JP6590749B2 - レーザ加工装置およびレーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工装置およびレーザ加工方法に係り、特に加熱処理工程を含むガラスの微細加工に関するものである。

レーザによるガラスへの貫通穴加工技術の中で、加工時に発生するガラスの割れの発生を抑制する方法として、例えば特許文献１に下記の技術が開示されている。特許文献１の方法は、ガラス基板の第１の表面および第２の表面の各々に樹脂フィルムを設置し被加工体を形成する工程と、被加工体の第１の照射領域に第１のレーザ光を照射して前記ガラス基板に第１の表面から第２の表面まで貫通する貫通穴を形成する工程からなる。後者の工程では、被加工体の第１の照射領域に第１のレーザ光を照射する前に、局部加熱手段を用いて被加工体の第１の照射領域を含む第２の照射領域を１００℃以上２００℃以下の温度に加熱する。そしてこれらの工程によってレーザを用いてガラス基板に貫通穴を形成する。

また、特許文献２の方法は、脆弱材料への貫通穴形成熱源と加工部周辺を加熱する熱源をもち、第１の熱源部からのレーザビームにより被加工物の穴あけ部に貫通穴を形成し、第２の熱源部からのレーザビームでは第１レーザビームによる穴あけ部と穴あけ部の周辺を加熱する。上記方法によれば、穴あけ時の急激な温度勾配上昇を抑制することで熱応力を緩和してクラック発生を抑制することで、脆性材料に対して貫通穴を形成することができる。

特開２０１４−２１４０３６号公報 特開２００４−２９１０２６号公報

レーザによるガラス穴あけ加工技術において求められる品質に、ガラスおよび加工穴周囲に割れの発生がないことがあげられる。特に、ガラスインターポーザのような微細貫通穴を形成する場合は後工程のめっきのし易さを考慮し、貫通穴の形状はテーパが少ないことが、求められる。テーパを少なくするためにはレーザの照射回数を増やすことが必要になる。テーパとは、加工穴の側面の傾斜のことをさし、テーパが少ない加工穴とは、加工穴の表面と裏面の穴径の差が少なく側面の傾斜が少ない加工穴をさす。またテーパのない穴とは、表面側と裏面側の穴径が同じストレートな穴をさす。

前述した特許文献１および２の方法では、レーザによるガラス加工時の割れの発生を抑制するために、ガラスを予熱する、レーザ加工中に加熱する、またはレーザ加工後に余熱するという方法により、ガラスへの急激な温度勾配を抑制して熱応力を緩和し、クラック発生を抑制する。しかし、これらの方法はガラスへの熱応力を緩和できるが熱応力を除去したわけでない。テーパを少なくするためにレーザの照射回数を増加するほど、ガラスへの熱応力は蓄積され増大する。そのため、ガラス割れが発生し易くなる。特に、厚さが３００μｍ以下のように薄いガラスの場合は、レーザ照射部と照射部以外のガラスの境界部分が引っ張り応力の影響を顕著に受けるため、強度的にも割れが発生し易い。また両面から加工する場合、片面に形成した加工穴の熱応力の影響を受けて、割れが発生するという課題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、ガラス基板に対し、クラック、あるいは割れが少なく、テーパの少ない貫通穴を形成することの可能なレーザ加工装置およびレーザ加工方法を得ることを目的とする。

本発明のレーザ加工装置は、ガラス基板に対し、厚み方向の途中位置まで、レーザを照射し、加工穴を形成する第１加工部と、第１加工部で加工されたガラス基板全体を加熱する第２加工部とを備える。そして、第２加工部で加工されたガラス基板に、第１加工部で加工された加工穴の位置にさらにレーザを照射し、貫通穴を形成することを特徴とする。

本発明によれば、ガラス基板に対し、クラック、あるいは割れが少なく、テーパの少ない貫通穴を形成することが可能となる。

（ａ）から（ｄ）は、実施の形態１のレーザ加工方法を示す工程断面図 実施の形態１のレーザ加工方法を示すフローチャート 実施の形態１のレーザ加工装置を示す図 実施の形態１によるレーザ照射条件において、加工穴形成時のレーザ照射位置と加熱後の貫通穴形成時のレーザ照射位置の距離が、レーザ照射径の半径を超えた距離だけ離れた場合の加工穴を示す図 実施の形態１によるレーザ照射条件において、加工穴形成時のレーザ照射位置と加熱後の貫通穴形成時のレーザ照射位置の距離が、レーザ照射径の半径以内の場合の加工穴を示す図 （ａ）から（ｄ）は、実施の形態２のレーザ加工方法を示す工程断面図 実施の形態２のレーザ加工方法を示すフローチャート （ａ）から（ｆ）は、実施の形態３のレーザ加工方法を示す工程断面図 実施の形態３のレーザ加工方法を示すフローチャート （ａ）から（ｇ）は、実施の形態４のレーザ加工方法を示す工程断面図 実施の形態４のレーザ加工方法を示すフローチャート （ａ）から（ｄ）は、実施の形態５の片側からレーザ照射して貫通穴を形成する加工工程を示す図 実施の形態１によるレーザ照射条件において、加熱後のレーザ照射径が加熱前のレーザ照射径よりも大きい場合の加工穴を示す図

実施の形態１．
以下に、本発明にかかるレーザ加工装置およびレーザ加工方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す図面においては、理解の容易のため各層あるいは各部材の縮尺が現実と異なる場合があり、各図面間においても同様である。

