(57)【要約】【課題】簡単な処理によって、基板上におけるレーザビームの強度をビームの長さ方向あるいはビームの幅方向において一様にする。【解決手段】このレーザ加工装置は、レーザ発振器１１と、ガラス基板が載置されるテーブル１と、スクライブ予定ラインと直交する方向のビーム幅を制御する第1非球面シリンドリカルレンズ１４と、ビーム長さを制御する第２非球面シリンドリカルレンズ１５と、冷却ノズル３と、レーザビーム及び冷却ノズル３を走査するためのテーブル駆動機構４と、を備えている。第１及び第２非球面シリンドリカルレンズ１４，１５は、入射されたガウス型の強度分布を有するレーザビームの強度分布を、ガラス基板上においてビーム幅方向及びビーム長さ方向で一様にする。【選択図】図１
2013078780.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームをスクライブ予定ラインに沿って照射し、脆性材料基板の表面にスクライブ溝を形成するレーザ加工装置であって、
加工される脆性材料基板が載置されるテーブルと、
ガウス型の強度分布を有するレーザビームを出射するレーザビーム出射装置と、
前記スクライブ予定ラインと直交する方向のビーム幅を制御する第1レンズと、
前記スクライブ予定ラインに沿った方向のビーム長さを制御する第２レンズと、
脆性材料基板における前記レーザビームによって加熱された領域を冷却する冷却装置と、
レーザビーム及び前記冷却装置を、前記テーブルに載置された脆性材料基板に対して相対的に走査するための走査機構と、
を備え、
前記第１レンズ及び前記第２レンズの少なくとも一方は、入射されたガウス型の強度分布を有するレーザビームの強度分布を、脆性材料基板上においてビーム幅方向あるいはビーム長さ方向で一様にする非球面シリンドルカルレンズである、
レーザ加工装置。
【請求項２】
前記第２レンズがビームの強度分布を変換する前記非球面シリンドリカルレンズである、請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記第１レンズ及び前記第２レンズはともにビームの強度分布を変換する前記非球面シリンドルカルレンズである、請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記第１レンズ及び前記第２レンズのそれぞれを、光軸に沿った方向に独立して移動させる移動機構をさらに備えた、請求項１から３のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
前記非球面シリンドリカルレンズを光軸と直交する方向に移動するシフト機構をさらに備えた、請求項１から４のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
前記非球面シリンドリカルレンズに入射するレーザビームの直径を制御するビーム径制御機構をさらに備えた、請求項１から５のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工装置、特に、レーザビームをスクライブ予定ラインに沿って照射し、脆性材料基板の表面にスクライブ溝を形成するレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガラス基板等の脆性材料基板を分断するための技術として、亀裂進展を利用した分断方法が提案されている。この方法では、まず、カッターホイール等によってガラス基板の表面に初期亀裂が形成される。その後、レーザビームがスクライブ予定ラインに沿って走査されて基板が加熱され、さらにレーザビームの照射直後に加熱された領域が冷却される。これにより、スクライブ予定ラインに沿って亀裂が進展し、スクライブ溝が形成される。
【０００３】
スクライブ予定ラインに沿って走査されるレーザビームは、走査方向に沿って所定の長さを有している。このようなレーザビームを形成するために、球面レンズ及びシリンドリカルレンズを含む光学系、あるいは母線が延びる方向を互いに直交させて配置された２枚のシリンドリカルレンズを含む光学系が用いられている。
【０００４】
以上のような従来の光学系によって形成されるレーザビームは、ビーム走査方向に沿った強度分布がガウス型である。すなわち、レーザビームの強度は、ビームの長手方向の中央部が最も強く、両端に行くにしたがって弱くなっている。このような従来の光学系によるレーザビームは、スクライブ溝を形成する上で最適な強度分布のレーザビームとは言えない。
【０００５】
