JP6887641B2

JP6887641B2 - ガラススライシング方法

Info

Publication number: JP6887641B2
Application number: JP2017068754A
Authority: JP
Inventors: 順一池野; 山田　洋平; 洋平山田; 鈴木　秀樹; 秀樹鈴木
Original assignee: Shin Etsu Polymer Co Ltd; Saitama University NUC
Current assignee: Shin Etsu Polymer Co Ltd; Saitama University NUC
Priority date: 2017-03-30
Filing date: 2017-03-30
Publication date: 2021-06-16
Anticipated expiration: 2037-03-30
Also published as: JP2018168048A

Description

本発明は、ガラススライシング方法に関する。

ガラス製品が広く使用されている。光学レンズなどのガラス製品を製造する際には、ガラスモールドで製造することが知られている（例えば特許文献１参照）。ガラスモールドで製造すると、ガラス製品の意図する表面形状が複雑であっても製造できるので、このような場合にガラスモールドは多用されている。

特開2014-196225号公報

ところで、ガラスモールドで製造する際には金型を用いるので、大量生産に適した製造方法であるが、多品種少量生産には向いていない。

多品種少量生産するにはレーザ加工で生産することが適している。しかし、ガラスのような透明材料ではレーザ光が透過する。従って、光学レンズ等のガラス材をレーザ光で加工することは難しいとされている。

本発明は、上記課題に鑑み、レーザ光によりガラス材をスライシング加工することができるガラススライシング方法を提供することを課題とする。

本発明者は、ガラスのような透明材料内でレーザ光を吸収させる手法を鋭意検討した。そして、超短パルスレーザ光では、パルス幅が数ピコ秒以下であり、高いピークエネルギーを持ち、様々な非線形光学効果を有することに着目した。この超短パルスレーザ光による加工では、熱影響が少なく、微細加工が可能である。

そして、多光子吸収が非線形光学効果の一つであることに着目し、鋭意検討の結果、多光子吸収過程では透明材料内部でもレーザ光の吸収が生じることから、この超短パルスレーザ光によって透明材料内部に多光子吸収をさせて加工することが可能ではないかと考えた。

更に本発明者は、透明材料内部にレーザ光を集光させることで、このような多光子吸収を透明材料内部に生じさせ易くなることも考え付いた。そして、実験を重ねて更に検討を加え、本発明を完成するに至った。

上記課題を解決するための本発明の一態様によれば、レーザ集光手段を、加工対象のガラス材の被照射面上に非接触に配置する第１工程と、前記レーザ集光手段により前記ガラス材内部にレーザ光を集光しつつ、前記レーザ集光手段と前記ガラス材とを相対的に移動させて、前記ガラス材内部に三次元状の改質層を形成する第２工程と、を備え、前記第２工程では、レーザ光の集光位置のガラス材部分に光子吸収させて温度上昇させることで膨張させ、更に、温度低下により収縮部を形成させて前記収縮部周囲に残留応力を発生させていくことによって前記改質層を形成することにより、時間の経過に伴って前記改質層に沿ったクラックが伝播することで、全て滑らかな剥離面が生じるガラススライシング方法が提供される。

本発明によれば、レーザ光によりガラス材をスライシング加工することができるガラススライシング方法を提供することができる。

（ａ）は、第１実施形態に係るガラススライシング方法で用いる基板加工装置の構成を示す斜視図であり、（ｂ）は、この基板加工装置のレーザ集光手段に配置されたレンズを説明する側面図である。第１実施形態に係るガラススライシング方法を行うことを説明する模式的な斜視図である。第１実施形態に係るガラススライシング方法で、ガラス板に形成した改質層から剥離が生じることを説明する斜視図である。第２実施形態に係るガラススライシング方法で、ガラス板に形成した改質層から剥離が生じることを説明する斜視図である。実験例１で、改質層形成後に剥離が生じたガラス板を側面（図２のＵ方向）から透過型顕微鏡で撮像した撮像図である。実験例１で、改質層から剥離することで形成された剥離面の観察を説明する説明図である。実験例１で、剥離面の凹凸形状の測定結果を示すチャート図である。実験例１で、透過率の測定結果を示すグラフ図である。実験例１で、表面粗さの測定結果を示すグラフ図である。実験例１で、ガラス板に形成した改質層から剥離が生じるときの作用を説明する説明図である。実験例２で、三次元状の改質層を形成して剥離を生じさせることを説明する説明図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、すでに説明したものと同一または類似の構成要素には同一または類似の符号を付し、その詳細な説明を適宜省略している。また、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための例示であって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものではない。この発明の実施の形態は、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。

