JP2006130691A - 脆性材料の割断方法とその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 板厚の厚い脆性材料であっても、高精度かつ短時間に割断することができる脆性材料の割断装置を提供する。
【解決手段】 レーザ発振器１２から照射されたレーザ光Ｌは、集光手段１３を構成する、第１，第２アキシコンレンズ１４Ａ，１４Ｂによって円筒状に広げられた後、第３アキシコンレンズ１４Ｃおよび凸レンズ１５によって集光される。 上記集光手段により、レーザ光は脆性材料２の略中央に位置し、焦点深度が板厚の半分以上となる集光線Ｃとなり、移動手段５が上記集光線を割断予定線に沿って移動させると、集光線が通過した部分に改質領域Ｔが形成される。 そして改質領域の両端から脆性材料の表面にクラックを生成させることで、脆性材料を割断することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は脆性材料の割断方法とその装置に関し、脆性材料にレーザ光を照射して所要の形状に割断するようにした割断方法とその装置に関する。

従来、ガラスや半導体材料などの板状の脆性材料を所要の割断予定線に従って割断するため、レーザ光を集光して上記脆性材料に照射し、該レーザ光を上記割断予定線に沿って移動させる方法が知られている。（特許文献１〜３）
これらの特許文献では、上記脆性材料の内部に、レーザ光を集光させて集光点を形成し、この集光点の部分で多光子吸収を発生させることで、その部分をクラック領域や溶融処理領域などの改質領域に変質させる。
そして上記集光点を割断予定線に沿って移動させることで、上記改質領域が割断予定線に沿って形成され、その後、脆性材料に人為的な力を印加したり、またはそのまま放置することで、上記改質領域を基点に脆性材料の表面までクラックが進展し、脆性材料を割断予定線で分離させることができる。
特に特許文献３の割断方法では、上記集光点を板厚方向に順次移動させ、上記改質領域を脆性材料のレーザ光の入射方向に複数形成する割断方法であって、当該方法により板厚の厚い脆性材料であっても割断可能となっている。
特開２００３−１９５８２号公報 特開２００３−２３６６８８号公報 特開２００２―２０５１８０号公報

上記特許文献１、２の場合、板厚の厚い脆性材料を割断するには、改質領域を形成した後、大きな力を脆性材料に印加させるか、レーザ光の出力を上げて集光点を中心に広範囲な改質領域を形成させ、当該改質領域を板厚方向に拡大させる必要がある。
しかしながら、大きな力を脆性材料に印加する際、改質領域と脆性材料の表面までの距離が離れていると、改質領域からのクラックが割断予定線に沿って進展せず、精度良く割断できないという問題がある。
また広範囲に改質領域を形成してしまうと、改質領域は脆性材料の厚さ方向だけではなく、割断予定線の幅方向にも拡大してしまうため、改質領域の幅内で割断した面がゆがみ、精度良く割断できないという問題がある。
さらに、上記特許文献３の場合、改質領域を脆性材料の板厚方向に複数形成するため、割断予定線の同じ位置に、改質領域を板厚方向に複数形成しなければならず、割断に時間がかかってしまう。
このような問題を解決するため、本発明は板厚の厚い脆性材料であっても、高精度でかつ短時間に割断することの可能な脆性材料の割断方法及びその装置を提供するものである。

すなわち、本発明に係る脆性材料の割断方法は、レーザ光を集光して板状の脆性材料に照射し、当該レーザ光を脆性材料の割断予定線に沿って移動させて、上記脆性材料の割断を行う脆性材料の割断方法において、
上記レーザ光をその光軸方向に線状に集光させて集光線を形成するとともに、該レーザ光を、上記集光線が脆性材料の内部に形成されるように脆性材料に照射して脆性材料の割断を行うことを特徴としている。

また、本発明に係る脆性材料の割断装置は、レーザ光を発振するレーザ発振器と、レーザ発振器からのレーザ光を集光する集光手段と、上記集光手段と脆性材料とを相対移動させる移動手段とを備え、集光手段により集光されたレーザ光を、移動手段によって板状の脆性材料の割断予定線に沿って移動させ、上記脆性材料の割断を行う脆性材料の割断装置において、
上記集光手段を、上記レーザ光をその光軸方向に線状に集光させて集光線を形成する集光手段から構成して、上記集光線が脆性材料の内部に形成されるようにレーザ光を脆性材料に照射させて脆性材料の割断を行うことを特徴としている。

