JP6551404B2 - 光学ガラスおよびガラス基板の切断方法 - Google Patents

光学ガラスおよびガラス基板の切断方法 Download PDF

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Description

本発明は、光学ガラスおよびガラス基板の切断方法に係り、特に、カバーガラスや近赤外線カットフィルタ等の筐体に接合されて使用される光学ガラスおよび該光学ガラスの製造に用いるガラス基板の切断方法に関する。
デジタルスチルカメラなどに使用されるCCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)などの固体撮像素子を有する半導体装置には、近赤外線カットフィルタガラスやカバーガラス等の光学ガラスが用いられている。近年では、携帯電話やスマートフォンなどの携帯端末に搭載される固体撮像素子モジュールやデジタルスチルカメラの薄型化の要請から、板厚の薄い光学ガラスが求められている。
しかし、光学ガラスの板厚が薄くなると、光学ガラスに曲げ応力が作用した場合、ガラスの稜線(ガラスの主面と側面との境界)に存在する欠けや微小なクラックを起点として割れが進展し破損に至る可能性が高くなる。
このため、ガラスの曲げ強度を向上させる観点から、ガラス端面を面取加工することが提案されている(特許文献1参照)。これは、割れの起点となるガラス端面の傷を面取加工にて除去することでガラスの曲げ強度を高めるものである。また、エッチングによって、ガラス板の主面の傷を除去することも提案されている(特許文献2参照)。
しかしながら、ガラス端面の面取加工やガラス主面のキズを除去する操作は、光学ガラスの生産性を悪化(低下)させる。また、面取加工により、却ってガラス端面に傷が形成されることもある。これは、ガラスの面取加工が、研削砥石にて機械的にガラスを加工することによるものである。つまり、面取加工時の衝撃等で意図しない傷が新たに形成されるおそれがある。また、ガラスの主面の傷を除去するために、ガラスの主面を保持してエッチングを行うと、光学作用面となる主面にエッチングむらが生じて、光学ガラスとしての光学特性が悪化(低下)するおそれがある。
一方、半導体基板等の切断方法として、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)を形成し、その後、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技術が知られている(例えば、特許文献3参照)。
この切断方法では、半導体基板の主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。そのため、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主面における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広く用いられるようになっている。
特開2000−169166号公報 特開2010−168262号公報 特開2009−135342号公報
本発明者は、レーザー光による切断方法を光学ガラスの製造に際して適用したところ、その切断面が滑らかで、稜線における傷等が形成されにくいことを確認した。すなわち、この切断方法により製造された光学ガラスは、上記のような面取加工やエッチング等の操作をしなくても、強度がある程度保持できることがわかった。
本発明は、さらに、この切断方法を用いた光学ガラスの製造の際に、簡便な操作で得られる、より高い曲げ強度と寸法精度を備える光学ガラスおよびガラス基板の切断方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、レーザー光をガラス基板に入射した際に生じる改質領域から生じるクラックを所定の大きさとすることで、簡便な操作で、かつ、より高い曲げ強度と寸法精度を備えた光学ガラスが得られることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明の光学ガラスは、内部に焦点を結ぶようにして照射された光により形成された複数の改質部から構成される改質領域に沿って切断された切断面を有する光学ガラスであって、
前記光学ガラスが、前記改質領域の前記改質部を起点としたクラックを有し、前記切断面から前記クラックの先端までの改質領域先端深さが前記光学ガラスの板厚の3〜20%であり、
前記改質領域の板厚方向の幅が、前記光学ガラスの板厚の13〜50%であることを特徴とするものである。
また、本発明の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、前記ガラス基板の内部に複数の改質部から構成される改質領域を選択的に形成する改質工程と、前記改質領域に沿って、前記ガラス基板の厚み方向に割れを生じさせて光学ガラスとする切断工程と、を備え、
前記改質工程で生じた前記改質領域の前記改質部を起点としたクラックにおいて、前記切断工程による切断面から前記クラックの先端までの改質領域先端深さが前記ガラス基板の板厚の3〜20%であり、
前記改質工程において、前記ガラス基板の内部に焦点を結ぶ光の形状が、前記ガラス基板の板厚方向に伸びる縦長の形状であり、
前記光により形成される改質領域の幅が前記光学ガラスの板厚の13〜50%であり、
前記光の走査回数が1回であることを特徴とするものである。

本発明の光学ガラスおよびガラス基板の切断方法によれば、高い曲げ強度と高い寸法精度を備える光学ガラスを得ることができる。