そこで、特許文献１には、レーザビームの強度分布をスクライブ予定ラインに沿った方向で均一にできる加工システムが提案されている。この加工システムは、レーザ発振器と、レーザ発振器から出射されたレーザビームを反射する反射ミラーと、反射ミラーで反射されたレーザビームを基板上で走査するポリゴンミラーと、を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２１２３６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載されたシステムでは、レーザ発振器から出射されたレーザビームは、反射ミラーを経てポリゴンミラーで反射され、基板上のスクライブ予定ラインに沿って所定の長さにわたって繰り返し走査される。この繰り返し走査によって、所定長さのレーザビームは、スクライブ予定ラインに沿った方向の強度分布が均一になる。
【０００８】
しかし、特許文献１に記載されたシステムでは、ポリゴンミラーで反射されたレーザビームの基板表面に対する照射角度が変化するため、実際にはレーザビームの強度分布は均一ではなく、繰り返し走査によるレーザビーム照射範囲の端部ほど強度が低下してしまう。また、基板上におけるレーザビームの強度を、一様な強度分布にしかできず、多様な基板仕様、加工条件等に適切に対応することが困難である。
【０００９】
本発明の課題は、簡単な構成及び処理によって、基板上におけるレーザビームの強度をビームの長さ方向あるいはビームの幅方向において一様にすることにある。
【００１０】
本発明の別の課題は、種々の加工条件に最適な強度分布のレーザビームを容易に得られるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第１発明に係るレーザ加工装置は、レーザビームをスクライブ予定ラインに沿って照射し、脆性材料基板の表面にスクライブ溝を形成する装置であって、ガウス型の強度分布を有するレーザビームを出射するレーザビーム出射装置と、加工される脆性材料基板が載置されるテーブルと、スクライブ予定ラインと直交する方向のビーム幅を制御する第1レンズと、スクライブ予定ラインに沿った方向のビーム長さを制御する第２レンズと、脆性材料基板におけるレーザビームによって加熱された領域を冷却する冷却装置と、レーザビーム及び冷却装置をテーブルに載置された脆性材料基板に対して相対的に走査するための走査機構と、を備えている。そして、第１レンズ及び第２レンズの少なくとも一方は、入射されたガウス型の強度分布を有するレーザビームの強度分布を、脆性材料基板上においてビーム幅方向あるいはビーム長さ方向で一様にする非球面シリンドルカルレンズである。
【００１２】
この加工装置では、レーザビーム出射装置から出射されたレーザビームは、第１レンズ及び第２レンズを通過して脆性材料基板上に照射される。また、レーザビームは、走査機構によって脆性材料基板のスクライブ予定ラインに沿って走査される。レーザビームによって加熱された基板は、レーザビームとともに走査される冷却装置によって冷却され、基板のスクライブ予定ラインに沿ってスクライブ溝が形成される。ここで、第１レンズ及び第２レンズの少なくとも一方は非球面レンズであるので、レーザビームの幅方向及び／又は長さ方向の強度分布が一様になる。
【００１３】
ここでは、従来のポリゴンミラーを用いたシステムに比較して、ほぼ矩形の強度分布を有するレーザビームを容易に得ることができる。そして、特にレーザビームの長さ方向の強度分布を一様にした場合は、スクライブ溝形成時のプロセスを最適化することが容易になる。
【００１４】
第２発明に係るレーザ加工装置は、第１発明の装置において、第２レンズがビームの強度分布を変換する非球面シリンドリカルレンズである。
【００１５】
ここでは、脆性材料基板上に照射されるレーザビームの、スクライブ予定ラインに沿ったレーザビームの長さ方向の強度分布を一様にできる。このため、冷却装置による冷却の直前まで基板の温度を上昇させておくことができる。したがって、冷却時の引張応力を大きくでき、スクライブ溝の加工可能条件をより広くすることができる。すなわち、スクライブマージンが大きくなる。
【００１６】
第３発明に係るレーザ加工装置は、第１発明の装置において、第１レンズ及び第２レンズはともにビームの強度分布を変換する非球面レンズである。
【００１７】
ここでは、レーザビームの幅方向及びスクライブ予定ラインに沿った長さ方向において、レーザビームの強度分布を一様にできる。したがって、スクライブマージンをより拡大することができる。
【００１８】
第４発明に係るレーザ加工装置は、第１から第３発明のいずれかの装置において、第１レンズ及び第２レンズのそれぞれを、光軸に沿った方向に独立して移動させる移動機構をさらに備えている。
【００１９】
