JP2015030016A - 放電補助式レーザ孔加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】貫通孔内にネッキングが生じ難く、貫通孔形成位置にクラックが生じ難い、ガラス基板への貫通孔形成方法を提供する。【解決手段】レーザ光照射によってガラス基板に貫通孔を形成し、該貫通孔を介した放電現象により前記貫通孔の形状を調整する、放電補助式レーザ孔加工方法であって、レーザ光として、波長が９．３μｍまたは９．６μｍのＣＯ２レーザを使用することを特徴とする放電補助式レーザ孔加工方法。【選択図】図６

Description

本発明は、ガラス基板への貫通孔形成方法に関する。

従来より、ガラス基板にレーザ光を照射して、ガラス基板に複数の貫通孔（ビア）を形成する技術が知られている。例えば、非特許文献１には、波長９．３μｍのＣＯ_２レーザを用いて、ガラス基板に貫通孔を形成する技術が記載されている。

また、最近では、レーザ溶融式放電除去技術と呼ばれる貫通孔形成技術が提案されている（例えば、特許文献１）。このレーザ溶融式放電除去技術では、レーザ光を用いてガラス基板の所望の位置を加熱、溶融した後、誘導式放電により溶融材料を除去することにより、レーザ光照射位置に貫通孔が形成される。

国際公開第ＷＯ２０１１／０３８７８８号

Hiroshi Ogura, "Hole drilling of glass substrate with a CO2 laser", Japan Journal of Applied Physics, vo. 42, pp.2881-2886, (2003)

前述のように、近年、ガラス基板に複数の貫通孔を形成する技術として、レーザ溶融式放電除去技術が提案されている。

しかしながら、このようなレーザ溶融式放電除去技術を用いて、ガラス基板に貫通孔を形成した場合、加工後の貫通孔内にネッキングと呼ばれる突出部分が生じる場合がある。このようなネッキングは、貫通孔に銅などの金属をメッキして貫通電極を形成する際に、メッキの妨げになる。

また、レーザ溶融式放電除去技術では、しばしば、ガラス基板の貫通孔形成位置に、ワレやクラックが生じるという問題が生じ得る。

本発明は、このような問題に鑑みなされたものであり、本発明では、貫通孔内にネッキングが生じ難く、貫通孔形成位置にクラックが生じ難い、ガラス基板への貫通孔形成方法を提供することを目的とする。

本発明では、レーザ光照射によってガラス基板に貫通孔を形成し、該貫通孔を介した放電現象により前記貫通孔の形状を調整する、放電補助式レーザ孔加工方法であって、
レーザ光として、波長が９．３μｍまたは９．６μｍのＣＯ_２レーザを使用することを特徴とする放電補助式レーザ孔加工方法が提供される。

ここで、本発明による放電補助式レーザ孔加工方法では、波長が１０．６μｍのＣＯ_２レーザを使用した場合に比べて、７０％以下の照射時間で貫通孔が形成されてもよい。

本発明では、貫通孔内にネッキングが生じ難く、貫通孔形成位置にクラックが生じ難い、ガラス基板への貫通孔形成方法を提供できる。

従来のレーザ溶融式放電除去技術に利用される、一般的なレーザ溶融式放電除去装置の構成の一例を概略的に示した図である。 本発明の一実施例による放電補助式レーザ孔加工方法に使用される放電補助式レーザ孔加工装置の一例を概略的に示した図である。 ガラスの透過率の波長依存性を示したグラフである。 ガラスの消衰係数の波数依存性を示したグラフである。 図４のグラフにＣＯ_２レーザの発振波長を書き加えたグラフである。 本発明の一実施例によるレーザ加工方法の概略的なフローを示した図である

以下、本発明について詳しく説明する。

まず初めに、図１を参照して、一般的なレーザ溶融式放電除去技術について簡単に説明する。

図１には、レーザ溶融式放電除去技術に利用される、一般的なレーザ溶融式放電除去装置の構成の一例を概略的に示す。

図１に示すように、このレーザ溶融式放電除去装置１００は、レーザ光源１１０と、高周波高電圧電源１２０と、直流高電圧電源１２５と、切り替えユニット１３０と、第１の電極１４０および第２の電極１４５とを有する。

