JP2005178288A

JP2005178288A - 脆性材料の割断方法とその装置

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Publication number: JP2005178288A
Application number: JP2003425570A
Authority: JP
Inventors: Ryoji Koseki; 良治小関; Takashi Onose; 隆小野瀬
Original assignee: Shibuya Kogyo Co Ltd; Joyo Engineering Co Ltd
Current assignee: Shibuya Corp; Joyo Engineering Co Ltd
Priority date: 2003-12-22
Filing date: 2003-12-22
Publication date: 2005-07-07

Abstract

【課題】液晶ガラス２を割断する際の作業時間を短縮する。
【解決手段】割断装置１は、亀裂を発生させる第１レーザ光Ｌ１を発振する第１レーザ発振器８と、上記亀裂を成長させる第２レーザ光Ｌ２を発振する第２レーザ発振器９とを備えている。第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２とを重畳させて液晶ガラス２の割断箇所へ照射し、分割線に沿って移動させる。
第１レーザ光Ｌ１の焦点Ｆ１は液晶ガラス２内の裏面２Ｂ近傍に合わせてあるので、上記焦点Ｆ１の位置に微小な亀裂Ｃが生じる。上記微小な亀裂Ｃは、第２レーザ光Ｌ２によって加熱されることで、液晶ガラス２の厚さ方向に成長して裏面２Ｂから表面２Ａまで到達して、液晶ガラス２が割断される。
【選択図】図２

Description

本発明は脆性材料の割断方法とその装置に関し、例えば脆性材料としての液晶ガラスにレーザ光を照射して所要の形状に割断するようにした割断方法とその装置に関する。

従来、液晶ガラスなどの脆性材料にレーザ光を照射して、所要の形状に割断するようにした割断方法は公知である（例えば特許文献１）。
こうした従来の割断方法においては、先ず板状の脆性材料に対して紫外線領域のレーザ光を照射して分割線に沿って脆性材料の表面に微小な溝を形成させる（スクライビング工程）。その後、溝をつけた分割線に沿って赤外線領域のレーザ光を脆性材料に照射することで、割断に結び付く熱歪みを与える（加熱分離工程）。これにより溝に沿って厚さ方向に割れが入り裏面まで到達するので、液晶ガラスが分割線に沿って割断されるようになっている。
特許掲載公報第３０３６９０６号

ところで、上述した従来の割断方法においては、脆性材料に溝を生じさせるスクライビング工程を行った後に、溝に沿って熱歪みを与える加熱分離工程を行っている。このように従来では、スクライビング工程と加熱分離工程とを別々に行っているので、分割線に沿って脆性材料を割断する際の作業効率が悪くなり、割断作業に時間が掛かるという欠点があった。
しかも、従来の割断方法においては、分割線が曲線の場合や複数の分割線が交差する場合には、割断装置の構成が複雑になるという欠点があった。

上述した事情に鑑み、第１の本発明は、板状の脆性材料における所要位置に第１レーザ光を照射させて上記脆性材料の厚さ方向の一部に亀裂を発生させ、該亀裂の発生箇所に第２レーザ光を照射して加熱することにより、上記亀裂を脆性材料の厚さ方向に成長させて脆性材料を割断するようにした脆性材料の割断方法であって、
上記第１レーザ光と第２レーザ光とを重畳させて上記脆性材料の所要位置に照射するようにした脆性材料の割断方法を提供するものである。
また、第２の本発明は、板状の脆性材料における所要位置に第１レーザ光を照射させて上記脆性材料の厚さ方向の一部に亀裂を発生させる第１レーザ発振器と、上記亀裂の発生箇所に第２レーザ光を照射して加熱することにより、上記亀裂を脆性材料の厚さ方向に成長させる第２レーザ発振器と、上記両レーザ発振器と脆性材料とを相対移動させて、該脆性材料に対する両レーザ光の照射位置を変更する移動手段とを備えた脆性材料の割断装置であって、
上記第１レーザ発振器から発振する第１レーザ光と上記第２レーザ発振器から発振する第２レーザ光とを重畳させて上記脆性材料の所要位置に照射して、該脆性材料の厚さ方向の一部に亀裂を生じさせるとともに、該亀裂を脆性材料の厚さ方向に成長させて該脆性材料を割断するようにした脆性材料の割断装置を提供するものである。

上述した本発明によれば、両レーザ光を重畳させて脆性材料に照射するので、分割線に沿って脆性材料に亀裂を発生させる工程と、上記亀裂を厚さ方向に成長させる工程とを同時に行うことができる。したがって、上述した従来と比較して脆性材料を割断するための作業時間を短縮させることができる。

