JP4709202B2 - レーザによる焼結ダイヤモンドの微細加工方法および脆性材料基板用カッターホイール並びにその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザによる焼結ダイヤモンドの微細加工方法に関し、特に、ガラス、セラミックス、単結晶シリコンあるいはサファイヤなどの脆性材料基板を分断するときにこれら基板にスクライブラインを形成するためのカッターホイールの製造方法、並びにこの製造方法によって得られたカッターホイールに関する。

一般に、ガラス基板等の脆性材料基板を分断する場合、カッターホイールを圧接状態で基板表面に転動させることにより基板上にスクライブラインを刻み、当該ラインに沿って板厚方向にクラックを生じさせることにより基板を切断する方法が広く利用されている。
この基板分断に用いられるカッターホイールは超硬合金や焼結ダイヤモンドで作られ、特に刃先の寿命の点から焼結ダイヤモンドを材料とするカッターホイールが広く使用されている。このようなカッターホイール（以下、この発明では「ホイール」と称する）は、その外周面に円周方向に延びる稜線、即ち刃先を備え、ホイールを基板上で転動可能に軸支する軸体が貫通する軸孔を有する。なお、基板表面に対する刃先の接触点における単位面積あたりの荷重を高めるために、ホイールの外径は時には、２〜３ｍｍに設定されている。
一方、前記した刃先に周方向に沿って所定の間隔をあけて連続的な突起と溝を形成したホイールを本出願人が先に出願している（特許文献１参照）。
これによれば刃先に形成された突起によって基板表面にスクライブラインが形成されると、基板の板厚方向に深い垂直クラックを形成することができ、同時にホイール転動時のスリップも効果的に防止することができる。上記したホイールの突起と溝は、ダイヤモンドホイールを用いた機械加工によって形成されている。なお、この「ダイヤモンドホイール」とは、ＪＩＳ―Ｂ４１３１で規定される広義の砥石であって、この発明で使用される「ホイール」（カッターホイール）との語句の混同をさけるために、以下「砥石」と称する。
特許第３０７４１４３号公報

しかしながら、上記のように外径が２〜３ｍｍのホイールに微細なピッチで突起と溝を形成しようとすれば、使用される砥石の先端部分は微細な形状が要求され、砥石先端形状の形成（磨耗時の整形を含む）に長時間を要するとともに、砥石自体の寿命にも左右される。
一方、工作物の微細加工の手段としてレーザ加工が用いられている。ダイヤモンドダイスの粗形状をレーザで加工することは１９６０年代後半に導入され、ルビーレーザ、ＹＡＧレーザ、炭酸ガスレーザという変遷を経て実用化が進められてきた。またレーザによる加工の用途は、当初の粗加工から微細加工へと広がっている。
しかしながら、焼結ダイヤモンドをレーザで加工すると、レーザ照射の加工熱により焼結ダイヤモンドの加工部位がグラファイト化するという問題がある。このようなグラファイト化も粗加工の場合にはさほど問題視されなかったが、微細加工の場合には製品の機能低下などの問題を生じる場合がある。

そこで本発明は、焼結ダイヤモンドをレーザで微細加工する際の加工部位のグラファイト化を抑え、かつ高い効率で精確な微細加工ができる方法を提供することを主たる目的とする。

更に、別の目的として下記の問題点を解決する方法を提供することが挙げられる。
図２１は、レーザビームの照射によって円弧状の溝を加工する従来の加工方法を説明する図である。
図２１に示すように、ホイールの稜線にホイール側面からレーザビームを図中の一点鎖線で示す所定の軌跡に沿って図中の矢印方向に円弧状に相対移動させながら照射して溝部を加工する際、加工終点側の突起エッジ部分ａに「非対称」と呼ばれる現象が生じる。この「非対称」とは、ホイール２の溝加工部位２ｂにおいて、図中矢印で示すレーザビームの入り側と抜け側とで溝の形状が中心線Ｃを中心に非対称になる現象をいう。なお、図中突起エッジ部分ａの実線および図中の一点鎖線がレーザビームの移動軌跡であり、破線が実際の加工形状である。
これはレーザビームの移動軌跡に沿って溝加工部位の厚さが変化することに起因すると考えられる。このような「非対称」が生じるとホイールの品質が低下して微細な突起と溝によるスクライブライン形成上の機能が損なわれるおそれがある。尚、前記した「ホイール側面」とは、ホイールの軸孔の開口部を含むホイールの平らな表面並びに裏面を意味する。

本発明はレーザビームを用い微細なピッチで突起と溝を加工するものでありながら、上記のような「非対称」現象のような不都合が生じることのない加工方法を提供することも重要な目的とするものである。

また、図２２に示すように、ホイールに対してその軸線Ｘと平行となるようにホイール側面からレーザビームを照射して突起と溝部を加工する際、稜線２ａを形成するレーザビーム照射側斜面において上位側斜面に「えぐれ」と呼ばれるくぼんだ欠陥部(ｄ)が発生する。この「えぐれ」とは、レーザビームの入射側で工作物の加工部位と非加工部位との境界面が互いに入り乱れ、両者の境界がはっきりしない現象により発生する。

そこで本発明は、レーザビームを用い微細なピッチで突起と溝を加工する際に「えぐれ」現象のような不都合が生じない加工方法を提供することも目的の一つとする。

また本発明の更なる目的は、ホイールの外周面に頂点を刃先とするＶ字形の稜線部が形成され、この稜線部の全周にわたって微細且つ精密な突起と溝がレーザビームによって交互に複数個形成された脆性材料基板用ホイールを提供することにある。

