(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス基板に対し、レーザビームを走査しながら当該基板の表面に直接照射して加工する加工方法であって、
前記ガラス基板のＵ字溝形成予定ラインの左右のライン端に沿って略平行な２本のスクライブ予定ラインを設定して、当該２本のスクライブ予定ラインに沿ってスクライブ加工を施し、
次いで、前記２本のスクライブ予定ライン間に対して、前記ガラス基板の表面の一部を剥離可能な加熱条件でレーザビームを照射することで加熱することにより、前記基板の一部を表面から剥離させ、Ｕ字状溝を形成することを特徴とするガラス基板のＵ字状溝加工方法。
【請求項２】
前記レーザビームがＣＯ２レーザである請求項１に記載のＵ字溝加工方法。
【請求項３】
加工対象の基板材料、形成予定のＵ字状溝の溝幅、深さ及び溝面の形状に対応して、予め求めたレーザパワー、レーザ照射面積、走査速度の組合せからなるＵ字状溝形成用のレーザ照射条件を設定し、前記レーザ照射条件に基づいてレーザビームを走査して、加熱部分の熱膨張により、非加熱部分との境界近傍から加熱部分の材料を基板材料から剥離させ、Ｕ字状溝の界面を有する溝を除去加工することを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載のガラス基板のＵ字状溝加工方法。
【請求項４】
加工対象の基板の材料、レーザ照射面積、走査速度に対応して、レーザパワー条件を、次式（１）で設定する請求項３に記載のＵ字状溝加工方法。
Ｐ＝Ｋ・（Ｓ×Ｖ）  ・・・（１）
ここで、Ｐは照射するレーザパワー（Ｗ）、Ｓはレーザ照射面積（ｍｍ２）、Ｖは走査速度（ｍｍ／ｓｅｃ）であり、Ｋは加工対象物ごとに設定される係数（Ｗ×ｓｅｃ／ｍｍ３）である。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載のガラス基板のＵ字状溝加工方法を用いて、加工対象物の平面からＵ字状溝を加工し、又は、加工対象物の平面からＵ字状溝を並列に繰り返して加工する除去加工方法。
【請求項６】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載のガラス基板のＵ字状溝加工方法を用いて、加工対象物を、回転軸を中心として回転させながら当該加工対象物の外周面の少なくとも一部を除去する除去加工方法。
【請求項７】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載のガラス基板のＵ字状溝加工方法を用いて、加工対象物である平板に矩形又は曲線状の閉回路のＵ字状溝を形成した後、Ｕ字状溝に沿って材料を分離し、材料をくり抜き加工するくり抜き加工方法。
【請求項８】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載のガラス基板のＵ字状溝加工方法を用いて基板表面にＵ字状溝を加工する工程と、形成された前記Ｕ字状溝の底部に設定した分断予定ラインの始端から終端に向けて、レーザ亀裂成長スクライブする方法、又は、カッターホイールを用いてスクライブする方法、あるいは、スクライブを省略して溝からブレイクする方法により、前記分断予定ラインから分断された端面と基板表面との間に形成されたＵ字状溝の一部によって構成される溝面からなる面取り加工面が形成されることを特徴とするガラス基板の面取り加工方法。
【請求項９】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載のガラス基板のＵ字状溝加工方法を用いて、基板の表裏両面に互いにＵ字状溝が前記基板を挟んで対向するように加工する工程と、形成されたいずれか一方のＵ字状溝の底部に設定した分断予定ラインの始端から終端に向けて、レーザスクライブする方法、又は、カッターホイールを用いてスクライブする方法、又は、Ｕ字状溝の底からブレイクする方法により、前記分断予定ラインから分断された端面と、前記端面と基板表面との間に形成されたＵ字状溝の一部によって構成される溝面からなる面取り加工面が形成されることを特徴とするガラス基板の面取り方法。
【請求項１０】
ガラス基板の基板表面の分断予定ラインに沿ってスクライブする工程と、請求項１〜請求項４のいずれかに記載のガラス基板のＵ字状溝加工方法を用いて、前記割断予定ラインに沿って前記スクライブ工程によって形成されたクラックの深さよりも浅いＵ字状溝を加工する工程と、分断予定ラインに沿ってブレイクする工程とからなり、分断された端面と基板表面との間に形成されたＵ字状溝の一部によって構成される溝面からなる面取り加工面が形成されることを特徴とするガラス基板の面取り方法。
【請求項１１】
Ｕ字状溝の平面形状が連続的もしくは非連続的な直線状又は自由形状であることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は脆性材料基板の表面の一部を急加熱することにより、この基板の一部を表面から剥離し、Ｕ字状溝の形成する方法、及び当該方法を用いて加工対象物を除去加工又はくり抜き加工する方法に関する。【０００２】
