KR20130086166A

KR20130086166A - 취성 재료 기판의 레이저 가공 방법 및 레이저 가공 장치

Info

Publication number: KR20130086166A
Application number: KR1020130004501A
Authority: KR
Inventors: 히로카즈 오카모토; 코지 야마모토; 켄지 후쿠하라; 사토시 핫토리
Original assignee: 미쓰보시 다이야몬도 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2012-01-23
Filing date: 2013-01-15
Publication date: 2013-07-31
Also published as: TWI552823B; CN103212865A; TW201334906A; JP2013146780A; CN103212865B

Abstract

[과제] 취성 재료 기판에 레이저를 조사(照射)하여 구멍 뚫기 가공할 때에, 특히, 취성 재료 기판의 표면(表面)에 있어서의 칩핑을 경감한다.
[해결 수단] 이 레이저 가공 방법은, 취성 재료 기판에 레이저를 조사하여 구멍 뚫기 가공을 행하는 방법이고, 제1 공정과 제2 공정을 포함하고 있다. 제1 공정은, 취성 재료 기판의 표면으로부터 레이저를 조사하여, 레이저의 집광(集光) 위치를 취성 재료 기판의 이면(裏面)으로부터 표면을 향하여 이동시켜, 기판 이면으로부터 소정의 깊이 위치까지 구멍 뚫기 가공을 행한다. 제2 공정은, 취성 재료 기판의 표면으로부터 레이저를 조사하여, 제1 공정으로 형성된 구멍에 대하여 레이저의 집광 위치를 취성 재료 기판의 표면으로부터 이면을 향하여 이동시켜, 제1 공정으로 형성된 구멍에 연통(連通)하는 구멍 뚫기 가공을 행한다.

Description

취성 재료 기판의 레이저 가공 방법 및 레이저 가공 장치{LASER PROCESSING METHOD FOR BRITTLE MATERIAL SUBSTRATE AND LASER PROCESSING DEVICE FOR BRITTLE MATERIAL SUBSTRATE}

본 발명은, 레이저 가공 방법, 특히, 취성 재료 기판에 레이저를 조사(照射)하여 구멍 뚫기 가공을 행하는 취성 재료 기판의 레이저 가공 방법에 관한 것이다. 또한, 이 레이저 가공 방법을 실시하기 위한 레이저 가공 장치에 관한 것이다.

유리 기판 등의 취성 재료 기판을 레이저에 의하여 가공하는 장치로서는, 예를 들어 특허 문헌 1에 나타내진 장치가 알려져 있다. 이러한 종류의 가공 장치에서는, 파장이 532nm 정도의 그린 레이저(green laser)가 유리 기판 등의 워크(work)에 조사된다. 그린 레이저는, 일반적으로는 유리 기판을 투과하지만, 레이저를 집광(集光)하여, 그 강도가 어느 역치를 넘으면, 유리 기판은 레이저를 흡수하게 된다. 이와 같은 상태에서는, 레이저의 집광부에 플라즈마(plasma)가 발생하고, 이것에 의하여 유리 기판은 증산(蒸散)한다. 이상과 같은 원리를 이용하여, 유리 기판에 구멍을 형성하는 등의 가공이 가능하다.

또한, 특허 문헌 2에는, 레이저의 집광점을 소반경(小半徑)으로 고속 회전시키면서, 가공 라인을 따라 주사(走査)하는 것에 의하여, 유리 기판에 구멍 뚫기 가공하는 것이 나타내져 있다.

일본국 공개특허공보 특개2007-118054호 일본국 공개특허공보 특개2011-11212호

종래의 방법에 의한 구멍 뚫기 가공에서는, 가공의 개시면(開始面)과 종료면(終了面), 즉, 기판의 이면(裏面)과 표면(表面)에 있어서, 가공한 구멍의 주위에 칩핑(chipping)이라고 불리는 결손이 발생한다. 이 칩핑은, 가공한 부분에 생긴 미소한 균열에 기인하는 것이라고 생각되며, 강도 저하의 원인으로 될 수 있다. 따라서, 칩핑은 가능한 한 작게 하는 것이 바람직하다.

전술과 같이, 이상과 같은 칩핑은, 기판의 이면과 표면에 발생하지만, 기판의 이면으로부터 가공을 개시한 경우는, 가공 종료면인 기판 표면이 개시면인 이면에 비교하여 커지는 경향이 있다.

본 발명의 과제는, 취성 재료 기판에 레이저를 조사하여 구멍 뚫기 가공할 때에, 특히, 취성 재료 기판의 표면에 있어서의 칩핑을 경감하는 것에 있다.

