JP2020082153A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】貼り合わせ基板の両側から同時に加工するためのレーザ加工装置において、レーザ光がレーザ光源に戻らないレーザ加工装置を提供する。【解決手段】レーザ加工装置１は、貼り合わせ基板Ｗの両側から同時に加工するための装置であって、レーザ発振器１５と、偏光ビームスプリッタ３７と、第１光学系５Ｂと、第２光学系５Ｃと、を備えている。偏光ビームスプリッタ３７は、レーザ発振器からのレーザ光Ｌを、第１分岐光Ｌ１と第２分岐光Ｌ２とに分岐する。偏光ビームスプリッタ３７は、第１分岐光Ｌ１に対して第２分岐光Ｌ２の偏光方向を所定角度回転させる。第１光学系５Ｂは、第１分岐光Ｌ１を基板Ｗの第１面に照射する。第２光学系５Ｃは、第２分岐光Ｌ２を基板Ｗの第２面に照射する。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工装置、特に、基板の両側から同時に加工するためのレーザ加工装置に関する。

ガラス基板をスクライブ加工する方法として、レーザ加工が知られている。レーザ加工では、例えば、赤外線ピコ秒レーザが用いられている。この場合、レーザがパルスによる内部加工を平面方向に断続的に行って複数のレーザフィラメントを形成することで、スクライブラインを形成する方法が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
特許文献１に示す技術では、収束レーザビームは、基板内にフィラメントを作り出すように選択されたエネルギー及びパルス持続時間を有するパルスで構成される。そして、複数のフィラメントが平面方向に並んで形成されることによって、スクライブラインが形成される。

特表２０１３−５３６０８１号公報

対象が貼り合わせ基板の場合は、２枚の基板のスクライブラインを同時に分断することが望まれる。貼り合わせ基板とは、例えば、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）が形成された基板と、カラーフィルタ（ＣＦ）が形成された基板とをシール材を介して貼り合わされたマザー基板である。このマザー基板が分断されることにより個々の液晶パネルが取得される。
上記の加工を行うのは、レーザ発生装置から出たレーザ光を分割して、それらを貼り合わせ基板の両面に同時に照射するレーザ加工装置である。

上記の構成において、分割後の一方のレーザ光の光学系を第１光学系とし、分割後の他方のレーザ光の光学系を第２光学系とする。第１光学系のレーザ光は、貼り合わせ基板がない位置に照射された場合又は貼り合わせ基板に照射されたが通過した場合、第２光学系を通ってレーザ発生装置に戻る可能性がある。また、第２光学系のレーザ光は、貼り合わせ基板がない位置に照射された場合又は貼り合わせ基板に照射されたが通過して第１光学系を通ってレーザ発生装置に戻る可能性がある。上記が発生するとレーザ発生装置が故障したり、レーザ発振が不安定になったりする。

本発明の目的は、基板の両側から同時に加工するためのレーザ加工装置において、レーザ光がレーザ光源に戻るのを防止することにある。

以下に、課題を解決するための手段として複数の態様を説明する。これら態様は、必要に応じて任意に組み合せることができる。

本発明の一見地に係るレーザ加工装置は、基板の両側から同時に加工するための装置であって、単一のレーザ光源と、分岐部と、偏光方向回転部と、第１光学系と、第２光学系と、を備えている。
分岐部は、レーザ光源からのレーザ光を、第１分岐光と第２分岐光とに分岐する。
偏光方向回転部は、第１分岐光に対して第２分岐光の偏光方向を所定角度回転させる。
第１光学系は、第１分岐光を基板の第１面に照射する。
第２光学系は、第２分岐光を基板の第２面に照射する。
この装置では、第１分岐光は、基板の第１面に照射される。基板近傍を通った又は基板を通過した第１分岐光は、第２光学系を通過し、偏光方向回転部に入射する。この場合、第１分岐光は、偏光方向回転部において反射されて、レーザ光源には戻らない。第２分岐光は、基板の第２面に照射される。基板近傍を通った又は基板を通過した第２分岐光は、第１光学系を通過し、偏光方向回転部に入射する。この場合、第２分岐光は、偏光方向回転部において反射されて、レーザ光源には戻らない。したがって、基板の両側から同時に加工するためのレーザ加工装置において、レーザ光がレーザ光源に戻ることを防止する。

