(57)【要約】  非金属基板の分割装置および方法が、第１ビームと、冷媒流が基板の第１スポットの終端部位あるいはそれに直隣接する部位に付与されるように位置された第１冷却装置と、第２ビームと、第１冷却装置と第２ビームの間に位置された第２冷却装置を有するものとして開示される。第１スクライブビームが基板に入射する角度および基板に入射する第１スクライブビームのエネルギー強度の少なくとも一つが、直角分割を達成するために調節される。クラックセンサとコントローラも設けられ、切断線の位置が測定され、その位置が基準位置を比較され、切断線位置の基準位置との比較に基づいて第２ビームのパワー強度が調節される。
2008503355.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非金属基板のある部分を分割する装置であって、該基板上の、先端と終端を有する第１スポットに入射する第１ビームと、冷媒流が基板の第１スポットの終端部位またはそれに直隣接する部位に付与されるように位置された第１冷却装置と、基板上の、第１スポットの後方に位置された第２スポットに入射する第２ビームと、前記第１冷却装置と前記第２ビームの間に位置された第２冷却装置と、を有することを特徴とする非金属基板の分割装置。
【請求項２】
さらに、前記第２冷却装置と前記第２ビームの間に位置された第３冷却装置を有する、請求項１に記載の非金属基板の分割装置。
【請求項３】
前記第１冷却装置および前記第２冷却装置の少なくとも一方が、２流体混合物の霧化吹き付けノズルを含む、請求項１に記載の非金属基板の分割装置。
【請求項４】
２流体混合物が水と空気を含む、請求項３に記載の非金属基板の分割装置。
【請求項５】
さらに、前記第２冷却装置とは独立して前記第１冷却装置のパラメータを調節する手段を有する、請求項１に記載の非金属基板の分割装置。
【請求項６】
非金属基板のある部分の分割を制御する方法であって、第１ビームを、該基板上の、先端と終端を有する第１スポットに入射するステップと、冷媒流が基板の熱影響を受けるゾーンに隣接する、あるいはそこから離れた部位に付与されるように位置された第１冷却ノズルで冷却するステップと、該第１冷却ノズルに隣接しかつそれから離れた部位に位置された第２冷却ノズルでさらに冷却するステップと、第２ビームを基板上の第２スポットに入射し、厚みを有する基板の一部分を完全に破断するステップと、を有することを特徴とする非金属基板の分割制御方法。
【請求項７】
さらに、第２冷却ノズルに隣接しかつそれから離れた部位に位置された第３冷却ノズルで付加冷却するステップを有する、請求項６に記載の非金属基板の分割制御方法。
【請求項８】
さらに、第２スポットの前で過剰冷却流体を吸引するステップを有する、請求項６に記載の非金属基板の分割制御方法。
【請求項９】
さらに、第１冷却ノズルおよび第２冷却ノズルの少なくとも一方に、２流体混合物の霧化吹き付けノズルを設けるステップを有する、請求項６に記載の非金属基板の分割制御方法。
【請求項１０】
さらに、第２ビームに供給されるパワー量を調節するステップを有する、請求項６に記載の非金属基板の分割制御方法。
【請求項１１】
さらに、第２冷却ノズルとは独立して第１冷却ノズルのパラメータを制御するステップを有する、請求項６に記載の非金属基板の分割制御方法。
【請求項１２】
非金属基板中に直角分割箇所を作る方法であって、第１スクライブビームを、該基板上の、先端と終端を有する第１スポットに入射するステップと、冷媒流が基板の熱影響を受けるゾーンに付与されるように位置された第１冷却ノズルで冷却するステップと、第２ビームを基板上の第２スポットに入射し、厚みを有する基板の一部分を完全に破断するステップと、第１スクライブビームが基板に入射する角度および基板に入射する第１スクライブビームのエネルギー強度の少なくとも一つを調節するステップと、を有することを特徴とする非金属基板の直角分割方法。
【請求項１３】
前記第１スクライブビームが基板に入射する角度を調節するステップが、第１スクライブビームに関するレンズの位置を調節するステップを含む、請求項１２に記載の非金属基板の直角分割方法。
【請求項１４】
前記第１スクライブビームが基板に入射する角度を調節するステップが、第１スポットの位置を調節するステップを含む、請求項１２に記載の非金属基板の直角分割方法。
【請求項１５】
前記第１スクライブビームが基板に入射する角度を調節するステップが、基板を保持するテーブルの位置を調節することにより第１スポットの位置を調節するステップを含む、請求項１４に記載の非金属基板の直角分割方法。
【請求項１６】
前記第１スクライブビームが基板に入射する角度を調節するステップが、ミラーの調節により第１スポットの位置を調節するステップを含む、請求項１４に記載の非金属基板の直角分割方法。
【請求項１７】
前記第１スクライブビームが基板に入射する角度を調節するステップが、ミラーの調節により第１スポットの位置を調節するステップを含む、請求項１２に記載の非金属基板の直角分割方法。
【請求項１８】
前記第１スクライブビームが基板に入射する角度を調節するステップが、基板を保持するテーブルの位置を調節するステップを含む、請求項１２に記載の非金属基板の直角分割方法。
【請求項１９】
第１ビームを基板の第１側上の第１スポットに入射するステップと、冷媒流が基板の第１側に付与されるように位置された第１冷却ノズルで冷却するステップと、第２ビームを基板上の第２スポットに入射し、厚みを有する基板の一部分を完全に破断するステップと、基板の第２側が第１ビーム、第１冷却ノズルおよび第２ビームに面するように基板を回転させるステップと、第１ビームを基板の第２側上の第３スポットに入射するステップと、冷媒流が基板の第２側に付与されるように位置された第１冷却ノズルで冷却するステップと、第２ビームを基板上の第４スポットに入射し、厚みを有する基板の少なくとも他の一部分を完全に破断するステップと、を有することを特徴とする非金属基板の分割方法。
【請求項２０】
さらに、前記第１冷却ノズルと第２ビームとの間に位置された第２冷却ノズルで冷却するステップを有する、請求項１９に記載の非金属基板の分割方法。
【請求項２１】
前記第２ビームを基板上に入射するステップが、基板の第１側を通してほぼハーフカットとし、前記第２ビームを基板の第２側上に入射するステップが、基板を端から端までフルカットにする、請求項１９に記載の非金属基板の分割方法。
【請求項２２】
非金属基板のある部分を分割する装置であって、該基板上の、先端と終端を有する第１スポットに入射する第１ビームと、冷媒流が基板の第１スポットの終端部位またはそれに直隣接する部位に付与されるように位置された第１冷却装置と、基板に切断線を形成するために基板上の第１スポットの後方に位置された第２スポットに入射する第２ビームと、基板から分離されて設けられ切断線の位置を測定するクラックセンサと、動作可能に前記クラックセンサに接続され、切断線の位置についての情報を受けその切断線の位置を基準位置と比較し、切断線の位置の基準位置との比較に基づいて第２ビームのパワー強度を調節する手段を備えたコントローラと、を有することを特徴とする非金属基板の分割装置。
【請求項２３】
前記クラックセンサが、ＣＣＤセンサ、ＣＭＯＳセンサ、音響センサ、視覚センサ、超音波センサの少なくとも一つを含む、請求項２２に記載の非金属基板の分割装置。
【請求項２４】
前記第２ビームのパワー強度を調節する手段が、クラック位置が基準位置よりも前方にある場合にはパワー強度を低下させる手段を含む、請求項２２に記載の非金属基板の分割装置。
【請求項２５】
前記第２ビームのパワー強度を調節する手段が、クラック位置が基準位置よりも後方にある場合にはパワー強度を増加させる手段を含む、請求項２２に記載の非金属基板の分割装置。
【請求項２６】
非金属基板の分割工程を調節する方法であって、基板上の第１スポットに第１ビームを入射するステップと、冷媒流が基板の熱影響を受けるゾーンに付与されるように位置された第１冷却ノズルで冷却するステップと、第２ビームを基板上の第２スポットに入射し、厚みを有する基板の一部分を完全に破断して基板に切断線を形成するステップと、クラックセンサを用いて切断線の位置を測定するステップと、その切断線の位置を基準位置と比較するステップと、切断線の位置の基準位置との比較に基づいて第２ビームのパワー強度を調節するステップと、を有することを特徴とする非金属基板の分割工程調節方法。
