JP2016030288A - レーザ加工方法、および、板ガラスブランクスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】単結晶サファイアなどで構成された高硬度の被加工物を効率良く加工することができる方法を提供する。
【解決手段】レーザ加工に用いるレーザ光２を透過する被加工物１を、レーザ光２によって加工するレーザ加工方法であって、被加工物１に向けて照射したレーザ光２をその光軸方向Ｚにおいて被加工物１の下面６に収束させることにより、レーザ光２の焦点位置Ｆｐで多光子吸収を生じさせて被加工物１の材料を蒸発させるとともに、レーザ光２の光軸方向Ｚにおいて被加工物１の下面６から上面５に向かって焦点位置Ｆｐを移動させることにより、被加工物１に貫通部７を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光を用いて被加工物を加工するレーザ加工方法、および、板ガラスブランクスの製造方法に関する。

一般に、スマートフォンなどの携帯型電子機器のカバーガラスには化学強化ガラスが使用されている。ただし近年においては、スマートフォンなどのカバーガラスに単結晶サファイアガラス（以下、単に「サファイアガラス」という。）が採用されるようになってきている。その理由は、サファイアガラスは、カバーガラスに要求される耐熱性や耐食性、光透過性に優れるほか、化学強化ガラスよりも高い耐摩耗性を有するからである。ただし、サファイアガラスは、ダイヤモンドに次ぐ硬度を有するため、加工が非常に難しいという難点がある。

従来、単結晶サファイアはＧａＮ（窒化ガリウム）系のＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）の素子成長基板やＳＯＳ（Silicon on Sapphire）半導体素子成長基板に多く用いられている。これらの基板製造は以下のような方法で行っている。

成長結晶（以下、「Boule（ブール）」という）から基板（以下、Wafer「ウェーハ」という）を切り出す工程を説明する。
まず、成長初期の欠陥の集合体や不純分析出など単結晶として品質の劣るブールの上端と下端を除去する。これをクロッピング（Cropping）と呼ぶ。
次に、ブールから所定の径と長さの円柱形状（以下、「Ingot（インゴット）」という）を切り出す。円周先端部にダイアモンドチップを接合したカップ型の円筒ドリル（以下、「コアドリル」という）を高速回転させてくり抜く。この工程をコアリングと呼ぶ。くり抜く方向と角度は円筒端面がウェーハの主面方位となるようにする。

続いて、インゴット外周部の一部または複数の帯状領域をインゴット軸に平行に平面研削する。これはインゴット端面の法線に直交する一意の結晶軸を示すオリエンテーションフラットと呼ばれ、切断時に切断方向を選定するのに必要である。
次に、マルチワイヤソーを用いてインゴットをスライスすることにより、一つのインゴットから複数のウェーハを得る。マルチワイヤソーに関しては、ワイヤと材料の相対的位置は絶えず変化するから、ワイヤの切り込み方向と角度は微妙に変動するという本質的な課題がある。そのため、実際の加工では切断面からわずかに傾いたままワイヤが走行するトラッキングと呼ばれる現象が少なからず見受けられる。このような現象を低減する目的で、ワークを機械的に揺動したり（特許文献１）、ワークに超音波パルスを加えて圧縮性応力を相殺したりすることが試みられている。また、より高速の切断加工として、金属ワイヤを電極とし、ワイヤを送りながらワークとの間で放電するワイヤ放電が検討されている（特許文献２）。

特開２０１１−２４０４４９号公報 特開２０１４−８５９２号公報

しかしながら上述した従来の方法では、マルチワイヤソーを用いたスライス工程に長い時間がかかっている。

具体的には、マルチワイヤソーを用いてインゴットをスライスするには、ワイヤ線径を大きくして高張力かつ高速度でワイヤを送る事が望ましいが、線径が大きければカーフロスと呼ばれる材料の欠損が大きくなる。通常は芯線の径が１８０μｍ、ダイヤモンドの微粒子層を７０μｍ固着した線径２５０μｍのワイヤを使用することが一般的である。この場合、切断速度は単結晶サファイアの場合、４インチで１０時間、６インチで１５時間を要し、炭化ケイ素の場合だと４インチで２０時間、６インチで４０時間を要する。さらに、ダイヤモンド固着層は切断によって脱落するから、高い切断精度を維持するには１回の切断ごとにワイヤを交換する必要がある。それほど高い切断精度を要しない場合でも３〜５回の切断毎にワイヤ交換が必要となる。このため、ワイヤ交換にともなう工程時間のロス、ワイヤの費用が別途必要になる。

本発明の主な目的は、単結晶サファイアなどで構成された高硬度の被加工物を効率良く加工することができる技術を提供することにある。

本発明の第１の態様は、
レーザ加工に用いるレーザ光を透過する被加工物を前記レーザ光によって加工するレーザ加工方法であって、
前記被加工物に向けて照射したレーザ光を該レーザ光の光軸方向において前記被加工物の一方の主表面に収束させることにより、前記レーザ光の焦点位置で多光子吸収を生じさせて前記被加工物の材料を蒸発させるとともに、前記レーザ光の光軸方向において前記被加工物の一方の主表面から他方の主表面に向かって前記焦点位置を移動させる
ことを特徴とするレーザ加工方法である。