各レンズを光軸に沿った方向で移動させることにより、ビームの幅方向及び長さ方向の長さを変えることができ、プロセスの最適化を図ることができる。
【００２０】
第５発明に係るレーザ加工装置は、第１から第４発明のいずれかの装置において、非球面シリンドリカルレンズを光軸と直交する方向にシフトするシフト機構をさらに備えている。
【００２１】
非球面シリンドリカルレンズをオフセットすることによって、レーザビームの強度分布の形状を変えることができる。これにより、基板の温度上昇の仕方を変えることができ、プロセスの最適化を図ることができる。
【００２２】
第６発明に係るレーザ加工装置は、第１から第５発明のいずれかの装置において、非球面シリンドリカルレンズに入射するレーザビームの直径を制御するビーム径制御機構をさらに備えている。
【００２３】
非球面シリンドリカルレンズに入射するレーザビームの径を変えることによって、レーザビームの強度分布の形状を変えることができる。したがって、第５発明と同様にプロセスの最適化を図ることができる。
【発明の効果】
【００２４】
以上のような本発明では、光学系を構成するレンズを非球面シリンドリカルレンズにすることによって、基板上におけるレーザビームの強度を、ビームの長さ方向あるいはビームの幅方向において、簡単に一様にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施形態によるレーザ加工装置の概略構成図。
【図２】矩形ビームとガウスビームの表面温度分布を示す図。
【図３】矩形ビームとガウスビームの表面応力分布を示す図。
【図４】矩形ビームのスクライブマージンを示す図。
【図５】ガウスビームのスクライブマージンを示す図。
【図６】非球面シリンドリカルレンズをＺ軸方向で移動させた場合の強度分布を示す図。
【図７】非球面シリンドリカルレンズに入射するレーザビームのビーム径を変えた場合の強度分布を示す図。
【図８】非球面シリンドリカルレンズを光軸からシフトした場合の強度分布を示す図。
【図９】非球面シリンドリカルレンズを光軸からシフトした場合の強度分布を示す図。
【図１０】非球面シリンドリカルレンズを光軸からシフトした場合の強度分布を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
［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、加工対象としてのガラス基板Gが載置されるテーブル１と、テーブル１上のガラス基板Gを加熱する加熱機構２と、加熱機構２によって加熱されたガラス基板Gを冷却する冷却装置（図１では、冷却装置を構成する冷却ノズル３のみを示している）と、テーブル１をＸ，Ｙ平面内で移動するためのテーブル駆動機構（走査機構）４と、を備えている。なお、図１（ｂ）は図１（ａ）を９０°異なる方向から見た図である。
【００２７】
加熱機構２は、レーザ出射装置としてのレーザ発振器１１と、ビームエキスパンダ１２と、反射ミラー１３と、第１非球面シリンドリカルレンズ１４と、第２非球面シリンドリカルレンズ１５と、を備えている。また、加熱機構２は、ビーム径制御機構１８と、第１及び第２移動機構２１，２２と、第１及び第２シフト機構２３，２４と、を備えている。
【００２８】
レーザ発振器１１は例えばCO２レーザを出射する装置である。このレーザ発振器１１から出射されるレーザビームの強度は、ガウス分布を示す。ビームエキスパンダ１２は、３つのレンズからなり、各レンズの光軸方向の隙間を変更可能である。反射ミラー１３は、ビームエキスパンダ１２からのレーザビームをテーブル１側に反射するように配置されている。
【００２９】
第１非球面シリンドリカルレンズ１４は、入射されたレーザビームをガラス基板G上に集光するとともに、レーザビームの幅方向（スクライブ予定ラインと直交する方向）の強度を、ガラス基板G上において矩形状の分布に変換するためのレンズである。また、第２非球面シリンドリカルレンズ１５は、入射されたレーザビームをガラス基板G上に集光するとともに、レーザビームのスクライブ予定ラインに沿った方向の強度を、ガラス基板G上において矩形状の分布に変換するためのレンズである。
【００３０】
ビーム径制御機構１８は、ビームエキスパンダ１２を構成する３つのレンズのうちの２つのレンズ間の距離を変えて、レーザビームのビーム径を制御するための機構である。
【００３１】
第１移動機構２１は、第１非球面シリンドリカルレンズ１４をZ軸方向（高さ方向）に移動させて、ガラス基板G上でのビーム幅を変えるための機構である。また、第２移動機構２２は、第２非球面シリンドリカルレンズ１５をZ軸方向に移動させて、ガラス基板G上でのビーム長さ（スクライブ予定ラインに沿った方向の長さ）を変えるための機構である。