【請求項２７】
前記第２ビームのパワー強度を調節するステップが、クラック位置が基準位置よりも前方にある場合にはパワー強度を低下させるステップを含む、請求項２６に記載の非金属基板の分割工程調節方法。
【請求項２８】
前記第２ビームのパワー強度を調節するステップが、クラック位置が基準位置よりも後方にある場合にはパワー強度を増加させるステップを含む、請求項２６に記載の非金属基板の分割工程調節方法。
【請求項２９】
さらに、切断線の全長にわたって前記測定、比較、調節のステップを継続するステップを含む、請求項２６に記載の非金属基板の分割工程調節方法。
【請求項３０】
非金属基板の分割工程中においてビーム形状を調節する方法であって、基板上の第１スポットに第１ビームを入射するステップと、冷媒流が基板の熱影響を受けるゾーンに付与されるように位置された第１冷却ノズルで冷却するステップと、第２ビームを基板上の第２スポットに入射し、厚みを有する基板の一部分を完全に破断して基板に切断線を形成するステップと、基板上に入射する第１ビームのエネルギー密度分布が変化するように、第１ビームが基板上に入射する第１スポットの形状および第１ビームのエネルギー密度分布の少なくとも一つを調節するステップと、を有することを特徴とする非金属基板の分割工程ビーム形状調節方法。
【請求項３１】
前記調節ステップが、非対称ビーム形状を含むように第１スポットの形状を調節するステップを含む、請求項３０に記載の非金属基板の分割工程ビーム形状調節方法。
【請求項３２】
前記調節ステップが、非対称エネルギー密度が存在するように第１ビームのエネルギー密度分布を調節するステップを含む、請求項３０に記載の非金属基板の分割工程ビーム形状調節方法。
【請求項３３】
前記調節ステップが、第１ビームのエネルギー密度分布の中心が第１スポットの他方側よりも一方側により近くなるようにそのエネルギー密度分布を調節するステップを含む、請求項３０に記載の非金属基板の分割工程ビーム形状調節方法。
【請求項３４】
前記調節ステップが、第１スポットの他の部分よりも細くなるような第１スポットの一部分を形成するステップを含む、請求項３０に記載の非金属基板の分割工程ビーム形状調節方法。
【請求項３５】
前記調節ステップが、基板と第１ビームの方向との間に傾斜角を形成するステップを含む、請求項３０に記載の非金属基板の分割工程ビーム形状調節方法。
【請求項３６】
前記調節ステップが、第１ビームを形成するレンズ位置を調節することにより基板と第１ビームの方向との間に傾斜角を形成するステップを含む、請求項３５に記載の非金属基板の分割工程ビーム形状調節方法。
【請求項３７】
非金属基板の分割中においてビーム形状を調節する装置であって、該基板上の、先端と終端を有する第１スポットに入射する第１ビームと、冷媒流が基板の第１スポットの終端部位またはそれに直隣接する部位に付与されるように位置された第１冷却装置と、基板に切断線を形成するために基板上の第１スポットの後方に位置された第２スポットに入射する第２ビームと、第１ビームによって生成される第１スポットの形状を調節するコントローラ手段と、を有することを特徴とする非金属基板の分割ビーム形状調節装置。
【請求項３８】
前記コントローラ手段が、第１スポットの形状を非対称ビーム形状へと調節する手段を含む、請求項３７に記載の非金属基板の分割ビーム形状調節装置。
【請求項３９】
前記コントローラ手段が、第１ビームのエネルギー密度分布を非対称エネルギー密度へと調節する手段を含む、請求項３７に記載の非金属基板の分割ビーム形状調節装置。
【請求項４０】
前記コントローラ手段が、第１ビームのエネルギー密度分布の中心が第１スポットの他方側よりも一方側により近くなるようにそのエネルギー密度分布を調節する手段を含む、請求項３７に記載の非金属基板の分割ビーム形状調節装置。
【請求項４１】
前記コントローラ手段が、第１スポットの他の部分よりも細くなるような第１スポットの一部分を形成する手段を含む、請求項３７に記載の非金属基板の分割ビーム形状調節装置。
【請求項４２】
前記コントローラ手段が、第１ビームを形成するレンズ位置を調節することにより基板と第１ビームの方向との間に傾斜角を形成する手段を含む、請求項３７に記載の非金属基板の分割ビーム形状調節装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には、切断および分割技術に関する。とくに本発明は、非金属のあるいは脆い材料をレーザーを用いて切断、分断および／または分割する装置、システムおよび方法に関する。
なお、この出願は、２００４年６月２１日出願の米国仮出願第６０／５８１，８５６号および２００４年６月２２日出願の米国仮出願第６０／５８２，１９５号の優先権を主張しており、ここにこれら出願を参考文献として組み入れる。
【背景技術】
【０００２】
レーザーを用いて脆い材料中に微小亀裂（マイクロクラック）を成長させる技術は、３０年以上前から知られている。１９７１年に発行されたラムレイの特許文献１は早くからよく知られている刊行物である。多大な活動にもかかわらず、この技術は、多くの分野で未だ商業的に有用なものとなっていない。このような状況にあることの一次的な理由は、遅い工程速度、複雑なレーザーモードの使用、レーザースクライブのメカニズムの貧弱な理解、および時間がかかること、そして、粒状物質とマイクロクラックを発生しラーザー分割の本来の利点を妨げる旧式の２段階の工程（例えば、スクライブと破断）にある。
【０００３】
非金属材料を分割する最適なシステムを設計するためには、理解されることが必要な２つの基本的なメカニズムがある。第１のメカニズムは、熱的メカニズムであり、それは、脆性の材料の温度を目標温度に昇温し、しかる後にその材料を急冷して材料内の分子結合を破断することにより、材料がその臨界熱衝撃温度を超えてしまうメカニズムである。この工程は、材料の内部熱的変化、外力、内力および端縁強度により生じる一般に「目に見えない亀裂（ブラインドクラック）」と呼ばれているものを形成する。第２のメカニズムは、材料の内部熱的変化、外力、内力および強度により生じる材料内の三次元応力／歪に関する関係である。
【０００４】
特許文献２は、境界を完全分割しない基板の破断方法を開示している。標準的な分割技術では、材料を破断するために２段階の工程を要する、つまり、スクライブステップとそれに続く機械的な破断ステップを要する。基板厚みが０．４ｍｍを超え、基板内の残留引張力が基板を分割するのに不十分である場合に、とくにこのようになる。
【０００５】
他の技術では、意図した切断部位の周辺に熱衝撃を与える、幅が広すぎる（通常、８ｍｍよりも広い）２重破断ビームが用いられている。これは、ガラスのクラック発生を弱めるおよび／または制御できない事態を招く。また、切断物のいずれかの側での電子部材やコーティング／層の存在により、限られた軌跡幅以内で分割を行わなければならない場合も多々ある。
【０００６】
本発明者による発明に係る特許文献３〜５はすべて、２つのレーザービームとそのレーザービームに隣接する冷却ノズルを用いて非金属基板を分割する装置および方法を開示している。これら特許文献はここに参考文献として組み込まれる。これらの装置を改良するために指摘を要する追加事項を以下に述べる。
【０００７】
熱破壊温度を超えること：マイクロクラックを脆性の材料の端から端まで成長させるためには、温度は、臨界熱衝撃温度（Ｔｃｒ）を超えるか、または、材料内の分子結合が破断して材料内にブラインドクラックを形成する点を超えなければならない。これは通常、臨界熱衝撃温度（Ｔｃｒ）を超えるために材料を所定温度まで加熱し冷媒流を用いてその材料を冷却することによって達成される。ある種の材料では、Ｔｃｒが極めて低温であるので、マイクロクラックをうまく成長させるために比較的少ない冷却が要求される。このような場合には、ヘリウムのような冷却ガスのみを冷却用に使用することができる。他の材料では、とくに低熱膨張率の材料では、Ｔｃｒを超えるために高勾配が要求され、効果的な冷却のためにガス／水の混合物が要求される。この場合には、対流および伝導による熱伝達とともに流体の蒸発による潜熱の解放が、より効率のよい材料の冷却に寄与し、それによって臨界熱破壊温度を超えることができる。
