JP2006123004A - レーザ加工方法及びレーザ加工装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 無機物の被加工物に紫外線レーザビームをパルス照射して溝切り加工又は切断加工を行うレーザ加工方法及びレーザ加工装置であって、溝切り加工又は切断加工の加工深さが深いほど又は紫外線レーザビームの走査速度が速いほど、紫外線レーザビームのパルス幅を長く設定する。これにより、平均出力を高める場合に比べて飛躍的に加工能力を高めることができる。
【選択図】図1
Description
このレーザ加工技術において、溝切り加工等の加工能力を高めるためには、従来、同一個所にどれだけ多くのレーザビームのパルスを打ち込むかが重要とされていると共に、紫外線レーザビームの平均出力、フルエンス、ピークパワー等を高めることが有効であるとするデータが示されている。
上記従来のレーザ加工技術では、例えばシリコン基板等の半導体材料やアルミナ基板等のセラミックス材料に対して溝切り加工や切断加工を行う際に、加工能力を高めるためには平均出力やピークパワーを高める等の対応を行っているが、樹脂材料等の有機物や金属を加工する場合等に比べて加工能力を大きく向上させることが難しかった。
本発明は、前記課題を解決するために上記知見に基づいて以下の構成を採用した。すなわち、本発明のレーザ加工方法は、無機物の被加工物に紫外線レーザビームをパルス照射して溝切り加工又は切断加工を行うレーザ加工方法であって、溝切り加工又は切断加工の加工深さが深いほど又は紫外線レーザビームの走査速度が速いほど、紫外線レーザビームのパルス幅を長く設定することを特徴とする。
すなわち、これらのレーザ加工方法及びレーザ加工装置では、加工深さが深いほど又は走査速度が速いほど、紫外線レーザビームのパルス幅を長く設定することにより、平均出力を高める場合に比べて飛躍的に加工能力を高めることができる。
また、本発明のレーザ加工装置は、制御部が、紫外線レーザビームのパルス幅を15nsec以上に設定することを特徴とする。
さらに、本発明のレーザ加工装置は、制御部が、紫外線レーザビームのピークパワー密度を0.8GW/cm2以下に設定することを特徴とする。
すなわち、本発明のレーザ加工方法及びレーザ加工装置では、紫外線レーザビームのピークパワー密度を0.8GW/cm2以下に設定することにより、著しい切削能の低下を防ぐことができる。
また、本発明のレーザ加工装置は、紫外線レーザビームが、非線形光学結晶の波長変換素子内に基本波レーザビームを入射させて波長変換した高調波レーザビームであることを特徴とする。
すなわち、これらのレーザ加工方法及びレーザ加工装置では、波長変換素子による高調波レーザビームを用いるので、小型の装置で高エネルギーの短波長レーザを安定して照射することができる。
また、本発明のレーザ加工装置は、紫外線レーザビームが、固体レーザで発生させたものであり、その波長が、400nm以下であることを特徴とする。
また、本発明のレーザ加工装置は、非線形光学結晶に、少なくともLi2B4O7を使用していることを特徴とする。
すなわち、本発明に係るレーザ加工方法及びレーザ加工装置によれば、半導体材料やセラミックス材料に対する溝切り加工や切断加工において、加工深さが深いほど又は走査速度が速いほど、紫外線レーザビームのパルス幅を長く設定することにより、平均出力を高める場合に比べて飛躍的に加工能力を高めることができる。したがって、これらの材料でも、高い加工能力により、深い加工を効率的に行うことができると共に、レーザビームの走査速度を高めることが可能になって、加工生産性を大幅に向上させることができる。
前記第1の波長変換素子6は、LBO(LiB3O5)結晶(非線形光学結晶)であり、前記第2の波長変換素子7は、LB4(Li2B4O7:四ホウ酸リチウム単結晶)結晶(非線形光学結晶)である。
前記移動機構4は、ステッピングモータ等を備え被加工物2を取り付け可能なXYステージ機構であり、4倍波レーザビームλ4の移動方向と前記扁平の方向とが一致するように設定されている。
この状態で、移動機構4によって、溝切り加工するY方向に被加工物2を相対的に移動させることにより、集光された4倍波レーザビームλ4がその扁平方向(Y方向)に一致した溝切り加工の方向(Y方向)に移動してY方向においても溝切り加工が行われる。
さらに、前記制御部Cは、4倍波レーザビームλ4のパルス幅を、15nsec以上とすると共に4倍波レーザビームλ4のピークパワー密度を、0.8GW/cm2以下とするようにレーザヘッド部1、光学系3及び移動機構4のそれぞれを制御する。
なお、このとき、パルス幅は、十分な加工能力の向上を得るために、15nsec以上に設定することが好ましい。
また、本実施形態では、第1の波長変換素子6及び第2の波長変換素子7による4倍波レーザビームλ4(波長266nm)を用いるので、小型の装置で400nm以下の高エネルギー短波長レーザを安定して照射することができる。
