JP2013146780A - 脆性材料基板のレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】脆性材料基板にレーザを照射して孔開け加工する際に、特に、脆性材料基板の表面におけるチッピング軽減する。
【解決手段】このレーザ加工方法は、脆性材料基板にレーザを照射して孔開け加工を行う方法であって、第１工程と第２工程とを含んでいる。第１工程は、脆性材料基板の表面からレーザを照射し、レーザの集光位置を脆性材料基板の裏面から表面に向かって移動させて、基板裏面から所定の深さ位置まで孔開け加工を行う。第２工程は、脆性材料基板の表面からレーザを照射し、第１工程で形成された孔に対してレーザの集光位置を脆性材料基板の表面から裏面に向かって移動させて、第１工程で形成された孔に連通する孔開け加工を行う。
【選択図】図８

Description

本発明は、レーザ加工方法、特に、脆性材料基板にレーザを照射して孔開け加工を行う脆性材料基板のレーザ加工方法に関する。

ガラス基板等の脆性材料基板をレーザによって加工する装置としては、例えば特許文献１に示された装置が知られている。この種の加工装置では、波長が５３２ｎｍ程度のグリーンレーザがガラス基板等のワークに照射される。グリーンレーザは、一般的にはガラス基板を透過するが、レーザを集光し、その強度があるしきい値を越えると、ガラス基板はレーザを吸収することになる。このような状態では、レーザの集光部にプラズマが発生し、これによりガラス基板は蒸散する。以上のような原理を利用して、ガラス基板に孔を形成する等の加工が可能である。

また、特許文献２には、レーザの集光点を小半径で高速回転させながら、加工ラインに沿って走査することによって、ガラス基板に孔開け加工することが示されている。

特開２００７−１１８０５４号公報 特開２０１１−１１２１２号公報

従来の方法による孔開け加工では、加工の開始面と終了面、すなわち、基板の裏面と表面において、加工した孔の周囲にチッピングと呼ばれる欠損が発生する。このチッピングは、加工した部分に生じた微小な亀裂に起因するものと考えられ、強度低下の原因となり得る。したがって、チッピングはできる限り小さくすることが好ましい。

前述のように、以上のようなチッピングは、基板の裏面と表面に発生するが、基板の裏面から加工を開始した場合は、加工終了面である基板表面の方が開始面である裏面に比較して大きくなる傾向がある。

本発明の課題は、脆性材料基板にレーザを照射して孔開け加工する際に、特に、脆性材料基板の表面におけるチッピング軽減することにある。

第１発明に係る脆性材料基板のレーザ加工方法は、脆性材料基板にレーザを照射して孔開け加工を行う方法であって、第１工程と第２工程とを含んでいる。第１工程は、脆性材料基板の表面からレーザを照射し、レーザの集光位置を脆性材料基板の裏面から表面に向かって移動させて、基板裏面から所定の深さ位置まで孔開け加工を行う。第２工程は、脆性材料基板の表面からレーザを照射し、第１工程で形成された孔に対してレーザの集光位置を脆性材料基板の表面から裏面に向かって移動させて、第１工程で形成された孔に連通する孔開け加工を行う。

ここでは、第１工程において、レーザを基板表面側から照射して、基板表面から所定の深さ位置まで、裏面側から孔開け加工が行われる。そして、裏面側からの加工が所定の深さ位置まで到達すると、裏面側からの加工をいったん停止させる。次に、第２工程において、第１工程同様にレーザを基板表面から照射し、基板表面から裏面に向かって加工を続ける。これにより、基板を貫通する孔が形成される。

ここでは、基板の裏面から加工が開始されるとともに、所定の深さ位置で裏面からの加工がいったん停止され、基板の表面側から加工が再開される。このような加工方法では、基板の裏面及び表面ともに加工の開始面となり、加工終了面は基板内部になる。基板内部では、加工部に生じた亀裂が進展しにくいので、チッピングが抑えられる。

第２発明に係る脆性材料基板のレーザ加工方法は、第１発明の加工方法において、第１工程では、基板表面から２４０μm以上の位置まで脆性材料基板の裏面から孔開け加工を実施する。

