TWI505891B - Laser processing device - Google Patents

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TWI505891B
TWI505891B TW098144217A TW98144217A TWI505891B TW I505891 B TWI505891 B TW I505891B TW 098144217 A TW098144217 A TW 098144217A TW 98144217 A TW98144217 A TW 98144217A TW I505891 B TWI505891 B TW I505891B
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Kenshi Fukumitsu
Shingo Oishi
Shinichiro Aoshima
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Hamamatsu Photonics Kk
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Description

雷射加工裝置
本發明，是有關於雷射加工裝置。
習知的雷射加工裝置，已知集光點中的雷射光的強度是超越加工門檻值，且集光點中的剖面形狀是成為橢圓形狀等的長條形狀的方式，將雷射光照射在加工對象物(例如專利文獻1、2參照)。
[先行技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特表平10-506087號公報
[專利文獻2]日本特開2007-75886號公報
如上述的雷射加工裝置，因為是可以對於加工對象物朝一方向延伸的方式形成加工領域，所以非常有效，進一步的技術開發是被期待。
本發明，是有鑑於此，其目的是提供一種雷射加工裝置，可以在所期的形狀形成加工領域。
為了達成上述目的，本發明的雷射加工裝置，其特徵為，具備：雷射光源，將雷射光射出；及支撐台，將對於前述雷射光具有透過性的加工對象物支撐；及第1光學系，具有將平行光在與光軸垂直的預定的方向發散或是收束功能，將從前述雷射光源被射出的前述雷射光朝前述預定的方向發散或是收束；及第2光學系，具有將平行光收束在光軸上的一點的功能，將從前述第1光學系被射出的前述雷射光，在與光軸垂直的第1方向收束在第1點，在與光軸及前述第1方向垂直的第2方向收束在第2點；及第1移動機構，對於前述第2光學系將前述第1光學系沿著光軸相對地移動；及第2移動機構，對於前述第2光學系將前述支撐台沿著光軸相對地移動；藉由前述第1移動機構及前述第2移動機構，使前述第1點位於前述加工對象物的外部，將前述第2點位於前述加工對象物的外表面或是內部，對於前述加工對象物照射前述雷射光。
在此雷射加工裝置中，雷射光的剖面形狀是成為由第1點朝第2方向延伸的長條形狀，且成為由第2點朝第1方向延伸的長條形狀。因此，藉由第1移動機構及第2移動機構，將第1點位於加工對象物的外部，將第2點位於加工對象物的外表面或是內部，在加工對象物的外表面或是內部在第2點位置的部分，可以形成朝第1方向延伸的長條形狀的加工領域。因此，依據此雷射加工裝置，可在所期的形狀形成加工領域。
且，第2點，是使雷射光的光線束之中無法藉由第1光學系被發散或是收束的光線束，藉由第2光學系收束的點較佳。此情況，第2點，若與藉由第1光學系發散或是收束的光線束是藉由第2光學系收束的點的情況時相比，加工領域的第2方向的寬度可以變細。
