(57)【要約】【課題】レーザ加工システムを用いて強化ガラス基板をレーザ加工する方法を提供する。【解決手段】まずレーザ加工する内部特徴部に近接する第１の面２０４に第１のスクライブをレーザ加工することにより強化ガラスシート又はパネルに内部特徴部をレーザ加工する。そして、第１の面２０４から強化ガラスパネルを透過させてレーザビーム２０２の焦点２１２を合わせることによってレーザビームのビームウェスト２１４を反対側の第２の面２０６に近接して位置させることにより内部特徴部をレーザ加工する。内部特徴部を囲む切溝から材料を除去しつつ、第２の面２０６から第１の面２０４にビームウェスト２１４の位置を変更することにより、内部特徴部をレーザ加工する。レーザビームウェスト２１４が最終的に材料の第１の面２０４に近接した位置にきたときに、レーザ加工により形成された内部形状を周りのガラスから簡単かつ綺麗に除去することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザの焦点を強化ガラスシートの第１の面に近接した第１の位置に導き、
前記焦点を前記第１の位置にしつつ、閉じた経路に沿って前記レーザを使って前記強化ガラスシートから材料を除去して、前記強化ガラスシートの前記第１の面に前記閉じた経路に沿って延びる溝を形成し、
前記溝を形成した後に、前記レーザの前記焦点を前記強化ガラスシートの前記第１の面とは反対側の第２の面に近接した第２の位置に導き、
前記焦点を前記第２の位置にしつつ、前記レーザを使って前記第２の面で前記強化ガラス基板から材料層を除去して、新しい被覆されない面を形成し、
前記レーザを使って前記新しい被覆されない面から前記第１の面まで、前の層を除去することにより生じたそれぞれの新しい被覆されない面に近接した位置に前記焦点を再び位置決めすることによって、前記強化ガラスシートから少なくとも１つの付加的な材料層を除去する
ことによって切溝を形成し、
前記切溝は、前記閉じた経路に沿って前記溝と接触することによって前記強化ガラスシートの前記第１の面に交わる、
方法。
【請求項２】
前記第１の面と、前記第２の面と、前記第１の面に隣接する前記強化ガラスシートの部分と、前記第２の面に隣接する前記強化ガラスシートの部分とには圧縮応力が作用し、
前記第１の面に隣接する前記強化ガラスシートの前記部分と前記第２の面に隣接する前記強化ガラスシートの前記部分との間に延びる前記強化ガラスシートの内部部分には引っ張り応力が作用する、
請求項１の方法。
【請求項３】
前記溝は、圧縮応力が作用する前記第１の面に隣接する前記強化ガラス基板の一部に制限されている、請求項２の方法。
【請求項４】
さらに、前記レーザからのレーザパルスが前記強化ガラスシートを透過するように、前記切溝を形成する際に使用される前記レーザのレーザパラメータを設定する、
請求項１から３のいずれか一項の方法。
【請求項５】
さらに、前記焦点のサイズと略同一の直径を有するチップがレーザパルスにより前記強化ガラスシートから除去されるように前記レーザのレーザパラメータを設定する、
請求項１から４のいずれか一項の方法。
【請求項６】
前記レーザパラメータには、レーザ波長、レーザパワー、パルス持続時間、パルスエネルギー、パルス繰り返し率、焦点サイズ、偏光、及び走査速度が含まれる、請求項４又は５の方法。
【請求項７】
前記第１の面は、前記レーザに最も近い前記強化ガラスシートの上面である、請求項１から６のいずれか一項の方法。
【請求項８】
さらに、前記閉じた経路によって囲まれた前記強化ガラスシートの領域を前記強化ガラスシートの残りの領域から除去する、
請求項１から７のいずれか一項の方法。
【請求項９】
前記切溝の外縁部は、前記閉じた経路に沿って前記溝の外縁部に接触することによって前記強化ガラス基板の前記第１の面に交わり、
前記切溝の前記外縁部と前記溝の前記外縁部とは前記閉じた経路により形成される形状に対して定義される、
請求項１から８のいずれか一項の方法。
【請求項１０】
前記切溝の内縁部は、前記閉じた経路に沿って前記溝の内縁部に接触することによって前記強化ガラス基板の前記第１の面に交わり、
前記切溝の前記内縁部と前記溝の前記内縁部とは前記閉じた経路により形成される形状に対して定義される、
請求項１から９のいずれか一項の方法。
【請求項１１】
前記閉じた経路は、角が丸められた正方形又は縁が丸められた円若しくはノッチのいずれかを形成する、請求項１から１０のいずれか一項の方法。
【請求項１２】
前記レーザは、互いに隣接して配置された複数のレーザのうちの１つであり、
前記レーザの前記焦点を前記強化ガラスシートの前記第２の面に近接した前記第２の位置に導く際に、前記複数のレーザのそれぞれの焦点を前記第２の位置に導き、
さらに、前記切溝を規定する外縁から前記切溝を規定する内縁まで前記複数のレーザを移動するか、あるいは前記切溝を規定する内縁から前記切溝を規定する外縁まで前記複数のレーザを移動することによってそれぞれの層を除去して前記切溝を形成する、
請求項１から１１のいずれか一項の方法。
【請求項１３】
