JP6955684B2 - 光加工装置、及び光加工物の生産方法 - Google Patents

Description

本発明は、光加工装置、及び光加工物の生産方法に関するものである。

従来、光発振手段から発せられた光のビームをベッセルビームに変換しながら集光する集光手段を有し、加工対象物の加工面上で集光したベッセルビームによって加工対象物を加工する光加工装置が知られている。

例えば、特許文献１には、加工装置たるレーザー加工装置として、次のようなものが開示されている。即ち、光発振手段たるレーザー発振手段から発せられたレーザー光のビームを、集光手段たるアキシコンレンズによってベッセルビームに変換しながら、加工対象物たるガラス基板上に集光して、ガラス基板を切断加工するレーザー加工装置である。かかる構成によれば、一般的なレーザー光により、ガラス基板の厚み方向の表面側における焦点が合っている位置だけをレーザー切断し、残りの部分をクラックの伝搬によって切断する構成に比べて、切断面をきれいに加工することができるとされている。

しかしながら、切断面（加工面）やその近傍部分に変色をきたすことがあるという課題があった。

上述した課題を解決するために、本発明は、光発振手段から発せられた光のビームをベッセルビームに変換しながら集光する集光手段を有し、加工対象物の加工面上で集光した前記ベッセルビームによって前記加工対象物を加工する光加工装置において、前記加工面上で集光する前記ベッセルビームの断面の外縁部を前記加工面に到達させないように、前記集光手段を経由した後、前記加工面に到達する前の前記ベッセルビーム、の光軸と直交する方向の断面の外縁部を遮光する遮光手段を設けたことを特徴とするものである。

本発明によれば、加工対象物の加工面やその近傍部分における変色の発生を抑えることができるという優れた効果がある。

実施形態に係るレーザー加工装置の概略構成を示す断面図。 同レーザー加工装置の凸アキシコンレンズによるレーザー光Ｌの集光の様子を説明するための模式図。 同レーザー加工装置において、ガラス基板に対して極めて短い周期で断続的に照射されたベッセルビームのスポットの加工面における履歴を示す模式図。 従来のレーザー加工装置で加工されたガラス基板の切断面やその近傍部分における変色の様子を示す模式図。 同レーザー加工装置のアパーチャーを示す平断面図。 同レーザー加工装置において、凸アキシコンレンズを透過した後、ガラス基板に到達するまでのレーザー光Ｌの様子を説明するための模式図。 同レーザー加工装置で加工されたガラス基板を示す平面模式図。 ガラス基板の表面高さと、同アパーチャーの上下動との関係を説明するための模式図。 同レーザー加工装置における加工面でのビームスポットを示す平面模式図。 同レーザー加工装置の上下ステージを示す斜視図。 同上下ステージに保持される回転ステージを示す斜視図。 同レーザー加工装置におけるアパーチャーの回転の様子を示す模式図。 アパーチャーの変形例を示す平断面図。 同変形例のアパーチャーを用いた場合におけるガラス基板の加工の様子を説明するための平面模式図。

以下、本発明を適用した光加工装置として、レーザー加工装置の一実施形態について説明する。
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。

光発振手段たるレーザー発振器１は、波長λ、パルス幅が半値で１００フェムト秒から１マイクロ秒までのレーザー光Ｌをパルス発振する。レーザー光Ｌのビームは、いわゆるガウシアンビームである。

レーザー発振器１から発振されたレーザー光Ｌは、ビーム拡大光学系２に進入する。ビーム拡大光学系２は、第一レンズ３と第二レンズ４とを有しており、それらレンズにレーザー光を順に通すことで、レーザー光Ｌの径をより大きくするとともに、レーザー光Ｌを平行光束として出射する。出射されたレーザー光Ｌは、ビーム変換ユニット５に進入する。

ビーム変換ユニット５は、筒状の筐体の内部に凸アキシコンレンズ６を保持している。ビーム変換ユニット５の筐体内に進入したレーザー光Ｌは、集光手段たる凸アキシコンレンズ６を透過する。この凸アキシコンレンズ６は、自らに入射したレーザー光Ｌのビームを、リング状の断面形状のベッセルビームに変換しながら集光する。

ビーム変換ユニット５から出射されたレーザー光Ｌのベッセルビームは、回転ステージ７に固定されたアパーチャー８の貫通口を通過した後、ｘ−ｙテーブル１０上に固定された加工対象物としてのガラス基板１００に到達する。そして、ガラス基板１００の加工面上に１０［μｍ］以下の直径で集光して、ガラス基板１００を切断加工する。

