JP2011042531A - ガラス基板の穴あけ方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガラス基板に多数の微細な穴を効率よく形成する。
【解決手段】ガラス基板１０を、容器２０に収容する。容器２０を加熱し、容器２０内のガラス基板１０を軟化させる。多数の貫通孔５１が形成され当該貫通孔５１に中空の埋設管９０を挿入した多孔板５０を、軟化したガラス基板１０に押圧して埋設管９０をガラス基板内１０に挿入する。その後、容器２０を冷却し、埋設管９０を挿入した状態でガラス基板１０を固化することでガラス基板１０に穴１００を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガラス基板の穴あけ方法に関する。

例えばパイレックス（コーニング社の登録商標）ガラスに代表されるホウケイ酸ガラス基板は、例えば圧力センサ、速度センサなどの電子デバイスや、接着剤を塗布するノズルなどに用いられている。この場合、ガラス基板には、微細な穴をあける必要がある。一般に、ガラス基板に限らず、基板に穴をあけるに際しては、例えばドリルなどによる機械加工が用いられており、例えば特許文献１には、機械加工により形成された基板の穴の内面を滑らかに仕上げるために、当該穴に、例えばガラスの中空パイプを挿入する方法が開示されている。

また、従来の機械加工に代わる方法として、例えば軟化したガラス基板に金属製のピンを挿入してガラス基板をそのまま固化し、固化した後にピンを取り除くことでガラス基板に穴を形成する方法が提案されている（特許文献２）。

特開平０５−１８１０１８号公報 特開２００８−１２７２５１号公報

ところで、近年、ガラス基板が用いられる圧力センサなどの製品の高性能化や小型化により、ガラス基板に対してミクロンオーダーの微細な穴を数千個程度形成することが要求され、さらにその各穴について高い位置精度と寸法精度が求められている。

しかしながら、特許文献１に開示されるような機械加工は、多数の穴を形成する場合、形成される穴の数だけ機械加工を行う必要があり、加工に多大な時間がかかってしまうだけでなく、高い位置精度と寸法精度を満足することが困難である。また、機械加工により形成された穴は表面が粗いため、当該穴に中空パイプを挿入した場合、中空パイプの外面と穴の内面との間に僅かに生じる隙間により中空パイプが基板に完全に固定されない。したがって、例えば中空パイプ内にセンサ等を保持させる場合に問題となる。

また、特許文献２の方法においては、金属製のピンの除去に、例えば王水などの薬液によるエッチングが用いられるため、ガラス基板に形成する穴が深くなるにつれて、エッチングに要する時間も長くかかってしまい、ガラス基板に効率よく穴を形成することができなかった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、ガラス基板に多数の微細な穴を効率よく形成することを目的とする。

前記の目的を達成するための本発明は、ガラス基板の穴あけ方法であって、上面が開口した容器に、ガラス基板を収容し、多数の貫通孔が形成された多孔板を前記ガラス基板上に設置し、当該多孔板の貫通孔に中空の埋設管を挿入し、前記容器内のガラス基板を加熱し、当該ガラス基板を軟化させ、前記多孔板の貫通孔に挿入された前記埋設管をガラス基板に押圧して、前記埋設管を前記ガラス基板内に挿入し、前記埋設管が前記ガラス基板に挿入された状態で、前記容器内のガラス基板を冷却して当該ガラス基板を固化することを特徴としている。

本発明によれば、軟化したガラス基板に中空の埋設管を挿入した状態でガラス基板を固化させるので、ガラス基板に挿入された埋設管の中空部分によりガラス基板に穴を形成することができる。このため、ガラス基板が固化した後に埋設管を取り除く必要がない。また、複数の埋設管を一度にガラス基板に挿入することで、多数の穴を同時に形成できるので、機械加工のように繰り返し加工を行う必要がない。したがって、形成される穴の深さによらず、短時間で穴を形成することが可能である。また、埋設管を取り除く必要が無いため、エッチングに用いる薬液等も不要となり、穴あけに要するコストも低減できる。

