(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料の加工始点に形成した亀裂を、熱源による局部的な加熱で発生する熱応力により成長させつつ、その熱源を割断予定線に沿って移動することにより材料を分離する割断加工方法において、
割断加工実行中に、材料上で成長している亀裂の先端部を撮像して、その画像処理により亀裂先端の位置を認識し、この亀裂先端の位置情報に基づいて、亀裂先端と熱源中心との間の距離を求め、その距離を一定に保ち、亀裂先端に掛かる応力分布を常に一定に保つべく熱源の移動量及び移動速度を割断加工実行中に補正することを特徴とする割断加工方法。
【請求項２】
請求項１に記載の加工方法において、上記画像処理によって得られた亀裂先端の位置情報に基づいて、亀裂の成長が割断予定線に対してずれている否かを判定し、ずれがあるときには、そのずれを解消すべく熱源の移動経路を補正することを特徴する割断加工方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の加工方法において、材料をＸＹテーブル上に載置し、そのＸＹテーブルのＸ軸とＹ軸方向の移動をそれぞれ個別に制御することにより、上記熱源の移動条件を補正することを特徴とする割断加工方法。
【請求項４】
請求項１または２に記載の加工方法において、加工テーブルの移動により熱源の移動速度を補正して亀裂先端と熱源中心との間の距離を一定に保ち、上記亀裂成長のずれの解消は熱源自体の移動によって補正することを特徴とする割断加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガラス、セラミックスあるいは半導体ウエハ等の脆性材料にレーザビーム等の熱源を印加することにより発生する熱応力を利用して、その材料を割断する割断加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
材料を分離加工する技術として、スクライバあるいはレーザ溶断等が挙げられるが、これらの加工では、切断時においてカレット（屑）、溶融解痕及びマイクロクラック等が発生するという問題がある。
【０００３】
そこで、このような問題点を解消するため、最近では、レーザビーム等の熱源の印加により発生する熱応力を利用して材料を割断する割断加工方法が提案されている。
【０００４】
この加工方法は、脆性材料に予め亀裂を作成しておき、その亀裂先端に局所的に熱源を印加して熱応力を発生させるとともに、熱源の移動により亀裂を成長させて材料を分離する技術で、この方法によれば、亀裂を成長させるといった性質上、切りしろや、パーティクルが発生しないことから、上記した従来の加工法の問題点を解決することができるといった特徴がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記した割断加工方法によれば、次のような問題が残されている。まず、割断加工方法は、加工材料に予め発生させた亀裂先端の前方にレーザビーム等の熱源を印加して、その熱源中心と周辺との間に発生する温度勾配により生じる集中応力で亀裂を成長させてゆく加工法であることから、熱源の印加によって発生する温度勾配が急峻であればあるほど、熱源の移動経路に対する亀裂の追随性が良くなる。
【０００６】
しかし、この種の割断加工方法においては、加工材料の表面を溶解させない程度のパワー密度（熱源の単位面積当たりの熱量）で、亀裂の成長に必要な熱応力が得られるようにするため、通常、熱源を細く絞らずに比較的大きなスポット径（面積）で加工材料しているのが実情で、その熱源の印加面積が大きい分、加工精度（割断面の表面精度）が劣化する傾向がある。
【０００７】
本発明はそのような事情に鑑みてなされたもので、ガラスや半導体ウエハ等の脆性材料を、高い加工精度で割断加工することのできる割断加工方法の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、材料の加工始点に形成した亀裂を、熱源による局部的な加熱で発生する熱応力により成長させつつ、その熱源を割断予定線に沿って移動することにより材料を分離する割断加工方法において、割断加工実行中に、材料上で成長している亀裂の先端部を撮像し、その画像処理により亀裂先端の位置を認識して、この亀裂先端の位置情報に基づいて、亀裂先端と熱源中心との間の距離を求め、その距離を一定に保ち、亀裂先端に掛かる応力分布を常に一定に保つべく熱源の移動量及び移動速度を割断加工実行中に補正することによって特徴づけられる。
【０００９】
その補正の具体的な手法としては、例えば、上記した画像処理によって得られた亀裂先端の位置情報に基づいて、亀裂先端と熱源中心との間の距離を求め、その距離を一定に保つべく熱源の移動量及び移動速度を補正する方法、また、画像処理によって得られた亀裂先端の位置情報に基づいて、亀裂の成長が割断予定線に対してずれているか否かを判定し、ずれが生じているときには、そのずれを解消すべく熱源の移動経路を補正する方法、あるいはこれらの二つの補正法を組み合わせた方法などが挙げられる。
