分割加工方法
【課題】脆性材料で形成された被加工物をレーザビームのビームパターンによらずに安定して分割加工できる分割加工方法を得ること。
【解決手段】分割加工方法は、脆性材料で形成された被加工物に対しレーザビームを相対的に走査して局部的に溶融し蒸発させることにより、前記被加工物を分割する分割加工方法において、湾曲機構を備えたステージ台に、前記被加工物が分割予定線に沿って破壊応力未満の応力で前記湾曲機構により曲げられるように、前記被加工物を固定する固定ステップと、前記湾曲機構により曲げられた前記被加工物の前記分割予定線に沿ってレーザビームを相対的に走査させる切断ステップとを備えている。
【解決手段】分割加工方法は、脆性材料で形成された被加工物に対しレーザビームを相対的に走査して局部的に溶融し蒸発させることにより、前記被加工物を分割する分割加工方法において、湾曲機構を備えたステージ台に、前記被加工物が分割予定線に沿って破壊応力未満の応力で前記湾曲機構により曲げられるように、前記被加工物を固定する固定ステップと、前記湾曲機構により曲げられた前記被加工物の前記分割予定線に沿ってレーザビームを相対的に走査させる切断ステップとを備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分割加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、半導体ウエーハのレーザ加工方法において、パルスレーザ光線の集光スポットを楕円形にし、楕円形の集光スポットにおける長軸を半導体ウエーハの分割予定ラインに位置づけ、半導体ウエーハと集光スポットを相対的に加工送りすることで分割予定ラインに沿って半導体ウエーハを切断することが記載されている。これにより、特許文献１によれば、レーザ光線のエネルギー分布が短軸側より長軸側でなだらかになり、レーザ光線の照射により溶融して発生したデブリが、なだらかに変化するエネルギー分布の接線方向に沿うように飛散し排出されるので、既に加工したレーザ加工溝に堆積することはないとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４４４００３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一方、シリコンなどの脆性材料で形成された被加工物を分割するためにレーザによる切断加工をおこなう際に、被加工物がレーザビームによる温度変化によって溶融し凝固して、加工面同士が付着する再溶着と呼ばれる現象が生じることがある。この再溶着による加工面の接着力が強いため、被加工物を任意形状に分断することが困難になる。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、脆性材料で形成された被加工物をレーザビームのビームパターンによらずに安定して分割加工できる分割加工方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかわる脆性材料の分割加工方法は、脆性材料で形成された被加工物に対しレーザビームを相対的に走査して局部的に溶融し蒸発させることでレーザアブレーションの効果により、前記被加工物を分割する分割加工方法において、湾曲機構を備えたステージ台に、前記被加工物が分割予定線に沿って破壊応力未満の応力で前記湾曲機構により曲げられるように、前記被加工物を固定する固定ステップと、前記湾曲機構により曲げられた前記被加工物の前記分割予定線に沿ってレーザビームを相対的に走査させる切断ステップとを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、レーザアブレーションが被加工物の裏側まで到達し、被加工物が複数の被加工物へ分割される。分離前は、被加工物には曲げ応力が働いており、切断された際に曲げ応力が開放される。複数の被加工物の間隔を広く確保することができるので、飛散した溶融物の加工断面への再付着を抑制できる。すなわち、脆性材料で形成された被加工物をレーザビームのビームパターンによらずに安定して分割加工できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、実施の形態１による脆性材料の分割加工方法におけるレーザ照射工程の構成を示す図である。
【図２】図２は、実施の形態１における凸形状に変形した被加工物へのレーザ切断加工方法を示す図である。
【図３】図３は、実施の形態１における凸形状に変形した被加工物へのレーザ切断加工時の様子を示す図である。
【図４】図４は、実施の形態１における凸形状に変形した被加工物へのレーザ切断加工後の様子を示す図である。
【図５】図５は、実施の形態１におけるレーザ切断加工の加工断面を示す顕微鏡写真である。
【図６】図６は、実施の形態１における凹形状に変形した被加工物へのレーザ切断加工方法を示す図である。
【図７】図７は、実施の形態１における凹形状に変形した被加工物へのレーザ切断加工時の様子を示す図である。
【図８】図８は、実施の形態２における被加工物に対する湾曲機構が、平面ステージ台と、被加工物を曲げるための移動可能な冶具で構成され、凸形状に変形した被加工物へのレーザ切断加工方法を示す図である。
【図９】図９は、実施の形態２における被加工物に対する湾曲機構が、平面ステージ台と、被加工物を曲げるための移動可能な冶具で構成され、凹形状に変形した被加工物へのレーザ切断加工方法を示す図である。
【図１０】図１０は、実施の形態３における曲げた状態の被加工物に対するレーザビームの相対的な走査回数が1回目での溝加工の加工結果の断面形状を示す図である。
【図１１】図１１は、実施の形態３における曲げた状態の被加工物に対するレーザビームの相対的な走査回数が複数回目での切断加工の加工結果の断面形状を示す図である。
【図１２】図１２は、比較例となるレーザビーム照射による脆性材料の分割加工方法において、平坦な被加工物へのレーザ切断加工を示す図である。
【図１３】図１３は、比較例によるレーザ切断加工の加工断面を示す顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、本発明にかかる分割加工方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１０】
実施の形態１．
実施の形態１にかかる分割加工方法について説明する。
【００１１】
実施の形態１にかかる分割加工方法では、図１に示すレーザ照射装置１００を用いて、被加工物１を分割予定線ＤＬに沿って分割する加工を行う。すなわち、被加工物１が加工部１４における、後述する湾曲機構３０ａを備えたステージ台３０に固定される。そして、被加工物１に対しレーザビーム１２を分割予定線ＤＬに沿って相対的に走査して局部的に溶融し蒸発させることにより、被加工物１を分割予定線ＤＬに沿って分割する。
【００１２】
具体的には、レーザ発振器１１は、ビーム調整光学系１３へ向けて、レーザビーム１２を出射させる。レーザ発振器１１から出射されるレーザビーム１２のビームパターンは、例えば、真円である。
【００１３】
ビーム調整光学系１３は、出射されたレーザビーム１２に対して、ビーム径の大きさの調整やビーム形状の成形をおこなう。ビーム調整光学系１３において、ビーム径の大きさを調整する光学系は、例えば、凹レンズと凸レンズの組み合わせで形成される。楕円ビームなどのビーム成形をおこなう光学系は、例えば、シリンドリカルレンズ、プリズム、回折光学素子を使用することができる。
【００１４】
ビーム調整光学系１３は、ビームパターンが例えば楕円に成形されたレーザビーム１２ａを導光ミラー１５へ導く。レーザビーム１２ａのビームパターンを楕円に成形する場合、ビーム調整光学系１３は、集光後のレーザビーム１２ｃの楕円形状の長径方向がレーザビーム１２ｃの走査方向（すなわち、分割予定線ＤＬに沿った方向）に平行で、楕円形状の短径方向がレーザビーム１２ｃの走査方向に垂直になるように、レーザビーム１２ａを成形することが好適である。
