JP2013241301A - ガラス微細穴加工用レーザ加工機及びガラス微細穴加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】生産性の向上が図れ、かつ、コストも抑える。
【解決手段】加工対象物であるガラス２８を搭載するステージ台２７と、レーザビーム２２を発振するレーザ発振器２１と、発振されたレーザビーム２２のビーム径の大きさやビーム形状を調整するビーム調整光学系２３と、調整後のレーザビーム２２の進行方向をガラス２８に向けて調整する導光ミラー２４と、導光されたレーザビーム２２を成形するマスク２５と、成形されたレーザビーム２２をガラス２８のレーザビーム入射面に集光する集光レンズ２６とを備え、レーザビーム２２のパルス幅を５μｓ以下に調整する。
【選択図】図１

Description

本発明はガラス微細穴加工用レーザ加工機及びガラス微細穴加工方法に関するものであり、特に、半導体装置などに用いられるガラス基板に微細穴を形成するためのガラス微細穴加工用レーザ加工機及びガラス微細穴加工方法に関するものである。

従来のガラスのレーザ加工方法には、パルス幅５０〜２００，０００ｎｓ、繰返し周波数２０〜２，０００Ｈｚであるパルスレーザ光を脆性材に１〜５回照射する毎に、０．１〜１０秒の非照射時間帯を設ける方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。パルスレーザ光は、脆性材表面で吸収され、その部分を気化させるので、脆性体の表面を加工することができる。パルスレーザ光を上記の条件で照射することにより、脆性材の表面にクラックを発生させずに、能率よく加工を施すことができる。

この他にも、透明なガラス基板に炭酸ガスレーザ加工機によりレーザ光を照射して、穴あけ加工を行う方法において、透明なガラス基板にレーザ光を照射して穴あけ加工した後に、ガラス基板を所定濃度のフツ酸溶液中に浸し、穴あけ加工部に生じたクラックや微小溶融凝固物質および熱影響部を除去するレーザ加工方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平１１−１２３５７７号公報 特開平２−３０３９０号公報

上述したように、従来のガラス加工方法として、特許文献１に記載の、ガラスのレーザ微細穴加工におけるクラックの発生に対して非照射時間を設けることで抑制する加工方法や、特許文献２に記載の、穴あけ加工後にエッチングを実施し、クラック等の残留応力を除去する方法が提案されているが、いずれの方法も、加工速度が落ち、生産性が低下すること、および、エッチング工程用の設備や廃液処理が必要になることなど、コスト面や環境面での課題が多いという問題点があった。

本発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、生産性の向上が図れ、かつ、コストも抑えることが可能な、ガラス微細穴加工用レーザ加工機及びガラス微細穴加工方法を得ることを目的とする。

この発明は、ガラスから構成された加工対象物に微細穴を形成するためのガラス微細穴加工用レーザ加工機であって、前記加工対象物を搭載するステージ台と、レーザビームを発振するレーザ発振器と、前記レーザ発振器から発振された前記レーザビームのビーム径の大きさやビーム形状を調整するビーム調整光学系と、前記ビーム調整光学系から出力された調整後の前記レーザビームの進行方向を前記ステージ台に搭載された前記加工対象物に向けて調整する導光ミラーと、前記導光ミラーにより導光された前記レーザビームを前記加工対象物のレーザビーム入射面に集光する集光レンズとを備え、前記加工対象物のレーザビーム入射面に入射される前記レーザビームのパルス幅が５μｓ以下になるように、前記レーザ発振器から発振される前記レーザビームのパルス幅を調整することを特徴とするガラス微細穴加工用レーザ加工機である。

この発明は、ガラスから構成された加工対象物に微細穴を形成するためのガラス微細穴加工用レーザ加工機であって、前記加工対象物を搭載するステージ台と、レーザビームを発振するレーザ発振器と、前記レーザ発振器から発振された前記レーザビームのビーム径の大きさやビーム形状を調整するビーム調整光学系と、前記ビーム調整光学系から出力された調整後の前記レーザビームの進行方向を前記ステージ台に搭載された前記加工対象物に向けて調整する導光ミラーと、前記導光ミラーにより導光された前記レーザビームを前記加工対象物のレーザビーム入射面に集光する集光レンズとを備え、前記加工対象物のレーザビーム入射面に入射される前記レーザビームのパルス幅が５μｓ以下になるように、前記レーザ発振器から発振される前記レーザビームのパルス幅を調整することを特徴とするガラス微細穴加工用レーザ加工機であるので、レーザビームのパルス幅を５μｓ以下に設定したことにより、連続照射加工でもクラックが発生しないため、非照射時間を設ける必要がなく、加工時間の短縮化が図れ、生産性の向上が図れるとともに、クラック除去のためのエッチング工程も実施する必要がないため、エッチング工程用の設備や廃液処理が不要となり、コスト面も抑えることが可能である。

