CN102470482B - 激光切割加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在蓝宝石类硬脆性材料等的加工中使用的激光切割加工方法。本发明的激光切割加工方法使用射出激光光线的光源和将所述激光光线引导到加工对象物上的照射光学系统，以形成沿加工对象物的切割方向的裂纹，所述激光切割加工方法包括：射出工序，从光源射出激光光线；分离工序，将激光光线分离为行进方向不同的常光成分和非常光成分；聚光工序，对常光成分和非常光成分进行聚光，并且形成多对光束光斑；以及照射工序，向加工对象物的切割方向间隔地照射具有多对光束光斑的激光光线。可以使用配置在照射光学系统中的双折射性棱镜进行所述分离工序中的常光成分和非常光成分的分离。

Description

激光切割加工方法
技术领域
本发明涉及一种在硬脆性材料等的加工中使用的激光切割加工方法。
背景技术
作为切断安装有电子元件的电路基板等的方法，广泛采用激光加工。激光加工是指使用透镜等照射光学系统对从光源射出的激光光线进行聚光，并向基板照射高能量密度的激光聚光光斑(光束光斑)，来切断基板。
上述基板的材料使用硬脆性材料。硬脆性材料分类为以玻璃材料为代表的非结晶性硬脆性材料和以蓝宝石等为代表的结晶性硬脆性材料。例如，如果向非结晶性硬脆性材料形成的基板照射激光光线，则因热加工会在基板的一部分上形成熔化加工痕迹和热变质部，并且因与热加工同时产生的应变应力而形成形状不固定的裂纹。这种裂纹沿基板表面的各种方向形成，公知的是上述形成方向受激光光线、照射光学系统的非对称性和波像差等影响。此外，结晶性材料具有容易发生解理断裂的方位(解理面)。如果对上述结晶性材料构成的基板进行激光加工，则通常沿构成基板的结晶性材料的解理面方向形成裂纹。由此，因激光加工在基板表面和/或内部的各种方向上形成裂纹，该裂纹使基板的切断不均匀(非对称)，有可能导致难以向所希望的切断方向进行切断。
对于这种裂纹的产生，(A)作为防止裂纹产生的方法，日本专利公开公报特开2008-93706号中公开了一种激光加工方法，所述激光加工方法边使激光光束相对于被加工物移动、边进行加工，所述激光加工方法的特征在于，所述激光光束的光束直径形状为椭圆形状，在沿被加工物的照射面相对移动的方向上具有长轴，而且，沿长轴方向的光强度分布为非对称。此外，(B)作为利用裂纹的产生来切断基板的方法，日本专利公开公报特开2007-260749号中公开了一种激光加工方法，所述激光加工方法在被加工物的表面附近对第一激光进行聚光，来形成初始裂纹，并且把该初始裂纹作为起点，使切断裂纹在被加工物上延伸，来切断被加工物。
然而，在上述(A)的激光加工方法中，为了防止产生裂纹需要特殊的聚光光学系统。此外，在上述(B)的激光加工方法中，虽然通过对基板的硬脆性材料照射激光光线，利用产生的热应力来进行切断，但是在上述热应力较大的情况下，存在基板变形和产生不均匀的切断面的问题。此外，由于需要设置向激光照射区域内吹出冷却介质的冷却工序，所以在调整、制作方面存在问题。
专利文献1：日本专利公开公报特开2007-260749号
专利文献2：日本专利公开公报特开2008-93706号
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种激光切割加工方法，该激光切割加工方法在由玻璃或蓝宝石类硬脆性材料等形成的基板的激光切割加工中，通过照射激光光线，在基板表面上同时形成多对光束光斑，并且通过控制上述多对光束光斑形成的裂纹的延伸方向，能够将基板的切断方向调整成与所希望的方向一致。
为了解决上述课题，本发明的激光切割加工方法所述激光切割加工方法使用射出激光光线的光源和将所述激光光线引导到由硬脆性材料构成的加工对象物上的照射光学系统，所述激光切割加工方法的特征在于包括：射出工序，从光源射出激光光线；分离工序，将所述激光光线分离为行进方向不同的常光成分和非常光成分；聚光工序，对所述常光成分和所述非常光成分进行聚光，并且形成一对或多对光束光斑；以及照射工序，向加工对象物的切割方向间隔地照射具有所述一对或多对光束光斑的激光光线，并且在连接成对的光束光斑的直线上形成裂纹，将所述照射工序中的一对或多对光束光斑的中心间距离调整为光斑直径的0.5倍以上、且40倍以下，在所述照射工序中形成的一对或多对光束光斑的光斑直径在0.5μm以上、且在200μm以下。
