JP2014105147A - レーザ加工方法及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な工程で、分断不良を生じさせることなく確実に基板をレーザーにより分断する方法を提供する。
【解決手段】脆性材料基板表面の交差する第１及び第２加工予定ラインに沿ってレーザ光を照射し、脆性材料基板表面に複数の溝を形成する方法であって、第１工程及び第２工程を含む。第１工程は、第１加工予定ラインに沿ってパルスレーザ光を照射して脆性材料基板に第１方向の溝を形成する。第２工程は、第２加工予定ラインに沿ってパルスレーザ光を照射するとともに、第１方向の溝と交差する部分ではパルスレーザ光の照射を停止して、脆性材料基板の第２方向の溝を形成する。
【選択図】図８

Description

本発明は、レーザ加工方法及びレーザ加工装置、特に、脆性材料基板表面の交差する第１及び第２加工予定ラインに沿ってレーザ光を照射し、脆性材料基板表面に複数の溝を形成するレーザ加工方法及びそれを実施するためのレーザ加工装置に関する。

電子部品材料として使用される矩形ガラスは、母材としての１枚の大きな基板（ガラス板）を互いに直交する方向に分断することによって得られる。分断方法としては、カッターホイール等を圧接転動させて溝を形成した後、形成された溝に沿って基板に対して垂直方向から外力を加え、基板を分断する方法が広く行われている。

また、特許文献１には、互いに直交する加工予定ラインに沿って基板表面にレーザ光を照射し、各加工予定ラインに沿って溝を形成した後、外力を基板に加えて分断する方法も提案されている。

さらに特許文献２には、別のレーザ加工方法が示されている。この方法では、加工予定ラインに沿ってパルスレーザ光が照射されることによって基板表面がアブレーション加工され、これと同時にアブレーション加工で形成された溝の表面が溶融されアブレーション加工によって生じるマイクロクラックを減少させている。このような方法によって、基板に溝が形成される。

特開２０１２−３１０３５号公報 特開２０１０−２７４３２８号公報

特許文献１に示された方法では、２つの加工予定ラインが交差する部分の４つの角部のそれぞれに反射部材を設ける必要があり、加工工程が煩雑になる。

また、特許文献２に示された方法を用いて２つの直交する溝を形成する（以下、「クロススクライブ」と記す）ことも可能である。しかし、この場合は、第１方向の溝を形成した後、第２方向の溝を形成する場合に、溝が交差する部分の近傍で、加工不良が生じやすい。

具体的には、第２方向の溝を形成する際に、レーザ光の照射による熱影響で、第１方向の溝にクラックが発生したり、交点部において基板（ガラス）が固着して分断不良が生じたりする場合がある。また、第２方向の溝の分断面の角部にソゲ（凹凸）が発生しやすくなる。

このため、例えば、後工程である第２方向の溝形成時のレーザ光の出力を、第１方向の溝形成時に比較して低く設定する等の制御が必要になる。しかし、基板の種類によっては、欠陥や分断不良が生じない程度にレーザ光の出力を低下させると、分断ができなくなる等の問題がある。このため、クロススクライブする場合のレーザ光の条件設定が非常に困難である。

本発明の課題は、簡単な工程で、分断不良を生じさせることなく確実に基板を分断できるようにすることある。

本発明の第１側面に係るレーザ加工方法は、脆性材料基板表面の交差する第１及び第２加工予定ラインに沿ってレーザ光を照射し、脆性材料基板表面に複数の溝を形成する方法であって、第１工程及び第２工程を含む。第１工程は、第１加工予定ラインに沿ってパルスレーザ光を照射して脆性材料基板に第１方向の溝を形成する。第２工程は、第２加工予定ラインに沿ってパルスレーザ光を照射するとともに、第１方向の溝と交差する部分ではパルスレーザ光の照射を停止して、脆性材料基板に第２方向の溝を形成する。

