(57)【要約】【課題】  板厚が１ｍｍ〜１０ｍｍ程度を有するガラス基板に、レーザを用いて高速かつ残留応力を抑えた穴あけ加工（穴径１ｍｍ〜１０ｍｍ程度）を提供する。【解決手段】  先ず、ＣＯ２レーザにてガラス基板へ高速に穴あけ加工を行い、次に該穴に対してＵＶレーザを用いて除去幅を１００μｍ以上とした穴内壁の仕上げ加工を行う。これにより、ドリルを用いることなく、ガラス基板に残留応力や穴内壁のバリ等の少ない穴を加工することができる。【選択図】  図４
2011143434.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス基板へのレーザによる穴あけ方法において，粗穴あけ用のＣＯ２レーザにてガラス基板へ高速に穴あけ加工を行い，該穴に対してＵＶレーザにて穴内壁仕上げを行うことを特徴とするレーザ穴あけ方法。
【請求項２】
前記穴内壁仕上げにおいて、前記ＵＶレーザによる除去幅を１００μｍ以上とすることを特徴とする請求項１記載のレーザ穴あけ方法。
【請求項３】
前記穴内壁仕上げにおいて、穴の入口部と出口部のみを加工することを特徴とする請求項１記載のレーザ穴あけ方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラス基板にレーザで穴あけする場合に好適なレーザ穴あけ方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
プラズマディスプレイ（ＰＤＰ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）、エレクトロルミネセンスディスプレイ（ＥＬＤ）等のフラットパネルディスプレイは、薄型映像表示デバイスとして非常に注目されている。
そのフラットパネルディスプレイにおいて、自発光ディスプレイデバイスであるプラズマディスプレイ（以下、ＰＤＰと呼ぶ。）には、ガラス板厚が１．８ｍｍ〜２．８ｍｍで、耐熱性を有し、熱変形および熱収縮を抑えた高い歪点を持つ青板ガラス（ソーダライムガラス）が使用されている。
一般にＰＤＰのパネル部は、２枚の対向する上記青板ガラス基板にそれぞれ規則的に配列した一対の電極を設け、その間に隔壁にて放電セルを形成し、隔壁間に放電ガスを封入させ、これらの電極間に電圧を印加し隔壁にて挟まれた微小な放電セル内で放電を発生させることにより、蛍光体を塗布した各放電セルを発光させて画像表示を行うようにしている。
【０００３】
ＰＤＰパネルの製作工程において、放電ガスを封入方法は、表示面側とは反対のガラス基板の隅の一箇所に予めあけられた直径２ｍｍ程の貫通穴に排気管を取り付け、そこから排気を行うことにより、パネル内部を真空にし、その後、Ｘｅ、Ｎｅを主体とする放電ガスの封入・封止を行っている。
【０００４】
このような２〜３ｍｍ厚程度のガラス基板への直径２ｍｍ程度の貫通穴は、一般的に、ダイヤモンド砥粒を有するドリルによるメカニカル加工により形成する（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。しかし、ドリルの磨耗が激しく、磨耗によるドリル交換および交換後の調整が頻繁に行われておりランニングコストがネックとなっている。例えば、特許文献１に開示されているように、ガラス基板厚さ２．８ｍｍ、穴径４ｍｍ加工の場合、ドリル１本であけられる加工穴数は１５０穴弱となっている。
【０００５】
ガラス基板への穴あけ加工はダイヤモンド砥粒を有するドリルによるメカニカル加工が主流ではあるが、レーザによる加工も技術的には可能である。レーザによる加工のメリットとしては、（１）ドリルの磨耗による頻繁的な刃交換・交換後の加工調整が無い、（２）レーザ発振器の交換寿命は機種によっても異なるが１０，０００時間程度は有する為、年間を通してのダウンタイムが少ない、等が考えられる。  
