JP5345334B2 - 脆性材料の熱応力割断方法 - Google Patents

Description

本発明は脆性材料、なかんずくフラットパネルディスプレイ用ガラスを熱応力を利用して高速に割断する脆性材料の熱応力割断方法に関する。以下、脆性材料としてガラスを例に説明するが、本発明は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。

最近ガラス割断において、過去１世紀にわたって使用されてきたダイアモンドチップによる機械的方法に代わって、レーザ光照射による熱応力割断方法が使用されるようになってきた。

このレーザ割断方法によれば、機械的方法に固有の欠点、すなわちマイクロクラック発生によるガラス強度の低下、割断時のカレット発生による汚染、適用板厚の下限値の存在などが一掃できる。

このレーザ割断方法によれば、機械割断の場合には後工程として必要であった研磨、洗浄が不要になり、面粗さ１μｍ以下の鏡面が得られ、製品外形寸法精度は±２５μｍ以上になる。さらにガラス板厚０．０５ｍｍまでの薄さにも使用でき、今後の液晶表示器用ガラス、プラズマディスプレイ用ガラス、携帯電話などの携帯表示器用ガラスなどに使用できる。

レーザ割断方法の原理は次の通りである。ガラスに局所的に加熱だけが発生し、気化、溶融やクラックが発生しない程度のレーザ光照射を行なう。この時ガラス加熱部は熱膨張しようとするが周辺ガラスからの反作用にあい十分な膨張ができず、この加熱領域には圧縮応力が発生する。周辺の非加熱領域でも、加熱部からの膨張に押されてさらに周辺に対して歪みが発生し、その結果圧縮応力が発生する。こうした圧縮応力は加熱中心点を原点とした半径方向のもので、加熱が発生後ほとんど音速でガラス板全域に伝播する。ところで物体に圧縮応力がある場合には、その直交方向にはポアソン比に比例した引っ張り応力が発生する。ここでは、その方向は接線方向である。この様子を図３に示す。

図３は、原点に中心をおくガウシアン分布の温度上昇がある場合の、半径方向応力成分σ_ｘと接線方向応力成分σ_ｙの変化を示したものである。半径方向応力成分σ_ｘは終始圧縮応力（図３では負値）であるが、接線方向応力成分σ_ｙは加熱中心（距離ｒ＝０）では圧縮応力であるが、加熱中心から離れると引っ張り応力（図３で正値）に変化する。

これらの応力のうち、割断に関係するのは引張り応力である。引張り応力が材料固有値である破壊靱性値を超える時には、破壊が随所に発生し制御不能である。レーザ割断方法の場合には、引張り応力をこの破壊靱性値以下に選定しておくので、こうした破壊は発生しない。

ところが、引張り応力存在位置に亀裂がある場合にはこの亀裂先端では応力拡大が発生し、この拡大された応力が材料の破壊靱性値を超えると亀裂が拡大する。すなわち、亀裂先端から加熱中心に向かって亀裂が進展するという制御された割断が生じることになる。したがって、レーザ照射点を先行走査することで、亀裂を延長させていくことができる。このレーザ割断方法では、割断面は結晶の劈開面に類似のものになるので、マイクロクラックもカレット発生もなく、前記した機械的方法の欠点が一掃できて、ガラスの加工方法として優れた特性を生み出すのである。

このガラスのレーザ割断方法にはコンドラテンコ氏の貢献が大きく、同氏による特許文献１の日本特許が成立している。特に同氏は、加熱領域周辺に発生する引張り応力によってのみ割断を実現させるのでなく、引張り応力の最大点付近に冷却を行ない、このときガラスの収縮によって増幅される引張り応力が割断強化に役立つことを主張した。すなわち、加熱と冷却の併用によって割断が効率よく実現できる事を提案した。

図４に特許文献１によるレーザ割断方法の原理を示す。加熱用レーザ光としてはＣＯ_２レーザ光が使用される。ＣＯ_２レーザ光のビームスポット１におけるエネルギーの９９％は、ガラス板６の深さ３．７μｍのガラス表面層において吸収され、ガラス板６の全厚さにわたって透過しない。これは、ＣＯ₂レーザ波長におけるガラスの吸収係数が著しく大きいことによる。この結果、加熱はガラス板６の表面層のみで発生し、この加熱領域では圧縮応力４が発生する。一方、この加熱領域から外れた位置である冷却点３で冷却を行なう。このとき引張り応力２が発生し、この冷却点３から後方に初亀裂８を出発点とする表面スクライブ５が発生する。このスクライブ５の深さは、ガラス板６中の熱伝導によって助けられても通常１００μｍ程度である。しかしながら、ガラス板６は脆性が強く、このスクライブ線にあわせて曲げ応力を印加し機械的に割断することが容易である。この曲げ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。レーザビームは走査方向７の方向に走査される。この方法は従来方法である機械的方法に比較すれば数多くの長所があり、フラットパネルディスプレイ装置の生産に徐々に応用されるようになって来た。

