(57)【要約】【課題】脆性材料からなる加工対象物の、特にエッジ部の形状に起因する割れ、欠け、ひび等を防止するためのＣＯレーザによる面取り加工において、加工品質の向上、安定性、再現性、及び加工時間の短縮を同時に実現する加工方法及びその装置を提供する。【解決手段】ＣＯレーザ光の集光スポットを加工対象物のエッジラインに沿って相対的に走査する。その照射方向は、加工対象物の走査方向をｘ軸、加工対象物上の被照射面をｘｙ平面としたときのｙ軸、ｘｙ平面の法線方向のｚ軸、の三次元極座標上の点Ｐ（ｒ，θ，φ）から当該座標の原点に向かう方向であり、０＜θ＜π／２［ｒａｄ］且つφは略π／２［ｒａｄ］である。【選択図】図１
2019013958.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
脆性材料からなる加工対象物に対し吸収特性を有する波長にて出力制御可能なレーザ光を集光し、当該集光スポットを加工対象物のエッジラインに沿って相対的に走査することにより、当該エッジラインの角部を面取り加工する方法であって、前記レーザ光の光源にＣＯレーザを用い、前記レーザ光の照射方向は、加工対象物の走査方向のｘ軸と、前記レーザ光を照射する加工対象物上の面をｘｙ平面としたときのｙ軸と、ｘｙ平面の法線方向のｚ軸と、からなる三次元極座標上の点Ｐ（ｒ，θ，φ）から当該座標の原点に向かう方向であり、前記θは、０＜θ＜π／２［ｒａｄ］の範囲内であり、前記φは、略π／２［ｒａｄ］であることを特徴とするＣＯレーザ面取り加工方法。
【請求項２】
前記レーザ光は、パルスレーザ光であることを特徴とする請求項１に記載のＣＯレーザ面取り加工方法。
【請求項３】
前記パルスレーザ光のパルス繰り返し周波数、パルス幅及び平均出力、並びに前記ｘｙ平面上における集光スポット径の各パラメータは、前記走査の高速化を優先した上で、当該集光スポット形状の一部を、隣り合うパルスにおいて互いに重ね合わさるように組み合わされていることを特徴とする、請求項２に記載のＣＯレーザ面取り加工方法。
【請求項４】
前記繰り返し周波数が１［ｋＨｚ］以上、及び前記ｘｙ平面上における平均照射パワー密度が５〜２８［ｋＷ／ｃｍ２］の範囲内のレーザ光を照射することを特徴とする、請求項３に記載のＣＯレーザ面取り加工方法。
【請求項５】
前記脆性材料基板がソーダライム製の基板であって、当該基板のエッジ上の前記原点に向かうレーザ光の前記θがπ／４［ｒａｄ］、前記ｘｙ平面上における楕円集光スポットの長軸長さが１２０［μｍ］、且つ、当該基板へ照射されるレーザ光の平均照射パワー密度が８〜２５［ｋＷ／ｃｍ２］の範囲内であることを特徴とする、請求項４に記載のＣＯレーザ面取り加工方法。
【請求項６】
前記脆性材料基板がアルカリアルミノケイ酸塩ガラスの基板であって、当該基板のエッジ上の前記原点に向かうレーザ光の前記θが５０度、前記ｘｙ平面上における楕円集光スポットの長軸長さが１２０［μｍ］、且つ、当該基板へ照射されるレーザ光の平均照射パワー密度が２０〜２８［ｋＷ／ｃｍ２］の範囲内であることを特徴とする、請求項４に記載のＣＯレーザ面取り加工方法。
【請求項７】
前記脆性材料基板は、化学強化を施した基板であることを特徴とする、請求項４乃至６のいずれかに記載のＣＯレーザ面取り加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＯレーザによる脆性材料の整形、特にそのエッジラインの加工技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１においては、脆性材料の一つであるガラス基板のエッジから１０［μｍ］以上１５０［μｍ］以下の離れた位置に、表面から裏面に向けて垂直にレーザ光を集光し、エッジラインに沿ってガラス基板を走査することで、エッジ部分の面取りをする技術が開示されている。