JP4512786B2

JP4512786B2 - ガラス基板の加工方法

Info

Publication number: JP4512786B2
Application number: JP2000350424A
Authority: JP
Inventors: 賢司鎌田; 浩二太田; 山口　　淳; 正小山
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2000-11-17
Filing date: 2000-11-17
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2020-11-17
Also published as: US7007512B2; US20020090493A1; SG102644A1; DE10156343A1; JP2002154846A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガラス基板表面に溝状凹部を形成するガラス基板の加工方法に関し、とくにレーザアブレーションによってガラス基板表面にＶ状溝を形成する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
基板上に作製された溝状凹部は、光ファイバ、ロッドレンズ等の光学素子の保持部材や、回折格子等の光学素子として利用されている。基板上に作製された溝を光ファイバ等の保持部材として使用する場合、溝の長手方向に対して垂直な断面がＶ字型をなしていることが重要である。溝断面がＵ状や矩形状である場合には、光ファイバ等を溝内に収容した際、その保持が線ではなく面で行われるために、光ファイバ等の直径に対して溝断面の寸法が高精度で一致している必要がある。この寸法にばらつきがある場合、光ファイバ等は確実に固定されず、溝中を移動してしまう。光ファイバ等の保持は他の光学素子との光軸合わせを目的に行われるので、このような移動は問題を生じる。それに対してＶ状溝の場合は、溝断面が直線でかつ傾いているので光ファイバー等はそれぞれの壁面において線で保持され、溝中を移動する恐れはない。
【０００３】
上記の目的で使用されるＶ状溝の多くは化学エッチングによって作製されている。シリコン等の結晶性基板では、その結晶方向によってエッチング速度が異なる。たとえば単結晶シリコンをアルカリ性エッチング液でエッチングすると、（１００）面、（１１０）面のエッチング速度が（１１１）面のエッチング速度より速いため、（１１１）結晶面のみで構成される形状が形成できる（例えば、「ＬＳＩハンドブック」電子通信学会編オーム社、参照）。
【０００４】
このようなエッチング方法は異方性エッチングと呼ばれる。シリコンの結晶面異方性エッチングには、ＫＯＨ、Ｎ₂Ｈ₄（ヒドラジン）、ＮＨ₂（ＣＨ₂）₂ＮＨ₂（エチレンジアミン）、ＮＨ₄ＯＨ（アンモニア水）等のアルカリ溶液が使用される。アルカリ溶液中のＯＨ^-イオンによってＳｉはＳｉＯ₂（ＯＨ）₂ ^-として除去される。しばしば、ＣＨ₃・ＣＨＯＨ・ＣＨ₃やＣ₆Ｈ₄（ＯＨ）₂（ピロカテコール）などのアルコールが緩衝剤として用いられるが、これはＯＨ^-イオンがＳｉ表面に吸着するのを防ぎ、エッチング速度を制御しやすいように減少させるとともに、面方位依存性を変化させるものと考えられている。
【０００５】
Ｓｉ（１００）ウエハ表面に一定幅をもつストライプ状パターンの開口をもつホトレジスト等のマスクを設け、上記のエッチング液によりエッチングを行うと、Ｖ状溝が形成される。そのＶ状溝両側面のなす角度は５４．７度を保ってエッチングが進み、マスクパターン幅で決まる深さで反応はほぼ停止する。
異方性エッチングによると、結晶学的に決まった形状が形成できるため、従来の方法に比べ高精度な加工が可能となる。この方法は、パターン幅を変化させることでどのような大きさのＶ状溝も作製可能であること、エッチングプロセスであるので同時に多量の生産が可能なため、同じ形状を多く作製する場合にはコストが安い利点がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、異方性エッチングによる方法は基板として選択できる材料が単結晶シリコン等の結晶性基板に限られ、またＶ字の角度が結晶学的に一義的に決定されるため、調整ができない。これはつぎのような問題を生じる。
【０００７】
