JP5257745B2

JP5257745B2 - レーザ加工方法とその装置

Info

Publication number: JP5257745B2
Application number: JP2008072102A
Authority: JP
Inventors: 基佐々木; 良治小関
Original assignee: Shibuya Corp
Current assignee: Shibuya Corp
Priority date: 2008-03-19
Filing date: 2008-03-19
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2028-03-19
Also published as: JP2009226417A

Description

本発明はレーザ加工方法とその装置に関し、より詳しくは、加工ヘッドに設けた噴射ノズルから被加工物に向けて液体を液柱にして噴射するとともに該液柱を導光路としてレーザ光を上記被加工物に照射して、被加工物に所要の加工を施すようにしたレーザ加工方法とその装置に関する。

従来、この種の装置として、レーザ光を発振するレーザ発振器と、高圧の液体を供給する液体供給手段と、この液体供給手段からの液体を液柱として被加工物に向けて噴射するとともに、上記レーザ発振器からのレーザ光を上記液柱に導光して該液柱を導光路としてレーザ光を上記被加工物に照射する加工ヘッドと、上記レーザ発振器および液体供給手段を制御するとともに、上記加工ヘッドの昇降を制御する制御手段とを備えたものが知られている（特許文献１）。
このようなレーザ加工装置においては、液柱内のレーザ光を被加工物まで導光するためには、噴射した液柱を拡散させずに安定した状態のまま被加工物に到達させる必要があり、一方噴射する液柱の径は、歩留まり向上等の観点から極力細いものが求められている。
特表平１０−５００９０３号公報

しかしながら、上記液柱はその径を細くすればするほど、液柱周囲の空気との摩擦から生じる気流により液柱が乱されてしまい、液柱が拡散せずに安定した状態を保つことのできる長さが短くなる。そのため、液柱の径を所望の径まで細くすることができないといった問題がある。
このような問題に鑑み、本発明は液柱の径を細くすることの可能なレーザ加工方法とその装置を提供するものである。

請求項１の発明は、加工ヘッドに設けた噴射ノズルから被加工物に向けて液体を液柱にして噴射するとともに該液柱を導光路としてレーザ光を上記被加工物に照射して、被加工物に所要の加工を施すようにしたレーザ加工方法において、
上記加工ヘッドと被加工物との間の液柱を囲む囲い部材と、この囲い部材内に負圧を導入する負圧発生手段と、上記囲い部材の下端縁近傍に設けられて当該囲い部材と負圧発生手段とを接続する接続部とを設け、加工時には噴射ノズルから噴射されて被加工物上に残る液体を上記囲い部材の下端縁に接触させて、上記負圧発生手段により囲い部材内を負圧にすることを特徴とするものである。
また請求項２の発明は、レーザ光を発振するレーザ発振器と、高圧の液体を供給する液体供給手段と、この液体供給手段からの液体を液柱として被加工物に向けて噴射するとともに、上記レーザ発振器からのレーザ光を上記液柱に導光して該液柱を導光路としてレーザ光を上記被加工物に照射する加工ヘッドと、上記レーザ発振器および液体供給手段を制御するとともに、上記加工ヘッドの昇降を制御する制御手段とを備えたレーザ加工装置において、
上記加工ヘッドと被加工物との間の液柱を囲む囲い部材と、この囲い部材内に負圧を導入する負圧発生手段と、上記囲い部材の下端縁近傍に設けられて当該囲い部材と負圧発生手段とを接続する接続部とを設け、上記制御装置は、加工時に上記囲い部材を、上記噴射ノズルから噴射されて被加工物上に残る液体が上記囲い部材の下端縁に接触する高さ位置に維持することを特徴とするものである。

本発明によれば、上記負圧発生手段によって上記加工ヘッドと被加工物との間の液柱を囲む囲い部材の内部に負圧を導入して、その内部を可及的に真空状態とすることができるため、噴射された液柱の周囲における空気との摩擦を低減することができる。したがって液柱の周囲に生じる気流によって液柱が乱れてしまうことを抑制することができるため、径の細い液柱であっても安定した状態を長く保つことが可能となる。
また、上記囲い部材と負圧発生手段とを接続する接続部は当該囲い部材の下端縁近傍に設けられているので、囲い部材の下端縁と被加工物の表面との間隙から囲い部材の外部に流出しようとする液体は上記接続部を介して負圧発生手段に吸引されるようになり、したがって液体が囲い部材の外部に流れ出ることを抑制することができる。

