JP2008502153A - 脆性材料を劈開するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】脆性材料の棒体の部分を劈開するための改良方法及び装置の提供。
【解決手段】脆性材料の棒体の部分を劈開するための装置が提供される。装置は、劈開すべき位置に棒体の部分を保持するように適合された支持体と、ブレードと、棒体に劈開部分を作るため、棒体の少なくとも一部分に貫通させてブレードを駆動するように、ブレードに結合されたアクチュータと、劈開中に棒体の端部に係合させるためのフォロアと、を備えている。また、脆性材料の棒体を劈開するための方法も提供される。方法は、棒体にクラックを設ける開始段階と、ブレードを棒体に貫通させて駆動し、棒体の端部から脆性材料の一部分を取り外す段階と、を備えている。ひとつの実施形態において、ブレードは制御された速度にて棒体に貫通する。
【選択図】図１

Description

本発明は、概略的には、劈開に関し、より詳しくは、脆性材料を薄い部分に劈開するための方法及び装置に関する。

半導体その他の類似材料の平坦な「ウエハ」は、太陽電池及びその他のソリッドステート・エレクトロニクス、及び微小電子機械装置（ＭＥＭＳ）など、様々な装置のための基板として役に立つ。現在、それらを得るには、原石や材料の鋳造ブロックを鋸でひいて、得られたスライスを研磨しているのが通例である。鋸でひく過程は、多くの浪費をもたらし、コストがかかる。このように高いコストによって、太陽電池装置など、ある種の製品の市場は限定される。薄い部分を得るために結晶を研削及び研磨するという在来の技術は、結晶に欠陥と不純物を導入する。追加的な過程によって薄い部分を作ろうとする代替的な方法については、高品質の材料を得られることが未だ証明されていない。今日までに案出された、薄い部分に劈開する方法とは、延長物を結晶に接着するもので、極めて小さな部分だけに対して良好であって、接着剤を取り除くのが厄介で時間がかかる。極めて薄い部分に劈開するための従来のひとつの主要な問題点は、劈開中における２つの部分の挙動が極めて異なることである。結晶における本体はかなり堅いまま残されるが、薄い部分はそれほどの力に耐えられず、従って、劈開ブレードは横に向きを変えて、完全に劈開される前に、薄い部分を破壊してしまう。

従って、脆性材料を劈開するための改良された方法及び装置に対するニーズが存在する。

本発明の観点によれば、脆性材料の棒体の部分を劈開するための装置が提供される。装置は、劈開すべき位置に棒体の部分を保持するように適合された支持体と、ブレードと、棒体に劈開部分を作るため、棒体の少なくとも一部分に貫通させてブレードを駆動するように、ブレードに結合されたアクチュータと、劈開中に棒体の端部に係合させるためのフォロアと、を備えている。また、脆性材料の棒体を劈開するための方法も提供される。

以下、本発明の様々な実施形態について、添付図面を参照して説明する。図面において、寸法関係は正確になっていないこと、および、複数の図面において同一又は対応する要素には同一の符号を付していることに留意されたい。説明文と図面は、本発明の特定の実施形態の説明を容易にすることだけを意図していることに留意されたい。それらは、本発明を網羅的に述べることを意図していないし、発明の範囲を制限することも意図していない。さらに、本発明の特定の実施形態に関連させて記述された観点は、必ずしもその実施形態に制限されるわけではなく、本発明の任意のその他の実施形態に適用することができる。

本発明の実施形態による装置１０は、例えば、脆性材料の棒体の部分を劈開するために使用される（図１）。本願において、脆性材料とは、一般的に、破壊又は破砕される前に、わずかな量の変形だけしか示さないような材料を意味する。シリコン及びその他の一般的な半導体／基板材料（例えばガリウム砒素及びサファイアなど）は通例、硬質及び／又は脆性である。しかし、単結晶の形態になると、これらの脆性材料のシートは劈開可能になって、本発明の実施形態に従って形成可能になる。従って、本願において「薄い」シート又は「薄い」部分とは、一般的に、破砕する前に、材料が塊であるときに比べて大きい変形量に耐えられるほど充分に薄い、脆性材料のスライス又はピースを意味する。一般的に、好ましくは厚さ２００ミクロン未満のシリコンウエハは、本発明の実施形態によれば、薄いシートである。本発明の他の実施形態においては、厚みのより大きい又は小さいシリコンを使用することができる。いくつかの実施形態においては、厚みが５０〜２００ミクロンのシリコンウエハが作製される。本発明の実施形態によれば、その他の厚みのものも作製される。

装置１０は、底部支持要素ないしベース１２と、複数の側部フレーム要素１４と上部プラテン１６とを備えてなる、直立構造部とを具備している。図１には、煩雑さを避けるために図示していないけれども、装置１０は、ブレードの位置決め及び整列を助けるために、一対の顕微鏡を具備すると良い。装置１０は、フレキシブル・バンド、ケーブル、又はチェーン、又はラックピニオン（図示せず）を具備しており、フォロア２４を駆動するための直動運動に変換させる。

