JP2009255113A - Brittle material substrate processing apparatus and brittle material substrate cutting method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガラス基板や半導体基板をはじめとする脆性材料基板の切断、スクライブ技術に関する。 The present invention relates to a cutting and scribing technique for brittle material substrates including glass substrates and semiconductor substrates.
FPD(フラットパネルディスプレイ)は、一枚のマザーガラスを所定サイズの複数の領域に切断することにより形成される。FPDのサイズは、大型液晶テレビに使用されるような数十インチから、携帯電話端末などの数インチの多岐にわたっており、またFPDの厚みも、大型液晶テレビに使用される数mmから、携帯電話端末に使用される0.5mm程度と幅広い。 An FPD (flat panel display) is formed by cutting a single mother glass into a plurality of regions of a predetermined size. The size of FPD ranges from several tens of inches used for large LCD TVs to several inches such as mobile phone terminals, and the thickness of FPDs varies from several mm used for large LCD TVs to mobile phones. Wide range of about 0.5mm used for terminals.
ガラスなどの脆性材料基板を切断する方法として、従来よりダイヤモンドなどのカッターによってスクライブラインを形成し、スクライブラインに沿ってブレーク(割断)する技術が用いられている。この方法では、割断時にガラス粉、ガラスカレットが発生するという問題がある。近年では、スクライブラインの形成に、カッターに代えてレーザビームを用いる技術(レーザスクライブという)が開発されている。 As a method of cutting a brittle material substrate such as glass, conventionally, a technique of forming a scribe line with a cutter such as diamond and breaking (cleaving) along the scribe line has been used. This method has a problem that glass powder and glass cullet are generated at the time of cleaving. In recent years, a technique (laser scribing) that uses a laser beam instead of a cutter for forming a scribe line has been developed.
レーザスクライブでは、ガラス基板上を加工予定線に沿って移動させながら、加工予定線上に一点にレーザを照射して局所的に加熱し、しかる後に加熱領域近傍に冷却媒体を噴射して冷却する。その結果、レーザ基板上の熱分布に応じて、ガラス基板を加工予定線に対して垂直に引っ張る方向に熱応力が発生し、ガラス基板上に加工予定線に沿ったスクライブラインが成長していく。その後、ブレイカ装置によってガラス基板に機械的な応力が印加され、スクライブラインに沿って割断される。 In laser scribing, while moving on a glass substrate along a planned processing line, a laser is irradiated to one point on the planned processing line to locally heat it, and then a cooling medium is injected near the heating region to cool it. As a result, thermal stress is generated in the direction of pulling the glass substrate perpendicular to the planned processing line according to the heat distribution on the laser substrate, and the scribe line along the planned processing line grows on the glass substrate. . Thereafter, mechanical stress is applied to the glass substrate by the breaker device, and the glass substrate is cleaved along the scribe line.
また、加熱条件、冷却条件、加工速度等を調整することによって、スクライブラインをガラス基板の厚み方向の深い箇所まで浸透させて、ブレイカ装置による割断処理を経ずに、ガラス基板を割断するフルカット(フルボディカットともいう)することも可能である。レーザを利用したフルカットは、ブレイカ装置による後処理が不要となり、単一工程でガラス基板を割断できることから、量産性の観点からみても非常に有用である。
ガラス基板をフルカットする場合、単にスクライブラインを形成する場合に比べて、レーザによる加熱条件がきわめて重要となる。レーザによる加熱条件は、レーザのエネルギに加えて、レーザビームの照射領域(照射スポットともいう)の強度分布(ビーム断面プロファイル)に依存する。つまり、レーザビームの状態が最適化されていないと、フルカットできなかったり、たとえフルカットできたとしても、歩留まりが低かったり、ガラスの断面の品質が悪くなるという問題を引き起こす。 When the glass substrate is fully cut, the heating condition by the laser is extremely important as compared with the case where the scribe line is simply formed. The heating condition by the laser depends on the intensity distribution (beam cross-sectional profile) of the laser beam irradiation region (also referred to as an irradiation spot) in addition to the laser energy. That is, if the state of the laser beam is not optimized, full cutting cannot be performed, and even if full cutting is possible, the yield is low and the quality of the cross section of the glass is deteriorated.
たとえば特許文献1には、レーザビームのパターンを、スクライブ予定ライン(加工予定線)に沿った方向に複数のピークを持つようにパターニングする技術が開示される。特許文献1の技術では、複数のビームを重ね合わせることにより複数のピークを形成するため、フルカットに最適な加熱状態を実現できないという問題がある。
For example,
本出願人は特に、材料や厚みの異なるさまざまなガラス基板を、高品質で歩留まり良くフルカットするためには、加工予定線の方向のみでなく、それと垂直方向の強度分布にも配慮を払うことが重要であることを認識するに至った。 In particular, in order to fully cut various glass substrates of different materials and thicknesses with high quality and high yield, the applicant should pay attention not only to the direction of the planned processing line but also to the strength distribution in the vertical direction. Has come to be recognized as important.
本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ガラス基板などの脆性材料基板を、高品質で、あるいは高歩留まりでフルカットするための加工技術の提供にある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a processing technique for fully cutting a brittle material substrate such as a glass substrate with high quality or high yield.
本発明のある態様は、加工対象物である脆性材料基板を加工予定線に沿って切断する加工装置に関する。この加工装置は、レーザビームを加工予定線が長手方向である細長い形状にパターニングし、パターニングされたレーザビームを脆性材料基板の加工予定線上に照射するレーザ照射装置と、レーザ照射領域の近傍であり加工予定線上の所定の冷却領域を、冷却媒体を噴射して冷却する冷却装置と、加工予定線の方向に、脆性材料基板をレーザ照射領域および冷却領域に対して相対移動させるステージと、を備える。レーザ照射装置は、レーザビームの経路上に設けられた、互いの頂点が対向もしくは逆対向するように配置された一対のアキシコンレンズと、レーザビームを集光し、もしくは発散させる照射光学系と、を含む。 An embodiment of the present invention relates to a processing apparatus that cuts a brittle material substrate that is an object to be processed along a planned processing line. This processing apparatus includes a laser irradiation apparatus for patterning a laser beam into a long and narrow shape with a planned processing line in the longitudinal direction, and irradiating the patterned laser beam on the processing target line of the brittle material substrate, and in the vicinity of the laser irradiation region. A cooling device for injecting a cooling medium to cool a predetermined cooling region on the processing line, and a stage for moving the brittle material substrate relative to the laser irradiation region and the cooling region in the direction of the processing line. . The laser irradiation apparatus includes a pair of axicon lenses provided on the laser beam path and arranged such that their vertices face each other or face each other, and an irradiation optical system that focuses or diverges the laser beam. ,including.
この態様によると、アキシコンレンズのペアを用いることにより、レーザビームを、リング状のピークを有する強度プロファイルを有するようにパターニングできる。このビームを集光し、もしくは発散させることにより、複数のレーザビームの重ね合わせではなく、単一のビームのパターニングにより、加工予定線に沿った方向に2つのピークを有するレーザビームを形成することができる。さらに、加工予定線と垂直方向の強度分布を、レーザ発振器からのビームを単に集光しただけのプロファイルとは異なった、フルカットに適した形状とすることができる。なお、本明細書において、「加工装置」とは、脆性材料基板をフルカット可能な装置のみでなく、ブレーカ装置による後工程を前提として脆性材料基板にスクライブラインを形成するためのスクライブ装置を含む概念である。 According to this aspect, by using a pair of axicon lenses, the laser beam can be patterned to have an intensity profile having a ring-like peak. By converging or diverging this beam, a laser beam having two peaks in the direction along the planned processing line is formed by patterning a single beam instead of superimposing a plurality of laser beams. Can do. Furthermore, the intensity distribution in the direction perpendicular to the planned processing line can be made into a shape suitable for full cut, which is different from the profile obtained by simply condensing the beam from the laser oscillator. In this specification, the “processing apparatus” includes not only an apparatus capable of full-cutting a brittle material substrate, but also a scribe apparatus for forming a scribe line on the brittle material substrate on the premise of a post-process by a breaker device. It is a concept.
