JP2017066027A - パルスレーザを用いてガラス基板に孔を形成する方法、および孔を有するガラス基板を製造する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】割れおよび欠けの発生を抑制して、現実的な時間でガラス基板に孔を形成する。
【解決手段】パルスレーザを用いてガラス基板に孔を形成する方法であって、（１）相互に対向する第１および第２の表面を有するガラス基板を準備する工程と、（２）前記ガラス基板の前記第１の表面の側に、第１の条件で、レンズを介してパルスレーザを照射することにより、前記第１の表面に、凹部を形成する工程と、（３）前記パルスレーザのエネルギー密度が前記ガラス基板の加工閾値以下となる第２の条件で、前記凹部に前記パルスレーザを照射して、孔を形成する工程と、を有する方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、パルスレーザを用いてガラス基板に孔を形成する方法、および孔を有するガラス基板を製造する方法に関する。

従来より、ＣＯ_２レーザ等のレーザをガラス基板に照射することにより、ガラス基板に１または２以上の貫通孔を形成する技術が知られている。最近では、より微細な貫通孔を形成するため、レーザとしてパルスレーザを使用して、貫通孔加工を行うことが検討されている。

例えば、非特許文献１には、加工の際に、ガラス基板の表面にレーザ吸収のよい顔料を塗布することにより、パルスレーザのエネルギー密度を下げることが記載されている。

精密工学会誌 ＶＯＬ６４、ＮＯ７、１９９８、１０６２〜１０６６頁

パルスレーザを使用した場合、ガラス基板に、例えば直径が３０μｍ以下程度の微細な孔を形成することが可能になる。

しかしながら、パルスレーザは、ＣＷ（連続波）レーザのようなレーザ光に比べてピークパワーが高いため、孔加工中および／または孔形成後に、ガラス基板に割れおよび／または欠けが生じやすいという問題がある。また、そのような割れおよび／または欠けが生じないようにするため、パルスレーザのエネルギー密度を低下させると、今度はガラス基板に孔を形成するまでの加工時間が長くなったり、孔が形成されなくなったりするという問題が生じる。

なお、発明者らの実験では、非特許文献１に記載の方法を使用した場合であっても、割れおよび／または欠けは生じ得る。

本発明は、このような背景に鑑みなされたものであり、本発明では、パルスレーザを使用して、ガラス基板に割れおよび／または欠けをあまり発生させずに、現実的な時間で孔を形成することが可能な方法を提供することを目的とする。

本発明では、パルスレーザを用いてガラス基板に孔を形成する方法であって、
（１）相互に対向する第１および第２の表面を有するガラス基板を準備する工程と、
（２）前記ガラス基板の前記第１の表面の側に、第１の条件で、レンズを介してパルスレーザを照射することにより、前記第１の表面に、凹部を形成する工程であって、
前記凹部は、前記第１の表面における直径φおよび深さｄを有し、
前記直径φは、以下の（１）式

スポット径Ｓ＝（４×λ×ｆ×Ｍ^２）／（π×ｒ） （１）式
（ここで、λは前記パルスレーザの波長であり、ｆは前記レンズの焦点距離であり、Ｍ^２はエムスクエア値であり、ｒは前記レンズに入射される前記パルスレーザのビームの直径である）

で表される前記パルスレーザの前記第１の表面におけるスポット径Ｓ以上（φ≧Ｓ）であり、前記深さｄは、前記直径φの０．７倍以上である、工程と、
（３）前記パルスレーザのエネルギー密度が前記ガラス基板の加工閾値以下となる第２の条件で、前記凹部に前記パルスレーザを照射して、孔を形成する工程と、
を有する方法が提供される。

また、本発明では、孔を有するガラス基板を製造する方法であって、
（１）相互に対向する第１および第２の表面を有するガラス基板を準備する工程と、
（２）前記ガラス基板の前記第１の表面の側に、第１の条件で、レンズを介してパルスレーザを照射することにより、前記第１の表面に、凹部を形成する工程であって、
前記凹部は、前記第１の表面における直径φおよび深さｄを有し、
前記直径φは、以下の（１）式

スポット径Ｓ＝（４×λ×ｆ×Ｍ^２）／（π×ｒ） （１）式
（ここで、λは前記パルスレーザの波長であり、ｆは前記レンズの焦点距離であり、Ｍ^２はエムスクエア値であり、ｒは前記レンズに入射される前記パルスレーザのビームの直径である）

で表される前記パルスレーザの前記第１の表面におけるスポット径Ｓ以上（φ≧Ｓ）であり、前記深さｄは、前記直径φの０．７倍以上である、工程と、
（３）前記パルスレーザのエネルギー密度が前記ガラス基板の加工閾値以下となる第２の条件で、前記凹部に前記パルスレーザを照射して、孔を形成する工程と、
を有する方法が提供される。

本発明では、パルスレーザを使用して、ガラス基板に割れおよび／または欠けをあまり発生させずに、現実的な時間で孔を形成することが可能な方法を提供することができる。

本発明の一実施形態による貫通孔形成方法の一過程におけるガラス基板の断面を模式的に示した図である。 本発明の一実施形態によるガラス基板に孔を形成する方法のフローを模式的に示した図である。 本発明の一実施形態による貫通孔形成方法に使用され得る装置の構成を概略的に示した図である。 本発明の一実施形態による貫通孔形成方法に使用され得る装置の構成を概略的に示した図である。 本発明の一実施形態による別の孔形成方法のフローを模式的に示した図である。 本本発明の一実施形態による別の孔形成方法に使用され得る装置の構成を概略的に示した図である。 例１〜例６において、第１照射段階後に形成された凹部の断面状態および表面状態をまとめて示した図である。 例１０〜例１４において、第１照射段階後に形成された凹部の断面状態および表面状態をまとめて示した図である。

本願の一実施形態では、パルスレーザを用いてガラス基板に孔を形成する方法であって、
（１）相互に対向する第１および第２の表面を有するガラス基板を準備する工程と、
（２）前記ガラス基板の前記第１の表面の側に、第１の条件で、レンズを介してパルスレーザを照射することにより、前記第１の表面に、凹部を形成する工程であって、
前記凹部は、前記第１の表面における直径φおよび深さｄを有し、
前記直径φは、以下の（１）式