装置１０はさらに、ブレード１８と、棒体の劈開部分を作製するために脆性材料の棒体ないし原石に少なくとも部分的にブレードを貫通させるように駆動すべく、ブレード１８に結合されたアクチュータ２０と、劈開中に棒体２２の端部２６に係合するためのフォロア２４とを具備する。装置１０は、脆性材料２２の原石を供給するための押込ロッド２８などの押込機構を具備している。不図示の任意の適当なアクチュータやモータを押込ロッド２８に結合して、原石２２を、装置１０における切断機構へ向けて移動させることができる。ガイド機構には、前方ガイド３０、後方ガイド３２、及び垂直ガイド３４が含まれ、これらは、劈開のための位置に原石２２をガイドするために提供されている。微動調整スライダ３６が設けられ、前方ガイド３０は好ましくは、スライダ３６の１又は複数の固定された位置に固定され、後方ガイド３２は、スライダ３６に対して摺動可能に取り付けられる。特に、微動調整スライダ３６は、切断の深さを確立するために、原石２２の位置を調整することができ、また、ある種の実施形態においては、切断が進むにつれてブレードの位置を調整する（図１４参照）。前方ガイド３０は、微動調整スライダ３６の一部分として構成しても良い。後方ガイド３２は、原石押込機構２８の一部分として構成され、微動調整スライダ３６に沿って移動する。微動調整スライダ３６は、直動式のステージであって、ベース１２に結合された静止レール３５と、静止レール３５に対して並進可能に支持された可動レール３７とを具備している。微動調整スライダ３６は、押込ロッド２８によって原石２２を大まかな位置に供給した後、正確で最終的な調整を提供することで、ブレード１８に対して原石２２を位置決めする。微動調整スライダ３６は、モータ駆動として自動的に制御しても良い。ロッドクランプ押込ロッド３８は、ロッドクランプアクチュータないしモータ４０に結合されており、ガイド３０及び３２及びスライダ３６の上の所定位置に、原石２２をしっかりと保持ないしクランプする。パッド３９は、ロッドクランプ押込ロッド３８の下端部分に結合されて、原石２２に係合する。プレート１７は、ブレード１８とフォロア調整組立体６４とを支持するが、これについては後述する。プレート１７は、リニアベアリング５０に沿って昇降する。

ブレード１８は好ましくは、劈開作業による過度の摩耗に耐えられるように、充分な硬度を有する。好ましくは、ブレード１８は、劈開荷重下における座屈に耐えられるように、充分な強度を有する。例として、代表的な劈開荷重は、１０mm幅のシリコン面への劈開において、およそ３〜５ニュートンである。シリコンなどの脆性材料の劈開に適した例示的な材料には、ＴＩＮコーティングを施した又は施さない硬化工具鋼や、ジルコニア、タングステンカーバイド、及びサファイアなどが含まれる。必要な力とブレード材料の強度に依存するが、ブレードの先端部の厚みは代表的に、座屈を回避するために、２０ミクロンのオーダーである。

ひとつの好ましい実施形態においては、ブレード１８は、図１〜図６及び図１５に示すように、刃先に沿って凹状の湾曲面が付けられたブレードである。ブレード１８は、例えばＶ字形など、任意の適当な形態ないし形状でも良い。図１５に詳しく示すように、刃先に沿って凹状の湾曲面が付けられたブレード１８は、前縁４２と、前縁４２から遠ざかるように延びた凹曲面４４を有している。凹曲面４４は、劈開中に、劈開された材料に屈曲をもたらす。凹曲面４４のカーブは、脆性材料が所定の厚みにおいて破損せずに屈曲できるように選択される。凹曲面の半径は、劈開される材料の強度と、劈開される部分の厚みとに依存する。ブレード１８における凹曲面４４は、後述されるフォロア２４における凸曲面７８の円弧に近似した円弧を有することが好ましい。円弧は、ブレード１８の底面全体にわたって延びるか、または、少なくとも劈開されるスライスの幅の長さだけ延びる。例えば、６５ミクロンの厚みのシリコンは、代表的に、およそ６２mmの最小曲率半径を有する。ブレード１８における切断面は、ブレードが劈開するときの摩擦を減少させるため、永久的な膜や潤滑材で処理される。

アクチュータ２０は、ブレード１８に結合されて、ブレード１８に力を加え、ブレード１８を原石２２に向けて駆動し、好ましくは原石に貫通させる。アクチュータ２０には、ロードセル４６が結合されて、ブレード１８に加えられる力を測定する。望ましくは、ブレード１８をゆっくりと制御されたやり方で駆動して、ブレードの破損を避けると共に、劈開が逸脱する機会を減少させる。シリコンなどの硬質で脆性である材料は、劈開されるとき、材料の内部に著しい緊張を発生させるので、材料の劈開速度、つまり材料を通って伝播するクラックの速度は、音速に近い速度や、キロメートル秒速のオーダーになる。しかしながら、薄い部分を切断する場合には、薄い部分の歪は急速に弛緩するので、それぞれの個別の劈開部分は１mmのオーダーの距離に限定される。従って、目的とする（例えば１００mmの正方形のオーダーの）断面を達成するには、クラックを繰り返して進ませることが必要である。劈開中にブレードが前にジャンプすると、ブレード及び劈開されている材料の歪が突然に解放されることに起因して、ブレードはスライス／フォロア装置を過負荷状態にして、クラックがスライスから逸脱する見込みが高くなり、結果的にスライスは台無しになる。ブレードをゆっくりと制御されたやり方で動かすことは、後述するように、フォロアの位置を合致させるためにも好ましい。

