專利名稱：脆性材料基板的u形槽加工方法以及使用該方法的去除加工方法、打孔加工方法和倒角方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過對脆性材料基板的表面的一部分進(jìn)行急速加熱，來
將該基板的一部分從表面上剝離，從而形成u形槽的方法、以及使用該
方法對加工對象物進(jìn)行去除加工或打孔加工的方法。
背景技術(shù)：
例如，在精密機(jī)械的加工臺上，人們關(guān)注線膨脹率小這一屬性而使 用了玻璃基板等脆性材料基板。通常這種加工臺由上模和下模構(gòu)成，在 上模和下模的接觸面上形成有用于提高潤滑性的蓄油槽或冷卻通道。為 了形成該蓄油槽或冷卻通道，必須在玻璃基板上形成槽。另外，作為形 成這樣的槽的方法， 一般己知有機(jī)械方法和化學(xué)方法。機(jī)械方法是在通 過切削加工或放電加工在玻璃基板上機(jī)械地挖出槽之后進(jìn)行研磨的方 法。該方法具有能夠形成非常正確的槽的優(yōu)點(diǎn)，但是機(jī)械地挖出槽的作 業(yè)存在效率差、批量生產(chǎn)性不足、制造成本高的問題。另一方面，化學(xué) 方法是通過蝕刻來形成槽的方法，有進(jìn)行等方性蝕刻的方法、和進(jìn)行異 方性蝕刻的方法。這樣的采用蝕刻的方法適于批量生產(chǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)低成 本化。但是，與機(jī)械方法相比，存在不能形成正確的槽的問題。
此外，如果著眼于脆性材料基板的倒角加工方法，則有通過切削加 工、磨削加工、硏磨加工、放電加工等對邊緣線進(jìn)行倒角加工的方法， 在利用激光的倒角加工中，已知有通過激光燒蝕來進(jìn)行倒角加工的方法， 該激光燒蝕利用激光照射產(chǎn)生的高溫加熱使基板材料熔融或升華來進(jìn)行 去除。其中，在通過激光燒蝕而形成的倒角加工面上可以看到燒蝕痕跡， 并且容易產(chǎn)生微小裂紋，難以獲得理想的倒角加工面。此外，在激光燒 蝕中，由于通過激光照射而被除去的基板物質(zhì)飛濺，從而會使基板受污染，所以存在后來必須去除污染物質(zhì)的問題。
此外，作為利用激光的倒角加工方法，作為除上述燒蝕以外的倒角 加工方法，提出了沿著基板的邊緣線照射激光束進(jìn)行加熱熔融的加熱熔 融法。例如，公開有如下方法在使玻璃部件整體保持比常溫高的溫度 (余熱)的狀態(tài)下，對邊緣線(棱線)附近進(jìn)行激光加熱使其軟化，借 助于材料的表面張力使邊緣線變圓，由此來進(jìn)行倒角(專利文獻(xiàn)l)。
圖15是表示在使用C02激光光源、通過加熱熔融法來進(jìn)行倒角加工 時(shí)的激光照射狀態(tài)的剖視圖。預(yù)先使用未圖示的加熱器將玻璃基板10整 體緩慢地加熱(預(yù)加熱)，并保持比軟化溫度低的預(yù)定溫度，接下來沿著
保持預(yù)定溫度的玻璃基板10的邊緣線51使來自C02激光光源50的激光
束進(jìn)行掃描。此時(shí)，通過對激光輸出、掃描速度進(jìn)行調(diào)整，被激光束照 射后的部分達(dá)到高溫而軟化，借助于材料自身的表面張力，加工成被激 光照射后的邊緣部分帶有圓度。
在該情況下，預(yù)加熱、加工后的冷卻都需要消耗時(shí)間。此外，需要 對基板整體進(jìn)行預(yù)加熱，當(dāng)在基板上已經(jīng)形成有不能加熱的器件或傳感 器等功能膜的情況下，有時(shí)無法利用該方法實(shí)施倒角加工。此外，如果 預(yù)加熱不充分，則會由于熱應(yīng)力而產(chǎn)生破裂(裂紋)，從而無法進(jìn)行良好 的倒角加工。另外，在利用加熱熔融的倒角加工中，存在熔融部分變形 從而其一部分(帶有圓度的部分的一部分)比周圍鼓起，損害基板端面 的平面度的情況。
另外，作為除利用激光照射的加熱熔融法以外的倒角方法，公開有
下述的激光倒角加工法通過對邊緣附近照射激光束進(jìn)行加熱，來使玻
璃基板10產(chǎn)生裂紋，通過使激光束相對地沿著邊緣線方向進(jìn)行掃描，使
裂紋沿著邊緣線成長，然后使邊緣附近從玻璃基板上分離，由此來進(jìn)行
倒角(專利文獻(xiàn)2)。
圖16是表示在使用C02激光光源、通過激光加熱來進(jìn)行龜裂成長倒 角加工時(shí)的激光照射狀態(tài)的剖視圖。在玻璃基板10的邊緣線51附近， 照射來自C02激光光源50的激光束，由于與局部熱膨脹相伴的熱應(yīng)力， 產(chǎn)生了裂紋52。然后，通過使激光束沿著邊緣線51掃描，依次產(chǎn)生的裂紋52沿著邊緣線51成長，從而包含邊緣線51的邊緣附近(角部分)分 離。
根據(jù)專利文獻(xiàn)2，通過利用激光加熱進(jìn)行龜裂成長倒角加工，能夠 實(shí)施不會損害玻璃基板的精度、生產(chǎn)率高且無需清洗工序的倒角加工。 專利文獻(xiàn)l:日本特開平2—241684號公報(bào) 專利文獻(xiàn)2:日本特開平9一225665號公報(bào)
如上所述，在利用激光照射的玻璃基板的倒角方法中，使激光束沿 著形成于基板分割面的邊緣線進(jìn)行掃描。此時(shí)，如果是利用激光燒蝕的 倒角，則存在基板污染的問題，如果是利用加熱熔融法的倒角，則存在 基板端面的平面度差的問題。另一方面，若利用激光加熱的龜裂成長進(jìn) 行倒角加工，雖然不會產(chǎn)生那樣的問題，但是存在"殘留"或無法獲得 均一的倒角量等問題。