照射光学系は、レーザビームの経路上に設けられた、レーザビームをレーザビームの経路方向と垂直な第1方向に集光する第1シリンドリカルレンズと、レーザビームを、経路方向と前記第1方向とに対して垂直な第2方向に発散させる第2シリンドリカルレンズと、を含んでもよい。
シリンドリカルレンズを利用することにより、所望のサイズの照射領域にレーザ照射領域を形成できる。
The irradiation optical system includes a first cylindrical lens that is provided on the laser beam path and focuses the laser beam in a first direction perpendicular to the laser beam path direction, and the laser beam is in the path direction and the first direction. And a second cylindrical lens that diverges in a second direction perpendicular to.
By using a cylindrical lens, a laser irradiation region can be formed in an irradiation region of a desired size.
一対のアキシコンレンズの少なくとも一方は、レーザビームの経路方向に移動可能であってもよい。
この場合、アキシコンレンズの頂点の間の距離を変化させることができるため、レーザビームのピークの間隔を、ガラス基板上に形成されるレーザ照射領域のサイズとは独立に調節することができる。
At least one of the pair of axicon lenses may be movable in the laser beam path direction.
In this case, since the distance between the apexes of the axicon lenses can be changed, the peak interval of the laser beam can be adjusted independently of the size of the laser irradiation region formed on the glass substrate.
一対のアキシコンレンズは、レーザビームの断面と平行な少なくとも一方向に移動可能であってもよい。
この場合、レーザビームのピークの位置を、ガラス基板上に形成されるレーザ照射領域のサイズとは独立に調節することができる。
The pair of axicon lenses may be movable in at least one direction parallel to the cross section of the laser beam.
In this case, the position of the peak of the laser beam can be adjusted independently of the size of the laser irradiation region formed on the glass substrate.
照射光学系は、一対のアキシコンレンズよりも脆性材料基板側に設けられてもよい。 The irradiation optical system may be provided closer to the brittle material substrate than the pair of axicon lenses.
第1シリンドリカルレンズおよび第2シリンドリカルレンズは、独立にレーザビームの経路方向に移動可能であってもよい。 The first cylindrical lens and the second cylindrical lens may be independently movable in the laser beam path direction.
一対のアキシコンレンズと照射光学系は、それらの光軸が脆性材料基板に対して略垂直となるように直線上に配置されてもよい。 The pair of axicon lenses and the irradiation optical system may be arranged on a straight line so that their optical axes are substantially perpendicular to the brittle material substrate.
一対のアキシコンレンズと照射光学系は、脆性材料基板と垂直な軸を中心として回転可能な回転ヘッドにマウントされてもよい。この場合、脆性材料基板を回転させなくても、回転ヘッドを回転させることにより切断方向を変更できるため、生産性を向上することができる。 The pair of axicon lenses and the irradiation optical system may be mounted on a rotary head that can rotate around an axis perpendicular to the brittle material substrate. In this case, since the cutting direction can be changed by rotating the rotary head without rotating the brittle material substrate, productivity can be improved.
一対のアキシコンレンズおよび照射光学系に対するレーザビームの入射方向を調整するための光軸調整部をさらに備えてもよい。 You may further provide the optical axis adjustment part for adjusting the incident direction of the laser beam with respect to a pair of axicon lens and irradiation optical system.
本発明の別の態様もまた、加工対象物である脆性材料基板を加工予定線に沿って切断する加工装置に関する。この加工装置は、レーザビームを円環状にパターニングするとともに集光もしくは発散させて、加工予定線が長手方向である細長い形状にパターニングし、パターニングされたレーザビームを脆性材料基板の加工予定線上に照射するレーザ照射装置と、レーザ照射領域の近傍であり加工予定線上の所定の冷却領域を、冷却媒体を噴射して冷却する冷却装置と、加工予定線に沿って、脆性材料基板をレーザ照射領域および冷却領域に対して相対移動させるステージと、を備える。 Another aspect of the present invention also relates to a processing apparatus for cutting a brittle material substrate, which is a processing target, along a planned processing line. This processing device patterns the laser beam into an annular shape, and condenses or diverges the laser beam, patterns it into a long and narrow shape whose processing target line is the longitudinal direction, and irradiates the patterned laser beam onto the processing target line of the brittle material substrate. A laser irradiation device that cools the brittle material substrate along the planned processing line, a cooling device that cools a predetermined cooling region on the processing planned line that is in the vicinity of the laser irradiation region, and jets a cooling medium. And a stage that is moved relative to the cooling region.
レーザビームを円環状にパターニングしつつ、これを脆性材料基板に集光して照射することにより、レーザビームの加工予定線の方向に対する強度分布と、それと垂直方向の強度分布の両方を、フルカットに適した形状とすることができる。 By patterning the laser beam in an annular shape and condensing and irradiating it on the brittle material substrate, both the intensity distribution in the direction of the processing line of the laser beam and the intensity distribution in the vertical direction are fully cut. It can be set as the shape suitable for.
本発明の別の態様もまた、加工対象物である脆性材料基板を加工予定線に沿って切断する加工装置に関する。この加工装置は、レーザビームを加工予定線が長手方向である細長い形状にパターニングし、パターニングされたレーザビームを脆性材料基板の加工予定線上に照射するレーザ照射装置と、レーザ照射領域の近傍であり加工予定線上の所定の冷却領域を、冷却媒体を噴射して冷却する冷却装置と、加工予定線に沿って、脆性材料基板をレーザ照射領域および冷却領域に対して相対移動させるステージと、を備える。レーザ照射領域におけるレーザビームの強度分布は、長手方向に対して2つのピークを有するとともに、長手方向と垂直な方向に対して2つのピークを有する。 Another aspect of the present invention also relates to a processing apparatus for cutting a brittle material substrate, which is a processing target, along a planned processing line. This processing apparatus includes a laser irradiation apparatus for patterning a laser beam into a long and narrow shape with a planned processing line in the longitudinal direction, and irradiating the patterned laser beam on the processing target line of the brittle material substrate, and in the vicinity of the laser irradiation region. A cooling device that cools a predetermined cooling area on the planned processing line by jetting a cooling medium, and a stage that moves the brittle material substrate relative to the laser irradiation area and the cooling area along the planned processing line. . The intensity distribution of the laser beam in the laser irradiation region has two peaks in the longitudinal direction and two peaks in the direction perpendicular to the longitudinal direction.
この態様によると、加工予定線と垂直方向にも2つのピークを有するため、脆性材料基板をフルカットに適した状態に加熱することができる。 According to this aspect, since there are two peaks in the direction perpendicular to the planned processing line, the brittle material substrate can be heated to a state suitable for full cut.
レーザビームは、単一のレーザビームをパターニングして生成されてもよい。
複数のレーザビームを重ね合わせると、強度分布にばらつきが生じてしまうところ、単一のレーザビームをパターニングすることによりこの問題を解決できる。
The laser beam may be generated by patterning a single laser beam.
When a plurality of laser beams are superimposed, the intensity distribution varies, and this problem can be solved by patterning a single laser beam.
レーザ照射装置は、レーザビームの経路上に設けられた、互いの頂点が対向もしくは逆対向するように配置された一対のアキシコンレンズと、レーザビームを集光する照射光学系と、を含んでもよい。 The laser irradiation apparatus may include a pair of axicon lenses provided on the laser beam path and arranged such that their vertices face each other or face each other, and an irradiation optical system that focuses the laser beam. Good.
本発明のさらに別の態様は、加工対象物である脆性材料基板を加工予定線に沿って切断する方法に関する。この方法は、レーザビームを加工予定線が長手方向である細長い形状にパターニングし、パターニングされたレーザビームを脆性材料基板の加工予定線上に照射するステップと、レーザ照射領域の近傍であり加工予定線上の所定の冷却領域を、冷却媒体を噴射して冷却するステップと、を脆性材料基板を加工予定線方向に移動させながら実行する。レーザビームは、レーザビームの経路上に設けられた、互いの頂点が対向もしくは逆対向するように配置された一対のアキシコンレンズと、レーザビームを集光する照射光学系と、によってパターニングされる。 Yet another embodiment of the present invention relates to a method of cutting a brittle material substrate, which is an object to be processed, along a planned processing line. In this method, a laser beam is patterned into a long and narrow shape in which the processing line is in the longitudinal direction, and the patterned laser beam is irradiated onto the processing line of the brittle material substrate, and in the vicinity of the laser irradiation region and on the processing line. The step of cooling the predetermined cooling region by injecting the cooling medium is performed while moving the brittle material substrate in the direction of the planned processing line. The laser beam is patterned by a pair of axicon lenses provided on the path of the laser beam and arranged such that their vertices face each other or face each other and an irradiation optical system that collects the laser beam. .