物理的な支持体ないし裏打ちプレート４８を使用して、劈開中、特に、劈開の開始段階中に、ブレード１８をガイドする（図１及び図２）。裏打ちプレート１８は、ガイド３４上を上下に昇降できるリニアベアリング５０などのベアリングによって支持される。裏打ちプレート１８は、取付具４７を用いてベアリング５０に結合される。例としては、裏打ちプレート４８は、原石２２の上面５２に対して実質的に垂直である表面４９を具備していて、裏打ちプレート４８は、劈開中に、ブレード１８を整列及び支持する。裏打ちプレート４８は、詳しくは後述するように、溝部の内部へ延びる唇部を具備する。

フォロア２４は、劈開中に原石２２の端部２６に係合するように適合している。フォロア２４は、劈開中に、ゆっくりと制御されたやり方にて、ブレード１８をガイドするように機能する。フォロア２４は、アタッチメント５４に結合されており、複数のボルトやその他の固定具５５などの任意の適当な手段によって、しっかりと堅固にアタッチメント５４に結合される。アタッチメント５４は、任意の適当な手段によってフォロア支持組立体６１に結合されており、図示の如く、シャフト６２の下端に延設されたピボットシャフトないしピン６０の手段によって、ピボット可能ないし回転可能に、組立体６１に結合されている。支持組立体６１は、シャフト６２と、シャフト６２の上端に固定された調整組立体６４と、アタッチメント５４とフォロア２４との角度運動をシャフト６２に対して制限するための回転停止調整具６６とを具備している。調整組立体６４は、例えば棒部材６３とボルト６５とによって、シャフト６２をプレート１７に固定するように機能し、ボルト６７によってシャフト６２の高さを調整することができ、ピン６０による回転軸線は、スライスが生じる屈曲の箇所に位置している。組立体６４はさらに、シャフト６２を垂直に動かすことができ、従って、ピン６０とフォロア２４とは、ブレード１８と同調して、ブレード１８に対して平行な経路に沿って動く。フォロア２４は、いくつかの摩擦の組み合わせによって、ピン６０を中心として回転し、それらには、フォロア面７６と原石２２の端面２６との間の摩擦、スライスの上部からフォロア２４の上部部分つまり表面７７に働く圧力、及び／又は、明示的な駆動機構、すなわち、チェーンやケーブル又はフレキシブルバンドを上部プラテン１６に取り付けられて備え、ピン６０に取り付けられたプーリー、または、ピン６０に取り付けられたピニオンギア及びベース１２に取り付けられたラックギア、または、適当な時に適当な速度でピン６０を回転させるように制御される適当なモータなどが含まれる。表面４４と表面７８との間の摩擦は、表面４４と表面７８との片方又は両方に摩擦防止コーティングを施してコントロールするか、及び／又は、フォロア２４の上部部分がブレード１８に対して緩く当接するようなサイズとして、ブレード１８に束縛されないようにする。ブレード１８が進むと、調整組立体６４も同じく下方へ移動して、シャフト６２を下降させる。フォロア面と原石２２の端面２６との間の摩擦は、アタッチメント５４とフォロア２４とをピンを中心として回転させようとする。従って、ブレード１８が進むと、フォロア２４は、脆性材料の劈開された部分に当接したまま、下降すると共に回転する。図２及び図３に示すように、フォロア２４は、劈開中には、ピン６０の中心軸線によって定められた、回転軸線６８を中心として回転する。ピン６０の位置、すなわち回転軸線６８の位置は、ブレード１８が進むと、図２に示した第１の位置６８Ａから下降して、図３に示した第２の位置６８Ｂへと移動する。

図２及び図３に示したひとつの実施形態においては、フォロア２４は、円弧に似た凸曲面を少なくともひとつ有してなる転動フォロアである。好ましい実施形態においては、フォロア２４は、原石２２の端部２６に係合すべく適合された第１の凸曲面７６と、劈開中にブレード１８に係合すべく適合された第２の凸曲面７８とを具備している。放射状に延びた表面７７は、第１の凸曲面７６から第２の凸曲面７８にまで延びている。放射状に延びた表面７７は、脆性材料の部分に係合し、脆性材料の部分の厚みと実質的に等しいような半径を有する。第２の凸曲面７８は、ブレード１８の凹曲面４４のカーブに近似したカーブを備え、表面７８は、ブレード１８の円弧４４の長さと近似した円弧にわたって延びていることが好ましい。第１の凸曲面７６は、第１の半径８０を有し、第２の凸曲面７８は、好ましくは表面４４の半径に近似した、第２の半径８２を有している。第１の半径８０の長さは、劈開される材料の強度と、劈開される部分の厚みとに依存する。表面７６の円弧の長さは、フォロア２４の移動の全範囲にわたって、原石２２の部分８４の表面をカバーできるだけの充分な長さを有することが好ましい。第１の半径８０と第２の半径８２及び劈開される部分の厚み８４については、第２の凸曲面７８がブレード１８の凹曲面４４に係合し、一方、第１の凸曲面７６は脆性材料の劈開された部分８４に係合するように選択される。例としては、第１の半径８０は、第２の半径８２に比べて、劈開される部分８４の厚みに近似した寸法差だけ、小さくなっている。

