JP6137202B2 - ガラス基板の切断方法、ガラス基板、近赤外線カットフィルタガラス、ガラス基板の製造方法 - Google Patents

ガラス基板の切断方法、ガラス基板、近赤外線カットフィルタガラス、ガラス基板の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、ガラス基板の切断方法、ガラス基板、近赤外線カットフィルタガラス、及び、ガラス基板の製造方法に関する。
半導体基板等の切断方法として、ステルスダイシング(登録商標)が知られている(例えば、特許文献1参照)。この切断方法では、まず、半導体基板(例えば、シリコン(Si))を透過する波長のレーザー光を半導体基板内部に集光させて半導体基板内部に改質領域(キズ領域)を形成する。その後、上記の切断方法では、テープエキスパンドなど外部応力を加えることにより、改質領域を起点として半導体基板に亀裂を生じさせて半導体基板を切断する。
上記の切断方法では、半導体基板の表面にダメージを与えずに半導体基板内部に局所的・選択的に改質領域を形成できるため、一般的なブレードダイシングで問題となる半導体基板の表面にチッピング等の不具合の発生を低減することができる。また、切削加工と異なり発塵などの問題も少ない。このため、近年では、半導体基板に限られず、ガラス基板の切断などにおいて、上記の切断方法が広く用いられるようになっている。
特開2009−135342号公報
上記のようにレーザー光を用いてガラス基板を切断する場合、レーザー光により切断予定ラインを走査し、ガラス基板内部に改質領域を形成する。しかし、レーザー光により形成される改質領域から発生したクラックのサイズが小さいと、改質領域を起点として切断予定ラインに沿ってガラス基板を個片化する際、確実に切断できないおそれがある。また、レーザー光により形成される改質領域から発生したクラックのサイズが適切であっても、改質領域を起点として切断予定ラインに沿ってガラス基板を個片化する際にクラックがガラス基板の板厚方向に伸展しないと、ガラス基板の切断面が粗くなるとともに、寸法精度が悪くなり、切断面から欠けが発生しやすくなる。また、ガラス基板の切断面が粗くなると、ガラス基板の曲げ強度が低くなる。
本発明は、上記問題点を解消するためになされたものであり、ガラス基板内部に改質領域を効率良く形成して、容易に切断でき、曲げ強度の高いガラス基板の切断方法、ガラス基板、近赤外線カットフィルタガラス、及び、ガラス基板の製造方法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切断方法は、ガラス基板の内部に焦点を結ぶようにして光を照射し、ガラス基板の内部に選択的に改質領域を形成する工程と、改質領域を起点としてガラス基板の厚み方向に割れを生じさせ、改質領域に沿ってガラス基板を切断する工程と、を有し、ガラス基板は、破壊靭性が0.1MPa・m1/2から0.65MPa・m1/2であることを特徴とする。
本発明によれば、ガラス基板内部に改質領域を効率良く形成して、容易に切断することができる。
実施形態に係るガラス基板の側面図である。 実施形態に係るガラス基板の切断装置の模式図である。 実施形態に係るガラス基板の切断時の説明図である。 実施形態に係るガラス基板の切断方法の説明図である。 実施形態に係るガラス基板を撮像装置に使用した一例を示す断面図である。
以下、図面を参照して、実施形態について説明する。
(実施形態)
図1は、実施形態に係るガラス基板100の側面図である。図1に示すように、本実施形態に係るガラス基板100は、例えば、近赤外線カットフィルタ等の光学ガラスである。ガラス基板100は、透明基板110と、透明基板110の表面110A(透光面)に設けられた反射防止膜としての光学薄膜120と、透明基板110の裏面110B(透光面)に設けられた紫外(UV)線及び赤外(IR)線をカットするUVIRカット膜としての光学薄膜130とを有する。
近赤外線カットフィルタは、視感度を補正するための色補正フィルタに使用され、波長が400から600nmである可視光域の光を効率よく透過し、700nm付近におけるシャープカット特性に優れていることが要求される。
(透明基板110)
透明基板110は、ガラスであり、内部に焦点を結ぶように照射されるレーザー光により選択的に形成された改質領域Rに沿って切断された切断面を有する。透明基板110は、破壊靭性が、0.1MPa・m1/2から0.74MPa・m1/2の範囲内であることが好ましい。また、透明基板110は、50〜300℃の温度範囲における平均熱膨張係数が、65×10−7/Kから200×10−7/Kの範囲内であることが好ましい。さらに、透明基板110は、ガラス転移点(Tg)が、300℃から500℃の範囲内であることが好ましい。
なお、改質領域Rとは、レーザー光Lの照射により透明基板110の内部に何らかの性質変化が起きた領域をいう。また、何らかの性質変化が起きた領域とは、レーザー光Lの照射前後において、脆弱化や相変化(溶融と凝固との変化)や結晶構造の変化が生じた領域や光学的(例えば、屈折率など)に変化が生じた領域をいう。そのため、透明基板110に改質領域Rを形成した後、改質領域Rを起点にクラックが生じることがあるが、これらクラックは改質領域Rには含まない。また、改質領域Rは、透明基板110の表面に達することなく、透明基板110の内部のみに形成されることが好ましい。
透明基板110の破壊靱性が0.74MPa・m1/2を超えると、レーザー光によって透明基板110に改質領域Rを形成する際に改質領域Rからクラックが生じにくいため、ガラス基板100の切断が難しい。さらに、改質領域Rを起点としてガラス基板100を切断する際にクラックが板厚方向に伸展しにくいため、無理にガラス基板100を切断することになり、ガラス基板100の切断面が粗くなるとともに、寸法精度が悪くなる。また、クラックが十分伸展するように改質領域Rから生じるクラックを大きく形成したとしても、板厚方向以外に伸展するクラックも大きくなるため、ガラス基板100の切断面が粗くなる。これにより、ガラス基板100の寸法精度が悪く、曲げ強度が低くなるおそれがある。
