(57)【要約】      （修正有）【課題】加工精度と加工速度の向上を実現できるガラスを切断する方法であって、超短パルスレーザの照射を切断線に沿って行い改質する第１のレーザ照射と、改質部分に第２のレーザ照射を行って割断を行うレーザ切断方法を提供する。【解決手段】ガラスの加工物に設けられた加工始点を起点として、亀裂を熱源により発生させ、さらに割断予定線に沿って進展させる、ガラスの割断加工方法である。前記加工始点を第１のレーザを照射してガラスの主要成分であるＳiＯ２をＳiやＳiｘＯｙに、またはＢ２Ｏ３、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、ＣａＯ、Ｂ２Ｏ２、ＺｎＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＰｂＯなどのガラス成分のうちの少なくとも１つが第１のレーザによりＢ、Ｎａ、Ｋ、Ｃａ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｐｂの遊離基を含んだ改質部が生成され、この改質部にそれが第２のレーザの照射により改質部に光エネルギー吸収を起し、局部的な熱膨張に伴う熱応力エネルギーを放出することにより、ガラスを割断する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源により加工物の割断予定線に沿って亀裂を進展させて、前記加工物を割断する割断方法であって、第１のレーザ光の集光スポットを加工物表面に沿って走査して照射し、加工物の主要成分を第１のレーザ光により改質し、この改質部に第２のレーザ光を照射して光エネルギーを選択的に吸収させ、改質部に局部的な熱膨張に伴う熱応力を生じさせ、割断することを特徴とするレーザ切断方法
【請求項２】
前記第１のレーザ光が超短パルスレーザ光であることを特徴とする請求項１記載のレーザ切断方法。 
【請求項３】
前記第２のレーザが連続発振モードまたはパルスモードの紫外レーザ光であることを特徴とする請求項１記載のレーザ切断方法。 
【請求項４】
第２のレーザが赤外レーザであることを特徴とする請求項１記載のレーザ切断方法。
【請求項５】
第１のレーザがフェムト秒レーザ、第２のレーザがＮｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波。
【請求項６】
切断始点にフェムト秒レーザを照射し傷をつけることを特徴とする請求項３または４記載のレーザ切断方法。 
【請求項７】
加工物がガラス板であることを特徴とする請求項１のレーザ切断方法。
【請求項８】
請求項１または請求項８において、ガラス成分ＳiＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、ＣａＯ、Ｂ２Ｏ２、ＺｎＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＰｂＯのうちの少なくとも１つを含むガラスであることを特徴とするレーザ切断方法。
【請求項９】
請求項１、請求項８または請求項９のいずれか１項において、ガラスの改質がガラス成分として少なくともＢ２Ｏ３、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、ＣａＯ、Ｂ２Ｏ２、ＺｎＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＰｂＯのうちの１つを含み第１のレーザ照射によるＳiやＳiｘＯｙまたはＢ、Ｎａ、Ｋ、Ｃａ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｐｂなどの遊離基を含む改質部を有することを特徴とするレーザ切断方法。
【請求項１０】
第１のレーザによる改質部の生成形状が１本の線状、または、複数の線状であることを特徴とする請求項１のレーザ切断方法。 
【請求項１１】