フォロア２４は、本発明の範囲内において、別の実施形態を有する。例えば、フォロア２４は、可撓性の層又は帯片８６であって、帯片を原石に対して促すように、可動部材が帯片８６に対して力を加える（図４及び図５参照）。可撓性の層８６は、任意的事項であり、必須ではないことを認識されたい。可動部材は、図４及び図５に示すような回転可能なローラー８８や、図６及び図７に示して後述されるような摺動ブロック９０など、任意の適当なタイプで良い。ローラー８８は、例えばピン６０によって、シャフト６２の下端にピボット可能に結合されており、帯片８６に対する摩擦によって回転可能に動作するもので、そのために、例えばローラー８８と帯片８６との間にいくらかの粗いコーティングを施すか又は小さなギアを設けるなどしており、ローラー８８は、ローラー８８とブレード１８とがアクチュータ２０の力の下で下方へ下降すると、軸線６８を中心として、図４及び図５において、時計まわり方向に回転する。ローラー８８は、ラックピニオン機構や、ベルト駆動（図示せず）によって動作させても良い。可撓性の帯片８６は、脆性材料の劈開された部分８４に係合すべく適合されてなる第１の部分と、ブレード１８に係合すべく適合されてなる第２の部分９４とを有する。第１の部分９２は、第１の厚みを有し、第２の部分は、第２の厚みを有する。例としては、第１の厚みは、第２の厚みに比べて、劈開された部分８４の厚みに近似した寸法差だけ、小さくなっている。劈開中に、ローラー８８が下降して軸線６８を中心として回転すると、ブレード１８が進んで、ローラー８８は可撓性の帯片８６を押圧して原石２２及びブレード１８に係合させ、脆性材料の劈開された部分８４に働く外方への力を制御し、ブレード１８を適切な劈開のために整列させて保つ。

本発明の別の実施形態においては、図６及び図７に示すように、フォロア２４の帯片８６は、衝撃吸収層９６を具備し、かかる層はエラストマーの層であって、毎回の連続するクラックによる衝撃を減衰させる。いくつかの実施形態においては、エラストマーの層９６は、第１及び第２の薄い鋼シート９８及び９９などの、第１の可撓性シートと第２の可撓性シートとの間にサンドイッチされる。好ましい実施形態においては、第１のシート９８は、図４及び図５に示した帯片８６と同じもので、第１の部分９２と第２の部分９４とを有している。変形例としては、仮にエラストマーが充分に堅いならば、エラストマーの層９６は直接、原石２２に係合させても良く、その場合には、エラストマーの層に第１の部分９２と第２の部分９４とを形成することが好ましい。

摺動ブロック９０を使用して、可撓性の帯片８６に対して力を加えても良い（図６及び図７）。ブレード１８が下降すると、摺動ブロック９０も下降して、摺動ブロックは好ましくは、シャフト６２の下端に結合され、より好ましくは、シャフト６２の下端にしっかりと堅固に固定される。ブロック９０には、ベアリング面９１が設けられ、可撓性の帯片８６と摺動可能に係合すべく、低摩擦係数のプラスチックから形成されている。変形例としては、流体ベアリングや、その他の一般的に使用されている平坦なベアリング、または、任意のその他の適当な手段を用いて、ブロック９０におけるベアリング面９１を形成しても良い。

動作に際しては、ロッドクランプ３８を上昇させて、脆性材料の原石２２を、押込ロッド２８などの押込機構によって、劈開のための所望の位置へと押し動かす。この押し込みは、前後の原石ガイド３０及び３２によってガイドされる。原石２２の位置は、微動調整スライダ３６によって調整される。原石２２が劈開すべき位置にあるとき、その端部面２６はフォロア２４に対して押圧され、ブレード１８に対して適切に位置決めされ、所望の深さ、つまり所望の厚みの原石の部分が劈開されるようになっている。

次に、ロッドクランプモータ４０を動作させて、ロッドクランプ３８を原石２２に係合させて、劈開のための所望の位置に原石を保持する。原石２２とフォロア２６との間に、劈開のために、いくらかの空間が必要又は望ましいならば、微動調整スライダ３６の送りを戻して（ブレード１８から遠ざけて）かかる空間を得る。ロッドクランプ押込ロッド３８の長さと可撓性とによって、原石２２はしっかりとクランプされたままに維持される。

劈開アクチュータ２０を動作させて、ブレード１８を下方へ駆動すると、クラックの形成が開始される。これは、ブレードに働く力が緩むことによって観察可能である。次に、微動調整スライダ３６を、さらに戻し、ブレード１８の背面が、初期の劈開に沿って移動できるようにする。次に、ブレード１８をさらに進める。ブレード１８が進むと、フォロア調整組立体６４も同じく下降して、このため、フォロアシャフト６２を下降させ、上述した任意の手段によってピン６０上のフォロアを回転させて、結果的にフォロア２４を回転させる。

