JP2005271563A - Dividing processing method of hard and brittle plate and apparatus for it - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、硬脆材料板体の分割加工方法及び装置に関し、詳しくは、短パルスレーザ光を用いて分割加工対象の硬脆材料板体にスクライビングを施して形成された線状の分離容易化領域を介して当該硬脆材料板体を分割加工する方法及び装置に関する。 The present invention relates to a method and apparatus for splitting a hard and brittle material plate, and more particularly, to facilitate linear separation formed by scribing a hard and brittle material plate to be split using a short pulse laser beam. The present invention relates to a method and an apparatus for dividing and processing the hard and brittle material plate through a region.
従来、半導体基板とか、圧電セラミック基板とか、ガラス基板等の硬脆材料板体を分割加工するにあたり、加工対象の板体に、その表面に想定された分割ラインに沿って、例えば、Nd:YAGレーザ等のレーザ光を移動させながら照射して、切込み溝部とか、ひび割れ(クラック)等を含む改質もしくは変質部等の線状の分離容易化領域を形成する、いわゆる、スクライビングを施した後、上記分離容易化領域に歪応力を作用させることにより当該板体を分割又は切断する加工方法が知られている(例えば、特許文献1、2及び3参照)。 Conventionally, when a hard and brittle material plate such as a semiconductor substrate, a piezoelectric ceramic substrate, or a glass substrate is divided and processed, along the dividing line assumed on the surface of the plate to be processed, for example, Nd: YAG Irradiation while moving a laser beam such as a laser to form a linear separation facilitating region such as a cut groove portion or a modified or altered portion including a crack or the like, after so-called scribing, A processing method for dividing or cutting the plate body by applying a strain stress to the separation facilitating region is known (see, for example, Patent Documents 1, 2, and 3).
上記従来公知のレーザスクライブ加工方法は、上述したように、加工対象の板体又は基板に形成される線状の分離容易化領域の形態に関して、次の2つのタイプに分けることができ、すなわち、板体の表面部に切込み溝を形成するもの(タイプI)と、板体の内部、すなわち、当該板体の表面部より深い部位にクラック等を含む改質又は変質部等の脆弱化領域を形成するもの(タイプII)とである。 As described above, the conventionally known laser scribing method can be divided into the following two types with respect to the form of the linear separation facilitating region formed on the plate or substrate to be processed: Form a notch groove in the surface part of the plate (Type I), and a weakened region such as a modified or altered part containing cracks or the like inside the plate, that is, at a site deeper than the surface of the plate What is formed (type II).
上記従来公知のタイプIの加工方法は、使用するレーザ光を、集光レンズを介して絞り込み、上記レーザ光の集光スポットを被加工体(ガラス板体)の表面から極めて浅い部分(表面部)に設定するとともに、上記レーザ光の集光スポットを当該板体の表面上に想定された分割ラインに沿って移動し、上記レーザ光の集光スポットから光エネルギーを吸収した部分(局部)に溶発(アブレーション)を生起させて該局部の板体材料(ガラス材)を外部へ蒸散(蒸発・飛散)させ、この蒸散局部から上記集光スポットが移動方向に離間するにつれて当該蒸散局部の溶融残部を再凝固させて当該板体の表面部に上記分割ラインに倣った切込み溝部を形成するものである(特許文献1参照)。また、上記従来公知のタイプIIの加工方法は、使用するレーザ光としてパルス幅の小さい、いわゆる、短パルスレーザ光を使用し、上記タイプIにおけると同様、使用する短パルスレーザ光が集光レンズを介して絞り込まれ、当該短パルスレーザ光の各パルスに対応する集光スポットが被加工板体の内部に位置するように設定するとともに、上記集光スポットを予定の分割ラインに沿って当該板体の内部を横方向に移動させ、上記短パルスレーザ光の各パルスが上記板体の内部の集光スポット部分に相当する局部に入射する毎に、パルス(レーザ光)照射局部で多光子吸収による溶発を生起させてその局部を改質又は変質させ、上記集光スポットが離間するにつれて上記板材の内部にライン状の改質又は変質部を形成するものである(特許文献2、3参照)。 The conventionally known type I processing method is to narrow down the laser beam to be used via a condenser lens, and to focus the laser beam condensing spot from the surface of the workpiece (glass plate) (surface portion). ), And the laser beam condensing spot is moved along the assumed dividing line on the surface of the plate, and the portion (local part) that absorbs the light energy from the laser beam condensing spot Ablation is caused to evaporate the local plate material (glass material) to the outside (evaporation / spray), and as the condensed spot is separated from the transpiration local part in the moving direction, the transpiration local part is melted. The remaining portion is re-solidified to form a cut groove portion that follows the dividing line in the surface portion of the plate (see Patent Document 1). Further, the conventionally known type II processing method uses a so-called short pulse laser beam having a small pulse width as the laser beam to be used, and the short pulse laser beam to be used is the condenser lens as in the above type I. And the condensing spot corresponding to each pulse of the short pulse laser light is set to be located inside the plate to be processed, and the condensing spot is set along the predetermined dividing line. Each time the pulse of the short pulse laser beam is incident on the local area corresponding to the condensing spot inside the plate body, the multi-photon absorption is performed at the pulse (laser light) irradiation local area. The ablation is caused to cause modification or alteration of the local portion, and a line-like modification or alteration portion is formed inside the plate material as the focused spot is separated (patent text). See 2, 3).
しかしながら、上記従来公知のスクライブ加工方法において、スクライブ加工対象がガラス板体とか、半導体基板、圧電セラミック基板とか、半導体基板等に金属層を接合した複合基板等の板体よりも数段に硬い、例えば、サファイア等の硬脆材料板体であると、上記タイプIのものにおいては、当該加工に使用するレーザ光のエネルギー総投入量を格段に増強しないことには、当該サファイア板体の表面部にアブレーションを生じさせて切込み溝を形成することが不可能である。しかるに、集光スポットのパワー密度を大きくすると、形成される切込み溝の溝幅も大きくなり、該切込み溝を介して分割された板体の断面の粗さが増大し、加工精度が低下するという、不具合が生じる。また、当該サファイア板体の表面部に形成される切込み溝の底部が再凝固したサファイア層又は膜で覆われ、該切込み溝の底部が鋭角形状となりにくいことから、実質的に分割容易化効果を得難い。 However, in the above-mentioned conventionally known scribe processing method, the scribe target is glass plate, semiconductor substrate, piezoelectric ceramic substrate, harder to several steps than a plate such as a composite substrate obtained by bonding a metal layer to a semiconductor substrate, For example, in the case of a hard and brittle material plate such as sapphire, the surface portion of the sapphire plate in order to not remarkably increase the total energy input of the laser beam used for the processing in the type I It is impossible to form a cut groove by causing ablation. However, when the power density of the converging spot is increased, the groove width of the cut groove to be formed is increased, the roughness of the cross section of the plate divided through the cut groove is increased, and the processing accuracy is reduced. , Trouble occurs. In addition, the bottom of the cut groove formed on the surface portion of the sapphire plate body is covered with a re-solidified sapphire layer or film, and the bottom of the cut groove is less likely to have an acute-angled shape. It is hard to get.
また、上記タイプIIのものにおいては、当該サファイア等の硬脆材料板体の内部に改質部又は変質部を形成するものであり、その表面部は、実質的に未加工(未改質)状態、すなわち、サファイア層又は膜で覆われた状態とされるため、上記タイプIのものにおけると同様、有効な分割又は切断容易化効果を得難い。また、当該サファイア基板の内部に形成した、改質又は変質部に作用する歪応力を強化して当該基板を分割することができるものの、その分割断面の表面粗さが粗くなり、この方法は、例えば、サファイア基板の一面に積層状に形成されたマイクロ電子ディバイスを、ディバイス毎に分離する、いわゆる、チップ化(ダイシング)加工等に実用し難い。 Moreover, in the above-mentioned type II, a modified portion or a modified portion is formed inside the hard and brittle material plate such as sapphire, and the surface portion is substantially unprocessed (unmodified). Since it is in a state, that is, a state covered with a sapphire layer or a film, it is difficult to obtain an effective effect of facilitating division or cutting as in the above type I. In addition, although the substrate can be divided by strengthening the strain stress acting on the modified or altered portion formed inside the sapphire substrate, the surface roughness of the divided cross section becomes rough, and this method is For example, it is difficult to put the microelectronic device formed on one surface of the sapphire substrate into a chip-like (dicing) process for separating each device.
解決しようとする問題点又は目的は、レーザ光を用いて分割加工対象の硬脆材料板体の表面部に、当該板体の表面に想定された分割ラインに倣って線状の分割容易化領域を形成する、いわゆる、レーザスクライブ加工を施すにあたり、例えば、半導体材料、圧電セラミック材料、ガラス(非晶質)材料等の板体のみならず、それらよりも格段に硬いサファイア等の硬脆材料板体にも、簡単かつ迅速に、精細な線状の分割容易化領域を形成可能とすることである。 The problem or purpose to be solved is that the surface of the hard and brittle material plate to be divided using a laser beam is formed into a linear division facilitating area following the division line assumed on the surface of the plate. In the so-called laser scribing process for forming sapphire, for example, not only plates such as semiconductor materials, piezoelectric ceramic materials, glass (amorphous) materials, but also hard and brittle material plates such as sapphire, which are much harder than those. It is also possible to easily and quickly form a fine linear divisional easy region on the body.
