JP2010158713A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】所望の形状に加工領域を形成できるレーザ加工方法およびレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】シリンドリカルレンズ４は、レーザ光Ｌ１をＹ軸方向（すなわち、ＹＺ平面内）において発散させ、Ｘ軸方向（すなわち、ＺＸ平面内）において発散及び収束させない。そして、対物レンズ５は、シリンドリカルレンズ４から出射されたレーザ光Ｌ１をＹ軸方向において点Ｐ１に収束させ、Ｘ軸方向において点Ｐ２に収束させる。これにより、レーザ光Ｌ１の断面形状は、点Ｐ１でＸ軸方向に延びる長尺形状となり、点Ｐ２でＹ軸方向に延びる長尺形状となる。そのため、点Ｐ１を加工対象物Ｓの外部に位置させ、点Ｐ２を加工対象物Ｓの内部に位置させることで、加工対象物Ｓの内部において点Ｐ２が位置させられた部分に、Ｙ軸方向に延びる長尺形状の加工領域を形成することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、レーザ加工装置に関する。

従来のレーザ加工装置として、集光点でのレーザ光の強度が加工閾値を超え、且つ集光点での断面形状が楕円形状等の長尺形状となるように、レーザ光を加工対象物に照射するものが知られている（例えば、特許文献１，２参照）。

特表平１０−５０６０８７号公報 特開２００７−７５８８６号公報

上述したようなレーザ加工装置は、加工対象物に対して一方向に延びるように加工領域を形成することができることから、極めて有効なものであり、更なる技術開発が期待されている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、所望の形状に加工領域を形成することができるレーザ加工装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るレーザ加工装置は、レーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光に対して透過性を有する加工対象物を支持する支持台と、平行光を光軸と直交する所定の方向において発散又は収束させる機能を有し、レーザ光源から出射されたレーザ光を所定の方向において発散又は収束させる第１の光学系と、平行光を光軸上の一点に収束させる機能を有し、第１の光学系から出射されたレーザ光を、光軸と直交する第１の方向において第１の点に収束させ、光軸及び第１の方向と直交する第２の方向において第２の点に収束させる第２の光学系と、第２の光学系に対して第１の光学系を光軸に沿って相対的に移動させる第１の移動機構と、第２の光学系に対して支持台を光軸に沿って相対的に移動させる第２の移動機構と、を備え、第１の移動機構及び第２の移動機構によって、第１の点を加工対象物の外部に位置させ、第２の点を加工対象物の外表面又は内部に位置させて、加工対象物にレーザ光を照射することを特徴とする。

このレーザ加工装置では、レーザ光の断面形状が第１の点で第２の方向に延びる長尺形状となり、第２の点で第１の方向に延びる長尺形状となる。そのため、第１の移動機構及び第２の移動機構により、第１の点を加工対象物の外部に位置させ、第２の点を加工対象物の外表面又は内部に位置させることで、加工対象物の外表面又は内部において第２の点が位置させられた部分に、第１の方向に延びる長尺形状の加工領域を形成することができる。従って、このレーザ加工装置によれば、所望の形状に加工領域を形成することが可能となる。

また、第２の点は、レーザ光の光線束のうち第１の光学系によって発散又は収束させられなかった光線束が第２の光学系によって収束させられる点であることが好ましい。この場合、第２の点が、第１の光学系によって発散又は収束させられた光線束が第２の光学系によって収束させられる点である場合に比べ、加工領域の第２の方向の幅を細くすることができる。

また、第２の移動機構は、第２の光学系に対して支持台を第１の方向に相対的に移動させることが好ましい。この場合、加工領域が第１の方向に延びる長尺形状となることから、第１の方向に平行な加工ラインに沿って加工対象物の外表面又は内部に加工領域を効率良く形成することができる。或いは、第２の移動機構は、第２の光学系に対して支持台を第２の方向に相対的に移動させることが好ましい。この場合、加工領域が第１の方向に延びる長尺形状となることから、第１の方向に垂直な加工ラインに沿って加工対象物の外表面又は内部に幅広の加工領域を形成することができる。

