JP2009000928A - レーザ割断装置及び基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザビームの照射による加熱と冷却とを二段階に行って被加工物を割断する場合、一段階目のレーザビームの照射による加熱と冷却とにより被加工物の表面に形成される亀裂を検査することができるレーザ割断装置を提供することである。
【解決手段】レーザ割断装置において、レーザビーム７ａの照射による加熱と冷却とを行って被加工物５の表面に亀裂を形成する加工部２と、亀裂を照明する照明装置３と、照明された亀裂を撮影するカメラ４と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ割断装置及び基板の製造方法に関し、特に、ガラス板等の脆性材料の被加工物にレーザビームを照射して割断するレーザ割断装置、及び、このレーザ割断装置を用いてガラス板等の脆性材料の被加工物を割断することにより基板を製造する基板の製造方法に関する。

脆性材料のガラス板等の被加工物に対してレーザビームを照射し、この被加工物を割断する方法が知られている。このレーザビームを用いた割断方法によれば、被加工物にレーザビームを照射することにより照射部分を加熱して膨張させ、ついで、この加熱部分を冷却することにより一旦膨張した部分に引張応力を作用させ、この引張応力の作用により被加工物に亀裂を発生させる。そして、レーザビームの照射位置を割断しようとする目標線である割断目標線上を移動させることによりこの割断目標線上に亀裂を形成し、亀裂が形成された後にその亀裂に沿って割断する向きに外力を加え、被加工物を割断している。

なお、レーザビームを用いた被加工物の割断方法において、下記特許文献１に記載されているように、レーザビームの照射による加熱を二段階に行う方法が知られている。この割断方法によれば、一段階目のレーザビームの照射による加熱と冷却とを行うことにより被加工物の表面の割断目標線上に浅い亀裂を形成し、二段階目のレーザビームの照射による加熱を行うことによりこの亀裂を被加工物の厚さ方向に成長させて被加工物を割断している。

このように、レーザビームの照射による加熱と冷却とを二段階に行って被加工物を割断する場合には、被加工物が割断される際に発生するカレットの発生量が少なくなり、及び、被加工物を割断目標線に沿って精度良く割断することができる。
特開２００７−９９５８７号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載された割断方法においては、以下の点について配慮がなされていない。

一段階目のレーザビームの照射による加熱と冷却とにより被加工物の表面に亀裂を形成した場合、割断目標線上の全範囲に亀裂が形成されていないと、二段階目のレーザビームの照射による加熱を行っても、亀裂が形成されていない部分ではカレットの発生量が多くなり、精度の良い割断が行われない。また、原理的に直線で切断することはできず、割断目標線通りに割断できない。

したがって、一段階目のレーザビームの照射による加熱と冷却とを行って亀裂を形成した後に、亀裂が割断目標線上の全範囲に形成されていることを確認し、この確認ができた被加工物に対してのみ二段階目のレーザビームの照射による加熱と冷却とを行う必要がある。

しかし、一段階目のレーザビームの照射による加熱と冷却とにより形成された物理的な亀裂は、亀裂が形成された直後は開いているが、しばらくすると光学的に閉じてしまい、顕微鏡を使用しても亀裂の有無を確認することが困難になる。

本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、その目的は、レーザビームの照射と冷却とを二段階に行って被加工物を割断する場合、一段階目のレーザビームの照射と冷却とにより被加工物の表面に形成される亀裂を検査することができるレーザ割断装置及び亀裂の検査工程を含む基板の製造方法を提供することである。

本発明の実施の形態に係る第１の特徴は、レーザ割断装置において、レーザビームの照射による加熱と冷却とを行って被加工物の表面に亀裂を形成する加工部と、前記亀裂を照明する照明装置と、照明された前記亀裂を撮影するカメラと、を備えることである。

本発明の実施の形態に係る第２の特徴は、レーザビームの照射による加熱と冷却とを行って被加工物を割断することにより基板を製造する基板の製造方法において、前記レーザビームの照射による加熱と冷却とを行って被加工物の表面に亀裂を形成する工程と、前記亀裂を照明する工程と、照明された前記亀裂を撮影する工程と、を備えることである。