図１は、実施の形態１のレーザ加工方法を示す工程断面図であり、図２は、実施の形態１のレーザ加工方法を示すフローチャートである。図３は、実施の形態１のレーザ加工装置を示す図である。実施の形態１のレーザ加工方法は、レーザによるガラスの貫通穴形成において、貫通穴を形成する途中工程にガラス基板１全体を加熱する工程を含む。第１の工程Ｓ１０１で、貫通しない加工穴２を形成し、第２の工程Ｓ１０２でガラス基板１全体を加熱しガラス基板１への熱応力を除去した状態にし、その上で、第３の工程Ｓ１０３で貫通しない加工穴２から貫通穴８を形成する。実施の形態１で用いられるガラス加工装置は、ガラス基板１を貫通させずに厚み方向の途中まで加工穴２を形成する第１加工部１００と、第１加工部１００で加工されたガラス基板１のガラス基板１全体を加熱する第２加工部２００とを備え、第２加工部２００で加工されたガラス基板１に、第１加工部１００で加工された加工穴の位置にさらにレーザを照射する。実施の形態１のレーザ加工方法によれば、レーザによるガラスの貫通穴形成において、加工穴よりもテーパの小さい貫通穴８を形成する途中工程にガラス基板１全体を加熱する工程を含んでおり、第２工程でガラス基板１への熱応力を除去した状態にすることが可能である。最終的にガラス基板１に残存する熱応力は最終工程でのレーザ照射回数を含む加工条件に依存する。

図１のようにガラス加熱工程なしで同じ回数だけレーザを照射した場合はガラス基板１に割れが発生するが、ガラス基板１全体を加熱する第２工程を行うことでガラス基板１に割れが発生することなく、レーザを照射する回数を増加することができる。また、一度加工穴を形成した面に対して、さらに反対面からレーザを照射して貫通穴を形成する場合、第１工程で形成した加工穴周囲に残存する熱応力の影響を受けない。よって、割れがなくテーパが少ない、ガラス基板１の熱応力の影響を考慮することなくガラス基板１に貫通穴８を形成する効果がある。

実施の形態１のレーザ加工方法では、まず、図２に示すように、ステップＳ１０１である第１の工程では、図１（ａ）に示すように、表面１Ａ側からレーザビーム４ｂを照射すること１９で、ガラス基板１を貫通させずに割れあるいはクラックのない加工穴２を形成する。このとき加工穴２の周辺領域には熱応力領域３が形成される。

ステップＳ１０２である第２工程では、図１（ｂ）に示すように、ガラス基板１の加工穴周囲を局所的に加熱するのではなく全体加熱部７でガラス基板１全体を加熱する。加熱工程により、図１（ｃ）に示すようにレーザ加工時に発生したガラス基板１への熱応力を除去する。従って熱応力領域３は消失する。

最後に、ステップＳ１０３である第３工程では、第１の工程で形成した加工穴２の位置にさらにレーザビーム４ｃを表面１Ａ側から照射する。これら３工程を行い、図１（ｄ）に示すように割れあるいはクラックがなくテーパの少ない貫通穴８が形成可能である。このとき、貫通穴８の周辺には熱応力領域６が形成されているが、図１（ｂ）に示した第２工程において全体加熱部７で全体加熱をし、ステップＳ１０２までの熱応力は除去されているため、クラックの発生は抑制される。

次に、実施の形態１のレーザ加工方法で用いられるレーザ加工装置のレーザ加工部２０について説明する。図３は、本発明のガラス加工用レーザ加工装置におけるガラスのレーザ加工装置部分を示す図である。レーザ加工部２０は、協調制御でレーザ発振器２１から発振されたレーザビーム２２を、Ｘ方向およびＹ方向に走査するガルバノスキャナを有するビーム調整光学系２３とを有している。ビーム調整光学系２３から出力されるレーザビーム２２は、ビーム調整光学系２３を経てマスク２４を介して、Ｘ方向導光ミラー２５Ｘ，Ｙ方向導光ミラー２５Ｙからなる導光ミラー２５、集光レンズ２６を介してガラス基板１に照射される。ビーム調整光学系２３のガルバノスキャナは、加工制御装置２７によってＸ方向導光ミラー２５ＸおよびＹ方向導光ミラー２５Ｙを回動させることで、レーザ光を、ガラス基板１上の加工エリア内でＸ方向およびＹ方向に走査する。ここでレーザ発振器２１はＣＯ₂レーザを用いている。ガラス基板１をＸＹＺ方向に搬送可能な、搬送部であるステージ台２８と、図示しないステージ台駆動部とを有する。

レーザ発振器２１から、レーザビーム２２が生成される。生成されたビーム２２をビーム調整光学系２３でビーム径の大きさの調整あるいはビーム形状の成形をおこなう。レーザ発振器２１は、パルスＣＯ₂レーザ発振器である。

ビーム調整光学系２３は、凹レンズあるいは凸レンズ、凹面鏡あるいは凸面鏡の組み合わせで形成される。楕円ビームなどのビーム成形をおこなう光学系は、シリンドリカルレンズ、プリズム、回折光学素子を使用することができる。

マスク２４により、レーザビームのプロファイルを成形する。マスク２４は銅などの材料で構成された構造体である。マスク２４の中心には、マスク２４に照射するレーザ径よりも小さな円または楕円などの形状の穴があいている。レーザビーム２２がマスク２４を通過することで上記形状に成形される。

マスク２４を設置せずに、集光レンズ２６で集光してビーム照射によりガラス基板１を加工してもよい。

マスク２４によって成形されたレーザビームを導光ミラー２５で導光する。集光レンズ２６によりガラス基板１のレーザビーム入射面に集光して、ステージ台２８を走査することでガラス基板１に対して微細な加工穴を形成する。

ガラス基板１への照射レーザビームに対する相対的な走査においては、ステージ台２８を固定し、ガルバノミラー、ポリゴンミラーをはじめとする光学系によりレーザビームを走査しても同様の効果を得ることができ、集光レンズ２６にＦθレンズを用いて照射するのがよい。

