(57)【要約】【課題】簡単な方法でありながらセラミックスやガラスなどの平板素材の切断に適した、レーザスクライビング方法及び割断用溝を有する平板素材を提供する。【解決手段】平板素材５の表面へレーザを走査し割断用溝を形成するレーザスクライビング方法であって、レーザビームの走査速度を局所的に遅くすることで溝の長さ方向に間隔をおいて局所的に深い部分Ｂを形成、割断用溝の浅い部分と深い部分とを含めた全体の長さをＬ１、深い部分の長さをＬ２としたときに、Ｌ２／Ｌ１が０．００５以上０．５以下の範囲とし、割断用溝の最も浅い部分の深さをｄ１、最も深い部分の深さをｄ２としたときに、ｄ２／ｄ１が１．５以上５．０以下の範囲とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板素材の表面へレーザビームを走査し割断用溝を形成するレーザスクライビング方法であって、レーザビームの走査速度を局所的に遅くすることで前記割断用溝の長さ方向に間隔をおいて局所的に深い部分を形成することを特徴とするレーザスクライビング方法。
【請求項２】
前記割断用溝の浅い部分と前記深い部分とを含めた全体の長さをＬ１、前記深い部分の長さをＬ２としたときに、Ｌ２／Ｌ１が０．０５以上０．５以下の範囲とし、前記割断用溝の最も浅い部分の深さをｄ１、最も深い部分の深さをｄ２としたときに、ｄ２／ｄ１が１．５以上５．０以下の範囲とすることを特徴とする請求項１記載のレーザスクライビング方法。
【請求項３】
前記割断用溝の浅い部分と前記深い部分とを含めた全体の長さをＬ１、前記深い部分の長さをＬ２としたときに、Ｌ２／Ｌ１が０．００５以上０．０５未満の範囲とし、前記割断用溝の最も浅い部分の深さをｄ１、最も深い部分の深さをｄ２としたときに、ｄ２／ｄ１が２．０以上５．０以下の範囲とすることを特徴とする請求項１記載のレーザスクライビング方法。
【請求項４】
前記Ｌ２／Ｌ１が０．０１以上０．５以下の範囲とし、前記ｄ２／ｄ１が２．０以上５．０以下の範囲とすることを特徴とする請求項２に記載のレーザスクライビング方法。
【請求項５】
前記平板素材の両面に前記割断用溝を形成する方法であって、前記深い部分の長さ方向の位置を両溝で一致させることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザスクライビング方法。
【請求項６】
片面に割断用溝が形成され、前記割断用溝の長さ方向に間隔をおいて局所的に深い部分を有することを特徴とする割断用溝を有する平板素材。
【請求項７】
両面に前記割断用溝が形成され、前記深い部分の長さ方向の位置が両溝で一致することを特徴とする請求項６記載の割断用溝を有する平板素材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザを用いてセラミックスやガラスなどの平板素材をスクライビング加工するための方法及び割断用溝を有する平板素材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、セラミックスやガラスなどの平板素材の切断では、素材表面にレーザビームを走査することにより浅い割断用溝を形成した後、その割断用溝を中心に素材を曲げる方向に力を加えることで割断する方法が広く用いられている。このようなレーザスクライビングの課題の一つとして、厚みが例えば１ｍｍを超える厚い素材では、図５（ａ）に示すように、平板素材５を矢印で示すように割断した後の割断面１１が割断用溝１４に対して曲がり、もしくは割断面１１が平面であっても割断用溝１４に対して斜めに入り、そのずれ量が製品許容範囲１０を超えて不良品となり、歩留まりを低下させる問題がある。
このような問題の発生を防ぐ手段の一つは、図５（ｂ）に示すようにスクライビング時の割断用溝１４を深くすることであるが、割断用溝１４を深く加工するためにレーザビームの出力を高くした場合、割断用溝周辺に発生するダメージ（熱変質層、クラックなど）や材料表面に堆積し、固着するデブリの量が増え、品質低下を招く問題がある。一方、割断用溝１４を深く加工するために、レーザビームの出力を高くせずにレーザビームの走査速度を落とした場合は、品質の低下は抑えることが出来るが、加工時間が大幅に増加する問題がある。