本発明のさらに別の態様も、加工対象物である脆性材料基板を加工予定線に沿って切断する方法に関する。この方法は、レーザビームを円環状にパターニングするとともに集光もしくは発散させて、加工予定線が長手方向である細長い形状にパターニングし、パターニングされたレーザビームを脆性材料基板の加工予定線上に照射するステップと、レーザ照射領域の近傍であり加工予定線上の所定の冷却領域を、冷却媒体を噴射して冷却するステップと、を脆性材料基板をレーザ照射領域および冷却領域に対して相対移動させながら実行する。 Still another aspect of the present invention also relates to a method of cutting a brittle material substrate that is an object to be processed along a planned processing line. In this method, the laser beam is patterned into an annular shape, condensed or diverged, and patterned into a long and narrow shape whose processing target line is in the longitudinal direction, and the patterned laser beam is irradiated onto the processing target line of the brittle material substrate. Performing a step of cooling a predetermined cooling region in the vicinity of the laser irradiation region on the planned processing line by injecting a cooling medium while moving the brittle material substrate relative to the laser irradiation region and the cooling region. To do.
本発明のさらに別の態様もまた、加工対象物である脆性材料基板を加工予定線に沿って切断する方法に関する。この方法は、レーザビームを加工予定線が長手方向である細長い形状にパターニングし、パターニングされたレーザビームを脆性材料基板の加工予定線上に照射するステップと、レーザ照射領域の近傍であり加工予定線上の所定の冷却領域を、冷却媒体を噴射して冷却するステップと、を脆性材料基板を加工予定線方向に移動させながら実行する。レーザビームの強度分布は、長手方向に対して2つのピークを有するとともに、長手方向と垂直な方向に対して2つのピークを有する。 Still another embodiment of the present invention also relates to a method of cutting a brittle material substrate that is an object to be processed along a planned processing line. In this method, a laser beam is patterned into a long and narrow shape in which the processing line is in the longitudinal direction, and the patterned laser beam is irradiated onto the processing line of the brittle material substrate, and in the vicinity of the laser irradiation region and on the processing line. The step of cooling the predetermined cooling region by injecting the cooling medium is performed while moving the brittle material substrate in the direction of the planned processing line. The intensity distribution of the laser beam has two peaks in the longitudinal direction and two peaks in a direction perpendicular to the longitudinal direction.
本発明のさらに別の態様は、加工対象物である脆性材料基板を、レーザビームにより加熱し、続いて冷却媒体を噴射して冷却して切断する加工装置に搭載される照射装置に関する。この照射装置は、レーザビームを、加工予定線が長手方向である細長い形状にパターニングし、脆性材料基板の加工予定線上に照射する。照射装置は、レーザビームの経路上に、光軸が脆性材料基板に対して略垂直となるように直線上に配置された、互いの頂点が対向もしくは逆対向するように配置された一対のアキシコンレンズと、レーザビームを集光する照射光学系と、を備える。 Still another embodiment of the present invention relates to an irradiation apparatus mounted on a processing apparatus that heats a brittle material substrate, which is an object to be processed, with a laser beam, and then injects a cooling medium to cool and cut. In this irradiation apparatus, a laser beam is patterned into a long and narrow shape whose processing line is in the longitudinal direction, and is irradiated onto the processing line of the brittle material substrate. The irradiation device is a pair of axes arranged on a straight line on the laser beam path such that the optical axis is substantially perpendicular to the brittle material substrate, with the vertices facing each other. A con lens and an irradiation optical system for condensing the laser beam are provided.
本発明のさらに別の態様は、フラットパネルの製造方法に関する。この方法は、画素回路が形成されたマザーガラスを製造するステップと、マザーガラスを上述のいずれかの態様の方法で切断するステップと、を備える。この態様によれば、マザーガラスから複数のフラットパネルを高歩留まりかつ高品質で切り出せる。フラットパネルとは、液晶ディスプレイパネル、プラズマディスプレイパネル、有機ELディスプレイパネル等を含む。 Yet another embodiment of the present invention relates to a method for manufacturing a flat panel. This method includes the steps of manufacturing a mother glass on which a pixel circuit is formed, and cutting the mother glass by any of the above-described methods. According to this aspect, a plurality of flat panels can be cut out from the mother glass with high yield and high quality. The flat panel includes a liquid crystal display panel, a plasma display panel, an organic EL display panel, and the like.
本発明のさらに別の態様は、フラットパネルに関する。このフラットパネルは、画素回路が形成されたマザーガラスを製造するステップと、マザーガラスを上述のいずれかの態様の方法で切断するステップと、により製造されることを特徴とする。 Yet another embodiment of the present invention relates to a flat panel. This flat panel is manufactured by a step of manufacturing a mother glass on which a pixel circuit is formed, and a step of cutting the mother glass by any one of the above-described methods.
本発明のさらに別の態様は、ディスプレイ装置に関する。このディスプレイ装置は、上述のフラットパネルと、フラットパネルを駆動する駆動回路と、を備える。 Yet another embodiment of the present invention relates to a display device. The display device includes the flat panel described above and a drive circuit that drives the flat panel.
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。 It should be noted that any combination of the above-described constituent elements, and those in which constituent elements and expressions of the present invention are mutually replaced between methods, apparatuses, systems, and the like are also effective as an aspect of the present invention.
本発明のある態様によれば、脆性材料基板を、高品質で、あるいは高歩留まりでフルカットできる。 According to an aspect of the present invention, a brittle material substrate can be fully cut with high quality or high yield.
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。 The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings. The same or equivalent components, members, and processes shown in the drawings are denoted by the same reference numerals, and repeated descriptions are omitted as appropriate. The embodiments do not limit the invention but are exemplifications, and all features and combinations thereof described in the embodiments are not necessarily essential to the invention.
図1は、実施の形態に係る加工装置100の全体構成を示すブロック図である。加工装置100は、加工対象物110である脆性材料基板を加工予定線に沿って、始端112から終端114に向かって切断(フルカット)し、あるいはその表面にスクライブラインを形成する。具体的な加工対象物110としては、FPDに利用される種々のガラス基板が例示される。ガラス基板は単板であっても重ね合わせ基板であってもよい。
FIG. 1 is a block diagram illustrating an overall configuration of a
なお、説明の簡略化のため、図1の紙面左方向をX方向、紙面垂直の手前方向をY方向、紙面上方向をZ軸とする。また、いくつかの図面に示される各部材等のディメンジョンは、発明の本質と関係のない範囲で理解の容易のために適宜拡大、縮小されており、また各部材の位置関係も、理解の容易のために適宜修正、変更して示されている。 For simplification of explanation, the left direction in FIG. 1 is defined as the X direction, the front direction perpendicular to the paper surface is defined as the Y direction, and the upward direction is defined as the Z axis. In addition, the dimensions of each member and the like shown in some drawings are appropriately expanded or reduced for easy understanding within a scope not related to the essence of the invention, and the positional relationship between each member is easy to understand. For the sake of illustration, it is modified or changed as appropriate.