前記埋設管は、前記ガラス基板の加熱温度に対する耐熱性を有する材質で形成されていてもよい。

前記埋設管は、セラミックスからなっていてもよい。かかる場合、アルミナセラミックス、ムライトセラミックス、窒化アルミ又は窒化珪素からなっていてもよい。

また、前記埋設管は、金属からなっていてもよい。かかる場合、前記埋設管は、タングステン、ステンレス鋼、モリブデンからなっていてもよい。

さらには、前記埋設管は、カーボンからなっていてもよい。

前記埋設管が埋設された前記ガラス基板を固化した後、当該ガラス基板の下面を研磨してもよい。

前記多孔板の貫通孔は、鉛直方向に対し斜めに傾けて形成されていてもよい。

前記埋設管の前記容器に対向する側に栓をし、前記軟化したガラス基板が侵入することを防止してもよい。

また、前記容器の前記ガラス基板に対向する面であって、前記埋設管に対応する位置に、凹に窪んだガイドが形成されていてもよい。

本発明によれば、ガラス基板に多数の微細な穴を効率よく形成することができる。

本実施の形態にかかる穴あけ装置の構成の概略を示す縦断面図である。 押圧部材の斜視図である。 ガラス基板の穴あけ方法の工程を示す説明図であり、（ａ）はガラス基板上に多孔板と埋設管を設置した様子を示し、（ｂ）は埋設管を軟化したガラス基板内に挿入させた様子を示し、（ｃ）は押圧部材を退避させ、多孔板を取り除いた様子を示している。 図３に続くガラス基板の穴あけ方法の工程を示し、（ａ）は容器からガラス基板を取り出した様子を示し、（ｂ）はガラス基板の上面から突出した埋設管を切断して穴を完成させた様子を示している。 埋設管の形状を変えた場合の穴の形状を示すガラス基板の縦断面図である。 埋設管の形状を変えた場合の穴の形状を示すガラス基板の縦断面図である。 埋設管の形状を変えた場合の穴の形状を示すガラス基板の縦断面図である。 埋設管の形状を変えた場合の穴の形成工程を示し、（ａ）は容器からガラス基板を取り出した様子を示し、（ｂ）は穴を完成させた様子を示している。 斜めの穴の形成工程を示し、（ａ）はガラス基板上に多孔板と埋設管を設置した様子を示し、（ｂ）は埋設管を軟化したガラス基板内に挿入させた様子を示し、（ｃ）は穴を完成させた様子を示している。 埋設管の中空部に栓をした状態を示すガラス基板の縦断面図である。 ガイドを設けた容器を示す縦断面図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態にかかるガラス基板の穴あけ方法を行うための穴あけ装置１の構成の概略を示す。

穴あけ装置１は、ガラス基板１０を収容する容器２０を備えている。容器２０は、上面が開口し縦断面が凹型の箱状に形成されている。容器２０の内側の側面は、容器２０の底面から開口面に近づくにつれて容器２０の内径が次第に大きくなるようにテーパ形状に形成されている。容器２０は、ガラス基板１０に比べ熱膨張率が同等またはそれ以下の材料で、なおかつ熱伝導性が良好でガラス基板１０と融着しない材質、例えばカーボンで形成されている。これによって、冷却時の縮小により容器２０内のガラス基板１０が破損したり、冷却後に容器２０からガラス基板１０が取り出せなくなったりすることが防止できる。

容器２０は、支持部材３０に支持されて加熱容器３１内に収容されている。加熱容器３１は、例えば上面が開口し底面が閉口した略円筒状に形成されている。加熱容器３１は、例えば石英ガラスにより形成されている。加熱容器３１の上面開口部は、蓋体３２によって気密に閉鎖されている。蓋体３２は、例えばセラミックスにより形成されている。