且，第2移動機構，是對於第2光學系將支撐台在第1方向相對地移動較佳。此情況，加工領域因為是成為朝第1方向延伸的長條形狀，所以沿著與第1方向平行的加工線在加工對象物的外表面或是內部可以效率良好地形成加工領域。或是第2移動機構，是對於第2光學系將支撐台在第2方向相對地移動較佳。此情況，加工領域因為是成為朝第1方向延伸的長條形狀，所以沿著與第1方向垂直的加工線在加工對象物的外表面或是內部可以形成寬度較廣的加工領域。
且，在第1光學系及第2光學系之間的光軸上中，將雷射光配置有反射的光學構件，光學構件，是讓觀察加工對象物用的觀察光透過較佳。依據此構成，不會受到第1光學系的影響，透過具有將平行光收束在光軸上的一點的功能的第2光學系，可以觀察加工對象物。
依據本發明，可在所期的形狀形成加工領域。
以下，對於本發明的最佳的實施例，參照圖面詳細說明。又，在各圖中對於同一或是相當部分附加同一符號，並省略重複的說明。
第1圖，是本發明的雷射加工裝置的一實施例的結構圖。如第1圖所示，雷射加工裝置1，是具備：將雷射光L1射出的雷射振盪器(雷射光源)2、及將對於雷射光L1具有透過性的加工對象物S支撐的支撐台3、及具有藉由圓柱凹面將平行光朝與光軸垂直的預定的方向發散的功能的圓筒狀透鏡(第1光學系)4、及具有將平行光收束在光軸上的一點的功能的對物透鏡(第2光學系)5、及將圓筒狀透鏡4沿著其光軸移動的移動機構(第1移動機構)6、及將支撐台3沿著對物透鏡5的光軸移動的XYZ平台(第2移動機構)7。XYZ平台7，不是只有朝對物透鏡5的光軸方向即Z軸方向，也朝與Z軸方向垂直的X軸方向及朝與Z軸方向及X軸方向垂直的Y軸方向，將支撐台3移動。
雷射加工裝置1，是進一步具備：讓觀察加工對象物S用的觀察光L2投光的照明部8、及將由加工對象物S反射的觀察光L2的反射光受光而取得加工對象物S的像用的攝影部9。由此，可以觀察加工對象物S的表面、內部或是背面。
在雷射加工裝置1中，從雷射振盪器2被射出的雷射光L1，是在圓筒狀透鏡4的光軸上進行之後，藉由分色鏡(光學構件)11被反射，在對物透鏡5的光軸上進行並照射於支撐台3上的加工對象物S。另一方面，藉由照明部8被投光的觀察光L2，是藉由分色鏡12被反射之後，透過分色鏡11，在對物透鏡5的光軸上進行並照射於支撐台3上的加工對象物S。且，由加工對象物S被反射的觀察光L2的反射光，是在對物透鏡5的光軸上進行，透過分色鏡11、12，藉由攝影部9受光。
又，在雷射加工裝置1中，雷射振盪器2、圓筒狀透鏡4、對物透鏡5、移動機構6、照明部8、攝影部9、分色鏡11及分色鏡12是被配置於框體內，構成雷射照射裝置10。且，在雷射加工裝置1中，設有供控制：雷射振盪器2、移動機構6、照明部8、攝影部9及XYZ平台7等的裝置整體用的控制部20。控制部20，是為了對於對物透鏡5將圓筒狀透鏡4沿著光軸相對地移動而控制移動機構6，且為了對於對物透鏡5將支撐台3(即加工對象物S)沿著光軸相對地移動而控制XYZ平台7。對物透鏡5及支撐台3的距離(即對物透鏡5及加工對象物S的距離)的調節，是將支撐台3朝Z軸方向(光軸方向)移動也可以，將對物透鏡5，或是包含對物透鏡5的雷射照射裝置10朝Z軸方向移動也可以，將該雙方移動的方式進行控制也可以。進一步，控制部20，是控制雷射振盪器2和照明部8，又，依據由攝影部9取得的畫像使XYZ平台7動作，且控制對於加工對象物S的雷射光L1的焦點位置。
第2及3圖，是顯示第1圖的雷射加工裝置中的雷射光的光路的圖。又，在第2及3圖中，為了方便說明，省略分色鏡11的圖示。如第2及3圖所示，圓筒狀透鏡4，是將從雷射振盪器2被射出的雷射光L1，在Y軸方向(預定的方向)(即YZ平面內)發散，不會在X軸方向(即ZX平面內)發散及收束。且，對物透鏡5，是將從圓筒狀透鏡4被射出的雷射光L1，在Y軸方向(第1方向)(即YZ平面內)收束於第1點P1，在X軸方向(第2方向)(即ZX平面內)收束於第2點P2。由此，雷射光L1的剖面形狀，是成為由點P1朝X軸方向延伸的長條形狀，且成為由點P2朝Y軸方向延伸的長條形狀。
