CN102271857B - 激光加工装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光加工装置。柱面透镜(4)使激光(L1)在Y轴方向(即YZ平面内)上发散，在X轴方向(即ZX平面内)上不发散且不收束。而且，物镜(5)使从柱面透镜(4)射出的激光(L1)在Y轴方向上收束在点P1，在X轴方向上收束在点P2。进一步，一对刀缘(13)在Y轴方向上调节入射至物镜(5)的激光(L1)的发散角θ。由此，激光(L1)的剖面形状，在点P2成为在Y轴方向上延伸的长条形状，Y轴方向的最大长度被调节。因此，通过使点P2位于加工对象物(S)的表面，可以将在Y轴方向上延伸所期望的长度的长条形状的加工区域形成于加工对象物(S)的表面。

Description

激光加工装置
技术区域
本发明涉及激光加工装置。
背景技术
作为现有的激光加工装置，已知有以聚光点上的激光的强度超过加工阈值，并且聚光点上的剖面形状成为椭圆形状等的长条形状的方式，将激光照射在加工对象物的装置(例如参照专利文献1、2)。
专利文献
专利文献1：日本特表平10-506087号公报
专利文献2：日本特开2007-75886号公报
发明内容
发明所要解决的课题
上述那样的激光加工装置，因为对于加工对象物可以以沿一个方向延伸的方式形成加工区域，所以非常有效，期待进一步的技术开发。
本发明是有鉴于上述的课题而完成的发明，其目的在于，提供一种可以将加工区域形成为所期望的形状的激光加工装置。
解决课题的技术手段
为了达成上述目的，本发明所涉及的激光加工装置，其特征在于，具备：激光光源，射出激光；支撑台，支撑加工对象物；第1光学***，具有使平行光在与光轴垂直的规定的方向上发散或收束的功能，使从激光光源射出的激光在规定的方向上发散或收束；第2光学***，具有使平行光收束在光轴上的一点的功能，使从第1光学***射出的激光在与光轴垂直的第1方向上收束在第1点，使从第1光学***射出的激光在与光轴和第1方向垂直的第2方向上收束在第2点；调节机构，至少在第1方向上调节入射至第2光学***的激光的发散角或收束角；以及移动机构，以至少第2点位于加工对象物的外表面或内部的方式，使支撑台相对于第2光学***沿着光轴相对地移动。
在该激光加工装置中，激光的剖面形状在第1点成为在第2方向上延伸的长条形状，在第2点成为在第1方向上延伸的长条形状，但是，入射至第2光学***的激光的发散角或收束角至少在第1方向上被调节，从而至少在第2点调节激光的剖面形状的第1方向的长度。因此，通过移动机构，至少使第2点位于加工对象物的外表面或内部，从而在加工对象物的外表面或内部，在第2点所位于的部分，能够形成在第1方向上延伸所期望的长度的长条形状的加工区域。因此，根据该激光加工装置，可以将加工区域形成为所期望的形状。
另外，优选，移动机构在加工对象物对激光具有吸收性的情况下，以第2点位于加工对象物的外表面的方式，使支撑台相对于第2光学***沿着光轴相对地移动。在此情况下，在加工对象物的外表面的第2点所位于的部分可以可靠地形成加工区域。或者，优选，移动机构在加工对象物对激光具有透过性的情况下，以第1点位于加工对象物的外部且第2点位于加工对象物的外表面或内部的方式，使支撑台相对于第2光学***沿着光轴相对地移动。在此情况下，可以在加工对象物的外表面或内部的第2点所位于的部分可靠地形成加工区域。
另外，优选，移动机构使支撑台相对于第2光学***在第1方向上相对地移动。在此情况下，因为加工区域成为在第1方向上延伸的长条形状，所以可以沿着与第1方向平行的加工线在加工对象物的外表面或内部效率良好地形成加工区域。或者，优选，移动机构使支撑台相对于第2光学***在第2方向上相对地移动。在此情况下，因为加工区域成为在第1方向上延伸的长条形状，所以可以沿着与第1方向垂直的加工线在加工对象物的外表面或内部形成宽度宽的加工区域。
另外，在第1光学***和第2光学***之间的光轴上，配置有反射激光的光学构件，光学构件优选为使用于观察加工对象物的观察光透过。根据该构成，不会受到第1光学***的影响，经由具有使平行光收束在光轴上的一点的功能的第2光学***，可以观察加工对象物。
另外，调节机构优选为在第1光学***和第2光学***之间的光路上，使第1方向的间隔可变，使激光的第1方向的间隔变化的狭缝，或者，调节机构优选为在激光光源和第1光学***之间的光路上，使激光的第1方向的间隔变化的光学***。