前記複数のレーザの前記焦点は、直線状、曲線状、又は六方構造のいずれかである、請求項１２の方法。
【請求項１４】
メモリと、
前記メモリに保存された指令を実行するように構成されたプロセッサであって、
レーザの焦点を強化ガラスシートの第１の面に近接した第１の位置に導き、
前記焦点を前記第１の位置にしつつ、閉じた経路に沿って前記レーザを使って前記強化ガラスシートから材料を除去して、前記強化ガラスシートの前記第１の面に前記閉じた経路に沿って延びる溝を形成し、
前記溝を形成した後に、前記レーザの前記焦点を前記強化ガラスシートの前記第１の面とは反対側の第２の面に近接した第２の位置に導き、
前記焦点を前記第２の位置にしつつ、前記レーザを使って前記第２の面で前記強化ガラス基板から材料層を除去して、新しい被覆されない面を形成し、
前記レーザを使って前記新しい被覆されない面から前記第１の面まで、前の層を除去することにより生じたそれぞれの新しい被覆されない面に近接した位置に前記焦点を再び位置決めすることによって、前記強化ガラスシートから少なくとも１つの付加的な材料層を除去する
ことによって切溝を形成するように前記指令を実行するように構成されたプロセッサと、
を備え、
前記切溝は、前記閉じた経路に沿って前記溝と接触することによって前記強化ガラスシートの前記第１の面に交わる、
装置。
【請求項１５】
引っ張り応力が作用する前記強化ガラスシートの内部部分に前記溝が接触しないように、前記溝の深さが、圧縮応力が作用する前記第１の面に隣接する前記強化ガラスシートの外面の深さに制限される、請求項１４の装置。
【請求項１６】
前記プロセッサは、
前記レーザからのレーザパルスが前記強化ガラスシートを透過するように、前記切溝を形成する際に使用される前記レーザのレーザパラメータを設定するように構成される、
請求項１４又は１５の装置。
【請求項１７】
前記プロセッサは、
前記焦点のサイズと略同一の直径を有するチップがレーザパルスにより前記強化ガラスシートから除去されるように前記レーザのレーザパラメータを設定するように構成される、
請求項１４から１６のいずれか一項の装置。
【請求項１８】
前記レーザの波長が約５１５ｎｍである、請求項１７の装置。
【請求項１９】
前記閉じた経路は、角が丸められた正方形又は縁が丸められた円若しくはノッチのいずれかを形成する、請求項１４から１８のいずれか一項の装置。
【請求項２０】
レーザと、
レーザステアリング光学系と、
レーザフィールド光学系と、
少なくとも１つの運動ステージと、
をさらに備え、
前記レーザ、前記レーザステアリング光学系、及び前記少なくとも１つの運動ステージは、前記レーザからのレーザパルスを前記レーザフィールド光学系に通過させて、
前記レーザの前記焦点を前記第１の位置に導き、
前記焦点を前記第１の位置にしつつ、前記閉じた経路に沿って前記レーザを使って前記強化ガラスシートから前記材料を除去し、
前記レーザの前記焦点を前記第２の位置に導き、
前記切溝を形成する
ように前記コントローラにより制御される、
請求項１４から１９のいずれか一項の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概してレーザ加工方法に関するものであり、特に強化ガラスをレーザ加工するための方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば携帯電話やタブレットコンピュータなどの携帯コンピュータデバイスをはじめとする最近の民生用電子デバイスにおいては、そのデバイスの少なくとも一面の大部分をガラススクリーンが占めていることがある。これらのデバイスは、持ち運びできるように設計されているので、このガラススクリーンは、ガラススクリーンを壊したり割ったりすることのある様々な環境因子に晒されることがある。ガラススクリーンへのダメージのリスクを低減するために、デバイスメーカーは、化学的又は熱的強化ガラスあるいは化学的又は熱的硬化ガラスを使ってスクリーンを製造する場合がある。
【発明の概要】
【０００３】
本明細書においては、レーザ加工システムを用いて強化ガラス基板をレーザ加工する方法が述べられる。ある方法においては、レーザの焦点を強化ガラスシートの第１の面に近接した第１の位置に導き、上記焦点を上記第１の位置にしつつ、閉じた経路に沿って上記レーザを使って上記強化ガラスシートから材料を除去して、上記強化ガラスシートの上記第１の面に上記閉じた経路に沿って延びる溝を形成する。また、この方法では、上記溝を形成した後に、上記レーザの上記焦点を上記強化ガラスシートの上記第１の面とは反対側の第２の面に近接した第２の位置に導き、切溝を形成する。この切溝は、上記焦点を上記第２の位置にしつつ、上記レーザを使って上記第２の面で上記強化ガラス基板から材料層を除去して、新しい被覆されない面を形成し、上記レーザを使って上記新しい被覆されない面から上記第１の面まで、前の層を除去することにより生じたそれぞれの新しい被覆されない面に近接した位置に上記焦点を再び位置決めすることによって、上記強化ガラスシートから少なくとも１つの付加的な材料層を除去することによって形成される。上記切溝は、上記閉じた経路に沿って上記溝と接触することによって上記強化ガラスシートの上記第１の面に交わる。