一般的なレーザービームでは、レーザー光の焦点の合う表面だけをレーザー加工するとともに、表面よりも下の箇所にクラックを入れてガラス基板１００を切断する。このため、切断面を綺麗に加工面することができない。一方、ベッセルビームは、周知のように、光軸方向における焦点の長さが一般的なレーザービームに比べて遥かに大きくなっている。このため、図２に示されるように、ガラス基板１００の厚み方向の全域に渡って焦点を合わして、厚み方向の全域に対してレーザー加工による切断を行うことができるため、切断面を綺麗に加工することができる。

図１に示されるｘ−ｙテーブル１０は、テーブル土台１１の上に保持された状態で、光軸（ｚ軸）方向に直交する仮想面における互いに直交するｘ軸方向（以下、ｘ方向ともいう）と、ｙ軸方向（以下、ｙ方向ともいう）とに独立して移動せしめられる。このｘ−ｙテーブル１０のｘ方向やｙ方向の移動により、ガラス基板１００に対するレーザー加工位置が調整される。

回転ステージ７、アパーチャー８、上下ステージ９、ステージ昇降機構１２、上下動モーター１３、ステージ回転モーター１４の機能については、後述する。

上述したように、レーザー光Ｌのビームを凸アキシコンレンズ６によってベッセルビームに変換してガラス基板１００の加工面に集光することで、切断面を綺麗に加工することが可能になる。しかしながら、切断面（加工面）やその近傍部分に変色をきたすことがあるという課題があった。ガラス基板１００を加工してタッチパネルを製造する場合、その変色によってタッチパネルの透明度を低下させてしまうと、商品価値を低下させてしまう。また、切断面（加工面）やその近傍部分に材料の改質をきたし、それによって材料特性が劣化する（例えば剛性が弱くなるなど）おそれもある。例えばタッチパネルを製造する場合、前述の改質によってタッチパネルを割れ易くしてしまうおそれがある。

切断面やその近傍部分に変色や改質をきたしてしまう原因について本発明者が鋭意研究を行ったところ、次のようなことが判明した。即ち、凸アキシコンレンズ６を透過した直後のレーザー光Ｌのベッセルビームは、リング状の断面形状をしている。この断面形状のリングは、集光位置、即ち、ガラス基板１００の加工面に近づくにつれて、リング径を小さくしていき、加工面に到達すると、円形になる。そして、その加工面における円形のビームは、中心から外縁に向かうにつれて、エネルギーが小さくなる。

図３は、ガラス基板１００に対して極めて短い周期で断続的に照射されたベッセルビームのスポットの加工面における履歴を示す模式図である。同図において、細い円で示されているのは、ベッセルビームの加工面におけるスポット形状である。そのスポットの全域がガラス基板１００の切断に寄与するのではなく、図中黒丸で示されているスポットの中央部だけが切断に寄与する。但し、スポットの中央部よりも外側であっても、ある程度のエネルギーを有していることから、切断に寄与しないものの、ガラス基板１００のガラスを変質させてしまう。この変質により、図４に示されるように、切断面やその近傍部分に変色や改質をきたしてしまうのである。

次に、レーザー加工装置５０の特徴的な構成について説明する。
図５は、レーザー加工装置５０のアパーチャー８を示す平断面図である。このアパーチャー８は、リング状の貫通口８ａを有している。図１において、凸アキシコンレンズ６を透過してリング状の断面形状になったレーザー光Ｌのベッセルビームは、アパーチャー８のリング上の貫通口８ａを通過した後に、ガラス基板１００に到達する。

図６は、凸アキシコンレンズ６を透過した後、ガラス基板１００に到達するまでのレーザー光Ｌの様子を説明するための模式図である。凸アキシコンレンズ６を透過してリング状の断面形状になったレーザー光Ｌのベッセルビームは、図示のように、アパーチャー８のリング状の貫通口８ａを通過する際に、リング外縁部がアパーチャー８によって遮光される。同時に、リング内縁部もアパーチャー８によって遮光される。このため、アパーチャー８のリング状の貫通口８ａを通過したレーザー光Ｌのベッセルビームは、リング外縁部及びリング内縁部が除去された状態で、ガラス基板１００の加工面に集光する。すると、図７に示されるように、ガラス基板１００の加工面におけるベッセルビームの円形のスポットとして、概ねガラス基板１００の切断に寄与する中央部だけを残して、それよりも外側にあった切断に寄与しない外縁部分をほぼ除去することができる。これにより、切断に寄与しない外縁部分を切断箇所の周囲に当てることによる切断面やその近傍部分の変色の発生を抑えることができる。

