JP7281392B2 - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Description

本開示は、レーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。

この種の分野の技術として、例えば特許文献１に記載のレーザ加工方法がある。このレーザ加工方法は、光透過性を有する第１の光透過性部材と第２の光透過性部材とを接合する方法である。この方法では、第１の光透過性部材及び第２の光透過性部材同士の接触面近傍において、これらの部材の一方の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射し、集光点付近で多光子吸収を発生させる。この多光子吸収により、第１の光透過性部材及び第２の光透過性部材に渡る改質領域を形成し、第１の光透過性部材と第２の光透過性部材とを接合する。

特開２００５‐００１１７２号公報

上述したようなレーザ加工方法では、加工対象物の状態やレーザ光の状態によって加工品質に変動が生じることが考えられる。加工品質が劣化する場合の例としては、クラックの発生などが挙げられるが、これらを目視で評価することは困難である。このため、加工品質の信頼性を向上させる観点から、加工品質を客観的に評価できる技術が望まれている。

本開示は、上記課題の解決のためになされたものであり、加工品質を客観的に評価できるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することを目的とする。

上記課題の解決のため、本願発明者らは、加工対象物である光透過部材の種類や、レーザ光の照射条件、加工後の改質領域の端面観察などを鋭意研究する中で、レーザ光の照射期間中に光透過部材で発生する光の強度と、改質領域の形成状態との間に一定の相関関係があることを見出した。そこで、この相関関係を利用すれば、目視に依らずに加工品質を客観的に評価でき、加工品質の信頼性を向上できるとの知見を得て、本開示を完成させるに至った。

本開示の一側面に係るレーザ加工装置は、第１の光透過性部材と第２の光透過性部材とをレーザ光の照射によって接合するレーザ加工装置であって、第１の光透過性部材及び第２の光透過性部材の接触面近傍において、これらの部材の一方の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射し、第１の光透過性部材及び第２の光透過性部材に渡る改質領域を形成する光照射部と、光照射部によるレーザ光の照射に応じて第１の光透過性部材及び第２の光透過性部材で発生する被検出光の強度を検出する光検出部と、を備える。

このレーザ加工装置では、光照射部によるレーザ光の照射に応じて第１の光透過性部材及び第２の光透過性部材で発生する被検出光の強度を光検出部によって検出する。このレーザ加工装置では、レーザ光の照射期間中に光透過部材で発生する被検出光の強度と改質領域の形成状態との間に存在する一定の相関関係に基づいて、被検出光の強度を加工品質の指標として用いることができる。したがって、目視に依らずに加工品質を客観的に評価でき、加工品質の信頼性を向上できる。

被検出光の強度に対する閾値を保有し、レーザ光の照射期間中の被検出光の強度が閾値以上であったか否かに基づいて、第１の光透過性部材及び第２の光透過性部材の加工品質の良否を判断する判断部を更に備えていてもよい。この場合、被検出光の強度に基づいて、第１の光透過性部材及び第２の光透過性部材の加工品質の良否をより客観的に判断できる。

被検出光の強度に対する許容範囲を保有し、レーザ光の照射期間中の被検出光の強度が許容範囲から外れた場合に、被検出光の強度が許容範囲内に収まるようにレーザ光の照射条件を制御する制御部を更に備えていてもよい。この場合、被検出光の強度が許容範囲に収まる条件下でレーザ光の照射が行われるため、第１の光透過性部材及び第２の光透過性部材の加工の歩留まりを向上できる。

光照射部は、レーザ光を集光する集光レンズを有し、光検出部は、被検出光を受光する受光レンズを有し、集光レンズの焦点と受光レンズの焦点とが集光点において一致していてもよい。これにより、集光点付近で発生した被検出光を効率的に検出できる。

集光レンズ及び受光レンズが一つの対物レンズによって共通化されていてもよい。これにより、構成の簡単化が図られる。

本開示の一側面に係るレーザ加工方法は、第１の光透過性部材と第２の光透過性部材とをレーザ光の照射によって接合するレーザ加工方法であって、第１の光透過性部材及び第２の光透過性部材の接触面近傍において、これらの部材の一方の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射し、第１の光透過性部材及び第２の光透過性部材に渡る改質領域を形成する光照射ステップと、光照射部によるレーザ光の照射に応じて第１の光透過性部材及び第２の光透過性部材で発生する被検出光の強度を検出する光検出ステップと、を備える。

このレーザ加工方法では、レーザ光の照射に応じて第１の光透過性部材及び第２の光透過性部材で発生する被検出光の強度を検出する。このレーザ加工方法では、レーザ光の照射期間中に光透過部材で発生する被検出光の強度と改質領域の形成状態との間に存在する一定の相関関係に基づいて、被検出光の強度を加工品質の指標として用いる。したがって、目視に依らずに加工品質を客観的に評価でき、加工品質の信頼性を向上できる。