また、第１の光学系と第２の光学系との間の光軸上には、レーザ光を反射する光学部材が配置され、光学部材は、加工対象物を観察するための観察光を透過させることが好ましい。この構成によれば、第１の光学系の影響を受けることなく、平行光を光軸上の一点に収束させる機能を有する第２の光学系を介して、加工対象物を観察することができる。

本発明によれば、所望の形状に加工領域を形成することが可能となる。

本発明に係るレーザ加工装置の一実施形態の構成図である。 図１のレーザ加工装置におけるレーザ光の光路を示す図である。 図１のレーザ加工装置におけるレーザ光の光路を示す図である。 図１のレーザ加工装置によって加工領域が形成された加工対象物を示す図である。 図１のレーザ加工装置によって加工領域が形成された加工対象物を示す図である。 本発明に係るレーザ加工装置の実施例によってクラック領域が形成された加工対象物の写真を示す図である。 本発明に係るレーザ加工装置の他の実施形態におけるレーザ光の光路を示す図である。 本発明に係るレーザ加工装置の他の実施形態におけるレーザ光の光路を示す図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明に係るレーザ加工装置の一実施形態の構成図である。図１に示されるように、レーザ加工装置１は、レーザ光Ｌ１を出射するレーザ発振器（レーザ光源）２と、レーザ光Ｌ１に対して透過性を有する加工対象物Ｓを支持する支持台３と、円柱凹面によって平行光を光軸と直交する所定の方向において発散させる機能を有するシリンドリカルレンズ（第１の光学系）４と、平行光を光軸上の一点に収束させる機能を有する対物レンズ（第２の光学系）５と、シリンドリカルレンズ４をその光軸に沿って移動させる移動機構（第１の移動機構）６と、支持台３を対物レンズ５の光軸に沿って移動させるＸＹＺステージ（第２の移動機構）７と、を備えている。ＸＹＺステージ７は、対物レンズ５の光軸方向、すなわちＺ軸方向だけでなく、Ｚ軸方向と直交するＸ軸方向、並びにＺ軸方向及びＸ軸方向と直交するＹ軸方向にも、支持台３を移動させる。

レーザ加工装置１は、更に、加工対象物Ｓを観察するための観察光Ｌ２を投光する照明部８と、加工対象物Ｓで反射された観察光Ｌ２の反射光を受光して加工対象物Ｓの像を取得する撮像部９と、を備えている。これにより、加工対象物Ｓの表面、内部又は裏面を観察することができる。

レーザ加工装置１においては、レーザ発振器２から出射されたレーザ光Ｌ１は、シリンドリカルレンズ４の光軸上を進行した後、ダイクロイックミラー（光学部材）１１によって反射され、対物レンズ５の光軸上を進行して支持台３上の加工対象物Ｓに照射される。一方、照明部８によって投光された観察光Ｌ２は、ダイクロイックミラー１２によって反射された後、ダイクロイックミラー１１を透過し、対物レンズ５の光軸上を進行して支持台３上の加工対象物Ｓに照射される。そして、加工対象物Ｓで反射された観察光Ｌ２の反射光は、対物レンズ５の光軸上を進行し、ダイクロイックミラー１１，１２を透過して、撮像部９によって受光される。

なお、レーザ加工装置１においては、レーザ発振器２、シリンドリカルレンズ４、対物レンズ５、移動機構６、照明部８、撮像部９、ダイクロイックミラー１１及びダイクロイックミラー１２が筐体内に配置されて、レーザ照射装置１０が構成されている。また、レーザ加工装置１には、レーザ発振器２、移動機構６、照明部８、撮像部９及びＸＹＺステージ７等の装置全体を制御する制御部２０が設けられている。制御部２０は、対物レンズ５に対してシリンドリカルレンズ４を光軸に沿って相対的に移動させるために移動機構６を制御したり、対物レンズ５に対して支持台３（すなわち、加工対象物Ｓ）を光軸に沿って相対的に移動させるためにＸＹＺステージ７を制御したりする。対物レンズ５と支持台３との距離（すなわち、対物レンズ５と加工対象物Ｓとの距離）の調節は、支持台３をＺ軸方向（光軸方向）に移動させてもよいし、対物レンズ５、若しくは対物レンズ５を含むレーザ照射装置１０をＺ軸方向に移動させてよいし、その両方を移動させるように制御してもよい。更に、制御部２０は、レーザ発振器２や照明部８を制御したり、撮像部９で取得した画像に基づいてＸＹＺステージ７を動作させ、加工対象物Ｓに対するレーザ光Ｌ１の焦点位置を制御したりする。