本発明の一実施形態に係るガラス基板の切断装置の模式図である。 図1の切断装置を用いたガラス基板の切断方法の説明図である。 図1の切断装置を用いたガラス基板の切断方法の説明図である。 図1の切断装置を用いたガラス基板の切断方法の説明図である。 本実施形態の改質領域を説明するためのガラス基板の平面図である。 図3Aのガラス基板のA−A断面図である。 図3Aのガラス基板におけるクラックを説明する平面図である。 図3Aのガラス基板における改質領域の位置関係を説明する図である。 本発明の一実施形態に係る光学ガラスの側面図である。 図6の光学ガラスの平面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の側断面図である。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係るガラス基板の切断方法および光学ガラスについて詳細に説明する。
[ガラス基板の切断方法]
まず、本実施形態の光学ガラスを製造するためのガラス基板の切断方法について、図面を参照しながら説明する。
〈ガラス基板の切断装置〉
図1は、本実施形態のガラス基板の切断方法に用いるガラス基板の切断装置500の模式図である。図1に示すように、切断装置500は、テーブル510と、駆動機構520と、レーザー光照射機構530と、光学系540と、距離測定系550と、制御機構560とを備える。
テーブル510は、切断対象であるガラス基板10(光学ガラス100を切断して製造する前のガラス板)を載置するための台である。ガラス基板10は、テーブル510上に載置される。なお、テーブル510は、図1に示すXYZ方向に移動可能に構成されている。また、テーブル510は、XY平面内において、図1に示すθ方向に回転可能に構成されている。
駆動機構520は、テーブル510に連結されており、制御機構560からの指示に基づいてテーブル510を水平方向(XY方向)、垂直方向(Z方向)および回転方向(θ方向)に移動させる。レーザー光照射機構530は、レーザー光Lを照射する光源である。なお、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、比較的安価であるためである。
YAGレーザーの場合、出力されるレーザー光Lの中心波長は、1064nmであるが、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532nm(緑色)のレーザー光や中心波長355nm(紫外線)のレーザー光を得ることもできる。本実施形態では、ガラス基板10を切断するため、中心波長が532nmのレーザー光を出力する光源が好ましい。中心波長が532nmのレーザー光が、ガラス基板10をもっとも透過しやすく、切断に適しているためである。
なお、レーザー光照射機構530には、パルスレーザー光を照射できるものを使用することが好ましい。また、レーザー光照射機構530は、ガラス基板10の厚み(板厚)や形成する改質領域の大きさに応じて、レーザー光Lの波長、パルス幅、繰り返し周波数、照射時間、エネルギー強度等を任意に設定できるものを使用することが好ましい。また、パルスレーザー光の照射時間(1パルスあたりのレーザー光がガラス基板に照射されている時間)は、100ピコ秒〜100ナノ秒であることが好ましい。パルスレーザー光による改質時間を前述の範囲内とすることで、ガラス基板10の切断に好適な改質領域を形成できる。パルスレーザー光による照射時間が、100ピコ秒未満であると、改質領域を形成してもクラックが発生せず、ガラス基板10を切断できないおそれがある。また、パルスレーザー光による照射時間が、100ナノ秒を超えると、改質領域から生じるクラックが過大となり、ガラス基板10の切断後の曲げ強度が低くなるおそれがある。
光学系540は、光学レンズを備え、レーザー光照射機構530からのレーザー光をガラス基板10内部で収束させる。つまり、光学系540は、ガラス基板10の内部に集光部Pを形成し、ガラス基板10内部に改質領域Rを形成できる。距離測定系550は、例えば、レーザー距離計であり、三角測距方式によりガラス基板10主面までの距離Hを測定する。距離測定系550は、所定の時間間隔で(例えば、数ミリ秒ごと)ガラス基板10主面までの距離Hを測定し、制御機構560へ出力する。
制御機構560は、ガラス基板10の予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を照射するように、駆動機構520を制御してテーブル510を移動させ、レーザー光照射機構530からレーザー光をガラス基板10に対して照射する。また、制御機構560は、距離測定系550から出力される距離情報に基づいて、テーブル510の高さを調整する。なお、制御機構560は、距離測定系550から出力される距離情報に基づいて、光学系540のレンズ位置を調整するようにしてもよい。
すなわち、制御機構560は、光学系540とガラス基板10との距離Hが一定の範囲内(例えば、±5μm)となるように、駆動機構520を制御し、ガラス基板10の高さ方向(Z方向)の位置を調整する。改質領域Rの位置は、このようにガラス基板10の高さを調整し、レーザー光の集光部Pが、ガラス基板10の厚み方向において所望の位置となるようにする。
〈ガラス基板の切断〉
図2A〜図2Cは、ガラス基板10の切断に関する説明図である。以下、図2A〜図2Cを参照して説明する。
(準備工程)
この工程では、まず、ガラス基板10をエキスパンド用のテープT1に貼りつけて、図1を参照して説明した切断装置500のテーブル510上に載置する(図2A)。なお、図2Aでは、1枚のガラス基板10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10の枚数は何枚であってもよい。
(改質工程)
