CN101610870A - 脆性材料基板的u形槽加工方法以及使用该方法的去除加工方法、打孔加工方法和倒角方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供脆性材料基板的U形槽加工方法以及使用该方法的去除加工方法、打孔加工方法和倒角方法，上述U形槽加工方法是在基板表面上容易地形成直线状或曲线状的、连续或不连续的U形槽的方法。对应于作为加工对象的基板的材料、预定形成的U形槽的槽宽、深度以及槽面的形状，在预先求出的由激光功率、激光照射面积以及扫描速度组合而成的U形槽形成用的激光照射条件下，对脆性材料基板的表面的一部分进行急速加热，由此，使基板的一部分从表面剥离，从而形成U形槽。通过从设定于所形成的U形槽的底部的分割预定线的起始端向终端利用通过激光龟裂成长进行划线的方法或通过切割轮进行划线的方法等，形成由槽面构成的倒角加工面，所述槽面由在由分割预定线分割出的端面与基板表面之间形成的U形槽的一部分构成。

Description

脆性材料基板的U形槽加工方法以及使用该方法的去除加工方法、打孔加工方法和倒角方法
技术领域
本发明涉及通过对脆性材料基板的表面的一部分进行急速加热，来将该基板的一部分从表面上剥离，从而形成U形槽的方法、以及使用该方法对加工对象物进行去除加工或打孔加工的方法。
背景技术
例如，在精密机械的加工台上，人们关注线膨胀率小这一属性而使用了玻璃基板等脆性材料基板。通常这种加工台由上模和下模构成，在上模和下模的接触面上形成有用于提高润滑性的蓄油槽或冷却通道。为了形成该蓄油槽或冷却通道，必须在玻璃基板上形成槽。另外，作为形成这样的槽的方法，一般已知有机械方法和化学方法。机械方法是在通过切削加工或放电加工在玻璃基板上机械地挖出槽之后进行研磨的方法。该方法具有能够形成非常正确的槽的优点，但是机械地挖出槽的作业存在效率差、批量生产性不足、制造成本高的问题。另一方面，化学方法是通过蚀刻来形成槽的方法，有进行等方性蚀刻的方法、和进行异方性蚀刻的方法。这样的采用蚀刻的方法适于批量生产，能够实现低成本化。但是，与机械方法相比，存在不能形成正确的槽的问题。
此外，如果着眼于脆性材料基板的倒角加工方法，则有通过切削加工、磨削加工、研磨加工、放电加工等对边缘线进行倒角加工的方法，在利用激光的倒角加工中，已知有通过激光烧蚀来进行倒角加工的方法，该激光烧蚀利用激光照射产生的高温加热使基板材料熔融或升华来进行去除。其中，在通过激光烧蚀而形成的倒角加工面上可以看到烧蚀痕迹，并且容易产生微小裂纹，难以获得理想的倒角加工面。此外，在激光烧蚀中，由于通过激光照射而被除去的基板物质飞溅，从而会使基板受污染，所以存在后来必须去除污染物质的问题。
此外，作为利用激光的倒角加工方法，作为除上述烧蚀以外的倒角加工方法，提出了沿着基板的边缘线照射激光束进行加热熔融的加热熔融法。例如，公开有如下方法：在使玻璃部件整体保持比常温高的温度(余热)的状态下，对边缘线(棱线)附近进行激光加热使其软化，借助于材料的表面张力使边缘线变圆，由此来进行倒角(专利文献1)。
图15是表示在使用CO2激光光源、通过加热熔融法来进行倒角加工时的激光照射状态的剖视图。预先使用未图示的加热器将玻璃基板10整体缓慢地加热(预加热)，并保持比软化温度低的预定温度，接下来沿着保持预定温度的玻璃基板10的边缘线51使来自CO2激光光源50的激光束进行扫描。此时，通过对激光输出、扫描速度进行调整，被激光束照射后的部分达到高温而软化，借助于材料自身的表面张力，加工成被激光照射后的边缘部分带有圆度。
在该情况下，预加热、加工后的冷却都需要消耗时间。此外，需要对基板整体进行预加热，当在基板上已经形成有不能加热的器件或传感器等功能膜的情况下，有时无法利用该方法实施倒角加工。此外，如果预加热不充分，则会由于热应力而产生破裂(裂纹)，从而无法进行良好的倒角加工。另外，在利用加热熔融的倒角加工中，存在熔融部分变形从而其一部分(带有圆度的部分的一部分)比周围鼓起，损害基板端面的平面度的情况。
另外，作为除利用激光照射的加热熔融法以外的倒角方法，公开有下述的激光倒角加工法：通过对边缘附近照射激光束进行加热，来使玻璃基板10产生裂纹，通过使激光束相对地沿着边缘线方向进行扫描，使裂纹沿着边缘线成长，然后使边缘附近从玻璃基板上分离，由此来进行倒角(专利文献2)。
