JP2019013958A - Co laser-based chamfering processing method for brittle material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ＣＯレーザによる脆性材料の整形、特にそのエッジラインの加工技術に関する。 The present invention relates to shaping of a brittle material by a CO laser, and particularly to a technique for processing the edge line thereof.
特許文献１においては、脆性材料の一つであるガラス基板のエッジから１０［μｍ］以上１５０［μｍ］以下の離れた位置に、表面から裏面に向けて垂直にレーザ光を集光し、エッジラインに沿ってガラス基板を走査することで、エッジ部分の面取りをする技術が開示されている。そして、そのレーザ光の波長として２．７［μｍ］以上５．５［μｍ］以下の中赤外光のレーザを用いる旨の記載があり、上限の５．５［μｍ］はＣＯレーザの発振波長の一つである。しかし、具体的には波長が２．８［μｍ］のＥｒファイバレーザを用いた実施例について記載があるものの、その加工速度は３［ｍｍ／ｓ］と極めて遅い。さらに、他の波長については、面取りが可能との推察にとどまり産業上実用的なプロセスウィンドーについての開示はない。なお、ガラス基板へのレーザ光の入射角度については、単純な垂直入射による手法にとどまり、垂直以外の角度を付ける等のパラメータの増加については未検討である。 In Patent Document 1, laser light is focused vertically from the front surface to the back surface at a position that is 10 [μm] or more and 150 [μm] or less away from the edge of a glass substrate that is one of brittle materials. A technique for chamfering an edge portion by scanning a glass substrate along a line is disclosed. There is a description that a laser with a mid-infrared light of 2.7 [μm] to 5.5 [μm] is used as the wavelength of the laser light, and the upper limit of 5.5 [μm] is the oscillation of the CO laser. One of the wavelengths. However, although an example using an Er fiber laser having a wavelength of 2.8 [μm] is described, the processing speed is as extremely low as 3 [mm / s]. Furthermore, for other wavelengths, there is no disclosure of industrially practical process windows, only the assumption that chamfering is possible. In addition, about the incident angle of the laser beam to a glass substrate, it is only the method by simple perpendicular incidence, and the increase of parameters, such as attaching angles other than perpendicular | vertical, has not been examined.
特許文献２においては、脆性材料からなる基板の内部に向けて斜めに入射したレーザ光の吸収領域によって基板内部に温度分布を形成し、この温度分布により基板内部に生じた熱応力分布を利用して基板の端面に沿ってクラックを進展させることで、チッピングやマイクロクラックを抑えた面取り加工を実現する技術が開示されている。しかし、そこではＣＯレーザ及びＣＯ２レーザを、脆性材料基板に対する吸収率が０．９５を超えることを理由に、明示的にその開示技術から除外し、適用するレーザ光の好適波長を２［μｍ］〜５［μｍ］としている。 In Patent Document 2, a temperature distribution is formed inside the substrate by an absorption region of laser light incident obliquely toward the inside of the substrate made of a brittle material, and the thermal stress distribution generated inside the substrate by this temperature distribution is used. Thus, a technique for realizing chamfering processing that suppresses chipping and microcracks by advancing cracks along the end face of the substrate is disclosed. However, in this case, the CO laser and the CO 2 laser are explicitly excluded from the disclosed technology because the absorptivity with respect to the brittle material substrate exceeds 0.95, and the preferred wavelength of the laser beam to be applied is 2 [μm. ] To 5 [μm].
特許文献３は、透明材料内にレーザによる連続的なフィラメントを形成するシステム及びその方法を提供するものであり、本発明が着目するＣＯレーザを用いた面取り加工方法については、その具体的な記述がない。 Patent Document 3 provides a system and method for forming a continuous filament by a laser in a transparent material, and a specific description of a chamfering method using a CO laser to which the present invention is focused. There is no.