ここでは、第２方向の溝を形成する際に、先に形成された第１方向の溝と交差する部分においてパルスレーザ光の照射を停止している。このため、交差する部分及びその近傍に、熱影響によるクラックやソゲ等の欠陥が生じにくくなる。また、第１及び第２方向の溝を同じレーザ光の照射条件で加工でき、加工が容易になる。しかも適切な深さの溝を形成することができ、後工程で容易に基板を分断することができる。

本発明の第２側面に係るレーザ加工方法は、第１側面の方法において、第２工程では、第１方向の溝幅内でパルスレーザ光の照射停止及び照射再開を実施する。

ここで、第２方向の溝を形成する際に、第１方向の溝が形成されていない未加工部分でパルスレーザ光の照射停止及び照射再開を行うと、パルスレーザ光の照射を停止した位置及び再開をした位置の近傍にクラックが生じやすく、製品の不良率が高くなる。

そこで、この第２側面の方法では、既に形成されている第１方向の溝幅内でパルスレーザ光の照射を停止及び再開するようにしている。これにより、製品部分にクラック等の欠陥が生じるのを抑えることができる。

本発明の第３側面に係るレーザ加工方法は、第２側面の方法において、第２工程では、第１方向の溝の中心を挟んで第１方向の溝幅の６２％以上９４％以下の範囲内でレーザ光の照射を停止する。

ここでは、両方向の溝の交差部分近傍における欠陥をより抑えることができる。

本発明の第４側面に係るレーザ加工方法は、第１から第３側面のいずれかの方法において、第１工程及び第２工程では、パルスレーザ光により脆性材料基板をアブレーション加工すると同時に加工部を溶融して第１及び第２方向の溝を形成する。

ここでは、パルスレーザ光により基板をアブレーション加工すると同時に加工部を溶融して基板表面に第１及び第２方向の溝が形成される。このような加工方法では、溝の近傍が加熱されるので、熱影響による欠陥が生じやすい。

そこで、このような加工方法において本発明の方法を採用することにより、熱影響による欠陥を効果的に抑えることができる。

本発明の第６側面に係るレーザ加工装置は、脆性材料基板表面の交差する第１及び第２加工予定ラインに沿ってレーザ光を照射し、脆性材料基板表面に複数の溝を形成する装置である。この加工装置は、レーザ光照射機構と、移動機構と、加工制御部と、を備えている。レーザ光照射機構はパルスレーザ光を発振するレーザ発振器及び発振されたパルスレーザ光を集光して照射する光学系を有する。移動機構はレーザ光照射機構を脆性材料基板表面の加工予定ラインに沿って相対的に移動させる。加工制御部は、レーザ光照射機構及び移動機構を制御して、脆性材料基板に交差する溝を形成する。また、加工制御部は第１機能と第２機能とを有している。第１機能は第１加工予定ラインに沿ってパルスレーザ光を照射して脆性材料基板に第１方向の溝を形成する。第２機能は、第２加工予定ラインに沿ってパルスレーザ光を照射するとともに、第１方向の溝と交差する部分ではパルスレーザ光の照射を停止して、脆性材料基板の第２方向の溝を形成する。

以上のように本発明では、簡単な工程で、分断不良を生じさせることなく確実に基板を分断することができる。

本発明の加工方法を実施するためのレーザ加工装置の概略構成図。 本発明の一実施形態によるアブレーション加工を模式的に示す図。 パルスレーザ光の制御のタイミングチャート例を示す図。 従来のレーザ加工方法によりクロススクライブした場合の基板表面及び分断面を示す写真。 従来及び本発明の一実施形態によるレーザ加工方法によりクロススクライブした場合の基板表面を示す写真。 従来及び本発明の一実施形態によるレーザ加工方法によりクロススクライブした場合の分断面を示す写真。 最適条件でクロススクライブした場合の基板表面及び分断面を示す写真。 パルスレーザ光の制御例を示す模式図。

