JP6104354B2 - 貫通孔形成方法、貫通孔形成装置、および貫通孔を有するガラス基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、貫通孔形成方法、貫通孔形成装置、および貫通孔を有するガラス基板の製造方法に関する。

レーザ光をガラス基板に照射することにより、ガラス基板を板厚方向に貫通する貫通孔を形成する貫通孔形成方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特表２０１４−５０１６８６号公報

レーザ光の照射によって貫通孔を形成する場合に、貫通孔の形状の目標形状からのずれが大きかった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、貫通孔の形状崩れ（膨らみやくびれ等）を抑制できる、貫通孔形成方法、貫通孔形成装置、および貫通孔を有するガラス基板の製造方法などの提供を主な目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一態様によれば、
レーザ光を集光レンズを介してガラス基板に集光照射することにより、前記ガラス基板を板厚方向に貫通する、貫通電極を形成するための貫通孔を形成する工程を有し、
前記レーザ光を出射するレーザ光源として、炭酸ガスレーザを用い、
前記集光レンズと前記ガラス基板との間の媒質が空気であり、
前記集光レンズの焦点距離ｆと、前記集光レンズに対する前記レーザ光の入射ビーム径ｄとから下記式（１）を用いて算出される集光半角θが下記式（２）を満たす、貫通孔形成方法が提供される。
（ｄ／２）／ｆ＝ｔａｎθ・・・（１）
０．１６≦ｓｉｎθ≦０．２２・・・（２）

本発明の一態様によれば、貫通孔の形状崩れを抑制できる、貫通孔形成方法、貫通孔形成装置、および貫通孔を有するガラス基板の製造方法が提供される。

本発明の一実施形態による貫通孔形成装置を示す図である。 本発明の一実施形態による貫通孔の縦断面図である。 実施例によるｓｉｎθが０．１６〜０．２２である場合の貫通孔の形状を示す図である。 第１比較例によるｓｉｎθが０．２２を超える場合の貫通孔の形状を示す図である。 第２比較例によるｓｉｎθが０．１６を下回る場合の貫通孔の形状を示す図である。 本発明の他の一実施形態による貫通孔形成装置を示す図である。 試験例１において得られた代表的な貫通孔の縦断面写真である。 試験例２において得られた代表的な貫通孔の縦断面写真である。 試験例３において得られた代表的な貫通孔の縦断面写真である。 試験例４において得られた代表的な貫通孔の縦断面写真である。 試験例５において得られた代表的な貫通孔の縦断面写真である。 試験例６において得られた代表的な貫通孔の縦断面写真である。 試験例７において得られた代表的な貫通孔の縦断面写真である。 試験例８において得られた代表的な貫通孔の縦断面写真である。 試験例９において得られた代表的な貫通孔の縦断面写真である。 試験例１０において得られた代表的な貫通孔の縦断面写真である。 試験例１１において得られた代表的な貫通孔の縦断面写真である。 試験例１２において得られた代表的な貫通孔の縦断面写真である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。各図面において、同一の又は対応する構成には、同一の又は対応する符号を付して説明を省略する。本明細書において、数値範囲を表す「〜」はその前後の数値を含む範囲を意味する。

図１は、本発明の一実施形態による貫通孔形成装置を示す図である。図１に示すように、貫通孔形成装置１０は、ステージ１２、レーザ光源２０、および光学系３０などを有する。

ステージ１２は、絶縁基板２を保持する。絶縁基板２は、例えばガラス基板を含む。ガラス基板は、各種の機能膜が成膜されたものや樹脂フィルム等をラミネートしたものでもよい。ガラス基板の厚さは例えば０．０５ｍｍ〜０．７ｍｍである。ステージ１２は、絶縁基板２を吸着固定するが、接着固定してもよい。吸着は、例えば真空吸着、または静電吸着である。ステージ１２は、絶縁基板２を水平に移動させる機能を有してもよく、例えばＸＹステージで構成されてもよい。