以下図示実施例について本発明を説明すると、図１ないし図２において、１は割断装置であり、この割断装置１により脆性材料である透明な液晶ガラス２を割断線Ｑに沿って割断できるようになっている。
この割断装置１は、板状の液晶ガラス２を支持する加工テーブル３と、この加工テーブル３の上方側に配置されて該加工テーブル３上の液晶ガラス２に対して第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２を照射する照射手段４と、この照射手段４を加工テーブル３上の液晶ガラス２に対して相対移動させる移動手段５と、さらに上記照射手段４および上記移動手段５の作動を制御する制御装置６とを備えている。

加工テーブル３は所定位置に固定して配置してあり、かつ液晶ガラス２を支持する支持面に図示しない吸着手段を備えている。脆性材料としての液晶ガラス２は加工テーブル３の支持面上に水平に支持されるとともに、液晶ガラス２の裏面２Ｂが上記図示しない吸着手段によって吸着保持されるようになっている。それによって液晶ガラス２が加工テーブル３上で位置ずれしないようになっている。
照射手段４は、箱型のケーシング７内に収納した第１レーザ発振器８および第２レーザ発振器９を備えるとともに、ケーシング７内に第１集光レンズ１１及び第２集光レンズ１２を備えており、さらにダイクロイックミラー１３とベンドミラー１４を備えている。
第１レーザ発振器８はケーシング７内の下方側に配置してあり、第２レーザ発振器９はケーシング７内における第１レーザ発振器８の上方位置に配置している。第１レーザ発振器８および第２レーザ発振器９は、制御装置６によって作動を制御されるようになっており、制御装置６によって両レーザ発振器８、９が作動されると、上下位置となる両レーザ発振器８、９から水平方向における同一方向に向けて第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２が発振されるようになっている。
後に詳述するが、第１レーザ発振器８からは液晶ガラスに対して吸収率の低い短波長の第１レーザ光Ｌ１を発振する一方、第２レーザ発振器９からは上記第１レーザ光Ｌ１よりも波長が長く液晶ガラスに対して吸収率の高い第２レーザ光Ｌ２を発振するようにしている。

第１レーザ発振器８から発振される第１レーザ光Ｌ１の光路上に、上記第１集光レンズ１１を配置するとともに、ビームコンバイナーとしての上記ダイクロイックミラー１３を第１レーザ光Ｌ１の光軸に対して４５度傾斜させて配置している。
ダイクロイックミラー１３はレーザ光の波長の違いによって選択的にレーザ光を透過させ、あるいは反射するものである。本実施例においては、短波長である第１レーザ光Ｌ１はダイクロイックミラー１３により下方側の液晶ガラス２に向けて反射されるようになっている。他方、第１レーザ光Ｌ１よりも波長が長い第２レーザ光Ｌ２は、上方側からこのダイクロイックミラー１３に照射されると、該ダイクロイックミラー１３を透過して液晶ガラス２に向けて照射されるようになっている。
そのため、第１レーザ発振器８から第１レーザ光Ｌ１が発振されると、該第１レーザ光Ｌ１は第１集光レンズ１１を通過することによって収束されてダイクロイックミラー１３によって下方に向けて反射されてからケーシング７の開口部７ａを介して液晶ガラス２に照射されるようになっている。
なお、第１集光レンズ１１は、第１レーザ光Ｌ１の光軸方向に図示しない移動手段によって移動可能となっており、焦点の位置を調節できるようになっている。

本実施例の第１レーザ発振器８は短波長のＵＶＱスイッチの第１レーザ光Ｌ１を発振させるものであり、上記第１集光レンズ１１およびダイクロイックミラー１３を経由して第１レーザ光Ｌ１を液晶ガラス２に照射することにより、その集光点において該液晶ガラス２に多光子吸収を起こさせるようになっている。
本実施例においては、第１レーザ光Ｌ１の焦点Ｆ１を液晶ガラス２の内部における裏面２Ｂの近傍に位置させるようにしている（図２参照）。その状態から波長３５５ｎｍ、平均出力０．５〜１０Ｗでパルス幅５〜１００ｎｓｅｃ、繰り返し周波数１０〜１００ｋＨｚの範囲内で条件設定したＵＶＱスイッチの第１レーザ光Ｌ１を液晶ガラス２に照射するようにしている。これにより、液晶ガラス２内における焦点Ｆ１の位置（裏面２Ｂの近傍）に多光子吸収が起こって、その部分に微小な亀裂Ｃが生じるようになっている（図３参照）。
このように、本実施例においては、第１レーザ光Ｌ１を分割線に沿って液晶ガラス２の表面２Ａ側から照射して、反対側の裏面２Ｂに分割線に沿って亀裂Ｃを形成させるようになっている。

