JP2023136442A - 改質領域形成方法、貫通孔形成方法、集光レンズ装置及び改質領域を有する物品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】物品に貫通孔を形成したとき、表面おける貫通孔の内径と、貫通孔の深さ方向の中央部における内径との差を小さくすることができる改質領域形成方法を提供する。【解決手段】極短パルスレーザー光を物品１０の改質領域２０を形成する位置に集光レンズ系１４０を介して照射することによって物品１０の表面１０ａから裏面１０ｃに達する改質領域２０を形成する改質領域形成工程を有する改質領域形成方法であって、集光レンズ系１４０は、極短パルスレーザー光１６１の光軸１６５に沿って配置された２個のアキシコンレンズ１４１、１４３と、２個のアキシコンレンズの間に配置された凸レンズ１４２と、を備え、集光レンズ系１４０を通過した極短パルスレーザー光１６１は、円環状の収束性ベッセルビーム１６４となり、円環状の収束性ベッセルビーム１６４は、物品１０の表面１０ａと裏面１０ｃとの間で収束するように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、改質領域形成方法、貫通孔形成方法、集光レンズ装置及び改質領域を有する物品の製造方法に関する。

板状基材の表面及び裏面に形成される配線パターンの導通をとるための貫通電極が形成されているインターポーザーは、電子部品を高密度で実装可能であることから、電子機器において広く使用されている。インターポーザーの材料としては、ガラス、エポキシ樹脂、シリコンなどが例示できるが、これらの中でも、特に、ガラスは高周波特性に優れ、また、平面度が高い、反りが少ない、大面積での加工が可能、安価に大量生産が可能といった利点があることに加え、配線パターンを形成するためのフォトリソグラフィー技術も確立されていることから、インターポーザーとして優れた材料であるとされている。

ガラスを用いてインターポーザーを作成するには、平板状のガラス基板に例えば１５０μｍ以下といった微細な貫通孔（ＴＧＶ：Through Glass Vias）を多数形成する必要がある。このような貫通孔を形成するには、レーザー光を使用することが一般的であり、従来、様々な技術が提案されている（例えば、特許文献１）。

特許文献１に記載されている貫通孔形成方法では、ピコ秒からナノ秒といったパルス幅を有するパルスレーザー光をガラス基板に照射することにより、ガラス基板に局所的な破壊を生じさせてフィラメント状のチャネル（改質部に対応する）を形成し、その後、フィラメント状のチャネルの箇所を、対をなす電極で挟んで、当該対をなす電極に高電圧を印加することによって、当該フィラメント状のチャネルを所望の孔径まで拡大する。

改質部が形成されている箇所に所望とする孔を形成する手段としては、特許文献１に記載されている孔形成方法のように、対をなす電極に高電圧を印加するという方法も一例ではあるが、より簡便な方法でかつ大量生産が可能な方法として、フッ酸、フッ酸を含む酸等のフッ酸系エッチング液によりエッチングを行う方法が一般的に採用されている。

特表２０１３－５３４８６８号公報

しかしながら、貫通孔を形成するために改質領域を形成したガラス基板に対して、フッ酸系エッチング液を用いてエッチングを行うと、改質領域に対しては、エッチング速度が速く、基板の厚さ方向に進むエッチングが起きるのに対し、改質を行っていない非改質領域に対しては、エッチング速度が遅く、基板の横方向に進むエッチングが起きる。このとき、改質領域に対するエッチングと非改質領域に対するエッチングとのエッチング速度の違いによって、ガラス基板の中央付近における貫通孔の内径が、表面付近の貫通孔の内径より小さくなることがある、という課題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、改質領域を形成した物品を、フッ酸系エッチング液によりエッチングして貫通孔を形成したときに、表面付近における貫通孔の内径と、貫通孔の深さ方向の中央部における内径との差を小さくすることができる、改質領域形成方法を提供すること、貫通孔形成方法を提供すること、改質領域を形成することができる集光レンズ装置を提供すること、及び、改質領域を有する物品の製造方法を提供すること、を目的とする。

［１］本発明の改質領域形成方法は、極短パルスレーザー光を被加工部材としての物品の改質領域を形成する位置に集光レンズ系を介して照射することによって前記物品の表面から裏面に達する改質領域を形成する改質領域形成工程を有する改質領域形成方法であって、前記集光レンズ系は、前記極短パルスレーザー光の光軸に沿って配置された２個のアキシコンレンズと、前記２個のアキシコンレンズの間に配置された凸レンズと、を備え、前記集光レンズ系を通過した前記極短パルスレーザー光は、円環状の収束性ベッセルビームとなり、当該円環状の収束性ベッセルビームは、前記物品の前記表面と前記裏面との間で収束するように構成されている改質領域形成方法である。

［２］本発明の改質領域形成方法は、上記した改質領域形成方法であって、前記物品の光軸方向における前記表面と前記裏面との中央の位置の前記極短パルスレーザー光の光密度分布におけるメインピークの位置での光密度は、前記物品の前記表面の前記極短パルスレーザー光の光密度分布におけるメインピークの位置での光密度より大きいことが好ましい。

［３］本発明の改質領域形成方法は、上記した改質領域形成方法であって、前記物品の前記表面の前記極短パルスレーザー光の光密度分布におけるメインピークの位置での光密度は、前記物品が改質される閾値より大きく、前記物品の前記表面の前記極短パルスレーザー光の光密度分布における第１回折リングの位置での光密度は、前記物品が改質される閾値より小さいことが好ましい。

［４］本発明の改質領域形成方法は、上記した改質領域形成方法であって、前記物品の前記光軸方向における前記表面と前記裏面との中央の位置の前記極短パルスレーザー光の光密度分布における第１回折リングの位置での光密度は、前記物品が改質される閾値より大きいことが好ましい。

［５］本発明の改質領域形成方法は、上記した改質領域形成方法であって、前記物品の前記光軸方向における前記表面と前記裏面との中央の位置の前記極短パルスレーザー光の光密度分布におけるメインピークの位置での光密度は、前記物品の前記表面の前記極短パルスレーザー光の光密度分布のメインピークの位置での光密度の６倍より大きいことが好ましい。

［６］本発明の改質領域形成方法は、上記した改質領域形成方法であって、前記凸レンズは非球面レンズであることが好ましい。

［７］本発明の改質領域形成方法は、上記した改質領域形成方法であって、前記２個のアキシコンレンズの間に凹レンズを有することが好ましい。

［８］本発明の改質領域形成方法は、上記した改質領域形成方法であって、前記集光レンズ系に入射される極短パルスレーザー光の光密度の面内分布は、ガウス分布であることが好ましい。

［９］本発明の改質領域形成方法は、上記した改質領域形成方法であって、集光レンズ系に入射するレーザー光の光密度分布を補正する補正光学系を有し、前記補正光学系は、中央部の光密度を大きくする補正を行うことが好ましい。

［１０］本発明の改質領域形成方法は、上記した改質領域形成方法であって、前記補正光学系は、第１の非球面と第２の非球面とを有し、前記集光レンズ系に入射される極短パルスレーザー光の光密度の面内分布がガウス分布であるときに、中央部の光密度がより大きくなるように構成されていることが好ましい。

［１１］本発明の貫通孔形成方法は、上記した改質領域形成方法のいずれかと、前記改質領域を形成した前記物品をエッチングして貫通孔を形成するエッチング工程と、を有する。

［１２］本発明の集光レンズ装置は、極短パルスレーザー光を被加工部材としての物品の改質領域を形成する位置に集光レンズ系を介して照射することにより前記物品の表面から裏面に達する改質領域を形成する集光レンズ装置であって、前記集光レンズ系は、前記極短パルスレーザー光の光軸に沿って配置された２個のアキシコンレンズと、前記２個のアキシコンレンズの間に配置された凸レンズと、を備え、前記集光レンズ系を通過した前記極短パルスレーザー光は、円環状の収束性ベッセルビームとなり、当該円環状の収束性ベッセルビームは、前記物品の前記表面と前記裏面との間で収束するように構成されている集光レンズ装置である。

