JP5618373B2 - ガラス基板のレーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、表面強化ガラス基板をダイシングするのに好適のガラス基板のレーザ加工装置に関する。

液晶表示パネルの製造に際し、ガラス基板上に露光及び現像を繰り返して、所定の画素及び回路からなるパターンを形成する。この場合に、１枚のガラス基板に対し、複数枚のパネル分のパターンを同時に形成し、その後、ガラス基板を分割することにより、個々のパネルを製造している。従来、このガラス基板の分割は、切断予定線を回転刃で線状に研削する機械的なダイシング加工により行っている（特許文献１）。

特開２００７−２２９８３１号公報

しかしながら、この機械的ダイシング加工においては、ダイシングブレードを低速度で切断予定線に沿って移動させる必要があり、１個のガラス基板当たりの処理時間が長くかかり、製造タクトが悪いという問題点がある。また、ダイシング工程の途中でガラス基板が割れやすく、歩留が低いと共に、回転刃による切削に際し、切削屑が発生するという問題点もある。特に、表面強化ガラスの場合は、上記問題点が更に著しくなる。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、ガラス基板の分割のための処理時間を短縮することができ、ゴミの発生が防止されたガラス基板のレーザ加工装置を提供することを目的とする。

本発明に係るガラス基板のレーザ加工装置は、波長が２５０〜４００ｎｍのパルスレーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光を所定のビーム形状にしてガラス基板に照射する光学系と、前記光学系と前記ガラス基板とを相対的に移動させて前記レーザ光の前記ガラス基板に対する照射位置を切断予定線に沿って移動させる駆動装置と、前記レーザ光の照射位置が前記切断予定線に沿って点在するように前記レーザ光を間欠的に前記ガラス基板に照射させる制御装置と、を有し、
前記制御装置は、前記切断予定線に沿う長さが短い第１のレーザビームを、前記切断予定線に沿う距離が長い第１の間隔で照射すると共に、前記切断予定線に沿う長さが長い第２のレーザビームを、前記切断予定線に沿う距離が短い第２の間隔で照射し、前記第１のレーザビーム間の非照射位置と前記第２のレーザビームの照射位置とが対応するように前記レーザ光源、前記光学系及び前記駆動装置を制御することを特徴とする。

本発明のガラス基板のレーザ加工装置において、前記光学系は、例えば、前記レーザ光源から出射されたレーザ光のビーム形状を前記切断予定線に沿って細長くなるように成形して前記第２のレーザビームを得るシリンドリカルレンズを有するものとすることができる。このような切断予定線に沿って細長いビームを使用することにより、レーザダイシングの処理速度がより一層向上する。

また、前記光学系は、前記第１及び第２のレーザビームの焦点位置を、前記ガラス基板の厚さ方向の内部とすると共に、焦点深度を前記ガラス基板の厚さよりも短く、好ましくは前記ガラス基板の厚さの１／１００以下に設定することが好ましい。これにより、ガラス基板の内部にレーザ光の照射による加工痕を形成することができる。このため、レーザビームの照射により表面に割れが発生することが確実に防止される。

また、この細長いビーム形状のレーザ光を使用した場合は、前記レーザ光の前記ガラス基板に対する移動方向の後方に配置され、従前のレーザ光の照射による加工痕を検出するカメラと、このカメラにより検出された従前の加工痕の位置を基に、前記レーザ光の次順の照射に関し、その照射位置をレーザ光移動方向に直角方向に関して調節すると共に、その照射タイミングを調節する調節部と、を有することが好ましい。これにより、従前のレーザショットによる加工痕の位置を基に、次順のレーザ光のショットの位置（切断予定線の長手方向及びこれに直角の方向）を調節することができる。

更に、本発明のガラス基板のレーザ加工装置は、表面強化ガラス基板に適用すると、有益である。表面強化ガラス基板は、表面の性質が硬いため、ダイシング刃を使用した機械的ダイシングにおいてはなおさらのこと、レーザダイシングでもその焦点位置がガラス基板の表面である場合は、加工中に割れてしまう。本発明は、第１及び第２のレーザビームの焦点位置を、前記表面強化ガラス基板の厚さ方向の内部であって、前記表面強化ガラス基板の表面強化層よりも深い位置に設定しているので、表面強化ガラス基板でも、加工中に割れることが防止される。