【０００６】
一般的な透明な青板ガラス基板へのレーザによる穴あけ加工の場合、レーザ光のガラス基板への吸収率の関係から、ＹＡＧやＹＶＯ４の１０６４ｎｍや第２高調波の５３２ｎｍ（グリーンレーザ）域のレーザ光はガラス基板への吸収率が低い為、これら波長域のレーザ光を利用するには短パルスレーザや特殊な条件下によるレーザ光吸収を考慮する必要があり、通常は１０，６００ｎｍ程度の長波長を持つＣＯ２レーザや３５５ｎｍ付近の短波長のＵＶレーザでの穴あけ加工が一般的と考えられている（例えば、特許文献３、特許文献４参照）。
【０００７】
先ず、このようなガラス基板へレーザを用いて穴あけ加工を行うレーザ加工装置の例を図１０に示す。図１０はレーザ加工装置の平面図である。この加工装置の場合、レーザ発振器３０２から照射されたレーザ光３０６が反射ミラー３０３で光路を変え、ガルバノスキャナ３０４、集光レンズ（ｆθレンズ）３０５を通してガラス基板１へ照射し目的寸法の貫通穴を形成できる構造となっている。図示はしていないが、実際の装置にはレーザ光３０６が照射されるガラス基板１の周辺位置には穴あけ加工時に発生する削りクズを集める為の集塵機等が備わっている。
【０００８】
レーザ加工装置によるガラス基板への穴あけ加工としては、ガラス基板１をレーザ加工装置本体のステージ３０１に供給・搭載する。ステージ３０１はＸＹ軸移動テーブルとなっている。ステージ３０１へのガラス基板１の供給方法は、本装置が工場生産ラインのなかで上流装置と搬送ローダで接続されている場合は搬送ローダ部よりガラス基板が供給される。搬送ローダで接続されていない場合は搬送ロボット等で供給すればよい。また実験室等でのスタンドアローン設置の場合は、基板の大きさにもよるが手動ハンドリングで供給すればよい。
【０００９】
ステージ３０１に供給・搭載されたガラス基板１はガラス基板保持部（図示せず）によってチャックされ、ステージのＸＹ軸を駆動させることによってガラス基板１の位置をステージの移動を介して変えることができる。
【００１０】
レーザ発振器を制御しレーザ光３０６を照射し、反射ミラー３０３で光路を変え、ガルバノスキャナ３０４、集光レンズ（ｆθレンズ）３０５を通過したレーザ光３０６をガラス基板１へ照射することによって貫通穴を形成する。レーザ光３０６による加工によって、レーザ光３０６が照射された位置のガラスが飛ばされることにより発塵するが、これは集塵機（図示せず）によって集められる。
【００１１】
なお本例で示したレーザ加工装置の場合、ガルバノスキャナ３０４を搭載している為、ガルバノスキャナ３０４、集光レンズ（ｆθレンズ）３０５の制御範囲内（約５０ｍｍ□程度）ならステージを移動させること無く任意の位置へ穴あけ加工することができる。
【００１２】
この動作を図１１のフローチャートにより説明する。ガラス基板１を搬送してステージ３０１に供給・搭載される。供給されたガラス基板１はガラス基板保持部（図示せず）によってチャックされ（ステップ４０１）、ステージのＸＹ軸方向への移動を介して変えることができる。
【００１３】
加工がオペレータの指示等で開始されると、ガルバノスキャナ３０４、集光レンズ（ｆθレンズ）３０５（以下、まとめて「加工ヘッド」という）部からのレーザ光３０６照射ポイントへガラス基板1の穴あけ加工位置が合うようにステージ３０１の移動制御を行い、ガラス基板１を所定の位置に移動させる（ステップ４０２）。ガラス基板１が予定の位置に移動・固定後（ステップ４０３）、レーザ光３０６の照射を開始し、目的の大きさの貫通穴の加工を行う（ステップ４０４）。穴あけ加工終了後（ステップ４０５）、ガラス基板チャックを解除し、ステージからガラス基板１を搬出・加工完了となる（ステップ４０６）。
【００１４】
