JP2011218384A

JP2011218384A - 透明材料のレーザー加工方法

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Publication number: JP2011218384A
Application number: JP2010088019A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Kanda; 貴裕神田
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2010-04-06
Filing date: 2010-04-06
Publication date: 2011-11-04
Also published as: TW201200282A; US20110240618A1

Abstract

【課題】裏面のラフネスが大きい透明材料や、欠陥が存在する透明材料などであっても、被加工面を精度良く加工することができるレーザー加工方法を提供する。
【解決手段】レーザー光を用いて透明材料を加工する方法であって、レーザー光の発振波長は、１９３〜１１０００ｎｍであり、且つ、透明材料は、レーザー光の吸収係数が１ｃｍ^−１以下であり、透明材料の被加工面に対し、レーザー光の吸収係数が１μｍ^−１以上のレーザー光吸収物質を付着させるレーザー光吸収物質付着工程と、透明材料に付着させたレーザー光吸収物質の表面側からレーザー光を照射し、透明材料の被加工面に加工を施すレーザー加工工程とを含むことを特徴とする、透明材料のレーザー加工方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、透明材料のレーザー加工方法に関し、特には、発振波長が１９３ｎｍ〜１１０００ｎｍの範囲内にあるレーザー光を用いて透明材料を加工する方法に関する。

従来、被加工物にマーキングや微細加工を施す手段として、レーザーアブレーションやレーザー溶融法等のレーザーエッチング技術が知られている。しかし、被加工物によるレーザー光の吸収を利用して被加工物を加工するレーザーエッチング技術には、光の透過率が高い透明材料の加工が困難であるという問題がある。

そこで、レーザー光を用いて透明材料を加工する方法として、高エネルギーの短波長レーザー光を透明材料に対して予備照射した後にレーザーエッチングを行うことで、高速で選択的に透明材料を加工する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、上記短波長レーザー光を用いた加工方法は、高エネルギーの短波長レーザー光を使用する必要があるため、エネルギー効率が悪く、大量の透明材料を加工する方法としては適当でなかった。

そのため、高エネルギーの短波長レーザー光を使用することなく、発振波長が約２００〜５３０ｎｍの範囲内にあるレーザー光を用いて透明材料を加工することができる方法として、発振波長が約２００〜５３０ｎｍのレーザー光を吸収する流動性物質を透明材料の被加工面（表面）に接触させた状態で、透明材料の被加工面とは反対側の面（裏面）から発振波長が約２００〜５３０ｎｍのレーザー光を照射することにより、透明材料を加工する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平７−２５６４７３号公報特許第３０１２９２６号公報

しかし、上記流動性物質を用いた透明材料の加工方法では、被加工面とは反対側の面（裏面）側から照射されたレーザー光が透明材料中を通って被加工面まで到達することで、被加工面が加工されるので、透明材料の裏面のラフネスが大きい場合や、透明材料中に気泡や異物等のレーザー光の透過を妨げ得る欠陥（以下、単に「欠陥」と称する。）が存在する場合などの透明材料中でのレーザー光の直進的な透過が妨げられる場合には、精度の良い加工を行うことができないという問題点があった。即ち、上記流動性物質を用いた透明材料の加工方法では、例えば透明材料中の欠陥などによりレーザー光の一部が散乱したり吸収されたりして、所望の深さの加工が行えなかったり、望んでいない場所が加工されてしまったりすることがあった。

そこで、本発明は、裏面のラフネスが大きい透明材料や、欠陥が存在する透明材料などであっても、被加工面を精度良く加工することができるレーザー加工方法を提供することを課題とする。

この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明の透明材料のレーザー加工方法は、レーザー光を用いて透明材料を加工する方法であって、前記レーザー光の発振波長は、１９３〜１１０００ｎｍであり、且つ、前記透明材料は、前記レーザー光の吸収係数が１ｃｍ^−１以下であり、前記透明材料の被加工面に対し、前記レーザー光の吸収係数が１μｍ^−１以上のレーザー光吸収物質を付着させるレーザー光吸収物質付着工程と、前記透明材料に付着させたレーザー光吸収物質の表面側から前記レーザー光を照射し、前記透明材料の被加工面に加工を施すレーザー加工工程とを含むことを特徴とする。このように、透明材料の被加工面にレーザー光吸収物質を付着させ、該レーザー光吸収物質を付着させた場所に発振波長が１９３〜１１０００ｎｍの範囲にあるレーザー光を照射すれば、レーザー光の吸収係数が１ｃｍ^−１以下の透明材料を加工することができる。また、レーザー光をレーザー光吸収物質の表面側から照射すれば、加工時にレーザー光が透明材料中を透過する必要が無いので、裏面のラフネスが大きい透明材料や、欠陥が存在する透明材料などであっても、被加工面を精度良く加工することができる。なお、本発明において、「吸収係数」とは、加工に使用するレーザー光に対する吸収係数であり、分光光度計で測定した試料（透明材料またはレーザー光吸収物質）のレーザー光に対する透過率の値と、測定に使用した試料の厚みとから算出した値を指す。

