(57)【要約】【課題】加工対象物内部のクラックの発生を制限可能なレーザ加工を行う。【解決手段】  レーザ加工装置１は、ガラス又は水晶を加工対象物５０としてレーザ加工する装置であって、レーザ光を出射するレーザ光源１２と、レーザ光の出射条件を制御する制御手段１０と、レーザ光を加工対象物に集光する集光手段１６、１９とを備え、制御手段は、（ｉ）ガラスを加工対象物とする場合、レーザ光のパルスピーク出力を、平均出力に対して２５倍以上、（ｉｉ）水晶を加工対象物とする場合、レーザ光のパルスピーク出力を、平均出力に対して６倍以上となるようレーザ光の出射条件を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス又は水晶を加工対象物としてレーザ加工するレーザ加工装置であって、
レーザ光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光の出射条件を制御する制御手段と、
前記レーザ光を前記加工対象物に集光する集光手段と
を備え、
前記制御手段は、（ｉ）ガラスを前記加工対象物とする場合、前記レーザ光のパルスピーク出力を、平均出力に対して２５倍以上、（ｉｉ）水晶を前記加工対象物とする場合、前記レーザ光のパルスピーク出力を、平均出力に対して６倍以上となるよう前記レーザ光の出射条件を制御することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記制御手段は、ガラスを前記加工対象物とする場合、前記レーザ光の平均出力を０．０１Ｗ以上、４Ｗ以下に制御することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記集光手段は、ガラスを前記加工対象物とする場合、前記加工対象物における前記レーザ光のビーム径が４０マイクロメートル以上、１４０マイクロメートル以下となるよう前記レーザ光を集光することを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記加工対象物を前記レーザ光に対して相対的に移動させる移動手段を更に備え、
前記移動手段は、ガラスを前記加工対象物とする場合、前記加工対象物を前記レーザ光に対して０．０１ミリメートル毎秒以上、３ミリメートル毎秒以下の速度で相対的に移動させることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
前記制御手段は、水晶を前記加工対象物とする場合、前記レーザ光の平均出力を０．１Ｗ以上、１０Ｗ以下に制御することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
前記集光手段は、水晶を前記加工対象物とする場合、前記加工対象物における前記レーザ光のビーム径が４０マイクロメートル以上、３００マイクロメートル以下となるよう前記レーザ光を集光することを特徴とする請求項１又は６に記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
前記加工対象物を前記レーザ光に対して相対的に移動させる移動手段を更に備え、
前記移動手段は、水晶を前記加工対象物とする場合、前記加工対象物を前記レーザ光に対して０．０１ミリメートル毎秒以上、５０ミリメートル毎秒以下の速度で相対的に移動させることを特徴とする請求項１、５及び６のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
【請求項８】
前記レーザ光源は、炭酸ガスレーザ光源であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
【請求項９】
ガラス又は水晶を加工対象物としてレーザ加工するレーザ加工装置であって、
レーザ光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光の出射条件を制御する制御手段と、
前記レーザ光を前記加工対象物に集光させる集光手段と、
前記レーザ光により形成される改質領域を用いて、前記加工対象物を分断する分断手段と
を備え、
前記制御手段は、（ｉ）ガラスを前記加工対象物とする場合、前記レーザ光のパルスピーク出力を、平均出力に対して２５倍以上、（ｉｉ）水晶を前記加工対象物とする場合、前記レーザ光のパルスピーク出力を、平均出力に対して６倍以上となるよう前記レーザ光の出射条件を制御し、
前記分断手段は、前記レーザ光を分岐させ、且つ前記分岐されたレーザ光を０．５ミリメートル以上、５ミリメートル以下のビーム径で前記加工対象物に形成される前記改質領域に応じた位置に集光させることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項１０】
前記分断手段は、前記集光手段が前記レーザ光を前記加工対象物に集光させる際に、
前記加工対象物に形成される前記改質領域に応じた位置に、前記分岐されたレーザ光を集光させることを特徴とする請求項９に記載のレーザ加工装置。
【請求項１１】
ガラス又は水晶を加工対象物としてレーザ加工するレーザ加工方法であって、
レーザ光を出射するレーザ光源の出射条件を制御する制御工程と
前記レーザ光を前記加工対象物に集光する集光工程と
を備え、
前記制御工程は、（ｉ）ガラスを前記加工対象物とする場合、前記レーザ光のパルスピーク出力を、平均出力に対して２５倍以上、（ｉｉ）水晶を前記加工対象物とする場合、前記レーザ光のパルスピーク出力を、平均出力に対して６倍以上となるよう前記レーザ光の出射条件を制御することを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項１２】
