WO2009102002A1 - レーザによる透明基板の加工方法および装置 - Google Patents

レーザによる透明基板の加工方法および装置 Download PDF

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laser
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Kazuya Takasago
Masanao Kamata
Tetsumi Sumiyoshi
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Cyber Laser Inc.
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    • Y02P40/57—Improving the yield, e-g- reduction of reject rates

Definitions

  • the present invention relates to a laser processing apparatus and a processing method, and relates to an apparatus and method for irradiating a processing object such as a glass substrate with an ultrashort pulse laser to form a cavity due to a self-focusing effect therein.
  • a transparent glass plate is used for assembling elements constituting pixels between substrates as a panel constituent material for liquid crystal display panels and plasma display panels.
  • the transparent glass substrate is divided into individual panels in the middle of the process using a large glass substrate and finished to the final product size.
  • a process of cutting from a large substrate is required, and it has been proposed to use a laser as one of the methods.
  • a plurality of processed portions are formed in the thickness direction of the substrate by forming a plurality of spots having different focal point positions in the optical axis direction. It is described in.
  • the laser oscillator may be single or plural, and two beams are separated by a beam splitter so that a plurality of laser beams can be focused at different positions on the same optical axis by different condensing lenses.
  • a plurality of processing points are formed in the depth direction of the substrate by matching the same axis and irradiating the substrate.
  • the conventional method of forming a plurality of condensing points in the depth direction is insufficient in the processing amount sufficient to divide the substrate.
  • the machining amount cannot be obtained unless the output energy of the ultrashort pulse laser is significantly increased. This causes an increase, which increases the cutting width and causes a reduction in substrate material yield.
  • a single laser beam for processing by a beam splitter unless a long optical path length to the condensing point in the substrate after the condensing lens for obtaining the plurality of condensing points is secured. It becomes difficult to bundle the beam. In order to realize this, it is difficult to increase the optical path length unless the numerical aperture of the convergent beam is reduced.
  • the problem to be solved is to reduce the cost of the laser light source when providing a method and apparatus for processing a transparent body with high accuracy and efficiency from the surface using the output of an ultrashort pulse of a solid-state laser. It is in the point which aims at.
  • a laser processing apparatus for forming a cavity due to a self-convergence effect in a substrate by irradiating a laser beam with a focusing point on the surface or inside of the substrate,
  • a pulse laser light source that emits and emits laser light having a wavelength transparent to the substrate and having a pulse width of 100 ps or less, and means for dividing the laser light emitted from the laser light source;
  • a condensing lens that condenses each of the divided laser beams at a plurality of condensing points that are spaced apart from each other along a planned cutting line of the substrate at different distances from the substrate surface (front surface) on the incident side.
  • Relative moving means for moving the plurality of condensing points relative to the substrate while irradiating the laser beam in a pulsed manner along a planned cutting line of the substrate,
  • Relative moving means for moving the plurality of condensing points relative to the substrate while irradiating the laser beam in a pulsed manner along a planned cutting line of the substrate.
  • the means for dividing the laser beam has a polarization rotation element on the incident side, and light emitted from the polarization rotation element is incident on one of the two bonded polarization prisms, and is bonded to the bonding surface.
  • the laser beam has a structure that is split into reflected light and transmitted light to the other polarizing prism at, and the split ratio of the reflected light and transmitted light is determined depending on the rotation angle change of the polarization rotation element It is a dividing device.
  • a polarization rotation element is provided on the incident side, and light emitted from the polarization rotation element is incident on one of the two bonded polarization prisms, and the reflected light and the other polarization prism are incident on the bonding surface. And the split ratio of the reflected light and the transmitted light is determined depending on the rotation angle change of the polarization rotation element.
  • a plurality of cavities due to the self-convergence effect are simultaneously formed in the substrate at horizontal intervals in the vicinity of the point, and a surface opposite to the front surface of the substrate (back surface) is used in the relative movement step.
  • the condensing point formed at a position close to the surface) is scanned before the condensing point at which the condensing point is formed at a position closer to the front surface.
  • the present invention is characterized in that a cavity that reaches one or both of the front side and the back side of the substrate is formed.
  • the laser light is divided so that the intensity of the divided light that forms the cavity closest to the front or back surface of the substrate is larger than the intensity of the other divided light.
  • a single laser light source is used to divide the laser beam, and each of the divided beams forms a cavity due to a self-focusing effect in the substrate or on the surface, so that the substrate front surface (the side on which the laser beam is incident) Since a number of cavities are formed preferably continuously from the substrate surface) to the back surface (substrate surface opposite to the front surface), (1) Since a single laser light source is used, an economical apparatus or method is obtained. (2) In the subsequent substrate dividing step, the force required for the division can be greatly reduced, and the yield during the division can be improved.
