JP2006248885A - Cutting method of quartz by ultrashort pulse laser - Google Patents
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Abstract
Description
本願発明は、超短パルスレーザによって比較的大寸法の石英を切断する方法に関する。 The present invention relates to a method of cutting a relatively large size quartz by an ultrashort pulse laser.
溶融石英や合成石英ガラスを含む石英ガラスは、高い純度、耐熱性、光の透過性、化学的安定性、電気絶縁性などの優れた特性を多く併せ持ち、光学部品用材料や半導体工業用材料などとして広く利用されている。しかし、こうした優れた特性を持つ反面とても硬く、切断などの加工が極めて難しい。現在は、材料を固定して、先端にダイヤモンドをちりばめた回転円盤または帯状の切断機を用いて切断している。 Quartz glass, including fused silica and synthetic quartz glass, has many excellent properties such as high purity, heat resistance, light transmission, chemical stability, and electrical insulation, and materials for optical components, semiconductor industry, etc. As widely used. However, while having such excellent characteristics, it is very hard and processing such as cutting is extremely difficult. At present, the material is fixed, and cutting is performed using a rotating disk or a band-shaped cutting machine in which a diamond is studded at the tip.
また、石英ガラスの新しい加工方法としてレーザを用いる技術が注目されている。石英ガラスは、光学的に紫外線から近赤外にわたり広く光を透過する。そのため、幅広い波長が、当該ガラス類の加工に適用できないか試みられている。しかし、紫外レーザ光による加工は、現状では出力不足ととも加工深さに限界がある。また、遠赤外線は、石英ガラスに概ね吸収されるため加工が可能であるが、従来の赤外レーザ光による切断方法では、加工深さが数mm(10mmを超えない。)と浅いため、厚板または一定の厚みを有するブロック材の切断加工方法としては難があるとされている。 Further, a technique using a laser is attracting attention as a new processing method for quartz glass. Quartz glass optically transmits light widely from ultraviolet to near infrared. Therefore, it has been tried whether a wide range of wavelengths can be applied to the processing of the glass. However, processing with ultraviolet laser light currently has a shortage of output and a limited processing depth. Further, far-infrared rays can be processed because they are almost absorbed by quartz glass. However, in the conventional cutting method using infrared laser light, the processing depth is as shallow as several millimeters (not exceeding 10 mm), so that it is thick. It is said that there is a difficulty as a cutting method for a plate or a block material having a certain thickness.
こうした中、レーザ光線を利用した被加工物分割方法(特許文献1参照。)が開示されている。
上記特許文献1の技術は、レーザによるサファイア基板、炭化珪素基板、リチウムタンタレート基板、ガラス基板、石英基板及びシリコン基板のうちのいずれかを含む薄板部材などの分断方法において、レーザを照射する面(片面)側の反対面(他面)側から所定の深さ(厚さの10〜50%が好適。)まで変質層を作り、その変質した分割ラインにそって曲げモーメント(外力)を加えて分断するものである。なお、石英基板が他の基板と並列に扱われているが、ウエーハの一種として挙げられたものと考えられる。つまり、特許文献1の技術は、石英のレーザに対する特別の性質についての認識に基づくものではないと考えられる。
The technique disclosed in
上記の先端にダイヤモンドをちりばめた回転円盤または帯状の切断機を用いた切断方法では、単位時間あたりの切断量が極めて少量なので、膨大な時間を要している。長尺材からの小分けやサイズの変更をする場合には、切断した後に切断面近傍の熱的な歪(ひずみ)をとるための熱処理を行っているので、さらに時間を要する。しかも、切断工具が磨耗し易く頻繁に工具交換を必要とするので、手間と費用もかかる。これは、生産工程上の大きなマイナス要因となっている。 The above-described cutting method using a rotating disk or a band-shaped cutting machine in which diamond is interspersed with the cutting method requires an enormous amount of time because the amount of cutting per unit time is extremely small. When subdividing from a long material or changing the size, since heat treatment is performed to take thermal strain (strain) in the vicinity of the cut surface after cutting, more time is required. In addition, since the cutting tool is easily worn out and requires frequent tool change, it takes time and money. This is a major negative factor in the production process.
