JP2010201479A - レーザ光加工装置及びレーザ光加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】合成樹脂等の薄膜シートを有するガラス等の脆性材料基板であっても、簡易な機構で精度良くスクライブ加工することができるレーザ光加工装置及びレーザ光加工方法を提供する。
【解決手段】パルスレーザ光を発振するレーザ発振器と、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とを有するレーザ照射機構と、該レーザ照射機構を脆性材料基板の表面の予定ラインに沿って移動することが可能な移動機構とを備え、脆性材料基板の表面に予定ラインに沿ってスクライブ溝を形成する。脆性材料基板の一面には合成樹脂層が形成してあり、パルスレーザ光は合成樹脂層が形成してある面側から照射する。焦点位置が、合成樹脂層が形成してある面から離れた第一の位置となるよう調整してパルスレーザ光を照射した後、第一の位置よりも合成樹脂層が形成してある面に近い第二の位置となるよう再調整してパルスレーザ光を一定時間照射する。
【選択図】図２

Description

本発明は、合成樹脂等の薄膜シートを有するガラス基板等の脆性材料基板に対してパルスレーザ光によるスクライブ加工を行うレーザ光加工装置及びレーザ光加工方法に関する。

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場合、脆性材料基板の表面に想定された予定ラインに沿ってレーザ光を移動させつつ照射し、スクライブ溝を形成する。その後、ブレーク装置等により脆性材料基板を形成されたスクライブ溝に沿って分断する。

一方、スクライブ時又はブレーク時に飛散するガラスチップ等を抑制するための保護フィルムや光学フィルムなどの薄膜を、脆性材料基板の表面に貼付することが多い。斯かる多層構造を有する脆性材料基板にスクライブ溝を形成する場合、まず選択的に薄膜を除去するようレーザ光を照射し、次に薄膜が除去された部分に沿ってレーザ光を再度照射することによりスクライブ加工している（特許文献１乃至３参照）。

特開２００１−０６４０２９号公報 特表平１０−５０６０８７号公報 特開２００８−２７７４１４号公報

上述したいずれの特許文献においても、薄膜を除去するためにレーザ光を走査する動作、及び除去した部分にて脆性材料基板の表面にスクライブ溝を形成するためにレーザ光を走査する動作の２挙動が必要となる。したがって、薄膜を除去するためのレーザ光によって同時に脆性材料基板を加工することにより、脆性材料基板の表面に損傷を与えてしまうおそれがあるという問題点があった。また、脆性材料基板の表面にスクライブ溝を形成するためのレーザ光によって、薄膜に熱影響を与えることにより、脆性材料基板のスクライブ溝周辺にて薄膜が均一でない状態となるおそれがあるという問題点もあった。

斯かる問題を解決するべく、例えば特許文献３では波長の異なる２種類のレーザ光を用い、薄膜を除去するためのレーザ光により同時に脆性材料基板を加工することを防止し、脆性材料基板の表面にスクライブ溝を形成するためのレーザ光によって、薄膜に熱影響を与えないようにしている。しかし、波長の異なる２種類のレーザ光を用いるには、複数のレーザ発振器を設ける必要があり、装置全体の小型化、軽量化、ひいては低コスト化が困難になるという問題点があった。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、合成樹脂等の薄膜シートを有するガラス等の脆性材料基板であっても、簡易な機構で精度良くスクライブ加工することができるレーザ光加工装置及びレーザ光加工方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために第１発明に係るレーザ光加工装置は、パルスレーザ光を発振するレーザ発振器と、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とを有するレーザ照射機構と、該レーザ照射機構を脆性材料基板の表面の予定ラインに沿って移動することが可能な移動機構とを備え、前記脆性材料基板の表面の前記予定ラインに沿ってスクライブ溝を形成するレーザ光加工装置において、前記脆性材料基板の一面には合成樹脂層が形成してあり、前記パルスレーザ光は前記合成樹脂層が形成してある面側から照射するようにしてあり、前記パルスレーザ光が前記集光光学機構にて集光される焦点位置の、前記脆性材料基板の表面に直交する方向の位置を変更する焦点位置変更手段と、前記焦点位置が、前記脆性材料基板の合成樹脂層が形成してある面から離れた第一の位置となるよう調整して前記パルスレーザ光を照射した後、前記焦点位置が、前記第一の位置よりも前記脆性材料基板の合成樹脂層が形成してある面に近い第二の位置となるよう再調整して前記パルスレーザ光を照射するよう制御する制御手段とを備えることを特徴とする。