上記目的を達成する為に本発明では次のような技術的手段を講じた。即ち、本発明に係るレーザによる焼結ダイヤモンドの微細加工方法は、焼結ダイヤモンドを材料とする工作物に対して、前記レーザビームを前記工作物に対して相対移動させながら前記工作物の加工部位に照射して加工部位の最大厚さが２００μｍ以下の範囲で前記工作物を微細形状に加工することを特徴とする方法である。レーザビームは、波長範囲が１２５〜１０６６nmであり、１パルスのパルス幅５f（フェムト）秒〜５０n（ナノ）秒の範囲でパルス繰り返し周波数が３００Ｈｚ〜５ＫＨｚの範囲のものを用いる。

本発明に係る脆性材料基板用カッターホイールの製造方法は、焼結ダイヤモンドを材料とするディスク状ホイールの外周面に頂点を刃先とするＶ字形の稜線部を円周方向に沿って形成し、この稜線部分を含むホイール外周部にホイール側面側からレーザビームを前記ホイールに対して相対移動させながら照射して、前記稜線部分にホイール半径方向に向かって開口した微細な溝部を周方向に所望する間隔をあけて連続して形成する工程を含み、前記レーザビームを前記ホイールに対して相対移動させながら前記ホイールの加工部位に照射して加工部位の最大厚さが２００μｍ以下の範囲で前記ホイールを微細形状に加工することを特徴とする。レーザビームは、波長範囲が１２５〜１０６６nmであり、１パルスのパルス幅５f秒〜５０n秒でパルス繰り返し周波数が３００Ｈｚ〜５ＫＨｚの範囲のものを用いる。

この発明において使用されるレーザビームは、短波長および／または短パルスを有するものであれば、レーザの種類は特に限定されないが、特にＹＡＧレーザの基本波(波長1,064nm）をもとにしたＹＡＧ第５調波(波長212nm）、ＹＡＧ第４調波(波長266nm）、ＹＡＧ第３調波(波長355nm）およびＹＡＧ第２調波(波長533nm）が、良質な加工ができる点で好ましい。
この発明におけるレーザビームの移動は、工作物即ちホイールに対して相対的なものであり、従ってホイールを固定してレーザビームを移動させてもよく、レーザビームを固定してホイールを移動させてもよく、或いは両者を移動可能に構成し、加工部位に要求される加工精度に応じて両者を選択的に移動させるようにしてもよい。
前記工作物とレーザビームの相対移動速度は、０．１μｍ／秒〜３．０ｍｍ／秒が実用上好ましい。
前記レーザビームと工作物は、同じパターンの図形に沿って前記ホイールに対して相対移動するようにして、このレーザビームの移動軌跡によって描かれる図形をホイールの半径方向にずらせることによって加工される溝部の深さを調整し、レーザビームの移動軌跡によって描かれる図形の大きさを変えることによって溝部の円周方向の長さを調整する。これにより制御部におけるＸＹステージ移動の制御プログラムはホイールのサイズ毎に大幅に変更しなくても、その都度簡単に設定することが可能となる。
レーザビームの移動軌跡によって描かれる図形としては、特に限定されるものではなく、円、楕円あるいは多角形のような閉曲線からなるもの、または閉曲線を形成しない放物線や双曲線のような曲線、直線からなるものが挙げられる。

レーザビームを加工すべき溝部の一端縁相当部分から一方向に前記ホイールに対して相対移動させて一回目の照射を行うことにより溝部の一部を加工し、次いで二回目のレーザビームを未完成溝部の他端縁相当部分から前記とは反対方向に移動させて一つの溝部を完成させるようにした手段も本発明にとって有効である。これにより、前述したような溝部における加工終点側エッジの「非対称」の発生を無くし、輪郭のはっきりした精密な突起を形成することができる。

前記「非対称」現象を防止する方法として、上記したレーザビームの一回目の照射および二回目の照射において、それぞれのレーザビームの前記ホイールに対する相対移動の軌跡を円又は多角形などの閉曲線としてホイール周方向にずらして照射することにより達成できる。また別の方法として、形成すべき溝部の加工輪郭線を分割予定線を境として二つに分割し、夫々分割された部分を一回目と二回目のレーザビームで加工するようにしてもよい。

稜線部分を含むホイール外周部にホイール側面側からレーザビームを前記ホイールに対して相対移動させながら照射するに際して、ホイールの左右両面側から交互に、或いは同時に照射して溝部を加工することにより、突起と溝部の左右対称性が確保される。またこの場合、ホイールの左右両面側から照射するレーザビームの照射方向がホイール軸線に対して近づくように、所定の傾きをもって加工するのが有効である。これにより、レーザビーム照射時に、前述したような「えぐれ」の発生を確実に無くすことができる。

この発明において使用されるレーザビームは、レーザアブレーション加工により溝部を形成するものである。短パルスおよび／または短波長のレーザビームは、高いパワー密度をもっており、ホイールのレーザビーム照射部位に熱が充分及ぶ前に前記照射部位に於ける物質を飛散除去させることができる。なお、このように、レーザの波長、パルス幅、パワー密度の組み合わせにより、溶融過程がほとんどなく加工対象物の加工部位が瞬時に蒸発する過程をアブレーションという。このため加工時にホイールの非加工部位が熱影響を受けることを避けることができる。

また本発明では、上述した製造方法によって得られた、従来の砥石による加工方法に比較して、より微細なピッチで形成され且つ精密な突起と溝部を刃先に備えた脆性材料基板用ホイールを提供することも特徴とする。