ガラス板設置ステージのレーザ割断予定位置において、少なくとも第２のレーザの割断予定部位への照射時に割断方向に交差する方向に曲げモーメントを印加するガラス割断の発生を促進することを特徴とする請求項１のレーザ切断方法。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばガラスやセラミックスなどの脆性材料に、レーザ、バーナー、光源、電熱ヒータなどの熱源を局部的に照射して加熱し、その加熱により発生する熱応力を利用して脆性材料を割断する割断加工方法およびその装置、並びにそれらを用いた電子部品の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子部品である液晶装置や有機エレクトロルミネッセンス（以下、「有機ＥＬ」と記す）装置などからなるフラットパネルディスプレイの製造、あるいは、半導体材料等のウェハの製造においては、大面積のガラス基板あるいはシリコンなどからなるウェハの上に、複数個分の要素を形成した後、複数個に分割して所要寸法のパネルあるいはチップ（製品）を得るという方法が採用されるため、その製造時にガラス基板またはウェハを所定の切断予定線に沿って割断する工程が不可欠である。
【０００３】
このような脆性材料からなるガラス基板などの被加工物を切断する方法としては、（ａ）ダイヤモンド工具などの超硬工具の尖った先端や鋭い周縁部を被加工物表面に押しつけて移動させることにより、被加工物の表面に切断予定線に沿う溝（スクライブ線）を形成し、その後溝に沿って被加工物に曲げや引っ張りなどの機械的な衝撃力を加える方法や、（ｂ）レーザビームを光学系により集光して被加工物の表面に微小スポットで照射し、被加工物を局部的に溶解もしくは蒸発させ、さらにレーザビームの照射位置を切断予定線上に沿って走査することにより被加工物を割断する方法などがある。
【０００４】
しかしながら、上記（ａ）の方法は、切断に非常に時間がかかるとともに、長い複雑な曲折の割断は困難であった。また、上記（ｂ）の方法は、レーザビームの照射により溶解・蒸発した物質が被加工物や被加工物上の要素に付着して要素の電極部の導電性を劣化させ、また、分離の熱影響によってマイクロクラックが発生して被加工物を劣化させてしまうことがあった。さらに、レーザビームを細く絞ってもそのスポット径を細く絞りきれないため、切り幅をなくすことができず、しかも蒸発等による材料の損失が避けられないなどの問題があった。
【０００５】
そこで、最近では、被加工物に切り欠きあるいは面取り等の加工始点を形成しておき、その近傍にレーザビームを照射することによって、そのビーム中心に作用する圧縮応力とその周辺に作用する引っ張り応力とによる熱応力で、ビーム中心から加工始点まで延びる亀裂を発生させ、ついでレーザビームを割断すべき方向に沿って移動させることで、そのレーザビームによる熱応力で亀裂を連続して進展させていき、被加工物を割断する方法が提案されている。その一例として特開平１−１０８００６号公報などに開示された発明があげられる。
【０００６】
なお、加熱する熱源としては、レーザの他にバーナー、光源、電熱ヒータなどを用いることができる。加工物に対して割断を発生させる熱源としてレーザを照射する場合に、加工物が使用するレーザ光に透明な波長である場合は、レーザを吸収する塗料を塗布しレーザの吸収を発生させることが特開平９−２５３８７９に開示されている。 
【特許文献１】特開昭５０−１１４４２２
【特許文献２】特開昭５４−１０６５２４
【特許文献３】特開平１−１０８００６
【特許文献４】特開平９−２５３８７９
【特許文献５】特開２０００−６１６７６
【特許文献６】特開２００３−１５４５１７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のようなレーザ等の熱源による熱応力を利用した脆性材料の割断加工方法は、被加工物に形成した加工始点をきっかけに発生した亀裂を、加工終点まで連続して進展させるので、亀裂の発生方向を特定の方向、つまり加工終点方向に制御することが重要であり、その亀裂の発生の起点となる加工始点の形成とその精度とが、被加工物に対する割断精度を大きく左右する。この加工始点の形成方法としては、ダイヤモンドガラス切りなどの硬質工具を使用して被加工物の端部に切り欠きを形成する方法、あるいは、被加工物の表面に高出力のレーザビームを集光して孔を加工し、この孔から亀裂を形成する方法などがある。 
【０００８】
しかしながら、上記の方法は、被加工物１の端部に形成された切り欠きの周縁部に、亀裂の発生の起点となりうるマイクロクラックが多数発生してしまい、亀裂の発生方向を特定の方向に制御することが難しく、結果として被加工物に対する高い割断精度が得られないという問題があった。また、切り欠きを形成する際に、硬質工具が被加工物に直接接触するため、例えば硬質工具にゴミなどが付着していた場合は、そのゴミが被加工物を汚染し、そのために切り欠きを精度よく形成することができないという問題もあった。
