KR20180013680A

KR20180013680A - 취성재료 기판의 레이저 가공방법 및 레이저 가공장치

Info

Publication number: KR20180013680A
Application number: KR1020170035046A
Authority: KR
Inventors: 사토시 고쿠세이; 켄이치 마에다
Original assignee: 미쓰보시 다이야몬도 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2016-07-29
Filing date: 2017-03-21
Publication date: 2018-02-07
Also published as: CN107662054A; JP6810951B2; KR102311128B1; TW201803678A; JP2018015798A; TWI724138B; CN107662054B

Abstract

취성재료 기판의 표면 측에서 레이저를 조사함으로써 이면 측의 복수 개소에서 두께방향으로의 가공을 실행하는 경우에, 종래보다 열 손상을 억제하면서 가공시간을 단축하고, 나아가서는 좁은 피치에서의 가공을 실행할 수 있는 취성재료 기판의 레이저 가공방법을 제공한다.
레이저빔을 취성재료 기판의 표면 측에서 조사함으로써 취성재료 기판의 이면으로부터 두께방향으로 복수의 구멍을 형성할 때, 하나의 가공대상 개소에서의 하나의 높이 위치에서의 레이저빔의 조사가 종료할 때마다 레이저빔의 초점을 취성재료 기판의 이면으로부터 두께방향으로 소정 거리 이동시켜서 초점을 새로운 높이 위치로 하는 것을 반복함으로써 복수의 구멍을 점차적으로 형성하도록 한다.

Description

취성재료 기판의 레이저 가공방법 및 레이저 가공장치{METHOD AND APPARATUS FOR LASER PROCESSING SUBSTRATE OF BRITTLE MATERIAL}

본 발명은 레이저를 사용한 취성재료 기판의 가공방법에 관한 것으로, 특히 복수 개소에서의 두께방향으로의 가공에 관한 것이다.

예를 들어 유리기판, 사파이어기판, 알루미나기판 등으로 대표되는 취성재료 기판에 대해 관통구멍 혹은 비 관통구멍을 형성하는 천공 가공 등, 두께방향(깊이방향)으로의 가공을 실행하는 경우에 가공 수단으로 레이저를 사용하는 방법이 널리 실시되고 있다.

그와 같은 레이저에 의한 천공 가공의 한 형태로 레이저를 동심원 형상으로 조사함으로써 레이저의 빔 스폿 지름(초점위치에서의 빔 지름, 집광 지름)에 비하여 큰 지름의 관통구멍 혹은 비 관통구멍을 형성하는 가공수법이 이미 공지되어 있다(예를 들어 특허문헌 1 참조).

일본국 특개2013-146780호 공보

취성재료 기판의 복수 개소에 대해 레이저에 의해 두께방향으로 관통구멍 혹은 비 관통구멍을 형성하는 경우, 종래에는 하나하나의 관통구멍 혹은 비 관통구멍의 형성이 순차적으로 실시되고 있었다. 그러나 이와 같은 방법의 경우는 구멍의 형성이 완료할 때까지 동일한 영역에 지속적으로 레이저를 계속 조사하게 되므로, 당해 영역의 근방에서 열 손상(균열, 치핑(chipping)의 발생)이 발생하기 쉽다는 문제가 있었다.

또, 형성하려고 하는 구멍의 깊이가 깊은 경우, 개개의 구멍을 형성할 때마다 취성재료 기판의 두께방향으로의 이동이 필요하게 되므로 가공에 시간을 요한다는 문제도 있었다.

또, 취성재료 기판의 표면 측으로부터 레이저를 조사함으로써 이면 측의 복수 개소에 구멍을 형성하는 경우, 구멍을 형성하려고 하는 영역의 피치가 작으면 하나의 영역에서의 구멍의 형성에 이어서 인접하는 영역에 구멍을 형성하려고 할 때에 레이저가 이미 인접 영역에 형성된 구멍과 간섭하게 되어서 관련 구멍의 형상이 붕괴되어 버리는 결함이 발생하는 경우가 있었다.

본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 취성재료 기판의 표면 측으로부터 레이저를 조사함으로써 이면 측의 복수 개소에서 두께방향으로의 가공을 실행하는 경우에 종래보다 열 손상을 억제하면서 가공시간을 단축하고, 나아가서는 좁은 피치에서의 가공을 실행할 수 있는 취성재료 기판의 레이저 가공방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해 청구항 1의 발명은, 레이저빔을 취성재료 기판의 표면 측에서 조사함으로써 상기 취성재료 기판의 이면으로부터 두께방향으로 복수의 구멍을 형성하는 취성재료 기판의 레이저 가공방법으로, 하나의 가공대상 개소에서의 하나의 높이위치에서의 레이저빔의 조사가 종료할 때마다 상기 하나의 높이 위치에서 가공대상 개소를 전환하고, 상기 하나의 높이위치에서의 모든 상기 가공대상 개소에서의 상기 레이저빔의 조사가 종료할 때마다 상기 레이저빔의 초점을 상기 취성재료 기판의 이면으로부터 두께방향으로 소정 거리 이동시켜서 상기 초점을 새로운 높이 위치로 하는 것을 반복함으로써 상기 복수의 구멍을 점차 형성하는 것을 특징으로 한다.

