脆性材料的加工方法及加工裝置的制作方法

專利名稱：脆性材料的加工方法及加工裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及玻璃、陶瓷或半導體晶片等脆性材料的加工方法及加工裝置。
背景技術：
我們知道，可以對作為加工對象的脆性材料的表面照射來自激光光源的激光，并利用這時產生的因加熱冷卻變化引起的熱應變對脆性材料進行加工。
例如，在特公平3-13040號公報中公開了一種加工方法，利用激光照射產生的熱應力誘導在脆性材料的加工起始點形成的龜裂沿加工線延伸，由此割斷脆性材料。此外，在特表平8-509947號(專利第3027768號)公報中公開了一種加工方法，利用激光照射脆性材料產生的熱應力從材料表面到規定的深度形成龜裂，并利用該龜裂切斷脆性材料。
作為這種加工使用的典型的激光光源，可以列舉振蕩波長為2.9μm的HF激光器、振蕩波長為5.5μm的CO激光器、振蕩波長在10μm附近的CO2激光器等氣體激光器。此外，作為固體激光器，市面上有振蕩各種波長的紅寶石激光器和半導體激光器等。
在能作為商品買到的激光光源中，波長在1～3μm附近的激光光用于硅等半導體晶片的加工，波長在5～10.6μm附近的激光用于玻璃等脆性材料的加工。此外，使用波長在1～10.6μm附近的激光，可以對各種陶瓷材料進行加工。再有，使用激光的加工也可以應用于金屬加工。
但是，若按照特公平3-13040號公報或特表平8-509947號(專利第3027768號)公報公開的加工方法，多數情況是對使用的激光光源的波長選擇沒有仔細考慮，照射的激光的波長對于作為切斷對象的材料來說，不是其加熱能量在其中被充分吸收的最佳吸收波長。因此，材料內部的溫度上升僅取決于從加熱部分的熱傳導，上升到必要的溫度需要很長的時間，所以，激光照射時間長，不能提高加工速度。此外，照射時間長還存在其他的問題，若在材料內部到達加工(形成龜裂)所必要的溫度之前，照射部分表面附近的溫度接近熔融溫度，或超過熔融溫度而使材料表面附近熔化，則很難得到高精度的劃線。再有，特表平8-509947號(專利第3027768號)公報公開的加工方法還有這樣的問題，即，因材料內部充分加熱需要很長的時間，故材料內部的深部不能形成龜裂。
這里，提出幾種考慮了激光波長的加工方法。例如，在美國專利5,138,131號公報中公開了一種加工方法，為了使加工對象的玻璃充分吸收激光，測定加工對象的玻璃的激光透光率，選擇該透光率接近于0的波長區(4μm以上)，向玻璃照射該波長區的激光。
但是，在該方法中，因加工材料對激光波長的吸收率太大，大部分照射的激光在材料的表面附近被吸收，照射激光的直接加熱只能達到材料表面以下數μm的深度。因此，只是材料表面附近被加熱，材料內部只靠表面附近吸收的光能轉化成熱之后再通過熱傳導來產生熱。結果，從表面附近加熱的時刻到內部被充分加熱會產生相當于熱傳導時間的時間延遲。這意味著因熱應變而形成的龜裂的產生在內部被延遲了。
此外，在為了對材料表面附近集中加熱而使激光激光照射能量集中的表面附近，因為上述時間延遲而被過度加熱。因此，最壞的情況是一部分被加熱到接近熔融溫度，對加工對象材料切斷后的品質也有影響。進而，為了彌補因加熱時間延遲而引起的切斷速度的下降，有必要使用大功率的激光光源對材料進行照射，使大量的熱能迅速轉移到材料內部。

發明內容
鑒于這樣的實際情況，本發明的目的在于提供加工速度快的脆性材料的加工方法及加工裝置。