光学装置に対する要求性能が高度化するにつれ、光学系の温度による特性変動が問題となってくる。これは温度が変化することによって光学系を構成する光学素子が膨張、収縮すること、屈折率が変化することによって光路長が変化することによる。そのため、光学素子の光路長の温度変化を相殺するような特性を有する材料を保持部材として使用すれば、光学系全体としての温度変化を低減することができる。
【０００８】
光学素子の光軸調整に使用される保持部材の場合、温度による影響は膨張、収縮による光軸ずれであるので、この場合には温度変化に対して膨張、収縮が小さい材料を使用すればよい。しかし例えばシリコンの熱膨張係数は約２５×１０^-7℃^-1であり、上記のような異方性エッチングに供される結晶材料から膨張、収縮の小さい材料を選択することは困難である。これに対してガラスには例えば石英ガラス（５．５×１０^-7℃^-1）のように熱膨張係数の小さい材料が存在し、さらにいわゆるゼロ熱膨張ガラスと呼ばれる石英ガラスより熱膨張係数が小さい材料も知られている。また、保持部材上の光学素子が正の熱膨張係数を持つ場合は、保持部材に負の熱膨張係数を持つガラスを選択することもできるので、系全体の熱膨張を相殺することができる。以上のように、光学素子の温度による特性の変化を抑制する保持部材としては、結晶材料より非晶質であるガラス材料の方が選択できる幅が広い。
【０００９】
ガラス基板にＶ状溝を作製する方法としては、ダイシングソーによる切削がある。この方法は、精密に仕上げられた刃を高速に回転させて基板を切削するもので、広い範囲の基板材料に適用可能であること、刃先の変更でＶ字の角度、溝の幅、深さが任意に変更可能であるという特徴を有する。
【００１０】
しかしながら、ダイシングソーによる切削は、切削に使用される刃先の磨耗が大きいために一つの刃先で作製できるＶ状溝の数が数本に限られる。このためコスト上問題がある。また数本切削するごとに刃先の交換が必要なため、溝間隔を高い寸法精度に保つのが難しい。さらに刃先を加工できる大きさが５０μｍ以上であるので、得られるＶ状溝の幅が５０μｍ以上に限定されるといった問題がある。
【００１１】
本発明は、ガラス基板表面にＶ状溝を形成する方法における上述のような問題点を解決することを目的とする。さらに前記Ｖ状溝の両側面がなす角度を任意に変更可能であることを特徴とするガラス基板の加工方法を提供する。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明のガラス基板の加工方法は、レーザ光照射によりガラス基板表面に凹部を形成する方法である。本発明の方法においては、加工を施すガラス基板表面上方よりレーザ光を照射し、このレーザ光をガラス基板の上方外側に集光させる。さらにその集光点のガラス基板表面からの距離を変化させる手段を有する。
またこの集光点を基板表面に平行に基板に対して相対的に移動させることにより、溝状凹部が基板表面に形成できる。このレーザ光は、パルス光であり、そのパルス幅が１０ピコ秒以下であることが望ましい。
【００１３】
本発明のガラス基板の加工方法によりガラス基板表面に形成されたＶ状溝は、その両側面のなす角度が３０度から１２０度の間で変化できる。また、Ｖ状溝が形成されたガラス基板は、溝がレーザ光によるアブレーションによって作製されるため、多くの溝を形成させる場合においても連続的に加工できる。このため溝間隔の精度を高くすることが容易であり、また連続加工が可能である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を説明する。
本発明のガラス基板表面へのＶ状溝の加工方法は、レーザ光をガラス表面に照射してアブレーションを起こさせることを基本としている。形成されるＶ状溝６の概形を図３に示す。レーザ光としては、アブレーションによって加工した溝の溝側面８および溝側面と基板表面とのエッジ９を滑らかにするためにはパルス幅が短いレーザが望ましい。レーザ光が連続光、またはパルス幅が長い場合には、レーザ光照射時に発生する熱の影響によってアブレーション加工した溝部のエッジ９および周辺が変形するため、良好な加工ができない。例えばパルス幅１ナノ秒のパルスレーザによって加工を行った場合は、溝のエッジ９部分にクラック、隆起（デブリ）が多く発生して良好なＶ状溝形状が得られない。レーザのパルス幅が短くなるほどレーザパルスの照射時に発生する熱が瞬間的であるために周囲へ伝導することが少なくなり、良好な側面８とエッジ９を有する加工溝６が得られる。よって、レーザ光のパルス幅は、望ましくは１０ピコ秒以下であり、さらに望ましくは１ピコ秒以下である。パルス幅は短いほどよいが、レーザが安定に発振する最短パルス幅は１０フェムト秒程度以上である。