圖17的(a)是表示在玻璃基板上通過激光加熱來進(jìn)行龜裂成長倒 角加工的狀態(tài)的立體圖，圖17的(b)是其俯視圖。通過使激光束以從 偏離玻璃基板10的位置PA向邊緣線11靠近的方式進(jìn)行掃描，并進(jìn)而使 激光束從玻璃基板的一端PB沿著邊緣線11進(jìn)行掃描，來沿著該邊緣線 11對玻璃基板以軟化點(diǎn)以下的溫度進(jìn)行加熱。由此，在被激光束照射過 的邊緣線11附近，因熱應(yīng)力而產(chǎn)生的裂紋不斷延展，從而形成圓弧狀的 倒角加工面14，但是在最初激光束照射向玻璃基板10的邊緣線的一端 PB附近形成有不規(guī)則的殘留區(qū)域17。既便使激光束對基板10的照射角 度和照射條件發(fā)生各種變化，也難以完全消除該殘留區(qū)域。此外，由于 邊緣線附近的溫度分布的對稱性差，所以難以形成穩(wěn)定的倒角加工面14， 會產(chǎn)生微小裂紋等缺陷。
這樣，當(dāng)在玻璃基板上進(jìn)行槽加工的情況、或者進(jìn)行倒角加工的情 況下，存在上述各種各樣的問題，因而追求一種通過改良來進(jìn)行更加適 當(dāng)?shù)募庸さ姆椒ā?br>
發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供如下方法使用激光等作為脆性材料基板的急速加熱單元，在基板表面上容易地形成直線狀或曲線狀的、連 續(xù)或不連續(xù)的槽。
此外，說到邊緣線倒角加工，本發(fā)明的目的在于提供在沿著脆性材 料基板的端面的邊緣線實(shí)施倒角加工時(shí)不會產(chǎn)生殘留區(qū)域的新的倒角方 法。
此外，本發(fā)明的目的在于提供在倒角加工面上不易產(chǎn)生微小裂紋的 新的倒角方法。
另外，本發(fā)明的目的在于提供這樣的方法在研究新的倒角方法的 過程中發(fā)現(xiàn)的、能夠不產(chǎn)生微小裂紋地在脆性材料基板表面上以去除方 式加工出U形槽。
另外，本發(fā)明的目的在于提供重復(fù)進(jìn)行該槽加工來將材料表面以去 除方式加工成大致平面狀的方法。而且，本發(fā)明的目的在于提供這樣的 去除加工方法在使旋轉(zhuǎn)體狀的加工對象物以旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)軸為中心旋 轉(zhuǎn)的同時(shí)將該加工對象物的外周面的一部分或全部去除。
此外，本發(fā)明的目的在于提供這樣的打孔加工方法在使用脆性材 料基板的U形槽加工方法在作為加工對象物的平板上形成了矩形或曲線 狀的閉合回路的U形槽之后，沿著U形槽分離材料，進(jìn)行打孔加工。
本發(fā)明的發(fā)明人等發(fā)現(xiàn)如果使用與局部加熱相適應(yīng)的激光等在能 夠剝離的加熱條件下對脆性材料基板的表面的一部分進(jìn)行急速加熱，則 表面會局部地剝離，從而，設(shè)計(jì)出了這樣的去除加工方法利用激光對 脆性材料基板局部進(jìn)行急速加熱，來使該被照射部分連續(xù)或不連續(xù)(斷 續(xù))地剝離。
艮口，以往在利用激光照射等的去除加工中，已知有燒蝕加工、使龜 裂成長來進(jìn)行加工的激光劃線加工法等，但是卻發(fā)現(xiàn)在利用激光照射 等局部進(jìn)行急速加熱的情況下，通過選擇加熱條件，能夠利用加熱部分 的材料因加熱部的熱膨脹而剝離的現(xiàn)象進(jìn)行加工，而不是進(jìn)行燒蝕加工 或者使龜裂成長的劃線加工。
當(dāng)利用因激光照射等而產(chǎn)生的剝離時(shí)，由于在不與加工對象物接觸 的狀態(tài)下對剝離部分進(jìn)行去除加工，所以與使用刀具的去除加工(磨削、切削、研磨等)相比，不僅不存在工具的損耗，還能夠大幅度地提高加 工速度。另外，與激光燒蝕加工相比，使加工對象物熔融、蒸騰的情況 非常少，所以能夠節(jié)約加工能量，還消除了熔融的材料二次附著于加工 對象物上的問題。
(其它問題解決手段和效果) 此外，對能夠在倒角加工時(shí)抑制殘留區(qū)域和微小裂紋的產(chǎn)生的倒角 加工條件進(jìn)行研究而得出的結(jié)果為可知在沿著基板的邊緣線進(jìn)行激光 加熱來進(jìn)行倒角加工的情況下，該邊緣線附近的溫度分布的對稱性差是 容易產(chǎn)生殘留和微小裂紋的一個(gè)原因。另外，以往是拘泥于對斷裂面邊 緣線進(jìn)行去除加工的倒角方法來將多種手段組合起來進(jìn)行應(yīng)對，但是無 法獲得充分的效果。即，發(fā)現(xiàn)如果在切斷脆性材料基板以前在脆性材 料基板的表面上形成U形槽，然后經(jīng)該U形槽進(jìn)行分割的話，其結(jié)果為 形成倒角狀態(tài)。更具體地說，通過使脆性材料基板的表面在能夠剝離的 加熱條件下呈線狀地逐次急速加熱，可以看到從脆性材料基板的表面上 截面形狀呈U字形地剝離的現(xiàn)象，因此，通過利用該現(xiàn)象，設(shè)計(jì)出了新 的倒角方法。
在該新的倒角方法中，在使用激光作為對脆性材料基板進(jìn)行急速加 熱的手段的情況下，對應(yīng)于作為加工對象的基板的材料、預(yù)定形成的U 形槽的槽寬、深度以及槽面的形狀，設(shè)定預(yù)先通過實(shí)驗(yàn)求出的由激光功 率、激光照射面積、掃描速度組合而成的U形槽形成用的激光照射條件， 并基于該激光照射條件使激光束進(jìn)行掃描。