本發明的加工方法是通過對脆性材料照射來自作為加熱源的光源的光同時使該照射位置沿規定的線移動來加工脆性材料，其特征在于預先設定對成為加工對象的脆性材料的照射光的吸收率，使用該吸收率的設定值和與加工對象的脆性材料的材質相同的板狀樣品的厚度，計算當對樣品照射和脆性材料相同波長的光時樣品的吸收率，根據該吸收率的計算值和實際對樣品照射光得到的吸收率的實測數據，選擇適合于作為加工對象的脆性材料的吸收率的光波長。
在本發明的加工方法中，也可以依次對樣品照射多種波長互不相同的光，根據利用該光照射得到的各波長的透射光強度的測定值算出樣品吸收率的實測數據，并使用這些實測數據進行光波長的選擇。
在本發明的加工方法中，也可以在進行加工的脆性材料的光照射位置的背面側形成反射層。此外，當將脆性材料放置在工作臺上進行加工時，也可以在該工作臺的材料放置面形成反射層。
下面，詳細說明本發明的加工方法實施的運算處理(激光波長選擇運算)的詳細情況。
再有，在實際的脆性材料的情況下，在作為入射面側的材料表面有反射，或在光透過時作為從材料內部透過射出側面的透過面的材料背面有反射。但是，為討論簡單起見，忽略象這樣的材料入射部分或反射部分的反射。
此外，當脆性材料作為顯示用的被切斷的面板材料使用時，在入射面的背面側進行表面加工，用來形成畫面顯示用或顯示控制用的各種驅動、控制電路。即使在這樣的情況下，為討論簡單起見，也假定不受表面加工部分的影響，光入射并透過沒有進行表面加工的部分。
首先，當向物體照射真空中的波長為λ0、強度為I0的光時，深度z處的光強度I可由I＝I0·exp(-α·z)表示。這里，α是稱之為吸收能的物理量，由α＝(4π/λ0)k＝(4π/λ0)nκ表示。這里，n是該物體的折射率，k、κ是衰減系數。
如圖2所示，當對材質和加工對象的脆性材料相同、厚度是它的幾分之一的厚度d的板狀樣品S照射波長已知的激光(強度I0)時，若樣品S中激光A％被吸收，則下面的關系成立。
I0-II0=A100···(1),I=I0·exp(-α·d)]]>II0=100-A100=exp(-α·d)···(2)]]>(100-A100)1/d=exp(-α)···(3)]]>此外，如圖3所示，若對厚度D的脆性材料W照射和樣品S相同波長的光時的射出光強度I’的透光率是B％，則下面的關系成立。
I’/I＝exp(-α·D)＝B/100利用(3)式得到exp(-α·D)＝((100-A)/100)D/d＝B/100(100-A)/100＝(B/100)d/D…(4)100-A＝100·(B/100)d/D＝(100)D/d·(100)d/D·(B/100)d/D＝(100)D/d·Bd/D∴A＝100-(100)D/d·Bd/D…(5)而且，使用以上關系式和厚度d的板狀樣品S的透射光強度的實測數據，可以對加工對象的脆性材料選擇最佳波長的激光。該方法將在下面詳述。
首先，確定可以對作為加工對象的厚度為D的脆性材料照射吸收率為百分之幾的激光，再進行加工。
現在，若設吸收率為B％，則根據該吸收率B％和上述式(5)，可計算當對材質和加工對象的脆性材料相同、厚度d的樣品照射和加工對象相同的激光時，吸收率是多少。設該計算的結果是A％。
其次，對厚度d的樣品S實際照射激光，研究在什么樣的波長區能得到和上述計算求得的吸收率A％相近的吸收率的值(實測數據)。具體地說，一邊改變波長，一邊對樣品S照射激光，或者，照射多種波長不同的激光。接著，使用由激光照射得到的各波長的透射光強度的實測數據，求出樣品S的實際吸收率(使用上述式(1))，將這些實際吸收率(實測數據)和上述計算求得的吸收率A％比較，找到與吸收率A％對應的值的激光波長。
通過以上處理，可以選定接近于加工對象的脆性材料的吸收特性最佳的波長的激光波長。