そして、そのレーザ光の波長として２．７［μｍ］以上５．５［μｍ］以下の中赤外光のレーザを用いる旨の記載があり、上限の５．５［μｍ］はＣＯレーザの発振波長の一つである。しかし、具体的には波長が２．８［μｍ］のＥｒファイバレーザを用いた実施例について記載があるものの、その加工速度は３［ｍｍ／ｓ］と極めて遅い。さらに、他の波長については、面取りが可能との推察にとどまり産業上実用的なプロセスウィンドーについての開示はない。なお、ガラス基板へのレーザ光の入射角度については、単純な垂直入射による手法にとどまり、垂直以外の角度を付ける等のパラメータの増加については未検討である。
【０００３】
特許文献２においては、脆性材料からなる基板の内部に向けて斜めに入射したレーザ光の吸収領域によって基板内部に温度分布を形成し、この温度分布により基板内部に生じた熱応力分布を利用して基板の端面に沿ってクラックを進展させることで、チッピングやマイクロクラックを抑えた面取り加工を実現する技術が開示されている。しかし、そこではＣＯレーザ及びＣＯ２レーザを、脆性材料基板に対する吸収率が０．９５を超えることを理由に、明示的にその開示技術から除外し、適用するレーザ光の好適波長を２［μｍ］〜５［μｍ］としている。
【０００４】
特許文献３は、透明材料内にレーザによる連続的なフィラメントを形成するシステム及びその方法を提供するものであり、本発明が着目するＣＯレーザを用いた面取り加工方法については、その具体的な記述がない。
【０００５】
上述のほか、脆性材料からなる基板のエッジラインをレーザ照射による加熱で溶融させ、再凝固させることで、角部を除去するのではなく曲率を付ける方法がある。しかし、レーザ光に関する各種パラメータや冷却用ガスに関するパラメータ、その他最適なパラメータの組み合わせが複雑であり、且つ、結果としての加工精度とその再現性が悪い。このことは、すなわち、製品の歩留まりを悪化させる要因となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１５−１２４１４２号公報
【特許文献２】特開２００９−６６８５１号公報
【特許文献３】特開２０１５−０３７８０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、脆性材料からなる加工対象物の、特にエッジ部の形状に起因する割れ、欠け、ひび等を防止するためのＣＯレーザによる面取り加工において、加工品質の安定性、再現性、及び加工時間の短縮を同時に実現する加工方法及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】
【０００８】
第１の発明は、脆性材料からなる加工対象物に対し吸収特性を有する波長にて出力制御可能なレーザ光を集光し、当該集光スポットを加工対象物のエッジラインに沿って相対的に走査することにより、当該エッジラインの角部を面取り加工する方法であって、前記レーザ光の光源にＣＯレーザを用い、前記レーザ光の照射方向は、加工対象物の走査方向のｘ軸と、前記レーザ光を照射する加工対象物上の面をｘｙ平面としたときのｙ軸と、ｘｙ平面の法線方向のｚ軸と、からなる三次元極座標上の点Ｐ（ｒ，θ，φ）から当該座標の原点に向かう方向であり、前記θは、０＜θ＜π／２［ｒａｄ］の範囲内であり、前記φは概ねπ／２［ｒａｄ］である、ことを特徴とするＣＯレーザ面取り加工方法である。
【０００９】