また、第２発明に係るレーザ光加工装置は、第１発明において、前記集光光学機構は、レンズ機構と、ミラー機構とで構成してあり、前記焦点位置変更手段は、前記レンズ機構の前記脆性材料基板の表面に直交する方向の位置を変更して前記焦点位置を調整するようにしてあることを特徴とする。

次に、上記目的を達成するために第３発明に係るレーザ光加工方法は、パルスレーザ光を発振するレーザ発振器と、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とを有するレーザ照射機構と、該レーザ照射機構を脆性材料基板の表面の予定ラインに沿って移動することが可能な移動機構とを備えたレーザ光加工装置で、前記脆性材料基板の表面に前記予定ラインに沿ってスクライブ溝を形成するレーザ光加工方法において、前記脆性材料基板の一面には合成樹脂層が形成してあり、前記パルスレーザ光は前記合成樹脂層が形成してある面側から照射し、前記パルスレーザ光が前記集光光学機構にて集光される焦点位置の、前記脆性材料基板の表面に直交する方向の位置を変更して、前記焦点位置が、前記脆性材料基板の合成樹脂層が形成してある面から離れた第一の位置となるよう調整して前記パルスレーザ光を照射した後、前記焦点位置が、前記第一の位置よりも前記脆性材料基板の合成樹脂層が形成してある面に近い第二の位置となるよう再調整して前記パルスレーザ光を照射するよう制御することを特徴とする。

また、第４発明に係るレーザ光加工方法は、第３発明において、前記集光光学機構は、レンズ機構と、ミラー機構とで構成してあり、前記レンズ機構の前記脆性材料基板の表面に直交する方向の位置を変更して前記焦点位置を調整することを特徴とする。

第１発明及び第３発明では、パルスレーザ光を発振するレーザ発振器と、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とを有するレーザ照射機構と、該レーザ照射機構を脆性材料基板の表面の予定ラインに沿って移動することが可能な移動機構とを備え、脆性材料基板の表面に予定ラインに沿ってスクライブ溝を形成する。脆性材料基板の一面には合成樹脂層が形成してあり、パルスレーザ光は合成樹脂層が形成してある面側から照射される。パルスレーザ光が集光光学機構にて集光される焦点位置の、脆性材料基板の表面に直交する方向の位置を変更することにより、焦点位置が、脆性材料基板の合成樹脂層が形成してある面から離れた第一の位置となるよう調整してパルスレーザ光を照射した後、焦点位置が、第一の位置よりも脆性材料基板の合成樹脂層が形成してある面に近い第二の位置となるよう再調整してパルスレーザ光を照射するよう制御する。合成樹脂層を除去するためのパルスレーザ光の焦点位置と、脆性材料基板の表面にスクライブ溝を形成するためのパルスレーザ光の焦点位置とを変動させることにより、合成樹脂層を除去するためのパルスレーザ光により脆性材料基板が加工されることがなく、脆性材料基板の表面に損傷を与えることがない。また、脆性材料基板の表面にスクライブ溝を形成するためのパルスレーザ光により、合成樹脂層に熱影響を与えることがなく、脆性材料基板に形成されるスクライブ溝の周辺においても合成樹脂層が均一な状態を維持することができる。さらに、焦点位置を変動させるだけであることから、波長の異なるパルスレーザ光を発振する複数のレーザ発振器を設ける必要がなく、装置全体を小型化、軽量化、ひいては低コスト化することが可能となる。

第２発明及び第４発明では、集光光学機構は、レンズ機構と、ミラー機構とで構成してあり、レンズ機構の脆性材料基板の表面に直交する方向の位置を変更して焦点位置を調整することにより、レンズ機構の上下動という単純な機構の動作を制御するだけで焦点位置を調整することができ、波長の異なるパルスレーザ光を発振する複数のレーザ発振器を設ける必要がなく、装置全体を小型化、軽量化、ひいては低コスト化することが可能となる。

上記構成により、合成樹脂層を除去するためのパルスレーザ光の焦点位置と、脆性材料基板の表面にスクライブ溝を形成するためのパルスレーザ光の焦点位置とを変動させることにより、合成樹脂層を除去するためのパルスレーザ光により脆性材料基板が加工されることがなく、脆性材料基板の表面に損傷を与えることがない。また、脆性材料基板の表面にスクライブ溝を形成するためのパルスレーザ光により、合成樹脂層に熱影響を与えることがなく、脆性材料基板に形成されるスクライブ溝の周辺においても合成樹脂層が均一な状態を維持することができる。さらに、焦点位置を変動させるだけであることから、波長の異なるパルスレーザ光を発振する複数のレーザ発振器を設ける必要がなく、装置全体を小型化、軽量化、ひいては低コスト化することが可能となる。