제1 발명에 관련되는 취성 재료 기판의 레이저 가공 방법은, 취성 재료 기판에 레이저를 조사하여 구멍 뚫기 가공을 행하는 방법이고, 제1 공정과 제2 공정을 포함하고 있다. 제1 공정은, 취성 재료 기판의 표면으로부터 레이저를 조사하여, 레이저의 집광 위치를 취성 재료 기판의 이면으로부터 표면을 향하여 이동시켜, 기판 이면으로부터 소정의 깊이 위치까지 구멍 뚫기 가공을 행한다. 제2 공정은, 취성 재료 기판의 표면으로부터 레이저를 조사하여, 제1 공정으로 형성된 구멍에 대하여 레이저의 집광 위치를 취성 재료 기판의 표면으로부터 이면을 향하여 이동시켜, 제1 공정으로 형성된 구멍에 연통(連通)하는 구멍 뚫기 가공을 행한다.

여기에서는, 제1 공정에 있어서, 레이저를 기판 표면 측으로부터 조사하여, 기판 표면으로부터 소정의 깊이 위치까지, 이면 측으로부터 구멍 뚫기 가공이 행하여진다. 그리고, 이면 측으로부터의 가공이 소정의 깊이 위치까지 도달하면, 이면 측으로부터의 가공을 일단 정지시킨다. 다음으로, 제2 공정에 있어서, 제1 공정과 마찬가지로 레이저를 기판 표면으로부터 조사하여, 기판 표면으로부터 이면을 향하여 가공을 계속한다. 이것에 의하여, 기판을 관통하는 구멍이 형성된다.

여기에서는, 기판의 이면으로부터 가공이 개시되는 것과 함께, 소정의 깊이 위치에서 이면으로부터의 가공이 일단 정지되고, 기판의 표면 측으로부터 가공이 재개된다. 이와 같은 가공 방법에서는, 기판의 이면 및 표면 모두 가공의 개시면으로 되고, 가공 종료면은 기판 내부가 된다. 기판 내부에서는, 가공부에 생긴 균열이 진전하기 어렵기 때문에, 칩핑이 억제된다.

제2 발명에 관련되는 취성 재료 기판의 레이저 가공 방법은, 제1 발명의 가공 방법에 있어서, 제1 공정에서는, 기판 표면으로부터 240㎛ 이상의 위치까지 취성 재료 기판의 이면으로부터 구멍 뚫기 가공을 실시한다.

기판의 표면으로부터 레이저를 조사하여 이면 측으로부터 가공하면, 가공 쓰레기는 하방(下方)으로 낙하하여, 가공 쓰레기가 레이저 조사의 방해가 되는 일은 없다. 한편, 기판 표면으로부터 레이저를 조사하여, 표면 측으로부터 가공하면, 가공에 의하여 형성된 오목부에 가공 쓰레기가 모여, 이 가공 쓰레기가 레이저를 집광시킬 때의 방해가 되는 등, 가공의 장애가 된다. 이 때문에, 기판 표면 측으로부터의 가공 속도는 기판 이면 측으로부터의 가공 속도보다 느려진다.

한편, 기판 이면 측으로부터의 가공을 기판 표면에 근접한 위치까지 계속하면, 가공부에 생긴 균열이 표면에까지 도달하여, 기판 표면에 큰 칩핑이 생길 가능성이 높아진다.

그래서, 이 제2 발명에서는, 기판 이면 측으로부터의 가공을, 기판 표면으로부터 240㎛의 위치까지로 하고 있다. 이것에 의하여, 가공 시간을 짧게 할 수 있는 것과 함께, 기판 표면에 큰 칩핑이 생기는 것을 억제할 수 있다.

제3 발명에 관련되는 취성 재료 기판의 레이저 가공 방법은, 제1 또는 제2 발명의 가공 방법에 있어서, 제1 및 제2 공정에서는, 레이저 집광점을 중심축으로부터 편의(偏倚)시키는 것과 함께, 중심축을 중심으로 회전시키면서 가공 라인을 따라 이동시킨다.

여기에서는, 레이저를 회전시키면서 가공 라인을 따라 주사하여, 기판을 가공하기 때문에, 가공 시간을 단축할 수 있다.

제4 발명에 관련되는 취성 재료 기판의 레이저 가공 방법은, 제1 발명의 가공 방법에 있어서, 제1 및 제2 공정에서는, 레이저를 가공 라인을 따라 나선상(螺旋狀)으로 주사한다.

여기에서는, 연속적으로 레이저를 주사할 수 있어, 가공 시간을 단축할 수 있다.