上記問題点を解消する又は上記目的を達成するために、本発明の分割加工方法は、分割加工対象の硬脆材料板体をスクライブ加工するにあたり、当該加工対象の硬脆材料板体に対し光学的に透明な波長を有する短パルスレーザ光を、集光レンズを介して上記硬脆材料板体の表面に入射したとき、上記短パルスレーザ光の集光スポット又はウェスト部位が上記硬脆材料板体の表層部に存在するように上記集光レンズの焦点位置を調整し、上記短パルスレーザ光の光軸を上記硬脆材料板体に対し想定された分割ラインに沿って相対的に移動させながら、該硬脆材料板体の表面に上記短パルスレーザ光のパルスを入射する毎に、上記硬脆材料板体の表層部位からその表面に至り微小クラックが群生した微細な溶解痕を生成し、これらの溶解痕が断続的に又は連続的に連なった線状の分離容易化領域を形成する工程を含むことを特徴とするものである。 In order to solve the above-mentioned problems or achieve the above object, the division processing method of the present invention is adapted to scribe a hard and brittle material plate to be processed by optical scribing. When a short pulse laser beam having a transparent wavelength is incident on the surface of the hard and brittle material plate through a condensing lens, the condensing spot or waist portion of the short pulse laser beam is the hard brittle material plate. The focal position of the condensing lens is adjusted so that it exists in the surface layer of the body, and the optical axis of the short pulse laser beam is moved relatively along the assumed dividing line with respect to the hard and brittle material plate. However, every time a pulse of the short pulse laser beam is incident on the surface of the hard and brittle material plate, a fine dissolution mark is formed from the surface layer portion of the hard and brittle material plate to the surface, and micro cracks are clustered. These dissolution marks are intermittent It is characterized in further comprising the step of forming a linear easily separable region where continuous to or sequentially.
また、上記本発明の分割加工方法は、分割加工対象の硬脆材料板体の一面に形成された上記短パルスレーザ光により形成された線状の分離容易化領域に歪応力を作用させて当該硬脆材料板体を分割する工程を含むことを特徴とするものである。 Further, the division processing method of the present invention described above applies strain stress to the linear separation facilitating region formed by the short pulse laser beam formed on one surface of the hard and brittle material plate to be divided. It includes a step of dividing the hard and brittle material plate.
更に、本発明の分割加工方法を実施することができる分割加工装置は、分割加工対象の硬脆材料板体に対し光学的に透明な波長を有する短パルスレーザ光を発生する、レーザ光発生手段と、上記硬脆材料板体を載置する第1ステージと、上記短パルスレーザ光を集光して、上記第1ステージに載置された硬脆材料板体の表面に垂直に入射するように設けた、対物レンズ手段と、上記対物レンズ手段を、上記第1ステージに載置された硬脆材料板体に対し相対的に移動する、移動手段と、上記第1ステージに載置された硬脆材料板体と上記対物レンズ手段との間隔距離を調整して該対物レンズ手段の焦点位置を調整する、焦点位置調整手段と、上記レーザ光発生手段、上記移動手段及び上記焦点位置調整手段の動作をプログラム制御する、電子制御手段と、上記硬脆材料板体に対する加工条件に見合わせて焦点位置補正量を上記電子制御手段に入力する、データ入力手段とにより構成される、レーザスクライブ機構部を具備し、上記対物レンズ手段の焦点位置を、照明光源からの可視光を用いて上記硬脆材料板体の表面に位置合わせした後、上記焦点位置補正量データに基づき上記焦点位置調整手段を調整することにより、上記対物レンズ手段を上記硬脆材料板体側に上記焦点位置補正量を偏移させて上記短パルスレーザ光の集光スポット又はウェスト部位が上記硬脆材料板体の表層部に存在するように調整し、上記移動手段により上記短パルスレーザ光の集光スポット又はウェストを、上記硬脆材料板体の表面上に想定された分割ラインに倣って相対的に移動することにより、上記短パルスレーザ光のパルスが該硬脆材料板体の表面に入射する毎に、上記硬脆材料板体の表層部位からその表面に至り微小クラックが群生した微細な溶解痕を生成し、これらの溶解痕が断続的に又は連続的に連なった線状の分離容易化領域を形成するように構成したことを特徴とする。 Further, the splitting apparatus capable of carrying out the split processing method of the present invention is a laser beam generating means for generating a short pulse laser beam having an optically transparent wavelength with respect to a hard and brittle material plate to be split. A first stage on which the hard and brittle material plate is placed, and the short pulse laser beam is condensed so as to be perpendicularly incident on the surface of the hard and brittle material plate placed on the first stage. The objective lens means provided on the first stage and the objective lens means are moved relative to the hard and brittle material plate placed on the first stage, and placed on the first stage. A focal position adjusting means, a laser beam generating means, a moving means, and a focal position adjusting means for adjusting a focal position of the objective lens means by adjusting a distance between the hard and brittle material plate and the objective lens means. Program control the operation of the electronic The objective lens means comprising a laser scribing mechanism section comprising control means and data input means for inputting a focus position correction amount to the electronic control means in accordance with processing conditions for the hard and brittle material plate. The focus position is adjusted to the surface of the hard and brittle material plate using visible light from an illumination light source, and then the focus position adjustment means is adjusted based on the focus position correction amount data, thereby the objective lens. The means is shifted so that the focal position correction amount is shifted to the hard and brittle material plate side so that the condensing spot or waist portion of the short pulse laser beam is present on the surface layer portion of the hard and brittle material plate, By moving the focused spot or waist of the short pulse laser light by the moving means relative to the division line assumed on the surface of the hard and brittle material plate, Each time a pulse of pulsed laser light is incident on the surface of the hard and brittle material plate, fine melt marks are formed from the surface layer portion of the hard and brittle material plate to the surface, and these melts are dissolved. A linear separation facilitating region in which the traces are intermittently or continuously connected is formed.
別の本発明に係る分割加工装置は、加工対象の硬脆材料板体の表層部位からその表面に至り微小クラックの群生した微細な溶解痕により線状の分離容易化領域が形成されたスクライブ加工済の硬脆材料板体を載置する、X−Y−θ軸方向に移動可能とした第2ステージと、上記第2ステージに装着された硬脆材料板体を固定する一対の固定手段と、上記硬脆材料板体の固定手段に対向して間隔をあけて配置されたブレーク刃部材とを有し、上記第2ステージに載置された硬脆材料板体に形成された線状の分離容易化領域の両側部分を、上記一対の固定手段により固定するとともに、上記硬脆材料板体の他面における上記分離容易化領域と対応する部位を上記ブレーク刃部材により押圧することにより上記分離容易化領域に曲げ応力を作用させて割断するように構成したことを特徴とする。 Another division processing apparatus according to the present invention is a scribing process in which a linear separation facilitating region is formed by fine dissolution traces from a surface layer portion of a hard and brittle material plate to be processed to a surface thereof to form a microcrack. A second stage on which the hard and brittle material plate is placed, which is movable in the XY-θ axis direction, and a pair of fixing means for fixing the hard and brittle material plate mounted on the second stage; A break blade member disposed at an interval facing the fixing means for the hard and brittle material plate, and a linear shape formed on the hard and brittle material plate placed on the second stage. Both the side portions of the separation facilitating region are fixed by the pair of fixing means, and the portion corresponding to the separation facilitating region on the other surface of the hard and brittle material plate is pressed by the break blade member. Bending stress is applied to the easy area Characterized by being configured to fracture.
本発明によれば、分割加工対象の硬脆材料板体の表面に近い層領域(表層部)にスクライブ加工用の短パルスレーザ光の集光スポット又はウェストの設定位置を調整することにより、上記板体の表層部における短パルスレーザ光の各パルスに対応するレーザ光入射局部に、分離又は割断を妨げる、溶融部とか焼結部等の変質部が含まれず、当該局部からその表面に至り微小クラックが群生した微細な溶解痕、したがって、これらの溶解痕が連続的に又は断続的に連なった、有効に脆弱化された線状の分離容易化領域を形成することができる。また、これと相俟って、上記硬脆材料板体に対する上記短パルスレーザ光の光軸の相対移動速度を調整可能とすることにより、上記短パルスレーザ光の各パルスの入射局部間の間隔Dを変化させ、現在のパルスの入射局部と1つ前のパルスの入射局部の間で生じる熱伝達作用(熱伝達率)を適当に調整することにより、各溶解痕の大きさ及び溶解痕領域の機械的強度(脆弱度)、したがって、これらの溶解痕により形成される線状の分離容易化領域の幅(線幅)及び機械的強度(脆弱度)を調整可能として、当該分割加工の作業性及び分割加工精度を有効に高めることができる。 According to the present invention, by adjusting the setting position of the focused spot or waist of the short pulse laser beam for scribe processing in the layer region (surface layer portion) near the surface of the hard and brittle material plate to be divided, The laser beam incident local part corresponding to each pulse of the short pulse laser beam in the surface layer part of the plate body does not include a denatured part such as a melted part or a sintered part, which prevents separation or cleaving. Fine dissolution marks in which cracks are clustered, and therefore, an effective weakened linear separation facilitating region in which these dissolution marks are continuously or intermittently connected can be formed. In addition to this, by making it possible to adjust the relative movement speed of the optical axis of the short pulse laser beam with respect to the hard and brittle material plate, the interval between the incident local portions of each pulse of the short pulse laser beam is adjusted. By changing D, and appropriately adjusting the heat transfer action (heat transfer coefficient) generated between the incident local part of the current pulse and the incident local part of the previous pulse, the size of each dissolution mark and the dissolution mark region The mechanical strength (fragility) of the material, and therefore the width (line width) and mechanical strength (fragility) of the linear separation facilitating region formed by these dissolution marks can be adjusted, and the work of the division processing Efficiency and division processing accuracy can be increased effectively.
