JP2013226591A - レーザビームによる基板加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】微小距離離れた２つのレーザスポットを容易に形成することができ、かつ加工時におけるガラス基板のダメージを抑える。
【解決手段】この装置は、基板が載置されるワークテーブル２と、レーザビーム出力部１５と、１／４波長板３１と、ウォラストンプリズム３３と、中空モータ１７と、ｆθレンズ２０と、を備えている。１／４波長板３１は円偏光を出力する。ウォラストンプリズム３３は１／４波長板３１から出力される円偏光を２つのレーザビームに分岐する。中空モータ１７はウォラストンプリズム３３を回転させる。ｆθレンズ２０はウォラストンプリズム３３から出力されるレーザビームを基板上に集光させる。
【選択図】図６

Description

本発明は、基板加工装置、特に、ガラス基板にレーザビームを照射して加工を行う基板加工装置に関する。

レーザビームによる基板加工装置としては、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、レーザビームを集光し、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ビームを吸収することになる。このような状態では、レーザビーム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、レーザビームを、ワークの表面上で、円、楕円等の軌跡を描くように回転させたり、左右、上下、斜め等、任意の方向に走査させたりするためのレーザ加工装置が示されている。

さらに、特許文献３には、回折光学素子（ＤＯＥ）を用いて複数の集光点をガラス基板上に形成し、この複数の集光点を回転しつつ加工ラインに沿って走査することによってガラス基板を加工することが示されている。

特開２００７−１１８０５４号公報 特開平８−１９２２８６号公報 特開２０１１−１１９１７号公報

特許文献３に示される装置では、ガラス基板上において微小距離離れた複数のレーザスポットが形成され、これらのレーザスポットの中点を回転中心として回転させ、加工が行われる。このため、１つのレーザスポットを加工ラインに沿って走査する場合に比較して、加工時間を短縮することができる。また、特許文献３の装置のように、回折光学素子としてのＤＯＥを用いてレーザビームを分岐することによって分岐角度を小さくできるので、微小距離離れた複数のレーザスポットを容易に形成することができる。

しかし、ＤＯＥを用いた場合、加工に寄与する±１次の回折光より高次の回折光が加工ラインの外側に照射される。この照射によってガラス基板がダメージを受けるという問題がある。

本発明の課題は、特に、微小距離離れた２つのレーザスポットを容易に形成することができ、かつ加工時におけるガラス基板のダメージを抑えることにある。

本発明の第１側面に係る基板加工装置は、基板にレーザビームを照射して加工を行う装置であって、加工すべき基板が載置されるワークテーブルと、レーザビームを出力するレーザビーム出力部と、１／４波長板と、ウォラストンプリズムと、回転手段と、集光手段と、を備えている。１／４波長板は、レーザビーム出力部からのレーザビームが入射され、円偏光を出力する。ウォラストンプリズムは１／４波長板から出力される円偏光を２つのレーザビームに分岐する。回転手段はウォラストンプリズムを回転させる。集光手段はウォラストンプリズムから出力されるレーザビームを基板上に集光させる。

本発明では、ウォラストンプリズムの前段に、直線偏光を円偏光に変換する１／４波長板を設け、ウォラストンプリズムを回転させている。１／４波長板を調整することでＰ偏光とＳ偏光のエネルギ比を調整することができ、同じエネルギの２つのレーザビームに分岐することが可能となる。また、ウォラストンプリズムで分岐された２つのビームを、その中点を回転中心として回転することになる。

この装置では、容易に２つの分岐されたビームを得ることができるとともに、その２つのビームを回転中心の周りに回転させて基板の加工を行うことができる。また、この装置では、ＤＯＥで発生するような高次の回折光の発生がなく、基板へのダメージを抑えることができる。

本発明の第２側面に係るガラス基板加工装置は、第１側面の装置において、集光手段によって集光されたレーザビームを基板の表面に沿った平面内で任意の方向に走査するためのレーザビーム走査部をさらに備えている。

ここでは、２つのビームが回転されながら加工ラインに沿って走査されるので、加工時間を短縮することができる。

本発明の第３側面に係るガラス基板加工装置は、第１又は第２側面の装置において、ウォラストンプリズムは、水晶、サファイア、カルサイトを含む複屈折材料のいずれかによって形成されている。