基板の表面からレーザを照射して裏面側から加工すると、加工屑は下方に落下し、加工屑がレーザ照射の妨げになることはない。一方、基板表面からレーザを照射し、表面側から加工すると、加工によって形成された凹部に加工屑が溜まり、この加工屑がレーザを集光させる際の妨げになる等、加工の邪魔になる。このため、基板表面側からの加工速度は基板裏面側からの加工速度より遅くなる。

一方で、基板裏面側からの加工を基板表面に近接した位置まで続けると、加工部に生じた亀裂が表面にまで到達し、基板表面に大きなチッピングが生じる可能性が高くなる。

そこでこの第２発明では、基板裏面側からの加工を、基板表面から２４０μmの位置までとしている。これにより、加工時間を短くできるとともに、基板表面に大きなチッピングが生じるのを抑えることができる。

第３発明に係る脆性材料基板のレーザ加工方法は、第１又は第２発明の加工方法において、第１及び第２工程では、レーザ集光点を中心軸から偏倚させるとともに、中心軸を中心に回転させながら加工ラインに沿って移動させる。

ここでは、レーザを回転させながら加工ラインに沿って走査し、基板を加工するので、加工時間を短縮することができる。

第４発明に係る脆性材料基板のレーザ加工方法は、第１から第３発明のいずれかの加工方法において、第１及び第２工程では、レーザを加工ラインに沿って螺旋状に走査する。

ここでは、連続的にレーザを走査でき、加工時間を短縮することができる。

以上のような本発明では、レーザにより脆性材料基板に孔開け加工する際に、脆性材料基板の表面におけるチッピング軽減することができる。

本発明の一実施形態によるガラス基板加工装置の外観斜視図。 ワークテーブルの拡大斜視図。 レーザ照射ヘッドの構成を拡大して示す斜視図。 第１中空モータ及び第１ウェッジプリズムの配置を模式的に示した図。 第２中空モータ、第２ウェッジプリズム及び集光レンズの配置を模式的に示した図。 レーザの軌跡を示す図。 ガラス基板裏面側からの加工の様子を示す模式図。 ガラス基板表面側からの加工の様子を示す模式図。 従来の加工方法と本発明を適用した加工方法のチッピングサイズの比較を示す図。

［加工装置］
図１に本発明の一実施形態による加工方法を実施するための装置の全体構成を示す。このガラス基板加工装置は、ガラス基板に加工ラインに沿ってレーザを照射し、ガラス基板に孔を形成するための装置である。この装置は、ベッド１と、ワークとしてのガラス基板が載置されるワークテーブル２と、ガラス基板にレーザを照射するためのレーザ照射ヘッド３と、を備えている。ここで、図１に示すように、ベッド１の上面に沿った平面において、互いに直交する軸をx軸、ｙ軸とし、これらの軸に直交する鉛直方向の軸をｚ軸と定義する。また、ｘ軸に沿った両方向（＋方向及び−方向）をｘ軸方向、ｙ軸に沿った両方向をｙ軸方向、ｚ軸に沿った両方向をｚ軸方向と定義する。

＜ワークテーブル＞
ワークテーブル２は、矩形状に形成されており、ワークテーブル２の下方には、ワークテーブル２をｘ軸方向及びｙ軸方向に移動させるためのテーブル移動機構５が設けられている。

ワークテーブル２は、図２に拡大して示すように、複数のブロック６を有している。この複数のブロック６は、図中、一点鎖線で示すガラス基板Ｇをワークテーブル２の表面から持ち上げて支持するための部材であり、ガラス基板Ｇの加工ラインＬ（破線で示す）を避けるために、ワークテーブル２の任意の位置に取り付けることが可能である。また、ワークテーブル２には複数の吸気口２ａが格子状に形成されるとともに、各ブロック６には上下方向に貫通する吸気孔６ａが形成されている。そして、ブロック６の吸気孔６ａとワークテーブル２の吸気口２ａとを接続することによって、ブロック６上に配置されるガラス基板Ｇを吸着固定することが可能である。なお、吸気のための機構は、周知の排気ポンプ等によって構成されており、詳細は省略する。