ここで、本発明の透明材料のレーザー加工方法は、前記透明材料が、石英、フッ化カルシウム、シリコンカーバイド、サファイア、アルミナまたはダイヤモンドからなることが好ましい。石英、フッ化カルシウム、シリコンカーバイド、サファイア、アルミナまたはダイヤモンドからなる透明材料は、発振波長が１９３〜１１０００ｎｍのレーザー光の吸収係数が低く、従来の方法ではレーザー光での加工が困難であったからである。

更に、本発明の透明材料のレーザー加工方法は、前記レーザー光吸収物質が、有色インクであることが好ましい。有色インクは、安価で入手が容易であり、レーザー光吸収物質として特に適しているからである。

本発明の透明材料のレーザー加工方法によれば、裏面のラフネスが大きい透明材料や、欠陥が存在する透明材料などであっても、被加工面を精度良く加工することができる。

本発明の透明材料のレーザー加工方法の一例を説明する図であり、（ａ）は、透明材料にレーザー光を照射している状態を示す図であり、（ｂ）は、加工後の透明材料の状態を示す図である。本発明の透明材料のレーザー加工方法の他の例を説明する図であり、（ａ）は、透明材料にレーザー光を照射している状態を示す図であり、（ｂ）は、加工後の透明材料の状態を示す図である。本発明の透明材料のレーザー加工方法の別の例を説明する図であり、（ａ）は、透明材料にレーザー光を照射している状態を示す図であり、（ｂ）は、加工後の透明材料の状態を示す図である。比較例の透明材料のレーザー加工方法を説明する図であり、（ａ）は、透明材料にレーザー光を照射している状態を示す図であり、（ｂ）は、加工後の透明材料の状態を示す図である。比較例の透明材料のレーザー加工方法を説明する図であり、（ａ）は、透明材料にレーザー光を照射している状態を示す図であり、（ｂ）は、加工後の透明材料の状態を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。本発明の透明材料のレーザー加工方法は、レーザー光を用いて被加工物としての透明材料を加工する方法であり、特に限定されることなく、例えば、透明材料としての透明基板に対して識別用のマークを付与するレーザーマーキング等に用いることができる。

本発明の透明材料のレーザー加工方法の一例では、図１（ａ）に示すように、まず、透明材料１Ａの被加工面２Ａに対し、加工に使用するレーザー光の発振波長に応じたレーザー光吸収物質３を塗布する（レーザー光吸収物質付着工程）。なお、本発明の透明材料のレーザー加工方法において、透明材料上へレーザー光吸収物質を付着させる手段は、塗布に限定されることなく既知の手法を用いて行うことができる。

ここで、本発明の透明材料のレーザー加工方法により加工される透明材料１Ａとしては、加工に使用する波長１９３〜１１０００ｎｍのレーザー光の吸収係数が１ｃｍ^−１以下の透明な材料、例えば、石英、フッ化カルシウム、シリコンカーバイド、サファイア、アルミナまたはダイヤモンドからなる材料、具体的には水晶、石英ガラス、シリコンカーバイド基板、サファイア基板、アルミナ基板、ダイヤモンド基板などが挙げられる。

また、レーザー光吸収物質３としては、加工に使用するレーザー光の吸収係数が１μｍ^−１以上の物質、例えば、赤色インク、緑色インク、青色インク、黒色インクなどの有色インクや、有色塗料や、着色料等の有色液体が挙げられる。具体的には、レーザー光吸収物質３としては、加工に使用するレーザー光の発振波長が２００〜５００ｎｍの場合には赤色インクを、発振波長が１０００〜１００００ｎｍの場合には緑色インクや青色インクを用いることができる。なお、黒色インクは、加工に使用するレーザー光の発振波長に関わらずレーザー光吸収物質３として使用することができるので、レーザー光吸収物質３として特に適している。