本発明によれば、レーザビームの照射による加熱と冷却とを二段階に行って被加工物を割断する場合、一段階目のレーザビームの照射と冷却とにより被加工物の表面に形成される亀裂を検査することができる。

以下、本発明の一実施の形態に係るレーザ割断装置を図面を用いて説明する。

本発明の一実施の形態に係るレーザ割断装置１は、図１に示すように、加工部２と、照明装置３と、カメラ４と、被加工物５であるガラス板等の脆性材料を保持するテーブル６とを備えている。

加工部２は、レーザ発振機７と、反射ミラー８と、ポリゴンミラー９と、冷却ノズル１０とを備えている。レーザ発振機７は、レーザビーム７ａを照射する。レーザビーム７ａのパワーは、後述するビーム出力コントローラにより調節可能とされている。反射ミラー８は、レーザ発振機７から照射されたレーザビーム７ａをポリゴンミラー９に向けて反射する。ポリゴンミラー９は、軸心回りに回転可能にモータ（図示せず）に連結されている。反射ミラー８で反射されたレーザビーム７ａは軸心回りに回転するポリゴンミラー９に当たって反射され、ポリゴンミラー９で反射されたレーザビーム７ａは被加工物５に照射され、被加工物５上を走査する。

冷却ノズル１０は、被加工物５に向かって冷却材１１を吹き付ける。冷却材１１の例としては、水や霧（水と気体との混合物）、窒素などの気体、二酸化炭素粒子などの微粒子固体、アルコールなどの気体、霧状のアルコールなどを挙げることができる。

冷却ノズル１０の姿勢は、テーブル６と共に被加工物５が移動した場合、被加工物５におけるレーザビーム７ａによって加熱された部位に冷却材１１を吹き付けるように調整されている。

テーブル６は、ポリゴンミラー９の回転に伴なうレーザビーム７ａの走査方向、及び、この走査方向と直交する方向に移動可能に設けられている。テーブル６の移動は、テーブル６に連結された移動用のモータ（図示せず）を駆動することにより行われ、テーブル６の移動速度は後述するテーブルコントローラにより調節可能とされている。

カメラ４は、テーブル６と共に移動する被加工物５の移動方向（矢印Ａ方向）に沿った方向であって、被加工物５における冷却ノズル１０が対向する位置（以下、冷却点という。）に対し、被加工物５の移動方向に沿った数ｍｍ前方の位置を斜め上方から撮影する位置に配置されている。カメラ４のフレームレートは、被加工物５の移動方向の全体が洩れなく撮影されるように設定されており、例えば、被加工物５の送りスピードが１５０ｍｍ／秒であり、カメラ４の視野が１５ｍｍであるときは、フレームレートが１０フレーム／秒に設定されている。

照明装置３は、被加工物５の移動方向（矢印Ａ方向）に沿ったカメラ４の両側に一対設けられ、カメラ４により撮影される領域を斜め上方から照明する。

被加工物５に対してレーザビーム７ａが照射されることにより、被加工物５が加熱されて膨張する。この膨張した部分に冷却材１１が吹き付けられることにより、一旦膨張した部分が冷却されて引張応力が作用し、この引張応力の作用により被加工物５の表面に亀裂１２（図２参照）が形成される。なお、被加工物５に亀裂１２を形成する場合には、被加工物５の端部に、亀裂１２を形成する際に亀裂１２の始点となる初期亀裂（図示せず）を予め形成しておく必要がある。この初期亀裂は、工具を用いて形成した切欠きやレーザビームを照射して形成した孔を利用することができ、亀裂１２はこの初期亀裂を始点として形成される。

亀裂１２は、被加工物５が移動して被加工物５に対するレーザビーム７ａの照射位置及び冷却材１１の吹き付け位置が移動することにより、その照射位置及び吹き付け位置の跡に沿って形成される。照明装置３はこの亀裂１２を照明し、カメラ４は亀裂１２で反射された散乱光を撮影する。亀裂１２が深い場合には、カメラ４で受光する散乱光における被加工物５の移動方向と直交する方向の幅寸法が大きくなり、受光する散乱光の幅寸法の大きさから亀裂１２の深さを判断することができる。なお、カメラ４を挟んだ両側に照明装置３を配置することにより、亀裂１２で反射される散乱光を増やすことができ、カメラ４により受光する散乱光の輝度を高めることができ、亀裂１２の検出を確実に行える。