청구항 2의 발명은 청구항 1에 기재된 취성재료 기판의 레이저 가공방법으로, 상기 복수의 구멍이 둥근 구멍이고, 상기 가공대상 개소에서 상기 초점이 동심원 형상의 궤적을 그리도록 상기 레이저빔을 주사시키는 것을 특징으로 한다.

청구항 3의 발명은 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 취성재료 기판의 레이저 가공방법으로, 상기 레이저빔의 피코 초 UV 레이저 혹은 피코 초 그린레이저인 것을 특징으로 한다.

청구항 4의 발명은, 레이저빔을 취성재료 기판의 표면 측에서 조사함으로써 상기 취성재료 기판의 이면 측을 가공하는 레이저 가공장치로, 상기 취성재료 기판이 지지 고정되는 스테이지와, 상기 레이저빔을 출사하는 광원과, 상기 광원으로부터 출사된 상기 레이저빔을 상기 스테이지에 탑재된 취성재료 기판에 대해 조사하는 헤드를 구비하고, 하나의 가공대상 개소에서의 하나의 높이 위치에서의 레이저빔의 조사가 종료할 때마다 상기 헤드가 상기 하나의 높이 위치에서 가공대상 개소를 전환하며, 상기 하나의 높이 위치에서의 모든 상기 가공대상 개소에서의 상기 레이저빔의 조사가 종료할 때마다 상기 스테이지를 상기 헤드에 대해 상대이동시킴으로써 상기 레이저빔의 초점을 상기 취성재료 기판의 이면으로부터 두께방향으로 소정 거리 이동시켜서 상기 초점을 새로운 높이 위치로 하는 것을 반복함으로써 복수의 구멍을 점차 형성하는 것을 특징으로 한다.

청구항 5의 발명은 청구항 4에 기재된 레이저 가공장치로, 상기 복수의 구멍이 둥근 구멍이고, 상기 헤드는 상기 가공대상 개소에서 상기 초점이 동심원 형상의 궤적을 그리도록 상기 레이저빔을 주사하는 것을 특징으로 한다.

청구항 6의 발명은 청구항 4 또는 청구항 5에 기재된 레이저 가공장치로, 상기 레이저빔이 피코 초 UV 레이저 혹은 피코 초 그린레이저인 것을 특징으로 한다.

청구항 1 내지 청구항 6의 발명에 의하면, 취성재료 기판의 이면의 복수 개소에서의 두께방향으로의 천공 가공을 복수의 구멍을 병행하여 조금씩 형성하는 점차 가공의 수법으로 실시하도록 함으로써, 취성재료 기판의 열 손상을 억제할 수 있고, 또한, 개개의 구멍을 순차적으로 형성하는 순차 가공을 실행하는 경우에 비해 가공시간을 단축할 수 있다. 나아가, 순차 가공에서는 실시할 수 없는 좁은 피치로, 또한, 깊이가 큰 복수의 구멍의 형성을 실행할 수 있다.

도 1은 레이저 가공장치(100)의 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 천공 가공에서의 레이저빔(LB)의 주사형태에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 순차 가공의 순서를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 점차 가공의 순서를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 순차 가공과 점차 가공에서의 좁은 피치에서의 가공의 차이를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 점차 가공과 순차 가공에 의해 복수의 둥근 구멍을 형성한 유리기판에 대한 둥근 구멍의 위쪽에서의 촬상 화상이다.

<레이저 가공장치의 개요>

도 1은 본 발명의 실시형태에서 취성재료 기판(W)의 가공에 사용하는 레이저 가공장치(100)의 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다. 개략적으로, 레이저 가공장치(100)는 광원(1)으로부터 출사된 레이저빔(LB)을 스테이지(2)에 탑재 고정된 취성재료 기판(W)에 조사함으로써 취성재료 기판(W)에 대해 소정의 가공을 실행하도록 구성되어 있다.

가공의 대상이 되는 취성재료 기판(W)으로는 유리기판, 사파이어기판, 알루미나기판 등을 예시할 수 있다.

레이저 가공장치(100)는 광원(1) 및 스테이지(2)에 더하여, 취성재료 기판(W)에 대한 레이저빔(LB)의 직접 조사원(照射源)이 되는 헤드(3)와, 광원(1)에 부수하여 광원(1)으로부터의 레이저빔(LB)의 출사를 ON/OFF 시키는 셔터(4)와, 광원(1)으로부터 조사된 레이저빔(LB)을 소정의 각도로 반사시킴으로써 헤드(3)에 이르기까지의 레이저빔(LB)의 광로를 결정하는 미러(5)와, 레이저 가공장치(100)의 각부의 동작을 제어하는 제어부(10)를 주로 구비한다. 또한, 도 1에서는 2개의 미러(5)가 설치되어 있으나, 이것은 어디까지나 예시이며, 미러(5)의 개수 및 배치 위치는 도 1에 나타내는 형태에 한정되지는 않는다.