またこれら、レーザビームの出力を高くする場合やレーザビームの走査速度を落とした場合のいずれの場合であっても、加工効率の低下を招くという問題もある。図６は単位長さあたりに照射するレーザビームの総エネルギー量である投入エネルギーＦと、溝深さＧの一般的な関係を示している。溝が浅い部分では、投入エネルギーＦと、溝深さＧとは線形の関係を有するが、溝が深い部分では、破線で示した線形の直線に対して、実線で示すように徐々に飽和する非線形の曲線を描くため、目標とする溝深さが大きくなると、極端に多くの投入エネルギーが必要となる。
【０００３】
例えば、特許文献１では、レーザビームの出力を高くせずに効率的に深い溝を形成するために、溝の幅方向にもレーザビームを走査することで、レーザビームの直径よりも十分に幅の広いＶ字溝を形成する方法を開示している。このように、レーザビームの直径に比べて十分に幅のあるＶ溝を形成するのであれば、溝の入り口や壁面でレーザビームが遮られないために、深い溝であっても加工効率（溝深さ÷投入エネルギー）の低下を招かない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５４８０２４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献1の方法で割断用溝を形成する場合、材料表面部の割断用溝幅がレーザビームの幅よりも太くなるため、溝幅の方向にレーザビームを走査しない通常の溝加工と比較して切り代が大きくなる問題があった。また、溝幅方向にレーザビームを走査する機構が必要なため、装置や制御が複雑になる問題もあった。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、簡単な方法でありながらセラミックスやガラスなどの平板素材の切断に適した、レーザスクライビング方法及び割断用溝を有する平板素材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】
【０００７】
本発明のレーザスクライビング方法は、平板素材の表面にレーザビームを走査し割断用溝を形成するレーザスクライビング方法であって、レーザビームの走査速度を局所的に遅くすることで割断用溝の長さ方向に間隔をおいて局所的に深い部分を形成するものである。
【０００８】
このような形状の割断用溝を形成することで、平板素材へ曲げ力を掛けた際に、最初に割断用溝の浅い部分で亀裂が発生し、その亀裂が割断用溝の深い部分に沿って割断用溝の縦方向へ伝播するために、割断面が割断用溝の幅方向に湾曲する問題を低減することが出来る。又、レーザビームの走査速度を局所的に遅くするという単純な方法とすることで、装置や制御を簡単にすることができる。更に、レーザビームの走査速度を遅くするのは局所的なため、全体の加工時間の増大は抑えることができる。
【０００９】
本発明のレーザスクライビング方法においては、割断用溝の浅い部分と深い部分とを含めた全体の長さをＬ１、深い部分の長さをＬ２としたときに、Ｌ２／Ｌ１が０．０５以上０．５以下の範囲とし、割断用溝の最も浅い部分の深さをｄ１、最も深い部分の深さをｄ２としたときに、ｄ２／ｄ１が１．５以上５．０以下の範囲とすることが望ましい。ｄ２／ｄ１の下限の閾値を１．５に設定したのは、１．５未満では割断面の湾曲を防ぐ効果が乏しいからである。上限の５．０を設定する理由は、レーザビームの走査速度をいくら遅くしても最も深い部分の溝深さｄ２はある値で飽和するので、割断用溝の加工効率上それ以上大きくすることは大抵の場合無駄であるからである。
【００１０】
さらに、本発明のレーザスクライビング方法においては、前記Ｌ２／Ｌ１が０．００５以上０．０５未満の範囲とし、前記ｄ２／ｄ１が２．０以上５．０以下の範囲とすることが望ましい。形成する深い溝部分の長さの割合が小さい場合には、ｄ２／ｄ１を２．０以上として溝を深くすることにより、加工時間短縮と不良品発生率低減を実現できる。
【００１１】
本発明のレーザスクライビング方法において、前記Ｌ２／Ｌ１が０．０１以上０．５以下の範囲とし、前記ｄ２／ｄ１が２．０以上５．０以下の範囲とすることがさらに望ましい。割断用溝の長さの割合Ｌ２／Ｌ１と割断用溝の深さの割合ｄ２／ｄ１を上記範囲にすることで、本発明の効果が最大限に発揮される。
【００１２】
本発明のレーザスクライビング方法において、平板素材の両面に割断用溝を形成する場合、その深い部分の長さ方向の位置を両溝で一致させることが望ましい。溝の深い部分の位置を一致させると、割断面を溝間で深さ方向に発生させることができ、溝幅方向の湾曲による不良品発生率を最小にすることができる。