図２は、レーザ割断装置１におけるカメラ４に接続された部分の電気的な接続構造を示すブロック図である。図２において、矢印Ａ方向がテーブル６及び被加工物５の移動方向であり、Ｂが被加工物５上へのレーザビーム７ａの照射位置であり、Ｃが被加工物５上の冷却ノズル１０に対向する冷却点である。

被加工物５上のレーザビーム７ａが照射される照射位置Ｂが加熱され、被加工物５が矢印Ａ方向へ移動することにより加熱された照射位置Ｂが冷却点Ｃの位置へ移動し、冷却材１１が吹き付けられて冷却される。なお、この図２においては、レーザ発振機７や冷却ノズル１０等の加工部２を省略している。

カメラ４は画像入力Ｉ／Ｆ１３を介して画像処理部１４に接続され、画像処理部１４が演算部１５に接続されている。画像処理部１４では、カメラ４が受光した散乱光の映像が演算部１５での演算に必要なデータに変換される。演算部１５では、画像処理部１４で変換されたデータに基づいて亀裂１２の深さが演算され、演算された亀裂１２の深さが設定値に対して浅いか深いかが判断される。さらに、演算部１５には、ビーム出力コントローラ１６とテーブルコントローラ１７と表示部１８とが接続されている。ビーム出力コントローラ１６は、演算部１５での亀裂１２の深さの演算結果に基づいてレーザ発振機７から照射されるレーザビーム７ａのパワーを調整する。テーブルコントローラ１７は、演算部１５での亀裂１２の深さの演算結果に基づいてテーブル６の移動速度を調整し、被加工物５に照射されるレーザビーム７ａに対する被加工物５の相対移動速度を調整する。表示部１８には、亀裂１２の深さについての判定結果が表示される。

図３は、被加工物５に形成された亀裂１２を検査する手順を示すフローチャートである。なお、亀裂１２の検査は、レーザ割断装置１を制御する制御部（図示せず）の制御の下で行われる。

まず、亀裂１２の形成が開始されたか否かが判断され（Ｓ１）、亀裂１２の形成が開始された後に亀裂１２の撮影が開始される（Ｓ２）。亀裂１２の形成が開始されたか否かの判断に関しては、例えば、照明装置３がオンとなり、レーザ発振機７からのレーザビーム７ａの照射が開始され、冷却ノズル１０からの冷却材１１の吹き付けが開始され、テーブル６の移動が開始された場合に、亀裂１２の形成が開始されたものと判断される。

撮影が開始された後、撮影された亀裂１２の画像が画像処理部１４に入力されて画像処理され（Ｓ３）、画像処理されたデータに基づいて亀裂１２の深さが演算部１５で演算されることにより亀裂１２の深さが判定される（Ｓ４）。さらに、判定された亀裂１２の深さが設定値の範囲内であるか否かが判断され（Ｓ５）、設定値の範囲外であると判断された場合には（Ｓ５のＮＯ）、亀裂１２の深さが設定値に対して深いか浅いかが判断される（Ｓ６）。

亀裂１２の深さが設定値より深いと判断された場合には（Ｓ６のＹＥＳ）、ビーム出力コントローラ１６が駆動されてレーザ発振機７から照射されるレーザビーム７ａのパワーが弱くされ、又は、テーブルコントローラ１７が駆動されてテーブル６の移動速度が速くされる（Ｓ７）。テーブル６の移動速度が速くなることにより、被加工物５に照射されるレーザビーム７ａに対する被加工物５の相対速度が速くなる。レーザビーム７ａのパワーが弱くなり、又は、テーブル６の移動速度が速くなることにより、被加工物５に照射されるレーザビーム７ａの単位当りのエネルギー量が少なくなり、形成される亀裂１２が浅くなる。