分岐部と偏光方向回転部は、１つの偏光ビームスプリッタからなっていてもよい。

分岐部は１つの無偏光ビームスプリッタからなっていてもよい。
偏光方向回転部は、第１光学系に設けられた第１偏光板と、第２光学系に設けられた第２偏光板とからなっていてもよい。

本発明では、基板の両側から同時に加工するためのレーザ加工装置において、レーザ光がレーザ光源に戻らない。

本発明の第１実施形態のレーザ加工装置の模式図。 スクライブライン形成工程における基板の模式的断面。 スクライブライン形成工程における基板の模式的平面図。 本発明の第２実施形態のレーザ加工装置の模式図。 本発明の第３実施形態のレーザ加工装置の模式図。

１．第１実施形態
（１）全体構成
図１を用いて、レーザ加工装置１の全体構成を説明する。図１は、本発明の第１実施形態のレーザ加工装置の模式図である。

レーザ加工装置１は、貼り合わせ基板Ｗ（以下、「基板Ｗ」）にスクライブラインを形成する装置である。基板Ｗは、第１基板Ｗ１と、第２基板Ｗ２とを有している。基板Ｗは、例えば、液晶ガラス基板である。
図２に示すように、第１基板Ｗ１と第２基板Ｗ２は、シール材３０によって貼り合わされている。第１基板Ｗ１は外側面２５と内側面２６を有している。第２基板Ｗ２は外側面２７と内側面２８とを有している。内側面２６と内側面２８の間にシール材３０が配置されている。

レーザ加工装置１は、レーザ装置３を有している。レーザ装置３は、基板Ｗの第１基板Ｗ１に第１スクライブラインＳ１を形成し、第２基板Ｗ２に第２スクライブラインＳ２を形成するためのレーザ光を発生させる装置である。

レーザ装置３は、レーザ発振器１５（レーザ光源の一例）と、レーザ制御部１７とを有している。レーザ発振器１５は、例えば、波長３４０〜１１００ｎｍの間の所定の波長のピコ秒レーザを発振する。レーザ制御部１７は、レーザ発振器１５の駆動及びレーザパワーを制御できる。
レーザ加工装置１は、伝送光学系５を有している。伝送光学系５は、導出部５Ａと、第１光学系５Ｂと、第２光学系５Ｃとを有している。導出部５Ａは、レーザ発振器１５からレーザ光が導出される部分である。第１光学系５Ｂと第２光学系５Ｃは、導出部５Ａからのレーザ光Ｌが分岐されて第１分岐光Ｌ１と第２分岐光Ｌ２が通過する部分である。

導出部５Ａは、シャッタ３１と、第１ミラー３２と、２つのビームエキスパンダ３３、３４と、波長板３５とを、レーザ発振器１５からこの順番で有している。シャッタ３１は、図示しないシャッタ駆動装置に接続されており、レーザ光を遮断する位置と通過する位置との間で移動可能である。ビームエキスパンダ３３、３４は、出射レーザ光のビーム径を所定の径へ拡大し、それを略平行光とする。波長板３５は、１／２波長板であり、回転させることで、後述する第１分岐光Ｌ１と第２分岐光Ｌ２の比率を調整できる。
伝送光学系５は、偏光ビームスプリッタ３７（分岐部、偏光方向回転部の一例）を有している。偏光ビームスプリッタ３７は、導出部５Ａの終端に設けられている。偏光ビームスプリッタ３７は、レーザ光Ｌを第１分岐光Ｌ１と第２分岐光Ｌ２に分岐させる。具体的には、第１分岐光Ｌ１がｓ偏光の反射光であり、第２分岐光Ｌ２がｐ偏光の透過光である。偏光ビームスプリッタ３７は、第１分岐光Ｌ１に対して第２分岐光Ｌ２の偏光方向を所定角度回転させる。具体的には、第１分岐光Ｌ１と第２分岐光Ｌ２の偏光方向は互いに９０度異ならせられる。この実施形態では偏光ビームスプリッタ３７は、プリズム型であるが、平面型、ウェッジ基板型でもよい。