【０００４】
本明細書において述べられる装置は、メモリとプロセッサとを含んでいる。このプロセッサは、レーザの焦点を強化ガラスシートの第１の面に近接した第１の位置に導き、上記焦点を上記第１の位置にしつつ、閉じた経路に沿って上記レーザを使って上記強化ガラスシートから材料を除去して、上記強化ガラスシートの上記第１の面に上記閉じた経路に沿って延びる溝を形成し、上記溝を形成した後に、上記レーザの上記焦点を上記強化ガラスシートの上記第１の面とは反対側の第２の面に近接した第２の位置に導き、切溝を形成するように、上記メモリに保存された指令を実行するように構成される。この指令は、上記焦点を上記第２の位置にしつつ、上記レーザを使って上記第２の面で上記強化ガラス基板から材料層を除去して、新しい被覆されない面を形成し、上記レーザを使って上記新しい被覆されない面から上記第１の面まで、前の層を除去することにより生じたそれぞれの新しい被覆されない面に近接した位置に上記焦点を再び位置決めすることによって、上記強化ガラスシートから少なくとも１つの付加的な材料層を除去することにより上記切溝を形成してもよい。上記切溝は、上記閉じた経路に沿って上記溝と接触することによって上記強化ガラスシートの上記第１の面に交わる。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】図１は、本明細書において教示される実施形態に係るレーザ加工システムの模式図である。
【図２】図２は、ガラス基板をレーザ加工する方法を説明するための模式図であり、本明細書において使用される用語を説明するために使用される模式図である。
【図３】図３は、本明細書において教示された実施形態に係るガラス基板をレーザ加工する方法を説明するための模式図である。
【図４】図４は、本明細書において教示される実施形態に係る内部特徴部をレーザ加工したガラスの例を示す写真である。
【図５Ａ】図５Ａは、本明細書において教示される実施形態に係るレーザ加工された特徴部を含むガラスの詳細を示す拡大写真である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本明細書において教示される実施形態に係るレーザ加工された特徴部を含むガラスの詳細を示す拡大写真である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、本明細書において教示される実施形態に係るレーザ加工された特徴部を含むガラスの詳細を示す拡大写真である。
【図５Ｄ】図５Ｄは、本明細書において教示される実施形態に係るレーザ加工された特徴部を含むガラスの詳細を示す拡大写真である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
以下に、これらの実施形態及び他の実施形態の詳細とその変形例をより詳細に述べる。
【０００７】
本明細書における説明では添付図面を参照する。複数の図にわたって同様の参照符号は同様の部分を示している。
【０００８】
例えば、携帯電話、タブレットコンピュータ、メディアプレーヤやラップトップコンピュータディスプレイなどの携帯コンピュータデバイスをはじめとする様々な用途において、強化ガラス（本明細書においては「硬化ガラス」ともいう）を利用することには利点がある。シリコン系のガラスからなる基板は、ガラスシートの表面を所定の薬品に晒すことにより強化することができる。例えば、ある種のガラスをカリウム塩に浸漬すると、ガラスの表面でナトリウムをより大きなカリウム原子に置換するプロセスが生じ、変形により表面上又は表面付近のガラスの一部が圧縮される一方で、ガラスシートの内部に張力が生じる場合がある。
【０００９】
強化ガラス内に圧縮領域と引っ張り領域が存在することにより、鋸歯や刃を用いる従来の機械的なガラス切断技術において問題が生じることがある。レーザ加工は、強化ガラス基板に直線状の切り欠きを形成する際に従来の鋸歯や刃に取って変わるものではあるが、特徴部の形状が小さくて湾曲していたり、切溝の側壁がテーパ状になっていたり、基板に割れが生じていたりすることによる問題のために、強化ガラス基板内に内部特徴部を効率的にレーザ加工することが難しい場合がある。
【００１０】
強化ガラスの圧縮応力は、ガラスの表面の領域又はその表面近傍の領域において６００ＭＰａを超えることがある。強化ガラスの内部領域には９０ＭＰａを超える引っ張り応力が作用することがある。例えば、厚さ７００μｍの強化ガラス基板の内部引っ張り応力は約４０ＭＰａであり、厚さ４００μｍの強化ガラス基板の内部引っ張り応力は約９１ＭＰａである。
【００１１】
本明細書における教示によれば、強化ガラス内に１以上の内部特徴部が形成される。内部特徴部は、強化ガラス基板内にレーザ加工された特徴部であって、基板の縁部に達することなく、基板の上面と底面との間の材料が除去された特徴部として定義される。レーザ加工された特徴部は、レーザ加工プロセスにより基板から分離された特徴部の内部におけるブランクを含んでいてもよく、これを簡単に除去することにより基板内に開口特徴部を形成することができる。
