JP2010221668A - レーザスクライブ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】曲線を含む加工ラインに沿ってスクライブラインを形成する装置において、冷却のための機構の移動制御を簡単にする。
【解決手段】この装置は、テーブル１と、レーザビーム形成機構２と、ガルバノスキャナ３と、冷却機構４と、各コントローラ５，７，８と、を備えている。レーザビーム形成機構２はレーザビームを形成し、ガルバノスキャナ３はガラス基板上にビームスポットを形成する。冷却機構４は、冷却ノズル２０から冷却媒体を吐出し、固定された位置に冷却スポットを形成する。そして、各コントローラによって、冷却スポットが常にビームスポットの終端部に位置するようにテーブル１が移動制御され、ビームスポットが加工ラインに沿って走査される。このとき、レーザビームと冷却ノズル２０とが干渉するのを避けるために、冷却ノズル２０が退避位置に移動させられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザスクライブ装置、特に、脆性材料基板表面の加工ラインに沿ってレーザビームを照射し、脆性材料基板を加工ラインに沿ってクラックを形成するためのレーザスクライブ装置に関する。

ガラス基板等の脆性材料基板（以下、ガラス基板を例にとって説明する）を分断する場合は、ガラス基板上の表面にスクライブラインを形成し、その後、ガラス基板に対して押圧力を加える方法が一般的である。これにより、スクライブラインに沿ってガラス基板を分断させることができる。

これに対して、レーザビームを使用してスクライブラインを形成する方法が実用化されている。レーザビームを使用してスクライブラインを形成する方法では、まず、ガラス基板に対して、レーザ発振装置からレーザビームが照射される。このレーザビームは、スクライブ予定ライン（以下、加工ラインと記す）に沿って所定範囲の加熱領域であるビームスポットをガラス基板上に形成する。そして、固定されたガラス基板に対してレーザ発振装置が移動するか、あるいは、固定されたレーザ発振装置に対してガラス基板が移動するか等により、ビームスポットがガラス基板上を加工ラインに沿って移動する。

また、ガラス基板の表面におけるレーザビーム照射領域の近傍には、冷却水等の冷却媒体が冷却ノズルから吹き付けられて冷却スポットが形成されるようになっている。ここでは、レーザビームが照射されるガラス基板の表面は、レーザビームによる加熱によって圧縮応力が生じた後に冷却媒体が吹き付けられることにより、引張り応力が生じる。このように、圧縮応力が生じた領域に近接した領域に引張り応力が生じるため、両領域間に、それぞれの応力に基づく応力勾配が発生し、ガラス基板には、ガラス基板に予め形成された切れ目から加工ラインに沿うように連続したクラックが発生する。

以上のようなレーザビームを使用した装置において、曲線を含む加工ラインに沿ってスクライブラインを形成できるようにした装置も提供されている（特許文献１参照）。

ここでは、２つの振動ミラーを有するスキャナを光学系に設け、この２つの振動ミラーの振動振幅を制御することによりビームスポットの長さ及び曲率を制御するようにしている。

特表２００３−５２０６８２

特許文献１の装置では、直線のみならず曲線を含む加工ラインに沿ってレーザビームを走査することができ、またビームスポットの近傍に冷却スポットを追従させていくことにより、任意のスクライブラインに沿ってガラス基板を分断することができる。

しかし、ビームスポットに冷却スポットを追従させるためには、冷却ノズルの移動を高精度に制御する必要がある。また、冷却ノズルを含む冷却のための機構には、冷却媒体を通すための配管や継ぎ手等が設けられており、これらの配管や継ぎ手等を含む機構をビームスポットに追従させて移動させると、冷却媒体の漏れ等を招くおそれがある。