ステージ台２８は、ボールねじ仕様のステージ、リニアステージなどがあげられる。平面度が高く水平なものがよい。また、レーザに対してガラス基板１の平面度が均一であれば、ガラス基板１の両側を固定する機構を有する者でもよい。例えば、Ｒｏｌｌ ｔｏ Ｒｏｌｌがあげられる。

ステージ台２８にガラス基板１を固定する場合、ガラス基板１の加工部以外の部分に対して固定冶具で数箇所を押し付ける方法、ステージ台２８に加工部以外の周囲を真空吸着することで固定する方法などを用いて、水平に固定する。

レーザ加工にはアシストガスを用いてもよい。アシストガスとは、加工時の溶融物の除去、サンプルの冷却の他に、集光レンズ２６への溶融物付着防止のために用いる補助ガスのことである。アシストガスの種類には、空気、窒素、アルゴンガスなどがある。アシストガスの流し方は、集光レンズ２６とガラス基板１の間に流す方法あるいは、ノズルを用いてレーザ光と同軸上に流す方法がある。

実施の形態１では、ガラスの微細穴加工用レーザには、ガラスの吸収域である波長をもつレーザがよい。例えば、ＹＡＧレーザ、エキシマレーザ、ＣＯレーザあるいはＣＯ₂レーザなどが適用可能であるが、特にパルスＣＯ₂レーザがよい。ＣＯ₂レーザは固体レーザと比較して、ランニングコストが安く、信頼性の観点において利点がある。

また、パルスレーザは、連続発振(ＣＷ：Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ)のレーザに比べて、時間的に集中してエネルギーを照射することができる。従って、局所的により深い加工をおこなうことが可能である。特に、微細穴を形成するのに適している。

レーザ発振器２１には、ゲインスイッチによってパルスを発生する三軸直交型ＣＯ₂レーザ発振器を用いるのがよい。

三軸直交型レーザ発振器ではガス流路の断面積が大きいため、低ガス圧および低ガス流速でも高出力が得られる。

また、ゲインスイッチによるパルスを発生させる方式は、励起放電を断続的に動作させるものである。使用に際しては、単パルス発振後に放電電極間に残った消耗ガスを新しいレーザガスで置換するように充填し、次の励起放電で次のパルスを発生させることで、ピーク出力の高いパルス発振をおこなう。

ガラスへの微細穴加工用のレーザには、ランニングコストが安く、ゲインスイッチによってパルスを発生させる高ピーク出力な三軸直交型ＣＯ₂レーザが適している。

レーザ照射条件は、レーザの照射ビーム径が直径３００μｍ以下、エネルギー密度が６００Ｊ／ｃｍ²以下であるのが望ましい。パルス幅は１００μｓ以下、さらに５０μｓ以下、さらに望ましくは２５μｓ以下が望ましい。

加工対象のガラス基板１には、脆性材料であり、ホウ珪酸ガラス、ソーダガラス、アルカリガラス、無アルカリガラス、合成石英、水晶などの種類のガラスが適用可能である。実施の形態１のガラスのレーザ微細加工において、加工対象のガラスの材質も重要であり、レーザ波長の波長域において光吸収域を有しなければ加工することができない。ガラス基板１には、特に、使用するＣＯ₂レーザの波長に対してレーザ光を吸収するガラスが適している。レーザ加工方法を用いて形成されるインターポーザを形成する基板の厚みは、約５０μｍから５００μｍである。さらに薄型化が進み、インターポーザを形成する基板は約１０μｍ以上の厚さとなる場合もある。

次に、実施の形態１における第２工程のガラス基板１全体を加熱してレーザ加工時に発生したガラス基板１への熱応力を除去する方法について記す。第２工程では図３に示すように、第１工程で加工穴の形成されたガラス基板１を電気炉２０１内に配し、ガラス基板１全体を加熱する。

本工程では、ガラス材料の物性値に応じて、レーザ加工時に発生する熱応力が除去可能かつガラス基板が変形する温度未満で、ガラス基板全体を加熱する。加熱手段には、電気炉２０１の他、電気炉、ホットプレート、赤外線ヒーターが適用可能である。

本工程で要する時間は、数μ秒、数ｍ秒、数秒のような短い時間ではなく、熱応力除去のために数分、数十分、数時間を要する。そのため、第２工程の加熱は、第１工程のレーザ加工装置から取り出して、別装置での加熱となることが多い。

なお、レーザ、赤外線ランプをはじめとする熱源を用いてガラス基板１を予熱する、レーザ加工中に加熱する、またはレーザ加工後に余熱するといった方法と、実施の形態１の第２工程の加熱方法とを比較する。前者の工程では、レーザを加工するステージ上で加熱することになるため、ステージ台２８上で一定時間停止することになる。しかし、実施の形態１の工程では別装置で加熱するため、ステージ台２８上での停止時間分のロスをなくすことができる。従って、生産性を損なうことはない。場合によっては生産性が向上する。

電気炉２０１などの加熱装置へのガラス基板１の移動は、ステージ台２８から外したガラス基板１自身を移動、またはガラス基板１を固定しているステージ台２８と一緒に移動してもよい。

最後に、第１工程で形成した加工穴２の位置にさらにレーザビーム４ｃをガラス基板１の表面１Ａまたは反対の面である裏面１Ｂから照射する第３工程つまり最終工程について記す。

再び、図３のレーザ加工工程のステージ台２８に第１工程で加工したガラス基板１を固定する。または、ガラス基板１の装着されたステージ台２８を加工装置に固定する。第１工程と最終工程のレーザ加工装置は別々のレーザ加工装置でもよい。最終工程のレーザ加工装置も図３と同様の仕様を有する。