【００１２】
まず、浅い切り込み又はトレンチをガラスシート又は基板の第１の面にレーザ加工してもよい。基板の第１の面（上面）内のトレンチは、第１の面上にレーザパルスビームを照射し、当該面上の経路に沿ってレーザパルスビームを移動させることにより形成することができる。適切なレーザパラメータを選択し、トレンチの深さを基板の上記面の近傍の圧縮領域に制限することにより、基板の好ましくないクラックを避けることができる。
【００１３】
トレンチを形成した後、基板を通ってガラス基板の反対側の面（第２の面）上にレーザパルスの焦点を合わせることができる。強化ガラスが透明となる波長及びパルスフルエンスでパルスを生成するようにレーザパラメータを選択することができ、これによりレーザビームパルスをガラス基板の第１の面を透過させ、さらにガラス基板の内部を透過させて、ガラス基板の第２の面（底面）上又はその近傍にレーザビームパルスの焦点を合わせることができる。このようにレーザビームパルスの焦点を合わせることにより、レーザビームパルスが基板に当たる際に入射する方向とは反対側の基板表面からガラス基板をレーザ加工することができる。
【００１４】
基板の底面から材料の除去を始めることにより、レーザパラメータを適切に選択することで以下に詳細に述べるように「チップ（chips）」の形態で材料を除去することができる。基板が完全にレーザ加工されるので、基板から除去されて切溝を形成するチップが表面から離脱する際に、害を及ぼすことなくこのチップを外部に落とすことができる。切溝を描く経路にレーザビームを繰り返し照射することによって、材料を除去して基板の底面から上面までにわたる貫通切断部を形成することができる。上面のトレンチを貫通切溝の外側近傍に配置することにより、圧縮領域内の表面内又はその近傍に形成されるクラックが、切溝とトレンチとの間の小さな領域に含まれることになる。
【００１５】
図１は、本明細書に開示される技術を実現するために使用可能なレーザ加工システム１００を示している。レーザ加工システム１００はレーザ１０２を有しており、このレーザ１０２は、固体ファイバレーザ又は他のレーザであり得る。レーザ１０２としてはその用途に応じたものが用いられる。レーザ１０２はレーザビーム１０４を出射し、レーザビーム１０４はレーザパルス光学系１０６で処理される。レーザパルス光学系１０６は、レンズのような単純な光学要素であってもよく、所望のレーザパラメータに応じた時間的及び空間的ビーム整形光学系を含むもっと複雑なアセンブリであってもよい。その後、レーザビーム１０４は、レーザステアリング光学系１０８によって、必要に応じて設けられるレーザフィールド光学系（レーザ場光学系）１１０を介して基板１１２に導かれる。基板１１２は、運動ステージ１１６に取り付けられたチャック１１４上に支持される。この例では、運動ステージ１１６は、Ｘ軸リニアモータ１１８、Ｙ軸リニアモータ１２０、及びＺ軸リニアモータ１１５により制御される。レーザ加工システム１００は、Ｚ軸モータ１１５を用いてレーザフィールド光学系１１０に対してチャック１１４を移動させ、基板１１２の異なる位置にレーザビーム１０４の焦点を合わせることが可能である。Ｚ軸モータ１１５に加えて、あるいはこれに代えて、レーザ加工システム１００は、ステアリング光学系１０８又はレーザフィールド光学系１１０の一部として、レーザ１０２の焦点を再び合わせるための光学系の移動又は光学系の調整によってワークピース１１２に対してレーザビーム１０４の焦点の位置決めを行うためのＺ軸制御を含んでいてもよい。
【００１６】
コントローラ１２２は、レーザ１０２、レーザパルス光学系１０６、ステアリング光学系１０８、及び運動ステージ１１６を制御し、リニアモータ１１８，１２０を介してレーザビーム１０４をワークピース又は基板１１２に照射する。コントローラ１２２としては、例えば、中央処理装置（ＣＰＵ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読取専用メモリ（ＲＯＭ）、これらの構成要素から入力信号を受信する入力ポート、及びこれらの構成要素にコマンド信号を送信する出力ポートを含むマイクロコントローラなど、任意のコントローラを用いることができる。コマンド信号は、一般的に、メモリ内に格納したプログラム命令に基づいて出力され、それぞれのプログラム命令の機能がＣＰＵの論理回路により実現される。様々な構成要素自身が、メインコントローラとしてのコントローラ１２２に対して通信経路に沿ってデータを送受信するコントローラを含んでいてもよい。また、コントローラ１２２は、パーソナルコンピュータのようなコンピュータに組み込むこともできる。また、外部メモリを使用する１以上のマイクロプロセッサによりコントローラ１２２を実現することもできる。
【００１７】
