JP5560096B2 - レーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工方法、特に、ガラス基板表面のスクライブ予定ラインに沿ってレーザ光を照射し、スクライブ溝を形成するレーザ加工方法に関する。

ガラス基板、半導体基板、セラミック基板等の脆性材料基板を分断加工する方法の１つとして、レーザ光を用いた加工方法が提供されている。この方法では、まず、脆性材料基板の表面のスクライブ予定ラインに沿ってレーザ光を移動させつつ照射することによって、スクライブ溝が形成される。その後、ブレーク装置等により、脆性材料基板上においてスクライブ溝の両側に押圧力を加えることにより、基板はスクライブ溝に沿って分断される（特許文献１及び２参照）。

以上のような、レーザ光によって脆性材料基板の表面にスクライブ溝を形成する場合、溝深さが深いほど容易に分断することができる。このため、特許文献３に示されるように、スクライブ予定ラインに沿ってレーザ光を複数回走査し、前回の走査によって形成されたスクライブラインの底部に次回の走査によってスクライブラインを形成するようにした加工方法が提供されている。

特開２００５−２７１５６３号公報 特開２００５−３１４１２７号公報 特開２００６−１５９７４７号公報

特許文献１に記載された従来のアブレーション加工を用いてスクライブ溝を形成する方法では、アブレーションが生じた部分に、衝撃圧によるクラック、あるいは溶融及び急冷による微小クラックが生じるおそれがある。このため、端面強度が低くなるおそれがある。

また、特許文献２に記載されたアブレーション加工を用いてスクライブ溝を形成する方法では、照射されたパルスレーザ光のガラスへの熱拡散を少なくして溶融を抑制することにより、凹凸等の表面欠陥、クラック等の発生を抑制することができる。しかし、表示パネル等のように非常に薄い（例えば厚さ０．５ｍｍ以下）ガラス基板にスクライブ溝を形成する場合は、特許文献２に記載された方法を用いても、十分な端面強度を得ることができない。

また、特許文献３に示されるように同一箇所に複数回レーザ光を照射すると、基板に欠陥が生じる可能性が高くなり、端面強度が低下する。

本発明の課題は、ガラス基板にレーザ光を照射してスクライブ溝を形成する際に、高い端面強度を維持して深いスクライブ溝を形成できるようにすることにある。

第１発明に係るレーザ加工方法は、ガラス基板表面のスクライブ予定ラインに沿ってレーザ光を照射し、スクライブ溝を形成するレーザ加工方法であって、予備加工工程と、スクライブ工程と、を備えている。予備加工工程は、レーザ光をガラス基板のスクライブ予定ラインに沿って照射し、スクライブ予定ラインに対してアブレーションを起こさずに溶融のみを生じさせる。スクライブ工程は、パルスレーザ光をスクライブ予定ラインに沿って照射し、スクライブ溝を形成する。

ここでは、まず、スクライブ予定ラインに沿ってレーザ光が照射され、スクライブ予定ラインの基板領域を溶融させる。このとき、アブレーションを起こさずに、溶融のみが生じるような加工条件でレーザ光が照射される。次に、いったん溶融された領域（スクライブ予定ライン）にパルスレーザ光が照射され、これによりスクライブ溝が形成される。

ここでは、予備加工工程において、スクライブ予定ラインが溶融される。これにより、スクライブ予定ラインが熱的影響を受け、残留応力が発生する。そして、このような熱的影響を受けた後に、スクライブ工程において、同じ個所にパルスレーザ光が照射され、アブレーション加工によってスクライブ溝が形成される。このため、スクライブ工程において、より深く亀裂が進展し、端面強度を低下させることなく、従来に比較してより深いスクライブ溝を形成することができる。また、スクライブ工程における加工速度を速くすることができる。

第２発明に係るレーザ加工方法は、第１発明であって、予備加工工程において、レーザ光の強度は、７×１０^７W/cm²以下で、かつスクライブ予定ラインを溶融させる強度であり、レーザ光をスクライブ予定ラインに沿って走査する回数は１回である。

