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TWI380868B - Fine processing method of sintered diamond using laser, cutter wheel for brittle material substrate, and method of manufacturing the same - Google Patents

Fine processing method of sintered diamond using laser, cutter wheel for brittle material substrate, and method of manufacturing the same Download PDF

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TWI380868B
TWI380868B TW095103366A TW95103366A TWI380868B TW I380868 B TWI380868 B TW I380868B TW 095103366 A TW095103366 A TW 095103366A TW 95103366 A TW95103366 A TW 95103366A TW I380868 B TWI380868 B TW I380868B
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laser beam
laser
brittle material
material substrate
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TW200640603A (en
Inventor
Mikio Kondou
Original Assignee
Mitsuboshi Diamond Ind Co Ltdl
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Publication date
Application filed by Mitsuboshi Diamond Ind Co Ltdl filed Critical Mitsuboshi Diamond Ind Co Ltdl
Publication of TW200640603A publication Critical patent/TW200640603A/zh
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Description

使用雷射之燒結鑽石的微細加工方法、脆性材料基板用刀輪及其製造方法
本發明係關於使用雷射之燒結鑽石的微細加工方法，特別是關於在切斷玻璃、陶瓷、單晶矽或藍寶石等之脆性材料基板時，用以於此等基板形成劃線之刀輪的製造方法、以及藉由此製造方法所製得的刀輪。
一般而言，在分割玻璃基板等脆性材料基板時，係廣泛利用一種藉由使刀輪在壓接狀態下滾動於基板表面來在基板上刻出劃線，並藉由沿該線於板厚方向產生裂痕來切斷基板的方法。
用於此基板切斷之刀輪係以超硬合金或燒結鑽石製作，特別是依據刀刃之使用壽命的觀點而廣泛使用以燒結鑽石為材料的刀輪。此種刀輪(以下，在本發明中稱為「刀輪」)於其外周面具備沿圓周方向延伸的稜線、亦即刀刃，並具有供軸體(將刀輪軸支成可在基板上滾動)貫通的軸孔。此外，為了提高刀刃對基板表面接觸點之每單位面積的負載，刀輪外徑通常設定為2~3mm。
另一方面，本申請人先前已申請一種於前述刀刃沿圓周方向相距既定間隔形成連續突起與槽的刀輪(參照專利文獻1)。
根據該文獻，當藉由形成於刀刃之突起在基板表面形成劃線時，即可於基板之厚度方向形成較深的垂直裂痕，同時亦可有效地防止刀輪在轉動時之滑動。上述刀輪之突 起與槽，係藉由使用鑽石刀輪之機械加工來形成。此外，此「鑽石刀輪」係JIS-B4131所規定之廣義磨石，為避免與本發明所使用之詞彙「刀輪」混淆，以下稱為「磨石」。
專利文獻1：日本專利第3074143號公報
然而，若如上述般以微細間距將突起與槽形成於外徑2~3mm的刀輪，由於所使用之磨石的前端部分被要求為微細形狀，因此須花費長時間來形成磨石之前端部分(包含磨損時之整形)，且磨石本身之壽命亦縮短。