【００１３】
本発明の割断用溝を有する平板素材は、片面に割断用溝が形成され、その溝の長さ方向に間隔をおいて局所的に深い部分を有する。または両面に割断用溝が形成され、その深い部分の長さ方向の位置が両溝で一致する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のレーザスクライビング方法及び割断用溝を有する平板素材によれば、全体が浅い割断用溝の場合と比べて加工時間を大幅に増やすことなく、出力の高いビームを用いたときのような品質低下を招くこともなく、全体が深い割断用溝の場合と同程度に割断面の湾曲を防ぐことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明のスクライビング方法の一実施形態を装置の例とともに示す概略図である。
【図２】溝の深さ（ａ）と、レーザビームの走査速度（ｂ）の関係を表す説明図である。
【図３】レーザのパルス痕の影響を表す説明図である。
【図４】平板素材に両面よりスクライビングする際の溝形状を示す説明図である。
【図５】平板素材の割断状況を示す説明図であり、（ａ）は不良品の例で（ｂ）は良品の例である。
【図６】レーザの投入エネルギーと溝深さの関係を表す説明図である。
【図７】本発明の比較例で溝深さ一定の場合の加工時間と溝深さとの相関を示すグラフである。
【図８】本発明の比較例で溝深さ一定の場合の歩留まりと溝深さとの相関を示すグラフである。
【図９】本発明の実施例で加工時間とＬ２／Ｌ１との相関を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施例で歩留まりとＬ２／Ｌ１との相関を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
本発明を実現するための装置は、図１に示すようにレーザ発振機１と、レーザビーム８を集光する光学系２と、平板素材５をＸ軸方向に送ることが可能な水平ステージ３と、水平ステージ３の速度を変調することが出来る制御システム４とを備える。
本装置を用いて、平板素材５の割断すべき位置に沿って直線状にレーザビーム８を走査して割断用溝１４を形成する。このとき、平板素材５の全長に対して半分以上は一定速度でレーザビーム８を走査し、局所的にレーザビーム８の走査速度を変調する。ただし、レーザビーム８の出力は変調しない。レーザビーム８の走査速度を遅くすると割断用溝１４が深くなり、レーザビーム８の走査速度を速くすると割断用溝１４が浅くなる。このようなレーザスクライビング加工方法により、図１に示すように、ほぼ一定深さの浅い部分Ａに対して、長さ方向に間隔をおいて局所的に深い部分Ｂを有する割断用溝１４が形成される。
レーザビーム走査速度と溝深さとの関係を対比して図示すると、図２に示すようになる。レーザビーム走査速度を局所的に遅くすることにより、遅くした部分で割断用溝が徐々に深くなり、再度速くすることで割断用溝が徐々に浅くなる。
【００１７】
本発明のレーザスクライビング加工方法において形成する割断用溝の深さの比率を、最も浅い部分の深さをｄ１、最も深い部分の深さをｄ２としたときに、ｄ２／ｄ１が１．５以上５．０以下の範囲とすることが望ましい。また、割断用溝の浅い部分と深い部分を含めた全体の長さをＬ１、割断用溝の深い部分の長さをＬ２としたときに、Ｌ２／Ｌ１が０．００５以上０．５以下の範囲とすることが望ましい。ここで割断用溝の深い部分の長さＬ２とは、割断用溝の浅い部分に対して、割断用溝の深さが変位始める点からほぼ一定深さに形成される浅い部分に戻る点までをいう事とする。
【００１８】
最も浅い部分の深さｄ１と、最も深い部分の深さｄ２との比、ｄ２／ｄ１を１．５以上５．０以下の範囲とした理由は以下のとおりである。
本発明の方法ではビームの出力が一定なので、図６に示す投入エネルギーＦはレーザビームの走査速度の逆数となり、図２に示す溝が深い部分ｄ２では、加工時間が増加する。投入エネルギーを多くしても図６に示すように溝深さはある値で飽和するので、溝の加工効率をそれ以上大きくすることは大抵の場合困難であるから、上限を５．０とした。
【００１９】
