JP6161188B2 - レーザ加工装置、レーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス等の基板に貫穴加工を施すためのレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関するものである。

近年、スマートフォンに代表される携帯情報端末の表示画面には厚さ１ｍｍ以下のガラス基板が用いられおり、そのガラス基板には各種ボタンやマイクなどの機能に対応する穴加工が施されている。前述したガラス基板のような薄厚脆性材料の穴加工においては、加工中のクラック発生による歩留まり低下が問題になる。特に、前述した携帯情報端末画面におけるホームボタン穴のように直径１０ｍｍ程度の比較的大きな穴を貫加工する場合には、ダイヤモンドを刃先としたガラスカッターを用いて表面に円形の加工傷を付与し、更に円形加工傷の内側に格子状などの加工傷を付けてその上に打撃を与え、徐々に開口部を拡げることで円形の貫穴を形成することが行われている。これによると、人為的な打撃の付与が加工の精度に大きく影響することになり、ある程度はクラック発生による歩留まり低下が避けられないのが現状である。

これに対して、ガラス等の脆性材料に対するレーザ加工技術が各種提案されている。下記特許文献１には、ＹＡＧレーザを用いたレーザ加工でガラスに微細な貫通穴を形成することが記載されている。また、下記特許文献２には、レーザ光を、丸穴の輪郭線を基準とした内側で輪郭線に沿って多重に走査することで、薄厚のガラス基板に丸貫穴を形成することが記載されている。

特開２０００−６１６６７号公報 特開２００９−２６９０５７号公報

ガラス等の脆性材料基板にレーザ光を照射して貫穴加工を施すレーザ加工において、穴径が１ｍｍ以下の微細穴の場合には、ＹＡＧレーザの照射エネルギーを所定の閾値以上に設定し、焦点位置を被加工基板厚さの中間位置或いは中間位置から下方にすることで微細な貫穴の形成が可能になる（特許文献１参照）。しかしながら、穴径が１０ｍｍ程度の比較的大きい径の穴を貫加工する場合は、特許文献２に記載されるようにレーザ光を穴の輪郭線に沿って走査することが必要になり、ガルバノミラー等の高価な走査手段を要することになるので、装置コストが高くなり、また、加工処理時間が長くなる問題があった。

本発明は、このような問題に対処することを課題の一例とするものである。すなわち、ガラス等の脆性材料基板に比較的大きい穴を貫加工するに際して、クラック発生による歩留まり低下を解消すること、装置コストの低減を図り、加工処理時間の短縮化を可能にすること、等が本発明の目的である。

このような目的を達成するために、本発明によるレーザ加工装置及びレーザ加工方法は、以下の構成を少なくとも具備するものである。

基板上にレーザ光を照射して当該基板に貫穴加工を施すレーザ加工装置であって、レーザ光をリング状に集光してその集光位置を前記基板の厚さ範囲内に照射する集光レンズと、前記集光位置を前記基板の厚さ方向にシフトしながら前記基板の平面方向にシフトする集光位置シフト手段を備え、前記集光レンズは、環状シリンドリカルレンズであり、ビームエキスパンダで拡径されたレーザ光をリング状に集光することを特徴とするレーザ加工装置。

基板上にレーザ光を照射して当該基板に貫穴加工を施すレーザ加工方法であって、ビームエキスパンダで拡径されたレーザ光を環状シリンドリカルレンズでリング状に集光してその集光位置を前記基板の厚さ範囲内に照射し、前記集光位置を前記基板の厚さ方向にシフトしながら前記基板の平面方向にシフトさせる過程で、リング状の前記集光位置の中心が円運動するように前記集光位置をシフトさせることを特徴とするレーザ加工方法。

このような特徴を有する本発明によると、リング状に集光されたレーザ光の集光位置を基板の厚さ範囲内で３次元的にシフトさせることで、リング状の集光位置に沿った全周で同時進行的にレーザ加工痕を厚さ方向及び径方向に拡大することができる。これによって、高価なレーザ走査手段を用いること無く、簡易な装置構成で速やかに基板の貫穴加工を完了させることができる。