劈開の終了時には、スライスは２つの方法のいずれかの方法によって取り除かれる。上からは、真空ピンセットなどの道具を用いて、スライスを把持する。微動調整スライダ３６をさらに戻して、スライスを解放し、スライスを回収する。下からは、ブレード１８を引っ込めてから、微動調整スライダ３６をさらに戻して、スライスを解放させる。これらの技術を組み合わせて用いるか、または、その他の取り出し技術を用いる。

別の観点においては、本発明は、脆性材料の棒体を劈開する方法を提供する。一般に、方法は、棒体にクラックを設ける開始段階と、ブレードを棒体に貫通させて駆動し、棒体の端部から脆性材料の一部分を取り外す段階と、を備えている。

図８には、本発明の実施形態による、脆性材料の棒体２２をブレード１８で劈開する、劈開過程を示している。この実施形態においては、劈開ブレード１８は、結晶面、好ましくは弱い結晶面において、脆性材料に突き当てられる。例えば、シリコンについては、（１１１）の結晶面が最も弱く、（１１０）の平面もほぼ同様に良好である。

制御された速度にて、脆性材料を通して劈開が進行する。クラックの伝播が急速であると、意図した破砕平面から逸れてしまい、代表的には、一連の小さなクラックの増加をもたらす。劈開ブレード１８は、充分に硬く、充分に強靭で、棒体材料から意図するシート材料を引き剥せるように、適切に形成されているべきである。

いくつかの実施形態においては、ブレード１８における裏側ないし背面１９は、棒体２２の主たる部分に面しており、劈開の平面に対して実質的に垂直であり、原石の上面５２に対して平行であるので、劈開されるスライスに押し込まれるブレードには、ほとんど又はまったく、力が作用しない。好ましい実施形態においては、ブレードにおける他方の側ないし反対面２１は、力に耐えられる充分な強度をもたせるのに充分な角度をもつが、これは過大な角度ではなく、劈開されたスライスが過剰な曲げを受けて破損しないようになっている。

劈開のための適切な開始点を確立するために、図９に示すように、劈開される棒体２２には、溝部１００を形成することが好ましい。溝部１００を用いてブレード１８を位置決めすることで、脆性材料の塊に面したブレード１８の表面１９の下にクラックを形成することができ、劈開が逸れてスライスを台無しにする原因となる、ブレードの外方への屈曲を防止ないし最小化する。また、開始溝部によれば、ブレードの最先端に加わる圧力が低減され、強度についての要求条件が緩和され、ブレードの（鋭利さの）寿命が長くなる。

いくつかの実施形態においては、開始溝部は、劈開される棒体の端部に面した垂直面１０１と、棒体の塊に面している傾斜面１０３とから形成される。開始溝部は、鋭利なノッチや、Ｖ字形、又は「キーホール」のノッチの形態を呈する。図９に示すように、「キーホール」のノッチ１００は、拡大した底部ないし応力緩和部１０２を有しており、クラックは、垂直な側部の下から開始する。図１０に示した鋭利なノッチ１０５は、垂直な側部の下からクラックの形成を開始させるために、ノッチの鋭利な点に生じる応力集中を頼りにしている。本発明のノッチは、機械的に、化学的に、または、その他の方法によって作製される。例えば、所望の形状の開始溝部は、ダイヤモンドツールによって、または、リアクティブイオンエッチングなどによって作製される。

棒体の上面に開始溝部を設けることに加え、クラックをより確実にガイドする助けとして、棒体の側部及び底部に溝部を設けることも役立つ。
図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、本発明のひとつの実施形態においては、棒体２２にクラック１０７が形成された後に、ブレード１８を調整する。この実施形態においては、ブレード１８は、左右対称のＶ字形を有し、クラックの形成を開始するためのブレード強度を最大限にしている。クラックが形成されたならば、図１１Ｂに示す如く、棒体２２の端部へ向けてブレード１８を傾斜させ、脆性材料の塊に面しているブレード面１９を、ロッド面２６に対して平行にする。

本発明のいくつかの実施形態においては、棒体２２に形成される溝部１００は、５０〜１００ミクロンの間隔を隔てている。開始溝部１００を、ブレード１８の下方に整列させてから、棒体２２を所定位置にクランプする。その後に、ブレード１８に力を加える。劈開されたスライスが分離したならば、例えばいくつかの実施形態においては吸気棒やガスジェットなど、任意の適当な方法によってスライスは取り出される。この過程は、棒体２２が短くなり過ぎて、更なる劈開を支持できなくなるまで、繰り返される。そうしたら、劈開するために、別の棒体を配置する。

図１２に示した本発明の実施形態においては、棒体２２の端部２６にフォロア２４が係合しており、スライスにおける劈開された部分に働く外方への力を制限している。フォロア２４は、ローラー８８などの任意の適当な部材を具備し、ゆっくりと制御されたやり方にて、劈開中にブレード１８をガイドする。ローラー８８は、劈開点において、劈開された材料を支え、棒体２２の本体から遠ざかる力を制限し、スライスが割れたり破損したりするのを防ぐ助けとなる。