［第１実施形態］
まず、第１実施形態を説明する。図１で、（ａ）は、本実施形態に係るガラススライシング方法で用いる基板加工装置の構成を示す斜視図であり、（ｂ）は、この基板加工装置のレーザ集光手段に配置されたレンズを説明する側面図である。図２は、本実施形態に係るガラススライシング方法を行うことを説明する模式的な斜視図である。図３は、本実施形態に係るガラススライシング方法で、ガラス板に形成した平面状の改質層から剥離が生じることを説明する斜視図である。

基板加工装置１０は、上下方向位置が調整可能な載置台１２に載置された加工対象材（本実施形態では、ガラス材としてガラス板を用いる）を保持するＺステージ１４と、Ｚステージ１４をＹ方向に移動可能に支えるＹステージ１６と、Ｙステージ１６をＸ方向に移動可能に支えるＸステージ１８とを備える。

また、基板加工装置１０は、載置台１２上の基板保持具１３に保持されたガラス板２０に向けてレーザ光Ｂを集光するレーザ集光手段２２（例えば集光器）を備える。レーザ集光手段２２には、レーザ発振装置から出射したレーザ光が入射するようになっている。

レーザ集光手段２２は、補正環２４と、補正環２４内に保持された集光レンズ２６（例えば、空気中で集光する第１レンズ２８と、この第１レンズ２８とガラス板２０との間に配置される第２レンズ３０とで構成されるレンズ）とを備えていて、ガラス板２０の屈折率に起因する収差を補正する機能、すなわち収差補正環としての機能を有している。具体的には、図１（ｂ）に示すように、集光レンズ２６は、空気中で集光した際に、集光レンズ２６の外周部Ｅに到達したレーザ光Ｂが集光レンズ２６の中央部Ｍに到達したレーザ光Ｂよりも集光レンズ側で集光するように補正する。つまり、集光した際、集光レンズ２６の外周部Ｅに到達したレーザ光Ｂの集光点ＥＰが、集光レンズ２６の中央部Ｍに到達したレーザ光Ｂの集光点ＭＰに比べ、集光レンズ２６に近い位置となるように補正することが可能になっている。このような補正を行うと、レーザ光の集光によって形成される加工痕のレーザ照射方向における長さを短く、すなわち改質層３２（後述）の厚みを薄くし易い。

以下、本実施形態でガラススライシング方法を行うことを説明する。まず、Ｚステージ１４上に載置されて保持された加工対象のガラス板２０の被照射面２０ｒ上に、レーザ集光手段２２を非接触に配置する第１工程を行う。

そして、レーザ集光手段２２によりガラス板２０内部にレーザ光Ｂを集光しつつ、レーザ集光手段２２とガラス板２０とを相対的に移動させて、ガラス板２０内部に改質層３２を形成する第２工程を行う。本実施形態では、レーザ集光手段２２とガラス板２０とをＸ−Ｙ平面内（二次元平面内）で相対的に移動させることで改質層３２を平面状に形成する（図２、図３参照）。

第２工程では、レーザ光Ｂの集光位置のガラス板部分２０ｐに光子吸収させて温度上昇させることで膨張させ、更に、温度低下により収縮部２０ｃを形成させて収縮部２０ｃの周囲に残留応力を発生させていくことによって上記の改質層３２を形成する。そして、収縮部２０ｃの周囲に残留応力が発生していることにより、時間の経過に伴って、改質層３２を伝播するクラックを生じさせる。

本実施形態では、上記温度上昇でガラス転移点以上の温度にまで上昇させた後、自然に冷却（放置状態にすることで冷却）させることで固化させることによって収縮部２０ｃを形成している。なお、上記ガラス板部分２０ｐがこのように固化して収縮部２０ｃになると、収縮部２０ｃの表面（外面）は、通常、凸面状となっている。

ガラスには、ガラス転移点が存在しており、このガラス転移点以上の温度になると急激に熱膨張係数が上がって急激に膨張する。このようにして急激に膨張したガラス板部分２０ｐは、放置状態にすることで冷却、すなわち比較的急冷で冷却されると、収縮して収縮部２０ｃとなるが、溶融前に比べ、体積が大きい。このため、収縮部２０ｃの周囲のガラス部分には残留応力が存在している。