【００１０】
また、他の手法として、加工テーブルの移動により熱源の移動速度を補正して亀裂先端と熱源中心との間の距離を一定に保ち、亀裂成長のずれの解消は熱源自体の移動によって補正するというような方法も挙げられる。
【００１１】
なお、本発明の割断加工方法において、割断加工実行中に、熱源の移動条件を補正する方法としては、例えば図１に示すように、加工材料ＷをＸＹテーブル１上に載置し、そのＸＹテーブル１のＸ軸とＹ軸方向の移動をそれぞれ個別に制御することによって熱源Ｈの移動量・移動経路を補正する、といった方法が挙げられる。
【００１２】
ここで、本発明の割断加工方法に適用する熱源としては、レーザビームのほか、例えば電子ビーム、電熱ヒータまたは火炎などが挙げられる。
次に、本発明の割断加工方法の作用を述べる。
【００１３】
まず、この種の割断加工方法において加工精度が劣化する一因として、亀裂先端の前方に形成される応力分布の変動が挙げられる。これは、割断加工実行中に亀裂の成長速度の変動等により亀裂先端と熱源中心との間の距離が変化することによって生じるものである。そこで、本発明では、画像処理で得られる亀裂先端の位置情報を基にして、亀裂先端と熱源中心との間の距離が一定となるように熱源の移動量を補正することによって、亀裂先端に掛かる応力分布を常に一定に保つことで、加工精度の向上をはかっている。
【００１４】
また、加工精度が劣化する原因の一つである亀裂成長の曲がりついては、図２に例示するように、亀裂ＣR の先端が割断予定線Ｌに対してａだけずれたときに、そのずれａとは反対の方向に熱源Ｈを移動させることで補正を行うことができる。すなわち、図２(B),(C) に示すように、亀割断予定線Ｌを挟んだ反対側に熱源Ｈを、ずれａ（Ｙ軸）に相当する量だけ移動すると、亀裂ＣR のずれ方向と反対側の熱応力が大きくなって亀裂ＣR がずれ方向とは反対の向きに成長するようになる結果、亀裂ＣR の成長を割断予定線Ｌに戻すことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、以下、図面に基づいて説明する。
まず、本発明の割断加工方法の実施に使用する装置は、図１に示すように、ガラス材等の加工材料Ｗを載置する加工テーブル（ＸＹテーブル）１と、この加工テーブル１をＸ軸とＹ軸の各方向に、それぞれ、独立して移動するＸ軸移動機構２及びＹ軸移動機構３と、加工テーブル１上に置かれた加工材料Ｗに熱源（レーザビーム）Ｈを局所的に印加する装置（例えばレーザ発振器）などで構成されており、加工テーブル１の移動により熱源Ｈの印加位置を割断加工線Ｌに沿って移動させることができる。
【００１６】
その加工テーブル１の移動を制御するＸＹコントローラ４は、制御装置５からの指令信号に従って、Ｘ軸移動機構２及びＹ軸移動機構３の各駆動を、それぞれ後述する動作で制御すべく、ＸＹドライバ４A に制御信号を供給するように構成されている。
【００１７】
一方、加工テーブル１の上方には、加工材料Ｗの表面で成長する亀裂ＣR の先端部を撮像するＣＣＤカメラ６及びその照明用光源７が配置されている。このＣＣＤカメラ６はカメラドライバ６A によって駆動され、その出力信号が画像処理装置８に導かれる。画像処理装置８は、ＣＣＤカメラ６からの画像信号を２値化し、材料表面で成長している亀裂ＣR の先端位置の座標（Ｘ−Ｙ）を認識するように構成されており、その位置情報は制御装置５に入力される。
【００１８】
制御装置５は、画像処理装置８からの位置情報に基づいて、亀裂ＣR の先端と熱源Ｈの中心との間の距離Ｄ（図２参照）を求め、その距離Ｄが一定となるようにＸＹコントローラ４に指令信号を供給する動作と、画像処理後の位置情報をモニタし、亀裂ＣR の成長が割断予定線Ｌからずれたときには（図２参照）、そのずれを補正すべくＸＹコントローラ４に指令信号を供給する動作を行うように構成されている。
【００１９】
次に、本発明の実施の形態の作用を加工手順とともに述べる。
まず、加工材料Ｗの加工始点ｓに初期亀裂を予め作成しておく。その初期亀裂の作成には、硬質工具を使用して材料端部に切欠きを形成する方法、あるいは加工材料の表面に高出力のレーザビームを集光して孔を加工しこの孔から亀裂を作成する方法等の公知の手法を採用する。
【００２０】
次に、加工始点ｓに形成した初期亀裂の先端前方側に熱源Ｈを印加するとともに、加工テーブル１のＸ軸方向の移動により、熱源Ｈを、まずは一定の速度で割断予定線Ｌに沿って移動して割断加工を実行し、この割断加工実行中に、加工材料Ｗの表面で成長している亀裂ＣR の先端部をＣＣＤカメラ６で撮像し、その画像処理によって得られた位置情報つまり亀裂先端の座標に関する情報を制御装置５内に採り込む。
【００２１】
