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(2) 山田 ・大 礒 ・細川 ・上 田:パ. ル スYAGレ. ー ザ に よ るSiウ. エ ハ の 割 断機 構 に 関 す る 研 究. り,両 出 力 の 比 を 求 め る こ とで 測 定 温 度 が 得 られ る, 3.実 3.1実. 験. 方. 法. 図3に は,一 定 温 度 に加 熱 したSiウ エ ハ 研 磨 面 を用 い て 行 っ. 験 装置. た 校 正 実 験 の 結 果 を 示 す.実 験 結 果 は 理 論 的 に 求 め られ る 感 度. 図2に 実 験 装 置 の 概 略 を,表1に. 実 験 条 件 を 示 す.加 工 物 は. 曲 線6)と よ く一 致 し て お り,お よ そ150℃ 以 上 の 温 度 を 精 度 よ. φ5イ ン チ のSiウ エ ハ か ら図 に示 す よ う に,き 裂 の 進 展 方 位. く測 定 で き る.ま た,本 温 度 計 の 応 答 速 度 は,増 幅 回 路 の 周 波. が 〈01丁〉 と な る よ う に切 り出 して 用 い,照. 数 特 性 が 支 配 的 で あ る が,約100kHzま. 射 開始 点 には ビ ッ. カ ー ス 圧 子 を押 込 ん で 初 期 き裂 を 導 入 して い る.加 工 物 の研 磨 面(Ra‑20nm)にNd:YAGレ. ー ザ を10pulse/sで. パ ルス照射 し. なが ら,〈011〉方 向 に加 工 物 を一 定速度Vで 移 動 させ て割 断加. で フ ラ ッ トな 利 得 が 得. ら れ て お り5),本 実 験 に十 分 な 速 さ を持 っ て い る. 3.3AE測. 定 装置. 図2に 示 す よ う に,加 工 物 上 に は 割 断 部 か ら5mmの. 位置に. 工 を行 っ て い る.な お,レ ー ザ 光 の エ ネ ル ギ ー 分 布 を測 定 した. AEセ. 結 果5》,次 式 で 表 さ れ る ガ ウ ス 分 布 を して お り,本 実 験 の 照 射. し て い る.照 射 部 温 度 と同 時 に 測 定 す る こ と に よ り,き 裂 進 展 に 及 ぼ す 照 射 温 度 の 影 響 を調 べ る こ とが 出 来 る,使 用 し たAE. 位 置 で の ス ポ ッ ト半 径wは. 約0.9mmで. あ る.. ンサ ー を 取 り付 け て お り,割 断 加 工 中 の き裂 進 展 を 監 視. 測 定 シ ス テ ム は 表1に 示 す. 〓(1). 4.実 こ こ で,Q:レ 3.2温. ー ザ 出 力,r:中. 心 か ら の 距 離 を 示 す,. 4.1レ. 度測 定 装置. 4.1.1測. レー ザ 光 照 射 部 の 温 度 を測 定 す る た め,筆 者 らの 開発 した 光 フ ァ イ バ 型2色. 温 度 計5)を 用 い て い る.温. 度 計 の光 フ ァイバ. は,加 工 物 が 移 動 し て も常 に フ ァ イ バ 中 心 軸 が 照 射 部 中 心 に 一 致 す る よ う 固 定 さ れ て お り,そ の 距 離 はt=5mmに. 設定 してい. る.実 験 で 使 用 し た 光 フ ァ イ バ は コ ア 径300μm,受. 光 角2ξ. =48° のTe系 カ ル コ ゲ ナ イ ドフ ァ イ バ で あ る .こ の フ ァ イ バ は. 験. 結. 果. ー ザ光 照射 部 の温度 定 波 形 と加 工 温 度. 図4に 割 断 加 工 中 の 温 度 測 定 波 形 例 を示 す.図4(a)はInSb素 子 出 力,(b)はMCT素. 子 出 力 を そ れ ぞ れ 示 して い る.図3の. 校. 正 曲 線 を参 照 して 両 出 力 の比 を 温 度 に換 算 した 結 果,図. 中A. に お い て 温 度 θA=410℃,Bに. おい. お い て 温 度 θB=370℃,Cに. て は 温 度 θC=420℃ と加 工 物 の 両 端 に お い て 温 度 が 高 くな っ て. レー ザ 光 が 光 フ ァ イ. い る.