上述のほか、脆性材料からなる基板のエッジラインをレーザ照射による加熱で溶融させ、再凝固させることで、角部を除去するのではなく曲率を付ける方法がある。しかし、レーザ光に関する各種パラメータや冷却用ガスに関するパラメータ、その他最適なパラメータの組み合わせが複雑であり、且つ、結果としての加工精度とその再現性が悪い。このことは、すなわち、製品の歩留まりを悪化させる要因となっている。 In addition to the above, there is a method in which the edge line of the substrate made of a brittle material is melted by heating by laser irradiation and is re-solidified to give a curvature instead of removing the corners. However, the combination of various parameters related to laser light, parameters related to cooling gas, and other optimal parameters is complicated, and the resulting processing accuracy and reproducibility are poor. This is a factor that deteriorates the product yield.
本発明は、脆性材料からなる加工対象物の、特にエッジ部の形状に起因する割れ、欠け、ひび等を防止するためのＣＯレーザによる面取り加工において、加工品質の安定性、再現性、及び加工時間の短縮を同時に実現する加工方法及を提供することを目的とする。 The present invention relates to processing quality stability, reproducibility, and processing in a chamfering process using a CO laser for preventing cracks, chips, cracks, and the like caused by the shape of an edge portion of a workpiece made of a brittle material. It is an object to provide a processing method and a processing method that can simultaneously shorten the time.
第１の発明は、脆性材料からなる加工対象物に対し吸収特性を有する波長にて出力制御可能なレーザ光を集光し、当該集光スポットを加工対象物のエッジラインに沿って相対的に走査することにより、当該エッジラインの角部を面取り加工する方法であって、前記レーザ光の光源にＣＯレーザを用い、前記レーザ光の照射方向は、加工対象物の走査方向のｘ軸と、前記レーザ光を照射する加工対象物上の面をｘｙ平面としたときのｙ軸と、ｘｙ平面の法線方向のｚ軸と、からなる三次元極座標上の点Ｐ（ｒ，θ，φ）から当該座標の原点に向かう方向であり、前記θは、０＜θ＜π／２［ｒａｄ］の範囲内であり、前記φは概ねπ／２［ｒａｄ］である、ことを特徴とするＣＯレーザ面取り加工方法である。 According to a first aspect of the present invention, a laser beam whose output can be controlled with a wavelength having an absorption characteristic is focused on a workpiece made of a brittle material, and the focused spot is relatively aligned along the edge line of the workpiece. A method of chamfering a corner portion of the edge line by scanning, wherein a CO laser is used as a light source of the laser light, and an irradiation direction of the laser light is an x-axis in a scanning direction of the processing object, A point P (r, θ, φ) on a three-dimensional polar coordinate composed of a y-axis when the surface on the workpiece to be irradiated with the laser beam is an xy plane and a z-axis in the normal direction of the xy plane. To the origin of the coordinates, θ is in the range of 0 <θ <π / 2 [rad], and φ is approximately π / 2 [rad]. This is a laser chamfering method.
ここで、脆性材料からなる加工対象物とは、ソーダライムや無アルカリガラスに代表される一般的なガラス材のほか、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスといった特殊ガラスを含み、且つ、これらのガラス材に化学強化を施したものを含む。また、これらの基板の形状に限定はない。例として、各種表示デバイスの表示面に用いられる矩形のガラス基板、携帯電話やスマートフォンのように角部が丸味を帯びている長方形のカバーガラスの母材の基板、さらには円形平板状等のものを含む。したがって、本発明において「エッジライン」とは、曲線部分を含むものとし、この場合の加工対象物の走査方向のｘ軸とは、当該曲線部分に接する接線方向を意味するものとする。 Here, the processing object made of a brittle material includes not only general glass materials typified by soda lime and alkali-free glass, but also special glass such as alkali aluminosilicate glass. Includes reinforced ones. Moreover, there is no limitation on the shape of these substrates. Examples include rectangular glass substrates used for the display surfaces of various display devices, substrates of base materials for rectangular cover glasses with rounded corners, such as mobile phones and smartphones, and circular flat plates including. Therefore, in the present invention, the “edge line” includes a curved portion, and the x-axis in the scanning direction of the workpiece in this case means a tangential direction in contact with the curved portion.
