及びパルス幅５００ピコ秒ないし６４０ピコ秒でレーザ光Ｌを表面３側から照射しながら、このレーザ光Ｌを切断予定ライン５に沿って相対移動させ、加工対象物１の内部のみに位置する複数の第１改質スポットＳ１を切断予定ライン５に沿って一列形成する（第１スキャン）。
【００５２】
続いて、図１１（ｂ）に示すように、例えば出力０．０３Ｗ、繰返し周波数１５ｋＨｚ及びパルス幅５００ピコ秒〜６４０ピコ秒でレーザ光Ｌを表面３側から照射しながら、このレーザ光Ｌを切断予定ライン５に沿って相対移動させ、加工対象物１の表面３に露出する複数の第２改質スポットＳ２を切断予定ライン５に沿って一列形成する（第２スキャン）。
【００５３】
ここで、レーザ光入射面としての表面３に露出する第２改質スポットＳ２を形成する上記第２スキャンの際、単に加工対象物１の表面３にレーザ光Ｌを集光させるのではなく、このレーザ光Ｌの収差を加工対象物１内の表面３近傍に集光点が位置するよう補正すると、いわゆる空振り現象（レーザ光Ｌを加工対象物１に集光させても改質スポットＳが形成されない現象）の発生を抑制し得ることが見出される。
【００５４】
そこで、上記第２スキャンにおいては、レーザ光Ｌの集光点が加工対象物１内の表面３近傍に位置するようレーザ光Ｌの収差を補正する所定の収差補正パターンを、反射型空間光変調器２０３の液晶層２１６に表示させる。これと共に、集光光学系２０４の焦点を加工対象物１の表面３に位置させる。この状態で、レーザ光Ｌを表面３側から照射する、すなわち、加工対象物１内の表面３近傍に集光点が位置するように収差補正したレーザ光Ｌを、レーザ光入射面としての表面３に集光させる。
【００５５】
特に、本実施形態の上記第２スキャンでは、加工対象物１内の表面３から１μｍ〜２μｍ内側の位置に集光点を位置させる所定の収差補正パターンを液晶層２１６に表示させており、これにより、加工対象物１内の表面３から１μｍ〜２μｍ内側の位置に集光点が位置するよう収差補正したレーザ光Ｌを表面３に集光させる。
【００５６】
これにより、図１３に示すように、いわゆる空振り現象の発生を抑制することができる共に、表面３に露出する亀裂であるハーフカットを形成せずに、表面３に露出する複数の第２改質スポットＳ２（つまり、断続的に表面３から露出する改質領域７）のみを綺麗に切断予定ライン５に沿って継続的に形成することが可能となる。
【００５７】
続いて、上記第１及び第２スキャンを全ての切断予定ライン５について実施した後、図１２（ａ）に示すように、加工対象物１に対し裏面２１側から、エキスパンドテープ３１を介して切断予定ライン５に沿うようにナイフエッジ３２を押し当て、切断予定ライン５に沿って外部から加工対象物１に力を印加する（切断工程）。
【００５８】
これにより、複数の第１改質スポットＳ１が切断に主として寄与する改質スポットとして働くと共に、複数の第２改質スポットＳ２が切断をアシストする断続的な表面打痕としての改質スポットとして働くことになり、改質領域７を切断の起点として加工対象物１が複数の水晶チップに切断される。そして、図１２（ｂ）に示すように、エキスパンドテープ３１を拡張させ、チップ間隔を確保する。以上により、加工対象物１が複数の水晶チップ１０として切断される。
【００５９】
以上、本実施形態においては、加工対象物１の内部に位置する複数の第１改質スポットＳ１が切断予定ライン５に沿って形成されると共に、表面３に露出する複数の第２改質スポットＳ２が切断予定ライン５に沿って形成される。よって、複数の第１改質スポットＳ１により切断予定ライン５に沿って加工対象物１が容易に切断されると共に、表面３に露出する複数の第２改質スポットＳ２がいわゆる切取り線となるように作用し、かかる切断が当該複数の第２改質スポットＳ２によりアシストされることとなる。従って、加工対象物１を寸法精度よく切断することができ、加工品質を向上させることが可能となる。
【００６０】
特に、水晶で形成された加工対象物１においてハーフカットを生じさせると、このハーフカットは例えば水晶が有する加工特性のために蛇行し易いことから、切断後の加工対象物１の寸法精度を制御することは容易でない。この点、本実施形態では、上述したように、ハーフカットが第２改質スポットＳ２から形成されないようレーザ加工できるため、加工対象物１を一層寸法精度よく切断することが可能となる。
【００６１】
また、本実施形態では、上述したように、ナイフエッジ３２を用いて加工対象物１に切断予定ライン５に沿って外部応力を印加し、改質領域７を切断の起点として加工対象物１をしている。これにより、切断し難い水晶で形成された加工対象物１であっても、加工対象物１を確実に切断予定ライン５に沿って精度切断することが可能となる。
【００６２】
なお、表面３に露出する第２改質スポットＳ２を形成する際、加工対象物１内における表面３から１μｍ未満の位置に集光点が位置するよう収差補正したレーザ光Ｌを表面３に集光させる場合、及び、表面３から２μｍよりも離れた位置に集光点が位置するよう収差補正したレーザ光Ｌを表面３に集光させる場合、いわゆる空振り現象が発生し易い。よってこれらの場合、加工品質が低下してしまうことになる。
【００６３】
図１４は、比較例に係る第２改質スポットが形成された加工対象物の表面を示す写真図である。図中では、加工対象物１内の表面３から３〜６μｍ内側の位置に集光点が位置するよう収差補正したレーザ光Ｌを、表面３に集光させて第２改質スポットＳ２を形成している。図１４に示すように、表面３に露出する第２改質スポットＳ２を形成する際、表面３から深い位置に集光点が位置するよう収差補正をしてレーザ光Ｌを表面３に集光させた場合には、空振り現象が発生しているのがわかる（図中の枠内参照）。