  • a method of processing an object by generating a self-focusing action in the object to be processed by laser irradiation will be described first. This is because ultra-short pulse laser light with a wavelength that is transparent to a processing object such as a glass substrate is used, and a small-diameter beam is irradiated in the laser beam traveling direction over a range longer than the focal depth of the focal point. It is provided to generate a self-focusing action inside the processed object. Due to the occurrence of the self-focusing action, a condensing channel is formed over a distance longer than the beam waist in the traveling direction of the laser light, and a cavity is formed in the condensing channel portion. There is a feature that the processing distance in the traveling direction of the laser beam is remarkably increased as compared with the normal ablation processing while the processing width by the laser beam is reduced.
  • the ultrashort pulse amplifies the output from the mode-locked laser oscillator to a predetermined energy with, for example, a titanium sapphire amplification medium, adjusts the power level of the pulse as necessary, and the output laser beam is a condensing optical system such as a lens.
  • the condensing position in the laser beam optical axis direction is set to an appropriate position on the surface or inside of the processed object such as a glass substrate.
  • the ultrashort pulse laser is a laser having a pulse width of 100 ps or less, and preferably has a pulse width of 500 fs to 10 ps.
  • “being transparent with respect to the object to be processed” does not necessarily mean that the object to be processed transmits 100% light, and includes cases where laser light can be transmitted to some extent.
  • the object to be processed is a silicon substrate, it may be an infrared region having a wavelength of 1 ⁇ m to 2 ⁇ m.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a processing apparatus according to the present invention.
  • Ultrashort pulse laser oscillator 1 splitting means 71 for splitting laser beam 2 emitted from it, condensing lens group 35 for condensing each of the split laser beams, and substrate mounting for placing a substrate 72 to be processed
  • An XY table 49 is provided to move the table 52 and the substrate mounting table 52.
  • the XY table 49 includes an X-direction feed table 50 and a Y-direction feed table 51 disposed below the X-direction feed table 50.
  • the XY table 49 is scanned along a processing line while its operation is programmed by a well-known control technique and highly accurate position and speed control is performed.
  • the substrate 72 is mounted on the XY table 49 via the substrate mounting table 52.
  • the substrate to be processed is made of glass, for example, Corning Eagle 2000 (thickness: 700 ⁇ m) can be used.
  • the ultrashort pulse laser oscillator 1 in addition to a titanium sapphire crystal (central wavelength 780 nm), an erbium-doped fiber, an yttrium-doped fiber, an Nd: YAG crystal, an Nd: YVO4 crystal, an Nd: YLF crystal, etc. can give.
  • the laser medium is preferably a titanium sapphire crystal.
  • the laser beam 2 is split using a beam splitting means 71.
  • the beam splitting means 71 is provided for the case where it is reflected by the mirror 3 and passed through the polarization rotation element 4 as necessary, and the beam energy splitting ratio in the subsequent polarizing beam splitter is adjusted.
  • the beam that has passed through the polarization rotator 4 is split into a beam 7 and a beam 8 by a beam splitter 6.
  • the beam 7 is further split into a beam 31 and a beam 32 by a beam splitter 11, and the beam 32 is split by a beam splitter 14.
  • the beam 25 is divided into the beam 26 and the beam 31 is divided into the beam 23 and the beam 24 by the beam splitter 18.
  • mirrors 12, 13 and 15 are used for deflection in the beam optical path direction.
  • the beam 8 is similarly split into separate parallel beams 27, 28, 29 and 30 using beam splitters 16, 21 and 22 and optical path deflecting mirrors 9, 17, 19 and 20.
  • the beam splitting means 71 generates eight parallel beams 23-30.
  • Eight beams of the parallel beams 23 to 30 are condensed by the condenser lenses 36 to 43 in the condenser lens group 35, respectively.
  • These condensing lenses 36 to 43 are arranged so as to be gradually increased in height with respect to the substrate surface. That is, the condenser lenses 36 to 43 are installed at positions along the inclined line 44.
  • the condensing lenses 36 to 43 are preferably lenses having a large numerical aperture (NA). This is because when the numerical aperture is large, the beam spot can be reduced, and the energy density of the laser pulse can be increased.
  • NA numerical aperture
  • the condensing lens 36 is arranged so that the condensing point 46 of the beam 23 is formed at a deeper location on the substrate.