第１光学系５Ｂは、第２ミラー４１と、第３ミラー４２と、第４ミラー４３と、第１集光レンズ４４とを、偏光ビームスプリッタ３７からこの順番で有している。第２ミラー４１は、偏光ビームスプリッタ３７からの基板Ｗの主面に平行に延びる第１分岐光Ｌ１の向きを基板Ｗに直交するように９０度異ならせる。第３ミラー４２は、第２ミラー４１からの第１分岐光Ｌ１の向きを基板Ｗに平行になるように９０度異ならせる。第４ミラー４３は、第３ミラー４２からの第１分岐光Ｌ１を基板Ｗに直交するように９０度異ならせる。以上により、第１分岐光Ｌ１は、第１集光レンズ４４を通って第１基板Ｗ１の第１基板Ｗ１に入射される。なお、第２ミラー４１、第３ミラー４２、及び第４ミラー４３は、第１分岐光Ｌ１の偏光方向を変えない（図１における紙面に対して垂直な偏光方向を保つ）ように設定されている。
第１光学系５Ｂは、さらに、光路長調整部６１を有している。光路長調整部６１は、第２ミラー４１及び第３ミラー４２を同時に同方向に移動させることで、第１光学系５Ｂの光路長を第２光学系５Ｃの光路長と同一にするための装置である。光路長調整部６１は、第２ミラー４１及び第３ミラー４２を一体に支持する支持部（図示せず）と、支持部を移動する移動部（図示せず）を有している。光路長調整部６１は、制御部９によって制御される。

第２光学系５Ｃは、第５ミラー５１と、第６ミラー５２と、第２集光レンズ５３とを、偏光ビームスプリッタ３７から、この順番で有している。第５ミラー５１は、偏光ビームスプリッタ３７からの基板Ｗの主面に直交するように延びる第２分岐光Ｌ２の向きを基板Ｗ側に９０度異ならせる。第６ミラー５２は、第５ミラー５１からの第２分岐光Ｌ２の向きを基板Ｗに直交するように９０度異ならせる。以上により、第２分岐光Ｌ２は、第２集光レンズ５３を通って基板Ｗの第２基板Ｗ２に入射される。なお、第５ミラー５１、及び第６ミラー５２は、第２分岐光Ｌ２の偏光方向を変えない（図１における紙面に対して平行な偏光方向を保つ）ように設定されている。

レーザ加工装置１は、基板Ｗを保持して駆動する駆動装置７を有している。具体的には、駆動装置７は、基板Ｗを吸着する。駆動装置７は、駆動装置操作部１３によって移動される。駆動装置操作部１３は、駆動装置７を水平方向に移動させる。

レーザ加工装置１は、制御部９を備えている。制御部９は、プロセッサ（例えば、ＣＰＵ）と、記憶装置（例えば、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、ＳＳＤなど）と、各種インターフェース（例えば、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、通信インターフェースなど）を有するコンピュータシステムである。制御部９は、記憶部（記憶装置の記憶領域の一部又は全部に対応）に保存されたプログラムを実行することで、各種制御動作を行う。
制御部９は、単一のプロセッサで構成されていてもよいが、各制御のために独立した複数のプロセッサから構成されていてもよい。

制御部９は、レーザ制御部１７、駆動装置操作部１３、及び光路長調整部６１を制御できる。
制御部９には、図示しないが、基板Ｗの大きさ、形状及び位置を検出するセンサ、各装置の状態を検出するためのセンサ及びスイッチ、並びに情報入力装置が接続されている。

（２）スクライブ加工方法
図２及び図３を用いて、レーザ加工装置１によるスクライブ加工方法を説明する。図２は、スクライブライン形成工程における基板の模式的断面である。図３は、スクライブライン形成工程における基板の模式的平面図である。

