JP4072596B2 - Method and apparatus for cleaving brittle materials - Google Patents

Method and apparatus for cleaving brittle materials Download PDF

Info

Publication number
JP4072596B2
JP4072596B2 JP2005172566A JP2005172566A JP4072596B2 JP 4072596 B2 JP4072596 B2 JP 4072596B2 JP 2005172566 A JP2005172566 A JP 2005172566A JP 2005172566 A JP2005172566 A JP 2005172566A JP 4072596 B2 JP4072596 B2 JP 4072596B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
glass
cleaving
brittle material
laser
laser light
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2005172566A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2006347783A (en
Inventor
宏 三浦
規夫 軽部
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
LEMI Co Ltd
Original Assignee
LEMI Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by LEMI Co Ltd filed Critical LEMI Co Ltd
Priority to JP2005172566A priority Critical patent/JP4072596B2/en
Publication of JP2006347783A publication Critical patent/JP2006347783A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4072596B2 publication Critical patent/JP4072596B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36Removing material
    • B23K26/362Laser etching
    • B23K26/364Laser etching for making a groove or trench, e.g. for scribing a break initiation groove

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Processing Of Stones Or Stones Resemblance Materials (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Re-Forming, After-Treatment, Cutting And Transporting Of Glass Products (AREA)

Description

本発明は表示用のフラットパネルディスプレイなどに使用されるガラスなどの脆性材料の割断方法、当該割断方法に使用される割断装置および当該割断方法に好適な脆性材料に関する。本願明細書では主として表示器用無アルカリ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 method for cleaving a brittle material such as glass used for a flat panel display for display, a cleaving apparatus used for the cleaving method, and a brittle material suitable for the cleaving method . In the specification of the present application, description is mainly made on a non-alkali glass for a display. However, in addition to glass , the present invention can be applied to brittle materials such as quartz, ceramic, and semiconductor .

ガラス板材料は、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ある。   Conventionally, glass plate materials have been cleaved by a mechanical method using a carbide tool such as a diamond chip. The application of this method to glass is 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μm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 μm 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。   Breaking window glass, etc., is not a problem with the use of conventional technology, but in the case of fine glass cleaving used for liquid crystal displays, plasma displays, etc., the fractured surface is polished to prevent microcracks and then washed, etc. Subsequent processes are 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1μm以下の鏡面が得られる。第四に、製品外形寸法精度が±25μm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CO2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 CO2 laser beam, absorption of the laser beam generally takes place at the irradiation spot, and cracks are generated radially as a result of rapid heating, and cleaving proceeds only in the traveling direction. I can't. 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 of the laser beam 1 . The cleavage crack 5 is generated by the action of the tensile tension. In FIG. 1 , 2 is a compressive stress inside the glass, 3 is a coolant, and 6 is a glass plate. Note that the tensile tension 4 is generated even if 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下記の特許出願がなされている。
特願2003−363855 特願2004−156891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 of realizing such an optimal distribution, the following patent application has been filed by one of the inventors.
Japanese Patent Application No. 2003-363855 Japanese Patent Application No. 2004-156871 It can be said that the laser application to this glass cleaving is indispensable in processing of fine glass in general, for which demand will increase rapidly.

CO2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(10.6μ)におけるガラスの光吸収係数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100μm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、CO2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 the glass with a CO2 laser beam irradiation, CO 2 laser beam as shown in FIG. 3 it is absorbed only by the surface layer of the glass plate 6, not transmitted over the entire thickness of the glass plate 6. This is because the light absorption coefficient α of the glass at the CO 2 laser wavelength (10.6 μ) is remarkably large. 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 . Be made deeper than this Rezasukurai blanking plane 9, as long as the use of CO2 laser beam, is not possible even if though increasing the laser output. 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。)するための脆性材料の割断方法、当該割断方法に使用される割断装置および当該割断方法に好適な脆性材料を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 a method for cleaving a brittle material for realizing laser scribe over the entire thickness (such scribe is hereinafter referred to as full cut), An object of the present invention is to provide a cleaving apparatus used for the cleaving method and a brittle material suitable for the cleaving method.

