JP3024990B2 - Cutting method of the quartz glass material - Google Patents

Cutting method of the quartz glass material

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    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/50Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece
    • B23K26/53Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece for modifying or reforming the material inside the workpiece, e.g. for producing break initiation cracks

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、石英ガラス材料を切断加工する方法に関する。 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a method of cutting the quartz glass material.

[従来の技術] 従来、石英ガラスなどの種々の透明材料を切断加工する方法として、バンドソーや内周刃などの直線的な切断機や、コアドリル、円筒研削機などの円形の加工機械が使用され直線状又は、円筒状の加工がおこなわれている。 [Prior Art] Conventionally, as a method for cutting a variety of transparent materials such as quartz glass, and linear cutting machine, such as band saws and the inner peripheral edge, core drill, a circular processing machines such as cylindrical grinding machines are used straight or cylindrical machining is being performed.

また、不定形の切断加工には炭酸ガスレーザーを使用したレーザー加工機等が使用されている。 The laser processing machine or the like using a carbon dioxide laser is used for the cutting of irregular.

[発明が解決しようとする課題] 従来の切断加工機械のバンドソーや、内周刃などでは直線的な切断加工のみであり、また、コアドリル、円筒研削機などの円形の加工機械は、円筒形の切断のみであり、複雑な加工には使用できなかった。 [Problems to be Solved] bandsaw or conventional cutting machine, in such inner circumferential edge is only linear cutting machining, also, core drill, circular processing machines such as cylindrical grinding machines, cylindrical and in cutting only, it can not be used for complex processing. 炭酸ガスレーザーを利用したレーザー切断機では、炭酸ガスレーザービームの波長はガラスを透過しないため、材料表面部に集光し表面より溶断して行くが、この場合溶断表面より内部へ進行するに従って、溶断面のピットによりレーザービームがさえぎられるので、溶断する厚さに対し限度があり、現状では10mm程度が限界である。 Accordance with the laser cutting machine that uses a carbon dioxide gas laser, since the wavelength of the carbon dioxide gas laser beam is not transmitted through the glass, but gradually blown from the condenser surface to the material surface portion, travels into the interior from this blow surface, since the laser beam is blocked by fusing surface of the pit, there is a limit to the thickness to be blown, at present is limited to about 10 mm.

本発明は、石英ガラス材料を複雑な形状に切断加工することを目的とし、被加工物の厚味に影響を受けず、厚板であっても自由な切断加工を可能とすることを目的としている。 The present invention, for the purpose of the purpose of cutting the quartz glass material into complex shapes, without being affected by thickness of the workpiece, to enable free cutting even thick plate there.

[課題を解決するための手段] そこで、本発明は、石英ガラスのバンドギャップより低エネルギーの波長140nm以上のエキシマレーザーを多光子吸収が発生するように集光して照射し、石英ガラス材料内部に微小なクラックを発生させることによって切断加工しようとするものである。 [Means for Solving the Problems] Accordingly, the present invention provides a low-energy excimer laser wavelength of at least 140nm in the band gap of the quartz glass multiphoton absorption by irradiating condenses to generate, inside the quartz glass material it is intended to cut by generating fine cracks in.

エキシマレーザーは、XeF(351nm),XeCl(308nm),K Excimer laser, XeF (351nm), XeCl (308nm), K
rF(248nm),ArF(193nm)等が挙げられる。 rF (248nm), ArF (193nm), and the like.

石英ガラス材料のエキシマレーザーに対する吸収特性に応じて、適切なエキシマレーザーを選択する必要がある。 Depending on the absorption characteristics for the excimer laser of the quartz glass material, it is necessary to select an appropriate excimer laser.

エキシマレーザーは、100Hz以上の高くりかえし周波数の方が効率的である。 Excimer laser, towards more high repetition frequency 100Hz is efficient.

焦点の移動は、光学的に焦点位置を移動させても、また、ワークを移動させても良く、操作しやすい方法を適宜選択できる。 Movement of the focus, be moved optically focus position and may be moved workpiece, easy to operate method can appropriately selected.

焦点は、最初ワークの下側に合せ、それから上方に移動させるのが効率的である。 Focus is combined to the lower side of the first work, then it is efficient to move upwards. 最初に、ワークの上方に焦点を合せると、切断部分によりエキシマレーザーが部分的に切断されてしまい作業効率が悪くなるからである。 First, because the focused above the workpiece, an excimer laser working efficiency will be partially cut by the cutting portion becomes poor.

エキシマレーザーが通過する表面は研磨しておき、ビームが表面で散乱するのを防止し、焦点位置にビームが集中するようにするのが好ましい。 Surface excimer laser passes leave polishing, to prevent the beam is scattered at the surface, preferably such beam is focused at the focal position.