【００６４】
ちなみに、水晶振動子は水晶の材料そのものの特性を利用するデバイスであることから、水晶振動子用の水晶チップは寸法精度が温度特性や振動子特性に大きく影響を与える。この点において、水晶チップとして寸法精度よく加工対象物１を切断可能な本実施形態は、特に有効なものである。また、表面３に第２改質スポットＳ２が残存（露出）した場合でも、水晶チップの温度特性や振動子特性に与える影響は少ない。また、レーザ光Ｌの加工点出力を単に上げても、いわゆる空振り現象の発生を抑制するのは困難であるだけでなく、表面３に焦げや傷が発生し易くなるために好ましくない。
【００６５】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用してもよい。
【００６６】
例えば、上記実施形態では、反射型空間光変調器２０３としてＬＣＯＳ−ＳＬＭを用いたが、ＭＥＭＳ（メムス）−ＳＬＭ、又はＤＭＤ(デフォーマブルミラーデバイス)等を用いてもよい。上記実施形態の反射型空間光変調器２０３は誘電体多層膜ミラーを備えていたが、シリコン基板の画素電極の反射を利用してもよい。さらに、上記実施形態では、反射型空間光変調器２０３を用いたが、透過型の空間光変調器でもよい。空間光変調器としては、液晶セルタイプ、ＬＣＤタイプのものが挙げられる。
【００６７】
また、上記実施形態では、加工対象物１内の表面３近傍に集光点が位置するようにレーザ光Ｌの収差を補正した状態で当該レーザ光Ｌ表面３に集光させることにより、第２改質スポットＳ２を形成したが、これに限定されず、要は、レーザ光入射面に露出する第２改質スポットをハーフカットが発生しないよう形成できればよい。例えば、制御部２０５でレーザ加工装置２００を適宜制御することによって第２改質スポットＳ２を形成してもよい。
【００６８】
また、上記実施形態では、第１改質スポットＳ１を形成した後に第２改質スポットＳ２を形成しているが、第２改質スポットＳ２を形成した後に第１改質スポットＳ１を形成してもよい。厚さ方向の位置が互いに異なる複数列の改質領域７を加工対象物１に形成する場合、これら改質領域７の形成順序は順不同である。
【００６９】
上記において、収差補正に関する各数値は、加工上、製造上及び設計上等の誤差を許容するものである。なお、本発明は、上記レーザ加工方法により水晶振動子を製造する水晶振動子の製造方法又は製造装置として捉えることもできる一方、水晶振動子を製造するものに限定されず、水晶で形成された加工対象物を切断するための種々の方法又は装置に適用可能である。
【符号の説明】
【００７０】
１…加工対象物、５…切断予定ライン、７…改質領域、Ｌ…レーザ光、Ｓ…改質スポット、Ｓ１…第１改質スポット、Ｓ２…第２改質スポット。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工対象物を切断するためのレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のレーザ加工方法としては、加工対象物にレーザ光を集光させ、加工対象物に改質領域を切断予定ラインに沿って形成し、加工対象物を切断予定ラインに沿って切断するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このようなレーザ加工方法では、切断予定ラインに沿って複数の改質スポットを形成し、これら複数の改質スポットによって改質領域を形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１０８４５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、上述したようなレーザ加工方法においては、水晶で形成された加工対象物を切断する場合、例えば大きい亀裂が発生し易いことから、当該亀裂を制御して切断後の加工対象物の寸法精度（加工品質）を制御することは容易でなく、寸法精度を向上させることが困難とされている。
【０００５】
そこで、本発明は、水晶で形成された加工対象物を寸法精度よく切断することができるレーザ加工方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係るレーザ加工方法は、水晶で形成された加工対象物を切断予定ラインに沿って切断するためのレーザ加工方法であって、加工対象物にレーザ光を集光させることにより、切断予定ラインに沿って、複数の改質スポットを含む改質領域を加工対象物に形成する改質領域形成工程を備え、改質領域形成工程は、加工対象物に対しレーザ光を照射しながら切断予定ラインに沿って相対移動させ、加工対象物の内部に位置する複数の第１改質スポットを切断予定ラインに沿って形成する工程と、加工対象物に対しレーザ光を照射しながら切断予定ラインに沿って相対移動させ、加工対象物のレーザ光入射面に露出する複数の第２改質スポットを、レーザ光入射面に露出する亀裂が形成されないように切断予定ラインに沿って形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【０００７】
このレーザ加工方法により加工された加工対象物を切断する場合、内部に形成された複数の第１改質スポットにより切断予定ラインに沿って容易に切断されると共に、レーザ光入射面に露出する複数の第２改質スポットがいわゆる切取り線となるように作用し、かかる切断が当該複数の第２改質スポットによりアシストされることとなる。従って、加工対象物を寸法精度よく切断することが可能となる。
【０００８】