제5 발명에 관련되는 취성 재료 기판의 레이저 가공 장치는, 취성 재료 기판에 레이저를 조사하여 구멍 뚫기 가공을 행하는 장치이고, 취성 재료 기판이 재치(載置, 물건의 위에 다른 것을 올려 놓는 것)되는 테이블과, 테이블 상의 취성 재료 기판에 레이저를 조사하는 레이저 조사 헤드와, 테이블 및 레이저 조사 헤드를 상대적으로 테이블 재치면을 따른 방향 및 테이블 재치면과 이반(離反)하는 방향으로 이동시키기 위한 이동 기구를 구비하고 있다. 그리고, 취성 재료 기판의 표면으로부터 레이저를 조사하여, 레이저의 집광 위치를 취성 재료 기판의 이면으로부터 표면을 향하여 이동시켜, 기판 이면으로부터 소정의 깊이 위치까지 구멍 뚫기 가공을 행한 후에, 취성 재료 기판의 표면으로부터 레이저를 조사하여, 가공에 의하여 형성된 구멍에 대하여 레이저의 집광 위치를 취성 재료 기판의 표면으로부터 이면을 향하여 이동시켜, 형성된 구멍에 연통하는 구멍 뚫기 가공을 행한다.

이상과 같은 본 발명에서는, 레이저에 의하여 취성 재료 기판에 구멍 뚫기 가공할 때에, 취성 재료 기판의 표면에 있어서의 칩핑을 경감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 유리 기판 가공 장치의 외관 사시도.
도 2는 워크 테이블의 확대 사시도.
도 3은 레이저 조사 헤드의 구성을 확대하여 도시하는 사시도.
도 4는 제1 중공 모터 및 제1 웨지 프리즘의 배치를 모식적으로 도시한 도면.
도 5는 제2 중공 모터, 제2 웨지 프리즘 및 집광 렌즈의 배치를 모식적으로 도시한 도면.
도 6은 레이저의 궤적을 도시하는 도면.
도 7은 유리 기판 이면 측으로부터의 가공의 모습을 도시하는 모식도.
도 8은 유리 기판 표면 측으로부터의 가공의 모습을 도시하는 모식도.
도 9는 종래의 가공 방법과 본 발명을 적용한 가공 방법의 칩핑 사이즈의 비교를 나타내는 도면.

［가공 장치］

도 1에 본 발명의 일 실시예에 의한 가공 방법을 실시하기 위한 장치의 전체 구성을 도시한다. 이 유리 기판 가공 장치는, 유리 기판에 가공 라인을 따라 레이저를 조사하여, 유리 기판에 구멍을 형성하기 위한 장치이다. 이 장치는, 베드(1)와, 워크로서의 유리 기판이 재치되는 워크 테이블(2)과, 유리 기판에 레이저를 조사하기 위한 레이저 조사 헤드(3)를 구비하고 있다. 여기서, 도 1에 도시하는 바와 같이, 베드(1)의 상면(上面)을 따른 평면에 있어서, 서로 직교하는 축을 x축, y축으로 하고, 이들의 축에 직교하는 연직 방향의 축을 z축으로 정의한다. 또한, x축을 따른 양 방향(+방향 및 -방향)을 x축 방향, y축을 따른 양 방향을 y축 방향, z축을 따른 양 방향을 z축 방향으로 정의한다.

＜워크 테이블＞

워크 테이블(2)은 직사각형상으로 형성되어 있고, 워크 테이블(2)의 하방에는, 워크 테이블(2)을 x축 방향 및 y축 방향으로 이동시키기 위한 테이블 이동 기구(5)가 설치되어 있다.

워크 테이블(2)은, 도 2에 확대하여 도시하는 바와 같이, 복수의 블록(6)을 가지고 있다. 이 복수의 블록(6)은, 도면 중, 일점쇄선으로 도시하는 유리 기판(G)을 워크 테이블(2)의 표면으로부터 들어 올려 지지하기 위한 부재이며, 유리 기판(G)의 가공 라인(L)(파선으로 도시한다)을 피하기 위하여, 워크 테이블(2)의 임의의 위치에 취부하는 것이 가능하다. 또한, 워크 테이블(2)에는 복수의 흡기구(2a)가 격자상(格子狀)으로 형성되는 것과 함께, 각 블록(6)에는 상하 방향으로 관통하는 흡기 구멍(6a)이 형성되어 있다. 그리고, 블록(6)의 흡기 구멍(6a)과 워크 테이블(2)의 흡기구(2a)를 접속하는 것에 의하여, 블록(6) 상에 배치되는 유리 기판(G)을 흡착 고정하는 것이 가능하다. 덧붙여, 흡기를 위한 기구는, 주지(周知)의 배기 펌프 등에 의하여 구성되어 있고, 상세는 생략한다.

