WO2007096958A1 - レーザを用いたガラスの加工方法および加工装置 - Google Patents

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WO2007096958A1
WO2007096958A1 PCT/JP2006/303174 JP2006303174W WO2007096958A1 WO 2007096958 A1 WO2007096958 A1 WO 2007096958A1 JP 2006303174 W JP2006303174 W JP 2006303174W WO 2007096958 A1 WO2007096958 A1 WO 2007096958A1
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glass
laser
glass plate
laser pulse
etching
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PCT/JP2006/303174
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Hirotaka Koyo
Keiji Tsunetomo
Masanori Shojiya
Original Assignee
Nippon Sheet Glass Company, Limited
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Definitions

  • the present invention relates to a glass processing method and a caching apparatus using a laser.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-61667 discloses a method of forming holes in glass by irradiation with a fundamental wave (1064 nm) of an Nd: YAG laser.
  • Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2001-105398 discloses a method of processing a substrate by altering a portion of the substrate, irradiating the portion with a laser to form a microscopic hole, and then etching. It is disclosed.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-105398 discloses a method of forming a minute hole by irradiating a part of a photosensitive glass plate with ultraviolet rays to change the quality and irradiating the part with a YAG laser.
  • an object of the present invention is to provide a processing method and a processing apparatus used therefor, which can easily and inexpensively form a minute hole and groove in glass.
  • a laser beam having a wavelength ⁇ is condensed by a lens and irradiated on glass, whereby an altered portion is formed on a portion of the glass irradiated with the laser pulse.
  • the wavelength ⁇ is 535 nm or less
  • the absorption coefficient of the glass at the wavelength ⁇ is 50 cm 1 or less
  • the focal length L (mm) of the lens is incident upon the lens.
  • the value divided by the laser pulse beam diameter D (mm) is 7 or more.
  • a predetermined laser pulse having a wavelength of 535 nm or less is collected by a predetermined lens and irradiated onto a glass having a predetermined absorption coefficient to form an altered portion. Then, the glass is processed by etching the altered portion.
  • the harmonics of the Nd: YAG laser can be used, glass can be processed with an inexpensive apparatus as compared with the conventional method using a femtosecond laser. Further, in the method of the present invention, glass deformation (debris, cracks, etc.) around the processed portion can be suppressed and holes with uniform shapes can be suppressed compared to the conventional method in which glass is covered only by laser pulse irradiation. Can be formed.
  • the method of the present invention by changing the formation condition and etching condition of the altered portion.
  • the size of the hole can be easily changed.
  • a large number of altered portions can be formed at a time by moving the spot of a high repetition pulse laser at high speed by a galvano scanner. Therefore, in the method of the present invention, a large number of holes can be formed in a short time.
  • FIG. 1A and FIG. 1B are cross-sectional views showing an example of the processing method of the present invention.
  • FIG. 2A to FIG. 2D are cross-sectional views showing another example of the processing method of the present invention.
  • FIG. 3A and FIG. 3B are cross-sectional views showing another example of the processing method of the present invention.
  • FIG. 4A to FIG. 4C are cross-sectional views showing another example of the processing method of the present invention.
  • FIG. 5A to FIG. 5D are a top view and a cross-sectional view showing another example of the processing method of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram schematically showing a configuration of an example of a processing apparatus of the present invention.
  • FIG. 7 is an optical micrograph showing an example of holes formed by the processing method of the present invention.
  • FIG. 8 is a scanning electron microscope photograph showing an example of a groove formed by the processing method of the present invention.
  • step (i) a laser pulse having a wavelength ⁇ is collected by a lens and irradiated on the glass, thereby forming a denatured portion in a portion of the glass irradiated with the laser pulse.
  • the pulse width of the laser pulse is in the range of Ins (nanoseconds) to 200ns, preferably lns to
  • the range is 100 ns, for example, 5 ns to 50 ns.
  • an expensive cache device is required.
  • the pulse width is larger than 200 ns, the peak value of the laser pulse will decrease, resulting in a problem that processing will not be successful.
  • the wavelength ⁇ of the laser pulse is 535 nm or less, preferably 360 nm or less. For example, it is in the range of 350 nm to 360 nm.
  • Laser pulses with a wavelength of 535 nm or less are Nd: YAG laser harmonics, Nd: YVO laser harmonics, or Nd: YLF laser harmonics.
  • the wavelength of the laser pulse is larger than 535 nm, the irradiation spot becomes large, making it difficult to produce micropores, and the problem that the periphery of the irradiation spot tends to break due to heat.
  • a preferable value of the energy of the laser pulse is selected according to the material of the glass and what kind of altered portion is formed.
  • the range is from 5 JZ pulses to 100 JZ pulses.
  • the length of the altered portion can be increased in proportion to the increase in the energy of the laser pulse.
  • the M 2 value indicating the beam quality of the laser pulse may be 2 or less, for example.
  • the absorption coefficient of the glass at the wavelength ⁇ is 50 cm 1 or less, for example, in the range of 0.1 cm ⁇ 1 to 20 cm _1 . If the absorption coefficient is larger than 50 cm- 1 , the energy of the laser beam is absorbed in the vicinity of the glass surface, and an altered portion is formed inside the glass. As shown in the examples, even if the absorption coefficient is less than 0.1 cm 1 , it is possible to form an altered portion inside the glass.
  • Glass having an absorption coefficient at a wavelength ⁇ of 50 cm 1 or less can be selected from known glass forces.
  • the glass described in Examples can be used.
  • There is no limitation on the shape of the glass for example, a glass plate is used.
  • the processing method of the present invention there is a wide range of glass that can be processed without using so-called photosensitive glass. In other words, the processing method of the present invention can process glass that does not substantially contain gold or silver.
  • the absorption coefficient was calculated by measuring the transmittance and reflectance of a sample having a thickness d (for example, about 0.1 lcm). First, the transmittance T (%) and the reflectance R (%) at an incident angle of 12 ° were measured for a sample having a thickness d (cm). The transmittance and reflectance were measured using a spectrophotometer UV-3100 manufactured by Shimadzu Corporation. The absorption coefficient ⁇ was calculated from the measured value using the following formula.
  • the focal length L (mm) of the lens is, for example, in the range of 50 mm to 500 mm, and 100 mm You can choose from a range of ⁇ 200mm! /.
  • the beam diameter D (mm) of the laser pulse is, for example, in the range of lmm to 40 mm, and may be selected from the range of 3 mm to 20 mm.
  • the beam diameter D is the beam diameter of the laser pulse when entering the lens, and means a diameter in a range where the intensity is [lZe] times the intensity at the center of the beam.
  • the value obtained by dividing the focal length L by the beam diameter D is 7 or more, preferably 7 or more and 40 or less (for example, 8.3 or more and 40 or less). For example, it is 10 or more and 25 or less.
  • This value is related to the light condensing property of the laser irradiated on the glass. The smaller this value, the more the laser is focused locally, making it difficult to produce uniform and long altered parts. Show. If this value is less than 7, the laser noise becomes too strong in the vicinity of the beam waist, causing a problem that cracks are likely to occur inside the glass.
  • the altered portion is formed while scanning the laser in the depth direction so that the irradiation pulses overlap.
  • the method of the present invention it is possible to form an altered portion by one-time irradiation with a nozzle. That is, in the method of the present invention, the altered portion can be formed by irradiating the laser pulse so that the irradiation positions do not overlap.
  • the laser pulse may be irradiated so that the irradiation pulses overlap.
  • the laser pulse is usually condensed by a lens so as to be focused inside the glass.
  • the laser pulse is usually focused so as to be focused near the center in the thickness direction of the glass plate.
  • the laser pulse is usually focused so as to be forced toward the upper surface side of the glass plate.
  • the back side of the glass plate laser pulse incidence
  • the laser pulse is usually focused so that it is focused on the back side of the glass plate.
  • the laser pulse may be focused outside the glass as long as the altered portion can be formed in the glass.
  • the laser pulse may be focused at a position where the back surface force of the glass plate is also separated by a predetermined distance (for example, 1. Omm or less).
  • a predetermined distance for example, 1. Omm or less.
  • the laser pulse is behind the glass back surface force (the direction in which the laser pulse transmitted through the glass travels) 1.
  • a position within a distance of Omm (the position of the glass back surface Or may be focused inside the glass.
  • the size of the altered portion formed in step (i) varies depending on the laser beam diameter D when entering the lens, the focal length L of the lens, the glass absorption coefficient, the power of the laser pulse, and the like. .
  • the processing method of the present invention for example, it is possible to form a columnar altered portion having a diameter of 10 m or less and a length of 100 m or more.
  • Table 1 shows an example of the conditions selected in step (i). Note that, under the conditions in Table 1, and D are selected so that 7 ⁇ LZD.
  • step (ii) the altered portion is etched using an etching solution having an etching rate for the altered portion larger than that for the glass.
  • etching solution having an etching rate for the altered portion larger than that for the glass.
  • hydrofluoric acid aqueous solution of hydrogen fluoride (HF)
  • sulfuric acid H 2 SO 4
  • nitric acid HNO 3
  • hydrochloric acid hydrochloric acid
  • aqueous solution of HC1 may be used. Moreover, you may use the mixture of these acids.
  • hydrofluoric acid When hydrofluoric acid is used, holes can be formed in a short period of time as soon as etching of the altered portion proceeds.
