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(2) 山田 ・西 岡 ・細 川 ・上 田:パ ル スYAGレ. Table. 1 Experimental. conditions. in cleavine. process. ―ザ に よ る脆 性 材 料 の 割断 加 工. ら上 昇 し,照 射 終 了 時 に 最 高 値 に 達 し て い る.こ れ ら 両 素 子 の 出 力 の 比 を と り,図2の 校 正 曲 線 か ら照 射 部 温 度 を得 る こ とが で き る. 図4は,パ 合 のAE測. ル ス 幅 τ=3.0ms,レ ー ザ 照 射 点 間 隔L=1.0mmの 定 波 形 で あ る.レ ー ザ ピー ク 出 力 がP=110Wと. 場 合 に は き 裂 は 進 展 せ ず,図(a)に. 示 す よ うに,AE波. 確 な 出 力 は 見 られ な い.一 方,図(b)のP=567Wの. 場 低い. 形 に も明. 場 合 に は良. 好 な 割 断 加 工 が 行 わ れ る.レ ー ザ 照 射 開 始 か ら の 時 間T=1.1ms に お い て 大 き なAE出 力 が 観 測 され て お り,こ の と き き 裂 が 進 展 した こ と が わ か る,次 章 の 熱 応 力 解 析 に お い て も,き 裂 進 展 時(t=1.1ms)の 4(b)と. 応 力 分 布 に つ い て 扱 う も の とす る.ま た,図. 同 条 件 下 に お け る 照 射 点 温 度 は,レ. ー ザ 照射 終 了時. T=3msで ス ポ ッ トの 平 均 温 度0が400℃,ス θ0は 約600℃ 射 点 移 動 の 過 程 が 繰 り返 しな が ら,照 射 点 に 追 従 し て き 裂 が 進 展 し,加 工 物 の 割 断 に 至 る.図 中 のSは,き. 裂 が 進 展 を停 止 し. た と き の き 裂 先 端 と レー ザ 照 射 点 と の 距 離 で あ る.今 回 の 実 験 で は,割 断 ラ イ ン は 片 持 ち 支 持 した 加 工 物 の 自 由 端 か ら10mm. で あ る8).き 裂 進 展 時(T=1.1ms)の. ポ ッ ト中 心 温 度 照射 部 温度. は,次 章 の 解 析 に よ っ て 求 め て い る. 2.3き. 裂進 展部 の詳 細. 図5に,割. 断 加 工 後 の レー ザ 照 射 面 お よ び 割 断 面 の 観 察 例. を 示 す.図(a)で. は 割 断 さ れ た エ ッ ジ 部 を 照 射 面 側 か ら観 察 し. の 位 置 で,照 射 開 始 位 置 に は ビ ッカ ー ス 圧 子 に よ っ て 初 期 き 裂 を 導 入 して い る. 割 断 加 工 中,光 フ ァ イ バ 型2色 温 度 計8)‑11)を用 い て,レ ー ザ 照 射 点 の 温 度 を測 定 して い る.図1(a)に. 示 す よ う に,温 度 計 は. カ ル コ ゲ ナ イ ド光 フ ァイ バ,集 光 レ ン ズ お よ び 積 層 型2色 素 子 (InSb・nMCT)か. ら構 成 され て い る.図2に. 果 の よ う に,150℃. 以 上 の 温 度 を 精 度 よ く測 定 で き,応 答 速 度. は 約100kHzと. 示す 校正 実験 結. 本 実 験 に 十 分 な 速 さ を 有 し て い る11).ま た,照. 射 ラ イ ン か ら5mmの. 位 置 にAEセ. ン サ を 設 置 し,割 断 加 工 中 の. き 裂 進 展 を 監 視 し て い る.Si固 体 中 の 音 速 は お よ そ8400m/sと 非 常 に 高 速 な の で12),き 裂 部 で 発 生 したAE波. が セ ンサ に 到 達. す る 時 間 は約0.6μsと 短 い.し た が っ て,き 裂 進 展 と ほ ぼ 同 時 にAE波 2.2加. は 観 測 され る. 工 部 温 度.AE波. 