加熱容器３１の周囲には、給電により発熱するヒータ３３が配置されている。ヒータ３３は、例えば加熱容器３１の外側面と下面に配置されている。

加熱容器３１は、断熱材によって形成された外カバー３４によって覆われている。上記ヒータ３３は、外カバー３４と加熱容器３１の間に配置されている。

蓋体３２の中央部には、上下方向に貫通する開口３２ａが形成されている。開口３２ａには、蓋体３２の上方から加熱容器３１内まで上下方向に延伸するシャフト４０が挿通している。シャフト４０は、例えばセラミックスにより形成されている。

シャフト４０の下端部には、例えば略円盤形状の押圧部材４１がガラス基板１０に対向配置するように取り付けられている。押圧部材４１は、例えばセラミックスによって形成されている。

シャフト４０の上端部は、蓋体３２の上方に配置されたモータなどの昇降駆動部７０に接続されている。昇降駆動部７０は、例えば蓋体３２の上面に設置された支持台７１上に支持されている。昇降駆動部７０は、例えば制御部７２によって動作を制御されている。昇降駆動部７０は、シャフト４０を上下動させることで、押圧部材４１を上下動させて、容器２０内のガラス基板１０に対して進退させることができる。押圧部材４１の昇降速度、昇降位置は、制御部７２によって制御されている。

例えば蓋体３２と昇降駆動部７０との間のシャフト４０には、例えば円盤状のフランジ８０が取り付けられている。フランジ８０と蓋体３２との間には、伸縮自在なベローズ８１が介在されている。このベローズ８１には、図示しない冷却機構が設けられており、加熱容器３１側の熱が昇降駆動部７０側に伝わることを抑制している。

穴あけ装置１には、加熱容器３１内に所定のガスを供給するガス供給管８５が設けられている。ガス供給管８５は、例えば加熱容器３１の側面に接続されている。ガス供給管８５は、図示しないガス供給源に通じている。本実施の形態においては、ガス供給源には、窒素ガスが封入されており、加熱容器３１内を低酸素雰囲気にするために、ガス供給管８５を通じて加熱容器３１内に窒素ガスが供給される。このように加熱容器３１内を低酸素雰囲気にすることにより、カーボンからなる容器２０が、例えば後述する加熱時の温度、例えば１０００℃で燃焼するのを防止することができる。

本実施の形態にかかる穴あけ装置１は以上のように構成されており、次にこの穴あけ装置１を用いたガラス基板１０の穴あけ方法について説明する。本実施の形態では、パイレックス（コーニング社の登録商標）などのホウケイ酸ガラスのガラス基板１０に対し多数の円形貫通孔を形成する場合を例に採って説明する。

先ず、穴あけ装置１の容器２０には、方形で薄い平板形状のガラス基板１０が収容される。その後、ガラス基板１０上に、方形の多孔板５０が設置される。

多孔板５０の所定の位置には、例えばドリル加工等の機械加工やエッチング等によって、図２に示すように、複数の円形の貫通孔５１が多孔板５０を貫通して形成されている。これらの各貫通孔５１に、その内部が中空で、例えば円筒状に形成された埋設管９０が挿入され、埋設管９０の下端はガラス基板１０に接している。この貫通孔５１は、挿入される埋設管９０よりも僅かに大きな径で形成され、埋設管９０は貫通孔５１の内面を移動自在である。多孔板５０の貫通孔５１の配置や数は、最終的にガラス基板１０に形成される穴１００の位置に応じて適宜設定される。埋設管９０には、例えば１００μｍ程度の内径の中空部９１が形成されている。

