(57)【要約】【課題】加熱領域、冷却領域及び再加熱領域を順次に生成して、スクライブ線を成長させたスクライブ亀裂を所望する深さに形成することができない。【解決手段】強度が制御された加熱エネルギーを加熱領域３に照射して、加工予定線２ｂに沿つて走査する第１の工程と、第１の工程の加熱領域３の相対的移動方向の後方に位置する冷却領域４ａに冷熱エネルギーを照射して、加工予定線２ｂに沿つて走査し、スクライブ線を形成する第２の工程と、第２の工程の冷却領域４ａの相対的移動方向の後方に位置する再加熱領域５ａに強度が制御された加熱エネルギーを照射して、加工予定線２ｂに沿つて走査する第３の工程とを順次に備えると共に、スクライブ線を成長させたスクライブ亀裂５ｂを所望する深さに形成するために、第３の工程の再加熱領域５ａの単位面積当たりの加熱エネルギー量Ｐをスクライブ亀裂５ｂの深さ特性式に従つて調整する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高脆性非金属材料製の被加工物（１）を線状の加工予定線（２ｂ）に沿つてスクライビングするとき、
強度が制御された加熱エネルギーを所定の加熱領域（３）に照射して、加工予定線（２ｂ）に沿つて走査する第１の工程と、前記第１の工程の加熱領域（３）の相対的移動方向の後方に位置する所定の冷却領域（４ａ）に冷熱エネルギーを照射して、加工予定線（２ｂ）に沿つて走査し、スクライブ線を形成する第２の工程と、前記第２の工程の冷却領域（４ａ）の相対的移動方向の後方に位置する所定の再加熱領域（５ａ）に強度が制御された加熱エネルギーを照射して、加工予定線（２ｂ）に沿つて走査してスクライブ亀裂（５ｂ）を形成する第３の工程とを順次に備える高脆性非金属材料製の被加工物の加工方法において、
スクライブ線を成長させたスクライブ亀裂（５ｂ）を所定の深さに形成するために、
δ：スクライブ亀裂（５ｂ）の所定深さ、
δ0 ：第２の工程の終了後におけるスクライブ線の深さ、
Ｐ：第３の工程の再加熱領域（５ａ）の単位面積当たりの加熱エネルギー量、
Ａ：被加工物（１）の形状特性及び熱特性に依存した比例係数、
ｍ：ｍ≧１の実数係数として、
スクライブ亀裂（５ｂ）の深さ特性式δ＝δ0 ＋Ａ・Ｐm 
を満足するように第３の工程の再加熱領域（５ａ）の単位面積当たりの加熱エネルギー量（Ｐ）を調整することを特徴とする高脆性非金属材料製の被加工物の加工方法。
【請求項２】
前記第１の工程の前に、被加工物（１）の加工予定線（２ｂ）の少なくともスクライビング開始端部に、微小亀裂（２ａ）を形成する微小亀裂形成工程を行うことを特徴とする請求項１の高脆性非金属材料製の被加工物の加工方法。
【請求項３】
前記第１の工程が、加熱エネルギーとしてCO2 レーザーを用い、CO2 レーザーの照射によつて被加工物（１）の軟化点より低い温度で加熱領域（３）を加熱すると共に、加熱領域（３）の形状が、加工予定線（２ｂ）の接線方向に長い楕円形状をなし、かつ、前記楕円形状の相対的移動方向の後部にエネルギー密度を多く分布させることを特徴とする請求項１又は２の高脆性非金属材料製の被加工物の加工方法。
【請求項４】
前記第２の工程が、水の微粒子を含む空気流を放射して被加工物（１）に冷熱エネルギーを与えると共に、空気流の水分量が、前記第１の工程の加熱エネルギーの照射によつて昇温した被加工物（１）の被加工面を室温程度にまで冷却させるに足る潜熱量を有し、かつ、前記第２の工程の終了後に被加工面に残存する水の微粒子の全てが前記第３の工程の加熱エネルギーによつて蒸発するように設定されていることを特徴とする請求項１，２又は３の高脆性非金属材料製の被加工物の加工方法。
【請求項５】
前記第３の工程が、加熱エネルギーとして再加熱用のCO2 レーザーを用い、再加熱用のCO2 レーザーの照射によつて被加工物（１）の軟化点より低い温度で加熱すると共に、再加熱領域（５ａ）の形状が加工予定線（２ｂ）の直角方向に長い楕円形状をなし、かつ、前記楕円形状の相対的移動方向の前部にエネルギー密度を多く分布させることを特徴とする請求項１，２，３又は４の高脆性非金属材料製の被加工物の加工方法。
【請求項６】
前記第１の工程の加熱エネルギーとして用いるCO2 レーザーの出力が、適正にスクライブ線を形成するために、３０〜３００Ｗの範囲に維持する条件を満たすと共に、ａ１は加熱領域（３）の楕円の短軸長さ、ｂ１は加熱領域（３）の楕円の長軸長さ、ｈは被加工物（１）の板厚として、
ａ１＝（１〜４０）×ｈ、及びｂ１＝（１０〜１００）×ｈ
の関係を満たし、かつ、前記CO2 レーザーが、焦点位置を被加工物（１）の被加工面の内部に合わせた状態で加工予定線（２ｂ）に対し相対的移動方向の前方から斜めに入射することを特徴とする請求項３，４又は５の高脆性非金属材料製の被加工物の加工方法。
【請求項７】
前記第３の工程の再加熱領域（５ａ）が、前記第２の工程の冷却領域（４ａ）の相対的移動方向の後方に（０〜１０）×１０-3ｍの範囲の距離を隔てた位置として形成され、かつ、加熱エネルギーとして用いる前記再加熱用のCO2 レーザーの出力が１００〜１０００Ｗの範囲に調整・維持する条件を満たすと共に、ａ２は再加熱領域（５ａ）の楕円の短軸長さ、ｂ２は再加熱領域（５ａ）の楕円の長軸長さ、ｈは被加工物（１）の板厚として、
ａ２＝（４〜２５）×ｈ、及びｂ２＝（１０〜６０）×ｈ
の関係を満たし、かつ、前記再加熱用のCO2 レーザーがその焦点位置を被加工面の内部に合わせた状態で加工予定線（２ｂ）に対し相対的移動方向の後方から斜めに入射することを特徴とする請求項５又は６の高脆性非金属材料製の被加工物の加工方法。
【請求項８】
前記第２の工程の冷却領域（４ａ）の加工予定線（２ｂ）の直角方向の幅が、前記第１の工程のCO2 レーザーによる加熱領域（３）の楕円の短軸長さａ１より大きく、かつ、前記第３の工程の再加熱用のCO2 レーザーによる再加熱領域（５ａ）の楕円の長軸長さｂ２より小さいことを特徴とする請求項７の高脆性非金属材料製の被加工物の加工方法。
【請求項９】
ステージ（６）上の高脆性非金属材料製の被加工物（１）を線状の加工予定線（２ｂ）に沿つてスクライビングするとき、
強度が制御された加熱エネルギーを所定の加熱領域（３）に照射して、加工予定線（２ｂ）に沿つて走査する第１の工程と、前記第１の工程の加熱領域（３）の相対的移動方向の後方に位置する所定の冷却領域（４ａ）に冷熱エネルギーを照射して、加工予定線（２ｂ）に沿つて走査し、スクライブ線を形成する第２の工程と、前記第２の工程の冷却領域（４ａ）の相対的移動方向の後方に位置する所定の再加熱領域（５ａ）に強度が制御された加熱エネルギーを照射して、加工予定線（２ｂ）に沿つて走査する第３の工程とを順次に備える高脆性非金属材料製の被加工物の加工方法において、
第３の工程を行う再加熱手段（２０）が、レーザー発振装置（２０）を備え、レーザー発振装置（２０）から射出されるレーザー光（２１）の照射によつて被加工物（１）の再加熱領域（５ａ）を加熱し、スクライブ線を成長させたスクライブ亀裂（５ｂ）を所定の深さに形成すると共に、
スクライブ亀裂（５ｂ）を所定の深さに形成するために行うレーザー光（２１）による加熱エネルギーの量の調整が、再加熱領域（５ａ）の形状、面積及び加熱エネルギー分布の割合を変更させずに、レーザー発振装置（２０）からのレーザー光（２１）の出力を増減調節して行い、スクライブ亀裂（５ｂ）を所定の深さに形成した被加工物（１）をロボットによつてステージ（６）から一体として搬出し、その後、スクライブ亀裂（５ｂ）に沿つて被加工物（１）を分断し、複数枚の部材を得ることを特徴とする高脆性非金属材料製の被加工物の加工方法。
【請求項１０】
被加工物（１）の加工予定線（２ｂ）の少なくともスクライビング開始端部に、微小亀裂（２ａ）を形成する微小亀裂形成手段と、強度が制御された加熱エネルギーを所定の加熱領域（３）に照射して加工予定線（２ｂ）に沿つて走査する第１の工程を行う加熱手段（１０）と、前記第１の工程の加熱領域（３）の相対的移動方向の後方に位置する所定の冷却領域（４ａ）に冷熱エネルギーを照射して、加工予定線（２ｂ）に沿つて走査し、スクライブ線を形成する第２の工程を行う冷却手段（３０）と、前記第２の工程の冷却領域（４ａ）の相対的移動方向の後方に位置する所定の再加熱領域（５ａ）に強度が制御された加熱エネルギーを照射して、加工予定線（２ｂ）に沿つて走査してスクライブ亀裂（５ｂ）を形成する第３の工程を行う再加熱手段（２０）とを順次に備え、
