JP2015048253A - レーザ光によるガラス基板加工方法及び加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】所望の高さの凸部を、簡単にかつ精度よくガラス基板上に形成する。【解決手段】このガラス基板加工方法は、ガラス基板にレーザ光を照射して凸部を形成する方法であって、ガラス基板をワークテーブル上に載置する第１工程と、ガラス基板の一方側の主面から波長が２．７μｍ以上６．０μｍ以下のレーザ光を照射してガラス基板の主面に所定高さの凸部を形成する第２工程と、を備えている。【選択図】図４

Description

本発明は、ガラス基板加工方法、特に、ガラス基板にレーザ光を照射して凸部を形成するガラス基板加工方法及びそれを用いたガラス基板加工装置に関する。

ガラス基板の表面に所定の高さのバンプ（凸部）を形成する方法が特許文献１及び特許文献２に示されている。

特許文献１に示された方法は、レーザ光をガラス基板に照射してガラス基板表面を局所的に膨張させ、これによって形成された凸部の高さを検出し、凸部の高さに応じてレーザ光によるガラス基板へのエネルギの量を調整するものである。ここでは、波長が１．５μｍのＥｒファイバレーザを、所定の組成のガラス基板に照射することによって、７０μｍ程度の高さの凸部が形成されることが示されている。

また、特許文献２に示された方法は、ガラス基板上に目標とする高さより高い凸部を形成しておき、その後、この凸部を加熱して難化しながら別の基板により押圧し、先に形成された凸部の高さを減少させるものである。ここでは、ガラス基板表面に凸部を形成するために、波長が１．５５μｍのレーザ光が用いられている。

特表２０１０−５３３６３９号公報 特表２０１０−５３３８９１号公報

特許文献１及び特許文献２の方法では、ガラス基板に凸部を形成するために、波長が１．５μｍあるいは１．５５μｍのレーザ光が用いられている。しかし、一般的な材料のガラス基板に対して波長が１．５μｍ前後のレーザ光を照射すると、レーザ光は９０％以上が透過する。すなわち、レーザ光はガラス基板に対してほとんど吸収されない。このため、前述のような波長のレーザ光を用いてガラス基板に凸部を形成するためには、レーザ光のパワーを非常に強くするか、あるいはレーザ光をガラス基板に効率よく吸収させるための吸収材が必要になる。あるいは、特殊な組成のガラス基板を用いる必要がある。

また、特許文献１及び２に示されたような波長のレーザ光を用いてガラス基板に凸部を形成する場合、凸部の高さにバラつきが生じる。このために、特許文献１では、凸部の高さを検出してレーザ光のエネルギを調整する必要がある。また、特許文献２では、まず過大な凸部を形成しておき、この形成された過大な凸部を加熱及び押圧して所望の高さにするようにしている。このため、凸部を形成した後に、別の工程が必要になる。

本発明の課題は、所望の高さの凸部を、簡単にかつ精度よくガラス基板上に形成できるようにすることにある。

本発明の第１側面に係るレーザ光によるガラス基板加工方法は、ガラス基板にレーザ光を照射して凸部を形成する方法であって、以下の工程を備えている。

第１工程：ガラス基板をワークテーブル上に載置する。

第２工程：ガラス基板の一方側の主面から波長が２．７μｍ以上６．０μｍ以下のレーザ光を照射してガラス基板の主面に所定高さの凸部を形成する。

この方法では、波長が２．７μｍ以上６．０μｍ以下のレーザ光がガラス基板に対して照射される。このような中赤外光のレーザ光はガラス基板の内部まで浸透しながら吸収されるために、ガラス基板の表面から内部にわたって、熱分布の偏りが少なくなる。すなわち、ガラス基板の内部は比較的均一に加熱される。これにより、ガラス基板のレーザ光が照射された部分が溶融して膨張し、ガラス基板表面に凸部が形成される。

ここでは、前述のような波長のレーザ光を用いることによって、レーザ光の出力を制御したり、後工程で加熱、押圧したりすることなく、所望の高さの凸部を精度よく形成することができる。