本発明の分割加工方法は、マイクロ電子ディバイス製造材料、代表的に、半導体基板とか、セラミック基板とか、ガラス(非晶質)基板とか、複合合成基板等に限らず、特に、それらの板材よりも格段に硬い、例えば、サファイア等の硬脆材料板体に対しても適用できるものであり、分割加工対象の硬脆材料基板又は板体に対し透明な波長を有するとともにパルス幅が非常に短い、短パルスレーザ光(ビーム)を用いて当該加工対象の板体表面に、線状の分離容易化領域を形成する、いわゆる、レーザスクライブ加工について、図1〜図3とともに説明する。 The division processing method of the present invention is not limited to a microelectronic device manufacturing material, typically a semiconductor substrate, a ceramic substrate, a glass (amorphous) substrate, a composite composite substrate, or the like. Remarkably hard, for example, it can be applied to a hard and brittle material plate such as sapphire, and has a transparent wavelength and a very short pulse width for a hard and brittle material substrate or plate to be divided, A so-called laser scribing process in which a linear separation facilitating region is formed on the surface of a plate to be processed using a short pulse laser beam (beam) will be described with reference to FIGS.
図1及び図2に示すように、当該分割加工対象の脆性材料板体、たとえば、サファイア基板1に対し透明である、すなわち、該サファイア基板1により線形吸収を惹起しないような波長を有する、例えば、半導体レーザにより励起されるNd:YAGモードロックレーザより発生された、例えば、15psecのパルス幅を有する短パルスレーザ光5が使用される。上記短パルスレーザ光5は、加工対象のサファイア基板1の表面2に垂直に、短パルスレーザ光5が集光レンズ6により絞り込まれて入射される。この場合、当該スクライブ加工を開始する前に、詳細に後述する本発明の加工装置(図10)のオートフォーカスユニット38等を用いて、当該加工対象のサファイア基板1の表面2と対物レンズ6との間隔距離を調整することにより、短パルスレーザ光5の集光スポット又はウェスト7が当該加工対象の板体1の表面2から深さ方向に浅い領域又は層4(図2中、斜線を付して示す部分であって、これを表層部という)に存在するように設定される。 As shown in FIGS. 1 and 2, the brittle material plate to be divided, for example, transparent to the sapphire substrate 1, that is, having a wavelength that does not cause linear absorption by the sapphire substrate 1, for example, For example, a short pulse laser beam 5 having a pulse width of 15 psec generated from an Nd: YAG mode-locked laser excited by a semiconductor laser is used. The short pulse laser beam 5 is incident on the short pulse laser beam 5 by being focused by the condenser lens 6 perpendicularly to the surface 2 of the sapphire substrate 1 to be processed. In this case, before starting the scribe processing, the surface 2 of the sapphire substrate 1 to be processed, the objective lens 6, and the like using the autofocus unit 38 of the processing apparatus (FIG. 10) of the present invention described later in detail. By adjusting the interval distance, the condensing spot or waist 7 of the short pulse laser beam 5 is shallow in the depth direction from the surface 2 of the plate 1 to be processed or the layer 4 (indicated by hatching in FIG. 2). It is set so as to exist in the surface layer portion).
上記対物レンズ(集光レンズ)6により集光された短パルスレーザ光5の集光スポット又はウェスト7の加工対象の板体1の表層部4への設定、すなわち、当該板体1の表面2に垂直な方向(深さ方向)における位置設定は、まず、照明(可視光)光源を用いて上記対物レンズ6の焦点を加工対象の板体1の表面2位置(基準位置)に設定し、次いで、該対物レンズ6を基準位置から板体1側に予め定められた距離(本明細書において、これを焦点位置補正量と称す)を偏移させる、いわゆる、オフセットすることにより行われる。上記焦点位置補正量は、当該分割加工対象の硬脆材料板体1の屈折率、短パルスレーザ光5の波長、集光レンズ6の光学特性(開口数)に基づき、当該レーザ光の集光スポット又はウェスト位置についての理論計算式に基づく算定値と、当該加工対象の硬脆材料板体1の材質及び板厚、短パルスレーザ光5のピークパワー及びパルス幅をパラメータとして予備実験を行ない、そのスクライブ加工結果に応じて定められる微調整値との合算値とされる。 Setting of the focused spot of the short pulse laser beam 5 collected by the objective lens (collecting lens) 6 or the surface 7 of the plate 1 to be processed of the waist 7, that is, the surface 2 of the plate 1 In the position setting in the direction perpendicular to the depth direction (depth direction), first, the focus of the objective lens 6 is set to the surface 2 position (reference position) of the plate 1 to be processed using an illumination (visible light) light source, Next, the objective lens 6 is shifted by a so-called offset that shifts a predetermined distance (referred to as a focal position correction amount in this specification) from the reference position to the plate 1 side. The focal position correction amount is based on the refractive index of the hard and brittle material plate 1 to be divided, the wavelength of the short pulse laser light 5, and the optical characteristics (numerical aperture) of the condensing lens 6 to collect the laser light. Preliminary experiments were performed using the calculated values based on the theoretical calculation formula for the spot or waist position, the material and thickness of the hard and brittle material plate 1 to be processed, the peak power and pulse width of the short pulse laser beam 5 as parameters, The sum is a sum of fine adjustment values determined in accordance with the scribing result.
次いで、上記短パルスレーザ光5の光軸が、サファイア基板1の表面2上に想定された分割ライン8(図1中、二点鎖線で示す)に沿って、所定の加工速度Vsをもって矢示する横方向B(図2においては、当該紙面に垂直方向)に、該基板1の表面2に対し相対的に移動させられる。このとき、短パルスレーザ光5の各パルスは基板1の表面2に、図1中、×印を付して示すように、当該短パルスレーザ光5のパルス繰返し速度Vp(レーザ発振の繰返し周期)と上記パルスの移動速度Vsとにより一義的に定まる間隔Dをもってレーザ光照射領域9(図3中、符号Sを付して示す)に入射する。当該加工対象の基板1の表面2における短パルスレーザ光5の各パルスに対応する照射領域9は、当該レーザ光5の集光スポット又はウェスト7の断面積に略相当する大きさである。 Next, the optical axis of the short pulse laser beam 5 is indicated by an arrow with a predetermined processing speed Vs along a dividing line 8 (indicated by a two-dot chain line in FIG. 1) assumed on the surface 2 of the sapphire substrate 1. Is moved relative to the surface 2 of the substrate 1 in the horizontal direction B (in FIG. 2, the direction perpendicular to the paper surface). At this time, each pulse of the short pulse laser beam 5 is shown on the surface 2 of the substrate 1 with an X mark in FIG. 1, and the pulse repetition rate Vp (laser oscillation repetition period) of the short pulse laser beam 5 is shown. ) And the pulse moving speed Vs, the laser beam is incident on the laser light irradiation region 9 (denoted by reference numeral S in FIG. 3) with an interval D that is uniquely determined. The irradiation region 9 corresponding to each pulse of the short pulse laser beam 5 on the surface 2 of the substrate 1 to be processed has a size substantially corresponding to the cross-sectional area of the focused spot of the laser beam 5 or the waist 7.
いま、図3に示すように、図示しない集光レンズ(対物レンズ)を介して絞り込まれた短パルスレーザ光5の1つのパルスが当該加工対象のサファイア基板1の表面2に入射されたとする。上記サファイア基板1の表層部4におけるレーザ光の照射領域S、すなわち、上記短パルスレーザ光5の集光スポット7に対応する基板材料(サファイア)部分又は局部9において、例えば、テラワットオーダー(TW/cm2)の高パワー密度のレーザ光エネルギーの注入により多光子吸収が惹起され、局部9が瞬時間で溶融・昇華(蒸発)される、いわゆる、アブレーション(溶発)が発生し、当該局部9内の蒸気圧が急激に上昇するにつれて当該基板1の表層部における基板表面2との境界層部分も、その下部の高温蒸気により溶融・昇華が進展し、当該局部9内の蒸気の衝撃圧によりクラックが生じると、それを起点にして当該局部9の表面2との境界部さらに多くの微小クラック10を生成しながら当該蒸気が基板1の外部に噴出もしくは放散することとなると考えられる。この高圧蒸気が噴出又は放散すると同時的に当該短パルスレーザ光5が上記分割ライン8に沿って横方向(図3の紙面に垂直方向)に移動するにつれて当該局部9内の溶融・蒸発の鎮静化に伴って収縮・急冷され、当該局部9の周辺部に、当該局部部位から基板表面2に至り微小クラックが群生することとなると考えられる。その結果、上記溶融・蒸発局部9を包囲する領域には、多光子吸収に基づく高温熱作用により改質又は変質されるとともに、当該基板1の表層部4からその表面2に至り微小クラック10が群生した、溶解痕が生成されることとなる。上記溶解痕領域は、その内部に生起した無数の微小クラックにより、有効に脆弱化されたものとなる。 Now, as shown in FIG. 3, it is assumed that one pulse of the short pulse laser beam 5 narrowed down through a condenser lens (objective lens) (not shown) is incident on the surface 2 of the sapphire substrate 1 to be processed. In the irradiation region S of the laser beam in the surface layer portion 4 of the sapphire substrate 1, that is, the substrate material (sapphire) portion or the local portion 9 corresponding to the focused spot 7 of the short pulse laser beam 5, for example, terawatt order (TW / Multi-photon absorption is induced by injection of laser power energy with a high power density of cm 2 ), and so-called ablation occurs in which the local portion 9 is melted and sublimated (evaporated) in an instant. As the vapor pressure in the substrate rapidly increases, the boundary layer portion of the surface layer portion of the substrate 1 with the substrate surface 2 is also melted and sublimated by the high-temperature steam below the substrate 1, and due to the impact pressure of the vapor in the local portion 9. When a crack occurs, the vapor is sprayed to the outside of the substrate 1 while generating more cracks 10 at the boundary with the surface 2 of the local portion 9 starting from the crack. Or it is thought to be able to dissipate. When the high-pressure steam is ejected or diffused, as the short pulse laser beam 5 moves along the dividing line 8 in the lateral direction (perpendicular to the paper surface of FIG. 3), the melting / evaporation in the local portion 9 is calmed down. It is considered that microcracks are clustered in the peripheral part of the local part 9 from the local part to the substrate surface 2 in the peripheral part of the local part 9 due to the shrinkage. As a result, the region surrounding the melting / evaporating local portion 9 is modified or altered by high-temperature heat action based on multiphoton absorption, and a microcrack 10 extends from the surface layer portion 4 of the substrate 1 to the surface 2 thereof. Clustered dissolution marks will be generated. The dissolution mark region is effectively weakened by countless minute cracks that have occurred inside.