高脆性非金属材料製の被加工物（１）を線状の加工予定線（２ｂ）に沿つてスクライビングする高脆性非金属材料製の被加工物の加工装置であつて、
スクライブ線を成長させたスクライブ亀裂（５ｂ）を所定の深さに形成するために、
δ：スクライブ亀裂（５ｂ）の深さ、
δ0 ：第２の工程の終了後におけるスクライブ線の深さ、
Ｐ：第３の工程の再加熱領域（５ａ）の単位面積当たりの加熱エネルギー量、
Ａ：被加工物（１）の形状特性及び熱特性に依存した比例係数、
ｍ：ｍ≧１の実数係数として、
スクライブ亀裂（５ｂ）の深さ特性式δ＝δ0 ＋Ａ・Ｐm 
を満足するように第３の工程の再加熱領域（５ａ）の単位面積当たりの加熱エネルギー量（Ｐ）を調整することを特徴とする高脆性非金属材料製の被加工物の加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高脆性非金属材料製の被加工物の加工方法及びその装置に関し、特に、熱応力を利用した非金属材料製の被加工物の加工方法及びその装置であつて、レーザー光を被加工物表面に集光照射して形成されるスクライブを利用する加工方法及びその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の従来の装置として、特許文献１〜特許文献４などで提案されているものが知られている。
【０００３】
図５に示すものは特許文献１（特開平１−１０８００６号公報）により提案されているものであり、図中において符号１０１はガラスにて代表される高脆性非金属材料製の被加工物であり、被加工物１０１の加工予定線１０３の端部位置に硬質工具等にて切欠き１０２（初期亀裂）を入れ、切欠き１０２の近くでレーザービームによる熱源１０４を照射する。被加工物１０１を熱源１０４で局部的に加熱し続けると仮想等温線１０５の接線方向に熱応力が作用するので、切欠き１０２の先端から熱源１０４の方向に亀裂１０６が発生する。従つて、熱源１０４を加工予定線１０３に沿つて移動させれば亀裂１０６が熱源１０４に追従し、脆性材料製の被加工物１０１が所望の形状に割断できることになる。
【０００４】
図６に示すものは特許文献２（特開平５−３２４２８号公報）により提案されているものである。この方法にあつては、先ず、高脆性非金属材料製の被加工物１１１の表面部に図６（ａ）に示すように高い吸収率を有する紫外線レーザー光Ｌ１を集光させ、その集光点を加工予定線（１１３）に沿つて移動させる。これにより、集光点近傍でアブレーションが生じ、被加工物１１１の一部が蒸散して図６（ｂ）に示すように浅いスクライビング溝１１２が形成される。続いて、被加工物の一部が除去された細長いこの溝１１２に沿つて被加工物１１１に高い吸収率を有する赤外線レーザー光Ｌ２を図６（ｃ）に示すように照射し、浅いスクライビング溝１１２に発生する熱応力によつてスクライビング深さを図６（ｄ）に示すように分断する。
【０００５】
図７に示すものは特許文献３（特表平８−５０９９４７号公報）により提案されているものであり、高脆性非金属材料製の被加工物１２１の加工予定線において表面から内部に至る亀裂を形成して分断するに当たり、加工予定線上にレーザー光等の加熱帯域になる加熱ビーム１２２を移動させながら照射し、その後、加熱ビーム１２２によつて照射された加熱領域に対し、加熱ビーム１２２の後方に位置する冷却ノズルから噴射させた冷却媒体によつて冷却させて冷却帯域１２３を形成し、Ｖ＝ｋ×ａ（ｂ＋ｌ）／δ１よつて規定される速度で割断させるものである。
【０００６】
これにより、冷却条件及び割断速度に関係する加熱ビーム１２２のパラメータの選択によつて与えられた特性の被加工物１２１に必要な深さの盲亀裂１２４（以下、「ブラインドクラック」という。）（スクライビング）を形成させることができる。また、この加工法にあつては、被加工物１２１の表面近傍のみに加熱及び冷熱を与えることで実施可能なので、割断速度の高速化が実現できるとしている。
【０００７】
ここで、Ｖ：ビームスポット及び被加工物１２１の相対的な移動速度
ｋ：被加工物１２１の材料の熱物理特性及びビームの出力密度
ａ：被加工物１２１の材料の表面上の加熱ビームスポットの横方向長さ
ｂ：被加工物１２１の材料の表面上の加熱ビームスポットの縦方向長さ
ｌ：加熱ビームスポットの後端縁から冷却帯域１３３の前端縁までの距離（以下、「加熱・冷却間距離」という。）
δ１：ブラインドクラックの深さ
【０００８】
特許文献４（特表２００３−５３４１３２号公報）に記載される加工法は、図８に示すように被加工物１３１にミクロ割れを生成する第１のステップ、レーザービームを被加工物１３１に照射して加熱する第２のステップ、レーザー照射された熱影響領域内に冷却ノズルから冷媒を噴霧して冷却する第３のステップ、及び冷却領域背後の場所に所定の力を作用させて完全破断させる第４のステップを順次に実行することで構成されたものである。ここで、第４のステップで作用させる所定の力とは、図１０によれば、機械的な破断器ツール（ギロチン型破断機等）、図９に符号１８８で示される膨張可能な溝用空気袋（ステージに掘られた溝に埋め込まれたチューブ状の袋）、シャッタを通過した二重破断ビーム又は単一ＴＥＭビーム（割断予定線の周囲に与える熱衝撃力）である。装置としては、ブラインドクラックを生成する第１のステップから第３のステップを一体にした一体化クラッキング装置の前方に、被加工物１３１を予熱するレーザー・スクライビング加速装置が具備されている。
【特許文献１】特開平１−１０８００６号公報
【特許文献２】特開平５−３２４２８号公報
【特許文献３】特表平８−５０９９４７号公報
【特許文献４】特表２００３−５３４１３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１記載の発明にあつては、切欠き１０２の近くからレーザービームによる熱源１０４を照射するのみであり、被加工物１０１を切り開くように割断ラインの亀裂先端が加工表面に対して垂直方向に向くため、僅かな熱バランスの変動により加工予定線１０３に対し割断ラインがずれることがある。また、被加工物１０１の軟化点温度を越えない範囲で熱源１０４を照射するため、亀裂１０６を急速に進展させるための十分な熱応力が発生し難い。そのため、割断速度を高速化することができないと共に、被加工物１０１のサイズが大きくなるにつれて割断速度が小さくなる傾向がある。加えて、亀裂深さを正確に制御することはできないなどの技術的課題がある。
【００１０】
特許文献２記載の発明は、アブレーションによつて蒸散した被加工物１１１の微粉末が被加工物１１１の表面や加工装置の内部に飛散・付着して、後工程の障害となる恐れがあるので、微粉末の除去装置等の付帯設備が必要になつてくる。また、浅いスクライビング溝１１２の表面はアブレーションとはいえ、熱改質されて断面強度や品位が低下する等の恐れがあり、切断面の強度や品質に重大な悪影響を及ぼす可能性がある。更に、浅いスクライビング溝１１２の先端形状によつては、加工予定線に正確に沿う切断が困難になり、また、被加工物１０１の軟化点を超えない上限のパワーを有する赤外線レーザー光を照射しても、熱応力が不十分でスクライビング溝１１２が深化しない可能性がある。
【００１１】
特許文献３記載の発明は、特許文献１，２記載の発明の問題は解決しているが、ブラインドクラック１２４の深さを任意に変えることが不可能である。本発明者等は、例えば同一被加工物１２１の加工途中でブラインドクラック１２４の深さを変える場合、移動速度Ｖ、加熱ビーム１２２（加熱帯域）の縦・横方向長さａ，ｂ、加熱・冷却間距離ｌ、或いはビームの出力密度ｋの何れか一つ又は複数のパラメータを変更・制御する必要があるを知得した。この中では移動速度Ｖの変更が最も簡便であると思われるが、これによつて被加工物１２１の表面が受ける加熱熱量及び冷却熱量が変動してしまう。従つて、過熱により被加工物１２１の表面が溶融したり、逆に熱量不足によつて十分な熱応力が発生しなくなる現象や、加熱・冷却間距離ｌが適正値から外れる等の現象が生じ、ブラインドクラック１２４自体が形成されなくなる。結果的に、同一被加工物１２１の加工中に、ブラインドクラック１２４深さを任意に変更することは不可能である。ちなみに、ブラインドクラック１２４深さの変更は、加工予定線を交差させるために必要があり、また、被加工物１２１の端部付近を割断する場合、ブラインドクラック１２４が垂直に形成されずに湾曲することがあるので、深さを変えたりする必要性がある。
