JPH0919787A - 非金属材料の加工方法及びその加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 非金属材料の加工において、クラックを発生
させることがなく、切断面のエッジ部を滑らかで均一に
し、切断時に発生した非金属材料の微粉末の付着を防止
する。また所望するパターンに正確に加工する。 【解決手段】 炭酸ガスレーザ光１１の伝搬方向に沿っ
てアシストガス１２を流しながら非金属材料１０の表面
に炭酸ガスレーザ光１１を照射しつつ、非金属材料１０
を移動させて非金属材料１０を加工する非金属材料の加
工方法において、非金属材料１０の表面を水１４でぬら
しながら加工することを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、炭酸ガスレーザ光
の伝搬方向に沿ってアシストガスを流しながら非金属材
料の表面に炭酸ガスレーザ光を照射しつつ、非金属材料
を移動させて非金属材料を加工する非金属材料の加工方
法及びその加工装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ガラス材料、磁性材料、半導体材
料及び誘電体材料等の非金属材料の基板上や基板中に、
集積回路、光回路を実装した光集積回路或いは電気回路
と光回路とを一体化した電気／光集積回路の製品開発が
活発化してきた。

【０００３】この種の集積回路は、サイズが３インチか
ら１０数インチの円形或いは四角形の基板に数十から数
万個の範囲で高密度に集積化される。例えば図５に示す
ように基板７０１を切断してそれぞれｎ×ｍ個の集積回
路７０２のチップに分離される。基板７０１の切断、分
離方法としては基板７０１を一点鎖線７０３ａ〜７０３
ｎ、７０４ａ〜７０４ｍに沿ってダイヤモンドブレード
ダイシングを行うか、又はレーザ光を照射することによ
りスクライビングを行っている。

【０００４】図６は本発明者が先に提案した、基板材料
の加工方法を適用した装置の概略図である（特願平６−
２４７４３６号）。

【０００５】これは炭酸ガス（ＣＯ₂ ）レーザ８０１か
ら出射した後集光レンズＬｅで集光されたレーザ光Ｌの
回りに、アシストガス導入管８０２を通してアシストガ
スＧを吹き付けつつ、ベース８０３上に真空吸着で固定
されたガラス基板８０４に照射してＡ、Ｂ２つに切断加
工するものである。尚８０５は貫通口である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで図６に示した
装置を用いて熱膨張係数の大きい非金属材料基板を切断
したり、スリットを形成すると、以下のような問題点が
生じることが分かった。

【０００７】(1) 液晶ディスプレイ用の無アルカリガラ
ス基板（厚さ１．１ｍｍ）を切断すると、切断した基板
１−１、１−２のエッジ部に熱変形歪による無数のマイ
クロクラック２−１、２−２が発生して破断し、結果的
に所望の切り代幅Ｗｄ（１００μｍ以下）よりもはるか
に広い切り代幅Ｗｒ（１ｍｍ以上）で切断されてしま
う。

【０００８】(2) 切断した基板１−１、１−２の両側面
及び両エッジ部３−１、３−２も不均一な凹凸が発生す
る（切断完了時（図７（ａ））、切断数十秒後（図７
（ｂ）））。

【０００９】(3) 切断時に発生した非金属材料の微粉末
が切断面及び基板の表裏に付着する。

【００１０】(4) 液晶ディスプレイ用の無アルカリガラ
ス基板を良好に切断できる場合があるが、非常に歩留り
が低く、しかも切断後しばらくの間放置すると切断した
基板のエッジ部にクラックが発生し、結果的に不均一に
割れてしまう。

【００１１】(5) 非金属材料に照射される炭酸ガスレー
ザ光のビームスポットの移動方向や位置を正確に制御す
ることが容易ではないので、直線状或いは曲線状、さら
には直線と曲線とを組み合わせた所望のパターンに正確
に加工することが容易ではない。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、炭酸ガスレーザ光の伝搬方向に沿ってアシ
ストガスを流しながら非金属材料の表面に炭酸ガスレー
ザ光を照射しつつ、非金属材料を移動させて非金属材料
を加工する非金属材料の加工方法において、非金属材料
の表面を水でぬらしながら加工するものである。

【００１３】上記構成に加え本発明は、アシストガス
を、レーザ光が照射される基板上のスポット面に集中し
て吹き付けるようにしたものである。

【００１４】上記構成に加え本発明は、水を、レーザ光
が照射されるスポット面に向かって吹き付けるようにし
たものである。

【００１５】上記構成に加え本発明は、炭酸ガスレーザ
光を、非金属材料の種類に応じて波長９．０μｍから１
１．３μｍまでの範囲の中からグレーティングを用いて
選択した単一波長のレーザ光としてもよい。