スポット径Ｓ＝（４×λ×ｆ×Ｍ^２）／（π×ｒ） （１）式
（ここで、λは前記パルスレーザの波長であり、ｆは前記レンズの焦点距離であり、Ｍ^２はエムスクエア値であり、ｒは前記レンズに入射される前記パルスレーザのビームの直径である）

で表される前記パルスレーザの前記第１の表面におけるスポット径Ｓ以上（φ≧Ｓ）であり、前記深さｄは、前記直径φの０．７倍以上である、工程と、
（３）前記パルスレーザのエネルギー密度が前記ガラス基板の加工閾値以下となる第２の条件で、前記凹部に前記パルスレーザを照射して、孔を形成する工程と、
を有する方法が提供される。

本願の一実施形態では、パルスレーザを用いてガラス基板に孔を形成する際に、前記（２）および（３）の２段階の工程が実施される。ここで、それぞれの工程を、「第１照射段階」および「第２照射段階」とも称する。

以下、それぞれの照射段階について説明する。

まず、第１照射段階では、レンズを介して、ガラス基板に第１の照射条件でパルスレーザを照射することにより、ガラス基板の第１の表面に、凹部が形成される。

図１には、第１照射段階完了後のガラス基板の断面を模式的に示す。

図１に示すように、ガラス基板１０は、第１の表面１２および第２の表面１４を有する。また、ガラス基板１０の第１の表面１２には、凹部２０が形成されている。凹部２０は、第１の表面１２において直径φを有するとともに、深さｄを有する。

ここで、凹部２０の直径φは、以下の式で表されるスポット径Ｓ

スポット径Ｓ＝（４×λ×ｆ×Ｍ^２）／（π×ｒ） （１）式
（ここで、λはパルスレーザの波長であり、ｆはレンズの焦点距離であり、Ｍ^２はエムスクエア値であり、ｒはレンズに入射されるパルスレーザのビームの直径である）

と等しいか、それ以上の寸法を有する（条件Ａ）。また、凹部２０の深さｄは、直径φの０．７倍以上である（条件Ｂ）。換言すれば、第１照射段階における第１の照射条件は、ガラス基板１０の第１の表面１２に、前記条件Ａ、Ｂを満たす直径φおよび深さｄを有する凹部２０が形成されるように選定される。

なお、第１照射段階では、ガラス基板１０に凹部２０が形成されるものの、未だ所望の深さの孔は形成されていないことに留意する必要がある。

次に、第２照射段階では、パルスレーザのエネルギー密度がガラス基板１０の加工閾値以下まで抑制される。また、そのような「低エネルギー密度」のパルスレーザが前記凹部２０に向かって照射される。

ここで、通常の場合、エネルギー密度がガラス基板１０の加工閾値以下まで抑制されたパルスレーザをガラス基板１０に照射しても、ガラス基板１０の表面は、ほとんど加工されない。

しかしながら、本発明では、第２照射段階において、パルスレーザは、前述のような形状を有する凹部２０に照射される。この場合、パルスレーザは、凹部２０の内壁での反射により、凹部２０の先端２２（図１参照）に集中的に照射されるようになる。そのため、加工閾値以下のパルスレーザの照射でも加工が進み、凹部２０の先端２２は、ガラス基板１０の厚さ方向に進展することができる。また、凹部２０の先端２２が進展を続けて、ガラス基板１０の第２の表面１４に到達した際に、ガラス基板１０に貫通孔を形成することができる。

なお、上記メカニズムは、発明者らが現時点で考察したものであって、実際の孔の形成挙動は、その他のメカニズムで説明されても良い。

このように、本発明では、第１照射段階および第２照射段階を介して、ガラス基板に孔を形成する。このような方法では、加工閾値を超えるエネルギー密度でガラス基板にパルスレーザを照射し続けて孔を形成する方法とは異なり、第２照射段階において、加工閾値以下のエネルギー密度を有するパルスレーザを使用することができる。このため、孔加工中および／または孔加工後に、ガラス基板に割れおよび／または欠けが生じる可能性を有意に抑制することができる。

また、このような方法では、第１照射段階において得られた凹部２０を利用して、第２照射段階において、ガラス基板の加工が継続される。このため、単にエネルギー密度が抑制されたパルスレーザを照射し続ける方法において生じるような、有意な時間では所望の深さの孔が形成されないという問題を回避することができる。

このように、本願の一実施形態では、ガラス基板に生じ得る割れおよび／または欠けをできる限り抑制して、現実的な加工時間で孔を形成することが可能となる。

（凹部２０について）
前述のように、第１照射段階で生じる凹部２０は、直径φおよび深さｄを有する。

凹部２０の直径φは、例えば、３μｍ〜３０μｍの範囲であり、１１μｍ〜２１μｍの範囲であることが好ましい。また、凹部２０の深さｄは、例えば、２．１μｍ〜１２０μｍの範囲であり、１３μｍ〜４２μｍの範囲であることが好ましい。

また、深さｄと直径φの比ｄ／φは、０．７以上であることが好ましく、１．０以上であることがより好ましく、１．５以上が特に好ましく、２．０以上が最も好ましい。比ｄ／φは、４．０以下であることが好ましく、３．５以下がより好ましく、３．０以下が特に好ましい。比ｄ／φが４を超えるように凹部２０を形成すると、割れおよび／または欠けが生じやすくなるからである。

（本発明に使用されるパルスレーザについて）
本発明の一実施形態では、使用されるパルスレーザの波長λは、２００ｎｍ〜１２００ｎｍの範囲であっても良い。パルスレーザの波長λは、例えば３５５ｎｍであっても良い。

また、本発明の一実施形態では、前述の（１）式で表されるスポット径Ｓは、２μｍ〜２５μｍの範囲であっても良く、５〜２２μｍの範囲であっても良く、１０〜２０μｍの範囲であっても良い。