本発明において用いるＣＯレーザの発振波長は、一般に、５．２〜５．８［μｍ］の範囲にあり、脆性材料基板はこの波長帯に対して高い吸収特性を持つ。しかし、ＣＯ２レーザの発振波長である１０．６［μｍ］と比べ約半分の波長であるがゆえに、これと比べるとわずかながらの透過特性が認められる。 The oscillation wavelength of the CO laser used in the present invention is generally in the range of 5.2 to 5.8 [μm], and the brittle material substrate has high absorption characteristics for this wavelength band. However, since the wavelength is about half that of 10.6 [μm], which is the oscillation wavelength of the CO 2 laser, a slight transmission characteristic is recognized.
レーザ光の走査方法については、一般的なレーザ加工と同様に、ガルバノミラーなどのスキャン用ミラーを用いてレーザ光を高精度で走査する方法や、加工対象物を相対的に走査する方法があるが、本発明の各実施例においては後者を用いた。 As for a laser beam scanning method, there are a method of scanning a laser beam with high accuracy using a scanning mirror such as a galvanometer mirror, and a method of relatively scanning a workpiece, as in general laser processing. However, the latter was used in each example of the present invention.
レーザ光の照射方向を、三次元極座標上の点Ｐ（ｒ，θ，φ）からその座標の原点に向かう方向（方向を定める目的でありｒは非限定。）として表す本発明において、θが０＜θ＜π／２［ｒａｄ］の範囲内にあるとは、矩形基板を例に面取り加工の様子を例示した図１のとおり、ｚ軸から基板の中心側に傾けた軸に沿ってレーザ光を照射する状態を表す。同様に、φが概ねπ／２［ｒａｄ］にあるとは、同じく図１に示すとおり、基板の走査方向（速度ｖ方向）に対しほぼ垂直にレーザ光を照射する状態をいう。なお、図中の円弧を描いている部分は、面取りされた脆性材料の一部を表す。 In the present invention, in which the laser light irradiation direction is expressed as a direction from the point P (r, θ, φ) on the three-dimensional polar coordinate toward the origin of the coordinate (for the purpose of determining the direction, r is not limited). In the range of 0 <θ <π / 2 [rad], as shown in FIG. 1 exemplifying a chamfering process taking a rectangular substrate as an example, the laser is along an axis inclined from the z axis toward the center of the substrate. Represents a state of irradiating light. Similarly, the fact that φ is approximately π / 2 [rad] means a state in which laser light is irradiated substantially perpendicularly to the substrate scanning direction (velocity v direction) as shown in FIG. In addition, the part which has drawn the circular arc in a figure represents a part of chamfered brittle material.
一方、加工対象物が円形平板基板や円柱形状であって、面取り加工を施すエッジラインがその円周の場合は、これを保持した高速回転可能な回転ステージ（Ｒ）やスピンドルモーター駆動の回転機構（以下、共に「回転ステージ」という。）により当該円周の中心を軸に加工対象物を回転させる。この場合の加工の様子を図２に示す。角部が丸味を帯びている長方形の形状を有する加工対象物の走査においては、ｘｙ軸ステージのみによるほか、角度ステージ（Ａ）等とこれらの組み合わせにより行うのが機能的である。 On the other hand, when the object to be processed is a circular flat plate substrate or a cylindrical shape and the edge line to be chamfered is the circumference, the rotary stage (R) holding this and a rotating mechanism driven by a spindle motor (Hereinafter both referred to as “rotary stage”), the workpiece is rotated about the circumference center. The state of processing in this case is shown in FIG. When scanning a workpiece having a rectangular shape with rounded corners, it is functional to use not only the xy axis stage but also the angle stage (A) or a combination thereof.
レーザ光の照射位置の最適化には、面取りに要求される仕様、すなわち面取りすべき角部の体積や面取りする面積に応じてエッジからの距離（ａ）を調整する。なお、面取りの面積を大きくする場合は、当該距離（ａ）を大きくし、合わせてレーザ光のパワーも増加させるとともに、面取りに寄与するクラックの発生と進展の安定化、さらにはマイクロクラック等の発生のないパラメータの組み合わせを模索する。 In order to optimize the irradiation position of the laser beam, the distance (a) from the edge is adjusted according to specifications required for chamfering, that is, the volume of the corner to be chamfered and the area to be chamfered. When the chamfer area is increased, the distance (a) is increased, and the power of the laser beam is also increased. At the same time, the generation and progress of cracks contributing to chamfering are further improved. Search for parameter combinations that do not occur.