【００１５】
導光ミラー１５は、ビーム調整光学系１３により調整および成形されたレーザビーム１２ａを反射して集光レンズ１７へ導く。
【００１６】
集光レンズ１７は、レーザビーム１２ａを、ステージ台３０（図２参照）に固定された被加工物１のレーザビーム入射面における分割予定線ＤＬ上に集光後のレーザビーム１２ｃとして集光する。
【００１７】
駆動部１８は、分割予定線ＤＬ上に集光後のレーザビーム１２ｃが照射された状態で、被加工物１に対しレーザビーム１２ｃを分割予定線ＤＬに沿って（すなわち、太線の矢印で示す方向に）相対的に走査させる。これにより、被加工物１を分割予定線ＤＬに沿って切断する加工を行う。このとき、駆動部１８は、例えば、導光ミラー１５の傾き角度とステージ台３０のＸＹ位置との一方を固定させた状態で他方を変えてもよいし、両方を変えてもよい。
【００１８】
なお、導光ミラー１５の傾き角度を変えることで被加工物１に対するレーザビーム１２ｃの相対的な走査を行う場合、導光ミラー１５は、ガルバノミラー、ポリゴンミラー等であってもよい。
【００１９】
加工部１４では、被加工物１を分割予定線ＤＬに沿って例えば凸形状などに曲げ、被加工物１を曲げた状態で、被加工物１の分割予定線ＤＬ上にレーザビーム１２ｃを照射して切断加工をおこなう。
【００２０】
すなわち、加工部１４は、湾曲機構３０ａを備えたステージ台３０を有する。ステージ台３０には、被加工物１にレーザビーム１２ｃが照射される前に、予め被加工物１が固定されている。このとき、湾曲機構３０ａは、固定されるべき被加工物１を分割予定線ＤＬに沿って例えば凸形状などに曲げる。その後に、被加工物１の分割予定線ＤＬ上にレーザビーム１２ｃが照射される。
【００２１】
なお、被加工物１は、脆性材料で形成されている。被加工物１は例えば半導体基板を含む光起電力装置（例えば、太陽電池セル）であり、脆性材料は例えば半導体基板に用いられるシリコンやセラミックスなどがある。
【００２２】
また、レーザ発振器１１は、被加工物１に吸収される波長を有するパルスレーザであり、例えば波長１μｍ程度もしくはそれ以下の、パルス固体レーザやパルスファイバーレーザの基本波、高調波を用いることができる。レーザ発振器１１として用いるパルスレーザは、連続発振（ＣＷ：Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）のレーザに比べて、時間的に集中してエネルギーを照射することができる。このことから、局所的により深い加工をおこなうことが可能である。このとき、高調波の波長を有するレーザに比べて、基本波パルスレーザの発振器を用いるほうが、産業分野で適応するにはランニングコストや信頼性の面でよい。
【００２３】
また、分割溝や切断幅を狭くして、レンズ高さ方向の余裕度を確保するために、レーザの横モードはシングルモード近傍が望ましい。
【００２４】
また、被加工物１を分割するための切断加工を、レーザビームでおこなえば、機械的加工などのその他の加工方法よりも加工速度が速いため、生産性を向上させることができる。
【００２５】
また、光起電力装置をレーザビームで切断加工すれば、ダイサーで加工する場合に必要であった切削水が不要となる。
【００２６】
また、光起電力装置に含まれる半導体基板は、例えば、一方の主面（例えば、表面）にＰＮ接合層が形成された厚さ１００〜３００μｍ程度のＰ型シリコン基板である。これ以外にも、光起電力装置は、Ｎ型シリコン基板などを含む単結晶または多結晶の結晶系太陽電池であってもよいし、薄膜シリコン型などの薄膜系太陽電池であってもよい。
【００２７】
次に、加工部１４におけるステージ台３０に備えられた湾曲機構３０ａについて図２を用いて説明する。図２は、湾曲機構３０ａにより被加工物１を凸形状に変形させた状態で、被加工物１へレーザビーム１２ｃを照射して被加工物１の切断加工を行っている途中の状態を示している。
【００２８】
図２に示すように、湾曲機構３０ａは、被加工物１が固定されるべき湾曲面３０ａ１を含む。湾曲面３０ａ１は、分割予定線ＤＬに対応した中心部が凸形状になるように湾曲している。また、湾曲機構３０ａは、吸着機構３０ａ２も含む。
【００２９】
ステージ台３０の湾曲面３０ａ１には、被加工物１の表面（レーザ入射面）１ａと反対側の面を接触させて吸着機構３０ａ２の真空吸引等により被加工物１が固定される。被加工物１は、湾曲面３０ａ１に沿うようにして分割予定線ＤＬに沿って曲げられる。このとき、被加工物１を面全体で保持するため、応力の集中を抑制することができる。このため、被加工物１の表面１ａに損傷を与えずに分割加工を行うことができる。
【００３０】
なお、ステージ台３０の湾曲面３０ａ１における凸形状の傾きは、被加工物１を曲げた際に、被加工物１が割れないように被加工物１に発生する応力が破壊応力未満となるように予め決定されている。また、ステージ台３０の分割予定線ＤＬに対応した中央部には、溝３０ｂが設けられていても良い。
【００３１】
また、被加工物１に対するレーザビーム１２ｃの走査速度は、レーザビーム１２ｃのパルス繰返し周波数、平均出力及び要求するレーザ加工深さに応じて調整される。
【００３２】
また、被加工物１に対するレーザビーム１２ｃの走査は、複数回行っても良く、それに応じてレーザビーム１２ｃの平均出力を設定すればよい。
【００３３】
ここで、比較例として、仮に、ステージ台３０が湾曲機構３０ａを備えない場合について考える。この場合、ステージ台３０の平面上に設置された被加工物９０１（図１２参照）に対して、レーザビーム１２ｃで切断加工を行うことになる。このとき、被加工物９０１がレーザビーム１２ｃによる温度変化によって溶融（および蒸発）し凝固して、加工面同士が付着する再溶着と呼ばれる現象が生じることがある（図１３参照）。この再溶着による加工面の接着力が強いため、被加工物９０１を任意形状に分断することが困難になる。特に、この傾向は、レーザ発振器１１により基本波パルスレーザを発生させる場合において顕著になる。
【００３４】
それに対して、実施の形態１では、ステージ台３０が湾曲機構３０ａを備える。そして、湾曲機構３０ａにより曲げられた状態の被加工物１へレーザビーム１２ｃを集光して、被加工物１とレーザ光軸とを相対的に移動することによって分割加工を行う（図３、図４参照）。これにより、曲げられていない状態の被加工物１の場合（図１２参照）と比較して、再溶着の発生を低減できる（図５参照）。
【００３５】
次に、再溶着の発生および抑制メカニズムについて説明する。
【００３６】
比較例では、図１２に示すように、曲げていない平坦な被加工物９０１の表面９０１ａに対し、レーザビーム１２ｃを照射した場合、レーザ照射による温度上昇により溶融した被加工物９０１の一部が加工断面上から排出されずに留まり、再凝固することによって、加工部分には再溶着部分９０３が発生する。
【００３７】
比較例の方法で実際に切断加工を行った際の加工断面に対して顕微鏡観察した結果を図１３に示す。図１３に示す加工断面では、再溶着部分９０３が観察されている。また、再溶着部分９０３によると考えられる、穴９０７や溶融して固まった白色部分９０８なども存在する。
【００３８】
それに対し、実施の形態１では、図３に示すように、湾曲機構３０ａにより凸形状に変形させた被加工物１の表面１ａに対し、レーザビーム１２ｃを照射してレーザアブレーションの効果により切断加工を行う。凸形状に変形させた被加工物１における加工部分が被加工物１の裏面１ｂに達すると、すなわちレーザアブレーションが被加工物１の裏面１ｂ側まで到達すると、図４に示すように被加工物１は被加工物１０１及び被加工物１０２へ分離（分割）される。
【００３９】
具体的には、図３に示す分離直前における、凸形状に変形された被加工物１には、曲げ応力が働いている。この曲げ応力により、被加工物１における加工部分が被加工物１の裏面１ｂに達すると、図４に示すように、レーザ切断加工後の被加工物１０１及び被加工物１０２は、破線の位置から、太線の矢印で示す方向へ移動し、曲がらなくなる。すなわち、曲げ応力が開放される。
