(57)【要約】【課題】脆性材料の高品位でかつ高速な割断加工を実現することができる、脆性材料の割断加工システム及びその方法を提供する。【解決手段】割断加工システム１は、被加工基板３０にレーザビームＬＢを照射して被加工基板３０を局部的に加熱するレーザ発振器１１と、レーザ発振器１１により被加工基板３０上で局部的に加熱が行われた領域へ向けて冷却剤Ｃを噴射して当該領域を局部的に冷却する冷却ユニット１２と、レーザ発振器１１及び冷却ユニット１２に対して被加工基板３０を相対的に移動させる加工ステージ２０とを備えている。加工ステージ２０上には、被加工基板３０の両側端部を支持する載置ブロック２１，２２と、被加工基板３０のうちレーザ発振器１１及び冷却ユニット１２により加熱及び冷却が行われる表面３０ａと反対側の裏面３０ｂに接触するように設置されたヒータ（温度制御要素）２３とが設けられている。【選択図】図１
2005263578.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
脆性材料からなる被加工基板を局部的に加熱及び冷却し、その際に生じる熱応力によって当該被加工基板に亀裂を生じさせて割断加工を行う割断加工システムにおいて、
被加工基板を局部的に加熱する加熱装置と、
前記加熱装置により前記被加工基板上で局部的に加熱が行われた領域を局部的に冷却する冷却装置と、
前記加熱装置及び前記冷却装置に対して前記被加工基板を相対的に移動させ、前記被加工基板上で局部的に加熱及び冷却が行われる領域を割断予定線に沿って移動させる移動装置と、
前記被加工基板のうち前記加熱装置及び前記冷却装置により加熱及び冷却が行われる表面と反対側の裏面に接触するように設置された温度制御要素とを備え、
前記温度制御要素は前記被加工基板の前記裏面のうち前記割断予定線の近傍のみの温度を制御するように前記割断予定線に沿って線状に延びていることを特徴とする割断加工システム。
【請求項２】
前記温度制御要素は前記被加工基板の前記裏面を加熱するヒータを含むことを特徴とする、請求項１に記載の割断加工システム。
【請求項３】
脆性材料からなる被加工基板を局部的に加熱及び冷却し、その際に生じる熱応力によって当該被加工基板に亀裂を生じさせて割断加工を行う割断加工システムにおいて、
被加工基板を局部的に加熱する加熱装置と、
前記加熱装置により前記被加工基板上で局部的に加熱が行われた領域を局部的に冷却する冷却装置と、
前記加熱装置及び前記冷却装置に対して前記被加工基板を相対的に移動させ、前記被加工基板上で局部的に加熱及び冷却が行われる領域を割断予定線に沿って移動させる移動装置と、
前記被加工基板のうち前記加熱装置及び前記冷却装置により加熱及び冷却が行われる表面と反対側の裏面に接触するように設置された温度制御要素とを備え、
前記温度制御要素は前記被加工基板の前記裏面からの放熱を防止する断熱性部材を含むことを特徴とする割断加工システム。
【請求項４】
脆性材料からなる被加工基板を局部的に加熱及び冷却し、その際に生じる熱応力によって当該被加工基板に亀裂を生じさせて割断加工を行う割断加工方法において、
割断加工の対象となる被加工基板を準備する準備工程と、
前記被加工基板を局部的に加熱及び冷却しつつ、当該被加工基板上で局部的に加熱及び冷却が行われる領域を割断予定線に沿って移動させる割断工程とを含み、
前記割断工程において、前記被加工基板のうち前記加熱装置及び前記冷却装置により加熱及び冷却が行われる表面と反対側の裏面のうち前記割断予定線の近傍のみの温度を制御することを特徴とする割断加工方法。
【請求項５】
前記割断工程において、前記被加工基板の前記裏面を加熱することにより当該裏面の温度を制御することを特徴とする、請求項４に記載の割断加工方法。
【請求項６】
脆性材料からなる被加工基板を局部的に加熱及び冷却し、その際に生じる熱応力によって当該被加工基板に亀裂を生じさせて割断加工を行う割断加工方法において、