レーザ光源２０は、絶縁基板２を基準にしてステージ１２とは反対側に配設され、レーザ光２２を出射する。レーザ光源２０としては、炭酸ガスレーザが好ましい。炭酸ガスレーザは、装置コストが安く、一つの貫通孔を形成するための加工時間が短い。また、炭酸ガスレーザは、熱加工のため、形成される貫通孔の内壁をより平滑にできる。レーザ光源２０としては、その他、ＹＡＧレーザなどが用いられる。

光学系３０は、ステージ１２に保持される絶縁基板２に対し、レーザ光源２０からのレーザ光２２を集光照射する。レーザ光２２は、絶縁基板２に対し垂直に入射されてよい。光学系３０は、例えば波長板３２、アパーチャー３４、集光レンズ３６などを含む。

波長板３２は、レーザ光２２の偏光を直線偏光から円偏光に変換する。波長板３２は、例えば１／４波長板などで構成される。波長板３２は、例えばレーザ光源２０とアパーチャー３４との間に配設される。円偏光のレーザ光２２を絶縁基板２に照射する場合、直線偏光のレーザ光２２を絶縁基板２に照射する場合に比べて、貫通孔４の断面形状の対称性が良くなる。波長板３２はなくてもよく、光学系３０は直線偏光のレーザ光２２を絶縁基板２に集光照射してもよい。

アパーチャー３４は、レーザ光２２の断面よりも小さい円形開口３４ａを有し、レーザ光２２の断面の周縁部を遮光することにより、レーザ光２２の断面の真円度を高めたり、集光レンズ３６に対するレーザ光２２の入射ビーム径を変える事で、集光半角θを変えたりする。アパーチャー３４は、例えば波長板３２と集光レンズ３６との間に配設され、集光レンズ３６に入射する前にレーザ光２２の断面形状を整えたり、集光半角θを調整する。尚、集光レンズ３６に入射するレーザ光２２が断面円形の平行光である限り、アパーチャー３４はなくてもよい。

集光レンズ３６は、ステージ１２に保持される絶縁基板２に対し、レーザ光２２を集光照射する。集光レンズ３６の焦点３６ａは、例えば図１に示すように絶縁基板２におけるレーザ光２２の照射面２ａ（以下、レーザ照射面２ａともいう）に配されてもよいし、その近傍に配されてもよい。後者の場合、集光レンズ３６の焦点３６ａは、絶縁基板２のレーザ照射面２ａを基準として、レーザ光源側、レーザ光源とは反対側のいずれに配されてもよい。集光レンズ３６の焦点３６ａと、絶縁基板２のレーザ照射面２ａとの、レーザ照射面２ａに対し垂直方向における距離は０．１ｍｍ以内であってよい。絶縁基板２に対しレーザ光２２を集光照射することにより、絶縁基板２が局所的に加熱され、加熱部分が除去され、貫通孔４が形成される。集光レンズ３６は、例えばアパーチャー３４とステージ１２との間に配設される。

図１や図４には記載しないが、レーザ光２２のビーム径を拡大するために、ビームエクスパンダーをレーザ光源２０と波長板３２の間に配設してもよい。

次に、上記貫通孔形成装置１０を用いた貫通孔形成方法について説明する。貫通孔形成方法は、レーザ光２２を集光レンズ３６を介して絶縁基板２に集光照射することにより、絶縁基板２を板厚方向に貫通する貫通孔４を形成する工程を有する。当該工程では、レーザ光２２の集光照射によって絶縁基板２が局所的に加熱され、加熱部分が除去され、貫通孔４が形成される。貫通孔４の形成後、レーザ光源２０および光学系３０と、ステージ１２との水平方向における相対位置が変更され、再び貫通孔４の形成が行われる。これにより、絶縁基板２に複数の貫通孔４が形成される。

尚、レーザ光源２０および光学系３０と、ステージ１２との水平方向における相対位置を変える際、どちらを移動させてもよいし、両方を移動させてもよい。

図２は、本発明の一実施形態による貫通孔の縦断面図である。図２において、破線は貫通孔４の目標形状を示す。尚、図２では貫通孔４の形状の目標形状からのずれを誇張して示す。

