JP5923765B2 - ガラス基板のレーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、表面強化ガラス基板をダイシングするガラス基板のレーザ加工装置に関し、特に、ガラス基板に環状の加工痕を形成するのに好適なガラス基板のレーザ加工装置に関する。

液晶表示パネルの製造に際し、ガラス基板上に露光及び現像を繰り返して、所定の画素及び回路からなるパターンを形成する。この場合に、１枚のガラス基板に対し、複数枚のパネル分のパターンを同時に形成し、その後、ガラス基板を分割することにより、個々のパネルを製造している。従来、このガラス基板の分割は、切断予定線を回転刃で線状に研削する機械的なダイシング加工により行っている（特許文献１）。

しかしながら、この機械的ダイシング加工においては、ダイシングブレードを低速度で切断予定線に沿って移動させる必要があり、１個のガラス基板当たりの処理時間が長くかかり、製造タクトが悪いという問題点がある。また、ダイシング工程の途中でガラス基板が割れやすく、歩留が低いと共に、回転刃による切削に際し、切削屑が発生するという問題点もある。特に、表面強化ガラスの場合は、上記問題点が更に著しくなる。

よって、例えばレーザ加工によりガラスに加工痕を形成する技術が提案されている。即ち、ガラスの表面又は深さ方向の内部にレーザ光を点状又は線状に集光することにより、エネルギ密度の高いレーザ光をガラスに照射して、ガラスの切断予定線に沿って加工痕を形成し、加工痕に沿って機械的に力を印加することにより、ガラスを切断予定線で容易に切断することができる。レーザ光によるガラス基板の加工は、機械的ダイシング加工に比して、製造タクトを短縮できるだけではなく、ガラス基板が加工の途中で割れにくく、切削屑も発生しにくいため、特に、表面強化ガラスの加工に好適である。

例えば、特許文献２には、ＹＡＧレーザ発振装置によりガラス基板にレーザ光を照射した後、ガラス基板表面のレーザ光が照射された位置をホイールカッターで走査することにより、例えば合わせガラス等の表面にクラックを発生させる技術が開示されている。

特許文献３においては、ガラスに照射するビームスポット形状を３０ｍｍ以上の最大寸法を有する細長いものにし、これをガラス上で線状に走査することにより、ガラスに部分的にクラックを生じさせている。

特許文献４においては、レーザ加工装置において、ガラス等の切断対象物への加工速度を向上させるために、切断対象物の厚さ方向及び厚さ方向に直交する方向に延びるように１対の線状焦点を形成し、ガラス等の切断対象物の内部を改質する技術が開示されている。

特開２００７−２２９８３１号公報 特開２００５−１０４８１９号公報 特開２００８−２７３８３７号公報 特開２００８−３６６４１号公報

しかしながら、特許文献２乃至４の技術は、いずれもガラスに連続的な線状の加工痕又は線状の切断予定線に沿った複数個の点状の加工痕を形成するものである。よって、ガラス基板に無端の閉じた形状の加工痕を形成する場合には、レーザ光をガラス基板の切断予定線に沿って連続的に走査するか、又はレーザ光の照射位置を切断予定線に沿って移動させながらレーザ光を複数回照射する必要があり、製造タクトが長期化するという問題点がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、ガラス基板に無端の閉じた形状の加工痕を容易に形成でき、ガラス基板の分割のための処理時間を短縮することができるガラス基板のレーザ加工装置を提供することを目的とする。

本発明に係るガラス基板のレーザ加工装置は、ガラス基板の無端の閉じた形状の切断予定線にレーザ光を集光して、前記ガラス基板に加工痕を形成するガラス基板のレーザ加工装置において、
レーザ光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源からのレーザ光を前記ガラス基板に対して前記切断予定線に対応させて集光する環状のシリンドリカルレンズと、
前記レーザ光源からのレーザ光の照射領域を、前記シリンドリカルレンズに対して相対的に第１方向に移動させる駆動装置と、
前記レーザ光源及び駆動装置を制御する制御装置と、
を有し、
前記レーザ光源から出射されるレーザ光の照射領域は、その光軸に直交する面内で、前記第１方向に直交する第２方向における幅が、前記シリンドリカルレンズの前記第２方向における幅より大きく、
前記制御装置は、前記駆動装置により前記レーザ光の照射領域を前記シリンドリカルレンズに対して前記第１方向に移動させる過程で、前記レーザ光源からレーザ光を複数回出射させ、前記ガラス基板に線状の加工痕を形成していくことにより、これらの複数回のレーザ光の照射によって、前記線状の加工痕が接続されて無端の閉じた形状となることを特徴とする。