ガラス板２０にこの残留応力が生じていることで、時間の経過に伴って、改質層３２を伝播するクラック（例えば収縮部２０ｃ同士を繋ぐクラック）が生じる。この結果、改質層３２から自然に剥離し、図３に示すように、２枚のガラス板２０ｕ、２０ｖが得られる。

よって、本実施形態により、レーザ光Ｂによりガラス板２０をスライシング加工することができる。また、加工対象材の材質がガラスであるので、レーザ光Ｂの照射と同時に改質層３２から剥離するのではなく、照射後、時間の経過に伴って、改質層３２を伝播するクラックが生じることで改質層３２から剥離している。従って、レーザ光Ｂの照射と同時に剥離する場合に比べ、剥離形態が異なっており、剥離面Ｓｕ、Ｓｖが粗くなり難い。

また、本実施形態では、レーザ光Ｂを集光させる際に、被照射面２０ｒから所定の深さ位置となるように集光位置を予め調整しておく。本実施形態では、改質層３２を平面状に形成するので、所定厚みのガラス板２０ｕを得ることができる。

また、レーザ光Ｂの走査方向Ｐ（本実施形態ではＹ方向）に隣り合う集光位置の間隔（収縮部２０ｃの間隔）であるドットピッチＤＰ、および、レーザ光Ｂの走査方向に直交する方向に隣り合う集光位置の間隔であるラインピッチＬＰは、ガラス板２０の材質、レーザ光Ｂの強度、パルス幅などに応じて、改質層３２から良好な剥離がなされるように設定する。

また、レーザ光Ｂを発光するレーザ装置としては、超短パルスレーザ装置（例えばフェムト秒レーザ装置）を用いることが好ましい。これにより、光子吸光させて局部的に熱を与えるガラス板部分２０ｐを微細な寸法に設定でき、また、ガラス板部分２０ｐ以外で生じる熱を抑え易い。

また、本実施形態では、ガラス材として平板状のガラス板２０を加工対象材としている。従って、改質層３２を二次元平面状にしてガラス板２０をスライスすることで、所望の薄厚のガラス板２０ｕを容易に得ることが可能である。

また、レーザ集光手段２２は、補正環２４と、補正環２４内に保持された集光レンズ２６とを備えていて、ガラス板２０の屈折率に起因する収差を補正する機能、すなわち収差補正環としての機能を有している。これにより、レーザ光の集光によって形成される加工痕のレーザ照射方向における長さを短くし易い、すなわち改質層３２の厚みを薄くし易い。

なお、本実施形態では、改質層３２を平面状に形成する例で説明したが、湾曲凸状、湾曲凹状などの三次元形状に形成してもよい。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態を説明する。図４は、本実施形態に係るガラススライシング方法で、ガラス板に形成した三次元状の改質層から剥離して三次元状の剥離面が生じることを説明する斜視図である。

本実施形態では、第１実施形態で説明した基板加工装置１０を用い、レーザ集光手段２２によりガラス材４０内部にレーザ光Ｂを集光しつつ、レーザ集光手段２２とガラス材４０とを相対的に移動させて、ガラス材４０内部に三次元状の改質層４２を形成する第２工程を行う。本実施形態では、図４に示すように、非球面レンズのレンズ面に合わせた形状の改質層４２を加工対象のガラス材４０内部に形成する。

この第２工程を行う際、第１実施形態と同様、レーザ光の集光位置のガラス材部分に光子吸収させて温度上昇させることで膨張させ、更に、温度低下により収縮部を形成させて収縮部周囲に残留応力を発生させていくことによって改質層４２を形成する。ここで、改質層４２を形成する際、第２工程では、レンズ中心位置からの半径距離に応じてガラス材４０内での焦点深さ位置を調整する。この結果、改質層４２の収縮部の周囲に、第１実施形態で説明した残留応力が発生している。

この結果、時間の経過に伴って改質層４２に沿ったクラックが伝播することで全て滑らかな剥離面Ｓｖが自然に生じる。すなわち、図４に示すように、剥離面Ｓｖが非球面レンズのレンズ面に対応しているガラス部材４０ｖ（レンズ部材）を得ることができる。従って、大量生産に適したガラスモールドではなく、多品種少量生産に適したレーザ光を用いてガラス非球面レンズを製造することができる。非球面レンズのレンズ面は、収差をなくすために、曲率が互いに異なるいくつかの球面を組み合わせた曲面にされることが多いので、本実施形態のようにしてガラス非球面レンズを製造できることによって得られる効果は大きい。