ここで、脆性材料からなる加工対象物とは、ソーダライムや無アルカリガラスに代表される一般的なガラス材のほか、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスといった特殊ガラスを含み、且つ、これらのガラス材に化学強化を施したものを含む。また、これらの基板の形状に限定はない。例として、各種表示デバイスの表示面に用いられる矩形のガラス基板、携帯電話やスマートフォンのように角部が丸味を帯びている長方形のカバーガラスの母材の基板、さらには円形平板状等のものを含む。したがって、本発明において「エッジライン」とは、曲線部分を含むものとし、この場合の加工対象物の走査方向のｘ軸とは、当該曲線部分に接する接線方向を意味するものとする。
【００１０】
本発明において用いるＣＯレーザの発振波長は、一般に、５．２〜５．８［μｍ］の範囲にあり、脆性材料基板はこの波長帯に対して高い吸収特性を持つ。しかし、ＣＯ２レーザの発振波長である１０．６［μｍ］と比べ約半分の波長であるがゆえに、これと比べるとわずかながらの透過特性が認められる。
【００１１】
レーザ光の走査方法については、一般的なレーザ加工と同様に、ガルバノミラーなどのスキャン用ミラーを用いてレーザ光を高精度で走査する方法や、加工対象物を相対的に走査する方法があるが、本発明の各実施例においては後者を用いた。
【００１２】
レーザ光の照射方向を、三次元極座標上の点Ｐ（ｒ，θ，φ）からその座標の原点に向かう方向（方向を定める目的でありｒは非限定。）として表す本発明において、θが０＜θ＜π／２［ｒａｄ］の範囲内にあるとは、矩形基板を例に面取り加工の様子を例示した図１のとおり、ｚ軸から基板の中心側に傾けた軸に沿ってレーザ光を照射する状態を表す。同様に、φが概ねπ／２［ｒａｄ］にあるとは、同じく図１に示すとおり、基板の走査方向（速度ｖ方向）に対しほぼ垂直にレーザ光を照射する状態をいう。なお、図中の円弧を描いている部分は、面取りされた脆性材料の一部を表す。
【００１３】
一方、加工対象物が円形平板基板や円柱形状であって、面取り加工を施すエッジラインがその円周の場合は、これを保持した高速回転可能な回転ステージ（Ｒ）やスピンドルモーター駆動の回転機構（以下、共に「回転ステージ」という。）により当該円周の中心を軸に加工対象物を回転させる。この場合の加工の様子を図２に示す。角部が丸味を帯びている長方形の形状を有する加工対象物の走査においては、ｘｙ軸ステージのみによるほか、角度ステージ（Ａ）等とこれらの組み合わせにより行うのが機能的である。
【００１４】
レーザ光の照射位置の最適化には、面取りに要求される仕様、すなわち面取りすべき角部の体積や面取りする面積に応じてエッジからの距離（ａ）を調整する。なお、面取りの面積を大きくする場合は、当該距離（ａ）を大きくし、合わせてレーザ光のパワーも増加させるとともに、面取りに寄与するクラックの発生と進展の安定化、さらにはマイクロクラック等の発生のないパラメータの組み合わせを模索する。
【００１５】
第２の発明は、第１の発明において前記レーザ光がパルスレーザ光であることを特徴とするＣＯレーザ面取り加工方法である。
【００１６】
一般的にＣＯレーザの場合、そのパルス繰り返し周波数は、連続波から数１００［ｋＨｚ］と可変であり、マイクロクラック等のない面取り加工に要求されるタクトタイムによって選ぶとよい。
【００１７】
第３の発明は、第２の発明において前記パルスレーザ光のパルス繰り返し周波数、パルス幅及び平均出力、並びに前記ｘｙ平面上における集光スポット径の各パラメータが、前記走査の高速化を優先した上で、当該集光スポット形状の一部を、隣り合うパルスにおいて互いに重ね合わさるように組み合わされていることを特徴とするＣＯレーザ面取り加工方法である。
【００１８】
一例として、図３に集光スポット形状の約１／２の面積において重なり合いながら基板が速度（ｖ）にて走査されている様子を示す。
【００１９】