本発明の課題は、特に、曲線を含む加工ラインに沿ってスクライブラインを形成する装置において、冷却のための機構の移動制御を簡単にすることにある。

請求項１に係るレーザスクライブ装置は、脆性材料基板表面の加工ラインに沿ってレーザビームを照射し、加工ラインに沿ってクラックを形成するための装置であって、脆性材料基板が載置されるテーブルと、レーザビーム形成機構と、ビームスポット形成機構と、冷却機構と、テーブル移動制御手段と、ビームスポット制御手段と、冷却ノズル退避手段と、を備えている。レーザビーム形成機構はテーブル上の脆性材料基板に照射するレーザビームを形成する。ビームスポット形成機構は、レーザビームを受けて、脆性材料基板上に所定範囲のビームスポットを形成する。冷却機構は、冷却ノズルから冷却媒体を吐出し、固定された位置に冷却スポットを形成する。テーブル移動制御手段は、固定位置に形成される冷却スポットが常にビームスポットの終端部に位置するように、テーブルを移動制御する。ビームスポット制御手段は、テーブルの移動に連動させて、ビームスポットが加工ラインに沿って走査するようにビームスポット形成機構を制御する。冷却ノズル退避手段は、ビームスポット形成機構からのレーザビームと冷却ノズルとが干渉するのを避けるために、冷却ノズルを退避させる。

この装置では、レーザビーム形成機構によってレーザビームが形成され、このレーザビームを受けたビームスポット形成機構によって、脆性材料基板上に所定範囲のビームスポットが形成される。一方、冷却ノズルからは冷却媒体が吐出され、固定された位置に冷却スポットが形成される。そして、固定位置に形成される冷却スポットが常にビームスポットの終端部に位置するように、テーブルが移動制御される。また、このテーブルの移動に連動させてビームスポットの位置が制御され、ビームスポットが加工ラインに沿って走査される。このとき、レーザビームと冷却ノズルとが干渉しないように、冷却ノズルが退避させられる。

ここでは、冷却スポットが常に固定された位置に形成される。このため、冷却ノズルは、レーザビームとの干渉を避けるための退避位置に移動させるだけで良く、高精度な位置制御が不要になる。また、冷却ノズルを頻繁に移動させる必要がないので、冷却ノズル等から冷却媒体が漏れ出るのを避けることができる。

また、本件発明において、脆性材料基板とは、建材用ガラス、自動車用窓ガラス、FPD等のガラス回路基板、焼結材料のセラミックス、単結晶シリコン、半導体ウエハ、セラミック基板、サファイヤ基板、石材等が含まれる。

請求項２に係るレーザスクライブ装置は、請求項１の装置において、ビームスポット形成機構は、レーザビーム形成機構で形成されたレーザビームをテーブル面上のＸ軸方向に移動させるための第１ミラー機構と、レーザビーム形成機構で形成されたレーザビームをテーブル面上でＸ軸に直交するＹ軸方向に移動させるための第２ミラー機構と、を有している。

ここでは、第1ミラー機構と第２ミラー機構とを連動して作動させることにより、テーブル面上で、曲線を含む任意のラインに沿ってビームスポットを走査することができる。そして、曲線を含む加工ラインであっても、テーブルはＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させるだけで良く、従来装置のような回転移動は不要であるので、テーブル駆動機構が簡単になる。

請求項３に係るレーザスクライブ装置は、請求項２の装置において、冷却機構とビームスポット形成機構とを含み、加工基準軸を有する加工ヘッドをさらに備えている。そして、冷却機構は、冷却ノズルに加えて冷却ノズル旋回機構をさらに含み、冷却ノズルは加工基準軸の延長線上の脆性材料基板上に冷却スポットを形成するものであり、冷却ノズル旋回機構は加工基準軸を中心として冷却ノズルを回転移動させ、ビームスポット形成機構は加工基準軸を中心として脆性材料基板の所定の範囲にビームスポットを形成する。

請求項４に係るレーザスクライブ装置は、請求項１から３のいずれかの装置において、ビームスポット形成機構は、冷却スポットから加工ラインに沿った走査方向前方の一定区間をレーザビームが繰り返し照射するように第１ミラー機構及び第２ミラー機構を駆動制御する。

以上のような本発明では、特に、曲線を含む加工ラインに沿ってスクライブラインを形成する装置において、冷却のための機構の移動制御を簡単にすることができる。

本発明の一実施形態によるレーザスクライブ装置の概略構成図。 冷却ノズルの角度データを説明するための図。 冷却ノズルの角度データを作成するためのフローチャート。 位置制御データを作成するためのフローチャート。 他の実施形態による冷却ノズルの退避用位置データを説明するための図。 他の実施形態による冷却ノズルの退避用位置データの例。