  • sulfuric acid When sulfuric acid is used, a straight hole with a small taper angle that makes it difficult for the glass other than the altered portion to be etched can be produced.
  • the etching time and the temperature of the etchant depend on the shape of the affected part and the target processing shape. It is selected according to. Note that the etching rate can be increased by increasing the temperature of the etchant during etching. In addition, the hole diameter can be controlled by the etching conditions.
  • a hole can be formed only on the upper surface side of the glass plate by etching.
  • a hole can be formed only on the back side of the glass plate by etching.
  • the through hole can be formed by performing etching on both sides of the glass plate. Note that a film for preventing etching may be formed on the upper surface side or the back surface side of the glass plate, and only one of them may be subjected to force etching.
  • a groove by forming a plurality of holes so that they are connected.
  • a plurality of altered portions arranged in a line are formed by irradiating a plurality of laser pulses so as to be arranged in a line.
  • a groove is formed by etching the altered portion. Irradiation positions of a plurality of laser pulses do not need to overlap, and holes formed by etching may be combined with adjacent holes.
  • FIGS. 1A to 5D Five examples of the process of covering the glass plate by the processing method of the present invention are schematically shown in FIGS. 1A to 5D.
  • the first processing method first, as shown in FIG. 1A, an altered portion 13 is formed so as to penetrate the glass plate 12 by irradiation with a laser pulse 11. Next, the double-sided etching of the glass plate 12 is performed to form the drum-shaped through hole 14.
  • the through hole 14 has a shape in which two frustoconical holes are connected.
  • the altered portion 13 is formed so as to penetrate the glass plate 12 by irradiation with the laser pulse 11.
  • one surface of the glass plate 12 is covered with a protective film 15.
  • etching is performed on the surface where the protective film 15 is not formed.
  • FIG. 2C a truncated cone-shaped through hole 14 penetrating the glass plate 12 is formed.
  • the through holes 14 are exposed on both surfaces of the glass plate 12.
  • an altered portion 13 is formed on the upper surface side of the glass plate 12 by irradiation with a laser pulse 11.
  • the altered portion 13 is formed so as to extend from the upper surface of the glass plate 12 to the inside of the glass plate 12.
  • the altered portion 13 is removed by etching, and a truncated cone-shaped hole 16 is formed as shown in FIG. 3B.
  • FIG. 4A an altered portion 13 is formed inside the glass plate 12 by irradiation with a laser pulse 11.
  • the altered portion 13 is exposed on both sides or one side of the glass plate 12 by polishing both sides or one side of the glass plate 12.
  • the exposed altered portion 13 is removed by etching to form a hole.
  • FIGS. 4B and 4C show an example in which only one surface of the glass plate 12 is polished to expose the altered portion 13 to form a truncated cone-shaped hole 16.
  • FIGS. 5A to 5D A fifth processing method is shown in FIGS. 5A to 5D.
  • 5A and 5C are top views, and FIGS. 5B and 5D are cross-sectional views thereof.
  • a plurality of altered portions 13 are linearly arranged by irradiating a glass plate 12 with a plurality of laser pulses. If the laser pulses are continuously irradiated so that the laser pulses overlap, the irradiated part may be heated too much, causing cracks in the glass. Such cracks can be avoided by irradiating the laser pulses so that they do not overlap.
  • the altered portion 13 is removed by etching. Since an area wider than the altered portion 13 is etched during etching, the holes generated by the etching of the altered portion 13 are connected to each other. As a result, as shown in FIGS. 5C and 5D, a groove 51 is formed. Note that the surface of the glass plate 12 may be polished before etching. 5A to 5D show the case where a straight groove is formed, a groove having an arbitrary shape can be formed by changing the arrangement of the altered portion.
  • the laser pulse is a harmonic of an Nd: YAG laser, Nd: YVO
  • the harmonics are, for example, the second harmonic, the third harmonic, and the fourth harmonic.
  • the second harmonic wave of these lasers The length is around 532nm to 535nm, the third harmonic wavelength is around 355nm to 357nm, and the fourth harmonic wavelength is 266 ⁇ ! ⁇ Around 268nm.
  • the processing apparatus of the present invention is an apparatus for carrying out step (i) of the above-described processing method of the present invention. That is, the processing apparatus is a processing apparatus that vibrates glass by irradiating a laser.
  • the processing apparatus includes a light source that emits a laser pulse having a pulse width of lns to 200 ns and a wavelength ⁇ .
  • the processing apparatus also includes a lens for condensing the laser pulse and irradiating the glass to be processed.
  • the wavelength ⁇ of the laser pulse is 535 nm or less.
  • the value obtained by dividing the focal length L (mm) of the lens by the beam diameter D (mm) of the laser pulse incident on the lens is 7 or more. Note that the absorption coefficient of the glass to be processed at the wavelength is 50 cm 1 or less.
  • the light source that emits the laser pulse is not particularly limited.
  • the light source exemplified in the description of the glass processing method can be applied.
  • a known lens can be applied to the lens.
  • FIG. 6 The configuration of an example of the processing apparatus of the present invention is schematically shown in FIG. 6 includes a laser device 61, an attenuator 62, a beam expander 63, an iris 64, a galvanometer mirror 65, an f ⁇ lens 66, and a stage 67.
  • a known optical element can be applied to each of these optical elements.
  • the beam diameter D when entering the lens can be adjusted by the laser device 61, the beam expander 63 and the iris 64.
  • the laser pulse emitted from the laser device 61 is attenuated by the attenuator 62, enlarged by the beam expander 63, narrowed by the iris 64, and incident on the galvanometer mirror 65.
  • the optical pulse of the laser pulse is adjusted by the galvanometer mirror 65 and is incident on the f ⁇ lens 66.
  • the laser irradiation position can be moved at high speed (several thousand mmZs). Therefore, by using a galvanometer mirror, even a highly repetitive laser pulse can be irradiated at different positions for each pulse, and the altered portions can be arranged at equal intervals. As shown in FIG.
  • laser pulses are distributed to the optical axes a to c.
  • the first pulse passes through a portion shifted from the center of the f ⁇ lens along the optical axis a by the galvanometer mirror, and is irradiated to one end of the glass plate 68.
  • the next pulse passes along the center of the f 0 lens along the optical axis b and is irradiated near the center of the glass plate 68.
  • the next pulse is incident along the optical axis c at a position deviated from the center of the f ⁇ lens, and is applied to the other end of the glass plate 68.
  • the processing apparatus of the present invention includes a control apparatus for carrying out step (i) of the glass processing method described above.
  • the control device includes a memory for storing a program and data, and an arithmetic processing device that executes processing based on the program and data.
  • a general computer may be applied to these control devices.
  • the concentration of the etching solution is indicated by “mass%”.
  • the laser includes an Nd: YAG laser device (210S—UV manufactured by LightWave).
  • a repetitive pulse laser (wavelength 355 nm, repetitive frequency 10 kHz) was used.
  • the laser pulse emitted from the laser device (pulse width 9 ns, beam 370 mW, beam diameter lmm) is expanded 36 times with a beam expander, and this is cut out with an aperture with a diameter of 14 mm, and a focal length of 160 mm It was condensed inside the glass plate with a lens.
  • the beam diameter when entering the lens was 14 mm.
  • the laser beam was focused at a position 0.15 mm away from the upper surface of the glass plate.
  • the laser beam was scanned at a speed of 400 mmZs so that the irradiation pulses did not overlap.
  • the glass plate was polished from the upper surface of the glass plate to a depth of 10 ⁇ m. Polishing was performed using cerium oxide powder. By this polishing, the variation in the diameter of the altered portion on the upper surface side of the glass plate was reduced. This polishing step may be omitted.
  • the back side of the glass plate was etched by immersing the glass plate in 2.3% hydrofluoric acid at room temperature (about 20 ° C.) for 10 minutes.
  • the hydrofluoric acid used in the experiment was prepared by diluting 4.5% hydrofluoric acid (manufactured by Matsunoen Pharmaceutical Co., Ltd.) with pure water. Etching was performed while applying 38 kHz ultrasonic waves to hydrofluoric acid.
  • a truncated cone-shaped through hole having a taper with a diameter on the upper surface side of 20 ⁇ m and a diameter on the rear surface side of about 55 / zm was formed. Etching also made the substrate thinner by about 25 ⁇ m.
  • the amount of substrate etching (the amount of thinning) was measured using a titanium-containing silicate glass for monitoring with a portion of the surface coated with silicate II. Specifically, after the monitor glass is etched under the above-mentioned conditions, the silicate II is removed, and the portion protected by the silicate II and the unprotected portion are separated. The etching amount was determined by measuring the step. Also in the following examples, the etching amount was measured by the same method for each glass plate.
  • a high repetition pulse laser (wavelength 355 nm, repetition frequency 20 kHz) emitted from an Nd: YAG laser device (manufactured by Photonics Industries) was used.
  • the laser pulse emitted from the laser device (pulse width 24 ns, No. 1 450 mW, beam diameter lmm) was expanded 6 times with a beam expander and focused inside the glass plate with an f ⁇ lens with a focal length of 100 mm. .
  • the beam diameter when entering the lens was 6 mm.
  • the laser beam was focused at a position separated by 0.20 mm in physical length from the upper surface of the glass plate.
  • the laser beam was scanned at a lOOOmmZs speed so that the irradiation pulses did not overlap.