第２の発明は、第１の発明において前記レーザ光がパルスレーザ光であることを特徴とするＣＯレーザ面取り加工方法である。 A second invention is a CO laser chamfering method according to the first invention, wherein the laser beam is a pulsed laser beam.
一般的にＣＯレーザの場合、そのパルス繰り返し周波数は、連続波から数１００［ｋＨｚ］と可変であり、マイクロクラック等のない面取り加工に要求されるタクトタイムによって選ぶとよい。 In general, in the case of a CO laser, the pulse repetition frequency is variable from a continuous wave to several hundreds [kHz], and may be selected according to the tact time required for chamfering without microcracks.
第３の発明は、第２の発明において前記パルスレーザ光のパルス繰り返し周波数、パルス幅及び平均出力、並びに前記ｘｙ平面上における集光スポット径の各パラメータが、前記走査の高速化を優先した上で、当該集光スポット形状の一部を、隣り合うパルスにおいて互いに重ね合わさるように組み合わされていることを特徴とするＣＯレーザ面取り加工方法である。 According to a third invention, in the second invention, each parameter of the pulse repetition frequency, the pulse width and the average output of the pulse laser beam, and the focused spot diameter on the xy plane gives priority to speeding up the scanning. In this CO laser chamfering method, a part of the focused spot shape is combined so as to overlap each other in adjacent pulses.
一例として、図３に集光スポット形状の約１／２の面積において重なり合いながら基板が速度（ｖ）にて走査されている様子を示す。 As an example, FIG. 3 shows a state in which the substrate is scanned at a speed (v) while overlapping in an area of about ½ of the focused spot shape.
より具体的には、基板の走査速度（ｖ）、ひいてはマイクロクラックの発生のない面取り加工速度の高速化を優先した上で、前記ｘｙ平面上の集光スポット形状の一部が重なるように組み合わされた各パラメータ群として、例えば次の組み合わせが想定可能である。すなわち、ｘｙ平面近傍のレーザ光軸に対し垂直な面におけるレーザ光の集光スポット径（ｄ）を１００［μｍ］、レーザパルスの繰り返し周波数を１[ｋＨｚ]とした場合は、基板の走査速度（ｖ）が、１００［ｍｍ／ｓ］未満であればｘｙ平面上の楕円集光スポット形状の短軸方向の一部が隣り合うパルス同士で互いに重なり合うこととなる。 More specifically, priority is given to increasing the scanning speed (v) of the substrate, and thus the chamfering speed without the occurrence of microcracks, and the converging spot shapes on the xy plane are partly overlapped. For example, the following combinations can be assumed as the parameter groups. That is, when the focused spot diameter (d) of the laser beam in a plane perpendicular to the laser optical axis near the xy plane is 100 [μm] and the repetition frequency of the laser pulse is 1 [kHz], the scanning speed of the substrate If (v) is less than 100 [mm / s], a part of the elliptical condensed spot shape on the xy plane in the minor axis direction overlaps each other in adjacent pulses.
なお、いくつかのパラメータの組み合わせを次表１に示す。ここで、「ＰＲＲ」はレーザ光のパルス繰り返し周波数を、「ＰＷＲ」はレーザの平均パワーを、「Ｔ」はパルス幅を、「λ」はレーザの発振波長を、「ＯＬ」はｘｙ平面上の集光スポット形状の一部が隣り合うパルス同士で互いに重なり合うおよその率を表す。（後述する表３及び表４において同じ。） Table 1 shows some combinations of parameters. Here, “PRR” is the pulse repetition frequency of the laser beam, “PWR” is the average power of the laser, “T” is the pulse width, “λ” is the oscillation wavelength of the laser, and “OL” is on the xy plane. This represents an approximate rate at which a part of the condensing spot shape overlaps each other between adjacent pulses. (The same applies to Tables 3 and 4 below.)
