JP2018002501A - 管状脆性部材の分断方法並びに分断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パルスレーザ光のバーストを含むレーザビームを利用した管状脆性部材の分断方法及び分断装置を提供する。【解決手段】パルスレーザ光のバーストを含むレーザビームを、収差を生じさせる収差付集光光学部材を透過させて収差レーザビームＬ２を生成し、この収差レーザビームＬ２が管状脆性部材Ａの周面の一部を横断するように、管状脆性部材Ａの軸心と交差する方向にスキャンして周面の一部にクラックを生じさせ、このクラックに沿って外力を加えて管状脆性部材Ａを分断する管状脆性部材の分断方法及び分断装置。【選択図】図４

Description

本発明は、短パルスレーザ光を用いたガラス管やサファイア管等の管状脆性部材の分断方法並びに分断装置に関する。特に、本発明は当該材料に対して透過性を有する波長のレーザを用いた分断方法並びにその装置に関する。

基板に対して透過性を有する（透明な）パルスレーザ光を照射して内部改質層を形成する「ステルスダイシング」と称されるレーザ加工技術が利用されている（特許文献１参照）。このレーザ加工技術では、分断すべき領域の基板内部に焦点を合わせてパルスレーザ光を照射して改質し、これをストリート（分断予定ライン）に沿って連続的に行うことで改質層を形成する。そして、強度が低下した改質層に沿って外力を加えることにより分断している。

また、近年、パルス幅（パルス持続時間）がナノ秒（ｎｓ）、ピコ秒（ｐｓ）の短パルスレーザ光の研究および開発が進んだ結果、個々のパルスが分割されたバースト列（バーストパルス光）として発振される「バーストモード」と称される短パルスレーザ光を照射して基板の内部改質を行うレーザ加工技術も利用されている（特許文献２参照）。
すなわち、基板に対し透過性を有する波長のレーザを用いて、そのパルスレーザ光の繰り返し周波数やパルス幅が加工に適した短パルスレーザ光となるように調整し、基板内部に集光点を合わせて照射することでアブレーションを生じさせることなく改質層を形成することができる。このレーザ加工技術では、調整されたパルス幅を有する短パルスレーザ光をそのまま照射するのではなく、個々のパルスを複数（例えば２〜１０個）の微細パルス幅からなるバーストパルス光（バースト列）に分割された状態で発振させて照射するようにしている。

例えば、パルス光生成手段によって、繰り返し周波数１００ｋＨｚ（１０μ秒（μｓ）周期でパルスを生成）かつパルス幅２００ｎｓの短パルスレーザ光が、パルス光エネルギー１０μＪで生成される際に、バーストパルス光形成手段によりこの短パルスレーザ光を微細パルス幅が１ｎｓの１０個のバーストパルス光（バースト列）に分割された状態で発振させる。この場合、バーストパルス光のピークパワーは、理論的には平均で（１０μＪ／１０個）／１ｎｓ＝１ｋＷとなるが、各バーストパルス光のピークパワーは相互に同等にすることも、相互に異ならせること（例えば、各バーストパルス光のピークパワーを順次大きくしていくこと、順次小さくしていくこと等）もできる。
そして、シリコン基板に対し透過性を有する波長（例えば１０６４ｎｍ）であって改質に適したパルス幅のパルスレーザ光を、このような複数の微細パルス幅からなるバーストパルス光として発振させ、集光器によりバーストパルス光の集光点を基板の厚み方向中央部に合わせ、シリコン基板に「バーストモード」として照射を行う。これにより、被加工物におけるレーザ入射面と反対面側への抜け光が反対面へ与えるダメージを抑制することができるようになり、この反対面上に予め形成されているデバイスへのダメージを抑制できることが開示されている。

また、短パルスレーザ光のバースト列（バーストパルス光）を利用して基板を劈開する加工方法として、他の文献では基板内に「フィラメント」を形成して加工するレーザ加工技術が開示されている。すなわち、対物レンズにより集束された集束レーザビームを基板に照射して、長さが数百ミクロンまたは数ミリメートルの「レーザフィラメント」（以下「フィラメント」と略す）と称する、レーザエネルギーを蓄積させた長く狭いチャネルを基板内に形成し、基板を並進して直線状あるいは曲線状にレーザフィラメントを移動することでフィラメントトラックを刻んで加工することが特許文献３に開示されている（特に００３５、００３９欄）。同文献ではこの加工方法が適用可能な基板材料として、ガラス、半導体、透明セラミックス、ポリマ、透明導体、広バンドギャップガラス、水晶、結晶石英、ダイヤモンド、およびサファイアが記載されている。

