JP2021134103A - 基材の加工方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】加工スループットが高くより平滑な加工面が得られる基材の加工方法。【解決手段】基材の表面に第１のレーザを照射し、第２のレーザを前記表面に照射し、前記表面に沿って走査し、前記第２のレーザの照射は、（ａ）前記第１のレーザの照射前、（ｂ）前記第１のレーザの照射と同時、または（ｃ）前記第１のレーザの照射後のいずれかのタイミングで開始され、前記（ａ）の場合、前記第２のレーザの走査は、前記第１のレーザの照射完了後も継続され、前記第１のレーザは、短パルスレーザであり、前記表面に、加工起点となる光吸収性の領域を形成し、前記第２のレーザは、前記基材に対して透明な波長を有する連続波レーザであり、前記加工起点となる位置を含むように照射または走査され、前記第２のレーザの走査により、前記加工起点にある前記光吸収性の領域が前記第２のレーザの走査方向に移動される、加工方法。【選択図】図１

Description

本発明は、基材の加工方法に関する。
ガラスおよびサファイアのような脆性材料を切断したり加工したりする加工方法として、これまでに各種プロセスが提案されている。
中でも、レーザを用いる加工方法は、非接触で被加工対象を加工することができるなど、多くの利点を有するため、各種プロセスに適用されている。例えば、レーザを用いてガラスを溶断したり、ガラスに貫通孔を形成したりする方法が知られている。
最近では、出力が大きく高額な超短パルスレーザ光源を使用する代わりに、より安価な２つの異なる超短パルスレーザを用いて被加工体を加工することにより、加工コストを抑制する方法が提案されている（特許文献１）。
また、レーザ照射により加工対象物を切断する方法として、加工対象物の内部に切断予定ラインに沿った改質領域を形成し、その後外力を加えて加工対象物を分断するプロセスが提案されている（特許文献２）。
特開２００３−２０５３８３号公報 特開２０１９−１３０５３８号公報
特許文献１の方法では、レーザアブレーションにより基材が加工される。そのため、この方法では、２つのレーザを用いるものの、加工スループットを十分に高めることは難しく、基材の加工に時間がかかるという問題がある。
また、特許文献２の方法では、基材の内部に高い歪みを含む改質領域を形成する必要がある。そのため、特許文献２の方法では、レーザ加工中に改質領域の近傍にクラックが生じ易いという問題がある。また、改質領域に沿って基材を切断した際に、切断面に微細なクラックが含まれ、切断面が平滑にならない場合がある。
このように、従来の方法では、迅速かつ高品質の加工面が得られるように、脆性材料を加工することは難しい。
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、加工スループットが高く、より平滑な加工面が得られる基材の加工方法を提供することを目的とする。
本発明では、基材の加工方法であって、
前記基材の表面に第１のレーザを照射し、
第２のレーザを前記表面に照射し、前記表面に沿って走査し、
前記第２のレーザの照射は、
（ａ）前記第１のレーザの照射前、
（ｂ）前記第１のレーザの照射と同時、または
（ｃ）前記第１のレーザの照射後
のいずれかのタイミングで開始され、
前記（ａ）の場合、前記第２のレーザの走査は、前記第１のレーザの照射完了後も継続され、
前記第１のレーザは、短パルスレーザであり、前記表面に、加工起点となる光吸収性の領域を形成し、
前記第２のレーザは、前記基材に対して透明な波長を有する連続波レーザであり、前記加工起点となる位置を含むように照射または走査され、前記第２のレーザの走査により、前記加工起点にある前記光吸収性の領域が前記第２のレーザの走査方向に移動される、加工方法が提供される。
本発明では、加工スループットが高く、より平滑な加工面が得られる基材の加工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基材の加工方法のフローの一例を概略的に示した図である。 基材の加工装置の構成の一例を模式的に示した図である。 本発明の一実施形態による加工方法によって加工される基材の断面の経時的変化を模式的に示した図である。 本発明の一実施形態による加工方法によって加工される基材の断面の経時的変化を模式的に示した図である。 本発明の一実施形態による加工方法によって加工される基材の断面の経時的変化を模式的に示した図である。 本発明の一実施形態による加工方法によって加工される基材の断面の経時的変化を模式的に示した図である。 本発明の一実施形態による加工方法において、第１のレーザおよび第２のレーザを基材に照射するタイミングの一例を模式的に示した図である。 本発明の一実施形態による別の加工方法のフローの一例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加工方法において、第１のレーザおよび第２のレーザを基材に照射するタイミングの一例を模式的に示した図である。 本発明の一実施形態による加工方法により、一部分がくり抜かれた基材を模式的に示した図である。 本発明の一実施形態による加工方法により、端面が面取りされた基材を模式的に示した図である。 本発明の一実施形態による加工方法により、一部の層が加工された積層体を模式的に示した図である。 本発明の一実施形態による加工方法により製造された、基板の上面を模式的に示した図である。 図１３におけるＩ−Ｉ線に沿った断面を模式的に示した図である。 各実施例における第２のレーザの出力と、形成された溝の深さとの関係をまとめて示したグラフである。