次に、上記第２レーザ発振器９から発振される第２レーザ光Ｌ２の光路上で、かつ上記ダイクロイックミラー１３の上方位置に、第２レーザ光Ｌ２の光軸に対して４５度傾斜させて上記ベンドミラー１４を配置している。ベンドミラー１４と上記ダイクロイックミラー１３とが上下位置で相互に平行な状態で配置されている。これにより、第２レーザ発振器９から第２レーザ光Ｌ２が発振されると、該第２レーザ光Ｌ２はベンドミラー１４によって下方のダイクロイックミラー１３に向けて反射されるようになっている。
上記ベンドミラー１４とダイクロイックミラー１３との間に、ベンドミラー１４によって反射された第２レーザ光Ｌ２を集光する上記第２集光レンズ１２を配置している。上述したように波長が長い第２レーザ光Ｌ２はダイクロイックミラー１３を透過することができるので、第２レーザ発振器９から第２レーザ光Ｌ２が発振されると、ベンドミラー１４によって下方に向けて反射されてから第２集光レンズ１２によって集光され、その後にダイクロイックミラー１３を透過した後、開口部７ａを介して液晶ガラス２に照射されるようになっている。
図４に示すように、第２レーザ光Ｌ２の焦点Ｆ２は、液晶ガラス２の表面２Ａの上方に位置させるようにしてあり、したがって、液晶ガラス２の表面２Ａに第２レーザ光Ｌ２が照射される。これにより、デフォーカスされた第２レーザ光Ｌ２が円形でかつ径５〜１０ｍｍのスポットで液晶ガラス２の表面２Ａに照射されるようになっている（図５参照）。なお、第２レーザ光Ｌ２の焦点を液晶ガラス２の表面より下方に位置させるようにして、第２レーザ光Ｌ２を液晶ガラス２に照射しても良い。
本実施例においては、制御装置６によって両レーザ発振器８、９を同期して作動させることで、両レーザ光Ｌ１、Ｌ２を同期して発振させるようにしてあり、しかも液晶ガラス２に照射される際の両レーザ光Ｌ１、Ｌ２の光軸を一致させるようにしている（図２、図５参照）。これによって、ダイクロイックミラー１３によって反射されて液晶ガラス２へ照射される第１レーザ光Ｌ１と、ダイクロイックミラー１３を透過して液晶ガラス２に照射される第２レーザ光Ｌ２とを重畳させるようにしている。

第２レーザ発振器９は、液晶ガラス２に対して吸収率の高いＣＯ２レーザ光である第２レーザ光Ｌ２を連続発振するようになっており、液晶ガラスの表面２Ａにおけるレーザパワー密度は１〜１０Ｗ／ｍｍ２の範囲内に設定している。また、第２集光レンズ１２は、第２レーザ光Ｌ２が液晶ガラス２に照射された際に、図５に示した液晶ガラス２の表面における第２レーザ光Ｌ２の円形のスポット径が５〜１０ｍｍとなる高さ位置に支持されるようになっている。第２集光レンズ１２も第１集光レンズ１１と同様に、第２レーザ光Ｌ２の光軸方向に移動可能にしても良い。
これにより、第２レーザ光Ｌ２が液晶ガラス２に吸収されることにより、照射位置を中心に内部が加熱されて温度勾配が発生し、この温度勾配が発生した領域に残留引張応力が生じる（図４（ａ）参照）。そして、照射位置を分割線に沿って移動させることによって分割線を中心として左右対称な残留引張応力となり、第１レーザ光Ｌ１によって形成されていた微小な亀裂Ｃが液晶ガラス２の厚さ方向に成長して、液晶ガラス２の裏面２Ｂから表面２Ａまで到達することで液晶ガラス２が割断されるようになっている。

本実施例においては、移動手段５によって照射手段４を水平方向におけるＸ方向及びＹ方向に移動させるようになっており、この移動手段５によって、照射手段４を加工テーブル３上の液晶ガラス２に対して水平面のＸＹ方向に所要量だけ相対移動させるようにしている。より詳細には、照射手段４の両レーザ光Ｌ１、Ｌ２の照射位置を１００〜６０００ｍｍ／ｍｉｎの範囲で設定した速度で液晶ガラス２の分割線Ｑに沿って移動させることで、該分割線Ｑに沿って液晶ガラス２を割断するようにしている。また、移動手段５は照射手段４をＺ方向にも移動可能となっている。
なお、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２の各光路の長さは、照射手段４を移動させても一定となっている。また、本実施例では、被加工物である液晶ガラス２の厚さや材質が変更された場合には、制御装置６は移動手段５を介して照射手段４を所要量だけ昇降させたり、集光レンズ１１、１２の位置を移動させたりすることで、第１レーザ光Ｌ１の焦点の位置と第２レーザ光Ｌ２のスポット径を所定の位置や大きさに合わせるようにしている。

