JP2016056046A

JP2016056046A - 貫通孔形成方法

Info

Publication number: JP2016056046A
Application number: JP2014182359A
Authority: JP
Inventors: 衛礒部; Mamoru Isobe
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 2014-09-08
Filing date: 2014-09-08
Publication date: 2016-04-21
Anticipated expiration: 2034-09-08
Also published as: JP5920427B2

Abstract

【課題】スループットを向上でき、且つ、貫通孔の両開口縁における直径の差を低減できる、貫通孔形成方法の提供。
【解決手段】ガラス基板に対し片側からＣＯ_２レーザ光を照射することにより、前記ガラス基板を板厚方向に貫通する貫通孔を形成する工程と、前記貫通孔を備える前記ガラス基板の表面全体の湿式エッチングを行う工程とを有する、貫通孔形成方法。
【選択図】図５

Description

本発明は、貫通孔形成方法に関する。

レーザ光をガラス基板に照射することにより、ガラス基板を板厚方向に貫通する貫通孔を形成する貫通孔形成方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、ガラス基板での吸収率の低いＵＶレーザ光が用いられるため、１つの貫通孔の形成にかかる時間が長い。

特表２０１４−５０１６８６号公報

ガラス基板での吸収率が高いＣＯ_２レーザ光を用いると、１つの貫通孔の形成にかかる時間が短縮できるが、貫通孔の両開口縁における直径の差が大きかった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、スループットを向上でき、且つ、貫通孔の両開口縁における直径の差を低減できる、貫通孔形成方法の提供を主な目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一態様によれば、
ガラス基板に対し片側からＣＯ_２レーザ光を照射することにより、前記ガラス基板を板厚方向に貫通する貫通孔を形成する工程と、
前記貫通孔を備える前記ガラス基板の表面全体の湿式エッチングを行う工程とを有する、貫通孔形成方法が提供される。

本発明の一態様によれば、スループットを向上でき、且つ、貫通孔の両開口縁における直径の差を低減できる、貫通孔形成方法が提供される。

本発明の一実施形態による貫通孔形成方法のフローチャートである。図１のレーザ加工で用いる加工装置を示す図である。図１のレーザ加工により得られる貫通孔を備えるガラス基板を示す断面図である。図１の湿式エッチング加工で用いられる湿式エッチング装置を示す図である。図１の湿式エッチング加工により得られる貫通孔を備えるガラス基板を示す断面図である。本発明の他の一実施形態による貫通孔形成方法のフローチャートである。図６のレーザ加工および図６の放電加工で用いる加工装置を示す図である。試験例１により得られた代表的な貫通孔の縦断面写真である。試験例４により得られた代表的な貫通孔の縦断面写真である。試験例１〜５の試験結果を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。各図面において、同一の又は対応する構成には、同一の又は対応する符号を付して説明を省略する。本明細書において、数値範囲を表す「〜」はその前後の数値を含む範囲を意味する。

図１は、本発明の一実施形態による貫通孔形成方法のフローチャートである。図１に示すように、貫通孔形成方法は、レーザ加工の工程Ｓ１２と、湿式エッチング加工の工程Ｓ１４とを有する。

図２は、図１のレーザ加工で用る加工装置を示す図である。図２に示すように、加工装置１０は、ステージ１２、レーザ光源２０、および光学系３０などを有する。

ステージ１２は、ガラス基板２を保持する。ガラス基板２は、各種の機能膜が成膜されたものでもよい。また、ガラス基板２のレーザ光源側の主面２ａとその反対側の主面２ｂのいずれかまたは両方に、除去可能なフィルムを貼ったり、コーティングした後にレーザ加工してもよい。フィルムを貼ることで、レーザ加工の際に生じる加工屑の、ガラス面への付着を防止することができる。ガラス基板２の厚さは例えば０．０５〜０．７ｍｍである。ステージ１２は、ガラス基板２を吸着固定するが、接着固定してもよい。吸着は、例えば真空吸着、または静電吸着である。ステージ１２は、ガラス基板２を水平に移動させる機能を有してもよく、例えばＸＹステージで構成されてもよい。