ガラス又は水晶を加工対象物としてレーザ加工するレーザ加工方法であって、
レーザ光を出射するレーザ光源の出射条件を制御する制御工程と、
前記レーザ光を前記加工対象物に集光させる集光工程と、
前記レーザ光により形成される改質領域を用いて、前記加工対象物を分断する分断工程と
を備え、
前記制御工程は、（ｉ）ガラスを前記加工対象物とする場合、前記レーザ光のパルスピーク出力を、平均出力に対して２５倍以上、（ｉｉ）水晶を前記加工対象物とする場合、前記レーザ光のパルスピーク出力を、平均出力に対して６倍以上となるよう前記レーザ光の出射条件を制御し、
前記分断工程は、前記レーザ光を分岐させ、且つ前記分岐されたレーザ光を０．５ミリメートル以上、５ミリメートル以下のビーム径で前記加工対象物に形成される前記改質領域に応じた位置に集光させることを特徴とするレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、レーザ光を用いて加工対象物の加工を行うレーザ加工装置及び方法の技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の装置として、ガラスや水晶などの材質から成る基板などの加工対象物の表面又は内部にレーザ光を集光させ、多光子吸収による化学的又は物理的な改質領域を形成する加工装置が知られている。加工装置による加工後に改質領域を起点として、劈開などの手順を加えることで基板を分断し、チップなどの電子部品を形成することが出来る。このようなレーザ加工装置においては、加工精度の向上のために、種々の工夫が為されている。
【０００３】
加工精度の劣化の要因として、レーザ光により加工対象物に形成されるクラックの存在が挙げられる。加工対象物に吸収されるレーザ光の出力や出射時間に応じて、改質領域における改質の態様が変化することが知られており、高出力、長時間の出射により、主に加熱による脆化が進み、不要なクラックが生じることがある。また、加工対象物の材質などに応じた脆性の変化により、クラックの発生条件が変化する。
【０００４】
後述する先行技術文献には、加工対象物内部にレーザ光を集光させる際に、パルス状のレーザ光の非照射期間を設けることで過度な加熱を抑制し、クラックを生じ難くする技術が説明されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−１２３５７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ガラスや水晶などの脆性材を加工対象物とするレーザ加工では、上述したようにレーザ光の出射によりクラックが生じ易いため、加工精度が低いとされている。その要因として、脆性により、加工対象物内のレーザ光の出射領域外の領域にまでクラックが伸展することや、分断処理時の熱応力の作用精度が低いことなどが挙げられる。
【０００７】
本発明は、例えば上述の問題点に鑑み為されたものであり、ガラスや水晶などの脆性材を加工対象物とする場合のレーザ加工において、加工精度の向上を実現可能なレーザ加工装置及び方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の第１のレーザ加工装置は、ガラス又は水晶を加工対象物としてレーザ加工するレーザ加工装置であって、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光の出射条件を制御する制御手段と、前記レーザ光を前記加工対象物に集光する集光手段とを備え、前記制御手段は、（ｉ）ガラスを前記加工対象物とする場合、前記レーザ光のパルスピーク出力を、平均出力に対して２５倍以上、（ｉｉ）水晶を前記加工対象物とする場合、前記レーザ光のパルスピーク出力を、平均出力に対して６倍以上となるよう前記レーザ光の出射条件を制御する。
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の第２のレーザ加工装置は、ガラス又は水晶を加工対象物としてレーザ加工するレーザ加工装置であって、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光の出射条件を制御する制御手段と、前記レーザ光を前記加工対象物に集光させる集光手段と、前記レーザ光により形成される改質領域を用いて、前記加工対象物を分断する分断手段とを備え、前記制御手段は、（ｉ）ガラスを前記加工対象物とする場合、前記レーザ光のパルスピーク出力を、平均出力に対して２５倍以上、（ｉｉ）水晶を前記加工対象物とする場合、前記レーザ光のパルスピーク出力を、平均出力に対して６倍以上となるよう前記レーザ光の出射条件を制御し、前記分断手段は、前記レーザ光を分岐させ、且つ前記分岐されたレーザ光を０．５ミリメートル以上、５ミリメートル以下のビーム径で前記加工対象物に形成される前記改質領域に応じた位置に集光させる。
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の第１のレーザ加工方法は、ガラス又は水晶を加工対象物としてレーザ加工するレーザ加工方法であって、レーザ光を出射するレーザ光源の出射条件を制御する制御工程と、前記レーザ光を前記加工対象物に集光する集光工程とを備え、前記制御工程は、（ｉ）ガラスを前記加工対象物とする場合、前記レーザ光のパルスピーク出力を、平均出力に対して２５倍以上、（ｉｉ）水晶を前記加工対象物とする場合、前記レーザ光のパルスピーク出力を、平均出力に対して６倍以上となるよう前記レーザ光の出射条件を制御する。