より具体的には、基板の走査速度（ｖ）、ひいてはマイクロクラックの発生のない面取り加工速度の高速化を優先した上で、前記ｘｙ平面上の集光スポット形状の一部が重なるように組み合わされた各パラメータ群として、例えば次の組み合わせが想定可能である。すなわち、ｘｙ平面近傍のレーザ光軸に対し垂直な面におけるレーザ光の集光スポット径（ｄ）を１００［μｍ］、レーザパルスの繰り返し周波数を１[ｋＨｚ]とした場合は、基板の走査速度（ｖ）が、１００［ｍｍ／ｓ］未満であればｘｙ平面上の楕円集光スポット形状の短軸方向の一部が隣り合うパルス同士で互いに重なり合うこととなる。
【００２０】
なお、いくつかのパラメータの組み合わせを次表１に示す。ここで、「ＰＲＲ」はレーザ光のパルス繰り返し周波数を、「ＰＷＲ」はレーザの平均パワーを、「Ｔ」はパルス幅を、「λ」はレーザの発振波長を、「ＯＬ」はｘｙ平面上の集光スポット形状の一部が隣り合うパルス同士で互いに重なり合うおよその率を表す。（後述する表３及び表４において同じ。）
【００２１】
【表１】
2019013958.tif 000003
【００２２】
第４の発明は、第３の発明において、繰り返し周波数が１［ｋＨｚ］以上、及び前記ｘｙ平面上における平均照射パワー密度が５〜２８［ｋＷ／ｃｍ２］の範囲内のレーザ光を照射することを特徴とする、ＣＯレーザ面取り加工方法である。
【００２３】
ここで、ｘｙ平面上における楕円集光スポット形状の長軸長さが例えば１２０［μｍ］を満たす場合のレーザ光の光軸に対し垂直な面における、集光レンズによる集光半径（ｄ／２）は、例えば入射角度（θ）が４５度のときは概ね８５［μｍ］であり、入射角度（θ）が６０度のときは、６０［μｍ］である。
【００２４】
また、パルスレーザ光の繰り返し周波数を上げる場合、基板に照射されるレーザ光のパワーが上昇することで異常クラックが発生しないよう、脆性材料基板の走査速度も併せて増加させる必要がある。すなわち、良好な面取り加工結果が得られるプロセスウィンドー内の基板への投入パワーは、脆性材料基板の走査速度の関数として捉えることができる。
【００２５】
但し、レーザ光の照射点のエッジからの距離（ａ）によっては、レーザ光の空間的強度分布がトップハット型ではなくガウシアン分布に近いことから、当該エッジから脆性材料基板の内側に位置する楕円集光スポットの面積に対し計算される、必要な平均照射パワー密度が一次関数的に決定されるわけではない。
【００２６】
第５の発明は、第４の発明において、前記脆性材料基板がソーダライム製の基板であって、当該基板のエッジ上の前記原点に向かうレーザ光の入射角度である前記θがπ／４［ｒａｄ］、前記ｘｙ平面上における楕円集光スポットの長軸長さが１２０［μｍ］、且つ、当該基板へ照射されるレーザ光の平均照射パワー密度が８〜２５［ｋＷ／ｃｍ２］の範囲内であることを特徴とする、ＣＯレーザ面取り加工方法である。
【００２７】
第６の発明は、第４の発明において、前記脆性材料基板がアルカリアルミノケイ酸塩ガラスの基板であって、当該基板のエッジ上の前記原点に向かうレーザ光の入射角度である前記θが５０度、前記ｘｙ平面上における楕円集光スポットの長軸長さが１２０［μｍ］、且つ、当該基板へ照射されるレーザ光の平均照射パワー密度が２０〜２８［ｋＷ／ｃｍ２］の範囲内であることを特徴とする、ＣＯレーザ面取り加工方法である。
【００２８】
第７の発明は、第４乃至第６のいずれかの発明において、前記脆性材料基板に化学強化が施された基板であることを特徴とする、ＣＯレーザ面取り加工方法である。
【００２９】
ここで、化学強化とは、ガラス表面の化学的な処理による強化全般を含み、その一般的な方法としては、ガラス中のアルカリイオンを他のアルカリイオンに入れ替えるイオン交換法が含まれ、これに限定されない。
【発明の効果】
【００３０】
