(57)【要約】【課題】ガラス基板の加工スピードを向上したい。【解決手段】例えば、ガラス基板にレーザ光を照射して加工を行う加工装置で、ガラス基板内部にレーザ光を集光させる集光レンズ３と、ガラス基板４の間に、複数の屈折率の異なる透明物体により形成された回転ディスク６を挿入し、前記集光レンズ３から出射されたレーザ光を、前記回転ディスク６を回転することで、複数の屈折率の異なる透明物体を通過させることで、被加工物体４内部の集光点を光軸方向に奥側から入射光側に変調させ、被加工物体４内部で発生したガスの蒸散パスを確保し、加工を行った後に、次のポジションに移動を行う、レーザ光によるガラス基板加工装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物体にレーザ光を照射して加工を行う加工装置であって、被加工物体が載置されるワークテーブルと、レーザ光を出力するレーザ光出力部と、入力されたレーザ光を被加工物体に集光させるための集光レンズと、前記レーザ光出力を集光レンズに導く光学系と、集光レンズと被加工物体との間に存し、前記集光レンズから出射され、被加工物体に集光する点を光軸方向に移動させる変調機構部分と、集光点の位置の繰り返し変化と連動させ、加工点を動かす機能を有する移動機構部分と、を備えたレーザ加工装置。
【請求項２】
前記変調機構部分は、複数の厚さの異なる透明物体により形成された回転ディスクで構成され、前記集光レンズから出射されたレーザ光を、前記回転ディスクを回転することで、複数の厚さの異なる透明物体に通過させることで、被加工物体中の集光点を光軸方向に変調させる、請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記変調機構部分は、複数の屈折率の異なる透明物体により形成された回転ディスクで構成され、前記集光レンズから出射されたレーザ光を、前記回転ディスクを回転することで、複数の屈折率の異なる透明物体に通過させることで、被加工物体中の集光点を光軸方向に変調させる、請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記変調機構部分は、複数の屈折率と厚さの異なる透明物体により形成された回転ディスクで構成され、前記集光レンズから出射されたレーザ光を、前記回転ディスクを回転することで、複数の屈折率の異なる透明物体に通過させることで、被加工物体中の集光点を光軸方向に変調させる、請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
前記移動機構部分は、前記光学系に配置されたウェッジプリズムとワークテーブルの移動にて、集光点の光軸と垂直方向への移動を行う、請求項１から４のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
前記移動機構部分は、ワークテーブルで集光点の光軸と垂直方向への移動を行う、請求項１から４のいずれかに記載のレーザ光によるレーザ加工装置。
【請求項７】
変調機構部分にて、被加工物体の同一ポジションにて、集光点の位置を、レーザ光の入射側と逆側のポイントより、光軸に沿って入射側に集光点を移動させて、被加工物体内部で発生したガスの蒸散パスを確保しつつ、加工を行った後に、移動機構部分に信号を送り、次のポジションへの移動を行った後に、新たなポジションで同様な加工を行い、これを繰り返しながら加工点を動かし、加工を行うレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、レーザ加工装置、特に、ガラス基板にレーザ光を照射して加工を行うレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  レーザ光によるガラス基板加工装置としては、例えば特許文献１に示された装置が知られている。