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の第２のレーザ加工方法は、ガラス又は水晶を加工対象物としてレーザ加工するレーザ加工方法であって、レーザ光を出射するレーザ光源の出射条件を制御する制御工程と、前記レーザ光を前記加工対象物に集光させる集光工程と、前記レーザ光により形成される改質領域を用いて、前記加工対象物を分断する分断工程とを備え、前記制御工程は、（ｉ）ガラスを前記加工対象物とする場合、前記レーザ光のパルスピーク出力を、平均出力に対して２５倍以上、（ｉｉ）水晶を前記加工対象物とする場合、前記レーザ光のパルスピーク出力を、平均出力に対して６倍以上となるよう前記レーザ光の出射条件を制御し、前記分断工程は、前記レーザ光を分岐させ、且つ前記分岐されたレーザ光を０．５ミリメートル以上、５ミリメートル以下のビーム径で前記加工対象物に形成される前記改質領域に応じた位置に集光させる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例のレーザ加工装置の基本的な構成を示すブロック図である。
【図２】パルス状のレーザ光を示す図である。
【図３】変形例のレーザ加工装置の基本的な構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明のレーザ加工装置の第１実施形態は、ガラス又は水晶を加工対象物としてレーザ加工するレーザ加工装置であって、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光の出射条件を制御する制御手段と、前記レーザ光を前記加工対象物に集光する集光手段とを備え、前記制御手段は、（ｉ）ガラスを前記加工対象物とする場合、前記レーザ光のパルスピーク出力を、平均出力に対して２５倍以上、（ｉｉ）水晶を前記加工対象物とする場合、前記レーザ光のパルスピーク出力を、平均出力に対して６倍以上となるよう前記レーザ光の出射条件を制御する。
【００１４】
本発明のレーザ加工装置の第１実施形態によれば、加工対象物に対してレーザ光を照射し、該レーザ光を加工対象物の表面又は内部に集光させることで、集光部近傍に加熱などによる物理的又は化学的な改質を生じさせる。加工対象物における改質領域は、一般的に他の部位と比較して脆化するため、改質領域を起点とすることで分断等の加工を容易に行うことが出来る。
【００１５】
より具体的には、加工対象物におけるレーザ光の照射領域（具体的には、集光部近傍）では、レーザ光の照射中は、短時間の急激な加熱による気化の後、過冷却状態となるという一連の状態変化が生じる。このとき、一連の状態変化により、加熱状態では急激な熱膨張が生じ、過冷却状態では急速な収斂により、体積又は密度の異なる部分が照射領域内に形成され、照射領域内に固体化状態となる部分が生じる。該固体化により、レーザ光の照射領域において改質が生じ、加工対象物の脆化が進む。また、収斂による応力の集中により、クラックが生じることがある。
【００１６】
特に、ガラスや水晶などの脆性材を加工対象物とする場合、照射領域においてレーザ光の照射による上述した一連の状態変化が生じる場合、照射領域外にまでクラックが伸展する可能性があることが知られている。これは、レーザ光の出力や照射時間の増加により、加工対象物におけるレーザ光の吸収エネルギが増大することに起因するものであり、集光部近傍の加工対象物を気化させた後の余剰のエネルギが周辺部に熱として蓄積することに起因する。このように蓄積した熱は、加工対象物内部の熱膨張を引き起こし、意図しない（つまり、レーザ光の照射により形成される改質領域以外の領域における）クラックの発生要因となる。ガラスや水晶などの脆性材内部においては、クラックは、比較的小さな力でも容易に脆性材内部に進展するため、このように意図しないクラックが加工対象物内に伸展する場合、脆性材の強度を著しく低下させ、加工精度の低下に繋がる。
【００１７】
本発明のレーザ加工装置の第１実施形態は、レーザ光を出射するレーザ光源における出射条件が、制御手段により制御される。具体的には、制御手段は、加工対象物の材質（言い換えれば、加工対象物の脆性等、加工精度に係るパラメータ）に応じて、パルス状のレーザ光の平均出力とパルスピーク時の出力との比率が所定の基準を満たすようにレーザ光源の駆動を制御する。
【００１８】
制御手段は、例えば加工対象物がガラスである場合、パルス状のレーザ光のピーク時の出力を、平均出力に対して２５倍以上とする。また、加工対象物が水晶である場合、パルス状のレーザ光のピーク時の出力を、平均出力に対して６倍以上とする。
【００１９】
このように設定する場合、レーザ光の照射領域においては、相対的に高エネルギとなる高出力のピーク時のレーザ光により、加工対象物の表面又は内部の照射領域に気化などによる改質が生じ、好適な加工が可能となる。一方で、非ピーク時においては、加工対象物におけるレーザ光のエネルギ吸収量がピーク時と比較して相対的に低くなるため、照射領域に蓄積される熱を放出させ、温度の上昇を好適に防止出来る。
【００２０】