本発明によれば、波長が２５０〜４００ｎｍのレーザ光を使用し、ビーム形状が切断予定線に沿う長さが短い第１のレーザビームを、大きな第１の間隔で照射するので、第１のレーザビームの照射により、ガラス基板の表面に、不規則な割れが生じることが防止される。その後、ビーム形状が切断予定線に沿う長さが長い第２のレーザビームを、小さな第２の間隔で、前記第１のレーザビーム間の非照射位置と前記第２のレーザビームの照射位置とが対応するように照射するので、第２のレーザビームの照射によっても、ガラス基板の表面が不規則な方向に割れてしまうことが防止される。従って、本発明により、高精度で切断予定線に沿って、ガラス基板を割断することができる。

本発明の第１実施形態のレーザ加工装置を示す斜視図である。 同じくその第１のレーザビームの照射のみによる加工工程（第１工程）を示す模式図である。 同じくその第２のレーザビームの照射による加工工程（第２工程）を示す模式図である。 本発明の第１実施形態のレーザ加工方法を示す模式図である。 本発明の変形例のレーザ加工方法を示す模式図である。 本発明の第２実施形態のレーザ加工方法を示す模式図である。 表面強化ガラス基板の透過特性を示すグラフ図である。 本発明の第３実施形態のレーザ加工方法を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の実施形態に係るガラス基板のレーザ加工装置を示す斜視図である。ステージ１上に、被加工物である露光現像処理後の表面強化ガラス基板等のガラス基板２が載置される。このステージ１に対し、このステージ１の幅方向の全域をまたぐ門型の移動部材３が、矢印ａ方向に往復移動可能に支持されている。そして、この移動部材３には、ステージ１の幅方向（矢印ｂ方向）に往復移動可能に、支持部４が設置されており、この支持部４にパルスレーザ発振器６が支持されている。このパルスレーザ発振器６の下方には、対物レンズ５が設けられており、パルスレーザ発振器６からのパルスレーザ光を、ガラス基板に集光させるようになっている。

このレーザ加工装置においては、ステージ１上に表面強化ガラス基板等のガラス基板２が載置され、移動部材３が矢印ａ方向に移動する間に、パルスレーザ発振器６からパルスレーザ光が間欠的に出射され、対物レンズ５により集光されたパルスレーザ光がガラス基板２に照射される。移動部材３が矢印ａ方向に移動することにより、ガラス基板２に対し、レーザ光による加工痕が矢印ａ方向に延びる直線上に点在するように形成され、レーザ加工後に例えばガラス基板２に手で曲げ応力を印加することにより、ガラス基板２は加工痕を起点として、割断される。このガラス基板２に対するパルスレーザ光の照射位置は、移動部材３上を支持部４が矢印ｂ方向に移動することにより、調節することができる。また、支持部４には、焦点距離が異なる複数個の対物レンズ５が取り付けられており、これらの対物レンズ５から加工対象のガラス基板２の種類等に応じて最適の対物レンズを選択して、レーザ加工を行うことができるようになっている。

図２は、このレーザ加工の第１工程を示す模式図である。パルスレーザ光である第１のレーザビーム１０は、波長が２５０〜４００ｎｍであり、対物レンズ５を含む光学系により、その焦点位置が、ガラス基板２の厚さ方向の内部であり、焦点深度が前記ガラス基板の厚さよりも短く設定され、好ましくはガラス基板２の厚さの１／１００以下の範囲に設定されている。

そして、図２に示す第１工程においては、第１レーザビーム１０のビーム形状１１は、例えば、正方形である。この第１レーザビーム１０は、切断予定線に沿う長さが短く、照射位置の間隔は、切断予定線に沿う距離が長い第１の間隔である。この第１レーザビーム１０は、支持部４が矢印ａ方向に移動している間、切断予定線に沿って移動しつつ、間欠的にガラス基板２に照射される。そうすると、加工痕１２がガラス基板２の厚さ方向の内部に、切断予定線に沿って点在するように形成される。