本発明に係るＣＯレーザ面取り加工方法は、複雑な加工条件の組み合わせを模索することなく、広いプロセスウィンドーにおいて、高速で加工対象物のエッジラインの面取り加工を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】矩形基板に対する本発明の実施態様であって、０＜θ＜π／２［ｒａｄ］、且つφ＝π／２［ｒａｄ］の場合を示す。
【図２】円形平板基板に対する本発明の実施態様であって、０＜θ＜π／２［ｒａｄ］、且つφ＝π／２［ｒａｄ］の場合を示す。
【図３】本発明の実施態様において、集光スポット形状の約１／２の面積において重なり合いながら基板が走査されている様子を示す。
【図４】ＣＯレーザにおけるパルス幅と平均出力の関係を示す。
【図５】実施例１及び２におけるレーザ光の入射角度調整機構及びサンプル基板用走査ステージ群を略図にて示す。
【図６】実施例１における良好な面取り加工面の顕微鏡写真を示す。
【図７】実施例１における不良な面取り加工面の顕微鏡写真を示す。
【図８】実施例２における良好な面取り加工面の顕微鏡写真を示す。
【図９】実施例２における不良な面取り加工面の顕微鏡写真を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、図面を参照して本発明に係るレーザ面取り加工方法及びその装置の一態様を詳細に説明する。
【実施例１】
【００３３】
図１及び図５は、本発明の実施態様の一例を表す。ここで、図示されている矩形基板は、ソーダライム製の基板（サンプル基板Ｓ１）であり、化学強化が施してある。サイズは１００×１００［ｍｍ］でありその厚みは０．５５［ｍｍ］である。なお、図１及び図５において図示した当該基板は実寸法を反映していない。また、いずれの図においてもパルスレーザ光源は図示してはいないが、光源に用いたレーザは波長が５．５［μｍ］のＲＦ励起ＣＯレーザであり、主な仕様は次表２のとおりである。なお、パルス繰り返し周波数を固定したまま平均出力を変動させるために、Ｄｕｔｙサイクルを調整しパルス幅を変えた。一例として、１［ｋＨｚ］の場合のパルス幅と平均出力の関係を図４にて示す。
【００３４】
【表２】
2019013958.tif 000004
【００３５】
このＣＯレーザから出射したビーム径３．８［ｍｍ］のレーザ光を、テレスコープ光学系により径７．５［ｍｍ］に整形し、焦点距離が１５０［ｍｍ］の集光レンズによりこれをサンプル基板Ｓ１に向けて集光した。サンプル基板Ｓ１上、すなわち図１及び図５におけるｘｙ平面上の楕円集光スポット形状は、短軸（半径）８５［μｍ］、長軸（半径）１２０［μｍ］である。なお、光路ガイドとして可視光レーザを用いた。さらに、サンプル基板Ｓ１上のレーザ照射点にドライエアによる吹付を行った。その流量は約５［リットル／分］である。
【００３６】
レーザ光のサンプル基板Ｓ１への入射角度調整は、９０度全反射ミラーＭ１、Ｍ２及びＭ３の組み合わせにより行った。図５にその概略を示す。レーザから出射したレーザ光は、前記テレスコープを経てミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３、レンズＬの順に伝搬する。ミラーＭ３からレンズＬを通りサンプル基板Ｓ１に伝搬する方向は、図１に示す三次元極座標における点Ｐから原点へと向かう方向である。本実施例１においては、レーザ光のサンプル基板Ｓ１への入射角度であるθを変える都度、光学系とサンプル基板Ｓ１との位置調整が必要となるが、サンプル基板Ｓ１の保持にゴニオステージ等を用いることにより調整は不要となる。なお、レーザ光はサンプル基板Ｓ１の走査に同期してオン／オフする。
【００３７】
本実施例１による面取り加工結果を次表３に示す。
【００３８】
【表３】
2019013958.tif 000005
【００３９】