레이저빔(LB)은 가공 대상이 되는 취성재료 기판(W)의 재질 등에 따라서 적절하게 선택하면 좋으나, 예를 들어 피코 초 UV 레이저나 피코 초 그린레이저 등이 적절하다. 광원(1)으로는 가공에 사용하는 레이저빔(LB)에 적합한 것을 채용되면 좋다. 광원(1)에서의 레이저빔(LB)의 발생 동작 및 셔터(4)의 ON/OFF 동작은 제어부(10)에 의해 제어된다.

스테이지(2)는 가공시 취성재료 기판(W)이 수평으로 탑재 고정되는 부위이다. 스테이지(2)에 대한 취성재료 기판(W)의 고정은 취성재료 기판(W)의 단부를 소정의 협지수단으로 협지(挾持)함으로써 고정된다. 또, 스테이지(2)는 이와 같은 고정 상태에서 취성재료 기판의 아래쪽에 공극부(2a)가 설치되도록 구성되어 있다. 그 이유는 후술하는 형태로 가공이 이루어질 때 취성재료 기판(W)에서 발생하는 가공 부스러기를 이 공극부(2a)에 떨어뜨리기 위해서이다. 또한, 이 가공찌꺼기는 도시하지 않은 제거수단에 의해 적절하게 제거된다.

또, 스테이지(2)는 구동기구(2m)에 의해 수직방향으로 이동이 자유롭게 구성되어 이루어진다. 구동기구(2m)가 제어부(10)에 의해 제어됨으로써 레이저 가공장치(100)에서는 가공 시 취성재료 기판(W)을 그 두께방향으로 상하 이동시킬 수 있게 되어 있다. 또한, 구동기구(2m)는 스테이지(2)를 수평 일축 방향 혹은 이축 방향으로 이동 가능하게 설치되어 있어도 좋고, 또한, 스테이지(2) 중 적어도 취성재료 기판(W)의 지지 개소를 수평면 내에서 회전 가능하게 설치해도 좋다. 이에 의해 가공위치의 조정이나 변경을 적절하게 실시할 수 있다.

헤드(3)는 갈바노 미러(3a)와 ｆθ 렌즈(3b)를 구비하고 있다. 갈바노 미러(3a)는 제어부(10)에 의해 그 자세가 제어됨으로써 입사한 레이저빔(LB)을 소정의 범위 내에서 임의의 방향으로 출사할 수 있게 되어 있다. 또, ｆθ 렌즈(3b)는 스테이지(2)의 상방에서 수평으로, 또한, 갈바노 미러(3a)에서 출사된 레이저빔(LB)이 입사 가능하게 배치되어 있으며, 갈바노 미러(3a)에서 출사된 레이저빔(LB)은 ｆθ 렌즈(3b)를 통과함으로써 스테이지(2)에 수평으로 탑재 고정된 취성재료 기판(W)에 대해 수직 상방에서 조사되게 되어 있다. 이에 의해 레이저 가공장치(100)에는 제어부(10)에 의한 제어에 따라서 갈바노 미러(3a)의 자세를 연속적으로 변화시킴으로써 스테이지(2)에 탑재 고정된 취성재료 기판(W)에서의 레이저빔(LB)의 조사 위치를 연속적으로 다르게 할 수 있게 되어 있다. 결과적으로, 레이저빔(LB)에 의해 취성재료 기판(W)을 상방에서 주사할 수 있게 되어 있다.

단, 스테이지(2)에 지지 고정된 취성재료 기판(W)에 대한 레이저빔(LB)의 조사가능범위는 갈바노 미러(3a)의 사이즈나 자세변경범위에 따라서 미리 정해진다. 이와 같은 조사가능범위 밖의 가공을 실행하는 경우에는 구동기구(2m)에 의해 스테이지(2)를 이동시켜서 새로운 조사가능범위를 대상으로 가공을 실행하도록 할 필요가 있다.

또, 스테이지(2)에 구동기구(2m)를 설치하는 대신 헤드(3)에 도시하지 않은 구동기구를 설치하여 헤드(3)를 스테이지(2)에 대해 이동시키는 형태라도 좋다.

제어부(10)는 예를 들어 범용의 컴퓨터에 의해 실현된다. 도시하지 않은 제어 프로그램이 제어부(10)에서 실행됨으로써 레이저 가공장치(100)에서의 여러 동작, 예를 들어 광원(1)으로부터의 레이저빔(LB)의 출사나 스테이지(2)의 이동이나 갈바노 미러(3a)의 자세 변경 등이 실현되어 이루어진다.

<천공 가공의 개요>

다음에, 취성재료 기판(W)에 대해 앞에서 설명한 레이저 가공장치(100)를 사용하여 실시하는 본 실시형태에 관한 천공 가공에 대해서 1개소에 가공을 실행하는 경우를 예로 하여 설명한다. 본 실시형태에서는 취성재료 기판(W)의 상방에서(표면 측에서) 입사시킨 레이저빔(LB)에 의해 취성재료 기판(W)의 이면 측에 천공 가공을 실행한다. 또한, 이와 같은 형태로 천공 가공을 실행하는 경우, 대상이 되는 취성재료 기판(W)은 사용하는 레이저빔(LB)에 대해 투명한 재질의 것이 된다. 도 2는 이와 같은 천공 가공에서의 레이저빔(LB)의 주사 형태에 대해서 설명하기 위한 도면이다.