【００１５】
レーザ光は、レンズ等の集光装置により集光される。このとき、集光点がガラス材料の外部に位置するように調整することでＶ状溝の形成ができる。レーザ光の集光点をガラス表面に位置させると、溝形状がＶ字状にならず、溝の下部にクラックが入る等の問題が生じる。レーザ光の集光点をガラス表面から移動させガラスの外部に位置させることで、クラックがなく、溝側面エッジが滑らかなＶ状溝をガラス表面に形成することができる。
【００１６】
上記については以下のように推測される。パルス幅の短いレーザは短いパルス時間にエネルギーが集中しているため、大きなピークパワーを有している。ピークパワーは、１パルス当りの出力エネルギー（Ｊ）／パルス幅（秒）の比で表されるピーク出力（Ｗ）を照射単位面積当りで表した値である。このパルス幅の短いレーザを集光させることで、集光点のエネルギーは非常に大きなものとなる。集光点のピークパワーが８×１０¹¹Ｗ／ｃｍ²以上となると、レーザビームが自己収束効果を起こして集光点の後方（レーザの進む方向）のビームの広がりが抑えられる（応用物理、６７巻、ｐ．1051、1998年参照）。これによりビームの広がりがガラスのＶ状溝を加工するのに適した分布となるため、集光点の後方（レーザの進行方向）にガラス表面を位置させることでガラス表面にＶ状溝を形成することができる。
【００１７】
集光点とアブレーション加工するガラスの表面との距離は、レーザ光の強度、用いるレンズの倍率および開口率（ＮＡ）、加工速度等の組み合わせで最適になるように調整する。これらのパラメータが一定の場合、集光点とガラス表面との距離を変化させることでＶ状溝の溝幅をほぼ一定にしたままでＶ字のなす角度を任意に変更することができる。しかしながら、集光点をガラス表面に近付け過ぎると、作製した溝にクラックが生成してしまう。集光点をガラス表面から離しすぎるとＶ状溝の加工に必要なエネルギー分布ではなくなってＶ状溝形状が得られなくなるという問題がある。このため、集光点とガラス表面との距離を調整することによって得られるＶ状溝のＶ字のなす角度は、３０度から１２０度である。
【００１８】
レーザアブレーションによって得られるＶ状溝の溝幅は、レーザ光の強度、用いるレンズの倍率および開口率（ＮＡ）によって任意に変更することができる。しかしなから、集光点のピークパワーが小さくなりすぎると、自己収束効果による集光点より後方のビームの広がり抑制効果が小さくなりすぎるため、アブレーションによってガラス表面にＶ字形状の溝が作製できなくなる。
【００１９】
この集光点をガラス基板の表面に対して平行に相対移動させることにより、ガラス表面にＶ状溝が形成される。具体的には、レーザ光の集光点に対しガラス基板を連続的に移動させ、あるいはガラス基板の外部でレーザ光の集光点をガラス表面に対して平行に連続的に移動させることにより、集光点を相対移動させる。
【００２０】
上述のように、滑らかなＶ状溝の側面およびエッジを得るため、レーザ光のピークパワーを大きくするためにはパルス幅の短いパルスレーザの使用が望ましい。レーザの発振周波数が低いほどピークパワーを大きくすることが容易になるが、あまり遅いと滑らかな溝形状とならないため、レーザパルスの繰り返し周波数は１００Ｈｚ、望ましくは５００Ｈｚ以上とする。
【００２１】
レーザ光強度の変化は、レーザの出力自体を変化させてもよいが、その場合はレーザの発振が不安定となるため、レーザ発振装置の外部で行うことが望ましい。外部でレーザ光を変化させることは、レーザ光の光路の途中に強度を変化させるための装置を設置することによって達成できる。強度を変化させるための具体的な装置にはＮＤフィルタ、グランレーザプリズム等がある。
【００２２】
以下に実施例をあげて本発明をより具体的に説明するが、本発明はその主旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。例えば、レーザ光の照射位置を基板面内で移動させずに、円錐孔状の凹部を形成することもできる。また集光点と基板を相対移動させるとともに、集光点と基板表面の距離も変化させれば、位置によって両側面のなす角が変化した溝形状を形成することもできる。
【００２３】
【実施例１】
