JP2019206460A - レーザを用いて孔を有するガラス基板を製造する方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ガラスへの吸収が小さい波長のレーザで効率的に孔を有するガラス基板を製造する。【解決手段】孔を有するガラス基板を製造する方法であって、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、前記ガラス基板の前記第１、第２の表面のうち、少なくとも１つの表面に、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吸収層を設置する工程と、平均出力が５０〜５００Ｗの範囲であり、前記ガラス基板の吸収係数が０．５ｃｍ−１以下である波長を備えたレーザを連続発振し、前記ガラス基板の、前記第１の表面の側に１ｍｓ以下の照射時間で照射することにより、前記ガラス基板に、直径２０μｍ〜８０μｍ、深さ１０μｍ〜７００μｍの範囲である孔を形成する工程と、を有することを特徴とする、孔を有するガラス基板の製造方法。【選択図】図１
Description
本発明は、レーザを用いて孔を有するガラス基板を製造する方法に関する。
従来、ガラス基板にレーザ照射により孔を形成する方法として、ＣＯ２レーザ等による方法が知られている（例えば特許文献１）。ＣＯ２レーザはガラスに吸収される波長を有するため、ガラス基板がレーザを吸収し熱加工により孔が形成される。しかし、熱加工であることや、レーザの集光性が悪いことから、孔径６０μｍ以下の微細孔の形成ができないという問題があった。
その他にも、可視光からＵＶ領域の波長を有するレーザを、パルス発振して用いる方法が知られている（例えば特許文献２、特許文献３）。これらの方法では、１孔の加工時間が数十ｍｓから百ｍｓと長いため、生産効率が悪いという問題があった。
また、これらの孔形成工程に続けて、エッチング工程を設けることで、孔内壁の平滑化や孔径の拡大を図った例も知られている。（例えば、特許文献１、２）
本発明は、このような背景に鑑みてなされたものであり、ガラスへの吸収率が低い波長を有するレーザを、高出力で連続発振しガラス基板に照射することで、孔径・深さを制御し、所望の孔を短時間で形成することを可能にする、新しいレーザ加工方法を提供する。
本発明では、
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、
前記ガラス基板の前記第１、第２の表面のうち、少なくとも１つの表面に、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吸収層を設置する工程と、
平均出力が５０〜５００Ｗの範囲であり、前記ガラス基板の吸収係数が０．５ｃｍ−１以下である波長を備えたレーザを連続発振し、前記ガラス基板の、前記第１の表面の側に１ｍｓ以下の照射時間で照射することにより、前記ガラス基板に、直径２０μｍ〜８０μｍ、深さ１０μｍ〜７００μｍの範囲である孔を形成する工程と、
を有することを特徴とする、孔を有するガラス基板の製造方法が提供される。
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、
前記ガラス基板の前記第１、第２の表面のうち、少なくとも１つの表面に、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吸収層を設置する工程と、
平均出力が５０〜５００Ｗの範囲であり、前記ガラス基板の吸収係数が０．５ｃｍ−１以下である波長を備えたレーザを連続発振し、前記ガラス基板の、前記第１の表面の側に１ｍｓ以下の照射時間で照射することにより、前記ガラス基板に、直径２０μｍ〜８０μｍ、深さ１０μｍ〜７００μｍの範囲である孔を形成する工程と、
を有することを特徴とする、孔を有するガラス基板の製造方法が提供される。
本発明の製造方法は、ガラスへの吸収率が低い波長を有するレーザを、高出力で連続発振しガラス基板に照射することで、孔径・深さを制御し、所望の孔を短時間で形成することを可能にする。
本発明における実施形態では、孔を有するガラス基板の製造方法であって、
（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（ガラス基板準備工程）と、
（２）前記ガラス基板の前記第１の表面に、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吸収層を設置する工程（吸収層設置工程）と、
（３）平均出力が５０〜５００Ｗの範囲であり、前記ガラス基板の吸収係数が０．５ｃｍ−１以下である波長を備えたレーザを連続発振し、前記ガラス基板の、前記第１の表面の側に１ｍｓ以下の照射時間で照射することにより、前記ガラス基板に、直径２０μｍ〜８０μｍ、深さ１０μｍ〜７００μｍの範囲である孔を形成する工程（レーザ照射工程）と、
を有する方法が提供される。
（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）と、
（２）前記ガラス基板の前記第１の表面に、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吸収層を設置する工程（吸収層設置工程）と、
（３）平均出力が５０〜５００Ｗの範囲であり、前記ガラス基板の吸収係数が０．５ｃｍ−１以下である波長を備えたレーザを連続発振し、前記ガラス基板の、前記第１の表面の側に１ｍｓ以下の照射時間で照射することにより、前記ガラス基板に、直径２０μｍ〜８０μｍ、深さ１０μｍ〜７００μｍの範囲である孔を形成する工程（レーザ照射工程）と、
を有する方法が提供される。
本発明における実施形態では、吸収層設置工程でガラス基板表面に設置した吸収層に、レーザ照射工程において、特定の条件を満たすレーザを照射することにより、ガラス基板に、直径２０μｍ〜８０μｍ、深さ１０μｍ〜７００μｍの範囲である孔を形成することができる。以下、レーザ照射工程で孔が形成される条件や原理について、詳細を説明する。
まず、レーザ照射工程では、吸収層設置工程で設置された吸収層にレーザが照射される。吸収層はレーザのエネルギーを吸収し、プラズマを発生する（ステップ１）。発生したプラズマの熱によりガラス基板表面には凹部が形成される（ステップ２）。レーザは連続発振されるため、プラズマに連続的にエネルギーが供給される。その結果、レーザの照射時間の間、プラズマが持続し、ガラス基板の凹部を拡張する。これにより、ガラス基板に孔が形成される（ステップ３）。
（ステップ１について）
レーザは、ガラス基板への吸収が小さい波長を有する連続発振レーザが選択される。従って、ＣＯ２レーザのようにガラス基板に熱的に孔は形成されず、また高パルスエネルギーを有する短パルスレーザのようにアブレーション現象も観測されない。従って、ガラス基板表面に吸収層を設置することにより、初めて孔形成が可能になる。
レーザは、ガラス基板への吸収が小さい波長を有する連続発振レーザが選択される。従って、ＣＯ２レーザのようにガラス基板に熱的に孔は形成されず、また高パルスエネルギーを有する短パルスレーザのようにアブレーション現象も観測されない。従って、ガラス基板表面に吸収層を設置することにより、初めて孔形成が可能になる。
（ステップ２について）
本発明に記載の製造方法では、発生したプラズマの熱によりガラス基板表面に凹部が形成される。従来のＣＯ２レーザによる孔加工では、ガラス基板はレーザのエネルギーを直接吸収し、熱溶融するため、孔径６０μｍ以下の孔を形成できなかった。しかし、発生したプラズマの熱による加工する本発明の方法によれば、レーザ照射条件によって、孔径６０μｍ以下の孔加工も実現できる。
本発明に記載の製造方法では、発生したプラズマの熱によりガラス基板表面に凹部が形成される。従来のＣＯ２レーザによる孔加工では、ガラス基板はレーザのエネルギーを直接吸収し、熱溶融するため、孔径６０μｍ以下の孔を形成できなかった。しかし、発生したプラズマの熱による加工する本発明の方法によれば、レーザ照射条件によって、孔径６０μｍ以下の孔加工も実現できる。
（ステップ３について）
