JP2007284310A - レーザスクライブ方法、レーザ加工装置および電気光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板の表面および表面近傍へ確実に改質層を形成することが可能なレーザスクライブ方法、レーザ加工装置および電気光学装置を提供することを目的とする。
【解決手段】レーザ光４を石英基板５１の内部へ集光させる改質工程において、改質層６０ａ、６０ｂ、６０ｃを形成し、続いて、石英基板５１のレーザ光４の入射面５１ａ直近へ改質層６１を形成する場合に、集光レンズ７と石英基板５１の間に収差制御部として石英ガラス板８を挿入する。これにより、入射面５１ａ直近でのレーザ光４の収差が拡大してレーザ光４の強度Ｐが減少し、石英基板５１の熱変形および入射面５１ａでのブレークダウンの発生などを抑制しつつ改質層６１を形成可能である。
【選択図】図７

Description

本発明は、透明基板の内部にレーザ光を集光させ、多光子吸収による改質層を形成するレーザスクライブ方法、レーザ加工装置およびレーザスクライブ方法またはレーザ加工装置によって加工された電気光学装置に関する。

従来、被加工物としてガラスなどの脆性な透明基板を切断（スクライブ）するために、パルスレーザ光を透明基板の内部に集光させ、パルスレーザ光の集光部に多光子吸収による改質層を形成するレーザスクライブ方法が知られている。レーザスクライブ方法では、まず、透明基板の切断予定ラインに沿って、パルスレーザ光の入射面から遠い位置および近い位置に２つの改質層を形成する。次に、この改質層を起点にして透明基板を切断すれば、容易に切断可能である。改質層を２つ以上多層形成すれば、よりスムーズな切断が図れる。パルスレーザ光は、一般にＹＡＧレーザが用いられるが、近年、チタンサファイアレーザのような超短パルスレーザも用いられている（たとえば、特許文献１および特許文献２）。

ここで、パルスレーザ光による改質層の形成について簡単に説明する。図８（ａ）は、従来の基板内部への改質層の形成を示す断面図である。この場合、ＹＡＧレーザによる短パルスのレーザ光１００は、集光レンズ１０１によって、透明基板１０２の入射面１０７から透明基板１０２内部へ集光されている。入射面１０７から入射したレーザ光１００は、透明基板１０２によって屈折することにより収差が生じ、集光点１０３および集光点１０４の間に集光される。集光されたレーザ光１０１の単位面積あたりの強度Ｐが、多光子吸収を生じさせる多光子吸収閾値Ｐ_kより大きい値の強度Ｐ₁であれば、改質層は、集光された集光点１０３と集光点１０４との距離△Ｌ₁の間に形成される。

改質層は、レーザ光１００が短時間に基板内部に集光され、集光部において多光子吸収閾値Ｐ_k以上の強度Ｐとなると、集光されたレーザ光１００の多数の光子が基板の電子と相互作用して吸収される多光子吸収の現象によって形成される。多光子吸収は、レーザ光１００のエネルギが熱に変換される前に、短時間の間に行われると、熱の発生をほとんど伴わないため、透明基板１０２へダメージを与えることが無い。一方、集光点１０３，１０４での強度Ｐが閾値Ｐ_j以上になると、エネルギが熱に変換され集光点１０３，１０４において熱膨張、応力集中、熱変質などが生じ易くなる。従って、レーザ光１００の強度Ｐは、多光子吸収閾値Ｐ_kから閾値Ｐ_jの間にあることが望ましい。

特開２００２−１９２３７１号公報 特開２００４−３３７９０２号公報

しかし、従来の技術では、透明基板１０２の内部に改質層を形成後、透明基板１０２の入射面１０７の近傍での改質層形成において、図８（ｂ）の基板のレーザ光入射面直下への改質層の形成を示す断面図のように、透明基板１０２による収差の影響が少なく、レーザ光１００の集光点１０５および集光点１０６との距離△Ｌ₂が△Ｌ₁より狭まる。そのため、この間の単位面積あたりのレーザ光１００の強度Ｐが強度Ｐ₁以上になる。透明基板１０２が厚い場合などでは、入射面１０７の反対面近傍において、改質層を形成するためにレーザ光１００の強度Ｐが多光子吸収閾値Ｐ_kであっても、入射面１０７の近傍では、強度Ｐが閾値Ｐ_j以上の強度Ｐ₂となる場合がある。この状態では、改質層は形成されるが、透明基板１０２の熱変質や応力によるクラックなどが生じ易くなる。特に、透明基板１０２の入射面１０７においては、集光されたレーザ光１００により大気中の気体分子が電界破壊され、高温の大気プラズマや衝撃波等が発生し、入射面１０７にクラックなどが発生するいわゆるブレークダウンが生じるという課題があった。なお、透明基板１０２の入射面１０７でのブレークダウンは、透明基板１０２の内部の変質等より発生しやすく、内部と入射面１０７との同時加工は困難であった。

本発明は、上記課題を解決するために、基板の表面および表面近傍へ確実に改質層を形成することが可能なレーザスクライブ方法、レーザ加工装置および電気光学装置を提供することを目的とする。

本発明のレーザスクライブ方法は、レーザ加工装置のレーザ光を被加工物の内部へ照射し多光子吸収による改質層を形成するために、レーザ加工装置へ被加工物を載置する載置工程と、レーザ光を被加工物の内部へ集光させて、改質層を形成する改質工程と、少なくともレーザ光が被加工物に入射する面の直近へ改質層を形成する場合に、収差制御部によってレーザ光に収差を生じさせる収差工程と、を有することを特徴とする。