【００１６】また、本発明は、炭酸ガスレーザ装置と、
炭酸ガスレーザ装置から出射されたレーザ光を加工すべ
く非金属材料へ案内すると共に集光する光学系と、レー
ザ光の伝搬方向に沿ってアシストガスを流すためのガス
導入系と、非金属材料を保持するためのステージと、ス
テージをレーザ光の伝搬方向に垂直な方向に移動させる
移動装置と、ステージに上記非金属材料を真空吸着させ
る機構と、上記非金属材料の表面上を水でぬらすための
水導入系とを備えたものである。

【００１７】上記構成に加え本発明は、基板の切断箇所
を予めＣＣＤカメラでモニタするモニタ装置と、モニタ
装置からのモニタ信号を画像処理する画像処理装置と、
画像処理装置からの信号で移動装置の移動を制御する制
御装置とを設けてもよい。

【００１８】上記構成によれば、水でぬらした非金属材
料からなる非金属材料の表面上の極微小面積部分に炭酸
ガスレーザ光を照射すると共にアシストガスを吹き付け
ることにより、非金属材料の炭酸ガスレーザ光のビーム
スポットが照射された極微小面積部分が露出する。この
ため非金属材料の表面にビームスポットが直接照射され
ると共に、その周辺の水でぬれた領域では炭酸ガスレー
ザ光の光エネルギーが水に吸収される。このため、非金
属材料の極微小面積部分のみに光エネルギー（熱応力）
が集中するので、非金属材料にはクラックの発生を伴う
ことなく切断或いは割断され、切断面のエッジ部が滑ら
かで均一となる。また、非金属材料の表面が水でぬれて
いるので、切断時に発生した非金属材料の微粉末が水内
を浮遊して非金属材料に付着しにくくなる。

【００１９】水をレーザ光が照射されるスポット面に向
かって吹き付けるようにした場合には、切断時に発生し
た非金属材料の微粉末が強制的に洗い流されるので付着
しない。

【００２０】炭酸ガスレーザ光を、非金属材料の種類に
応じて波長９．０μｍから１１．３μｍまでの範囲の中
からグレーティングを用いて選択した単一波長のレーザ
光とした場合には、より滑らかで均一な加工面が形成さ
れる。

【００２１】加工装置に非金属材料の切断箇所を予めＣ
ＣＤカメラでモニタするモニタ装置と、モニタ装置から
のモニタ信号を画像処理する画像処理装置と、画像処理
装置からの信号で移動装置の移動を制御する制御装置と
を設けた場合には、非金属材料上のレーザビームのスポ
ットの移動方向及び位置を正確に制御することができる
うので所望するパターンに加工される。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明を非金属材料の加工に適用
した場合は、水でぬらした非金属材料からなる非金属材
料の表面上の極微小面積部分に炭酸ガスレーザ光を照射
すると共に、非金属材料の炭酸ガスレーザ光のビームス
ポットが照射された極微小面積部分が露出するようにア
シストガスを吹き付ける。非金属材料の表面にビームス
ポットが直接照射されると共に、その周辺の水でぬれた
領域では炭酸ガスレーザ光の光エネルギーが水に吸収さ
れる。このため非金属材料の極微小面積部分のみに光エ
ネルギー（熱応力）が集中するので、非金属材料にはク
ラックの発生を伴うことなく切断或いは割断され、切断
面のエッジ部が滑らかで均一となる。非金属材料の表面
が水でぬれているので、切断時に発生した非金属材料の
微粉末が水内を浮遊して非金属材料に付着が防止され
る。

【００２３】非金属材料としては、ガラス、セラミック
ス等の脆性材料が好適である。アシストガスとしては、
Ｏ₂ 、Ａｒ、Ｎ₂ 、空気或いはこれらの混合ガスを用い
る。

【００２４】

【実施例】以下、本発明の一実施例を添付図面に基づい
て詳述する。

【００２５】図１は本発明の非金属材料の加工方法の原
理図である。

【００２６】同図に示すように、非金属材料からなる基
板１０の表面に炭酸ガス（ＣＯ₂ ）レーザ光（以下「レ
ーザビーム」という）１１を照射すると共に、レーザビ
ーム１１の伝搬方向（矢印１１−１）に沿ってアシスト
ガス（Ｎ₂ 、Ｏ₂ 、Ａｒ或いは空気）１２を吹き付け
て、基板１０のビームスポットの極微小面積部分（以下
「スポット面」という）を蒸発させることによって基板
１０を切断（或いは熱応力による亀裂１３を発生させて
割断）する際に、基板１０の表面を水でぬらしておく方
法である。