［１３］本発明の改質領域を有する物品の製造方法は、極短パルスレーザー光を物品の改質領域を形成する位置に集光レンズ系を介して照射することにより、前記物品の表面から裏面に達する改質領域を形成する改質領域形成工程を有する、改質領域を有する物品の製造方法であって、前記集光レンズ系は、前記極短パルスレーザー光の光軸に沿って配置された２個のアキシコンレンズと、前記２個のアキシコンレンズの間に配置された凸レンズと、を備え、前記集光レンズ系を通過した前記極短パルスレーザー光は、円環状の収束性ベッセルビームとなり、当該円環状の収束性ベッセルビームは、前記物品の前記表面と前記裏面との間で収束するように構成されている改質領域を有する物品の製造方法である。

本発明の改質領域形成方法によれば、まず、２個のアキシコンレンズのうち光源に近い側に配置された第１のアキシコンレンズが、極短パルスレーザー光を円環状のベッセルビームに変換する。次に、２個のアキシコンレンズの間に配置された凸レンズが、円環状のベッセルビームを収束性のベッセルビームに変換する。ここでいう「収束」とは、第１のアキシコンレンズにおいて形成された円環状ベッセルビームの円環形状に対して、ビームが収束しているという意味であり、具体的には、円環の厚さが薄くなる方向に変化することをいう。

さらに、２個のアキシコンレンズのうち、物品に近い側に配置された第２のアキシコンレンズが、円環状の収束性ベッセルビームを極短パルスレーザー光の光軸に対して「収束」させる。第２のアキシコンレンズにより収束させられた円環状の収束性ベッセルビームは、物品の表面と裏面との間に収束する。

これにより、物品の改質領域を形成する位置において、改質領域形成方向の物品中央における光密度分布のメインピークの位置における光密度を、物品表面における光密度分布のメインピークの位置における光密度より大きくすることができる。この結果、物品表面よりも改質領域形成方向の物品中央位置において、広い領域に渡って改質領域を形成することができる。

さらに、エッチングを行ったあとの貫通孔の深さ方向の中央部における貫通孔の内径を大きくすることができ、貫通孔の開口部の内径と貫通孔の深さ方向中央部の内径との差を小さくすることができる。

また、貫通孔の深さ方向の中央部の貫通孔の内径を広げることができるので、より厚い基板に貫通孔を形成することもできるという効果もある。

本発明の集光レンズ装置によれば、物品の改質領域を形成する位置において、改質領域形成方向の物品中央における光密度分布のメインピークの位置における光密度を、物品表面における光密度分布のメインピークの位置における光密度より大きくすることができる。これにより、物品表面よりも改質領域形成方向の物品中央位置において、広い領域に渡って改質領域を形成することができる。

この結果、エッチングを行ったあとの貫通孔の深さ方向の中央部における貫通孔の内径を大きくすることができ、貫通孔の開口部の内径と貫通孔の深さ方向中央部の内径との差を小さくすることができる。

本発明の改質領域を有する物品の製造方法によれば、物品の改質領域を形成する位置において、改質領域形成方向の物品中央における光密度分布のメインピークの位置における光密度を、物品表面における光密度分布のメインピークの位置における光密度より大きくすることができる。これにより、物品表面よりも改質領域形成方向の物品中央位置において、広い領域に渡って改質領域を有する物品を製造することができる。

この結果、エッチングを行ったあとの貫通孔の深さ方向の中央部における貫通孔の内径を大きくすることができ、貫通孔の開口部の内径と貫通孔の深さ方向中央部の内径との差を小さくすることができる。

実施形態１に係る改質領域形成方法を用いてガラス基板１０に改質領域を形成する際に、好適に用いることができるレーザー加工装置１００Ａの一例を示す図。 凸レンズ１４２の焦点距離とガラス基板１０の厚さ方向の光密度分布との関係を示す図。 凸レンズ１４２として焦点距離が異なる凸レンズを使用したときに、集光レンズ系１４０を出射した円環状の収束性ベッセルビーム１６４が収束する位置を示す図。 第２のアキシコンレンズ１４３の頂角とガラス基板１０の厚さ方向の光密度分布との関係を示す図。 集光レンズ系１４０に入射させるレーザー光１６１の光密度分布とガラス基板の厚さ方向の光密度分布との関係を示す図。 実施形態１に係る改質領域形成方法により改質領域を形成し、及び、貫通孔形成方法により貫通孔を形成したガラス基板１０の概略図。 実施形態１に係る改質領域形成方法、及び、貫通孔形成方法の工程を示すフローチャート。 ガラス基板１０に円環状の収束性ベッセルビーム１６４を照射したときの、光束を説明するための図。 ガラス基板１０に円環状の収束性ベッセルビーム１６４を照射したときの、光密度分布を示す図。 実施形態２における、補正光学系１５０の一例を示す図。

以下、本発明を実施するための形態（以下、「実施形態」と記す。）を説明する。以下に記載する実施形態は、発明を実施するための好適な形態を示すものであって、本発明は以下に記す実施形態に何ら限定されるものではない。また、各実施形態において説明が重複する場合は、説明を省略することがある。

１．実施形態１
１－１．レーザー加工装置
まず、実施形態１の改質領域形成方法及び貫通孔形成方法に好適に用いることができる、レーザー加工装置について説明する。

図１は、実施形態１に係る改質領域形成方法を用いてガラス基板１０に改質領域を形成する際に、好適に用いることができるレーザー加工装置１００Ａである。図１には、互いに直行するｘ軸、ｙ軸及びｚ軸を示している。図１において、ｘ軸方向及びｙ軸方向は水平方向に対応しており、ｚ軸方向は鉛直方向（重力方向）に対応している。

１－１－１．レーザー加工装置の概要
図１に示すように、レーザー加工装置１００Ａは、図示しないテーブルに載置された物品としてのガラス基板１０に極短パルスレーザー光（以下、「レーザー光」と記す。）１６１を照射するレーザー発振器１２０と、レーザー発振器１２０から照射されるレーザー光１６１をガラス基板１０の照射位置に導く導光光学系１３０と、円環状の収束性ベッセルビームをガラス基板の表面と裏面との間で収束させる集光レンズ系１４０と、を有する。

レーザー加工装置１００Ａは、レーザー発振器１２０と集光レンズ系１４０との間に、集光レンズ系１４０に入射する光密度分布を補正する補正光学系１５０を備えてもよい。

ガラス基板１０は、平板状をなしており、図示しないテーブルに載置されている。テーブルに載置されたガラス基板１０は、図示しないテーブル駆動手段によって、ｘ軸とｙ軸とで構成されるｘｙ平面上の移動と、上下方向のｚ軸に沿った移動とが可能になっている。そして、テーブルをｘｙ平面上で移動制御することによって、ガラス基板１０のｘｙ平面上におけるレーザー光の照射位置を調整することができる。また、テーブルをｚ軸方向に移動制御することによって、円環状の収束性ベッセルビーム１６４が、ガラス基板１０の基板表面１０ａと基板裏面１０ｃとの間で収束するように、ガラス基板１０のｚ軸方向の位置を調整することができる。

また、集光レンズ系１４０のｚ軸方向の位置を、導光光学系１３０のミラー１３１とガラス基板１０との間で調整することにより、円環状の収束性ベッセルビーム１６４をガラス基板１０の基板表面１０ａと基板裏面１０ｃとの間に収束させることも可能である。

導光光学系１３０は、ミラー１３１を有し、レーザー発振器１２０から発せられるレーザー光１６１をミラー１３１で９０度の角度で反射させる。９０度の角度で反射したレーザー光１６１は、集光レンズ系１４０を介して、ガラス基板１０の表面１０ａに対して垂直に入射されるように設定されている。

実施形態１においては、レーザー発振器１２０、導光光学系１３０及び集光レンズ系１４０を含めてレーザー照射ユニット１６０とする。

１－１－２．集光レンズ系
集光レンズ系１４０は、レーザー光１６１の光軸１６５に沿って配置された２個のアキシコンレンズである、第１のアキシコンレンズ１４１及び第２のアキシコンレンズ１４３と、２個のアキシコンレンズの間に配置された凸レンズ１４２と、を備える。

ここで、集光レンズ系１４０は、第１のアキシコンレンズ１４１を、頂角が異なるアキシコンレンズに交換して使用できるように構成されている。また、凸レンズ１４２を、焦点距離が異なる凸レンズに交換して使用できるように構成されている。さらに、第２のアキシコンレンズ１４３を、頂角が異なるアキシコンレンズに交換して使用できるように構成されている。