以上の構成において、液晶ガラス２を楕円形の分割線Ｑに沿って割断する場合について作動を説明する。
この場合には、両レーザ発振器８，９が作動されていない状態において、移動手段５によって照射手段４をＸＹ方向に所要量だけ移動させて、両レーザ光Ｌ１、Ｌ２の光軸を分割線Ｑの始点Ｑ１と一致する位置に位置させる。
これにより、第１レーザ光Ｌ１の焦点Ｆ１は、液晶ガラス２における分割線Ｑの始点Ｑ１の位置で、かつ液晶ガラス２の裏面２Ｂの近傍に合わせられている。しかも、第２集光レンズ１２によって集光される際の第２レーザ光Ｌ２の焦点Ｆ２は表面２Ａよりも少し上方に合わせられている。
この状態から制御装置６によって両レーザ発振器８、９を同期して作動させるとともに、両レーザ光Ｌ１、Ｌ２の照射位置を分割線Ｑに沿って移動させる。これにより、上記第１レーザ光Ｌ１と重畳して第２レーザ光Ｌ２が始点Ｑ１となる液晶ガラス２の表面２Ａに照射される。
すると、第１レーザ光Ｌ１によって液晶ガラス２内の焦点Ｆ１の位置、つまり裏面２Ｂの近傍の位置に多光子吸収が起こり、裏面２Ｂまで達する微小な亀裂Ｃが発生する（図３参照）。
また、これと同時に第２レーザ光Ｌ２が液晶ガラス２に照射されているので、上記微小な亀裂Ｃが生じた始点Ｑ１とその周辺が第２レーザ光Ｌ２によって加熱されて、そこに大きな温度勾配を発生する（図４（ａ））。この後、移動手段５によって照射手段４が液晶ガラス２に対してＸＹ方向に所要量だけ移動されることで、両レーザ光Ｌ１、Ｌ２の光軸が液晶ガラス２の分割線Ｑに沿って相対移動される。この移動によって分割線上に第１レーザ光Ｌ１による亀裂が形成されていく。遅れて第２レーザ光Ｌ２により上記分割線に沿って上記微小な亀裂Ｃが液晶ガラス２の裏面２Ｂ側から表面２Ａ側へ成長して、表面２Ａまで到達することで分割線Ｑの始点Ｑ１から割断される。
このように両レーザ光Ｌ１、Ｌ２が液晶ガラス２の分割線Ｑに沿って相対移動されることで、第１レーザ光Ｌ１による微小な亀裂Ｃの発生と、第２レーザ光Ｌ２による加熱が行われるので、始点Ｑ１から分割線Ｑに沿って連続して割断されていき、したがって、液晶ガラス２は、両レーザ光Ｌ１、Ｌ２によって分割線Ｑに沿って所定の形状に割断されるようになっている。

以上のように本実施例においては、両レーザ光Ｌ１、Ｌ２を重畳させて同時に液晶ガラス２に照射することで、該液晶ガラス２を分割線Ｑに沿って割断するようにしている。つまり、亀裂を生じさせる工程と、亀裂を成長させる工程とを同時に行うことができる。そのため、本実施例の割断装置１及びそれによる上述した割断方法によれば、上記従来の加工方法と比較して、割断作業に要する作業時間を短縮させることができる。
しかも、本実施例においては、両レーザ光Ｌ１、Ｌ２を重畳させて、かつ光軸を一致させた状態において液晶ガラス２を分割線Ｑに沿って割断するので、分割線Ｑが曲線であっても支障なく割断することができる。したがって、本実施例の割断装置１及びそれによる上述した割断方法によれば、従来と比較して汎用性が高い割断装置を提供することができる。
なお、液晶ガラス２の分割線Ｑが一直線である場合には、両レーザ光Ｌ１、Ｌ２の光軸を一致させる必要は無く、図６に示すように、両レーザ光Ｌ１、Ｌ２が重畳する範囲内で両レーザ光Ｌ１、Ｌ２の光軸をずらしても良い。