［レーザ加工装置］
本発明の一実施形態によるレーザ加工装置を図１に示す。このレーザ加工装置は、レーザ発振器１と、ミラー機構２と、レンズ機構３と、ＸＹステージ４と、を備えている。レーザ発振器１、ミラー機構２、及びレンズ機構３によりレーザ光照射機構が構成され、またＸＹステージにより移動機構が構成されている。また、このレーザ加工装置は、レーザ制御部１１及び移動制御部１２を含む制御部１０を有している。レーザ制御部１１は、レーザ光の照射及び出力等の加工条件を制御する。移動制御部１２はＸＹステージ４の移動を制御する。

レーザ発振器１はパルスレーザ光を発振する。このレーザ発振器１は、ＹＡＧレーザ、ＩＲレーザ等の周知のパルスレーザ光の発振器であれば、特に限定されるものではない。加工される脆性材料基板（以下、単に「基板」と記す）５の材質に応じて、アブレーション加工が可能な波長のレーザを適宜選択すればよい。

ミラー機構２は、レンズ機構３とともに集光光学機構を形成し、基板５に略鉛直方向からパルスレーザ光を照射できるように、パルスレーザ光の進行方向を変更する。ミラー機構２として、１又は複数の鏡面を用いてもよいし、プリズム、回折格子等を利用してもよい。

レンズ機構３はパルスレーザ光を集光するものである。より詳細には、このレンズ機構３は、基板５の厚みに応じて、パルスレーザ光を集光する位置である焦点位置の上下方向の位置を調整する。この焦点位置の調整は、レンズ機構３のレンズを交換することにより調整してもよいし、レンズ機構３の上下方向の位置を図示しないアクチュエータにより変更して調整してもよい。

ＸＹステージ４は、分断の対象となるガラス基板等の加工すべき基板５を載置するテーブルであり、互いに直交するＸ方向及びＹ方向に移動可能である。このＸＹステージ４を移動制御部１２により制御し、Ｘ方向及びＹ方向に所定の速度で移動させることにより、ＸＹステージ４に載置された基板５とパルスレーザ光との相対位置を自在に変更することができる。通常は、ＸＹステージ４を移動させて、基板５の表面に形成されるスクライブ溝６の加工予定ラインに沿ってパルスレーザ光を移動させる。また、加工時のＸＹステージ４の移動速度は移動制御部１２により制御される。

［アブレーション加工について］
図２は、パルスレーザ光によるアブレーション加工の一例を示したものである。この図に示されるように、レーザ発振器１から出射されたパルスレーザ光は、レンズ機構３により基板５の上面近傍にて集光される。パルスレーザ光が吸収される場合、図２（ａ）に示すように、基板５の焦点位置近傍が加熱される。

基板５の焦点位置近傍の温度が、基板５の沸点を超えた場合、図２（ｂ）に示すように、沸点を超える部分については成分が蒸散する。一方、焦点位置から少し離れた部分では、基板５の沸点には到達しないが融点を超える部分が存在する。この部分は、図２（ｃ）に示すように表面が溶融し、その後放熱により温度が低下すると、図２（ｄ）に示すように固着することにより溶融痕が形成される。

以上のような加工方法によってスクライブ溝を形成する場合、スクライブ溝に溶融痕が形成されない条件、すなわち熱影響を抑えた条件でパルスレーザ光を用いてアブレーション加工すると、スクライブ溝に沿って欠陥が生じやすい。また、溶融過多となった場合には、スクライブ溝からクラックが生じる。したがって、パルスレーザ光の出力や走査速度等の適切な条件を設定して加工を行う必要がある。

［レーザ加工方法］
基板５に対して、互いに直交するＸ方向及びＹ方向に沿ってスクライブ溝を形成する場合は、まず、パルスレーザ光を集光して基板５の表面に照射する。そして、このパルスレーザ光をＸ方向の加工予定ラインに沿って走査する（以下、この工程を「１ｓｔスクライブ」と記す）。これにより、Ｘ方向の加工予定ラインに沿って、スクライブ溝が形成される。次に、Ｘ方向の加工と同様の条件で、Ｙ方向の加工予定ラインに沿ってパルスレーザ光を走査する（以下、この工程を「２ｎｄスクライブ」と記す）。このとき、Ｘ方向のスクライブ溝が形成された溝幅内で、パルスレーザ光の照射を所定期間だけ停止する。このパルスレーザ光の一時的な照射停止を、図３のタイミングチャートで示すように、両方向の溝の交点部分ごとに行う。図３において、（ａ）はパルスレーザ光の駆動用信号の波形であり、「Ｈ」がパルスレーザ光のオフ（照射停止）、「Ｌ」がパルスレーザ光のオン（照射）を示している。また、（ｂ）は交点ごとにレーザ出力が所定期間「０」であることを示している。