図３は、本実施形態のレーザ加工の第２工程を示す模式図である。パルスレーザ光である第２のレーザビーム２０は、波長が２５０〜４００ｎｍであり、対物レンズ５を含む光学系により、その焦点位置が、ガラス基板２の厚さ方向の内部であり、焦点深度が前記ガラス基板の厚さよりも短く設定され、好ましくはガラス基板２の厚さの１／１００以下の範囲に設定されている。

そして、図３に示す第２工程においては、第２レーザビーム２０のビーム形状２１は、例えば、細長いスリット形状又は長方形状である。この第２レーザビーム２０は、切断予定線に沿う長さが長く、照射位置の間隔は、切断予定線に沿う距離が短い第２の間隔である。この第２レーザビーム２０は、支持部４が矢印ａ方向に移動している間、切断予定線に沿って移動しつつ、間欠的にガラス基板２に照射される。そうすると、加工痕２２がガラス基板２の厚さ方向の内部に、切断予定線に沿って点在するように形成される。なお、第１のレーザビーム１０を、切断予定線に沿う長さが短く、切断予定線に沿う距離が長い第１の間隔で照射すると共に、第２のレーザビーム２０を、切断予定線に沿う長さが長く、切断予定線に沿う距離が長い第２の間隔で照射するが、この長いか、短いかという基準は、第１のレーザビーム１０と第２のレーザビーム２０との相対的な比較である。但し、第１のレーザビーム１０の間隔は、ガラス基板２の表面に割れ又は亀裂が発生しないように、十分に長いことが必要である。また、第２のレーザビーム２０は、その照射位置が、第１のレーザビーム１０間の第１のレーザビーム１０の非照射位置に対応するものであるが、第１のレーザビーム１０と第２のレーザビーム２０とは、その照射領域が相互に重なっても良いし、若干離隔していてもよい。離隔している場合は、その間隔が大きすぎると、ガラス基板に応力を印加して割断する際に、割断しにくくなるので、第１及び第２のレーザビーム１０，２０の間隔は割断のしやすさ（割断に必要な応力が低いこと）を考慮して、適宜決定することが必要である。

なお、上述の細長いビーム形状２１を得るためには、パルスレーザ発振器６からガラス基板２までレーザ光を導く光学系に、シリンドリカルレンズからなる集光レンズを設ければよい。レーザ光をこのシリンドリカルレンズに通すことにより、レーザ光のビーム形状を横長の矩形状にすることができる。

このパルスレーザビーム１０のレーザ光の波長は、２５０〜４００ｎｍである。図７は、横軸に波長をとり、縦軸にレーザ光の透過率をとって、表面強化ガラスの透過特性を示すグラフ図である。波長が５３２ｎｍのレーザ光の場合、ガラス基板に対する透過率が高く、即ち、ガラス基板におけるエネルギの吸収率が悪く、ガラス基板に加工痕を形成しにくい。これに対し、水銀ランプでいうｉ線（波長３６５ｎｍ）付近で、エネルギの吸収が始まり、加工痕を形成できるようになる。また、波長が２６６ｎｍのレーザ光を使用することにより、極めて高いエネルギ吸収率を得ることができる。よって、本発明においては、２５０〜４００ｎｍの波長域において、ガラス基板に加工痕を形成する。