次に、切断装置500を用いて、切断予定ラインに沿って、ガラス基板10にレーザー光照射機構530からのレーザー光を光学系540により、ガラス基板10の内部に焦点を結ぶように光を照射し、ガラス基板10の内部に選択的に改質領域Rを形成する(図2B)。
切断予定ラインは、典型的には、切断して得られる光学ガラスの平面形状が正方形状または矩形状となるような格子状の走査ラインである。ここで、ガラス基板10の内部に形成されるレーザー光の集光部Pは、点状であっても線状であってもよい。このような集光部Pを所定のピッチ間隔で断続的に改質させていき、改質領域Rを形成する。
(切断工程)
切断予定ラインの改質が終わったら、次に、テープT1を白抜き矢印の方向に拡張することで、ガラス基板10に引張切断応力を加える。これにより、ガラス基板10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10が個片化され、光学ガラス100が得られる(図2C)。この図2Cは、平面形状が正方形状の光学ガラス100が複数個得られるように、切断予定ラインを格子状に形成した例を示したものである。
なお、本発明の特徴である改質工程について、以下、さらに詳細に説明する。
図3Aおよび図3Bは、ガラス基板10の内部に形成される改質領域Rを説明するためにガラス基板を概略的に示したものであり、図3Aがガラス基板10の平面図、図3Bが図3Aのガラス基板10のA−A断面図である。
この図3Aおよび図3Bに示したように、改質領域Rは、複数の改質部Rの集合体として形成される。改質部Rは、レーザー光の集光部Pに対応した形状に形成される。この改質部Rを、切断予定ラインに沿って所定のピッチで断続的に複数個形成することで、帯状の改質領域Rが形成される。図3Bにおいて、改質領域Rを点状のハッチングパターンで示した(ただし、レーザー光で直接改質された改質部Rは説明のため白抜きとした)。
このとき、改質領域Rの板厚方向の幅はガラス基板の板厚tに対して13〜50%の長さであることが好ましい。改質領域Rの板厚方向の幅が小さすぎると基板表面まで遠いため、切断工程で伸展させるクラックが基板表面まで到達せず切断できないか、蛇行が大きくなるおそれがある。改質領域Rの板厚方向の幅が大きすぎると、基板表面に近いため曲げ強度が低下するおそれがある。
改質部R間のピッチは3.0〜38μmの範囲とすることが好ましく、7.5〜20μmの範囲がより好ましい。ピッチが狭いほどレーザー光の走査速度が遅くなり生産性が下がると同時に、ピッチが3.0μm未満では、改質部同士が重なり合って上手くクラックが発生せず、切断することができないおそれがある。またピッチが38μm超では、改質部同士が遠すぎて、発生したクラックが上手く繋がらず、切断することができないおそれがある。このように、上記範囲内であれば、ガラスの切断を効率的にでき、所望の形状の光学ガラスを得ることができる。
なお、この改質工程により、レーザー光で断続的に改質部Rを形成する際には、その改質部Rを起点として、板厚の上下方向および平面の三方向(C1、C2、C3)にクラックが発生する傾向があることがわかった。図4は、ガラス基板10において、改質部Rから発生したクラックを説明するために部分的に拡大して示した平面図である。このクラックC1〜3は、図4に示したように、クラックC1およびC2については改質部Rを起点に切断予定ラインからレーザー光の走査方向側に左右に広がるように発生し、クラックC3についてはレーザー光の走査方向と逆向きに発生する傾向がある。このとき、クラックC3は実際の切断ラインの一部となるが、クラックC1およびC2は切断後のガラス内部に残留することになる。なお、C1〜C3は、通常、いずれもガラス基板10内部に形成される。
ここで、改質領域先端深さRとは切断予定ラインに直交する方向の切断予定ラインからクラックC1の先端までの距離もしくは切断予定ラインからクラックC2の先端までの距離であって、幅5mm以上もしくは改質部を100点以上含む測定領域における最大値をいう。図4には、この改質領域先端深さRを説明する図を示した。
そして、この改質領域先端深さRは、ガラス基板10の板厚tの3〜20%の長さとする。改質領域先端深さRが、板厚tの3%未満となると、切断工程で加える引張応力では十分にクラックが伸展できず、切断できないおそれがある。一方、改質領域先端深さRが、板厚tの20%を超えると曲げ強度が低下しすぎ、切断後の光学ガラスとしたときの断面において、製品製造時や使用時においてガラスが欠けたり、剥離したりするおそれがあり、製品への適用が難しい場合がある。
改質領域先端深さRは、ガラス基板の種類(特に、硬度、破壊靭性値、熱膨張係数等)、改質時のレーザー光のエネルギー、集光部の形状、走査速度、照射時間、等により影響を受けるため、上記範囲となるように条件を適宜選択すればよい。ガラス基板としては、0.2MPa・m1/2<破壊靭性値K1c<0.74MPa・m1/2のものが好ましい。
この改質工程は、レーザー光の集光部Pを板厚方向に伸びる縦長の形状とすることが望ましい。このことにより、切断予定ラインに沿ってレーザー光を走査する回数を減らしても、容易かつ良好に切断することができる。集光部Pの形状を補正せずにレーザー光を走査した場合、改質領域Rの幅と、改質領域先端深さRを別々に制御することは難しい。両者ともレーザー光のエネルギーに比例して大きくなるため、確実に切断できるように改質領域Rの幅を所望の範囲に大きくすると、改質領域先端深さRが過大になり、切断後の光学ガラスの品質が悪くなる傾向となる。一方、切断後の光学ガラスの品質を高めるために改質領域先端深さRを所望の範囲に小さくすると、改質領域Rの幅が過小になり、切断できないおそれが生じる。しかし、予め集光部Pを板厚方向に伸びる縦長形状とすることで、レーザー光のエネルギーとは別の方法で改質領域Rの幅を広げることが可能になるため、改質領域Rの幅を所望の範囲に大きくしつつ、改質領域先端深さRは所望の範囲に小さく抑えることが容易になる。したがって、集光部を補正しない場合には、その集光部を板厚方向に位置を変えながら複数回走査して改質領域Rを形成しなければ切断が良好に行えなかった場合でも、集光部を縦長形状に補正した方法では、レーザー光の走査回数を減らしても十分に切断可能とでき、簡便な操作で、所望の形状の光学ガラスを容易に製造できる。