図２に示すように、絶縁基板２は、絶縁基板２を板厚方向に貫通する貫通孔４を有する。貫通孔４は、絶縁基板２のレーザ照射面２ａに第１開口縁４ａを有し、絶縁基板２のレーザ照射面２ａとは反対側の面２ｂ（以下、反対面２ｂともいう）に第２開口縁４ｂを有する。

貫通孔４は、レーザ照射面２ａから反対面２ｂに向けて孔を堀り進めることにより形成される。以下、貫通前の孔を有底孔と呼ぶ。絶縁基板２に照射されるレーザ光２２は、有底孔の底に到達するものと、有底孔の側面で吸収され有底孔の底に届かないものとに大別される。これらの強度バランスに応じた形状の貫通孔４が形成される。

有底孔の側面で吸収されるレーザ光２２のうち入口付近で吸収されるレーザ光２２の割合が高いため、入口付近でガラスの除去が進行しやすく、第１開口縁４ａは第２開口縁４ｂよりも大きい。換言すれば、第２開口縁４ｂは第１開口縁４ａよりも小さい。

第１開口縁４ａおよび第２開口縁４ｂを側面に含む円錐台６が目標形状である。目標形状からのずれ（以下、「形状崩れ」ともいう）は、集光レンズ３６と絶縁基板２との間の媒質を空気、集光半角をθ（図１参照）とすると、ｓｉｎθに応じたものとなる。ここで、集光半角θは、下記式（１）から算出される。
（ｄ／２）／ｆ＝ｔａｎθ・・・（１）
上記式（１）において、ｄは集光レンズ３６に対するレーザ光２２の入射ビーム径、ｆは集光レンズ３６の焦点距離である。

ｓｉｎθは、レーザ光の集光半角に対応する。

図３は、実施例によるｓｉｎθが０．１６〜０．２２である場合の貫通孔の形状を示す図である。図４は、第１比較例によるｓｉｎθが０．２２を超える場合の貫通孔の形状を示す図である。図５は、第２比較例によるｓｉｎθが０．１６を下回る場合の貫通孔の形状を示す図である。

図４に示す第１比較例では、ｓｉｎθが０．２２を超える。この場合、集光半角が大きすぎ、集光後のレーザ光２２Ａの拡がりが大きすぎる。その結果、有底孔の側面で吸収されるレーザ光２２Ａの割合が高すぎ、貫通孔４Ａは絶縁基板２Ａの板厚方向中央付近において膨らんだ樽形状になる。特に、炭酸ガスレーザは、ＹＡＧレーザに比べて、ガラスに対するレーザ光の吸収が高い。そのため、炭酸ガスレーザは、有底孔の側面で吸収されるレーザ光の割合がより高くなりやすく、形状崩れが顕著になりやすい。

図５に示す第２比較例では、ｓｉｎθが０．１６未満である。この場合、レーザ光２２Ｂの焦点におけるビーム径（レーザ光２２Ｂのスポット径とも呼ばれる）が大きすぎ、絶縁基板２Ｂのレーザ照射面に形成される第１開口縁が大きすぎる。また、この場合、焦点深度が深すぎる。これらの結果、レーザ光２２Ｂが有底孔の下部に到達しやすく、有底孔の下部で吸収されるレーザ光２２Ｂの割合が高すぎる。そのため、有底孔下部の孔径の拡大が進み、貫通孔４Ｂは樽形状になる。