一方、透明基板110の破壊靱性が0.1MPa・m1/2未満であると、レーザー光によって透明基板110に改質領域Rを形成する際に改質領域Rからクラックが生じ易い。このため、ガラス基板100の改質領域Rからガラス基板100もしくは透明基板110の表面に達するクラックが形成されてしまい、また板厚方向以外に伸展するクラックも大きくなり、切断されたガラス基板100が欠けて、割れやすくなる問題が生じる。また、改質領域Rからガラス基板100もしくは透明基板110の表面に達するクラックが形成されないようにクラックを小さく形成したとしても、改質領域Rを起点として発生したクラックが過度に伸展しやすい。このため、板厚方向以外の方向にもクラックが伸展してしまい、ガラス基板100の切断面が粗くなる。これにより、ガラス基板100の寸法精度が悪く、曲げ強度が低くなるおそれがある。また、破壊靱性が0.1MPa・m1/2未満であると、ガラス基板100の切断面に存在するクラックが微小であっても破壊の原因になってしまうため、切断後のガラス基板100は、曲げ強度が実用に満たなくなるおそれがある。
透明基板110の破壊靱性は、特に、0.15MPa・m1/2以上、0.65MPa・m1/2以下の範囲が好ましく、0.2MPa・m1/2以上、0.6MPa・m1/2以下の範囲がさらに好ましく、0.2MPa・m1/2以上、0.5MPa・m1/2が一層好ましい。
また、50〜300℃の温度範囲における透明基板110の平均熱膨張係数が200×10−7/Kを超えると、レーザー光によって透明基板110に改質領域Rを形成する際に改質領域Rから発生するクラックが過大に形成されるため、切断後のガラス基板100の寸法精度や曲げ強度が著しく低下する。一方、50〜300℃の温度範囲における透明基板110の平均熱膨張係数が、65×10−7/K未満であると、レーザー光によって透明基板110に改質領域Rを形成する際に改質領域Rからクラックが生じにくいため、ガラス基板100の切断が難しい。
50℃以上、300℃以下の温度範囲における透明基板110の平均熱膨張係数は、75×10−7/K以上、180×10−7/K以下の範囲が好ましく、90×10−7/K以上、150×10−7/K以下の範囲が、さらに好ましく、110×10−7/K以上、140×10−7/K以下の範囲が一層好ましい。
また、透明基板110のガラス転移点(Tg)が500℃を超えると、レーザー光によって透明基板110に改質領域Rを形成する際に改質領域R自体が形成されにくいため、ガラス基板100の切断が難しい。一方、透明基板110のガラス転移点(Tg)が300℃未満であると、レーザー光によって透明基板110に改質領域Rを形成する際に改質領域R自体が過大となるため、切断後のガラス基板100の寸法精度や曲げ強度が著しく低下する。
透明基板110の破壊靭性を0.2MPa・m1/2から0.74MPa・m1/2、50〜300℃の温度範囲における平均熱膨張係数を65×10−7/Kから200×10−7/Kとし、ガラス転移点(Tg)を300℃から500℃とするために、透明基板110は、フツリン酸系もしくはリン酸系のガラス基板であることが好ましい。
レーザー光Lを用いて透明基板110に改質領域Rを形成する際、レーザー光Lの総投入エネルギーが低い条件で、ガラス基板100が切断できることが好ましい。つまり、レーザー光Lで改質領域Rを形成する際、総投入エネルギーが大きいと透明基板110の端面に残るクラックが大きくなり、ガラス基板100の曲げ強度が低くなるおそれがある。上記のように、破壊靭性もしくは平均熱膨張係数を規定した透明基板110を用いることで、レーザー光Lの総投入エネルギーを低い条件でガラス基板100を切断できる。そのため、透明基板110の端面にダメージが少なく、曲げ強度の高いガラス基板100を得ることができる。
フツリン酸系のガラス基板の場合、透明基板110は、カチオン%表示で、
5+ 20〜45%、
Al3+ 1〜25%、
1〜30%(但し、Rは、Li、Na、Kのうちの少なくとも1つであって、左記の値は、それぞれの含有割合を合計した値である)、
Cu2+ 1〜15%、
2+ 1〜50%(但し、R2+は、Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+、Zn2+のうちの少なくとも1つであって、左記の値は、それぞれの含有割合を合計した値である)を含有するとともに、
アニオン%表示で、
10〜65%、
2− 35〜90%を含有していることが好ましい。
透明基板110を構成する各アニオン成分および各カチオン成分の含有量(カチオン%、アニオン%表示)を上記の範囲に限定した理由に関して、以下に説明する。なお、「カチオン%」とは、透明基板110を構成する全てのカチオン成分のモル数を合計した合計モル数Mcのうち、各カチオン成分のモル数Mc1が占める割合(百分率)を示している(つまり、(Mc1/Mc)×100)。同様に、「アニオン%」とは、透明基板110を構成する全てのアニオン成分のモル数を合計した合計モル数Maのうち、各アニオン成分のモル数Ma1が占める割合(百分率)を示している(つまり、(Ma1/Ma)×100)。
5+は、ガラスを形成する主成分(ガラス形成酸化物によるカチオン成分)であり、破壊靱性を向上させ、可視領域の透過率を向上させ、かつ、近赤外領域のカット性を高めるための必須成分である。しかし、P5+の割合が、20カチオン%未満である場合には、その効果が十分得られないため、好ましくない。また、P5+の割合が、45カチオン%を超える場合には、ガラスが不安定になり液相温度が高くなると共に耐候性が低下するため、好ましくない。P5+の割合は、好ましくは、25〜44カチオン%であり、より好ましくは、28〜43カチオン%である。