【００４０】
この移動により、レーザ切断加工後の被加工物１０１及び被加工物１０２の間の間隔Ｄ２は、分離直前の間隔Ｄ１よりさらに広がったものとなる。例えば、１辺が２００ｍｍの被加工物を５°曲げたと仮定した場合、レーザ切断加工後の被加工物１０１及び被加工物１０２の間隔Ｄ２は、間隔Ｄ１より約０．７６ｍｍだけさらに広がったものとなる。
【００４１】
これにより、分割された被加工物１０１、１０２の加工面同士の間隔を広く確保でき、レーザアブレーションによって飛散した溶融物による加工断面への付着を抑制でき、被加工物１の一部による加工断面への再溶着の発生を防ぐことできる。すなわち、レーザビームのビームパターンに依存せずに、再溶着の発生を回避することが可能である。したがって、切断部での安定したレーザによる切断分離が可能である。
【００４２】
実施の形態１の方法で実際に切断加工を行った際の加工断面に対して顕微鏡観察した結果を図５に示す。レーザ切断の加工条件には、照射ビーム径だけでなく、平均出力、パルス繰り返し周波数、ステージ速度があり、図５は図１３と等しい条件で加工している。
【００４３】
図５に示す加工断面では、図１３で観察されたような再溶着部分９０３が観察されない。そのため、図１３で観察された穴９０７や溶融して固まった白色部分９０８なども存在しない。すなわち、再溶着のない加工断面９が得られている。
【００４４】
また、実施の形態１の方法は、被加工物１が光起電力装置である場合において、上記と同様の効果に加えて、次のような効果を奏する。
【００４５】
図２に示すように、光起電力装置１は、湾曲機構３０ａを備えたステージ台３０に、光起電力装置１の一方の主面（例えば裏面１ｂ）を接触させて真空吸引等により固定される。そして、光起電力装置１を湾曲面３０ａ１に沿うように曲げるため、発電の効率に関わる光起電力装置１の表面１ｂのテクスチャ構造に損傷を与えることなく、再溶着を抑制しながら分離することができる。
【００４６】
光起電力装置１には、発電の高効率化および電力を取り出すために、表面（受光面）１ａの電極が形成された位置に対応する裏面１ｂの位置にも導電性のある裏面電極および裏面電解層などの構造を形成している。光起電力装置１は、裏面１ｂ側に、裏面電極に被われているＢＳＦ（Ｂａｃｋ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｅｌｄ）層をさらに備えている。
【００４７】
従来の光起電力装置では、レーザ切断時に溶融した電極同士が接着すると特性が落ちるため、電極部にあらかじめ間隔を設けているため、ＢＳＦ層を形成可能な範囲が限られている。
【００４８】
それに対して、実施の形態１では、再溶着を抑制した加工を行うことが可能となるため、光起電力装置１の裏面１ｂ側の切断部にも裏面電極やＢＳＦ層等の構造を形成したまま分断でき、裏面電極作成時に形成されるＢＳＦの面積を大きくとることが可能となる。
【００４９】
以上のように、実施の形態１では、湾曲機構３０ａにより分割予定線ＤＬに沿って破壊応力未満の応力で曲げられた状態の被加工物１に対してレーザビーム１２ｃを集光し、被加工物１とレーザ光軸とを相対的に移動することによって、被加工物１の切断分離（分割加工）を行う。これにより、レーザアブレーションが被加工物１の裏面１ｂ側まで到達した瞬間、すなわち被加工物１が複数の被加工物１０１、１０２へ分割される瞬間における複数の被加工物１０１、１０２の間隔を広く確保することができるので、飛散した溶融物の加工断面への再付着を抑制できる。すなわち、脆性材料で形成された被加工物１をレーザビームのビームパターンによらずに安定して分割加工できる。
【００５０】
また、初期コスト・ランニングコストを低くでき、信頼性の高い基本波レーザを使用した場合でも、再溶着を抑制でき、安定したレーザ切断加工を実施することが可能となる。
【００５１】
また、実施の形態１では、被加工物１にレーザビーム１２ｃが照射される前に、被加工物１が分割予定線ＤＬに沿って曲げられるように、被加工物１をステージ台３０の湾曲面３０ａ１に吸着させる。これにより、湾曲面３０ａ１で被加工物１を支えながら被加工物１を固定できるので、被加工物１の表面１ａに損傷を与えることを低減でき、再溶着を抑制しながら分離（分割）することができる。
【００５２】
また、実施の形態１では、被加工物１が、例えば光起電力装置である。光起電力装置は湾曲機構を備えたステージ台の上に、光起電力装置の一方の主面（例えば、裏面）を接触させて真空吸引等により固定され、湾曲面３０ａ１に沿うように曲げる。このため、発電の効率に関わる光起電力装置の表面のテクスチャ構造に損傷を与えることを低減でき、再溶着を抑制しながら分離（分割）することができる。また、光起電力装置を表面（受光面）側から再溶着が生じない加工を行うことが可能となるため、光起電力装置１の裏面１ｂ側の切断部にも裏面電極やＢＳＦ層等の構造を形成したまま分断でき、裏面電極作成時に形成されるＢＳＦの面積を大きくとることが可能となる。
【００５３】
なお、ステージ台２３０は、図６に示すような湾曲機構２３０ａを備えても良い。湾曲機構２３０ａは、固定されるべき被加工物１を分割予定線ＤＬに沿って例えば凹形状などに曲げる。その後に、被加工物１の分割予定線ＤＬ上にレーザビーム１２ｃが照射される。例えば、湾曲機構２３０ａは、被加工物１が固定されるべき湾曲面２３０ａ１を含む。湾曲面２３０ａ１は、分割予定線ＤＬに対応した中心部が凹形状になるように湾曲している。ステージ台２３０の湾曲面２３０ａ１における凹形状の傾きは、被加工物１を曲げた際に、被加工物１が割れないように被加工物１に発生する応力が破壊応力未満となるように予め決定されている。
【００５４】
そして、ステージ台２３０の湾曲面２３０ａ１には、被加工物１の表面（レーザ入射面）１ａと反対側の面を接触させて吸着機構３０ａ２の真空吸引等により被加工物１が固定される。被加工物１は、湾曲面２３０ａ１に沿うようにして分割予定線ＤＬに沿って曲げられる。このとき、被加工物１を面全体で保持するため、応力の集中を抑制することができる。このため、被加工物１の表面１ａに損傷を与えずに分割加工を行うことができる。
【００５５】
また、レーザアブレーションが被加工物１の裏面１ｂ側まで到達した瞬間、すなわち被加工物１が複数の被加工物１０１、１０２へ分割される瞬間における複数の被加工物１０１、１０２の間隔Ｄ２（図４参照）を図７に示す分割直前の間隔Ｄ３より広く確保することができるので、飛散した溶融物の加工断面への再付着を抑制できる。
【００５６】
実施の形態２．
次に、実施の形態２にかかる分割加工方法について説明する。以下では、実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。
【００５７】
図８に示すように、ステージ台３３０は、湾曲機構３０ａ（図２参照）に代えて、湾曲機構３３０ａを備える。湾曲機構３３０ａは、平面３３０ａ１、吸着機構３０ａ２、及び２つの部材３３０ａ３−１、３３０ａ３−２を有する。平面３３０ａ１は、被加工物１が載置されるべき面である。２つの部材３３０ａ３−１、３３０ａ３−２は、平面３３０ａ１上で被加工物１の分割予定線ＤＬと平行な位置に設置する、被加工物１を曲げるための移動可能な冶具である。２つの部材３３０ａ３−１、３３０ａ３−２は、分割予定線ＤＬに垂直な方向に移動可能である。
【００５８】
本実施の形態２においても、被加工物１に対しレーザビーム１２ｃを分割予定線ＤＬに沿って（すなわち、太線の矢印で示す方向に）相対的に走査させる。これにより、被加工物１を分割予定線ＤＬに沿って切断する加工を行う。
【００５９】
実施の形態１では、被加工物１をステージ台３０の湾曲面３０ａ１に吸着して曲げるので、被加工物１の曲げ形状はステージ台３０の湾曲面３０ａ１の形状に依存することになる。このため、曲げ形状を変えることが困難である。この場合、被加工物１の材質および形状によっては、すなわち被加工物１の材質および形状に想定外のものが用いられた場合に、被加工物に亀裂が入るほどの曲げ応力が発生し、被加工物を破損する場合がある。
