(57)【要約】      （修正有）【課題】  比較的大寸法の石英を切断する方法を提供する。【解決手段】  パルス幅が１ピコ秒乃至１００ナノ秒の超短パルスレーザをレーザ発振器１１より石英１の切断面２に照射し、複数のレーザ照射痕を前記切断面の全面に亘って作ることにより石英を分断する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス幅が１ピコ秒乃至１００ナノ秒の超短パルスレーザを石英の切断面に照射し、複数のレーザ照射痕を前記切断面の全面に亘って作ることを特徴とする超短パルスレーザによる石英の切断方法。
【請求項２】
レーザ光線を切断面の一端乃至その近傍に集光せしめて、該一端に沿って複数のレーザ照射痕を並べて変質ラインを作り、次いでレーザ光線の集光点を他端方向に変位せしめて再び変質ラインを作り、かくして切断面の全面に亘って複数のレーザ照射痕による変質ラインを作ることを特徴とする請求項１の超短パルスレーザによる石英の切断方法。
【請求項３】
前記切断面がレーザ照射方向に対して垂直面または斜面であることを特徴とする請求項１又は２の超短パルスレーザによる石英の切断方法。
【請求項４】
レーザ光線を石英の片面側から照射し他面側乃至その近傍に集光せしめて、他面側に沿って複数のレーザ照射痕を並べて変質ラインを作り、次いでレーザ光線の集光点を前記石英の厚さ方向内方に変位せしめて再び変質ラインを作り、かくして前記切断面の全面に亘って順次変質ラインを作ることを特徴とする請求項１又は２の超短パルスレーザによる石英の切断方法。
【請求項５】
前記複数のレーザ照射痕のうち隣り合うレーザ照射痕同士を一部重なり合うように作ることを特徴とする請求項１乃至４の超短パルスレーザによる石英の切断方法。
【請求項６】
前記複数のレーザ照射痕を作った後に、前記切断面に温度差を与えることを特徴とする請求項１乃至５の超短パルスレーザによる石英の切断方法。
【請求項７】
使用する超短パルスレーザが、波長λ＝１，０６４ｎｍのＹＡＧ基本波であって、パルス出力は１０ｍＪ（ミリジュール）以上であることを特徴とする請求項１乃至６の超短パルスレーザによる石英の切断方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、超短パルスレーザによって比較的大寸法の石英を切断する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶融石英や合成石英ガラスを含む石英ガラスは、高い純度、耐熱性、光の透過性、化学的安定性、電気絶縁性などの優れた特性を多く併せ持ち、光学部品用材料や半導体工業用材料などとして広く利用されている。しかし、こうした優れた特性を持つ反面とても硬く、切断などの加工が極めて難しい。現在は、材料を固定して、先端にダイヤモンドをちりばめた回転円盤または帯状の切断機を用いて切断している。
【０００３】
また、石英ガラスの新しい加工方法としてレーザを用いる技術が注目されている。石英ガラスは、光学的に紫外線から近赤外にわたり広く光を透過する。そのため、幅広い波長が、当該ガラス類の加工に適用できないか試みられている。しかし、紫外レーザ光による加工は、現状では出力不足ととも加工深さに限界がある。また、遠赤外線は、石英ガラスに概ね吸収されるため加工が可能であるが、従来の赤外レーザ光による切断方法では、加工深さが数ｍｍ（１０ｍｍを超えない。）と浅いため、厚板または一定の厚みを有するブロック材の切断加工方法としては難があるとされている。
【０００４】
こうした中、レーザ光線を利用した被加工物分割方法（特許文献１参照。）が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−３４３００８号公報
【０００５】