该激光切割加工方法使用射出激光光线的光源和将所述激光光线引导到加工对象物上的照射光学系统，以形成沿加工对象物的切割方向的裂纹。具体地说是如下方法：通过将射出的激光光线分离为常光成分和非常光成分并使它们分别向不同的方向行进，并且对它们进行聚光，从而形成多对光束光斑，对加工对象物同时照射所述多对光束光斑，利用在所述多对光束光斑之间形成的裂纹，来切断加工对象物。由此，通过在加工对象物上同时形成相互隔开间隔的多对光束光斑，可以减少热影响区，并且可以有效地形成具有方向性的裂纹并使其延伸，其结果，可以均匀且对称地切断加工对象物。此外，通过向加工对象物的切割方向间隔地照射具有所述多对光束光斑的激光光线，使在连接多对光束光斑的直线上延伸的裂纹相互连接，可以将热应力的影响抑制为最小限度，并且可以均匀且对称地切断加工对象物。
可以使用配置在照射光学系统中的双折射性棱镜进行所述分离工序中的常光成分和非常光成分的分离。通过使用这种双折射性棱镜，可以同时实现将激光光线分离为常光成分和非常光成分、以及使上述分离后的常光成分和非常光成分向不同的方向行进，其结果，可以使装置结构简单化并提高操作容易性。
可以调整常光成分和非常光成分的分离方向，以使所述照射工序中的一对光束光斑的分离方向沿着加工对象物的切割方向。由此，如果调整常光成分和非常光成分的分离方向，则由于对应上述调整，可以将隔开间隔的一对光束光斑的分离方向调整成沿着加工对象物的切割方向，所以可以有效地使裂纹沿切割方向延伸，并且可以控制裂纹的延伸方向，以沿所希望的方向形成裂纹。其结果，可以均匀且对称地切断加工对象物。
可以调整常光成分和非常光成分的分离方向，以使所述照射工序中的一对光束光斑的分离方向沿着加工对象物的解理面。例如，在加工对象物由蓝宝石等硬脆性材料形成的情况下，通过调整常光成分和非常光成分的分离方向，以便将隔开间隔的一对光束光斑的分离方向调整成沿着加工对象物所具有的解理面，从而可以使裂纹沿解理面延伸，利用上述裂纹的延伸，可以实现沿着所希望的方向均匀且对称地进行切断。
可以使用双折射性棱镜进行所述照射工序中的一对光束光斑的分离方向的调整，所述双折射性棱镜配置在照射光学系统中、且能够以照射光学系统的光轴为中心进行转动。通过采用这种能够以照射光学系统的光轴为中心进行转动的双折射性棱镜，(1)可以将激光光线分离为常光成分和非常光成分，(2)可以同时实现使上述常光成分和非常光成分向不同的方向行进，(3)并且可以容易地调整在与照射光学系统的光轴垂直的平面内的上述常光成分和非常光成分的分离方向。
可以调整常光成分和非常光成分的分离方向，以便调整所述照射工序中的一对光束光斑的中心间距离。如果调整分离后的激光光线的常光成分和非常光成分的分离方向，则可以与上述调整对应，调整一对光束光斑的中心间距离。由此，通过将一对光束光斑的中心间距离调整成对应于加工对象物的种类、性质和加工特性等的最佳值，可以有效地实现在连接上述一对光束光斑的直线上形成裂纹并使其延伸，并且可以容易地控制上述裂纹的形成和延伸。
优选将所述照射工序中的一对光束光斑的中心间距离调整为光斑直径的0.2倍以上、且50倍以下。通过使上述一对光束光斑的中心间距离在上述范围内，可以最有效地实现在连接一对光束光斑的直线上形成裂纹并使其延伸，其结果，可以沿着加工对象物的切割方向形成呈直线且稳定的裂纹，并使裂纹延伸，从而可以进一步均匀且对称地切断加工对象物。
在所述分离工序中，可以使用1/2波长板来调整常光成分和非常光成分的强度比，所述1/2波长板配置在照射光学系统中、且能够以照射光学系统的光轴为中心进行转动。通过使用像上述1/2波长板那样的偏振光转动元件来调整常光成分和非常光成分的强度比，可以控制多对光束光斑的能量密度，并且可以调整多对光束光斑所形成的裂纹的延伸方向。其结果，可以产生最适合于加工对象物的种类、性质和加工特性的热影响区，并且可以容易地调整加工对象物的切断方向。
在所述照射工序中形成的多对光束光斑的光斑直径优选在0.3μm以上、且在300μm以下。通过使上述光斑直径在上述范围内，可以进一步使在连接多对光束光斑的直线上形成的裂纹延伸得较长，并可以将热应力的影响抑制为最小限度，并且可以容易实现对加工对象物进行均匀且对称的切断。