上述のガラス基板のレーザ加工装置において、例えば前記制御装置は、前記複数回のレーザ光の照射による前記ガラス基板上の照射領域が前記切断予定線上で一部が重なるように、前記照射領域を制御する。この場合に、前記制御装置は、例えば前記複数回のレーザ光の照射による前記切断予定線上の投入エネルギが一定となるように、前記照射領域の重なりを制御する。

前記シリンドリカルレンズは、前記レーザ光の焦点位置を、前記ガラス基板の厚さ方向の内部とすると共に、焦点深度を前記ガラス基板の厚さよりも短く、好ましくは前記ガラス基板の厚さの１／１００以下に設定することが好ましい。これにより、ガラス基板の内部にレーザ光の照射による加工痕を形成することができる。このため、レーザビームの照射により表面に割れが発生することが確実に防止される。

また、本発明のガラス基板のレーザ加工装置は、表面強化ガラス基板に適用すると、有益である。表面強化ガラス基板は、表面の性質が硬いため、ダイシング刃を使用した機械的ダイシングにおいてはなおさらのこと、レーザダイシングでもその焦点位置がガラス基板の表面である場合は、加工中に割れてしまう。本発明は、レーザ光の波長は２５０乃至４００ｎｍであり、シリンドリカルレンズによるレーザ光の焦点位置を、前記表面強化ガラス基板の厚さ方向の内部であって、前記表面強化ガラス基板の表面強化層よりも深い位置に設定しているので、表面強化ガラス基板でも、加工中に割れることが防止される。

本発明のガラス基板のレーザ加工装置は、レーザ光源からのレーザ光をガラス基板に対して切断予定線に対応させて集光する環状のシリンドリカルレンズを有し、移動装置により、シリンドリカルレンズに対するレーザ光の照射領域が第１方向に移動される。レーザ光源から出射されるレーザ光の照射領域は、その光軸に直交する面内で、第１方向に直交する第２方向における幅が、シリンドリカルレンズの第２方向における幅より大きく、制御装置は、駆動装置により、レーザ光の照射領域をシリンドリカルレンズに対して相対的に第１方向に移動させる過程で、レーザ光源からレーザ光を複数回出射させる。これにより、シリンドリカルレンズに対するレーザ光の照射領域に対応して、ガラス基板の無端の閉じた形状の切断予定線に対応してガラス基板に線状の加工痕が形成されていき、複数回のレーザ光の照射により、この線状の加工痕が接続されて無端の閉じた形状となる。よって、本発明によれば、レーザ光をガラス基板の環状の切断予定線に沿って照射していく場合に比して、加工痕の形成時間が短く、ガラス基板の分割のための処理時間を短縮することができる。

また、本発明においては、制御装置は、駆動装置によりレーザ光の照射領域をシリンドリカルレンズに対して第１方向に移動させる過程で、レーザ光源からレーザ光を複数回出射させるため、シリンドリカルレンズの全体にレーザ光を照射するような大きなレーザ光源は不要であり、また、シリンドリカルレンズをガラス基板の切断予定線の形状に対応させて他のシリンドリカルレンズに交換した場合においても、レーザ光源を交換する必要もない。

（ａ）は、本発明の実施形態に係るガラス基板のレーザ加工装置において、レーザ光の照射領域とガラス基板に形成される加工痕を示す平面図、（ｂ）は同じく斜視図であって、シリンドリカルレンズの断面形状を示す図である。 本発明の実施形態に係るガラス基板のレーザ加工装置において、シリンドリカルレンズを示す斜視図である。 本発明の実施形態に係るガラス基板のレーザ加工装置を示す斜視図である。 （ａ）乃至（ｃ）は、本発明の実施形態に係るガラス基板のレーザ加工装置において、レーザ光の照射領域の移動に伴ってガラス基板に形成されていく加工痕を時系列的に示す図である。 表面強化ガラス基板の透過特性を示すグラフ図である。