本発明の第２の態様は、
前記レーザ光を走査しながら前記レーザ光の焦点位置を前記被加工物の一方の主表面から他方の主表面に向かって移動させる
ことを特徴とする上記第１の態様に記載のレーザ加工方法である。

本発明の第３の態様は、
前記被加工物の一方の主表面は、前記被加工物に向けて前記レーザ光を照射した際に、前記レーザ光の出射側に位置する主表面である
ことを特徴とする上記第２の態様に記載のレーザ加工方法である。

本発明の第４の態様は、
前記被加工物は円柱形をなし、
前記被加工物の中心軸を中心に前記被加工物を回転させるとともに、該回転中の前記被加工物に対して前記被加工物の中心軸と直交する方向から前記レーザ光を照射し、かつ、前記レーザ光の光軸方向において前記被加工物の一方の主表面から他方の主表面に向かって前記焦点位置を移動させる
ことを特徴とする上記第１〜第３の態様のいずれか一つに記載のレーザ加工方法である。

本発明の第５の態様は、
前記被加工物の主表面である外周面に前記レーザ光が入射したときの光学的な効果と逆の効果を果たす補正レンズを通して前記被加工物に前記レーザ光を照射する
ことを特徴とする上記第４の態様に記載のレーザ加工方法である。

本発明の第６の態様は、
前記被加工物は、単結晶サファイアまたは炭化珪素によって構成されている
ことを特徴とする上記第１〜第５の態様のいずれか一つに記載のレーザ加工方法である。

本発明の第７の態様は、
電子機器の表示面を覆うカバーガラス用の板ガラスブランクスの製造方法であって、
単結晶サファイアからなるブールの上端および下端を切除する第１工程と、
前記ブールからインゴットを切り出す第２工程と、
前記インゴットをスライスして前記板ガラスブランクスを得る第３工程と、を有し、
前記第２工程においては、レーザ加工によって前記インゴットを切り出し、
前記レーザ加工においては、前記ブールに向けて照射したレーザ光を前記ブールの上端または下端の主表面に収束させることにより、前記レーザ光の焦点位置で多光子吸収を生じさせて前記ブールの材料を蒸発させるとともに、前記レーザ光を走査しながら前記焦点位置を前記ブールの高さ方向に移動させる
ことを特徴とする板ガラスブランクスの製造方法である。

本発明の第８の態様は、
電子機器の表示面を覆うカバーガラス用の板ガラスブランクスの製造方法であって、
単結晶サファイアからなるブールの上端および下端を切除する第１工程と、
前記ブールからインゴットを切り出す第２工程と、
前記インゴットをスライスして前記板ガラスブランクスを得る第３工程と、を有し、
前記第３工程においては、レーザ加工によって前記インゴットをスライスし、
前記レーザ加工においては、前記インゴットの中心軸を中心に前記インゴットを回転させ、該回転中の前記インゴットに対して前記インゴットの中心軸と直交する方向から照射したレーザ光を前記インゴットの主表面に収束させることにより、前記レーザ光の焦点位置で多光子吸収を生じさせて前記インゴットの材料を蒸発させるとともに、前記レーザ光の光軸方向において前記インゴットの主表面から中心軸に向かって前記焦点位置を移動させる
ことを特徴とする板ガラスブランクスの製造方法である。

本発明によれば、単結晶サファイアなどで構成された高硬度の被加工物を効率良く加工することができる。

本発明の実施の形態に係るレーザ加工方法の一例を説明する概略図である。 レーザ光の焦点位置を移動させた場合の被加工物の状態の変化を時系列に示す図である。 本発明の実施の形態に係るレーザ加工方法を利用して直方体の被加工物を切断する場合の具体例を示す図である。 本発明の実施の形態に係るレーザ加工方法を利用して直方体の被加工物を切断する場合の手順を説明する図である。 本発明の実施の形態に係るレーザ加工方法を利用して円柱形の被加工物を切断する場合の具体例を示す図である。 本発明の実施の形態に係るレーザ加工方法を利用して円柱形の被加工物を切断する場合の手順を説明する図である。 本発明の実施の形態に係る板ガラスブランクスの製造方法の手順を示すフローチャートである。 クロッピング工程の内容を説明する図である。 切り出し工程の内容を説明する図である。 スライス工程の内容を説明する図である。 レーザ加工で使用するレーザ加工装置の構成例を示す概略図である。 スライス工程に適用されるレーザ加工方法を説明する図である。 インゴットの切り出し形状の他の例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。

（レーザ加工方法）
まず、本発明の実施の形態に係るレーザ加工方法について説明する。
図１は本発明の実施の形態に係るレーザ加工方法の一例を説明する概略図である。
図１においては、レーザ加工の対象となる被加工物１を直方体とし、この被加工物１をレーザ光２の照射によって加工する場合を想定している。被加工物１は、レーザ加工に用いるレーザ光２を透過する性質を有する。ここでは一例として被加工物１が単結晶サファイアによって構成されているものとする。レーザ加工に際して、レーザ光２は、集光レンズ３を通して被加工物１に照射される。このため、被加工物１に向かって照射されたレーザ光２のビーム径は、集光レンズ３の光学的な効果によって徐々に小さく絞られている。ここではレーザ光２のビーム径が最小になったところをレーザ光２の焦点位置Ｆｐとする。そして、この焦点位置Ｆｐでのレーザ光２のビーム径をスポット径という。