これにより、詳細は後で説明するが、ガラス基板１０の改質領域２０を形成する位置において、ガラス基板１０の基板表面１０ａと基板裏面１０ｃとの中央の位置（基板中央）１０ｂ（図６参照）でのレーザー光の光軸１６５に垂直な面の光密度分布におけるメインピークの位置での光密度を、基板表面１０ａのレーザー光の光軸１６５に垂直な面の光密度分布におけるメインピークの位置での光密度、及び、基板裏面１０ｃのレーザー光の光軸１６５に垂直な面の光密度分布におけるメインピークの位置での光密度より、大きくすることができる。

これにより、ガラス基板１０の基板表面１０ａと基板裏面１０ｃとの中央の位置（基板中央）１０ｂにおいて、基板表面１０ａ及び基板裏面１０ｃよりも、広い範囲に改質領域２０を形成することができる。

なお、以後の明細書において、「基板表面１０ａと基板裏面１０ｃとの中央の位置１０ｂ」を「基板中央１０ｂ」と、「レーザー光１６１の光軸１６５」を「光軸１６５」と記す。また、「基板表面１０ａの光軸１６５に垂直な面における光密度分布」を「基板表面１０ａの光密度分布」と、「基板中央１０ｂの光軸１６５に垂直な面における光密度分布」を「基板中央１０ｂの光密度分布」と、「基板裏面１０ｃの光軸１６５に垂直な面における光密度分布」を「基板裏面１０ｃの光密度分布」と、記す。

以下に、集光レンズ系１４０の構成要素である、第１のアキシコンレンズ１４１、凸レンズ１４２及び第２のアキシコンレンズ１４３について、詳細に説明する。

第１のアキシコンレンズ１４１は、レーザー発振器１２０から出射されたレーザー光１６１を、円環状のベッセルビーム１６２に変換して、凸レンズ１４２に入射させる。

集光レンズ系１４０においては、第１のアキシコンレンズ１４１を、頂角が異なるアキシコンレンズに交換して使用できるように構成されている。

第１のアキシコンレンズ１４１の円錐の頂点１４１ａは、レーザー発振器１２０の向きに配置されることが好ましい。第１のアキシコンレンズ１４１の円錐の頂点１４１ａを、レーザー発振器１２０の向きに配置することにより、第１のアキシコンレンズ１４１で反射したレーザー光１６１がレーザー発振器１２０に戻り、レーザー発振器１２０を破損することを未然に防止することができる。

第１のアキシコンレンズ１４１の頂角は、後で説明する第２アキシコンレンズ１４３の頂角より大きい限り、特に制限されないが、１４５°～１７５°の範囲であることが好ましく、１５０°～１７０°の範囲であることがさらに好ましい。

第１のアキシコンレンズ１４１の頂角を、第２のアキシコンレンズ１４３の頂角より大きい角度に設定することにより、円環状の収束性ベッセルビーム１６４を、収束させることができる。

また、第１のアキシコンレンズ１４１の頂角が、上記数値範囲の上限以下であることにより、集光レンズ系１４０の全体の長さを、適切な長さに抑えることができる。一方、第１のアキシコンレンズ１４１の頂角が、上記数値範囲の下限以上であることにより、集光レンズ系１４０からガラス基板１０までの距離、いわゆるワーキングディスタンスが短くなりすぎず、適切な長さのワーキングディスタンスを確保することができる。

さらに、第１のアキシコンレンズ１４１の頂角が上記範囲内であることにより、ガラス基板１０の基板中央１０ｂの光密度分布におけるメインピークの位置での光密度を、基板表面１０ａの光密度分布におけるメインピークの位置での光密度、及び、基板裏面１０ｃの光密度分布におけるメインピークの位置での光密度より、よりいっそう、大きくすることができる

これにより、ガラス基板１０の基板中央１０ｂにおいて、基板表面１０ａ及び基板裏面１０ｃよりも、より広い範囲に改質領域２０を形成することができる（図６参照）。

凸レンズ１４２は、第１のアキシコンレンズ１４１と第２のアキシコンレンズ１４３との間に配置される。凸レンズ１４２は、第１のアキシコンレンズ１４１から出射された円環状のベッセルビーム１６２を、円環状の収束性ベッセルビーム１６３に変換して、第２のアキシコンレンズ１４３に入射させる。ここでいう「収束性」とは、第１のアキシコンレンズにより形成された円環状のベッセルビーム１６２の円環形状に対して、ビームが収束しているという意味である。

集光レンズ系１４０においては、凸レンズ１４２を、焦点距離が異なる凸レンズに交換して使用できるように構成されている。

凸レンズ１４２は、正の屈折力を有するレンズであれば制限なく使用することができ、両凸レンズ、凸平レンズ、凸凹レンズ等の凸レンズを使用することができる。

また、凸レンズ１４２として、凸面が球面の一部を構成する球面レンズに加え、非球面レンズを使用することができる。凸レンズ１４２として非球面レンズを使用することにより、球面収差を小さく抑えることができる。

さらに、凸レンズ１４２は、複数の光学要素を組み合わせて、正の屈折力を生じるようにしたものであってもよい。例えば、一又は複数の凸レンズと一又は複数の凹レンズとを組み合わせて、正の屈折力を生じるようにしてもよい。一又は複数の凸レンズと一又は複数の凹レンズとを組み合わせることにより、球面収差を小さく抑えることが可能である。

凸レンズの球面収差を小さく抑えることにより、基板中央１０ｂの光密度分布におけるメインピークの位置での光密度を、基板表面１０ａの光密度分布におけるメインピークの位置での光密度、及び、基板裏面１０ｃの光密度分布におけるメインピークの位置での光密度より、よりいっそう、大きくすることができる。さらに、凸レンズの球面収差を抑えることにより、基板表面１０ａにおける光密度分布と基板裏面１０ｃにおける光密度分布との均一性を向上させることができる。

凸レンズの焦点距離は、特に制限されないが、１００ｍｍ～２００ｍｍであることが好ましく、１００ｍｍ～１５０ｍｍであることがより好ましい。凸レンズの焦点距離が上記範囲内であることにより、ガラス基板１０の改質領域２０を形成する位置において、基板中央１０ｂの光密度分布におけるメインピークの位置での光密度を、基板表面１０ａの光密度分布におけるメインピークの位置での光密度、及び、基板裏面１０ｃの光密度分布におけるメインピークの位置での光密度より、よりいっそう、大きくすることができる。

これにより、ガラス基板１０の基板中央１０ｂにおいて、基板表面１０ａ及び基板裏面１０ｃよりも、より広い範囲に改質領域２０を形成することができる（図６参照）。

図２は、凸レンズ１４２の焦点距離とガラス基板１０の厚さ方向の光密度分布との関係を示す図である。凸レンズ１４２の焦点距離を１００ｍｍ、１５０ｍｍ、２００ｍｍ、３００ｍｍの４水準に変化させ、基板表面１０ａ、基板中央１０ｂ及び基板裏面１０ｃの光軸１６５の位置における光密度をシミュレーションした。第１のアキシコンレンズ１４１の頂角は１６０°、第２アキシコンレンズ１４３の頂角は１３０°とし、ガラス基板１０の厚さは、１ｍｍとした。

横軸は、ガラス基板１０の厚さ方向の位置を示す。原点は基板中央１０ｂである。縦軸は、図２（ａ）においては、光密度を示し、図２（ｂ）においては、原点（基板中央１０ｂ）の位置における光密度で正規化した光密度を示す。

図２より、凸レンズ１４２の焦点距離が１００ｍｍ、１５０ｍｍ、２００ｍｍの場合、基板中央１０ｂの光密度は、基板表面１０ａの光密度、及び、基板裏面１０ｃの光密度の６倍以上であり、基板中央１０ｂの光密度が、基板表面１０ａの光密度、及び、基板裏面１０ｃの光密度より十分に高いことが確認できる。