通過選擇這樣的激光波長，可以使加工速度比過去更高。其理由如下。
首先，當激光波長選擇不合適時，有時會出現加工對象的材料內的吸收率為0％，幾乎不被吸收而全部透過。相反，當材料內的吸收率為接近100％時，如圖4所示，照射到脆性材料W上的激光L在脆性材料W的表面附近被吸收。因此，脆性材料W的表面部分被瞬時加熱，而材料內部則要利用熱傳導使其內部溫度上升，所以，材料內部的溫度上升滯后，滯后的時間相當于熱傳導所要的時間。
對此，若象本發明的加工方法那樣，選擇波長接近于加工對象的脆性材料的吸收特性最佳的波長的激光，則如圖5所示，通過對脆性材料W照射激光L，使脆性材料W的表面附近和材料內部的區域變成吸收區，可以在很大的體積內同時加熱。因此，材料內部的加熱，其時間的延遲只相當于光傳播速度的延遲時間，材料內部深部的加熱幾乎和脆性材料W的表面附近的加熱同時進行，可以在短時間內得到必要的溫度上升。結果，可以提高加工速度。此外，因從脆性材料的表面附近直到內部深部都可以產生熱應變，故直到脆性材料W的內部深部都可以形成龜裂。
進而，如圖6所示，由加熱點附近的溫度上升產生的熱應力(實線)的變化比激光波長選擇不合適時(以往的加工方法虛線)更陡，熱應力集中在材料中的很窄的區域，結果，熱應力的強度也增強了。
這里，在本發明中，通過考慮實現一種使照射部的材料表面和內部的溫度梯度小的加熱方法，可以在板的厚度方向產生較均勻的加熱帶。例如，通過預先以規定的溫度對加工材料進行預熱，或使用板的厚度方向的材料的光吸收率小的光源，可以形成在板的厚度方向溫度梯度小的狀態。因此，當將各種材料作為切斷加工對象時，可使用吸收率小的波長的光進行切斷加工的材料適合于大多數對象。有時，即使一部分照射能量透過材料，切斷性能本身也不會有問題。在材料的底面或工作臺面上形成反射層再利用底面或桌面反射入射光的方法等是有效的措施。通過采用這樣的方法，可以在板的厚度方向產生較均勻的加熱帶。
在本發明中，通過改變照射光的波長(即改變加工材料內的吸收率)可以控制加工時得到的裂縫的深度。進而，通過以使照射光的掃描方向接近左右照射表面的一個面的形式使照射角度傾斜，可以在傾斜面切斷加工材料。該切斷面在切斷后可以得到一個平滑的面，不需要象通常的切斷面那樣進行倒角加工。
在本發明中，通過在加工材料的規定的照射位置的背面側或工作臺的材料放置面形成適當的反射層，使照射能充分到達加工材料的深部，可以使本發明有效而靈活地應用于整體切斷(full-body-cut)加工，即可以以裂縫從表面直到背面側擴展為浸透程度的形式來進行加工。
此外，本發明具有激光的照射熱在照射部的下方比熱傳導更早被吸收的特征。結果，當面向成為加工對象的脆性材料的表面以某一規定的照射角度照射激光束時，從表面開始以規定的角度來傾斜的方式在內部形成裂縫，所以具有加工自由度增加的優點。
本發明的加工裝置是適合實施具有以上特征的脆性材料的加工方法的裝置，其特征在于，具有振蕩波長互不相同的光的多個光源；使這些光源和脆性材料相對移動的掃描單元；使用預先設定的吸收率的設定值和樣品的厚度數據，計算對樣品照射波長與脆性材料相同的光時樣品的吸收率的吸收率計算單元；用來測定對樣品照射來自各光源的光時的透射光強度的光強度測定單元；根據光強度測定單元測定的各波長的透射光強度的測量值求出樣品的吸收率的實測數據的實測數據計算單元；以及根據這些吸收率的實測數據和上述吸收率的計算結果選擇適合于加工對象的脆性材料的吸收率的光波長的選擇單元，從多個光源中選出發射與該選擇的波長相應的光的光源，來執行脆性材料的加工。
在本發明中，在加工之前的階段，使用光強度測定單元預先測定加工材料表面附近的光強度I0。然后，測定樣品和加工材料背面側的透射光的光強度，通過將其和I0比較，算出各材料內部的吸收率。