本発明の他の実施形態においては、ブレード１８をガイドするために、物理的な支持体ないし裏打ちプレート４８を使用する（図１３Ａ〜図１３Ｄ参照）。これに関して、棒体２２にＶ字形の溝部が形成されたとき、裏打ちプレート４８は、溝部１００の内部へ延在する付属唇部１０４を具備していて、この唇部は好ましくはＶ字形になっていて、一時的に垂直面１０６を提供する。一時的な垂直面１０６は、Ｖ字形の溝部１００の底部を形成する鋭利な点に、ブレード１８を整列させる。ブレード１８が下降するとき、裏打ちプレート４８はブレード１８を支持する。

いくつかの実施形態においては、溝部及び／又はクラックに腐食性の薬品を適用して、脆性材料における歪結合を優先的に破壊する。このように、腐食性の薬品を使用すると、必要な力は小さくなって、クラックの速度は音速に比べてはるかに小さな速度に制限され、その結果、クラックはより制御可能になる。任意の適当な腐食性の薬品を使用することができる。例えば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）の溶液はシリコンのための腐食性の薬品として使用される。代わりに、脆性材料における歪結合を壊すために、電気化学作用を用いても良い。これを達成するには、ブレードに導電層を埋設すれば良い。

本発明のさらに別の実施形態においては、クラックの形成が開始した後に、ブレード１８の位置を調整ないし移行する。図１４Ａ〜図１４Ｄに示すように、実際にクラックが形成された線１１０は、ブレード１８の垂直面の下にある、棒体２２の内部へと下方へ延びた仮想線１１２とは異なった位置にある。クラックが形成されて、ブレードが棒体２２への貫通を開始した後、ブレード１８は、図１４Ｂと図１４Ｃとの間の変化に見られるように、スライスへ向けてわずかに移行されて、その下降経路を続けたとき、ブレード１８が外方へ押圧することはない。

本発明について開示された様々な実施形態及び方法によれば、脆性材料の棒体の片方の端部から開始して、脆性材料の薄い部分が劈開される。本発明は、半分に劈開する場合にも適用でき、原石２２の長手軸線２１に対して垂直な経路に沿って、次々と半分に劈開しても良いことを理解されたい（図１参照）。半分が非常に薄くなれば、それらは、従来の手段によっては劈開のために支持できなくなる。薄い半分の片方の表面に第１のフォロアを使用し、薄い半分の他方の表面に第２のフォロアを使用する。上述したブレード、フォロア、及び溝部は、半分に劈開する末期の段階においても等しく適用可能であって、従来の劈開だけによって達成可能なよりも、はるかに薄い部分を得ることができる。

本発明のひとつの観点によれば、端部を有する脆性材料の棒体の部分を劈開するための装置であって、劈開すべき位置に棒体の部分を保持するように適合された支持体と、ブレードと、棒体に劈開部分を作るため、棒体の少なくとも一部分に貫通させてブレードを駆動するように、ブレードに結合されたアクチュータと、劈開中に棒体の端部に係合させるためのフォロアと、を備えている装置が提供される。

装置において、ブレードは、前縁と、前縁から遠ざかって延びる凹曲面とを有している。装置において、ブレードの凹曲面にはカーブが設けられ、フォロアは凸曲面を有すると共に、その凸曲面には、ブレードにおける凹曲面のカーブに近似したカーブが設けられている。装置において、フォロアは、追加的な凸曲面を有し、最初に指名した凸曲面から追加的な凸曲面へと延びる半径方向に延びる表面を備えている。装置において、棒体における劈開部分は厚みを有し、最初に指名した凸曲面は第１の半径を有し、追加的な凸曲面は第１の半径に比べて小さい第２の半径を有し、第１の半径と第２の半径との差は、棒体における劈開部分の厚みに近似している。装置において、棒体における劈開部分は厚みを有し、フォロアは、可動部材と、可動部材によって棒体に押し当てられる少なくともひとつの材料層とを具備し、少なくともひとつの材料層は、第１の厚みを備えた第１の部分と、第１の厚みに比べて薄い第２の厚みを備えた第２の部分とを有し、第１の厚みと第２の厚みとの差は、棒体における劈開部分の厚みに近似している。装置において、可動部材は、回転軸を中心として回転可能な部材である。装置において、アクチュータは、ブレードを進行方向に駆動し、可動部材は、ブレードの進行方向に対して平行な方向に並進可能な部材である。装置において、少なくともひとつの材料層は、エラストマーの層を具備している。装置において、棒体の端部は棒体を横切って延びる平坦面を有し、フォロアは、凸曲面から延びていて、棒体の端部の平坦面に対して平行である平坦面を具備している。

本発明の別の観点によれば、脆性材料の棒体の部分を劈開するための装置であって、劈開すべき位置に棒体の部分を保持するように適合された支持体と、前縁と、前縁から遠ざかって延びる凹面領域とを有しているブレードと、棒体に劈開部分を作るため、棒体の少なくとも一部分に貫通させてブレードを駆動するように、ブレードに結合されたアクチュータと、を備えている装置が提供される。装置において、凹面領域は凹曲面から形成されている。