レーザの一部が孔内壁で反射され、孔の深さ方向に進行することで、プラズマが孔底部に到達し、深さ方向に加工が進行する。レーザ照射時間や、開口数を調節することで、プラズマの到達深度が変わり、任意の深さの孔を形成できる。特に、低い開口数を選択することで、レーザのガラス基板への入射角度が小さくなり、孔形成中においては、孔内壁に対するレーザの反射角度が大きくなるため、レーザがより深くまで到達でき、高いアスペクト比を有する孔が形成できる。
レーザの一部が孔内壁で反射され、孔の深さ方向に進行することで、プラズマが孔底部に到達し、深さ方向に加工が進行する。レーザ照射時間や、開口数を調節することで、プラズマの到達深度が変わり、任意の深さの孔を形成できる。特に、低い開口数を選択することで、レーザのガラス基板への入射角度が小さくなり、孔形成中においては、孔内壁に対するレーザの反射角度が大きくなるため、レーザがより深くまで到達でき、高いアスペクト比を有する孔が形成できる。
このように、本発明のレーザ照射工程では、ガラス基板への吸収が小さい波長を有するレーザであっても、上記メカニズムにより孔加工が実現できる。なお、上記メカニズムは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。
また、プラズマを利用した孔形成法として、特許文献３には、ＹＡＧパルスレーザを用いる方法が記載されている。しかし、パルスレーザを用いるため、１孔の加工時間が４０ｍｓ〜４００ｍｓと長くなり、生産効率が悪いという課題がある。また、特許文献３では、どのような寸法の孔が得られるかについて、具体的な記載がなく、更に、具体的な孔径、深さを有する孔を加工するための条件も開示されていなかった。そのため、例えばインターポーザ等で要求される寸法・精度の孔を特許文献３に記載の方法で得ることができるか不明である。本発明では、孔径を２０μｍ〜８０μｍ、深さを１０μｍ〜７００μｍの範囲で制御し、所望の寸法を持つ孔を、従来の方法と比較して、約１００分の１〜８０００分の１の短時間で形成できる条件を提供する。
次に、上記メカニズムにより、直径２０μｍ〜８０μｍ、深さ１０μｍ〜７００μｍの範囲である孔を形成するためのレーザ照射条件について説明する。
（レーザの波長について）
本発明で使用されるレーザの波長は、レーザの波長に対する被加工ガラスの吸収係数が０．５ｃｍ−１以下であれば、特に限られない。ガラスへの吸収係数が小さい波長を有するレーザで加工することにより、ガラス基板への熱影響を抑えられるため、孔径の拡大を防ぐことができる。従って、本発明では、目的とする孔径の孔を加工するために、被加工ガラスの吸収係数が０．５ｃｍ−１であるようなレーザ波長を選択することを特徴とする。好ましくは０．３ｃｍ−１以下、更に好ましくは０．１５ｃｍ−１以下であると、熱影響を更に軽減できる。この条件を満たす波長の範囲は、例えば下限が３５０ｎｍ以上、好ましくは５００ｎｍ以上、より好ましくは１０００ｎｍ以上であり、上限が３０００ｎｍ以下、好ましくは２０５０ｎｍ以下、より好ましくは１０９０ｎｍ以下である。
本発明で使用されるレーザの波長は、レーザの波長に対する被加工ガラスの吸収係数が０．５ｃｍ−１以下であれば、特に限られない。ガラスへの吸収係数が小さい波長を有するレーザで加工することにより、ガラス基板への熱影響を抑えられるため、孔径の拡大を防ぐことができる。従って、本発明では、目的とする孔径の孔を加工するために、被加工ガラスの吸収係数が０．５ｃｍ−１であるようなレーザ波長を選択することを特徴とする。好ましくは０．３ｃｍ−１以下、更に好ましくは０．１５ｃｍ−１以下であると、熱影響を更に軽減できる。この条件を満たす波長の範囲は、例えば下限が３５０ｎｍ以上、好ましくは５００ｎｍ以上、より好ましくは１０００ｎｍ以上であり、上限が３０００ｎｍ以下、好ましくは２０５０ｎｍ以下、より好ましくは１０９０ｎｍ以下である。
（レーザの平均出力について）
レーザの平均出力は、５０Ｗ〜３００Ｗの範囲である。レーザの平均出力がこの範囲であれば、本発明に記載の、直径２０μｍ〜８０μｍの孔が形成できる。レーザの出力の大きさは、特に形成する孔の孔径に与える影響が大きく、出力が大きなレーザをガラス基板に照射することにより、短時間で大きな孔径の孔が形成される傾向にある。更に、クラックの発生を抑制し、高品質の孔を形成するには、レーザの平均出力は２５０Ｗ以下であることが好ましく、１５０Ｗ以下であることがより好ましい。一方、安定的に孔を形成し、孔曲がりを抑制して、孔品質を向上するためには、レーザ平均出力は、７０Ｗ以上が好ましく、８０Ｗ以上がより好ましい。
レーザの平均出力は、５０Ｗ〜３００Ｗの範囲である。レーザの平均出力がこの範囲であれば、本発明に記載の、直径２０μｍ〜８０μｍの孔が形成できる。レーザの出力の大きさは、特に形成する孔の孔径に与える影響が大きく、出力が大きなレーザをガラス基板に照射することにより、短時間で大きな孔径の孔が形成される傾向にある。更に、クラックの発生を抑制し、高品質の孔を形成するには、レーザの平均出力は２５０Ｗ以下であることが好ましく、１５０Ｗ以下であることがより好ましい。一方、安定的に孔を形成し、孔曲がりを抑制して、孔品質を向上するためには、レーザ平均出力は、７０Ｗ以上が好ましく、８０Ｗ以上がより好ましい。
（レーザの照射時間について）
レーザのガラス基板への照射時間は、加工したい孔の孔径、深さに応じて適当な値に調節される。特に、照射時間は形成される孔の深さへの影響が大きい。同じ開口数、出力で、照射時間を長くすると、深く、アスペクト比の大きな孔を形成することができる。本発明に記載の方法では、連続発振されたレーザを使用することにより、１孔の加工時間を従来技術より短くすることが可能であり、生産性を大幅に改善できる。加工時間短縮の観点から言えば、照射時間は短いほど好ましく、例えば１ｍｓ以下であり、好ましくは５００μｓ以下であり、より好ましくは３００μｓ以下である。一方で、十分に孔形成を進めるために、照射時間は好ましくは１μｓ以上であり、より好ましくは１０μｓ以上であり、更に好ましくは５０μｓ以上である。
レーザのガラス基板への照射時間は、加工したい孔の孔径、深さに応じて適当な値に調節される。特に、照射時間は形成される孔の深さへの影響が大きい。同じ開口数、出力で、照射時間を長くすると、深く、アスペクト比の大きな孔を形成することができる。本発明に記載の方法では、連続発振されたレーザを使用することにより、１孔の加工時間を従来技術より短くすることが可能であり、生産性を大幅に改善できる。加工時間短縮の観点から言えば、照射時間は短いほど好ましく、例えば１ｍｓ以下であり、好ましくは５００μｓ以下であり、より好ましくは３００μｓ以下である。一方で、十分に孔形成を進めるために、照射時間は好ましくは１μｓ以上であり、より好ましくは１０μｓ以上であり、更に好ましくは５０μｓ以上である。
（集光レンズの開口数について）
集光レンズの開口数は、レーザの集光半角の正弦値として与えられる値である。開口数は、加工したい孔の孔径、深さに応じて、適当な値に調節される。例えば、開口数は形成される孔の孔深さやアスペクト比に影響を与える。出力、照射時間が同じであっても、低い開口数ほど深く、アスペクト比が高い孔が形成される傾向にある。深孔を形成するためには、開口数は０．１５０以下が好ましく、０．１３０以下がより好ましい。一方、集光エネルギーを確保し、安定して孔を形成するためには、開口数は０．０１５以上が好ましく、０．０２０以上がより好ましい。
集光レンズの開口数は、レーザの集光半角の正弦値として与えられる値である。開口数は、加工したい孔の孔径、深さに応じて、適当な値に調節される。例えば、開口数は形成される孔の孔深さやアスペクト比に影響を与える。出力、照射時間が同じであっても、低い開口数ほど深く、アスペクト比が高い孔が形成される傾向にある。深孔を形成するためには、開口数は０．１５０以下が好ましく、０．１３０以下がより好ましい。一方、集光エネルギーを確保し、安定して孔を形成するためには、開口数は０．０１５以上が好ましく、０．０２０以上がより好ましい。
（本発明で形成される孔について）
以上の条件でレーザを照射することにより、ガラス基板に直径２０μｍ〜８０μｍ、深さ１０μｍ〜７００μｍの範囲である孔を形成することが可能になる。孔は、ガラス基板を貫通していても良く、未貫通で合っても良い。以下で、形成される孔の形状の詳細について説明する。図１には、ガラス基板に形成され得る未貫通孔の模式図を示す。