被検出光の強度に対する閾値を保有し、レーザ光の照射期間中の被検出光の強度が閾値以上であったか否かに基づいて、第１の光透過性部材及び第２の光透過性部材の加工品質の良否を判断する判断ステップを更に備えていてもよい。この場合、被検出光の強度に基づいて、第１の光透過性部材及び第２の光透過性部材の加工品質の良否をより客観的に判断できる。

被検出光の強度に対する許容範囲を保有し、レーザ光の照射期間中の被検出光の強度が許容範囲から外れた場合に、被検出光の強度が許容範囲内に収まるようにレーザ光の照射条件を制御する制御ステップを更に備えていてもよい。この場合、被検出光の強度が許容範囲に収まる条件下でレーザ光の照射が行われるため、第１の光透過性部材及び第２の光透過性部材の加工の歩留まりを向上できる。

光照射ステップでは、レーザ光を集光レンズによって集光し、光検出ステップでは、被検出光を受光レンズによって受光し、集光レンズの焦点と受光レンズの焦点とを集光点において一致させてもよい。これにより、集光点付近で発生した被検出光を効率的に検出できる。

集光レンズ及び受光レンズを一つの対物レンズによって共通化してもよい。これにより、構成の簡単化が図られる。

本開示によれば、加工品質を客観的に評価できる。

レーザ加工装置の一実施形態を示す概略図である。 レーザ光の照射中の第１の光透過性部材及び第２の光透過性部材の状態を示す模式的な断面図である。 レーザ光の走査によって第１の光透過性部材及び第２の光透過性部材に形成される改質領域を示す模式的な断面図である。 図１に示したレーザ加工装置の動作を示すフローチャートである。 改質領域の断面の観察結果の一例を示す図である。 検証試験におけるレーザ光の照射条件を示す図である。 スライドガラスを加工した場合の被検出光のスペクトル強度を紫外域計測系にて計測した結果を示す図である。 スライドガラスを加工した場合の被検出光のスペクトル強度を可視域計測系にて計測した結果を示す図である。 スライドガラスの場合の被検出光の紫外域のスペクトル強度とクラックの発生の有無との相関を示す図である。 スライドガラスの場合の被検出光の可視域のスペクトル強度とクラックの発生の有無との相関を示す図である。 ホウケイ酸ガラスの場合の被検出光のスペクトル強度とクラックの発生の有無との相関を示す図である。 液晶ディスプレイ用ガラスの場合の被検出光のスペクトル強度とクラックの発生の有無との相関を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本開示の一側面に係るレーザ加工装置及びレーザ加工方法の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、レーザ加工装置の一実施形態を示す概略図である。図１に示すレーザ加工装置１は、第１の光透過性部材Ｓ１と第２の光透過性部材Ｓ２とをレーザ光Ｌ１の照射によって接合する装置である。レーザ加工装置１は、加工対象物である第１の光透過性部材Ｓ１及び第２の光透過性部材Ｓ２を載置するステージ２と、第１の光透過性部材Ｓ１及び第２の光透過性部材Ｓ２にレーザ光Ｌ１を照射する光照射部３と、第１の光透過性部材Ｓ１及び第２の光透過性部材Ｓ２で発生する被検出光Ｌ２を検出する光検出部４と、これらの構成要素を制御する制御部５とを含んで構成されている。

第１の光透過性部材Ｓ１及び第２の光透過性部材Ｓ２は、例えばソーダライムガラス、クリスタルガラス、ホウケイ酸ガラスなどによって構成された板状の部材である。第１の光透過性部材Ｓ１及び第２の光透過性部材Ｓ２は、透明ポリエチレンテレフタレート、透明アクリル、透明ポリカーボネイトなどによって構成された板状の部材であってもよい。

ステージ２は、例えば３軸方向に移動可能なステージである。ステージ２上には、第１の光透過性部材Ｓ１及び第２の光透過性部材Ｓ２を載置するサンプル台６が設置されていてもよい。また、ステージ２上には、第１の光透過性部材Ｓ１及び第２の光透過性部材Ｓ２をサンプル台６に対して押さえる押圧板がエアシリンダ等を介して設けられていてもよい。図１の例では、サンプル台６上で第１の光透過性部材Ｓ１に第２の光透過性部材Ｓ２が重ね合わされており、レーザ光Ｌ１は、第２の光透過性部材Ｓ２側から照射されるようになっている。