上述のようにパルス状のレーザ光の出力を設定することで、加工対象物内部に蓄積される熱を好適に逃がすことが可能となり、熱膨張によるクラックの発生及び伸展を抑制することが出来る。このようなレーザ加工を行うことで、クラックなどを含む改質が生じる領域をレーザ光の照射領域及び出射条件に応じて制限することが出来、加工精度の向上に繋がる。また、このような改質領域を起点として、加工対象物の分断などの更なる加工を実施する場合、制限された領域内に集中的に生じるクラックなどを含む改質により高精度の分断が可能となる。このため、意図しない領域に生じたクラックによる加工精度の劣化を防止することが出来、高精度に形成される改質領域を起点とする種々の加工を好適に実現することが可能となる。
【００２１】
本発明のレーザ加工装置の第１実施形態の一の態様では、前記制御手段は、ガラスを前記加工対象物とする場合、前記レーザ光の平均出力を０．０１Ｗ以上、４Ｗ以下に制御する。
【００２２】
この態様によれば、ガラスを加工対象物とするレーザ加工に際し、パルス状のレーザ光の出射条件を適切に設定出来る。従って、意図しないクラックの進展による加工精度の劣化を抑制し、高精度の加工を実現可能となる。
【００２３】
本発明のレーザ加工装置の第１実施形態の他の態様では、前記集光手段は、ガラスを前記加工対象物とする場合、前記加工対象物における前記レーザ光のビーム径が４０マイクロメートル以上、１４０マイクロメートル以下となるよう前記レーザ光を集光する。
【００２４】
この態様によれば、ガラスを加工対象物とするレーザ加工に際し、パルス状のレーザ光の出射条件を適切に設定出来る。従って、意図しないクラックの進展による加工精度の劣化を抑制し、高精度の加工を実現可能となる。
【００２５】
本発明のレーザ加工装置の第１実施形態の他の態様では、前記加工対象物を前記レーザ光に対して相対的に移動させる移動手段を更に備え、前記移動手段は、ガラスを前記加工対象物とする場合、前記加工対象物を前記レーザ光に対して０．０１ミリメートル毎秒以上、３ミリメートル毎秒以下の速度で相対的に移動させる。
【００２６】
この態様によれば、ガラスを加工対象物とするレーザ加工に際し、加工対象物の移動条件を適切に設定出来る。従って、意図しないクラックの進展による加工精度の劣化を抑制し、高精度の加工を実現可能となる。
【００２７】
本発明のレーザ加工装置の第１実施形態の他の態様では、前記制御手段は、水晶を前記加工対象物とする場合、前記レーザ光の平均出力を０．１Ｗ以上、１０Ｗ以下に制御することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【００２８】
この態様によれば、水晶を加工対象物とするレーザ加工に際し、パルス状のレーザ光の出射条件を適切に設定出来る。従って、意図しないクラックの進展による加工精度の劣化を抑制し、高精度の加工を実現可能となる。
【００２９】
本発明のレーザ加工装置の第１実施形態の他の態様では、前記集光手段は、水晶を前記加工対象物とする場合、前記加工対象物における前記レーザ光のビーム径が４０マイクロメートル以上、３００マイクロメートル以下となるよう前記レーザ光を集光する。
【００３０】
この態様によれば、水晶を加工対象物とするレーザ加工に際し、パルス状のレーザ光の出射条件を適切に設定出来る。従って、意図しないクラックの進展による加工精度の劣化を抑制し、高精度の加工を実現可能となる。
【００３１】
本発明のレーザ加工装置の第１実施形態の他の態様では、前記加工対象物を前記レーザ光に対して相対的に移動させる移動手段を更に備え、前記移動手段は、水晶を前記加工対象物とする場合、前記加工対象物を前記レーザ光に対して０．０１ミリメートル毎秒以上、５０ミリメートル毎秒以下の速度で相対的に移動させる。
【００３２】
この態様によれば、水晶を加工対象物とするレーザ加工に際し、加工対象物の移動条件を適切に設定出来る。従って、意図しないクラックの進展による加工精度の劣化を抑制し、高精度の加工を実現可能となる。
【００３３】
本発明のレーザ加工装置の第１実施形態の他の態様では、前記レーザ光源は、炭酸ガスレーザ光源である。
【００３４】
上述の出射条件を満たすことで、従来ＦＳ（Femto Second）レーザ又はＰＳ（Pico Second）レーザなどといったパルスの繰り返し周波数が比較的高い高価なレーザが必要とされている硬質ガラスなどの加工について、比較的安価な炭酸ガスレーザを用いることが可能となる。また、この態様によれば、比較的簡単に上述したレーザ光のパルス制御及び出力制御を実現出来る。
【００３５】
本発明のレーザ加工装置の第２実施形態は、ガラス又は水晶を加工対象物としてレーザ加工するレーザ加工装置であって、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光の出射条件を制御する制御手段と、前記レーザ光を前記加工対象物に集光させる集光手段と、前記レーザ光により形成される改質領域を用いて、前記加工対象物を分断する分断手段とを備え、前記制御手段は、（ｉ）ガラスを前記加工対象物とする場合、前記レーザ光のパルスピーク出力を、平均出力に対して２５倍以上、（ｉｉ）水晶を前記加工対象物とする場合、前記レーザ光のパルスピーク出力を、平均出力に対して６倍以上となるよう前記レーザ光の出射条件を制御し、前記分断手段は、前記レーザ光を分岐させ、且つ前記分岐されたレーザ光を０．５ミリメートル以上、５ミリメートル以下のビーム径で前記加工対象物に形成される前記改質領域に応じた位置に集光させる。
【００３６】
本発明のレーザ加工装置の第２実施形態によれば、上述した本発明のレーザ加工装置の第１実施形態によるものと同様に、加工対象物に対して改質領域を形成する加工を行うことが出来る。
【００３７】
