JP3751122B2 - 割断加工方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガラス、セラミックスあるいは半導体ウエハ等の脆性材料にレーザビーム等の熱源を印加することにより発生する熱応力を利用して、その材料を割断する割断加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
材料を分離加工する技術として、スクライバあるいはレーザ溶断等が挙げられるが、これらの加工では、切断時においてカレット（屑）、溶融解痕及びマイクロクラック等が発生するという問題がある。
【０００３】
そこで、このような問題点を解消するため、最近では、レーザビーム等の熱源の印加により発生する熱応力を利用して脆性材料を割断する割断加工方法が提案されている。
【０００４】
この加工方法は、脆性材料に予め亀裂を作成しておき、その亀裂先端に局所的に熱源を印加して熱応力を発生させるとともに、熱源の移動により亀裂を成長させて材料を分離する技術で、この方法によれば、亀裂を成長させるといった性質上、切りしろや、パーティクルが発生しないことから、上記した従来の加工法の問題点を解決することができるといった特徴がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、脆性材料の割断加工方法は、上記したように、加工材料に予め発生させた亀裂先端の前方にレーザビーム等の熱源を印加して、その熱源中心と周辺との間に発生する温度勾配により生じる集中応力で亀裂を成長させてゆく加工法であることから、この加工方法において、割断予定線を挟んだ両側の加工材料の幅が非対称であると、熱の蓄積により熱分布が非対称となって材料表面及び厚み方向における熱応力分布のバランスが崩れる（図１参照）。これにより強い剪断応力が発生し、表面と裏面うねりに差（加工面の断面傾き）が現れる結果、総合的な加工精度が著しく悪くなるという問題がある。
【０００６】
本発明はそのような実情に鑑みてなされたもので、割断予定線を挟んだ両側の加工材料の幅が非対称であっても、その材料を高い加工精度のもとに割断することが可能な割断加工方法の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、材料の加工始点に形成した亀裂を、熱源の印加により発生する熱応力によって成長させつつ、その熱源を割断予定線に沿って移動することにより材料を分離する割断加工法において、図２に例示するように、割断予定線Ｌを挟んだ両側の幅が非対称な加工材料Ｗに形成した亀裂ＣR の先端前方に主熱源（例えばレーザビーム）Ａを印加し、この主熱源Ａを割断予定線Ｌに沿って移動させるとともに、その主熱源Ａの斜め前方（または側方）に、補助熱源（例えばレーザビーム）Ｂを追従させて移動することにより、上記亀裂ＣR の成長を行うことによって特徴づけられる。
【０００８】
このように補助熱源Ｂを付加することで、割断予定線Ｌに対し加工材料幅が非対称な場合であっても、割断加工を高い加工精度のもとに行うことができる。
すなわち、割断加工実行中において、割断予定線Ｌに沿って移動させる主熱源Ａの斜め前方（または側方）に補助熱源Ｂを追従させて移動すると、割断予定線Ｌの周辺に作用する熱分布及び熱応力分布のバランスが、図３に例示するように割断予定線Ｌの両側で均等となり、これにより表面うねりと裏面うねりの差つまり断面傾きが軽減される結果、総合的な加工精度が向上する。
【０００９】
ここで、本発明の割断加工方法において、補助熱源Ｂの印加面積は、加工速度と出力によって決定され、加工材に残留応力等のダメージを与えない印加面積とする。例えば加工速度１０mm／s ，出力１０Ｗの場合、補助熱源Ｂの径は２mm〜４mmが適当である。
【００１０】
主熱源Ａと補助熱源Ｂとの間の距離については、図２に示すように、補助熱源Ｂの印加位置を主熱源Ａに対して斜め前方とする場合、加工予定線と直交方向の距離Ｐ1 が２mm〜１０mmの範囲、加工予定線方向の距離Ｐ2 が２mm〜１０mmの範囲であることが適当で、補助熱源Ｂの主熱源Ａの側方（真横）に置く場合、両者の中心間距離が２mm〜１０mmの範囲であることが適当である。
【００１１】
また、本発明の割断加工方法において、主熱源と補助熱源の位置関係（距離）は、材料端に対する加工位置に応じて調整して、図３に示すように、割断予定線の両側において均等な熱分布及び熱応力分布が得られるようにする。
【００１２】
さらに、加工材料に印加する主熱源及び補助熱源の形状は、円形または楕円形とすればよく、またこの場合、熱源形状を楕円として割断加工を実行して、亀裂の成長が割断予定線の加工終点に近づいた時点で、熱源形状を円形にするといった加工法を採用すれば、亀裂を良好な状態で進行させることができるとともに、加工終点時において熱源の印加位置の前方に加わる引張力が軽減され、加工終点付近での加工曲がりを防止することが可能になる。