最終工程である第３工程でのレーザ照射径Ｒ₁は、第１工程のレーザ照射径の直径Ｒ₀以下とする。また、エネルギー密度が６００Ｊ／ｃｍ²以下であるのが望ましい。

実施の形態１の加工方法において第１工程にてレーザをａ回照射して最終工程にてレーザをｂ回照射した場合と、レーザ照射総回数が同じになるように第２工程の加熱無しでｃ(ｃ＝ａ＋ｂ)回レーザを照射した場合と比較した。実施の形態１の加工方法では、ガラス基板１の割れおよびクラックは発生しなかった。一方、第２工程の加熱無しの場合はクラックが発生した。

ガラス基板１に割れあるいはクラックを発生させないために、第１工程の加工穴形成時のレーザ照射位置と最終工程である第３工程の貫通穴形成時のレーザ照射位置の距離が、０である、つまり照射位置が同じであることが望ましい。少なくとも第１工程の加工穴形成時のレーザ照射位置と最終工程である第３工程の貫通穴形成時のレーザ照射位置の距離がレーザ照射径の半径の平均値（Ｒ₀+Ｒ₁）／２以内である必要がある。加えて、第３工程後に形成された貫通穴において、レーザ照射した面と対抗する面の貫通穴が２つにならないようにする。また図４は、実施の形態１によるレーザ照射条件において、第１工程における加工穴形成時のレーザ照射位置Ｏ₀と加熱後の第３工程における貫通穴形成時のレーザ照射位置Ｏ₁の距離ｘが、第１工程または第３工程のレーザ照射径の半径Ｒ₀，Ｒ₁の平均値を超えた距離だけ離れた場合の加工穴を示す図である。

図５は、実施の形態１によるレーザ照射条件において、加工穴形成時のレーザ照射位置Ｏ₀と加熱後の貫通穴形成時のレーザ照射位置Ｏ₁の距離が、レーザ照射径の半径の平均値以内である場合の加工穴を示す図である。

第１工程の加工穴形成時のレーザ照射位置に対して、図４に示したように最終工程における貫通穴形成時のレーザ照射位置の距離がビーム照射径を超えた値になった場合、ガラス基板１に割れまたはクラック５が発生する。ここでは割れとクラック５とを区別していない。割れまたはクラック５とする。これは、第２工程の加熱により熱応力は除去されているため、第１工程の加工穴の熱応力の影響は無視できる。しかし、第１工程で形成した加工穴と最終工程で形成した加工穴に対して接線を引き、各接線が公差する角度をθとする。θが鋭角の場合、応力集中によりガラス基板１に割れまたはクラック５が発生するためである。

第１工程と最終工程のレーザ照射直径が異なる場合、第１工程と最終工程のレーザ照射位置のずれ量である距離ｘは、両ビームの照射半径の平均値（Ｒ₀+Ｒ₁）／２以下である場合、割れまたはクラック５は発生しない。

また、両ビームの照射半径が等しい時は、第１工程の加工穴形成時のレーザ照射位置と最終工程の貫通穴形成時のレーザ照射位置の距離ｘが、レーザ照射径の半径Ｒ₀以内であれば、楕円形状の貫通穴が形成可能である。

以下に、本発明の第３工程のレーザ照射位置ずれにおけるクラックの発生の有無に関する例について記す。第１工程のレーザ照射位置を基準とし、(ｘ，ｙ)＝(０，０)とする。ここでのＸ軸方向はガラス面に対して縦方向、Ｙ軸方向は横方向とする。表１は、ｙ＝０としＸ方向のレーザ照射距離を変えた場合の、ガラスの割れまたはクラック発生の有無の結果について示した表である。○は割れあるいはクラック有り、×は割れあるいはクラック無しを示す。

パルスＣＯ₂レーザにより、厚さ２００μｍの無アルカリガラスで形成したガラス基板１に対して、貫通穴を加工した例を示す。レーザの照射条件は、エネルギー密度が５００Ｊ／ｃｍ²である。第１工程および最終工程である第３工程のレーザ照射径は等しく直径２Ｒ₁＝５０μｍであるものとする。表１より、加工穴形成時のレーザ照射位置と加熱後の貫通穴形成時のレーザ照射位置の距離ｘが、レーザ照射径の半径２５μｍを超えたｘ＝３０μｍ以上で割れまたはクラックが発生した。また、ｘ＝２５μｍ以下の条件ではガラス基板１は貫通し、貫通穴を形成することができた。

また、最終工程のレーザ照射方向は、第１工程と同じガラス面からだけでなく、反対側の面である裏面からも照射してもよい。

ただし、反対側からレーザを照射した場合、貫通時に第１工程で形成した加工穴を貫通することになるため、第１工程の加工穴に熱応力が残存する場合、レーザ照射位置に関係なく、ガラス基板１の割れあるいはクラックが発生する。そのため、最終工程で裏面からレーザを照射する場合は、第２工程の加熱工程を必ず実施し、応力緩和領域を形成するのが望ましい。

以上説明したように実施の形態１によれば、レーザによるガラス基板１への貫通穴形成において、貫通穴を形成する途中工程にガラス基板１全体の加熱工程を含むため、第３工程でガラス基板１への熱応力を除去した状態にすることが可能である。最終的にガラス基板１に残存する熱応力は最終工程でのレーザ照射回数を含む加工条件に依存する。第３工程を行うことでガラス基板１に割れを生じることなく、レーザを照射する回数を増加することができる。また、一度加工穴を形成した面に対して、さらに反対面からレーザを照射して貫通穴を形成する場合においても、第１工程で形成した加工穴周囲に残存する熱応力の影響を受けない。よって、割れがなくテーパが少ない、第１工程でのガラス基板１への熱応力を無視した貫通穴を形成することができるという効果がある。

