JP2007099587A - 脆性材料の割断加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 脆性材料の割断加工方法において、材料の割断を簡単に行えるようにする。
【解決手段】 材料１０のスクライブラインＫに沿って材料の一方の面に第１のレーザビームＬ_１〜Ｌ_５を照射するとともに、第１のレーザビームの照射により材料内部に生じる引張側熱応力および圧縮側熱応力の境界となる変曲点Ｐを冷却することにより、材料表層部に生じるブラインドクラックＣ_ＲをスクライブラインＫに沿って進行させるレーザスクライブ工程と、スクライブラインＫに沿って材料１０の当該一方の面に第２のレーザビームＬ_１’〜Ｌ_５’を照射するとともに、第２のレーザビームの照射により材料内部に生じる引張側熱応力および圧縮側熱応力の境界となる変曲点Ｐを冷却することにより、レーザスクライブ工程で生じた材料表層部のブラインドクラックＣ_ＲをスクライブラインＫに沿いつつ材料内部まで進行させて、材料１０を割断するレーザブレイク工程とを設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガラスなどの脆性材料の割断加工方法に関する。

ガラスのような脆性材料を割断する加工法として、レーザビームを用いる方法が知られている。この加工法は、脆性材料の表面にレーザビームを照射して、材料のスクライブライン上にレーザスポットを配置し、この状態から、レーザビームをスクライブラインに沿って移動させるとともにレーザスポットの近傍を冷却することにより、材料に発生したクラックをスクライブラインに沿って移動させて材料のスクライブ工程を行うようにしたものであり、その後、スクライブラインに沿って材料に押圧力を作用させることにより、材料の割断（つまりブレイク工程）が行われている。

前記従来の方法では、レーザビームの発振・照射装置に加えて、材料に押圧力を作用させるための機構が別途必要になって構造が複雑になる。

その一方、特開２００４−３５３１５号公報に示すものでは、材料の表面および裏面の双方において、それぞれレーザビームをスクライブラインに沿って照射するとともに、レーザビームによる材料加熱領域の近傍を冷却することにより、材料の表面および裏面の双方から材料の割断を行うようにしており、この場合には、スクライブ工程後に材料に押圧力を作用させるための機構が不要になって、構造を簡略化できる。

しかしながら、前記公報に示す方法では、材料の裏面側におけるレーザビームの照射を、表面側のスクラブラインに対応するラインと正確に一致させるように行わなければならず、材料の表面側のみならず裏面側においてもレーザビームの照射位置の調整が必要になる。
特開２００４−３５３１５号公報（図１）

本発明が解決しようとする課題は、脆性材料の割断加工方法において、材料の割断を簡単に行えるようにすることにある。

本願の請求項１の発明は、レーザビームを用いて脆性材料を割断するための割断加工方法であって、材料のスクライブラインに沿って材料の一方の面に第１のレーザビームを照射するとともに、第１のレーザビームの照射により材料内部に生じる引張側熱応力および圧縮側熱応力の境界となる変曲点を冷却することにより、材料表層部に生じるブラインドクラックをスクライブラインに沿って進行させるレーザスクライブ工程と、第１のレーザビームが照射されたスクライブラインに沿って材料の一方の面に第２のレーザビームを照射するとともに、第２のレーザビームの照射により材料内部に生じる引張側熱応力および圧縮側熱応力の境界となる変曲点を冷却することにより、レーザスクライブ工程で生じた材料表層部のブラインドクラックをスクライブラインに沿いつつ材料内部まで進行させて、材料を割断するレーザブレイク工程とを備えている。

請求項１の発明においては、まず、第１のレーザビームを材料の一方の面のスクライブラインに沿って照射させ、材料内部に生じる引張側および圧縮側の熱応力の変曲点を冷却することにより、材料表層部に生じるブラインドクラックをスクライブラインに沿って進行させる（レーザスクライブ工程）。次に、第２のレーザビームを材料の同じ面の同じスクライブラインに沿って照射させ、材料内部に生じる引張側および圧縮側の熱応力の変曲点を冷却することにより、レーザスクライブ工程で生じた材料表層部のブラインドクラックをスクライブラインに沿いつつ材料内部まで進行させて、材料の割断を行う（レーザブレイク工程）。