所述照射光学系统可以还具有1/4波长板。通过具有所述1/4波长板，可以将激光光线的直线偏振光变换为圆偏振光，来消除偏振光的影响，从而可以容易地实现加工特性的稳定化。
在此，“切割方向”是指对加工对象物间隔地照射激光光线的方向。“切断方向”是指在加工对象物上产生的断裂的方向。“一对光束光斑的分离方向”是指由常光成分和非常光成分形成的一对光束光斑的分离方向，并且是指在与照射光学系统的光轴垂直的平面内的分离方向。“一对光束光斑的中心间距离”是指由常光成分和非常光成分形成的一对光束光斑，在与照射光学系统的光轴垂直的平面内分别形成的大体圆形的中心点之间的距离。“照射光学系统的光轴”是指作为该光轴的对比对象的照射对象物部分的光轴。
如上所述，本发明的激光切割加工方法通过照射激光光线，在加工对象物上同时形成多对光束光斑，并且通过将上述多对光束光斑形成的裂纹控制成向加工对象物容易断裂的方向延伸，可以有效且容易地实现对加工对象物进行均匀且对称的切断。此外，由于本发明的激光切割加工方法由简易的工序构成，并且可以容易控制裂纹的形成和延伸方向，所以可以实现提高作业效率。
附图说明
图1是表示本发明一种实施方式的激光切割加工方法的流程图。
图2是表示图1的激光切割加工方法的系统结构例的简要结构图。
图3是表示实施例1中形成的裂纹的观察图像。
图4是表示实施例2中形成的裂纹的观察图像。
图5是表示实施例3中形成的裂纹的观察图像。
图6是表示比较例1中形成的裂纹的观察图像。
图7是表示比较例2中形成的裂纹的观察图像。
图8是表示比较例3中形成的裂纹的观察图像。
图9是表示比较例4中形成的裂纹的观察图像。
图10是表示实施例4中形成的裂纹的观察图像。
图11是表示实施例5中形成的裂纹的观察图像。
图12是表示实施例6中形成的裂纹的观察图像。
图13是表示实施例7中形成的裂纹的观察图像。
图14是表示实施例8中形成的裂纹的观察图像。
图15是表示实施例9中形成的裂纹的观察图像。
附图标记说明
1  光源
2  载物台
3  照射光学系统
4  光束扩展器
5  1/2波长板
6  双折射性棱镜
7  光路修正光学系统
8  镜子
9  1/4波长板
10  聚光透镜
11  凹透镜
12  凸透镜
13  常光成分
14  非常光成分
P  激光光线
Q  加工对象物
R  照射光学系统的光轴
S  晶轴
STP1  射出工序
STP2  分离工序
STP3  聚光工序
STP4  照射工序
具体实施方式
下面参照相应附图对本发明的实施方式进行详细说明。
图1的激光切割加工方法是指向硬脆性材料等形成的加工对象物Q(基板)照射激光光线P，形成沿加工对象物Q的切割方向的裂纹来进行加工。该激光切割加工方法具有射出工序STP1、分离工序STP2、聚光工序STP3和照射工序STP4。
用于实现该激光切割加工方法的系统结构例如图2所示，包括光源1、载物台2和照射光学系统3。光源1用于射出激光光线P。载物台2用于设置加工对象物Q，并且具有如下装置，该装置使加工对象物Q相对于照射光学系统3的位置，在与照射光学系统3的光轴R垂直的平面内沿两个垂直相交方向(X轴方向、Y轴方向)移动。
照射光学系统3将从光源1射出的激光光线P引导并聚光到加工对象物Q上，该照射光学系统3主要包括：光束扩展器4、1/2波长板5、双折射性棱镜6、光路修正光学系统7、镜子8、1/4波长板9和聚光透镜10。
光束扩展器4在激光光线P的行进方向依次具有凹透镜11和凸透镜12，并且将从光源1射出的激光光线P放大。1/2波长板5以激光光线P的行进方向为基准，配置在光束扩展器4的后方，用于转动激光光线P的电场矢量，并且采用能够以激光光线P的光轴R为中心转动的结构。双折射性棱镜6将从光源1射出的激光光线P分离为行进方向不同的常光成分13和非常光成分14。光路修正光学系统7对透射双折射性棱镜6的常光成分13和非常光成分14的行进方向进行修正。镜子8将透射光路修正光学系统7的激光光线P引导到聚光透镜10上，通过使用该镜子8改变激光光线P的反射角度，可以容易地调整激光光线P的行进方向。1/4波长板9以激光光线P的行进方向为基准，配置在光路修正光学系统7的后方，并且把利用镜子8引导的激光光线P的直线偏振光变换为圆偏振光。聚光透镜10将透射1/4波长板9的激光光线P的常光成分13和非常光成分14聚光到加工对象物Q上。