當(dāng)向脆性材料基板的表面照射激光時(shí)，被照射的部分吸收激光束而 被急劇加熱，從而溫度上升。此時(shí)，在照射部分與非照射部分之間的交 界處產(chǎn)生很大的溫度梯度。于是達(dá)到高溫的部分發(fā)生熱膨脹，而由于非 照射部分的材料是難以產(chǎn)生塑性變形或彈性變形的脆性材料基板，所以 無法跟隨熱膨脹量而產(chǎn)生變形，因此在照射部分(加熱部分)和非照射 部分(非加熱部分)之間的邊界附近產(chǎn)生很大的剪切應(yīng)力(在激光掃描 方向上產(chǎn)生特別大的剪切應(yīng)力)，加熱部分的材料由于該剪切應(yīng)力而剝 離，從而與材料分離。即，被認(rèn)為當(dāng)加熱部分的熱膨脹量比非加熱部分的能夠彈性變形或塑性變形的容許量大時(shí)，加熱部分的材料剝離。通 過使該剝離現(xiàn)象連續(xù)或間歇性地發(fā)生，來對材料進(jìn)行去除加工。
換言之，認(rèn)為在該加工方法中，通過在溫度梯度大的部分產(chǎn)生的 非常大的剪切力，以潛在的材料缺陷為起點(diǎn)，材料從激光照射部的前方 和側(cè)面局部地間歇性地產(chǎn)生滑移(其結(jié)果為在剝離面上產(chǎn)生階梯差)，最 終脆性材料基板的一部分剝離，從而形成U形槽。
此時(shí)，由于剝離的部分(廢料)從脆性材料基板上被去除，所以既 可以將該剝離部分加熱至脆性材料基板的軟化點(diǎn)以上，也可以使其一部 分蒸騰。更具體地說，發(fā)生剝離而被去除的部分既可以達(dá)到軟化點(diǎn)或應(yīng) 變點(diǎn)以上的高溫，也可以被壓壞。另一方面，在使用側(cè)的U形槽的表面 界面附近，雖然溫度梯度很大，但是需要調(diào)整激光功率來進(jìn)行加熱，以 使溫度本身與軟化點(diǎn)、應(yīng)變點(diǎn)的溫度相比成為非常低的溫度。
另外，此時(shí)，由于被認(rèn)為產(chǎn)生于滑移面的微小裂紋的產(chǎn)生密度與通 過燒蝕等其它方法來形成槽的情況相比要小，所以若從槽的底部進(jìn)行分 割，能夠加工出材料強(qiáng)度大的倒角。
此外，關(guān)于材料的剝離，由于在具有非常大的熱傳導(dǎo)率的硅單晶等 中溫度梯度小，難以發(fā)生剝離，所以需要對非加熱部分進(jìn)行冷卻，以使 溫度梯度增大。此外，為了控制槽的形狀，需要對冷卻能力(制冷劑的 種類、流速、流量等)進(jìn)行控制。更具體地說，如果冷卻能力增大(如 果在無需冷卻(利用空氣對流進(jìn)行冷卻)就能引起剝離的材料(玻璃基 板)的情況下，通過水等進(jìn)行冷卻的話)，在深度相同的激光加熱條件的 情況下，槽寬變窄，倒角角度變大。因此，當(dāng)冷卻能力減小時(shí)，倒角角 度(曲率)變小。希望利用這樣的現(xiàn)象對槽的形狀進(jìn)行控制，從而應(yīng)用 于脆性材料基板的倒角。
此處所說的"脆性材料基板"，除了玻璃基板以外，還包括石英、單 晶硅、藍(lán)寶石、半導(dǎo)體晶片、燒結(jié)陶瓷等基板。
此外，所謂"U形槽"，不限于像字母"U"那樣的槽，而是廣泛地 包含形成有由沒有拐點(diǎn)的光滑曲面構(gòu)成的內(nèi)壁面(谷面)的槽。即，內(nèi) 壁面也可以是圓弧狀、橢圓狀、拋物線狀等。另外，由于是"槽"，所以必須至少能夠確定"寬度"、"深度"以及底部。具體來說，呈線狀延伸 的1條裂紋不是槽。通過在基板面上并行地延伸的2條裂紋能夠確定槽
的寬度，另外，通過使2條裂紋在基板內(nèi)部連接起來，能夠確定槽的深 度。此外，作為U形槽的俯視形狀，還包括直線、曲線、圓等任意形狀。
此外，作為急速加熱單元，不僅包括激光，還包括鹵素加熱器、氙 燈，此外，只要是能夠?qū)庸ο笪锞植窟M(jìn)行加熱的單元，當(dāng)然也包括 除激光、氙燈以外的單元。
此外，所謂"預(yù)先求出的由激光功率、激光照射面積、掃描速度組 合而成的U形槽形成用的激光照射條件"，是指如下所述的激光照射條
件設(shè)定所希望的U形槽的槽寬、深度以及底部，預(yù)先使用同一材料、
同一形狀的基板試錯(cuò)地進(jìn)行激光照射，從而通過實(shí)驗(yàn)得出能夠獲得所設(shè)
定的槽寬、深度以及底部的u形槽的條件。
在本發(fā)明中，設(shè)定預(yù)先通過實(shí)驗(yàn)求出的由激光功率、激光照射面積、
掃描速度組合而成的u形槽形成用的激光照射條件。關(guān)于此時(shí)設(shè)定的照 射條件，選擇至少在形成u形槽的界面部分(即構(gòu)成內(nèi)壁面的部分)的 區(qū)域內(nèi)不會發(fā)生燒蝕的照射條件(關(guān)于形成U形槽的界面的區(qū)域以外的 區(qū)域，只要對該界面部分沒有影響，既便發(fā)生燒蝕也沒關(guān)系)。
然后，通過在該激光照射條件下使激光掃描，在界面部分形成變化 很大的熱應(yīng)力分布，從而在該部分產(chǎn)生U字形截面的裂紋，因此使該裂 紋延展。其結(jié)果為，形成了U形槽。由于此時(shí)在基板內(nèi)形成的溫度分布 具有像半圓形等那樣的良好的對稱性，所以在U形槽面上能夠獲得微小 裂紋等缺陷很少的面。
特別是，在使用激光作為加熱單元時(shí)，通過針對脆性材料基板設(shè)定 預(yù)先求出的由激光功率、激光照射面積、掃描速度組合而成的激光照射 條件，能夠在不發(fā)生燒蝕的情況下通過由熱應(yīng)力分布而引起的材料的剝 離來形成U形槽，而且能夠在溫度分布的對稱性良好的條件下形成槽， 因此能夠抑制加工面上產(chǎn)生的微小裂紋等缺陷的產(chǎn)生。此外，也不會在 開始加工的端面附近產(chǎn)生殘留區(qū)域。
