(57)【要約】【課題】ガラス基板等の脆性材料基板をパルスレーザ光によってアブレーション加工した場合であっても、加工部分に、欠陥、クラック等が生じにくく、加工後の端面強度を高く維持することができるようにする。【解決手段】このレーザ加工方法は、パルスレーザ光を集光して脆性材料基板表面に照射するレーザ光照射工程と、レーザ光をスクライブ予定ラインに沿って走査するレーザ光走査工程と、を含んでいる。そして、パルスレーザ光のレーザ強度は１．０×１０８以上１．０×１０１０W/cm2以下である。また、入熱量（J/cm2）×脆性材料の線膨張係数（10−７/K）の値が３０００以上１００００以下の範囲である。さらに、パルスレーザ光の集光径に外接する正方形内のパルス数が２パルス以上である。【選択図】図２
2010274328.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
脆性材料基板表面のスクライブ予定ラインに沿ってレーザ光を照射し、スクライブ溝を形成するレーザ加工方法であって、
パルスレーザ光を集光して脆性材料基板表面に照射するレーザ光照射工程と、
前記レーザ光をスクライブ予定ラインに沿って走査するレーザ光走査工程と、
を含み、
前記パルスレーザ光のレーザ強度は１．０×１０８以上１．０×１０１０W/cm2以下であり、
入熱量（J/cm2）×脆性材料の線膨張係数（10−７/K）の値が３０００以上１００００以下の範囲であり、
前記パルスレーザ光の集光径に外接する正方形内のパルス数が２パルス以上である、
レーザ加工方法。
【請求項２】
前記入熱量（J/cm2）×脆性材料の線膨張係数（10−７/K）の値は、より好ましくは３６００以上８８００以下の範囲である、請求項１に記載のレーザ加工方法。
【請求項３】
前記入熱量（J/cm2）×脆性材料の線膨張係数（10−７/K）の値が３８００以上７６０００以下の範囲の場合、前記正方形内のパルス数はより好ましくは５パルス以上である、請求項１に記載のレーザ加工方法。
【請求項４】
前記パルスレーザ光のパルス幅は１ns以上１０００ns以下である、請求項１に記載のレーザ加工方法。
【請求項５】
前記パルスレーザ光は、波長が３００nm以下の紫外線レーザ光である、請求項１に記載のレーザ加工方法。
【請求項６】
脆性材料基板表面のスクライブ予定ラインに沿ってレーザ光を照射し、スクライブ溝を形成するレーザ加工装置であって、
パルスレーザ光を発信するレーザ発振器及び発振されたパルスレーザ光を集光して照射する集光光学機構を有するレーザ照射機構と、
前記レーザ照射機構を脆性材料基板表面のスクライブ予定ラインに沿って相対的に移動させるための移動機構と、
を備え、
前記パルスレーザ光のレーザ強度は１．０×１０８以上１．０×１０１０W/cm2以下であり、
入熱量（J/cm2）×脆性材料の線膨張係数（10−７/K）の値が３０００以上１００００以下の範囲であり、
前記パルスレーザ光の集光径に外接する正方形内のパルス数が２パルス以上である、
レーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工方法及びレーザ加工装置、特に、脆性材料基板表面のスクライブ予定ラインに沿ってレーザ光を照射し、スクライブ溝を形成するレーザ加工方法及びそれを実施するためのレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガラス基板、半導体基板、セラミック基板等の脆性材料基板を分断加工する方法の１つとして、レーザ光を用いた加工方法が提供されている。この方法では、まず、脆性材料基板の表面のスクライブ予定ラインに沿ってレーザ光を移動させつつ照射することによって、スクライブ溝が形成される。その後、ブレーク装置等により、脆性材料基板上においてスクライブ溝の両側に押圧力を加えることにより、基板はスクライブ溝に沿って分断される（特許文献１及び２参照）。
【０００３】
