(57)【要約】【課題】被加工物体を超短パルスにより効率的に加工する方法を提供する。【解決手段】基板などのレーザ光加工方法である。被加工物体に対して透明な波長となる、超短パルスレーザを集光し、被加工物体のウラ面に向けてオモテ面から照射し、集光されたレーザ光のビームウェスト位置を被加工物体ウラ面から離間して形成させる。これにより、被加工物体内のレーザ光伝播による自己集束作用で形成されるビームウェストから光進行方向に長い集光チャンネルが物体内に形成される。このチャンネル内の物質がレーザ光で分解されてその物質をウラ面から排出されることで上記チャンネルに空洞を形成することを特徴とする。空洞を形成しながらレーザ光を走査させると、加工面が形成されるので、その後弱い曲げ応力にて被加工物体を切断することができる。本方法は、２枚の基板が対向した配置された場合にも適用でき、液晶パネルのガラス基板分割に利用可能である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の面及び第２の面を有する被加工物体に対して透明となる波長を有する超短パルスレーザ光を集光手段を通して集光し、第１の面の側から、集光された前記レーザ光のビームウェスト位置が前記被加工物体の第１の面と第２の面の間に形成されるように前記レーザ光を照射し、前記被加工物体内部の超短パルス高ピークレーザ光伝播による自己集束作用により前記レーザ光の進行方向に集光チャンネルが形成されることにより、前記集光チャネル部に第２の面に達する空洞、もしくは第２の面近傍に達する空洞が形成されることを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２】
前記パルスレーザ光は、パルス幅１００ｐｓ以下である請求項１記載のレーザ加工方法。
【請求項３】
前記パルスレーザ光は、パルス幅５００ｆｓないし１０ｐｓである請求項２記載のレーザ加工方法。
【請求項４】
前記レーザ光進行方向の第２の面との交点近傍が周辺の表面よりも高く盛り上がっている機械強度の弱い盛り上がり構造が形成されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
【請求項５】
前記集光チャネルが第２の面まで形成されることにより、前記空洞が第２の面まで形成されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
【請求項６】
前記集光チャネルが第１の面から第２の面まで形成されることにより、前記空洞が第１の面から第２の面まで形成されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
【請求項７】
前記集光チャネルが第１の面から前記加工物体内部まで形成されることにより、前記空洞が第１の面から前記加工物体内部まで形成されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
【請求項８】
前記被加工物体がガラス、サファイア、もしくはダイヤモンドなどの誘電体材料、またはシリコンもしくは窒化ガリウムなどの半導体材料であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
【請求項９】
前記超短パルスレーザ光は、パルスエネルギー１ｍＪ以下の出力パルスである請求項１ないし８のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
【請求項１０】
前記超短パルスレーザ光は、パルスエネルギー１０μＪ以下の出力パルスである請求項１ないし８のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
【請求項１１】
前記被加工物体が平板状の物体であることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
【請求項１２】
前記被加工物体はシリコン基板とし、前記波長は１μｍないし２μｍとすることを特徴とする、請求項１ないし１１のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
【請求項１３】
前記被加工物体が同種または異種の材料の平板状物体が２枚以上重なった多層構造であることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
【請求項１４】
前記多層構造をなす被加工物体が密着しているかまたは間にエアーギャップ、有機材料もしくは透明電極層が存在することを特徴とする請求項１３に記載のレーザ加工方法。
【請求項１５】
前記被加工物体の第１の面側に前記レーザ波長に対して透明な他の物体を設置することで前記被加工物体に生成される自己集束作用による前記集光チャネルの長さを変更することを特徴とする請求項１ないし１４のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
【請求項１６】
前記被加工物体の第１の面側に前記レーザ波長に対して透明な他の物体を設置することで前記被加工物体に生成される自己集束作用による前記集光チャネルを第１面に到達させることを特徴とする請求項１ないし１５のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
【請求項１７】
前記集光手段で前記被加工物体内部に集光した前記超短パルスレーザ光を、切断する方向に沿って任意の速度で相対移動させることで、前記空洞の空間的な重なりを設けることを特徴とする請求項１ないし１６のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
【請求項１８】
前記集光手段で前記被加工物体内部に集光した前記超短パルスレーザ光を、切断する方向に沿って任意の速度で相対移動させることで、前記空洞を空間的に離して設けることを特徴とする請求項１ないし１７のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
【請求項１９】
前記被加工物体が、平面状をした物体であり、前記超短パルスレーザの集光レーザ光を前記被加工物体の第１面の法線方向から一定の角度で傾斜して入射させ、前記集光レーザ光に前記角度の傾斜をもたせつつ回転させて円形の走査を行い、加工面を傾斜して加工することを特徴とする請求項１７または１８に記載のレーザによる加工方法。
【請求項２０】
前記相対移動を複数回行い各相対移動の間に前記レーザ光のビームウェストの高さを変更する操作を有する、請求項１７ないし１９のいずれか１項記載のレーザ加工方法。
【請求項２１】
請求項１７ないし２０のいずれか１項に記載の方法による被加工物体のレーザ加工を行った後に、加工部分にそって少ない応力で前記被加工物体を切断することを特徴とする被加工物体の切断方法。
【請求項２２】
請求項２１の被加工物体の切断方法であって、前記被加工物体は、液晶表示パネルの基板であることを特徴とする液晶表示パネル基板切断方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載の被加工物体の切断方法であって、前記液晶表示パネルは第１の基板と第２の基板の積層構造を有し、第２の基板の第１の基板側の表面上に搭載された部品の上に前記レーザ波長に対して不透明な材料を塗布もしくは接着もしくは密着させて第１の基板の側から第１の基板内にビームウェストを形成するようにレーザを照射するステップを有し、前記照射の際、第１の基板を通過したレーザ光が前記部品に損傷を与えないようにすることを特徴とする液晶表示パネル基板切断方法。
【請求項２４】
請求項２２または２３の液晶表示パネル基板切断方法を含むことを特徴とする、液晶表示パネルの製造方法。
【請求項２５】
第１及び第２基板とそれらの間にスペーサを部分的に挟んで平行に配置された構造体に、第１及び第２基板に透明となる波長を有する、パルス幅１００ｐｓ以下の超短パルスレーザを集光手段を通して集光し、第１基板の外側からビームウェスト位置がいずれか一方の基板の表面または内部に形成するように照射して、該超短パルスレーザ伝播による自己集束作用により該超短パルスレーザ光の進行方向に集光チャネルが形成されることにより、該集光チャネル部に空洞が形成し、該超短パルスレーザ光を相対的に移動することでスクライブ線を形成するスクライブ線形成ステップ、及びその後該スクライブ線に沿って前記スクライブ線が形成された基板を切断する基板切断ステップを有し、該スクライブ線形成が下記Ａを有し、該基板切断ステップが下記Ｃを有する該構造体の分割方法。
Ａ：第１基板を透過し、第２基板に該ビームウェストがくるように該超短パルスレーザを集光して第２基板に第１のスクライブ線を形成し、さらにビームウェストを第１基板に位置するように集光し第１スクライブ線と同じ平面位置で該超短パルスレーザを相対的に移動することで第１基板に第２のスクライブ線を形成するステップ。
Ｃ：第１及び第２スクライブ線に沿って第２及び第１の基板を切断することにより、該構造体を分割するステップ。
【請求項２６】