【００１３】
なお、本発明に適用する熱源としては、レーザビームのほか、例えば電子ビーム、電熱ヒータまたは火炎などが挙げられる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、以下、図面に基づいて説明する。
まず、本発明の割断加工方法の実施に使用する装置は、図４に示すように、ガラス材等の加工材料Ｗを載置する加工テーブル（２軸移動）１と、２台のレーザ発振器２，３と、その各出力レーザビームを加工テーブル１上に置かれた加工材料Ｗの表面に導く光学系４などによって構成されており、２本のレーザビームＡ，Ｂを加工材料Ｗに同時に照射することができる。そして、加工テーブル１の移動によって、一方のレーザビーム（主熱源）Ａを割断予定線Ｌに沿って移動させることができ、また他方のレーザビーム（補助熱源）Ｂを、主熱源であるレーザビームＡに追従させて移動させることができる。
【００１５】
光学系４は、ミラー、集光レンズ並びに絞り（図示せず）等を備え、各レーザ発振器２，３からのレーザビームをそれぞれ個別に集光して、主熱源となるレーザビームＡを割断予定線Ｌに照射し、また補助熱源となるレーザビームＢを、レーザビームＡの斜め前方（材料端側）の位置に照射するように構成されている。
【００１６】
また、この光学系４は、２枚のミラーの位置関係（相対的な角度）も調整可能となっており、その調整により２本のレーザビームＡとＢの照射位置の位置関係（中心間距離）を変更することができる。
【００１７】
次に、加工手順を図４を参照して説明する。
まず、加工材料Ｗの加工始点ａに初期亀裂を発生する。その初期亀裂の作成には、硬質工具を使用して材料端部に切欠きを形成する方法、あるいは加工材料の表面に高出力にレーザビームを集光して孔を加工しこの孔から亀裂を作成する方法等の公知の手法を採用する。
【００１８】
次いで、初期亀裂の先端前方で割断予定線Ｌ上に、主熱源であるレーザビームＡを照射すると同時に、このレーザビームＡの斜め前方（材料端側）に、補助熱源であるレーザビームＢを照射しつつ、加工テーブル１の移動により、レーザビームＡを割断予定線Ｌに沿って移動し、このレーザビームＡに追従させてレーザビームＢを割断予定線Ｌに沿う方向に移動して、亀裂ＣR を加工始点ａから加工終点ｂに向けて誘導する。なお、このとき、レーザビームＡとレーザビームＢとの間に距離つまり図１に示したＰ1 及びＰ2 は、加工材料Ｗの材料端に対する加工位置及び各レーザビームＡ，Ｂによる印加熱量などを考慮して、割断予定線Ｌの両側において熱分布及び熱応力分布が均等となるように設定する。
【００１９】
そして、以上のように割断加工実行中において、主熱源であるレーザビームＡの斜め前方に、補助熱源としてレーザビームＢを追従させて移動すると、先の図３に示したように、割断加工線Ｌの周辺に作用する熱分布及び熱応力分布のバランスが、割断予定線Ｌを挟んだ両側において均等となり、これにより表面うねりと裏面うねりの差つまり断面傾きが軽減される結果、加工精度が向上する。
【００２０】
なお、以上の実施の形態では、補助熱源となるレーザビームＢを、主熱源のレーザビームＡの斜め前方に照射しているが、その補助用のレーザビームＢをレーザビームＡの側方（真横）に照射しても、先と同様な作用効果を得ることができる。また、これら二つのレーザビームＡとＢとの間の位置関係は、亀裂ＣR の成長状況に応じて、常に良好な状態で亀裂ＣR が成長するように、割断加工実行中において適宜に変更してもよい。
【００２１】
ここで、以上の実施の形態では、主熱源用と補助熱源用の２台のレーザ発振器を用いた例を示しているが、レーザ発振器は１台として、その出力ビームをビームスプリッタ等により分割して、補助熱源用のレーザビームを得るといった方式を採用することも可能である。
【００２２】
また、以上の実施の形態においては、主熱源及び補助熱源としてレーザビームを用いているが、これに限られることなく、例えば電子ビーム、電熱ヒータまたは火炎等を用いても本発明は実施可能である。
【００２３】
【実施例】
本発明の割断加工方法を実施した例を以下に述べる。
の条件で割断加工を行い、次いで材料に照射する熱源を１本のレーザビームとする以外は上記と同じ条件（通常の加工条件）で割断加工を行った。
【００２４】
そして、以上の二つの条件で加工を行った各試料について、それぞれの加工面の傾き（断面傾き）を測定したところ、通常条件による加工の場合、断面傾きが０．５ｍｍであったのに対し、補助熱源を付加した加工の場合、その値が０．１ｍｍ以下までに軽減されることが確認できた。
【００２５】