  • etching was performed by immersing the glass plate in 2.3% hydrofluoric acid at 30 ° C. for 25 minutes while applying an ultrasonic wave of 38 kHz. Subsequently, etching was performed by immersing the glass plate in 2.3% hydrofluoric acid at room temperature for 10 minutes while applying a 38 kHz ultrasonic wave.
  • the upper and lower surfaces of the glass plate were each reduced by about 15 m.
  • a conical hole having a taper whose diameter gradually decreased from the surface was formed on the upper surface side of the glass plate by etching. This hole had a depth of about 250 m and a diameter on the surface of the glass plate of about 30 m.
  • the etched glass plate was further etched with 38% ultrasonic waves with 2.3% hydrofluoric acid at room temperature for 20 minutes.
  • the upper surface and back surface of the substrate became thinner by about 5 / zm.
  • the depth of the hole after etching was about 250 / zm, which was the same as before etching.
  • the shape of the hole after etching was a truncated cone shape with a surface diameter of about 45 / zm and the diameter did not change much in the depth direction.
  • a high repetition pulse laser (wavelength 355 nm, repetition frequency 20 kHz) emitted from an Nd: YAG laser device (manufactured by Photonics Industries) was used.
  • the laser pulse emitted from the laser device (pulse width 24 ns, No. 1 800 mW, beam diameter lmm) is expanded 6 times with a beam expander and focused inside the glass plate with an f ⁇ lens with a focal length of 100 mm. I let you.
  • the beam diameter when entering the lens was 6 mm.
  • the laser beam was focused at a position 0.15 mm away from the upper surface of the glass plate in physical length.
  • the laser beam was scanned at a speed of lOOOOmmZs so that the irradiation pulses did not overlap.
  • etching was performed by immersing the glass plate in 2.3% hydrofluoric acid at 30 ° C for 5 minutes while applying an ultrasonic wave of 38kHz. Subsequently, etching was performed by immersing the glass plate in 2.3% hydrofluoric acid at room temperature for 15 minutes while applying an ultrasonic wave of 38 kHz.
  • the upper and lower surfaces of the glass plate were each reduced by about 40 m.
  • the altered part is etched to form a drum-shaped through-hole with a surface diameter of about 60 m, a back surface diameter of about 50 m, and a smaller diameter near the center of the glass plate. It was done. This through hole was the thinnest about 50 m from the back surface.
  • a high repetition pulse laser (wavelength 355 nm, repetition frequency 20 kHz) emitted from an Nd: YAG laser device (manufactured by Photonics Industries) was used.
  • the laser pulse emitted from the laser device (pulse width 24 ns, ⁇ 800 mW, beam diameter lmm) was expanded 6 times with a beam expander and focused inside the glass plate with an f ⁇ lens with a focal length of 100 mm. .
  • the beam diameter when entering the lens was 6 mm.
  • the laser beam was focused at a position separated by 0.35 mm in physical length from the upper surface of the glass plate.
  • the laser beam was scanned at a lOOOmmZs speed so that the irradiation pulses did not overlap.
  • etching was performed by immersing a glass plate in 2.3% hydrofluoric acid at room temperature for 40 minutes while applying an ultrasonic wave of 38 kHz.
  • the top and back forces of the glass plate were reduced by about 2 m each by etching.
  • a hole having a depth of about 200 m was formed on the upper surface side of the glass plate.
  • the shape of this hole was a taper shape with a diameter of about 30 m on the upper surface of the glass plate and becoming thinner toward the bottom.
  • the surface shape of the holes was circular, whereas in Example 4, the cracks around the holes developed and the surface shape of the holes became a star shape.
  • a high repetition pulse laser (wavelength 355 nm, repetition frequency 10 kHz) emitted from an Nd: YAG laser device (210S-UV manufactured by LightWave) was used.
  • the laser pulse emitted from the laser device (pulse width 9 ns, No. 1 200 mW, beam diameter lmm) is expanded 36 times with a beam expander, and this is cut out with an aperture with a diameter of 14 mm, and a focal length of 160 mm
  • the light was condensed inside the glass plate by a lens.
  • the beam diameter when entering the lens was 14 mm.
  • the laser beam was condensed at a position separated by 0.15 mm in physical length from the upper surface of the glass plate.
  • Laser light was scanned at a speed of 400 mmZs so that the irradiation pulses did not overlap.
  • convex portions having a diameter of about 2 m and a height of about 1 m were formed at equal intervals on the upper surface (laser light incident side) of the glass plate. Also, an altered portion different from other portions was formed in the portion irradiated with the laser beam. The altered part was formed in a cylindrical shape with a length of about 200 m and almost no change in thickness. This altered part did not reach the back side.
  • etching was performed by immersing the glass plate in a 10% aqueous sulfuric acid solution at room temperature for 70 minutes while applying an ultrasonic wave of 38 kHz.
  • the 10% sulfuric acid aqueous solution used in the experiment was prepared by diluting a 95% sulfuric acid aqueous solution (Futaba Chemical Co., Ltd.) with pure water.
  • etching the upper and lower surfaces of the glass plate were each reduced by about 1 ⁇ m.
  • etching of the altered part resulted in the formation of almost vertical holes with a surface diameter of about 4 / zm and a depth of about 40 / zm with almost no change in diameter.
  • the etched glass plate was further etched with a 10% aqueous sulfuric acid solution at room temperature for 140 minutes while applying an ultrasonic wave of 38 kHz, the upper surface and the back surface of the glass plate were each reduced by about 3 m.
  • etching of the affected part resulted in the formation of almost vertical holes with a surface diameter of about 9 ⁇ m and a depth of about 85 ⁇ m, with almost no change in diameter.
  • FIG. 7 shows an optical micrograph of the cross section of the glass after etching. In the photograph in Fig. 7, two vertical holes are formed on the top surface of the glass plate.
  • a high repetition pulse laser (wavelength 355 nm, repetition frequency 20 kHz) emitted from an Nd: YAG laser device (manufactured by Photonics Industries) was used.
  • the laser pulse emitted from the laser device (pulse width 24 ns, ⁇ 800 mW, beam diameter lmm) was expanded 6 times with a beam expander and focused inside the glass plate with an f ⁇ lens with a focal length of 100 mm. .
  • the beam diameter when entering the lens was 6 mm.
  • the laser beam was focused at a position that was 0.228 mm away from the upper surface of the glass plate.
  • the laser beam was scanned at a lOOOmmZs speed so that the irradiation pulses did not overlap.
  • etching was performed by immersing the glass plate in 2.3% hydrofluoric acid at room temperature for 5 minutes while applying an ultrasonic wave of 38 kHz. Etching caused a slight increase in the processing marks on the surface, but no other changes were observed.
  • the etching rate of the glass of Comparative Example 1 is about 0.5 ⁇ m / min and 7 fc.
  • Table 3 shows the absorption coefficient of the sample at a wavelength of 266 nm.
  • Sample 1 is quartz glass. As a result of measurement by the above method, the absorption coefficient of Sample 1 was zero in the range up to the first decimal place.
  • Samples 3 and 5 are display panel glasses NA32 and NA35 manufactured by NH Techno Glass Co., Ltd., respectively.
  • Sample 4 is a glass substrate manufactured by Asahi Techno Glass Co., Ltd.
  • Sample 6 Is Pyrex (registered trademark).
  • Sample 8 is the titanium-containing silicate glass used in Example 1, and its components are shown in Table 2. Table 4 shows the composition of samples 2 and 7.
  • Altered portions could be formed in samples 1 to 6 by laser pulse irradiation.
  • Samples 2 and 4 were able to form good altered portions.
  • samples 7 and 8 whose absorption coefficient at a wavelength of 266 nm exceeds 50 cm 1 have been unable to form an altered portion.
  • Sample 6 of Example 6 (NA32, absorption coefficient at 355 nm: 0.2), Sample 4 glass (SW—YY, absorption coefficient at 355 nm: 0.4), and the composition shown in Table 5 below.
  • For the glass of sample 9 (absorption coefficient at 355 nm: 10.9), formation of an altered portion and etching were performed in the same manner as in Example 4. As a result, pores could be formed in any glass.
  • the titanium-containing silicate glass of Example 1 was irradiated with a laser pulse having a wavelength of 355 nm (pulse width: 24 ns) while changing the value of LZD.
  • the altered portion could not be formed.
  • the altered part could be formed.
  • the glass on which the altered portion was formed was immersed in various etching solutions.
  • any etching solution of 10% sulfuric acid aqueous solution, 10% nitric acid aqueous solution and 10% hydrochloric acid was used, the altered portion was removed and pores could be formed.
  • the 10% nitric acid aqueous solution used in the experiment was prepared by diluting a 60% nitric acid aqueous solution (Futaba Chemical Co., Ltd.) with pure water.
  • 10% hydrochloric acid was prepared by diluting 35% hydrochloric acid (Futaba Chemical Co., Ltd.) with pure water.
  • an altered portion was formed by irradiating a laser pulse outside the glass.
  • an Nd: YAG laser device (AVIA355 manufactured by Coherent) also emits a high repetition pulse laser (wavelength 355 nm, repetition) (Frequency 25 kHz).
  • a high repetition pulse laser wavelength 355 nm, repetition
  • the beam was cut with an aperture (diameter 7 mm), and focused with an f ⁇ lens with a focal length of 100 mm.
  • the beam diameter when entering the f ⁇ lens was 7 mm.