图16是表示在使用CO2激光光源、通过激光加热来进行龟裂成长倒角加工时的激光照射状态的剖视图。在玻璃基板10的边缘线51附近，照射来自CO2激光光源50的激光束，由于与局部热膨胀相伴的热应力，产生了裂纹52。然后，通过使激光束沿着边缘线51扫描，依次产生的裂纹52沿着边缘线51成长，从而包含边缘线51的边缘附近(角部分)分离。
根据专利文献2，通过利用激光加热进行龟裂成长倒角加工，能够实施不会损害玻璃基板的精度、生产率高且无需清洗工序的倒角加工。
专利文献1：日本特开平2-241684号公报
专利文献2：日本特开平9-225665号公报
如上所述，在利用激光照射的玻璃基板的倒角方法中，使激光束沿着形成于基板分割面的边缘线进行扫描。此时，如果是利用激光烧蚀的倒角，则存在基板污染的问题，如果是利用加热熔融法的倒角，则存在基板端面的平面度差的问题。另一方面，若利用激光加热的龟裂成长进行倒角加工，虽然不会产生那样的问题，但是存在“残留”或无法获得均一的倒角量等问题。
图17的(a)是表示在玻璃基板上通过激光加热来进行龟裂成长倒角加工的状态的立体图，图17的(b)是其俯视图。通过使激光束以从偏离玻璃基板10的位置PA向边缘线11靠近的方式进行扫描，并进而使激光束从玻璃基板的一端PB沿着边缘线11进行扫描，来沿着该边缘线11对玻璃基板以软化点以下的温度进行加热。由此，在被激光束照射过的边缘线11附近，因热应力而产生的裂纹不断延展，从而形成圆弧状的倒角加工面14，但是在最初激光束照射向玻璃基板10的边缘线的一端PB附近形成有不规则的残留区域17。既便使激光束对基板10的照射角度和照射条件发生各种变化，也难以完全消除该残留区域。此外，由于边缘线附近的温度分布的对称性差，所以难以形成稳定的倒角加工面14，会产生微小裂纹等缺陷。
这样，当在玻璃基板上进行槽加工的情况、或者进行倒角加工的情况下，存在上述各种各样的问题，因而追求一种通过改良来进行更加适当的加工的方法。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供如下方法：使用激光等作为脆性材料基板的急速加热单元，在基板表面上容易地形成直线状或曲线状的、连续或不连续的槽。
此外，说到边缘线倒角加工，本发明的目的在于提供在沿着脆性材料基板的端面的边缘线实施倒角加工时不会产生残留区域的新的倒角方法。
此外，本发明的目的在于提供在倒角加工面上不易产生微小裂纹的新的倒角方法。
另外，本发明的目的在于提供这样的方法：在研究新的倒角方法的过程中发现的、能够不产生微小裂纹地在脆性材料基板表面上以去除方式加工出U形槽。
另外，本发明的目的在于提供重复进行该槽加工来将材料表面以去除方式加工成大致平面状的方法。而且，本发明的目的在于提供这样的去除加工方法：在使旋转体状的加工对象物以旋转体的旋转轴为中心旋转的同时将该加工对象物的外周面的一部分或全部去除。
此外，本发明的目的在于提供这样的打孔加工方法：在使用脆性材料基板的U形槽加工方法在作为加工对象物的平板上形成了矩形或曲线状的闭合回路的U形槽之后，沿着U形槽分离材料，进行打孔加工。
本发明的发明人等发现：如果使用与局部加热相适应的激光等在能够剥离的加热条件下对脆性材料基板的表面的一部分进行急速加热，则表面会局部地剥离，从而，设计出了这样的去除加工方法：利用激光对脆性材料基板局部进行急速加热，来使该被照射部分连续或不连续(断续)地剥离。
即，以往在利用激光照射等的去除加工中，已知有烧蚀加工、使龟裂成长来进行加工的激光划线加工法等，但是却发现：在利用激光照射等局部进行急速加热的情况下，通过选择加热条件，能够利用加热部分的材料因加热部的热膨胀而剥离的现象进行加工，而不是进行烧蚀加工或者使龟裂成长的划线加工。
当利用因激光照射等而产生的剥离时，由于在不与加工对象物接触的状态下对剥离部分进行去除加工，所以与使用刀具的去除加工(磨削、切削、研磨等)相比，不仅不存在工具的损耗，还能够大幅度地提高加工速度。另外，与激光烧蚀加工相比，使加工对象物熔融、蒸腾的情况非常少，所以能够节约加工能量，还消除了熔融的材料二次附着于加工对象物上的问题。
(其它问题解决手段和效果)