このような結果から、本発明の割断加工方法が、加工精度の上で優れた加工法であること、特に、加工材料の縁部を加工する際に有効な加工法であることが分かる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の割断加工方法によれば、割断加工実行中において、割断予定線に沿って移動させる主熱源の斜め前方（または側方）に補助熱源を追従させて移動するので、割断予定線を挟んだ両側の材料幅が非対称な加工材料を加工する場合であっても、割断加工線の両側に作用する熱分布及び熱応力分布のバランスを均等にすることができる。その結果、加工面の断面傾きが従来に比して軽減された加工精度の高い割断加工を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】通常の割断加工方法の問題点を示す図で、割断加工予定線を中心とする熱分布曲線と応力分布曲線を併記して示す図
【図２】本発明の割断加工方法の説明図
【図３】本発明の割断加工方法の作用説明図で、割断加工予定線を中心とする熱分布曲線と応力分布曲線を併記して示す図
【図４】本発明の割断加工方法の実施に使用する装置の概略構成を示す図
【符号の説明】
１ 加工テーブル
２，３ レーザ発振器
４ 光学系
Ａ レーザビーム（主熱源）
Ｂ レーザビーム（補助熱源）
Ｗ 加工材料
Ｌ 割断予定線
ＣR 亀裂
ａ 加工始点
ｂ 加工終点
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガラス、セラミックスあるいは半導体ウエハ等の脆性材料にレーザビーム等の熱源を印加することにより発生する熱応力を利用して、その材料を割断する割断加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
材料を分離加工する技術として、スクライバあるいはレーザ溶断等が挙げられるが、これらの加工では、切断時においてカレット（屑）、溶融解痕及びマイクロクラック等が発生するという問題がある。
【０００３】
そこで、このような問題点を解消するため、最近では、レーザビーム等の熱源の印加により発生する熱応力を利用して脆性材料を割断する割断加工方法が提案されている。
【０００４】
この加工方法は、脆性材料に予め亀裂を作成しておき、その亀裂先端に局所的に熱源を印加して熱応力を発生させるとともに、熱源の移動により亀裂を成長させて材料を分離する技術で、この方法によれば、亀裂を成長させるといった性質上、切りしろや、パーティクルが発生しないことから、上記した従来の加工法の問題点を解決することができるといった特徴がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、脆性材料の割断加工方法は、上記したように、加工材料に予め発生させた亀裂先端の前方にレーザビーム等の熱源を印加して、その熱源中心と周辺との間に発生する温度勾配により生じる集中応力で亀裂を成長させてゆく加工法であることから、この加工方法において、割断予定線を挟んだ両側の加工材料の幅が非対称であると、熱の蓄積により熱分布が非対称となって材料表面及び厚み方向における熱応力分布のバランスが崩れる（図１参照）。これにより強い剪断応力が発生し、表面と裏面うねりに差（加工面の断面傾き）が現れる結果、総合的な加工精度が著しく悪くなるという問題がある。
【０００６】
本発明はそのような実情に鑑みてなされたもので、割断予定線を挟んだ両側の加工材料の幅が非対称であっても、その材料を高い加工精度のもとに割断することが可能な割断加工方法の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、材料の加工始点に形成した亀裂を、熱源の印加により発生する熱応力によって成長させつつ、その熱源を割断予定線に沿って移動することにより材料を分離する割断加工法において、図２に例示するように、割断予定線Ｌを挟んだ両側の幅が非対称な加工材料Ｗに形成した亀裂ＣR の先端前方に主熱源（例えばレーザビーム）Ａを印加し、この主熱源Ａを割断予定線Ｌに沿って移動させるとともに、その主熱源Ａの斜め前方（または側方）に、補助熱源（例えばレーザビーム）Ｂを追従させて移動することにより、上記亀裂ＣR の成長を行うことによって特徴づけられる。
【０００８】
このように補助熱源Ｂを付加することで、割断予定線Ｌに対し加工材料幅が非対称な場合であっても、割断加工を高い加工精度のもとに行うことができる。
すなわち、割断加工実行中において、割断予定線Ｌに沿って移動させる主熱源Ａの斜め前方（または側方）に補助熱源Ｂを追従させて移動すると、割断予定線Ｌの周辺に作用する熱分布及び熱応力分布のバランスが、図３に例示するように割断予定線Ｌの両側で均等となり、これにより表面うねりと裏面うねりの差つまり断面傾きが軽減される結果、総合的な加工精度が向上する。
【０００９】
ここで、本発明の割断加工方法において、補助熱源Ｂの印加面積は、加工速度と出力によって決定され、加工材に残留応力等のダメージを与えない印加面積とする。例えば加工速度１０mm／s ，出力１０Ｗの場合、補助熱源Ｂの径は２mm〜４mmが適当である。
