JP2008000818A - Method of cleaving brittle material and brittle material to be used for it - Google Patents

Method of cleaving brittle material and brittle material to be used for it Download PDF

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  • Re-Forming, After-Treatment, Cutting And Transporting Of Glass Products (AREA)
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To fracture a brittle material by only a scribing which is generated over the entire thickness of the brittle material by bringing about thermal stress by irradiating the brittle material with a laser beam. <P>SOLUTION: By making the beam pass through the entire thickness of the material or making the beam reach sufficient depth without reaching the rear face by controlling absorption coefficient of the brittle material to the laser beam, a scribed face due to thermal stress is generated in the entire thickness. The control of the absorption coefficient is obtained by adding irradiated laser beam absorbing impurities with which the brittle material generates heat by absorbing the laser beam, which does not affect transmission property in visible area and does not deteriorate the indication property of the glass for indicators. Furthermore, quenching impurities are added to prevent firefly luminescence. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は脆性材料、なかんずくガラスなどの脆性材料の割断方法およびそれに使用される脆性材料に関する。本出願明細書では特にガラスを対象とした説明を行っているが、ガラスの他にも石英、セラミック、半導体などの脆性材料一般に適用が可能である。 The present invention relates to a brittle material, especially a method for cleaving brittle materials such as glass, and a brittle material used therefor. In the specification of the present application, description is made specifically for glass, but in addition to glass, the present invention can be applied to brittle materials such as quartz, ceramic, and semiconductor.

脆性材料は、従来はダイアモンドチップなどの超硬バイトを使用した機械的方法で割断してきた。ガラスに対するこの方法の適用は、過去1世紀以上の長期間にわたって使用されてきた方法でもある。 Brittle materials have conventionally been cleaved by a mechanical method using a carbide tool such as a diamond tip. The application of this method to glass is also a method that has been used for a long time over the past century.

ところが、こうした機械的方法には次に述べるような欠点が存在する。第一は、割断時にカレットと呼ばれる小破片が発生し、ワーク表面を汚すことである。第二は、割断面付近にマイクロクラックが発生し、それを起点としてワークが割れる危険があることである。第三は、最小でも数百ミクロン程度の切り代が存在し、ワークサイズが際限なく微小化していく現在、この切り代の存在が無視できなくなることである。この他にも、加工速度の限界、消耗品である工具コストなど、産業上無視できない欠点がある。   However, these mechanical methods have the following drawbacks. The first is that small pieces called cullet are generated at the time of cleaving, and the work surface is soiled. Secondly, there is a risk that a microcrack is generated in the vicinity of the fractured surface and the workpiece is cracked starting from the crack. Third, there is a cutting margin of about several hundred microns at the minimum, and the existence of this cutting margin cannot be ignored at present when the workpiece size is miniaturized without limit. In addition to this, there are other disadvantages that cannot be ignored in the industry, such as the limit of processing speed and the cost of tools that are consumables.

窓ガラスの割断などは従来技術の使用で問題ないが、液晶表示器やプラズマ表示器などに使用するファインガラス割断の場合、マイクロクラック対策のために割断面を研磨し、その後洗浄を行うなどの後工程が必要とされている。 There is no problem with the use of the prior art for cleaving window glass, but in the case of fine glass cleaving used for liquid crystal displays and plasma displays, the broken section is polished to prevent microcracks and then washed. A post process is required.

それに対して、最近将来性が期待されてきたレーザ割断方法には次に述べるような長所があり、ダイアモンドチップ法の欠点を消去する可能性がある。第一に、質量損失がゼロ(カレット発生なし)で、洗浄などの後工程が不要である。第二に、割断面付近にマイクロクラックなどの破壊欠陥が発生せず高強度断面が得られるので、研磨などの後工程が不要である。第三に、面粗さが1μ以下の鏡面が得られる。第四に、製品外形寸法精度が±25μ以下である。第五に、ガラス板厚0.2mmまでの薄さに使用でき、今後の液晶TV用ガラスに使用できる。 On the other hand, the laser cleaving method that has recently been expected to have the future has the following advantages and may eliminate the drawbacks of the diamond chip method. First, the mass loss is zero (no cullet generation), and no post-process such as cleaning is required. Second, since a high-strength cross section is obtained without the occurrence of fracture defects such as microcracks in the vicinity of the split cross section, post-processing such as polishing is unnecessary. Third, a mirror surface having a surface roughness of 1 μm or less is obtained. Fourth, the product external dimension accuracy is ± 25 μm or less. Fifth, it can be used for glass plates with a thickness of up to 0.2 mm and can be used for future liquid crystal TV glass.

次に、レーザ割断方法の原理を説明する。ガラスに高エネルギー密度のCOレーザビームを照射すると、一般的には照射スポットにおいてレーザビームの吸収が起こり、急激な加熱の結果放射状にクラックが発生してしまい、進行方向のみに割断を進行させることは出来ない。
しかしながら、レーザビームのエネルギー密度をこうしたクラックを発生させるものより
十分低いものに設定すると、ガラスは加熱されるだけで、溶融もクラック発生も起こらない。この時ガラスは熱膨張しようとするが、局所加熱なので膨張ができず、照射点を中心にその周辺には圧縮応力が発生する。この局所加熱源を割断したい方向に移動させるのである。加熱後に冷却液を噴射して冷却を行うと、今度は逆に引っ張り張力が発生する。この様子を図1に示す。
図1に示すようにレーザビーム1の断面形状を適当なものに成形すると、レーザビーム1の移動方向7と直交する方向のみに、引っ張り張力4が発生する。この引っ張り張力の作用で割断亀裂5が生じる。図1において、2はガラス内部の圧縮応力、3は冷却液、6はガラス板である。なお、レーザビーム1による加熱後に冷却液3を噴射せずに、ガラス板6を自然冷却させても引っ張り張力4は発生し、この引っ張り張力4の作用で割断亀裂5を生じさせることができる。
図2に示すガラス板6において、始点に機械的方法によるトリガークラック8をつけておくと、割断亀裂5はこのトリガークラック8から発生し、レーザビーム1の移動方向7に沿って進行させることができる。こうした現象が理想的に発生するためには、照射レーザビームのエネルギー分布が、引っ張り張力4を生じさせるために最適である必要がある。種々のガラスの割断において、こうした最適分布が研究されている。図1および図2に示す加熱レーザビーム1は、この最適化がなされたものである。
Next, the principle of the laser cleaving method will be described. When glass is irradiated with a high energy density CO 2 laser beam, the laser beam is generally absorbed at the irradiation spot, and as a result of rapid heating, radial cracks are generated, and the cleaving proceeds only in the traveling direction. I can't do that.
However, if the energy density of the laser beam is set to be sufficiently lower than that which generates such cracks, the glass is only heated, and neither melting nor cracking occurs. At this time, the glass tends to thermally expand, but it cannot expand due to local heating, and compressive stress is generated around the irradiation point. This local heating source is moved in the direction in which it is desired to cleave. When cooling is performed by spraying a cooling liquid after heating, a tensile tension is generated on the contrary. This is shown in FIG.
As shown in FIG. 1, when the cross-sectional shape of the laser beam 1 is formed into an appropriate one, a tensile tension 4 is generated only in a direction orthogonal to the moving direction 7 of the laser beam 1. The cleavage crack 5 is generated by the action of the tensile tension. In FIG. 1, 2 is the compressive stress inside glass, 3 is a cooling fluid, 6 is a glass plate. Note that the tensile tension 4 is generated even when the glass plate 6 is naturally cooled without spraying the cooling liquid 3 after heating by the laser beam 1, and the fracture crack 5 can be generated by the action of the tensile tension 4.
In the glass plate 6 shown in FIG. 2, when a trigger crack 8 is formed by a mechanical method at the starting point, the cleaving crack 5 is generated from the trigger crack 8 and can be advanced along the moving direction 7 of the laser beam 1. it can. In order for such a phenomenon to occur ideally, the energy distribution of the irradiated laser beam needs to be optimal in order to generate the tensile tension 4. These optimal distributions have been studied in various glass cuttings. The heating laser beam 1 shown in FIGS. 1 and 2 has been optimized.