在此，圓筒狀透鏡4的焦點距離為A，發散點距離(圓筒狀透鏡4的焦點及對物透鏡5的主點的距離)為B，對物透鏡5的焦點距離為C，加工對象物S的曲折率為n，加工對象物S的厚度為d的話，YZ平面內的集光點距離(對物透鏡5的主點及第1點P1的距離)Z1及ZX平面內的集光點距離(對物透鏡5的主點及第2點P2的距離)Z2，是各別由次式(1)及(2)表示。
Z1=(G-H)+d+(nH-d)/n...(1)
Z2=(C-E)+nE...(2)
又，在式(1)及(2)中，G=1/((1/C)-(1/B))，H是n=1的情況時的加工對象物S的表面及集光點(YZ平面內的雷射光L1的集光點)的距離，E是n=1的情況時的加工對象物S的表面及集光點(ZX平面內的雷射光L1的集光點)的距離。在加工對象物S的上側(即加工對象物S及對物透鏡5之間)和加工對象物的下側的空氣中，n=1。
從上述的式(1)及(2)可了解，YZ平面內的集光點距離Z1是依存於發散點距離B，ZX平面內的集光點距離Z2不依存於發散點距離B。即，藉由移動機構6圓筒狀透鏡4使沿著光軸進退的話，ZX平面內的集光點距離Z2不變化，YZ平面內中的集光點距離Z1接著非點距離Za(=Z1-Z2)變化。
接著，說明上述的雷射加工裝置1的動作的一例。第4及5圖，是顯示藉由第1圖的雷射加工裝置形成加工領域的加工對象物的圖。又，此一例，是如第4及5圖所示，沿著玻璃基板也就是加工對象物S的加工線PL，照射脈衝波也就是雷射光L1，將成為切斷的起點的龜裂領域CR作為加工領域形成於加工對象物S的內部的例。
首先，依據加工對象物S的曲折率n，使第2點P2是加工對象物S的內部(從加工對象物S的表面只有位於預定的距離內側)的方式，藉由XYZ平台7使支撐台3朝Z軸方向移動(上述式(2)參照)。且，依據加工對象物S的曲折率n及厚度d，使第1點P1位於加工對象物S的外部(下側)的方式，藉由移動機構6使圓筒狀透鏡4沿著光軸移動(上述的式(1)參照)。
接著，使位於加工對象物S的內部的第2點P2中的雷射光L1的尖峰功率密度是超越加工門檻值(例如多光子吸收，其他的光吸收可產生的門檻值)的方式，從雷射振盪器2使雷射光L1被射出，並且藉由XYZ平台7使支撐台3朝Y軸方向移動，沿著加工線PL照射雷射光L1。由此，在加工對象物S的內部在點P2位置的部分，在每進行1脈衝的雷射光L1的照射就形成1個龜裂領域CR。此時，各龜裂領域CR的形狀，因為是雷射光L1的剖面形狀由點P2朝Y軸方向延伸的長條形狀，所以從對於加工對象物S的雷射光L1的入射方向所見的情況時，成為沿著加工線PL延伸的長條形狀。
如此，沿著加工線PL在加工對象物S的內部形成龜裂領域CR的話，因為龜裂領域CR是成為切斷的起點，所以可以將加工對象物S沿著加工線PL精度佳地切斷。且，龜裂領域CR因為是沿著加工線PL延伸的長條形狀，所以沿著加工線PL被切斷的加工對象物S的切斷面可以平滑。
如以上說明，在雷射加工裝置1中，雷射光L1的剖面形狀是成為由第1點P1朝X軸方向延伸的長條形狀，由第2點P2朝Y軸方向延伸的長條形狀。因此，藉由移動機構6及XYZ平台7，將點P1位於加工對象物S的外部，將點P2位於加工對象物S的內部，在加工對象物S的內部在點P2位置的部分，可以朝Y軸方向形成延伸的長條形狀的加工領域。因此，依據雷射加工裝置1，可在所期的形狀形成加工領域。
且，在雷射加工裝置1中，藉由雷射光L1的光線束之中圓筒狀透鏡4未發散的XZ平面內的光線束是藉由對物透鏡5被收束的點為第2點P2，在該點P2進行加工(第3圖(b)參照)。因此，與藉由圓筒狀透鏡4被發散的YZ平面內的光線束是藉由對物透鏡5被收束的點為點P2，在該點P2進行加工的情況時相比，加工領域的X軸方向的寬度可以變細。又，在欲將加工領域的X軸方向的寬度變粗的情況等中，藉由圓筒狀透鏡4被發散的YZ平面內的光線束是藉由對物透鏡5被收束的點為點P2，在該點P2進行加工也可以。