以上の条件でレーザを照射することにより、ガラス基板に直径２０μｍ〜８０μｍ、深さ１０μｍ〜７００μｍの範囲である孔を形成することが可能になる。孔は、ガラス基板を貫通していても良く、未貫通で合っても良い。以下で、形成される孔の形状の詳細について説明する。図１には、ガラス基板に形成され得る未貫通孔の模式図を示す。
本発明に記載の製造方法により、ガラス基板の表面に形成された孔の開口部の直径を孔径φとすると（図１のφ参照）、孔径φは２０μｍ以上であり、好ましくは２５μｍ以上であり、更に好ましくは３０μｍ以上の範囲である。また、孔径φは、８０μｍ以下であり、好ましくは７５μｍ以下であり、更に好ましくは６５μｍ以下の範囲である。本発明に記載の方法では、出力や照射時間、開口数などを適切に選択することで、従来レーザ照射のみで形成することが難しかった、孔径２０μｍ〜６０μｍを含む、広い範囲の孔径を有する孔を、短時間で形成することが可能である。
図１に示す未貫通孔において、ガラス基板の開口部が形成された表面から、孔底部までの距離を孔深さｄとする（図１のｄ参照）。本発明に記載の製造方法により形成される孔では、孔深さｄは１０μｍ以上であり、好ましくは５０μｍ以上であり、更に好ましくは８０μｍ以上の範囲である。また、孔深さｄは、７００μｍ以下であり、好ましくは６００μｍ以下であり、更に好ましくは５００μｍ以下の範囲である。本発明では、出力や照射時間、開口数などを適切に選択することで、広い範囲の孔深さを有する孔を形成することが可能である。
前記孔深さｄと、孔径φの比ｄ／φをアスペクト比とすると、孔のアスペクト比は、例えば１以上である。また、アスペクト比は１５以下であり、好ましくは１３以下であり、更に好ましくは１０以下である。
ガラス基板をインターポーザとして用いる場合、用途に応じて様々な孔径、孔深さ、アスペクト比を有する孔の形成が求められる。本発明に記載の方法によれば、レーザ照射条件を調節することにより、孔径、孔深さ、アスペクト比を制御し様々な孔を形成できる。
なお、孔がガラス基板を貫通している場合、前記孔深さｄが計測できない。そこで、以下では、貫通孔を形成した条件と同様の条件でレーザ照射工程を行った場合、ガラス基板の厚さが充分であったならば、形成されたと推測される未貫通孔のアスペクト比を、「推定されるアスペクト比」と呼ぶ。この時、実際に形成された貫通孔の、ガラス基板の第１、第２の表面に形成された開口部のうち、大きい方の開口部の直径を孔径φとし、ガラス基板の厚さをｔとすると、（推定されるアスペクト比）＞ｔ／φである。
上述のレーザ照射条件、メカニズムにより、上述の形状を有する孔を形成できる。近年、半導体分野のインターポーザ用として、微細孔を有するガラス基板の需要が高まっており、用途に応じてガラス基板に様々な孔径、深さを有する微細孔を短時間で加工する技術が求められている。本発明が提供する方法を用いれば、従来技術では追加の工程なく加工出来なかった、２０μｍ〜６０μｍの中程度の孔径を有する微細孔を、レーザ照射のみで形成できる。また、加工時間を従来に比べて１０分の１〜１万分の１と大幅に短縮できるため、生産効率を改善できる。
以下では、本発明の具体的な実施の形態について、詳細を説明する。
以下では、本発明の具体的な実施の形態について、詳細を説明する。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態による孔を有するガラス基板の製造方法について、図２または図３を参照して説明する。
本発明の第１の実施形態による孔を有するガラス基板の製造方法について、図２または図３を参照して説明する。
図２には、本発明の第１の実施形態による孔を有するガラス基板の製造方法のフローを模式的に示す。
図２に示すように、第１の実施形態における、孔を有するガラス基板の製造方法では、
（工程Ｓ１１０）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）と、
（工程Ｓ１２０）前記ガラス基板の前記第１の表面に、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吸収層を設置する工程（吸収層設置工程）と、
（工程Ｓ１３０）平均出力が５０〜５００Ｗの範囲であり、前記ガラス基板の吸収係数が０．５ｃｍ−１以下である波長を備えたレーザを連続発振し、前記ガラス基板の、前記第１の表面の側に１ｍｓ以下の照射時間で照射することにより、前記ガラス基板に、直径２０μｍ〜８０μｍ、深さ１０μｍ〜７００μｍの範囲である孔を形成する工程（レーザ照射工程）と、
を有する。
（工程Ｓ１１０）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）と、
（工程Ｓ１２０）前記ガラス基板の前記第１の表面に、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吸収層を設置する工程（吸収層設置工程）と、
（工程Ｓ１３０）平均出力が５０〜５００Ｗの範囲であり、前記ガラス基板の吸収係数が０．５ｃｍ−１以下である波長を備えたレーザを連続発振し、前記ガラス基板の、前記第１の表面の側に１ｍｓ以下の照射時間で照射することにより、前記ガラス基板に、直径２０μｍ〜８０μｍ、深さ１０μｍ〜７００μｍの範囲である孔を形成する工程（レーザ照射工程）と、
を有する。
以下、図３を参照して、各工程について説明する。なお、図３には、第１の実施形態で使用され得る装置の構成を概略的に示す。
（工程Ｓ１１０）
まず、被加工用のガラス基板１０が準備される。ガラス基板は相互に対向する第１の表面１０および第２の表面１０ｂを有する。
まず、被加工用のガラス基板１０が準備される。ガラス基板は相互に対向する第１の表面１０および第２の表面１０ｂを有する。
（工程Ｓ１２０）
次に、ガラス基板の第１の表面１０ａに、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吸収層が設置される。
次に、ガラス基板の第１の表面１０ａに、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吸収層が設置される。
吸収層は、レーザ照射工程で利用されるレーザの、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、特に限られない。吸収層は、例えば、前記レーザの少なくとも一部のエネルギーを吸収する材料のみによって構成されても良く、前記材料が有機材料中に分散されたもので構成されても良い。例えば、カーボンブラックやグラファイト、またはこれらを含む顔料や塗料、合成樹脂インク、レーザプリンターに使用されるトナーなどであって良い。
なお、吸収層は、第２の表面に設置されても良く、第１及び第２の表面の両方に設置されても良い。特に、吸収層がガラス基板の第１の表面に設置されると、孔径や孔深さにばらつきの少ない、精度の高い孔加工が可能である。本発明の第１の実施形態では、第１の表面に吸収層が設置される場合について説明する。
吸収層の設置方法は、特に限られない。例えば蒸着法、ＣＶＤ法、スパッタリング法、スプレーコート法、インクジェット法、その他の塗布方法であってよい。蒸着法、ＣＶＤ法、スパッタリング法では、ガラス基板と吸収層の密着性を高め、発生プラズマの熱を効率的にガラス基板に伝えることができる。スプレーコート法やインクジェット法では、簡便な設備を用い、短時間で吸収層を設置できるため、生産効率の向上やコストの削減につながる。
（工程Ｓ１３０）
次に、吸収層が設置されたガラス基板の第１の表面１０ａにレーザが照射される。図３には、工程Ｓ１３０で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、レーザ照射装置１４０は、ステージ１５０、レーザ発振器１６０と、ビーム調整光学系１７０と、集光レンズ１８０等を有する。
次に、吸収層が設置されたガラス基板の第１の表面１０ａにレーザが照射される。図３には、工程Ｓ１３０で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、レーザ照射装置１４０は、ステージ１５０、レーザ発振器１６０と、ビーム調整光学系１７０と、集光レンズ１８０等を有する。
