JPWO2010071128A1

JPWO2010071128A1 - 脆性材料の分割装置および割断方法

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Publication number: JPWO2010071128A1
Application number: JP2010542973A
Authority: JP
Inventors: 人士榎園; 規夫軽部
Original assignee: LEMI Co Ltd
Current assignee: LEMI Co Ltd
Priority date: 2008-12-16
Filing date: 2009-12-15
Publication date: 2012-05-31
Anticipated expiration: 2029-12-15
Also published as: KR20110106360A; KR101404250B1; CN102239034A; JP5562254B2; WO2010071128A1

Abstract

レーザ光源として汎用性の高いＣＯ2レーザ光源を使用することができ、割断速度を大幅に増加させるとともに、割断面が割断予定線に対して湾曲することがなく真直線状にフルボディ割断させることができる脆性材料の分割装置を提供する。ガラス基板（１１）の割断予定線（１２）に沿って第１ビーム照射領域（１３）、第２ビーム照射領域（１４）および冷却点（１５）の列を相対的に移動させる。第１ビーム照射領域（１３）は第２ビーム照射領域（１４）に対し割断方向の前方に位置しており、第２ビーム照射領域（１４）は割断予定線に沿って細長い形状のビームとし、冷却点（１５）は第２ビーム照射領域（１４）の後端から所定位置だけ離れた位置に配置される。

Description

本発明は脆性材料、特にフラットパネルディスプレイ用ガラスをフルボディ割断する脆性材料の分割装置および割断方法に関する。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スクライブ方法（以下レーザスクライブと略記する）が使用されるようになってきた。

レーザスクライブによれば、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。

レーザスクライブ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、照射点を中心として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半径方向のものである。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が関係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９に示す。

図９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９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９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っ張り応力である。引っ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、この応力による応力拡大係数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、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。

このガラスのレーザスクライブ方法はコンドラテンコ氏によって初めて開発され、特許文献１の日本特許が成立している。図１０（ａ）に特許文献１によるレーザ割断方法の原理を示す。レーザ光としてはＣＯ₂レーザ光が使用され、ＣＯ₂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２の深さ３．７μｍのガラス表面層において吸収され、ガラス２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。レーザスクライブによる深さはガラス２中の熱伝導４によって助けられても、通常１００μｍ程度である。

ガラス２は脆性が強く、このスクライブ線にあわせて応力を印加することで機械的に割断することができる。この機械的応力の印加によって全割断するプロセスをブレイクと称する。すなわち、レーザスクライブ法を採用する場合には、ガラスを分断するためにブレイクという後行程が必要不可欠となっており、ブレイク工程が必要であるために実用性が限られて、必ずしも普及が完全ではなかった。

レーザビームを用いてガラスを完全に分断するという要望から考えると、レーザスクライブにはブレイクという後工程が付加されるので、必ずしもレーザスクライブだけで十分というわけではない。そこで必要とされ期待されているのがレーザビームを用いたフルボディ割断の技術である。しかし、特許文献１においては、フルボディ割断には後述するようないくつかの欠点があるのでレーザスクライブ技術の方が優れているとの主張がなされており、フルボディ割断の実効性に否定的な立場を示している。

レーザスクライブの技術に関する他の先行文献として、特許文献２においては、レーザビームをガラス基板上に照射し、ガラス基板の走査方向に沿ってＹ軸方向に長くなった楕円形状のレーザスポットＬＳ１と、Ｘ軸方向に沿って長くなった楕円形状のレーザスポットＬＳ２とを、予め設定された所定の距離だけ離れて形成することが記されている。しかし、特許文献２に記載の発明の目的もフルボディ割断を目的としたものでは全くなく、あくまでも安定したレーザスクライブを行うことを目的としている。

これに対して、図１０（ｂ）に示すようなガラス２に透過していきその一部が吸収されるようなレーザ光５を照射すると、透過光がガラス２の全板厚に対して割断６を発生させるので、ガラス２はこの工程のみで割断ができてブレイクが不要になる。この割断を、レーザによるフルボディ割断と称する。

フルボディ割断の採用により、前記したレーザ割断方法の有する技術特徴に加えて、ブレイクが不要になる、自由曲線割断が可能になるなどのフルボディ割断特有のメリットが生じ、フラットパネル製造工程において大きな改善ができるようになる。本願出願人は、このフルボディ割断技術に対して特許文献３，４等の提案をしている。

特許第３０２７７６８号公報国際公開第０３／００８１６８号パンフレット特開２００７−７６０７７号公報特開２００７−２６１８８５号公報

特許文献１による割断はフルボディ割断でないのでブレイク工程が必要であり実用性が限られていることは前述したとおりである。特許文献３，４に提案されているレーザによるフルボディ割断技術において、レーザ光源として汎用性の高いＣＯ₂レーザ光を用いた場合は、ガラスの表面で大部分が吸収されてしまうのでそのまま適用することはできない。また、フルボディ割断技術には特許文献１で指摘されているように、いわゆるサイズ効果により割断位置がワーク端部から離れていると割断速度が著しく低下し、割断位置がガラスの端部に近いと割断面が曲がるという欠点がある。このサイズ効果による欠点を図１１により説明する。

まずガラスのフルボディ割断の第１の欠点である低速性について説明する。図１１（ａ）において、ガラス板２を幅Ｗ₁およびＷ₂が大きい状態で割断する場合を考える。割断線７に沿って割断方向３にレーザ光５を走査すると、ガラス板２にはレーザ光照射による加熱によって前記した原理により引張り張力が発生し、ガラス板２はレーザ光５の走査軌跡に沿って割断されていく。図１１（ａ）ではこの変形を誇張して示しており、割断後のガラスの実際の移動は数ミクロン程度である。