図２及び３は、図１のレーザ加工装置におけるレーザ光の光路を示す図である。なお、図２及び３においては、説明の便宜上、ダイクロイックミラー１１の図示を省略する。図２及び３に示されるように、シリンドリカルレンズ４は、レーザ発振器２から出射されたレーザ光Ｌ１を、Ｙ軸方向（所定の方向）（すなわち、ＹＺ平面内）において発散させ、Ｘ軸方向（すなわち、ＺＸ平面内）において発散及び収束させない。そして、対物レンズ５は、シリンドリカルレンズ４から出射されたレーザ光Ｌ１を、Ｙ軸方向（第１の方向）（すなわち、ＹＺ平面内）において第１の点Ｐ１に収束させ、Ｘ軸方向（第２の方向）（すなわち、ＺＸ平面内）において第２の点Ｐ２に収束させる。これにより、レーザ光Ｌ１の断面形状は、点Ｐ１でＸ軸方向に延びる長尺形状となり、点Ｐ２でＹ軸方向に延びる長尺形状となる。

ここで、シリンドリカルレンズ４の焦点距離をＡ、発散点距離（シリンドリカルレンズ４の焦点と対物レンズ５の主点との距離）をＢ、対物レンズ５の焦点距離をＣ、加工対象物Ｓの屈折率をｎ、加工対象物Ｓの厚さをｄとすると、ＹＺ平面内での集光点距離（対物レンズ５の主点と第１の点Ｐ１との距離）Ｚ１及びＺＸ平面内での集光点距離（対物レンズ５の主点と第２の点Ｐ２との距離）Ｚ２は、それぞれ次の式（１）及び（２）で表される。
Ｚ１＝（Ｇ−Ｈ）＋ｄ＋（ｎＨ−ｄ）／ｎ…（１）
Ｚ２＝（Ｃ−Ｅ）＋ｎＥ…（２）

なお、式（１）及び（２）において、Ｇ＝１／（（１／Ｃ）−（１／Ｂ））であり、Ｈはｎ＝１の場合における加工対象物Ｓの表面と集光点（ＹＺ平面内でのレーザ光Ｌ１の集光点）との距離、Ｅはｎ＝１の場合における加工対象物Ｓの表面と集光点（ＺＸ平面内でのレーザ光Ｌ１の集光点）との距離である。加工対象物Ｓの上側（すなわち、加工対象物Ｓと対物レンズ５との間）や加工対象物の下側の空気中においては、ｎ＝１である。

上記の式（１）及び（２）より、ＹＺ平面内での集光点距離Ｚ１は発散点距離Ｂに依存し、ＺＸ平面内での集光点距離Ｚ２は発散点距離Ｂに依存しないことが分かる。つまり、移動機構６によってシリンドリカルレンズ４が光軸に沿って進退させられると、ＺＸ平面内での集光点距離Ｚ２は変化せずに、ＹＺ平面内での集光点距離Ｚ１、延いては非点距離Ｚａ（＝Ｚ１−Ｚ２）が変化することになる。

次に、上述したレーザ加工装置１の動作の一例について説明する。図４及び５は、図１のレーザ加工装置によって加工領域が形成された加工対象物を示す図である。なお、この一例は、図４及び５に示されるように、ガラス基板である加工対象物Ｓの加工ラインＰＬに沿って、パルス波であるレーザ光Ｌ１を照射し、切断の起点となるクラック領域ＣＲを加工領域として加工対象物Ｓの内部に形成する例である。