［全体構成］
図１は、本実施の一実施形態によるレーザスクライブ装置の概略構成図である。この装置は、ガラス基板等の脆性材料基板表面のスクライブ予定ライン（加工ライン）に沿ってレーザビームを照射し、脆性材料基板を加工ラインに沿ってクラックを形成するための装置である。そして、この装置は、脆性材料基板Ｇが載置されるテーブル１と、レーザビーム形成機構２と、ビームスポット形成機構３と、冷却機構４と、を備えている。また、この装置は、各機構部１〜４を制御するために、テーブルコントローラ５と、レーザコントローラ６と、ガルバノスキャンコントローラ７と、冷却ノズル回転用モータコントローラ８と、を備えている。そして、各コントローラ５〜８を制御するための中央制御装置１０が設けられている。

なお、ここでは、説明の便宜のために、図１に示すように、水平面内で互いに直交するＸ軸及びＹ軸を規定し、さらにこれらに直交する鉛直軸としてのＺ軸を規定する。また、ここでは、脆性材料基板Ｇとして、ガラス基板を例にとって説明する。

テーブル１は、Ｘ軸及びＹ軸の２軸方向にそれぞれ移動自在であり、図示しないモータやボールネジ等を含む駆動手段によって各方向に駆動されるようになっている。そして、このテーブル１の移動はテーブルコントローラ５によって制御される。なお、テーブルコントローラ５は、全体の制御を司る中央制御装置１０によって制御されるようになっている。

レーザビーム形成機構２は、レーザ光を出力するレーザ発振器１２と、複数のミラー１３，１４と、集光レンズ１５と、を有している。レーザ発振器１２はレーザコントローラ６によって制御され、レーザコントローラ６は中央制御装置１０によって制御されるようになっている。

ビームスポット形成機構３はガルバノスキャナで構成されている。このガルバノスキャナ３は、加工ラインに沿って一定区間の長さの加熱領域としてのビームスポットＳｂを形成するものであり、２つのミラー１６ａ，１６ｂと、この２つのミラー１６ａ，１６ｂをそれぞれ回転駆動するためのアクチュエータ１７ａ，１７ｂと、を有している。そして、各アクチュエータ１７ａ，１７ｂはガルバノスキャナコントローラ７によって制御され、ガルバノスキャナコントローラ７は中央制御装置１０によって制御されるようになっている。このガルバノスキャナコントローラ７による制御によって、ビームスポットＳｂは、図１に示す加工基準軸Ｃ（後述）を中心とする所定の範囲内に、加工基準軸（後述）がビームスポットＳｂの終端部側になるように形成される。

冷却機構４は、先端から冷却水等の冷却媒体を吐出する冷却ノズル２０と、冷却ノズル２０を加工基準軸Ｃの回りに旋回させるためのモータ（図示せず）を含む冷却ノズル旋回機構２１と、を有している。冷却ノズル２０は、ビームスポットＳｂの終端部、すなわち冷却スポットＳｃに冷却媒体を吐出する。ここでは、冷却スポットＳｃは固定された位置であり、加工基準軸Ｃとガラス基板Ｇとが交わる位置である。冷却ノズル旋回機構２１のモータは冷却ノズル回転用モータコントローラ８によって制御され、冷却ノズル回転用モータコントローラ８は中央制御装置１０によって制御されるようになっている。このような冷却機構４では、冷却ノズル旋回機構２１による冷却ノズル２０の旋回の中心軸は加工基準軸Ｃと一致しており、また冷却ノズル２０によって形成される冷却スポットＳｃは加工基準軸Ｃ上のガラス基板表面に形成される。すなわち、このような機構では、冷却ノズル旋回機構２１によって冷却ノズル２０の位置をどのように変更しても、冷却スポットＳｃは固定された位置に形成されることになる。