以下、本発明の一実施形態について説明する。
本発明の一実施形態では、基材の加工方法であって、
前記基材の表面に第１のレーザを照射し、
第２のレーザを前記表面に照射し、前記表面に沿って走査し、
前記第２のレーザの照射は、
（ａ）前記第１のレーザの照射前、
（ｂ）前記第１のレーザの照射と同時、または
（ｃ）前記第１のレーザの照射後
のいずれかのタイミングで開始され、
前記（ａ）の場合、前記第２のレーザの走査は、前記第１のレーザの照射完了後も継続され、
前記第１のレーザは、短パルスレーザであり、前記表面に、加工起点となる光吸収性の領域を形成し、
前記第２のレーザは、前記基材に対して透明な波長を有する連続波レーザであり、前記加工起点となる位置を含むように照射または走査され、前記第２のレーザの走査により、前記加工起点にある前記光吸収性の領域が前記第２のレーザの走査方向に移動される、加工方法が提供される。
本発明の一実施形態による加工方法では、基材の加工に第１のレーザおよび第２のレーザの２つのレーザが使用される。
このうち、第１のレーザは、短パルスレーザであり、基材の表面に加工起点となる高温領域を提供する役割を有する。また、第２のレーザは、連続波レーザであり、加工領域を広げる役割を有する。
より具体的には、第１のレーザにより照射された基材の表面の高温領域は、その高温のため、熱電子励起やバンドギャップ縮小により光の吸収率が上昇した状態となる。
その状態で、高温領域に第２のレーザが照射されると、第２のレーザの強度が基材のアブレーション閾値以下であっても、第２のレーザの照射により、高温領域の材料を除去できる。従って、表面の高温領域が加工起点として働き、基材の深さ方向にわたって材料を除去することができる。
また、第２のレーザは基材に対して透明な波長であるため、加工起点となる高温領域以外の照射箇所ではほとんど吸収されることがなく、加工予定の領域以外の周辺領域に余分な熱を与えない。このため、熱応力を最小限に抑制することができ、クラックを抑止することができる。
さらに、第二のレーザは連続波であるため、高温領域を連続的に加熱し続けて高温を維持することができ、連続的に高温領域と加工領域を走査方向に広げることができる。ここでいう連続波のレーザとは、加工時間中は途切れることなくパワー密度が一定以上に維持されるレーザを示す。すなわち加工時間が例えば５０μ秒であれば、５０μ秒の期間、パワー密度が一定以上に維持される。加工時間が例えば１００秒であれば、１００秒の期間、パワー密度が一定以上に維持される。
また、本発明の一実施形態による加工方法では、第２のレーザは、基材の表面にわたって走査される。この第２のレーザの走査に伴い、加工起点にあった高温領域も、走査方向に沿って移動する。その結果、表面の材料が走査方向に沿って順次除去される。
このように、本発明の一実施形態による加工方法では、基材の表面の加工起点から、第２のレーザの走査方向に沿って、基材の表面およびその直下の部分を連続的に加工することができる。特に、本発明の一実施形態による加工方法では、第２のレーザの走査速度を所望の範囲に調整することにより、基材を所望の速度で加工することができる。
このような本発明の一実施形態による加工方法では、従来のレーザによるアブレーション方法に比べて、より迅速に基材を加工することができる。
また、本発明の一実施形態による加工方法では、加工起点は、基材の内部ではなく、表面に形成される。このため、加工中に基材から除去される除去物は、表面から順次基板の外部に除去されていき、基材の内部で圧力が上昇することはない。従って、基材の加工中または加工後にクラックが発生するという問題を有意に抑制することができる。また、その結果、本発明の一実施形態による加工方法では、処理後の加工面に存在し得るクラックを有意に抑制することができ、平滑な加工面を得ることができる。
なお、加工起点が基材の内部に形成された場合、基材から除去されるべき除去物を外部に排出する経路が存在しないため、除去物が内部にとどまったまま加熱され続けることで圧力が上昇し、大きなクラックが生じてしまう。
以上の効果により、本発明の一実施形態による加工方法では、基材に対する加工スループットが高く、平滑な加工面を有する基材を提供することができる。
（本発明の一実施形態による加工方法）
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態による基材の加工方法について、より詳しく説明する。
図１に示すように、第１の加工方法は、
（ｉ）基材の第１の表面に、第１のレーザを照射するステップ（ステップＳ１１０）と、
（ｉｉ）前記（ｉ）のステップの後に実施される、基材の第１の表面に第２のレーザを照射し、第２のレーザを前記第１の表面に沿って走査するステップ（ステップＳ１２０）と、
