JP2015063416A - レーザ光によるガラス基板融着方法及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安価なレーザ光を用いて、光学系も簡単であり、さらにレーザ光吸収材が不要なガラス基板の融着方法及びそれを用いたレーザ加工装置を提供する。【解決手段】このガラス基板融着方法は、重ね合わされたガラス基板にレーザ光を照射してガラス基板同士を融着させる方法であって、第１工程及び第２工程を備えている。第１工程は２枚のガラス基板を重ね合わせる工程である。第２工程は、それぞれ波長が２．７以上６．０μｍ以下でかつガラス基板の表面を溶融させないパワーの第１レーザ光及び第２レーザ光を集光して集光された両レーザ光の重なる部分が２枚のガラス基板の間を通過するように照射し、集光された両レーザ光の重なる部分において２枚のガラス基板を溶融させて融着する工程である。【選択図】図１

Description

本発明は、ガラス基板融着方法、特に、重ね合わされたガラス基板にレーザ光を照射してガラス基板同士を融着させるガラス基板融着方法及びそれを実現するためのレーザ加工装置に関する。

例えば、ＩＴ機器用の装置においては、２枚のガラス基板を重ね合わせたデバイスが用いられている。このような積層された２枚のガラス基板を接合するための方法及び装置が、特許文献１に示されている。

特許文献１に示されたガラス基板の接合方法は、２枚のガラス基板の接合界面にレーザ光を照射して接合する方法である。この方法は、まず、２枚のガラス基板のそれぞれの接合面に黒色の油性塗料等からなるレーザ光吸収材が塗布される。そして、このレーザ光吸収材にレーザ光を吸収させることにより、吸収熱によって接合部のガラス同士が溶融して接合する。

また、特許文献２には、超短光パルスレーザにより多光子吸収現象を生成させ、２枚のガラス基板を接合する方法が示されている。この特許文献２の方法では、まず、２枚のガラス基板を積層し、これらを挟持して当接させたり、あるいは２枚のガラス基板を自重により当接させたりすることによって、当接状態が保持される。次に、レーザ光の焦点を２枚のガラス基板の当接部近傍に位置させて超短光パルスレーザが照射され、多光子吸収現象を生成させることによって２枚のガラス基板が接合される。

特開２００３−１７０２９０号公報 特開２００５−６６６２９号公報

特許文献１の方法では、２枚のガラス基板の間にレーザ光吸収材を介在させる必要があり、そのための工程が必要になる。

また、特許文献２の方法では、超短光パルスレーザが用いられるが、このようなパルスレーザ光は高価である。また、この特許文献２の方法では、多光子吸収現象を生成させるために、レーザ光のスポット径を小さくする必要がある。レーザ光のスポット径を小さくするためには、集光光学系と焦点位置制御のために複雑な装置が必要となる。

本発明の課題は、重ね合わされたガラス基板を接合する際に、安価なレーザ光を用いて、かつ簡単な光学系により処理が可能であり、さらにレーザ光吸収材を用いる必要のない接合を実現することにある。

本発明の第１側面に係るレーザ光によるガラス基板融着方法は、重ね合わされたガラス基板にレーザ光を照射してガラス基板同士を融着させる方法であって、以下の工程を備えている。

第１工程：２枚のガラス基板を重ね合わせる。

第２工程：それぞれ、波長が２．７以上６．０μｍ以下でかつガラス基板の表面を溶融させないパワーの第１レーザ光及び第２レーザ光を集光して、集光された両レーザ光の重なる部分が２枚のガラス基板の間を通過するように照射し、集光された両レーザ光の重なる部分において２枚のガラス基板を溶融させて融着する。

この方法では、波長が２．７μｍ以上６．０μｍ以下の中赤外光のレーザ光がガラス基板に対して照射される。中赤外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。したがって、ガラス基板の熱損傷を抑制しつつ、ガラス基板を溶融させることが可能となる。