この種の加工装置では、波長が５３２ｎｍ程度のグリーンレーザ光がガラス基板等の被加工物体に照射される。グリーンレーザ光は、一般的にはガラス基板を透過するが、レーザ光を集光し、その強度があるしきい値を越えると、ガラス基板はレーザ光を吸収することになる。このような状態では、レーザ光の集光部にプラズマが発生し、これによりガラス基板は蒸散する。以上のような原理を利用して、ガラス基板に孔を形成する等の加工が可能である。【０００３】  また、特許文献２には、レーザ光を、被加工物体の表面上で、複数の集光点を回転走査させ、かつ光軸方向に移動させるためのレーザ加工装置が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１１８０５４号公報
【特許文献２】特開２０１１−１１２１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  前述のような従来のレーザ光による加工装置を用いて、ガラス基板に例えば孔を形成する場合、孔の円周（加工ライン）に沿ってレーザ光を走査し、その加工ラインの内部を抜き落とすことにより孔が形成される。また、その際に、特許文献２に示されたような機構を用い、レーザ光を回転させながら加工を行い、光軸方向に集光点を移動させて、加工を容易にしている。【０００６】  しかし、従来のレーザ光を用いたガラス基板の加工方法では、加工時間がかかるという問題点以外に、装置自体が高価になるという欠点がある。したがって、加工時間の短縮化、装置のコスト低下が望まれている。【０００７】  本発明の課題は、レーザ加工に際し、加工時間を短縮することにある。【０００８】  本発明の別の課題は、安価な構成で実現可能なレーザ加工装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  本発明に係るレーザ加工装置は、被加工物体が載置されるワークテーブルと、レーザ光を出力するレーザ光出力部と、入力されたレーザ光を被加工物体内部の一点に集光させる集光レンズよりなる集光部分と、集光レンズと被加工物体表面の間に存在し、集光点を光軸方向に移動させる変調機構部分と、を備えている。【００１０】  この装置では、光学系はレーザ光出力部からのレーザ光を集光レンズに導き、更に、被加工物体に導く。以下の説明では、被加工物体としてガラス基板を例に説明する場合もある。変調機構部分は集光点を、ワークテーブルに載置されたガラス基板の内部で、光軸方向に沿って往復移動させる機能を有する。ワークテーブルはガラス基板をレーザ光の光軸とは直交する面で移動させる。レーザ光によるダメージはガラス基板内部に形成され、変調機構部分で深さ方向にダメージを延長する。ワークテーブルを移動させることで、ガラス基板にダメージ領域を切断ラインに沿って形成することが出来る。【００１１】  ここでは、変調機構部分によりガラス基板内部の集光点の位置が光軸方向に移動できる。しかる後にワークテーブルが移動する。これが本願の特長となる部分である。通常は、集光点の瞬時の移動が出来ない為、深さを一定に保ちながら加工を行い、しかる後に集光点の光軸方向への移動を行った後に、ワークテーブル移動を行っていた。この深さ方向の異なる集光点の形成の間に、ワークテーブル移動が入る為、ワークテーブルの移動精度が不足すると、集光点の上下方向のズレが生じ、ガラスの切断に支障が生じることがあった。また加工精度を高める為には、テーブルの重量も増えるディメリットが有った。【００１２】  従来の加工装置の別の不具合としては、レーザ集光点でガラス基板へダメージを形成した後に、同じポジションで単に深さだけ異なる領域へのダメージを形成する迄の時間は、長くなってしまう。これは、同じ深さの異なる場所のダメージ形成した後に、深さを変えて再度ダメージ形成を行う為に生ずる。この為、最初のダメージ形成でガラスの蒸散のパスを形成しても、次に深さの異なる位置のダメージ形成を行うまでの間に、溶融ガラスが固まる際に蒸散パスを塞いでしまい、内部の集光点でのダメージによるガラスの蒸散パスが確保できない懸念が有った。【００１３】  本願では、ワークテーブルの同じ位置で、集光点の光軸方向の移動を瞬時に行った後に、ワークテーブルの移動を行い、隣の部分の加工を行う機構であるため、ワークテーブルの移動精度を低下することが出来る。この為、テーブルも軽量化が可能となり、装置全体を安価に実現できる。