本発明の別の観点によれば、劈開装置であって、劈開すべき部分を有する脆性材料の棒体と、劈開すべき位置に棒体の部分を保持するための支持体と、ブレードと、棒体に劈開部分を作るため、棒体の少なくとも一部分に貫通させてブレードを駆動するように、ブレードに結合されたアクチュータと、を備えている装置が提供される。装置は、劈開中に棒体の端部に係合するフォロアをさらに備えている。

本発明の別の観点によれば、端部を有する脆性材料の棒体を劈開するための方法であって、棒体にクラックを設ける開始段階と、ブレードを棒体に貫通させて駆動し、棒体の端部から脆性材料の一部分を取り外す段階と、を備えている方法が提供される。

方法において、駆動する段階は、制御された速度にてブレードを棒体に貫通させる段階を具備している。方法において、開始段階は、棒体の端部から５０〜２００ミクロンの範囲の距離にて、クラックの形成を開始する段階を具備している。方法において、脆性材料には、結晶質の材料を含む。方法において、脆性材料は、シリコン、ガリウム砒素、ゲルマニウム、シリコン・ゲルマニウム、及びサファイアからなるグループから選択された材料である。方法において、開始段階は、脆性材料の棒体の中に、ブレードを駆動する段階を具備している。方法は、クラックの形成を開始すべく棒体に対してブレードを駆動する前に、物理的な支持に沿ってブレードを案内する段階をさらに備えている。方法は、ブレードをクラックに沿って駆動する前に、クラックに対してブレードを整列させる段階をさらに備えている。方法は、開始段階の前に、棒体の表面に溝部を形成する段階をさらに備えている。方法において、形成する段階は、脆性材料の結晶面に沿って溝部を形成する段階を具備している。方法において、溝部は、棒体の表面に対して実質的に垂直に延びる表面を備えている。方法において、溝部は、キーホール溝部である。方法は、物理的な支持に沿ってブレードを案内する段階をさらに備え、物理的な支持の少なくとも一部分は、溝部の内部へ延入し、棒体の表面に対して実質的に垂直である案内面を提供している。方法は、棒体の端部に対して力を加える段階をさらに備えている。方法において、力を加える段階は、棒体の端部に沿ってフォロア部材を動かす段階を具備している。

本発明によって提供される装置及び方法のひとつの利点は、鋸屑を出すことなく、脆性材料を薄い部分に劈開できることである。

本発明の特定の実施形態について例示の目的から説明したけれども、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、様々な改変を行うことができることを理解されたい。

図１は、本発明の実施形態による脆性材料を劈開する装置を模式的に示した側立面図である。 図２は、図１の装置におけるブレードの第１の位置について模式的に示した拡大立面図である。 図３は、図２の装置におけるブレードの第２の位置について模式的に示した拡大立面図である。 図４は、本発明の別の実施形態による脆性材料を劈開する装置について、その第１の位置を、図２と同様に示した側立面図である。 図５は、図４の装置について、その第２の位置を、図３と同様に示した側立面図である。 図６は、本発明のさらに別の実施形態による脆性材料を劈開する装置について、その第１の位置を、図２と同様に示した側立面図である。 図７は、図６の装置について、その第２の位置を、図３と同様に示した側立面図である。 図８は、本発明のひとつの方法に従った、劈開工程の開始段階を示した模式図である。 図９は、本発明の別の方法に従った、劈開工程の開始段階を示した模式図である。 図１０は、本発明のさらに別の方法に従った、劈開工程の開始段階を示した模式図である。 図１１Ａは、本発明のさらに他の方法に従った劈開工程の開始段階中において、第１の位置にあるブレードを示した模式図である。 図１１Ｂは、図１１Ａに示した劈開工程において、第２の位置にあるブレードを示した模式図である。 図１２Ａは、本発明の他の実施形態による脆性材料を劈開する装置について、その第１の位置を、図２と同様に示した側立面図である。 図１２Ｂは、図１２Ａの装置について、その第２の位置を、図３と同様に示した側立面図である。 図１３Ａは、本発明の方法に従った、脆性材料を劈開するための溝部、ブレード、及び裏打ちプレートを示した模式図である。 図１３Ｂは、本発明の方法に従った、劈開工程の開始段階を示した模式図である。 図１３Ｃは、本発明の方法によって、図１３Ｂに示した段階において形成されたクラックが伝播する様子を示した模式図である。 図１３Ｄは、本発明の方法によって、劈開過程が伝播する様子を示した模式図である。 図１４Ａは、本発明の方法に従った、脆性材料を劈開するためのブレードと裏打ちプレートを示した模式図である。 図１４Ｂは、本発明の方法に従った、劈開工程の開始段階を示した模式図である。 図１４Ｃは、本発明の方法によって、図１４Ｂに示した段階において形成されたクラックが伝播する様子を示した模式図である。 図１４Ｄは、本発明の方法によって、劈開過程が伝播する様子を示した模式図である。 図１５は、本発明の実施形態によるブレードを模式的に示した拡大斜視図である。

Claims (31)