図１において、自らの表面上にアパーチャー８が固定された回転ステージ７は、上下ステージ９に保持されている。そして、この上下ステージ９は、ステージ昇降機構１２によって方持ち支持されている。ステージ昇降機構１２は、上下動モーター１３の駆動により、上下ステージ９を上下動させる。その上下動の方向は、光軸（ｚ軸）方向と同じである。上下ステージ９が上下動するのに伴って、回転ステージ７に固定されたアパーチャー８も上下動する。

図８は、ガラス基板１００の表面高さと、アパーチャー８の上下動との関係を説明するための模式図である。同図に示されるガラス基板１００は、表面に凹凸が形成されている。このため、ガラス基板１００の厚さは面方向において一律ではない。表面が凸になっている箇所を切断する場合には、表面が凸になっていない箇所を切断する場合に比べて、焦点位置を凸アキシコンレンズ６に近づける必要があることから、それに応じてアパーチャー８も凸アキシコンレンズ６に近づける必要がある。つまり、アパーチャー８の高さについては、ガラス基板１００の加工位置における表面高さに応じた値に設定する必要がある。かかる設定を可能にするために、このレーザー加工装置５０においては、上下ステージ９の上下動によってアパーチャー８の高さ位置を調節できるようにしている。かかる構成では、表面凹凸のある加工対象物であっても、その表面凹凸にかかわらず、加工面を綺麗に加工することができる。

図５に示されるアパーチャー８の貫通口８ａの平面形状について、先にリング状と表現したが、厳密には、図示のように、リング内に４つのリブが設けられた形状になっている。４つのリブは、リング内側に位置する円形の遮光部をリング内側に保持するためのものである。レーザー光Ｌのベッセルビームは、リブの部分でも遮光される。このため、図７では、便宜上、ガラス基板１００の加工面上におけるベッセルビームのスポットを円形に示していた。しかし、厳密には、ビームスポットＢＳは、図９に示されるように、円中心を基準にして４つの扇形状を９０［°］ずつ位相ずれした位置に並べ、且つそれぞれの扇形状の間に間隔をあけた形状になっている。間隔の部分が前述したリブの部分に相当する。その間隔の部分を、切断後の基板本体側（加工品として使用する側）に当ててしまうと、その間隔に相当する基板部分にバリを発生させてしまう。このため、ガラス基板１００における基板本体側には、ビームスポットＢＳの間隔の部分ではなく、扇形状の部分を当てることが望ましい。

そこで、このレーザー加工装置５０においては、必要に応じてアパーチャー８を回転させてビームスポットＢＳの間隔の部分をガラス基板１００における基板本体側の位置からずらすことができるようになっている。

図１０は、レーザー加工装置５０の上下ステージ９を示す斜視図である。上下ステージ９は、板状のベース部９ｄ、これに保持されるリングレール９ａ、これの内側に形成された円形開口９ｂ、ベース部９ｄの平面から垂直に立ち上がるモーター固定部９ｃなどを有している。レーザー光Ｌは、図中矢印で示されるように、リング状のリングレール９ａの内側にある円形開口９ｂの中心あたりを通過する。

図１１は、図１０の上下ステージ９に保持される回転ステージ７を示す斜視図である。回転ステージ７は、リング状の本体部７ａ、これの上面に形成されたアパーチャー固定面７ｂ、本体部７ａの中央部に形成された円形開口７ｃ、本体部７ａの底部に形成されたリング状凹部７ｄ、本体部７ａの外周の全周に形成されたギヤ部７ｅなどを有している。この回転ステージ７を図１０の上下ステージ９の上にセットするときに、回転ステージ７の底部に形成されたリング状凹部７ｄを、上下ステージ９のリングレール９ａに係合させる。これにより、回転ステージ７が上下ステージ９によって回転可能に保持されるようになる。

レーザー光Ｌは、図１１の矢印で示されるように、回転ステージ７の円形開口７ｃの中心あたりを通過する。図５に示されるアパーチャー８は、図１１に示される回転ステージ７のアパーチャー固定面７ｂに固定される。