また本発明では、レーザビームの光軸と直交する断面の外縁部におけるエネルギー分布の均一性を測定し、前記測定結果に応じて前記レーザビームの前記外縁部の特定位置を使って工作物を加工することを特徴とする。これにより、レーザビームの光軸と直交する断面の外縁部におけるエネルギー分布の不均一性による加工のばらつきを抑え、前記ホイールに対して精確な加工形状を形成することが可能となる。
なお、前記の「レーザビームの前記外縁部の特定位置」は、レーザビームのエネルギー分布に偏りがなく曲率が一定した位置が好ましい。

本発明の脆性材料基板用カッターホイールの製造方法では、焼結ダイヤモンドをレーザで微細加工する際の加工部位のグラファイト化を抑え、かつ高い効率で精確な微細加工が行える。
また、従来の砥石による加工では得られなかった微細で正確な突起と溝をホイールの刃先となる稜線に加工することができる。
さらに、レーザビームの移動軌跡によって描かれる図形をホイールの半径方向にずらせるだけで簡単に加工される溝部の深さを調整することができ、レーザビームの移動軌跡によって描かれる図形の大きさを変えるだけで溝部の円周方向の長さを容易に調整することができる等の効果がある。

また、請求項１１〜請求項１４に記載の構成とすることにより、溝部における加工終点側エッジの「非対称」の発生を無くし、輪郭のはっきりした精密な突起を形成することができる。また請求項１１に記載の構成とすることにより、稜線部分にレーザビームを照射したときにしばしば生じる「えぐれ」現象のない精密なホイールを製作することができる、といった効果がある。
少なくとも二軸方向に粗調整可能に移動される粗調整移動部と、粗調整移動部上で少なくとも二軸方向に微調整可能に移動される微調整移動部と、微調整移動部上で前記ホイールを所定角度回転可能に支持する回転支持部とを備えた支持手段を介して前記ホイールを支持し、レーザビームを前記ホイールに対して相対移動させながら前記ホイールの加工部位に照射する構成とすることにより、レーザビームを精確に相対移動させて所望する移動軌跡を前記ホイールに描くことができる。

本発明にかかる製造方法を実施するための概略的なシステム構成図。 加工されるホイールを保持するベース部分とレーザヘッド部分を示す図。 加工されるホイールの断面図。 本発明にかかる製造方法の一実施例を示す説明図であって、レーザビームの軌跡とホイールとの位置関係を示す。 図４の要部拡大図。 加工された溝部を示す拡大断面図。 レーザ加工したホイールを示すもので、図の(a)はホイール全体を示し、(b)は要部の拡大図を示す。 レーザビームの軌跡の変更例を示すもので、(a)は四角形の軌跡を示し、(b)は三角形の軌跡を示す。 上記「非対称」の現象を防止するための本発明の実施例を示す説明図であって、(a)はレーザビームの一回目照射と２回目照射の軌跡とホイールとの位置関係を示し、(b)は加工された溝部を示し、(c)は２回目の照射の軌跡を一回目より小さくした例を示す。 上記「非対称」の現象を防止するための実施例を示す説明図。 本発明にかかる製造方法の他の実施例を示す説明図であって、(a)は溝部の加工輪郭線と分割線を示す説明図、(b)はレーザビームの一回目照射を示す説明図、(c)はレーザビームの２回目照射の軌跡を示す説明図。 図１１同様の説明図であって、レーザビームの軌跡を四角形にした場合を示す。 図１１同様の説明図であって、レーザビームの軌跡を三角形にした場合を示す。 上記「えぐれ」の現象を防止するための実施例を示す説明図。 特定位置使用法によりＸ−Ｙ軸移動ステージ上に保持されたホイールの溝部の形成方法を説明するための平面図。 実験例におけるラマン分光分析の測定ポイントを示す図。 実験例における従来の研削加工により溝を形成したホイールのラマン分光分析結果を示す図。 実験例における本発明のレーザ加工により溝を形成したホイールのラマン分光分析結果を示す図。 実験例における従来のレーザ加工により溝を形成したホイールのラマン分光分析結果を示す図。 ナノステージ使用法に用いられるナノステージの図。 溝部を加工したときの「非対称」の現象を示す断面図。 溝部を加工したときの「えぐれ」の現象を示す断面図。 他の形状のホイールと、そのホイールを加工する時のベース部分とレーザヘッド部分を示す図。

符号の説明

１ レーザヘッド
２、２’ ホイール
２ａ ホイールの稜線
２ｂ ホイールの溝部
２ｃ ホイールの突起
３ 固定ベース
３ａ 固定ベースのＸ−Ｙ軸移動ステージ
３ｂ ホイールを保持する軸
５ 吸引路
３１ 粗調整移動ステージ（粗調整移動部）
３２ 微調整移動ステージ（微調整移動部）
４１ ホイール
ｂ 溝部の加工輪郭線
ｃ 分割予定線
Ｒ、Ｒ’、Ｒ” レーザビームの移動軌跡
Ｓ レーザビームの照射方向を示す線
Ａ ダイヤモンドのラマンシフト
Ｂ グラファイトのラマンシフト

以下において本発明にかかる脆性材料基板用ホイールの製造方法について図面を用いて説明する。図１は本発明方法を実施するための簡略的なシステム構成図であり、図２は加工されるディスク状のホイールを保持するベース部分とレーザヘッド部分を示す図である。
図１に示すように、このシステム構成はモニター１１を備えた制御部１２と、該制御部１２によってコントロールされるレーザ光源部１３と、このレーザ光源部１３からのレーザビームを照射するレーザヘッド１と、加工すべきホイール２を保持するＸ−Ｙ軸移動ステージ３ａを備えた固定ベース３とからなる。
ＸーＹ軸移動ステージ３ａは図２における水平面上でＸ−Ｙ軸方向に移動できるように形成され、レーザヘッド１は図示外のＺ軸方向移動ステージによって図２における垂直方向に移動可能に並びに照射角度調整可能に形成されている。ホイール２はＸーＹ軸移動ステージ３ａに設置された回転軸３ｂに保持され、前記移動ステージ３ａと共にコンピュータ制御部によってレーザヘッド１との相対移動速度がコントロールされる。尚、符号３ｃは、焦点合わせ作業を容易にするために、ホイール２の下方に設置された白色セラミック盤である。