また、切断予定ラインに沿って外部から加工対象物に力を印加することにより、改質領域を切断の起点として加工対象物を切断する切断工程をさらに備えたことが好ましい。これにより、加工対象物を確実に切断予定ラインに沿って切断することが可能となる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、水晶で形成された加工対象物を寸法精度よく切断することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】改質領域の形成に用いられるレーザ加工装置の概略構成図である。
【図２】改質領域の形成の対象となる加工対象物の平面図である。
【図３】図２の加工対象物のIII−III線に沿っての断面図である。
【図４】レーザ加工後の加工対象物の平面図である。
【図５】図４の加工対象物のV−V線に沿っての断面図である。
【図６】図４の加工対象物のVI−VI線に沿っての断面図である。
【図７】本実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成図である。
【図８】図７のレーザ加工装置の反射型空間光変調器の部分断面図である。
【図９】本実施形態に係る他のレーザ加工装置の概略構成図である。
【図１０】本実施形態に係る水晶振動子の製造工程を示すフロー図である。
【図１１】加工対象物を水晶チップに切断する工程を説明するための概略図である。
【図１３】（ａ）は本実施形態に係る第２改質スポットが形成された加工対象物の表面を示す写真図、（ｂ）は図１３（ａ）のｂ−ｂ線に沿った断面に対応する写真図である。
【図１４】比較例に係る第２改質スポットが形成された加工対象物の表面を示す写真図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１２】
本実施形態に係るレーザ加工方法では、加工対象物にレーザ光を集光させ、複数の改質スポットを含む改質領域を切断予定ラインに沿って形成する。そこで、まず、改質領域の形成について、図１〜図６を参照して説明する。
【００１３】
図１に示すように、レーザ加工装置１００は、レーザ光Ｌをパルス発振するレーザ光源１０１と、レーザ光Ｌの光軸（光路）の向きを９０°変えるように配置されたダイクロイックミラー１０３と、レーザ光Ｌを集光するための集光用レンズ（集光光学系）１０５と、を備えている。また、レーザ加工装置１００は、集光用レンズ１０５で集光されたレーザ光Ｌが照射される加工対象物１を支持するための支持台１０７と、支持台１０７を移動させるためのステージ１１１と、レーザ光Ｌの出力やパルス幅、パルス波形等を調節するためにレーザ光源１０１を制御するレーザ光源制御部１０２と、ステージ１１１の移動を制御するステージ制御部１１５と、を備えている。
【００１４】
このレーザ加工装置１００においては、レーザ光源１０１から出射されたレーザ光Ｌは、ダイクロイックミラー１０３によってその光軸の向きを９０°変えられ、支持台１０７上に載置された加工対象物１の内部に集光用レンズ１０５によって集光される。これと共に、ステージ１１１が移動させられ、加工対象物１がレーザ光Ｌに対して切断予定ライン５に沿って相対移動させられる。これにより、切断予定ライン５に沿った改質領域が加工対象物１に形成されることとなる。なお、ここでは、レーザ光Ｌを相対的に移動させるためにステージ１１１を移動させたが、集光用レンズ１０５を移動させてもよいし、或いはこれらの両方を移動させてもよい。
【００１５】
加工対象物１は、水晶で形成されており、図２に示すように、加工対象物１には、加工対象物１を切断するための切断予定ライン５が設定されている。切断予定ライン５は、直線状に延びた仮想線である。加工対象物１の内部に改質領域を形成する場合、図３に示すように、加工対象物１の内部に集光点（集光位置）Ｐを合わせた状態で、レーザ光Ｌを切断予定ライン５に沿って（すなわち、図２の矢印Ａ方向に）相対的に移動させる。これにより、図４〜図６に示すように、改質領域７が切断予定ライン５に沿って加工対象物１の内部に形成され、切断予定ライン５に沿って形成された改質領域７が切断起点領域８となる。
【００１６】
なお、集光点Ｐとは、レーザ光Ｌが集光する箇所のことである。また、切断予定ライン５は、直線状に限らず曲線状であってもよいし、これらが組み合わされた３次元状であってもよいし、座標指定されたものであってもよい。また、切断予定ライン５は、仮想線に限らず加工対象物１の表面３に実際に引かれた線であってもよい。改質領域７は、連続的に形成される場合もあるし、断続的に形成される場合もある。また、改質領域７は列状でも点状でもよく、要は、改質領域７は少なくとも加工対象物１の内部に形成されていればよい。また、改質領域７を起点に亀裂が形成される場合があり、亀裂及び改質領域７は、加工対象物１の外表面（表面３、裏面２１、若しくは外周面）に露出していてもよい。また、改質領域７を形成する際のレーザ光入射面は、加工対象物１の表面３に限定されるものではなく、加工対象物１の裏面２１であってもよい。
【００１７】
ちなみに、ここでのレーザ光Ｌは、加工対象物１を透過すると共に加工対象物１の内部の集光点近傍にて特に吸収され、これにより、加工対象物１に改質領域７が形成される（すなわち、内部吸収型レーザ加工）。よって、加工対象物１の表面３ではレーザ光Ｌが殆ど吸収されないので、加工対象物１の表面３が溶融することはない。一般的に、表面３から溶融され除去されて穴や溝等の除去部が形成される（表面吸収型レーザ加工）場合、加工領域は表面３側から徐々に裏面側に進行する。
【００１８】