ここで、ウォラストンプリズムは、一般的に２つのカルサイトプリズムで構成されている。このような構成のウォラストンプリズムでは、プリズムの頂角の違いが敏感にビーム分離角度に影響を及ぼす。したがって、一般的なウォラストンプリズムでは、ビーム分離角度を小さくすることは困難である。ビーム分離角度を小さくできない場合は、２つの分岐されたビームスポットの間の距離が大きくなり、例えば２つのビームを回転させながら加工ラインに沿って加工する際に好ましくない。

そこでこの第３側面に係る発明では、水晶、サファイア、カルサイトを含む複屈折材料のいずれかによって形成される２つプリズムでウォラストンプリズムを形成している。このようなウォラストンプリズムを用いることによって、プリズムの頂角の違いによってビーム分離角度に与える影響が小さくなる。したがって、ビーム分離角度を小さくするためにプリズムを高い精度で製造する必要がなく、２つのビームスポット間の距離を小さくすることが容易になる。

以上のような本発明では、レーザビームを用いた基板の加工において、特に、微小距離離れた２つのレーザスポットを容易に形成することができ、かつ加工時における基板のダメージを抑えることができる。

本発明の一実施形態による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。 レーザビーム照射ヘッドの構成を拡大して示す斜視図。 １／４波長板及びウォラストンプリズムを示す模式図。 ウォラストンプリズムの構成を示す図。 集光点を走査する動作を説明する模式図。 １／４波長板、中空モータ（ウォラストンプリズム）、及びｆθレンズの作用を説明する模式図。 集光点をＺ軸方向に制御する作用を説明する模式図。

［全体構成］
図１に本発明の一実施形態による基板加工装置の全体構成を示す。この基板加工装置は、ガラス基板にレーザビームを照射して孔開け等の加工を行うための装置であり、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ビームを照射するためのレーザビーム照射ヘッド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。

［ワークテーブル及びその移動機構］
＜ワークテーブル２＞
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、二点差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５＞
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。

［レーザビーム照射ヘッド３］
レーザビーム照射ヘッド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、レーザビーム出力部１５と、光学系１６と、内部にウォラストンプリズム（後述）が組み込まれた中空モータ１７と、Ｘ方向ガルバノミラー１８と、Ｙ方向ガルバノミラー１９と、集光レンズとしてのｆθレンズ２０と、を有している。また、レーザビーム照射ヘッド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、中空モータ１７、Ｘ方向ガルバノミラー１８、Ｙ方向ガルバノミラー１９、及びｆθレンズ２０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。

＜レーザビーム出力部１５＞
レーザビーム出力部１５は従来と同様のレーザ管により構成されている。このレーザビーム出力部１５によって、波長５３２ｎｍのグリーンレーザビームが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１６＞
光学系１６は、レーザビーム出力部１５からのレーザビームを中空モータ１７の内部に導くものである。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、第１の１／４波長板３１と、を有している。

第１ミラー２５は、レーザビーム出力部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ビームをＸ軸方向に反射する。第２ミラー２６は、Ｙ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ビームを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は、中空モータ１７の上方に配置されており、第２ミラー２６によって反射されてきたレーザビームを下方（Ｚ軸方向）に導く。第４ミラー２８は偏向分岐機構３１の横方向に近接して配置されており、第３ミラー２７によって反射されてきたレーザビームを、偏向分岐機構３１を介して中空モータ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ビーム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、レーザビームをより小さなスポットに集光させることが可能となる。

１／４波長板３１は、図４に示すように、中空モータ１７の前段（レーザビームの進行方向の上流側）に配置されている。この第１の１／４波長板３１は、直線偏光を円偏光に変換するために設けられている。

＜中空モータ１７＞
中空モータ１７は、図４、図６及び図７の模式図で示すように、中心にＸ軸方向に延びる回転軸Ｃ０を有し、この回転軸Ｃ０を含む中央部が中空になっている。そして、この中空部にウォラストンプリズム３３が配置されている。

ウォラストンプリズム３３は、図５に示すように、２つの水晶プリズム３３ａ，３３ｂで構成されている。２つの水晶プリズム３３ａ，３３ｂは互いに直交する光学軸を有している。このウォラストンプリズム３３は、入射したレーザビームを互いに直交する２つの直線偏光ビーム（異常光と常光）に分岐する機能を有している。なお、図５において、光軸上に付した直線と●は偏光の振動方向を示している。