このレーザスクライブ方法によれば、被加工物の改質層は、被加工物の内部へ照射されたレーザ光の集光点において、集光された多数の光子が被加工物の電子と相互作用して吸収される、いわゆる多光子吸収の現象が生じた領域である。改質層を形成することによって、被加工物は、改質層の形成部位で容易に切断可能である。このとき、レーザ光は、被加工物へ入射するときに屈折し、収差が生じる。この収差のために、レーザ光は、レーザ光が入射する入射面においては、ほぼ一点に集光可能であるが、入射面の反対面では、集光点が拡大する。そのため、入射面での単位面積あたりのレーザ光の強度は、反対面より強くなる。反対面の近傍において、改質層が形成可能な最適強度のレーザ光であっても、入射面においては、レーザ光の強度が強すぎて被加工物へ改質層の形成以外の熱影響等を与える場合がある。これを回避するために、少なくとも入射面の直近へ改質層を形成する場合には、収差制御部を挿入し、レーザ光にさらに収差を生じさせる。収差制御部の挿入により、集光点におけるレーザ光が分散され集光点が拡大し、収差制御部を挿入しない場合と比べて、レーザ光の単位面積あたりの強度が減少する。従って、被加工物へ熱影響等を与える強度のレーザ光であっても、収差制御部を屈折して透過させることにより、被加工物へ熱影響等のほとんどない強度のレーザ光に調整することが可能である。特に、レーザ光の強度が最も強くなる被加工物の入射面の直近へ改質層を形成する場合に有効であり、入射面の直近以外での改質層の形成にも応用可能である。

この場合、収差工程は、レーザ光を被加工物の内部へ集光させる集光部と被加工物との間へ収差制御部を挿入する工程であることが好ましい。

この方法によれば、収差制御部は、被加工物の入射面の直近へ改質層を形成する場合にレーザ加工装置に挿入でき、レーザ加工装置の光学系を変えることなくレーザ光の収差制御が可能である。収差制御部を材質、形状等の異なるものに変更して挿入すれば、目的に応じて自在に、且つ、容易にレーザ光の制御が可能である。

また、改質工程は、被加工物とレーザ光とを被加工物の切断予定位置に沿って相対移動させる走査工程を含むことが好ましい。

この方法によれば、被加工物の切断予定位置に沿って改質層を形成でき、被加工物を所定の形状に正確に切断可能である。また、改質層は、切断予定位置に沿って被加工物の厚さ方向と直交方向に微小幅で形成することが可能であり、この微小幅部分に沿って切断することにより、被加工物を切断屑などとして無駄にすることがほとんどない。

そして、収差工程は、レーザ光の集光する集光点におけるレーザ強度を改質層の形成可能閾値以上およびブレークダウンの発生可能閾値以下に調整する工程であることが好ましい。

この方法によれば、被加工物の入射面の直近へ改質層を形成する場合において、集光点におけるレーザ光の強度が入射面の反対面よりも強くなり、入射面でブレークダウンが発生し易いため、収差制御部によってレーザ光を最適な強度に調整する。レーザ光を最適な強度に調整可能な収差制御部を挿入することにより、被加工物へ改質層を確実に形成可能である。なお、ブレークダウンとは、被加工物の表面へ集光されたレーザ光の強度が一定の閾値以上の場合に、大気中の気体分子が電界破壊され、高温の大気プラズマや衝撃波等が生じる現象であり、表面にクラックなどが発生して改質層の形成および被加工物にとって好ましくない現象である。

本発明の電気光学装置は、上記記載のレーザスクライブ方法によって加工されたことを特徴とする。

この電気光学装置によれば、被加工物がレーザスクライブ方法によって、切断屑のほとんどないように切断され、また、切断のための無駄なスペースも必要なく効率的に生産可能である。電気光学装置としては、液晶表示装置、有機ＥＬ（Electro Luminescence）表示装置などが挙げられ、被加工物である基板の上に液晶、有機ＥＬなどの表示部を複数形成しておき、これら表示部を単位として基板をレーザ光によって切断する。レーザ光によれば、表示部間が狭隘であっても基板を確実に切断でき、基板上に表示部を近接させて最大数形成することが可能であり、電気光学装置の効率的な生産が図れる。

本発明のレーザ加工装置は、レーザ光を被加工物の内部へ照射し多光子吸収による改質層を形成するため、被加工物を載置するための載置台と、改質層を形成するために、レーザ光を被加工物の内部へ集光させる集光部と、レーザ光に収差を生じさせるための収差制御部と、を備えていることを特徴とする。