運動ステージ１１６に対しては任意の数の既知の構造を用いることができる。この例では、Ｙ軸リニアモータ１２０が、Ｙ軸に沿って設けられたレール（図示せず）に沿ってチャック１１４を移動させ、以下でより詳細に述べるスクライブラインを形成する。Ｘ軸に沿ってスクライブラインを形成するために、Ｘ軸リニアモータ１１８は、Ｘ軸に沿って設けられた別のレール（図示せず）に沿ってチャック１１４及びレールを含む運動ステージを移動させる。上述した構成に代えて、レーザフィールド光学系１１０、（必要に応じて）レーザ１０２、レーザパルス光学系１０６、及び／又はステアリング光学系１０８をＸ軸及びＹ軸（及び必要に応じてＺ軸）のいずれかに沿って移動可能なヘッドに搭載し、例えば、レールに沿ってチャック１１４を移動するリニアモータを用いてＸ軸及びＹ軸の他方に移動するように単一の運動ステージ１１６を構成してもよい。また、レーザフィールド光学系１１０と必要に応じてレーザ１０２、レーザパルス光学系１０６及び／又はレーザビームステアリング光学系１０８を支持するヘッドを実装し、チャック１１４を固定ベース上に搭載しつつ、ヘッドをＸ軸及びＹ軸（及び必要に応じてＺ軸）に沿って移動可能にしてもよい。レーザ加工システム１００においては回転動作も行われる。
【００１８】
レーザビームステアリング光学系１０８は、一般的に、ガルバノメータ、ファーストステアリングミラー、圧電素子、電気光学変調器、音響光学変調器などを含んでいる。ビームステアリング光学系１０８などのビーム位置決め装置により比較的高速な位置決めが可能である。例えば、ビームステアリング光学系１０８の一実施形態は、Ｘ軸上及びＹ軸上のそれぞれに配置されたガルバノメータを用いた２つのスキャナ（通常「ガルボ」と呼ばれる）を含み得る。それぞれのガルボは、３つの主要素、すなわちガルバノメータ、（１以上の）ミラー、及びシステムを制御するサーボドライバ回路を含んでいる。ガルボをそれぞれの軸に沿って配置し、それぞれのミラーを１方向に連続的に回転させるのではなく、高速で左右に回転させて、例えば横方向レーザ経路を形成してもよい。
【００１９】
レーザビームは、レーザパルスがレーザから出射されレーザ光学系又は自由空間を通ってターゲット又はワークピースに伝搬するときにレーザパルスが描くボリュームである。レーザビームは、レーザパルスが通過する際にレーザパルスがその中に少なくともあるエネルギーを維持する包絡線として定義することができる。図２を参照すると、パルスレーザビーム２０２が強化ガラスシート又は基板２００に照射される。最も小さな断面にまで集束されているレーザビーム２０２の部分は焦点２１２と呼ぶことができる。レーザビーム２０２が焦点２１２に近づいたり焦点２１２から離れたりすると、レーザビーム２０２の経路が狭くなった後に広がるビームウェスト２１４が焦点２１２の近傍に形成され得る。レーザビーム２０２がビームウェスト２１４及び焦点２１２を通過すると、レーザビーム２０２が伝搬していく断面積が減少することによって、フルエンス、すなわち単位面積当たりのエネルギー（例えば、ジュール／ｃｍ2の単位で測定される）が増加する。レーザビーム２０２が焦点２１２を通過するときにフルエンスが最大となり、その後レーザビーム２０２がビームウェスト２１４を経由して焦点２１２から離れていくとフルエンスは減少する。
【００２０】
上面から底面にわたって切溝をレーザ加工により形成してもよい。しかしながら、そのような加工によりデブリが生じるとそのデブリが切溝に集まることがある。切溝内のデブリは熱エネルギーを吸収し熱エネルギーを再度伝達することにより、加工速度を低下させ、デブリからの熱伝達によるクラックのような熱に関連する欠陥を生じる可能性がある。その代わりに、図２の構成を部分的に用いることによりレーザ加工を完全に行うことが可能である。レーザ加工システム１００のようなレーザ加工システムによってレーザビーム２０２が強化ガラス基板２００の上面（第１の面）２０４を通り、圧縮領域２０８及び引っ張り領域２１０を通り、再び圧縮領域２０８を通り、底面（第２の面）２０６を通って強化ガラス基板２００から出ていくようにレーザビーム２０２を照射する。Ｚ軸モータ１１５を用いて、あるいは例えば強化ガラス基板２００の底面（第２の面）２０６上又はその近傍にレーザビーム２０２の焦点を再び合わせることにより、ビームウェスト２１４の焦点２１２の位置決めを行うことができる。上述したように、レーザパルスに対する材料の透過度は、波長及びフルエンスの関数となり得る。選択された波長及びフルエンスでレーザパルスビームを強化ガラス基板２００の上面（第１の面）２０４を通過させ、基板２００の底面（第２の面）２０６の下方で底面（第２の面）２０６の近くにレーザパルスビームの焦点２１２を位置させることにより、強化ガラス基板の底面（第２の面）２０６にチップを形成してデブリを切溝に追加することなく材料を除去することができる。
【００２１】