以上のような、レーザ光によって脆性材料基板の表面にスクライブ溝を形成する場合、使用されるレーザ光は集光レンズによって絞り込まれ、焦点位置は脆性材料基板の上面近傍に設定される。このようにすることで、レーザ光の焦点位置では光エネルギ吸収によるアブレーションが生じ、焦点位置近傍の脆性材料を外部へ蒸散させることができる。そして、焦点位置を移動させながらアブレーション加工を行うことにより、スクライブ予定ラインに沿ってスクライブ溝を形成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２７１５６３号公報
【特許文献２】特開２００５−３１４１２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載された従来のアブレーション加工を用いてスクライブ溝を形成する方法では、アブレーションが生じた部分に、衝撃圧によるクラック、あるいは溶融及び急冷による微小クラックが生じるおそれがある。このため、端面強度が低くなるおそれがある。
【０００６】
また、特許文献２に記載されたアブレーション加工を用いてスクライブ溝を形成する方法では、照射されたパルスレーザ光のガラスへの熱拡散を少なくして溶融を抑制することにより、凹凸等の表面欠陥、クラック等の発生を抑制することができる。しかし、表示パネル等のように非常に薄い（例えば厚さ０．５ｍｍ以下）ガラス基板にスクライブ溝を形成する場合は、特許文献２に記載された方法を用いても、十分な端面強度を得ることができない。
【０００７】
本発明の課題は、ガラス基板等の脆性材料基板をパルスレーザ光によってアブレーション加工した場合であっても、加工部分に、欠陥、クラック等が生じにくく、加工後の端面強度を高く維持することができるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１発明に係るレーザ加工方法は、脆性材料基板表面のスクライブ予定ラインに沿ってレーザ光を照射し、スクライブ溝を形成する方法であって、パルスレーザ光を集光して脆性材料基板表面に照射するレーザ光照射工程と、レーザ光をスクライブ予定ラインに沿って走査するレーザ光走査工程と、を含んでいる。そして、パルスレーザ光のレーザ強度は１．０×１０８以上１．０×１０１０W/cm2以下である。また、入熱量（J/cm2）×脆性材料の線膨張係数（10−７/K）の値が３０００以上１００００以下の範囲である。さらに、パルスレーザ光の集光径に外接する正方形内のパルス数が２パルス以上である。
【０００９】
このようなレーザ加工方法では、レーザによってアブレーション加工されると同時に、レーザ光が照射された脆性材料基板が熱影響を受けて加工部が溶融させられる。このような加工方法では、脆性材料基板の加工端面における欠陥やクラックを抑えて、端面強度を高く維持することができる。
【００１０】
第２発明に係るレーザ加工方法は、第１発明の方法において、入熱量（J/cm2）×脆性材料の線膨張係数（10−７/K）の値は、より好ましくは３６００以上８８００以下の範囲である。
【００１１】
第３発明に係るレーザ加工方法は、第１発明の方法において、入熱量（J/cm2）×脆性材料の線膨張係数（10−７/K）の値が３８００以上７６０００以下の範囲である場合は、正方形内のパルス数は５パルス以上が好ましい。
【００１２】
ここで、線膨張係数が比較的小さい場合は、加工部を溶融させるためには入熱量を多くする必要がある。そこで、パルスレーザ光のオーバーラップ率を大きくするために、集光径に外接する正方形内のパルス数を５パルス以上にすることが好ましい。
【００１３】
第４発明に係るレーザ加工方法は、第１から第３発明のいずれかの方法において、パルスレーザ光のパルス幅は１ns以上１０００ns以下である。
【００１４】
この場合は、パルスレーザ光が照射された加工部位に熱影響を与えることが容易になる。したがって、パルスレーザ光のレーザ強度を高めることなく加工端面を溶融させることが可能になる。
【００１５】
第５発明に係るレーザ加工方法は、第１から第４発明のいずれかの方法において、パルスレーザ光は、波長が３００nm以下の紫外線レーザ光である。