また、上記特許文献1の分断方法では、被切断物はウエーハなどの極めて薄い板に限られる。なぜなら、曲げモーメント(外力)を加えるという手段は、ウエーハのような薄い板にしか使えないからであり、厚い板はレーザ照射により変質を起こしても溶融後即座に強力に再溶着してしまうため、曲げモーメント(外力)で分断することは不可能だからである。この方法による分断は、5mm程度の厚さが限界であり、10mm程度になると破断を伴い、これ以上になると分断は不可能となる。
Further, in the dividing method of
このように、石英の加工時間を短くし、工具交換も不要な新しい加工法が求められている。加えて、それは歩留りの点から切断幅が狭く、切断深さも切削工具の歯幅によって制限されないような技術であり、さらに、厚い石英ガラスの切断も可能であることが望まれる。 Thus, there is a need for a new processing method that shortens the processing time of quartz and does not require tool replacement. In addition, it is a technique in which the cutting width is narrow in terms of yield, the cutting depth is not limited by the tooth width of the cutting tool, and it is desirable that thick quartz glass can be cut.
そこで、本願発明は上記の問題点に鑑みて為されたものであり、その目的の一例は、石英を超短パルスレーザにより切断する方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an example of the object is to provide a method of cutting quartz with an ultrashort pulse laser.
本願発明者は、以下の認識の下、本願発明に想到した。その認識とは、超短パルスレーザの照射熱によって石英は膨張・溶融しその後冷やされることで引張応力がはたらき、亀裂が生じる。ここに、大気中または強制供給による水分(H2O)などのOH基が、石英の成分Siに反応し、Si−OHを作りさらに亀裂を進行させるというものである。 The inventor of the present application has arrived at the present invention with the following recognition. The recognition is that quartz is expanded and melted by the irradiation heat of the ultrashort pulse laser and then cooled, whereby tensile stress is applied and a crack is generated. Here, OH groups such as moisture (H 2 O) in the atmosphere or by forced supply react with the component Si of quartz to form Si—OH and further progress cracks.
本願発明者は、この認識の下、上記の課題を解決すべく本願発明をした。 Based on this recognition, the present inventor has made the present invention to solve the above-mentioned problems.
本願発明は、パルス幅が1ピコ秒乃至100ナノ秒の超短パルスレーザを石英の切断面に照射し、複数のレーザ照射痕を前記切断面の全面に亘って作ることを特徴とする超短パルスレーザによる石英の切断方法である。 According to the present invention, an ultrashort pulse laser having a pulse width of 1 picosecond to 100 nanoseconds is irradiated on a cut surface of quartz, and a plurality of laser irradiation traces are formed over the entire cut surface. This is a quartz cutting method using a pulse laser.
また、本願発明は、レーザ光線を切断面の一端乃至その近傍に集光せしめて、該一端に沿って複数のレーザ照射痕を並べて変質ラインを作り、次いでレーザ光線の集光点を他端方向に変位せしめて再び変質ラインを作り、かくして切断面の全面に亘って複数のレーザ照射痕による変質ラインを作ることを特徴とする超短パルスレーザによる石英の切断方法である。切断面は、垂直面、水平面あるいは斜面にすることができる。 In the present invention, the laser beam is condensed on one end of the cut surface or in the vicinity thereof, a plurality of laser irradiation traces are arranged along the one end to form an alteration line, and then the condensing point of the laser beam is set in the other end direction. This is a quartz cutting method using an ultra-short pulse laser characterized in that an altered line is formed again and an altered line is formed again, and thus an altered line is formed by a plurality of laser irradiation marks over the entire cut surface. The cutting plane can be a vertical plane, a horizontal plane or a slope.
また、本願発明は、前記切断面がレーザ照射方向に対して垂直面または斜面であることを特徴とする超短パルスレーザによる石英の切断方法である。ここで、切断面がレーザ照射方向に対して垂直面であるとは、例えば図7に示すように、レーザを石英の上方から照射した場合において、切断面が水平(横)になっていることである。 The invention of the present application is a method for cutting quartz by an ultrashort pulse laser, wherein the cutting surface is a surface or an inclined surface perpendicular to the laser irradiation direction. Here, the cut surface is a surface perpendicular to the laser irradiation direction, for example, as shown in FIG. 7, when the laser is irradiated from above quartz, the cut surface is horizontal (horizontal). It is.