Al3+は、破壊靱性を向上させ、耐候性を高めるための必須成分である。しかし、Al3+の割合が、1カチオン%未満である場合には、その効果が十分得られず、25カチオン%を超える場合には、ガラスが不安定になると共に、分光特性が低下するため、好ましくない。Al3+の割合は、好ましくは、5〜20カチオン%であり、より好ましくは、8〜18カチオン%である。なお、Al3+の原料として、AlFまたはAl(POを用いた方が、Alを用いた場合よりも、溶解温度の上昇防止や未融物の発生防止が可能である点、および、F-の仕込み量を確保可能である点で好ましい。
は、Li、Na、Kのうちの少なくとも1つであり、ガラスの溶融温度を低くするため、ガラスを軟化させるための必須成分である。しかし、Rの割合(Li、Na、Kの合計割合)が、1カチオン%未満である場合には、その効果が十分得られず、30カチオン%を超える場合には、ガラスが不安定になると共に、破壊靱性が小さくなるため、好ましくない。Rの割合は、好ましくは、5〜25カチオン%であり、より好ましくは、10〜23カチオン%である。
なお、Rにおいて、Naは、Liに比べて、可視領域の透過率を向上させる効果が大きいものの、破壊靱性を下げる効果も大きい。近赤外線カットフィルタガラスにおいては、可視領域の透過率は、できる限り高いことが求められる。そのため、ガラスにおいては、[Na]/([Li]+[Na])の値を特定範囲とすることで、破壊靭性と可視領域の透過率との両性能を高めることが可能となる。[Na]/([Li]+[Na])の値が、0.02未満である場合には、可視域透過率が十分ではなく、0.25を超える場合には、破壊靭性が低くなるため、好ましくない。[Na]/([Li]+[Na])の値は、好ましくは、0.03〜0.15であり、より好ましくは、0.05〜0.1である。なお、上記の式において、[Na]と[Li]とのそれぞれは、全てのカチオン成分のうち、NaとLiとのそれぞれが含有する割合(カチオン%)を示している。
Cu2+は、近赤外線をカットするための必須成分である。しかし、Cu2+の割合が、1カチオン%未満である場合には、その効果が十分に得られず、15カチオン%を超える場合には、可視域透過率が低下するため、好ましくない。Cu2+の割合は、好ましくは、2〜12カチオン%であり、より好ましくは、2.5〜10カチオン%である。
2+は、Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+、Zn2+のうちの少なくとも1つであり、ガラスの破壊靱性を高くするための必須成分である。しかし、R2+の割合(Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+、Zn2+の合計割合)が、1カチオン%未満の場合には、その効果が十分得られず、50カチオン%を超える場合には、ガラスが不安定となるため、好ましくない。R2+の割合は、好ましくは、5〜40カチオン%であり、より好ましくは、10〜35カチオン%である。
なお、アルカリ土類金属の各カチオン成分とガラスの破壊靭性との関係を調べたところ、Mg2+、Ca2+およびZn2+は、Sr2+、Ba2+と比べ、ガラスの破壊靱性を高める効果が大きいことが確認された。([Mg2+]+[Ca2+]+[Zn2+])/([Mg2+]+[Ca2+]+[Sr2+]+[Ba2+]+[Zn2+])の値を、特定範囲とすることで、ガラスの破壊靭性を高めることが可能である。([Mg2+]+[Ca2+]+[Zn2+])/([Mg2+]+[Ca2+]+[Sr2+]+[Ba2+]+[Zn2+])が、0.50未満である場合には破壊靭性が小さくなり、0.80を超える場合にはガラスが不安定となるため、好ましくない。([Mg2+]+[Ca2+]+[Zn2+])/([Mg2+]+[Ca2+]+[Sr2+]+[Ba2+]+[Zn2+])は、好ましくは、0.55〜0.75であり、より好ましくは、0.60〜0.70である。なお、上記の式において、[Mg2+]と[Ca2+]と[Zn2+]と[Sr2+]と[Ba2+]とのそれぞれは、全てのカチオン成分のうち、Mg2+とCa2+とZn2+とSr2+とBa2+とのそれぞれの割合(カチオン%)である。
は、ガラスを安定化させるため、および、耐候性を向上させるための必須成分である。しかし、Fの割合が、10アニオン%未満である場合には、その効果が十分得られず、65アニオン%を超える場合には、可視域透過率が低下するおそれがあるため、好ましくない。Fの割合は、好ましくは、15〜60アニオン%であり、より好ましくは20〜55アニオン%である。
2−は、ガラスを安定化させるための必須成分である。しかし、O2−の割合が、35アニオン%未満である場合には、上記の効果が十分得られず、90アニオン%を超える場合には、ガラスが不安定となるため、好ましくない。O2−の割合は、好ましくは、40〜85アニオン%であり、より好ましくは、45〜80アニオン%である。
また、リン酸系のガラス基板の場合、透明基板110は、質量%表示で、
40〜80%、
Al 1〜20%、
O 0.5〜30%(ただし、ROは、LiO,NaO,KOのうちの少なくとも1つであって、左記の値は、それぞれの含有割合を合計した値である)
CuO 1〜8%、
RO 0.5〜40%(但し、ROは、MgO、CaO、SrO、BaO、ZnOのうちの少なくとも1つであって、左記の値は、それぞれの含有割合を合計した値である)を含有することが好ましい。
は、ガラスを形成する主成分(ガラス形成酸化物)であって、破壊靱性を向上させると共に、可視領域の透過率を向上させ近赤外領域のカット性高めるための必須成分である。しかし、Pの割合が、透明基板110の全体において、40質量%未満である場合には、その効果が十分得られず、80質量%を超える場合には、ガラスが不安定になって液相温度が高くなると共に、耐候性が低下するため、好ましくない。Pの割合は、透明基板110の全体において、好ましくは、42〜75質量%であり、より好ましくは、45〜70質量%である。
Alは、破壊靱性を向上させ、耐候性を高めるための必須成分である。しかし、Alの割合が、透明基板110の全体において、1質量%未満の場合には、その効果が十分得られず、20質量%を超える場合には、ガラスが不安定になると共に、分光特性が低下するため、好ましくない。Alの割合は、透明基板110の全体において、好ましくは、3〜18質量%であり、より好ましくは、6〜16質量%である。