レーザ光源２０は、ガラス基板２を基準にしてステージ１２とは反対側に配設され、ＣＯ_２レーザ光２２を出射する。出射直後に、ＣＯ_２レーザ光２２の偏光は直線偏光であり、ＣＯ_２レーザ光２２の断面の強度分布はガウス分布である。ＣＯ_２レーザ光２２としては、波長が９．３μｍ〜９．６μｍ、または１０．６μｍのものが使用できる。

光学系３０は、ステージ１２に保持されるガラス基板２に対し、レーザ光源２０からのＣＯ_２レーザ光２２を照射する。ＣＯ_２レーザ光２２は、ガラス基板２に対し垂直に入射されてよい。光学系３０は、例えば波長板３２、集光レンズ３６などを含む。

波長板３２は、ＣＯ_２レーザ光２２の偏光を直線偏光から円偏光に変換する。波長板３２は、例えば１／４波長板などで構成される。波長板３２は、例えばレーザ光源２０と集光レンズ３６との間に配設される。波長板３２はなくてもよく、光学系３０は直線偏光のＣＯ_２レーザ光２２をガラス基板２に照射してもよい。

集光レンズ３６は、ステージ１２に保持されるガラス基板２に対し、ＣＯ_２レーザ光２２を集光照射する。ＣＯ_２レーザ光２２の集光位置は、例えばガラス基板２のレーザ光源側の主面２ａまたはその近傍である。ガラス基板２が局所的に加熱され、加熱部分が除去され、貫通孔４が形成される。集光レンズ３６は、例えば波長板３２とステージ１２との間に配設される。

尚、光学系３０は、ホモジナイザーを有してもよい。ホモジナイザーは、ＣＯ_２レーザ光２２の断面の強度分布をガウス分布からトップハット分布に変換する。ホモジナイザーは、例えば波長板３２と集光レンズ３６との間に配設される。

また、光学系３０は、アパーチャを有してもよい。アパーチャは、ＣＯ_２レーザ光２２の断面よりも小さい円形開口を有し、ＣＯ_２レーザ光２２の断面の周縁部を遮光することにより、ＣＯ_２レーザ光２２の断面の真円度を高める。アパーチャは、例えば波長板３２と集光レンズ３６との間に配設される。アパーチャは、ホモジナイザーと集光レンズ３６との間に配設されてよい。

次に、上記加工装置１０を用いたレーザ加工の工程Ｓ１２について説明する。当該工程Ｓ１２では、ガラス基板２に対し片側からＣＯ_２レーザ光２２を照射することにより、ガラス基板２を板厚方向に貫通する貫通孔４を形成する。

レーザ加工の後、レーザ光源２０および光学系３０と、ステージ１２との水平方向における相対位置が変更され、レーザ加工が再び行われる。これにより、ガラス基板２に複数の貫通孔４が形成される。その後、複数の貫通孔を備えるガラス基板が湿式エッチング加工に供される。

尚、複数の貫通孔を形成した後、ガラス基板を熱処理してもよい。熱処理することで、貫通孔周辺のガラスの内部応力が緩和される。熱処理温度は、ガラスの軟化点温度以下であるが、軟化点温度に近い温度が好ましい。

尚、レーザ光源２０および光学系３０と、ステージ１２との水平方向における相対位置を変える際、どちらを移動させてもよいし、両方を移動させてもよい。

図３は、図１のレーザ加工により得られる貫通孔を備えるガラス基板を示す断面図である。図３において、「α」は第１開口縁４ａにおける貫通孔４の側面４ｃの傾斜角を表し、「β」は第２開口縁４ｂにおける貫通孔４の側面４ｃの傾斜角を表す。