【００３２】
第１シフト機構２３は、第１非球面シリンドリカルレンズ１４を光軸と直交するＹ軸方向（スクライブ予定ラインと直交するビーム幅方向）にシフトさせて、ガラス基板Ｇ上におけるビーム幅方向の強度分布を変えるための機構である。また、第２シフト機構２４は、第２非球面シリンドリカルレンズ１５を水平面内でＹ軸と直交するＸ軸方向（スクライブ予定ラインに沿った方向）にシフトさせて、ガラス基板Ｇ上におけるビーム長さ方向の強度分布を変えるための機構である。
【００３３】
冷却装置は、図示しない冷媒源から供給される冷媒を、冷却ノズル３を介して噴射して冷却スポットを形成する。この冷却スポットは、ガラス基板Ｇ上に照射されたレーザビームの走査方向の後端部に形成される。
【００３４】
［スクライブ方法］
以上の加工装置を用いてガラス基板Ｇにスクライブ溝を形成する場合は、まず、カッターホイール等を用いて、ガラス基板Gの端部にスクライブの起点となる初期亀裂を形成する。なお、この初期亀裂はレーザによって形成してもよい。
【００３５】
次に、レーザ発振器１１からレーザビームが出射され、このレーザビームはビームエキスパンダ１２、反射ミラー１３、第１及び第２非球面シリンドリカルレンズ１４，１５を介してガラス基板G上に照射される。このとき、レーザビームの強度分布は、第１及び第２非球面シリンドリカルレンズ１４，１５によって、ビーム幅方向及びビーム長さ方向の両方において、ガウス分布から矩形状の分布に変換される。このレーザビームは、テーブル駆動機構４によりテーブル１を移動することにより、スクライブ予定ラインに沿ってガラス基板G上を走査される。ガラス基板Gはレーザビームによってガラス基板Gの軟化点よりも低い温度に加熱される。また、冷却スポットをレーザビームの走査方向後端において追従させる。
【００３６】
以上のようにして、レーザビームの照射によって加熱された領域の近傍には圧縮応力が生じるが、その直後に冷媒の噴射によって冷却スポットが形成されるので、垂直クラックの形成に有効な引張応力が生じる。この引張応力により、スクライブ予定ラインに沿って垂直クラックが形成され、所望のスクライブ溝が形成される。
【００３７】
［レーザビームの強度分布］
ここで、強度分布が、ガウス分布であるレーザビーム（以下、「ガウスビーム」と記す）と、本実施形態のように矩形状の分布であるレーザビーム（以下、「矩形ビーム」と記す）との相違について詳細に説明する。
【００３８】
図２は、矩形ビームとガウスビームをガラス基板上で走査した場合の、基板のある位置における表面温度の経時変化を示している。図２において、実線が矩形ビームを用いた場合の表面温度の経時変化であり、一点鎖線がガウスビームを用いた場合の表面温度の経時変化である。また、図２の横軸は時間[秒]、縦軸は温度[℃]である。なお、レーザビームは、長さが６０mm、幅が１．５mm、走査速度は１２０mm/sである。また、冷却はレーザビームの走査方向後端で行った。
【００３９】
図２から明らかなように、ガウスビームによる加熱の場合は、基板表面温度は、緩やかに上昇し、レーザビームが約２／３通過した時点で最大になり、その後低下している。一方、矩形ビームによる加熱の場合は、急激に温度上昇し、冷却直前まで温度上昇が続いている。したがって、冷却時の温度差は、この例では、矩形ビームの場合はガウスビームの場合に比較して約１５０℃大きい。
【００４０】
図３は、矩形ビームとガウスビームをガラス基板上で走査した場合の、基板のある位置における表面応力の経時変化を示している。図３において、実線が矩形ビームを用いた場合の表面応力の経時変化であり、一点鎖線がガウスビームを用いた場合の表面応力の経時変化である。また、図３の横軸は時間[秒]、縦軸は応力[MPa]である。なお、レーザビームの寸法、走査速度は図２と同様である。
【００４１】
図３から明らかなように、ガウスビームによる加熱の場合は、ビーム中心で圧縮応力が最も大きく、この例では−８３MPaとなる。その後、圧縮応力は低下し、冷却直前では−１７MPaとなる。一方、矩形ビームによる加熱の場合は、ビーム先端で約−６０MPaまで急激に圧縮応力が大きくなった後、徐々にビーム後端に向かって圧縮応力が大きくなる。冷却直前での圧縮応力は−７４MPaである。また、冷却時の引張応力はガウスビームの場合で１５０MPa、矩形ビームの場合で１７７Mpaであり、矩形ビームの方が約１８％大きい。
【００４２】
以上のことから、次のことがわかる。
【００４３】
矩形ビームによる加熱では、冷却時の引張応力が大きくなることから、ガウスビームによる加熱より、スクライブ溝を形成可能な条件範囲が広くなる、すなわちスクライブマージンが拡大することが予測できる。このため、スクライブ溝形成時のプロセスの安定性を向上することができる。また、加工可能条件を容易に見つけることができる。