ここでは、予備工程におけるレーザ光の強度を、７×１０^７W/cm²以下で、かつスクライブ予定ラインを溶融させる強度にすることにより、スクライブ工程でより深いスクライブ溝を形成することができ、しかも、後工程で基板を分断した際に、端面強度が低下するのを避けることができる。

第３発明のレーザ加工方法は、第１又は第２発明のレーザ加工方法であって、スクライブ工程において、パルスレーザ光のレーザ強度は１．０×１０^８以上１．０×１０^１０W/cm²以下であり、パルスレーザ光をスクライブ予定ラインに沿って走査する回数は１回である。

スクライブ工程におけるパルスレーザ光の強度を１．０×１０^８以上１．０×１０^１０W/cm²以下にすることにより、基板は、アブレーション加工されると同時に、レーザ光が照射されたガラス基板が熱影響を受けて加工部が溶融させられる。このような加工方法では、ガラス基板の加工端面における欠陥やクラックを抑えて、端面強度を高く維持することができる。

以上のような本発明では、ガラス基板に対して、より深いスクライブ溝を比較的速い加工速度で形成することができ、しかも端面強度が低下するのを抑えることができる。

本発明の一実施形態によるレーザ加工装置の構成を示す模式図。 パルスレーザ光によるアブレーション加工の一例を示す図。 レーザ加工装置の焦点位置を示す模式図。 本発明の一実施形態による加工方法で加工したガラス基板の表面の様子を示す図。 従来の加工方法によるスクライブ溝深さと、本実施形態の加工方法によるスクライブ溝深さと、を示す図。 従来の加工方法と、本実施形態の加工方法を用いた場合の端面強度のデータを示す図。 従来のアブレーション加工で２回走査してスクライブ溝を形成し、分断した場合の比較例を示す図。

［レーザ加工装置］
本発明の一実施形態によるレーザ加工装置を図１に示す。このレーザ加工装置は、レーザ発振器１と、ミラー機構２と、レンズ機構３と、ＸＹステージ４と、を備えている。レーザ発振器１、ミラー機構２、及びレンズ機構３によりレーザ照射機構が構成され、またＸＹステージにより移動機構が構成されている。

レーザ発振器１はパルスレーザ光を発振する。このレーザ発振器１は、ＹＡＧレーザ、ＩＲレーザ等の周知のパルスレーザ光の発振器であれば、特に限定されるものではない。加工されるガラス基板５の材質に応じて、アブレーション加工が可能な波長のレーザを適宜選択すればよい。また、パルスレーザ光のパルス幅は、レーザアブレーション加工が可能であり、ガラス基板５に熱影響を与えるために、１ps以上１０００ns以下、より好ましくは１ns以上１０００ns以下の範囲であることが好ましい。

ミラー機構２は、レンズ機構３とともに集光光学機構を形成し、ガラス基板５に略鉛直方向からパルスレーザ光を照射できるように、パルスレーザ光の進行方向を変更する。ミラー機構２として、１又は複数の鏡面を用いてもよいし、プリズム、回折格子等を利用してもよい。

レンズ機構３はパルスレーザ光を集光するものである。より詳細には、このレンズ機構３は、ガラス基板５の厚みに応じて、パルスレーザ光を集光する位置である焦点位置の上下方向の位置を調整する。この焦点位置の調整は、レンズ機構３のレンズを交換することにより調整してもよいし、レンズ機構３の上下方向の位置を図示しないアクチュエータにより変更して調整してもよい。

ＸＹステージ４は、分断の対象となるガラス基板５を載置するテーブルであり、互いに直交するＸ方向及びＹ方向に移動可能である。このＸＹステージ４をＸ方向及びＹ方向に所定の速度で移動させることにより、ＸＹステージ４に載置されたガラス基板５とパルスレーザ光との相対位置を自在に変更することができる。通常は、ＸＹステージ４を移動させて、ガラス基板５の表面に形成されるスクライブ溝６の予定ラインに沿ってパルスレーザ光を移動させる。また、加工時のＸＹステージ４の移動速度は、図示しない制御部により制御され、これによりパルスレーザ光が所定のオーバーラップ率でガラス基板５に照射されることになる。