本發明可以適用于通過來自光源的光(激光等)的照射使脆性材料產生深龜裂的切斷加工，也可以適用于只通過光照射就能使脆性材料從加工線(劃線)的左右完全分離的切斷加工。
此外，在本發明中，作為加熱源的光源，只要是不在材料表面被全部吸收、進入材料內部并在內部變換成熱的波長的光就可以，沒有特別的限制，除了激光之外，還可以舉出可見光、紫外光等具有各種波長的光，或者將多個波長不同的激光組合起來的光源，通過使用這些光源，并使用使照射部的材料表面和內部的溫度梯度小的加熱方法來加工，可以提高速度和精度，可以得到能傾斜切斷的特點。作為激光之外的光源，可以使用紫外線燈和紅外線燈，在激光光源中也可以使用白色激光。
進而，作為本發明使用的光源，除作為單一波長的發光源的激光光源之外，還包括稱為紅外線燈的加熱燈等能發射多個波長的光的熱光源，但在此之前的上述說明中，為記述簡單起見，將產生單一波長的激光光源作為典型的加熱源進行了說明。
當使用加熱燈時，多數市面上的商品，可以預先從這些燈的制造商那兒得到有關它們的分光特性的數據，或者自己測定這些數據。
當使用發射包含多個波長成分的光的光源時，在包含在光源發出的光中的波長成分中，注意光譜成分的光強度最強的、或強度以此為準的波長成分，通過測定預先規定的波長寬度的光成分的光強度，將其作為吸收率或透光率的指標。
該方法例如使用加工對象的材料的規定厚度的樣品，收集有關對該樣品照射各光源的光時的吸收特性或透光率的數據。


圖1是表示本發明的實施方式的結構的示意圖。
圖2是表示對厚度d的板狀樣品照射激光的情形的示意圖。
圖3是表示對厚度D的脆性材料照射激光的情形的示意圖。
圖4是表示利用激光照射只對脆性材料的表面附近加熱的狀況的示意圖。
圖5是本發明的作用的說明圖，是表示利用激光照射同時對脆性材料的表面附近和內部區域加熱的狀況的示意圖。
圖6是本發明的作用的說明圖，是表示因加熱點附近溫度上升產生的熱應力大小的變化的圖。
具體實施例方式
下面，根據

本發明的實施方式。
圖1是表示本發明的實施方式的結構的示意圖。
圖1的加工裝置具有對互不相同的波長進行振蕩的多個激光光源11、12、...1n。這些激光光源11、12、...1n可以使用半導體激光器、氣體激光器、固體激光器或受激準分子激光器等各種激光器。
再有，當使用半導體激光器作為激光源11、12、...1n時，各激光源(元件)的配置雖然沒有什么問題，但是，當使用多個氣體激光器、固體激光器或受激準分子激光器時，因激光源的形狀尺寸變大，故在作為加工對象的脆性材料W的上方配置所有的多個激光源有困難。這時，使用光纖等光學裝置將激光L從設置多個激光源11、12、...1n的地方導向成為加工對象的脆性材料W的表面。
成為加工對象的脆性材料W通過X-Y工作臺等掃描機構2可以在X-Y方向移動。從激光源11、12、...1n中的1個激光源11(或12、...1n)來的激光L照射脆性材料W。該激光源11(或12、...1n)的選擇、驅動及掃描機構2的驅動控制由后述的運算處理裝置4執行。
在多個激光源11、12、...1n的下方(脆性材料W的下方)配置光強度測定裝置3。光強度測定裝置3是測定來自各激光源11、12、...1n的激光L照射后述的樣品S時的透射光強度的裝置。光強度測定裝置3的測定值被采集入運算處理裝置4。
運算處理裝置4具有吸收率計算部41、實測數據計算部42、選擇部43和驅動控制部44等。運算處理裝置4與用來輸入加工形狀數據、加工對象的脆性材料W的厚度、樣品S的厚度和激光L的吸收率的設定值等的輸入裝置5連接。