被加工物１の上面５および下面６は、レーザ光２の光軸Ｊ１に対してそれぞれ直角をなして配置されている。本明細書において、「レーザ光の光軸」とは、集光レンズ３から被加工物１に至り、この被加工物１を透過するまでのレーザ光２の光軸Ｊ１を意味するものとする。このため、レーザ光２の進行方向において、たとえば、集光レンズ３よりも上流側でレーザ光２がミラー等によって反射されていたとしても、レーザ光２の光軸Ｊ１は一義に決まることになる。

集光レンズ３から被加工物１に向けてレーザ光２を照射すると、このレーザ光２は、被加工物１の上面５に垂直に入射し、被加工物１の下面６から垂直に出射する。このため、被加工物１の上面５はレーザ光２の入射側に位置し、被加工物１の下面６はレーザ光２の出射側に位置することになる。また、被加工物１の上面５および下面６は、それぞれレーザ光２の光軸Ｊ１上に存在する被加工物１の主表面となる。

実際のレーザ加工では、まず、被加工物１に向けて照射したレーザ光２を、レーザ光２の光軸方向Ｚ（以下、「Ｚ方向」ともいう。）において、被加工物１の下面６に収束させる。これにより、レーザ光２の焦点位置Ｆｐが被加工物１の下面６に合う。レーザ光２の焦点位置Ｆｐでは、レーザ光２の収束によって光子密度が非常に高くなる。そして、レーザ光２のパワー密度が一定の閾値を超えると、被加工物１を構成している物質が多数個の光子を同時に吸収する多光子吸収（二光子吸収を含む）が起こる。

本発明のレーザ加工方法では、被加工物１にレーザ光２を照射したときに、被加工物１にレーザアブレーション（以下、単に「アブレーション」という。）を生じさせることができる短波長のパルスレーザを用いる。具体的には、ナノ秒レーザ、ピコ秒レーザ、フェムト秒レーザなどを用いることができる。被加工物１を構成している物質（本形態例では単結晶サファイア）がレーザ光２の焦点位置Ｆｐで多光子吸収を起こすために必要なレーザ光の条件としては、たとえば、レーザ光の波長＝１０６４ｎｍ、繰り返し周波数＝５００ｋＨｚ、パワー＝５０Ｗ、パルス幅＝１０ｐｓ、パルスエネルギー＝０．１ｍＪ、ピークパワー＝１０ＭＷ、スポット径＝３０μｍに集光したときのパワー密度＝１．４ＴＷ（テラワット）／ｃｍ^２といった条件を挙げることができる。

上述のように被加工物１の下面６にレーザ光２の焦点位置Ｆｐを合わせ、そこで多光子吸収を生じさせると、被加工物１の材料の一部がアブレーションによって蒸発する。このため、被加工物１の下面６に局所的な凹みが形成される。この凹みの大きさは、レーザ光２のスポット径によって変わる。アブレーションによって被加工物１の材料を蒸発させる場合は、蒸発させた材料を効率良く取り除くために、必要に応じて被加工部に圧縮ガスを吹き付けるとよい。被加工物１が酸化しやすい材料である場合は、不活性ガス（たとえば、窒素ガス）を吹き付けてもよい。

このようにレーザ光２の焦点位置Ｆｐで多光子吸収を生じさせて被加工物１の材料を蒸発させたら、それに続いてレーザ光２の焦点位置Ｆｐを被加工物１の下面６から上面５に向かって垂直に移動させる。具体的には、レーザ光２の光軸方向Ｚにおいて、集光レンズ３を含むレーザ光学系全体を上昇させるか、被加工物１を下降させることにより、レーザ光２の焦点位置Ｆｐを移動させる。これにより、図２（Ａ）〜（Ｄ）に時系列に示すように、被加工物１の内部がレーザ光２の焦点位置Ｆｐの移動とともに削り取られる。そして、レーザ光２の焦点位置Ｆｐが被加工物１の上面５に到達した段階で、被加工物１に貫通部７（図１を参照）が形成される。

上記のレーザ加工方法を利用すれば、被加工物１に貫通部７などを形成するだけでなく、被加工物１を切断することが可能となる。以下、２つの具体例を挙げて説明する。

（第１の具体例：被加工物が直方体の場合）
被加工物１が図３に示すような直方体の場合は、図中下向きの矢印で示すレーザ光２の光軸Ｊ１に対して、これと直交する方向（図中、左右方向）Ｘに被加工物１を往復移動させながら、上記同様にレーザ光２の焦点位置Ｆｐ（図２を参照）を被加工物の下面６から上面５に向かって移動させる。そうすると、被加工物１は以下のような手順で削り取られる。

まず、図４（Ａ）に示すように、Ｘ方向において、被加工物１の下面６の左端にレーザ光２の焦点位置Ｆｐを合わせる。このとき、被加工物１の側面でレーザ光２の一部が反射しても、焦点位置Ｆｐでアブレーションが生じるようにレーザ光の条件を設定しておく。次に、Ｘ方向の一方に被加工物１を移動させることにより、図４（Ｂ）に示すように、レーザ光２の焦点位置Ｆｐを被加工物１の右端まで移動させる。そうすると、被加工物１の下面６が焦点位置Ｆｐの移動によって直線状に削り取られる。