図3において、局部9の溶融・蒸発を誘発した短パルスレーザ光5のパルスが完全に消失し、後続のパルス(次のパルス)が上記基板2の表層部4に向けて入射されると、該パルスによる上記基板2の表層部4における照射領域、即ち、図3における先のパルスの照射領域Sから横方向(図3の紙面に垂直方向)に距離Dを移動した部位で、先のパルスによる照射領域Sにおけると同様にして、当該次のパルスの入射光に基づく多光子吸収により当該照射局部に溶発(アブレーション)が生起し、上述したように、当該照射局部を包囲する領域に、微小クラックの群生した溶解痕が生成されることとなる。以下、同様にして、上記短パルスレーザ光5の各パルスがサファイア基板1の表層部4に次々と入射される毎に、それぞれの照射領域には、上述したように微小クラック群を包含する溶解痕が生成される。これらの溶解痕は上記分割ライン8に倣って縦続状に配置され、当該サファイア基板1の表面2に、ミシン目状の分離容易化領域が形成されることとなる。 In FIG. 3, when the pulse of the short pulse laser beam 5 that induces melting / evaporation of the local portion 9 completely disappears and a subsequent pulse (next pulse) is incident on the surface layer portion 4 of the substrate 2, In the region where the distance D is moved in the lateral direction (perpendicular to the paper surface in FIG. 3) from the irradiation region in the surface layer portion 4 of the substrate 2 by the pulse, that is, the irradiation region S of the previous pulse in FIG. In the same manner as in the irradiation region S, ablation occurs in the irradiation local area due to multiphoton absorption based on the incident light of the next pulse, and as described above, in the region surrounding the irradiation local area, Dissolution marks in which microcracks are clustered will be generated. Thereafter, in the same manner, every time each pulse of the short pulse laser beam 5 is incident on the surface layer portion 4 of the sapphire substrate 1 one after another, the respective irradiation regions are dissolved so as to include the microcracks as described above. Traces are generated. These dissolution marks are arranged in a cascaded manner following the dividing line 8, and a perforated separation facilitating region is formed on the surface 2 of the sapphire substrate 1.
上記溶解痕の形状、大きさは、上記短パルスレーザ光5の集光スポット又はウェスト7の断面形状(小円形)に相似したものとされ、該溶解痕の深さ(円形孔)は上記短パルスレーザ光5のパルスのピークパワー(光出力パワー波高値)と対物レンズの開口数に応じたものとされる。また短パルスレーザ光5の各パルスの照射領域(局部)間の間隔距離D、特に、現在のパルスによる照射領域(局部)と1つ前のパルスによる照射領域(局部)間における熱伝達作用が上記溶解痕を生成する際の溶融・蒸発、したがって、微小クラック10の発生に影響していると推測されることから、上記間隔距離D、したがって、短パルスレーザ光5の基板1に対する移動速度又は加工速度Vsを調整することにより、各溶解痕の内部に、当該基板1の表層部4のレーザ光照射部位からその表面2に至り無数の微小クラックを発生させ、これらの溶解痕が連なって形成される線状の分離容易化領域(スクライビング部)を有効に脆弱化することができる。 The shape and size of the dissolution mark is similar to the focused spot of the short pulse laser beam 5 or the cross-sectional shape (small circle) of the waist 7, and the depth (circular hole) of the dissolution mark is short. The pulse laser light 5 has a pulse peak power (light output power peak value) and a numerical aperture of the objective lens. Further, the distance D between the irradiation regions (local parts) of each pulse of the short pulse laser beam 5, particularly the heat transfer action between the irradiation region (local part) by the current pulse and the irradiation region (local part) by the previous pulse. Since it is presumed that the melting / evaporation at the time of generating the dissolution mark and hence the generation of the microcrack 10 is affected, the distance D, and hence the moving speed of the short pulse laser beam 5 relative to the substrate 1 or By adjusting the processing speed Vs, innumerable microcracks are generated from the laser light irradiation site of the surface layer portion 4 of the substrate 1 to the surface 2 inside each dissolution mark, and these dissolution marks are formed in a row. It is possible to effectively weaken the linear separation facilitating region (scribing portion).
次に、上記短パルスレーザ光5によるスクライビング加工により分割加工対象のサファイア基板1の一方の面(表面)2に形成された線状の分離容易化領域12を介して分割又は割断(ブレーク)する方法について、図4とともに説明する。まず、図4に示すように、上述したスクライビング加工されたサファイア基板1の一面2における分離容易化領域12の両側部(図4中、白抜き矢印15で示す部分)を保持又は固定する一方、該基板1の他面(裏面)3における上記分離容易化領域12に対応する部分(図4中、白抜き矢印16で示す部分)に、図示しないブレーク刃等の刃先を当てて押圧することにより、上記分離容易化領域12に歪応力を作用させることにより、上記サファイア基板1を簡単かつ迅速に分割又は割断することができる。 Next, it is divided or cleaved (breaked) through a linear separation facilitating region 12 formed on one surface (surface) 2 of the sapphire substrate 1 to be divided by scribing with the short pulse laser beam 5. The method will be described with reference to FIG. First, as shown in FIG. 4, while holding or fixing both side portions (portions indicated by white arrows 15 in FIG. 4) of the separation facilitating region 12 on the one surface 2 of the above-mentioned sapphire sapphire substrate 1, By applying a cutting edge such as a break blade (not shown) to the portion (the portion indicated by the white arrow 16 in FIG. 4) corresponding to the separation facilitating region 12 on the other surface (back surface) 3 of the substrate 1 and pressing it. By applying a strain stress to the separation facilitating region 12, the sapphire substrate 1 can be divided or cleaved easily and quickly.
次に、本発明の分割加工方法を用いて種々の分割加工対象の硬脆材料基板又は板体に線状の分離容易化領域を形成する、即ち、短パルスレーザ光によるスクライビング加工した実施例を、スクライブ加工部を撮影した顕微鏡写真とともに説明する。 Next, an embodiment in which a linear separation facilitating region is formed on a hard or brittle material substrate or plate body to be subjected to various division processing using the division processing method of the present invention, that is, a scribing process using a short pulse laser beam is performed. A description will be given with a photomicrograph of the scribing section.
下記加工条件の下に、加工対象のサファイア基板における集光レンズの焦点位置の変化に対するスクライブ加工した溶解痕の変化について確認した結果を図5(写真)に示す。
加工条件
加工対象:サファイア基板(厚みt=120μm)
レーザ発生器:半導体レーザ励起Nd:YAGレーザ
波長:1064nm
パルス幅:15psec
パルス繰返し周波数:1KHz
パワー密度:2TW/cm2
対物(集光)レンズの開口数(NA):0.4
焦点位置補正量:3μm
移動速度(加工速度):20mm/sec
FIG. 5 (photograph) shows the results of confirming the change in the scribe-processed dissolution mark with respect to the change in the focal position of the condenser lens on the sapphire substrate to be processed under the following processing conditions.
Processing conditions Processing object: Sapphire substrate (thickness t = 120 μm)
Laser generator: Semiconductor laser pumped Nd: YAG laser Wavelength: 1064 nm
Pulse width: 15 psec
Pulse repetition frequency: 1 KHz
Power density: 2TW / cm 2
Numerical aperture (NA) of objective (condensing) lens: 0.4
Focal position correction amount: 3μm
Movement speed (processing speed): 20mm / sec
上記加工条件の下で、上記加工対象のサファイア基板の表層部における、レーザ光5の集光スポット7が当該サファイア基板の表面からの深さ方向に偏移させた量、即ち、偏移距離(オフセット値)を変更しながら、溶解痕11における微小クラック10の発生状況、すなわち、溶解痕11が連なって形成される線状の分離容易化領域12の形態を調べた結果(顕微鏡写真)を、図5(a)〜(g)に示す。 Under the above processing conditions, the amount by which the focused spot 7 of the laser beam 5 is shifted in the depth direction from the surface of the sapphire substrate, that is, the shift distance ( While changing the offset value), the result (micrograph) of examining the state of occurrence of the microcracks 10 in the dissolution mark 11, that is, the form of the linear separation facilitating region 12 formed continuously by the dissolution mark 11, It shows to Fig.5 (a)-(g).