上記割断方法及びその装置によれば、レーザ光を光軸方向に線状に集光させて集光線とし、さらにこの集光線を脆性材料の内部に形成されるようにしているので、脆性材料の内部に板厚方向に改質領域が形成することができる。
このため、板厚の厚い脆性材料であっても、形成された改質領域から脆性材料の表面までの距離を接近させることができるので、クラックが進展しやすく、また割断予定線の幅方向に改質領域が広がらないので、割断予定線に沿って高精度に割断を行うことができる。
さらに、上記集光線を移動手段によって割断予定線に沿って移動させればよいので、改質領域を板厚方向に複数形成する必要がなく、短時間に割断を行うことができる。

以下図示実施例について説明すると、図１は本発明に係る割断装置１を示し、この割断装置１により、透明な液晶ガラス基板等の脆性材料２を割断予定線Ｑに沿って割断するようになっている。
この割断装置１は、板状の脆性材料２を支持する加工テーブル３と、この加工テーブル３の上方に配置されて該加工テーブル３上の脆性材料２に対してレーザ光Ｌを照射する照射手段４と、この照射手段４を加工テーブル３上の脆性材料２に対して相対移動させる移動手段５とを備えている。
上記脆性材料２として、上述した液晶ガラス基板の他、半導体用のウェハなどの板状の脆性材料２を割断できるようになっており、本実施例の割断装置１によれば、上記脆性材料２の板厚が１０００μｍを越えていても、高精度で短時間に割断することが可能となっている。
加工テーブル３は工場内等の所定位置に固定されており、脆性材料２を下面から吸着保持して、脆性材料２が加工テーブル３上でずれないようになっている。

次に、図２に示すように、照射手段４は移動手段５に固定されたハウジング１１と、当該ハウジング１１内に配置されてレーザ光Ｌを発振するレーザ発振器１２と、レーザ光Ｌを集光する集光手段１３とを備えている。
上記移動手段５は、ハウジング１１と共に、上記レーザ発振器１２および集光手段１３を平面方向及び垂直方向に移動させるようになっている。なお、上記移動手段５は従来公知であるため、詳細な説明は省略する。
上記レーザ発振器１２は、短パルスＵＶレーザ光を発振し、本実施例では波長を紫外領域とし、パルス幅１０ナノ秒以下、繰り返し周波数１０ｋＨｚ以上、平均出力２Ｗ以上の範囲で調節したレーザ光Ｌを発振するようになっている。
そして上記集光手段１３はレーザ発振器１２から発振されたレーザ光Ｌの光軸上に設けられており、本実施例の集光手段１３は３枚の第１〜第３アキシコンレンズ１４Ａ〜１４Ｃと、１枚の凸レンズ１５とから構成されている。
またこれらのレンズはそれぞれ図示しない昇降手段によって相互に上下方向に移動可能となっており、レーザ光Ｌの集光を調節するようになっている。

ここで、図３を用いてアキシコンレンズ１４について説明すると、本実施例のアキシコンレンズ１４は、少なくとも一方の面が略円錐状に加工されたレンズのことをいい、本実施例のアキシコンレンズ１４は他方の面が平坦に加工されている。
図３に示すように、レーザ発振器１２から照射されるレーザ光Ｌの光軸と、アキシコンレンズ１４の中心とを一致させ、その状態でレーザ光Ｌをアキシコンレンズ１４の円錐状の面に照射すると、レーザ光Ｌは円錐状の面でアキシコンレンズ１４の中心に向けて屈折する。
屈折したレーザ光Ｌはアキシコンレンズ１４の中心で集光され、集光による光強度の強い部分は、レーザ光Ｌの光軸方向に延びて線状の集光線Ｃとなり、この集光線Ｃの光軸方向の長さを焦点深度Ｄという。
そしてこの集光線Ｃの部分におけるレーザ光Ｌの光強度を脆性材料２の吸収閾値以上とすれば、この集光線Ｃの位置で脆性材料２が多光子吸収により変質し、当該部分に改質領域Ｔが形成され、集光線Ｃ以外の光強度が吸収閾値以下の部分は非改質領域となり、改質領域と非改質領域の境界がクラックとなる。
ただ、図３のようにアキシコンレンズ１４の内部に上記集光線Ｃが形成されてしまうと、アキシコンレンズ１４内に光強度の高い部分が位置してしまうので、アキシコンレンズ１４自体が変質してしまうおそれがある。