도 2에서는 z＝z0이 취성재료 기판(W)의 이면(아랫면)의 위치이고, 레이저빔(LB)의 조사위치를 취성재료 기판(W)의 두께방향(z방향)에서 z＝z0에서부터 z＝z1의 위치까지 다르게 함으로써, 취성재료 기판(W)의 표면으로부터 두께방향으로 지름 D의 소정 깊이의 대략 원통 형상의 비 관통구멍(둥근 구멍)을 형성하는 경우를 상정하고 있다. 여기서, 지름 D는 레이저빔(LB)의 초점(빔 스폿, F)의 지름(빔 스폿 지름)(d1)보다 큰 값이다. 이하에서는 지름 D는 취성재료 기판(W)의 표면에서의, 즉 z＝z0에서의 값으로 한다.

먼저, 초점(F)이 취성재료 기판(W)의 이면(z＝z0)에 일치하도록 취성재료 기판(W)을 지지 고정한 스테이지(2)의 높이 위치를 조정하는 동시에 광원(1)으로부터의 레이저빔(LB)의 출력(이하, 레이저 출력)을 소정의 값으로 설정한다. 그 후에, 갈바노 미러(3a)의 자세를 제어함으로써 z＝z0에서 초점(F)의 중심(C)이 지름 D와 동축이고, 또한, 지름이 서로 다른 복수의 동심원 형상의 궤적을 그리도록 레이저빔(LB)을 주사한다. 다시 말해, 지름을 다르게 하면서 복수 회의 주회 주사(周回走査)가 이루어진다. 또한, 이하에서는 초점(F)의 중심(C)의 궤적을 단순히 레이저빔(LB)의 궤적으로 칭하는 경우가 있다.

도 2에 나타내는 경우에는 4개의 동심원 형상의 궤적(TR1, TR2, TR3, TR4)이 외측으로부터 순차적으로 각각 시계반대방향으로 그려지도록 레이저 출력 Ｅ0로 레이저빔(LB)이 주사된다. 이와 같은 주사에 의해 취성재료 기판(W)의 표면 근방이 가공되어 오목부(凹部)가 형성된다. 또한, 도 2에서는 4개의 궤적(TR1, TR2, TR3, TR4)이 독립하여 기재되어 있으나, 실제의 가공 시에는 레이저빔(LB)에 의한 하나의 주회 주사가 거의 완료한 시점에서 당해 레이저빔(LB)의 출력 상태를 유지한 채로 다음의 주회 주사로 이행하도록 해도 좋다.

상술한 형태에서 z＝z0에서의 레이저빔(LB)에 의한 주사가 종료하면, 스테이지(2)를 소정의 피치(△z)만큼 하강시킨 후에, 즉, 레이저빔(LB)의 초점(F)의 위치를 z＝z0으로부터 거리 △z 만큼 취성재료 기판(W)의 깊이 방향으로 시프트시킨 다음, 상술한 것과 같은 동심원 형상의 주사를 실행한다. 또한, 먼저 형성된 오목부의 깊이와 피치(△z)는 반드시 일치하지 않아도 좋다. 이후, 레이저빔(LB)의 초점(F)이 위치 z＝z1에 도달하고, 당해 위치에서의 동심원 형상의 주사가 실시될 때까지 스테이지(2)의 이동과 레이저빔(LB)에 의한 동심원 형상의 주사를 반복하도록 한다. 다시 말해, 각각의 높이 위치에서, 동심원 형상으로 복수의 주회 주사가 이루어진다. 또한, △z 및 z1의 값은 취성재료 기판(W)의 재질이나 형성하려고 하는 둥근 구멍의 깊이에 따라서 결정된다. 통상, z＝z1이 되는 위치는 취성재료 기판(W)의 이면에서 보았을 때 둥근 구멍의 저부가 되는 위치보다도 얕은 위치에 결정된다.

이에 의해 서로 다른 깊이 위치에서의 레이저빔(LB)의 동심원 형상의 주사가 반복될 때마다 취성재료 기판(W)의 두께방향으로의 오목부의 형성이 진행되며, 최종적으로 원하는 깊이의 둥근 구멍이 형성된다.

여기서, 레이저빔(LB)의 주사 궤적의 최대지름(궤적 TR1의 지름)(d2) 및 주사 궤적의 개수(즉, 주사의 횟수)는 형성하려고 하는 둥근 구멍의 지름 D와, 빔 스폿 지름(d1)과, 갈바노 미러(3a)의 자세변경범위에 기초하여 미리 실험적으로 혹은 경험적으로 결정하면 좋다. 예를 들어 형성하려고 하는 둥근 구멍의 지름이 50㎛이고, 빔 스폿 지름(d1)이 15㎛인 경우라면 d2=30㎛로 하여 5회의 동심원 형상의 주사를 실행함으로써 원하는 둥근 구멍을 형성할 수 있다.