Oは、LiOとNaOとKOのうち少なくとも1つであり、ガラスの溶融温度を低くすると共に、ガラスを軟化させるための必須成分である。しかし、ROの割合(LiO、NaO、KOの合計割合)が、透明基板110の全体において、0.5質量%未満の場合には、その効果が十分得られず、30質量%を超える場合には、ガラスが不安定になることと共に、破壊靱性が小さくなるため、好ましくない。ROの割合は、好ましくは、透明基板110の全体において、1〜25質量%であり、より好ましくは、2〜20質量%である。
CuOは、近赤外線カットための必須成分である。CuOの割合が、透明基板110の全体において、1質量%未満である場合には、効果が十分に得られず、8質量%を超える場合には、可視域透過率が低下するため、好ましくない。CuOの割合は、透明基板110の全体において、好ましくは3〜8質量%であり、より好ましくは4〜7質量%である。
ROは、MgO、CaO、SrO、BaO、ZnOのうちの少なくとも1つであり、ガラスの破壊靱性を高くするための必須成分である。しかし、ROの割合(MgO、CaO、SrO、BaO、ZnOの合計割合)が、透明基板110の全体において、0.5質量%未満である場合には、その効果が十分ではなく、40質量%を超える場合には、ガラスが不安定になるため、好ましくない。ROの割合は、透明基板110の全体において、好ましくは、1〜35質量%であり、より好ましくは2〜30質量%である。
その他の成分として、硝酸塩化合物や硫酸塩化合物を、酸化剤あるいは清澄剤として添加することができる。
透明基板110の組成を上記範囲内とすることで、破壊靭性が0.1MPa・m1/2から0.74MPa・m1/2であり、50〜300℃の温度範囲における平均熱膨張係数が65×10−7/Kから200×10−7/Kであり、ガラス転移点(Tg)が300℃から500℃である透明基板110を得ることができる。
(光学薄膜120)
光学薄膜120は、透明基板110において、光が入射する側に位置する表面110Aに設けられている。光学薄膜120は、反射防止膜であり、ガラス基板100の表面110Aにおいて、光の反射率を低減させて、光の透過率を増加させる。光学薄膜120は、例えば、弗化マグネシウム(MgF)で形成された単層膜で構成されている。また、光学薄膜120は、酸化アルミニウム(Al)と酸化ジルコニウム(ZrO)との混合物の膜、酸化ジルコニウム(ZrO)膜、および弗化マグネシウム(MgF)膜を、この順に積層した3層の膜で構成されていてもよい。その他、光学薄膜120は、酸化珪素(SiO)膜と酸化チタン(TiO)膜とを交互に積層した交互多層膜などで構成されていてもよい。これらの単層または多層膜は、真空蒸着やスパッタリング等の成膜方法で、透明基板110の表面110Aに形成されている。この他に、光学薄膜120については、微細凹凸を形成するコーティング剤や低屈折率性を備えるコーティング剤を、透明基板110の表面に塗布することによって、塗膜として形成してもよい。
(光学薄膜130)
光学薄膜130は、透明基板110の裏面110Bに、紫外(UV)線及び赤外(IR)線をカットするUVIRカット膜として設けられている。光学薄膜130は、例えば、SiO膜、TiO膜等のように、屈折率が異なる複数の誘電体膜を交互に積層した多層膜で構成されている。これら多層膜は、真空蒸着やスパッタリング等の成膜方法で透明基板110の裏面110Bに形成されている。なお、透明基板110が近赤外波長域の光を十分に吸収できる場合は、光学薄膜130が近赤外波長域の光をカットせずに、紫外(UV)線をカットするように、光学薄膜130を構成してもよい。
なお、透明基板110が他の部材と張り合わされる場合や必要性がない場合には、光学薄膜120または光学薄膜130を透明基板110の表面110Aまたは裏面110Bに形成しなくてもよい。また、ガラス基板100の近赤外線カット性能を向上する目的で、透明基板110と光学薄膜120との間もしくは透明基板110と光学薄膜130との間に、近赤外線吸収剤を樹脂に分散した樹脂コート層を介在させてもよい。
(ガラス基板の切断装置)
図2は、実施形態に係るガラス基板の切断装置200の模式図である。図2では、切断装置200の側面を示している。図2に示すように、切断装置200は、テーブル210と、駆動機構220と、レーザー光照射機構230と、光学系240と、距離測定系250と、制御機構260とを備える。
テーブル210は、切断対象であるガラス基板100を載置するための台である。ガラス基板100は、反射防止膜である光学薄膜120が設けられている表面110A(図1参照)側を上側にして、テーブル210上に載置される。なお、テーブル210は、図2に示すように、X方向とY方向とZ方向とのそれぞれに移動可能である。また、テーブル210は、図2に示すように、XY平面内において、Z方向を回転軸として回転方向θに回転可能である。
駆動機構220は、テーブル210に連結されており、制御機構260から出力された指示(制御信号S1)に基づいて、テーブル210を水平方向(X方向,Y方向)、垂直方向(Z方向)及び回転方向(θ方向)に移動させる。
レーザー光照射機構230は、制御機構260から出力された指示(制御信号S2)に基づいて、レーザー光Lを照射する光源である。なお、レーザー光照射機構230の光源には、YAGレーザーを使用することが好ましい。YAGレーザーは、高いレーザー強度を得ることができ、省電力であると共に、比較的安価であるため、好適である。その他、チタンサファイアレーザー等のように、公知の固体レーザーを用いることもできる。
YAGレーザーが出力するレーザー光Lの中心波長は、1064nmである。しかし、非線形光学結晶を用いて高調波を発生させることにより、中心波長が532nm(緑色)であるレーザー光Lや、中心波長が355nm(紫外線)であるレーザー光Lを照射することもできる。また、チタンサファイアレーザーが出力するレーザー光Lの中心波長は、650〜1100nmの範囲で調整可能であって、その中でも最も効率的に発振可能なのが800nmである。そして、非線形光学結晶を用いて高調波を発生させることにより、中心波長が例えば400nmであるレーザー光Lを照射することもできる。