まず、ステージ１５０に、工程Ｓ１２０で第１の表面１０ａに吸収層を設置されたガラス基板１０が、第２の表面１０ｂをステージの側にして設置される。ガラス基板は、ステージに固定されても良い。固定方法は特に限られないが、冶具などで抑えられても良く、吸着固定または接着固定されても良い。吸着は、例えば真空吸着、または静電吸着等である。
次に、レーザ発振器１６０からレーザビーム１６５が発振される。
レーザビーム１６５の波長は、レーザビーム１６５の波長に対する被加工ガラスの吸収係数が０．５ｃｍ−１以下であれば、特に限られない。
レーザビーム１６５の波長は、レーザビーム１６５の波長に対する被加工ガラスの吸収係数が０．５ｃｍ−１以下であれば、特に限られない。
レーザビーム１６５は、連続発振されることを特徴とする。連続発振レーザを用いる事により、パルスレーザに比べ短時間で孔を形成できる。
レーザビーム１６５の発振モードは、特に限られない。好ましくは、シングルモードであると、集光特性が良く、真円度の高い孔の形成が可能である。
レーザ発振器１６０は、特に限られない。例えばＨｅ−Ｎｅレーザ、Ａｒイオンレーザ、エキシマＸｅＦレーザ、Ｅｒ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高周波、第３高周波、ルビーレーザ、ファイバーレーザなどであって良い。好ましくは、レーザ発振器１６０はファイバーレーザである。ファイバーレーザは、ビーム品質が高いため、高精度の微細孔加工が可能であり、また装置の設置やメンテナンスが容易で、安価なことや、消費電力、装置寿命という点でもすぐれた特性を有する。ファイバーレーザは、Ｙｂ．ファイバーレーザ、Ｎｄ．ファイバーレーザ、Ｔｍ．ファイバーレーザ等である。
レーザ発振器１６０から連続発振されたレーザビーム１６５は、ビーム調整光学系１７０に入射し、ビーム調整光学系でビーム径やビーム形状が調整されレーザビーム１７５となる。
ビーム調整光学系１７０は、凹レンズや凸レンズの組み合わせで形成される。ビーム調整光学系１７０は、アパーチャを有しても良い。
レーザビーム１７５は、集光レンズ１８０に入射し、集光されてレーザビーム１８５となり、ガラス基板の第１の表面１０ａに入射する。
レーザビーム１７５の焦点は、例えばガラス基板１０の第１の表面１０ａ上に形成されても良く、ガラス基板１０の内部に形成されても良く、ガラス基板１０の第２の表面１０ｂ上に形成されても良い。好ましくは焦点を第１の表面１０ａに形成することで、孔径や孔深さのばらつきが少ない、高精度な孔加工が可能である。
ここで、集光レンズ１８０とガラス基板１０の間の媒質を空気、空気の屈折率をｎ、集光半角をθ（図３参照）とすると、開口数ＮＡは、下記式（１）から算出される。
ＮＡ＝ｎ・ｓｉｎθ・・・（１）
ここで、空気の屈折率ｎ＝１であるとすると、上式（１）は、下記式（２）のように表される。
ＮＡ＝ｓｉｎθ・・・（２）
ここで、集光半角θは、下記式（３）により算出される値である。
（ｒ／２）／ｆ＝ｔａｎθ・・・（３）
この時、上式（３）において、ｒは集光レンズ１８０に入射するレーザビーム１７５のビーム径、ｆは集光レンズ１８０の焦点距離（図３参照）である。なお、図３は、ガラス基板の第1の表面１０ａ上に焦点が設定された場合を示している。
今、θは充分に小さく、ｓｉｎθはｔａｎθで近似できるため、（２）、（３）より、開口数ＮＡは下記（４）式で計算できる。
ＮＡ＝（ｒ／２）／ｆ・・・（４）
本発明では、（４）式を用いて開口数ＮＡの計算を行った。
ＮＡ＝ｎ・ｓｉｎθ・・・（１）
ここで、空気の屈折率ｎ＝１であるとすると、上式（１）は、下記式（２）のように表される。
ＮＡ＝ｓｉｎθ・・・（２）
ここで、集光半角θは、下記式（３）により算出される値である。
（ｒ／２）／ｆ＝ｔａｎθ・・・（３）
この時、上式（３）において、ｒは集光レンズ１８０に入射するレーザビーム１７５のビーム径、ｆは集光レンズ１８０の焦点距離（図３参照）である。なお、図３は、ガラス基板の第1の表面１０ａ上に焦点が設定された場合を示している。
今、θは充分に小さく、ｓｉｎθはｔａｎθで近似できるため、（２）、（３）より、開口数ＮＡは下記（４）式で計算できる。
ＮＡ＝（ｒ／２）／ｆ・・・（４）
本発明では、（４）式を用いて開口数ＮＡの計算を行った。
開口数は、加工したい孔の孔径、深さに応じて、前述の値の範囲で調節される。
レーザビーム１８５のスポット径ｓは、加工したい孔の孔径に応じて、適当な値に調節される。例えば４μｍ〜５０μｍの範囲である。
レーザの平均出力は、レーザビーム１８５を用いて測定される。レーザの平均出力は、加工したい孔の孔径に応じて、前述の値の範囲で設定される。
レーザビーム１８５がガラス基板１０の第１の表面１０ａに設置された吸収層に入射すると、吸収層はレーザビーム１８５のエネルギーを吸収し、プラズマを発生する。発生したプラズマは、前述のメカニズムによりガラス基板に孔１１を形成する。
以上の工程により、ガラス基板に孔１１が形成される。孔１１はガラス基板の第１の表面に開口部を有し、第２の表面に向かって形成される。孔１１は前述の形状を有する。また、ガラス基板に孔は一つ、または複数形成される。
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態による孔を有するガラス基板の製造方法について、図４を参照して説明する。
次に、本発明の第２の実施形態による孔を有するガラス基板の製造方法について、図４を参照して説明する。
図４には、本発明の第２の実施形態による孔を有するガラス基板の製造方法のフローを概略的に示す。
図４に示すように、第２の実施形態における、孔を有するガラス基板製造方法では、
（工程Ｓ２１０）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）と、
（工程Ｓ２２０）前記ガラス基板の前記第１の表面に、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吸収層を設置する工程吸収層を設置する工程（吸収層設置工程）と、
（工程Ｓ２３０）平均出力が５０〜５００Ｗの範囲であり、前記ガラス基板の吸収係数が０．５ｃｍ−１以下である波長を備えたレーザを連続発振し、前記ガラス基板の、前記第１の表面の側に１ｍｓ以下の照射時間で照射することにより、前記ガラス基板に、直径２０μｍ〜８０μｍ、深さ１０μｍ〜７００μｍの範囲である孔を形成する工程（レーザ照射工程）と、
（工程Ｓ２４０）前記ガラス基板をアニールする工程（アニール工程）と、
（工程Ｓ２５０）前記ガラス基板をエッチングする工程（エッチング工程）と、
を有する。
（工程Ｓ２１０）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）と、
（工程Ｓ２２０）前記ガラス基板の前記第１の表面に、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吸収層を設置する工程吸収層を設置する工程（吸収層設置工程）と、
（工程Ｓ２３０）平均出力が５０〜５００Ｗの範囲であり、前記ガラス基板の吸収係数が０．５ｃｍ−１以下である波長を備えたレーザを連続発振し、前記ガラス基板の、前記第１の表面の側に１ｍｓ以下の照射時間で照射することにより、前記ガラス基板に、直径２０μｍ〜８０μｍ、深さ１０μｍ〜７００μｍの範囲である孔を形成する工程（レーザ照射工程）と、
（工程Ｓ２４０）前記ガラス基板をアニールする工程（アニール工程）と、
（工程Ｓ２５０）前記ガラス基板をエッチングする工程（エッチング工程）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の実施形態における工程Ｓ１１０と同様であるため、ここではこれ以上詳しく説明しない。
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の実施形態における工程Ｓ１１０と同様であるため、ここではこれ以上詳しく説明しない。
（工程Ｓ２２０）
次にガラス基板の表面に、吸収層が設置される。なお、この工程は前述の第１の実施形態における工程Ｓ１２０と同様である。