  • the laser pulse was focused on the outside of the back surface of the glass plate by the f ⁇ lens.
  • the glass plate was arranged so that the light was condensed 0.2 mm outside from the back surface (surface far from the lens) of the glass plate.
  • the laser beam was scanned at a speed of 3750 mmZs so that the irradiation nors did not overlap.
  • the energy of the laser pulse after passing through the f 0 lens was measured, it was 60 J Z pulse.
  • the upper surface of the glass plate (the surface on the laser pulse incident side) has a diameter of 7
  • Recesses of about / z m were formed at equal intervals. A concave part with a diameter of about 3 m was formed on the back side.
  • an altered portion different from other portions was formed in the portion irradiated with the laser beam. The altered portion was formed in a columnar shape whose thickness hardly changed, and reached the upper surface force and the rear surface of the glass plate.
  • etching was performed by immersing the glass plate in 0.5% hydrofluoric acid at 30 ° C. for 30 minutes while applying an ultrasonic wave of 38 kHz.
  • the 0.5% hydrofluoric acid used in the experiment was prepared by diluting 4.5% hydrofluoric acid (manufactured by Matsunoen Pharmaceutical Co., Ltd.) with pure water.
  • the upper and lower surfaces of the glass plate were each reduced by about 20 m.
  • through holes were formed by etching the altered portion. The diameters of the through holes on the top and back surfaces of the glass plate were both about 50 m.
  • This additional method includes a substrate for wiring, a filter including a through-hole for producing emulsion, and an ink jet. It can be used to form printer heads for Etto printers and jigs for optical fiber alignment.

Description

明 細 書
レーザを用いたガラスの加工方法および加工装置
技術分野
[0001] 本発明は、レーザを用いたガラスの加工方法およびカ卩ェ装置に関する。
背景技術
[0002] レーザを使ってガラスに微小な貫通孔を作製する方法は、従来力 提案されている 。たとえば、特開 2000— 61667号公報には、 Nd: YAGレーザの基本波（1064nm )の照射によってガラスに孔を形成する方法が開示されている。また、特開 2001— 1 05398号公報には、基板の一部を変質させ、その部分にレーザを照射して微小な加 ェ孔を形成したのち、エッチングをすることによって基板を加工する方法が開示され ている。特開 2001— 105398号公報では、感光性ガラス板の一部に紫外線を照射 して変質させ、その部分に YAGレーザを照射して微小な孔を形成する方法が開示さ れている。
[0003] また、超短パルスレーザを用いてガラスをカ卩ェする方法も開示されて 、る（特開 20 04 - 351494号公報および特開 2004— 359475号公報）。これらのカロェ方法では 、超短パルスレーザとして、フェムト秒レーザが用いられている。
[0004] しかし、 Nd:YAGレーザの基本波を小さく集光することは難しいため、その照射に よって微細な孔を作製することは難しい。また、レーザ照射によってガラスに形成され る孔の形状を、再現性よく制御することは困難である。
[0005] また、特開 2001— 105398号公報の方法では、実際に使用できる基板が限られる とともに、工程が煩雑であるという問題がある。また、フェムト秒レーザを用いる方法で は、加工装置が高価であるという問題がある。
発明の開示
[0006] このような状況において、本発明は、ガラスに微小な孔ゃ溝を容易かつ安価に形成 できる加工方法、およびそれに用いられる加工装置を提供することを目的の 1つとす る。
[0007] 従来、感光性ガラス以外のガラスの加工には、フェムト秒レーザのような超短パルス レーザを照射するか、あるいは、開口数が大きいレンズ (たとえば NA=0. 8)を用い て焦点付近にエネルギーを集中させることが必要だと考えられてきた。本発明者らは 、検討の結果、所定のレーザを所定のレンズで集光することによって、感光性ガラス 以外のガラスを容易に加工できることを初めて見出した。本発明のような加工方法で 感光性ガラス以外のガラスを加工することは従来困難だと考えられてきたが、本発明 者らの検討によって、その有効性が初めて見出された。
[0008] すなわち本発明の加工方法は、（i)波長 λのレーザパルスをレンズで集光してガラ スに照射することによって、前記ガラスのうち前記レーザパルスが照射された部分に 変質部を形成する工程と、 (ϋ)前記ガラスに対するエッチングレートよりも前記変質部 に対するエッチングレートが大き 、エッチング液を用いて前記変質部をエッチングす る工程とを含み、前記レーザパルスのパルス幅が lns〜200nsの範囲にあり、前記 波長 λが 535nm以下であり、前記波長 λにおける前記ガラスの吸収係数が 50cm 1 以下であり、前記レンズの焦点距離 L (mm)を、前記レンズに入射する際の前記レー ザパルスのビーム径 D (mm)で除した値が 7以上である。
[0009] 本発明の方法では、波長が 535nm以下の所定のレーザパルスを所定のレンズで 集光して力 所定の吸収係数を有するガラスに照射して変質部を形成する。そして、 その変質部をエッチングすることによって、ガラスを加工する。本発明の方法では、 N d:YAGレーザの高調波を用いることができるため、フェムト秒レーザを用いる従来の 方法に比べて、安価な装置でガラスを加工できる。また、本発明の方法では、レーザ パルスの照射のみによってガラスをカ卩ェする従来の方法に比べて、加工部周辺のガ ラスの変形 (デブリやクラックなど)を抑制でき、形状のそろった孔を形成できる。
[0010] また、本発明の加工方法では、焦点距離 Lとビーム径 Dとの比 [LZD]を所定の値 以下とすることによって、レーザが焦点付近のみに集中することを防止している。この ため、本発明の方法によれば、開口数が比較的大きいレンズ (たとえば NA=0. 8以 上)を用いて焦点付近にエネルギーを集中させて変質部を形成する従来の方法に比 ベて、 1度のパルス照射で比較的長い変質部を形成できる。したがって、 1度のパル ス照射とエッチングのみで貫通孔を形成することも可能である。
[0011] また、本発明の方法では、変質部の形成条件とエッチング条件を変更することによ つて、孔の大きさを簡単に変えることができる。また、本発明の方法では、高繰り返し パルスレーザのスポットを、ガルバノスキャナによって高速に移動させることによって、 一度に多くの変質部を形成できる。そのため、本発明の方法では、多数の孔を短時 間で形成できる。
図面の簡単な説明
[0012] [図 1]図 1Aおよび図 1Bは、本発明の加工方法の一例を示す断面図である。
[図 2]図 2A〜図 2Dは、本発明の加工方法の他の一例を示す断面図である。
[図 3]図 3Aおよび図 3Bは、本発明の加工方法のその他の一例を示す断面図である
[図 4]図 4A〜図 4Cは、本発明の加工方法のその他の一例を示す断面図である。
[図 5]図 5A〜図 5Dは、本発明の加工方法のその他の一例を示す上面図および断 面図である。
[図 6]図 6は、本発明の加工装置の一例の構成を模式的に示す図である。
[図 7]図 7は、本発明の加工方法で形成された孔の一例を示す光学顕微鏡写真であ る。
[図 8]図 8は、本発明の加工方法で形成された溝の一例を示す走査型電子顕微鏡写 真である。
発明を実施するための最良の形態
[0013] 以下、本発明を実施するための形態について説明する。
[0014] [ガラスの加工方法]