【発明の効果】
【００１４】  以上のような本発明では、レーザ光を用いたガラス基板の加工において、従来に比較して加工時間の短縮化を図ることができる。また、装置構成が簡単になり、装置のコストを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態によるガラス基板加工装置の光学系。
【図２】集光部分と変調機構部分の拡大と集光点の位置を説明する図。
【図３】変調機構部分の動作を説明する図。
【図４】変調機構部分の動作原理を詳細に説明する図。
【図５】変調機構部分の動作を説明する図。
【図６】別の実施形態による変調機構部分の動作原理を詳細に説明する図。
【図７】別の実施形態による変調機構部分の動作原理を更に詳細に説明する図。
【図８】変調機構部分の別の実施形態による集光点の変化とガラス基板内部のダメージの状況、及びガラス基板の蒸散のパスを示す図。
【図９】ガラス基板内部のダメージの形成の過程を説明する図
【図１０】集光点位置を変化させるタイミングと、ガラス基板内部のダメージ形成場所の時間的変化を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】［全体構成］
図１に本発明の一実施形態によるガラス基板加工装置の全体構成を示す。このガラス基板加工装置は、ガラス基板の加工ラインに沿ってレーザ光を照射し、孔開け等の加工を行うための装置である。この装置は、レーザ光出力部１と、被加工物体としてのガラス基板４が載置と移動を行うワークテーブル５と、ガラス基板内部にレーザ光を集光させるための集光レンズ３と、レーザ出力部１から集光レンズ３へレーザ光を導く光学系２（図１ではミラー光学系を例示している）を備えている。集光レンズとガラス基板表面の間には、集光点を光軸方向に移動させる変調機構部分６が設置されている。変調機構部分６は、ワークテーブル５に載置されたガラス基板４の内部で、光軸方向に沿って集光点を往復移動させる機能を有する。光軸の途中にはウェッジプリズム７を挿入し、これに微小振動を与えることで、レーザ光線の方向を微小に変化させることが出来る。
ここで、図１に示すように、ワークテーブル５の上面に沿った平面において、互いに直交する軸をｘ軸、ｙ軸とし、これらの軸に直交する鉛直方向の軸をｚ軸と定義する。また、ｘ軸に沿った両方向（＋方向及び−方向）をｘ軸方向、ｙ軸に沿った両方向をｙ軸方向、ｚ軸に沿った両方向をｚ軸方向と定義する。
【００１７】＜ワークテーブル＞
ワークテーブル５は、矩形状に形成されており、ワークテーブル５の下方には、ワークテーブル５をｘ軸方向及びｙ軸方向に移動させるためのテーブル移動機構（図示せず）が設けられている。
【００１８】  ワークテーブル５には、複数の吸気口（図示せず）が格子状に形成されるとともに、ワークテーブル５上に配置されるガラス基板４を吸着固定することが可能である。なお、吸気のための機構は、周知の排気ポンプ等によって構成されており、詳細は省略する。複数の吸気口は、ガラス基板４の裏面から噴出する、レーザ加工時のガラスの蒸散のガスを吸引する事も兼ねている。
【００１９】  ワークテーブル５は、ｘ軸方向及びｙ軸方向に移動自在である。この移動は、周知のモータ等（ステッピングモータも含む）の駆動手段によって駆動されるようになっている。このワーキングテーブル５の移動は、変調機構部分６からの信号で制御することも可能である。
【００２０】＜レーザ光出力部＞