（第１の実施形態）
次に、図２乃至図４を参照して、本発明の第１の実施形態によるガラス基板に孔を形成する方法について、より詳しく説明する。

図２には、本発明の第１の実施形態によるガラス基板に孔を形成する方法（以下、「第１の孔形成方法」という）のフローを概略的に示す。

図２に示すように、第１の孔形成方法は、
（１）相互に対向する第１および第２の表面を有するガラス基板を準備する工程（ガラス基板準備工程）（工程Ｓ１１０）と、
（２）前記ガラス基板の前記第１の表面の側に、第１の条件で、レンズを介してパルスレーザを照射することにより、前記第１の表面に、凹部を形成する工程であって、前記第１の条件は、前記パルスレーザのエネルギー密度が前記ガラス基板の加工閾値を超えるように選定される、工程（凹部形成工程）（工程Ｓ１２０）と、
（３）前記パルスレーザのエネルギー密度が前記ガラス基板の加工閾値以下となる第２の条件で、前記凹部に前記パルスレーザを照射して、孔を形成する工程（孔形成工程）（工程Ｓ１３０）と、
を有する。

以下、図３および図４を参照して、各工程について説明する。なお、図３および図４には、第１の孔形成方法を実施する際に使用され得る装置の構成が概略的に示されている。

（工程Ｓ１１０）
まず、被加工用のガラス基板が準備される。

ガラス基板の組成は、特に限られない。

ガラス基板の厚さは、特に限られないが、例えば０．０５ｍｍ〜０．７ｍｍの範囲である。

（工程Ｓ１２０）
次に、ガラス基板の第１の表面に、第１の条件で、パルスレーザが照射される。また、これにより、ガラス基板の第１の表面に、凹部が形成される。なお、この工程Ｓ１２０は、前述の第１照射段階に相当する。従って、以下の説明では、工程Ｓ１２０を、第１の照射段階とも称する。

図３には、工程Ｓ１２０、すなわち第１の照射段階に使用され得る装置の構成を概略的に示す。

図３に示すように、この装置１００は、ファンクションジェネレータ１２０と、レーザ発振器１３０と、レンズ１４０とを有する。

ファンクションジェネレータ１２０は、入力されたゲート信号Ｉｍに対して、所定の矩形波信号ＯＰを出力する役割を有する。

レーザ発振器１３０は、ファンクションジェネレータ１２０から出力された矩形波信号ＯＰに基づいて、パルスレーザビームＰＬを出射する役割を有する。

レーザ発振器１３０から出射されたパルスレーザビームＰＬ（パルスレーザビーム１３５とも称する）は、レンズ１４０に照射される。レンズ１４０は、被加工対象となるガラス基板１０の第１の表面１２に、パルスレーザビーム１４５を集光する役割を有する。

このような装置１００を用いて、ガラス基板１０に凹部２０を形成する際には、まず、装置１００に、ガラス基板１０が設置される。ガラス基板１０は、レンズ１４０のレーザ発振器１３０とは反対の側に配置される。ガラス基板１０は、例えば、ＸＹステージを有するホルダ（図示されていない）の上に配置されても良い。ガラス基板１０は、第１の表面１２の側がレーザ照射側となるようにして配置される。

次に、前述の第１照射段階として、ファンクションジェネレータ１２０に、ゲート信号Ｉｍが入力される。ファンクションジェネレータ１２０は、入力されたゲート信号Ｉｍに対して、所定の矩形波信号ＯＰを出力する。

例えば、図３の例では、ファンクションジェネレータ１２０にゲート信号Ｉｍが入力され、ファンクションジェネレータ１２０から、電圧Ｖ_１を有する矩形波ＯＰ_１〜ＯＰ_３が出力される。矩形波ＯＰ_１〜ＯＰ_３は、いずれも時間幅ｔ_ｃ１を有し、隣接する矩形波同士の間隔は、ｔ_ｐ１である。ただし、矩形波信号ＯＰにおいて、矩形波の数、各矩形波の電圧Ｖ_１、時間幅ｔ_ｃ、および隣接する矩形波同士の間隔ｔ_ｐは、所定の値に調整できる。

次に、ファンクションジェネレータ１２０から出力された矩形波信号ＯＰは、レーザ発振器１３０に入力される。レーザ発振器１３０は、入力された矩形波信号ＯＰに基づいて、パルスレーザビームＰＬを出射する。

例えば、図３の例では、レーザ発振器１３０は、入力された矩形波信号ＯＰに基づいて、３つのパルス波ＰＬ_１〜ＰＬ_３を有するパルスレーザビームＰＬを出射する。各パルス波ＰＬ_１〜ＰＬ_３は、パルスエネルギーＥ_ｐおよび時間幅τ_ｃ１を有し、隣接するパルス波同士の間隔は、τ_ｐ１である。ここで、パルスエネルギーＥ_ｐ、すなわち縦軸Ｅの単位は、（Ｊ）である。

なお、パルスレーザビームＰＬにおいて、パルス波の数、各パルス波のパルスエネルギーＥ_Ｐ、時間幅τ_ｃ、および隣接するパルス波同士の間隔τ_ｐは、所定の値に調整できる。

次に、レーザ発振器１３０から出射されたパルスレーザビームＰＬ（パルスレーザビーム１３５とも称する）は、レンズ１４０に照射される。レンズ１４０に照射されたパルスレーザビーム１３５はここで集光され、パルスレーザビームＰＦ（パルスレーザビーム１４５とも称する）となり、ガラス基板１０に照射される。これにより、ガラス基板１０の第１の表面１２に、スポット１４９が形成される。

スポット１４９のスポット径Ｓは、

スポット径Ｓ＝（４×λ×ｆ×Ｍ^２）／（π×ｒ） （１）式

で表される。ここで、λはパルスレーザビーム１３５の波長であり、ｆはレンズ１４０の焦点距離であり、Ｍ^２はエムスクエア値であり、ｒはレンズ１４０に入射されるパルスレーザビーム１３５の直径（図３参照）である。

レーザのエネルギー密度Ｅ_ｍは、レーザ発振器１３０から出力されるパルスレーザビームのパルスエネルギーＥ_ｐをスポット径Ｓで表わされる面積で割ることで算出される。つまり、