ここで、ウォラストンプリズム３３は入射されるレーザビームに対して所定の角度に配置しないと２つのビームに分岐させることはできない。すなわち、ウォラストンプリズムを回転させると、ある角度位置では入射されるレーザビームは２つのビームに分岐されるが、他の角度位置では分岐させることができない。

そこで、ウォラストンプリズム３３の前段に、直線偏光を円偏光に変換する１／４波長板３１を設けている。これにより、回転する中空モータ１７に入射するレーザビームは円偏光になる。

以上のような構成によって、ウォラストンプリズム３３を回転させても、どの角度位置においてもレーザビームを２つのビームに分岐することが可能になる。

また、ウォラストンプリズム３３から出射される２つのビームの分岐角度θは、常光に対する屈折率Ｎｏ、異常光に対する屈折率Ｎｅ、プリズムの頂角αによって決定される。具体的には、常光に対する屈折率Ｎｏと異常光に対する屈折率Ｎｅとの差が小さければ、プリズムの頂角αが同じであっても分岐角度θは小さくなる。

例えば、ウォラストンプリズムは一般的にカルサイト（方解石）によって形成されるが、この場合の波長５５０nmにおける各諸元値は以下の通りである。

常光に対する屈折率Ｎｏ：１．６６１３２
異常光に対する屈折率Ｎｅ：１．４８７７５
プリズムの頂角α＝０．８３度で、分岐角度θ＝０．２８８度（全角）
一方、本実施形態のウォラストンプリズム３３はサファイアで形成されており、この場合の波長５３２nmにおける各諸元値は以下の通りである。

常光に対する屈折率Ｎｏ：１．７７１７０
異常光に対する屈折率Ｎｅ：１．７６３５５
プリズムの頂角α＝１７．０５度で、分岐角度θ＝０．２８７度（全角）
以上から明らかなように、本実施形態のウォラストンプリズム３３では、同じ分岐角度θを得るためには、プリズムの頂角αをより大きく設定することができる。このことは、本実施形態のウォラストンプリズム３３の場合、従来の一般的なウォラストンプリズムに比較して頂角αをラフに仕上げても、非常に小さい分岐角度の２つのビームが得られることを意味している。

＜Ｘ，Ｙ方向ガルバノミラー＞
Ｘ方向ガルバノミラー１８及びＹ方向ガルバノミラー１９は、周知のように、ガルバノスキャナーで使用されるミラーである。Ｘ方向ガルバノミラー１８は、レーザビームのガラス基板Ｇ上における集光点を、Ｘ軸方向に走査させるためのミラーである。また、Ｙ方向ガルバノミラー１９は、レーザビームのガラス基板Ｇ上における集光点を、Ｙ軸方向に走査させるためのミラーである。これらのミラー１８，１９を駆動することによって、集光点をガラス基板Ｇの表面に沿った平面内で任意の方向に走査することができる。

＜ｆθレンズ＞
ｆθレンズ２０は中空モータ１７から出射された２つのビームをガラス基板Ｇ上あるいはガラス基板Ｇ中のＺ軸方向の任意の位置に集光させるためのレンズである。ただ、Ｚ軸方向の集光位置は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向ともに例えば３０ｍｍ程度の限られた範囲内でのみ制御可能である。

＜レーザビーム照射ヘッドの支持及び搬送系＞
以上のようなレーザビーム照射ヘッド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３ミラー２５〜２７、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４ミラー２８、第１の１／４波長板３１、中空モータ１７、Ｘ及びＹ方向ガルバノミラー１８，１９、及びｆθレンズ２０が、第３移動テーブル４１に支持されている。

［動作］
次に、レーザビームによるガラス基板の加工動作について説明する。

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によってレーザビーム照射ヘッド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、レーザビーム照射ヘッド３によるレーザビーム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。

以上のようにしてレーザビーム照射ヘッド３及びガラス基板Ｇを加工位置に移動させた後、レーザビームをガラス基板Ｇに照射して加工を行う。ここでは、レーザビーム出力部１５から出射されたレーザビームは、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に入射したレーザビームはパワーモニタ２９によってレーザ出力が計測される。第２ミラー２６に入射したレーザビームは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で反射されたレーザビームは、さらに第４ミラー２８で反射され、１／４波長板３１に入力される。１／４波長板３１からは円偏光に変換されたレーザビームが出力される。