また、上記特許文献３に記載の「レーザフィラメント」をさらに空間的に拡張し、空間的に同質なフィラメントを長く形成する改良方法が特許文献４に開示されている。
同文献によれば、特許文献３では超高速パルスレーザ光のバーストからなる入射レーザビームが「集束レンズ」によって基板内部で集束されて、基板内部で数百ミクロン程度のフィラメントを形成できることが開示されているとしている。そして、「集束レンズ」に代えて、「分散集束要素」（例えば分散焦点を生成するように形成された１つまたは複数のレンズ）を使用することで、入射レーザビームは集束レーザビームが初期外部ウエスト（すなわち基板の外側）に集束され、かつ、加工対象基板の内部で弱く集束（００４０、００４１欄）され、この分散集束構成により、制御された形状特性とミリメートル規模の長さとを有する「フィラメント」が形成できることが記載されている。

特許第３４０８８０５号公報 特開２０１４−１０４４８４号公報 特表２０１３−５３６０８１号公報 特開２０１５−０３７８０８号公報

上記特許文献３、４で示されている「フィラメント」を利用したレーザ加工技術において、加工対象として具体的に示されている基板はいずれも平板形状のものである。平らなガラス基板では、レーザビームを平面上で平行移動させることにより、フィラメントの位置を一定の深さ位置にして簡単にスキャンすることができる。
一方、特許文献４には、複雑なスプライン表面を備える材料の加工に際し、回転ステージとＺ位置との制御を組み合わせた複雑な制御を行うことが開示されている。
ところで、フィラメントを利用した同様の加工で加工対象がガラス管（管状脆性部材）の場合に、フィラメントの位置を一定の深さにして照射するには、ガラス管を回転させながら全周面をスキャンする必要がある。そのため装置が複雑になるとともに、肉薄で細管のガラス管の場合には熱変形等の不具合が発生しやすいといった問題点があった。

そこで本発明は、パルスレーザ光のバーストを含むレーザビームを利用した簡単な管状脆性部材の分断方法並びに分断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なされた本発明の管状脆性部材の分断方法は、パルスレーザ光のバーストを含むレーザビームを、収差を生じさせる収差付集光光学部材を透過させて収差レーザビームを生成し、前記収差レーザビームが前記管状脆性部材の周面の一部を横断するように、前記管状脆性部材の軸心と交差する方向にスキャンして周面の一部にクラックを生じさせ、前記管状脆性部材を前記クラックに沿って外力を加えて分断するようにしている。
本発明の分断方法においては、前記収差レーザビームの最も集束する最集束部が前記管状脆性部材の管壁の内部に位置するようにスキャンすることが好ましい。
ここで、収差レーザビームの最集束部は、収差レーザビームの照射方向に沿って、ビームプロファイル（強度分布）を測定したときに、ビームプロファイルのピークパワーが最も高くなる位置（収差レーザビームの照射方向に沿った位置）を意味する。

また、別の観点からなされた本発明の管状脆性部材の分断装置は、管状脆性部材を載置するステージと、パルスレーザ光のバーストを含んだレーザビームを出射するレーザ出力装置と、前記レーザ出力装置からのレーザビームを、収差を生じさせる収差付集光光学部材を介して収差レーザビームを生成する収差付集光光学系と、前記収差レーザビームを、前記管状脆性部材の軸心と交差する方向に相対的に移動させて前記管状脆性部材の周面の一部にクラックを生じさせる移動機構と、前記管状脆性部材を前記クラックに沿って分断するブレイク部材とからなるようにしている。
本発明の分断装置においては、前記収差付集光光学系が、前記収差レーザビームの最も集束する最集束部が前記管状脆性部材の集光光学系側の管壁の内部に位置する光学系であることが好ましい。

本発明は上記のごとく構成されているので、一度の直線移動の走査（ワンスキャン）で、管状脆性部材の周面の一部に分断用のクラックを形成することができる。これにより、次工程でクラックに沿って完全分断する際に、このクラックがトリガとなって亀裂が円周方向に容易に進展し、端面品質が優れた分断面で管状脆性部材を輪切り状に分断することができる。特に、部分的なクラックを形成するだけでよいため管状脆性部材の回転機構が不要になり、また全周面を回転スキャンする場合に比べてスキャン時間が短縮され、作業の効率化を図ることができるといった効果がある。

本発明において、前記管状脆性部材のスキャン時に、前記管状脆性部材の内面近傍を内面に対して接線方向に引いた仮想直線に沿って、前記収差レーザビームの最集束部を直線移動させるようにしてもよい。
また、本発明において、前記収差付集光光学部材は、平凸レンズとしてもよい。この場合、レーザビームを前記平凸レンズの平面側から入射させることにより、凸面側から収差レーザビームを出射させることができる。
さらに、本発明において、前記管状脆性部材がガラス管またはサファイア管であり、前記パルスレーザ光のレーザ光源が波長０．７〜２．５μｍ（例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの基本波）の近赤外レーザであり、かつ、パルス幅が１００ピコ秒以下の超短パルスレーザ光のバーストを用いるようにしてもよい。