次に、図４（Ｃ）に示すように、レーザ光２の焦点位置Ｆｐを所定の量だけ上方に移動させる。所定の量とは、レーザスポット径を３０μｍに設定した時には、３０μｍ程度が考えられる。次に、Ｘ方向の他方に被加工物１を移動させることにより、図４（Ｄ）に示すように、レーザ光２の焦点位置Ｆｐを被加工物１の左端まで移動させる。そうすると、被加工物１の下面６が先ほどよりも深く削り取られる。
以降は、同様の動作の繰り返しによって被加工物１が徐々に深く削り取られていく。

したがって、Ｘ方向におけるレーザ光２の走査範囲を被加工物１の全幅Ｗ（図３参照）以上に設定し、この設定条件でレーザ光２をＸ方向に走査しながらレーザ光２の焦点位置Ｆｐを被加工物１の上面５まで移動させることにより、図３のハッチングで示す位置で被加工物１を切断することもできる。

（第２の具体例：被加工物が円柱形の場合）
被加工物１ａが図５に示すような円柱形の場合は、図中下向きの矢印で示すレーザ光２の光軸Ｊ１に対して、被加工物１ａの中心軸Ｊ２が直交する向きに被加工物１ａを配置する。そして、被加工物１ａにレーザ光２を照射するときは、被加工物１ａの中心軸Ｊ２と直交する方向からレーザ光２を照射する。この場合、レーザ光２の光軸Ｊ１上に存在する被加工物１ａの外周面は、被加工物１ａの主表面に相当する面となる。

レーザ加工に際しては、まず、図６（Ａ）に示すように、レーザ光２の出射側に位置する被加工物１ａの下側の外周面にレーザ光２の焦点位置Ｆｐを合わせる。また、被加工物１ａの中心軸Ｊ２を中心に被加工物１ａを回転させる。これにより、被加工物１ａの外周面が１周にわたって細い溝状に削り取られる。このとき削り取られる溝幅は、レーザ光２のスポット径によって変わる。次に、図６（Ｂ）の矢印で示すように、レーザ光２の焦点位置Ｆｐを被加工物１ａの下側の外周面（一方の主表面）から上側の外周面（他方の主表面）に向かって移動させる。そうすると、焦点位置Ｆｐの移動にしたがって被加工物１ａの外周面が中心軸Ｊ２に向かって徐々に深く削り取られていく。その後、図６（Ｃ）の矢印で示すように、レーザ光２の焦点位置Ｆｐを被加工物１の中心軸Ｊ２まで移動させると、上記図５に示すハッチング位置で被加工物１ａが完全に削り取られる。このため、レーザ光２の焦点位置Ｆｐを被加工物１ａの中心軸Ｊ２まで移動させることにより、上記図５のハッチングで示す位置で被加工物１ａを切断することができる。

なお、上記第１の具体例においては、被加工物１をＸ方向に往復移動させるとしたが、これに限らず、レーザ光学系をＸ方向に往復移動させてもよい。

また、上記各具体例においては、被加工物１，１ａに対してレーザ光２を垂直方向（上方）から照射しているが、これに限らず、レーザ光２を水平方向から照射してもよい。

また、被加工物１，１ａの材料は、単結晶サファイアの他にも、レーザ加工に用いるレーザ光２を透過するものであればよく、たとえば、炭化珪素であってもよい。

また、レーザ光２の光軸方向Ｚで焦点位置Ｆｐを移動させる場合は、上述した第１の具体例とは逆に、被加工物１の上面５に先にレーザ光２の焦点位置ＦＰを合わせ、そこから被加工物１の下面６に向かって焦点位置Ｆｐを移動させてもよい。ただし、本発明を実施するにあたっては、レーザ光２の焦点位置Ｆｐを被加工物１の下面６から上面５に向かって移動させた方が好ましい。その理由は、以下のとおりである。

まず、被加工物１の上面５にレーザ光２の焦点位置Ｆｐを合わせると、多光子吸収にともなうアブレーションによって被加工物１の上面５に局所的な凹みが形成される。また、そこからレーザ光２の焦点位置Ｆｐを被加工物１の下面６に向かって移動させると、被加工物１の内部が徐々に深く削り取られていく。この場合は、レーザ光２の進行方向の上流側に被加工物１の凹み部分が存在し、それよりも下流側にレーザ光２の焦点位置Ｆｐが存在することになる。このため、凹み部分の存在がレーザ光２の収束の仕方に光学的な影響を与えるおそれがある。

これに対して、レーザ光２の焦点位置Ｆｐを被加工物１の下面６から上面５に向かって移動させる場合は、レーザ光２の焦点位置Ｆｐよりも上流側（上方）に上記凹み部分が存在することがない。このため、凹み部分の存在がレーザ光２の収束の仕方に光学的な影響を与えるおそれがない。また、被加工物１は下面６から上面５に向かって削り取られるため、被加工部が下向きに開放された状態になる。このため、アブレーションによって蒸発させた被加工物１の材料を、重力の作用を利用してスムーズに取り除くことができる。この点は、上述した第２の具体例についても同様である。

