(57)【要約】【課題】  切断しようとする脆性材料板（ガラス、セラミック、水晶、結晶系シリコン等）をレーザを用いて切断する際、その切断面が鏡のように滑らかな切り口となるような切断方法及び切断装置を提供する。【解決手段】  １．脆性材料の切断位置をレーザにて照射、加熱して圧縮応力を生成させ直ちに冷媒剤を吹き付けて引っ張り応力を生成させる。この２つの応力の作用にて発生したストレスが脆性材料を切断位置にて切断する。  ２．前項にて使用するレーザは、レーザ発振器より照射目的のレーザ照射点までの不可視レーザ光路に、別途発振した可視光線を重畳してレーザ光路を可視レーザ光路に擬装する。レーザ光路にレーザの遮断機能を持つシャッタ及び方向選定をする反射鏡を挿入し、更にレーザ照射点を照射するレーザの強弱等の諸元を調整する３個のレンズ装置を挿入する。【選択図】図１
2008272832.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
切断しようとする脆性材料基板（１１）の表面に罫書いた切断予定線（７）の始点（２４）に超硬度の刃物等で瑕疵点を設け、これをレーザ照射点（６）としてレーザを照射し、溶融点以下の範囲内で加熱して圧縮応力を発生させた直後に、冷却剤ノズル（８）より冷却剤を吹き付けて冷却すれば引っ張り応力が発生して、レーザ照射点（６）内部にクラックが生成する。切断予定線（７）上にレーザ照射を行いながら脆性材料基板（１１）を走査方向に走査させ脆性材料基板（１１）を切断予定線（７）にて切断することを特徴とするレーザによる脆性材料の切断方法及び切断装置。
【請求項２】
レーザ発振器（１）より発振したレーザを、脆性材料基板（１１）上のレーザ照射点（６）に到達するまでの光束をレーザ光路（２）と呼び、レーザの諸元を修正することに効果的なレーザ光路（２）の中間地点複数箇所に、次ぎに列記する装置を挿入或いは干渉させる。
１．前記レーザ光路（２）の先頭部分にレーザ結合器（３）を挿入しＣＯ２レーザである不可視レーザ光路（２）へ、別に発振した可視レーザ（１０）を重畳させて可視レーザ光路（２）（以下、レーザ光路（２）とする。）に擬装する。
２．レーザ光路（２）が目標のレーザ照射点（６）を照射する、しないのスイッチ機能を持ったシャッタ（４）を、レーザ光路（２）の中間部分に干渉し、レーザ光路（２）がシャッタ（４）を透過してレーザ照射点（６）を照射する状態をＯＮ、シャッタ（４）にて遮断しレーザ照射点（６）を照射しない状態をＯＦＦとし、ＯＦＦの状態のレーザ光路（２）は照射方向を変更してパワーメータ（１２）へ誘導し保持する。
３．レーザ光路（２）が正確にレーザ照射点（６）を照射する方向を指向するため、広範囲に反射方向を変更可能な反射鏡を、挿入地点位置の状況からコーナミラー（５）と称してレーザ光路（２）の適宜な中間部分に挿入する。
４．レーザ照射点（６）を照射するレーザの諸元を設定調整するため、レンズ装置３個をレーザ照射点（６）に接近する位置に設置し、設定調整を行った後のレーザ光路（２）には他所からのいかなる干渉、妨害をも寄せ付けない防護をする。
前記１．２．３．４の諸装置及びレーザを用いてレーザ光路（２）を構成することを特徴とする請求項１記載の脆性材料の切断方法及び切断装置。
【請求項３】
レーザ光路（２）に設置してレーザの諸元を変更調整するレンズ装置３個は、
１．照射するレーザの拡大縮小を拡大縮小調整レンズ（１３）にて操作し、
２．照射するレーザの長さ調整を長さ調整レンズ（１４）にて操作し、
３．照射するレーザの幅調整を幅調整レンズ（１５）にて操作する。