また、本願発明は、レーザ光線を石英の片面側から照射し他面側乃至その近傍に集光せしめて、他面側に沿って複数のレーザ照射痕を並べて変質ラインを作り、次いでレーザ光線の集光点を前記石英の厚さ方向内方に変位せしめて再び変質ラインを作り、かくして前記切断面の全面に亘って順次変質ラインを作ることを特徴とする超短パルスレーザによる石英の切断方法である。レーザを石英の上方から照射した場合において、切断面が垂直面(または垂直に近い斜面)であるときには、レーザを石英の下面付近に照射し、下面に沿ってレーザ照射痕を並べて変質ラインを作り、次いで、レーザの集光点を上面方向に変位させ、先の変質ラインの上部に同様の変質ラインを作る必要がある(図4参照)。上面付近から下面方向に変質ラインを並べていくと、既に変質した箇所にレーザが干渉してしまい、順次下部方向に向かって変質ラインを並べることができないからである。なお、切断面が上面から下面までに及ばない場合、つまり、上面から石英中間付近までの切断面をつくる場合には、石英中間付近からレーザ照射を始め、上面側に向かって変質ラインを重ねることとなる。同様に、切断面が石英中間付近から下面側に及ぶ場合には、下面側から中間付近まで変質ラインを重ねることとなる。 Further, the present invention irradiates a laser beam from one side of quartz and condenses it on the other surface side or the vicinity thereof, arranges a plurality of laser irradiation traces along the other surface side, creates an altered line, and then A method for cutting quartz with an ultrashort pulse laser, characterized in that the focal point is displaced inward in the thickness direction of the quartz to create an altered line again, and thus the altered line is successively formed over the entire cut surface. It is. When the laser is irradiated from above the quartz, if the cut surface is a vertical surface (or a nearly vertical slope), the laser is irradiated near the lower surface of the quartz, and the laser irradiation traces are arranged along the lower surface to create an altered line. Then, it is necessary to displace the laser condensing point in the upper surface direction and make a similar alteration line above the previous alteration line (see FIG. 4). This is because if the alteration lines are arranged from the vicinity of the upper surface to the lower surface, the laser interferes with the already altered portions, and the alteration lines cannot be arranged sequentially in the lower direction. When the cut surface does not extend from the upper surface to the lower surface, that is, when creating a cut surface from the upper surface to the vicinity of the quartz middle, start laser irradiation from the middle of the quartz and overlap the alteration line toward the upper surface side. It becomes. Similarly, when the cut surface extends from near the middle of the quartz to the lower surface, the altered line is overlapped from the lower surface to the middle.
また、本願発明は、前記複数のレーザ照射痕のうち隣り合うレーザ照射痕同士を一部重なり合うように作ることを特徴とする超短パルスレーザによる石英の切断方法である。 Further, the present invention is a quartz cutting method using an ultrashort pulse laser, wherein adjacent laser irradiation traces among the plurality of laser irradiation traces are made to partially overlap each other.
また、本願発明は、前記複数のレーザ照射痕を作った後に、前記切断面に温度差を与えることを特徴とする超短パルスレーザによる石英の切断方法である。 Further, the present invention is a method for cutting quartz by an ultrashort pulse laser, wherein a temperature difference is given to the cut surface after forming the plurality of laser irradiation traces.
また、本願発明は、使用する超短パルスレーザが、波長λ=1,064nmのYAG基本波であって、パルス出力は10mJ(ミリジュール)以上であることを特徴とする超短パルスレーザによる石英の切断方法である。 In the present invention, the ultrashort pulse laser to be used is a YAG fundamental wave having a wavelength λ = 1,064 nm, and the pulse output is 10 mJ (millijoule) or more. This is a cutting method.