レーザ光出力部１は従来と同様のレーザ管により構成されている。このレーザ光出力部１によって、例えば波長５３２ｎｍのグリーンレーザが出射され、光学系２、及び集光レンズ３によって、ワークテーブル５上のガラス基板４に垂直方向より集光照射される。
【００２１】＜変調機構部分＞
変調機構部分６は、集光レンズ３から出射されたレーザ光はガラス基板４の内部に集光されるが、この集光点を光軸方向に沿って微小に移動させるためのものである。具体的には図２に示すように、屈折率ｎ、板厚ｄのガラス板を挿入する。すると、ガラス板が無い時の光の軌跡に対し、光の進行方向側にシフトする。このシフト量Δは
Δ＝ｄ×（ｎ−１）／ｎの式で示される。
更に、ガラス基板４の中では、被加工物体であるガラス基板４の屈折率ｎ’とすると、ガラス基板４中の集光点のシフト量Δ’は
Δ’＝ｄ×ｎ’×（ｎ−１）／ｎの式で示される。
ここで、ガラス板の厚さｄと屈折率ｎを周期的に変化させることで、ガラス基板４内部の集光点は光軸方向に変化することが出来る。これが変調機構部分の構成である。
【００２２】＜光学系＞
図１に示すように、レーザ出力部１から集光レンズ３へレーザ光を導く為、光学系２（図１ではミラー光学系）が設置されている。また図１で示したように、ウェッジプリズム７を入れることで、レーザ光線を光軸に対し微小に変動（移動機構部分と称す）することが出来る。これにより、ワークテーブル５による集光点のＸ，Ｙ方向への移動以外に、集光点の微小なＸ，Ｙ方向への移動を行うことが出来る。
またこの光学系としてはミラー２の代わりに、光ファイバーで集光レンズ３まで導いても良い。
【００２３】＜集光レンズ＞
図１に示すように、レーザ出力部１から光学系２（図１ではミラー光学系）を経由して、導かれたレーザ光は、集光レンズ３で被加工物体であるガラス基板４内部に集光される。集光点はレンズの焦点距離と、変調機構部分６のガラス厚、屈折率とで決まる。また図１で示したように、ウェッジプリズム７を入れることで、レーザ光線を光軸に対し偏位させ、ウェッジプリズム７に振動を与えることで、集光点を微小に変動することが出来る。これにより、ワークテーブル５による集光点のＸ，Ｙ方向への移動以外に、集光点の微小なＸ，Ｙ方向への移動を行うことが出来る。
【００２４】［動作］
次に、レーザ光によるガラス基板の加工動作について説明する。
【００２５】ここで、レーザ光による１回の加工でガラスが除去される高さは数十μｍである。したがって、ガラス基板４に孔開け加工を行う場合、集光レンズ３での集光点を加工ラインに沿って一度だけ走査しても孔を形成すること、すなわち加工ラインの内側の部分を抜き落とすことは、一般的に困難である。
【００２６】図３を用いて、本発明のガラス加工装置の動作に付き説明する。図３には変調機構部分６の構造を示している。変調機構部分６は、厚さが異なる複数のガラス板で出来た回転ディスクからなる。図３では厚さはｄ１，ｄ２，ｄ３の３領域のガラス板を１２０度の扇状の形状６１，６２，６３にし、これらを頂点で合わせ、回転ディスクを形成している。ここで、厚さはｄ３＞ｄ２＞ｄ１としている。この回転ディスクを扇状の頂点を中心として回転させる。また集光レンズ３から出てきた光線は、この回転ディスクの同じ厚さの扇状ガラス板領域６１，ｏｒ６２，ｏｒ６３のいづれかを通過し、ガラス基板４内部に集光される。
【００２７】図４を用いて、本発明のガラス加工装置の動作に付き詳細に説明する。図４には変調機構部分６の内、扇状ガラス板領域６１，ｏｒ６２，ｏｒ６３のいづれかを通過し、ガラス基板４の内部の集光点の位置を示している。前述したように、ガラス基板４の屈折率ｎ’とすると、ガラス基板４中の集光点のシフト量Δ’は、Δ’＝ｄｉ×ｎ’×（ｎ−１）／ｎの式で示される（ｉ＝１ｏｒ２ｏｒ３）である。回転ディスクを回転させることにより、厚さがｄ１、ｄ２、ｄ３と変化する為、集光ポイントは、光軸方向に変化する。ガラス基板の屈折率ｎ’と、ガラス板の屈折率ｎが一致する場合には、Δ’＝ｄｉ×（ｎ−１）となり、ｎは通常１．５程度の値であるため、ガラス基板４内での集光点のシフト量は回転ディスクの３領域の厚さの約半分になる。図４に於いて、回転ディスクを回転するだけで、集光点をガラス基板４内の光軸に沿って、容易に往復移動をすることが出来る。