本発明の実施の形態１および２に係るガラス微細穴加工用レーザ加工機の構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態１に係るガラス微細穴加工用レーザ加工機に設けられたレーザ発振器（三軸直交型パルスＣＯ_２レーザ発振器）の構成を示す構成図である。 クラックの発生した加工穴の例を示す図である。 クラックの発生しない加工穴の例を示す図である。 熱影響層および盛り上がり部が発生した加工穴の例を示す図である。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１に係るガラス微細穴加工用レーザ加工機について説明する。ガラスの微細穴あけ加工の用途としては、例えば、半導体チップとパッケージ基板を導通接続するための中間基板用薄板貫通電極が挙げられる。電子機器の高性能化・高機能化に伴い、プリント基板の高密度化が進んでいる。基板の主な材料は樹脂であるが、代替材料として、熱膨張率が低く、高絶縁性を有するガラスが期待されている。

本実施の形態１では、ガラスの微細穴加工用のレーザ発振器として、パルスＣＯ_２レーザ発振器を用いる。ＣＯ_２レーザ発振器は、レーザ媒質をＣＯ_２とする気体レーザであるため、固体レーザと比較して、ランニングコストが安く、また、信頼性の観点においても利点がある。また、パルスレーザ発振器は、連続発振（ＣＷ：Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）のレーザに比べて、時間的に集中してエネルギーを照射することができるため、局所的に、より深い加工を行うことが可能である。そのため、微細穴を形成するのに適している。このような２つの利点を併せ持つのが、パルスＣＯ_２レーザ発振器である。

図１は、本発明の実施の形態１に係るガラス微細穴加工用レーザ加工機の構成を示す図である。図１においては、本実施の形態１に係るガラス微細穴加工方法による、レーザ照射工程の様子を示している。

本発明の実施の形態１に係るガラス微細穴加工用レーザ加工機は、図１に示すように、パルスＣＯ_２レーザビーム（以下、単に、レーザビーム２２と呼ぶ）を発振するパルスＣＯ_２レーザ発振器からなるレーザ発振器２１と、レーザビーム２２のビーム径の大きさやビーム形状を調整するビーム調整光学系２３と、レーザビーム２２の進行方向をガラス２８に向けて調整する導光ミラー２４と、導光されたレーザビーム２２のプロファイルを形成するマスク２５と、マスク２５によって成形されたレーザビーム２２をガラス２８のレーザビーム入射面に集光する集光レンズ２６と、ガラス２８を搭載するステージ台２７とから構成されている。ステージ台２７は、駆動装置（図示省略）により、矢印２０で示されるような、左右前後の４方向のステージ走査方向に走査可能な構成となっている。なお、図１において、矢印１はレーザ発振器２１内のレーザガスのガス流の向きを示し、矢印２はレーザ発振器２１からのレーザビーム２２の発振方向を示し、矢印３はレーザ発振器２１内の放電方向を示している。矢印１〜３で示されるように、本実施の形態１においては、ガス流・レーザビーム・放電の方向が、互いに直交する構成となっている（三軸直交型）。

本発明の実施の形態１に係るガラス微細穴加工用レーザ加工機は、当該構成により、以下の処理を行う。

まずはじめに、加工対象のガラス２８をステージ台２７に搭載し、レーザ発振器２１からレーザビーム２２を発振する。

レーザ発振器２１から発生されたレーザビーム２２は、ビーム調整光学系２３により、ビーム径の大きさの調整やビーム形状の成形が行われる。ビーム調整光学系２３は、凹レンズや凸レンズの組み合わせで形成される。楕円ビームなどのビーム成形を行うビーム調整光学系としては、シリンドリカルレンズ、プリズム、回折光学素子を使用することができる。

ビーム調整光学系２３により調整および成形されたレーザビーム２２は、導光ミラー２４で導光され、マスク２５により、レーザビーム２２のプロファイルが成形される。
マスク２５は銅などの材料で構成されている。マスク２５の中心には、マスク２５に照射されるレーザ径よりも小さな円や楕円などの形状の穴が設けられており、レーザビーム２２がマスク２５を通過することで上記形状に成形される。