次にガラス基板の表面に、吸収層が設置される。なお、この工程は前述の第１の実施形態における工程Ｓ１２０と同様である。
（工程Ｓ２３０）
次に、吸収層が設置されたガラス基板の第１の表面にレーザが照射される。なお、この工程は前述の第１の実施形態における工程Ｓ１３０と同様である。
次に、吸収層が設置されたガラス基板の第１の表面にレーザが照射される。なお、この工程は前述の第１の実施形態における工程Ｓ１３０と同様である。
（工程Ｓ２４０）
次に、前記ガラス基板がアニールされる。アニールにより、レーザ照射工程によりガラス基板の孔周辺に生じた応力を緩和できる。これにより、この後のエッチング工程で、孔の内壁を等方的に、均一に除去することが可能になる。
次に、前記ガラス基板がアニールされる。アニールにより、レーザ照射工程によりガラス基板の孔周辺に生じた応力を緩和できる。これにより、この後のエッチング工程で、孔の内壁を等方的に、均一に除去することが可能になる。
（工程Ｓ２５０）
次に、前記ガラス基板がエッチングされる。エッチングにより、孔径の拡大、孔内部の平滑化、ガラス基板表面のデブリ除去等が可能である。本発明の製造方法によると、エッチングを行わずに、レーザ照射のみで孔径２０μｍ〜８０μｍの孔径を有する孔を得られることが特徴であった。従って、第２の実施形態のように、レーザ照射後、エッチング工程を行う場合であっても、従来の、パルスレーザによりアブレーションを発生させ、１〜１５μｍの微細孔をあけた後、エッチングで孔径を拡張する方法と比較しても、本発明の方法では、エッチング工程に有するエッチング液の量や、時間、エッチングされるガラス基板の量を少なくすることが可能である。
次に、前記ガラス基板がエッチングされる。エッチングにより、孔径の拡大、孔内部の平滑化、ガラス基板表面のデブリ除去等が可能である。本発明の製造方法によると、エッチングを行わずに、レーザ照射のみで孔径２０μｍ〜８０μｍの孔径を有する孔を得られることが特徴であった。従って、第２の実施形態のように、レーザ照射後、エッチング工程を行う場合であっても、従来の、パルスレーザによりアブレーションを発生させ、１〜１５μｍの微細孔をあけた後、エッチングで孔径を拡張する方法と比較しても、本発明の方法では、エッチング工程に有するエッチング液の量や、時間、エッチングされるガラス基板の量を少なくすることが可能である。
次に、本発明の実施例について説明する。
（例１〜例１４）
例１〜１６では、厚さ５００μｍのガラス基板を用いて孔形成実験を行った。実験条件と結果を下記表１にまとめた。下記で、各例の条件について説明する。
例１〜１６では、厚さ５００μｍのガラス基板を用いて孔形成実験を行った。実験条件と結果を下記表１にまとめた。下記で、各例の条件について説明する。
（例１）
まず、対向する第１、第２の表面を有するガラス基板を準備した。ガラス基板は無アルカリガラスであり、波長１０７０ｎｍのレーザに対する吸収係数は約０．１５ｃｍ−１であった。ガラス基板の厚さは５００μｍであった。
まず、対向する第１、第２の表面を有するガラス基板を準備した。ガラス基板は無アルカリガラスであり、波長１０７０ｎｍのレーザに対する吸収係数は約０．１５ｃｍ−１であった。ガラス基板の厚さは５００μｍであった。
次に、このガラス基板の第１の表面に、グラファイトを含む塗料を噴霧し吸収層とした。
続いて、ガラス基板に、前述の図２に示した装置１４０と同等の構成を有するレーザ照射装置を用いて孔を形成した。レーザ発振器１６０としてＹｂ．ファイバーレーザを用いた。装置１４０のステージ１５０に、第２の表面をステージの側にして設置し、前述の第１の実施形態におけるレーザ照射工程を実施した。レーザビーム１８５は連続発振し、レーザビーム１８５の焦点はガラス基板の第１の表面上に設定した。ガラス基板に入射させたレーザビーム１８５の波長は１０７０ｎｍ、開口数ＮＡは０．０４７、スポット径ｓは１６μｍ、出力は５０Ｗであった。照射時間は、５０μｓであった。
これにより、ガラス基板に孔が形成された。第１の表面における孔径φと第１の表面から計測した孔深さｄ、アスペクト比ｄ／φはそれぞれ、φ＝２５μｍ、ｄ＝２０μｍ、ｄ／φ＝０．８、であった。なお、１０孔を加工したところ、クラックは発生しなかった。
（例２〜４）
例２〜４では、例１と同様に、ガラス基板準備工程、吸収層設置工程を行い、同じ装置を用いてレーザ照射工程を行った。なお、各条件は例１と同様に、レーザビーム波長は１０７０ｎｍ、開口数ＮＡは０．０４７、スポット径は１６μｍ、出力は５０Ｗであり、レーザビームは連続発振し、レーザビームの焦点はガラス基板の第１の表面上に設定した。例２、３、４ではレーザの照射時間はそれぞれ、１００μｓ、２００μｓ、３００μｓであった。
例２〜４では、例１と同様に、ガラス基板準備工程、吸収層設置工程を行い、同じ装置を用いてレーザ照射工程を行った。なお、各条件は例１と同様に、レーザビーム波長は１０７０ｎｍ、開口数ＮＡは０．０４７、スポット径は１６μｍ、出力は５０Ｗであり、レーザビームは連続発振し、レーザビームの焦点はガラス基板の第１の表面上に設定した。例２、３、４ではレーザの照射時間はそれぞれ、１００μｓ、２００μｓ、３００μｓであった。
これにより、ガラス基板に孔が形成された。第１の表面における孔径φと第１の表面から計測した孔深さｄ、アスペクト比ｄ／φはそれぞれ、例２ではφ＝３０μｍ、ｄ＝４２μｍ、ｄ／φ＝１．４０、例３ではφ＝３５μｍ、ｄ＝７２μｍ、ｄ／φ＝２．０６、例４ではφ＝４１μｍ、ｄ＝７７μｍ、ｄ／φ＝１．８８であった。なお、各例で１０孔を加工したところ、クラックは発生しなかった。
（例５〜７）
例５〜７では、例１と同様にガラス基板準備工程、吸収層設置工程を行い、同じ装置を用いてレーザ出力を８８Ｗに変更し、レーザ照射工程を行った。なお、各条件は例１と同様に、レーザビーム波長は１０７０ｎｍ、開口数ＮＡは０．０４７、スポット径は１６μｍであり、レーザビームは連続発振し、レーザビームの焦点はガラス基板の第１の表面上に設定した。例５、６、７ではレーザの照射時間をそれぞれ５０μｓ、１００μｓ、２００μｓに設定した。
例５〜７では、例１と同様にガラス基板準備工程、吸収層設置工程を行い、同じ装置を用いてレーザ出力を８８Ｗに変更し、レーザ照射工程を行った。なお、各条件は例１と同様に、レーザビーム波長は１０７０ｎｍ、開口数ＮＡは０．０４７、スポット径は１６μｍであり、レーザビームは連続発振し、レーザビームの焦点はガラス基板の第１の表面上に設定した。例５、６、７ではレーザの照射時間をそれぞれ５０μｓ、１００μｓ、２００μｓに設定した。
これにより、ガラス基板に孔が形成された。第１の表面における孔径φと第１の表面から計測した孔深さｄ、アスペクト比ｄ／φはそれぞれ、例５ではφ＝２４μｍ、ｄ＝８５μｍ、ｄ／φ＝３．５４、例６ではφ＝３０μｍ、ｄ＝２３１μｍ、ｄ／φ＝７．７０、例７ではφ＝４３μｍ、ｄ＝４４０μｍ、ｄ／φ＝１０．２であった。なお、各例で１０孔を加工したところ、クラックは発生しなかった。
（例８〜１０）
例１と同様にガラス基板準備工程、吸収層設置工程を行い、同じ装置を用いてレーザ出力を１００Ｗに変更し、レーザ照射工程を行った。レーザの照射時間は例８では５０μｓ、例９では１００μｓ、例１０では２００μｓに設定した。なお、その他の各条件は例１と同様に、レーザビーム波長は１０７０ｎｍ、開口数ＮＡは０．０４７、スポット径は１６μｍであり、レーザビームは連続発振し、レーザビームの焦点はガラス基板の第１の表面上に設定した。
例１と同様にガラス基板準備工程、吸収層設置工程を行い、同じ装置を用いてレーザ出力を１００Ｗに変更し、レーザ照射工程を行った。レーザの照射時間は例８では５０μｓ、例９では１００μｓ、例１０では２００μｓに設定した。なお、その他の各条件は例１と同様に、レーザビーム波長は１０７０ｎｍ、開口数ＮＡは０．０４７、スポット径は１６μｍであり、レーザビームは連続発振し、レーザビームの焦点はガラス基板の第１の表面上に設定した。