表３中の行番号「９」のデータに相当する加工の状態を顕微鏡により観察した様子を図６に、同じく行番号「１２」のデータに相当するものを図７に示す。いずれも微分干渉フィルタを入れての観察であり、面取り加工された面の法線軸上からの観察である。行番号「９」の面取り加工表面（図６）は極めてフラット且つマイクロクラックや材料の微細くずは見られず、良好な加工結果であると言える。また、その加工速度は、８５［ｍｍ／ｓ］であった。他方、行番号「１２」の面取り加工表面（図７）は、応力異常による大きなクラックが観察された。さらに、レーザの繰り返し周波数を２［ｋＨｚ］にすることで、同様の良好な面取り加工結果を得ることができ、その際の基板の走査速度は１７０［ｍｍ／ｓ］である。
【実施例２】
【００４０】
本実施例２の実施態様は、前述の実施例１と同様の図１及び図５に示すとおりである。ここで、図示されている矩形基板は、実施例１と異なりアルカリアルミノケイ酸塩ガラス製の基板（サンプル基板Ｓ２）であり、化学強化を施したものである。サイズは１００×１００［ｍｍ］でありその厚みは０．５５［ｍｍ］である。なお、図１及び図５において図示した当該基板は実寸法を反映していない。
【００４１】
本実施例２にて用いたパルスレーザ光源も、実施例１と同じ波長が５．５［μｍ］のＲＦ励起ＣＯレーザである。また、集光光学系も実施例１と同じである。
【００４２】
本実施例２による面取り加工結果を次表４に示す。
【００４３】
【表４】
2019013958.tif 000006
【００４４】
表４中の行番号「４」のデータに相当する加工の状態を顕微鏡により観察した様子を図８に、同じく行番号「１」のデータに相当するものを図９に示す。いずれも微分干渉フィルタを入れての観察であり、面取り加工された面の法線軸上からの観察である。
【００４５】
行番号「４」の面取り加工表面（図８）は極めてフラット且つマイクロクラックや材料の微細くずは見られず、良好な加工結果である。他方、行番号「１」の面取り加工表面（図９）は、応力の異常により大きなクラックが観察され、破損を忌避する産業応用においては採用できない。なお、基板の走査速度は８５［ｍｍ／ｓ］であるが、レーザ光の繰り返し周波数を上げることでその速度も上げることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
ガラス基板などの脆性材料からなる基板のエッジラインの面取り加工に利用できる。
【符号の説明】
【００４７】
ａ          エッジからの距離
Ａ          角度ステージ
ｄ          集光スポット径（光軸に対し垂直面内）
Ｅ          鉛直ステージ
Ｌ          集光レンズ
ＬＡ        レーザ光
Ｍ１〜Ｍ３  全反射ミラー
Ｐ          三次元極座標上の点（ｒ，θ，φ）
Ｒ          回転ステージ
Ｓ１、Ｓ２  サンプル基板
ｖ          加工対象物の走査速度
ｘ          三次元極座標のｘ軸
ｙ          三次元極座標のｙ軸
Ｘ          Ｘ軸ステージ
Ｙ          Ｙ軸ステージ
ｚ          三次元極座標のｚ軸
ω          角速度
【図１】
2019013958.tif 000007
【図２】
2019013958.tif 000008
【図３】
2019013958.tif 000009
【図４】
2019013958.tif 000010
【図５】
2019013958.tif 000011
【図６】
2019013958.tif 000012
【図７】
2019013958.tif 000013
【図８】
2019013958.tif 000014
【図９】
2019013958.tif 000015