光照射部３は、レーザ光Ｌ１を出射する光源１１と、照明光Ｌ３を出射する照明１２とを有している。光源１１は、例えばモードロック再生増幅ＹＡＧレーザである。この場合、光源１１から出射するレーザ光Ｌ１は、例えば繰り返し周波数５０ｋＨｚ／波長１０３０ｎｍ／パルス幅１０ｐｓのパルス光である。レーザ光Ｌ１のスポット径は、例えば直径３μｍ程度である。当該スポット径は、使用するレンズと当該レンズに入力するビーム径とによって算出され得る。光源１１から出射したレーザ光Ｌ１は、第１のダイクロイックミラー１３によってステージ２上の第１の光透過性部材Ｓ１及び第２の光透過性部材Ｓ２に向けて反射する。レーザ光Ｌ１は、第２のダイクロイックミラー１４を透過した後、集光レンズ１５によって第１の光透過性部材Ｓ１及び第２の光透過性部材Ｓ２に照射される。

照明１２は、第１の光透過性部材Ｓ１及び第２の光透過性部材Ｓ２におけるレーザ光Ｌ１の照射位置（加工位置）の確認のために設置されている。照明１２には、例えば赤外線ランプが用いられる。照明１２から出射した照明光Ｌ３は、ハーフミラー１６によってステージ２上の第１の光透過性部材Ｓ１及び第２の光透過性部材Ｓ２に向けて反射する。照明光Ｌ３は、第１のダイクロイックミラー１３を透過した後、レーザ光Ｌ１と同軸に第２のダイクロイックミラー１４を透過し、集光レンズ１５によってレーザ光Ｌ１と共に第１の光透過性部材Ｓ１及び第２の光透過性部材Ｓ２に照射される。第１の光透過性部材Ｓ１及び第２の光透過性部材Ｓ２で反射した照明光Ｌ３は、第２のダイクロイックミラー１４、第１のダイクロイックミラー１３、ハーフミラー１６、及び集光レンズ１７を透過して後述の赤外線カメラ２１に入射する。

図２は、レーザ光の照射中の第１の光透過性部材Ｓ１及び第２の光透過性部材Ｓ２の状態を示す模式的な断面図である。同図に示すように、第１の光透過性部材Ｓ１及び第２の光透過性部材Ｓ２の内部にレーザ光Ｌ１が照射されると、レーザ光Ｌ１の集光点Ｐ及びその近傍において多光子吸収（或いは多光子吸収と同等の光吸収）が発生する。この多光子吸収により、第１の光透過性部材Ｓ１及び第２の光透過性部材Ｓ２に渡る改質領域Ｓａが形成される。改質領域Ｓａは、第１の光透過性部材Ｓ１及び第２の光透過性部材Ｓ２の構成材料が溶融及び凝固した溶融凝固領域と、第１の光透過性部材Ｓ１及び第２の光透過性部材Ｓ２の構成材料が炭化した変質領域とを含み得る。

図２の例では、レーザ光Ｌ１の集光点Ｐは、レーザ光Ｌ１の照射側とは反対側となる第１の光透過性部材Ｓ１の内部において、第１の光透過性部材Ｓ１と第２の光透過性部材Ｓ２との接触面Ｃの近傍に位置している。レーザ光Ｌ１による多光子吸収は、集光点Ｐを起点にして発生し、改質領域Ｓａは、第１の光透過性部材Ｓ１側の集光点Ｐから接触面Ｃを超えて第２の光透過性部材Ｓ２の内部まで達するように形成される。図３に示すように、レーザ光Ｌ１に対してステージ２を走査し、レーザ光Ｌ１の集光点Ｐを接合予定線Ｗに沿って接合開始点Ｗａから接合終了点Ｗｂまで移動させることにより、接合予定線Ｗに沿って改質領域Ｓａが連続した状態で形成される。第１の光透過性部材Ｓ１と第２の光透過性部材Ｓ２とは、主に改質領域Ｓａにおける溶融凝固領域によって融着し、接着剤のような中間材料を用いることなく互いに強固に接合される。レーザ光Ｌ１に対するステージ２の走査速度は、レーザ光Ｌ１の繰り返し周波数が５０ｋＨｚの場合に、例えば１０ｍｍ／ｓ～３０ｍｍ／ｓである。