これにより、ガラス基板に孔が形成された。第１の表面における孔径φと第１の表面から計測した孔深さｄ、アスペクト比ｄ／φはそれぞれ、例８ではφ＝３０μｍ、ｄ＝１０２μｍ、ｄ／φ＝３．４０、例９ではφ＝４０μｍ、ｄ＝２５５μｍ、ｄ／φ＝６．３８、であった。また、例１０では孔径φ＝４５μｍであり、孔は厚さ５００μｍのガラス基板を貫通していた。従って、ガラス基板厚さｔと、大きい方の開口部の直径φの比ｔ／φ＝１１．１であるため、ガラス基板が充分な厚さを有していた場合、形成されたと推定される未貫通孔のアスペクト比（すなわち、「推定されるアスペクト比」）、は、（推定されるアスペクト比）＞１１．１である。例１０で形成された貫通孔は、第１の表面における開口部径が、第２の表面における開口部径より大きい、テーパ形状をしていた。なお、各例で１０孔を加工したところ、クラックは発生しなかった。
（例１１〜１３）
例１と同様にガラス基板準備工程、吸収層設置工程を行い、同じ装置を用いてレーザ出力を１５０Ｗに変更し、レーザ照射工程を行った。レーザの照射時間は、例１１では５０μｓ、例１２では１００μｓ、例１３では２００μｓに設定した。なお、各条件は例１と同様に、レーザビーム波長は１０７０ｎｍ、開口数ＮＡは０．０４７、スポット径は１６μｍであり、レーザビームは連続発振し、レーザビームの焦点はガラス基板の第１の表面上に設定した。
例１と同様にガラス基板準備工程、吸収層設置工程を行い、同じ装置を用いてレーザ出力を１５０Ｗに変更し、レーザ照射工程を行った。レーザの照射時間は、例１１では５０μｓ、例１２では１００μｓ、例１３では２００μｓに設定した。なお、各条件は例１と同様に、レーザビーム波長は１０７０ｎｍ、開口数ＮＡは０．０４７、スポット径は１６μｍであり、レーザビームは連続発振し、レーザビームの焦点はガラス基板の第１の表面上に設定した。
これにより、ガラス基板に孔が形成された。第１の表面における孔径φと孔深さｄ、アスペクト比ｄ／φはそれぞれ、例１１はφ＝３６μｍ、ｄ＝１３４μｍ、ｄ／φ＝３．７２、例１２ではφ＝４７μｍ、ｄ＝２７４μｍ、ｄ／φ＝５．８３であった。また、例１３では孔径φ＝５６μｍであり、孔は厚さ５００μｍのガラス基板を貫通していた。従って、（推定されるアスペクト比）＞８．９３である。例１０で形成された貫通孔は、第１の表面における開口部径が、第２の表面における開口部径より大きい、テーパ形状をしていた。なお、各例で１０孔を加工したところ、クラックは発生しなかった。図５には、例１３におけるレーザ照射工程で形成された貫通孔のガラス基板第１の表面における開口部（５０１）、第２の表面における開口部（５０３）と孔の断面写真（５０２）を示した。写真における第１の表面における開口部の直径は５６μｍ、第２の表面における開口部の直径は１１μｍであり、ガラス基板の厚さは５００μｍであった。
（例１４）
例１と同様にガラス基板準備工程、吸収層設置工程を行い、同じ装置を用いてレーザ出力を２００Ｗに変更し、レーザ照射工程を行った。照射時間は３００μｓであった。なお、その他の各条件は例１と同様に、レーザビーム波長は１０７０ｎｍ、開口数ＮＡは０．０４７、スポット径は１６μｍであり、レーザビームは連続発振し、レーザビームの焦点はガラス基板の第１の表面上に設定した。
例１と同様にガラス基板準備工程、吸収層設置工程を行い、同じ装置を用いてレーザ出力を２００Ｗに変更し、レーザ照射工程を行った。照射時間は３００μｓであった。なお、その他の各条件は例１と同様に、レーザビーム波長は１０７０ｎｍ、開口数ＮＡは０．０４７、スポット径は１６μｍであり、レーザビームは連続発振し、レーザビームの焦点はガラス基板の第１の表面上に設定した。
これにより、ガラス基板に孔が形成された。例１４では孔径φ＝７３μｍであり、孔は厚さ５００μｍのガラス基板を貫通していた。従って、（推定されるアスペクト比）＞６．８５である。例１０で形成された貫通孔は、第１の表面における開口部径が、第２の表面における開口部径より大きい、テーパ形状をしていた。なお、１０孔を加工したところ、クラックは発生しなかった。
このように、レーザ出力を大きくすることで、孔径φ、孔深さｄの値を大きくし、特に孔径φを拡大できた。一方、レーザの照射時間を大きくすることで、孔径φ、孔深さｄの値が大きくなり、特に孔深さｄを深くすることができた。また、レーザ出力と照射時間を調節することで、５００μｍの厚さを有するガラス基板に、テーパ形状の貫通孔を形成できた。
（例１５〜２０）
次に、ガラス基板の厚さを変更し、貫通孔を形成する実験を行った。ガラス基板は対向する第１の表面と第２の表面を有し、例１〜１４と同様の組成、吸収係数を有するものを用いた。ガラス基板の厚さは例１５では１００μｍ、例１６では２００μｍ、例１７では３００μｍ、例１８〜２０では７００μｍとした。下記表２に、例１５〜２０の実験条件と結果をまとめた。
次に、ガラス基板の厚さを変更し、貫通孔を形成する実験を行った。ガラス基板は対向する第１の表面と第２の表面を有し、例１〜１４と同様の組成、吸収係数を有するものを用いた。ガラス基板の厚さは例１５では１００μｍ、例１６では２００μｍ、例１７では３００μｍ、例１８〜２０では７００μｍとした。下記表２に、例１５〜２０の実験条件と結果をまとめた。
ガラス基板の第１の表面には、例１〜１４と同様にグラファイトを塗布し吸収層とし、前述の第１の実施形態におけるレーザ照射工程を行った。ガラス基板に入射させたレーザビーム１８５の波長は１０７０ｎｍ、開口数ＮＡは０．０４７、スポット径は１６μｍとし、レーザビーム１８５は連続発振し、レーザビーム１８５の焦点はガラス基板の第１の表面上に設定した。下記で、各例の条件について説明する。
（例１５〜１７）
例１５では、出力は８８Ｗ、照射時間は７０μｓとした結果、厚さ１００μｍのガラス基板にテーパ形状の貫通孔が形成できた。この時、ガラス基板の第１の表面における開口部の径（以下、ＴＯＰ孔径と記載する）は３０μｍ、第２の表面における開口部の径（以下、ＢＴＭ孔径と記載する）は１３μｍであり、従ってアスペクト比は３．３３以上であった。例１６では、出力８８Ｗ、照射時間１００μｓとした結果、厚さ２００μｍのガラス基板にテーパ形状の貫通孔が形成できた。この時、ＴＯＰ孔径は３７μｍ、ＢＴＭ孔径は１１μｍであり、従って推定されるアスペクト比は５．４１以上である。例１７では出力１００Ｗ、照射時間１４０μｓとした結果、厚さ３００μｍのガラス基板にテーパ形状の貫通孔が形成できた。この時、ＴＯＰ孔径は４３μｍ、ＢＴＭ孔径は１０μｍであり、従って推定されるアスペクト比は６．９８以上であった。なお、各例で１０孔を加工したところ、クラックは発生しなかった。
例１５では、出力は８８Ｗ、照射時間は７０μｓとした結果、厚さ１００μｍのガラス基板にテーパ形状の貫通孔が形成できた。この時、ガラス基板の第１の表面における開口部の径（以下、ＴＯＰ孔径と記載する）は３０μｍ、第２の表面における開口部の径（以下、ＢＴＭ孔径と記載する）は１３μｍであり、従ってアスペクト比は３．３３以上であった。例１６では、出力８８Ｗ、照射時間１００μｓとした結果、厚さ２００μｍのガラス基板にテーパ形状の貫通孔が形成できた。この時、ＴＯＰ孔径は３７μｍ、ＢＴＭ孔径は１１μｍであり、従って推定されるアスペクト比は５．４１以上である。例１７では出力１００Ｗ、照射時間１４０μｓとした結果、厚さ３００μｍのガラス基板にテーパ形状の貫通孔が形成できた。この時、ＴＯＰ孔径は４３μｍ、ＢＴＭ孔径は１０μｍであり、従って推定されるアスペクト比は６．９８以上であった。なお、各例で１０孔を加工したところ、クラックは発生しなかった。
（例１８〜２０）
例１８〜２０では、厚さ７００μｍのガラス基板を用いて実験を行った。例１８では、出力１００Ｗ、照射時間２００μｓ、例１９では、出力１００Ｗ、照射時間３００μｓ、例２０では、出力１５０Ｗ、照射時間３００μｓとして加工を行った。
例１８〜２０では、厚さ７００μｍのガラス基板を用いて実験を行った。例１８では、出力１００Ｗ、照射時間２００μｓ、例１９では、出力１００Ｗ、照射時間３００μｓ、例２０では、出力１５０Ｗ、照射時間３００μｓとして加工を行った。
これにより、ガラス基板に孔が形成された。例１８、１９では孔はガラス基板を貫通しなかったが、例２０ではガラス基板を貫通した。例１８におけるＴＯＰ孔径は５０μｍであり、第１の表面から計測した孔深さは５３８μｍであり、従ってアスペクト比は１０．８であった。例１９におけるＴＯＰ孔径は５３μｍであり、第１の表面から計測した孔深さは６３９μｍであり、従ってアスペクト比は１２．１であった。例２０では、貫通孔の形状はテーパであり、ＴＯＰ径は６４、ＢＴＭ径は１３であり、従って推定されるアスペクト比は１０．９以上である。なお、各例で１０孔を加工したところ、クラックは発生しなかった。