以上説明してきたように、実施の形態１で用いられたレーザ加工装置は、第１にガラス基板１を貫通させずに厚み方向の途中まで割れあるいはクラックのない加工穴２を形成し、第２に、ガラス基板１を加熱してレーザ加工時に発生したガラス基板１への熱応力を除去し、最後に、第１工程で形成した加工穴の位置に、加工穴２が形成されている面または対向面からレーザを照射することで、レーザ照射回数を増やすことができ、割れあるいはクラックがなくテーパの少ない貫通穴８が形成可能である。

テーパの少ない貫通穴８を形成するには、レーザの照射回数を増加させる必要がある。しかしながら、照射回数が多いほどガラス基板１への熱応力が増大して割れあるいはクラックが発生し易い。そのため、ガラス基板１の厚さに対して浅い加工穴、すなわち貫通しない深さの加工穴２を形成したのち、ガラス基板１全体を加熱する。ガラス基板１全体を加熱することで、レーザ加工時に発生するガラス基板１への熱応力を除去することができる。ガラス基板１を局所的に加熱、またはガラス加工時に同時に加熱した場合は、ガラス基板１への温度勾配を緩和できるため、熱応力を低減することが可能であるが、熱応力を除去することができない。この状態でさらにレーザを照射した場合、割れが発生する。

特に、ガラス基板１の両面からレーザを照射して貫通穴を形成する加工方法において、ガラス基板１の片面に熱応力が残存する状態で、その反対の面からレーザを照射すると、ガラス基板１に割れが発生する。

しかし、ガラス基板１全体を加熱した後の加工穴２にレーザを照射して貫通穴８を形成した場合、加熱工程を含まない場合と比較して、最終的にガラス基板１へ発生した熱応力を低減することができ、割れあるいはクラックがなくテーパの少ない貫通穴形成が可能となる。

また、局所的に加熱する場合は、加熱工程が終わるまでは次の工程に進むことができずにレーザ加工装置の中に滞在する時間が多くなる。しかし、ガラス基板１全体を加熱する別装置での工程を設けることで、ガラス基板１がレーザ加工装置の滞在時間を短縮することができるため、最終的に生産性が向上する。

さらに第１加工部１００は、加工穴形成時のレーザ照射位置と、貫通穴形成時のレーザ照射位置との距離が、レーザ照射径の半径の平均値以内であるように制御される。

第１工程の加工穴形成時のレーザ照射位置と第３工程の貫通穴形成時のレーザ照射位置の距離が大きく離れた場合、ガラス基板１に割れが発生する。第１工程と第３工程のレーザ照射位置のずれをレーザ照射径の半径の平均値以内にすることで、ガラス基板１の割れの発生を防ぐことができる。

また、第１加工部１００は、波長９．０μｍから１１．０μｍのパルスＣＯ2レーザからなるレーザ照射部を備える。なお第３工程の貫通穴形成時に別途第３加工部を用いてもよいし、同一のレーザ装置を共用してもよい。

また、第３加工部のレーザ照射径は第１加工部のレーザ照射径以下の大きさが望ましい。第３工程のレーザ照射径が、第１工程のレーザ照射径より大きい場合の加工穴を図１３に示す。第１工程で加工穴２を形成した後、加熱し、第３工程で加工穴３１を形成するものとする。図１３より、第３工程、つまり加熱後に照射するレーザ照射径Ｒ₁が、第一工程、つまり加熱前に照射したレーザ照射径Ｒ₀より大きい場合、第３工程で形成される加工穴３１は第１工程で形成される加工穴２の穴径よりも大きくなる。図１３に示すように最終的な加工穴３２の側面に段差が形成されるため、テーパの小さい貫通穴を形成するためには、第３加工部のレーザ照射径は第１加工部のレーザ照射径以下の大きさが望ましい。

パルスＣＯ₂レーザは、ＹＡＧレーザのような固体レーザなど、他のレーザに比べてランニングコストが安価である。ガラスは波長９．０μｍから１１．０μｍに吸収帯をもつことから、パルスＣＯ₂レーザを用いることで高ピーク短パルスのレーザ発振により、ガラスに対して一度に高エネルギー密度の加工が可能となる。

実施の形態２．
図６（ａ）から（ｄ）は、実施の形態２のレーザ加工方法を示す工程断面図である。図７は実施の形態２のレーザ加工方法を示すフローチャートである。実施の形態１のレーザ加工方法では、第３工程のレーザ加工が、第１工程のレーザ加工におけるレーザ照射面と同一面側で実施されたのに対し、実施の形態２のレーザ加工方法では、第３工程におけるレーザ加工が、第１工程のレーザ加工におけるレーザ照射面と対向する面に向けてレーザ照射が実施される。

実施の形態１では、第１工程、第３工程共に同一面側からレーザ照射して貫通穴を形成する加工工程であったのに対して、実施の形態２では、第３工程でのレーザ照射面が、第１工程での裏面１Ｂである点で異なる。図６（ｄ）に示すように、実施の形態１による片側からレーザ照射して貫通穴８を形成する加工工程に対して、実施の形態２の方法では、第３工程でのレーザ照射面が、対向面すなわち裏面１Ｂである点で異なる。つまり、加工穴２の位置にさらに裏面１Ｂからレーザビーム４ｄの照射を行うステップＳ１０３Ｓが異なる。他の工程は実施の形態１と同様であるため、ここでは説明を省略する。