上記特許文献１の技術は、レーザによるサファイア基板、炭化珪素基板、リチウムタンタレート基板、ガラス基板、石英基板及びシリコン基板のうちのいずれかを含む薄板部材などの分断方法において、レーザを照射する面（片面）側の反対面（他面）側から所定の深さ（厚さの１０〜５０％が好適。）まで変質層を作り、その変質した分割ラインにそって曲げモーメント（外力）を加えて分断するものである。なお、石英基板が他の基板と並列に扱われているが、ウエーハの一種として挙げられたものと考えられる。つまり、特許文献１の技術は、石英のレーザに対する特別の性質についての認識に基づくものではないと考えられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の先端にダイヤモンドをちりばめた回転円盤または帯状の切断機を用いた切断方法では、単位時間あたりの切断量が極めて少量なので、膨大な時間を要している。長尺材からの小分けやサイズの変更をする場合には、切断した後に切断面近傍の熱的な歪（ひずみ）をとるための熱処理を行っているので、さらに時間を要する。しかも、切断工具が磨耗し易く頻繁に工具交換を必要とするので、手間と費用もかかる。これは、生産工程上の大きなマイナス要因となっている。
【０００７】
また、上記特許文献１の分断方法では、被切断物はウエーハなどの極めて薄い板に限られる。なぜなら、曲げモーメント（外力）を加えるという手段は、ウエーハのような薄い板にしか使えないからであり、厚い板はレーザ照射により変質を起こしても溶融後即座に強力に再溶着してしまうため、曲げモーメント（外力）で分断することは不可能だからである。この方法による分断は、５ｍｍ程度の厚さが限界であり、１０ｍｍ程度になると破断を伴い、これ以上になると分断は不可能となる。
【０００８】
このように、石英の加工時間を短くし、工具交換も不要な新しい加工法が求められている。加えて、それは歩留りの点から切断幅が狭く、切断深さも切削工具の歯幅によって制限されないような技術であり、さらに、厚い石英ガラスの切断も可能であることが望まれる。
【０００９】
そこで、本願発明は上記の問題点に鑑みて為されたものであり、その目的の一例は、石英を超短パルスレーザにより切断する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願発明者は、以下の認識の下、本願発明に想到した。その認識とは、超短パルスレーザの照射熱によって石英は膨張・溶融しその後冷やされることで引張応力がはたらき、亀裂が生じる。ここに、大気中または強制供給による水分（Ｈ２Ｏ）などのＯＨ基が、石英の成分Ｓｉに反応し、Ｓｉ−ＯＨを作りさらに亀裂を進行させるというものである。
【００１１】
本願発明者は、この認識の下、上記の課題を解決すべく本願発明をした。
【００１２】
本願発明は、パルス幅が１ピコ秒乃至１００ナノ秒の超短パルスレーザを石英の切断面に照射し、複数のレーザ照射痕を前記切断面の全面に亘って作ることを特徴とする超短パルスレーザによる石英の切断方法である。
【００１３】
また、本願発明は、レーザ光線を切断面の一端乃至その近傍に集光せしめて、該一端に沿って複数のレーザ照射痕を並べて変質ラインを作り、次いでレーザ光線の集光点を他端方向に変位せしめて再び変質ラインを作り、かくして切断面の全面に亘って複数のレーザ照射痕による変質ラインを作ることを特徴とする超短パルスレーザによる石英の切断方法である。切断面は、垂直面、水平面あるいは斜面にすることができる。
【００１４】
また、本願発明は、前記切断面がレーザ照射方向に対して垂直面または斜面であることを特徴とする超短パルスレーザによる石英の切断方法である。ここで、切断面がレーザ照射方向に対して垂直面であるとは、例えば図７に示すように、レーザを石英の上方から照射した場合において、切断面が水平（横）になっていることである。
【００１５】
また、本願発明は、レーザ光線を石英の片面側から照射し他面側乃至その近傍に集光せしめて、他面側に沿って複数のレーザ照射痕を並べて変質ラインを作り、次いでレーザ光線の集光点を前記石英の厚さ方向内方に変位せしめて再び変質ラインを作り、かくして前記切断面の全面に亘って順次変質ラインを作ることを特徴とする超短パルスレーザによる石英の切断方法である。レーザを石英の上方から照射した場合において、切断面が垂直面（または垂直に近い斜面）であるときには、レーザを石英の下面付近に照射し、下面に沿ってレーザ照射痕を並べて変質ラインを作り、次いで、レーザの集光点を上面方向に変位させ、先の変質ラインの上部に同様の変質ラインを作る必要がある（図４参照）。上面付近から下面方向に変質ラインを並べていくと、既に変質した箇所にレーザが干渉してしまい、順次下部方向に向かって変質ラインを並べることができないからである。なお、切断面が上面から下面までに及ばない場合、つまり、上面から石英中間付近までの切断面をつくる場合には、石英中間付近からレーザ照射を始め、上面側に向かって変質ラインを重ねることとなる。同様に、切断面が石英中間付近から下面側に及ぶ場合には、下面側から中間付近まで変質ラインを重ねることとなる。