  • This beam 23 is set to an intensity having such energy and power intensity that a cavity is formed near the back surface 74 of the substrate 72 by a self-focusing action. Accordingly, a hollow groove or a spaced hole is formed on the back surface by a self-convergence action.
  • the condensing lens 37 is installed above the condensing lens 36 so that the condensing point of the beam 24 is formed at a position closer to the front surface of the substrate than the condensing point of the previous beam 23.
  • the condensing lenses 38 to 43 are also positioned above the front lens so that the condensing points of the beams 25 to 30 corresponding to the condensing lenses 38 to 43 are closer to the substrate front surface 73 than the previous condensing points. Deploy.
  • the last condensing lens 43 is arranged so that the condensing point 45 of the corresponding beam 30 is closest to the front surface 73 and is preferably on the front surface.
  • Each of the beams 24 to 30 is also set to an intensity having energy and power intensity enough to form a cavity by the self-focusing action.
  • the condensing points of the beams 23 to 30 are the depth of the front surface and the inner depth from the point 46 close to the back surface 74 inside the substrate 72 to the front surface 73 or across the front surface 73. 53 to 59. For this reason, the cavities 83 to 90 by the self-convergence action are formed corresponding to the number of condensing points. These condensing points or cavities are arranged in a line along the X direction 47. The direction becomes a planned cutting line of the substrate.
  • the substrate 72 is moved relative to the condensing point formed by the lens group 35 along the planned cutting line. That is, the substrate 72 is scanned by the XY table 49 in the direction of the X direction arrow 47 through the movement of the substrate mounting base 52. As a result, cavities 83 to 90 are formed in the substrate 72 sequentially from a position close to the back surface 74 to a position close to the front surface 73 by self-convergence.
  • the substrate thickness is exaggerated, but since the actual substrate is 1 mm or less, a plurality of cavities 83 to 90 can be formed close to or continuously in the substrate. Accordingly, a large number of cavities 83 to 90 can be formed from the back surface 74 toward the front surface 73. Since the cavity forms a processing line by scanning the substrate, it becomes easy to separate the substrate 72 along the processing line.
  • Figure 2 shows this situation. Since the moving direction of the substrate 72 is 47 by the X direction arrow and the condensing point 46 of the beam 23 by the condensing lens 36 is closest to the substrate back surface 74, the cavity 83 of the substrate back surface is formed first. As the substrate 72 moves, the cavities 84 to 90 are sequentially stacked. Cavity formation is repeated by the number of condensing points (8 times in this example). As a result, as shown on the right side of the substrate 72, a linear cavity extending from the front surface to the back surface is formed. As shown in this figure, it is desirable that one cavity is formed so as to be continuously connected to the cavity above or below it, but it is not always necessary to be continuous. The linear cavities are continuously formed in the X direction by scanning the substrate 72 to form a cross section for substrate separation.
  • the first formed cavity reaches the substrate back surface 74 and the last formed cavity reaches the substrate front surface 73. This is because if a cavity is provided on at least one of the front and back surfaces, the substrate can be divided easily and the yield can be improved.
  • the beam splitter 6 in FIG. 1 can be a transparent flat plate having a dielectric multilayer film deposition mirror. Further, the beam splitter 63 can be configured by bonding two polarizing prisms 64 and 65 as shown in FIG.
  • the polarizing prisms 64 and 65 can be made of calcite. In the beam splitter 63, incident light 60 is incident on one polarizing prism 65, and the incident light 60 is divided into two parts of transmitted light and reflected light on the bonding surface, and the other polarizing prism 64 and the original polarizing prism. Outgoing lights 62 and 62 are emitted from 65, respectively.
  • the polarization direction changes depending on the rotation angle of the polarization rotation element 4, so that the ratio of transmitted light and reflected light changes. Therefore, it is possible to vary the division ratio of the outgoing lights 61 and 62 from the beam splitter 63 depending on the rotation angle of the polarization rotation element.
  • the intensity of the beam 30 or 23 forming the condensing point 45 or 46 closest to the front surface 73 and the back surface 74 can be set to be higher than that of the other beams, for example, three times the intensity. Even if the beam energy in the irradiation part inside the substrate is set to an energy level lower than the energy applied to the front surface or the back surface, it effectively acts on the substrate division. Therefore, if the difference in the beam intensity is provided in this way, the total laser beam intensity can be reduced, so that the intensity of the laser beam 2 by the laser oscillator 1 before passing through the beam splitting means 71 can be reduced. Can do.
  • the processing position in the substrate is adjusted by the amount of change in the height of the condensing lens from the substrate.