エネルギー密度Ｅ_ｍ＝Ｅ_ｐ／（π×（Ｓ／２）^２） （２）式

で表わされる。ここで、エネルギー密度Ｅ_ｍ、すなわち図３におけるパルスレーザビームＰＦの波形を表す縦軸Ｅ'の単位は、（Ｊ／ｍｍ^２）である。

エネルギー密度Ｅ_ｍは、ガラス基板１０の加工閾値Ｅ_ｔを超えるように選定される。例えば、パルスレーザビームＰＬに含まれる各パルス波ＰＬ_１〜ＰＬ_３が、１００μＪ以上のパルスエネルギーＥ_ｐを有するとする。この場合、焦点距離５０ｍｍ、パルスレーザビーム１３５の直径ｒを２．５ｍｍとすることで、エネルギー密度Ｅ_ｍは、ガラス基板１０の加工閾値Ｅ_ｔを超えることになる。

パルスレーザビーム１４５の照射により、ガラス基板１０の第１の表面１２に、凹部２０が形成される。

前述のように、パルスレーザビーム１４５の照射条件は、
（Ａ）凹部２０の直径φが前記（１）式で表されるスポット径Ｓと等しいか、それ以上の寸法を有し、
（Ｂ）凹部２０の深さｄが直径φの０．７倍以上となる
ように選定される。

第１照射段階におけるパルスレーザビーム１４５の照射回数（以降、ショット数とする。）は、例えば、１回〜３００回が好ましく、５回〜１００回が好ましく、１１回〜５０回程度がより好ましい。

（工程Ｓ１３０）
次に、ガラス基板１０の凹部２０に、第２の条件で、パルスレーザビームが照射される。また、これにより、ガラス基板１０の第１の表面１２に、所望の深さの孔が形成される。なお、この工程Ｓ１３０は、前述の第２照射段階に相当する。従って、以下の説明では、工程Ｓ１３０を、第２の照射段階とも称する。

図４には、工程Ｓ１３０、すなわち第２の照射段階の様子を模式的に示す。図４に示すように、第２の照射段階では、ファンクションジェネレータ１２０から出力される矩形波信号ＯＰが第１の照射段階のものから変更され、これにより、レーザ発振器１３０から出射されるパルスレーザビームＰＬ（パルスレーザビーム１３５）の波形が第１の照射段階のものから変更される。

第１照射段階から第２照射段階におけるパルスレーザビームＰＬの波形の変更の方法は、特に限られない。例えば、パルスレーザビームＰＬは、ＰＷＭ制御方式、出力変調方式または周波数変調方式により、波形が変更されても良い。

以下、一例として、ＰＷＭ制御方式により、パルスレーザビームＰＬの波形を変更する方法について説明する。

この場合、図４に示すように、ファンクションジェネレータ１２０から出力される矩形波信号ＯＰは、電圧Ｖ_１を有する矩形波ＯＱ_１〜ＯＱ_３を有するように変更される。各矩形波ＯＱ_１〜ＯＱ_３は、いずれも時間幅ｔ_ｃ２を有し、隣接する矩形波同士の間隔は、ｔ_ｐ２である。

ここで、図３に示した第１照射段階における矩形波信号ＯＰと、図４に示した第２照射段階における矩形波信号ＯＰを比較した場合、時間幅ｔ_ｃ２＜時間幅ｔ_ｃ１であり、および隣接する矩形波同士の間隔ｔ_ｐ２＞間隔ｔ_ｐ１であっても良い。

次に、ファンクションジェネレータ１２０から出力された矩形波信号ＯＰがレーザ発振器１３０に入力される。これにより、レーザ発振器１３０から、出力が変調されたパルスレーザビームＰＬが出射される。

より具体的には、図４に示すように、パルスレーザビームＰＬは、３つのパルス波ＰＱ_１〜ＰＱ_３を有する。各パルス波ＰＱ_１〜ＰＱ_３は、パルスエネルギーＥ_ｃおよび時間幅τ_ｃ２を有し、隣接するパルス波同士の間隔は、τ_ｐ２である。

ここで、パルスエネルギーＥ_ｃは、レンズ１４０により集光されたパルスレーザビームＰＦの各パルス波ＰＧ_１〜ＰＧ_３のエネルギー密度Ｅ_ｓが、ガラス基板１０の加工閾値Ｅ_ｔ以下となるように選定される。エネルギー密度Ｅ_ｓは、例えば、加工閾値Ｅ_ｔの１／１０から１／２の範囲であっても良い。

このように、パルスレーザビームＰＬ、すなわちパルスレーザビーム１３５は、レンズ１４０により集光されてパルスレーザビーム１４５となり、これがガラス基板１０の凹部２０に照射される。

前述のように、第２照射段階では各パルス波ＰＧ_１〜ＰＧ_３のエネルギー密度Ｅ_ｓがガラス基板１０の加工閾値Ｅ_ｔ以下であっても、ガラス基板１０の加工を進めることができる。そのため、ある程度のショット数でパルスレーザビーム１４５を照射した後には、ガラス基板１０に所望の深さを有する孔１６０が形成される。図４では、貫通した孔１６０が形成される例が示されている。

第２照射段階におけるパルスレーザビーム１４５のショット数は、凹部２０の先端２２が所望の深さまで進展する回数にすればよい。好ましいショット数は、所望する孔の深さやガラス基板１０の厚さによって異なる。例えば、ショット数は１回〜３０００回が好ましく、１回〜１５００回程度がより好ましい。

以上の工程により、ガラス基板１０に、所望の深さの孔を形成することができる。

第１の孔形成方法では、現実的な時間で孔を形成することができるとともに、割れおよび／または欠けの発生を有意に抑制することができる。

また、孔形成後にガラス基板１０をアニール処理し、その後にエッチング処理することで孔径を拡大したり、孔内部を平滑にしたり、ガラス基板表面のデブリを除去したりすることも可能である。