を有する。
図２に示すように、この加工装置１００は、第１のレーザ光源１１０と、第２のレーザ光源１２０と、ダイクロイックミラー１３０と、レンズ１４０と、移動部材１５０とを有する。
第１のレーザ光源１１０は、第１のレーザ１１２をダイクロイックミラー１３０に向かって出射することができる。
第１のレーザ１１２は、短パルスレーザである。第１のレーザ１１２のパルス幅は、例えば、５０ナノ秒（ｎｓｅｃ）以下である。第１のレーザ１１２のパルス幅は、１ｎｓｅｃ以下であることが好ましく、２０ピコ秒（ｐｓｅｃ）以下であることがより好ましい。
第１のレーザ１１２の波長には特に制限はなく、波長は、例えば、１０６４ｎｍ、１０３０ｎｍ、７８０ｎｍ、５３２ｎｍ、５１５ｎｍ、３９０ｎｍ、３５５ｎｍ、３４３ｎｍ、２６６ｎｍ、または２５７ｎｍ等であってもよい。
また、第１のレーザ１１２におけるパルスエネルギーは、高温の照射領域１７０を形成するため、例えば、１μＪ／ショット以上とされる。第１のレーザ１１２におけるパルスエネルギーは、１０μＪ／ショット以上であることが好ましく、１００μＪ／ショット以上であることがより好ましい。
第１のレーザ１１２は、基材１６０の一方の表面（例えば第１の表面１６２）に、例えば、１μｍ〜５０μｍの範囲のスポットを形成するように照射される。
第２のレーザ光源１２０は、第２のレーザ１２２をダイクロイックミラー１３０に向かって出射することができる。
第２のレーザ１２２は、連続波レーザである。第２のレーザ１２２は、被加工対象となる基材１６０に対して透明な波長を有する。波長は、例えば、４００ｎｍ〜３０００ｎｍの範囲である。また、第２のレーザ１２２の基材１６０の位置におけるパワー密度は、例えば、１ＭＷ／ｃｍ２〜１０００ＭＷ／ｃｍ２の範囲である。第２のレーザ１２２のパワー密度は、基材１６０のアブレーション閾値以下であってもよい。ここでいう透明な波長とは、被加工対象の吸収係数が１０／ｃｍ以下となる波長を示す。
また、第２のレーザ１２２は、基材１６０の第１の表面１６２に、第１のレーザ１１２よりも大きなスポットを形成するように照射される。例えば、第２のレーザ１２２のスポットは、第１の表面１６２において、１μｍ〜１０００μｍの範囲の寸法を有してもよい。
ダイクロイックミラー１３０は、第１のレーザ１１２を透過し、第２のレーザ１２２を反射する機能を有する。ダイクロイックミラー１３０については、上記例以外にも第１のレーザ１１２を反射し、第２のレーザ１２２を透過する機能を有する物品を使用してもよく、この場合、第１のレーザと第２のレーザの配置が入れ替えられる。
移動部材１５０は、基材１６０を保持する機能を有する。また、移動部材１５０は、水平方向、例えば図２における矢印Ｆ１の方向に移動することができる。従って、移動部材１５０の移動により、基材１６０を矢印Ｆ１の方向に移動させることができる。照射部を移動させる手段として、他には例えばガルバノミラーや電気光学素子などの光学的な移動手段を用いても良い。
以下、図２の加工装置１００を参照しながら、第１の加工方法の各工程について説明する。
（ステップＳ１１０）
まず、被加工対象となる基材１６０が準備される。基材１６０の材料は、第２のレーザ１２２の波長に対して透明である限り、特に限られない。
基材１６０は、例えば、ガラスまたはサファイアであってもよい。また、基材１６０は、シリコン、ＳｉＣ、またはＧａＮのような化合物半導体であってもよい。また、基材１６０は、ポリイミド、ポリカーボネート、フッ素樹脂、ポリエチレン、アクリル、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、または塩化ビニル樹脂のような樹脂で構成されてもよい。あるいは、基材１６０は、その他の脆性材料であってもよい。
基材１６０は、第１のレーザ１１２の波長に対して透明であってもよい。
また、基材１６０の寸法および形状は、特に限られない。基材１６０の厚さは、例えば、１００μｍ以上であってもよい。
基材１６０は、相互に対向する第１の表面１６２および第２の表面１６４を有する。
次に、基材１６０が移動部材１５０上に設置される。基材１６０は、第２の表面１６４が移動部材１５０の側となるようにして、移動部材１５０上に設置される。
次に、第１のレーザ光源１１０から、ダイクロイックミラー１３０に向かって、第１のレーザ１１２が照射される。第１のレーザ１１２は、ダイクロイックミラー１３０およびレンズ１４０を透過し、基材１６０の第１の表面１６２に照射される。
第１のレーザ１１２の照射により、基材１６０の第１の表面１６２の照射領域１７０が高温となり、ここに光吸収性の領域が形成される。
なお、第１のレーザ光源１１０は、短パルスの第１のレーザ１１２を１ショットだけ出射することが好ましい。
（ステップＳ１２０）
次に、第２のレーザ光源１２０から、ダイクロイックミラー１３０に向かって、第２のレーザ１２２が照射される。第２のレーザ１２２は、ダイクロイックミラー１３０で反射され、レンズ１４０を透過する。その後、第２のレーザ１２２は、基材１６０の第１の表面１６２に照射される。