＜テーブル移動機構＞
テーブル移動機構５は、図１に示すように、それぞれ１対の第１及び第２ガイドレール８，９と、第１及び第２移動テーブル１０，１１と、を有している。１対の第１ガイドレール８はベッド１の上面にｙ軸方向に延びて設けられている。第１移動テーブル１０は、第１ガイドレール８の上部に設けられ、第１ガイドレール８に移動自在に係合する複数のガイド部１０ａを下面に有している。第２ガイドレール９は第１移動テーブル１０の上面にｘ軸方向に延びて設けられている。第２移動テーブル１１は、第２ガイドレール９の上部に設けられ、第２ガイドレール９に移動自在に係合する複数のガイド部１１ａを下面に有している。第２移動テーブル１１の上部には、固定部材１２を介してワークテーブル２が取り付けられている。

以上のようなテーブル移動機構５によって、ワークテーブル２は、ｘ軸方向及びｙ軸方向に移動自在である。なお、第１及び第２移動テーブル１０，１１は、詳細は省略するが、周知のモータ等の駆動手段によって駆動されるようになっている。

［レーザ照射ヘッド］
レーザ照射ヘッド３は、図１及び図３に示すように、ベッド１の上面に配置された門型フレーム１ａに装着されており、レーザ出力部１５と、光学系１６と、内部に１対の第１ウェッジプリズム（後述）が組み込まれた第１中空モータ１７と、内部に１対の第２ウェッジプリズム（後述）及び集光レンズが組み込まれた第２中空モータ１８と、を有している。また、レーザ照射ヘッド３をｘ軸方向に移動させるためのｘ軸方向移動機構２１と、第１中空モータ１７及び第２中空モータ１８をｚ軸方向に移動させるためのｚ軸方向移動機構２２と、が設けられている。

＜レーザ出力部＞
レーザ出力部１５は従来と同様のレーザ管により構成されている。このレーザ出力部１５によって、波長５３２ｎｍのグリーンレーザがｙ軸に沿ってワークテーブル２とは逆側に出射される。

＜光学系＞
光学系１６は、レーザ出力部１５からのレーザを第１中空モータ１７に組み込まれた１対の第１ウェッジプリズムに導くものである。この光学系１６は、図３に拡大して示すように、第１〜第４ミラー２５〜２８と、レーザ出力を計測するパワーモニタ２９と、ビームエキスパンダ３０と、を有している。

第１ミラー２５は、レーザ出力部１５の出力側の近傍に配置されており、ｙ軸方向に出射されたレーザをｘ軸方向に反射する。第２ミラー２６は、ｘ軸方向において第１ミラー２５と並べて配置されており、ｘ軸方向に進行するレーザをｙ軸方向に反射して、ワークテーブル２側に導く。第３ミラー２７及び第４ミラー２８は、第１中空モータ１７の上方にｘ軸方向に並べて配置されている。第３ミラー２７は第２ミラー２６によって反射されてきたレーザを第４ミラー２８側に導く。第４ミラー２８は第３ミラー２７によって反射されてきたレーザを下方の第１中空モータ１７に導く。ビームエキスパンダ３０は、第２ミラー２６と第３ミラー２７との間に配置され、第２ミラー２６によって反射されてきたレーザを一定の倍率の平行光束に拡げるために設けられている。このビームエキスパンダ３０によって、レーザをより小さなスポットに集光させることが可能となる。

＜第１ウェッジプリズム及び第１中空モータ＞
内部に第１ウェッジプリズム３２１，３２２が配置された第１中空モータ１７の模式図を図４に示している。第１中空モータ１７は、中心にｚ軸方向に延びる回転軸Ｒを有し、この回転軸Ｒを含む中央部が中空になっている。そして、この中空部に１対の第１ウェッジプリズム３２１，３２２が固定されている。１対のウェッジプリズム３２１，３２２は、同形状、同比重であって、屈折率のみが異なっている。各ウェッジプリズム３２１，３２２は、それぞれ回転軸Ｒに対して傾斜する斜面３２１ａ，３２２ａと、回転軸Ｒに垂直な垂直面３２１ｂ，３２２ｂと、を有している。そして、１対のウェッジプリズム３２１，３２２は、互いの垂直面３２１ｂ，３２２ｂが近接して対向するように配置され、２つの垂直面３２１ｂ，３２２ｂが平行で、かつ２つの斜面３２１ａ，３２２ａが平行になるように配置されている。