前記スクライブ線形成ステップにさらに下記Ｂを有し、前記Ａ、該Ｂまたは該Ｂ、前記Ａの順序で実施し、前記基板切断ステップにさらに下記Ｄを有し、前記Ｃ、該Ｄの順序で実施する請求項２５記載の方法。
Ｂ：前記ビームウェストを第１基板に位置するように前記超短パルスレーザを集光して、第２スクライブ線と所定の距離離して平行に前記超短パルスレーザ光を相対的に移動することで第１基板に第３のスクライブ線を形成するステップ。
Ｄ：第３スクライブ線に沿って第１基板を切断することにより、第１基板の第２スクライブ線から第３スクライブ線の部分を除去するステップ。
【請求項２７】
前記構造体が第１基板の第２基板側と対向した面上に、金属薄膜を有する、請求項２６記載の方法。
【請求項２８】
第２基板に形成された第３スクライブ線が、前記金属薄膜を空間上横切る、請求項２７記載の方法。
【請求項２９】
前記スペーサが、封止材であって第１及び第２基板と該封止材とで囲む空間を構成する該封止材を有する、請求項２５または２６記載の方法。
【請求項３０】
前記スペーサが、封止材であって第１及び第２基板と該封止材とで囲む空間を構成する該封止材を有し、該空間に電子部品を形成され、前記金属薄膜が該空間の内側と外側にまたがって存在し、前記金属薄膜が該電子部品と電気的に接続された請求項２７または２８記載の方法。
【請求項３１】
第１基板及び第２基板がいずれもガラス基板である、請求項２５ないし３０何れか一項記載の方法。
【請求項３２】
前記構造体が液晶表示パネルまたはプラズマ表示パネルである、請求項２５ないし３１何れか一項記載の方法。
【請求項３３】
請求項３２に記載の方法を含む液晶表示パネルまたはプラズマ表示パネルの製造方法。
【請求項３４】
超短パルスレーザ発生装置と、
前記超短パルスレーザ発生装置から発生したパルスレーザ光を一定の角度で偏向させて回転する回転ミラーと、
偏向された前記パルスレーザ光の光路と光軸が一致するように前記回転ミラーと同期して回転し、回転によって焦点が円軌跡を描く集光レンズと、
前記集光レンズを前記光軸方向に沿って移動させる手段と
加工物体搭載手段
とを有する、レーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工対象物体、とくに基板のような平板状を有する物体をその物体に対して透明となる波長の超短パルスレーザを用いて効率的且つ高品質に加工する方法に関する。
本発明は、また、少なくとも２枚の基板を平行に配置し、その間にスペーサを挿入した構造を有する、多層基板を有する構造体のレーザ光を用いた分割方法に関する。液晶表示パネル、プラズマ表示パネルなどのガラス基板を用いた平板表示パネルを分割するのに好適である。
【背景技術】
【０００２】
電子工業においてＣＰＵやＤＲＡＭ、ＳＲＡＭなどの半導体デバイスの微細化は年々進展し、それにつれて内部の回路の高集積化が図られている。これらのデバイスの構造はシリコンウェハなどの半導体基板上に高集積な回路パターンで形成される。半導体ウェハから多数のチップを収穫するためにはチップの分割に要する面積を最小化する必要がある。このためにはスクライビング工程で加工除去物の飛散が少ないことが望まれる。液晶ディスプレイなどのガラス基板の切断工程では、正確に所定寸法で分割できることが望まれる。これらの分割工程では、加工部の周囲への熱損傷や機械的損傷の無い条件で除去加工することが必要であり、このためにナノ秒パルス以下の狭いパルスが使用されている。超短パルスレーザを用いた加工では、熱的加工変質層の発生が低減できることや、その波長にとって透明な材料であっても多光子吸収に代表される非線形な光吸収によって加工可能であることは周知技術である。
超短パルス発振のレーザ光を用いた透明体の加工方法は特許文献２により周知であり、さらに被加工物体を基板の裏面に集光してレーザ加工を施すことは特許文献３に記載されている。【０００３】
表面吸収の大きなＵＶレーザ光を照射すると照射表面からプラズマが発生し、そこでレーザ光が吸収されるので、レーザエネルギーの利用効率は低下するとともに、プラズマからの副次的は放射により周囲が照射され、周囲のデバイス特性に影響を与える場合もある。そこで半導体基板、薄膜トランジスタ用のガラス基板などを所定の大きさに分割するスクライビング工程として、切れ目を入れる面（加工面）と反対側の面から加工面に焦点を合わせてレーザ光を照射することで加工面に切れ目を加工する方法が特許文献３に記載されている。この方法ではレーザ光入射側と反対の面にレーザ光を集光させてレーザアブレーション加工行うため、加工溝の深さが十分得られない欠点がある。溝深さが十分深く得られないと、その溝に沿って分離するために、ブレーキングするために要する折り曲げの力が大きくなるばかりか、スクライブ線に沿って分割されないこともある。加工溝の深さが十分あれば、少ない応力でスクライブ線に沿って分割可能である。【０００４】
一方、液晶表示装置の製造においては、パネルを構成する大型ガラス基板を切断する工程がある。液晶表示装置のパネル面は少なくとも２枚のガラス板を平行配置し、その間に表示装置に必要なカラーフィルタや液晶、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）、制御電極などの配線が設けられている。これらのガラス板は製造工程では最終の表示装置の大きさより大きなガラスを用いて同時に多数枚の表示装置を製造することで同時に多数枚の表示パネルの製造を行い、効率化を図っている。従って、最終的に製品のパネルサイズに合わせて大きな多数枚のパネルが形成された大型ガラス基板から個別に切断する必要がある。従来のガラス板の切断方法はダイヤモンド刃、超硬刃等の刃等を利用してガラス表面を所望の切断すべき線に沿って切り込みを入れてスクライブ線を設け、その後応力を該スクライブ線に直角方向に加えて該スクライブ線に沿って破断して分離させる方法や、レーザ光線を所望の切断すべき線に沿って走査し、加熱し、熱応力をガラス基板に発生させて、その部分から破断分割する方法などがあり、この場合ガラス板に吸収率の大きなレーザ波長を用いて照射し、局部加熱させ、その後強制冷却し、照射位置から分割する。【０００５】
２枚のガラス板の間に表示要素を挿入してガラスの周囲をシール剤で封止してから個別の表示パネルに分割する場合は、２枚重ねのガラス板の両面から片側ずつスクライビングを行い、その後切断する方法が実施される。これにはダイヤモンド刃で切り込みを入れるため、片面にスクライビング加工を行った後に、２層ガラス板を表裏反転させて残りの片面にスクライビングを施してから２枚重ねのガラス板を一緒に分割する方法となる。近年の市場が表示パネルのサイズの大型化の傾向により、パネルに用いるガラスの大きさが益々大きくなる傾向にあり、そのため製造用大型ガラス板の搬送装置が複雑化し、反転機構が大がかりになり高価な設備となる。そのため、ガラス板は反転しないで、片側からスクライビングする方法は実用的に有効な製造方法となる。紫外線レーザを２枚重ねのガラスの片側から各ガラス表面に照射し、２枚重ね構造の両方のガラス板の表面にスクライビングを施す提案が特許文献４に開示されている。この方法はガラスがレーザ光に対して透明性を有し、上部ガラス側からレーザ光を照射するとした場合、上部ガラスを通過して下部ガラス表面に紫外線レーザ光が到達することが必要条件となる。従って下部ガラスの上面や上部ガラス板の内面の金属配線などに用いる金属膜があるとレーザ光が照射されることにより金属膜が破損し、又は金属膜に遮られて下部ガラスまでレーザビームを導くことが困難となる。このように２枚ガラスの間に介在物がある場合、片側面からのレーザビーム照射では上部のガラス板を通じて下部のガラス板をスクライビングすることが困難である。【０００６】
【特許文献１】米国再発行特許第３７５８５号明細書
【特許文献２】特開２００２−２０５１７９号公報
【特許文献３】特開２００４−３５１４６６号公報
【特許文献４】特開２００５-１３２６９４号公報
【特許文献５】特開平８−６４５５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
解決しようとする課題は、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を入射側と反対の面（ウラ面）において高精度加工を実施する際に、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る点である。
また、さらなる課題は多層基板を有する構造体の一つの基板面側のみからレーザ光を照射して該構造体が分割できる方法を提供することである。また、２枚の基板の間に金属薄膜を有する構造において、金属薄膜を露出させるような分割方法を提供することである。また、２枚の基板間に封止部を有し、封止部内側に電子部品を形成した場合、該電子部品から封止部外側に配線を導出することを可能とする構造体の分割方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
加工物体内部に自己集束作用を発生させ、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することによって上記課題を解決する。【０００９】