此外，对能够在倒角加工时抑制残留区域和微小裂纹的产生的倒角加工条件进行研究而得出的结果为可知：在沿着基板的边缘线进行激光加热来进行倒角加工的情况下，该边缘线附近的温度分布的对称性差是容易产生残留和微小裂纹的一个原因。另外，以往是拘泥于对断裂面边缘线进行去除加工的倒角方法来将多种手段组合起来进行应对，但是无法获得充分的效果。即，发现：如果在切断脆性材料基板以前在脆性材料基板的表面上形成U形槽，然后经该U形槽进行分割的话，其结果为形成倒角状态。更具体地说，通过使脆性材料基板的表面在能够剥离的加热条件下呈线状地逐次急速加热，可以看到从脆性材料基板的表面上截面形状呈U字形地剥离的现象，因此，通过利用该现象，设计出了新的倒角方法。
在该新的倒角方法中，在使用激光作为对脆性材料基板进行急速加热的手段的情况下，对应于作为加工对象的基板的材料、预定形成的U形槽的槽宽、深度以及槽面的形状，设定预先通过实验求出的由激光功率、激光照射面积、扫描速度组合而成的U形槽形成用的激光照射条件，并基于该激光照射条件使激光束进行扫描。
当向脆性材料基板的表面照射激光时，被照射的部分吸收激光束而被急剧加热，从而温度上升。此时，在照射部分与非照射部分之间的交界处产生很大的温度梯度。于是达到高温的部分发生热膨胀，而由于非照射部分的材料是难以产生塑性变形或弹性变形的脆性材料基板，所以无法跟随热膨胀量而产生变形，因此在照射部分(加热部分)和非照射部分(非加热部分)之间的边界附近产生很大的剪切应力(在激光扫描方向上产生特别大的剪切应力)，加热部分的材料由于该剪切应力而剥离，从而与材料分离。即，被认为：当加热部分的热膨胀量比非加热部分的能够弹性变形或塑性变形的容许量大时，加热部分的材料剥离。通过使该剥离现象连续或间歇性地发生，来对材料进行去除加工。
换言之，认为：在该加工方法中，通过在温度梯度大的部分产生的非常大的剪切力，以潜在的材料缺陷为起点，材料从激光照射部的前方和侧面局部地间歇性地产生滑移(其结果为在剥离面上产生阶梯差)，最终脆性材料基板的一部分剥离，从而形成U形槽。
此时，由于剥离的部分(废料)从脆性材料基板上被去除，所以既可以将该剥离部分加热至脆性材料基板的软化点以上，也可以使其一部分蒸腾。更具体地说，发生剥离而被去除的部分既可以达到软化点或应变点以上的高温，也可以被压坏。另一方面，在使用侧的U形槽的表面界面附近，虽然温度梯度很大，但是需要调整激光功率来进行加热，以使温度本身与软化点、应变点的温度相比成为非常低的温度。
另外，此时，由于被认为产生于滑移面的微小裂纹的产生密度与通过烧蚀等其它方法来形成槽的情况相比要小，所以若从槽的底部进行分割，能够加工出材料强度大的倒角。
此外，关于材料的剥离，由于在具有非常大的热传导率的硅单晶等中温度梯度小，难以发生剥离，所以需要对非加热部分进行冷却，以使温度梯度增大。此外，为了控制槽的形状，需要对冷却能力(制冷剂的种类、流速、流量等)进行控制。更具体地说，如果冷却能力增大(如果在无需冷却(利用空气对流进行冷却)就能引起剥离的材料(玻璃基板)的情况下，通过水等进行冷却的话)，在深度相同的激光加热条件的情况下，槽宽变窄，倒角角度变大。因此，当冷却能力减小时，倒角角度(曲率)变小。希望利用这样的现象对槽的形状进行控制，从而应用于脆性材料基板的倒角。
此处所说的“脆性材料基板”，除了玻璃基板以外，还包括石英、单晶硅、蓝宝石、半导体晶片、烧结陶瓷等基板。
此外，所谓“U形槽”，不限于像字母“U”那样的槽，而是广泛地包含形成有由没有拐点的光滑曲面构成的内壁面(谷面)的槽。即，内壁面也可以是圆弧状、椭圆状、抛物线状等。另外，由于是“槽”，所以必须至少能够确定“宽度”、“深度”以及底部。具体来说，呈线状延伸的1条裂纹不是槽。通过在基板面上并行地延伸的2条裂纹能够确定槽的宽度，另外，通过使2条裂纹在基板内部连接起来，能够确定槽的深度。此外，作为U形槽的俯视形状，还包括直线、曲线、圆等任意形状。
此外，作为急速加热单元，不仅包括激光，还包括卤素加热器、氙灯，此外，只要是能够对加工对象物局部进行加热的单元，当然也包括除激光、氙灯以外的单元。
此外，所谓“预先求出的由激光功率、激光照射面积、扫描速度组合而成的U形槽形成用的激光照射条件”，是指如下所述的激光照射条件：设定所希望的U形槽的槽宽、深度以及底部，预先使用同一材料、同一形状的基板试错地进行激光照射，从而通过实验得出能够获得所设定的槽宽、深度以及底部的U形槽的条件。
在本发明中，设定预先通过实验求出的由激光功率、激光照射面积、扫描速度组合而成的U形槽形成用的激光照射条件。关于此时设定的照射条件，选择至少在形成U形槽的界面部分(即构成内壁面的部分)的区域内不会发生烧蚀的照射条件(关于形成U形槽的界面的区域以外的区域，只要对该界面部分没有影响，既便发生烧蚀也没关系)。