在上述發(fā)明中，也可以通過下述式(1)，對應(yīng)于作為加工對象的基板的材料、激光照射面積、掃描速度來控制激光功率條件。
P=K (SXV) …(1)
此處，P是所照射的激光功率(W)， S是激光照射面積(mm2)， V 是掃描速度(mm/sec)， K是針對每一加工對象物而設(shè)定的系數(shù)(WX sec/mm3)。
據(jù)此，應(yīng)該預(yù)先按照基板的材質(zhì)通過實(shí)驗(yàn)求出系數(shù)K，而K是與材 料的熱物理性質(zhì)(熱傳導(dǎo)率、熱膨脹率、強(qiáng)度等)、冷卻和余熱方法(制 冷劑的熱物理性質(zhì)、流速、流量)相依存的系數(shù)。另外，由于激光照射 面積與將要形成的U形槽的槽寬有關(guān)，掃描速度與U形槽的深度有關(guān)， 所以通過與系數(shù)K 一起，對應(yīng)于將要形成的U形槽的槽寬和深度給出激 光照射面積S和掃描速度V，能夠使用式(1)對形成預(yù)期的U形槽所需 的激光功率(W)進(jìn)行設(shè)定。
另外，利用作為第一發(fā)明的U形槽加工方法的脆性材料基板的倒角 方法具有利用第一發(fā)明在基板表面上加工出U形槽的工序；和在所形 成的U形槽面的底部設(shè)定分割預(yù)定線，并且從分割預(yù)定線的起始端朝向 終端利用現(xiàn)有的切割輪進(jìn)行劃線的工序、或者進(jìn)行激光劃線的工序，
從而形成由槽面的一部分構(gòu)成的倒角加工面，所述槽面構(gòu)成在由沿 分割預(yù)定線形成的裂紋分割出的端面與基板表面之間形成的U形槽。
據(jù)此，在基板表面上加工出U形槽。然后在所形成的U形槽內(nèi)的底 部設(shè)定假想的分割預(yù)定線。接著，沿該分割預(yù)定線進(jìn)行以往的激光劃線 等。從而形成了由槽面的一部分構(gòu)成的倒角加工面，所述槽面構(gòu)成在分 割出的端面與基板表面之間形成的U形槽。
另外，脆性材料基板的倒角方法的其它發(fā)明具有利用第一發(fā)明在 基板的表面和背側(cè)這兩側(cè)以U形槽隔著基板相互對置的方式加工出U形 槽的工序；和在所形成的任一側(cè)的U形槽內(nèi)的底部設(shè)定分割預(yù)定線，并 沿著該分割預(yù)定線進(jìn)行以往的激光劃線的工序。從而通過構(gòu)成在被分割 出的端面與基板表面之間、以及上述端面與基板背面之間所形成的U形 槽的槽面的一部分，在兩側(cè)的面上形成倒角加工面。
據(jù)此，在基板的表面和背面以U形槽隔著基板相互對置的方式加工U形槽內(nèi)的底部設(shè)定分割預(yù)定線，并且沿 著該分割預(yù)定線進(jìn)行以往的激光劃線。從而通過槽面的一部分在基板上 下面上形成了倒角加工面，所述槽面構(gòu)成在被分割出的端面與基板表面
之間、以及在分割出的端面與基板背面之間分別形成的u形槽。
在上述脆性材料基板的倒角方法的發(fā)明中，在不通過劃線工序進(jìn)行 分割時(shí)，可以是還包括沿著分割預(yù)定線進(jìn)行斷裂的工序。
此處，沒有對斷裂方法特別進(jìn)行限定，例如，可以以如下方式進(jìn)行
分割使斷裂桿沿著分割預(yù)定線抵接，并通過按壓斷裂桿來使基板撓曲。
另外，脆性材料基板的倒角方法的其它發(fā)明也可以具有以下工序 在脆性材料基板的基板表面上設(shè)定分割預(yù)定線，以在低于上述基板的軟 化點(diǎn)的溫度下進(jìn)行加熱的方式使激光束從分割預(yù)定線的起始端向終端掃 描并照射，接著進(jìn)行冷卻，由此，從分割預(yù)定線的起始端至終端形成未 到達(dá)背面的裂紋的工序；使用利用了第一發(fā)明的脆性材料基板的U形槽 加工方法，沿著上述分割預(yù)定線加工出比上述裂紋延展的深度要淺的U 形槽的工序；以及沿著分割預(yù)定線進(jìn)行斷裂的斷裂工序，從而通過構(gòu)成 在分割出的端面和基板表面之間形成的U形槽的槽面的一部分形成了倒 角加工面。
在本發(fā)明中，首先沿著分割預(yù)定線從起始端至終端形成裂紋。此時(shí)， 以裂紋前端未到達(dá)背面的方式形成裂紋的深度。然后，利用第一發(fā)明， 以形成裂紋而成的分割預(yù)定線深入到槽內(nèi)的方式形成U形槽。此時(shí)，裂 紋前端比U形槽的深度要深。接著，沿著裂紋前端所延伸的分割預(yù)定線 進(jìn)行斷裂。由此，利用構(gòu)成在分割出的端面和基板表面之間所形成的U 形槽的槽面的一部分來形成倒角加工面。


圖1是表示在玻璃基板上加工U形槽時(shí)的激光、加工材料、激光功 率分布形成裝置的結(jié)構(gòu)、及配置的圖。
圖2是表示激光的能量分布與所形成的槽形狀之間的關(guān)系的示意圖。圖3是通過激光功率密度與掃描速度之間的關(guān)系來表示能夠選擇的 激光功率的區(qū)域的概念圖。
圖4是表示照射激光時(shí)的玻璃基板的狀態(tài)的剖視圖。
圖5a是U形槽的俯視圖。
圖5b是槽邊緣的放大圖。
圖5c是槽邊緣的放大圖。
圖5d是U形槽的底部的放大圖。
圖5e是剝離出的玻璃的外觀圖。
圖5f是表示剝離出的玻璃的自由狀態(tài)的外觀圖。
圖5g是剝離出的玻璃的放大剖視圖。
圖5h是剝離出的玻璃的表面圖。
圖5i是剝離出的玻璃的背面圖。
圖6是表示倒角加工工序的一個(gè)實(shí)施例的圖。
圖7是表示倒角加工工序的另一實(shí)施例的圖。
圖8是表示倒角加工工序的又一實(shí)施例的圖。
圖9是表示倒角加工工序的其它實(shí)施例的圖。