以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１（ａ）は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置において、レーザ光の照射領域とガラス基板に形成される加工痕を示す平面図、図１（ｂ）は同じく斜視図であって、シリンドリカルレンズの断面形状を示す図、図２は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置において、シリンドリカルレンズを示す斜視図、図３は、本発明の実施形態に係るガラス基板のレーザ加工装置を示す斜視図である。図３に示すように、ステージ１上に、被加工物である露光現像処理後の表面強化ガラス基板等のガラス基板２が載置される。このステージ１に対し、このステージ１の幅方向の全域をまたぐ門型の移動部材３が、矢印ａ方向に往復移動可能に支持されている。そして、この移動部材３には、ステージ１の幅方向（矢印ｂ方向）に往復移動可能に、支持部４が設置されており、この支持部４にパルスレーザ発振器６が支持されている。ガラス基板２の上方には、環状に設けられたシリンドリカルレンズ７が配置されており、パルスレーザ発振器６からのパルスレーザ光５を、ガラス基板２の切断予定線に対応させて集光するようになっている。

このレーザ加工装置においては、ステージ１上に表面強化ガラス基板等のガラス基板２が載置され、移動部材３が矢印ａ方向に移動すると共に、パルスレーザ発振器６からパルスレーザ光５が間欠的に出射され、シリンドリカルレンズ７により集光されたパルスレーザ光５がガラス基板２に照射される。図１（ａ）に示すように、このパルスレーザ光５の照射領域は、その光軸に直交する面内における形状が例えば矩形であり、方向ｂにおける幅Ｗ_５が、同じく方向ｂにおけるシリンドリカルレンズ７の幅Ｗ_７よりも大きくなるように調節されている。そして、レーザ光５の照射領域は、方向ｂについて、シリンドリカルレンズ７を包含するように調節されている。これにより、ガラス基板２に対して、切断予定線上で、レーザ光５が線状に照射される。この場合に、移動部材３が移動している間に、パルスレーザ発振器６からレーザ光５を照射しても良いし、移動部材３を移動後一旦停止させた状態で、パルスレーザ発振器６からレーザ光５を照射してもよい。ガラス基板２の上方に配置されるシリンドリカルレンズ７は、焦点距離が異なるものを交換できるようにすることができる。これにより、シリンドリカルレンズ７から加工対象のガラス基板２の表面性状等に応じて焦点深度が最適のシリンドリカルレンズを選択して、レーザ加工を行うことができるようになっている。

又は、シリンドリカルレンズ７は、切断予定線の形状に対応するものを交換することもできる。図１及び図２に示すように、ガラス基板２の上方に配置されるシリンドリカルレンズ７は、上方に凸の均一な断面形状を有する環状のレンズであり、いずれの断面においてもその下方の焦点距離が一定となるように構成されている。よって、シリンドリカルレンズ７は、その焦点を繋ぐ線が、環状のシリンドリカルレンズ７と相似的に環状となる。本発明においては、切断予定線の形状とシリンドリカルレンズ７の環状の焦点形状とが同一となるようなシリンドリカルレンズ７が選択されて使用される。本実施形態においては、円形の切断予定線に対応させて、シリンドリカルレンズ７は、その焦点形状が円形となるものが使用されており、その中心軸がパルスレーザ光５の光軸に平行となるように配置されている。このシリンドリカルレンズ７は、パルスレーザ発振器６から出射されたパルスレーザ光５をガラス基板２に集光させる。このパルスレーザ光５は、例えば波長が２５０〜４００ｎｍであり、シリンドリカルレンズ７により、その焦点位置が、ガラス基板２の厚さ方向の内部であり、焦点深度が前記ガラス基板の厚さよりも短く設定され、好ましくはガラス基板２の厚さの１／１００以下の範囲に設定されている。

レーザ光５は、図１（ａ）に矩形の細線で示すように、方向ｂについてシリンドリカルレンズ７を包含するように照射する。パルスレーザ発振器６からのレーザ光５の照射タイミング及び移動部材３の移動距離及び移動のタイミングは、制御装置（図示せず）により制御される。