次に、マスク２５によって成形されたレーザビーム２２を集光レンズ２６によりガラス２８のレーザビーム入射面に集光し、かつ、ステージ台２７を走査させることで、ガラス２８の所望の位置に対して、微細な加工穴２９を形成する。加工穴２９の種類としては、例えば、とまり穴または貫通穴などがある。なお、本実施の形態１では、ステージ台２７をステージ走査方向２０に走査させる構成としているが、その場合に限らず、ガラス２８とレーザビーム２２との間の相対的な走査が行えればよいため、ステージ台２７を固定し、ガルバノミラー、ポリゴンミラー等によりレーザビーム２２を走査しても同様の効果が得られるため、集光レンズ２６としてＦθレンズを用いて、照射するのがよい。

なお、本実施の形態１では、図１に示すように、マスク２５を設置する構成としているが、マスク２５は必ずしも設置しなくてもよく、マスク２５を設置せずに、集光レンズ２６で集光してガラス２８を加工してもよい。

また、レーザ加工にはアシストガスを用いてもよい。アシストガスとは、加工時の溶融物の除去やサンプルの冷却の他に、集光レンズ２６への溶融物付着防止のために用いる補助ガスのことである。アシストガスの種類には、空気、窒素、アルゴンガスなどがある。アシストガスの流し方は、集光レンズ２６とガラス２８の間に流す方法や、ノズルを用いてガラス２８に照射されるレーザビーム２２と同軸上に流す方法がある。本実施の形態１では、集光レンズ２６とガラス２８との間にアシストガスを流しながら加工を行うこととするが、この場合に限定せず、本実施の形態１においても、ノズルを用いてガラス２８に照射されるレーザビーム２２と同軸上に流すようにしてもよい。

また、本実施の形態１においては、レーザ発振器２１として、パルスＣＯ_２レーザ発振器を用いると説明したが、パルスＣＯ_２レーザ発振器の中で、特に、ゲインスイッチによってパルスを発生する三軸直交型ＣＯ_２レーザ発振器を用いることが望ましい。

ＣＯ_２レーザ発振器は、近年では、三軸直交型と高速軸流型の２つが主流となっている。三軸直交型は、矢印１〜３で示される、ガス流・レーザビーム・放電の方向が互いに直交する構成のレーザ発振器であり、一方、高速軸流型は、ガス流・レーザビーム・放電の方向が全て同じ方向となる構成のレーザ発振器である。

三軸直交型と高速軸流型では、共に、レーザ光増幅に必要な利得の維持のためにレーザガスの過熱を抑制する必要があり、放電によって熱されるレーザガスが過熱とならないように、強制対流によって冷却する。同じ利得を得る場合、三軸直交型では、ガス流路の断面積が大きいため、低ガス圧・低ガス流速でも高出力が得られるのに対し、高速軸流型では流路断面積が小さく圧損が大きいため、高ガス圧・高ガス流速が必要となる。そのため、高速軸流型ＣＯ_２レーザ発振器は、三軸直交型ＣＯ_２レーザ発振器に比べて、ランニングコストが高く、冷却性能が悪いため、原理的に増幅性能で劣る。

また、ＣＯ_２レーザ発振器としては、上記の三軸直交型と高速軸流型以外にも、スラブ型がある。スラブ型ＣＯ_２レーザ発振器は、ガスを封じきった、放電電極間隔が短い自然冷却のレーザ発振器である。そのため、他のＣＯ_２レーザと比較すると、利得が低く、低ピーク・長パルスのレーザであるため、ガラスの微細穴加工には使用できない。

以上の理由から、本実施の形態１においては、三軸直交型ＣＯ_２レーザ発振器をレーザ発振器２１として採用し、その中でも、三軸直交型パルスＣＯ_２レーザ発振器を選択する。

以下に、三軸直交型パルスＣＯ_２レーザ発振器の構成について説明する。図２は、本発明の実施の形態１におけるレーザ発振器２１としての三軸直交型パルスＣＯ_２レーザの構成を示す図である。