【０００９】
さらに、切り欠きの形成時に、被加工物１の加工屑が発生するため、加工屑が周辺環境を汚染し、被加工物に付着して被加工物上の要素の電極部等に悪影響を及ぼし、不良品を発生させて歩留まりを低下させてしまうなどの問題もあった。そして、被加工物に付着した加工屑を除去するために、被加工物に対する割断加工工程において、切り欠きの形成後に洗浄工程を加えなければならないなど、割断加工を煩雑にしていた。
【００１０】
この方法の場合にも、上記と同様に孔の周縁部にマイクロクラックが発生し、加工屑が発生するため、被加工物に対する高い割断精度が得られないという問題があった。さらにガラス板の大きさが液晶パネルの大型化に伴い大きくなるにつれて割断が困難になり、加工成功の歩留まり低下が起きている。
【００１１】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、熱源の加熱による熱応力により亀裂を発生させて割断する技術において、その亀裂の起点となる加工始点を精度よく形成して、被加工物に対する割断精度の向上を図ることのできる割断加工方法およびその装置、並びに電子部品の製造方法を提供することを目的としたものである。従来レーザ割断する位置に予め吸光性の塗料を塗布する方法は切断後の洗浄などの余分な肯定を必要とする問題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、ガラスなどの加工物の割断工程に先立ってガラスに光吸収性のＳiＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、ＣａＯ、Ｂ２Ｏ２、ＺｎＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＰｂＯのうちの１つが第１のレーザによりＳiｘＯｙ（ここでｘは１以外、ｙは２以外）またはＢ、Ｎａ、Ｋ、Ｃａ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｐｂなどの遊離基を含む材料改質部を超短パルス照射の改質工程で発生させる。この部分は超短パルス照射だけでは傷などの形状変化は見られない程度のレーザエネルギー照射により行い材料の改質を起こさせる。材料改質はＣWレーザや通常の長パルスでは起きないが、超短パルスのレーザ集光点における高電界により材料の改質が瞬時に発生する。
【００１３】
必要に応じ、ガラス表面を大気以外の雰囲気ガスで構成してもよい。従って割断に先立って従来行っていた、割断工程の開始点としてレーザで切り込みを設ける方法における材料除去は必ずしも起こさなくてもよい。
【００１４】
この成分の改質された部分にはＳiｘＯｙ（ここでｘは１以外、ｙは２以外）またはＢ、Ｎａ、Ｋ、Ｃａ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｐｂなどの遊離基を含み、この成分によって光吸収スペクトル特性に変化が生じるので、改質に用いた超短パルスレーザの波長以外のレーザでも吸収率の増加が得られる。この超短パルス照射で改質部を切断線に沿って発生させて、その線に沿って光吸収率の高い改質部を形成する。次にこの改質線に沿って改質により得られた光吸収を有する波長範囲の第２の長パルスまたはＣWレーザからなるレーザを照射すると、改質部で発熱を生じ、熱誘起的な応力がそのレーザ照射された改質部の照射部周辺に生じる。
【００１５】
レーザ集光点を改質線に沿って移動すれば、応力の分布に従って割断を発生することができる。割断の開始点はガラス端部から発生させるには改質用のビーム照射以外の特段の前処理は必要ない。このため従来は割断熱源として利用できなかったガラスに対する透明な波長であるレーザ光を熱源として利用することが可能になる。このことは、発振効率の低い超短パルスレーザは単に改質用に用い、割断用の熱源は超短パルスの発振効率より遥かに高い発振効率の得られるレーザ発振出力パワーを用いることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の効果として、この発明では、透明なガラスに超短パルス照射でガラスの材質に局部的な改質部を集光スポットの高電界の下で発生させ、従来は、割断熱源として利用できなかったガラスに対する透明な波長域のレーザ光を割断のための発熱源として利用できるようにした。このことは、発振効率の低い超短パルスレーザは単に改質用に用い、割断用の熱源は超短パルスの発振効率より遥かに高い効率の得られる長パルスレーザやＣWレーザを用いることができる。