ここでは、２つの第１ウェッジプリズム３２１，３２２の屈折率を異ならせて、第１ウェッジプリズム３２１，３２２を通過するレーザを偏角θだけ偏向するようにしている。

なお、両ウェッジプリズム３２１，３２２の形状（頂角）については、後述する集光レンズの焦点距離ｆと偏角θによって決まるレーザの回転半径ｒ（＝ｆ・tanθ又はｆ・θ）が、所望の値になるように設定される。

＜第２ウェッジプリズム、第２中空モータ、集光レンズ＞
内部に１対の第２ウェッジプリズム３４１，３４２が配置された第２中空モータ１８を、図５に模式的に示す。この第２中空モータ１８は、中心にｚ軸方向に延びる回転軸を有している。この回転軸は、第１中空モータ１７の回転軸Ｒと同軸である。この第２中空モータ１８は、回転軸Ｒを含む中心部に中空部を有している。この中空部に、１対の第２ウェッジプリズム３４１，３４２が装着されている。また、これらの第２ウェッジプリズム３４１，３４２は、一方のウェッジプリズム３４２に対して他方のウェッジプリズム３４１が回転軸Rの回りに相対回転自在に取り付けられている。すなわち、１対の第２ウェッジプリズム３４１，３４２は偏角が調整可能である。

１対の第２ウェッジプリズム３４１，３４２は、同形状、同材質（同比重）であり、したがって屈折率も同じである。また、１対の第２ウェッジプリズム３４１，３４２は、それぞれ回転軸に対して傾斜する斜面３４１ａ，３４２ａと、回転軸に対して垂直な垂直面３４１ｂ，３４２ｂを有している。そして、この第２ウェッジプリズム３４１，３４２においては、偏角が「０」の状態（互いの斜面が平行な状態）から、他方のウェッジプリズム３４２が回転されて配置されており、２つのウェッジプリズム３４１，３４２の斜面３４１ａ，３４２ａは平行ではない。このような２つの第２ウェッジプリズム３４１，３４２の組合せによって、１対の第２ウェッジプリズム３４１，３４２は所定の偏角を有している。この偏角は、第１ウェッジプリズム３２１，３２２の偏角よりも大きい。

また、この第２中空モータ１８の内部で、１対の第２ウェッジプリズム３４１，３４２の出力側には、集光レンズ３５が固定されている。なお、集光レンズ３５は第２中空モータ１８とは別に単独で配置するようにしてもよい。

＜レーザ照射ヘッドの支持及び搬送系＞
以上のようなレーザ照射ヘッド３は、前述のように、ベッド１の門型フレーム１ａに支持されている。より詳細には、図３に示すように、門型フレーム１ａの上面にはｘ軸方向に延びる１対の第３ガイドレール３６が設けられており、この１対の第３ガイドレール３６及び図示しない駆動機構がｘ軸方向移動機構２１を構成している。そして、１対の第３ガイドレール３６には、支持部材３７が移動自在に支持されている。支持部材３７は、第３ガイドレール３６に支持された横支持部材３８と、横支持部材３８のワークテーブル２側の一端側から下方に延びる縦支持部材３９と、を有している。縦支持部材３９の側面には、ｚ軸方向に延びる１対の第４ガイドレール４０が設けられており、この１対の第４ガイドレール４０及び図示しない駆動機構がｚ軸方向移動機構２２を構成している。第４ガイドレール４０には、ｚ軸方向に移動自在に第３移動テーブル４１が支持されている。

そして、レーザ出力部１５、第１〜第４ミラー２５〜２８、パワーモニタ２９、及びビームエキスパンダ３０が、横支持部材３８に支持されている。また、第３移動テーブル４１にはモータ支持部材４２が固定されており、このモータ支持部材４２に、第１中空モータ１７及び第２中空モータ１８が支持されている。

［加工方法］
以上の加工装置を用いて、レーザによりガラス基板に孔を形成する場合の加工方法について説明する。ここでは、ガラス基板として、厚みが１．８mmのソーダガラスを例に取る。

まず、ワークテーブル２の表面に複数のブロック６を設置する。このとき、複数のブロック６は、図２に示すように、ガラス基板Ｇの加工ラインＬを避けるように配置する。以上のようにして設置された複数のブロック６上に、加工すべきガラス基板Ｇを載置する。