例えば、精密機械の加工テーブルには、線膨張率が小さいという属性が注目されてガラス基板等の脆性材料基板が用いられている。通常この種の加工テーブルは、上型と下型から構成されており、上型と下型の接触面には潤滑性を高める為の油溜めや冷却通路が形成されている。この油溜めや冷却通路を形成するにはガラス基板に溝を形成しなければならない。そして、このような溝を形成する方法としては一般に、機械的方法と化学的方法が知られている。機械的方法は、切削加工あるいは放電加工によりガラス基板上に機械的に溝を掘った後、研磨を行う方法である。この方法は、非常に正確な溝を形成できるという利点はあるが、溝を機械的に掘ってゆく作業は、効率が悪く量産性に欠け、製造コストが嵩むという問題点がある。一方、化学的方法は、エッチングにより溝を形成する方法であり、等方性エッチングを行う方法と、異方性エッチングを行う方法とがある。このようなエッチングを用いる方法は、量産に適し、低コスト化を図ることができる。しかし、機械的方法に比べて正確な溝を形成することができないという問題がある。【０００３】
また、脆性材料基板の面取り加工法に目を向ければ、切削加工、研削加工、研磨加工、放電加工等によりエッジラインを面取り加工する方法があり、レーザによる面取り加工では、レーザ照射による高温加熱で基板材料を溶融又は昇華して除去するレーザアブレーションにより面取り加工を行う方法が知られている。これらのうち、レーザアブレーションにより形成された面取り加工面にはアブレーション跡が見られ、また、マイクロクラックが発生しやすくなっており、好ましい面取り加工面を得ることが難しい。また、レーザアブレーションでは、レーザ照射により除去された基板物質が飛散し、基板を汚染するため、後から汚染物質を取り除かなければならないという問題点がある。【０００４】
また、レーザによる面取り加工方法としては、前記アブレーション以外の面取り加工方法として、基板のエッジラインに沿ってレーザビームを照射して加熱溶融する加熱溶融法が提案されている。例えば、ガラス部材全体を常温より高い温度に保持（余熱）した状態で、エッジライン（稜線）近傍をレーザ加熱して軟化させて、材料の表面張力によりエッジラインを丸くすることにより面取りを行う方法が開示されている（特許文献１）。【０００５】
図１５は、ＣＯ２レーザ光源を用いて、加熱溶融法により面取り加工を行う際のレーザ照射状態を示す断面図である。予め、図示しないヒータを用いてガラス基板１０全体を徐々に加熱（予備加熱）して、軟化温度より低い所定温度に保持しておき、続いて所定温度に保持されたガラス基板１０のエッジライン５１に沿って、ＣＯ２レーザ光源５０からのレーザビームを走査する。その際、レーザ出力、走査速度を調整することにより、レーザビームが照射された部分が高温になって軟化し、材料自身の表面張力によりレーザ照射されたエッジ部分が丸みを帯びるように加工する。【０００６】
この場合、予備加熱、加工後の冷却に時間がかかる。また、基板全体を予備加熱する必要があり、加熱できないデバイスやセンサ等の機能膜が基板上に既に形成されている場合には、この方法による面取り加工を実施できない場合もある。また、予備加熱が不十分であれば熱応力により割れ（クラック）が発生し、良好な面取り加工ができなくなる。さらに、加熱溶融による面取り加工では、溶融部分が変形してその一部（丸みを帯びた部分の一部）が周囲よりも膨れてしまい、基板端面の平坦度が損なわれることがある。【０００７】
さらに、レーザ照射による加熱溶融法以外の面取り方法として、エッジ近傍にレーザビームを照射して加熱することでガラス基板１０にクラックを発生させ、レーザビームを相対的にエッジライン方向に走査することにより、クラックをエッジラインに沿って成長させ、ガラス基板からエッジ近傍を分離することにより面取りを行うレーザ面取り加工法が開示されている（特許文献２）。
図１６は、ＣＯ２レーザ光源を用いて、レーザ加熱による亀裂成長面取り加工を行う際のレーザ照射状態を示す断面図である。ガラス基板１０のエッジライン５１付近にＣＯ２レーザ光源５０からのレーザビームを局所的熱膨張に伴う熱応力によってクラック５２が発生する。そして、エッジライン５１に沿ってレーザビームを走査することにより、順次発生するクラック５２がエッジライン５１に沿って成長し、エッジライン５１を含むエッジ近傍（角部分）が分離される。
特許文献２によれば、レーザ加熱による亀裂成長面取り加工を行うことにより、ガラス基板の精度を損なうことなく、高い生産性と洗浄工程を必要としない面取り加工を施すことができるとされている。
【特許文献１】特開平２−２４１６８４号公報
【特許文献２】特開平９−２２５６６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、レーザ照射によるガラス基板の面取り方法では、基板の分断面に形成されたエッジラインに沿って、レーザビームを走査するようにしている。このとき、レーザアブレーションによる面取りでは基板汚染の問題があり、加熱溶融法による面取りでは基板端面の平坦度がくずれる問題がある。一方、レーザ加熱による亀裂成長による面取り加工ではこのような問題は発生しないが、「取り残し」や均一な面取り量が得られない等の問題がある。【０００９】
図１７（ａ）はガラス基板にレーザス加熱による亀裂成長面取り加工を行う状態を示す斜視図、図１７（ｂ）はその平面図である。ガラス基板１０から外れた位置ＰＡからエッジライン１１に近づくようにレーザビームを走査し、さらにガラス基板の一端ＰＢからエッジライン１１に沿ってレーザビームを走査していくことにより、このエッジライン１１に沿ってガラス基板を軟化点以下の温度で加熱する。これにより、レーザビームが照射されたエッジライン１１近傍に熱応力によるクラックが進展し、円弧状の面取り加工面１４が形成されるのであるが、最初にレーザビームがガラス基板１０に照射されるエッジラインの一端ＰＢの近くには、不規則な取り残し領域１７が形成されてしまっていた。この取り残し領域１７は、基板１０に対するレーザビームの照射角度や照射条件をいろいろ変化させても、完全になくすことは困難であった。また、エッジライン近傍での温度分布の対称性が悪いことに起因して、安定的な面取り加工面１４の形成が難しく、マイクロクラック等の欠陥が発生していた。
