JP2007161522A - 分断装置および分断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱的損傷を与えることを抑制して、簡易な構成で対象物を分断することができ、かつ生産性の高い分断装置および分断方法を提供する。
【解決手段】 レーザ装置１３からのレーザ光を、２焦点レンズから成るレンズ１５によってガラス基板１２の表面に集光し、ガラス基板１２の表面において第１のスポット光２５と第２のスポット光２６とを形成する。第２のスポット光２６が照射される軟化領域２７は、ガラス基板１２の軟化点Ｔｓよりも高い温度に加熱される。第１のスポット光２５が照射される領域から軟化領域２７を除く残余の加熱領域２８は、軟化点Ｔｓよりも低い温度に加熱される。ガラス基板１２を第１方向Ｘの他方に移動することによって、ガラス基板１２に対して加熱領域２８と軟化領域２７とを分断予定線２２に沿って相対移動し、ガラス基板１２を分断予定線２２に沿って分断する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、対象物に対して吸収特性に優れた光を用いて対象物を分断する分断装置および分断方法に関する。

ガラスなどの脆性材料から成る基板を分断する方法として、前記基板に対して吸収特性に優れた波長のレーザ光を用いて脆性材料から成る基板を分断する方法がある。

図６は、第１の従来の技術の分断装置１を模式的に示す図である。この分断装置１は、スクライバ２と、レーザ発振器３と、ワーク載置用テーブル４と、複数のミラー５と、レンズ６とを含んで構成される。分断装置１は、脆性材料であるガラスから成るマザーガラス７を分断する。マザーガラス７は、ワーク載置用テーブル４に載置される。

レーザ発振器３は、主熱源となるレーザ光と、サブ熱源となるレーザ光との２本のレーザ光を発生する。分断装置１は、レーザ発振器３からの２本のレーザ光を用いてマザーガラス７を分断するので、レーザ光は、マザーガラス７を透過せずに、マザーガラス７に吸収される必要がある。したがってレーザ発振器３は、マザーガラス７に吸収される波長の光を発生するＣＯ_２レーザ装置によって実現される。

レーザ発振器３から発せられる２本のレーザ光は、複数のミラー５に反射されてレンズ６へと導かれてレンズ６を通過し、マザーガラス７の所定の位置に集光される。マザーガラス７の所定の位置に照射されたレーザ光は、マザーガラス７に吸収され、熱に変換される。したがって、マザーガラス７のレーザ光が照射された部分は、加熱される。

スクライバ２は、ダイヤモンドおよび超硬合金などの硬質材料を尖らせた先端部を有する。マザーガラス７の分断は、まずマザーガラス７の一表面にスクライバ２を用いて初期亀裂を形成する。具体的には、スクライバ２をマザーガラス７の一表面に押し当てながら引っ掻くことによって、初期亀裂を形成する。

次にマザーガラス７を分断すべき分断予定線に沿って、マザーガラス７に前記２本のレーザ光を照射する。レーザ光が照射されると、照射された部分が発熱し、この熱によってマザーガラス７が膨張する。マザーガラス７が膨張すると、熱応力が発生し、前記初期亀裂の先端部に引張応力が集中する。この引張応力がマザーガラス７の引張降伏応力を超えると、初期亀裂がレーザ光の照射部分に向かって延びる。前記２本のレーザ光の照射部分を分断予定線に沿って連続的に移動させることによって、亀裂がレーザ光の照射部分の移動に追随して延び、マザーガラス７が分断予定線に沿って分断される（たとえば特許文献１参照）。

第２の従来の技術の走査型レーザ装置では、ガルバノミラーなどを用いて、ガラス基板上に照射されるレーザ光を高速で走査することによって、ガラス基板の表面上に所望するスポットの形と同等な仮想的なスポットを形成し、所望する温度分布をガラス基板に形成している。ガラス基板を分断するために最適となる温度分布をガラス基板に形成することによって、ガラス基板を分断している（たとえば特許文献２参照）。

第３の従来の技術の非金属材料のレーザによる分断装置では、分断すべき非金属材料基板に第１のスポット径のレーザ光を照射することによって初期亀裂を発生させる。初期亀裂が発生した後は、絞りを用いてスポット径を第１のスポット径よりも小さい第２のスポット径にする。このようにスポット径を絞り、光強度の低下したレーザ光であっても、初期亀裂は、照射部分に向かって延び、第２のスポット径のレーザ光を分断予定線に沿って照射することによって非金属材料基板を分断する。非金属材料基板を分断するときに、スポット径の小さい第２のスポット径のレーザ光を照射するので、レーザ光によって加熱される領域を小さくすることができ、非金属材料基板に形成された電子回路などに与える熱的ダメージを抑制することができる（たとえば特許文献３参照）。