＜테이블 이동 기구＞

테이블 이동 기구(5)는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 각각 한 쌍의 제1 및 제2 가이드 레일(8, 9)과 제1 및 제2 이동 테이블(10, 11)을 가지고 있다. 한 쌍의 제1 가이드 레일(8)은 베드(1)의 상면에 y축 방향으로 연장되어 설치되어 있다. 제1 이동 테이블(10)은, 제1 가이드 레일(8)의 상부에 설치되고, 제1 가이드 레일(8)에 이동 가능하게 계합(係合, 걸어 맞춤)하는 복수의 가이드부(10a)를 하면(下面)에 가지고 있다. 제2 가이드 레일(9)은 제1 이동 테이블(10)의 상면에 x축 방향으로 연장되어 설치되어 있다. 제2 이동 테이블(11)은, 제2 가이드 레일(9)의 상부에 설치되고, 제2 가이드 레일(9)에 이동 가능하게 계합하는 복수의 가이드부(11a)를 하면에 가지고 있다. 제2 이동 테이블(11)의 상부에는, 고정 부재(12)를 통하여 워크 테이블(2)이 취부되어 있다.

이상과 같은 테이블 이동 기구(5)에 의하여, 워크 테이블(2)은, x축 방향 및 y축 방향으로 이동 가능이다. 덧붙여, 제1 및 제2 이동 테이블(10, 11)은, 상세는 생략하지만, 주지의 모터 등의 구동 수단에 의하여 구동되도록 되어 있다.

［레이저 조사 헤드］

레이저 조사 헤드(3)는, 도 1 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 베드(1)의 상면에 배치된 문형(門型) 프레임(1a)에 장착되어 있고, 레이저 출력부(15)와, 광학계(16)와, 내부에 한 쌍의 제1 웨지 프리즘(wedge prism, 후술)이 짜넣어진 제1 중공(中空) 모터(17)와, 내부에 한 쌍의 제2 웨지 프리즘(후술) 및 집광 렌즈가 짜넣어진 제2 중공 모터(18)를 가지고 있다. 또한, 레이저 조사 헤드(3)를 x축 방향으로 이동시키기 위한 x축 방향 이동 기구(21)와, 제1 중공 모터(17) 및 제2 중공 모터(18)를 z축 방향으로 이동시키기 위한 z축 방향 이동 기구(22)가 설치되어 있다.

＜레이저 출력부＞

레이저 출력부(15)는 종래와 마찬가지의 레이저 관에 의하여 구성되어 있다. 이 레이저 출력부(15)에 의하여, 파장 532nm의 그린 레이저가 y축을 따라 워크 테이블(2)과는 반대 쪽으로 출사(出射)된다.

＜광학계＞

광학계(16)는, 레이저 출력부(15)로부터의 레이저를 제1 중공 모터(17)에 짜넣어진 한 쌍의 제1 웨지 프리즘으로 이끄는 것이다. 이 광학계(16)는, 도 3에 확대하여 도시하는 바와 같이, 제1 ~ 제4 미러(25 ~ 28)와, 레이저 출력을 계측하는 파워 모니터(29)와, 빔 익스팬더(beam expander, 30)를 가지고 있다.

제1 미러(25)는, 레이저 출력부(15)의 출력 측의 근방에 배치되어 있고, y축 방향으로 출사된 레이저를 x축 방향으로 반사한다. 제2 미러(26)는, x축 방향에 있어서 제1 미러(25)와 나란히 배치되어 있고, x축 방향으로 진행하는 레이저를 y축 방향으로 반사하여, 워크 테이블(2) 측으로 이끈다. 제3 미러(27) 및 제4 미러(28)는, 제1 중공 모터(17)의 상방(上方)에 x축 방향으로 나란히 배치되어 있다. 제3 미러(27)는 제2 미러(26)에 의하여 반사되어 온 레이저를 제4 미러(28) 측으로 이끈다. 제4 미러(28)는 제3 미러(27)에 의하여 반사되어 온 레이저를 하방의 제1 중공 모터(17)로 이끈다. 빔 익스팬더(30)는, 제2 미러(26)와 제3 미러(27)와의 사이에 배치되고, 제2 미러(26)에 의하여 반사되어 온 레이저를 일정한 배율의 평행 광속(光束)으로 확대하기 위하여 설치되어 있다. 이 빔 익스팬더(30)에 의하여, 레이저를 보다 작은 스포트에 집광시키는 것이 가능해진다.