この場合には、第１のレーザビームおよび第２のレーザビームがいずれも材料の同じ面の同じスクライブラインに沿って照射されることにより、レーザスクライブ工程およびレーザブレイク工程が実施されるので、レーザビームの照射位置の調整が材料の一方の面（例えば表面側）だけですみ、これにより、レーザビームによる材料の割断を簡単に行えるようになる。

また、この場合には、レーザブレイク工程において、単に第２のレーザビームを照射させるだけでなく、第２のレーザビームの照射後に、材料内部の熱応力の変曲点を冷却するようにしたので、材料表層部のブラインドクラックを確実に材料内部まで進行させることができ、確実に材料の割断を行える。

請求項２の発明においては、第１および第２のレーザビームが同一のレーザビームであり、レーザスクライブ工程およびレーザブレイク工程が、同一のレーザビームをスクライブラインに沿って２回走査することにより、実行されている。

この場合には、レーザスクライブ工程およびレーザブレイク工程の双方において同一のレーザビームを用いるようにしたことにより、レーザビームの照射位置の調整が１回ですむので、材料の割断をさらに簡単に行えるようになる。

請求項３の発明においては、第１および第２のレーザビームが異なるレーザビームであり、レーザスクライブ工程およびレーザブレイク工程が、異なるレーザビームをスクライブラインに沿ってそれぞれ１回走査することにより、実行されている。

請求項４の発明では、第１および第２のレーザビームがそれぞれ複数のレーザビームから構成されている。

この場合には、各レーザビームを重ね合わせることにより、第１および第２のレーザビームについて、適切なエネルギー分布を容易に得ることができる。

請求項５の発明においては、複数のレーザビームが、単一のレーザビームを半透過式反射ミラーおよびこれに対向配置された全反射ミラーの間で複数回反射させることにより、生成されている。

この場合には、レーザビームの分割装置として、反射ミラーにより構成される簡単な装置を用いるので、複数のレーザビームを容易かつ安価に得ることができる。

複数のレーザビームによる複数のレーザスポットとしては、請求項６の発明に記載されているように、三つ以上のレーザスポットが好ましい。これは、各レーザスポットの重ね合わせによって、適切なエネルギー分布を得るためである。

本願の請求項７の発明は、レーザビームを用いて脆性材料を割断するための割断加工装置であって、材料のスクライブラインに沿って材料の一方の面に第１のレーザビームを照射する第１のレーザビーム照射部と、第１のレーザビームの照射により材料内部に生じる引張側熱応力および圧縮側熱応力の境界となる変曲点を冷却することにより、材料表層部に生じるブラインドクラックをスクライブラインに沿って進行させるための第１の冷却部と、第１のレーザビームが照射されたスクライブラインに沿って材料の一方の面に第２のレーザビームを照射する第２のレーザビーム照射部と、第２のレーザビームの照射により材料内部に生じる引張側熱応力および圧縮側熱応力の境界となる変曲点を冷却することにより、材料表層部に生じたブラインドクラックをスクライブラインに沿いつつ材料内部まで進行させて材料を割断するための第２の冷却部と、第１および第２のレーザビームを材料のスクライブラインに沿って移動させる移動手段とを備えている。

請求項７の発明においては、まず、第１のレーザビーム照射部により、第１のレーザビームを材料の一方の面のスクライブラインに沿って照射させ、次に、第１の冷却部により、材料内部に生じる引張側および圧縮側の熱応力の変曲点を冷却して、材料表層部に生じるブラインドクラックをスクライブラインに沿って進行させ、レーザスクライブを行う。その後、第２のレーザビーム照射部により、第２のレーザビームを材料の同じ面の同じスクライブラインに沿って照射させ、次に、第２の冷却部により、材料内部に生じる引張側および圧縮側の応力の変曲点を冷却して、レーザスクライブにより生じた材料表層部のブラインドクラックをスクライブラインに沿いつつ材料内部まで進行させ、レーザブレイクを行う。なお、各レーザビームをスクライブラインに沿って照射する際には、移動手段により、第１、第２のレーザビーム照射部または材料の少なくともいずれか一方を移動させるようにする。