パルスレーザ光５の波長は、例えば２５０〜４００ｎｍである。図５は、横軸に波長をとり、縦軸にレーザ光の透過率をとって、表面強化ガラスの透過特性を示すグラフ図である。波長が５３２ｎｍのレーザ光の場合、ガラス基板に対する透過率が高く、即ち、ガラス基板におけるエネルギの吸収率が悪く、ガラス基板に加工痕を形成しにくい。これに対し、水銀ランプでいうｉ線（波長３６５ｎｍ）付近で、エネルギの吸収が始まり、加工痕を形成できるようになる。また、波長が２６６ｎｍのレーザ光を使用することにより、極めて高いエネルギ吸収率を得ることができる。よって、本発明においては、２５０〜４００ｎｍの波長域において、ガラス基板に加工痕を形成する。

本実施形態においては、制御装置は、複数回のレーザ光５の照射によりガラス基板２上の照射領域が切断予定線上で一部が重なるように、レーザ光５の照射領域を制御する。例えば、制御装置は、シリンドリカルレンズ７に対するレーザ光５の照射領域が従前のレーザ光５の照射領域の一部と重なるように、レーザ光源６からレーザ光を出射させるように構成されている。よって、レーザ光５は、シリンドリカルレンズ７への照射領域に対応してガラス基板２の円形の切断予定線上に集光されてガラス基板２に加工痕２０が形成されていき、複数回のレーザ光５の照射により、この線状の加工痕２０が接続されて円形に形成される。

本実施形態においては、光軸に直交する面内における形状が矩形のレーザ光５を出射するため、図１（ａ）に示すように、シリンドリカルレンズ７に対するレーザ光５の照射領域は、シリンドリカルレンズ７の中心軸に直交する面内において、中心軸から半径方向にみたときに、シリンドリカルレンズ７の全体に照射されている領域５ａとシリンドリカルレンズ７の一部に照射されている領域５ｂとが生じる。よって、ガラス基板２に投入されるレーザ光のエネルギは、領域５ｂよりも領域５ａの方が大きく、従って、領域５ａに対応してガラス基板２上に形成される加工痕２０ａと領域５ｂに対応してガラス基板２上に形成される加工痕２０ｂとでは、ガラス基板２が変質する程度に差異が生じる。制御装置は、例えば複数回のレーザ光５の照射による切断予定線上の投入エネルギが一定となるように、ガラス基板２上における照射領域の重なりを制御する。これにより、前記ガラス基板２の変質程度の差異を解消することができる。なお、このレーザ光５の照射による投入エネルギとは、ガラス基板２上に投入される熱量を意味する。

次に、本実施形態の動作について、制御装置の制御態様と共に説明する。制御装置は、先ず、図３に示すように、ガラス基板２の切断予定線上に配置されたシリンドリカルレンズ７に対して、移動部材３により、パルスレーザ発振器６をシリンドリカルレンズ７の方向ａにおける一端部側の上方に移動させて配置し、パルスレーザ発振器６から矩形ビーム形状で出射されたレーザ光５をガラス基板２に照射する。これにより、図４（ａ）に示すように、このレーザ光５の照射により、ガラス基板２には、線状の加工痕２０（２０ａ，２０ｂ）が形成される。このとき、レーザ光照射領域５ｂに対応してガラス基板２に投入されるエネルギは、領域５ａに対応してガラス基板２に投入されるエネルギよりも小さい。よって、領域５ｂに対応してガラス基板２に形成される加工痕２０ｂは、領域５ａに対応して形成される加工痕２０ａに比して、ガラス基板２の変質程度が小さい。