加工に用いるレーザは上記のようにＣＯ２レーザやＵＶレーザが用いられるが、ＣＯ２レーザはガラス穴加工のスピードが速いものの穴内壁の品質がＵＶレーザによる加工と比べて劣り、また穴周辺の残留応力もＵＶレーザに比べ大きくなるという問題を持つ。特に、穴出入口部に応力集中が生じクラックが発生しやすくなる。
【００１５】
一方、ＵＶレーザはガラス穴加工内壁の品質が極めて良く、穴周辺の残留応力も殆ど生じないが、加工時間はＣＯ２レーザに比べ極めて長いという問題を持つ。
【００１６】
このようなレーザ加工の問題を解決する方法として、穴内壁品質は劣るが加工速度が速いＣＯ２レーザで粗穴あけ加工を高速で行い、粗穴あけ加工直後に穴内壁仕上げとして加工品質が良く穴内壁の劣化した部分を除去できるＵＶレーザで仕上げ加工を行うという方法が特許文献５に開示されている。しかしながら、この方法はプリント基板に対して開発されたものであり、このような方法がガラス基板に適用された例は無く、残留応力の緩和効果まで有するのかどうかが疑問であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００１−１７２０３５号公報
【００１８】
【特許文献２】特開２００６−３０５６７２号公報
【００１９】
【特許文献３】特開平６−７９４８６号公報（段落０００８、段落００１１）
【００２０】
【特許文献４】特開２００３−１８３０５４号公報（段落００２１、段落００４４）
【００２１】
【特許文献５】特開平２−１８２３９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
本発明では、板厚が１ｍｍ〜１０ｍｍ程度を有するガラス基板に、レーザを用いて高速かつ残留応力を抑えた穴あけ加工（穴径１ｍｍ〜１０ｍｍ程度）を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記課題を解決する為には、先ず、ＣＯ２レーザにてガラス基板へ高速に穴あけ加工を行い、次に該穴に対してＵＶレーザを用いて除去幅を１００μｍ以上とした穴内壁の仕上げ加工を行うことにより、穴内壁のバリをとることができ、さらに穴周辺の残留応力も緩和できることを見出した。
【発明の効果】
【００２４】
本発明のレーザ穴あけ方法は、ドリルを用いることなく、ガラス基板に残留応力や穴内壁のバリ等の少ない穴を加工することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明によるレーザ穴あけ方法に好適なレーザ加工装置の概略図であり、ＣＯ２レーザで加工する場合を示す。
【図２】本発明によるレーザ穴あけ方法に好適なレーザ加工装置の概略図であり、ＵＶレーザで加工する場合を示す。
【図３】本発明によるレーザ穴あけ方法のフローチャートである。
【図４】本発明によるレーザ穴あけ方法と従来方法による穴形状を示した図面代用写真である。（実施例１）
【図５】本発明によるレーザ穴あけ方法と従来方法による残留応力の測定結果を示した図面代用写真である。（実施例１）
【図６】本発明によるレーザ穴あけ方法による穴形状を模式的に示した説明図である。（実施例１）
【図７】本発明による他のレーザ穴あけ方法による穴断面形状を模式的に示した説明図である。（実施例２）
【図８】本発明による他のレーザ穴あけ方法によるＵＶ仕上げ加工を模式的に示した説明図である。（実施例２）
【図９】図８のＤ部拡大図である。（実施例２）
【図１０】従来のレーザ穴あけ方法に用いるレーザ加工装置を示した説明図である。
【図１１】従来のレーザ穴あけ方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１及び図２は、本発明に係るレーザによるガラス基板への穴あけ方法に好適なレーザ加工装置を示す。図１、図２はともに正面図であり、図１は本発明における加工プロセスの手順１、図２は加工プロセスの手順２である。