この形態においてレーザヘッド１から照射されるレーザビームは、ＹＡＧレーザの高調波であるが、短波長および／または短パルスのレーザビームであれば使用できるレーザの種類は特に限定されない。波長範囲が１２５〜１０６６nmであり、１パルスのパルス幅５f秒〜５０n秒でパルス繰り返し周波数が３００Ｈｚ〜５ＫＨｚの範囲のレーザビームが照射できるものであれば使用できる。
また、レーザヘッド１から照射されるレーザビームによって加工される工作物の加工部位の最大厚さは、２００μｍ以下であればよい。加工部位の最小厚さについては、実際に加工できる薄さであれば特に限定されない。なお、加工しやすさの点から、加工部位の厚さが１〜２００μｍの範囲であるのが好ましい。また、ホイール２とレーザヘッド１との相対移動速度は、３．０ｍｍ／秒以下にコントロールされる。ただし、移動速度の下限については、特に限定されないが、加工時間が長すぎて実用上問題とならない程度であればよい。より好ましくは０．１μｍ〜３．０ｍｍ／秒にコントロールするのがよい。
レーザヘッド１から照射されるレーザビームの実質的な出力は、０．００２Ｗ〜５．０Ｗ程度である。制御部１２は、レーザヘッド１に対してレーザの波長、パルス幅およびパワー密度をコントロールしてレーザアブレーション加工に最適なパルスレーザビームをレーザ光源部１３から照射させる。
なお、以下の説明における「レーザヘッド１の移動」とは、レーザビームを照射するレーザヘッド１と加工すべきホイール２を保持するＸ−Ｙ軸移動ステージ３ａの相対移動を意味する。また、以下の説明における「レーザビームの移動軌跡」とは、レーザヘッド１とＸ−Ｙ軸移動ステージ３ａの相対移動によって形成されるレーザビームの軌跡を意味する。

本発明に係るホイールは、各種脆性材料を割断（分断）する為に、被加工対象の脆性材料にスクライブラインを形成させる目的でスクライブ動作に用いられる従来のホイールを更に加工して、そのスクライブ性能を向上させた物である。すなわち、従来のホイールの周辺稜線に沿って凹凸形状を形成させる微細加工をする。従来のホイールは刃先の機能を果たす稜線部の形成の為に、円板ディスクの外周縁部に砥石を用いる研削加工により傾斜部が形成される。その形成過程で、外周縁部の傾斜部と稜線部には微小で不規則な凹凸（研削条痕）が形成されるが、そうした不規則な凹凸とは大きさが異なり、規則的でホイールの外径に応じて選択される所定の高さを有する「突起」と所定の幅と深さを有する「溝」を外周稜線部に沿って必要な数だけ微細加工して形成することにより、従来ホイールのスクライブ性能を大幅に向上させたホイールを提供することが可能となる。
不規則で微小な研削条痕を備える従来のホイールでは、スクライブ時に被加工物の内部に形成出来る垂直クラックの深さはその厚みの１０から１５％位である。一方、本発明に係るホイールはその外周稜線部に規則的な「突起」と「溝」を有することから、スクライブ時の刃先荷重が局部的にその突起物に集中する為に、水平クラックの大幅な発生を伴うことなく大きな刃先荷重が作用することになる。その結果、ホイールを被加工物の表面に転動させて行くと被加工物の厚みの８０％近くの深さにも達する垂直クラックがスクライブラインの直下に連続して形成される。この結果、従来の刃先に代えて本発明に係る刃先を脆性材料の割断（分断）工程に用いると、スクライブ後に必要なブレイク工程が簡略化することが可能となる。更に、基板の材質やその厚みにも関係するが、場合によってはブレイク工程そのものを不要とする割断（分断）工程を実現させることが可能となる。従って、そうした垂直クラックが深く形成される刃先を用いるスクライブ装置をＦＰＤ（平面表示体）パネルの生産設備の分断ライン構成に採用することにより、ライン構成においてブレイク装置の簡略化又は省略化を可能とするコストメリットのあるライン設備の構築が可能となる。
本発明に係るホイールを製造するに当たって、図３及び図４に示す様に焼結ダイヤモンドを材料とする従来のディスク状ホイール２を用いてそれを追加加工する。従来ホイール２はその円周方向に沿って外周面にＶ字形で刃先の機能を果たす稜線部２ａを有している。このホイール２を移動ステージ３ａの回転軸３ｂに軸孔２ｄを介して水平に装着する。ホイール２を静止させた状態でホイール２の側面から稜線部２ａを含むホイール外周部に向かってレーザビームを円形の軌跡Ｒに沿って移動させながら照射する。
この場合、図４および図５に示すように円形の軌跡Ｒの一部が稜線部２ａにあたるように設定することにより、図６に示すような一つの円弧状の溝部２ｂを加工することができる。次いで、図２に示した回転軸３ｂを、予め入力したパラメータに基づき、所定角度（１ピッチ分）だけ回転させて同様にレーザビームを照射し、順次これを繰り返すことにより、図７に示す様に、従来ホイール２を多数の微細な突起２ｃと溝部２ｂを備えたホイール２’に加工することができる。

