WO2021176526A1 - レーザー割断方法 - Google Patents

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WO2021176526A1
WO2021176526A1 PCT/JP2020/008713 JP2020008713W WO2021176526A1 WO 2021176526 A1 WO2021176526 A1 WO 2021176526A1 JP 2020008713 W JP2020008713 W JP 2020008713W WO 2021176526 A1 WO2021176526 A1 WO 2021176526A1
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WO
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laser
laser beam
cut
cutting method
crack
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Application number
PCT/JP2020/008713
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English (en)
French (fr)
Inventor
達明 古本
雄三 越智
Original Assignee
株式会社信光社
国立大学法人金沢大学
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/50—Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/60—Preliminary treatment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B26—HAND CUTTING TOOLS; CUTTING; SEVERING
    • B26F—PERFORATING; PUNCHING; CUTTING-OUT; STAMPING-OUT; SEVERING BY MEANS OTHER THAN CUTTING
    • B26F3/00—Severing by means other than cutting; Apparatus therefor
    • B26F3/06—Severing by using heat
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28D—WORKING STONE OR STONE-LIKE MATERIALS
    • B28D5/00—Fine working of gems, jewels, crystals, e.g. of semiconductor material; apparatus or devices therefor

Definitions

  • the present disclosure relates to a laser cutting method for cutting minerals and the like by irradiation with laser light.
  • sapphire crystals are characterized by transparency, second only to diamond hardness, chemical stability, and good thermal conductivity. Therefore, processed sapphire is used in various industrial fields such as window materials for watches and substrate materials for semiconductors.
  • sapphire crystals have the characteristic of being brittle, when performing high-precision machining that suppresses material chipping, a machining device with high rigidity is required, which increases the machining time and tools. There is a problem that the cost required for processing and the like becomes high, such as the progress of wear easily.
  • the means for dividing sapphire having a thickness of several millimeters or more is limited to machining, and it is required to expand the range of workable thickness and develop a low-cost processing method.
  • laser processing is used in addition to machining.
  • a laser processing method in which sapphire or the like is irradiated with laser light (solid UV laser) having a wavelength of 355 [nm] to generate cracks in the sapphire or the like (for example, Patent Document 1).
  • laser light solid UV laser
  • pulsed laser light is irradiated from a light source and condensed inside a processing object such as sapphire using a convex lens.
  • a crack is generated between the front surface and the back surface of the object to be processed, and the object to be processed is cut.
  • a laser processing method in which pulsed laser light having a wavelength of 355 [nm] is focused and irradiated above the surface of a work object such as sapphire to form a V-shaped damage on the surface of the work object (for example, a patent).
  • Document 2 the pulsed laser light emitted from the light source is focused in front of the object to be processed by using an objective lens, and the laser light is scanned along the planned processing position to cause damage suitable for cutting. I'm letting you.
  • the laser beam is focused, plasma is generated at the focal position where the spatial energy density becomes high.
  • the laser beam is focused in front of the object to be processed so that the plasma does not cause unintended damage to the object to be processed.
  • Sapphire has a Mohs hardness of 9, and expensive machining tools such as high-rigidity NC machines and diamond tools for high-precision machining are indispensable for machining. Further, since each of the above tools is worn by the processing work, it is necessary to replace the tool after a certain period of use. Further, when sapphire is machined by machining, a grinding fluid is required to promote the machining and cool the machining tool, and the grinding fluid must be replaced after a certain period of use. Since sapphire is a hard and brittle material, it is necessary to suppress damage due to mechanical stress during processing, and a plurality of processes from roughing to finishing are indispensable. Therefore, processing of sapphire may take several hours to several tens of hours. In addition, when cutting sapphire using laser light, it is difficult to cause appropriate damage to the processing position unless the laser light is controlled with high accuracy, so cutting is desired. You will not be able to do it.
  • Sapphire has low light absorption in a wide wavelength range of 0.3 to 4.5 [ ⁇ m], and in order to perform laser processing in the above wavelength range, high energy or high peak power short pulse laser light or the like is used. A laser light source to output is required. When the above-mentioned short pulse laser light is used, the amount of processing per hour is very small, so that it is not suitable for cutting a material having a thickness of about several [mm].
  • an initial groove serving as a processing starting point is provided in advance on the sapphire.
  • absorptive laser light wavelength that is easily absorbed by sapphire
  • the material removal allowance for example, the removal allowance of several hundred ⁇ m
  • no machining tool or grinding fluid is required, it is possible to significantly reduce the machining cost and the machining time.
  • this technique by using CO 2 laser light and by providing the sapphire with an initial groove having a groove depth of several tens [ ⁇ m], it becomes possible to cut the sapphire having a thickness of 10 [mm].
  • the wavelength of CO 2 laser light is 9.6 to 10.6 [ ⁇ m].
  • sapphire has a light absorption rate of 100 [%] at the above wavelength. Therefore, when processing a thick sapphire, if a CO 2 laser beam having a power required for cutting is irradiated, the sapphire may be unexpectedly cracked or melted. In addition, since the CO 2 laser light is absorbed on the surface of the sapphire, the temperature rise in the thickness direction of the sapphire is wide, and the processing quality (for example, the squareness of the cut portion and the presence or absence of undulation) is low. Become.
  • This disclosure was made in order to solve the above problems, and provides a laser cutting method that suppresses the construction time and the like and improves the quality of the cutting process.
  • the laser cutting method includes a first process of forming minute defects in the cutting object and a second process of oscillating a first laser beam having a light absorption rate of 1% or more and less than 50%.
  • the third process of irradiating the minute defect with the first laser beam, and the thermal stress generated by the irradiation of the first laser light, the inside of the fragmented object starts from the minute defect.
  • the third process is characterized by irradiating the first laser beam having a laser output of 60 [W] or more. do.
  • the surface of the object to be cut is polished, and an initial groove that serves as a starting point of the crack growth and induces the crack growth is formed on the surface of the object to be cut by machining or a second process. It is characterized in that the minute defect is formed by providing the micro-defect by processing using the laser beam of the above.
  • the surface of the fractured object is ground, and an initial groove that serves as a starting point of the crack growth and induces the crack growth is formed on the surface of the fractured object by machining or a second process. It is characterized in that the minute defect is formed by providing the micro-defect by processing using the laser beam of the above.
  • the first process is characterized in that the surface of the object to be split is ground to form the minute defect by providing the surface of the object to be cut with a minute grinding scratch that induces the growth of the crack. do.
  • the microdefects are formed by providing a starting point of crack growth and an initial groove for inducing the crack growth on the surface of the fractured object by processing using a second laser beam (short pulse laser).
  • the third process is characterized in that the first laser beam is irradiated so as to follow the irradiation of the second laser beam.
  • the temperature adjusting portion provided in the holding mechanism portion for holding the split object is used so that the crack is propagated at the portion to be split. It is characterized in that the temperature of the cutting object held in the holding mechanism portion is adjusted.
  • the fourth process includes a fifth process of sweeping the first laser beam and advancing the crack by using a sweep mechanism unit that moves the holding mechanism unit that holds the object to be cut.
  • a temperature adjusting unit provided in the holding mechanism unit for holding the fractured object and a laser output adjusting unit for adjusting the laser output of the first laser light are used.
  • the control unit controls the sweep mechanism unit, the temperature adjustment unit, and the laser output adjustment unit so as to be a preset cooperative operation or as independent operations. It is characterized by that.
  • the third process is characterized by irradiating the first laser beam of the parallel beam.
  • the first process is characterized in that the sapphire, which is the object to be cut, is formed with the minute defects, and the second process is characterized by irradiating CO laser light as the first laser light.
  • sapphire can be satisfactorily cut at a desired portion.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a laser cutting device of an embodiment using the laser cutting method of the present disclosure.
  • the laser cutting device of FIG. 1 includes a holding mechanism unit 101 for holding the sapphire plate 1 for cutting, and a temperature adjusting unit 102 for adjusting the temperature of the sapphire plate 1. Further, this laser cutting device includes a laser light source 103 (first laser light source) that irradiates the sapphire plate 1 with the laser beam 3, and a sweep mechanism unit 104 that moves the holding mechanism unit 101 and the like.