【００１２】
加えて、ブラインドクラックを被加工物の全厚さに入れることができない。従つて、当然であるが、全厚さに渡つてブラインドクラック深さを任意に制御することができない等の問題がある。
【００１３】
特許文献４記載の発明にあつては、被加工物の全厚さに渡つてブラインドクラックの深さを任意に制御することは不可能であるという技術的課題がある。なぜなら、一体化クラッキング装置は、ある一定の深さ（通常、板厚の半分以下）のブラインドクラックを入れることは可能であるが、ステップ４の補助切断装置では何れの方法であつても最終的に分断することを可能であつても、当該ブラインドクラックを成長させて途中で止めることができないからである。
【００１４】
また、第３のステップとして、レーザー照射された熱影響領域内に冷却ノズルから冷媒を噴霧して冷却し冷却領域を生成するため、冷却領域の前後部分に渡る単一の加熱領域が生成されることになり、１つの被加工物の加工中において冷却領域の後部の加熱領域（再加熱領域）のみの加熱エネルギーの量を同一面積としたまま任意に調整することができない。勿論、前部の加熱領域（加熱領域）の加熱エネルギーの量を同一面積かつ同一量に維持しながら、後部の加熱領域（再加熱領域）の加熱エネルギーの量を同一面積としながら増減調整することもできない。
【００１５】
加えて、構成される補助切断装置の内、非接触で行える二重破断ビーム又は単一ＴＥＭビームによる熱衝撃力は、安定した破断面品質を作るのが困難等の技術的課題もある。
特許文献４では、シャッタによつてレーザー光を一部遮断し、パワー調整を行つているため、被加工物に照射されるレーザー光の照射面積が変動する。このため、被加工物を完全破断させずに所定深さにまでスクライビングを正確に行うことが困難である。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたもので、ガラス、セラミック或いは半導体材料等の高脆性非金属材料に複数の加熱エネルギーと冷熱エネルギーとを組み合わせて照射し、被加工物の欠損を生じさせずに該材料中に発生する熱応力によつてスクライブ亀裂を所望する方向に進展させ、かつ、スクライブ亀裂を所定の深さに形成できるフレキシブルで実用的な非金属材料の加工方法及びその装置を提供することを目的としている。その構成は、次の通りである。
【００１７】
請求項１記載の発明は、高脆性非金属材料製の被加工物１を線状の加工予定線２ｂに沿つてスクライビングするとき、
強度が制御された加熱エネルギーを所定の加熱領域３に照射して、加工予定線２ｂに沿つて走査する第１の工程と、前記第１の工程の加熱領域３の相対的移動方向の後方に位置する所定の冷却領域４ａに冷熱エネルギーを照射して、加工予定線２ｂに沿つて走査し、スクライブ線を形成する第２の工程と、前記第２の工程の冷却領域４ａの相対的移動方向の後方に位置する所定の再加熱領域５ａに強度が制御された加熱エネルギーを照射して、加工予定線２ｂに沿つて走査してスクライブ亀裂５ｂを形成する第３の工程とを順次に備える高脆性非金属材料製の被加工物の加工方法において、
スクライブ線を成長させたスクライブ亀裂５ｂを所定の深さに形成するために、
δ：スクライブ亀裂５ｂの所定深さ、
δ0 ：第２の工程の終了後におけるスクライブ線の深さ、
Ｐ：第３の工程の再加熱領域５ａの単位面積当たりの加熱エネルギー量、
Ａ：被加工物１の形状特性及び熱特性に依存した比例係数、
ｍ：ｍ≧１の実数係数として、
スクライブ亀裂５ｂの深さ特性式δ＝δ0 ＋Ａ・Ｐm 
を満足するように第３の工程の再加熱領域５ａの単位面積当たりの加熱エネルギー量Ｐを調整することを特徴とする高脆性非金属材料製の被加工物の加工方法である。
請求項２記載の発明は、前記第１の工程の前に、被加工物１の加工予定線２ｂの少なくともスクライビング開始端部に、微小亀裂２ａを形成する微小亀裂形成工程を行うことを特徴とする請求項１の高脆性非金属材料製の被加工物の加工方法である。
請求項３記載の発明は、前記第１の工程が、加熱エネルギーとしてCO2 レーザーを用い、CO2 レーザーの照射によつて被加工物１の軟化点より低い温度で加熱領域３を加熱すると共に、加熱領域３の形状が、加工予定線２ｂの接線方向に長い楕円形状をなし、かつ、前記楕円形状の相対的移動方向の後部にエネルギー密度を多く分布させることを特徴とする請求項１又は２の高脆性非金属材料製の被加工物の加工方法である。
請求項４記載の発明は、前記第２の工程が、水の微粒子を含む空気流を放射して被加工物１に冷熱エネルギーを与えると共に、空気流の水分量が、前記第１の工程の加熱エネルギーの照射によつて昇温した被加工物１の被加工面を室温程度にまで冷却させるに足る潜熱量を有し、かつ、前記第２の工程の終了後に被加工面に残存する水の微粒子の全てが前記第３の工程の加熱エネルギーによつて蒸発するように設定されていることを特徴とする請求項１，２又は３の高脆性非金属材料製の被加工物の加工方法である。
請求項５記載の発明は、前記第３の工程が、加熱エネルギーとして再加熱用のCO2 レーザーを用い、再加熱用のCO2 レーザーの照射によつて被加工物１の軟化点より低い温度で加熱すると共に、再加熱領域５ａの形状が加工予定線２ｂの直角方向に長い楕円形状をなし、かつ、前記楕円形状の相対的移動方向の前部にエネルギー密度を多く分布させることを特徴とする請求項１，２，３又は４の高脆性非金属材料製の被加工物の加工方法である。
請求項６記載の発明は、前記第１の工程の加熱エネルギーとして用いるCO2 レーザーの出力が、適正にスクライブ線を形成するために、３０〜３００Ｗの範囲に維持する条件を満たすと共に、ａ１は加熱領域３の楕円の短軸長さ、ｂ１は加熱領域３の楕円の長軸長さ、ｈは被加工物１の板厚として、
ａ１＝（１〜４０）×ｈ、及びｂ１＝（１０〜１００）×ｈ
の関係を満たし、かつ、前記CO2 レーザーが、焦点位置を被加工物１の被加工面の内部に合わせた状態で加工予定線２ｂに対し相対的移動方向の前方から斜めに入射することを特徴とする請求項３，４又は５の高脆性非金属材料製の被加工物の加工方法である。
請求項７記載の発明は、前記第３の工程の再加熱領域５ａが、前記第２の工程の冷却領域４ａの相対的移動方向の後方に（０〜１０）×１０-3ｍの範囲の距離を隔てた位置として形成され、かつ、加熱エネルギーとして用いる前記再加熱用のCO2 レーザーの出力が１００〜１０００Ｗの範囲に調整・維持する条件を満たすと共に、ａ２は再加熱領域５ａの楕円の短軸長さ、ｂ２は再加熱領域５ａの楕円の長軸長さ、ｈは被加工物１の板厚として、
ａ２＝（４〜２５）×ｈ、及びｂ２＝（１０〜６０）×ｈ
の関係を満たし、かつ、前記再加熱用のCO2 レーザーがその焦点位置を被加工面の内部に合わせた状態で加工予定線２ｂに対し相対的移動方向の後方から斜めに入射することを特徴とする請求項５又は６の高脆性非金属材料製の被加工物の加工方法
請求項８記載の発明は、前記第２の工程の冷却領域４ａの加工予定線２ｂの直角方向の幅が、前記第１の工程のCO2 レーザーによる加熱領域３の楕円の短軸長さａ１より大きく、かつ、前記第３の工程の再加熱用のCO2 レーザーによる再加熱領域５ａの楕円の長軸長さｂ２より小さいことを特徴とする請求項７の高脆性非金属材料製の被加工物の加工方法である。
請求項９記載の発明は、ステージ６上の高脆性非金属材料製の被加工物１を線状の加工予定線２ｂに沿つてスクライビングするとき、