図３に示すように、ガラス基板２は、ガラス基板２を板厚方向に貫通する貫通孔４を有する。貫通孔４は、ガラス基板２のレーザ光源側の主面２ａに第１開口縁４ａを有し、ガラス基板２のステージ１２側の主面２ｂ（ガラス基板２のレーザ光源とは反対側の主面２ｂ）に第２開口縁４ｂを有する。

貫通孔４は、レーザ光源側の主面２ａから反対側の主面２ｂに向けて孔を掘り進めることにより形成される。以下、貫通前の孔を有底孔と呼ぶ。ガラス基板２に照射されるＣＯ_２レーザ光２２は、有底孔の底に直接到達するものと、有底孔の側面で反射しながら有底孔の底に到達するものと、有底孔の側面で吸収されるものとに大別される。これらの強度バランスに応じた形状の貫通孔４が形成される。

有底孔の側面で吸収されるＣＯ_２レーザ光２２のうち入口付近で吸収されるＣＯ_２レーザ光２２の割合が大きいため、入口付近でガラスの除去が進行しやすく、第１開口縁４ａは第２開口縁４ｂよりも大きい。貫通孔４は、レーザ光源側の主面２ａから反対側の主面２ｂに向けて基本的に先細り状に形成される。尚、貫通孔４は、途中に膨らんだ部分を有してもよい。

また、有底孔の入口付近では内部に比べてＣＯ_２レーザ光２２の与える衝撃が大きいため、貫通孔４の中心線に対する貫通孔４の側面４ｃの傾きが第１開口縁４ａと第２開口縁４ｂとで異なり、第１開口縁４ａでの傾きが第２開口縁４ｂでの傾きよりも大きい。ここで、傾きとは、接線の傾きであり、接線と中心線とのなす角（「傾斜角」とも称する）をいう。接線と中心線とが平行な場合に傾斜角はゼロである。

図４は、図１の湿式エッチング加工で用いられる湿式エッチング装置を示す図である。図４に示すように、湿式エッチング装置６０は、浴槽６２を有し、浴槽６２内の薬液６４にガラス基板２を浸漬することによりガラス基板２の湿式エッチングを行う。薬液６４としては、例えばフッ酸水溶液が用いられる。薬液６４には複数のガラス基板２が同時に浸漬されてもよい。

次に、上記湿式エッチング装置６０を用いた湿式エッチング加工の工程Ｓ１４について説明する。当該工程Ｓ１４では、貫通孔４を備えるガラス基板２を薬液６４に浸漬することにより、ガラス基板２の表面全体の湿式エッチングを行う。これにより、図５に示すように貫通孔４Ａを備えるガラス基板２Ａが得られる。

湿式エッチング加工の工程Ｓ１４では、薬液６４の濃度を均一にするため、ガラス基板２の揺動、バブリングなどが行われてもよい。

図５は、図１の湿式エッチング加工により得られる貫通孔を備えるガラス基板を示す断面図である。図５において、湿式エッチング加工前の貫通孔４の形状を１点鎖線で示す。

湿式エッチング加工後のガラス基板２Ａは、湿式エッチング加工前のガラス基板２よりも薄い。湿式エッチング加工による板厚の減少量ΔＴ（ΔＴ＝ＴＡ−Ｔ）は、例えば２５〜３５μｍである。ここで、「ＴＡ」は湿式エッチング加工後のガラス基板２Ａの板厚を、「Ｔ」は湿式エッチング加工前のガラス基板２の板厚をそれぞれ意味する。

湿式エッチング加工後の貫通孔４Ａは、湿式エッチング加工前の貫通孔４と同様に、ガラス基板２のレーザ光源側の主面２Ａａに第１開口縁４Ａａを有し、ガラス基板２のステージ１２側の主面２Ａｂに第２開口縁４Ａｂを有する。第１開口縁４Ａａは第２開口縁４Ａｂよりも大きい。