また、第３工程でガラス基板１に貫通穴加工をする場合は、ステージ台２８側にある貫通穴形成領域のガラス面はステージ台２８と接しないようにするのが望ましい。これは、貫通穴加工時にガラス基板１の溶融物が穴の内側から外側へ排出されるが、上記ステージ台２８側のガラス面がステージ台２８と接する場合は排出し難い状態となり、熱が排出できずに熱影響層あるいはクラックが発生する場合もある。

そのため、ステージ台２８の貫通穴形成領域に相当する領域を含む貫通溝２９Ｓを設けるなどの方法で貫通穴形成領域でガラス基板１の裏面がステージ台２８に接触しない状態にして加工をおこなう必要がある。

実施の形態３．
図８（ａ）から（ｆ）は、実施の形態３のレーザ加工方法を示す工程断面図である。図９は実施の形態３のレーザ加工方法を示すフローチャートである。実施の形態３のレーザ加工方法は、実施の形態１のレーザ加工方法における、第３工程のレーザ加工の後すなわち、貫通穴形成後にさらにガラス基板１全体を加熱するステップＳ１０４を実施する。

図８（ａ）から（ｆ）では、実施の形態１による片側からレーザ照射して貫通穴８を形成する加工工程に対して、貫通穴形成後した後、さらにガラス基板１全体を加熱するステップＳ１０４を追加した点で異なる。他の工程は実施の形態１と同様であるため、ここでは説明を省略する。図８（ｅ）のように最終工程のレーザ加工後に第４工程を実施し、ガラス基板１全体を加熱してガラス基板１の熱応力領域６を除去し、図８（ｆ）に示すガラス基板１を形成する。また、ガラス基板１の両面から加工する場合においても、第３工程の後に加工されたガラス基板１全体を加熱する第４工程であるステップＳ１０４をさらに実施してもよい。

本実施の形態においても、第３工程でガラス基板１に貫通穴加工をする場合は、ステージ側にあるガラス面はステージ台２８と接しないようにするのが望ましい。これは、貫通穴加工時にガラスの溶融物が穴の内側から外側へ排出されるが、上記ステージ台２８側のガラス面がステージ台２８と接する場合は排出し難い状態となり、熱が排出できずに熱影響層あるいはクラックが発生する場合もある。

そのため、図８（ｄ）に示すようにステージ台２８に溝２９を設けるなどの方法で裏面が接触しない状態にして加工をおこなう必要がある。溝２９を設けることで、効率よくガラスの溶融物が穴の内側から外側へ排出される。

上記方法によれば、より確実に熱応力を除去することができ、使用時における割れあるいはクラックの発生を回避することができ、信頼性の向上をはかることが可能となる。

なお、実施の形態３においても第３工程は、第１工程と同一の装置または同構成の装置で実施する。また、第４工程は第２加工部と同一の装置または同構成の別装置で実施する。

実施の形態４．
図１０（ａ）から（ｇ）は、実施の形態４のレーザ加工方法を示す工程断面図である。図１１は実施の形態４のレーザ加工方法を示すフローチャートである。実施の形態４のレーザ加工方法は、加工時に発生するガラスの溶融物あるいは飛散物がガラス基板１に付着する場合がある。これらを防ぐために実施の形態４の方法では、ガラス基板１表面に保護材１１ａ，１１ｂを貼着する。

図１０（ａ）に示すように、実施の形態４によるレーザ加工工程において、ガラス基板１の表面および裏面に保護材１１ａを貼着し、保護材１１ａによってガラス基板１表面および裏面を保護するものであり、保護材の着脱工程を含むレーザ加工工程を示す図である。

本発明におけるレーザ加工工程において、ガラス基板１の表面および裏面に保護材１１ａ，１１ｂを貼着した、保護材付ガラスを用いた場合について述べる。まず、図１１に示すステップＳ１００ａで、１０（ａ）に示すように第１工程のレーザ加工前に保護材１１ａをガラス基板１の表面および裏面に貼着する。ステップＳ１０１で、レーザ照射による加工穴の形成を行う。１０（ｂ）に示すようにレーザ加工後にガラス基板１から保護材１１ａを剥離するステップＳ１００ｂを実施し、ガラスの溶融物１２あるいは飛散物１２ｈを保護材１１ａごと除去する。第１工程で使用する保護材１１ａは、ガラス基板１の両面に形成する。保護材１１ａをガラス基板１の両面に形成することで、より、確実な保護が可能であるが、ガラス基板１の片面つまりレーザ照射側の面だけに形成してもよい。また、第３工程で貫通穴８を形成する場合はガラス基板１の両面に保護材１１ｂを形成するのが望ましい。

次に１０（ｃ）に示すように、ステップＳ１０２である第２工程を実施し、ガラス基板１全体を加熱し、ガラス基板１の熱応力領域３を除去する。以上の工程で図１０（ｄ）に示すように、熱応力領域３のない貫通穴２を有するガラス基板１を得る。

第２工程後、図１１に示すステップＳ２００ａで、１０（ｅ）に示すように再びガラス基板１の両面に保護材１１ｂを形成する。

そして図１１に示すステップＳ１０３で、１０（ｆ）に示すように加工穴２の位置にレーザ照射を行い、貫通穴８を形成するステップＳ１０３を実施する。

第３工程でレーザ加工後に保護材１１ｂを剥離し、図１１に示すステップ２００ｂで、１０（ｇ）に示すように貫通加工時に発生するガラスの溶融物１２あるいは飛散物１２ｈを保護材１１ｂごと除去する。ここでは、貫通穴８を形成するため、ガラス基板１の両面からガラス基板１の飛散物１２ｈあるいは溶融物１２が発生するため、ガラス基板１の両面に保護材１１ｂを形成する。このとき、貫通穴８の周辺には熱応力領域６が形成されているが、図１０（ｂ）に示した第２工程において全体加熱部７で全体加熱をし、ステップＳ１０２までの熱応力は除去されているため、クラックの発生は抑制される。さらに全体加熱を行い熱応力領域６を除去するようにしてもよい。