このレーザ加工装置によれば、載置台に載置された被加工物の内部へレーザ光を照射し、集光部を介して集光されたレーザ光の多数の光子が被加工物の電子と相互作用して吸収される、いわゆる多光子吸収の現象によって改質層を形成可能である。改質層を形成することによって、被加工物は、改質層の形成部位で容易に切断可能である。このとき、レーザ光は、被加工物へ入射するときに屈折し、収差が生じる。この収差のために、レーザ光は、レーザ光が入射する入射面においては、ほぼ一点に集光可能であるが、入射面の反対面では、集光点が拡大する。そのため、入射面での単位面積あたりのレーザ光の強度は、反対面より強くなる。反対面の近傍において、改質層が形成可能な最適強度のレーザ光であっても、入射面においては、レーザ光の強度が強すぎて被加工物へ改質層の形成以外の熱影響等を与える場合がある。これを回避するために、収差制御部によってレーザ光にさらに収差を生じさせる。収差制御部により、集光点におけるレーザ光が分散され集光点が拡大し、収差制御部を使用しない場合と比べて、レーザ光の単位面積あたりの強度が減少する。従って、被加工物へ熱影響等を与える強度のレーザ光であっても、収差制御部を屈折して透過させることにより、被加工物へ熱影響等のほとんどない強度のレーザ光に調整でき、さらに、集光点の拡大に比例して拡大した改質層の形成が可能である。このように、収差制御部によるレーザ光の集光点の拡大および強度の調整が可能なレーザ加工装置は、被加工物の反対面の近傍に改質層を形成すると共に、入射面の直近へも確実に改質層を形成可能である。また、レーザ加工装置の光学系を変えることなくレーザ光の収差制御が可能である。

この場合、収差制御部は、集光部と被加工物との間に対し挿入および撤去可能に設けられていることが好ましい。

この構成によれば、収差制御部は、特定の改質層の形成時に、レーザ光の経路である集光部と被加工物との間に挿入されてレーザ光の収差をさらに生じさせることが可能である。これにより、特定の改質層の形成時に、レーザ光の強度を改質層の形成に適した値に調整可能である。そして、特定の改質層以外の改質層を形成する場合には、収差制御部を集光部と被加工物との間から撤去して収差の少ないレーザ光で改質層を形成可能である。挿入、撤去が自在な収差制御部を設けることにより、レーザ光の被加工物の集光点での強度を容易に調整可能である。これにより、被加工物の反対面に比べてレーザ光の強度が強くなる入射面の直近へ改質層を形成する場合などにおいても、被加工物へ熱影響を与えることなく改質層を形成可能である。

以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。実施形態では、電気光学装置の一例として液晶表示装置を取り上げ、レーザ加工装置によるレーザスクライブ方法について説明する。最初に、レーザ加工装置および液晶表示装置についてそれぞれ図面を参照して説明する。
（実施形態）

図１は、実施形態１におけるレーザ加工装置の構成を示すブロック図である。レーザ加工装置１は、単波長のレーザ光４を被加工物１０へ照射する照射機構部２と、照射機構部２を制御するホストコンピュータ３とを備えている。照射機構部２は、レーザ光４を出射するレーザ光源５と、出射されたレーザ光４を反射するダイクロイックミラー６と、ダイクロイックミラー６で反射したレーザ光４を集光する集光レンズ（集光部）７と、レーザ光４の収差を拡大させレーザ光４の強度Ｐを調整する石英ガラス板（収差制御部）８と、を備えている。

また、照射機構部２は、被加工物１０を載置する載置台１１と、載置台１１をレーザ光４の光軸と略直交する平面内でＸ軸方向へ相対的に移動させるＸ軸移動部１２と、Ｙ軸方向へ相対的に移動させるＹ軸移動部１３とを備えている。さらに、集光レンズ７に対して載置台１１を相対的に移動させて、レーザ光４の焦点（集光点）の位置を被加工物１０の厚み方向であるＺ軸方向へ調整可能なＺ軸移動部１４と、Ｘ軸移動部１２、Ｙ軸移動部１３、Ｚ軸移動部１４および石英ガラス板８を移動させるための移動機構部１５とを備えている。そして、ダイクロイックミラー６を挟んで集光レンズ７に対して反対側に位置する撮像部１６を備えている。

次に、このような構成の照射機構部２を制御するホストコンピュータ３について説明する。ホストコンピュータ３の制御部２０は、撮像部１６が撮像した画像情報を処理する画像処理部２１と、レーザ光源５を所定の出力、パルス幅、パルス周期で出射制御をするレーザ制御部２２と、移動機構部１５を制御する移動制御部２３とを有している。また、ホストコンピュータ３は、レーザ光４による加工の際に用いられる各種加工条件のデータなどを入力する入力部２８と、レーザ光４による加工状態などの情報を表示する表示部２７とを有している。

そして、制御部２０は、入力部２８から入力されたデータなどを一時的に保存するＲＡＭ（Random Access Memory）２６と、画像処理部２１、レーザ制御部２２、移動制御部２３の制御用プログラムなどを記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）２５と、ＲＯＭ２５に記憶されているプログラムに従って各種の制御を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）２４とを有している。これら画像処理部２１、レーザ制御部２２、移動制御部２３、ＣＰＵ２４、ＲＯＭ２５およびＲＡＭ２６は、バス２９を介して相互に接続されている。

以上のような構成のレーザ加工装置１において、Ｘ軸移動部１２と、Ｙ軸移動部１３と、Ｚ軸移動部１４とは、それぞれ図示していないサーボモータによって駆動される。被加工物１０へのレーザ光４の集光点をＺ軸方向に移動させるＺ軸移動部１４には、移動距離を検出可能な位置センサが内蔵されており、移動制御部２３は、この位置センサの出力を検出してレーザ光４の集光点のＺ軸方向位置を制御可能である。