そこで、本実施例の集光手段４ではレーザ光Ｌの光路の上流側に、相互に円錐状の面が向き合うように配置した略同形状の第１，第２アキシコンレンズ１４Ａ，１４Ｂを配置することで、各レンズの内部に集光線Ｃが形成されないようにしている。
すなわち、第１，第２アキシコンレンズ１４Ａ，１４Ｂの円錐状の面が向き合うように配置することで、第１アキシコンレンズ１４Ａで屈折したレーザ光Ｌは、リング状に拡散し、その後拡散したレーザ光Ｌは第２アキシコンレンズ１４Ｂで屈折して略円筒状のレーザ光Ｌとなる。
そして、この略円筒状のレーザ光Ｌは、円錐状の面を第２アキシコンレンズ１４Ｂに向けた第３アキシコンレンズ１４Ｃと、凸面を光路の上流側に向けた凸レンズ１５とによって集光され、上記集光線Ｃが形成される。
このように、一旦第１，第２アキシコンレンズ１４Ａ，１４Ｂによってレーザ光を拡散させてから再び第３アキシコンレンズ１４Ｃ及び凸レンズ１５によって集光することで、上記各レンズ内に集光線形成されるのを防止している。
なお、上記凸レンズ１５を省略しても、レーザ光Ｌを集光して集光線Ｃを形成することが可能であることは言うまでもない。

このようにして形成される集光線Ｃの焦点深度Ｄは、レーザ発振器１２によるレーザ光Ｌの径や、上記昇降手段による各レンズの間隔によって適宜調整され、さらに上記移動手段５によってハウジング１１の位置が調整されるようになっている。
本実施例では、集光線Ｃの位置を脆性材料２の略中央とし、焦点深度Ｄは脆性材料２の板厚の半分以上であって、集光線Ｃの両端と脆性材料の表面までの距離が等しくなるようにしている。なお、この集光線Ｃの両端と脆性材料の表面までの距離は、脆性材料の種類や板厚によって適宜変更可能となっている。
そして移動手段５は照射手段４を脆性材料２に対して相対移動させて、上記集光線Ｃを割断予定線Ｑに沿って移動させ、これにより、集光線Ｃの通過する位置で多光子吸収が発生し、割断予定線Ｑに沿って改質領域Ｔが形成される。
その結果、脆性材料２によっては、脆性材料２に力を印加しなくとも、改質領域Ｔと脆性材料２の表面との距離が近いので、上記改質領域Ｔの両端よりクラックが成長して脆性材料２の表面に達し、脆性材料２が割断予定線Ｑに沿って割断される。
また、クラックが脆性材料２の表面に達しなくとも、少しの力を脆性材料２に印加すれば、脆性材料２を割断予定線Ｑに沿って割断することができる。

このように、本実施例によれば、上記集光手段１３によってレーザ光Ｌを板厚方向に伸びる線状の集光線Ｃに集光すると共に、この集光線Ｃの焦点深度Ｄを板厚の半分以上とすることで、これを割断予定線Ｑに沿って移動させるだけで、自然に、若しくは少ない力で脆性材料２を割断予定線Ｑに沿って割断することができる。
このとき、改質領域Ｔから脆性材料２の表面までの距離が近いので、クラックはほとんど割断予定線Ｑからそれずに脆性材料２の表面に達するので、精度良く脆性材料２を割断することができる。
また、本実施例では板厚方向に延びる線状の集光線Ｃにより改質領域Ｔを形成しているので、改質領域Ｔは割断予定線Ｑの幅方向に広がって形成されることはなく、クラックは改質領域Ｔの幅内で生成されるので、精度良く脆性材料２を割断することができる。
さらに、上記集光線Ｃを割断予定線Ｑに沿って移動させれば良いので、上記特許文献３のように集光点を板厚方向に移動させながら割断予定線にそって移動させることはなく、短時間に脆性材料２の割断を行うことができる。