なお、焦点距離が１００ｍｍの場合は、基板中央１０ｂの光密度は高いが、同時に、基板表面１０ａの光密度、及び、基板裏面１０ｃの光密度が低くなっている。

図３は、凸レンズ１４２として焦点距離が異なる凸レンズを使用したときに、集光レンズ系１４０を出射した円環状の収束性ベッセルビーム１６４が収束する位置を示す図である。図３より、凸レンズ１４２として、焦点距離が短い凸レンズ１４２を使用したとき、円環状の収束性ベッセルビーム１６４は、焦点距離が長い凸レンズ１４２を使用したときに比べ、集光レンズ系１４０に近い位置であって、光軸１６５が延在する方向において狭い範囲に収束することがわかる。

凸レンズ１４２として焦点距離が１００ｍｍの凸レンズを使用した場合、円環状の収束性ベッセルビーム１６４は、基板表面１０ａと基板裏面１０ｃとの間の基板中央１０ｂに近い位置に収束したと考えられる。この結果、基板表面１０ａ及び基板裏面１０ｃにおいては、円環状の収束性ベッセルビーム１６４は十分に収束しておらず、基板表面１０ａの光密度、及び、基板裏面１０ｃの光密度が小さくなったと思われる。

基板表面１０ａの光密度、及び、基板裏面１０ｃの光密度を、ガラス基板１０を改質できるレベルまで大きくするために、レーザー発振器１２０から出射されるレーザー光１６１のパワーを大きくすることができる。

第２のアキシコンレンズ１４３は、光軸１６５に沿って配置され、円環状の収束性ベッセルビーム１６３を光軸１６５に対して収束させる。第２のアキシコンレンズ１４３により収束させられた円環状の収束性ベッセルビーム１６４は、ガラス基板１０の基板表面１０ａと基板裏面１０ｃとの間に収束する。

集光レンズ系１４０においては、第２のアキシコンレンズ１４３を、頂角が異なるアキシコンレンズ１４３に交換して使用できるように構成されている。また、第２のアキシコンレンズ１４３の円錐の頂点１４３ａが配置される向きは、ガラス基板１０の向きであっても、凸レンズ１４２の向きであってもよい。

なお、第２のアキシコンレンズ１４３の円錐の頂点１４３ａをガラス基板１０の向きに配置した場合には、円環状の収束性ベッセルビーム１６３が第２のアキシコンレンズ１４３の平面側から入射することになり、第２のアキシコンレンズ１４３に対する収束性ベッセルビーム１６３の入射角が垂直に近くなる。これにより、第２のアキシコンレンズ１４３に施されたコーティグの性能を発揮させ、第２のアキシコンレンズ１４３に入射する円環状の収束性ベッセルビーム１６３の透過率を高くすることができることができる。

一方、第２のアキシコンレンズ１４３の円錐の頂点１４３ａを凸レンズ１４２の向きに配置した場合には、破損しやすいアキシコンレンズ１４３の円錐の頂点１４３ａを鏡筒内向きに設置できる。これにより、装置の取り回しが容易になるという効果を有する。

第２のアキシコンレンズ１４３の頂角は、第１アキシコンレンズ１４１の頂角より小さい限り、特に制限されないが、１２０°～１５０°であることが好ましく、１２０°～１４０°であることがさらに好ましい。

第２のアキシコンレンズ１４３の頂角を、第１のアキシコンレンズ１４１の頂角より小さい角度に設定することにより、円環状の収束性ベッセルビーム１６４を、収束させることができる。

また、第２のアキシコンレンズ１４２の頂角が、上記数値範囲の上限以下であることにより、集光レンズ系１４０の全体の長さを、適切な長さに抑えることができる。一方、第２のアキシコンレンズ１４３の頂角が、上記数値範囲の下限以上であることにより、集光レンズ系１４０からガラス基板１０までの距離、いわゆるワーキングディスタンスが短くなりすぎず、適切な長さのワーキングディスタンスを確保することができる。

さらに、第２のアキシコンレンズ１４３の頂角が上記範囲内であることにより、ガラス基板１０の基板中央１０ｂの光密度分布におけるメインピークの位置での光密度を、基板表面１０ａの光密度分布におけるメインピークの位置での光密度、及び、基板裏面１０ｃの光密度分布におけるメインピークの位置での光密度より、よりいっそう、大きくすることができる。

図４は、第２のアキシコンレンズ１４３の頂角とガラス基板１０の厚さ方向の光密度分布との関係を示す図である。第２のアキシコンレンズ１４３の頂角を１２０°、１３０°、１４０°、１５０°の４水準に変化させ、基板表面１０ａ、基板中央１０ｂ及び基板裏面１０ｃの光軸１６５の位置における光密度をシミレーションした。第１のアキシコンレンズ１４１の頂角は１６０°、凸レンズ１４２の焦点距離は２００ｍｍとし、ガラス基板１０の厚さは、１ｍｍとした。

横軸は、ガラス基板１０の厚さ方向の位置を示す。原点は基板中央１０ｂである。縦軸は、図４（ａ）においては、光密度を示し、図４（ｂ）においては、原点（基板中央１０ｂ）の位置における光密度で正規化した光密度を示す。

図４より、第２のアキシコンレンズ１４３の頂角が１２０°、１３０°の場合において、基板中央１０ｂの光密度は、基板表面１０ａの光密度、及び、基板裏面１０ｃの光密度の６倍以上であり、基板中央１０ｂの光密度が、基板表面１０ａの光密度、及び、基板裏面１０ｃの光密度より十分に高いことが確認できる。

なお、第２のアキシコンレンズ１４３の頂角が１２０°の場合、基板中央１０ｂの光密度は高いが、同時に、基板表面１０ａの光密度、及び、基板裏面１０ｃの光密度が低くなている。

これは、頂角が小さい第２のアキシコンレンズ１４３を使用した場合、円環状の収束性ベッセルビーム１６４が、基板中央１０ｂに近い位置で収束するためと考えられる。この結果、基板表面１０ａ及び基板裏面１０ｃにおいては、円環状の収束性ベッセルビーム１６４は十分に収束しておらず、この結果、基板表面１０ａの光密度、及び、基板裏面１０ｃの光密度が小さくなったと思われる。

基板表面１０ａの光密度、及び、基板裏面１０ｃの光密度を、ガラス基板１０を改質できるレベルまで大きくするために、レーザー発振器１２０から出射されるレーザー光１６１のパワーを大きくすることができる。

上記したように、集光レンズ系１４０においては、第１のアキシコンレンズ１４１を、頂角が異なるアキシコンレンズに交換して使用できるように構成されている。また、凸レンズ１４２を、焦点距離が異なる凸レンズに交換して使用できるように構成されている。さらに、第２のアキシコンレンズ１４３を、頂角が異なるアキシコンレンズに交換して使用できるように構成されている。

これにより、集光レンズ系１４０は、円環状の収束性ベッセルビーム１６４を収束させる位置を調整することができる。すなわち、集光レンズ系１４０は、円環状の収束性ベッセルビーム１６４を、ガラス基板１０の基板表面１０ａと基板裏面１０ｃとの間に収束させることができる。

さらに、基板中央１０ｂの光密度分布におけるメインピークの位置での光密度を、基板表面１０ａの光密度分布におけるメインピークの位置での光密度、及び、基板裏面１０ｃの光密度分布におけるメインピークの位置での光密度より大きくすることができる。

これにより、ガラス基板１０の基板中央１０ｂにおいて、基板表面１０ａ及び基板裏面１０ｃよりも、より広い範囲に改質領域２０を形成することができる。

次に、実施形態１のレーザー加工装置において使用することができるレーザー発振器１２０について説明する。

レーザー発振器１２０は、極短パルスレーザー光を発信するレーザー発振器（フェムト秒パルスレーザー発振器又はピコ秒パルスレーザー発振器）であり、波長は８００ｎｍ～２０００ｎｍのレーザー光１６１を出力する。例えば、ＲＡＹＤＩＡＮＣＥ社製のＲシリーズ発振器（波長１５５３ｎｍ、出力１０Ｗ～１５Ｗ、パルス幅５００ｆｓｅｃ～８００ｆｓｅｃ）、ＣＯＨＥＲＥＮＴ社製のＭｏｎａｃｏシリーズ発振器（波長１０３５ｎｍ、出力２０Ｗ～４０Ｗ、パルス幅４００ｆｓｅｃ～１０ｐｓｅｃ）、ＴＲＵＭＰＦ社製のＴｒｕＭｉｃｒｏシリーズ発振器（波長１０３０ｎｍ、出力１０Ｗ～５０Ｗ、パルス幅４００ｆｓｅｃ～２０ｐｓｅｃ）などを使用することができる。