然后，通过在该激光照射条件下使激光扫描，在界面部分形成变化很大的热应力分布，从而在该部分产生U字形截面的裂纹，因此使该裂纹延展。其结果为，形成了U形槽。由于此时在基板内形成的温度分布具有像半圆形等那样的良好的对称性，所以在U形槽面上能够获得微小裂纹等缺陷很少的面。
特别是，在使用激光作为加热单元时，通过针对脆性材料基板设定预先求出的由激光功率、激光照射面积、扫描速度组合而成的激光照射条件，能够在不发生烧蚀的情况下通过由热应力分布而引起的材料的剥离来形成U形槽，而且能够在温度分布的对称性良好的条件下形成槽，因此能够抑制加工面上产生的微小裂纹等缺陷的产生。此外，也不会在开始加工的端面附近产生残留区域。
在上述发明中，也可以通过下述式(1)，对应于作为加工对象的基板的材料、激光照射面积、扫描速度来控制激光功率条件。
P＝K·(S×V) … (1)
此处，P是所照射的激光功率(W)，S是激光照射面积(mm2)，V是扫描速度(mm/sec)，K是针对每一加工对象物而设定的系数(W×sec/mm3)。
据此，应该预先按照基板的材质通过实验求出系数K，而K是与材料的热物理性质(热传导率、热膨胀率、强度等)、冷却和余热方法(制冷剂的热物理性质、流速、流量)相依存的系数。另外，由于激光照射面积与将要形成的U形槽的槽宽有关，扫描速度与U形槽的深度有关，所以通过与系数K一起，对应于将要形成的U形槽的槽宽和深度给出激光照射面积S和扫描速度V，能够使用式(1)对形成预期的U形槽所需的激光功率(W)进行设定。
另外，利用作为第一发明的U形槽加工方法的脆性材料基板的倒角方法具有：利用第一发明在基板表面上加工出U形槽的工序；和在所形成的U形槽面的底部设定分割预定线，并且从分割预定线的起始端朝向终端利用现有的切割轮进行划线的工序、或者进行激光划线的工序，
从而形成由槽面的一部分构成的倒角加工面，所述槽面构成在由沿分割预定线形成的裂纹分割出的端面与基板表面之间形成的U形槽。
据此，在基板表面上加工出U形槽。然后在所形成的U形槽内的底部设定假想的分割预定线。接着，沿该分割预定线进行以往的激光划线等。从而形成了由槽面的一部分构成的倒角加工面，所述槽面构成在分割出的端面与基板表面之间形成的U形槽。
另外，脆性材料基板的倒角方法的其它发明具有：利用第一发明在基板的表面和背侧这两侧以U形槽隔着基板相互对置的方式加工出U形槽的工序；和在所形成的任一侧的U形槽内的底部设定分割预定线，并沿着该分割预定线进行以往的激光划线的工序。从而通过构成在被分割出的端面与基板表面之间、以及上述端面与基板背面之间所形成的U形槽的槽面的一部分，在两侧的面上形成倒角加工面。
据此，在基板的表面和背面以U形槽隔着基板相互对置的方式加工出U形槽。然后，在任一侧的U形槽内的底部设定分割预定线，并且沿着该分割预定线进行以往的激光划线。从而通过槽面的一部分在基板上下面上形成了倒角加工面，所述槽面构成在被分割出的端面与基板表面之间、以及在分割出的端面与基板背面之间分别形成的U形槽。
在上述脆性材料基板的倒角方法的发明中，在不通过划线工序进行分割时，可以是还包括沿着分割预定线进行断裂的工序。
此处，没有对断裂方法特别进行限定，例如，可以以如下方式进行分割：使断裂杆沿着分割预定线抵接，并通过按压断裂杆来使基板挠曲。
另外，脆性材料基板的倒角方法的其它发明也可以具有以下工序：在脆性材料基板的基板表面上设定分割预定线，以在低于上述基板的软化点的温度下进行加热的方式使激光束从分割预定线的起始端向终端扫描并照射，接着进行冷却，由此，从分割预定线的起始端至终端形成未到达背面的裂纹的工序；使用利用了第一发明的脆性材料基板的U形槽加工方法，沿着上述分割预定线加工出比上述裂纹延展的深度要浅的U形槽的工序；以及沿着分割预定线进行断裂的断裂工序，从而通过构成在分割出的端面和基板表面之间形成的U形槽的槽面的一部分形成了倒角加工面。
在本发明中，首先沿着分割预定线从起始端至终端形成裂纹。此时，以裂纹前端未到达背面的方式形成裂纹的深度。然后，利用第一发明，以形成裂纹而成的分割预定线深入到槽内的方式形成U形槽。此时，裂纹前端比U形槽的深度要深。接着，沿着裂纹前端所延伸的分割预定线进行断裂。由此，利用构成在分割出的端面和基板表面之间所形成的U形槽的槽面的一部分来形成倒角加工面。