加工装置100は、ステージ2、テーブル4、初期クラック生成部6、レーザ光源8、レーザ照射装置10、冷却装置20、温度センサ30、制御部32を備える。
The
加工対象物110は、テーブル4上に固定される。固定手段は、負圧吸着を用いてもよいし、粘着性を有するテープ、クランパなどを利用した物理的な固定手段を用いてもよい。あるいは、加工対象物110はその自重によりテーブル4に位置固定されても構わない。加工対象物110は、XY平面と平行に配置される。
The
ステージ2は、加工対象物110が固定されるテーブル4を移動させる。テーブル4を加工予定線と平行なスキャン方向SCAN(X軸反対方向)に移動させることにより、加工対象物110が、後述するレーザ照射領域および冷却領域に対して相対移動する。図1は、加工予定線がX軸方向に形成される場合を想定している。またステージ2は、Z軸回りの角度Φを調整可能に構成され、それによって加工対象物110に対する加工予定線の方向を調整できる。
The
レーザ光源8は、加工対象物110の吸収率の波長依存性に応じて適宜選択され、たとえばFPDに使用されるガラス基板の場合、10.6μmの波長を有する炭酸ガスレーザ(CO2レーザ)が好適に利用できる。ガラス基板は、可視光に対しては透明であるが、赤外線に対しては不透明であるため、レーザ光のエネルギーが効率的に吸収されて、熱に変換される。レーザを用いたスクライブ装置、切断装置では、可視光、紫外領域、あるいは近赤外領域の波長のレーザを用いたものも存在するが、加工対象物たるガラスはこれらの波長に対して透明である。したがってCO2レーザを用いた本実施の形態に係る加工技術は、近赤外よりも短い波長を利用した加工技術とは、加熱、あるいはその後の冷却プロセスにおいて全く異なっており、そうした加工技術で得られた知見が、本実施の形態に係る加工技術に役立つとは限らないことに留意されたい。
The laser light source 8 is appropriately selected according to the wavelength dependency of the absorption rate of the
レーザ光源8は、円形のビームプロファイルを有するレーザビームLB1を出射する。通常、レーザビームの断面強度プロファイルがガウシアン分布を有するが、アパーチャなどによって外周が切り取られたビームであっても構わず、さらには別の強度分布を有するビームであっても構わない。また、ビームプロファイルは通常は正円であるが、後段の照射光学系によって形状を修正できるため、楕円であっても構わず、あるいは正方形、長方形であっても構わない。むしろ、フルカットに最適な加熱を実現するためには、レーザ光源から出射されるレーザビームの形状を積極的に修正した方がよい場合もあろう。 The laser light source 8 emits a laser beam LB1 having a circular beam profile. Usually, the cross-sectional intensity profile of a laser beam has a Gaussian distribution, but it may be a beam whose outer periphery is cut off by an aperture or the like, or may be a beam having another intensity distribution. In addition, the beam profile is usually a perfect circle, but the shape can be corrected by the irradiation optical system at the subsequent stage, so it may be an ellipse, a square, or a rectangle. Rather, it may be better to positively correct the shape of the laser beam emitted from the laser light source in order to achieve the optimum heating for full cut.
レーザ照射装置10は、レーザ光源8から出射されるレーザビームLB1をパターニングし、パターニングされたビームLB2を加工対象物110である脆性材料基板の加工予定線上に照射する。加工対象物110に照射されるレーザビームLB2は、加工予定線が長手方向となる細長い形状を有している。
The
加工対象物110上のレーザビームLB2が照射される領域(レーザ照射領域)のサイズは、加工対象物110の材質、厚みに応じて最適化される。さらにはレーザビームを照射する位置に応じて、そのサイズや形状を変化させてもよい。
The size of the region (laser irradiation region) irradiated with the laser beam LB2 on the
冷却装置20は、加工対象物110上のレーザが照射される領域(レーザ照射領域)の近傍の、加工予定線上の所定の冷却領域に対して冷却媒体CMを噴射する。冷却装置20は、たとえば気体と液体の混合体を噴射するノズルで構成される。ノズルはX軸方向に対して可動に構成されており、冷却領域とレーザ照射領域40のテール側の端部との間隔は、加工対象物110の材質、厚み、レーザ照射領域のサイズ等に応じて最適化される。
The
初期クラック生成部6は、加工予定線上の加工対象物110の始端112に、初期クラックを形成するために設けられる。たとえば初期クラック生成部6は、ダイヤモンドなどのカッターで構成される。レーザ照射領域と冷却領域は、初期クラックを始点として加工予定線に沿ってスキャンされ、フルカットの割断面が初期クラックを種として成長していく。なお、加工対象物110および加工条件によっては初期クラックの形成をしなくてもフルカットできる場合もある。
The initial
図2は、加工対象物110上に形成されるレーザ照射領域40および冷却領域44を、加工対象物110上方からみた平面図である。レーザ照射領域40および冷却領域44は、一点鎖線で示す加工予定線42に沿って配置される。高品質、高歩留まりのフルカットを実現するためには、レーザ照射領域40と冷却領域44における加熱条件、冷却条件がきわめて重要となる。たとえばFPDのガラスパネルには、分断面の平坦度が±2μm程度、直線度が±25μm程度の高品質が要求される。実施の形態に係る加工装置100は、ガラス基板を高品質でフルカットするために必要な加熱条件、冷却条件を最適化するためのいくつかの特徴を有している。
FIG. 2 is a plan view of the
実施の形態に係る加工装置100のひとつの特徴として、加工対象物110の温度制御が挙げられる。まずこの温度制御について説明する。
One feature of the
図1の温度センサ30は、レーザ照射領域40と冷却領域44の間の、所定領域46の温度を監視する。温度センサ30としては非接触型のものが好適であり、たとえば赤外線センサが利用できる。
The
温度センサ30は、測定した温度に応じた信号(以下、温度信号という)Stmpを制御部32へと出力する。制御部32は、フィードバックにより温度信号Stmpの値が所定の基準値に一致するように、つまり測定した所定領域46の温度が目標値と一致するように、レーザ光源8から出力されるレーザビームLB1のエネルギを調節する。温度の目標値は、加工対象物110の材質に応じた軟化点以下に設定される。
The
従来の加工装置では、レーザ光源8が有する出力安定化機構を利用するのが一般的であった。つまりレーザ光源8自身によって、加工対象物110の状態とは無関係に、レーザビームLB1のエネルギが一定に保たれていた。しかしながらレーザビームLB1のエネルギを一定に保っても、加工対象物110の加工位置に応じて熱拡散の係数が変化したり、あるいは冷却装置20による冷却条件を変更すると、レーザ照射領域40の温度が変化してしまう。
Conventional processing apparatuses generally use an output stabilization mechanism of the laser light source 8. That is, the energy of the laser beam LB1 is kept constant by the laser light source 8 regardless of the state of the
加工対象物110を確実に高品質でフルカットするためには、加工対象物110を所定のピーク温度まで加熱した後に、冷却することが重要である。本出願人は、さまざまな条件で実験を行った結果、高品質で高歩留まりなフルカットを実現しうるピーク温度の範囲はそれほど広くはなく、レーザビームLB1のエネルギを一定に保ったとしても、ピーク温度が所定の範囲から逸脱してしまい、品質の低下を招いたり、あるいはフルカットできない状況が生じうることを認識するに至った。
In order to reliably cut the
この認識にもとづき、実施の形態に係る加工装置100には所定領域46の温度が一定となるようにレーザ光源8を制御する機構が設けられており、加工対象物110を所定のピーク温度まで確実に加熱することができるとともに、温度の変動を抑制することができるため、品質を高めることができる。
Based on this recognition, the
さらに高品質なフルカットを実現するためには、単に加工対象物110の温度を測定してフィードバックするのみでは足りず、温度を測定する位置が重要となる。所定領域46は、加工予定線42上であって、冷却領域44よりもレーザ照射領域40に近い位置に設定することが好ましい。さらにいえば、所定領域46は、なるべくレーザ照射領域40に近い位置が好ましいが、レーザ照射領域40と重なると温度センサ30にレーザビームの反射光が入射することになるため、正常な温度測定を妨げるおそれがある。
Furthermore, in order to realize a high-quality full cut, it is not sufficient to simply measure and feed back the temperature of the
そこで所定領域46は、レーザ照射領域40とオーバーラップしない範囲で、レーザ照射領域40のテール端41から1cm以内、好ましくは2〜3mmの位置に設定される。所定領域46をこの位置とすれば、加熱直後の冷却の影響が小さな箇所の温度を測定することができる。こうして測定される温度は、基板のピーク温度に近くなる。別の観点から見れば、加工対象物110をフルカットする上で重要なのは、加工対象物110を確実に所定のピーク温度まで加熱することであり、さらにこのピーク温度のばらつきを抑制することであるといえる。したがってレーザ照射領域40の直近の温度を測定することは、冷却領域44に近い位置の温度を測定する場合に比べて、ピーク温度と相関の強い温度を測定することができるため有意義である。
Therefore, the
加工対象物110の最適なピーク温度は、両端部112、114からの距離に応じて異なる。そこで、実施の形態に係る加工装置100は、加熱位置に応じて温度の目標値を変化させる機能を有している。
The optimum peak temperature of the
図3は、セグメント化される加工対象物110を上方から見た平面図である。加工対象物110の始端112から終端114の間は、仮想的に複数のセグメントSEG1〜SEG5に分割される。セグメントの数やセグメントの長さは任意であり、設計事項である。
FIG. 3 is a plan view of the
制御部32は、各セグメントごとに温度の目標値を独立に設定可能に構成される。その結果、両端部112、114からの距離に応じて、加工対象物110を最適な温度まで加熱することができる。
The
制御部32のフィードバックによる温度制御は、セグメントごと独立に、有効、無効が切り換え可能となっている。始端112から所定の範囲と終端114から所定の範囲の少なくとも一方、つまり第1セグメントSEG1と第5セグメントSEG5の少なくとも一方において、フィードバックによるレーザビームのエネルギの調節を停止するとよい。この観点から、始端を含むセグメント、終端を含むセグメント、いずれも含まないセグメントの3セグメント以上に分割することが望ましい。
The temperature control by feedback of the
始端112を含むセグメントSEG1および終端114を含むセグメントSEG5は、熱拡散の境界条件が中間のセグメントSEG2〜SEG4とは異なる。したがって監視した温度を一定に保つようにフィードバックすると、実際の割断線が加工予定線42から逸脱したり、断面の精度が悪化するおそれがあるが、フィードバックを無効化すれば、こうした問題を解消できる。
The segment SEG1 including the
図1に戻る。制御部32はレーザ光源8のレーザビームLB1のエネルギの調整に加えて、ステージ2のスキャン速度(加工速度ともいう)を制御する。制御部32は、加工対象物110を等速で移動させる等速モードと、加工対象物110の移動速度を時間とともに増加させる加速モード、移動速度を時間とともに低下させる減速モードの3つのモードが切り換え可能となっており、上述のセグメントSEGごとに任意のモードを割り当てられる。たとえば始端112を含む第1セグメントSEG1は加速モードで、終端114を含む第5セグメントSEG5は減速モードで、中間のセグメントSEG2〜SEG4は、等速モードで加工される。
Returning to FIG. In addition to adjusting the energy of the laser beam LB1 of the laser light source 8, the
なお加速モードおよび減速モードでは、初期速度から最終速度まで一定の加速度で変速する第1モードと、三角関数(サインカーブ)に従って速度を変化させる第2モードが切り換え可能となっている。 In the acceleration mode and the deceleration mode, it is possible to switch between a first mode in which shifting is performed at a constant acceleration from the initial speed to the final speed and a second mode in which the speed is changed according to a trigonometric function (sine curve).