  • the condensing lenses 36 to 43 are arranged at the same height to be in the optical path of the plurality of parallel beams 23 to 30. It is also possible to adjust the condensing position in the substrate with the converging lens and the synthesis characteristic by giving the beam divergence angle changes to each other.
  • the XY table 49 is moved and the substrate 72 is moved to move the focusing point and the substrate relative to each other.
  • the lens group 35 and the beams 23 to 30 are also moved relative to each other. Movement is possible.
  • the present invention can be applied to precision processing of transparent glass substrate division cutting used for display devices such as liquid crystal and plasma.

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Abstract

【課題】ガラスなどの基板の良好な割断を目的として、超短パルスレーザによって経済的に加工する方法と装置を提供する。 【解決手段】 　以下の方法により、基板の表面または内部に集光点を合わせてレーザ光を照射することにより、基板のオモテ面からウラ面にわたって、好ましくは連続的な、自己収束効果による複数の空洞を形成する。 （１）基板に対して透明な波長を有する、超短パルス幅のレーザ光を発生させて出射し、出射したレーザ光を分割する。（２）分割されたレーザ光のそれぞれを、入射する側の基板表面（オモテ面）から異なる距離にある、基板の切断予定線に沿って離間して整列される複数集光点に集光させる。（３）基板の切断予定線に沿って、基板に対して複数集光点を相対的に移動させる。この際、基板のオモテ面とは反対側の面（ウラ面）に近い位置に形成された集光点が先に走査されるようにする。

Description

レーザによる透明基板の加工方法および装置
　本発明は、レーザ加工装置及び加工方法に係り、ガラス基板などの加工物体に超短パルスレーザを照射して、その内部に自己収束効果による空洞を形成する装置及び方法に関するものである。
　電子工業において液晶表示パネルやプラズマ表示パネルなどのパネル構成材料として、透明なガラス板が基板の間に画素を構成する要素の組み込みに用いられている。透明ガラス基板は表示パネルの製造コスト低減のため、大きなガラス基板を使用して、工程の途中で個別パネルに分割し、最終的な製品のサイズに仕上げる。この場合、大きな基板から切断する工程が必要で、その方法の１つとしてレーザを用いることが提示されている。超短パルスを用いる方法において、光軸方向に集光点の位置が異なる複数のスポットを形成する方法により基板の厚さ方向に加工部を複数形成することが特開２００６－１３０５５６号公報の中に記載されている。この提示された方法ではレーザ発振器は単一でも複数でもよく、複数レーザビームを別々の集光レンズで同一光軸上において、異なる位置に集光点ができるようにビームスプリッタで２本のビームを同軸上に合致させて、基板に照射し、基板の深さ方向に複数の加工点を形成している。
　基板の厚さが大型化し、それに伴い基板厚みが増加すると、従来の深さ方向に複数の集光点を形成する方法では十分な基板分割するだけの加工量において不足する。即ち、深さを２点の集光点で確保するためには、超短パルスレーザの出力エネルギーを大幅に増加しないと加工量が得られない、また過大なエネルギーを投入すると加工部の体積の増加を生じ、切断加工幅の増加を伴い、基板材料歩留まりの低下を招く。複数集光点を形成することを試みると、複数の集光点を得る集光レンズの後の基板内の集光点までの光路長を長く確保しないとビームスプリッタで１本の加工用のレーザビームに束ねることが困難になる。これを実現するためには上記光路長を長くとることにより、収束ビームの開口数が小さくしないと困難になる。