圖IO是表示槽加工的其它應(yīng)用例的圖。
圖11是表示槽加工的其它應(yīng)用例的圖。
圖12是表示槽加工的其它應(yīng)用例的圖。
圖13是表示槽加工的其它應(yīng)用例的圖。
圖14是表示槽加工的其它應(yīng)用例的圖。
圖15是表示通過激光劃線來進(jìn)行倒角加工時(shí)的激光照射狀態(tài)的圖。 圖16是表示在玻璃基板上通過激光劃線來進(jìn)行倒角加工時(shí)的C02 激光的圖。
圖17是表示在玻璃基板上通過激光劃線來進(jìn)行倒角加工的狀態(tài)的圖。
標(biāo)號說明
1:激光振蕩器；2:工作臺；3:光學(xué)系統(tǒng)；10:玻璃基板(加工材 料)；11:基板表面；12 (12a 12d)、 22、 32:槽；13、 23、 33:初始龜裂;14、 24、 34:劃線；17:分割面；18、 28、 38:倒角加工面。
具體實(shí)施例方式
下面，使用附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。在以下實(shí)施方式中 對玻璃基板的加工進(jìn)行說明，但是對于其它的脆性材料基板也是一樣的。 (U形槽加工)
首先，對在玻璃基板上加工U形槽的方法進(jìn)行說明。圖l是表示在 玻璃基板上加工u形槽時(shí)的激光、加工材料、激光功率分布形成裝置的 結(jié)構(gòu)狀態(tài)的圖。激光光源1以與玻璃基板10的基板表面11對置的方式 配置。載置玻璃基板10的工作臺2能夠相對于激光光源1移動(dòng)，通過該 工作臺2的移動(dòng)速度來控制激光束的掃描速度。此外，在激光光源1和 基板IO之間，配置有用于對激光束的能量分布和照射面積進(jìn)行調(diào)整的光 學(xué)系統(tǒng)3。具體來說，以能夠更換的方式安裝有不同形狀的多個(gè)透鏡組， 通過透鏡的更換或透鏡在激光束的光路上的位置(高度)調(diào)整，來使焦 點(diǎn)位置或光束形狀變化，從而改變能量分布，并且對照射面積進(jìn)行調(diào)整。
另外，能量分布和照射面積的調(diào)整單元也可以是除此之外的其它調(diào) 整單元。例如，也可以使用多角鏡使激光束在照射區(qū)域內(nèi)反復(fù)掃描，并 通過調(diào)整此時(shí)的掃描條件(掃描速度、掃描寬度)來控制能量分布以及 照射面積。
通過利用光學(xué)系統(tǒng)3的調(diào)整使能量分布變更，能夠?qū)⒁纬傻腢 形槽的截面形狀進(jìn)行調(diào)整。圖2是表示激光束的能量分布和所形成的槽 形狀之間的關(guān)系的示意圖。如圖2的.(a)所示，在想要形成接近方形的 槽12a時(shí)，激光束接近于能量密度的截面形狀均一的光束。此外，如圖2 的(b)所示，在想要形成接近半圓形的槽時(shí)，接近于中央部的能量密度 比兩端要大的截面形狀的光束形狀。此外，如圖2的(c)所示，在槽的 兩端部比中央部稍深的情況下，激光束的兩端部的能量密度比中央部要 大，另外，如圖2的(d)所示，為了使玻璃基板表面與槽的傾斜之間所 成的角度e減小，使該能量分布在中央部較大而在其兩端部較小即可， 有的情況下即使有余熱也沒有關(guān)系。這樣，只要根據(jù)所希望的槽形狀對能量分布的截面形狀進(jìn)行調(diào)整即可。
關(guān)于激光功率，通過與掃描速度之間的關(guān)系來設(shè)定適當(dāng)?shù)募す夤β省?br> 圖3是通過激光功率密度(每單位面積的激光輸出(W/mm2))和掃描速 度(mm/sec)之間的關(guān)系來表示能夠選擇的激光功率的區(qū)域的概念圖。 如果激光功率密度過大，則會在很大的范圍內(nèi)產(chǎn)生燒蝕現(xiàn)象。另一方面， 如果激光功率密度過小，則不能充分加熱基板，從而無法利用熱應(yīng)力進(jìn) 行表面剝離。此外，當(dāng)掃描速度變快時(shí)，加熱熱量減小，當(dāng)掃描速度慢 時(shí)，雖然加熱熱量增大，但是加熱部和非加熱部的溫度梯度變小，不會 發(fā)生表面剝離。
圖4是表示照射激光時(shí)的玻璃基板的狀態(tài)的示意性的剖視圖。根據(jù) 本發(fā)明的U形槽加工方法，U形槽的槽寬M比激光的照射寬度要大。即， 被激光照射而直接加熱的區(qū)域h、與下述區(qū)域K隔離開來，該區(qū)域K是 這樣的區(qū)域通過來自直接加熱區(qū)域的熱傳導(dǎo)而被加熱，并因熱應(yīng)力而 產(chǎn)生剝離現(xiàn)象，從而形成了U形槽，即使照射向直接加熱區(qū)域h的激光 功率很大從而發(fā)生燒蝕、熔融或者產(chǎn)生微小裂紋，也是對使剝離成長從 而形成U形槽的區(qū)域K的外界面進(jìn)行加工，使得該影響減小。另外，j 為剝離面。
圖5 (圖5a 圖5i)是作為一個(gè)示例，在CCV激光輸出為230W、 掃描速度為430mm/sec、橢圓光束形狀為16.0mmX2.0mm、加工對象為 0.7mm、材質(zhì)為蘇打玻璃的條件下形成了U形槽的情況的照片。圖5a相 當(dāng)于從上面對加工對象進(jìn)行攝影而得到的所謂的俯視圖，圖中的(5a—l) 是基板表面與槽之間的分界線，雖然實(shí)物形成為沒有寬度的直線，但是 由于攝影設(shè)備的原因而拍攝成具有一定的寬度。(5a—2)是槽面，形成 了滑移面。(5a—3)是槽的底部。圖5b是槽邊緣的放大照片，在該槽邊 緣未產(chǎn)生龜裂。圖5c同樣是槽邊緣的放大照片，但是與圖5b的情況不 同，圖5c的加工條件不合適，可以看出在槽邊緣產(chǎn)生了細(xì)小的龜裂。圖 5d是U形槽的底部的放大照片，由于加工條件不合適而在底部復(fù)雜地作 用有熱應(yīng)力，從而雜亂地產(chǎn)生了龜裂。圖5e是從玻璃基板的表面剝離出 的玻璃(廢料)的外觀照片，通過適當(dāng)?shù)剡x擇激光的照射條件，能夠剝旋狀的玻璃(廢料)。圖5f是表示剝離出 的玻璃(廢料)的自由狀態(tài)的外觀照片。圖5g是剝離出的玻璃(廢料)