この場合には、第１のレーザビームおよび第２のレーザビームがいずれも材料の同じ面の同じスクライブラインに沿って照射されることにより、レーザスクライブおよびレーザブレイクが行われるので、レーザビームの照射位置の調整が材料の一方の面（例えば表面側）だけですみ、これにより、レーザビームによる材料の割断を容易に行えるようになる。

また、この場合には、レーザブレイク時に単に第２のレーザビームを照射させるだけでなく、第２のレーザビームの照射後に材料内部の熱応力の変曲点を冷却するようにしたので、材料表層部のブラインドクラックを確実に材料内部まで進行させることができ、確実に材料の割断を行える。

さらに、この場合には、第１および第２のレーザビーム照射部を材料の一方の面の側（例えば表面側）にのみ設ければよく、材料の他方の面の側（例えば材料の裏面側）に設ける必要はないので、装置全体を小型化することができる。

以上のように本発明によれば、レーザビームの照射位置の調整が材料の一方の面の側（例えば表面側）だけですむので、レーザビームによる材料の割断を簡単に行えるようになる効果がある。

以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。
図１ないし図７は本発明の一実施例による割断加工方法を説明するための図であって、図１はレーザ割断加工装置の概略構成図、図２（ａ）はレーザ割断加工装置におけるビームスプリッターの概略構成図、同図（ｂ）は材料上に照射されたレーザスポットと冷却ポイントの位置関係を示す図、図３はレーザビームの出力分布を示す図、図４は材料内部の熱応力分布曲線を材料表面の温度分布曲線とともに示す図、図５はレーザビームによる割断に最適な材料表面の温度分布を示す図、図６は図５の温度分布を得るためのレーザビームの出力分布を示す図、図７（ａ）はレーザスクライブ後の材料表面のブラインドクラックを示す図、同図（ｂ）はレーザブレイク後の材料の割断面を示す図である。

図１に示すように、このレーザ割断加工装置１は、レーザ発振器２と、レーザ発振器２から出射されたレーザビームＬを下方に反射する反射ミラー３と、反射ミラー３から入射されたレーザビームを一部透過するとともに、残りのレーザビームを反射する半透過ミラー３０と、半透過ミラー３０から入射されたレーザビームを下方に反射する反射ミラー３１と、半透過ミラー３０から入射されたレーザビームＬ_Ａを複数（ここでは５本）の第１のレーザビームＬ_１，Ｌ_２，Ｌ_３，Ｌ_４，Ｌ_５に分割して、下方の材料１０の表面に照射するビームスプリッター４Ａと、反射ミラー３１から入射されたレーザビームＬ_Ｂを同様に複数（ここでは５本）の第２のレーザビームＬ_１’，Ｌ_２’，Ｌ_３’，Ｌ_４’，Ｌ_５’に分割して材料１０の表面に照射するビームスプリッター４Ｂと、材料表面を冷却する冷却部５Ａ，５Ｂとから構成されている。割断加工すべき材料１０はテーブル（図示せず）上に載置されており、テーブルは、図示しない駆動機構により、左右方向に移動可能に構成されている。なお、図１は、加工途中における状態を示している。

ビームスプリッター４Ａは、図２（ａ）に示すように、全反射ミラー４０と、これに対向配置された部分反射ミラー（半透過式反射ミラー）４１とから構成されている。全反射ミラー４０の一方の主面には全反射膜４０ａが装着されている。部分反射ミラー４１において全反射ミラー４０と対向する主面の大部分の面には部分反射膜４１ａが装着されており、逆側の主面には反射防止膜４１ｂが装着されている。また、部分反射ミラー４１において全反射ミラー４０と対向する主面の一部には、全透過ウィンドウ４１ａ’が形成されている。