第４の発明は、第３の発明において、繰り返し周波数が１［ｋＨｚ］以上、及び前記ｘｙ平面上における平均照射パワー密度が５〜２８［ｋＷ／ｃｍ２］の範囲内のレーザ光を照射することを特徴とする、ＣＯレーザ面取り加工方法である。 According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect of the present invention, the laser beam having a repetition frequency of 1 [kHz] or higher and an average irradiation power density on the xy plane of 5 to 28 [kW / cm 2 ] is irradiated. This is a CO laser chamfering method.
ここで、ｘｙ平面上における楕円集光スポット形状の長軸長さが例えば１２０［μｍ］を満たす場合のレーザ光の光軸に対し垂直な面における、集光レンズによる集光半径（ｄ／２）は、例えば入射角度（θ）が４５度のときは概ね８５［μｍ］であり、入射角度（θ）が６０度のときは、６０［μｍ］である。 Here, the condensing radius (d / 2) by the condensing lens on the plane perpendicular to the optical axis of the laser beam when the major axis length of the elliptical condensing spot shape on the xy plane satisfies, for example, 120 [μm]. ) Is approximately 85 [μm] when the incident angle (θ) is 45 degrees, for example, and is 60 [μm] when the incident angle (θ) is 60 degrees.
また、パルスレーザ光の繰り返し周波数を上げる場合、基板に照射されるレーザ光のパワーが上昇することで異常クラックが発生しないよう、脆性材料基板の走査速度も併せて増加させる必要がある。すなわち、良好な面取り加工結果が得られるプロセスウィンドー内の基板への投入パワーは、脆性材料基板の走査速度の関数として捉えることができる。 Further, when the repetition frequency of the pulse laser beam is increased, it is necessary to increase the scanning speed of the brittle material substrate so that abnormal cracks do not occur due to an increase in the power of the laser beam applied to the substrate. In other words, the input power to the substrate in the process window where a good chamfering result can be obtained can be regarded as a function of the scanning speed of the brittle material substrate.
但し、レーザ光の照射点のエッジからの距離（ａ）によっては、レーザ光の空間的強度分布がトップハット型ではなくガウシアン分布に近いことから、当該エッジから脆性材料基板の内側に位置する楕円集光スポットの面積に対し計算される、必要な平均照射パワー密度が一次関数的に決定されるわけではない。 However, depending on the distance (a) from the edge of the laser light irradiation point, the spatial intensity distribution of the laser light is not a top-hat type but close to a Gaussian distribution, so that an ellipse located inside the brittle material substrate from the edge The required average irradiation power density calculated for the area of the focused spot is not determined in a linear function.
第５の発明は、第４の発明において、前記脆性材料基板がソーダライム製の基板であって、当該基板のエッジ上の前記原点に向かうレーザ光の入射角度である前記θがπ／４［ｒａｄ］、前記ｘｙ平面上における楕円集光スポットの長軸長さが１２０［μｍ］、且つ、当該基板へ照射されるレーザ光の平均照射パワー密度が８〜２５［ｋＷ／ｃｍ２］の範囲内であることを特徴とする、ＣＯレーザ面取り加工方法である。 According to a fifth aspect, in the fourth aspect, the brittle material substrate is a soda lime substrate, and the incident angle of the laser beam toward the origin on the edge of the substrate is π / 4 [ rad], the long axis length of the elliptical focused spot on the xy plane is 120 [μm], and the average irradiation power density of the laser beam irradiated to the substrate is in the range of 8 to 25 [kW / cm 2 ]. It is a CO laser chamfering processing method characterized by being inside.