发明的效果
根据本发明，可以将加工区域形成为所期望的形状。
附图说明
图1为本发明所涉及的激光加工装置的一个实施方式的结构图。
图2为显示图1的激光加工装置中的激光的光路的图。
图3为显示图1的激光加工装置中的激光的光路的图。
图4为显示图1的激光加工装置中的激光的光路的图。
图5为显示通过图1的激光加工装置形成加工区域的加工对象物的图。
图6为显示通过本发明所涉及的激光加工装置的实施例形成裂纹区域的加工对象物的照片的图。
图7为显示本发明所涉及的激光加工装置的其它的实施方式中的激光的光路的图。
图8为显示本发明所涉及的激光加工装置的其它的实施方式中的激光的光路的图。
符号的说明
1…激光加工装置、2…激光振荡器(激光光源)、3…支撑台、4…柱面透镜(第1光学***)、5…物镜(第2光学***)、7…XYZ平台(移动机构)、11…分色镜(光学构件)、13…刀缘(调节机构)、14…压缩透镜***(调节机构)。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的优选的实施方式进行详细的说明。还有，在各图中，对于相同或相当部分标注相同符号，省略重复的说明。
图1是本发明所涉及的激光加工装置的一个实施方式的结构图。如图1所示，激光加工装置1具备：将激光L1射出的激光振荡器(激光光源)2、支撑对激光L1具有吸收性的加工对象物S的支撑台3、具有通过圆柱凹面使平行光在与光轴垂直的规定的方向上发散的功能的柱面透镜(第1光学***)4、具有使平行光收束在光轴上的一点的功能的物镜(第2光学***)5、调节入射至物镜5的激光L1的发散角的一对刀缘(调节机构)13、使柱面透镜4沿着其光轴移动的移动机构6、以及使支撑台3沿着物镜5的光轴移动的XYZ平台(移动机构)7。XYZ平台7使支撑台3不仅在物镜5的光轴方向即Z轴方向上，而且在与Z轴方向垂直的X轴方向以及与Z轴方向和X轴方向垂直的Y轴方向上移动。
激光加工装置1还具备：投射用于观察加工对象物S的观察光L2的照明部8、以及接收由加工对象物S反射的观察光L2的反射光并取得加工对象物S的像的摄像部9。由此，可以观察加工对象物S的表面、内部或背面。
在激光加工装置1中，从激光振荡器2射出的激光L1，在柱面透镜4的光轴上行进之后，被分色镜(光学构件)11反射，由刀缘13调节发散角，在物镜5的光轴上行进，并照射于支撑台3上的加工对象物S。另一方面，由照明部8投射的观察光L2，被分色镜12反射之后，透过分色镜11，在物镜5的光轴上行进并照射于支撑台3上的加工对象物S。而且，被加工对象物S反射的观察光L2的反射光，在物镜5的光轴上行进，透过分色镜11、12，而由摄像部9受光。
还有，在激光加工装置1中，激光振荡器2、柱面透镜4、物镜5、移动机构6、照明部8、摄像部9、分色镜11以及分色镜12被配置于框体内，从而构成激光照射装置10。另外，在激光加工装置1中，设置有控制激光振荡器2、移动机构6、照明部8、摄像部9以及XYZ平台7等的装置整体的控制部20。控制部20为了使柱面透镜4相对于物镜5沿着光轴相对地移动而控制移动机构6，或者，为了使支撑台3(即加工对象物S)相对于物镜5沿着光轴相对地移动而控制XYZ平台7。物镜5与支撑台3的距离(即物镜5与加工对象物S的距离)的调节也可以以使支撑台3在Z轴方向(光轴方向)上移动的方式进行控制，也可以以使物镜5或者包含物镜5的激光照射装置10在Z轴方向上移动的方式进行控制，也可以以使该两者移动的方式进行控制。进一步，控制部20控制激光振荡器2和照明部8，或者，基于由摄像部9取得的图像使XYZ平台7动作而控制相对于加工对象物S的激光L1的焦点位置。
图2～4是显示图1的激光加工装置中的激光的光路的图。还有，在图2～4中，为了方便说明，省略分色镜11的图示。另外，在图3中，一并图示假定激光L1透过加工对象物S的情况下的激光L1的光路(图中的双点划线)以及此时的加工对象物S(图中的双点划线)。如图2～4所示，柱面透镜4，使从激光振荡器2射出的激光L1，在Y轴方向(规定的方向)(即YZ平面内)上发散，在X轴方向(即ZX平面内)上不发散且不收束。而且，物镜5，使从柱面透镜4射出的激光L1，在Y轴方向(第1方向)(即YZ平面内)上收束于第1点P1，在X轴方向(第2方向)(即ZX平面内)上收束于第2点P2。由此，激光L1的剖面形状，在点P1成为在X轴方向上延伸的长条形状，在点P2成为在Y轴方向上延伸的长条形状。