湿式エッチング加工後の貫通孔４Ａは、湿式エッチング加工前の貫通孔４に比べて円柱状に近い形状になる。ガラス基板２の光源側の主面２ａが湿式エッチングされ、傾斜角の大きい部分が除去されるためである。その結果、湿式エッチング加工後の第１開口縁４Ａａと第２開口縁４Ａｂとの直径の差ΔΦＡ（ΔΦＡ＝ΦＡ１−ΦＡ２）は、湿式エッチング加工前の第１開口縁４ａと第２開口縁４ｂとの直径差ΔΦ（ΔΦ＝Φ１−Φ２）よりも小さい。ここで、「ΦＡ１」は湿式エッチング加工後の第１開口縁４Ａａの直径を、「ΦＡ２」は湿式エッチング加工後の第２開口縁４Ａｂの直径を、「Φ１」は湿式エッチング加工前の第１開口縁４ａの直径を、「Φ２」は湿式エッチング加工前の第２開口縁４ｂの直径をそれぞれ意味する。

以上説明したように本実施形態によれば、ガラス基板２での吸収率の高いＣＯ_２レーザ光２２が用いられるため、ガラス基板２での吸収率の低いＵＶレーザが用いられる場合に比べて、１つの貫通孔４の形成にかかる時間が短縮でき、スループットが向上できる。特にガラス基板２が無アルカリガラスの場合にレーザ光として、波長が９．３μｍ〜９．６μｍのＣＯ_２レーザを使用すると、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。

ＣＯ_２レーザ光２２を用いる場合、湿式エッチング加工前に、第１開口縁４ａが第２開口縁４ｂよりも大きく、第１開口縁４ａでの傾斜角αが第２開口縁４ｂでの傾斜角βよりも大きい。湿式エッチング加工によってガラス基板２の光源側の主面２ａが湿式エッチングされ、傾斜角の大きい部分が除去されるため、湿式エッチング加工後の貫通孔４Ａは湿式エッチング加工前の貫通孔４よりも円柱状に近い形状に形成される。その結果、湿式エッチング加工後の貫通孔４Ａの両開口縁における直径の差ΔΦＡは、湿式エッチング加工前の貫通孔４の両開口縁における直径の差ΔΦよりも小さい。このように貫通孔の形状が円柱状に近くなるため、欠陥の少ない貫通電極が形成できる。例えば貫通電極をメッキで形成する場合、メッキの下地膜が貫通孔の側面に均一に形成できる。メッキの下地膜は例えばスパッタ法により形成される。メッキの下地膜が均一に形成されるため、メッキの成長が均一であり、欠陥の少ない貫通電極が形成できる。また、貫通電極をペーストで形成する場合、ペーストの充填不足や充填ムラが抑制できるため、欠陥の少ない貫通電極が形成できる。貫通電極を備えるガラス基板はインターポーザとして用いられる。

また、本実施形態によれば、湿式エッチング加工によるガラス基板２の板厚の減少量ΔＴが２５〜３５μｍである。板厚の減少量ΔＴが２５μｍ以上の場合、貫通孔の傾斜角の大きい部分が十分に除去でき、貫通孔の両開口縁における直径の差が十分に小さくできる。また、板厚の減少量ΔＴが３５μｍ以下の場合、湿式エッチングによる貫通孔の第１開口縁の拡大が抑制できる。

また本実施形態によれば、ＣＯ_２レーザ光２２の偏光を直線偏光から円偏光に変換し、円偏光のＣＯ_２レーザ光２２をガラス基板２に照射する。これにより、直線偏光のＣＯ_２レーザ光２２をガラス基板２に照射する場合に比べて、貫通孔４の側面４ｃが直線テーパ状に近い形状になる。

図６は、本発明の他の一実施形態による貫通孔形成方法のフローチャートである。図６に示すように、貫通孔形成方法は、レーザ加工の工程Ｓ１２の後、湿式エッチング加工の工程Ｓ１４の前に、放電加工の工程Ｓ１３を有する。

図７は、図６のレーザ加工および図６の放電加工で用いる加工装置を示す図である。図７に示す加工装置は、貫通孔４を放電加工する加工ユニット５０を有する点で図２に示す加工装置と相違する。以下、相違点について主に説明する。