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に対する脆性材料に不純物を添加することにより脆性材料の光吸収係数αが、脆性材料の厚さL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 adding an impurity to the brittle material with respect to the wavelength of the irradiation laser light, the light absorption coefficient α of the brittle material is 0.105 / L <α <18. Since it is set so as to satisfy 42 / L, as shown in FIG. 5B, the laser beam 1 is absorbed into the brittle material and heated by the surface heat source 14 by the transmission laser beam absorption. 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) Cutting 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。液晶ディスプレィ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 board can be cleaved. Applicable to liquid crystal display and plasma display glass.
3) 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。材料の吸収係数を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 ×exp(―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. When the absorption coefficient of the material is α (cm−1), the propagation distance is x (cm), and the light intensity before and after propagating the distance x is I and I 0 , the following relational expressions are established.
I = I 0 × exp (−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. In the formula (1) , if I / I 0 = 0.9, 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 up to 1/4 of the glass plate thickness often results in a full cut, so the upper limit is the condition for scribing up to 1/4 of the glass plate thickness. 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
以下の実施例に、これらの数値を実現するための光吸収係数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
In the following embodiment, a technique for controlling the light absorption coefficient 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10.6μmのCO2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3.7μm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100μm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。 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 100 μm is possible, and it can be seen that heat conduction is helpful.

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CO2レーザ波長10.6μm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、本発明は、ガラス内に不純物を添加する。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。
この目的のために本発明の一実施例では、不純物として希土類原子のひとつであるYbを用いる。Yb原子のエネルギー準位はそれぞれ多重のサブ準位からなる基底準位と一個の上位準位からなるためにガラスにYbをドープすると波長域900〜1050nmの赤外線で吸収のいくつかのピークを示し、これ以外の波長域では可視光を含めて吸収がない。このためYbをドープしたガラスは着色することがなくこのガラスを表示用に使用する場合に表示特性を劣化することがない。また、Yb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安定した元素であるからガラスの物性値を永年にわたって損なうことがない。
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 , the present invention adds impurities into 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 .
For this purpose, one embodiment of the present invention uses Yb, which is one of rare earth atoms, as an impurity. Since the energy level of the Yb atom consists of a ground level consisting of multiple sub-levels and one upper level, when glass is doped with Yb , it shows several peaks of absorption in the infrared of the wavelength range 900 to 1050 nm. In other wavelength regions, there is no absorption including visible light. For this reason, the glass doped with Yb is not colored and the display characteristics are not deteriorated when this glass is used for display. Yb atoms are stable elements because the f electrons in the N shell are surrounded by the electron group of the O shell, which is the outer shell. Therefore, the physical properties of the glass are not impaired for many years.

Ybをドープしたゲルマノシリケイトガラスに生じる吸収は波長975nmでピークを示し、この吸収断面積は約2.7×10-20cm2であることをRudigerらが“Ytterbium-doped fiber amplifiers”と題する論文をIEEE Journal of quantum electronics の第33巻(1997年)7号の1049ページから1056ページに発表して示した。図7は放出断面積(点線)とこの吸収断面積(実線)15の波長特性を示す。本発明の1実施例ではガラスにドープしたYbの波長域900〜1050nmで生じる吸収のうち、任意の厚さのガラスに厚さ方向にほぼ均一に吸収が生じるような吸収断面積とこのときの波長、さらにYb濃度を実験と計算で求め、この波長で発振するように成分比を調整したInGaAs半導体レーザ光をYbをドープしたガラスに照射して前述の吸収を得て、厚さ方向にほぼ均一な引張応力を生じさせてフルカットするものである。 Rudiger et al. Published a paper entitled “Ytterbium-doped fiber amplifiers” that the absorption occurring in germanosilicate glass doped with Yb shows a peak at a wavelength of 975 nm and the absorption cross section is about 2.7 × 10 −20 cm 2 . Announced from page 1049 to page 1056 of Vol. 33 (1997) issue 7 of the IEEE Journal of quantum electronics. FIG. 7 shows the wavelength characteristics of the emission cross section (dotted line) and the absorption cross section (solid line) 15 . In one embodiment of the present invention , among the absorptions that occur in the wavelength range of 900 to 1050 nm of Yb doped in the glass, the absorption cross-sectional area in which absorption occurs almost uniformly in the thickness direction in the glass of any thickness, and at this time The wavelength and further the Yb concentration are obtained by experiment and calculation, and the above-mentioned absorption is obtained by irradiating the glass doped with Yb with the InGaAs semiconductor laser light whose component ratio is adjusted so as to oscillate at this wavelength. Full cut is generated by generating uniform tensile stress.