【００１７】
したがって熱源として従来はＣＯ２レーザがもっぱら利用されていたが、この発明の方法によりＮｄ:ＹＡＧなどの固体レーザの基本波、高調波、または半導体レーザ、YＢ、Erなどを添加したファイバーレーザなどを用いることができる。このように光ファイバでパワー伝送の可能なレーザを熱源に用いることが可能になったので大型液晶パネルなどの割断システムを構成する場合の設計の自由度が大きくなった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
ガラスなどの透明体を切断する方法が、被加工物に設けられた加工始点を起点として、亀裂を熱源により発生させ、さらに割断予定線に沿って進展させて、前記被加工物を割断する割断加工方法であって、前記加工始点を第１のレーザを照射してガラスの主要成分であるＳiＯ２をＳiまたはＳiｘＯｙ、その他Ｂ２Ｏ３、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、ＣａＯ、Ｂ２Ｏ２、ＺｎＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＰｂＯなどのガラス成分のうちの１つが第１のレーザによりＢ、Ｎａ、Ｋ、Ｃａ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｐｂなどの遊離基を含む組成に改質し、この改質部に光吸収特性を有する別な発振形態の発振特性を有する第２のレーザの照射により改質部に光エネルギー吸収を起し、局部的な熱膨張に伴う応力エネルギーを放出することにより、ガラス切断することを特徴とするレーザガラス切断方法であり、実施構成を図１により説明する。
【実施例１】
【００１９】
本発明の実施例の概略構成を図１に示す。第１のレーザ発振器は超短パルスレーザ発振器であり、ダイオードレーザ励起固体レーザの出力の波長を２倍波にしてTi添加サファイヤ結晶を励起し、このレーザ利得媒体をモード同期レーザ共振器に設置し、超短パルスを発振させる。必要に応じて増幅することで超短パルスレーザビーム３を得る。そのほか周知の超短パルス発振器、たとえばEr添加の光ファイバからモードロックパルスを発振させ、出力を非線形結晶で第２高調波の超短パルスにし、必要に応じて増幅し超短パルスを得るなどの方法も用いることができる。その他周知の超短パルス発振技術を用いる。
【００２０】
このレーザビーム３を反射鏡４で集光レンズ７に向け、集光スポットをガラス加工体１４に向けて部分１０に照射する。加工体１４内にガラスの成分である２酸化ケイ素が超短パルスの集光点域にできる強電界で分解改質してＳiｘＯｙのように構成成分が変化し、改質が行われる。その他の成分であるＢ２Ｏ３、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、ＣａＯ、Ｂ２Ｏ２、ＺｎＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＰｂＯなどのガラス成分のうち第１のレーザによりＢ、Ｎａ、Ｋ、Ｃａ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｐｂなどの遊離基が改質部に現れることもある。加工物１４を移動ステージ１３に搭載し、レンズの焦点を加工物の表面に平行に矢印１５のように移動することで加工物の部分１２が改質される。
【００２１】
この照射工程においては必ずしもガラス表面の物質除去は必ずしも必要ではない。この第１のレーザ照射の後、第２のレーザ２からエネルギーのより大きなビーム８が反射鏡５に向け放射され、集光レンズ９で第１のレーザビームの照射が済み、改質が行われた部分に向けて集光するようにレンズ９の集光点１６が位置決めされる。即ち、改質部分１２が移動ステージで矢印方向に送られると、改質の行われた部分１２が第２のレーザの集光点１６に移動するように配置されている。第２のレーザは長パルス発振またはＣW発振であり、超短パルス発振に比べて一般には平均出力がより高い出力が高発振効率で実現できるレーザである。この平均パワーの大きなレーザビームが改質部分に照射されることで、ガラスの当初の成分のままでは第２のレーザビームの吸収が十分行われない波長でも、第１のレーザで改質されて光吸収率が増加されているので、第１のレーザで改質された部分に効率的に第２の高平均出力ビームが吸収されて微細な発熱源を形成する。