　開口数を小さくすることは、集光点におけるビーム直径が大きくなり、そのために集光点におけるレーザパワー密度が小さくなる、そのため加工を透明体に施すために要するパワー密度の閾値まで確保するには入射レーザエネルギーを増大する必要性が発生する。従って、集光点数を増加することは、レーザ発振出力エネルギーも集光点数の数の増加係数以上にレーザパワーの増加が必要になる。このことは実用上の利点が見出せない。
　特開２００７－１４２０００号公報には、複数の集光点を基板内部に多格子吸収方法を用いて透明体内部に変質層を形成し、厚さ方向に複数の内部改質層を形成することで、基板分離工程においてスクライビングの加工幅を形成しないで割断によって基板分離を行う提案がされている。複数の集光点を作成する際、複数のレーザ光源を用いるので装置が高価となる。
米国再発行特許第３７５８５号明細書 特開２００６－１３０５６６号公報 特開２００２－２０５１８０号公報 特開昭５６－１２９３４０号公報 特開２００４－１１１９４６号公報 特開２００７－１４２０００号公報 特開２００４－３３７９０２号公報
　解決しようとする問題点は、固体レーザの超短パルスの出力を用いて透明体を表面から高精度で効能率に加工を実施する方法とその装置を提供する際に、レーザ光源の低コスト化を図る点にある。
　上記課題を解決するため、本発明では、
（１）基板の表面または内部に集光点を合わせてレーザ光を照射することにより、当該基板の内部に自己収束効果による空洞を形成するレーザ加工装置であって、
　基板に対して透明な波長を有し、基板１００ｐｓ以下のパルス幅を有するレーザ光を発生させて出射するパルスレーザ光源と、そのレーザ光源から出射したレーザ光を分割する手段と、
　分割されたレーザ光のそれぞれを、入射する側の基板表面（オモテ面）から異なる距離にある、基板の切断予定線に沿って離間して整列される複数集光点に集光させる集光レンズと、
　前記基板の切断予定線に沿って、前記レーザ光をパルス状に照射しながら、前記基板に対して前記複数集光点を相対的に移動させる相対移動手段と、を備え
　レーザ光照射によって、前記集光点付近に水平方向に間隔をあけて基板の内部に自己収束効果による複数の空洞を同時に形成することと、前記相対移動手段により前記集光点を相対的に移動するにあたり、基板のオモテ面とは反対側の面（ウラ面）に近い位置に形成された集光点が、オモテ面により近い位置に集光点を形成した集光点よりも先に走査されることを特徴とする。
（２）また、前記レーザ光を分割する手段が、偏光回転素子を入射側に有し、該偏光回転素子からの出射光が２枚の貼り合わされた偏光プリズムの一方に入射し、貼り合わせ面にて反射光と他方の偏光プリズムへの透過光に分割される構造を有し、偏光回転素子の回転角変化に依存して、該反射光と該透過光との分割比率が決定するレーザ光分割装置であることを特徴とする。
（３）また、偏光回転素子を入射側に有し、該偏光回転素子からの出射光が２枚の貼り合わされた偏光プリズムの一方に入射し、貼り合わせ面にて反射光と他方の偏光プリズムへの透過光に分割される構造を有し、偏光回転素子の回転角変化に依存して、該反射光と該透過光との分割比率が決定することを特徴とする。
　一方、本発明では、
（１）基板の表面または内部に集光点を合わせてレーザ光を照射することにより、当該基板の内部に自己収束効果による空洞を形成するレーザ加工方法であって、
　基板に対して透明な波長を有し、基板１００ｐｓ以下のパルス幅を有するレーザ光を発生させて出射するステップと、そのレーザ光源から出射したレーザ光を分割するステップと、
　分割されたレーザ光のそれぞれを、入射する側の基板表面（オモテ面）から異なる距離にある、基板の切断予定線に沿って離間して整列される複数集光点に集光させるステップと、
　前記基板の切断予定線に沿って、前記レーザ光をパルス状に照射しながら、前記基板に対して前記複数集光点を相対的に移動させるステップ、とを備え
　レーザ光照射によって、前記集光点付近に水平方向に間隔をあけて基板の内部に自己収束効果による複数の空洞を同時に形成することと、前記相対的に移動させるステップの際、基板のオモテ面とは反対側の面（ウラ面）に近い位置に形成された集光点が、オモテ面により近い位置に集光点を形成した集光点よりも先に走査されることを特徴とする。
（２）また、空洞を基板のオモテ面またはウラ面の何れか一方または両方に達する空洞を形成することを特徴とする。
（３）また、前記のレーザ光を分割するステップにおいて、基板のオモテ面またはウラ面に最も近い空洞を形成する分割光の強度が他の分割光の強度よりも大きくなるように分割することを特徴とする。
