(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
脆性材料基板の一方面の、割断予定線の割断開始端に初期亀裂を形成する工程と、前記初期亀裂から前記割断予定線に沿ってレーザビームを相対移動させながら照射して、前記基板を溶融温度未満で加熱した直後に、冷却媒体によって冷却し、これにより前記基板に熱応力を生じさせて、前記割断予定線に沿って前記初期亀裂を進展させて、前記基板の裏面に達する垂直亀裂を形成する工程とを有する脆性材料基板の割断方法であって、
前記レーザビームによる加熱条件及び冷却媒体による冷却条件の少なくとも一方を、前記割断予定線の終端近傍において前記基板に生じる熱応力が小さくなる方向に変化させ、加熱条件及び冷却条件の少なくとも一方を変化させた位置から前記割断予定線の終端まで前記基板の裏面に達しない垂直亀裂を形成することを特徴とする脆性材料基板の割断方法。
【請求項２】
前記変化させる加熱条件が、レーザビームの相対移動速度、照射スポット形状、照射出力のうちの少なくとも１つであり、前記変化させる冷却条件が、冷却媒体の吹付けスポット位置である請求項１記載の割断方法。
【請求項３】
前記割断予定線の終端近傍において、レーザビームの相対移動速度を速くすると同時に、冷却媒体の吹付けスポット位置をレーザー照射スポットに近づける請求項２記載の割断方法。
【請求項４】
前記割断予定線に沿って前記初期亀裂を進展させた後、進展した亀裂の回りに曲げモーメントを加える工程をさらに有する請求項１〜３のいずれかに記載の割断方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脆性材料基板の割断方法に関し、より詳細にはレーザを用いた脆性材料基板の割断方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガラス基板やセラミック基板等の脆性材料基板の割断方法としては、脆性材料基板の表面にカッターホイール等を圧接させながら転動させて、脆性材料基板の表面に対して略垂直方向の亀裂（以下、「垂直亀裂」という）を形成し、次いで、基板に対して垂直方向に機械的な押圧力を加えて、垂直亀裂を基板厚み方向に進展させて基板を割断する方法が広く行われていた。
【０００３】
しかし、通常、カッターホイールを用いて脆性材料基板の垂直亀裂を形成した場合、カレットと呼ばれる小破片が発生し、このカレットによって脆性材料基板の表面にキズがつくことがあった。また、割断後の脆性材料基板の端部にはマイクロクラックが生じやすく、このマイクロクラックを起因として脆性材料基板の割れが発生することがあった。このため、通常は割断後に、脆性材料基板の端部を研磨・洗浄してマイクロクラックやカレット等を除去していた。
【０００４】
一方、近年、ＣＯ２レーザビームを用いて脆性材料基板を溶融温度未満に加熱し、これにより脆性材料基板に生じた熱応力によって、局所的に引張応力を発生させて垂直亀裂を形成することにより、脆性材料基板を割断する方法が近年種々検討・開発されている。このレーザビームを用いる割断方法は非接触加工であるため、上記したカレットやマイクロクラック等の潜在的欠陥の発生が抑えられる。
【０００５】
ところが、このレーザビームを用いる割断方法では、図４（ａ）に示すように、割断予定線Ｌ１の終端（基板端部）近傍において垂直亀裂Ｌ２の進展が途絶えるという問題がある。割断予定線Ｌ１の終端に垂直亀裂が形成されていない状態で、基板Ｇに押圧力を加えて割断すると、同図（ｂ）に示すように、割断線の終端部分Ｌ３が割断予定線Ｌ１から外れ、充分な寸法精度が得られなくなる。このため、従来は、割断予定線Ｌ１の終端の、垂直亀裂Ｌ２が形成されなかった部分について、カッターホイールを圧接転動させて垂直亀裂を改めて形成する作業を必要とすることがあった。
【０００６】
そこで、例えば特許文献１では、割断予定線の始点に初期亀裂を形成した後、割断予定線の回りに曲げモーメントを加えながら局所加熱を与えて、割断予定線に沿って垂直亀裂を終端まで進行させる技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平8-175837号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記提案技術では、割断予定線の回りに正確に曲げモーメントを形成するためには、基板裏面の、割断予定線に対応する位置に正確に楔を配置しなければならず、厳密な作業が要求される。