そ こ で 本 実 験 で は ,安 定 した き裂 進 展 が 行 わ れ て い る 加 工 物 中央部 の温度 θ ,を 加 工 温 度 と し て 評 価 す る こ と に す る. 図4(b)に お け る パ ル ス 波 形Bを 拡 大 して 示 し た の が 図5で. バ を介 して 温 度 計 に 入 射 し,温 度 測 定 結 果 に影 響 を 及 ぼ す こ と. あ る.測 定 波 形 は レ ー ザ 光 照 射 開 始 と ほ ぼ 同 時 に 上 昇 し,照 射. お よ そ3μmよ. り短 い 波 長 の の 赤 外 線 を透 過 し な い こ とか ら,. 照 射 面 に お い て 反 射 し た 波 長1.06μmの. は な い.. 終 了 後,約20msで. レー ザ 照 射 部 か ら輻 射 さ れ る赤 外 線 は 光 フ ァイ バ に よっ て 受 光,伝 送 さ れ積 層 型 光 電 変 換 素 子 に よ っ て 電 気 信 号 に 変 換 され る.積 層 型 素 子 はMCT(HgCdTe)素. 子 上 にInSbが. Fig.2. Schematic. 照 射 前 の 温 度 に低 下 して い る.し た が っ て ,. レ ー ザ 照 射 間 隔 が100msで し た 後,次. 製膜 され てお. illustration. of experimental. setup in cleaving. process Table. Fig.3. 1862精. Calibration. 密 工 学 会 誌Vol. results. of two-color. .67,No.11,2001. あ る こ と か ら,温 度 が 十 分 に 低 下. の 照 射 が 行 わ れ て い る こ とが わ か る.. pyrometer. with laser 1 Experimental. conditions.
(3) 山 田 ・大 礒 ・細 川 ・上田:パ. ル スYAGレ. Fig.S. Fig.4 Typical output waves of two-color pyrometer in cleaving process of Si wafer 4,1.2き. 裂進 展 の臨界 温度. 送 り速 度 をV=3.33mmlsと ワ ーQを. 4.2加 した 条 件 下 で レー ザ の ピ ー ク パ. 変 化 し た場 合 の 加 工 温 度 を 図6に. Detailed. picture. エ ハ の 割 断 機 構 に 関 す る研 究. of output wave from MCT. pyrometer. 工精 度. 前 節 の 結 果 か ら,照 射 部 の 温 度 は,加 工 条 件 に依 存 す る 臨 界. に お い て,. 温 度 以 上 に 上 昇 させ な け れ ば,き 裂 を進 展 させ 割 断 を行 う こ と. 断出 来 た場合 には 白ヌ キ記号. が で きな い こ と が わ か っ た.し か し加 工 温 度 の 上 昇 は 損 傷 を増. を,割 断 で き な か っ た 場 合 に は 黒 塗 り記 号 を 用 い て 割 断 加 工 の. 大 させ 加 工 精 度 を 低 下 させ て し ま う恐 れ が あ る.そ こ で,レ ー. 可 否 を示 して い る.図. ザ 光 の 照 射 面 と加 工 に よっ て 得 られ た 割 断 面 に お け る加 工 損 傷. γは レー ザ 照 射 時 間 で あ り,割. に お い て,同. 示 す.図. ー ザ に よ るSiウ. じQに 対 して も,照 射 条. 件 で 加 工 温 度 に 大 きな 差 を生 じて い る.こ の た め,Qが て も加 工 温 度 が 低 い と き割 断 は 行 わ れ ず,逆. にQが. 大きく 小 さ くて. を 評 価 して み る. 4.2.1レ. ーザ照射 面 の加 工損 傷. も加 工 温 度 が 高 く な る と確 実 に 割 断 が 行 わ れ て い る.そ の 境 界. 図8は,加. 工 後 の 割 断 部 を レ ーザ 光 照 射 面 か ら観 察 した 例 で. と な る 温 度 が 明 確 に現 れ て お り,こ こで は 割 断 の 臨 界 加 工 温 度. あ る.図8(a)で. θ 、,と呼 ぶ こ と に す る.