このとき、制御装置５内では、亀裂ＣR の先端と熱源Ｈの中心との間の距離Ｄ（図２参照）を把握し、この距離Ｄが変化する否かを監視しており、その距離Ｄに変化が生じたときには、これを解消すべく加工テーブル１のＸ軸方向の移動量をフィードバック制御して、亀裂先端と熱源との間の距離Ｄを一定に保つ。
【００２２】
また、画像処理によって得られた位置情報により、亀裂ＣR の成長が割断予定線Ｌに対してずれているか否かを監視しており、図２(A) に例示するように、亀裂ＣR が割断予定線Ｌに対して、ずれが生じていることが判明したときには、まず、そのずれ方向と反対の方向に、ずれａ（Ｙ軸）に相当する量だけ熱源Ｈの印加位置を移動する〔図２(B) 〕。このときＸ軸方向における熱源Ｈの移動量は、熱源Ｈの後方から成長してくる亀裂ＣR の距離Ｄを考慮した補正移動量ｈ（距離Ｄの比率；例えば１．２〜２．０倍程度によって決定される移動量）に相当する距離とする。そして、このような補正を行った段階で、亀裂ＣR の成長が割断予定線Ｌに対してずれている場合には、同様な操作により、ずれｂに相当する量だけ熱源Ｈの印加位置を反対方向に移動する、といった補正を、図２(C) に示すように、ずれが解消されるまで実行することで、亀裂ＣR の成長が割断予定線Ｌに沿うようにする。
【００２３】
以上のように、この実施の形態によれば、亀裂ＣR の先端と熱源Ｈの中心と間の距離Ｄが一定に制御され、亀裂先端に掛かる応力分布が常に一定に保たれるので亀裂ＣR が良好な状態で成長する。しかも、亀裂ＣR の成長方向に曲がりが生じても、その割断予定線に対するずれがリアルタイムで補正される。その結果、加工面の表面精度が向上する。
【００２４】
なお、以上の実施の形態では、亀裂先端と熱源との距離を一定に保つ補正と、亀裂の成長方向が割断予定線からずれたときに、そのずれを解消する補正の双方を、割断加工実行中に実施した例を示したが、それら二つの補正のうち、いずれか一方のみを割断加工実行中に実施しても、加工精度を向上させるという本発明の所期の目的は達成できる。
【００２５】
また、以上の実施の形態では、二つの補正を加工テーブル１の移動により行っているが、本発明はこれに限られることなく、例えば、亀裂先端と熱源との距離を一定に保つ補正は加工テーブル１の移動により行い、亀裂成長のずれについては熱源Ｈ自体の移動によって補正するという方法を採用してもよい。
【００２６】
【実施例】
本発明の割断加工方法を実施した例を以下に述べる。
a.加工材料：ガラス材（５００mm×４００mm×厚さ０．７mm）
b.熱源    ：レーザビーム（熱量３０Ｗ，ビーム形状；楕円（11mm× 5mm）
c.加工位置：加工材料端１０mm
d.加工速度：図１に示した装置において初期の加工速度を１０mm／ｓとし、  割断加工実行中に、亀裂先端と熱源の距離Ｄの補正と、Ｙ軸方向のずれの補正を行った。
【００２７】
以上の条件で割断加工を行い、次いで加工速度を一定（８mm／ｓ）とする以外は上記と同じ条件で（通常の加工条件）で割断加工を行った。
そして、以上の二つの条件で加工を行った各試料について、それぞれの割断加工面の精度誤差の最大値を測定したところ、通常の加工の場合、精度誤差最大値が０．２０ｍｍであったのに対し、レーザビームの移動条件を補正する加工の場合、その値が０．０８ｍｍにまで向上することが確認できた。
【００２８】
このような結果から、本発明の割断加工方法が、加工精度の上で優れた加工法であること、特に、加工材料の縁部を加工する際に有効な加工法であることが分かる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の割断加工方法によれば、割断加工実行中に、材料上で成長している亀裂の先端部を撮像して、その画像処理により亀裂先端の位置を認識し、この亀裂先端の位置情報に基づいて、例えば亀裂先端と熱源中心との間の距離を求めて、その距離が一定となるように熱源の移動量を加工実行中に補正し、また、画像処理による位置情報から、亀裂の成長が割断予定線に対してずれていることが判明したときには、そのずれを解消すべく熱源の移動経路を加工実行中に補正するので、亀裂の成長が常に良好な状態で進行する。その結果、加工精度の高い割断加工の実現が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の割断加工方法の実施に使用する装置の概略構成を示す図
【図２】本発明の実施の形態において亀裂のずれを補正する場合の手法の一例を示す図
【符号の説明】
１  加工テーブル（ＸＹテーブル）
２  Ｘ軸移動機構
３  Ｙ軸移動機構
４  ＸＹコントローラ
４A   ＸＹドライバ
５  制御装置
６  ＣＣＤカメラ
６A   カメラドライバ
７  照明用光源
８  画像処理装置
Ｗ  加工材料
Ｈ  熱源
ＣR 亀裂
Ｌ  割断予定線
【図１】
0003751121.tif 000002
【図２】
0003751121.tif 000003