射出工序STP1从光源1射出激光光线P。作为激光光线P的激发方式可以采用脉冲激发。通过采用脉冲激发作为上述激发方式，可以在短时间幅度内使能量集中，并且可以产生具有高峰值能量的激光脉冲，其结果，可以实现对加工对象物Q进行热影响区较少的有效加工。
上述脉冲激发的激发方式没有特别限定，可以例举脉冲宽度从0.1ps到20ns程度的脉冲激发、Q开关脉冲激发等。此外，在上述Q开关脉冲激发中，也可以采用高速循环用的A/O(音响光学)元件或短脉冲产生用的E/O(电气光学)元件。另外，即使是连续波激发，也可以通过采用A/O-Q开关等，以大约数十KHz的循环方式，得到像脉冲那样的激发输出。
在加工对象物Q由蓝宝石等硬脆性材料形成的情况下，在射出工序STP1中射出的激光光线P的波长优选调整为200nm以上、且11μm以下，更优选调整为240nm以上、且1600nm以下。通过将上述激光光线P的波长调整在上述范围内，可以实现最适于对结晶性硬脆性材料形成的加工对象物Q进行切断的激光输出，可以提高激光切割加工的高效性和可靠性。
光源1的种类没有特别限定，可以例举的是：Nd:YAG激光、Nd:YVO4激光、Yb:YAG激光、Ti:蓝宝石激光等固体激光；纤维激光及其高次谐波；准分子激光、CO2激光等气体激光等。其中，优选采用热影响较少的短脉冲激光或具有易被硬脆性材料吸收的紫外域激发波长的激光。
分离工序STP2将从光源1射出的激光光线P分离为行进方向不同的常光成分13和非常光成分14。通过上述分离工序STP2，将单束的激光光线P分离为常光成分13和非常光成分14两种成分，在与照射光学系统3的光轴R垂直的平面内的方向上，将上述常光成分13和非常光成分14分离，并且使它们分别向不同的方向行进，其结果，可以在加工对象物Q上隔开间隔形成一对光束光斑。由此，隔开间隔的一对光束光斑所形成的裂纹热影响区较少，向连接一对光束光斑的直线方向连续延伸。沿上述裂纹的延伸方向容易切断加工对象物Q，其结果，能够均匀且对称地进行切断。另外，如果不使上述光束光斑隔开间隔而是采用单一光斑，则由于在加工对象物Q表面的周边方向，形成有多个从光斑的加工痕迹中央部分形成的裂纹，难以均匀且对称地进行切断，所以不是优选的。
分离工序STP2中可以使用配置在照射光学系统3中的双折射性棱镜6，对常光成分13和非常光成分14进行分离。通过使用这种双折射性棱镜6，可以同时实现(1)将激光光线P分离为常光成分13和非常光成分，(2)并且使分离后的常光成分13和非常光成分14向不同的方向行进。其结果，可以实现装置结构的简单化并提高操作容易性。
上述双折射性棱镜6在结晶方位上具有两个不同的折射率，通过利用这些折射率的差，可以将入射的激光光线P分离为常光成分13和非常光成分14。通过使上述双折射性棱镜6的晶轴S的方向与照射光学系统3的光轴R的方向垂直，并且对晶轴S的方向和从光源1射出的激光光线P的电场方向所成的角度进行调整，能可靠且有效地将激光光线P的成分分离为常光成分13和非常光成分14。此外，通过使双折射性棱镜6具有楔形顶角θw(棱镜的光入射面和光出射面的交叉角度)，可以容易地使常光成分13和非常光成分14分别向不同的方向行进。
上述双折射性棱镜6的原料可以例举光学水晶、蓝宝石、方解石等，其中，优选采用光学水晶，该光学水晶对激光光线具有高耐光强度，并且可以对较宽波长范围具有高透射率。此外，双折射性棱镜6的种类可以例举楔形棱镜、多夫棱镜、尼科尔棱镜、沃拉斯顿棱镜和罗森棱镜等。其中，如上所述，优选楔形棱镜。
在分离工序STP2中，可以调整常光成分13和非常光成分14的分离方向，以使在照射工序STP4中形成的一对光束光斑的分离方向沿着加工对象物Q的切割方向。在照射工序STP4中形成的一对光束光斑的分离方向由在分离工序STP2中被分离后的常光成分13和非常光成分14的分离方向确定。通过调整上述常光成分13和非常光成分14的分离方向，以便将一对光束光斑的分离方向调整为沿加工对象物的切割方向，可以有效地使裂纹沿切割方向延伸，并且可以抑制朝向与切割方向不同方向延伸的裂纹的形成。其结果，可以均匀且对称地切断加工对象物Q。此外，容易控制上述裂纹的延伸方向，并且能够使裂纹向所希望的方向(切割方向)延伸。