観 測結 果. Siウ エ ハ を レー ザ 割 断 加 工 し た 際 の,温 度 測 定 波 形 の 一 例 を 図3に. 示 す.図(a)がInSb素. 子 か らの 出 力 で,図(b)はMCT. Fig.4 AE signals. during. laser irradiation. in cleaving. of Si wafer. 素 子 か らの 出 力 で あ る.両 素 子 と も に 出 力 は レー ザ 照 射 開 始 か. (a)lrradiated surface(b)Fracture surface Fig.5 Photographs of silicon wafer cleaved with laser (P=328W, t=2.5ms, V=6.66mm/s) Fig.2 Calibration. results of two-color. pyrometer. (a)Procedure to observe Fig.3 Output waves of pyrometer in cleaving with pulsed laser (P=450W, f=10Hz, V=3.33mm/s, r=3.0ms). Fig.6 Investigation. (b)crack tip on fracture surface (P=567W, t=3.0ms. V=10mm/s) of crack tip location. 精 密 工 学 会 誌vol.69,No.1,2003121.
(3) 山田 ・西 岡 ・細 川 ・上 田:パ ル スYAGレ. ―ザ に よ る脆 性 材 料の 割 断 加 工. て い る が,照 射 部 に は 熱 損 傷 が 原 因 の 照 射 痕 は 見 られ ず,直 線. 6030,要. 性 も優 れ て い る こ と が わ か る.図(b)に. 示 す 割 断 面 に は,レ ー. ま で 進 ん だ 場 合 に,レ ー ザ 照 射 時 の き裂 付 近 に お け る 応 力 分 布. 等 しい 間 隔 で 縞 模 様 が 見 られ,割 断 面. を 求 め る た め,長 辺 の 中 央 に は 長 さ5mmの き 裂 を 導 入 して い る,. ザ 照 射 点 間 隔L(=V/f)に あ ら さはRa=2.1μmで. あ る.. 素 数1880に. 分 割 して い る.割 断 加工 が 加工に 物中央に. こ の き 裂 先 端 か らs+L=1,28mmだ. レー ザ 照 射 され た 際 の き 裂 進 展 条 件 を 明 ら か と す る た め に. ポ ッ ト半 径:w=900μm)で. け 離 れ た 位 置 に ガ ウ ス 分 布(ス. 近 似 した レー ザ 光 を パ ル ス 照 射 す る.. は,き 裂 先 端 の 位 置 を 特 定 す る 必 要 が あ る.そ の た め に は,図. レー ザ 光 吸 収 率 αは,前 章 に お け る 測 定 温 度 と解 析 温 度 が 一 ・ 致. 1(b)に 示 したSを 調 べ,次 な る レー ザ 照 射 点 ま で の 距 離s+Lを. す る よ うに 決 定 した.な お,材 料 物 性 値 の 異 方 性 は 考 慮 して い. 明 ら か と しな け れ ば な らな い.そ こで,図6(a)に. な い.. 示 す よ うに,. 加工 物 中 央 部 で レー ザ割 断 加 工 を 止 め た 加工に 物 に外 力を負荷 し て 割 り,断 面 を 観 察 した.図6(b)に. は,ピ. パ ル ス 幅 τ=3・Oms,照 射 点 間 隔L=1.0mmの. ー ク出 力P=567W,. 条 件 下にお け る断面. 3.2温. 度 分 布 ・応 力 分 布. 図8に,解. 析 に よ っ て 求 め たSiウ. エ ハの 照射 面温度 分 布を. 示 す.先 在 す る き 裂 の 影 響 を 受 け る こ と な く,レ ー ザ ス ポ ッ ト. 