加工される溝部２ｂの深さＨは、レーザビームの移動軌跡によって描かれる図形をホイールの半径方向にずらせることによって微調整することができ、また、レーザビームの移動軌跡によって描かれる図形の大きさを変えることによって溝部の円周方向の長さを微調整することができる。

上記レーザビームの軌跡Ｒは図４のような円形に限るものでなく、例えば図８(a)の四角形Ｒ’や、図８(b)の三角形Ｒ’’としてもよく、その他の多角形の閉曲線や閉曲線を形成しない曲線、直線で形成することも可能である。また、これらのうちの異なる図形を複数組み合わせて用い、１つの溝加工を行ってもよい。これらの図形を用いる場合でも、レーザビームの移動軌跡によって描かれる図形をホイールの半径方向にずらせることによって加工される溝部の深さを微調整することができ、また、レーザビームの移動軌跡によって描かれる図形の大きさを変えることによって溝部の円周方向の長さを微調整することができる。

図９〜図１３は夫々段落「０００５」で述べたレーザ加工終点側に生じる「非対称」現象をなくすための実施例を示す。
図９の実施例では、同図(a)に円形の移動軌跡を有するレーザビームを加工すべき溝部の一端縁相当部分から一方向に移動させて一回目の照射Ｒ１を行うことにより溝部の一部を加工し、次いで二回目の照射Ｒ２でレーザビームを未完成溝部の他端縁相当部分から前記とは反対方向に移動させることにより同図(b)に示すような一つの溝部２ｂを完成させるようにした。この場合、同図(c)に示すように一回目のレーザビームの軌跡より二回目のレーザビームの軌跡の方が小さくなるようにするのがよい。これにより照射時間の短縮を図ることができる。
また、図１０に示すように、円形の移動軌跡を有するレーザビームを加工すべき溝部の一端縁相当部分から一方向に移動させて一回目の照射Ｒ１を行い、次いで二回目の照射Ｒ２を、レーザビームの軌跡がホイール２に対して一回目の照射の際と同じ部位に位置するようレーザビームを移動させ、かつ一回目の照射Ｒ１におけるレーザビームの移動方向と二回目の照射Ｒ２におけるレーザビームの移動方向が互いに反対方向となるようにレーザビームを移動することができる。これにより、前記の非対称現象をなくすことができる。

図１１で示された実施例では、形成すべき溝部の加工輪郭線ｂを分割予定線ｃを境として二つに分割し、夫々分割された部分を一回目と二回目のレーザビームで加工するようにした。図１１の実施例では加工される溝部２ｂの形状が円弧である場合を示しているのに対し、図１２では溝部２ｂの形態が開口部を上に向けたコ字形であり、図１３では溝部２ｂの形態がＶ形である場合を示し、何れも加工輪郭線ｂによって分割された部分を一回目と二回目のレーザビームで加工するようにした。

図１４は、前述した「えぐれ」の発生（図２２参照）をなくすための実施例を示す。この実施例では、ホイール２の左右両面側からレーザビームを交互に、或いは同時に照射して溝部を加工する。この場合、レーザビームの照射方向がホイール軸線Ｘに対して近づくように（図２２の従来例はホイール軸線と平行に照射）、所定の傾きをもって形成する。所定の傾きとは、レーザビーム照射線Ｓを境とする上位側斜面とレーザビーム照射線Ｓとの角度をα、下位側斜面との角度βとしたときに、αが大きくなりβが小さくなってαとβとが近づく方向に（ホイール軸線Ｘと平行な方向から）傾けることをいう。これによりレーザビーム照射線Ｓを境とする上位側斜面とレーザビーム照射線Ｓとの角度αが、下位側斜面との角度βに近づくようになって、偏って多くの照射熱を上位側斜面が受けることを緩和し、これにより上記した「えぐれ」の発生を防止することができる。

本発明の脆性材料基板用カッターホイールの製造方法では、レーザビームの光軸と直交する断面の外縁部におけるエネルギー分布の均一性を測定し、前記測定結果に応じて前記レーザビームの前記外縁部の特定位置を使って工作物を加工することができる（以下、「特定位置使用法」と称する）。
特定位置使用法の実施の形態を、図４〜図６に示した前記の実施例および図１５を参照しながら説明する。図１５は、特定位置使用法による溝部２ｂの形成方法を説明するための図２の固定ベース２の平面図である。
図２のＸ−Ｙ軸移動ステージ３ａに加工すべきホイール２を静止させた状態でホイール２の側面から稜線部２ａを含むホイール外周部に向かってレーザビームを円形の軌跡Ｒに沿って相対移動させながら照射する場合、図４および図５に示すように円形の軌跡の一部が稜線部２ａにあたるように設定がなされ、図６に示すような一つの円弧状の溝部２ｂが形成される。
図１５で説明すると、まず、第１番目の溝部２ｂを形成するためには、レーザヘッド１から照射されるレーザビームＬＢに対して、ＸーＹ軸移動ステージ３ａ（図２参照）の回転軸３ｂ（図２参照）に保持されたホイール２を、レーザビームＬＢに接近させ、例えば図中の実線で示したホイール２の外周部にレーザビームＬＢの角度位置Ｌ１が対向するように位置させ、前記円弧状の溝部２ｂを形成する。次いで、ホイール２をレーザビームＬＢから離し、回転軸３ｂを角度θだけ回転させ、さらに回転軸３ｂに保持されたホイール２をレーザビームＬＢに接近させ、角度位置Ｌ１に対向するホイール２の外周部に第２番目の溝部２ｂを形成する。このような動作を順次繰り返すことにより、ホイール２の外周に所定の間隔でn個の溝部２ｂを形成する。
このとき、稜線部２ａに照射されるレーザビームＬＢは、そのレーザビームの光軸と直交する断面の外縁部の同じ角度位置Ｌ１が稜線部２ａに当たることになる。