第４の従来の技術のガラス加工装置では、被加工ガラス体を分断するために、まず被加工ガラス体に対して吸収係数の高い紫外線領域のレーザ光を照射する。被加工ガラス体は、紫外線領域の波長の光に対して高い吸収係数を有するので、紫外線領域のレーザ光が照射されると、照射された部分が高温となって蒸発する。この蒸発した部分が前述したスクライバ２による初期亀裂と同じ効果を成す。すなわちスクライバを用いずに初期亀裂を発生させることができる。次に赤外線領域のレーザ光を前述したように分断予定線に沿って照射することによって、被加工ガラス体を分断することができる（たとえば特許文献４参照）。

特開２０００−２４７６７１号公報 特開２００５−８８０７８号公報 特開２０００−２６３２５７号公報 特許第３０３６９０６号公報

第１および第２の従来の技術では、初期亀裂を発生させるためにスクライバ２を用いている。初期亀裂を発生させるためには、前述したように、スクライバ２の先端部をガラス基板の一表面に押し当てながら引っ掻く必要がある。したがってスクライバ２は、レーザ発振器３などに比べて著しく速く劣化する。スクライバ２が劣化すると、スクライバ２を交換する必要が生じる。スクライバ２の交換は、装置を停止して行う必要があるので、スクライバ２が劣化するたびに装置を停止することになり、装置の稼働率が低下し、装置の生産性が低下するという問題が生じる。

また第３の従来の技術では、初期亀裂を形成する工程と、亀裂を成長させる工程とにおいてレーザ光のスポット径を変化させる。初期亀裂を形成するたびにレーザ光のスポット径を大きくする必要があるので、初期亀裂を形成する回数が増加するほど、生産性が低下する。たとえば非金属材料基板を桝目状に分断する場合には、分断線の全ての交差点においてスポット径を大きくして初期亀裂を形成する必要が生じ、生産性が低下する。

第４の従来の技術では、紫外線領域のレーザ光を発生するレーザ装置と、赤外線領域のレーザ光を発生するレーザ装置との２つのレーザ装置が必要となるので、ガラス加工装置の構成が複雑となり、コストが増加する。

したがって本発明の目的は、熱的損傷を与えることを抑制して、簡易な構成で対象物を分断することができ、かつ生産性の高い分断装置および分断方法を提供することである。

本発明は、分断すべき対象物に対して吸収特性に優れた波長の光を発生する光源と、
前記光源からの光を入射して、その入射光を対象物の表面上で第１のスポット光が照射される第１の照射領域が形成されるように集光する第１のレンズと、
前記光源からの光を入射して、その入射光を対象物の表面上で前記第１の照射領域内に第２のスポット光が照射される第２の照射領域が形成されるように集光する第２のレンズと、
第２の照射領域を対象物の軟化点以上かつ沸点未満に加熱し、第１の照射領域から第２の照射領域を除く残余の第３の照射領域を、軟化点よりも低い予め定める温度以上かつ対象物の軟化点未満に加熱するように、前記第２および第３の照射領域を、対象物に対して分断すべき方向に沿って相対移動させる移動手段とを含むことを特徴とする分断装置である。

本発明に従えば、光源から発生して対象物に照射される光は、対象物に吸収されて、熱に変換される。すなわち対象物のうち、光源からの光が照射された部分が加熱される。第１のレンズに入射した光源からの光は、第１の照射領域において熱に変換される。これによって第１の照射領域が加熱される。また第２のレンズに入射した光源からの光は、第２の照射領域において熱に変換される。これによって第２の照射領域が加熱される。対象物を分断するときには、第２の照射領域が、対象物の軟化点以上かつ沸点未満に加熱され、第１の照射領域から第２の照射領域を除く残余の第３の照射領域が、軟化点よりも低い予め定める温度以上かつ対象物の軟化点未満に加熱された状態で、前記第２および第３の照射領域が、対象物に対して分断すべき方向に沿って相対移動する。

第２および第３の照射領域が、対象物に対して相対移動すると、対象物のうちの分断すべき部分は、まず最初に第３の照射領域に入り、次に第２の照射領域に入り、次に第２の照射領域を外れて第３の照射領域に入り、最後に第３の照射領域を外れる。したがって対象物のうちの分断すべき部分の温度は、まず軟化点よりも低い予め定める温度以上かつ対象物の軟化点未満となり、次に軟化点以上かつ沸点未満となり、次に軟化点よりも低い予め定める温度以上かつ対象物の軟化点未満となり、最後に常温となる。

分断すべき部分が、まず第３の照射領域に入ると熱膨張しようとするが、周囲には常温部分があるので、膨張が抑制される。したがって第３の照射領域に入った部分に、熱膨張しようとする力を打ち消す圧縮応力が働く。分断すべき部分が、次に第２の照射領域に入ると、軟化点以上に加熱されるので、変形可能となる。変形可能な部分には、前述した圧縮応力が加わり、この圧縮応力によって変形可能な部分が変形する。分断すべき部分が、次に第２の照射領域から外れて第３の照射領域に入ると、軟化点以下になるので、変形した状態で固まる。変形した状態で固まった部分の温度が下がると、変形した状態で固まった部分は、収縮しようとするが、周囲も温度が下がり収縮しようとするため収縮が抑制される。したがって変形した状態で固まった部分には、収縮しようとする力を打ち消す引張応力が残留する。すなわち変形した部分に残留応力が発生する。分断すべき部分が、次に第３の照射領域を外れると、常温に冷却されて、前述した残留応力の大きさが増大する。第３の照射領域を外れた部分には、この残留応力に加えて、第２および第３の照射領域が加熱されることによって生じる熱応力が、引張応力として作用する。残留応力と引張応力との合力が、対象物の引張降伏応力を超えると、対象物が割ける。つまり第２および第３の照射領域を対象物に対して分断すべき方向に沿って相対移動させると、対象物が分断すべき方向に沿って分断される。

以上説明したように、第１および第２の従来技術のように初期亀裂を生じさせることなく、また第３の従来の技術のようにスポット径を変えることなく、第２および第３の照射領域が、移動手段によって対象物に対して分断すべき方向に沿って相対移動することによって、対象物が分断すべき方向に沿って分断される。

また本発明は、前記第２のレンズは、前記第１のレンズの外周部を外囲して形成されることを特徴とする。

本発明に従えば、第２のレンズは、前記第１のレンズの外周部を外囲して形成されるので、たとえば第１のレンズの位置と第２のレンズの位置とを入れ換えた場合に比べて、第２のレンズの開口数を高くできる。レンズの開口数が高い程、焦点位置におけるスポット光の径が小さくなる。第２のレンズの開口数が高くできるので、第２のスポット光の径をより小さくでき、対象物を分断するときに変形する第２の照射領域を小さくすることができる。変形した部分には、残留応力が生じ、熱によって損傷が生じる。第２の照射領域を小さくすることができるので、損傷の生じる部分を抑制して、対象物を分断することができる。

また本発明は、対象物のうち前記第１および第２のスポット光の照射によって加熱された領域を冷却する冷却手段を含むことを特徴とする。

本発明に従えば、対象物の第１および第２のスポット光の照射によって加熱された領域が、冷却手段によって積極的に冷却されるので、加熱した部分を徐冷する場合に比べて、前述した残留応力が大きくなる。

また本発明は、分断すべき対象物に対して吸収特性に優れた波長の光を発生する光源からの光を第１のレンズに入射して、その入射光を対象物の表面上で第１のスポット光が照射される第１の照射領域が形成されるように集光するとともに、前記光源からの光を第２のレンズに入射して、その入射光を対象物の表面上で前記第１の照射領域内に第２のスポット光が照射される第２の照射領域が形成されるように集光し、
第２の照射領域を対象物の軟化点以上かつ沸点未満に加熱し、第１の照射領域から第２の照射領域を除く残余の第３の照射領域を、軟化点よりも低い予め定める温度以上かつ対象物の軟化点未満に加熱するように、前記第２および第３の照射領域を、対象物に対して分断すべき方向に沿って相対移動させることを特徴とする分断方法である。

本発明に従えば、第２のレンズによって形成される第２の照射領域が、対象物の軟化点以上かつ沸点未満に加熱され、第１のレンズによって形成される第１の照射領域から第２の照射領域を除く残余の第３の照射領域が、軟化点よりも低い予め定める温度以上かつ対象物の軟化点未満に加熱された状態で、前記第２および第３の照射領域を、対象物に対して分断すべき方向に沿って相対移動する。これによって前述したように第１および第２の従来技術のように初期亀裂を生じさせることなく、また第３の従来の技術のようにスポット径を変えることなく、対象物を分断すべき方向に沿って分断することができる。

本発明によれば、初期亀裂を生じさせる工程を経ることなく、またスポット径を変えることなく、対象物を分断すべき方向に沿って分断する分断装置が実現される。これによって、分断装置の生産性、すなわち分断装置が対象物を分断することによって生産される生成物の生産性を向上することができる。

また光源からの光のみを利用して対象物を分断するので、対象物を分断するために、対象物に工具を接触させる必要がない。対象物に工具を接触する場合には、光源などに比べて工具の劣化が速く、工具を頻繁に交換する必要があるが、本発明では対象物に接触させる工具が必要ないので、分断装置のメンテナンスを行う頻度を少なくすることができる。分断装置を停止してメンテナンスを行う回数が減るので、分断装置の生産性を向上することができる。

また１つの光源から発生する光を用いて第２および第３の照射領域を形成し、対象物を分断することができるので、２つの光源を必要とする第４の従来の技術に比べて分断装置の構成を簡略化することができ、分断装置のコストを低減することができる。

また本発明によれば、第２のレンズの開口数を高くできるので、第２のスポット光の径を小さくでき、対象物において前述した変形する部分を小さくすることができ、対象物を分断するときに損傷の生じる部分を抑制することができる。

また本発明によれば、対象物の第１および第２のスポット光の照射によって加熱された領域が、冷却手段によって積極的に冷却されるので、加熱された領域を徐冷する場合に比べて、前述した残留応力が大きくなる。対象物を分断するための大きな残留応力を効率的に発生させることができ、効率的に対象物を分断することができる。

また本発明によれば、初期亀裂を生じさせる工程を経ることなく、またスポット径を変えることなく、対象物を分断すべき方向に沿って分断することができ、対象物を分断するために要する時間を抑制することができる。

また１つの光源から発生する光を用いて第２および第３の照射領域を形成し、対象物を分断することができる。

図１は、本発明の実施の一形態の分断装置１１の構成を模式的に示す図である。この分断装置１１によって、本発明の実施の一形態の分断方法が実行される。分断装置１１は、レーザ光によって生じる熱応力を利用して対象物であるガラス基板１２を分断する。分断したガラス基板１２は、液晶ディスプレイなどに利用される。

分断装置１１は、光源であるレーザ装置１３と、ミラー１４と、レンズ１５と、ステージ１６と、駆動部１７と、冷却装置１８と、制御部１９とを含んで構成される。

制御部１９は、マイクロコンピュータを含んで実現される。前記マイクロコンピュータは、中央処理装置（Central Processing Unit：略称ＣＰＵ）、メモリおよび入出力インタフェースを含んで構成される。制御部１９は、メモリに記憶された制御プログラムをＣＰＵが読込んで実行することによって駆動部１７、レーザ装置１３および冷却装置１８を制御する。

板状のガラス基板１２は、脆性材料であり、応力によって分断される。ステージ１６には、ガラス基板１２の載置面が形成される。ガラス基板１２は、ステージ１６に位置決めして載置される。以後、図１に示したステージ１６の長手方向を第１方向Ｘ、ステージ１６の短手方向を第２方向Ｙ、第１方向Ｘおよび第２方向Ｙの両方向に垂直な方向を第３方向Ｚと記載する。次に、本実施の形態の分断装置１１によって、ガラス基板１２の第２方向Ｙの中央を、ガラス基板１２の第１方向Ｘの一端から他端まで分断する場合について説明する。ここで、ガラス基板１２の第３方向Ｚの一表面２１において、ガラス基板１２の第２方向Ｙの中央を通り、ガラス基板１２の第１方向Ｘの一端と他端とを結ぶ直線を分断予定線２２と記載する。すなわちこの分断予定線２２に沿って、ガラス基板１２を分断する。

駆動部１７は、制御部１９の指令に基づいてステージ１６を第１方向Ｘ、第２方向Ｙおよび第３方向Ｚに移動する。ガラス基板１２は、ステージ１６に固定して載置されるので、ステージ１６の移動にともなって移動する。したがって駆動部１７がステージ１６を移動することによって、ガラス基板１２も移動する。駆動部１７は、たとえばステッピングモータを含んで実現される。ガラス基板１２を分断予定線２２に沿って分断するときには、駆動部１７は、ガラス基板１２を分断するために最適な速度で、ステージ１６を第１方向Ｘの他方から一方（図１において左向き）に移動する。移動手段は、ステージ１６と駆動部１７と制御部１９とを含んで実現される。

レーザ装置１３は、ガラス基板１２に対して吸収特性の優れた波長のレーザ光を発生する。つまりレーザ装置１３は、ガラス基板１２に対して吸収係数の高い波長のレーザ光を発生する。具体的には、レーザ装置１３は、ガラス基板１２に吸収される１０．６μｍの波長のレーザ光を発生するＣＯ_２レーザ装置によって実現される。レーザ装置１３は、制御部１９の指令に基づいて、ガラス基板１２を分断するために最適な強度のレーザ光を発生する。

レーザ装置１３から発生したレーザ光は、第１方向Ｘの一方から他方に進行し、ミラー１４によって反射されて進行方向を変える。ミラー１４によって反射されたレーザ光は、第３方向Ｚの一方から他方にガラス基板１２に向かって進行し、レンズ１５を通過してガラス基板１２の所定の位置に集光される。

図２は、ステージ１６と、ガラス基板１２と、レンズ１５とを模式的に示す断面図である。レンズ１５は、複数の焦点を有する複焦点レンズによって実現される。具体的には、レンズ１５は、２焦点レンズであって、第１のレンズである長焦点の第１のレンズ領域２３と、第２のレンズである短焦点の第２のレンズ領域２４とを含んで構成される。レンズ１５は、第１のレンズ領域２３の光軸Ｌと第２のレンズ領域２４の光軸Ｌとが一致するように形成される。第２のレンズ領域２４は、第１のレンズ領域の外周部を外囲して形成される。図２において第１のレンズ領域２３を通過するレーザ光の外周縁３２を破線で表し、第２のレンズ領域２４を通過するレーザ光の外周縁３３を２点鎖線で表す。

第１のレンズ領域２３の焦点と第２のレンズ領域２４の焦点とは、互いに異なるので、第１のレンズ領域２３を通過したレーザ光と第２のレンズ領域２４を通過したレーザ光とは、ガラス基板１２上にそれぞれ互いに異なるスポット光を形成する。以後、第１のレンズ領域２３を通過したレーザ光によってガラス基板１２の第３方向Ｚの一表面２１に形成されるスポット光を第１のスポット光２５と記載する場合がある。また第２のレンズ領域２４を通過したレーザ光によってガラス基板１２の第３方向Ｚの一表面２１に形成されるスポット光を第２のスポット光２６と記載する場合がある。

レンズ１５は、光軸Ｌが第３方向Ｚに平行となるように、ステージ１６の第３方向Ｚの一方に所定の間隔をあけて配置される。具体的には、レンズ１５とステージ１６との間の距離は、第２のレンズ領域２４の焦点が、ガラス基板１２の第３方向Ｚの一表面２１に一致するように調整される。この調整は、レンズ１５の第３方向Ｚの位置を調整するか、またはステージ１６の第３方向Ｚの位置を調整することによって行われる。これによってガラス基板１２の第３方向Ｚの厚さに拘わりなく、第２のレンズ領域２４の焦点を、ガラス基板１２の第３方向Ｚの一表面２１に一致させることができる。

第１のレンズ領域２３は、第２のレンズ領域２４よりも長焦点なので、第１のレンズ領域２３の焦点は、ガラス基板１２の第３方向Ｚの一表面２１よりも第３方向Ｚの他方に位置する。したがって第１のスポット光２５の径は、第２のスポット光２６の径よりも大きい。また第１のレンズ領域２３の光軸Ｌと第２のレンズ領域２４の光軸Ｌとは一致するので、第１のスポット光２５の中心と第２のスポット光２６の中心とは一致する。つまり第１のスポット光２５内に第２のスポット光２６が形成される。

冷却装置１８は、制御部１９の指令に基づいて、霧状の液滴などを含む冷却風を発生し、この冷却風をガラス基板１２に吹きつける。冷却装置１８は、たとえば第１のスポット光２５から第１方向Ｘの一方側の第１のスポット光２５の近傍に冷却風を吹きつける。これによって、ガラス基板１２を分断するときに、第１のスポット光２５が通過した直後の領域が積極的に冷却される。以後、ガラス基板１２の第３方向Ｚの一表面２１において、冷却装置１８によって冷却される領域を、冷却領域２９と記載する場合がある。冷却領域２９の第２方向Ｙの長さは、少なくとも第２のスポット光２６の第２方向Ｙの長さよりも長い。したがって、ガラス基板１２を分断するときには、冷却装置１８は、第２のスポット光２６が照射された領域および少なくとも第１のスポット光２５が照射された領域の一部を冷却する。

ガラス基板１２を分断予定線２２に沿って分断するときには、第１のスポット光２５と第２のスポット光２６との中心を分断予定線２２に一致させた状態で、第１のスポット光２５と第２のスポット光２６とをガラス基板１２の第１方向Ｘの一端から他端まで走査する。具体的には、第１のスポット光２５と第２のスポット光２６との中心を分断予定線２２に一致させた状態で、ガラス基板１２を第１方向Ｘの一方に移動させることによって、第１のスポット光２５と第２のスポット光２６とをガラス基板１２上において走査する。

図３は、ガラス基板１２の第３方向Ｚの一表面２１上の、レーザ光が照射された部分を含む領域の温度分布を表すグラフである。レーザ装置１３からのレーザ光がガラス基板１２に照射されると、レーザ光は、ガラス基板１２に吸収されて、熱に変換される。この熱によってガラス基板１２の温度が上昇する。

図３（１）は、第１のスポット光２５および第２のスポット光２６の中心を通る第１方向Ｘに延びる直線におけるガラス基板１２の温度分布、すなわち分断予定線２２上におけるガラス基板１２の温度分布を表すグラフである。横軸は、第１のスポット光２５および第２のスポット光２６の中心からのガラス基板１２の第１方向Ｘの距離を表す。縦軸は、温度を表す。縦軸の原点は、グラフの見易さのために、０℃ではなく、ガラス基板１２の軟化点Ｔｓに近く、かつ軟化点Ｔｓよりも低い温度Ｔｏを表している。

第１のスポット光２５および第２のスポット光２６の中心は、光強度が最も強くなるので、最も高い温度Ｔ２に加熱される。図３（１）において温度が最も高くなる位置は、第１のスポット光２５および第２のスポット光２６の中心である。温度Ｔ２は、ガラス基板１２の軟化点Ｔｓ以上かつ沸点未満に選ばれる。第２のスポット光２６が照射される第２の照射領域である軟化領域２７では、ガラス基板１２は、レーザ光によって軟化点Ｔｓよりも高い温度に加熱される。また第１のスポット光２５が照射される第１の照射領域から軟化領域２７を除く残余の第３の照射領域である加熱領域２８では、ガラス基板１２は、軟化点Ｔｓを超えない範囲で、軟化点Ｔｓよりも低い予め定める温度以上かつ軟化点Ｔｓ付近の温度Ｔ１程度に加熱される。

図３（２）は、第１のスポット光２５および第２のスポット光２６の中心を通り、第２方向Ｙに延びる直線におけるガラス基板１２の温度分布を表すグラフである。横軸は、第１のスポット光２５および第２のスポット光２６の中心からのガラス基板１２の第２方向Ｙの距離を表す。縦軸は、温度を表す。縦軸の原点は、グラフの見易さのために、０℃ではなく、ガラス基板１２の軟化点Ｔｓに近く、かつ軟化点Ｔｓよりも低い温度Ｔｏを表している。

第１のスポット光２５および第２のスポット光２６の中心は、光強度が最も強くなるので、最も高い温度Ｔ２に加熱される。図３（２）において温度が最も高くなる位置は、第１のスポット光２５および第２のスポット光２６の中心であり、分断予定線２２上の位置である。第２のスポット光２６が照射される軟化領域２７では、ガラス基板１２は、レーザ光によって軟化点Ｔｓよりも高い温度に加熱される。また第１の照射領域から軟化領域２７を除く残余の加熱領域２８では、ガラス基板１２は、軟化点Ｔｓを超えない範囲で、軟化点Ｔｓよりも低い予め定める温度以上かつ軟化点Ｔｓ付近の温度Ｔ１程度に加熱される。

以上述べたガラス基板１２の第３方向Ｚの一表面２１上の温度分布は、第１のレンズ領域２３の焦点および第２のレンズ２４の焦点などのレンズ１５の構成、レーザ装置１３から発生するレーザ光の光強度、およびガラス基板１２の移動速度などを最適に調整することによって実現される。加熱領域２８の温度が軟化点Ｔｓに近いほど、後述する残留応力が大きくなるので、加熱領域２８の温度は、軟化点Ｔｓに近いほど良い。レンズ１５は、２焦点レンズから成るので、短焦点の第２のレンズ領域２４の焦点を調整するだけで、容易に第１のスポット光２５と第２のスポット光２６とを形成し、軟化領域２７と加熱領域２８とを形成することができる。

レーザ装置１３、ミラー１４、冷却装置１８、およびレンズ１５は、ガラス基板１２を分断する処理を実行しているときには、それぞれ移動せずに静止している。

図４は、ガラス基板１２を分断予定線２２に沿って分断するときのガラス基板１２の斜視図である。図５は、図４の切断面線Ｉ−Ｉから見たガラス基板１２の断面図である。ガラス基板１２を分断予定線２２に沿って分断するときには、ガラス基板１２を第１方向Ｘの一方に移動させることによって、軟化領域２７と加熱領域２８とを、ガラス基板１２に対して第１方向Ｘの他方に相対移動させる。

軟化領域２７と加熱領域２８とを分断予定線２２に沿って移動させたときの、ガラス基板１２の第３方向Ｚの一表面部３１の特定の部分Ａの温度変化およびこの特定の部分Ａに加わる応力について説明する。

図４（１）は、特定の部分Ａに加熱領域２８の周縁が差し掛かったときのガラス基板１２の斜視図である。図４（２）は、軟化領域２７に特定の部分Ａが入ったときのガラス基板１２の斜視図である。図４（３）は、特定の部分Ａが軟化領域２７から加熱領域２８に入ったときのガラス基板１２の斜視図である。図４（４）は、特定の部分Ａが加熱領域２８から外れ、冷却領域２９に入ったときのガラス基板１２の斜視図である。図５（１）〜（４）は、加熱領域２８と軟化領域２７と冷却領域２９とがそれぞれ図４（１）〜（４）に示す位置に形成されているときの、切断面線Ｉ−Ｉから見たガラス基板１２の断面図である。図５において、ガラス基板１２の特定の部分Ａに加わる応力を白抜きの矢印Ｆで表す。矢印Ｆの向きは、応力の向きを表し、矢印Ｆの長さは、応力の大きさを表す。また図５において特定の部分Ａを通り、第３方向Ｚに平行に延びる直線ａを２点鎖線で表す。

ガラス基板１２の特定の部分Ａに加熱領域２８の周縁が差し掛かり、特定の部分Ａの温度が上昇すると、特定の部分Ａが熱膨張によって膨張しようとする。このとき、特定の部分Ａの温度は軟化点Ｔｓよりも低いので、特定の部分Ａは変形することができない。また、特定の部分Ａの周囲も膨張しようとするため、特定の部分Ａは膨張が抑制される。したがって、特定の部分Ａには、膨張しようとする力を打ち消す圧縮応力が加わる。

次にガラス基板１２の特定の部分Ａが軟化領域２７に入ると、ガラス基板１２の特定の部分Ａは軟化し、応力によって変形可能となる。ガラス基板１２の特定の部分Ａには前述した圧縮応力が働くので、特定の部分Ａは、圧縮応力によって変形する。

次にガラス基板１２の特定の部分Ａが軟化領域２７を外れ、加熱領域２８に入ると、特定の部分Ａは、軟化点Ｔｓよりも低い温度になり、軟化した状態から固まる。このとき特定の部分Ａは、圧縮応力が働いた状態で固まるので、変形した状態のまま固まる。その後特定の部分Ａは、さらに温度が低下するので、収縮しようとするが、軟化していないので変形できず、また、特定の部分Ａの周囲も収縮しようとするため、収縮が抑制される。したがって、特定の部分Ａには、収縮しようとする力を打ち消す引張応力が加わる。すなわち特定の部分Ａには、残留応力として引張応力が残留する。

次にガラス基板１２の特定の部分Ａが加熱領域２８を外れて冷却領域２９に入ると、特定の部分Ａは、冷却装置１８からの冷却風によって積極的に冷却され、急激に温度が低下する。特定の部分Ａの温度が急激に低下してさらに収縮しようとするので、引張応力の大きさがさらに増す。この応力は、特定の部分Ａを大気によって徐冷したとしても増加するが、積極的に冷却することによって、その増加する大きさは、大気によって徐冷した場合に比べて大きくなる。特定の部分Ａには、残留応力に加えて、加熱領域２８の熱応力によって引張応力が作用する。加熱領域２８からの熱応力による引張応力と、残留応力による引張応力との合力が、ガラスの引張降伏応力を超えると、ガラスは分断される。

前述した予め定める温度および第１のスポット光２５の大きさは、残留応力と引張応力との合力が引張応力を超えるように設定される。たとえば第１のスポット光２５の径は、１ｍｍ〜５０ｍｍ程度に選ばれる。なお、第１のスポット光２５の径が第１のレンズ領域２３の径より大きい場合、焦点はレンズよりレーザ装置１３側になる。また軟化して変形した部分に応力が集中するので、この部分の大きさは、小さい方が望ましい。

以上述べたように軟化領域２７と加熱領域２８とを分断予定線２２に沿ってガラス基板１２に対して相対移動させることによって、ガラス基板１２は、分断予定線２２に沿って分断される。

以上説明した本発明の実施の一形態の分断装置１１によれば、初期亀裂を生じさせる工程を経ることなく、また第１および第２のスポット光２５，２６の径を変えることなく、軟化領域２７と加熱領域２８とを分断予定線２２に沿って移動させることによって、ガラス基板１２を分断予定線２２に沿って分断する。これによって初期亀裂を生じさせる工程を経る従来技術、またはスポット光の径を変える従来技術に比べて、分断装置１１の生産性を向上することができる。

またレーザ装置１３からのレーザ光のみを利用してガラス基板１２を分断するので、ガラス基板１２を分断するために、ガラス基板１２に工具を接触させる必要がない。ガラス基板１２に工具を接触する場合には、レーザ装置１３などに比べて工具の劣化が速く、工具を頻繁に交換する必要があるが、ガラス基板１２に接触させる工具が必要ないので、分断装置１１のメンテナンスを行う頻度を少なくすることができる。分断装置１１を停止してメンテナンスを行う回数が減るので、分断装置１１の生産性を向上することができる。

また１つのレーザ装置１３からのレーザ光を利用してガラス基板１２を分断することができるので、複数の光源を必要とする分断装置に比べて、分断装置１１の構成が簡易となり、分断装置１１のコストが低減される。

またレンズ１５は、２焦点レンズによって実現され、第２のレンズ領域は、前記第１のレンズ領域の外周部を外囲して形成されるので、たとえば第１のレンズ領域２３の位置と第２のレンズ領域２４の位置とを入れ換えた場合に比べて、第２のレンズ領域２４の開口数を高くできる。開口数が高くなる程、焦点位置におけるスポット光の径が小さくなる。第２のレンズ領域２４の開口数が高くできるので、第２のスポット光２６の径を小さくでき、ガラス基板１２において変形する軟化領域２７を小さくすることができる。変形した領域には、残留応力が生じ、変形した領域の強度が低下する。すなわち変形した領域には、熱的な損傷が生じる。ガラス基板１２において前述した変形する領域を小さくすることができるので、損傷の生じる領域を抑制して、ガラス基板１２を分断することができる。

また冷却装置１８を用いて、ガラス基板１２の加熱された部分を積極的に冷却するので、加熱した部分を徐冷する場合に比べて、変形した領域に生じる残留応力が大きくなる。残留応力が大きくなるので、光強度の低いレーザ光でガラス基板１２を分断したり、ガラス基板１２を分断する速度を上げたりすることができ、効率的にガラス基板１２を分断することができる。

本発明の実施の一形態の分断装置１１のレンズ１５は、一体に形成された２焦点レンズから成るとしたけれども、第１のスポット光２５に第２のスポット光２６が重なるように配置される２つの異なるレンズから構成されてもよい。この場合、レーザ装置１３からのレーザ光をたとえばビームスプリッタによって２つのレーザ光に分け、各レーザ光を２つの異なるレンズにそれぞれ通して、第１のスポット光２５と第２のスポット光２６とを形成してもよい。またビームスプリッタによってレーザ光を分けるのではなく、２つのレーザ装置からそれぞれレーザ光を発生させて、各レーザ光を２つの異なるレンズに通すようにしてもよい。

また本発明の実施の一形態の分断装置１１のレンズ１５は、第１のレンズ領域２３第１のレンズ領域２３の方が第２のレンズ２４よりも焦点距離が長いとしたけれども、第１のレンズ領域２３の方が第２のレンズ２４よりも焦点距離が短くてもよい。この場合、第１のレンズ領域２３を通過するレーザ光は、ガラス基板１２に到達する前に焦点を結ぶが、ガラス基板１２の第３方向Ｚの一表面２１上において第１のスポット光２５を形成することができ、前述した軟化領域２７と加熱領域２８とを形成することができる。

また本発明の実施の一形態の分断装置１１は、ガラス基板１２を移動させることによって、ガラス基板１２に対して軟化領域２７と加熱領域２８とを移動させるが、ガラス基板１２を移動させずに第１のスポット光２５と第２のスポット光２６とを移動させてもよい。この場合、たとえばレーザ装置１３とミラー１４とレンズ１５と冷却装置１８との互いの相対距離を変えずに、レーザ装置１３とミラー１４とレンズ１５と冷却装置１８とを移動すればよい。

また本発明の実施の一形態の分断装置１１のレーザ装置１３は、ＣＯ_２レーザ装置によって実現されるとしたけれども、ＣＯ_２レーザ装置に限らず、ガラス基板１２に吸収される波長のレーザ光を発生するレーザ装置によって実現されてもよい。レーザ装置１３は、たとえばＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザ装置からのレーザ光の波長を変換して第４高調波を発生するレーザ装置、またはエキシマレーザ装置によって実現されてもよい。また分断装置１１を用いてガラス以外の脆性材料から成る対象物を分断する場合には、レーザ装置は、前記対象物に吸収される光を発生するレーザ装置によって実現されればよい。

また本発明の実施の一形態の分断装置１１によれば、冷却装置１８を用いてガラス基板１２を積極的に冷却するとしたけれども、ガラス基板１２を積極的に冷却しなくてもよい。この場合、ガラス基板１２の変形した部分に残留する残留応力の大きさが小さくなるが、レーザ装置１３からのレーザ光の光強度を高くしたり、ガラス基板１２の移動速度を下げたりすることによって、前述した軟化領域２７と加熱領域２８とを形成し、ガラス基板１２を分断することができる。ガラス基板１２を積極的に冷却する必要がないので、冷却装置１８を省略することができ、分断装置１１の構成が簡易になり、分断装置１１のコストが低下する。

本発明の実施の一形態の分断装置１１の構成を模式的に示す図である。 ステージ１６と、ガラス基板１２と、レンズ１５とを模式的に示す断面図である。 ガラス基板１２の第３方向Ｚの一表面２１上の、レーザ光が照射された部分を含む領域の温度分布を表すグラフである。 ガラス基板１２を分断予定線２２に沿って分断するときのガラス基板１２の斜視図である。 図４の切断面線Ｉ−Ｉから見たガラス基板１２の断面図である。 第１の従来の技術の分断装置１を模式的に示す図である。

符号の説明

１１ 分断装置
１２ ガラス基板
１３ レーザ装置
１４ ミラー
１５ レンズ
１６ ステージ
１７ 駆動部
１８ 冷却装置
１９ 制御部
２２ 分断予定線
２３ 第１のレンズ領域
２４ 第２のレンズ領域
２５ 第１のスポット光
２６ 第２のスポット光
２７ 軟化領域
２８ 加熱領域
２９ 冷却領域

Claims (4)

1. 分断すべき対象物に対して吸収特性に優れた波長の光を発生する光源と、
   前記光源からの光を入射して、その入射光を対象物の表面上で第１のスポット光が照射される第１の照射領域が形成されるように集光する第１のレンズと、
   前記光源からの光を入射して、その入射光を対象物の表面上で前記第１の照射領域内に第２のスポット光が照射される第２の照射領域が形成されるように集光する第２のレンズと、
   第２の照射領域を対象物の軟化点以上かつ沸点未満に加熱し、第１の照射領域から第２の照射領域を除く残余の第３の照射領域を、軟化点よりも低い予め定める温度以上かつ対象物の軟化点未満に加熱するように、前記第２および第３の照射領域を、対象物に対して分断すべき方向に沿って相対移動させる移動手段とを含むことを特徴とする分断装置。
2. 前記第２のレンズは、前記第１のレンズの外周部を外囲して形成されることを特徴とする請求項１記載の分断装置。
3. 対象物のうち前記第１および第２のスポット光の照射によって加熱された領域を冷却する冷却手段を含むことを特徴とする請求項１または２記載の分断装置。
4. 分断すべき対象物に対して吸収特性に優れた波長の光を発生する光源からの光を第１のレンズに入射して、その入射光を対象物の表面上で第１のスポット光が照射される第１の照射領域が形成されるように集光するとともに、前記光源からの光を第２のレンズに入射して、その入射光を対象物の表面上で前記第１の照射領域内に第２のスポット光が照射される第２の照射領域が形成されるように集光し、
   第２の照射領域を対象物の軟化点以上かつ沸点未満に加熱し、第１の照射領域から第２の照射領域を除く残余の第３の照射領域を、軟化点よりも低い予め定める温度以上かつ対象物の軟化点未満に加熱するように、前記第２および第３の照射領域を、対象物に対して分断すべき方向に沿って相対移動させることを特徴とする分断方法。
   

Images