＜제1 웨지 프리즘 및 제1 중공 모터＞

내부에 제1 웨지 프리즘(321, 322)이 배치된 제1 중공 모터(17)의 모식도를 도 4에 도시하고 있다. 제1 중공 모터(17)는, 중심에 z축 방향으로 연장되는 회전축(R)을 가지고, 이 회전축(R)을 포함하는 중앙부가 중공으로 되어 있다. 그리고, 이 중공부에 한 쌍의 제1 웨지 프리즘(321, 322)이 고정되어 있다. 한 쌍의 웨지 프리즘(321, 322)은, 같은 형상, 같은 비중이며, 굴절률만이 차이가 난다. 각 웨지 프리즘(321, 322)은, 각각 회전축(R)에 대하여 경사하는 사면(斜面, 321a, 322a)과, 회전축(R)에 수직인 수직면(321b, 322b)을 가지고 있다. 그리고, 한 쌍의 웨지 프리즘(321, 322)은, 서로의 수직면(321b, 322b)이 근접하여 대향하도록 배치되며, 2개의 수직면(321b, 322b)이 평행이고, 또한 2개의 사면(321a, 322a)이 평행이 되도록 배치되어 있다.

여기에서는, 2개의 제1 웨지 프리즘(321, 322)의 굴절률을 다르게 하여, 제1 웨지 프리즘(321, 322)을 통과하는 레이저를 편각(偏角) θ만큼 편향(偏向)하도록 하고 있다.

덧붙여, 양 웨지 프리즘(321, 322)의 형상(꼭지각)에 관해서는, 후술하는 집광 렌즈의 초점 거리 f와 편각 θ에 의하여 정하여지는 레이저의 회전 반경(半徑) r(=f·tanθ 또는 f·θ)이, 소망하는 값이 되도록 설정된다.

＜제2 웨지 프리즘, 제2 중공 모터, 집광 렌즈＞

내부에 한 쌍의 제2 웨지 프리즘(341, 342)이 배치된 제2 중공 모터(18)를, 도 5에 모식적으로 도시한다. 이 제2 중공 모터(18)는, 중심에 z축 방향으로 연장되는 회전축을 가지고 있다. 이 회전축은, 제1 중공 모터(17)의 회전축(R)과 같은 축이다. 이 제2 중공 모터(18)는, 회전축(R)을 포함하는 중심부에 중공부를 가지고 있다. 이 중공부에, 한 쌍의 제2 웨지 프리즘(341, 342)이 장착되어 있다. 또한, 이러한 제2 웨지 프리즘(341, 342)은, 일방(一方)의 웨지 프리즘(342)에 대하여 타방(他方)의 웨지 프리즘(341)이 회전축(R)의 둘레에 상대 회전 가능하게 장착되어 있다. 즉, 한 쌍의 제2 웨지 프리즘(341, 342)은 편각이 조정 가능하다.

한 쌍의 제2 웨지 프리즘(341, 342)은, 같은 형상, 같은 재질(같은 비중)이며, 따라서 굴절률도 같다. 또한, 한 쌍의 제2 웨지 프리즘(341, 342)은, 각각 회전축에 대하여 경사하는 사면(341a, 342a)과, 회전축에 대하여 수직인 수직면(341b, 342b)을 가지고 있다. 그리고, 이 제2 웨지 프리즘(341, 342)에 있어서는, 편각이 「0」인 상태(서로의 사면이 평행한 상태)로부터, 타방의 웨지 프리즘(342)이 회전되어 배치되어 있어, 2개의 웨지 프리즘(341, 342)의 사면(341a, 342a)은 평행은 아니다. 이와 같은 2개의 제2 웨지 프리즘(341, 342)의 조합에 의하여, 한 쌍의 제2 웨지 프리즘(341, 342)은 소정의 편각을 가지고 있다. 이 편각은, 제1 웨지 프리즘(321, 322)의 편각보다도 크다.

또한, 이 제2 중공 모터(18)의 내부에서, 한 쌍의 제2 웨지 프리즘(341, 342)의 출력 측에는, 집광 렌즈(35)가 고정되어 있다. 덧붙여, 집광 렌즈(35)는 제2 중공 모터(18)와는 별도로 단독으로 배치하도록 하여도 무방하다.

＜레이저 조사 헤드의 지지 및 반송계＞

이상과 같은 레이저 조사 헤드(3)는, 전술과 같이, 베드(1)의 문형 프레임(1a)에 지지되어 있다. 보다 상세하게는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 문형 프레임(1a)의 상면에는 x축 방향으로 연장되는 한 쌍의 제3 가이드 레일(36)이 설치되어 있고, 이 한 쌍의 제3 가이드 레일(36) 및 도시하지 않는 구동 기구가 x축 방향 이동 기구(21)를 구성하고 있다. 그리고, 한 쌍의 제3 가이드 레일(36)에는, 지지 부재(37)가 이동 가능하게 지지되어 있다. 지지 부재(37)는, 제3 가이드 레일(36)에 지지된 가로 지지 부재(38)와, 가로 지지 부재(38)의 워크 테이블(2) 측의 일단(一端) 측으로부터 하방으로 연장되는 세로 지지 부재(39)를 가지고 있다. 세로 지지 부재(39)의 측면에는, z축 방향으로 연장되는 한 쌍의 제4 가이드 레일(40)이 설치되어 있고, 이 한 쌍의 제4 가이드 레일(40) 및 도시하지 않는 구동 기구가 z축 방향 이동 기구(22)를 구성하고 있다. 제4 가이드 레일(40)에는, z축 방향으로 이동 가능하게 제3 이동 테이블(41)이 지지되어 있다.