ところで、本実施形態で形成される改質領域は、密度、屈折率、機械的強度やその他の物理的特性が周囲とは異なる状態になった領域をいう。改質領域としては、例えば、溶融処理領域（一旦溶融後再固化した領域、溶融状態中の領域及び溶融から再固化する状態中の領域のうち少なくともいずれか一つを意味する）、クラック領域、絶縁破壊領域、屈折率変化領域等があり、これらが混在した領域もある。さらに、改質領域としては、加工対象物の材料において改質領域の密度が非改質領域の密度と比較して変化した領域や、格子欠陥が形成された領域がある（これらをまとめて高密転移領域ともいう）。
【００１９】
また、溶融処理領域や屈折率変化領域、改質領域の密度が非改質領域の密度と比較して変化した領域、格子欠陥が形成された領域は、さらに、それら領域の内部や改質領域と非改質領域との界面に亀裂（割れ、マイクロクラック）を内包している場合がある。内包される亀裂は改質領域の全面に渡る場合や一部分のみや複数部分に形成される場合がある。加工対象物１としては、水晶（ＳｉＯ２）又は水晶を含む材料が用いられている。
【００２０】
また、本実施形態においては、切断予定ライン５に沿って改質スポット（加工痕）を複数形成することによって、改質領域７を形成している。改質スポットとは、パルスレーザ光の１パルスのショット（つまり１パルスのレーザ照射：レーザショット）で形成される改質部分であり、改質スポットが集まることにより改質領域７となる。改質スポットとしては、クラックスポット、溶融処理スポット若しくは屈折率変化スポット、又はこれらの少なくとも１つが混在するもの等が挙げられる。
【００２１】
この改質スポットについては、要求される切断精度、要求される切断面の平坦性、加工対象物の厚さ、種類、結晶方位等を考慮して、その大きさや発生する亀裂の長さを適宜制御することが好ましい。
【００２２】
次に、本実施形態に係るレーザ加工装置について説明する。
【００２３】
図７に示すように、レーザ加工装置２００は、板状の加工対象物１を支持する支持台２０１と、レーザ光Ｌを出射するレーザ光源２０２と、レーザ光源２０２から出射されたレーザ光Ｌの収差を補正するための反射型空間光変調器２０３と、支持台２０１によって支持された加工対象物１の内部に、反射型空間光変調器２０３によって収差補正されたレーザ光Ｌを集光する集光光学系２０４と、反射型空間光変調器２０３を少なくとも制御する制御部（制御手段）２０５と、を備えている。レーザ加工装置２００は、加工対象物１にレーザ光Ｌを照射することにより、加工対象物１の切断予定ライン５に沿って、複数の改質スポットを含む改質領域７を形成する。
【００２４】
反射型空間光変調器２０３は筐体２３１内に設置されており、レーザ光源２０２は筐体２３１の天板に設置されている。また、集光光学系２０４は、複数のレンズを含んで構成されており、圧電素子等を含んで構成された駆動ユニット２３２を介して筐体２３１の底板に設置されている。そして、筐体２３１に設置された部品によってレーザエンジン２３０が構成されている。なお、制御部２０５は、レーザエンジン２３０の筐体２３１内に設置されてもよい。
【００２５】
筐体２３１には、筐体２３１を加工対象物１の厚さ方向に移動させる移動機構が設置されている（図示せず）。これにより、加工対象物１の深さに応じてレーザエンジン２３０を上下に移動させることができるため、集光光学系２０４の位置を変化させて、レーザ光Ｌを加工対象物１の所望の深さ位置に集光することが可能となる。なお、筐体２３１に移動機構を設置する代わりに、支持台２０１に、支持台２０１を加工対象物１の厚さ方向に移動させる移動機構を設けてもよい。また、後述するＡＦユニット２１２を利用して集光光学系２０４を加工対象物１の厚さ方向に移動させてもよい。そして、これらを組み合わせることも可能である。
【００２６】
制御部２０５は、反射型空間光変調器２０３を制御する他、レーザ加工装置２００の全体を制御する。例えば、制御部２０５は、改質領域７を形成する際に、レーザ光Ｌの集光点Ｐが加工対象物１の表面（レーザ光入射面）３から所定の距離に位置し且つレーザ光Ｌの集光点Ｐが切断予定ライン５に沿って相対的に移動するように集光光学系２０４を含むレーザエンジン２３０を制御する。なお、制御部２０５は、加工対象物１に対してレーザ光Ｌの集光点Ｐを相対的に移動させるために、集光光学系２０４を含むレーザエンジン２３０ではなく支持台２０１を制御してもよいし、或いは集光光学系２０４を含むレーザエンジン２３０及び支持台２０１の両方を制御してもよい。
【００２７】
レーザ光源２０２から出射されたレーザ光Ｌは、筐体２３１内において、ミラー２０６，２０７によって順次反射された後、プリズム等の反射部材２０８によって反射されて反射型空間光変調器２０３に入射する。反射型空間光変調器２０３に入射したレーザ光Ｌは、反射型空間光変調器２０３によって変調されて反射型空間光変調器２０３から出射される。反射型空間光変調器２０３から出射されたレーザ光Ｌは、筐体２３１内において、集光光学系２０４の光軸に沿うように反射部材２０８によって反射され、ビームスプリッタ２０９，２１０を順次透過して集光光学系２０４に入射する。集光光学系２０４に入射したレーザ光Ｌは、支持台２０１上に載置された加工対象物１の内部に集光光学系２０４によって集光される。
【００２８】
また、レーザ加工装置２００は、加工対象物１の表面３を観察するための表面観察ユニット２１１を筐体２３１内に備えている。表面観察ユニット２１１は、ビームスプリッタ２０９で反射され且つビームスプリッタ２１０を透過する可視光ＶＬを出射し、集光光学系２０４によって集光されて加工対象物１の表面３で反射された可視光ＶＬを検出することで、加工対象物１の表面３の像を取得する。
【００２９】