另一方面，亦使用雷射加工來作為工件之微細加工的方法。以雷射對鑽石模之粗形狀進行加工的方式，係於1960年代後半導入，歷經紅寶石雷射、YAG(釔鋁石榴石)雷射、二氧化碳雷射的變遷而逐漸進展至實用化。使用雷射加工之用途，亦從最初之粗加工擴展至可微細加工。
然而，當以雷射對燒結鑽石進行加工時，即有燒結鑽石之加工部位因雷射照射的加工熱而石墨化的問題。雖然此石墨化在粗加工時不致構成問題，但在微細加工時，有時會產生產品功能降低等問題。
因此，本發明之主要目的，係提供一種可抑制在以雷射對燒結鑽石進行微細加工時加工部位之石墨化、並能進行高效率且精確之微細加工的方法。
此外，另一目的則係提供解決下述問題之方法。
第21圖係說明藉由雷射束之照射來對圓弧形槽進行加工之習知加工方法的圖。
如第21圖所示，使雷射束從刀輪側面，一邊沿圖中一點鏈線所示之既定軌跡依圖中箭頭方向呈圓弧狀相對移動一邊照射於刀輪稜線，藉此來加工槽部時，於加工終點側之突緣部分a會產生所謂「非對稱」的現象。此「非對稱」，係指刀輪2之槽加工部位2b中，在圖中箭頭所示之雷射束的進入側及離開側，槽之形狀以中心線C為中心成非對稱的現象。此外，圖中突緣部分a之實線及圖中之一點鏈線係雷射束的移動軌跡，虛線係實際的加工形狀。
此點可考量係起因於槽加工部位之厚度沿雷射束之移動軌跡變化。當產生此種「非對稱」時，即可能使刀輪品質降低，使微細突起與槽在形成劃線方面之功能受損。此外，前述「刀輪側面」，係指包含刀輪軸孔之開口部之刀輪的平坦表面及背面。
本發明雖係使用雷射束以微細間距來加工突起及槽進行者，但其重要目的，亦係提供一種不會產生上述「非對稱」現象之不良情形的加工方法。
又，如第22圖所示，當以相對刀輪與其軸線X平行的方式從刀輪側面照射雷射束來加工突起與槽時，會於形成稜線2a之雷射束照射側斜面中，在上位側斜面產生稱為「凹痕」的凹陷缺陷部(d)。此「凹痕」，係因在雷射束之入射側，工件之加工部位與工件之非加工部位的邊界面彼此混雜，使二者之邊界不清楚而產生。
因此，本發明之目的之一，亦在於提供一種可在使用雷射束相距微細間距來加工突起與槽時避免產生「凹痕」現 象之不良情形的加工方法。
又，本發明之進一步目的係提供一種脆性材料基板用刀輪，其係於刀輪外周面形成以頂點為刀刃的V字形稜線部，藉由雷射束來於此稜線部全周交互形成複數個微細且精密的突起與槽。
為達成上述目的，本發明採用如下之技術手段。亦即，本發明之使用雷射之燒結鑽石的微細加工方法，其特徵在於：對以燒結鑽石作為材料之工件，使雷射束一邊相對該工件移動一邊照射於該工件之加工部位，在加工部位之最大厚度為200μm以下的範圍內將該工件加工成微細形狀。雷射束，係使用波長範圍為125~1066nm、在1脈衝之脈衝寬為5f(毫微微)秒~50n(奈米)秒的範圍內脈衝重複頻率為300Hz~5KHz之範圍者。
本發明之脆性材料基板用刀輪之製造方法中，其特徵在於：包含以下步驟，亦即，該步驟係於以燒結鑽石為材料之圓盤狀刀輪外周面，沿圓周方向形成以頂點為刀刃之V字形稜線部，於包含此稜線部分之刀輪外周部，使雷射束一邊相對該刀輪移動一邊從刀輪側面側照射，藉此於該稜線部分沿周方向相距所欲間隔連續形成向刀輪半徑方向開口之微細槽部；並使該雷射束一邊相對該刀輪移動一邊照射於該刀輪之加工部位，在加工部位之最大厚度為200μm以下的範圍內將該刀輪加工成微細形狀。雷射束，係使用波長範圍為125~1066nm、在1脈衝之脈衝寬5f秒~50n秒的範圍內脈衝重複頻率為300Hz~5KHz範圍者。
本發明中使用之雷射束只要係具有短波長及/或短脈衝者，雷射種類雖不特別限定，但基於可進行優質加工的觀點來看，以YAG雷射之基本波(波長1,064nm)為基礎之YAG第5諧波(波長212nm)、YAG第4諧波(波長266nm)、YAG第3諧波(波長355nm)、以及YAG第2諧波(波長533nm)尤佳。
本發明之雷射束移動係相對工件亦即刀輪來進行，因此亦可固定刀輪並移動雷射束，或亦可固定雷射束並移動刀輪，或者將兩者構成為可移動，就待加工部位所要求之加工精度來選擇性地移動兩者。
前述工件與雷射束的相對移動速度在實用上以0.1μm/秒~3.0mm/秒較佳。
前述雷射束與工件，係沿相同圖案之圖形相對前述刀輪來移動，藉由使雷射束相對該刀輪之移動軌跡所描繪的圖形沿刀輪的半徑方向移位，來調整待加工之槽部深度，藉由改變以雷射束之移動軌跡描繪之圖形的大小，來調整槽部之圓周方向長度。藉此，即使控制部中XY載台移動之控制程式未依每一刀輪的尺寸大幅變更，亦可於當時簡單地設定。
以雷射束之移動軌跡描繪之圖形並無特別限定，例如可以是由圓形、橢圓形或多角形之封閉曲線構成，或由不形成封閉曲線之拋物線或雙曲線的曲線、直線構成。