上記課題を解決するため、本発明はレーザ加工方法であって、第１の面及び第２の面を有する被加工物体に対して透明となる波長を有する超短パルスレーザ光を集光手段を通して集光し、第１の面の側から、集光された前記レーザ光のビームウェスト位置が前記被加工物体の第１の面と第２の面の間に形成されるように前記レーザ光を照射し、前記被加工物体内部の超短パルス高ピークレーザ光伝播による自己集束作用により前記レーザ光の進行方向に集光チャンネルが形成されることにより、前記集光チャネル部分に第２の面に達する空洞、もしくは第２の面近傍に達する空洞が形成されることを特徴とする。それによって、レーザ光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大きくすることができる。【００１０】
また、前記レーザ光進行方向の第２の面との交点近傍が周辺の表面よりも高く盛り上がっている機械強度の弱い盛り上がり構造が形成されることを特徴とする。また、前記集光チャネルが第２の面まで形成されることにより、前記空洞が第２の面まで形成されることを特徴とする。また、前記集光チャネルが第１の面から第２の面まで形成されることにより、前記空洞が第１の面から第２の面まで形成されることを特徴とする。また、前記集光チャネルが第１の面から前記加工物体内部まで形成されることにより、前記空洞が第１の面から前記加工物体内部まで形成されることを特徴とする。それぞれにより、レーザ光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大きくすることができる。【００１１】
また、前記被加工物体が同種または異種の材料の平板状物体が２枚以上重なった多層構造であることを特徴とする。それによって、２枚以上の物体を同時に加工可能である。
また、前記被加工物体の第１の面側に前記レーザ波長に対して透明な他の物体を設置することで前記被加工物体に生成される自己集束作用による前記集光チャネルの長さを変更することを特徴とする。それによって、レーザ光進行方向の加工距離を調整することができる。
また、前記被加工物体の第１の面側に前記レーザ波長に対して透明な他の物体を設置することで前記被加工物体に生成される自己集束作用による前記集光チャネルを第１面に到達させることを特徴とする。それによって、基板のオモテ面まで加工することができる。【００１２】
また、前記集光手段で前記被加工物体内部に集光した前記超短パルスレーザ光を、切断する方向に沿って任意の速度で相対移動させることで、前記空洞の空間的な重なりを設けることを特徴とする。また、前記集光手段で前記被加工物体内部に集光した前記超短パルスレーザ光を、切断する方向に沿って任意の速度で相対移動させることで、前記空洞を空間的に離して設けることを特徴とする。それぞれにより、被加工物体に切断線を作成することができ、かつレーザ光進行方向の加工距離が大きいので少ない曲げ応力で切断することができる。
また、前記被加工物体が、平面状をした物体であり、前記超短パルスレーザの集光レーザ光を前記被加工物体の第１面の法線方向から一定の角度で傾斜して入射させ、前記集光レーザ光に前記角度の傾斜をもたせつつ回転させて円形の走査を行い、加工面を傾斜して加工することを特徴とする。それによって、円形の切断線を作成することができる。
また、前記相対移動を複数回行い各相対移動の間に前記レーザ光のビームウェストの高さを変更する操作を有することを特徴とする。それによって、被加工物体に深部に渡って空洞形成がなされるため、部分切断から全切断までの加工を施すことが可能である。【００１３】
一方、本発明は被加工物体の切断方法であって、前記記載の被加工物体のレーザ加工を行った後に、加工部分にそって少ない応力で前記被加工物体を切断することを特徴とする。それによって、切断線に正しく沿って被加工物体を分割することができる。
また、液晶表示パネルの基板切断方法であって、液晶表示パネルは第１の基板と第２の基板の積層構造を有し、第２の基板の第１の基板側の表面上に搭載された部品の上に前記レーザ波長に対して不透明な材料を塗布もしくは接着もしくは密着させて第１の基板の側から第１の基板内にビームウェストを形成するようにレーザを照射するステップを有し、前記照射の際、第１の基板を通過したレーザ光が前記部品に損傷を与えないようにすることを特徴とする。【００１４】
また、本発明では、第１及び第２基板とそれらの間にスペーサを部分的に挟んで平行に配置された構造体の分割方法を提供する。方法は次の通りである。
第１及び第２基板に透明となる波長を有する、パルス幅１００ｐｓ以下の超短パルスレーザを集光手段を通して集光し、第１基板の外側からビームウェスト位置がいずれか一方の基板の表面または内部に形成するように照射して、該超短パルスレーザ伝播による自己集束作用により該超短パルスレーザ光の進行方向に集光チャネルが形成されることにより、該集光チャネル部に空洞が形成し、該超短パルスレーザ光を相対的に移動することでスクライブ線を形成するスクライブ線形成ステップ、及びその後、該スクライブ線に沿って前記スクライブ線が形成された基板を切断する基板切断ステップを有する。レーザビームを多層基板、とくに２層の基板、を有する構造体の一方の面のみから照射して加工ができるので設備の簡素化が図れる。
また、本発明はさらに、前記スクライブ線形成ステップにおいて、下記ステップＡを有し、該基板切断ステップにおいては下記ステップＣを有することを特徴とする。
また、本発明は前記スクライブ線形成ステップにおいて、下記Ａ及びＢのステップを有しＡ、ＢまたはＢ、Ａの順序で実施し、前記基板切断ステップにおいては下記Ｃ及びＤのステップを有し、Ｃ、Ｄの順序で実施することを特徴とする。これにより、第１基板を対峙させない第２基板の部分を形成できるので、制御回路を第２基板の内側の面上に、又はその面の上部に形成することが可能となり、液晶パネルなど表示パネルの薄型化が図れる。【００１５】
ステップＡ：第１基板を透過し、第２基板に該ビームウェストがくるように該超短パルスレーザを集光して第２基板に第１のスクライブ線を形成し、さらにビームウェストを第１基板に位置するように集光し第１スクライブ線と同じ平面位置で該超短パルスレーザを相対的に移動することで第１基板に第２のスクライブ線を形成する。
ステップＢ：前記ビームウェストを第１基板に位置するように前記超短パルスレーザを集光して、第２スクライブ線と所定の距離離して平行に前記超短パルスレーザ光を相対的に移動することで第１基板に第３のスクライブ線を形成する。
ステップＣ：第１及び第２スクライブ線に沿って第２及び第１の基板を切断することにより、該構造体を分割する。
ステップＤ：第３スクライブ線に沿って第１基板を切断することにより、第１基板の第２スクライブ線から第３スクライブ線の部分を除去する。【００１６】
さらに、前記構造体が第２基板の第１基板側と対向した面上に、金属薄膜を有し、さらに、前記スペーサが、封止材であって第１及び第２基板と該封止材とで囲む空間を構成する該封止材を有し、該空間に電子部品を形成され、前記金属薄膜が該空間の内側と外側にまたがって存在し、前記金属薄膜が該電子部品と電気的に接続されると、金属薄膜が封止体を横切り、この金属薄膜が封止体内部に形成された該電子部品と電気的に接続されているので、この金属薄膜は配線として用いることができ、該電子部品を封止部の外側で配線することが可能になる。【００１７】
さらに、本発明はレーザ加工装置であって、超短パルスレーザ発生装置と、前記超短パルスレーザ発生装置から発生したパルスレーザ光を一定の角度で偏向させて回転する回転ミラーと、偏向された前記パルスレーザ光の光路と光軸が一致するように前記回転ミラーと同期して回転し、回転によって焦点が円軌跡を描く集光レンズと、前記集光レンズを前記光軸方向に沿って移動させる手段と加工物体搭載手段とを有することを特徴とする。該構成により、被加工物体に円形に切断線を入れることができ、さらに切断線に沿って円形に切断することが可能となる。
【発明の効果】
【００１８】
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、集光チャネル部に第２の面に達する空洞、または第２の面近傍に達する空洞が形成されることから、レーザ光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大きくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態を説明する。図１は本発明による加工方法の実施形態を示す図である。超短パルスレーザ発生装置１から出力される超短パルス１５であるレーザ光（ビーム）２をコリメータ（図示されず）によって平行にし、集光レンズ３などの集光手段に入射し、集束レーザビーム５として被加工物体４のオモテ面４５から入射させる。超短パルスのレーザとはパルス幅１００ｐｓ以内のレーザとする。前記被加工物体４の例としては、ガラス、サファイア、もしくはダイヤモンドなどの誘電体材料、またはシリコンもしくは窒化ガリウムなどの半導体材料があげられる。また、被加工物体４は基板など平板状の物体が好適である。このため、以下、被加工物体４を基板と称することもある。レーザは、被加工物体に対して透明となる波長となるものを選ぶ。ここで透明とは、かならずしも１００％光を透過するという意味とは限らない。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。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。また、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（中心波長７８０ｎｍ）とするのが好ましい。