さらに、レーザ加工装置２００は、加工対象物１の表面３にうねりが存在するような場合にも、表面３から所定の距離の位置にレーザ光Ｌの集光点Ｐを精度良く合わせるためのＡＦ（autofocus）ユニット２１２を筐体２３１内に備えている。ＡＦユニット２１２は、ビームスプリッタ２１０で反射されるＡＦ用レーザ光ＬＢを出射し、集光光学系２０４によって集光されて加工対象物１の表面３で反射されたＡＦ用レーザ光ＬＢを検出することで、例えば非点収差法を用いて、切断予定ライン５に沿った表面３の変位データを取得する。そして、ＡＦユニット２１２は、改質領域７を形成する際に、取得した変位データに基づいて駆動ユニット２３２を駆動させることで、加工対象物１の表面３のうねりに沿うように集光光学系２０４をその光軸方向に往復移動させ、集光光学系２０４と加工対象物１との距離を微調整する。
【００３０】
ここで、反射型空間光変調器２０３について説明する。反射型空間光変調器２０３は、レーザ光源２０２から出射されたレーザ光Ｌの収差を補正するものであり、例えば反射型液晶（LCOS：Liquid Crystal on Silicon）の空間光変調器（SLM：Spatial Light Modulator）が用いられている。図８は、図７のレーザ加工装置の反射型空間光変調器の部分断面図である。図８に示すように、反射型空間光変調器２０３は、シリコン基板２１３、駆動回路層９１４、複数の画素電極２１４、誘電体多層膜ミラー等の反射膜２１５、配向膜９９９ａ、液晶層２１６、配向膜９９９ｂ、透明導電膜２１７、及びガラス基板等の透明基板２１８を備え、これらがこの順に積層されている。
【００３１】
透明基板２１８は、ＸＹ平面に沿った表面２１８ａを有しており、該表面２１８ａは反射型空間光変調器２０３の表面を構成する。透明基板２１８は、例えばガラス等の光透過性材料を主に含んでおり、反射型空間光変調器２０３の表面２１８ａから入射した所定波長のレーザ光Ｌを、反射型空間光変調器２０３の内部へ透過する。透明導電膜２１７は、透明基板２１８の裏面２１８ｂ上に形成されており、レーザ光Ｌを透過する導電性材料（例えばＩＴＯ）を主に含んで構成されている。
【００３２】
複数の画素電極２１４は、複数の画素の配列に従って二次元状に配列されており、透明導電膜２１７に沿ってシリコン基板２１３上に配列されている。各画素電極２１４は、例えばアルミニウム等の金属材料からなり、これらの表面２１４ａは、平坦且つ滑らかに加工されている。複数の画素電極２１４は、駆動回路層９１４に設けられたアクティブ・マトリクス回路によって駆動される。
【００３３】
アクティブ・マトリクス回路は、複数の画素電極２１４とシリコン基板２１３との間に設けられ、反射型空間光変調器２０３から出力しようとする光像に応じて各画素電極２１４への印加電圧を制御する。このようなアクティブ・マトリクス回路は、例えば図示しないＸ軸方向に並んだ各画素列の印加電圧を制御する第１のドライバ回路と、Ｙ軸方向に並んだ各画素列の印加電圧を制御する第２のドライバ回路とを有しており、制御部２５０によって双方のドライバ回路で指定された画素の画素電極２１４に所定電圧が印加されるよう構成されている。
【００３４】
なお、配向膜９９９ａ，９９９ｂは、液晶層２１６の両端面に配置されており、液晶分子群を一定方向に配列させる。配向膜９９９ａ，９９９ｂは、例えばポリイミドといった高分子材料からなり、液晶層２１６との接触面にラビング処理等が施されたものが適用される。
【００３５】
液晶層２１６は、複数の画素電極２１４と透明導電膜２１７との間に配置されており、各画素電極２１４と透明導電膜２１７とにより形成される電界に応じてレーザ光Ｌを変調する。すなわち、アクティブ・マトリクス回路によって或る画素電極２１４に電圧が印加されると、透明導電膜２１７と該画素電極２１４との間に電界が形成される。
【００３６】
この電界は、反射膜２１５及び液晶層２１６のそれぞれに対し、各々の厚さに応じた割合で印加される。そして、液晶層２１６に印加された電界の大きさに応じて液晶分子２１６ａの配列方向が変化する。レーザ光Ｌが透明基板２１８及び透明導電膜２１７を透過して液晶層２１６に入射すると、このレーザ光Ｌは液晶層２１６を通過する間に液晶分子２１６ａによって変調され、反射膜２１５において反射した後、再び液晶層２１６により変調されてから取り出されることとなる。そして、レーザ光Ｌのビーム波面を整形（変調）させるための収差補正（波面整形）パターンが液晶層２１６に表示され、これにより、液晶層２１６の収差補正パターンを透過したレーザ光Ｌは、当該収差補正パターンに応じて位相変調され収差が補正される。
【００３７】
制御部２０５は、改質領域７を形成する際、収差補正パターンに関するパターン情報を反射型空間光変調器２０３に入力し、液晶層２１６上に所定の収差補正パターンを表示させることで、反射型空間光変調器２０３から出射されるレーザ光Ｌの収差を制御する。なお、反射型空間光変調器２０３に入力するパターン情報は逐次入力するようにしてもよいし、予め記憶されたパターン情報を選択して入力するようにしてもよい。
【００３８】
ところで、厳密に言えば、反射型空間光変調器２０３で収差補正されたレーザ光Ｌは、空間を伝播することにより波面形状が変化してしまう。特に、反射型空間光変調器２０３から出射されたレーザ光Ｌや集光光学系２０４に入射するレーザ光Ｌが所定の拡がりを有する光（すなわち、平行光以外の光）である場合、反射型空間光変調器２０３での波面形状と集光光学系２０４での波面形状とが一致せず、結果的に、目的とする精密な内部加工を妨げるおそれがある。そこで、反射型空間光変調器２０３での波面形状と集光光学系２０４での波面形状とを一致させることが重要となる。そのためには、レーザ光Ｌが反射型空間光変調器２０３から集光光学系２０４に伝播したときの波面形状の変化を計測等により求め、その波面形状の変化を考慮した収差補正パターンのパターン情報を反射型空間光変調器２０３に入力することがより望ましい。