光検出部４は、照明光Ｌ３を検出する赤外線カメラ２１と、光スペクトルを測定する分光器２２とを有している。赤外線カメラ２１は、検出した照明光Ｌ３に応じた画像データを生成し、制御部５に出力する。レーザ光Ｌ１の照射に応じて第１の光透過性部材Ｓ１及び第２の光透過性部材Ｓ２で発生する被検出光Ｌ２は、例えばプラズマ光であり、特異なピークを持たないホワイトスペクトルである。被検出光Ｌ２は、集光点Ｐにおいて集光レンズ１５の焦点と一致する焦点を有する受光レンズ２３によって受光される。本実施形態では、レーザ光Ｌ１を集光する集光レンズ１５と、被検出光Ｌ２を受光する受光レンズ２３とが一つの対物レンズ２４によって共通化されている。これにより、レーザ光Ｌ１の光路の一部と被検出光Ｌ２の光路の一部とが同軸となっている。プラズマ光は、発生点から全方位に放射され、受光レンズ２３に向かう一部の成分が受光レンズ２３で受光される。

受光レンズ２３で受光された被検出光Ｌ２は、第２のダイクロイックミラー１４で反射し、レーザ光Ｌ１及び照明光Ｌ３の光路から分離する。第２のダイクロイックミラー１４で反射した被検出光Ｌ２は、ミラー２５で反射した後、ＮＤフィルタ２６を通過してレンズ２７で集光され、光ファイバ２８を介して分光器２２に入射する。分光器２２は、被検出光Ｌ２の光スペクトルの計測データを制御部５に出力する。

制御部５は、プロセッサ、メモリ等を含んで構成されるコンピュータシステムである。制御部５は、各種の制御機能をプロセッサによって実行する。コンピュータシステムとしては、例えばパーソナルコンピュータ、マイクロコンピュータ、クラウドサーバ、スマートデバイス（スマートフォン、タブレット端末など）などが挙げられる。制御部５は、ＰＬＣ（programmable logic controller）によって構成されていてもよく、ＦＰＧＡ（Field-programmable gate array）等の集積回路によって構成されていてもよい。

制御部５は、所定の入力操作を受け付け、光源１１からのレーザ光Ｌ１の出力、照明１２からの照明光Ｌ３の出力、ステージ２の駆動などを制御する。制御部５は、赤外線カメラ２１からの画像データを受信すると、受信した画像データに基づいて、第１の光透過性部材Ｓ１及び第２の光透過性部材Ｓ２におけるレーザ光Ｌ１の照射位置を示す画像をモニタ等に表示する。また、制御部５は、第１の光透過性部材Ｓ１及び第２の光透過性部材Ｓ２の加工品質の良否を判断する判断部３１として機能する。

判断部３１としての制御部５は、被検出光Ｌ２の強度に対する閾値を保有している。判断部３１は、分光器２２から受信した計測データに基づいて、レーザ光Ｌ１の照射期間中の被検出光Ｌ２の強度が閾値以上である場合には、第１の光透過性部材Ｓ１及び第２の光透過性部材Ｓ２の加工品質が正常であると判断する。判断部３１は、レーザ光Ｌ１の照射期間中の被検出光Ｌ２の強度が閾値以上である場合には、第１の光透過性部材Ｓ１及び第２の光透過性部材Ｓ２の加工品質が異常であると判断する。

また、制御部５は、被検出光Ｌ２の強度に対する許容範囲を保有していてもよい。この場合、レーザ光Ｌ１の照射期間中の被検出光Ｌ２の強度が許容範囲から外れた場合に、被検出光Ｌ２の強度が許容範囲内に収まるようにレーザ光Ｌ１の照射条件を制御する。制御する照射条件としては、例えばレーザ光Ｌ１の強度、繰り返し周波数、スポット径、走査速度などが挙げられる。判断部３１が保有する閾値及び許容範囲の設定にあたっては、第１の光透過性部材Ｓ１及び第２の光透過性部材Ｓ２と同等の部材の加工を事前に複数回実施し、得られた接合体における改質領域Ｓａの断面をそれぞれ観察する。そして、加工品質が正常であると判断された接合体を加工した際のレーザ光Ｌ１の照射期間中の被検出光Ｌ２の強度に基づいて閾値及び許容範囲を設定する。

図４は、レーザ加工装置１の動作を示すフローチャートである。図４に示すように、レーザ加工装置１では、まず、ステージ２上に第１の光透過性部材Ｓ１及び第２の光透過性部材Ｓ２が重ね合わされた状態でセットされる。次に、接合開始点Ｗａにレーザ光Ｌ１の照射位置が一致し、かつレーザ光Ｌ１の集光点Ｐが第１の光透過性部材Ｓ１及び第２の光透過性部材Ｓ２の内部に位置するように光照射部３が制御される（ステップＳ０１）。レーザ光Ｌ１の照射位置を接合開始点Ｗａに一致させた後、レーザ光Ｌ１の照射及びレーザ光Ｌ１に対するステージ２の走査が開始される（ステップＳ０２）。また、レーザ光Ｌ１の照射に応じて第１の光透過性部材Ｓ１及び第２の光透過性部材Ｓ２で発生する被検出光Ｌ２の強度の検出が行われる（ステップＳ０３）。