以下図示実施例について本発明を説明すると、図１はレーザ加工装置１を示し、液体の噴射により形成した液柱Ｗにレーザ光Ｌを導光することで、被加工物２に例えば所要の溝加工を行うことができる装置となっている。
このレーザ加工装置１は、上記被加工物２を支持する加工テーブル３と、レーザ光Ｌを発振するレーザ発振器４と、高圧にした水等の液体を供給する液体供給手段５と、被加工物２に向けて液体を液柱Ｗとして噴射するとともに、レーザ光Ｌを上記液柱Ｗに導光する加工ヘッド６とを備え、これらは制御手段７によって制御されるようになっている。
上記加工テーブル３は従来公知であるので詳細な説明をしないが、被加工物２を切断加工する場合のために、該被加工物２を貫通した液柱Ｗが加工テーブル３の表面で邪魔されないようにハニカム構造や剣山構造などを用いることが望ましい。この加工テーブル３は上記被加工物２を加工ヘッド６に対して直交するＸ−Ｙ方向に水平に移動させるようになっており、また上記加工ヘッド６は図示しない昇降手段によって垂直方向に移動されるようになっている。これら加工テーブル３の移動や加工ヘッド６の昇降は上記制御手段７によって制御されるようになっている。
本実施例では、上記被加工物２としての半導体ウエハの表面に溝を形成したり、チップ状に切断加工を行うようになっている。なおこの他にもエポキシ樹脂板や樹脂と金属からなる複合材料なども加工することができる。

上記レーザ発振器４はＹＡＧレーザ発振器であり、加工に応じてＣＷ発振又はパルス発振が可能であり、またその出力やパルスの発振周期等の加工条件を適宜調整できるようになっている。
レーザ発振器４と加工ヘッド６との間には、レーザ光Ｌを加工ヘッド６に向けて反射させる反射ミラー８と、レーザ光Ｌを集光する集光レンズ９とが設けられている。
なお、レーザ発振器４としてこの他にも半導体レーザやＣＯ_２レーザ発振器等を用いることも可能であるが、ＣＯ_２レーザ発振器の場合レーザ光は水に吸収されやすい波長であるため、加工ヘッド６より噴射される液体として、レーザ光を吸収しにくい液体を用いることになる。

上記加工ヘッド６は、上下方向に中空部が貫通して形成された筒状のハウジング１１と、該ハウジング１１における中空部の下部に設けられた噴射ノズル１２と、ハウジング１１の中空部の上部に設けられた透明な透過部材１３とを備えている。
上記ハウジング１１の中空部は上記集光レンズ９によって集光されたレーザ光Ｌの光路上に形成されており、上記噴射ノズル１２および透過部材１３はこの光路上に設けられている。
上記噴射ノズル１２はハウジング１１の下端部に形成された凹部内にシールリングを介して嵌合し、かつハウジング１１の下方から固定部材１４によって押圧保持されている。
上記透過部材１３はレーザ光Ｌを透過させる透明なガラス製で、上記噴射ノズル１２と集光レンズ９との間に位置し、上記ハウジング１１との間にシールリングを介在させて液密を保った状態で保持されている。
これら上記噴射ノズル１２と透過部材１３との間に形成された空間には上記液体供給手段５が接続された液体通路１６が形成され、液体供給手段５から高圧の液体が供給されるようになっている。
そして、噴射ノズル１２の中央には液体を噴射する噴射孔１２ａが形成され、上記固定部材１４の中央には噴射ノズル１２の噴射孔１２ａよりも大径の貫通孔１４ａが形成されている。
このため、上記液体供給手段５から加工ヘッド６に高圧の液体が供給されると、該液体は液体通路１６を通過してから上記噴射ノズル１２の噴射孔１２ａから液柱Ｗとなって噴射され、この液柱Ｗは上記貫通孔１４ａを通過して被加工物２に衝突するようになっている。
また、レーザ発振器４からのレーザ光Ｌは上記集光レンズ９により上記噴射孔１２ａより噴射される液柱Ｗの内部に集光されるようになっており、これによりレーザ光Ｌは上記液柱Ｗを導光路として案内されて被加工物２に照射されるようになっている。