一方、レーザビームＬＢは、通常、照射面におけるレーザビームの形状が真円ではないため、レーザビームＬＢの光軸と直交する断面の外縁部におけるエネルギー分布は全周で必ずしも均一ではない。
そのため、ホイール２に対向する前記レーザビームの前記外縁部にエネルギー分布が著しく低下した部分があった場合、例えば前記角度位置Ｌ１にエネルギー分布が著しく低下した部分があった場合、レーザビームの前記外縁部におけるエネルギー分布が均一であると想定してレーザビームを相対移動させながら照射すると、レーザビームの移動軌跡が予定する図形を描けないという不具合が生じる。
そこで、特定位置使用法を用いて上記の不具合を防止する実施の形態を説明する。
まず、図１５のＸ−Ｙ軸移動ステージ３ａ（図２参照）の回転軸３ｂにテストピースを保持させる。テストピースは、工作物であるホイール２と同じ材質、形状のものである。
レーザヘッド１からレーザビームＬＢを、例えば工作物に描かれるのと同じ図形を描くように、前記テストピースに対して相対移動させながら照射し、それによって得られたレーザ加工部位を、例えば顕微鏡で観察する。この観察結果に基づいて、前記レーザビームＬＢの光軸と直交する断面の外縁部におけるエネルギー分布の均一性を判断する。すなわち、前記レーザ加工部位において、加工予定線とのずれがあったり、非加工部位との境界面が入り乱れていたりする場合には、前記レーザ加工部位に当たる前記レーザビームＬＢの外縁部の角度位置Ｌ１を避け、前記レーザビームＬＢの外縁部の異なる角度位置、例えば図中の角度位置Ｌ２〜Ｌ４で、上記と同様に、テストピースに対して前記レーザビームＬＢを相対移動させながら照射し、それによって得られたレーザ加工部位を同様に顕微鏡で観察し、この観察結果に基づいて、前記レーザビームＬＢの光軸と直交する断面の外縁部におけるエネルギー分布の均一性を判断する。
前記レーザ加工部位に上記のような不具合の発生がないと判断された場合には、そのレーザ加工部位に当たった前記レーザビームＬＢの外縁部の角度位置を、例えば図中の角度位置Ｌ２〜Ｌ４のうちのいずれかを「特定位置」とみなし、この特定位置を使って工作物であるホイール２のレーザ加工を行う。

具体的には、Ｘ−Ｙ軸移動ステージ３ａの回転軸３ｂにホイール２を保持させ、レーザヘッド１から照射されるレーザビームＬＢの前記した「特定位置」に対向する位置（例えば、図中の破線で示したホイール２のいずれかの位置）に相対移動させる。次いで、レーザビームＬＢの前記特定位置がホイール２の加工部位に当たりながら前記閉曲線を描くようにＸ−Ｙ軸移動ステージ３ａを移動させて、ホイール２の溝加工を行う。第１番目の溝加工が終了すると、回転軸３ｂを所定の角度θだけ（１ピッチ）回転させ、上記の溝加工によって形成された溝加工部位に隣接する溝加工予定部位に、上記同様にレーザビームＬＢの前記特定位置が当接するようにＸ−Ｙ軸移動ステージ３ａを前記閉曲線を描くように移動させて第２番目の溝加工を行う。以下同様に、ｎ個の溝加工を行う。
上記の特定位置使用法を用いることにより、工作物は、常にレーザビームＬＢのエネルギー分布に偏りがなく曲率が一定した外縁部を介してレーザビームＬＢと当接するので、レーザビームＬＢの移動軌跡Ｒが予定する円形等の閉曲線を描けないという不具合を解消することができる。

本発明の製造方法によって加工される脆性材料基板用ホイール２は、Ｖ字形の稜線部の刃先角度が８５〜１６０度であり、ホイールの外形が１〜２０ｍｍであり、ホイールの厚さが５ｍｍ以下であり、前記突起と溝の長さが５〜２００μｍであり、突起の高さが０．５〜２０μｍとした範囲内のものであれば従来刃先を効果的に加工して、従来刃先のスクライブ性能を大幅に上回る性能として、深い垂直クラックを形成させる高浸透効果を有する刃先、または脆性材料表面への「かかり」がいい効果を有する刃先を製造することが出来る。
なお、前記した発明を実施するための最良の形態に示した焼結ダイヤモンドのレーザによる微細加工では、加工部位のグラファイト化はほぼ完全に抑えることができ、精確な加工形状を形成することができた。

〔実験〕
砥石を用いた従来の研削加工により溝を形成した脆性材料基板用ホイールと、本発明のレーザ加工により溝を形成した上記ホイールについて、ラマン分光分析を行った。
それぞれのホイールは、同じ焼結ダイヤモンドを材料とする同じ寸法および形状のもの（直径２ｍｍ、厚さ０．６５ｍｍ、刃先角度１１５°）である。溝を形成するレーザの移動軌跡は直径４８μｍの円であり、この円の円周のうちの長さ７μｍの円弧がホイールを切り込むように設定した。

表１は、ラマン分光分析の分析装置の測定条件を示す。

図１６（a）および（ｂ）はホイール２’に対するラマン分光分析用の入射光の入射方向を矢印で示し、図１６（ｃ）はホイール２におけるラマン分光分析用の測定ポイントＰ１及びＰ２を示す。

表２は、本発明のレーザ加工における加工条件を示す。

なお、表２の「ディフォーカス／ビーム径 ０μｍ／４μｍ」とは、加工面であるホイール２の稜線部２aにレーザビームを合焦させた際、加工面におけるビーム径は４μｍまで絞られたことを示す。