さらに制御部32はセグメントごとに、スキャン速度(初期速度、最終速度)を設定可能である。スキャン速度は0〜500mm/sの範囲で設定可能であり、典型的には5〜150mm/sの間で選択される。加工位置に応じて、加工対象物110の目標温度と加工速度の2つのパラメータを最適化することにより、高品質なフルカットが実現できる。上述のように、レーザのエネルギを一定に保ったまま加工速度を変化させると、加工対象物110の温度が変化してしまう。これに対して、フィードバックによりレーザ照射領域40近傍の所定領域46の温度を一定に保つことにより、加工速度を変化させても加工対象物110の温度は目標値に保たれる。つまり、加工速度と加熱温度を独立に設定できることが、実施の形態に係る加工装置100の一つの利点といえる。
Further, the
以上が、加工装置100全体の特徴的な構成および制御である。
The above is the characteristic configuration and control of the
続いて、上述の制御機構に組み合わせることにより、さらに高品質なフルカットを実現するための加熱技術、冷却技術について順に説明する。ただし以下の加熱、冷却技術は上述の制御方式とは無関係に単独で用いてもよい。 Subsequently, a heating technique and a cooling technique for realizing a higher quality full cut by combining with the above-described control mechanism will be described in order. However, the following heating and cooling techniques may be used independently regardless of the control method described above.
まず加熱技術について説明する。図4は、加工対象物110上に形成されるレーザ照射領域を示す図である。図4には、加工対象物110の上面からみたときのレーザ照射領域40の形状と、レーザビームLB2のX方向およびY方向の強度分布があわせて示される。
First, the heating technique will be described. FIG. 4 is a diagram showing a laser irradiation region formed on the
レーザ照射領域におけるレーザビームの、ビーム長手方向(X軸方向)の強度分布は、2つのピークを有する。つまり加工対象物110上には、加工予定線42の方向に対して、2箇所、注入される熱密度が高いスポットが形成される。また、長手方向と垂直な方向(短手方向)に対する強度分布も、ガウシアン分布ではなく、フラットな形状を有している。図4のビームパターンが、ピークの位置の異なる複数のビームを重ね合わせて形成されたものではなく、単一のレーザ光源8から出射されるレーザビームLBをパターニングして形成されている点も実施の形態の特徴のひとつといえる。
The intensity distribution of the laser beam in the laser irradiation region in the beam longitudinal direction (X-axis direction) has two peaks. That is, on the object to be processed 110, two spots with high injected heat density are formed in the direction of the planned
以下、図4に示されるレーザビームをパターニングするための技術を説明する。
図5は、実施の形態に係るレーザ照射装置10の構成を示すブロック図である。レーザ照射装置10には、図中実線で示されるレーザ光源8から出射されるレーザビームLB1が入射する。図6は、図5のレーザ照射装置10の各部におけるレーザビームLBの形状を模式的に示す図である。
Hereinafter, a technique for patterning the laser beam shown in FIG. 4 will be described.
FIG. 5 is a block diagram illustrating a configuration of the
図5には、レーザ照射装置10に加えて、レーザ光源8等が示されている。レーザ光源8はZ軸方向に位置決め調節が可能となっている。
FIG. 5 shows a laser light source 8 and the like in addition to the
レーザ照射装置10は、第1アキシコンレンズ(コニカルレンズ)12と第2アキシコンレンズ14を含む一対のアキシコンレンズ(アキシコンレンズペア11)、照射光学系16および第1ミラーM1〜第3ミラーM3を備える。
The
アキシコンレンズペア11および照射光学系16は、レーザビームLB1の経路上に設けられる。第1アキシコンレンズ12、第2アキシコンレンズ14は、互いの頂点が対向するように配置される。第1アキシコンレンズ12および第2アキシコンレンズ14の少なくとも一方は、可動マウンタ上にマウントされており、レーザビームの経路方向(Z軸方向)に移動可能に構成される。つまり、第1アキシコンレンズ12と第2アキシコンレンズ14の頂点の間の距離Δzは調整可能となっている。
The
図6に示すように、アキシコンレンズペア11を経たレーザビームLB3は、円環状(ドーナツ状)の強度分布を有する。アキシコンレンズペア11の頂点間の距離Δzに応じて、円環の径を調節することができ、ひいては最終的に生成されるレーザビームLB2の加工予定線方向の強度分布のピークの間隔を、レーザ照射領域のサイズとは独立に調節することができる。
アキシコンレンズペア11は、上下(Z方向)の第1アキシコンレンズ12および第2アキシコンレンズ14の位置を入れ換え、互いの頂点が対向しない配置、すなわち、逆対向するよう配置することも可能である。
As shown in FIG. 6, the laser beam LB3 that has passed through the
The
アキシコンレンズペア11は、レーザビームの断面と平行な少なくとも一方向、つまり、X軸方向またはY軸方向のいずれか、もしくは両方に移動可能であることが好ましい。アキシコンレンズペア11を一体としてX軸方向やY軸方向に移動させることにより、図6のレーザビームLB3の円環の中心をオフセットさせることができる。このことは最終的に生成されるレーザ照射領域40のピーク強度の位置(図4を参照)を、任意に調整できることを意味しており、加工対象物110の加熱状態を最適化する際に便宜である。
さらには、第1アキシコンレンズ12および第2アキシコンレンズ14を、独立にそれぞれが移動できるように構成することが望ましい。この構成により、図4のX方向、Y方向の強度プロファイルそれぞれに生ずる2つの強度ピークを、同じ高さから異なる高さへと変化させることができ、空間的に非対称なプロファイルを実現できる。
The
Furthermore, it is desirable to configure the
照射光学系16は、アキシコンレンズペア11を経たレーザビームLB3を、集光し、もしくは発散させて、加工対象物110上のレーザ照射領域に投影する。集光、発散の拡大、縮小率は、もとのレーザビームLB1の径や、レーザ照射領域40のサイズに応じて決めればよい。
The irradiation
照射光学系16は、第1シリンドリカルレンズCL1、第2シリンドリカルレンズCL2を含む。第1シリンドリカルレンズCL1と第2シリンドリカルレンズCL2は、曲率を有する断面が、互いに垂直となるよう配置される。
The irradiation
第1シリンドリカルレンズCL1は、レーザビームを、その経路方向(Z軸反対方向)と垂直な第1方向(Y軸方向)に集光する光学素子である。具体的には、第1シリンドリカルレンズCL1は平凸型のシリンドリカルレンズであり、加工対象物110に照射されるレーザビームLB2をY軸方向に縮小する。第1シリンドリカルレンズCL1の曲率は、もとのレーザビームLB1の径、レーザ照射領域のサイズに応じて決定される。第1シリンドリカルレンズCL1の代替として、凹型のシリンドリカルミラーを用いてもよい。
The first cylindrical lens CL1 is an optical element that condenses the laser beam in a first direction (Y-axis direction) perpendicular to the path direction (Z-axis opposite direction). Specifically, the first cylindrical lens CL1 is a plano-convex cylindrical lens, and reduces the laser beam LB2 irradiated to the
図6に示すように、第1シリンドリカルレンズCL1を経たレーザビームLB4は、レーザビームLB3をY軸方向に縮小した形状となる。レーザビームLB4が加工対象物110に近づくにしたがい、Y軸方向の幅は小さくなっていき、最終的なY軸方向の強度分布は、図4のそれと一致する。
As shown in FIG. 6, the laser beam LB4 that has passed through the first cylindrical lens CL1 has a shape obtained by reducing the laser beam LB3 in the Y-axis direction. As the laser beam LB4 approaches the