撮像部１６は、可視光を発する光源とＣＣＤ（Charge Coupled Device：固体撮像素子）が組み込まれたものである。光源から出射した可視光は、集光レンズ７を透過して焦点を結ぶ。被加工物１０のレーザ光４の入射面と入射面の反対側の面とに、それぞれ焦点を合わせるようにＺ軸移動部１４を移動させて、移動距離を位置センサで検出すれば被加工物１０の厚みを計測することが可能である。

また、レーザ加工装置１において、レーザ光源５は、半導体レーザ励起によるＮｄ：ＹＡＧレーザ（以下ＹＡＧレーザと呼称する）からナノ秒（１０^-9秒）のパルス幅でＹＡＧレーザ光であるレーザ光４を出射可能である。そして、集光レンズ７は、倍率が１００倍、開口数（ＮＡ：Numerical Aperture）が０．８、ＷＤ（Working Distance）が３ｍｍの対物レンズを使用している。

次に、液晶表示装置（電気光学装置）について説明する。図２は、液晶表示装置の構成を示す部分断面を含む平面図であり、図３は、液晶表示装置の構成を示す部分断面を含む側面図である。図３は、図２のＰ−Ｐ’に沿った断面図である。図２および図３において、液晶表示装置３０は、ＴＦＴ基板３３と、ＴＦＴ基板３３に形成されている表示パネル（表示部）３１とを有し、表示パネル３１は、ＴＦＴ基板３３およびＴＦＴ基板３３と対をなす対向基板３４が封止材であるシール材３５によって貼り合わされている。シール材３５は、両基板面内の領域において閉ざされた枠状に形成されている。

シール材３５の形成されている領域の内側には、ＴＦＴ基板３３の表面にモザイク状に配置されている画素電極３６および各画素電極３６をスイッチング制御するＴＦＴ３７と、対向基板３４のＴＦＴ基板３３側の面に画素電極３６に対向して配置されている平面状の対向電極３８と、画素電極３６および対向電極３８を覆うように形成されている配向膜３９と、シール材３５および配向膜３９によって区画された領域内に封入保持されている液晶４０とが配置されている。また、液晶表示装置３０は、通常、外部との接続用のフレキシブル配線（ＦＰＣ、Flexible Printed Circuit board）基板３２を有する。

そして、シール材３５の形成されている領域の外側および下側には、データ線駆動回路４１と、フレキシブル配線基板３２と接続するための実装端子４２とが、ＴＦＴ基板３３の一辺に沿って形成されている。さらに、この一辺に隣接する二辺に沿って走査線駆動回路４３，４３がそれぞれ形成され、ＴＦＴ基板３３の残る一辺に、走査線駆動回路４３，４３の間を接続するための複数のパネル配線４４が設けられている。また、対向基板３４のコーナー部の少なくとも１箇所においては、ＴＦＴ基板３３と対向基板３４との間で電気的導通をとるための基板間導通材４５が配設されている。

図２に示すフレキシブル配線基板３２は、実装端子４２にそれぞれ接続するＦＰＣ配線４６を内部に有している。ＦＰＣ配線４６と実装端子４２とは、異方性導電膜部４７によって電気的導電がとられている。異方性導電膜部４７は、導電性粒子とバインダとを有する異方性導電膜をＦＰＣ配線４６と実装端子４２との間で熱圧着加工することによって、対応するＦＰＣ配線４６と実装端子４２とをそれぞれ電気的に導通させている。さらに、異方性導電膜部４７は、電気的導通を図るだけでなく、実装端子４２間の距離より微小な粒子径の導電性粒子をバインダに分散させることにより、隣接する実装端子４２間の絶縁性を確保している。

なお、表示パネル３１においては、使用する液晶４０の種類、すなわち、ＴＮ（Twisted Nematic）モード、ＳＴＮ（Super Twisted Nematic）モード等の動作モードや、ノーマリホワイトモードまたはノーマリブラックモードの別に応じて、位相差板、偏光板等が所定の向きに配置されるが、ここでは図示を省略する。また、表示パネル３１をカラー表示用として構成する場合には、対向基板３４において、ＴＦＴ基板３３の各画素電極３６に対向する領域に、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のカラーフィルタをその保護膜とともに形成する。

この液晶表示装置３０は、石英基板に複数の表示パネル３１が形成された表示基板を、レーザ加工装置１によって表示パネル３１の単位でスクライブ（切断）したものである。このような液晶表示装置３０を効率的に製造するための表示基板について簡単に説明する。図４（ａ）は、複数の表示パネルが形成された表示基板を示す平面図である。また、図４（ｂ）は、複数の表示パネルが形成された表示基板の側面を示す断面図である。図４（ａ）および（ｂ）に示すように、表示基板５０は、石英基板（被加工物）５１の一方の表面５１ａに複数の表示パネル３１が形成されたものである。それぞれの表示パネル３１は、石英基板５１がＸ軸方向切断予定線（切断予定位置）５２およびＹ軸方向切断予定線（切断予定位置）５３に沿って、レーザ加工装置１によって切断されると、図２および図３に示す液晶表示装置３０として個別に取り出される。図４（ａ）は、石英基板５１に４０個の表示パネル３１が形成されている表示基板５０を示している。