一方、亀裂１２の深さが設定値より浅いと判断された場合には（Ｓ６のＮＯ）、ビーム出力コントローラ１６が駆動されてレーザ発振機７から照射されるレーザビーム７ａのパワーが強くされ、又は、テーブルコントローラ１７が駆動されてテーブル６の移動速度が遅くされる（Ｓ８）。テーブル６の移動速度が遅くなることにより、被加工物５に照射されるレーザビーム７ａに対する被加工物５の相対速度が遅くなる。レーザビーム７ａのパワーが強くなり、又は、テーブル６の移動速度が遅くなることにより、被加工物５に照射されるレーザビーム７ａの単位当りのエネルギー量が多くなり、形成される亀裂１２が深くなる。

ステップＳ５で亀裂１２の深さが設定値の範囲内であると判断された場合（Ｓ５のＹＥＳ）、及び、ステップＳ７又はＳ８の処理が行われた後、亀裂１２を形成する工程が終了したか否かが判断される（Ｓ９）。亀裂１２を形成する工程が終了したか否かは、例えば、テーブル６が予め設定した位置まで移動したか否かにより判断される。亀裂１２を形成する工程が終了していないと判断された場合は（Ｓ９のＮＯ）、ステップＳ２に戻りカメラ４による撮影が続行される。

亀裂１２を形成する工程が終了したと判断された場合は（Ｓ９のＹＥＳ）、亀裂１２の形成動作が停止される（Ｓ１０）。亀裂１２の形成動作の停止時には、テーブル６の移動が停止され、レーザ発振機７からのレーザビーム７ａの照射が停止され、冷却ノズル１０からの冷却材１１の吹き付けが停止される。

亀裂１２の形成動作が停止された後、亀裂１２の深さが“０”の部分が有ったか否かが判断される（Ｓ１１）。そして、亀裂１２の深さが“０”の部分が無かったと判断された場合には（Ｓ１１のＮＯ）、表示部１８に亀裂１２の形成が良好に行われたことを示す表示（例えば、亀裂形成ＯＫ）が表示される（Ｓ１２）。一方、亀裂１２の深さが“０”の部分が有ったと判断された場合には（Ｓ１１のＹＥＳ）、表示部１８に亀裂１２の形成が良好に行われなかったことを示す表示（例えば、亀裂形成ＮＧ）が表示される（Ｓ１３）。

このような構成において、このレーザ割断装置１により被加工物５を割断する場合には、被加工物５に対する一段階目のレーザビーム７ａの照射と冷却材１１の吹き付けとを行い、ついで、二段階目のレーザビーム７ａの照射を行う。一段階目のレーザビーム７ａの照射と冷却材１１の吹き付けとを行うことにより、被加工物５の表面に、被加工物５を割断する目標線である割断目標線上に亀裂１２が形成される。ついで、この亀裂１２が形成された被加工物５に対して亀裂１２に沿って二段階目のレーザビーム７ａの照射を行うことにより、亀裂１２が深さ方向に成長して被加工物５が割断される。なお、二段階目のレーザビーム７ａの照射時には、レーザビーム７ａのパワーを一段階目のレーザビーム７ａの照射時よりアップさせる。このようにして被加工物５を割断することにより、液晶表示装置で使用するＴＦＴ用の基板や、カラーフィルタ用の基板等が形成される。

二段階目のレーザビーム７ａの照射を行って被加工物５を割断する場合には、被加工物５の割断目標線上の全範囲に亀裂１２が形成されていることが必要である。被加工物５の割断目標線上の少なくとも一部に亀裂１２が形成されていない部分が存在すると、その被加工物５に対して二段階目のレーザビーム７ａの照射を行っても、その被加工物５の亀裂１２が形成されていない部分は精度の良い割断が行われない。

このレーザ割断装置１では、一段階目のレーザビーム７ａの照射と冷却材１１の吹き付けとを行って亀裂１２を形成する場合に、亀裂１２が形成された直後にこの亀裂１２をカメラ４で撮影することにより、亀裂１２が形成されたか否かを確認することができる。亀裂１２が形成されてから時間が経過すると亀裂１２が閉じてしまい、顕微鏡を使ってもその有無を確認することが困難になるが、亀裂１２が形成された直後は開いているので容易に亀裂１２を確認することができる。したがって、亀裂１２が形成されたか否かの判断を確実に行うことができる。