第2シリンドリカルレンズCL2は、レーザビームを、経路方向(Z軸反対方向)と第1方向(Y軸方向)とに対して垂直な第2方向(X軸方向)に発散させる光学素子である。具体的には第2シリンドリカルレンズCL2は平凹型のシリンドリカルレンズであり、加工対象物110に照射されるレーザビームLB2をX軸方向に拡大させる。第1シリンドリカルレンズCL1と同様、第2シリンドリカルレンズCL2の曲率もまた、もとのレーザビームLB1の径、レーザ照射領域のサイズに応じて決定される。第2シリンドリカルレンズCL2の代替として、凸型のシリンドリカルミラーを用いてもよい。
The second cylindrical lens CL2 is an optical element that diverges the laser beam in a second direction (X-axis direction) perpendicular to the path direction (Z-axis opposite direction) and the first direction (Y-axis direction). Specifically, the second cylindrical lens CL2 is a plano-concave cylindrical lens, and expands the laser beam LB2 irradiated to the
図6に示すように、第2シリンドリカルレンズCL2を経たレーザビームLB5は、レーザビームLB4をX軸方向に拡大した形状となる。レーザビームLB5が加工対象物110に近づくにしたがい、X軸方向の幅は広がっていき、最終的なX軸方向の強度分布は、図4のそれと一致する。
As shown in FIG. 6, the laser beam LB5 that has passed through the second cylindrical lens CL2 has a shape obtained by enlarging the laser beam LB4 in the X-axis direction. As the laser beam LB5 approaches the
第1シリンドリカルレンズCL1および第2シリンドリカルレンズCL2は、加工対象物110側が平面となるよう配置されるが、反対向きであってもよく、また第1シリンドリカルレンズCL1と第2シリンドリカルレンズCL2の位置は入れ換えても良い。
The first cylindrical lens CL1 and the second cylindrical lens CL2 are arranged so that the
第1シリンドリカルレンズCL1および第2シリンドリカルレンズCL2は可動マウンタにマウントされており、独立にレーザビームの経路方向に移動可能となっている。つまり第1シリンドリカルレンズCL1と加工対象物110の距離、第2シリンドリカルレンズCL2と加工対象物110の距離は独立に調節可能である。その結果、図4に示すレーザ照射領域40のX軸方向の長さL、Y軸方向の幅Wが、独立に調整できる。なお、レーザ照射領域40の長さLおよび幅Wは、強度の半値全幅(Full Width at Half Maximum)で定義される。
また、第1シリンドリカルレンズCL1、第2シリンドリカルレンズCL2のZ軸方向の位置を調節することにより、図4のピーク強度の位置を変化させることができる。
The first cylindrical lens CL1 and the second cylindrical lens CL2 are mounted on a movable mounter, and can be moved independently in the laser beam path direction. That is, the distance between the first cylindrical lens CL1 and the
Further, by adjusting the positions of the first cylindrical lens CL1 and the second cylindrical lens CL2 in the Z-axis direction, the position of the peak intensity in FIG. 4 can be changed.
なお、アキシコンレンズペア11および照射光学系16の配置の順番は、入れ換えることが可能であるが、好ましくは図示のごとく、アキシコンレンズペア11をレーザ光源8側に設け、照射光学系16を、アキシコンレンズペア11よりも加工対象物110側に配置することが好ましい。第2シリンドリカルレンズCL2によってX軸方向に引き延ばされる前のビームをアキシコンレンズペア11に入射させることにより、アキシコンレンズペア11の面積が小さくて済む。また、第1シリンドリカルレンズCL1によりY軸方向に集光される前のビームをアキシコンレンズペア11に入射させることにより、アライメントが簡易となる。もし集光後のビームをアキシコンレンズペア11に入射するならば、わずかな光軸のずれが、最終的に形成されるレーザビームLB2の強度ピークの位置のずれとなって現れよう。
The order of arrangement of the
なおアキシコンレンズペア11および照射光学系16は、レーザビームの経路上に配置されれば、その光軸は必ずしも一致する必要はない。たとえば照射光学系16の光軸をZ軸と一致させ、アキシコンレンズペア11を第3ミラーM3によって折り返す前の位置に配置し、それらの光軸をX軸と一致させてもよい。しかしながら生産性の観点からは、図5に示すように、アキシコンレンズペア11と照射光学系16は、それらの光軸が加工対象物110に対して略垂直となるように直線上に配置することが望ましい。この場合、アキシコンレンズペア11および照射光学系16を、加工対象物110と垂直な一点鎖線で示される回転軸19を中心に回転可能な回転ヘッド18に取り付けることができる。
If the
加工対象物110をX軸方向にカットした後に、回転ヘッド18をX軸に対して180度回転させ、加工対象物110のスキャン方向を反転させることにより、折り返して加工対象物110をカットすることができる。また、回転ヘッド18をX軸に対して90度、もしくは270度回転させ、ステージ2をY軸方向に移動させることにより、加工予定線をY軸方向に設定することが可能となる。つまり、加工対象物110を回転させなくても、X軸方向とY軸方向の加工が可能となる。
After the
シャッター9は、レーザ光源8から出射されるレーザビームLB1が不用意に加工対象物110に照射されないように、遮断するために設けられる。第4ミラーM4が実質的なシャッターとして機能し、第4ミラーM4がレーザビームLB1の経路上に配置されると、レーザビームLB1が反射してビームダンパーBDに入射し、レーザ照射装置10に対するレーザビームLB1の供給が停止する。第4ミラーM4がレーザビームLB1の経路上から取り除かれると、レーザビームLB1がレーザ照射装置10へと供給される。
The
レーザダイオード7および第5ミラーM5は、レーザ照射装置10内の光学素子のアライメント用に設けられる。レーザビームLB1は赤外領域であり人間の目には見えないため、その代替として、可視光のレーザビーム(破線で図示される)が利用される。第5ミラーM5は、レーザダイオード7からのビームの光軸と、レーザ光源8からのレーザビームLB1の光軸を一致させる。
The laser diode 7 and the fifth mirror M5 are provided for alignment of optical elements in the
光軸調整部17を構成する第1ミラーM1および第2ミラーM2と、第3ミラーM3は、レーザビームLB1を、アキシコンレンズペア11に導くために設けられている。第1ミラーM1および第2ミラーM2は、光軸に対する傾きを調節するための可動マウンタにマウントされており、アキシコンレンズペア11および照射光学系16に対するレーザビームの入射角が調整される。レーザ照射装置10のユーザは、レーザダイオード7から出射される可視光のレーザビームを頼りにして光軸調整部17を調整し、目に見えないレーザ光源8からのレーザビームLB1をアキシコンレンズペア11および照射光学系16に対して適切に入射させることができる。
The first mirror M1 and the second mirror M2 and the third mirror M3 constituting the optical
以上がレーザ照射装置10の詳細な構成である。
この加工装置100によれば、レーザビームをフルカットに適した状態にパターニングすることができ、その光学系もシンプルに構成できる。
フルカットに適したレーザ照射領域40の形状および強度分布とは、
(1)加工予定線方向に引き延ばされた細長い形状を有しており、加工予定線方向に対して2つの強度ピークを有すること、
(2)加工予定線に垂直方向に対しても2つの強度ピークを有すること、
の少なくとも一方、好ましくは両方を満たすものである。この特性を有するレーザビームを利用することにより、高品質で高歩留まりなフルカットが実現できる。
The above is the detailed configuration of the
According to this
The shape and intensity distribution of the
(1) It has an elongated shape extended in the planned processing line direction and has two intensity peaks in the planned processing line direction.