本発明の実施の形態１におけるレーザ発振器２１としての三軸直交型パルスＣＯ_２レーザ発振器は、図２に示すように、全反射ミラー１１と出力ミラーとして機能する部分反射ミラー１２とを有する光共振器と、光共振器に対して設けられた放電電極８，９と、放電電極８，９を固定・支持する誘電体プレート６，７と、放電電極８，９に交番電圧を印加する高電圧高周波電源５と、高電圧高周波電源５と放電電極８，９とを接続する給電線４と、放電電極８，９の間に供給されるレーザ媒質として機能するレーザガス（ＣＯ_２）（図示せず）とで構成される。なお、三軸直交型パルスＣＯ_２レーザ発振器においては、レーザガスは、レーザガスを封じ切る長いガラス管（図示省略）の中を高速で流される構成となっている。

また、上述したように、三軸直交型パルスＣＯ_２レーザは、矢印１で示すレーザガスのガス流の方向と、矢印２で示すレーザビーム２２の方向と、矢印３で示す放電の方向とが、各々、互いに直交しているのが特徴である。

放電電極８，９は、対向して設けられた１対の誘電体プレート６，７の対向面にそれぞれ設置され、給電線４により、高電圧高周波電源５に接続される。高電圧高周波電源５により、給電線４を介して、放電電極８，９間に交番電圧が印加されると、放電電極８，９間において、矢印３の向きに、均一な放電が形成される。放電電極８，９間には、矢印１、すなわち、ガス流方向１０で示す方向に、レーザガスが供給されており、放電によってレーザガス中の分子または原子がエネルギーを得て、レーザ上準位に励起（ポンピング）されると、光の増幅作用を示すようになる。そうして、増幅された光が、全反射ミラー１１と部分反射ミラー１２との間を往復すると、さらに、誘導放出による光の増幅が行われる。この増加エネルギーが光共振器内の損出エネルギーを超えると、レーザ発振が起こってレーザ光が放出される。このとき、部分反射ミラー１２は、光共振器から発振されたレーザ光の一部をレーザビーム２２として外部に出射する出力ミラーとして機能する。

なお、図２では図示を省略しているが、本実施の形態１に係る三軸直交型パルスＣＯ_２レーザ発振器は、レーザガスを封じ切った長いガラス管の中に高速でガスを流す構造であり、矩形波とパルス性能がよい。また、レーザビームの収束性や指向安定度の点で優れており、レーザビームのオンオフを瞬時に切り替えることができるので、固体レーザに比べてランニングコストが安い。

なお、ここで、本実施の形態１におけるレーザ発振器２１は、パルスレーザ発振器であるため、レーザビームをパルス化する方法について説明する。パルス化する方法としては、一般的に、主に以下の３つが挙げられる。
（１）電気光学素子（ＥＯ：Ｅｌｅｃｔｒｏ‐Ｏｐｔｉｃ）や音響光学素子（ＡＯ：Ａｃｏｕｓｔｏ‐Ｏｐｔｉｃ）によるスイッチングによる方法。
（２）シャッターや音響光学素子を発振器外部に設置して、連続発振されたレーザビームをパルス化する方法。
（３）励起放電を断続的に発生させてレーザをパルス状に発振する方法。

（１）の方式はＱスイッチ方式と呼ばれ、発振器の光損失（Ｑ値）を制御してパルスを発振させる。Ｑスイッチによるパルス発振では、主に固体レーザで用いられており、約数十ｎｓオーダーの短パルス・高ピーク出力の発振が可能である。
しかし、Ｑスイッチ方式で用いるＱスイッチ素子は、ＣＯ_２レーザの波長である赤外域に対応できる材料が少なく、高価である。また、大出力でのスイッチングでは損傷してしまい、小出力では素子の損傷がなくとも、材料の屈折率温度依存性により熱レンズ効果が生じ、ビーム径が変化するなどの加工性能の低下につながるため、微細ガラス穴あけには使用できない。

（２）と（３）は、レーザの繰り返し周波数がシャッターや励起放電の周波数によって制限される。
（２）の方式では、連続発振のレーザを時間的に遮断するもので、高ピーク出力のレーザを得ることができず、微細ガラス穴あけには使用できない。
（３）の方式は、ゲインスイッチによるパルスを発生させる方式で、（２）に比べてピーク出力が高くなる。また、励起放電を断続的に動作させ、単パルス発振後に放電電極間に残った消耗ガスを新しいレーザガスで充填し、次の励起放電で次のパルスを発生させることで、パルス発振をおこなう。励起放電の動作のみとなるため動作方法が簡単であり、（１）のＱスイッチ式よりも多くのパルスＣＯ_２レーザで適用されている。