【００２２】
この微細な改質部分の熱源は周囲領域に大きな応力分布を形成し、ガラス加工体１４の端部から第１と第２のビームが走査されると改質部分に沿ってガラスが割断を開始する。この方向は第１のレーザで形成された切断予定部の改質部分に沿って割断が進行する。割断予定線に沿って第１のレーザで改質部分が形成されていれば第２のレーザビームの集光点のスポットサイズが改質部分の走査線幅より大きな直径であっても第２のレーザの吸収は第１の改質部分に限定されるので、熱源も第１のレーザによる改質部分に形成されることになり、第１と第２の集光点の照射位置精度は第１のレーザの照射位置精度により割断位置精度が決定されることになる。
【００２３】
したがって、超短パルスの照射位置、スポットサイズ、改質に要するレーザパルスエネルギー、それと集光性に優れた集光光学系を用いれば高精度割断が決まり、第２レーザは第１のレーザ照射精度できめられた割断を実行するに十分な大エネルギーを照射すればよい。したがって、第２のレーザの照射位置精度は、割断の位置精度には直接的に影響しないことになり、レーザのビーム品質の選択において集光性能の優れた高性能は必ずしも要求されないで、平均パワーを十分確保すればよい。
【００２４】
このことは、従来ＣＯ２レーザを用いた割断においては集光性と照射位置精度が直接的に割段精度に影響したことに比べ、大きな装置製作とガラス切断性能上においてこの発明の方法の有利な点である。なお、第１のレーザは数フェムト秒のパルス幅から５００フェムト秒のパルス幅が用いられ、第２のレーザには紫外線レーザ（Ｎｄ：ＹＡＧレーザのＳＨＧ、ＴＨＧ，ＦＨＧなど）から赤外線レーザ（Ｎｄ：ＹＡＧレーザ）の固体レーザやガスレーザが適用できる。
【実施例２】
【００２５】
上記のレーザ照射は第１の超短パルスレーザの照射に続いて第２のレーザの照射を移動ステージの移動時間間隔を置いて照射する方法を説明したが、第１と第２の２つのレーザを同軸に配置し、時間的には同時的にまたは交互にパルスを重畳してもよい。
【実施例３】
【００２６】
本発明の実施例として、実施例１、２において、第２レーザを照射する際は、第２のレーザパワーを低減しても効率的にガラスを割断するために、割断線に直角方向にガラスに曲げモーメントを加える移動ステージを採用することは有効である。この場合、割断線に沿って突起状物体を平面移動ステージ上に線状に配置させ、ガラスの活断線の間をステージに押し圧を加える構成は簡単で効果がある。押し圧は移動ステージとガラスの間を真空ポンプで減圧することで割断線に沿って曲げモーメントを印加できる。
【００２７】
この他、割断線に沿って裏面にローラを、表面は割断線の両側を２個のローラを配置して割断線に沿ってローラの間にガラス板を移動させて曲げモーメントを印加するなどの周知の機構を併用して割断に要する第２のレーザの平均パワーの低減や割断速度の向上が図れる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明の活用例として、電子部品である液晶装置や有機エレクトロルミネッセンス、プラズマディスプレーなど装置などからなるフラットパネルディスプレイの製造などの大面積のガラス基板複数個分の要素を形成した後、複数個に分割して所要寸法のパネルを得るという方法に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】実施例１の概略構成図
【符号の説明】
【００３０】
１.…第１のレーザ発振器、２.…第２のレーザ発振器、３，６.…超短パルスレーザビーム、４.…反射鏡、５.…反射鏡、７.…集光レンズ、８.…長パルスレーザまたはＣWレーザ、
９.…集光レンズ、１０.…表面改質用集光スポット、１１.…割断部分、１２.…ガラス改質部分、１３.…移動ステージ、１４.…加工体、１５.…移動ステージ方向（説明のため）、１６.…第２のレーザ集光スポット
【図１】
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