JP2015140262A - レーザ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構成で処理対象物の両面にレーザ光を照射することができ、各々のレーザ光を容易に位置決めできるレーザ処理装置を提供する。【解決手段】 処理対象物の対向する第１面と第２面にレーザ光を照射するレーザ処理装置であって、レーザ光を出射する光源と、光源から出射されたレーザ光を集光する集光レンズと、集光されたレーザ光を反射し、反射したレーザ光の一部を第１面の端部に照射する第１ミラーと、第１面に照射されなかった残りのレーザ光を反射して第２面の端部に照射する第２ミラーと、第１ミラー及び第２ミラーを少なくとも含む光学系を処理対象物に対して移動させる光学系移動機構とを備え、第２ミラーが部分透過性を有し、第２ミラーを透過したレーザ光を検出する光検出部を備えることを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、処理対象物にレーザ光を照射することにより、強度等の改質処理を行うレーザ処理装置に関する。

従来、液晶パネルなどの電子デバイス向けのガラス基板は、１枚のガラス基板から所定の大きさに切断して作製されている。このような、切断されたガラス基板の端面近傍には、マイクロクラック等の欠陥が残留している場合があり、端面近傍の強度を改善することが求められる。

通常、切断後のガラス基板は、端面を砥石で研磨して、端面の平滑化や面取りが行われているが、砥石を用いた研磨では非常に時間が掛かるとともに、端面に残留するマイクロクラック等の欠陥の全てを除去することができない。一方、別の方法として、端面にレーザ光を照射し溶融させて、端面の面取りを行う処理方法が提案されている。

例えば、特許文献１には、図８に示すように、ガラス基板２０１の上下面２０５、２０６にレーザ光２１２、２１４を照射して高温に保持しつつ、端面２０２にレーザ光２０３を照射して溶融させることにより、ガラス基板２０１の溶融時の応力を低減させながら端面２０２の面取りを行う処理装置が開示されている。

特開２００９−３５４３３号公報

しかしながら、特許文献１は、ガラス基板２０１の端面２０２にレーザ光２０３を直接照射するため、端面２０２に残留するマイクロクラックを端面近傍に増長させてしまうことがあった。また、ガラス基板２０１の応力を低減し不要な変形を与えないためには、上面２０５と下面２０６のレーザ光照射部２１３、２１５を精度よく位置決めする必要があるが、そのような位置決め機構が具体的に開示されていない。

本発明は上記課題に顧みてなされたものであり、簡易な構成で処理対象物の両面にレーザ光を照射することができ、各々のレーザ光を容易に位置決めできるレーザ処理装置を提供することである。

本発明のレーザ処理装置は、処理対象物の対向する第１面と第２面にレーザ光を照射するレーザ処理装置であって、レーザ光を出射する光源と、光源から出射されたレーザ光を集光する集光レンズと、集光されたレーザ光を反射し、反射したレーザ光の一部を第１面の端部に照射する第１ミラーと、第１面に照射されなかった残りのレーザ光を反射して第２面の端部に照射する第２ミラーと、第１ミラー及び第２ミラーを少なくとも含む光学系を処理対象物に対して移動させる光学系移動機構とを備え、第２ミラーが部分透過性を有し、第２ミラーを透過したレーザ光を検出する光検出部を備えることを特徴とする。

また、第１面及び第２面に対してレーザ光が所定角度で照射されるように、第１ミラーと第２ミラーの傾斜角度が調整されていることを特徴とする。

また、光検出部の検出値から第２ミラーに照射されるレーザ光の光量を算出し、レーザ光の光量を基準信号レベルと比較する信号処理部を備え、信号処理部は、光量の比較結果に基づいて、光学系移動機構を制御して第１面及び第２面のレーザ光の照射位置を調整することを特徴とする。