【００６０】
そこで、実施の形態２では、被加工物１に対する湾曲機構３３０ａは、２つの部材３３０ａ３−１、３３０ａ３−２を分割予定線ＤＬに垂直な方向に移動させて、被加工物１の曲げ形状を変える。例えば、２つの部材３３０ａ３−１、３３０ａ３−２（冶具）を平面３３０ａ１上における分割予定線ＤＬ近傍かつ平行な位置に設置する。そして、２つの部材３３０ａ３−１、３３０ａ３−２（冶具）のさらに上へ、被加工物１を設置し、吸着機構３０ａ２により吸着させることで被加工物１を凸形状に曲げる。
【００６１】
このように、実施の形態２では、被加工物１にレーザビーム１２ｃが照射される前に、被加工物１が破壊応力未満の応力で曲げられるように、２つの部材３３０ａ３−１、３３０ａ３−２を移動させるとともに被加工物１を２つの部材３３０ａ３−１、３３０ａ３−２を介して平面３３０ａ１に固定する。すなわち、２つの部材３３０ａ３−１、３３０ａ３−２（冶具）は、平面３３０ａ１と一体ではなく移動可能なため、設置位置に自由度がある。このため、ステージ台３３０の形状に依存することなく、被加工物１の材質および形状に想定外のものが用いられた場合でも、被加工物１が破損するほどの曲げ応力を発生させずに被加工物１を曲げることが可能である。
【００６２】
なお、２つの部材３３０ａ３−１、３３０ａ３−２は、図９に示すような位置に移動させても良い。例えば、２つの部材３３０ａ３−１、３３０ａ３−２（冶具）を平面３３０ａ１上における分割予定線ＤＬから離間した位置かつ平行な位置に設置する。２つの部材３３０ａ３−１、３３０ａ３−２は、例えば、分割予定線ＤＬと垂直な方向における被加工物１の両端近傍における分割予定線ＤＬに平行な位置に設置する。そして、２つの部材３３０ａ３−１、３３０ａ３−２（冶具）のさらに上へ、被加工物１を設置し、吸着機構３０ａ２により吸着させることで被加工物１を凹形状に曲げる。この場合でも、２つの部材３３０ａ３−１、３３０ａ３−２（冶具）は、平面３３０ａ１と一体ではなく移動可能なため、設置位置に自由度がある。このため、ステージ台３３０の形状に依存することなく、被加工物１の材質および形状に想定外のものが用いられた場合でも、被加工物１が破損するほどの曲げ応力を発生させずに被加工物１を曲げることが可能である。
【００６３】
実施の形態３．
次に、実施の形態３にかかる分割加工方法について説明する。以下では、実施の形態２と異なる部分を中心に説明する。
【００６４】
実施の形態３では、湾曲機構３３０ａにより曲げられた状態の被加工物１に対するレーザビーム１２ｃの相対的な走査を複数回実施する。
【００６５】
例えば、被加工物１に対するレーザビーム１２ｃの相対的な走査回数が１回目では、図１０に示すように、被加工物１の表面１ａに浅い溝１ｃを形成する。
【００６６】
そして、被加工物１に対するレーザビーム１２ｃの相対的な走査回数が複数回目では、図１１に示すように、被加工物１の表面１ａから裏面１ｂまで達する切断部１ｄを形成する。
【００６７】
実施の形態２では、湾曲機構３３０ａにより曲げられた状態の被加工物１に対するレーザビーム１２ｃの相対的な走査回数が１回の走査で、被加工物１に対してレーザによる切断加工を行う。すると、被加工物１を曲げた状態で加工しているため、レーザ切断加工の途中でレーザ加工部分を起点として亀裂が発生して破損する可能性がある。
【００６８】
そこで、実施の形態３では、図１０に示すように曲げられた状態の被加工物１に対するレーザビームの相対的な走査回数の１回目の走査で、分割予定線ＤＬ（図８参照）上に浅い溝１ｃの加工を行う。そして、図１１に示すように、１回目の走査で形成された浅い溝１ｃに対してさらにレーザビームを走査させ、複数回目の走査で被加工物１の表面１ａから裏面１ｂまで達する切断部１ｄを形成する切断加工をおこなう。
【００６９】
このように、湾曲機構３３０ａにより曲げられた状態の被加工物１に対して徐々に浅い溝１ｃの深さを増加させるレーザ切断加工を行うことで、安定して正確な加工形状に切断することが可能になる。
【００７０】
なお、図１０と図１１とでは被加工物１に対する湾曲機構３３０ａがステージ台３３０と被加工物１を曲げるために移動可能な冶具との組み合わせであったが、被加工物１をステージ台３３０の湾曲面に吸着することで曲げる湾曲機構でも同様の効果を奏する。
【００７１】
また、レーザ走査１回目の溝加工においては、被加工物を曲げた状態でも分離されないため、加工条件によっては加工断面が再溶着する可能性がある。そこで、再溶着の発生の抑制のために、照射ビーム径だけでなく、平均出力、パルス繰り返し周波数、ステージ速度を調節する。特にパルスエネルギー密度が高いとき、またはステージ走査速度が速いほど、再溶着の発生を抑制することができる。
【００７２】
例えば、脆性材料がシリコンの場合、レーザビーム楕円形状１：２〜１：７、平均出力１０Ｗ〜４０Ｗ、パルス繰り返し周波数４０ｋＨｚ以下、ステージ速度２００ｍｍ／ｓ以上の条件で完全に再溶着の発生を防ぐことができる。
【００７３】
そのため、上記の条件で１回目の走査による溝加工を行い、加工断面の再溶着を防止することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
以上のように、本発明にかかる分割加工方法は、レーザビームによる切断加工に有用である。
【符号の説明】
【００７５】
１ 被加工物
１ａ レーザ入射面
１ｂ 被加工物の裏面
１ｃ 浅い溝
１ｄ 切断部
９ 再溶着のない加工断面
１１ レーザ発振器
１２ レーザビーム
１２ａ 成形されたレーザビーム、
１２ｃ 集光後のレーザビーム
１３ ビーム調整光学系
１４ 加工部
１５ 導光ミラー
１７ 集光レンズ
１８ 駆動部
３０、２３０、３３０ ステージ台
３０ａ、２３０ａ、３３０ａ 湾曲機構
３０ａ１、２３０ａ１ 湾曲面
３０ａ２ 吸着機構
１００ レーザ照射装置
１０１、１０２ レーザ切断加工後の被加工物
３３０ａ１ 平面
３３０ａ３−１、３３０ａ３−２ 部材
９０１ 平面上に設置された被加工物
９０１ａ 被加工物９０１の表面
９０３ 再溶着部分
９０７ 穴
９０８ 再溶着して固まった白色部分
ＤＬ 分割予定線
Ｄ１、Ｄ３ 分離直前の間隔
Ｄ２ 被加工物１０１及び被加工物１０２の間の間隔
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分割加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、半導体ウエーハのレーザ加工方法において、パルスレーザ光線の集光スポットを楕円形にし、楕円形の集光スポットにおける長軸を半導体ウエーハの分割予定ラインに位置づけ、半導体ウエーハと集光スポットを相対的に加工送りすることで分割予定ラインに沿って半導体ウエーハを切断することが記載されている。これにより、特許文献１によれば、レーザ光線のエネルギー分布が短軸側より長軸側でなだらかになり、レーザ光線の照射により溶融して発生したデブリが、なだらかに変化するエネルギー分布の接線方向に沿うように飛散し排出されるので、既に加工したレーザ加工溝に堆積することはないとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４４４００３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一方、シリコンなどの脆性材料で形成された被加工物を分割するためにレーザによる切断加工をおこなう際に、被加工物がレーザビームによる温度変化によって溶融し凝固して、加工面同士が付着する再溶着と呼ばれる現象が生じることがある。この再溶着による加工面の接着力が強いため、被加工物を任意形状に分断することが困難になる。