なお、集光部Pの形状をガラス基板10の板厚方向に伸びる縦長の形状とするには、例えば、ホログラフィ技術を利用して調整することができる。
ホログラフィ技術を利用するには、例えば、レーザー光の光路に回折レンズ、空間光変調機器等の、所望の集光形状に調整可能なホログラムパターンを記録した手段を設ければよい。例えば、ここで用いる回折レンズとしては、石英ガラス基板等の表面に凹凸形状を加工し、ホログラムパターンを表現可能としたものが挙げられる。ここで、凹凸形状の加工は、例えば、フォトリソグラフィ技術により所望の形状に溝を彫る方法が挙げられる。また、レーザー光の光路に空間光変調機器を設けてホログラムパターンを表示する場合、その表示方式としては、液晶表示素子、デジタルマイクロミラーデバイス(微小ミラーアレイ構造)、磁気光学効果等を用いたものが挙げられる。
いずれの方法でも、ホログラムパターンを作成する方法としては、レーザー光を被写体に照射して生じた干渉縞を直接撮影する方法や、計算機により算出する方法(CGH)や、インテグラルフォトグラフィ方式を利用した方法が挙げられる。計算機合成ホログラム(CGH)が容易に所望の形状が得られる点で好ましい。
なお、本実施形態において、ガラス基板10の板厚方向に位置を変えてレーザー光を複数回走査する場合、レーザー光の走査により形成される複数の改質部の位置を、板厚方向にずらしつつ、走査方向では合わせるようにすることで、集光部Pより板厚方向に長く伸びた改質部Rを形成できる。このように、レーザー光のエネルギーを低くしつつ、走査回数を増やして改質領域Rの板厚方向の幅を大きくする方法でも、改質領域Rの幅を所望の範囲に大きくしつつ、改質領域先端深さRは所望の範囲に小さく抑えることが可能である。
改質領域Rは、切断工程において良好な切断ができれば特にその形成位置が限定されるものではない。図5は、図3Bに示したA−A断面図において、改質領域の位置関係を説明する図である。この図5において、改質領域Rの形成位置は、ガラス基板10の板厚方向における、一方の主面から改質領域Rまでの距離をa、他方の主面から改質領域Rまでの距離をb、ガラス基板10の板厚をt、改質領域Rの幅をk、とする。このとき、改質領域Rは1回の走査で形成しても複数回の走査で形成してもよい。また、図5では改質領域Rは1つの帯状の改質領域として示しているが、改質領域Rはレーザー光を切断予定ラインに沿って複数回走査することで、板厚方向に複数の改質部が分離された状態で形成されてもよい(すなわち、帯状の改質領域が平行に2以上形成されるような場合でもよい)。板厚方向に複数の改質部が分離して形成された場合、改質領域Rの一方の主面から改質領域Rまでの距離aとは、一方の主面から一番近い改質領域までの距離をいう。また、同様に改質領域Rの他方の主面から改質領域Rまでの距離bとは、他方の主面から一番近い改質領域までの距離をいう。
ここで、一方の主面から改質領域までの距離aは、一方の主面から他方の主面の方向に切断面のピークカウント値Pc(主面に平行な方向に測定した値)を確認した際に初めて20を超える点と一方の主面との距離をいう。同様に、他方の主面から改質領域までの距離bは、他方の主面から一方の主面の方向に切断面のピークカウント値Pc(主面に平行な方向に測定した値)を確認した際に初めて20を超える点と他方の主面との距離をいう。
ここで、距離aおよび距離bは0を超える数値であり、これはすなわち改質領域Rはガラス基板の各主面(透光面)とは離れて形成されることが必須であることを意味する。また、改質領域Rは各主面とは一定距離以上離れて形成されていることが好ましく、例えば、距離aおよび距離bがそれぞれガラス基板10の厚さt×0.1(すなわち、板厚×10%)以上であることが好ましい。
改質領域の幅kは、改質領域Rの板厚方向の高さ(縦幅)と同じであり、t−(a+b)としても表される。この改質領域の幅kは、上記改質部Rの説明で記載したように、ガラス基板の板厚tに対して13〜50%の長さとなることが好ましい。この改質領域の幅kが13%未満となると、切断できないか、切断できても辺の蛇行量が大きくなるおそれがあり、50%を超えると改質領域が基板表面に近づきすぎるため曲げ強度が低下するおそれがある。
また、この改質領域kは、できるだけ板厚の中心位置に設けられることが好ましく、例えば、|a−b|/2を0.05t以下とする位置に設けることが好ましい。このとき、改質部Rを起点として形成されるクラックCの先端は、改質領域の幅kのほぼ真ん中の位置にくるため、|a−b|/2が上記の関係を満たすことで、クラックC1およびC2の先端も板厚の中心位置近くに設けられる。このクラックC1およびC2の先端は、ガラス基板10の板厚の中心から板厚方向に±10μmの範囲内であることがより好ましい。このようにすることで、クラックの偏りが少ないものとでき、切断時および製造時において、光学ガラスの強度を確保するとともに、不要な欠けや剥離を生じないものとできる。
ガラス基板10の板厚は、特に限定されるものではないが、例えば100μm〜1mmの厚さのガラス基板が好ましく、100μm〜500μmがより好ましい。板厚が厚くなるにつれ、必要な改質領域Rの幅kが大きくなるが、500μm以上の板厚では、集光点Pを板厚方向に縦長形状としても、2回以上の走査回数が必要になるおそれがある。半導体装置に使用するカバーガラスである場合には、その微細化や軽量化等の要請のため、100〜300μmの比較的薄いものであることが好ましい。