また、第２ミラーと光検出部の間に可動式のシャッターが設けられていることを特徴とする。

また、光源は、処理対象物に対して吸収率の高い波長のレーザ光を出射することを特徴とする。

本発明によれば、簡易な構成で処理対象物の両面にレーザ光を照射することができ、各々のレーザ光を容易に位置決めできるレーザ処理装置を提供することができる。

本発明の実施例１のレーザ処理装置１１０の構成を示す側面図である。 実施例１の処理対象物の光照射状態を模式的に示す斜視図である。 実施例１のレーザ処理装置１１０の平面図である。 実施例２のレーザ処理装置１２０の側面図である。 実施例３のレーザ処理装置１３０の側面図である。 実施例４のレーザ処理装置１４０の側面図である。 実施例５のレーザ処理装置１２０の平面図である。 従来のレーザ処理装置による処理対象物の光照射状態を模式的に示す斜視図である。

以下、本発明のレーザ処理装置について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施例１であるレーザ処理装置１１０の構成を示す側面図である。なお、図１の紙面に垂直な方向をｘ−ｙ平面、ｘ−ｙ平面に垂直な鉛直方向をｚ方向とし、後述するレーザ処理装置１１０の固定部５０に、平面視で長方形の処理対象物２０が水平に載置されるものとして説明する。

図１に示すように、本発明のレーザ処理装置１１０は、処理対象物２０の対向する第１面（下面２２）と第２面（上面２３）にレーザ光を照射して、処理対象物２０の改質処理を行うレーザ処理装置である。特に、切断された端面２１を有する処理対象物２０の強度を改善する目的等、処理対象物２０の端部２４に限定してレーザ処理を行う場合、処理対象物２０の端面２１の位置を検出し、レーザ光の照射位置を正確に制御することが重要となる。

図２は、本発明のレーザ処理装置１１０により処理対象物２０にレーザ光を照射した光照射部を示す模式図であり、（ａ）はレーザ光Ｌ１を照射した下面２２の光照射部２５であり、（ｂ）はレーザ光Ｌ２を照射した上面２３の光照射部２６である。

本発明のレーザ処理装置１１０は、下面２２の光照射部２５と上面２３の光照射部２６が均等に加熱されるように、レーザ光Ｌ１とレーザ光Ｌ２の照射位置を調整することにより、レーザ処理時の温度ムラによる処理対象物２０の変形を防止するものである。

レーザ処理装置１１０は、図１に示すように、光源１、集光レンズ２、第１ミラー３、第２ミラー４、光検出部８等から構成される光学系１０と、信号処理装置３０と、光学系移動機構４０と、固定部５０等から構成されている。このようなレーザ処理装置１００において、処理対象物２０が固定部５０に真空吸着等によって固定されている。

レーザ処理装置１１０は、光源１から出射したレーザ光を集光レンズ２で集光し、処理対象物２０の下方に配置した第１ミラー３で反射させて、処理対象物２０の下面２２に照射する。なお、光学系１０において、第１ミラー３と集光レンズ２の順序が逆になった構成であってもよい。

このとき、第１ミラー３で反射されたレーザ光径の約半分程度が、処理対象物２０の端面２１から外側にはみ出すように照射される。このため、レーザ光径の残りの約半分のレーザ光Ｌ１が処理対象物２０の下面２２に照射され、図２に示すように、半円形または半楕円形の光照射部２５が形成される。

一方、処理対象物２０の端面２１からはみ出たレーザ光は、そのまま処理対象物２０の上方に配置された第２ミラー４で反射して、再度、処理対象物２０の上面２３に照射される。このため、レーザ光径の残りの約半分のレーザ光Ｌ２が処理対象物２０の上面２３に照射され、図２に示すように、半円形または半楕円形の光照射部２６が形成される。

この結果、実施例１のレーザ処理装置１１０は、１つの光源１から出射されるレーザ光を用いて、処理対象物２０の下面２２と上面２３の両面を同時にレーザ処理することができる。

また、処理対象物２０の下面２２と上面２３に照射するレーザ光Ｌ１とレーザ光Ｌ２の照射位置を制御することによって、下面２２の光照射部２５と上面２３の光照射部２６のレーザ光の光量を同一にして、処理対象物２０にレーザ処理時の温度ムラが生じることを防止できる。