本発明の実施の形態に係るレーザ光加工装置の構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態に係るレーザ光加工装置の焦点位置を示す模式図である。 本発明の実施の形態に係るレーザ光加工装置の他の焦点位置を示す模式図である。 本発明の実施の形態に係るレーザ光加工装置の加工状態を示す例示図である。

以下に、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るレーザ光加工装置の構成を示す模式図である。

図１に示すように、本発明の実施の形態に係るレーザ光加工装置は、レーザ照射機構として、少なくともパルスレーザ光を発振するレーザ発振器１と、発振したパルスレーザ光の方向を変換するミラー機構２と、パルスレーザ光を集光するレンズ機構３とを備え、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ＸＹステージ４を移動機構として備えている。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。

ミラー機構２は、後述するレンズ機構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、パルスレーザ光の進行方向を変換する。ミラー機構２として一又は複数の鏡面を用いても良いし、プリズム、回折格子等を用いても良い。

レンズ機構３は、脆性材料基板５に照射するパルスレーザ光を集光する。図示しない焦点位置変更手段は、レンズ機構３によって集光されたパルスレーザ光の焦点の脆性材料基板の表面に直交する方向の位置を変更する。また、焦点位置変更手段は、図示しない制御手段により焦点位置を調整するよう制御される。なお、焦点位置変更手段は、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することとしても良いし、レンズ機構３のレンズを交換し、またはＸＹステージ４を上下方向に移動させることとしても良い。

ＸＹステージ４は、移動機構として互いに直交するＸ方向及びＹ方向に移動することが可能なテーブルであり、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の上面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動させることができる。通常は、脆性材料基板５の表面の予定ラインに沿ってパルスレーザ光が移動するよう、ＸＹステージ４を移動させる。なお、予定ラインとは、スクライブ溝を形成するべき位置を示している。また、図示しない制御手段は、焦点位置を調整して脆性材料基板５の表面の予定ラインに沿ってパルスレーザを照射するように、レーザ発振器１、ＸＹステージ４、及び焦点位置変更手段を制御する。

なお、本実施の形態では、脆性材料基板５の一面には合成樹脂層として薄膜シート７が貼付してあり、薄膜シート７が貼付してある側からパルスレーザ光が照射される。薄膜シート７は、ポリエチレンテレフタラート、トリアセチルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリカーボネートを材質とするシート、又はこれらのシートを多層に成膜したシート等である。

図２は、本発明の実施の形態に係るレーザ光加工装置の焦点位置を示す模式図である。図２（ａ）は、薄膜シート７を除去する場合の焦点位置を示す模式図である。図２（ａ）に示すように本実施の形態では、焦点位置（第一の位置）８ａが、パルスレーザ光が照射される側の反対側であって、脆性材料基板５の下面５ａから離れた位置となっている。

焦点位置が、パルスレーザ光が照射される側の反対側であって、脆性材料基板５の下面５ａから離れた位置となっていることにより、焦点位置８ａ近傍における熱集中が薄膜シート７近傍で生じることがない。すなわち、脆性材料基板５は略６００℃前後で蒸散するのに対し、比較的低温である略３００℃にて薄膜シート７は溶融するので、脆性材料基板５がパルスレーザ光により加工されることなく薄膜シート７のみを除去することができる。

本発明では、薄膜シート７を除去する工程の実行後に、脆性材料基板５に対して加工する工程を実行する。図２（ｂ）は、薄膜シート７が除去された部分にパルスレーザ光を集光して脆性材料基板５を加工する場合の焦点位置を示す模式図である。図２（ｂ）に示すように本実施の形態では、焦点位置（第二の位置）８ｂが、薄膜シート７が除去された脆性材料基板５内に位置している。

焦点位置８ｂが、薄膜シート７が除去された脆性材料基板５内に位置していることにより、焦点位置８ｂ近傍における熱集中は薄膜シート７に影響を与えることがなく、脆性材料基板５のみを加工することができる。脆性材料基板５内の焦点位置８ｂは、脆性材料基板の材質、厚み、パルスレーザ光の照射エネルギー、走査速度等に応じてスクライブ溝６を形成するのに適した位置に調整すれば良い。

なお、焦点位置の移動は、レンズ機構３の脆性材料基板５に直交する方向の位置への移動により行えば良い。レンズ機構３の移動は、ステッピングモータ等の図示しないアクチュエータにより行う。