本願発明によれば、超短パルスレーザによる石英の切断方法を提供することが可能となる。これにより、工具交換が不要となり、また、加工時間も短くすることができる。さらに、切断の幅を狭く、深さもより深くすることができる。また、厚い石英であっても外力を加えることなく切断することが可能となる。現状では、この方法以外に石英ブロックのレーザによる切断はできないと推測される。 According to the present invention, it is possible to provide a quartz cutting method using an ultrashort pulse laser. This eliminates the need for tool replacement and shortens the machining time. Furthermore, the cutting width can be narrowed and the depth can be further increased. Further, even thick quartz can be cut without applying external force. At present, it is presumed that the quartz block cannot be cut by laser other than this method.
次に、本発明を実施するための最良の形態について図を用いて説明する。なお、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。 Next, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to this embodiment.
図1において、石英1は、XYZテーブル12の上に直接置かれ、または、図示しない治具(ジグ)によって固定されて置かれている。この石英1の上方には、レーザ発振器11が、石英1の切断面2にレーザを発振できるように設けられている。
In FIG. 1, the
石英1は、例えば、溶融石英や合成石英ガラスを含む石英ガラスである。また、石英1は切断面2によって切断される。
レーザ発振器11は、超短パルスレーザを発振できるレーザ発振器である。
The
XYZテーブル12は、任意の速度でXYZ軸方向の移動が可能なテーブルである。XYZテーブル12が石英1を載せてXYZ軸方向に移動することで、レーザ発振器11は、石英1内の任意の位置に超短パルスレーザを照射することができる。
The XYZ table 12 is a table that can move in the XYZ axis directions at an arbitrary speed. By moving the XYZ table 12 on the
レーザ発振器11が、石英1の上方から石英1内に焦光点を合わせて超短パルスレーザを発振すると、図2に示すようなレーザ照射痕3ができる。このレーザ照射痕3は、物性変化による微小クラック(亀裂)であり、入射方向と逆方向に短く伝播する。また、レーザ照射痕3は縦長の楕円形状であり、レーザ照射痕3の大きさは、通常、楕円短軸方向の長さが約0.3ミリ、楕円長軸方向の長さが約0.6〜約1.5mmである。ただし、この大きさに限定されるものではない。長焦点レンズを用いれば、焦点深度も深まりさらにレーザ照射痕3を楕円長軸方向に長くすることもできる。
When the
図3に示すように、レーザ照射痕3を石英1の切断面2の全面に亘って作ることで、石英を切断することができる。
As shown in FIG. 3, the quartz can be cut by making the laser irradiation marks 3 over the
以下、図4を用いて、石英1の切断面2の全面に亘ってレーザ照射痕3を作る方法の一例について説明する。なお、レーザの焦光点は、XYZテーブル2を作動させることにより移動させる。
Hereinafter, an example of a method for forming the
まず、レーザの焦光点を切断面2の左下隅近傍に合わせ、そこから超短パルスレーザを照射する度に、レーザの焦光点を横方向に移動させる。その際、レーザ照射痕3が互いに接するか、または、一部(例えば10%乃至30%)重なり合うように超短パルスレーザを照射する。ただし、重なりすぎると既に変質した箇所に干渉するのでレーザが投入できなくなる。焦光点は、レーザ照射痕3が石英1の側面に達するまで横方向に移動させる。すると、レーザ照射痕3が短軸方向に並び、レーザ照射痕3による変質ライン4aが構成される。
First, the focal point of the laser is aligned with the vicinity of the lower left corner of the
次いで、レーザの焦光点を切断面に沿って上方(厚さ方向内方)に移動させて、この変質ライン4aの上方に同様の変質ライン4bをつくる。その際、変質ライン4aの上部と変質ライン4bの下部が接するか、または、一部重なり合うように変質ライン4bをつくる。
Next, the focal point of the laser is moved upward (inward in the thickness direction) along the cut surface, and the same altered
さらに、同様の変質ラインを4c、4d、・・・、4jと上方(厚さ方向内方)に作っていく。すると、図3で示したように、変質ライン4が並列になって切断面2の全面を埋め尽くす。換言すれば、レーザ照射痕3が、切断面2の全面に亘って作られたこととなる。ここでは、この切断面2を埋め尽くす並列な変質ライン群をまとめて、変質ライン面と呼ぶ。なお、図4の点線矢印は、レーザの焦光点の移動ライン5を示した一例である。
Furthermore, the same altered line is made upward (inward in the thickness direction) 4c, 4d,..., 4j. Then, as shown in FIG. 3, the alteration lines 4 are arranged in parallel to fill the