このように、ガラス基板に溝加工を形成する場合や、面取り加工を行う場合に、これまで様々な課題があり、改良によってさらに適切な加工を行う方法が求められていた。【００１０】
そこで、本発明は脆性材料基板の急加熱手段としてレーザ等を用いて基板表面に容易に直線状もしくは曲線状の連続あるいは非連続の溝を形成する方法を提供することを目的とする。【００１１】
また、エッジライン面取り加工について述べれば、脆性材料基板の端面のエッジラインに沿って面取り加工を施す際に、取り残した領域が発生しない新たな面取り方法を提供することを目的とする。
また、面取り加工面にマイクロクラックが発生しにくい新たな面取り方法を提供することを目的とする。【００１２】
さらに、本発明は新たな面取り方法を検討する過程で見出したマイクロクラックを発生することなく脆性材料基板表面にＵ字状溝を除去加工する方法を提供することを目的とする。
さらに、その溝加工を繰り返して材料表面を略平面状に除去加工する方法を提供することを目的とする。加えて、回転体の加工対象物を、回転体の回転軸を中心として回転させながら当該加工対象物の外周面の一部および全部を除去する除去加工方法を提供することを目的とする。
また、脆性材料基板のＵ字状溝加工方法を用いて加工対象物である平板に矩形又は曲線状の閉回路のＵ字状溝を形成した後、Ｕ字状溝に沿って材料を分離し、くり抜き加工するくり抜き加工方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者等は、脆性材料基板の表面の一部を局部的加熱に相応しいレーザ等を用いて剥離可能な加熱条件で急加熱すれば表面が局部的に剥離されることを見出し、レーザによって脆性材料基板を局部的に急加熱し、この被照射部分を連続的又は非連続的、断続的に剥離する除去加工する方法を考案した。
すなわち、これまではレーザ照射等による除去加工では、アブレーション加工  、亀裂を成長させて加工するレーザスクライブ加工法等が知られていたが、レーザ照射等により局所的に急加熱を行う場合に、加熱条件を選択することにより、アブレーション加工や亀裂を成長させるスクライブ加工ではなく、加熱部の熱膨張によって加熱部分の材料が剥離する現象を利用して加工できることを見出した。
【発明の効果】
【００１４】
レーザ照射等による剥離を利用すると、加工対象物とは非接触状態で剥離部分を除去加工する為、工具を用いた除去加工（研削、切削、研磨等）に比べ、工具の減耗がないだけではなく、加工速度が大幅に向上する。さらにレーザアブレーション加工に比べ加工対象物を溶融、蒸散させることが非常に少ないので、加工エネルギーを節約でき、溶融した材料が加工対象物に再付着するという問題点も解消する。【００１５】
（他の問題解決手段および効果）
また、面取り加工の際に取り残し領域やマイクロクラックの発生を抑えることができる面取り加工条件を検討した結果、基板のエッジラインに沿ってレーザ加熱を行って面取り加工をする場合、このエッジライン近傍での温度分布の対称性が悪いことが取り残しやマイクロクラックを発生しやすくしている一因であることがわかってきた。さらには、これまでは破断面エッジラインを除去加工する面取りすることにこだわって諸種の手段を組合せて対応してきたが、充分なものを得ることができなかった。すなわち、脆性材料基板を分断する以前に脆性材料基板の表面にＵ字状溝を形成し、その後このＵ字状溝を介して分断すれば結果的に面取り状態になっていることを見出した。より具体的には、脆性材料基板の表面を、剥離可能な加熱条件で、線状に逐次急加熱することにより、脆性材料基板の表面から断面形状がＵ字状に剥離する現象を見出したので、これを利用することにより、新たな面取り方法を考案するに至った。【００１６】
この新たな面取り方法では、脆性材料基板を急加熱する手段としてレーザを用いる場合、加工対象の基板材料、形成予定のＵ字状溝の溝幅、深さ及び溝面の形状に対応して、予め実験的に求めたレーザパワー、レーザ照射面積、走査速度の組合せからなるＵ字状溝形成用のレーザ照射条件を設定し、このレーザ照射条件に基づいてレーザビームを走査する。【００１７】
レーザを脆性材料基板の表面に照射すると照射された部分は、レーザビームを吸収して急激に加熱され、温度が上昇する。この時、照射部分と非照射部分の境界には大きな温度勾配が生じる。そして高温になった部分は熱膨張するが、非照射部分の材料は、塑性変形や弾性変形し難い脆性材料基板であるため、熱膨張量に追従して変形ができないので、照射部分（加熱部分）と非照射部分（非加熱部分）の境界付近では、大きなせん断応力が発生し、（レーザ走査方向には特に大きなせん断応力が発生する）そのせん断応力により加熱部分の材料は剥離し、材料から分離される。つまり、加熱部分の熱膨張量が非加熱部分の弾性変形、あるいは塑性変形できる許容量より大きくなると加熱部分の材料が剥離していると考えられる。この剥離現象を連続的に、あるいは間歇的に発生させて材料を除去加工する。