以上より、本実施の形態１においては、ガラス微細穴加工用のレーザ発振器２１として、ランニングコストが安く、ゲインスイッチによってパルスを発生させる、（３）の方式による、高ピーク・短パルスの三軸直交型パルスＣＯ_２レーザ発振器を用いる。

また、加工対象のガラス２８は脆性材料であり、ホウ珪酸ガラス、ソーダガラス、アルカリガラスや合成石英などの種類がある。ガラスのレーザ微細穴加工において、加工対象のガラスの材質が、レーザ波長の波長域において光吸収域を有しなければ加工することができない。ガラス２８には、特に、使用するＣＯ_２レーザの波長に対してレーザ光を吸収するガラスが適している。

以下に、ガラスのレーザ微細穴加工における加工条件について記す。
ガラス２８の厚みは約５０〜３００μｍ程度で、貫通電極の穴径は約Φ１０〜１００μｍである。
ゲインスイッチ式三軸直交型パルスＣＯ_２レーザにより、厚さ１５０μｍのホウ珪酸ガラスに対して、約Φ１００μｍの微細穴を加工した例を示す。
加工条件は、照射ビーム径Φ１００μｍ、繰り返し周波数１Ｈｚ、エネルギー密度１５Ｊ／ｃｍ^２である。この加工条件において、パルス幅を調整して連続照射加工を実施した。

図３は、クラックの発生した加工穴の例を示す図である。パルス幅は１０μｓであり、加工穴２９の周囲に、加工穴２９を囲むようなクラック５１が発生した。

図４は、クラックの発生しない加工穴の例を示す図である。図４はパルス幅が１μｓの加工条件で加工しており、加工穴２９の周囲５２にクラックは発生しなかった。クラックは、パルス幅を短くすることで抑制することができる。

上記加工結果は、厚さ１５０μｍのホウ珪酸ガラスに対して、約Φ１００μｍの微細穴を加工した例である。これに対して、ガラス２８の厚さ、材質、穴径を変化して加工をおこなった結果に基づいて、クラックの発生について調べた。

表１は、ゲインスイッチ式三軸直交型パルスＣＯ_２レーザ発振器による各パルス幅（１μｓ，３μｓ，５μｓ，１０μｓ，１５μｓ，３０μｓ，５０μｓ）でのクラック発生の有無を示す表である。表１の結果では、パルス幅が１〜５μｓの範囲では、クラックの発生はなく、パルス幅が１０〜５０μｓの範囲では、クラックの発生があった。

以上より、ガラスの微細穴形成のレーザ加工条件として、ガラス２８のレーザビーム入射面に入射されるレーザビーム２２のパルス幅が５μｓ以下になるように、レーザ発振器２１から発振されるレーザビーム２２のパルス幅を調整することで、クラックの発生を抑制することが可能である。

レーザ加工条件には、パルス幅だけでなく、照射ビーム径、エネルギー密度、繰り返し周波数があり、これらのパラメータを用いて、大きなクラックやかけが生じない照射をおこなう。以下に、それらのパラメータについての説明を行う。

Φ１００μｍ以下の貫通穴を形成するために、照射ビーム径はΦ１００μｍ以下の大きさとする。

図５は、ＣＯ_２レーザによる低エネルギー密度でのガラスの微細穴加工結果の例である。
ガラスのレーザ微細穴形成には、パルスエネルギー密度が２Ｊ／ｃｍ^２以上である必要がある。
パルスのエネルギー密度が低い場合、クラック５１を発生させずにガラス２８は加工されるが、図５に示すように、加工穴２９の周囲に、盛り上がり部５４や熱影響層５３が発生する。
そのため、熱影響層５３を低減するには、高エネルギーで加工する必要がある。
エネルギー密度は、一般的に照射ビーム径を小さくするだけでなく、平均出力を大きくするほど高くなる。貫通穴形成時は高エネルギーであるほど加工穴のテーパ率が高くなる。
テーパ率とは、ガラス表面の加工穴径に対する裏面の加工穴径の割合を示す。テーパ率１００％は表面の加工穴径と裏面の加工穴径が同じ大きさである場合を示す。

以上の理由から、本実施の形態１においては、パルスエネルギー密度を、２Ｊ／ｃｍ^２以上に設定する。上記の例では、パルスエネルギー密度を、１５Ｊ／ｃｍ^２に設定している。