第２のレーザ１２２は、第１のレーザ１１２による照射領域１７０を含むように出射されることが好ましい。ただし、これは必須ではない。後述するように、第２のレーザ１２２は、その走査中に、照射領域１７０を含むように操作されてもよい。
第２のレーザ１２２の照射と同時に、またはその直後に、移動部材１５０が水平方向に沿って、矢印Ｆ１の方向に移動する。
これにより、基材１６０も矢印Ｆ１の方向に移動され、その結果、第２のレーザ１２２が基材１６０の第１の表面１６２にわたって、矢印Ｆ１とは反対の方向に走査される。
第２のレーザ１２２の走査方向は、基材１６０の第１の表面１６２に対して平行な方向である限り、特に限られない。
第２のレーザ１２２は、例えば、基材１６０の第１の表面１６２に、１または２以上の直線軌跡を描くように走査されてもよい。あるいは、基材１６０の第１の表面１６２に、１または２以上の曲線軌跡を描くように走査されてもよい。また、第１の表面１６２上の第２のレーザ１２２の軌跡は、直線部分と曲線部分を有してもよい。
また、移動部材１５０および基材１６０の移動速度、すなわち第２のレーザ１２２の走査速度は、特に限られない。第２のレーザ１２２の走査速度は、例えば、最大値が１０ｍｍ／ｓｅｃ〜１０００ｍｍ／ｓｅｃの範囲である。第２のレーザ１２２の走査速度は、最大値が１ｍｍ／ｓｅｃ〜１００００ｍｍ／ｓｅｃの範囲であってもよい。
なお、図２に示した例では、移動部材１５０の水平方向の移動を介して、固定された第２のレーザ１２２に対して基材１６０が移動される。しかしながら、これとは逆に、第２のレーザ１２２が、固定された基材１６０に対して水平方向に移動されてもよい。あるいは、基材１６０および第２のレーザ１２２の両方が、相互に対して反対方向に移動してもよい。
前述の第１のレーザ１１２の照射により生じた照射領域１７０に第２のレーザ１２２が照射されると、第２のレーザ１２２の強度が基材のアブレーション閾値以下であっても、第２のレーザ１２２の照射により、照射領域１７０の材料が深さ方向に沿って除去される。これは、照射領域１７０は、第１のレーザ１１２の照射により既に高温状態にあり、光の吸収率が上昇しているためである。
また、第２のレーザ１２２は、基材１６０の第１の表面１６２にわたって走査される。この第２のレーザ１２２の走査により、第１の表面１６２上の高温の領域も、照射領域１７０から、走査方向に沿って移動する。その結果、第１の表面１６２およびその直下の材料が、走査方向に沿って順次除去される。
その結果、第１の加工方法では、照射領域１７０を加工起点として、第２のレーザ１２２が走査された軌跡に沿って、基材１６０の第１の表面１６２およびその直下の部分を連続的に加工することができる。
まず、図３に示すように、基材１６０の第１の表面１６２に第１のレーザ１１２が照射される。これにより、第１の表面１６２に照射領域１７０が形成される。
なお、第１のレーザ１１２により生じる光吸収性の照射領域１７０は、必ずしも第１の表面１６２に留まる必要はない。例えば、照射領域１７０は、第１の表面１６２から基材１６０の深さ方向にわたって延在してもよい。すなわち、照射領域１７０は、二次元的である必要はなく、三次元的な形態であってもよい。
次に、図４に示すように、基材１６０の照射領域１７０を含むように、第２のレーザ１２２が照射される。これにより、照射領域１７０の温度が上昇し、基材１６０を構成する材料が除去される。すなわち、照射領域１７０を加工起点として、第１の表面１６２から、深さ方向に向かって基材１６０が加工される。
また、第２のレーザ１２２は、第１の表面１６２にわたって走査される。この走査に伴い、図５に示すように、基材１６０の加工先端１７２は、第２のレーザ１２２の走査方向Ｆ２に沿って移動する。
さらに第２のレーザ１２２の走査方向Ｆ２に沿った走査を継続すると、これに伴い、図６に示すように、加工先端１７２が進展し、広い範囲にわたって基材１６０を加工することができる。その結果、最終的に、例えば図６に示したような貫通部１７５を形成することができる。
基材１６０の加工速度は、第２のレーザ１２２の走査速度によって定められる。このため、第１の加工方法では、第２のレーザ１２２の走査速度を所望の範囲に調整することにより、比較的に迅速に基材１６０を加工することができる。従って、第１の加工方法では、基材１６０の加工スループットを有意に高めることができる。
さらに、第１の加工方法では、照射領域１７０、すなわち加工起点は、第１の表面１６２に形成される。このため、加工中に基材１６０に生じ得る歪みは、第１の表面１６２から容易に開放される。従って、第１の加工方法では、従来のように、基材１６０の加工中または加工後に、基材１６０の加工面にクラックが発生するという問題を有意に抑制することができる。
また、その結果、第１の加工方法では、基材１６０の加工後の加工面に発生し得るクラックを有意に抑制することができ、平滑な加工面を得ることができる。
図７には、第１のレーザ１１２の照射波形１１および第２のレーザ１２２の照射波形１３が示されている。横軸は時間（任意単位）であり、縦軸はレーザ強度（任意単位）である。
第１のレーザ１１２の照射波形１１において、第１のレーザ１１２の照射タイミング（レーザ強度が最大ピークとなる時間）は、時間ｔ１で表される。一方、第２のレーザ１２２の照射波形１３において、時間ｔ２は、第１のレーザ１１２によって生じる照射領域１７０に、第２のレーザ１２２が照射されるタイミングとして表されている。