次に、本実施形態の動作について説明する。先ず、図２に示すように、パルスレーザ光の照射位置を白抜き矢印方向に、ガラス基板に対して相対的に移動させつつ、矩形（正方形）のビーム形状を有する第１のレーザビーム１０を、大きな第１の間隔で、ガラス基板に、間欠的に照射し、加工痕１２を形成する。この加工痕１２の間隔は、比較的大きい第１の間隔である。このため、この第１のレーザビーム１０によるショットによって、ガラス基板２には、照射位置から、不規則な割れが発生することはない。その後、図３に示すように、細長いビーム形状を有する第２のレーザビーム２０を、白抜き矢印方向に移動させつつ、加工痕１２の間の第１のレーザビーム１０の非照射領域に対応させて、小さな第２の間隔で、間欠的に照射し、加工痕２２を形成する。これにより、図４に示すように、加工痕１２及び２２が交互に且つ１列に配列され、切断予定線上に、加工痕１２及び２２が形成される。この場合に、第１のレーザビーム１０と第２のレーザビーム２０とは、１直線の切断予定線上に移動させるので、仮に、第２のレーザビーム２０の照射によりガラス基板２が割れることがあっても、不規則な乱雑な方向に割れることはなく、所定の切断予定線上で、割断される。第２のレーザビーム２０の照射によってもガラス基板２が割れなかった場合には、手でガラス基板に応力を印加する等により、１直線上に形成された加工痕１２，２２を起点として、ガラス基板を割断することができる。

例えば、波長が５３２ｎｍのレーザ光を使用し、パルス幅を約７ｎｓｅｃとし、照射エネルギ密度を２５Ｊ／ｃｍ^２として、表面強化ガラス基板の内部にレーザ光を照射した場合、ガラス基板にクラックが進展し、ガラス基板全体が乱雑に割れてしまう。これに対し、波長が３５５ｎｍのレーザ光を使用し、パルス幅を約７ｎｓｅｃとし、照射エネルギ密度を１０Ｊ／ｃｍ^２として、表面強化ガラス基板の内部にレーザ光を照射した場合、ガラス基板の内部に加工痕が形成され、ガラス基板に手で曲げ応力を印加すると、この加工痕をもとに綺麗に直線状の切断線により割断することができる。

また、第１及び第２のレーザビーム１０，２０の焦点位置は、ガラス基板の表面でも良い。レーザビームを相互に近傍の位置に照射していくと、即ち、図２に示すレーザビーム１０の照射位置の間隔が短いと、レーザビームの照射によりガラス基板には乱雑な方向に亀裂が進展し、不規則な割れが発生してしまう。しかし、本実施形態においては、第１のレーザビーム１０の照射位置は、十分に大きな間隔に設定されているので、焦点位置がガラス基板の表面であっても、第１のレーザビーム１０の照射により不規則な割れが発生することはない。

しかし、この第１及び第２のレーザビームの焦点位置を、ガラス基板２の内部とすることにより、このガラス基板の割れ発生をより一層確実に防止することができる。即ち、レーザビームの焦点位置を、ガラス基板２の厚さ方向の内部とし、焦点深度をガラス基板２の厚さよりも短く設定し、好ましくはガラス基板２の厚さの１／１００以下に設定することにより、表面強化ガラス基板であっても、その表面の改質部を避けて、その内部にレーザ光のエネルギを集中することができる。ガラス基板２が表面強化ガラス基板である場合は、レーザビームの焦点位置がガラス基板２の内部でなく、表面強化ガラス基板の表面の改質部にレーザエネルギが集中すると、ガラス基板２に乱雑なクラックが発生して乱雑に割れやすくなる。また、このレーザ光の焦点深度が、ガラス基板の厚さ以上であると、レーザ光がガラス基板２の裏面にまで到達して、クラックにより割れてしまう。このため、レーザ光の焦点深度は、ガラス基板の厚さよりも短くし、好ましくは、ガラス基板の厚さの１／１００以下の範囲とする。

第１のレーザビーム１０と第２のレーザビーム２０の焦点位置を、ガラス基板２の厚さ方向について異ならせても良いことは勿論である。例えば、第１のレーザビーム１０として、波長が２６６ｎｍのパルスレーザ光を使用し、第２のレーザビーム２０として、波長が３５５ｎｍのパルスレーザ光を使用し、その焦点位置を第１のレーザビーム１０の方が浅く、第２のレーザビーム２０の方が深くなるように設定することができる。このように、第１のレーザビーム１０と第２のレーザビーム２０との焦点位置を、ガラス基板の深さ方向に異ならせることにより、エネルギを集中させる位置がガラス基板２の深さ方向に異なり、エネルギを集中させる領域が重なってしまうことを防止できる。