【００１６】
また、本願発明は、前記複数のレーザ照射痕のうち隣り合うレーザ照射痕同士を一部重なり合うように作ることを特徴とする超短パルスレーザによる石英の切断方法である。
【００１７】
また、本願発明は、前記複数のレーザ照射痕を作った後に、前記切断面に温度差を与えることを特徴とする超短パルスレーザによる石英の切断方法である。
【００１８】
また、本願発明は、使用する超短パルスレーザが、波長λ＝１，０６４ｎｍのＹＡＧ基本波であって、パルス出力は１０ｍＪ（ミリジュール）以上であることを特徴とする超短パルスレーザによる石英の切断方法である。
【発明の効果】
【００１９】
本願発明によれば、超短パルスレーザによる石英の切断方法を提供することが可能となる。これにより、工具交換が不要となり、また、加工時間も短くすることができる。さらに、切断の幅を狭く、深さもより深くすることができる。また、厚い石英であっても外力を加えることなく切断することが可能となる。現状では、この方法以外に石英ブロックのレーザによる切断はできないと推測される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に、本発明を実施するための最良の形態について図を用いて説明する。なお、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。
【００２１】
図１において、石英１は、ＸＹＺテーブル１２の上に直接置かれ、または、図示しない治具（ジグ）によって固定されて置かれている。この石英１の上方には、レーザ発振器１１が、石英１の切断面２にレーザを発振できるように設けられている。
【００２２】
石英１は、例えば、溶融石英や合成石英ガラスを含む石英ガラスである。また、石英１は切断面２によって切断される。
【００２３】
レーザ発振器１１は、超短パルスレーザを発振できるレーザ発振器である。
【００２４】
ＸＹＺテーブル１２は、任意の速度でＸＹＺ軸方向の移動が可能なテーブルである。ＸＹＺテーブル１２が石英１を載せてＸＹＺ軸方向に移動することで、レーザ発振器１１は、石英１内の任意の位置に超短パルスレーザを照射することができる。
【００２５】
レーザ発振器１１が、石英１の上方から石英１内に焦光点を合わせて超短パルスレーザを発振すると、図２に示すようなレーザ照射痕３ができる。このレーザ照射痕３は、物性変化による微小クラック（亀裂）であり、入射方向と逆方向に短く伝播する。また、レーザ照射痕３は縦長の楕円形状であり、レーザ照射痕３の大きさは、通常、楕円短軸方向の長さが約０．３ミリ、楕円長軸方向の長さが約０．６〜約１．５ｍｍである。ただし、この大きさに限定されるものではない。長焦点レンズを用いれば、焦点深度も深まりさらにレーザ照射痕３を楕円長軸方向に長くすることもできる。
【００２６】
図３に示すように、レーザ照射痕３を石英１の切断面２の全面に亘って作ることで、石英を切断することができる。
【００２７】
以下、図４を用いて、石英１の切断面２の全面に亘ってレーザ照射痕３を作る方法の一例について説明する。なお、レーザの焦光点は、ＸＹＺテーブル２を作動させることにより移動させる。
【００２８】
まず、レーザの焦光点を切断面２の左下隅近傍に合わせ、そこから超短パルスレーザを照射する度に、レーザの焦光点を横方向に移動させる。その際、レーザ照射痕３が互いに接するか、または、一部（例えば１０％乃至３０％）重なり合うように超短パルスレーザを照射する。ただし、重なりすぎると既に変質した箇所に干渉するのでレーザが投入できなくなる。焦光点は、レーザ照射痕３が石英１の側面に達するまで横方向に移動させる。すると、レーザ照射痕３が短軸方向に並び、レーザ照射痕３による変質ライン４ａが構成される。