【００１６】
この場合は、１個の光子エネルギで脆性材料基板内の電子の励起が開始されるため、パルスレーザ光を効率良く吸収することができる。したがって、パルスレーザ光のレーザ強度を高めることなく加工端面を溶融させることが可能になる。
【００１７】
第６発明に係るレーザ加工装置は、脆性材料基板表面のスクライブ予定ラインに沿ってレーザ光を照射し、スクライブ溝を形成する装置であって、レーザ照射機構と移動機構とを備えている。レーザ照射機構はパルスレーザ光を発信するレーザ発振器及び発振されたパルスレーザ光を集光して照射する集光光学機構を有する。移動機構はレーザ照射機構を脆性材料基板表面のスクライブ予定ラインに沿って相対的に移動させる。この装置において、パルスレーザ光のレーザ強度は１．０×１０８以上１．０×１０１０W/cm2以下である。また、入熱量（J/cm2）×脆性材料の線膨張係数（10−７/K）の値が３０００以上１００００以下の範囲である。さらに、パルスレーザ光の集光径に外接する正方形内のパルス数が２パルス以上である。
【００１８】
このようなレーザ加工装置を用いてスクライブ溝を形成することにより、脆性材料基板の加工端面における欠陥やクラックを抑えて、端面強度を高く維持することができる。
【発明の効果】
【００１９】
以上のような本発明では、ガラス基板等の脆性材料基板をパルスレーザ光によってアブレーション加工した場合であっても、加工部分に、欠陥、クラック等が生じにくく、加工後の端面強度を高く維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態によるレーザ加工装置の構成を示す模式図。
【図２】パルスレーザ光によるアブレーション加工の一例を示す図。
【図３】アブレーション加工により欠陥又はクラックが生じたスクライブ溝を脆性材料基板の表面から観察した図。
【図４】レーザ加工装置の焦点位置を示す模式図。
【図５】「正方形内のパルス数」を説明するための図。
【図６】本発明の一実施形態によるレーザ加工方法によりガラス基板を加工した場合のスクライブ溝を脆性材料基板の表面から観察した図。
【図７】従来の加工方法によってスクライブ溝を形成した場合と、本発明の一実施形態によるレーザ加工方法によってスクライブ溝を形成した場合の、端面強度を比較するグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
［レーザ加工装置］
本発明の一実施形態によるレーザ加工装置を図１に示す。このレーザ加工装置は、レーザ発振器１と、ミラー機構２と、レンズ機構３と、ＸＹステージ４と、を備えている。レーザ発振器１、ミラー機構２、及びレンズ機構３によりレーザ照射機構が構成され、またＸＹステージにより移動機構が構成されている。
【００２２】
レーザ発振器１はパルスレーザ光を発振する。このレーザ発振器１は、ＹＡＧレーザ、ＩＲレーザ等の周知のパルスレーザ光の発振器であれば、特に限定されるものではない。加工される脆性材料基板５の材質に応じて、アブレーション加工が可能な波長のレーザを適宜選択すればよい。また、パルスレーザ光のパルス幅は、レーザアブレーション加工が可能であり、脆性材料基板５に熱影響を与えるために、１ps以上１０００ns以下、より好ましくは１ns以上１０００ns以下の範囲であることが好ましい。
【００２３】
ミラー機構２は、レンズ機構３とともに集光光学機構を形成し、脆性材料基板５に略鉛直方向からパルスレーザ光を照射できるように、パルスレーザ光の進行方向を変更する。ミラー機構２として、１又は複数の鏡面を用いてもよいし、プリズム、回折格子等を利用してもよい。
【００２４】
レンズ機構３はパルスレーザ光を集光するものである。より詳細には、このレンズ機構３は、脆性材料基板５の厚みに応じて、パルスレーザ光を集光する位置である焦点位置の上下方向の位置を調整する。この焦点位置の調整は、レンズ機構３のレンズを交換することにより調整してもよいし、レンズ機構３の上下方向の位置を図示しないアクチュエータにより変更して調整してもよい。
