JP2019123015A - 光加工装置、光加工方法及び光加工物の生産方法 - Google Patents
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Abstract
Description
まず、実施形態に係るレーザー加工装置の基本的な構成について説明する。
図1は、実施形態に係るレーザー加工装置50の概略構成を示す断面図である。
同図において、レーザー加工装置50は、レーザー発振器1、ビーム拡大光学系2、ビーム変換ユニット5、回転ステージ7、アパーチャー8、上下ステージ9、x−yテーブル10、テーブル土台11、ステージ昇降機構12、光遅延部20などを備えている。また、上下動モーター13、ステージ回転モーター14なども備えている。
図3は、本実施形態における加工の進み方を説明するための説明図である。
本実施形態においては、少なくとも第一レーザー光L1については、その焦点位置(第一焦点位置)が透明なガラス基板100の内部(ガラス基板100の表面から例えば60μm内側)に位置するように照射する。これにより、第一レーザー光L1の少なくとも一部は、透明なガラス基板100の表面を透過し、ガラス基板100の表面から一定距離だけ内側の箇所に多光子吸収を生じさせ、図3(a)に示すように、その箇所がアブレーション加工され、加工痕Mが形成される。
図5は、本実施形態におけるレーザー加工装置50のレーザー発振器1の構成を示す説明図である。
本実施形態のレーザー発振器1には、一般的なモードロックレーザー光源を用いることができる。本実施形態のレーザー発振器1は、シード部1a、励起部1b、合成部1c、再生増幅部1d、波長変換部1eから構成される。合成部1cは、シード部1aから出射されるシード光と励起部1bから出射される励起光とをかけ合わせて、微弱な短パルスレーザー光を形成する。再生増幅部1dは、合成部1cから出力される短パルスレーザー光のパルスエネルギーを増幅させる。これにより、レーザー加工に適用可能なエネルギーをもった短パルスレーザー光を得ることができる。
なお、ここでは、基本波と2倍波からなる2つの短パルスレーザー光を生成する例であるが、3倍波以降の短い波長をもった短パルスレーザー光を生成してもよい。
本実施形態においては、上述したとおり、第一レーザー光L1によってガラス基板100の内部の加工痕内に発生した気体やプラズマに第二レーザー光L2を照射することで、第二レーザー光L2のエネルギーをプラズマや気体に吸収させ、加工痕内の内圧を上昇させることにより、大体積加工を実現する。ここで、第一レーザー光L1の照射を開始した後、ガラス基板100の内部の加工痕内でプラズマや気体が発生するまでには、ピコ秒からナノ秒程度の時間を要することが確認されている。
図7は、図6に示した構成において、第一レーザー光L1及び第二レーザー光L2をガラス基板100に照射した際の透過光量を測定するために、パワーメータ30を追加した実験系を示した説明図である。
本実験では、第一レーザー光L1及び第二レーザー光L2の各焦点位置をガラス基板100の表面から20μmだけ内側とし、第一レーザー光L1に対する第二レーザー光L2の時間遅延幅を0ピコ秒〜1500ピコ秒の間で可変とし、パルスの繰り返し周波数を1kHz(つまり繰り返し周期を1ミリ秒)とし、同一個所に繰り返しレーザー照射したときの第二レーザー光L2のみの透過光量の変化を示す。
なお、図8(a)〜(c)は、横軸に、第一レーザー光L1及び第二レーザー光L2のパルス数(Number of Pulse)をとり、縦軸に、第二レーザー光L2の透過光量をとったもので、横軸のスケールが異なる同一の実験結果を示すものである。なお、縦軸は、最大の透過光量が1.0となるように規格化した値を示す。
本実験では、加工対象物として溶融石英からなる透明なガラス基板100を用い、そのガラス基板100の表面に溝を形成する溝掘り加工を行って、ガラス基板100を割断するための加工処理を行った。
本実験では、第一レーザー光L1の焦点位置をガラス基板100の表面から60μm内側に設定し、ガラス基板100の表面上をレーザー光L1,L2のスポットが0.01mm/sの速度で走査されるように加工を行った。本実験では、第一レーザー光L1’のみを用いて加工を行う実験と、第一レーザー光L1及び第二レーザー光L2を用いて加工を行う実験とを行った。なお、第一レーザー光L1’,L1の波長は532nmであり、第二レーザー光L2の波長は1064nmであり、いずれもパルス幅は15ピコ秒であり、パルスの繰り返し周期は5マイクロ秒である。