レーザ光Ｌ１の照射期間中は、被検出光Ｌ２の強度が許容範囲内に収まっているか否かの判断がなされる（ステップＳ０４）。ステップＳ０４において、被検出光Ｌ２の強度が許容範囲内に収まっていないと判断された場合、被検出光Ｌ２の強度が許容範囲内に収まるようにレーザ光Ｌ１の照射条件が制御される（ステップＳ０５）。レーザ光Ｌ１の照射条件を制御した後は、再びステップＳ０３に戻り、被検出光Ｌ２の強度が許容範囲内に収まっているか否かの判断がなされる。ステップＳ０５でのレーザ光Ｌ１の照射条件の制御を複数回繰り返してもステップＳ０４で被検出光Ｌ２の強度が許容範囲内に収まっていないと判断された場合には、第１の光透過性部材Ｓ１及び第２の光透過性部材Ｓ２の加工を停止（レーザ光Ｌ１の出力を停止）してもよい。

ステップＳ０５において、被検出光Ｌ２の強度が許容範囲内に収まっていると判断された場合、レーザ光Ｌ１の照射位置が接合終了点Ｗｂに到達したか否かが判断される（ステップＳ０６）。ステップＳ０６において、レーザ光Ｌ１の照射位置が接合終了点Ｗｂに到達していないと判断された場合には、ステップＳ０３～ステップＳ０５の処理が繰り返し実行される。ステップＳ０６において、レーザ光Ｌ１の照射位置が接合終了点Ｗｂに到達したと判断された場合には、レーザ光Ｌ１の照射及びレーザ光Ｌ１に対するステージ２の走査が終了する（ステップＳ０７）。

次に、加工が終了した第１の光透過性部材Ｓ１及び第２の光透過性部材Ｓ２について、レーザ光Ｌ１の照射期間中の被検出光Ｌ２の強度が閾値以上であったか否かを判断する（ステップＳ０８）。この判断は、レーザ光Ｌ１の照射期間中の被検出光Ｌ２の強度の時間平均と閾値との比較に基づくものであってもよく、レーザ光Ｌ１の照射期間中の被検出光Ｌ２の強度の最低値と閾値との比較に基づくものであってもよい。レーザ光Ｌ１の照射期間中の被検出光Ｌ２の強度が閾値以上であった場合、第１の光透過性部材Ｓ１及び第２の光透過性部材Ｓ２の加工品質が正常であると判断される（ステップＳ０９）。レーザ光Ｌ１の照射期間中の被検出光Ｌ２の強度が閾値未満であった場合、第１の光透過性部材Ｓ１及び第２の光透過性部材Ｓ２の加工品質が異常であると判断される（ステップＳ１０）。

第１の光透過性部材Ｓ１及び第２の光透過性部材Ｓ２の加工品質が正常であると判断された場合、更に加工品質のクラス判定を行ってもよい。この場合、例えばレーザ光Ｌ１の照射期間中の被検出光Ｌ２の理想的な強度の値との比に基づいて加工品質のクラス判定が行われる。例えば被検出光Ｌ２の理想的な強度の値を１００とした場合に、レーザ光Ｌ１の照射期間中の被検出光Ｌ２の強度が９０以上であればクラスＡ、８０以上９０未満であればクラスＢ、７０以上８０未満であればクラスＣ、といった内容でクラス判定を行うことにより、加工品質が正常と判断された第１の光透過性部材Ｓ１及び第２の光透過性部材Ｓ２を用途ごとに分類することができる。

続いて、第１の光透過性部材Ｓ１及び第２の光透過性部材Ｓ２の加工品質と、被検出光Ｌ２の強度との関係性について詳述する。

判断部３１で判断する加工品質の項目としては、例えば改質領域Ｓａにおけるクラックの有無が挙げられる。図４は、改質領域の断面の観察結果の一例を示す図である。図５（ａ）は、加工品質が正常である（クラックが無い）場合の改質領域の断面である。図５（ｂ）は、加工品質が異常である（クラックがある）場合の改質領域の断面である。改質領域Ｓａは、レーザ光Ｌ１のパルスが第１の光透過性部材Ｓ１及び第２の光透過性部材Ｓ２に対して時間的・空間的に狭ピッチで照射され、部材内で多光子吸収が発生することにより、第１の光透過性部材Ｓ１及び第２の光透過性部材Ｓ２の温度が局所的に融解温度に達することによって形成される。レーザ光Ｌ１がパルスである場合、スポット径、繰り返し周波数、及び走査速度の調整により、部材の同一箇所にパルスを複数回照射することができる。これにより、前パルスによる加熱が緩和される前に次パルスによる加熱がなされ、部材の温度を効率的に融解温度まで高めることが可能となる。