對本發明而言亦有效之方法，係使雷射束從待加工槽部之相當於一端緣部分往一方向相對該刀輪移動，來進行第1 次照射，據以對槽部之一部分進行加工，其次，使第2次雷射束從未完成槽部之相當於另一端緣部分往與前述相反之方向相對該刀輪移動，來完成一個槽部。藉此，可避免前述槽部之加工終點側邊緣的「非對稱」情形產生，形成輪廓清楚之精密突起。
亦可藉由下述方式來達成防止前述「非對稱」現象的方法，係在雷射束之第1次照射及第2次照射中，使各雷射束對該刀輪之移動軌跡為圓或多角形等之封閉曲線，偏移於刀輪周方向來加以照射。又，作為其他方法，亦可以分割預定線為界，將待形成之槽部的加工輪廓線分割成兩個，各分割部分分別以第1次與第2次之雷射束來進行加工。
使雷射束從刀輪側面側一邊相對移動一邊照射於包含稜線部分的刀輪外周部時，可藉由從刀輪左右兩面側交互或同時照射雷射束來加工槽部，來確保突起與槽部的左右對稱性。又，在此情況下，以從刀輪左右兩面側照射之雷射束的照射方向接近刀輪軸線之方式、以既定傾斜來加工的方法係有效。藉此，可確實地避免於雷射束照射時產生前述之「凹陷」。
本發明中所使用之雷射束係藉由雷射剝蝕加工來形成槽部者。短脈衝及/或短波長的雷射束具有高功率密度，能在熱充分到達刀輪之雷射束照射部位前使前述照射部位之物質飛散來除去。此外，此種藉由組合雷射之波長、脈衝寬、功率密度，而幾乎無熔融過程即可使加工對象物之 加工部位瞬間蒸發的過程，係稱為剝蝕過程。藉此，可避免在加工時刀輪之非加工部位受到熱影響。
又，本發明，其特徵亦在於提供一種藉由上述製造方法所得、相較於習知磨石之製造方法能以更微細之間距形成且於刀刃具有精密突起與槽部的脆性材料基板用刀輪。
又，本發明，其特徵在於，測定與雷射束之光軸正交之截面之外緣部中能量分布的均一性，根據該測定結果，使用該雷射束之該外緣部的特定位置來對工件加工。藉此，可抑制與雷射束之光軸正交之截面之外緣部中能量分布不均一性所導致的加工誤差，可將前述刀輪形成為精確之加工形狀。
此外，前述「雷射束之前述外緣部的特定位置」，以雷射束之能量分佈不會產生不均、曲率為一定之位置較佳。
本發明之脆性材料基板用刀輪的製造方法，可抑制以雷射對燒結鑽石進行微細加工時加工部位之石墨化，且能以高效率進行精確之微細加工。
又，可於構成刀輪之刀刃的稜線加工出藉由習知磨石之加工無法製得之微細且正確的突起與槽。
進一步地，亦具有如下效果，如只要使藉由雷射束之移動軌跡所描繪之圖形沿刀輪的半徑方向移位，即可簡單地調整所加工之槽部的深度，只要改變以雷射束之移動軌跡描繪之圖形大小，即可容易地調整槽部周方向的長度。
又，藉由形成申請專利範圍第11至14項之構成，即可避免槽部之加工終點側邊緣的「非對稱」情形產生，形成 輪廓清楚之精密突起。又，藉由申請專利範圍第11項之構成，即可製作不會有在將雷射束照射於稜線部分時經常產生之「凹陷」現象的精密刀輪。
透過支撐機構支撐該刀輪，使雷射束一邊相對該刀輪移動一邊照射於該刀輪的加工部位；該支撐機構，具備以能粗調整方式移動於至少兩軸方向之粗調整移動部、在粗調整移動部上以能微調整方式移動於至少兩軸方向之微調整移動部、以及在微調整移動部上將該刀輪支撐成能旋轉既定角度的旋轉支撐部；上述構成，可精確地使雷射束相對移動，於前述刀輪描繪所欲的移動軌跡。
以下，使用圖式說明本發明之脆性材料基板用刀輪的製造方法。第1圖係用以實施本發明製造方法之概略系統構成圖。第2圖係顯示保持被加工之圓盤狀刀輪的底座部分與雷射頭部分的圖。
如第1圖所示，此系統構成，具備：具備監視器11之控制部12、由該控制部12控制之雷射光源部13、照射來自此此雷射光源部13之雷射束的雷射頭1、以及具備用以保持待加工刀輪2之X-Y軸移動載台3a的固定底座3。
X-Y軸移動載台3a係形成為可在第2圖之平面上移動於X-Y軸方向，雷射頭1可藉由圖示外之Z軸方向移動載台而移動於第2圖之垂直方向並調整角度。刀輪2保持於設在X-Y軸移動載台3a之旋轉軸3b，與前述X-Y軸移動載台3a均藉由電腦控制部來控制與雷射頭1的相對移 動速度。此外，符號3c係為使對焦作業更為容易而設於刀輪2下方的白色陶瓷盤。
此形態中自雷射頭1照射之雷射束雖係YAG雷射的高諧波，但只要是短波長及/或短脈衝之雷射束的話，則可使用之雷射種類並未特別限定。只要是能照射出波長範圍為125~1066nm、在1脈衝之脈衝寬5f秒~50n秒內脈衝重複頻率為300Hz~5KHz範圍的雷射束者均能使用。