ここで、１つのレーザ光によって以上のような２枚のガラス基板の融着を行うと、ガラス基板のレーザ光照射面側の表面が溶融し、ガラス基板に凸部が形成されることが判明した。ガラス基板の表面に凸部が形成されると、例えば有機ＥＬパネル等のディスプレイを実装する際に、凸部を避けて保持する必要がある等、利用しにくい。また、ガラス基板を分断する工程において、ガラス基板をテーブルに真空吸着する必要があるが、ガラス基板の表面に凸部が形成されていると、凸部によってガラス基板とテーブルとの間に隙間が形成され、吸着できない。

なお、レーザ光を集光させてガラス基板に照射する場合、ガラス基板のレーザ光照射側の表面よりも裏面でのビーム径を小さくし、ガラス基板の表裏面に温度差をつければ、凸部の形成を抑制することが可能である。

しかし、ガラス基板の表面側に凸部が形成されず、かつ裏面においてガラス基板が溶融されるようにするためには、裏面側におけるビーム径を非常に小さくする必要がある。このように、ビーム径を非常に小さくするためには、高価な光学系が必要になる。

そこで、本発明では、単独ではガラス基板の表面を溶融させない２つのレーザ光を用いて２枚のガラス基板を融着させるようにしている。すなわち、それぞれ波長が２．７以上６．０μｍ以下でかつガラス基板の表面を融着させないパワーの第１及び第２レーザ光をガラス基板に照射し、集光された両レーザ光の重なる部分が２枚のガラス基板の間を通過するようにしている。これにより、ガラス基板において、両レーザ光が重ならない部分ではガラス基板は溶融せず、かつ２枚のガラス基板の間では集光された両レーザ光が重なり、このレーザ光の重なった部分ではガラス基板が溶融して互いが融着する。

このため、ガラス基板のレーザ光照射面側に凸部を形成することなく、２枚のガラス基板を容易に、かつ簡単な構成で融着することができる。また、２枚のガラス基板の間にレーザ光吸収材を設ける必要がない。

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、重ね合わされたガラス基板の一方側の主面から第１レーザ光及び第２レーザ光を照射する。

ここでは、ガラス基板に対して２つのレーザ光が同じ方向から照射される。したがって、一方のレーザ光が他方のレーザ光を照射する光学系に入射することがなく、レーザ照射機構の損傷を抑えることができる。

本発明の第３側面に係るレーザ光によるガラス基板融着方法は、第１又は第２側面の方法において、第２工程では、第１レーザ光及び第２レーザ光を同時にガラス基板に対して照射する。

ここでは、２つのレーザ光が同時にガラス基板に照射されるので、それぞれのレーザ光のパワーを比較的低くすることができる。

本発明の第４側面に係るレーザ光によるガラス基板融着方法は、第１又は第２側面の方法において、第２工程では、第１レーザ光をガラス基板に照射した後に第２レーザ光を照射する。

ここでは、２つのレーザ光が時間差をおいてガラス基板に照射されるので、ガラス基板のレーザ光照射面側が高温になりにくい。したがって、ガラス基板の表面に凸部が形成されにくい。

本発明の第５側面に係るレーザ光によるガラス基板融着方法は、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、１つのレーザ発振器から発振されたレーザ光を分岐して得られた第１レーザ光及び第２レーザ光をガラス基板に照射する。

ここでは、２つのレーザ光は、１つのレーザ発振器から出射されたレーザ光を分岐することによって得られたものである。したがって、装置構成を簡単にすることができる。

本発明の第６側面に係るレーザ加工装置は、重ね合わされたガラス基板にレーザ光を照射してガラス基板同士を融着させる装置であって、２枚のガラス基板が載置されるワークテーブルと、レーザ光照射機構と、を備えている。レーザ光照射機構は、それぞれ波長が２．７以上６．０μｍ以下でかつガラス基板の表面を溶融させないパワーの第１レーザ光及び第２レーザ光を集光して、集光された両レーザ光の重なる部分が２枚のガラス基板の間を通過するように照射する。