図6で. レー ザ 出 力 を低 くす る こ と で,図8(b)に 示 す よ う に 照 射 痕 を残. 上 の 温 度 に な れ ば100%割 図7は. はBR≒250℃. で あ り,こ れ 以. 断 が 行 え る こ と が わ か る.. 送 り速 度 をV=6.66mm/sと. て い る.お い る.vが. 径rD)が. 観 察 さ れ る が,. さず に 割 断 す る こ とが で きる.照 射 面 に 照 射 痕 が 残 っ た 場 合,. 大 き く した 場 合 で あ る が,. この と き も割 断 の 可 否 の 境 界 と な る 臨 界 加 工 温 度B. は 等 間 隔 の 照 射 痕(半. Rが 存 在 し. よ そ,B. R=300℃ と図6の 場 合 よ り も高 く な っ て 大 き く な る と,レ ー ザ照 射 点 か ら き裂 先 端 まで の 距. Siは 熱 損 傷 を 受 け て い る と考 え ら れ る の で,こ バ イ ス を作 製 す る こ とが で き な い.す. の 部分 に はデ. な わ ち ,照 射 痕 の 直 径. 2rDが 照 射 面 にお け る 加 工 しろ と み な せ る. レ ーザ 出 力 が よ り高 い 条 件 で は,照 射 面 に 割 断 に は 不 要 な き. 離 が 大 き くな り,き 裂 進 展 に 必 要 と され る 熱 応 力 を生 じ る に は. 裂 が 発 生 し,欠 け を生 ず る 場 合 も観 察 さ れ た.こ の 種 の 損 傷 に. 照 射 点 を よ り高 温 に加 熱 す る必 要 が あ る た め で あ る.こ の よ う. つ い て は4.3に お い て 後 述 す る.. に,割 断 の 臨 界 加 工 温 度 は 一 定 で は な く加 工 条 件 に よっ て 変 化 す る こ と が わ か る.. Fig.6 Temperature of Si wafer in cleaving process (V=3.33 mm/s). Fig.7 Temperature of Si wafer in cleaving process (V=6.66 mm/s). Fig.8 Photograph of cleaved edge on irradiated surface of workpiece (V=3.33 m/s, T=2.0 ms). Fig.9 Photograph of cleaved surface of workpiece (V=3.33 m/s, T=2.0 ms). 精 密 工 学 会 誌Vol.67,No.11,2001. 1863.
(4) 山 田 ・大礒 ・細川 ・上田:パ ルスYAGレ 4.2.2割. ーザ によるSiウ エハ の割断機構 に関す る研究. 断 面の 加工損 傷. 図9は,割. 割 断 面 の あ ら さ を触 針 式 あ ら さ計 で 測 定 した 結 果 を図10に. 断 面 を観 察 し た例 で あ る.図(a),(b)い. ずれ の場 合. 示 す.レ ー ザ 出 力 が(a)215Wと. 小 さ い場 合 に は 割 断 面 の あ ら さ. も,割 断 面 に は き裂 の 進 展 を 表 す 規 則 的 な縞 模 様 が 観 察 で き. 曲 線 は 規 則 的 な 凹 凸 形 状 と な り,あ ら さ が 小 さ い.一 方,レ ー. る.縞. ザ 出 力(b)449Wの. 模 様 の 間 隔 は レー ザ 照 射 点 間 隔L=V/fに. 等 し く,レ ー. ザ の パ ル ス照 射 ご とに き裂 が 伝 播 と停 止 を繰 り返 して い る こ と が 確 か め ら れ る.ま た 図9(a)に お い て は,照 射 面 に お け る 損 傷 が 大 き く,割. 断 面 に ま で そ の 影 響 が 現 れ て い る.. 場 合 に は あ ら さ曲 線 は 不 規 則 な形 状 と な り,. あ ら さ も 大 き く な っ て い る. 4.2.3加 工 温 度 と損 傷 の 関 係 一 定 の 送 り速 度Vの 下 ,レ ー ザ 出 力Qお. よ び パ ル ス 幅 τを. 変 化 させ て 実 験 を行 い,加 工 温 度 と レ ー ザ 照 射 面 に お け る 照 射 痕 半 径rDと の 関係 を 求 め た.