その後、制御装置は、パルスレーザ発振器６を矢印ａ方向にガラス基板２及びシリンドリカルレンズ７に対して相対的に移動させ、図４（ｂ）に示すように、シリンドリカルレンズ７に対するレーザ光５の照射領域が１回目のレーザ光５の照射領域の一部と重なるように、２回目のレーザ光５の照射を行う。このとき、制御装置は、例えば１回目のレーザ光５の照射では最大エネルギが投入されていなかった図４（ａ）における領域５ｂに最大エネルギが投入されるように、シリンドリカルレンズ７に対するレーザ光５の照射領域の重なりを制御する。よって、ガラス基板２上の加工痕２０ｂが形成されていた部分にも図４（ａ）と同じ加工痕２０ａが形成される。そして、２回目のレーザ光５のショットにより、１ショット目の加工痕２０ａに対して連続的に線状の加工痕２０（２０ａ，２０ｂ）が形成される。このように、シリンドリカルレンズ７に対するレーザ光５の照射領域の重なりを制御することにより、切断予定線上の投入エネルギが一定となり、変質程度が均一な加工痕２０ａを形成することができる。

その後、制御装置は、同様に、パルスレーザ発振器６を矢印ａ方向にガラス基板２及びシリンドリカルレンズ７に対して相対的に移動させ、シリンドリカルレンズ７に対するレーザ光５の照射領域が２回目のレーザ光５の照射領域の一部と重なるように、３回目のレーザ光５の照射を行う（図４（ｃ））。これにより、１ショット目及び２ショット目の加工痕２０ａに対して連続的に線上の加工痕２０（２０ａ，２０ｂ）が形成され、４回目のレーザ光５の照射により、図４（ｄ）に示すように、線状の加工痕２０（２０ａ，２０ｂ）が接続されて無端の閉じた形状の円形の加工痕２０ａが形成される。

レーザ光５の１ショットにおいては、シリンドリカルレンズ７に対するレーザ光５の照射領域は、シリンドリカルレンズ７の中心軸に直交する面内において、中心軸から半径方向にみたときに、シリンドリカルレンズ７の全体に照射されている領域５ａとシリンドリカルレンズ７の一部に照射されている領域５ｂとが生じ、ガラス基板２に集光されるレーザ光５のエネルギ密度の差異に起因して、加工痕２０ａと加工痕２０ｂとでは、ガラス基板２が変質する程度に差異が生じる。しかし、制御装置により、シリンドリカルレンズ７に対するレーザ光５の照射領域が従前のレーザ光５の照射領域の一部と重なるように、レーザ光源６からレーザ光を出射させることにより、前記ガラス基板２の変質程度の差異を解消することができる。この場合に、制御装置が複数回のレーザ光５の照射による切断予定線上の投入エネルギが一定となるように、ガラス基板２上における照射領域の重なりを制御することが好ましく、ガラス基板２に形成される加工痕２０の全周にわたり、その変質の程度が均一となる。加工痕２０の形成後は、例えば、手で曲げ応力を印加することにより、ガラス基板２を切断予定線で円形に割断することができる。

本実施形態においては、このように、複数回のレーザ光５の照射により、切断予定線の無端の閉じた形状と同一の加工痕２０を形成することができ、レーザ光５をガラス基板２の環状の切断予定線に沿って照射して従来のレーザ加工方法に比して、環状の加工痕２０の形成時間が短く、ガラス基板２の分割のための処理時間を短縮することができる。

また、レーザ光５をガラス基板に複数回に分けて照射するため、シリンドリカルレンズ７の全体にレーザ光５を照射するような大きなレーザ光源６は不要である。

例えば、波長が５３２ｎｍのレーザ光５を使用し、パルス幅を約７ｎｓｅｃとし、照射エネルギ密度を２５Ｊ／ｃｍ^２として、表面強化ガラス基板２の内部にレーザ光５を照射した場合、ガラス基板２にクラックが進展し、ガラス基板全体が乱雑に割れてしまう。これに対し、波長が３５５ｎｍのレーザ光５を使用し、パルス幅を約７ｎｓｅｃとし、照射エネルギ密度を１０Ｊ／ｃｍ^２として、表面強化ガラス基板５の内部にレーザ光５を照射した場合、ガラス基板２の内部に加工痕２０が形成され、ガラス基板２に手で曲げ応力を印加すると、この加工痕２０をもとに綺麗に円形の切断線により割断することができる。