그리고, 레이저 출력부(15), 제1 ~ 제4 미러(25 ~ 28), 파워 모니터(29) 및 빔 익스팬더(30)가, 가로 지지 부재(38)에 지지되어 있다. 또한, 제3 이동 테이블(41)에는 모터 지지 부재(42)가 고정되어 있고, 이 모터 지지 부재(42)에 제1 중공 모터(17) 및 제2 중공 모터(18)가 지지되어 있다.

［가공 방법］

이상의 가공 장치를 이용하여, 레이저에 의하여 유리 기판에 구멍을 형성하는 경우의 가공 방법에 관하여 설명한다. 여기에서는, 유리 기판으로서 두께가 1.8mm인 소다 유리(soda glass)를 예로 취한다.

우선, 워크 테이블(2)의 표면에 복수의 블록(6)을 설치한다. 이 때, 복수의 블록(6)은, 도 2에 도시하는 바와 같이, 유리 기판(G)의 가공 라인(L)을 피하도록 배치한다. 이상과 같이 하여 설치된 복수의 블록(6) 상에, 가공하여야 할 유리 기판(G)을 재치한다.

다음으로, x축 방향 이동 기구(21)에 의하여 레이저 조사 헤드(3)를 x축 방향으로 이동하고, 또한 테이블 이동 기구(5)에 의하여 워크 테이블(2)을 y축 방향으로 이동하여, 레이저 조사 헤드(3)에 의한 레이저의 집광점이 가공 라인(L)의 스타트 위치에 오도록 위치시킨다.

＜제1 공정＞

이상과 같이 하여 레이저 조사 헤드(3) 및 유리 기판(G)을 가공 위치에 이동시킨 후, 레이저를 유리 기판에 조사하여 가공을 행한다. 여기에서는, 레이저 출력부(15)로부터 출사된 레이저는, 제1 미러(25)에 의하여 반사되어 제2 미러(26)로 이끌린다. 덧붙여, 제1 미러(25)에 입사한 레이저는 파워 모니터(29)에 의하여 레이저 출력이 계측된다. 제2 미러(26)에 입사한 레이저는 y축 방향으로 반사되고, 빔 익스팬더(30)에 의하여 광속이 확대되어 제3 미러(27)로 이끌린다. 그리고, 제3 미러(27)에서 반사되고, 한층 더 제4 미러(28)에서 반사된 레이저는, 제1 중공 모터(17)의 중심부에 설치된 한 쌍의 제1 웨지 프리즘(321, 322)에 입력된다.

한 쌍의 제1 및 제2 웨지 프리즘(321, 322)에 입력된 레이저는, 2개의 제1 웨지 프리즘(321, 322)의 굴절률이 다른 것에 의하여, 편향되어 출력된다. 또한, 제1 웨지 프리즘(321, 322)은, 예를 들어 15000rpm 이상으로 고속 회전시켜지고 있고, 제1 웨지 프리즘(321, 322)을 투과한 레이저는, 작은 회전 반경(예를 들어 직경 0.4mm ~ 0.8mm)으로 고속 회전하고 있다.

제1 웨지 프리즘(321, 322)으로부터 출사된 레이저는, 제2 웨지 프리즘(341, 342)에 입력된다. 이 제2 웨지 프리즘(341, 342)은, 일방이 타방에 대하여 회전시켜지고 있고, 제1 웨지 프리즘(321, 322)에 비교하여 큰 편각을 가지고 있다. 이 때문에, 제2 웨지 프리즘(341, 342)을 회전시키는 것에 의하여, 고속 회전하는 레이저가, 비교적 큰 회전 반경(예를 들어 외측 직경 5.0mm)으로 회전 주사된다. 덧붙여, 제2 웨지 프리즘(341, 342)의 회전수는 낮으며, 예를 들어 400 ~ 800rpm 정도이다.

이상과 같은 레이저의 유리 기판 상에서의 궤적을 도 6에 도시하고 있다. 여기서, 한 쌍의 제1 웨지 프리즘(321, 322)에 있어서의 가공 오차나 취부 오차 등에 의하여, 제1 웨지 프리즘(321, 322)에 의하여 편향, 회전된 레이저에 의하여 그려지는 원의 직경에 오차가 생긴다. 이 오차에 의하여, 최종적으로 가공되는 구멍의 직경에 오차가 생긴다. 이 경우는, 제2 웨지 프리즘(341, 342)의 일방을 타방에 대하여 회전시켜, 편각을 조정하여, 제2 웨지 프리즘(341, 342)을 통과한 레이저에 의한 주사 궤적을 조정하면 된다. 이것에 의하여, 높은 정도(精度)로 소망하는 직경의 구멍을 가공할 수 있다.