【００４４】
以上の予測に基づいて行った実験結果を図４及び図５に示す。図４は矩形ビームにより加熱してスクライブ溝加工を行った場合のスクライブ可否の結果を示している。また、図５はガウスビームにより加熱してスクライブ溝加工を行った場合のスクライブ可否の結果を示している。
【００４５】
これらの図から明らかなように、矩形ビームによって加熱を行い、スクライブ溝加工を行った方が、ガウスビームによって加熱を行った場合に比較して、スクライブ可能範囲がより広くなっている。
【００４６】
［矩形ビームの制御］
ここで、非球面シリンドリカルレンズ１４，１５の位置を変えることによって、矩形ビームの強度分布の形状を制御することができる。以下に、具体的な制御について説明する。
【００４７】
＜Z軸方向位置＞
第１移動機構２１又は第２移動機構２２によって、各非球面シリンドリカルレンズ１４，１５のガラス基板Gからの位置、すなわちZ軸方向の位置を変えることによって、ビーム幅の長さ、スクライブ予定ラインに沿った方向のビーム長さを変えることができる。この様子を図６に示している。なお、図６はビーム長さ方向の強度分布を示すものである。
【００４８】
図６から明らかなように、非球面シリンドリカルレンズと基板表面との間の距離を大きくすれば、ビーム長さは長くなる。ただし、ビーム長さが変わるとともに、強度分布の形状も変わる。
【００４９】
＜入射ビーム径＞
ビームエキスパンダ１２の各レンズの位置を制御することによって、非球面シリンドリカルレンズに入射するレーザビームのビーム径を変えることができる。そして、図７に示すように、ビーム径を変えることによって、矩形ビームの強度分布を変えることができる。なお、図７はビーム長さ方向の強度分布を示すものである。
【００５０】
具体的には、ビーム径を小さくすれば、図７の下段左側に示すように、強度分布の矩形がくずれ、ビーム中央部の強度が両端部に比較して強くなり、ガウス分布に近づく。これからビーム径を大きくすれば、図７の下段中央に示すように、ほぼ矩形状の強度分布が得られる。そして、さらにビーム径を大きくすれば、下段右側に示すように、中央部が両端に比較して弱くなる。
【００５１】
＜シフト＞
第１シフト機構２３又は第２シフト機構２４によって、各非球面シリンドリカルレンズ１４，１５を、光軸と直交する方向にシフトさせることによって、ビーム幅方向の強度分布、ビーム長さ方向の強度分布を変えることができる。
【００５２】
具体例を図８〜図１０に示している。図８〜図１０は、それぞれ、図７の下段中央の状態、下段左側の状態、下段右側の状態の第２非球面シリンドリカルレンズ１５を、光軸と直交する方向に−０．３〜＋０．３mmだけシフトした様子を示している。
【００５３】
これらの図から明らかなように非球面シリンドリカルレンズを光軸と直交する方向にシフトすることによって、ビームの両端の一方の強度を他方より強くすることができる。また、シフトの程度によって、両端の強度の差異の程度を制御することができる。
【００５４】
以上のように、矩形ビームの強度分布の形状を変えることで、種々の加工条件に最適な温度分布で加熱することができ、プロセスを最適化することが可能となる。
【００５５】
［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。
【００５６】
（ａ）前記実施形態では、非球面シリンドリカルレンズ１４，１５を用いて、レーザビームの幅方向及び長さ方向の強度分布を矩形状に変換するようにしたが、いずれか一方のみを非球面シリンドリカルレンズとし、一方側の強度分布のみを矩形状にするようにしてもよい。
【００５７】
（ｂ）前記実施形態では、レーザビームのビーム径を１つのビームエキスパンダによって変えるようにしたが、ビーム幅方向及びビーム長さ方向のそれぞれにおけるビーム径を変えるためのビームエキスパンダを独立して設けてもよい。
【符号の説明】
【００５８】
１  テーブル
３  冷却ノズル
４  テーブル駆動機構
１１  レーザ発振器
１２  ビームエキスパンダ
１４，１５  非球面シリンドリカルレンズ
２１，２２  第１，第２移動機構
２３，２４  第１，第２シフト機構
【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４】
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【図５】
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