(2) having two intensity peaks in the direction perpendicular to the planned processing line;
Satisfying at least one, preferably both. By using a laser beam having this characteristic, a full cut with high quality and high yield can be realized.
別の観点から見れば、図5に示すレーザ照射装置10を用いることにより、上記(1)、(2)を両方とも満たすレーザ照射領域40を好適に形成できる。この強度分布を有するレーザ照射領域40を複数のビームの重ね合わせにより形成することは困難であり、あるいは実質的に不可能であるが、図5のレーザ照射装置10を用いれば、単一のレーザビームのパターニングによって簡易に生成することができる。
From another point of view, by using the
さらに、図4のレーザ照射領域40の長さL、幅W、ピークの距離ΔLpk、ΔWpk、ならびにピーク強度ILpk、IWpkは、加工対象物110をフルカットする上できわめて重要なパラメータであり、適切に設定することが要求されところ、図5のレーザ照射装置10によれば、各パラメータを個別に調節することができる。
Furthermore, the length L, width W, peak distances ΔLpk, ΔWpk, and peak intensities ILpk, IWpk of the
さらに別の観点からみると、高品質なフルカットを実現する上では、上記(1)、(2)を満たすレーザ照射領域40を形成することに代えて、あるいはこれに加えて、図5に示すアキシコンレンズペア11を備えるレーザ照射装置10を用いることが重要であるともいえる。図5のレーザ照射装置10を用いてレーザビームをパターニングすると、各光学素子の位置によっては、加工対象物110上に形成されるレーザ照射領域40が、必ずしも(1)、(2)の両方を満たさないかもしれない。しかしながら、加工対象物110の材質や厚みによっては、上述した特徴を有するレーザ照射装置10を用いて形成されるレーザ照射領域40を用いることにより高品質なフルカットが実現できる。
From another point of view, in order to realize a high-quality full cut, instead of or in addition to forming the
さらに別の観点からみれば、レーザ照射装置10がレーザビームを円環状にパターニングするとともに集光しもしくは発散させて、レーザ照射領域40を形成することが、高品質なフルカットに資するともいえる。
From another viewpoint, it can be said that forming the
実施の形態に係る加工装置100は、冷却装置20による冷却工程にも特徴を有している。以下、その冷却工程の詳細を説明する。なお以下で説明する冷却工程は、上述の特徴的なレーザ照射装置10との組み合わせによって、高品質、高歩留まりなフルカットを実現するものであるが、レーザ照射装置10が別の構成である場合であっても、同様の作用、効果を奏するものである。
The
図2に戻る。冷却領域44の加工予定線42と垂直方向(つまりY軸方向)の幅Wcは、レーザ照射領域40のY軸方向の幅Wよりも短い。
Returning to FIG. The width Wc of the
従来では加工対象物110を急速に冷却するために、2流体ノズルを利用して、レーザ照射領域40の幅Wよりも広い領域に冷却媒体を噴霧するのが一般的であった。しかしながらこの場合、レーザビームによって加工対象物110に与える熱量を相対的に大きくする必要があり、必ずしもフルカットに適した加熱・冷却が実現できているとはいえなかった。これに対して、実施の形態に係る加工装置100では、冷却領域44の幅Wcを狭くすることにより、フルカットに適した加熱・冷却を実現でき、切断面の品質を改善し、あるいは歩留まりを高めることができる。
Conventionally, in order to rapidly cool the
冷却媒体CMは、ノズルから噴射される液滴であることが好ましい。液滴の直径(粒径)は80μm以下が望ましく、より好適には、30μm以下が選択される。たとえば冷却媒体としては室温の水滴が利用できる。水を使用することにより、低コストで加工対象物110を冷却できる。
The cooling medium CM is preferably a droplet ejected from a nozzle. The diameter (particle diameter) of the droplet is desirably 80 μm or less, and more preferably 30 μm or less. For example, water droplets at room temperature can be used as the cooling medium. By using water, the
従来のように、2液体ノズルによって冷却媒体CMを噴霧する場合、液滴の粒径は最小で100μm程度であった。これに対して、液滴の直径を30μm以下とすることにより、フルカットにより適した冷却が実現できる。
As in the prior art, when the cooling medium CM is sprayed by the two liquid nozzles, the particle size of the droplets is about 100 μm at the minimum. On the other hand, by making the diameter of the
以上の冷却プロセスは、以下で説明するノズルを用いることによって実現できる。図7は、冷却装置20に好適なノズル21の構成を示す図である。ノズル21は、同軸二重管構造を有している。インナーチューブ22の内壁が中心通路26を形成する。アウターチューブ24は、インナーチューブ22と同軸に設けられ、インナーチューブ22の外壁とアウターチューブ24の内壁の間に、外側通路28が形成される。
The above cooling process can be realized by using a nozzle described below. FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration of the
かかるノズルは、通常はディスペンサーやスプレーガンの先端に利用されるものとして市販されているが、本発明者はその構成に着目し、上述の冷却プロセスを実現するために利用することに思い至った。 Although such a nozzle is usually marketed as being used for the tip of a dispenser or spray gun, the present inventor has focused on its configuration and has come to consider using it to realize the above-described cooling process. .
中心通路26には、外部から液体、たとえば水が供給される。外側通路28には、レギュレータを介して一定の圧力に保たれた気体、たとえば空気が供給される。圧力は5〜6MPa程度を中心として、冷却条件に応じて調節される。
A liquid such as water is supplied to the
図7のノズル21によって、二重管の中心通路26から液体が、外側通路28から気体が噴射される。外側通路28から噴出される気体の圧力によって中心通路26から吐出される液体は細かく砕かれ、液滴として噴出される。図7のノズル21によれば、気体の圧力を適切に設定することにより、直径が80μmよりも小さな液滴を加工対象物110に噴霧することができる。
The
さらに、外側通路28から噴出される気体が、液滴を閉じこめるガイドとして作用するため、液滴が噴射される領域を、所望の冷却領域に制限することができる。
Furthermore, since the gas ejected from the
なおノズル21の先端は、加工対象物110の表面から2〜3mmの間隔を空けて配置することが望ましい。さらに良好な冷却状態を実現するために、ノズル21を加工対象物110の表面に対する垂直方向(Z軸方向)からX軸方向に傾けてもよい。
Note that the tip of the
図2に示す冷却領域44の幅Wcは、ノズル21の中心通路26の直径φiおよび外側通路28の直径φoに応じて決定される。レーザ照射領域40の幅Wは、たとえば加工対象物110の厚みと同程度を基準として、ある範囲内で最適化される。冷却領域44の幅Wcはそれよりも狭いことが好ましいから、様々な厚みの基板を同じノズルでフルカットするためには、なるべく直径の小さなノズル21を利用することが望ましい。
The width Wc of the
中心通路26の直径φiが2.84mmのノズルを用いた場合、フルカットはできるものの、加工精度、品質として満足が得られない場合があるが、1.12mmのノズルでは加工精度、品質がかなり改善され、0.58mmのノズルを用いれば、非常に高品質なフルカットが実現できる。0.1mm〜5mm程度のガラス基板をフルカットする場合、中心通路の直径φiは0.4mm〜0.9mmの範囲で、なるべく細いものを選択するとよい。
If a nozzle with a diameter φi of the
このように、実施の形態に係る加工装置100は、温度制御、加熱工程、冷却工程に特徴を有しており、これらの組み合わせにより、高精度、高品質なレーザ加工が実現できる。しかしながら、いずれかの工程、特徴として別の代替技術を用いた場合であっても、本発明に係る特徴的な技術は発揮され、かかる態様も本発明として有効である。
As described above, the
実施の形態にもとづき、特定の語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能である。 Although the present invention has been described using specific words and phrases based on the embodiments, the embodiments are merely illustrative of the principles and applications of the present invention, and the embodiments are defined in the claims. Many modifications and arrangements can be made without departing from the spirit of the present invention.