【００２８】次に、図５を用いて、本発明のガラス加工装置の別の実施例に付き説明する。図５には変調機構部分６の構造を示している。変調機構部分６は、屈折率の異なる複数のガラス板で出来た回転ディスクからなる。図５では屈折率はｎ１，ｎ２，ｎ３の３領域のガラス板を１２０度の扇状の形状６’１，６’２，６’３にし、これらを頂点で合わせ、回転ディスクを形成している。ここで、屈折率はｎ３＞ｎ２＞ｎ１としている。この回転ディスクを扇状の頂点を中心として回転させる。また集光レンズ３から出てきた光線は、この回転ディスクの同じ屈折率の扇状ガラス板領域６’ｏｒ１，６’２ｏｒ，６’３のいづれかを通過し、ガラス基板４内部に集光される。
【００２９】図６を用いて、本発明のガラス加工装置の動作に付き詳細に説明する。図６には変調機構部分６の内、扇状ガラス板領域６’ｏｒ１，６’２ｏｒ，６’３のいづれかを通過し、ガラス基板４の内部の集光点の位置を示している。前述したように、ガラス基板４の屈折率ｎ’とすると、ガラス基板４中の集光点のシフト量Δ’は、Δ’＝ｄ×ｎ’×（ｎｉ−１）／ｎｉの式で示される（ｉ＝１ｏｒ２ｏｒ３）である。回転ディスクを回転させることにより、屈折率がｎ１，ｎ２，ｎ３と変化する為、集光ポイントは、光軸方向に変化する。例としてガラス基板の屈折率ｎ’＝１．５と、ガラス板の屈折率ｎｉが１．４、１．５、１，６と変化する場合には、シフト量は０．４３ｄ、０．５ｄ、０．５６ｄとなる。図６に於いても、図４と同様に、回転ディスクを回転するだけで、集光点をガラス基板４内の光軸に沿って、容易に往復移動をすることが出来る。
【００３０】図５、６に示した回転ディスクを回転させることによる、集光点の変化を図７に示す。屈折率がｎ１，ｎ２，ｎ３と変化した際の、シフト量Δ’１，２，３は図に示した様な位置に集光する。
【００３１】図８に回転ディスクを回転させたそれぞれのケースで、ガラス基板４の内部に生じるダメージの発生場所を示す。図８（ａ）に於いて、タイミングｔ１では屈折率ｎ３を持つ扇状ガラス板領域６’３をレーザ光が通過する。扇状ガラス板領域中の通過領域を点線の丸領域で示す。タイミングｔ２では屈折率ｎ２を持つ扇状ガラス板領域６’２をレーザ光が、タイミングｔ３では屈折率ｎ１を持つ扇状ガラス板領域６’１をレーザ光がそれぞれ通過する。
【００３２】  図８（ｂ）は、ガラス基板４の内部にダメージが入る様子を示している。タイミングｔ１では、集光点はガラス基板４の一番奥側になり、裏面に近い箇所にダメージ領域が入る。次に回転ディスクが１２０度回転したタイミングｔ２では、集光点は表面側に移動し、ダメージ領域が追加される。更に１２０度回転したタイミングｔ３では、集光点は更に表面側に移動する。
【００３３】  図８（ｃ）は、レーザ光の集光部にプラズマが発生しダメージが入り、ガラス基板は蒸散するが、ガラス基板に孔が開き、蒸散したガスが出て行くパスを示す図である。タイミングｔ１では、集光点はガラス基板４の一番奥側になり、裏面に近い箇所にパスが出来る。次に回転ディスクが１２０度回転したタイミングｔ２では、ガラス基板内部の表面側に移動しパスが伸びる。更に１２０度回転したタイミングｔ３では、集光点は更に表面側に移動しパスが更に伸びる。この為、内部で発生した蒸散ガスがこのパスを通じてガラス基板裏面より抜けていく。
【００３４】  特長的なことは、回転ディスクを一回転させるだけで、同じ場所（図８ではポジションＰ１で示す）で、集光点が裏面から表面に移動する事である。かつ短時間で移動が完了する為、孔が塞がる前に、内部で発生した蒸散ガスの放出が完了する。またワークテーブル５での移動を行う前に、集光点の移動が先に完了する。