本技術に対しては、提案者のコンドラテンコ氏以来多くの改良がなされ、数多くの特許出願がなされている。ここでは、特に効果が顕著である特許文献２を説明する。
特許文献２では、図４に示すレーザビーム１の形状を図５に示す５点ビームによるレーザビームの線状配列９にしている。また、レーザビームの線状配列９による加熱領域Ｈと冷却点３間の距離Ｇを固定でなく、可変にしている。実験的に探索された最適距離Ｇの選択によって、割断特性が一段と改善される。
レーザビーム線状配列９の生成手段の一例を図６に示す。レーザ発振器から射出されビームスプリッター１４に入射するレーザビームＢは、無反射面１１を通過してビームスプリッター１４に入る。その後、部分反射面１３で反射され、射出光ｂ１と反射光になる。反射光は全反射面１０で反射され、その反射光は部分反射面１３によって、同様に射出光ｂ２と反射光になる。これを４回繰り返した後、射出光ｂ５は５本目のビームになって、無反射面１２を透過する。このようにして、１本の入射レーザビームＢは５本の射出ビームｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ４、ｂ５に変換される。こうした線状配列９によるレーザビームの使用によってガラス割断特性は一段と改善された。
特許第３０２７７６８号明細書 特許第３７９２６３９号明細書

ガラスの熱応力割断の実用化においては、加工速度が従来技術を凌駕することが求められている。加工品質においては、問題なく従来技術を大きく凌駕している。加工速度の高速化においては、素プロセス間処理時間の短縮も重要であるが、素過程としての割断速度の高速化が何よりも重要であろう。他の条件を一定にしたままレーザ走査速度だけを増大させると、単位時間内の照射エネルギーが低下するので、発生する熱応力が弱まり割断力が弱まってしまう。レーザ出力が低くても、レーザビームスポットを微小化すればエネルギー密度は低下せず、局所的な加熱温度は低下しないであろう。このような考えで実験を行なったが、局所温度が上昇しても割断速度は増大できなかった。実は、発生熱応力は加熱領域内に加えられたエネルギー全量に依存するのであって、エネルギー密度には依存しないことがわかっている。

次に、レーザビーム断面積を同一にしたまま、レーザ出力と走査速度の双方を同率で増大させることを考える。この場合、ガラスの単位面積に投入されるレーザエネルギーは同一であり、速度を増大させても熱応力も割断力も低下しない。この意味では割断速度を増大できるが、ガラスの加熱温度が増大するのでフラットパネルディスプレイ装置の耐久性を考慮すれば採用できる方法ではない。

この欠点をなくすには、レーザビーム形状を走査方向に細長い形状にし、このレーザビームの長さに比例してレーザ出力と走査速度を増大させればよい。この場合ガラスの単位面積あたりのレーザエネルギーと照射時間は同一であるので、加熱温度も変化せず、走査速度を増大させても割断性能は低下しないであろう。この方法によって、レーザビーム長に比例した割断速度の達成が期待できる。しかしながら、この試みも実験を行なったところ、割断速度の増大は期待したレーザビーム長比例値よりも低いものであった。この原因は、ただ単にレーザビーム形状の最適化だけでは不十分であり、レーザビーム形状内におけるレーザ光強度分布の最適化が必要であることがわかった。

本発明はこのような課題を解決するもので、ガラスの加熱温度を増大させることなく、割断速度を飛躍的に増大させることができる脆性材料の高速熱応力割断方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明による脆性材料の高速熱応力割断方法は、レーザ発振器から射出されるレーザビーム照射によって脆性材料を加熱し、熱応力によって前記脆性材料を割断する脆性材料の熱応力割断方法において、加熱を行なうレーザビームをビーム走査方向に対して同一線上に配列した複数群から構成し、おのおのの群に対応するレーザ光強度を変化させて前記レーザビームの光強度分布を制御するものである。これにより、レーザ光強度分布の最適化をはかることによって、割断速度を大幅に向上させることができる。
ビーム走査方向に対して同一線上に配列した複数群のレーザビームはそれぞれ複数の独立したレーザ発振器からの射出ビームにより発生させることができる。
複数のレーザビーム群は少なくとも主として初期加熱及び昇温を担当する群と、主として温度維持を担当する群に分類され、おのおのの群において加熱に最適なレーザ光強度分布を持たせるようにする。
複数のレーザ発振器は、それぞれレーザ出力の大きさを測定するパワーメータを備え、フィードバック制御により出力を安定化させるように制御する。
また、複数群のレーザビームを１つのレーザ発振器から射出されたレーザビームをビームスプリッターに入射して発生させた複数本の射出光により形成することもできる。
また、レーザビーム照射により加熱された脆性材料の加熱位置からビーム走査線上の後方位置に水や空気などの冷却媒体を照射して冷却したり、レーザビーム照射により加熱された脆性材料のビーム走査線にあわせて曲げ応力を印加することにより脆性材料の熱応力割断を促進させることができる。