なお、図２及び図３に示すように、第１のレーザビーム１０の走査及び間欠的照射と、第２のレーザビーム２０の走査及び間欠的照射とは、両者を同一方向（図中、白抜き矢印にて示す）に、ガラス基板２に対して相対的に移動させることにより行っても良いし、移動部材３及び対物レンズ５の往復移動時に、往路において第１のレーザビーム１０を照射し、復路において第２のレーザビーム２０を照射することとしてもよい。また、第１及び第２のレーザビーム１０，２０のビーム形状は、上記実施形態のように、夫々正方形及び長方形に限らず、例えば、円形及び楕円形等、種々の形状を使用することができる。

更に、図５に示すように、第１のレーザビームにより、加工痕ではなく、凹部を形成することもできる。図５（ａ）のガラス基板２に対し、図５（ｂ）に示すように、切断予定線に沿う長さが短い第１のレーザビーム１０を、広い間隔で照射して、ガラス基板２の表面を溶融させる。これにより、ガラス基板２の表面に、ガラス基板２を貫通しない凹部２８を形成する。その後、図５（ｃ）に示すように、凹部２８の一部を含むように、凹部２８間に、切断予定線に沿う長さが長い第２のレーザビーム２０を照射する。これにより、凹部２８間を連絡するように、加工痕が形成される。このようにして、第１のレーザビーム１０により、加工痕ではなく、凹部を形成する程度の大きなエネルギを与えても、第１のレーザビーム１０の間の間隔を十分広くすれば、第１のレーザビーム１０の照射により、不規則な方向に割れが生じてしまうことはない。第２のレーザビーム２０の照射により、ガラス基板２が割れることもあるが、この場合は、既に、凹部２８という既照射部があるので、不規則に割れが生じることはなく、切断予定線に沿ってガラス基板２に割れが発生する。

次に、本発明の第２実施形態について図６を参照して説明する。本実施形態は、図１に示す実施形態のように、パルスレーザ発振器６及び対物レンズ５を移動させてレーザスキャンするのではなく、ガラス基板２を移動させ、パルスレーザ発振器６及び対物レンズ５は固定した状態で、レーザスキャンするものである。図６に示すように、固定設置されたパルスレーザ発振器６から出射されたレーザビーム２０は、対物レンズ５により、ガラス基板２に集光される。レーザ光の焦点位置は、ガラス基板２の厚さ方向の内部とし、焦点深度はガラス基板２の厚さよりも短く設定され、好ましくはガラス基板２の厚さの１／１００以下に設定される。

そして、対物レンズによりガラス基板に集光されるレーザビーム２０の照射位置の近傍にて、ガラス基板２の上方にライン照明３２が設置され、このライン照明３２にガラス基板２を挟んで対向する位置のガラス基板２の下方に、高速カメラ３１が設置されている。これにより、ライン照明３２からの光３３をガラス基板２にその上方から照射して加工痕２２を照明し、ガラス基板２の下方から、カメラ３１により、加工痕２２を観察する。ライン照明３２は、レーザ光の走査方向（横長加工痕２２の長手方向）に偏平した横長のビーム形状の光３３を照射するものである。このライン照明３２からの光３３により、横長の加工痕２２を照明し、カメラ３１により加工痕２２を観察又は撮影することにより、レーザビーム２０が従前のショットで形成した加工痕２２の位置を検出することができる。

そこで、この加工痕２２の検出位置に合わせて次順のレーザショットの位置を調整することにより、長尺の加工痕２２を１直線上に、切断予定線からずれることなく、形成することができる。

このように、従前の加工痕２２をカメラ３１により観察して、次順のレーザショットの位置を調整することにより、加工痕２２の位置の直線性を向上させることができ、直線精度を高めて、切断予定線に対する割断位置の精度を高めることができる。