本実施形態では、第１実施形態と同様、上記温度上昇でガラス転移点以上の温度にまで上昇させた後、自然に冷却（放置状態にすることで冷却）させることで固化させることによって収縮部を形成している。

また、上述のドットピッチおよびラインピッチは、ガラス板２０の材質、レーザ光Ｂの強度、パルス幅、意図した剥離面形状などに応じて、改質層４２から良好な剥離がなされるように設定する。

また、レーザ光Ｂを発光するレーザ装置としては、第１実施形態と同様、超短パルスレーザ装置（例えばフェムト秒レーザ装置）を用いることが好ましい。

また、第１実施形態と同様、レーザ集光手段２２は、収差補正環としての機能を有しており、レーザ光の集光によって形成される加工痕のレーザ照射方向における長さを短くし易い、すなわち改質層４２の厚みを薄くし易い。

なお、本実施形態では、改質層４２として、意図した剥離面形状（すなわち非球面レンズ形状）に沿って階段状に細長状剥離層を形成してもよい。これにより、改質層４２に沿ったクラックが伝播することで、全て滑らかな剥離面Ｓｖと同様の面を生じさせることが可能である。

＜実験例１＞
本発明者は、第１実施形態に係るスライシング方法で、加工対象のガラス板２０の被照射面２０ｒに全面にわたってレーザ光を照射し、基板内部に平面状に配列される収縮部２０ｃを形成することで改質層３２（図１、図３参照）を形成した。

本実験例で用いたレーザ装置（レーザ発振器）、ガラス板２０、集光レンズ２６を以下に示す。
レーザ発振器：フェムト秒レーザ（Light Conversion社製のPHAROS-4W）
ガラス板２０の材質：BK-7
ガラス板２０の厚み：1.54ｍｍ
集光レンズ２６：Ｎ.Ａ.0.55

また、本実験例でのレーザ光の照射条件を以下に示す。
波長（nm）：513
周波数（kＨz）：200
パルス幅（fs）：216
レーザ出力（ｍＷ）：200
基板表面からの焦点深さ（μm）：500
ドットピッチ（μm）：0.5
ラインピッチ（μm）：3

レーザ光の照射後、時間の経過とともに、ガラス板２０の表面、すなわちＢＫ−７のガラス基板の表面が剥離して２枚のガラス板が得られた。

図５に、図２のＵ方向から透過型顕微鏡で撮像した撮像図を示す。図５から判るように、改質層３２の厚みｔが約４０μｍ程度であり、この改質層３２内で改質層３２に沿って剥離が進んでいることが判った。

また、図６は、本実験例で、改質層から剥離することで形成された剥離面の観察を説明する説明図である。図６に示すように、剥離面Ｓｖでは、一定の間隔で直線状に真っ直ぐに延びる凸部と凹部とが交互に配列されていることが観察された。そして、ＳｉＣ基板内部にレーザ光を集光することで加工痕を配列して基板面側を剥離（スライシング）させた場合に形成される、クラックが連鎖した粗い面は、ガラス板２０では観察されなかった。

図７に、図６の線Ｇ−Ｇに沿って光干渉式粗さ測定機で測定して得られたチャート図を示す。図７からも判るように、剥離面Ｓｖでは一定の間隔で直線状に延びる凸部と凹部とが交互に配列されている。

ここで、本発明者は、ガラス基板（ＢＫ−７）の透過率と、シリコン基板の透過率との差について着目した。そして、シリコン基板に同様にしてレーザ光を照射して改質層を形成し、ガラス基板とシリコン基板とについて、剥離前後の光の透過率を測定した。測定結果を図８に示す。シリコン基板では剥離後、波長１２００ｍｍでは剥離前に比べ、透過率が６０％程度減少していた。

次に、ガラス基板とシリコン基板について、剥離面の表面粗さを測定した。測定結果を図９に示す。剥離前では表面粗さの差はあまりないが、剥離後では、ガラス基板の表面粗さが５.１ｍｍＲａであるのに対し、シリコン基板の表面粗さは３３０ｍｍＲａであった。