図５（ａ）の例では、改質領域Ｓａは、第１の光透過性部材Ｓ１の内部におけるレーザ光Ｌ１の集光点Ｐから接触面Ｃを超えて第２の光透過性部材Ｓ２の内部まで達するように形成されている。改質領域Ｓａは、集光点Ｐから第２の光透過性部材Ｓ２側に向かって徐々に幅広となり、第２の光透過性部材Ｓ２側の端部では、丸みを帯びている。改質領域Ｓａには、やや黒ずんで見える内側領域と、内側領域を囲む外側領域とが含まれ、レーザ光Ｌ１の照射によって生じるプラズマ光は、主に内側領域において発生すると考えられる。図５（ｂ）の例では、改質領域Ｓａの形状自体は、図５（ａ）の場合と同様であるが、集光点Ｐの近傍においてレーザ光Ｌ１の入射側と反対側にクラックＥが生じている。クラックＥは、接合予定線Ｗ（図３参照）に沿って改質領域Ｓａと共に連続的に形成され得る。このため、クラックＥが生じている場合には、第１の光透過性部材Ｓ１及び第２の光透過性部材Ｓ２の接合強度が不十分となることが考えられる。

このような課題に対し、第１の光透過性部材Ｓ１及び第２の光透過性部材Ｓ２の加工品質と、被検出光Ｌ２の強度との関係性を調べるため、以下のような検証試験を実施した。この検証試験では、一般的なスライドガラス、ホウケイ酸ガラス、及び液晶ディスプレイ用ガラスの３種類のガラスを光透過性部材として用意した。スライドガラスには、松浪硝子工業社製Ｓ１１２６を用い、ホウケイ酸ガラスには、ショット社製Ｄ２６３を用いた。また、液晶ディスプレイ用ガラスには、コーニング社製ＮＸＴを用いた。

図６は、検証試験におけるレーザ光の照射条件を示す図である。検証試験では、３種類の異なるガラスに対して種々の照射条件でレーザ光を照射し、レーザ光の照射期間中の被検出光のスペクトル測定を行った。ここでは、Ｎｏ．１～Ｎｏ．１１の計１１種類の照射条件を設定した。各照射条件におけるレーザ光のエネルギー、パルス幅、収差補正、及び偏光状態は、図６に示すとおりである。

図７は、スライドガラスを加工した場合の被検出光のスペクトル強度を紫外域計測系にて計測した結果を示す図である。図８は、スライドガラスを加工した場合の被検出光のスペクトル強度を可視域計測系にて計測した結果を示す図である。図７及び図８では、横軸に波長、縦軸に強度（任意単位）を示し、上記照射条件Ｎｏ．１～Ｎｏ．１１の測定結果を全て重ねて示している。図７及び図８の結果から、紫外域計測系及び可視域計測系のいずれを用いた場合であっても、照射条件間で被検出光のスペクトル強度に特異なピークは見られず、被検出光のスペクトル波形を保ったまた強度のみが変動していることが分かる。したがって、判断部での加工品質の判断には、スペクトル強度の比較的高い波長を選択的に用いればよいことが分かる。

図９及び図１０は、被検出光のスペクトル強度とクラックの発生の有無との相関を示す図である。図９及び図１０では、横軸に照射条件のＮｏ．を示し、縦軸左にスペクトル強度を示している。図９では、紫外域（波長４３０ｎｍ）のスペクトル強度を示し、図１０では、可視域（波長５７０ｎｍ、６１５ｎｍ、６７０ｎｍ）のスペクトル強度を示している。また、図９及び図１０では、縦軸右に改質領域のサイズを示している。Ｗ_ＯＵＴは、外側領域を含めた改質領域の最大幅、Ｈ_ＯＵＴは、外側領域を含めた改質領域の最大高さである（図４参照）。