観 察 例 を 示 す,レ ー ザ 割 断 が 行 わ れ た 箇 所 に は,断 続 的 な き 裂 進 展 を 示 す 一 定 間 隔Lの 縞 模 様 が あ る が,外 力 を 与 え て機 械 的 に割 られ た 箇 所 に は 縞 模 様 は 見 ら れ な い.図 か ら,レ ー ザ 照 射 点 と き 裂 先 端 の 間 の 距Sを を 行 っ た 結 果,き S=0,28mmで. 測 定 で き る.同 条 件 で5回 の 測 定. 裂 先 端 と レー ザ 照 射 点 の 距 離 は 平 均 で. あ っ た.し. た が っ て,上. 記 条件 で継 続 的 に割 断加. 工 が 行 わ れ る と き に は,照 射 点 か らs+L=1.28mmだ. け離 れ た位. 置 に 先端 の あ る き裂 が,レ ー ザ 照 射 に よ り生 ず る熱 応 力 の た め に進 展 す る こ と と な る, 3.熱 3.1解. 応 力 解 析. Fig.8 Temperature. distribution. in Si wafer cleaved. with laser (T=1.5ms). 析 モ デル. 熱 応 力解 析 に は 汎 用 構 造 解 析 プ ロ グ ラ ムMARCを 解 析 に 用 い たFEMモ. デ ル を 図7に,解. 使 用 した,. 析 条 件 を 表2に 示 す.実. 験 に 用 い た 加 工 物 と 同 じ く,外 寸10×20mm(0,5厚)の. モデ. ル が 一x方向 に送 られ な が ら割 断 加 工が 行 わ れ る と して い る,モ デ ル は,8節. 点 ア イ ソパ ラ メ トリ ッ ク 要 素 を 用 い て,節 Table 2 Conditions. in thermal. 点数. stress analysis. Fig.9 Temperature. history. at center. of laser spot. Fig.10 Thermal stress distribution in Si wafer cleaved with laser (T=1.5ms). Fig.7 Finite element. 122精. model. 密 工 学 会 誌Vol.69,No.1.2003. in thermal. stress analysis. Fig. 11 Distribution. of thermal. stress (71 in x-direction.
(4) 山 田 ・西 岡 ・細 川 ・上田:パ ル スYAGレ 中 心 に対 して 軸 対 称 な 温 度 分 布 と な っ て い る.. 横 軸 と し て 示 して い る.こ こで 図(C)に 示 すK1は,き. ス ポ ッ ト中 心 の 温 度 履 歴 を 図9に 示 す.図 か ら,レ ーザ 照 射 開 始 か ら の 時 間Tが 大 き くな る に した が い,レ ー ザ ス ポ ッ ト中 心 の温 度θ0は 上 昇 し,照 射 終 了 時 のT=3.0msに. お い て はθ0=600. ℃ に達 して い る. 図10に. ーザ に よ る脆 性 材 料 の 割 断加 工. ら の 距 離 がX=0.112mm,x=0.168mmの. を用 い て 算 出 した が,両 者 か ら求 め たK1の 値 に 差 は な か っ た. 図(a)に 示 すAE波 察 さ れ,き. は,き 裂 を 開 口 す る 方 向 の 応 力 σ の 分 布 図 を 示 す.. 形 か ら,T=1.1msに. 裂 が 進 展 す る.レ. お い て大 きな出力 が観. ー ザ が 照 射 さ れ る に と も な い,. レ ー ザ ス ポ ッ ト中心 温 度 θ0は上 昇 し,熱 応 力 が 増 大 す る た め,. レー ザ ス ポ ッ ト中 心 部 に は 圧 縮 応 力 が 働 き,そ の 周 辺 に は 引 張. き裂 先 端 のK1も. 応 力 場 が 存 在 して い る.図 か ら,ス ポ ッ ト中 心 か ら1.28mmの. て は,図(b)よ. 