本発明で利用する収差レーザビームを形成するための光学系を示すブロック図。 収差レーザビームの集束状態を示す拡大説明図。 パルスレーザ光のバーストのプロファイルを示す概念図。 本発明におけるクラック形成の第一段階を示す説明図。 収差レーザビームの最集束部が通過する軌跡範囲を示す説明図。 本発明における分断加工工程を示す断面図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
本発明は、図１に示すように、レーザ出力装置１からパルスレーザ光のバースト列を含むレーザビームＬ１を出射し、このレーザビームＬ１を、収差付集光光学部材（具体的には後述する平凸レンズ２）を透過させて（焦点が分散する）収差レーザビームＬ２を生成させる収差付集光光学系を備える。

レーザ出力装置１は、パルス幅（パルス持続時間）が１００ピコ秒以下、好ましくは５０ピコ秒以下（通常は１ピコ秒以上）、ここでは１５ピコ秒のパルスレーザ光のレーザビームを出射するレーザ光源１ａと、このレーザ光源１ａから発振されたパルスレーザ光を分割されたバースト列の集合として出射させる光変調器１ｂとを備える。なお、レーザ光源１ａには１０６４ｎｍの波長を有する近赤外レーザを使用する。
パルスレーザ光のバースト列を出射可能なレーザ出力装置１については、例えば特表２０１２−５１５４５０号公報に開示されており、ここでは公知のレーザ出力装置を利用してパルスレーザ光のバースト列を出射するものとし、詳細については説明を省略する。

レーザ出力装置１から出射されたレーザビームＬ１に収差を生じさせるために用いる収差付集光光学部材は、特に限定されるものではないが、ここでは焦点を光軸方向に分散させ、通過したレーザビームＬ１を軸方向にぼやけた焦点を結ぶように集束させて収差を生じさせる平凸レンズ２を利用している。この平凸レンズ２を通過したレーザビームＬ１は、焦点が分散した収差レーザビームＬ２となる。レーザビームＬ１を平凸レンズ２の平面側から入射させることによって、凸面側から収差レーザビームＬ２を出射させることができる。

パルスレーザ光のバースト列から生成された収差レーザビームＬ２は、図２（ａ）に示すように、平凸レンズ２で集束させることによりレーザエネルギーを蓄積させた狭くて長い高エネルギー分布領域Ｆを形成することができる。この高エネルギー分布領域Ｆを模式的に拡大した図を図２（ｂ）に示す。このような高エネルギー分布領域Ｆの形成によって、加工対象物の表面に照射されたときに、加工対象物の被照射面から内部深くまで加工することができる。

次に、本発明に係る収差レーザビームを利用した管状脆性部材の分断加工実験について、ガラス管を例にして以下に説明する。
本実験で用いたレーザ（パルスレーザ光のバースト列）の条件は次の通りである。

レーザ出力 ： １９．４Ｗ
繰り返し周波数 ： ３２．５ｋＨｚ
パルス幅 ： １５ピコ秒
パルス間隔（レーザパルスの基板上での照射スポットの照射間隔）： ４μｍ
バースト ： ４パルス
パルスエネルギー： １５５μＪ／１バースト
走査速度 ： １３０ｍｍ／ｓ

上記の加工条件で照射した結果、加工対象物の被照射面から内部深くまで加工することができた。加工深さや加工状態は、上記したレーザ出力、繰り返し周波数、パルス幅、バースト数やパルス間隔、収差等の調整により容易にコントロールすることができる。

図３はパルスレーザ光のバースト列を示す模式図である。１つ１つのパルスレーザ光が分割された４つの微細パルスＰが形成され、これが繰り返し周波数ごとに間欠的に照射される。

このようにして生成されたレーザビームを用いたガラス管の分断方法を図４〜６に基づいて説明する。分断対象となるガラス管（管状脆性部材）Ａとして、ソーダガラスで作成された直径１１．４ｍｍ、厚み０．９ｍｍのガラス管を用いた。

ステージ３上に載置されたガラス管Ａに対し、収差レーザビームＬ２の最集束部をガラス管Ａの軸心と直交する方向にスキャンして、ガラス管Ａの周面の一部に円周方向に沿ったクラックＫを加工する。スキャンする際は、ガラス管Ａの内面近傍を内面に対して接線方向に引いた仮想直線Ｂ（本実施形態では、仮想直線Ｂはステージ３と平行になる）に沿って、最集束部を仮想直線Ｂの位置に合わせた状態で直線移動させる。これにより、ガラス管Ａの周面の一部にクラックＫが形成される。クラックＫは一部がフルカットとなる場合もあるが、ガラス管Ａ全体はフルカットとはならない。
なお、ここでいう「フルカット」とは、クラックＫがガラス管Ａ外面から厚み方向に貫通して内面に到達した状態をいう。