本発明の第２側面に係るレーザ光によるガラス基板融着方法は、第１側面の方法において、第２工程では、波長が２．７μｍ以上５．０μｍ以下のレーザ光をガラス基板に対して照射する。

ここでは、ガラスに対する透過率が比較的高い中赤外のレーザ光が用いられるので、レーザ光が照射される一方のガラス基板の厚さが比較的厚い場合でも、ガラス基板の内部までレーザ光が届き、安定してガラス基板を溶融させることができる。

本発明の第３側面に係るレーザ光によるガラス基板加工方法は、第１又は第２側面の方法において、第２工程では、レーザ光をガラス基板に照射しながらレーザ光をガラス基板に対して走査する。

ここでは、ガラス基板表面に、凸部を加工ラインに沿って連続して形成することができる。

本発明の第４側面に係るレーザ光によるガラス基板加工方法は、第１から第３側面のいずれかの方法において、第２工程では、連続発振のレーザ光をガラス基板に対して照射する。

ここでは、連続発振のレーザ光が用いられるので、連続する凸部を簡単に形成することができる。

本発明の第５側面に係るレーザ光によるガラス基板加工方法は、第１から第３側面のいずれかの方法において、第２工程では、繰り返し周波数１ＭＨｚ以上の擬似連続発振のレーザ光をガラス基板に対して照射する。

本発明の第６側面に係るレーザ光によるガラス基板加工方法は、第１から第３側面のいずれかの方法において、第２工程では、繰り返し周波数が１０ｋＨｚ以上のパルスレーザ光をガラス基板に対して照射する。

本発明の第７側面に係るレーザ光によるガラス基板加工方法は、第１から第６側面のいずれかの方法において、第２工程では、Ｅｒ：Ｙ_２Ｏ_３、Ｅｒ：ＺＢＬＡＮ、Ｅｒ：ＹＳＧＧ、Ｅｒ：ＧＧＧ、Ｅｒ：ＹＬＦ、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｄｙ：ＺＢＬＡＮ、Ｈｏ：ＺＢＬＡＮ、ＣＯ、Ｃｒ：ＺｎＳｅ、Ｃｒ：ＺｎＳ、Ｆｅ：ＺｎＳｅ、Ｆｅ：ＺｎＳ、半導体レーザの中赤外のレーザ光群の中から選択されたいずれかのレーザ光をガラス基板に対して照射する。

本発明の第８側面に係るレーザ光によるガラス基板加工方法は、第１から第７側面のいずれかの方法において、ガラス基板はレーザ光の内部吸収率が５％以上９５％以下である。

本発明の第９側面に係るレーザ光によるガラス基板加工装置は、ガラス基板にレーザ光を照射して凸部を形成する装置であって、ガラス基板が載置されるワークテーブルと、波長が２．７以上６．０μｍ以下のレーザ光を発振するレーザ発振器と、ガラス基板のレーザ光照射面に所定高さの凸部が形成されるようにレーザ発振器からのレーザ光をガラス基板に照射するレーザ光照射機構と、を備えている。

本発明の第１０側面に係るレーザ加工装置は、第９側面の装置において、レーザ発振器は波長が２．７以上５．０μｍ以下の中赤外光のレーザ光を発振する。

本発明の第１１側面に係るレーザ光によるガラス基板加工装置は、第９又は第１０側面の装置において、レーザ光照射機構からのレーザ光をガラス基板に対して相対的に移動させて、レーザ光を所定の加工予定ラインに沿って走査する走査機構をさらに備えている。

本発明の第１２側面に係るレーザ光によるガラス基板加工装置は、第９から第１１側面のいずれかの装置において、レーザ発振器はレーザ光を連続発振する。

本発明の第１３側面に係るレーザ光によるガラス基板加工装置は、第９から第１１側面のいずれかの装置において、レーザ発振器はレーザ光を繰り返し周波数１ＭＨｚ以上で擬似連続発振する。