図３に示す実施例では、ｓｉｎθが０．１６〜０．２２である。即ち、集光半角θが下記式（２）を満たす。
０．１６≦ｓｉｎθ≦０．２２・・・（２）
この場合、有底孔の底面に到達するレーザ光の強度と、有底孔の側面で吸収され有底孔の底面に届かないレーザ光の強度とのバランスが良く、貫通孔４の形状が目標の直線テーパ形状に近い。従って、貫通孔４の形状崩れが抑制できる。よって、貫通孔４の板厚方向任意の位置で、貫通孔４の直径（Φ１）と円錐台６の直径（Φ２）との比（Φ１／Φ２）を０．７〜１．１にすることができる。ｓｉｎθは、好ましくは０．１７〜０．２１、より好ましくは０．１８〜０．２０である。ガラスに対するレーザ光の吸収が高く、有底孔の側面で吸収されるレーザ光の割合が高くなりやすい炭酸ガスレーザを用いた場合、上記式（２）を満たすと、形状崩れを抑制できる効果が顕著である。

貫通孔４の板厚方向任意の位置で比（Φ１／Φ２）が０．７〜１．１であるため、貫通孔４の膨らみやくびれが抑制されている。貫通孔４の形状が直線テーパ形状に近く、欠陥の少ない貫通電極が形成できる。例えば貫通電極をめっきで形成する場合、めっきの下地層が貫通孔４の側面に均一に形成できる。めっきの下地層は例えばスパッタ法により形成される。めっきの下地層が均一に形成されるため、めっきの成長が均一であり、欠陥の少ない貫通電極が形成できる。また、貫通電極を導電ペーストで形成する場合、導電ペーストの充填不足や充填ムラが抑制できるため、欠陥の少ない貫通電極が形成できる。貫通電極付きの絶縁基板２はインターポーザとして用いられる。

図６は、本発明の他の一実施形態による貫通孔形成装置を示す図である。本実施形態の貫通孔形成装置は、貫通孔４を放電加工する加工ユニット５０を有する点で上記実施形態の貫通孔形成装置と相違する。以下、相違点について主に説明する。

加工ユニット５０は、レーザ加工により得られた貫通孔４を放電加工することにより、貫通孔４の形状を修正する。貫通孔４の局所的なクビレなどが除去でき、貫通孔４の板厚方向任意の位置で比（Φ１／Φ２）を０．８〜１．１にすることができる。

加工ユニット５０は、第１電極としてのステージ１２、第２電極５２、直流高圧電源５４とを含む。

第２電極５２は、針状に形成され、ステージ１２に保持される絶縁基板２との間に僅かな隙間を形成する。第２電極５２は、レーザ光２２を遮らないように、レーザ光２２の経路の外に配設される。

直流高圧電源５４は、ステージ１２と第２電極５２との間に直流電圧を印加し、貫通孔４内に放電を生じさせる。

尚、本実施形態の加工ユニット５０は、第１電極としてのステージ１２を有するが、ステージ１２とは別に第１電極を有してもよい。この場合、第１電極は第２電極５２と同様に針状に形成されてもよい。

次に、上記貫通孔形成装置を用いた貫通孔形成方法について説明する。貫通孔形成方法は、ステージ１２と第２電極５２との間に直流電圧を印加し、貫通孔４内に放電を生じさせることにより、貫通孔４を放電加工する工程を有する。スループットの向上のため、レーザ加工の完了から放電加工の開始までの待ち時間は１００μｓ以下であってよい。

放電加工の後、レーザ光源２０、光学系３０および第２電極５２と、ステージ１２との水平方向における相対位置が変更され、レーザ加工および放電加工が再び行われる。これにより、絶縁基板２に複数の貫通孔が形成される。

尚、レーザ光源２０、光学系３０および第２電極５２と、ステージ１２との水平方向における相対位置を変える際、どちらを移動させてもよいし、両方を移動させてもよい。

以下、試験例１〜１２について説明する。試験例２〜４、７〜１０が実施例、試験例１、５、６、１１、１２が比較例である。

［試験例１〜５］
試験例１〜５では、表１に示すようにアパーチャーの開口径を変えることで、ｓｉｎθを変えたこと、および照射時間を変えたこと以外、同じ条件でガラス基板に約１００００個の貫通孔を形成した。貫通孔の形成には図１に示す貫通孔形成装置を用いた。尚、試験例５では図１に示すアパーチャーを使用しておらず、直径１５ｍｍの断面円形のレーザ光をそのまま集光レンズに入射させた。試験例１〜５では、集光レンズに入射するレーザ光は、断面円形の平行光とした。また、試験例１〜５では放電加工を実施しなかった。