言い換えると、この加工方法では、温度勾配の大きな部分に発生した非常に大きなせん断力によって、潜在的な材料欠陥を起点として、レーザ照射部の前方及び側面から部分的に材料が間歇的（その結果剥離面に段差が生じる）に滑りが発生し、ついには脆性材料基板の一部が剥離し、Ｕ字状溝が形成されると考えられる。
このとき、剥離する部分（廃材）は、脆性材料基板から除去されるので、脆性材料基板の軟化点以上に加熱しても良いし、一部蒸散しても構わない。より具体的には、剥離して除去される部分は、軟化点、又は、歪点以上の高温になっても構わないし、圧壊されてもよい。一方、使用する側のＵ字状溝の表面界面近傍では、温度勾配は大きいが、温度自身は軟化点、歪点温度より非常に低い温度になるようにレーザパワーを調整して加熱する必要がある。
なお、この時、滑り面に発生すると考えられるマイクロクラックの発生密度は、アブレーション等他の方法によって溝を形成する場合より小さくなると考えられるので、溝の底部から分断すると、材料強度の強い面取り加工が可能となる。
また、材料の剥離は、非常に大きな熱伝導率を有するシリコン単結晶等では温度勾配が小さくなり、剥離が発生し難くなるため、温度勾配が大きくなるように非加熱部分の冷却が必要となる。また、溝の形状をコントロールするためには、冷却能力（冷媒の種類や流速、流量等）を制御する必要がある。より具体的には冷却能力が大きくなると（冷却なし（空気の対流による冷却）で剥離が起きる材料（ガラス基板）の場合、水等で冷却すると）、深さが同じになるレーザ加熱条件の場合には溝幅が狭くなり、面取り角度は大きくなる。したがって、冷却能力が小さくなると、面取り角度（曲率）は小さくなる。このような現象を利用して溝の形状を制御し、脆性材料基板の面取りに活用しようとするものである。【００１８】
ここでいう「脆性材料基板」には、ガラス基板のほか、石英、単結晶シリコン、サファイア、半導体ウエハ、焼結セラミックス等の基板が含まれる。
また、「Ｕ字状溝」とは、文字どおりの「Ｕ字」の溝に限られるものではなく、広く変曲点のない滑らかな曲面からなる内壁面（谷面）が形成された溝が含まれる。すなわち、内壁面が円弧状、楕円状、放物線状等であってもよい。なお、「溝」であるためには、少なくとも「幅」、「深さ」及び底部が特定できることを必要とする。具体的には線状に走る１本のクラックは溝ではない。基板面に並行して走る２本のクラックにより溝の幅が特定でき、さらに基板内部で２本のクラックが繋がることにより、溝の深さが特定できることになる。また、Ｕ字状溝の平面的な形状としては、直線、曲線、円等の自由形状も含むものである。
また、急加熱手段としては、レーザだけではなく、ハロゲンヒータ、キセノンランプも含み、その他加工対象物を局部的に加熱できるものであれば、レーザ、キセノンランプ以外の手段を含むことはいうまでもない。【００１９】
また、「予め求めたレーザパワー、レーザ照射面積、走査速度の組合せからなるＵ字状溝形成用のレーザ照射条件」とは、所望のＵ字状溝の溝幅、深さ及び底部を設定し、予め同一材料、同一形状の基板を用いて試行錯誤的にレーザ照射を行い、設定した溝幅、深さ及び底部のＵ字状溝が得られる条件を実験的に見出したレーザ照射条件をいう。【００２０】
本発明においては、予め実験的に求めたレーザパワー、レーザ照射面積、走査速度の組合せからなるＵ字状溝形成用のレーザ照射条件を設定する。このとき設定する照射条件は、少なくとも、Ｕ字状溝の界面部分（すなわち内壁面となる部分）が形成される領域にアブレーションが生じないような照射条件が選ばれるようにする（Ｕ字状溝の界面が形成される領域以外については、この界面部分に影響がない限りアブレーションされても構わない）。
そして、このレーザ照射条件の下でレーザを走査することにより、界面部分で変化の大きな熱応力分布が形成され、この部分にＵ字状断面のクラックが発生するので、これを進展させる。その結果、Ｕ字状溝が形成される。このとき基板内に形成される温度分布は、半円状等のような対称性が良い結果、Ｕ字状溝面にマイクロクラック等の欠陥の少ない面が得られる。【００２１】
とりわけ、加熱手段としてレーザを用いれば、脆性材料基板に対し、予め求めたレーザパワー、レーザ照射面積、走査速度の組合せからなるレーザ照射条件を設定することにより、アブレーションではなく、熱応力分布による材料の剥離によりＵ字状溝を形成することができ、しかも温度分布の対称性がよい条件下で溝を形成することができるので、加工面に発生するマイクロクラック等の欠陥の発生を抑えることができる。また、加工が開始される端面近傍に取り残し領域が発生することもない。【００２２】
上記発明において、加工対象の基板の材料、レーザ照射面積、走査速度に対応して、レーザパワー条件を、次式（１）で制御するようにしてもよい。
Ｐ＝Ｋ・（Ｓ×Ｖ）  ・・・（１）
ここで、Ｐは照射するレーザパワー（Ｗ）、Ｓはレーザ照射面積（ｍｍ２）、Ｖは走査速度（ｍｍ／ｓｅｃ）であり、Ｋは加工対象物ごとに設定される係数（Ｗ×ｓｅｃ／ｍｍ３）である。
これによれば、予め、基板の材質ごとに実験的に係数Ｋを求めておくわけだが、Ｋは材料の熱物性（熱伝導率、熱膨張率、強度等）、冷却及び余熱方法（冷媒の熱物性、流速、流量）に依存する係数である。そして、レーザ照射面積は形成しようとするＵ字状溝の溝幅に関係し、走査速度はＵ字状溝の深さに関係しているので、係数Ｋとともに、形成しようとするＵ字状溝の溝幅と深さとに応じて、レーザ照射面積Ｓと走査速度Ｖとを与えることにより、（１）式を用いて所望のＵ字状溝を形成するために必要なレーザパワー（Ｗ）を設定することができる。【００２３】