図７に示すように、第２のレーザ１２２の照射領域１７０への照射は、第１のレーザ１１２の照射の後に開始される。すなわち、両方のレーザのタイミング差Ｔ＝ｔ２−ｔ１＞０となる。
ただし、タイミング差Ｔ≦６００ｎｓｅｃであることが好ましい。すなわち、第２のレーザ１２２の照射領域１７０への照射は、少なくとも第１のレーザ１１２の照射の後、６００ｎｓｅｃ以内に開始されることが好ましい。
この場合、照射領域１７０に生じた高温の領域が消滅する前に、照射領域１７０に第２のレーザ１２２を照射することができる。従って、短パルスの第１のレーザ１１２を１回照射するだけで、第２のレーザ１２２の走査により、基材１６０から該基材１６０を構成する材料が除去される現象を継続することができる。
なお、第２のレーザ１２２の形状は、特に限られない。第２のレーザ１２２は、例えば、ベッセルビームであってもよい。この場合、基材１６０の奥深くまで、レーザを集光させることができ、より均一に材料を除去することが可能となる。なお、これに加えて、またはこれとは別に、第１のレーザがベッセルビームであってもよい。この場合、焦点深度が向上するため基材１６０の表面により確実に加工起点を形成することができる。
あるいは、第２のレーザ１２２は、楕円ビームであってもよい。楕円ビームの長軸が走査方向と平行となるようにして第２のレーザ１２２を走査することにより、基材１６０の加工速度をさらに高めることができる。
（本発明の一実施形態による別の加工方法）
次に、図８を参照して、本発明の一実施形態による別の加工方法（以下、「第２の加工方法」と称する）について説明する。
図８に示すように、第２の加工方法は、
（ｉ）基材の第１の表面に第２のレーザを照射し、第２のレーザを前記第１の表面に沿って走査するステップ（ステップＳ２１０）と、
（ｉｉ）第２のレーザの走査中または走査と同時に実施される、基材の第１の表面に、第１のレーザを照射するステップ（ステップＳ２２０）と、
を有する。
第２の加工方法では、第１の加工方法とは異なり、第１のレーザ１１２の照射は、第２のレーザ１２２の照射後、または第２のレーザ１２２の照射と同時に実施される。
図９には、第１のレーザ１１２の照射波形２１および第２のレーザ１２２の照射波形２３が示されている。横軸は時間（任意単位）であり、縦軸はレーザ強度（任意単位）である。
第１のレーザ１１２の照射波形２１において、第１のレーザ１１２の照射タイミング（レーザ強度が最大ピークとなる時間）は、時間ｔ１で表される。一方、第２のレーザ１２２の照射波形２３において、時間ｔ２は、後の第１のレーザ１１２によって生じる照射領域１７０に相当する領域に、第２のレーザ１２２が照射されるタイミングとして表されている。
図９に示すように、第１のレーザ１１２の照射は、第２のレーザ１２２の走査中に実施される。または、第１のレーザ１１２の照射は、第２のレーザ１２２の照射と同時に開始されてもよい。
従って、第２の加工方法では、第１のレーザ１１２の照射タイミング（レーザ強度が最大ピークとなる時間）をｔ１とし、第２のレーザ１２２の照射タイミングをｔ２としたとき、タイミング差Ｔ＝ｔ２−ｔ１≦０となる。特に、タイミング差Ｔ＝０であることが好ましい。
このような順番で第１のレーザ１１２および第２のレーザ１２２を照射した場合でも、第１の加工方法と同様の効果を得ることができることは、当業者には容易に理解できる。
以上の記載から明らかなように、本発明の一実施形態では、第２のレーザ１２２によって照射または走査される領域が、第１のレーザ１１２によって生じる照射領域１７０を含む限り、第１のレーザ１１２と第２のレーザ１２２の照射の順番は、あまり重要ではない。第１のレーザ１１２の照射ステップと、第２のレーザ１２２の照射および走査ステップは、いずれの順番で実施されてもよい。
また、第１の加工方法および第２の加工方法では、照射領域１７０、すなわち加工起点は、基材１６０の第１の表面１６２上に形成される。しかしながら、これは単なる一例であって、本発明の一実施形態において、第１のレーザ１１２による照射領域は、基材１６０の第２の表面１６４に形成されてもよい。
この場合、図２に示した加工装置１００において、第１のレーザ１１２および第２のレーザ１２２は、レンズ１４０等により、基材１６０の裏面、すなわち第２の表面１６４に焦点化される。
なお、図２のように、基材１６０の第２の表面１６４が移動部材１５０と接触すると、第２の表面１６４から、基材１６０を構成する材料を除去することが阻害される場合が生じ得る。その場合、基材１６０の第２の表面１６４が移動部材１５０と接触しない構成としたり、移動部材１５０を省略した構成とすればよい。後者の場合、第２の表面１６４を覆わないようにして基材１６０を固定させておき、第２のレーザ光源１２０および光学系を移動させてもよい。
以上、第１の加工方法および第２の加工方法を例に、本発明の一実施形態について説明した。しかしながら、これらの加工方法は、単なる一例であって、本発明による加工方法は、別の形態を有してもよい。