的放大的截面照片。圖5h是剝離出的玻璃(廢料)的表面的照片，其背 面形成為與U形槽的表面(背面)相同的形狀(凹凸是相反的)。圖5i 是剝離出的玻璃(廢料)的背面的照片。 另外，光束的形狀不必是橢圓。
另外，通過使激光功率P (W)、激光照射面積(S)和掃描速度(V) 變化，并通過實(shí)驗(yàn)預(yù)先計(jì)算出表示每單位面積、每單位時(shí)間的適當(dāng)?shù)募?光功率的系數(shù)K，從而能夠根據(jù)式(1)來設(shè)定以所希望的照射面積和掃 描速度進(jìn)行加熱的情況下的激光功率，能夠復(fù)制U形槽加工地進(jìn)行加工。
P=K (SXV) …(1)
此處，P是所照射的激光功率(W)， S是激光照射面積(mm2)， V 是掃描速度(mm/sec)， K是針對每個(gè)加工對象物而設(shè)定的系數(shù)(WX sec/mm3) 0
(倒角加工)
接下來，對玻璃基板的倒角加工進(jìn)行說明。圖6是表示倒角工序的 一個(gè)實(shí)施例的圖。在本實(shí)施例中，對基板的單面進(jìn)行倒角。
對于玻璃基板10的基板表面11，使用上述U形槽加工方法來形成 U形槽12 (圖6的(a))。即，通過在預(yù)先求出的激光照射條件下使激光 束B進(jìn)行掃描，來形成U形槽12。
接著，在U形槽12的內(nèi)側(cè)設(shè)定假想的分割預(yù)定線(例如，U形槽 12的中心線的位置)，在設(shè)定的分割預(yù)定線與U形槽12的一端交叉的位 置處形成初始龜裂(切口) 13 (圖6的(b))。初始龜裂(切口) 13既可 以通過切割輪的壓接來形成，也可以通過激光照射來形成。另外，未必 一定要設(shè)置初始龜裂(切口) 13。
接著，以初始龜裂(切口) 13為起點(diǎn)，利用切割輪或激光進(jìn)行劃線 加工，沿著分割預(yù)定線形成劃線14 (圖6的(c))。
激光劃線如下進(jìn)行使將射束點(diǎn)15的形狀調(diào)整為橢圓形或長圓形后 的劃線用激光束C沿著分割預(yù)定線進(jìn)行掃描，并且隨后立即使噴射制冷裂紋產(chǎn)生并延展，從而形成劃線14。 在劃線14形成得很深、并到達(dá)了背面21時(shí)，基板10被直接分割開， 而當(dāng)劃線14形成得很淺時(shí)，通過使未圖示的斷裂桿從背面21側(cè)以沿著 劃線14的背側(cè)的方式抵接，并沿著劃線14使基板10撓曲，從而使基板 IO斷裂。
其結(jié)果為，通過對半地分割U形槽12，所形成的倒角加工面18形 成在分割面17和基板表面11之間。
另外，在基板很薄的情況等、即使僅利用U形槽而不形成劃線也能 夠進(jìn)行分割的情況下，也可以省略劃線工序。
圖7是表示倒角加工的另一實(shí)施例的圖。在前面的實(shí)施例中對單側(cè) 進(jìn)行了倒角加工，而在本實(shí)施例中對正反兩面進(jìn)行倒角加工。
對于玻璃基板10的基板表面11，利用上述U形槽加工方法來形成 U形槽12 (圖7的(a))。即，通過在預(yù)先求出的激光照射條件下使激光 束B進(jìn)行掃描，來形成U形槽12。
接著，使基板10翻轉(zhuǎn)，對背面21形成U形槽22 (圖7的(b))。 即，在U形槽12的背側(cè)的位置利用上述U形槽加工方法形成U形槽22。 由此，U形槽12、 22以隔著基板10的中央部分從兩側(cè)對置的方式形成。
接著，在U形槽22的內(nèi)側(cè)設(shè)定假想的分割預(yù)定線(例如，U形槽 22的中心線的位置)，在設(shè)定的分割預(yù)定線與U形槽22的一端交叉的位 置形成初始龜裂(切口) 23 (圖7的(c))。另外，也可以不在U形槽 22側(cè)，而是在U形槽12側(cè)設(shè)置初始龜裂(切口)。
接著，以初始龜裂(切口) 23為起點(diǎn)，利用激光劃線加工沿著分割 預(yù)定線形成劃線24 (圖7的(d))。 g卩，使將射束點(diǎn)15的形狀調(diào)整為橢 圓形或長圓形后的劃線用激光束C沿著分割預(yù)定線掃描，并且隨后立即 使噴射制冷劑D的冷卻點(diǎn)16掃描。由此，裂紋產(chǎn)生并延展，從而形成劃 線24。
在劃線24形成得很深、并到達(dá)了背面時(shí)，基板10被直接分割開， 而當(dāng)劃線24形成得很淺時(shí)，通過使未圖示的斷裂桿沿著劃線14在表面 11側(cè)的U形槽12內(nèi)抵接，并沿著劃線24使基板10撓曲，從而使基板10斷裂(圖7的(e))。
其結(jié)果為，通過對半地分割U形槽12而形成的倒角加工面18形成 在分割面17和基板表面11之間。此外，通過對半地分割U形槽22而形 成的倒角加工面28形成在分割面17和基板背面21之間。
此時(shí)，在基板很薄的情況等、僅利用U形槽而不形成劃線就能夠進(jìn) 行分割的情況下，也可以省略劃線工序。