また、レーザ光５の焦点位置は、ガラス基板の表面でもよいが、このレーザ光５の焦点位置を、ガラス基板２の内部とすることにより、ガラス基板２に割れが発生することを確実に防止することができる。即ち、レーザ光５の焦点位置を、ガラス基板２の厚さ方向の内部とし、焦点深度をガラス基板２の厚さよりも短く設定し、好ましくはガラス基板２の厚さの１／１００以下に設定することにより、表面強化ガラス基板であっても、その表面の改質部を避けて、その内部にレーザ光５のエネルギを集中することができる。ガラス基板２が表面強化ガラス基板である場合は、レーザ光５の焦点位置がガラス基板２の内部でなく、表面強化ガラス基板の表面の改質部にレーザエネルギが集中すると、ガラス基板２に乱雑なクラックが発生して乱雑に割れやすくなる。また、このレーザ光５の焦点深度が、ガラス基板２の厚さ以上であると、レーザ光５がガラス基板２の裏面にまで到達して、ガラス基板２が割れてしまう。このため、レーザ光５の焦点深度は、ガラス基板２の厚さよりも短くし、好ましくは、ガラス基板２の厚さの１／１００以下の範囲とすることが望ましい。

なお、レーザ光５のビーム形状は、上記実施形態のように、矩形に限らず、例えば、円形及び楕円形等、種々の形状を使用することができる。

また、本実施形態においては、円形の切断予定線に対応させて、シリンドリカルレンズ７は、その焦点形状が円形となるようなものを使用した場合について説明したが、シリンドリカルレンズ７としては、環状であればその他の形状のものも使用することができる。例えば平面形状が楕円形又は矩形のシリンドリカルレンズを使用することができる。

更に、本実施形態においては、レーザ光５を４回ショットすることにより、無端の閉じた形状の加工痕２０ａを形成する場合について説明したが、レーザ光５のショット数は、例えば２回又は３回でもよく、５回以上であってもよい。

１：ステージ、２：ガラス基板、２０，２０ａ，２０ｂ：加工痕、３：移動部材、４：支持部材、５：（パルス）レーザ光、６：パルスレーザ発振器、７：シリンドリカルレンズ

Claims (5)

1. ガラス基板の無端の閉じた形状の切断予定線にレーザ光を集光して、前記ガラス基板に加工痕を形成するガラス基板のレーザ加工装置において、
   レーザ光を出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光源からのレーザ光を前記ガラス基板に対して前記切断予定線に対応させて集光する環状のシリンドリカルレンズと、
   前記レーザ光源からのレーザ光の照射領域を、前記シリンドリカルレンズに対して相対的に第１方向に移動させる駆動装置と、
   前記レーザ光源及び駆動装置を制御する制御装置と、
   を有し、
   前記レーザ光源から出射されるレーザ光の照射領域は、その光軸に直交する面内で、前記第１方向に直交する第２方向における幅が、前記シリンドリカルレンズの前記第２方向における幅より大きく、
   前記制御装置は、前記駆動装置により前記レーザ光の照射領域を前記シリンドリカルレンズに対して前記第１方向に移動させる過程で、前記レーザ光源からレーザ光を複数回出射させ、前記ガラス基板に線状の加工痕を形成していくことにより、これらの複数回のレーザ光の照射によって、前記線状の加工痕が接続されて無端の閉じた形状となることを特徴とするガラス基板のレーザ加工装置。
2. 前記制御装置は、前記複数回のレーザ光の照射による前記ガラス基板上の照射領域が前記切断予定線上で一部が重なるように、前記照射領域を制御することを特徴とする請求項１に記載のガラス基板のレーザ加工装置。
3. 前記制御装置は、前記複数回のレーザ光の照射による前記切断予定線上の投入エネルギが一定となるように、前記照射領域の重なりを制御することを特徴とする請求項２に記載のガラス基板のレーザ加工装置。
4. 前記シリンドリカルレンズは、前記レーザ光の焦点位置を、前記ガラス基板の厚さ方向の内部とすると共に、焦点深度を前記ガラス基板の厚さよりも短く設定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガラス基板のレーザ加工装置。
5. 前記ガラス基板は、表面強化ガラス基板であり、前記シリンドリカルレンズは、前記レーザ光の焦点位置を、前記表面強化ガラス基板の厚さ方向の内部であって、前記表面強化ガラス基板の表面強化層よりも深い位置に設定することを特徴とする請求項４に記載のガラス基板のレーザ加工装置。

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