レーザー光Lは、透明基板110を透過する波長域に中心波長を備えるものであればよく、中心波長が380nm〜800nmであることが好ましい。レーザー光Lが前述の波長域から外れると、透明基板110の透過率が低下し、レーザー光Lの出力を効率的に利用できないおそれがある。
また、透明基板110に銅成分を含有するガラスを用いた場合、そのガラスは、紫外光および近赤外光を吸収する特性を有する。そのため、その銅成分を含有する透明基板110を備えるガラス基板100を切断する場合は、400nm〜700nmに中心波長を備えるレーザー光Lを用いることが好ましい。
なお、レーザー光照射機構230には、パルスレーザー光をレーザー光Lとして照射できるものを使用することが好ましい。また、レーザー光Lの光源としては、パルスレーザー光を照射できるものであれば、フェムト秒レーザー、ピコ秒レーザー、ナノ秒レーザーなどを用いてもよい。また、レーザー光照射機構230は、透明基板110の厚み(板厚)や、透明基板110内に形成する改質領域Rの大きさに応じて、レーザー光Lの波長、パルス幅、繰り返し周波数、照射時間、および、エネルギー強度等の因子を任意に設定できるものを使用することが好ましい。
レーザー光Lのパルス幅は、1ピコ秒以上、100ナノ秒以下であることが好ましい。レーザー光Lのパルス幅が1ピコ秒未満であると、レーザー光Lによる熱の影響が少なく、改質領域Rの形成が十分にできないおそれがある。また、レーザー光Lのパルス幅が100ナノ秒を超えると、1パルスあたりのピークエネルギーが小さく、改質領域Rの形成が十分にできないおそれがある。
レーザー光Lの繰り返し周波数は、1kHz以上、1MHz以下であることが好ましい。レーザー光Lの繰り返し周波数が1kHz未満であると、改質領域Rの形成速度が遅く、生産性が低い。また、レーザー光Lの繰り返し周波数が1MHzを超えると、レーザー光Lの照射位置を移動するための速度を速める必要があるので、速度に対応するために高価な駆動機構が必要になり、また、位置決めの誤差が大きくなるおそれがある。
光学系240は、光学レンズOL(図示省略)を備え、レーザー光照射機構230から照射されたレーザー光Lを透明基板110の内部に収束させる。つまり、光学系240は、透明基板110の内部に集光点Pを形成し、透明基板110の内部に改質領域Rを形成する。
距離測定系250は、例えば、レーザー距離計であり、位相差測定方式によりガラス基板100の表面、つまり光学薄膜120の表面までの距離Hを測定する。距離測定系250は、所定の時間間隔(例えば、数ミリ秒ごと)でガラス基板100の表面との間の距離Hを測定し、距離情報Dを制御機構260へ出力する。
制御機構260は、ガラス基板100において予め設定された切断ライン(以下、切断予定ライン)に沿ってレーザー光Lをレーザー光照射機構230から照射するように、駆動機構220を制御してテーブル210を移動させる。また、制御機構260は、距離測定系250から出力される距離情報Dに基づいて、テーブル210の高さを調整する。
すなわち、制御機構260は、光学系240とガラス基板100との間の距離Hが一定の範囲内(例えば、±5μm)となるように、駆動機構220を制御し、高さ方向(Z方向)におけるガラス基板100の位置を調整する。なお、切断後のガラス基板100の強度の観点から、レーザー光Lの集光点Pが透明基板110の厚み方向の略中心に位置するように、ガラス基板100の高さを調整することが好ましい。
図3は、ガラス基板100を切断する時の様子を説明するための説明図である。図3に示すように、レーザー光Lの照射により透明基板110の内部に形成される改質領域Rは、透明基板110の表面110A及び裏面110Bの少なくとも一方にまで達していないことが好ましい。
(切断方法)
以下より、ガラス基板100の製造方法において、ガラス基板100を切断する方法に関して説明する。図4A,図4B,図4Cは、ガラス基板100の切断方法の説明図である。以下、図4A,図4B,図4Cを参照して、ガラス基板100の切断方法について説明する。
まず、光学薄膜(反射防止膜)120が設けられた表面110A(図1参照)側を上側にして、ガラス基板100をエキスパンド用のテープT1に貼りつけることによって、切断装置200(図2参照)のステージ210上にガラス基板100を載置する(図4A参照)。なお、図4Aでは、1枚のガラス基板100をテープT1に貼り付けているが、テープT1に貼り付けるガラス基板100の枚数は、複数であってもよい。
次に、切断装置200を用いて、切断予定ラインに沿って、光学薄膜(反射防止膜)120が設けられた表面110A側からガラス基板100にレーザー光Lを照射し、ガラス基板100の内部に改質領域R(図1参照)を形成する(図4B参照)。なお、改質領域Rは、切断予定ラインに沿ってレーザー光Lを複数回走査することで形成してもよい。つまり、レーザー光Lの集光点Pをガラス基板100の板厚に方向に異ならせて、切断予定ラインに沿ってレーザー光Lを複数回走査するようにしてもよい。
このように、ガラス基板100において光学薄膜(反射防止膜)120が設けられた表面110A側からレーザー光Lを照射すると、レーザー光Lがガラス基板100の表面110A側で反射されにくい。このため、ガラス基板100の内部に入射するレーザー光Lのエネルギー効率が低くなることを抑制することができる。この結果、ガラス基板100の内部において所望の位置に所望の改質領域Rを確実に形成することができる。
次に、テープT1を矢印の方向に拡張することで、ガラス基板100に引張切断応力を加える。これにより、ガラス基板100に形成された改質領域Rを起点として、切断予定ラインに沿ってガラス基板100が切断され、個片化される(図4C参照)。