第１の電極１４０および第２の電極１４５は、それぞれ、導体１５０および１５５と電気的に接続されており、これらの導体１５０および１５５は、切り替えユニット１３０を介して、高周波高電圧電源１２０および直流高電圧電源１２５と接続されている。

図１の例では、第１の電極１４０は、針状の形状を有し、ガラス基板１９０から離して配置されている。これに対して、第２の電極１４５は、平板状の形状を有し、ガラス基板１９０の直下に、ガラス基板１９０と接するように配置されている。

切り替えユニット１３０は、導体１５０および１５５の接続先を、高周波高電圧電源１２０／直流高圧電源１２５の間で切り替える役割を有する。

このようなレーザ溶融式放電除去装置１００を用いて貫通孔を形成する際には、被加工対象となるガラス基板１９０が、電極１４０、１４５の間に配置される。さらに、ステージ（図示されていない）を水平方向に移動させることにより、ガラス基板１９０が電極１４０、１４５に対して所定の位置に配置される。

次に、レーザ光源１１０からガラス基板１９０に向かって、レーザ光１１３が照射される。これにより、ガラス基板１９０のレーザ光１１３の照射位置１８３の温度が上昇する。また、ガラス基板１９０の照射位置１８３が局部的に溶融する。

次に、レーザ光１１３の照射中、または照射後、短時間の内に、切り替えユニット１３０により、導体１５０および１５５が高周波高電圧電源１２０に接続される。

次に、切り替えユニット１３０により、導体１５０および１５５が直流高圧電源１２５に接続され、両電極１４０、１４５間に、直流高電圧が印加される。これにより、電極１４０、１４５間において、放電が生じる。放電は、ちょうど、レーザ光１１３の照射位置１８３において生じる。これは、この位置では、レーザ光１１３の照射により温度が局部的に上昇しており、抵抗が他の部分よりも低くなっているためである。

直流高電圧の印加により、ガラス基板１９０の照射位置１８３の溶融物が除去され、ガラス基板１９０の所望の位置に、貫通孔１８５を形成できる。

ここで、このようなレーザ溶融式放電除去技術を利用して、ガラス基板に貫通孔を形成した場合、加工後の貫通孔内にネッキングと呼ばれる突出部分が生じる場合がある。このようなネッキングは、貫通孔に銅などの金属をメッキして貫通電極を形成する際に、メッキの妨げになる。

また、レーザ溶融式放電除去技術では、しばしば、ガラス基板の貫通孔形成位置に、ワレやクラックが生じることが見出されている。なお、ワレやクラックは、特に、貫通孔の近傍に生じる傾向にあることから、レーザ光の照射によってガラス基板に局部的に蓄積された熱応力が、クラック発生の一因となっているものと推定される。

本願発明者らは、このようなレーザ溶融式放電除去技術に関する問題に対処するため、鋭意研究開発を行ってきた。

その結果、本願発明者らは、ガラス基板に貫通孔を形成する方法として、「放電補助式レーザ孔加工方法」を用いることにより、加工後の貫通孔内に生じるネッキングを有意に抑制できることを見出した。また、本願発明者らは、「放電補助式レーザ孔加工方法」において、レーザ光として、特定の波長のＣＯ_２レーザを使用した場合、貫通孔を形成した後のガラス基板にクラックが生じ難くなることを見出し、本発明に至った。

すなわち、本発明では、
レーザ光照射によってガラス基板に貫通孔を形成し、該貫通孔を介した放電現象により前記貫通孔の形状を調整する、放電補助式レーザ孔加工方法であって、
レーザ光として、波長が９．３μｍまたは９．６μｍのＣＯ_２レーザを使用することを特徴とする放電補助式レーザ孔加工方法が提供される。

ここで、本願において、「放電補助式レーザ孔加工方法」とは、以下に示すような、レーザ光照射によってガラス基板に貫通孔を形成した後、第１および第２の電極間での放電現象を利用して貫通孔の形状を調整する技術の総称を意味する。

このような「放電補助式レーザ孔加工方法」では、レーザ光照射により貫通孔が形成された後、この貫通孔を介して放電処理が行われる。この放電処理によって、貫通孔内のネッキングが有意に除去される。このため、処理後には、貫通孔のネッキングが有意に抑制され、所望の寸法の貫通孔を精度良く形成できる。