第一レーザー光L1’のみを用いる実験では、図10(a)に示すように、ガラス基板100の表面付近に比較的深い加工痕(図中斜線部分)が形成されたが、その加工幅(図中上下方向長さ)が比較的狭いため、加工領域の体積は小さいものとなる。
このような光制御手段を設けて第二レーザー光L2のビーム形状を変化させることで、第一レーザー光L1によって発生した加工痕M内のプラズマや気体Pに対してより効率よくエネルギーを吸収させることが可能となり、より高効率な加工を実現できる。例えば、光制御手段29としてアキシコンレンズを用いてベッセルビーム(円環状のビーム形状)とすれば、焦点深度が長い第二レーザー光L2(例えば200μm以下)を生成できるので、加工対象物における加工痕Mの形状を焦点方向に長くなるように拡大することが可能となる。
〔態様A〕
複数の加工光(例えば第一レーザー光L1、第二レーザー光L2)を用いて加工対象物(例えばガラス基板100)を加工する光加工装置(例えばレーザー加工装置50)であって、第一光照射手段(例えば、第一ダイクロイックミラー21、第一反射光学素子22A〜22E、第二ダイクロイックミラー25、第四反射光学素子26、ビーム拡大光学系2、ビーム変換ユニット5等)により焦点位置が前記加工対象物の内部に位置するように第一加工光(例えば、第一レーザー光L1)を照射し、該第一加工光によって加工対象物内部に発生するプラズマ又は気体Pの光吸収波長を含む第二加工光(例えば、第二レーザー光L2)を第二光照射手段(例えば、第一ダイクロイックミラー21、第三反射光学素子23、第二反射光学素子24A〜24D、第二ダイクロイックミラー25、第四反射光学素子26、ビーム拡大光学系2、ビーム変換ユニット5等)により照射することを特徴とする。
複数の加工光を用いて加工対象物を加工する従来の光加工装置では、第一加工光によって加工対象物に過渡的な構造上の欠陥を生じさせて光吸収率を上昇させた箇所に第二加工光を照射することで、第二加工光のエネルギーによって加工対象物の材料を蒸散させる等により材料を除去し、加工を進める。しかしながら、このような加工方法では、光透過性を有する加工対象物に対し、より多くの材料を除去して大きな体積の加工(大体積加工)を実現するには、大きなエネルギーを必要とする。
本態様においては、第一光照射手段により焦点位置が加工対象物の内部に位置するように第一加工光を照射するため、光透過性を有する加工対象物においては加工対象物の内部まで第一加工光を到達させることができ、加工対象物の内部に加工痕を生じさせることができる。この加工痕が形成される過程で、加工光によって加工対象物の表面から加工が進行する一般的なアブレーション加工と同様にプラズマ又は気体が発生する。このとき、一般的なアブレーション加工では、プラズマ又は気体は発生後すぐに加工対象物の表面から外部へ拡散(散逸)するが、本態様においては、プラズマ又は気体が加工対象物の内部に生じる加工痕内で発生するため、加工痕内に留まり、拡散しない。
そして、本態様では、このように加工対象物内部の加工痕内に留まるプラズマ又は気体に対し、当該プラズマ又は気体の光吸収波長を含む第二加工光を照射する。これにより、プラズマ又は気体は第二加工光のエネルギーを吸収し、加工痕を拡げ、加工対象物の表面に向かってクラックを生じさせる。そして、加工痕やクラックが加工対象物の表面付近まで進行すると、加工痕内の内圧開放に伴って加工対象物の表面付近の材料を爆散させ、大きな体積の加工が実現される。
前記態様Aにおいて、前記第二光照射手段は、前記第一加工光の照射開始後であって、該第一加工光によって加工対象物内部に前記プラズマ又は前記気体が存在する存在期間の開始前又は開始後に、前記第二加工光の照射を開始することを特徴とする。
これによれば、第二レーザー光L2の照射不要な期間に照射される第二レーザー光L2の照射時間を少なくして、エネルギーの無駄を抑えることができる。
前記態様Bにおいて、前記第一加工光の照射開始から20ピコ秒以上11000ピコ秒以下の範囲内、好ましくは20ピコ秒以上2000ピコ秒以下の範囲内で、前記第二加工光の照射を開始することを特徴とする。
