JP2006131443A

JP2006131443A - 脆性材料の割断方法とその装置

Info

Publication number: JP2006131443A
Application number: JP2004320830A
Authority: JP
Inventors: Ryoji Koseki; 良治小関
Original assignee: Shibuya Kogyo Co Ltd
Current assignee: Shibuya Corp
Priority date: 2004-11-04
Filing date: 2004-11-04
Publication date: 2006-05-25

Abstract

【解決手段】レーザ発振器４から照射されたレーザ光Ｌは、反射ミラー７によって反射した後、集光手段５により集光され、板状の脆性材料２の内部に集光部Ｃが形成される。
上記集光手段５は振動手段６によって脆性材料の板厚方向に振動し、さらに脆性材料を加工テーブル３によって移動させることで、上記集光部は割断予定線Ｑに沿って移動しながら板厚方向に往復動し、脆性材料の内部には板厚方向に波形の軌跡で改質領域Ｔが形成される。
そして改質領域から脆性材料の表面にクラックを進展させることで、脆性材料を割断することができる。
【効果】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。
【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部を形成し、この集光部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。
そして上記集光部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の割断方法は、上記集光部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部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、レーザ光の屈折等を防止するため、改質領域を脆性材料の板厚方向に複数形成する際、改質領域を脆性材料の裏面側に形成してから、表面側に形成する必要がある。
このため、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、また集光部を移動させる経路が限定されてしまうので、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集光部を形成し、当該集光部を板状の脆性材料の割断予定線に沿って移動させて、当該脆性材料の割断を行う脆性材料の割断方法において、
上記集光部を脆性材料の内部でその板厚方向に振動させながら、割断予定線に沿って移動させる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、上記レーザ光を集光して集光部を形成する集光手段と、板状の脆性材料と集光手段とを相対移動させる移動手段とを備え、上記集光部を上記脆性材料の割断予定線に沿って移動させて、当該脆性材料の割断を行う脆性材料の割断装置において、
上記集光部を脆性材料の板厚方向に振動させる振動手段を設け、この振動手段により上記集光部を脆性材料の内部でその板厚方向に振動させながら、上記移動手段により該集光部を割断予定線に沿って移動させる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、集光部を割断予定線に沿って移動させると共に、脆性材料の内部で集光部を板厚方向に振動させているので、脆性材料の内部には板厚方向に略波形の軌跡を描く改質領域が形成されることとなる。
その結果、上記改質領域における波形の頂点に位置する部分を、脆性材料の表面に接近させることができるので、クラックが脆性材料の表面に進展しやすく、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、上記集光部を振動させながら割断予定線に沿って移動させればよいので、改質領域を裏面側に形成してから表面側に形成するといったことを行う必要がなく、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を支持する移動手段としての加工テーブル３と、レーザ光Ｌを照射するレーザ発振器４と、レーザ発振器４からのレーザ光Ｌを上記加工テーブル３上の脆性材料２に集光させる集光手段５と、当該集光手段５を振動させる振動手段６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すると共に、脆性材料２を水平方向に移動させるようになっている。

図２は上記割断装置１を側面から見た図であり、上記レーザ発振器４、集光手段５、振動手段６はそれぞれ割断装置１に固定されている。
レーザ発振器４はレーザ光Ｌを水平方向に発振するようになっており、このレーザ光の光路上には反射ミラー７が設けられ、レーザ光Ｌを脆性材料２の板厚方向となる垂直方向に反射させるようになっている。
上記レーザ発振器４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てレーザ光Ｌを発振するようになっている。
次に、上記集光手段５は図示しない複数の集光レンズから構成されており、上記反射ミラー７によって反射されたレーザ光Ｌの光路上に位置し、脆性材料２の内部にレーザ光Ｌを集光させて集光点とし、当該部分に集光部Ｃを形成するようになっている。

そして上記振動手段６について説明すると、振動手段６は割断装置１の本体部に固定された支持部１１と、当該支持部１１に設けられたモータ１２と、モータ１２の回転を垂直方向及び水平方向への移動に分離するカム機構１３と、集光手段５を保持するとともに上記カム機構１３によって垂直方向に往復動する保持部材１４とを備えている。
上記モータ１２の回転軸１２ａは水平方向に設けられており、この回転軸１２ａには上記カム機構１３を構成する偏心カム１５が設けられている。この偏心カム１５は回転軸１２ａと中心を共にする円柱状の小径部１５ａと、中心を異にする円柱状の大径部１５ｂとを備えている。
上記大径部１５ｂの外周には軸受１６を介してホルダ１７が回転自在に設けられており、このホルダ１７における偏心カム１５の反対側には、後述する第１レール２０と摺動可能に嵌合する第１スライド部材１８が設けられている。
さらに、カム機構１３は上記支持部１１に垂直方向に固定された第２レール１９を備えている。
そして、上記保持部材１４は上記集光手段５を保持すると共に、水平方向に設けられて上記第１スライド部材１８が摺動可能に嵌合する第１レール２０と、垂直方向に設けられて上記第２レール１９と摺動可能に嵌合する第２スライド部材２１とを備えている。
以上の構成により、モータ１２が回転すると、偏心カム１５が回転し、これに伴ってホルダ１７が旋回する。このとき第１スライド部材１８と第１レール２０とが嵌合し、第２レール１９が第２スライド部材２１と嵌合しているので、第１スライド部材１８が水平方向に往復動するものの、保持部材１４は水平方向には移動せずに垂直方向に往復動するようになる。
そして上記カム機構１３による保持部材１４の往復動の距離は、上記偏心カム１５における小径部１５ａと大径部１５ｂの中心位置の間隔の２倍となる。

以上の構成を有する割断装置１の動作について説明すると、最初に、割断する脆性材料２の板厚から、上記振動手段６による集光手段５を振動させる振幅の設定を行う。
本実施例では、上記集光手段５によって形成されるレーザ光Ｌの集光部Ｃが、脆性材料２の略中央で板厚の半分以上、板厚以下の範囲で振動するよう、上記偏心カム１５における小径部１５ａと大径部１５ｂの中心位置の間隔が設定されている。
そして、加工テーブル３は脆性材料２の割断予定線Ｑの始点となる位置にレーザ光Ｌの集光部Ｃが形成される位置を移動させ、さらに振動手段６は集光部Ｃが最も脆性材料２の下面側に接近するよう、集光手段５を下死点の位置で停止させている。
この状態から割断装置１を作動させると、レーザ発振器４からレーザ光Ｌが発振され、加工テーブル３は脆性材料２を割断予定線Ｑに従って移動させ、これと共に上記振動手段６によって集光手段５が垂直方向に振動する。
そしてレーザ発振器４から発振されたレーザ光Ｌは、反射ミラー７で反射して集光手段５に入射し、レーザ光Ｌは当該集光手段５によって集光され、脆性材料２の内部には集光部Ｃが形成される。
上記集光部Ｃの位置では多光子吸収が発生し、当該位置に改質領域Ｔが形成され、改質領域Ｔと非改質領域との境界がクラックとなる。
本実施例では、上記振動手段５による振動と、加工テーブル３による脆性材料２の移動とによって、集光部Ｃが通過した軌跡、すなわち振動手段６による集光手段５の振幅で、波形の改質領域Ｔが形成される。
上記波形の周波数は脆性材料２の送り速度や、上記モータ１２の回転数によって変更可能であり、また波形の振幅は上述したように振動手段６におけるカム機構１３の偏心カム１５を交換することで変更可能となっている。なお、多少集光部Ｃの位置が脆性材料２の外部に外れてしまっても問題はない。

このように、脆性材料２の内部には割断予定線Ｑに沿って板厚方向に波形の改質領域Ｔが形成されると、自然に、もしくは脆性材料２に力を印加することで、改質領域Ｔからクラックが進展し、隣接するクラック同志がつながっていく。
このとき、改質領域Ｔの波形の頂点近傍は、脆性材料２の上面及び下面に接近しているので、当該位置から進展するクラックは脆性材料２の上面及び下面に達しやすくなっている。
このため、改質領域Ｔにおける隣接する波形の頂点よりクラックが割断予定線Ｑの全体に達することで、脆性材料２は当該割断予定線Ｑに沿って割断されることとなる。
本実施例の場合、加工テーブル３の相対移動速度を５０ｍｍ／ｓｅｃ以上、振動の周波数を１００Ｈｚ以上、振動の中心を脆性材料２の中心として振幅を板厚の半分以上としたとき、良好に脆性材料２の割断を行うことができた。

このように、本実施例によれば、上記集光手段５によってレーザ光Ｌの集光部Ｃを脆性材料２の板厚方向に振動させながら移動させることで、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、隣接する改質領域Ｔの頂点となる位置から脆性材料２の上面及び下面までの距離が近いので、クラックは割断予定線Ｑからそれずに脆性材料２の上面及び下面に達するので、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集光部Ｃを振動させて改質領域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、上記集光部Ｃを振動させながら割断予定線Ｑに沿って移動させれば良いので、上記特許文献３のように集光部Ｃを脆性材料の下面側で割断予定線Ｑに沿って移動させ、その後改めて集光部Ｃを脆性材料の上面側で割断予定線Ｑに沿って移動させる必要がなく、短時間に脆性材料２の割断を行うことができる。
なお、集光手段５を振動させる振動手段６として、上記カム機構１３を使用したものの他、ピエゾアクチュエータなど、他の構成を利用して集光手段５を振動させるようにしてもよい。

次に、図４は本発明の第２の実施例にかかる割断装置１の断面図を示している。
本実施例は、上記第１の実施例における集光手段５及び振動手段６の構成を異ならせたものとなっており、それ以外の構成はほぼ上記第１の実施例における割断装置１と同一となっている。
本実施例の集光手段は、レーザ光Ｌの反射面３１ａの曲率を任意に変更可能な曲率可変ミラー３１と、当該曲率可変ミラー３１によって反射されたレーザ光を集光する集光レンズ３２とを備えている。
そして本実施例の振動手段は、上記曲率可変ミラー３１をその裏面側より加圧してこれを変形させる加圧手段３３となっており、上記曲率可変ミラー３１及び加圧手段３３は割断装置１の本体部に固定されたホルダ３４によって保持されている。
上記曲率可変ミラー３１はレーザ発振器４が発振した水平方向のレーザ光Ｌを脆性材料２の板厚方向である垂直方向に反射させるように配置され、反射したレーザ光は上記集光レンズ３２によって集光されて、加工テーブル３上の脆性材料２の内部にレーザ光Ｌの集光部Ｃを形成するようになっている。
上記加圧手段３３は曲率可変ミラー３１を加圧して当該曲率可変ミラー３１を変形させ、反射面３１ａの曲率を変化させることで反射するレーザ光Ｌの発散角が変化し、集光部Ｃを脆性材料２の板厚方向に移動させるようになっている。
そして、上記加圧手段３３による圧力を所定の周期で繰り返し変化させることで、集光部Ｃの位置を所定の振幅で振動させることができる。
なお、上記曲率可変ミラー３１および加圧手段３３については特開平９−２９３９１５号公報等に開示されているので、その構成及び動作についての詳細な説明は省略する。

以上のように、集光手段５として上記曲率可変ミラー３１および加圧手段３３を用い、曲率可変ミラー３１の反射面３１ａの曲率を変化させながら、脆性材料２を加工テーブル３により移動させることで、上記第１の実施例と同様、脆性材料２の内部に波形の軌跡で改質領域Ｔが形成されるので、容易に脆性材料２の割断を行うことができる。
特に本実施例の場合、加圧手段３３による曲率可変ミラー３１への加圧力を変更すれば、反射面３１ａの曲率を調整し、反射するレーザ光の発散角を可変することができるので、集光部Ｃの振幅を任意に変更することが可能となり、板厚の異なる脆性材料２を割断する場合であっても、柔軟な対応が可能となっている。

なお、上記第１，第２の実施例において、脆性材料２を加工テーブル３によって移動させるようにしていたが、脆性材料を固定して上記集光手段や振動手段を移動させても良く、また双方を移動させても良い。
さらに、上記集光部Ｃは上記集光手段によって板厚方向に伸びる線状の集光線であっても良い。例えば、従来公知のアキシコンレンズを用いることで、上記板厚方向に伸びる集光部Ｃを形成することができ、この集光部Ｃを振動させながら移動させれば、板厚方向に幅のある波形の軌跡で改質領域Ｔを形成することができる。

本実施例に係る割断装置を示す平面図。第１の実施例に係る割断装置の側面図。第２の実施例に係る割断装置の側面図。

符号の説明

１割断装置２脆性材料
４レーザ発振器４５集光手段
６振動手段２３カム機構
３１曲率可変ミラー３３加圧手段
Ｃ集光部Ｌレーザ光
Ｑ割断予定線Ｔ改質領域

Claims

レーザ光を集光して集光部を形成し、当該集光部を板状の脆性材料の割断予定線に沿って移動させて、当該脆性材料の割断を行う脆性材料の割断方法において、
上記集光部を脆性材料の内部でその板厚方向に振動させながら、割断予定線に沿って移動させることを特徴とする脆性材料の割断方法。
上記集光部を振動させる振幅を、脆性材料の板厚の半分以上とすることを特徴とする脆性材料の割断方法。
レーザ光を発振するレーザ発振器と、上記レーザ光を集光して集光部を形成する集光手段と、板状の脆性材料と集光手段とを相対移動させる移動手段とを備え、上記集光部を上記脆性材料の割断予定線に沿って移動させて、当該脆性材料の割断を行う脆性材料の割断装置において、
上記集光部を脆性材料の板厚方向に振動させる振動手段を設け、
この振動手段により上記集光部を脆性材料の内部でその板厚方向に振動させながら、上記移動手段により該集光部を割断予定線に沿って移動させることを特徴とする脆性材料の割断装置。
上記集光手段は、レーザ光を集光する集光レンズを備え、また振動手段は集光レンズを往復動させることにより、集光部を脆性材料の板厚方向に振動させ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。
上記集光手段は反射面の曲率を変更可能とする曲率可変ミラーを備え、また振動手段は上記曲率可変ミラーの反射面の曲率を変化させることで、反射したレーザ光の集光部を脆性材料の板厚方向に振動させ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。
上記集光手段はレーザ光の集光部を脆性材料の板厚の半分以上の振幅で振動させることを特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれかに記載の脆性材料の割断装置。