本発明の第１４側面に係るレーザ加工装置は、第９から第１１側面のいずれかの装置において、レーザ発振器は繰り返し周波数が１ｋＨｚ以上のパルスレーザ光を発振する。

本発明の第１５側面に係るレーザ加工装置は、第９から第１４側面のいずれかの装置において、レーザ発振器は、Ｅｒ：Ｙ_２Ｏ_３、Ｅｒ：ＺＢＬＡＮ、Ｅｒ：ＹＳＧＧ、Ｅｒ：ＧＧＧ、Ｅｒ：ＹＬＦ、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｄｙ：ＺＢＬＡＮ、Ｈｏ：ＺＢＬＡＮ、ＣＯ、Ｃｒ：ＺｎＳｅ、Ｃｒ：ＺｎＳ、Ｆｅ：ＺｎＳｅ、Ｆｅ：ＺｎＳ、半導体レーザの中赤外のレーザ光群の中から選択されたいずれかのレーザ光をガラス基板に対して照射する。

以上のような本発明では、簡単な工程によって、所望の高さの凸部を精度よくガラス基板上に形成することができる。

本発明の一実施形態によるレーザ加工装置の概略構成図。 無アルカリガラスに対するレーザ光の波長と透過率との関係を示す図。 ソーダガラスに対するレーザ光の波長と透過率との関係を示す図。 ガラス基板に形成された凸部の顕微鏡写真及びその概念図。 レーザ光の焦点位置及び走査速度と凸部寸法との関係を示す表。 凸部の形成されたガラス基板上に別のガラス基板を融着させた場合の断面を示す顕微鏡写真。

［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、ガラス基板Ｇが載置されるワークテーブル１と、レーザ発振器２と、光学系３と、走査機構としてのテーブル移動機構４と、を備えている。

レーザ発振器２は、波長が２．７μｍ以上６．０μｍ以下の中赤外光のレーザ光を発振する。ここで、レーザ発振器２としては、Ｅｒ：Ｙ_２Ｏ_３、Ｅｒ：ＺＢＬＡＮ、Ｅｒ：ＹＳＧＧ、Ｅｒ：ＧＧＧ、Ｅｒ：ＹＬＦ、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｄｙ：ＺＢＬＡＮ、Ｈｏ：ＺＢＬＡＮ、ＣＯ、Ｃｒ：ＺｎＳｅ、Ｃｒ：ＺｎＳ、Ｆｅ：ＺｎＳｅ、ＦｅＺｎＳ、半導体レーザの中赤外のレーザ光群の中から選択されたレーザ光で、前述のように、波長が２．７〜６．０μｍのものを出射するものであればよい。また、ここでは、連続発振のレーザ光を出射する。

光学系３は、複数の反射ミラー６ａ，６ｂ，６ｃ及び集光レンズ７を含んでいる。集光レンズ７は、ガラス基板Ｇの表面近傍にレーザ光を集光させるように設定されている。

テーブル移動機構４は、互いに直交するＸ及びＹ方向にワークテーブル１を移動させるための機構である。このテーブル移動機構４によって、集光点を加工予定ラインに沿って走査することができる。

［ガラス基板の加工方法］
以上のレーザ加工装置を用いて、ガラス基板Ｇの表面に凸部を形成する場合は、以下の工程によって行われる。

まず、加工対象であるガラス基板Ｇをワークテーブル１上の所定位置にセットする。次に、ワークテーブル１上のガラス基板Ｇに対して、前述のような中赤外光のレーザ光を、ガラス基板Ｇの表面近傍に集光させて照射し、さらに加工予定ラインに沿って走査する。

以上のようなレーザ光の連続照射及び走査によって、ガラス基板Ｇにおけるレーザ光の照射部分には、表面が膨らむように凸部が形成される。この凸部の高さ及び幅については、レーザ光の焦点位置及び走査速度によって調整することが可能である。