上記加工ヘッド６の下部には、多孔質体からなる吸引部材１７と、この吸引部材１７を加工ヘッド６に取り付ける保持部材１８とが設けられている。
上記吸引部材１７はアルミニウム製で略円盤状に製造されるとともに、全体が多孔質であることからその内部に気体等を流通させることが可能となっている。
また吸引部材１７の中央には下方に向けて拡径する貫通孔１７ａが形成され、該貫通孔１７ａの上端の径は上記固定部材１４に形成された貫通孔１４ａと同径となっている。
上記保持部材１８は上記固定部材１４の外周に螺合することで加工ヘッド６の下部に固定され、また下面には上記吸引部材１７を収容可能な凹部が形成され、吸引部材１７の外周面は該凹部にコーキング剤などによって接着固定されている。
さらに上記保持部材１８は、上記固定部材１４の貫通孔１７ａと同径の内周面を有する内側筒状部１８ａと、該内側筒状部１８ａを囲む外側筒状部１８ｂとを備え、内側筒状部１８ａの上端および下端はそれぞれ上記固定部材１４および吸引部材１７に密着している。
これら内側筒状部１８ａの外周面と外側筒状部１８ｂの内周面との間には、上下が上記固定部材１４の下面と吸引部材１７の上面とで閉鎖された負圧室１９が形成されており、この負圧室１９には負圧を発生させる負圧発生手段２０が接続されている。
そして上記負圧発生手段２０によって負圧室１９に負圧が導入されると、上記吸引部材１７の内部を介して、吸引部材１７の下面側の表面にも負圧が発生するようになっている。

次に、上記保持部材１８の下面には、上記吸引部材１７を囲むとともに、加工ヘッド６と被加工物２との間に形成される液柱Ｗを囲む囲い部材２５を固定してあり、この囲い部材２５に上記負圧発生手段２０を接続して、その内部に負圧を導入することができるようにしてある。
図２に示すように、上記囲い部材２５は液柱Ｗを中心とした円筒形状に形成してあり、この囲い部材２５と負圧発生手段２０との接続部２５ａを囲い部材２５の下端縁近傍に設けるとともに（図１参照）、囲い部材２５の接線方向からエアを吸引することができるようにしてある。これにより囲い部材２５内のエアの流れをスパイラル状として、エアの乱れを低減できるようにしてある。
上記制御装置７は、加工時には上記加工ヘッド６および囲い部材２５を一体的に降下させて、囲い部材２５の下端縁２５ｂを被加工物２の表面に近接した高さ位置に維持させるようになっている。これにより、上記噴射ノズル１２から噴射されて被加工物２上に残る液体を囲い部材２５の下端縁２５ｂに接触させて、該液体により囲い部材２５内を外部から可及的に閉鎖させることができるようにしてある。
なお、囲い部材２５内の負圧が過度に大きくならないように、例えば上記保持部材１８と囲い部材２５との間に微小な間隙を設けて囲い部材２５の外部から内部に空気を吸引できるようにして、囲い部材２５内を所定の大きさの負圧に維持することができるようにしてもよい。

上記囲い部材２５は、その下端縁２５ｂを被加工物２の表面に近接した位置まで降下させるために、万一、該下端縁２５ｂが被加工物２の表面に接触しても被加工物２を傷つけることがないようにゴムなどの弾性部材から製造してある。但し、囲い部材２５の内部に負圧を導入するので、その負圧によって囲い部材２５が変形することがない程度の剛性を持たせてある。このゴムは、囲い部材２５の下方部分だけに設けてもよい。
また、上記囲い部材２５の軸方向長さは、被加工物２に衝突して跳ね返った液体が噴射ノズル１２の下面に届かない程度の長さに設定してある。さらに、囲い部材２５の直径は、小さすぎると囲い部材２５の内部を流れるエアが乱れて液柱Ｗを乱してしまい、大きすぎると囲い部材２５内に導入する負圧の供給能力を大きくしなければならなくなるので、両者の兼ね合いで好適な大きさとなるように設定してある。