又，藉由自雷射頭1照射之雷射束來加工之工件加工部位的最大厚度只要在200μm以下即可。加工部位之最小厚度只要是可實際進行加工之薄度的話，並未特別限定。此外，根據加工之容易程度來看，加工部位厚度以1~200μm的範圍較佳。又，刀輪2與雷射頭1的相對移動速度，係控制在3.0mm/秒以下。此外，移動速度之下限未特別限定，只要係不會因加工時間過長而造成實用上問題的程度即可。較佳者為控制於0.1μm~3.0mm/秒。
自雷射頭1照射之雷射束的實質輸出為0.002W~5.0W左右。控制部12，係對雷射頭1控制雷射的波長、脈衝寬及功率密度，以從雷射光源部13照射最適於進行雷射剝蝕加工的脈衝雷射束。
此外，以下說明中，「雷射頭1之移動」，係指照射雷射束之雷射頭1與保持待加工之刀輪2之X-Y軸移動載台3a的相對移動。又，以下說明中，「雷射束的移動軌跡」，係指藉由雷射頭1與X-Y軸移動載台3a之相對移動所形成的雷射束軌跡。
本發明之刀輪，係對以為了割斷(分割)各種脆性材料而於被加工對象之脆性材料形成劃線為目的、而用於劃線動作之習知刀輪進一步地進行加工，來使其劃線性能提高。亦即，沿習知刀輪之周邊稜線進行用以形成凹凸形狀的微細加工。習知刀輪，為了形成用以發揮刀刃功能的稜線部，係藉由使用磨石之研削加工來於圓板盤狀外周緣部形成傾斜部。於其形成過程中，雖會於外周緣部之傾斜部與稜線部形成不規則之凹凸(研削條紋)，但藉由沿外周稜線部進行微細加工，形成所須數目之大小異於此種不規則凹凸、規則地具有對應刀輪外徑所選擇之既定高度的「突起」及具有既定寬度與深度的「槽」，而能提供一種大幅提高習知刀輪之劃線性能的刀輪。
具備不規則且微小之研削條紋的習知刀輪，在劃線時可形成於被加工物內部之垂直裂痕深度為其厚度的10至15%左右。另一方面，由於本發明之刀輪於其外周稜線部具有規則的「突起」與「槽」，因此劃線時之刀刃負載局部集中於其突起物，可在不隨著水平裂痕之大幅產生的狀態下發揮較大之刀刃負載。其結果，當使刀輪滾動於被加工物的表面時，即可往劃線之正下方連續形成深達被加工物厚度之近80%深度的垂直裂痕。其結果，當將本發明之刀刃取代習知刀刃使用於脆性材料的割斷(分割)步驟時，即可簡化在劃線後所須之裂斷步驟。此外，雖亦關係到基板的材質或其厚度，但仍可視情況實現無需裂斷步驟之割斷(分割)步驟。因此，藉由在FDP(平板顯示器)面板之生產設備 的分割生產線構成採取使用此種可深度形成垂直裂痕之刀尖的劃線裝置，即可在生產線構成中建構可簡化或省略裂斷裝置之具有成本優點的生產線設備。
在製造本發明之刀輪時，如第3圖及第4圖所示，係使用以燒結鑽石為材料之習知圓盤狀刀輪2並對其進行追加加工。習知刀輪2沿其圓周方向於外周面具有呈V字形之可發揮刀刃功能的稜線部2a。透過軸孔2d將此刀輪2水平安裝於移動載台3a的旋轉軸3b。在使刀輪2靜止之狀態下，使雷射束一邊從刀輪2側面朝向含有稜線部之刀輪外周部沿圓形軌跡R移動一邊進行照射。
此時，如第4圖及第5圖所示，藉由設定成圓形軌跡R一部分抵接於稜線部分2a，而可加工出第6圖所示之一圓弧狀槽部2b。其次，藉由根據預先輸入之參數使第2圖所示之旋轉軸3b旋轉既定角度(1間距量)並同樣地照射雷射束，依序反覆進行，即可如第7圖所示，將習知刀輪2加工成具備多數個微細突起2c與槽2b的刀輪2’。
所加工之槽部2b的深度H，可藉由使以雷射束之移動軌跡描繪的圖形沿刀輪半徑方向移位來進行微調整，又，可藉由改變以雷射束之移動軌跡描繪之圖形的大小來微調整槽部之圓周方向的長度。
上述雷射束之軌跡R並不限於如第4圖之圓形，例如亦可係第8(a)圖之四角形R’、(b)之三角形R”，此外亦能以多角形之封閉曲線或不形成封閉曲線之曲線、直線來形成。又，亦可組合複數組上述中之相異圖形來使用，以進 行一個槽加工。即使係使用此等圖形，仍可藉由使以雷射束之移動軌跡描繪的圖形沿刀輪半徑方向移位來微調整所加工之槽部深度，又，可藉由改變以雷射束之移動軌跡描繪之圖形的大小來微調整槽部之圓周方向的長度。
第9圖~第13圖係分別顯示用以消除前述之於加工終點側產生之「非對稱」現象的實施例。
第9圖之實施例，係使第9(a)圖中具有圓形移動軌跡之雷射束從待加工槽部之相當一端緣部分往一方向移動，來進行第1次照射R1，藉此加工槽部一部分，其次，第2次之照射R2中，使雷射束從未完成槽部之相當另一端緣部分往與前述相反之方向移動，藉此完成第9(b)圖所示之一槽部2b。此時，可如第9(c)圖所示，使第2次雷射束之軌跡較第1次雷射束之軌跡小。藉此，可謀求照射時間之縮短。