こうした最適分布の実現方法については、発明者の一人によって特許文献1および特許文献2の特許出願がなされている。
特願2003−363855号(特開2005−88078号公報) 特願2004−156891号(特開2005−314198号公報)このガラス割断へのレーザ応用は、これから需要が急増するファインガラス全般の加工において、必要不可欠のものであるといえる。
Regarding the method for realizing such an optimal distribution, patent applications of Patent Document 1 and Patent Document 2 have been filed by one of the inventors.
Japanese Patent Application No. 2003-363855 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-88078) Japanese Patent Application No. 2004-156891 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-314198) It can be said that the application of laser to this glass cleaving is indispensable in the processing of general fine glass whose demand will rapidly increase.

COレーザビーム照射によるガラスの熱応力割断においては、図3に示すようにCOレーザビームはガラス板6の表面層だけで吸収され、ガラス板6の全厚さにわたって透過しない。これは、CO2レーザ波長におけるガラスの吸収係数αが著しく大きいことによる。レーザによる割断(レーザスクライブと称する)深さは通常100μ程度である。図3において、9はレーザスクライブ面、10はレーザスクライブ後のブレーク面である。レーザスクライブ面9をこれより深くすることは、COレーザビームを使用する限り、たとえレーザ出力を増大させても不可能である。ただし、レーザ出力を増大させれば、熱伝導によって熱源がガラス内部に浸透し、多少スクライブ深さを増大させ得ることが実証されている。しかしながら、図4に示すように、機械的スクライブ面も通常は同程度の深さであり、ガラスは脆性が強くこのスクライブ線にあわせて応力を印加し、機械的に割断することが容易であるので、スクライブ深さの増大は従来あまり求められてこなかった。この機械的応力の印加によって割断するプロセスをブレークと称する。 In the thermal stress cleaving of glass by CO 2 laser beam irradiation, as shown in FIG. 3, the CO 2 laser beam is absorbed only by the surface layer of the glass plate 6 and does not pass through the entire thickness of the glass plate 6. This is due to the extremely large absorption coefficient α of the glass at the CO 2 laser wavelength. The depth of cleaving with laser (referred to as laser scribe) is usually about 100 μm. In FIG. 3, 9 is a laser scribe surface and 10 is a break surface after laser scribe. Making the laser scribe surface 9 deeper than this is not possible even if the laser output is increased, as long as a CO 2 laser beam is used. However, it has been demonstrated that if the laser output is increased, the heat source can penetrate into the glass by heat conduction, and the scribe depth can be increased somewhat. However, as shown in FIG. 4, the mechanical scribe surface is also usually of the same depth, and the glass is highly brittle and it is easy to mechanically cleave by applying stress according to this scribe line. Therefore, the increase in the scribe depth has not been required so far. This process of cleaving with the application of mechanical stress is called a break.

このように、従来は、機械スクライブとブレークの組み合わせでガラス割断を行っている。機械スクライブの場合、図4に示すようにスクライブ線付近にはマイクロクラックが多量存在するので、ブレークは比較的容易である。ただし、図4において機械スクライブ後のブレーク面12は必ずしもガラス表面に直交する一平面を構成しない。機械スクライブの場合には、ブレーク後に割断面を研磨洗浄するので、ブレーク自体には高品質は要求されなかった。   Thus, conventionally, the glass is broken by a combination of mechanical scribe and break. In the case of mechanical scribing, as shown in FIG. 4, since there are a large number of microcracks near the scribe line, the break is relatively easy. However, the break surface 12 after mechanical scribing in FIG. 4 does not necessarily constitute one plane orthogonal to the glass surface. In the case of mechanical scribing, since the fractured surface is polished and cleaned after the break, high quality was not required for the break itself.

レーザスクライブの場合も、従来方法同様ブレークの併用が必要であった。そのために、前記した折角の長所がありながら、生産現場への普及が制約されている。比較的その長所が評価される液晶テレビ用ファインガラスの場合でも、実際の製造ラインではまだ実用になっていない。実用化のためには、ブレーク面位置精度、角度精度、清浄さが要求される。当然、カレットが付着していることは許されない。これらの諸問題を解決したブレーク技術は、残念ながらまだ完成していない。特に、マイクロワーク、曲線、複層構造ガラス、厚板ガラス、強化ガラス割断などの場合、レーザ割断技術の適用が強く望まれているのに、解決策が提供されるには至っていない。本発明は、こうした全ての課題を解決するためになされたもので、レーザスクライブを全板厚にわたって実現(このようなスクライブを、以下フルカットと呼称する。)するために必要なレーザ加工の条件を、脆性材料の厚さおよび光吸収係数αと関連付けて提供することを目的とするものである。   In the case of laser scribing, it is necessary to use a break in combination with the conventional method. For this reason, while having the advantages of the above-mentioned folding angle, the spread to production sites is restricted. Even in the case of fine glass for liquid crystal televisions, whose advantages are relatively appreciated, it has not yet been put to practical use on an actual production line. For practical use, break surface position accuracy, angle accuracy, and cleanliness are required. Of course, the cullet is not allowed to adhere. Unfortunately, break technology that solves these problems is not yet complete. In particular, in the case of microwork, curve, multi-layer glass, thick glass, tempered glass cleaving, etc., the application of laser cleaving technology is strongly desired, but no solution has been provided. The present invention has been made to solve all of these problems, and the laser processing conditions necessary for realizing laser scribe over the entire plate thickness (hereinafter referred to as full cut). In association with the thickness of the brittle material and the light absorption coefficient α.

本発明では、脆性材料へのレーザビーム透過を十分な深さまで、多くの場合表面から裏面に至るまでの全板厚において実現する。そのため、従来のレーザ割断熱源が表面のみに存在する線状熱源であり、材料深さ方向には熱伝導で浸透していったのに対して、本発明では最初から表面から裏面に達する面熱源を使用するのである。この差異を、図5に示す。図5(a)および(b)は、それぞれ従来熱源と本発明による熱源を示す。図5(a)の従来熱源においては、レーザビーム1による熱伝導13は材料深さ方向に浸透するが裏面にまで到達はしない。一方、本発明においては、照射レーザ光の波長選択および脆性材料へのレーザ光吸収不純物の添加の少なくとも一方を利用して、脆性材料の厚さLおよび光吸収係数αに対して0.105/L<α<18.42/Lを満足するように設定されているので、図5(b)に示すように、レーザビーム1が脆性材料の内部に吸収されて透過レーザビーム吸収による面熱源14により加熱される。このためスクライブ深さも全板厚に及ぶので、ブレーク工程が不必要になるのである。   In the present invention, laser beam transmission to a brittle material is realized to a sufficient depth, and in many cases, the entire plate thickness from the front surface to the back surface. For this reason, the conventional laser split heat insulation source is a linear heat source that exists only on the surface and penetrated by heat conduction in the depth direction of the material, whereas in the present invention, a surface heat source that reaches from the front to the back from the beginning. Is used. This difference is shown in FIG. 5 (a) and 5 (b) show a conventional heat source and a heat source according to the present invention, respectively. In the conventional heat source of FIG. 5A, the heat conduction 13 by the laser beam 1 penetrates in the depth direction of the material but does not reach the back surface. On the other hand, in the present invention, by using at least one of wavelength selection of irradiation laser light and addition of laser light absorbing impurities to the brittle material, the thickness L and the light absorption coefficient α of the brittle material are 0.105 / Since it is set so as to satisfy L <α <18.42 / L, as shown in FIG. 5B, the surface heat source 14 is absorbed by the laser beam 1 by being absorbed into the brittle material and absorbed by the transmitted laser beam. Is heated by. For this reason, the scribe depth extends over the entire thickness, so that the break process is unnecessary.

こうしたレーザビーム1の透過は、脆性材料のレーザビームに対する吸収係数αを最適化しておこなうことができる。 Such transmission of the laser beam 1 can be performed by optimizing the absorption coefficient α for the laser beam of the brittle material.