上記３個のレンズ装置は、レーザ光路（２）照射中においても操作可能な構造とし、該レーザの照射形状（大きさ、幅、長さ）、照射量、照射温度等の諸元の調整に際してもレーザ光路（２）を遮断することなく、図２における（ハ）形状のレーザを成形することを特徴とする請求項１記載の脆性材料の切断方法及び切断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、脆性材料（ガラス、セラミック、水晶、結晶系シリコン等。）の切断方法及び切断装置に関し、詳しくは、ガスレーザのうち特にＣＯ２レーザ（以下、レーザとする。）を用いて、脆性材料基板の切断面をより緻密な平滑面とすることを目的とした脆性材料の切断方法及び切断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  従来、脆性材料基板を切断する方法としては、脆性材料基板の表面に切断予定線を罫書き、この始点にダイヤモンド等の超硬度の刃物等を使用して機械的に瑕疵点を設ける。脆性材料基板を切断線の走査方向に走査させながら、レーザを照射して加熱、更に冷媒による冷却を行って切断予定線上に亀裂を入れて切断する方法が普遍的に実施されているが、次のような欠点があった。
▲１▼カレットと言われる微細な切り屑が発生する。
▲２▼切断面に機械的な応力が残留しているため、外力や熱サイクルに弱く割れやすい。
▲３▼加熱による溶融または冷却による破損が起き易い。
特に上記▲１▼のような欠点のために切断工程後、脆性材料基板の端面を研磨する仕上げ作業を行ったり、この研磨により発生するカレットを洗浄する洗浄工程や、更に端面の面取り工程等が必要となって多大の労力並びに時間が費やされ、一連の切断工程に附随する工程が多種類必要になるなど非能率であった。【０００３】  前述のカレットの発生を、防止或いは発生させないための技術が先願文献として開示されているが、その一例として（特開２００２−６０２３４）の技術を開示してみるに、脆性材料基板の切断予定線に沿って表裏に保護フィルムを貼着し、該保護フィルムとともに脆性材料基板を切断したとき発生するカレットの飛散を該保護フィルムが防止するに過ぎない技術内容であって、この実施例はカレット発生の防止と次元の異なった技術のものである。【０００４】  さらに、脆性材料基板の切断によって発生する欠陥を解消する手段として、該分野における背景技術はレーザを用いる切断方法の展開へと進展し、脆性材料基板の切断時のクラック深さを制御して切断面精度を向上させ、更に低いレーザ出力を期待することを特徴とする装置（特開２００７−３１４４１４）。
また、透明及び半透明の脆性材料基板の切断にも使用される。例えば、一方向に移動するガラス板に対してレーザ光を照射して加熱し、その加熱部分の下流側（加熱部分が通過した跡）においてノズルを用いて冷媒を吹き付け急速冷却することでガラス板を切断するガラス切断装置。（特開２０００−２３３９３６）。（特開２００５−３０５４６２）。【０００５】  また、脆性材料基板の切断には、ダイヤモンド工具の刃先角度や力の加え方などに熟練度が必要とされるため特に脆いものについては、切断予定線を罫書き、赤外線レーザを用いて軟化点以下の温度にて表面を加熱し、該レーザ光を相対的に移動させてクラックを成生して切断する方法が開発されている。（特表平８−５０９９４７）。【０００６】  前記にレーザを用いた脆性材料基板の切断方法及び切断装置を列挙したが、現在該分野において使用するレーザは、殆どのものが次の如き形態で脆性材料基板のレーザ照射点に照射し脆性材料基板の切断に供している。【０００７】  前段落（０００６）のレーザを図２、図３にて説明すれば、レーザ発振器より照射されたレーザを脆性材料基板表面に一点のみ設けたレーザ照射点（図２の（イ））に照射すれば、照射熱量が過大となって脆性材料基板の表面が溶融する現象が生ずる。この現象を解消するためレーザを分光器（１９）によって分光し、レーザ照射点への照射を複数カ所に分光し、図２の（ロ）に示すようなレーザ照射点列を発生させる。（図例では５個のレーザ照射点列。）以降、本発明では使用しないが本発明を理解するための一助として分光器（１９）内部における機能を説明する。【０００８】  図３にて分光器（１９）の内部を示し、その構成と機能をみて前述のレーザ照射点（図３においてはｃ１．ｃ２．ｃ３．ｃ４．ｃ５）への照射量不均一、レーザ照射点のサイズ不統一が発生する原因を説明する。