附图说明
图1是表示在玻璃基板上加工U形槽时的激光、加工材料、激光功率分布形成装置的结构、及配置的图。
图2是表示激光的能量分布与所形成的槽形状之间的关系的示意图。
图3是通过激光功率密度与扫描速度之间的关系来表示能够选择的激光功率的区域的概念图。
图4是表示照射激光时的玻璃基板的状态的剖视图。
图5a是U形槽的俯视图。
图5b是槽边缘的放大图。
图5c是槽边缘的放大图。
图5d是U形槽的底部的放大图。
图5e是剥离出的玻璃的外观图。
图5f是表示剥离出的玻璃的自由状态的外观图。
图5g是剥离出的玻璃的放大剖视图。
图5h是剥离出的玻璃的表面图。
图5i是剥离出的玻璃的背面图。
图6是表示倒角加工工序的一个实施例的图。
图7是表示倒角加工工序的另一实施例的图。
图8是表示倒角加工工序的又一实施例的图。
图9是表示倒角加工工序的其它实施例的图。
图10是表示槽加工的其它应用例的图。
图11是表示槽加工的其它应用例的图。
图12是表示槽加工的其它应用例的图。
图13是表示槽加工的其它应用例的图。
图14是表示槽加工的其它应用例的图。
图15是表示通过激光划线来进行倒角加工时的激光照射状态的图。
图16是表示在玻璃基板上通过激光划线来进行倒角加工时的CO2激光的图。
图17是表示在玻璃基板上通过激光划线来进行倒角加工的状态的图。
标号说明
1：激光振荡器；2：工作台；3：光学系统；10：玻璃基板(加工材料)；11：基板表面；12(12a～12d)、22、32：槽；13、23、33：初始龟裂；14、24、34：划线；17：分割面；18、28、38：倒角加工面。
具体实施方式
下面，使用附图对本发明的实施方式进行说明。在以下实施方式中对玻璃基板的加工进行说明，但是对于其它的脆性材料基板也是一样的。
(U形槽加工)
首先，对在玻璃基板上加工U形槽的方法进行说明。图1是表示在玻璃基板上加工U形槽时的激光、加工材料、激光功率分布形成装置的结构状态的图。激光光源1以与玻璃基板10的基板表面11对置的方式配置。载置玻璃基板10的工作台2能够相对于激光光源1移动，通过该工作台2的移动速度来控制激光束的扫描速度。此外，在激光光源1和基板10之间，配置有用于对激光束的能量分布和照射面积进行调整的光学系统3。具体来说，以能够更换的方式安装有不同形状的多个透镜组，通过透镜的更换或透镜在激光束的光路上的位置(高度)调整，来使焦点位置或光束形状变化，从而改变能量分布，并且对照射面积进行调整。
另外，能量分布和照射面积的调整单元也可以是除此之外的其它调整单元。例如，也可以使用多角镜使激光束在照射区域内反复扫描，并通过调整此时的扫描条件(扫描速度、扫描宽度)来控制能量分布以及照射面积。
通过利用光学系统3的调整使能量分布变更，能够对将要形成的U形槽的截面形状进行调整。图2是表示激光束的能量分布和所形成的槽形状之间的关系的示意图。如图2的(a)所示，在想要形成接近方形的槽12a时，激光束接近于能量密度的截面形状均一的光束。此外，如图2的(b)所示，在想要形成接近半圆形的槽时，接近于中央部的能量密度比两端要大的截面形状的光束形状。此外，如图2的(c)所示，在槽的两端部比中央部稍深的情况下，激光束的两端部的能量密度比中央部要大，另外，如图2的(d)所示，为了使玻璃基板表面与槽的倾斜之间所成的角度θ减小，使该能量分布在中央部较大而在其两端部较小即可，有的情况下即使有余热也没有关系。这样，只要根据所希望的槽形状对能量分布的截面形状进行调整即可。
关于激光功率，通过与扫描速度之间的关系来设定适当的激光功率。图3是通过激光功率密度(每单位面积的激光输出(W/mm2))和扫描速度(mm/sec)之间的关系来表示能够选择的激光功率的区域的概念图。如果激光功率密度过大，则会在很大的范围内产生烧蚀现象。另一方面，如果激光功率密度过小，则不能充分加热基板，从而无法利用热应力进行表面剥离。此外，当扫描速度变快时，加热热量减小，当扫描速度慢时，虽然加热热量增大，但是加热部和非加热部的温度梯度变小，不会发生表面剥离。
图4是表示照射激光时的玻璃基板的状态的示意性的剖视图。根据本发明的U形槽加工方法，U形槽的槽宽M比激光的照射宽度要大。即，被激光照射而直接加热的区域h、与下述区域K隔离开来，该区域K是这样的区域：通过来自直接加热区域的热传导而被加热，并因热应力而产生剥离现象，从而形成了U形槽，即使照射向直接加热区域h的激光功率很大从而发生烧蚀、熔融或者产生微小裂纹，也是对使剥离成长从而形成U形槽的区域K的外界面进行加工，使得该影响减小。另外，j为剥离面。
