JP2009190069A - レーザによる透明基板の加工方法および装置 - Google Patents

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。
【選択図】図１

Description

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。

符号の説明

１：超短パルスレーザ発振器
２：レーザビーム
３，９，１２，１３、１５，１７，２０，１９：ミラー
４：偏光回転素子
６,１１,１６，１８，１４，２１，２２：ビームスプリッタ
２３〜３０：分割されたビーム
３５：集光レンズ群
３６〜４３：集光レンズ
４５：ビーム３０による集光点
４６：ビーム２３による集光点
４７：Ｘ方向矢印
４８：Ｙ方向
４９：ＸＹテーブル
５０：Ｘ方向送りテーブル
５１：Ｙ方向送りテーブル
５２：基板搭載台
５３〜５９：内部の深さ
６０：ビームスプリッタへの入射光
６１、６２：ビームスプリッタからの出射光
６３：ビームスプリッタ
６４、６５：方解石の偏光プリズム
７１：ビーム分割手段
７２：基板
７３：基板オモテ面
７４：基板ウラ面
８３〜９０：空洞

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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