且，在雷射加工裝置1中，XYZ平台7是對於對物透鏡5將支撐台3朝Y軸方向移動。此情況，加工領域因為是成為朝Y軸方向延伸的長條形狀，所以可以沿著與Y軸方向平行的加工線PL在加工對象物S的內部效率良好地形成加工領域。又，XYZ平台7是對於對物透鏡5將支撐台3朝X軸方向移動的話，加工領域因為是成為朝Y軸方向延伸的長條形狀，所以可以沿著與X軸方向平行的加工線PL在加工對象物S的內部形成寬度廣的加工領域。
且，在雷射加工裝置1中，在圓筒狀透鏡4及對物透鏡5之間的光軸上，配置有將雷射光L1反射且讓觀察光L2透過的分色鏡11。由此，不會受到圓筒狀透鏡4的影響，可以透過具有將平行光收束在光軸上的一點的功能的對物透鏡5，觀察加工對象物S的表面、內部或是背面。
接著，說明本發明的雷射加工裝置的實施例。第6圖，是顯示藉由本發明的雷射加工裝置的實施例形成龜裂領域的加工對象物的照片的圖。又，在第6圖中，(a)是沿著加工線的加工對象物的剖面照片，(b)是將觀察光的焦點對焦在加工對象物的表面時的照片，(c)是在加工對象物的內部觀察光的焦點對焦在第2點P2位置的部分時的照片，(d)是在加工對象物的內部觀察光的焦點對焦在第1點P1位置的部分時的照片。
此實施例中的加工條件是如下。
(A)加工對象物：Pyrex(日本註冊商標)玻璃(厚度700μm)
(B)雷射
光源：Yb：KGW超短脈衝雷射
波長：1030nm
振盪形態：再生增幅
反覆頻率：3kHz
脈衝寬度：3ps
射出雷射能量：100μJ/脈衝
射出雷射光品質：TEM00
偏光特性：直線偏光
(C)對物透鏡
開口數(NA)：0.55
對於雷射光的透過率：70%
(D)照射條件
在第2點P2中的雷射光的剖面形狀：100μm(Y軸方向的最大長度)×5μm(X軸方向的最大長度)
第2點P2中的雷射光的剖面積：5×10-6 cm2
第2點P2中的雷射光的尖峰功率密度：5.1×1012 W/cm2
第1點P1中的雷射光的剖面形狀：7μm(Y軸方向的最大長度)×50μm(X軸方向的最大長度)
第1點P1中的雷射光的剖面積：3.5×10-6 cm2
第1點P1中的雷射光的尖峰功率密度：1×1012 W/cm2
(E)對於對物透鏡的支撐台的移動速度：300mm/s
如第6圖(c)所示，在加工對象物的內部在第2點P2位置的部分中，形成有朝Y軸方向延伸的長條形狀的龜裂領域CR2。另一方面，如第6圖(d)所示，在加工對象物的內部在第1點P1位置的部分中，形成有朝X軸方向延伸的長條形狀的龜裂領域CR1。在上述實施例中，藉由點P1位於加工對象物的外部，點P2位於加工對象物的內部的方式，防止點P1中的加工對象物的加工，但是藉由將點P1、P2位於加工對象物的外表面和內部，延伸的方向垂直交叉的長條形狀的加工領域可以在加工對象物同時形成。
本發明不限定於上述的實施例。
例如，如第7及8圖所示，使用具有藉由圓柱凸面將平行光在與光軸垂直的預定的方向收束的功能的圓筒狀透鏡4也可以。且，如第7圖所示，在發散的狀態下將雷射光L1入射至對物透鏡5也可以，如第8圖所示，在收束的狀態下將雷射光L1入射至對物透鏡5也可以。此情況，第1點P1是位於加工對象物S的上側位置，成為Z1=G。
且，可取代移動機構6，使用與移動機構6一起將對物透鏡5移動，並將圓筒狀透鏡4及對物透鏡5的雙方移動等，對於對物透鏡5將圓筒狀透鏡4沿著光軸相對地移動也可以。同樣地，可取代XYZ平台7，使用與XYZ平台7一起，將對物透鏡5(或是包含對物透鏡5的雷射照射裝置10)移動，使支撐台3及對物透鏡5(或是包含對物透鏡5的雷射照射裝置10)的雙方移動等，對於對物透鏡5將支撐台3沿著光軸相對地移動也可以。
且，具有將平行光朝與光軸垂直的預定的方向發散或是收束的功能的話，可取代圓筒狀透鏡4，使用由複數透鏡所構成等的其他的光學系也可以。同樣地，具有將平行光收束在光軸上的一點的功能的話，可取代對物透鏡5，使用由複數透鏡所構成等的其他的光學系也可以。