試験例１〜５の主な共通条件について先ず説明する。ガラス基板には、厚さ０．４ｍｍの無アルカリガラスを使用した。レーザ光源には、炭酸ガスレーザを使用した。レーザ光源の出力は、１００Ｗとした。レーザ光は、焦点距離ｆが２５ｍｍの集光レンズでガラス基板のレーザ照射面上に焦点を結ぶように照射した。集光レンズとガラス基板との間の媒質は、空気とした。

試験結果を表１および図７〜図１１に示す。図７〜図１１において、暗部が貫通孔である。

表１および図７〜図１１から明らかなように、試験例２〜４ではｓｉｎθが０．１６〜０．２２の範囲内であるため、比（Φ１／Φ２）が０．７〜１．１の範囲内であり、目標形状に近い形状の貫通孔が形成できた。一方、試験例１、５ではｓｉｎθが０．１６〜０．２２の範囲外であり、貫通孔の形状崩れが顕著であった。

［試験例６〜１２］
試験例６〜１２では、表２に示すようにアパーチャーの開口径を変えることで、ｓｉｎθを変えたこと、および照射時間を変えたこと以外、同じ条件でガラス基板に約１００００個の貫通孔を形成した。貫通孔の形成には図６に示す貫通孔形成装置を用いた。尚、試験例１２では図６に示すアパーチャーを使用しておらず、直径１５ｍｍの断面円形のレーザ光をそのまま集光レンズに入射させた。試験例６〜１２では、集光レンズに入射するレーザ光は、断面円形の平行光とした。試験例６〜１２ではレーザ加工の後に放電加工を実施した。

試験例６〜１２の主な共通条件について先ず説明する。ガラス基板には、厚さ０．４ｍｍの無アルカリガラスを使用した。レーザ光源には、炭酸ガスレーザを使用した。レーザ光源の出力は、８０Ｗとした。レーザ光は、焦点距離ｆが２５ｍｍの集光レンズでガラス基板のレーザ照射面上に焦点を結ぶように照射した。集光レンズとガラス基板との間の媒質は、空気とした。

試験結果を表２および図１２〜図１８に示す。図１２〜図１８において、暗部が貫通孔である。

表２および図１２〜図１８から明らかなように、試験例７〜１０ではｓｉｎθが０．１６〜０．２２の範囲内であるため、比（Φ１／Φ２）が０．８〜１．１の範囲内であり、目標形状に近い形状の貫通孔が形成できた。一方、試験例６、１１、１２ではｓｉｎθが０．１６〜０．２２の範囲外であり、貫通孔の形状崩れが顕著であった。

以上、貫通孔形成方法および貫通孔形成装置の実施形態などを説明したが、本発明は上記実施形態などに限定されず、特許請求の範囲に記載された要旨の範囲内で、種々の変形および改良が可能である。

２ 絶縁基板
２ａ 絶縁基板のレーザ照射面
２ｂ 絶縁基板の反対面
４ 貫通孔
４ａ 第１開口縁
４ｂ 第２開口縁
６ 円錐台
１０ 貫通孔形成装置
１２ ステージ（第１電極）
２０ レーザ光源
２２ レーザ光
３０ 光学系
３２ 波長板
３４ アパーチャー
３４ａ 円形開口
３６ 集光レンズ
３６ａ 焦点
５０ 加工ユニット
５２ 第２電極
５４ 直流高圧電源

Claims (13)