进一步，一对刀缘(狭缝)13相对于物镜5的光轴从其两侧沿着Y轴方向自由进退，由此，一对刀缘13、13之间的狭缝间隔被调节。即，刀缘13在Y轴方向上调节入射至物镜5的激光L1的发散角θ。即，通过调节狭缝间隔而使激光的Y轴方向的宽度可变。换言之，刀缘13在Y轴方向上调节入射至物镜5的激光L1的数值孔径(NA)。
在此，如图3所示，使柱面透镜4的焦点距离为A，发散点距离(柱面透镜4的焦点和物镜5的主点之间的距离)为B，物镜5的焦点距离为C，加工对象物S的折射率为n，加工对象物S的厚度为d，此时，YZ平面内的聚光点距离(物镜5的主点和第1点P1的距离)Z1以及ZX平面内的聚光点距离(物镜5的主点和第2点P2的距离)Z2，分别由下述式(1)以及(2)表示。
Z1＝(G-H)+d+(nH-d)/n…(1)
Z2＝(C-E)+nE…(2)
还有，在式(1)以及(2)中，G＝1/((1/C)-(1/B))，H是n＝1的情况下的加工对象物S的表面和聚光点(YZ平面内的激光L1的聚光点)的距离，E是n＝1的情况下的加工对象物S的表面和聚光点(ZX平面内的激光L1的聚光点)的距离。在加工对象物S的上侧(即加工对象物S和物镜5之间)和加工对象物的下侧的空气中，n＝1。
另外，在将入射至物镜5的激光L1的数值孔径(NA)作为J(＝n·sinθ)时，第2点P2上的激光L1的剖面形状的Y轴方向的最大长度W由下述式(3)表示。
W＝2CG·sin-1J/(C+G)…(3)
从上述的式(1)以及(2)可知，YZ平面内的聚光点距离Z1依赖于发散点距离B，ZX平面内的聚光点距离Z2不依赖于发散点距离B。即，如果通过移动机构6使柱面透镜4沿着光轴进退，那么ZX平面内的聚光点距离Z2不变化，YZ平面内的聚光点距离Z1进而非点距离Za(＝Z1-Z2)发生变化。
另外，如上所述，激光L1的剖面形状，在第1点P1成为在X轴方向上延伸的长条形状，在第2点P2成为在Y轴方向上延伸的长条形状，但是，从上述的式(3)可知，如果入射至物镜5的激光L1的发散角θ通过刀缘13被调节，那么在点P2激光L1的剖面形状的Y轴方向的最大长度W被调节。
接着，说明上述的激光加工装置1的动作的一个例子。图5是显示通过图1的激光加工装置形成加工区域的加工对象物的图。还有，如图5所示，该一个例子是沿着作为玻璃基板的加工对象物S的加工线PL，照射作为脉冲波的激光L1，将作为加工区域的槽GR形成于加工对象物S的表面的例子。
首先，以第2点P2位于加工对象物S的表面的方式，通过XYZ平台7使支撑台3在Z轴方向上移动。另外，入射至物镜5的激光L1的发散角θ通过刀缘13被调节，在第2点P2激光L1的剖面形状的Y轴方向的最大长度W被调节。还有，通过柱面透镜4的移动，可以调节相对于加工对象物S的第1点P1的位置，但是，在此，加工对象物S对激光L1具有吸收性，因为在点P2所位于的加工对象物S的表面激光L1被吸收，所以可以不调节相对于加工对象物S的第1点P1的位置。
接着，以位于加工对象物S的表面的第2点P2上的激光L1的峰值功率密度超过加工阈值(例如可以产生剥离(ablation)的阈值)的方式，从激光振荡器2将激光L1射出，并且通过XYZ平台7使支撑台3在Y轴方向上移动，沿着加工线PL照射激光L1。由此，在加工对象物S的表面，在点P2所位于的部分，在每照射1脉冲的激光L1时形成有1个裂纹区域CR，通过使多个裂纹区域CR连续，从而在加工对象物S的表面沿着加工线PL形成槽GR。此时，各裂纹区域CR的形状，因为激光L1的剖面形状在点P2为在Y轴方向上延伸的长条形状，所以在从相对于加工对象物S的激光L1的入射方向观察的情况下，成为沿着加工线PL延伸的长条形状。而且，因为入射至物镜5的激光L1的发散角θ通过刀缘13被调节，在点P2激光L1的剖面形状的Y轴方向的最大长度W被调节，所以在发散角θ大的情况下，沿着加工线PL的裂纹区域CR的最大长度变长(参照图5(a))，在发散角θ小的情况下，沿着加工线PL的裂纹区域CR的最大长度变短(参照图5(b))。