新しく形成された面上又はその近傍にレーザビーム焦点のＺ方向高さを維持するように強化ガラス基板２００の第２の面２０６に対してレーザビーム焦点２１２を移動させることによって、レーザビームのそれぞれのパルスによって生じた複数のチップを結合して単一のチップよりも広くて長い切溝を形成するようにレーザパルスを位置決めすることができる。運動制御又は再焦点合わせによって新しく形成された面上にレーザビームパルスを繰り返し位置決めすることによって、所望の寸法及び形状の切溝を生成して強化ガラス基板の底面から上面まで完全に貫通する切溝を加工することができる。
【００２２】
上記で簡単に述べたように、強化ガラス基板をレーザ加工すると、レーザ加工プロセスにより生じたクラックが圧縮領域から内部の引っ張り領域に伝播する際に、内部の引っ張り領域内に無制約クラックが急速に生じることがある。特定の理論に拘束されるものではないが、開示された実施の態様によって、基板の表面から材料が「チッピング（chipping）」することによって強化ガラス基板から材料を除去するためのレーザパラメータの調整の結果として急速に生じる無制約クラックを避けることができる。このプロセスにおいては、焦点のサイズとほぼ同じ直径で厚さ約１又は２ミクロンの薄いレーザ焦点サイズのチップ材料が単一のピコ秒レーザパルスによって強化ガラス基板の表面から除去される。それぞれのチップが基板から除去される際に、パルスが表面からチップを破壊した後の基板内に残った残留熱エネルギーのかなりの部分がチップとともに奪われていき、隣接する領域への熱伝達が防止される。
【００２３】
熱的な効果に加えて、破壊機構は、それを超えると無制約クラックが発生する臨界クラック長さが存在することを示している。この臨界クラック長さａ（σf）は、以下の式（１）を使って算出することができる。
ａ（σf）＝（２γＥ）／（πσf2）    ・・・（１）
ここで、
σfは作用している応力、
γはガラスに対する表面エネルギー密度、
Ｅはヤング率である。
この式によれば、内部引っ張り応力が約９１ＭＰａのガラスでは臨界クラック長さが５μｍとなる。特定の理論に拘束されるものではないが、臨界クラック長さよりも大きな焦点サイズを使用する場合にクラックが生成されることが抑制されると理論づけられる。クラックの生成を抑制することにより、引っ張り応力の作用する基板領域内に無制約クラックが急速に生成されることを防止することができる。図３は、開示された実施の形態におけるレーザ加工を示す強化ガラス基板３００の断面図である。図３は、上面３０２及び底面３０６のそれぞれに隣接して圧縮領域３０３，３０５を有する強化ガラス基板３００を示している。点線３０４，３０８はそれぞれ圧縮領域３０３，３０５の表面３０２，３０６からの深さを示している。点線３０４と点線３０８の間には、引っ張り応力が作用する内部領域３１０が存在し得る。
【００２４】
強化ガラス板３００内に内部特徴部をレーザ加工するプロセスにおける第１のステップでは、上面３０２の圧縮領域３０３内にトレンチ３１２をレーザ加工することができる。上面３０２上又はその近傍にレーザパルスのビームウェストの焦点を合わせ、例えば、コントローラ１２２からのコマンドに応答してステアリング光学系１０８、運動ステージ１１６、又はステアリング光学系１０８及び運動ステージ１１６の双方を用いて基板３００の上面３０２上の経路に沿って選択された走査速度でレーザパルスを移動させることによってトレンチ３１２を加工することができる。レーザビームパルスパラメータを調整して、トレンチ３１２が焦点とほぼ同じくらい広くて平均経路半径（mean path radius）Ｄ１で上面３０２から数ミクロン延びるようにトレンチ３１２を形成することができる。トレンチ３１２が圧縮領域３０３を越えて内部引っ張り領域３１０にまで延びることなくトレンチ３１２をレーザ加工できるようにレーザビームパラメータを調整することができる。トレンチ３１２を圧縮領域３０３に制限することにより、最終的な部品の欠陥を引き起こし得る無制約クラックが内部引っ張り領域３１０に伝搬することが防止される。
【００２５】
クラックを避けつつ材料の除去レベルを所望なものとするために選択され得るレーザパラメータとしては、レーザ波長、レーザパワー、パルス持続時間、パルスエネルギー、焦点サイズ、パルス繰り返し率、偏光、及び走査速度などが挙げられる。強化ガラス基板をレーザ加工するために使用され得るレーザパラメータの例としては、波長２６６ｎｍ〜１０６４ｎｍ、レーザパワー１ワット〜５０ワット、パルス持続時間１フェムト秒〜１００ナノ秒、ワーク表面でのパルスエネルギー１μＪ〜１００μＪ、スポットサイズ１μｍ〜１００μｍ、パルス繰り返し率１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚ、円偏光及び走査速度１，０００ｍｍ／ｓ〜１００，０００ｍｍ／ｓが挙げられる。ある実施形態におけるレーザパラメータは、波長約５１５ｎｍ、レーザパワー約６．２ワット〜１４．５ワット、パルス持続時間約２７ｐｓ、ワーク表面でのパルスエネルギー約１４．５μＪ、スポットサイズ約１２μｍ、パルス繰り返し率１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚ、走査速度約２，０００ｍｍ／ｓ〜１０，０００ｍｍ／ｓである。