此外，在加工对象物Q是蓝宝石等结晶性硬脆性材料的情况下，在分离工序STP2中，可以调整常光成分13和非常光成分14的分离方向，以使照射工序STP4中的一对光束光斑的分离方向沿着加工对象物Q的解理面。结晶性硬脆性材料对应于结晶结构的种类具有特有的解理面，并且具有容易沿上述解理面的方向断裂的性质。利用这种性质，通过调整常光成分13和非常光成分14的分离方向，将一对光束光斑的分离方向调整成沿加工对象物Q解理面的方向，可以使裂纹沿解理面延伸，从而可以实现沿上述裂纹的延伸方向均匀且对称地进行切断。另外，在上述激光切割加工方法中，能够加工的结晶性硬脆性材料的结晶结构可以例举三斜晶、单斜晶、斜方晶、六方晶、三方晶、正方晶和立方晶等。
由此，在分离工序STP2中，当调整常光成分13和非常光成分14的分离方向时，可以使用能够以照射光学系统3的光轴R为中心转动的双折射性棱镜6。通过使用能够以上述照射光学系统3的光轴R为中心转动的双折射性棱镜6，不使装置结构复杂化就可以将激光光线P分离为常光成分13和非常光成分14，并使它们分别向不同的方向行进，并且通过转动双折射性棱镜6这样的简单操作，可以容易地调整常光成分13和非常光成分14的分离方向。对上述分离方向的调整机构进行详细说明，如果以照射光学系统3的光轴R为中心将双折射性棱镜6转动45°，则与该转动对应，常光成分13和非常光成分14的分离方向同样转动45°，其结果，一对光束光斑的分离方向在与照射光学系统3的光轴R垂直的平面内转动45°。另外，由于上述双折射性棱镜6的转动能够以照射光学系统3的光轴R为中心转动360°，所以也可以将一对光束光斑的分离方向在与照射光学系统3的光轴R垂直的平面内调整360°的方向。
此外，在使用能够以上述照射光学系统3的光轴R为中心转动的双折射性棱镜6的情况下，能以激光光线P的行进方向为基准，在双折射性棱镜6的后方具有光路修正光学系统7，该光路修正光学系统7能够以照射光学系统3的光轴R为中心进行转动。该光路修正光学系统7是没有双折射性的棱镜。此外，上述棱镜的顶角是由激光光线相对于所使用的原料的折射率确定的值，通常与双折射性棱镜6的顶角θw不同。通过使用这种光路修正光学系统7，可以对双折射性棱镜6转动所产生的常光成分13和非常光成分14的行进方向的位移进行修正，其结果，可以使常光成分13和非常光成分14向所希望的方向行进。另外，上述光路修正光学系统7的原料可以例举合成石英等。
在分离工序STP2中，可以调整常光成分13和非常光成分14的分离方向，以便对照射工序STP4中的一对光束光斑的中心间距离进行调整。为了在加工对象物Q上形成一对光束光斑，并有效地在连接上述一对光束光斑的直线上产生裂纹，并且使上述裂纹向所希望的方向延伸，需要对应加工对象物Q的种类、性质和加工特性等，将一对光束光斑的中心间距离调整为最佳值。因此，通过调整分离后的激光光线P的常光成分13和非常光成分14的分离方向，与上述调整对应，一对光束光斑的中心间距离也被调整，其结果，可以对应加工对象物Q的种类、性质和加工特性等，有效地形成最适合的裂纹并使其延伸，并且可以容易地控制上述裂纹的形成和延伸。
上述一对光束光斑的中心间距离的调整方法可以例举的是：调整双折射性棱镜6的楔形顶角θw、以及使用透镜光学系统(未图示)来扩大激光光束直径等。对调整双折射性棱镜6的楔形顶角θw的方法进行详细说明，例如在将激光光线P的波长设定为1.064μm、将聚光透镜的焦距设定为100mm、楔形顶角θw设定为大约2°的情况下，一对光束光斑的中心间距离约为60μm。由此，通过准备楔形顶角θw不同的多个双折射性棱镜，能够将一对光束光斑的中心间距离调整为最适合于加工对象物Q的性质等。此外，对使用透镜光学系统来扩大激光光束直径的方法进行详细说明，通过使用例如在激光光线P的行进方向上依次具有凹透镜和凸透镜的透镜光学系统，来放大激光光线P，可以调整一对光束光斑的中心间距离。另外，通过使上述透镜光学系统的激光光束直径的扩大机构为连续系统，能够连续调整中心间距离。