（例２１〜２４）
次に、レーザ照射工程における、開口数ＮＡ、スポット径を例１〜２０と異なる値になるよう調節し、実験を行った。下記の表３に、例２１〜２４におけるレーザ照射条件と、レーザ照射工程によって形成された孔の孔径φ、孔深さｄ、アスペクト比ｄ／φをまとめた。
次に、レーザ照射工程における、開口数ＮＡ、スポット径を例１〜２０と異なる値になるよう調節し、実験を行った。下記の表３に、例２１〜２４におけるレーザ照射条件と、レーザ照射工程によって形成された孔の孔径φ、孔深さｄ、アスペクト比ｄ／φをまとめた。
ガラス基板、吸収層は例１と同様のものを準備した。ガラス基板を前述の図２に示したような装置１４０のステージ１５０に、第２の表面をステージの側にして設置し、前述の第１の実施形態におけるレーザ照射工程を実施した。ガラス基板に入射させたレーザビーム１８５の波長は１０７０ｎｍ、開口数ＮＡは０．１２５、スポット径は７μｍ、出力は１５０Ｗとし、レーザビーム１８５は連続発振し、レーザビーム１８５の焦点はガラス基板の第１の表面上に設定した。照射時間は、例２１、２２、２３、２４でそれぞれ５０μｓ、１００μｓ、２００μｓ、３００μｓとした。
これにより、ガラス基板に孔が形成された。第１の表面における孔径φと孔深さｄ、アスペクト比ｄ／φはそれぞれ、例２１ではφ＝３９μｍ、ｄ＝９６μｍ、ｄ／φ＝２．４６、例２２ではφ＝４７μｍ、ｄ＝２１９μｍ、ｄ／φ＝４．６６、例２３ではφ＝５７μｍ、ｄ＝３４５μｍ、ｄ／φ＝６．０５、例２４ではφ＝６３μｍ、ｄ＝３６５μｍ、ｄ／φ＝５．７９、であった。なお、各例で１０孔を加工したところ、クラックは発生しなかった。
ここで、開口数ＮＡ＝０．１２５、スポット径７μｍで実験を行った例２１〜２３を、同じ出力で、開口数ＮＡ＝０．０４７、スポット径１６μｍで実験を行った例１１〜１３と比較すると、同じ照射時間において形成された孔の孔深さが浅くなったことがわかる。
このように、本発明に記載の方法によれば、開口数、出力、照射時間を調節することにより、広い範囲の孔径、孔深さ、アスペクト比を有する孔を形成できた。
（例２５〜２８）
次に、レーザ照射工程により、ガラス基板に貫通孔を形成した後、上述の第２の実施形態で示したような、アニール工程とエッチング工程を行った実験結果を示す。図６には、例２８における、エッチング後の貫通孔のガラス基板第１の表面における開口部（６０１）、第２の表面における開口部（６０３）と孔の断面写真（６０２）を示した。写真における第１の表面における開口部の直径は５７μｍ、第２の表面における開口部の直径は２８μｍであり、ガラス基板の厚さは４８２μｍであった。下記の表４には、例２５、２６、２７、２８の、レーザ照射条件と、アニール、エッチング工程後の、ガラス基板の第１の表面における孔径（ＴＯＰ孔径）、第２の表面における孔径（ＢＴＭ孔径）、エッチングにより減少したガラス基板の厚み、をまとめた。
次に、レーザ照射工程により、ガラス基板に貫通孔を形成した後、上述の第２の実施形態で示したような、アニール工程とエッチング工程を行った実験結果を示す。図６には、例２８における、エッチング後の貫通孔のガラス基板第１の表面における開口部（６０１）、第２の表面における開口部（６０３）と孔の断面写真（６０２）を示した。写真における第１の表面における開口部の直径は５７μｍ、第２の表面における開口部の直径は２８μｍであり、ガラス基板の厚さは４８２μｍであった。下記の表４には、例２５、２６、２７、２８の、レーザ照射条件と、アニール、エッチング工程後の、ガラス基板の第１の表面における孔径（ＴＯＰ孔径）、第２の表面における孔径（ＢＴＭ孔径）、エッチングにより減少したガラス基板の厚み、をまとめた。
まず、例１と同様の手法でガラス基板を準備、吸収層を設置し、レーザ照射工程を行い貫通孔を形成した。ガラス基板に入射させたレーザビーム１８５の波長は１０７０ｎｍ、開口数ＮＡは０．０４７、スポット径は１６μｍとし、レーザビーム１８５は連続発振し、レーザビーム１８５の焦点はガラス基板の第１の表面上に設定した。例２５では、ガラス基板の厚さを２００μｍ、レーザ出力を８８Ｗ、照射時間を１００μｓ、例２６では、ガラス基板の厚さを３００μｍ、レーザ出力を１００Ｗ、照射時間を１５０μｓ、例２７では、ガラス基板の厚さを５００μｍ、レーザ出力を１００Ｗ、照射時間を２００μｓ、例２８では、ガラス基板の厚さを５００μｍ、レーザ出力を１５０Ｗ、照射時間を２００μｓとして加工を行い、貫通孔を形成した。
次に、貫通孔が形成されたガラス基板をアニールした。
続けて、ガラス基板をエッチングした。エッチングには、濃度２質量％のフッ酸をエッチング液として使用した。
これにより、例２５〜２８におけるガラス基板の厚みはそれぞれ１８μｍ減少した。エッチング後のガラス基板の第１の表面における孔径（ＴＯＰ径）、第２の表面における孔径（ＢＴＭ径）は、それぞれ、例２５でのＴＯＰ孔径が４５μｍ、ＢＴＭ孔径が３０μｍ、例２６でのＴＯＰ孔径が５０μｍ、ＢＴＭ孔径が３０μｍ、例２７でのＴＯＰ孔径が４９μｍ、ＢＴＭ孔径が２１μｍ、例２８でのＴＯＰ孔径が５７μｍ、ＢＴＭ孔径が２８μｍであった。孔の断面形状はそれぞれ、ＴＯＰ径がＢＴＭ径より大きく、内部に狭窄部のないテーパ形状であった。
（例２９〜３１）
次に、吸収層の設置位置、レーザ照射工程における、レーザ焦点の形成位置を変更して実験を行った。
次に、吸収層の設置位置、レーザ照射工程における、レーザ焦点の形成位置を変更して実験を行った。
ガラス基板は例１〜１４と同じ物を使用した。ガラス基板は厚さ５００μｍであった。
次に、吸収層としてグラファイトを設置した。例２９、３０では、ガラス基板の第２の表面に、例３１ではガラス基板の第１の表面と第２の表面の両方に、それぞれ吸収層を設置した。
次に、レーザ照射工程を行った。加工には例１〜１４と同じ装置を用い、波長は１０７０ｎｍ、開口数ＮＡは０．１２５、スポット径７μｍ、出力は１５０Ｗ、照射時間は２００μｓとし、連続発振レーザを用いて加工を行った。レーザビーム１８５の焦点の形成位置は、例２９ではガラス基板の第２の表面（ＢＴＭ面）、例３０、３１ではガラス基板の内部、すなわち第１の表面と第２の表面の中間地点に設置した。
レーザ照射工程により、ガラス基板に孔が形成された。例２９では、ガラス基板の第２の表面に開口部を有する孔が形成され、孔径は６６μｍ、第２の表面から計測した孔深さは２０６μｍであった。例３０においても、ガラス基板の第２の表面から孔が形成されたが、開口部はふさがっていた。開口部における孔径を測定することはできなかったが、孔断面写真より推測される孔径は５０μｍ程度であり、第２の表面から計測した孔深さは４６２μｍであった。例３１では、ガラス基板の第２の表面に、孔径約６７μｍの開口部が形成され、第２の表面から計測した孔深さは約１００μｍ〜３００μｍであった。
このように、吸収層の設置位置や、レーザビームの焦点の形成位置を変更しても、孔が形成可能であることが分かった。
（比較例１）
例１〜１４と同じ、厚さ５００μｍのガラス基板を用いて、第１の実施形態におけるレーザ照射工程を行う。第１の表面に吸収層を設置し、例１〜１４と同様の装置に、第２の表面をステージの側にしてガラス基板を設置する。ガラス基板に入射させたレーザビーム１４５の波長は１０７０ｎｍ、開口数ＮＡは０．０４７、スポット径は１６μｍ、出力１０Ｗ、照射時間５０μｓとし、レーザビーム１８５は連続発振し、レーザビーム１８５の焦点はガラス基板の第１の表面上に設定して加工を行う。
例１〜１４と同じ、厚さ５００μｍのガラス基板を用いて、第１の実施形態におけるレーザ照射工程を行う。第１の表面に吸収層を設置し、例１〜１４と同様の装置に、第２の表面をステージの側にしてガラス基板を設置する。ガラス基板に入射させたレーザビーム１４５の波長は１０７０ｎｍ、開口数ＮＡは０．０４７、スポット径は１６μｍ、出力１０Ｗ、照射時間５０μｓとし、レーザビーム１８５は連続発振し、レーザビーム１８５の焦点はガラス基板の第１の表面上に設定して加工を行う。