なお、この改質領域Rとそれ以外の領域は、ガラス基板10を切断し光学ガラス100とした後、その切断面のピークカウント値によって決めることができる。ピークカウント値Pcは、アメリカ機械工学会 ASME B46.1(1995年)に定義され、測定対象の表面状態(凹凸)を表す曲線における平均線を中心とし、負基準レベル(−H)を超えてから正基準レベル(+H)を超えたとき1山とする方法で計数する評価長さ中の山数を意味する。
本実施形態においては、まず光学ガラス100の切断面において、各主面と平行な方向にピークカウント値を測定する。この測定を光学ガラス100の板厚方向に位置を変えて複数回行う。そして、光学ガラス100の切断面の板厚方向の位置におけるピークカウント値を用いて、一方の主面から他方の主面の方向に測定したピークカウント値Pcを確認し、初めて20を超える測定位置と一方の主面との距離を距離aとする。同様に、光学ガラス100の切断面の板厚方向の位置におけるピークカウント値を用いて、他方の主面から一方の主面の方向に測定したピークカウント値Pcを確認し、初めて20を超える測定位置と他方の主面との距離を距離bとする。
このピークカウント値の測定は、切断面の光学顕微鏡写真に基づいて、改質領域Rとそれ以外の領域との境界位置を確認して行うと、距離aおよび距離bを効率的にかつ正確に決定できる。また、測定位置を板厚方向に変える際には、特に改質領域Rとそれ以外の領域との境界位置付近は、ガラス基板10の板厚t×0.04(すなわち、板厚×4%)以下の間隔で行うことが好ましい。このようにすることで、より正確な境界位置の特定が可能となる。
なお、切断面のピークカウント値は、各主面と平行な方向に測定した測定波形を用い、平均線を中心として不感帯幅(測定波形の最大高さ×0.05)を設け、不感帯より下に出た点からいったん不感帯の上に出た後、もう一度不感帯より下に出るまでを1つのピークとし、その数を表したものである。
測定は、レーザー顕微鏡(キーエンス社製、形状測定レーザマイクロスコープ VK−X100、解析ソフト:VK−H1XA)を用いて行い、評価長さ(測定幅):725μm(倍率:200倍)、波長:628nm、解析ソフトにおいて測定波形の補正なし、とした。
以上のように、本実施形態に係るガラス基板の切断方法によれば、ガラス基板10は、その内部に改質領域Rが形成されており、ガラス基板10を容易に切断することができる。また、改質領域Rの改質部Rを起点として発生したクラックを比較的小さく抑えられている。このようにすれば、良好な曲げ強度かつ、良好な寸法精度の光学ガラス100を得ることができる。
[光学ガラス]
図6は、本発明の実施形態に係る光学ガラスの側面図を示したものである。この光学ガラス100の側面は、上記した改質領域Rに沿って切断された切断面そのものである。すなわち、この光学ガラス100は、その切断前のガラス基板を、所望の形状、大きさになるように、ガラス基板の内部にレーザー光により改質領域Rを形成し、外部から力を加えることで改質領域Rに沿ってガラス基板を切断して得られるものである。そのため、この光学ガラス100の側面には、改質領域Rが露出しており、かつ、その改質領域Rに沿って、ガラスの板厚方向に切断された切断面を有する。また、この光学ガラス100は、上記したようにガラス基板10を切断して得られる板状のガラスである。
この光学ガラス100は、上記したガラス基板の切断方法により切断されて得られるものであり、その切断面が有する改質領域Rにおいて、レーザー光による改質部Rは、上記したように所定のピッチで断続的に形成されており、この改質部Rを起点として発生するクラックの大きさが所定の範囲となるようにその加工条件を調節して形成されたものである。
また、この改質領域Rは、図5に示したガラス基板10の内部に形成された改質領域Rが切断面上に露出してなるもので、上記したガラス基板の切断方法により形成される改質領域Rにおける、距離a、b、改質領域Rの幅k、と同一の関係を有するものである。
なお、同様に、改質部Rを起点として形成されるクラックC1〜2も、上記説明と同一のものである。図7は、図6の光学ガラス100の平面図であり、切断予定ラインに沿って切断された切断面が光学ガラス100の輪郭を形成してなる。この切断面は、改質領域Rに沿って切断されるため、改質部Rを起点とするクラックのうち切断に寄与しないクラックC1〜2は、切断された光学ガラスの両方に片側ずつ残ることとなる。
すなわち、改質領域Rの切断面における位置は、上記切断方法で説明したものと同一の関係で、距離aおよび距離bは0を超える数値であり、例えば、距離aおよび距離bがそれぞれガラス基板10の厚さt×0.1(すなわち、板厚×10%)以上であることが好ましい。改質領域の幅kは、改質部Rの板厚方向の高さ(縦幅)と同じであり、ガラス基板の板厚tに対して13〜50%の長さとなることが好ましい。さらに、改質部Rを起点として形成されるクラックCの先端は、ガラス基板10の板厚の中心から板厚方向に±10μmの範囲内にあることが好ましい。また、切断面からクラックC1もしくはC2の先端までの距離を、それぞれ改質領域先端深さRとする。この改質領域先端深さRは、ガラス基板10の板厚tの3〜20%の長さとする。なお、ここで述べる改質領域先端深さRは、段落0037で説明した改質領域先端深さRと実質的に同義である。
この光学ガラス100は、例えば、筐体の開口部を覆うように筐体に接合し、カバーガラスとして使用される。図8には、光学ガラス100を筐体310に適用した半導体装置300の断面図を示した。ここで、光学ガラス100は、筐体310の開口部310Aを覆うように、筐体310に接合されている。