図１に示されるステージ回転モーター１４は、図１０に示される上下ステージ９のモーター固定部９ｃに固定される。そして、そのモーター軸に固定されたモーターギヤを、図１１に示される回転ステージ７の外周のギヤ部７ｅに噛み合わせる。ステージ回転モーター１４の回転によって回転ステージ７を回転させるのに伴って、回転ステージ７のアパーチャー固定面７ｂに固定したアパーチャー８を図１２に示されるように回転させることができる。これにより、ビームスポットＢＳの間隔の部分をガラス基板１００における基板本体側の位置からずらすことができる。よって、間隔の部分を基板本体側の位置にあてることによるバリの発生を回避することができる。

アパーチャー８として、リング状の貫通口８ａを設けたものに代えて、図１３に示されるように、半円状の貫通口８ａを設けたものを用いてもよい。このようなアパーチャー８を用いる場合には、ベッセルビームのビームスポットの半分だけ、中央部のみを残した小径のものにし、もう一方の半分は外縁部も含む大径のものにする。図１４に示されるように、小径のスポット部分をガラス基板１００の基板本体側（光加工物として用いる側）１００ａに位置させ、大径のスポット部分をガラス基板１００の廃棄側１００ｂに位置させるように、アパーチャー８の回転角を調整すればよい。

なお、加工対象物としてのガラス基板１００（厚み５００μｍほど）をレーザー加工する例について説明したが、レーザー光Ｌで加工できる材質のものであれば、加工対象物はガラス基板１００に限定されない。

以上に説明したものは一例であり、次の態様毎に特有の効果を奏する。
［態様Ａ］
態様Ａは、光発振手段（例えば、レーザー発振器１）から発せられた光（例えば、レーザー光Ｌ）のビームをベッセルビームに変換しながら集光する集光手段（例えば凸アキシコンレンズ６）を有し、加工対象物（例えばガラス基板１００）の加工面上で集光した前記ベッセルビームによって前記加工対象物を加工する光加工装置（例えば、レーザー加工装置５０）において、前記加工面上で集光する前記ベッセルビームの断面の外縁部を前記加工面に到達させないように、前記集光手段に進入する前のビーム、又は前記集光手段を経由した後、前記加工面に到達する前の前記ベッセルビーム、の光軸と直交する方向の断面の外縁部を遮光する遮光手段（例えば、アパーチャー８）を設けたことを特徴とするものである。

態様Ａにおいては、集光手段に進入する前のビーム、又はベッセルビームの一部を遮光手段によって遮光することで、加工面上で集光するベッセルビームの断面の外縁部を加工面に到達させないようにする。これにより、小さなエネルギーのベッセルビーム断面外縁部を加工対象物に当てることによる加工対象物の加工面やその近傍部分の変質を抑えることで、変質による変色の発生を抑えることができる。

［態様Ｂ］
態様Ｂは、態様Ａにおいて、前記集光手段を経由した後、前記加工面に到達する前の前記ベッセルビームの光軸と直交する方向の断面の外縁部を遮光するように、前記遮光手段を構成したことを特徴とするものである。

［態様Ｃ］
態様Ｃは、態様Ｂにおいて、前記集光手段としてアキシコンレンズを用い、前記アキシコンレンズを透過した後、前記加工面に到達する前の前記光のリング状断面形状のリング外縁部を遮光するとともに、リング内縁部も遮光するように、前記遮光手段を構成したことを特徴とするものである。かかる構成では、集光手段を透過した直後のベッセルビームのリング状断面における全域のうち、外縁部だけでなく、内縁部も遮光によって除去する。これにより、外縁部だけを遮光する構成に比べて、その後の集光によって加工対象物の加工面で円形断面になるベッセルビームにおける加工に寄与しない外縁側の部分のエネルギーをより小さくして、変色の発生をより確実に抑えることができる。

［態様Ｄ］
態様Ｄは、態様Ｂ又はＣにおいて、前記遮光手段を光軸方向に移動させる移動手段（例えば上下ステージ９及びステージ昇降機構１２）を設けたことを特徴とするものである。かかる構成では、上述したように、加工対象物として、表面凹凸のあるものを用いても、その表面凹凸にかかわらず、加工面を綺麗に加工するとともに、加工面やその近傍部分の変色の発生を抑えることができる。