（２−１）第１分岐光照射ステップ
第１基板Ｗ１側から第１分岐光Ｌ１を照射することで、第１スクライブラインＳ１を形成する。具体的には、第１基板Ｗ１内部に光軸に沿って形成された複数の第１加工痕２１が、平面方向に（紙面直交方向に）連続して形成される。
この実施形態では、第１スクライブラインのＳ１の平面視の１箇所では、複数の第１加工痕２１は厚み方向に同時に形成される。

（２−２）第２分岐光照射ステップ
第２基板Ｗ２側から第２分岐光Ｌ２を照射することで、第２スクライブラインＳ２を形成する。具体的には、第２基板Ｗ２内部に光軸に沿って形成された複数の第２加工痕２３が、第１加工痕２１に沿って平面方向に（紙面直交方向に）連続して形成される。
この実施形態では、第２スクライブラインのＳ２の平面視の１箇所では、複数の第２加工痕２３は厚み方向に同時に形成される。

（２−３）第１分岐光と第２分岐光の基板Ｗへの照射条件
第１分岐光Ｌ１と第２分岐光Ｌ２は、基板Ｗの平面視で同じ位置に同時に照射される。つまり、両者は位置及びタイミングがオフセットされていない。
また、第１分岐光Ｌ１と第２分岐光Ｌ２は、基板Ｗの主面に対して垂直に照射される。

（２−４）スクライブラインの平面視形状
図３に示すように、第１スクライブラインＳ１及び第２スクライブラインＳ２は、概ね矩形のセルＣの外周を形成する。セルＣは角部が曲線形状である。したがって、上記のように第１分岐光Ｌ１と第２分岐光Ｌ２が両側から同じ位置に照射されるレーザ加工装置が好ましい。

（２−５）逆行する分岐光の処理
この実施形態において、反対側の光学系を逆行する第１分岐光Ｌ１と第２分岐光Ｌ２がレーザ発振器１５に戻らない原理を説明する。
基板Ｗがない位置に照射された第１分岐光Ｌ１は、基板Ｗの加工点を通過すると、第２光学系５Ｃを逆行して、偏光ビームスプリッタ３７に入射する。この場合、第２光学系５Ｃを逆行する第１分岐光Ｌ１は、偏光ビームスプリッタ３７において図右方に反射されて、レーザ発振器１５には戻らない。上記の動作は、基板Ｗに照射されたが通過した第１分岐光Ｌ１の場合も同じである。

基板Ｗが内位置に照射された第２分岐光Ｌ２は、基板Ｗの加工点を通過すると、第１光学系５Ｂを逆行して、偏光ビームスプリッタ３７に入射する。この場合、第１光学系５Ｂを逆行する第２分岐光Ｌ２は、偏光ビームスプリッタ３７を図右方に通過して、レーザ発振器１５には戻らない。上記の動作は、基板Ｗに照射されたが通過した第２分岐光Ｌ２の場合も同じである。
したがって、貼り合わせ基板Ｗの両側から同時に加工するためのレーザ加工装置１において、レーザ光がレーザ発振器１５に戻らない。

（２−６）光路長調整部の効果
さらに、光路長調整部６１によって、第１光学系５Ｂの光路長と第２光学系５Ｃの光路長を同一にできる。したがって、基板Ｗにおいて、第１分岐光Ｌ１のビーム径と第２分岐光Ｌ２のビーム径が同じ又は略同じ（誤差５％以内）になっている。したがって、第１スクライブラインＳ１と第２スクライブラインＳ２が同じ条件で形成される。また、第１光学系５Ｂと第２光学系５Ｃの他の条件を変更する必要がない。

２．第２実施形態
第１実施形態では分岐光の偏光方向を異ならせるのに偏光ビームスプリッタを用いたが、分岐光の偏光方向を異ならせるのは他の手段でもよい。
図４を用いて、そのような実施形態を第２実施形態として説明する。図４は、本発明の第２実施形態のレーザ加工装置の模式図である。
第２実施形態の基本的な構成は第１実施形態と同じであり、以下は異なる点を中心に説明する。