次に、レーザ処理装置１１０において、レーザ光の照射位置の制御方法について説明する。レーザ処理装置１００の第２ミラー４は、透過型ミラーで構成されており、第２ミラー４の後方には光検出部８が設けられている。第１ミラー３で反射された後、処理対象物２０に照射されなかったレーザ光は、第２ミラー４で反射されてレーザ光Ｌ２として再び処理対象物２０に照射されるが、一部のレーザ光は第２ミラー４を透過し、光検出部８でレーザ光の光量が検出される。

光検出部８で検出されるレーザ光の光量は、第２ミラー４の透過率と、第１ミラー３から処理対象物２０に照射されるレーザ光の端面２１からのずれ量によって変化する。第２ミラー４の透過率は一定であるため、まず、レーザ光Ｌ１とレーザ光Ｌ２の光量が同一となるときの光検出部８の検出値３２を求めて、このときの検出値３２を基準信号レベル３３として記憶しておく。そして、光検出部８の検出値３２が基準信号レベル３３に近づくように、レーザ光Ｌ１の照射位置を光学系移動機構４０で調整することにより、レーザ光Ｌ１とレーザ光Ｌ２の光量が同一にすることができる。

信号処理装置３０では、光検出部８の検出値３２と基準信号レベル３３を比較して、レーザ光Ｌ１の照射位置のずれを判断するとともに、光検出部８の検出値３２が基準信号レベル３３に近づくように、光学系移動機構４０のｘ軸プレート４１を移動させて、第１ミラー３から反射されるレーザ光Ｌ１の照射位置を調整する。

即ち、本実施例のレーザ処理装置１１０では、レーザ処理に用いるレーザ光を照射位置の検出信号としても使用するので、照射位置を検出するための構成を別途設ける必要がなく、レーザ処理装置１１０の構成を簡略化することができる。

図３は、レーザ処理装置１１０を上方から見た平面図である。ここでは、処理対象物２０のレーザ処理領域２７を分かり易くするため、処理対象物２０の上方に配置される第２ミラー４と光検出部８を省略して示す。

図３に示すように、本発明のレーザ処理装置１１０の光学系移動機構４０は、光学系１０全体を処理対象物２０の内側（ｘ軸）方向に移動するｘ軸プレート４１と、光学系１０全体を処理対象物２０の端面２１に平行（ｙ軸）方向に移動するｙ軸プレート４２とから構成される。

レーザ処理装置１１０は、ｘ軸プレート４１で光学系１０全体をｘ軸方向に移動させて、レーザ光Ｌ１とレーザ光Ｌ２の照射位置を処理対象物２０の端面２１から所定範囲に合わせるとともに、光学系１０全体を処理対象物２０の端面２１と平行のｙ軸方向に移動させることができる。

したがって、処理対象物２０の端部にレーザ光Ｌ１とレーザ光Ｌ２を位置決めして照射しながら、レーザ光Ｌ１とレーザ光Ｌ２によるレーザ処理領域２７を端面２１に沿って延ばしていき、処理対象物２０の端部２４全体にレーザ処理を行うことができる。

なお、光源１から出射するレーザ光は平行光でない場合もあるが、これを平行光に変換する光学部材をｘ軸プレート４１上に追加すると、処理対象物２０に対する光照射範囲をさらに高精度で制御することができる。

また、レーザ光の波長については、処理対象物２０の物性値に合った適切な波長を選択することが望ましい。処理対象物２０が可視光帯で不透明材料に対しては、可視光のレーザ光を使用する。例えば、Ｓｉ材料のレーザスクライブ処理や不透明な樹脂材料へのレーザアニール処理では、波長５３２ｎｍのグリーンレーザが好ましい。

また、処理対象物２０がガラス材料のように可視光帯で透明な材料では、ガラスへの吸収効率が高い、紫外線、赤外線の波長帯のレーザ光を用いることが好ましい。例えば、ガラス基板のレーザ光による表面アニール処理では、ガラスの吸収が最大となる波長１０．６μｍのＣＯ２レーザが適している。