例えば、上記例では、一つの第２のレーザ光源１２０から、一つの第２のレーザ１２２が照射される。しかしながら、加工装置１００において、第２のレーザ光源１２０は、２つ存在しても良い。この場合、第２のレーザ光源１２０の一方を、基材１６０の第１の表面１６２の側に設置し、第２のレーザ光源１２０の他方を、基材１６０の第２の表面１６４の側に設置しても良い。
このような構成では、第２のレーザ１２２を、基材１６０の両側から照射および走査できる。従って、より迅速に基材１６０を加工することができる。
当業者には、この他にも各種変更が可能である。
（本発明の一実施形態による加工方法の適用例）
次に、本発明の一実施形態による加工方法の適用例について説明する。
本発明の一実施形態による加工方法は、例えば、基材に凹部または貫通部を形成する際に利用することができる。
また、本発明の一実施形態による加工方法は、基材から１または２以上のピース部分を分離する際に利用することができる。さらに、本発明の一実施形態による加工方法は、基材に設けられた特徴部における面取りに適用できる。
図１０には、中央からピース部分がくり抜かれた基材１６０Ａの斜視図を模式的に示す。くり抜かれたピース部分には、くり抜き部１６６が形成される。
本発明の一実施形態による加工方法では、第２のレーザ１２２を、第１の表面１６２または第２の表面１６４にわたって閉じた軌跡を描くように、走査させることにより、図１０に示すような、複雑なくり抜き部１６６を有する基材１６０Ａを製造できる。
なお、同じプロセスにおいて、加工領域を第１の表面から第２の表面まで貫通させないようにした場合、複雑な形状の凹部を形成することもできる。
図１１には、端面が面取りされた基材１６０Ｂの斜視図を模式的に示す。
本発明の一実施形態による加工方法では、基材１６０の第１の表面１６２の法線に対して傾斜した角度で第２のレーザ１２２を基材１６０の端面に照射し、これを端面に沿って走査することにより、基材１６０の端面の少なくとも一部を面取りすることができる。
なお、基材１６０において、面取りされる領域は、必ずしも端面に限られない。例えば、前述の図１０に示すような基材１６０Ａにおいて、くり抜き部１６６の両面側または片面側の開口部分を面取りすることも可能である。
すなわち、面取りされる部分は、基材１６０の開口および／または端面など、いかなる特徴部であってもよい。
図１２には、基材１６０Ｃの斜視図を模式的に示す。
基材１６０Ｃは、第１の層１６８ａおよび第２の層１６８ｂの２層で構成された積層体である。基材１６０Ｃは、第１の層１６８ａの寸法および形状が第２の層１６８ｂとは異なっている。
本発明の一実施形態による加工方法では、第１のレーザ１１２および第２のレーザ１２２のパワー密度を適正に調整することにより、積層体の一部にのみ加工を施すことができる。例えば、第１の層１６８ａのみを加工した場合、図１２に示すような複雑な形状の積層体を製造することができる。
本発明の一実施形態による加工方法では、図６に示すような基材１６０に貫通加工を施す際に、第２のレーザ１２２の強度を調節することにより、基材１６０の第１の表面１６２および第２の表面１６４から基材１６０の外部に排出されるべき除去物の一部を、表面張力により意図的に残留させてもよい。この場合、貫通部１７５に蓋がされ、貫通部１７５を上下が密封された閉空間とすることができる。
このように、本発明の一実施形態による加工方法を適用した場合、脆性基材に対しても、各種精密な加工を施すことができる。
（本発明の一実施形態による基板）
次に、図１３および図１４を参照して、本発明の一実施形態による基板について説明する。
図１３に示すように、本発明の一実施形態による基板（以下、単に「基板」と称する）２６０は、相互に対向する第１の表面２６２および第２の表面２６４を有し、略板状の形状を有する。
なお、図１３に示した例では、基板２６０の第１の表面２６２および第２の表面２６４は、いずれも略矩形状である。しかしながら、これは単なる一例であって、第１の表面２６２および第２の表面２６４の形状は、特に限られない。
基板２６０は、例えば、ガラスまたはサファイアで構成されてもよい。基板２６０の厚さは、例えば、１００μｍ以上であってもよい。
基板２６０は、第１の表面２６２から深さ方向（図１４におけるＺ方向）に沿って延伸する凹部２６５を有する。凹部２６５は、第１の表面２６２に開口２６７を有する。
図１３に示すように、開口２６７は、Ｘ方向に延伸する長さおよびＹ方向に延伸する幅を有する。また、図１４に示すように、凹部２６５は、Ｚ方向に延伸する深さを有する。
ここで、基板２６０において、開口２６７の長さをＬ（ｍｍ）とし、開口の幅をＷ（ｍｍ）とし、凹部２６５の深さをＤ（ｍｍ）とすると、開口２６７の長さＬは、１００μｍ以上であり、開口の幅Ｗは２５μｍ以下である。また、アスペクト比Ｄ／Ｗは３．０以上である。アスペクト比Ｄ／Ｗは、４．０以上であることが好ましい。
また、基板２６０は、凹部２６５を形成する内壁がレーザによる溶融痕を有する。
レーザによる溶融痕は、例えば、光学顕微鏡により確認することができる。すなわち、顕微鏡像において、溶融した基材が流動除去されるときに形成されるうねり模様が認められる場合、その内壁は、レーザによる溶融痕があると認定できる。