次に、図４は本発明の第２の実施例を示し、上記集光手段１３についての断面図を示し、本実施例の集光手段１３は、１枚のアキシコンレンズ１４によって構成されている。
本実施例におけるアキシコンレンズ１４は、円錐状の面をレーザ光Ｌの光路の上流側に向けており、この円錐状の面の頂部はレーザ光Ｌの光軸に直交する面に加工され、略円錐台状形状を有している。
そして、アキシコンレンズ１４に入射したレーザ光Ｌのうち、円錐台の頂面に入射したレーザ光Ｌはそのまま直進し、一方円錐台の斜面に入射したレーザ光Ｌは当該斜面で屈折してアキシコンレンズ１４の外部で集光されることで、上記集光線Ｃはアキシコンレンズ１４の外部に形成される。
このように、アキシコンレンズ１４のレーザ発振器１２側の面を円錐台の形状とすることで、上記第１の実施例のように３枚のアキシコンレンズ１４を使用せずとも、アキシコンレンズ１４の損傷を防止しつつ、同様の集光線Ｃを形成することが可能であり、上記実施例と同様に高精度で短時間に脆性材料２の割断を行うことができる。
なお、この実施例においても、上記アキシコンレンズ１４の下方に凸レンズ１５を設け、集光線Ｃの焦点深度Ｄの調節を行うことが可能である。

なお、上記第１実施例では集光線Ｃの位置を脆性材料２の略中央に位置させ、焦点深度Ｄを板厚の半分以上としているが、これに限定されるものではない。
例えば、集光線Ｃの端部を脆性材料２の上面若しくは下面に位置させることや、集光線Ｃの焦点深度Ｄを脆性材料２の板厚以上とすることも可能であり、このようにしても板厚の厚い脆性材料２を高精度、かつ短時間に割断することができる。
さらに、上記移動手段５により集光手段１３を脆性材料２の板厚方向に振動させながら、それと共に集光手段１３と脆性材料２とを相対移動させることによっても、上記改質領域の形成を行うことも可能である。
これにより、脆性材料２の内部には上記集光線Ｃが通過した軌跡、すなわち焦点深度Ｄの幅で略波形の軌跡の改質領域Ｔが形成され、特に上記波形の頂点に位置する改質領域Ｔと脆性材料２の表面とを接近させることができるので、当該位置から成長するクラックを脆性材料２の表面まで達しやすくなり、良好な割断を行うことが可能となる。

本実施例に係る割断装置を示す平面図。 第１の実施例に係る照射手段の側面図。 アキシコンレンズによるレーザ光の集光を説明する側面図。 第２の実施例に係る集光手段の側面図。

符号の説明

１ 割断装置 ２ 脆性材料
１２ レーザ発振器 １３ 集光手段
１４ アキシコンレンズ Ｃ 集光線
Ｄ 焦点深度 Ｌ レーザ光
Ｑ 割断予定線 Ｔ 改質領域

Claims (6)

1. レーザ光を集光して板状の脆性材料に照射し、当該レーザ光を脆性材料の割断予定線に沿って移動させて、上記脆性材料の割断を行う脆性材料の割断方法において、
   上記レーザ光をその光軸方向に線状に集光させて集光線を形成するとともに、該レーザ光を、上記集光線が脆性材料の内部に形成されるように脆性材料に照射して脆性材料の割断を行うことを特徴とする脆性材料の割断方法。
2. 上記集光線を脆性材料の内部に、その板厚の半分以上の範囲に亘って形成することを特徴とする請求項１に記載の脆性材料の割断方法。
3. レーザ光を発振するレーザ発振器と、レーザ発振器からのレーザ光を集光する集光手段と、上記集光手段と脆性材料とを相対移動させる移動手段とを備え、集光手段により集光されたレーザ光を、移動手段によって板状の脆性材料の割断予定線に沿って移動させ、上記脆性材料の割断を行う脆性材料の割断装置において、
   上記集光手段を、上記レーザ光をその光軸方向に線状に集光させて集光線を形成する集光手段から構成して、上記集光線が脆性材料の内部に形成されるようにレーザ光を脆性材料に照射させて脆性材料の割断を行うことを特徴とする脆性材料の割断装置。
4. 上記集光線を脆性材料の内部に、その板厚の半分以上の範囲に亘って形成することを特徴とする請求項３に記載の脆性材料の割断装置。
5. 上記集光手段はアキシコンレンズを備え、アキシコンレンズによりレーザ光を集光して上記集光線を形成することを特徴とする請求項３または請求項４のいずれかに記載の脆性材料の割断装置。
6. 上記アキシコンレンズにおける、少なくともレーザ光の光路の上流側の面を、レーザ光の光軸に直交する面を備えた略円錐台状の形状とすることを特徴とする請求項５に記載の脆性材料の割断装置。

Images