また、繰り返し周波数は、クラックの発生条件に関係がなく、高いほど生産性があがる。上記の例では、繰り返し周波数を、１Ｈｚに設定している。

レーザ照射方法は、加工穴２９を形成したい面に照射するため、ガラス２８の表面と裏面のどちらか一方、または、貫通穴を形成する場合は両面から照射してもよい。
また、ガラス２８に貫通穴を形成する場合、照射側の裏面はステージ台２７に接さずに加工する。
これは、貫通穴加工時にガラスの溶融物が穴の内側から外側へ排出されるが、上記裏面が接していた場合は排出し難い状態となり、裏面の加工穴周囲に飛散物の付着が多くなる。また、熱が排出できずに熱影響層やクラックが発生する場合もある。
そのため、ステージ台２７に溝を設けるなどの方法で裏面が接触しない状態にして加工をおこなう必要がある。

上記加工条件下では、連続照射加工でもクラックは発生しないため、非照射時間を設ける必要がないため、加工時間を短縮することができる。これに加え、クラックの発生がないためエッチング設備も不要となり、コスト面および生産性の面で向上することが可能である。

加工穴の加工品質には、クラックの発生以外にも溶融物付着の問題がある。
加工穴周辺の溶融物除去には、アシストガスによる除去以外に、水洗により除去する方法がある。これに加え、あらかじめ加工する面に保護膜を成膜し、加工後に洗浄することで溶融物ごと膜を除去する方法もある。保護膜は成膜の簡易性と環境面の点から水溶性であることが望ましい。

従来、ガラスに対するレーザ微細加工技術は、ＵＶレーザを中心に開発が進められてきたが、以上説明したように、本実施の形態においては、産業界でも実績があり、かつ、ＵＶレーザよりもランニングコスト面と信頼性の点で優れている、ＣＯ_２レーザ発振器を用いることにより、クラックの発生がなく、連続的にガラスの微細加工を行うことが可能である。

以上のように、本実施の形態１は、ガラスのレーザ微細穴加工において、レーザ発振器２１として、三軸直交型の、ゲインスイッチによってパルスを発生させる、三軸直交型パルスＣＯ_２レーザ発振器を用い、パルス幅が５μｓ以下であるようにした。三軸直交型ＣＯ_２レーザ発振器は、矩形波とパルス性能がよく、レーザビームの収束性や指向安定度の点で優れており、レーザビームのオンオフを瞬時に切り替えることができるので、固体レーザに比べてランニングコストが安い。また、三軸直交型では、ガス流路の断面積が大きいため、低ガス圧・低ガス流速でも高出力が得られ、ランニングコストが安い。さらに、ゲインスイッチによってパルスを発生させる構成としたので、高ピーク短パルスのレーザ発振により、ガラス２８に対して一度に高エネルギー密度の加工が可能となるため、余分な熱が入りにくい。また、パルス幅を５μｓ以下にすることで、加工穴２９の周囲にクラック５１が発生しない加工を行うことができる。

また、本実施の形態１においては、パルスエネルギー密度が２Ｊ／ｃｍ^２以上であるようにした。これにより、加工穴２９の周囲における、クラック５１、および、盛り上がり部５４・熱影響層５３の発生を抑えながら、かつ、テーパ率の向上を図ることができる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係るガラス微細穴加工用レーザ加工機の全体の構成は、上述の実施の形態１で図１に示した構成と基本的に同じである。異なる点は、本実施の形態２においては、レーザ発振器２１が量子カスケードレーザ発振器から構成されている点である。他の構成及び動作については、実施の形態１と同じであるため、ここでは説明を省略し、以下では、異なる点を中心に説明する。

量子カスケードレーザ（ＱＣＬ：Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃａｓｃａｄｅ Ｌａｓｅｒ）発振器は、サブバンド遷移を利用した半導体レーザであり、約５．０〜１１．０μｍの広範囲な波長選択が可能である。また、パルス幅を５．０μｓ未満で調整可能であり、クラックのないガラス微細穴形成の加工条件に適している。

ただし、量子カスケードレーザ発振器は、半導体レーザ発振器の中では高出力ではあるが、実施の形態１で示したパルスＣＯ_２レーザ発振器（気体レーザ）に比べると、出力が低い。そのため、ガラスのレーザ微細穴加工に必要な波長範囲の高出力が得られない場合には、必要に応じて、増幅手段を設けて増幅する必要がある。増幅手段としては、例えば、放電励起したＣＯ_２レーザ用発振器ガスを増幅媒質に利用して増幅する方法などが考えられる。よって、ガラスのレーザ微細穴加工においては、レーザ発振器２１の波長が、パルスＣＯ_２レーザ発振器の波長範囲である９．０〜１１．０μｍである必要がある。なお、増幅手段の設置場所としては、レーザ発振器２１とビーム調整光学系２３との間に設ける。量子カスケードレーザのレーザ光をシード光とし、増幅媒質として放電励起したＣＯ_２レーザ用発振器ガスを用いて増幅させる。増幅手段の構成としては、マルチパスやインジェクションロックなどが考えられる。