なお、オモテ面とは、レーザ光が入射する側の面であり、それとは反対側の面をウラ面と称する。集束レーザビーム５は被加工物体４の内部に集光点であるビームウェスト６を形成する。被加工物体４に収束レーザビーム５を照射し、そのビームウェスト６をオモテ面４５からウラ面４４までの被加工物体内部の適当な位置に合わせてビームを照射する。【００２０】
収束レーザビーム５のエネルギー、波長及びパルス幅並びに前記集光レンズ３の焦点距離や集光位置を調整し、被加工物体４の内部において超短パルスを高パワー密度に集光すると、ビームウェスト６から進行方向に向かってカー効果に基づく自己集束作用が発生し、ビームウェスト６程度の直径を有する細いビームの伝播チャンネル８が形成される。図１において、被加工物体４の厚さ７の内部でウラ面４４からオモテ面方向に、レーザビームウェスト６を形成するように照射条件を設定すると、入射する集束レーザビーム５はビームウェスト６からは、パワー密度が微弱でカー効果による自己集束作用が発生しない領域では、一旦ビームウェストで集光された後は発散性のビーム１０として伝播するが、カー効果が現れる十分高いパワー密度の集光点がビームウェストに形成されると、フィラメント状のチャンネル８が距離１３に渡って形成される、被加工物体内部のチャンネル８に沿って伝播し、レーザビームエネルギーを消費しながらウラ面４４に向かって進み、ウラ面４４においてもカー効果が維持できる程度のエネルギーが維持されていれば、チャンネル８にある被加工物体の一部は衝撃波により周囲に圧縮される結果、細い空洞が形成され、残りはウラ面から外部に排出され、または排出されない場合はウラ面４４に盛り上がりが形成され、細長い空洞がチャンネル８に沿ってビームウェスト６からウラ面４４までの距離１４に渡って形成される。ウラ面４４まで被加工物体に吸収されないで到達したビームは、もはや自己集束作用により閉じ込められることがないので発散性ビーム１１として放出される。【００２１】
被加工物体中での自己収束作用によるビームの集光効果が顕著になる条件として、文献J. H. Marburger, Prog. Quantum Electron., Vol. 4, p.35 (1975).によると自己収束の臨界閾値パワーPcrと呼ばれる数式１で示す指標がある。
【数１】
2008126742.tif 000003
数式１において、λはレーザ波長、ｎ0は物体の屈折率、ｎ2は物体の非線形屈折率とする。
数式１によると、例えば石英ガラスの自己収束の臨界閾値パワーは２．３ＭＷであり、被加工物体に入射されたレーザパルスのピーク出力（レーザパルスエネルギーをレーザパルス幅で除算した値）がこの値よりも大きくなると自己収束作用が顕著に起こる。【００２２】
超短パルスレーザのエネルギー、波長、パルス幅、及び集光レンズの焦点距離、集光位置の調整を図ることにより、自己収束作用の発生状況を変えることができる。これにより、ウラ面に達する空洞、もしくはウラ面近傍に達する空洞が形成される。ここで面近傍とは、その面から内部方向に基板などの被加工対象である物体の厚さの１／１０程度の距離まで含めるものとする。空洞形成状態はつぎのように設定可能である。
（１）空洞はウラ面まで達しないのでウラ面が周辺の表面よりも高く盛り上がっている機械強度の弱い盛り上がり構造が形成される。
（２）前記集光チャネルがウラ面まで形成されることにより、空洞がウラ面まで形成される。
（３）前記集光チャネルがオモテ面からウラ面まで形成されることにより、空洞がオモテ面からウラ面まで形成される。
（４）集光チャネルがオモテ面から加工物体内部までのみに形成されることにより、空洞がオモテ面から加工物体内部までのみ形成される。【００２３】
本発明によれば、被加工物体に対して透明な波長を有する超短パルスレーザ光を集光光学系により、基板内に十分小さなレーザ光断面積に集光させることで、集光点には高いパワー密度の集光点を実現し、それによって基板内に伝播するレーザ光は一旦集光されると、カー効果による自己集束作用を生じ、一方集光点にプラズマによるデフォーカス作用が発生し、この２作用のバランスによってレーザパルス光の伝播は、自己集束作用の自己トラップされたフィラメントを形成する。このトラップされる範囲は、通常のパワーレベルでの自己集束作用の現れない条件での焦点付近に形成されるビームウェストの焦点深度より、何倍も大きな距離の値まで自己集束作用によるレーザ光伝播チャンネルを形成できる。チャンネルの長さは、材料特性、レーザビームのパワー密度、エネルギーなどのパラメータで変化する。チャンネルのレーザ光伝播方向の端部がウラ面に到達し、その後にチャネル内部に蓄積されたエネルギーにより局所的な高温、高圧力状態が作り出され内部から外部に向かう力が働くため、上記自己集束作用の集光チャンネルの通過跡には空洞が形成されて残る。【００２４】
図２に示すように、超短パルスレーザ光２を被加工物体４内のレーザ光の集光点から進行方向１６に長く形成される自己集束作用による長い円筒型チャンネルによる空洞を走査線４８に沿って形成する。さらに、形成後走査線４８に直角方向に曲げ応力４９を印加してブレーキングを行う場合、穴径に比べて非常に深い穴が形成されるため、その溝に沿った線（スクライブ線）がブレーキングの起点として作用し、スクライブ線に沿って比較的弱い応力でも切断することができる。基板のウラ面には連続した浅い溝や構造的に弱い盛り上がり構造が形成されているので、ブレーキング方向は走査線４８、言い換えればスクライブ線に沿ってだけ確実に生じることになる。ウラ面近くで表面に穴が空く場合や、チャネル出口部が周囲の表面よりも高く盛り上がる機械強度が弱い構造となる場合があるが、いずれの場合でもレーザ光を基板の切断したい方向に走査することにより基板内部奥深くからウラ面に到る加工形状が、走査線４８、言い換えればスクライブ線に沿って形成される。加工溝の深さが十分得られるので、その後少ない曲げ応力４９で走査線４８に沿って基板を切断することができる。スクライブ線の形成は、レーザ光の移動でなく、被加工物体４の移動によっても可能である。何れかの移動を相対的走査と称する。また破断したい方向にレーザ光を走査する場合、走査速度を調整することにより、破断面を連続的にスクライブ線を設けることも、また間隔を空けて離散的にスクライブ線を設けることも可能であり、いずれの場合も少ない曲げ応力によってスクライブ線に沿って基板を切断することが可能である。【００２５】
図３には、被加工物体のある高さにレーザ光を集光しながら一度被加工物体を走査して加工した後にレーザ光集光点の集光位置を変更し、再度加工を行う方法を示す。まず、（ａ）に示すように、被加工物体４のウラ面４４から内部へ空洞形成距離５７（１３５μｍ程度）程度離れた個所にレーザ光のビームウェストを合わせ、自己収束作用によるチャネル８を形成し、走査方向４７に沿って直線的に一度走査する。これにより、空洞列を直線的に形成する。つぎに（ｂ）に示すように集光レンズ３を光軸方向に沿って移動し、空洞形成距離５８程度だけビームウェストが形成される高さをオモテ面側にずらしてチャネル８を形成して再度走査する。このとき、初回の走査による加工線３５の上を走査するので、空洞列が、初回の走査で形成された空洞列とほぼ連続的につながるように形成される。さらに、必要であれば、（ｃ）に示すように、ビームウェストの高さ移動と空洞列形成のための走査を行う。高さ移動と走査は必要な回数だけ繰り返すものとする。この操作の繰り返しにより被加工物体４の内部に合体した直線状の空洞の壁が形成される。最後に被加工物体４に曲げ応力を与えて空洞の壁に沿って切断する。初回の走査は、必ずしも空洞がウラ面に到達する必要はない。また、ビームウェストがオモテ面に到達するまで高さ移動及び走査を繰り返すことも可能である。このような方法により、被加工物体に深部に渡って空洞形成を繰り返すため、部分切断から全切断までの加工を施すことが可能である。【００２６】
加工対象物体である基板は、１枚とは限らない。同種または異種材料の２枚以上の基板を重ねた多層構造であってもすべての基板に対して加工が可能である。多層構造の場合、基板を密着しても、離してもよく、離した場合、空隙は空気とするほか、有機材料もしくは透明電極層であってもよい。基板２枚とした場合、図４のように、レーザ入射光側に置かれた上部基板８１と反対側に置かれた下部基板８２から構成され、空隙８３が入る場合もある。この方法であれば、複数の層からなるガラスであっても本発明の方法が適用可能である。【００２７】