また、リング状に形成されるレーザ加工痕は位置をずらしながら徐々に拡大されることになるので、加工変質層に繰り返しレーザ光が照射されてレーザ光が散乱するエネルギーロスを最小限に抑えることができ、効率的な貫穴加工を行うことができる。

本発明の実施形態に用いられる集光レンズの形態例を示した説明図である。 本発明の実施形態においてレーザ光の集光位置をシフトする動作形態を示した説明図である。 本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の形態例を示した説明図である。 本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の具体例を示した説明図である。 本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の具体例を示した説明図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係るレーザ加工装置及びレーザ加工方法を説明する。図１は、本発明の実施形態に用いられる集光レンズの形態例を示した説明図である（図１（ａ）は集光レンズの断面形状とレーザ光の集光状態を示した図であり、図１（ｂ）はリング状に集光されたレーザ光のビーム形状を平面視した図である）。集光レンズ１は、レーザ光Ｌをリング状に集光してその集光位置Ｆｓを基板Ｇの厚さ範囲内に照射するものである。集光レンズ１は、基本的にはシリンドリカルレンズを環状にしたものであり、所定ビーム径に成形された円形断面レーザ光Ｌを有効口径内に入射することで、図１（ｂ）に示すようなリング状の集光状態Ｌａを得ることができる。

本発明の実施形態に係るレーザ加工装置及びレーザ加工方法は、後述する各種の形態によって構成される集光位置シフト手段を備えている。集光位置シフト手段は、集光レンズ１によってレーザ光Ｌをリング状に集光した集光位置Ｆｓを基板Ｇの厚さ方向及び基板Ｇの平面方向にシフトするものである。これによって、レーザ光Ｌの集光位置Ｆｓは基板Ｇの厚さ範囲内で３次元的に位置が変更されることになる。

図２は、本発明の実施形態においてレーザ光の集光位置をシフトする動作を示した説明図である。図２（ａ）が平面視した動きを示しており、図２（ｂ）が基板の厚さ方向の動きを示している。図２（ａ）に示すように、レーザ光Ｌの集光位置Ｆｓ（Ｆｓ₁，Ｆｓ₂，Ｆｓ₃，Ｆｓ₄，Ｆｓ₅，Ｆｓ₆，Ｆｓ₇，Ｆｓ₈）は、その中心（Ｏ₁，Ｏ₂，Ｏ₃，Ｏ₄，Ｏ₅，Ｏ₆，Ｏ₇，Ｏ₈）が円運動をするように平面的にシフトする。焦点位置Ｆｓの中心の移動軌跡は図示の例では真円になっているが、これに限らず楕円や変形した円軌跡であってもよく、ここでいう円運動とは移動軌跡が円に近いものであればよい。

ここで、集光位置Ｆｓの中心の移動軌跡が直径Ｗの円であるとすると、リング状の集光位置Ｆｓの全周で幅Ｗの範囲にレーザ加工痕が形成されることになり、また、集光位置Ｆｓの厚さ方向のシフトによって、図２（ｂ）に示すように基板Ｇの厚さ方向に深さの異なるレーザ加工痕が形成されることになる。

このように、本発明の実施形態に係るレーザ加工方法では、レーザ光Ｌをリング状に集光してその集光位置Ｆｓを基板Ｇの厚さ方向及び基板Ｇの平面方向にシフトさせる過程で、リング状の集光位置Ｆｓの中心が円運動するように集光位置Ｆｓをシフトさせる。これによると、リング状に集光されたレーザ光の集光位置Ｆｓを基板Ｇの厚さ範囲内で３次元的にシフトさせることで、リング状の集光位置Ｆｓに沿った全周で同時進行的にレーザ加工痕を３次元方向に拡大することができ、速やかに基板Ｇの貫穴加工を完了させることができる。この際、リング状に形成されるレーザ加工痕は位置をずらしながら徐々に拡大させることができるので、加工変質層に繰り返しレーザ光が照射されてレーザ光が散乱するエネルギーロスを最小限に抑えることができ、効率的な貫穴加工を行うことができる。形成される貫穴の直径φは、約２Ｒ＋Ｗ（Ｒはリング状集光位置Ｆｓの半径）になる。