位 置 の 先 在 き裂 先 端 は 引 張 応 力 場 の 中 に あ る こ とが わ か る.. 達 して い る.圧 子 押 込 み に よ る 簡 便 法(IM試. 図11は,き. 裂 先 端 を原 点,き. 裂 進 展 方 向 をx軸. と した 場 合. 裂 先端 か. 二 節 点 に お け る 応 力 値σy. 大 き くな る.き 裂 が 進 展 す るT=1.1msに りθ0=約400℃,図(c)か. 実 験 材 料Siウ. エ ハ の 破 壊 靭 性 値Kcを. 験)16)17)によ っ て 測 定 し た 結 果,. の応 力 σ の 分 布 を グ ラ フ化 して 示 して い る.レ ー ザ 照 射 開 始 か. Kc・0・6MPa・m1/2で あ り,解 析 に よ り得 ら れ たT=1.1msに. らの 時 間Tが 大 き く な る に伴 っ て,発 生 す る 熱 応 力 が 増 大 す る. るK1の. 傾 向 に あ る.レ ー ザ ス ポ ッ ト中 心 部 で 圧 縮 応 力 は 最 大 と な り, 引 張 応 力 の 最 大 値 は き裂 先 端(x=0)に た,Tが. お い て 発 生 し て い る.ま. 変 化 して も,最 大 応 力 の 生 ず る 位 置 は 変 化 し な い こ と. 以 上 の 結 果 よ りT=1.1msに. 4.1応. 工 条 件 の検 討. して い る.パ. き裂 を有 す る 材 料 に 引 張 応 力 が 負 荷 され る と,き 裂 先 端 に 応. け る応 力 はσy=K1/(2πx)1/2と 表 す こ とが で きる15).そ. 上 にお こ で,熱. 応 力 解 析 結 果 を元 に,応 力 法 に よ っ て き裂 先 端 の 応 力 拡 大 係 数 K１を 求 め た. 図12は,き. き裂 先 端 のK1の. 力,レ. り,き 裂 進 展 後 も照 射 点 の 温 度 は 上 昇 して お り,. ー ザ ス ポ ッ ト中 心 温 度,. 変 化 で あ り,レ ー ザ 照 射 開 始 か ら の 時 間Tを. ル ス 幅 τを 大 き く設 定 しK1が. 上 昇 す る こ とで,. レー ザ 出 力 や 送 り速 度 の 変 動 に 対 して も安 定 した 割 断 加 工 が 可 能 と な る が,同. 時 に ウエ ハ へ の 熱 損 傷 も増 大 す る と考 え ら れ. る.し た が っ て,パ ル ス 幅 は き 裂 進 展 が 始 ま る1。1ms以 上 で あ れ ば 十 分 で あ る とい え る. 図13は,レ. 裂 進 展 時 のAE出. 裂 が 進 展 し た こ とが 解 析 的 に. 同 図(c)で は,照 射 終 了 時 に は ほ ぼK1・1.2MPa・m1/2に まで 増大. 力拡大 係数 の算 出. 力 集 中 が 起 こ る.前 章 で 定 義 し た 座 標 を 用 い れ ば,x軸. お い て き裂 先 端 の 応 力 拡 大 係 数. も確 め ら れ た と い え る.. 図12(b)よ. 4・ 割断 加工 条件 の検 討. おけ. 値 と よ く一 致 し て い る.. が 材 料 の 破 壊 靭 性 値 を越 え,き. 4.2加. が わ か る.. おい. らKl=0.65MPa・m1/2に. ー ザ ピ ー ク 出 力P=567W,送. 射 点 間 隔L=1.0mm)の と照 射 痕 半 径rDの. り速 度V=10mm/s(照. 条 件 下 で 割 断 加 工 した 際 の,パ 関 係 で あ る.図. ル ス幅 τ. 中,き 裂 が 進 展 し,正 常 に. 割 断 加 工 が 行 わ れ た 結 果 を 白 丸 で,き. 裂 が進展 せ ず に加工 が. 行 わ れ な か っ た 結 果 を黒 丸 で 表 し て い る.τが 増 大 と と も にSi ウ エ ハ の 照 射 さ れ る 時 間 は 長 くな り,照 射 面 に残 るrDは 増 大 す る傾 向 に あ る の で,熱 損 傷 を軽 減 す る とい う観 点 か ら は τが 小 さ い こ と が 望 ま しい.