図5における最下部に示される加工例(g)においては、短パルスレーザ光5の集光スポット7が当該加工対象のサファイア基板の表面に設定され、それより上段にいくに従い、当該短パルスレーザ光の集光スポットが上記サファイア基板の表層部における、より深い位置に設定、即ち、上記オフセット値が順次より大きく設定された。最上の加工実施例(a)では、表面からのオフセット値は、5μmとされた。この図5の顕微鏡写真をみると最上段(5μmのオフセット値)の分離容易化領域12において、各パルスによる溶解痕11に微小クラックが最も多く生成されている。最下部の加工例における表面集光時には、各パルスによる微細クラックの長さは1μm程度である。これは、当該サファイア基板の表面に集光スポットを設定した場合、アブレーションの蒸散圧の大部分が大気中に蒸散されたことに拠るものと考えられる。上記オフセット値を増大する、すなわち、サファイア基板の表層部における、更に深い部位に当該レーザ光の集光スポットを設定すると、当該集光スポットを包囲する局部を昇華又は蒸発された蒸気が有効に当該溶解孔を介して当該基板外部に蒸散したものと考えられる。 In the processing example (g) shown in the lowermost part in FIG. 5, the focused spot 7 of the short pulse laser beam 5 is set on the surface of the sapphire substrate to be processed, and the short pulse laser is gradually moved upward. The light condensing spot was set at a deeper position in the surface layer portion of the sapphire substrate, that is, the offset values were sequentially set larger. In the uppermost processing example (a), the offset value from the surface was set to 5 μm. As can be seen from the micrograph of FIG. 5, the most cracks are generated in the dissolution mark 11 by each pulse in the separation easy region 12 at the uppermost stage (offset value of 5 μm). At the time of condensing the surface in the lowermost processing example, the length of the fine crack caused by each pulse is about 1 μm. This is considered to be due to the fact that most of the ablation transpiration pressure is evaporated in the atmosphere when a condensing spot is set on the surface of the sapphire substrate. Increasing the offset value, i.e., setting a focused spot of the laser beam at a deeper portion of the surface layer of the sapphire substrate, the vapor that has sublimated or evaporated in the local area surrounding the focused spot effectively It is thought that it evaporated to the outside of the substrate through the melting hole.
合成石英基板のスクライブ加工結果を図6に示す。
加工条件
加工対象:合成石英基板(厚みt=500μm)
レーザ発生器:半導体レーザ励起Nd:YAGレーザ
波長:1064nm
パルス幅:20psec
パルス繰返し周波数:5KHz
パワー密度:1TW/cm2
対物(集光)レンズの開口数(NA):0.5
焦点位置補正量:3μm
移動速度(加工速度):15mm/sec
FIG. 6 shows the result of the scribe processing of the synthetic quartz substrate.
Processing conditions Processing object: Synthetic quartz substrate (thickness t = 500 μm)
Laser generator: Semiconductor laser pumped Nd: YAG laser Wavelength: 1064 nm
Pulse width: 20 psec
Pulse repetition frequency: 5KHz
Power density: 1TW / cm 2
Numerical aperture (NA) of objective (condensing) lens: 0.5
Focal position correction amount: 3μm
Movement speed (processing speed): 15mm / sec
結晶性を有しない、非晶質の材料板体又は基板に対しても、当該基板の各溶解痕11には、無数の微小クラックが群生し、このような溶解痕11が連なって形成される当該分離容易化領域12は、当該非晶質基板の分割又は割断に有効な破壊基点となり得ることが確認された。 Even for an amorphous material plate or substrate having no crystallinity, innumerable microcracks are clustered in each dissolution mark 11 of the substrate, and such dissolution marks 11 are formed in a row. It has been confirmed that the separation facilitating region 12 can be an effective fracture base point for dividing or cleaving the amorphous substrate.
水晶基板のスクライブ加工結果を図7A及び図7Bに示す。
加工条件
加工対象:水晶基板(厚みt=150μm)
レーザ発生器:半導体レーザ励起Nd:YAGレーザ
波長:1064nm
パルス幅:20psec
パルス繰返し周波数:5KHz
パワー密度:0.6TW/cm2
対物(集光)レンズの開口数(NA):0.5
焦点位置補正量:3μm
移動速度(加工速度):22mm/sec
The results of the scribe processing of the quartz substrate are shown in FIGS. 7A and 7B.
Processing conditions Processing object: Quartz substrate (thickness t = 150μm)
Laser generator: Semiconductor laser pumped Nd: YAG laser Wavelength: 1064 nm
Pulse width: 20 psec
Pulse repetition frequency: 5KHz
Power density: 0.6 TW / cm 2
Numerical aperture (NA) of objective (condensing) lens: 0.5
Focal position correction amount: 3μm
Movement speed (processing speed): 22mm / sec
水晶基板は、その機械的強度特性から微細なクラックの生成と同時に、表層部が吹き飛ばされたような結果となる。しかし、短パルスレーザ光の単一パルスによる微細クラックにより、確実に基板分割の破壊基点となっている。 Due to the mechanical strength characteristics of the quartz substrate, the surface layer portion is blown away simultaneously with the generation of fine cracks. However, a fine crack caused by a single pulse of a short pulse laser beam surely serves as a destruction base point for substrate division.
紫外線領域の短パルスレーザ光によるスクライブ加工結果を図8A及び図8Bに示す。
加工条件
加工対象:サファイア基板(厚みt=70μm)
レーザ発生器:半導体レーザ励起Nd:YAGレーザ
波長:355nm
パルス幅:4.5nsec
パルス繰返し周波数:1KHz
パワー密度:20GW/cm2
対物(集光)レンズの開口数(NA):0.5
焦点位置補正量:3μm
移動速度(加工速度):7mm/sec
The scribing process result with the short pulse laser beam in the ultraviolet region is shown in FIGS. 8A and 8B.
Processing conditions Processing object: Sapphire substrate (thickness t = 70 μm)
Laser generator: Semiconductor laser excitation Nd: YAG laser Wavelength: 355 nm
Pulse width: 4.5nsec
Pulse repetition frequency: 1 KHz
Power density: 20 GW / cm 2
Numerical aperture (NA) of objective (condensing) lens: 0.5
Focal position correction amount: 3μm
Movement speed (processing speed): 7mm / sec
この実施例によれば、機械的強度の高いサファイア基板を容易に分割できることが確認された。また、表層部のクラックが群生する部位においても、前述の従来公知のレーザスクライブ加工法(タイプI)と比べ、材料の変質や溶融箇所が少ないことが確認された。 According to this example, it was confirmed that a sapphire substrate having high mechanical strength can be easily divided. In addition, it was confirmed that even in a site where cracks in the surface layer portion cluster, compared to the above-described conventionally known laser scribing method (type I), there are few material alterations and melting points.
赤外線領域の短パルスレーザ光によるスクライブ加工結果を図9A及び図9Bに示す。
加工条件
加工対象:サファイア基板(厚みt=90μm)
レーザ発生器:半導体レーザ励起Nd:YAGレーザ
波長:1064nm
パルス幅:20psec
パルス繰返し周波数:5KHz
パワー密度:1TW/cm2
対物(集光)レンズの開口数(NA):0.5
焦点位置補正量:3μm
移動速度(加工速度):10mm/sec
The scribing process result with the short pulse laser beam in the infrared region is shown in FIGS. 9A and 9B.
Processing conditions Processing object: Sapphire substrate (thickness t = 90 μm)
Laser generator: Semiconductor laser pumped Nd: YAG laser Wavelength: 1064 nm
Pulse width: 20 psec
Pulse repetition frequency: 5KHz
Power density: 1TW / cm 2
Numerical aperture (NA) of objective (condensing) lens: 0.5
Focal position correction amount: 3μm
Movement speed (processing speed): 10mm / sec
発振器や光学系、加工諸条件を適正化することにより、幅1μm以下というより微細なクラック群を生成することに成功している。この実施例においても、本発明に係るレーザスクライブ加工方法により当該非常に硬いサファイア基板に形成された分離容易化領域12は、精確な破壊基点となることが確認された。 By optimizing the oscillator, optical system, and various processing conditions, we have succeeded in generating finer cracks with a width of 1 μm or less. Also in this example, it was confirmed that the separation facilitating region 12 formed on the very hard sapphire substrate by the laser scribe processing method according to the present invention becomes an accurate destruction base point.
次に、本発明の分割加工方法を実施する装置の一実施例を、図10及び図11とともに詳細に説明する。なお、上記実施例の装置は、分割加工対象の硬脆材料板体又は基板に線状の分離容易化領域をレーザスクライブ加工する、レーザスクライブ機構部20(図10)と、上記レーザスクライブ機構部により形成された分離容易化領域に歪応力を作用させて上記板体又は基板を分割又は割断する分割又は割断機構部50(図11)とにより構成される。 Next, an embodiment of an apparatus for carrying out the division processing method of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. The apparatus of the above embodiment includes a laser scribe mechanism 20 (FIG. 10) for laser-scribing a linear separation facilitating region on a hard and brittle material plate or substrate to be divided, and the laser scribe mechanism. The dividing or cleaving mechanism 50 (FIG. 11) is configured to divide or cleave the plate body or the substrate by applying a strain stress to the separation facilitating region formed by the above.