特に、波長３μｍ程度の中赤外光のレーザ光を利用することによって、レーザ光はガラス基板の内部まで透過しながら吸収される。このため、ガラス基板の表面から内部まで、熱分布の偏りが少なくなり、ガラス基板の熱損傷を抑えて、レーザ光照射部分に容易に所定の高さの凸部を形成することができる。

［透過率と波長］
図２に、板厚が０．２ｍｍの無アルカリガラス（例えばＯＡ１０（製品名：日本電気硝子社製））のガラス基板に対するレーザ光の波長と透過率との関係を示している。また、図３に、板厚が０．５ｍｍのソーダガラスのガラス基板に対するレーザ光の波長と透過率との関係を示している。

図２から明らかなように、板厚０．２ｍｍの無アルカリガラスに対しては、例えば波長が１０．６μｍのＣＯ２レーザでは透過率が「０」であるので、レーザ光は基板の表面で吸収されることになる。また、波長が１μｍのＹＡＧレーザや、波長が５３２ｎｍのグリーンレーザでは、透過率が９０％以上であり、基板内部に吸収されない。そして、波長が２．８μｍのレーザ光であれば、基板内部でほぼ均一に吸収され、基板内部を溶融させて、ガラス基板の表面に凸部を形成することができる。

また、図３の板厚０．５ｍｍのソーダガラスでは、波長が２．８μｍのレーザ光では、基板の内部までレーザ光が透過しながら吸収され、したがって図２の無アルカリガラスと同様に、基板内部を溶融させて、表面に所定高さの凸部を形成することができる。

以上のことから、波長が２．７μｍ以上６．０μｍ以下のレーザ光を用いることによって、多くのガラス基板（特にレーザ光の内部吸収率が５％以上９５％以下のガラス基板）に対して、レーザ光の照射部分に、容易に所定高さの凸部を形成することができると推察される。また、レーザ光を照射する基板の厚さが比較的厚い場合でも、波長２．７μｍ以上５．０μｍ以下のレーザ光を用いることにより、ガラス基板上に凸部を形成することができる。

［実験例：凸部の形成］
ガラス基板に前述のような中赤外光のレーザ光を照射した場合に、ガラス基板表面に凸部が形成される様子を図４（ａ）及び（ｂ）に示している。図４（ａ）はレーザ光照射部分の断面の顕微鏡写真であり、図４（ｂ）はその概念図である。この実験におけるガラス基板及びレーザ照射条件は以下の通りである。

基板：無アルカリガラス（ＯＡ１０＝製品名：日本電気硝子社製）、サイズ＝１００ｍｍ×１２５ｍｍ×ｔ０．２ｍｍ
レーザ光：Ｅｒ：ＺＢＬＡＮファイバレーザ、波長２．７μｍ、出力７Ｗ、連続発振
この実験では、レーザ光を図４の紙面垂直方向に速度を変えて走査した。この結果、走査ライン（加工ライン）に沿って凸部は連続して形成され、膨張ラインの寸法は、幅１０μｍ×高さ１μｍ〜幅４０μｍ×高さ８μｍであった。ここで、ガラス基板には、図４（ｂ）の概念図で示すように、膨張部、変質部、熱影響部の３つの層が形成されていると考えられる。

図５に、焦点位置を＋０．４ｍｍ〜−０．４ｍｍに変化させ、走査速度を１５ｍｍ／ｓ〜３５ｍｍ／ｓに変化させた場合に、凸部がどのように形成されるかをまとめて示している。図において、「＋０．４ｍｍ」〜「−０．４ｍｍ」はレーザ光の焦点位置であり、「０ｍｍ」がガラス基板の表面、「−」は基板内部の位置であることを示している。表中の数値単位は「μｍ」である。また、図において、「Ｆ」は高さのゆらぎ幅、すなわち、膨張幅の中心に設定した測定ライン（加工ラインの中心線とほぼ同じ）における高さの最大値と最小値との差である。