（板ガラスブランクスの製造方法）
続いて、本発明の実施の形態に係る板ガラスブランクスの製造方法について説明する。
本発明の実施の形態においては、一例として、種々の電子機器の表示面のなかでも、特にスマートフォンに代表される携帯型電子機器の表示面を覆うためのカバーガラス用の板ガラスブランクスを製造する板ガラスブランクスの製造方法について説明する。

本実施の形態に係る板ガラスブランクスの製造方法は、カバーガラスやこれを用いたタッチパネルの原版となる板ガラスブランクスのガラス素材に、単結晶サファイアからなるサファイアガラスを用いるものである。板ガラスブランクスは、少なくとも一つのカバーガラスを平面的に並べることができる大きさに製造される。また、カバーガラスは、最終的には表面および裏面を研磨することによって仕上げられる。このため、後述するインゴットから板ガラスブランクスを切り出す場合は、最終的に得られるカバーガラスの厚み寸法によりも厚く板ガラスブランクスを切り出すことになる。

板ガラスブランクスの製造方法は、図７に示すように、クロッピング工程Ｓ１、研磨工程Ｓ２、切り出し工程Ｓ３、および、スライス工程Ｓ４を有する。

（クロッピング工程Ｓ１）
まず、図８（Ａ）に示すように単結晶サファイアからなるブール１０を結晶成長によって作製した後、図８（Ｂ）に示すようにブール１０の上端および下端を切除する。結晶成長によって得られる単結晶サファイアのブール１０には、外周部を含めて全体的に凹凸がついた柱状になっている。そこで、クロッピング工程Ｓ１では、ダイヤモンドの微粒子を先端部に固着した鋼製の外周刃または内周刃を備える加工機を用いて、ブール１０の上端および下端をそれぞれ平面（平坦）に切除する。これにより、ブール１９の上端および下端にそれぞれ平らな上端面１１および下端面１２が形成される。切除後のブール１０の上端面１１および下端面１２は、互いに平行な平面となる。

（研磨工程Ｓ２）
次に、ブール１０の少なくとも上端面１１を研磨加工する。この研磨加工は、このあとの工程で被加工物にレーザ光を照射した際に、被加工物の上端面でのレーザ光の反射を抑制し、より多くのレーザ光を被加工物の内部に透過（入射）させるために行われる。

（切り出し工程Ｓ３）
次に、図９に示すように、ブール１０から円柱形のインゴット１４を切り出す。これにより、外径Ｄが一定のインゴット１４が得られる。切り出し工程Ｓ３では、レーザ光を用いたレーザ加工によってブール１０からインゴット１４を切り出す。使用するレーザ加工装置の構成や具体的なレーザ加工方法については後述する。

（スライス工程Ｓ４）
次に、図１０に示すように、インゴット１４をスライスすることにより、円板状の板ガラスブランクス１５を切り出す。スライス工程Ｓ４では、レーザ光を用いたレーザ加工によってインゴット１０から板ガラスブランクス１５を切り出す。使用するレーザ加工装置の構成や具体的なレーザ加工方法については後述する。
以上の工程により、板ガラスブランクス１５が得られる。

（レーザ加工装置の構成）
図１１はレーザ加工で使用するレーザ加工装置の構成例を示す概略図である。
図示したレーザ加工装置２０は、レーザ発振器２１と、伝搬光学系２２と、ガルバノスキャナ２３と、集光レンズ２４と、ワーク保持機構２５と、相対位置可変機構２６と、を備えている。このうち、レーザ発振器２１、伝搬光学系２２、ガルバノスキャナ２３および集光レンズ２４は、一つのレーザ光学系２７を構成している。

レーザ発振器２１は、レーザ加工に用いる所定波長のレーザ光（レーザビーム）を出射するものである。レーザ発振器２１は、たとえば、ＹＡＧレーザなどの固定レーザを用いて構成することができる。
伝搬光学系２２は、レーザ発振器２１から出射されたレーザ光を伝搬するものである。伝搬光学系２２は、レーザ発振器２１とガルバノスキャナ２３の間に配置されている。
ガルバノスキャナ２３は、伝搬光学系２２によって伝搬されたレーザ光を複数のミラーによって反射させるとともに、各々のミラーの角度を適宜変更することにより予め決められた条件にしたがってレーザ光を走査するものである。ガルバノスキャナ２３の走査用の駆動軸は、二軸構成または三軸構成になっている。
集光レンズ２４は、ガルバノスキャナ２３によって走査されるレーザ光を集光するものである。

ワーク保持機構２５は、被加工物となるブール１０を保持するものである。
相対位置可変機構２６は、ワーク保持機構２５に保持されたブール１０とレーザ光学系２７との相対位置をＺ方向（上下方向）で変更するものである。

（切り出し工程でのレーザ加工）
続いて、切り出し工程Ｓ３に適用されるレーザ加工方法について説明する。切り出し工程Ｓ３においては、上記構成のレーザ加工装置２０を用いる。