これによれば、第二レーザー光L2の照射不要な期間に照射される第二レーザー光L2の照射時間を少なくして、エネルギーの無駄を抑えることができる。
前記態様A〜Cのいずれかの態様において、前記第二光照射手段は、前記第一加工光によって加工対象物内部に前記プラズマ又は前記気体が存在する存在時期の終了前又は終了後に前記第二加工光の照射を停止することを特徴とする。
これによれば、第二レーザー光L2の照射不要な期間に照射される第二レーザー光L2の照射時間を少なくして、エネルギーの無駄を抑えることができる。
前記態様A〜Dのいずれかの態様において、前記第二光照射手段は、前記加工対象物に前記第一加工光が照射されていない期間に前記第二加工光を照射することを特徴とする。
これによれば、第二加工光のエネルギーをプラズマ又は気体に効率良く吸収させることができる。
前記態様A〜Eのいずれかの態様において、前記第二加工光の波長は、前記第一加工光の波長よりも長いことを特徴とする。
これによれば、加工対象物の内部に加工痕を形成する好適な第一加工光と、その加工痕内に発生するプラズマ又は気体の光吸収波長を含む好適な第二加工光とを両立しやすい。
前記態様A〜Fのいずれかの態様において、前記第二加工光の波長は、上述した式(1)を満たす吸収係数αIBが20cm−1以上である波長λであることを特徴とする。
これによれば、加工痕内に発生するプラズマ又は気体に第二加工光のエネルギーを効率よく吸収させることができる。
前記態様A〜Gのいずれかの態様において、前記第二加工光の波長は、700nm以上であることを特徴とする。
これによれば、加工痕内に発生するプラズマ又は気体に第二加工光のエネルギーを効率よく吸収させることができる。
前記態様A〜Hのいずれかの態様において、所定のパルス幅(例えば15ピコ秒)を有するパルスレーザー光を出力するレーザー光源(例えばレーザー発振器1)を有し、前記第一光照射手段は、前記レーザー光源から出力されるパルスレーザー光の一部を前記第一加工光として前記加工対象物へ照射し、前記第二光照射手段は、前記レーザー光源から出力されるパルスレーザー光の他部を遅延させて前記第二加工光として前記加工対象物へ照射することを特徴とする。
これによれば、低コスト化を実現しやすい。
前記態様Iにおいて、前記第一光照射手段及び前記第二光照射手段は、同一の集光手段(例えば、対物レンズ6)を用いて、前記第一加工光及び前記第二加工光をそれぞれ前記加工対象物へ照射することを特徴とする。
これによれば、低コスト化を実現しやすい。
前記態様A〜Jのいずれかの態様において、前記第二光照射手段は、焦点位置が前記加工対象物の内部に位置するように前記第二加工光を照射することを特徴とする。
これによれば、第二光照射手段の構成部品の多くを、第一光照射手段の構成部品と共用することができ、低コスト化を実現しやすい。
前記態様A〜Kのいずれかの態様において、前記第二加工光の焦点深度は、200μm以下であることを特徴とする。
これによれば、加工対象物のより深い箇所まで加工することが可能となる。
前記態様A〜Lのいずれかの態様において、前記第一加工光及び前記第二加工光のうちの少なくとも一方は、20ピコ秒以下のパルス幅を有するパルスレーザー光であることを特徴とする。
これによれば、第一加工光や第二加工光における単位時間あたりのエネルギー密度を高めることができる。
前記態様A〜Mのいずれかの態様において、前記第一加工光及び前記第二加工光は、前記加工対象物内部におけるビーム形状が互いに異なることを特徴とする。
これによれば、加工対象物の内部に加工痕を形成する好適な第一加工光と、その加工痕内に発生するプラズマ又は気体の光吸収波長を含む好適な第二加工光とを両立しやすい。
前記態様Nにおいて、前記第二加工光の前記加工対象物内部におけるビーム形状は円環状であることを特徴とする。
これによれば、加工対象物のより深い箇所まで加工することが可能となる。
前記態様A〜Oのいずれかの態様において、前記第二加工光のビーム形状を変更するビーム形状変更手段を有することを特徴とする。
これによれば、種々の加工に適したビーム形状をもつ第二加工光で加工を行うことができる。
前記態様Pにおいて、前記ビーム形状変更手段は、前記第二加工光のビーム形状を所定の周波数で時間的に変更することを特徴とする。