次に、ｘ軸方向移動機構２１によってレーザ照射ヘッド３をｘ軸方向に移動し、またテーブル移動機構５によってワークテーブル２をｙ軸方向に移動し、レーザ照射ヘッド３によるレーザの集光点が加工ラインＬのスタート位置にくるように位置させる。

＜第１工程＞
以上のようにしてレーザ照射ヘッド３及びガラス基板Ｇを加工位置に移動させた後、レーザをガラス基板に照射して加工を行う。ここでは、レーザ出力部１５から出射されたレーザは、第１ミラー２５によって反射されて第２ミラー２６に導かれる。なお、第１ミラー２５に入射したレーザはパワーモニタ２９によってレーザ出力が計測される。第２ミラー２６に入射したレーザはｙ軸方向に反射され、ビームエキスパンダ３０によって光束が拡げられて第３ミラー２７に導かれる。そして、第３ミラー２７で反射され、さらに第４ミラー２８で反射されたレーザは、第１中空モータ１７の中心部に設けられた１対の第１ウェッジプリズム３２１，３２２に入力される。

１対の第１及び第２ウェッジプリズム３２１，３２２に入力されたレーザは、２つの第１ウェッジプリズム３２１，３２２の屈折率が異なることにより、偏向されて出力される。また、第１ウェッジプリズム３２１，３２２は，例えば１５０００rpm以上で高速回転させられており、第１ウェッジプリズム３２１，３２２を透過したレーザは、小さい回転半径（例えば直径０．４mm〜０．８mm）で高速回転している。

第１ウェッジプリズム３２１，３２２から出射されたレーザは、第２ウェッジプリズム３４１，３４２に入力される。この第２ウェッジプリズム３４１，３４２は、一方が他方に対して回転させられており、第１ウェッジプリズム３２１，３２２に比較して大きな偏角を有している。このため、第２ウェッジプリズム３４１，３４２を回転させることにより、高速回転するレーザが、比較的大きな回転半径（例えば外側直径５．０mm）で回転走査される。なお、第２ウェッジプリズム３４１，３４２の回転数は低く、例えば４００〜８００rpm程度である。

以上のようなレーザのガラス基板上での軌跡を図６に示している。ここで、１対の第１ウェッジプリズム３２１，３２２における加工誤差や取付誤差等によって、第１ウェッジプリズム３２１，３２２によって偏向、回転されたレーザにより描かれる円の径に誤差が生じる。この誤差によって、最終的に加工される孔の径に誤差が生じる。この場合は、第２ウェッジプリズム３４１，３４２の一方を他方に対して回転させて、偏角を調整し、第２ウェッジプリズム３４１，３４２を通過したレーザによる走査軌跡を調整すればよい。これにより、高い精度で所望の径の孔を加工することができる。

ここで、レーザによる１回の加工でガラスが除去される高さは数十μｍである。したがって、ガラス基板Ｇに孔開け加工を行う場合、集光点を加工ラインに沿って一度だけ走査しても孔を形成すること、すなわち加工ラインの内側の部分を抜き落とすことは困難である。

そこで、まず、集光点（加工部位）がガラス基板の下面（裏面）に形成されるように、集光レンズ３５を含む第２中空モータ１８のｚ軸方向の位置をｚ軸移動装置２２によって制御する（図７（ａ）参照）。この状態で集光点を加工ラインに沿って１周させた後、第２中空モータ１８のｚ軸方向の位置を制御することにより、図７（ｂ）に示すように、集光点を上昇させる。そして、同様に集光点を加工ラインに沿って１周させた後、さらに集光点を上昇させる。

以上の動作を繰り返し実行し、集光点が基板Ｇの表面から２４０μmの位置に到達して時点で基板裏面からの加工をいったん停止する。

なお、集光点を加工ラインに沿って１周させる毎に上昇させる代わりに、適切な速さで連続的にｚ軸方向に上昇させ、螺旋状に加工することでも同様に孔開け加工を行うことができる。

ここで、ガラス基板Ｇの表面からレーザを照射して裏面側から加工すると、加工屑は下方に落下し、加工によって形成された凹部に加工屑が溜まることがない。したがって、加工屑がレーザ照射の妨げになることはなく、比較的短時間で加工を行うことができる。