上述一对光束光斑的中心间距离优选调整为光斑直径的0.2倍以上、且50倍以下，更优选调整为0.5倍以上、且40倍以下。通过使上述一对光束光斑的中心间距离在上述范围内，可以提供最佳的光束光斑条件，该光束光斑条件用于沿加工对象物Q的切断方向形成呈直线且稳定的裂纹、并使上述裂纹延伸。如果上述中心间距离小于光斑直径的0.2倍，则由于与单一光斑的情况没有任何不同，会向加工对象物Q表面的周边方向形成多个裂纹，从而难以均匀且对称地进行切断，所以不是优选的。此外，如果上述中心间距离超过50倍，则由于在间隔形成的一对光束光斑组中，利用各光束光斑而延伸的裂纹之间没有连接在一起，其结果，难以切断加工对象物Q，所以不是优选的。
在分离工序STP2中，可以使用1/2波长板5来调整常光成分13和非常光成分14的强度比，上述1/2波长板5配置在照射光学系统3中、且能够以照射光学系统3的光轴R为中心进行转动。通过调整上述常光成分13和非常光成分14的强度比，可以使一对光束光斑形成的裂纹的长度和方向为最佳。因此，通过使用像1/2波长板5那样的偏振光转动元件，来调整常光成分13和非常光成分14的强度比，可以控制一对光束光斑的能量密度，并且可以容易地将热影响区的产生和裂纹的延伸方向调整成最适合于加工对象物Q的种类和性质。对这种机构进行详细说明，1/2波长板5具有使分离之前的激光光线P的电场矢量转动的作用。例如在1/2波长板5的慢轴和入射激光光线的电场矢量所成的角度为θ的情况下，如果激光光线P透射1/2波长板5，则透射后的电场矢量转动角度2θ。通过使用这种1/2波长板5，不使装置结构复杂化，就可以容易地调整分离后的常光成分13和非常光成分14的强度比。此外，通过使该1/2波长板5能够以激光光线P的光轴R为中心进行转动，对应其转动角度，可以容易且连续地改变垂直于慢轴的常光成分13和与常光成分13垂直相交的非常光成分14的强度比。
聚光工序STP3对在分离工序STP2中被分离、且行进方向分别不同的常光成分13和非常光成分14进行聚光，并且形成一对光束光斑。虽然上述聚光方法没有特别限定，但是优选采用作为单透镜或组合的透镜的聚光透镜10，该聚光透镜10对使用的激光光线P的波长修正光学像差。另外，构成聚光透镜10的透镜的种类可以例举双凸透镜、平凸透镜、凸弯月透镜、双凹透镜、平凹透镜和凹弯月透镜等。
照射工序STP4中，沿加工对象物Q的切割方向，间隔地照射具有由聚光工序STP3形成的一对光束光斑的激光光线P。由此，通过沿切割方向间隔地照射一对光束光斑，使沿连接一对光束光斑的直线延伸的裂纹相互连接，其结果，可以将热应力的影响抑制为最小限度，并且可以均匀且对称地切断加工对象物Q。另外，在上述照射工序STP4中，通过调整间隔地照射激光光线P的脉冲宽度，可以调整并控制由第一次脉冲激发形成的裂纹和由第二次脉冲激发形成的裂纹之间的连接。
在照射工序STP4中形成的一对光束光斑的光斑直径优选在0.3μm以上、且在300μm以下，更优选调整为0.5μm以上、且200μm以下。通过使上述光斑直径在上述范围内，可以使在连接一对光束光斑的直线上形成的裂纹进一步延伸。如果上述光斑直径超过200μm，则由于在加工对象物Q表面的较大范围内产生热应力，有可能导致加工对象物Q变形，所以不是优选的。
上述照射光学系统3还可以具有1/4波长板9。通过使用上述1/4波长板9，可以将激光光线P的直线偏振光变换为圆偏振光，来消除偏振光的影响，从而实现加工特性的稳定化。另外，通过将该1/4波长板9的慢轴(未图示)设定为与常光成分13和非常光成分14的偏振光方向都成45°的角度，可以更可靠地将直线偏振光变换为圆偏振光。
另外，本发明的激光切割加工方法并不限定于上述实施方式。例如，在假设根据加工对象物的性质能够有效地区分多对光束光斑的偏振光方向的情况下，也可以不在照射光学系统中配置1/4波长板。此外，在从光源射出的激光光线的光束直径比聚光透镜的入射瞳直径大的情况下，也可以不在照射光学系统中配置光束扩展器。
此外，在照射光学系统中，光束分离单元把(1)1/2波长板、(2)双折射性棱镜和(3)光路修正光学系统作为一个单元，通过将多个上述光束分离单元配置在照射光学系统的光轴上，也可以形成四个以上的光束光斑。例如，在配置两个上述光束单元的情况下(激光光线的行进方向依次为第一单元、第二单元)，如果把第二单元的1/2波长板的转动角设定为22.5°，则在第一单元中分离后的非常光成分和常光成分相对于第二单元的晶轴分别倾斜45度，各光束成分再分离为非常光成分和常光成分。其结果，透射第二单元的激光光线分离为四个光束光斑。
实施例
下面基于实施例对本发明进行详细叙述，所述实施例的记载并非用于限定本发明。