[作用] 石英ガラス材料に吸収されないエキシマレーザーを、 An excimer laser that is not absorbed in the action] quartz glass material,
レンズやミラーから構成される光学系を介して石英ガラス材料の内部に焦点を合せ、エキシマレーザーを石英ガラス材料内部に照射する。 A lens or a mirror through the optical system constituted focused on the interior of the quartz glass material is irradiated with an excimer laser to the internal quartz glass material. すると、エキシマレーザーの照射された個所に数十ミクロン以下の微小なクラックが発生する。 Then, several tens of microns or less of fine cracks occur in the irradiated point of the excimer laser. エキシマレーザーの照射位置を移動させて、 By moving the irradiation position of an excimer laser,
石英ガラス材料に連続的なクラックを発生させることによって石英ガラス材料を切断加工する。 To cut a quartz glass material by generating a continuous cracks in the quartz glass material.

クラックの発生について更に詳しく説明する。 It will be described in more detail for the occurrence of cracks.

固体中では、荷電子のエネルギー準位は帯状のいわゆるバンド構造をとっている。 In the solid, the energy level of the valence is taking a so-called band structure of the strip. 絶縁体ではバンドギャップ以下のフォトンエネルギーのフォトン、すなわち、長波長の光は吸収しない。 Photon bandgap following photon energy is an insulator, i.e., light having a long wavelength is not absorbed.

しかし、バンドギャップよりも低エネルギーの光でも、レンズで集光するなどしてフォトン密度を極端に高くすると、2個あるいは、それ以上のフォトンを同時に吸収することにより、電子が充満帯(エネルギーギャップよりエネルギーの低いエネルギーバンド)から伝導帯(エネルギーギャップよりエネルギーが高く、通常の状態では電子の存在しないエネルギーバンド)に励起される。 However, even with low energy light than the band gap, when extremely high photon density, such as by focused by a lens, two or by absorbing more photons at the same time, electrons are filled band (energy gap more energy of lower energy bands) from the conduction band (energy higher energy than the gap, in the normal state are excited to the energy band) in the absence of an electron.

このように、フォトンを同時に2個吸収することを2 In this way, that the two absorb photons at the same time 2
光子吸収、更に一般に複数個吸収することを多光子吸収という。 Photon absorption, further commonly referred to as multiphoton absorption to multiple absorption.

この発明においては、多光子吸収を利用して、バンドギャップよりエネルギーが低く、本来、吸収の起こらない波長の光を石英ガラス材料に吸収させることにより、 In the present invention, by utilizing multiphoton absorption, lower energy than the band gap, by absorbing originally light of a wavelength that does not occur absorption in the quartz glass material,
石英ガラス材料の結合ボンドを切断したり、あるいは、 Or disconnect the coupled bond of the quartz glass material, or,
発熱を利用して微小なクラックを石英ガラス材料内部に発生させるのである。 Fine cracks by utilizing the heat generation is to generate inside the quartz glass material.

石英ガラスでは、このバンドギャップは約9eV(140n In the quartz glass, the band gap is about 9eV (140n
m)である。 A m). 石英ガラス中に不純物や欠陥構造が無い限り、バンドギャップよりも低エネルギー、すなわち、長波長の光は、通常吸収しない。 Unless impurities and defect structure is not in the quartz glass, low-energy than the band gap, i.e., light having a long wavelength is not normally absorbed.

ここでエキシマレーザーの波長とフォトンエネルギーを以下に示す。 Here shows the wavelength and the photon energy of the excimer laser below.

従って、エキシマレーザーはすべて波長が140nmより長いので、通常は吸収が起きないはずである。 Accordingly, since all excimer laser wavelength is longer than 140 nm, it should normally absorbed does not occur. しかし、 But,
前記の、多光子吸収によって吸収が起こり、このため結合ボンドの開裂あるいは発熱作用を生じ微細なクラックが内部に発生するのである。 It said, absorption occurs by multiphoton absorption, fine cracks occur in cleavage or heating action of this for coupling bond is to occur therein.

荷電子を充満帯から伝導帯に励起するのに必要なフォトン数は、石英ガラスのバンドギャップ9eVを超えるために必要な個数である。 Number of photons needed to excite valence from the filled band to the conduction band, is the number required to exceed the band gap 9eV of quartz glass.

[実施例] 次に、本発明を実施例によって更に詳しく説明する。 EXAMPLES The following describes the present invention examples in more detail.