処理対象物２０の吸収率ピークに近い波長のレーザ光を選択することにより、照射したレーザ光の１００％近くが処理対象物２０に吸収され、レーザ光が処理対象物２０を透過してしまうことが防止される。これにより、処理対象物２０に対するレーザ処理の効率が向上する。また、処理対象物２０に照射されたレーザ光Ｌ１が遮光され、検出部８に検出されることがないため、レーザ光Ｌ１の照射位置決め精度を向上することができる。

なお、本実施例における、光源１の波長の設定方法は、以下に示す他の実施例に対しても適用することができる。

図４は、本発明の実施例２のレーザ処理装置１２０の構成を示す側面図である。図４を用いて、実施例２のレーザ処理装置１２０について説明する。なお、実施例２のレーザ処理装置１２０のうち、実施例１のレーザ処理装置１１０の構成要素と同等である構成要素には、実施例１のレーザ処理装置１１０の構成要素と同じ参照符号を付し、詳細な説明は省略する。

実施例２のレーザ処理装置１２０では、実施例１のレーザ処理装置１１０の光学系１０に代えて、第２の光検出部９を含む光学系１０Ａを配置している。光学系１０Ａでは、レーザ光を処理対象物２０に向けて反射させる第１ミラー３として、第２ミラー４と同様の透過型ミラーを用いており、第１ミラー３の後方には第２の光検出部９を配置している。このように、レーザ処理装置１２０は、第１ミラー３を透過したレーザ光の光量を第２の光検出部９で検出できるように構成されている。

実施例２のレーザ処理装置１２０によれば、光学系１０Ａに追加された第２の光検出部９により、光源１から出射したレーザ光の光量や光量の変動を検出することができるので、第２の光検出部９の検出信号を基準にして、レーザ光の照射位置や光検出部８の検出値を補正することができる。したがって、レーザ処理装置１２０のレーザ光の照射位置を高精度で制御することができる。

図５は、本発明の実施例３のレーザ処理装置１３０の構成を示す側面図である。図５を用いて、実施例３のレーザ処理装置１３０について説明する。なお、実施例３のレーザ処理装置１３０のうち、実施例１のレーザ処理装置１１０の構成要素と同等である構成要素には、実施例１のレーザ処理装置１１０の構成要素と同じ参照符号を付し、詳細な説明は省略する。

レーザ処理装置１３０は、図５に示すように、第２ミラー４を透過したレーザ光が光検出部８に向かうまでの光路中に、可動式のシャッター１２を配置した光学系１０Ｂを備えている。このシャッター１２の配置により、大出力のレーザ光を用いてレーザ処理を行う場合でも、以下のように安全性を保持しつつ、レーザ照射の位置決めを行うことができる。

まず、レーザ照射の位置決め時には、処理対象物２０に大出力のレーザ光が不用意に照射されることで熱的影響が及ばないようにする必要がある。そこで、まず、レーザ光の光量を一旦下げた状態にして、光検出部８と信号処理装置３０を用いてレーザ照射位置を検知し、処理対象物２０上のレーザ光の移動軌跡を予め算出して記憶する。

次に、レーザ処理時時には、シャッター１２を閉じたうえで、レーザ光の出力を実際の出力に合わせて、先に記憶させた移動軌跡上を移動するように光学系移動機構４０を制御し、処理対象物２０の所定のレーザ照射位置にレーザ処理を行う。

この結果、光検出部８の許容強度を超える大出力のレーザ光を照射してレーザ処理するような場合であっても、大出力のレーザ光によって光検出部８が損傷することを防止することができる。さらに、繰り返しレーザ処理を行うような場合も、レーザ照射位置の制御が必要なときにだけ、シャッター１２を空けることにより、レーザ光の照射による光検出部８のダメージを低減し、信頼性を高めることができる。

図６は、本発明の実施例４のレーザ処理装置１４０の構成を示す側面図である。図６を用いて、実施例４のレーザ処理装置１４０について説明する。なお、実施例４のレーザ処理装置１４０のうち、実施例１のレーザ処理装置１１０の構成要素と同等である構成要素には、実施例１のレーザ処理装置１１０の構成要素と同じ参照符号を付し、詳細な説明は省略する。