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、脆性材料で形成された被加工物をレーザビームのビームパターンによらずに安定して分割加工できる分割加工方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかわる脆性材料の分割加工方法は、脆性材料で形成された被加工物に対しレーザビームを相対的に走査して局部的に溶融し蒸発させることでレーザアブレーションの効果により、前記被加工物を分割する分割加工方法において、湾曲機構を備えたステージ台に、前記被加工物が分割予定線に沿って破壊応力未満の応力で前記湾曲機構により曲げられるように、前記被加工物を固定する固定ステップと、前記湾曲機構により曲げられた前記被加工物の前記分割予定線に沿ってレーザビームを相対的に走査させる切断ステップとを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、レーザアブレーションが被加工物の裏側まで到達し、被加工物が複数の被加工物へ分割される。分離前は、被加工物には曲げ応力が働いており、切断された際に曲げ応力が開放される。複数の被加工物の間隔を広く確保することができるので、飛散した溶融物の加工断面への再付着を抑制できる。すなわち、脆性材料で形成された被加工物をレーザビームのビームパターンによらずに安定して分割加工できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、実施の形態１による脆性材料の分割加工方法におけるレーザ照射工程の構成を示す図である。
【図２】図２は、実施の形態１における凸形状に変形した被加工物へのレーザ切断加工方法を示す図である。
【図３】図３は、実施の形態１における凸形状に変形した被加工物へのレーザ切断加工時の様子を示す図である。
【図４】図４は、実施の形態１における凸形状に変形した被加工物へのレーザ切断加工後の様子を示す図である。
【図５】図５は、実施の形態１におけるレーザ切断加工の加工断面を示す顕微鏡写真である。
【図６】図６は、実施の形態１における凹形状に変形した被加工物へのレーザ切断加工方法を示す図である。
【図７】図７は、実施の形態１における凹形状に変形した被加工物へのレーザ切断加工時の様子を示す図である。
【図８】図８は、実施の形態２における被加工物に対する湾曲機構が、平面ステージ台と、被加工物を曲げるための移動可能な冶具で構成され、凸形状に変形した被加工物へのレーザ切断加工方法を示す図である。
【図９】図９は、実施の形態２における被加工物に対する湾曲機構が、平面ステージ台と、被加工物を曲げるための移動可能な冶具で構成され、凹形状に変形した被加工物へのレーザ切断加工方法を示す図である。
【図１０】図１０は、実施の形態３における曲げた状態の被加工物に対するレーザビームの相対的な走査回数が1回目での溝加工の加工結果の断面形状を示す図である。
【図１１】図１１は、実施の形態３における曲げた状態の被加工物に対するレーザビームの相対的な走査回数が複数回目での切断加工の加工結果の断面形状を示す図である。
【図１２】図１２は、比較例となるレーザビーム照射による脆性材料の分割加工方法において、平坦な被加工物へのレーザ切断加工を示す図である。
【図１３】図１３は、比較例によるレーザ切断加工の加工断面を示す顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、本発明にかかる分割加工方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１０】
実施の形態１．
実施の形態１にかかる分割加工方法について説明する。
【００１１】
実施の形態１にかかる分割加工方法では、図１に示すレーザ照射装置１００を用いて、被加工物１を分割予定線ＤＬに沿って分割する加工を行う。すなわち、被加工物１が加工部１４における、後述する湾曲機構３０ａを備えたステージ台３０に固定される。そして、被加工物１に対しレーザビーム１２を分割予定線ＤＬに沿って相対的に走査して局部的に溶融し蒸発させることにより、被加工物１を分割予定線ＤＬに沿って分割する。
【００１２】
具体的には、レーザ発振器１１は、ビーム調整光学系１３へ向けて、レーザビーム１２を出射させる。レーザ発振器１１から出射されるレーザビーム１２のビームパターンは、例えば、真円である。
【００１３】
ビーム調整光学系１３は、出射されたレーザビーム１２に対して、ビーム径の大きさの調整やビーム形状の成形をおこなう。ビーム調整光学系１３において、ビーム径の大きさを調整する光学系は、例えば、凹レンズと凸レンズの組み合わせで形成される。楕円ビームなどのビーム成形をおこなう光学系は、例えば、シリンドリカルレンズ、プリズム、回折光学素子を使用することができる。
【００１４】
ビーム調整光学系１３は、ビームパターンが例えば楕円に成形されたレーザビーム１２ａを導光ミラー１５へ導く。レーザビーム１２ａのビームパターンを楕円に成形する場合、ビーム調整光学系１３は、集光後のレーザビーム１２ｃの楕円形状の長径方向がレーザビーム１２ｃの走査方向（すなわち、分割予定線ＤＬに沿った方向）に平行で、楕円形状の短径方向がレーザビーム１２ｃの走査方向に垂直になるように、レーザビーム１２ａを成形することが好適である。
【００１５】
導光ミラー１５は、ビーム調整光学系１３により調整および成形されたレーザビーム１２ａを反射して集光レンズ１７へ導く。
【００１６】
集光レンズ１７は、レーザビーム１２ａを、ステージ台３０（図２参照）に固定された被加工物１のレーザビーム入射面における分割予定線ＤＬ上に集光後のレーザビーム１２ｃとして集光する。
【００１７】
駆動部１８は、分割予定線ＤＬ上に集光後のレーザビーム１２ｃが照射された状態で、被加工物１に対しレーザビーム１２ｃを分割予定線ＤＬに沿って（すなわち、太線の矢印で示す方向に）相対的に走査させる。これにより、被加工物１を分割予定線ＤＬに沿って切断する加工を行う。このとき、駆動部１８は、例えば、導光ミラー１５の傾き角度とステージ台３０のＸＹ位置との一方を固定させた状態で他方を変えてもよいし、両方を変えてもよい。
【００１８】
なお、導光ミラー１５の傾き角度を変えることで被加工物１に対するレーザビーム１２ｃの相対的な走査を行う場合、導光ミラー１５は、ガルバノミラー、ポリゴンミラー等であってもよい。
【００１９】
加工部１４では、被加工物１を分割予定線ＤＬに沿って例えば凸形状などに曲げ、被加工物１を曲げた状態で、被加工物１の分割予定線ＤＬ上にレーザビーム１２ｃを照射して切断加工をおこなう。
【００２０】
すなわち、加工部１４は、湾曲機構３０ａを備えたステージ台３０を有する。ステージ台３０には、被加工物１にレーザビーム１２ｃが照射される前に、予め被加工物１が固定されている。このとき、湾曲機構３０ａは、固定されるべき被加工物１を分割予定線ＤＬに沿って例えば凸形状などに曲げる。その後に、被加工物１の分割予定線ＤＬ上にレーザビーム１２ｃが照射される。
【００２１】
なお、被加工物１は、脆性材料で形成されている。被加工物１は例えば半導体基板を含む光起電力装置（例えば、太陽電池セル）であり、脆性材料は例えば半導体基板に用いられるシリコンやセラミックスなどがある。
【００２２】
また、レーザ発振器１１は、被加工物１に吸収される波長を有するパルスレーザであり、例えば波長１μｍ程度もしくはそれ以下の、パルス固体レーザやパルスファイバーレーザの基本波、高調波を用いることができる。レーザ発振器１１として用いるパルスレーザは、連続発振（ＣＷ：Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）のレーザに比べて、時間的に集中してエネルギーを照射することができる。このことから、局所的により深い加工をおこなうことが可能である。このとき、高調波の波長を有するレーザに比べて、基本波パルスレーザの発振器を用いるほうが、産業分野で適応するにはランニングコストや信頼性の面でよい。