さらに、第一の発明であるＵ字状溝加工方法を利用した脆性材料基板の面取り方法の発明は、第一の発明を利用して基板表面に対しＵ字状溝を加工する工程と、形成されたＵ字状溝面の底部に分断予定ラインを設定するとともに、分断予定ラインの始端から終端に向けて従来のカッターホイールによるスクライブを行う工程又は、レーザスクライブを行う工程とからなり、分断予定ラインに沿って形成されたクラックにより分断された端面と基板表面との間に形成されたＵ字状溝を構成する溝面の一部によって面取り加工面が形成されるようにしている。【００２４】
これによれば、基板表面に対しＵ字状溝を加工する。そして、形成されたＵ字状溝内の底部に仮想の分断予定ラインを設定する。続いてこの分断予定ラインに沿って従来のレーザスクライブ等を行う。分断された端面と基板表面との間に形成されたＵ字状溝を構成する溝面の一部によって面取り加工面が形成される。【００２５】
さらに、脆性材料基板の面取り方法の他の発明は、第一の発明を利用して基板の表面と裏側との両側に対し、互いにＵ字状溝が基板を挟んで対向するように加工する工程と、形成されたいずれか片側のＵ字状溝内の底部に分断予定ラインを設定するとともに、この分断予定ラインに沿って従来のレーザスクライブを行う。分断された端面と基板表面、前記端面と基板裏面との間に形成されたＵ字状溝を構成する溝面の一部によって両側面に面取り加工面が形成されるようにしている。【００２６】
これによれば、基板の表面、裏面に対し、Ｕ字状溝を互いにＵ字状溝が基板を挟んで対向するように加工する。そして、いずれか片側のＵ字状溝の底部に分断予定ラインを設定するとともに、この分断予定ラインに沿って従来のレーザスクライブを行う。分断された端面と基板表面との間、および、分断された端面と基板裏面との間にそれぞれ形成されたＵ字状溝を構成する溝面の一部によって基板上下面に面取り加工面が形成される。【００２７】
上記脆性材料基板の面取り方法の発明において、スクライブ工程によって分断されないときに分断予定ラインに沿ってブレイクする工程をさらに備えていてもよい。
ここでブレイクする方法については特に限定されないが、例えば、ブレイクバーを分断予定ラインに沿って当接し、ブレイクバーを押圧することにより基板を撓ませるようにして分断することができる。【００２８】
さらに、脆性材料基板の面取り方法の他の発明は、脆性材料基板の基板表面に分断予定ラインを設定し、前記基板の軟化点より低い温度で加熱されるように、レーザビームを分断予定ラインの始端から終端に沿って走査しながら照射し、次いで冷却することにより、分断予定ラインの始端から終端に沿って裏面に達しないクラックを形成する工程と、第一の発明を利用した脆性材料基板のＵ字状溝加工方法を用いて、前記分断予定ラインに沿って前記クラックが進展した深さよりも浅いＵ字状溝を加工する工程と、分断予定ラインに沿ってブレイクするブレイク工程とからなり、分断された端面と基板表面との間に形成されたＵ字状溝を構成する溝面の一部によって面取り加工面が形成されるようにしてもよい。【００２９】
本発明においては、まず分断予定ラインの始端から終端に沿ってクラックを形成する。この時、クラックの深さは、クラック先端が裏面に達しないようにしておく。そして、第一の発明を利用してクラックが形成された分断予定ラインが溝内にくるようにＵ字状溝を形成する。このときＵ字状溝の深さよりクラック先端の方が深くなるようにする。続いてクラック先端が走る分断予定ラインに沿ってブレイクする。これにより、分断された端面と基板表面との間に形成されたＵ字状溝を構成する溝面の一部によって面取り加工面が形成される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】ガラス基板にＵ字状溝の加工するときのレーザ、加工材料、レーザパワー分布形成装置の構成、配置を示す図。
【図２】レーザのエネルギー分布と形成される溝形状の関係を示す模式図。
【図３】レーザパワー密度と走査速度との関係で、選択可能なレーザパワーの領域を示す概念図。
【図４】レーザを照射したときのガラス基板の状態を示す断面図。
【図５ａ】Ｕ字状溝の平面図。
【図５ｂ】溝縁の拡大図。
【図５ｃ】溝縁の拡大図。
【図５ｄ】Ｕ字状溝の底部の拡大図。
【図５ｅ】剥離したガラスの外観図。
【図５ｆ】剥離したガラスの自由状態を示す外観図。
【図５ｇ】剥離したガラスの拡大断面図。
【図５ｈ】剥離したガラスの表面図。
【図５ｉ】剥離したガラスの裏面図。
【図６】面取り加工の工程の一実施例を示す図。
【図７】面取り加工の工程の他の一実施例を示す図。
【図８】面取り加工の工程の別の一実施例を示す図。
【図９】面取り加工の工程の更なる別の一実施例を示す図。
【図１０】溝加工の他の応用例を示す図。
【図１１】溝加工の他の応用例を示す図。
【図１２】溝加工の他の応用例を示す図。
【図１３】溝加工の他の応用例を示す図。
【図１４】溝加工の他の応用例を示す図。
【図１５】レーザスクライブにより面取り加工を行う際のレーザ照射状態を示す図。
【図１６】ガラス基板にレーザスクライブにより面取り加工を行う際のＣＯ２レーザを示す図。
【図１７】ガラス基板にレーザスクライブ法による面取り加工を行う状態を示す図。
【符号の説明】
【００３１】
１：  レーザ発振器
２：  ステージ
３：  光学系
１０：  ガラス基板（加工材料）
１１：  基板表面
１２（１２ａ〜１２ｄ），２２，３２：  溝
１３，２３，３３：  初期亀裂
１４，２４，３４：  スクライブライン
１７：  分断面
１８，２８，３８：  面取り加工面