本発明によれば、レーザスクライブとブレークの両工程からなる従来のレーザ・ガラス割断をスクライブだけの一工程にすることができる。レーザによるガラス割断は、多くのすばらしい技術上の利点がありながら、いまだに過去1世紀にわたって使用されてきたダイアモンドカッター方式を置換できないできた。本発明はそうした事態を変革する。その直接の効果として、液晶テレビの生産工程だけにおいても次に挙げるものがある。
(1)割断位置精度が高い。
(2)割断面が鏡面で、面粗さが良好である。
(3)割断面がガラス表面に対して、十分に垂直である。
(4)割断面にカレットの付着がなく、清浄である。
(5)割断の自動化ができる。
(6)割断が高速度で行える。
(7)研磨、洗浄などの後工程が大幅に省略できる。
According to the present invention, the conventional laser / glass cleaving consisting of both laser scribe and break processes can be made into one process only for scribe. Laser glass breaking, while having many great technical advantages, has failed to replace the diamond cutter system that has been used over the past century. The present invention transforms that situation. The direct effects include the following only in the liquid crystal television production process.
(1) The cleaving position accuracy is high.
(2) The fractured surface is a mirror surface and the surface roughness is good.
(3) The fractured surface is sufficiently perpendicular to the glass surface.
(4) There is no adhesion of cullet on the cut surface and it is clean.
(5) The cleaving can be automated.
(6) Cleaving can be performed at high speed.
(7) Subsequent processes such as polishing and cleaning can be largely omitted.

上記のメリット以外にも、次に上げる一般的なメリットがある。
(1)曲線割断が可能である。これはレーザによる金属加工にも匹敵する。
(2)複層構造板の割断が可能である。液晶ディスプレイやプラズマディスプレィガラスに適用できる。
(3)マイクロワークの割断が可能である。ICタッグに適用できる。
(4)強化ガラスの割断が可能である。建築用ガラスに適用できる。
(5)曲面ガラスの割断が可能である。自動車用ガラスに適用できる。
このように、レーザによるガラス割断が産業界の各分野に普及すれば、加工速度、加工品質、経済性、難易度の克服などにおいて、その効果にははかり知れないものがある。
In addition to the above merits, there are the following general merits.
(1) Curve cutting is possible. This is comparable to laser metal processing.
(2) The multilayer structure plate can be cleaved. Applicable to liquid crystal display and plasma display glass.
(3) The microwork can be cleaved. Applicable to IC tag.
(4) The tempered glass can be cleaved. Applicable to architectural glass.
(5) The curved glass can be cleaved. Applicable to automotive glass.
As described above, if the glass cleaving by the laser spreads to various fields of the industry, the effects cannot be measured in the processing speed, the processing quality, the economy, the difficulty, and the like.

一般的に光が材料中をどの程度透過していくかは材料による吸収に依存する。材料の級数係数をα(cm−1)、伝播距離をx(cm)、距離xを伝播する前後の光強度をそれぞれI,Iとすると、次の関係式が成立する。
I= I・e―αx (1)
(1)式から、透過距離の所要値が分かれば必要な吸収係数αを求めることができる。次に、吸収係数αの上限値、最適値、下限値を求めることにする。
In general, how much light passes through a material depends on absorption by the material. If the series coefficient of the material is α (cm −1 ), the propagation distance is x (cm), and the light intensities before and after propagating the distance x are I and I 0 , the following relational expressions are established.
I = I 0 · e −αx (1)
If the required value of the transmission distance is known from the equation (1), the necessary absorption coefficient α can be obtained. Next, the upper limit value, optimum value, and lower limit value of the absorption coefficient α are determined.

下限値としては、ガラス板厚Lをレーザビーム1が90%透過してしまう場合を考える。この時、エネルギーの一部は無駄に消費されるが、十分にフルカットが実現できる。(1)式においてI/I=0.9とおくと、α=0.105/Lとなる。これが吸収係数αの下限値である。
上限値としては、発明者達の経験によれば、ガラス板厚の1/4までスクライブするとフルカットになってしまうことがよくあるので、ガラス板厚の1/4までスクライブする条件を上限値と設定する。(1)式に、I/I=0.99、x=L/4を代入すると、α=18.42/Lとなる。これが吸収係数αの上限値である。最適値としてはガラス板6によってレーザビーム1の50%が吸収される場合であって(1)式から同様にα=0.693/Lとなる。この結果、ガラス板6における光吸収係数αが0.105/L<α<18.42/Lを満足するような光を照射すればガラス板6はフルカットされることがわかる。
As a lower limit, a case where the laser beam 1 is transmitted through the glass plate thickness L by 90% is considered. At this time, a part of the energy is wasted, but a full cut can be realized sufficiently. If I / I 0 = 0.9 in the equation (1), α = 0.105 / L. This is the lower limit value of the absorption coefficient α.
As the upper limit, according to the inventors' experience, scribing to 1/4 of the glass plate thickness often results in a full cut, so the conditions for scribing to 1/4 of the glass plate thickness are the upper limit. And set. Substituting I / I 0 = 0.99 and x = L / 4 into the equation (1) yields α = 18.42 / L. This is the upper limit value of the absorption coefficient α. The optimum value is the case where 50% of the laser beam 1 is absorbed by the glass plate 6, and α = 0.963 / L in the same manner from the equation (1). As a result, it is understood that the glass plate 6 is fully cut when the light absorption coefficient α in the glass plate 6 is irradiated so as to satisfy 0.105 / L <α <18.42 / L.

3種類の代表的なガラス板厚0.02cm(将来の液晶TV)、0.07cm(現在の液晶TV)、0.28cm(現在のプラズマTV)に対して、この吸収係数αの上限値、下限値ならびに最適値を表示すると下表のようになる。 α下限値(cm−1)最適値(cm−1)α上限値(cm−1
板厚 0.02cm 5.25 34.65 921
板厚 0.07cm 1.50 9.90 263
板厚 0.28cm 0.38 2.48 65.8
周知のように、光吸収係数αは光の波長の関数である。したがって、ガラス板6における光吸収係数αを0.105/L<α<18.42/Lを満足するように制御するには、照射レーザ光1の波長を制御すればよい。あるいは、ガラス板6自体の光吸収係数αを制御すればよい。
以下の実施例に、これらの数値を実現するためのαの制御技術について説明する。
For three typical glass plate thicknesses of 0.02 cm (future liquid crystal TV), 0.07 cm (current liquid crystal TV), and 0.28 cm (current plasma TV), the upper limit of this absorption coefficient α, The lower limit value and the optimum value are displayed as shown in the table below. α lower limit (cm −1 ) optimum value (cm −1 ) α upper limit (cm −1 )
Thickness 0.02cm 5.25 34.65 921
Plate thickness 0.07cm 1.50 9.90 263
Plate thickness 0.28cm 0.38 2.48 65.8
As is well known, the light absorption coefficient α is a function of the wavelength of light. Therefore, in order to control the light absorption coefficient α of the glass plate 6 so as to satisfy 0.105 / L <α <18.42 / L, the wavelength of the irradiation laser beam 1 may be controlled. Alternatively, the light absorption coefficient α of the glass plate 6 itself may be controlled.
In the following embodiment, a control technique of α for realizing these numerical values will be described.