さらに、本発明では、特に、９．３μｍまたは９．６μｍの波長のＣＯ_２レーザを使用するという特徴を有する。後述するように、波長が９．３μｍまたは９．６μｍのＣＯ_２レーザを使用した場合、レーザ光の照射時間を短時間化することが可能となり、レーザ光の照射の際に、ガラス基板に蓄積される熱応力を有意に抑制できる。従って、ガラス基板にワレやクラックが生じることを有意に抑制できる。

これらの効果により、本発明では、貫通孔にネッキングが生じ難く、貫通孔形成位置にクラックが生じ難い、ガラス基板への貫通孔形成方法を提供することが可能になる。

（放電補助式レーザ孔加工方法について）
次に、図２を参照して、本発明で利用される放電補助式レーザ孔加工方法についてより詳しく説明する。

図２には、本発明に利用される放電補助式レーザ孔加工方法を実施する際に使用され得る放電補助式レーザ孔加工装置の一例を概略的に示す。

図２に示すように、この放電補助式レーザ孔加工装置２００は、レーザ光源２１０と、直流高電圧電源２２５と、第１の電極２４０および第２の電極２４５とを有する。

第１の電極２４０および第２の電極２４５は、それぞれ、導体２５０および２５５と電気的に接続されており、これらの導体２５０および２５５は、直流高電圧電源２２５と接続されている。

なお、図２の例では、第１の電極２４０と第２の電極２４５は、形状および配置形態が異なっている。すなわち、第１の電極２４０は、針状の形状を有し、ガラス基板２９０から離して配置されている。これに対して、第２の電極２４５は、略平板状の形状を有し、ガラス基板２９０の直下に、ガラス基板２９０と接するように配置されている。第２の電極２４５は、ガラス基板２９０を置載するステージとしての機能を兼ねることができる。

ただし、これは、単なる一例であって、例えば、第２の電極２４５は、ガラス基板２９０の底面側に、ガラス基板２９０から離して配置してもよい。また、第２の電極２４５は、第１の電極２４０と同様の針状の形状を有してよい。この場合、第１の電極２４０と、ガラス基板２９０を挟んで対向する位置にある第２の電極との間で、一組の電極対が構成される。

このような放電補助式レーザ孔加工装置２００を用いて、ガラス基板２９０に貫通孔を形成する際には、まず、ガラス基板２９０が両電極２４０、２４５の間に配置される。さらに、第２の電極２４５（または別個のステージ）を水平方向に移動させることにより、ガラス基板２９０が所定の位置に配置される。

次に、レーザ光源２１０からガラス基板２９０に向かって、レーザ光２１３が照射される。これにより、ガラス基板２９０のレーザ光２１３の照射位置２８３の温度が局部的に上昇して絶縁材料が昇華し、ここに貫通孔２８５が形成される。

レーザ光２１３の照射後、直流高電圧電源２２５を用いて、両電極２４０、２４５間に直流高電圧が印加される。これにより、電極２４０、２４５間において、放電が生じる。放電は、貫通孔２８５を介して生じる傾向にある。これは、この位置では、抵抗が他の部分よりも低くなっているためである。

放電の発生により、貫通孔２８５内に形成され得るネッキングが低減され、貫通孔２８５の寸法精度が向上する。

次に、第２の電極２４５（または別個のステージ）を水平方向に移動させ、ガラス基板２９０を所定の場所に配置する。その後、同様の工程により、第２の貫通孔が形成される。

このような工程を繰り返すことにより、ガラス基板２９０に複数の貫通孔を形成できる。

なお、図２には、示されていないが、放電補助式レーザ孔加工装置２００は、さらに、高周波高圧電源を有してもよい。高周波高圧電源の設置の目的は、放電が開始されるまでの間に、ガラス基板２９０の貫通孔２８５の部分およびその近傍の温度が低下することを抑制することである。すなわち、高周波高圧電源を用いて、ガラス基板２９０に対して高周波高電圧を印加することにより、レーザ光２１３の照射によって加熱されたガラス基板２９０の貫通孔２８５部分の高温状態を、放電開始まで確実に維持できる。ただし、高周波高圧電源の設置は、任意である。