吸收率計算部41使用通過操作輸入裝置5的操作輸入的加工對象的脆性材料W的厚度、樣品S的厚度和吸收率的設定值，計算對樣品S照射和加工對象的脆性材料W相同波長的激光L時的樣品S的吸收率。具體地說，將脆性材料W的厚度D、樣品S的厚度d和吸收率的設定值B％各值代入上述(5)式，再計算樣品S的吸收率A％。
驅動控制部44設定有進行實際加工的加工模式和實驗模式，當通過輸入裝置5的操作指定了實驗模式時，按順序驅動各激光源11、12、...1n。
當來自各激光源11、12、...1n的激光L照射樣品S時，實測數據計算部42根據由光強度測定裝置3測定的各波長下的透射光測定值算出樣品S的吸收率的實測數據。再有，對吸收率的實測數據的計算使用上述式(1)。
選擇部43將吸收率計算部41計算的樣品S的吸收率A％和由實測數據計算部42算出的多個吸收率實測數據進行比較，通過查找與吸收率A％一致或接近的實測數據的處理，選擇表示接近吸收率A％的值的波長的激光源。
而且，驅動控制部44在加工模式下只驅動由選擇部43選擇的1臺激光源11(或12、...1n)，同時，根據加工形狀數據驅動控制掃描機構2。通過該激光源11(或12、...1n)和掃描機構2的驅動控制，激光L掃描作為加工對象的脆性材料W的表面。
其次，說明脆性材料W的加工步驟。
首先，準備一塊板狀樣品S，其與加工對象的脆性材料W的材質相同，厚度是其幾分之一。
操作輸入裝置5，將加工形狀數據、樣品S的厚度d和加工對象的脆性材料W的厚度D等各種數據輸入運算處理裝置4。此外，決定加工時對厚度D的脆性材料照射百分之幾的吸收率的激光，并在運算處理裝置4中設定該決定值B％。
其次，在光強度測定裝置3的上方配置樣品S，對運算處理裝置4指定實驗模式。通過該操作，按順序驅動激光源11、12、...1n，對樣品S照射來自各激光源11、12、...1n的激光L，每照射一次該激光，便將由光強度測定裝置3測定的樣品S的透射光強度輸入運算處理裝置4。
在輸入了所有來自激光源11、12、...1n的激光L的透射光強度的測定值的時刻，運算處理裝置4進行上述樣品S的吸收率A％的計算和樣品S的吸收率的實測數據的計算，再根據這些結果，從多個激光源11、12、...1n中選擇接近與加工對象的脆性材料W的吸收特性最適合的波長的激光源11(或12、...1n)。
在以上的處理完成之后，在激光源11、12、...1n的下方配置作為加工對象的脆性材料W，對運算處理裝置4指定實驗模式。由此，運算處理裝置4在驅動利用上述處理選擇的激光源11(或12、...1n)的同時，根據加工形狀數據驅動控制掃描機構2，由此，將脆性材料W加工成規定的形狀。
這里，在本實施方式中，通過來自激光源11、12、...1n的激光L的照射，可以進行龜裂直達脆性材料W內的深部的切斷加工，或者也可以進行通過激光照射使在脆性材料W的加工起始點形成的龜裂擴展從而使脆性材料完全分離的割斷加工。
在以上實施方式中，示出了配置多個激光源的例子，但本發明不限于此，例如，也可以使用振蕩波長可變的自由電子激光器來實施本發明。
當使用自由電子激光器時，作為激光波長的選擇處理，可以在對樣品S照射來自自由電子激光器的激光的狀態下，使激光的波長連續變化，找出吸收率最佳的波長區。而且，可以在判明最佳波長區之后，選擇對波長包含在該波長區內或接近該波長區的激光進行振蕩的激光源，進行脆性材料的加工。再有，對于在激光波長的選擇處理、即激光吸收率的測定之后使用自由電子激光器設備的情況，也可以將自由電子激光器的振蕩波長設定在通過吸收率測定已找到的最佳波長附近的值，再對脆性材料照射激光。