또한, 도 2에서는 동심원 형상의 복수 회의 주회 주사가 외측으로부터 순서대로 실시되나, 이 대신에 내측으로부터 순서대로 실시되도록 해도 좋다. 혹은 초점(F)의 깊이 위치가 변할 때마다 주사 순서를 바꾸도록 해도 좋다. 나아가서는 초점(F)의 깊이 위치에 따라서 레이저 출력을 다르게 해도 좋다.

또, 도 2에 나타내는 경우에는 초점(F)의 높이 위치가 △z씩 달라짐으로써 주회 주사를 실행하는 개소도 두께방향에서 거리 △z씩 떨어지고 있으나, 이 대신에 초점(F)의 높이 위치를 연속적으로 변화시켜 초점(F)이 두께방향으로 거리 △z 이동하는 사이에 상술한 동심원 형상의 복수 회의 주회 주사에 상당하는 복수 회의 주회 주사를 연속적으로 실시하는 형태(나선형 주사)라도 좋다.

또, 여기까지의 설명에서는 비 관통구멍을 형성하는 경우를 예로 하고 있으나, 관통구멍을 형성하는 경우에도 동일한 수법을 채용할 수 있다. 즉, 취성재료 기판(W)의 표면으로부터의 레이저빔(LB)의 초점(F)의 총 이동거리를 충분히 크게 한 경우에는 관통구멍의 형성이 가능해지게 된다. 이와 같은 경우에도 비 관통구멍을 형성하는 경우와 마찬가지로 구체적인 가공조건은 취성재료 기판(W)의 두께나 레이저빔(LB)의 조사조건 등에 따라서 결정하면 좋다.

또, 여기까지의 설명에서는 레이저빔(LB)을 주회 주사시킴으로써 둥근 구멍을 형성하는 형태에 대해서 설명하고 있으나, 형성하려고 하는 둥근 구멍의 지름 D가 작은 경우에는 주회 주사는 필수는 아니다.

<복수의 구멍의 가공>

다음에, 레이저 가공장치(100)를 사용하여 실시하는 하나의 취성재료 기판(W)의 표면으로부터 두께방향으로 복수의 구멍을 형성하는 가공에 대해서 설명한다. 이와 같은 복수의 구멍의 가공은 단순하게는 개개의 구멍을 순차적으로 형성해가는 수법(이하, 순차 가공이라 칭한다)에 의해 실현 가능하나, 본 실시형태에서는 점차 가공으로 칭하는 수법으로 실시한다. 점차 가공이란, 개략적으로는 앞에서 설명한 수법을 이용하면서도, 하나의 가공대상 개소에서의 하나의 높이 위치에서의 레이저빔(LB)의 조사가 종료할 때마다 가공대상 개소를 바꿈으로써 복수의 구멍을 병행하여 조금씩 형성해가는 가공수법이다.

도 3은 순차 가공의 순서를 설명하기 위한 도면이다. 지금, 취성재료 기판(W)의 두께방향으로 깊이 h의 복수의 둥근 구멍(비 관통구멍)을 피치 p로 형성하는 경우를 생각한다. 또, 하나의 높이 위치에서의 레이저빔(LB)의 조사는 상술한 주회 주사에 의해 실시하는 것으로 한다. 도 3 (a)에서는 개개의 둥근 구멍의 형성예정영역(H0) 중 서로 이웃하는 4개의 영역 a, b, c, d를 나타내고 있다. 또한, 도 3에서는 도면 도시의 사정상 한 방향으로 서로 이웃하는 형성예정영역(H0) 만을 나타내고 있으나, 실제의 가공에서는 형성예정영역(H0)은 이차원적으로 결정해도 좋다.

순차 가공에서는, 먼저 레이저빔(LB)의 초점(F)을 취성재료 기판(W)의 이면의 높이(z＝z0)로 조정하고, 도 3에 나타내는 것과 같이 영역 a를 대상으로, 도 2에 나타낸 형태로 동심원 형상의 주회 주사와 레이저빔(LB)의 초점(F)의 높이 위치의 시프트를 반복함으로써 천공 가공을 실행한다. 이에 의해, 도 3 (c)에 나타내는 것과 같이 영역 a에 둥근 구멍(Ha)이 형성되면, 이어서, 영역 b에서 마찬가지로 동심원 형상의 주회 주사와 레이저빔(LB)의 초점(F)의 높이 위치의 시프트를 반복해서 도 3 (d)에 나타내는 것과 같이 영역 b에도 둥근 구멍(Hb)을 형성한다. 이와 같은 둥근 구멍(Hb)의 형성이 종료하면, 이어서, 영역 c→영역 d의 순으로 모든 형성예정영역(H0)에 대해 가공을 실행하면 최종적으로는 도 3 (e)에 나타내는 것과 같이 각각의 형성예정영역(H0)(영역 a, b, c, d)에 원하는 복수의 둥근 구멍 H(Ha, Hb, Hｃ, Hｄ)이 형성된다.