以上のように、本実施形態によれば、ガラス基板100を構成する透明基板110は、破壊靭性が0.1MPa・m1/2から0.74MPa・m1/2の範囲内である。このため、本実施形態では、透明基板110の内部に形成した改質領域Rを起点としたクラックが生じやすく、ガラス基板100を容易に切断することができる。また、ガラス基板100を平面方向に引っ張ることで、改質領域Rから生じたクラックがガラス基板100の板厚方向に伸展しやすく、ガラス基板100の切断面が粗くなりにくいとともに、良好な寸法精度および高い曲げ強度を得ることができる。
透明基板110の破壊靱性は、0.15〜0.65MPa・m1/2が好ましく、0.2〜0.6MPa・m1/2がさらに好ましく、0.2〜0.5MPa・m1/2が一層好ましい。
また、本実施形態では、ガラス基板100を構成する透明基板110は、50〜300℃の温度範囲における平均熱膨張係数が、65×10−7/Kから200×10−7/Kの範囲内であり、ガラス転移点(Tg)が300℃から500℃の範囲内である。このため、レーザー光Lにより透明基板110内部にクラックの起点となる改質領域Rが形成されやすい。その結果、所望の切断予定ラインに沿って、クラックの起点となる改質領域Rを容易に形成することができる。また、改質領域Rからクラックが発生しやすく、ガラス基板100の切断面が粗くなりにくいとともに、良好な寸法精度および高い曲げ強度を得ることができる。
50〜300℃の温度範囲における透明基板110の平均熱膨張係数は、75×10−7/K〜180×10−7/Kが好ましく、90×10−7/K〜150×10−7/Kがさらに好ましく、110×10−7/K〜140×10−7/Kが一層好ましい。
板厚が0.10mmから1.00mmの範囲である薄いガラス基板は、ブレードダイシング等の切断方法で切断した場合、端部に生じたチッピング等を起点として、ひびや欠け等が発生する懸念がある。しかし、本発明の実施形態に係る切断方法は、ガラス基板の板厚が薄いほど、小さい改質領域Rで切断することが可能である。すなわち、ガラス基板に照射するレーザーのエネルギーを小さくすることが可能である。そのため、ガラス基板の板厚が薄いほど、切断によってガラス基板の端部にチッピングやクラック等が生じることが少なくなるため、高い強度のガラス基板が得られ、前述の板厚の範囲内のガラス基板の切断方法として好適である。
なお、ガラス基板100を構成する透明基板110の破壊靭性を0.1MPa・m1/2から0.74MPa・m1/2の範囲内、50〜300℃の温度範囲における平均熱膨張係数を65×10−7/Kから200×10−7/Kの範囲内、ガラス転移点(Tg)を300℃から500℃の範囲内とするためには、下記の組成にすることが好ましい。
具体的には、透明基板110がフツリン酸系のガラス基板である場合には、カチオン%表示で、
5+ 20〜45%、
Al3+ 1〜25%、
1〜30%(但し、Rは、Li、Na、Kのうちの少なくとも1つであって、左記の値は、それぞれの含有割合を合計した値である)
Cu2+ 1〜15%、
2+ 1〜50%(但し、R2+は、Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+、Zn2+のうちの少なくとも1つであって、左記の値は、それぞれの含有割合を合計した値である)を含有するとともに、
アニオン%表示で、
10〜65%、
2− 35〜90%を含有していることが好ましい。
また、透明基板110がリン酸系のガラス基板である場合には、質量%表示で、
40〜80%、
Al 1〜20%、
O 0.5〜30%(ただし、ROは、LiO,NaO,KOのうちの少なくとも1つであって、左記の値は、それぞれの含有割合を合計した値である)
CuO 1〜8%、
RO 0.5〜40%(但し、ROは、MgO、CaO、SrO、BaO、ZnOのうちの少なくとも1つであって、左記の値は、それぞれの含有割合を合計した値である)を含有することが好ましい。
図5は、上記のようにして切断したガラス基板100を撮像装置300に使用した一例を示す断面図である。撮像装置300は、固体撮像素子310(例えば、CCDやCMOS)を内蔵した筐体320に、本実施形態のガラス基板100を気密封着したものである。本実施形態のガラス基板100を使用することによって、端部に生じたチッピングやクラック等を起点として光学ガラスにひびが発生する懸念を抑制することができる。この結果、信頼性の高い撮像装置300を提供することができる。
以下、本発明の実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明は、下記の実施例に限定されるものではない。
実施例(例3)では、ガラス基板として、フツリン酸ガラス(板厚0.3mm、寸法100mm×100mm)を用意した。これに対して比較例(例10)では、ガラス基板として、無アルカリガラス(アルミノシリケート系ガラス、板厚0.3mm、寸法100mm×100mm)を用意した。なお、実施例で用意したガラス基板は、上記実施形態で説明した組成範囲で形成されたガラスである。
なお、以下に述べる実施例及び比較例は、ガラスの表面に光学薄膜を形成していない。この場合、ガラス基板と透明基板とは同義である。
各ガラス基板の破壊靭性は、実施例(例3)では、0.44MPa・m1/2であり、比較例(例10)では、0.85MPa・m1/2であった。また、各ガラス基板の熱膨張係数は、実施例(例3)では、129×10−7/Kであり、比較例(例10)では、38×10−7/Kであった。さらに、各ガラス基板のガラス転移点は、実施例(例3)では、400℃であり、比較例(例10)では、690℃であった。
ガラス基板の破壊靭性は、JIS R1607で規定された破壊靱性測定法(IF法)において、次式によって算出される値(K1c)である。なお、ガラス基板の破壊靭性の測定は、ビッカース硬度計(Future Tech社製、ARS9000F、及び解析ソフト:FT−026)を用い、室温が23℃であって、湿度が約30%である環境条件下で行った。また、この測定においては、圧子により形成された圧痕から、亀裂が伸長して、時間経過とともに成長する。そのため、ガラス基板から圧子を離した後、30秒以内に、亀裂長さの測定を行った。