又，如第10圖所示，使具有圓形移動軌跡之雷射束從待加工槽部之相當一端緣部分往一方向移動來進行第1次照射R1，其次，於第2次照射R2中，移動雷射束使雷射束之軌跡相對刀輪2位於與進行第1次照射R1時相同的位置，且能以第1次照射R1之雷射束移動方向與第2次照射R2之雷射束移動方向為彼此相反的方式來移動雷射束。藉此，即可消除前述非對稱現象。
第11圖所示之實施例中，係以分割預定線c為界將待形成之槽部的加工輪廓部b分成兩個，以第1次及第2次之雷射束來分別加工各分割部分。相對於第11之實施例係顯示所加工之槽部2b形狀為圓弧的情形，第12圖係顯示 槽部2b之形態為開口向上之ㄈ字形的情形，第13圖係顯示槽部2b之形態為V字形的情形，任一情形均係藉由第1次及第2次雷射束來加工輪廓部b所分割之部分。
第14圖係顯示用以消除前述「凹陷」產生(參照第22圖)的實施例。此實施例中，係從刀輪2左右兩面側交互或同時照射雷射束來加工槽部。此時，雷射束之照射方向係以既定傾斜形成為接近刀輪軸線X(第22圖之習知例係與刀輪軸線成平行來照射)。既定傾斜，係指在將以雷射束照射線S為界之上位側斜面與雷射束照射線S間的角度設為α、與下位側斜面間的角度設為β時，以α變大、β變小之方式，往α與β接近之方向(從與刀輪軸線X平行之方向傾斜)傾斜。藉此，以雷射束照射線S為界之上位側斜面與雷射束照射線S間的角度α即接近與下位側斜面間的角度β，而緩和上位側斜面受到偏多之照射熱，藉此即可防止上述「凹陷」的產生。
本發明之脆性材料基板用刀輪的製造方法，能測定與雷射束之光軸正交之截面外緣部中能量分布的均一性，根據該測定結果，使用該雷射束之該外緣部的特定位置來對工件加工。(以下稱為「特定位置使用法」)。
其次，參照第4~6圖所示之前述實施例及第15圖說明特定位置使用法的實施形態。第15圖係用以說明利用特定位置使用法之槽部2b形成方法之第2圖的固定底座3的俯視圖。
當於圖2之X-Y軸移動載台3a在使待加工刀輪2靜 止之狀態下，使雷射束一邊從刀輪2側面朝向含有稜線部2a之刀輪外周部沿圓形軌跡R移動一邊進行照射時，係如第4圖及第5圖所示般設定成圓形軌跡一部分抵接於稜線部2a，來形成第6圖所示之一圓弧狀槽部2b。
藉第15圖來加以說明，首先，為形成第1個槽部2b，係使保持於X-Y軸移動載台3a(參照第2圖)之旋轉軸3b(參照第2圖)的刀輪2相對從雷射頭1照射之雷射束LB，並接近雷射束LB，例如定位成雷射束LB之角度位置L1與圖中實線所示之刀輪2外周部對向，來形成前述圓弧狀槽部2b。其次，使刀輪2從雷射束LB離開，使旋轉軸3b旋轉角度θ，並再次使保持於旋轉軸3b之刀輪2接近雷射束LB，來在與角度位置L1對向之刀輪2的外周部形成第2個槽部2b。藉由依序反覆此種動作，即可於刀輪2之外周以既定間隔形成n個槽部2b。
此時，照射於稜線部2a之雷射束LB，其與雷射束光軸正交之截面之外緣部的相同角度位置L1係抵接於稜線部2a。
另一方面，雷射束LB，由於通常在照射面之雷射束形狀不是正圓，因此雷射束LB之與光軸正交之截面外緣部的能量分布在全周中並不一定為均一。
因此，當與刀輪2對向之前述雷射束之前述外緣部有能量分布顯著降低部分的情況下，例如於前述角度位置L1有能量分布顯著降低之部分的情況下，當假定雷射束之前述外緣部的能量分布為均一而使雷射束一邊相對移動一邊照 射時，即會產生雷射束之移動軌跡無法描繪預定圖形的不良情形。
因此，說明使用特定位置使用法來防止上述不良情形之實施形態。
首先，使試件保持於第15圖之X-Y軸移動載台3a(參照第2圖)的旋轉軸3b。試件係與工件之刀輪2相同材質、形狀者。
使來自雷射頭1之雷射束LB，以例如和描繪於工件相同之圖形的描繪方式，一邊相對該試件移動一邊進行照射，並例如以顯微鏡觀察藉此所得到之雷射加工部位。根據此觀察結果，判斷雷射束LB之與光軸正交之截面外緣部的能量分布均一性。亦即，在前述雷射加工部位中，當出現與加工預定線間之偏移、或與非加工部位之邊界面混雜時，即避開接觸於前述雷射加工部位之前述雷射束LB外緣部的角度位置L1，而在前述雷射束LB外緣部之相異角度位置、例如角度位置L2~L4，與上述同樣地使前述雷射束LB一邊相對試件移動一邊照射，並同樣地以顯微鏡觀察藉此獲得的雷射加工部位，根據此觀察結果，判斷雷射束LB之與光軸正交之截面外緣部的能量分布均一性。
當判斷為在前述雷射加工部位未產生上述不良情形時，即將抵接此雷射加工部位之前述雷射束LB外緣部的角度位置、例如圖中角度位置L2~L4中之任一個位置視為「特定位置」，使用此特定位置來進行工件之刀輪2的加工。