多孔板５０は、ガラス基板１０と同等の熱膨張率で、且つ、後述する加熱時の温度、例えば１０００℃に対する耐熱性を有する、例えば窒化アルミや窒化珪素などのセラミックスにより形成されている。また、埋設管９０の形成にあたっては、上述の窒化アルミや窒化珪素に加えて、アルミナセラミックスやムライトセラミックスなどを用いることができる。多孔板５０の材質としてガラス基板１０と同等の熱膨張率を有するものを用いることで、熱膨張による多孔板５０とガラス基板１０との位置ずれを抑制できるため、埋設管９０そのものの熱膨張率を、必ずしもガラス基板１０と同等とする必要がないからである。また、埋設管９０は、例えば外径が２００μｍ程度で５ｍｍ以上の長さで形成される。

多孔板５０がガラス基板１０上に設置されると、ガス供給管８５から加熱容器３１内に窒素ガスが供給され、加熱容器３１内が窒素雰囲気に維持される。この際、加熱容器３１内は、外部に対して陽圧に維持され、外気が加熱容器３１内に流入することを防止する。

次に、図３（ａ）に示すように押圧部材４１と多孔板５０とが近接された状態で、ヒータ３３の発熱により加熱容器３１内が昇温される。これによって、容器２０内のガラス基板１０が約１０００℃に加熱される。この際、多孔板５０と埋設管９０もガラス基板１０と同程度の温度に昇温される。なお、この１０００℃の温度は、ガラス基板１０が十分に軟化して、ガラス基板１０に埋設管９０を変形させずに挿入することができる温度であって、なおかつ埋設管９０が収縮したり、脆化したりしない温度である。

ガラス基板１０の温度が１０００℃に達すると、制御部７２により昇降駆動部７０が作動し、図３（ｂ）に示すように押圧部材４１が所定の速度で所定の位置まで下降する。このとき、押圧部材４１は、埋設管９０の上端を押しながら下降する。これによって、埋設管９０は、多孔板５０の貫通孔５１に案内されて、例えばガラス基板１０の下面、即ち容器２０の上面に達するまで挿入される。なお、ガラスの有する粘度のため、１００μｍ程度の径である埋設管９０の中空部９１には、軟化したガラス基板１０が侵入することはない。

その後、ヒータ３３による発熱が停止され、埋設管９０がガラス基板１０に挿入された状態で、ガラス基板１０が冷却され、固化される。この冷却は、多孔板５０がガラス基板１０上に設置されたままの状態で行われる。これにより、ガラス基板１０が冷却され固化し始めてから、ガラス基板１０のひずみ点５１０℃に達して完全に固化するまでの間に、多孔板５０が埋設管９０を案内することで、埋設管９０は動かず、埋設管９０の位置は固定される。

ガラス基板１０が冷却され固化されると、図３（ｃ）に示すように昇降駆動部７０により押圧部材４１が上昇してガラス基板１０から退避する。また、多孔板５０もガラス基板１０上から取り除かれる。

次に例えば図４（ａ）に示すようにガラス基板１０は、埋設管９０が挿入された状態で、加熱容器３１から取り出される。

その後、例えばガラス基板１０の上面から突出した埋設管９０が、図４（ｂ）に示すように切断され、必要に応じてガラス基板１０の上面が研磨される。こうして、ガラス基板１０に挿入された埋設管９０により、例えば１００μｍの径で深さ１ｍｍ以上の穴１００が３００μｍ以下のピッチ間隔で形成される。なお、例えば埋設管９０の下端がガラス基板１０の下面に到達しなかったり、埋設管９０の下端がガラス基板１０の下面から僅かに突出して、埋設管９０の下端位置とガラス基板１０の下面位置が揃っていない場合は、ガラス基板１０の下面も適宜研磨することで、埋設管９０を挿通する穴１００を形成できる。