部分反射ミラー４１の部分反射膜４１ａは、一定の透過率を有しており、このため、部分反射膜４１ａと全反射膜４０ａの間で反射を繰り返しつつ、部分反射ミラー４１を透過して順次出射されてくる各レーザビームＬ_１，Ｌ_２，Ｌ_３，Ｌ_４，Ｌ_５のエネルギー分布は、レーザビームＬ_１の出力が最大であり、部分反射ミラー４１の部分反射膜４１ａで反射される度に段階的に小さくなってレーザビームＬ_５（場合によってはＬ_４）の出力が最小になっている（図３参照）。

図２（ｂ）には、第１のレーザビームＬ_１，Ｌ_２，Ｌ_３，Ｌ_４，Ｌ_５が材料１０上に照射されたときのそれぞれのレーザスポットＳ_１，Ｓ_２，Ｓ_３，Ｓ_４，Ｓ_５が示されている。これらのレーザスポットはいずれも円形であって、同じ径を有している。また、材料１０の一端には、割断加工の始点となる初期亀裂１０ａが形成されている。この初期亀裂１０ａとしては、工具を用いて形成した切欠きや、レーザビームにより穿孔した孔などが用いられる。また、割断加工の際に冷却部５Ａにより冷却される部位が冷却ポイントＣ_Ａで示されている。

なお、ビームスプリッター４Ｂは、ビームスプリッター４Ａと同様の構成を有しており、出射される第２のレーザビームＬ_１’〜Ｌ_５’にそれぞれ対応するレーザスポットを符号Ｓ_１’〜Ｓ_５’で示している。また、割断加工の際に冷却部５Ｂにより冷却される部位が冷却ポイントＣ_Ｂで示されている。

上述のように構成される装置１を用いて割断加工を行う際には、まず、レーザ発振器２を駆動し、レーザ発振器２から出射されて反射ミラー３で反射したレーザビームＬのうち、半透過ミラー３０を透過したレーザビームＬ_Ａを、ビームスプリッター４Ａにより、５本の第１のレーザビームＬ_１，Ｌ_２，Ｌ_３，Ｌ_４，Ｌ_５に分割する（図１および図２（ａ）参照）。

その一方、割断加工される材料１０は、割断加工前においては、図１に示す状態からさらに右方に配置されており、この状態から、テーブルを駆動して、材料１０を図１左方に移動させる。すると、材料１０上に第１のレーザビームＬ_１，Ｌ_２，Ｌ_３，Ｌ_４，Ｌ_５が順に照射されることにより、各レーザビームのレーザスポットＳ_１，Ｓ_２，Ｓ_３，Ｓ_４，Ｓ_５が、材料１０の初期亀裂１０ａを通りスクライブライン（割断予定線）Ｋに沿って図１右方（つまり図２（ｂ）矢印方向）に移動する。

この場合には、上述のように、各レーザビームＬ_１，Ｌ_２，Ｌ_３，Ｌ_４，Ｌ_５の出力分布について、材料の加工始点から加工終点に向かうビーム進行方向（図２（ｂ）矢印方向）の最前端のレーザビームＬ_１ の出力を最も高くするとともに、ビーム進行方向と逆側に向かうにしたがい残りのレーザビームＬ_２，Ｌ_３，Ｌ_４，Ｌ_５の出力を段階的に小さくしているので、このようなエネルギー分布を有する複数のレーザビームが移動することにより、各レーザビームの重ね合わせによって、図６に示すようなエネルギー分布が実現される。これにより、材料１０の表面には、図５に示すように、材料の加工始点でできるだけ速やかに昇温するとともに所望の加熱領域を形成した後できるだけ速やかに温度が低下するという、割断に最適な略台形状の温度分布が形成されることになる。

このとき、材料１０の内部に生じる熱応力の分布は、有限要素法による分析により、図４に示すようになる。図４の熱応力分布曲線から分かるように、材料１０の内部には、引張応力から圧縮応力に切り換わる変曲点Ｐが存在している。

次に、冷却部５Ａにより、変曲点Ｐに対応する材料１０の部位である冷却ポイントＣ_Ａを冷却する。この場合には、たとえば、エアやヘリウム等のガス、水や液化ガス等の液体、またはこれらの双方、あるいはドライアイス等の冷却作用を持つ固体を冷却ポイントＣ_Ａまたはその直近近傍に接触させる。