第６の発明は、第４の発明において、前記脆性材料基板がアルカリアルミノケイ酸塩ガラスの基板であって、当該基板のエッジ上の前記原点に向かうレーザ光の入射角度である前記θが５０度、前記ｘｙ平面上における楕円集光スポットの長軸長さが１２０［μｍ］、且つ、当該基板へ照射されるレーザ光の平均照射パワー密度が２０〜２８［ｋＷ／ｃｍ２］の範囲内であることを特徴とする、ＣＯレーザ面取り加工方法である。 According to a sixth invention, in the fourth invention, the brittle material substrate is an alkali aluminosilicate glass substrate, and the θ that is the incident angle of the laser beam toward the origin on the edge of the substrate is 50 degrees. The major axis length of the elliptical focused spot on the xy plane is 120 [μm], and the average irradiation power density of the laser light irradiated to the substrate is in the range of 20 to 28 [kW / cm 2 ]. It is a CO laser chamfering method characterized by being.
第７の発明は、第４乃至第６のいずれかの発明において、前記脆性材料基板に化学強化が施された基板であることを特徴とする、ＣＯレーザ面取り加工方法である。 A seventh invention is a CO laser chamfering method according to any one of the fourth to sixth inventions, wherein the brittle material substrate is a chemically strengthened substrate.
ここで、化学強化とは、ガラス表面の化学的な処理による強化全般を含み、その一般的な方法としては、ガラス中のアルカリイオンを他のアルカリイオンに入れ替えるイオン交換法が含まれ、これに限定されない。 Here, the chemical strengthening includes general strengthening by chemical treatment of the glass surface, and the general method includes an ion exchange method in which alkali ions in the glass are replaced with other alkali ions. It is not limited.
本発明に係るＣＯレーザ面取り加工方法は、複雑な加工条件の組み合わせを模索することなく、広いプロセスウィンドーにおいて、高速で加工対象物のエッジラインの面取り加工を可能にする。 The CO laser chamfering method according to the present invention enables chamfering of an edge line of an object to be processed at high speed in a wide process window without searching for a complicated combination of processing conditions.
以下、図面を参照して本発明に係るレーザ面取り加工方法及びその装置の一態様を詳細に説明する。 Hereinafter, an embodiment of a laser chamfering method and apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図１及び図５は、本発明の実施態様の一例を表す。ここで、図示されている矩形基板は、ソーダライム製の基板（サンプル基板Ｓ１）であり、化学強化が施してある。サイズは１００×１００［ｍｍ］でありその厚みは０．５５［ｍｍ］である。なお、図１及び図５において図示した当該基板は実寸法を反映していない。また、いずれの図においてもパルスレーザ光源は図示してはいないが、光源に用いたレーザは波長が５．５［μｍ］のＲＦ励起ＣＯレーザであり、主な仕様は次表２のとおりである。なお、パルス繰り返し周波数を固定したまま平均出力を変動させるために、Ｄｕｔｙサイクルを調整しパルス幅を変えた。一例として、１［ｋＨｚ］の場合のパルス幅と平均出力の関係を図４にて示す。 1 and 5 show an example of an embodiment of the present invention. Here, the illustrated rectangular substrate is a soda lime substrate (sample substrate S1), which is chemically strengthened. The size is 100 × 100 [mm] and the thickness is 0.55 [mm]. 1 and 5 does not reflect the actual dimensions. In each figure, the pulse laser light source is not shown, but the laser used as the light source is an RF pumped CO laser having a wavelength of 5.5 [μm], and main specifications are as shown in Table 2 below. is there. In order to change the average output while fixing the pulse repetition frequency, the duty cycle was adjusted to change the pulse width. As an example, the relationship between the pulse width and the average output in the case of 1 [kHz] is shown in FIG.
このＣＯレーザから出射したビーム径３．８［ｍｍ］のレーザ光を、テレスコープ光学系により径７．５［ｍｍ］に整形し、焦点距離が１５０［ｍｍ］の集光レンズによりこれをサンプル基板Ｓ１に向けて集光した。サンプル基板Ｓ１上、すなわち図１及び図５におけるｘｙ平面上の楕円集光スポット形状は、短軸（半径）８５［μｍ］、長軸（半径）１２０［μｍ］である。なお、光路ガイドとして可視光レーザを用いた。さらに、サンプル基板Ｓ１上のレーザ照射点にドライエアによる吹付を行った。その流量は約５［リットル／分］である。 Laser light with a beam diameter of 3.8 [mm] emitted from this CO laser is shaped into a diameter of 7.5 [mm] by a telescope optical system, and this is sampled by a condensing lens with a focal length of 150 [mm]. The light was condensed toward the substrate S1. The elliptically focused spot shape on the sample substrate S1, that is, on the xy plane in FIGS. 1 and 5, has a short axis (radius) of 85 [μm] and a long axis (radius) of 120 [μm]. A visible light laser was used as an optical path guide. Further, spraying with dry air was performed on the laser irradiation point on the sample substrate S1. The flow rate is about 5 [liter / min].