【００２３】
また、分割溝や切断幅を狭くして、レンズ高さ方向の余裕度を確保するために、レーザの横モードはシングルモード近傍が望ましい。
【００２４】
また、被加工物１を分割するための切断加工を、レーザビームでおこなえば、機械的加工などのその他の加工方法よりも加工速度が速いため、生産性を向上させることができる。
【００２５】
また、光起電力装置をレーザビームで切断加工すれば、ダイサーで加工する場合に必要であった切削水が不要となる。
【００２６】
また、光起電力装置に含まれる半導体基板は、例えば、一方の主面（例えば、表面）にＰＮ接合層が形成された厚さ１００〜３００μｍ程度のＰ型シリコン基板である。これ以外にも、光起電力装置は、Ｎ型シリコン基板などを含む単結晶または多結晶の結晶系太陽電池であってもよいし、薄膜シリコン型などの薄膜系太陽電池であってもよい。
【００２７】
次に、加工部１４におけるステージ台３０に備えられた湾曲機構３０ａについて図２を用いて説明する。図２は、湾曲機構３０ａにより被加工物１を凸形状に変形させた状態で、被加工物１へレーザビーム１２ｃを照射して被加工物１の切断加工を行っている途中の状態を示している。
【００２８】
図２に示すように、湾曲機構３０ａは、被加工物１が固定されるべき湾曲面３０ａ１を含む。湾曲面３０ａ１は、分割予定線ＤＬに対応した中心部が凸形状になるように湾曲している。また、湾曲機構３０ａは、吸着機構３０ａ２も含む。
【００２９】
ステージ台３０の湾曲面３０ａ１には、被加工物１の表面（レーザ入射面）１ａと反対側の面を接触させて吸着機構３０ａ２の真空吸引等により被加工物１が固定される。被加工物１は、湾曲面３０ａ１に沿うようにして分割予定線ＤＬに沿って曲げられる。このとき、被加工物１を面全体で保持するため、応力の集中を抑制することができる。このため、被加工物１の表面１ａに損傷を与えずに分割加工を行うことができる。
【００３０】
なお、ステージ台３０の湾曲面３０ａ１における凸形状の傾きは、被加工物１を曲げた際に、被加工物１が割れないように被加工物１に発生する応力が破壊応力未満となるように予め決定されている。また、ステージ台３０の分割予定線ＤＬに対応した中央部には、溝３０ｂが設けられていても良い。
【００３１】
また、被加工物１に対するレーザビーム１２ｃの走査速度は、レーザビーム１２ｃのパルス繰返し周波数、平均出力及び要求するレーザ加工深さに応じて調整される。
【００３２】
また、被加工物１に対するレーザビーム１２ｃの走査は、複数回行っても良く、それに応じてレーザビーム１２ｃの平均出力を設定すればよい。
【００３３】
ここで、比較例として、仮に、ステージ台３０が湾曲機構３０ａを備えない場合について考える。この場合、ステージ台３０の平面上に設置された被加工物９０１（図１２参照）に対して、レーザビーム１２ｃで切断加工を行うことになる。このとき、被加工物９０１がレーザビーム１２ｃによる温度変化によって溶融（および蒸発）し凝固して、加工面同士が付着する再溶着と呼ばれる現象が生じることがある（図１３参照）。この再溶着による加工面の接着力が強いため、被加工物９０１を任意形状に分断することが困難になる。特に、この傾向は、レーザ発振器１１により基本波パルスレーザを発生させる場合において顕著になる。
【００３４】
それに対して、実施の形態１では、ステージ台３０が湾曲機構３０ａを備える。そして、湾曲機構３０ａにより曲げられた状態の被加工物１へレーザビーム１２ｃを集光して、被加工物１とレーザ光軸とを相対的に移動することによって分割加工を行う（図３、図４参照）。これにより、曲げられていない状態の被加工物１の場合（図１２参照）と比較して、再溶着の発生を低減できる（図５参照）。
【００３５】
次に、再溶着の発生および抑制メカニズムについて説明する。
【００３６】
比較例では、図１２に示すように、曲げていない平坦な被加工物９０１の表面９０１ａに対し、レーザビーム１２ｃを照射した場合、レーザ照射による温度上昇により溶融した被加工物９０１の一部が加工断面上から排出されずに留まり、再凝固することによって、加工部分には再溶着部分９０３が発生する。
【００３７】
比較例の方法で実際に切断加工を行った際の加工断面に対して顕微鏡観察した結果を図１３に示す。図１３に示す加工断面では、再溶着部分９０３が観察されている。また、再溶着部分９０３によると考えられる、穴９０７や溶融して固まった白色部分９０８なども存在する。
【００３８】
それに対し、実施の形態１では、図３に示すように、湾曲機構３０ａにより凸形状に変形させた被加工物１の表面１ａに対し、レーザビーム１２ｃを照射してレーザアブレーションの効果により切断加工を行う。凸形状に変形させた被加工物１における加工部分が被加工物１の裏面１ｂに達すると、すなわちレーザアブレーションが被加工物１の裏面１ｂ側まで到達すると、図４に示すように被加工物１は被加工物１０１及び被加工物１０２へ分離（分割）される。
【００３９】
具体的には、図３に示す分離直前における、凸形状に変形された被加工物１には、曲げ応力が働いている。この曲げ応力により、被加工物１における加工部分が被加工物１の裏面１ｂに達すると、図４に示すように、レーザ切断加工後の被加工物１０１及び被加工物１０２は、破線の位置から、太線の矢印で示す方向へ移動し、曲がらなくなる。すなわち、曲げ応力が開放される。
【００４０】
この移動により、レーザ切断加工後の被加工物１０１及び被加工物１０２の間の間隔Ｄ２は、分離直前の間隔Ｄ１よりさらに広がったものとなる。例えば、１辺が２００ｍｍの被加工物を５°曲げたと仮定した場合、レーザ切断加工後の被加工物１０１及び被加工物１０２の間隔Ｄ２は、間隔Ｄ１より約０．７６ｍｍだけさらに広がったものとなる。
【００４１】
これにより、分割された被加工物１０１、１０２の加工面同士の間隔を広く確保でき、レーザアブレーションによって飛散した溶融物による加工断面への付着を抑制でき、被加工物１の一部による加工断面への再溶着の発生を防ぐことできる。すなわち、レーザビームのビームパターンに依存せずに、再溶着の発生を回避することが可能である。したがって、切断部での安定したレーザによる切断分離が可能である。
【００４２】
実施の形態１の方法で実際に切断加工を行った際の加工断面に対して顕微鏡観察した結果を図５に示す。レーザ切断の加工条件には、照射ビーム径だけでなく、平均出力、パルス繰り返し周波数、ステージ速度があり、図５は図１３と等しい条件で加工している。
【００４３】
図５に示す加工断面では、図１３で観察されたような再溶着部分９０３が観察されない。そのため、図１３で観察された穴９０７や溶融して固まった白色部分９０８なども存在しない。すなわち、再溶着のない加工断面９が得られている。
【００４４】
また、実施の形態１の方法は、被加工物１が光起電力装置である場合において、上記と同様の効果に加えて、次のような効果を奏する。
【００４５】
図２に示すように、光起電力装置１は、湾曲機構３０ａを備えたステージ台３０に、光起電力装置１の一方の主面（例えば裏面１ｂ）を接触させて真空吸引等により固定される。そして、光起電力装置１を湾曲面３０ａ１に沿うように曲げるため、発電の効率に関わる光起電力装置１の表面１ｂのテクスチャ構造に損傷を与えることなく、再溶着を抑制しながら分離することができる。
【００４６】
光起電力装置１には、発電の高効率化および電力を取り出すために、表面（受光面）１ａの電極が形成された位置に対応する裏面１ｂの位置にも導電性のある裏面電極および裏面電解層などの構造を形成している。光起電力装置１は、裏面１ｂ側に、裏面電極に被われているＢＳＦ（Ｂａｃｋ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｅｌｄ）層をさらに備えている。
【００４７】
従来の光起電力装置では、レーザ切断時に溶融した電極同士が接着すると特性が落ちるため、電極部にあらかじめ間隔を設けているため、ＢＳＦ層を形成可能な範囲が限られている。