【００３９】
或いは、反射型空間光変調器２０３での波面形状と集光光学系２０４での波面形状とを一致させるために、図９に示すように、反射型空間光変調器２０３と集光光学系２０４との間を進行するレーザ光Ｌの光路上に、調整光学系２４０を設けてもよい。これにより、正確に波面整形を実現することが可能となる。
【００４０】
調整光学系２４０は、少なくとも２つのレンズ２４１ａ及びレンズ２４１ｂを有している。レンズ２４１ａ，２４１ｂは、反射型空間光変調器２０３での波面形状と集光光学系２０４での波面形状とを相似的に一致させるためのものである。レンズ２４１ａ，２４１ｂは、反射型空間光変調器２０３とレンズ２４１ａとの距離がレンズ２４１ａの焦点距離ｆ１となり、集光光学系２０４とレンズ２４１ｂとの距離がレンズ２４１ｂの焦点距離ｆ２となり、レンズ２４１ａとレンズ２４１ｂとの距離がｆ１＋ｆ２となり、且つレンズ２４１ａとレンズ２４１ｂとが両側テレセントリック光学系となるように、反射型空間光変調器２０３と反射部材２０８との間に配置されている。
【００４１】
このように配置することで、１°以下程度の小さな拡がり角を有するレーザ光Ｌであっても、反射型空間光変調器２０３での波面と集光光学系２０４での波面とを合わせることができる。また、レーザ光Ｌのビーム径は、ｆ１とｆ２との比で決まる（集光光学系２０４に入射するレーザ光Ｌのビーム径は、反射型空間光変調器２０３から出射されるレーザ光Ｌのビーム径のｆ２／ｆ１倍となる）。従って、レーザ光Ｌが平行光、或いは小さな拡がりを有する光のいずれの場合であっても、反射型空間光変調器２０３から出射される角度を保ったまま、集光光学系２０４に入射するレーザ光Ｌにおいて所望のビーム径を得ることができる。
【００４２】
なお、調整光学系２４０は、レンズ２４１ａ，２４１ｂのそれぞれの位置を独立して微調整する機構を備えることが望ましい。また、反射型空間光変調器２０３の有効エリアを有効に使用するために、反射型空間光変調器２０３とレーザ光源２０２との間のレーザ光Ｌの光路上にビームエキスパンダを設けてもよい。
【００４３】
次に、本実施形態に係るレーザ加工方法について説明する。
【００４４】
本実施形態のレーザ加工方法は、例えば水晶振動子を製造するための水晶振動子の製造方法として用いられるものであって、六方柱状の結晶である水晶で形成された加工対象物１をレーザ加工装置２００により複数の水晶チップに切断する。そこで、まず、図１０を参照しつつ水晶振動子の全体の製造工程フローを概略説明する。
【００４５】
初めに、人工水晶原石を例えばダイヤモンド研削によって切り出し、所定サイズの棒状体（ランバード）に加工する（Ｓ１）。続いて、水晶振動子の温度特性要求に応じた切断角度をＸ線により測定し、この切断角度に基づいてランバードをワイヤーソー加工によって複数のウェハ状の加工対象物１に切断する（Ｓ２）。ここでの加工対象物１は、１０ｍｍ×１０ｍｍの矩形板状を呈し、厚さ方向に対し３５．１５°傾斜した結晶軸を有している。
【００４６】
続いて、ラッピング加工を加工対象物１の表面３及び裏面２１に施し、その厚さを所定厚さとする（Ｓ３）。続いて、微小角度レベルで切断角度をＸ線により測定し、加工対象物１の選別及び分類を行った後、上記Ｓ３と同様なラッピング加工を加工対象物１の表面３及び裏面２１に再度施し、加工対象物１の厚さを例えば１００μｍ程度に微調整する（Ｓ４，Ｓ５）。
【００４７】
そして、切断加工及び外形加工として、加工対象物１に改質領域７を形成し当該改質領域７を切断の起点として加工対象物１を切断予定ライン５に沿って切断する（Ｓ６：詳しくは、後述）。これにより、±数μｍ以下の寸法精度の外形寸法を有する複数の水晶チップを得る。本実施形態では、表面３視において切断予定ライン５が格子状に加工対象物１に設定されており、１ｍｍ×０．５ｍｍの矩形板状の水晶チップとして加工対象物１を切断する。
【００４８】
続いて、所定周波数となるように水晶チップに面取り加工（コンベックス加工）を施す共に、所定周波数となるようにエッチング加工により水晶チップの厚さを調整する（Ｓ７，Ｓ８）。その後、この水晶チップを水晶振動子として組み立てる（Ｓ９）。具体的には、水晶チップ上にスパッタリングにより電極を形成し、この水晶チップをマウンタ内に搭載し、真空雰囲気中で熱処理した後、イオンエッチングで水晶チップの電極を削り周波数を調整し、マウンタ内をシーム封止する。これにより、水晶振動子の製造が完了する。
【００４９】
図８は、加工対象物を水晶チップに切断する工程を説明するための概略図である。図中においては、説明の便宜上、１つの切断予定ライン５に沿った切断を例示して示している。加工対象物１を水晶チップへ切断する上記Ｓ６においては、まず、加工対象物１の裏面２１にエキスパンドテープ３１を貼り付けて加工対象物１を支持台２０１（図７参照）上に載置する。
【００５０】
続いて、制御部２０５によりレーザエンジン２３０及び反射型空間光変調器２０３を制御し、切断予定ライン５に沿って、加工対象物１にレーザ光Ｌを適宜集光させて複数の改質スポットＳを含む改質領域７を形成する（改質領域形成工程）。
【００５１】
具体的には、図１１（ａ）に示すように、例えば出力０．０３Ｗ、繰返し周波数１５ｋＨｚ及びパルス幅５００ピコ秒ないし６４０ピコ秒でレーザ光Ｌを表面３側から照射しながら、このレーザ光Ｌを切断予定ライン５に沿って相対移動させ、加工対象物１の内部のみに位置する複数の第１改質スポットＳ１を切断予定ライン５に沿って一列形成する（第１スキャン）。
【００５２】