［アブレーション加工の例］
ここでは、予備加工工程及びそれに続くスクライブ工程によって、ガラス基板５のスクライブ予定ラインに沿ってスクライブ溝が形成される。スクライブ工程では、パルスレーザ光によってアブレーション加工が行われる。

図２は、パルスレーザ光によるアブレーション加工の一例を示したものである。この図に示されるように、レーザ発振器１から出射されたパルスレーザ光は、レンズ機構３によりガラス基板５の上面近傍にて集光される。パルスレーザ光が吸収される場合、図２（ａ）に示すように、ガラス基板５の焦点位置近傍が加熱される。

ガラス基板５の焦点位置近傍の温度が、ガラス基板５の沸点を超えた場合、図２（ｂ）に示すように、沸点を超える部分については成分が蒸散する。一方、焦点位置から少し離れた部分では、ガラス基板５の沸点には到達しないが融点を超える部分が存在する。この部分は、図２（ｃ）に示すように表面が溶融し、その後放熱により温度が低下すると、図２（ｄ）に示すように固着することにより溶融痕が形成される。

［集光径の制御］
本発明では、パルスレーザ光の焦点位置を、従来のように基板上面近傍ではなく下方に移動させ、パルスレーザ光の基板上面でのビーム直径（集光径）が所定の値になるようにしている。図３は、本発明の一実施形態によるレーザ加工装置の焦点位置を示す模式図である。

図３に示すように、従来のレーザ加工装置では、焦点位置がガラス基板５の上面近傍になるようにパルスレーザ光４１を集光している。これに対して本実施形態では、焦点位置４３を従来装置に比較して下方に移動させて、ガラス基板５の上面におけるパルスレーザ光４２のビーム直径Ｄが所定の値になるように調整される。なお、上記の方法に代えて、パルスレーザ光の焦点位置を、基板上面よりも上方に位置させて、ガラス基板５の上面におけるパルスレーザ光４２のビーム直径Ｄが所定の値になるように調整してもよい。

［レーザ加工方法］
ガラス基板５にスクライブ溝６を形成する場合は、まず、パルスレーザ光を集光してガラス基板５に照射し、このパルスレーザ光をスクライブ予定ラインに沿って走査する（予備加工工程）。なお、走査回数は１回である。この予備加工工程では、レーザ光の加工条件を調整し、スクライブ予定ラインに対してアブレーションを起こさずに溶融のみが生じるようにする。

この予備加工工程を実施することにより、ガラス基板５のレーザ光が照射された部分においては、熱的影響を受け、残留応力が発生した状態になっている。このため、後工程でさらにレーザ光を照射することにより、亀裂が進展しやすい状態になっている。

以上のような予備工程の後に、先にレーザ光を照射した部分（スクライブ予定ライン）に、パルスレーザ光を照射する。この場合のレーザ光の加工条件は、照射された部分において溶融アブレーションが生じるように調整される。なお、走査回数は１回である。これにより、スクライブ予定ラインに沿って、スクライブ溝６が形成される。ここで、本実施形態における「溶融アブレーション」とは、ガラス基板に対してパルスレーザ光を用いたアブレーション加工を行うと同時に、ガラス基板に熱影響を与えて加工部を溶融させる加工である。このような溶融アブレーションでは、従来のアブレーション加工と比較して、端面強度を維持することが可能である。

以下に、予備加工工程及びスクライブ工程の一実施例を示す。なお、以下の実施例では、ガラス基板５としてOA10（製品名：日本電気硝子社製）を用いた。

（１）予備加工
レーザ照射条件
レーザ強度 ：６．４２×１０^７ W/cm²
オーバーラップ率：９９．２７％
走査回数 ：１回
なお、「オーバーラップ率」とは、隣接する２つのパルスレーザ光が重なり合う割合であり、走査速度と繰り返し周波数によって決まるものである。

以上の加工条件で、加工した場合のガラス基板５の上面の様子を図４（ａ）に示している。ここでは、基板上面のスクライブ予定ラインに沿って、基板が溶融していることがわかる。