具體而言，使刀輪2保持於X-Y軸移動載台3a之旋 轉軸3b，並相對移動至與從雷射頭1照射之雷射束LB之前述「特定位置」對向的位置(例如圖中虛線所示之刀輪2的任一位置)。其次，移動X-Y軸移動載台3a，俾一邊使前述雷射束LB之前述「特定位置」接觸於刀輪2的加工部位，一邊描繪前述封閉曲線，藉此進行刀輪2的槽加工。當第1槽之加工結束時，即使旋轉軸3b旋轉既定角度θ(1間距)，以描繪前述封閉曲線之方式使X-Y軸移動載台3a移動，俾與上述同樣地使雷射束LB之前述特定位置抵接於槽加工預定部位(與藉由上述槽加工而形成之槽加工部位抵接)，藉此來進行第2個槽的加工。
藉由使用上述特定位置使用法，由於工件可透過雷射束LB之能量分布恆無不均且曲率為一定的外緣部與雷射束LB抵接，因此可消除雷射束LB之移動軌跡R無法描繪預定之圓形等封閉曲線的不良情形。
藉由本發明之製造方法所加工的脆性材料基板用刀輪2，只要係V字形稜線部之刀刃角度為85~160度、刀輪之外形為1~20mm、刀輪的厚度在5mm以下、前述突起及槽的長度為5~200μm、突起之高度在5~20μm的範圍內者，即可有效地對習知刀刃進行加工，製造可大幅超過習知刀刃之劃線性能、具有可形成較深垂直裂痕之高滲透效果的刀刃，或具有對脆性材料表面「作用」良好之效果的刀刃。此外，用以實施前述發明之最佳形態所示之燒結鑽石之使用雷射的微細加工，可大致完全地抑制加工部位的石墨化，而形成精確的加工形狀。
[實驗]
對使用磨石之習知研削加工來形成槽之脆性材料基板用刀輪、與藉由本發明之雷射加工來形成槽之上述刀輪進行拉曼光譜分析。
各刀輪係以相同燒結鑽石為材料之具有相同尺寸及形狀者(直徑2mm、厚度0.65mm、刀刃角度115°)。用以形成槽之雷射的移動軌跡為直徑48μm的圓，此圓之圓周中長度7μm之圓弧係設定成切入刀輪。
表1，係顯示拉曼光譜分析之分析裝置的測定條件。
第16(a)及(b)圖，係以箭頭顯示對刀輪2之拉曼光譜分析用入射光的入射方向，第16(c)圖係顯示刀輪2中拉曼光譜分析用測定點P1及P2。
表2，係顯示本發明雷射加工的加工條件。
〔表2〕
此外，表2的「失焦/射束直徑0μm/4μm」，係表示當雷射束對焦於加工面之刀輪2的稜線部2a時，在加工面之射束直徑縮小至4μm。
第17圖係顯示使用磨石之習知研削加工來形成槽之刀輪的拉曼光譜分析結果，第18圖係顯示以本發明雷射加工來形成槽之刀輪的拉曼光譜分析結果。進一步地，第19圖係顯示以習知雷射加工來形成槽之刀輪的拉曼光譜分析結果。
此等第17至19圖中，橫軸表示散射光的頻率，縱軸則表示拉曼散射光強度。又，峰值A表示鑽石的拉曼頻移(1332.5cm-1 )，峰值B表示石墨的拉曼頻移(1580.0cm-1 )。
第17(a)圖係顯示第16(c)圖中測定點P1的拉曼光譜分析結果，第17(b)圖係顯示第16(c)圖中測定點P2的拉曼光譜分析結果。由此等結果可清楚得知，以使用磨石之習知研削加工形成槽時，不致在刀輪表層形成石墨而能進行微細加工。
第18(a)圖係顯示第16(c)圖中測定點P1的拉曼光譜分 析結果，第18(b)圖表示第16(c)圖中測定點P2的拉曼光譜分析結果。由此等結果可清楚得知，藉由本發明之雷射加工，與使用磨石之習知研削加工同樣地，不致在刀輪表層形成石墨而能進行微細加工。
第19圖係在與本發明雷射加工之加工條件範圍不一致之條件下的拉曼光譜分析結果，具體而言，係使用雷射波長355nm、輸出5.0W、雷射脈衝寬25n秒、重複頻率10KHz的雷射，使刀輪與雷射束的相對移動速度為0.5mm/秒來照射於前述刀輪的加工部位，將加工部位之厚度為10μm的前述刀輪加工成微細形狀。此外，測定點係第16(c)之測定點P1。此條件下，很顯然地已石墨化。就本發明雷射加工之條件範圍以外的情形而言，即使在其他條件下，仍同樣呈現石墨化的傾向。
由此等結果可清楚得知，藉由根據本發明之雷射加工的條件範圍來進行雷射加工，即可將使用雷射加工之石墨化的進展抑制成與使用磨石之習知研削加工相同程度。
[其他實施形態]
本發明之脆性材料基板用刀輪的製造方法，可透過支撐機構支撐該刀輪，使雷射束一邊相對該刀輪移動一邊照射於該刀輪的加工部位；該支撐機構，具備以能粗調整方式移動於至少兩軸方向之粗調整移動部、在粗調整移動部上以能微調整方式移動於至少兩軸方向之微調整移動部、以及在微調整移動部上將該刀輪支撐成能旋轉既定角度的旋轉支撐部(以下稱為「奈米載台使用法」)。
參照第20圖說明奈米載台使用法的實施形態。第20圖係用於奈米載台使用法之奈米載台的圖。