【０００９】
本発明は、このような従来の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、レーザを用いた脆性材料基板の割断方法において、比較的簡単な作業で割断予定線の終端まで垂直亀裂を進展させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成する本発明に係る脆性材料基板の割断方法は、脆性材料基板の一方面の、割断予定線の割断開始端に初期亀裂を形成する工程と、前記初期亀裂から前記割断予定線に沿ってレーザビームを相対移動させながら照射して、前記基板を溶融温度未満で加熱した直後に、冷却媒体によって冷却し、これにより前記基板に熱応力を生じさせて、前記割断予定線に沿って前記初期亀裂を進展させて、前記基板の裏面に達する垂直亀裂を形成する工程とを有する脆性材料基板の割断方法であって、前記レーザビームによる加熱条件及び冷却媒体による冷却条件の少なくとも一方を、前記割断予定線の終端近傍において前記基板に生じる熱応力が小さくなる方向に変化させ、加熱条件及び冷却条件の少なくとも一方を変化させた位置から前記割断予定線の終端まで前記基板の裏面に達しない垂直亀裂を形成することを特徴とする。
【００１１】
ここで、前記変化させる加熱条件としては、レーザビームの相対移動速度、照射スポット形状、照射出力のうちの少なくとも１つが好ましい。前記変化させる冷却条件としては、冷却媒体の吹付けスポット位置であるのが好ましい。
【００１２】
また、前記割断予定線の終端近傍において、レーザビームの相対移動速度を速くすると同時に、冷却媒体の吹付けスポット位置をレーザー照射スポットに近づけるのが好ましい。
【００１３】
また、脆性材料基板を確実に割断する観点からは、前記割断予定線に沿って前記初期亀裂を進展させた後、進展した亀裂の回りに曲げモーメントを加える工程をさらに設けてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の割断方法では、割断予定線の終端近傍において、レーザビームによる加熱条件及び冷却媒体による冷却条件の少なくとも一方を、割断予定線の終端近傍において基板に生じる熱応力が小さくなる方向に変化させ、加熱条件及び冷却条件の少なくとも一方を変化させた位置から前記割断予定線の終端まで前記基板の裏面に達しない垂直亀裂を形成するので、割断予定線の後端部分において端面品質が向上する。
【００１５】
前記変化させる加熱条件を、レーザビームの相対移動速度、照射スポット形状、波長、照射出力のうちの少なくとも１つとし、前記変化させる冷却条件を冷却媒体の吹付けスポット位置とすると、基板に生じる熱応力を制御しやすくなり、割断予定線に沿って進展させる垂直亀裂の深さを制御できるようになる。
【００１６】
前記割断予定線の終端近傍において、レーザビームの相対移動速度を速くすると同時に、冷却媒体の吹付けスポット位置をレーザー照射スポットに近づけるようにすると、垂直亀裂の深さをより確実に制御できるようになる。
【００１７】
また、前記割断予定線に沿って前記初期亀裂を進展させた後、進展した垂直亀裂の回りに曲げモーメントを加える工程をさらに設けると、脆性材料基板を確実に割断できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の割断方法を実施する割断装置の実施例を示す構成図。
【図２】本発明の割断方法におけるレーザ加熱及び冷却を示す概略斜視図。
【図３】垂直亀裂の進展の途中で、加熱条件及び／又は冷却条件を変化させた場合の、垂直亀裂の形成状態を示すガラス基板の平面図。
【図４】従来の割断方法において、割断予定線の後端近傍で垂直亀裂が途絶えた場合の問題を説明した図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係る脆性材料基板の割断方法についてより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施形態に何ら限定されるものではない。
【００２０】
図１に、本発明の割断方法を実施可能な割断装置の一例を示す概説図を示す。図１の割断装置では、水平な架台１１上に、一対のガイドレール１３ａ，１３ｂが所定距離隔てて平行に設けられている。そして、この一対のガイドレール１３ａ，１３ｂ上を紙面垂直方向に移動するスライドテーブル１２が設けられている。スライドテーブル１２の下面から下方にステー１５が垂設されている。このステー１５に、ガイドレール１３ａ，１３ｂの間にガイドレール１３ａ，１３ｂと平行に配置されたスクリューネジ１４が螺合し、不図示のモータによってスクリューネジ１４が正・逆転することにより、スライドテーブル１２はガイドレール１３ａ、１３ｂに沿って移動する。