図３は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の形態例を示した説明図である。レーザ加工装置１０は、前述した集光レンズ１と集光レンズ１の集光位置Ｆｓを基板Ｇの厚さ方向及び基板Ｇの平面方向にシフトする集光位置シフト手段２を備えている。また、レーザ加工装置１０は、レーザ光Ｌを出射するレーザ光源３、レーザ光Ｌを集光レンズ１に導く光学系（ビームエキスパンダ４やミラー５など）を備えている。

集光位置シフト手段２の一つの形態としては、基板Ｇを移動させる基板移動手段２０を備える。基板移動手段２０は、基板Ｇをその厚さ方向（Ｚ軸方向）に上下動させる手段、基板Ｇを水平軸（Ｘ軸又はＹ軸）回り揺動させる手段、基板Ｇを垂直軸（Ｚ軸）回りに回転させる手段を個別又は組み合わせて備えている。また、基板移動手段２０は、基板Ｇをその表面と垂直な軸（Ｚ軸）に対して傾斜した回転軸回りに回転させる手段を有するものであってもよい。

集光位置シフト手段２の他の形態としては、集光レンズ１を移動させる集光レンズ移動手段２１を備える。集光レンズ移動手段２１は、集光レンズ１を水平軸（Ｘ軸又はＹ軸）回りに揺動させる手段、集光レンズ１をレーザ光Ｌの光軸と傾斜した回転軸回りに回転させる手段などを個別又は組み合わせて備えている。

集光位置シフト手段２の他の形態としては、レーザ光Ｌを集光レンズ１に導く光学系の光学要素（例えば、ミラー５又はビームエキスパンダ４）を移動させる光学要素移動手段２２を備えている。光学要素移動手段２２は、例えば、レーザ光Ｌを集光レンズ１に導くミラー５の角度を揺動する手段、ミラー５をミラー５の反射面に垂直な軸と傾斜した回転軸回りに回転する手段、ビームエキスパンダ４をＹ軸回りに揺動させる手段などを個別又は組み合わせて備えている。

図４及び図５は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の具体例を示した説明図である。図４に示したレーザ加工装置１０は、図４（ａ）に示すように、レーザ光源３、レーザ光源３から出射したレーザ光Ｌのビーム径を拡大するビームエキスパンダ４、ミラー５、集光レンズ１を備えており、集光レンズ１によってリング状に集光したレーザ光Ｌを基板Ｇに照射している。この実施形態では、集光位置シフト手段２として、ビームエキスパンダ４を回転軸ａの回りに回転する光学要素移動手段２２Ａを備えている。

この光学要素移動手段２２Ａは、図４（ｂ）に示すように、ビームエキスパンダ４の中心４０から外れた位置に回転軸ａが設けられており、この回転軸ａとレーザ光Ｌの光軸が一致している。光学要素移動手段２２Ａによってビームエキスパンダ４を回転させると、レーザ光Ｌを中心４０から偏芯した位置に照射して、レーザ光Ｌの光軸を中心４０の回りに円運動させるのと同等の作用が得られる。これによって、ビームエキスパンダ４から出射して集光レンズ１に入射するレーザ光Ｌの角度を変えることができ、集光レンズ１の集光位置Ｆｓを基板Ｇの厚さ方向及び基板Ｇの平面方向にシフトさせることができる。基板Ｇの厚さによっては基板Ｇを厚さ方向に移動させる基板移動手段２（２０）を合わせて設けてもよい。