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。以下の実施形態ではガラス基板の加工について説明するが、その他の脆性材料基板についても同様である。【００３３】
（Ｕ字状溝加工）
まず、ガラス基板にＵ字状溝を加工する方法について説明する。図１はガラス基板にＵ字状溝を加工するときのレーザ、加工材料、レーザパワー分布形成装置の構成状態を示す図である。ガラス基板１０の基板表面１１に対向するようにレーザ光源１が配置される。ガラス基板１０を載置するステージ２は、レーザ光源１に対し相対的に移動できるようにしてあり、このステージ２の移動速度により、レーザビームの走査速度が制御されるようにしてある。また、レーザ光源１と基板１０との間には、レーザビームのエネルギー分布や照射面積を調整するための光学系３が配置される。具体的には、異なる形状の複数のレンズ群を交換可能に取り付けてあり、レンズの交換やレーザビームの光路上でのレンズの位置（高さ）調整により、焦点位置やビーム形状を変化させてエネルギー分布を変えるとともに、照射面積を調整するようにしている。
なお、エネルギー分布と照射面積との調整手段はこれ以外でもよい。例えば、ポリゴンミラーを用いてレーザビームを照射領域内で繰り返し走査するようにし、このときの走査条件（走査速度、走査幅）を調整することにより、エネルギー分布および照射面積を制御するようにしてもよい。【００３４】
光学系３の調整によりエネルギー分布を変更することにより、形成しようとするＵ字状溝の断面形状を調整することができる。図２はレーザビームのエネルギー分布と形成される溝形状の関係を示す模式図である。図２（ａ）に示すように方形に近い溝１２aを形成したいときは、エネルギー密度の断面形状が均一なビームに近づける。また、図２（ｂ）に示すように半円に近い溝を形成したいときは、両端よりも中央部のエネルギー密度が大きい断面形状のビーム形状に近づける。また、図２（ｃ）に示すように溝の両端部が中央部よりやや深い場合には、レーザビームのエネルギー密度はその両端部が中央部より大きく、さらに、図２（ｄ）に示すようにガラス基板表面との溝の傾斜とがなす角度θを小さくするためには、そのエネルギー分布を中央部が大きく、その両端部を小さくすればよく、場合によっては余熱であっても構わない。このように所望の溝形状に応じて、エネルギー分布の断面形状を調整すればよい。【００３５】
レーザパワーについては、走査速度との関係で適切なレーザパワーを設定する。図３は、レーザパワー密度（単位面積あたりのレーザ出力（Ｗ／ｍｍ２）と、走査速度（ｍｍ／ｓｅｃ）との関係で、選択可能なレーザパワーの領域を示す概念図である。レーザパワー密度が大きすぎると広い範囲でアブレーション現象が生じてしまう。一方、レーザパワー密度が小さすぎると基板を充分に加熱できず、熱応力による表面剥離をすることができない。また、走査速度が速くなると加熱熱量が小さくなり、走査速度が遅いと加熱熱量は大きくなるが、加熱部と非加熱部の温度勾配が小さくなり、表面剥離が発生しなくなる。【００３６】
図４はレーザを照射したときのガラス基板の状態を示す模式的な断面図である。本発明のＵ字状溝加工方法によれば、レーザの照射幅よりもＵ字状溝の溝幅Ｍは大きくなる。すなわち、レーザが照射され直接加熱される領域ｈと、直接加熱される領域からの熱伝導によって加熱され熱応力により剥離現象が起こり、Ｕ字状の溝が形成される領域Ｋとが離隔しており、直接加熱領域ｈに照射されるレーザパワーが強くアブレーションが発生したり、溶融したりあるいはマイクロクラックが発生したりしても、剥離が成長してＵ字状溝が形成される領域Ｋの外界面にはその影響が小さくなるように加工する。なお、jは剥離面である。【００３７】
図５（図５ａ〜図５ｉ）は一例として、ＣＯ２レーザ出力：２３０Ｗ、走査速度：４３０ｍｍ／ｓｅｃ、楕円ビーム形状：１６．０ｍｍ×２．０ｍｍ、加工対象：０．７ｍｍ、材質：ソーダガラスの条件でＵ字状溝を形成した場合の写真である。図５ａは、加工対象を上面から撮影した所謂平面図に相当するものであり、図中（５ａ−１）は、基板表面と溝との境界線であり、実物は幅のない直線が形成されているが、撮影機器の関係で一定の幅があるように撮影されている。（５ａ−２）は溝面で滑り面が形成されている。（５ａ−３）は溝の底部である。図５ｂは、溝縁の拡大写真であり、当該溝縁には亀裂は発生していない。図５ｃは、同じく溝縁の拡大写真であるが、図５ｂの場合と違って加工条件が適合せず、溝縁に細かい亀裂が発生しているのがうかがえる。図５ｄはＵ字状溝の底部の拡大写真であり、加工条件が適合せず底部に複雑に熱応力が作用して、亀裂がアトランダムに発生している。図５ｅはガラス基板の表面から剥離したガラス（廃材）の外観写真であり、レーザの照射条件を適切に選ぶことによって、写真にあるように一本の連続した螺旋状のガラス（廃材）を剥離することができる。図５ｆは剥離したガラス（廃材）の自由状態を示す外観写真である。図５ｇは剥離したガラス（廃材）の拡大した断面写真である。図５ｈは剥離したガラス（廃材）の表面の写真であり、その裏面には、Ｕ字状溝の表面（裏面）と同様な形状が形成されている（凹凸は逆である）。図５ｉは剥離したガラス（廃材）の裏面の写真である。
なお、ビームの形状は楕円である必要はない。【００３８】
なお、レーザパワーＰ（Ｗ）と、レーザ照射面積（Ｓ）と、走査速度（Ｖ）とを変化させて、単位面積あたり、単位時間あたりの適切なレーザパワーを表す係数Ｋを実験的に算出しておくことにより、（１）式から所望の照射面積と走査速度で加熱する場合のレーザパワーを設定し、Ｕ字状溝加工を再現して加工することができる。