続いて、図１１（ｂ）に示すように、例えば出力０．０３Ｗ、繰返し周波数１５ｋＨｚ及びパルス幅５００ピコ秒〜６４０ピコ秒でレーザ光Ｌを表面３側から照射しながら、このレーザ光Ｌを切断予定ライン５に沿って相対移動させ、加工対象物１の表面３に露出する複数の第２改質スポットＳ２を切断予定ライン５に沿って一列形成する（第２スキャン）。
【００５３】
ここで、レーザ光入射面としての表面３に露出する第２改質スポットＳ２を形成する上記第２スキャンの際、単に加工対象物１の表面３にレーザ光Ｌを集光させるのではなく、このレーザ光Ｌの収差を加工対象物１内の表面３近傍に集光点が位置するよう補正すると、いわゆる空振り現象（レーザ光Ｌを加工対象物１に集光させても改質スポットＳが形成されない現象）の発生を抑制し得ることが見出される。
【００５４】
そこで、上記第２スキャンにおいては、レーザ光Ｌの集光点が加工対象物１内の表面３近傍に位置するようレーザ光Ｌの収差を補正する所定の収差補正パターンを、反射型空間光変調器２０３の液晶層２１６に表示させる。これと共に、集光光学系２０４の焦点を加工対象物１の表面３に位置させる。この状態で、レーザ光Ｌを表面３側から照射する、すなわち、加工対象物１内の表面３近傍に集光点が位置するように収差補正したレーザ光Ｌを、レーザ光入射面としての表面３に集光させる。
【００５５】
特に、本実施形態の上記第２スキャンでは、加工対象物１内の表面３から１μｍ〜２μｍ内側の位置に集光点を位置させる所定の収差補正パターンを液晶層２１６に表示させており、これにより、加工対象物１内の表面３から１μｍ〜２μｍ内側の位置に集光点が位置するよう収差補正したレーザ光Ｌを表面３に集光させる。
【００５６】
これにより、図１３に示すように、いわゆる空振り現象の発生を抑制することができる共に、表面３に露出する亀裂であるハーフカットを形成せずに、表面３に露出する複数の第２改質スポットＳ２（つまり、断続的に表面３から露出する改質領域７）のみを綺麗に切断予定ライン５に沿って継続的に形成することが可能となる。
【００５７】
続いて、上記第１及び第２スキャンを全ての切断予定ライン５について実施した後、図１２（ａ）に示すように、加工対象物１に対し裏面２１側から、エキスパンドテープ３１を介して切断予定ライン５に沿うようにナイフエッジ３２を押し当て、切断予定ライン５に沿って外部から加工対象物１に力を印加する（切断工程）。
【００５８】
これにより、複数の第１改質スポットＳ１が切断に主として寄与する改質スポットとして働くと共に、複数の第２改質スポットＳ２が切断をアシストする断続的な表面打痕としての改質スポットとして働くことになり、改質領域７を切断の起点として加工対象物１が複数の水晶チップに切断される。そして、図１２（ｂ）に示すように、エキスパンドテープ３１を拡張させ、チップ間隔を確保する。以上により、加工対象物１が複数の水晶チップ１０として切断される。
【００５９】
以上、本実施形態においては、加工対象物１の内部に位置する複数の第１改質スポットＳ１が切断予定ライン５に沿って形成されると共に、表面３に露出する複数の第２改質スポットＳ２が切断予定ライン５に沿って形成される。よって、複数の第１改質スポットＳ１により切断予定ライン５に沿って加工対象物１が容易に切断されると共に、表面３に露出する複数の第２改質スポットＳ２がいわゆる切取り線となるように作用し、かかる切断が当該複数の第２改質スポットＳ２によりアシストされることとなる。従って、加工対象物１を寸法精度よく切断することができ、加工品質を向上させることが可能となる。
【００６０】
特に、水晶で形成された加工対象物１においてハーフカットを生じさせると、このハーフカットは例えば水晶が有する加工特性のために蛇行し易いことから、切断後の加工対象物１の寸法精度を制御することは容易でない。この点、本実施形態では、上述したように、ハーフカットが第２改質スポットＳ２から形成されないようレーザ加工できるため、加工対象物１を一層寸法精度よく切断することが可能となる。
【００６１】
また、本実施形態では、上述したように、ナイフエッジ３２を用いて加工対象物１に切断予定ライン５に沿って外部応力を印加し、改質領域７を切断の起点として加工対象物１をしている。これにより、切断し難い水晶で形成された加工対象物１であっても、加工対象物１を確実に切断予定ライン５に沿って精度切断することが可能となる。
【００６２】
なお、表面３に露出する第２改質スポットＳ２を形成する際、加工対象物１内における表面３から１μｍ未満の位置に集光点が位置するよう収差補正したレーザ光Ｌを表面３に集光させる場合、及び、表面３から２μｍよりも離れた位置に集光点が位置するよう収差補正したレーザ光Ｌを表面３に集光させる場合、いわゆる空振り現象が発生し易い。よってこれらの場合、加工品質が低下してしまうことになる。
【００６３】
図１４は、比較例に係る第２改質スポットが形成された加工対象物の表面を示す写真図である。図中では、加工対象物１内の表面３から３〜６μｍ内側の位置に集光点が位置するよう収差補正したレーザ光Ｌを、表面３に集光させて第２改質スポットＳ２を形成している。図１４に示すように、表面３に露出する第２改質スポットＳ２を形成する際、表面３から深い位置に集光点が位置するよう収差補正をしてレーザ光Ｌを表面３に集光させた場合には、空振り現象が発生しているのがわかる（図中の枠内参照）。
【００６４】
ちなみに、水晶振動子は水晶の材料そのものの特性を利用するデバイスであることから、水晶振動子用の水晶チップは寸法精度が温度特性や振動子特性に大きく影響を与える。この点において、水晶チップとして寸法精度よく加工対象物１を切断可能な本実施形態は、特に有効なものである。また、表面３に第２改質スポットＳ２が残存（露出）した場合でも、水晶チップの温度特性や振動子特性に与える影響は少ない。また、レーザ光Ｌの加工点出力を単に上げても、いわゆる空振り現象の発生を抑制するのは困難であるだけでなく、表面３に焦げや傷が発生し易くなるために好ましくない。