実施形態１では、パルス幅が１０ｐｓｅｃ以下のパルスレーザー光を使用するものとし、当該パルスレーザー光は、波長１０３０ｎｍ、ビーム径３ｍｍ～６ｍｍ、平均出力５０Ｗであるものを使用する。

レーザー発振器１２０が発するレーザー光１６１の光密度分布は、ガウス分布であることが好ましい。レーザー光１６１の光密度分布がガウス分布であることにより、円環状の収束性ベッセルビーム１６４が、ガラス基板１０の基板表面１０ａと基板裏面１０ｃとの間で収束したとき、ガラス基板１０の改質領域２０を形成する位置において、基板中央１０ｂの光密度分布におけるメインピークの位置での光密度を、基板表面１０ａの光密度分布におけるメインピークの位置での光密度、及び、基板裏面１０ｃの光密度分布におけるメインピークの位置での光密度より大きくすることができる。

これにより、ガラス基板１０の基板中央１０ｂにおいて、基板表面１０ａ及び基板裏面１０ｃよりも、広い範囲に改質領域２０を形成することができる。

図５は、集光レンズ系１４０に入射させるレーザー光１６１の光密度分布とガラス基板の厚さ方向の光密度分布との関係を示す図である。集光レンズ系１４０に入射させるレーザー光１６１の光密度分布を、ガウス分布、又は、フラットな分布に変化させ、基板表面１０ａ、基板中央１０ｂ及び基板裏面１０ｃの光軸１６５の位置における光密度をシミレーションした。第１のアキシコンレンズ１４１の頂角は１６０°、第２のアキシコンレンズ１４３の頂角は１３０°、凸レンズ１４２の焦点距離は２００ｍｍとし、ガラス基板１０の厚さは、１ｍｍとした。

横軸は、ガラス基板１０の厚さ方向の位置を示す。原点は基板中央１０ｂである。縦軸は、図５（ａ）においては、光密度を示し、図５（ｂ）においては、原点（基板中央１０ｂ）の位置における光密度で正規化した光密度を示す。

図５より、レーザー光１５１の光密度分布がガウス分布の場合の方が、基板中央１０ｂにおける光密度が大きいことがわかる。すなわち、実施形態１の改質領域形成方法においては、集光レンズ系１４０に入射させるレーザー光１６１として、光密度分布が光軸１６５を中心に分布しているレーザー光、例えばガウス分布を有するレーザー光が好ましいことが、確認できる。

１－２．改質領域形成方法、及び、貫通孔形成方法
次に、実施形態１に係る改質領域形成方法、及び、貫通孔形成方法について説明する。図６は、実施形態１に係る改質領域形成方法により改質領域を形成し、及び、貫通孔形成方法により貫通孔を形成したガラス基板１０の概略図である。図７は、実施形態１に係る改質領域形成方法、及び、貫通孔形成方法の工程を示すフローチャートである。

実施形態１に係る改質領域形成方法は、物品としてのガラス基板１０に、改質領域２０を形成する改質領域形成工程（ステップＳＴ１）を含む。また、貫通孔形成方法は、上記した改質領域形成工程（ステップＳＴ１）と、改質領域２０を形成したガラス基板１０をエッチングして貫通孔を形成するエッチング工程（ステップＳＴ２）と、を含む。

１－２－１．改質領域形成工程
実施形態１に係る改質領域形成工程は、例えば、図１に示すレーザー加工装置１００Ａを用いて、レーザー光１６１を被加工部材としての物品であるガラス基板１０の改質領域２０を形成する位置に集光レンズ系１４０を介して照射し、ガラス基板１０の表面１０ａから裏面１０ｃに達する改質領域２０を形成する工程である（ステップＳＴ１）。集光レンズ系１４０は、第１のアキシコンレンズ１４１、凸レンズ１４２及び第２のアキシコンレンズ１４３を有する。

第１のアキシコンレンズ１４１は、レーザー光１６１を、円環状のベッセルビーム１６２に変換して、凸レンズ１４２に入射させる。

凸レンズ１４２は、第１のアキシコンレンズ１４１と第２のアキシコンレンズ１４３との間に配置される。凸レンズ１４２は、第１のアキシコンレンズ１４１から出射された円環状のベッセルビーム１６２を、円環状の収束性ベッセルビーム１６３に変換して、第２のアキシコンレンズ１４３に入射させる。

第２のアキシコンレンズ１４３は、円環状の収束性のベッセルビーム１６４をガラス基板１０に照射する。

ここで、集光レンズ系１４０は、第１のアキシコンレンズ１４１を、頂角が異なるアキシコンレンズに交換して使用できるように構成されている。また、凸レンズ１４２を、焦点距離が異なる凸レンズに交換して使用できるように構成されている。さらに、第２のアキシコンレンズ１４３を、頂角が異なるアキシコンレンズに交換して使用できるように構成されている。

これにより、ガラス基板１０の改質領域２０を形成する位置において、基板中央１０ｂの光密度分布におけるメインピークの位置での光密度を、基板表面１０ａの光密度分布におけるメインピークの位置での光密度、及び、基板裏面１０ｃの光密度分布におけるメインピークの位置での光密度より大きくすることができる。

以下に、円環状の収束性ベッセルビーム１６４の、ガラス基板１０の基板中央１０ｂの光密度分布におけるメインピークの位置での光密度を、基板表面１０ａの光密度分布におけるメインピークにおける光密度、及び、基板裏面１０ｃの光密度分布におけるメインピークにおける光密度より大きくすることができるメカニズムを説明する。

図８は、ガラス基板１０に円環状の収束性ベッセルビーム１６４を照射したときの、光束を説明するための図である。図９は、ガラス基板１０に円環状の収束性ベッセルビーム１６４を照射したときの、光密度分布を示す図である。図９（ａ）は、基板表面１０ａのＡ－Ａの位置における光密度分布であり、図９（ｂ）は、基板中央１０ｂのＢ－Ｂの位置における光密度分布であり、図９（ｃ）は、基板裏面１０ｃのＣ－Ｃの位置における光密度分布である。

なお、図８を見ると、基板表面１０ａ及び基板裏面１０ｃにおいて、光軸１６５の位置には円環状の収束性ベッセルビーム１６４の光束が存在しないにもかかわらず、図９（ａ）の基板表面１０ａにおける光密度分布、及び、図９（ｃ）の基板裏面１０ｃにおける光密度分布を見ると、光軸１６５の位置に光密度のメインピーク６１ａ、６１ｃが存在していることがわかる。これは、基板表面１０ａ及び基板裏面１０ｃにおいては、円環状の収束性ベッセルビーム１６４の円環が収束することにより近接しているため、相互に作用して、光軸１６５の位置にメインピークが現れたものである。

図９（ａ）～（ｃ）において、横軸は、光軸１６５からの距離を示し、縦軸は、光密度を示す。それぞれのグラフは、比較できるよう、縦軸及び横軸のスケールを揃えている。

まず、図９（ｂ）の基板中央１０ｂの光密度分布について説明する。基板中央１０ｂにおいては、光軸１６５の位置、すなわちグラフ横軸の原点の位置に、光密度が最大となるメインピーク６１ｂが認められる。

また、メインピーク６１ｂの両側に第１回折リング６２ｂ、さらに第２回折リング６３ｂが認められる。メインピーク６１ｂの位置での光密度は、第１回折リング６２ｂの位置での光密度の約６倍、第２回折リングの位置での光密度の約１３倍である。

グラフに、ガラス１０が改質される光密度である、閾値６５を示す。ここで閾値６５とは、ガラス基板１０にレーザー光を照射したとき、ガラスの結晶構造が破壊され、改質が起きる光密度である。

基板中央１０ｂの光密度分布を閾値６５と比較する。メインピーク６１ｂの位置での光密度と第１回折リング６２ｂの位置での光密度とが、閾値６５を超えている。すなわち、ガラス基板１０の基板中央１０ｂにおいては、メインピーク６１ｂの位置と、第１回折リング６２ｂの位置とで、改質が起きている。一方、メインピーク６１ｂの位置と第１回折リング６２ｂの位置との間に、光密度が閾値６５に達していない領域がある。この領域は改質が起きていない。