【００２１】
スライドテーブル１２の上には、ガラス基板Ｇを載置する保持台２が設けられている。保持台２は、一対のガイドレール１３ｃ（１３ｄ）に沿って図の左右方向に移動可能に配置された台座２１と、この台座２１上に設けられた回転機構２２と、回転テーブル２３とを有する。回転テーブル２３は、回転機構２２によって回転自在に設けられており、この上にガラス基板Ｇが不図示の真空吸引手段で固定される。
【００２２】
保持台２の上方の取付フレーム５０には、レーザ照射手段３と、このレーザ照射手段３に近接して冷却手段４とが設けられている。レーザ照射手段３は、光学ホルダー３１とレーザー発振器３２とを有し、レーザー発振器３２から発信されたレーザービームが、光学ホルダー３１によって所定の方向へ伸びた長円形のレーザースポットとしてガラス基板上に照射される。
【００２３】
冷却手段４は、ノズル４１と、ノズル４１を移動させるソレノイド４２とを有する。ノズル４１からは、水、Ｈｅガス，炭酸ガスなどの冷却媒体がガラス基板に向かって吹き付けられる。後述するように、ソレノイド４２によってノズル４１を移動させることによって、レーザビーム照射スポットと冷却スポットとの距離を変えることができる。
【００２４】
なお、この図に示す割断装置では、レーザ照射手段３及び冷却手段４を固定し、保持台２と共にガラス基板Ｇを移動させているが、レーザ照射手段３及び冷却手段４を移動させて、ガラス基板Ｇを固定してもよいし、レーザ照射手段３及び冷却手段４と、ガラス基板Ｇとの双方を移動させてもよい。
【００２５】
このような構成の割断装置において、レーザ発振器３２の出力や照射スポット形状、ノズル４１からの冷却媒体の吹付け量、冷却スポット位置、モータ１７の回転速度などの制御はコンピュータ制御で行われている。この図では、制御手段の一例として、レーザ発振器の出力制御３３、冷却スポット位置の制御手段４３、モータ１７の回転速度制御手段１９を示した。
【００２６】
前記割断装置を用いてガラス基板を割断する場合の各工程について以下説明する。まず、ガラス基板Ｇを回転テーブル２３に載置し不図示の真空吸引手段で固定する。そして、光学ホルダー３１によるレーザ照射スポットＳ１（図２に図示）と、ノズル４１による冷却スポットＳ２（図２に図示）とが相対移動方向に対してこの順で、割断予定線Ｌ１（図２に図示）の線上に位置するように調整する。次いで、ガラス基板Ｇの、割断予定線Ｌ１の割断開始端に初期亀裂を形成する。
【００２７】
そして、レーザー発振器３２を起動させてガラス基板Ｇにレーザビームを照射するとともに、ノズル４１から冷却媒体を噴射させ、同時に、モータ１７を駆動させてスクリュ−ネジ１６を回転させ、保持台２を図１の左方向に移動させる。図２に示すように、これにより、レーザ照射スポットＳ１と冷却スポットＳ２とが、割断予定線Ｌ１に沿って相対移動する。レーザビームが照射されたレーザ照射スポットＳ１では、ガラス基板Ｇが加熱されて局部的な圧縮応力が生じ、冷却媒体が噴霧される冷却スポットＳ２では、ガラス基板Ｇが冷却されて局部的な引張応力が生じる。そして、形成された熱応力分布によって初期亀裂から割断予定線Ｌ１に沿って垂直亀裂Ｌ２が進展する。
【００２８】
進展する垂直亀裂Ｌ２の深さは、加熱条件及び冷却条件の少なくとも一方を変化させることにより制御される。本発明者等が行った実験結果の一例を示す。
【００２９】
厚さ０．７ｍｍの無アルカリガラス基板に対して、ＣＯ２レーザを用い、レーザビームの照射出力を１２０〜５００Ｗ、相対移動速度を１００ｍｍ／ｓｅｃ以下、レーザ照射スポットの長さを２０〜５０ｍｍ、幅を４〜６ｍｍとし、冷却媒体として水を用い、レーザ照射スポットから冷却スポットまでの距離を１０〜２０ｍｍとし、噴霧量を０．６〜１．５ｃｍ３／ｍｉｎとして、割断処理を行ったところ、前記ガラス基板に形成された垂直亀裂は、ガラス基板の裏面に達する亀裂であった。
【００３０】