ガラスを加工するための本発明の方法は、以下の工程を含む。工程 (i)では、波長 λのレーザパルスをレンズで集光してガラスに照射することによって、ガラスのうちレ 一ザパルスが照射された部分に変質部を形成する。
[0015] レーザパルスのパルス幅は、 Ins (ナノ秒）〜 200nsの範囲にあり、好ましくは lns〜
100nsの範囲で、たとえば 5ns〜50nsの範囲である。パルス幅を Ins未満にするに は、高価なカ卩ェ装置が必要になる。また、パルス幅が 200nsより大きくなると、レーザ パルスの尖頭値が低下してしま 、、加工がうまくできな ヽと 、う問題が生じる。
[0016] レーザパルスの波長 λは、 535nm以下であり、好ましくは 360nm以下であり、たと えば 350nm〜360nmの範囲である。 535nm以下の波長のレーザパルスは、 Nd : YAGレーザの高調波、 Nd:YVOレーザの高調波、または Nd:YLFレーザの高調
4
波を用いることによって簡単に得られる。一方、レーザパルスの波長が 535nmよりも 大きくなると、照射スポットが大きくなり、微小孔の作製が困難になるという問題、およ び熱の影響で照射スポットの周囲が割れやすくなるという問題が生じる。
[0017] レーザパルスのエネルギーは、ガラスの材質や、どのような変質部を形成するかに 応じて好ましい値が選択される。一例では、 5 JZパルス〜 100 JZパルスの範囲 である。本発明の方法では、レーザパルスのエネルギーを増加させることによって、 それに比例するように変質部の長さを長くすることが可能である。レーザパルスのビ ーム品質を示す M2値は、たとえば 2以下であってもよい。 M2値が 2以下であるレーザ パルスを用いることによって、微小な細孔や微小な溝の形成が容易になる。
[0018] 波長 λにおけるガラスの吸収係数は、 50cm 1以下であり、たとえば 0. 1cm―1〜 20c m_1の範囲である。吸収係数が 50cm— 1よりも大きいと、レーザ光のエネルギーがガラ スの表面近傍で吸収されてしまい、ガラス内部に変質部が形成されに《なる。なお、 実施例に示すように、吸収係数が 0. 1cm 1未満であっても、ガラス内部に変質部を 形成することは可能である。
[0019] 波長 λにおける吸収係数が 50cm 1以下であるガラスは、公知のガラス力も選択す ることができ、たとえば、実施例で説明するようなガラスを用いることができる。ガラス の形状に限定はなぐたとえばガラス板が用いられる。なお、本発明の加工方法では 、いわゆる感光性ガラスを用いる必要がなぐ加工できるガラスの範囲が広い。すな わち、本発明の加工方法では、金や銀を実質的に含まないガラスを加工できる。
[0020] なお、吸収係数は、厚さ d (たとえば約 0. lcm)のサンプルの透過率および反射率 を測定することによって算出した。まず、厚さ d (cm)のサンプルについて、透過率 T ( %)と、入射角 12° における反射率 R (%)とを測定した。透過率および反射率は、株 式会社島津製作所製の分光光度計 UV— 3100型を用いて測定した。そして、測定 値から以下の式を用いて吸収係数 αを算出した。
a =ln((100-R)/T)/d
[0021] レンズの焦点距離 L (mm)は、たとえば 50mm〜500mmの範囲にあり、 100mm 〜200mmの範囲から選択してもよ!/、。
[0022] また、レーザパルスのビーム径 D (mm)は、たとえば lmm〜40mmの範囲にあり、 3mm〜20mmの範囲から選択してもよい。ここで、ビーム径 Dは、レンズに入射する 際のレーザパルスのビーム径であり、ビームの中心の強度に対して強度が [lZe]倍 となる範囲の直径を意味する。
[0023] 本発明の加工方法では、焦点距離 Lをビーム径 Dで除した値、すなわち [LZD]の 値が、 7以上であり、好ましくは 7以上 40以下（たとえば 8. 3以上 40以下）であり、たと えば 10以上 25以下である。この値は、ガラスに照射されるレーザの集光性に関係す る値であり、この値が小さいほど、レーザが局所的に集光され、均一で長い変質部の 作製が困難になることを示す。この値が 7未満であると、ビームウェスト近傍でレーザ ノ^ーが強くなりすぎてしまい、ガラス内部でクラックが発生しやすくなるという問題が 生じる。
[0024] 本発明の加工方法の場合、レーザパルスの照射前にガラスに対して前処理するこ と、たとえば、レーザパルスの吸収を促進するような膜を形成することは不要である。 ただし、本発明の効果が得られる限り、そのような処理を行ってもよい。
[0025] レーザパルスが照射された部分には、照射前のガラスとは異なる変質部が形成され る。この変質部は、通常、光学顕微鏡を用いた観察によって他の部分と見分けること が可能である。
[0026] フェムト秒レーザを用いる従来の加工方法では、照射ノ ルスが重なるようにレーザ を深さ方向にスキャンしながら変質部を形成していた。これに対して、本発明の方法 では、 1度のノ ルス照射で変質部を形成することが可能である。すなわち、本発明の 方法では、照射位置が重ならないようにレーザパルスを照射することによって、変質 部を形成できる。ただし、照射ノ ルスが重なるようにレーザパルスを照射してもよい。
[0027] 工程 (i)では、通常、ガラスの内部にフォーカスされるようにレンズでレーザパルスを 集光する。ガラス板に貫通孔を形成する場合には、通常、ガラス板の厚さ方向の中 央付近にフォーカスされるようにレーザパルスを集光する。なお、ガラス板の上面側（ レーザパルス入射側）のみを加工する場合には、通常、ガラス板の上面側にフォー力 スされるようにレーザパルスを集光する。逆に、ガラス板の裏面側（レーザパルス入射 側とは反対側）のみを加工する場合には、通常、ガラス板の裏面側にフォーカスされ るようにレーザパルスを集光する。ただし、ガラスに変質部を形成できる限り、レーザ パルスがガラスの外部にフォーカスされてもよい。たとえば、ガラス板の裏面力も所定 の距離 (たとえば 1. Omm以下)だけ離れた位置にレーザパルスがフォーカスされて もよい。換言すれば、ガラスに変質部を形成できる限り、レーザパルスは、ガラスの裏 面力 後方 (ガラスを透過したレーザパルスが進行する方向） 1. Omm以内の距離に ある位置 (ガラスの裏面の位置を含む)またはガラス内部にフォーカスされてもよい。
[0028] 工程 (i)で形成される変質部の大きさは、レンズに入射する際のレーザのビーム径 D、レンズの焦点距離 L、ガラスの吸収係数、レーザパルスのパワーなどによって変 化する。本発明の加工方法によれば、たとえば、直径が 10 m以下で長さが 100 m以上の円柱状の変質部を形成することが可能である。
[0029] 工程 (i)で選択される条件の一例を、表 1に示す。なお、表 1の条件において、 お よび Dは、 7≤LZDとなるように選択される。
[0030] [表 1]
Figure imgf000008_0001
[0031] 次に、工程 (ii)として、ガラスに対するエッチングレートよりも変質部に対するエッチ ングレートが大きいエッチング液を用いて変質部をエッチングする。このようなエッチ ング液としては、たとえばフッ酸 (フッ化水素（HF)の水溶液）を用いてもょ 、。また、 硫酸 (H SO )やその水溶液、硝酸 (HNO )やその水溶液、または塩酸 (塩化水素（
2 4 3
HC1)の水溶液）を用いてもよい。また、これらの酸の混合物を用いてもよい。フッ酸を 用いた場合、変質部のエッチングが進みやすぐ短時間に孔を形成できる。硫酸を 用いた場合、変質部以外のガラスがエッチングされにくぐテーパ角の小さいストレー トな孔を作製できる。
[0032] エッチング時間やエッチング液の温度は、変質部の形状や、目的とする加工形状 に応じて選択される。なお、エッチング時のエッチング液の温度を高くすることによつ て、エッチング速度を高めることができる。また、エッチング条件によって、孔の直径を 制御することが可能である。
[0033] 変質部がガラス板の上面側にのみ露出するように形成された場合、エッチングによ つて、ガラス板の上面側のみに孔を形成できる。逆に、変質部がガラス板の裏面側に のみ露出するように形成された場合、エッチングによって、ガラス板の裏面側のみに 孔を形成できる。また、変質部がガラス板の上面側および裏面側に露出するように形 成された場合には、ガラス板の両側カゝらエッチングを行うことによって、貫通孔を形成 できる。なお、ガラス板の上面側または裏面側にエッチングを防止するための膜を形 成し、一方のみ力 エッチングが起こるようにしてもよい。また、ガラス板の表面に露 出しない変質部を形成し、次に、変質部が露出するようにガラス板を研磨してカもェ ツチングを行ってもよ!、。変質部の形成条件およびエッチング条件を変化させること によって、円柱状の貫通孔、鼓形 (砂時計形)の貫通孔、円錐台状の貫通孔、円錐 状の孔、円錐台状の孔、円柱状の孔といった様々な形状の孔を形成することが可能 である。
[0034] また、複数の孔を、それらが連結するように形成することによって、溝を形成すること も可能である。この場合、線状に並ぶように複数のレーザパルスを照射することによつ て、線状に配置された複数部の変質部を形成する。その後、変質部をエッチングす ることによって溝を形成する。複数のレーザパルスの照射位置は重なっていなくても よぐエッチングによって形成された孔が、隣接する孔同士で結合すればよい。
[0035] 本発明の加工方法でガラス板をカ卩ェする工程の 5つの例を、図 1A〜図 5Dに模式 的に示す。第 1の加工方法では、まず、図 1Aに示すように、レーザパルス 11の照射 によって、ガラス板 12を貫通するように変質部 13を形成する。次に、ガラス板 12の両 面力 エッチングを行うことによって、鼓状の貫通孔 14を形成する。貫通孔 14は、 2 つの円錐台状の孔を連結したような形状を有する。