まず、被加工物となるブール１０をワーク保持機構２５により保持する。このとき、集光レンズ２４を通して照射されるレーザ光２８の光軸に対してブール１０の中心軸Ｊ３が平行となるように、ワーク保持機構２５によってブール１０を保持する。これにより、ワーク保持機構２５では、ブール１０の上端面１１が集光レンズ２４に対向する状態で、ブール１０が垂直姿勢に保持される。また、ブール１０の上端面１１は上向き、ブール１０の下端面１２は下向きに配置される。

次に、レーザ発振器２１から所定波長のレーザ光を出射する。このレーザ光は、伝搬光学系２２およびガルバノスキャナ２３を経由して集光レンズ２４に達し、さらにこの集光レンズ２４を通してブール１０に照射される。このとき、レーザ加工装置２０の初期設定条件として、集光レンズ２４で集光させたレーザ光２８が、このレーザ光２０の光軸上においてブール１０の下端面１２よりも下方で収束するように、ブール１０とレーザ光学系２７との相対位置を相対位置可変機構２６により設定しておく。この初期設定条件のもとでは、ブール１０から外れたところにレーザ光の焦点位置が存在する。

次に、上記初期設定条件のもとでガルバノスキャナ２３により図中二点鎖線の矢印で示すようにレーザ光２８を円形に走査する。レーザ光を走査するときの円の直径は、ブール１０から切り出すインゴット１４の外径Ｄ（図９を参照）にあわせて設定する。そして、ガルバノスキャナ２３によりレーザ光２８を円形に走査しながら、相対位置可変機構２６によりブール１０を集光レンズ２４から遠ざかる方向、つまり下方に移動させる。これにより、集光レンズ２４で集光させたレーザ光２８をブール１０の移動の途中でブール１０の下端面１２に収束させる。そうすると、ブール１０の下端面１２にレーザ光２８の焦点位置（不図示）が合う。レーザ光２８の焦点位置では、レーザ光２８の収束によって光子密度が非常に高くなる。そして、レーザ光のパワー密度が一定の閾値を超えると、多光子吸収（二光子吸収を含む）が起こる。

上述のようにレーザ光の焦点位置となるブール１０の下端面１２で多光子吸収が起こると、ブール１０の材料（原子、分子等）がアブレーションによって蒸発する。このため、ガルバノスキャナ２３でレーザ光２８を円形に走査すると、ブール１０の下端面１２がアブレーションによって円形（リング形）に削り取られる。また、ガルバノスキャナ２３でレーザ光２８を円形に走査しながら、相対位置可変機構２６でレーザ光２８の焦点位置をブール１０の下端面１２から上端面１１に向かって徐々に移動させると、レーザ光の焦点位置の移動にしたがってブール１０が深く削り取られていく。そして、レーザ光２８の焦点位置がブール１０の上端面１１に到達したところで、ブール１０からインゴット１４（図９を参照）が切り離される。このため、ブール１０から円柱形のインゴット１４を切り出すことができる。このとき、インゴット１４を取り出した後のブール１０は、内部が円柱形にくり抜かれた状態になる。

なお、上記の形態例では、ガルバノスキャナ２３を用いてレーザ光２８を円形に走査することとしたが、本発明はこれに限らない。たとえば図示はしないが、レーザ光学系に回転ヘッド機構を設け、この回転ヘッド機構の駆動によってレーザ光を円形に走査する構成としてもよい。また、ブールを保持するワーク保持機構に回転機構を設け、この回転機構の駆動によってブールを回転させることによりレーザ光を円形に走査する構成としてもよい。

（スライス工程でのレーザ加工）
次に、スライス工程Ｓ４に適用されるレーザ加工方法について、図１２を用いて説明する。図１２（Ａ）はレーザ加工中のインゴットを該インゴットの中心軸方向から見た図であり、図１２（Ｂ）は（Ａ）のＥ矢視図である。
図示したレーザ加工方法においては、上記構成のレーザ加工装置２０とは異なるレーザ加工装置を用いている。具体的には、スライス工程Ｓ４ではレーザ加工中にレーザ光を走査する必要がないため、レーザ光学系の構成としてはガルバノスキャナを備えていなくてもよい。つまり、レーザ光学系としては、レーザ発振器、伝搬光学系、集光レンズを備えていればよい。また、レーザ光学系は、集光レンズ３１に加えて補正レンズ３２を備えていることが望ましい。その理由は後述する。

一方、ワーク保持機構（不図示）は、被加工物となる円柱形のインゴット１４を保持するものであるが、この場合はインゴット１４を水平に保持するものとする。また、相対位置可変機構（不図示）は、インゴット１４をθ方向（またはそれと反対方向）に回転させる回転機構と、インゴット１４をＺ方向に移動させる移動機構（以下、「垂直移動機構」という。）と、インゴット１４をＹ方向に移動させる移動機構（以下、「水平移動機構」という。）と、を備えるものとする。このうち、回転機構は、インゴット１４の中心軸Ｊ４を中心にインゴット１４を回転させるものである。また、垂直移動機構は、集光レンズ３１からインゴット１４に向けて照射されるレーザ光３３の光軸と平行な方向（Ｚ方向）にインゴット１４を移動させるものであり、水平移動機構は、インゴット１４の中心軸Ｊ４と平行な方向（Ｙ方向）にインゴット１４を移動させるものである。