【００３５】  同じポジションでの集光点の光軸方向への移動が完了（タイミングｔ１⇒ｔ２⇒ｔ３）した後に、ウェッジプリズムの角度変化を行い、隣接ポジションへの移動を行う。そのポジションで回転ディスクの回転を行い、集光点の光軸方向への移動を行う。これを繰り返し、切断加工を進める。ウェッジプリズム７を元の位置に戻すタイミングでワークテーブル５の移動を行う。これを繰り返し、ガラス基板４の加工を行う。
【００３６】  ウェッジプリズムを使用しなくても、集光点の光軸方向の移動が完了（タイミングｔ１⇒ｔ２⇒ｔ３）した後に、ワークテーブル５の隣接するポジションへの移動を行い、そのポジションで、回転ディスクを一回転させ、集光点の光軸方向の移動を行う。これを繰り返し、ガラス基板４の加工を行っても良い。
【００３７】図９に上記動作を行っていく過程で、どの様にガラス基板４の内部にダメージ領域が出来るかを説明する図である。加工ポジションがＰ１⇒Ｐ２⇒Ｐ３⇒Ｐ４⇒Ｐ５と移動し、Ｐ５でタイミングｔ２の後に生じたガラス基板４内部の発生したダメージ分布を示す。
【００３８】図１０は加工ポジションと時間との関係を示す図である。ポジションＰ１でタイミングｔ１⇒ｔ２⇒ｔ３に同期して回転ディスクを回転させ、ダメージ領域の深さを変える。次にポジションＰ２で同様のシーケンスを行い、更にＰ３、Ｐ４でも同様に行い、Ｐ５でタイミングｔ２まで行った状態である。
【００３９】次に、従来の加工方法と、本発明の比較を行う。
【００４０】  まず従来の加工方法では、集光点（加工部位）がガラス基板の下面に形成されるように、集光レンズ３の位置を設定する。この状態で集光点を加工ラインに沿って１周した後、集光レンズ３の位置を光軸方向に移動させ、集光点を上昇させる。そして、同様に集光点を加工ラインに沿って１周した後、さらに集光点を上昇させる。以上の動作を繰り返し実行することにより、加工ラインの内側部分を抜き落として孔を形成することができる。しかしながら、前述したように従来方法では、ワークテーブルの移動精度の高精度化が必要なこと、溶融ガラスが固まる際に蒸散パスを塞いでしまい、内部の集光点でのダメージによるガラスの蒸散パスが確保できない懸念が有ることの２点の問題点が有った。
【００４１】  本発明の加工方法では、ワークテーブルの各加工ポジションで回転ディスクを一回転させることで、集光点（加工部位）がガラス基板の下面から上面に向かって移動する。次に隣接する加工ポジションに移動し同じことを繰り返す。この為、ワークテーブルの精度の要求レベルは低くて良い。また溶融したガラスが固まる前に集光点の移動が完了する為、内部の集光点でのダメージによるガラスの蒸散パスを確保しつつ加工が出来るというメリットを有する。
【００４２】［他の実施形態］
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形又は修正が可能である。
【００４３】  前記実施形態では、回転ディスクは３枚の領域で構成されたが、この個数はこれに限定されない。また、同じ角度（１２０度）で説明したが、この角度は同じである必要は無い。また屈折率とガラスの厚さの２つのケースで説明したが、両者の組み合わせであっても問題ない。また回転ディスクの構成材料はガラスで説明してきたが、ガラスである必要は無い。
【００４４】  被加工物体４の例では、以上の説明で述べてきたガラス以外に、強化ガラス、シリコン、サファイヤ、炭化ケイ素、窒化ガリウム、Ｌｏｗ−ｋ材等の材料があげられる。
【符号の説明】
【００４５】１  レーザ光出力部
２  光学系
３  集光レンズ
４  被加工物体
５  ワークテーブル
６  変調機構部分
７  ウェッジプリズム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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