実施例1 150×150×150mmの合成石英ガラス(OH 1300ppm含有)を使用し、エキシマレーザーとしては、不安定共振器を用いたエキシマレーザー(KrF 248nmエネルギー密度 50mJ/cm 3パルス、くりかえし周波数150Hz)を使用し、焦点距離500mmのレンズで集光し、ミラーで反射させ、上面を予め研磨したワークである厚板の合成石英ガラスの内部にエキシマレーザービームの焦点を合せエキシマレーザーをワークの上面から照射し、ワークを3r. Using Example 1 150 × 150 × 150mm synthetic quartz glass (OH 1300 ppm containing), as the excimer laser, an excimer laser using an unstable resonator (KrF 248 nm energy density 50 mJ / cm 3 pulse, repetition frequency 150 Hz) using, is condensed at the focal length 500mm lens, is reflected by a mirror, an excimer laser to focus the excimer laser beam inside the synthetic quartz glass of the slab is a work in advance polished upper surface from the upper surface of the workpiece irradiated, 3r the work.
pmの回転数で回転させながら、焦点の位置を3mm/minの速さでワーク底面より引き上げることにより、直径30mm While rotating at a rotational speed of the pm, by pulling from the work bottom surface position of the focal point at a rate of 3 mm / min, 30mm diameter
の円筒形の孔を開けた。 It opened the cylindrical hole.

このとき、ワーク内部におけるエキシマレーザーのビームの垂直方向の焦点位置は、レンズの位置を移動させることによって変化させた。 In this case, the focal position in the vertical direction of the beam of the excimer laser in the workpiece interior was changed by moving the position of the lens.

また、ワーク内部での焦点位置の水平方向の移動は、 Moreover, the horizontal movement of the focal position of the work inside,
ワーク自体を水平方向に移動させることによっておこなった。 It was performed by moving the workpiece itself in a horizontal direction.

切断に当っては、焦点位置は、ワークの底面から上方向に移動させた。 Is hitting the cutting, the focal position is moved from the bottom surface of the workpiece upward.

[効果] 以上、述べてきたように、石英ガラス材料の内部に焦点を合せ、石英ガラス材料に対し吸収の無いエキシマレーザーを照射すると、微細なクラックが石英ガラス材料の内部に発生する。 [Effect] Thus, as has been described, focused in the interior of the quartz glass material is irradiated with excimer laser no absorption with respect to quartz glass material, fine cracks are generated in the quartz glass material. これを連続させることによって石英ガラス材料を複雑な形状に切断加工できる。 The quartz glass material by continuous it can cut into complex shapes.

焦点をワークの内部に結ばせているのでワークの厚味に影響を受けず、自由な形状に加工できる。 Since not focused to the inside of the work without being affected by the work thickness, it can be processed into a desired shape.

焦点の移動をコンピュータにプログラムしておくことによって、円錐形、ひょうたん型など、その形状は制約を受けないといってもよいものである。 By keeping programmed movement of focus on computer, conical, gourd shape, etc., the shape is one which may be referred to as unconstrained.

【図面の簡単な説明】 BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

第1図は本発明の概念図である。 FIG. 1 is a conceptual diagram of the present invention.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−54587(JP,A) 特開 昭63−121015(JP,A) 特開 昭57−209838(JP,A) 特開 平1−271084(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl. 7 ,DB名) B23K 26/00 ────────────────────────────────────────────────── ─── of the front page continued (56) reference Patent Sho 62-54587 (JP, a) JP Akira 63-121015 (JP, a) JP Akira 57-209838 (JP, a) JP flat 1- 271084 (JP, a) (58 ) investigated the field (Int.Cl. 7, DB name) B23K 26/00

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】 (57) [the claims]
  1. 【請求項1】石英ガラスのバンドギャップより低エネルギーの波長140nm以上のエキシマレーザーを多光子吸収が発生するように集光して照射する石英ガラス材料の切断加工方法。 1. A cutting method of a quartz glass material is irradiated by focusing as multiphoton absorption wavelengths 140nm or more excimer laser lower energy than the band gap of the quartz glass is produced.
  2. 【請求項2】特許請求の範囲第1項において、石英ガラス材料の下側にエキシマレーザーを集光し、次に、上方に焦点を移動させる石英ガラス材料の切断加工方法。 2. A range first term of the claims, the excimer laser is focused on the lower side of the quartz glass material, then cutting method of a quartz glass material for moving the focal point upwards.
  3. 【請求項3】特許請求の範囲第1項又は第2項において、エキシマレーザーは、100Hz以上の高くりかえし周波数である石英ガラス材料の切断加工方法。 3. A Patent paragraph 1 or claim 2, excimer laser, cutting process of the quartz glass material which is more highly repetition frequency 100 Hz.
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