【００２６】
レーザパルスパラメータは、先に述べた材料の微小な「チップ」が隣接する材料にクラックを生じさせることなく表面から離脱するのに十分な程度にパルス当たりのエネルギーを結合するように所望の形態で選択される。上述したように、レーザパルスにより生成されたチップは、１又は２ミクロンの厚さで、レーザパルスの焦点サイズとほぼ同一の面積であり得る。この例では、焦点サイズ（すなわち直径）は約８〜１２μｍであり得る。基板３００の表面に対してレーザパルスを位置決めすることにより、繰り返されるレーザパルスによって所望の面積において所望の深さまで材料を除去することができる。この材料除去プロセスは、レーザビームの偏光状態による影響を受け得る。本明細書における教示による実施形態では、レーザビームを円偏光して例えば材料除去の均一性を改善することができる。直線偏光や楕円偏光をはじめとする他のタイプの偏光を用いることもできる。
【００２７】
図３に戻って、強化ガラス基板３００の上面３０２にトレンチ３１２を形成した後、レーザ加工システムは、強化ガラス基板３００の底面３０６上又はその下方にレーザパルスの焦点を合わせ、材料の除去を底面３０６から上面３０２まで行うことにより切溝３２０を形成する。例えば、切溝３２０は、１つのレーザパルス又は１群の個々のレーザパルスを後述する幅Δに沿った方向に照射して、底面３０６から始めて閉じた経路全体に沿ってチップとしての材料を１又は２ミクロンだけ除去し、焦点のＺ方向高さを上げて焦点を加工される面に対して位置決めしつつ、このプロセスを繰り返すことにより形成することができる。基板３００の処理面に対して移動するように、（例えば、Ｚ軸モータ１１５を用いて）レーザに対して基板３００を移動させる又は基板３００に対してレーザを移動させるＺ軸運動ステージを用いて焦点を移動させてもよい。あるいは、直径を変更することなく、あるいは機械的なＺ軸方向の移動を必要とすることなく、焦点の位置を調整するようにレーザの制御を変更してもよい。１群の個々のレーザパルスを用いる場合には、それらのビームが直線状又は曲線状又は稠密六方構造のような何らかの規則的なパターンで照射されるように配置された複数のレーザによりこれらのレーザパルスを形成してもよい。
【００２８】
使用されるレーザパルスパラメータは上述したものと同様のものであってもよい。レーザパラメータを適切に選択することにより、焦点の合っていないレーザパルスは、焦点が交差する位置又は基板３００に近い位置で強化ガラス基板３００をアブレートするのに十分なエネルギーを有するものの、ダメージを与えることなく強化ガラス基板３００を透過することができる。切溝３２０が初期加工面である底面３０６から延びるように、焦点の新しい位置は、現在加工されている表面に対応するか、あるいはほぼ対応する。
【００２９】
加工される内部特徴部の周りの閉じた経路をなぞりつつ、基板３００の底部から上部まで材料を除去することにより、切溝３２０のレーザ加工が進行する。特定の内部特徴部（図３の例では丸くなっている）に対して直径Ｄ２が選択されているとすると、貫通切断部の幅Δとしては、内部特徴部だけが残るように結果物である内部ブランク３１８を綺麗に除去するようなものを選択することができる。幅Δが選択されると、この材料を除去するために必要とされるレーザパルスの切溝パス数又は切溝経路数は、貫通切断部の幅Δをレーザのスポットサイズからパスの重なり部を引いたもの（「切溝ステップ」という）で除算することにより計算することができる。切溝ステップと閉じた経路周りのパス数と乗算すると、以下の式（２）により幅Δが得られる。
Δ＝切溝ステップ×切溝パス数    ・・・（２）
所望の内部特徴部の直径Ｄ２は貫通切断部の直径から以下の式（３）により求めることができる。
Ｄ１＝Ｄ２＋Δ＋Ｎ×切溝ステップ    ・・・（３）
ここで、Ｎは例えば１〜３の値と仮定し得る整数である。焦点サイズが１０μｍでＮの値がＮ＝２であると仮定すると、この式（３）から貫通切断部の外縁３１４とトレンチ３１２の外縁との間の距離Ｄ３は約１３〜１５μｍとなる。外縁３１４と内縁３１６との間の材料を除去することにより、切り抜かれた部分又はブランク３１８を基板から完全に離すことができ、その後破棄することができる。
【００３０】
パルスレーザビームのビームウェストが底面３０６から強化ガラス基板３００の上面３０２に近づくと、上面３０２が下方からのエネルギーに晒されるので、切溝を広げる際にチップを生成しているレーザパルスがある程度のクラックを引き起こすことがある。上面３０２上又はその近傍のレーザパルスにより生成されたクラックを貫通切断部の外縁３１４とトレンチ３１２との間の領域に含めることができ、これにより、上面３０２における無制約クラックの伝搬を防止することができる。ブランク３１８内に生じたクラックはブランク３１８とともに破棄可能である。
【００３１】