【０００８】
しかしながら、最適化された冷却であっても、レーザースクライビングをうまく達成するためには適切な初期境界条件が必要である。換言すれば、材料の温度は、臨界熱破壊温度を超えるための冷却の「余地」を与えるに十分な高温まで昇温される必要がある。最低温度と最高温度（例えば、ガラス軟化温度）間のプロセスウインドウ（つまり適正条件）は非常に小さいので、熱影響を受けるゾーンの精密な制御が要求されることが多い。
【０００９】
臨界破断力を超えること：旧来のスクライビング操作は、典型的には、材料内に初期通気孔または目に見えないクラックが形成された後に第２破断ステップを要する。この場合、破断を完了させるために機械的な方法が利用され、それによって、ローラー式破断具や機械的ギロチン式破断具等の手段を用いて曲げモーメントが作用される。これらのいずれの方法においても、スクライブされた領域に沿って材料の分割を完了するに十分な力がかけられる。完全分割を効果的に行うために要求されるこの力を、ここでは臨界破断力（Ｆｃｂ）とする。薄い材料（例えば、０．４ｍｍ未満）をスクライブするとき、材料内の残留引張力はガラスを分割するのに十分な力かも知れない。しかし、その残留引張力は、ここで記述する新しい方法ほどには、制御可能なものではない。したがって、より制御性を向上するためにスクライブ工程の残留引張力を最小化することが望ましい。より薄い材料については、レーザースクライビング操作によってもたらされる残留引張力は、通常その材料を完全分割するには不十分である。他の場合においては、その引張力は十分に大きいので材料は制御不能の状態にて分割し、冷却領域の前で容易に移動できるようになる。これは、分割力学が、本来非対称の温度勾配のみによって制御されるものであることから、直進性を危うくする結果を招く。分割メカニズムとして冷却することなく２重平行ビームを用いるいくつかの技術が示唆されてきた。しかしながら、これらの技術は、固有の非対称性による不規則な切断を生じる。臨界破断力に対する制御を改善するためには、新しい方法が必要である。
【００１０】
エッジ部の影響を克服すること：いかなる材料においても、入出口クラックは考慮すべき重要なことである。基板の端縁は、その材料の主要部よりもはるかに弱く、これが熱衝撃導入後の制御されないクラック発生を許容することとなっている。加えて、端縁の研磨等の機械加工による材料端縁に沿ったマイクロクラックがしばしば存在し、これも同じく考慮する必要がある。最後に、材料の端縁は、その端縁が伝導および対流熱伝達領域間の境界として機能することから、材料の主要部よりも速く昇温する傾向にある。したがって、貫入や突出等のエッジ部の問題を克服する方法の改良が必要である。
【００１１】
確実なスクライブの初期亀裂：材料の端から端までマイクロクラックを成長させるためには、初期マイクロクラックの存在が必要である。上述したように、多くの材料は既に他の加工による端縁に沿った多数のマイクロクラックを有している。しかし、残留マイクロクラックに依存するよりも、所定の場所に制御された方法でマイクロクラックを導入する方がより望ましい。加えて、端縁処理技術の改良につれて、端縁がクラック発生に耐えるように加工されてきているので、端縁に沿ってマイクロクラックを初期生成することがより困難になっている。このように、確実なスクライブの初期亀裂生成技術が必要である。
【００１２】
効果的なクロス切断：完全分割技術には新しい挑戦がある。基板が一旦一方向に完全分割されてしまうと、第２の方向（通常は９０度方向）への切断は、多数の新たな境界の存在によりより挑戦的なこととなる。
【００１３】
さらに、複数の光学要素を必要とするレーザービーム伝送システムには、設計上の柔軟性が少ない。加えて、複数の光学要素は、顕著なレーザーパワー量を吸収あるいは反射し（例えば、ＡＲコートＺｎＳｅ素子では１素子当たり５％）、それが、６素子システムを使用する場合には３６％を超えるロスとなる。さらに加えて、複合光学システムは質量が大きく移動が困難である。さらにまた、これら複合システムは、設定からずれやすい精密なアライメントとキャリブレーションを要求することとなっている。最後に、冷却ノズル、スクライブビーム、破断ビーム、スクライブの初期亀裂生成部位間等における規定の距離を調節することは難しく、それほど安定的ではない。大半のシステムは、ビーム伝送システムの大きな質量により一方向切断を達成することができるだけであって、スクライブの初期亀裂生成や冷却装置のような他の要素の制御とは独立している。典型的には、一つの設備当たり一つのレーザーヘッドユニットのための部屋だけがあり、それによって製造時間削減のために同時に切断する複数ヘッドを設けるオプション形態を排除している。
【００１４】
固定光学システムはまた、レーザーをワークピースに対して移動させる代わりにレーザービーム下でワークピースを移動させることが必要な固有の非効率さをもってほぼ２倍の機器設置面積を要求する。しかも、スクライブビームと破断ビーム間の距離は予め設計によって固定されており、設備全体の設置面積は限られた幅に制限される。これにより、異なる材料に変更する際には大きな柔軟性が許容されなくなる。スクライブビームと破断ビーム間の相対的なビームパワーは、物理的にビームスプリッターを変えるか、またはファセット加工された素子を調節することによって、調整される。ビームスプリッターについては、相対パワーはビームスプリッター上のコーティングの相関関係であり、再現は困難である。また、ノズルの設計によっては不適合な流れを招き、ワークピース上に水や他の液体残渣を残すことがある。
【００１５】
このように、この分野では数多くの問題があり、多くの技術が克服されるべき欠点を抱えていることがうかがえる。
【特許文献１】米国特許第３６１０８７１号公報
【特許文献２】米国特許第５８２６７７２号公報
【特許文献３】米国特許第６２５９０５８号公報
【特許文献４】米国特許第６４８９５８８号公報
【特許文献５】米国特許第６６６０９６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
これらの、さらにいくつかの他の欠点を克服するために、本発明は、迅速で信頼性の高いレーザースクライビング、単一ステップでの分割、および簡素でありながらパワフルな装置の効率的な実現を可能にする、いくつかの革新的な技術を用いる。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
この発明は、非金属材料の複数の小ピースへの精密な分割に関する。とくに、本発明は、望ましいパスに沿った完全分割を可能とする、制御されたマイクロクラックの成長と制御された材料の内力とによって、非金属材料の分割を精密に制御する方法に関する。
【００１８】
本発明の一つの目的は、適切で制御可能な熱的クラック生成（例えば、レーザースクライビング）のための最適な熱的条件を、最適な応力／歪関連条件と適合させ、非金属材料を所定の制御された方法で完全に分割することにある。
【００１９】
本発明のさらなる目的は、冷却領域の後方の適当な場所にて十分に大きな力（Ｆｃｂ）をかけるとともに、残りの力を冷却領域の前にて臨界破断力（Ｆｃｂ）以下に保つことにより、制御された方法で基板を分割することにある。
【００２０】
主構成要素：完全分割レーザーシステムの主構成要素は、単一のまたは複数のレーザー源、光学システムに対してワークピースを移動させるように設計された移動システム、２またはそれ以上のビームパスからなる光学システム、一体化分断装置、レーザースクライブ促進装置、および補助破断装置を含む。
【００２１】
レーザー源：レーザー源は分割されるべき材料に基づいて選択される必要がある。スクライビングの一次的な評価基準は、効率のよい、信頼性の高い、そして最も重要なことには、１００％に近い吸収効率を持った出力波長を有しているレーザー源を見つけることである。すなわち、レーザー放射は、一次的には、分割されるべき材料の表面で吸収されるべきである。ガラスの場合には、１０．６ミクロンの出力周波数（出力波長）を有するＣＯ2 レーザー源が代表的に用いられる。シリコンの場合には、１．０６ミクロン以下のの出力波長を有するＹＡＧレーザー源が代表的に用いられる。加えて、レーザーの作動モードは、主としてガウス形状のビーム分布を与えるＴＥＭ00モードとすべきである。光学システムを使用する際には、レーザービーム分布がある点から他の点に多少なりとも変化しないように、均一で平行な（コリメートされた）出力を達成することが重要である。また、一般的に「遠方領域（ファーフィールド）」条件として知られているものへの転移のためのレーザービーム時間を与えるために、レーザーの出力と浮動光学機器との間に十分なスペースを確保しておくことも推奨できる。