（第２の実施形態）
次に、図５および図６を参照して、本発明の第２の実施形態によるガラス基板に孔を形成する方法について、より詳しく説明する。

図５には、本発明の第２の実施形態によるガラス基板に孔を形成する方法（以下、「第２の孔形成方法」という）のフローを概略的に示す。

図５に示すように、第２の孔形成方法は、
（１）相互に対向する第１および第２の表面を有するガラス基板を準備する工程（ガラス基板準備工程）（工程Ｓ２１０）と、
（２）前記ガラス基板の前記第１の表面に、吸収層を設置する工程（吸収層設置工程）（工程Ｓ２２０）と、
（３）前記ガラス基板の前記第１の表面の側に、第１の条件で、レンズを介してパルスレーザを照射することにより、前記第１の表面に、凹部を形成する工程であって、前記第１の条件は、前記パルスレーザのエネルギー密度が前記ガラス基板の加工閾値以下となるように選定される、工程（凹部形成工程）（工程Ｓ２３０）と、
（４）前記パルスレーザのエネルギー密度が前記ガラス基板の加工閾値以下となる第２の条件で、前記凹部に前記パルスレーザを照射して、孔を形成する工程（孔形成工程）（工程Ｓ２４０）と、
を有する。

以下、各工程について説明する。

（工程Ｓ２１０）
まず、被加工用のガラス基板が準備される。なお、この工程は、前述の第１の孔形成方法の工程Ｓ１１０と同様であるため、ここではこれ以上説明しない。

（工程Ｓ２２０）
次に、ガラス基板の第１の表面に、吸収層が設置される。

吸収層は、工程Ｓ２３０で利用されるパルスレーザの少なくとも一部のエネルギーを吸収する機能を有する限り、その材料は、特に限られない。吸収層は、例えば、合成樹脂インクやカーボンブラック等を含む顔料であってもよい。

吸収層は、例えばスプレーコート法やインクジェット法などにより、ガラス基板の第１の表面に設置される。

（工程Ｓ２３０）
次に、ガラス基板の第１の表面に、第１の条件で、パルスレーザが照射される。また、これにより、ガラス基板の第１の表面に、凹部が形成される。なお、この工程Ｓ２３０は、前述の第１照射段階に相当する。従って、以下の説明では、工程Ｓ２３０を、第１の照射段階とも称する。

図６には、工程Ｓ２３０、すなわち第１の照射段階における様子を模式的に示す。なお、図６には、明確化のため、吸収層は示されていない。

図６に示すように、この第１の照射段階は、前述の図３に示したような、第１の孔形成方法における第１の照射段階とほぼ同様である。

例えば、図６の例では、ファンクションジェネレータ１２０にゲート信号Ｉｍが入力され、ファンクションジェネレータ１２０から、電圧Ｖ_１を有する矩形波ＯＲ_１〜ＯＲ_３が出力される。矩形波ＯＲ_１〜ＯＲ_３は、いずれも時間幅ｔ_ｃ３を有し、隣接する矩形波同士の間隔は、ｔ_ｐ３である。また、図６の例では、レーザ発振器１３０において、入力された矩形波信号ＯＰに基づいて、３つのパルス波ＰＭ_１〜ＰＭ_３を有するパルスレーザビームＰＬが出射される。各パルス波ＰＭ_１〜ＰＭ_３は、パルスエネルギーＥ_１および時間幅τ_ｃ３を有し、隣接するパルス波同士の間隔は、τ_ｐ３である。ここで、パルスエネルギーＥ_１、すなわち縦軸Ｅの単位は、（Ｊ）である。

ただし、工程Ｓ２３０では、ガラス基板１０に照射されるパルスレーザビーム１４５を構成する各パルス波ＰＨ_１〜ＰＨ_３のエネルギー密度Ｅ_ｎは、ガラス基板１０の加工閾値Ｅ_ｔ以下となるように選定される。

これは、第２の孔形成方法では、吸収層の存在により、パルスレーザビーム１４５のエネルギー密度Ｅ_ｎがガラス基板１０の加工閾値Ｅ_ｔ以下であっても、前述のような特徴を有する凹部２０を形成することができるためである。

すなわち、第２の孔形成方法では、工程Ｓ２２０において、ガラス基板１０の第１の表面１２に、吸収層（図６には示されていない）が設置される。このような吸収層がガラス基板１０の第１の表面１２に存在すると、吸収層によるパルスレーザビーム１４５の吸収により、ガラス基板１０の第１の表面１２のエネルギー密度が低くても比較的容易にアブレーションされるようになる。そして、前述のような特徴を有する凹部２０、すなわち、条件（Ａ）および（Ｂ）を満たす凹部２０が形成される。

第２の孔形成方法の第１照射段階におけるパルスレーザビームのショット数は、例えば１回〜３００回が好ましく、２１回〜５０回程度がより好ましい。

（工程Ｓ２４０）
次に、ガラス基板１０の凹部２０に、第２の条件で、パルスレーザが照射される。また、これにより、ガラス基板１０に、所望の深さの孔が形成される。なお、この工程Ｓ２４０は、前述の第２照射段階に相当する。従って、以下の説明では、工程Ｓ２４０を、第２の照射段階とも称する。

この工程Ｓ２４０は、前述の第１の孔形成方法の工程Ｓ１３０とほぼ同様である。すなわち、この工程Ｓ２４０では、レーザ発振器１３０から、各パルス波ＰＮ_１〜ＰＮ_３を有するパルスレーザビームＰＬが、レンズ１４０に照射される。また、レンズ１４０により集光された各パルス波ＰＫ_１〜ＰＫ_３が、ガラス基板１０の凹部２０に照射される。

パルスレーザビームＰＬを構成する各パルス波ＰＮ_１〜ＰＮ_３は、エネルギーＥ_ｇを有する。換言すれば、パルスレーザビームＰＦを構成する各パルス波ＰＫ_１〜ＰＫ_３は、エネルギー密度Ｅ_ｋを有する。そして、このエネルギー密度Ｅ_ｋは、ガラス基板１０の加工閾値Ｅ_ｔ（吸収層を有さない場合の加工閾値を意味する。以下同じ）以下となるように選定される。エネルギー密度Ｅ_ｋは、例えば、ガラス基板の加工閾値Ｅ_ｔの１／１０から１／２の範囲であっても良い。

前述のように、第２照射段階では、凹部２０の存在のため、各パルス波ＰＫ_１〜ＰＫ_３のエネルギー密度Ｅ_ｋがガラス基板１０の加工閾値Ｅ_ｔ以下であっても、ガラス基板１０の孔加工を進めることができる。