レーザ（２）は分光器（１９）の切り欠き部（２２）から傾斜した入射角（α）をもって分光器（１９）内部に射入する。レーザ（２）が最初に衝突するポイントは、塗布膜等で透過率を５０％に設定した平板（２０）の第一ポイント（ａ１）である。該ポイント（ａ１）に衝突したレーザ（２）の５０％は透過直進してレーザ照射点列（２３）のレーザ照射点（ｃ１）を照射する。一方、第一ポイント（ａ１）にて反射したレーザ（２）の残５０％のレーザ（２）は入射角と４５°の角度をもった出射角で、平板（２０）に平行に設けられた全反射板（２１）の第一全反射点（ｄ１）へ直進し全反射する。第一全反射点（ｄ１）に到達したレーザ（２）は、第一ポイント（ａ１）にて約５０％の照射量に減衰し、第一全反射点ポイント（ｄ１）の入射角（α）に対称の出射角にて反射し、平板（２０）の第二ポイント（ａ２）に直進する。この第二ポイント（ａ２）では、前出の第一ポイント（ａ１）における現象と同様に、レーザ（２）の透過量及び反射量がそれぞれ約５０％の配分状態となり、透過するレーザ（２）は平板（２０）を透過してレーザ照射点列（２３）のレーザ照射点（ｃ２）を照射する。反射する５０％のレーザ（２）は全反射板（２１）の第二全反射点（ｄ２）へ直進し全反射して第三ポイント（ａ３）を照射する。以降、レーザ照射点（ｃ５）に至るまで同様に透過及び反射の繰り返しとなって、図１の切断予定線（７）上及び図２の（ロ）に示すように、脆性材料基板（１１）に、レーザ照射点（ｃ１）からレーザ照射点（ｃ５）まで５個のレーザ照射点の列ができる。しかし、脆性材料基板（１１）に照射されるレーザ照射点（ｃ１）からレーザ照射点（ｃ５）までのレーザ個々は、上述の如き方法にて構成されるため、そのサイズ及び照射量が一定ではあり得ない。一定化への調整技術は困難であり、最適な切断技術は開発途上である。
【発明の開示】
【発明が解決しょうとする課題】
【０００９】  背景技術にて列挙した従来技術においては、図２において（イ）として表示したような一点のみへのレーザ照射をすれば照射量が過大になり、対象脆性材料の表面溶解が生ずる。このため同図２における（ロ）表示のようにレーザを複数本に分光し照射すれば、レーザの全照射量を複数のレーザ照射点（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５）に分光することによってレーザ照射点一カ所あたりの照射量が過大にならず表面溶解が生ずる不都合を解消するばかりでなく切断精度が向上する。このため現時点では５点照射とする切断方法及び切断装置が開発され、現在主流として多用されている。しかし、各レーザ照射点への照射量の適正化及びレーザ照射点のサイズの均一化が制御できず、調整に困難を来しているのが現状である。脆性材料を切断して高緻密な切断面を精製する結果を得るには、切断方法が従来の方法（溶融または蒸発）及びこの方法による装置を使用している限り不可能である。本発明は、このような欠陥を取り除き脆性材料の切断面を、高精度で緻密な平滑面に仕上げるための切断方法及び切断装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】    図１により解決手段の実施例を説明すれば、
切断しようとする脆性材料基板（１１）の表面に罫書いた切断予定線（７）の始点（２４）に超硬度の刃物等で瑕疵点を設けこれをレーザ照射点（６）としてレーザを照射し、溶融点以下の範囲内で加熱して圧縮応力を発生させた直後に、冷却剤ノズル（８）より冷却剤を吹き付けて冷却すれば圧縮応力と逆の引っ張り応力が発生する。この２つの応力の作用によってレーザ照射点（６）内部にクラックが生成され、切断予定線（７）上にレーザ照射を行いながら脆性材料基板（１１）を走査方向に走査させれば脆性材料基板（１１）を切断予定線（７）にて切断することができる。