本発明によれば、熱応力割断の有する高品質を実現しながら、割断速度を従来技術に比較して大幅に増加させることができる。たとえば、出願人による従来のガラススクライブ装置では、最大出力１００ＷのＣＯ_２レーザ発振器を使用し、最大スクライブ速度は４００ｍｍ／secであった。これに対して、複数群のレーザビームとして１００Ｗの２本の独立したレーザ発振器を使用した本発明による２００Ｗのレーザ出力を有する装置では、最大スクライブ速度は８００ｍｍ／secを上回る速度が得られた。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チップによる機械的方式を置換できないできた。本発明はそうした事態を一変するものである。

本発明のガラスの熱応力割断方法によれば、熱応力割断の有する高品質を実現しながら、割断速度を従来技術に比較して大幅に増加させることができる。本発明のメリットを整理すると、次のようになる。
（１）ガラスの熱応力割断を従来方法に比較して大幅に高速度で行う事ができる。
（２）割断面近傍におけるマイクロクラック発生がなく、ワークの機械強度が高い。
（３）割断面が高品質であり、カレットの付着がなく清浄である。
（４）割断位置精度が高い。
（５）割断面がガラス表面に対して、十分に垂直である。
（６）割断面が鏡面で、面粗さが良好である。

このような特徴を有する本発明によるガラスの熱応力割断方法がフラットパネルディスプレイ製造過程に導入されれば、加工速度、加工品質、経済性などの向上、従来技術の弱点克服などにおいて、その効果ははかり知れないものがある。

レーザ光照射によってガラスを加熱し、ガラスを割断するレーザガラススクライブ技術において、割断速度を増大させて高速に割断する場合、加熱に要するレーザ出力を増大させること、および、加熱時間を確保するために加熱ビームの長さを長くすることはもちろんだが、単にこの２点の変更だけでは、割断に有効な加熱を得ることは困難である。それは、高速走査になると加熱先頭部分の温度上昇が遅れ、割断に有効な温度で加熱する時間が不足するためである。

これを解決するためには、低速時の処理を行なう際よりも、加熱先頭部、主に初期加熱、昇温を行うレーザビームエリアのレーザ光強度をより上昇させればよく、本発明においては、これを加熱するレーザ出力の前後方向のレーザ光強度分布を可変することにより行なうものである。このためには、加熱を行なうレーザビームをビーム走査方向に対して同一線上に配列した複数群から構成し、おのおのの群に対応するレーザ光強度を変化させることのより行なう。たとえば、２本のレーザ発振器を使用し、おのおののレーザ発振器をビーム先頭部分である、主に初期加熱、昇温を行うエリアと、中間から後半部分の、主に温度を維持し熱をガラス内部に浸透させるエリアに分割することで、課題の解決を実現した。

以下、図面とともに本発明の原理および実施例について詳細に説明する。
図１は、本発明によるガラスの高速熱応力割断方法の原理を説明する概念図である。図１（ａ）において、曲線１５はレーザ光強度分布を示す。このレーザ光強度分布１５を持つレーザビームを静止ガラスの上を照射しながら図１（ａ）において左方に移動させる。ガラス温度は室温であるが、レーザ光照射によって加熱される。図１（ａ）において、曲線１６で示すのがガラス表面温度分布で、室温からの加熱温度分である。この説明は静止ガラス上をレーザビームが走査する場合を述べているが、レーザビームが静止しており、ガラスが図１（ａ）において右方に移動していっても同一である。要は、ガラスとレーザビームの位置が相対的に移動すればよい。