図6に、石英ガラスの吸収特性を波長の関数として示す。縦軸は減衰定数κであって、吸収係数αとはλを波長として、α=4πκ/λの関係にある。図6から、波長10.6μのCOレーザビームに対する石英ガラスの吸収係数αは12600cm−1程度である。この場合(1)式によると、ガラス板の表面から3.7μの深さまで伝播すると、レーザビーム強度の99%が吸収されてしまう。これでは表面層にしか透過しない。それでも実際には約100μのスクライブ深さが可能であり、それには熱伝導が役立っていることが分かる。ガラスは組成と構造が決まっている結晶と異なって、メーカによって組成が異なる。しかしながら、おおよその吸収特性は図6のものを参考にすることができる。図6では、波長λの関数として吸収係数αが決まってしまっている。それによれば、前記したようにCOレーザ波長10.6μでは吸収係数αが過大であった。吸収係数αを変えるためには、波長λを変える必要がある。しかしながら、全波長を連続的に選択することは出来ない。高出力レーザ発振が得られる代表的なレーザ波長は、下記の通りである。
10.6μ (COレーザ)
5μ帯 (COレーザ)
2.94μ (E:YAGレーザ)
2.09μ (H:YAGレーザ)
1.06μ (N:YAGレーザ)
1.03μ (Y:YAGレーザ)
0.515μ (Y:YAGレーザの2倍波)
0.343μ (Y:YAGレーザの3倍波)
0.258μ (Y:YAGレーザの4倍波)
0.206μ (Y:YAGレーザの5倍波)
波長としては、これらの中からしか選択できない。
FIG. 6 shows the absorption characteristics of quartz glass as a function of wavelength. The vertical axis represents the attenuation constant κ, and the absorption coefficient α has a relationship of α = 4πκ / λ, where λ is the wavelength. From FIG. 6, the absorption coefficient α of quartz glass with respect to a CO 2 laser beam with a wavelength of 10.6 μm is about 12600 cm −1 . In this case, according to the equation (1), when propagating from the surface of the glass plate to a depth of 3.7 μm, 99% of the laser beam intensity is absorbed. This will only penetrate the surface layer. Nevertheless, in practice, a scribe depth of about 100μ is possible, and it can be seen that heat conduction is useful for this. Glass differs in composition from structure to structure, and differs in composition from manufacturer to manufacturer. However, the approximate absorption characteristics can be referred to those in FIG. In FIG. 6, the absorption coefficient α is determined as a function of the wavelength λ. According to this, as described above, the absorption coefficient α was excessive at the CO 2 laser wavelength of 10.6 μm. In order to change the absorption coefficient α, it is necessary to change the wavelength λ. However, it is not possible to select all wavelengths continuously. Typical laser wavelengths that can provide high-power lasing are as follows.
10.6μ (CO 2 laser)
5μ band (CO laser)
2.94μ (E r : YAG laser)
2.09μ (H 0 : YAG laser)
1.06μ (N d : YAG laser)
1.03μ (Y b : YAG laser)
0.515μ (Y b : second harmonic of YAG laser)
0.343 μ (Y b : third harmonic of YAG laser)
0.258μ (Y b : fourth harmonic of YAG laser)
0.206 μ (Y b : fifth harmonic of YAG laser)
The wavelength can only be selected from these.

吸収係数αの制御方法としては、図6の吸収特性そのものを変化させることである。それには、ガラス内に不純物を添加すればよい。ただし、この不純物は可視域の透過特性に影響せず、フラットパネルディスプレイ用ガラスの表示特性を悪化させないものを選ぶ必要がある。この場合、波長選択が自由になるので、使用レーザは既存の高出力レーザの中から選択することができる。 A method for controlling the absorption coefficient α is to change the absorption characteristic itself of FIG. For this purpose, impurities may be added in the glass. However, it is necessary to select impurities that do not affect the transmission characteristics in the visible region and do not deteriorate the display characteristics of the glass for flat panel displays. In this case, since wavelength selection becomes free, the laser to be used can be selected from existing high-power lasers.

つぎに、不純物添加による波長選択の有効性について説明する。不純物添加の例を考える。ガラスに、Er:YAGレーザあるいはHo,Tm:YAGレーザ光に対して吸収特性を有する水(HO)を適当量添加して、しかる後にこれらのレーザ光を照射してフルカットを実現することができる。これは、水の赤外線吸収のうち、波長約2μmと約3μmの吸収帯を利用して、波長2.091μmで発振するHo,Tm:YAGレーザ光、あるいは波長2.94μmで発振するEr:YAGレーザ光を吸収させるものである。 Next, the effectiveness of wavelength selection by adding impurities will be described. Consider an example of impurity addition. An appropriate amount of water (H 2 O) having absorption characteristics with respect to Er: YAG laser or Ho, Tm: YAG laser light is added to the glass, and then these laser lights are irradiated to realize full cut. be able to. This is a Ho, Tm: YAG laser beam that oscillates at a wavelength of 2.091 μm, or an Er: YAG that oscillates at a wavelength of 2.94 μm, utilizing absorption bands of wavelengths of about 2 μm and about 3 μm of infrared absorption of water. It absorbs laser light.

ガラスを高温、高圧中で水蒸気にさらすと、安定な水を一定量含んだ状態になる。またその状況下で長時間放置すると、水を取り入れてコロイド溶液になったゲルを形成するか、水様セラミック(hydroceramic)と呼ばれる状態を形成する。Roger F. Bartholomew はJournal of Non-Crystalline Solids の56巻(1983年)、331ページから342ページにおいて「High-water containing
glasses」と題する論文を発表し、高濃度で水を含有したガラスの性質を論じた。彼は同論文中でScholzeの結果を引用し、波長6.2μmにH-O-Hの屈曲振動による吸収が、4.2−3.6μmの波長領域に水素結合による吸収が、2.8−2.7μmの波長領域にSi-OHと H-OHの伸縮振動による吸収があり、2.22μmにSi-OHの伸縮と屈曲の結合振動によるオーバトーンの吸収が、1.9μmにH-O-Hの伸縮と屈曲の結合振動のオーバトーンの吸収が、1.4μmにSi-OHと H-OHの伸縮振動のオーバトーンによる吸収があることを示した。これらの吸収は結合した原子間の伸縮と屈曲振動によるものであるから、それぞれの波長域で吸収された赤外線はすべて熱となってガラスの温度を上昇させる。
When glass is exposed to water vapor at high temperature and high pressure, it will be in a state containing a certain amount of stable water. Also, if left for a long time under such conditions, water is taken in to form a colloidal gel, or a state called water-like ceramic (hydroceramic) is formed. Roger F. Bartholomew is the “High-water containing” in Journal of Non-Crystalline Solids, Volume 56 (1983), pages 331-342.
A paper entitled “glasses” was published to discuss the properties of glass with high concentrations of water. He cited the result of Scholze in the paper, and absorption due to bending vibration of HOH at a wavelength of 6.2 μm and absorption due to hydrogen bonding in the wavelength region of 4.2 to 3.6 μm are 2.8 to 2.7 μm. In the wavelength region, there is absorption due to stretching vibration of Si-OH and H-OH, and overtone absorption due to combined vibration of Si-OH stretching and bending at 2.22 μm is due to stretching and bending of HOH at 1.9 μm. It was shown that the overtone absorption of the combined vibration was absorbed by the overtone of the stretching vibration of Si-OH and H-OH at 1.4 μm. Since these absorptions are due to expansion and contraction between the bonded atoms and bending vibration, all the infrared rays absorbed in the respective wavelength regions become heat and raise the temperature of the glass.

さらに、これらの吸収係数はガラスに混入した水の濃度に比例する。レーザ光でフルカットすべきガラス板の板厚にあわせて、厚さ方向に一様な吸収と熱発生を実現する水分の濃度分布を実現させることによって、温度一定の熱源を実現することが出来る。こうした水による光吸収でガラスのフルカットが行える照射用レーザとして、波長2.091μmで発振するHo,Tm:YAGレーザがあり、このレーザ光は主としてH-O-Hの伸縮と屈曲の結合振動のオーバトーンによって吸収させることができる。 Furthermore, these absorption coefficients are proportional to the concentration of water mixed in the glass. A heat source with a constant temperature can be realized by realizing a moisture concentration distribution that achieves uniform absorption and heat generation in the thickness direction according to the thickness of the glass plate to be fully cut with laser light. . As an irradiation laser capable of full-cutting glass by light absorption by water, there is a Ho, Tm: YAG laser that oscillates at a wavelength of 2.091 μm. This laser light is mainly due to the overtone of combined vibration of HOH expansion and contraction. Can be absorbed.