石英基板５１は、レーザ加工装置１によって表示基板５０から切断された液晶表示装置３０において、ＴＦＴ基板３３として機能する。このように、表示基板５０を切断して液晶表示装置３０を得る方法について、そのステップを簡単に説明する。図５は、石英基板の切断方法を示すフローチャート図である。図６は、石英基板内部への改質層の形成を示す断面図であり、収差制御部である石英ガラス板８を使用しない場合における石英基板５１の内部への改質層６０の形成を示している。また、図７は、石英基板のレーザ光入射面直近への改質層の形成を示す断面図であり、石英ガラスを使用した場合における石英基板５１の内部への改質層６１の形成を示している。図６および図７では、表示パネル３１を省略して表している。

図５に示すように、レーザ加工装置１を用いて表示基板５０の石英基板５１を切断する工程を順に列挙すると、まず、集光レンズ７と被加工物１０として載置台１１に載置された石英基板５１とを相対的に位置決めする載置工程である石英基板位置決めの工程（Ｓ１）と、石英基板５１の厚みを測定する石英基板厚み測定の工程（Ｓ２）と、により石英基板５１をレーザ加工装置１へ正しくセットする。

次に、図６に示すように、石英基板５１の一方の表面（以降入射面と呼称する）５１ａと入射面５１ａに対する反対面５１ｂとの間の断面全域へ、順に改質層６０を形成するためのレーザ走査回数等演算の工程（Ｓ３）を行う。この場合、断面全域へ改質層６０を形成するには、５回の走査により改質層６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄ，６０ｅの５層を形成すれば良いこと、および改質層６０ｄ，６０ｅの形成時に、レーザ光４の強度Ｐが石英基板５１を熱変質等させる閾値Ｐ_j以上になることなどが演算されている。

そして、レーザ光４の焦点位置調整の工程（Ｓ４）において、Ｚ軸移動部１４によりレーザ光４の集光点である焦点の位置を、まず、反対面５１ｂの近傍へ調整する。続いて、Ｘ軸移動部１２およびＹ軸移動部１３により石英基板５１を相対移動させながら、Ｘ軸方向切断予定線５２およびＹ軸方向切断予定線５３に沿ってレーザ光４を照射するレーザ走査の工程（Ｓ５）を実行して改質層６０ａを形成する。次いで、所定走査終了を判断する工程（Ｓ６）において、ステップＳ３で演算した走査回数の内、レーザ光４の強度Ｐが閾値Ｐ_j以下で形成可能な改質層６０ｃの形成終了まで、ステップＳ４およびステップＳ５が繰り返し実行される。ステップＳ５は、走査工程を含む改質工程である。

次に、石英ガラス板８を集光レンズ７と被加工物１０である石英基板５１との間に挿入する工程（Ｓ７）において、石英ガラス板８によって、レーザ光４の収差を拡大させると共にレーザ光４の強度Ｐを調整する。つまり、改質層６０ｄ，６０ｅの部分を形成するレーザ光４の強度Ｐを閾値Ｐ_j以下に調整する。ステップＳ７は、収差工程である。続いて、ステップＳ４、Ｓ５およびＳ６と同様に、レーザ光４の焦点位置調整の工程（Ｓ８）と、レーザ走査の工程（Ｓ９）と、所定走査終了を判断する工程（Ｓ１０）とを実行する。

ステップＳ９は、走査工程を含む改質工程であり、石英ガラス板８によって収差が拡大したレーザ光４は、図７に示すように、集光点６２および集光点６３の距離△Ｌ₃の間に集光されて改質層６１を形成する。この時、レーザ光４の強度Ｐが閾値Ｐ_j以下の強度Ｐ₃であり、また、収差の拡大によって、改質層６１の△Ｌ₃は、改質層６０ｄ，６０ｅを形成予定の部分を改質層６１の一層で加工可能である。改質層６１の形成後、収差制御部である石英ガラス板８を撤去（Ｓ１１）し、最後に、石英基板の切断の工程（Ｓ１２）で、石英基板５１を切断する。

次に、列挙したフローチャートの各ステップのさらに詳細な説明の前に、パルス出射のレーザ光４による多光子吸収について説明する。石英基板５１に用いられる石英は、可視領域のレーザ光を吸収せずに透過させるため、通常、この種のレーザ光によって石英基板５１を切断加工することは、困難であった。これに対して、パルス幅がナノ秒（１０^-9秒）クラスのレーザ光４を石英基板５１の集光点に集光させ、且つ、レーザ光４の単位面積あたりの強度Ｐを多光子吸収が生じるべき多光子吸収閾値Ｐ_kである１×１０⁸（Ｗ／ｃｍ²）以上に設定すると、短時間にレーザ光４のエネルギが石英に集中し、集光されたレーザ光４の多数の光子が石英の電子と相互作用して吸収される、いわゆる多光子吸収の現象が生じる。

多光子吸収は、レーザ光４のエネルギが熱に変換される前に、短時間の間に行われるため、熱の発生等をほとんど伴わず、さらに、レーザ光４を集光させた石英基板５１の内部にのみ作用させることが可能である。この場合、レーザ光４の強度Ｐの閾値Ｐ_jは、およそ１×１０¹²（Ｗ／ｃｍ²）であり、この値以上になると、レーザ光４のエネルギが熱に変換され石英基板５１の内部で熱膨張、応力集中、熱変質などが生じやすくなる。なお、パルス幅がより小さいレーザ光４であれば、より超短時間で多光子吸収の現象が生じるため、閾値Ｐ_j以上であっても、石英基板５１へ熱などの影響を与えることなく、石英基板５１の加工が可能である。