【００２２】
ＬＳＡＤビームパスの場合には、レーザー出力波長の選択は必ずしも最高吸収効率に対応する必要はない。材料本体の全体に渡って効率よく加熱可能とするために、１００％よりもかなり小さいレーザー波長を選択することが望ましい場合もある。このような形態は、引張力と表面での放射熱損失を制限しつつ、対象となる領域の材料の中身を効率よく加熱することを助長する。また、ここで述べた同じ平行化基準（コリメーション基準）を達成することも重要である。
【００２３】
最後に、同じ領域またはビームポット内に異なるレーザー波長を混在させたい場合があるかも知れない。例えば、あるレーザーは、通常吸収が高くはない異なる波長のレーザーによって続いて加熱されることを可能とするために、吸収の高い波長で材料を予熱するために用いられる場合がある。この現象は、吸収または自由搬送吸収に依存する上昇温度によって生じる。
【００２４】
移動システム：コンピュータを用いてレーザー出力に対するワークピースの移動を制御する移動システムが用いられる。これを達成するために採用され得る方法は数多くある。一つの方法は、光学機器は静置させたままワークピースをｘ、ｙ、Θ方向に移動させる工程を含む。逆に、ワークピースが静置したまま光学システムがあらゆる方向に移動されることも可能である。組み合わせた方法もまた採用されることができ、光学システムとワークピースの両方が限定された方向へ移動されることもできる。加えて、光学システムの１８０度回転も双方向切断用に採用され得る。他のオプションとしては、時間削減のための製造用途に複数のＩＣＤアレイを利用することである。この場合、望ましいＩＣＤは適当な時間にビームパス内へと移動されることができる。これらの評価は、光学システムが簡単になればなるほど、質量が小さくなればなるほど、より高められる。最後に、ワークピースを望ましい切断箇所の下に長穴を有する加工用テーブル上に置くことにより、材料の頂部側と底部側の両方で切断することができる。この種の加工用テーブルはまた、ワークピースの下に置かれたローラー式破断装置での破断の容易化にも寄与する。
【００２５】
一体化分断装置（ＩＣＤ）：光学パス、冷却機構、オプション的な遮光板および水除去手段は一つの多機能装置内に一体化される。この装置は、使用者の材料中での望ましい高温度勾配の達成を可能としつつ、簡素で柔軟性があるように設計される。三重反射冷却機構（ＴＲＱＭ）は、基板中に制御された高い温度勾配を与えるのに利用される。
【００２６】
冷却ノズルには、レーザービームがノズル周りに再指向するように、かつ、放射レーザービームがワークピース上で冷却領域の近くに、それに交差するように、その周りに、あるいはその範囲内に入射するように、反射カバーを嵌合すっることができる。
【００２７】
レーザースクライビングがより効率のよい柔軟性のあるものとなるようにＩＣＤ内には特別仕立ての単一要素レンズを使用することができる。単一要素とすることでレーザーヘッドのサイズと重量が顕著に低下する。好ましい態様としては、二重非対称シリンドリカルレンズ要素（ＤＡＣＬＥ）を使用する。ＤＡＣＬＥは、望ましいレーザービーム分布を達成するために用いることができる。
【００２８】
マイクロクラック初期生成機構（ＭＩ）は、ＩＣＤハウジング上に直接載置され、それは、分割されるべき材料の端縁にマイクロクラックを生成するためにｚストローク機構内に標準スクライブホイールを有している。このＭＩは、スクライブビームの前に置かれる。ＭＩは、レーザースクライブ促進装置（ＬＳＡＤ）の後に置かれ、ＬＳＡＤにより発生する熱が早まってマイクロクラックを成長開始する機会を低減する。本発明では、ガラスの表面で消耗ＹＡＧパルスを使用するレーザースクライブ起動オプションも組み込む。
【００２９】
一体化クラッキング装置は、一つのチューブと、横断面が円形または四角の一つの特別仕立ての光学要素と、マイクロクラック初期生成機構と、冷却装置と、ミラー要素からなる。
【００３０】
光学要素：一つの光学要素は、最適な熱足跡、つまり、一般に、長さ８０ｍｍ以下で幅５ｍｍ以下の楕円ビームを与えるように設計される。この要素が、各方向において平坦な頂部分布を示すことも望ましい。平行化された入力ビームが与えられる単一の要素からこの分布を達成するためには多くの方法がある。一つの方法は、回折光学要素を使用する方法で、それによってレンズの内部構造が予めプログラムされた出力分布を与えるように変更される。他の、この望ましい分布を達成するためのより安価な方法は、二重非対称シリンドリカルレンズ要素（ＤＡＣＬＥ）を利用する方法である。その曲面の凹面（Ｓ１）は、最適な負の焦点距離を与えるように設計され、切断方向（ｘ）におけるビーム長（ｌ）とエネルギー分布を制御する。反対側の曲面の凸面（Ｓ２）は、最適な正の焦点距離を与えるように設計され、切断方向と直交する方向（ｙ）におけるビーム幅（ｗ）とエネルギー分布を制御する。これら曲面は、切断にとって最適となる出力を与えるようにプログラムされる。
【００３１】
ノズルアセンブリは、効率のよい冷却が行えるよう設計された、３つの独立した流体システムを有する。好ましい形態では、液体は中央チューブを流され、気体は同心の外側チューブにて指向され、最外領域にバキューム力がかけられる。この形態では、高圧空気が液体を冷却領域の中心に向けて勢いよく流すことに寄与しつつ、バキュームが残留液体を除去し空気流を制御する。水を破砕し霧化して冷却効率を向上するために、オプションの高周波圧電振動子をノズル上に置くことができる。この好ましい形態では、バキュームはノズルとは同心ではないが、テーブルの動きに対してノズルアセンブリの後半部に位置される。
【００３２】
部分遮光板機構：特別仕立てのレンズとワークピースの間に設けられる遮光板は、放射レーザーの一部を選択的に遮蔽しワークピース上のビームスポットを効果的に短縮するために使用できる。この特徴は、レーザー切断工程中ビーム長を変えて望ましい作用を与えるために利用できる。例えば、レーザービームが基板の端縁の過熱を避けるためいに基板の先端または終端近傍にある状態にて、レーザービームの前側区分を切り詰めるためにこの遮光板を採用できる。これはまた、モータ駆動のレンズホルダーを用いてリアルタイムに焦点距離を変えることによっても達成できる。
【００３３】
破断装置：基板の完全分割は、種々の技術を用いて達成され、それら技術には、１）基板の底面を冷やすこと、２）温風流、２重レーザービーム、単一レーザービーム、またはＴＥＭ20モードで作動する単一レーザービームを用いて基板の頂部を加熱すること、３）加工用テーブルに組み込まれた革新的な特徴を利用して望ましい方法で基板に機械的に応力を加えること、４）基板内に所望の圧縮／引張力を生成する倒立式ローラー破断装置、５）マイクロクラックを除去あるいは低減する貼り合わせガラス用剪断力分割技術、が含まれる。
【００３４】
加えて、ローラー式破断装置は、基板の下部に位置され、完全分割を効果的にするためにスクライブ範囲から所定の距離後方で切断パスに沿って移動されることができる。これは、加工用テーブルが予定切断部下部側に長穴を有する場合に最適に作動する。この技術による利点は、その力がスクライブ範囲の後方にうまく位置され、それによって直進性が確保されることにある。最後に、基板分割に剪断力を利用でき、とくに貼り合わせ材料に有用である。これは、上述の他の技術によって導入される曲げモーメントを除去するすることにより、貼り合わせ体の中央層におけるマイクロクラックを最小化あるいは低減するのを助ける。
【００３５】