図５から、以下のことがわかる。

（ａ）レーザ光の焦点位置を基板表面（０ｍｍ）に設定した場合が、最も膨張しやすい。しかし、焦点位置が＋０．４ｍｍ〜−０．４ｍｍの範囲であれば、レーザ光の走査速度を適切に制御することによって、所望の高さの凸部をガラス基板の表面に形成することができる。

（ｂ）走査速度を高くすると、加工された跡は観察できるが膨張による凸部は形成されない。すなわち、凸部を形成するためには、ある程度の熱量を基板に与える必要がある。

（ｃ）レーザ光の焦点位置を「−」（基板内部）に設定した方が、膨張するサイズは大きい。なお、図５ではガラスの屈折率を考慮していないために、実際の焦点位置を示しているわけではない。

（ｄ）レーザ光の焦点位置がガラス基板の表面から離れると、高さのゆらぎ幅が大きくなる。

以上から、前述のような波長のレーザ光を用いて、焦点位置をガラス基板表面の近傍に設定すれば、走査速度を制御することによって、所望の高さの凸部を安定してガラス基板表面に形成できることがわかる。

［用途］
以上のようなガラス基板表面に形成された凸部は、積層された２枚のガラス基板を、その間に所定の隙間をあけて融着し、封止する場合に有効である。

具体的には、まず、前述の方法によってガラス基板の表面に凸部を形成する。この凸部は、２枚のガラス基板を封止する部分に連続して形成する。次に、この凸部が形成されたガラス基板に別のガラス基板を重ね合わせ、凸部が形成された部分にレーザ光を照射することによって、凸部の先端と重ね合わされたガラス基板とを融着する。これにより、凸部によって囲まれた内部空間は封止されることになる。

なお、凸部を２枚のガラス基板の間のスペーサ及び封止部として機能させてもよいし、凸部は封止のみに用いて、その内部に別のスペーサを配置して２枚のガラス基板を融着させてもよい。

［実験例：融着］
図６に、図４と同じ条件で２枚のガラス基板を融着した場合の断面を示している。ここでは、本件発明の実施によってガラス基板の表面に凸部を形成し、その後凸部の形成されたガラス基板の上に別のガラス基板を重ね合わせ、凸部が形成された個所に凸部を形成したときと同様のレーザ光を照射したものである。この図６の顕微鏡写真で示すように、凸部の先端が上側のガラス基板の裏面に融着し、２枚のガラス基板は所定の間隙をあけて強固に融着されている。

［特徴］
（１）中赤外光のレーザ光をガラス基板に照射することによって、レーザ光の出力を制御したり、後工程で加熱、押圧したりすることなく、所望の高さの凸部を精度よく形成することができる。

（２）レーザ光の焦点位置及び走査速度を調整することにより、凸部の高さをコントロールすることができる。

（３）レーザ光はガラス基板の内部まで浸透しながら吸収され、このためガラス基板の表面から内部にわたって均一に加熱される。したがって、ガラス基板の熱損傷を抑制しつつ、ガラス基板の表面に凸部を形成することができる。

［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。

前記実施形態では、連続発振のレーザ光を用いたが、繰り返し周波数が１ＭＨｚ以上の擬似連続発振のレーザ光や１０ｋＨｚ以上のパルスレーザ光を照射するようにしてもよい。

１ ワークテーブル
２ レーザ発振器
３ 光学系
４ テーブル移動機構
Ｇ ガラス基板

Claims (15)