【００１１】  本発明の、課題を解決するためには更に（その２の解決手段として）、図１にて示すようにレーザ（２）の照射光路（レーザ（２）がレーザ発振器（１）より発信されて、脆性材料基板（１１）に設けられたレーザ照射点（６）に到達するまでの直進する路を指し、レーザ光路（２）とする。）の中間地点部分に、レーザ（２）の特性を利用、応用或いはこれらを組み合わせることによって、レーザ（２）の照射諸元を変化させる目的で、以下に述べるような部品の挿入、或いは構成を行う。
【００１２】  図１においてレーザ発振器（１）より発振されたレーザ（２）は、不可視レーザであるためレーザ光路（２）に諸装置を介入し操作することが困難である。このためレーザ光路（２）にレーザ結合器（３）を挿入し、別に発生させた可視レーザ（１０）を該レーザ結合器（３）にて重畳させ、本来ならば不可視レーザ光路（２）であるものを可視レーザ光路（２）に擬装させる。
【００１３】  シャッタ（４）の目的は、可視レーザ光路（２）の目標であるレーザ照射点（６）をレーザ（２）が照射する（ＯＮ）、照射しない（ＯＦＦ）のスイッチ操作を行うものである。レーザ照射点（６）上での照射が不必要な場合はシャッタ（４）にて遮断し、不透過状態（Ｏｆｆ状態）となった可視レーザ光路（２）は、パワーメータ（１２）へ導入され、保留状態となる。可視レーザ（２）に照射されるパワーメータ（１２）のセンサ部は加熱され不具合が発生する。これを解消するため、水冷式のパワーメータ（１２）を採用し加熱を制御する。レーザ照射点（６）において照射が必要であれば可視レーザ光路（２）を目的のレーザ照射点（６）に送るため接続（ＯＮ状態）とする。
【００１４】  可視レーザ光路（２）は狭隘な装置内の空間を選んで照射方向を定めなければならないが、狭隘な装置内の空間を選んで可視レーザ光路（２）の方向設定は限られた空間状況の中では条件的に困難である。このため広範囲な角度に方向変換が可能な反射鏡であるコーナーミラー（５）を設置し、可視レーザ光路（２）の反射方向が支障のない空間を選べるよう設定する。
【００１５】  コーナーミラー（５）表面にて反射するレーザ光路（２）の反射方向は、コーナーミラー（５）の方向変換操作によって広範囲な角度に反射することが可能である。図１の例示においてはレーザ光路（２）の照射方向が脆性材料基板（１１）上のレーザ照射点（６）を指向している。図１はレーザ発振器（１）より発振されたレーザ（２）が、コーナミラー（５）によって反射され、脆性材料基板（１１）上のレーザ照射点（６）を照射して切断工程を実施する一連のレーザ（２）光路を概念的に図示したものである。
【００１６】  詳しくは、レーザ発振器（１）より照射されたレーザ（２）は、波長１０．６μｍのビームであって非可視光レーザである。従ってレーザ（２）の照射点を始めその光路をも感知することができない。この欠陥を解消するため、レーザ光源（９）より可視光レーザ（１０）を放射し、レーザ結合器（３）を介してレーザ光路（２）に重畳させる。以降レーザ（２）は可視光レーザとして、レーザ（２）の操作及び加工に効果的な形状となる。レーザ結合器（３）はこのように非可視レーザであるレーザ（２）を可視レーザと見なすことができるように、擬製する機能を持つものである。
【００１７】  本発明は、前述した分光器（１９）を使用しないため、図２の（ロ）のようなレーザ照射点（６）を複数個に分光して照射する方式は採らない。同図のように各照射点を照射する照射レーザの大きさ不揃いや、照射量の過大または過小などの現象は、脆性材料基板（１１）の切断面に平滑性が期待できず従来の切断技術と同様のレベルとなるからである。
【００１８】  本発明の照射法としては、図２の（ハ）のような形態のレーザをレーザ照射点（６）に照射しなければならない。このようなレーザ形態とするためには、コーナミラー（５）を反射した後レーザ照射点（６）にもっとも近いレーザ光路（２）の中間地点位置に、レーザ照射点（６）を照射するレーザ形態の諸元を最良の条件とするため、レーザ拡大縮小レンズ（１３）、長さ調整レンズ（１４）、幅調整レンズ（１５）の３個のレンズ装置を設ける。