なお、ここで示した半導体装置300は、筐体310の内部に半導体素子320を収容してなり、筐体310の開口部310Aを本実施形態の光学ガラス100で覆うように接合して、気密封着されている。ここで、接合は光学ガラス100の一方の主面の接合領域と筐体310の開口部310Aを形成する筐体とを、熱硬化樹脂や紫外線硬化樹脂等により封着してなされる。また、半導体素子320は、公知のものであれば特に限定されずに使用でき、例えば、固体撮像素子(例えば、CCDやCMOS)等が挙げられる。特に、可搬型の携帯用の電子機器に適用される半導体装置は落下衝撃等を受ける可能性が高く好ましい。
このように筐体に適用される光学ガラス100は、その素材となるガラス基板10の破壊靭性を0.2MPa・m1/2から0.74MPa・m1/2の範囲内、熱膨張係数を75×10−7/Kから150×10−7/Kの範囲内、のガラスで形成されていることが好ましい。
ガラス基板10の破壊靱性が0.74MPa・m1/2を超えると、レーザー光にてガラス基板10に改質領域Rを形成する際、改質領域Rにクラックが生じにくいためガラス基板10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10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、無理に切断することになり、光学ガラス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に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、切断後の光学ガラス100の切断面が粗くなる。これにより、光学ガラス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、ガラス基板10の破壊靱性が0.2MPa・m1/2未満であると、レーザー光にてガラス基板10に改質領域Rを形成する際、改質部Rを起点としたクラックが生じ易すぎるため、ガラス基板10の改質部Rからガラス基板10の表面に達するクラックが形成されてしまい、切断された光学ガラス100が欠けたり割れたりしやすくなる問題が生じる。また、改質部Rから光学ガラス100の表面に達するクラックが形成されないようクラックを小さく形成したとしても、改質部Rを起点としてクラックが過度に伸展しやすいため、板厚方向以外の方向にもクラックが伸展してしまい、光学ガラス100の切断面が粗くなる。これにより、光学ガラス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0.2MPa・m1/2未満であると、光学ガラス100の切断面に存在するクラックが微小であっても破壊原因になってしまい、切断後の光学ガラス100の曲げ強度が実用に満たないおそれがある。
光学ガラス100を構成するガラスの熱膨張係数が150×10−7/Kを超えると、レーザー光にてガラス内部に改質領域Rを形成する際、改質領域Rのクラックが過大に形成され、切断後の光学ガラス100の寸法精度や曲げ強度が著しく低下する。一方、光学ガラス100の熱膨張係数が、75×10−7/K未満であると、レーザー光にてガラス内部に改質領域Rを形成する際、改質領域Rにクラックが生じにくいため切断が難しい。
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う。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う。
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。
光学ガラス100は、可視波長領域で透明な材料から適宜選択して使用できる。例えば、ホウケイ酸ガラスは、加工が容易で、光学面における傷や異物等の発生を抑制できるために好ましく、アルカリ成分を含まないガラスは、接着性、耐候性等が良好なために好ましい。
ここで使用するガラスとしては、フツリン酸塩系ガラスやリン酸塩系ガラスにCuO等を添加した赤外波長領域に吸収を有する光吸収型のガラスも使用できる。特に、CuOを添加したフツリン酸塩系ガラスもしくはリン酸塩系ガラスは、可視波長領域の光に対し高い透過率を有するとともに、CuOが近赤外波長領域の光を十分に吸収するため、良好な近赤外線カット機能を付与できる。
CuOを含有するフツリン酸塩系ガラスの具体例としては、カチオン%表示で、P5+ 20〜45%、Al3+ 1〜25%、R 1〜30%(但し、Rは、Li、Na、Kの合計量)、Cu2+ 1〜15%、R2+ 1〜50%(但し、R2+は、Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+、Zn2+の合計量)含有するとともに、アニオン%表示で、F 10〜65%、O2− 35〜90%含有してものが挙げられる。市販品としては、NF−50ガラス(AGCテクノグラス社製)等が例示される。
CuOを含有するリン酸塩系ガラスの具体例としては、下記酸化物換算の質量%表示で、P 25〜74%、Al 0.1〜10%、B 0〜3%、LiO 0〜10%、NaO 0〜10%、LiO+NaO 3〜15%、MgO 0〜2%、CaO 0〜2%、SrO 0〜5%、BaO 0〜9%、MgO+CaO+SrO+BaO 0〜15%、CuO 0.5〜20%のものが挙げられる。
なお、ガラス組成については、上述したものに限らず、適宜のガラスを用いることができる。
光学ガラス100の厚みは、特に限定されないが、小型化、軽量化を図る点からは、0.1〜1mmの範囲が好ましく、0.1〜0.5mmの範囲がより好ましい。