なお、第２の孔形成方法では、工程Ｓ２４０、すなわち第２の照射段階におけるパルス波ＰＫ_１〜ＰＫ_３のエネルギー密度Ｅ_ｋと、工程Ｓ２３０、すなわち第１の照射段階におけるパルス波ＰＨ_１〜ＰＨ_３のエネルギー密度Ｅ_ｎとの大小関係は、特に限られない。

すなわち、両者のエネルギー密度は、Ｅ_ｎ＞Ｅ_ｋであっても、Ｅ_ｎ＝Ｅ_ｋであっても、Ｅ_ｎ＜Ｅ_ｋであってもよい。

第２の孔形成方法においても、第１の形成方法と同様の効果、すなわち、現実的な時間で孔を形成することができるとともに、割れおよび／または欠けの発生を有意に抑制することができるという効果が得られることは、明らかであろう。

また、孔形成後にガラス基板１０をアニール処理し、その後にエッチング処理することで孔径を拡大したり、孔内部を平滑にしたり、ガラス基板表面のデブリを除去したりすることも可能である。

以上、第１および第２の孔形成方法を例に、本発明の一実施形態による具体的な孔の形成方法の一例について説明した。ただし、本発明による孔の形成方法は、これらに限られるものではない。

例えば、上記記載では、第１照射段階から第２照射段階に移行する際に、パルスレーザビームＰＬの波形を、ＰＷＭ制御方式により変化させた。ただし、ＰＷＭ制御方式の代わりに、周波数変調方式を用いてもよい。具体的には、図３の各パルス間隔ｔ_ｐ１と図４の各パルス間隔ｔ_ｐ２を変える、すなわち時間間隔を変えることで実現できる。その結果、レーザから出力される各パルスの間隔τ_ｐ１とτ_ｐ２も同様の変化をし、時間間隔の異なるパルス列を照射する、すなわち周波数変調の加工ができることになる。

その他にも、各種変更が可能である。

また、以上の記載では、本発明の一実施形態による、パルスレーザを用いてガラス基板に孔を形成する方法について説明した。しかしながら、係る方法は、本発明の別の一実施形態による、孔を有するガラス基板を製造する方法に適用可能であることは明らかであろう。

次に、本発明の実施例について説明する。

（例１）
以下の方法により、パルスレーザを用いてガラス基板に貫通孔を形成した。

まず、厚さが０．２ｍｍのガラス基板（無アルカリガラス）を準備した。

次に、このガラス基板を前述の図３に示したような装置１００に設置した。装置１００において、ファンクションジェネレータ１２０には、装置ＷＷ１２８１Ａ（東洋テクニカ社製）を使用し、レーザ発振器１３０には、装置ＡＶＩＡ−Ｘ（コヒーレント社製）を使用した。レンズ１４０（光学系）には、焦点距離＝５０ｍｍの合成石英製平凸レンズを使用した。

次に、前述の第１の孔形成方法における第１照射段階および第２照射段階を実施した。レーザ発振器１３０から出射させるパルスレーザの波長λは、３５５ｎｍとし、パルス幅は、２０ｎｓとした。繰り返し周波数は、１０ｋＨｚとした。また、パルスレーザビームのレンズ１４０に入射する際の直径ｒは、２．５ｍｍとした。

従って、前述の（１）式で表されるスポット径Ｓは、Ｍ^２＝１．２として、１０．８μｍである。

第１照射段階では、ガラス基板に、エネルギー密度Ｅ_ｐが１．３１μＪ／ｍｍ^２のパルスレーザを５０ショット照射した。なお、本実施例では、ガラス基板の加工閾値エネルギー密度Ｅ_ｔは、１．０９Ｊ／ｍｍ^２である。従って、Ｅ_ｍ＞Ｅ_ｔである。

これにより、ガラス基板に凹部が形成された。

凹部の直径φは、約２０．４μｍであり、深さｄは約４１．９μｍであった。従って、比ｄ／φは約２．０５である。

次に、第２照射段階のため、ＰＷＭ制御方式により、レーザ発振器１３０から出射されるパルスレーザビームのエネルギー密度を変化させた。

第２照射段階では、第１照射段階で形成されたガラス基板の凹部に、エネルギー密度Ｅ_ｓが０．２２Ｊ／ｍｍ^２のパルスレーザを４６０ショット照射した。ここでＥ_ｓ＜Ｅ_ｔである。

第２照射段階完了後に、ガラス基板を観察した。その結果、ガラス基板に貫通孔が形成されていることが確認された。ガラス基板には、割れおよび欠け等の異常は認められなかった。

（例２）
例１と同様の方法により、パルスレーザを用いてガラス基板に貫通孔を形成した。

ただし、この例２では、第１照射段階におけるパルスレーザのショット数を３０回とした。その他の条件は、例１の場合と同様である。

第１照射段階で形成された凹部の直径φは、約１８．１μｍであり、深さｄは約２７．５μｍであった。従って、比ｄ／φは約１．５１である。

第２照射段階完了後に、ガラス基板を観察した。その結果、ガラス基板に貫通孔が形成されていることが確認された。ガラス基板には、割れおよび欠け等の異常は認められなかった。

（例３）
例１と同様の方法により、パルスレーザを用いてガラス基板に貫通孔を形成した。

ただし、この例３では、第１照射段階におけるパルスレーザのショット数を２０回とした。その他の条件は、例１の場合と同様である。

第１照射段階で形成された凹部の直径φは、約１６．１μｍであり、深さｄは約１７．６μｍであった。従って、比ｄ／φは約１．０９である。

第２照射段階完了後に、ガラス基板を観察した。その結果、ガラス基板に貫通孔が形成されていることが確認された。ガラス基板には、割れおよび欠け等の異常は認められなかった。

（例４）
例１と同様の方法により、ガラス基板にパルスレーザを照射して、貫通孔の形成を試みた。

ただし、この例４では、第１照射段階におけるパルスレーザのショット数を１０回とした。その他の条件は、例１の場合と同様である。

第１照射段階において形成された凹部は、直径φが約１５．９μｍであり、深さｄが約１０．７μｍであった。従って、比ｄ／φは約０．６７である。

第２照射段階完了後に、ガラス基板を観察した。その結果、第１照射段階において形成された凹部から加工がほとんど進まず、ガラス基板に貫通孔は形成されていないことがわかった。