如以上所说明的那样，在激光加工装置1中，激光L1的剖面形状在第1点P1成为在X轴方向上延伸的长条形状，在第2点P2成为在Y轴方向上延伸的长条形状，但是，入射至物镜5的激光L1的发散角θ通过刀缘13被调节，在点P2激光L1的剖面形状的Y轴方向的最大长度被调节。因此，通过XYZ平台7，使点P2位于加工对象物S的表面，从而在加工对象物S的表面的点P2所位于的部分，可以形成在Y轴方向上延伸所期望的长度的长条形状的加工区域。因此，根据激光加工装置1，可以将加工区域形成为所期望的形状。
另外，在激光加工装置1中，XYZ平台7使支撑台3相对于物镜5在Y轴方向上移动。在此情况下，因为加工区域成为在Y轴方向上延伸的长条形状，所以可以沿着与Y轴方向平行的加工线PL在加工对象物S的内部效率良好地形成加工区域。还有，如果XYZ平台7使支撑台3相对于物镜5在X轴方向上移动，那么因为加工区域成为在Y轴方向上延伸的长条形状，所以可以沿着与X轴方向平行的加工线PL在加工对象物S的内部形成宽度宽的加工区域。
另外，在激光加工装置1中，在柱面透镜4和物镜5之间的光轴上，配置有将激光L1反射并且使观察光L2透过的分色镜11。由此，不会受到柱面透镜4的影响，可以经由具有使平行光收束在光轴上的一点的功能的物镜5，观察加工对象物S的表面、内部或背面。
接着，说明本发明所涉及的激光加工装置的实施例。图6是显示通过本发明所涉及的激光加工装置的实施例形成裂纹区域的加工对象物的照片的图。还有，在图6中，(a)是刀缘之间的狭缝间隔为3.96mm时形成于加工对象物的表面的裂纹区域的照片，(b)是刀缘之间的狭缝间隔为2.88mm时形成于加工对象物的表面的裂纹区域的照片，(c)是刀缘之间的狭缝间隔为0.72mm时形成于加工对象物的表面的裂纹区域的照片。
该实施例中的加工条件如下所述。
(A)加工对象物：Pyrex(注册商标)玻璃(厚度700μm)
(B)激光
光源：Yb：KGW超短脉冲激光
波长：1030nm
振荡形态：模式同步/再生放大
反复频率：3kHz
脉冲宽度：3ps
射出激光能量：100μJ/脉冲
射出激光品质：TEM00
偏振光特性：直线偏振光
(C)物镜
数值孔径(NA)：0.55
相对于激光的透过率：70％
(D)照射条件
第2点P2上的激光的剖面形状：100μm(Y轴方向的最大长度)×5μm(X轴方向的最大长度)
第2点P2上的激光的剖面积：5×10-6cm2
第2点P2上的激光的峰值功率密度：5.1×1012W/cm2
(E)相对于物镜的支撑台的移动速度：300mm/s
如图6(a)～(c)所示，在刀缘之间的狭缝间隔大且发散角θ大的情况下，沿着加工线PL的裂纹区域CR的最大长度变长，在刀缘之间的狭缝间隔小且发散角θ小的情况下，沿着加工线PL的裂纹区域CR的最大长度变短。
本发明并不限定于上述的实施方式。
例如，在加工对象物S对激光L1具有透过性的情况下，如图7所示，也可以通过移动机构6以及XYZ平台7，使第1点P1位于加工对象物S的外部，使第2点P2位于加工对象物S的外表面(例如表面和背面)或内部，将激光L1照射在加工对象物S。
此时，在加工对象物S的内部，如果以沿着与Y轴方向平行的加工线PL的方式，形成成为切断的起点的裂纹区域CR，那么可以将加工对象物S沿着加工线PL精度良好地切断。进而，因为裂纹区域CR成为沿着加工线PL延伸的长条形状，所以能够使沿着加工线PL切断的加工对象物S的切断面平滑。
另外，取代相对于物镜5的光轴从其两侧沿着Y轴方向自由进退的一对刀缘13，或者与这样的刀缘13一起，而可以应用相对于物镜5的光轴从其两侧沿着X轴方向自由进退的一对刀缘，也可以应用具有剖面圆形等的光通过孔的光圈构件。
另外，如图8所示，可以取代刀缘13而应用在激光振荡器2以及柱面透镜4之间的光轴上，在Y轴方向上压缩激光L1的直径的压缩透镜***(调节机构)14。通过使用压缩透镜***14在Y轴方向上使激光L1的直径变化，从而能够调节入射至物镜5的激光L1的发散角θ，并能够调节在第2点P2激光L1的剖面形状的Y轴方向的最大长度。
另外，也可以应用以下方式：取代移动机构6而使物镜5移动或与移动机构6一起使物镜5移动，或者，使柱面透镜4以及物镜5的两者移动等；使柱面透镜4相对于物镜5沿着光轴相对地移动。同样地，也可以应用以下方式：取代XYZ平台7而使物镜5(或者包含物镜5的激光照射装置10)移动或与XYZ平台7一起使物镜5(或者包含物镜5的激光照射装置10)移动，或者，使支撑台3以及物镜5(或者包含物镜5的激光照射装置10)的两者移动等；使支撑台3相对于物镜5沿着光轴相对地移动。