なお、Ｘ方向及びＹ方向の溝加工を行う場合は、基板５に対してパルスレーザ光を用いたアブレーション加工を行うと同時に基板５に熱影響を与えて加工部を溶融させ、溝を形成する。

［実験例］
−実験１−
図４にパルスレーザ光の制御（照射停止及び再開）を行わずにクロススクライブを行った場合の基板表面及び分断面の様子を示している。パルスレーザ光は、波長が２６６nm、平均出力が７Wであり、基板は厚みが０．３mmのＯＡ−１０（日本電気硝子社製）である。また、図の２ｎｄ側から加工を行い、加工幅は３４μm、加工深さは４４μmである。

図４（ａ）は分断前の基板表面、（ｂ）は分断後の基板表面、（ｃ）は１ｓｔスクライブ側の分断面、（ｄ）は２ｎｄスクライブ側の分断面を、それぞれ示している。

この実験１から、パルスレーザ光の制御を行わない場合は以下のような結果になることがわかった。

・１ｓｔ側の溝（スクライブライン）にクラックが発生する。

・交点部で基板（ガラス）が固着し、分断不良が発生する場合がある。

・２ｎｄスクライブ側の分断面の角において、ソゲが発生する。

−実験２−
図５は、パルスレーザ光の一時的な照射停止の制御（以下、単に「制御」と記す）を行わない場合（ａ）と制御を行った場合（ｂ）の基板表面の加工状態を示している。ここでは、１ｓｔスクライブ側から加工を行い、２ｎｄスクライブ時に交点部でパルスレーザ光の制御を行った。パルスレーザ光の条件、基板、加工幅及び深さについては、実験１と同様である。

なお、各図において、「指令値」とは、制御部１０において指令されるパルスレーザ光の照射を停止する距離である。この指令値に対する実際の照射停止距離は、照射停止位置及び照射開始位置のそれぞれでパルス集光径の１／２だけ短くなり、結局、指令値より概略パルスの集光径分だけ短くなる。

図５（ｂ）から、パルスレーザ光の制御を行うことにより、１ｓｔスクライブラインにクラックは発生しないことがわかる。また、指令値５０μm以上、すなわち１ｓｔスクライブで溝が形成されていない未加工領域でパルスレーザ光の照射停止及び再開を行うと、加工ラインが途切れ、２ｎｄスクライブ側にチッピング発生している。

以上から、溝の加工幅が３４μmの場合は、指令値としては４０μm（実際の距離は３２μm（実測））以下にする必要があることがわかる。

また、図６は、実験２における、パルスレーザ光の制御を行わない場合（ａ）と制御を行った場合（ｂ）の分断面の加工状態を示している。ここでは、２ｎｄスクライブ側の分断面を比較して示している。

図６（ｂ）から、パルスレーザ光の制御を行った場合、指令値２０μm以下で加工した場合は、２ｎｄスクライブ側分断面の角部にソゲが発生している。

以上から、溝の加工幅が３４μmの場合は、指令値としては３０μm（実際の距離は２１μm（実測））以上にする必要があることがわかる。

−実験３−
図７に最適条件でパルスレーザ光の制御を実行して加工を行った場合を示している。

パルスレーザ光は、波長が２６６nm、平均出力が７Wであり、パルスレーザ光の制御指令値（照射停止距離）は４０μm（実際の距離は３２μm）である。基板は厚みが０．３mmのＯＡ−１０（日本電気硝子社製）である。また、図の１ｓｔ側から加工を行い、加工幅は３４μm、加工深さは４４μmである。