割断加工の対象となる被加工基板を準備する準備工程と、
前記被加工基板を局部的に加熱及び冷却しつつ、当該被加工基板上で局部的に加熱及び冷却が行われる領域を割断予定線に沿って移動させる割断工程とを含み、
前記割断工程において、前記被加工基板のうち前記加熱装置及び前記冷却装置により加熱及び冷却が行われる表面と反対側の裏面からの放熱を防止することにより当該裏面の温度を制御することを特徴とする割断加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脆性材料（硬く脆い材料）からなる被加工基板を局部的に加熱及び冷却し、その際に生じる熱応力（引張応力）によって当該被加工基板に亀裂を生じさせて割断加工を行う割断加工システム及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、液晶ディスプレイパネルやプラズマディスプレイパネルなどに用いられるガラス基板などを割断する方法として、ガラス基板などからなる被加工基板を局部的に加熱及び冷却し、その際に生じる熱応力（引張応力）によって当該被加工基板に亀裂を生じさせて割断加工を行う方法が提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
このような従来の方法では例えば、金属製の加工テーブルなどの上に載置された被加工基板に対してレーザビームを照射することにより被加工基板を局部的に加熱し、この局部的に加熱が行われた領域に生じる熱応力（引張応力）によって被加工基板に亀裂を生じさせる。また、このようにして被加工基板上で局部的に加熱が行われた領域を割断予定線に沿って移動させることにより、被加工基板に生じた亀裂を割断予定線に沿って進展させる。この場合、被加工基板のうち局部的に加熱が行われた領域を局部的に冷却すると、当該領域に生じる熱応力（引張応力）をより増大させることが可能となり、亀裂の進展を促進することができる。
【特許文献１】特開２００３−３４５４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した従来の方法では、割断加工の対象となる被加工基板が金属性の加工テーブルなどの上に載置されているので、被加工基板の裏面からの放熱により割断加工中に被加工基板の表面に与えられた熱が内部及び裏面まで十分に伝わらず、被加工基板の表面に比べて内部及び裏面での熱応力（引張応力）が弱くなってしまう。このため、被加工基板を表面から裏面まで完全に割断する全割断（Full Body Crack）を行うことが困難となり、特に割断加工の速度が高速になり被加工基板の単位面積あたりに投入される熱エネルギーが小さくなった場合には、全割断ではなく被加工基板の表面のみを割断する表面割断（Micro Crack）になってしまうという問題がある。
【０００５】
本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、脆性材料の高品位でかつ高速な割断加工を実現することができる、脆性材料の割断加工システム及びその方法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】
【０００６】
本発明は、第１の解決手段として、脆性材料からなる被加工基板を局部的に加熱及び冷却し、その際に生じる熱応力によって当該被加工基板に亀裂を生じさせて割断加工を行う割断加工システムにおいて、被加工基板を局部的に加熱する加熱装置と、前記加熱装置により前記被加工基板上で局部的に加熱が行われた領域を局部的に冷却する冷却装置と、前記加熱装置及び前記冷却装置に対して前記被加工基板を相対的に移動させ、前記被加工基板上で局部的に加熱及び冷却が行われる領域を割断予定線に沿って移動させる移動装置と、前記被加工基板のうち前記加熱装置及び前記冷却装置により加熱及び冷却が行われる表面と反対側の裏面に接触するように設置され、前記被加工基板の前記裏面の温度が前記被加工基板の前記表面の温度に近付くように当該裏面の温度を制御する温度制御要素とを備え、前記温度制御要素は前記被加工基板の前記裏面のうち前記割断予定線の近傍のみの温度を制御するように前記割断予定線に沿って線状に延びていることを特徴とする割断加工システムを提供する。