補正レンズ３２は、インゴット１４の外周面にレーザ光３３が入射したときの光学的な効果と逆の効果を果たすレンズである。インゴット１４の外周面は、インゴット１４の中心軸方向から見ると、レーザ光３３に対して凸面となる。このため、インゴット１４の外周面にレーザ光３３を照射（入射）すると、レーザ光３３の一部が上記凸面の影響を受ける。そこで本実施の形態では、インゴット１４の凸面（外周面）の光学的な効果を弱める（打ち消す）ために、該凸面と凹凸関係が逆の凹面を有する補正レンズ３２を付加している。インゴット１４の凸面と補正レンズ３２の凹面とは、インゴット１４の中心軸方向から見たときの曲率が互いに等しいことが望ましい。この補正レンズ３２を付加することにより、被加工物１の外周面（凸面）の影響を低減することができる。

実際にレーザ加工によってインゴット１４をスライスする場合は、インゴット１４をワーク保持機構により保持する。このとき、集光レンズ３２を通して照射されるレーザ光３３の光軸に対してインゴット１４の中心軸Ｊ４が直交するように、インゴット１４を水平に支持する。この状態では、レーザ光３３の光軸Ｊ１上にインゴット１４の中心軸Ｊ４が位置する。

次に、レーザ発振器（不図示）から所定波長のレーザ光を出射する。このレーザ光は、伝搬光学系（不図示）から集光レンズ３１および補正レンズ３２を通してインゴット１４に照射される。このとき、レーザ加工装置の初期設定条件として、集光レンズ３１で集光させたレーザ光３３がＺ方向においてインゴット１４の下側の外周面よりも少し下方で収束するように、インゴット１４とレーザ光学系との相対位置を垂直移動機構により設定しておく。また、Ｙ方向においては、インゴット１４の一方の端面を基準にして、板ガラスブランクスの厚み寸法に応じた量だけインゴット１４の他方の端面側にずれた位置をスライス位置に設定し、このスライス位置にレーザ光３３の光軸Ｊ１の位置を合わせる。この初期設定条件の下では、インゴット１４から外れたところにレーザ光３３の焦点位置（不図示）が存在する。

次に、上記初期設定条件の下でインゴット１４をθ方向に回転させるとともに、該回転中のインゴット１４に対してレーザ光３３の焦点位置Ｆｐを相対的に上方に移動させる。焦点位置Ｆｐの移動は、垂直移動機構によってインゴット１４を下降させることにより行う。これにより、上記図１２に示すように、集光レンズ３１で集光させたレーザ光３３をインゴット１４の下側の外周面に収束させる。そうすると、インゴット１４の下側の外周面にレーザ光３３の焦点位置Ｆｐが合う。これにより、レーザ光３３の焦点位置Ｆｐとなるインゴット１４の下側の外周面で多光子吸収が起こり、インゴット１４の材料がアブレーションによって蒸発する。また、インゴット１４の回転により、インゴット１４の外周面は一周にわたって細い溝状に削り取られる。さらにその状態からレーザ光３３の焦点位置Ｆｐを相対的に上方に移動させていくと、それにしたがってインゴット１４の外周面が中心軸Ｊ４に向かって徐々に深く削り取られていく。

その後、インゴット１４の下降によってレーザ光の焦点位置Ｆｐがインゴット１４の中心軸Ｊ４の高さに到達すると、インゴット１４の一部（板ガラスブランクスとなる部分）がスライス位置で切り離される。このため、インゴット１４から１枚の板ガラスブランクス１５（図１０を参照）を切り出すことができる。なお、スライス工程Ｓ４に適用されるレーザ加工方法は、基本的に上記図５および図６を用いて説明した方法と同様である。

こうしてインゴット１４から１枚の板ガラスブランクス１５を切り出したら、２枚目の板ガラスブランクス１５を切り出すために、Ｙ方向において板ガラスブランクスの厚み寸法に応じた量だけインゴット１４を水平移動機構により移動させる。そして、インゴット１４とレーザ光学系との相対位置を初期設定条件に戻して上記同様の動作を行う。これによりインゴット１４から再び板ガラスブランクス１５を切り出すことができる。以降は、上記同様の動作を繰り返すことにより、一つのインゴット１４から複数枚の板ガラスブランクス１５が得られる。

ここで、インゴット１４をスライスして板ガラスブランク１５を得る場合、従来の方法を用いたときと本発明の方法を用いたときの加工時間の違いについて記述する。
まず、マルチワイヤソーを用いる従来の方法では、先述したように０．０８〜０．２７ｍｍ／ｍｉｎの加工速度となるため、インゴットの外径が４インチであるとすると、１回のスライス加工に１０時間ほどかかり、６インチになると１５時間ほどかかる。これに対して、本発明の実施の形態に係る方法によれば、使用するレーザのパワーにもよるが、たとえば１００Ｗのパワーのレーザを使用した場合は２００ｍｍ／秒以上の加工速度が得られる。このため、インゴットの外径を４インチとすると、１回のスライス加工が２時間以下となり、６インチであっても３時間以下で済む。したがって、スライス工程の加工時間を大幅に短縮することが可能となる。また、従来の方法ではワイヤの交換が必要であるが、本発明の実施の形態に係る方法では、それが不要になる。このため、板ガラスブランクスやこれを用いたカバーガラスの製造コストを大幅に低減することが可能となる。