室温のガラスがレーザ光照射を受けると、徐々に加熱が進行しガラス表面温度が上昇を開始する。一方、レーザ光からガラスに移動した熱エネルギーは、ガラス中の熱伝導と表面からの熱輻射によって失われていく。この分を補う入力熱量があれば、ガラス温度は一定値を維持できる。この様子を、レーザ光強度分布１５とガラス表面温度分布１６が示している。図１（ａ）に示すように、ガラス表面温度分布１６ができるだけ一定値を取るためには、室温ガラスの加熱時期ではレーザ光強度分布１５は大きな値が必要であり、レーザ光強度分布１５に示す初期ピークが必要である。この後のガラス一定温度時期では、所要のレーザ光強度分布１５は低下してもよい。やがてレーザ光強度がゼロになるとガラス表面温度も低下を開始し、室温に戻る。この位置で通常は冷却を行ない、ガラス表面温度は室温以下に低下する。このとき発生する引っ張り熱応力が、ガラス割断の原動力になるのである。

この条件下で走査速度を増大させた場合を、図１（ｂ）に示す。このとき、単位時間当たりの入力エネルギーが低下するので、ガラス表面温度１６は図１（ｂ）に示すように加熱の立ち上がりが遅れる。加熱後の維持温度も、入力熱エネルギーが低下するだけ低下するが、初期の加熱時期に比べればその影響するところは小さいであろう。したがって、高速走査時にも低速走査時と同様の加熱を実現するためには、レーザ光強度分布における初期ピークは、図１（ｃ）の曲線１７で示すように大きな値を取る必要がある。このように、レーザ光強度分布１７における初期ピークを大きな値とすることにより、ガラス表面温度分布は曲線１８で示すように低速走査時と変わらないものになる。

つぎに、本発明の実施例について説明する。図２（ａ）は、本発明の実施例１におけるレーザビーム形状を示す概念図である。本実施例は複数の照射レーザビームを２本のレーザ発振器で発生させる実施例である。レーザ発振器としては、ガラスなどの脆性材料に対して不透明なレーザ光を発振するレーザ発振器、たとえば、ＣＯ_２レーザやＣＯレーザなどが使用される。２本のレーザ発振器で発生させた２本のレーザビームにおけるレーザ光強度分布を曲線１９および２０で示す。これら２本のレーザビーム１９、２０は、走査方向に対して同一線上に前後して互いに重ならないように配列し、その一方のビーム１９を図２中に示す加熱先頭部に充当させ、他方のビーム２０を図２中に示す温度維持部に充当させる方法である。本実施例では、２本のレーザビーム１９、２０の光エネルギー強度をレーザ光走査速度に応じてそれぞれ独立に変化させることができる。各ビームを発生させる２本の独立のレーザ発振器には、出力を測定するパワーメータを備え、フィードバック制御によってレーザ出力を所要値に安定化できるようにしてある。フィードバック制御によってレーザ出力を所要値に安定化させる方法は周知であるので説明を省略する。

図２（ｂ）は、実施例１を低速走査で行なう場合を示す。この場合には、加熱先頭部レーザビーム１９１は温度維持部レーザビーム２０１に比較して相対的にエネルギー強度を必ずしも高くする必要はなく、加熱先頭部レーザビーム１９１のエネルギー密度を温度維持部レーザビーム２０１のエネルギー密度より高くなくても、ガラス表面温度分布１６が略一定の所望のガラス表面温度分布１６が実現できる。この様に加熱先頭部レーザビーム強度をコントロールすることは、前記したレーザ出力制御技術で実現できる。
加熱先頭部レーザビーム１９１および温度維持部レーザビーム２０１で構成されたレーザビームをガラス表面に照射して切断予定線に沿って走査させると、ガラスの表面は表面温度分布１６で示すように略一定の温度に加熱されて、ガラス表面に熱応力により亀裂が進行してスクライブ線が形成される。亀裂はガラスの熱伝導によりガラスの深さ方向にも伸びて亀裂がガラスの裏面に達すればガラスは割断される。亀裂がガラスの裏面に達しない場合は、脆性材料のビーム走査線に沿って形成されたスクライブ線にあわせて曲げ応力を印加することにより割断させることができる。
なお、図５のように、レーザビーム照射により加熱されたガラスの加熱領域Ｈからビーム走査線上の後方に離間した位置３に水や空気などの冷却媒体を照射して冷却することにより脆性材料の熱応力割断を促進させることができる。

図２（ｃ）は、実施例１を高速走査で行なう場合で、本発明の本命的使用の場合である。この場合は、先頭加熱部レーザビーム１９２を温度維持部レーザビーム２０２に比較して十分高いエネルギー強度にして、ガラス表面の一定温度分布１６の維持を実現する。この場合も、前記したレーザ出力制御技術が使用される。われわれはこの方法で、それぞれのレーザ出力１００Ｗの２本のレーザ光を使用することにより、単独レーザ光での４００ｍｍ／secの割断速度を大幅に上回る８００ｍｍ／secの割断速度を実現できた。