【０００７】
なお、上述した本発明の第１の解決手段において、前記温度制御要素は前記被加工基板の前記裏面を加熱するヒータを含むことが好ましい。
【０００８】
本発明は、第２の解決手段として、脆性材料からなる被加工基板を局部的に加熱及び冷却し、その際に生じる熱応力によって当該被加工基板に亀裂を生じさせて割断加工を行う割断加工システムにおいて、被加工基板を局部的に加熱する加熱装置と、前記加熱装置により前記被加工基板上で局部的に加熱が行われた領域を局部的に冷却する冷却装置と、前記加熱装置及び前記冷却装置に対して前記被加工基板を相対的に移動させ、前記被加工基板上で局部的に加熱及び冷却が行われる領域を割断予定線に沿って移動させる移動装置と、前記被加工基板のうち前記加熱装置及び前記冷却装置により加熱及び冷却が行われる表面と反対側の裏面に接触するように設置された温度制御要素とを備え、前記温度制御要素は前記被加工基板の前記裏面からの放熱を防止する断熱性部材を含むことを特徴とする割断加工システムを提供する。
【０００９】
本発明は、第３の解決手段として、脆性材料からなる被加工基板を局部的に加熱及び冷却し、その際に生じる熱応力によって当該被加工基板に亀裂を生じさせて割断加工を行う割断加工方法において、割断加工の対象となる被加工基板を準備する準備工程と、前記被加工基板を局部的に加熱及び冷却しつつ、当該被加工基板上で局部的に加熱及び冷却が行われる領域を割断予定線に沿って移動させる割断工程とを含み、前記割断工程において、前記被加工基板のうち前記加熱装置及び前記冷却装置により加熱及び冷却が行われる表面と反対側の裏面のうち前記割断予定線の近傍のみの温度を制御することを特徴とする割断加工方法を提供する。
【００１０】
なお、上述した本発明の第３の解決手段においては、前記割断工程において、前記被加工基板の前記裏面を加熱することにより当該裏面の温度を制御することが好ましい。
【００１１】
本発明は、第４の解決手段として、脆性材料からなる被加工基板を局部的に加熱及び冷却し、その際に生じる熱応力によって当該被加工基板に亀裂を生じさせて割断加工を行う割断加工方法において、割断加工の対象となる被加工基板を準備する準備工程と、前記被加工基板を局部的に加熱及び冷却しつつ、当該被加工基板上で局部的に加熱及び冷却が行われる領域を割断予定線に沿って移動させる割断工程とを含み、前記割断工程において、前記被加工基板のうち前記加熱装置及び前記冷却装置により加熱及び冷却が行われる表面と反対側の裏面からの放熱を防止することにより当該裏面の温度を制御することを特徴とする割断加工方法を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、割断加工の対象となる被加工基板の裏面側に温度制御要素を設置し、被加工基板の裏面の温度が被加工基板の表面の温度に近付くように当該裏面の温度を制御しているので、被加工基板の表面だけでなく内部及び裏面にも十分な熱応力（引張応力）を与えることができる。このため、割断加工の速度（亀裂の進展速度）が高速になった場合でも、被加工基板を表面から裏面まで完全に割断する全割断を行うことができ、脆性材料の高品位でかつ高速な割断加工を実現することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００１４】
まず、図１により、本発明の一実施の形態に係る割断加工システムの全体構成について説明する。
【００１５】