另外，如果具有使平行光在与光轴垂直的规定的方向上发散或收束的功能，那么也可以取代柱面透镜4而应用由多个透镜所构成的光学***等的其它的光学***。同样地，如果具有使平行光收束在光轴上的一点的功能，那么也可以取代物镜5而应用由多个透镜所构成的光学***等的其它的光学***。还有，在应用具有通过圆柱凸面使平行光在与光轴垂直的规定的方向上收束的功能的柱面透镜等的光学***，使收束光入射于物镜5的情况下，也可以调节入射至物镜5的激光L1的收束角。
另外，裂纹区域的用途并不限定于成为切断的起点。作为其它的用途，具有多个裂纹区域连续地构成的光导波路、微流路、微TAS(TotalAnalysis Systems)等。
进一步，加工区域并不限定于裂纹区域。加工区域除了裂纹区域、绝缘破坏区域(例如加工对象物由玻璃或LiTaO3等的压电材料所构成的情况)以外，也有熔融处理区域(例如加工对象物由硅等的半导体材料所构成的情况)、折射率变化区域(例如加工对象物由玻璃所构成的情况)等，也有这些区域混合存在的区域。
产业上的利用可能性
能够提供一种可以将加工区域形成为所期望的形状的激光加工装置。

Claims (8)

1.一种激光加工装置，其特征在于，
具备：
激光光源，射出激光；
支撑台，支撑加工对象物；
第1光学***，具有使平行光在与光轴垂直的规定的方向上发散或收束的功能，使从所述激光光源射出的所述激光在所述规定的方向上发散或收束；
第2光学***，具有使平行光收束在光轴上的一点的功能，使从所述第1光学***射出的所述激光在与光轴垂直的第1方向上收束在第1点，使从所述第1光学***射出的所述激光在与光轴以及所述第1方向垂直的第2方向上收束在第2点；
调节机构，至少在第1方向上调节入射至所述第2光学***的所述激光的发散角或收束角；以及
移动机构，以至少所述第2点位于所述加工对象物的外表面或内部的方式，使所述支撑台相对于所述第2光学***沿着光轴相对地移动，
所述激光的剖面形状在第1点成为在第2方向上延伸的长条形状，在第2点成为在第1方向上延伸的长条形状。
2.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，
所述移动机构在所述加工对象物对所述激光具有吸收性的情况下，以所述第2点位于所述加工对象物的外表面的方式，使所述支撑台相对于所述第2光学***沿着光轴相对地移动。
3.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，
所述移动机构在所述加工对象物对所述激光具有透过性的情况下，以所述第1点位于所述加工对象物的外部且所述第2点位于所述加工对象物的外表面或内部的方式，使所述支撑台相对于所述第2光学***沿着光轴相对地移动。
4.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，
所述移动机构使所述支撑台相对于所述第2光学***在所述第1方向上相对地移动。
5.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，
所述移动机构使所述支撑台相对于所述第2光学***在所述第2方向上相对地移动。
6.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，
在所述第1光学***和所述第2光学***之间的光轴上，配置有反射所述激光的光学构件，
所述光学构件使用于观察所述加工对象物的观察光透过。
7.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，
所述调节机构是狭缝，所述狭缝在所述第1光学***和所述第2光学***之间的光路上，使所述第1方向的间隔可变，使所述激光的所述第1方向的间隔变化。
8.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，
所述调节机构是光学***，所述光学***在所述激光光源和所述第1光学***之间的光路上，使所述激光的所述第1方向的间隔变化。
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