[0036] 第 2の加工方法では、まず、図 2Aに示すように、レーザパルス 11の照射によって、 ガラス板 12を貫通するように変質部 13を形成する。次に、図 2Bに示すように、ガラス 板 12の片面を保護膜 15で覆う。次に、保護膜 15を形成していない面カゝらエッチング を行うことによって、図 2Cに示すように、ガラス板 12を貫通する円錐台状の貫通孔 1 4を形成する。次に、保護膜 15を除去することによって、図 2Dに示すように、ガラス板 12の両面において貫通孔 14が表面に露出する。
[0037] 第 3の加工方法では、まず、図 3Aに示すように、レーザパルス 11の照射によって、 ガラス板 12の上面側に変質部 13を形成する。変質部 13は、ガラス板 12の上面から ガラス板 12の内部にまで伸びるように形成される。次に、エッチングによって変質部 1 3を除去し、図 3Bに示すように、円錐台状の孔 16を形成する。
[0038] 第 4の加工方法では、まず、図 4Aに示すように、レーザパルス 11の照射によって、 ガラス板 12の内部に変質部 13を形成する。次に、ガラス板 12の両面または片面を 研磨することによって、ガラス板 12の両面または片面において変質部 13を露出させ る。次に、露出した変質部 13をエッチングによって除去し、孔を形成する。図 4Bおよ び図 4Cには、ガラス板 12の片面のみを研磨して変質部 13を露出させ、円錐台状の 孔 16を形成した一例について示す。
[0039] 第 5の加工方法を図 5A〜図 5Dに示す。図 5Aおよび図 5Cは上面図であり、図 5B および図 5Dは、それらの断面図である。まず、図 5Aおよび図 5Bに示すように、ガラ ス板 12に、複数のレーザパルスを線状に照射することによって、複数の変質部 13を 線状に配置する。レーザパルスが重なるように連続して照射すると、照射部分が加熱 されすぎてガラスにクラックが生じる場合がある。そのようなクラックの発生は、たとえ ば、レーザパルスが重ならないように照射することによって避けることができる。
[0040] 次に、変質部 13をエッチングによって除去する。エッチング時に変質部 13よりも広 い範囲がエッチングされるため、変質部 13のエッチングによって生じた孔同士が連 結される。その結果、図 5Cおよび図 5Dに示すように、溝 51が形成される。なお、エツ チングを行う前に、ガラス板 12の表面を研磨してもよい。なお、図 5A〜図 5Dでは、 直線上の溝を形成する場合について示したが、変質部の配置を変えることによって、 任意の形状の溝を形成できる。
[0041] 本発明の加工方法では、レーザパルスが、 Nd:YAGレーザの高調波、 Nd:YVO
4 レーザの高調波、または Nd:YLFレーザの高調波であってもよい。高調波は、たとえ ば、第 2高調波や第 3高調波や第 4高調波である。これらのレーザの第 2高調波の波 長は、 532nm〜535nm近傍であり、第 3高調波の波長は、 355nm〜357nm近傍 であり、第 4高調波の波長は、 266ηπ！〜 268nmの近傍である。これらのレーザを用 いることによって、ガラスを安価にカ卩ェできる。
[0042] [加工装置]
本発明の加工装置は、上述した本発明の加工方法の工程 (i)を実施するための装 置である。すなわち、その加工装置は、レーザを照射することによってガラスを力卩ェす る加工装置である。
[0043] その加工装置は、パルス幅が lns〜200nsであり波長 λのレーザパルスを出射す る光源を含む。また、その加工装置は、レーザパルスを集光して加工対象のガラスに 照射するためのレンズを含む。レーザパルスの波長 λは、波長 λが 535nm以下で ある。上記レンズの焦点距離 L (mm)を、そのレンズに入射する際のレーザパルスの ビーム径 D (mm)で除した値は 7以上である。なお、波長えにおける、加工対象のガ ラスの吸収係数は 50cm 1以下である。
[0044] レーザパルスを出射する光源に特に限定はなぐたとえば、ガラスの加工方法の説 明において例示した光源を適用できる。レンズには、公知のレンズを適用できる。
[0045] 本発明の加工装置の一例の構成を、図 6に模式的に示す。図 6の加工装置 60は、 レーザ装置 61と、アツティネータ 62と、ビームエキスパンダー 63と、アイリス 64と、ガ ルバノミラー 65と、 f Θレンズ 66と、ステージ 67とを備える。これらの各光学素子には 、公知の光学素子を適用できる。レンズに入射する際のビーム径 Dは、レーザ装置 6 1、ビームエキスパンダー 63およびアイリス 64によって調整できる。
[0046] レーザ装置 61から出射されたレーザパルスは、アツティネータ 62で減衰され、ビー ムエキスパンダー 63で拡大され、アイリス 64で絞られ、ガルバノミラー 65に入射する 。レーザパルスは、ガルバノミラー 65によって光軸を調整され、 f Θレンズ 66に入射 する。ガルバノミラーを用いることによって、レーザの照射位置を高速 (数千 mmZs) で動かすことができる。そのため、ガルバノミラーを用いることによって、高繰返しのレ 一ザパルスでも 1パルス毎に異なる位置に照射することができ、変質部を等間隔に並 ベることも可能である。図 6に示すように、ガルバノミラー 65を用いてレーザパルスの 経路を光軸 a、光軸 bおよび光軸 cと変化させることが可能である。一例では、以下の ように光軸 a〜cにレーザパルスが振り分けられる。最初のパルスは、ガルバノミラーに よって光軸 aに沿って、 f Θレンズの中心からずれた部位を通過し、ガラス板 68の一 方の端部に照射される。その次のパルスは、光軸 bに沿って、 f 0レンズの中心を通 過し、ガラス板 68の中央付近に照射される。さらに次のパルスは、光軸 cに沿って、 f Θレンズの中心からずれた所に入射し、ガラス板 68の他方の端部に照射される。
[0047] 本発明の加工装置は、上述したガラスの加工方法の工程 (i)を実施するための制 御装置を備える。制御装置は、プログラムおよびデータを記憶するためのメモリと、プ ログラムおよびデータに基づ 、て処理を実行する演算処理装置とを備える。これらの 制御装置には、一般的なコンピュータを適用してもよい。
実施例
[0048] 以下、本発明について例を挙げて詳細に説明する。なお、以下の説明において、 エッチング液の濃度は、「質量％」で示されて 、る。
[0049] [実施例 1]
以下に、チタン含有シリケートガラス力 なるガラス板 (厚さ： 0. 3mm、 355nmにお ける吸収係数: 8cm をカ卩ェした一例について説明する。このガラスの成分比率を 表 2に示す。
[0050] [表 2]
Figure imgf000012_0001
[0051] レーザには、 Nd:YAGレーザ装置（LightWave社製 210S— UV)から出射される高 繰り返しパルスレーザ（波長 355nm、繰返し周波数 10kHz)を使用した。レーザ装置 より出射されたレーザパルス（パルス幅 9ns、ノ ヮ一 370mW、ビーム径 lmm)を、ビ ームエキスパンダーで 36倍に広げ、これを直径 14mmのアパーチャ一で切り取り、 焦点距離 160mmの ί θレンズでガラス板の内部に集光させた。レンズに入射する際 のビーム径は 14mmであった。このとき、ガラス板の上面から物理長で 0. 15mmだ け離れた位置にレーザ光を集光させた。照射パルスが重ならないように、レーザ光を 、 400mmZsの速度でスキャンした。
[0052] レーザ光照射後、ガラス板の上面（レーザ光入射側）および裏面のどちらにも、直 径 3 ;ζ ΐη、高さ 1 m程度の凸部が等間隔に形成されていた。また、レーザ光が照射 された部分のガラスには、他の部分とは異なる変質部が形成されていた。変質部がど のように変質されているかは明確ではないが、他の部分とは光学的に明らかに異なつ ていた。この変質部の断面を光学顕微鏡で観察したところ、変質部は太さがほとんど 変わらない円柱状に形成されており、ガラス板の上面力 裏面まで到達していた。
[0053] 次に、ガラス板の上面から 10 μ mの深さまで、ガラス板を研磨した。研磨は、酸ィ匕 セリウム粉末を用いて行った。この研磨によって、ガラス板の上面側の変質部の直径 のばらつき力 より少なくなつた。なお、この研磨工程は省略してもよい。
[0054] 次に、エッチング工程において裏面側力 のみエッチングされるようにするため、ガ ラス板の上面側にシリテクト— II (Trylanerlnternational社製）を塗布して保護した。
[0055] 次に、室温 (約 20°C)の 2. 3%フッ酸にガラス板を 10分間浸漬することによって、ガ ラス板の裏面側をエッチングした。実験に使用したフッ酸は、 4. 5%フッ酸 (松野園製 薬所社製)を純水で薄めることによって作製した。エッチングは、フッ酸に 38kHzの 超音波を加えながら行った。
[0056] 変質部がエッチングされることによって、上面側の直径が 20 μ mで裏面側の直径 が 55 /z m程度であるテーパを有する円錐台状の貫通孔が形成された。また、エッチ ングによって基板が 25 μ m程度薄くなつた。基板のエッチング量 (薄くなつた量）は、 表面の一部にシリテクト IIを塗ったモニタ用のチタン含有シリケートガラスを用 、て 測定した。具体的には、モニタ用のガラスを上述した条件でエッチングした後にシリテ タト一 IIを除去し、シリテクトー IIによって保護された部分と保護されていない部分との 段差を測定することによって、エッチング量を求めた。以下の実施例においても、そ れぞれのガラス板にっ 、て、同様の方法でエッチング量を測定した。