図１７は砥石を用いた従来の研削加工により溝を形成したホイールのラマン分光分析結果を示し、図１８は本発明のレーザ加工により溝を形成したホイールのラマン分光分析結果を示す。さらに、図１９は従来のレーザ加工により溝を形成したホイールのラマン分光分析結果を示す。
これらの図１７〜図１９において、横軸は散乱光の周波数を、縦軸はラマン散乱光強度を表している。また、ピークＡはダイヤモンドのラマンシフト（1332.5cm^−１）を示し、ピークＢはグラファイトのラマンシフト（1580.0cm^−１）を示す。

図１７（a）は、図１６（ｃ）の測定ポイントＰ１におけるラマン分光分析結果を示し、図１７（ｂ）は、図１６（ｃ）の測定ポイントＰ２におけるラマン分光分析結果を示す。これらの結果からあきらかなように、砥石を用いた従来の研削加工により溝を形成した場合、ホイールの表層にグラファイトを形成させることなく微細加工ができる。
図１８（a）は、図１６（ｃ）の測定ポイントＰ１におけるラマン分光分析結果を示し、図１８（ｂ）は、図１６（ｃ）の測定ポイントＰ２におけるラマン分光分析結果を示す。これらの結果からあきらかなように、本発明のレーザ加工によれば、砥石を用いた従来の研削加工と同様に、ホイールの表層にグラファイトを形成させることなく微細加工ができる。

図１９は、本発明のレーザ加工の条件範囲からはずれた条件でのラマン分光分析結果であり、具体的には、レーザビーム波長３５５ｎｍ、出力５．０Ｗ、レーザパルス幅が２５ｎ秒、繰り返し周波数が１０ＫＨｚのレーザビームを用いて、ホイールとレーザビームの相対移動速度を０．５ｍｍ／秒として前記ホイールの加工部位に照射して、加工部位の厚さが１０μｍである前記ホイールを微細形状に加工したものである。なお、測定ポイントは図１６（ｃ）の測定ポイントＰ１である。この条件では、明らかにグラファイト化している。本発明のレーザ加工の条件範囲から外れた場合は、他の条件でも同様にグラファイト化する傾向が見られた。
これらの結果からあきらかなように、本発明のレーザ加工における条件範囲に従ってレーザ加工を行うことにより、レーザ加工によるグラファイト化の進行を、砥石を用いた従来の研削加工と同程度に抑えることができる。

〔他の実施の形態〕
本発明の脆性材料基板用カッターホイールの製造方法では、少なくとも二軸方向に粗調整可能に移動される粗調整移動部と、粗調整移動部上で少なくとも二軸方向に微調整可能に移動される微調整移動部と、微調整移動部上で前記ホイールを所定角度回転可能に支持する回転支持部とを備えた支持手段を介して前記ホイールを支持し、レーザビームを前記ホイールに対して相対移動させながら前記ホイールの加工部位に照射することができる（以下、「ナノステージ使用法」と称する）。
ナノステージ使用法の実施の形態を、図２０を参照しながら説明する。図２０は、ナノステージ使用法に用いられるナノステージの図である。
図２のＸ−Ｙ軸移動ステージ３ａが、ＸおよびＹ軸方向に調整可能に移動されるステージであるのに対して、図２０に示したナノステージは、ＸおよびＹ軸方向に粗調整可能に移動される粗調整ステージ３１と、粗調整移動ステージ３１上でＸおよびＹ軸方向に微調整可能に移動される微調整移動ステージ３２とからなる点で構成が異なる。他の構成は共通するので、説明は省略する。
ナノステージは、加工すべきホイール２を静止させた状態でホイール２の側面から稜線部２ａを含むホイール外周部に向かってレーザビームを、図４に示すように、例えば、直径１０μｍの円形の軌跡Ｒに沿って相対移動させながら照射する場合、±０．１μｍ〜±０．５μｍの精度で移動可能なものが好ましい。
ナノステージを用いることによって、レーザビームを精確に相対移動させて所望する図形（移動軌跡）を前記ホイールに描くことができる。

本発明は、ガラス、セラミックス、単結晶シリコンあるいはサファイヤなどの脆性材料基板、液晶パネル、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のフラットパネルディスプレイ用のパネル基板に対して、スクライブ開始時の「かかり」の良いホイールとか、基板内部に深く形成される垂直クラックの形成を伴う、スクライブラインの真直度が良くブレイクした分断後の断面品質の良いスクライブ動作を提供するホイールを製造するのに利用できる。
なお、本発明に係るレーザ加工にて製造可能なホイールとしては、図４に図示された従来のホイール２に加えて、図２３に図示された軸とホイール本体とが一体となったホイール４１についても、軸部に相当する部分を凹み部分のある治具に載置し、位置がずれない様にエヤー管５にて吸引させるなどして図２に対応する様な機器配置にてホイール４１の円周稜線部をレーザ加工することにより、上記した図４のホイール２の場合と同様に、スクライブ性能が向上するホイールを製造することが出来る。

Claims (19)