強度が制御された加熱エネルギーを所定の加熱領域３に照射して、加工予定線２ｂに沿つて走査する第１の工程と、前記第１の工程の加熱領域３の相対的移動方向の後方に位置する所定の冷却領域４ａに冷熱エネルギーを照射して、加工予定線２ｂに沿つて走査し、スクライブ線を形成する第２の工程と、前記第２の工程の冷却領域４ａの相対的移動方向の後方に位置する所定の再加熱領域５ａに強度が制御された加熱エネルギーを照射して、加工予定線２ｂに沿つて走査する第３の工程とを順次に備える高脆性非金属材料製の被加工物の加工方法において、
第３の工程を行う再加熱手段２０が、レーザー発振装置２０を備え、レーザー発振装置２０から射出されるレーザー光２１の照射によつて被加工物１の再加熱領域５ａを加熱し、スクライブ線を成長させたスクライブ亀裂５ｂを所定の深さに形成すると共に、
スクライブ亀裂５ｂを所定の深さに形成するために行うレーザー光２１による加熱エネルギーの量の調整が、再加熱領域５ａの形状、面積及び加熱エネルギー分布の割合を変更させずに、レーザー発振装置２０からのレーザー光２１の出力を増減調節して行い、スクライブ亀裂５ｂを所定の深さに形成した被加工物１をロボットによつてステージ６から一体として搬出し、その後、スクライブ亀裂５ｂに沿つて被加工物１を分断し、複数枚の部材を得ることを特徴とする高脆性非金属材料製の被加工物の加工方法である。
請求項１０記載の発明は、被加工物１の加工予定線２ｂの少なくともスクライビング開始端部に、微小亀裂２ａを形成する微小亀裂形成手段と、強度が制御された加熱エネルギーを所定の加熱領域３に照射して加工予定線２ｂに沿つて走査する第１の工程を行う加熱手段１０と、前記第１の工程の加熱領域３の相対的移動方向の後方に位置する所定の冷却領域４ａに冷熱エネルギーを照射して、加工予定線２ｂに沿つて走査し、スクライブ線を形成する第２の工程を行う冷却手段３０と、前記第２の工程の冷却領域４ａの相対的移動方向の後方に位置する所定の再加熱領域５ａに強度が制御された加熱エネルギーを照射して、加工予定線２ｂに沿つて走査してスクライブ亀裂５ｂを形成する第３の工程を行う再加熱手段２０とを順次に備え、
高脆性非金属材料製の被加工物１を線状の加工予定線２ｂに沿つてスクライビングする高脆性非金属材料製の被加工物の加工装置であつて、
スクライブ線を成長させたスクライブ亀裂５ｂを所定の深さに形成するために、
δ：スクライブ亀裂５ｂの深さ、
δ0 ：第２の工程の終了後におけるスクライブ線の深さ、
Ｐ：第３の工程の再加熱領域５ａの単位面積当たりの加熱エネルギー量、
Ａ：被加工物１の形状特性及び熱特性に依存した比例係数、
ｍ：ｍ≧１の実数係数として、
スクライブ亀裂５ｂの深さ特性式δ＝δ0 ＋Ａ・Ｐm 
を満足するように第３の工程の再加熱領域５ａの単位面積当たりの加熱エネルギー量Ｐを調整することを特徴とする高脆性非金属材料製の被加工物の加工装置である。
【発明の効果】
【００１８】
独立請求項１，１０記載の発明によれば、被加工物を相対移動させながら、一連の工程つまり第１の工程から第３の工程を被加工物に順次一体的に作用させると共に、第３の工程の加熱エネルギーの量をスクライブ亀裂の深さ特性式に従つて増減調整するので、第１の工程及び第２の工程の適用によつて加工予定線に沿つて形成した亀裂状のスクライブ線を第３の工程の適用によつて所望する任意の深さに制御しながら、より深いスクライブ面を有するスクライブ亀裂に比較的高速度で進展させる効果が得られる。特に、第１の工程の加熱領域に付与する加熱エネルギーの量を同一面積かつ同一量に維持しながら、同一面積に維持した後部の再加熱領域の加熱エネルギーの量を増減調整することにより、亀裂状のスクライブ線を任意の深さのスクライブ亀裂に進展させることが可能になる。スクライブ線を成長させたスクライブ亀裂は、第３の工程の加熱エネルギーの量をスクライブ亀裂の深さ特性式に従つて増減調節して、高精度に所望の深さに形成することができる。
【００１９】
また、被加工物を蒸散させてスクライビングするのではなく、熱応力によつて安定的に切り開いて行くので、材料欠損による割断環境の悪化（微粉末の飛散等）や割断面強度・断面品位の低下を防ぐことができる。更に、被加工物の端部を加工する場合、従来の技術では加工予定線に対して実際の加工線が逸脱し湾曲し易いが、本発明によればスクライブ深さを任意に制御することができるので、加工予定線に沿つた加工線の軌道を加工途中でも修正できる効果を奏する。
【００２０】
請求項２記載の発明によれば、加工予定線の少なくともスクライビング開始端部に入れた微小亀裂を起点として、スクライビングが進展し易くなる効果がある。
【００２１】
請求項３記載の発明によれば、第１の工程が、加熱エネルギーとしてCO2 レーザーを用いてなされると共に、加熱領域の形状が、加工予定線の接線方向に長い楕円形状をなし、かつ、楕円形状の相対的移動方向の後部にエネルギー密度を多く分布させる。これにより、簡単かつ正確に所定温度ひいては所定圧縮応力を有する楕円形状の加熱領域を形成することができ、第２の工程の冷却領域の適用によつて形成されるスクライブ線が確実に安定して生成できる効果を奏する。すなわち、縦長の加熱レーザービームの照射により、加工予定線の近傍に圧縮応力が生じ、その直後に冷熱エネルギーを照射することで加熱領域が急激に冷却されるため、大きな引張応力が発生し、加工予定線に沿つて安定的にスクライブ線が進展する。加工予定線の少なくともスクライビング開始端部に微小亀裂を入れれば、この微小亀裂に大きな引張応力が発生し、加工予定線に沿つて安定的にその亀裂が進展する。
【００２２】
請求項４記載の発明によれば、第２の工程が、水の微粒子を含む空気流を放射して被加工物１に冷熱エネルギーを与えてなされるから、簡単に所定温度ひいては所定引張応力を有する冷却領域を形成することができる。しかも、空気流の水分量が、第１の工程で昇温した被加工物の被加工面を室温程度にまで冷却させるに足る潜熱量を有し、かつ、第２の工程の終了後に被加工面に残存する水の微粒子の全てが第３の工程の加熱エネルギーによつて蒸発するように設定されているので、所定引張応力を有する冷却領域の形成と被加工面に水分が残存することに伴う品質低下の防止とが、良好に両立する。
【００２３】
請求項５記載の発明によれば、第３の工程が、加熱エネルギーとして再加熱用のCO2 レーザーを用いてなされると共に、再加熱領域の形状が、加工予定線の直角方向に長い楕円形状をなし、かつ、楕円形状の相対的移動方向の前部にエネルギー密度を多く分布させる。これにより、簡単かつ正確に所定温度ひいては所定圧縮応力を有する楕円形状の加熱領域を形成することができ、第２の工程の冷却領域の適用によつて形成されるスクライブ線の成長深さを簡単かつ正確に制御することができる。すなわち、加工予定線に沿つて進展し始めたスクライブ線に対し横長の加熱レーザービームを照射するとスクライブ線先端近辺が集中的に圧縮応力場となり、スクライブ線先端を深さ方向に進展させるだけの曲げモーメントが容易に発生する。このスクライブ深さは曲げモーメントの大きさによつて制御することができるので、この横長の加熱レーザービームのパワー（第３の工程の再加熱領域の単位面積当たりの加熱エネルギー量）を調整することで所望の深さのスクライブ面を有するスクライブ亀裂が得られる。
【００２４】
請求項６記載の発明によれば、CO2 レーザーの焦点位置を被加工物の被加工面の内部に合わせた状態で第１の工程の加熱領域を所定の大きさにし、かつ、加熱エネルギーとして用いるCO2 レーザーの出力を３０〜３００Ｗの範囲に維持することにより、第２の工程で所定引張応力を有する冷却領域を形成しながらスクライブ線が適正に形成される。CO2 レーザーを加工予定線に対し相対的移動方向の前方から斜めに入射させれば、第２の工程の冷熱エネルギーの付与が支障なくなされる。
【００２５】
請求項７記載の発明によれば、再加熱用のCO2 レーザーの焦点位置を被加工物の被加工面の内部に合わせた状態で第３の工程の再加熱領域を所定の大きさにし、かつ、再度の加熱エネルギーとして用いるCO2 レーザーの出力を１００〜１０００Ｗの範囲に調整・維持することにより、第２の工程で形成されるスクライブ線が適正に所望する深さに成長する。CO2 レーザーを加工予定線に対し相対的移動方向の後方から斜めに入射させれば、第２の工程の冷熱エネルギーの付与が支障なくなされる。
【００２６】