他の実施形態においては、得られる製品としての内部特徴部を生成するために２ステッププロセスを用いることができる。すなわち、中央の切り抜き部分をブランクとして破棄するのではなく、外側の部分を望ましくない部分と考えて、内部特徴部からなる製品に対して滑らかな外縁を生成するようにしてもよい。これは、図３に示されるような特徴部の外側とは反対に特徴部の内側に溝又はトレンチ３１２を形成することとなる。
【００３２】
図４は、強化ガラス基板４００Ａ〜４００Ｄに加工された内部特徴部の例を示している。図４は、基板４００Ａに加工された角が（半径２ｍｍで）丸められた１０ｍｍ四方の正方形４０２と、基板４００Ｂに加工された１０ｍｍの円４０４と、基板４００Ｃに加工された角が半径０．５ｍｍとなった１０ｍｍ×１ｍｍのスロット４０６と、基板４００Ｄに加工された１ｍｍの円４０８とを示している。内部特徴部の特性は、加工の結果、内部ブランクが生成される場合にその内部ブランクを破棄できることである。したがって、内部ブランクに生じるすべてのクラックを破棄することができる。図４においては、１０ｍｍ四方の正方形４０２のうちの１つの内部ブランク４１０と、１０ｍｍの円４０４のうちの１つの内部ブランク４１２が示されている。上述した加工により形成された内部ブランクが除去されて、図４の残った内部特徴部が完成する。例として、基板４００Ａ〜４００Ｄはそれぞれ厚さ０．７ｍｍで第１の中央引っ張り応力（ＣＴ）値を有する強化ガラスからなるものである。１２０個の切り抜いた特徴部に対して収率は１００％であった。正方形４０２、円４０４、及びスロット４０６についての切断スピードは約１．７ｍｍ／ｓであったが、円４０８については使用した走査ヘッドの制約のためにより遅いスピードにする必要があった。他の例においては、基板４００Ａ〜４００Ｄはそれぞれ厚さ０．４ｍｍで第１のＣＴ値よりも高い第２のＣＴ値を有する強化ガラスからなるものである。１２０個の切り抜いた特徴部に対して収率は１００％であった。正方形４０２、円４０４、及びスロット４０６についての切断スピードは約２．３８ｍｍ／ｓであったが、円４０８については同様に使用した走査ヘッドの制約のためにより遅いスピードにする必要があった。
【００３３】
図５Ａ〜図５Ｄは、開示された実施形態において強化ガラス基板内にレーザ加工された１ｍｍの丸孔の写真である。図５Ａは、孔の縁部を示している上面写真である。図５Ｂは、対応する底面から同じ縁部を撮影したものである。図５Ｃは、図５Ａ及び図５Ｂにおける孔よりも低い解像度で１ｍｍの孔の全体を上面から撮影した写真である。図５Ｄは、底面から図５Ｃと同じ孔を撮影した写真である。すべての縁部が傷ついておらず、滑らかでクラックもないように見えることに留意されたい。縁部近傍の暗い部分は影である。
【００３４】
本明細書の説明によれば、レーザスクライブする第１のステップにより、強化ガラスのシートの上面に、所望の切り込み（内部特徴部ともいう）の形状を構成する閉じた経路に沿って１以上の浅い溝が形成される。その後、強化ガラスの底部にレーザの焦点が合わされ、直接アブレーションを用いてレーザの焦点を切断線に再び合わせることによってガラスが底部から上部に切断される。クラック及びチッピングは溝によって制限され、チッピングのない良質の縁部を実現することができる。比較的速いスピードで切断することができ、数百ミクロンほどの小さな特徴部に対して切断を行うことができる。テストしたところ、厚さが１ｍｍ〜１０ｍｍのガラスシートが１００％の収率で得られた（すなわち、クラックやチップによる製品の損失はなかった）。
【００３５】
本発明の理解を容易にするために上述した実施形態を述べてきたが、上述した実施形態は本発明を限定するものではない。むしろ、本発明は、添付した特許請求の範囲の精神及び範囲内に含まれる種々の改変及び等価な構成を包含することを意図している。この特許請求の範囲に対しては、法の下で認められ得る改変及び等価な構造のすべてを包含するように、最も広い解釈がなされるべきである。
【符号の説明】
【００３６】
１００    レーザ加工システム
１０２    レーザ
１０４    レーザビーム
１０６    レーザパルス光学系
１０８    ステアリング光学系
１１０    レーザフィールド光学系
１１２    基板
１１４    チャック
１１５    Ｚ軸リニアモータ
１１６    運動ステージ
１１８    Ｘ軸リニアモータ
１２０    Ｙ軸リニアモータ
１２２    コントローラ
２００    強化ガラス基板
２０２    パルスレーザビーム
２０４    上面
２０６    第２の面
２０８    圧縮領域
２１０    引っ張り領域
２１２    焦点
２１４    ビームウェスト
３００    基板
３００    強化ガラス基板
３０２    上面
３０３    圧縮領域
３０５    圧縮領域
３０６    底面
３１０    内部引っ張り領域
３１２    トレンチ
３１４    外縁
３１６    内縁
３１８    ブランク
３２０    切溝
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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