【００２５】
ＸＹステージ４は、分断の対象となるガラス基板等の脆性材料基板５を載置するテーブルであり、互いに直交するＸ方向及びＹ方向に移動可能である。このＸＹステージ４をＸ方向及びＹ方向に所定の速度で移動させることにより、ＸＹステージ４に載置された脆性材料基板５とパルスレーザ光との相対位置を自在に変更することができる。通常は、ＸＹステージ４を移動させて、脆性材料基板５の表面に形成されるスクライブ溝６の予定ラインに沿ってパルスレーザ光を移動させる。また、加工時のＸＹステージ４の移動速度は、図示しない制御部により制御され、これによりパルスレーザ光が所定のオーバーラップ率で脆性材料基板５に照射されることになる。
【００２６】
［アブレーション加工の例］
図２は、パルスレーザ光によるアブレーション加工の一例を示したものである。この図に示されるように、レーザ発振器１から出射されたパルスレーザ光は、レンズ機構３により脆性材料基板５の上面近傍にて集光される。パルスレーザ光が吸収される場合、図２（ａ）に示すように、脆性材料基板５の焦点位置近傍が加熱される。
【００２７】
脆性材料基板５の焦点位置近傍の温度が、脆性材料基板５の沸点を超えた場合、図２（ｂ）に示すように、沸点を超える部分については成分が蒸散する。一方、焦点位置から少し離れた部分では、脆性材料基板５の沸点には到達しないが融点を超える部分が存在する。この部分は、図２（ｃ）に示すように表面が溶融し、その後放熱により温度が低下すると、図２（ｄ）に示すように固着することにより溶融痕が形成される。
【００２８】
図３は、アブレーション加工により欠陥又はクラックが生じたスクライブ溝６を脆性材料基板５の表面から観察した様子を示したものである。スクライブ溝６に溶融痕が形成されない条件、すなわち熱影響を抑えた条件でパルスレーザ光を用いてアブレーション加工した場合、図３（ａ）に示すように、形成するスクライブ溝６に沿って欠陥３１が生じる。
【００２９】
また、溶融過多となった場合には、図３（ｂ）に示すように、スクライブ溝６からクラック３２が生じる。
【００３０】
［集光径の制御］
本発明では、パルスレーザ光の焦点位置を、従来のように基板上面近傍ではなく下方に移動させ、パルスレーザ光の基板上面でのビーム直径（集光径）が所定の値になるようにしている。図４は、本発明の一実施形態によるレーザ加工装置の焦点位置を示す模式図である。
【００３１】
図４に示すように、従来のレーザ加工装置では、焦点位置が脆性材料基板５の上面近傍になるようにパルスレーザ光４１を集光している。これに対して本実施形態では、焦点位置４３を従来装置に比較して下方に移動させて、脆性材料基板５の上面におけるパルスレーザ光４２のビーム直径Ｄが所定の値になるように調整される。なお、上記の方法に代えて、パルスレーザ光の焦点位置を、基板上面よりも上方に位置させて、脆性材料基板５の上面におけるパルスレーザ光４２のビーム直径Ｄが所定の値になるように調整してもよい。
【００３２】
［レーザ加工方法］
脆性材料基板５にスクライブ溝６を形成する場合は、まず、パルスレーザ光を集光して脆性材料基板５の表面に照射する（レーザ光照射工程）。そして、このパルスレーザ光をスクライブ予定ラインに沿って走査する（レーザ光走査工程）。これにより、スクライブ予定ラインに沿って、スクライブ溝６が形成される。
【００３３】
ここで、本発明の特徴は、脆性材料基板に対してパルスレーザ光を用いたアブレーション加工を行うと同時に、脆性材料基板に熱影響を与えて加工部を溶融させる点にある（以下、このような加工を「溶融アブレーション」と呼ぶ）。このような溶融アブレーションでは、従来のアブレーション加工と比較して、端面強度を維持することが可能である。
【００３４】
以下に、実験に基づいて得られた溶融アブレーションが可能な各条件を示す。
【００３５】