この実施例では、表1に示すように、走査速度を20、50、100mm/sと変えることにより溝深さを変えて加工を行った。
加工条件としては、パルス幅、周波数及び平均出力をそれぞれ、40nsec、30kHz及び1Wとした実施例(1)と、55nsec、40kHz及び1Wとした実施例(2)と、を調べた。なお、従来の加工条件として、パルス幅、周波数及び平均出力をそれぞれ、10nsec、30kHz及び3Wとした比較例についても調べた。これらの結果を、表1及ぶ図2に示す。なお、トレース回数はいずれも2回に設定している。
次に、一定の溝深さ(本実施例では50μm)を達成できるレーザビームの走査速度を、総Dose量(パルスエネルギー×パルス重なり度)とパルス幅とに対して調べた結果を、図3に示す。
この図3からわかるように、パルス幅が長いほど走査速度が早くなっていることがわかる。すなわち、パルス幅が長いほど、加工時間を短くすることができ、生産コストを下げることが可能になることがわかる。
なお、加工仕上がり(加工溝断面形状、溶融急冷凝固層厚、デブリ等)を考慮すると、パルス幅を長く設定する方が有利である。特に、加工速度を考慮すると、60nsec以上の長いパルス幅、50kHz以上の高繰り返し周波数及び0.6W以上の平均出力に設定することが望ましい。
また、ホスト結晶としてNd:YAG結晶を用いているが、他のホスト結晶、例えばNd:YLF等を採用しても構わない。
さらに、上記実施形態では、4倍波レーザビームλ4を用いているが、5倍波のレーザビームを採用しても同様の効果を得ることができる。
また、波長266nmの4倍波レーザビームλ4を用いているが、波長355nm等の波長400nm以下の紫外線レーザビームであれば同様の効果が得られる。
また、被加工物2としてアルミナ基板を加工したが、その他の焼結体セラミックス、シリコン及びその他の半導体基板、サファイア及びその他の酸化物単結晶基板等の無機物を被加工物としても構わない。
Claims (12)
- 無機物の被加工物に紫外線レーザビームをパルス照射して溝切り加工又は切断加工を行うレーザ加工方法であって、
前記溝切り加工又は前記切断加工の加工深さが深いほど又は前記紫外線レーザビームの走査速度が速いほど、前記紫外線レーザビームのパルス幅を長く設定することを特徴とするレーザ加工方法。 - 前記紫外線レーザビームのパルス幅を、15nsec以上とすることを特徴とする請求項1に記載のレーザ加工方法。
- 前記紫外線レーザビームのピークパワー密度を、0.8GW/cm2以下とすることを特徴とする請求項2に記載のレーザ加工方法。
- 前記紫外線レーザビームが、非線形光学結晶の波長変換素子内に基本波レーザビームを入射させて波長変換した高調波レーザビームであ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方法。
- 前記紫外線レーザビームが、固体レーザで発生させたものであり、その波長が、400nm以下であることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
- 前記非線形光学結晶に、少なくともLi2B4O7を使用していることを特徴とする請求項5に記載のレーザ加工方法。
- 無機物の被加工物に紫外線レーザビームをパルス照射して溝切り加工又は切断加工を行うレーザ加工装置であって、
前記紫外線レーザビームを出力するレーザ光源部と、前記紫外線レーザビームを集光して前記被加工物に照射する光学系と、前記紫外線レーザビームを相対的に移動させて前記被加工物への照射位置を移動させる移動機構と、前記レーザ光源部、前記光学系及び前記移動機構のそれぞれを制御する制御部と、を備え、
前記制御部が、前記溝切り加工又は前記切断加工の加工深さが深いほど又は前記紫外線レーザビームの走査速度が速いほど、前記紫外線レーザビームのパルス幅を長く設定することを特徴とするレーザ加工装置。 - 前記制御部が、前記紫外線レーザビームのパルス幅を15nsec以上に設定することを特徴とする請求項7に記載のレーザ加工装置。
- 前記制御部が、前記紫外線レーザビームのピークパワー密度を0.8GW/cm2以下に設定することを特徴とする請求項8に記載のレーザ加工装置。
- 前記紫外線レーザビームが、非線形光学結晶の波長変換素子内に基本波レーザビームを入射させて波長変換した高調波レーザビームであることを特徴とする請求項7から9のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
- 前記紫外線レーザビームが、固体レーザで発生させたものであり、その波長が、400nm以下であることを特徴とする請求項7から10のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
- 前記非線形光学結晶に、Li2B4O7を使用していることを特徴とする請求項11に記載のレーザ加工装置。
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