且，龜裂領域的用途，是不限定於切斷的起點。其他的用途，具有：使複數龜裂領域連續地構成的光導波路、微流路、微全程分析系統(Micro Total Analysis Systems)等。
且，加工領域，是也有藉由第2點P2位於加工對象物S的外表面(例如表面和背面)位置，形成於加工對象物S的外表面的情況。進一步，加工領域，是不限定於龜裂領域。加工領域，是除了龜裂領域、絕緣破壞領域(例如加工對象物是由玻璃和LiTaO3 等的壓電材料所構成的情況)以外，也具有熔融處理領域(例如加工對象物是由矽等的半導體材料所構成的情況)、曲折率變化領域(例如加工對象物是由玻璃所構成的情況)等，也有這些混合的領域。
[產業上的利用可能性]
可以提供在所期的形狀形成加工領域的雷射加工裝置。
1．．．雷射加工裝置
2．．．雷射振盪器(雷射光源)
3．．．支撐台
4．．．圓筒狀透鏡(第1光學系)
5．．．對物透鏡(第2光學系)
6．．．移動機構(第1移動機構)
7．．．XYZ平台(第2移動機構)
9．．．攝影部
10．．．雷射照射裝置
11．．．分色鏡(光學構件)
12．．．分色鏡
20．．．控制部
[第1圖]本發明的雷射加工裝置的一實施例的結構圖。
[第2圖]顯示第1圖的雷射加工裝置中的雷射光的光路的圖。
[第3圖]顯示第1圖的雷射加工裝置中的雷射光的光路的圖。
[第4圖]顯示藉由第1圖的雷射加工裝置形成加工領域的加工對象物的圖。
[第5圖]顯示藉由第1圖的雷射加工裝置形成加工領域的加工對象物的圖。
[第6圖]顯示藉由本發明的雷射加工裝置的實施例形成龜裂領域的加工對象物的照片的圖。
[第7圖]顯示本發明的雷射加工裝置的其他的實施例中的雷射光的光路的圖。
[第8圖]顯示本發明的雷射加工裝置的其他的實施例中的雷射光的光路的圖。
4．．．圓筒狀透鏡(第1光學系)
5．．．對物透鏡(第2光學系)

Claims (5)

  1. 一種雷射加工裝置，其特徵為，具備：雷射光源，將雷射光射出；及支撐台，將對於前述雷射光具有透過性的加工對象物支撐；及第1光學系，具有將平行光在與光軸垂直的預定的方向發散或是收束功能，將從前述雷射光源被射出的前述雷射光朝前述預定的方向發散或是收束；及第2光學系，具有將平行光收束在光軸上的一點的功能，將從前述第1光學系被射出的前述雷射光，在與光軸垂直的第1方向收束在第1點使前述第1點的前述雷射光的剖面形狀形成朝與光軸及前述第1方向垂直的第2方向延伸的長條形狀，且在與光軸及前述第1方向垂直的第2方向收束在第2點使前述第2點的前述雷射光的剖面形狀形成朝前述第1方向延伸的長條形狀；及第1移動機構，對於前述第2光學系將前述第1光學系沿著光軸相對地移動；及第2移動機構，對於前述第2光學系將前述支撐台沿著光軸相對地移動；藉由前述第1移動機構及前述第2移動機構，使前述第1點位於前述加工對象物的外部，將前述第2點位於前述加工對象物的外表面或是內部，對於前述加工對象物照射前述雷射光。
  2. 如申請專利範圍第1項的雷射加工裝置，其中， 前述第2點，是使前述雷射光的光線束之中無法藉由前述第1光學系被發散或是收束的光線束，藉由前述第2光學系收束的點。
  3. 如申請專利範圍第1項的雷射加工裝置，其中，前述第2移動機構，是對於前述第2光學系將前述支撐台在前述第1方向相對地移動。
  4. 如申請專利範圍第1項的雷射加工裝置，其中，前述第2移動機構，是對於前述第2光學系將前述支撐台在前述第2方向相對地移動。
  5. 如申請專利範圍第1項的雷射加工裝置，其中，在前述第1光學系及前述第2光學系之間的光軸上，配置有將前述雷射光反射的光學構件，前述光學構件，是讓觀察前述加工對象物用的觀察光透過。
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