【００２７】
本レーザ加工装置は、粗穴あけ用のレーザ発振器１０２および穴内壁仕上げ用のレーザ発振器１１２を同一装置内に備え、ＸＹ軸方向に移動制御可能でガラス基板１を搭載可能なステージ１０１およびガラス基板１の真上には、粗穴あけ用レーザ１０２および穴内壁仕上げレーザ１１２それぞれに対応したガルバノスキャナ１０４、１１４集光レンズ（ｆθレンズ）１０５、１１５から構成される加工ヘッドを設置し、加工ヘッドへレーザ光を進入させる反射ミラー１０３、１１３、加工ヘッド周辺にはガラス基板１の穴あけ加工の際に発生するガラス削りクズを集める集塵機（図示せず）を有している。
【００２８】
この動作を図３のフローチャートにより説明する。ガラス基板１を搬送してステージ１０１に供給・搭載される。供給されたガラス基板１はガラス基板保持部（図示せず）によってチャックされ（ステップ２０１）、ステージのＸＹ軸方向への移動を介して変えることができる。
【００２９】
加工がオペレータの指示等で開始されると、ガルバノスキャナ１０４、集光レンズ（ｆθレンズ）１０５から構成される加工ヘッドからのレーザ光１０６照射ポイントへガラス基板１の穴あけ加工位置が合うようにステージ１０１の移動制御を行い、ガラス基板１を所定の位置に移動させる（ステップ２０２）。ガラス基板１が予定の位置に移動・固定後（ステップ２０３）、レーザ光１０６の照射を開始し、目的とする大きさよりも小さい貫通穴の加工を行う（ステップ２０４）。なお、この時の穴加工は加工速度重視の粗穴形成加工である。
【００３０】
粗加工終了後（ステップ２０５）、穴内壁仕上げ加工のため、違う種類のレーザ発振器を搭載・加工ヘッドを設置したレーザ照射ポイントへ、ガラス基板１の穴あけ加工位置が合うようにステージ１０１の移動制御を行い、ガラス基板１を所定の位置に移動させる（ステップ２０６）。ガラス基板１が予定の位置に移動・固定後（ステップ２０７）、レーザ光１１６の照射を開始し、目的の穴寸法となるよう穴内壁の仕上げ加工を行う（ステップ２０８）。
【００３１】
仕上げ加工終了後（ステップ２０９）、ガラス基板チャックを解除し、ステージからガラス基板1を搬出・加工完了となる（ステップ２１０）。
【００３２】
なお本例で示したレーザ加工装置の場合、ガルバノスキャナ１０４及び集光レンズ（ｆθレンズ）１０５、又はガルバノスキャナ１１４及び集光レンズ（ｆθレンズ）１１５のそれぞれの制御範囲内（約５０ｍｍ□程度）に関してはステージを移動させること無く任意の位置へ穴あけ加工することができる。
【実施例１】
【００３３】
本発明に係るガラス基板へのレーザによる穴あけ加工の例を図４に挙げて説明する。図４(ａ)、（ｃ）は従来の加工方法によるガラス基板への貫通穴形成例、図４（ｂ）は本発明によるガラス基板へのレーザによる貫通穴形成例である。ガラス基板は厚さ約２ｍｍ程度の一般的な青板ガラスで、貫通穴径は約３ｍｍ程度である。
【００３４】
図４（ａ）はＣＯ２レーザによる加工例である。この時の加工条件を下記に示す。
加工モード              ：トレパニング加工
波長                    ：９４００ｎｍ
パルス繰り返し周波数    ：６００Ｈｚ
パルス幅                ：１００μｓ
平均出力                ：２２Ｗ
ビーム形状              ：ガウシアンビーム
ビーム径                ：１８０μｍ
ビームピッチ（円周方向）：９０μｍ
ビームシフト（半径方向）：６６μｍ
加工穴径（穴出口）      ：３．０ｍｍφ
ここで、ビームピッチ、ビームシフトは図９を参照のこと。