　単一のレーザ光源を用い、レーザ光を分割し、分割したビームのそれぞれが、基板内部または表面において区分的に自己収束効果による空洞が形成されるので、基板オモテ面（レーザ光が入射する側の基板面）からウラ面（オモテ面とは反対側の基板面）に亘って空洞が好ましくは連続的に多数形成されるので、
（１）単一のレーザ光源を用いるので、経済的な装置または方法となる。
（２）その後の基板分割工程の際、分割に要する力が大幅に低下でき、分割時の歩留まりを向上することができる。
　本発明では、レーザ照射で加工対象物体内に自己収束作用を発生させることにより該物体を加工する方法を用いるので、この方法をまず説明する。これは、ガラス基板等の加工物体に対して透明となる波長の超短パルスレーザ光を用いて、加工物体内部に小さな直径のビームを集光点の焦点深度より長い範囲にわたってレーザ光進行方向に設け、加工物体内部に自己集束作用を発生させるものである。自己収束作用の発生により、レーザ光の進行方向に集光チャネルが、ビームウェストよりも長い距離にわたって形成され、集光チャネル部分に空洞が形成される。レーザ光による加工幅を小さくしたまま、レーザ光の進行方向の加工距離を通常のアブレーション加工よりも格段に大きくなるという特徴がある。
　超短パルスはモード同期レーザ発振器からの出力を所定のエネルギーまで例えばチタンサファイア増幅媒体で増幅し、そのパルスを必要に応じてパワーレベルを調整し、その出力レーザビームをレンズなどの集光光学系により集光させる。レーザビーム光軸方向の集光位置をガラス基板等加工物体の表面または内部の適当な位置に設定する。
　ここで、超短パルスのレーザとはパルス幅１００ｐｓ以内のレーザであり、好ましくは、パルス幅５００ｆｓないし１０ｐｓである。また、被加工物体に対して透明となるとは、かならずしも加工物体が１００％光を透過するという意味とは限らず、レーザ光がある程度透過できる場合も含まれるものとする。例えば、被加工物体をシリコン基板とすると、波長が１μｍないし２μｍである赤外の領域であればよい。
　図１は本願発明である加工装置の実施例である。超短パルスレーザ発振器１、それから発射されたレーザビーム２を分割する分割手段７１，分割されたレーザビームのそれぞれを集光させる集光レンズ群３５、加工対象の基板７２を配置するための基板搭載台５２、及び基板搭載台５２を移動するためＸＹテーブル４９を有する。ＸＹテーブル４９はＸ方向の送りテーブル５０とその下に配置されたＹ方向の送りテーブル５１から構成される。ＸＹテーブル４９は周知の制御技術によって動作がプログラムされて高精度な位置、速度制御が行われながら加工線に沿って走査される。基板７２はＸＹテーブル４９の上に基板搭載台５２を介して搭載される。加工対象基板はガラス製であり、例えばＣｏｒｎｉｎｇ社製Ｅａｇｌｅ２０００（厚さ７００μｍ）を用いることができる。
　超短パルスレーザ発振器１においては、レーザ媒体の例として、チタンサファイア結晶（中心波長７８０ｎｍ）のほか、エルビウム添加ファイバー、イットリビウム添加ファイバー、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶、Ｎｄ：ＹＬＦ結晶などがあげられる。ただし、ガラス基板を被加工物体とする場合、レーザ媒体はチタンサファイア結晶とするのが好ましい。このレーザビーム２をビーム分割手段７１を利用して分割する。
　ビーム分割手段７１では、ミラー３で反射し、必要に応じて偏光回転素子４を通過させ、その後の偏光ビームスプリッタにおけるビームエネルギー分割比を調整する場合に備える。この偏光回転素子４を通過したビームをビームスプリッタ６によってビーム７とビーム８とに分割する、ビーム７は更にビームスプリッタ１１においてビーム３１とビーム３２とに分割する、更にビーム３２はビームスプリッタ１４でビーム２５とビーム２６とに分割し、ビーム３１はビームスプリッタ１８によってビーム２３とビーム２４とに分割する。これらの光路内にはミラー１２、１３及び１５がビーム光路方向の偏向に用いられている。一方、同様にビーム８はビームスプリッタ１６，２１及び２２と光路偏向のミラー９，１７，１９及び２０を用いて別々の平行なビーム２７，２８，２９及び３０に分割される。ビーム分割手段７１によって、８本の平行なビーム２３～３０が発生する。
　平行なビーム２３～３０の８本のビームはそれぞれ、集光レンズ群３５内の集光レンズ３６～４３によって集光される。それらの集光レンズ３６～４３は、基板面に対して、少しずつ高さを高くして配置される。すなわち、集光レンズ３６～４３は傾斜した線４４に沿った位置に設置される。集光レンズ３６～４３は開口数（ＮＡ）の大きなレンズを用いることが好ましい。開口数が大きいと、ビームスポットを小さくでき、レーザーパルスのエネルギー密度を大きくすることができるからである。