【００１０】
主熱源Ａと補助熱源Ｂとの間の距離については、図２に示すように、補助熱源Ｂの印加位置を主熱源Ａに対して斜め前方とする場合、加工予定線と直交方向の距離Ｐ1 が２mm〜１０mmの範囲、加工予定線方向の距離Ｐ2 が２mm〜１０mmの範囲であることが適当で、補助熱源Ｂの主熱源Ａの側方（真横）に置く場合、両者の中心間距離が２mm〜１０mmの範囲であることが適当である。
【００１１】
また、本発明の割断加工方法において、主熱源と補助熱源の位置関係（距離）は、材料端に対する加工位置に応じて調整して、図３に示すように、割断予定線の両側において均等な熱分布及び熱応力分布が得られるようにする。
【００１２】
さらに、加工材料に印加する主熱源及び補助熱源の形状は、円形または楕円形とすればよく、またこの場合、熱源形状を楕円として割断加工を実行して、亀裂の成長が割断予定線の加工終点に近づいた時点で、熱源形状を円形にするといった加工法を採用すれば、亀裂を良好な状態で進行させることができるとともに、加工終点時において熱源の印加位置の前方に加わる引張力が軽減され、加工終点付近での加工曲がりを防止することが可能になる。
【００１３】
なお、本発明に適用する熱源としては、レーザビームのほか、例えば電子ビーム、電熱ヒータまたは火炎などが挙げられる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、以下、図面に基づいて説明する。
まず、本発明の割断加工方法の実施に使用する装置は、図４に示すように、ガラス材等の加工材料Ｗを載置する加工テーブル（２軸移動）１と、２台のレーザ発振器２，３と、その各出力レーザビームを加工テーブル１上に置かれた加工材料Ｗの表面に導く光学系４などによって構成されており、２本のレーザビームＡ，Ｂを加工材料Ｗに同時に照射することができる。そして、加工テーブル１の移動によって、一方のレーザビーム（主熱源）Ａを割断予定線Ｌに沿って移動させることができ、また他方のレーザビーム（補助熱源）Ｂを、主熱源であるレーザビームＡに追従させて移動させることができる。
【００１５】
光学系４は、ミラー、集光レンズ並びに絞り（図示せず）等を備え、各レーザ発振器２，３からのレーザビームをそれぞれ個別に集光して、主熱源となるレーザビームＡを割断予定線Ｌに照射し、また補助熱源となるレーザビームＢを、レーザビームＡの斜め前方（材料端側）の位置に照射するように構成されている。
【００１６】
また、この光学系４は、２枚のミラーの位置関係（相対的な角度）も調整可能となっており、その調整により２本のレーザビームＡとＢの照射位置の位置関係（中心間距離）を変更することができる。
【００１７】
次に、加工手順を図４を参照して説明する。
まず、加工材料Ｗの加工始点ａに初期亀裂を発生する。その初期亀裂の作成には、硬質工具を使用して材料端部に切欠きを形成する方法、あるいは加工材料の表面に高出力にレーザビームを集光して孔を加工しこの孔から亀裂を作成する方法等の公知の手法を採用する。
【００１８】
次いで、初期亀裂の先端前方で割断予定線Ｌ上に、主熱源であるレーザビームＡを照射すると同時に、このレーザビームＡの斜め前方（材料端側）に、補助熱源であるレーザビームＢを照射しつつ、加工テーブル１の移動により、レーザビームＡを割断予定線Ｌに沿って移動し、このレーザビームＡに追従させてレーザビームＢを割断予定線Ｌに沿う方向に移動して、亀裂ＣR を加工始点ａから加工終点ｂに向けて誘導する。なお、このとき、レーザビームＡとレーザビームＢとの間に距離つまり図１に示したＰ1 及びＰ2 は、加工材料Ｗの材料端に対する加工位置及び各レーザビームＡ，Ｂによる印加熱量などを考慮して、割断予定線Ｌの両側において熱分布及び熱応力分布が均等となるように設定する。
【００１９】
そして、以上のように割断加工実行中において、主熱源であるレーザビームＡの斜め前方に、補助熱源としてレーザビームＢを追従させて移動すると、先の図３に示したように、割断加工線Ｌの周辺に作用する熱分布及び熱応力分布のバランスが、割断予定線Ｌを挟んだ両側において均等となり、これにより表面うねりと裏面うねりの差つまり断面傾きが軽減される結果、加工精度が向上する。
【００２０】
なお、以上の実施の形態では、補助熱源となるレーザビームＢを、主熱源のレーザビームＡの斜め前方に照射しているが、その補助用のレーザビームＢをレーザビームＡの側方（真横）に照射しても、先と同様な作用効果を得ることができる。また、これら二つのレーザビームＡとＢとの間の位置関係は、亀裂ＣR の成長状況に応じて、常に良好な状態で亀裂ＣR が成長するように、割断加工実行中において適宜に変更してもよい。
【００２１】