次に図３は、パルス痕の影響を模式的に表した説明図である。図３に細かい凹凸で示したように、連続するパルス痕１５（深さδｄ及び幅δＬ）により発生する微小な波型形状の溝は、従来のレーザ加工に見られる形状であり、本発明のレーザスクライビング加工で形成する割断用溝と同様の効果を得ることはできない。パルス発振レーザを用いて溝加工を行った場合、典型的にはパルス痕１５の深さδｄは数十μｍ程度となるが、全体の平均溝深さを１００μｍとした場合はパルス痕１５の深さδｄが平均溝深さの数十％に達することになる。そこでパルス痕１５の深さδｄにより発生する深さの変化による微小な波型形状の溝よりも深い溝とするために下限の閾値を１．５とした。これによりｄ（＝ｄ２−ｄ１）＞δｄとなる。また、パルス痕１５の幅δＬも一般的には数十μｍ程度であるが、割断用溝の深い部分の長さＬ２は、δＬよりはるかに大きい。
尚、図６に示すようにグラフの線形領域内の溝加工では、溝深さが投入エネルギーに比例するため、線形領域内では加工時間に比例した深さの溝となる。セラミックスのレーザ加工では、線形領域の上限深さは数百μｍ程度である場合が多い。このため本発明で形成する割断用溝の最も深い部分ｄ２は、数百μｍ以下とするのがよい。ただし、わずかな時間内であれば、非線形領域内で溝加工することを妨げるものではない。
【００２０】
また、割断用溝の浅い部分と深い部分を含めた全体の長さＬ１と、割断用溝の深い部分の長さＬ２との比率Ｌ２／Ｌ１を０．００５以上０．５以下の範囲としたのは、形成する深い溝部分の長さの割合が小さいと割断時の不良品発生率が増え、大きいと割断用溝の加工時間が増加するので、本発明の効果が最も得られる範囲に限定した。厚さ１ｍｍ以上２ｍｍ以下のセラミックス材料では、Ｌ２／Ｌ１が０．００５以上０．５以下の範囲に最適値が含まれる。
【００２１】
図１に示された、レーザスクライビング加工により形成した割断用溝の形状において浅い部分Ａの溝幅方向（Ｙ方向）の断面形状を符号７、深い部分Ｂの溝幅方向（Ｙ方向）の断面形状を符号６として点線で表している。いずれの部分の形状も、割断用溝底部がシャープに尖ったＶ字型の溝である。図１に示した平板素材５表面の割断用溝幅Ｗは、レーザビーム８の出力やレーザビーム８の集光直径が一定であれば、走査速度を変えてもあまり変化しないため割断用溝１４全体でほぼ一定となっている。そのため、レーザビーム８の出力を高くした場合のように、割断用溝１４周辺に発生するダメージ（熱変質層、クラックなど）や材料表面に堆積し固着するデブリの発生量も抑制され、品質低下を招く問題もなく、切り代が大きくなる問題もない。
【００２２】
そして、平板素材５の割断用溝１４を中心に折り曲げると、最初に割断用溝１４の浅い部分Ａで亀裂が発生し、その亀裂が深い部分Ｂに沿って割断用溝１４の縦方向へ伝播するために、割断面が溝の幅方向に湾曲する問題を低減することが出来る。
又、図１に示す形状の溝を形成する場合の加工時間は、図２に示すとおり、割断用溝が深い部分ｄ２では、レーザビーム走査速度を落とす必要があるが、割断用溝１４が深い部分ｄ２は割断用溝全体の一部であるため、図２（ｂ）のグラフの点線ように、割断用溝加工全体におけるレーザビーム走査速度の平均値は、本発明のような割断用溝形状であれば大きく低減することは避けられる。
【００２３】
図４は、特に厚い平板素材５を両面から本発明の方法でスクライビング加工する場合を示しており、平板素材５の表面１２及び裏面１３の両側から割断用溝１４を形成する。その際、深い部分Ｂの割断用溝１４の長さ方向位置が表裏両溝で異なっていてもよいが、図４のように割断用溝１４の深い部分Ｂの溝長さ方向位置を表裏で一致させると良い。割断用溝１４の深い部分Ｂの溝長さ方向位置を一致させることにより、一方の割断用溝１４から発生する割断面を他方の割断用溝１４の深い部分Ｂに瞬時に到達させ、その他方の割断用溝１４の深い部分Bから浅い部分Ａへ案内するように割断面を縦方向に伝播させることができ、割断面の溝幅方向の湾曲による不良品の発生量を最小化することが出来る。
ただし、割断用溝１４が浅い部分Ａでは両溝間の距離が広がり、その距離が大き過ぎると割断面が溝幅方向に湾曲するおそれがあるので、浅い部分Ａ同士の間隔が０．５ｍｍ以下であるのが好ましい。
なお、平板素材５の厚さＤが２ｍｍ以下の場合は片側から、２ｍｍを超える場合は両側から割断用溝１４を形成するのが好ましい。
【実施例】
【００２４】
次に本発明の効果を確認する為に実験を行った。