レーザ処理装置１４０の光学系１０Ｃは、図６に示すように、第１ミラー３を保持する保持部１３により第１ミラー３の傾斜角を調整できるように構成されており、処理対象物２０の下面２２に対してレーザ光Ｌ１が斜めから照射されるようになっている。

また、処理対象物２０に照射されず、そのまま第２ミラー４に到達したレーザ光はそこで反射され、再び、処理対象物２０の上面２３に対してレーザ光Ｌ２が斜めから照射されるようになっている。

このとき、第１ミラー３の傾斜方向は、保持部１３により所定の角度αに定められており、第２ミラー４の傾斜方向も第２ミラー４に照射されるレーザ光を正反射する角度で配置されている。

本構成においても、第２ミラー４を一部透過したレーザ光が光検出部８に到達して、信号処理装置３０で光検出部８の検出値３２と基準信号レベル３３が比較されて、レーザ光の端面２１からの照射位置を検出することができる。さらに、処理対象物２０に対してレーザ光を斜めから照射することで、以下の３つの効果が得られる。

第１の効果として、レーザ光Ｌ１が処理対象物２０の下面２２で反射されたとき、その反射光Ｒ１（図６の破線矢印）は、出射された光源１の方向に真直ぐに戻らないため、光源１に反射光Ｒ１が照射されて損傷することを防止できる。

また、レーザ光Ｌ２が処理対象物２０の上面２３で反射されたときも、その反射光Ｒ２が光検出部８に真直ぐに戻らないため、光検出部８で誤検出されることがなく、レーザ光の照射位置を高精度で制御することができる。

第２の効果として、レーザ光が斜めに照射されることで、処理対象物２０でのレーザ光の吸収量を増やすことができる。例えば、レーザ光が処理対象物２０に対して３０°で入射すると、処理対象物２０の内部を通る光路長が約１．１５倍となり、その累乗倍の吸収効果を得ることができる。

このため、処理対象物２０の厚みが薄く、下面２２に照射すべきレーザ光Ｌ１が処理対象物２０を透過し易い場合でも、処理対象物２０へのレーザ光の吸収量が増加し、光検出部８に余分なレーザ光として入射することが防止される。

第３の効果として、図６に示すように、処理対象物２０へレーザ光を照射する第１ミラー３の傾斜角αを４５度以上に設定することで、第２ミラー４と光検出部８の位置が処理対象物２０の上方から外側に外れるため、レーザ処理装置１１０の固定部５０に対して処理対象物２０の位置合わせや固定が容易になり作業性を向上することができる。

図７は、本発明の実施例５のレーザ処理装置１５０を上方から見た平面図である。図７を用いて実施例５のレーザ処理装置１５０について説明する。なお、実施例５のレーザ処理装置１５０のうち、実施例１のレーザ処理装置１００の構成要素と同等である構成要素には、実施例１のレーザ処理装置１００の構成要素と同じ参照符号を付し、詳細な説明は省略する。

実施例５のレーザ処理装置１５０では、処理対象物２０のｙ軸方向の端部とｘ軸方向の端部をそれぞれ同時にレーザ処理するため、光源１から出射したレーザ光をコリメータレンズ１１により平行光に変換した後、光分岐素子７で２つのレーザ光に分岐してレーザ処理に用いている。

レーザ処理装置１５０の一方の端部（ｙ軸）には、光学系移動機構４０Ｄと光学系１０Ｄが配置されおり、他方の端部（ｘ軸）には、光学系移動機構４０Ｅと光学系１０Ｅが配置されている。光分岐素子７で分岐された一方のレーザ光は、光学系移動機構４０Ｄに設けられた第３ミラー５で反射され、光学系１０Ｄに導かれる。もう一方のレーザ光も、光学系移動機構４０Ｅに設けられた第３ミラー５で反射され、光学系１０Ｅに導かれる。

レーザ処理装置１５０の光学系１０Ｄと光学系１０Ｅは、実施例１から実施例４で示した光学系１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃの何れかと同様の構成となっており、それぞれ第３ミラー５で反射されたレーザ光を集光し、処理対象物２０の下面２２と上面２３に同時に照射するように構成されている。