【００１９】  上述の３個のレンズ装置を操作して、照射するレーザ（２）の成形、照射量、幅、長さ等の諸元を調整すれば、従来の切断方法である溶融、蒸発、外力による切断面と異なった内部応力を利用した切断面が形成される。
【発明の効果】
【００２０】  従来のダイヤモンド加工における切断工程及びレーザの１点照射切断並びに分光照射切断と比較すれば、本発明による脆性材料基板の切断面は緻密な平滑面として完璧に近い仕上げ状態となるため、切断面のカレット処理工程、面取り工程、洗浄工程、乾燥工程等が不必要となり、少なくとも４工程は不用となって、装置部品の省略化及び全切断工程時間の短縮を図ることが可能となる。
【００２１】  従来から実施されている一般的なレーザによる脆性材料基板の切断手法では、レーザによる加熱で脆性材料基板表面が溶融し、これを冷却すれば溶融部分が劣化し脆性材料基板としての素質が損なわれる。本発明はレーザの形成方法が従来のものと異なり、脆性材料基板内部の圧縮応力、引っ張り応力によるストレスによってクラックが自然発生して切断されるため脆性材料基板は劣化しない。
【００２２】  脆性材料基板の切断面に機械的な応力が残留しないため、外力や熱サイクルに対して強く容易に破損しない。
【００２３】  レーザ拡大縮小レンズ、長さ調整レンズ、幅調整レンズは手動による可動構造のため、レーザ照射中であっても調整操作が可能である。
【発明を実施する他の実施例】
【００２４】前述までの実施例においては、切断対象の脆性材料は基板を対象としてその実施例を述べてきたが、切断対象は脆性材料基板ばかりでなく水晶等の鋳塊をワイヤ及び本発明のレーザにて切断・研磨等の工程を重ねて極小の部材を生成し、水晶発振器又は水晶振動子の基材とする実施例もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】      切断方法及び切断装置の概念図
【図２】      レーザ照射点の形態説明図
【図３】      分光器の原理図
【符号の説明】
１      レーザ発振器
２      レーザ及びレーザ光路
３      レーザ結合器
４      シャッタ
５      コーナミラー
６      レーザ照射点
７      切断予定線
８      冷却剤ノズル
９      可視レーザ光源
１０      可視光レーザ
１１      脆性材料基板
１２      パワーメータ
１３      拡大縮小調整レンズ
１４      長さ調整レンズ
１５      幅調整レンズ
１６      ダイヤモンドチップ
１７      クラック
１８      テーブル
１９      分光器
２０      平板
２１      全反射板
２２      切り欠き部
２３      レーザ照射点列
２４      切断予定線始点
２５      切断予定線終点
（イ）    一点レーザ照射点
（ロ）    五点レーザ照射点
（ハ）    本発明のレーザ照射点
ａ１      レーザが平板にて反射し透過する第一ポイント
ａ２      レーザが平板にて反射し透過する第二ポイント
ａ３      レーザが平板にて反射し透過する第二ポイント
ａ４      レーザが平板にて反射し透過する第四ポイント
ａ５      レーザが平板にて反射し透過する第五ポイント
ｂ１      第一ポイントにて反射するレーザ
ｂ２      第二ポイントにて反射するレーザ
ｂ３      第三ポイントにて反射するレーザ
ｂ４      第四ポイントにて反射するレーザ
ｃ１      レーザ照射点
ｃ２      レーザ照射点
ｃ３      レーザ照射点
ｃ４      レーザ照射点
ｃ５      レーザ照射点
ｄ１      第一反射点
ｄ２      第二反射点
ｄ３      第三反射点
ｄ４      第四反射点
【図１】
2008272832.tif 000003
【図２】
2008272832.tif 000004
【図３】
2008272832.tif 000005