次に、図９（ａ）の基板表面１０ａの光密度分布について説明する。基板表面１０ａにおいては、光軸１６５の位置に、光密度分布が最大となるメインピーク６１ａが認められる。基板表面１０ａの光密度分布におけるメインピーク６１ａの位置での光密度は、基板中央１０ｂの光密度分布におけるメインピーク６１ｂの位置での光密度より小さい。

また、メインピークの外側に、第１回折リング６２ａが存在する。基板表面１０ａの光密度分布における第１リング６２ａの位置での光密度も、基板中央１０ｂの光密度分布における第１リング６２ｂの位置での光密度より小さい。

基板表面１０ａの光密度分布を改質が起きる閾値６５と比較すると、メインピーク６１ａの位置での光密度は閾値６５を超えているが、第１回折リング６２ａの位置での光密度は閾値６５より低い。

図９（ｃ）の基板裏面１０ｃの光密度分布について説明する。基板裏面１０ｃの光密度分布は、基板表面１０ａの光密度分布と類似している。光軸１６５の位置に、光密度分布が最大となるメインピーク６１ｃが認められる。基板裏面１０ｃの光密度分布におけるメインピーク６１ｃの位置での光密度は、基板中央１０ｂの光密度分布におけるメインピーク６１ｂの位置での光密度より小さい。

メインピークの外側に、第１回折リング６２ｃが存在する。基板裏面１０ｃの光密度分布における第１リング６２ｃでの光密度も、基板中央１０ｂの光密度分布における第１リング６１ｃの位置での光密度より小さい。

基板裏面１０ｃの光密度分布を、改質が起きる閾値６５と比較すると、メインピーク６１ｃの位置での光密度は閾値６５を超えているが、第１回折リング６２ｃの位置での光密度は閾値より小さい。

以上、基板表面１０ａ、基板中央１０ｂ及び基板裏面１０ｃ、それぞれにおける光密度分布を説明した。すでに説明したことと重複するが、基板中央１０ｂの光密度分布におけるメインピーク６１ｂの位置での光密度は、基板表面１０ａの光密度分布におけるメインピーク６１ａの位置での光密度、及び、基板裏面１０ｃの光密度分布におけるメインピーク６１ｃの位置での光密度より大きい。

ここで、ガラス基板１０が改質される改質領域２０は、当該領域における光密度が、閾値６５を超えている領域である。基板中央１０ｂの光密度分布におけるメインピーク６１ｂの位置は、光密度の値が大きいことから、閾値６５を超え、改質が起きる領域Ｒｂも広い。

すなわち、基板中央１０ｂの光密度分布におけるメインピーク６１ｂに属する領域のうち、閾値６５を超え改質が起きる領域Ｒｂは、基板表面１０ａの光密度分布におけるメインピーク６１ａに属する領域のうち閾値６５を超え改質が起きる領域Ｒａ、及び、基板裏面１０ｃの光密度分布におけるメインピーク６１ｃに属する領域のうち閾値６５を超え改質が起きる領域Ｒｃより、広い。

これにより、ガラス基板１０の基板中央１０ｂにおいて、基板表面１０ａ及び基板裏面１０ｃよりも、広い範囲に改質領域２０を形成することができる。

さらに、改質領域２０を形成したガラス基板１０をエッチングして貫通孔３０を形成したときに、広い範囲にわたって改質領域２０が形成されているので、基板中央１０ｂにおける貫通孔の内径ｄ２を広げることができる。これにより、基板中央における貫通孔の内径ｄ２と基板表面１０ａにおける貫通孔の内径ｄ１の差、及び、基板中央１０ｂにおける貫通孔ｄ２の内径と基板裏面１０ｃにおける貫通孔の内径ｄ３との差、を小さくすることができる。

基板中央１０ｂの光密度分布におけるメインピーク６１ｂの位置での光密度は、基板表面１０ａの光密度分布におけるメインピーク６１ａの位置での光密度、及び、基板裏面１０ｃの光密度分布におけるメインピーク６１ｃの位置での光密度より大きいことが好ましい。

これにより、ガラス基板１０の基板中央１０ｂにおいて、基板表面１０ａ及び基板裏面１０ｃよりも、より広い範囲に改質領域２０を形成することができる。

また、実施形態１の改質領域形成方法においては、基板表面１０ａの光密度分布におけるメインピーク６１ａの位置での光密度、及び、基板裏面１０ｃの光密度分布におけるメインピーク６１ｃの位置での光密度は、改質が起きる閾値６５より大きいことが好ましい。

これにより、基板表面１０ａのメインピーク６１ａの位置、及び、基板裏面１０ｃのメインピーク６１ｃの位置は、ガラス基板１０が改質され、改質領域２０が形成される。

一方、基板表面１０ａの光密度分布おける第１回折リング６２ａの位置での光密度、及び、基板裏面１０ｃの光密度分布おける第１回折リング６２ｃの位置での光密度は、改質される閾値６５より小さいことが好ましい。すなわち、基板表面１０ａの第１回折リング６２ａの位置、及び、基板裏面１０ｃの第１回折リング６２ｃの位置においては、ガラス基板１０は改質されないことが好ましい。

この結果、改質されたガラス基板１０をエッチングして貫通孔３０を形成したとき、ガラス基板１０の基板表面１０ａ及び基板裏面１０ｃにおいては、メインピーク６１ａ、６１ｃの形状に対応した真円の貫通孔３０を形成することができる。

さらに、実施形態１の改質領域形成方法は、基板中央１０ｂの光密度分布における第１回折リング６２ｂの位置での光密度が、ガラスが改質される閾値６５より大きいことが好ましい。

これにより、基板中央１０ｂにおいて、基板表面１０ａ及び基板裏面１０ｃよりも、より広い範囲に改質領域２０ａ、２０ｂを形成することができる。

さらに、改質されたガラス基板１０をエッチングして貫通孔３０を形成したとき、基板中央１０ｂにおける貫通孔の内径ｄ２を、よりいっそう、大きくすることがでる。また、基板中央１０ｂにおける貫通孔の内径ｄ２と基板表面１０ａにおける貫通孔３０の内径ｄ１との差、及び、基板中央１０ｂにおける貫通孔の内径ｄ２と基板裏面１０ｃにおける貫通孔３０の内径ｄ３との差、を小さくすることができる。

なお、メインピーク６１ｂと第１回折リング６２ｂとの間に、照射されたレーザー光１５１の光密度が、閾値６５に達していない非改質領域が存在する。しかし、非改質領域を「遅い」エッチングにより除去すれば、エッチング液は、改質領域２０ｂに到達することができる。改質領域２０ｂに到達したエッチング液は、改質領域２０ｂを「速い」エッチングにより除去することができるので、貫通孔３０の基板中央１０ｂにおける内径ｄ２を大きくすることができる。

また、実施形態１における改質領域形成方法は、基板中央１０ｂの光密度分布のメインピーク６１ｂの位置での光密度は、基板表面１０ａの光密度分布におけるメインピーク６１ａの位置での光密度、及び、基板裏面１０ｃの光密度分布におけるメインピーク６１ｃの位置での光密度の６倍以上であることが好ましく、８倍以上であることがより好ましく、１０倍以上であることがさらに好ましい。

基板表面１０ａの光密度分布におけるメインピーク６１ａの位置での光密度又は基板裏面１０ｃの光密度分布におけるメインピーク６１ｃの位置での光密度に対する、基板中央１０ｂの光密度分布のメインピーク６１ｂの位置での光密度が、上記範囲内であることにより、ガラス基板１０の改質領域２０を形成する位置において、ガラス基板１０の基板中央１０ｂの光密度分布におけるメインピークの位置での光密度を、基板表面１０ａの光密度分布におけるメインピークの位置での光密度、及び、基板裏面１０ｃの光密度分布におけるメインピークの位置での光密度より、よりいっそう、大きくすることができる。