具体的には、光学系１０Ｄの集光レンズ２、第１ミラー３、第２ミラー４、光検出部８は、光学系移動機構４０Ｄのｘ軸プレート４１に搭載されており、光学系１０Ｄの第３ミラー５は、光学系移動機構４０Ｄのｙ軸プレート４２に搭載されている。

また、光学系１０Ｅの集光レンズ２、第１ミラー３、第２ミラー４、光検出部８は、光学系移動機構４０Ｅのｙ軸プレート４２に搭載されており、光学系１０Ｅの第３ミラー５は、光学系移動機構４０Ｅのｘ軸プレート４１に搭載されている。

実施例５のレーザ処理装置１５０の構成によれば、１つの光源１からコリメータレンズ１１と光分岐素子７を経て平行化された２つのレーザ光を形成することで、処理対象物２０の直交する２つの端部に対して同時にレーザ処理を行うことができる。

さらに、光学系１０Ｄを搭載する光学系移動機構４０Ｄのｘ軸プレート４１と、光学系１０Ｅを搭載する光学系移動機構４０Ｅのｙ軸プレート４２とを、処理対象物２０の直交する２つの端面２１と平行に移動させることで、処理対象物２０の端部２４全体に連続したレーザ処理領域２７を形成することができる。

以上説明したように、実施例1から実施例５のレーザ処理装置１１０、１２０、１３０、１４０、１５０は、本発明のレーザ処理装置の最良の実施例の１つである。実施例1から実施例５のレーザ処理装置の構成要素の詳細は、上述の作用効果が発揮可能な構成であれば、上述した構成に限らず、構成を組み替えたり、構成を組み合わせたり、他の様々な構成が用いられてもよい。

１ 光源
２ 集光レンズ
３ 第１ミラー
４ 第２ミラー
５ 第３ミラー
７ 光分岐素子
８、９ 光検出部
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ 光学系
１１ コリメータレンズ
１２ シャッター
１３ 保持部
２０ 処理対象物
２１ 端面
２２ 下面
２３ 上面
２４ 端部
２５、２６ 光照射部
２７ レーザ処理領域
３０ 信号処理装置
３２ 検出値
３３ 基準信号レベル
４０、４０Ｄ、４０Ｅ 光学系移動機構
４１ ｘ軸プレート
４２ ｙ軸プレート
５０ 固定部
１１０、１２０、１３０、１４０、１５０ レーザ処理装置

Claims (5)

1. 処理対象物の対向する第１面と第２面にレーザ光を照射するレーザ処理装置であって、
   前記レーザ光を出射する光源と、
   前記光源から出射されたレーザ光を集光する集光レンズと、
   前記集光されたレーザ光を反射し、反射したレーザ光の一部を前記第１面の端部に照射する第１ミラーと、
   前記第１面に照射されなかった残りのレーザ光を反射して前記第２面の端部に照射する第２ミラーと、
   前記第１ミラー及び前記第２ミラーを少なくとも含む光学系を前記処理対象物に対して移動させる光学系移動機構とを備え、
   前記第２ミラーが部分透過性を有し、前記第２ミラーを透過したレーザ光を検出する光検出部を備えることを特徴とするレーザ処理装置。
2. 前記第１面及び前記第２面に対してレーザ光が所定角度で照射されるように、前記第１ミラーと前記第２ミラーの傾斜角度が調整されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ処理装置。
3. 前記光検出部の検出値から前記第２ミラーに照射されるレーザ光の光量を算出し、前記レーザ光の光量を基準信号レベルと比較する信号処理部を備え、
   前記信号処理部は、前記光量の比較結果に基づいて、前記光学系移動機構を制御して前記第１面及び前記第２面のレーザ光の照射位置を調整することを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ処理装置。
4. 前記第２ミラーと前記光検出部の間に可動式のシャッターが設けられていることを特徴とする請求項１から３に記載のレーザ処理装置
5. 前記光源は、前記処理対象物に対して吸収率の高い波長のレーザ光を出射することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のレーザ処理装置