請求項８記載の発明によれば、第２の工程の冷却領域の加工予定線２ｂの直角方向の幅が、第１の工程のCO2 レーザーによる加熱領域の楕円の短軸長さより大きく、かつ、第３の工程の再加熱用のCO2 レーザーによる再加熱領域の楕円の長軸長さより小さいので、加熱領域の全体を冷却領域によつて冷却し、かつ、冷却領域の全体を再加熱領域によつて加熱するように、適正な大きさの冷却領域を形成しながら、スクライビングが良好になされる。
【００２７】
請求項９記載の発明によれば、請求項１，１０記載の発明と同様の効果を得ることが可能であることに加え、次の効果を奏することができる。（第２の）レーザー発振装置から射出されるレーザー光（再加熱ビーム）のパワーを調整する場合、基本的にビームプロファイルは変わらず全体的なパワーのみが変化することになる。つまり、第３の工程の再加熱領域の形状、面積には変化は生じない。このため、再加熱領域と冷却領域の相対位置に変化がなく、亀裂状のスクライブ線に作用する引張応力つまり亀裂を開口させる力をパワーのみに依存して変えることが可能となる。従つて、亀裂を開口させる力をレーザー光（再加熱ビーム）のパワーに応じて連続的にコントロールできることになり、スクライブ亀裂を所望する所定深さに形成させることが容易になる。
【００２８】
そして、スクライブ亀裂の深さを被加工物１の場所によつて適正な異なる深さに形成しておけば、スクライブ亀裂を深い箇所と浅い箇所とが混在する所定の深さに形成した被加工物をロボットによつてステージから一体として搬出し、その後の工程でスクライブ亀裂に沿つて被加工物を分断し、複数枚の部材を得ることができる。その結果、被加工物のハンドリングの容易さと後工程での分断の容易さとが良好に両立する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、この発明の一実施形態を図１〜図４を参照して説明する。
図中において符号１は切込み生成つまりスクライビングの加工対象となる脆性材料製の基板状の被加工物であり、ガラスにて代表される非金属材料によつて製作されている。通常、被加工物１（脆性非金属材料製の被加工物）は、透明体である。被加工物１は、ステージ６上に交換可能に載置され、直線状に設定される加工予定線２ｂに沿つて切断するために、第１の工程として形成する加熱領域３、第２の工程として形成する冷却領域４ａ及び第３の工程として形成する再加熱領域５ａの各中心が加工予定線２ｂ上に間隔を置いて順次に設定され、必要に応じ、被加工物１の被加工面の少なくともスクライビング開始端部に微小亀裂２ａを施す微小亀裂形成工程を行う。加熱領域３と再加熱領域５ａとは間隔を置いて生成され、また、加熱領域３及び再加熱領域５ａは、被加工物１の軟化点より低い温度で加熱する。
【００３０】
ステージ６には、図２に示すように微小亀裂２ａを施すための亀裂生成手段４０、加熱領域３を生成するための加熱手段の要部となる第１のレーザー発振装置１０、その後に冷却領域を生成するための冷却手段３０及び更にその後に加熱領域を再度生成するための再加熱手段の要部となる第２のレーザー発振装置２０が一体的に装備される。すなわち、亀裂生成手段４０、第１のレーザー発振装置１０、冷却手段３０及び第２のレーザー発振装置２０が加工系用ステージ（図示せず）に設定され、この加工系用ステージ又は基板戴置用のステージ６の少なくとも一方は駆動装置（図示せず）を備え、それによつて被加工物１及びステージ６と加工系（つまり加熱領域３、冷却領域４ａ及び再加熱領域５ａ）が加工予定線２ｂに沿つて矢印Ａ１方向に連続的相対移動をする。
【００３１】
この加工系（加熱領域３、冷却領域４ａ及び再加熱領域５ａ）を加工予定線２ｂに沿つて矢印Ａ１方向に一体的に相対移動させるために、第１のレーザー発振装置１０、冷却手段３０及び第２のレーザー発振装置２０が加工系用ステージ（図示せず）に設置されるのみならず、ビームエキスパンダー１２，２２、赤外線用ミラー１３，２３及びシリンドリカルレンズ１４，２４、更に冷却手段３０についても加工系用ステージに設置させ、一体的に保持させる。第１，第２のレーザー発振装置１０，２０は、別個独立のレーザー発振装置であり、個別にレーザー光のパワー（加熱エネルギー密度（単位面積当たりの加熱エネルギー量））を増減調節することができる。
【００３２】
亀裂生成手段４０は、図２に示すよう駆動機構がなく、被加工物１との接触により自由に回転する回転刃を有する。この亀裂生成手段４０は、被加工物１への加工系による加工開始前に加工予定線２ｂの延長線上に沿つて被加工物１の外側から矢印Ａ１方向に相対移動つまり走査させ、被加工物１の加工予定線２ｂの少なくともスクライビング開始端部に、微小亀裂２ａを形成すればよく、スクライビング開始端部にスクライビングのきつかけとなる初期亀裂を形成させ、亀裂生成後に加工予定線２ｂから速やかに退避させる。しかして、亀裂生成手段４０を用いて必要に応じて行う微小亀裂形成工程は、加熱領域３を形成する第１の工程の前に、被加工物１の被加工面のスクライビング開始端部（図２上で被加工物１の左端）に、必要に応じて微小亀裂を施す工程として実施される。
【００３３】
第１のレーザー発振装置１０は、図２に示すように第１のレーザー光である赤外線レーザー光１１を射出する。第１のレーザー発振装置１０から射出される赤外線レーザー光１１は、赤外線レーザー用エキスパンダー１２を通過して長軸ビーム径を調整され、赤外線用ミラー１３によつて反射してシリンドリカルレンズ１４を透過した後、被加工物１に照射され、被加工物１が楕円形状に局部的に加熱される加熱領域３を生成する。その際、赤外線レーザー光１１の焦点が被加工物１の内部に位置し、かつ、レーザー光１１のビームがビームの相対的移動方向（矢印Ａ１方向）の前方から斜めに照射されるように調整する。すなわち、被加工物１に照射される部分の赤外線レーザー光１１は、平面視で、加工予定線２ｂ上に位置している。
【００３４】
この被加工物１に形成される加熱領域３は、赤外線レーザー光１１によつて加熱されて圧縮応力を有する領域であり、シリンドリカルレンズ１４によつて赤外線レーザー光１１のビーム形状を楕円に集光され、長軸を加工予定線２ｂ方向に合致させて照射される。加熱領域３の短軸幅は、シリンドリカルレンズ１４で制御するため、長軸幅の調整用としてビームエキスパンダー１２を使用する。
【００３５】
加熱領域３を生成する赤外線レーザー光１１には、例えば波長１０．６μｍのCO2 レーザーを使用する。そして、CO2 レーザーの照射によつて被加工物１の軟化点より低い温度で加熱するに当たり、CO2 レーザーを照射する領域の形状が加工予定線２ｂの接線方向に長い楕円形状とし、かつ、楕円形状の後部に、前部に比較してエネルギー密度を多く分布させることが望ましい。第１の工程は、所定の領域に強度が制御された加熱エネルギーを照射するように、加工予定線２ｂに沿つて赤外線レーザー光１１を走査して行う。
【００３６】
そして、第１の工程の加熱エネルギーとして用いるCO2 レーザーの出力は、適正に亀裂状のスクライブ線を形成し、第３の工程までの実施によつて所望する深さの破断面を有するスクライブ亀裂５ｂを形成するために、３０〜３００Ｗの範囲に維持する条件を満たすように第１のレーザー発振装置１０に設定する。また、ａ１は加熱領域３の楕円の短軸長さ、ｂ１は加熱領域３の楕円の長軸長さ、ｈは被加工物１の板厚として、
ａ１＝（１〜４０）×ｈ、及びｂ１＝（１０〜１００）×ｈ
の関係を満たすように設定する。
【００３７】
冷却手段３０は、水補給槽３２から配管３１を通じて供給される水と、エアコンプレッサー３４から配管３３を通じて供給される圧縮空気とを混合して霧状の冷却媒体３５となし、この霧状の冷却媒体３５をノズルから被加工物１の加熱領域３の直後に吹出すことで加工予定線２ｂ上の被加工物１が冷却されて引張応力を有する冷却領域４ａを生成する。冷却領域４ａは、相対的移動方向Ａ１の加熱領域３の後方に局所的に生成されることが望ましく、特に、加熱領域３の短軸長さ程度に相対的移動方向Ａ１に延在させることが望ましい。水、圧縮空気共に、調整弁（図示せず）によつて流量を増減調整できる。液晶パネルなどのデバイスの切断では、水滴の付着が問題となることもあるので水の供給量は少ない方が望ましく、従つてノズル先端は細い方がよい。相対的に移動する冷却領域４ａによつて被加工物１の加工予定線２ｂ上に発生した引張応力が微小亀裂２ａを亀裂先端４ｂの位置に進行させる。この亀裂がスクライブ線になる。被加工物１の材料により、微小亀裂２ａを省略した場合でも、加熱領域３及び冷却領域４ａを順次に形成することにより、微小亀裂２ａと同様の亀裂を被加工物１の端部から進展させることも可能な場合がある。