1. レーザ光を集光レンズを介してガラス基板に集光照射することにより、前記ガラス基板を板厚方向に貫通する、貫通電極を形成するための貫通孔を形成する工程を有し、
   前記レーザ光を出射するレーザ光源として、炭酸ガスレーザを用い、
   前記集光レンズと前記ガラス基板との間の媒質が空気であり、
   前記集光レンズの焦点距離ｆと、前記集光レンズに対する前記レーザ光の入射ビーム径ｄとから下記式（１）を用いて算出される集光半角θが下記式（２）を満たす、貫通孔形成方法。
   （ｄ／２）／ｆ＝ｔａｎθ・・・（１）
   ０．１６≦ｓｉｎθ≦０．２２・・・（２）
2. 前記集光レンズに入射する前記レーザ光は、断面円形の平行光である、請求項１に記載の貫通孔形成方法。
3. 前記集光レンズの焦点と、前記ガラス基板における前記レーザ光の照射面との、前記照射面に対し垂直方向における距離が０．１ｍｍ以内である、請求項１または２に記載の貫通孔形成方法。
4. 前記貫通孔は、前記ガラス基板における前記レーザ光の照射面に第１開口縁を有し、前記ガラス基板における前記照射面とは反対側の面に第２開口縁を有し、
   前記第２開口縁は前記第１開口縁よりも小さく、
   前記貫通孔の板厚方向任意の位置で、前記貫通孔の直径（Φ１）と、前記第１開口縁および前記第２開口縁を側面に含む円錐台の直径（Φ２）との比（Φ１／Φ２）が０．７〜１．１である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の貫通孔形成方法。
5. 前記レーザ光をアパーチャーを介して前記集光レンズに入射させる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の貫通孔形成方法。
6. 前記レーザ光の偏光を直線偏光から円偏光に変換し、円偏光の前記レーザ光を前記ガラス基板に照射する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の貫通孔形成方法。
7. レーザ光を集光レンズを介してガラス基板に集光照射することにより、前記ガラス基板を板厚方向に貫通する、貫通電極を形成するための貫通孔を形成する貫通孔形成装置であって、
   前記レーザ光を出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光源からの前記レーザ光を前記ガラス基板に集光照射する光学系とを有し、
   前記光学系は、前記集光レンズを含み、
   前記レーザ光源が炭酸ガスレーザであり、
   前記集光レンズと前記ガラス基板との間の媒質が空気であり、
   前記集光レンズの焦点距離ｆと、前記集光レンズに対する前記レーザ光の入射ビーム径ｄとから下記式（１）を用いて算出される集光半角θが下記式（２）を満たす、貫通孔形成装置。
   （ｄ／２）／ｆ＝ｔａｎθ・・・（１）
   ０．１６≦ｓｉｎθ≦０．２２・・・（２）
8. 前記集光レンズに入射する前記レーザ光は、断面円形の平行光である、請求項７に記載の貫通孔形成装置。
9. 前記集光レンズの焦点と、前記ガラス基板における前記レーザ光の照射面との、前記照射面に対し垂直方向における距離が０．１ｍｍ以内である、請求項７または８に記載の貫通孔形成装置。
10. 前記光学系は、前記集光レンズに入射する前に前記レーザ光の断面形状を整えるアパーチャーを有する、請求項７〜９のいずれか１項に記載の貫通孔形成装置。
11. 前記光学系は、前記レーザ光の偏光を直線偏光から円偏光に変換する波長板を有する、請求項７〜１０のいずれか１項に記載の貫通孔形成装置。
12. 前記波長板は１／４波長板である、請求項１１に記載の貫通孔形成装置。
13. レーザ光を集光レンズを介してガラス基板に集光照射することにより、前記ガラス基板を板厚方向に貫通する、貫通電極を形成するための貫通孔を形成する工程を有し、
    前記レーザ光を出射するレーザ光源として、炭酸ガスレーザを用い、
    前記集光レンズと前記ガラス基板との間の媒質が空気であり、
    前記集光レンズの焦点距離ｆと、前記集光レンズに対する前記レーザ光の入射ビーム径ｄとから下記式（１）を用いて算出される集光半角θが下記式（２）を満たす、貫通電極付きガラス基板用の、貫通孔を有するガラス基板の製造方法。
    （ｄ／２）／ｆ＝ｔａｎθ・・・（１）
    ０．１６≦ｓｉｎθ≦０．２２・・・（２）