厚さ１ｍｍのアルミナの平板素材（１００ｍｍ×１００ｍｍ）に対し、波長３５５ｎｍ、出力１０Ｗのレーザを用いて片面のみに割断用溝加工（加工溝長さ１００ｍｍ）を行った後、平板素材へ曲げ応力を加えて割断した実験の結果を図７から図１０のグラフに示す。
図５（ａ）に示すように平板素材５の下面の割断面１１の位置ずれの製品許容範囲１０を３００μｍ（±１５０μｍ）とし、位置ずれが３００μｍを超えた場合を不良品とし歩留まりを求めた。
図７と図８には割断用溝深さ一定で加工した場合の結果を表示した。図９及び図１０には本発明の実施例で割断用溝深さを周期変化させた場合の結果を表示しており、この図９及び図１０において、●で示すのがｄ２／ｄ１が１．５の場合、◆で示すのがｄ２／ｄ１が２．０の場合、■で示すのがｄ２／ｄ１が２．５の場合を表示している。尚、この時の割断用溝の最も浅い部分の深さｄ１を一律に２００μｍとした。例えば、割断用溝の最も深い部分の深さｄ２を４００μｍとした場合を、ｄ２／ｄ１が２．０と表示している。
【００２５】
（１）  歩留まり１００％の場合の比較
従来技術である割断用溝深さ一定で加工した場合に、歩留まり１００％を達成するには図８に示すように溝深さ３２０μｍ以上の溝深さが必要で、その時の加工時間は図７に示す通り約８０秒を要す。
本発明の実施例では、図１０の◆で示すｄ２／ｄ１が２．０の場合及び■で示すｄ２／ｄ１が２．５の場合のいずれも、Ｌ２／Ｌ１が０．０１を少し超えた辺りで歩留まり１００％に達成しており、その時の加工時間は図９で示す通りおよそ５５秒となり、従来技術に対して改善効果が見られる。
（２）  割断用溝の長さ比率（Ｌ２／Ｌ１）による効果の検討
本発明の実施例では、図９の◆で示すｄ２／ｄ１が２．０の場合では加工時間５０秒でＬ２／Ｌ１が０．００５となり、図１０の◆で示すｄ２／ｄ１が２．０の場合のＬ２／Ｌ１が０．００５においては歩留まりが６４％となる。
従来技術である割断用溝深さ一定加工の場合は、図７に示す通り加工時間５０秒で加工できる溝深さが２５０μｍであり、図８で示す溝深さが２５０μｍの時の歩留まりは６０％となり、少なくともｄ２／ｄ１が２．０以上の場合、Ｌ２／Ｌ１が０．００５以上で効果が確認できる。
（３）割断用溝の深さ比率（ｄ２／ｄ１）による効果の検討
本発明の実施例では、図９の●で示すｄ２／ｄ１が１．５の場合でＬ２／Ｌ１が０．０５時の加工時間が５８秒となり、図１０の●で示すｄ２／ｄ１が１．５の場合のＬ２／Ｌ１が０．０５時の歩留まりが７３％である。
従来技術である割断用溝深さ一定加工の場合は、図７に示す通り加工時間５８秒で加工できる溝深さが２７０μｍであり、図８で示す溝深さが２７０μｍ時の歩留まりは７０％となり、少なくともＬ２／Ｌ１が０．０５以上の場合、ｄ２／ｄ１が１．５以上で効果が確認できる。
以上より本願発明では、Ｌ２／Ｌ１が０．００５以上０．０５未満の範囲においては、ｄ２／ｄ１が２．０以上である場合に従来技術に対して効果が確認できた。また、Ｌ２／Ｌ１が０．０５以上の範囲では、ｄ２／ｄ１が１．５以上である場合に従来技術に対しての効果が確認できた。特に、Ｌ２／Ｌ１が０．０１以上の範囲で、ｄ２／ｄ１が２．０以上である場合に従来技術に対して短時間で歩留まり１００％になる特に優位な効果として確認できた。
【００２６】
なお、本発明は前記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
実施形態では、平板素材をＸ軸方向に送ることが可能な水平ステージ３、水平ステージの速度を変調することが出来る制御システム４を使用しているが、ガルバノスキャナなどのレーザビーム走査システム（図示せず）を用いて、一定速度の水平ステージ送り方向と平行にレーザビームを振り子運動させるなどの方法でも良い。  
【符号の説明】
【００２７】
１…レーザ発振機
２…光学系
３…水平ステージ
４…制御システム
５…平板素材
８…レーザビーム
１０…製品許容範囲
１１…割断面
１２…表面
１３…裏面
１４…割断用溝
１５…パルス痕
Ａ…浅い部分
Ｂ…深い部分
Ｌ１…全体の長さ
Ｌ２…深い部分の長さ
ｄ１…最も浅い部分の深さ
ｄ２…最も深い部分の深さ
Ｗ…溝の幅
δｄ…パルス痕の深さ
δＬ…パルス痕の幅
【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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