図５に示したレーザ加工装置１０は、レーザ光源３、レーザ光源３から出射したレーザ光Ｌのビーム径を拡大するビームエキスパンダ４、イメージローテータ（ダブプリズム）６、ミラー５、集光レンズ１を備えており、集光レンズ１によってリング状に集光したレーザ光Ｌを基板Ｇに照射している。この実施形態では、集光位置シフト手段２として、イメージローテータ（ダブプリズム）６を回転軸ａ１の回りに回転する光学要素移動手段２２Ｂを備えている。

この光学要素移動手段２２Ｂは、レーザ光Ｌの光軸に対して傾斜配置されたイメージローテータ６を光軸と平行な回転軸ａ１の回りに回転させるものである。これによって、イメージローテータ６から出射して集光レンズ１に入射するレーザ光Ｌの角度を変えることができ、集光レンズ１の集光位置Ｆｓを基板Ｇの厚さ方向及び基板Ｇの平面方向にシフトさせることができる。基板Ｇの厚さによっては基板Ｇを厚さ方向に移動させる基板移動手段２（２０）を合わせて設けてもよい。

以上説明した本発明の実施形態に係るレーザ加工装置及びレーザ加工方法によると、ガラスカッターを用いた従来技術と比較して加工中のクラック発生を大きく抑制することができ、作業者の能力とは無関係に高い加工精度と歩留まりを実現することができる。また、レーザ光を走査する従来技術と比較しても、ガルバノミラー等の高価な走査手段を用いること無く、基板Ｇや集光レンズ１或いは光学要素を移動する集光位置シフト手段２によって比較的簡易且つ低コストの装置構成を実現できる。

また、リング状に形成されるレーザ加工痕を、位置をずらしながら徐々に拡大させるので、加工変質層に繰り返しレーザ光が照射されてレーザ光が散乱するエネルギーロスを少なくすることができ、効率的な貫穴加工によって加工処理時間の短縮化が可能になる。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。また、上述の各実施の形態は、その目的及び構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの技術を流用して組み合わせることが可能である。

１：集光レンズ，２：集光位置シフト手段，
２０：基板移動手段，２１：集光レンズ移動手段，
２２，２２Ａ，２２Ｂ：光学要素移動手段，
３：レーザ光源，４：ビームエキスパンダ，５：ミラー，
６：イメージローテータ（ダブプリズム），
Ｇ：基板，Ｌ：レーザ光，Ｆｓ（Ｆｓ₁〜Ｆｓ₈）：集光位置

Claims (6)

1. 基板上にレーザ光を照射して当該基板に貫穴加工を施すレーザ加工装置であって、
   レーザ光をリング状に集光してその集光位置を前記基板の厚さ範囲内に照射する集光レンズと、
   前記集光位置を前記基板の厚さ方向にシフトしながら前記基板の平面方向にシフトする集光位置シフト手段を備え、
   前記集光レンズは、環状シリンドリカルレンズであり、ビームエキスパンダで拡径されたレーザ光をリング状に集光することを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記集光位置シフト手段は、リング状の前記集光位置の中心が円運動をするように前記集光位置をシフトさせることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
3. 前記集光位置シフト手段は、前記基板を移動させる基板移動手段を備え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。
4. 前記集光位置シフト手段は、前記集光レンズを水平軸回りに揺動させる集光レンズ移動手段を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ加工装置。
5. レーザ光を出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射されるレーザ光を前記集光レンズに導く光学系を備え、
   前記集光位置シフト手段は、前記光学系における光学要素を移動させる光学要素移動手段を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ加工装置。
6. 基板上にレーザ光を照射して当該基板に貫穴加工を施すレーザ加工方法であって、
   ビームエキスパンダで拡径されたレーザ光を環状シリンドリカルレンズでリング状に集光してその集光位置を前記基板の厚さ範囲内に照射し、
   前記集光位置を前記基板の厚さ方向にシフトしながら前記基板の平面方向にシフトさせる過程で、
   リング状の前記集光位置の中心が円運動するように前記集光位置をシフトさせることを特徴とするレーザ加工方法。
   

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