【００３８】
冷熱エネルギーとして水を噴霧した微粒子を含む空気流を放射（放出）するに当たつては、水分量を適正に設定することが望まれる。すなわち、第１の工程の加熱エネルギーの照射によつて昇温した被加工物１の被加工面を室温程度に十分冷却させるに足る潜熱量を有する水分量を与え、かつ、第２の工程の終了後に被加工物１の被加工面、少なくとも加工予定線２ｂ又はその付近に残存する水の微粒子が第３の工程の加熱エネルギーによつて全て蒸発する程度に抑えた水分量とすることが望ましい。第２の工程は、第１の工程の加熱エネルギーを照射する領域の後方に位置して、冷熱エネルギーを照射・供給して加工予定線２ｂに沿つて走査する。
【００３９】
熱応力を利用する非金属材料の赤外線レーザーの照射によるスクライビングは、被加工物１の表面部が圧縮応力場となり、次いで冷却媒体によつて冷却領域を形成して引張応力を誘起し、この応力が材料の引張り強度を超えたときに起こる。
【００４０】
第２のレーザー発振装置２０は、赤外線レーザー、例えば波長１０．６μｍの再加熱用のCO2 レーザーを射出する。第２のレーザー発振装置２０から射出される第２のレーザー光であるレーザー光２１は、赤外線レーザー用エキスパンダー２２を通過して長軸ビーム径を調整され、赤外線用ミラー２３によつて反射してシリンドリカルレンズ２４を透過した後、被加工物１に照射され、被加工物１が楕円形状に局部的に加熱される再加熱領域５ａを生成する。その際、赤外線レーザー光２１の焦点が被加工物１の内部に位置し、かつ、レーザー光２１のビームがビームの相対的移動方向（矢印Ａ１方向）の後方から斜めに照射されるように調整する。すなわち、被加工物１に照射される部分の赤外線レーザー光２１は、平面視で、加工予定線２ｂ上に位置している。また、再加熱領域５ａの前端と冷却領域４ａの後端との間には、所定の間隔距離を設けるように調整することが望まれる。この所定の間隔距離は、具体的には０〜１０ｍｍの距離とする。
【００４１】
しかして、再加熱領域５ａは、赤外線レーザー光２１によつて被加工物１の軟化点より低い温度で加熱させてスクライブ線の先端である亀裂先端４ｂを切り開く領域であり、シリンドリカルレンズ２４によつて赤外線レーザー光２１のビーム形状を楕円に集光され、長軸を加工予定線２ｂの直角方向に合致させて照射される。再加熱領域５ａの短軸幅は、シリンドリカルレンズ２４で制御するため、長軸幅の調整用としてビームエキスパンダー２２を使用する。この再加熱領域５ａを生成する第３の工程は、強度が制御された加熱エネルギーを所定の再加熱領域５ａに照射して加工予定線２ｂに沿つて走査して行う。
【００４２】
第３の工程は、加熱エネルギーとして再加熱用のCO2 レーザーを用い、かつ、再加熱用のCO2 レーザーの照射によつて被加工物１の軟化点より低い温度で加熱するに当たり、冷却領域４ａに付与される冷熱エネルギーによるスクライブ線の形成作用を殆ど減殺しないように選択された距離だけ離した位置に照射し、かつ、照射する領域の形状を加工予定線２ｂの直角方向に長い楕円形状とし、かつ、楕円形状の進行方向前部に、後部に比較してエネルギー密度を多く分布させる。第３の工程の加熱エネルギーは、その全体の量（出力）を増減調節することにより、第１の工程及び第２の工程の実施によつて形成されたスクライブ線を所望する深さに進展させてスクライブ亀裂５ｂを形成することができる。
【００４３】
そして、第３の工程の再加熱領域５ａは、第２の工程の冷却領域４ａの相対的移動方向Ａ１の後方に（０〜１０）×１０-3ｍの範囲の距離を隔てた位置として形成させ、かつ、加熱エネルギーとして用いる再加熱用のCO2 レーザー（赤外線レーザー光２１）のビームの出力が１００〜１０００Ｗの範囲に調整・維持する条件を満たすように設定する。また、ａ２は再加熱領域５ａの楕円の短軸長さ、ｂ２は再加熱領域５ａの楕円の長軸長さ、ｈは被加工物１の板厚として、
ａ２＝（４〜２５）×ｈ、及びｂ２＝（１０〜６０）×ｈ
の関係を満たすように設定する。
【００４４】
冷却領域４ａと再加熱領域５ａとの位置関係は、実際には、再加熱エネルギー量が最も少ないエネルギー量で所定深さのスクライブ亀裂５ｂを形成することができる位置関係を実験的に求める。被加工物１の板厚や単板であるか貼り合わせガラスからなる被加工物１であるかによつて後工程で完全切断できるスクライブ亀裂５ｂの深さひいては冷却領域４ａと再加熱領域５ａとの位置関係が異なるので、実験的に求めざるを得ない。
【００４５】
また、第２の工程の冷却領域４ａはほぼ円形状をなし、冷却領域４ａの加工予定線２ｂの直角方向の幅及び接線方向の幅が、いずれも第１の工程のCO2 レーザーによる加熱領域３の楕円の短軸長さａ１より大きく、かつ、第３の工程の再加熱用のCO2 レーザーによる再加熱領域５ａの楕円の長軸長さｂ２より小さく設定する。また、楕円形状をなす再加熱領域５ａの長軸長さｂ２は、加熱領域３の短軸長さよりも大きく、再加熱領域５ａの短軸長さは加熱領域３の長軸長さよりも小さい。
【００４６】
なお、赤外線レーザー光１１の照射に際しては、被加工物１の軟化点を超えるような密度で熱を加えると冷却された後に熱応力が残留してしまい材料のスクライブ亀裂５ｂの形成を制御不能にしてしまうため、加熱しすぎない配慮が必要である。また、加熱領域３の後方に生成される冷却領域４ａ及び冷却領域４ａの後方に生成される再加熱領域５ａは、上述したように第１の工程として形成する加熱領域３、第２の工程として形成する冷却領域４ａ及び第３の工程として形成する再加熱領域５ａの各中心が加工予定線２ｂ上に間隔を置いて反相対的移動方向Ａ１に順次に設定されている状態をいう。
【００４７】
次に作用について説明する。
先ず、被加工物１をステージ６上に載置させ、必要に応じて微小亀裂形成工程を行う。すなわち、被加工物１の被加工面の加工予定線２ｂのスクライビング開始端部に微小亀裂を施し、スクライビングを円滑に開始させると共に、円滑に継続させる。また、第１のレーザー発振装置１０から赤外線レーザー光１１を射出させ、第２のレーザー発振装置２０からレーザー光２１を射出させ、また、冷却手段３０から冷却媒体３５を吹き出させる状態にする。
【００４８】
この状態から、右端位置にあるステージ６を反矢印Ａ１の方向に相対移動させ、加工系（加熱領域３、冷却領域４ａ及び再加熱領域５ａ）を加工予定線２ｂに沿つて相対的移動方向（矢印Ａ１方向）に一体的に相対移動させる。これにより、赤外線レーザー光１１が被加工物１の加工予定線２ｂの左端から局所的に照射され始め、赤外線レーザー光１１が照射された被加工物１の箇所に、被加工物１の軟化点より低い所定温度にまで上昇した加熱領域３が生成される。微小亀裂２ａが形成されている場合には、微小亀裂２ａを含む部分から赤外線レーザー光１１が局所的に照射され始める。加熱領域３では、加熱中心に比較的強い圧縮応力が発生し、その外周には緩衝帯を挟んで弱い引張応力が発生する。加熱領域３の大きさは、微調整機構を持つ図示しない支持台を介して加工系用ステージに設置されるシリンドリカルレンズ１４により任意に変更することができる。
【００４９】
引き続き、ステージ６の相対移動により、加熱領域３つまりレーザー光１１の照射領域の直後に、水と空気が冷却手段３０内で混合されて霧状をなす冷却媒体３５が被加工物１の加工予定線２ｂの左端（微小亀裂２ａ）から噴霧され始め、冷却領域４ａを作成する。これにより、比較的強い引張応力が発生し、強い応力集中が局所的に生じるため、被加工物１の引張強度を超え、端部から生じた亀裂が亀裂先端４ｂへと進行し始める。この進行する亀裂はスクライブ線である。亀裂状のスクライブ線は、被加工物１の表面付近に形成され、被加工物１が切断されることはない。微小亀裂２ａが形成されている場合には、微小亀裂２ａの鋭利な先端箇所に強い引張応力が発生し、微小亀裂２ａの先端内部に強い応力集中が生じるため、被加工物１の引張強度を容易に超え、微小亀裂２ａが亀裂先端４ｂへと安定的に進行し始め、スクライブ線が生成される。