このとき、割断線７の両側におけるガラス板２の幅Ｗ₁およびＷ₂が大きいと、レーザ光５の走査速度が著しく低下してしまう。まずガラス板２を割断させるために必要な引張り応力Ｆ₀およびＦ₁は上記した変形に対する抵抗力に打ち勝たねばならない。この抵抗力はガラス板２の面積で作用し、ガラス板２の幅Ｗ₁およびＷ₂が大きい場合には著しく増大する。ガラス板２の割断は大きな抵抗力に抗して行わなければならないので、レーザ光５の走査速度を小さくしてレーザ光５による加熱量を相対的に大きくする必要があるのである。

この結果、レーザ光５の走査速度は低速にせざるを得ないので、割断速度にはおのずと限界がある。この傾向は割断線７の位置とガラス板２の端部との距離が大きいほど、すなわち、図１１（ａ）における割断後のガラス板２の幅Ｗ₁およびＷ₂が大きいほど顕著である。たとえば、割断後のガラス板２の幅Ｗ₁およびＷ₂が５００ｍｍの距離である場合には、レーザ光５の走査速度を１０ｍｍ／ｓ程度と著しく小さい速度にしないとフルボディ割断することはできない。

次に、脆性材料のフルボディ割断のもうひとつの欠点である脆性材料の割断面が割断予定位置に対して湾曲する事実について説明する。図１１（ａ）で説明したように、割断線７に沿って割断方向３にレーザ光５を走査したときの割断はガラス板２に作用する引張り応力Ｆ₀およびＦ₁により沿面方向に行われる。その際に両側に対する上記した抵抗力に不均衡がある場合には割断面が割断予定線に対して湾曲しようとする力が働く。この様子を図１１（ｂ）に示す。図１１（ｂ）において、幅Ｗ₃が小さい場合に、幅Ｗ₃側の抵抗力が小さいので大きく湾曲し、割断後の割断面が弓状に反って湾曲してしまうことを示している。この傾向は割断後のガラス板２の幅Ｗ₁およびＷ₃が不均衡、特に一方の幅Ｗ₃が特に小さい場合に著しい。この場合にも前記したように、ワークの変形は実際の数ミクロン程度のものより著しく誇張して示されている。

本発明はこれらの従来技術の課題を解決するもので、レーザによる熱応力割断の有する高品質を実現しながら、割断速度を大幅に増加させるとともに、割断面が割断予定線に対して湾曲することがなく真直線状にフルボディ割断させることができる脆性材料の分割装置および割断方法を提供することを目的とするものである。

本発明に係る脆性材料の分割装置は、脆性材料に想定された割断予定線に対して、その割断予定線上に形成された初亀裂の側から前記割断予定線に沿って前記脆性材料を加熱し、前記割断予定線に沿って加熱する位置を相対的に移動させることで前記脆性材料を分割する脆性材料の分割装置であって、前記割断予定線に沿って、前記脆性材料にレーザビームを照射して加熱部分を生成するレーザビーム照射手段と、前記割断予定線に沿った移動方向に関し前記加熱部分の後方の位置で前記脆性材料を局所的に冷却する冷却手段とを備え、前記レーザビーム照射手段は、前記加熱部分にて、前記移動方向の前方に位置する第１レーザビーム照射領域を形成する第１ビーム照射部と、前記加熱部分にて、前記第１レーザビーム照射領域の前記移動方向の後方において前記割断予定線に沿って細長い形状の第２レーザビーム照射領域を形成する第２ビーム照射部とを含むことを特徴とする。

本発明に係る脆性材料の分割装置において、前記第１ビーム照射部によって形成される第１レーザビーム照射領域に与えるレーザパワーは、前記第２ビーム照射部によって形成される第２レーザビーム照射領域に与えられるレーザパワーよりも大きいことが好ましい。この構成によれば、脆性材料を分断するために必要な熱エネルギーを、脆性材料に対して効率よく与えることができる。

また、本発明に係る脆性材料の分割装置において、前記第１ビーム照射部によって形成される第１レーザビーム照射領域のレーザパワー密度は、前記第２ビーム照射部によって形成される第２レーザビーム照射領域のレーザパワー密度よりも低いことが好ましい。この構成によれば、脆性材料の表面が溶融することなく、脆性材料を分断するために必要な熱エネルギーを与えることができる。

また、本発明に係る脆性材料の分割装置において、前記第１ビーム照射部によって形成される第１レーザビーム照射領域の位置は、前記第２レーザビーム照射領域の後端から離れた位置を前記冷却手段により局所的に冷却して形成される冷却位置に対して、前記割断予定線に沿った方向の距離が可変であってもよい。この構成によれば、脆性材料内部の熱拡散の経時状態を変化させることができる。

この場合、前記第１レーザビーム照射領域の位置と前記冷却位置との距離は、前記脆性材料の割断速度および厚さの少なくとも一方に基づいて設定されてもよい。この構成によれば、第１レーザビーム照射領域で加熱された脆性材料が冷却開始されるまでの時間、および／または、熱拡散による温度伝導が脆性材料の裏面に至るまでの時間を調整設定することができる。

また、本発明に係る脆性材料の分割装置において、前記第１レーザビーム照射領域の形状が略円形であってもよい。この構成によれば、第１ビーム照射部から照射されたレーザ光をそのまままたはビーム径を変えるだけで使用することができる。

また、本発明に係る脆性材料の分割装置において、前記第１レーザビーム照射領域の形状が略円形の中央部を所定の幅で分断した形状であってもよい。この構成によれば、割断面の直線性を向上させることができる。

この場合、前記第1レーザビーム照射領域を形成する第１レーザビームは、前記第１ビーム照射部からのレーザ光の光路の中央部に所定の幅の遮蔽物を配して生成されてもよい。この構成によれば、きわめて簡単な方法で第１のレーザビームの照射領域形状を略円形の中央部を所定の幅で分断した形状にすることができる。

また、本発明に係る脆性材料の分割装置において、前記第２レーザビーム照射領域を形成する第２レーザビームは、前記第２ビーム照射部のレーザ光源からのレーザ光を回折光学素子または平凸シリンドリカルレンズに通過させて整形して生成されてもよい。この構成によれば、きわめて簡単な方法で第２のレーザビームの照射位置形状を非円形にすることができる。