[0057] なお、超音波を印加してエッチングを行った場合には 10分以下で貫通孔が形成さ れたが、超音波を印加しな 、でエッチングを行った場合には貫通孔が形成されるま でに 60分程度を要した。
[0058] [実施例 2]
以下に、ソーダライムガラスからなるガラス板 (厚さ： 0. 41mm, 355nmにおける吸 収係数: 0. 3cm をカ卩ェした一例について説明する。このガラスの成分比率を表 2 に示す。
[0059] レーザには、 Nd : YAGレーザ装置（Photonicslndustries社製）から出射される高繰 り返しパルスレーザ（波長 355nm、繰返し周波数 20kHz)を使用した。レーザ装置か ら出射されたレーザパルス（パルス幅 24ns、ノ ヮ一 450mW、ビーム径 lmm)をビー ムエキスパンダーで 6倍に広げ、焦点距離 100mmの f Θレンズでガラス板の内部に 集光させた。レンズに入射する際のビーム径は 6mmであった。このとき、ガラス板の 上面から物理長で 0. 20mmだけ離れた位置にレーザ光を集光させた。照射パルス が重ならないように、レーザ光を、 lOOOmmZsの速度でスキャンした。
[0060] レーザ光の照射によって、ガラス板の上面（レーザ光入射側）には、直径 2 μ m程度 の凹部が等間隔に形成された。また、レーザ光が照射された部分のガラスには、他の 部分とは異なる変質部が形成されていた。変質部は、長さが 250 /z m程度で太さが ほとんど変わらない円柱状に形成されていた。この変質部は、裏面には達していなか つた o
[0061] 次に、 38kHzの超音波を印加しながら、 30°Cの 2. 3%フッ酸にガラス板を 25分間 浸漬してエッチングを行った。続いて、 38kHzの超音波を印加しながら、室温の 2. 3 %フッ酸に 10分間ガラス板を浸漬してエッチングを行った。エッチングによって、ガラ ス板の上面および裏面が、それぞれ 15 m程度薄くなつた。また、エッチングによつ て、ガラス板の上面側に、表面から徐々に径が小さくなるようなテーパを有する、円錐 状の孔が形成された。この孔は、深さが 250 m程度で、ガラス板の表面における直 径が 30 m程度であった。 [0062] 次に、エッチング後のガラス板に対して、さらに、 2. 3%フッ酸で 38kHzの超音波を 印カロして室温で 20分間エッチングを行った。その結果、基板の上面と裏面とが、さら に 5 /z m程度薄くなつた。エッチング後の孔の深さは 250 /z m程度であり、エッチング 前と変わらな力つた。エッチング後の孔の形状は、表面の直径が 45 /z m程度で深さ 方向に直径があまり変化しない円錐台状の形状になった。
[0063] [実施例 3]
以下に、チタン含有シリケートガラス力 なるガラス板 (厚さ： 0. 3mm、 355nmにお ける吸収係数: 8cm をカ卩ェした一例について説明する。このガラスの成分比率を 表 2に示す。
[0064] レーザには、 Nd : YAGレーザ装置（Photonicslndustries社製）から出射される高繰 り返しパルスレーザ（波長 355nm、繰返し周波数 20kHz)を使用した。レーザ装置か ら出射されたレーザパルス（パルス幅 24ns、ノ ヮ一 800mW、ビーム径 lmm)を、ビ ームエキスパンダーで 6倍に広げ、焦点距離 100mmの f Θレンズでガラス板の内部 に集光させた。レンズに入射する際のビーム径は 6mmであった。このとき、ガラス板 の上面から物理長で 0. 15mmだけ離れた位置にレーザ光を集光させた。照射パル スが重ならないように、レーザ光は、 lOOOmmZsの速度でスキャンした。
[0065] レーザ光の照射によって、ガラスの上面（レーザ光入射側）には、直径 9 μ mで深さ 1 μ m程度の凹部が等間隔に形成された。裏面には、直径 1 μ m程度の凹部が形成 されていた。また、レーザ光が照射された部分には、他の部分とは異なる変質部が形 成されていた。変質部は、太さがほとんど変わらない円柱状に形成されており、ガラス 板の上面力 裏面にまで到達して 、た。
[0066] 次に、 38kHzの超音波を印加しながら、 30°Cの 2. 3%フッ酸にガラス板を 5分間浸 漬してエッチングを行った。続いて、 38kHzの超音波を印加しながら、室温の 2. 3% フッ酸にガラス板を 15分間浸漬してエッチングを行った。エッチングによって、ガラス 板の上面および裏面が、それぞれ 40 m程度薄くなつた。また、変質部がエツチン グされること〖こよって、表面直径が 60 m程度で、裏面直径が約 50 m程度で、ガ ラス板の中央部付近で直径が小さくなる鼓形の貫通孔が形成された。この貫通孔は 、裏面から約 50 mのところで最も細くなつていた。 [0067] [実施例 4]
以下に、パイレックス (登録商標）からなるガラス板 (厚さ： 0. 7mm、 355nmにおけ る吸収係数: 0. 1cm をカ卩ェした一例について説明する。このガラスの成分比率を 表 2に示す。
[0068] レーザには、 Nd : YAGレーザ装置（Photonicslndustries社製）から出射される高繰 り返しパルスレーザ（波長 355nm、繰返し周波数 20kHz)を用いた。レーザ装置から 出射されたレーザパルス（パルス幅 24ns、ノ ヮ一 800mW、ビーム径 lmm)を、ビー ムエキスパンダーで 6倍に広げ、焦点距離 100mmの f Θレンズでガラス板の内部に 集光させた。レンズに入射する際のビーム径は 6mmであった。このとき、ガラス板の 上面から物理長で 0. 35mmだけ離れた位置にレーザ光を集光させた。照射パルス が重ならないように、レーザ光を、 lOOOmmZsの速度でスキャンした。
[0069] レーザ光の照射によるガラス板の表面の変形は観察されな力つた。また、レーザ光 が照射された部分には、他の部分とは異なる変質部が形成されていた。変質部は、 太さがほとんど変わらない円柱状に形成されていた。この変質部は長さが 200 mで あり、ガラス板の上面力 深さが 200 μ mの位置力 深さが 400 μ mの位置まで形成 されていた。
[0070] 次に、エッチング後のガラス板の上面から約 210 μ mの深さまで、平板研削および 酸ィ匕セリウム粉末を用いた研磨で除去し、変質部を露出させた。表面に露出した変 質部の直径は約 3 mであり、変質部の周囲にはクラックが観察された。
[0071] 次に、 38kHzの超音波を印加しながら、室温で 2. 3%フッ酸にガラス板を 40分間 浸漬してエッチングを行った。エッチングによって、ガラス板の上面および裏面力 そ れぞれ 2 m程度薄くなつた。また、変質部がエッチングされることによって、ガラス板 の上面側に、深さ 200 m程度の孔が形成された。この孔の形状は、ガラス板上面 における直径が 30 m程度で、底にいくほど細くなるテーパ形状であった。しかし、 他の実施例では孔の表面形状が円形であつたのに対し、実施例 4では、孔の周囲の クラックが進展して孔の表面形状が星型のようになった。
[0072] [実施例 5]
以下に、チタン含有シリケートガラス力 なるガラス板 (厚さ： 0. 3mm、 355nmにお ける吸収係数: 8cm をカ卩ェした一例について説明する。このガラスの成分比率を 表 2に示す。
[0073] レーザには、 Nd:YAGレーザ装置（LightWave社製 210S— UV)から出射される高 繰り返しパルスレーザ（波長 355nm、繰返し周波数 10kHz)を使用した。レーザ装置 より出射されたレーザパルス（パルス幅 9ns、ノ ヮ一 200mW、ビーム径 lmm)を、ビ ームエキスパンダーで 36倍に広げ、これを直径 14mmのアパーチャ一で切り取り、 焦点距離 160mmの ί θレンズによってガラス板の内部に集光させた。レンズに入射 する際のビーム径は 14mmであった。このとき、ガラス板の上面から物理長で 0. 15 mmだけ離れた位置にレーザ光を集光させた。照射パルスが重ならないように、レー ザ光を、 400mmZsの速度でスキャンした。
[0074] レーザ光照射後、ガラス板の上面（レーザ光入射側）には、直径 2 m、高さ 1 m 程度の凸部が等間隔に形成されていた。また、レーザ光が照射された部分には、他 の部分とは異なる変質部が形成されていた。変質部は、長さが 200 m程度で太さ がほとんど変わらない円柱状に形成されていた。この変質部は、裏面には達していな かった。
[0075] 次に、 38kHzの超音波を印加しながら、室温の 10%硫酸水溶液にガラス板を 70 分間浸漬してエッチングを行った。実験に使用した 10%硫酸水溶液は、 95%硫酸 水溶液 (双葉化学薬品社製)を純水で薄めることによって作製した。エッチングによつ て、ガラス板の上面および裏面が、それぞれ 1 μ m程度薄くなつた。また、変質部が エッチングされること〖こよって、表面直径が 4 /z m程度で深さが 40 /z m程度で、直径 がほとんど変わらないほぼ垂直の孔が形成された。エッチング後のガラス板を、さらに 、 38kHzの超音波を印加しながら室温の 10%硫酸水溶液で 140分間エッチングす ると、ガラス板の上面および裏面がそれぞれ 3 m程度薄くなつた。また、変質部がェ ツチングされること〖こよって、表面直径が 9 μ m程度で深さが 85 μ m程度で、直径が ほとんど変わらないほぼ垂直の孔が形成された。
[0076] エッチング後のガラス断面の光学顕微鏡写真を図 7に示す。図 7の写真では、ガラ ス板の上面に 2本の垂直な孔が形成されている。
[0077] [比較例 1] 以下に、チタン含有シリケートガラス (厚さ： 0. 57mm, 355nmにおける吸収係数： 104cm"1)をカ卩ェした一例について説明する。このガラスの成分比率を表 2に示す。