つぎに無アルカリガラス中にYb2O3の形でYbを混入した場合に、与えられたガラスの厚みLに対する前述の最適な吸収係数αを与える式を導入する。無アルカリガラス中に重量比1%でYb2O3を添加したとし、このガラスの成分比と密度を以下のように仮定する。
成分比:SiO2:60%、 Al2O3:20%、 B2O3:19%、 Yb2O3:1%

密度 :ρ=2.51g/cm3
この成分比の場合の1molg=0.6×(28+16×2)+0.2×(27×2+16×3)+0.19×(10.8×2+16×3)+0.01×(173×2+16×3)=85gであるから無アルカリガラス中のYb原子の濃度は以下のように計算される。
Yb濃度[個/cm3]=1モルg中のYbの数×アボガドロ数×密度/1モルg
=3.56×1020個/cm3 (2)
無アルカリガラス中のYb原子の吸収断面積のデータは見当たらないので上記のRudigerらの波長975nmでのデータを採用すれば1%重量比のYb2O3を混入した場合の吸収係数αはα=3.56×1020(cm-3)×2.7×10-20(cm2)=9.6(cm-1)となる。1〜4%の低い重量比のYb2O3を無アルカリガラスに混入した場合は、この範囲では前記成分比が大きく変わらないとして1モルgが変わらないと仮定しても大きな誤差を生じないから、厚さL(cm)のガラスの場合の透過率が50%となる最適吸収係数αが得られる重量比をx%とするとα=0.693/L=9.6×xが得られ、これから厚さL(cm)の無アルカリガラスをフルカットするために混入するYb2O3の最適重量比x(%)の間の関係式として次式を得る。
×L=0.072 (3)
Next, when Yb is mixed into the alkali-free glass in the form of Yb 2 O 3 , an expression is introduced that gives the above-mentioned optimum absorption coefficient α for the given glass thickness L. It is assumed that Yb 2 O 3 is added to the alkali-free glass at a weight ratio of 1%, and the component ratio and density of the glass are assumed as follows.
Component ratio: SiO 2: 60%, Al 2 O 3: 20%, B 2 O 3: 19%, Yb 2 O 3: 1%

Density: ρ = 2.51g / cm 3
In case of this component ratio 1molg = 0.6 × (28 + 16 × 2) + 0.2 × (27 × 2 + 16 × 3) + 0.19 × (10.8 × 2 + 16 × 3) + 0.01 × (173 × 2 + 16 × 3) = 85g Therefore, the concentration of Yb atoms in the alkali-free glass is calculated as follows.
Yb concentration [pieces / cm 3 ] = number of Yb in 1 mol g × Avocado number × density / 1 mol g
= 3.56 × 10 20 / cm 3 (2)
Since there is no data on the absorption cross section of Yb atoms in alkali-free glass, the absorption coefficient α in the case of mixing 1% weight ratio of Yb 2 O 3 by using the above data at Rudiger et al. = 3.56 × 1020 (cm- 3) × 2.7 × 10-20 (cm 2) = a 9.6 (cm- 1). When Yb 2 O 3 having a low weight ratio of 1 to 4% is mixed in non-alkali glass, even if it is assumed that 1 mol g does not change within this range, the component ratio does not change greatly. From the above, when the weight ratio for obtaining the optimum absorption coefficient α at which the transmittance in the case of the glass of thickness L (cm) is 50% is x%, α = 0.653 / L = 9.6 × x is obtained. The following equation is obtained as a relational expression between the optimum weight ratio x (%) of Yb 2 O 3 mixed for full cutting of an alkali-free glass of L (cm).
x x L = 0.072 (3)