他の候補として、波長2.94μmで発振するEr:YAGレーザがある。このレーザの場合は、主としてSi-OHと H-OHの伸縮振動によって吸収させることが出来る。なお、前述したようにガラスに水を混入させると赤外線領域での吸収が生じるが、可視光領域の透過特性には影響がないため、液晶やPDP用ディスプレイ用ガラスの表示特性を悪化させることはない。また、水の含有率の増加とともにガラスの硬度は減少し、クラックの発生はしにくくなるので都合がいい。 Another candidate is an Er: YAG laser that oscillates at a wavelength of 2.94 μm. This laser can be absorbed mainly by the stretching vibration of Si-OH and H-OH. As described above, when water is mixed into the glass, absorption in the infrared region occurs, but there is no effect on the transmission characteristics in the visible light region, so that the display characteristics of the liquid crystal or PDP display glass are deteriorated. Absent. Moreover, the hardness of the glass decreases as the water content increases, which is convenient because cracks are less likely to occur.

希土類レーザ(Nd,Yb,Ho,Erレーザ)の発振波長において、適当量の希土類イオン(前記各レーザに対してそれぞれNd,Yb,Ho,Erイオン)をガラス中に添加して、それぞれ相当する前記レーザ光を照射してフルカットをすることができる。この場合も前記したように、深さ方向に一様吸収が発生するように、添加イオンに濃度勾配を持たせると良い。 At the oscillation wavelength of the rare earth laser (Nd, Yb, Ho, Er laser), an appropriate amount of rare earth ions (Nd, Yb, Ho, Er ions for each of the lasers, respectively) is added to the glass, corresponding to each. Full cutting can be performed by irradiating the laser beam. Also in this case, as described above, it is preferable that the added ions have a concentration gradient so that uniform absorption occurs in the depth direction.

希土類原子はN殻中のf電子が外殻であるO殻の電子群に囲まれているために、ガラスやYAG結晶にドープしても結晶場の影響を受けにくく、鋭い吸収線と蛍光線が得られ、レーザ発振を行うのに適したエネルギー準位を持っている。こうしたレーザに、Nd:YAGレーザ、Yb:YAGレーザ、Ho,Tm:YAGレーザ、Er:YAGレーザなどがある。 Rare earth atoms are surrounded by a group of electrons in the O shell, which is the outer shell of f electrons in the N shell. And has an energy level suitable for laser oscillation. Such lasers include Nd: YAG laser, Yb: YAG laser, Ho, Tm: YAG laser, Er: YAG laser and the like.

フルカット実現のためのレーザ光吸収では、これらのレーザ発振に用いている希土類原子の一つ、例えばYbをガラスに添加し、同じ希土類原子を用いたレーザ光、この例の場合はYb:YAGレーザ光をこのガラスに照射し、吸収をさせるものである。 In the laser light absorption for realizing the full cut, one of these rare earth atoms used for laser oscillation, for example, Yb is added to the glass, and the laser light using the same rare earth atom, in this case Yb: YAG This glass is irradiated with laser light to be absorbed.

H.L.Smith とA.J.Cohen らは「Absorption spectra of
cations in alkali-silicate glasses of high ultra-violet transmission」と題した論文をPhysics and
Chemistry of Glasses の第4巻5号(1963年)173ページから187ページまでに投稿し、ガラス中にPr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Yb,U原子をドープした場合の吸収係数を測定した。例として図7に、3.7%のYbをドープした厚さ4.92mmのNaO・3SiOガラスの吸収係数を示す。図7において、曲線15はYbを3.7%添加した厚さ4.92mmのNaO・3SiOガラスの光吸収スペクトル、16はLuを9.0%添加した厚さ2043mmのNaO・3SiOガラスの光吸収スペクトルである。Tb(あるいはNd)をドープしたNaO・3SiOガラスは1μm付近に吸収があり、これはYb:YAGレーザの発振波長である1.03μmあるいはNd:YAGレーザの発振波長である1.06μmと一致している。同様に、HoあるいはTmをドープしたNaO・3SiOガラスは2μm付近に吸収があり、これはHo,Tm:YAGレーザの発振波長である2.091μmと一致している。
HLSmith and AJCohen et al. “Absorption spectra of
cations in alkali-silicate glasses of high ultra-violet transmission ''
Posted in Chemistry of Glasses Vol.4 No.5 (1963) from 173 to 187, doped with Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb, U atoms in glass The absorption coefficient was measured. As an example, FIG. 7 shows the absorption coefficient of a 4.92 mm thick Na 2 O.3SiO 2 glass doped with 3.7% Yb. In FIG. 7, curve 15 is the optical absorption spectrum of a 4.92 mm thick Na 2 O.3SiO 2 glass with 3.7% Yb added, and 16 is a 2043 mm thick Na 2 O with 9.0% Lu added. · 3SiO is a light absorption spectrum of 2 glass. Na 2 O.3SiO 2 glass doped with Tb (or Nd) has absorption in the vicinity of 1 μm, which is 1.03 μm which is the oscillation wavelength of the Yb: YAG laser or 1.06 μm which is the oscillation wavelength of the Nd: YAG laser. Is consistent with Similarly, Na 2 O.3SiO 2 glass doped with Ho or Tm has absorption in the vicinity of 2 μm, which corresponds to the oscillation wavelength of the Ho, Tm: YAG laser of 2.091 μm.

これらの希土類原子の吸収波長と発振波長は、100nm程度のずれがある懸念がある。これはガラスは小さな結晶体の集合であり、これらの結晶ごとに結晶場の大きさが異なることによる吸収波長のずれであり、いわゆる不均一な吸収波長の広がりであって参考図としてG.Fuxiの著書である「Optical and spectroscopic properties of glass」(Springer-Verlag)の158ページのFig.7.6を引用して図8に示す。この図でinhomogeneously
broadened lineで示しているのが希土類原子の光吸収スペクトル18で不均一拡がりを有している。レーザ発振波長は、ガラス中のこれらの不均一拡がりの吸収の光吸収スペクトル18のなかに存在する希土類原子の発振スペクトル17で表される。
There is a concern that the absorption wavelength and oscillation wavelength of these rare earth atoms have a deviation of about 100 nm. This is a collection of small crystals of glass, which is a shift in the absorption wavelength due to the difference in the size of the crystal field for each of these crystals, a so-called non-uniform absorption wavelength spread. Fig. 8 is cited from Fig. 7.6 on page 158 of "Optical and spectroscopic properties of glass" (Springer-Verlag). Inhomogeneously in this figure
The broadened line shows a light absorption spectrum 18 of rare earth atoms, which has a non-uniform spread. The laser oscillation wavelength is represented by an oscillation spectrum 17 of rare earth atoms present in the light absorption spectrum 18 of these non-uniformly spread absorptions in the glass.

したがって加工用希土類レーザを使用し、ガラス中にレーザと同じ希土類原子を適当量添加し、ガラスの吸収係数を制御することが可能となる。この原理によって本発明の目的が実現できることになる。しかし光吸収で励起された希土類原子は、蛍光を発して基底状態に戻る確率が大きく、この場合は吸収されたレーザエネルギーが熱とならず本発明の目的を達成することが出来ない。そのため、蛍光を消光(quenching)する必要がある。消光の方法としては、蛍光を発しているエネルギーレベル間より小さいエネルギーレベルを多く持つ希土類原子を消光剤(quencher)として添加することが考えられる。 Accordingly, it is possible to control the absorption coefficient of the glass by using a rare earth laser for processing and adding an appropriate amount of the same rare earth atom as the laser in the glass. By this principle, the object of the present invention can be realized. However, rare earth atoms excited by light absorption have a high probability of emitting fluorescence and returning to the ground state. In this case, the absorbed laser energy does not become heat and the object of the present invention cannot be achieved. Therefore, it is necessary to quench the fluorescence. As a method of quenching, it is conceivable to add rare earth atoms having many energy levels smaller than that between the fluorescent energy levels as a quencher.