こうしてできた変質ライン面では物性変化が起きているので、時間経過とともに大気中の水分との反応により亀裂が進行する。そして、石英1は変質ライン面で分離される。
Since physical property changes occur on the altered line surface thus formed, cracks progress due to reaction with moisture in the atmosphere over time. And the
また、変質ライン面を適度に加熱または冷却することによって、亀裂を進行させることができる。したがって、当該変質ライン面近傍に温度差を与えることで、分離時間を制御することもできる。温度差を与える手段は種々考えられるが、自然放置による空冷や、人為的な手法による急速加熱または冷却が挙げられる。具体的には、反応促進のために冷却水や酸素を供給することが考えられる。さらに、変質ライン面に沿って加圧し酸性水溶液などを付加する方法もある。 Moreover, a crack can be advanced by heating or cooling an alteration line surface moderately. Therefore, the separation time can be controlled by giving a temperature difference in the vicinity of the alteration line surface. Various means for giving the temperature difference are conceivable, and examples include air cooling by leaving it alone and rapid heating or cooling by an artificial method. Specifically, it is conceivable to supply cooling water or oxygen to promote the reaction. Further, there is a method in which an acidic aqueous solution or the like is added by applying pressure along the altered line surface.
このような方法によって、従来の集光レーザでは加工が困難とされてきた石英の切断を実現できる。 By such a method, it is possible to realize cutting of quartz, which has been difficult to process with a conventional focused laser.
さらに、他の実施形態について説明する。図7に示すように、石英1の上方からレーザ発振器11でレーザを照射し、水平(レーザ照射方向に対して垂直)な切断面2の全面をレーザ照射痕3で埋めつくすことにより、切断・分離することができる。図4で示した実施形態では、変質ラインを上方(厚さ方向内方)に順次重ねていったが、本実施形態では、変質ラインを水平方向に順次並べることとなる。ここで、切断面2の全面に亘ってレーザ照射痕3を作ることで切断・分離が可能であるが、変質ラインを切断面の一端乃至その近傍から他端方向に順序良く並べると能率がよい。なお、図7では、レーザ照射痕3の列(変質ライン)が水平方向に並べられ、切断面2で1層の変質ライン面を形成しているが、2層以上の変質ライン面を重ねることもできる。そうすることで、亀裂の進行が早まり短時間で切断・分離が可能である。ただし、材料の歩留りは悪くなる。このように、水平面(X−Y平面)で切断・分離することができ、石英ブロックのスライス加工等、部材の切り出しが可能である。
Furthermore, other embodiments will be described. As shown in FIG. 7, a laser is emitted from above the
次に、石英ブロックから部材を切り出す実施形態について説明する。図8で示すように、垂直面(X−Z平面、Y−Z平面)と水平面(X−Y平面)の切断面を組み合わせることで、石英部材7を切り出すことができる。垂直面(X−Z平面、Y−Z平面)で切断するときには、図の矢印6aの方向に変質ラインを重ねるのが好ましい。矢印6aの逆向きに変質ラインを並べると、レーザが既に変質した箇所に干渉してしまうからである。
Next, an embodiment in which a member is cut out from the quartz block will be described. As shown in FIG. 8, the
さらに、図9に示すように、切断面を傾斜させて石英部材8を切り出すこともできる。石英1を傾斜面で切断するには、石英1の上方からレーザ発振器11でレーザを照射し、切断面上に変質ラインを順次並べ、切断面の全面をレーザ照射痕で埋めつくせばよい。ここで、切断面の傾斜角度が垂直に近い場合には、レーザの干渉を避けるために図の矢印6bの方向に変質ラインを順次重ねていくことが好ましい。一方、切断面の傾斜角度が水平に近い場合には、矢印6bの逆向きに変質ラインを順次並べても切断は可能である。
Furthermore, as shown in FIG. 9, the
このように石英を垂直面、水平面、あるいは斜面で切断することが可能である。これらを組み合わせることで多様な石英加工が可能である。 In this way, quartz can be cut along a vertical plane, a horizontal plane, or a slope. Various quartz processing is possible by combining these.