[0078] レーザには、 Nd : YAGレーザ装置（Photonicslndustries社製）から出射される高繰 り返しパルスレーザ（波長 355nm、繰返し周波数 20kHz)を用いた。レーザ装置から 出射されたレーザパルス（パルス幅 24ns、ノ ヮ一 800mW、ビーム径 lmm)を、ビー ムエキスパンダーで 6倍に広げ、焦点距離 100mmの f Θレンズでガラス板の内部に 集光させた。レンズに入射する際のビーム径は 6mmであった。このとき、ガラス板の 上面から物理長で 0. 28mmだけ離れた位置にレーザ光を集光させた。照射パルス が重ならないように、レーザ光を、 lOOOmmZsの速度でスキャンした。
[0079] レーザ光の照射によって、ガラス板の上面には、直径 11 m程度の凹部が等間隔 に形成された。しかし、実施例で観察されたような変質部は形成されなかった。
[0080] 次に、 38kHzの超音波を印加しながら室温の 2. 3%フッ酸にガラス板を 5分間浸 漬してエッチングを行った。エッチングによって表面の加工痕が少し大きくなつたが、 それ以外の変化は観察されな力つた。比較例 1のガラスのエッチングレートは約 0. 5 μ m/分で fcつ 7こ。
[0081] [実施例 6]
この実施例では、サンプル 1〜サンプル 8までの 8種類のガラス板を、波長 266nm のレーザパルスでカ卩ェした一例にっ 、て説明する。波長 266nmにおけるサンプル の吸収係数を表 3に示す。
[0082] [表 3]
Figure imgf000018_0001
サンプル 1は、石英ガラスである。なお、上述の方法で測定した結果、サンプル 1の 吸収係数は、小数点第 1位までの範囲ではゼロであった。サンプル 3および 5は、そ れぞれ、 NHテクノグラス株式会社製のディスプレイパネル用ガラス NA32および NA 35である。サンプル 4は、旭テクノグラス株式会社製のガラス基板である。サンプル 6 は、パイレックス (登録商標）である。サンプル 8は、実施例 1で用いたチタン含有シリ ケートガラスであり、その成分は表 2に示される。サンプル 2および 7の組成を表 4に示 す。
[表 4]
Figure imgf000019_0001
[0085] 上記のサンプル 1〜8のガラスに、波長 266nmのレーザパノレス（パノレス幅： 3. 5ns) を照射した。この実施例では、 LZDの値を、 25とした。
[0086] レーザパルスの照射によって、サンプル 1〜6に変質部を形成できた。特に、サンプ ル 2および 4には、良好な変質部を形成できた。一方、波長 266nmにおける吸収係 数が 50cm 1を超えるサンプル 7および 8には、変質部を形成できな力つた。
[0087] 変質部が形成されたサンプル 1〜6のガラスについて、 2. 3%フッ酸に 10〜30分 間浸漬した。その結果、いずれのサンプルにも、細孔を形成できた。
[0088] [実施例 7]
実施例 6のサンプル 3のガラス（NA32、 355nmにおける吸収係数： 0. 2)、サンプ ル 4のガラス（SW— YY、 355nmにおける吸収係数： 0. 4)および以下の表 5に示す 組成を有するサンプル 9のガラス（355nmにおける吸収係数： 10. 9)に対して、実施 例 4と同様の方法で、変質部の形成およびエッチングを行った。その結果、いずれの ガラスにも細孔を形成できた。
[0089] [表 5]
Figure imgf000020_0001
[0090] [実施例 8]
実施例 1のチタン含有シリケートガラスに対して、波長 355nmのレーザパルス（パル ス幅： 24ns)を、 LZDの値を変化させて照射した。し力し、 LZD = 3. 8 (L=40mm 、 D= 10. 5mm)の場合には、変質部を形成できなかった。一方、 LZD=8. 3 (L = 50mm, D = 6mm)の場合には、変質部を形成できた。
[0091] [実施例 9]
実施例 1のチタン含有シリケートガラスに対して、波長 355nmのレーザパルス（パル ス幅： 24ns)を LZD= 18. 5の条件で照射し、変質部を形成した。次に、変質部が 形成されたガラスを、様々なエッチング液に浸漬した。その結果、 10%硫酸水溶液、 10%硝酸水溶液、 10%塩酸のいずれのエッチング液を用いた場合でも、変質部を 除去して細孔を形成できた。実験に使用した 10%硝酸水溶液は、 60%硝酸水溶液 (双葉化学薬品社製)を純水で薄めることによって作製した。 10%塩酸は、 35%塩酸 (双葉化学薬品社製)を純水で薄めることによって作製した。
[0092] [実施例 10]
実施例 1のチタン含有シリケートガラスに対して、波長 355nmのレーザパルス（パル ス幅： 24ns)を LZD= 18. 5の条件で照射し、変質部を形成した。このとき、複数の パルスを、隣接するように線状に照射した。レーザパルスの照射によって、図 5Aおよ び Bに示すように配置された変質部を形成した。
[0093] 次に、変質部が形成された側の表面から 100 μ m程度まで、研磨によって除去した 。次に、 10%硫酸水溶液によって 3時間エッチングした。エッチングによって、幅が約 8 /z mで深さが約 100 /z mの溝を作製できた。この溝の [深さ Z幅]の値は、 10以上 である。この溝を上方力 撮影した走査型電子顕微鏡写真を図 8に示す。 [0094] [実施例 11]
この実施例では、ガラスの外部にレーザパルス^^光させて変質部を形成した。
[0095] まず、実施例 1のチタン含有シリケートガラス（厚さ： 0. 3mm)に対して、 Nd:YAG レーザ装置（Coherent社製 AVIA355)力も出射される高繰り返しパルスレーザ（波 長 355nm、繰返し周波数 25kHz)を照射した。具体的には、レーザ装置から出射さ れたレーザパルス（パルス幅く 30ns,パワー： 5W、ビーム径： 3. 5mm)に対して、ァ ッティネータによる出力の調整、ビームエキスパンダーによるビーム径の拡大（3倍）、 アパーチャ一（経路の直径 7mm)によるビームの切り取り、焦点距離 100mmの f Θレ ンズによる集光、を行った。 f Θレンズに入射する際のビーム径は 7mmであった。 f Θ レンズによって、レーザパルスをガラス板の裏面の外側に集光させた。このとき、ガラ ス板の裏面（レンズから遠い面）から 0. 2mm外側の位置に集光するように、ガラス板 を配置した。照射ノルスが重ならないように、レーザ光を、 3750mmZsの速度でス キャンした。 f 0レンズを通った後のレーザパルスのエネルギーを測定すると、 60 J Zパルスであった。
[0096] レーザ光の照射によって、ガラス板の上面（レーザパルス入射側の面）には、直径 7
/z m程度の凹部が等間隔に形成された。裏面には、直径 3 m程度の凹部が形成さ れていた。また、レーザ光が照射された部分には、他の部分とは異なる変質部が形 成されていた。変質部は、太さがほとんど変わらない円柱状に形成されており、ガラス 板の上面力 裏面にまで到達して 、た。
[0097] 次に、 38kHzの超音波を印加しながら、 30°Cの 0. 5%フッ酸にガラス板を 30分間 浸漬してエッチングを行った。実験に使用した 0. 5%フッ酸は、 4. 5%フッ酸 (松野 園製薬所社製)を純水で薄めることによって作製した。エッチングによって、ガラス板 の上面および裏面が、それぞれ 20 m程度薄くなつた。また、変質部がエッチングさ れること〖こよって、貫通孔が形成された。ガラス板の上面および裏面における貫通孔 の直径はともに 50 m程度であった。
産業上の利用可能性
[0098] 本発明の加工方法によれば、様々なガラスに微細な孔を簡単に形成できる。この加 ェ方法は、配線用の基板、ェマルジヨン作製用の貫通孔を含むフィルター、インクジ エツトプリンタのプリンタヘッド、光ファイバのァライメント用冶具などの形成に利用でき る。

Claims

請求の範囲
[1] (i)波長 λのレーザパルスをレンズで集光してガラスに照射することによって、前記 ガラスのうち前記レーザパルスが照射された部分に変質部を形成する工程と、
(ii)前記ガラスに対するエッチングレートよりも前記変質部に対するエッチングレート が大き 、エッチング液を用いて前記変質部をエッチングする工程とを含み、
前記レーザパルスのパルス幅が lns〜200nsの範囲にあり、
前記波長 λが 535nm以下であり、
前記波長 λにおける前記ガラスの吸収係数が 50cm 1以下であり、
前記レンズの焦点距離 L (mm)を、前記レンズに入射する際の前記レーザパルスの ビーム径 D (mm)で除した値が 7以上である、ガラスの加工方法。
[2] 前記波長 λが 360nm以下である請求項 1に記載の加工方法。
[3] 前記レーザパルス力 Nd:YAGレーザの高調波、 Nd:YVOレーザの高調波、ま
4
たは Nd:YLFレーザの高調波である請求項 1に記載の加工方法。
[4] 前記エッチング液が、フッ化水素の水溶液である請求項 1に記載の加工方法。
[5] 前記エッチング液が、硫酸の水溶液、硝酸の水溶液または塩ィ匕水素の水溶液であ る請求項 1に記載の加工方法。
[6] 前記 (i)の工程において、前記レーザパルス力 前記ガラスの裏面力 後方 1. Om m以内の距離にある位置または前記ガラスの内部にフォーカスされる請求項 1に記 載の加工方法。
[7] レーザを照射することによってガラスをカ卩ェする加工装置であって、
パルス幅が lns〜200nsであり波長 λのレーザパルスを出射する光源と、 前記レーザパルスを集光して前記ガラスに照射するためのレンズとを含み、 前記波長 λが 535nm以下であり、
前記レンズの焦点距離 L (mm)を、前記レンズに入射する際の前記レーザパルスの ビーム径 D (mm)で除した値が 7以上である、加工装置。
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