レーザ加工装置の第２実施形態の分断手段は、加工用のレーザ光源より照射されるレーザ光を分岐させ、加工対象物の改質領域内の分断面に沿って集光させる。分断手段は、該集光により、加工対象物の改質領域内の微小体積内に、加熱による熱応力を生じさせ、該熱応力により改質領域を起点とする熱応力分断を行う。
【００３８】
レーザ加工装置の第２実施形態によれば、一つのレーザ光源を有する装置を用いることで、加工対象物に対して改質領域を形成させる第１の加工と、該改質領域を用いて加工対象物を分断する第２の加工とを実施することが出来る。
【００３９】
尚、上述した第１実施形態のレーザ加工装置が取り得る各種態様に対応して、第２実施形態のレーザ加工装置も各種態様を採用することができる。
【００４０】
本発明のレーザ加工装置の第２実施形態の一の態様では、前記分断手段は、前記集光手段が前記レーザ光を前記加工対象物に集光させる際に、前記加工対象物に形成される前記改質領域に応じた位置に、前記分岐されたレーザ光を集光させる。
【００４１】
この態様によれば、加工用のレーザ光による改質領域を形成させる第１の加工と、該改質領域を起点とした熱応力による加工対象物を分断する第２の加工とを平行して実施出来る。従って、加工対象物を分断する際の、改質領域の形成と分断とを含む一連の分断処理に要するタクトタイムの短縮を実現出来る。
【００４２】
本発明のレーザ加工方法の第１実施形態は、ガラス又は水晶を加工対象物としてレーザ加工するレーザ加工方法であって、レーザ光を出射するレーザ光源の出射条件を制御する制御工程と前記レーザ光を前記加工対象物に集光する集光工程とを備え、前記制御工程は、（ｉ）ガラスを前記加工対象物とする場合、前記レーザ光のパルスピーク出力を、平均出力に対して２５倍以上、（ｉｉ）水晶を前記加工対象物とする場合、前記レーザ光のパルスピーク出力を、平均出力に対して６倍以上となるよう前記レーザ光の出射条件を制御する。
【００４３】
本発明のレーザ加工方法の第１実施形態によれば、レーザ加工装置を用いて、上述した本発明のレーザ加工装置の第１実施形態によるものと同様の効果を得ることが出来る。尚、本発明のレーザ加工方法の第１実施形態についても、上述した本発明のレーザ加工装置の第１実施形態の各種態様と同様の各種態様を採用してもよい。
【００４４】
本発明のレーザ加工方法の第２実施形態は、ガラス又は水晶を加工対象物としてレーザ加工するレーザ加工方法であって、レーザ光を出射するレーザ光源の出射条件を制御する制御工程と、前記レーザ光を前記加工対象物に集光させる集光工程と、前記レーザ光により形成される改質領域を用いて、前記加工対象物を分断する分断工程とを備え、前記制御工程は、（ｉ）ガラスを前記加工対象物とする場合、前記レーザ光のパルスピーク出力を、平均出力に対して２５倍以上、（ｉｉ）水晶を前記加工対象物とする場合、前記レーザ光のパルスピーク出力を、平均出力に対して６倍以上となるよう前記レーザ光の出射条件を制御し、前記分断工程は、前記レーザ光を分岐させ、且つ前記分岐されたレーザ光を０．５ミリメートル以上、５ミリメートル以下のビーム径で前記加工対象物に形成される前記改質領域に応じた位置に集光させる。
【００４５】
本発明のレーザ加工方法の第２実施形態によれば、レーザ加工装置を用いて、上述した本発明のレーザ加工装置の第２実施形態によるものと同様の効果を得ることが出来る。尚、本発明のレーザ加工方法の第２実施形態についても、上述した本発明のレーザ加工装置の第１実施形態の各種態様と同様の各種態様を採用してもよい。
【００４６】
以上、説明したように、本発明のレーザ加工装置の第１実施形態は、レーザ光源と、集光手段と、制御手段とを備える。本発明のレーザ加工装置の第２実施形態は、レーザ光源と、集光手段と、制御手段と、分断手段とを備える。本発明のレーザ加工方法の第１実施形態は、集光工程と、制御工程とを備える。本発明のレーザ加工方法の第２実施形態は、集光工程と、制御工程と、分断工程を備える。
【００４７】
このため、ガラスや水晶などの脆性材を加工対象物とする場合のレーザ加工において、意図しないクラックが生じることを好適に抑制し、加工精度の向上を実現出来る。
【実施例】
【００４８】
以下、本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。
【００４９】
（１）レーザ加工装置の構成
先ず、図１を参照して、本発明のレーザ加工装置の一例である、レーザ加工装置１の基本的な構成について説明する。
【００５０】
図１に示されるように、レーザ加工装置１は、制御部１０と、レーザ電源１１と、レーザ光源１２と、ミラー１３と、１／２波長板１４と、ミラー１５と、ビームエキスパンダ１６と、ビームコンバイナ１７と、レンズブロック１８と、集光レンズ１９とを備える。また、レーザ加工装置１は、ガイド用のレーザダイオード（ＬＤ）２１と、ガイド用光学系２２とを備える。
【００５１】
制御部１０は、本発明の制御手段の一例であって、レーザ加工装置１の各部の動作を制御するＣＰＵ等を含む。制御部１０は、パルス状であり、所定の繰り返し周波数、平均出力、パルスピーク出力などの出射条件を満たすレーザ光Ｌ１を出射するようレーザ電源１１及びレーザ光源１２の動作を制御する。また、制御部１０は、レーザ光Ｌ１の出射による加工対象物５０の加工に伴って、レーザ光Ｌ１の集光部Ｆ１のビーム径を変更するよう、レンズブロック１８の動作を制御する。また、制御部１０は、レーザ光Ｌ１の出射に伴って、加工対象物５０を載置するステージ４０をレーザ光Ｌ１の光軸方向に直交する面内などにおいて移動させる制御を行う。
【００５２】
レーザ電源１１は、レーザ光源１２を駆動させるための電力を供給する電源と、パルス制御装置とを備え、例えばユーザによる指示の入力を受けて、所望の態様でレーザ光源に対して電流の供給を行い、駆動させる。