中央制御装置１０は、ＲＡＭ、ＲＯＭ及びＣＰＵを含むマイクロコンピュータを含み、各コントローラ５〜８を同期して制御する。

なお、ガルバノスキャナ３、冷却ノズル２０及び冷却ノズル旋回機構２１は、１つの加工ヘッド２２に設けられており、加工ヘッド２２は、加工の中心軸として、鉛直方向に加工基準軸Ｃを有している。

［位置制御データ］
テーブルコントローラ５、ガルバノスキャナコントローラ７、及び冷却ノズル回転用モータコントローラ８は、それぞれ以下のような位置制御のためのデータを有している。

＜テーブルコントローラ＞
前述のように、冷却スポットは固定された位置であるので、テーブルコントローラ５は、冷却スポットＳｃをテーブル１に対して相対的に移動させるためのＸ，Ｙ座標データを有している。このＸ，Ｙ座標データによってテーブル１が移動させられ、冷却スポットＳｃが加工ラインに沿って相対的に移動することになる。

＜ガルバノスキャナコントローラ＞
ガルバノスキャナコントローラ７が有する位置制御データによって２つのミラー１６ａ，１６ｂが振動させられる。この２つのミラー１６ａ，１６ｂの振動によって、加工ラインの冷却スポットＳｃの位置から、その移動方向前方の一定区間について、レーザビームが繰り返し照射される。すなわち加工ラインに沿って所定範囲のビームスポットＳｂが形成されることになる。

より詳細には、前述のように、冷却スポットＳｃが加工ラインに沿って相対的に移動するようにテーブル１が移動させられる。したがって、このテーブル１の移動に連動させて、次にどの位置に向かってレーザビームを照射しなければならないかを予め計算により求めておき、そのデータによって２つのミラー１６ａ，１６ｂが振動させられる。これにより、ビームスポットＳｂは見かけ上は加工ラインに沿って移動することになる。

＜冷却ノズル回転用モータコントローラ＞
冷却ノズル回転用モータコントローラ８は、基本的には、冷却ノズル２０とレーザビームとが干渉しないように、冷却ノズル２０を退避させるための位置制御データを有していればよい。したがって、冷却ノズル退避用の位置を予め複数個所設定しておき、レーザビームの位置データに応じてその複数の退避位置のいずれかに冷却ノズル２０を退避させればよい。

ただ、この実施形態では、冷却ノズル回転用モータコントローラ８の位置制御データは、図２に示すように、加工ラインの接線上に冷却ノズル２０が位置するように設定された角度データを採用している。

この場合の角度データの算出のためのフローチャートを図３に示している。まず、ステップＳ１では、テーブル１の位置制御データの各Ｘ，Ｙ座標データについて、冷却スポットＳｃの位置である冷却ポイント位置Ｐ_ｎ，Ｐ_ｎ＋１の位置データ（Ｘ，Ｙ）及び（Ｘ’，Ｙ’）を読み出す。次にステップＳ２において、各データと、それと隣接するＸ，Ｙ座標データとからベクトル（ΔＸ，ΔＹ）を算出する。そして、ステップＳ３において、ステップＳ２で算出されたベクトルの方向に冷却ノズル２０の角度が一致する角度データ（θ）を算出する。

以上のような角度データによって冷却ノズル２０を旋回させることによって、冷却ノズル２０とレーザビームとの干渉を確実に避けることができる。

［位置制御データの作成］
以上のような位置制御データは、図４に示すような手順にしたがって作成される。

まずステップＳ１０では、加工ラインのデータに基づいて、冷却スポットＳｃが加工ラインに沿って相対的に移動するように、テーブル位置制御データ（Ｘ，Ｙ）を算出する。次にステップＳ１１において、このテーブル位置制御データを参照しつつガルバノスキャナ駆動用のデータ、すなわち２つのミラー１６ａ，１６ｂを振動させるためのデータ（Ｕ，Ｖ）を算出する。これにより、ビームスポットＳｂが見かけ上加工ラインに沿って移動することになる。次にステップＳ１２において、ステップＳ１で得られたテーブル位置制御データに基づいて、冷却ノズル２０がレーザビームから退避するように冷却ノズルの位置（角度）データ（θ）を算出する。具体的には、前述のように、加工ラインの接線上に冷却ノズル２０が位置するように、冷却ノズル２０の角度データを算出する。なお、ステップＳ１２の具体的な処理については、前述のステップＳ１〜ステップＳ３で示した通りである。