図１に示すように、割断加工システム１は、ガラスなどの脆性材料からなる被加工基板３０を局部的に加熱及び冷却し、その際に生じる熱応力（引張応力）によって被加工基板３０に亀裂３２を生じさせて割断加工を行うものであり、被加工基板３０にレーザビームＬＢを照射して被加工基板３０を局部的に加熱するレーザ発振器（加熱装置）１１と、レーザ発振器１１により被加工基板３０上で局部的に加熱が行われた領域へ向けて冷却剤Ｃを噴射して当該領域を局部的に冷却する冷却ユニット（冷却装置）１２と、レーザ発振器１１及び冷却ユニット１２に対して被加工基板３０を相対的に移動させる加工ステージ（移動装置）２０とを備えている。
【００１６】
このうち、冷却ユニット１２は、レーザ発振器１１から所定の距離（例えば数１０ｍｍ程度）だけ離間した位置に配置されており、冷却ユニット本体１３と、冷却ユニット本体１３から供給された冷却剤Ｃを被加工基板３０上で局部的に加熱が行われた領域へ向けて噴射する冷却ノズル１４とを有している。なお、冷却ノズル１４により噴射される冷却剤Ｃは、流動性のあるものであれば液体でも気体でも固体の集合物でもよく、例えば水やアルコールなどの液体（霧状のものを含む）、水蒸気などの気体、二酸化炭素粒子（ドライアイス）などの微粒子固体の集合物を用いることができる。
【００１７】
また、加工ステージ２０上には、被加工基板３０の両側端部を支持する載置ブロック２１，２２と、被加工基板３０のうちレーザ発振器１１及び冷却ユニット１２により加熱及び冷却が行われる表面３０ａと反対側の裏面３０ｂに接触するように設置されたヒータ（温度制御要素）２３とが設けられている。ここで、ヒータ２３は、被加工基板３０の裏面３０ｂを加熱するものであり、これにより、被加工基板３０の裏面３０ｂの温度が被加工基板３０の表面３０ａの温度に近付くように裏面３０ｂの温度を制御して、被加工基板３０の表面３０ａだけでなく裏面３０ｂの引張応力を大きくすることができるようになっている。また、ヒータ２３は、割断予定線３１の近傍のみの温度を制御するように被加工基板３０の裏面３０ｂのうち割断予定線３１に沿って線状に延びている。なお、ヒータ２３としては、ニクロム線などを用いたヒータや、温風ヒータなどを用いることができる。
【００１８】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。
【００１９】
まず、割断加工の対象となる被加工基板３０を加工ステージ２０上に設置された載置ブロック２１，２２上に載置する。このとき、被加工基板３０の裏面３０ｂのうち割断予定線３１に対応する部分がヒータ２３に接触するように位置決めされる。これにより、被加工基板３０の裏面３０ｂのうち割断予定線３１に対応する部分がヒータ２３により所定の温度（５０〜４００℃程度）で加熱される。
【００２０】
次に、加工ステージ２０により被加工基板３０を移動させ、被加工基板３０の割断予定線３１の上方にレーザ発振器１１及び冷却ユニット１２を位置付ける。なお、レーザ発振器１１及び冷却ユニット１２は、被加工基板３０の割断予定線３１の上方に位置付けられたときに割断予定線３１に沿って適切な間隔で配置されるように予めアライメント調整が行われている。
【００２１】
この状態で、加工ステージ２０によりレーザ発振器１１及び冷却ユニット１２に対して被加工基板３０を相対的に移動させると、レーザ発振器１１から出射されたレーザビームＬＢにより被加工基板３０上で局部的に加熱が行われる領域（レーザビームＬＢの照射スポット３３に対応する領域）及び冷却ユニット１２から噴射された冷却剤Ｃにより被加工基板３０上で局部的に冷却が行われる領域（冷却剤Ｃの噴射スポット３４に対応する領域）が割断予定線３１に沿ってこの順番で相対的に移動する。
【００２２】
具体的には、まず、被加工基板３０上で割断予定線３１に沿ってレーザ発振器１１が相対的に移動し、レーザ発振器１１から出射されたレーザビームＬＢにより被加工基板３０を局部的に加熱する。これにより、被加工基板３０のうちレーザビームＬＢの照射スポット３３に対応する領域に熱応力（引張応力）が順次加えられる。