【００５３】
レーザ光源１２は、本発明のレーザ光源の一例であって、レーザ発生部、結集素子、位相変調器及び共振器などを備え、レーザ電源１１から供給される電流に応じてレーザ光Ｌ１を発生させ、ミラー１３方向へ出射する。レーザ光源１２は、パルス制御及び出力制御に優れる光源であることが好ましく、例えば最大出力１００Ｗ程度の円偏光又は直線偏光を付加する炭酸ガスレーザ光源である。
【００５４】
レーザ光源１２より出射されるレーザ光Ｌ１は、ミラー１３を介して１／２波長版１４において位相差（或いは、偏光状態）を調整された後、ミラー１５を介してビームエキスパンダ１６に入射する。
【００５５】
ビームエキスパンダ１６は、本発明の集光手段の構成要素の一例であり、平行光の態様で入射するレーザ光Ｌ１のビーム径を拡大する機構である。具体的には、ビームエキスパンダ１６は、後述する集光レンズ１９による集光と併せて、レーザ光Ｌ１の加工対象物５０における集光部Ｆ１のビーム径が所定の範囲内となるよう調整する。ビームエキスパンダ１６によるビーム径の拡大比率などは、後述する集光レンズ１９の開口度などに応じて設定される。
【００５６】
ビームコンバイナ１７は、レーザ光Ｌ１を透過させ、一方でガイド用のレーザ光Ｌ２を反射させることで、両者を同一の光路上に合成するハーフミラーなどである。
【００５７】
ガイド用のレーザ光Ｌ２は、ガイド用のＬＤ２１により出射されるレーザ光であり、ビームコンバイナ１７によってレーザ光Ｌ１と同一の光路上に組み込まれ集光レンズ１９により加工対象物５０上に集光される距離測定、又はサーボ駆動用のレーザ光である。レーザ光Ｌ２の光路上には、ビーム成形用のレンズ、集光レンズ又はシリンドリカルレンズなど、用途に応じたガイド用光学系２２が配置される。
【００５８】
レンズブロック１８は、集光レンズ１９を保持するレンズユニットであり、集光レンズ１９をレーザ光L１の光軸方向に移動させるスライド機構などを有する。
【００５９】
集光レンズ１９は、主にレーザ光Ｌ１を加工対象物５０の表面又は内部に集光し、典型的には、焦点位置に集光部Ｆ１を形成するレンズである。集光レンズ１９の開口度は、集光部Ｆ１のビーム径に合わせて設定されることが好ましい。レンズブロック１８は、例えば、制御部１０からの制御信号に応じて集光レンズ１９をレーザ光Ｌ１の光軸方向に移動させることで、加工対象物５０の表面又は内部の所望の位置に形成される集光部Ｆ１のビーム径を調整する。
【００６０】
ステージ４０は、加工対象物５０を載置する載置台であり、レーザ光Ｌ１の光軸方向に対して直行する面内などにおいて加工対象物５０を移動可能な機構を備える。例えば、ステージ４０は、制御部１０から供給される制御信号に応じた速度で加工対象物５０を、レーザ光Ｌ１の集光部Ｆ１に対して相対的に移動させる。
【００６１】
（２）加工条件
レーザ加工装置１の制御部１０は、例えばユーザからの入力などに応じて加工対象物５０の材質（ひいては、脆性等の該加工対象物５０の材質に依存する性質）を把握し、材質に応じた加工条件を満たすよう各部の動作の態様を設定する。
【００６２】
レーザ加工装置１では、制御部１０は、ガラスを加工対象物５０とする場合の加工条件Ａと、水晶を加工対象物５０とする場合の加工条件Ｂとの少なくとも２通りの加工条件に応じて各部の動作の態様を設定可能となる。以下に説明するように、制御部１０の制御対象となる主な各部の動作の態様は、（１）パルス状のレーザ光Ｌ１における平均出力に対するパルスピーク出力比、（２）レーザ光Ｌ１の平均出力、（３）加工時にレーザ光Ｌ１の集光部Ｆ１に対してステージ４０（ひいては加工対象物５０）を移動させる際の相対速度、及び（４）レーザ光Ｌ１の集光部Ｆ１におけるビーム径である。
【００６３】
加工対象物５０の材質がガラスである場合の加工条件Ａについて説明する。制御部１０は、ガラスを加工対象物５０とするレーザ加工時に、以下に説明する条件Ａ１乃至Ａ４のいずれか、又は適宜組み合わせた加工条件を満たすように、各部の動作の態様を制御する。
【００６４】
制御部１０は、好適には、レーザ光Ｌ１のパルスピーク時の出力が平均出力の２５倍以上となるようレーザ光源１２の動作を制御する（条件Ａ１）。
【００６５】
制御部１０は、更に好適には、レーザ光Ｌ１の平均出力が０．０１Ｗ以上４Ｗ以下となるようレーザ光源１２の動作を制御する（条件Ａ２）。ここに、平均出力とは、パルス状のレーザ光Ｌ１の一周期辺りの出力の平均値である。図２に、パルス状のレーザ光Ｌ１の出力の時系列的な変化の例を示す。
【００６６】
制御部１０は、更に好適には、レーザ光Ｌ１の照射による加工対象物５０の加工時に、集光部Ｆ１に対するステージ４０の相対移動速度が０．０１ミリメートル毎秒以上、３ミリメートル毎秒以下となるようステージ４０の動作を制御する（条件Ａ３）。
【００６７】
制御部１０は、更に好適には、レーザ光Ｌ１の加工対象物５０の表面又は内部に形成される集光部Ｆ１のビーム径が４０マイクロメートル以上、１４０マイクロメートル以下となるようビームエキスパンダ１６及びレンズブロック１８の動作を制御する（条件Ａ４）。
【００６８】
上述した各条件Ａ１乃至Ａ４に規定される加工条件を満たす設定で、硬質ガラス（光学ガラス）に対してレーザ光Ｌ１の照射による加工を行った場合における、本願発明者等によって行われた加工の評価について説明する。加工対象物５０について、レーザ光Ｌ１の照射により照射領域外におけるクラックが生じないものを良好な加工、改質領域外においてクラックが生じるものを不良の加工として分類する。条件Ａ１について、パルスピーク時の出力が平均出力の２５倍以上となる領域では良好な加工が観察される一方で、パルスピーク時の出力が平均出力の２５倍未満となる領域では良好な加工は観察されなかった。