そして、被加工物５の割断目標線上の全範囲に亀裂１２が形成されているか否かを判断し、その判断結果を表示部１８に表示することにより、被加工物５に対して二段階目のレーザビーム７ａの照射を行うべきか否かを容易に判断することができる。そして、被加工物５の割断目標線上の全範囲に亀裂１２が形成されている被加工物５に対してのみ二段階目のレーザビーム７ａの照射を行うことにより、その被加工物５を精度良く割断することができ、被加工物５を割断して行う基板の製造を効率良く行うことができる。なお、一旦亀裂１２が形成されれば、時間の経過に伴ってその亀裂１２が閉じても、二段階目のレーザビーム７ａの照射による加熱を行うことにより被加工物６は割断される。

本実施の形態では、レーザ発振機７や冷却ノズル１０を位置固定に設けて被加工物５を保持したテーブル６を移動させる場合を例に挙げて説明したが、被加工物５を位置固定とし、レーザ発振機７や冷却ノズル１０を移動させるようにしてもよい。この場合には、照明装置３やカメラ４もレーザ発振機７や冷却ノズル１０と共に一体に移動させる構造とする。

また、本実施の形態では、被加工物５の割断目標線上の全範囲をカメラ４で撮影する場合を例に挙げて説明したが、必ずしも被加工物５の割断目標線上の全範囲をカメラ４で撮影する必要はなく、例えば、割断目標線上の終端部を含む複数の箇所を撮影してもよく、又は、割断目標線上の終端部のみを撮影してもよい。その理由は、亀裂１２を形成している途中で亀裂１２の形成が途切れた場合には、途切れた後の部分には亀裂１２を形成する際の始点となる初期亀裂が存在せず、亀裂１２が一旦途切れた後に亀裂１２が再度形成されるということはないからである。したがって、撮影した複数の箇所の全てにおいて、又は、撮影した終端部において亀裂１２が撮影されているということは、割断目標線上の全範囲で亀裂１２が形成されていることを意味することになる。

割断方向に沿った最終端のみで亀裂１２を撮影する場合には、カメラ４で撮影した画像を表示部としてのモニタに表示させ、モニタに表示された画像を目視することにより亀裂１２が形成されたか否かを検査することができる。

本発明の一実施の形態に係るレーザ割断装置を示す概略図である。 レーザ割断装置１におけるカメラ４に接続された部分の電気的な接続構造を示すブロック図である。 被加工物に形成された亀裂を検査する手順を示すフローチャートである。

符号の説明

２…加工部、３…照明装置、４…カメラ、５…被加工物、７ａ…レーザビーム、１２…亀裂

Claims (4)

1. レーザビームの照射による加熱と冷却とを行って被加工物の表面に亀裂を形成する加工部と、
   前記亀裂を照明する照明装置と、
   照明された前記亀裂を撮影するカメラと、
   を備えることを特徴とするレーザ割断装置。
2. 前記カメラにより撮影された前記亀裂の深さを判定する手段と、
   判定された前記亀裂の深さが設定値となるように、前記加工部から照射される前記レーザビームのパワー又は照射される前記レーザビームに対する前記被加工物の相対移動速度を制御する手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１記載のレーザ割断装置。
3. レーザビームの照射による加熱と冷却とを行って被加工物を割断することにより基板を製造する基板の製造方法において、
   前記レーザビームの照射による加熱と冷却とを行って被加工物の表面に亀裂を形成する工程と、
   前記亀裂を照明する工程と、
   照明された前記亀裂を撮影する工程と、
   を備えることを特徴とする基板の製造方法。
4. 撮影された前記亀裂の深さを判定する工程と、
   判定された前記亀裂の深さが設定値となるように照射される前記レーザビームのパワー又は照射される前記レーザビームに対する前記被加工物の相対移動速度を制御する工程と、
   を備えることを特徴とする請求項３記載の基板の製造方法。

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