以上の構成を有するレーザ加工装置１の動作について説明する。
最初に、レーザ加工装置１を始動させると、制御手段７は加工テーブル３の移動を制御して加工ヘッド６を相対的に被加工物２の加工開始位置に移動させ、この位置となると加工ヘッド６を降下させて、囲い部材２５の下端縁２５ｂを被加工物２の表面に近接した所要の高さ位置まで降下させる。
次に、制御装置７は上記液体供給手段５から液体通路１６に液体を供給し、上記噴射ノズル１２の噴射孔１２ａから液体を液柱Ｗ状で被加工物２に噴射させるとともに、負圧発生手段２０により負圧室１９と囲い部材２５内に負圧を導入させる。これにより、上記囲い部材２５内のエアは接続部２５ａを介して負圧発生手段２０に吸引されるとともに、吸引部材１７および負圧室１９を介しても上記負圧発生手段２０に吸引されるようになり、これに伴って囲い部材２５の外部のエアは、囲い部材２５の下端縁２５ｂと被加工物２の表面との間の間隙から囲い部材２５の内部に吸引されるようになる。
上記囲い部材２５の内部に吸引されたエアは、囲い部材２５の接線方向に形成された接続部２５ａから負圧発生手段２０に吸引されるので、囲い部材２５内のエアの流れは囲い部材２５の内周面に沿ってスパイラル状に流れるようになる。これにより、エアの乱れを低減して、液柱Ｗの乱れを抑制することができる。

他方、上記噴射孔１２ａから噴射された液柱Ｗは被加工物２に到達するが、液柱Ｗが被加工物２を貫通していない状態では、すなわち被加工物２に溝加工を行う場合や切断加工のピアッシング加工を行う場合には、液柱Ｗが被加工物２に衝突すると、液柱Ｗを構成する液体は被加工物２の表面を放射状に広がるように流れることとなる。
そして、被加工物２の表面を放射状に広がるように流れる液体は、囲い部材２５の下端縁２５ｂと被加工物２の表面との間隙から囲い部材２５の外部に流出しようとするが、上述したように囲い部材２５の外部のエアは、囲い部材２５の下端縁２５ｂと被加工物２の表面との間の間隙から囲い部材２５の内部に吸引されているので、大部分の液体はこのエアにより接続部２５ａを介して負圧発生手段２０に吸引されてしまい、囲い部材２５の外部には流れ出ることはない。
これと同時に、上記囲い部材２５の下端縁２５ｂは被加工物２の表面に近接した位置となっているので、その間隙から囲い部材２５の外部に流出しようとする液体がその間隙を満たすようになり、これにより囲い部材２５の内部は、上記液体が間隙を満たした部分において、外部から閉鎖されるようになる。その結果、囲い部材２５内の負圧が良好に保たれるようになる。

また、液柱Ｗが被加工物２に衝突した際には、液体の一部は上方に跳ね返って吸引部材１７の下面に付着することがあり、あるいは霧状となって囲い部材２５の内部の空間を浮遊するようになる。
しかしながら、吸引部材１７の下面に付着した液体は負圧室１９の負圧により吸引部材１７を介して負圧室１９内に吸入され、また囲い部材２５内を浮遊する霧状の液体は、上記吸引部材１７を介してやはり負圧室１９に吸引されるとともに、接続部２５ｂを介して負圧発生手段２０に吸引されるようになる。
したがって、囲い部材２５の内部をエアの乱れや霧状の液体のない安定した状態とすることができる。