【００６９】
条件Ａ２について、レーザ光Ｌ１の平均出力が４Ｗ以下の領域では良好な加工が観察される一方で、平均出力が４Ｗを超える領域では良好な加工は観察されなかった。また、レーザ光Ｌ１の平均出力が０．０１Ｗを下回る領域では加工対象物５０に改質が生じなかった。
【００７０】
条件Ａ３について、ステージ４０の相対移動速度が３ミリメートル毎秒以下となる領域では良好な加工が観察される一方で、ステージ４０の相対移動速度が３ミリメートル毎秒を超える領域では良好な加工は観察されなかった。また、ステージ４０の相対移動速度が０．０１ミリメートル毎秒以下となる領域では、加工に長時間要することから加工機として好ましくないとされる。
【００７１】
条件Ａ４について、集光部Ｆ１のビーム径が４０マイクロメートル以上、１４０マイクロメートル以下となる範囲では良好な加工が観察される一方で、ビーム径が範囲外となる加工においては良好な加工は観察されなかった。
【００７２】
加工対象物５０の材質が水晶である場合の加工条件について説明する。制御部１０は、水晶を加工対象物５０とするレーザ加工時に、以下に説明する条件Ｂ１乃至Ｂ４のいずれか、又は適宜組み合わせた加工条件を満たすように、各部の動作の態様を制御する。
【００７３】
制御部１０は、好適には、レーザ光Ｌ１のパルスピーク時の出力が平均出力の６倍以上となるようレーザ光源１２の動作を制御する（条件Ｂ１）。
【００７４】
更に好適には、制御部１０は、レーザ光Ｌ１の平均出力が０．１Ｗ以上１０Ｗ以下となるようレーザ光源１２の動作を制御する（条件Ｂ２）。
【００７５】
更に好適には、制御部１０は、レーザ光Ｌ１の照射による加工対象物５０の加工時に、集光部Ｆ１に対するステージ４０の相対移動速度が０．０１ミリメートル毎秒以上、５０ミリメートル毎秒以下となるようステージ４０の動作を制御する（条件Ｂ３）。
【００７６】
更に好適には、制御部１０は、レーザ光Ｌ１の加工対象物５０の表面又は内部に形成される集光部Ｆ１のビーム径が４０マイクロメートル以上、３００マイクロメートル以下となるようビームエキスパンダ１６及びレンズブロック１８の動作を制御する（条件Ｂ４）。
【００７７】
上述した各条件Ｂ１乃至Ｂ４に規定される加工条件を満たす設定で、水晶に対してレーザ光Ｌ１の照射による加工を行った場合における、本願発明者等によって行われた加工の評価について説明する。加工対象物５０について、レーザ光Ｌ１の照射により照射領域外におけるクラックが生じないものを良好な加工、改質領域外においてクラックが生じるものを不良の加工として分類する。条件Ｂ１について、パルスピーク時の出力が平均出力の６倍以上となる領域では良好な加工が観察される一方で、パルスピーク時の出力が平均出力の６倍未満となる領域では良好な加工は観察されなかった。
【００７８】
条件Ｂ２について、レーザ光Ｌ１の平均出力が１０Ｗ以下の領域では良好な加工が観察される一方で、平均出力が１０Ｗを超える領域では良好な加工は観察されなかった。また、レーザ光Ｌ１の平均出力が０．１Ｗを下回る領域では加工対象物５０に改質が生じなかった。
【００７９】
条件Ｂ３について、ステージ４０の相対移動速度が５０ミリメートル毎秒以下となる領域では良好な加工が観察される一方で、ステージ４０の相対移動速度が５０ミリメートル毎秒を超える領域では良好な加工は観察されなかった。また、ステージ４０の相対移動速度が０．０１ミリメートル毎秒以下となる領域では、加工に長時間要することから加工機として好ましくないとされる。
【００８０】
条件Ｂ４について、集光部Ｆ１のビーム径が４０マイクロメートル以上、３００マイクロメートル以下となる範囲では良好な加工が観察される一方で、ビーム径が範囲外となる加工においては良好な加工は観察されなかった。
【００８１】
ここに、（１）レーザ光Ｌ１の平均出力に対するピーク出力比１３３、（２）レーザ光Ｌ１の平均出力０．５６Ｗ、（３）ステージ４０の相対移動速度０．１ミリメートル毎秒、及び（４）集光部Ｆ１におけるビーム径６８マイクロメートル（設計値）、の条件下でレーザ光Ｌ１を硬質ガラスに照射する場合を例として、得られた結果を説明する。このとき、レーザ光Ｌ１の集光領域に沿って幅１００マイクロメートルの改質領域が形成され、該改質領域内に複数のクラックが観察された。他方で、改質領域外への１００マイクロメートル以上のクラックの進展は観察されなかった。形成された改質領域を起点として硬質ガラスを分断したところ、照射領域に沿って鏡面となる分断面が得られ、外形寸法公差が６０マイクロメートル未満となった。
【００８２】
また、改質領域は脆化しているため、分断後、分断面に残る改質したガラスについては比較的簡単に除去出来る。例えば、分断後、分断面から１００マイクロメートル程の領域を研磨などによって除去することで、クラックなどの痕跡を排除することが出来る。
【００８３】
尚、上述した加工条件を用いる場合、例えば、複数回のレーザ光Ｌ１の照射により照射領域同士が交差する場合であっても、形成された改質領域におけるクラックの進展などの影響が生じない。このため、加工の自由度を保証することが出来る。
【００８４】
（３）変形例