【００３５】
ＣＯ２レーザによる加工では、穴内壁にバリが存在し粗い状態であったが、この時の加工時間は約８５秒であった。
【００３６】
図４（ｃ）はＵＶレーザによる加工例である。この時の加工条件を下記に示す。
加工モード              ：トレパニング加工
波長                    ：３５５ｎｍ
パルス繰り返し周波数    ：３０ｋＨｚ
パルス幅                ：２５ｎｓ
平均出力                ：４Ｗ
ビーム形状              ：ガウシアンビーム
ビーム径                ：２５μｍ
ビームピッチ（円周方向）：４μｍ
ビームシフト（半径方向）：１０μｍ
加工穴径（穴出口）      ：３．０ｍｍφ
【００３７】
ＵＶレーザによる加工では、図４（ａ）と比べ穴内壁にバリは無く綺麗な面状態であるが、加工時間が約７５０秒と、図４（ａ）と比べ約９倍の加工時間を要した。
【００３８】
図４（ｂ）は図４（ａ）、図４（ｃ）で使用したレーザにて、図３に示した本発明による加工プロセスにて実施した加工例である。ＣＯ２レーザ（波長：９４００ｎｍ）による粗穴加工の条件は加工穴径のみ次ステップのＵＶ仕上げ加工による除去幅を考慮して、２．４ｍｍφ（穴出口径）とし、ＵＶ仕上げ加工後３．０ｍｍφ（穴出口径）になるようにした。それ以外の条件は図４（ａ）の条件と同じである。
【００３９】
ＵＶレーザ（波長：３５５ｎｍ）による仕上げ加工においては、除去幅（Ｗ）を３００μｍとし、それ以外の条件は図４（ｃ）の条件と同じにした。ここで、残留応力を緩和するにはＵＶレーザによる除去幅（Ｗ）を１００μｍ以上にすれば良いことがわかっているが、本実施例においてはより確実に応力緩和させ、かつ加工時間を短縮するという観点から除去幅（Ｗ）を３００μｍとした。また、ビーム径は２５〜３０μｍ、ビームピッチは３〜５μｍ、ビームシフトは１０〜１５μｍであれば良い。
【００４０】
上記の穴あけ加工により、穴内壁にはバリがなく、加工時間も約１２０秒と、図４（ｃ）のように全てＵＶレーザで穴を形成するのと比べ、約１／６に短縮された。
【００４１】
図５は図４（ａ）〜（ｃ）の加工穴周辺に残留している応力状態を光弾性法にて可視化・残留応力を計測した例である。図５（ａ）のＣＯ２レーザによる加工の場合の加工穴周辺の残留応力が約０．３７ＭＰａであったのに対して、図５（ｂ）の粗穴加工を上記ＣＯ２レーザで行い、穴内壁仕上げ加工をＵＶレーザで行った場合の残留応力は約０．１９ＭＰａであり、図５（ｃ）に示したＵＶレーザだけでの加工穴の場合と同じレベルであった。
【００４２】
図６は、図４（ａ）と図４（ｂ）穴加工後を模式的に示した平面図および断面図である。レーザによるガラス基板１への穴あけ加工のメカニズムは、（１）レーザの照射にて、照射部のガラスが溶融し、（２）溶融部が蒸発する、という一連の流れによる。図６（ａ）に示すＣＯ２レーザでの穴加工の場合、加工パルスが１００μｓと長い為、レーザ照射部のガラスの溶融時間が長くなり、穴内壁ガラスの熱影響部が大きい。その結果、穴あけ加工速度は速いが溶融固化部がＵＶレーザの場合に比べ大きく、結果として穴内壁に粗が生じてしまい、またそこに応力集中が起こる為、穴あけ完了後の残留応力も大きくなってしまう。
【００４３】
一方、図６（ｂ）に示すＣＯ２レーザでの穴加工後に、ＵＶレーザにての穴内壁を仕上げた場合、ＣＯ２レーザでの穴加工後の穴内壁は、上記理由により穴内壁に粗が生じており、またそこに応力集中が起きている状態であるが、ＵＶレーザでの加工では、加工パルスが２５ｎｓとＣＯ２レーザに比べ非常に短い。その為、レーザ照射部のガラスの溶融時間は短く、穴内壁の熱影響部は小さくて済む。その結果、穴あけ加工速度は遅くなるが、溶融固化部がＣＯ２レーザの場合に比べて非常に小さくなる。すなわち、ＣＯ２レーザ加工後のＵＶレーザでの加工にて、ＣＯ２レーザ加工で生じた穴内壁の粗部を除去することにより、ＵＶレーザのみで貫通穴をあけるより高速加工ができ、また穴内壁粗部除去により応力集中部もなくなるので、穴あけ完了後の残留応力も小さくすることができる。