また、本実施形態の光学ガラスとしては、光学ガラス100の主面に必要に応じて光学薄膜を形成することもできる。光学薄膜としては、例えば、赤外線カットフィルタ、反射防止膜等が挙げられ、例えば、MgFの単層膜やAl・TiOとZrOとの混合物膜・MgFを積層した多層膜やSiO・TiOの交互多層膜などが挙げられる。これらの単層・多層膜は真空蒸着やスパッタリング等の成膜方法にて光学ガラス100の主面に形成されている。この光学薄膜は、物理膜厚が0.2μmから8μmであることが好ましい。
また、光学薄膜としては、紫外線(UV)および赤外線(IR)をカットするUVIRカットフィルタも挙げられ、例えば、SiO・TiO等、屈折率の異なる誘電体膜を積層した多層膜や紫外線吸収剤や赤外線吸収剤を含有する樹脂膜等で構成される。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にて、樹脂膜は溶剤に分散または溶解させた樹脂を塗布し、乾燥させる公知の成膜方法にて、光学ガラス100の主面に形成できる。また、この光学薄膜は、物理膜厚が0.2μmから8μmであることが好ましい。
以下、本発明を実施例および比較例に基づいて詳細に説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるものではない。
(例1〜例21)
以下の説明において、例1、2、4〜7、9〜17、19〜21が実施例、例3、8、18が比較例である。
ガラス基板として2種類の厚さの板状のフツリン酸ガラス(AGCテクノグラス社製、NF−50、板厚150μm、300μm、寸法100mm×100mm)を用意した。このガラス基板は、段落0069に記載されている組成範囲内のCuOを含有するフツリン酸塩系ガラスである。このガラス基板の熱膨張係数は、129×10−7/K、破壊靱性が0.44MPa・m1/2である。
このガラス基板を以下に示す切断条件により、5mm×5mmの正方形状に切断し、側面に改質領域を含む切断面を有してなる光学ガラスを製造した。
ガラス基板の内部に選択的に改質領域を形成する工程では、以下の条件を用いた。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532nmのレーザー光をガラス基板に入射させた。また、レーザー出力は改質領域がガラス基板主面に達しない程度で、1パルスあたりの平均レーザーエネルギーが3〜20μJとなるよう、適切な出力を選択した。レーザー光は、ガラス基板の板厚方向において、一方の主面側より入射し、所定の焦点となるように調整した。
なお、このとき、レーザー光による集光形状を、表に記載の改質領域が得られるようガラスの屈折率により生じる収差以上に、板厚方向に縦長になるよう調整した。この集光形状により、ガラス基板内部に、改質部Rを所定のピッチで、切断予定ラインに沿って断続的に形成し改質領域を形成した。
次いで、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ることで、ガラス基板の改質領域に形成されたクラックをガラス基板の主面にまで伸展させた。これにより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し、光学ガラスを得た。
このときの加工条件、得られた光学ガラスの切断面における改質領域の位置関係のパラメータ(図5におけるt、a、b、k)、改質領域先端深さR、光学ガラスの4点曲げ強度(例3の強度を1.0とした場合の相対比)、辺の蛇行量、を表1〜4にまとめて示した。なお、改質領域の位置、辺の蛇行量は、条件毎に8枚ずつ測定し、その平均値を示した。
Figure 0006551404
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Figure 0006551404
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なお、改質領域先端深さRは、切断面を所定量ポリッシングした後、エッチング処理する操作を、クラックが確認できなくなるまで行った。具体的には、得られた光学ガラスの切断面と直交する方向に5μmポリッシングした後、5質量%塩酸に15分間浸漬した後、光学顕微鏡(倍率100倍)で観察し、5mmの長さの間の、顕在化された潜傷の有無を確認した。潜傷があった場合、同条件で切断した別の個片を10μmポリッシング後、同様に潜傷の有無を確認し、以降、15μm、20μm・・・と5μmおきにポリッシング量を増やしたサンプルを観察した(各ポリッシング量のサンプルは、同条件で切断した別の個片である点に注意)。上記の方法で、5mmの長さの間に確認できる潜傷が無くなったポリッシング量を、改質領域先端深さRとした。
また、4点曲げ強度は、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、それらの平均値として算出した。測定機は、島津製作所製AGS−Jを使用した。なお、4点曲げ強度の「比」の項は、例3の4点曲げ強度を1.0としたときの相対比として各々記載した。
辺の蛇行量は、ガラス基板(5mm角)の各稜線の蛇行の最大振幅と定義し、振幅は測長顕微鏡(倍率50倍)により観察・測定した。最大振幅とは、5mm×5mmの仮想的な正方形を考えた時に、実際の光学ガラスの各稜線の、対応する仮想正方形の辺から最も突出した点と、最も凹んだ点の間の、仮想正方形の辺に対する垂直距離である。