すると、冷却ポイントＣ_Ａが急激に収縮することで、冷却ポイントＣ_Ａの近傍（つまり変曲点Ｐの近傍）の引張応力領域に過大な引張応力（亀裂発生応力）が発生して、材料１０の表層部にブラインドクラックＣ_Ｒが発生する。このブラインドクラックＣ_Ｒは、テーブル１０の移動にともなうレーザビームの移動によって、スクライブラインＫに沿って加工始点から加工終点に向かって順次進行する（図７（ａ）参照）。このようにして、レーザスクライブ工程が実施される。

その一方、レーザ発振器２から出射されたレーザビームＬのうち、半透過ミラー３０で反射してさらに反射ミラー３１で反射したレーザビームＬ_Ｂは、ビームスプリッター４Ｂにより、５本の第２のレーザビームＬ_１’，Ｌ_２’，Ｌ_３’，Ｌ_４’，Ｌ_５’に分割される（図１参照）。これらのレーザビームＬ_１’〜Ｌ_５’は、レーザビームＬ_１〜Ｌ_５の照射後に、順に材料１０のスクライブラインＫに照射されており、これにより、各レーザビームＬ_１’〜Ｌ_５’のレーザスポットＳ_１’〜Ｓ_５’が材料１０の初期亀裂１０ａを通りスクライブラインＫに沿って図１右方に移動する。

このとき、各レーザビームＬ_１’〜Ｌ_５’の出力分布は、レーザビームＬ_１〜Ｌ_５の場合と同様に、ビーム進行方向最前端のレーザビームＬ_１’の出力を最も高くするとともに、残りのレーザビームＬ_２’，Ｌ_３’，Ｌ_４’，Ｌ_５’の出力を段階的に小さくしているので、このようなレーザビームが移動する際の各レーザビームの重ね合わせによって、図６に示すようエネルギー分布が実現され、材料１０の表面には、図５に示すような、割断に最適な温度分布が形成される。このとき、材料１０内部の熱応力分布は、同様に、図４に示すようになって、引張応力から圧縮応力に切り換わる変曲点Ｐが生じている。

次に、冷却部５Ｂにより、変曲点Ｐに対応する材料１０の部位である冷却ポイントＣ_Ｂを冷却する。すると、冷却ポイントＣ_Ｂが急激に収縮することで、冷却ポイントＣ_Ｂの近傍（つまり変曲点Ｐの近傍）の引張応力領域に過大な引張応力（亀裂発生応力）が発生し、これにより、レーザスクライブ工程で材料１０の表層部にすでに発生していたブラインドクラックＣ_ＲがスクライブラインＫに沿って材料内部まで進行して、材料１０が割断される（図７（ｂ）参照）。このようにして、レーザブレイク工程が実施される。なお、図７（ｂ）中、符号Ｃは、材料１０の完全割断面を示している。

この場合には、第１のレーザビームＬ_１〜Ｌ_５および第２のレーザビームＬ_１’〜Ｌ_５’がいずれも材料１０の同じ面の同じスクライブラインＫに沿って照射されることにより、レーザスクライブ工程およびレーザブレイク工程が実施されるので、レーザビームの照射位置の調整が材料の一方の面（例えば表面側）だけですみ、これにより、レーザビームによる材料の割断を簡単に行えるようになる。

しかも、この場合には、レーザブレイク工程において、単に第２のレーザビームＬ_１’〜Ｌ_５’を照射させるだけでなく、第２のレーザビームＬ_１’〜Ｌ_５’の照射後に、材料内部の熱応力の変曲点Ｐを冷却するようにしたので、材料表層部のブラインドクラックＣ_Ｒを確実に材料内部まで進行させることができ、確実に材料の割断を行える。

さらに、この場合には、ビームスプリッター４Ａ，４Ｂを材料１０の一方の面の側（例えば表面側）にのみ設ければよく、材料１０の他方の面の側（例えば材料の裏面側）に設ける必要はないので、装置全体を小型化することができる。

また、材料内部の応力に基づいて決定される変曲点が冷却ポイントになるので、割断される材料の種類や温度分布などの如何に拘らず、常に最適な冷却ポイントを容易に見出すことができる。

さらに、複数のレーザビームが、単一のレーザビームを部分反射ミラーおよびこれに対向配置された全反射ミラーの間で複数回反射させることにより、生成されており、レーザビームの分割装置として、反射ミラーによる簡単な装置を用いているので、複数のレーザビームを容易かつ安価に得ることができる。

なお、前記実施例では、レーザスクライブを行うための第１のレーザビームＬ_１〜Ｌ_５をビームスプリッター４Ａにより照射し、レーザブレイクを行うための第２のレーザビームＬ_１’〜Ｌ_５’をビームスプリッター４Ｂにより照射した例を示したが、本発明の適用はこれには限定されず、ビームスプリッター４Ｂを省略した構成とすることも可能である。

この場合には、レーザビームＬ_１〜Ｌ_５を２回走査させることにより、１回目の走査でレーザスクライブを行い、２回目の走査でレーザブレイクを行うようにすればよく、これにより、装置全体の構造を簡略化できるとともに、レーザビームの照射位置の調整が１回ですむようになる。

図８は、本発明の他の実施例によるレーザ割断加工装置の概略構成図、図９は材料上に照射されたレーザスポットと冷却ポイントの位置関係を示す図である。なお、これらの図において、前記実施例と同一符号は同一または相当部分を示している。

このレーザ割断加工装置１’においては、マルチビーム式のビームスプリッター４が用いられている。したがって、ビームスプリッター４から出射される各レーザビームＬ_ｍは、図８では、図示の便宜上、それぞれ１本のレーザビームで表されているが、実際には、それぞれ複数本（ここでは５本）のレーザビーム（つまりマルチビーム）から構成されている。

ビームスプリッター４内には、図１０Ａないし図１０Ｃに示すような台形プリズム６が少なくとも２個設けられている。各台形プリズム６には、それぞれ５本のレーザビームＬ_１”，Ｌ_２”，Ｌ_３”，Ｌ_４”，Ｌ_５”が入射されるようになっている。そして、台形プリズム６に対して各レーザビームＬ_１”〜Ｌ_５”の入射位置を適宜変化させることにより、図１０Ａないし図１０Ｃに示すように、台形プリズム６から出射されるレーザビームＬ_ｍのエネルギー分布を簡単に変化させることができ、エネルギーのピーク値Ｅ_Ｐの位置を簡単に変えることができる。

このような装置１’を用いて割断加工を行う際には、まず、レーザ発振器２を駆動し、レーザ発振器２から出射されて反射ミラー３で反射したレーザビームＬを、ビームスプリッター４により、たとえば５本のレーザビームＬ_ｍに分割する（図８参照）。上述したように、このとき、各レーザビームＬ_ｍはそれぞれ５本のレーザビームＬ_１”〜Ｌ_５”から構成されている。

この状態から、前記実施例の場合と同様にして、割断加工される材料１０を図８右方の位置から同図左方に移動させる。これにより、材料１０上に各レーザビームＬ_ｍが順に照射されて、各レーザビームのレーザスポットＳ_ｍが、材料１０の初期亀裂１０ａを通りスクライブライン（割断予定線）Ｋに沿って図８右方（つまり図９矢印方向）に移動する。

次に、材料１０の内部に生じる熱応力の引張側および圧縮側の変曲点に対応する材料１０の部位である冷却ポイントＣ_Ａ’を冷却部５により冷却する。すると、冷却ポイントＣ_Ａ’が急激に収縮することで、冷却ポイントＣ_Ａ’の近傍（つまり変曲点の近傍）の引張応力領域に過大な引張応力（亀裂発生応力）が発生して、材料１０の表層部にブラインドクラックＣ_Ｒが発生する。このブラインドクラックＣ_Ｒは、テーブル１０の移動にともなうレーザビームの移動によって、スクライブラインＫに沿って加工始点から加工終点に向かって順次進行する（図７（ａ）参照）。このようにして、レーザスクライブ工程が実施される。