再有，作為加熱源的光源，除激光源之外，也可以使用輸出可見光、紫外線等各種波長的光的紫外線燈或紅外線燈等各種光源。
此外，當從光源向加工材料傳送的能量大時，通過以傳送時的損失最小的方式選擇合適的傳送單元作為光纖的代用品，就可以達到目的。做為具體的傳送單元，可以舉出可進行低損耗傳送的中空光纖和中空波導路等(松浦、祐司、宮城、光信應用物理，第68卷，pp.41-431993年和同第62卷，pp.44-46 1993年)。
若按照本發明，與過去只對表面附近加熱的情況相比，可以使材料內部的加熱溫度上升很快，能在短時間內上升到需要的溫度，結果，可以提高加工速度，這在工業上是很有益的。
此外，因光照射而產生龜裂從材料表面延伸，通過內部直達對面，所以，可以形成龜裂至材料內部深部，因此，在激光劃線之后的分離工序中，容易進行切斷作業。
進而，可以快速進行割斷加工，只通過光照射工序，就能使脆性材料從劃線處左右完全分開，當然這還要取決材料的厚度。這時，作為后續工序，不必采用會產生許多碎片的分離工序，所以，能夠在1個工序中進行劃線和切斷作業，而不會產生碎片。
權利要求
1.一種脆性材料的加工方法，通過對脆性材料照射來自作為加熱源的光源的光的同時，使該照射位置沿規定的線移動來加工脆性材料，其特征在于預先設定對成為加工對象的脆性材料的照射光的吸收率，使用該吸收率的設定值和與加工對象的脆性材料的材質相同的板狀樣品的厚度，計算當對樣品照射和脆性材料相同波長的光時樣品的吸收率，根據該吸收率的計算值和實際對樣品照射光得到的吸收率的實測數據，選擇適合于加工對象的脆性材料的吸收率的光波長。
2.權利要求1記載的脆性材料的加工方法，其特征在于依次對樣品照射多種波長互不相同的光，根據利用該光照射得到的各波長的透射光強度的測定值算出樣品吸收率的實測數據，并使用這些實測數據進行光波長的選擇。
3.權利要求1或2記載的脆性材料的加工方法，其特征在于在進行加工的脆性材料的光照射位置的背面側形成反射層。
4.權利要求1或2記載的脆性材料的加工方法，其特征在于當將脆性材料放置在工作臺上進行加工時，在該工作臺的材料放置面形成反射層。
5.一種脆性材料的加工裝置，通過對脆性材料照射來自作為加熱源的光源的光的同時，使該照射位置沿規定的線移動來加工脆性材料，其特征在于，具有振蕩波長互不相同的光的多個光源；使這些光源和脆性材料相對移動的掃描單元；使用預先設定的吸收率的設定值和樣品的厚度數據，計算對樣品照射波長與脆性材料相同的光時樣品的吸收率的吸收率計算單元；用來測定對樣品照射來自各光源的光時的透射光強度的光強度測定單元；根據光強度測定單元測定的各波長的透射光強度的測量值，求出樣品的吸收率的實測數據的實測數據計算單元；以及根據這些吸收率的實測數據和上述吸收率的計算結果，選擇適合于加工對象的脆性材料的吸收率的光波長的選擇單元，并且從多個光源中選出發射與該選擇的波長相應的光的光源，來施行脆性材料的加工。
全文摘要
預先設定成為加工對象的脆性材料W的光(例如激光)L的吸收率，使用該吸收率的設定值和與加工對象的脆性材料W的材質相同的板狀樣品S的厚度，計算當對樣品S照射和脆性材料相同波長的光L時樣品S的吸收率，根據該吸收率的計算值和實際對樣品S照射光L得到的吸收率的實測數據，選擇適合于作為加工對象的脆性材料的吸收率的光波長，并使用該選出的波長的光進行脆性材料W的加工。
文檔編號B23K26/40GK1642704SQ0380595
公開日2005年7月20日 申請日期2003年3月12日 優先權日2002年3月12日
發明者森田英毅, 大津泰秀, 枝達雄 申請人:三星鉆石工業股份有限公司, 長崎縣