加工ユニット５０は、レーザ加工により得られた貫通孔４を放電加工することにより、貫通孔４の形状を修正する。貫通孔４の局所的なクビレなどが除去できる。加工ユニット５０は、第１電極としてのステージ１２、第２電極５２、直流高圧電源５４とを含む。

第２電極５２は、針状に形成され、ステージ１２に保持されるガラス基板２との間に僅かな隙間を形成する。第２電極５２は、ＣＯ_２レーザ光２２を遮らないように、ＣＯ_２レーザ光２２の経路の外に配設される。

直流高圧電源５４は、ステージ１２と第２電極５２との間に直流電圧を印加し、貫通孔４内に放電を生じさせる。

尚、本実施形態の加工ユニット５０は、第１電極としてのステージ１２を有するが、ステージ１２とは別に第１電極を有してもよい。この場合、第１電極は第２電極５２と同様に針状に形成されてもよい。

次に、上記加工装置を用いた放電加工の工程Ｓ１３について説明する。当該工程Ｓ１３では、ステージ１２と第２電極５２との間に直流電圧を印加し、貫通孔４内に放電を生じさせることにより、貫通孔４を放電加工する。スループットの向上のため、レーザ加工の完了から放電加工の開始までの待ち時間は１ｍｓ以下であってよい。

放電加工の後、レーザ光源２０、光学系３０および第２電極５２と、ステージ１２との水平方向における相対位置が変更され、レーザ加工および放電加工が再び行われる。これにより、ガラス基板２に複数の貫通孔が形成される。その後、複数の貫通孔を備えるガラス基板が湿式エッチング加工に供される。

尚、レーザ光源２０、光学系３０および第２電極５２と、ステージ１２との水平方向における相対位置を変える際、どちらを移動させてもよいし、両方を移動させてもよい。

以下、試験例１〜試験例５について説明する。試験例１が比較例、試験例２〜試験例５が実施例である。

［試験例１］
試験例１では、図２に示す加工装置によりガラス基板をレーザ加工し、ガラス基板に約１００００個の貫通孔を形成した。試験例１では、湿式エッチング加工および放電加工は実施しなかった。

ガラス基板には、厚さ０．３ｍｍの無アルカリガラス基板（旭硝子社製、ＥＮ−Ａ１）を使用した。ガラス基板の光源側の主面とその反対側の主面の両方に、ＰＥＴフィルムを貼りつけた。ＣＯ_２レーザ光源の出力は、定格の８０％とした。ＣＯ_２レーザ光の照射時間は、貫通孔１つ当たり２５５μｓに設定した。貫通孔形成後、フィルムを除去し、７５０℃で熱処理を行った。

試験例１により得られた代表的な貫通孔の縦断面写真を図８に示す。図８において暗部が貫通孔である。

試験例１により得られた貫通孔は、第１開口縁の直径が７５μｍ、第２開口縁の直径が４０μｍ、両開口縁の直径の差が３５μｍ、第１開口縁での傾斜角αが３１°、第２開口縁での傾斜角βが３°であった。

［試験例２〜試験例５］
試験例２〜試験例５では、それぞれ試験例１と同じ条件でレーザ加工を行いガラス基板に貫通孔を形成した後、ガラス基板の薬液への浸漬時間以外、同じ条件で湿式エッチング加工を行った。湿式エッチング加工の薬液としては、フッ酸水溶液（温度２５〜３１°、濃度２質量％）を用いた。

ガラス基板の薬液への浸漬時間は、試験例２では１０分、試験例３では１３分、試験例４では１６分、試験例５では２０分に設定した。湿式エッチング加工による板厚の減少量ΔＴは、試験例２では２２μｍ、試験例３では２６μｍ、試験例４では３１μｍ、試験例５では４１μｍであった。

試験例４により得られた代表的な貫通孔の縦断面写真を図９に示す。図９において暗部が貫通孔である。尚、試験例２、３、５では、試験例４と同様の形状の貫通孔が得られたため、貫通孔の縦断面写真の図示を省略する。