與第2圖之X-Y軸移動載台3a係以能調整之方式移動於X及Y軸方向的載台相較，第20圖所示之奈米載台，係由以能粗調整之方式移動於X及Y軸方向的粗調整載台31、以及在粗調整移動載台31上以能微調整之方式移動於X及Y軸方向的微調整移動載台32構成，在此點上構成係相異。由於其他構成均共通，因此省略說明。
奈米載台，在使待加工之刀輪2靜止的狀態下，使雷射束一邊從刀輪2側面朝向含有稜線部2a之刀輪外周部、如第4圖所示般沿直徑10μm之圓形軌跡R移動一邊進行照射時，最好係能以±0.1μm~±0.5μm的精度來移動。
藉由使用奈米載台，即可精確地使雷射束相對移動而於前述刀輪描繪所欲圖形(移動軌跡)。
本發明可用於製造對玻璃、陶瓷、單晶矽或藍寶石等脆性材料基板、液晶面板、電漿顯示器面板、有機EL顯示器面板等平板顯示器用面板基板在劃線開始時之「作用」良好的刀輪，或用於製造可提供隨著深入形成於基板內部之垂直裂痕的形成，劃線之真直度佳、裂斷分割後之截面品質佳之劃線動作的刀輪。
此外，作為可藉由本發明之雷射加工來製造的刀輪，除了第4圖所示之習知刀輪2外，即使是第23圖所示之軸與刀輪本體為一體的刀輪41，亦可將相當於軸部的部分裝載於具凹陷部分的治具，以使用配管5之抽真空來吸引等來 防止其位置偏移，再以與第2圖對應之機器配置來對刀輪之圓周稜線部進行雷射加工，藉此仍可如與上述第4圖之刀輪之情形同樣地，製造可提高劃線性能的刀輪。
1‧‧‧雷射頭
2,2’,41‧‧‧刀輪
2a‧‧‧刀輪之稜線
2b‧‧‧刀輪之槽部
2c‧‧‧刀輪之突起
3‧‧‧固定底座
3a‧‧‧固定底座之X-Y軸移動載台
3b‧‧‧保持刀輪之軸
5‧‧‧吸引路
31‧‧‧粗調整移動載台(粗調整移動載部)
32‧‧‧微調整移動載台(微調整移動載部)
b‧‧‧槽部的加工輪廓線
c‧‧‧分割預定線
R,R’,R”‧‧‧雷射束之移動軌跡
S‧‧‧顯示雷射束之照射方向的線
A‧‧‧鑽石之拉曼頻移
B‧‧‧石墨之拉曼頻移
第1圖係用以實施本發明製造方法之概略系統構成圖。
第2圖係顯示保持被加工刀輪之底座部分及雷射頭部分的圖。
第3圖係被加工刀輪的截面圖。
第4圖係顯示本發明製造方法一實施例之說明圖，係表示雷射束之軌跡與刀輪的位置關係。
第5圖係第4圖之主要部位放大圖。
第6圖係顯示被加工槽部之放大截面圖。
第7(a)、(b)圖係顯示經雷射加工之刀輪的圖，(a)係顯示刀輪整體，(b)係主要部位放大圖。
第8(a)、(b)圖係顯示雷射束軌跡之變更例的圖，(a)係顯示四角形軌跡，(b)係顯示三角形軌跡。
第9(a)~(c)圖係顯示用以防止上述「非對稱」現象之本發明實施例的說明圖，(a)係顯示雷射束之第1次照射與第2次照射之軌跡和刀輪的位置關係，(b)係顯示已加工之槽部，(c)係顯示較第1次小之第2次照射軌跡例。
第10圖係顯示用以防止上述「非對稱」現象之實施例的說明圖。
第11(a)~(c)圖係顯示本發明製造方法之另一實施例的說明圖，(a)係顯示槽部之加工輪廓線與分割線的說明 圖，(b)係顯示雷射束之第1次照射的說明圖，(c)係顯示雷射束之第2次照射的說明圖。
第12(a)~(c)圖係與第11圖相同的說明圖，其表示雷射束軌跡為四角形的情形。
第13(a)~(c)圖係與第11圖相同的說明圖，其表示雷射束軌跡為三角形的情形。
第14圖係顯示用以防止上述「凹陷」現象之實施例的說明圖。
第15圖係用以說明藉由特定位置使用法形成保持於X-Y軸移動載台上之刀輪槽部之方法的俯視圖。
第16(a)~(c)圖係顯示實驗例之拉曼光譜分析之測定點的圖。
第17(a)、(b)圖係顯示實驗例中藉由習知研削加工而形成有槽之刀輪之拉曼光譜分析結果的圖。
第18(a)、(b)圖係顯示實驗例中藉由本發明之雷射加工而形成有槽之刀輪之拉曼光譜分析結果的圖。
第19圖係顯示實驗例中藉由習知雷射加工而形成有槽之刀輪之拉曼光譜分析結果的圖。
第20圖係使用於奈米載台使用法之奈米載台的圖。
第21圖係顯示對槽部進行加工時之「非對稱」現象的截面圖。
第22圖係顯示對槽部進行加工時之「凹陷」現象的截面圖。
第23(a)、(b)圖係顯示其他形狀之刀輪、對此刀輪進行 加工時之底座部分及雷射頭部分的圖。
2‧‧‧刀輪
2a‧‧‧稜線
2d‧‧‧軸孔
R‧‧‧圓形軌跡

Claims (20)

  1. 一種使用雷射之燒結鑽石的微細加工方法，其特徵在於：對以燒結鑽石作為材料之工件，使雷射束一邊相對該工件移動一邊照射於該工件之加工部位，在加工部位之最大厚度為200μm以下的範圍內將該工件加工成微細形狀；該雷射束係脈衝雷射束，藉由雷射剝蝕加工將該工件加工成微細形狀；雷射束的波長範圍為175~1066nm，1脈衝之脈衝寬為5f秒~50n秒，脈衝重複頻率為300Hz~5KHz。