この実施形態では、レーザ加工装置１Ａは、偏光ビームスプリッタの代わりに、無偏光ビームスプリッタ３７Ａ（偏光方向回転部の一例）を有している。
第１光学系５Ｂは、第１偏光板７１を有している。第１偏光板７１は、無偏光ビームスプリッタ３７Ａと第２ミラー４１との間に設けられている。第１偏光板７１の位置は特に限定されない。

レーザ加工装置１Ａは、第２偏光板７２を有している。第２偏光板７２は、第５ミラー５１と第６ミラー５２との間に設けられている。第２偏光板７２の位置は特に限定されない。
第１偏光板７１と第２偏光板７２は、第１分岐光Ｌ１と第２分岐光Ｌ２の偏光方向を互いに９０度異ならせるように、入射レーザ光の偏光方向に対する光学軸の角度が設定されている。

第１分岐光Ｌ１は、基板Ｗの加工点を通過すると、第２光学系５Ｃを逆行して、第２偏光板７２によって吸収又は反射される。つまり、第２光学系５Ｃを逆行する第１分岐光Ｌ１は、第２偏光板７２を通過できない。
第２分岐光Ｌ２は、基板Ｗの加工点を通過すると、第１光学系５Ｂを逆行して、第１偏光板７１によって吸収又は反射される。つまり、第１光学系５Ｂを逆行した第２分岐光Ｌ２は、第１偏光板７１を通過できない。
なお、逆行する分岐光が第１偏光板７１又は第２偏光板７２で反射される場合は、逆行した分岐光は加工用レーザの光路から傾斜した方向に（例えば、９０°）反射する。
以上の結果、反対側の光学系を逆行する第１分岐光Ｌ１と第２分岐光Ｌ２がレーザ発振器１５に戻らない。

３．第３実施形態
第１実施形態では第１光学系は光路長調整部を有していたが、光路長調整部は省略されてもよい。
図５を用いて、そのような実施形態を第３実施形態として説明する。図５は、本発明の第３実施形態のレーザ加工装置の模式図である。

第３実施形態の基本的な構成は第１実施形態と同じであり、以下は異なる点を中心に説明する。
第１光学系５Ｂは、第１実施形態の第３ミラー４２と第４ミラー４３とを有しておらず、さらに光路長調整部を有していない。
この実施形態でも、反対側の光学系を逆行する第１分岐光Ｌ１と第２分岐光Ｌ２がレーザ発振器１５に戻らない。

４．他の実施形態
以上、本発明の複数の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の実施例及び変形例は必要に応じて任意に組み合せ可能である。
基板は、ガラス、半導体ウェハ、セラミックス等の脆性材料基板であればよく、特に限定されない。

本発明は、基板の両側から同時に加工するためのレーザ加工装置に広く適用できる。

１ ：レーザ加工装置
３ ：レーザ装置
５ ：伝送光学系
５Ａ ：導出部
５Ｂ ：第１光学系
５Ｃ ：第２光学系
１５ ：レーザ発振器
３７ ：偏光ビームスプリッタ
７１ ：第１偏光板
７２ ：第２偏光板
Ｗ ：貼り合わせ基板
Ｗ１ ：第１基板
Ｗ２ ：第２基板

Claims (3)

1. 基板の両側から同時に加工するためのレーザ加工装置であって、
   単一のレーザ光源と、
   前記レーザ光源からのレーザ光を、第１分岐光と第２分岐光とに分岐する分岐部と、
   前記第１分岐光に対して前記第２分岐光の偏光方向を所定角度回転させる偏光方向回転部と、
   前記第１分岐光を前記基板の第１面に照射する第１光学系と、
   前記第２分岐光を前記基板の第２面に照射する第２光学系と、
   を備えたレーザ加工装置。
2. 前記分岐部と前記偏光方向回転部は、１つの偏光ビームスプリッタからなる、請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記分岐部は１つの無偏光ビームスプリッタからなり、
   前記偏光方向回転部は、前記第１光学系に設けられた第１偏光板と、前記第２光学系に設けられた第２偏光板とからなる、請求項１に記載のレーザ加工装置。

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