(实验1)
[实施例1至3]
〈实验系统的说明〉
使用光源、载物台以及至少具有1/2波长板、双折射性棱镜和聚光透镜的照射光学系统，对作为加工对象物的硼硅酸盐玻璃(非结晶性硬脆性材料)照射一对光束光斑来形成裂纹。此后，拍摄了所形成的裂纹状态的观察图像。
在实验1中，光源采用Nd:YAG(THG)激光，双折射性棱镜采用水晶楔形板。此外，选定水晶楔形板的顶角和聚光透镜焦距，以使一对光束光斑的中心间距离为3μm到4μm。虽然通过激光光线的光斑照射所形成的裂纹的长度，与硬脆性材料的解理面破坏强度和光束光斑的特性(例如波长、能量、脉冲宽度、光斑直径等)密切相关，但是为了有效地沿规定方向生成裂纹，优选使一对光束光斑的中心间距离为激光光线的聚光光斑直径的0.5倍到40倍。在此，实验1中，选定使硬脆性材料基板相对于光束光斑移动的XY载物台(沿X轴方向和Y轴方向相对移动)的移动速度和Q开关脉冲比率，来将加工痕迹间隔设定为15μm。另外，选定激光能量、聚光透镜等，以使聚光点上的能量密度成为各光束光斑的光斑直径都为单次激发的能量密度为2.3×1010W/cm2。
在实施例1中，使水晶楔形板绕照射光学系统的光轴转动45°，并且将一对光束光斑设定成与加工对象物的XY平面上的切割方向成45°的角度，来进行加工。在实施例2中，使水晶楔形板绕与实施例1的转动方向相反的方向转动45°，来进行加工。在实施例3中，使一对光束光斑的分离方向与加工对象物的XY平面上的切割方向平行，来进行加工。
(实验2)
[比较例1至3]
〈实验系统的说明〉
与公知的激光加工方法相同，使用光源(THG激光)、载物台和照射光学系统，对作为加工对象物的硼硅酸盐玻璃照射一个光束光斑来形成裂纹。此后，拍摄了所形成的裂纹状态的观察图像。
在比较例1中，与实验1时相同，将光束光斑直径设定为此外，考虑到一个光斑的情况，将能量密度的值设定为实验1时的大约2倍，为3.9×1010W/cm2，并且将一对光束光斑的中心间距离设定为15μm，来进行加工。在比较例2中，用于确认如下结果：在一个光斑加工的情况下，当使各照射光斑的中心间距离变小时，裂纹的产生是否与两个光斑加工时同样地沿切割方向集中。在上述比较例2中，将Q开关脉冲比率设定为与实验1时相同，并且将载物台的移动速度设定为实验1时的大约一半，来进行加工。在比较例3中，将能量密度的值设定为与两个光斑加工时的一个光斑能量密度大体相等，为2.3×1010W/cm2，来进行加工。
〈实验1、2的特性评价〉
图3至图8表示实验1、2的结果。
在实施例1和实施例2中，通过使水晶楔形板绕照射光学系统的光轴转动90°(45°+45°)，可以看出在一对光束光斑之间产生的裂纹的形成方向变化了90度。在实施例3中，可以看出在一对光束光斑之间产生的裂纹的形成方向与切割方向一致，并且抑制了向与切割方向不同的方向延伸的裂纹的形成。
在比较例1中，可以看出从各光束光斑加工痕迹中央部分形成的裂纹不仅向切割方向、而且向加工痕迹的周边方向也形成有多个。在比较例2中，加工痕迹间隔为7.5μm，可以看出从各光束光斑加工痕迹的中央部分形成的裂纹不仅向切割方向、而且向加工痕迹的周边方向也形成有多个。在比较例3中，虽然抑制了向加工痕迹的周边方向形成裂纹，但是切割速度为实施例速度的一半，可以认为处理能力下降。
从这些结果可以看出：按照本发明的激光切割加工方法，可以控制在一对光束光斑之间形成的裂纹的延伸方向，其结果，不使加工速度下降，就可以实现抑制了朝向切割槽周边产生裂纹的切割加工。
(实验3)
[比较例4]
〈实验系统的说明〉
与公知的激光加工方法相同，使用光源(THG激光)、载物台和照射光学系统，对以C平面为主平面的蓝宝石基板照射一个光束光斑来形成裂纹。此后，拍摄了所形成的裂纹状态的观察图像。将上述实验3的光斑直径设定为能量密度设定为13×1010W/cm2。
(实验4)
[实施例4至9]
〈实验系统的说明〉
实验系统除了加工对象物是以C平面为主平面的蓝宝石基板以外，与实验1时相同。选定水晶楔形板的顶角和聚光透镜焦距，以使各光束光斑直径为各光束光斑的能量密度为4.6×1010W/cm2、一对光束光斑的中心间距离约为3μm。另外，通过调整Q开关脉冲比率和载物台的移动速度，将照射光斑的间隔设定为15μm。