１－２－２．エッチング工程
改質領域形成工程（ＳＴ１）を行った後に、フッ酸系エッチング液によりガラス基板のエッチングを行って貫通孔３０を形成する、エッチング工程（ＳＴ２）を行う。エッチング工程（ＳＴ２）においては、ガラス基板１０の基板表面１０ａ及び基板裏面１０ｃがエッチングされ、ガラス基板１０は薄板化される。薄板化により、ガラス基板１０の新しい基板表面１０ｄ及び基板裏面１０ｅが形成される。ガラス基板１０を薄板化するエッチングと同時に、改質領域２０にエッチング液が染み込むことにより改質領域２０がエッチングされ、パイロット孔３０ａが形成される（図６参照）。

なお、改質領域２０がエッチング液で侵食され、パイロット孔３０ａが形成される際、ガラス基板１０の厚み方向（ｚ方向）にエッチングが進む改質領域２０のエッチングと、パイロット孔３０ａに侵入したエッチング液が、パイロット孔３０ａの内壁を横方向（ｘｙ平面に沿った方向）にエッチングする非改質領域のエッチングとが、同時に進行する。

このとき、ガラス基板１０の厚さ方向（ｚ方向）に進む改質領域２０のエッチングは、ガラス基板１０の横方向（ｘｙ平面に沿った方向）に進む非改質領域のエッチングに比べてスピードが速い。従来技術においては、この改質領域２０のエッチングのエッチング速度と非改質領域のエッチングのエッチング速度との差によって、基板中央１０ｂにおける貫通孔の内径が、基板表面１０ａにおける貫通孔の内径、及び、基板裏面１０ｃにおける基板裏面１０ｃにおける貫通孔の内径より、小さくなる傾向があった。

しかし、実施形態１の貫通孔形成方法においては、改質領域形成工程（ステップＳＴ１）において、基板中央１０ｂの光密度分布におけるメインピークの位置での光密度が、基板表面１０ａの光密度分布におけるピーク位置での光密度、及び、基板裏面１０ｃの光密度分布におけるピーク位置での光密度より大きくなっている。これにより、基板中央１０ｂにメインピークにより形成される改質領域２０ａの範囲Ｒｂは、基板表面１０ａにメインピークにより形成される改質領域２０ａの範囲Ｒａ、及び、基板裏面３０ｃにメインピークにより形成される改質領域２０ａの範囲Ｒｃより大きい（図８参照）。

この結果、ガラス基板１０をエッチングして貫通孔３０を形成したときに、基板表面１０ａにおける貫通孔３０の内径ｄ１、及び、基板裏面１０ｃにおける貫通孔３０の内径ｄ３と基板中央１０ｂにおける貫通孔３０の内径ｄ２との差を小さくすることができる（図６参照）。

２．実施形態２
図１０は、実施形態２における、補正光学系１５０の一例を示す図である。図１０（ａ）は、集光レンズ系に入射させるレーザー光の光束を補正する様子を示す図であり、図１０（ｂ）は、補正前のレーザー光の光密度分布１７１と補正後の光密度分布１７２を対比する図である。

補正光学系１５０は、集光レンズ系１４０に入射させるレーザー光１６１の光密度分布において、中央部の光密度を大きくする補正を行う。補正光学系１５０は、入射したレーザー光１６１の光密度分布において、中央部の光密度を大きくする補正を行うものであれば好適に使用することができる。光学要素１５１は、レーザー光１６１が入射する入射面１５１ａと、レーザー光が出射する出射面１５１ｂと、を備える。

入射面１５１ａは、中心に向かって曲率が徐々に小さくなる中心が凸状の非球面が形成されている。光学要素１５１に入射したレーザー光１６１のうち、入射面１６１ａの中心から離れた周辺部に入射したレーザー光１６１は、光軸１６５に平行に近い角度のまま光学要素１５１に入射する。一方、中央輪帯付近に入射した光は、入射面１６１ａにおいて、光軸１６５に近づく向きに、光の進行方向を変えられる。

出射面１５１ｂは、中心に向かって曲率が徐々に小さくなる中心が凹状の非球面が形成されている。光学要素１５１に入射したレーザー光１６１のうち、入射面１６１ａの光軸１６５から離れた周辺部に入射したレーザー光１６１は、出射面１５１ｂにおいても、垂直出射に近い角度で光学要素１５１を出射する。一方、光学要素１５１の入射面１５１ａの中央輪帯付近に入射し、光軸１６５に近づく向きに光の進行方向を変えられた光は、出射面１５１ｂで再び平行光線に戻される。

図１０（ａ）の光学要素１５１は、集光レンズ系１４０に入射させるレーザー光１６１について、中央部の光密度をより大きくする補正を行うことができる。例えば、光学要素１５１に、図１０（ｂ）の、ガウス分布１７１の光密度のレーザー光を入射させた場合、中央部の光密度がさらに大きい光密度分布１７２を有するレーザー光を出射することができる。

このような光密度分布を有するレーザー光１７２を集光レンズ系１４０に入射させ、集光レンズ系から出射した円環性の収束性ベッセルビーム１６４をガラス基板１０の基板表面１０ａとガラス基板１０ｃとの間に収束させることにより、以下のような効果を得ることができる。

すなわち、ガラス基板１０の基板中央１０ｂの光密度分布おけるメインピークの位置での光密度を、基板表面１０ａの光密度分布おけるメインピークの位置での光密度、及び、基板裏面１０ｃの光密度分布おけるメインピークの位置での光密度より、よりいっそう、大きくすることができる。

この結果、ガラス基板１０の基板中央１０ｂにおいて、基板表面１０ａ及び基板裏面１０ｃよりも、より広い範囲に改質領域２０を形成することができる。

さらに、改質を行ったガラス基板１０をエッチングして貫通孔３０を形成したときに、基板中央１０ｂにおける貫通孔の内径ｄ１を大きくすることができ、基板表面１０ａにおける貫通孔の内径ｄ１と基板中央１０ｂにおける貫通孔ｄ２の内径との差、及び、基板裏面１０ｃにおける貫通孔の内径ｄ３と基板中央１０ｂにおける貫通孔ｄ２の内径との差を、小さくすることができる。

３．実施形態３
実施形態３に係る集光レンズ装置は、レーザー光１５１を、被加工部材としての物品であるガラス基板１０の改質領域２０を形成する位置に集光レンズ系１４０を介して照射することにより、ガラス基板１０の基板表面１０ａから基板裏面１０ｃに達する改質領域２０を形成する集光レンズ装置である。

以下、実施形態３に係る集光レンズ装置を図１を参照しながら説明する。なお、上記した各実施形態と説明が重複する部分は、説明を適宜省略することがある。

集光レンズ系１４０は、光軸１６５に沿って配置された２個のアキシコンレンズである、第１のアキシコンレンズ１４１及び第２のアキシコンレンズ１４３と、２個のアキシコンレンズの間に配置された凸レンズ１４２と、を備える。集光レンズ系１４０を通過したレーザー光１５１は、円環状の収束性ベッセルビーム１６４となり、円環状の収束性ベッセルビーム１６４は、基板表面１０ａと基板裏面１０ｃとの間で収束するように構成されている。

これにより、ガラス基板１０の基板中央１０ｂの光密度分布おけるメインピークの位置での光密度を、基板表面１０ａの光密度分布おけるメインピークの位置、及び、基板裏面１０ｃの光密度分布おけるメインピークの位置より大きくすることができる。

この結果、ガラス基板１０の基板中央１０ｂにおいて、基板表面１０ａ及び基板裏面１０ｃよりも、広い範囲に改質領域２０を形成することができる。

さらに、改質を行ったガラス基板１０をエッチングして貫通孔３０を形成したときに、基板中央１０ｂにおける貫通孔の内径ｄ１を大きくすることができ、基板表面１０ａにおける貫通孔の内径ｄ１と基板中央１０ｂにおける貫通孔ｄ２の内径との差、及び、基板裏面１０ｃにおける貫通孔の内径ｄ３と基板中央１０ｂにおける貫通孔ｄ２の内径との差を、小さくすることができる。

４．改質領域を有する物品の製造方法
実施形態４に係る改質領域を有する物品の製造方法は、レーザー光１５１を被加工部材としての物品であるガラス基板１０の改質領域２０を形成する位置に集光レンズ系１４０を介して照射することにより、ガラス基板１０の表面１０ａから裏面１０ｃに達する改質領域２０を形成する改質領域形成工程を有する。