これによれば、第二加工光のビーム形状を所定の周波数で時間的に変更しながら光加工を行うことができる。
複数の加工光を用いて加工対象物を加工する光加工方法であって、第一光照射手段により焦点位置が前記加工対象物の内部に位置するように第一加工光を照射し、該第一加工光によって加工対象物内部にプラズマ又は気体が存在する存在期間中に第二光照射手段により第二加工光を照射することを特徴とする。
複数の加工光を用いて加工対象物を加工する従来の光加工装置では、第一加工光によって加工対象物に過渡的な構造上の欠陥を生じさせて光吸収率を上昇させた箇所に第二加工光を照射することで、第二加工光のエネルギーによって加工対象物の材料を蒸散させる等により材料を除去し、加工を進める。しかしながら、このような加工方法では、光透過性を有する加工対象物に対し、より多くの材料を除去して大きな体積の加工(大体積加工)を実現するには、大きなエネルギーを必要とする。
本態様においては、第一光照射手段により焦点位置が加工対象物の内部に位置するように第一加工光を照射するため、光透過性を有する加工対象物においては加工対象物の内部まで第一加工光を到達させることができ、加工対象物の内部に加工痕を生じさせることができる。この加工痕が形成される過程で、加工光によって加工対象物の表面から加工が進行する一般的なアブレーション加工と同様にプラズマ又は気体が発生する。このとき、一般的なアブレーション加工では、プラズマ又は気体は発生後すぐに加工対象物の表面から外部へ拡散(散逸)するが、本態様においては、プラズマ又は気体が加工対象物の内部に生じる加工痕内で発生するため、加工痕内に留まり、拡散しない。
そして、本態様では、このように加工対象物内部の加工痕内に留まるプラズマ又は気体に対し、当該プラズマ又は気体の光吸収波長を含む第二加工光を照射する。これにより、プラズマ又は気体は第二加工光のエネルギーを吸収し、加工痕を拡げ、加工対象物の表面に向かってクラックを生じさせる。そして、加工痕やクラックが加工対象物の表面付近まで進行すると、加工痕内の内圧開放に伴って加工対象物の表面付近の材料を爆散させ、大きな体積の加工が実現される。
複数の加工光を用いて加工対象物を加工して光加工物を生産する光加工物の生産方法であって、第一光照射手段により焦点位置が前記加工対象物の内部に位置するように第一加工光を照射し、該第一加工光によって加工対象物内部にプラズマ又は気体が存在する存在期間中に第二光照射手段により第二加工光を照射することを特徴とする。
これによれば、少ないエネルギーで大きな体積の加工を実現できるので、より低エネルギーで光加工物を生産することができる。
1a:シード部
1b:励起部
1c:合成部
1d:再生増幅部
1e:波長変換部
1f:波長板
1g:プリズムビームスプリッタ
1h:LBO素子
2:ビーム拡大光学系
3:第一レンズ
4:第二レンズ
5:ビーム変換ユニット
6:対物レンズ
7:回転ステージ
8:アパーチャー
9:上下ステージ
10:x−yテーブル
11:テーブル土台
12:ステージ昇降機構
13:上下動モーター
14:ステージ回転モーター
20:光遅延部
21:第一ダイクロイックミラー
22A〜22E:第一反射光学素子
23:第三反射光学素子
24A〜24D:第二反射光学素子
25:第二ダイクロイックミラー
26:第四反射光学素子
27:第一遅延光学装置
28:第二遅延光学装置
29:光制御手段
30:パワーメータ
50:レーザー加工装置
100:ガラス基板
L1:第一レーザー光
L2:第二レーザー光
C:クラック
M:加工痕
P:気体又はプラズマ
Claims (19)
- 複数の加工光を用いて加工対象物を加工する光加工装置であって、
第一光照射手段により焦点位置が前記加工対象物の内部に位置するように第一加工光を照射し、該第一加工光によって加工対象物内部に発生するプラズマ又は気体の光吸収波長を含む第二加工光を第二光照射手段により照射することを特徴とする光加工装置。 - 請求項1に記載の光加工装置において、
前記第二光照射手段は、前記第一加工光の照射開始後であって、該第一加工光によって加工対象物内部に前記プラズマ又は前記気体が存在する存在期間の開始前又は開始後に、前記第二加工光の照射を開始することを特徴とする光加工装置。 - 請求項2に記載の光加工装置において、