以上の実施の形態によれば、軟化したガラス基板１０に中空の埋設管９０を挿入した状態でガラス基板１０を固化させるので、ガラス基板１０に挿入された埋設管９０の中空部９１によりガラス基板１０に穴１００が形成される。このため、従来の金属製のピンによる穴あけの際に行っていた、ガラス基板１０の固化後のピンの除去作業が不要となる。また、複数の埋設管９０を一度にガラス基板１０に挿入することで、多数の穴１００を同時に形成できるので、機械加工のように繰り返し加工を行う必要がない。したがって、形成される穴１００の深さによらず、効率的に穴を形成することができる。また埋設管９０とガラス基板１０との間に、機械加工を用いた際に問題となる隙間も生じることがないので、埋設管９０がガラス基板に完全に固定される。さらに、ピン除去、例えばエッチング等のために用いる薬液も不要となるので、穴あけに要するコストも低減できる。

また、従来の金属製のピンを用いた穴の形成においては、金属製のピンを軟化したガラス基板１０に挿入した際、加工時に生じたピンのひずみが熱により開放され、ピンがガラス基板１０内で変形し、特にピンの径が小さい場合やピンが長い場合に、所望の形状の穴が形成できないという問題があったが、本発明によれは、埋設管９０をセラミックスで形成しており、熱によるひずみの開放が生じないため、埋設管９０の中空部９１通りの所望の径の穴１００を形成することができる。なお、万一、埋設管９０の中空部９１の下端近傍にガラス基板１０が侵入した場合でも、ガラス基板１０を研磨することで、ガラス基板１０に穴１００を形成することができる。

以上の実施の形態では、加熱容器３１内を加熱する前に、加熱容器３１内に窒素ガスを供給したが、窒素ガスを供給せずに、図示しない負圧発生装置を加熱容器３１に接続して加熱容器３１内を減圧してもよい。これによっても、加熱容器３１内を低酸素雰囲気にさせることができる。

また、以上の実施の形態では、埋設管９０の形状は円筒状であったが、要求される穴形状に応じて埋設管９０の中空部９１の形状を変更してもよい。埋設管９０の中空部の形状を変えることによって、先端が球状の穴１３０（図５）や、上端部と下端部に比べて中央部が幅広い穴１４０（図６）や、中央部が狭い穴１５０（図７）などを形成できる。かかる場合、中空部９１の形状を変えるのみで、埋設管９０の外形を変える必要が無いので、その都度新たな多孔板５０を準備する必要がない。また、埋設管９０には複数の中空部９１が設けられていてもよい。

また、以上の実施の形態では、埋設管９０を容器２０の上面に達するまで挿入したが、例えば埋設管９０をガラス基板１０内の所定の深さまで挿入し、有底の穴を形成してもよい。

また、図８（ａ）に示すように長さや径の異なる埋設管９０を混在させてもよい。かかる場合も上述した実施の形態と同様の方法で、貫通孔と有底孔からなる穴１２０を形成できる（図８（ｂ））。

また、図９に示すように、多孔板５０の貫通孔５１を鉛直方向に対し斜めに設け、貫通孔５１に挿入される埋設管９０も斜めに設けることにより、ガラス基板１０に斜めの穴を形成することもできる。かかる場合、押圧部材４１を水平方向に移動できるようにしてもよい（図９（ａ））。埋設管９０をガラス基板１０に挿入する際には、押圧部材４１を下降させながら水平方向に移動させ、押圧部材４１を埋設管９０の傾斜方向と同じ方向に移動させる（図９（ｂ））。こうすることによって、埋設管９０は、ガラス基板１０に先端部から斜めに挿入される。その後ガラス基板１０の下面及び上面を研磨することによって、ガラス基板１０に斜めの穴１６０が形成される（図９（ｃ））。

なお、以上の実施の形態においては、埋設管９０の中空部９１の径を１００μｍ程度としたが、中空部９１の径は１００μｍ以上であってもよい。中空部９１の径を大きくすると、軟化したガラス基板１０が侵入する場合があるが、例えば図１０に示すように埋設管９０の下端、即ち容器２０に対向する開口部を栓１７０で塞ぐことで、中空部９１側に軟化したガラス基板１０が侵入することを防止できる。