ここでは、第１レーザ光及び第２レーザ光のそれぞれを、単独ではガラス基板の表面を溶融させないパワーとし、かつ集光された両レーザ光の重なる部分においてガラス基板が溶融するようなパワーにすることができる。これにより、ガラス基板のレーザ光照射面側に凸部を形成することなく、２枚のガラス基板を容易に、かつ簡単な構成で融着することができる。

本発明の第７側面に係るレーザ加工装置は、第６側面の装置において、レーザ光照射機構は、重ね合わされたガラス基板の一方側の主面から第１レーザ光及び第２レーザ光を照射する。

本発明の第８側面に係るレーザ加工装置は、第６又は第７側面の装置において、第１レーザ光及び第２レーザ光は、２枚のガラス基板の間の集光された両レーザ光が重なる部分においてガラス基板が溶融するパワーに調整されている。

本発明の第９側面に係るレーザ加工装置は、第６から第８側面のいずれかの装置において、レーザ光照射機構は、レーザ発振器と、光学系と、を有している。レーザ発振器は、波長が２．７以上６．０μｍ以下のレーザ光を発振する。光学系は、レーザ発振器からのレーザ光を第１レーザ光及び第２レーザ光に分岐し、第１及び第２レーザ光を集光して集光された両レーザ光の重なる部分が２枚のガラス基板の間を通過するように照射する。

ここでは、１つのレーザ発振器から出射されたレーザ光を分岐することによって２つのレーザ光を得るようにしている。したがって、装置構成を簡単にすることができる。

本発明の第１０側面に係るレーザ加工装置は、第６から第９側面のいずれかの装置において、光学系とワークテーブルとを相対的に移動させて、集光されたレーザ光を融着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。

以上のような本発明では、安価なレーザ光を用いて、光学系も簡単であり、さらにレーザ光吸収材を用いることなくガラス基板を融着することができる。

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。 ２枚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。 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。 レーザ照射機構の別の実施形態を示す図。 レーザ照射機構のさらに別の実施形態を示す図。

［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、重ね合わされた２枚のガラス基板Ｇ１，Ｇ２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、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と、分岐部７と、集光レンズ８と、を含んでいる。分岐部７は、レーザ発振器２から出力されたレーザ光Ｌ０を互いに平行な２本のレーザ光Ｌ１，Ｌ２に分岐するための光学系である。集光レンズ８は、２本のレーザ光Ｌ１，Ｌ２のそれぞれを集光して、これらのレーザ光Ｌ１，Ｌ２が２枚のガラス基板Ｇ１，Ｇ２の間、すなわち両者の接合部を通過す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、集光点を融着予定ラインに沿って走査することができる。

［ガラス基板表面の凸部について］
ここで、例えば厚みが０．２ｍｍの無アルカリガラス基板に対して、波長が２．８μｍのＥｒファイバーレーザを照射した場合、ガラス基板のレーザ光照射面（表面）と逆側の裏面では、照射面側に比較して裏面におけるレーザ光のパワーが７８％まで減衰する。そして、レーザ光によるガラス基板の温度上昇量はレーザ光の吸収量と比例関係にあることから、基板裏面の温度上昇量は基板表面の７８％となり、基板表面の温度の方が高くなる。

このため、２枚のガラス基板の間の融着させるべき部分（レーザ光が照射される側のガラス基板の裏面）の温度を適切な温度まで上昇させようとすると、レーザ光が照射される側のガラス基板の表面が加熱によって膨張し、凸部が形成される。

図２に以上のような凸部が形成された例を示している。図２の例の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）、板厚０．２ｍｍ
レーザ光（１本）：ＺＢＬＡＮファイバーレーザ、波長２．７μｍ、出力７Ｗ、連続発振、走査速度２０ｍｍ／ｓ
この顕微鏡写真で示すように、２枚のガラス基板はレーザ光が照射された部分において強固に融着されているが、レーザ光が照射された上側のガラス基板の表面に凸部が形成されている。