【実施例２】
【００４４】
図７は他の実施例による穴加工後を模式的に示した断面図である。まず、ＣＯ２レーザ（波長：９４００ｎｍ）で図４（ａ）と同じ条件で粗穴加工を行い、穴内壁仕上げ加工をＵＶレーザ（波長：３５５ｎｍ）で穴入口部（範囲Ａ）と出口部（範囲Ｃ）のみ行った場合を示す。ＵＶレーザによる除去幅は、入口部（Ｗ１）で１２０μｍ、出口部（Ｗ３）で８０μｍとし、他の条件は図４（ｃ）と同じにした。
【００４５】
図８はＵＶ仕上げ加工の除去幅の平面図における関係を示し、図９はそのＤ部拡大図を示す。図８からわかるように、ＣＯ２レーザでの穴加工径（穴出口）は次ステップのＵＶ仕上げ加工による除去幅を考慮して、ＵＶ仕上げ加工後３．０ｍｍφになるようにした。また、図９に穴入口部（除去幅Ｗ１）と穴出口部（除去幅Ｗ３）のトレパニング加工の状況を２周分ずつ示したが、実際は除去幅とビームピッチから計算されるように、穴入口部（除去幅Ｗ１）は１０周、穴出口部（除去幅Ｗ３）は７周である。ここで、穴入口部の除去幅（Ｗ１）は１００μｍ以上、穴出口部の除去幅（Ｗ３）は６０μｍ以上で応力緩和の効果があることがわかっている。また、図４（ｂ）の場合と同様にビーム径は２５〜３０μｍ、ビームピッチは３〜５μｍ、ビームシフトは１０〜１５μｍであれば良い。
【００４６】
穴内壁中央部（図７の範囲Ｂ）は隣接するガラス溶融固化部では互いに応力を打ち消しあう形（応力安定分布）となりクラックの発生はないが、穴入口・出口の表面近く（図７の範囲Ａ、範囲Ｃ）の溶融固化部では、残留応力を打ち消しあう効果がえられない（応力不安定分布）ため、穴出入口のクラック発生の主因となっている。
【００４７】
そこで、前述の残留応力によるクラック発生の主因である、穴入口・出口部の内壁（図７の範囲Ａ，範囲Ｃ）の粗部（溶融固化部）を、パルス幅２５ｎｓ（ＣＯ２レーザの１／１０００以下）のＵＶレーザで加工して除去すると、溶融時間が短いため、溶融固化部が小さく残留応力が低減され、穴側壁全面を加工しないでも、クラックの発生がないことを確認した。しかも、穴内壁全面を加工する場合と比べ、ＵＶ仕上げ加工の加工時間を約５０％短縮できることがわかった。
【００４８】
尚、本実施例をパルス繰り返し周波数１００ｋＨｚ、パルス幅３５ｎｓ、平均出力１６ＷのＵＶ（３５５ｎｍ）レーザで仕上げ加工することも試みたが、同じ効果が得られ、かつＵＶ仕上げ加工時間がさらに短縮化されることを確認した。
【符号の説明】
【００４９】
１  ガラス基板
１０１  ガラス基板ステージ（ＸＹ軸移動テーブル）
１０２  レーザ発振器（粗穴あけ用）
１０３  反射ミラー
１０４  ガルバノスキャナ
１０５  集光レンズ（ｆθレンズ）
１０６  レーザ光
１１２  レーザ発振器（穴内壁仕上げ用）
１１３  反射ミラー
１１４  ガルバノスキャナ
１１５  集光レンズ（ｆθレンズ）
１１６  レーザ光
３０１  ガラス基板ステージ（ＸＹ軸移動テーブル）
３０２  レーザ発振器
３０３  反射ミラー
３０４  ガルバノスキャナ
３０５  集光レンズ（ｆθレンズ）
３０６  レーザ光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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４】
2011143434.tif 000012
【図５】
2011143434.tif 000013