［動作］
以上のようにして得られた各データに基づいて、各コントローラ５，７，８がテーブル１、ガルバノスキャナ３及び冷却ノズル回転用モータを制御する。これにより、加工ラインに沿ってビームスポットＳｂ及び冷却スポットＳｃが移動し、また冷却ノズル２０がビームスポットＳｂ後方の退避位置から冷却媒体を冷却スポットＳｃに吐出し、加工ラインに沿ってスクライブラインが形成される。

具体的には、レーザ発振器１２が駆動されると、レーザビームが発振される。レーザビームのエネルギ等はレーザコントローラ６によって制御される。レーザ発振器１２から発振されたレーザビームは、２つのミラー１３，１４及び集光レンズ１５を介してガルバノスキャナ３に入力される。ガルバノスキャナ３はガルバノスキャナコントローラ７によって制御されて、ガラス基板Ｇ上に所定範囲のビームスポットＳｂを形成する。ガラス基板Ｇ上では、照射されたビームスポットＳｂに対応した加熱領域が形成される。

一方で、冷却ノズル２０からは、ビームスポットＳｂの終端部、すなわち加熱領域の移動方向の後方側の近傍位置に、冷却媒体が吹き付けられて、冷却スポットＳｃが形成される。

また、クラックを形成する対象となるガラス基板Ｇ表面の加工ラインの端部位置には、図示しないカッターホィール等の機械的手段やＹＡＧレーザ等の光学的手段により切れ目が形成されている。ガラス基板Ｇ表面に形成されたビームスポット（加熱領域）Ｓｂでは、圧縮応力が発生し、冷却媒体が吹き付けられた冷却スポット（冷却領域）Ｓｃには、引張り応力が発生する。このようにして、ビームスポットＳｂ部分の圧縮応力及びその後方側に形成される冷却スポットＳｃの引張り応力が、ガラス基板Ｇ上の加工ライン上に形成され、さらにこれらの加熱領域及び冷却領域が、テーブルコントローラ５及びガルバノスキャナコントローラ７による制御によって、加工ライン上で順次移動する。これにより、ガラス基板Ｇの端部に予め形成された切れ目から垂直方向のクラックが連続して形成され、所望のスクライブラインが形成される。

［特徴］
(1) 冷却スポットＳｃの位置は固定されており、従来装置のように冷却スポットＳｃの位置を高精度に制御する必要がない。

本実施形態では、冷却ノズル２０の角度位置が加工ラインの接線上に位置するように制御しているが、制御の遅延や冷却ノズル旋回機構２１の動作のタイムラグ等によって冷却ノズル２０の位置制御が遅れても、前述のように冷却スポット自体は固定された位置に形成されるので、スクライブラインの形成に悪影響を及ぼすことはない。

(2) ガルバノスキャナ３の第1ミラー１６ａと第２ミラー１６ｂとを連動させてビームスポットＳｂを走査しているので、曲線を含む加工ラインであってもテーブルはＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させるだけで良く、回転移動は不要である。このため、テーブル駆動機構が簡単になる。

(3) 冷却ノズル旋回機構２１の旋回の中心軸を加工基準軸と一致させ、冷却スポットＳｃが加工基準軸上の脆性材料基板表面に形成されるように冷却ノズル２０を設けたので、冷却ノズル旋回機構２１によって冷却ノズル２０の位置をどのように変更しても、冷却スポットＳｃは固定された位置に形成される。

［他の実施形態］
前記実施形態では、冷却ノズル２０を退避させるために、冷却ノズル２０の角度が加工ラインの接線に沿うようにしたが、冷却ノズル２０の退避位置は、レーザビームに干渉しなければ良いのであって、前記実施形態に限定されない。