表1は、集光形状は補正せず(ガラスの屈折率により生じる収差分だけ、板厚方向に縦長になっている)、改質領域の幅kをほぼ同一とし、レーザーエネルギーおよび照射ピッチを変えた実験結果である。レーザーエネルギーが大きい程、改質領域先端深さRが大きくなっている。また、改質領域先端深さRが板厚の20%超では4点曲げ強度、辺の蛇行量とも大きく悪化した。例3のガラス基板は、改質領域先端深さRの板厚tに対する割合が20%を超えており、4点曲げ強度が低かった。
表2は、レーザーエネルギーと照射ピッチは変えず、集光形状のみを調整して改質領域の板厚方向の幅kを変えた実験結果である。改質領域の板厚方向の幅kが大きいほど、改質領域先端深さRは小さくなっている。この時、改質領域先端深さRが小さくなるほど4点曲げ強度、辺の蛇行量とも良化する傾向が見られた。なお、参考のため例3のデータも併せて示した。
表3は、照射ピッチは変えず、レーザーエネルギー・走査回数・集光形状の組合せを変え、改質領域の板厚方向の幅kを変えた実験結果である。例2、11、13〜16は走査回数1回とし、改質領域先端深さRをほぼ同一にして、改質領域の幅kのみを大きくしていった結果である。改質領域の板厚方向の幅kが大きくなるのに伴い、4点曲げ強度は大きく相違しないものの、辺の蛇行量が良化する傾向が見られた。なお、参考のため例2,11のデータも併せて示した。
表3の例17は、走査回数を増やし、改質領域の板厚方向の幅kは大きくなる一方で、改質領域先端深さRをさらに小さくするようにしたものである。2回走査した場合は、4点曲げ強度・蛇行量とも良好であった。なお、表には記載していないが、3回走査した場合、改質領域の板厚方向の幅kが板厚の53%であり、辺の蛇行量が7μmと良好であるが、4点曲げ強度の比(例3の4点曲げ強度を1.0としたときの相対比)が0.80と低かった。また、例18は、2回走査しているものの、切断ができなかった。理由として、例18は例17と比較してレーザーエネルギーが低く、改質領域先端深さR(板厚tの対する割合)が3%未満となっていることが容易に想定される。
表4は、ガラス基板の板厚が150μmの場合の実験結果である。板厚が薄くなっても、改質領域の板厚方向の幅kの板厚に対する割合は、板厚に関わらず同等で切断可能なため、実質的に幅kを小さくすることができる。その結果、改質領域先端深さRも小さくすることができ、4点曲げ強度はガラス基板の板厚が300μmの場合と比較してかなり高くすることができた。
本発明の光学ガラスは、電子機器に内蔵される半導体装置(例えば、固体撮像素子(CCDやCMOS等)を有する装置)のカバーガラスや近赤外線カットフィルタ等に好適に用いられる。
10…ガラス基板、100…光学ガラス、300…半導体装置、310…筐体、320…半導体素子、500…ガラス基板の切断装置、510…テーブル、520…駆動機構、530…レーザー光照射機構、540…光学系、550…距離測定系、560…制御機構、T1…テープ、L…レーザー光、R…改質領域、R…改質部、C…クラック、R…改質領域先端深さ。

Claims (9)

  1. 内部に焦点を結ぶようにして照射された光により形成された複数の改質部から構成される改質領域に沿って切断された切断面を有する光学ガラスであって、
    前記光学ガラスが、前記改質領域の前記改質部を起点としたクラックを有し、前記切断面から前記クラックの先端までの改質領域先端深さが前記光学ガラスの板厚の3〜20%であり、
    前記改質領域の板厚方向の幅が、前記光学ガラスの板厚の13〜50%であることを特徴とする光学ガラス。
  2. 前記改質領域は、前記光学ガラスの主面と離間して形成されていることを特徴とする請求項に記載の光学ガラス。
  3. 一方の主面から前記改質領域までの距離をa、他方の主面から前記改質領域までの距離をb、前記光学ガラスの板厚をtとした場合、
    前記改質領域は、|a−b|/2を0.05t以下とする位置に設けることを特徴とする請求項1または2に記載の光学ガラス。
  4. 前記複数の改質部が、3.0〜38μmの間隔で形成されていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の光学ガラス。
  5. 前記光学ガラスの破壊靭性が0.2〜0.74MPa・m1/2であることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の光学ガラス。
  6. 前記光学ガラスの熱膨張係数が75〜150×10−7/Kであることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載の光学ガラス。
  7. 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複数の改質部から構成される改質領域を選択的に形成する改質工程と、前記改質領域に沿って、前記ガラス基板の厚み方向に割れを生じさせて光学ガラスとする切断工程と、を備え、
    前記改質工程で生じた前記改質領域の前記改質部を起点としたクラックにおいて、前記切断工程による切断面から前記クラックの先端までの改質領域先端深さが前記ガラス基板の板厚の3〜20%であり、
    前記改質工程において、前記ガラス基板の内部に焦点を結ぶ光の形状が、前記ガラス基板の板厚方向に伸びる縦長の形状であり、
    前記光により形成される改質領域の幅が前記光学ガラスの板厚の13〜50%であり、
    前記光の走査回数が1回であることを特徴とするガラス基板の切断方法。
  8. 前記光による単位パルスあたりの照射時間が100ピコ秒〜100ナノ秒であることを特徴とする請求項に記載のガラス基板の切断方法。
  9. 前記光の中心波長が532nmであることを特徴とする請求項7または8に記載のガラス基板の切断方法。
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