このようにして囲い部材２５内が真空状態とされ、それに伴って上記噴射孔１２ａより噴射される液柱Ｗが安定した状態となると、レーザ発振器４よりレーザ光Ｌが発振され、このレーザ光Ｌは反射ミラー８で反射された後、集光レンズ９によって集光される。
集光されたレーザ光Ｌは透過部材１３および液体通路１６内の液体を通過して、噴射孔１２ａより噴射される液柱Ｗ内に導光され、その後液柱Ｗにより被加工物２まで案内されて被加工物２に照射されて溝加工や切断加工を行うようになる。
このように、囲い部材２５内を真空状態とすることができるので、上記噴射孔１２ａより噴射された液柱Ｗの周囲のエアは希薄となり、それによって液柱Ｗは周囲の気流に影響を受けずに安定した状態で被加工物２に到達するようになる。したがって、径の細い液柱であっても安定した状態を長く保つことが可能となる。
従来一般には、噴射孔１２ａの直径は３０μｍから４０μｍが最小径であるが、本実施例によれば１０μｍ程度とすることが可能である。

ところで、切断加工の場合には、ピアッシング加工が終了すると液柱Ｗは被加工物２を貫通するようになり、それによって液体の多くは被加工物２の下方に抜けるようになるが、全てが下方に抜けるわけではなく、一部の液体は被加工物２の表面に供給されて囲い部材２５内を外部から閉鎖することに寄与する。また、被加工物２の表面上に残存している液体も、囲い部材２５内を外部から閉鎖することに寄与する。
他方、溝加工の場合には、加工された溝が相対的に囲い部材２５の下端縁２５ｂを超えて伸びた場合に、囲い部材２５内の液体がその溝から多く外部に流出するようになり、やはり閉鎖状態が破られやすくなるが、通常は切断加工時よりも被加工物２の表面に遥かに多くの液体が残留するので、切断加工時に比較してより良好に閉鎖状態を維持することが可能である。
そして切断加工の場合には切断部分から、また溝加工の場合には溝部分からエアが囲い部材２５内に吸引されることになるが、上述したように囲い部材２５内のエアの流れは囲い部材２５の内周面に沿ってスパイラル状に流れるようになっているので、エアの乱れを低減して、液柱Ｗの乱れを抑制することができる。

本発明の実施例にかかるレーザ加工装置の断面図。図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図。

符号の説明

１レーザ加工装置２被加工物
４レーザ発振器５液体供給手段
６加工ヘッド７制御手段
１７吸引部材２０負圧発生手段
２５囲い部材２５ａ接続部
２５ｂ下端縁Ｌレーザ光
Ｗ液柱

Claims

加工ヘッドに設けた噴射ノズルから被加工物に向けて液体を液柱にして噴射するとともに該液柱を導光路としてレーザ光を上記被加工物に照射して、被加工物に所要の加工を施すようにしたレーザ加工方法において、
上記加工ヘッドと被加工物との間の液柱を囲む囲い部材と、この囲い部材内に負圧を導入する負圧発生手段と、上記囲い部材の下端縁近傍に設けられて当該囲い部材と負圧発生手段とを接続する接続部とを設け、加工時には噴射ノズルから噴射されて被加工物上に残る液体を上記囲い部材の下端縁に接触させて、上記負圧発生手段により囲い部材内を負圧にすることを特徴とするレーザ加工方法。
レーザ光を発振するレーザ発振器と、高圧の液体を供給する液体供給手段と、この液体供給手段からの液体を液柱として被加工物に向けて噴射するとともに、上記レーザ発振器からのレーザ光を上記液柱に導光して該液柱を導光路としてレーザ光を上記被加工物に照射する加工ヘッドと、上記レーザ発振器および液体供給手段を制御するとともに、上記加工ヘッドの昇降を制御する制御手段とを備えたレーザ加工装置において、
上記加工ヘッドと被加工物との間の液柱を囲む囲い部材と、この囲い部材内に負圧を導入する負圧発生手段と、上記囲い部材の下端縁近傍に設けられて当該囲い部材と負圧発生手段とを接続する接続部とを設け、上記制御装置は、加工時に上記囲い部材を、上記噴射ノズルから噴射されて被加工物上に残る液体が上記囲い部材の下端縁に接触する高さ位置に維持することを特徴とするレーザ加工装置。
上記囲い部材は液柱を中心にした円筒形状に形成され、上記負圧発生手段は囲い部材の接線方向からエアを吸引することを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。
上記囲い部材の内側で加工ヘッドの下部に、多孔質体からなる吸引部材を設け、該吸引部材に付着した液体を多孔質部分から吸引することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のレーザ加工装置。