なお、薄膜シート７を除去する工程を実行した後に脆性材料基板５に対して加工する工程を実行すれば足りるので、薄膜シート７を除去する工程における焦点位置は、パルスレーザ光が照射される側の反対側に限定されるものではなく、パルスレーザ光が照射される側であっても良い。図３は、本発明の実施の形態に係るレーザ光加工装置の他の焦点位置を示す模式図である。図３（ａ）は、薄膜シート７を除去する場合の焦点位置（第一の位置）８ａを示す模式図である。図３（ａ）に示すように本実施の形態では、焦点位置８ａが、パルスレーザ光が照射される側であって、脆性材料基板５の上面５ｂから離れた位置となっている。

焦点位置が、パルスレーザ光が照射される側であって、脆性材料基板５の上面５ｂから離れた位置となっていることにより、焦点位置８ａ近傍における熱集中が薄膜シート７近傍で生じることがない。すなわち、脆性材料基板５は略６００℃前後で蒸散するのに対し、比較的低温である略３００℃にて薄膜シート７は溶融するので、脆性材料基板５がパルスレーザ光により加工されることなく薄膜シート７のみを除去することができる。

図３（ｂ）は、薄膜シート７が除去された部分にパルスレーザ光を集光して脆性材料基板５を加工する場合の焦点位置を示す模式図である。図３（ｂ）に示すように、焦点位置（第二の位置）８ｂが、脆性材料基板５の上面５ｂの近傍、すなわち焦点位置８ａよりも脆性材料基板５の上面５ｂに近接する位置であれば足りる。

焦点位置８ｂが、薄膜シート７が除去された脆性材料基板５の上面５ｂの近傍に位置していることにより、焦点位置８ｂ近傍における熱集中は薄膜シート７に影響を与えることがなく、脆性材料基板５のみを加工することができる。脆性材料基板５の上面５ｂの近傍に位置する焦点位置８ｂは、脆性材料基板５の材質、厚み、パルスレーザ光の照射エネルギー、走査速度等に応じてスクライブ溝６を形成するのに適した位置に調整すれば良い。

図４は、本発明の実施の形態に係るレーザ光加工装置の加工状態を示す例示図である。脆性材料基板５として厚さ０．６ｍｍのガラス基板を、薄膜シート７として０．３ｍｍのポリエチレンテレフタラートシートを用いた。図４（ａ）は、薄膜シート７を除去する場合の加工状態を示す例示図である。図４（ａ）では、左半分が脆性材料基板５の薄膜シート７が貼付されていない部分を、右半分が薄膜シート７が貼付されている部分を、それぞれ示している。

図４（ａ）では、波長２６６ｎｍ、周波数４０ｋＨｚ、出力２Ｗのパルスレーザ光を使用し、パルスレーザ光の走査速度、すなわちＸＹステージ４の移動速度は６０ｍｍ／ｓにてレーザ照射した。焦点位置は、脆性材料基板５の上面から、レーザ光照射側とは反対側に２．５ｍｍの位置（脆性材料基板５の下面から１．９ｍｍ離れた位置）になるようレンズ機構３の位置を調整した。

図４（ａ）に示すように、焦点位置が、パルスレーザ光が照射される側の反対側であって、脆性材料基板５から離れた位置となっている場合、脆性材料基板５はスクライブ溝６を形成する予定ライン６ａ上にて加工されることがない。一方、予定ライン６ａに沿って薄膜シート７のみが除去されていることがわかる。

次に、図４（ｂ）は、薄膜シート７が除去された部分にパルスレーザ光を集光する場合の加工状態を示す例示図である。図４（ｂ）でも、図４（ａ）と同様、左半分が脆性材料基板５の薄膜シート７が貼付されていない部分を、右半分が薄膜シート７が貼付されている部分を、それぞれ示している。

図４（ｂ）では、波長２６６ｎｍ、周波数５０ｋＨｚ、出力１．５Ｗのパルスレーザ光を使用し、パルスレーザ光の走査速度、すなわちＸＹステージ４の移動速度は２０ｍｍ／ｓでレーザ照射した。焦点位置は、脆性材料基板５の上面から、パルスレーザ光照射側とは反対側に０．５ｍｍの位置（脆性材料基板５の下面から０．１ｍｍ内側の位置）になるようレンズ機構３の位置を調整した。