また、レーザ加工において加工する材質が、レーザ波長の波長域において吸収域を有しなければ加工することができない。従って、ガラス２８は、パルスＣＯ_２レーザ発振器と量子カスケードレーザ発振器の波長範囲である９．０〜１１．０μｍの間で、光吸収域を有する必要があるため、そのような材質からなるガラス２８を用いるようにする。

以上のことから、本実施の形態２においては、ガラスの微細穴加工のレーザとして、量子カスケードレーザ発振器を用い、必要に応じて、その出力を放電励起したＣＯ_２レーザ用発振器ガスを増幅媒質に利用して増幅する方法などにより９．０〜１１．０μｍの範囲に増幅させて、ガラス加工を行う。

また、図３で説明したように、パルス幅が５μｓを超えると、加工穴２９の周囲にクラック５１が発生するため、本実施の形態２においても、クラック５１のない加工を行うには、パルス幅が５μｓ以下である必要がある。従って、本実施の形態２においては、ガラス２８のレーザビーム入射面に入射されるレーザビーム２２のパルス幅が５μｓ以下になるように、量子カスケードレーザ発振器から発振されるレーザ光のパルス幅の調整を行う。なお、レーザ光を増幅手段により増幅する場合には、増幅後のパルス幅が５μｓ以下になるように、パルス幅を調整する。

本実施の形態２において、レーザ発振器２１として用いる、量子カスケードレーザ発振器の構成としては、一般的なもので、例えば、特開２０１０−２３８７１１号公報に記載されている。

従来の半導体レーザ発振器と量子カスケードレーザ発振器との違いについて説明する。従来の半導体レーザにおける光遷移は、伝導帯準位と価電子帯準位間のバンド間遷移であり、電子と正孔とが再結合することにより光を放射し、共振によってレーザ発振する。しかしながら、このとき、量子井戸構造で離散化された伝導帯内の準位間で光学的遷移が起きた場合には、電子と正孔は再結合せずに伝導帯に留まってしまう。また、バンド間遷移を用いているため、遷移波長は、レーザ媒質の材料によって決まり、自由に選択することはできない。

一方、量子カスケードレーザ発振器においては、量子井戸を作成し、サブバンド間遷移を用いる構成であるため、井戸幅を変えることにより、遷移波長を自由に選択できるという特徴を有している。そのため、広い範囲で発振波長を選択することができる。また、量子カスケードレーザ発振器においては、量子井戸が、半導体中間層を挟んで、複数個積層されて、多重量子井戸を作成している。そうして、１つの量子井戸で光を放出した電子を、トンネル効果で隣り合う量子井戸に導き、そこで、再び、伝導帯内での遷移を行わせ、ちょうど、多段の滝のように、１つの電子が多数の遷移を次々と行っていくような構造を有している。この発光層としての量子井戸が多段につながった構造をカスケード構造と呼ぶ。これにより、１つの電子から多数の光の放出を行うことができ、高出力が可能となっている。

以上説明したように、量子化カスケードレーザ発振器には、広い範囲で発振波長を選択できるというサブバンド間光学遷移の特徴と、発光層が多段に接続されたカスケード構造による高出力化の特徴とを併せ持つため、ガラスのレーザ微細穴加工に適用可能であり、かつ、広範囲の波長選択が可能である。また、パルス幅を５μｓ以下に設定することで、クラックのない加工を行うことも可能となる。また、出力が十分でない場合には、増幅手段を設けて増幅すればよい。

このように、本実施の形態２においては、ガラスのレーザ微細穴加工において、レーザ発振器２１として量子カスケードレーザ発振器を用いるようにしたので、広範囲の波長選択が可能であるため、ガラスのレーザ微細穴加工に必要な波長範囲に自由に設定できる。また、量子カスケードレーザ発振器においては、パルス幅を５．０μｓ未満で調整可能であるため、ガラス微細穴加工に用いるレーザのパルス幅を５μｓ以下であるように設定するようにしたので、クラックの発生を抑えることができる。このような加工条件下では、連続照射加工でもクラックは発生しないため、非照射時間を設ける必要がない。従って、連続で加工を行うことができ、加工時間を短縮することが可能であるため、生産性向上の効果がある。また、これに加え、クラックの発生がないため、エッチング設備も不要となり、コスト面および生産性の面で向上することが可能である。このように、本実施の形態２においても、上述の実施の形態１と同様の効果が得られる。