【００６５】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用してもよい。
【００６６】
例えば、上記実施形態では、反射型空間光変調器２０３としてＬＣＯＳ−ＳＬＭを用いたが、ＭＥＭＳ（メムス）−ＳＬＭ、又はＤＭＤ(デフォーマブルミラーデバイス)等を用いてもよい。上記実施形態の反射型空間光変調器２０３は誘電体多層膜ミラーを備えていたが、シリコン基板の画素電極の反射を利用してもよい。さらに、上記実施形態では、反射型空間光変調器２０３を用いたが、透過型の空間光変調器でもよい。空間光変調器としては、液晶セルタイプ、ＬＣＤタイプのものが挙げられる。
【００６７】
また、上記実施形態では、加工対象物１内の表面３近傍に集光点が位置するようにレーザ光Ｌの収差を補正した状態で当該レーザ光Ｌ表面３に集光させることにより、第２改質スポットＳ２を形成したが、これに限定されず、要は、レーザ光入射面に露出する第２改質スポットをハーフカットが発生しないよう形成できればよい。例えば、制御部２０５でレーザ加工装置２００を適宜制御することによって第２改質スポットＳ２を形成してもよい。
【００６８】
また、上記実施形態では、第１改質スポットＳ１を形成した後に第２改質スポットＳ２を形成しているが、第２改質スポットＳ２を形成した後に第１改質スポットＳ１を形成してもよい。厚さ方向の位置が互いに異なる複数列の改質領域７を加工対象物１に形成する場合、これら改質領域７の形成順序は順不同である。
【００６９】
上記において、収差補正に関する各数値は、加工上、製造上及び設計上等の誤差を許容するものである。なお、本発明は、上記レーザ加工方法により水晶振動子を製造する水晶振動子の製造方法又は製造装置として捉えることもできる一方、水晶振動子を製造するものに限定されず、水晶で形成された加工対象物を切断するための種々の方法又は装置に適用可能である。
【符号の説明】
【００７０】
１…加工対象物、５…切断予定ライン、７…改質領域、Ｌ…レーザ光、Ｓ…改質スポット、Ｓ１…第１改質スポット、Ｓ２…第２改質スポット。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶で形成された加工対象物を切断予定ラインに沿って切断するためのレーザ加工方法であって、
前記加工対象物にレーザ光を集光させることにより、前記切断予定ラインに沿って、複数の改質スポットを含む改質領域を前記加工対象物に形成する改質領域形成工程を備え、
前記改質領域形成工程は、
前記加工対象物に対し前記レーザ光を照射しながら前記切断予定ラインに沿って相対移動させ、前記加工対象物の内部に位置する複数の第１改質スポットを前記切断予定ラインに沿って形成する工程と、
前記加工対象物に対し前記レーザ光を照射しながら前記切断予定ラインに沿って相対移動させ、前記加工対象物のレーザ光入射面に露出する複数の第２改質スポットを、前記レーザ光入射面に露出する亀裂が形成されないように前記切断予定ラインに沿って形成する工程と、を含むことを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２】
前記切断予定ラインに沿って外部から前記加工対象物に力を印加することにより、前記改質領域を切断の起点として前記加工対象物を切断する切断工程をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
【請求項１】
水晶で形成された加工対象物を切断予定ラインに沿って切断するためのレーザ加工方法であって、
前記加工対象物にレーザ光を集光させることにより、前記切断予定ラインに沿って、複数の改質スポットを含む改質領域を前記加工対象物に形成する改質領域形成工程を備え、
前記改質領域形成工程は、
前記加工対象物に対し前記レーザ光を照射しながら前記切断予定ラインに沿って相対移動させ、前記加工対象物の内部に位置する複数の第１改質スポットを前記切断予定ラインに沿って形成する工程と、
前記加工対象物に対し前記レーザ光を照射しながら前記切断予定ラインに沿って相対移動させ、前記加工対象物のレーザ光入射面に露出する複数の第２改質スポットを、前記レーザ光入射面に露出する亀裂が形成されないように前記切断予定ラインに沿って形成する工程と、を含むことを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２】
前記切断予定ラインに沿って外部から前記加工対象物に力を印加することにより、前記改質領域を切断の起点として前記加工対象物を切断する切断工程をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１３−６３４５５（Ｐ２０１３−６３４５５Ａ）
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０３４００（Ｐ２０１１−２０３４００）
【出願日】平成２３年９月１６日（２０１１．９．１６）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１６日（２０１１．９．１６）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
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