图5(图5a～图5i)是作为一个示例，在CO2激光输出为230W、扫描速度为430mm/sec、椭圆光束形状为16.0mm×2.0mm、加工对象为0.7mm、材质为苏打玻璃的条件下形成了U形槽的情况的照片。图5a相当于从上面对加工对象进行摄影而得到的所谓的俯视图，图中的(5a-1)是基板表面与槽之间的分界线，虽然实物形成为没有宽度的直线，但是由于摄影设备的原因而拍摄成具有一定的宽度。(5a-2)是槽面，形成了滑移面。(5a-3)是槽的底部。图5b是槽边缘的放大照片，在该槽边缘未产生龟裂。图5c同样是槽边缘的放大照片，但是与图5b的情况不同，图5c的加工条件不合适，可以看出在槽边缘产生了细小的龟裂。图5d是U形槽的底部的放大照片，由于加工条件不合适而在底部复杂地作用有热应力，从而杂乱地产生了龟裂。图5e是从玻璃基板的表面剥离出的玻璃(废料)的外观照片，通过适当地选择激光的照射条件，能够剥离出像照片那样的一根连续的螺旋状的玻璃(废料)。图5f是表示剥离出的玻璃(废料)的自由状态的外观照片。图5g是剥离出的玻璃(废料)的放大的截面照片。图5h是剥离出的玻璃(废料)的表面的照片，其背面形成为与U形槽的表面(背面)相同的形状(凹凸是相反的)。图5i是剥离出的玻璃(废料)的背面的照片。
另外，光束的形状不必是椭圆。
另外，通过使激光功率P(W)、激光照射面积(S)和扫描速度(V)变化，并通过实验预先计算出表示每单位面积、每单位时间的适当的激光功率的系数K，从而能够根据式(1)来设定以所希望的照射面积和扫描速度进行加热的情况下的激光功率，能够复制U形槽加工地进行加工。
P＝K·(S×V) … (1)
此处，P是所照射的激光功率(W)，S是激光照射面积(mm2)，V是扫描速度(mm/sec)，K是针对每个加工对象物而设定的系数(W×sec/mm3)。
(倒角加工)
接下来，对玻璃基板的倒角加工进行说明。图6是表示倒角工序的一个实施例的图。在本实施例中，对基板的单面进行倒角。
对于玻璃基板10的基板表面11，使用上述U形槽加工方法来形成U形槽12(图6的(a))。即，通过在预先求出的激光照射条件下使激光束B进行扫描，来形成U形槽12。
接着，在U形槽12的内侧设定假想的分割预定线(例如，U形槽12的中心线的位置)，在设定的分割预定线与U形槽12的一端交叉的位置处形成初始龟裂(切口)13(图6的(b))。初始龟裂(切口)13既可以通过切割轮的压接来形成，也可以通过激光照射来形成。另外，未必一定要设置初始龟裂(切口)13。
接着，以初始龟裂(切口)13为起点，利用切割轮或激光进行划线加工，沿着分割预定线形成划线14(图6的(c))。
激光划线如下进行：使将射束点15的形状调整为椭圆形或长圆形后的划线用激光束C沿着分割预定线进行扫描，并且随后立即使喷射制冷剂D的冷却点16进行扫描。由此，裂纹产生并延展，从而形成划线14。
在划线14形成得很深、并到达了背面21时，基板10被直接分割开，而当划线14形成得很浅时，通过使未图示的断裂杆从背面21侧以沿着划线14的背侧的方式抵接，并沿着划线14使基板10挠曲，从而使基板10断裂。
其结果为，通过对半地分割U形槽12，所形成的倒角加工面18形成在分割面17和基板表面11之间。
另外，在基板很薄的情况等、即使仅利用U形槽而不形成划线也能够进行分割的情况下，也可以省略划线工序。
图7是表示倒角加工的另一实施例的图。在前面的实施例中对单侧进行了倒角加工，而在本实施例中对正反两面进行倒角加工。
对于玻璃基板10的基板表面11，利用上述U形槽加工方法来形成U形槽12(图7的(a))。即，通过在预先求出的激光照射条件下使激光束B进行扫描，来形成U形槽12。
接着，使基板10翻转，对背面21形成U形槽22(图7的(b))。即，在U形槽12的背侧的位置利用上述U形槽加工方法形成U形槽22。由此，U形槽12、22以隔着基板10的中央部分从两侧对置的方式形成。
接着，在U形槽22的内侧设定假想的分割预定线(例如，U形槽22的中心线的位置)，在设定的分割预定线与U形槽22的一端交叉的位置形成初始龟裂(切口)23(图7的(c))。另外，也可以不在U形槽22侧，而是在U形槽12侧设置初始龟裂(切口)。