上記ＴＲＱＤの他に、本発明は少なくとも２つのノズルを有する冷却装置についても言及する。第１冷却ノズルは、レーザースクライブの直進性を保つために一次的に使用される。第１冷却ノズルには、１または２流体と、噴射ノズルまたは霧化ノズルを用いることができる。第１流体は、代表的には水のような液体である。第１流体の量および流体圧力はともに調節できる。第２流体には、空気、窒素、酸素と窒素の混合ガス、酸素、窒素および二酸化炭素の混合ガスを使用できる。第２流体の量および流体圧力はともに調節できる。流体量は、オリフィスサイズを変更することにより、あるいはレギュレータを用いることにより、調節できる。レギュレータの種類には、ニードル弁、ベンチュリ弁、バタフライ弁、ゲート弁等が含まれる。冷却領域には小さなスポットがある。また、ミストの焦点距離は、切断と同じである。第２ノズルは、浅い溝がより深くなるようにする。この第２ノズルには、第１ノズルとは独立して調節可能なパラメータを含めることができる。第２ノズルのスポットサイズは、第１ノズルにより生成されたスポットサイズよりも広い。また、ミストの焦点距離は、切断とは異なっている。
【００３６】
本発明で指摘する他の項目は、「ソゲ」（または直交）という語に関連し、切断端縁は材料全体にわたって完全な直角カットではないという事実を考慮したものである。このソゲの問題を克服するために、切断端縁の角度はできるだけ直角に近くされる必要がある。本発明では、切断線に沿った長軸とエネルギー強度を調節できる。エネルギー強度は、熱影響を受けるゾーンを先端から後端にかけて、および／または、左右間にわたって変化させる。切断線と交差する方向への熱伝達は、その開始部位から終端部位まで調節可能である。エネルギー強度は、ビーム位置により調節できる。ビーム位置は、光学機器および／またはテーブル位置によって調節される。これは、レンズ位置、反射ミラーの位置および反射ミラーの角度調節を含む。エネルギー強度はまた、ビーム角度により調節できる。ビーム角度は、レンズ角度および／またはテーブル角度により調節できる。
【００３７】
本発明はまた、単板ガラスピースおよび貼り合わせガラスピースを少なくとも２方向にクロスカットするようにした切断方法に関する。開示される一つの方法は、ガラスピースを分割されないままとする各切断線でクロスセクションを生成するレーザービームを使用する。第１切断線はガラスピースのほぼ半分を切断するようにハーフカットとすることができ、第２方向における切断線はフルカットとすることができる。第１方向における切断線はクロスセクションの前方および後方４５ｍｍにてハーフカットである。ハーフカットの深さは、照射される加熱エネルギーを変えることで調節できる。また、加えられる真空吸引などによる下向きの力を用いることにより、ギザギザの溝を作ることも可能である。ギザギザの溝を作る他の方法としては、加熱エネルギーを下向きの力とバランスさせる方法がある。
【００３８】
本発明はまた、クラックセンサを用いて非金属基板を分割する方法および装置に関する。これにより、破断ビームのレーザーパワーが最適化され、良好な切断面が得られる。クラックセンサは、破断ビームの照射で生成される切断線の位置を動的に測定できるように基板の近傍に位置される。クラックの測定位置情報は基準位置と比較され、この情報に基づいて破断ビームのパワー強度を調節する手段が設けられる。クラックセンサとしては、ＣＣＤセンサ、ＣＭＯＳセンサ、音響センサ、視覚センサまたは超音波センサを使用できる。測定されたクラック位置と基準位置との比較は、信号処理装置、基板処理操作およびマイクロプロセッサによって行われる。クラック位置が基準位置よりも後方にある場合にはビームエネルギーを増加させ、クラック位置が基準位置よりも先になっている場合にはパワー強度を低下させることが可能である。
【００３９】
本発明はまた、切断方向に対称形状とは異なってスクライブレーザービームが形成されるよう調節する方法および装置に関する。この方法では、前後側間でビーム形状またはエネルギー強度が非対称とされる。例えば、加熱開始部のビーム幅はより広く、終了部ではより狭い。あるいは、加熱開始部のビーム幅はより狭く、終了部ではより広い。ビームエネルギー強度は、特定の領域でより高くまたはより低くすることができる。これらの特徴は、ビーム強度の密度を変えることにより達成できる。また、ビーム照射に傾斜角を付与することも可能である。この傾斜角は基板と照射ビームの方向との間で規定することができる。レンズ角度を照射ビームの方向に対して傾けるように調節することもできる。
【００４０】
上記技術を用いて、従来技術の欠点を克服する高度に制御されたマイクロクラックの成長および精密な分割を通して非金属基板を分割する方法および装置を提供するという、本発明のもう一つの目的を達成することが可能である。このように、本発明は、完全分割、向上された精度、高度に制御された温度勾配、改良された端縁品質、効果的なクロス切断、低減されたエッジ部の影響、および、より高い柔軟性とコスト低減とを与える簡素な設計をもって、速い工程速度を可能ならしめるという特徴を含むものである。
【００４１】
本発明のこれらおよび他の目的は、非金属基板のある部分を分割する装置であって、該基板上の、先端と終端を有する第１スポットに入射する第１ビームと、冷媒流が基板の第１スポットの終端部位またはそれに直隣接する部位に付与されるように位置された第１冷却装置と、基板上の、第１スポットの後方に位置された第２スポットに入射する第２ビームと、第１冷却装置と第２ビームの間に位置された第２冷却装置と、を有することを特徴とする非金属基板の分割装置によって達成される。第２冷却装置と前記第２ビームの間に位置された第３冷却装置を使用することも可能である。これら冷却装置は、少なくとも一方が、水や空気などの２流体混合物の霧化吹き付けノズルを含むことができる。分割装置の制御には、第２冷却装置（または第３冷却装置）に対し第１冷却装置のパラメータを独立して調整することが含まれる。
【００４２】
本発明はまた、非金属基板のある部分の分割を制御する方法であって、次のステップを有する方法によっても達成される。第１ビームを、該基板上の、先端と終端を有する第１スポットに入射するステップと、続いて、冷媒流が基板の熱影響を受けるゾーンに隣接する、あるいはそこから離れた部位に付与されるように位置された第１冷却ノズルで冷却するステップと、該第１冷却ノズルに隣接しかつそれから離れた部位に位置された第２冷却ノズルでさらに冷却するステップと、次に、第２ビームを基板上の第２スポットに入射し、厚みを有する基板の一部分を完全に破断するステップである。この方法には、第２冷却ノズルに隣接しかつそれから離れた部位に位置された第３冷却ノズルで付加冷却するステップを含めることができる。冷却工程に続いて、第２スポットの前で過剰冷却流体が吸引される。また、第２ビームに供給されるパワー量を制御または調節することも可能である。
【００４３】
本発明はまた、非金属基板中に直角分割箇所を作る方法であって、次のステップを有する方法によっても達成される。第１スクライブビームを、該基板上の、先端と終端を有する第１スポットに入射するステップと、続いて、冷媒流が基板の熱影響を受けるゾーンに付与されるように位置された第１冷却ノズルで冷却するステップと、該冷却ステップに続き、第２ビームを基板上の第２スポットに入射し、厚みを有する基板の一部分を完全に破断するステップである。この方法にはまた、第１スクライブビームが基板に入射する角度および基板に入射する第１スクライブビームのエネルギー強度の少なくとも一つを調節するステップを含めることができる。調節ステップには、第１スクライブビームに関連するレンズの位置の調節および／または第１スポットの位置の調節を含めることができる（例えば、基板を保持するテーブルの位置またはミラーの調節）。
【００４４】
本発明はまた、非金属基板の分割方法であって、第１ビームを基板の第１側上の第１スポットに入射するステップと、続いて冷媒流が基板の第１側に付与されるように位置された第１冷却ノズルで冷却するステップと、を有する方法によっても達成される。第２ビームは基板上の第２スポットに入射され、厚みを有する基板の一部分を完全に破断する。そして基板は、基板の第２側が第１ビーム、第１冷却ノズルおよび第２ビームに面するように基板を回転される。続いて、第１ビームが基板の第２側上の第３スポットに入射し、それから、冷媒流が基板の第２側に付与されるように位置された第１冷却ノズルで冷却する。そして、第２ビームを基板上の第４スポットに入射し、厚みを有する基板の少なくとも他の一部分を完全に破断する。この方法には、第１冷却ノズルと第２ビームとの間に位置された第２冷却ノズルで冷却するステップを含めることができる。また、第２ビームを基板上に入射するステップが、基板の第１側を端から端までほぼハーフカットとし、第２ビームを基板の第２側上に入射するステップが、基板を端から端までフルカットにする。