図４のように基板２枚の場合、下部基板８２の方がレーザ伝搬方向により長い加工が行われる。これは自己収束作用が被加工物体中の伝搬距離に依存して増加するためである。また、自己収束作用による集光チャンネルが形成されるには、１０ないし２００μｍ程度の距離レーザが被加工物体内を伝播する必要がある。この距離が長いほど、同じエネルギーでも長い空洞が形成される。このことを利用すれば、基板のオモテ面側にそれと同種またはレーザ光に対する透明な異種材料からなる他の基板を載せることで実効的に自己収束作用を増強させ、空洞形成距離を長くすることが出来、より深い加工を行うことができる。とくに、被加工物体に集光チャネルをオモテ面からウラ面まで形成させて、空洞をオモテ面からウラ面までにわたって形成することもできる。被加工物体でない他の基板には空洞が形成されないことも形成されることもある。
【００２８】
この方法は、液晶表示パネルのガラス基板の切断に適用できる。液晶表示パネルのガラス基板は、空隙を挟んでレーザ入射光側に置かれた上部基板と反対側に置かれた下部基板から構成された構造をしている。
上部ガラス基板には上面側から、レーザビームウェストが該基板の表面または内部の適当な位置に来るよう超短パルスレーザを照射すると、上部ガラス基板に空洞が形成される。レーザ光を相対的に移動することにより、上部ガラス基板に切断面（スクライブ線）を形成する。【００２９】
下部ガラス基板も上部ガラス基板の上面側から超短パルスレーザを照射することで、切断面を形成できる。レーザビームウェストが該基板の表面または内部の適当な位置に来るよう照射する。超短パルスレーザは上部ガラス基板に損傷を与えることなく透過し、下部ガラス基板に空洞を形成することができる。超短パルスレーザを走査することにより、下部ガラス基板に切断面（スクライブ線）を形成する。【００３０】
図５（ａ）に液晶表示パネル断面図を示す。液晶表示パネル９０は、ガラス基板２枚からなる積層構造からなる。上部ガラス基板９１の内側表面には、透明電極、カラーフィルタ、薄膜トランジスタなどの部品９５が形成され、下部ガラス基板９２の内側表面には、電極などの部品９６が形成される。また、２枚のガラス基板の間には液晶９３が充填されている。液晶は、気密封止材９４の中に封印されている。切断工程には、上部ガラス基板と第２のガラス基板とを同じ切断線に沿って切り離す場合または少し離れた別の切断線で切り離す工程とがある。同じ切断線に沿って切り離す場合は、前述した、図４に示したような２枚以上の基板を重ねてすべての基板に対して加工する場合を適用すればよい。【００３１】
図５（ａ）は、さらに、離れた別の切断線で切り離す工程を示している。この工程では、上部ガラス基板の切断９７と下部ガラス基板の切断９８を行う。収束レーザビーム５を、上部ガラス基板９１のオモテ面から、レーザビームウェストが該基板の内部の適当な位置に来るよう照射すると、上部ガラス基板９１のウラ面付近に空洞６１が形成される。収束レーザビーム５を走査することにより、上部ガラス基板９１に切断面を形成する。この際、上部ガラス基板９１の加工に消費されなかったレーザビームが上部ガラス基板９１を通過し、下部ガラス基板９２上に形成された電極などの部品９６に照射されることから、電極などの部品９６にダメージを与え、最終的には液晶表示装置としての動作に悪影響を与える可能性がある。このような悪影響を防止するため、図５（ｂ）に示すよう、事前に電極などの部品９６のレーザビームが照射される位置上に保護用コーティング９９を、塗布、接着または密着などして形成しておく。保護用コーティング９９は、収束レーザビームの波長に対して不透明なものとする。ここで不透明とは、完全にレーザ光を透過しないという場合だけでなく、保護用コーティング９９下の電極などの部品９６にダメージを与えないという目的にかなえばわずかの光を透過することも含まれるものとする。【００３２】
上部ガラス基板９１への加工とは別途下部ガラス基板９２への加工を行う。これは、同様に、収束レーザビーム５を上部ガラス基板９１のオモテ面から照射するが、レーザビームウェストが下部ガラス基板９２内部の適当な位置に来るよう照射する。収束レーザビーム５は上部ガラス基板９１を通過し、下部ガラス基板９２のウラ面付近に空洞９１を形成する。収束レーザビーム５を走査することにより、下部ガラス基板９２に切断面を形成する。ガラス基板に応力を加えてガラス基板を切り離したあと、液晶表示パネルを他の部品との組み立て工程を経て、液晶表示装置が製造される。したがって、本方法は液晶表示パネル及び液晶表示装置の製造に用いることが可能である。【００３３】
複数基板となる場合の、別の実施形態を示す。この実施形態では、基板２枚からなる構造体の分割方法を示す。図６はこの実施形態を説明するための模式的な断面図である。
構造体７０は上部ガラス基板９１と下部ガラス基板９２とが平行に配置されて構成された構造を有する。液晶表示パネルとして用いる場合、構造体７０は２枚のガラス基板間にスペーサが部分的に挿入されている。２枚のガラス基板の間に空隙を設けるためにスペーサが必要である。例えば液晶表示パネルでは、球状のシリカまたはポリスチレンや円柱状のフォトレジスト材料などの物体が多数個配置される。本実施形態例では、２枚のガラス基板間に気密封止材９４が挿入されており、本来は該ガラス基板とこの気密封止材９４とで閉空間を構成するのが目的であるが、他に物体が挿入されていない場合は、スペーサとしての役割も果たす。気密封止材９４を挿入しない場合は、別途スペーサ９４が挿入されるものとする。下部ガラス基板９２の上面には金属薄膜配線８９がある範囲で設けられている。前記の気密封止材を有する場合、前述の閉空間の下部ガラス基板９２上には、電子部品（図示されず）が配置され、また、金属薄膜配線８９は、該電子部品に電気的に接続されており、気密封止材９４を跨って、配置されることが好ましい。構造体が液晶表示パネルなら該閉空間には表示装置要素が形成される。【００３４】
ここで下部ガラス基板９２上の金属薄膜配線８９を外部から接近可能にするために、構造体７０を分離する。まず、上部ガラス基板９１の上面側から超短パルスレーザビーム２を集光レンズ３により集光し、レーザビームウェストが下部ガラス板９２の上面（レーザ光入射側の面）上または内部の適当な位置に来るように照射する（図ではレーザビームウェストが上面上にあるがこれに限らない、以下同様）。ただし、下部ガラス板のうち金属薄膜配線８９がない位置とする。レーザビーム２は上部ガラス基板９１を通過し、下部ガラス基板９２内に自己収束作用による空洞６４を形成する。レーザビーム２を相対的に移動することにより、連続的または離散的に空洞を形成し、下部ガラス基板９２に第１のスクライブ線８８を形成する。【００３５】
次いで、集光レンズ３を上方に移動し、レーザビームウェストを上部ガラス板９１上面（レーザ光入射側の面）上または内部の適当な位置に来るように照射する。上部ガラス板９１内に自己収束作用による空洞６３を形成する。レーザビーム５０を相対的に移動することにより、連続的または離散的に空洞を形成し、第２のスクライブ線８７を上部ガラス基板９１に形成する。第２のスクライブ線８７は、第１のスクライブ線８８の真上に形成される。次いで、または第１と第２のスクライブ線８８及び８７形成に先立って、第２のスクライブ線８７と同様な方法にて、第３のスクライブ線８６を上部ガラス板９１に作成する。この過程では空洞６２が形成される。第３のスクライブ線８６は、上部及び下部のガラス基板９１及び９２間の気密封止材またはスペーサ９４に接近した位置に設けるのが好ましく、通常下部ガラス基板９２上面の金属薄膜配線８９を跨るように形成される。また第３のスクライブ線８６は、第２のスクライブ線８７と距離７７（ΔＹ）離して平行に形成する。【００３６】
気密封止材を有し、気密封止材と２枚の基板で構成される閉空間の内部に電子部品が配置された場合、第３のスクライブ線は、該閉空間の外部で、該気密封止材９４に接近した位置に設けるのが好ましい。【００３７】
この際、上部ガラス基板９１における第３のスクライブライン作成８６に消費されなかったレーザビーム２が上部ガラス基板９１を通過し、金属薄膜配線８９に照射されることからこれらにダメージを与える可能性がある。しかしながら、上部ガラス基板９１を透過したレーザビーム２の強度は通常、これらにダメージを与えるほど十分に強くはない。またダメージを防止するため、事前に金属薄膜配線８９のレーザビームが照射される位置上に保護用コーティングを、塗布、接着または密着などして形成しておくことも可能である。保護用コーティングは、後述のように第３のスクライブラインに沿って切断されて外部から接近可能になった後、取り除く。なお、保護用コーティングは、レーザビームの波長に対して不透明なものとし、不透明とは、完全にレーザ光を透過しないという場合だけでなく、該部品にダメージを与えないという目的にかなえばわずかの光を透過することも含まれる。【００３８】
このように第１から第３までのスクライブ線を形成後、構造体７０に第１スクライブ線８８とその真上の第２スクライブ線８７に沿って折り曲げる応力をかけると、下部及び上部ガラス基板ともそれぞれ第１と第２のスクライブ線が設けられた部分が破断することで第１及び第２のスクライブ線に沿って構造体７０が分割される。次いで、上部ガラス基板９１に第３のスクライブ線に沿って折り曲げる応力をかけると上部ガラス基板９１のうち第２と第３のスクライブ線の距離ΔＹ部分が分離される。以上の手順にて、構造体７０を切断する。【００３９】