【００２３】
次に、レーザ発振器１１に続いて被加工基板３０上で割断予定線３１に沿って冷却ユニット１２が相対的に移動し、レーザ発振器１１により被加工基板３０上で局部的に加熱が行われた領域へ向けて冷却剤Ｃを噴射して当該領域を局部的に冷却する。これにより、被加工基板３０のうち冷却剤Ｃの噴射スポット３４に対応する領域に熱応力（引張応力）が加えられ、レーザ発振器１１による加熱により発生した熱応力（引張応力）と重ね合わされる。
【００２４】
以上のようにして、被加工基板３０上で割断予定線３１に沿ってレーザ発振器１１による加熱及び冷却ユニット１２による冷却が順次行われると、被加工基板３０に対する加熱により発生した熱応力（引張応力）と被加工基板３０に対する冷却により発生した熱応力（引張応力）とによって亀裂３２が形成され、かつ、レーザ発振器１１及び冷却ユニット１２が被加工基板３０上で割断予定線３１に沿って相対的に移動することに伴って割断予定線３１に沿って亀裂３２が進展する。なおこのとき、被加工基板３０の裏面３０ｂのうち割断予定線３１に対応する部分はヒータ２３により加熱されており、被加工基板３０の裏面３０ｂの温度が被加工基板３０の表面３０ａの温度に近付くように当該裏面３０ｂの温度が制御されている。
【００２５】
このように本実施の形態によれば、割断加工の対象となる被加工基板３０の裏面３０ｂ側にヒータ２３を設置し、被加工基板３０の裏面３０ａのうち割断予定線３１に対応する部分を加熱することにより、被加工基板３０の裏面３０ｂの温度が被加工基板３０の表面３０ａの温度に近付くように当該裏面３０ｂの温度を制御しているので、被加工基板３０の表面３０ａだけでなく内部及び裏面３０ｂにも十分な熱応力（引張応力）を与えることができる。このため、割断加工の速度（亀裂３２の進展速度）が高速になった場合でも、被加工基板３０を表面３０ａから裏面３０ｂまで完全に割断する全割断を行うことができ、脆性材料の高品位でかつ高速な割断加工を実現することができる。
【００２６】
なお、上述した実施の形態においては、被加工基板３０の裏面３０ｂの温度を制御する温度制御要素として、被加工基板３０の裏面３０ｂを加熱するヒータ２３を設置しているが、これに限らず、図２に示すように、被加工基板３０の裏面３０ｂ側に樹脂やガラスなどの断熱性の材料（低熱伝導率材料）からなる断熱性部材２４を設置し、被加工基板３０の裏面３０ｂからの放熱を防止するようにしてもよい。これによっても、被加工基板３０の裏面３０ｂの温度が被加工基板３０の表面３０ａの温度に近付くように裏面３０ｂの温度を制御することができ、被加工基板３０の表面３０ａだけでなく内部及び裏面３０ｂにも十分な熱応力（引張応力）を与えることができる。なお、図２に示す場合には、断熱性部材２４が被加工基板３０の裏面３０ｂの全面に亘って延びるようにしているが、これに限らず、図１に示す場合と同様に、割断予定線３１の近傍のみの温度を制御するように被加工基板３０の裏面３０ｂのうち割断予定線３１に沿って線状に延びるようにしてもよい。
【００２７】
ここで、図１及び図２に示す割断加工システムにより割断加工を行った場合の、被加工基板３０に生じる亀裂３２の先端部３２ａにおける熱応力（引張応力）の分布を図３に示す。図３は、(1)被加工基板３０の裏面３０ｂにヒータ２３を設置した場合（図１に示す場合）、(2)被加工基板３０の裏面３０ｂに断熱性部材２４を設置した場合（図２に示す場合）、(3)被加工基板３０を金属性の加工テーブル上に直接載置した従来方式の場合の３つの場合につき、被加工基板３０に生じる亀裂３２の先端部３２ａにおける熱応力（引張応力）を厚さ方向の位置に応じて計算（シミュレーション）した結果である。図３から明らかなように、上記(1)及び上記(2)のいずれの場合でも、従来方式の(3)の場合に比べて高い熱応力（引張応力）が得られることが分かる。