実験に使用したレーザ等の条件は、以下の通りである。なお、以下の実験におけるレーザ光のパルス幅は１７．５〜２２．０psの範囲である。パルス幅は、使用するレーザ発振器、繰返周波数及び出力に依存して決まるものである。すなわち、同一のレーザ発振器でも繰返周波数や出力を変更すると、パルス幅は変化する。パルス幅は、以下の実験では１７．５〜２２．０psの範囲であるが、前述のように、脆性材料基板５に熱影響を与えるために、１ps以上１０００ns以下、より好ましくは１ns以上１０００ns以下の範囲であることが好ましい。
【００３６】
レーザ：ＤＰＳＳＬ（半導体レーザ励起固体レーザ）、最大出力７Ｗ
波長：２６６nm
基板１：OA10（製品名：日本電気硝子社製）
厚み：０．３mm
線膨張係数：３８（10−７/K）
基板２：D263（製品名：SCHOTT社製）
厚み：０．３mm
線膨張係数：７３（10−７/K）
＜走査速度について＞
−実験1−
基板１について、基板上面の集光径を８．４７μmに調整し、1回の走査を行った結果、以下の条件で溶融アブレーションが可能であった。
【００３７】
(i)  繰返周波数６０kHzで走査速度２０mm/s〜８０mm/s
(ii)  繰返周波数９０kHzで走査速度２０mm/s〜１５０mm/s
−実験２−
基板１について、基板上面の集光径を２１．７２μmに調整し、1回の走査を行った結果、以下の条件で溶融アブレーションが可能であった。
【００３８】
(i)  繰返周波数６０kHzで走査速度２０mm/s〜８０mm/s
(ii)  繰返周波数９０kHzで走査速度２０mm/s〜７０mm/s
−実験３−
基板２について、基板上面の集光径を８．４７μmに調整し、1回の走査を行った結果、以下の条件で溶融アブレーションが可能であった。
【００３９】
(i)  繰返周波数６０kHzで走査速度８０mm/s〜１６０mm/s
(ii)  繰返周波数９０kHzで走査速度６０mm/s〜２６０mm/s
−実験４−
基板２について、基板上面の集光径を２１．７２μmに調整し、1回の走査を行った結果、以下の条件で溶融アブレーションが可能であった。
【００４０】
(i)  繰返周波数６０kHzでは、溶融アブレーションは非常に限られた範囲でしか得られなかった。
【００４１】
(ii)  繰返周波数９０kHzで走査速度５０mm/s〜８０mm/s
＜レーザ強度について＞
−実験５−
基板１について、繰返周波数６０kHz及び９０kHzにおいて溶融アブレーションが可能なレーザ強度は、１．５０×１０８〜８．８８×１０９(W/cm2)であった。
【００４２】
−実験６−
基板２について、繰返周波数６０kHz及び９０kHzにおいて溶融アブレーションが可能なレーザ強度は、１．５０×１０８〜８．８８×１０９(W/cm2)であった。
【００４３】
＜入熱量について＞
−実験７−
基板１について、繰返周波数６０kHzで集光径を８．４７μm及び２１．７２μｍで実験を行った結果、入熱量が１８４．１〜１７７０．３(J/cm2)の範囲で溶融アブレーションが可能であった。
【００４４】
−実験８−
基板１について、繰返周波数９０kHzで集光径を８．４７μm及び２１．７２μｍで実験を行った結果、入熱量が１１５．１〜１１８０．２(J/cm2)の範囲で溶融アブレーションが可能であった。
【００４５】
−実験９−
基板２について、繰返周波数６０kHzで集光径を８．４７μm及び２１．７２μｍで実験を行った結果、入熱量が４６０．４〜１１８０．２(J/cm2)の範囲で溶融アブレーションが可能であった。
【００４６】
−実験１０−
基板２について、繰返周波数９０kHzで集光径を８．４７μm及び２１．７２μｍで実験を行った結果、入熱量が５７．５〜３９３．４(J/cm2)の範囲で溶融アブレーションが可能であった。
【００４７】
［定義］
ここで、「レーザ強度」及び「入熱量」は、以下の式（１）及び（２）で定義されるものである。
【００４８】
（式１）
レーザ強度（W/cm2）＝パルスエネルギ（J）／（パルス幅(s)×ビーム面積(cm2)）
（式２）
入熱量(J/cm2)＝パルスエネルギ(J)
／（正方形内のパルス数×集光径に外接する正方形の面積(cm2)）
なお、「正方形内のパルス数」は、以下の（式３）で定義されるものである（図５参照）。