従来の方法では、脆性材料に対してこのような高アスペクト比の形状の加工を行うことは容易ではない。
しかしながら、本願では、前述のような特徴を有する本発明の一実施形態による加工方法を採用することにより、図１３および図１４に示すような基板２６０を、比較的容易に製造できる。
例えば、本発明の一実施形態による加工方法において、第１のレーザ１１２の照射により、図１３におけるＡ点に加工起点を形成し、第２のレーザ１２２をＡ点からＸ方向に沿って走査することにより、凹部２６５を形成することができる。
なお、第１のレーザ１１２および第２のレーザ１２２の条件を適切に変更することにより、凹部２６５の代わりに、第１の表面２６２に開口２６７を有し、第１の表面２６２から第２の表面２６４まで貫通する貫通部を形成することも可能である。
また、第２のレーザの走査軌跡を、単純な直線ではなく、曲線または直線と曲線の組み合わせとした場合、より複雑な凹部または貫通部形状を有する基板が提供できる。
以下、本発明の実施例について説明する。
（例１）
ガラス基板に第１のレーザと第２のレーザを同時に照射した後、第２のレーザを走査することにより、ガラス基板に図１３および図１４に示したような溝を形成した。
ガラス基板には、厚さが３００μｍの無アルカリガラスを使用した。
第１のレーザは、波長７８０ｎｍの短パルスレーザとした。パルス幅は２２０フェムト秒（ｆｓｅｃ）であり、パルスエネルギーは、２００μＪ／ショットとした。第１のレーザは、第１の表面が上向きに載置されたガラス基板の上から、ガラス基板の第１の表面に垂直に照射した。ガラス基板上のスポット径は、８．４μｍであった。
なお、第１のレーザの照射回数は、１回である。
第２のレーザは、波長１０７０ｎｍの連続波レーザとした。第２のレーザの平均パワーは４０Ｗである。第２のレーザは、ガラス基板の第１の表面に垂直に照射した。ガラス基板上のスポット径は、１３．２μｍであった。また、ガラス基板の第１の表面でのパワー密度は２９．２ＭＷ／ｃｍ２である。
第２のレーザは、一方向に直線的に走査した。走査速度は２００ｍｍ／秒とした。
加工後に、ガラス基板の第１の表面に、狭小の溝が形成された。
（例２〜例３１）
例１と同様の方法により、ガラス基板に溝を形成した。
ただし、例２〜例３１では、第１のレーザの照射条件、ならびに第２のレーザの照射および走査条件の一つ以上を、例１の場合とは変化させた。
加工後に、ガラス基板の第１の表面に、狭小の溝が形成された。
（例３２）
ガラス基板に第１のレーザと第２のレーザを同時に照射した後、第２のレーザを走査することにより、ガラス基板の切断を試みた。
ガラス基板には、厚さが１００μｍの無アルカリガラスを使用した。
第１のレーザは、波長５１４ｎｍの短パルスレーザとした。パルス幅は１７０フェムト秒（ｆｓｅｃ）であり、パルスエネルギーは、５０μＪ／ショットとした。第１のレーザは、第１の表面が上向きに載置されたガラス基板の上から、ガラス基板の第１の表面に垂直に照射した。ガラス基板上のスポット径は、７．９μｍであった。
なお、第１のレーザの照射回数は、１回である。
第２のレーザは、波長１０７０ｎｍの連続波レーザとした。第２のレーザの平均パワーは８０Ｗである。第２のレーザは、ガラス基板の第１の表面に垂直に照射した。ガラス基板上のスポット径は、１３．２μｍであった。また、ガラス基板の第１の表面でのパワー密度は５８．５ＭＷ／ｃｍ２である。
第２のレーザは、一方向に直線的に走査した。走査速度は５０ｍｍ／秒とした。
第２のレーザの走査後に、ガラス基板が分断された。目視観察の結果、切断面にクラックは認められなかった。
以下の表１には、各例において使用した第１のレーザの条件をまとめて示す。また、表２には、各例において使用した第２のレーザの条件をまとめて示す。さらに、表３には、例１〜例３１において形成された溝の幅、深さ、およびアスペクト比をまとめて示す。
Figure 2021134103
Figure 2021134103
Figure 2021134103
 表３から、例１〜例３１において、ガラス基板に狭小の溝が形成されていることがわかった。
図１５において、横軸は、第２のレーザの出力であり、縦軸は、溝の深さである。なお、図１５には、第２のレーザのそれぞれの走査速度における結果がプロットされている。
図１５から、第２のレーザの出力が増加すると、溝の深さが大きくなることがわかった。また、同じレーザ出力でも、第２のレーザの走査速度が増加すると、溝の深さが小さくなることがわかった。
１１ 第１のレーザの照射波形
１３ 第２のレーザの照射波形
２１ 第１のレーザの照射波形
２３ 第２のレーザの照射波形
１００ 加工装置
１１０ 第１のレーザ光源
１１２ 第１のレーザ
１２０ 第２のレーザ光源
１２２ 第２のレーザ
１３０ ダイクロイックミラー
１４０ レンズ
１５０ 移動部材
１６０ 基材
１６０Ａ〜１６０Ｃ 基材
１６２ 第１の表面
１６４ 第２の表面
１６６ くり抜き部
１６８ａ 第１の層
１６８ｂ 第２の層
１７０ 照射領域
１７２ 加工先端
１７５ 貫通部
２６０ 基板
２６２ 第１の表面
２６４ 第２の表面
２６５ 凹部
２６７ 開口

Claims (18)