例えば、図５（ａ）に示すような加工ラインに沿ってスクライブラインを形成する場合は、加工位置（レーザビームの位置）に応じて冷却ノズル２０を９０°単位で退避させるように、４つの退避位置（図５（ｂ）参照）を設定しておけば良い。具体的には、図５に示す例では、加工ラインは、加工開始点Ｓから加工が開始され、加工位置Ｐ１→Ｐ２→Ｐ３→Ｐ４→Ｐ５→Ｐ６→Ｐ７→Ｐ８→Ｐ１(加工終了点)の順に加工がなされる。

この場合は、図５（ｂ）及び図６に示すように、加工位置Ｓ〜Ｐ３の場合は冷却ノズル２０の角度位置を０°とし、加工位置Ｐ３〜Ｐ５の場合は冷却ノズル２０の角度位置を９０°とし、加工位置Ｐ５〜Ｐ７の場合は冷却ノズル２０の角度位置を１８０°とし、加工位置Ｐ７〜Ｐ１の場合は冷却ノズル２０の角度位置を２７０°としている。

このような加工位置と退避位置との位置関係を設定して冷却ノズル２０を位置制御することにより、前記実施形態に比較して、より容易に冷却ノズル２０の位置を制御することができる。

１ テーブル
２ レーザビーム形成機構
３ ガルバノスキャナ（ビームスポット形成機構）
４ 冷却機構
５ テーブルコントローラ
７ ガルバノスキャナコントローラ
８ 冷却ノズル回転用モータコントローラ
１０ 中央制御装置
１６ａ，１６ｂ ミラー
１７ａ，１７ｂ アクチュエータ
２０ 冷却ノズル
２１ 冷却ノズル旋回機構
２２ 加工ヘッド
Ｓｂ ビームスポット
Ｓｃ 冷却スポット

Claims (4)

1. 脆性材料基板表面の加工ラインに沿ってレーザビームを照射し、加工ラインに沿ってクラックを形成するためのレーザスクライブ装置であって、
   脆性材料基板が載置されるテーブルと、
   前記テーブル上の脆性材料基板に照射するレーザビームを形成するレーザビーム形成機構と、
   前記レーザビームを受けて、前記脆性材料基板上に所定範囲のビームスポットを形成するビームスポット形成機構と、
   冷却ノズルから冷却媒体を吐出し、固定された位置に冷却スポットを形成するための冷却機構と、
   固定位置に形成される前記冷却スポットが常にビームスポットの終端部に位置するように、前記テーブルを移動制御するテーブル移動制御手段と、
   前記テーブルの移動に連動させて、ビームスポットが加工ラインに沿って走査するように前記ビームスポット形成機構を制御するビームスポット制御手段と、
   前記ビームスポット形成機構からのレーザビームと前記冷却ノズルとが干渉するのを避けるために、前記冷却ノズルを退避させるための冷却ノズル退避手段と、
   を備えたレーザスクライブ装置。
2. 前記ビームスポット形成機構は、
   前記レーザビーム形成機構で形成されたレーザビームを前記テーブル面上のＸ軸方向に移動させるための第１ミラー機構と、
   前記レーザビーム形成機構で形成されたレーザビームを前記テーブル面上で前記Ｘ軸に直交するＹ軸方向に移動させるための第２ミラー機構と、
   を有する、請求項１に記載のレーザスクライブ装置。
3. 前記冷却機構と前記ビームスポット形成機構とを含み、加工基準軸を有する加工ヘッドをさらに備え、
   前記冷却機構は前記冷却ノズルに加えて冷却ノズル旋回機構をさらに含み、
   前記冷却ノズルは前記加工基準軸の延長線上の脆性材料基板上に冷却スポットを形成するものであり、
   前記冷却ノズル旋回機構は前記加工基準軸を中心として前記冷却ノズルを回転移動させ、
   前記ビームスポット形成機構は前記加工基準軸を中心として脆性材料基板の所定の範囲にビームスポットを形成する、
   請求項２に記載のレーザスクライブ装置。
4. 前記ビームスポット形成機構は、冷却スポットから加工ラインに沿った走査方向前方の一定区間をレーザビームが繰り返し照射するように前記第１ミラー機構及び前記第２ミラー機構を駆動制御する、請求項１から３のいずれかに記載のレーザスクライブ装置。

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