　ビーム２３の集光点４６が、基板のより深い場所に集光点が形成されるように集光レンズ３６は配置される。このビーム２３は基板７２のウラ面７４付近に、自己収束作用によって空洞が形成される程度のエネルギーとパワー強度を持った強度に設定される。従ってウラ面には自己収束作用による空洞からなる溝又は離間した穴が形成される。
　ビーム２４はその集光点が先のビーム２３の集光点より基板オモテ面に近い位置に形成されるように、集光レンズ３７は集光レンズ３６より上方に設置される。集光レンズ３８～４３もそれぞれに対応したビーム２５～３０の集光点が前の集光点よりも基板オモテ面７３に接近するように、それぞれ前のレンズに比べてより上方となるように配置する。最後の集光レンズ４３は対応したビーム３０の集光点４５がオモテ面７３に最も近づき、好ましくは、オモテ面上となるように配置する。各ビーム２４～３０も自己収束作用によって空洞が形成される程度のエネルギーとパワー強度を持った強度に設定される。
　以上に示したように、ビーム２３～３０の集光点は、基板７２の内部のウラ面７４に近い点４６からオモテ面７３に近い又はオモテ面７３上に渡ってオモテ面及び内部の深さ５３～５９に形成される。このため、自己収束作用による空洞８３～９０が集光点数に対応して形成される。これらの集光点または空洞は、Ｘ方向４７に沿って一列に並ぶ。その方向が基板の切断予定線となる。
　この装置で、基板７２を切断予定線に沿って、レンズ群３５で形成される集光点に対して相対的に移動する。すなわち、ＸＹテーブル４９によってＸ方向矢印４７の向きに、基板搭載台５２の移動を介して基板７２を走査する。これにより、基板７２内部に、ウラ面７４に近い位置からオモテ面７３に近い位置に自己収束作用による空洞８３～９０が順次形成される。
　図では基板厚さを誇張して表示しているが、実際の基板は１ｍｍ以下であるので基板内に接近して又は連続して空洞８３～９０を複数形成できる。従って、空洞８３～９０が多数ウラ面７４からオモテ面７３に向かって形成できる。基板走査により空洞は加工線を形成するので、この加工線に沿って基板７２を分離することが容易になる。
　図２にこの様子を示す。基板７２の移動方向がＸ方向矢印で４７あり、集光レンズ３６によるビーム２３の集光点４６が基板ウラ面７４に最も近いので、基板ウラ面の空洞８３が最初に形成される。基板７２の移動により、順次上方に空洞８４～９０が積み重なる。空洞形成は集光点の数だけ（この例では８回）繰り返され、その結果として基板７２の右側に示したように、基板オモテ面からウラ面にわたる直線状の空洞が形成される。この図のように、１つの空洞はその上または下の空洞と連続的につながるように形成されることが望ましいが、かならずしも連続的としなくてもよい。該直線状の空洞は、基板７２の走査により、Ｘ方向に連続的に形成されて、基板分離の断面となる。
　なお、初回に形成される空洞が基板ウラ面７４に到達することと最後に形成される空洞が基板オモテ面７３に到達することとのいずれかまたは両方が達成されることが望ましい。オモテ面またはウラ面の少なくとも一方に空洞を有すると基板分割が容易になり、また歩留まりの向上につながるからである。
　図１におけるビームスプリッタ６は誘電体多層膜の蒸着ミラーを有する透明平板とすることができる。また、図３に示すような、２枚の偏光プリズム６４，６５を貼り合わせてビームスプリッタ６３を構成することができる。偏光プリズム６４，６５は方解石製のものが利用できる。ビームスプリッタ６３において一方の偏光プリズム６５に入射光６０が入射し、貼り合わせ面にて入射光６０は、透過光と反射光の２つに分割され、他の偏光プリズム６４及びもとの偏光プリズム６５から出射光６２及び６２がそれぞれ出射する。ビームスプリッタ６３への入射ビーム６０を事前に偏光回転素子４を通すと、偏光回転素子４の回転角度に依存して偏光方向が変わるので、透過光と反射光の比率が変化する。したがって該偏光回転素子の回転角度に依存してビームスプリッタ６３からの出射光６１及び６２の分割割合を可変にすることが可能である。
　ビーム分割の際に等分割するのではなく、分割されたビームに強度の差違を設けることにより、加工材料に応じて分割の容易さから強度の配分を決定することが可能である。例えば、オモテ面７３及びウラ面７４にそれぞれ最も近い位置の集光点４５または４６を形成するビーム３０または２３を他のビームよりも強度を強く、例えば３倍の強度に設定することができる。基板内部の照射部におけるビームエネルギーはオモテ面又はウラ面に照射するエネルギーより低いエネルギーレベルに設定しても基板分割には有効に作用する。したがって、このようにビームの強度に差違を設けると、合計で少ないレーザ光強度とすることができるので、ビーム分割手段７１を通す前である、レーザ発振器１によるレーザビーム２の強度を小さくすることができる。