集光レンズ系１４０は、光軸１６５に沿って配置された２個のアキシコンレンズである、第１のアキシコンレンズ１４１及び第２のアキシコンレンズ１４３と、凸レンズ１４２とを備える。集光レンズ系１４０を通過した極短パルスレーザー光は、円環状の収束性ベッセルビーム１６４となり、円環状の収束性ベッセルビーム１６４は、ガラス基板１０の基板表面１０ａと基板裏面１０ｃとの間で収束するように構成されている。

以下、実施形態４に係る改質領域を有する物品の製造方法を、図１及び図６ないし図７を参照しながら説明する。なお、上記した各実施形態と説明と重複する部分は、説明を適宜省略することがある。

ガラス基板１０を、図１に示すレーザー加工装置の図示しないテーブルに載置する。レーザー発振器１２０から照射されるレーザー光１５１は、集光レンズ系１４０により、円環状の収束性のベッセルビーム１６４に変換して、ガラス基板１０に照射する。

これにより、基板の厚さ方向において基板中央１０ｂの光密度分布におけるメインピークの位置での光密度を、基板表面１０ａの光密度分布におけるメインピークの位置での光密度、及び、基板裏面１０ｃの光密度分布におけるメインピークの位置での光密度より大きくすることができる。

この結果、ガラス基板１０の基板中央１０ｂにおいて、基板表面１０ａ及び基板裏面１０ｃよりも、広い範囲に改質領域２０を形成することができる。

さらに、改質を行ったガラス基板１０をエッチングして貫通孔３０を形成したときに、基板中央１０ｂにおける貫通孔の内径ｄ１を大きくすることができ、基板表面１０ａにおける貫通孔の内径ｄ１と基板中央１０ｂにおける貫通孔ｄ２の内径との差、及び、基板裏面１０ｃにおける貫通孔の内径ｄ３と基板中央１０ｂにおける貫通孔ｄ２の内径との差を、小さくすることができる。

１０…ガラス基板、１０ａ…基板表面、１０ｂ…基板表面と基板裏面との中央の位置（基板中央）、１０ｃ…基板裏面、１０ｄ…エッチング後の基板表面、１０ｅ…エッチング後の基板裏面，２０…改質領域、２０ａ…改質領域（メインピークの位置の改質領域）、２０ｂ…改質領域（第１リングの位置の改質領域）、３０…貫通孔、３０ａ…貫通孔（パイロット孔）、３０ｂ…貫通孔、６１ａ、６１ｂ、６１ｃ…メインピーク、６２ａ、６２ｂ、６２ｃ…第１リング、６３ｂ…第２リング、６５…閾値、１００Ａ…レーザー加工装置、１２０…レーザー発振器、１３０・ア光光学系、１３１…ミラー、１４０…集光レンズ系、１４１…第１のアキシコンレンズ、１４１ａ…円錐の頂点、１４２…凸レンズ、１４３…第２のアキシコンレンズ、１４３ａ…円錐の頂点、１５０…補正光学系、１５１…光学要素、１５１ａ…入射面、１５１ｂ…出射面、１６０…レーザー照射ユニット、１６１…極短パルスレーザー光（レーザー光）、１６２…円環状のベッセルビーム、１６３、１６４…円環状の収束性ベッセルビーム、１６５…レーザー光の光軸

Claims (13)

1. 極短パルスレーザー光を被加工部材としての物品の改質領域を形成する位置に集光レンズ系を介して照射することによって前記物品の表面から裏面に達する改質領域を形成する改質領域形成工程を有する改質領域形成方法であって、
   前記集光レンズ系は、前記極短パルスレーザー光の光軸に沿って配置された２個のアキシコンレンズと、前記２個のアキシコンレンズの間に配置された凸レンズと、を備え、前記集光レンズ系を通過した前記極短パルスレーザー光は、円環状の収束性ベッセルビームとなり、当該円環状の収束性ベッセルビームは、前記物品の前記表面と前記裏面との間で収束するように構成されていることを特徴とする改質領域形成方法。
2. 請求項１に記載の改質領域形成方法であって、
   前記物品の光軸方向における前記表面と前記裏面との中央の位置の前記極短パルスレーザー光の光密度分布におけるメインピークの位置での光密度は、前記物品の前記表面の前記極短パルスレーザー光の光密度分布におけるメインピークの位置での光密度より大きいことを特徴とする改質領域形成方法。
3. 請求項１又は２に記載の改質領域形成方法であって、
   前記物品の前記表面の前記極短パルスレーザー光の光密度分布におけるメインピークの位置での光密度は、前記物品が改質される閾値より大きく、
   前記物品の前記表面の前記極短パルスレーザー光の光密度分布における第１回折リングの位置での光密度は、前記物品が改質される閾値より小さいことを特徴とする改質領域形成方法。
4. 請求項１～３のいずれか一項に記載の改質領域形成方法であって、
   前記物品の前記光軸方向における前記表面と前記裏面との中央の位置の前記極短パルスレーザー光の光密度分布における第１回折リングの位置での光密度は、前記物品が改質される閾値より大きいことを特徴とする改質領域形成方法。
5. 請求項１～４のいずれか一項に記載の改質領域形成方法であって、
   前記物品の前記光軸方向における前記表面と前記裏面との中央の位置の前記極短パルスレーザー光の光密度分布におけるメインピークの位置での光密度は、前記物品の前記表面の前記極短パルスレーザー光の光密度分布のメインピークの位置での光密度の６倍より大きいことを特徴とする改質領域形成方法。
6. 請求項１～５のいずれか一項に記載の改質領域形成方法であって、
   前記凸レンズは非球面レンズであることを特徴とする改質領域形成方法。
7. 請求項６に記載の改質領域形成方法であって、
   前記２個のアキシコンレンズの間に凹レンズを有することを特徴とする改質領域形成方法。
8. 請求項１～７のいずれか一項に記載の改質領域形成方法であって、
   前記集光レンズ系に入射される極短パルスレーザー光の光密度の面内分布は、ガウス分布であることを特徴とする改質領域形成方法。
9. 請求項１～８のいずれか一項に記載の改質領域形成方法であって、
   集光レンズ系に入射するレーザー光の光密度分布を補正する補正光学系を有し、
   前記補正光学系は、中央部の光密度を大きくする補正を行うことを特徴とする改質領域形成方法。
10. 請求項９に記載の改質領域形成方法であって、
    前記補正光学系は、第１の非球面と第２の非球面とを有し、前記集光レンズ系に入射される極短パルスレーザー光の光密度の面内分布がガウス分布であるときに、中央部の光密度がより大きくなるように構成されていることを特徴とする改質領域形成方法。
11. 請求項１乃至１０に記載の改質領域形成方法と、
    前記改質領域を形成した前記物品をエッチングして貫通孔を形成するエッチング工程と、を有することを特徴とする貫通孔形成方法。
12. 極短パルスレーザー光を被加工部材としての物品の改質領域を形成する位置に集光レンズ系を介して照射することにより前記物品の表面から裏面に達する改質領域を形成する集光レンズ装置であって、
    前記集光レンズ系は、前記極短パルスレーザー光の光軸に沿って配置された２個のアキシコンレンズと、前記２個のアキシコンレンズの間に配置された凸レンズと、を備え、
    前記集光レンズ系を通過した前記極短パルスレーザー光は、円環状の収束性ベッセルビームとなり、当該円環状の収束性ベッセルビームは、前記物品の前記表面と前記裏面との間で収束するように構成されていることを特徴とする集光レンズ装置。
13. 極短パルスレーザー光を物品の改質領域を形成する位置に集光レンズ系を介して照射することにより、前記物品の表面から裏面に達する改質領域を形成する改質領域形成工程を有する、改質領域を有する物品の製造方法であって、
    前記集光レンズ系は、前記極短パルスレーザー光の光軸に沿って配置された２個のアキシコンレンズと、前記２個のアキシコンレンズの間に配置された凸レンズと、を備え、
    前記集光レンズ系を通過した前記極短パルスレーザー光は、円環状の収束性ベッセルビームとなり、当該円環状の収束性ベッセルビームは、前記物品の前記表面と前記裏面との間で収束するように構成されていることを特徴とする改質領域を有する物品の製造方法。

Images