  2. 如申請專利範圍第1項之使用雷射之燒結鑽石的微細加工方法，其中，係將該工件與雷射束之相對移動速度設為0.1μm/秒~3.0mm/秒，來使該雷射束一邊相對該工件移動一邊照射於該工件之加工部位。
  3. 一種使用雷射之脆性材料基板用刀輪的製造方法，其特徵在於：包含以下步驟，亦即，在以燒結鑽石為材料之圓盤狀刀輪外周面形成刃前緣成為V字形之稜線部，於含此稜線部分之刀輪外周部，使雷射束一邊相對該刀輪移動一邊從刀輪側面側照射，藉此於該稜線部分沿周方向相距所欲間隔連續形成向刀輪半徑方向開口之微細槽部；並使該雷射束一邊相對該刀輪移動一邊照射於該刀輪之加工部位，在加工部位之最大厚度為200μm以下的範圍內將該工件加工成微細形狀。
  4. 如申請專利範圍第3項之脆性材料基板用刀輪的製造方法，其中，雷射束之波長範圍為175~1066nm，1脈衝之脈衝寬為5f秒~50n秒，脈衝重複頻率為300Hz~5KHz。
  5. 如申請專利範圍第3項之脆性材料基板用刀輪的製造方法，其中，係將該刀輪與雷射束之相對移動速度設為0.1μm/秒~3.0mm/秒，來一邊使雷射束相對該刀輪移動一邊照射於該刀輪的加工部位。
  6. 如申請專利範圍第3項之脆性材料基板用刀輪的製造方法，其中，雷射束係脈衝雷射束，藉由雷射剝蝕加工來形成槽部。
  7. 如申請專利範圍第3項之脆性材料基板用刀輪的製造方法，其中，雷射束相對該刀輪之移動軌跡係相同圖案的圖形。
  8. 如申請專利範圍第7項之脆性材料基板用刀輪的製造方法，其中，該圖形係圓、橢圓或多角形的封閉曲線，或不形成封閉曲線的曲線、直線。
  9. 如申請專利範圍第8項之脆性材料基板用刀輪的製造方法，其中，藉由使雷射束相對該刀輪之移動軌跡所描繪的圖形沿刀輪的半徑方向移位，來調整待加工之槽部深度，藉由改變以雷射束之移動軌跡描繪之圖形的大小，來調整槽部之圓周方向長度。
  10. 如申請專利範圍第8項之脆性材料基板用刀輪的製造方法，其中，係使雷射束從待加工槽部之相當於一端緣部分往一方向相對該刀輪移動，來進行第1次照射，據以 對槽部之一部分進行加工，其次，使第2次雷射束從未完成槽部之相當於另一端緣部分往與前述相反之方向相對該刀輪移動，來完成一個槽部。
  11. 如申請專利範圍第10項之脆性材料基板用刀輪的製造方法，其中，雷射束之第1次照射及第2次照射中，各雷射束對該刀輪之移動軌跡為封閉曲線，且彼此偏移於刀輪周方向。
  12. 如申請專利範圍第10項之脆性材料基板用刀輪的製造方法，其中，係使槽部之雷射束對該刀輪之相對移動軌跡為圓弧，並使第1次與第2次雷射束之圓弧大小相異。
  13. 如申請專利範圍第10項之脆性材料基板用刀輪的製造方法，其中，係以分割預定線為界，將待形成之槽部的加工輪廓線分割成兩個，各分割部分分別以第1次與第2次之雷射束來進行加工。
  14. 如申請專利範圍第3項之脆性材料基板用刀輪的製造方法，其中，係從刀輪左右兩面交互、或同時照射雷射束來加工槽部。
  15. 如申請專利範圍第14項之脆性材料基板用刀輪的製造方法，其中，從刀輪左右兩面側照射之雷射束的照射方向，係形成為以既定傾斜接近刀輪軸線。
  16. 如申請專利範圍第3項之脆性材料基板用刀輪的製造方法，其中，係測定與雷射束之光軸正交之截面外緣部中能量分布的均一性，根據該測定結果，使用該雷射束之該外緣部的特定位置來對工件加工。
  17. 如申請專利範圍第3項之脆性材料基板用刀輪的製造方法，其透過支撐機構支撐該刀輪，使雷射束一邊相對該刀輪移動一邊照射於該刀輪的加工部位；該支撐機構，具備以能粗調整方式移動於至少兩軸方向之粗調整移動部、在粗調整移動部上以能微調整方式移動於至少兩軸方向之微調整移動部、以及在微調整移動部上將該刀輪支撐成能旋轉既定角度的旋轉支撐部。
  18. 如申請專利範圍第3至17項中任一項之脆性材料基板用刀輪的製造方法，其中，雷射束係由YAG雷射之第2~第5諧波構成。
  19. 一種脆性材料基板用刀輪，其特徵在於：使用申請專利範圍第3至18項中任一項之脆性材料基板用刀輪的製造方法來製造。
  20. 如申請專利範圍第19項之脆性材料基板用刀輪，其中，係於刀輪外周面形成以頂點為刀刃之V字形稜線部，於此稜線部全周交互連續形成複數個突起與槽，該V字形稜線部之角度為85~160度，刀輪外形為1~20mm，由該突起與槽構成之間距的長度為5~200μm，突起之高度為0.5~20μm。
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