［態様Ｅ］
態様Ｅは、態様Ｃにおいて、光軸を中心にして前記遮光手段を回転させる回転手段（例えば、回転ステージ７、上下ステージ９、及びステージ回転モーター１４）を設けたことを特徴とするものである。かかる構成では、上述したように、ベッセルビームの断面における本来であれば遮光したくない部分を、遮光手段にリブを設けるなどの理由によって遮光してしまうことによって発生させてしまうことに起因する光加工物上でのバリの発生を回避することができる。

［態様Ｆ］
態様Ｆは、態様Ｅにおいて、前記遮光手段を経由した後、前記加工面に到達する前の前記光の断面形状を、光軸を中心とする点対称の形状にするように、前記遮光手段を構成したことを特徴とするものである。

［態様Ｇ］
態様Ｇは、態様Ａ〜Ｆの何れかにおいて、前記光発振手段として、半値で１００フェムト秒から１マイクロ秒までのパルス幅のレーザー光を発振するものを用いたことを特徴とするものである。

［態様Ｈ］
態様Ｈは、発振手段から発せられた光のビームを集光手段によってベッセルビームに変換しながら集光する集光工程を有し、加工対象物の加工面上で集光した前記ベッセルビームによって前記加工対象物を加工して光加工物を得る光加工物の生産方法において、前記加工面上で集光する前記ベッセルビームの断面の外縁部を前記加工面に到達させないように、前記集光手段に進入する前のビーム、又は前記集光手段を経由した後、前記加工面に到達する前の前記ベッセルビーム、の光軸と直交する方向の断面の外縁部を遮光する遮光工程を設けたことを特徴とするものである。

Ｌ：レーザー光（光）
１：レーザー発振器（光発振手段）
６：凸アキシコンレンズ（集光手段）
７：回転ステージ（回転手段）
８：アパーチャー（遮光手段）
９：上下ステージ（移動手段、回転手段）
１２：ステージ昇降機構（移動手段）
１４：ステージ回転モーター（回転手段）
５０：レーザー加工装置（光加工装置）
１００：ガラス基板（加工対象物）

特開２０１５−１１２６４４号公報

Claims (7)

1. 光発振手段から発せられた光のビームをベッセルビームに変換しながら集光する集光手段を有し、加工対象物の加工面上で集光した前記ベッセルビームによって前記加工対象物を加工する光加工装置において、
   前記加工面上で集光する前記ベッセルビームの断面の外縁部を前記加工面に到達させないように、前記集光手段を経由した後、前記加工面に到達する前の前記ベッセルビーム、の光軸と直交する方向の断面の外縁部を遮光する遮光手段を設けたことを特徴とする光加工装置。
2. 請求項１の光加工装置において、
   前記集光手段としてアキシコンレンズを用い、前記アキシコンレンズを透過した後、前記加工面に到達する前の前記光のリング状断面形状のリング外縁部を遮光するとともに、リング内縁部も遮光するように、前記遮光手段を構成したことを特徴とする光加工装置。
3. 請求項１又は２の光加工装置において、
   前記遮光手段を光軸方向に移動させる移動手段を設けたことを特徴とする光加工装置。
4. 請求項２の光加工装置において、
   光軸を中心にして前記遮光手段を回転させる回転手段を設けたことを特徴とする光加工装置。
5. 請求項４の光加工装置において、
   前記遮光手段を経由した後、前記加工面に到達する前の前記光の断面形状を、光軸を中心とする点対称の形状にするように、前記遮光手段を構成したことを特徴とする光加工装置。
6. 請求項１乃至５の何れか一項に記載の光加工装置において、
   前記光発振手段として、半値で１００フェムト秒から１マイクロ秒までのパルス幅のレーザー光を発振するものを用いたことを特徴とする光加工装置。
7. 発振手段から発せられた光のビームを集光手段によってベッセルビームに変換しながら集光する集光工程を有し、加工対象物の加工面上で集光した前記ベッセルビームによって前記加工対象物を加工して光加工物を得る光加工物の生産方法において、
   前記加工面上で集光する前記ベッセルビームの断面の外縁部を前記加工面に到達させないように、前記集光手段を経由した後、前記加工面に到達する前の前記ベッセルビーム、の光軸と直交する方向の断面の外縁部を遮光する遮光工程を設けたことを特徴とする光加工物の生産方法。

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