なお、上記実施例においては、第１レーザ光Ｌ１を液晶ガラス２に照射する際に、焦点Ｆ１を裏面２Ｂの近傍となる液晶ガラス２の内部に位置させているが、第１レーザ光Ｌ１の照射する際の焦点Ｆ１を液晶ガラス２の表面２Ａあるいはその近傍となる液晶ガラス２の内部、あるいは裏面２Ｂに位置させてから第１レーザ光Ｌ１を液晶ガラス２に照射しても良い。
また、上記実施例の割断装置１においては、被加工物である液晶ガラス２としてアニーリングなどの特別な処理をしないものを想定したが、脆性材料にアニ−リングを施したもや、ＰＤＰ基板、有機ＥＬ基板やシリコンウエハ、化合物半導体などであっても上記本実施例の割断装置１によって割断することができる。
さらに、上記実施例において、分割線Ｑの下方側となる加工テーブル３に冷却手段としての流体を流通させるようにしても良い。それによって、液晶ガラス２の分割線Ｑに両レーザ光Ｌ１、Ｌ２を照射する際に照射スポットの後方を流体で冷却することができる。

本発明の一実施例を示す概略の平面図。図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図。図２に示した割断装置１の要部による処理工程を示す図。図２に示した割断装置１の要部による処理工程を示す図。図２に示した両レーザ光Ｌ１、Ｌ２の光軸の関係を示す図。本発明の他の実施例における両レーザ光Ｌ１、Ｌ２の光軸の関係を示す図。

符号の説明

１…割断装置２…液晶ガラス（脆性材料）
２Ａ…表面２Ｂ…裏面
４…移動手段８…第１レーザ発振器
９…第２レーザ発振器
Ｌ１…第１レーザ光Ｌ２…第２レーザ光
Ｑ…分割線Ｆ１…Ｌ１の焦点

Claims

板状の脆性材料における所要位置に第１レーザ光を照射させて上記脆性材料の厚さ方向の一部に亀裂を発生させ、該亀裂の発生箇所に第２レーザ光を照射して加熱することにより、上記亀裂を脆性材料の厚さ方向に成長させて脆性材料を割断するようにした脆性材料の割断方法であって、
上記第１レーザ光と第２レーザ光とを重畳させて上記脆性材料の所要位置に照射することを特徴とする脆性材料の割断方法。
上記第１レーザ光の焦点を上記脆性材料における表面の近傍または裏面の近傍となる内部に合わせた状態において、上記第１レーザ光を脆性材料の所要位置に照射することを特徴とする請求項１に記載の脆性材料の割断方法。
上記第１レーザ光の焦点を上記脆性材料の表面または裏面に合わせた状態において、上記第１レーザ光を上記脆性材料の所要位置に照射することを特徴とする請求項１に記載の脆性材料の割断方法。
上記第１レーザ光の光軸と第２レーザ光の光軸とを一致させた状態において、両レーザ光を上記脆性材料の所要位置に照射することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の脆性材料の割断方法。
板状の脆性材料における所要位置に第１レーザ光を照射させて上記脆性材料の厚さ方向の一部に亀裂を発生させる第１レーザ発振器と、上記亀裂の発生箇所に第２レーザ光を照射して加熱することにより、上記亀裂を脆性材料の厚さ方向に成長させる第２レーザ発振器と、上記両レーザ発振器と脆性材料とを相対移動させて、該脆性材料に対する両レーザ光の照射位置を変更する移動手段とを備えた脆性材料の割断装置であって、
上記第１レーザ発振器から発振する第１レーザ光と上記第２レーザ発振器から発振する第２レーザ光とを重畳させて上記脆性材料の所要位置に照射して、該脆性材料の厚さ方向の一部に亀裂を生じさせるとともに、該亀裂を脆性材料の厚さ方向に成長させて該脆性材料を割断することを特徴とする脆性材料の割断装置。
上記第１レーザ光の焦点を上記脆性材料におけるの表面の近傍または裏面の近傍となる内部に合わせた状態において、上記第１レーザ発振器から第１レーザ光を脆性材料の所要位置に照射することを特徴とする請求項５に記載の脆性材料の割断装置。
上記第１レーザ光の焦点を上記脆性材料の表面または裏面に合わせた状態において、上記第１レーザ発振器から第１レーザ光を上記脆性材料の所要位置に照射することを特徴とする請求項５に記載の脆性材料の割断装置。
上記第１レーザ光の光軸と第２レーザ光の光軸とを一致させた状態において、両レーザ光を上記脆性材料の所要位置に照射することを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか１つに記載の脆性材料の割断装置。