前記第一加工光の照射開始から20ピコ秒以上11000ピコ秒以下の範囲内で、前記第二加工光の照射を開始することを特徴とする光加工装置。 - 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の光加工装置において、
前記第二光照射手段は、前記第一加工光によって加工対象物内部に前記プラズマ又は前記気体が存在する存在時期の終了前又は終了後に前記第二加工光の照射を停止することを特徴とする光加工装置。 - 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の光加工装置において、
前記第二光照射手段は、前記加工対象物に前記第一加工光が照射されていない期間に前記第二加工光を照射することを特徴とする光加工装置。 - 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の光加工装置において、
前記第二加工光の波長は、前記第一加工光の波長よりも長いことを特徴とする光加工装置。 - 請求項1乃至6のいずれか1項に記載の光加工装置において、
前記第二加工光の波長は、下記の式(1)を満たす吸収係数αIBが20cm−1以上である波長λであることを特徴とする光加工装置。
- 請求項1乃至7のいずれか1項に記載の光加工装置において、
前記第二加工光の波長は、700nm以上であることを特徴とする光加工装置。 - 請求項1乃至8のいずれか1項に記載の光加工装置において、
所定のパルス幅を有するパルスレーザー光を出力するレーザー光源を有し、
前記第一光照射手段は、前記レーザー光源から出力されるパルスレーザー光の一部を前記第一加工光として前記加工対象物へ照射し、
前記第二光照射手段は、前記レーザー光源から出力されるパルスレーザー光の他部を遅延させて前記第二加工光として前記加工対象物へ照射することを特徴とする光加工装置。 - 請求項9に記載の光加工装置において、
前記第一光照射手段及び前記第二光照射手段は、同一の集光手段を用いて、前記第一加工光及び前記第二加工光をそれぞれ前記加工対象物へ照射することを特徴とする光加工装置。 - 請求項1乃至10のいずれか1項に記載の光加工装置において、
前記第二光照射手段は、焦点位置が前記加工対象物の内部に位置するように前記第二加工光を照射することを特徴とする光加工装置。 - 請求項1乃至11のいずれか1項に記載の光加工装置において、
前記第二加工光の焦点深度は、200μm以下であることを特徴とする光加工装置。 - 請求項1乃至12のいずれか1項に記載の光加工装置において、
前記第一加工光及び前記第二加工光のうちの少なくとも一方は、20ピコ秒以下のパルス幅を有するパルスレーザー光であることを特徴とする光加工装置。 - 請求項1乃至13のいずれか1項に記載の光加工装置において、
前記第一加工光及び前記第二加工光は、前記加工対象物内部におけるビーム形状が互いに異なることを特徴とする光加工装置。 - 請求項14に記載の光加工装置において、
前記第二加工光の前記加工対象物内部におけるビーム形状は円環状であることを特徴とする光加工装置。 - 請求項1乃至15のいずれか1項に記載の光加工装置において、
前記第二加工光のビーム形状を変更するビーム形状変更手段を有することを特徴とする光加工装置。 - 請求項16に記載の光加工装置において、
前記ビーム形状変更手段は、前記第二加工光のビーム形状を所定の周波数で時間的に変更することを特徴とする光加工装置。 - 複数の加工光を用いて加工対象物を加工する光加工方法であって、
第一光照射手段により焦点位置が前記加工対象物の内部に位置するように第一加工光を照射し、該第一加工光によって加工対象物内部にプラズマ又は気体が存在する存在期間中に第二光照射手段により第二加工光を照射することを特徴とする光加工方法。 - 複数の加工光を用いて加工対象物を加工して光加工物を生産する光加工物の生産方法であって、
第一光照射手段により焦点位置が前記加工対象物の内部に位置するように第一加工光を照射し、該第一加工光によって加工対象物内部にプラズマ又は気体が存在する存在期間中に第二光照射手段により第二加工光を照射することを特徴とする光加工物の生産方法。
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