  • a laser light source 103 first laser light source
  • the laser light source 103 includes a laser output adjusting unit 103a that adjusts the intensity (laser output) of the laser beam 3 according to the control of the control unit 105 described later.
  • the laser cutting device includes a laser optical system 106 on the output side of the laser light source 103 (near the portion where the laser beam 3 is output).
  • the laser optical system 106 has a function of forming the laser beam 3 incident from the laser light source 103 into a beam shape that irradiates the sapphire plate 1.
  • this laser cutting device includes a temperature adjusting unit 102, a laser output adjusting unit 103a, and a control unit 105 that controls the sweep mechanism unit 104.
  • the laser cutting device described here is configured to cut, for example, the plate-shaped sapphire plate 1, but the laser cutting method of the present invention is not limited to the plate-shaped sapphire and has an arbitrary shape. It is possible to cut the sapphire. Further, the laser cutting method of the present invention is not limited to the cutting of sapphire, and for example, the material to be cut, which is a hard and brittle material, has a predetermined wavelength (the light absorption rate, the light transmittance, etc. in the object to be cut are predetermined). By irradiating a laser beam (which is the value of), cutting can be performed in the same manner as sapphire.
  • the holding mechanism portion 101 is configured to support the side surface, the bottom surface, the bottom end portion, and the like of the sapphire plate 1 so that the surface of the sapphire plate 1 is exposed and held upward.
  • the temperature adjusting unit 102 is provided in the holding mechanism unit 101, for example, and adjusts the temperature of the sapphire plate 1 supported and fixed to the holding mechanism unit 101. It is configured to suppress high temperatures (for example, to cool any part).
  • the laser light source 103 oscillates a laser beam (first laser beam) used for cutting the laser of the sapphire plate 1, and the laser optical system 106 is configured to include, for example, a focusing lens so as to irradiate with an arbitrary beam shape. Has been done.
  • the laser light source 103 is a CO laser oscillator that outputs laser light having a wavelength described later. Further, the laser light source 103 illustrated here is configured to output a laser beam 3 having a circular beam cross-sectional shape.
  • the laser beam 3 has an arbitrary beam cross-sectional shape such as the above-mentioned circular shape or knife shape that can obtain a temperature distribution suitable for cutting with a strength suitable for cutting the sapphire plate 1 by the laser optical system 106. It is molded so as to become. Further, the laser beam 3 is formed by the laser optical system 106 so that an arbitrary energy distribution shape such as a Gaussian shape or a top hat shape can be obtained.
  • the laser beam 3 illustrated here has a shape that converges at an arbitrary focal position, but may be a parallel beam shape (parallel light beam) that does not converge, or a beam shape that diverges in the irradiation direction. good.
  • the sweep mechanism unit 104 moves the holding mechanism unit 101 in an arbitrary direction (the direction in which the crack 21 is developed, which will be described later) so that the laser beam 3 irradiated from the laser light source 103 is swept on the surface of the sapphire plate 1.
  • the control unit 105 includes, for example, an electronic device such as a processor, and the operation of the temperature adjustment unit 102, the operation of the sweep mechanism unit 104, and the laser light source 103 according to an arbitrary operation setting made by the user or the like in advance. It is configured to control the operation in cooperation with each other. Further, the control unit 105 may be configured to control each of the above operations in cooperation with any combination.
  • control unit 105 operates the temperature adjusting unit 102, the sweep mechanism 104, and the laser light source 103 (output by the laser output adjusting unit 103a) according to the arbitrary operation settings set by the user or the like in advance. Adjustment) may be configured to be controlled independently of each other. Further, the control unit 105 may be configured to allow the user or the like to select and set either the above-mentioned control of the cooperative operation or the above-mentioned control of the independent operation.
  • the sapphire plate 1 is subjected to polishing treatment, grinding treatment, etc. before being held by the laser cutting device shown in FIG. 1 to provide minute defects.
  • polishing treatment grinding treatment, etc.
  • the description of the configuration and operation of an apparatus or the like for providing minute defects by performing a polishing treatment, a grinding treatment, or the like on the sapphire plate 1 will be omitted.
  • a process of providing a minute defect is performed on the sapphire plate 1 (first step).
  • a minute defect for example, a portion of the sapphire plate 1 to be cut is subjected to a polishing treatment using a polishing device or the like to form a polished portion having minute polishing scratches.
  • a predetermined laser beam (second laser) is applied to the edge portion of the portion (polished portion) of the sapphire plate 1 to be cut by using a machine tool or the like or by using an appropriate laser processing device or the like.
  • Light is irradiated, and an initial groove 2 described later is provided. The portion of the initial groove 2 induces the growth of cracks generated during cutting.
  • the portion of the sapphire plate 1 to be cut is subjected to a grinding process using a grinding device or the like to form a ground portion having a plurality of minute grinding scratches.
  • the edge portion of the portion (grinding portion) for cutting the sapphire plate 1 is irradiated with a predetermined laser beam (second laser beam) using a machine tool or the like or an appropriate laser processing device or the like.
  • the initial groove 2 described later may be provided. The portion of the initial groove 2 induces the growth of cracks generated during cutting.
  • a plurality of minute grinding scratches capable of causing fracture using a grinding device or the like are provided, which serves as a starting point of a crack when performing the fracture, and also a crack. You may try to induce the progress of.
  • a machine tool or an appropriate laser processing device or the like (second laser light source) is used at the edge portion of the sapphire plate 1 without providing the above-mentioned polished portion or ground portion.
  • the initial groove 2 may be provided.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing cutting using the laser cutting device of FIG.
  • the sapphire plate 1 shown in FIG. 2 has already been subjected to a process of providing minute defects, and for example, an initial groove 2 is provided as a minute defect.
  • FIG. 2 shows the thermal stress generated in the sapphire plate 1 when the laser beam 3 (first laser beam) is irradiated from the laser light source 103 to the initial groove 2 provided in advance in the sapphire plate 1. be.
  • the portion of the sapphire plate 1 irradiated with the laser beam 3 is enlarged as an area A
  • the portion of the area A where the initial groove 2 is provided is enlarged as an area B.
  • the arrow 4 indicates the direction in which the sapphire plate 1 held by the holding mechanism portion 101 moves as the sweep mechanism portion 104 operates.
  • the laser light source 103 After holding the sapphire plate 1 provided with the initial groove 2 in the holding mechanism portion 101 of the laser cutting device, the laser light source 103 is operated to oscillate a laser beam having a light absorption rate by the sapphire plate 1 which will be described later.
  • the laser optical system 106 forms the passing laser light into an arbitrary beam shape, and irradiates the minute defect (initial groove 2) of the sapphire plate 1 as the laser beam 3 (third process).
  • the position where the laser beam 3 is irradiated (beam spot 3a) generates heat, and the portion where the temperature becomes high due to the heat generation becomes the compressive stress field 10 on which the compressive stress acts due to thermal expansion.
  • the tensile stress 11a acts on the initial groove 2 and starts from the initial groove 2.
  • the crack grows in the direction indicated by the arrow 12 (extending direction of the initial groove 2).
  • the laser beam 3 is irradiated to the sapphire plate 1 as described above and the sapphire plate 1 is further swept in the direction of arrow 4, for example, cracks develop from the initial groove 2 in the opposite direction of arrow 4, and the sapphire plate 1 is split. It is done (4th process).
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing the laser light transmission characteristics of the sapphire plate.
  • the horizontal axis shows the wavelength ⁇ of the laser light
  • the vertical axis shows the transmittance of each wavelength ⁇ that passes through an arbitrary sapphire plate (sapphire single crystal).
  • FIG. 3 shows the laser light transmission characteristics of an arbitrary sapphire single crystal having a thickness of, for example, 0.5 [mm].
  • the sapphire single crystal transmits light having a wavelength ⁇ of about 5 [ ⁇ m] or less by 80 [%] or more, but has a transmittance of 0 [%] for light having a wavelength ⁇ longer than about 7 [ ⁇ m]. That is, it absorbs everything.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing light absorption when the sapphire plate 1 is irradiated with the CO 2 laser beam 30.
  • the CO 2 laser light has, for example, a wavelength ⁇ of 10.6 [ ⁇ m] as shown in FIG. 3, and the CO 2 laser beam 30 is absorbed on the surface of the sapphire plate 1.
  • FIG. 5 is an explanatory view showing cracks generated when the sapphire plate 1 is irradiated with the CO 2 laser beam 30.
  • the sapphire plate 1 is irradiated with the CO 2 laser beam 30 having a circular beam cross-sectional shape (irradiating toward the initial groove 2)
  • a circular beam spot that is, a compressive stress field 10 is generated, and this portion Heats up.
  • the CO 2 laser beam 30 is completely (100%) absorbed on the surface of the sapphire plate 1, a circular portion generates heat on the surface, and the temperature distribution diffuses from this portion.
  • the temperature distribution spreads from the beam spot on the surface of the sapphire plate 1, and the thermal stress distribution (compressive stress field 10 and tensile stress) generated at this time spreads.
  • the range of the field 11) changes from a circular shape to a collapsed shape on the surface of the sapphire plate 1, and diffuses in a direction perpendicular to the extending direction of the initial groove 2.
  • FIG. 5 shows the distribution of thermal stress on the surface of the sapphire plate 1 when the irradiation of the first laser beam (for example, the CO 2 laser beam 30) is excessive, but with respect to the thickness direction of the sapphire plate 1. Also, the temperature distribution and thermal stress distribution are diffused.
  • the distribution of thermal stress inside the thickness of the sapphire plate 1 is diffused from the surface of the sapphire plate 1, and is not along the initial groove 2. That is, when the initial groove 2 is irradiated with the CO 2 laser beam 30, the thermal stress generated at the position of the initial groove 2 (and its surroundings) is initially generated on the surface of the sapphire plate 1 and inside the thickness of the sapphire plate 1. The distribution does not follow the groove 2. Therefore, the crack 20 generated by this thermal stress is more likely to grow in an unexpected direction without being guided to the initial groove 2.
  • a sapphire plate 1 having a thickness of 5 [mm] is irradiated with a CO 2 laser beam 30 whose output is increased according to the thickness (for cutting)
  • the thermal stress generated in the sapphire plate 1 is increased. Since the distribution becomes a collapsed (diffused) shape as described above, cracks grow in an unexpected direction, and many undulations occur in the shape of the split portion.
  • a sapphire plate 1 having a thickness of 15 [mm] is irradiated with a CO 2 laser beam 30 whose output is increased according to the thickness (for cutting), the irradiated portion is melted. And chipping occurs.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram showing light transmission when the sapphire plate 1 is irradiated with the laser beam 3.
  • the laser cutting device of this embodiment includes a CO laser light source as the laser light source 103, and irradiates the sapphire plate 1 with a laser beam 3 having a wavelength ⁇ near 5.5 [ ⁇ m].
  • the CO laser light having a wavelength ⁇ of 5.5 [ ⁇ m] has a low light absorption rate of about 10 [%] on the sapphire plate 1, which is about 1/10 of the CO 2 laser light.
  • the sapphire plate 1 When the sapphire plate 1 is irradiated with the laser beam 3 having a wavelength ⁇ of 5.5 [ ⁇ m], the sapphire plate 1 is transmitted to the inside of the thickness of the sapphire plate 1 (the position at a distance d from the surface of the sapphire plate 1) as shown in FIG. That is, thermal stress can be generated even inside between the front surface and the back surface of the sapphire plate 1.
  • the object to be cut is, for example, the sapphire plate 1, the CO laser light having a wavelength ⁇ of 5.5 [ ⁇ m], which has a light absorption rate of about 10 [%] by the sapphire plate 1 as described above. Is preferable.
  • the laser light (first laser light) used in the present invention is preferably one having a wavelength ⁇ such that the light absorption rate by the object to be cut is 1 [%] or more and less than 50 [%].
  • the laser light having such a wavelength ⁇ is transmitted from the surface of the object to be cut to an appropriate position (depth) toward the inside of the thickness, and the portion irradiated with the laser light (desired) inside the thickness of the object to be cut. It is possible to generate a thermal stress of sufficient strength (within a limited range of). That is, when the laser beam having the above light absorption rate is irradiated, it becomes possible to generate a crack within a limited range (desired position) inside the thickness of the object to be cut.
  • FIG. 7 is an explanatory view showing a crack generated when the sapphire plate 1 is irradiated with the laser beam 3.
  • the beam spot 3a that is, The circular part generates heat.
  • the laser beam 3 penetrates to the inside of the thickness of the sapphire plate 1 as described above, when the sapphire plate 1 is irradiated with a laser beam 3 having a strength (laser output) that enables splitting, the surface circle is formed.
  • a substantially columnar or substantially conical portion extending in the thickness direction from the shaped portion generates heat.
  • the laser beam 3 has a wavelength ⁇ having a low light absorption rate as described above. Therefore, the temperature rise of the sapphire plate 1 irradiated with the laser beam 3 is suppressed and the temperature distribution becomes uniform, a compressive stress field 10 is generated in this temperature distribution, and a tensile stress field 11 is generated around the compressive stress field 10. Occurs. That is, a substantially columnar or substantially conical thermal stress field is generated.
  • the sapphire plate 1 is irradiated with the laser beam 3 (CO laser light)
  • the temperature rise can be suppressed in the portion other than the irradiation position of the sapphire plate 1 as compared with the case where the CO 2 laser beam 30 is irradiated. .. That is, it is possible to generate a thermal stress field only in the place where the cutting is performed.
  • a thermal stress field is generated so as to surround the portion irradiated with the laser beam 3 (a part of the initial groove 2), and the laser beam 3 traces the initial groove 2. (Operating the sweep mechanism unit 104), the thermal stress field moves along the initial groove 2, and the crack 21 grows in the extending direction of the initial groove 2.
  • the initial groove 2 illustrated in FIG. 7 is extended to a portion where the crack 21 is propagated, and is not formed only at the edge portion of the sapphire plate 1.
  • a laser in a laser light source 103 Irradiate the laser beam 3 having an output of 60 [W] or more.
  • the laser beam 3 having a laser output lower than 60 [W] is irradiated, thermal stress that causes cracks at the irradiation position of the object to be cut such as the sapphire plate 1 does not occur.
  • the heat generated at the irradiation position of the laser beam 3 diffuses and is conducted over a wide range in the object to be cut such as the sapphire plate 1. That is, thermal stress is generated even in a portion where cracks are not desired to be generated, and it becomes difficult to propagate the cracks in a desired direction.
  • the laser beam 3 having a laser output of 50 [W] was irradiated, no cracks were generated in the sapphire plate 1 having a thickness of 6 to 15 [mm].
  • the laser beam 3 having a laser output of 60 [W] or more the irradiation time of the object to be cut (sapphire plate 1) to the same portion is suppressed to be short, and heat (temperature distribution) is applied to the portion where the crack 21 is not generated.
  • heat temperature distribution
  • the probability of cutting the sapphire plate 1 at a desired position is increased, and the processing quality of the cut portion is improved.
  • the laser beam 3 having a laser output of 60 [W] or more is used so that a crack is generated at a desired position before the other portion becomes hot. It should be noted that this laser output is suppressed in relation to the speed of sweeping (irradiation time) and the like so as not to excessively irradiate the object to be cut such as the sapphire plate 1.
  • the initial groove 2 is provided (extended) in advance on a sapphire plate 1 having a thickness of 15 [mm] and the laser beam 3 is irradiated so as to follow the initial groove 2, the initial groove 2 is followed. It has been confirmed that the sapphire plate 1 can be cut without causing cracks 21 and causing damage such as unexpected cracks. Further, for example, when the laser beam 3 is irradiated to the sapphire plate 1 having a thickness of 20 [mm] in which the initial groove 2 is not provided, a crack 21 is generated following the trajectory of sweeping the laser beam 3, and an unexpected crack occurs. It has been confirmed that the sapphire plate 1 can be cut without causing damage such as.
  • the temperature adjusting unit 102 is operated to give the sapphire plate 1 generated by the irradiation of the laser beam 3 a temperature suitable for cutting or crack growth.
  • the temperature of the sapphire plate 1 is adjusted so that a gradient is generated.
  • an appropriate sapphire plate 1 is suitable. Cooling water or the like is brought into contact with the portion, and the temperature is adjusted so that the thermal temperature gradient (thermal stress) inside the sapphire plate 1 becomes the optimum state.
  • the sweep mechanism unit 104 When the sapphire plate 1 is cut, the sweep mechanism unit 104 is operated to move the holding mechanism unit 101 in a predetermined direction, the sapphire plate 1 held by the holding mechanism unit 101 is moved, and the sapphire plate 1 is irradiated.
  • the laser beam 3 is swept (fifth process). Therefore, the operation of the sweep mechanism unit 104 and the operation of the temperature adjusting unit 102 are linked so that the sapphire plate 1 is cut or the crack 21 is satisfactorily developed (sixth process).
  • the temperature adjusting unit 102 or the holding mechanism unit 101 is provided with a temperature sensor or the like for measuring the temperature of the sapphire plate 1 held by the holding mechanism unit 101, and a signal output from the temperature sensor or the like (
  • a laser cutting device is configured so as to input a signal indicating the temperature of the sapphire plate 1 to the control unit 105.
  • the control unit 105 is set in advance with a desired operation, a control pattern, or the like (for example, division of the sapphire plate 1 or operation control for satisfactorily advancing the crack 21).
  • the above-mentioned control pattern or the like set in the control unit 105 includes, for example, adjustment of the intensity (laser output) of the laser beam 3 by the laser output adjustment unit 103a.
  • the sweep mechanism unit 104, the temperature adjusting unit 102, and the laser output adjusting unit 103a may be set in the control unit 105 so as to perform arbitrary independent operations.
  • the control unit 105 acquires the output signal of the temperature sensor or the like at the same time as the irradiation of the laser beam 3 is started, and detects the temperature of the sapphire plate 1. Further, when the irradiation of the laser beam 3 is started, the operation control of the sweep mechanism unit 104 is started. For example, when it is detected that the sapphire plate 1 has reached a predetermined high temperature, the thermal stress that generates the crack 21 is cut off. It is determined that the occurrence occurs at the starting point of the laser beam 3, and the sweep mechanism unit 104 is controlled to start sweeping the laser beam 3 (movement of the sapphire plate 1).
  • the control unit 105 detects that the irradiation of the laser beam 3 is swept as described above, for example, the signal acquired from the temperature sensor or the like exceeds a preset threshold value (temperature), the control unit 105 adjusts the temperature.
  • the sapphire plate 1 is cooled by controlling the portion 102, the state of the thermal temperature gradient generated inside the sapphire plate 1 is appropriately adjusted, and the crack 21 is generated only in the portion to be split. That is, it is possible to prevent the crack 21 from advancing to the portion other than the portion to be cut and the unexpected crack from occurring.
  • the laser output adjusting unit 103 controlled by the control unit 105 causes the crack 21 to grow (the irradiation of the laser beam 3 is applied to the sapphire plate 1).
  • the control pattern set in advance in the control unit 105 or the output signal of the above-mentioned temperature sensor or the like is output.
  • the laser beam 3 emitted from the laser light source 103 is adjusted to an appropriate laser output in accordance with the temperature of the sapphire plate 1 shown.
  • the cooperation operation of the sweep mechanism unit 104, the temperature adjustment unit 102, and the laser output adjustment unit 103a is an example, and the crack 21 is propagated, that is, the sapphire plate 1 is satisfactorily cut by other cooperation contents and the like.
  • the sweep mechanism unit 104, the temperature adjusting unit 102, and the laser output adjusting unit 103a may be operated.
  • the laser cutting device described here is configured to hold the sapphire plate 1 provided with the initial groove 2 in advance and irradiate the laser beam 3 for advancing the crack 21.
  • a laser cutting device provided with a second laser light source laser processing device or the like
  • the laser breaking device provided with the second laser light source described above irradiates the position where the initial groove 2 is provided with the second laser light (first process), and the initial stage provided by the irradiation of the second laser light.
  • the groove 2 is irradiated with the laser beam 3 (third process). In other words, this laser breaking device irradiates the laser beam 3 so as to follow the second laser beam, and sweeps these laser beams so that the laser beam 3 follows the second laser beam. ..
  • the second laser light for example, a wavelength transmitted through the sapphire plate 1 of 355 [nm] to 1064 [nm] is applied, but due to short pulse oscillation, the output density and peak output are much higher than those of the laser beam 3. have. This makes it possible to form an initial groove 2 having an appropriate depth in the sapphire plate 1.
  • the sapphire plate 1 having no initial groove 2 (microdefect) is installed and fixed to the laser cutting device in advance, and the sapphire plate 1 is installed and fixed. It becomes possible to divide the laser.

Abstract

厚さ数ミリメートル以上のサファイアの加工において、施工時間等を抑制するとともに、分断加工の品質を良好にするレーザー割断方法を提供する。サファイア板１の光吸収特性が１％以上５０％未満となる波長のレーザービーム３をレーザー光源１０３から照射し、レーザービーム３の照射によって発生した熱応力を用いて、サファイア板１に設けた微小欠陥を起点として、サファイア板１の内部に亀裂を進展させて割断を行う。レーザー光源１０３は、レーザー出力６０［Ｗ］以上のレーザービーム３を照射する。

Description

レーザー割断方法
　本開示は、レーザー光の照射によって鉱物等を割断するレーザー割断方法に関する。
　例えば、サファイア結晶は、透明性、ダイアモンドに次ぐ高い硬度、化学的安定度、良好な熱伝導性を特徴としている。そのため、サファイアを加工したものは、時計用窓材や半導体用基板材料など、様々な工業分野において使用されている。
　また、サファイア結晶は脆いという特徴を持つことから、材料チッピングなどを抑制した高精度加工を施す場合には、高剛性を備えた加工装置が必要になり、加工時間が長くなることや、工具の摩耗が進行し易くなるなど、加工等に要するコストが高くなるという問題を抱えている。
　現時点において、厚みが数ミリメートル以上のサファイアを分断する手段は、機械加工に限定されており、加工可能な厚みの範囲を拡げるとともに低コストの加工方法を開発することが求められている。
　厚さ１［ｍｍ］以下のサファイア薄板において割断を行う場合には、機械加工の他にレーザー加工が用いられている。
　例えば、波長が３５５［ｎｍ］のレーザー光（固体ＵＶレーザー）をサファイア等に照射し、当該サファイア等にクラックを発生させるレーザー加工方法がある（例えば、特許文献１）。
　このレーザー加工方法は、光源からパルスレーザー光を照射し、凸レンズを用いてサファイアなどの加工対象物の内部に集光する。パルスレーザー光を加工対象物の内部に集光することにより、加工対象物の表面と裏面との間にクラックを生じさせ、加工対象物を割断する。
　また、波長３５５［ｎｍ］のパルスレーザー光を、サファイアなどの加工対象物の表面上方に集光照射し、加工対象物の表面にＶ字形の損傷を形成するレーザー加工方法がある（例えば、特許文献２）。
　このレーザー加工方法は、光源から照射したパルスレーザー光を、対物レンズを用いて加工対象物の手前に集光し、このレーザー光を加工予定位置に沿って走査させ、割断に適した損傷を生起させている。
　レーザー光を集光した場合、空間エネルギ密度が高くなる焦点位置にプラズマが発生する。このレーザー加工方法は、プラズマによって加工対象物に意図しない損傷が生起しないように、加工対象物の手前にレーザー光を集光させている。
特開２００５－２８８５０３号公報 特開２００６－１１４７８６号公報
　サファイアは、モース硬度が９であり、機械加工の際には、高精度加工のための高剛性ＮＣ加工機やダイアモンド工具などの高価な加工ツールが不可欠である。また、上記の各ツールは、加工作業によって摩耗することから、一定期間の使用後には交換が必要になる。
　また、機械加工によってサファイアを加工する場合には、加工の促進や当該加工ツールを冷却するために研削液が必要になり、当該研削液も一定期間の使用後には交換しなければならない。
　サファイアは、硬脆材料であることから、加工時の機械的な応力によるダメージを抑制することが必要になり、粗加工から仕上げ加工などの複数の工程が必須になる。そのため、サファイアの加工には、数時間から数十時間を要する場合がある。
　また、レーザー光を使用してサファイアの割断を行う場合には、レーザー光を高い精度で制御しなければ、加工を施す位置に適当な損傷等を生起することが難しく、割断を所望のように行うことができなくなる。
　また、サファイアにレーザー加工を施す場合には、次のような問題がある。
　サファイアは、０．３～４．５［μｍ］の広い波長範囲で光吸収が低く、上記の波長範囲でレーザー加工を行うためには、高エネルギ、もしくは高ピークパワーの短パルスレーザー光等を出力するレーザー光源が必要になる。
　上記の短パルスレーザー光を用いた場合には、時間当りの加工量が非常に小さくなるため、厚みが数［ｍｍ］程度のものを割断する場合には適していない。
　上記のような厚みを有するものを割断するため、予めサファイアに加工起点となる初期溝を設けておく。この溝に沿って吸収性（サファイアに吸収され易い波長の）レーザー光を照射し、照射された部位を発熱させて熱応力を生じさせる。この熱応力によって上記の初期溝に沿って亀裂を進展させ、当該サファイアを割断する技術開発が行われている。
　この技術は、初期溝に沿って亀裂を進展させて割断を行うため、従来の機械加工において必須であった材料の取り代（例えば数百μｍの取り代）が不要になる。また、加工工具や研削液等も不要になるため、大幅な加工コストの削減と加工時間の短縮が実現可能になる。この技術において、ＣＯ２レーザー光を使用し、また、サファイアに溝深さ数十［μｍ］の初期溝を設けることによって、厚さ１０［ｍｍ］のサファイアを割断することが可能になる。
　例えば、ＣＯ２レーザー光の波長は、９．６～１０．６［μｍ］である。また、サファイアは、上記波長の光吸収率が１００［％］である。そのため、厚いサファイアを加工する場合に、割断に必要なパワーのＣＯ２レーザー光を照射すると、サファイアに不意のクラックや溶融などが生じてしまう場合がある。
　また、ＣＯ２レーザー光は、サファイアの表面において吸収されることから、サファイアの厚さ方向における温度上昇も広範囲になるため、加工の品質（例えば、割断部位の直角度やうねりの有無）が低くなる。
　本開示は上記の問題点を解決するために行われたもので、施工時間等を抑制するとともに、分断加工の品質を良好にするレーザー割断方法を提供する。
　本開示に係るレーザー割断方法は、割断対象物に微小欠陥を形成させる第１過程と、前記割断対象物の光吸収率が１％以上５０％未満である第１のレーザー光を発振する第２過程と、前記第１のレーザー光を前記微小欠陥に照射する第３過程と、前記第１のレーザー光の照射によって発生した熱応力を用いて、前記微小欠陥を起点として前記割断対象物の内部に亀裂を進展させて前記割断対象物の割断を行う第４過程と、を有し、前記第３過程は、レーザー出力６０［Ｗ］以上の前記第１のレーザー光を照射することを特徴とする。
　また、前記第１過程は、前記割断対象物の表面に研磨処理を施し、該割断対象物表面に、前記亀裂進展の起点になるとともに前記亀裂進展を誘導する初期溝を、機械加工または第２のレーザー光を用いた加工によって設けることにより前記微小欠陥を形成することを特徴とする。
　また、前記第１過程は、前記割断対象物の表面に研削処理を施し、該割断対象物表面に、前記亀裂進展の起点になるとともに前記亀裂進展を誘導する初期溝を、機械加工または第２のレーザー光を用いた加工によって設けることにより前記微小欠陥を形成することを特徴とする。
　また、前記第１過程は、前記割断対象物の表面に研削処理を施して該割断対象物表面に前記亀裂進展を誘導する微小な研削傷を設けることにより前記微小欠陥を形成することを特徴とする。
　また、前記第１過程は、前記割断対象物の表面に亀裂進展の起点および該亀裂進展を誘導する初期溝を第２のレーザー光（短パルスレーザー）を用いた加工によって設けることにより前記微小欠陥を形成し、前記第３過程は、前記第２のレーザー光の照射に追従させて前記第１のレーザー光を照射することを特徴とする。
　また、前記第４過程は、前記亀裂を進展させるとき、前記割断対象物を保持する保持機構部に備えた温度調整部を用いて、前記割断を行う部分で前記亀裂が進展するように、前記保持機構部に保持されている前記割断対象物の温度を調整することを特徴とする。
　また、前記第４過程は、前記割断対象物を保持している保持機構部を移動させる掃引機構部を用いて、前記第１のレーザー光を掃引して前記亀裂を進展させる第５過程と、前記第５過程で前記亀裂を進展させるとき、前記割断対象物を保持する保持機構部に備えた温度調整部と、前記第１のレーザー光のレーザー出力を調整するレーザー出力調整部とを用いて、前記割断を行う部分で前記亀裂が進展するように、前記保持機構部に保持されている前記割断対象物の温度調整および前記第１のレーザー光の出力調整を行う第６過程と、を含み、前記第６過程は、制御部が、前記掃引機構部、前記温度調整部、および、前記レーザー出力調整部を、予め設定された連携動作となるように、または、それぞれ独立した動作として制御することを特徴とする。
　また、前記第３過程は、平行ビームの前記第１のレーザー光を照射することを特徴とする。
　また、前記第１過程は、前記割断対象物であるサファイアに前記微小欠陥を形成させ、前記第２過程は、前記第１のレーザー光としてＣＯレーザー光を照射することを特徴とする。
　本開示によれば、サファイアを所望の部分で良好に割断することができる。
本開示のレーザー割断方法を用いた実施例のレーザー割断装置の概略構成を示す説明図である。 図１のレーザー割断装置を用いた割断を示す説明図である。 サファイア板のレーザー光透過特性を示す説明図である。 ＣＯ２レーザービームをサファイア板に照射した場合の光吸収を示す説明図である。 ＣＯ２レーザービームをサファイア板に照射した場合（サファイア板に対して第１のレーザー光の照射が過多である場合）に生じる亀裂を表した説明図である。 ＣＯレーザービームをサファイア板に照射した場合の光透過を示す説明図である。 ＣＯレーザービームをサファイア板に照射した場合に生じる亀裂を表した説明図である。
　以下、この発明の実施の一形態を説明する。
（実施例）
　図１は、本開示のレーザー割断方法を用いた実施例のレーザー割断装置の概略構成を示す説明図である。
　図１のレーザー割断装置は、割断を行うサファイア板１を保持する保持機構部１０１、サファイア板１の温度を調整する温度調整部１０２を備えている。また、このレーザー割断装置は、サファイア板１にレーザービーム３を照射するレーザー光源１０３（第１のレーザー光源）、保持機構部１０１等を移動させる掃引機構部１０４を備えている。レーザー光源１０３は、後述する制御部１０５の制御に応じてレーザービーム３の強さ（レーザー出力）を調整するレーザー出力調整部１０３ａを備えている。
　また、レーザー割断装置は、レーザー光源１０３の出力側（レーザービーム３を出力する部分の近傍）にレーザー光学系１０６を備えている。レーザー光学系１０６は、レーザー光源１０３から入射したレーザービーム３を、サファイア板１に照射するビーム形状に成形する機能を備えている。
　また、このレーザー割断装置は、温度調整部１０２、レーザー出力調整部１０３ａ、および、掃引機構部１０４を制御する制御部１０５を備えている。
　なお、ここで説明するレーザー割断装置は、例えば、板状のサファイア板１を割断するように構成されているが、本発明のレーザー割断方法は、板状のサファイアに限定されず、任意の形状のサファイアを割断することが可能である。
　また、本発明のレーザー割断方法は、サファイアの割断に限定されず、例えば、硬脆材料である割断対象物に、所定の波長を有する（割断対象物における光吸収率、光透過率等が所定の値である）レーザー光を照射することにより、サファイアと同様に割断を行うことができる。
　保持機構部１０１は、サファイア板１の側面、底面または底端部等を支持し、サファイア板１の表面を上方へ露出させて保持するように構成されている。
　温度調整部１０２は、例えば保持機構部１０１に備えられ、保持機構部１０１に支持固定されたサファイア板１の温度を調整するように、詳しくは、レーザー光の照射によってサファイア板１全体が過度に高温となることを抑制する（例えば任意の部分を冷却する）ように構成されている。
　レーザー光源１０３は、サファイア板１のレーザー割断に用いるレーザー光（第１のレーザー光）を発振し、レーザー光学系１０６は、任意のビーム形状で照射するように、例えば焦点レンズなどを備えて構成されている。
　レーザー光源１０３は、後述する波長のレーザー光を出力するＣＯレーザー発振器である。また、ここで例示するレーザー光源１０３は、ビーム断面形状が円形状のレーザービーム３を出力するように構成されている。
　なお、レーザービーム３は、レーザー光学系１０６によって、サファイア板１の割断に適した強さで、割断に適した温度分布が得られる上記の円型状やナイフ型などの任意のビーム断面形状となるように成形される。また、レーザービーム３は、レーザー光学系１０６によって、ガウシアン形状、トップハット形状などの任意のエネルギ分布形状が得られるように成形される。
　ここで例示するレーザービーム３は、任意の焦点位置で収束する形状をしているが、収束することのない平行ビーム形状（平行光線）でもよく、また、照射方向に向かって発散するビーム形状でもよい。
　掃引機構部１０４は、レーザー光源１０３から照射されたレーザービーム３が、サファイア板１の表面において掃引されるように、保持機構部１０１を任意の方向（後述する亀裂２１の進展方向）へ移動させるように構成されている。
　制御部１０５は、例えばプロセッサなどの電子デバイス等を備え、予めユーザ等が行った任意の動作設定に則して、温度調整部１０２の動作と、掃引機構部１０４の動作と、レーザー光源１０３の動作とを、連携させて制御するように構成されている。
　また、制御部１０５は、上記の各動作を任意の組み合わせで連携させて制御するように構成してもよい。
　また、制御部１０５は、予めユーザ等が行った任意の各動作設定に則して、温度調整部１０２の動作、掃引機構部１０４の動作、レーザー光源１０３の動作（レーザー出力調整部１０３ａによる出力調整）を、それぞれ独立して制御するように構成してもよい。
　また、制御部１０５は、上記の連携動作の制御および上記の独立動作の制御のいずれかを、ユーザ等に選択設定させるように構成してもよい。
　なお、サファイア板１は、図１のレーザー割断装置に保持される前に、研磨処理、研削処理等が施されて微小欠陥が設けられる。ここでは、サファイア板１に研磨処理、研削処理などを施して微小欠陥を設ける装置等の構成や動作等の説明を省略する。
　次に動作について説明する。
　本発明のレーザー割断方法において、図１のレーザー割断装置にサファイア板１を設置固定する前に、当該サファイア板１に微小欠陥を設ける加工を施す（第1過程）。
　微小欠陥として、例えば、サファイア板１の割断を行う部分に、研磨装置等を用いて研磨処理を施し、微小な研磨傷を有する研磨部分を形成する。
　また、微小欠陥として、サファイア板１の割断を行う部分（研磨部分）の縁端部に、工作機械等を用いて、または適当なレーザー加工装置等を用いて所定のレーザー光（第２のレーザー光）を照射し、後述する初期溝２を設ける。この初期溝２の部分は、割断を行う際に発生する亀裂の進展を誘導するものである。
　または、例えば、サファイア板１の割断を行う部分に、研削装置等を用いて研削処理を施し、微小な研削傷を複数有する研削部分を形成する。また、サファイア板１の割断を行う部分（研削部分）の縁端部に、工作機械等を用いて、または適当なレーザー加工装置等を用いて所定のレーザー光（第２のレーザー光）を照射し、後述する初期溝２を設けるようにしてもよい。この初期溝２の部分は、割断を行う際に発生する亀裂の進展を誘導するものである。
　または、例えば、初期溝２等を設けることなく、研削装置等を用いて割断を発生させることが可能な程度の微小な研削傷を複数設け、割断を行う際の亀裂の起点となり、また、亀裂の進展を誘導するようにしてもよい。
　また、サファイア板１の微小欠陥として、上記の研磨部分や研削部分等を設けることなく、サファイア板１の縁端部に、工作機械または適当なレーザー加工装置等（第２のレーザー光源）を用いて初期溝２を設けるようにしてもよい。
　図２は、図１のレーザー割断装置を用いた割断を示す説明図である。図２に示したサファイア板１は、微小欠陥を設ける処理等を既に行ったもので、例えば、微小欠陥として初期溝２が設けられている。
　図２は、サファイア板１に予め設けておいた初期溝２に、レーザー光源１０３からレーザービーム３（第１のレーザー光）を照射したとき、サファイア板１に生じる熱応力等を表したものである。
　また、図２は、レーザービーム３が照射されたサファイア板１の部分をエリアＡとして拡大表記し、エリアＡに含まれる初期溝２が設けられている部分をエリアＢとして拡大表記している。また、図中、矢印４は、掃引機構部１０４が稼働することにより、保持機構部１０１に保持されたサファイア板１が移動する方向である。
　レーザー割断装置の保持機構部１０１に、初期溝２を設けたサファイア板１を保持させた後、レーザー光源１０３を稼働させて、サファイア板１による光吸収率が後述する値となるレーザー光を発振させる（第２過程）。レーザー光学系１０６は、通過するレーザー光を任意のビーム形状に成形し、これをレーザービーム３としてサファイア板１の微小欠陥（初期溝２）に照射する（第３過程）。
　サファイア板１のエリアＡにおいて、レーザービーム３が照射された位置（ビームスポット３ａ）が発熱し、この発熱によって高温となった部分は、熱膨張によって圧縮応力が作用する圧縮応力場１０となる。圧縮応力場１０の周囲には、当該圧縮応力場１０よりも温度の低い部分が存在し、この部分は圧縮応力の逆方向に作用する引っ張り応力１１ａが生じる引っ張り応力場１１となる。レーザービーム３をサファイア板１に照射すると、上記のように熱応力（圧縮応力、引っ張り応力１１ａ）が生じる。
　初期溝２の近傍にビームスポット３ａが位置するように、レーザービーム３をサファイア板１に照射して熱応力を発生させると、引っ張り応力１１ａが初期溝２に作用し、初期溝２を起点として亀裂が矢印１２の示す方向（初期溝２の延設方向）に進展する。
　上記のようにレーザービーム３をサファイア板１に照射し、さらにサファイア板１を例えば矢印４の方向へ掃引すると、初期溝２から矢印４の逆方向へ亀裂が進展してサファイア板１の割断が行われる（第４過程）。
　図３は、サファイア板のレーザー光透過特性を示す説明図である。この図は、横軸がレーザー光の波長λを示し、縦軸が任意のサファイア板（サファイア単結晶）を透過する各波長λの透過率を示している。図３は、例えば厚さ０．５［ｍｍ］の任意のサファイア単結晶のレーザー光透過特性を示している。
　サファイア単結晶は、波長λが概ね５［μｍ］以下の光を８０［％］以上透過させるが、波長λが概ね７［μｍ］よりも長い光に対しては透過率が０［％］、即ち、全て吸収する。
　図４は、ＣＯ２レーザービーム３０をサファイア板１に照射した場合の光吸収を示す説明図である。
　ＣＯ２レーザー光は、例えば、図３に示したように波長λが１０．６［μｍ］であり、ＣＯ２レーザービーム３０は、サファイア板１の表面において吸収される。
　図５は、ＣＯ２レーザービーム３０をサファイア板１に照射した場合に生じる亀裂を表した説明図である。例えば、ビーム断面形状が円形状のＣＯ２レーザービーム３０をサファイア板１に照射する（初期溝２に向けて照射する）と、円形状のビームスポット、即ち、圧縮応力場１０が生じ、この部分が発熱する。前述のようにＣＯ２レーザービーム３０は、サファイア板１の表面において全て（１００％）吸収されるため、当該表面において円形状の部分が発熱し、この部分から温度分布が拡散する。
　厚いサファイア板１を割断するために強い出力のＣＯ２レーザービーム３０を照射すると、サファイア板１表面のビームスポットから温度分布が拡がり、このときに生じる熱応力の分布（圧縮応力場１０ならびに引っ張り応力場１１の範囲）は、サファイア板１の表面において円形状から崩れた形状になり、初期溝２の延設方向に対して鉛直となる方向などに関しても拡散する。
　図５は、第１のレーザー光（例えば、ＣＯ２レーザービーム３０）の照射が過多である場合のサファイア板１の表面における熱応力の分布を示しているが、サファイア板１の厚さ方向に関しても温度分布ならびに熱応力の分布が拡散する。サファイア板１の厚み内部の熱応力の分布は、サファイア板１表面から拡散したものとなり、初期溝２に沿っていない分布となる。
　即ち、初期溝２にＣＯ２レーザービーム３０を照射した場合、初期溝２の位置（ならびにその周辺）に生じる熱応力は、サファイア板１の表面、サファイア板１の厚み内部のいずれにおいても、初期溝２に沿った分布とならない。そのため、この熱応力によって発生する亀裂２０は、初期溝２に誘導されることなく、不意の方向に進展する可能性が高くなる。
　例えば、厚さ５［ｍｍ］のサファイア板１に、厚さに応じて（割断を行うために）出力を大きくしたＣＯ２レーザービーム３０を照射した場合には、サファイア板１に生じる熱応力の分布が上記のように崩れた（拡散した）形状となるため、不意の方向にクラックが進展し、また、割断部分の形状に多くのうねりが生じる。
　また、例えば、厚さ１５［ｍｍ］のサファイア板１に、厚さに応じて（割断を行うために）出力を大きくしたＣＯ２レーザービーム３０を照射した場合には、照射された部分に溶融や欠けが発生する。
　図６は、レーザービーム３をサファイア板１に照射した場合の光透過を示す説明図である。
　本実施例のレーザー割断装置は、レーザー光源１０３としてＣＯレーザー光源を備え、波長λが５．５［μｍ］近傍のレーザービーム３をサファイア板１に照射する。
　例えば、波長λが５．５［μｍ］のＣＯレーザー光は、サファイア板１において、光吸収率が１０［％］程度と低く、ＣＯ２レーザー光の１／１０程度である。
　波長λが５．５［μｍ］のレーザービーム３をサファイア板１に照射すると、図６に示したようにサファイア板１の厚み内部（サファイア板１の表面から距離ｄの位置）まで透過する。即ち、サファイア板１の表面と裏面との間の内部においても、熱応力を生じさせることができる。
　換言すると、割断対象物が例えばサファイア板１である場合には、上記のようにサファイア板１による光吸収率が１０［％］程度となる、波長λが５．５［μｍ］のＣＯレーザー光が好適である。
　本発明において使用するレーザー光（第１のレーザー光）は、割断対象物による光吸収率が１［％］以上、５０［％］未満となる波長λを有するものが適している。
　このような波長λのレーザー光は、上記割断対象物の表面から厚み内部へ向かって適度な位置（深さ）まで透過し、割断対象物の厚み内部において、レーザー光が照射された部分（所望の限られた範囲）に十分な強さの熱応力を生じさせることができる。即ち、上記の光吸収率となるレーザー光を照射すると、割断対象物の厚み内部において限られた範囲内（所望の位置）に亀裂を発生させることが可能になる。
　図７は、レーザービーム３をサファイア板１に照射した場合に生じる亀裂を表した説明図である。
　レーザー光源１０３からレーザー光学系１０６を通過してビーム断面形状が円形状となったレーザービーム３を、サファイア板１に照射する（初期溝２に向けて照射する）と、ビームスポット３ａ、即ち、円形状の部分が発熱する。
　詳しくは、上記のようにレーザービーム３はサファイア板１の厚み内部まで透過することから、割断を可能にする強さ（レーザー出力）のレーザービーム３をサファイア板１に照射すると、上記表面の円形状の部分から厚さ方向に延設された略円柱状、または略円錐状の部分が発熱する。
　レーザービーム３は、上記のように光吸収率が低い波長λである。そのため、レーザービーム３が照射されたサファイア板１は、温度上昇が抑制されて均一な温度分布となり、この温度分布において圧縮応力場１０が生じ、この圧縮応力場１０の周囲に引っ張り応力場１１が生じる。即ち、概ね、略円柱状、または略円錐状の熱応力場が生じる。
　レーザービーム３（ＣＯレーザー光）をサファイア板１に照射した場合、ＣＯ２レーザービーム３０を照射した場合に比べて、サファイア板１の照射位置以外の部分については、温度上昇を抑制することができる。即ち、割断を行う箇所に限定して、熱応力場を生じさせることが可能になる。
　レーザービーム３を初期溝２に照射した場合には、レーザービーム３が照射されている部分（初期溝２の一部分）を包み込むように熱応力場が生じ、初期溝２をなぞるようにレーザービーム３を掃引（掃引機構部１０４を稼働）させた場合には、初期溝２に沿って熱応力場が移動し、初期溝２の延設方向に亀裂２１が進展する。
　なお、図７に例示した初期溝２は、亀裂２１を進展させる部分に延設されたもので、サファイア板１の縁端部のみに形成されたものではない。
　初期溝２を追従するように亀裂２１を生じさせ、換言すると、初期溝２の延設方向に沿って亀裂２１を進展させてサファイア板１を割断するためには、例えば、レーザー光源１０３におけるレーザー出力が６０［Ｗ］以上となるレーザービーム３を照射する。
　レーザー出力が６０［Ｗ］よりも低いレーザービーム３を照射した場合、サファイア板１などの割断対象物の照射位置に亀裂を発生させる熱応力が生じない。また、亀裂を発生させる強さの熱応力が生じるまで相当の時間を要する。このように照射時間が長くなると、サファイア板１などの割断対象物においては、レーザービーム３の照射位置に発生した熱が拡散して広い範囲に伝導してしまう。即ち、亀裂を発生させたくない部位にまで熱応力が生じることになり、亀裂を所望の方向へ進展させることが難しくなる。
　例えば、レーザー出力５０［Ｗ］のレーザービーム３を照射した場合、厚さ６～１５［ｍｍ］のサファイア板１には亀裂が発生しなかった。
　そこで、レーザー出力６０［Ｗ］以上のレーザービーム３を用いて、割断対象物（サファイア板１）の同一部位への照射時間を短く抑制し、亀裂２１を生じさせない部分へ熱（温度分布）が拡散することを抑えて、サファイア板１を所望の位置で割断する確度を高め、また、割断部分の加工品質を高める。換言すると、他の部分が熱くなる前に所望の位置に亀裂が発生するように、レーザー出力が６０［Ｗ］以上のレーザービーム３を用いる。なお、このレーザー出力は、サファイア板１などの割断対象物に対して過多の照射とならない程度に、掃引の速さ（照射時間）などと関連させて抑制する。
　例えば、厚さ１５［ｍｍ］のサファイア板１に、予め初期溝２を設けて（延設させて）おき、初期溝２を追従するようにレーザービーム３を照射すると、初期溝２に追従して亀裂２１が生じ、不意のクラックなどのダメージが生じることなく、サファイア板１を割断することができることが確認されている。
　また、例えば、初期溝２を設けていない厚さ２０［ｍｍ］のサファイア板１に、レーザービーム３を照射すると、当該レーザービーム３を掃引した軌跡に追従して亀裂２１が生じ、不意のクラックなどのダメージが生じることなく、サファイア板１を割断することができることが確認されている。
　レーザービーム３を照射してサファイア板１を割断するとき（第４過程）、温度調整部１０２を稼働させて、レーザービーム３の照射によって発熱したサファイア板１に、割断もしくは亀裂進展に適当な温度勾配が生じるように、サファイア板１の温度を調整する。
　具体的には、割断を行う部分のみに亀裂２１を生じさせる（割断を行う部分以外に亀裂２１が進展する、または不意のクラックが発生することを防ぐ）ため、例えば、サファイア板１の適当な部分に冷却水などを接触させ、サファイア板１内部の熱温度勾配（熱応力）が最適な状態となるように温度調整を行う。
　サファイア板１を割断するときには、掃引機構部１０４を稼働させて保持機構部１０１を所定方向に移動し、保持機構部１０１に保持されたサファイア板１を移動させ、当該サファイア板１に照射されるレーザービーム３を掃引させている（第５過程）。
　そこで、サファイア板１の割断、もしくは亀裂２１が良好に進展するように、掃引機構部１０４の動作と温度調整部１０２の動作とを連携させる（第６過程）。
　具体的には、温度調整部１０２、もしくは保持機構部１０１に、保持機構部１０１に保持されているサファイア板１の温度を測定する温度センサ等を備え、この温度センサ等から出力される信号（サファイア板１の温度を示す信号）を制御部１０５へ入力するようにレーザー割断装置を構成する。また、制御部１０５には、予め所望の動作、もしくは制御パターン等（例えば、サファイア板１の割断、もしくは亀裂２１を良好に進展させるための動作制御）を設定しておく。なお、制御部１０５に設定する上記の制御パターン等には、例えば、レーザー出力調整部１０３ａによるレーザービーム３の強さ（レーザー出力）の調整が含まれている。
　また、掃引機構部１０４、温度調整部１０２、レーザー出力調整部１０３ａが、それぞれ任意の独立動作を行うように制御部１０５に設定してもよい。
　レーザー割断装置にサファイア板１が保持された後、制御部１０５は、レーザービーム３の照射開始とともに、温度センサ等の出力信号を取得し、サファイア板１の温度を検知する。また、レーザービーム３の照射が開始されると、掃引機構部１０４の動作制御を開始し、例えば、サファイア板１が所定の高温に到達したことを検知すると、亀裂２１を発生させる熱応力が割断の起点に生じたと判断し、掃引機構部１０４を制御してレーザービーム３の掃引（サファイア板１の移動）を開始する。
　制御部１０５は、上記のようにレーザービーム３の照射が掃引されているとき、例えば、温度センサ等から取得した信号が、予め設定された閾値（温度）を超えたことを検知すると、温度調整部１０２を制御して例えばサファイア板１の冷却を行い、サファイア板１内部に生じている熱温度勾配の状態を適当に調整し、割断を行う部分のみに亀裂２１を生じさせる。即ち、割断を行う部分以外に亀裂２１が進展することや、不意のクラックが発生することを防ぐ。
　また、上記のようにレーザービーム３の照射が掃引されているとき、制御部１０５によって制御されたレーザー出力調整部１０３は、亀裂２１が進展するように（レーザービーム３の照射がサファイア板１に対して過多とならないように、また、亀裂２１の進展が不意に停止しないように）、例えば、予め制御部１０５に設定された制御パターンに応じて、または、前述の温度センサ等の出力信号が示すサファイア板１の温度に対応させて、レーザー光源１０３から照射されるレーザービーム３を適当なレーザー出力に調整する。
　上記の掃引機構部１０４、温度調整部１０２、レーザー出力調整部１０３ａの連携動作は一例であり、他の連携内容等によって、亀裂２１の進展、即ち、サファイア板１の割断が良好に行われるように、掃引機構部１０４、温度調整部１０２、レーザー出力調整部１０３ａを動作させてもよい。
　ここで説明したレーザー割断装置は、予め初期溝２を設けたサファイア板１を保持し、亀裂２１を進展させるレーザービーム３を照射するように構成されているが、本発明のレーザー割断方法においは、さらに、初期溝２を形成するための第２のレーザー光を発振する第２のレーザー光源（レーザー加工装置等）を備えたレーザー割断装置を用いてもよい。
　上記の第２のレーザー光源を備えたレーザー割断装置は、第２のレーザー光を、初期溝２を設ける位置に照射し（第１過程）、この第２のレーザー光の照射によって設けられた初期溝２にレーザービーム３を照射する（第３過程）。換言すると、このレーザー割断装置は、第２のレーザー光を追従するようにレーザービーム３を照射し、また、第２のレーザー光をレーザービーム３が追従するように、これらのレーザー光を掃引する。
　第２のレーザー光は、例えば、３５５［ｎｍ］～１０６４［ｎｍ］のサファイア板１を透過する波長を適用するが、短パルス発振により、レーザービーム３に比べて非常に高い出力密度とピーク出力を持つ。これにより、サファイア板１に適当な深さの初期溝２を形成することが可能である。
　上記のように第２のレーザー光源を備えてレーザー割断装置を構成した場合には、予め初期溝２（微小欠陥）を設けていないサファイア板１を当該レーザー割断装置に設置固定し、サファイア板１の割断を行うことが可能になる。
　１　サファイア板
　２　初期溝
　３　レーザービーム
　３ａ　ビームスポット
　４　矢印
　１０　圧縮応力場
　１１　引っ張り応力場
　１１ａ　引っ張り応力
　１２　矢印
　２０，２１　亀裂
　３０　ＣＯ２レーザービーム
　１０１　保持機構部
　１０２　温度調整部
　１０３　レーザー光源
　１０３ａ　レーザー出力調整部
　１０４　掃引機構部
　１０５　制御部
　１０６　レーザー光学系

Claims (9)

  1. 　割断対象物に微小欠陥を形成させる第１過程と、
    　前記割断対象物の光吸収率が１％以上５０％未満である第１のレーザー光を発振する第２過程と、
    　前記第１のレーザー光を前記微小欠陥に照射する第３過程と、
    　前記第１のレーザー光の照射によって発生した熱応力を用いて、前記微小欠陥を起点として前記割断対象物の内部に亀裂を進展させて前記割断対象物の割断を行う第４過程と、
    　を有し、
    　前記第３過程は、
    　　レーザー出力６０［Ｗ］以上の前記第１のレーザー光を照射する、
    　ことを特徴とするレーザー割断方法。
  2. 　前記第１過程は、
    　前記割断対象物の表面に研磨処理を施し、該割断対象物表面に、前記亀裂進展の起点になるとともに前記亀裂進展を誘導する初期溝を、機械加工または第２のレーザー光を用いた加工によって設けることにより前記微小欠陥を形成する、
    　ことを特徴とする請求項１のレーザー割断方法。
  3. 　前記第１過程は、
    　前記割断対象物の表面に研削処理を施し、該割断対象物表面に、前記亀裂進展の起点になるとともに前記亀裂進展を誘導する初期溝を、機械加工または第２のレーザー光を用いた加工によって設けることにより前記微小欠陥を形成する、
    　ことを特徴とする請求項１のレーザー割断方法。
  4. 　前記第１過程は、
    　前記割断対象物の表面に研削処理を施して該割断対象物表面に前記亀裂進展を誘導する微小な研削傷を設けることにより前記微小欠陥を形成する、
    　ことを特徴とする請求項１のレーザー割断方法。
  5. 　前記第１過程は、
    　　前記割断対象物の表面に亀裂進展の起点および該亀裂進展を誘導する初期溝を第２のレーザー光を用いた加工によって設けることにより前記微小欠陥を形成し、
    　前記第３過程は、
    　　前記第２のレーザー光の照射に追従させて前記第１のレーザー光を照射する、
    　ことを特徴とする請求項１のレーザー割断方法。
  6. 　前記第４過程は、
    　　前記亀裂を進展させるとき、前記割断対象物を保持する保持機構部に備えた温度調整部を用いて、前記割断を行う部分で前記亀裂が進展するように、前記保持機構部に保持されている前記割断対象物の温度を調整する、
    　ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のレーザー割断方法。
  7. 　前記第４過程は、
    　　前記割断対象物を保持している保持機構部を移動させる掃引機構部を用いて、前記第１のレーザー光を掃引して前記亀裂を進展させる第５過程と、
    　　前記第５過程で前記亀裂を進展させるとき、前記割断対象物を保持する保持機構部に備えた温度調整部と、前記第１のレーザー光のレーザー出力を調整するレーザー出力調整部とを用いて、前記割断を行う部分で前記亀裂が進展するように、前記保持機構部に保持されている前記割断対象物の温度調整および前記第１のレーザー光の出力調整を行う第６過程と、
    　を含み、
    　前記第６過程は、
    　　制御部が、前記掃引機構部、前記温度調整部、および、前記レーザー出力調整部を、予め設定された連携動作となるように、または、それぞれ独立した動作として制御する、
    　ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のレーザー割断方法。
  8. 　前記第３過程は、
    　　平行ビームの前記第１のレーザー光を照射する、
    　ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のレーザー割断方法。
  9. 　前記第１過程は、
    　　前記割断対象物であるサファイアに前記微小欠陥を形成させ、
    　前記第２過程は、
    　　前記第１のレーザー光としてＣＯレーザー光を照射する、
    　ことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のレーザー割断方法。

     
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