図10に示されるように、本発明の分割加工装置のレーザスクライブ機構部20は、概略、レーザ発生器21、メインコントローラ31、上記発生器21からの短パルスレーザ光5を集光する対物レンズ(集光レンズ)35、焦点位置調整機構部40及びX−Y−θステージ41により構成される。 As shown in FIG. 10, the laser scribing mechanism unit 20 of the division processing apparatus of the present invention roughly includes a laser generator 21, a main controller 31, and an objective lens that condenses the short pulse laser light 5 from the generator 21. (Condensing lens) 35, a focal position adjustment mechanism unit 40, and an XY-θ stage 41.
上記レーザ発生器21は、基本的に、例えば、Nd:YAG等の固体レーザ発振器22と、レーザコントローラ25と、減衰器26と、ビームエキスパンダ29とにより構成される。上記レーザ共振器22は、例えば、マルチモードロック方式にて励起されて当該加工対象の硬脆材料板体1に対し光学的に透明な波長を有するとともに非常に短いパルス幅及び高パワー密度を有する、短パルスレーザ光(ビーム)を射出する。このレーザ共振器22から出力された短パルスレーザ光は減衰器26に入力され、減衰器26の出力光の一部がビームスプリッタ27を介して光検出器28に入力され、該光検出器28の検出信号に基づき、当該減衰器26に含まれる補償回路(図示しない)により当該減衰器26の出力が所定のパワーとなるように定出力制御される。上記定出力制御された短パルスレーザ光はビームエキスパンダ29に入力され、該ビームエキスパンダ29により、当該短パルスレーザ光5の直径が上記対物レンズ35の直径に合致するように拡大して当該短パルスレーザ光のパワー密度を有効に高められる。このようにして、当該レーザ発生器21からは、当該スクライブ加工対象の板体又は基板に対し透明である、すなわち、対物レンズ35により集光された短パルスレーザ光5が上記板体1に入射されたとき、当該短パルスレーザ光の集光スポット又はウェスト部を除く部位において線形吸収が発生しないような波長を有するとともに、好ましくは、psec(ピコ秒)オーダーの短いパルス幅を有する、短パルスレーザ光5が射出される。 The laser generator 21 basically includes, for example, a solid-state laser oscillator 22 such as Nd: YAG, a laser controller 25, an attenuator 26, and a beam expander 29. The laser resonator 22 is excited by, for example, a multimode lock method, has a wavelength that is optically transparent to the hard brittle material plate 1 to be processed, and has a very short pulse width and high power density. A short pulse laser beam (beam) is emitted. The short pulse laser beam output from the laser resonator 22 is input to the attenuator 26, and part of the output light of the attenuator 26 is input to the photodetector 28 via the beam splitter 27. Based on the detected signal, constant output control is performed by a compensation circuit (not shown) included in the attenuator 26 so that the output of the attenuator 26 has a predetermined power. The constant pulse controlled short pulse laser beam is input to a beam expander 29. The beam expander 29 expands the short pulse laser beam 5 so that the diameter of the short pulse laser beam 5 matches the diameter of the objective lens 35. The power density of the short pulse laser beam can be effectively increased. In this way, the laser generator 21 is transparent to the plate or substrate to be scribed, that is, the short pulse laser beam 5 collected by the objective lens 35 is incident on the plate 1. A short pulse having a wavelength such that linear absorption does not occur in a portion other than a condensing spot or a waist portion of the short pulse laser beam, and preferably having a short pulse width on the order of psec (picosecond). Laser light 5 is emitted.
上記レーザ発生器21のビームエキスパンダ29から出力された短パルスレーザ光5は、光路変更用のミラー33、シャッター34を含む光学系32を介して上記対物レンズ(集光レンズ)35に導入(入射)され、当該対物レンズ35の光学特性にしたがって、上記短パルスレーザ光5は絞り込まれてX−Y−θステージ(第1ステージ)41に載置された加工対象の基板又は板体1の表面2に垂直に入射される。上記対物レンズ35は、上記X−Y−θステージ41の上方に、該ステージ41に載置された被加工体(板体又は基板)1の表面2に垂直(Z軸)方向に、図示しないパルスモータにより駆動されるボールねじ(図示しない)を介して上下動可能とした、第1Z軸ステージ42に搭載される。第1Z軸ステージ42に搭載されたパルスモータが、詳細に後述する、ステージコントローラ47からの制御信号により駆動され、当該第1Z軸ステージ42に搭載された対物レンズ35のZ軸方向における位置、即ち、該対物レンズ35の焦点位置が粗調整される。 The short pulse laser beam 5 outputted from the beam expander 29 of the laser generator 21 is introduced into the objective lens (condensing lens) 35 through an optical system 32 including a mirror 33 for changing the optical path and a shutter 34 ( The short pulse laser beam 5 is narrowed down according to the optical characteristics of the objective lens 35 and the substrate or plate 1 to be processed placed on the XY-θ stage (first stage) 41. Incident perpendicular to the surface 2. The objective lens 35 is not shown above the XY-θ stage 41 in a direction perpendicular to the surface 2 of the workpiece (plate or substrate) 1 placed on the stage 41 (Z-axis). It is mounted on a first Z-axis stage 42 that can move up and down via a ball screw (not shown) driven by a pulse motor. The pulse motor mounted on the first Z-axis stage 42 is driven by a control signal from a stage controller 47, which will be described in detail later, and the position of the objective lens 35 mounted on the first Z-axis stage 42 in the Z-axis direction, that is, The focal position of the objective lens 35 is roughly adjusted.
また、上記第1Z軸ステージ42に、照明用(可視光)光源36が装着され、該照明用光源36からの可視光が上記光学系32における光路上に配置されたプリズム37を介して上記対物レンズ35に入射可能とされる。更にまた、第1Z軸ステージ42に、オートフォーカスユニット38が装着され、上記プリズム37と同様、上記光学系32における光路上に配置されたプリズム39を介して、上記照明用光源36から放射された可視光の上記加工対象の板体1の表面2上の集光スポット7からの戻り光(上記集光スポット像)を受けるオートフォーカスユニット38が装着される。このオートフォーカスユニット38は、上記戻り光に基づき対物レンズ35の焦点位置が上記板体1の表面に設定されるように、上記対物レンズ35のZ軸上の位置を微調整するように構成したものである。 In addition, an illumination (visible light) light source 36 is attached to the first Z-axis stage 42, and the visible light from the illumination light source 36 is disposed through the prism 37 disposed on the optical path in the optical system 32. The light can enter the lens 35. Furthermore, an autofocus unit 38 is mounted on the first Z-axis stage 42 and, like the prism 37, is emitted from the illumination light source 36 via a prism 39 disposed on the optical path in the optical system 32. An autofocus unit 38 that receives the return light (the focused spot image) from the focused spot 7 on the surface 2 of the plate 1 to be processed is mounted. The autofocus unit 38 is configured to finely adjust the position of the objective lens 35 on the Z axis so that the focal position of the objective lens 35 is set on the surface of the plate 1 based on the return light. Is.
上記X−Y−θステージ41は、X軸、Y軸及びθ軸の3軸方向に移動可能とされた、3つの移動台を有し、これらの移動台は、それぞれ、図示しない電気モータにより駆動される。これらの電気モータは、ステージコントローラ47により制御される。このX−Y−θステージ41の載置台に、固定リング43が取り外し自在に取り付けられる。まず、固定リング43に粘着シート44が張り付けられ、該粘着シート44に加工対象の板体又は基板1を貼着してから、該固定リング43を、上記X−Y−θステージ41の載置台に、図示しない真空吸着部材を介して固定される。また、上記載置台の上方にCCDカメラ45を配置し、該CCDカメラ45により上記載置台に固定された被加工体1の表面2が撮像され、この撮像信号が画像処理ユニット48に転送され、該画像処理ユニット48により画像処理され、この画像処理結果に基づいて上記ステージコントローラ47により、X−Y−θステージ41の載置台に固定された被加工体1のアライメントが行われる。 The XY-θ stage 41 has three moving bases that are movable in the three axial directions of the X axis, the Y axis, and the θ axis, and these moving bases are each driven by an electric motor (not shown). Driven. These electric motors are controlled by a stage controller 47. A fixing ring 43 is detachably attached to the mounting table of the XY-θ stage 41. First, an adhesive sheet 44 is attached to the fixing ring 43, and a plate body or substrate 1 to be processed is attached to the adhesive sheet 44, and then the fixing ring 43 is mounted on the XY stage stage 41. Further, it is fixed via a vacuum suction member (not shown). Further, a CCD camera 45 is disposed above the mounting table, the surface 2 of the workpiece 1 fixed to the mounting table is imaged by the CCD camera 45, and this imaging signal is transferred to the image processing unit 48. The image processing unit 48 performs image processing, and based on the image processing result, the stage controller 47 aligns the workpiece 1 fixed to the mounting table of the XY-θ stage 41.