한편, 도 4는 본 실시형태에서 채용하는 점차 가공의 순서를 설명하기 위한 도면이다. 지금, 도 3에 나타낸 순차 가공의 경우와 마찬가지로 취성재료 기판(W)의 두께방향으로 깊이 h의 복수의 둥근 구멍(비 관통구멍)을 피치 p로 형성하는 경우를 생각한다. 도 4 (a)에서도 개개의 둥근 구멍의 형성예정영역(H0) 중 서로 이웃하는 4개의 영역(a, b, c, d)을 나타내고 있다. 물론, 점차 가공의 경우에도 형성예정영역(H0)은 이차원적으로 결정해도 좋다.

먼저, 도 4 (b)에 나타내는 것과 같이, 레이저빔(LB)의 초점(F)을 취성재료 기판(W)의 이면의 높이(z＝z0)로 조정한 다음, 영역 a를 대상으로 레이저빔(LB)에 의한 주회 주사를 실행한다. 이에 의해, 도 4(c)에 나타내는 것과 같이, 영역 a에 오목부가 형성된다. 이어서, 순차 가공의 경우와는 달리 점차 가공에서는 초점(F)의 높이 위치를 z＝z0로 유지한 채로 영역 b를 대상으로 하는 주회 주사를 실행한다. 이에 의해, 도 4 (d)에 나타내는 것과 같이, 영역 a에 이어서 영역 b에도 오목부가 형성된다. 그리고 이어서 영역 c를 대상으로 하는 주회 주사를 실행한다.

이와 같이, 초점(F)의 높이 위치를 z＝z0으로 유지한 채로 주회 주사를 도 4 (e)에 나타내는 것과 같이 모든 형성예정영역(H0)에 대해(도 4에서는 영역 a, b, c, d에 대해) 실시하여 각 영역에 오목부를 형성한 후, 초점(F)의 높이 위치를 거리 △z 만큼 시프트시켜서 다시 영역 a에 대한 주회 주사를 실행한다. 이에 의해, 도 4(f)에 나타내는 것과 같이 영역 a에서의 오목부의 형성이 진행된다. 이와 같은 주회 주사가 종료하면, 이어서, 초점(F)의 높이 위치를 바꾸지 않고 영역 b→영역 c→영역 d의 순으로, 모든 형성예정영역(H0)에 대해 주회 주사를 실행하여 각각의 영역에서의 오목부의 형성을 진행시킨다. 이후 마찬가지로, 초점(F)의 높이 위치의 거리 △z의 시프트와, 영역 a→영역 b→영역 c→영역 d의 순으로의 주회 주사를 소정의 둥근 구멍의 깊이(h)에 따른 소정 위치(z＝z1)까지 반복한다. 최종적으로, 도 4 (g)에 나타내는 것과 같이 각각의 형성예정영역(H0)(영역 a, b, c, d)에 소망의 복수의 둥근 구멍 H(Ha, Hb, Hｃ, Hｄ)가 형성된다.

이상의 순차 가공과 점차 가공을 대비하면, 순차 가공의 경우는 1개의 형성예정영역에서의 구멍의 형성이 완료할 때까지 당해 영역에 지속적으로 레이저를 계속 조사하게 되므로, 당해 영역 근방에서의 온도가 상승하여 열 손상(균열, 치핑의 발생)이 발생하기 쉽다. 이에 대해, 점차 가공의 경우는 각각의 형성예정영역에서의 1회당 가공시간이 짧으며, 게다가 가공 대상이 되는 형성예정영역이 차례로 바뀌어 가게 되므로 각각의 형성예정영역에서의 온도 상승은 발생하기 어렵다. 그러므로 열 손상(균열, 치핑의 발생)은 발생하기 어렵게 되어 있다.

또, 순차 가공의 경우는 각각의 가공 대상 영역에서 가공을 실행할 때마다 스테이지(2)를 승강시킴으로써 레이저빔(LB)의 초점(F)을 취성재료 기판(W)의 이면 z＝z0으로부터 z＝z1까지 이동시킬 필요가 있는데 반해, 점차 가공의 경우는 이면 z＝z0으로부터 z＝z1까지의 초점(F)의 이동은 가공 시작에서부터 가공 종료까지의 사이에 단 한 번 단속적으로 이루어질 뿐이다. 이것은 순차 가공보다 점차 가공 쪽이 가공 시간이 단축된다는 것을 의미한다. 게다가, 이와 같은 시간 단축의 효과는 천공하려고 하는 구멍의 개수가 많을수록 현저하다.

<좁은 피치에서의 가공>

상술한 점차 가공은 취성재료 기판(W)의 이면 측에 복수의 구멍을 좁은 피치로 형성하는 경우에 적합하다. 도 5는 순차 가공과 점차 가공의 좁은 피치에서의 가공의 차이를 설명하기 위한 도면이다.