(3)式から前に述べた各板厚の無アルカリガラスをフルカットするための最適な吸収係数が得られる混入Yb2O3の重量比x(%)は以下のように計算される。
フルカットのための混入Yb2O3の最適重量比x(%)
板厚 0.02cm 3.6
板厚 0.07cm 1.0
板厚 0.28cm 0.26
The weight ratio x (%) of the mixed Yb 2 O 3 from which the optimum absorption coefficient for full-cutting the alkali-free glass of each plate thickness described above from Formula (3) is calculated as follows.
Optimum weight ratio x (%) of mixed Yb 2 O 3 for full cut
Thickness 0.02cm 3.6
Plate thickness 0.07cm 1.0
Plate thickness 0.28cm 0.26

以上は無アルカリガラスに混入したYbイオンによるInGaAs半導体レーザの吸収係数をゲルマシリケイトガラス中の文献で与えられた吸収断面積を用いて、与えられたガラスの厚さL(cm)に対して透過率が50%となるようなYb2O3の重量比x(%)を求めたが、このプロセスを以下の手順で一般化すれば半導体レーザを用いた割断装置を構成することができる。すなわち、(A)任意のガラスの厚さL(cm)の場合に希望の割断ができる透過率と吸収のための不純物Yb 2 O 3 の該ガラス中の波長域900〜1050nmにおける吸収断面積を実験で求める。つぎに、(B)この透過率が達成できる吸収係数を不純物Yb 2 O 3 の混入重量比x%と吸収断面積から求めるが、前者の混入重量比は以下で述べるように濃度消光されるための下限の濃度がある。Yb原子は稀少で高価であるから表示用のガラスのコストを考慮するとこの下限の濃度あたりに決めるのがよい。したがって、(C)この濃度で上述の吸収係数が得られる吸収断面積の波長を波長対吸収断面積の実験データから選び、この波長で発振するようにInGaAsの成分比を決めて割断用半導体レーザ発振器とするのである。以上を要約すれば、割断すべきガラスの厚さL(cm)に対して混入すべきYb2O3の濃度x(%)は(4)式で決定され、(4)式の右辺の定数は割断のための透過率、吸収断面積の波長依存データから求めた下限の濃度としてYb2O3の重量比1%の場合の吸収係数から上記の手順で決められる。
×L=一定 (4)
Above for the using absorption cross-section given in the literature in the absorption coefficient a germanate silicate glass InGaAs semiconductor laser according Yb ions mixed in alkali-free glass, the thickness of the glass a given L (cm) transparent The weight ratio x (%) of Yb 2 O 3 was determined so that the rate was 50%. If this process is generalized by the following procedure, a cleaving apparatus using a semiconductor laser can be configured. That is, (A) the transmittance which can be cleaved in the case of an arbitrary glass thickness L (cm) and the absorption cross section of the impurity Yb 2 O 3 for absorption in the wavelength range of 900 to 1,050 nm in the glass Find by experiment. Next, (B) the absorption coefficient that can achieve this transmittance is obtained from the mixing weight ratio x% of the impurity Yb 2 O 3 and the absorption cross section, and the former mixing weight ratio is concentration-quenched as described below. There is a lower concentration. Since Yb atoms are rare and expensive, considering the cost of the glass for display, it is preferable to determine the concentration around this lower limit. Therefore, (C) the wavelength of the absorption cross section where the above-mentioned absorption coefficient can be obtained at this concentration is selected from the experimental data of the wavelength versus absorption cross section, and the component ratio of InGaAs is determined so as to oscillate at this wavelength, and the cleaving semiconductor laser It is an oscillator. In summary of the above, the concentration of Yb 2 O 3 to be mixed with respect to the thickness of the glass to be cleaving L (cm) x (%) is determined by equation (4), (4) constant in the right-hand side of Equation Is determined by the above procedure from the absorption coefficient when the weight ratio of Yb 2 O 3 is 1% as the lower limit concentration obtained from the wavelength-dependent data of transmittance and absorption cross section for cleaving.
x × L = constant (4)