図７にこのようにして切断した２層構造体を示す。第２及び第３のスクライブ線間隔１１に相当するΔＹだけ下部ガラス基板９２が広がり、上部に上部ガラス基板９１を有さない段差構造を有する。下部ガラス基板９２が広がった部分には外部から接近することが可能となる。したがって、新たに制御回路などの電子部品や金属薄膜配線を形成することが可能となる。また、下部ガラス基板上に気密封止部内部から外側に導出された金属薄膜配線を有する場合は、外部に導出された部分の配線の接続が可能になる。【００４０】
図７において、下部ガラス基板９２及び上部ガラス基板９１のそれぞれの断面６６，及び６５はそれぞれ第１のスクライブ線８８と第３のスクライブ線８６を起点として分割された断面である。ガラス板の側面６８，６７は第１と第２のスクライブ線８８及び８７形成方法と同様に上部から超短レーザパルスを集光して下部及び上部のガラス基板にそれぞれスクライブ線を形成後、分割して形成できる。【００４１】
本実施形態により、レーザビームをガラス構造体の片面側からだけ照射して加工ができるので設備の簡素化が図れる。また、上部基板を上部に有さない下部基板の部分を形成できるので、外部から接近することが可能となり、制御回路などの電子部品または金属薄膜配線を下部基板上面から、又はその基板の上に設けることが可能となる。このため、表示パネルの薄型化が図れる。また、気密封止部内部から外側に導出された金属薄膜配線部分の他への接続が可能になる。【００４２】
図８は本実施形態を液晶パネルの製造に適用する場合の例を示した図である。液晶パネルが多数形成された上下２枚の大型のガラス基板９１及び９２を有する大型構造体７０から液晶パネル製造後に個別パネル８０に分割する工程に本実施形態を実施する。該ガラス基板９１及び９２及びこれらの間に挿入された気密封止材９４で囲まれた空間には液晶表示パネルに必要なカラーフィルタ、液晶９３、駆動トランジスタ、配線、スペーサ等（液晶以外は図示されず）が内蔵されている。（ａ）は上面図及び断面図であり、Ｙ方向に沿って切断した断面図を拡大したものが（ｂ）である。Ｚ方向は紙面に垂直な方向とする。【００４３】
Ｘ方向に沿ったスクライブ線７４−１〜７４−ｍはつぎのように形成する。下部ガラス基板９２への第１のスクライブ線８８の形成は、その上面に下部ガラス板に金属薄膜配線８９が無い部分に行う。また、上部ガラス基板９１において第２のスクライブ線８７を第１のスクライブ線８８の上に形成する。また、上部ガラス基板には第３のスクライブ線を、好ましくは気密封止材９４に接近した位置に設ける。第３のスクライブ線８６は、第２のスクライブ線８７と距離７７（ΔＹ）離して平行にする。第３のスクライブ線８６は、通常、金属薄膜配線８９を跨るように形成される。【００４４】
Ｙ方向に沿ったスクライブ線７３−１〜７３−ｎは単にスクライブ線を１本ずつパネル幅７６の間隔で設ければよい。前記第１と第２のスクライブ線を形成する方法と同様にして設けられる。【００４５】
スクライブ線形成後、この上部と下部のガラス基板に形成されたスクライブ線に沿って分割する、このようにしてＸ、Ｙ方向に分割できるから液晶表示パネル８０が大型２層構造体７０から多数枚製造することができる。その場合特に、液晶表示パネル８０の少なくとも１つの側面には下部ガラス基板９２の上に気密封止材９４の内部から外部に向けて金属薄膜配線８９がとりだされて、容易に外部から接近できるので各種電気的接続が可能な構造が実現できる。【００４６】
本実施形態による多数枚取りの大型２層構造体から複数の表示パネルを個別に分割する場合、レーザビームを片側からだけ照射することで２枚のガラス基板にスクライブ線を加工して設けることが可能なので、大型ガラスの反転搬送手段は不要である。さらに、表示パネルの内部構造から外部への電気配線等の金属膜などをレーザビームで損傷することなく、一方の基板上に外部から容易に接近が可能な、上下の２枚のガラス板にΔＹの幅で段差構造を形成できる。下部ガラス基板の表面のスクライブ線に近くの上部ガラス板に対向する表面に設けられた金属薄膜や電子部品に上部ガラス基板の端が第２と第３スクライブ線間の部分として除去されるので、外部からの接近が容易になる。また、下部ガラス基板上に封止部を超えて表示パネル内部から導出された金属薄膜配線が可能になる。したがって配線を封止部外部から行うことが可能となる。【００４７】
本方法は、液晶表示パネルのみでなくプラズマ表示パネルなどの他の平板表示パネルの切断にも適用することができる。また、本方法は、これらの平板表示パネルの製造工程に用いることができる。【００４８】
構造体を構成する基板がガラスになっているが、発明が対象とする材料はこれに限定されるものではない。また、基板が２層となっているが、３層以上の基板を有する場合にも、適用されることは明らかである。【００４９】
図９は、ベベル（傾斜面）加工方法の実施形態を示す。超短パルスレーザ発生装置１からの超短パルスレーザビーム２を回転ミラー５１を用いて回転軸５５の周りに一定角度θだけ偏向させながら回転５２させる。回転するレーザビーム５３及び５４の光路と光軸が一致しながら回転ミラー５１と一体的に回転する集光レンズ３を用いると、集光レンズ３の焦点は円軌跡を描く。ステージなどの加工物体搭載手段（図示せず）に基板状の被加工物体４を配置しておく。該円軌跡と加工物体搭載手段の搭載面とを平行にしておくなどによって基板状の被加工物体４をそのオモテ面に対する法線が回転軸５５と平行になるよう配置すると、レーザ光照射位置を被加工物体４の上で回転走査させ円形軌跡の照射を行うことが可能となる。この場合、被加工物体４には回転軸５５から角度θ傾けて傾斜加工を行うことになる。まず、被加工物体４のウラ面５６から内部へ空洞形成距離５７（１３５μｍ程度）程度離れた個所にビームウェストを合わせ、円形に走査することにより、法線から角度θずれた方向にフィラメント上の空洞列を円状に形成する。さらに集光レンズ３を光軸方向に沿って回転ミラー５１の方向に移動させることにより、順次空洞形成距離５８、５９程度移動して移動のたびに空洞列を形成して走査を繰り返し、被加工物体４のオモテ面からウラ面にわたる円形の空洞の壁を形成する。その後、曲げて分離することによって、周囲が傾斜面の加工をされ、円形に切り出される。このように、本発明は被加工物体の表面近傍だけでなく、内部に渡っても、空洞形成を繰り返すことにより可能となり、部分切断から全切断までの加工を施すことが可能である。【００５０】
以上のレーザ加工において、パルスエネルギーは１ｍＪ以下が好ましく、さらには１０μＪ以下とすることが好ましい。１０μＪ以下の場合、きれいで滑らかな切断面を得られ、クラックの発生が少なく破壊強度が高い。クラックなどが存在するとガラスなど被加工物体の強度が弱くなるため不都合を来す場合がある。パルスエネルギーが大きい場合には、オモテ面付近を加工しようとすると、パルス先端部がオモテ面付近に作り出す自由電子プラズマによってパルス中心部ないし後端部が反射や散乱、吸収されてしまうため、ガラス内部に空洞を形成することが困難な場合がある。パルスエネルギーが小さい場合、オモテ面付近で発生する自由電子プラズマの密度が低くなり、パルスの伝搬を大きく阻害することがなくなるので、ガラス内部に空洞チャネルを容易に形成することが可能である。【００５１】
また、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、またパルス幅は５００ｆｓないし１０ｐｓとすることが好ましく、さらには２ｐｓ程度にした場合に最も好ましい。破断面を連続的に形成した後にガラス基板を割断する際に必要となる応力が低くなり、割断面の品質が良いためである。
また、ガラス基板を被加工物体とする場合、パルス幅１５０フェムト秒、出力エネルギー１μＪ以上で好適であった。【００５２】
以上示したように、本発明は、超短パルスの集光ビームの焦点深度の小さなビームウェストを用い、被加工物体の内部に形成される自己集束作用を用いて、加工の実質的な焦点深度の増大を用いることができる新たな加工方法を提供する。この方法は、従来の加工方法には見られない、レーザビームと加工物との相互作用によって初めて実現できる精密加工方法である。
【実施例１】
【００５３】
レーザ媒体はチタンサファイア結晶（中心波長７８０ｎｍ）とし、パルス幅１５０フェムト秒、出力エネルギー１μJ以上とした。また、加工対象はガラス基板であるＣｏｒｎｉｎｇ  Ｅａｇｌｅ  ２０００であり、厚さ７００μｍとした。各実施例にこれと相違する記述がない場合には、これらはすべての実施例で共通である。【００５４】
本実施例は、図１に示した構成で、被加工物体にレーザ照射したときの集光位置をオモテ面から内部に移動した場合に被加工物体に生じる変化を観察し、本加工方法の原理を実証する実験例である。