Ｐ＝Ｋ・（Ｓ×Ｖ）  ・・・（１）
ここで、Ｐは照射するレーザパワー（Ｗ）、Ｓはレーザ照射面積（ｍｍ２）、Ｖは走査速度（ｍｍ／ｓｅｃ）であり、Ｋは加工対象物ごとに設定される係数（Ｗ×ｓｅｃ／ｍｍ３）である。【００３９】
（面取り加工）
次に、ガラス基板の面取り加工について説明する。図６は、面取り工程の一実施例を示す図である。本実施例では基板の片面に面取りを行う。
ガラス基板１０の基板表面１１に対し、上述したＵ字状溝加工方法を用いてＵ字状溝１２を形成する（図６（ａ））。すなわち、予め求めたレーザ照射条件下でレーザビームＢを走査させることにより、Ｕ字状溝１２を形成する。【００４０】
続いて、Ｕ字状溝１２の内側に仮想の分断予定ラインを設定し（例えば、Ｕ字状溝１２の中心線の位置）、設定した分断予定ラインがＵ字状溝１２の一端と交差する位置に、初期亀裂（切り欠き）１３を形成する（図６（ｂ））。初期亀裂（切り欠き）１３は、カッターホイールの圧接により形成してもよいし、レーザ照射により形成してもよい。なお、初期亀裂（切り欠き）１３を必ずしも設ける必要はない。【００４１】
続いて、初期亀裂（切り欠き）１３を起点にして、カッターホイール又はレーザでスクライブ加工し、分断予定ラインに沿ってスクライブライン１４を形成する（図６（ｃ））。
レーザスクライブはビームスポット１５の形状を楕円状や長円状に調整したスクライブ用のレーザビームＣを分断予定ラインに沿って走査するとともに、その直後を、冷媒Ｄが噴射される冷却スポット１６を走査するようにする。これによりクラックが発生・進展し、スクライブライン１４が形成される。【００４２】
スクライブライン１４が深く形成され、裏面２１に達したときは、そのまま分断されるが、スクライブライン１４が浅く、形成されたときは、図示しないブレイクバーを裏面２１側からスクライブライン１４の裏側に沿うように当接し、スクライブライン１４に沿って基板１０を撓ませることによりブレイクする。
その結果、Ｕ字状溝１２を半分に割ることにより、形成された面取り加工面１８が分断面１７と基板表面１１との間に形成されることになる。
なお、基板が薄い場合等で、Ｕ字状溝だけでスクライブラインを形成しなくとも分断できる場合は、スクライブを省略してもよい。【００４３】
図７は、面取り加工の他の一実施例を示す図である。前の実施例では片側に面取り加工を行ったが、本実施例では表裏両面に面取り加工を行う。
ガラス基板１０の基板表面１１に対し、上述したＵ字状溝加工方法によりＵ字状溝１２を形成する（図７（ａ））。すなわち、予め求めたレーザ照射条件下で、レーザビームＢを走査させることにより、Ｕ字状溝１２を形成する。【００４４】
続いて、基盤１０を反転し、裏面２１に対しＵ字状溝２２を形成する（図７（ｂ））。すなわち、Ｕ字状溝１２の裏側の位置に上述したＵ字状溝加工方法によりＵ字状溝２２を形成する。これにより、基板１０の中央部分を挟んで両側から対向するようにＵ字状溝１２，２２が形成される。【００４５】
続いて、Ｕ字状溝２２の内側に仮想の分断予定ラインを設定し、（例えば、Ｕ字状溝２２の中心線の位置）、設定した分断予定ラインがＵ字状溝２２の一端と交差する位置に初期亀裂（切り欠き）２３を形成する（図７（ｃ））。なお、Ｕ字状溝２２側ではなく、Ｕ字状溝１２側に初期亀裂（切り欠き）を設けるようにしてもよい。【００４６】
続いて、初期亀裂（切り欠き）２３を起点にして、レーザスクライブ加工により分断予定ラインに沿ってスクライブライン２４を形成する（図７（ｄ））。すなわち、ビームスポット１５の形状を楕円状や長円状に調整したスクライブ用のレーザビームＣを分断予定ラインに沿って走査するとともに、その直後を冷媒Ｄが噴射される冷却スポット１６を走査するようにする。これによりクラックが発生・進展し、スクライブライン２４が形成される。【００４７】
スクライブライン２４が深く形成され、裏面に達したときはそのまま分断されるスクライブライン２４が浅く、形成されたときは、図示しないブレイクバーをスクライブライン１４に沿うように表面１１側のＵ字状溝１２内で当接し、スクライブライン２４に沿って基板１０を撓ませることによりブレイクする（図7（ｅ））。
その結果、Ｕ字状溝１２を半分に割ることにより形成された面取り加工面１８が、分断面１７と基板表面１１との間に形成されることになる。また、Ｕ字状溝２２を半分に割ることにより形成された面取り加工面２８が、分断面１７と基板裏面２１との間に形成されることになる。
このときも、基板が薄い場合等でＵ字状溝だけでスクライブラインを形成せずに分断できる場合は、スクライブを省略してもよい。【００４８】
図８は、面取り加工のさらに別実施例を示す図である。これまで説明した２つの実施例では、先にＵ字状溝を形成してからレーザスクライブ加工を行ったが、本実施例では先にレーザスクライブ加工又は、刃先スクライブを行ってからＵ字状溝を形成する。【００４９】
ガラス基板１０の基板表面１１に対し、仮想の分断予定ラインＰを設定し、設定した分断予定ラインＰが基板の一端と交差する位置に、初期亀裂（切り欠き）３３を形成する（図８（ａ））。【００５０】
続いて、初期亀裂（切り欠き）３３を起点にして、レーザスクライブ加工により分断予定ラインＰに沿ってスクライブライン３４を形成する（図８（ｂ））。すなわち、ビームスポット１５の形状を楕円状や長円状に調整したスクライブ用のレーザビームＣを、分断予定ラインに沿って走査するとともに、その直後を冷媒Ｄが噴射される冷却スポット１６を走査するようにする。これによりクラックが発生・進展し、スクライブライン３４が形成される。【００５１】