（レーザ光の波長について）
次に、本発明の一特徴であるレーザ光の波長について説明する。

ＣＯ_２レーザの主な波長としては、９．３μｍ、９．６μｍおよび１０．６μｍの３種類が存在する。しかしながら、本発明では、特に、９．３μｍまたは９．６μｍの波長のＣＯ_２レーザを使用するという特徴を有する。

以下、図３および図４を参照して、この特徴について詳しく説明する。

図３には、ガラス基板の透過率の波長依存性を示す。横軸は、波長であり、縦軸は、透過率である。このグラフは、分光光度計により測定したものである。

なお、図３において、透過率が大きいことは、光がガラス基板にあまり吸収されないことを意味し、逆に透過率が小さいことは、光がガラス基板に、より吸収される傾向にあることを意味する。従って、一般に、レーザ光を用いてガラス基板の照射部分を加熱、溶融する場合、ガラス基板に対する透過率が小さくなる波長域のレーザ光を使用することが好ましい。この場合、投入したエネルギーがガラス基板の溶融に有効に利用されるようになり、より効率的な加工を行うことができるからである。

この図３から、約５μｍ以上の波長では、いずれの波長においても、透過率はほぼ０（ゼロ）であり、差異がないことがわかる。特に、ＣＯ_２レーザの波長域、すなわち、９．３μｍ、９．６μｍ、および１０．６μｍの各波長では、いずれの波長においても、透過率はほぼ０（ゼロ）である。従って、この図３を参照する限り、レーザ光としてＣＯ_２レーザを選定すれば、３種類のいずれの波長のＣＯ_２レーザにおいても、効率的な貫通孔加工を行うことができると言える。

換言すれば、図３からは、ＣＯ_２レーザの波長を変化させても、貫通孔加工の効率に、有意な差異は生じないと推定される。このような事実から、従来のレーザ誘導式放電加工技術においては、ＣＯ_２レーザの波長は、これまであまり注目されて来なかったという経緯がある。

次に、図４には、ガラス基板（無アルカリガラス）における、波数（横軸）と消衰係数ｋ（縦軸）の関係を示す。このグラフは、ＦＴＩＲ（フーリエ変換赤外分光光度計）測定により、本願発明者らによって初めて測定された結果である。

なお、消衰係数ｋとは、物質による光の吸収を定義する量であり、以下のベールの法則により、吸収係数αと相関することが知られている：

Ｉ＝Ｉ_０ｅ^−αｚ （１）式

ただし、α＝４πｋ／λ

ここで、Ｉは光の強度であり、Ｉ_０は最初の光強度であり、ｚは進入深さであり、λは波長である。

この図４から、レーザ光の消衰係数ｋ、すなわち吸収係数αは、波長（図４では波数）に依存して、大きく変化することがわかる。これは、前述の図３の測定結果からは全く予測することができない、驚くべき挙動である。

すなわち、前述の図３のような透過率の波長依存性の評価では、レーザ光の波長が約５μｍ以上（波数換算で２０００ｃｍ^−１以下）の領域では、透過率がいずれも０（ゼロ）となり、有意な波長依存性は観測されなかったのに対して、図４の測定結果では、同様の波数の領域（２０００ｃｍ^−１以下の領域）において、レーザ光の吸収係数α（図４では消衰係数ｋ）が大きく変動している。

特に、図４に示すように、レーザ光の消衰係数ｋは、波数約１１００ｃｍ^−１付近に大きなピークＰを有する。

このピークＰは、ガラス特有のものであり、シリカ結合の振動モード、すなわちＯ−Ｓｉ−Ｏ結合の非対称伸縮振動モードに起因するものと予想される。従って、ガラス全般において、波数約１１００ｃｍ^−１付近には、大きな消衰係数ｋのピークＰ、すなわち吸収係数αの極大値が存在すると言える。