図９及び図１０の結果では、破線領域で示した照射条件Ｎｏ．４～Ｎｏ．８では改質領域にクラックが発生しておらず、破線領域外の照射条件Ｎо．１～Ｎｏ．３及び照射条件Ｎо．９～Ｎｏ．１１では、改質領域にクラックが発生していた。紫外域の計測では、改質領域にクラックが発生していなかった照射条件Ｎｏ．４～Ｎｏ．８では、被検出光のスペクトル強度がいずれも２５００以上であり、改質領域にクラックが発生していた照射条件Ｎо．１～Ｎｏ．３及び照射条件Ｎо．９～Ｎｏ．１１では、被検出光のスペクトル強度がいずれも２５００未満であった。また、可視域の計測でも、改質領域にクラックが発生していなかった照射条件Ｎｏ．４～Ｎｏ．８では、改質領域にクラックが発生していた照射条件Ｎо．１～Ｎｏ．３及び照射条件Ｎо．９～Ｎｏ．１１に比べて各波長での被検出光のスペクトル強度が高くなっているという結果が得られた。

以上のことから、被検出光のスペクトル強度が一定以上に高い場合に改質領域でのクラックの発生が抑制される傾向があることが分かる。一方、スペクトル強度と改質領域のサイズとの相関、及び改質領域のサイズとクラックの発生との相関は、確認できなかった。紫外域の計測と可視域の計測との間では、被検出光のスペクトル強度とクラックの発生の有無との相関に有意な差は見られなかった。

図１１は、ホウケイ酸ガラスの場合の相関を示す図であり、図１２は、液晶ディスプレイ用ガラスの場合の相関を示す図である。図１１及び図１２は、いずれも可視域の計測結果である。図１１の結果では、破線領域で示した照射条件Ｎｏ．１０のみで改質領域にクラックが発生した。この照射条件Ｎｏ．１０では、被検出光のスペクトル強度が２００未満であった。改質領域にクラックが発生しなかった照射条件のうち、Ｎｏ．２及びＮｏ．３は、被検出光のスペクトル強度が２００未満であったが、他の照射条件では被検出光のスペクトル強度が２００いずれも以上であった。また、スライドガラスの場合と比べて、スペクトル強度と改質領域のサイズとの間に一定の相関がみられた。

図１２の結果では、破線領域で示した照射条件Ｎｏ．４～Ｎｏ．６では改質領域にクラックが発生しておらず、破線領域外の照射条件Ｎо．１～Ｎｏ．３及び照射条件Ｎо．７～Ｎｏ．１１では、改質領域にクラックが発生していた。一方、スペクトル強度と改質領域のサイズとの相関、及び改質領域のサイズとクラックの発生との相関は、確認できなかった。

以上説明したように、レーザ加工装置１では、光照射部３によるレーザ光Ｌ１の照射に応じて第１の光透過性部材Ｓ１及び第２の光透過性部材Ｓ２で発生する被検出光Ｌ２の強度を光検出部４によって検出する。このレーザ加工装置１では、レーザ光Ｌ１の照射期間中に第１の光透過性部材Ｓ１及び第２の光透過性部材Ｓ２で発生する被検出光Ｌ２の強度と改質領域Ｓａの形成状態との間に存在する一定の相関関係に基づいて、被検出光Ｌ２の強度を加工品質の指標として用いることができる。したがって、目視に依らずに加工品質を客観的に評価でき、加工品質の信頼性を向上できる。

また、レーザ加工装置１は、被検出光Ｌ２の強度に対する閾値を保有し、レーザ光Ｌ１の照射期間中の被検出光Ｌ２の強度が閾値以上であったか否かに基づいて、第１の光透過性部材Ｓ１及び第２の光透過性部材Ｓ２の加工品質の良否を判断する判断部３１を備えている。これにより、被検出光Ｌ２の強度に基づいて、第１の光透過性部材Ｓ１及び第２の光透過性部材Ｓ２の加工品質の良否をより客観的に判断できる。

また、レーザ加工装置１は、被検出光Ｌ２の強度に対する許容範囲を保有し、レーザ光Ｌ１の照射期間中の被検出光Ｌ２の強度が許容範囲から外れた場合に、被検出光Ｌ２の強度が許容範囲内に収まるようにレーザ光Ｌ１の照射条件を制御する制御部５を備えている。これにより、被検出光Ｌ２の強度が許容範囲に収まる条件下でレーザ光Ｌ１の照射が行われるため、第１の光透過性部材Ｓ１及び第２の光透過性部材Ｓ２の加工の歩留まりを向上できる。

また、レーザ加工装置１は、光照射部３がレーザ光Ｌ１を集光する集光レンズ１５を有し、光検出部４が被検出光Ｌ２を受光する受光レンズ２３を有している。そして、集光レンズ１５の焦点と受光レンズ２３の焦点とが集光点Ｐにおいて一致している。これにより、集光点Ｐ付近で発生した被検出光を効率的に検出できる。本実施形態では、集光レンズ１５及び受光レンズ２３が一つの対物レンズ２４によって共通化されており、構成の簡単化が図られている。

本開示は、上記実施形態に限られるものではない。上記実施形態では、光検出部４に分光器２２を用い、被検出光Ｌ２における紫外域及び可視域のスペクトル強度を測定しているが、光検出部４は、単一の波長で被検出光Ｌ２のスペクトル強度を測定してもよい。この場合、分光器２２に代えてフォトダイオードを用いることもできる。また、上記実施形態では、対物レンズ２４によって集光レンズ１５及び受光レンズ２３を共通化し、レーザ光Ｌ１の光路の一部と被検出光Ｌ２の光路の一部とを同軸としているが、このようなレンズの共通化は必須ではない。例えば被検出光Ｌ２に対する光透過性を有する材料によってステージ２を構成し、ステージ２の裏側に受光レンズ２３以降の光学系を配置して被検出光Ｌ２の検出を行ってもよい。

１…レーザ加工装置、３…光照射部、４…光検出部、５…制御部、１５…集光レンズ、２３…受光レンズ、２４…対物レンズ、３１…判断部、Ｓ１…第１の光透過性部材、Ｓ２…第２の光透過性部材、Ｌ１…レーザ光、Ｌ２…被検出光、Ｃ…接触面、Ｐ…集光点、Ｓａ…改質領域。

Claims (10)

1. 第１の光透過性部材と第２の光透過性部材とをレーザ光の照射によって接合するレーザ加工装置であって、
   前記第１の光透過性部材及び前記第２の光透過性部材の接触面近傍において、これらの部材の一方の内部に集光点を合わせて前記レーザ光を照射し、前記第１の光透過性部材及び前記第２の光透過性部材に渡る改質領域を形成する光照射部と、
   前記光照射部による前記レーザ光の照射に応じて前記第１の光透過性部材及び前記第２の光透過性部材で発生する被検出光の強度を検出する光検出部と、を備えるレーザ加工装置。
2. 前記被検出光の強度に対する閾値を保有し、前記レーザ光の照射期間中の前記被検出光の強度が前記閾値以上であったか否かに基づいて、前記第１の光透過性部材及び前記第２の光透過性部材の加工品質の良否を判断する判断部を更に備える請求項１記載のレーザ加工装置。
3. 前記被検出光の強度に対する許容範囲を保有し、前記レーザ光の照射期間中の前記被検出光の強度が前記許容範囲から外れた場合に、前記被検出光の強度が前記許容範囲内に収まるように前記レーザ光の照射条件を制御する制御部を更に備える請求項１又は２記載のレーザ加工装置。
4. 前記光照射部は、前記レーザ光を集光する集光レンズを有し、
   前記光検出部は、前記被検出光を受光する受光レンズを有し、
   前記集光レンズの焦点と前記受光レンズの焦点とが前記集光点において一致している請求項１～３のいずれか一項記載のレーザ加工装置。
5. 前記集光レンズ及び前記受光レンズが一つの対物レンズによって共通化されている請求項４記載のレーザ加工装置。
6. 第１の光透過性部材と第２の光透過性部材とをレーザ光の照射によって接合するレーザ加工方法であって、
   前記第１の光透過性部材及び前記第２の光透過性部材の接触面近傍において、これらの部材の一方の内部に集光点を合わせて前記レーザ光を照射し、前記第１の光透過性部材及び前記第２の光透過性部材に渡る改質領域を形成する光照射ステップと、
   前記光照射部による前記レーザ光の照射に応じて前記第１の光透過性部材及び前記第２の光透過性部材で発生する被検出光の強度を検出する光検出ステップと、を備えるレーザ加工方法。
7. 前記被検出光の強度に対する閾値を保有し、前記レーザ光の照射期間中の前記被検出光の強度が前記閾値以上であったか否かに基づいて、前記第１の光透過性部材及び前記第２の光透過性部材の加工品質の良否を判断する判断ステップを更に備える請求項６記載のレーザ加工方法。
8. 前記被検出光の強度に対する許容範囲を保有し、前記レーザ光の照射期間中の前記被検出光の強度が前記許容範囲から外れた場合に、前記被検出光の強度が前記許容範囲内に収まるように前記レーザ光の照射条件を制御する制御ステップを更に備える請求項６又は７記載のレーザ加工方法。
9. 前記光照射ステップでは、前記レーザ光を集光レンズによって集光し、
   前記光検出ステップでは、前記被検出光を受光レンズによって受光し、
   前記集光レンズの焦点と前記受光レンズの焦点とを前記集光点において一致させる請求項６～８のいずれか一項記載のレーザ加工方法。
10. 前記集光レンズ及び前記受光レンズを一つの対物レンズによって共通化する請求項９記載のレーザ加工方法。

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