圖8是表示倒角加工的又一實(shí)施例的圖。在上面說明的2個(gè)實(shí)施例 中，先形成U形槽，然后進(jìn)行激光劃線加工，而在本實(shí)施例中，先進(jìn)行 激光劃線加工或刀尖劃線，然后形成U形槽。
對于玻璃基板lO的基板表面ll，設(shè)定假想的分割預(yù)定線P,在設(shè)定 的分割預(yù)定線P與基板的一端交叉的位置，形成初始龜裂(切口) 33 (圖 8的(a))。
接著，以初始龜裂(切口) 33為起點(diǎn)，利用激光劃線加工沿著分割 預(yù)定線P形成劃線34 (圖8的(b))。 g卩，使將射束點(diǎn)15的形狀調(diào)整為 橢圓形或長圓形后的劃線用激光束C沿著分割預(yù)定線進(jìn)行掃描，并且隨 后立即使噴射制冷劑D的冷卻點(diǎn)16進(jìn)行掃描。由此，裂紋產(chǎn)生并延展， 從而形成劃線34。接著，使用上述U形槽加工方法來形成U形槽32 (圖8的(c))。 即，通過在預(yù)先求出的激光照射條件下使激光束B進(jìn)行掃描，來形成U 形槽32。
此時(shí)，對U形槽32的深度進(jìn)行調(diào)整，以使劃線34的前端殘留在基 板10上。
接著，通過使未圖示的斷裂桿從背面21側(cè)以沿著劃線34的背側(cè)的 方式抵接，并沿著劃線34使基板10撓曲，從而使基板10斷裂(圖8的 (d))。
其結(jié)果為，通過對半地切割U形槽32而形成的倒角加工面38形成 在分割面17和基板表面11之間。
圖9是表示倒角加工的其它實(shí)施例的圖。首先在玻璃基板10的基板 表面上設(shè)定2條假想的分割預(yù)定線P，并沿著設(shè)定的分割預(yù)定線P進(jìn)行劃線(圖9的(a))。這樣，形成了具有圖9的(b)、 (c)那樣的形狀的U
形槽。即，特征在于，形成了這樣的U形槽在U形槽的上部具有直線 部分(P)，并且槽寬大致平行。另外，由于倒角工序與上述施工方法相 同，所以省略說明。
這樣，根據(jù)本發(fā)明，由于以對稱性良好的狀態(tài)形成的U形槽不會產(chǎn)
生微小裂紋，并且使用該u形槽來形成倒角加工面，所以能夠形成穩(wěn)定
的倒角加工面，而且也不會產(chǎn)生殘留區(qū)域。
以上，對玻璃基板的倒角加工進(jìn)行了說明，但是對于其它的脆性材 料基板，可以通過根據(jù)不同的基板材料利用實(shí)驗(yàn)來選擇適當(dāng)?shù)募す庹丈?br> 條件，從而加工出u形槽。另外，通過利用u形槽來形成倒角加工面，
能夠獲得穩(wěn)定的倒角加工面。
接下來，對在形成u形槽時(shí)開發(fā)出的挖槽方法的其它應(yīng)用例進(jìn)行說明。
首先，作為精密機(jī)械的加工臺，人們關(guān)注線膨脹率小這一情況而使
用了脆性材料基板。圖10的(a)是在構(gòu)成加工臺的下模41上不連續(xù)地 形成有蓄油槽42的圖，上模41和下模43重合在一起的圖是圖10的(b)， 圖10的(b)是表示示意性的截面的圖。
同樣是與使用于精密機(jī)械的加工臺有關(guān)，在上模51和下模52的表 面上形成了連續(xù)的U字形的槽53 (54)(圖ll的(a))，使上模51和下 模52重合而構(gòu)成一個(gè)加工臺。這樣，在加工臺上形成有冷卻通道55 (圖 11的(b))。另外，在制造磁盤或光盤時(shí)，如果在采用該挖槽方法在材料 平板61上形成槽62、 63 (64、 65)之后實(shí)施打孔加工，則能夠簡單地進(jìn) 行制造(圖12的(a)、 (b))。
此外，對于作為加工對象物的平板基板，通過在一點(diǎn)點(diǎn)向橫向移動(dòng) 的同時(shí)并列地反復(fù)進(jìn)行直線狀的槽加工，能夠?qū)⒉牧媳砻嬉匀コ姆绞?加工成大致平面狀。例如，在從具有預(yù)定厚度的平板狀的脆性材料上切 除至少一部分來制造具有某種形狀的部件71時(shí)，如果也采用該挖槽方法， 則能夠簡單地制造出所希望的部件(圖13的(a)、 (b))。
此外，在使圓柱、球體、旋轉(zhuǎn)橢圓體、圓錐體等旋轉(zhuǎn)體狀的加工對象物81以旋轉(zhuǎn)軸(例如圓柱軸)為中心旋轉(zhuǎn)、來對外周面(側(cè)面或端面) 進(jìn)行所謂的去除加工時(shí)，如果也釆用該挖槽方法，則能夠獲得所希望的
旋轉(zhuǎn)體形狀82 (圖14的(a)、 (b))。 產(chǎn)業(yè)上的可利用性
本發(fā)明能夠利用于基板和圓筒狀的脆性材料的槽加工。
權(quán)利要求
1.一種脆性材料基板的U形槽加工方法，其特征在于，通過在能夠剝離脆性材料基板的表面的一部分的加熱條件下對脆性材料基板的表面的一部分進(jìn)行急速加熱，使上述基板的一部分從表面剝離，從而形成U形槽。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的脆性材料基板的U形槽加工方法， 上述脆性材料基板的U形槽加工方法是急速加熱單元為激光、通過使激光束在脆性材料基板的表面上進(jìn)行掃描來加工U形槽的U形槽加工 方法，其特征在于，該U形槽加工方法中，對應(yīng)于作為加工對象的基板的材料、預(yù)定形 成的U形槽的槽寬、深度以及槽面的形狀，設(shè)定預(yù)先求出的由激光功率、 激光照射面積、掃描速度組合而成的U形槽形成用的激光照射條件，基 于上述激光照射條件使激光束進(jìn)行掃描，通過加熱部分的熱膨脹，使加 熱部分的材料自與非加熱部分之間的邊界附近起從基板材料剝離，從而 去除加工出具有U形槽界面的槽。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的脆性材料基板的U形槽加工方法，其特征 在于，通過下面的式(1)，與作為加工對象的基板的材料、激光照射面積、 掃描速度對應(yīng)地設(shè)定激光功率條件 P=K (SXV) …(1)此處，P是所照射的激光功率(W)， S是激光照射面積(mm2)， V 是掃描速度(mm/sec)， K是針對每一加工對象物而設(shè)定的系數(shù)(WX sec/mm )。