なお、上記レーザ加工を用いたスライス工程Ｓ４では、インゴット１４に照射されたレーザ光が、インゴット１４の外周面に形成される細溝部分を通してインゴット１４の内部に入射することになる。ただし、その細溝部分の溝幅（たとえば、３０μｍ以下）は、インゴット１４の上側の外周面に入射するレーザ光のビーム径（たとえば、３０００μｍ以上）に比して十分に小さい寸法となるため、インゴット１４の外周面に存在する細溝部分がレーザ加工に与える影響は相対的に小さくなる。

また、上記レーザ加工を用いた切り出し工程Ｓ３では、ガルバノスキャナ２３によりレーザ光２８を円形に走査することにより、ブール１０から円柱形のインゴット１４を切り出すようにしたが、本発明はこれに限らず、ガルバノスキャナ２３によりレーザ光２８を任意の形状に走査することにより、当該走査形状を断面形状とする柱状のインゴットを切り出すことができる。具体例として、ガルバノスキャナ２３によりレーザ光２８を長方形（正方形を含む）に走査した場合は、ブール１０から図１３に示すような角柱状（直方体に近い形状で４角のコーナ部は角Ｒを有する）のインゴット１４ａを切り出すことができる。さらにその場合、長方形の角でレーザ光２をラウンド形状に走査することにより、図例のように柱の角に丸みをつけた角柱状のインゴット１４ａを切り出すことができる。また、この角柱状のインゴット１４ａを上記のレーザ加工方法を用いてスライスすることにより、４つの角に丸みをつけた長方形の板ガラスブランクスを得ることもできる。

１，１ａ…被加工物
２…レーザ光
３…集光レンズ
５…上面
６…下面
１０…ブール
１１…上端面
１２…下端面
１４…インゴット
１５…板ガラスブランクス

Claims (8)

1. レーザ加工に用いるレーザ光を透過する被加工物を前記レーザ光によって加工するレーザ加工方法であって、
   前記被加工物に向けて照射したレーザ光を該レーザ光の光軸方向において前記被加工物の一方の主表面に収束させることにより、前記レーザ光の焦点位置で多光子吸収を生じさせて前記被加工物の材料を蒸発させるとともに、前記レーザ光の光軸方向において前記被加工物の一方の主表面から他方の主表面に向かって前記焦点位置を移動させる
   ことを特徴とするレーザ加工方法。
2. 前記レーザ光を走査しながら前記レーザ光の焦点位置を前記被加工物の一方の主表面から他方の主表面に向かって移動させる
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. 前記被加工物の一方の主表面は、前記被加工物に向けて前記レーザ光を照射した際に、前記レーザ光の出射側に位置する主表面である
   ことを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工方法。
4. 前記被加工物は円柱形をなし、
   前記被加工物の中心軸を中心に前記被加工物を回転させるとともに、該回転中の前記被加工物に対して前記被加工物の中心軸と直交する方向から前記レーザ光を照射し、かつ、前記レーザ光の光軸方向において前記被加工物の一方の主表面から他方の主表面に向かって前記焦点位置を移動させる
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のレーザ加工方法。
5. 前記被加工物の主表面である外周面に前記レーザ光が入射したときの光学的な効果と逆の効果を果たす補正レンズを通して前記被加工物に前記レーザ光を照射する
   ことを特徴とする請求項４に記載のレーザ加工方法。
6. 前記被加工物は、単結晶サファイアまたは炭化珪素によって構成されている
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のレーザ加工方法。
7. 電子機器の表示面を覆うカバーガラス用の板ガラスブランクスの製造方法であって、
   単結晶サファイアからなるブールの上端および下端を切除する第１工程と、
   前記ブールからインゴットを切り出す第２工程と、
   前記インゴットをスライスして前記板ガラスブランクスを得る第３工程と、を有し、
   前記第２工程においては、レーザ加工によって前記インゴットを切り出し、
   前記レーザ加工においては、前記ブールに向けて照射したレーザ光を前記ブールの上端または下端の主表面に収束させることにより、前記レーザ光の焦点位置で多光子吸収を生じさせて前記ブールの材料を蒸発させるとともに、前記レーザ光を走査しながら前記焦点位置を前記ブールの高さ方向に移動させる
   ことを特徴とする板ガラスブランクスの製造方法。
8. 電子機器の表示面を覆うカバーガラス用の板ガラスブランクスの製造方法であって、
   単結晶サファイアからなるブールの上端および下端を切除する第１工程と、
   前記ブールからインゴットを切り出す第２工程と、
   前記インゴットをスライスして前記板ガラスブランクスを得る第３工程と、を有し、
   前記第３工程においては、レーザ加工によって前記インゴットをスライスし、
   前記レーザ加工においては、前記インゴットの中心軸を中心に前記インゴットを回転させ、該回転中の前記インゴットに対して前記インゴットの中心軸と直交する方向から照射したレーザ光を前記インゴットの主表面に収束させることにより、前記レーザ光の焦点位置で多光子吸収を生じさせて前記インゴットの材料を蒸発させるとともに、前記レーザ光の光軸方向において前記インゴットの主表面から中心軸に向かって前記焦点位置を移動させる
   ことを特徴とする板ガラスブランクスの製造方法。

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