ガラス基板に孔径２０μｍ以上、深さ１０μ以上の孔は形成されないと推測される。
（比較例２）
例１〜１４と同じ、厚さ５００μｍのガラス基板を用いて、第１の実施形態におけるレーザ照射工程を行った。第１の表面に吸収層を設置し、例１〜１４と同様の装置に、第２の表面をステージの側にしてガラス基板を設置した。ガラス基板に入射させたレーザビーム１８５の波長は１０７０ｎｍ、開口数ＮＡは０．０４７、スポット径は１６μｍ、出力３００Ｗ、照射時間３００μｓとし、レーザビーム１８５は連続発振し、レーザビーム１８５の焦点はガラス基板の第１の表面上に設定して加工を行った。
例１〜１４と同じ、厚さ５００μｍのガラス基板を用いて、第１の実施形態におけるレーザ照射工程を行った。第１の表面に吸収層を設置し、例１〜１４と同様の装置に、第２の表面をステージの側にしてガラス基板を設置した。ガラス基板に入射させたレーザビーム１８５の波長は１０７０ｎｍ、開口数ＮＡは０．０４７、スポット径は１６μｍ、出力３００Ｗ、照射時間３００μｓとし、レーザビーム１８５は連続発振し、レーザビーム１８５の焦点はガラス基板の第１の表面上に設定して加工を行った。
これにより、ガラス基板に孔が形成され、孔はガラス基板を貫通していた。ＴＯＰ孔径は９０μｍ、ＢＴＭ孔径は１９μｍであり、従って推定されるアスペクト比は５．５６以上である。孔の周辺にはクラックが発生した。このように、出力３００Ｗ，照射時間３００μｓの条件では、ＴＯＰ径が８０μｍを超え、またクラックが１０孔のうち３孔で発生した。
以上の実施例に記載したように、本発明の方法は、ガラスを透過する波長を有するレーザを照射し、発生プラズマを利用して孔を形成するものであって、目的とする孔径・深さを有する孔を形成できる詳細な条件について初めて開示したものである。特に、従来のレーザ加工方法が苦手とする２０μｍ〜６０μｍの中程度の孔径を有する孔を、追加の工程なく、数十〜数百μｓの短時間で形成できる特徴は、インターポーザを初めとする様々な用途において有用である。
１０ ガラス基板
１０ａ ガラス基板の第１の表面
１０ｂ ガラス基板の第２の表面
１１ ガラス基板に形成された、第１の表面に開口部を有する孔
１４０ レーザ照射装置
１５０ ステージ
１６０ レーザ発振器
１６５ レーザ発振器１２０から発振されたレーザビーム
１７０ ビーム調整光学系
１７５ ビーム調整光学系１３０により調製されたレーザビーム
１８０ 集光レンズ
１８５ 集光レンズ１４０により集光されたレーザビーム
ｄ ガラス基板に形成された、第１の表面に開口部を有する孔の孔深さ
φ ガラス基板に形成された孔の開口部径（孔径）
ｔ ガラス基板の厚さ
ｆ 集光レンズ１８０の焦点距離
ｓ レーザビーム１８５のスポット径
ｒ レーザビーム１７５のビーム径
θ 集光半角
１０ａ ガラス基板の第１の表面
１０ｂ ガラス基板の第２の表面
１１ ガラス基板に形成された、第１の表面に開口部を有する孔
１４０ レーザ照射装置
１５０ ステージ
１６０ レーザ発振器
１６５ レーザ発振器１２０から発振されたレーザビーム
１７０ ビーム調整光学系
１７５ ビーム調整光学系１３０により調製されたレーザビーム
１８０ 集光レンズ
１８５ 集光レンズ１４０により集光されたレーザビーム
ｄ ガラス基板に形成された、第１の表面に開口部を有する孔の孔深さ
φ ガラス基板に形成された孔の開口部径（孔径）
ｔ ガラス基板の厚さ
ｆ 集光レンズ１８０の焦点距離
ｓ レーザビーム１８５のスポット径
ｒ レーザビーム１７５のビーム径
θ 集光半角
Claims (12)
- 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、
前記ガラス基板の前記第１、第２の表面のうち、少なくとも１つの表面に、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吸収層を設置する工程と、
平均出力が５０〜５００Ｗの範囲であり、前記ガラス基板の吸収係数が０．５ｃｍ−１以下である波長を備えたレーザを連続発振し、前記ガラス基板の、前記第１の表面の側に１ｍｓ以下の照射時間で照射することにより、前記ガラス基板に、直径２０μｍ〜８０μｍ、深さ１０μｍ〜７００μｍの範囲である孔を形成する工程と、
を有することを特徴とする、孔を有するガラス基板の製造方法。 - 前記孔のアスペクト比が１〜１５となるように、前記レーザを照射することを特徴とする、ガラス基板の製造方法、請求項１に記載の製造方法。
- 前記レーザは、開口数（ＮＡ）が０．０１５〜０．１５０で照射されることを特徴とする、請求項１乃至２のいずれか一つに記載の製造方法。
- 前記レーザの波長は、３５０ｎｍ〜３０００ｎｍであることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一つに記載の製造方法。
- 前記レーザは、ファイバーレーザである、請求項１乃至４のいずれか一つに記載の製造方法。
- 前記レーザのスポット径が、４μｍ〜５０μｍの範囲であることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一つに記載の製造方法。
- 前記レーザの焦点がガラス基板の第１の表面、第２の表面、ガラス基板内部のいずれか一つに形成されることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか一つに記載の製造方法。
- 前記レーザのビームはシングルモードであることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか一つに記載の製造方法。
- 前記ガラス基板をアニールする工程を有することを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか一つに記載の製造方法。
- 前記ガラス基板をエッチングする工程を有することを特徴とする、請求項１乃至９のいずれか一つに記載の製造方法。
- 前記吸収層に、前記レーザが照射されることにより発生したプラズマが、前記ガラス基板に凹部を形成し、更に、前記プラズマが、連続して入射される前記レーザを吸収することにより存続し、前記凹部を拡大し、前記ガラス基板に孔を形成することを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれか一つに記載の製造方法。
- 前記吸収層を前記ガラス基板の前記第１の表面に設置することを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれか一つに記載の製造方法。
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| CN112894141A (zh) * | 2021-01-21 | 2021-06-04 | 天津修船技术研究所(中国船舶重工集团公司第六三一三研究所) | 一种特种发动机进气段部件激光焊接方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3001816B2 (ja) * | 1995-08-16 | 2000-01-24 | サンタ・バーバラ・リサーチ・センター | Ｎｄ：ＹＡＧレーザを使用するガラス上へのレーザスクライビング |
| JP2000301372A (ja) * | 1999-04-23 | 2000-10-31 | Seiko Epson Corp | 透明材料のレーザ加工方法 |
| WO2002081142A1 (fr) * | 2001-04-02 | 2002-10-17 | Taiyo Yuden Co., Ltd. | Procede d'usinage de materiau translucide par faisceau laser et materiau translucide usine |
-
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- 2018-05-30 JP JP2018103434A patent/JP7091846B2/ja active Active
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