本発明の1実施例の構成では無アルカリガラス中のYbイオンの4f電子がInGaAs半導体レーザ光を吸収して励起されるが、励起された電子が蛍光を発することなく無放射遷移で熱的に緩和しなければガラスに熱応力を発生できず、割断できない。R.Paschotta らは“Lifetime quenching in Yb-doped
fibers”と題する論文を Optics Communications の第136巻(1997)375ページから378ページに発表し、ガラス中にドープされて励起されたYbイオンの電子はYb濃度が1%重量比以上になるとYbイオン間の急速なエネルギー移動によって欠陥(捕獲)濃度が低い場合でも消光(quenching)されて無放射遷移となることを述べている。したがって、上記の板厚の無アルカリガラスをフルカットするために混入されたYb2O3の重量比x(%)では励起されたYbイオンの電子は蛍光を発することなく、おおよそ無放射遷移で緩和しガラスの温度を上げて割断に寄与する。逆にこれ以上の濃度でYb2O3を混入することは希少で高価な希土類のYb原子を無駄に使うことになり、最終表示デバイスのコストを上げることになって好ましくない。無放射遷移が得られる最小限の不純物濃度で望みの割断ができる不純物とこれに吸収されるレーザの組み合わせ例が、Yb原子とInGaAs半導体レーザである。なお、Yb原子の添加は、Yb 2 O 3 以外にYbを含むミッシュメタルを使用することもできる。
In the configuration of one embodiment of the present invention , the 4f electrons of Yb ions in the alkali-free glass are excited by absorbing the InGaAs semiconductor laser light, but the excited electrons are thermally emitted by non-radiative transition without emitting fluorescence. If it is not relaxed, thermal stress cannot be generated in the glass and it cannot be cleaved. R. Paschotta et al. “Lifetime quenching in Yb-doped
A paper entitled “fibers” was published in Optics Communications, Vol. 136 (1997), pages 375-378, and the Yb ion electrons doped in the glass were excited when the Yb concentration exceeded 1% by weight. It states that even if the defect (capture) concentration is low due to the rapid energy transfer between them, it is quenched and becomes a non-radiative transition. In the Yb 2 O 3 weight ratio x (%), the excited Yb ions do not fluoresce but relax by a non-radiative transition to increase the glass temperature and contribute to cleaving. It is not preferable to mix Yb 2 O3 at a low concentration because it wastes rare and expensive rare earth Yb atoms and increases the cost of the final display device. An example of a combination of an impurity that can be desiredly cleaved with a limited impurity concentration and a laser absorbed by this is a Yb atom and an InGaAs semiconductor laser, and the addition of Yb atoms is a misch that contains Yb in addition to Yb 2 O 3. Metal can also be used.

上記したように最適の組み合わせはYb原子とInGaAs半導体であるが、本発明の精神はNd,Ho,Ebなどの希土類原子と半導体レーザの組み合わせでも実現できる。   As described above, the optimum combination is Yb atoms and InGaAs semiconductors, but the spirit of the present invention can also be realized by a combination of rare earth atoms such as Nd, Ho, and Eb and a semiconductor laser.