被加工物体内に生じる変化を観察した断面図の顕微鏡写真を図１０及び図１１に示す。図１０は被加工物体である基板のオモテ面４５、図１１はウラ面４４近傍を示す。図１の構成に対してレンズの入射ビーム直径は６ｍｍ、集光レンズ３の焦点距離ｆは約３．１ｍｍの収差補正された非球面レンズを使用した。レーザビームの横モードをガウス分布のビームとすると集光点におけるビーム直径は約１μｍであり、ビームウェストにおけるエネルギーの９０％を含む範囲の焦点深度は１μｍ以下であると算出される。このように焦点深度の小さな値を有する超短パルスレーザビームを被加工物体４に照射する場合、オモテ面４５にビームウェストの位置が置かれるように集束してビームを照射する場合は、図１０にオモテ面４５から内部に深さ２３で示される浅い部分２１が除去加工され、更に内部にビームウェストを移動すると表面除去量は減少し、さらに内部にビームウェストの位置を移動すると被加工物体４の内部に光学的な歪みの生じる範囲２４，２５などがビームウェストの置かれる深さ方向の位置に応じてその周辺部分に発生した。内部にビームウェストを置くと、表面の除去加工は減少し、その代わり内部の光学的な歪が現れて、範囲２４，２５が現れた。【００５５】
図１１はさらに基板内部にビームウェストを移動させた場合の断面観察写真である。オモテ面４５には変化のない条件ではビームウェスト部分に光学的変化を起こした部位３１、３２が生じていることが観察された。さらに被加工物体のウラ面４４に接近するにしたがって内部からウラ面にわたり数１００μｍの範囲で光学的変化を起こした部位３３が観察された。さらにビームウェストがウラ面４４から約１３５μｍ近くになると、フィラメント状に内部からウラ面に渡り直線的に空洞３４が形成された。さらにレーザビームウェストをウラ面４４に合わせると、ウラ面の近傍だけが除去加工された。このような加工結果から、レーザビームの焦点深度３７が前記のように１μｍ程度であるにもかかわらず、ビームウェストの直径であるフィラメント状の空洞３４がビームの進行方向に向かって空洞形成距離（１３５μｍ程度）で形成され、自己集束作用が発現しない場合は、ビームの焦点深度（１μｍ程度）の範囲でのみ加工が行われるのに比べ、本方法では２桁程度長い範囲にわたりフィラメント状の空洞加工が行われた。
【実施例２】
【００５６】
本実施例は、ウラ面付近に空洞チャネルを形成しながらレーザ光を走査し、空洞チャネルによる切断面を形成した場合である。
自己集束作用によるフィラメント状空洞が形成される場合、図１２内の図に示すよう、ウラ面に漏斗形の部分４３があわせて形成される場合がある。該漏斗形の部分４３を互いに隣接部の重なりを持たせて、フィラメント状空洞はチャンネル８と同一箇所に個別に形成して、被加工物体のウラ面４４に沿って、超短レーザパルスを相対的に走査することにより、走査方向に沿って所定の加工深さの包絡線４６に並べられた多数のフィラメント状空洞を形成した。図１２にはこのようにして形成したフィラメント状空洞による切断面の顕微鏡写真を合わせて示す。この例では３ｍｍ／ｓの走査速度でレーザパルスの走査後、走査線に沿って折り曲げて分割することにより断面を観察した。この図には、被加工物体の厚さ４１の加工において、ウラ面４４から深さ４２に渡る範囲の包絡線４６に渡りフィラメント状の空洞チャンネルの多数を形成し、そこを起点として分割した被加工物体の加工断面が示される。図１３は空洞６１の断面を撮影した走査型顕微鏡写真であり、また図１４はウラ面近傍を特に拡大した走査型顕微鏡写真である。空洞６１が形成されている箇所の表面が周囲より盛り上がった機械強度の弱い盛り上がり構造７１を示している。
【実施例３】
【００５７】
図３に示すような構成で、ビームウェストの高さを変えて、複数回の走査を行い、ウラ面付近に加工を行った。走査回数４回、パルスエネルギー１０μＪ、パルス幅２ｐｓとした場合の断面を図１５に示す。パルスエネルギーを小さくし、パルス幅を最適化することにより、品質の高い加工領域３６がウラ面付近に形成された。
【実施例４】
【００５８】
この実施例でも図３に示すような構成で、ビームウェストの高さを変えて、複数回の走査を行い加工を行った。この実施例では、ガラス基板のオモテ面付近に加工領域を設定するようにビームウェストを形成した。図１６には走査回数１０回パルスエネルギー１μＪ、パルス幅２ｐｓとした場合の断面を示す。パルスエネルギー及びパルス幅を最適化することにより、オモテ面へわたる良好な加工領域３６が得られた。
【実施例５】
【００５９】
本実施例は、被加工物体をガラス基板２枚の積層構成にした場合である。図４に示す構成とし、レーザの集光位置をガラス製の上部基板８１のオモテ面からウラ面にわたって変化させて加工した。図１７に２枚のガラス基板の加工後の顕微鏡写真示す。上部ガラス８１だけでなくそのウラ面側に置かれた下部ガラス８２にも加工が行われている。上部ガラス８１には、最大１５０μｍにわたり、下部ガラス８２には最大２５０μｍにわたって加工が行われた。前述のように下部におかれた基板の方がレーザ伝搬方向により長い加工が行われた。【００６０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】この発明に関するカー効果による自己集束作用を用いた被加工物体の加工方法を説明する構成図である。
【図２】レーザを走査させ、基板加工を行う構成図である。
【図３】被加工物体を走査して加工した後にレーザ光集光点の集光位置を変更して、再度加工を行う方法を示す図である。
【図４】２枚の基板からなる多層構造に加工をする構成図である。
【図５】液晶パネル構造及び２枚のガラス基板を別位置で切断する場合の説明図である。
【図６】基板２枚からなる構造体の分割方法の説明するための模式的な断面図である。
【図７】基板２枚からなるガラス構造体の概観形状の１例を示す。
【図８】大型ガラス構造体から個別の液晶表示パネルに分割する場合の説明図である。
【図９】本発明の加工方法を傾斜面加工に適用した実施形態を示す図である。
【図１０】第１の実施例の結果を示す図であり、被加工物体オモテ面付近の顕微鏡写真である。
【図１１】第１の実施例の結果を示す図であり、被加工物体ウラ面付近の顕微鏡写真である。
【図１２】第２の実施例の結果を示す図であり、空洞チャネルによる切断面の説明図とその顕微鏡写真である。
【図１３】第２の実施例の結果を示す図であり、空洞６１の断面を撮影した走査型顕微鏡写真である。
【図１４】図１３において、基板ウラ面近傍を特に拡大した走査型顕微鏡写真である。
【図１５】第３の実施例の結果を示す図であり、切断面の顕微鏡写真である。
【図１６】第４の実施例の結果を示す図であり、切断面の顕微鏡写真である。
【図１７】第５の実施例の結果を示す図であり、２枚の基板の加工後を示す顕微鏡写真である。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明の活用例として、半導体デバイス、液晶などの表示デバイスに用いられる被加工物体の加工において、シリコンウェハ、薄膜トランジスタや表示デバイスの基板分割、高耐圧パワー半導体基板加工、その他、多層構造電子素子の層内部の除去加工を表面から進行させる場合における微細、且つ熱影響の少ない加工に対して有効である。高集積回路製造において、加工幅の微小化、加工除去物の減少などにより製品歩留まり向上により電子部品の製造コストの低減が可能になる。更に、石英、サファイアなどの半導体デバイスの基板の穴加工等にも有効性が得られる。微細な穴を多数設けるフィルタの加工にも有効である。さらに、本発明は、液晶表示パネル、プラズマ表示パネルなどの多層ガラス構造を用いる電子装置の製造に利用可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2008126742.tif 000016
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年10月9日(2008.10.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の面及び第２の面を有する被加工物体に対して透明となる波長を有する超短パルスレーザ光を集光手段を通して集光し、第１の面の側から、集光された前記レーザ光のビームウェスト位置が前記被加工物体の第１の面と第２の面の間に形成されるように前記レーザ光を照射し、前記被加工物体内部の超短パルス高ピークレーザ光伝播による自己集束作用により前記レーザ光の進行方向に集光チャンネルが形成されることにより、前記集光チャネル部に空洞を含むレーザ加工領域が形成されることを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２】
前記パルスレーザ光は、パルス幅１００ｐｓ以下である請求項１記載のレーザ加工方法。
【請求項３】
前記パルスレーザ光は、パルス幅５００ｆｓないし１０ｐｓである請求項２記載のレーザ加工方法。
【請求項４】
前記レーザ光進行方向の第２の面との交点近傍が周辺の表面よりも高く盛り上がっている機械強度の弱い盛り上がり構造が形成されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
【請求項５】
前記集光チャネルが第２の面まで形成されることにより、前記空洞が第２の面まで形成されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
【請求項６】
前記集光チャネルが第１の面から第２の面まで形成されることにより、前記空洞が第１の面から第２の面まで形成されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
【請求項７】
前記集光チャネルが第１の面から前記加工物体内部まで形成されることにより、前記空洞が第１の面から前記加工物体内部まで形成されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
【請求項８】
前記被加工物体がガラス、サファイア、もしくはダイヤモンドなどの誘電体材料、またはシリコンもしくは窒化ガリウムなどの半導体材料であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
【請求項９】
前記超短パルスレーザ光は、パルスエネルギー１ｍＪ以下の出力パルスである請求項１ないし８のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
【請求項１０】
前記超短パルスレーザ光は、パルスエネルギー１０μＪ以下の出力パルスである請求項１ないし８のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
【請求項１１】
前記被加工物体が平板状の物体であることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
【請求項１２】
前記被加工物体はシリコン基板とし、前記波長は１μｍないし２μｍとすることを特徴とする、請求項１ないし１１のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
【請求項１３】
前記被加工物体が同種または異種の材料の平板状物体が２枚以上重なった多層構造であることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
【請求項１４】
前記多層構造をなす被加工物体が密着しているかまたは間にエアーギャップ、有機材料もしくは透明電極層が存在することを特徴とする請求項１３に記載のレーザ加工方法。
【請求項１５】
前記被加工物体の第１の面側に前記レーザ波長に対して透明な他の物体を設置することで前記被加工物体に生成される自己集束作用による前記集光チャネルの長さを変更することを特徴とする請求項１ないし１４のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
【請求項１６】
前記被加工物体の第１の面側に前記レーザ波長に対して透明な他の物体を設置することで前記被加工物体に生成される自己集束作用による前記集光チャネルを第１面に到達させることを特徴とする請求項１ないし１５のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
【請求項１７】
前記集光手段で前記被加工物体内部に集光した前記超短パルスレーザ光を、切断する方向に沿って任意の速度で相対移動させることで、前記空洞の空間的な重なりを設けることを特徴とする請求項１ないし１６のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
【請求項１８】
前記集光手段で前記被加工物体内部に集光した前記超短パルスレーザ光を、切断する方向に沿って任意の速度で相対移動させることで、前記空洞を空間的に離して設けることを特徴とする請求項１ないし１７のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
【請求項１９】
前記被加工物体が、平面状をした物体であり、前記超短パルスレーザの集光レーザ光を前記被加工物体の第１面の法線方向から一定の角度で傾斜して入射させ、前記集光レーザ光に前記角度の傾斜をもたせつつ回転させて円形の走査を行い、加工面を傾斜して加工することを特徴とする請求項１７または１８に記載のレーザによる加工方法。
【請求項２０】
前記相対移動を複数回行い各相対移動の間に前記レーザ光のビームウェストの高さを変更する操作を有する、請求項１７ないし１９のいずれか１項記載のレーザ加工方法。
【請求項２１】
請求項１７ないし２０のいずれか１項に記載の方法による被加工物体のレーザ加工を行った後に、加工部分にそって少ない応力で前記被加工物体を切断することを特徴とする被加工物体の切断方法。
【請求項２２】
請求項２１の被加工物体の切断方法であって、前記被加工物体は、液晶表示パネルの基板であることを特徴とする液晶表示パネル基板切断方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載の被加工物体の切断方法であって、前記液晶表示パネルは第１の基板と第２の基板の積層構造を有し、第２の基板の第１の基板側の表面上に搭載された部品の上に前記レーザ波長に対して不透明な材料を塗布もしくは接着もしくは密着させて第１の基板の側から第１の基板内にビームウェストを形成するようにレーザを照射するステップを有し、前記照射の際、第１の基板を通過したレーザ光が前記部品に損傷を与えないようにすることを特徴とする液晶表示パネル基板切断方法。
【請求項２４】
請求項２２または２３の液晶表示パネル基板切断方法を含むことを特徴とする、液晶表示パネルの製造方法。
【請求項２５】
第１及び第２基板とそれらの間にスペーサを部分的に挟んで平行に配置された構造体に、第１及び第２基板に透明となる波長を有する、パルス幅１００ｐｓ以下の超短パルスレーザを集光手段を通して集光し、第１基板の外側からビームウェスト位置がいずれか一方の基板の表面または内部に形成するように照射して、該超短パルスレーザ伝播による自己集束作用により該超短パルスレーザ光の進行方向に集光チャネルが形成されることにより、該集光チャネル部に空洞が形成し、該超短パルスレーザ光を相対的に移動することでスクライブ線を形成するスクライブ線形成ステップ、及びその後該スクライブ線に沿って前記スクライブ線が形成された基板を切断する基板切断ステップを有し、該スクライブ線形成が下記Ａを有し、該基板切断ステップが下記Ｃを有する該構造体の分割方法。
Ａ：第１基板を透過し、第２基板に該ビームウェストがくるように該超短パルスレーザを集光して第２基板に第１のスクライブ線を形成し、さらにビームウェストを第１基板に位置するように集光し第１スクライブ線と同じ平面位置で該超短パルスレーザを相対的に移動することで第１基板に第２のスクライブ線を形成するステップ。
Ｃ：第１及び第２スクライブ線に沿って第２及び第１の基板を切断することにより、該構造体を分割するステップ。
【請求項２６】
前記スクライブ線形成ステップにさらに下記Ｂを有し、前記Ａ、該Ｂまたは該Ｂ、前記Ａの順序で実施し、前記基板切断ステップにさらに下記Ｄを有し、前記Ｃ、該Ｄの順序で実施する請求項２５記載の方法。
Ｂ：前記ビームウェストを第１基板に位置するように前記超短パルスレーザを集光して、第２スクライブ線と所定の距離離して平行に前記超短パルスレーザ光を相対的に移動することで第１基板に第３のスクライブ線を形成するステップ。
Ｄ：第３スクライブ線に沿って第１基板を切断することにより、第１基板の第２スクライブ線から第３スクライブ線の部分を除去するステップ。
【請求項２７】
前記構造体が第１基板の第２基板側と対向した面上に、金属薄膜を有する、請求項２６記載の方法。
【請求項２８】
第２基板に形成された第３スクライブ線が、前記金属薄膜を空間上横切る、請求項２７記載の方法。
【請求項２９】
前記スペーサが、封止材であって第１及び第２基板と該封止材とで囲む空間を構成する該封止材を有する、請求項２５または２６記載の方法。
【請求項３０】
前記スペーサが、封止材であって第１及び第２基板と該封止材とで囲む空間を構成する該封止材を有し、該空間に電子部品を形成され、前記金属薄膜が該空間の内側と外側にまたがって存在し、前記金属薄膜が該電子部品と電気的に接続された請求項２７または２８記載の方法。
【請求項３１】
第１基板及び第２基板がいずれもガラス基板である、請求項２５ないし３０何れか一項記載の方法。
【請求項３２】
前記構造体が液晶表示パネルまたはプラズマ表示パネルである、請求項２５ないし３１何れか一項記載の方法。
【請求項３３】
請求項３２に記載の方法を含む液晶表示パネルまたはプラズマ表示パネルの製造方法。
【請求項３４】
超短パルスレーザ発生装置と、
前記超短パルスレーザ発生装置から発生したパルスレーザ光を一定の角度で偏向させて回転する回転ミラーと、
偏向された前記パルスレーザ光の光路と光軸が一致するように前記回転ミラーと同期して回転し、回転によって焦点が円軌跡を描く集光レンズと、
前記集光レンズを前記光軸方向に沿って移動させる手段と
加工物体搭載手段
とを有する、レーザ加工装置。
【国際調査報告】
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