レーザ光のサンプル基板Ｓ１への入射角度調整は、９０度全反射ミラーＭ１、Ｍ２及びＭ３の組み合わせにより行った。図５にその概略を示す。レーザから出射したレーザ光は、前記テレスコープを経てミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３、レンズＬの順に伝搬する。ミラーＭ３からレンズＬを通りサンプル基板Ｓ１に伝搬する方向は、図１に示す三次元極座標における点Ｐから原点へと向かう方向である。本実施例１においては、レーザ光のサンプル基板Ｓ１への入射角度であるθを変える都度、光学系とサンプル基板Ｓ１との位置調整が必要となるが、サンプル基板Ｓ１の保持にゴニオステージ等を用いることにより調整は不要となる。なお、レーザ光はサンプル基板Ｓ１の走査に同期してオン／オフする。 The incident angle adjustment of the laser beam to the sample substrate S1 was performed by a combination of 90-degree total reflection mirrors M1, M2, and M3. The outline is shown in FIG. Laser light emitted from the laser propagates in the order of mirrors M1, M2, M3, and lens L through the telescope. The direction of propagation from the mirror M3 through the lens L to the sample substrate S1 is the direction from the point P to the origin in the three-dimensional polar coordinates shown in FIG. In the first embodiment, the position of the optical system and the sample substrate S1 needs to be adjusted every time the angle θ of the laser beam incident on the sample substrate S1 is changed, but a gonio stage or the like is used to hold the sample substrate S1. By using it, adjustment becomes unnecessary. The laser light is turned on / off in synchronization with scanning of the sample substrate S1.
本実施例１による面取り加工結果を次表３に示す。 Table 3 shows the results of chamfering according to the first embodiment.
表３中の行番号「９」のデータに相当する加工の状態を顕微鏡により観察した様子を図６に、同じく行番号「１２」のデータに相当するものを図７に示す。いずれも微分干渉フィルタを入れての観察であり、面取り加工された面の法線軸上からの観察である。行番号「９」の面取り加工表面（図６）は極めてフラット且つマイクロクラックや材料の微細くずは見られず、良好な加工結果であると言える。また、その加工速度は、８５［ｍｍ／ｓ］であった。他方、行番号「１２」の面取り加工表面（図７）は、応力異常による大きなクラックが観察された。さらに、レーザの繰り返し周波数を２［ｋＨｚ］にすることで、同様の良好な面取り加工結果を得ることができ、その際の基板の走査速度は１７０［ｍｍ／ｓ］である。 FIG. 6 shows a state of processing corresponding to the data of row number “9” in Table 3 observed with a microscope, and FIG. 7 shows the state corresponding to the data of row number “12”. Both are observations with a differential interference filter inserted, and are observations from the normal axis of the chamfered surface. The chamfered surface with the line number “9” (FIG. 6) is extremely flat, and microcracks and fine debris of the material are not seen. The processing speed was 85 [mm / s]. On the other hand, a large crack due to stress abnormality was observed on the chamfered surface of the line number “12” (FIG. 7). Furthermore, by setting the laser repetition frequency to 2 [kHz], the same good chamfering result can be obtained, and the scanning speed of the substrate at that time is 170 [mm / s].