여기서, 레이저에 의한 1회의 가공으로 유리가 제거되는 높이는 수십 ㎛이다. 따라서, 유리 기판(G)에 구멍 뚫기 가공을 행하는 경우, 집광점을 가공 라인을 따라 한 번만 주사하여도 구멍을 형성하는 것, 즉 가공 라인의 내측의 부분을 빼기하는 것은 곤란하다.

그래서, 우선, 집광점(가공 부위)이 유리 기판의 하면(이면)에 형성되도록, 집광 렌즈(35)를 포함하는 제2 중공 모터(18)의 z축 방향의 위치를 z축 이동 장치(22)에 의하여 제어한다(도 7(a) 참조). 이 상태에서 집광점을 가공 라인을 따라 일주(一周)시킨 후, 제2 중공 모터(18)의 z축 방향의 위치를 제어하는 것에 의하여, 도 7(b)에 도시하는 바와 같이, 집광점을 상승시킨다. 그리고, 마찬가지로 집광점을 가공 라인을 따라 일주시킨 후, 한층 더 집광점을 상승시킨다.

이상의 동작을 반복하여 실행하고, 집광점이 기판(G)의 표면으로부터 240㎛의 위치에 도달한 시점에서 기판 이면으로부터의 가공을 일단 정지한다.

덧붙여, 집광점을 가공 라인을 따라 일주시킬 때마다 상승시키는 대신에, 적절한 속도로 연속적으로 z축 방향으로 상승시켜, 나선상으로 가공하는 것으로도 마찬가지로 구멍 뚫기 가공을 행할 수 있다.

여기서, 유리 기판(G)의 표면으로부터 레이저를 조사하여 이면 측으로부터 가공하면, 가공 쓰레기는 하방으로 낙하하여, 가공에 의하여 형성된 오목부에 가공 쓰레기가 모이는 일이 없다. 따라서, 가공 쓰레기가 레이저 조사의 방해가 되는 일은 없어, 비교적 단시간에 가공을 행할 수 있다.

＜제2 공정＞

다음으로, 도 8에 도시하는 바와 같이, 앞의 공정으로 형성된 구멍과 같은 부위를, 유리 기판(G)의 표면 측으로부터 이면 측을 향하여, 이면 측으로부터의 가공과 마찬가지의 조건으로 가공하여 간다. 이상과 같은 가공에 의하여, 유리 기판(G)을 관통하는 구멍을 형성할 수 있다.

덧붙여, 유리 기판(G)의 표면으로부터 레이저를 조사하여, 표면 측으로부터 가공하면, 가공에 의하여 형성된 오목부에 가공 쓰레기가 모이기 쉬워진다. 이 가공 쓰레기가 레이저를 집광시킬 때의 방해가 되는 등, 가공의 장애가 된다.

그러나, 여기에서는, 두께 1.8mm인 유리 기판(G)에 대하여, 제1 공정에 있어서 기판 표면으로부터 240㎛의 깊이 위치까지 기판 이면 측으로부터 가공을 행하고 있기 때문에, 전체의 공정에 대하여 기판 표면 측으로부터의 가공은 극히 적다. 따라서, 가공 쓰레기가 오목부에 모였다고 하여도, 구멍 뚫기 가공에 주는 악영향을 억제할 수 있다.

［실험 결과］

종래의 가공 방법에 의하여 구멍을 형성한 경우와, 본 발명의 일 실시예에 의한 가공 방법에 의하여 구멍을 형성한 경우의 칩핑 사이즈의 비교에 관하여 실험을 행하였다. 이 경우의 가공 조건은 이하와 같다.

레이저 출력 : 5W

주사 속도 : 40mm/s

기판 : 소다 유리(두께 = 1.8mm)

구멍 직경 : φ4mm

실험 결과의 정리를 도 9에 도시하고 있다. 종래 방법의 경우의 칩 사이즈는, 236 ~ 333㎛로 평균 사이즈는 284㎛였다. 또한, 본 발명을 적용한 경우의 칩 사이즈는, 157 ~ 213㎛로 평균 사이즈는 180㎛였다. 덧붙여, 측정수 n은 모두 「10」이다.

또한, 제1 공정에서 표면으로부터 240㎛ 미만까지 가공하면, 가공 개소로부터 균열이 기판 표면으로 진전하였다. 따라서, 이 균열에 기인하여 기판 표면에 큰 칩핑이 생긴다고 생각된다.