K1c=0.026・E1/2・P1/2・a・C3/2
上式において、Eは、ヤング率であり、Pは、押し込み荷重であり、aは、圧痕対角線長さの平均の1/2であり、Cは、亀裂長さの平均の1/2である。ガラス基板の熱膨張係数は、JIS R3102で規定された示差式によって測定されたものであって、50℃〜300℃で測定された値の平均値である。また、ガラス基板のガラス転移点は、JIS R3103−3に準拠したTMA(熱機械分析)によって測定した値である。
実施例及び比較例では、ガラス基板を以下に示す条件で、5mm×5mmの矩形状に切断した。
ガラス基板の内部に選択的に改質領域を形成する工程については、以下の条件で行った。レーザー光源としてYAGレーザー(中心波長1064nm)を用い、それを変調して中心波長が532nmであるパルスレーザー光をガラス基板に入射した。また、レーザー出力は、改質領域がガラス基板の表面に達しない程度の出力であり、1パルスあたりのエネルギーが2μJ〜20μJの範囲から適切なエネルギーを選択した。レーザー光により形成される改質領域の中心は、ガラス基板の板厚方向の中心部(たとえば、ガラス基板の板厚が0.3mmの場合、ガラス表面から板厚方向に0.15mmの位置)にした。
次いで、改質領域を形成したガラス基板を、改質領域を起点としてガラス基板の厚み方向に発生したクラックを伸展し、改質領域に沿ってガラス基板を切断する工程を行った。この工程では、改質領域を形成したガラス基板を、延伸性を有する樹脂フィルムに貼り付け、その樹脂フィルムをガラス基板の平面方向に引っ張った。このようにして、ガラス基板の改質領域から発生したクラックをガラス基板の表面にまで伸展させることで、ガラス基板を切断した。
次に、各ガラス基板の切断性を確認した。つまり、改質領域に沿ってガラス基板を切断する工程において、切断予定ラインの98%以上が切断されている状態である場合に、ガラス基板が切断されたと判断した。
実施例(例3)では、切断予定ラインをレーザー光で1回走査しただけで、ガラス基板を切断できた。これに対し、比較例(例10)では、切断予定ラインをレーザー光で1回走査しただけでは、ガラス基板を切断できなかった。そのため、比較例(例10)では、ガラス基板に対し切断予定ラインの同一箇所をレーザー光での走査する回数を1回ずつ増やして切断できるかを確認した。レーザー光の走査回数を増やす際には、ガラス基板の板厚方向においてレーザー光の走査位置を変えることによって、レーザー光の走査により先に形成された改質領域の中心と、後に形成された改質領域の中心とが、互いに同一の位置とならないように制御した。結果として、比較例(例10)では、同一の切断予定ラインをレーザー光で7回走査することで、ガラス基板を切断することができた。
比較例(例10)では、ガラス基板の内部においてレーザー光によって形成された改質領域から発生するクラックのサイズが小さく、改質領域に沿ってガラス基板を切断する工程において、そのクラックがガラス基板表面に伸展しにくいと考えられる。このため、比較例では、上記のように、同一の切断予定ラインに対して複数回のレーザー光の走査が必要であったと考えられる。
これに対し、実施例(例3)では、ガラス基板の内部においてレーザー光によって形成された改質領域から発生するクラックのサイズが適度に大きく、改質領域に沿ってガラス基板を切断する工程において、そのクラックがガラス基板表面に伸展しやすいと考えられる。このため、実施例では、上記のように、同一の切断予定ラインに対して1回のレーザー光の走査で確実に切断することができたと考えられる。
表1および表2では、ガラス組成が異なる複数のガラス基板について、上記と同様の方法で、切断性を確認した実施例(例1〜例8)を示している。表1および表2において、例1から例8は実施例であり、例9および例10は比較例である。
表1および表2では、例1から例10で用いたガラス基板について、ガラス組成、板厚、破壊靭性、平均熱膨張係数(50〜300℃の温度範囲)、および、ガラス転移点を示している。また、表1および表2では、加工時のレーザー光条件として、レーザー光の総投入エネルギーを示している。レーザー光の総投入エネルギーは、1パルスあたりの出力値(μJ/パルス)に走査本数を積算した値について、例10の場合を1としたときの相対値を示している。
その他、表1および表2では、切断後のガラス基板の強度と、ガラス基板の切断性とを示している。切断後のガラス基板の強度は、4点曲げ強度の平均値について、例10の場合を1としたときの相対値を示している。また、ガラス基板の切断性としては、切断可能なレーザー光の最少走査回数について確認した結果を示している。
なお、表1,表2において、組成(wt%,アニオン%,カチオン%)については、小数点以下の第1位まで(含有量が微小な成分については、小数点以下の第2位まで)を表示している。また、表1,表2において、「−」と表示している箇所は、未測定であることを示している。
切断後のガラス基板の強度については、JIS R 1601(2008年)において規定された「4点曲げ強さ試験」を参考にして測定を行った。ここでは、試験片は、5mm×5mmの正方形状のサイズであり、支点ピッチを3mmとし、荷重点ピッチを1mmとし、支持具において支点および荷重点になる先端の曲率半径を0.25mmとした。また、曲げ強度は、1つの条件について16枚測定し、それらの平均値を示した。
Figure 0006137202
Figure 0006137202
表1および表2に示すように、例1から例8では、破壊靭性が0.1MPa・m1/2から0.74MPa・m1/2の範囲内、もしくは、50〜300℃の温度範囲における平均熱膨張係数が65×10−7/Kから200×10−7/Kの範囲内である。例1から例8では、ガラス基板の切断予定ラインをレーザー光で1回〜3回走査することで切断することが可能である。