なお、本実施の形態２においても、実施の形態１と同様に、パルスエネルギー密度を２Ｊ／ｃｍ^２以上とすることが望ましい。パルスのエネルギー密度が低い状態で加工した場合、クラックが発生しないが、上記の図５で説明したように、加工穴２９の周囲に、盛り上がり部５４や熱影響層５３が発生する。盛り上がり部５４や熱影響層５３の発生を低減させるには、高エネルギーで加工する必要がある。従って、本実施の形態２においても、実施の形態１と同様に、パルスエネルギー密度を２Ｊ／ｃｍ^２以上とすることが望ましい。また、エネルギー密度が高いほうがテーパ率は高くなる。

また、他のレーザ加工条件、すなわち、照射ビーム径や、繰り返し周波数についても、上述の実施の形態１と同様に設定し、大きなクラックやかけが生じない照射を行うことが望ましい。

なお、本実施の形態２で用いる量子カスケードレーザ発振器の構成は、特開２０１０−２３８７１１号公報に記載されている構成に限らず、任意の構成の量子カスケードレーザ発振器が本発明には適用可能であり、その場合においても同様の効果が得られることは言うまでもない。

１ 矢印（ガス流の向き）、２ 矢印（レーザビームの向き）、３ 矢印（放電の向き）、４ 給電線、５ 高電圧高周波電源、６，７ 誘電体プレート、８，９ 放電電極、１０ ガス流方向、１１ 全反射ミラー、１２ 部分反射ミラー（出力ミラー）、２０ ステージ走査方向、２１ レーザ発振器、２２ レーザビーム、２３ ビーム調整光学系、２４ 導光ミラー、２５ マスク、２６ 集光レンズ、２７ ステージ台、２８ ガラス、２９ 加工穴、５１ クラック、５３ 熱影響層、５４ 盛り上がり部。

Claims (6)

1. ガラスから構成された加工対象物に微細穴を形成するためのガラス微細穴加工用レーザ加工機であって、
   前記加工対象物を搭載するステージ台と、
   レーザビームを発振するレーザ発振器と、
   前記レーザ発振器から発振された前記レーザビームのビーム径の大きさやビーム形状を調整するビーム調整光学系と、
   前記ビーム調整光学系から出力された調整後の前記レーザビームの進行方向を前記ステージ台に搭載された前記加工対象物に向けて調整する導光ミラーと、
   前記導光ミラーにより導光された前記レーザビームを前記加工対象物のレーザビーム入射面に集光する集光レンズと
   を備え、
   前記加工対象物のレーザビーム入射面に入射される前記レーザビームのパルス幅が５μｓ以下になるように、前記レーザ発振器から発振される前記レーザビームのパルス幅を調整する
   ことを特徴とするガラス微細穴加工用レーザ加工機。
2. 前記レーザ発振器は、ゲインスイッチによってパルスを発生させる三軸直交型パルスＣＯ_２レーザ発振器から構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のガラス微細穴加工用レーザ加工機。
3. 前記レーザ発振器は、量子カスケードレーザから構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のガラス微細穴加工用レーザ加工機。
4. 前記レーザ発振器から発振される前記レーザビームの波長は９．０〜１１．０μｍの範囲に設定されている
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のガラス微細穴加工用レーザ加工機。
5. 前記レーザ発振器から発振される前記レーザビームのパルスエネルギー密度は２Ｊ／ｃｍ^２以上に設定されている
   ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のガラス微細穴加工用レーザ加工機。
6. ガラスから構成された加工対象物に微細穴を形成するためのガラス微細穴加工方法であって、
   前記加工対象物をステージ台に搭載するステップと、
   パルス幅を５μｓ以下に設定して、レーザビームをレーザ発振器から発振するステップと、
   前記レーザ発振器から発振された前記レーザビームのビーム径の大きさやビーム形状を調整するステップと、
   調整後の前記レーザビームの進行方向を前記ステージ台に搭載された前記加工対象物に向けて調整するステップと、
   導光された前記レーザビームを前記加工対象物のレーザビーム入射面に集光するステップと
   を備えたことを特徴とするガラス微細穴加工方法。

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