（例５）
例１と同様の方法により、ガラス基板にパルスレーザを照射して、貫通孔の形成を試みた。

ただし、この例５では、第１照射段階におけるパルスレーザのショット数を５回とした。その他の条件は、例１の場合と同様である。

第１照射段階において形成された凹部は、直径φが約１４．５μｍであり、深さｄが約３．６μｍであった。従って、比ｄ／φは約０．２４である。

第２照射段階完了後に、ガラス基板を観察した。その結果、第１照射段階において形成された凹部から加工がほとんど進まず、ガラス基板に貫通孔は形成されていないことがわかった。

（例６）
例１と同様の方法により、ガラス基板にパルスレーザを照射して、貫通孔の形成を試みた。

ただし、この例６では、第１照射段階におけるパルスレーザのショット数を３回とした。その他の条件は、例１の場合と同様である。

第１照射段階において形成された凹部は、直径φが約１２．７μｍであり、深さｄが約２．９μｍであった。従って、比ｄ／φは約０．２３である。

第２照射段階完了後に、ガラス基板を観察した。その結果、第１照射段階において形成された凹部から加工がほとんど進まず、ガラス基板に貫通孔は形成されていないことがわかった。

（例７）
例１と同様の方法により、パルスレーザを用いてガラス基板に貫通孔を形成した。

ただし、この例７では、第１照射段階におけるパルスレーザのエネルギー密度Ｅ_ｍを、１．３１Ｊ／ｍｍ^２とし、ショット数を５０回とした。また、第２照射段階におけるパルスレーザのエネルギー密度Ｅ_ｓを、１．３１Ｊ／ｍｍ^２とし、ショット数を４６０回とした。

第１照射段階において形成された凹部は、直径φが約２０．４μｍであり、深さｄが約４１．９μｍであった。従って、比ｄ／φは約２．０５である。

第２照射段階完了後に、ガラス基板を観察した。その結果、ガラス基板に貫通孔が形成されていることが確認された。しかしながら、ガラス基板には、割れがおよび欠けが生じていることが確認された。

以下の表１には、例１〜例７における第１照射段階および第２照射段階の条件、第１照射段階後の凹部の形状、ならびに第２照射段階後の貫通孔の形成状況およびガラス基板の状態を、まとめて示した。

また、図７には、例１〜例６において、第１照射段階後にガラス基板に形成された凹部の断面状態および表面状態をまとめて示した。

（例１０）
以下の方法により、パルスレーザを用いてガラス基板に貫通孔を形成した。

まず、厚さが０．２ｍｍのガラス基板（無アルカリガラス）を準備した。次に、このガラス基板の一方の表面に、吸収層を設置した。吸収層は、油性アクリルラッカー（Ｈ６２−８８０８ ６５）とし、スプレー塗布により、ガラス基板に設置した。

次に、このガラス基板に対して、例１の場合と同様の方法により、前述の第２の孔形成方法における第１照射段階および第２照射段階を実施した。レーザ発振器１３０から出射させるパルスレーザの波長λは、３５５ｎｍとし、パルス幅は、２０ｎｓとした。繰り返し周波数は、１０ｋＨｚとした。また、パルスレーザビームのレンズ１４０に入射する際の直径ｒは、２．５ｍｍとした。

従って、前述の（１）式で表されるスポット径Ｓは、Ｍ^２＝１．２として、１０．８μｍである。

第１照射段階では、ガラス基板に、エネルギー密度Ｅ_ｎが０．２２Ｊ／ｍｍ^２でのパルスレーザを５０ショット照射した。なお、本実施例では、ガラス基板の加工閾値エネルギー密度Ｅ_ｔは、１．０９Ｊ／ｍｍ^２である。従って、Ｅ_ｎ＜Ｅ_ｔである。

これにより、ガラス基板に凹部が形成された。

凹部の直径φは、約１２．１μｍであり、深さｄは約２８．７μｍであった。従って、比ｄ／φは約２．３７である。

次に、第２照射段階のため、ＰＷＭ制御方式により、レーザ発振器１３０から出射されるパルスレーザのエネルギー密度を変化させた。

第２照射段階では、第１照射段階で形成されたガラス基板の凹部に、エネルギー密度Ｅ_ｓが０．５５Ｊ／ｍｍ^２のパルスレーザを４６０ショット照射した。ここでＥ_ｋ＜Ｅ_ｔである。

第２照射段階完了後に、ガラス基板を観察した。その結果、ガラス基板に貫通孔が形成されていることが確認された。ガラス基板には、割れおよび欠け等の異常は認められなかった。

（例１１）
例１０と同様の方法により、パルスレーザを用いてガラス基板に貫通孔を形成した。

ただし、この例１１では、第１照射段階におけるパルスレーザのショット数を３０回とした。その他の条件は、例１０の場合と同様である。

第１照射段階で形成された凹部の直径φは、約１１．５μｍであり、深さｄは約１３．０μｍであった。従って、比ｄ／φは約１．１３である。

第２照射段階完了後に、ガラス基板を観察した。その結果、ガラス基板に貫通孔が形成されていることが確認された。ガラス基板には、割れおよび欠け等の異常は認められなかった。

（例１２）
例１０と同様の方法により、パルスレーザを用いてガラス基板に貫通孔を形成した。

ただし、この例１２では、第１照射段階におけるパルスレーザのショット数を２０回とした。その他の条件は、例１０の場合と同様である。

第１照射段階で形成された凹部の直径φは、約１０．９μｍであり、深さｄは約７．１μｍであった。従って、比ｄ／φは約０．６５である。

第２照射段階完了後に、ガラス基板を観察した。その結果、ガラス基板に貫通孔が形成されていることが確認された。しかしながら、ガラス基板には、割れがおよび欠けが生じていることが確認された。

（例１３）
例１０と同様の方法により、パルスレーザを用いてガラス基板に貫通孔を形成した。

ただし、この例１３では、第１照射段階におけるパルスレーザのショット数を１０回とした。その他の条件は、例１０の場合と同様である。

第１照射段階で形成された凹部の直径φは、約９．２μｍであり、深さｄは約３．３μｍであった。従って、比ｄ／φは約０．３５である。

第２照射段階完了後に、ガラス基板を観察した。その結果、ガラス基板に貫通孔が形成されていることが確認された。しかしながら、ガラス基板には、割れがおよび欠けが生じていることが確認された。