この円偏光に変換されたレーザビームは中空モータ１７の内部に設けられた第２の１／４波長板３２に入力される。そして、ウォラストンプリズム３３を通過したレーザビームは、分岐角度θで２つのビームに分岐されて出力される。

そして、２つのビームは、Ｘ方向及びＹ方向ガルバノミラー１８，１９と、ｆθレンズ２０と、によって、ガラス基板Ｇの任意の位置に集光される。この様子を図７に示している。２つの集光されたビーム（集光点）は、中空モータ１７によってウォラストンプリズム３３を回転させることによって、光軸Ｃ０の周りに回転させることができる。

そして、２つのガルバノミラー１８，１９を制御することによって、回転する２つの集光点を、加工ラインＬ（図２では矩形、図６では円形）に沿って走査させる。すなわち、２つの集光点はそれらの中心軸Ｃ０を中心に回転しながら加工ラインに沿って走査されることになる。

ここで、レーザビームによる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、一般的に困難である。

そこで通常は、まず、集光点（加工部位）がガラス基板Ｇの下面に形成されるように、ｆθレンズ２０を制御する（図８（ａ）参照）。この状態で集光点を加工ラインに沿って１周した後、ｆθレンズ２０を制御することにより、図８（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周した後、さらに集光点を上昇させる。以上の動作を繰り返し実行することにより、加工ラインの内側部分を抜き落として孔を形成することができる。

なお、加工ラインが広範囲にわたり、Ｘ方向ガルバノミラー１８及びＹ方向ガルバノミラー１９による走査範囲を越える場合がある。このような場合は、前述のような加工を行った後に、テーブル移動機構５によってワークテーブル２をＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させて、ガラス基板Ｇの位置を変更する。そして、前述と同様にして、両ガルバノミラー１８，１９によってレーザビームを走査して加工すればよい。

［特徴］
ウォラストンプリズム３３によってレーザビームを分岐しているので、ＤＯＥを用いたときのような高次の回折光の発生がなく、ガラス基板へのダメージを抑えることができる。

ウォラストンプリズム３３を２つの水晶プリズムで構成しているので、２つのビームの分岐角度を小さくすることが容易になる。したがって、２つのビームスポットの間を容易に微小な距離にすることができ、加工品質を向上することができる。

［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。

（ａ）ウォラストンプリズムを水晶で形成することができる。この場合の波長５３２nmにおける各諸元値は以下の通りである。

常光に対する屈折率Ｎｏ：１．５４６９０
異常光に対する屈折率Ｎｅ：１．５５６１０
プリズムの頂角α＝１５．２１度で、分岐角度θ＝０．２８７度（全角）
（ｂ）前記実施形態では、レーザ走査部として２つのガルバノミラーを用いたが、加工ラインが円の場合は、ガルバノミラーに代えてウォラストンプリズムを中空モータで回転させるようにしてもよい。

（ｃ）集光手段としてｆθレンズを用いたが、集光手段は、レーザビームを集光できるレンズであればよく、ｆθレンズに限定されない。

２ ワークテーブル
３ レーザ照射ヘッド
５ テーブル移動機構
１５ レーザ出力部
１６ 光学系
１７ 中空モータ
１８ Ｘ方向ガルバノミラー
１９ Ｙ方向ガルバノミラー
２０ ｆθレンズ
３１ １／４波長板
３３ ウォラストンプリズム

Claims (3)

1. 基板にレーザビームを照射して加工を行う加工装置であって、
   加工すべき基板が載置されるワークテーブルと、
   レーザビームを出力するレーザビーム出力部と、
   前記レーザビーム出力部からのレーザビームが入射され、円偏光を出力する１／４波長板と、
   前記１／４波長板から出力される円偏光を２つのレーザビームに分岐するウォラストンプリズムと、
   前記ウォラストンプリズムを回転させる回転手段と、
   前記ウォラストンプリズムから出力される２つのレーザビームを前記基板上に集光させるための集光手段と、
   を備えた基板加工装置。
2. 前記集光手段によって集光されたレーザビームを前記基板の表面に沿った平面内で任意の方向に走査するためのレーザ走査部をさらに備えた、請求項１に記載の基板加工装置。
3. 前記ウォラストンプリズムは、水晶、サファイア、カルサイトを含む複屈折材料のいずれかによって形成されている、請求項１又は２に記載の基板加工装置。
   

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