【００４５】
本発明はまた、非金属基板のある部分を分割する装置であって、基板上の第１スポットに入射する第１ビームと、冷媒流が基板の第１スポットの終端部位またはそれに直隣接する部位に付与されるように位置された第１冷却装置と、基板に切断線を形成するために基板上の第１スポットの後方に位置された第２スポットに入射する第２ビームと、基板から分離されて設けられ切断線の位置を測定するクラックセンサと、動作可能にクラックセンサに接続され、切断線の位置についての情報を受けその切断線の位置を基準位置と比較し、切断線の位置の基準位置との比較に基づいて第２ビームのパワー強度を調節する手段を備えたコントローラと、を有する装置によっても達成される。クラックセンサは、ＣＣＤセンサ、ＣＭＯＳセンサ、音響センサ、視覚センサ、超音波センサの少なくとも一つを含むことができる。第２ビームのパワー強度を調節、制御する手段は、クラック位置が基準位置よりも前方にある場合にはパワー強度を低下させる手段、および、クラック位置が基準位置よりも後方にある場合にはパワー強度を増加させる手段を含むことができる。
【００４６】
本発明はまた、非金属基板の分割工程を調節する方法であって、次のステップを有する方法によっても達成される。基板上の第１スポットに第１ビームを入射するステップと、冷媒流が基板の熱影響を受けるゾーンに付与されるように位置された第１冷却ノズルで冷却するステップと、第２ビームを基板上の第２スポットに入射し、厚みを有する基板の一部分を完全に破断して基板に切断線を形成するステップと、クラックセンサを用いて切断線の位置を測定するステップと、その切断線の位置を基準位置と比較するステップと、切断線の位置の基準位置との比較に基づいて第２ビームのパワー強度を調節するステップである。
【００４７】
本発明はまた、非金属基板の分割工程中においてビーム形状を調節する方法であって、次のステップを有する方法によっても達成される。基板上の第１スポットに第１ビームを入射するステップと、冷媒流が基板の熱影響を受けるゾーンに付与されるように位置された第１冷却ノズルで冷却するステップと、第２ビームを基板上の第２スポットに入射し、厚みを有する基板の一部分を完全に破断して基板に切断線を形成するステップと、基板上に入射する第１ビームのエネルギー密度分布が変化するように、第１ビームが基板上に入射する第１スポットの形状および第１ビームのエネルギー密度分布の少なくとも一つを調節するステップである。調節ステップは、非対称ビーム形状を含むように第１スポットの形状を調節するステップ、非対称エネルギー密度が存在するように、またはエネルギー密度分布の中心が第１スポットの他方側よりも一方側により近くなるように、第１ビームのエネルギー密度分布を調節するステップを含むことができる。調節ステップはまた、第１スポットの他の部分よりも細くなるような第１スポットの一部分を形成するステップ、または、第１ビームを形成するレンズ位置を調節することなどにより基板と第１ビームの方向との間に傾斜角を形成するステップを含むこともできる。
【００４８】
本発明はまた、非金属基板の分割中においてビーム形状を調節する装置であって、該基板上の第１スポットに入射する第１ビームと、冷媒流が基板の第１スポットの終端部位またはそれに直隣接する部位に付与されるように位置された第１冷却装置と、基板に切断線を形成するために基板上の第１スポットの後方に位置された第２スポットに入射する第２ビームと、第１ビームによって生成される第１スポットの形状を調節するコントローラ手段と、を有する装置によっても達成される。コントローラ手段は、第１スポットの形状を非対称ビーム形状へと調節する手段、または第１ビームのエネルギー密度分布を非対称エネルギー密度へと調節する手段を含むことができる。また、コントローラ手段は、エネルギー密度分布の中心が第１スポットの他方側よりも一方側により近くなるようにそのエネルギー密度分布を調節する手段を含むことができる。また、コントローラ手段は、第１スポットの他の部分よりも細くなるような第１スポットの一部分を形成する手段、および、第１ビームを形成するレンズ位置を調節することにより基板と第１ビームの方向との間に傾斜角を形成する手段を含むこともできる。
【発明の効果】
【００４９】
このように、本発明によれば、迅速で信頼性の高いレーザースクライビング、単一ステップでの分割、および簡素でありながらパワフルな装置の効率的な実現を可能にする、いくつかの革新的な技術を提供できる。
【００５０】
本発明の上記および他の目的および特徴は、後述の図面を連結して考慮される、以下の好ましい実施態様に関する記述から明瞭に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５１】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら述べる。
図１は、本発明に係る非金属材料を分割するための装置の概略構成を示している。符号１００で示される、非金属材料１０２を分割するための分割装置は、２つのレーザービーム１１０、１１２と少なくとも２つの冷却ノズル１１６、１１８を有する。
【００５２】
非金属基板１０２は、ガラスなどの非金属基板１０２の下方の矢印で示す方向に、分割装置１００に沿って相対的に移動される。レーザービーム１１０はレンズ１１３を通過し、スクライブレーザービーム加熱領域１４０に集光する。２つの冷却ノズル１１６、１１８は、非金属基板１０２上に冷却ゾーン１４２、１４３をそれぞれ形成するように概略示されている。冷却ゾーン１４２、１４３の間には、成長したスクライブ線１４４がある。レーザービーム１１２はレンズ１１４を通過し、破断レーザービーム加熱領域１４６上に集光する。非金属基板１０２の分割は、実際の切断線１５０に沿って制御される。
【００５３】
各冷却ノズルは、気体または液体をそれぞれ通過させるための流路１２２、１２６を有している。例えば、流路１２２、１２６は非金属基板１０２へ水を供給することができる。オプションとして、ノズル１１６、１１８は第２気体および／または液体を供給するためにさらなる流路１２４、１２８をそれぞれ有することができる。このように、少なくとも２つの流体またはガスまたは混合物は、非金属基板１０２を冷却するために各ノズル１１６、１１８を通して供給されることができる。
【００５４】
ノズル１１８に隣接させて、内部に配置される流路を通して残留している冷却液体を除去するための真空ノズル１３０が配置されている。図１に示すように、真空ノズル１３０はほぼ長方形の横断面を有している。遮光板１３２は、真空ノズル１３０に概略隣接させて示されているように配置されている。遮光板１３２は、ワークピース上のビームスポットを効果的に短縮するために破断レーザービーム１１２のある部分を選択的に遮蔽するように用いることができる。遮光板１３２は、レーザー切断工程中ビーム長さを変えるために用いられることもできる。
【００５５】
図２は、明確化のために分割装置１００が除かれた状態にて、図１に示した切断および冷却工程の平面図を示している。スクライブレーザービーム加熱領域１４０は、制御可能な幅Ａと長さＢを有している。スクライブレーザービーム加熱領域１４０と再加熱領域１４６との間の距離は距離Ｃによって表される。再加熱領域１４６の長さＤと幅Ｆもまた制御される。本発明ではまた、冷却ゾーン１４２、１４３間の距離Ｅを制御し調節する。代表的には、Ａ：Ｂ：Ｃ：Ｄ：Ｅ：Ｆのサイズの比は０．５：５５：３５：８：５：１０が有用である。
【００５６】
図３は、非金属基板１０２の加熱における温度と時間のグラフを示している。非金属基板１０２は、初期スクライブレーザービームを通過するように進む際、初期的には室温から加熱され、その後２つの冷却ゾーン１４２、１４３を通過する。これに破断レーザービーム１１２による加熱量増大が続き、完全または部分分割を引き起こし、室温へと冷却が続く。
【００５７】