4. 一種去除加工方法，其特征在于，使用權(quán)利要求1、權(quán)利要求2和權(quán)利要求3中的任一項(xiàng)所述的脆性 材料基板的U形槽加工方法，從加工對象物的平面上加工出U形槽，或 者從加工對象物的平面上并列地反復(fù)加工出U形槽。
5. —種去除加工方法，其特征在于，使用權(quán)利要求1、權(quán)利要求2和權(quán)利要求3中的任一項(xiàng)所述的脆性材料基板的u形槽加工方法，在使加工對象物以旋轉(zhuǎn)軸為中心旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，將該加工對象物的外周面的至少一部分去除。
6. —種打孔加工方法，其特征在于，使用權(quán)利要求1、權(quán)利要求2和權(quán)利要求3中的任一項(xiàng)所述的脆性 材料基板的U形槽加工方法，在作為加工對象物的平板上形成矩形或者 曲線狀的閉合回路的U形槽，然后沿著U形槽分離材料，對材料進(jìn)行打 孔加工。
7. —種脆性材料基板的倒角加工方法，其特征在于， 通過使用權(quán)利要求1、權(quán)利要求2和權(quán)利要求3中的任一項(xiàng)所述的脆性材料基板的U形槽加工方法在基板表面上加工出U形槽的工序以及 下述方法之一形成倒角加工面從設(shè)定于所形成的上述U形槽的底部的 分割預(yù)定線的起始端向終端進(jìn)行激光龜裂成長劃線的方法；使用切割輪 進(jìn)行劃線的方法；以及省略劃線而從槽部進(jìn)行斷裂的方法，所述倒角加工面由槽面構(gòu)成，所述槽面由在上述分割預(yù)定線分割出 的端面與基板表面之間形成的U形槽的一部分構(gòu)成。
8. —種脆性材料基板的倒角方法，其特征在于， 通過使用權(quán)利要求1、權(quán)利要求2和權(quán)利要求3中的任一項(xiàng)所述的脆性材料基板的U形槽加工方法在基板的正反兩面上以U形槽隔著上述 基板相互對置的方式加工出U形槽的工序以及下述方法之一形成倒角加 工面從設(shè)定于所形成的任一 U形槽的底部的分割預(yù)定線的起始端向終 端進(jìn)行激光劃線的方法；使用切割輪進(jìn)行劃線的方法；以及從U形槽的 底部斷裂的方法，所述倒角加工面由槽面構(gòu)成，所述槽面由在上述分割預(yù)定線分割出 的端面與基板背面之間、以及上述端面與基板表面之間形成的U形槽的 一部分構(gòu)成。
9. 一種脆性材料基板的倒角方法，其特征在于， 上述脆性材料基板的倒角方法包括以下工序沿著脆性材料基板的基板表面的分割預(yù)定線進(jìn)行劃線的工序；通過使用權(quán)利要求l、權(quán)利要求2和權(quán)利要求3中的任一項(xiàng)所述的脆性材料基板的U形槽加工方法沿著 上述分割預(yù)定線加工出U形槽的工序，該U形槽要比通過上述劃線工序 形成的裂紋的深度要淺；以及沿著分割預(yù)定線斷裂的工序，從而形成由槽面構(gòu)成的倒角加工面，所述槽面由在分割出的端面與 基板表面之間形成的U形槽的一部分構(gòu)成。
10. —種在基板表面上形成U形槽的方法，其特征在于， 在脆性材料基板的基板表面上夾著大致平行的分割預(yù)定線實(shí)施兩條劃線加工，接著，在上述分割預(yù)定線之間使用權(quán)利要求l、權(quán)利要求2和 權(quán)利要求3中的任一項(xiàng)所述的脆性材料基板的U形槽加工方法，在基板 表面上形成U形槽。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1至10中的任一項(xiàng)所述的U形槽加工方法，其特 征在于，U形槽的平面形狀是連續(xù)或者不連續(xù)的直線狀或者任意形狀。
全文摘要
本發(fā)明提供脆性材料基板的U形槽加工方法以及使用該方法的去除加工方法、打孔加工方法和倒角方法，上述U形槽加工方法是在基板表面上容易地形成直線狀或曲線狀的、連續(xù)或不連續(xù)的U形槽的方法。對應(yīng)于作為加工對象的基板的材料、預(yù)定形成的U形槽的槽寬、深度以及槽面的形狀，在預(yù)先求出的由激光功率、激光照射面積以及掃描速度組合而成的U形槽形成用的激光照射條件下，對脆性材料基板的表面的一部分進(jìn)行急速加熱，由此，使基板的一部分從表面剝離，從而形成U形槽。通過從設(shè)定于所形成的U形槽的底部的分割預(yù)定線的起始端向終端利用通過激光龜裂成長進(jìn)行劃線的方法或通過切割輪進(jìn)行劃線的方法等，形成由槽面構(gòu)成的倒角加工面，所述槽面由在由分割預(yù)定線分割出的端面與基板表面之間形成的U形槽的一部分構(gòu)成。
文檔編號B23K26/38GK101610870SQ20088000515
公開日2009年12月23日 申請日期2008年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月16日
發(fā)明者森田英毅, 清水政二, 福原健司 申請人:三星鉆石工業(yè)股份有限公司