最終工程である第３工程で用いる保護材１１ｂは、第１工程で用いた保護材１１ａと同じでもよいし、異なっていてもよい。

保護材について以下に述べる。保護材の選び方は、被加工物の材料とレーサ加工条件によって選択する。保護材は十分な耐熱性が備える必要がある。ここで述べる十分な耐熱性とは、保護材をレーザ加工したときに、基材の変形がほとんどなく、保護材がレーザの熱に耐え切れずに焼き焦げないことや、保護材が焼失してガラス面が露出しないことを示す。保護材の耐熱性が十分に確保されていない場合、保護材によるガラスの溶融物あるいは飛散物の除去が困難であるだけでなく、ガラスへの熱影響層やクラックが発生するためである。

保護材は基材と接着剤からなり、基材は２層以上の積層体で構成してもよい。保護材の基材の厚さは、ガラス基板１の厚さ以下とするのがよい。レーザ加工時に保護材はガラス基板１より大きくてもよい。ただし、保護材付きガラスはステージ台の大きさ以下にする。ステージ台の周縁で折れ曲がり、破損の原因になる可能性があるためである。

基材の材質には、例えばポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリイミドなどの高分子フィルムなどがあげられる。接着剤は、ゴム系、シリコーン系、アクリル系とあるが、仮接着または剥離可能な材質を用いる。ガラスに直接接着する接着剤の接着範囲は、レーザ加工部よりも大きい必要がある。接着剤の厚さは、使用する材質の粘着力によるが２０μｍ以下が望ましい。接着剤の粘着力はガラス基板１と保護材１１ａ，１１ｂとの密着性があればよい。粘着力は、０．０５Ｎ／２０ｍｍから１.０Ｎ／２０ｍｍが望ましい。保護材を構成する基材および接着剤の厚さは、レーザ加工性を良くするために均一であるほうがよい。

保護材を、ガラス基板１とともに加工できるように、ガラスの吸収域である波長をもつレーザで加工するのがよい。例えば、ＹＡＧレーザ、エキシマレーザ、ＣＯレーザ、ＣＯ₂レーザなどがある。特にＣＯ₂レーザの波長に対してレーザ光を吸収する材質が適している。使用するＣＯ₂レーザの波長は９．０μｍから１１．０μｍであることが好ましい。

レーザ加工後のガラスからの保護材の剥離方法として、手で保護材を剥離する方法、保護材の端をロールなどの治具を用いて剥離する方法などがある。また、水溶性の接着剤を用いた場合は、水洗洗浄にて剥離する。

以上、本発明のレーザ加工工程に保護材の着脱工程を加えることで、ガラスに対してクラック、溶融物あるいは飛散物のない加工形状が均一な加工が可能である。

前述したように、第１工程における保護材と、第３工程における保護材とは、異なる仕様を有するものであってもよい。第１工程の加工穴形成前にガラス基板１に形成する保護材と、第３工程の貫通穴加工前にガラス基板１に形成する第２保護材の仕様が異なってもよい。保護材を用いる第１工程と第３工程において、ガラス基板１に割れやクラックがなく、溶融物あるいは飛散物の付着がない高品位のガラスを提供できるレーザ加工が可能な保護材であれば、保護材を構成する基材あるいは接着剤の種類あるいは厚さが異なってもよい。

実施の形態５．
本発明のレーザ加工の第１工程では、ガラス基板に対してレーザを照射する場合、ガラスの厚み方向の途中位置までではなく、貫通穴を形成してもよい。

図１２は、本発明の実施の形態５によるレーザ加工工程において、第１工程で貫通穴を形成する、片側からレーザ照射して貫通穴を形成する加工工程を示す図である。

実施の形態５のガラスに微細穴を形成するためのレーザ加工方法について、以下に記す。まず、第１の工程でのガラス基板１を割れのない貫通穴８ｔを形成する加工穴の形成方法について記す。第１の工程では、ガラス基板１の第１または第２主面である表面および裏面１Ａ，１Ｂのうちのいずれかの一面に対してレーザビーム４ｂを照射する。貫通穴はテーパが大きく、側面の傾斜が緩やかな形状になっている。

第１工程で形成される、図１２（ａ）に示すような貫通穴８ｔは、ガラス表面および内部あるいは加工穴の周囲に割れあるいはクラックが無いことが品質として必要である。

第１工程で貫通穴を形成することで、レーザ照射側と反対側の面側に、レーザ加工による解けたガラスが排出されやすくなる。

また、第１工程でガラスに保護材を使用する場合は、ガラスの両面に保護材を形成するのが望ましい。

図１２（ａ）から図１２（ｄ）に工程断面図を示すように、第１工程で、貫通穴８ｔを形成し、後は図１（ｂ）から図１（ｄ）に示したのと同様の処理を行うようにしてもよい。図１２（ｄ）で形成される貫通穴８は、第１工程で形成された貫通穴８ｔよりもテーパが小さく急峻な断面形状となっている。

以上説明したように本実施の形態５によれば、レーザによるガラスの貫通穴形成において、第１工程でテーパの大きい、傾斜の緩やかな貫通穴を形成した後、側面の傾斜が第１工程で形成された貫通穴よりも急峻なテーパをもつ貫通穴を形成するため、レーザ照射側と反対側の面側に、レーザ加工による解けたガラスが排出されやすくなる。