지금, 도 5 (a)에 나타내는 것과 같이 피치 p가 도 3 (a) 및 도 4 (a)에서 나타낸 경우보다 작고, 또한, 깊이 h가 도 3 (a) 및 도 4 (a)에서 나타낸 경우보다 큰 복수의 비 관통구멍을 형성하는 경우를 생각한다.

이와 같은 형성을 순차 가공으로 실시하려고 하는 경우, 예를 들어 하나의 형성예정영역(H0)(영역 a)에 대한 구멍(Ha)의 형성에 이어서 서로 이웃하는 형성예정영역(H0)(영역 b)에 대한 구멍의 형성을 실행하려고 하는 경우, 피치(p) 및 깊이(h)의 크기에 따라서는, 도 5 (b)에 나타내는 것과 같이, 영역 b에서 주회 주사시키고 있는 레이저빔(LB)이 일부 영역(I)에서 구멍 Ha와 간섭하는 경우가 있다. 이와 같은 간섭이 발생하면 먼저 형성된 구멍(H)의 형상이 찌그러지는 등의 결함이 발생한다.

이에 대해, 점차 가공의 경우는 도 5 (c)에 나타내는 것과 같이 영역 a에서의 오목부의 형성에 이어서 영역 b에 오목부를 형성할 영역 B에서 레이저빔(LB)을 주회 주사시켰다고 해도 레이저빔(LB)의 초점(F)과 영역 A에 형성된 오목부의 저부의 높이 차이가 작으므로 레이저빔(LB)이 영역 A에 형성된 오목부와 간섭하는 일은 없다. 이는 점차 가공이 도 5 (c)에 나타내는 경우에서 더 진행하였다고 해도 마찬가지이다. 그러므로 최종적으로는 도 5 (d)에 나타내는 것과 같은 순차 가공에서는 실현될 수 없는, 피치(p)가 작고, 또한, 깊이(h)가 큰 복수의 구멍의 형성을 실현할 수 있다.

이상 설명한 것과 같이, 본 실시형태에 의하면 취성재료 기판(W)의 이면의 복수 개소에서의 두께방향으로의 천공 가공을 복수의 구멍을 병행하여 조금씩 형성해 가는 점차 가공의 수법으로 실시하도록 함으로써, 취성재료 기판에서의 열 손상을 억제할 수 있고, 또한, 개개의 구멍을 순차적으로 형성하는 순차 가공을 실행하는 경우에 비해 가공시간을 단축할 수 있다. 또한, 순차 가공에서는 얻을 수 없는 좁은 피치에서 깊이가 깊은 복수의 구멍의 형성을 실행할 수 있다.

<변형 예>

앞에서 설명한 실시형태에서는 일정한 가공 조건하에서의 구멍의 형성을 전제로 한 설명을 하였으나, 도중의 깊이까지 가공이 진행된 시점에서 가공조건이 변경되는 형태라도 좋다.

또, 앞에서 설명한 실시형태에서는 병렬 가공과 순차 가공을 택일적으로 사용하는 것을 전제로 한 설명을 하였으나, 병렬 가공과 순차 가공을 조합한 형태라도 좋다. 예를 들어 일정한 깊이까지는 병렬 가공을 하고, 그 후 각각의 오목부를 대상으로 순차 가공을 실행하는 형태라도 좋다. 이와 같은 형태에 의해서도 좁은 피치에서의 가공은 실현 가능하다.

앞에서 설명한 실시형태에서는 둥근 구멍의 가공을 예로 들어서 복수의 구멍의 형성을 순차 가공으로 실시하는 형태에 대해서 설명을 하였으나, 복수의 구멍의 형성에 대한 순차 가공의 적용은 둥근 구멍 이외에 임의의 형상으로 깊이 방향으로 가공을 실행하는 경우에도 적용 가능하다. 예를 들어 각형 구멍이나 홈의 형성에도 적용할 수 있다. 또한, 전자의 경우는 하나의 높이 위치의 레이저빔(LB)의 주사는 서로 다른 크기의 직사각형 형상의 궤적이 동축으로 형성되도록 주회 주사를 실행하도록 해도 좋고, 소정의 피치로 평행한 복수의 궤적이 형성되도록 해도 좋다. 또, 후자의 경우는 소정 피치로 평행한 복수의 궤적이 형성되도록 하면 좋다.

[실시 예]

각각의 형상이 동일한 복수의 둥근 구멍의 가공을 점차 가공과 순차 가공의 양방의 방법으로 실시하였다.

구체적으로는, 취성재료 기판(W)으로 두께가 1.1mm의 소다 유리기판을 준비하고, 지름 D가 100㎛인 25개의 둥근 구멍을 5×5의 정방 격자 형상으로 피치(p)를 115㎛로 하여 형성하였다. 즉, 둥근 구멍과 둥근 구멍의 간극이 최소 15㎛라는 좁은 피치의 조건에서 복수의 둥근 구멍을 형성하도록 하였다. 또, 레이저빔(LB)으로는 피코 초 그린레이저를 사용하였다. 피코 초 그린레이저의 스펙은 이하와 같다.