レーザ加工装置１の変形例であるレーザ加工装置１’について説明する。図３は、レーザ加工装置１’の構成を示す図である。尚、図３において、図１と同一の番号を付している部分は、図１に示されるレーザ加工装置１と同様の構成であってよい。例えば、レーザ加工装置１’は、レーザ加工装置１と同様に、制御部１０、レーザ電源１１と、レーザ光源１２と、ミラー１３と、１／２波長板１４と、ビームエキスパンダ１６と、ビームコンバイナ１７と、レンズブロック１８と、集光レンズ１９、ガイド用のレーザダイオード（ＬＤ）２１と、ガイド用光学系２２とを備える。
【００８５】
更に、レーザ加工装置１’は、ミラー１５に代わる構成として、偏光ビームスプリッタ３１を備える。偏光ビームスプリッタ３１は、１／２波長板１４を通過したレーザ光Ｌ１の一部をビームエキスパンダ１６方向に反射する一方で、レーザ光Ｌ１の一部を分断用のレーザ光Ｌ３として分岐させ、ミラー３２方向に透過させる。ミラー３２は、レーザ光Ｌ３をビームエキスパンダ３３に入射させるよう反射する。
【００８６】
ビームエキスパンダ３３は、本発明のレーザ光の第２実施形態における分断手段の一構成例であり、平行光の態様で入射するレーザ光Ｌ３のビーム径を調整して出射する。具体的には、ビームエキスパンダ３３は、集光レンズ１９による集光と併せて、レーザ光Ｌ３の加工対象物５０における集光部Ｆ３のビーム径が所定の範囲内となるよう調整する。ビームエキスパンダ３３によるレーザ光Ｌ３のビーム径の拡大比率などは、後述する集光レンズ１９の開口度などに応じて設定される。
【００８７】
ビームエキスパンダ３３より出射されたレーザ光Ｌ３は、光路上に配置されるビーム成形用のレンズ、集光レンズ又はシリンドリカルレンズなどの用途に応じた分断用光学系３４を介して偏光ビームスプリッタ３６においてレーザ光Ｌ１と同一の光路上に合成される。偏光ビームスプリッタ３６は、レーザ光Ｌ３を透過させる一方で、ビームエキスパンダ１６より出射し、ミラー３５により光軸を調整されたレーザ光Ｌ１を反射させ、両者を同一の光路上に合成する。
【００８８】
同一の光路上を進むレーザ光Ｌ１とレーザ光Ｌ３とは、集光レンズ１９において加工対象物５０の表面又は内部に集光され、夫々集光部Ｆ１、Ｆ３を形成する。集光部Ｆ１では、レーザ光Ｌ１のエネルギ吸収により加工対象物５０の表面又は内部において気化などによる改質領域の形成が生じる。他方、集光部Ｆ３では、レーザ光Ｌ３のエネルギ吸収により加工対象物５０の表面又は内部に形成される改質領域内が加熱され、熱膨張による応力が生じる。このとき脆化した改質領域内に集中する応力により、改質領域を起点とする加工対象物５０の分断が生じる。
【００８９】
かかる集光部Ｆ１におけるレーザ光Ｌ１の出力及びビーム径は、加工対象物５０の材質に応じて制御部１０により制御される。具体的には、レーザ光Ｌ１の出力及びビーム径、並びに集光部Ｆ１に対するステージ４０の相対移動速度は、上述した加工条件を満たすものである。
【００９０】
同様に、集光部Ｆ３におけるレーザ光Ｌ３の出力及びビーム径は、加工対象物５０の材質に応じて制御部１０による制御下にある。制御部１０は、好適に加工対象物５０の表面又は内部に応力を生じさせるために、例えば、分断用のレーザ光Ｌ３を平均出力２０Ｗ以上１００Ｗ以下の範囲に設定し、集光部Ｆ３におけるビーム径を０．５ミリメートル以上５ミリメートルの範囲に設定する。尚、本願発明者等によって行われた加工の実験により、上述の条件下において、硬質ガラス又は水晶である加工対象物５０の分断が確認されている。
【００９１】
以上、説明したようにレーザ加工装置１’は、加工用のレーザ光Ｌ１を照射することにより、加工対象物５０の表面又は内部に改質領域を形成する。また、レーザ加工装置１’は、該改質領域に対してレーザ光Ｌ１より分岐した分断用のレーザ光Ｌ３を照射することにより、改質領域内に熱膨張による応力を生じさせ改質領域を起点とする分断を行う。従って、レーザ加工装置１’は、上述したレーザ加工装置１と同様の加工精度を維持しつつ、加工対象物５０の表面又は内部に改質領域を形成する第１の加工と、脆化した該改質領域を起点として熱応力により加工対象物５０を分断する第２の加工とを行うことが可能となる。これは、加工対象物５０を加工する拠点における装置配置上、有益である。
【００９２】
例えばレーザ加工装置１’は、第１の加工と第２の加工とを同時に実施してもよく、この場合、上述の利点に加えて、加工対象物５０の分断のための一連の処理に要するタクトタイムの低減との更なる利点を有する。
【００９３】
尚、第１の加工と第２の加工とは相異なるタイミングにおいて実施されるものであってもよい。この場合レーザ加工装置１'は、加工用のレーザ光Ｌ１及び分断用のレーザ光Ｌ３の一方を加工対象物５０に照射する間、他方を照射しないよう、夫々のレーザ光の光路状にシャッタを備えていてもよい。
【００９４】
本発明は、上述した実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴うレーザ加工装置及び方法などもまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００９５】
１  レーザ加工装置、
１０  制御部、
１１  レーザ電源
１２  レーザ光源、
１３、１５  ミラー、
１４  １／２波長板、
１６  ビームエキスパンダ、
１７  ビームコンバイナ、
１８  レンズブロック、
１９  集光レンズ、
４０  ステージ、
５０  加工対象物、
Ｌ１  （加工用）レーザ光、
Ｌ２  （ガイド用）レーザ光、
Ｌ３  （分断用）レーザ光。
【図１】
2012030268.tif 000003
【図２】
2012030268.tif 000004
【図３】
2012030268.tif 000005