なお、栓１７０を設けた場合、栓１７０がガラス基板１０内に埋没した状態で固化することも考えられるが、例えば容器２０の多孔板５０の貫通孔５１に対応する位置に、埋設管９０より大きな径で、所定の深さ凹に窪んだガイド１７１を形成しておけばよい。かかる場合、ガラス基板１０が固化した後に、埋設管９０のガラス板の下面から突出した部分を切断することで、埋設管９０と共に栓１７０を容易に除去することができる。また、例えば図１１に示すように、ガイド１７０の径を埋設管９０より僅かに大きな径とし、容器２０の上面に向かって広がるテーパ状に形成することで、ガラス基板１０と埋設管９０との位置合わせに用いることもできる。かかる場合、多孔板５０の貫通孔５１を加工するにあたり、厳密な精度が要求されない。

また、以上の実施の形態では、埋設管９０はセラミックスであったが、加熱時の温度、例えば１０００℃に対する耐熱性を有する金属、例えばタングステン、ステンレス鋼、モリブデン、或いはカーボンであってもよい。埋設管９０を金属で形成する場合は、埋設管９０の外径を、熱によるひずみの開放の影響を受けない程度の大きさに形成することが好ましい。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に相到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。例えば上記実施の形態で記載した穴１００は、丸穴であってもよいし、直方体形状の角穴や、先細りのテーパ形状であってもよい。本実施の形態で記載したガラス基板１０が方形であったが、ガラス基板１０の形状は、円形などの他の形状であってもよい。

本発明は、ガラス基板に多数の微細な穴を形成する際に有用である。

１ 穴あけ装置
１０ ガラス基板
２０ 容器
４１ 押圧部材
５０ 多孔板
５１ 貫通孔
９０ 埋設管
９１ 中空部

Claims (11)

1. ガラス基板の穴あけ方法であって、
   上面が開口した容器に、ガラス基板を収容し、
   多数の貫通孔が形成された多孔板を前記ガラス基板上に設置し、当該多孔板の貫通孔に中空の埋設管を挿入し、
   前記容器内のガラス基板を加熱し、当該ガラス基板を軟化させ、
   前記多孔板の貫通孔に挿入された前記埋設管をガラス基板に押圧して、前記埋設管を前記ガラス基板内に挿入し、
   前記埋設管が前記ガラス基板に挿入された状態で、前記容器内のガラス基板を冷却して当該ガラス基板を固化することを特徴とする、ガラス基板の穴あけ方法。
2. 前記埋設管は、前記ガラス基板の加熱温度に対する耐熱性を有する材質で形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のガラス基板の穴あけ方法。
3. 前記埋設管は、セラミックスからなることを特徴とする、請求項１または２に記載のガラス基板の穴あけ方法。
4. 前記埋設管は、アルミナセラミックス、ムライトセラミックス、窒化アルミ又は窒化珪素からなることを特徴とする、請求項３に記載のガラス基板の穴あけ方法。
5. 前記埋設管は、金属からなることを特徴とする、請求項１または２に記載のガラス基板の穴あけ方法。
6. 前記埋設管は、タングステン、ステンレス鋼又はモリブデンからなることを特徴とする、請求項５に記載のガラス基板の穴あけ方法。
7. 前記埋設管は、カーボンからなることを特徴とする、請求項１または２に記載のガラス基板の穴あけ方法。
8. 前記埋設管が埋設された前記ガラス基板を固化した後、当該ガラス基板の下面を研磨することを特徴とする、請求項１〜７に記載のガラス基板の穴あけ方法。
9. 前記多孔板の貫通孔は、鉛直方向に対し斜めに傾けて形成されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載のガラス基板の穴あけ方法。
10. 前記埋設管の前記容器に対向する開口部に栓をし、前記軟化したガラス基板が侵入することを防止することを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載のガラス基板の穴あけ方法。
11. 前記容器の前記ガラス基板に対向する面であって、前記埋設管に対応する位置に、凹に窪んだガイドが形成されていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載のガラス基板の穴あけ方法。

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