파장 : 532nm;

반복 주파수 : 20kHz;

출력 : 초기값 0.08W→최종값 0.1W;

주사속도 : 100nm/s;

펄스 에너지 : 4μＪ→5μＪ;

펄스 플루언스(pulse fluence) : 5Ｊ／㎠→６．3Ｊ／㎠;

펄스 주기 : 5㎛;

펄스 폭 : 50ps.

또, 레이저빔(LB)의 빔 스폿 지름(d1)은 10㎛로 하고, 레이저빔(LB)의 주사 궤적의 최대 지름(d2)은 96㎛로 하며, 하나의 높이 위치에서의 주사 회수는 7회로 하고, △z는 5㎛로 하며, 두께방향으로의 초점(F)의 이동거리(z1－z0)는 850㎛로 하였다.

도 6은 각각의 가공수법에 의해 복수의 둥근 구멍을 형성한 유리기판에 대한 둥근 구멍의 위쪽에서의 촬상 화상이다. 도 6(a)가 점차 가공인 경우의 화상이고, 도 5(b)가 순차 가공인 경우의 화상이다.

2개의 화상을 대비하면, 도 6 (a)에 나타내는 점차 가공인 경우의 화상에서는 모든 둥근 구멍이 윗면 측에서 보아서 거의 진원 형상으로 형성되어 있는 것이 확인되는데 반해, 도 6 (b)에 나타내는 순차 가공인 경우의 화상에서는 예를 들어 화살표로 나타내는 둥근 구멍을 비롯하여 많은 둥근 구멍에서 그 형상에 삐뚤어지거나 뒤틀림이 발생하였다.

이상의 결과는 점차 가공 쪽이 순차 가공보다 좁은 피치에서의 복수의 천공 가공에 적합하다는 것을 나타내고 있다.

1 광원
2 스테이지
2m 구동기구
3 헤드
3a 갈바노 미러
3b 렌즈
4 셔터
5 미러
10 제어부
100 레이저 가공장치
C 초점의 중심
D 둥근 구멍의 지름
F 초점
H0(a, b, c, d) (둥근 구멍) 형성예정영역
H（Ha, Hb, Hｃ, Hｄ） 둥근 구멍
LB 레이저빔
W 취성재료 기판
d1 빔 스폿 지름
h (둥근 구멍의) 깊이
p (둥근 구멍의) 피치

Claims

레이저빔을 취성재료 기판의 표면 측에서 조사함으로써 상기 취성재료 기판의 이면으로부터 두께방향으로 복수의 구멍을 형성하는 취성재료 기판의 레이저 가공방법으로,
하나의 가공대상 개소에서의 하나의 높이위치에서의 레이저빔의 조사가 종료할 때마다 상기 하나의 높이 위치에서 가공대상 개소를 전환하고, 상기 하나의 높이위치에서의 모든 상기 가공대상 개소에서의 상기 레이저빔의 조사가 종료할 때마다 상기 레이저빔의 초점을 상기 취성재료 기판의 이면으로부터 두께방향으로 소정 거리 이동시켜서 상기 초점을 새로운 높이 위치로 하는 것을 반복함으로써 상기 복수의 구멍을 점차 형성하는 것을 특징으로 하는 취성재료 기판의 레이저 가공방법.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 구멍이 둥근 구멍이고,
상기 가공대상 개소에서 상기 초점이 동심원 형상의 궤적을 그리도록 상기 레이저빔을 주사시키는 것을 특징으로 하는 취성재료 기판의 레이저 가공방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 레이저빔이 피코 초 UV 레이저 혹은 피코 초 그린레이저인 것을 특징으로 하는 취성재료 기판의 레이저 가공방법.
레이저빔을 취성재료 기판의 표면 측에서 조사함으로써 상기 취성재료 기판의 이면 측을 가공하는 레이저 가공장치로,
상기 취성재료 기판이 지지 고정되는 스테이지와,
상기 레이저빔을 출사하는 광원과,
상기 광원으로부터 출사된 상기 레이저빔을 상기 스테이지에 탑재된 취성재료 기판에 대해 조사하는 헤드를 구비하고,
하나의 가공대상 개소에서의 하나의 높이 위치에서의 레이저빔의 조사가 종료할 때마다 상기 헤드가 상기 하나의 높이 위치에서 가공대상 개소를 전환하며, 상기 하나의 높이 위치에서의 모든 상기 가공대상 개소에서의 상기 레이저빔의 조사가 종료할 때마다 상기 스테이지를 상기 헤드에 대해 상대이동시킴으로써 상기 레이저빔의 초점을 상기 취성재료 기판의 이면으로부터 두께방향으로 소정 거리 이동시켜서 상기 초점을 새로운 높이 위치로 하는 것을 반복함으로써 복수의 구멍을 점차 형성하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
제 4 항에 있어서,
상기 복수의 구멍이 둥근 구멍이고,
상기 헤드는 상기 가공대상 개소에서 상기 초점이 동심원 형상의 궤적을 그리도록 상기 레이저빔을 주사시키는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
상기 레이저빔이 피코 초 UV 레이저 혹은 피코 초 그린레이저인 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.