まず、加工対象物Ｓの屈折率ｎに基づいて、第２の点Ｐ２が加工対象物Ｓの内部（加工対象物Ｓの表面から所定の距離だけ内側）に位置するように、ＸＹＺステージ７によって支持台３がＺ軸方向に移動させられる（上記の式（２）参照）。そして、加工対象物Ｓの屈折率ｎ及び厚さｄに基づいて、第１の点Ｐ１が加工対象物Ｓの外部（下側）に位置するように、移動機構６によってシリンドリカルレンズ４が光軸に沿って移動させられる（上記の式（１）参照）。

続いて、加工対象物Ｓの内部に位置させられた第２の点Ｐ２でのレーザ光Ｌ１のピークパワー密度が加工閾値（例えば、多光子吸収、その他の光吸収が生じ得る閾値）を超えるように、レーザ発振器２からレーザ光Ｌ１が出射されると共に、ＸＹＺステージ７によって支持台３がＹ軸方向に移動させられ、加工ラインＰＬに沿ってレーザ光Ｌ１が照射される。これにより、加工対象物Ｓの内部において点Ｐ２が位置させられた部分に、１パルスのレーザ光Ｌ１の照射毎に１つのクラック領域ＣＲが形成される。このとき、各クラック領域ＣＲの形状は、レーザ光Ｌ１の断面形状が点Ｐ２でＹ軸方向に延びる長尺形状であるため、加工対象物Ｓに対するレーザ光Ｌ１の入射方向から見た場合に、加工ラインＰＬに沿って延びる長尺形状となる。

このように、加工ラインＰＬに沿って加工対象物Ｓの内部にクラック領域ＣＲが形成されると、クラック領域ＣＲが切断の起点となるので、加工対象物Ｓを加工ラインＰＬに沿って精度良く切断することができる。しかも、クラック領域ＣＲが加工ラインＰＬに沿って延びる長尺形状であるため、加工ラインＰＬに沿って切断された加工対象物Ｓの切断面を滑らかにすることができる。

以上説明したように、レーザ加工装置１においては、レーザ光Ｌ１の断面形状が第１の点Ｐ１でＸ軸方向に延びる長尺形状となり、第２の点Ｐ２でＹ軸方向に延びる長尺形状となる。そのため、移動機構６及びＸＹＺステージ７により、点Ｐ１を加工対象物Ｓの外部に位置させ、点Ｐ２を加工対象物Ｓの内部に位置させることで、加工対象物Ｓの内部において点Ｐ２が位置させられた部分に、Ｙ軸方向に延びる長尺形状の加工領域を形成することができる。従って、レーザ加工装置１によれば、所望の形状に加工領域を形成することが可能となる。

また、レーザ加工装置１においては、レーザ光Ｌ１の光線束のうちシリンドリカルレンズ４によって発散させられなかったＸＺ平面内の光線束が対物レンズ５によって収束させられる点を第２の点Ｐ２とし、その点Ｐ２で加工が行われる（図３（ｂ）参照）。そのため、シリンドリカルレンズ４によって発散させられたＹＺ平面内の光線束が対物レンズ５によって収束させられる点を点Ｐ２とし、その点Ｐ２で加工が行われる場合に比べ、加工領域のＸ軸方向の幅を細くすることができる。なお、加工領域のＸ軸方向の幅を太くすべき場合等には、シリンドリカルレンズ４によって発散させられたＹＺ平面内の光線束が対物レンズ５によって収束させられる点を点Ｐ２とし、その点Ｐ２で加工が行われるようにしてもよい。

また、レーザ加工装置１においては、ＸＹＺステージ７が対物レンズ５に対して支持台３をＹ軸方向に移動させる。この場合、加工領域がＹ軸方向に延びる長尺形状となることから、Ｙ軸方向に平行な加工ラインＰＬに沿って加工対象物Ｓの内部に加工領域を効率良く形成することができる。なお、ＸＹＺステージ７が対物レンズ５に対して支持台３をＸ軸方向に移動させれば、加工領域がＹ軸方向に延びる長尺形状となることから、Ｘ軸方向に平行な加工ラインＰＬに沿って加工対象物Ｓの内部に幅広の加工領域を形成することができる。