［ガラス基板の融着方法］
以上のようなガラス基板の表面に形成される凸部は、２枚の融着されたガラス基板をデバイスとして利用する場合や、２枚の融着されたガラス基板を分断する際の吸着工程で、作業の妨げになる。

そこで、この実施形態では、ガラス基板のレーザ光が照射される側の表面に凸部を形成することなく、２枚のガラス基板を融着するようにしている。

具体的には、まず、融着すべき２枚のガラス基板Ｇ１，Ｇ２を重ねあわせ、ワークテーブル１上の所定位置にセットする。このとき、２枚のガラス基板Ｇ１，Ｇ２の間には、レーザ光吸収材を介在させず、かつ２枚のガラス基板Ｇ１，Ｇ２を圧接するための圧力を加えることもしない。

以上のような２枚のガラス基板Ｇ１，Ｇ２に対して、前述のような中赤外光の２つのレーザ光Ｌ１，Ｌ２が、両ガラス基板Ｇ１，Ｇ２間で重なるように照射する。このとき、２つのレーザ光Ｌ１，Ｌ２のパワーは、単独ではガラス基板（主にＧ１）の表面を溶融させず、しかも集光された２つのレーザ光Ｌ１，Ｌ２が重なる領域ではガラス基板が溶融するような強度に設定する。

これにより、２つのレーザ光Ｌ１，Ｌ２が重ならないガラス基板の表面や中間部ではガラス基板は高温にならずに溶融せず、また集光された２つのレーザ光Ｌ１，Ｌ２が重なる２つのガラス基板Ｇ１，Ｇ２の間の領域では温度が上昇して２つのガラス基板Ｇ１，Ｇ２が溶融し、互いに融着する。

したがって、レーザ光が照射される側のガラス基板Ｇ１の表面は高温にならず、加熱による膨張、すなわち凸部の形成を避けることができる。

以上のような２つのレーザ光を連続照射しながら融着予定ラインに沿って走査することによって、両ガラス基板Ｇ１，Ｇ２を確実に接合することができる。

［透過率と波長］
図３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４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３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、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、透過しない約１０％のレーザ光もそのほとんどは表面で反射され、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、適切なパワーに調節することによって、基板内部でほぼ均一に吸収され、基板内部を溶融させて、重ね合わされた２枚の基板を融着することができる。

また、図４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、したがってパワーを適切に調整することによって、基板内部を溶融させて、重ね合わされた２枚の基板を融着することができる。なお、図３と図４に示したグラフの透過率の値の差は、試料の厚さの違いに起因するものであり、厚さが同じであれば、無アルカリガラスとソーダガラスとで透過率に差は無いと思われる。

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て、パワーを適切に調整することによって、多くのガラス基板に対して、基板内部を溶融させて２枚の基板を融着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、安定して２枚の基板を融着することができる。

［特徴］
（１）単独ではガラス基板の表面を溶融させず、かつ重なった部分ではガラス基板を溶融させるパワーの中赤外光の２つのレーザ光をガラス基板に照射することによって、レーザ光が照射される側のガラス基板の照射面に凸部を形成することなく２枚のガラス基板を融着して接合できる。

（２）２枚のガラス基板の間にレーザ光吸収材を用いる必要がなく、工程が簡素になる。

（３）２枚のガラス基板を重ね合わせる際に、両ガラス基板を互いに押圧する必要がない。したがって、装置構成が簡単になる。

（４）１つのレーザ発振器を用いて２つのレーザ光を作成しているので、レーザ照射機構の構成が簡単になる。

［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）図５にレーザ照射機構の他の実施形態を示す。図５に示す例では、第１レーザ光Ｌ１をガラス基板Ｇ１に対して直交する方向から照射し、第１集光レンズ１０ａによって２つのガラス基板Ｇ１，Ｇ２の間の近傍にレーザ光を集光するようにしている。また、第２レーザ光Ｌ２を、第１レーザ光Ｌ１に対して角度θだけ傾斜する方向から照射し、第２集光レンズ１０ｂによって２つのガラス基板Ｇ１，Ｇ２の間の近傍にレーザ光を集光するようにしている。