上記メインコントローラ31は、たとえば、パーソナルコンピュータ(PC)を用いて構成されたもので、当該メインコントローラ31の記憶部に格納された当該スクライブ加工シーケンスプログラムにしたがって上記レーザ発生器21の冷却用チラー24、レーザコントローラ25、ステージコントローラ47、画像処理ユニット48の作動を制御する。このメインコントローラ31に、焦点位置補正量設定用のディジタルスイッチ49が接続され、このスイッチ49に、当該スクライブ加工条件に見合わせて定められた焦点位置補正量が設定される。この設定データはステージコントローラ47に転送される。ステージコントローラ47は、ディジタルスイッチ49を介して設定された焦点位置補正量に基づいて上記第1Z軸ステージ42の上下移動、したがって、対物レンズ35の基準位置から当該加工対象の板体又は基板1側に向けて当該焦点位置補正量(距離)を偏移させるようになっている。 The main controller 31 is configured using, for example, a personal computer (PC), and the cooling chiller 24 of the laser generator 21 according to the scribe processing sequence program stored in the storage unit of the main controller 31. The operation of the laser controller 25, the stage controller 47, and the image processing unit 48 is controlled. A focus position correction amount setting digital switch 49 is connected to the main controller 31, and a focus position correction amount determined in accordance with the scribe processing conditions is set in the switch 49. This setting data is transferred to the stage controller 47. The stage controller 47 moves the first Z-axis stage 42 up and down based on the focal position correction amount set via the digital switch 49, and accordingly the plate or substrate 1 to be processed from the reference position of the objective lens 35. The focus position correction amount (distance) is shifted toward the center.
なお、上記ディジタルスイッチ49に代えて、例えば、コンピュータの記憶部(メモリ)に、予め種々のパラメータの組み合わせに応じて一義的に選定される、当該加工対象の硬脆材料板体の表層部における表面からの深さを示す数値、すなわち、照明光による集光レンズの焦点位置(硬脆材料板体表面)からの当該短パルスレーザ光の集光スポット位置と見做される深さ(以下、これをオフセット値と称す)データを格納し、当該コンピュータのキーボードを介して当該硬脆材料板体の分割加工に関するパラメータデータを入力し、当該コンピュータのCPU(中央演算処理部)により入力されたパラメータの組み合わせに応じて一義的にオフセット値が算定され、算定されたオフセット値に応じて当該加工対象の硬脆材料板体の高さ位置、即ち、入射されるレーザ光の集光スポット又はウェスト位置を調整するようにしてもよい。 In place of the digital switch 49, for example, in the storage layer (memory) of the computer, the surface layer portion of the hard and brittle material plate to be processed is uniquely selected in advance according to a combination of various parameters. A numerical value indicating the depth from the surface, that is, a depth (hereinafter, referred to as a condensing spot position of the short pulse laser beam from the focal position of the condensing lens by the illumination light (hard brittle material plate surface)) This is referred to as an offset value), and parameter data relating to the division processing of the hard and brittle material plate body is input via the keyboard of the computer, and the parameters input by the CPU (central processing unit) of the computer The offset value is uniquely calculated according to the combination of the above, and the height position of the hard and brittle material plate to be processed according to the calculated offset value That may be adjusted focused spot or waist position of incident laser light.
上記レーザ光発生器21は、加工対象の硬脆材料板体又は基板の材質に応じて選択される。本発明に適用できるレーザ光発生器21としては、上記実施例1〜5において使用された半導体レーザ励起モードロックNd:YAGレーザの外、Qスイッチパルス発振されるNd:YAGレーザ、Nd:YV04、Nd:YLF、Nd:VAN等がある。また、これらのレーザ発振器の出力波長を変換した可視光レーザ、紫外線領域レーザ、パルス圧縮を施したレーザ項発生器を使用することができる。また、短パルスレーザにおいてはチタンサファイアレーザ等のフェムト秒レーザやNd:YAGなどのモードロックレーザ、また、これを再生増幅したレーザ、及びマイクロチップレーザ発振器を使用することができる。 The laser beam generator 21 is selected according to the material of the hard and brittle material plate or substrate to be processed. As the laser light generator 21 applicable to the present invention, in addition to the semiconductor laser excitation mode-locked Nd: YAG laser used in the first to fifth embodiments, an Nd: YAG laser oscillated by a Q switch pulse, Nd: YV04, Nd: YLF, Nd: VAN, and the like. Further, a visible light laser, an ultraviolet region laser, or a laser term generator subjected to pulse compression in which the output wavelength of these laser oscillators is converted can be used. In the short pulse laser, a femtosecond laser such as a titanium sapphire laser, a mode-locked laser such as Nd: YAG, a laser obtained by reproducing and amplifying the laser, and a microchip laser oscillator can be used.
次に、上記構成のレーザスクライブ機構部20の操作手順について説明する。まず、操作を開始するにあたり、冷却用チラー24の電源をONとし、レーザ光発生器21の共振器22の励起用半導体レーザ及び当該共振媒質の温度コントロールを開始する。次に、レーザ共振器22、第1X−Y−θステージス41、第1Z軸ステージ42、メインコントローラ31を起動して短パルスレーザ光5を射出する。該短パルスレーザ光5の出力制御は、ビームスプリッタ27により分離された参照光を光検出器」28により検出し、その検出値に基づき、減衰器26を作動させて当該短パルスレーザ光5の出力を制御する。レーザ共振器22は、最も安定した出力及び繰返し周波数に固定する。 Next, an operation procedure of the laser scribing mechanism unit 20 having the above configuration will be described. First, when starting the operation, the power supply of the cooling chiller 24 is turned on, and temperature control of the pumping semiconductor laser of the resonator 22 of the laser light generator 21 and the resonance medium is started. Next, the laser resonator 22, the first XY-θ stage 41, the first Z-axis stage 42, and the main controller 31 are activated to emit the short pulse laser beam 5. The output control of the short pulse laser beam 5 is performed by detecting the reference beam separated by the beam splitter 27 by the photodetector 28 and operating the attenuator 26 based on the detected value to detect the short pulse laser beam 5. Control the output. The laser resonator 22 is fixed at the most stable output and repetition frequency.
次に、加工対象の硬脆材料板体を第1X−Y−θステージ41に取り付ける。まず、固定リング43に粘着シート44を張り付け、該粘着シート44に加工対象の硬脆材料板体1を、当該スクライブ加工する面を上向きにして貼着する。このようにして、加工対象の硬脆材料板体1が貼着された固定リング43を、第1X−Y−θステージ41の載置部に載置し、真空吸着して固定する。次に、照明光源36を点灯し、被加工体の硬脆材料板体1の表面を照明し、オートフォーカスユニット38により硬脆材料板体1の表面に焦点位置合わせをする。 Next, the hard and brittle material plate to be processed is attached to the first XY-θ stage 41. First, the pressure-sensitive adhesive sheet 44 is attached to the fixing ring 43, and the hard and brittle material plate 1 to be processed is attached to the pressure-sensitive adhesive sheet 44 with the surface to be scribed facing upward. In this manner, the fixing ring 43 to which the hard and brittle material plate 1 to be processed is attached is placed on the placement portion of the first XY-θ stage 41, and is fixed by vacuum suction. Next, the illumination light source 36 is turned on to illuminate the surface of the hard and brittle material plate 1 of the workpiece, and the autofocus unit 38 focuses on the surface of the hard and brittle material plate 1.
加工対象の硬脆材料板体の材料物性、表面粗さ、硬脆材料板体上に積層された半導体ディバイスなどの物性、使用する対物レンズ6、短パルスレーザ光5の波長、その出力パワー等のデータに基づき、第1X−Y−θステージ41におけるX−Yステージの掃引速度等に関して最適加工条件が設定される。また、対物レンズ6の焦点位置については、所望の微小クラックの形態から、硬脆材料板体1の表層部に焦点位置を微調整量と、短パルスレーザ光5とオートフォーカス時における照明光源36とにおいて焦点位置にずれがある場合の補正量とを考慮して、第1Z軸ステージ42により最適値に設定する。 Material physical properties, surface roughness, physical properties such as semiconductor devices stacked on the hard and brittle material plate, wavelength of the objective lens 6 to be used, short pulse laser beam 5, output power, etc. Based on the data, the optimum machining conditions are set with respect to the sweep speed of the XY stage in the first XY-θ stage 41 and the like. Further, with respect to the focal position of the objective lens 6, the fine adjustment amount of the focal position on the surface layer portion of the hard and brittle material plate 1, the short pulse laser beam 5, and the illumination light source 36 at the time of autofocusing from the desired microcrack form. The first Z-axis stage 42 sets the optimum value in consideration of the correction amount when there is a shift in the focal position at.
次に、CCDカメラ45を用いて、加工対象の硬脆材料板体1の表面上に記された分割ライン8を観察し、画像処理ユニット48による処理データに基づき、第1X−Y−θステージ41を操作して、当該加工対象の板体1を分割ライン8と合致させる。このとき、加工速度とか、分割ラインのピッチ等の情報をメインコントローラ31に入力する。全ての設定が終了すると、所定の加工開始位置へ第1X−Y−θステージ41が移動し、スタンバイ状態とされる。 Next, the dividing line 8 marked on the surface of the hard and brittle material plate 1 to be processed is observed using the CCD camera 45, and based on the processing data by the image processing unit 48, the first XY-θ stage. 41 is operated to match the plate 1 to be processed with the dividing line 8. At this time, information such as the processing speed and the pitch of the divided lines is input to the main controller 31. When all the settings are completed, the first XY-θ stage 41 is moved to a predetermined machining start position and is set in a standby state.
メインコントローラ31からの加工指令により、照明用光源36が消灯し、シャッター34が開き、短パルスレーザ光5が硬脆材料板体1に照射される。予め定められた加工条件の下で第1X−Y−θステージ41が作動し、スクライブ加工が行われる。 In response to a processing command from the main controller 31, the illumination light source 36 is turned off, the shutter 34 is opened, and the short pulse laser beam 5 is irradiated onto the hard and brittle material plate 1. The first XY-θ stage 41 is operated under predetermined processing conditions, and scribing is performed.