1. 端部を有する脆性材料の棒体の部分を劈開するための装置であって、劈開すべき位置に棒体の部分を保持するように適合された支持体と、ブレードと、棒体に劈開部分を作るため、棒体の少なくとも一部分に貫通させてブレードを駆動するように、ブレードに結合されたアクチュータと、劈開中に棒体の端部に係合させるためのフォロアと、を備えていることを特徴とする装置。
2. ブレードは、前縁と、前縁から遠ざかって延びる凹曲面とを有していることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. ブレードの凹曲面にはカーブが設けられ、フォロアは凸曲面を有すると共に、その凸曲面には、ブレードにおける凹曲面のカーブに近似したカーブが設けられていることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. フォロアは、追加的な凸曲面を有し、最初に指名した凸曲面から追加的な凸曲面へと延びる半径方向に延びる表面を備えていることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 棒体における劈開部分は厚みを有し、最初に指名した凸曲面は第１の半径を有し、追加的な凸曲面は第１の半径に比べて小さい第２の半径を有し、第１の半径と第２の半径との差は、棒体における劈開部分の厚みに近似していることを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 棒体における劈開部分は厚みを有し、フォロアは、可動部材と、可動部材によって棒体に押し当てられる少なくともひとつの材料層とを具備し、少なくともひとつの材料層は、第１の厚みを備えた第１の部分と、第１の厚みに比べて薄い第２の厚みを備えた第２の部分とを有し、第１の厚みと第２の厚みとの差は、棒体における劈開部分の厚みに近似していることを特徴とする請求項３に記載の装置。
7. 可動部材は、回転軸を中心として回転可能な部材であることを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. アクチュータは、ブレードを進行方向に駆動し、可動部材は、ブレードの進行方向に対して平行な方向に並進可能な部材であることを特徴とする請求項６に記載の装置。
9. 少なくともひとつの材料層は、エラストマーの層を具備していることを特徴とする請求項６に記載の装置。
10. 棒体の端部は棒体を横切って延びる平坦面を有し、フォロアは、凸曲面から延びていて、棒体の端部の平坦面に対して平行である平坦面を具備していることを特徴とする請求項３に記載の装置。
11. 脆性材料の棒体は、最初に指名した端部とは反対側に他方の端部を有し、装置は、棒体における他方の端部に係合すべく適合された、追加的なフォロアを備えていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
12. 脆性材料の棒体の部分を劈開するための装置であって、劈開すべき位置に棒体の部分を保持するように適合された支持体と、前縁と、前縁から遠ざかって延びる凹面領域とを有しているブレードと、棒体に劈開部分を作るため、棒体の少なくとも一部分に貫通させてブレードを駆動するように、ブレードに結合されたアクチュータと、を備えていることを特徴とする装置。
13. 凹面領域は凹曲面から形成されていることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
14. 劈開装置であって、劈開すべき部分を有する脆性材料の棒体と、劈開すべき位置に棒体の部分を保持するための支持体と、ブレードと、棒体に劈開部分を作るため、棒体の少なくとも一部分に貫通させてブレードを駆動するように、ブレードに結合されたアクチュータと、を備えていることを特徴とする装置。
15. 劈開中に棒体の端部に係合するフォロアをさらに備えていることを特徴とする請求項１４に記載の劈開装置。
16. 端部を有する脆性材料の棒体を劈開するための方法であって、棒体にクラックを設ける開始段階と、ブレードを棒体に貫通させて駆動し、棒体の端部から脆性材料の一部分を取り外す段階と、を備えていることを特徴とする方法。
17. 駆動する段階は、制御された速度にてブレードを棒体に貫通させる段階を具備していることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. 開始段階は、棒体の端部から５０〜２００ミクロンの範囲の距離にて、クラックの形成を開始する段階を具備していることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
19. 脆性材料には、結晶質の材料を含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
20. 脆性材料は、シリコン、ガリウム砒素、ゲルマニウム、シリコン・ゲルマニウム、及びサファイアからなるグループから選択された材料であることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
21. 開始段階は、脆性材料の棒体の中に、ブレードを駆動する段階を具備していることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
22. クラックの形成を開始すべく棒体に対してブレードを駆動する前に、物理的な支持に沿ってブレードを案内する段階をさらに備えていることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
23. ブレードをクラックに沿って駆動する前に、クラックに対してブレードを整列させる段階をさらに備えていることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
24. 開始段階の前に、棒体の表面に溝部を形成する段階をさらに備えていることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
25. 形成する段階は、脆性材料の結晶面に沿って溝部を形成する段階を具備していることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
26. 溝部は、棒体の表面に対して実質的に垂直に延びる表面を備えていることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
27. 溝部は、キーホール溝部であることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
28. 物理的な支持に沿ってブレードを案内する段階をさらに備え、物理的な支持の少なくとも一部分は、溝部の内部へ延入し、棒体の表面に対して実質的に垂直である案内面を提供していることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
29. 棒体の端部に対して力を加える段階をさらに備えていることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
30. 力を加える段階は、棒体の端部に沿ってフォロア部材を動かす段階を具備していることを特徴とする請求項２９に記載の方法。
31. 脆性材料の歪結合を破壊するために、溝部に腐食性の薬品を適用する段階をさらに備えていることを特徴とする請求項２４に記載の方法。

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