従って、本実験例により、シリコン基板に比べ、ガラス基板（ＢＫ−７）の剥離形態が大きく異なることが推測される。

ここで、ガラスにはガラス転移点が存在しており、レーザ光の照射によってガラスが加熱されると、ガラス転移点の温度から急激に熱膨張係数が上昇し、膨張する。膨張したガラスは急冷されると収縮するが、元の形状には戻らない。従って、膨張する前よりも体積が大きくなった収縮部２０ｃ（図２参照）の周囲には引張応力Ｆ（図１０参照）が残留応力として存在していると考えられる。そして、クラックの一部が基板内部から基板外部にまで到達すると、時間経過とともにこの残留応力が作用する。この結果、加工面で横方向の割断が生じたことにより剥離したと考えられる（図１０参照）。

従って、本実験例での剥離は、ＳｉＣ基板内部にレーザ光で加工痕を配列したときのように加工と同時にクラックが連鎖して剥離する形態とは異なった形態で剥離していると考えられる。

＜実験例２＞
本発明者は、第２実施形態で説明したガラススライシング方法で、加工対象である基板状のガラス材５０の被照射面５０ｒに全面にわたってレーザ光を照射し、ガラス材５０に配列される収縮部を三次元状に形成することで改質層５２を形成した（図１１参照）。本実験例では、加工対象基板として互いに平行な両側面を有するガラス材５０を用い、両側面と同方向に延びる水平な細長状改質層５２ｐを階段状に形成することで改質層５２を形成した。

この改質層５２には、一方の側面から中央部にかけて形成高さ位置が階段状に高くなり、中央部から他方の側面にかけて形成高さ位置が階段状に低くなるように細長状改質層５２ｐが配置されている。

そして、改質層５２の形成後、時間の経過に伴って、改質層５２から自然に剥離して、ガラス材５０の下部側からは中央部が高い山型のガラス部材５０ｕが得られ、ガラス材５０の上部側からは中央部が谷となる谷型のガラス部材５０ｖが得られた。そして、改質層５２がこのように階段状に形成されていても、山型のガラス部材５０ｕの斜面５０ｕｓ、および、谷型のガラス部材５０ｖの斜面５０ｖｓは、何れも全て滑らかな剥離面であった。そして、斜面５０ｕｓ、５０ｖｓは、細長状改質層５２ｐが階段状に配置された方向に沿って形成されていた。

本発明により、レーザ光でガラス材をスライシング加工することができることから、半導体分野、ディスプレイ分野などの幅広い分野において利用可能であり、透明エレクトロニクス分野、照明分野、ハイブリッド／電気自動車分野など幅広い分野において適用可能である。

２０ガラス板（ガラス材）
２０ｃ収縮部
２０ｐガラス板部分
２０ｒ被照射面
２２レーザ集光手段
２４補正環
２６集光レンズ
３２改質層
４０ガラス材
４２改質層
５０ガラス材
５２改質層
５２ｐ細長状改質層
５２ｕｓ斜面（全て滑らかな剥離面）
５２ｖｓ斜面（全て滑らかな剥離面）
Ｂレーザ光

Claims

レーザ集光手段を、加工対象のガラス材の被照射面上に非接触に配置する第１工程と、
前記レーザ集光手段により前記ガラス材内部にレーザ光を集光しつつ、前記レーザ集光手段と前記ガラス材とを相対的に移動させて、前記ガラス材内部に三次元状の改質層を形成する第２工程と、を備え、
前記第２工程では、レーザ光の集光位置のガラス材部分に光子吸収させて温度上昇させることで膨張させ、更に、温度低下により収縮部を形成させて前記収縮部周囲に残留応力を発生させていくことによって前記改質層を形成することにより、
時間の経過に伴って前記改質層に沿ったクラックが伝播することで、全て滑らかな剥離面が生じ、
前記第２工程では、前記改質層として、意図した剥離面形状に沿って階段状に細長状剥離層を形成することで、前記全て滑らかな剥離面が生じることを特徴とするガラススライシング方法。
前記第２工程では、前記意図した剥離面形状を非球面レンズのレンズ面とすることを特徴とする請求項１に記載のガラススライシング方法。
前記温度上昇ではガラス転移点以上の温度にまで上昇させることを特徴とする請求項２に記載のガラススライシング方法。
レーザ光として、フェムト秒レーザ装置から発光されるレーザ光を用いることを特徴とする請求項２に記載のガラススライシング方法。
前記第２工程では、前記レーザ集光手段に補正環を設け、前記補正環により収差補正をしつつ前記改質層を形成することを特徴とする請求項２〜４の何れか１項に記載のガラススライシング方法。