  1. 基材の加工方法であって、
    前記基材の表面に第１のレーザを照射し、
    第２のレーザを前記表面に照射し、前記表面に沿って走査し、
    前記第２のレーザの照射は、
    （ａ）前記第１のレーザの照射前、
    （ｂ）前記第１のレーザの照射と同時、または
    （ｃ）前記第１のレーザの照射後
    のいずれかのタイミングで開始され、
    前記（ａ）の場合、前記第２のレーザの走査は、前記第１のレーザの照射完了後も継続され、
    前記第１のレーザは、短パルスレーザであり、前記表面に、加工起点となる光吸収性の領域を形成し、
    前記第２のレーザは、前記基材に対して透明な波長を有する連続波レーザであり、前記加工起点となる位置を含むように照射または走査され、前記第２のレーザの走査により、前記加工起点にある前記光吸収性の領域が前記第２のレーザの走査方向に移動される、加工方法。
  2. 前記第２のレーザの照射は、前記第１のレーザの照射と同時、または前記第１のレーザの照射後のいずれかのタイミングで開始される、請求項１に記載の加工方法。
  3. 前記第２のレーザは、前記第１のレーザの照射後、６００ナノ秒（ｎｓｅｃ）以内に照射される、請求項２に記載の加工方法。
  4. 前記第１のレーザは、パルス幅が５０ナノ秒（ｎｓｅｃ）以下である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の加工方法。
  5. 前記基材は、前記第１のレーザの波長に対して透過性である、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の加工方法。
  6. 前記基材は、ガラスまたはサファイアを含む、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の加工方法。
  7. 前記第２のレーザは、前記加工起点におけるパワー密度が１ＭＷ／ｃｍ２以上である、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の加工方法。
  8. 前記第２のレーザは、前記加工起点におけるパワー密度が前記基材のアブレーション閾値以下である、請求項７に記載の加工方法。
  9. 前記第２のレーザにおける最大の走査速度は、１０ｍｍ／ｓｅｃ〜１０００ｍｍ／ｓｅｃの範囲である、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の加工方法。
  10. 当該加工方法により、前記基材から該基材の一部が分離される、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の加工方法。
  11. 当該加工方法により、前記基材にくりぬき部または凹部が形成される、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の加工方法。
  12. 前記基材は、前記表面に、開口および端部からなる群から選定される特徴部を有し、
    前記第２のレーザは、前記表面の法線に対して傾斜した角度で照射され、
    当該加工方法により、前記基材の前記特徴部の周囲の少なくとも一部が面取りされる、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の加工方法。
  13. 前記基材は、第１の層および第２の層を含む積層体であり、
    当該加工方法により、第１の層のみが加工される、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の加工方法。
  14. 前記基材は、相互に対向する第１の主面および第２の主面を有し、
    前記第１のレーザおよび第２のレーザは、前記第１の主面の側から照射され、
    前記基材の前記表面は、前記第１の主面である、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の加工方法。
  15. 前記基材は、相互に対向する第１の主面および第２の主面を有し、
    前記第１のレーザおよび第２のレーザは、前記第１の主面の側から照射され、
    前記基材の前記表面は、前記第２の主面である、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の加工方法。
  16. 前記第２のレーザは２本存在し、
    一つは、前記第１の主面から照射、走査され、他方は、前記第２の主面から照射、走査される、請求項１４または１５に記載の加工方法。
  17. 前記第１および第２のレーザの少なくとも一方は、ベッセルビームである、請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の加工方法。
  18. 前記第２のレーザは、走査方向に長軸を有する楕円ビームである、請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の加工方法。
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