実 験 結 果 を 図11に 実 線 はrDの 上 限 を 示 し て い る.図. 示 す.図 中 の. か ら明 らか な よ う に,温 度. が 上 昇 す る に した が い 照 射 痕 は 大 き く な る と と も に ば らつ きが 増 大 す る 傾 向 に あ る. 図12に,割 す.図. 断 面 に お け る あ ら さRaと 加 工 温 度 と の 関 係 を 示. 中 の 実 線 はRaの. 上 限 を 示 して い る.図11と. 同 様,加 工. 温 度 の 上 昇 に と も な い 割 断 面 の あ ら さRaが 大 き く な る と と も に ば らつ きが 増 大 す る こ とが わ か る.以 上 の 結 果 か ら,安 定 し た 精 度 よ い 割 断 加 工 を行 うた め に は,加 工 温 度 の 上 昇 を抑 制 す Fig.10 Profile of cleaved surface of workpiece (V=3.33 mm/s, T=2.0 ms). る こ とが 極 め て 重 要 で あ る と い え る.. 4.3AE波. 観測 に よ る き裂 発生 の監 視. き裂 の 進 展 時 に発 生 す るAE波 過 程 を 調 べ て み た.図13に,レ 表 例 を 示 す.図(8)は,き い 場 合 のAE波. を観測 す る ことに よって加 工 ー ザ 照 射 時 のAE波. 裂 が 進 展 せ ず,ウ. 観 測 の代. エ ハ を 割 断 し得 な. 形 で あ る.パ ル ス レ ー ザ 照 射 に と もな う 熱 衝 撃. に よ る ノ イ ズ 程 度 の 低 いAE出 力 しか 観 察 で き な い. 一方 ,き 裂 が 進 展 す る 場 合 に は,同 図(b),(c)に 示 す よ う に, 高 い 出 力 が 観 察 さ れ る.図(b)で 図(a)と 同 条 件 で あ るが,主. は,加. 工 物 送 り速 度V以. 外は. き裂が 進展 す る際 に高 い ピー クを. 有 す る 出 力 が 発 生 して い る.ま た,レ ー ザ 出 力 が 大 きい 場 合 に は,図(c)に Fig.11. Relationship. between. and temperature. damages. on irradiated. surface. of workpiece. 示 す よ う に 照 射 中,及. び 照 射 後 の 冷 却 中 に波 形 が. 見 ら れ る. 図14に,き. 裂 が 進 展 した 場 合 のAE波. 観 察 例 に 対 応 す る照. 射 部 の 写 真 を示 す(撮 影 方 向 は 図8と 同 じ).図14(a)か か な よ う に,レ ー ザ 照 射 中 に の みAE波. ら明 ら. 形が観 測 される場 合 に. は,照 射 痕 が 残 る もの の 照 射 部 に 副 き裂 は 発 生 して い な い.一 方,照. 射 後 に もAE波. 形 が 観 測 され た 図14(b)に お い て は,照. 射 部 を囲 む よ う に 副 き裂(ラ テ ラ ル き裂)が 発 生 し て 照 射 面 に は 欠 けが 生 じて い る.以 上 の 結 果 か ら,割 断 を 行 う た め の 主 き 裂 は レ ー ザ 照 射 中 に 進 展 し,副 き裂 に と もな う 欠 け の 発 生 は 照 射 後 の 冷 却 中 に発 生 して い る と考 え る こ とが 出 来 る.こ の こ と か ら,レ ー ザ 照 射 後 の 冷 却 時 にAE波. が発 生 しない加 工条件 を. 選 ぶ こ とで,照 射 部 の 欠 け の 発 生 を抑 制 で きる と 考 え られ る. Fig.12. Relationship temperature. between. roughness. of cleaved. surface and. of workpiece. FIg.13 Acoustic emission observed during laser irradiation (r3.0. 1864精. 密 工 学 会 誌Vol,67,No.11,2001. ms).