図７（ａ）は分断前の基板表面、（ｂ）は分断後の基板表面、（ｃ）は１ｓｔスクライブ側の分断面、（ｄ）は２ｎｄスクライブ側の分断面を、それぞれ示している。

これらの図から明らかなように、基板（ガラス）の固着や熱影響による欠陥は見受けられない。

［まとめ］
以上の実験結果をまとめると、以下のことがわかる。

（１）加工されたスクライブ溝以外の部分（未加工部分）でパルスレーザ光の照射を停止又は再開すると、クラックが発生する。

（２）指令値５０μm(実際の距離４５μm)以上では、基板表面にチッピングが発生する。また、指令値２０μm(実際の距離９μm)以下では、分断面の角部にソゲが発生する。したがって、１ｓｔスクライブの加工幅（溝幅）が３４μmの場合は、２ｎｄスクライブ側交点部のパルスオフの指令値を３０以上４０μm以下（実際の距離では２１以上３２μm以下）に設定する必要がある。

以上を一般化すると、図８に模式的に示すように、２ｎｄ側のパルスレーザ光の照射を停止する領域は、１ｓｔ側のスクライブ溝の溝幅内で、溝の中心を挟んで、１ｓｔ側の加工幅（溝幅）の６２以上９４％以下にするのが最適である。

［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。

対象となる基板は、実験例で示した基板に限定されるものではなく、種々のガラス基板や他の脆性材料基板に対して本発明を適用可能である。

１ レーザ発振器
２ ミラー機構
３ レンズ機構
４ ＸＹステージ
５ 基板
１０ 制御部
１１ レーザ制御部
１２ 移動制御部

Claims (5)

1. 脆性材料基板表面の交差する第１及び第２加工予定ラインに沿ってレーザ光を照射し、脆性材料基板表面に複数の溝を形成するレーザ加工方法であって、
   前記第１加工予定ラインに沿ってパルスレーザ光を照射して脆性材料基板に第１方向の溝を形成する第１工程と、
   前記第２加工予定ラインに沿ってパルスレーザ光を照射するとともに、前記第１方向の溝と交差する部分ではパルスレーザ光の照射を停止して、脆性材料基板に第２方向の溝を形成する第２工程と、
   を含むレーザ加工方法。
2. 前記第２工程では、前記第１方向の溝幅内でパルスレーザ光の照射停止及び照射再開を実施する、請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. 前記第２工程では、前記第１方向の溝の中心を挟んで前記第１方向の溝幅の６２％以上９４％以下の範囲内でレーザ光の照射を停止する、請求項２に記載のレーザ加工方法。
4. 前記第１工程及び前記第２工程では、パルスレーザ光により脆性材料基板をアブレーション加工すると同時に加工部を溶融して前記第１及び第２方向の溝を形成する、請求項１から３のいずれかに記載のレーザ加工方法。
5. 脆性材料基板表面の交差する第１及び第２加工予定ラインに沿ってレーザ光を照射し、脆性材料基板表面に複数の溝を形成するレーザ加工装置であって、
   パルスレーザ光を発振するレーザ発振器及び発振されたパルスレーザ光を集光して照射する光学系を有するレーザ光照射機構と、
   前記レーザ光照射機構を脆性材料基板表面の加工予定ラインに沿って相対的に移動させるための移動機構と、
   前記レーザ光照射機構及び前記移動機構を制御して、前記脆性材料基板に交差する溝を形成する加工制御部と、
   を備え、
   前記加工制御部は、
   前記第１加工予定ラインに沿ってパルスレーザ光を照射して脆性材料基板に第１方向の溝を形成する第１機能と、
   前記第２加工予定ラインに沿ってパルスレーザ光を照射するとともに、前記第１方向の溝と交差する部分ではパルスレーザ光の照射を停止して、脆性材料基板の第２方向の溝を形成する第２機能と、
   を有する、
   レーザ加工装置。