＜第２工程＞
次に、図８に示すように、先の工程で形成された孔と同じ部位を、ガラス基板Ｇの表面側から裏面側に向かって、裏面側からの加工と同様の条件で加工していく。以上のような加工によって、ガラス基板Ｇを貫通する孔を形成することができる。

なお、ガラス基板Ｇの表面からレーザを照射し、表面側から加工すると、加工によって形成された凹部に加工屑が溜まりやすくなる。この加工屑がレーザを集光させる際の妨げになる等、加工の邪魔になる。

しかし、ここでは、厚み１．８mmのガラス基板Ｇに対して、第１工程において基板表面から２４０μmの深さ位置まで基板裏面側から加工を行っているので、全体の工程に対して基板表面側からの加工はごくわずかである。したがって、加工屑が凹部に溜まったとしても、孔開け加工に与える悪影響を抑えることができる。

［実験結果］
従来の加工方法によって孔を形成した場合と、本発明の一実施形態による加工方法によって孔を形成した場合のチッピングサイズの比較について実験を行った。この場合の加工条件は、以下の通りである。

レーザ出力：５W
走査速度：４０mm/s
基板：ソーダガラス（厚み＝１．８mm）
孔径：φ４mm
実験結果のまとめを図９に示している。従来方法の場合のチップサイズは、２３６〜３３３μmで平均サイズは２８４μmであった。また、本発明を適用した場合のチップサイズは、１５７〜２１３μmで平均サイズは１８０μmであった。なお、測定数ｎはいずれも「１０」である。

また、第１工程で表面から２４０μm未満まで加工すると、加工箇所から亀裂が基板表面に進展した。したがって、この亀裂に起因して基板表面に大きなチッピングが生じると考えられる。

［特徴］
（１）ガラス基板の裏面及び表面ともに加工の開始面となり、加工終了面は基板内部になる。そして、基板内部では、加工部に生じた亀裂が進展しにくいので、チッピングが抑えられる。

（２）基板裏面側からの加工において、ガラス基板の表面から２４０μmの位置まで孔開け加工を行うので、加工時間を短くでき、しかも加工屑が孔開け加工に与える影響を抑えることができる。

（３）基板裏面側からの加工を、ガラス基板の表面から２４０μm以上の位置で停止させるので、ガラス基板の表面に亀裂が到達するのを避けることができる。このため、基板表面に形成されるチッピングサイズを小さくすることができる。

［他の実施形態］
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形又は修正が可能である。

例えば、レーザを走査するための手段は、前記実施形態に限定されない。例えば、第２中空モータ及び１対の第２プリズムに代えて、２つのガルバノミラーを設けて、任意の形状に走査できるようにしてもよい。

また、加工する孔形状は円形に限定されない。他の形状の孔開け加工にも、本発明を同様に適用することができる。

Ｇ ガラス基板
Ｌ 加工ライン

Claims (4)

1. 脆性材料基板にレーザを照射して孔開け加工を行う加工方法であって、
   脆性材料基板の表面からレーザを照射し、レーザの集光位置を脆性材料基板の裏面から表面に向かって移動させて、基板裏面から所定の深さ位置まで孔開け加工を行う第１工程と、
   脆性材料基板の表面からレーザを照射し、前記第１工程で形成された孔に対してレーザの集光位置を脆性材料基板の表面から裏面に向かって移動させて、前記第１工程で形成された孔に連通する孔開け加工を行う第２工程と、
   を含む脆性材料基板のレーザ加工方法。
2. 前記第１工程では、基板表面から２４０μm以上の位置まで脆性材料基板の裏面から孔開け加工を実施する、請求項１に記載の脆性材料基板のレーザ加工方法。
3. 前記第１及び第２工程では、レーザ集光点を中心軸から偏倚させるとともに、前記中心軸を中心に回転させながら加工ラインに沿って移動させる、請求項１又は２に記載の脆性材料基板のレーザ加工方法。
4. 前記第１及び第２工程では、レーザを加工ラインに沿って螺旋状に走査する、請求項１から３のいずれかに記載の脆性材料基板のレーザ加工方法。

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