(5) 山 田 ・大 礒 ・細 川 ・上 田:パ. るAE波. ル スYAGレ. ー ザ に よ るSiウ. エハの割断機構 に関する研究. は 副 き裂 の 発 生 を表 し て い る と結 論 づ け る こ と が で き. る. な お,こ れ ら き裂 発 生 の 機 構 に つ い て は,今 後,破 壊 力 学 を 適 用 して 詳 細 に 検 討 す る こ と に して い る. 5.緒. Siウエ ハ にパ ル スYAGレ. 言. ーザ を照 射 す る こ とに よ り割 断加. 工 を行 い,加 工条 件 と照射 部温 度 の関係,及 び加 工損 傷 に及 ぼ す 影響 につ い て検討 した.ま たAE波 を観測 して主 き裂や 副 き 裂発 生 メ カニズ ムにつ いて調べ て みた.以 下 に本論 文で得 られ た結果 を示 す, (1)安. 定 して き裂 を 進 展 さ せ,割 断 を行 う こ とが で きる 照. 射 部 臨 界 温 度 θ,,が 存 在 す る.本 V=3.33mm/sに θ=300℃ (2)BQを. Ffg.14 Photograph of irradiated area of workpiece. 研 究 の場 合 加 工 速度. お い てθcr=250℃,V=6.66mmlsに. お いて. で あ っ た.. 少 し越 え る 加 工 条 件 を 選 ぶ こ とで,レ. ーザ 痕が. 照 射 面 に残 らず,か つ 割 断 面 の 良 好 な加 工 を 行 う こ と.が. (tt=3.0 ms). で き る.し か し,BQを. 大 き く越 え る 条 件 で は.照 射 痕. 径 や 割 断 面 あ ら さは 大 き く な り,そ の ば ら つ き も増 大 す る.. (3)AE波 の観察 結果 か ら,加 工 を行 う主 き裂 は レーザ 光照 射 中 に進展 し,照射部 の 欠け の原 因 とな る副 き裂は照 射 後の 冷却 中 に発 生 す る.. 謝 本 研 究 の 一 部 は,平 (奨 励 研 究(A),課. 辞. 成12,13年. 度 文部 省科 学研 究費 補助 金. 題 番 号12750095)に. よ る もの で あ る こ と を. 記 し て お 礼 申 し上 げ ます.. Fig.15. Relationship. between. feed. rate. and. time. when. AE. 参 考 文 献. is observed. (Q=567W,ƒÑ=3.0. ms). 1)沖 山 俊 裕:レ. ー ザ 割 断,精. 2)た と え ば,今 井 康 文,森 そ こ で,レ ー ザ 照 射 開 始 時 か ら主 き裂 発 生 ま で の 時 間 を 箱, 副 き裂 発 生 ま で の 時 間 をT2と 定 義 し(図13参 力Qと. レー ザ 照 射 点 間 隔Lを. 照),レ. ーザ出. 変 化 させ た 場 合 の 影 響 に つ い て. 調 べ た 結 果 を 図15に. 示 す.同. 増 大 に と もな い,主. き裂 発 生 時 間 鱈 が 大 き くな っ て い る こ と. が わ か る.Lが. 図 か ら,レ. ー ザ 照 射 点 間 隔Lの. 大 き くな る と,き 裂 先 端 と照 射 点 の 距 離 が 長 く. な り,き 列 を 進 展 さ せ る 熱 応 力 が 作 用 す る ま で の 時 間 が 長 く な っ た と考 え られ る.こ の 結 果 は,送 り速 度Vが 大 き く な る と, き裂 進展 の た め の 臨 界 温 度Baが に 一 致 す る.一. 方,冷. 上 昇 す る とい う図6,7の 結 果. 却 中 の き裂 発 生 時 間T2は,照. 射点 聞隔. Lに 関 係 な くほ ぼ 一 定 と な っ て お り,主 き裂 先 端 と照 射 点 の 距 離 に 関係 な く発 生 して い る こ と が わ か る.し た が っ て,加 熱 時 に 発 生 す るAE波. 密 工 学 会 誌,60,2(1994)196.. 田 英 毅,高 瀬 徹,古. 賀 博 之:ぜ い. 性 材 料 の 熱 応 力 に よ る 割 断 加 工 の 可 能 性,日. 本 機 会学 会. 論 文 集,ss,509,A(1989)2764. 3)黒 部 利 次,松 本 貴 宏:液 用 基 板 ガ ラ ス のYAGレ. 晶 デ ィス プ レ イ(STN方 ー ザ に よ る 割 断,精. 式)表 示. 密 工 学 会 誌,. 63,7(1997)1018. 4)黒 部 利 次,野. 口 通 一,松. 本 貴 宏:YAGレ. コ ン ウ エ ハ の 精 密 割 断,精 5)上 田 隆 司,山. 田 啓 司,古. ーザ に よる シ リ. 密 工 学 会 誌,62,1(1996)95.. 本 達 明:YAGレ. 治 療 に 関 す る 研 究(第1報),精. ーザ に よる歯科. 密 工 学 会 誌,66,1(2㎜). 1388. 6)上 田 隆 司,入. 山 孝 宏,杉. シ ュ 温 度 測 定,精. 田 忠 彰:レ. ーザ照 射部 の フ ラ ッ. 密 工 学 会 誌,61,2(1995)278.. は 主 き 裂 の 進 展 を表 し,冷 却 時 に発 生 して い. 精 密 工 学 会 話Vol.67,No.11,2001. 1865.
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