ここで、図４のグラフに、ＣＯ_２レーザの３つの波長を書き加えると、図５のグラフが得られる。

図５において、最も右側の縦破線Ｌ１は、波長１０．６μｍに対応し、中央の縦破線Ｌ２は、波長９．６μｍに対応し、最も左側の縦破線Ｌ３は、波長９．３μｍに対応する。

図５から、波長１０．６μｍ（Ｌ１）は、ガラス特有の消衰係数ｋのピークＰの裾野、すなわち、ピークＰの頂点から大きくずれた位置に存在することがわかる。これに対して、波長９．６μｍ（Ｌ２）および波長９．３μｍ（Ｌ３）の位置は、いずれも、波長１０．６μｍ（Ｌ１）の存在位置に比べて、よりピークＰの頂点に近い側に存在することがわかる。換言すれば、波長９．６μｍ（Ｌ２）および波長９．３μｍ（Ｌ３）の位置は、消衰係数ｋのピークＰの頂点近傍に対応する。

より定量的には、波長１０．６μｍ（Ｌ１）における消衰係数ｋは、約０．３７と算定され、波長９．６μｍ（Ｌ２）における消衰係数ｋは、約１．１５と算定され、波長９．３μｍ（Ｌ３）における消衰係数ｋは、約１．１９と算定される。

また、前述のベールの法則により、各算定された消衰係数ｋを吸収係数に換算すると、それぞれ、表１のようになる。

なお、表１には、波長１０．６μｍのＣＯ_２レーザを使用した場合の吸収係数αをベースとした、他の波長のＣＯ_２レーザを使用した場合の吸収係数αの倍率も示した。

表１から、波長１０．６μｍのＣＯ_２レーザに比べて、波長９．６μｍのＣＯ_２レーザを使用した場合、吸収係数αが約３．４倍、向上することがわかる。また、波長９．３μｍのＣＯ_２レーザを使用した場合には、波長１０．６μｍのＣＯ_２レーザに比べて、吸収係数αは約３．７倍も向上することがわかる。

ここで、本発明では、前述のように、レーザ光として、波長が９．３μｍまたは９．６μｍのＣＯ_２レーザが使用される。表１から明らかなように、これらのＣＯ_２レーザは、ガラス基板に対する吸収係数αが有意に高い。このため、本発明では、レーザ光の照射時間を短時間化することが可能となり、レーザ光の照射の際に、ガラス基板に蓄積される熱応力を有意に抑制することできる。

このような特徴により、本発明では、ガラス基板の貫通孔形成位置に、ワレやクラックが生じることを有意に抑制できる。

（本発明の一実施例による放電補助式レーザ孔加工方法）
次に、本発明の一実施例による放電補助式レーザ孔加工方法について説明する。

図６には、本発明の一実施例による放電補助式レーザ孔加工方法の概略的なフローを示す。

図６に示すように、本発明の一実施例による放電補助式レーザ孔加工方法は、
ガラス基板を準備するステップ（ステップＳ１１０）と、
レーザ光として、波長が９．３μｍまたは９．６μｍのＣＯ_２レーザを使用して、放電補助式レーザ孔加工方法により、前記ガラス基板に貫通孔を形成するステップ（ステップＳ１２０）と、
を有する。

以下、各ステップについて説明する。

（ステップＳ１１０）
まず、被加工対象となるガラス基板が準備される。

ガラス基板の組成は、特に限られず、ソーダライムガラスおよび無アルカリガラスなど、各種組成のガラスを利用できる。また、ガラス基板の寸法および形状は、特に限られず、いかなる寸法および形状のガラス基板を使用してもよい。例えば、ガラス基板の厚さは、０．０５ｍｍ〜０．７ｍｍの範囲であってもよい。

（ステップＳ１２０）
次に、前述のような放電補助式レーザ孔加工方法により、ステップＳ１１０で準備されたガラス基板に貫通孔が形成される。

前述のように、放電補助式レーザ孔加工方法を用いることにより、貫通孔内のネッキングを有意に抑制できる。

また、本放電補助式レーザ孔加工方法では、レーザ光として、波長が９．３μｍまたは９．６μｍのＣＯ_２レーザが使用される。

前述のように、このような波長を有するＣＯ_２レーザは、ガラスに対する吸収係数αが有意に高い。従って、波長９．３μｍまたは９．６μｍのＣＯ_２レーザを使用することにより、レーザ光の照射時間を短時間化することが可能となり、レーザ光の照射の際に、ガラス基板に蓄積される熱応力を有意に抑制することできる。また、このため、放電プロセスを実施した後に、ガラス基板にワレやクラックが生じることを有意に抑制することが可能となる。