本実施例２の実施態様は、前述の実施例１と同様の図１及び図５に示すとおりである。ここで、図示されている矩形基板は、実施例１と異なりアルカリアルミノケイ酸塩ガラス製の基板（サンプル基板Ｓ２）であり、化学強化を施したものである。サイズは１００×１００［ｍｍ］でありその厚みは０．５５［ｍｍ］である。なお、図１及び図５において図示した当該基板は実寸法を反映していない。 The embodiment of the second embodiment is as shown in FIGS. 1 and 5 similar to the first embodiment. Here, the rectangular substrate shown in the figure is a substrate made of alkali aluminosilicate glass (sample substrate S2) unlike Example 1, and is subjected to chemical strengthening. The size is 100 × 100 [mm] and the thickness is 0.55 [mm]. 1 and 5 does not reflect the actual dimensions.
本実施例２にて用いたパルスレーザ光源も、実施例１と同じ波長が５．５［μｍ］のＲＦ励起ＣＯレーザである。また、集光光学系も実施例１と同じである。 The pulse laser light source used in the second embodiment is also an RF pumped CO laser having the same wavelength of 5.5 [μm] as that of the first embodiment. The condensing optical system is the same as that of the first embodiment.
本実施例２による面取り加工結果を次表４に示す。 Table 4 shows the results of chamfering according to the second embodiment.
表４中の行番号「４」のデータに相当する加工の状態を顕微鏡により観察した様子を図８に、同じく行番号「１」のデータに相当するものを図９に示す。いずれも微分干渉フィルタを入れての観察であり、面取り加工された面の法線軸上からの観察である。 FIG. 8 shows the state of processing corresponding to the data of the row number “4” in Table 4 observed with a microscope, and FIG. 9 shows the state corresponding to the data of the row number “1”. Both are observations with a differential interference filter inserted, and are observations from the normal axis of the chamfered surface.
行番号「４」の面取り加工表面（図８）は極めてフラット且つマイクロクラックや材料の微細くずは見られず、良好な加工結果である。他方、行番号「１」の面取り加工表面（図９）は、応力の異常により大きなクラックが観察され、破損を忌避する産業応用においては採用できない。なお、基板の走査速度は８５［ｍｍ／ｓ］であるが、レーザ光の繰り返し周波数を上げることでその速度も上げることができる。 The chamfered surface of the line number “4” (FIG. 8) is extremely flat, and microcracks and fine debris of the material are not seen. On the other hand, the chamfered surface (FIG. 9) of the line number “1” has a large crack observed due to stress abnormality, and cannot be employed in industrial applications that avoid damage. The scanning speed of the substrate is 85 [mm / s], but the speed can be increased by increasing the repetition frequency of the laser light.
ガラス基板などの脆性材料からなる基板のエッジラインの面取り加工に利用できる。 It can be used for chamfering edge lines of substrates made of brittle materials such as glass substrates.
ａ エッジからの距離
Ａ 角度ステージ
ｄ 集光スポット径（光軸に対し垂直面内）
Ｅ 鉛直ステージ
Ｌ 集光レンズ
ＬＡ レーザ光
Ｍ１〜Ｍ３ 全反射ミラー
Ｐ 三次元極座標上の点（ｒ，θ，φ）
Ｒ 回転ステージ
Ｓ１、Ｓ２ サンプル基板
ｖ 加工対象物の走査速度
ｘ 三次元極座標のｘ軸
ｙ 三次元極座標のｙ軸
Ｘ Ｘ軸ステージ
Ｙ Ｙ軸ステージ
ｚ 三次元極座標のｚ軸
ω 角速度
a Distance from the edge A Angle stage d Condensing spot diameter (in the plane perpendicular to the optical axis)
E Vertical stage L Condensing lens LA Laser light M1 to M3 Total reflection mirror P Point on three-dimensional polar coordinates (r, θ, φ)
R Rotating stage S1, S2 Sample substrate v Scan speed of workpiece x x-axis of 3D polar coordinate y y-axis of 3D polar coordinate X X-axis stage Y Y-axis stage z z-axis of 3D polar coordinate ω angular velocity
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|---|---|---|---|---|
| CN112935576A (en) * | 2021-01-25 | 2021-06-11 | 大族激光科技产业集团股份有限公司 | Laser processing focusing system and focusing method thereof |
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