［특징］

(1) 유리 기판의 이면 및 표면 모두 가공의 개시면으로 되고, 가공 종료면은 기판 내부가 된다. 그리고, 기판 내부에서는, 가공부에 생긴 균열이 진전하기 어렵기 때문에, 칩핑이 억제된다.

(2) 기판 이면 측으로부터의 가공에 있어서, 유리 기판의 표면으로부터 240㎛의 위치까지 구멍 뚫기 가공을 행하기 때문에, 가공 시간을 짧게 할 수 있고, 게다가 가공 쓰레기가 구멍 뚫기 가공에 주는 영향을 억제할 수 있다.

(3) 기판 이면 측으로부터의 가공을, 유리 기판의 표면으로부터 240㎛ 이상의 위치에서 정지시키기 때문에, 유리 기판의 표면에 균열이 도달하는 것을 피할 수 있다. 이 때문에, 기판 표면에 형성되는 칩핑 사이즈를 작게 할 수 있다.

［다른 실시예］

본 발명은 이상과 같은 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 범위를 일탈하는 것 없이 여러 변형 또는 수정이 가능하다.

예를 들어, 레이저를 주사하기 위한 수단은, 상기 실시예에 한정되지 않는다. 예를 들어, 제2 중공 모터 및 한 쌍의 제2 프리즘을 대신하여, 2개의 갈바노 미러(Galvano mirror)를 설치하여, 임의의 형상으로 주사할 수 있도록 하여도 무방하다.

또한, 가공하는 구멍 형상은 원형에 한정되지 않는다. 다른 형상의 구멍 뚫기 가공에도 본 발명을 마찬가지로 적용할 수 있다.

2 : 워크 테이블
3 : 레이저 조사 헤드
5 : 테이블 이동 기구
21 : x축 방향 이동 기구
22 : z축 방향 이동 기구
G : 유리 기판
L : 가공 라인

Claims

취성 재료 기판에 레이저를 조사(照射)하여 구멍 뚫기 가공을 행하는 가공 방법이고,
취성 재료 기판의 표면(表面)으로부터 레이저를 조사하여, 레이저의 집광(集光) 위치를 취성 재료 기판의 이면(裏面)으로부터 표면을 향하여 이동시켜, 기판 이면으로부터 소정의 깊이 위치까지 구멍 뚫기 가공을 행하는 제1 공정과,
취성 재료 기판의 표면으로부터 레이저를 조사하여, 상기 제1 공정으로 형성된 구멍에 대하여 레이저의 집광 위치를 취성 재료 기판의 표면으로부터 이면을 향하여 이동시켜, 상기 제1 공정으로 형성된 구멍에 연통(連通)하는 구멍 뚫기 가공을 행하는 제2 공정
을 포함하는 취성 재료 기판의 레이저 가공 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 공정에서는, 기판 표면으로부터 240㎛ 이상의 위치까지 취성 재료 기판의 이면으로부터 구멍 뚫기 가공을 실시하는, 취성 재료 기판의 레이저 가공 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 및 제2 공정에서는, 레이저 집광점을 중심축으로부터 편의(偏倚)시키는 것과 함께, 상기 중심축을 중심으로 회전시키면서 가공 라인을 따라 이동시키는, 취성 재료 기판의 레이저 가공 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 공정에서는, 레이저를 가공 라인을 따라 나선상(螺旋狀)으로 주사(走査)하는, 취성 재료 기판의 레이저 가공 방법.
취성 재료 기판에 레이저를 조사하여 구멍 뚫기 가공을 행하는 가공 장치이고,
취성 재료 기판이 재치(載置)되는 테이블과,
상기 테이블 상의 취성 재료 기판에 레이저를 조사하는 레이저 조사 헤드와,
상기 테이블 및 상기 레이저 조사 헤드를 상대적으로 상기 테이블 재치면을 따른 방향 및 테이블 재치면과 이반(離反)하는 방향으로 이동시키기 위한 이동 기구
를 구비하고,
취성 재료 기판의 표면으로부터 레이저를 조사하여, 레이저의 집광 위치를 취성 재료 기판의 이면으로부터 표면을 향하여 이동시켜, 기판 이면으로부터 소정의 깊이 위치까지 구멍 뚫기 가공을 행한 후에, 취성 재료 기판의 표면으로부터 레이저를 조사하여, 상기 가공에 의하여 형성된 구멍에 대하여 레이저의 집광 위치를 취성 재료 기판의 표면으로부터 이면을 향하여 이동시켜, 상기 형성된 구멍에 연통하는 구멍 뚫기 가공을 행하는,
취성 재료 기판의 레이저 가공 장치.