本発明を実現するフルカット割断装置の一例を図8に示す。図8において16は多数個の半導体レーザエレメントからなるレーザスタックであり、17はそれぞれのエレメントからのレーザビームを導光するファイバーを1本に束ねたファイバーバンドルである。このファイバーバンドル17の入射端18はコネクターとして脱着可能になっている。出射端19ではファイバーバンドル17はレーザ光断面形状が種々の形状を取れるように配列されている。図8では直線状の割断に最適な直線状断面形状20用になっている。異なった直径の円形割断のためには図9に示すようにファイバー出射端は円弧状配列21にするが、直径制御のために射出端とガラス表面の間に図10のような拡大、縮小光学系22を設置する。直線や円弧以外の任意形状の割断のためにはそれに最適のファイバー配列を行えばよい。 An example of a full-cut cleaving apparatus for realizing the present invention is shown in FIG. In FIG. 8 , reference numeral 16 denotes a laser stack composed of a large number of semiconductor laser elements, and reference numeral 17 denotes a fiber bundle in which fibers for guiding a laser beam from each element are bundled into one. The incident end 18 of the fiber bundle 17 is detachable as a connector. At the emission end 19, the fiber bundles 17 are arranged so that the laser beam cross-sectional shape can take various shapes. In FIG. 8 , the linear cross-sectional shape 20 is optimal for linear cleaving. For circular cutting with different diameters, the fiber exit ends are arranged in an arcuate arrangement 21 as shown in FIG. 9, but for the diameter control, an enlargement / reduction optical system as shown in FIG. 10 is provided between the exit end and the glass surface. System 22 is installed. For cleaving an arbitrary shape other than a straight line or an arc, an optimal fiber arrangement may be performed.

図11に別の実施例を示す。図11では半導体レーザスタック16から結合光学系23を用いて1本のファイバーにレーザ光を導光する。前記ファイバーを通過した1本のレーザ光は断面形状制御用光学系24によって割断に最適の断面形状に変換される。このような断面形状制御用光学系24としては、特許文献1あるいは特許文献2に記載されたものを使用することができる。 FIG. 11 shows another embodiment. In FIG. 11 , laser light is guided from the semiconductor laser stack 16 to one fiber using the coupling optical system 23. One laser beam that has passed through the fiber is converted into a cross-sectional shape optimum for cleaving by the cross-sectional shape control optical system 24. As such a cross-sectional shape controlling optical system 24 , the one described in Patent Document 1 or Patent Document 2 can be used.

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指数関数的に増大させて分布させ、発熱を深さ方向に一様にするとよい。不純物濃度を表面から裏面にかけて指数関数的に増大させるには、半導体技術で周知なように、不純物のドーピング時に不純物を含有したドーピングガスの濃度をドーピング時間に対して指数関数的に増大させればよい。(たとえば、特開平10−41549号公報参照。) 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 increased and distributed exponentially from the front surface to the back surface, and heat generation is preferably made uniform in the depth direction. In order to increase the impurity concentration exponentially from the front surface to the back surface, as is well known in semiconductor technology, the concentration of a doping gas containing impurities during the doping of impurities can be increased exponentially with respect to the doping time. Good. (For example, refer to Japanese Patent Laid-Open No. 10-41549.)

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 laser having excellent beam characteristics as the laser oscillator.

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, if the output is increased to some extent, the heat source penetrates in the depth direction of the material by heat conduction. 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。高速かつ効率的なフルカット実現のためには、図1で説明したように、冷却を併用し、この冷却を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、表裏面の双方で行う方が効果的である。 The heating method has been described above. In order to realize a high-speed and efficient full cut, as described with reference to FIG. 1, it is necessary to use cooling together and efficiently perform this cooling in the thickness direction. For that purpose, it is more effective to perform cooling not only on the glass surface but on both the front and back surfaces .

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.

液晶ディスプレィ、プラズマディスプレィなどのフラットパネルデスプレィ、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 for 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 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 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、ゲルマノシリケイトガラス中のYbイオンの吸収と放出断面積の波長特性図Wavelength characteristic diagram of absorption and emission cross sections of Yb ions in germanosilicate glass for explaining the full-cut cleaving method of brittle materials according to the present invention 本発明による脆性材料のフルカット割断装置の第1の実施例を示す概念的斜視図BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a conceptual perspective view showing a first embodiment of a full-cut cleaving apparatus for brittle materials according to the present invention. 本発明による脆性材料のフルカット割断装置の第2の実施例を示す概念的斜視図The conceptual perspective view which shows the 2nd Example of the full cut cleaving apparatus of a brittle material by this invention. 本発明による脆性材料のフルカット割断装置の第3の実施例を示す概念的斜視図The conceptual perspective view which shows the 3rd Example of the full cut cleaving apparatus of a brittle material by this invention. 本発明による脆性材料のフルカット割断装置の第4の実施例を示す概念的斜視図The conceptual perspective view which shows the 4th Example of the full-cut cleaving apparatus of a brittle material by this invention.