次に、本発明の第３実施形態について、図８を参照して説明する。本実施形態は、第１のレーザビーム１０の照射に、マイクロレンズアレイ４０を使用するものである。このマイクロレンズアレイ４０は、マイクロレンズ４１を、所定のピッチ（第１の間隔）で、一列に配列したものであり、マイクロレンズ４１に内蔵された開口絞りにより、マイクロレンズ４１の配設位置のみからレーザビーム１０をガラス基板２に向けて照射することができる。

本実施形態においては、このマイクロレンズアレイ４０を使用して、第１のレーザビーム１０をガラス基板２に照射する。これにより、マイクロレンズアレイ４０に設けた複数個のマイクロレンズ４１から、複数の第１のレーザビーム１０を同時にガラス基板２に照射することができる。その後、このマイクロレンズアレイ４０を図７（ｃ）に矢印で示す方向にガラス基板２に対して相対的に移動させて、順次レーザ光を照射することにより、ガラス基板２の切断予定線の全域に加工痕１２を形成する。次いで、第２工程として、第２のレーザビーム２０を、第１及び第２の実施形態と同様に、シリンドリカルレンズにより形成して、加工痕１２間に照射する。これにより、本実施形態も第１及び第２の実施形態と同様の効果を奏すると共に、本実施形態においては、より迅速に加工痕を形成することができるという効果を奏する。

１：ステージ
２：ガラス基板
３：移動部材
４：支持部材
５：対物レンズ
６：パルスレーザ発振器
１０：第１のレーザビーム
２０：第２のレーザビーム
１１、２１：ビーム形状
１２，２２：加工痕
２８：凹部
３１：カメラ
３２：ライン照明
４０：マイクロレンズアレイ
４１：マイクロレンズ

Claims (5)

1. 波長が２５０〜４００ｎｍのパルスレーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光を所定のビーム形状にしてガラス基板に照射する光学系と、前記光学系と前記ガラス基板とを相対的に移動させて前記レーザ光の前記ガラス基板に対する照射位置を切断予定線に沿って移動させる駆動装置と、前記レーザ光の照射位置が前記切断予定線に沿って点在するように前記レーザ光を間欠的に前記ガラス基板に照射させる制御装置と、を有し、
   前記制御装置は、前記切断予定線に沿う長さが短い第１のレーザビームを、前記切断予定線に沿う距離が長い第１の間隔で照射すると共に、前記切断予定線に沿う長さが長い第２のレーザビームを、前記切断予定線に沿う距離が短い第２の間隔で照射し、前記第１のレーザビーム間の非照射位置と前記第２のレーザビームの照射位置とが対応するように前記レーザ光源、前記光学系及び前記駆動装置を制御することを特徴とするガラス基板のレーザ加工装置。
2. 前記光学系は、前記レーザ光源から出射されたレーザ光のビーム形状を前記切断予定線に沿って細長くなるように成形して前記第２のレーザビームを得るシリンドリカルレンズを有することを特徴とする請求項１に記載のガラス基板のレーザ加工装置。
3. 前記光学系は、前記第１及び第２のレーザビームの焦点位置を、前記ガラス基板の厚さ方向の内部とすると共に、焦点深度を前記ガラス基板の厚さよりも短く設定することを特徴とする請求項１又は２に記載のガラス基板のレーザ加工装置。
4. 前記レーザ光の前記ガラス基板に対する移動方向の後方に配置され、従前のレーザ光の照射による加工痕を検出するカメラと、このカメラにより検出された従前の加工痕の位置を基に、前記レーザ光の次順の照射に関し、その照射位置をレーザ光移動方向に直角方向に関して調節すると共に、その照射タイミングを調節する調節部と、を有することを特徴とする請求項２に記載のガラス基板のレーザ加工装置。
5. 前記ガラス基板は、表面強化ガラス基板であり、前記光学系は、前記第１及び第２のレーザビームの焦点位置を、前記表面強化ガラス基板の厚さ方向の内部であって、前記表面強化ガラス基板の表面強化層よりも深い位置に設定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のガラス基板のレーザ加工装置。

Images