他方、同じ厚さの無アルカリガラス基板に対して、ＣＯ２レーザを用い、レーザビームの照射出力を５０〜５００Ｗ、相対移動速度を５０〜１，０００ｍｍ／ｓｅｃ、レーザ照射スポットの長さを３０〜１００ｍｍ、幅を０．８〜４ｍｍとし、冷却媒体として水を用い、レーザ照射スポットから冷却スポットまでの距離を１０ｍｍ未満とし、噴霧量を０．６〜１．５ｃｍ３／ｍｉｎとして、割断処理を行ったところ、前記ガラス基板に形成された垂直亀裂は、ガラス基板の厚みに対して１０〜２０％程度の亀裂であった。
【００３１】
ガラス基板Ｇの割断を効率的に行うには、割断予定線Ｌ１のすべてにわたって、基板の裏面に達する垂直亀裂を形成するのが最も望ましいが、従来のように、レーザによる加熱条件及び冷却媒体による冷却条件を固定して基板の割断を行うと、割断予定線Ｌ１の基板端部近傍において垂直亀裂の進展が途絶えるという現象が生じる。垂直亀裂の進展が途絶える位置は、基板の厚みや材質によっても異なるが、一般に終端から数ｍｍ〜十数ｍｍ程度である。
【００３２】
そこで本発明では、垂直亀裂の進展が途絶える位置又はその手前において、加熱条件及び冷却条件の少なくとも一方を変化させて、垂直亀裂を途絶えることなく進展させるようにする。具体的には、図３（ａ）に示すように、前記のように加熱条件及び冷却条件を調整して、ガラス基板Ｇの裏面に達する垂直亀裂ＣＲ１を、割断予定線Ｌ１の開始端から進展させる。そして、割断予定線の終端から１０ｍｍ程度のところで、加熱条件及び冷却条件の少なくとも一方を、基板Ｇに生じる熱応力が小さくなる方向に変化させる。すると、形成される垂直亀裂は、ガラス基板Ｇの厚みに対して１０〜２０％程度の垂直亀裂ＣＲ２となるものの、途絶えることなく割断予定線Ｌ１の終端（基板端部）まで進展する。同図（ｂ）は、加熱条件及び／又は冷却条件を変化させる時点をより早くした場合であって、このような場合であっても、開始端から条件変更前まで垂直亀裂ＣＲ１が形成され、条件変更後は割断予定線の終端まで垂直亀裂ＣＲ２が進展する。通常、加熱条件及び冷却条件を同一条件として割断を行った場合の、垂直亀裂の進展が途切れる位置にはバラツキがあるので、加熱条件及び冷却条件を変化させる位置は、終端から２０ｍｍ以上手前の位置とするのが実使用上好ましい。
【００３３】
前記変化させる加熱条件としては、レーザビームの相対移動速度、照射スポット形状、波長、照射出力のうちの少なくとも１つが好ましい。前記変化させる冷却条件としては、冷却媒体の吹付け量、吹付けスポット位置、冷媒温度のうちの少なくとも１つが好ましい。また、これらの条件において変化させる方向は、基板に生じる熱応力を小さくする方向が好ましい。
【００３４】
図１に示す割断装置では、モータ１７の回転速度を変化させて、レーザ照射手段３及び冷却手段４の、ガラス基板Ｇに対する相対移動速度を変化させる。具体的には、前記の相対移動速度は、割断予定線の終端近傍において速くする。また同時に、レーザ照射スポットと冷却スポットとの距離を変化させる。具体的には、割断予定線の終端近傍において、ソレノイド４２に通電してノズル４１を光学ホルダー３１に近づける方向へ移動させる。その他、レーザ出力を下げる、あるいはレーザ照射スポットの形状を長く、又は幅を狭くしてより細長い長円形とすることによって、基板に生じる熱応力を小さくするようにしても構わない。
【００３５】
以上のようにして、割断予定線Ｌ１の終端まで垂直亀裂ＣＲ１，ＣＲ２を形成した後、基板Ｇに対して垂直方向に押圧力を加える。これにより、割断予定線Ｌ１の後端部分の基板裏面に達していない垂直亀裂ＣＲ２の回りに曲げモーメントを加え、垂直亀裂ＣＲ２を基板裏面側まで進展させる。もちろん、基板Ｇの自重等で垂直亀裂ＣＲ２が基板裏面側まで進展する場合は、上記押圧力を加える必要はない。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明の割断方法では、割断予定線の終端まで垂直亀裂を進展させることができ、割断予定線の後端部分において端面品質が向上し有用である。
【符号の説明】
【００３７】
３    レーザ照射手段
４    冷却手段
Ｇ    ガラス基板（脆性材料基板）
１９    モータ回転速度制御
３３    レーザ出力制御
４３    冷却スポット位置制御
Ｌ１    割断予定線
Ｌ２    割断線
Ｓ１    レーザ照射スポット
Ｓ２    冷却スポット
ＣＲ１    垂直亀裂（基板厚み全体にわたる亀裂）
ＣＲ２    垂直亀裂（基板厚みよりも浅い亀裂）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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