（２）スクライブ工程
レーザ照射条件
レーザ強度 ：３．２９×１０^９ W/cm²
オーバーラップ率：９４．７５％
走査回数 ：１回
以上の加工条件で、加工した場合のガラス基板５の上面の様子を図４（ｂ）に示している。ここでは、基板上面のスクライブ予定ラインに沿ってスクライブ溝が形成されていることがわかる。

［加工深さ］
図５に従来の加工方法によるスクライブ溝深さと、本実施形態の加工方法によるスクライブ溝深さと、を示している。なお、図５は、スクライブ工程の後に、スクライブ溝の両側を押圧して分断した後の、分断面を示したものである。

従来の加工方法では、溶融加工していない部分をレーザ光の照射によって加工しており、この場合の加工深さは、図５（ａ）に示すように、３３μｍである。一方、本実施形態では、予備加工工程によって溶融した部分を、スクライブ工程によって加工しているので、加工深さは７４μｍであり、従来の加工方法に比較してより深いスクライブ溝を形成することができることがわかる。

［端面強度について］
図６に、従来の加工方法（通常のアブレーション加工）による場合と、本実施形態の加工方法（溶融後アブレーション加工）を用いた場合の端面強度のデータを示している。この図６から、従来のアブレーションによる加工方法では、端面強度が低く、かつ欠陥率が高いのに比較して、本実施形態の加工方法では、高い端面強度が維持され、かつ欠陥率が低くなっていることがわかる。

［比較例］
図７に、従来のアブレーション加工により、２回走査してスクライブ溝を形成し、分断した場合の比較例を示している。図７（ａ）は基板正面の様子を示し、同図（ｂ）は分断面を示している。これらの図から、従来の加工方法では、基板上面に欠陥が生じ、また分断面にクラックが生じていることがわかる。このため、図６に示すように、従来の加工方法では、端面強度が低くなる。

［特徴］
以上のように、本実施形態の加工方法によれば、予備加工工程によってガラス基板５をアブレーションせずに溶融させ、その後スクライブ工程によってスクライブ溝を形成するので、端面強度の低下を抑えて、より深いスクライブ溝を形成することができる。

［他の実施形態］
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形又は修正が可能である。

前記実施形態では、予備工程におけるレーザ強度を６．４２×１０^７ W/cm²とし、スクライブ工程における３．２９×１０^９ W/cm²としたが、レーザ強度に関してはこれらに限定されない。予備工程においては、スクライブ予定ラインに対してアブレーションを起こさずに溶融のみを生じさせる程度の強度、具体的には、７×１０^７W/cm²以下で、かつスクライブ予定ラインを溶融させる強度であればよい。また、スクライブ工程においては、１．０×１０^８以上１．０×１０^１０W/cm²以下であればよい。

１ レーザ発振器
５ ガラス基板
６ スクライブ溝

Claims (3)

1. ガラス基板表面のスクライブ予定ラインに沿ってレーザ光を照射し、スクライブ溝を形成するレーザ加工方法であって、
   レーザ光をガラス基板のスクライブ予定ラインに沿って照射し、前記スクライブ予定ラインに対してアブレーションを起こさずにガラス基板のレーザ光照射側の表面に溶融のみを生じさせる予備加工工程と、
   パルスレーザ光を前記スクライブ予定ラインに沿って照射し、前記スクライブ予定ラインに沿ってアブレーション加工を行うと同時に加工部を溶融させてスクライブ溝を形成するスクライブ工程と、
   を含む、
   レーザ加工方法。
2. 前記予備加工工程において、
   レーザ光の強度は、７×１０^７W/cm²以下で、かつ前記スクライブ予定ラインを溶融させる強度であり、
   前記レーザ光を前記スクライブ予定ラインに沿って走査する回数は１回である、
   請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. 前記スクライブ工程において、
   前記パルスレーザ光のレーザ強度は１．０×１０^８以上１．０×１０^１０W/cm²以下であり、
   前記パルスレーザ光を前記スクライブ予定ラインに沿って走査する回数は１回である、
   請求項１又は２に記載のレーザ加工方法。