また、途中工程にガラス全体の加熱工程を含むため、第２工程でガラスへの熱応力を除去した状態にすることが可能である。第２工程を行うことでガラスに割れあるいはクラックを生じることなくレーザを照射する回数を増加することができる。従って、最終工程では、第１工程で形成した加工穴の周囲に残存する熱応力の影響を受けずに、割れがなくテーパが少ない、第１工程でのガラスへの熱応力を無視したガラス貫通穴を形成する効果がある。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ ガラス基板、２ 加工穴、３ 熱応力領域、４ｂ，４ｃ，４ｄ レーザビーム、５ クラック、６ 熱応力領域、７ 全体加熱部、８ 貫通穴、１０ ガラスインターポーザ、１１ａ 保護材、１１ｂ 保護材、１２ 溶融物、１２ｈ 飛散物、１３ 第１電極、１４ 第２電極、１５ 貫通電極、１６ ＣＰＵ、１７ メモリ、２０ レーザ加工部、２１ レーザ発振器、２２ レーザビーム、２３ ビーム調整光学系、２４ マスク、２５ 導光ミラー、２６ 集光レンズ、２７ 加工制御装置、２８ ステージ台、２９ 溝、Ｍ メモリ装置、３１ 加工穴、３２ 最終的な加工穴、１００ 第１加工部、２００ 第２加工部。

Claims (16)

1. ガラス基板に対し、厚み方向の途中位置まで、レーザを照射し、加工穴を形成する第１加工部と、
   前記第１加工部で加工された前記ガラス基板全体を加熱する第２加工部とを備え、
   前記第２加工部で加工された前記ガラス基板に、前記第１加工部で加工された前記加工穴の位置にさらにレーザを照射し、貫通穴を形成することを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記第１加工部を制御するレーザ制御部を備え、
   前記第１加工部の加工穴形成時のレーザ照射位置と、前記貫通穴形成時のレーザ照射位置との距離は、前記レーザ制御部によって、前記第１加工部および前記貫通穴形成時のレーザ照射径の平均半径以内に制御されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記第２加工部で加工された前記ガラス基板に、前記第１加工部で加工された前記加工穴の位置にさらにレーザを照射し、貫通穴を形成する第３加工部を備え、
   前記第３加工部のレーザ照射径は、前記第１加工部のレーザ照射径以下であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
4. 前記第１加工部は、
   レーザ照射前の前記ガラス基板の表面または裏面に保護材を貼着する保護材貼着部と、
   レーザ照射後の前記ガラス基板の表面または裏面の前記保護材を剥離する保護材剥離部とを備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
5. 前記第１加工部は、波長９．０μｍから１１．０μｍのパルスＣＯ₂レーザからなるレーザ照射部を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
6. ガラス基板に対してレーザを照射し、側面に傾斜をもつ貫通穴を形成する第１加工部と、前記第１加工部で加工された前記ガラス基板全体を加熱する第２加工部とを備え、前記第２加工部で加工された前記ガラス基板に、前記貫通穴の位置にさらにレーザを照射し、前記貫通穴よりも急峻な傾斜をもつ断面形状の貫通穴を形成することを特徴とするレーザ加工装置。
7. ガラス基板に対し、厚み方向の途中位置まで、レーザを照射し、加工穴を形成する第１工程と、
   前記第１工程で加工された前記ガラス基板全体を加熱する第２工程と、
   前記第２工程で加工された前記ガラス基板に、前記第１工程で加工された前記加工穴の位置にさらにレーザを照射し、貫通穴を形成する第３工程とを備えたことを特徴とするレーザ加工方法。
8. 前記第１工程および前記第３工程は、前記第１工程の加工穴形成時のレーザ照射位置と、前記第３工程の前記貫通穴形成時のレーザ照射位置との距離が、前記第１工程および前記第３工程のレーザ照射径の平均半径以内であることを特徴とする請求項７に記載のレーザ加工方法。
9. 前記第３工程のレーザ照射径は、前記第１工程のレーザ照射径以下であることを特徴とする請求項８に記載のレーザ加工方法。
10. 前記ガラス基板が、保護材付きガラス基板であることを特徴とする請求項７から９のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
11. 前記第１工程におけるレーザ照射に先立ち、前記ガラスの表面または裏面に保護材を貼着する保護材貼着工程と、
    レーザ照射後、前記ガラス基板の表面または裏面の前記保護材を剥離する保護材剥離工程とを備えたことを特徴とする請求項７から１０のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
12. 前記第３工程で加工されたガラス基板全体を加熱する第４工程を備えたことを特徴とする請求項７から１１のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
13. 前記第１工程および前記第３工程は、波長９．０μｍから１１．０μｍのパルスＣＯ₂レーザからなるレーザ照射部を用いることを特徴とする請求項７から１２のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
14. 前記第３工程におけるレーザ照射に先立ち、前記ガラス基板の表面または裏面に第２保護材を貼着する第２保護材貼着工程と、
    レーザ照射後、前記ガラス基板の表面または裏面の前記第２保護材を剥離する第２保護材剥離工程とを備えたことを特徴とする請求項１１に記載のレーザ加工方法。
15. 前記保護材貼着工程と、前記第２保護材貼着工程とは、異なる仕様を有することを特徴とする請求項１４に記載のレーザ加工方法。
16. ガラス基板に対してレーザを照射し、側面に傾斜をもつ貫通穴を形成する第１工程と、前記第１工程で加工された前記ガラス基板全体を加熱する第２工程と、前記第２工程で加工された前記ガラス基板に、前記第１工程で加工された前記貫通穴の位置にさらにレーザを照射し、前記第１工程で形成された前記貫通穴よりも急峻な傾斜をもつ断面形状の貫通穴を形成する第３工程とを備えたことを特徴とするレーザ加工方法。

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