【００４８】
それに対して、実施の形態１では、再溶着を抑制した加工を行うことが可能となるため、光起電力装置１の裏面１ｂ側の切断部にも裏面電極やＢＳＦ層等の構造を形成したまま分断でき、裏面電極作成時に形成されるＢＳＦの面積を大きくとることが可能となる。
【００４９】
以上のように、実施の形態１では、湾曲機構３０ａにより分割予定線ＤＬに沿って破壊応力未満の応力で曲げられた状態の被加工物１に対してレーザビーム１２ｃを集光し、被加工物１とレーザ光軸とを相対的に移動することによって、被加工物１の切断分離（分割加工）を行う。これにより、レーザアブレーションが被加工物１の裏面１ｂ側まで到達した瞬間、すなわち被加工物１が複数の被加工物１０１、１０２へ分割される瞬間における複数の被加工物１０１、１０２の間隔を広く確保することができるので、飛散した溶融物の加工断面への再付着を抑制できる。すなわち、脆性材料で形成された被加工物１をレーザビームのビームパターンによらずに安定して分割加工できる。
【００５０】
また、初期コスト・ランニングコストを低くでき、信頼性の高い基本波レーザを使用した場合でも、再溶着を抑制でき、安定したレーザ切断加工を実施することが可能となる。
【００５１】
また、実施の形態１では、被加工物１にレーザビーム１２ｃが照射される前に、被加工物１が分割予定線ＤＬに沿って曲げられるように、被加工物１をステージ台３０の湾曲面３０ａ１に吸着させる。これにより、湾曲面３０ａ１で被加工物１を支えながら被加工物１を固定できるので、被加工物１の表面１ａに損傷を与えることを低減でき、再溶着を抑制しながら分離（分割）することができる。
【００５２】
また、実施の形態１では、被加工物１が、例えば光起電力装置である。光起電力装置は湾曲機構を備えたステージ台の上に、光起電力装置の一方の主面（例えば、裏面）を接触させて真空吸引等により固定され、湾曲面３０ａ１に沿うように曲げる。このため、発電の効率に関わる光起電力装置の表面のテクスチャ構造に損傷を与えることを低減でき、再溶着を抑制しながら分離（分割）することができる。また、光起電力装置を表面（受光面）側から再溶着が生じない加工を行うことが可能となるため、光起電力装置１の裏面１ｂ側の切断部にも裏面電極やＢＳＦ層等の構造を形成したまま分断でき、裏面電極作成時に形成されるＢＳＦの面積を大きくとることが可能となる。
【００５３】
なお、ステージ台２３０は、図６に示すような湾曲機構２３０ａを備えても良い。湾曲機構２３０ａは、固定されるべき被加工物１を分割予定線ＤＬに沿って例えば凹形状などに曲げる。その後に、被加工物１の分割予定線ＤＬ上にレーザビーム１２ｃが照射される。例えば、湾曲機構２３０ａは、被加工物１が固定されるべき湾曲面２３０ａ１を含む。湾曲面２３０ａ１は、分割予定線ＤＬに対応した中心部が凹形状になるように湾曲している。ステージ台２３０の湾曲面２３０ａ１における凹形状の傾きは、被加工物１を曲げた際に、被加工物１が割れないように被加工物１に発生する応力が破壊応力未満となるように予め決定されている。
【００５４】
そして、ステージ台２３０の湾曲面２３０ａ１には、被加工物１の表面（レーザ入射面）１ａと反対側の面を接触させて吸着機構３０ａ２の真空吸引等により被加工物１が固定される。被加工物１は、湾曲面２３０ａ１に沿うようにして分割予定線ＤＬに沿って曲げられる。このとき、被加工物１を面全体で保持するため、応力の集中を抑制することができる。このため、被加工物１の表面１ａに損傷を与えずに分割加工を行うことができる。
【００５５】
また、レーザアブレーションが被加工物１の裏面１ｂ側まで到達した瞬間、すなわち被加工物１が複数の被加工物１０１、１０２へ分割される瞬間における複数の被加工物１０１、１０２の間隔Ｄ２（図４参照）を図７に示す分割直前の間隔Ｄ３より広く確保することができるので、飛散した溶融物の加工断面への再付着を抑制できる。
【００５６】
実施の形態２．
次に、実施の形態２にかかる分割加工方法について説明する。以下では、実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。
【００５７】
図８に示すように、ステージ台３３０は、湾曲機構３０ａ（図２参照）に代えて、湾曲機構３３０ａを備える。湾曲機構３３０ａは、平面３３０ａ１、吸着機構３０ａ２、及び２つの部材３３０ａ３−１、３３０ａ３−２を有する。平面３３０ａ１は、被加工物１が載置されるべき面である。２つの部材３３０ａ３−１、３３０ａ３−２は、平面３３０ａ１上で被加工物１の分割予定線ＤＬと平行な位置に設置する、被加工物１を曲げるための移動可能な冶具である。２つの部材３３０ａ３−１、３３０ａ３−２は、分割予定線ＤＬに垂直な方向に移動可能である。
【００５８】
本実施の形態２においても、被加工物１に対しレーザビーム１２ｃを分割予定線ＤＬに沿って（すなわち、太線の矢印で示す方向に）相対的に走査させる。これにより、被加工物１を分割予定線ＤＬに沿って切断する加工を行う。
【００５９】
実施の形態１では、被加工物１をステージ台３０の湾曲面３０ａ１に吸着して曲げるので、被加工物１の曲げ形状はステージ台３０の湾曲面３０ａ１の形状に依存することになる。このため、曲げ形状を変えることが困難である。この場合、被加工物１の材質および形状によっては、すなわち被加工物１の材質および形状に想定外のものが用いられた場合に、被加工物に亀裂が入るほどの曲げ応力が発生し、被加工物を破損する場合がある。
【００６０】
そこで、実施の形態２では、被加工物１に対する湾曲機構３３０ａは、２つの部材３３０ａ３−１、３３０ａ３−２を分割予定線ＤＬに垂直な方向に移動させて、被加工物１の曲げ形状を変える。例えば、２つの部材３３０ａ３−１、３３０ａ３−２（冶具）を平面３３０ａ１上における分割予定線ＤＬ近傍かつ平行な位置に設置する。そして、２つの部材３３０ａ３−１、３３０ａ３−２（冶具）のさらに上へ、被加工物１を設置し、吸着機構３０ａ２により吸着させることで被加工物１を凸形状に曲げる。
【００６１】
このように、実施の形態２では、被加工物１にレーザビーム１２ｃが照射される前に、被加工物１が破壊応力未満の応力で曲げられるように、２つの部材３３０ａ３−１、３３０ａ３−２を移動させるとともに被加工物１を２つの部材３３０ａ３−１、３３０ａ３−２を介して平面３３０ａ１に固定する。すなわち、２つの部材３３０ａ３−１、３３０ａ３−２（冶具）は、平面３３０ａ１と一体ではなく移動可能なため、設置位置に自由度がある。このため、ステージ台３３０の形状に依存することなく、被加工物１の材質および形状に想定外のものが用いられた場合でも、被加工物１が破損するほどの曲げ応力を発生させずに被加工物１を曲げることが可能である。
【００６２】
なお、２つの部材３３０ａ３−１、３３０ａ３−２は、図９に示すような位置に移動させても良い。例えば、２つの部材３３０ａ３−１、３３０ａ３−２（冶具）を平面３３０ａ１上における分割予定線ＤＬから離間した位置かつ平行な位置に設置する。２つの部材３３０ａ３−１、３３０ａ３−２は、例えば、分割予定線ＤＬと垂直な方向における被加工物１の両端近傍における分割予定線ＤＬに平行な位置に設置する。そして、２つの部材３３０ａ３−１、３３０ａ３−２（冶具）のさらに上へ、被加工物１を設置し、吸着機構３０ａ２により吸着させることで被加工物１を凹形状に曲げる。この場合でも、２つの部材３３０ａ３−１、３３０ａ３−２（冶具）は、平面３３０ａ１と一体ではなく移動可能なため、設置位置に自由度がある。このため、ステージ台３３０の形状に依存することなく、被加工物１の材質および形状に想定外のものが用いられた場合でも、被加工物１が破損するほどの曲げ応力を発生させずに被加工物１を曲げることが可能である。
【００６３】
実施の形態３．
次に、実施の形態３にかかる分割加工方法について説明する。以下では、実施の形態２と異なる部分を中心に説明する。
【００６４】