また、レーザ加工装置１においては、シリンドリカルレンズ４と対物レンズ５との間の光軸上に、レーザ光Ｌ１を反射し、且つ観察光Ｌ２を透過させるダイクロイックミラー１１が配置されている。これにより、シリンドリカルレンズ４の影響を受けることなく、平行光を光軸上の一点に収束させる機能を有する対物レンズ５を介して、加工対象物Ｓの表面、内部又は裏面を観察することができる。

次に、本発明に係るレーザ加工装置の実施例について説明する。図６は、本発明に係るレーザ加工装置の実施例によってクラック領域が形成された加工対象物の写真を示す図である。なお、図６において、（ａ）は加工ラインに沿っての加工対象物の断面写真、（ｂ）は加工対象物の表面に観察光の焦点を合わせたときの写真、（ｃ）は加工対象物の内部において第２の点Ｐ２が位置させられた部分に観察光の焦点を合わせたときの写真、（ｄ）は加工対象物の内部において第１の点Ｐ１が位置させられた部分に観察光の焦点を合わせたときの写真である。

この実施例における加工条件は次の通りである。
（Ａ）加工対象物：パイレックス（登録商標）ガラス（厚さ７００μｍ）
（Ｂ）レーザ
光源：Ｙｂ：ＫＧＷ超短パルスレーザ
波長：１０３０ｎｍ
発振形態：再生増幅
繰り返し周波数：３ｋＨｚ
パルス幅：３ｐｓ
出射レーザエネルギ：１００μＪ／パルス
出射レーザ光品質：ＴＥＭ_００
偏光特性：直線偏光
（Ｃ）対物レンズ
開口数（ＮＡ）：０．５５
レーザ光に対する透過率：７０％
（Ｄ）照射条件
第２の点Ｐ２でのレーザ光の断面形状：１００μｍ（Ｙ軸方向の最大長さ）×５μｍ（Ｘ軸方向の最大長さ）
第２の点Ｐ２でのレーザ光の断面積：５×１０^−６ｃｍ^２
第２の点Ｐ２でのレーザ光のピークパワー密度：５．１×１０^１２Ｗ／ｃｍ^２
第１の点Ｐ１でのレーザ光の断面形状：７μｍ（Ｙ軸方向の最大長さ）×５０μｍ（Ｘ軸方向の最大長さ）
第１の点Ｐ１でのレーザ光の断面積：３．５×１０^−６ｃｍ^２
第１の点Ｐ１でのレーザ光のピークパワー密度：１×１０^１２Ｗ／ｃｍ^２
（Ｅ）対物レンズに対する支持台の移動速度：３００ｍｍ／ｓ

図６（ｃ）に示されるように、加工対象物の内部において第２の点Ｐ２が位置させられた部分には、Ｙ軸方向に延びる長尺形状のクラック領域ＣＲ２が形成されている。一方、図６（ｄ）に示されるように、加工対象物の内部において第１の点Ｐ１が位置させられた部分には、Ｘ軸方向に延びる長尺形状のクラック領域ＣＲ１が形成されている。上記実施形態では、点Ｐ１が加工対象物の外部に位置し、点Ｐ２が加工対象物の内部に位置するようにすることで、点Ｐ１における加工対象物の加工を防止しているが、点Ｐ１，Ｐ２を加工対象物の外表面や内部に位置させることで、延びる方向が直交する長尺形状の加工領域を加工対象物に同時に形成することができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。

例えば、図７及び８に示されるように、円柱凸面によって平行光を光軸と直交する所定の方向において収束させる機能を有するシリンドリカルレンズ４を用いてもよい。そして、図７に示されるように、発散する状態でレーザ光Ｌ１を対物レンズ５に入射させてもよいし、図８に示されるように、収束する状態でレーザ光Ｌ１を対物レンズ５に入射させてもよい。この場合、第１の点Ｐ１が加工対象物Ｓの上側に位置し、Ｚ１＝Ｇとなる。