し か し,tiが1.lms以. 下 と小 さ い 場 合. に は,発 生 す る 熱 応 力 が 小 さ く,応 力 拡 大 係 数K1も. 破 壊靭 性. 値 を上 回 ら ない た め に き裂 が 進 展 しな い. した が っ て,τ は き裂 先 端 に お い てKI>Kcが が 進 展 す る 最 小 時 間(T=1.1ms)に レ ー ザ ピ ー ク 出 力P,照 (a)Acoustic emission observed. に き裂 先 端 のKIに. 成 り立 ち,き 裂. 設 定 さ れ る べ き で あ る.. 射 点 間 隔L(=V/f)に. 関 して も,同 様. つ い て 検 討 して,熱 損 傷 を 抑 制 した 最 適 な. 加 工 条 件 を 設 定 す る こ とが 可 能 で あ る.. (b)Analysed temperature at center of laser spot. Fig.12 Variation of temperature and stress intensity factor with time in cleaving of Si wafer with pulsed laser (P=567W, 2=3.0ms, L=lmm). Fig.13 Relation between pulse duration and thermal damages on irradiated surface (P=567W, L=lmm). 精 密 工 学 会 誌Vol.69,No.1,2003123.
(5) 山 田 ・西 岡 ・細 川 ・上 田:パ ル スYAGレ. ーザ に よ る脆 性 材 料 の 割 断加 工. 3) R. M. Lumley : Controlled Separation of Brittle Materials Using 5.結. 本 論 文 で は,Nd:YAGレ. 言. 割 断 加 工 を行 い,照. a Laser, The American Ceramic Society Bulletin, 48, 9(1969) 850.. ー ザ を パ ル ス 照 射 し てSiウ. 射 点 の 温 度 とAE波. を 測 定 し た.ま. エハ の た,実. 験 に よ る測 定 結 果 を 元 に熱 応 力 解 析 を 行 う こ とで,き 裂 の 進 展 機 構 に つ い て 検 討 した 。本 論 文 で 得 られ た 結 果 を以 下 に 要 約 す. 4) 黒 部 利 次, 松 本 貴 宏 : 液 晶 デ ィス プ レ イ (STN方 式) 用 基 板 ガ ラ ス のYAGレ. ー ザ に よ る割 断, 精 密 工 学 会 誌, 63, 7. (1997)1018. 5) 黒 部 利 次, 市 川 和 浩, 永 井 久 司 : YAGレ ー ザ に よ る シ リ コ ン ウエ ハ の 割 断, 材 料, 44, 497 (1995) 159.. る. (1)割. 断 加 工 時 に発 生 す るAE波 を観 測 す る こ とで,レ ーザ. 6) 黒 部 利 次 , 野 口通 一 , 松 本 貴 宏 : YAGレ. ーザ に よる シ リコ. 照 射 中 の き裂 進 展 を 監 視 す る こ と が で き る.本 実 験 の 条. ン ウエ ハ の 精 密 割 断 一 鏡 面 冷 却 二 重 照 射 割 断一,. 件 下 で は,レ ー ザ 照 射 開 始 か ら の 時 間T=1.1msに. 単 会 誌. 62,. おい て. 7) 中 野 康 範, 池 野 順 一, 河 西 敏 雄 : レー ザ マ イ ク ロ 加 工 に 関. き裂 が 進 展 した.. (2)き 裂 進 展時 ρ 熱応 力解 析結 果 か ら,圧 縮応 力 の最 高値 は レーザ照 射点 に,引 張応 力 の最 高値 は き裂先 端 に発 生 してお り,発生 位置 は レーザ照 射時 間 が長 くな って も変 析 結 果 か ら求 め た き裂 先 端 の 応 力 拡 大 係 数 は. 0.65MPa・m1/2と たSiウ. す る研 究(第1報)一. な り,こ の 値 は,IM試. 