また、本発明に係る脆性材料の分割装置において、脆性材料の割断予定線の端部に初亀裂を形成する初亀裂形成手段をさらに備え、前記第１ビーム照射部および第２ビーム照射部を前記初亀裂の位置から前記割断予定線に沿って移動させてもよい。この構成によれば、脆性材料の割断を行なうための亀裂拡大の出発を低閾値で行なうことができる。

さらに、本発明に係る脆性材料の分割装置において、前記レーザビーム照射手段は、前記第１ビーム照射部に５０％以上のレーザパワーを分配し、前記第２ビーム照射部に５０％未満のレーザパワーを分配する、ビームスプリッタを含んでもよい。この構成によれば、１台のレーザビーム装置で足り、コストを低減できる。

本発明に係る脆性材料の割断方法は、脆性材料の割断予定線に沿って加熱し、前記脆性材料と前記加熱する位置を前記割断予定線に沿って相対的に移動させて前記脆性材料を割断する脆性材料の割断方法であって、前記割断予定線上の脆性材料端部に初亀裂を形成し、前記初亀裂を始点として前記脆性材料の加熱を第１のレーザビームおよび第２のレーザビームで行い、前記第１のレーザビームは前記第２のレーザビームに対し前記割断予定線に沿った移動方向の前方に位置するビームであり、前記第２のレーザビームは前記割断予定線に沿って細長い形状のビームであり、前記第２のレーザビームの後端から所定位置だけ離れた位置を局所的に冷却することを特徴とする。

本発明における第１および第２レーザビームには、例えば、一般に表面レーザスクライブに使用されるＣＯ₂レーザを使用することができる。第２レーザビームによる脆性材料の割断の際に第１レーザビームにより割断予定位置の前方を加熱することにより第２レーザビームによる熱エネルギーが脆性材料の厚さ方向へ効率的に熱伝導し、その後所定位置を冷却することにより冷却位置直下で脆性材料の裏面にまで達する割れが発生する。したがって、第１ビーム照射部、第２ビーム照射部および冷却手段を脆性材料の割断予定位置に沿って相対的に移動させることにより、第１および第２レーザビームによる加熱、それに続く冷却によって脆性材料を割断予定位置に沿ってフルボディ割断させることができる。

このようにして本発明によれば、レーザによる熱応力割断の有する高品質を実現しながら、脆性材料のフルボディ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。また、レーザによる熱応力のみで脆性材料を加工長さのほぼ全長にわたって分離させることができるので、ブレイク工程に伴うカレット発生を大幅に抑制することができる。さらに、割断面が割断予定線に対して湾曲することがなく真直線状に割断させることができる。

本発明による脆性材料の割断方法の原理を説明するためのレーザビームの位置関係および温度特性を示す概念図で、（ａ）は第１のレーザビームの照射位置、第２のレーザビームの照射位置および冷却位置の相互の位置関係を示す概念的平面図、（ｂ）は図１（ａ）における第１のレーザビームおよび第２のレーザビームによる加熱をガラス基板表面において重畳したときの温度プロファイルを示す図、（ｃ）は図１（ａ）における第１のレーザビームおよび第２のレーザビームの位置ずれによる現象を説明する概念的平面図である。本発明による脆性材料の割断方法の原理を説明するための主要部の概念的斜視図である。本発明による脆性材料の割断方法の実施例１における割断装置の構成を示す概念図である。本発明による脆性材料の割断方法の原理を詳細に説明するための主要部の断面概念図で、（ａ）は横断面概念図、（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ'線断面図である。本発明による脆性材料の割断方法により割断されたガラス基板の割断面を説明する斜視図である。本発明による脆性材料の割断方法の実施例２における割断装置の構成を示す概念図である。本発明による脆性材料の割断方法の実施例２におけるレーザビームの位置関係および温度特性を示す概念図で、（ａ）は第１のレーザビームの照射位置、第２のレーザビームの照射位置および冷却位置の相互の位置関係を示す概念的平面図、（ｂ）は図７（ａ）における第１のレーザビームおよび第２のレーザビームによる加熱をガラス基板表面において重畳したときの温度プロファイルを示す図である。本発明による脆性材料の割断方法の実施例における、厚さ０．７ｍｍのノンアルカリガラスの片面に初期熱量を加えた場合に、ガラス内部の温度変化の様子を経時的にプロットした温度分布グラフである。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である。従来のガラスのレーザ割断方法を説明する概念的斜視図で、（ａ）は表面スクライブ、（ｂ）はフルカットの場合の模式図である。従来のガラスのレーザ割断方法におけるサイズ効果を説明する概念的斜視図で、（ａ）はガラス板の両側の割断幅が大きい場合、（ｂ）はガラス板の片側の割断幅が小さい場合を示す図である。厚さ0.7mmtのノンアルカリガラスを使用した、フルボディ割断の加工実験結果を示す図である。

以下、図面とともに本発明の原理および実施形態について詳細に説明する。以下の説明では脆性材料としてガラス基板を例に説明する。

図３は、本発明の一実施形態であるガラス基板フルカット装置の構成を模式的に示したものである。ガラス基板１１は可動式テーブル３２上に載置され、可動式テーブル３２はＸ−Ｙ駆動装置によりＸ−Ｙ平面において移動する。図においては、ガラスの移動方向であるＹ軸駆動用のサーボモータ３３とシャフト軸のみが示されており、Ｘ軸駆動系は図示省略されている。