収差レーザビームＬ２によるガラス管Ａのスキャンは、移動機構（図示略）を介して収差レーザビームＬ２またはステージ３を相対的に移動させることにより行うことができる。

最集束部の通過軌跡となる仮想直線Ｂの位置について、ガラス管Ａの「内面近傍」と表現したが、本発明でいう「内面近傍」とは、図４で示した位置を含めて、図５に示すようなガラス管Ａの内面に接する位置から管壁厚さの略５分の１程度だけ管壁内に離隔した位置までの間隔Ｓを包含する。
なお、収差レーザビームＬ２の最集束部を、ガラス管Ａ内面の接線上または接線のわずかに上側に位置合わせしてスキャンした際に、次工程での分断に要する外力が最も小さくなり、容易に分断することができた。発明者による実験では、最集束部のスキャン位置に、他の部分との分断面の状態の違いが確認された。

上記のようにしてガラス管ＡにクラックＫを加工後、図６に示すように、分断すべきクラックＫがステージ３の端から突き出た位置までガラス管Ａを移動させ、ガラス管Ａをステージ３と押さえ部材４とで保持した状態でブレイク部材５を押し付けてガラス管Ａを折り曲げることにより、ガラス管ＡをクラックＫから分断する。この際、クラックＫが最上部で厚み方向に貫通してフルカットされているので、折り曲げによってクラックＫがトリガとなって亀裂が円周方向両側に容易に進展し、ガラス管Ａをきれいに輪切り状で分断することができる。
本実施形態では直径５〜１００ｍｍ、厚み０．３〜２ｍｍのガラス管を問題なく分断できることが確認された。
なお、ブレイク部材５は、チャック部材によりガラス管Ａの端部を掴んで下方に折り曲げるような構成としてもよい。

以上、本発明の代表的な実施形態について説明したが、本発明は必ずしも上記の実施形態のみに特定されるものでなく、その目的を達成し、請求の範囲を逸脱しない範囲内で適宜修正および変更することが可能である。
例えば、上記の実施形態ではガラス管を例にして説明したが、例えば、１０６４ｎｍの近赤外レーザ光源を用いた場合にはサファイア管についても同様に分断することができる。また、加工対象物の材料に応じて、その材料に対し透過性を有するレーザ光源を用いるようにすれば、これら以外の材料についても本発明を適用することができる。

本発明は、ガラス管等の管状脆性部材を分断する際に利用することができる。

Ａ ガラス管（管状脆性部材）
Ｂ 仮想直線
Ｆ 高エネルギー分布領域
Ｋ クラック
Ｌ１ レーザビーム
Ｌ２ 収差レーザビーム
１ レーザ出力装置
２ 平凸レンズ（収差付集光光学部材）
３ ステージ
４ 押さえ部材
５ ブレイク部材

Claims (5)

1. 管状脆性部材の分断方法であって、
   パルスレーザ光のバーストを含むレーザビームを、収差を生じさせる収差付集光光学部材を透過させて収差レーザビームを生成し、
   前記収差レーザビームが前記管状脆性部材の周面の一部を横断するように、前記管状脆性部材の軸心と交差する方向にスキャンして周面の一部にクラックを生じさせ、
   前記管状脆性部材を前記クラックに沿って外力を加えて分断する管状脆性部材の分断方法。
2. 前記管状脆性部材のスキャン時に、前記管状脆性部材の内面近傍を内面に対して接線方向に引いた仮想直線に沿って、前記収差レーザビームの最集束部を直線移動させるようにした請求項１に記載の管状脆性部材の分断方法。
3. 前記収差付集光光学部材が、平凸レンズである請求項１または請求項２に記載の管状脆性部材の分断方法。
4. 前記管状脆性部材がガラス管またはサファイア管であり、前記パルスレーザ光のレーザ光源が波長０．７〜２．５μｍの近赤外レーザであり、かつ、パルス幅が１００ピコ秒以下の超短パルスレーザ光のバーストを用いる請求項１〜３のいずれかに記載の管状脆性部材の分断方法。
5. 管状脆性部材を載置するステージと、
   パルスレーザ光のバーストを含んだレーザビームを出射するレーザ出力装置と、
   前記レーザ出力装置からのレーザビームを、収差を生じさせる収差付集光光学部材を介して収差レーザビームを生成する収差付集光光学系と、
   前記収差レーザビームを、前記管状脆性部材の軸心と交差する方向に相対的に移動させて前記管状脆性部材の周面の一部にクラックを生じさせる移動機構と、
   前記管状脆性部材を前記クラックに沿って分断するブレイク部材とからなる管状脆性部材の分断装置。

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