【００２８】
また、図４に、図１に示す割断加工システムにより割断加工を行った場合の、被加工基板３０に生じる亀裂３２の先端部における熱応力の時間変化を示す。図４は、(1)被加工基板３０（３０ｍｍ幅）の裏面３０ｂの一部（割断予定線３１に沿った１０ｍｍ幅）を線状のヒータ２３により加熱した場合、(2)被加工基板３０（３０ｍｍ幅）の裏面３０ｂの全面をヒータ等により加熱した場合につき、被加工基板３０に生じる亀裂３２の先端部３２ａに加えられる熱応力の時間変化を計算（シミュレーション）した結果である。図４から明らかなように、上記(1)及び上記(2)のいずれの場合でも、加えられる熱応力が、時間とともに圧縮応力（図面上の負の応力）から引張応力（図面上の正の応力）に転じていくが、上記(1)の場合のように被加工基板３０の裏面３０ｂを局部的に加熱した場合には、短時間で引張応力となり、上記(2)の場合に比べて、加熱の効果が大きい。また、上記(2)の場合には、被加工基板３０の裏面３０ｂの全面を加熱するので、ヒータ等で必要とされる電力も大きくなり、非効率であるという問題がある。さらに、上記(2)の場合には、時間の経過に伴って被加工基板３０の裏面３０ｂの全面の温度が均一になった場合に応力が生じなくなるという問題がある。
なお、上述した実施の形態においては、加工ステージ２０によりレーザ発振器１１及び冷却ユニット１２に対して被加工基板３０側を移動させることによりレーザ発振器１１及び冷却ユニット１２と被加工基板３０との間の相対的な移動を実現するようにしているが、これに限らず、レーザ発振器１１及び冷却ユニット１２側を移動させることによりレーザ発振器１１及び冷却ユニット１２と被加工基板３０との間の相対的な移動を実現するようにしてもよい。
【００２９】
また、上述した実施の形態においては、レーザ発振器１１により被加工基板３０にレーザビームＬＢを照射して被加工基板３０を局部的に加熱するようにしているが、加熱装置としては、被加工基板３０を加熱することができるものであれば、これに限らず、温風加熱手段などの任意の加熱手段を用いることができる。
【００３０】
さらに、上述した実施の形態においては、冷却ユニット１２によりレーザ発振器１１により被加工基板３０上で局部的に加熱が行われた領域へ向けて冷却剤Ｃを噴射して当該領域を局部的に冷却するようにしているが、被加工基板３０を冷却することができる方法であれば、これに限らず、低温の固体を接触させるなどの任意の冷却方法を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施の形態に係る割断加工システムの全体構成を示す斜視図。
【図２】本発明の他の実施の形態に係る割断加工システムの全体構成を示す斜視図。
【図３】図１及び図２に示す割断加工システムにより割断加工を行った場合の、被加工基板に生じる亀裂の先端部における熱応力（引張応力）の分布を示す図。
【図４】図１に示す割断加工システムにより割断加工を行った場合の、被加工基板に生じる亀裂の先端部に加えられる熱応力の時間変化を示す図。
【符号の説明】
【００３２】
１  割断加工システム
１１  レーザ発振器（加熱装置）
１２  冷却ユニット（冷却装置）
１３  冷却ユニット本体
１４  冷却ノズル
２０  加工ステージ（移動装置）
２１，２２  載置ブロック
２３  ヒータ（温度制御要素）
２４  断熱性部材（温度制御要素）
３０  被加工基板
３０ａ  表面
３０ｂ  裏面
３１  割断予定線
３２  亀裂
３２ａ  先端部
３３  レーザビームの照射スポット
３４  冷却剤の噴射スポット
ＬＢ  レーザビーム
Ｃ  冷却剤
【図１】
2005263578.tif 000003
【図２】
2005263578.tif 000004
【図３】
2005263578.tif 000005
【図４】
2005263578.tif 000006