また、移動機構６に代えて、或いは移動機構６と共に、対物レンズ５を移動させたり、シリンドリカルレンズ４及び対物レンズ５の両方を移動させたりするなど、対物レンズ５に対してシリンドリカルレンズ４を光軸に沿って相対的に移動させるものを適用してもよい。同様に、ＸＹＺステージ７に代えて、或いはＸＹＺステージ７と共に、対物レンズ５（若しくは、対物レンズ５を含むレーザ照射装置１０）を移動させたり、支持台３及び対物レンズ５（若しくは、対物レンズ５を含むレーザ照射装置１０）の両方を移動させたりするなど、対物レンズ５に対して支持台３を光軸に沿って相対的に移動させるものを適用してもよい。

また、平行光を光軸と直交する所定の方向において発散又は収束させる機能を有するものであれば、シリンドリカルレンズ４に代えて、複数のレンズから構成されるもの等、他の光学系を適用してもよい。同様に、平行光を光軸上の一点に収束させる機能を有するものであれば、対物レンズ５に代えて、複数のレンズから構成されるもの等、他の光学系を適用してもよい。

また、クラック領域の用途は、切断の起点となるものに限定されない。他の用途として、複数のクラック領域が連続させられて構成される光導波路、マイクロ流路、マイクロＴＡＳ（Total Analysis Systems）等がある。

また、加工領域は、第２の点Ｐ２が加工対象物Ｓの外表面（例えば、表面や裏面）に位置させられることにより、加工対象物Ｓの外表面に形成される場合もある。更に、加工領域は、クラック領域に限定されない。加工領域は、クラック領域、絶縁破壊領域（例えば、加工対象物がガラスやＬｉＴａＯ_３等の圧電材料からなる場合）の他に、溶融処理領域（例えば、加工対象物がシリコン等の半導体材料からなる場合）、屈折率変化領域（例えば、加工対象物がガラスからなる場合）等があり、これらが混在した領域もある。

１…レーザ加工装置、２…レーザ発振器（レーザ光源）、３…支持台、４…シリンドリカルレンズ（第１の光学系）、５…対物レンズ（第２の光学系）、６…移動機構（第１の移動機構）、７…ＸＹＺステージ（第２の移動機構）、１１…ダイクロイックミラー（光学部材）。

Claims (5)

1. レーザ光を出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光に対して透過性を有する加工対象物を支持する支持台と、
   平行光を光軸と直交する所定の方向において発散又は収束させる機能を有し、前記レーザ光源から出射された前記レーザ光を前記所定の方向において発散又は収束させる第１の光学系と、
   平行光を光軸上の一点に収束させる機能を有し、前記第１の光学系から出射された前記レーザ光を、光軸と直交する第１の方向において第１の点に収束させ、光軸及び前記第１の方向と直交する第２の方向において第２の点に収束させる第２の光学系と、
   前記第２の光学系に対して前記第１の光学系を光軸に沿って相対的に移動させる第１の移動機構と、
   前記第２の光学系に対して前記支持台を光軸に沿って相対的に移動させる第２の移動機構と、を備え、
   前記第１の移動機構及び前記第２の移動機構によって、前記第１の点を前記加工対象物の外部に位置させ、前記第２の点を前記加工対象物の外表面又は内部に位置させて、前記加工対象物に前記レーザ光を照射することを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記第２の点は、前記レーザ光の光線束のうち前記第１の光学系によって発散又は収束させられなかった光線束が前記第２の光学系によって収束させられる点であることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
3. 前記第２の移動機構は、前記第２の光学系に対して前記支持台を前記第１の方向に相対的に移動させることを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ加工装置。
4. 前記第２の移動機構は、前記第２の光学系に対して前記支持台を前記第２の方向に相対的に移動させることを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ加工装置。
5. 前記第１の光学系と前記第２の光学系との間の光軸上には、前記レーザ光を反射する光学部材が配置され、
   前記光学部材は、前記加工対象物を観察するための観察光を透過させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載のレーザ加工装置。