【００２９】
次いで、レーザの焦光点を切断面に沿って上方（厚さ方向内方）に移動させて、この変質ライン４ａの上方に同様の変質ライン４ｂをつくる。その際、変質ライン４ａの上部と変質ライン４ｂの下部が接するか、または、一部重なり合うように変質ライン４ｂをつくる。
【００３０】
さらに、同様の変質ラインを４ｃ、４ｄ、・・・、４ｊと上方（厚さ方向内方）に作っていく。すると、図３で示したように、変質ライン４が並列になって切断面２の全面を埋め尽くす。換言すれば、レーザ照射痕３が、切断面２の全面に亘って作られたこととなる。ここでは、この切断面２を埋め尽くす並列な変質ライン群をまとめて、変質ライン面と呼ぶ。なお、図４の点線矢印は、レーザの焦光点の移動ライン５を示した一例である。
【００３１】
こうしてできた変質ライン面では物性変化が起きているので、時間経過とともに大気中の水分との反応により亀裂が進行する。そして、石英１は変質ライン面で分離される。
【００３２】
また、変質ライン面を適度に加熱または冷却することによって、亀裂を進行させることができる。したがって、当該変質ライン面近傍に温度差を与えることで、分離時間を制御することもできる。温度差を与える手段は種々考えられるが、自然放置による空冷や、人為的な手法による急速加熱または冷却が挙げられる。具体的には、反応促進のために冷却水や酸素を供給することが考えられる。さらに、変質ライン面に沿って加圧し酸性水溶液などを付加する方法もある。
【００３３】
このような方法によって、従来の集光レーザでは加工が困難とされてきた石英の切断を実現できる。
【００３４】
さらに、他の実施形態について説明する。図７に示すように、石英１の上方からレーザ発振器１１でレーザを照射し、水平（レーザ照射方向に対して垂直）な切断面２の全面をレーザ照射痕３で埋めつくすことにより、切断・分離することができる。図４で示した実施形態では、変質ラインを上方（厚さ方向内方）に順次重ねていったが、本実施形態では、変質ラインを水平方向に順次並べることとなる。ここで、切断面２の全面に亘ってレーザ照射痕３を作ることで切断・分離が可能であるが、変質ラインを切断面の一端乃至その近傍から他端方向に順序良く並べると能率がよい。なお、図７では、レーザ照射痕３の列（変質ライン）が水平方向に並べられ、切断面２で１層の変質ライン面を形成しているが、２層以上の変質ライン面を重ねることもできる。そうすることで、亀裂の進行が早まり短時間で切断・分離が可能である。ただし、材料の歩留りは悪くなる。このように、水平面（Ｘ−Ｙ平面）で切断・分離することができ、石英ブロックのスライス加工等、部材の切り出しが可能である。
【００３５】
次に、石英ブロックから部材を切り出す実施形態について説明する。図８で示すように、垂直面（Ｘ−Ｚ平面、Ｙ−Ｚ平面）と水平面（Ｘ−Ｙ平面）の切断面を組み合わせることで、石英部材７を切り出すことができる。垂直面（Ｘ−Ｚ平面、Ｙ−Ｚ平面）で切断するときには、図の矢印６ａの方向に変質ラインを重ねるのが好ましい。矢印６ａの逆向きに変質ラインを並べると、レーザが既に変質した箇所に干渉してしまうからである。
【００３６】
さらに、図９に示すように、切断面を傾斜させて石英部材８を切り出すこともできる。石英１を傾斜面で切断するには、石英１の上方からレーザ発振器１１でレーザを照射し、切断面上に変質ラインを順次並べ、切断面の全面をレーザ照射痕で埋めつくせばよい。ここで、切断面の傾斜角度が垂直に近い場合には、レーザの干渉を避けるために図の矢印６ｂの方向に変質ラインを順次重ねていくことが好ましい。一方、切断面の傾斜角度が水平に近い場合には、矢印６ｂの逆向きに変質ラインを順次並べても切断は可能である。
【００３７】
このように石英を垂直面、水平面、あるいは斜面で切断することが可能である。これらを組み合わせることで多様な石英加工が可能である。
【００３８】