ここで、本発明で使用する超短パルスレーザには、YAGレーザの基本波(波長λ=1,064nm)を何らかの方法で発振時間を極めて短く出るようにしたものを利用できる。 YAGレーザでは、通常、Qスイッチ法によって超短時間(例えば、パルス幅が数ナノ〜数10ナノ秒。)でパルス発振されたレーザ光を得ることができる。例えば、図5に示すような、Qスイッチ機構(回転シャッタ)によるものがある。レーザ発振器11は、全反射鏡13とレーザ物質14と一部反射鏡15と回転シャッタ16からなる。レーザ発振器11中に発振を妨げる回転シャッタ16を挿入しておき、これを瞬間的に開くことで大電力光パルスを発生させることができる。また、モードロック法によって超短時間(例えば、パルス幅が数ピコ〜数10ピコ秒。)でパルス発振されたレーザ光を得ることができる。さらに、超音波Qスイッチ(Acoustic Q−Switching)やポッケルセルQスイッチ(Pockels cell Q−Switching)など応答性に優れ、出射タイミングやパルス幅を調整できるものもよく使用される。
Here, as the ultrashort pulse laser used in the present invention, a YAG laser fundamental wave (wavelength λ = 1,064 nm) whose oscillation time is made extremely short by any method can be used. In a YAG laser, laser light that is pulse-oscillated in an extremely short time (for example, a pulse width of several nanometers to several tens of nanoseconds) can be usually obtained by a Q switch method. For example, there is a Q switch mechanism (rotary shutter) as shown in FIG. The
図6は、連続発振・パルス発振・Qスイッチパルス発振の発振波形を示している。ここに示されているように、Qスイッチによって高出力でパルス幅(パルス発振時間)の狭いレーザ光を得ることができる。 FIG. 6 shows oscillation waveforms of continuous oscillation, pulse oscillation, and Q switch pulse oscillation. As shown here, laser light having a high output and a narrow pulse width (pulse oscillation time) can be obtained by the Q switch.
なお、超短パルスを発振させるレーザには何を用いてもよい。将来的に、高出力が実現した場合には、波長の異なる超短パルスレーザ(例えば、波長λ=800nm。)によっても目的を達成することができると考えられる。現状、波長λ=532nm及びλ=355nmのレーザでも切断が可能であることが確認されている。 Any laser that oscillates an ultrashort pulse may be used. In the future, when a high output is realized, it is considered that the object can be achieved also by an ultrashort pulse laser having a different wavelength (for example, wavelength λ = 800 nm). At present, it has been confirmed that cutting is possible even with lasers having wavelengths λ = 532 nm and λ = 355 nm.
本実施形態においては、焦光点を適宜ずらす方法として、任意の速度でXYZ軸方向の移動が可能なXYZテーブル12を用いたが、レーザ発振器11を可動式にして焦光点をずらすこともできる。
In the present embodiment, the XYZ table 12 capable of moving in the XYZ axis directions at an arbitrary speed is used as a method for appropriately shifting the focal point. However, the focal point may be shifted by making the
石英に対するレーザの入射角度Θは、0〜15度程度が好ましい(図10参照。)。これより大きい入射角度でレーザを照射すると、レーザが反射してしまい石英内部にレーザを入射できないからである。 The incident angle Θ of the laser with respect to quartz is preferably about 0 to 15 degrees (see FIG. 10). This is because if the laser beam is irradiated at a larger incident angle, the laser beam is reflected and the laser beam cannot enter the quartz.
1 石英
2 切断面
3 レーザ照射痕
4a 変質ライン
4b 変質ライン
4c 変質ライン
4d 変質ライン
4e 変質ライン
4f 変質ライン
4g 変質ライン
4h 変質ライン
4i 変質ライン
4j 変質ライン
5 レーザの焦光点の移動ライン
7 石英部材
8 石英部材
11 レーザ発振器
12 XYZテーブル
13 全反射鏡
14 レーザ物質
15 一部反射鏡
16 回転シャッタ
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