ここで、以上の実施の形態では、主熱源用と補助熱源用の２台のレーザ発振器を用いた例を示しているが、レーザ発振器は１台として、その出力ビームをビームスプリッタ等により分割して、補助熱源用のレーザビームを得るといった方式を採用することも可能である。
【００２２】
また、以上の実施の形態においては、主熱源及び補助熱源としてレーザビームを用いているが、これに限られることなく、例えば電子ビーム、電熱ヒータまたは火炎等を用いても本発明は実施可能である。
【００２３】
【実施例】
本発明の割断加工方法を実施した例を以下に述べる。
【００２４】
そして、以上の二つの条件で加工を行った各試料について、それぞれの加工面の傾き（断面傾き）を測定したところ、通常条件による加工の場合、断面傾きが０．５ｍｍであったのに対し、補助熱源を付加した加工の場合、その値が０．１ｍｍ以下までに軽減されることが確認できた。
【００２５】
このような結果から、本発明の割断加工方法が、加工精度の上で優れた加工法であること、特に、加工材料の縁部を加工する際に有効な加工法であることが分かる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の割断加工方法によれば、割断加工実行中において、割断予定線に沿って移動させる主熱源の斜め前方（または側方）に補助熱源を追従させて移動するので、割断予定線を挟んだ両側の材料幅が非対称な加工材料を加工する場合であっても、割断加工線の両側に作用する熱分布及び熱応力分布のバランスを均等にすることができる。その結果、加工面の断面傾きが従来に比して軽減された加工精度の高い割断加工を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】通常の割断加工方法の問題点を示す図で、割断加工予定線を中心とする熱分布曲線と応力分布曲線を併記して示す図
【図２】本発明の割断加工方法の説明図
【図３】本発明の割断加工方法の作用説明図で、割断加工予定線を中心とする熱分布曲線と応力分布曲線を併記して示す図
【図４】本発明の割断加工方法の実施に使用する装置の概略構成を示す図
【符号の説明】
１ 加工テーブル
２，３ レーザ発振器
４ 光学系
Ａ レーザビーム（主熱源）
Ｂ レーザビーム（補助熱源）
Ｗ 加工材料
Ｌ 割断予定線
ＣR 亀裂
ａ 加工始点
ｂ 加工終点
Claims (2)
- 材料の加工始点に形成した亀裂を、熱源の印加により発生する熱応力によって成長させつつ、その熱源を割断予定線に沿って移動することにより材料を分離する割断加工法において、
割断予定線を挟んだ両側の幅が非対称な加工材料に形成した亀裂の先端前方に主熱源を印加し、この主熱源を割断予定線に沿って移動させるとともに、その主熱源の斜め前方または側方に補助熱源を追従させて移動することにより、上記亀裂の成長を行うことを特徴とする割断加工方法。 - 請求項１に記載の割断加工方法において、材料端に対する加工位置に応じて、主熱源と補助熱源の位置関係を調整することを特徴とする割断加工方法。
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|---|---|---|---|
| JP16847897A JP3751122B2 (ja) | 1997-06-25 | 1997-06-25 | 割断加工方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16847897A JP3751122B2 (ja) | 1997-06-25 | 1997-06-25 | 割断加工方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1110375A JPH1110375A (ja) | 1999-01-19 |
| JP3751122B2 true JP3751122B2 (ja) | 2006-03-01 |
Family
ID=15868850
Family Applications (1)
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| JP16847897A Expired - Fee Related JP3751122B2 (ja) | 1997-06-25 | 1997-06-25 | 割断加工方法 |
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1997
- 1997-06-25 JP JP16847897A patent/JP3751122B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
| JPH1110375A (ja) | 1999-01-19 |
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