符号の説明Explanation of symbols

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 ゲルマノシリケイトガラス中のYbイオンの吸収断面積
16 半導体レーザスタック
17 ファイバーバンドル
18 ファイバーバンドル入射端
19 ファイバーバンドル出射端
20 直線配列ファイバー出射端からの照射レーザ光
21 円弧配列ファイバー出射端からの照射レーザ光
22 拡大・縮小光学系
23 ファイバー結合用光学系
24 断面形状制御用光学系
1 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 Heat source 15 by absorption of transmitted laser beam 15 Absorption cross section of Yb ions in germanosilicate glass 16 Semiconductor laser stack 17 Fiber bundle 18 Fiber bundle incident end 19 Fiber bundle exit end 20 Irradiation laser light 21 from linear array fiber exit end 21 Arc Irradiation laser light 22 from array fiber exit end Enlargement / reduction optical system 23 Fiber coupling optical system 24 Cross-sectional shape control optical system

Claims (7)

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、前記脆性材料を十分な厚さにわたって割断する脆性材料の割断方法であって、前記脆性材料に前記脆性材料の厚さをL(cm)、吸収係数をα(cm−1)としたとき、不等式0.105/L<α<18.42/Lを満足するように選択された希土類原子からなるレーザ光吸収不純物を添加してレーザ光吸収を制御し、この時に生じるフォノンによって熱応力を発生させて割断を行う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 laser light to generate a crack due to thermal stress in the brittle material, and the brittle material is cleaved over a sufficient thickness. From rare earth atoms selected so as to satisfy the inequality 0.105 / L <α <18.42 / L, where L (cm) is the thickness of the brittle material and α (cm −1 ) is the absorption coefficient. obtained by adding a laser beam-absorbing impurities by controlling the laser light absorption, cleaving method for brittle material and performing this by generating thermal stress by phonons generated when it breaking. レーザ光吸収不純物である希土類原子のイオン中の4f電子を半導体レーザ光で励起し、前記励起された4f電子を基底状態に緩和させてフォノンを発生させ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 phonon is generated by exciting 4f electrons in ions of rare earth atoms , which are laser light absorbing impurities, with semiconductor laser light, and relaxing the excited 4f electrons to a ground state. A method for cleaving brittle materials. 希土類原子がYb、半導体レーザがInGaAsレーザである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 the rare earth atom is Yb and the semiconductor laser is an InGaAs laser. 希土類原子がNd、HoおよびEr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2に記載の脆性材料の割断方法。   The method for cleaving a brittle material according to claim 2, wherein the rare earth atom is any one selected from Nd, Ho, and Er. レーザ光吸収不純物の濃度を重量比xと脆性材料の厚さLの積が一定値であることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の脆性材料の割断方法。 The method for cleaving a brittle material according to any one of claims 1 to 4, wherein the concentration of the laser light absorbing impurity is a constant product of the weight ratio x and the thickness L of the brittle material. レーザ光吸収不純物濃度を、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1から4のいずれかに記載の脆性材料の割断方法。 The method for cleaving a brittle material according to any one of claims 1 to 4, wherein the laser light absorbing impurity concentration is increased exponentially with respect to the depth direction of the material. 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.