表１に示す組成を有し、０℃から３００℃までの平均熱膨張係数が８９．２×１０^-7℃^-1である２０mm×３０mm×２mmの板状のガラス基板に、図１に示すようにパルスレーザ光２をレンズ３で集光して照射した。パルスレーザ光２としては、アルゴンレーザ励起のチタン・サファイア（Ｔｉ：Ａｌ₂Ｏ₃）レーザ（図示しない）から発振されたパルス幅１００フェムト秒、繰り返し周波数１ｋＨｚ、波長８００nm、平均出力９５０ｍＷのレーザ光を使用した。ＮＤフィルターを透過させて強度５００mWに調整したレーザ光を、開口率（ＮＡ）が０．３の１０倍対物レンズ３で集光し、レーザ光２の焦点位置４が基板１の表面７の外部上方１５０μｍに位置するように調整し、基板１を１００μｍ／ｓの速度で矢印５の方向に移動させながらＶ状溝６を作製した。
【００２４】
上記方法で作製したＶ状溝の走査電子顕微鏡写真を図２に示す。図３に示すＶ状溝各部の寸法の測定結果は溝幅Ｗが５１μｍ、溝の深さｄが３２μｍ、Ｖ状溝側面８のなす角度θは７７度であった。
【００２５】
【実施例２】
実施例１と同様の基板材料、レーザ光源を用い、レーザーの焦点位置のみ基板１の表面７の外部上方１２５μｍに位置するように変更してＶ状溝を作製した。
形成されたＶ状溝の形状を走査型電子顕微鏡で確認したところ、溝幅Ｗ＝４９μｍ、深さｄ＝６７μｍ、Ｖ状溝側面８のなす角度θは４０度であった。
【００２６】
【実施例３】
実施例１と同様の基板材料、レーザ光源を用い、レーザーの焦点位置のみ基板１の表面７の外部上方１７５μｍに位置するように変更してＶ状溝を作製した。
形成されたＶ状溝の形状を走査型電子顕微鏡で確認したところ、溝幅Ｗ＝５３μｍ、深さｄ＝１９μｍ、Ｖ状溝側面８のなす角度θは１１０度であった。
【００２７】
【実施例４】
表１に示すように実施例１〜３とは異なる組成を有し、−５０℃から１２５℃までの平均熱膨張係数が−４．１×１０−７℃^-1である２０mm×３０mm×２mmの板状の基板に、図１に示すようにパルスレーザ光２をレンズ３で集光して照射した。パルスレーザ光２としては、実施例１と同様にアルゴンレーザ励起のＴｉ：Ａｌ₂Ｏ₃レーザから発振されたパルス幅１００フェムト秒、繰り返し周波数１ｋＨｚ、波長８００nm、平均出力９５０ｍＷのレーザ光を使用した。ＮＤフィルタを透過させて強度７４０ｍＷに調整したレーザ光を、ＮＡ＝０．１３の４倍対物レンズ３で集光し、レーザ光２の焦点位置４が基板１の表面７の外部上方４５０μｍに位置するように調整し、基板１を１００μｍ／ｓの速度で矢印５の方向に移動させながらＶ状溝６を作製した。
【００２８】
上記方法で作製したＶ状溝の形状を走査型電子顕微鏡で確認したところ、溝幅Ｗ＝８７μｍ、深さｄ＝５８μｍ、Ｖ状溝側面８のなす角度θは７４度であった。
【００２９】
【表１】

【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、パルス幅の短いパルスレーザ光をガラスの外部に集光させ、その集光点の後方（レーザ光の進行方向）にガラス表面を位置させてアブレーションを起こさせることでガラス基板表面にＶ状溝が作製でき、その焦点位置とガラス表面との距離を変化させることによってＶ状溝両側面のなす角度を変更し得る。レーザを用いた加工であるため、連続的にＶ状溝を作製でき、多くの溝を作製する場合において、溝間隔の精度を高くすることが容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガラス基板の加工方法を示す概略配置図である。
【図２】実施例１によって作製したＶ状溝の走査型顕微鏡写真である。
【図３】ガラス基板表面に作製したＶ状溝の概形を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ガラス基板
２パルスレーザー光
３集光レンズ
４集光点
５ガラスの移動方向
６Ｖ状溝
７ガラス基板の表面
８Ｖ状溝側面
９Ｖ状溝エッジ

Claims

レーザ光照射によりガラス基板表面にＶ状溝を形成するガラス基板の加工方法において、加工を施すガラス基板表面上方よりチタン・サファイアレーザ光を照射し、該レーザ光を前記ガラス基板の上方外側に集光させるとともに、前記レーザ光の集光点をガラス基板表面と平行な方向に相対的に移動させることを特徴とするガラス基板の加工方法。
前記レーザ光が、パルス光であり、そのパルス幅が１０ピコ秒以下であることを特徴とする請求項１に記載のガラス基板の加工方法。