なお、ガラス基板に複数の貫通孔を形成する場合、ガラス基板の第１の貫通孔が形成された位置（第１の照射位置）とは別の第２の照射位置に、再度レーザ光が照射され、誘導式放電が実施される。これにより、第２の照射位置に第２の貫通孔が形成される。この工程を繰り返すことにより、ガラス基板に複数の貫通孔を形成できる。

（加工効率について）
図６に示した工程を有する本発明の一実施例による放電補助式レーザ孔加工方法では、ガラスに対する吸収係数αが高い波長９．３μｍまたは９．６μｍのＣＯ_２レーザが使用される。この場合、レーザ光照射により投入したエネルギーを効率的に利用できるようになるため、貫通孔の加工効率を向上できるという追加の特徴が得られる。

そこで、以下、測定データに基づき、この特徴について説明する。

（実施例１）
放電補助式レーザ孔加工法において、ＣＯ_２レーザを用いて、ガラス基板に貫通孔を形成した。

ガラス基板には、厚さが３００μｍの無アルカリガラスを使用した。ガラス基板における貫通孔配置は、１０行×１０列とし、合計１００個の貫通孔を形成した。貫通孔は、一つずつ順番に（逐次的に）形成した。

なお、各貫通孔の直径（目標値）は、６０μｍとし、貫通孔間のピッチは、縦横とも、２００μｍとした。

ＣＯ_２レーザには、波長が９．３μｍのものを使用した。また、ガラス基板表面でのレーザ光の照射パワーは、５０Ｗとした。

１個の貫通孔を形成する際に必要な時間は、８００μｓｅｃであった。

レーザ照射をＯＦＦした後、６０μｓｅｃ後に５０００Ｖの直流電圧を引加した。

（比較例１）
実施例１と同様の方法により、ガラス基板に貫通孔を形成した。ただし、この比較例１では、レーザ光として、波長が１０．６μｍのＣＯ_２レーザを使用した。また、ガラス基板表面でのレーザ光の照射パワーは、実施例１と同様に５０Ｗとした。

この場合、１個の貫通孔を形成する際に必要な時間は、１６００μｓｅｃであった。

実施例１と比較例１の結果から、波長が９．３μｍのＣＯ_２レーザを使用した場合、波長が１０．６μｍのＣＯ_２レーザを使用した場合に比べて、貫通孔の加工に必要な時間を、約５０％以下に低減できることが確認された。

また、波長が９．３μｍのＣＯ_２レーザを使用した場合、波長が１０．６μｍのＣＯ_２レーザを使用した場合に比べて、クラックの発生率を、約５０％以下に低減できることも確認された。

このように、波長が９．３μｍのＣＯ_２レーザを使用した場合、波長１０．６μｍのＣＯ_２レーザを使用した場合に比べて、貫通孔の加工に必要な時間およびクラック発生率を有意に抑制できることがわかった。

本発明は、例えば、ガラス基板の加工方法等に利用できる。

１００ レーザ溶融式放電除去装置
１１０ レーザ光源
１１３ レーザ光
１２０ 高周波高電圧電源
１２５ 直流高電圧電源
１３０ 切り替えユニット
１４０ 第１の電極
１４５ 第２の電極
１５０、１５５ 導体
１８３ 照射位置
１８５ 貫通孔
１９０ ガラス基板
２００ 放電補助式レーザ孔加工装置
２１０ レーザ光源
２１３ レーザ光
２２５ 直流高電圧電源
２４０ 第１の電極
２４５ 第２の電極
２５０、２５５ 導体
２８３ 照射位置
２８５ 貫通孔
２９０ ガラス基板

Claims (2)

1. レーザ光照射によってガラス基板に貫通孔を形成し、該貫通孔を介した放電現象により前記貫通孔の形状を調整する、放電補助式レーザ孔加工方法であって、
   レーザ光として、波長が９．３μｍまたは９．６μｍのＣＯ_２レーザを使用することを特徴とする放電補助式レーザ孔加工方法。
2. 波長が１０．６μｍのＣＯ_２レーザを使用した場合に比べて、７０％以下の照射時間で貫通孔が形成される請求項１に記載の放電補助式レーザ孔加工方法。

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