ここで、上述した有色インクとしては、各種染料を溶剤中に溶解し、或いは、各種顔料を溶媒中に分散させ、任意に、副溶剤（溶解助剤）や樹脂を添加して作製したインクが挙げられる。そして、赤色インク用の染料や顔料としては、ベンガラ等を用いることができ、緑色インク用の染料や顔料としては、フタロシアニン緑や、ニトロソ化合物等を用いることができ、青色インク用の染料や顔料としては、フタロシアニン青や、アントラキノン等を用いることができ、黒色インク用の染料や顔料としては、ニグロシンや、Ｃ．Ｉ．ソルベントブラック７や、カーボンブラック等を用いることができる。また、溶剤や溶媒としては、プロピレングリコールモノメチルエーテル(ＰＭ）や、キシレンなどを用いることができ、副溶剤としては、オレイン酸などの脂肪酸を用いることができる。

なお、所望の加工位置に有色インクを正確に付着させる観点および有色インクの飛散を防止する観点からは、有色インクは、速乾性を有することが好ましく、透明材料への塗布後１０秒以内に乾燥することが好ましい。ここで、有色インクの速乾性は、使用する溶剤や溶媒の量を調整することにより制御することができ、例えば、染料を１〜１５質量％、溶剤を６０質量％以上、脂肪酸を１〜１５質量％、樹脂を１〜１５質量％の割合で配合することにより速乾性の有色インクを調製できる。

また、レーザー光吸収物質付着工程における、透明材料１Ａの被加工面２Ａへのレーザー光吸収物質３の塗布厚みは、レーザー光吸収物質３にレーザー光を十分に吸収させて高精度で加工を実施する観点からは、１〜１５μｍとすることが好ましく、８〜１２μｍとすることが更に好ましい。塗布厚みが薄すぎると、レーザー光を十分に吸収できない場合があり、塗布厚みが厚すぎると、レーザー光吸収時のレーザー光吸収物質３内におけるエネルギー損失が大きくなって加工精度が落ちるためである。なお、透明材料１Ａへのレーザー光吸収物質３の塗布は、フェルトペンやハケ等を用いて、透明材料１Ａやレーザー光吸収物質３が変質しない範囲で、減圧下、加圧下、雰囲気ガス導入下、加熱下など任意の条件下で行うことができる。因みに、レーザー光吸収物質３の塗布厚みの制御は、レーザー光吸収物質３を繰り返し塗布して積層するなどの既知の方法を用いて行うことができる。

そして、この一例の透明材料のレーザー加工方法では、レーザー光吸収物質付着工程の後に、図１（ａ）に示すように、透明材料１Ａの被加工面２Ａ上に塗布されたレーザー光吸収物質３に対し、レーザー光吸収物質３の表面側のみからレーザー光４を照射する（レーザー加工工程）。

ここで、レーザー光４としては、発振波長が１９３ｎｍ以上１１０００ｎｍ以下の範囲にあるレーザー光を用いることができる。そして、レーザー光４としては、ＡｒＦレーザー、ＸｅＣｌレーザー、ＹＡＧレーザー、ＹＬＦレーザー、ＣＯ_２レーザー等の基本発振波長光、或いは、それらの基本発振波長光を非線形光学素子などにより変換したものを用いることができる。

なお、レーザー光４としては、単一のビームからなるレーザー光、複数のビームからなるレーザー光、連続したビームからなるレーザー光およびパルスビームからなるレーザー光の何れを用いてもよいが、使用する装置を簡略化し且つ低コストでレーザー光を発生させる観点からは、エキシマレーザーを用いて発生させた基本発振波長の赤外線レーザー光を用いることが好ましい。また、透明材料１Ａにダメージを与えることなく効率的に加工を実施する観点からは、レーザー光４の強度は、０．１〜１０Ｊ／ｃｍ^２・ｐｕｌｓｅとすることが好ましく、１〜５Ｊ／ｃｍ^２・ｐｕｌｓｅとすることが更に好ましい。照射するレーザー光４の強度が大きすぎる場合には、加工時に透明材料１Ａにダメージが発生してしまう可能性があり、強度が小さすぎる場合には、レーザー加工を良好に実施することができなくなる可能性があるからである。