【００４９】
（式３）
正方形内のパルス数＝集光径(mm)／パルス間隔(mm)
＝集光径(mm)／（走査速度(mm/s)÷繰返周波数(Hz)）
［溶融アブレーションのまとめ］
以上の実験結果から、溶融アブレーションが可能な条件は、以下の通りとなる。
【００５０】
レーザ強度：１．０×１０８〜１．０×１０１０(W/cm2)−−基板１，２共通
入熱量  ：基板１−−１００（≒115.1）〜２０００（≒1770.3）(J/cm2)
基板２−−  ５０（≒57.5）〜１２００（≒1180.2）(J/cm2)
正方形内のバルス数：基板１−−５．０パルス以上
基板２−−２．０パルス以上
そして、線膨張係数の大きいガラスの方が低い入熱で溶融することがわかる。また、基板２の線膨張係数（７３(10-7/K)）は基板１の線膨張係数（３８(10-7/K)）の２倍程度であるため、溶融アブレーション可能な入熱量及びパルス数も基板１の１／２程度になっていることがわかる。
【００５１】
そこで、各基板の「入熱量(J/cm2)×線膨張係数(10-7/K)」の値を求めると、以下のようになる。
【００５２】
基板１：３８００〜７６０００
基板２：３６５０〜８７６００
以上から、溶融アブレーション可能な条件を一般化すると、以下のようになる。
【００５３】
（ａ）レーザ強度：１．０×１０８〜１．０×１０１０(W/cm2)
（ｂ）（入熱量(J/cm2)×線膨張係数(10-7/K)）：３０００以上１００００以下
（ｃ）正方形内のパルス数：２パルス以上（線膨張係数が大きい場合）
５パルス以上（線膨張係数が小さい場合）
ここで、溶融アブレーションによって得られたスクライブ溝の状態を図６に示している。この図に示すように、溶融アブレーションによる加工では、欠陥及びクラックが生じることなく、高い精度でスクライブ溝６を形成することができる。
【００５４】
また、図７は、溶融アブレーションにより端面が溶融された場合と、端面が溶融していない場合の端面強度を比較したグラフである。このグラフにおいて、データＰ０（■）は従来の端面が溶融していないアブレーションによってスクライブ溝を形成し、基板に荷重を作用させて端面が破損する確率を荷重毎にプロットしたものである。また、データＰ１（▲）は基板１を溶融アブレーションによってスクライブ溝を形成した場合、データＰ２（◆）は基板２を溶融アブレーションによってスクライブ溝を形成した場合の、それぞれデータＰ０と同様の破損率のデータである。
【００５５】
このグラフから明らかなように、従来のアブレーションによってスクライブ溝を形成した場合は、荷重が１００MPaに到達する前に破損している。一方、溶融アブレーションによりスクライブ溝を形成した場合は、荷重が２５０〜４２５MPaの間で破損しており、従来の加工方法に比較してはるかに端面強度が高いことがわかる。
【００５６】
以上のように、本実施形態の加工方法によれば、パルスレーザ光のレーザ強度、入熱量を調整して溶融アブレーションによりスクライブ溝を形成するので、基板の加工端面における欠陥やクラックを抑えて、端面強度を高く維持することができる。
【００５７】
［他の実施形態］
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形又は修正が可能である。
【００５８】
対象となる基板は、前記基板１及び２に限定されるものではなく、種々のガラス基板や他の脆性材料基板に対して本発明を適用可能である。
【符号の説明】
【００５９】
１  レーザ発振器
２  ミラー機構
３  レンズ機構
４  ＸＹステージ
５  脆性材料基板
６  スクライブ溝
【図１】
2010274328.tif 000003
【図４】
2010274328.tif 000004
【図５】
2010274328.tif 000005
【図７】
2010274328.tif 000006
【図２】
2010274328.tif 000007
【図３】
2010274328.tif 000008
【図６】
2010274328.tif 000009