100…加工装置、2…ステージ、4…テーブル、6…初期クラック生成部、7…レーザダイオード、8…レーザ光源、9…シャッター、10…レーザ照射装置、12…第1アキシコンレンズ、14…第2アキシコンレンズ、16…照射光学系、17…光軸調整部、18…回転ヘッド、19…回転軸、20…冷却装置、21…ノズル、22…インナーチューブ、24…アウターチューブ、26…中心通路、28…外側通路、30…温度センサ、32…制御部、40…レーザ照射領域、42…加工予定線、44…冷却領域、46…所定領域、CL1…第1シリンドリカルレンズ、CL2…第2シリンドリカルレンズ、M1…第1ミラー、M2…第2ミラー、M3…第3ミラー、110…加工対象物、112…始端、114…終端、LB…レーザビーム、CM…冷却媒体。
DESCRIPTION OF
Claims (16)
レーザビームを前記加工予定線が長手方向である細長い形状にパターニングし、パターニングされたレーザビームを前記脆性材料基板の加工予定線上に照射するレーザ照射装置と、
前記加工予定線上の所定の冷却領域を、冷却媒体を噴射して冷却する冷却装置と、
前記加工予定線の方向に、前記脆性材料基板をレーザ照射領域および前記冷却領域に対して相対移動させるステージと、
を備え、
前記レーザ照射装置は、前記レーザビームの経路上に設けられた、
互いの頂点が対向もしくは逆対向するように配置された一対のアキシコンレンズと、
前記レーザビームを集光しもしくは発散させる照射光学系と、
を含むことを特徴とする加工装置。 A processing apparatus for cutting a brittle material substrate, which is a processing object, along a planned processing line,
A laser irradiation apparatus for patterning a laser beam into a long and narrow shape in which the processing line is in the longitudinal direction, and irradiating the patterned laser beam on the processing line of the brittle material substrate;
A cooling device that cools a predetermined cooling region on the planned processing line by injecting a cooling medium;
A stage that moves the brittle material substrate relative to the laser irradiation region and the cooling region in the direction of the planned processing line;
With
The laser irradiation device is provided on a path of the laser beam,
A pair of axicon lenses arranged such that their vertices face each other or face each other; and
An irradiation optical system for condensing or diverging the laser beam;
The processing apparatus characterized by including.
前記レーザビームを前記レーザビームの経路方向と垂直な第1方向に集光する第1シリンドリカルレンズと、
前記レーザビームを、前記経路方向と前記第1方向とに対して垂直な第2方向に発散させる第2シリンドリカルレンズと、
を含むことを特徴とする請求項1に記載の加工装置。 The irradiation optical system is provided on a path of the laser beam,
A first cylindrical lens for condensing the laser beam in a first direction perpendicular to a path direction of the laser beam;
A second cylindrical lens that diverges the laser beam in a second direction perpendicular to the path direction and the first direction;
The processing apparatus according to claim 1, comprising:
レーザビームを円環状にパターニングするとともに集光しもしくは発散させて、前記加工予定線が長手方向である細長い形状にパターニングし、パターニングされたレーザビームを前記脆性材料基板の加工予定線上に照射するレーザ照射装置と、
前記加工予定線上の所定の冷却領域を、冷却媒体を噴射して冷却する冷却装置と、
前記加工予定線に沿って、前記脆性材料基板をレーザ照射領域および前記冷却領域に対して相対移動させるステージと、
を備えることを特徴とする加工装置。 A processing apparatus for cutting a brittle material substrate, which is a processing object, along a planned processing line,
A laser beam that is patterned into an annular shape and condensed or diverged to pattern the laser beam into an elongated shape whose longitudinal direction is the longitudinal direction, and the patterned laser beam is irradiated onto the planned processing line of the brittle material substrate An irradiation device;
A cooling device that cools a predetermined cooling region on the planned processing line by injecting a cooling medium;
A stage for moving the brittle material substrate relative to the laser irradiation region and the cooling region along the planned processing line;
A processing apparatus comprising:
レーザビームを前記加工予定線が長手方向である細長い形状にパターニングし、パターニングされたレーザビームを前記脆性材料基板の加工予定線上に照射するレーザ照射装置と、
前記加工予定線上の所定の冷却領域を、冷却媒体を噴射して冷却する冷却装置と、
前記加工予定線に沿って、前記脆性材料基板をレーザ照射領域および前記冷却領域に対して相対移動させるステージと、
を備え、
前記レーザ照射領域における前記レーザビームの強度分布は、前記長手方向に対して2つのピークを有するとともに、前記長手方向と垂直な方向に対して2つのピークを有することを特徴とする加工装置。 A processing apparatus for cutting a brittle material substrate, which is a processing object, along a planned processing line,
A laser irradiation apparatus for patterning a laser beam into a long and narrow shape in which the planned processing line is in the longitudinal direction, and irradiating the patterned laser beam on the planned processing line of the brittle material substrate;
A cooling device that cools a predetermined cooling region on the planned processing line by injecting a cooling medium;
A stage for moving the brittle material substrate relative to the laser irradiation region and the cooling region along the planned processing line;
With
The intensity distribution of the laser beam in the laser irradiation region has two peaks in the longitudinal direction and two peaks in a direction perpendicular to the longitudinal direction.
互いの頂点が対向もしくは逆対向するように配置された一対のアキシコンレンズと、
前記レーザビームを集光し、もしくは発散させる照射光学系と、
を含むことを特徴とする請求項12に記載の加工装置。 The laser irradiation device is provided on a path of the laser beam,
A pair of axicon lenses arranged such that their vertices face each other or face each other; and
An irradiation optical system for condensing or diverging the laser beam;
The processing apparatus according to claim 12, comprising:
レーザビームを前記加工予定線が長手方向である細長い形状にパターニングし、パターニングされたレーザビームを前記脆性材料基板の加工予定線上に照射するステップと、
前記加工予定線上の所定の冷却領域を、冷却媒体を噴射して冷却するステップと、
を前記脆性材料基板をレーザ照射領域および前記冷却領域に対して相対移動させながら実行し、
前記レーザビームは、
前記レーザビームの経路上に設けられた、
互いの頂点が対向もしくは逆対向するように配置された一対のアキシコンレンズと、
前記レーザビームを集光し、もしくは発散させる照射光学系と、
によってパターニングされることを特徴とする方法。 A method of cutting a brittle material substrate that is an object to be processed along a planned processing line,
Patterning a laser beam into a long and narrow shape in which the processing line is in the longitudinal direction, and irradiating the patterned laser beam on the processing line of the brittle material substrate;
Cooling a predetermined cooling region on the planned processing line by injecting a cooling medium;
Is performed while moving the brittle material substrate relative to the laser irradiation region and the cooling region,
The laser beam is
Provided on the path of the laser beam;
A pair of axicon lenses arranged such that their vertices face each other or face each other; and
An irradiation optical system for condensing or diverging the laser beam;
A method characterized by being patterned by:
レーザビームを円環状にパターニングするとともに集光し、もしくは発散させて、前記加工予定線が長手方向である細長い形状にパターニングし、パターニングされたレーザビームを前記脆性材料基板の加工予定線上に照射するステップと、
前記加工予定線上の所定の冷却領域を、冷却媒体を噴射して冷却するステップと、
を前記脆性材料基板をレーザ照射領域および前記冷却領域に対して相対移動させながら実行することを特徴とする方法。 A method of cutting a brittle material substrate that is an object to be processed along a planned processing line,
The laser beam is patterned into an annular shape, condensed or diverged, and patterned into a long and narrow shape in which the processing line is in the longitudinal direction, and the patterned laser beam is irradiated onto the processing line of the brittle material substrate. Steps,
Cooling a predetermined cooling region on the planned processing line by injecting a cooling medium;
Is performed while the brittle material substrate is moved relative to the laser irradiation region and the cooling region.
レーザビームを前記加工予定線が長手方向である細長い形状にパターニングし、パターニングされたレーザビームを前記脆性材料基板の加工予定線上に照射するステップと、
前記加工予定線上の所定の冷却領域を、冷却媒体を噴射して冷却するステップと、
を、前記脆性材料基板をレーザ照射領域および前記冷却領域に対して相対移動させながら実行し、
前記レーザビームの強度分布は、前記長手方向に対して2つのピークを有するとともに、前記長手方向と垂直な方向に対して2つのピークを有することを特徴とする方法。 A method of cutting a brittle material substrate that is an object to be processed along a planned processing line,
Patterning a laser beam into a long and narrow shape in which the processing line is in the longitudinal direction, and irradiating the patterned laser beam on the processing line of the brittle material substrate;
Cooling a predetermined cooling region on the planned processing line by injecting a cooling medium;
Is performed while moving the brittle material substrate relative to the laser irradiation region and the cooling region,
The intensity distribution of the laser beam has two peaks in the longitudinal direction and two peaks in a direction perpendicular to the longitudinal direction.
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