JP2005172566A 2005-06-13 2005-06-13 Method and apparatus for cleaving brittle materials Expired - Fee Related JP4072596B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005172566A JP4072596B2 (en) 2005-06-13 2005-06-13 Method and apparatus for cleaving brittle materials

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005172566A JP4072596B2 (en) 2005-06-13 2005-06-13 Method and apparatus for cleaving brittle materials

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2006347783A JP2006347783A (en) 2006-12-28
JP4072596B2 true JP4072596B2 (en) 2008-04-09

Family

ID=37644016

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2005172566A Expired - Fee Related JP4072596B2 (en) 2005-06-13 2005-06-13 Method and apparatus for cleaving brittle materials

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4072596B2 (en)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5410655B2 (en) * 2007-04-10 2014-02-05 AvanStrate株式会社 Glass composition, glass plate using the same, and method for producing the same
US8258427B2 (en) 2008-05-30 2012-09-04 Corning Incorporated Laser cutting of glass along a predetermined line
JP5691148B2 (en) 2008-10-01 2015-04-01 日本電気硝子株式会社 Glass roll, glass roll manufacturing apparatus, and glass roll manufacturing method
JP5532507B2 (en) 2008-10-01 2014-06-25 日本電気硝子株式会社 Glass roll and glass roll processing method
JP5532506B2 (en) * 2008-10-01 2014-06-25 日本電気硝子株式会社 Glass roll
JP5435267B2 (en) 2008-10-01 2014-03-05 日本電気硝子株式会社 Glass roll, glass roll manufacturing apparatus, and glass roll manufacturing method
KR100958745B1 (en) * 2009-11-30 2010-05-19 방형배 Laser scribing apparatus, method, and laser scribing head

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0791078B2 (en) * 1988-09-27 1995-10-04 日本板硝子株式会社 How to cut out a glass plate
JP4267240B2 (en) * 2002-02-22 2009-05-27 日本板硝子株式会社 Manufacturing method of glass structure
KR100614106B1 (en) * 2002-03-12 2006-08-22 미쓰보시 다이야몬도 고교 가부시키가이샤 Method and device for processing fragile material

Also Published As

Publication number Publication date
JP2006347783A (en) 2006-12-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101081613B1 (en) Method for scribing fragile material and apparatus for scribing fragile material
JP2006256944A (en) Method and device for cutting brittle material
JP5005612B2 (en) Full-cut cleaving method for brittle materials
JP4072596B2 (en) Method and apparatus for cleaving brittle materials
US8426767B2 (en) Methods for laser scribing and breaking thin glass
US10358374B2 (en) Methods for laser scribing and separating glass substrates
JP5345334B2 (en) Thermal stress cleaving method for brittle materials
EP2724993B1 (en) Methods for laser scribing and separating glass substrates
WO2013031778A1 (en) Cutting method for reinforced glass plate and reinforced glass plate cutting device
US20110127242A1 (en) Methods for laser scribing and separating glass substrates
JP2013203630A (en) Method for cutting tempered glass plate
JP5303238B2 (en) Cleaving method of brittle material substrate
JP2008127223A (en) Method for cutting flat panel display thin glass sheet
WO2009067164A1 (en) Laser scoring of glass sheets at high speeds and with low residual stress
JP4179314B2 (en) Full-cut cleaving device for brittle materials
JP2006035710A (en) Glass processing method using laser and device
WO2010071128A1 (en) Splitting apparatus and cleavage method for brittle material
JP2009040665A (en) Full body cutting method of brittle material
JP2007261885A (en) Cleaving method of piled glass
JP2008000818A (en) Method of cleaving brittle material and brittle material to be used for it
TW202146345A (en) Glass plate and method for manufacturing glass plate
WO2018111998A1 (en) Methods for laser processing transparent workpieces by forming score lines
JP2011057494A (en) Cleavage method and device for brittle material
JP2013053019A (en) Method for boring tempered glass
JP2008127224A (en) Method for fully cutting brittle material

Legal Events

Date Code Title Description
A871 Explanation of circumstances concerning accelerated examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871

Effective date: 20061010

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20061005

A975 Report on accelerated examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971005

Effective date: 20061204

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20070130

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20070402

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20070626

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20070726

A911 Transfer of reconsideration by examiner before appeal (zenchi)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911

Effective date: 20070913

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20071005

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20071112

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20071210

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20071220

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110201

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110201

Year of fee payment: 3

S531 Written request for registration of change of domicile

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110201

Year of fee payment: 3

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees