CN104955605A - 激光加工装置、激光加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种激光加工装置、激光加工方法，其将激光束聚光成环状并将其聚光位置照射在基板的厚度范围内，使聚光位置向基板的厚度方向及基板的平面方向位移的过程中，以环状的聚光位置的中心进行圆周运动的方式使聚光位置位移，从而能够实现装置成本的下降，且加工处理时间的缩短。

Description

激光加工装置、激光加工方法
技术领域
本发明涉及一种用于在玻璃等基板实施穿孔加工的激光加工装置及激光加工方法。
背景技术
近年来，以智能手机为首的个人数字助理的显示画面中使用1mm以下厚度的玻璃基板，其玻璃基板上实施有与各种按钮和传声器等功能对应的孔加工。如上面所述的玻璃基板的薄脆性材料的孔加工中，加工过程中的因裂缝的产生而导致的成品率下降成为问题。尤其，如上面所述的个人数字助理画面上的主画面按钮孔，贯穿加工直径为10mm左右比较大的孔时，利用以金刚石为刀刃的玻璃刀在表面赋予圆形加工裂纹，进一步在圆形加工裂纹的内侧附加格子状等加工裂纹并在其上加以捶打而逐渐扩大开口部，由此进行形成圆形穿孔。据此，赋予人为捶打会较大影响加工精度，某种程度上，无法避免因裂缝的产生而导致成品率下降为现状。
相对于此，提出各种相对玻璃等脆性材料的激光加工技术。下述专利文献1中，记载有通过利用YAG激光的激光加工在玻璃上形成微细的贯穿孔。并且，在下述专利文献2中，记载有通过在以圆孔的轮廓线为基准的内侧沿轮廓线多重扫描激光束，从而在薄玻璃基板上形成圆穿孔。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利公开2000-61667号公报
专利文献2：日本专利公开2009-269057号公报
发明内容
发明要解决的技术课题
在玻璃等脆性材料基板照射激光束而实施贯穿加工的激光加工中，孔径为1mm以下的微细孔时，将YAG激光的照射能量设定为预定阈值以上，通过将焦点位置设为被加工基板厚度的中间位置或中间位置下方，能够形成微细的穿孔(参考专利文献1)。但是，贯穿孔径为10mm左右的比较大径的孔时，如专利文献2中记载，需要沿孔的轮廓线扫描激光束，由于需要电流镜等昂贵的扫描机构，因此存在装置成本增加，并且加工处理时间加长的问题。
本发明以应对这种问题作为课题的一例。即，在玻璃等脆性材料基板上贯穿加工比较大的孔时，能够消除因裂缝的产生而导致的成品率下降，实现装置成本的下降，且缩短加工处理时间等为本发明的目的。
用于解决技术课题的手段
为达成这种目的，本发明的激光加工装置及激光加工方法至少具备以下结构。
一种激光加工装置，向基板上照射激光束而在该基板上实施穿孔加工，该装置的特征在于，具备：聚光透镜，将激光束聚光成环状并将其聚光位置照射在所述基板的厚度范围内；及聚光位置位移机构，向所述基板的厚度方向及所述基板的平面方向位移所述聚光位置。
一种激光加工方法，向基板上照射激光束而在该基板上实施穿孔加工，该方法的特征在于，将激光束聚光成环状并将其聚光位置照射在所述基板的厚度范围内，使所述聚光位置向所述基板的厚度方向及所述基板的平面方向位移的过程中，以环状的所述聚光位置的中心进行圆周运动的方式使所述聚光位置位移。
发明效果
根据具有这种特征的本发明，通过使聚光成环状的激光束的聚光位置在基板的厚度范围内三维位移，能够在沿环状的聚光位置的整个外周，同时进行将激光加工痕迹向厚度方向及径向扩大。由此，能够以简单的装置结构快速完成基板的穿孔加工，而无需使用昂贵的激光扫描机构。
并且，形成为环状的激光加工痕迹一边挪动位置一边被逐渐扩大，因此在加工变质层上被反复照射激光束从而能够将激光束散射的能量损失抑制到最小限度，且能够有效进行穿孔加工。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式中使用的激光透镜的形态例的说明图。
图2是表示在本发明的实施方式中位移激光束的聚光位置的动作形态的说明图。
图3是表示本发明的实施方式所涉及的激光加工装置的形态例的说明图。
图4是表示本发明的实施方式所涉及的激光加工装置的具体例的说明图。
图5是表示本发明的实施方式所涉及的激光加工装置的具体例的说明图。
具体实施方式
以下，参考附图对本发明的实施方式所涉及的激光加工装置及激光加工方法进行说明。图1是表示本发明的实施方式中使用的激光透镜的形态例的说明图(图1(a)是表示聚光透镜的截面形状与激光束的聚光状态的图，图1(b)是平面观察被聚光成环状的激光束的射束形状的图)。聚光透镜1将激光束L聚光成环状且将其聚光位置Fs照射在基本G的厚度范围内。聚光透镜1基本上将柱面透镜设为环形，通过将成型为预定射束直径的圆形截面激光束L入射到有效口径内，能够获得如图1(b)所示的环状的聚光状态La。
本发明的实施方式所涉及的激光加工装置及激光加工方法具备通过後述的各种形态构成的聚光位置位移机构。聚光位置位移机构向基板G的厚度方向及基板G的平面方向位移通过聚光透镜1将聚光束L聚光成环状的聚光位置Fs。由此，激光束L的聚光位置Fs在基板G的厚度范围内被三维改变位置。
图2是表示在本发明的实施方式中位移激光束的聚光位置的动作的说明图。图2(a)表示平面观察时的移动，图2(b)表示基板的厚度方向的移动。如图2(a)所示，激光束L的聚光位置Fs(Fs1，Fs2，Fs3，Fs4，Fs5，Fs6，Fs7，Fs8)以其中心(O1，O2，O3，O4，O5，O6，O7，O8)进行圆周运动的方式平面位移。焦点位置Fs的中心的移动轨迹在图示的例子中为正圆，但并不限定于此，可为椭圆或变形的圆轨迹，在此所说的圆周运动只要移动轨迹接近圆即可。
其中，若聚光位置Fs的中心的移动轨迹为直径W的圆，则在环状的聚光位置Fs的整个外周上在宽度W的范围内被形成激光加工痕迹，并且根据聚光位置Fs的厚度方向的位移，如图2(b)所示，在基板G的厚度方向上被形成深度不同的激光加工痕迹。
如上，本发明的实施方式所涉及的激光加工方法中，将激光束L聚光成环状并使其聚光位置Fs向基板G的厚度方向及基板G的平面方向位移的过程中，以环状的聚光位置Fs的中心进行圆周运动的方式使聚光位置Fs位移。据此，通过使聚光成环状的激光束的聚光位置Fs在基板G的厚度范围内三维位移，能够在沿环状的聚光位置Fs的整个外周，同时进行向三维方向扩大激光加工痕迹。且能够快速完成基板G的穿孔加工。此时，形成为环状的激光加工痕迹一边挪动位置一边被逐渐扩大，因此在加工变质层上被反复照射激光束从而能够将激光束散射的能量损失抑制到最小限度，且能够有效进行穿孔加工。形成的穿孔的直径φ成为约2R+W(R为环状聚光位置Fs的半径)。
图3是表示本发明的实施方式所涉及的激光加工装置的形态例的说明图。激光加工装置10具备上面所述的聚光透镜1、及向基板G的厚度方向及基板G的平面方向位移聚光透镜1的聚光位置Fs的聚光位置位移机构2。并且，激光加工装置10具备射出激光束L的激光光源3、及将激光束L引导到聚光透镜1的光学系统(光束扩展器4和反射镜5等)。
作为聚光位置位移机构2的一个方式，具备使基板G移动的基板移动机构20。基板移动机构20以单体或组合具备使基板G向其厚度方向(Z轴方向)上下移动的机构、使基板G围绕水平轴(X轴或Y轴)摆动的机构、及使基板G围绕垂直轴(Z轴)转动的机构。并且，基板移动机构20也可具有使基板G围绕相对与其表面垂直的轴(Z轴)倾斜的旋转轴旋转的机构。
作为聚光位置位移机构2的另一方式，具备使聚光透镜1移动的聚光透镜移动机构21。聚光透镜移动机构21以单体或组合具备使聚光透镜1围绕水平轴(X轴或Y轴)摆动的机构、及使聚光透镜1围绕相对激光束L的光轴倾斜的旋转轴旋转的机构等。
作为聚光位置位移机构2的另一方式，具备移动将激光束L引导到聚光透镜1的光学系统的光学元件(例如反射镜5或光束扩展器4)的光学元件移动机构22。光学元件移动机构22例如以单体或组合具备摆动将激光束L引导到聚光透镜1的反射镜5的角度的机构、围绕相对与反射镜5的反射面垂直的轴倾斜的旋转轴旋转反射镜5的机构、及使光束扩展器4围绕Y轴摆动的机构等。
图4及图5是表示本发明的实施方式所涉及的激光加工装置的具体例的说明图。如图4(a)所示，图4所示的激光加工装置10具备激光光源3、放大从激光光源3射出的激光束L的射束直径的光束扩展器4、反射镜5、及聚光透镜1，向基板G照射通过聚光透镜1聚光成环状的激光束L。该实施方式中，作为聚光位置位移机构2，具备围绕旋转轴a旋转光束扩展器4的光学元件移动机构22A。
如图4(b)所示，该光学元件移动机构22A在偏离光束扩展器4的中心40的位置被设置有旋转轴a，该旋转轴a与激光束L的光轴一致。若通过光学元件移动机构22A使光束扩展器4旋转，则将激光束L照射到从中心40偏心的位置，可获得与使激光束L的光轴围绕中心40进行圆周运动时相等的作用。据此，能够改变从光束扩展器4射出且入射到激光透镜1的激光束L的角度，且能够使聚光透镜1的聚光位置Fs向基板G的厚度方向及基板G的平面方向位移。根据基板G的厚度也可配合使基板G向厚度方向移动的基板移动机构2(20)而设置。
如图5所示的激光加工装置10具备激光光源3、放大从激光光源3射出的激光束L的射束直径的光束扩展器4、转像器(道威棱镜)6、反射镜5、及聚光透镜1，向基板G照射通过聚光透镜1聚光成环状的激光束L。该实施方式中，作为聚光位置位移机构2，具备围绕旋转轴a1旋转转像器(道威棱镜)6的光学元件移动机构22B。
该光学元件移动机构22B使相对于激光束L的光轴倾斜配置的转像器6围绕与光轴平行的旋转轴a1旋转。据此，能够改变从转像器6射出且入射到激光透镜1的激光束L的角度，且能够使聚光透镜1的聚光位置Fs向基板G的厚度方向及基板G的平面方向位移。根据基板G的厚度也可配合使基板G向厚度方向移动的基板移动机构2(20)而设置。
根据以上说明的本发明的实施方式所涉及的激光加工装置及激光加工方法，相比利用玻璃刀的以往技术，能够较大抑制加工中的裂缝的产生，且能够实现高加工精度和成品率而与与工作人员的能力无关。并且，相比扫描激光的以往技术，能够通过基板G和激光透镜1或移动光学元件的聚光位置位移机构2实现比较简单且低成本的装置结构，而无需使用电流镜等昂贵的扫描机构。
并且，使形成为环状的激光加工痕迹一边挪动一边逐渐扩大，因此在加工变质层上被反复照射激光束从而能够减少激光束散射的能量损失，通过有效的穿孔加工能够缩短加工处理时间。
以上，根据附图对本发明的实施方式进行了详细叙述，但具体结构并不限定于这些实施方式，不脱离本发明的趣旨的范围内的设计变更等也都包括在本发明内。并且，只要上述各实施方式在其目的及结构等中没有特殊矛盾或问题，就可挪用相互技术而进行组合。
附图标记说明
1-聚光透镜；2-聚光位置位移机构；20-基板移动机构；21-聚光透镜移动机构；22、22A、22B-光学元件移动机构；3-激光光源；4-光束扩展器；5-反射镜；6-转像器(道威棱镜)；G-基板；L-激光束；Fs(Fs1～Fs8)-聚光位置。

Claims (6)

1.一种激光加工装置，向基板上照射激光束而在该基板上实施穿孔加工，该装置的特征在于，具备：
聚光透镜，将激光束聚光成环状并将其聚光位置照射在所述基板的厚度范围内；及
聚光位置位移机构，使所述聚光位置向所述基板的厚度方向及所述基板的平面方向位移。
2.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，
所述聚光位置位移机构以环状的所述聚光位置的中心进行圆周运动方式使所述聚光位置位移。
3.根据权利要求1或2所述的激光加工装置，其特征在于，
所述聚光位置位移机构具备使所述基板移动的基板移动机构。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的激光加工装置，其特征在于，
所述聚光位置位移机构具备使所述聚光透镜移动的聚光透镜移动机构。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的激光加工装置，其特征在于，具备：
射出激光束的激光光源；及
将从所述激光光源射出的激光束引导到所述聚光透镜的光学系统，
所述聚光位置位移机构具备使所述光学系统中的光学元件移动的光学元件移动机构。
6.一种激光加工方法，向基板上照射激光束而在该基板上实施穿孔加工，该方法的特征在于，
将激光束聚光成环状并将其聚光位置照射在所述基板的厚度范围内，
使所述聚光位置向所述基板的厚度方向及所述基板的平面方向位移的过程中，
以环状的所述聚光位置的中心进行圆周运动的方式使所述聚光位置位移。
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