図４（ｂ）に示すように、焦点位置が、薄膜シート７が除去された脆性材料基板５の表面近傍に位置している場合、予定ライン６ａに沿って脆性材料基板５が加工され、脆性材料基板５の表面にスクライブ溝６が形成される。一方、薄膜シート７は事前に除去されているので、熱溶融による影響が生じていない。したがって、仕上がりが綺麗な状態でスクライブ溝６を形成することができる。

以上のように本実施の形態によれば、薄膜シート７を除去するためのパルスレーザ光の焦点位置８ａと、脆性材料基板５の表面にスクライブ溝６を形成するためのパルスレーザ光の焦点位置８ｂとが異なるようにレンズ機構３の上下位置を調整することにより、薄膜シート７を除去するためのパルスレーザ光により脆性材料基板５が加工されることがなく、脆性材料基板５の表面に損傷を与えることがない。また、脆性材料基板５の表面にスクライブ溝６を形成するためのパルスレーザ光により、薄膜シート７に熱影響を与えることがなく、脆性材料基板５のスクライブ溝６周辺においても薄膜シート７が均一な状態を維持することができる。さらに、焦点位置を変動させるだけであることから、波長の異なる複数のレーザ発振器１を設ける必要がなく、装置全体を小型化、軽量化、ひいては低コスト化することが可能となる。

なお、本発明の趣旨の範囲内であれば多種の変形、置換等が可能であり、実施の形態に限定されるものではない。

１ レーザ発振器（レーザ照射機構）
２ ミラー機構（集光光学機構）
３ レンズ機構（集光光学機構）
４ ＸＹステージ（移動機構）
５ 脆性材料基板
６ スクライブ溝
６ａ 予定ライン
７ 薄膜シート（合成樹脂層）
８ａ 焦点位置（第一の位置）
８ｂ 焦点位置（第二の位置）

Claims (4)

1. パルスレーザ光を発振するレーザ発振器と、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とを有するレーザ照射機構と、
   該レーザ照射機構を脆性材料基板の表面の予定ラインに沿って移動することが可能な移動機構と
   を備え、前記脆性材料基板の表面の前記予定ラインに沿ってスクライブ溝を形成するレーザ光加工装置において、
   前記脆性材料基板の一面には合成樹脂層が形成してあり、
   前記パルスレーザ光は前記合成樹脂層が形成してある面側から照射するようにしてあり、
   前記パルスレーザ光が前記集光光学機構にて集光される焦点位置の、前記脆性材料基板の表面に直交する方向の位置を変更する焦点位置変更手段と、
   前記焦点位置が、前記脆性材料基板の合成樹脂層が形成してある面から離れた第一の位置となるよう調整して前記パルスレーザ光を照射した後、前記焦点位置が、前記第一の位置よりも前記脆性材料基板の合成樹脂層が形成してある面に近い第二の位置となるよう再調整して前記パルスレーザ光を照射するよう制御する制御手段と
   を備えることを特徴とするレーザ光加工装置。
2. 前記集光光学機構は、レンズ機構と、ミラー機構とで構成してあり、
   前記焦点位置変更手段は、前記レンズ機構の前記脆性材料基板の表面に直交する方向の位置を変更して前記焦点位置を調整するようにしてあることを特徴とする請求項１記載のレーザ光加工装置。
3. パルスレーザ光を発振するレーザ発振器と、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とを有するレーザ照射機構と、
   該レーザ照射機構を脆性材料基板の表面の予定ラインに沿って移動することが可能な移動機構と
   を備えたレーザ光加工装置で、前記脆性材料基板の表面に前記予定ラインに沿ってスクライブ溝を形成するレーザ光加工方法において、
   前記脆性材料基板の一面には合成樹脂層が形成してあり、前記パルスレーザ光は前記合成樹脂層が形成してある面側から照射し、
   前記パルスレーザ光が前記集光光学機構にて集光される焦点位置の、前記脆性材料基板の表面に直交する方向の位置を変更して、前記焦点位置が、前記脆性材料基板の合成樹脂層が形成してある面から離れた第一の位置となるよう調整して前記パルスレーザ光を照射した後、前記焦点位置が、前記第一の位置よりも前記脆性材料基板の合成樹脂層が形成してある面に近い第二の位置となるよう再調整して前記パルスレーザ光を照射するよう制御することを特徴とするレーザ光加工方法。
4. 前記集光光学機構は、レンズ機構と、ミラー機構とで構成してあり、
   前記レンズ機構の前記脆性材料基板の表面に直交する方向の位置を変更して前記焦点位置を調整することを特徴とする請求項３記載のレーザ光加工方法。

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