G.E.PetersonとP.M.Bridenbaughは「Study of relaxation
process in Nd using pulsed excitation」(Journal of the optical society of America, 54巻(1964)、644ページから650ページ)と題する論文で、励起されたNdを消光するためにはPr,Sm,Dyなどの希土類原子をドープすることが有効であることを示した。したがってNd:YAGレーザ光を吸収したNd添加のガラスは、これらの希土類原子を同じガラスに添加することによって消光され、吸収されたレーザ光のエネルギーはフォノンによる無放射遷移によって熱となって放出され、本発明の目的を達成することができる。これらの消光用希土類原子はNdとYbのレーザ発振線が近いことから、YbレーザとYbを吸収体として添加したガラスに対しても有効であると考えられる。Ho,Tm:YAGレーザとHoあるいはTmを添加したガラスの組み合わせの場合は、発振波長が20.91μmであって、このエネルギーギャップより小さなエネルギー準位を多く持つPr,Nd,Euなどの希土類原子が有効であると考えられる。さらにこの場合は、発光に寄与するエネルギーギャップそのものがNdやYbの場合より小さいために、G.Fuxiがその著書である「Optical and spectroscopic properties of glass」(Springer-Verlag)の192ページで述べているように、 無放射の確率が増える。
GEPeterson and PMBridenbaugh said, “Study of relaxation.
A paper entitled “Process in Nd using pulsed excitation” (Journal of the optical society of America, Vol. 54 (1964), pages 644 to 650). In order to quench excited Nd, Pr, Sm, Dy, etc. It was shown that doping with rare earth atoms is effective. Therefore, Nd-doped glass that has absorbed Nd: YAG laser light is quenched by adding these rare earth atoms to the same glass, and the energy of the absorbed laser light is released as heat by non-radiative transition due to phonons. The object of the present invention can be achieved. Since these quenching rare earth atoms are close to the laser oscillation lines of Nd and Yb, it is considered that they are also effective for glass doped with Yb laser and Yb as an absorber. In the case of a combination of Ho, Tm: YAG laser and glass doped with Ho or Tm, the oscillation wavelength is 20.91 μm, and rare earth atoms such as Pr, Nd, Eu, etc. having many energy levels smaller than this energy gap. Is considered effective. Furthermore, in this case, the energy gap that contributes to light emission is smaller than that of Nd and Yb, so G. Fuxi described it on page 192 of "Optical and spectroscopic properties of glass" (Springer-Verlag). As you can see, the probability of non-radiation increases.

図9は同著の156ページのFig.7.4を引用して示している。図9において、19は放射遷移、20は無放射遷移を示す。エネルギーギャップが小さいと無放射遷移20の確率Wnrが大きくなる。消光の他の方法として吸収のための添加量を多くした場合に生じる濃度消光(self quenching あるいはconcentration quenching )があり、この方法はここで述べたすべての組み合わせで有効である。しかし本発明の場合には、吸収用不純物の添加量は、与えられたガラス厚みに対して所要の熱発生を生じるように最適化する必要があるため、濃度消光はこの条件下でしか採用できない。 Fig. 9 shows the same book, page 156, Fig.7.4. In FIG. 9, 19 indicates a radiative transition and 20 indicates a non-radiative transition. If the energy gap is small, the probability Wnr of the non-radiative transition 20 increases. As another method of quenching, there is concentration quenching (self quenching or concentration quenching) that occurs when the amount of addition for absorption is increased, and this method is effective in all the combinations described here. However, in the case of the present invention, the concentration quenching can only be employed under this condition because the amount of absorbing impurities added must be optimized to produce the required heat generation for a given glass thickness. .

以上を要約すれば、Nd:YAGレーザとYb:YAGレーザの場合はガラスの吸収用不純物としてそれぞれNdとYbを添加し、消光用にはPr,Sm,Dyを添加するかNd,Ybの添加量を増大させて濃度消光をする。 Ho,Tm:YAGレーザを用いた場合は吸収用不純物としてHoあるいはTm
を添加し、消光のためにはPr,Nd,Euを消光剤として添加するか、HoあるいはTmを最適吸収の範囲内で添加し濃度消光をする。
In summary, in the case of Nd: YAG laser and Yb: YAG laser, Nd and Yb are added as impurities for glass absorption, and Pr, Sm, Dy or Nd, Yb is added for quenching. Increase the amount to quench the concentration. When a Ho, Tm: YAG laser is used, the absorption impurity is Ho or Tm.
For quenching, Pr, Nd, Eu is added as a quencher, or Ho or Tm is added within the optimum absorption range to quench the concentration.

フルカットするガラスを構成する酸素イオンの状態によって、該ガラス中の束縛電子の充満帯から伝導帯への遷移による紫外線波長領域における光吸収を実現すべく、希土類レーザの第3高調波、第4高調波、第5高調波の中から選択照射し、フルカットを行うことができる。 In order to realize light absorption in the ultraviolet wavelength region due to the transition from the full band to the conduction band of bound electrons in the glass depending on the state of oxygen ions constituting the glass to be fully cut, the third harmonic, A full cut can be performed by selectively irradiating from harmonics and fifth harmonics.

本実施例は、ガラス中の束縛電子の充満帯から伝導帯への紫外線波長領域で生じる吸収を利用するもので、この吸収を生じさせるレーザを希土類レーザの第3高調波、第4高調波、第5高調波の中から選択して照射し、フルカットするものである。ガラスの紫外線による吸収はガラス中の酸素イオンによるもので、この酸素イオンが強く束縛されていると、より短波長までガラスは透明となる。 The present embodiment uses absorption that occurs in the ultraviolet wavelength region from the full band of bound electrons in the glass to the conduction band, and the laser that generates this absorption is the third harmonic, the fourth harmonic of the rare earth laser, It is selected from the fifth harmonics, irradiated, and fully cut. The absorption of ultraviolet rays by glass is due to oxygen ions in the glass. When these oxygen ions are strongly bound, the glass becomes transparent to a shorter wavelength.

図10はHost Scholze 著「Glass Nature,structure,and properties 」(Springer-Verlag)の233ページのFigure 108を引用したもので、厚さ10mmのガラスにおいて、曲線21は高度に純粋なSiOガラスの、曲線22は通常状態のSiOガラスの、曲線23は高度に純粋なNaO・3SiOガラスの、曲線24は通常のNaO・3SiOガラスの厚さ10mmの透過波長特性を示す。図10から厚さ10mmのガラスの場合には、透過率が50パーセントになる波長は160nmから320nmまでに亘っていることがわかる。したがって、使用するレーザもこの波長域のものが必要になるが、本発明の場合は希土類原子を固体中にドープしたレーザの第3、第4、第5高調波の中から最適吸収が得られる波長を選択して照射する。これらの波長は、Nd:YAGレーザの第3、第4、第5高調波である353nm、265nm,212nm、Yb:YAGレーザの第3、第4、第5高調波である343nm、258nm、206nm、Nd:YLFレーザの第3高調波である349nm、440nm、第4高調波である262nm、330nm、第5高調波である209nm、264nmなどである。これらの中から、与えられたガラスの厚さと組成から最適吸収が得られる波長を選べば、フルカットを行うことができる。 Figure 10 is a quote from Figure 108 on page 233 of "Glass Nature, structure, and properties" by Host Scholze (Springer-Verlag). For a glass of 10 mm thickness, curve 21 represents a highly pure SiO 2 glass. Curve 22 is the normal state SiO 2 glass, curve 23 is the highly pure Na 2 O · 3SiO 2 glass, and curve 24 is the normal Na 2 O · 3SiO 2 glass with a transmission wavelength characteristic of 10 mm. . As can be seen from FIG. 10, in the case of a glass having a thickness of 10 mm, the wavelength at which the transmittance is 50 percent ranges from 160 nm to 320 nm. Therefore, the laser to be used also needs to be in this wavelength range, but in the case of the present invention, the optimum absorption can be obtained from the third, fourth and fifth harmonics of the laser doped with rare earth atoms in the solid. Select the wavelength and irradiate. These wavelengths are the third, fourth, and fifth harmonics of 353 nm, 265 nm, and 212 nm of the Nd: YAG laser, and the third, fourth, and fifth harmonics of the Yb: YAG laser are 343 nm, 258 nm, and 206 nm. 349 nm and 440 nm which are the third harmonics of the Nd: YLF laser, 262 nm and 330 nm which are the fourth harmonics, 209 nm and 264 nm which are the fifth harmonics, and the like. A full cut can be performed by selecting a wavelength from which optimum absorption is obtained from the thickness and composition of a given glass.