特に、例1から例4では、他の例よりも、破壊靭性が小さく、平均熱膨張係数が大きいフツリン酸ガラスをガラス基板として用いているので、小さいレーザー光の総投入エネルギーでガラス基板の切断予定ラインをレーザー光で1回走査することで切断することが可能である。
また、例3〜例5では、比較例に対して破壊靭性が小さく、平均熱膨張係数が大きいため、レーザー光の総投入エネルギーを小さく、レーザー光の走査本数を少なくすることができる。そのため、ガラス基板の端面に残るクラックやチッピングが小さくなるため、曲げ強度の高いガラス基板を得ることが可能である。通常、破壊靭性が大きいガラスほど曲げ強度が高いことが知られている。しかし、本発明の切断方法を用いると、破壊靭性が小さいガラスほど、切断後におけるガラス基板の曲げ強度が高くなるという特異的な結果が得られる。
表1および表2に示すように、例1から例8のそれぞれにおいては、ガラス基板内部に改質領域を効率良く形成して、容易に切断することができ、曲げ強度の高いガラス基板を得ることができる。
本発明のガラス基板の切断方法は、板厚が0.10mmから1.00mmと薄く、かつ曲げ応力が付与される用途(例えば、デジタルスチルカメラ等の固体撮像素子(CCDやCMOS)に用いられるカバーガラスや近赤外線カットフィルタ等の光学ガラス)に好適に用いることができる。
100…ガラス基板、110…透明基板、120,130…光学薄膜、200…ガラス基板の切断装置、210…テーブル、210…ステージ、220…駆動機構、230…レーザー光照射機構、240…光学系、250…距離測定系、260…制御機構、OL…光学レンズ、T1,T2…テープ。

Claims (10)

  1. 破壊靭性が0.1MPa・m1/2から0.65MPa・m1/2であるガラス基板の内部に焦点を結ぶようにして光を照射し、前記ガラス基板の内部に選択的に改質領域を形成する工程と、
    前記改質領域を起点として前記ガラス基板の厚み方向に割れを生じさせ、前記改質領域に沿って前記ガラス基板を切断する工程と、
    を有することを特徴とするガラス基板の切断方法。
  2. 前記改質領域を形成する工程では、前記ガラス基板の内部に焦点を結ぶように照射する光は、レーザ光であって、切断予定ラインを前記レーザー光で1回もしくは2回走査することを特徴とする請求項1に記載のガラス基板の切断方法。
  3. 前記改質領域を形成する工程において、前記ガラス基板の内部に焦点を結ぶように照射する光の1パルスあたりのエネルギーは、2μJ〜20μJの範囲であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のガラス基板の切断方法。
  4. 前記ガラス基板は、50〜300℃の温度範囲における平均熱膨張係数が75×10−7/Kから150×10−7/Kであり、ガラス転移点(Tg)が300℃から500℃であることを特徴とする、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のガラス基板の切断方法。
  5. 前記ガラス基板を切断する工程は、
    前記ガラス基板に伸展性を有するフィルムを貼りつけた後、前記フィルムを前記ガラス基板に対して平面方向に伸展させて、前記改質領域を起点として前記ガラス基板の厚み方向に割れを生じさせ、前記改質領域に沿って前記ガラス基板を切断することを特徴とする、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のガラス基板の切断方法。
  6. 前記ガラス基板は、カチオン%表示で、
    5+ 20〜45%、
    Al 3+ 1〜25%、
    1〜30%(但し、R は、Li 、Na 、K のうちの少なくとも1つであって、左記の値は、それぞれの含有割合を合計した値である)
    Cu 2+ 1〜15%、
    2+ 1〜50%(但し、R 2+ は、Mg 2+ 、Ca 2+ 、Sr 2+ 、Ba 2+ 、Zn 2+ のうちの少なくとも1つであって、左記の値は、それぞれの含有割合を合計した値である)を含有するとともに、
    アニオン%表示で、
    10〜65%、
    2− 35〜90%を含有することを特徴とする、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のガラス基板の切断方法。
  7. 前記ガラス基板は、質量%表示で、
    40〜80%、
    Al 1〜20%、
    O 0.5〜30%(ただし、R Oは、Li O,Na O,K Oのうちの少なくとも1つであって、左記の値は、それぞれの含有割合を合計した値である)
    CuO 1〜8%、
    RO 0.5〜40%(但し、ROは、MgO、CaO、SrO、BaO、ZnOのうちの少なくとも1つであって、左記の値は、それぞれの含有割合を合計した値である)を含有することを特徴とする、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のガラス基板の切断方法。
  8. 前記改質領域を形成する工程の前に、前記ガラス基板の表面に光学薄膜を形成する工程を備えることを特徴とする、請求項1から請求項7のいずれか1項に記載のガラス基板の切断方法。
  9. 前記ガラス基板は、板厚が、0.10mmから1.00mmであることを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか1項に記載のガラス基板の切断方法。
  10. 破壊靭性が0.1MPa・m1/2から0.65MPa・m1/2であるガラス基板の内部に焦点を結ぶようにして光を照射し、前記ガラス基板の内部に選択的に改質領域を形成する工程と、
    前記改質領域を起点として前記ガラス基板の厚み方向に割れを生じさせ、前記改質領域に沿って前記ガラス基板を切断する工程と、
    を有することを特徴とするガラス基板の製造方法。
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