その一方、レーザスクライブ工程中には、冷却ポイントＣ_Ａ’の後方側（図９左側）のスクライブラインＫ上にもレーザビームＬ_ｍが照射されており、これにより、冷却ポイントＣ_Ａ’の後方側にレーザスポットＳ_ｍが形成されている（図８参照）。このレーザスポットＳ_ｍは、材料１０の移動にともなって、上述したレーザスポットＳ_ｍと同様に、初期亀裂１０ａを通りスクライブラインＫに沿って図８右方（図９矢印方向）に移動する。

次に、材料内部の熱応力の変曲点に対応する冷却ポイントＣ_Ｂ’を冷却部５により冷却する。これにより、レーザスクライブ工程で材料１０の表層部にすでに発生していたブラインドクラックＣ_ＲがスクライブラインＫに沿って材料内部まで進行して、材料１０が割断される（図７（ｂ）参照）。このようにして、レーザブレイク工程が実施される。

この場合には、前記実施例と同様に、各レーザビームがいずれも材料１０の同じ面の同じスクライブラインＫに沿って照射されることにより、レーザスクライブ工程およびレーザブレイク工程が実施されるので、レーザビームの照射位置の調整が材料の一方の面（例えば表面側）だけですみ、これにより、レーザビームによる材料の割断を容易に行えるようになる。

さらに、この場合には、ビームスプリッターを２個設ける必要がないので、装置全体の構造を簡略化できるとともに、単一のビームスプリッターによるレーザビームを１回走査させるだけでよいので、レーザビームによる材料の割断をさらに簡単に行えるようになる。

なお、前記各実施例では、ビームスプリッターによりレーザビームを５本のレーザビームに分割する例を示したが、割断する材料の特性や均一性などに応じて、レーザビームの分割本数は適宜設定される。ただ、各レーザスポットの重ね合わせにより、図６に示すような理想的なエネルギー分布を得るためには、少なくとも３本のレーザビームに分割するのが好ましい。

前記各実施例では、ビームを分割するための簡易な手段として、反射ミラーからなるビームスプリッターを用いた例を示したが、本発明の適用はこれに限定されない。表面に多数の反射面を形成したグレーティングを用いて、グレーティングによる干渉によってビームを分割する方法や、ホログラムを利用したビーム分割方法を採用するようにしてもよい。

また、半導体レーザを使用する場合には、光源をアレイ状に配列したＬＤ(laser diode)スタックを使用することにより、ビームの分割が可能である。あるいは、ポリゴンやガルバなどの可動式反射鏡によりビームを走査するようにしてもよく、この場合には、ビームの走査速度を場所により変化させることで、または、レーザ光源の出力をミラーの走査位置に応じて変化させることで、同様にビームの分割が可能である。

本発明の一実施例によるレーザ割断加工装置の概略構成図である。 （ａ）は図１のレーザ割断加工装置におけるビームスプリッターの概略構成を示す図、（ｂ）は材料上に照射されるレーザスポットと冷却ポイントの配置を示す図である。 レーザビームの出力分布を示す図である。 材料内部の熱応力分布曲線を材料表面の温度分布曲線とともに示す図である。 レーザビームによる割断に最適な材料表面の温度分布を示す図である。 図５に示す温度分布を得るためのレーザビームの出力分布を示す図である。 （ａ）はレーザスクライブ後の材料表面のブラインドクラックを示す図、（ｂ）はレーザブレイク後の材料の割断面を示す図である。 本発明の他の実施例によるレーザ割断加工装置の概略構成図である。 レーザ割断加工装置（図８）において、材料上に照射されるレーザスポットと冷却ポイントの配置を示す図である。 台形プリズムによりレーザビームのエネルギー分布を変化させる様子を説明するための図である。 台形プリズムによりレーザビームのエネルギー分布を変化させる様子を説明するための図である。 台形プリズムによりレーザビームのエネルギー分布を変化させる様子を説明するための図である。

符号の説明

１： レーザ割断加工装置

２： レーザ発振器
４Ａ： ビームスプリッター（第１のレーザビーム照射部）
４Ｂ： ビームスプリッター（第２のレーザビーム照射部）
４０： 全反射ミラー
４１： 部分反射ミラー（半透過式反射ミラー）
５Ａ： （第１の）冷却部
５Ｂ： （第２の）冷却部

１０： （脆性）材料
１０ａ： 初期亀裂

Ｌ： レーザビーム
Ｌ_１〜Ｌ_５： 第１のレーザビーム
Ｌ_１’〜Ｌ_５’： 第２のレーザビーム
Ｓ_１〜Ｓ_５： レーザスポット
Ｓ_１’〜Ｓ_５ ’： レーザスポット
Ｋ： スクライブライン
Ｐ： 変曲点
Ｃ_Ｒ：ブラインドクラック
Ｃ： 完全割断面

Claims (7)

1. レーザビームを用いて脆性材料を割断するための割断加工方法であって、
   材料のスクライブラインに沿って材料の一方の面に第１のレーザビームを照射するとともに、前記第１のレーザビームの照射により材料内部に生じる引張側熱応力および圧縮側熱応力の境界となる変曲点を冷却することにより、材料表層部に生じるブラインドクラックを前記スクライブラインに沿って進行させるレーザスクライブ工程と、
   前記第１のレーザビームが照射された前記スクライブラインに沿って材料の前記一方の面に第２のレーザビームを照射するとともに、前記第２のレーザビームの照射により材料内部に生じる引張側熱応力および圧縮側熱応力の境界となる変曲点を冷却することにより、前記レーザスクライブ工程で生じた材料表層部のブラインドクラックを前記スクライブラインに沿いつつ材料内部まで進行させて、材料を割断するレーザブレイク工程と、
   を備えた脆性材料の割断加工方法。
2. 請求項１において、
   前記第１および第２のレーザビームが同一のレーザビームであり、前記レーザスクライブ工程および前記レーザブレイク工程が、同一のレーザビームを前記スクライブラインに沿って２回走査することにより、実行されている、
   ことを特徴とする脆性材料の割断加工方法。
3. 請求項１において、
   前記第１および第２のレーザビームが異なるレーザビームであり、前記レーザスクライブ工程および前記レーザブレイク工程が、異なるレーザビームを前記スクライブラインに沿ってそれぞれ１回走査することにより、実行されている、
   ことを特徴とする脆性材料の割断加工方法。
4. 請求項１ないし３のいずれかにおいて、
   前記第１および第２のレーザビームがそれぞれ複数のレーザビームから構成されている、
   ことを特徴とする脆性材料の割断加工方法。
5. 請求項４において、
   前記複数のレーザビームが、単一のレーザビームを半透過式反射ミラーおよびこれに対向配置された全反射ミラーの間で複数回反射させることにより、生成されている、
   ことを特徴とする脆性材料の割断加工方法。
6. 請求項４または５において、
   前記複数のレーザビームによる複数のレーザスポットが三つ以上のレーザスポットを有している、
   ことを特徴とする脆性材料の割断加工方法。
7. レーザビームを用いて脆性材料を割断するための割断加工装置であって、
   材料のスクライブラインに沿って材料の一方の面に第１のレーザビームを照射する第１のレーザビーム照射部と、
   前記第１のレーザビームの照射により材料内部に生じる引張側熱応力および圧縮側熱応力の境界となる変曲点を冷却することにより、材料表層部に生じるブラインドクラックを前記スクライブラインに沿って進行させるための第１の冷却部と、
   前記第１のレーザビームが照射された前記スクライブラインに沿って材料の前記一方の面に第２のレーザビームを照射する第２のレーザビーム照射部と、
   前記第２のレーザビームの照射により材料内部に生じる引張側熱応力および圧縮側熱応力の境界となる変曲点を冷却することにより、材料表層部に生じるブラインドクラックを前記スクライブラインに沿いつつ材料内部まで進行させて材料を割断するための第２の冷却部と、
   前記第１および第２のレーザビームを前記スクライブラインに沿って移動させる移動手段と、
   を備えた脆性材料の割断加工装置。

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