接着，以初始龟裂(切口)23为起点，利用激光划线加工沿着分割预定线形成划线24(图7的(d))。即，使将射束点15的形状调整为椭圆形或长圆形后的划线用激光束C沿着分割预定线扫描，并且随后立即使喷射制冷剂D的冷却点16扫描。由此，裂纹产生并延展，从而形成划线24。
在划线24形成得很深、并到达了背面时，基板10被直接分割开，而当划线24形成得很浅时，通过使未图示的断裂杆沿着划线14在表面11侧的U形槽12内抵接，并沿着划线24使基板10挠曲，从而使基板10断裂(图7的(e))。
其结果为，通过对半地分割U形槽12而形成的倒角加工面18形成在分割面17和基板表面11之间。此外，通过对半地分割U形槽22而形成的倒角加工面28形成在分割面17和基板背面21之间。
此时，在基板很薄的情况等、仅利用U形槽而不形成划线就能够进行分割的情况下，也可以省略划线工序。
图8是表示倒角加工的又一实施例的图。在上面说明的2个实施例中，先形成U形槽，然后进行激光划线加工，而在本实施例中，先进行激光划线加工或刀尖划线，然后形成U形槽。
对于玻璃基板10的基板表面11，设定假想的分割预定线P，在设定的分割预定线P与基板的一端交叉的位置，形成初始龟裂(切口)33(图8的(a))。
接着，以初始龟裂(切口)33为起点，利用激光划线加工沿着分割预定线P形成划线34(图8的(b))。即，使将射束点15的形状调整为椭圆形或长圆形后的划线用激光束C沿着分割预定线进行扫描，并且随后立即使喷射制冷剂D的冷却点16进行扫描。由此，裂纹产生并延展，从而形成划线34。
接着，使用上述U形槽加工方法来形成U形槽32(图8的(c))。即，通过在预先求出的激光照射条件下使激光束B进行扫描，来形成U形槽32。
此时，对U形槽32的深度进行调整，以使划线34的前端残留在基板10上。
接着，通过使未图示的断裂杆从背面21侧以沿着划线34的背侧的方式抵接，并沿着划线34使基板10挠曲，从而使基板10断裂(图8的(d))。
其结果为，通过对半地切割U形槽32而形成的倒角加工面38形成在分割面17和基板表面11之间。
图9是表示倒角加工的其它实施例的图。首先在玻璃基板10的基板表面上设定2条假想的分割预定线P，并沿着设定的分割预定线P进行划线(图9的(a))。这样，形成了具有图9的(b)、(c)那样的形状的U形槽。即，特征在于，形成了这样的U形槽：在U形槽的上部具有直线部分(P1)，并且槽宽大致平行。另外，由于倒角工序与上述施工方法相同，所以省略说明。
这样，根据本发明，由于以对称性良好的状态形成的U形槽不会产生微小裂纹，并且使用该U形槽来形成倒角加工面，所以能够形成稳定的倒角加工面，而且也不会产生残留区域。
以上，对玻璃基板的倒角加工进行了说明，但是对于其它的脆性材料基板，可以通过根据不同的基板材料利用实验来选择适当的激光照射条件，从而加工出U形槽。另外，通过利用U形槽来形成倒角加工面，能够获得稳定的倒角加工面。
接下来，对在形成U形槽时开发出的挖槽方法的其它应用例进行说明。
首先，作为精密机械的加工台，人们关注线膨胀率小这一情况而使用了脆性材料基板。图10的(a)是在构成加工台的下模41上不连续地形成有蓄油槽42的图，上模41和下模43重合在一起的图是图10的(b)，图10的(b)是表示示意性的截面的图。
同样是与使用于精密机械的加工台有关，在上模51和下模52的表面上形成了连续的U字形的槽53(54)(图11的(a))，使上模51和下模52重合而构成一个加工台。这样，在加工台上形成有冷却通道55(图11的(b))。另外，在制造磁盘或光盘时，如果在采用该挖槽方法在材料平板61上形成槽62、63(64、65)之后实施打孔加工，则能够简单地进行制造(图12的(a)、(b))。
此外，对于作为加工对象物的平板基板，通过在一点点向横向移动的同时并列地反复进行直线状的槽加工，能够将材料表面以去除的方式加工成大致平面状。例如，在从具有预定厚度的平板状的脆性材料上切除至少一部分来制造具有某种形状的部件71时，如果也采用该挖槽方法，则能够简单地制造出所希望的部件(图13的(a)、(b))。
此外，在使圆柱、球体、旋转椭圆体、圆锥体等旋转体状的加工对象物81以旋转轴(例如圆柱轴)为中心旋转、来对外周面(侧面或端面)进行所谓的去除加工时，如果也采用该挖槽方法，则能够获得所希望的旋转体形状82(图14的(a)、(b))。
产业上的可利用性