1. 焼結ダイヤモンドを材料とする工作物に対してレーザビームを前記工作物に対して相対移動させながら前記工作物の加工部位に照射して加工部位の最大厚さが２００μｍ以下の範囲で前記工作物を微細形状に加工することを特徴とするレーザによる焼結ダイヤモンドの微細加工方法であって、レーザビームは、波長範囲が１７５〜１０６６ｎｍであり、１パルスのパルス幅５ｆ秒〜５０ｎ秒でパルス繰り返し周波数が３００Ｈｚ〜５ＫＨｚである焼結ダイヤモンドの微細加工方法。
2. 前記工作物とレーザビームの相対移動速度を０．１μｍ／秒〜３．０ｍｍ／秒として前記レーザビームを前記工作物に対して相対移動させながら前記工作物の加工部位に照射する請求項１に記載のレーザによる焼結ダイヤモンドの微細加工方法。
3. 焼結ダイヤモンドを材料とし、外周面に刃先となるＶ字型の稜線部を有する脆性材料基板用カッターホイールにおいて、ホイール側面側からレーザビームを前記ホイールに対して相対移動させながら照射して、前記稜線部分にホイール半径方向に向かって開口した微細な溝部を周方向に所望する間隔をあけて連続して形成する工程を含み、前記レーザビームを前記ホイールに対して相対移動させながら前記ホイールの加工部位に照射して加工部位の最大厚さが２００μｍ以下の範囲で前記ホイールを微細形状に加工することを特徴とするレーザによる脆性材料基板用カッターホイールの製造方法であって、レーザビームは、波長範囲が１７５〜１０６６ｎｍであり、１パルスのパルス幅５ｆ秒〜５０ｎ秒でパルス繰り返し周波数が３００Ｈｚ〜５ＫＨｚである脆性材料基板用カッターホイールの製造方法。
4. 前記ホイールとレーザビームの相対移動速度を０．１μｍ／秒〜３．０ｍｍ／秒として前記レーザビームを前記ホイールに対して相対移動させながら前記ホイールの加工部位に照射する請求項３に記載の脆性材料基板用カッターホイールの製造方法。
5. レーザビームがパルスレーザビームであって、レーザアブレーション加工により溝部を形成する請求項３に記載の脆性材料基板用カッターホイールの製造方法。
6. レーザビームの前記ホイールに対する相対的な移動軌跡が、同じパターンの図形である請求項３に記載の脆性材料基板用カッターホイールの製造方法。
7. 前記図形が、円、楕円あるいは多角形の閉曲線または閉曲線を形成しない曲線、直線である請求項６に記載の脆性材料基板用カッターホイールの製造方法。
8. レーザビームの前記ホイールに対する相対的な移動軌跡によって描かれる図形をホイールの半径方向にずらせることによって加工される溝部の深さを調整し、レーザビームの移動軌跡によって描かれる図形の大きさを変えることによって溝部の円周方向の長さを調整するようにした請求項７に記載の脆性材料基板用カッターホイールの製造方法。
9. レーザビームを加工すべき溝部の一端縁相当部分から一方向に前記ホイールに対して相対移動させて一回目の照射を行うことにより溝部の一部を加工し、次いで二回目のレーザビームを未完成溝部の他端縁相当部分から前記とは反対方向に前記ホイールに対して相対移動させて一つの溝部を完成させるようにした請求項７に記載の脆性材料基板用カッターホイールの製造方法。
10. レーザビームの一回目の照射並びに二回目の照射において、それぞれのレーザビームの前記ホイールに対する相対移動軌跡が閉曲線であって互いにホイール周方向にずれている請求項９に記載の脆性材料基板用カッターホイールの製造方法。
11. 溝部におけるレーザビームの前記ホイールに対する相対移動軌跡を円弧とし、一回目と二回目のレーザビームの円弧の大きさが異なるようにした請求項９に記載の脆性材料基板用カッターホイールの製造方法。
12. 分割予定線を境として形成すべき溝部の加工輪郭線を二つに分割し、夫々分割された部分を一回目と二回目のレーザビームで加工するようにした請求項９に記載の脆性材料基板用カッターホイールの製造方法。
13. ホイールの左右両面側からレーザビームを交互に、あるいは同時に照射して溝部を加工するようにした請求項３に記載の脆性材料基板用カッターホイールの製造方法。
14. ホイールの左右両面側から照射するレーザビームの照射方向がホイール軸線に対して近づくように、所定の傾きをもって形成されている請求項１３に記載の脆性材料基板用カッターホイールの製造方法。
15. レーザビームの光軸と直交する断面の外縁部におけるエネルギー分布の均一性を測定し、前記測定結果に応じて前記レーザビームの前記外縁部の特定位置を使って工作物を加工することを特徴とする請求項３に記載の脆性材料基板用カッターホイールの製造方法。
16. 少なくとも二軸方向に粗調整可能に移動される粗調整移動部と、粗調整移動部上で少なくとも二軸方向に微調整可能に移動される微調整移動部と、微調整移動部上で前記ホイールを所定角度回転可能に支持する回転支持部とを備えた支持手段を介して前記ホイールを支持し、レーザビームを前記ホイールに対して相対移動させながら前記ホイールの加工部位に照射するようにした請求項３に記載のレーザによる脆性材料基板用カッターホイールの製造方法。
17. レーザビームが、ＹＡＧレーザの第２〜第５高調波で構成される請求項３乃至請求項１６のいずれかに記載の脆性材料基板用カッターホイールの製造方法。
18. 請求項３乃至請求項１７のいずれか一つに記載の脆性材料基板用カッターホイールの製造方法を用いて製造された脆性材料基板用カッターホイール。
19. ホイールの外周面に頂点を刃先とするＶ字形の稜線部が形成され、この稜線部の全周にわたって突起と溝が交互に連続して複数個形成された脆性材料基板用カッターホイールであって、前記Ｖ字形の稜線部の角度が８５〜１６０度であり、ホイールの外形が１〜２０ｍｍであり、前記突起と溝からなるピッチの長さが５〜２００μｍであり、突起の高さが０．５〜２０μｍであることを特徴とする請求項１８に記載の脆性材料基板用カッターホイール。

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