レーザビームがガラス内部を吸収されつつ透過して行く時、(1)式から明らかな通り、発熱量はガラスの深さ方向に逆指数関数的に減少する。このままでもフルカットは可能であろうが、高品位加工のためには、発熱量が深さに関係なく一定値であることが望ましい。そのためには、不純物濃度を表面から裏面にかけて逆指数関数的に分布させ、発熱を深さ方向に一様にするとよい。 When the laser beam passes through the glass while being absorbed, as is apparent from the equation (1), the heat generation amount decreases in an exponential manner in the depth direction of the glass. Although full cutting may be possible as it is, it is desirable that the amount of heat generation be a constant value regardless of the depth for high-quality processing. For this purpose, the impurity concentration is preferably distributed in an inverse exponential manner from the front surface to the back surface, and heat generation is preferably made uniform in the depth direction.

本発明の場合のように、レーザビームが材料内の十分な深さまで浸透する場合には、熱源は薄い面熱源であり更なる熱伝導は不要である。できるだけ低レーザ出力であることが望ましいので、照射ビームの断面構造は幅が狭い線状のものが望ましい。この場合、レーザ発振器としてはビーム特性に優れたディスクレーザの使用が望ましい。 If the laser beam penetrates to a sufficient depth in the material, as in the present invention, the heat source is a thin surface heat source and no further heat conduction is required. Since it is desirable that the laser output be as low as possible, the cross-sectional structure of the irradiation beam is desirably a linear shape having a narrow width. In this case, it is desirable to use a disk laser having excellent beam characteristics as the laser oscillator.

表面吸収が強いCOレーザビームでも、或る程度高出力にすれば熱伝導によって熱源が材料の深さ方向に浸透していく。特に、材料厚さが薄い場合にはこの方法でもスクライブは深くなるであろう。この場合には、熱伝導は深さ方向と同時に、材料の表面方向にも伝達してしまう。望むらくは、熱伝導は材料深さ方向に集中して欲しい。極端な例として照射レーザビームの断面が材料全表面に等しい場合には、深さ方向のみに熱伝導が発生する。勿論、これではスクライブ位置の特定ができないから、このようなことは選択できない。それにしてもなるべく深さ方向の比率が増すように、照射レーザビームは幅広の断面形状を持つことが望ましい。 Even with a CO 2 laser beam with strong surface absorption, the heat source penetrates in the depth direction of the material due to heat conduction if the output is somewhat high. In particular, this method will also deepen the scribe when the material thickness is thin. In this case, heat conduction is transmitted to the surface direction of the material simultaneously with the depth direction. Desirably, heat conduction should be concentrated in the depth direction of the material. As an extreme example, when the cross section of the irradiation laser beam is equal to the entire surface of the material, heat conduction occurs only in the depth direction. Of course, this cannot be selected because the scribe position cannot be specified. Even so, it is desirable that the irradiation laser beam has a wide cross-sectional shape so that the ratio in the depth direction is increased as much as possible.

以上は、加熱方法について説明を行った。フルカット実現のためには、冷却も板厚方向に効率的に行う必要がある。そのためには冷却をガラス表面のみで行うのでなく、同裏面においても行うほうが効果的である。 The heating method has been described above. In order to realize a full cut, it is necessary to efficiently perform cooling in the thickness direction. For this purpose, it is more effective to perform cooling not only on the glass surface but also on the back surface.

以上説明したのは本発明の機能を実現する若干の実施例であって、本発明の精神はその他の多くの方法で実現可能であることは言を俟たない。   What has been described above are some embodiments for realizing the functions of the present invention, and it goes without saying that the spirit of the present invention can be realized in many other ways.

液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイなどのフラットパネルディスプレイ、モバイルやカーナビ用表示器、光学装置用IRフィルターなどに用いる平面ガラスの切断が、現在はダイアモンドカッターで行われており、切断後の洗浄工程の必要性や、マイクロクラックの存在などの問題を呈している。本発明によるレーザ割断で、こうした問題を解決することができる。ICチップカバーガラスやICダグなど微小チップの加工にも、本発明は応用できる。大型ワークの場合よりも切断長が大きいので、本発明の効果は大きい。   Cutting flat glass used in flat panel displays such as liquid crystal displays and plasma displays, mobile and car navigation displays, and IR filters for optical devices is currently performed with a diamond cutter, and the need for a cleaning process after cutting And the presence of microcracks. Such a problem can be solved by the laser cutting according to the present invention. The present invention can also be applied to processing of microchips such as IC chip cover glass and IC dougs. Since the cutting length is longer than in the case of a large workpiece, the effect of the present invention is great.

自動車用のガラス部品は曲線加工が多いので、現在は機械的に直線切断の後、研磨を施している。このために、ガラス割断だけですませられるレーザ加工への期待は大きい。   Since glass parts for automobiles are often curved, they are now mechanically cut after linear cutting. For this reason, there is a great expectation for laser processing that requires only glass cleaving.

さらに、建築資材としての強化ガラスの加工で、犯罪防止という現代社会に求められている課題解決に貢献できる。強化ガラスの切断は機械的方法では困難であり、レーザの使用が期待されているのである。   Furthermore, the processing of tempered glass as a building material can contribute to the solution of the problem demanded by modern society for crime prevention. Cutting of tempered glass is difficult by a mechanical method, and use of a laser is expected.

このように、ガラス割断を改善するレーザ技術の出現は、現代社会に要求されている種々の課題への解決である。   Thus, the advent of laser technology for improving glass breaking is a solution to various problems demanded by modern society.

本発明に使用されるレーザ光加熱および冷却によるガラス内の圧縮応力および引っ張り張力の発生原理を説明する概念図Conceptual diagram for explaining the principle of generation of compressive stress and tensile tension in glass by laser light heating and cooling used in the present invention 本発明に使用されるレーザによるガラス割断原理を説明する概念的斜視図Conceptual perspective view for explaining the glass breaking principle by the laser used in the present invention 従来のガラスのレーザスクライブを説明する概念的斜視図Conceptual perspective view explaining laser scribing of conventional glass 従来のガラスの機械スクライブを説明する概念的斜視図Conceptual perspective view illustrating conventional glass mechanical scribe ガラス内部の熱発生の状態を説明する概念的斜視図で、(a)は従来方法、(b)は本発明による図It is a conceptual perspective view explaining the state of heat generation inside the glass, (a) is a conventional method, (b) is a diagram according to the present invention. 本発明による脆性材料のフルカット割断方法を説明するための、石英ガラスの光吸収スペクトル図Optical absorption spectrum diagram of quartz glass for explaining the full-cut cleaving method of brittle material according to the present invention 本発明による脆性材料のフルカット割断方法を説明するための、YbとLuを添加したNaO・3SiOガラスの光吸収スペクトル図Optical absorption spectrum diagram of Na 2 O · 3SiO 2 glass to which Yb and Lu are added for explaining the full-cut cleaving method of the brittle material according to the present invention. 本発明による脆性材料のフルカット割断方法を説明するための、希土類原子の光吸収スペクトルと発振スペクトル図Optical absorption spectrum and oscillation spectrum diagram of rare earth atoms for explaining the full-cut cleaving method of brittle material according to the present invention 本発明による脆性材料のフルカット割断方法を説明するための、放射遷移と無放射遷移の関係を説明する波長スペクトル図Wavelength spectrum diagram explaining the relationship between radiative transition and non-radiative transition for explaining the full-cut cleaving method of brittle material according to the present invention 本発明による脆性材料のフルカット割断方法を説明するための、各種ガラスのUV光吸収スペクトル図UV light absorption spectrum diagrams of various glasses for explaining the full-cut cleaving method of brittle material according to the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 加熱レーザビーム
2 ガラス内部の圧縮応力
3 冷却液
4 ガラス内部の引っ張り張力
5 ガラスに生じる割断亀裂
6 ガラス板
7 レーザビームの移動方向
8 トリガークラック
9 レーザスクライブ面
10 レーザスクライブ後のブレーク面
11 機械スクライブ面
12 機械スクライブ後のブレーク面
13 熱伝導による熱源
14 透過レーザビーム吸収による熱源
15 Ybを3.7%添加した厚さ4.92nmのNaO・3SiOガラスの光吸収スペクトル
16 Ybを9.0%添加した厚さ4.92mmのNaO・3SiOガラスの光吸収スペクトル
17 希土類原子の発振スペクトル
18 希土類原子の光吸収スペクトル
19 放射遷移
20 無放射遷移
21 高度に純粋な厚さ10mmのSiOガラスの透過波長特性
22 通常状態の厚さ10mmのSiOガラスの透過波長特性
23 高度に純粋な厚さ10mmのNaO・3SiOガラスの透過波長特性
24 通常状態の厚さ10mm のNaO・3SiOガラスの透過波長特性
1 Heating laser beam
2 Compressive stress in glass 3 Coolant 4 Tensile tension in glass 5 Cleavage crack in glass 6 Glass plate 7 Laser beam moving direction 8 Trigger crack 9 Laser scribe surface 10 Break surface after laser scribe
11 Mechanical scribing surface 12 Break surface after mechanical scribing 13 Heat source by heat conduction
14 Light source 15 by absorption of transmitted laser beam 15 Light absorption spectrum of Na 2 O.3SiO 2 glass having a thickness of 4.92 nm with 3.7% added Yb 16% Na 2 having a thickness of 4.92 mm with 9.0% added Light absorption spectrum of O.3SiO 2 glass 17 Oscillation spectrum of rare earth atoms 18 Light absorption spectrum of rare earth atoms 19 Radiative transition 20 Non-radiative transition 21 Transmission wavelength characteristics of highly pure SiO 2 glass having a thickness of 10 mm 22 Normal state thickness Transmission wavelength characteristics of 10 mm thick SiO 2 glass 23 Transmission wavelength characteristics of highly pure 10 mm thick Na 2 O · 3SiO 2 glass 24 Normal wavelength 10 mm Na 2 O · 3SiO 2 glass transmission wavelength characteristics