以上の構成によれば、２つのレーザ光Ｌ１，Ｌ２が重なる部分（２つのガラス基板Ｇ１，Ｇ２の間）では、ガラス基板が溶融し、それ以外の部分ではガラス基板は溶融しない。このような実施形態によっても、前記実施形態と同様に、レーザ光が照射される側のガラス基板の照射面に凸部を形成することなく２枚のガラス基板を融着して接合できる。

（ｂ）図６に示すレーザ照射機構のさらに他の実施形態を示す。図６に示す例では、２つのレーザ光Ｌ１，Ｌ２が、それぞれガラス基板に対して直交する直線から左右に同じ角度θだけ傾斜した方向から照射される。そして、各レーザ光Ｌ１，Ｌ２は、集光レンズ１１ａ，１１ｂによって２つのガラス基板の間の近傍に集光される。

このような実施形態によっても、図５の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

（ｃ）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１ＭＨｚ以上の擬似連続発振のパルスレーザ光や、繰り返し周波数が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
７ 分岐部
８，１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂ 集光レンズ
Ｇ１，Ｇ２ ガラス基板

Claims (10)

1. 重ね合わされたガラス基板にレーザ光を照射してガラス基板同士を融着させるガラス基板の融着方法であって、
   ２枚のガラス基板を重ね合わせる第１工程と、
   それぞれ、波長が２．７以上６．０μｍ以下でかつガラス基板の表面を溶融させないパワーの第１レーザ光及び第２レーザ光を集光して、集光された前記両レーザ光の重なる部分が前記２枚のガラス基板の間を通過するように照射し、集光された前記両レーザ光の重なる部分において前記２枚のガラス基板を溶融させて融着する第２工程と、
   を備えたレーザ光によるガラス基板融着方法。
2. 前記第２工程では、重ね合わされたガラス基板の一方側の主面から前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光を照射する、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、前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光を同時にガラス基板に対して照射する、請求項１又は２に記載のレーザ光によるガラス基板融着方法。
4. 前記第２工程では、前記第１レーザ光をガラス基板に照射した後に前記第２レーザ光を照射する、請求項１又は２に記載のレーザ光によるガラス基板融着方法。
5. 前記第２工程では、１つのレーザ発振器から発振されたレーザ光を分岐して得られた前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光をガラス基板に照射する、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融着方法。
6. 重ね合わされたガラス基板にレーザ光を照射してガラス基板同士を融着させるレーザ加工装置であって、
   ２枚のガラス基板が載置されるワークテーブルと、
   それぞれ波長が２．７以上６．０μｍ以下でかつガラス基板の表面を溶融させないパワーの第１レーザ光及び第２レーザ光を集光して、集光された前記両レーザ光の重なる部分が前記２枚のガラス基板の間を通過するように照射するレーザ光照射機構と、
   を備えたレーザ加工装置。
7. 前記レーザ光照射機構は、重ね合わされたガラス基板の一方側の主面から前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光を照射する、請求項６に記載のレーザ加工装置。
8. 前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光は、前記２枚のガラス基板の間の集光された両レーザ光が重なる部分において前記ガラス基板が溶融するパワーに調整されている、請求項６又は７に記載のレーザ加工装置。
9. 前記レーザ光照射機構は、
   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、
   前記レーザ発振器からのレーザ光を前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光に分岐し、前記第１及び第２レーザ光を集光して集光された前記両レーザ光の重なる部分が前記２枚のガラス基板の間を通過するように照射する光学系と、
   を有する、
   請求項６から８のいずれかに記載のレーザ加工装置。
10. 前記光学系と前記ワークテーブルとを相対的に移動させて、集光されたレーザ光を融着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６から９のいずれかに記載のレーザ加工装置。