【００５０】
引き続き、ステージ６の相対移動により、冷却領域４ａつまり冷却媒体３５の噴霧領域から適当な距離を置いて、赤外線レーザー光２１が被加工物１の加工予定線２ｂの左端（微小亀裂２ａ）から局所的に照射され始め、被加工物１の軟化点より低い所定温度にまで上昇した再加熱領域５ａが生成される。再加熱領域５ａでは、一旦冷却された被加工物１を再度加熱することになり、しかも加工予定線２ｂと直角方向に長い圧縮応力場となるため、亀裂先端４ｂ及びその付近となる被加工物１の内部に大きな曲げ応力が生じ、亀裂先端４ｂが被加工物１の内部方向つまり深さ方向に進展し始める。すなわち、スクライブ線が亀裂先端４ｂ位置に進行し更に再加熱領域５ａに達することにより、スクライブ線が深さ方向にも進展し、所定のスクライブ深さのスクライブ亀裂５ｂが得られる。
【００５１】
第１の工程での赤外線レーザー光１１による縦長の加熱ビーム（加工予定線２ｂに対し接線方向に細長い楕円形状のビーム）の照射により、加工予定線２ｂの近傍に圧縮応力が生じ、その直後に第２の工程での冷熱エネルギーを照射つまり当てることで加熱領域が冷却領域４ａに達して急激に冷却されるため、加工予定線２ｂの開始端部（必要に応じて入れた微小な亀裂）に大きな引張応力が発生し、加工予定線２ｂに沿つて安定的にその亀裂が進展し始め、スクライブ線が形成される。その進展し始めた亀裂つまりスクライブ線に対し第３の工程での横長の加熱ビーム（加工予定線２ｂに対し直交方向に細長い楕円形状のレーザー光２１）を照射するとスクライブ線の先端周辺つまり亀裂先端周辺が広い面積に亘つて圧縮応力場となり、亀裂を深さ方向に進展させるに足る曲げモーメントが発生する。この亀裂深さは曲げモーメントの大きさによつて制御することができるので、この横長の加熱ビームのパワーを調整することで所望の深さの亀裂が連続するスクライブ亀裂５ｂが得られる。この加熱ビームのパワーの調整は、照射面積を同一に維持しながら第３の工程として単独で行うことができると共に、１つの被加工物１の加工予定線２ｂに対する加工の途中でも単独で行うことができる。スクライブ亀裂５ｂの深さの変更は、加工予定線を交差させるために必要があり、また、被加工物１の端部付近をスクライブする場合には、スクライビングが垂直になされずに湾曲することがあるので、深さを変えて湾曲を抑えたりすることがある。
【００５２】
更に、被加工物１を完全に分断させずに、スクライブ亀裂５ｂの深さを所望する所定の深さで止めるメリットについて説明する。
ガラス板あるいはパネルからなる被加工物１を最後には所定形状の複数のパネル（部材）に細かく分断する際、レーザー光１１，２１の照射によつて完全に分断してバラバラにするより、スクライブ線を成長させたスクライブ亀裂５ｂの深さを所望する途中で止めて一部を残して一体化させたままとし、後工程でバラバラにする方がハンドリングしやすい場合がある。しかしながら、スクライブ亀裂５ｂが深過ぎる場合には、被加工物１の次工程へのロボットによる移送途中などのハンドリング時にスクライブ亀裂が進行し、被加工物１が不用意に分断されることがあり、逆にスクライブ亀裂５ｂが浅過ぎる場合、後工程で分断させ難くなり、一体化させることがかえつて手間になることがある。その場合、分断工程まで被加工物１が一体化を維持するように、１枚の被加工物１の場所に応じてスクライビング深さを変えておけば、最適なハンドリングひいては能率的な処理が可能となる。
【００５３】
すなわち、スクライブ亀裂５ｂを所定の深さに変化させて形成した被加工物１をロボットによつてステージ６から一体として搬出し、その後、スクライブ亀裂５ｂに沿つて被加工物１を分断し、複数枚の基板（部材）を得るようにする。例えば、移送途中でスクライブ亀裂５ｂの深さが進行し分断し易い場所はスクライブ亀裂５ｂを浅く形成しておき、分断しにくい場所はスクライブ亀裂５ｂを深く形成しておく。これにより、ハンドリングの容易さと後工程での分断の容易さとが良好に両立する。
【００５４】
図４は、３種類の板厚（０．７ｍｍ，０．５ｍｍ，０．３ｍｍ）のガラス基板からなる被加工物１について再加熱領域５ａを生成する赤外線レーザー光２１のパワー（レーザー光２１のエネルギー密度）に対するスクライビング深さ（スクライブ亀裂５ｂの深さ）を求めた試験結果の一例を示す。具体的には、約０．０２〜０．２２（Ｗ／ｍｍ2 ）の範囲のエネルギー密度のレーザー光２１を照射した。これは、第２のレーザー発振装置２０のパワーを５０Ｗから２００〜２５０Ｗの範囲で調節して実現できる。
【００５５】
これにより、ガラス基板の板厚に係わらず赤外線レーザー光２１のエネルギー密度を約０．０２Ｗ／ｍｍ2 から約０．０９〜０．２２Ｗ／ｍｍ2 に向けて増加させるにつれて、スクライビング深さ（スクライブ亀裂５ｂの深さ）が連続的に大きくなり、ガラス基板が分断に至るまでの間で、スクライビング深さ（スクライブ亀裂５ｂの深さ）を任意に変化させることができることが分かる。すなわち、第３の工程での赤外線レーザー光２１のパワー（エネルギー密度）の増減変更により、再加熱領域５ａの圧縮応力、つまりは亀裂先端４ｂ（スクライブ線の内端部）に作用する曲げ応力を任意に制御できることを意味している。但し、再加熱領域５ａを生成するために加熱エネルギーとして用いる再加熱用のCO2 レーザーのビームの出力は、上述したように第２のレーザー発振装置２０のパワーを１００〜１０００Ｗの範囲に調整・維持すればよい。
【００５６】
実験によれば、第３の工程の赤外線レーザー光２１による加熱エネルギー密度Ｐ（再加熱領域５ａの単位面積当たりの加熱エネルギー量）によつて、スクライブ亀裂５ｂの深さδは、次式で関係付けられることが見出された。すなわち、δ＝δ0 ＋Ａ・Ｐm （スクライブ亀裂５ｂの深さ特性式）
ここで、δ：スクライブ亀裂５ｂの深さ（所望する所定深さ）、
δ0 ：第２の工程の終了後におけるスクライブ線の深さ、
Ｐ：第３の工程の加熱エネルギー密度（再加熱領域（５ａ）の単位面積（ｍｍ2 ）当たりの加熱エネルギー量）、
Ａ：被加工物（１）の形状特性及び熱特性に依存した比例係数、
ｍ：ｍ≧１の実数係数
【００５７】
このスクライブ亀裂５ｂの深さ特性式におけるパラメター、すなわち、第２の工程の終了後におけるスクライブ線の深さδ0 、被加工物１の形状特性及び熱特性に依存した比例係数Ａ、並びに実数係数ｍは、以下の実験的な手順にて決定することができる。なお、被加工物１の形状特性とは、被加工物１の厚さ以外にパネル構造の違いによるものを含む。パネル構造になつた貼り合わせガラスからなる被加工物１は、ガラス同士を接着させるシール材を有しているが、そのシールのパターンによつてスクライブ亀裂５ｂの深さが異なつてくる。被加工物１の熱特性とは、比熱の他、熱伝導率、熱膨張率等を含む。但し、再加熱領域５ａの大きさ及び形状は、１枚の被加工物１の処理において変化させず同じである。
【００５８】
実際には、加工対象である被加工物１に対して、次の手順１〜３を実施する。
予め、形成すべきスクライブ亀裂５ｂの深さδを定める。スクライブ亀裂５ｂの深さは、完全破断を行うか否か、また、次工程の割断工程での割断手段やロボットによる移動中の割れ防止を図る観点から全厚を考慮して定まる。所定の厚さ（全厚）の被加工物１に対して、所定の相対移動速度で所定の深さのスクライブ亀裂５ｂを形成するとき、スクライブ線の深さδ0 を手順１）にて求める。スクライブ線の深さδ0 は、形成すべきスクライブ亀裂５ｂの深さδからほぼ定まる。
【００５９】
手順１）所望する所定相対移動速度において、第１及び第２の工程の加工条件を実験的に決定し、第２の工程終了後におけるスクライブ線の深さδ0 を求める。ここで、第１の工程の加工条件とは、加熱エネルギー量と加熱領域３の大きさ及び形状で決まる。第２の工程の加工条件とは、冷熱エネルギー量及び加熱領域３と冷却領域４ａとの位置関係等をさす。
【００６０】