そして、上述した本発明の透明材料のレーザー加工方法の一例では、レーザー加工工程において、レーザー光吸収物質３に吸収されたレーザー光４の光エネルギーが熱エネルギーに変換され、レーザー光４の照射位置に選択的にアブレーションが生じることにより、図１（ｂ）に示すように、透明材料１Ａの被加工面２Ａに穴５が形成される。なお、上記一例では、レーザー光４をレーザー光吸収物質３の表面側から照射しているので、レーザー光４が透明材料１Ａ中を透過する必要が無く、透明材料１Ａに余計なダメージを与えることなく被加工面２Ａを精度良く効率的に加工することができる。また、レーザー光吸収物質３を塗布するだけで加工を実施できるので、大型の装置を用いる必要もない。因みに、図１（ｂ）では、レーザー光吸収物質３が透明材料１Ａの被加工面２Ａから除去されているが、これは、原理的に明確ではないが、レーザー光４の照射初期に、アブレーションによりレーザー光吸収物質３も除去されてしまうが、アブレーションされた表面はラフネスが非常に大きくなっているため、その後もレーザー光４が吸収されることとなり、アブレーションが続いて加工が継続されるためであると推察される。

ここで、本発明の透明材料のレーザー加工方法は、上記一例に限定されることはない。そして、上記一例の透明材料のレーザー加工方法には、適宜変更を加えることができる。

具体的には、本発明の透明材料のレーザー加工方法は、ラフネスの大きい透明材料の加工にも用いることができ、例えば、図２（ａ）に示すように、被加工面２Ｂおよび被加工面２Ｂとは反対側の裏面のラフネス（中心線平均粗さ：Ｒａ）が、０．４μｍ以上の透明材料１Ｂの加工にも用いることができる。

このようなラフネスが大きい透明材料１Ｂを加工する場合、図４（ａ）に示すように透明材料１Ｂの被加工面２Ｂとは反対側の裏面８Ｂ側からレーザー光４を照射すると、透明材料１Ｂの裏面や内部でレーザー光４の一部が散乱したり吸収されたりしてしまい、図４（ｂ）に示すように所望の形状および深さとは異なる穴７が被加工面２Ｂに形成されてしまうが、本発明の透明材料のレーザー加工方法に従い透明材料１Ｂを加工すれば、レーザー光４が透明材料１Ｂ中を透過する必要がないので、図２（ｂ）に示すように、透明材料１Ｂの被加工面２Ｂの所望の位置に、穴５を精度良く効率的に形成することができる。なお、図２および図４では、透明材料１Ｂの表裏面のラフネスを誇張して描いている。

また、本発明の透明材料のレーザー加工方法は、内部に、気泡や異物などのレーザー光４の透過を妨げ得る結晶起因の欠陥が存在する透明材料の加工にも用いることができ、例えば、図３（ａ）に示すように、内部に、直径１０μｍ以上、好ましくは１０〜３００μｍの欠陥６が、１０００００〜１００００００個／ｃｍ^３存在する透明材料１Ｃの加工にも用いることができる。

このような、内部に欠陥６が存在する透明材料１Ｃを加工する場合、図５（ａ）に示すように透明材料１Ｃの被加工面２Ｃとは反対側の裏面８Ｃ側からレーザー光４を照射すると、透明材料１Ｃの内部でレーザー光４の一部が散乱したり吸収されたりしてしまい、図５（ｂ）に示すように所望の形状および深さとは異なる穴７が被加工面２Ｃに形成されてしまうが、本発明の透明材料のレーザー加工方法に従い透明材料１Ｃを加工すれば、レーザー光４が透明材料１Ｃ中を透過する必要がないので、図３（ｂ）に示すように、透明材料１Ｃの被加工面２Ｃの所望の位置に、穴５を精度良く効率的に形成することができる。なお、図３および図５では、透明材料１Ｃ中の欠陥を誇張して描いている。