本发明能够利用于基板和圆筒状的脆性材料的槽加工。

Claims (11)

1.一种脆性材料基板的U形槽加工方法，其特征在于，
通过在能够剥离脆性材料基板的表面的一部分的加热条件下对脆性材料基板的表面的一部分进行急速加热，使上述基板的一部分从表面剥离，从而形成U形槽。
2.根据权利要求1所述的脆性材料基板的U形槽加工方法，
上述脆性材料基板的U形槽加工方法是急速加热单元为激光、通过使激光束在脆性材料基板的表面上进行扫描来加工U形槽的U形槽加工方法，其特征在于，
该U形槽加工方法中，对应于作为加工对象的基板的材料、预定形成的U形槽的槽宽、深度以及槽面的形状，设定预先求出的由激光功率、激光照射面积、扫描速度组合而成的U形槽形成用的激光照射条件，基于上述激光照射条件使激光束进行扫描，通过加热部分的热膨胀，使加热部分的材料自与非加热部分之间的边界附近起从基板材料剥离，从而去除加工出具有U形槽界面的槽。
3.根据权利要求2所述的脆性材料基板的U形槽加工方法，其特征在于，
通过下面的式(1)，与作为加工对象的基板的材料、激光照射面积、扫描速度对应地设定激光功率条件
P＝K·(S×V)…(1)
此处，P是所照射的激光功率(W)，S是激光照射面积(mm2)，V是扫描速度(mm/sec)，K是针对每一加工对象物而设定的系数(W×sec/mm3)。
4.一种去除加工方法，其特征在于，
使用权利要求1、权利要求2和权利要求3中的任一项所述的脆性材料基板的U形槽加工方法，从加工对象物的平面上加工出U形槽，或者从加工对象物的平面上并列地反复加工出U形槽。
5.一种去除加工方法，其特征在于，
使用权利要求1、权利要求2和权利要求3中的任一项所述的脆性材料基板的U形槽加工方法，在使加工对象物以旋转轴为中心旋转的同时，将该加工对象物的外周面的至少一部分去除。
6.一种打孔加工方法，其特征在于，
使用权利要求1、权利要求2和权利要求3中的任一项所述的脆性材料基板的U形槽加工方法，在作为加工对象物的平板上形成矩形或者曲线状的闭合回路的U形槽，然后沿着U形槽分离材料，对材料进行打孔加工。
7.一种脆性材料基板的倒角加工方法，其特征在于，
通过使用权利要求1、权利要求2和权利要求3中的任一项所述的脆性材料基板的U形槽加工方法在基板表面上加工出U形槽的工序以及下述方法之一形成倒角加工面：从设定于所形成的上述U形槽的底部的分割预定线的起始端向终端进行激光龟裂成长划线的方法；使用切割轮进行划线的方法；以及省略划线而从槽部进行断裂的方法，
所述倒角加工面由槽面构成，所述槽面由在上述分割预定线分割出的端面与基板表面之间形成的U形槽的一部分构成。
8.一种脆性材料基板的倒角方法，其特征在于，
通过使用权利要求1、权利要求2和权利要求3中的任一项所述的脆性材料基板的U形槽加工方法在基板的正反两面上以U形槽隔着上述基板相互对置的方式加工出U形槽的工序以及下述方法之一形成倒角加工面：从设定于所形成的任一U形槽的底部的分割预定线的起始端向终端进行激光划线的方法；使用切割轮进行划线的方法；以及从U形槽的底部断裂的方法，
所述倒角加工面由槽面构成，所述槽面由在上述分割预定线分割出的端面与基板背面之间、以及上述端面与基板表面之间形成的U形槽的一部分构成。
9.一种脆性材料基板的倒角方法，其特征在于，
上述脆性材料基板的倒角方法包括以下工序：沿着脆性材料基板的基板表面的分割预定线进行划线的工序；通过使用权利要求1、权利要求2和权利要求3中的任一项所述的脆性材料基板的U形槽加工方法沿着上述分割预定线加工出U形槽的工序，该U形槽要比通过上述划线工序形成的裂纹的深度要浅；以及沿着分割预定线断裂的工序，
从而形成由槽面构成的倒角加工面，所述槽面由在分割出的端面与基板表面之间形成的U形槽的一部分构成。
10.一种在基板表面上形成U形槽的方法，其特征在于，
在脆性材料基板的基板表面上夹着大致平行的分割预定线实施两条划线加工，接着，在上述分割预定线之间使用权利要求1、权利要求2和权利要求3中的任一项所述的脆性材料基板的U形槽加工方法，在基板表面上形成U形槽。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的U形槽加工方法，其特征在于，
U形槽的平面形状是连续或者不连续的直线状或者任意形状。
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