Claims (13)

脆性材料にレーザ光を照射しながら移動させて脆性材料に熱応力に起因する亀裂を発生させ、前記脆性材料を全厚さにわたって割断する脆性材料の割断方法であって、前記脆性材料の厚さをL(cm)、前記脆性材料の光吸収係数をα(cm−1)としたとき、不等式0.105/L<α<18.42/Lを満足するように前記脆性材料にレーザ光吸収不純物を添加し、前記レーザ光吸収不純物がレーザ光の吸収により熱に変換され、かつ可視域における吸収、蛍光特性を有さない不純物であることを特徴とする脆性材料の割断方法。 A brittle material cleaving method in which a brittle material is moved while being irradiated with a laser beam to generate a crack due to thermal stress in the brittle material, and the brittle material is cleaved over its entire thickness, the thickness of the brittle material Is L (cm), and the light absorption coefficient of the brittle material is α (cm −1 ), the laser beam is absorbed in the brittle material so that the inequality 0.105 / L <α <18.42 / L is satisfied. A cleaving method for a brittle material, wherein an impurity is added, and the laser light absorbing impurity is an impurity which is converted into heat by absorption of laser light and does not have absorption or fluorescence characteristics in a visible region. レーザ光吸収不純物がNd、Yb、Ho、およびErから選択された希土類原子であり、レーザ光が前記レーザ光吸収不純物として添加した希土類原子と同種の希土類原子を添加したYAGレーザによるレーザ光であ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。 The laser beam absorbing impurity is a rare earth atom selected from Nd, Yb, Ho, and Er, and the laser beam is a laser beam by a YAG laser to which the same kind of rare earth atom as the laser beam absorbing impurity is added. The method for cleaving a brittle material according to claim 1. レーザ光吸収不純物としての希土類原子とともに、蛍光エネルギーレベル間よりギャップが小さいエネルギーレベルを有する蛍光消光用の希土類原子を添加したことを特徴とする請求項2に記載の脆性材料の割断方法。 The brittle material cleaving method according to claim 2, wherein rare earth atoms for fluorescence quenching having an energy level with a gap smaller than that between the fluorescence energy levels are added together with rare earth atoms as laser light absorbing impurities. レーザ光吸収不純物がNdまたはYb、レーザ光がNd:YAGレーザまたはYb:YAGレーザによるレーザ光であり、蛍光消光用の希土類原子がPr、Sm,Dyから選択されたいずれかであることを特徴とする請求項3に記載の脆性材料の割断方法。   The laser beam absorbing impurity is Nd or Yb, the laser beam is a laser beam by an Nd: YAG laser or a Yb: YAG laser, and the rare earth atom for fluorescence quenching is selected from Pr, Sm, and Dy The method for cleaving a brittle material according to claim 3. レーザ光吸収不純物がHoまたはTm、レーザ光がHo,Tm:YAGレーザによるレーザ光であり、蛍光消光用の希土類原子がPr、Nd,Euから選択されたいずれかであることを特徴とする請求項3に記載の脆性材料の割断方法。   The laser light absorbing impurity is Ho or Tm, the laser light is laser light by a Ho, Tm: YAG laser, and the rare earth atom for fluorescence quenching is any one selected from Pr, Nd, and Eu. Item 4. A method for cleaving a brittle material according to Item 3. 蛍光消光用の希土類原子を添加せずに、レーザ光吸収不純物濃度を増大させた濃度消光によって、蛍光発光を防止することを特徴とする請求項3から5のいずれかに記載の脆性材料の割断方法。 6. Fragmentation of a brittle material according to any one of claims 3 to 5, wherein fluorescence emission is prevented by concentration quenching with an increased concentration of laser light absorbing impurities without adding rare earth atoms for fluorescence quenching. Method. レーザ光吸収不純物濃度、蛍光消光用の希土類原子濃度の少なくとも一方を、前記脆性材料の深さ方向に対して指数関数的に増大させたことを特徴とする請求項2から6のいずれかに記載の脆性材料の割断方法。 7. The laser light absorbing impurity concentration or the fluorescence quenching rare earth atom concentration is increased exponentially with respect to the depth direction of the brittle material. Cleaving method for brittle materials. 脆性材料にレーザ光を照射後冷却する工程を有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。 The method for cleaving a brittle material according to claim 1, further comprising a step of cooling the brittle material after irradiating it with laser light. レーザ光がディスクレーザによるレーザ光であ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。 2. The method for cleaving a brittle material according to claim 1, wherein the laser beam is a laser beam from a disk laser. 不純物を添加した脆性材料にレーザ光を照射して前記脆性材料に熱応力に起因する亀裂を発生させて割断する脆性材料であって、前記不純物は、レーザ光の吸収により熱に変換され、かつ可視域における吸収特性を有さない不純物であることを特徴とする脆性材料。 A brittle material that irradiates a laser beam to a brittle material to which an impurity is added to generate a crack caused by thermal stress in the brittle material and cleaves the impurity, and the impurity is converted into heat by absorption of the laser light, and A brittle material characterized by being an impurity having no absorption property in the visible region. レーザ光吸収不純物がNd、Yb、Ho、およびErから選択された希土類原子であることを特徴とする請求項10に記載の脆性材料。 The brittle material according to claim 10, wherein the laser light absorbing impurity is a rare earth atom selected from Nd, Yb, Ho, and Er. レーザ光吸収不純物としての希土類原子とともに、蛍光エネルギーレベル間よりギャップが小さいエネルギーレベルを有する蛍光消光用の希土類原子を添加したことを特徴とする請求項11に記載の脆性材料。 The brittle material according to claim 11, wherein rare earth atoms for fluorescence quenching having an energy level with a gap smaller than between the fluorescence energy levels are added together with rare earth atoms as laser light absorbing impurities. 蛍光消光用の希土類原子がPr、Sm、Dy、Nd、Euから選択されたいずれかであることを特徴とする請求項12に記載の脆性材料。 The brittle material according to claim 12, wherein the rare earth atom for fluorescence quenching is selected from Pr, Sm, Dy, Nd, and Eu.
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