当該スクライブ加工が終了するととともにシャッター34が閉じ、第1X−Y−θステージ41が待機位置に戻る。次に、メインコントローラ31から搬出指令が転送されると、第1X−Y−θステージ41がその後取出し指令とともに第1X−Y−θステージ41が搬出位置に移動し、固定リング43の真空吸着が終了する。このようにして、スクライブ加工された被加工体1は、固定リング43ごと取出され、分割工程に移行する。 When the scribing process is completed, the shutter 34 is closed, and the first XY-θ stage 41 returns to the standby position. Next, when a carry-out command is transferred from the main controller 31, the first XY-θ stage 41 moves to the carry-out position together with the take-out command thereafter, and the vacuum adsorption of the fixing ring 43 is performed. finish. Thus, the to-be-processed body 1 scribe-processed is taken out with the fixing ring 43, and transfers to a division | segmentation process.
次に、図10に、本発明の分割加工装置における分割又は割断機構部50の概略構成が示される。この分割又は割断機構部50は、前述したレーザスクライブ機構部20により加工対象の板体1にスクライブ加工された面と反対側の面における、線状の分離容易化領域12に対応する部位に押圧力を作用する、ブレーク刃57と、該ブレーク刃57が装着され、上下に移動可能とした第2Z軸ステージ52とを備えている。上記スクライブ加工機構部20におけるものと同様、固定リング53に張り付けられた粘着シート54に、当該分割加工対象のスクライブ加工済の板体1がスクライブ加工面を裏返して貼着され、この状態で第2X−Y−θステージ51の載置台に固定される。このとき、前述した第1X−Y−θステージ41と同様、第2X−Y−θステージ51が3軸方向(X−Y−θ軸方向)にステージを移動させて固定リング53が位置決めされる。上記固定リング53の下方にCCDカメラ55が配置され、該リング53に貼着された上記板体1のスクライブ加工された線状の分離容易化領域12が下側から観察される。上記第2X−Y−θステージ51及び第2Z軸ステージ52は、制御パネル58により制御される。 Next, FIG. 10 shows a schematic configuration of the division or cleaving mechanism unit 50 in the division processing apparatus of the present invention. The dividing or cleaving mechanism 50 is pushed to a portion corresponding to the linear separation facilitating region 12 on the surface opposite to the surface scribed on the plate 1 to be processed by the laser scribing mechanism 20 described above. A break blade 57 that exerts pressure, and a second Z-axis stage 52 that is mounted with the break blade 57 and is movable up and down are provided. As in the scribing mechanism section 20, the scribe-processed plate 1 to be divided and processed is attached to the adhesive sheet 54 attached to the fixing ring 53 with the scribe surface turned upside down. The 2X-Y-θ stage 51 is fixed on the mounting table. At this time, similarly to the first XY-θ stage 41 described above, the second XY-θ stage 51 moves the stage in the three-axis direction (XY-θ-axis direction), and the fixing ring 53 is positioned. . A CCD camera 55 is disposed below the fixing ring 53, and the scribe-processed linear separation facilitating region 12 of the plate 1 attached to the ring 53 is observed from below. The second XY-θ stage 51 and the second Z-axis stage 52 are controlled by a control panel 58.
なお、上記レーザスクライブ加工機構部20における第1X−Y−θステージ41と、上記分割又は割断機構部50における第2X−Y−θステージ51とに、当該加工対象の板体1を搬送する、たとえば、ベルトコンベヤ(図示しない)等の搬送手段を設けて、レーザスクライブ加工機構部20と、分割加工機構部50とを連係して操業するようにしてもよい。 The plate 1 to be processed is transported to the first XY-θ stage 41 in the laser scribe processing mechanism unit 20 and the second XY-θ stage 51 in the division or cleaving mechanism unit 50. For example, a conveying means such as a belt conveyor (not shown) may be provided to operate the laser scribe processing mechanism unit 20 and the division processing mechanism unit 50 in a linked manner.
1 加工対象の硬脆材料板体(又は基板)
2 加工対象の板体の表面
3 加工対象の板体の裏面
4 加工対象の板体の表層部
5 短パルスレーザ光(ビーム)
6 対物レンズ(集光レンズ)
7 レーザビームの集光スポット又はウェスト
8 分割ライン
9 レーザ光照射領域(局部)
10 微小クラック
11 溶解痕
12 分離容易化領域(レーザスクライブ部)
15 白抜き矢印(歪応力作用方向)
16 白抜き矢印(歪応力作用方向)
20 レーザスクライブ機構部
21 レーザ光発生器
22 レーザ共振器
24 レーザ共振器冷却用チラー
25 レーザコントローラ
26 減衰器
27 ビームスプリッタ
28 光検出器
29 ビームエキスパンダ
31 メインコントローラ
32 光学系
33 ミラー
34 シャッター
35 対物レンズ(集光レンズ)
36 照明光源
37 プリズム
38 オートフォーカスユニット
39 プリズム
40 焦点位置調整機構部
41 X−Y−θステージ(第1ステージ)
42 第1Z軸ステージ
43 固定リング
44 粘着シート
45 CCDカメラ
47 ステージコントローラ
48 画像処理ユニット
49 ディジタルスイッチ
50 分割又は割断機構部
51 X−Y−θステージ(第2ステージ)
52 第2Z軸ステージ
53 固定リング
54 粘着シート
55 CCDカメラ
56 受け刃
57 ブレーク刃
58 制御パネル
1 Hard and brittle material plate (or substrate) to be processed
2 Surface of plate to be processed 3 Back surface of plate to be processed 4 Surface layer of plate to be processed 5 Short pulse laser beam (beam)
6 Objective lens (Condenser lens)
7 Condensing spot or waist of laser beam 8 Dividing line 9 Laser light irradiation area (local part)
10 Microcracks 11 Dissolution marks 12 Easy separation region (laser scribe part)
15 White arrow (Strain stress direction)
16 Outline arrow (Strain stress direction)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 20 Laser scribe mechanism part 21 Laser light generator 22 Laser resonator 24 Laser resonator cooling chiller 25 Laser controller 26 Attenuator 27 Beam splitter 28 Photo detector 29 Beam expander 31 Main controller 32 Optical system 33 Mirror 34 Shutter 35 Objective Lens (Condenser lens)
36 Illumination light source 37 Prism 38 Autofocus unit 39 Prism 40 Focus position adjustment mechanism 41 XY-θ stage (first stage)
42 First Z-axis stage 43 Fixing ring 44 Adhesive sheet 45 CCD camera 47 Stage controller 48 Image processing unit 49 Digital switch 50 Division or cleaving mechanism 51 XY-θ stage (second stage)
52 Second Z-axis stage 53 Fixing ring 54 Adhesive sheet 55 CCD camera 56 Receiving blade 57 Break blade 58 Control panel
Claims (6)
上記対物レンズ手段の焦点位置を、照明光源からの可視光を用いて上記硬脆材料板体の表面に位置合わせした後、上記焦点位置補正量データに基づき上記焦点位置調整手段を調整することにより、上記対物レンズ手段を上記硬脆材料板体側に上記焦点位置補正量を偏移させて上記短パルスレーザ光の集光スポット又はウェスト部位が上記硬脆材料板体の表層部に存在するように調整し、上記移動手段により上記短パルスレーザ光の集光スポット又はウェストを、上記硬脆材料板体の表面上に想定された分割ラインに倣って相対的に移動することにより、上記短パルスレーザ光のパルスが該硬脆材料板体の表面に入射する毎に、上記硬脆材料板体の表層部位からその表面に至り微小クラックが群生した微細な溶解痕を生成し、これらの溶解痕が断続的に又は連続的に連なった線状の分離容易化領域を形成するように構成した、硬脆材料板体の分割加工装置。 Laser light generating means for generating a short pulse laser beam having an optically transparent wavelength with respect to the hard and brittle material plate to be divided, a first stage on which the hard and brittle material plate is placed, and the short The objective lens means provided so as to condense the pulsed laser light so as to be perpendicularly incident on the surface of the hard and brittle material plate placed on the first stage, and the objective lens means include the first stage. Adjusting the distance between the moving means that moves relative to the hard and brittle material plate placed on the first stage and the objective lens means by moving the hard brittle material plate placed on the first stage. Focus position adjusting means for adjusting the focal position of the objective lens means, electronic control means for controlling the operation of the laser beam generating means, the moving means and the focus position adjusting means, and processing on the hard and brittle material plate Increase the focus position correction amount according to the conditions. Input to the electronic control unit, comprises a laser scribing mechanism constituted by a data input means,
By adjusting the focal position of the objective lens means to the surface of the hard and brittle material plate using visible light from an illumination light source, and then adjusting the focal position adjustment means based on the focal position correction amount data The objective lens means is shifted to the hard and brittle material plate side so that the focal position correction amount is shifted so that the condensing spot or waist portion of the short pulse laser beam exists in the surface layer portion of the hard and brittle material plate. The short pulse laser is adjusted by moving the focusing spot or waist of the short pulse laser light relatively along the division line assumed on the surface of the hard and brittle material plate by the moving means. Each time a pulse of light is incident on the surface of the hard and brittle material plate, a fine dissolution mark is formed from the surface layer portion of the hard and brittle material plate to the surface, and these dissolution marks are formed. And configured to form a connection to or disassembly region of continuously continuous linear, of hard and brittle materials plate body cracking apparatus.
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