続いて、上述したＵ字状溝加工方法を用いてＵ字状溝３２を形成する（図８（ｃ））。すなわち、予め求めたレーザ照射条件下でレーザビームＢを走査させることにより、Ｕ字状溝３２を形成する。
このとき、スクライブライン３４の先端が基板１０に残るようにＵ字状溝３２の深さを調整する。【００５２】
続いて、図示しないブレイクバーを裏面２１側からスクライブライン３４の裏側に沿うように当接し、スクライブライン３４に沿って基板１０を撓ませることによりブレイクする（図８（ｄ））。
その結果、Ｕ字状溝３２を半分に割ることにより形成された面取り加工面３８が、分断面１７と基板表面１１との間に形成されることになる。【００５３】
図９は、面取り加工のさらに別実施例を示す図である。まずガラス基板１０の基板表面に２本の仮想のスクライブ予定ラインＰを設定し、設定したスクライブ予定ラインＰに沿ってレーザスクライブする（図９（ａ））。そうすると、図９（ｂ），（ｃ）のような形状を有するＵ字状溝が形成される。すなわち、Ｕ字状溝の上部に直線部分（Ｐ１）を有し、かつ、溝幅が略平行なＵ字状溝が形成されることに特徴がある。なお、面取り工程は上述の工法と同じなので、説明は省略する。
【００５４】
このように本発明によれば、対称性が良い状態で形成したＵ字状溝には、マイクロクラックが発生しないので、このＵ字状溝を用いて面取り加工面を形成するようにしたので、安定した面取り加工面を形成することができ、しかも取り残した領域が発生することもない。【００５５】
以上、ガラス基板についての面取り加工について説明したが、他の脆性材料基板についても、それぞれの基板材料に応じて、適切なレーザ照射条件を実験的に選択することにより、Ｕ字状溝を加工することができる。そして、Ｕ字状溝を利用して面取り加工面を形成することにより、安定した面取り加工面を得ることができる。【００５６】
次にＵ字状溝を形成するにあたって開発した溝掘り工法の他の応用例について説明する。
まず、精密機械の加工テーブルには線膨張率が小さいことが注目され、脆性材料基板が用いられている。図１０（ａ）は加工テーブルを構成する下型４１に非連続的に油溜め４２を形成したものであり、上型４１と下型４３を重ね合わせたものが図１０（ｂ）であり、模式的な断面を表したものである。【００５７】
同じく、精密機械に用いられる加工テーブルに関するものであるが、上型５１及び下型５２の表面に連続したＵ字状の溝５３（５４）を形成し（図１１（ａ））、上型５１と下型５２を重ね合わせて一つの加工テーブルが構成される。すると、加工テーブルに冷却通路５５が形成される（図１１（ｂ））。さらに磁気ディスクもしくは光ディスクを製造する際に、この溝掘り工法を採用して材料平板６１に、溝６２，６３（６４，６５）を形成した後、くり抜き加工を施すと簡単に製造することができる（図１２（ａ），（ｂ））。
また、加工対象物である平板基板に対し、直線的な溝加工を少しずつ横に移動しながら並列に繰り返すことにより、材料表面を略平面状に除去加工することもできる。例えば、所定の厚みを有する平板状の脆性材料から少なくとも一部を切り出して、ある形状を有する部品７１を製造する際にもこの溝掘り工法を採用すると、所望の部品を簡単に製造することができる（図１３（ａ），（ｂ））。
また、円柱、球体、回転楕円体、円錐体等の回転体の加工対象物８１を、回転軸（例えば円柱軸）を中心として回転させて、外周面（側面又は端面）の所謂除去加工する際にもこの溝掘り工法を採用すれば所望の回転体形状８２を得ることができる（図１４（ａ），（ｂ））。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は、基板および円筒状の脆性材料の溝加工に利用されるものである。
【図１】
0005580049.tif 000002
【図２】
0005580049.tif 000003
【図３】
0005580049.tif 000004
【図４】
0005580049.tif 000005
【図６】
0005580049.tif 000006
【図７】
0005580049.tif 000007
【図８】
0005580049.tif 000008
【図９】
0005580049.tif 000009
【図１０】
0005580049.tif 000010
【図１１】
0005580049.tif 000011
【図１２】
0005580049.tif 000012
【図１３】
0005580049.tif 000013
【図１４】
0005580049.tif 000014
【図１５】
0005580049.tif 000015
【図１６】
0005580049.tif 000016
【図１７】
0005580049.tif 000017
【図５ａ】
0005580049.tif 000018
【図５ｂ】
0005580049.tif 000019
【図５ｃ】
0005580049.tif 000020
【図５ｄ】
0005580049.tif 000021
【図５ｅ】
0005580049.tif 000022
【図５ｆ】
0005580049.tif 000023
【図５ｇ】
0005580049.tif 000024
【図５ｈ】
0005580049.tif 000025
【図５ｉ】
0005580049.tif 000026