（例１４）
例１０と同様の方法により、パルスレーザを用いてガラス基板に貫通孔を形成した。

ただし、この例１４では、第１照射段階におけるパルスレーザのショット数を５回とした。その他の条件は、例１０の場合と同様である。

第１照射段階で形成された凹部の直径φは、約６．６μｍであり、深さｄは約１．３μｍであった。従って、比ｄ／φは約０．１９である。

第２照射段階完了後に、ガラス基板を観察した。その結果、ガラス基板に貫通孔が形成されていることが確認された。しかしながら、ガラス基板には、割れがおよび欠けが生じていることが確認された。

（例１５）
例１０と同様の方法により、パルスレーザを用いてガラス基板に貫通孔を形成した。

ただし、この例１５では、第１照射段階におけるパルスレーザのショット数を５０回とした。また、第２照射段階におけるパルスレーザのエネルギー密度を１．３１Ｊ／ｍｍ^２とし、ショット数を４６０回とした。その他の条件は、例１０の場合と同様である。

第１照射段階で形成された凹部の直径φは、約１２．１μｍであり、深さｄは約２８．７μｍであった。従って、比ｄ／φは約２．３７である。

第２照射段階完了後に、ガラス基板を観察した。その結果、ガラス基板に貫通孔が形成されていることが確認された。しかしながら、ガラス基板には、割れがおよび欠けが生じていることが確認された。

以下の表２には、例１０〜例１５における第１照射段階および第２照射段階の条件、第１照射段階後の凹部の形状、ならびに第２照射段階後の貫通孔の形成状況およびガラス基板の状態を、まとめて示した。

また、図８には、例１０〜例１４において、第１照射段階後にガラス基板に形成された凹部の断面状態および表面状態をまとめて示した。

このように、適正に定められた条件でパルスレーザによる第１照射段階と第２照射段階を実施することにより、ガラス基板に生じる割れおよび欠けを有意に抑制した状態で、貫通孔が形成できることが確認された。

１０ ガラス基板
１２ 第１の表面
１４ 第２の表面
２０ 凹部
２２ 凹部の先端
１００ 装置
１２０ ファンクションジェネレータ
１３０ レーザ発振器
１３５ パルスレーザビーム
１４０ レンズ
１４５ パルスレーザビーム
１４９ スポット
１６０ 貫通孔

Claims (10)

1. パルスレーザを用いてガラス基板に孔を形成する方法であって、
   （１）相互に対向する第１および第２の表面を有するガラス基板を準備する工程と、
   （２）前記ガラス基板の前記第１の表面の側に、第１の条件で、レンズを介してパルスレーザを照射することにより、前記第１の表面に、凹部を形成する工程であって、
   前記凹部は、前記第１の表面における直径φおよび深さｄを有し、
   前記直径φは、以下の（１）式
   
   スポット径Ｓ＝（４×λ×ｆ×Ｍ^２）／（π×ｒ） （１）式
   （ここで、λは前記パルスレーザの波長であり、ｆは前記レンズの焦点距離であり、Ｍ^２はエムスクエア値であり、ｒは前記レンズに入射される前記パルスレーザのビームの直径である）
   
   で表される前記パルスレーザの前記第１の表面におけるスポット径Ｓ以上（φ≧Ｓ）であり、前記深さｄは、前記直径φの０．７倍以上である、工程と、
   （３）前記パルスレーザのエネルギー密度が前記ガラス基板の加工閾値以下となる第２の条件で、前記凹部に前記パルスレーザを照射して、孔を形成する工程と、
   を有する方法。
2. 前記（２）の工程における前記第１の条件は、前記パルスレーザのエネルギー密度が前記ガラス基板の加工閾値を超えるように選定される、請求項１に記載の方法。
3. さらに、前記ガラス基板の前記第１の表面に、吸収層を設置する工程、
   を有し、
   前記（２）の工程における前記第１の条件は、前記パルスレーザのエネルギー密度が前記ガラス基板の加工閾値以下となるように選定される、請求項１に記載の方法。
4. 前記第２の条件における前記パルスレーザのエネルギー密度は、前記第１の条件における前記パルスレーザのエネルギー密度と同等、またはより大きい、請求項３に記載の方法。
5. 前記第２の条件における前記パルスレーザのパルス列は、変調されている、請求項１乃至４のいずれか一つに記載の方法。
6. 前記パルスレーザの波長λは、１２００ｎｍ以下である、請求項１乃至５のいずれか一つに記載の方法。
7. 前記直径φは、３μｍ〜３０μｍの範囲である、請求項１乃至６のいずれか一つに記載の方法。
8. 前記深さｄは、２．１μｍ〜１２０μｍの範囲である、請求項１乃至７のいずれか一つに記載の方法。
9. 前記スポット径Ｓは、１５μｍ以下である、請求項１乃至８のいずれか一つに記載の方法。
10. 孔を有するガラス基板を製造する方法であって、
    （１）相互に対向する第１および第２の表面を有するガラス基板を準備する工程と、
    （２）前記ガラス基板の前記第１の表面の側に、第１の条件で、レンズを介してパルスレーザを照射することにより、前記第１の表面に、凹部を形成する工程であって、
    前記凹部は、前記第１の表面における直径φおよび深さｄを有し、
    前記直径φは、以下の（１）式
    
    スポット径Ｓ＝（４×λ×ｆ×Ｍ^２）／（π×ｒ） （１）式
    （ここで、λは前記パルスレーザの波長であり、ｆは前記レンズの焦点距離であり、Ｍ^２はエムスクエア値であり、ｒは前記レンズに入射される前記パルスレーザのビームの直径である）
    
    で表される前記パルスレーザの前記第１の表面におけるスポット径Ｓ以上（φ≧Ｓ）であり、前記深さｄは、前記直径φの０．７倍以上である、工程と、
    （３）前記パルスレーザのエネルギー密度が前記ガラス基板の加工閾値以下となる第２の条件で、前記凹部に前記パルスレーザを照射して、孔を形成する工程と、
    を有する方法。