［試験結果］
試験結果を表１および図１０に示す。図１０において、黒丸は第１開口縁の直径、白丸は第２開口縁の直径を表す。また、図１０において、縦軸は直径［μｍ］、横軸は板厚の減少量ΔＴ［μｍ］である。

表１および図１０から、湿式エッチング加工により両開口縁の直径の差が低減でき、貫通孔の形状が円柱状に近くなることがわかる。また、表１および図１０から、板厚の減少量ΔＴが２５μｍ以上の場合、貫通孔の傾斜角の大きい部分が十分に除去でき、貫通孔の両開口縁における直径の差が十分に小さくできることがわかる。さらに、表１および図１０から、板厚の減少量ΔＴが３５μｍ以下の場合、湿式エッチングによる第１開口縁の直径の拡大が抑制できることがわかる。

以上、貫通孔形成方法の実施形態などを説明したが、本発明は上記実施形態などに限定されず、特許請求の範囲に記載された要旨の範囲内で、種々の変形および改良が可能である。

２ガラス基板
２ａガラス基板のレーザ光源側の主面
２ｂガラス基板の反対側の主面
４貫通孔
４ａ第１開口縁
４ｂ第２開口縁
１０加工装置
１２ステージ（第１電極）
２０レーザ光源
２２ＣＯ_２レーザ光
３０光学系
３２波長板
３６集光レンズ
５０加工ユニット
５２第２電極
５４直流高圧電源
６０湿式エッチング装置
６２浴槽
６４薬液

上記課題を解決するため、本発明の一態様によれば、
ガラス基板に対し片側からレーザ光を照射することにより、前記ガラス基板を板厚方向に貫通する貫通孔を形成する工程と、
前記貫通孔を備える前記ガラス基板の表面全体の湿式エッチングを行う工程とを有し、
前記貫通孔は、前記ガラス基板のレーザ光源側の主面に第１開口縁を有し、前記ガラス基板のレーザ光源とは反対側の主面に第２開口縁を有し、
前記湿式エッチングの前の前記貫通孔は、前記第１開口縁が前記第２開口縁よりも大きく、前記貫通孔の中心線に対する前記貫通孔の側面の傾きが前記第１開口縁と前記第２開口縁とで異なり、前記第１開口縁での前記傾きが前記第２開口縁での前記傾きよりも大きく、
前記湿式エッチングにより、前記第１開口縁での前記傾きが前記第２開口縁での前記傾きよりも大きい部分を除去する、貫通孔形成方法が提供される。

Claims

ガラス基板に対し片側からＣＯ_２レーザ光を照射することにより、前記ガラス基板を板厚方向に貫通する貫通孔を形成する工程と、
前記貫通孔を備える前記ガラス基板の表面全体の湿式エッチングを行う工程とを有する、貫通孔形成方法。
前記貫通孔は、前記ガラス基板のレーザ光源側の主面に第１開口縁を有し、前記ガラス基板のレーザ光源とは反対側の主面に第２開口縁を有し、
前記湿式エッチングの前に、前記第１開口縁が前記第２開口縁よりも大きく、前記貫通孔の中心線に対する前記貫通孔の側面の傾きが前記第１開口縁と前記第２開口縁とで異なり、前記第１開口縁での前記傾きが前記第２開口縁での前記傾きよりも大きい、請求項１に記載の貫通孔形成方法。
前記ＣＯ_２レーザ光の偏光を直線偏光から円偏光に変換し、円偏光の前記ＣＯ_２レーザ光を前記ガラス基板に照射する、請求項１または２に記載の貫通孔形成方法。
前記湿式エッチングの前に、前記貫通孔を放電加工する工程をさらに有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の貫通孔形成方法。
前記湿式エッチングによる前記ガラス基板の板厚の減少量が２５〜３５μｍである、請求項１〜４のいずれか１項に記載の貫通孔形成方法。