在实施例4中，使切割方向与定向平面平行来进行加工。在实施例5中，使切割方向为与定向平面垂直的方向来进行加工。在实施例6和实施例7中，在使水晶楔形板绕照射光学系统的光轴转动45°，将一对光束光斑的分离方向设定为与加工对象物的XY平面上的切割方向成45°角度的基础上，在实施例6中使切割方向与定向平面平行来进行加工，在实施例7中使切割方向为与定向平面垂直的方向来进行加工。在实施例8和实施例9中，在使水晶楔形板绕与实施例6和实施例7的转动方向相反的方向转动45°，将一对光束光斑设定为与加工对象物的XY平面上的切割方向成45°角度的基础上，在实施例8中使切割方向与定向平面平行来进行加工，在实施例9中使切割方向为与定向平面垂直的方向来进行加工。
〈实验3、4的特性评价〉
在比较例4中，从照射光斑向三个方向形成有裂纹，但是可以看出每次激发的裂纹产生状况都不均匀，裂纹的形成不均匀。此外，有时在各加工痕迹之间发生了裂纹不能连接的现象。
在实施例4中，可以看出裂纹的规则性连接。在实施例5中，与实施例4相同，也可以看出裂纹的规则性连接。在实施例6和实施例7中，可以看出光束光斑排列的45°方向的裂纹延伸得较长。在实施例8和实施例9中，可以看出相对于实施例6和实施例7，最大裂纹的方向转动了90°。
从以上结果可以看出：即使是结晶性硬脆性材料也可以容易地调整并控制解理断裂方向。可以认为通过进行这种调整和控制，可以控制由激光照射产生的解理断裂方向，并且通过使解理断裂在接近蓝宝石等基板的切割方向的位置生长，可以形成所希望的切割槽。
工业实用性
如上所述，由于本发明的激光切割加工方法是向加工对象物照射具有多对光束光斑的激光光线，并且使上述多对光束光斑形成的裂纹沿加工对象物容易断裂的方向延伸来进行切断，所以通过较少的激光能量就可以进行加工，从而可以实现节能。此外，由于将热应力的影响抑制为最小限度，所以可以有效地防止加工对象物的变形等，并且可以提高处理能力。此外，本发明的激光切割加工方法由简易的工序构成，可以实现降低成本，并且可以提高作业效率。

Claims (8)

1.一种激光切割加工方法，所述激光切割加工方法使用射出激光光线的光源和将所述激光光线引导到由硬脆性材料构成的加工对象物上的照射光学系统，
所述激光切割加工方法的特征在于包括：
射出工序，从光源射出激光光线；
分离工序，将所述激光光线分离为行进方向不同的常光成分和非常光成分；
聚光工序，对所述常光成分和所述非常光成分进行聚光，并且形成一对或多对光束光斑；以及
照射工序，向加工对象物的切割方向间隔地照射具有所述一对或多对光束光斑的激光光线，并且在连接成对的光束光斑的直线上形成裂纹，
将所述照射工序中的一对或多对光束光斑的中心间距离调整为光斑直径的0.5倍以上、且40倍以下，
在所述照射工序中形成的一对或多对光束光斑的光斑直径在0.5μm以上、且在200μm以下。
2.根据权利要求1所述的激光切割加工方法，其特征在于，使用配置在照射光学系统中的双折射性棱镜进行所述分离工序中的常光成分和非常光成分的分离。
3.根据权利要求1所述的激光切割加工方法，其特征在于，调整常光成分和非常光成分的分离方向，以使所述照射工序中的一对或多对光束光斑的分离方向沿着加工对象物的切割方向。
4.根据权利要求1所述的激光切割加工方法，其特征在于，调整常光成分和非常光成分的分离方向，以使所述照射工序中的一对或多对光束光斑的分离方向沿着加工对象物的解理面。
5.根据权利要求3或4所述的激光切割加工方法，其特征在于，使用双折射性棱镜进行所述照射工序中的一对或多对光束光斑的分离方向的调整，所述双折射性棱镜配置在照射光学系统中、且能够以照射光学系统的光轴为中心进行转动。
6.根据权利要求1所述的激光切割加工方法，其特征在于，调整常光成分和非常光成分的分离方向，以便调整所述照射工序中的一对或多对光束光斑的中心间距离。
7.根据权利要求1所述的激光切割加工方法，其特征在于，在所述分离工序中，使用1/2波长板来调整常光成分和非常光成分的强度比，所述1/2波长板配置在照射光学系统中、且能够以照射光学系统的光轴为中心进行转动。
8.根据权利要求1所述的激光切割加工方法，其特征在于，所述照射光学系统还具有1/4波长板。
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