ここで、本発明で使用する超短パルスレーザには、ＹＡＧレーザの基本波（波長λ＝１，０６４ｎｍ）を何らかの方法で発振時間を極めて短く出るようにしたものを利用できる。  ＹＡＧレーザでは、通常、Ｑスイッチ法によって超短時間（例えば、パルス幅が数ナノ〜数１０ナノ秒。）でパルス発振されたレーザ光を得ることができる。例えば、図５に示すような、Ｑスイッチ機構（回転シャッタ）によるものがある。レーザ発振器１１は、全反射鏡１３とレーザ物質１４と一部反射鏡１５と回転シャッタ１６からなる。レーザ発振器１１中に発振を妨げる回転シャッタ１６を挿入しておき、これを瞬間的に開くことで大電力光パルスを発生させることができる。また、モードロック法によって超短時間（例えば、パルス幅が数ピコ〜数１０ピコ秒。）でパルス発振されたレーザ光を得ることができる。さらに、超音波Ｑスイッチ（Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｑ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）やポッケルセルＱスイッチ（Ｐｏｃｋｅｌｓ  ｃｅｌｌ  Ｑ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）など応答性に優れ、出射タイミングやパルス幅を調整できるものもよく使用される。
【００３９】
図６は、連続発振・パルス発振・Ｑスイッチパルス発振の発振波形を示している。ここに示されているように、Ｑスイッチによって高出力でパルス幅（パルス発振時間）の狭いレーザ光を得ることができる。
【００４０】
なお、超短パルスを発振させるレーザには何を用いてもよい。将来的に、高出力が実現した場合には、波長の異なる超短パルスレーザ（例えば、波長λ＝８００ｎｍ。）によっても目的を達成することができると考えられる。現状、波長λ＝５３２ｎｍ及びλ＝３５５ｎｍのレーザでも切断が可能であることが確認されている。
【００４１】
本実施形態においては、焦光点を適宜ずらす方法として、任意の速度でＸＹＺ軸方向の移動が可能なＸＹＺテーブル１２を用いたが、レーザ発振器１１を可動式にして焦光点をずらすこともできる。
【００４２】
石英に対するレーザの入射角度Θは、０〜１５度程度が好ましい（図１０参照。）。これより大きい入射角度でレーザを照射すると、レーザが反射してしまい石英内部にレーザを入射できないからである。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明にかかるレーザによる石英の切断方法の模式図であるである。
【図２】図１で示した切断面のレーザ照射痕を示す図である。
【図３】図１で示した切断面を一点鎖線矢印方向からみた断面図である。
【図４】レーザ照射痕の操作中の状態図である。
【図５】回転式シャッタによるＱスイッチの例図である。
【図６】連続発振・パルス発振・Ｑスイッチパルス発振の発振波形を示す図である。
【図７】水平な切断面にレーザを照射している状態図である。
【図８】石英ブロックからその一部を切り出した状態図である。
【図９】石英ブロックからその一部を切り出した状態図である。
【図１０】石英へのレーザの入射角度を示した図である。
【符号の説明】
【００４４】
１      石英
２      切断面
３      レーザ照射痕
４ａ    変質ライン
４ｂ    変質ライン
４ｃ    変質ライン
４ｄ    変質ライン
４ｅ    変質ライン
４ｆ    変質ライン
４ｇ    変質ライン
４ｈ    変質ライン
４ｉ    変質ライン
４ｊ    変質ライン
５      レーザの焦光点の移動ライン
７      石英部材
８      石英部材
１１    レーザ発振器
１２    ＸＹＺテーブル
１３    全反射鏡
１４    レーザ物質
１５    一部反射鏡
１６    回転シャッタ
【図１】
2006248885.tif 000003
【図２】
2006248885.tif 000004
【図３】
2006248885.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2006248885.tif 000009
【図８】
2006248885.tif 000010
【図９】
2006248885.tif 000011
【図１０】
2006248885.tif 000012