　上記実施例では集光レンズを基板からの高さの変化量で基板内の加工位置を調整したが、集光レンズ３６～４３を同じ高さに配置して複数平行ビーム２３～３０の光路にビーム広がり角度の変化を互いに持たせ、集光レンズと合成特性で基板内の集光位置を調整することでもよい。また、上記実施例では、ＸＹテーブル４９を移動させて基板７２を移動することにより集光点と基板との相対移動を行ったが、レンズ群３５及びビーム２３～３０を移動させることによっても相対移動は可能である。
　以上本発明の実施例を説明した。特許請求の範囲に記載された発明の技術的思想から逸脱することなく、これらに変更を施すことができることは明らかである。
　本発明は、液晶やプラズマなどの表示デバイスに用いられる透明ガラス基板分割切断の精密加工に適用できる。
本発明の加工装置及び方法の１実施例を説明するための図。 図１の装置または方法により、基板が加工される状況を示すための図。 レーザ光を分割する手段の１実施例を示す。

Claims (6)

  1. 　基板の表面または内部に集光点を合わせてレーザ光を照射することにより、当該基板の内部に自己収束効果による空洞を形成するレーザ加工装置であって、
    　基板に対して透明な波長を有し、基板１００ｐｓ以下のパルス幅を有するレーザ光を発生させて出射するパルスレーザ光源と、そのレーザ光源から出射したレーザ光を分割する手段と、
    　分割されたレーザ光のそれぞれを、入射する側の基板表面（オモテ面）から異なる距離にある、基板の切断予定線に沿って離間して整列される複数集光点に集光させる集光レンズと、
    　前記基板の切断予定線に沿って、前記レーザ光をパルス状に照射しながら、前記基板に対して前記複数集光点を相対的に移動させる相対移動手段と、を備え
    　レーザ光照射によって、前記集光点付近に水平方向に間隔をあけて基板の内部に自己収束効果による複数の空洞を同時に形成することと、前記相対移動手段により前記集光点を相対的に移動するにあたり、基板のオモテ面とは反対側の面（ウラ面）に近い位置に形成された集光点が、オモテ面により近い位置に集光点を形成した集光点よりも先に走査されることを特徴とするレーザ加工装置。
  2. 　請求項１のレーザ加工装置であって、前記レーザ光を分割する手段が、偏光回転素子を入射側に有し、該偏光回転素子からの出射光が２枚の貼り合わされた偏光プリズムの一方に入射し、貼り合わせ面にて反射光と他方の偏光プリズムへの透過光に分割される構造を有し、偏光回転素子の回転角変化に依存して、該反射光と該透過光との分割比率が決定するレーザ光分割装置であることを特徴とする、レーザ加工装置。
  3. 　偏光回転素子を入射側に有し、該偏光回転素子からの出射光が２枚の貼り合わされた偏光プリズムの一方に入射し、貼り合わせ面にて反射光と他方の偏光プリズムへの透過光に分割される構造を有し、偏光回転素子の回転角変化に依存して、該反射光と該透過光との分割比率が決定することを特徴とする、
    レーザ光分割装置。
  4. 　基板の表面または内部に集光点を合わせてレーザ光を照射することにより、当該基板の内部に自己収束効果による空洞を形成するレーザ加工方法であって、
    　基板に対して透明な波長を有し、基板１００ｐｓ以下のパルス幅を有するレーザ光を発生させて出射するステップと、そのレーザ光源から出射したレーザ光を分割するステップと、
    　分割されたレーザ光のそれぞれを、入射する側の基板表面（オモテ面）から異なる距離にある、基板の切断予定線に沿って離間して整列される複数集光点に集光させるステップと、
    　前記基板の切断予定線に沿って、前記レーザ光をパルス状に照射しながら、前記基板に対して前記複数集光点を相対的に移動させるステップ、とを備え
    　レーザ光照射によって、前記集光点付近に水平方向に間隔をあけて基板の内部に自己収束効果による複数の空洞を同時に形成することと、前記相対的に移動させるステップの際、基板のオモテ面とは反対側の面（ウラ面）に近い位置に形成された集光点が、オモテ面により近い位置に集光点を形成した集光点よりも先に走査されることを特徴とするレーザ加工方法。
  5. 　空洞を基板のオモテ面またはウラ面の何れか一方または両方に達する空洞を形成する、請求項４に記載のレーザ加工方法。
  6. 　前記のレーザ光を分割するステップにおいて、基板のオモテ面またはウラ面に最も近い空洞を形成する分割光の強度が他の分割光の強度よりも大きくなるように分割することを特徴とする、請求項４または５に記載のレーザ加工方法。
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