実施の形態３では、湾曲機構３３０ａにより曲げられた状態の被加工物１に対するレーザビーム１２ｃの相対的な走査を複数回実施する。
【００６５】
例えば、被加工物１に対するレーザビーム１２ｃの相対的な走査回数が１回目では、図１０に示すように、被加工物１の表面１ａに浅い溝１ｃを形成する。
【００６６】
そして、被加工物１に対するレーザビーム１２ｃの相対的な走査回数が複数回目では、図１１に示すように、被加工物１の表面１ａから裏面１ｂまで達する切断部１ｄを形成する。
【００６７】
実施の形態２では、湾曲機構３３０ａにより曲げられた状態の被加工物１に対するレーザビーム１２ｃの相対的な走査回数が１回の走査で、被加工物１に対してレーザによる切断加工を行う。すると、被加工物１を曲げた状態で加工しているため、レーザ切断加工の途中でレーザ加工部分を起点として亀裂が発生して破損する可能性がある。
【００６８】
そこで、実施の形態３では、図１０に示すように曲げられた状態の被加工物１に対するレーザビームの相対的な走査回数の１回目の走査で、分割予定線ＤＬ（図８参照）上に浅い溝１ｃの加工を行う。そして、図１１に示すように、１回目の走査で形成された浅い溝１ｃに対してさらにレーザビームを走査させ、複数回目の走査で被加工物１の表面１ａから裏面１ｂまで達する切断部１ｄを形成する切断加工をおこなう。
【００６９】
このように、湾曲機構３３０ａにより曲げられた状態の被加工物１に対して徐々に浅い溝１ｃの深さを増加させるレーザ切断加工を行うことで、安定して正確な加工形状に切断することが可能になる。
【００７０】
なお、図１０と図１１とでは被加工物１に対する湾曲機構３３０ａがステージ台３３０と被加工物１を曲げるために移動可能な冶具との組み合わせであったが、被加工物１をステージ台３３０の湾曲面に吸着することで曲げる湾曲機構でも同様の効果を奏する。
【００７１】
また、レーザ走査１回目の溝加工においては、被加工物を曲げた状態でも分離されないため、加工条件によっては加工断面が再溶着する可能性がある。そこで、再溶着の発生の抑制のために、照射ビーム径だけでなく、平均出力、パルス繰り返し周波数、ステージ速度を調節する。特にパルスエネルギー密度が高いとき、またはステージ走査速度が速いほど、再溶着の発生を抑制することができる。
【００７２】
例えば、脆性材料がシリコンの場合、レーザビーム楕円形状１：２〜１：７、平均出力１０Ｗ〜４０Ｗ、パルス繰り返し周波数４０ｋＨｚ以下、ステージ速度２００ｍｍ／ｓ以上の条件で完全に再溶着の発生を防ぐことができる。
【００７３】
そのため、上記の条件で１回目の走査による溝加工を行い、加工断面の再溶着を防止することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
以上のように、本発明にかかる分割加工方法は、レーザビームによる切断加工に有用である。
【符号の説明】
【００７５】
１ 被加工物
１ａ レーザ入射面
１ｂ 被加工物の裏面
１ｃ 浅い溝
１ｄ 切断部
９ 再溶着のない加工断面
１１ レーザ発振器
１２ レーザビーム
１２ａ 成形されたレーザビーム、
１２ｃ 集光後のレーザビーム
１３ ビーム調整光学系
１４ 加工部
１５ 導光ミラー
１７ 集光レンズ
１８ 駆動部
３０、２３０、３３０ ステージ台
３０ａ、２３０ａ、３３０ａ 湾曲機構
３０ａ１、２３０ａ１ 湾曲面
３０ａ２ 吸着機構
１００ レーザ照射装置
１０１、１０２ レーザ切断加工後の被加工物
３３０ａ１ 平面
３３０ａ３−１、３３０ａ３−２ 部材
９０１ 平面上に設置された被加工物
９０１ａ 被加工物９０１の表面
９０３ 再溶着部分
９０７ 穴
９０８ 再溶着して固まった白色部分
ＤＬ 分割予定線
Ｄ１、Ｄ３ 分離直前の間隔
Ｄ２ 被加工物１０１及び被加工物１０２の間の間隔
【特許請求の範囲】
【請求項１】
脆性材料で形成された被加工物に対しレーザビームを相対的に走査して局部的に溶融し蒸発させることにより、前記被加工物を分割する分割加工方法において、
湾曲機構を備えたステージ台に、前記被加工物が分割予定線に沿って破壊応力未満の応力で前記湾曲機構により曲げられるように、前記被加工物を固定する固定ステップと、
前記湾曲機構により曲げられた前記被加工物の前記分割予定線に沿ってレーザビームを相対的に走査させる切断ステップと、
を備えたことを特徴とする分割加工方法。
【請求項２】
前記湾曲機構は、前記被加工物が固定されるべき湾曲面を含み、
前記固定ステップでは、前記被加工物が曲げられるように、前記被加工物を前記湾曲面に吸着させる
ことを特徴とする請求項１に記載の分割加工方法。
【請求項３】
前記湾曲機構は、
前記被加工物が載置されるべき平面と、
前記平面における前記分割予定線の両側で平行となる位置に配され、前記分割予定線に垂直な方向に移動可能な２つの部材と、
を含み、
前記固定ステップでは、前記被加工物が破壊応力未満の応力で曲げられるように、前記２つの部材を移動させるとともに前記被加工物を前記２つの部材を介して前記平面に固定する
ことを特徴とする請求項１に記載の分割加工方法。
【請求項４】
前記切断ステップでは、前記分割予定線に沿ってレーザビームを相対的に走査させる動作を複数回行う
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の分割加工方法。
【請求項５】
前記被加工物は、光起電力装置である
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の分割加工方法。
【請求項１】
脆性材料で形成された被加工物に対しレーザビームを相対的に走査して局部的に溶融し蒸発させることにより、前記被加工物を分割する分割加工方法において、
湾曲機構を備えたステージ台に、前記被加工物が分割予定線に沿って破壊応力未満の応力で前記湾曲機構により曲げられるように、前記被加工物を固定する固定ステップと、
前記湾曲機構により曲げられた前記被加工物の前記分割予定線に沿ってレーザビームを相対的に走査させる切断ステップと、
を備えたことを特徴とする分割加工方法。
【請求項２】
前記湾曲機構は、前記被加工物が固定されるべき湾曲面を含み、
前記固定ステップでは、前記被加工物が曲げられるように、前記被加工物を前記湾曲面に吸着させる
ことを特徴とする請求項１に記載の分割加工方法。
【請求項３】
前記湾曲機構は、
前記被加工物が載置されるべき平面と、
前記平面における前記分割予定線の両側で平行となる位置に配され、前記分割予定線に垂直な方向に移動可能な２つの部材と、
を含み、
前記固定ステップでは、前記被加工物が破壊応力未満の応力で曲げられるように、前記２つの部材を移動させるとともに前記被加工物を前記２つの部材を介して前記平面に固定する
ことを特徴とする請求項１に記載の分割加工方法。
【請求項４】
前記切断ステップでは、前記分割予定線に沿ってレーザビームを相対的に走査させる動作を複数回行う
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の分割加工方法。
【請求項５】
前記被加工物は、光起電力装置である
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の分割加工方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図５】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図５】
【図１３】
【公開番号】特開２０１３−１４０１６（Ｐ２０１３−１４０１６Ａ）
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４６４３３（Ｐ２０１１−１４６４３３）
【出願日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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