本実施例は複数の照射レーザビームを図６に示したビームスプリッターを使用して発生させる実施例である。すなわち、本発明における先頭加熱部レーザビームと温度維持部レーザビームの双方ともに図６に示すようなビームスプリッターを使用して多点配列で構成することができる。この場合、多点配列は図５とは異なって互いに重ならないように配列する。たとえば、１本のレーザ発振器から射出されたレーザビームＢをビームスプリッター１４に入射して８本の射出光ｂ１〜ｂ８を発生させ、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）における先頭加熱部レーザビーム１９、１９１、１９２は３本の射出光ｂ１〜ｂ３による３点、温度維持部レーザビーム２０、２０１、２０２は５本の射出光ｂ４〜ｂ８による５点というように設定して加熱する。この方式で一般に先頭加熱部レーザビーム１９、１９１、１９２に対応する３本の射出光ｂ１〜ｂ３を温度維持部レーザビーム２０、２０１、２０２に対応する５本の射出光ｂ４〜ｂ８より高エネルギー密度にすることができる。
その他の構成および動作は実施例１と同一であるので、説明を省略する。

このような多点配列では、図６における部分反射面１３の反射率が一定であれば各点におけるレーザ光強度は順次低下するが、部分反射面１３の反射率を制御することによって各点のエネルギー強度を選択することもできる。

液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイなどのフラットパネルディスプレイに用いるガラスの切断が、現在はダイアモンドカッターで行われており、カレット発生のための切断後の洗浄工程の必要性や、マイクロクラックの存在による強度低下などの問題を呈している。本発明によるガラスの高速熱応力割断方法は、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイなどのフラットパネルディスプレイや、携帯電話などの携帯表示器用ガラスなどに用いるガラスの割断、あるいは、石英、セラミック、半導体などの各種の脆性材料の割断に使用することができる。

本発明の動作原理を説明するためのレーザ光強度分布およびガラス温度分布の概念的特性図 本発明の実施例を説明するためのレーザ光強度分布およびガラス温度分布の概念的特性図 レーザ割断方法の熱応力発生原理を説明するための、原点に中心をおくガウシアン分布の温度上昇がある場合における半径方向応力成分σ_ｘと接線方向応力成分σ_ｙの変化を示す特性図 従来のＣＯ_２レーザを用いたガラスの表面スクライブによる割断を説明する概念的斜視図 従来の代表的なレーザ割断方法を説明する脆性部材の平面図 図５のレーザ割断方法に使用されるレーザビーム形状を作成するためのビームスプリッターの概念的斜視図

符号の説明

１ ビームスポット
２ 引張り応力
３ 冷却点
４ 圧縮応力
５ 表面スクライブ
６ ガラス板
７ 走査方向
８ 初亀裂
９ レーザビームの線状配列
１０ 全反射面
１１ 無反射面
１２ 無反射面
１３ 部分反射面
１４ ビームスプリッター
１５ レーザ光強度分布
１６ ガラス表面温度分布
１７ レーザ光強度分布
１８ ガラス表面温度分布
１９ 先頭加熱部レーザビーム
１９１ 先頭加熱部レーザビーム
１９２ 先頭加熱部レーザビーム
２０ 温度維持部レーザビーム
２０１ 温度維持部レーザビーム
２０２ 温度維持部レーザビーム

Claims (4)

1. レーザ発振器から射出されるレーザビーム照射によって脆性材料を加熱し、熱応力によって前記脆性材料を割断する脆性材料の熱応力割断方法において、加熱を行なうレーザビームを、初期加熱、昇温を行なう第１のレーザビームおよび温度維持を行なう第２のレーザビームから構成し、前記第１のレーザビームおよび第２のレーザビームを前記脆性材料の照射位置において互いに重ならないようにビーム走査方向に対して同一線上に順次配列し、前記第１のレーザビームおよび第２のレーザビームの各々のレーザ光強度を互いに独立に変化させて前記第１のレーザビームおよび第２のレーザビームで構成された加熱を行うレーザビームのレーザ光強度分布を制御することを特徴とする脆性材料の熱応力割断方法。
2. 第１および第２のレーザビームを複数の独立したレーザ発振器からの射出ビームにより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熱応力割断方法。
3. 第１および第２のレーザビームをそれぞれ１つのレーザ発振器から射出されたレーザビームをビームスプリッターに入射して発生させた複数本の射出光により形成することを特徴とする請求項１に記載の脆性材料の熱応力割断方法。
4. 第１および第２のレーザビーム照射により加熱された脆性材料の加熱位置からビーム走査線上の後方位置を冷却することを特徴とする請求項１に記載の脆性材料の熱応力割断方法。