以上の説明を踏まえて、図５に示すフローチャートの各ステップについて、順に、詳細に説明する。最初に、ステップＳ１において、図４に示した表示基板５０の石英基板５１を、表示パネル３１が形成されている入射面５１ａに対する反対面５１ｂが載置台１１に接するように載置する。そして、Ｘ軸方向切断予定線５２がＸ軸に平行となるように石英基板５１を位置決めする。また、移動制御部２３は、レーザ光４の光軸が石英基板５１のＸ軸方向切断予定線５２またはＹ軸方向切断予定線５３の線上に位置するように、サーボモータを駆動しＸ軸移動部１２およびＹ軸移動部１３を移動させる。この場合、石英基板５１には、位置決め用のアライメントマークが形成されており、撮像部１６によってこのアライメントマークを認識し、画像処理部２１に取り込んだ画像データに基づいて座標を演算して、石英基板５１を位置決めする。位置決め後、ステップＳ２へ進む。

ステップＳ２において、石英基板５１の厚みを測定するために、石英基板５１のレーザ光４の入射面５１ａと反対面５１ｂとのそれぞれに、撮像部１６から出射される可視光の焦点を合わせ、撮像部１６が捉えた映像を表示部２７に表示させる。可視光の焦点合わせは、Ｚ軸移動部１４を移動させて行う。これら一連の操作は、作業者がホストコンピュータ３を操作して行う。ホストコンピュータ３は、Ｚ軸移動部１４の位置センサの出力から石英基板５１の厚みを演算し、演算結果としての厚み１０００μｍは、ホストコンピュータ３のＲＡＭ２６にＺ軸方向の座標として記憶される。厚み測定後、ステップＳ３に進む。

ステップＳ３において、レーザ光４の走査回数等を演算する。石英基板５１の厚み方向のほぼ断面全域に改質層６０を形成するには、５回の走査により改質層６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄ，６０ｅの５層を形成すれば良いことが算出される。図６は、石英基板５１の反対面５１ｂの側から順に改質層６０ａ，６０ｂが既に形成され、改質層６０ｃを形成している途中の状態を示している。厚さ１０００μｍの石英基板５１において、各改質層６０の厚み方向長さ△Ｌ₁は、図８を参照して説明した収差のため、反対面５１ｂ近傍の改質層６０ａの約３００μｍから入射面５１ａの直近である改質層６０ｅの１００μｍとなり、入射面５１ａの側の改質層６０が順次狭くなっている。また、この場合、改質層６０ｄ，６０ｅの形成時に、レーザ光４の強度Ｐが石英基板５１を変質等させる閾値Ｐ_j以上になること、および改質層６０ｄ，６０ｅのそれぞれの△Ｌ₁の合計が約２５０μｍであることなどが演算されている。演算後、ステップＳ４へ進む。

ステップＳ４において、石英ガラス板８を挿入しない場合のレーザ光４による改質層６０の形成データ、および、石英ガラス板８を挿入した場合のレーザ光４による改質層６１の形成データとして、撮像部１６が捉えた可視光の焦点の位置と、レーザ光４の焦点とのＺ軸方向の位置関係と、レーザ光４による改質層６０および改質層６１の長さ△Ｌ₁とを、予めレーザ光４の照射予備試験の結果から求めてある。これらデータは、ホストコンピュータ３へ入力されている。これらのデータと、ステップＳ２で求められた石英基板５１の厚みデータ（Ｚ軸方向の座標）とに基づいて、移動制御部２３は、Ｚ軸移動部１４を駆動して、まず、改質層６０の端部が石英基板５１の反対面５１ｂに掛かるように、レーザ光４の焦点をＺ軸方向に移動させる。レーザ光４の焦点の調整後、ステップＳ５へ進む。

ステップＳ５において、集光レンズ７に対して石英基板５１を相対移動させて、まず、改質層６０ａを形成する。石英基板５１には、図４（ａ）に示すように、複数（４０個）の表示パネル３１が形成されており、Ｘ軸方向の９本のＸ軸方向切断予定線５２と、Ｙ軸方向の８本のＹ軸方向切断予定線５３とにより区画されている。つまり、Ｘ軸方向に所定のピッチでずらしながらレーザ操作を９回行い、続いてＹ軸方向に所定のピッチでずらしながらレーザ操作を８回行って、各表示パネル３１を改質層６０ａで仕切る。Ｘ軸方向切断予定線５２およびＹ軸方向切断予定線５３は、あらかじめデータとして入力されているので、ホストコンピュータ３は、このデータに基づいた制御信号を移動制御部２３へ送り、移動制御部２３は、制御信号に基づいてＸ軸移動部１２とＹ軸移動部１３を移動させることにより、石英基板５１を集光レンズ７に対して相対移動させることが可能である。改質層６０ａ形成後、ステップＳ６へ進む。

ステップＳ６において、ステップＳ３で演算した所定の走査が終了したか否かを制御部２０が判断する。ここでは、ステップＳ３でのレーザ光４の強度Ｐの演算結果より、石英ガラス板８を挿入せずに改質層６０ａ、６０ｂ、６０ｃを形成可能であり、改質層６０ｂの形成のためステップＳ４へ戻る。一方、改質層６０ｃが形成されていれば、ステップＳ７へ進む。

ステップＳ７において、集光レンズ７と石英基板５１との間に石英ガラス板８を移動機構部１５により挿入する。石英ガラス板８の挿入により、レーザ光４の収差を拡大させると共に、レーザ光４の強度Ｐを調節することが可能である。挿入後、ステップＳ８へ進む。

ステップＳ８において、レーザ光４の焦点位置を調整する。図７に示すように、移動制御部２３は、Ｚ軸移動部１４を駆動して、レーザ光４の焦点位置である集光点６２，６３の位置を石英基板５１の入射面５１ａの直近へ設定する。焦点位置の調整後、ステップＳ９へ進む。

ステップＳ９において、ステップＳ５と同様に載置台１１を移動させる走査を行う。この場合、石英ガラス板８によりレーザ光４の収差が拡大しており、レーザ光４による集光点６２と集光点６３との間に、△Ｌ₃が２５０μｍの改質層６１が形成される。つまり、改質層６０ｄ，６０ｅの領域を改質層６１のみで加工可能である。また、レーザ光４の強度Ｐは、石英ガラス板８を挿入せずに改質層６０ｄ，６０ｅを形成するときの閾値Ｐ_j以上に比べて、閾値Ｐ_j以下の強度Ｐ３であり、石英基板５１を熱変質等させることなく改質層６１を形成可能である。改質層６１の形成後、ステップＳ１０へ進む。

ステップＳ１０において、ステップＳ３で演算した所定の走査が終了したか否かを判断する。終了していれば、ステップＳ１１へ進み、一方、終了していなければ、ステップＳ８へ戻る。ここでは、石英ガラス板８を挿入して形成するのは、改質層６１のみであるため走査は一回で終了である。

ステップＳ１１において、収差制御部である石英ガラス板８を移動機構部１５により撤去する。撤去後、ステップＳ１２へ進む。

ステップＳ１２において、石英基板５１をＸ軸方向切断予定線５２およびＹ軸方向切断予定線５３に沿って切断する。図７に示すように、石英基板５１の厚み方向に連続して形成された改質層６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６１に対して、曲げ応力または引っ張り応力のような外部応力を加える。外部応力を加えることにより、石英基板５１は、Ｘ軸方向切断予定線５２およびＹ軸方向切断予定線５３に沿って容易に切断可能である。

これら改質層６０，６１は、石英基板５１の厚み方向断面の全面に連続して形成されているため、改質層６０，６１以外が切断されて、いわゆるチッピングなどによる液晶表示装置３０の外形の形状不良が発生することをほぼ防止可能である。また、石英基板５１の厚さ方向に対し直交方向の改質層６０，６１の幅は、約２０μｍ程度の微小幅であり、この微小幅に沿って石英基板５１を切断可能であるため、高い外形寸法精度の液晶表示装置３０が入手可能である。

以下、実施形態の効果をまとめて記載する。

（１）レーザ加工装置１によって、石英基板５１の反対面５１ｂ側から入射面５１ａ側へ順に改質層６０を形成すると、レーザ光４の収差のため、入射面５１ａの直近および近傍の改質層６０ｄ，６０ｅの形成時には、レーザ光４の強度Ｐが石英基板５１を熱変質等させる閾値Ｐ_j以上となり易い。そこで、石英ガラス板８を挿入してレーザ光４の収差を拡大させることにより、レーザ光４が分散されレーザ光４の強度Ｐが減少する。この状態のレーザ光４によって、改質層６０ｄ，６０ｅに替えて改質層６１を形成すれば、石英基板５１を変質等させることが無い。レーザ加工装置１の光学系を変えることなくレーザ光４を制御して改質層６０，６１の形成が可能である。

（２）改質層６０ｄ，６０ｅは、石英基板５１の厚み方向の長さ△Ｌ₁が短く、石英ガラス板８を挿入して形成した改質層６１は、収差が拡大して△Ｌ₃が長いため、改質層６１によって改質層６０ｄ，６０ｅの２つの領域を、一回の走査により、効率良く加工可能である。

（３）石英ガラス板８を挿入することにより、石英基板５１の入射面５１ａにおいて収差を拡大でき、入射面５１ａでのブレークダウンを回避しつつ、石英基板５１の内部と表面である入射面５１ａとを同時に加工可能となり、効率向上が図れる。

また、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、次に挙げる変形例のような形態であっても、それぞれ各実施形態と同様な効果が得られる。

（変形例１）石英ガラス板８を挿入して形成する改質層６１は、改質層６０ａ，６０ｂ，６０ｃを形成した後に形成することに限定されず、先に形成しても良い。つまり、図５に示すフローチャートにおいて、ステップＳ４，Ｓ５，Ｓ６をステップＳ１１の後に変更する。こうしても、石英基板５１を、変更前と同様に切断可能である。

（変形例２）被加工物１０は、液晶表示の表示パネル３１が形成された石英基板５１に限らず、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）、有機ＥＬ（Electro Luminescence）、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）、各種半導体などのデバイスが形成された光透過性の水晶、ガラス、シリコンなどからなる基板であっても良い。レーザ光４による切断方法は、多様な機能デバイスの基板切断に適用可能である。

（変形例３）収差制御部は、石英ガラス板８の挿入に限定されず、石英ガラス板８を用いずに、ステップＳ７において、集光レンズ７自体をフレネルレンズ、アキシコンレンズなど収差を生じさせるものに交換しても良い。または、集光レンズ７に収差を制御するためのレンズ駆動機構を設けて制御しても良い。これらにより、集光レンズ７に収差を積極的に生じさせ、より確実に集光点調節が可能である。

（変形例４）ステップＳ７において、レーザ光源５が発するレーザ光４を単波長（単色）のものから、複数の発信波長を有するブロードなレーザ光にしても良い。単波長のレーザ光４において生じる球面収差に加え、軸上色収差によってさらに収差を拡大させることが可能である。ブロードなレーザ光の場合、石英ガラス板８の挿入を不要にすることも可能である。

（変形例５）照射機構部２のレーザ光源５は、ＹＡＧレーザに限定されず、エキシマレーザや固体光源としてチタンサファイアを用いたフェムト秒レーザ等を用いることも可能である。

本発明は、被加工物１０のレーザ光４の入射面５１ａ直近へ改質層６１を形成する場合に、収差を拡大させてレーザ光４の強度Ｐを減少させることにより、被加工物１０の内部への熱影響、入射面５１ａでのブレークダウンの発生などを防止可能な方法である。この方法を用いれば、表示基板５０から液晶表示装置３０を無駄なく効率的に多数個切り出せる。表示基板５０に形成される表示パネル３１は、液晶に限らず有機ＥＬなどの形成も可能であり、液晶表示装置３０以外の電気光学装置である有機ＥＬ表示装置なども効率的に切断して得ることが可能である。また、石英基板５１に限らず、水晶、ガラスなどの光透過性の材料に対しても有効な切断方法であり、石英基板５１以外の水晶基板やガラス基板に形成された各種半導体デバイスなどの切断への利用も可能で、応用範囲の広いものである。電気光学装置は、携帯電話、電子辞書、デジタルカメラ、ビューファインダ、電子時計などの電子機器の表示部に最適なものである。

本発明のレーザ加工装置の構成を示すブロック図。 液晶表示装置の構成を示す部分断面を含む平面図。 液晶表示装置の構成を示す部分断面を含む側面図。 （ａ）複数の表示パネルが形成された表示基板を示す平面図、（ｂ）複数の表示パネルが形成された表示基板の側面を示す断面図。 石英基板の切断方法を示すフローチャート図。 石英基板内部への改質層の形成を示す断面図。 石英基板のレーザ光入射面直近への改質層の形成を示す断面図。 （ａ）従来の基板内部への改質層の形成を示す断面図、（ｂ）基板のレーザ光入射面直下への改質層の形成を示す断面図。

符号の説明

１…レーザ加工装置、２…照射機構部、３…ホストコンピュータ、４…レーザ光、５…レーザ光源、６…ダイクロイックミラー、７…集光部としての集光レンズ、８…収差制御部としての石英ガラス板、１０…被加工物、１１…載置台、１５…移動機構部、２０…制御部、３０…液晶表示装置、３１…表示パネル、３３…ＴＦＴ基板、５０…表示基板、５１…被加工物としての石英基板、５１ａ…入射面、５２…Ｘ軸方向切断予定線、５３…Ｙ軸方向切断予定線、６０，６１…改質層、６２，６３…集光点、Ｐ…レーザ光の強度、Ｐ_k…多光子吸収閾値、Ｐ_j…ブレークダウンの発生する閾値、Ｐ₁…石英基板内部でのレーザ光の強度、Ｐ₂，Ｐ₃…レーザ光入射面でのレーザ光の強度、Ｌ…レーザ光入射面からの距離。

Claims (7)

1. レーザ加工装置のレーザ光を被加工物の内部へ照射し多光子吸収による改質層を形成するレーザスクライブ方法であって、
   前記レーザ加工装置へ前記被加工物を載置する載置工程と、
   前記レーザ光を前記被加工物の内部へ集光させて、前記改質層を形成する改質工程と、
   少なくとも前記レーザ光が前記被加工物に入射する面の直近へ前記改質層を形成する場合に、収差制御部によって前記レーザ光に収差を生じさせる収差工程と、を有することを特徴とするレーザスクライブ方法。
2. 請求項１に記載のレーザスクライブ方法において、
   前記収差工程は、前記レーザ光を前記被加工物の内部へ集光させる集光部と前記被加工物との間へ前記収差制御部を挿入する工程であることを特徴とするレーザスクライブ方法。
3. 請求項１または２に記載のレーザスクライブ方法において、
   前記改質工程は、前記被加工物と前記レーザ光とを前記被加工物の切断予定位置に沿って相対移動させる走査工程を含むことを特徴とするレーザスクライブ方法。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザスクライブ方法において、
   前記収差工程は、前記レーザ光の集光する集光点におけるレーザ強度を前記改質層の形成可能閾値以上およびブレークダウンの発生可能閾値以下に調整する工程であることを特徴とするレーザスクライブ方法。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のレーザスクライブ方法によって加工されたことを特徴とする電気光学装置。
6. レーザ光を被加工物の内部へ照射し多光子吸収による改質層を形成するためのレーザ加工装置であって、
   前記被加工物を載置するための載置台と、
   前記改質層を形成するために、前記レーザ光を前記被加工物の内部へ集光させる集光部と、
   前記レーザ光に収差を生じさせるための収差制御部と、を備えていることを特徴とするレーザ加工装置。
7. 請求項６に記載のレーザ加工装置において、
   前記収差制御部は、前記集光部と前記被加工物との間に対し挿入および撤去可能に設けられていることを特徴とするレーザ加工装置。
   

Images