ガラスを加熱するためのレーザ発振器は、本実施形態においてはＣＯ₂レーザ２１とＣＯ₂レーザ２５の２台が用いられている。ＣＯ₂レーザ２１から出射されるレーザビーム２２は、反射鏡２３により鉛直下方に反射され、集光レンズ２４を通して所定のビーム径になるように整形される。なお、集光レンズ２４を通過したビームは、そのままガラス基板１１の表面に照射されるが、場合によっては、ビーム減衰部としてのビーム遮蔽物３５（図６参照）をビーム伝送経路上に配置することによりビームの形状を部分的に変形させることも行われる。いずれにせよ、レーザビーム２２によって、ガラス基板１１上に第１レーザビームによる第１ビーム照射領域が形成される。ガラス基板１１上における第１ビーム照射領域がどの位置に形成されるのかは、反射鏡２３の折り返し角度を振って位置調整される。図３においては、反射鏡２３の折り返し角度が９０°近くに設定されているが、同角度を約８０°から１１０°にまで振って、同時に集光レンズ２４の位置をアライメントすることで第１ビーム照射領域の位置調整が行われる。あるいは、反射鏡２３と集光レンズ２４との相対位置を固定する１つのユニットを組み上げ、そのユニットをレーザビーム２２の光軸方向に沿って水平に移動することによっても第１ビーム照射領域の位置調整が可能となる。

ＣＯ₂レーザ２５から出射されるレーザビーム２６は、ビームエキスパンダ２７を経由して、反射鏡２８により鉛直下方に反射される。ビーム径φ４ｍｍのレーザビーム２６が、ビームエキスパンダ２７を通過することで、ビーム径が約４倍に拡大され、φ１６ｍｍのビームとなる。拡大されたビームは、回折光学素子２９を通過することで、細長いビームに整形され、ガラス基板１１上で第２のレーザビームによる第２ビーム照射領域を形成する。

第２のレーザビームによる第２ビーム照射領域の後方には、冷却装置３０が設置される。冷却装置３０としては、２筒管式の冷却ノズルを使用し、内円筒管から水を、外円筒管から空気を噴射させる。水と空気の混合媒体がガラスに向かって噴射されることにより、ガラス基板１１上に冷却点が形成される。第１のレーザビームの前方には、初亀裂形成装置３１が設けられる。初亀裂形成装置３１は、下端部にダイヤモンドカッタを備え、そのダイヤモンドカッタを上下に動かす昇降機構を有している。昇降機構とＹ軸駆動用のサーボモータ３３との連動により、ガラス基板１１の端部に初亀裂を形成することができる。

なお、本実施形態においては、２台のＣＯ₂レーザを使用しているが、１台のＣＯ₂レーザのみを使用して、ビーム伝送経路上にビームスプリッタを配置して、２経路に分かれるビーム伝送を行ってもよい。この場合に、ビームスプリッタによるエネルギーの分配率は、前方を照射する第１のレーザビーム側に５０％以上のエネルギーを分配し、後方を照射する第２のレーザビーム側には５０％未満のエネルギーが分配されるようにした方が望ましい。

図１（ａ）は本発明による脆性材料の割断方法の原理を説明するためのガラス基板表面における第１のレーザビームの照射位置、第２のレーザビームの照射位置および冷却位置の相互の位置関係を示す概念的平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）における第１のレーザビームおよび第２のレーザビームによる加熱をガラス基板表面において重畳したときの温度プロファイルを示す図、図１（ｃ）は図１（ａ）における第１のレーザビームおよび第２のレーザビームの位置ずれによる現象を説明する概念的平面図である。図２は本発明による脆性材料の割断方法の原理を説明するための主要部の概念的斜視図である。

本発明による脆性材料の割断方法の基本原理は、図１（ａ）に示すように、ガラス基板１１の割断予定線１２に沿って、割断の前方から第１ビーム照射領域１３、第２ビーム照射領域１４および冷却点（または冷却位置）１５を順に配置することである。

図３に示すように、第１ビーム照射領域１３はＣＯ₂レーザ２１からのレーザビーム２２を反射鏡２３で所定方向に反射させ、集光レンズ２４を通して所定のビーム径に調整して生成し、その断面形状は円形または楕円形であり、本明細書および特許請求の範囲を通じてこれらを略円形と総称する。第１ビーム照射領域１３はガラス基板１１に局所的に加熱だけが発生し、溶融やクラックが発生しない程度の強さのレーザビームである。

第２ビーム照射領域１４は第１ビーム照射領域１３の後方に位置し、その断面形状はガラス基板１１の割断予定線１２に沿った方向に細長い形状に整形される。すなわち、第２ビーム照射領域１４は図１（ａ）に示すようにガラス基板１１の割断予定線１２に沿った方向の長さａがその直角方向である幅方向の長さｂよりも長い非円形のビームである。細長い非円形のビームにおける割断予定線１２に沿った長さ方向の長さａの幅方向の長さｂに対する比ａ／ｂは２６〜３０程度であることが好ましい。

このような細長い非円形のビームは、ＣＯ₂レーザ２５からのレーザビーム２６をビームエキスパンダ２７で所定の倍率の径に広げ、反射鏡２８で所定方向に反射させた後、回折光学素子または平凸シリンドリカルレンズのようなビーム整形手段２９に通過させて整形することにより生成される。第２ビーム照射領域１４もガラス基板１１に局所的に加熱だけが発生し、溶融やクラックが発生しない程度の強さのレーザビームである。

次に動作を説明する。図２において、まず、ガラス基板１１の割断予定線１２の端部に初亀裂形成装置３１により初亀裂１６を形成する。この初亀裂１６がガラス基板１１の割断の出発位置である。次に、テーブル３２上に載置されたガラス基板１１をＹ軸駆動用のサーボモータ３３によりＹ方向に移動させて、ガラス基板１１の割断予定線１２の出発位置に相当する初亀裂１６の方向からガラスの加熱を開始する。図１（ａ）に示したように、第１ビーム照射領域１３、第２ビーム照射領域１４および冷却点１５の列の方向は一直線上に並んで配置されているので、割断予定線１２の方向に一致して移動可能になっている。このとき、図１（ｃ）のように、調整不足により、ガラス基板１１の割断予定線１２に対して第１ビーム照射領域１３の中心位置と第２ビーム照射領域１４の中心位置が微小値Δｄだけずれていると、分割したガラス断面の面品質が劣化することがあるので、第１ビーム照射領域１３の中心位置と第２ビーム照射領域１４の中心位置が割断予定線１２に対してずれないように正確に位置調整されることが必要である。

次に、ガラス基板１１に形成された初亀裂１６の位置と第１ビーム照射領域１３、第２ビーム照射領域１４および冷却点１５の列の方向が一致した状態から第１のレーザビームおよび第２のレーザビームを照射させながら冷却装置３０から冷媒を噴射させ、テーブル３２上に載置されたガラス基板１１をサーボモータ３３によりＹ方向に移動させると、テーブル３２上に載置されたガラス基板１１の割断予定線１２に沿って第１ビーム照射領域１３、第２ビーム照射領域１４および冷媒による冷却点１５の列が相対的に移動し割断作用が開始する。

本発明による脆性材料の割断方法の基本原理は、図１（ａ）に示すように、ガラス基板１１の割断予定線１２に沿って、割断の前方から第１ビーム照射領域１３、第２ビーム照射領域１４および冷却点１５を順に配置することである。第１ビーム照射領域１３はガラス基板１１の割断の最前部を予熱し、その位置を後続する第２ビーム照射領域１４により加熱して割断開始直前の状態にする。図１（ｂ）はこのときのガラス基板１１表面における温度プロファイルである。すなわち、第１ビーム照射領域１３による温度プロファイル１３１に第２ビーム照射領域１４による温度プロファイル１４１が重畳し、ガラス基板１１の表面における第２ビーム照射領域１４が照射された位置が割断開始直前の高温に加熱される。この加熱による熱はガラス基板１１の厚さ方向に熱伝導する。

略円形の第１ビーム照射領域１３で予熱され、細長い第２ビーム照射領域１４で加熱された状態のガラス基板１１に冷却装置３０から冷媒が噴射されると、図２に示すように、冷却点直下で初亀裂１６から拡大した亀裂がガラス基板１１の深さ方向に進行し、その亀裂がガラス基板１１と第１ビーム照射領域１３、第２ビーム照射領域１４および冷却点１５の列のＹ方向への相対移動に従ってさらにガラス基板１１の割断予定線１２に沿って進行する。この結果、ガラス基板１１の全板厚に亘って割断面１７が発生する。

この様子を図４によりさらに詳細に説明する。図４は図２における本発明による脆性材料の割断方法の原理を詳細に説明するための主要部の断面概念図で、（ａ）は横断面概念図、（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ'線断面図である。

第１ビーム照射領域１３、第２ビーム照射領域１４および冷却点１５の列をガラス基板１１に対してＹ方向に走査させると、ガラス基板１１はまず第１ビーム照射領域１３で加熱され、その加熱による熱はＹ方向への走査につれてガラス基板１１の裏面方向に熱伝導してガラス基板１１内に加熱領域１３０が形成される。つぎに、ガラス基板１１は第２ビーム照射領域１４で加熱され、その加熱による熱はＹ方向への走査につれてガラス基板１１の裏面方向に熱伝導してガラス基板１１内に加熱領域１４０が形成される。第２ビーム照射領域１４の後部における冷却点１５による冷却は同様にガラス基板１１のＹ方向への走査につれてガラス基板１１の裏面方向に熱伝導してガラス基板１１内に冷却領域１５０が形成される。

この結果、冷却点１５の直下におけるガラス基板１１の熱分布は図４（ｂ）のようになり、ガラス基板１１は第１ビーム照射領域１３により裏面近辺まで加熱されている加熱領域１３０とそれに続く第２ビーム照射領域１４により加熱されている加熱領域１４０に対して冷却点１５による冷却が作用して、冷却点直下で亀裂がガラス基板１１の深さ方向に進行し、ガラス基板１１の裏面にまで達して全板厚方向に亘って割断される。この現象がガラス基板１１のＹ方向への走査につれてガラス基板１１の割断予定線１２に沿って進行し、割断予定線１２に沿ってガラス基板１１の裏面にまで達した割断が進行する。

図８は、ガラスの厚み方向に対する温度分布を示したグラフである。前述の図４（ａ）を用いた説明においては、ガラスの厚み方向への熱伝播の様子について、ガラスの表から裏の面に向かって、熱が一次関数的に一定の速度で単純に伝播するかのような説明した。しかし、ガラス内部の熱の伝播は、実際には、熱拡散方程式に基づいて計算されるべきものであるので、同方程式をノンアルカリガラスに適用して計算した結果を一つ例示する。

図８のグラフは、厚さ０．７ｍｍで、無限大の大きさのノンアルカリガラスの片面に２０J/cm²の均一な熱分布を加えたと想定した場合に、厚み方向の温度分布がどのように変化するのかを計算し、その結果をグラフにしたものである。グラフの横軸は熱伝播の深さ、つまりガラスの厚み（ｍｍ）を示しており、縦軸は温度上昇、つまりガラスが初期状態からどれくらい温度が上昇するのかを示している。グラフ内に複数の曲線が記されているのは、初期加熱された後の経過時間をパラメータとして状態変化させて、複数のグラフを重ねて表示しているためである。

ガラスの片面に２０J/cm²の熱量を初期的に加えるだけで、加熱されたガラス面は瞬間的に４００℃を超えるが、その後急激にガラスの表面温度は低下する。加熱面側が温度低下するのと同時に、加熱のない裏面側には表面からの熱が伝わってくるので温度上昇が起こり、１００℃を少し超える程度になる。経過時間のパラメータは、１．０秒までの時間の中から１０個をサンプリングして計算してあり、経過時間の短い方から、Ｔ１＝30msec、Ｔ２＝40msec、Ｔ３＝50msec、Ｔ４＝75msec、Ｔ５＝100msec、Ｔ６＝200msec、Ｔ７＝300msec，Ｔ８＝400msec，Ｔ９＝700msec，Ｔ１０＝1000 msecである。このグラフから判ることは、Ｔ１すなわち３０msec後には、厚さ０．７mmのガラスの表と裏とで４００℃もの大きな温度差があるが、Ｔ６すなわち２００msec後には温度差５０℃程度に緩和されていることである。更に、Ｔ７すなわち３００msec後には温度差３０℃弱となり、表面と裏面とは概ね同じ温度になっているといえる。

ＣＯ₂レーザを用いた本実施形態においては、進行方向の前方に照射される第１のレーザビームによって供給される熱エネルギーがガラスの裏面まで伝播することによって、フルボディ割断をするためのエネルギー源として活用されることに特徴がある。そのようなフルボディ割断が行われるためには、ガラス表面で吸収された熱エネルギーが、ある程度ガラス内で均等に熱拡散することが必要となる。そうすると、割断予定線に沿って、冷却点と第１のレーザビームの照射領域との間に、どの程度の距離Ｌを設けるのかがひとつの重要項目となる。ここで、ガラスの移動速度をＶとし、第１のレーザビームによって照射されたガラス表面が冷却点の下まで移動するのにかかる移動時間をτとすると、Ｌ＝Ｖ・τの関係が成り立つ。前述したように、ガラスの表と裏との温度が概ね同じになるには、２００から３００msecの時間が必要である。つまり、ガラスの移動速度が１８０mm/sであれば、２００msecの経過時間には３６ｍｍ、そして３００msecの経過時間には５４ｍｍの距離を移動する。従って、冷却点と第１のレーザビームの照射領域との間の距離Ｌとしては、少なくとも３６ｍｍ、望ましくは５４ｍｍ以上の距離を設ける必要がある。

このように、冷却点と第１のレーザビームの照射領域との間にどの程度の距離Ｌを設ければ良いのかは、ガラスの移動速度やガラスの厚みに依存している。さらに詳細には、ガラス内部の熱拡散速度に関係する物理定数、つまり、ガラスの熱伝導率、比熱、密度にも関係する。また、ガラスの裏面における境界条件にも関係する。つまり、ガラスの裏面が金属テーブルに密着するような手段で固定されているのか、それとも空気中に浮かせるような手段で固定してあるのかにも影響される。

本実施形態においては、冷却点直下で初亀裂１６から拡大した亀裂は本質的にガラス基板１１の深さ方向に進行するので、ガラス基板１１の沿面方向に作用する引張り応力に不均衡を生じることがなく、割断面１７が割断予定線１２に対して湾曲することはない。また、レーザによる熱応力のみで亀裂を進行させて形成される割断面１７にはマイクロクラック発生がなく、分断後のガラス基板１１の機械強度も高い。

初亀裂１６とは反対側の割断予定線１２上の端部においては、ガラスをフルボディ割断するのに十分な引張り応力が失われてしまうため、フルボディの割断面が反対側の端部に近づくと割断１７は停止する。このとき、図５に示すように、ガラス基板１５の端部に割断面１７が生じていない領域１８が残る。この領域１８には割断面１７は生じないが、表面にはスクライブ溝１９が形成される。従って、必要であれば簡易なブレイク手段を用いることでガラスを完全に分断することができる。この場合、ガラス基板１１は加工長さのほぼ全長にわたって既にフルボディ割断されているため、ブレイク工程に伴うカレット発生を大幅に抑制することができる。

図３に示すガラス分断装置において、第１ビーム照射領域１３としては、出力１６５ＷのＣＯ₂レーザ２１からのレーザビーム２２を反射鏡２３で鉛直下方に反射させ、集光レンズ２４を通して集光した。その結果、ガラス基板１１上には、ビーム径１５ｍｍのガウシアン分布に近い円形ビーム照射領域が形成される。第２ビーム照射領域１４としては、ＣＯ２レーザ２５から出力９８Ｗ、ビーム径４ｍｍのレーザビーム２６を利用した。そのレーザビーム２６は、ビームエキスパンダ２７を経由することで、ビーム径１６ｍｍに拡大され、さらに反射鏡２８により鉛直下方に伝送される。ビーム径１６ｍｍのレーザビームが回折光学素子２９を通過すると、ガラス基板１１上において、長さａが２６ｍｍ、幅ｂが１ｍｍの細長いビームが形成される。

このように、第１ビーム照射領域１３には第１のレーザビームによって１６５Ｗが与えられ、第２ビーム照射領域１４には第２のレーザビームによって９８Ｗが与えられる。つまり、ガラス基板１１の上においてビーム伝送の損失を考慮しても、第１ビーム照射領域１３に与えられる熱ネルギーは第２ビーム照射領域１４に与えられる熱エネルギーよりも大きく設定される。

また、レーザパワー密度に関して、第１レーザ照射領域１３のレーザパワー密度は０．９３W／ｍｍ２であり、第２レーザ照射領域１３のレーザパワー密度は３．７７Ｗ／ｍｍ²である。つまり、第１ビーム照射領域１３のレーザパワー密度は第２レーザ照射領域１３のレーザパワー密度よりも低く設定される。

ガラス基板１１としては、厚さ０．７ｍｍ、全長５８０ｍｍのノンアルカリガラスを使用した。冷却装置としては、２筒管式の冷却ノズルを使用し、内円筒管から水を、外円筒管から空気を噴射させた。第２ビーム照射領域１４の後端と冷却点１５との距離は５ｍｍに設定した。ガラス基板１１と第１ビーム照射領域１３、第２ビーム照射領域１４および冷却点１５の列との相対移動距離、すなわちガラスの割断加工速度を１８０mm/sとして加工を行った。この結果、ガラス基板１１の終端部約４０ｍｍを除いた５４０ｍｍの長さに亘ってフルボディ割断が可能となった。このときの割断の直線性精度は±２５０μｍ以内であった。同様の条件で、幅２９０ｍｍ、長さ５８０ｍｍの同ガラスを端面から１５ｍｍ離れた位置を割断する場合においても、直線性精度は±２５０μｍであり、いわゆるサイズ効果による湾曲の影響はなかった。

第１ビーム照射領域１３のビーム径を１０ｍｍ〜１６ｍｍ、第２ビーム照射領域１４の後端と冷却点１５との距離を３〜７ｍｍで変化させたところ、ほぼ同一の割断結果が得られた。なお、走査速度は、ＣＯ２レーザ２１、２５のパワーを上げるのと同時に、冷却点と第２ビーム照射領域１４の距離および、第２ビーム照射領域１４と第１ビーム照射領域１３の距離を増やすことにより、さらに速度増加が可能であることが確認された。また、細長い非円形の第２ビーム照射領域１４の長さａと幅ｂに対する比率ａ／ｂを２６〜３０の範囲で変化させても、ほぼ同様の割断結果が得られた。

図６は、実施例２における脆性材料の割断装置を示す概念図である。図７には加熱のためのビームプロファイルが示されている。このビームプロファイルは、図７に示すガラス分断装置において、第１ビーム照射領域１３の集光レンズ２４からの出力ビームの中央部を所定の幅のビーム遮蔽物３５で遮蔽することで得られるビームプロファイルである。例えば、ビームが伝送されるビーム経路上に直径φ２ｍｍの金属棒を配置する。すると第１のレーザビームの一部分は、金属棒に遮光されるので、ガラス基板上にはいわゆる影の部分が投影されるため、その部分は加熱されない。実施例２においては、第１ビーム照射領域１３０の形状が図７（ａ）のように略円形の中央部を所定の幅ｗで分断した形状になる。第１ビーム照射領域１３０における所定幅ｗの遮断部分１３３が、第２ビーム照射領域１４のビーム幅ｅよりもわずかに大きくなるように設定すると、ガラスの表面においては、第１ビーム照射領域１３０による加熱領域と、第２のレーザビームによる加熱領域とが重なる部分が存在しなくなる。従って、第１ビーム照射領域１３および第２ビーム照射領域１４によるガラス基板表面における温度プロファイルは、図７（ｂ）のようになり、割断予定線上を加熱するのに用いられる熱エネルギー１４１と、割断予定線を挟む両側の部分を加熱する熱エネルギー１３１とが分別できる。

本実施例２における割断のプロセスは本質的に実施例１の場合と同様であり、実施例１と同様にフルボディ割断が可能であった。なお、実施例１においては、割断予定線上を加熱するための熱エネルギーが、第１のレーザビームが割断予定線上を照射するレーザビームと、第２ビーム照射領域１４とが重畳された熱エネルギーとして供給される。しかし、この実施例２によれば、割断予定線上を加熱するための熱エネルギーが第１のレーザビーム１４のみで供給されるので、照射するレーザパワーの設定が容易となる。その結果として直線性精度が向上するという利点があり、全長５４０ｍｍに亘って±１００μｍ以内の精度でフルボディ割断が可能となった。

図１２には、図３に示す加工装置の構成においてガラス割断実験した場合に、フルボディ割断が達成されるかどうかの結果をまとめたものである。ビームプロファイルとしては、図１（ａ）に示す略円形の第１ビーム照射の方法を用いた。使用したガラスは、厚さ0.7mmtのノンアルカリガラスである。加工の手順として、外形の幅550mmで加工方向長さ290mmのガラスを一方の端面から一定の間隔(30mm)で、短冊形状に切り分けるという手法を採った。

図１２の表中の記載から判るように、第１ビーム照射領域に照射されるレーザパワーＰ１を、第２ビーム照射領域に照射されるレーザパワーＰ２よりも大きく設定した場合には、フルボディ割断が良好な状態で達成される（加工条件#1,#5,#6,#9,#10,#11参照）。レーザパワーＰ１をレーザパワーＰ２と実質的に同じに設定した場合には、ガラス終端部の切れ残りの長さがやや長くなる傾向があった（加工条件#2,#7参照）。一方、レーザパワーＰ１がレーザパワーＰ２よりも小さい場合には、フルボディ割断が達成されない、またはガラス終端部の切れ残りの長さが長くなる、または割断面の面品質が劣化するなど、好ましくない加工結果が得られた（加工条件#3,#4,#8参照）。特に、速い加工速度（例えば200mm/s以上）を達成するためには、レーザパワーＰ１をレーザパワーＰ２よりも、遥かに大きく設定することが有効であると判明した（加工条件#9,#10,#11参照）。また、加工速度Ｖを230mm/sにした場合において、冷却位置と第１ビーム照射領域との距離Ｌは95mmに設定した。これらの数値をＬ＝Ｖ・τの関係式に代入すると、τ＝413（msec)の値が得られる。この値τは、第１のレーザビームの照射によって加熱されたガラス表面が冷却位置まで移動するのにかかる経過時間を示す。一方において、前述の図８で示したシミュレーション結果のグラフからは、グラフが平坦な状態となり、熱平衡に達するまでの時間として、200msecあるいは300msec以上の経過時間が必要という考察結果が得られている。この経過時間τ＝413（msec)という値は300msec以上の値であるので、図８に基づく考察結果と矛盾しない。つまり、冷却位置と第１ビーム照射領域との距離Ｌは、加工速度Ｖがより速くなれば、それに応じて距離Ｌをより長く設定した方が良いことが判明した。

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。本発明による脆性材料の分割装置および割断方法は、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に用いるガラスの割断、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。本発明に係る脆性材料の分割装置および割断方法がフラットパネルディスプレイ等の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大きな効果が期待できる。

１１ガラス基板、１２割断予定線、１３第１のレーザビーム、１４第２のレーザビーム、１５冷却点または冷却位置、１６初亀裂、１７割断面、１８割断面が生じていない領域、１９スクライブ溝、２１ＣＯ２レーザ、２２レーザビーム、２３反射鏡、２４集光レンズ、２５ＣＯ２レーザ、２６レーザビーム、２７ビームエキスパンダ、２８反射鏡、２９ビーム整形手段、３１冷却装置、３１初亀裂形成装置、３２テーブル、３３Ｘ−Ｙ駆動装置、１３１第１のレーザビームによる温度プロファイル、１３３遮蔽部分、１４１第２のレーザビームによる温度プロファイル。

Claims

脆性材料に想定された割断予定線に対して、その割断予定線上に形成された初亀裂の側から前記割断予定線に沿って前記脆性材料を加熱し、前記割断予定線に沿って加熱する位置を相対的に移動させることで前記脆性材料を分割する脆性材料の分割装置であって、
前記割断予定線に沿って、前記脆性材料にレーザビームを照射して加熱部分を生成するレーザビーム照射手段と、
前記割断予定線に沿った移動方向に関し前記加熱部分の後方の位置で前記脆性材料を局所的に冷却する冷却手段と、
を備え、
前記レーザビーム照射手段は、
前記加熱部分にて、前記移動方向の前方に位置する第１レーザビーム照射領域を形成する第１ビーム照射部と、
前記加熱部分にて、前記第１レーザビーム照射領域の前記移動方向の後方において前記割断予定線に沿って細長い形状の第２レーザビーム照射領域を形成する第２ビーム照射部と、を含む
ことを特徴とする脆性材料分割装置。
前記第１ビーム照射部によって形成される第１レーザビーム照射領域に与えるレーザパワーは、前記第２ビーム照射部によって形成される第２レーザビーム照射領域に与えられるレーザパワーよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の脆性材料の分割装置。
前記第１ビーム照射部によって形成される第１レーザビーム照射領域のレーザパワー密度は、前記第２ビーム照射部によって形成される第２レーザビーム照射領域のレーザパワー密度よりも低いことを特徴とする請求項１または２に記載の脆性材料の分割装置。
前記第１ビーム照射部によって形成される第１レーザビーム照射領域の位置は、前記第２レーザビーム照射領域の後端から離れた位置を前記冷却手段により局所的に冷却して形成される冷却位置に対して、前記割断予定線に沿った方向の距離が可変であることを特徴とする請求項１に記載の脆性材料の分割装置。
前記第１レーザビーム照射領域の位置と前記冷却位置との距離は、前記脆性材料の割断速度および厚さの少なくとも一方に基づいて設定されることを特徴とする請求項４に記載の脆性材料の分割装置。
前記第１レーザビーム照射領域の形状が略円形であることを特徴とする請求項１に記載の脆性材料の分割装置。
前記第１レーザビーム照射領域の形状が略円形の中央部を所定の幅で分断した形状であることを特徴とする請求項１に記載の脆性材料の分割装置。
前記第1レーザビーム照射領域を形成する第１レーザビームは、前記第１ビーム照射部からのレーザ光の光路の中央部に所定の幅の遮蔽物を配して生成されることを特徴とする請求項７に記載の脆性材料の分割装置。
前記第２レーザビーム照射領域を形成する第２レーザビームは、前記第２ビーム照射部のレーザ光源からのレーザ光を回折光学素子または平凸シリンドリカルレンズに通過させて整形して生成されることを特徴とする請求項１に記載の脆性材料の分割装置。
脆性材料の割断予定線の端部に初亀裂を形成する初亀裂形成手段をさらに備え、前記第１ビーム照射部および第２ビーム照射部を前記初亀裂の位置から前記割断予定線に沿って移動させることを特徴とする請求項１に記載の脆性材料の分割装置。
前記レーザビーム照射手段は、前記第１ビーム照射部に５０％以上のレーザパワーを分配し、前記第２ビーム照射部に５０％未満のレーザパワーを分配する、ビームスプリッタを含むことを特徴とする請求項１に記載の脆性材料の分割装置。
脆性材料の割断予定線に沿って加熱し、前記脆性材料と前記加熱する位置を前記割断予定線に沿って相対的に移動させて前記脆性材料を割断する脆性材料の割断方法であって、
前記割断予定線上の脆性材料端部に初亀裂を形成し、前記初亀裂を始点として前記脆性材料の加熱を第１のレーザビームおよび第２のレーザビームで行い、前記第１のレーザビームは前記第２のレーザビームに対し前記割断予定線に沿った移動方向の前方に位置するビームであり、前記第２のレーザビームは前記割断予定線に沿って細長い形状のビームであり、前記第２のレーザビームの後端から所定位置だけ離れた位置を局所的に冷却することを特徴とする脆性材料の割断方法。
前記第１のレーザビームによって形成される第１レーザビーム照射領域に与えるレーザパワーは、前記第２のレーザビームによって形成される第２レーザビーム照射領域に与えるレーザパワーよりも大きいことを特徴とする請求項１２に記載の脆性材料の割断方法。
前記第１のレーザビームによって形成される第１レーザビーム照射領域のレーザパワー密度は、前記第２のレーザビームによって形成される第２レーザビーム照射領域のレーザパワー密度よりも低いことを特徴とする請求項１２または１３に記載の脆性材料の割断方法。
前記第１のレーザビームによって形成される第１レーザビーム照射領域の位置は、前記第２のレーザビームの後端から離れた位置を局所的に冷却して形成される冷却位置に対して、前記割断予定線に沿った方向の距離が可変であることを特徴とする請求項１２に記載の脆性材料の割断方法。
前記第１レーザビーム照射領域の位置と前記冷却位置との距離は、前記脆性材料の割断速度および厚さの少なくとも一方に基づいて設定されることを特徴とする請求項１５に記載の脆性材料の割断方法。
脆性材料の割断予定線の端部に初亀裂が形成され、第１のレーザビームおよび第２のレーザビームを前記初亀裂の位置から前記割断予定線に沿って移動させることを特徴とする請求項１２に記載の脆性材料の割断方法。