図４は、完全材料分割レーザーシステムのための本発明の主要構成要素を示しており、全体として符号２００で示されている。このシステムは、光学システムを形成する符号２１０で示される単一または複数のレーザー源と付帯設備を含んでいる。光学システム２１０は２つのレーザー２２２、２２４を有し、これらはマシンフレーム２２６上に支持されている。移動システム２４０は、フレームベルト駆動機構２４４をトラバースしかつレーザー２２２、２２４によって形成された光学システム２１０に対してワークピースを移動させる支持テーブル２４２を有している。レーザーは２つの（またはそれ以上の）ビームパスを形成する。このシステムは、一体化分断装置（ＩＣＤ）とスクライビングビーム２３０付与用ミラーと破断ビーム２３２付与用ミラーを備えている。また、レーザー２２２から照射されるレーザービーム１１０（図示略）はミラー２３０上に入射することができる。さらに、レーザー２２４から照射されるレーザービーム１１２（図示略）はミラー２３２上に入射することができる。
【００５８】
移動システム２４０は、コンピュータコントローラ２３６を使い、レーザー出力に対するワークピースの移動を制御する。コンピュータコントローラ２３６は、リモート場所に配置されることもできるが、フレームベルト駆動機構２４４に隣接させて示されている。一つの適用可能な制御方法では、コンピュータから制御信号を発生し、光学機器を静止状態に保ったままワークピースをｘ、ｙおよび回転方向に移動させる。逆に、ワークピースを静止させレーザーを搬送する光学システムを全方向に移動させることもできる。組み合わせ状態でも、限定された方向に光学システムとワークピースの両方を移動させることができる。光学システムを１８０度回転させることによって双方向切断が可能である。また、ワークピースを要求切断部下部に長穴を有する加工用テーブル上に置くことにより、材料の頂面および底面の両側で切断することが可能である。この加工用テーブルは、ローラー式破断装置がワークピースの下部に配置される場合その破断を容易化することもできる。
【００５９】
図５は、二重非対称シリンドリカルレンズ要素（ＤＡＣＬＥ）２５４の使用を示している。曲面の凹面（Ｓ１）２６８はビーム長さ（Ｌ）と切断方向におけるエネルギー分布を制御するための最適な負の焦点距離を持つように形成されている。反対側曲面の凸面（Ｓ２）２７０は、最適な正の焦点距離を持ち、切断方向に直交したビームの幅（Ｗ）とそのエネルギー分布を制御するように形成されている。
【００６０】
図６Ａは、レーザービーム３１０、３１２と冷却ノズル３１６、３１８を含む本発明の別の実施態様の概略構成図である。真空ノズル３３０は、加熱領域２４６において非金属基板に接する第２ビーム３１２に先立って非金属基板の表面から残留冷却液体を集めるためにノズル３１８に隣接させて示されている。
【００６１】
分割装置の制御には、加熱領域２４６のサイズＬ、スクライブレーザービーム加熱領域の終端と加熱領域２４６の始端との間の距離Ｍおよびスクライブレーザービーム加熱領域２４０の長さＮの監視と調整ステップを含んでいる。
【００６２】
図６Ａは、分割装置で完全１００％分割が達成される場合の配置を示している。領域Ｐは分割しなかった領域であり、領域Ｑは分割した領域である。本例ではレーザービーム３１２は、２００ワットで作動されている。
【００６３】
図６Ｂは、上述したように制御パラメータを変更することによって９０％分割が行われている場合を示している。例えば、レーザービーム３１２は、１７５ワットで作動されることができる。
【００６４】
図６Ｃは、制御パラメータを変更することによって、例えば１５０ワットでレーザービーム３１２を作動させることによって行われる７５％分割の場合を示している。
【００６５】
図６Ｄは、破断ビーム３１２が全く使用されない例を示している。本例では熱衝撃とクラックの成長から１３０〜１８０ミクロンの溝が生成される。
【００６６】
図７は、図６Ａで用いられたのと同様の装置を用いた別の実施態様を示している。スクライブレーザービーム加熱領域３４０は、図７の左側に示されている。それに隣接させてあるいはそれと部分的にオーバーラップして、第１冷却ノズルによって与えられる第１冷却領域がある。第１冷却領域３４２から離れて、第２冷却ノズルによって与えられる第２冷却領域３４３があり、第２冷却領域３４３から離れて、第３冷却ノズル（図示略）によって与えられるオプションとしての第３冷却領域３４５がある。
【００６７】
非金属基板の上に残っている冷却液体を除去するために、第３冷却領域３４５に隣接させて真空除去領域３３０が配置されている。本実施態様においては、この真空除去領域は、冷却中に切断線のいずれかの側に飛散したかもしれない液体を除去できるようにアーク形状を有している。遮光板３３２は、真空除去ノズルに隣接させて配置され、上述の技術により破断レーザービームが調整されるようにしている。破断ビーム加熱領域３４６もまた示されており、この領域は非金属基板の分割をその設定に応じて完了するように作用する。
【００６８】
図８Ａ〜８Ｄは、しばしばソゲカット（直角でないカット）を生じる従来技術において用いられていた切断ステップを示している。図８Ａはスクライブ予定線４０２が含まれた非金属基板４００を示している。図８Ｂはレーザービーム加熱工程の開始を示しており、加熱領域４４０を形成するスクライブレーザービームと冷却領域４４２を形成する冷却ノズルと加熱領域４４３を形成する破断レーザービームを示している。分割工程が非金属基板中の不均一な加熱プロセスによって続くとき、スクライブレーザービーム加熱領域４４０は切断線に関して対称にならないように配される傾向にある。これは、非金属基板部分間の分割に真の直角切断からのずれを生じる。図８Ｄは非金属基板４００のそのような分割の結果を示している。切断の側縁４１０は望ましい側縁線４１２から角度を持っているので、非金属基板４００の底面側における側縁４１０と目標側縁４１２との間の距離は、距離４１４によって示されることになる。
【００６９】
図８Ｅ〜８Ｈは、本発明において直角の側縁カットを両側ピースに対して生成するのに用いられる切断ステップを示している。図８Ｅはスクライブ予定線５０２が含まれた非金属基板５００を示している。図８Ｆはレーザービーム加熱工程の開始を示しており、加熱領域５４０を形成するスクライブレーザービームと冷却領域５４２、５４３を形成する冷却ノズルを示している。本発明によれば、以下にさらに詳しく述べるクラックセンサ等の装置を用いて、クラックの成長と方向を測定することが可能である。クラックの成長の進展とそのクラックの成長の方向の測定に基づいて、本発明では、分割工程中のクラック成長の方向を補償し補正するように、スクライブレーザービームのレーザービーム角度、エネルギー分布および／または方向を調節する。例えば、元の所望の切断線は線５２０で示され、クラックの成長がその線５２０に沿って続くように補正されることができるように、スクライブレーザービームの方向が線５２２に沿って再指向されることができる。図８Ｇは、非金属基板５００の分割のために補正されたパス５２０に沿って継続しているレーザービーム分割工程を示している。図８Ｈは、非金属基板が２つのピース５０４、５０６に分割された、完了した分割工程を示している。各ピース５０４、５０６は、直角に切断された側縁を有する。非金属基板５０６は、非金属基板５０６の頂縁と底縁に対して垂直に形成された側縁５１２を有する。
【００７０】
図９Ａ、９Ｂは、本発明の別の実施態様に係る分割装置の前面図および側面図を示している。この分割装置は、加工用テーブル６１０の上方に配置されたレーザー切断ユニット６００を有している。加工用テーブル６１０は、リニアモータ６１２によって直線方向に移動される。リニアモータ６１２は、分割装置のベース６１４上に配置されている。非金属基板６１６は、加工用テーブル６１０上に配置される。
【００７１】
レーザー切断ユニット６００は、非金属基板６１６の端から端まで成長するクラックに向けられることが可能な光ビームを発生させる光源６２０を有している。光は、非金属基板６１６によって反射され、クラックセンサ６３０によって受光され得る。上述したように、種々の異なるクラックセンサを用いることができる。
【００７２】
図９Ｂは、レーザー切断ユニットの側面図を示しており、光源６２０（図示略）とともにスクライブビーム６２２、一つのまたは複数のノズル６２４および破断ビーム６４０と、冷却ノズル６２４と破断ビーム６４０の間で受光するように配置されたクラックセンサ６４０が、示されている。
【００７３】
図１０は、本発明における貼り合わせガラス基板のための切断順序を示している。例えば、貼り合わせガラスがその貼り合わせ基板中にＴＦＴパネルを含んでいる場合には、このパネルがまず最初に切断される。第１および第２切断は、線１、２に沿った完全カットである。これらの切断中、レーザーパワーを調節することが可能である。そして、貼り合わせガラス基板は、線４に沿う完全切断および線５に沿う完全切断によって後続される、線３に沿う完全なオフセット切断を行うことによって、カラーフィルター（ＣＦ）側で切断されることができる。
【００７４】
図１１は、本発明における貼り合わせガラス基板のための別の切断順序を示している。例えば、貼り合わせガラスがその貼り合わせ基板中にＴＦＴパネルを含んでいる場合には、第１および第２切断は、ＴＦＴパネル中の線１、２に沿った完全カットである。そして、貼り合わせガラス基板は、前記線４に沿う完全および線５に沿う完全／ハーフカットによって後続される、線３に沿うスクライブ切断を行うことによって、ＣＦ側で切断されることができる。図１２は、ＣＦ側の切断操作を示している。この切断操作中、切断速度を調節することも可能である。
【００７５】
図１３は、可動テーブル７００上に配置されたガラスまたは他のパネル７１０などの非金属基板における様子を示している。可動テーブルは、切断線画非金属基板７１０の後部側から形成されるように種々の区分に分割されることができる。本例では、貼り合わせパネルは、接着剤で接合されたＴＦＴパネル７１２とカラーパネル７１４を有している。図１３に示すように、可動テーブル７００の離間端縁間の領域で線７２０に沿って第１切断を行うことが可能である。そして、さらなる切断は、線７２２、７２４に沿って行うことができる。
【００７６】
図１４は、クラックセンサを含む実施態様に係る分割装置の制御機構の概略全体構成図を示している。このシステムコントローラは、情報ディスプレイ、キーボード等の入力手段、レーザーユニットを制御するレーザーコントローラ、クラックセンサ、およびリニアモータを制御する移動コントローラへの接続を含む。
【００７７】
図１５は、本発明におけるクラックセンサを使った制御操作のフローチャートを示している。最初に、レーザービーム放射が始まり、非金属基板上に衝撃される。そして、クラックセンサ光源が起動し、クラックの成長および方向を示す光線が非金属基板から反射され、クラックセンサがそれらを検出する。それから、目標とするクラック成長位置と方向と、測定されたクラック成長位置と方向とが比較される。目標位置と測定位置が同じである場合には、エネルギーレベルがそのときの設定に保たれる。しかし、クラック成長の測定位置が目標位置よりも前方にある場合には、レーザーへのエネルギーが低減される。一方、クラック成長の測定位置が目標位置よりも後方にある場合には、レーザーへのエネルギーが増加される。この工程は、非金属基板の終端部位置に至るまで続けられる。非金属基板の終端部位置にきたら、レーザービーム用エネルギーは停止される。
【００７８】
切断の最適シーケンスは、携帯電話用切断やＨＤＴＶパネルの短冊状切断を含む多数の適用用途で開発されてきた。携帯電話用には、切断する際の第１側における切断深さを制御することによって（例えば、９０％カット）、貼り合わせパネルの第２側の切断中にパネルが保持されることから、信頼性の高い携帯電話用パネルのクロス切断をより容易に達成することができる。第２切断のエッジ部の影響（例えば、入出口側領域）については、レーザーパワー、ｘ−ｙ位置（例えば、ジグザグ進行）、テーブル角度、クラック初期成長力と位置（例えば、入口側）、およびテーブル吸引力を動的に制御することにより、望ましい結果を達成できる。
【００７９】
目に見えないクラックを生成するために熱衝撃の良好なバランスを発生させ、続いて、単板のまたは貼り合わせのパネルを完全にあるいは部分的に切断するための第２ビーム適用による十分な引張力を発生させるために、複数のビームを使用することも可能である。吸引は、冷却用の使用された残留水または液体を除去し、光学面（例えば、ミラーやレンズ等）がそれらに曝されることを防ぐために用いられる。
【００８０】
第１レーザー（スクライブレーザー）と第２レーザー（破断レーザー）の独立制御もまた可能である。パネルの端から端までのクラック成長を制御し安定化させるために、工程全体にわたるレーザービームパワーおよび／またはレーザービームに関するテーブル角度および／またはテーブル速度の動的制御にコンピュータソフトが用いられる。
【００８１】
目に見えないクラックの深さのリアルタイムクローズドループ制御（例えば、１％から１００％分割）は第２レーザーのレーザーパワーの調節によって行われる。このパワーは、クラックの存在および／または幅を測定可能なクラックセンサまたは検出器あるいは溝深さ検出装置（光学、音、ＲＦによる、または他の手段）からのフィードバックループによって制御される。これによって、切断深さの精密な制御および／または分割ガラスの完全切断と形状のしかるべき形態への管理が可能になるであろう。
【００８２】
複数のノズルビームの形態としては、脆性材料の冷却性能を高めるために２以上のノズル形態を含む。これらノズルは、小さな面積（例えば、０．５ｍｍ径未満）全体にわたる最大冷却（ｄＴ／ｄｔ）および／または全体にわたる熱の最大除去（冷却効果またはｄＱ／ｄｔ）を考慮して設計される。より深い溝や目に見えないクラックを生成することによって、材料やパネルの完全切段に要求される力、ここではパワー、を低減することが可能である。
【００８３】
本発明についてその好ましい実施態様に関して述べてきたが、当業者が想定し得る他の種々の実施形態および変化形態も本発明の範囲および思想の範囲内であり、そのような他の実施形態および変化形態も請求の範囲によってカバーされるよう意図されていると理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明の一実施態様に係る分割装置によって分割される非金属基板を示す概略構成図である。
【図２】本発明に係るレーザービームおよび冷却ノズルによってそれぞれ形成される加熱領域および冷却領域を示す平面図である。
【図３】非金属基板の分割中の加熱、冷却および再加熱段階を示す時間と温度のグラフである。
【図４】本発明の一実施態様に係る分割装置の斜視図である。
【図５】本発明の一実施態様に係る一体化クラッキング装置内に含まれる二重非対称シリンドリカルレンズ要素の拡大断面図である。
【図６】図６Ａ〜６Ｄは本発明に係る分断深さの制御を示す図を含む非金属基板分割装置の概略構成図である。
【図７】本発明の別の実施態様に係るレーザービームおよび冷却ノズルによってそれぞれ形成される加熱領域および冷却領域を示す平面図である。
【図８】図８Ａ〜８Ｄは不完全切断またはソゲの分割結果の非金属基板の分割工程を示す図であり、図８Ｅ〜８Ｈは直角切断の分割結果の非金属基板の分割工程を示す図である。
【図９】図９Ａは本発明のさらに別の実施態様に係るクラックセンサを含む非金属基板分割装置の概略構成図であり、図９Ｂはその非金属基板分割装置の別の角度から見た概略構成図である。
【図１０】本発明のさらに別の実施態様に係る貼り合わせ非金属基板のための切断順序を示す図である。
【図１１】本発明の別の実施態様に係る貼り合わせ非金属基板のための別の切断順序を示す図である。
【図１２】図１１に示した実施態様におけるＣＦ側切断のための切断順序を示す概略図である。
【図１３】稼働テーブル上に配置された非金属基板の概略斜視図である。
【図１４】本発明のさらに別の実施態様に係る制御用クラックセンサを含む非金属基板分割装置の概略全体構成図である。
【図１５】本発明により非金属基板中のクラックの成長を制御するためのクラックセンサを用いた制御工程を示すフローチャートである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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