手順２）次に、当該相対移動速度における手順１で求めた加工条件において、第３の工程の再加熱領域５ａの単位面積当たりの加熱エネルギー量Ｐ（赤外線レーザ光パワー）を実験的に変化させ、加熱エネルギー密度に換算した適当な代表値（Ｐ1 ，Ｐ2 ・・・）に対する、スクライブ亀裂５ｂの深さδ1 ，δ2 ・・・）を求める。再加熱領域５ａの単位面積当たりの加熱エネルギー量Ｐは、加工予定線２ｂに対して所定位置の走査線上でのものである。
【００６１】
手順３）手順１及び手順２で求めたδ0 （第２の工程の終了後におけるスクライブ線の深さ）、並びに（Ｐ1 ，δ1 ）、（Ｐ2 ，δ2 ）・・・をスクライブ亀裂５ｂの深さ特性式δに当てはめ、最小自乗法により比例係数Ａ及び実数係数ｍを算出する。
【００６２】
実験によつて得られた図４の３種類の板厚に対して、それぞれスクライブ線の深さδ0 、比例係数Ａ、及び実数係数ｍを求め、表１にまとめた。表１より、スクライブ亀裂５ｂの深さδは、３種類の板厚ともに、適合率Ｒが０．９８以上であることから、δ＝δ0 ＋Ａ・Ｐm の式でほぼ関係付けられることが分かる。これらの特性式から、それぞれ所定の相対移動速度（１８０ｍｍ／ｓｅｃ，３１０ｍｍ／ｓｅｃ，３７０ｍｍ／ｓｅｃ）において第２の工程の終了後における所定のスクライブ線の深さδ0 が得られるとき、第３の工程の赤外線レーザ光（CO2 レーザー）の加熱エネルギー量Ｐ（Ｗ／ｍｍ2 ）を適当な値に調整することで、所望するスクライブ亀裂５ｂの深さδが得られることが分かる。つまり、１枚の被加工物１に対する処理の途中で加熱エネルギー量Ｐを変化させて、スクライブ亀裂５ｂの深さδを調整変更することができる。
【００６３】
【表１】
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【００６４】
【表２】
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【００６５】
表２は、２種類のレーザー光１１，２１のビームパラメータ、及びガラス基板（被加工物１）の板厚を変更して、スクライビング方法を試験した結果をＮｏ．１〜２１に集約したものである。第１の工程での加熱エネルギーとして用いるCO2 レーザーのパラメターを前方加熱ビームパラメターとし、第３の工程での加熱エネルギーとして用いるCO2 レーザーのパラメターを後方加熱ビームパラメターとし、第２の工程の冷却領域４ａの後端縁と第３の工程の再加熱領域５ａの前端縁との間の距離を冷熱−後方加熱ビーム間距離とし、被加工物１及びステージ６と加工系（つまり加熱領域３、冷却領域４ａ及び再加熱領域５ａ）との連続的相対移動速度を走査速度としてある。
【００６６】
これにより、無アルカリガラス製のガラス基板（１）の各板厚（１．１ｍｍ，０．７ｍｍ，０．６３ｍｍ，０．５ｍｍ，０．３ｍｍ，０．２ｍｍ及び０．０５ｍｍ）におけるスクライブ深さ（スクライブ亀裂５ｂの深さδ）は、楕円形状をなすレーザー光１１，２１のビーム寸法（ａ１，ｂ１、ａ２，ｂ２）、第１，第２のレーザー発振装置１０，２０のビームパワー（出力）、冷却領域４ａと再加熱領域５ａとの距離、及びスクライビング速度（走査速度）に影響されるだけでなく、これらのパラメータ間の特定な関係にあることが分かる。
【００６７】
被加工物１の厚さにもよるが、切断面（スクライブ亀裂５ｂ）が被加工物１の裏面にまで伸展すれば、加工予定線２ｂ上に進行方向前側から順次に加熱領域３、冷却領域４ａ及び再加熱領域５ａを生成させながら、加熱領域３、冷却領域４ａ及び再加熱領域５ａと被加工物１とに相対移動を与えることで、被加工物１を完全に分断することが可能になる。切断面（スクライブ亀裂５ｂ）の伸展によつては被加工物１が完全に切断されない場合（被加工物１を完全に切断させない場合を含む）には、その後の工程で被加工物１にブレイク力を作用させ、被加工物１を切断面（スクライブ亀裂５ｂ）に案内させて切断する。
【００６８】
ところで、特許文献４では、シャッタによつてレーザー光を一部遮断し、加熱エネルギー量の調整を行つているが、再加熱ビーム（レーザー光２１）の加熱エネルギー量の調整は、シャッタによる加熱エネルギー量の調整に比べてより効果的である。その理由は次の通りである。
【００６９】
第２のレーザー発振装置２０から射出されるレーザー光２１（再加熱ビーム）のパワー調整を第２のレーザー発振装置２０の出力調整で行う場合、基本的にビームプロファイルは変わらず全体的な加熱エネルギー量（第３の工程の加熱エネルギー密度（再加熱領域５ａの単位面積当たりの加熱エネルギー量））のみが変化して被加工物１に照射されることになる。つまり、同じ相対移動速度において、第３の工程の再加熱領域５ａの形状、面積及びレーザー光２１の照射エネルギー分布の割合に変化は生じない。このため、再加熱領域５ａと冷却領域４ａとの相対位置に変化がなく、スクライブ線の先端に作用する引張応力つまり亀裂を開口させる力をパワー（再加熱領域５ａの単位面積当たりの加熱エネルギー量）のみに依存して変えることが可能となる。従つて、スクライブ線を開口させる力がパワー（再加熱領域５ａの単位面積当たりの加熱エネルギー量）に応じて連続的にコントロールできることになり、一本のスクライブ亀裂５ｂを所望する深さに変化させながら形成させることが可能になる。一方、シャッタにより加熱エネルギー量を調整する場合、レーザービームが一部カットされるので、ビームプロファイルひいては照射形状、面積が変化する。
【００７０】
このように、シャッター調整は、加熱エネルギー量と同時にビームプロファイルが変化するので、再加熱領域５ａと冷却領域４ａとの位置関係が急激に変わる。これによつて、亀裂状のスクライブ線に作用する引張応力の変動、消滅等が起こりやすく、スクライブ亀裂を所望する深さに形成することが困難になる傾向にある。
【００７１】
すなわち、シャッタによつて再加熱用のレーザー光２１の後側（冷却領域４ａから遠い側）又は前側を遮蔽又は開放することによる被加工物１への加熱エネルギー量の調整は、１つの被加工物１の一本のスクライブ亀裂５ｂの加工途中での適用に困難を伴う。なぜなら、レーザー光２１の後側又は前側を遮蔽又は開放することによる加熱エネルギー量の増減調整は、レーザー光２１の後端縁部又は前端縁部を移動させることになるため、被加工物１とレーザー光２１とを相対移動をさせながら、更にレーザー光２１の照射による再加熱領域５ａと冷却領域４ａとの相対関係を変化させて、正確にスクライブ亀裂を進展させる作業に困難を伴う。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の１実施の形態に係る高脆性非金属材料製の被加工物の加工方法の原理を示す斜視図。
【図２】同じく加工装置の全体を示す斜視図。
【図３】同じく加工状態を示す説明図。
【図４】同じくレーザーエネルギー密度−スクライビング深さの特性を示す線図。
【図５】従来の切断方法を示す説明図。
【図６】他の従来の加工方法を示し、図６（ａ）はレーザー照射を示す説明図、図６（ｂ）はCO2 レーザー照射を示す説明図、図６（ｃ）はスクライビング孔を示す説明図、図６（ｄ）は薄板ガラスの切断を示す説明図。
【図７】別の従来の加工方法を示す斜視図。
【図８】更に他の従来の加工方法を示す斜視図。
【図９】同じく更に他の従来の加工方法を示し、図９（ａ）は膨張状態を示す図、図９（ｂ）は非膨張状態を示す図。
【図１０】同じく更に他の従来の加工方法を示す説明図。
【符号の説明】
【００７３】
１：被加工物
２ｂ：加工予定線
３：加熱領域
４ａ：冷却領域
４ｂ：亀裂先端
５ｂ：スクライブ亀裂
６：ステージ
１０：第１のレーザー発振装置（加熱手段）
１１：赤外線レーザー光（第１のレーザー光）
１２：ビームエキスパンダー
１３：赤外線用ミラー
１４：シリンドリカルレンズ
２０：第２のレーザー発振装置（再加熱手段）
２１：赤外線レーザー光（第２のレーザー光）
２２：ビームエキスパンダー
２３：赤外線用ミラー
２４：シリンドリカルレンズ
３０：冷却手段
３５：冷却媒体
【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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