1. ガラス基板にレーザ光を照射して凸部を形成するガラス基板加工方法であって、
   ガラス基板をワークテーブル上に載置する第１工程と、
   前記ガラス基板の一方側の主面から波長が２．７μｍ以上６．０μｍ以下のレーザ光を照射して前記ガラス基板の主面に所定高さの凸部を形成する第２工程と、
   を備えたレーザ光によるガラス基板加工方法。
2. 前記第２工程では、波長が２．７μｍ以上５．０μｍ以下のレーザ光をガラス基板に対して照射する、請求項１に記載のレーザ光によるガラス基板融着方法。
3. 前記第２工程では、前記レーザ光を前記ガラス基板に照射しながら前記レーザ光を前記ガラス基板に対して走査する、請求項１又は２に記載のレーザ光によるガラス基板加工方法。
4. 前記第２工程では、連続発振のレーザ光をガラス基板に対して照射する、請求項１から３のいずれかに記載のレーザ光によるガラス基板加工方法。
5. 前記第２工程では、繰り返し周波数１ＭＨｚ以上の擬似連続発振のレーザ光をガラス基板に対して照射する、請求項１から３のいずれかに記載のレーザ光によるガラス基板加工方法。
6. 前記第２工程では、繰り返し周波数が１０ｋＨｚ以上のパルスレーザ光をガラス基板に対して照射する、請求項１から３のいずれかに記載のレーザ光によるガラス基板加工方法。
7. 前記第２工程では、Ｅｒ：Ｙ_２Ｏ_３、Ｅｒ：ＺＢＬＡＮ、Ｅｒ：ＹＳＧＧ、Ｅｒ：ＧＧＧ、Ｅｒ：ＹＬＦ、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｄｙ：ＺＢＬＡＮ、Ｈｏ：ＺＢＬＡＮ、ＣＯ、Ｃｒ：ＺｎＳｅ、Ｃｒ：ＺｎＳ、Ｆｅ：ＺｎＳｅ、Ｆｅ：ＺｎＳ、半導体レーザの中赤外のレーザ光群の中から選択されたいずれかのレーザ光をガラス基板に対して照射する、請求項１から６のいずれかに記載のレーザ光によるガラス基板加工方法。
8. 前記ガラス基板はレーザ光の内部吸収率が５％以上９５％以下である、請求項１から７のいずれかに記載のレーザ光によるガラス基板加工方法。
9. ガラス基板にレーザ光を照射して凸部を形成するガラス基板加工装置であって、
   ガラス基板が載置されるワークテーブルと、
   波長が２．７以上６．０μｍ以下のレーザ光を発振するレーザ発振器と、
   前記ガラス基板のレーザ光照射面に所定高さの凸部が形成されるように前記レーザ発振器からのレーザ光を前記ガラス基板に照射するレーザ光照射機構と、
   を備えたレーザ光によるガラス基板加工装置。
10. 前記レーザ発振器は波長が２．７以上５．０μｍ以下の中赤外光のレーザ光を発振する、請求項９に記載のレーザ加工装置。
11. 前記レーザ光照射機構からのレーザ光を前記ガラス基板に対して相対的に移動させて、レーザ光を所定の加工予定ラインに沿って走査する走査機構、をさらに備えた請求項９又は１０に記載のレーザ光によるガラス基板加工装置。
12. 前記レーザ発振器は前記レーザ光を連続発振する、請求項９から１１のいずれかに記載のレーザ光によるガラス基板加工装置。
13. 前記レーザ発振器は前記レーザ光を繰り返し周波数１ＭＨｚ以上で擬似連続発振する、請求項９から１１のいずれかに記載のレーザ光によるガラス基板加工装置。
14. 前記レーザ発振器は繰り返し周波数が１０ｋＨｚ以上のパルスレーザ光を発振する、請求項９から１１のいずれかに記載のレーザ光によるガラス基板加工装置。
15. 前記レーザ発振器は、Ｅｒ：Ｙ_２Ｏ_３、Ｅｒ：ＺＢＬＡＮ、Ｅｒ：ＹＳＧＧ、Ｅｒ：ＧＧＧ、Ｅｒ：ＹＬＦ、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｄｙ：ＺＢＬＡＮ、Ｈｏ：ＺＢＬＡＮ、ＣＯ、Ｃｒ：ＺｎＳｅ、Ｃｒ：ＺｎＳ、Ｆｅ：ＺｎＳｅ、Ｆｅ：ＺｎＳ、半導体レーザの中赤外のレーザ光群の中から選択されたいずれかのレーザ光をガラス基板に対して照射する、請求項９から１４のいずれかに記載のレーザ光によるガラス基板加工装置。