験 に よ って測定 し. エ ハ の破 壊 靭 性 値0.6MPa・m1/2と. よ く一 致 して. い た.し た が って,パ ル ス レ ーザ を用 い た 割 断 加 工 に つ い て,本 解 析 手 法 に よ り き裂 を継 続 的 に 進 展 させ る 加 工. レ ー ザ マ イ ク ロ割 断 一,. (4)解 析 結 果 の妥 当性 を確 認 す るた め,パ ルス幅 を変化 さ せ た加 工実 験 を行 っ た結果,き 裂進 展が 生 じるた め に必. ー. エ ハ の 割 断 機 構 に 関 す る 研 究, 精 密 工 学 会. 誌, 67, 11 (2001) 1861. 9) 上 田 隆 司, 入 山 孝 宏, 杉 田 忠 彰 : レー ザ 照 射 部 の フ ラ ッ シ ュ 温 度 測 定, 精 密 工 学 会 誌, 61, 2 (1995) 278. 10) 山 田 啓 司, 小 谷 祐 司, 上 田 隆 司 : CO2レ ー ザ 加 工 に お け る 照 射 部 温 度 と吸 収 率, 精 密 工 学 会 誌, 65, 1 (1999) 126.. 療 に 関 す る 研 究,精. ー ザ に よる 歯 科 治. 密 工 学 会 誌, 66, 9 (2000) 1388.. 12) 国 立 天 文 台 : 理 科 年 表, 丸 善 (1999) 496. 13) 橋 本 宇 一, 谷 口紀 夫 : 非 金 属 材 料 の 精 密 加 工 法(上),. 要 な照 射時 間は解 析結 果 と一 致 した.. 度精. 8) 山 田 啓 司, 大 礒 桂 一, 細 川 晃, 上 田 隆 司 : パ ル ス YAGレ. 11) 上 田 隆 司, 山 田 啓 司, 古 本 達 明 : YAGレ. 条 件 を 求 め る こ とが で き る.. 2001年. 密 工 学 会 春 季 大 会 学 術 講 演 論 文 集 (2001)173.. ザ に よ るSiウ. 化 しない. (3)解. 精 密工. 1 (1991)1018.. 地. 人 書 館 (1963) 127.. 謝. 辞. 本 研 究 の 一 部 は,平 成12〜13年 金(奨 励 研 究(A),課. 度 文 部科 学省 科学 研 究補助. 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.. 15) 石 田誠 : 線 形 破 壊 力 学 入 門, 培 風 館 (1976) 371.. 参 考 1) 沖 山 俊 裕. : レ ー ザ 割 断,. 16) 上 田完 次, 杉 田 忠 彰 : セ ラ ミ ッ ク ス の 破 壊 靭 性, 日本 金 属. 文 献. 精 密 工 学 会 誌,. 学 会 会 報, 21, 4 (1982) 225. 60,. 2(1994). 196.. 2) 黒 部 利 次 :YAGレ ー ザ に よ る 精 密 割 断 技 術, 精 密 工 学 会 誌, 65, 11 (1999) 1556.. 124精. 14) A. Saimoto, Y.Imai and H. Sawada: Thermal Stress Cleavingof a Thin Strip Using a Point Heat Source, Advances in Fracture Research, ICF9(1997)2095.. 密 工 学t会誌Vol.69,No.1,2003. 17) A. G. Evans, E.A. Charles : FractureToughnessDeterminations by Indentation, Journal of the American Ceramic Society, 59 (1976)371..
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