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明は下記の実施例に何ら限定されるものではない。

（実施例１）
透明材料としてのサファイアの単結晶基板（Ｒａ：０．００８μｍ）に対し、レーザー光吸収物質として、１２０ｇのＣ．Ｉ．ソルベントブラック７を７６０ｇのプロピレングリコールモノメチルエーテルで溶解して作製した黒色インクを塗布し、表１に示す条件で、黒色インクを塗布した側から黒色インクを塗布した部分へ赤外レーザー光（発振波長：１０５３ｎｍ）を２０秒間照射した。そして、単結晶基板に穴が形成されたかを目視で確認すると共に、形成された穴の深さや幅をレーザー顕微鏡（ＯＬＹＭＰＵＳ社製）で測定した。結果を表１に示す。なお、レーザーの照射条件は、理想的なレーザー加工がなされた際に、レーザー加工により形成される穴の幅が４０μｍ、深さが１００μｍとなるように決定した。因みに、塗布した黒色インクは、塗布後瞬時（１秒以内）に乾燥した。

（実施例２）
加工する透明材料を、表面のＲａが０．４５２μｍ、裏面のＲａが０．４４３μｍのサファイア単結晶基板とし、表面に黒色インクを塗布した以外は、実施例１と同様にして赤外レーザー光を照射した。そして、単結晶基板に穴が形成されたかを目視で確認すると共に、形成された穴の深さや幅をレーザー顕微鏡（ＯＬＹＭＰＵＳ社製）で測定した。結果を表１に示す。

（実施例３）
加工する透明材料を、内部に直径３００μｍ以上の気泡が１００００００個／ｃｍ^３存在するサファイア単結晶基板とした以外は、実施例１と同様にして赤外レーザー光を照射した。そして、単結晶基板に穴が形成されたかを目視で確認すると共に、形成された穴の深さや幅をレーザー顕微鏡（ＯＬＹＭＰＵＳ社製）で測定した。結果を表１に示す。

（比較例１）
黒色インクを塗布したのとは反対側のみから赤外レーザー光を照射した以外は実施例１と同様にしてサファイア単結晶基板に赤外レーザー光を照射した。そして、単結晶基板に穴が形成されたかを目視で確認すると共に、形成された穴の深さや幅をレーザー顕微鏡（ＯＬＹＭＰＵＳ社製）で測定した。結果を表１に示す。

（比較例２）
黒色インクを塗布したのとは反対側のみから赤外レーザー光を照射した以外は実施例２と同様にしてサファイア単結晶基板に赤外レーザー光を照射した。そして、単結晶基板に穴が形成されたかを目視で確認すると共に、形成された穴の深さや幅をレーザー顕微鏡（ＯＬＹＭＰＵＳ社製）で測定した。結果を表１に示す。

（比較例３）
黒色インクを塗布したのとは反対側のみから赤外レーザー光を照射した以外は実施例３と同様にしてサファイア単結晶基板に赤外レーザー光を照射した。そして、単結晶基板に穴が形成されたかを目視で確認すると共に、形成された穴の深さや幅をレーザー顕微鏡（ＯＬＹＭＰＵＳ社製）で測定した。結果を表１に示す。

表１より、比較例１〜３では、所望の深さおよび幅の穴を得ることができないが、本発明の透明材料のレーザー加工方法によれば、レーザー光を用いて様々な性状の透明材料を精度良く加工できることが分かる。

１Ａ透明材料
１Ｂ透明材料
１Ｃ透明材料
２Ａ被加工面
２Ｂ被加工面
２Ｃ被加工面
３レーザー光吸収物質
４レーザー光
５穴
６欠陥
７穴
８Ｂ裏面
８Ｃ裏面

Claims

レーザー光を用いて透明材料を加工する方法であって、
前記レーザー光の発振波長は、１９３〜１１０００ｎｍであり、且つ、前記透明材料は、前記レーザー光の吸収係数が１ｃｍ^−１以下であり、
前記透明材料の被加工面に対し、前記レーザー光の吸収係数が１μｍ^−１以上のレーザー光吸収物質を付着させるレーザー光吸収物質付着工程と、
前記透明材料に付着させたレーザー光吸収物質の表面側から前記レーザー光を照射し、前記透明材料の被加工面に加工を施すレーザー加工工程と、
を含むことを特徴とする、透明材料のレーザー加工方法。
前記透明材料が、石英、フッ化カルシウム、シリコンカーバイド、サファイア、アルミナまたはダイヤモンドからなることを特徴とする、請求項１に記載の透明材料のレーザー加工方法。
前記レーザー光吸収物質が、有色インクであることを特徴とする、請求項１または２に記載の透明材料のレーザー加工方法。