【００２７】基板１０の切断或いは割断は、基板固定用
ＸＹステージ（以下「ステージ」という。）１５をＸ方
向及びＹ方向に移動させることによって行う。

【００２８】ステージ１５は基板１０の大きさに合わせ
て形成され、略凹字形状の断面を有している。凹部１５
−１の中央にはさらに凹部１５−２が形成されている。
この凹部１５−２にはＺｎＳｅ透光板１６が嵌め込まれ
ている。凹部１５−２の中央にはレーザビーム貫通口１
５−３が形成されている。基板１０はステージ１５の凹
部１５−１上に載置され、真空吸引装置１７でステージ
１５上に密着固定されている。基板１０には、ガラス、
セラミックス等の脆性材料が好適である。基板１０の表
面には水膜１４が形成されている。尚、１８はガスノズ
ルである。

【００２９】ガスノズル１８内にはアシストガス１２が
レーザビーム１１の伝搬方向に沿って吹き付けられるた
め、基板１０上のレーザビーム１１が照射されるスポッ
ト面付近はアシストガスの吹き付けにより水膜１４が部
分的に除去されて基板１０が露出する。このため、基板
１０上のスポット面の内側ではレーザビーム１１が直接
照射されるので光エネルギー密度が高くなる（光エネル
ギー分布が狭く急峻になる）。

【００３０】これに対して基板１０上のスポット面の外
側は水膜１４で覆われており、水に吸収されやすい炭酸
ガスレーザ光がされるので、スポット面の外側では光エ
ネルギー密度が小さくなり、光エネルギーによる熱の基
板１０への伝達が抑制される。すなわち、基板１０のス
ポット面だけに光エネルギーが集中する。このため、熱
歪みによる基板１０へのマイクロクラックの発生が抑え
られ、切断切り代幅が狭くなる。また、割断の場合には
熱応力による亀裂の進展を、水でぬらすことにより促進
させることができ、レーザ光が照射された軌跡に沿って
忠実に割断される。さらに加工中に生じた基板１０の微
粉末は水膜１４内を浮遊するので、非金属材料に付着す
ることがなくなる。

【００３１】以上において、基板の表面を水でぬらして
おいて、レーザビームをその基板上に照射する際に、ア
シストガスをスポットの外周に流すことにより、基板上
のレーザビームの照射されたスポット面だけに光エネル
ギーが集中し、スポット外周の熱分布によるマイクロク
ラックの発生が抑えられる。また、切り代幅が狭くな
り、かつ均一な切断面が得られる。

【００３２】図２は本発明の非金属材料の加工方法を適
用した加工装置の一実施例を示す図である。

【００３３】同図において、２０は炭酸ガスレーザ装置
であり、ボックス２１内には外付けグレーティング部２
２と炭酸ガスレーザ管２３とが設けられている。炭酸ガ
スレーザ管２３の両端には内部鏡２４とブルースター窓
２５とがそれぞれ設けられている。炭酸ガスレーザ管２
３には混合気体（ＣＯ₂ 、Ｎ₂ 、Ｈｅを混合比８：１
８：７４の割合で混合した気体）２６が封入されてい
る。炭酸ガスレーザ管２３の端部付近には一対の電極２
７−１、２７−２が設けられており、両電極２７−１、
２７−２は駆動電源２８にそれぞれ接続されている。

【００３４】炭酸ガスレーザ装置２０の出射口（内部鏡
２４側）には、出射したレーザ光Ｌ１の一部Ｌ２を取り
出すためのハーフミラーからなるモニタ光検出用ミラー
２９が設けられている。モニタ光検出用ミラー２９で反
射されたレーザ光Ｌ２はモニタ光検出器３０でモニタさ
れ、モニタ信号３１として取り出されるようになってい
る。このモニタ信号３１を基にしたフィードバック信号
３２が駆動電源２８にフィードバックされ、レーザ光Ｌ
１の出力が一定に保たれるようになっている。

【００３５】モニタ光検出用ミラー２９を透過したレー
ザ光Ｌ３は、光シャッタ開閉調節部３３を経て全反射ミ
ラー３４で加工すべき基板３５側（図では下側）へ反射
される。全反射ミラー３４で反射されたレーザ光Ｌ３は
集光レンズ３６で集光されてレーザビームとなる。

【００３６】これら全反射ミラー３４と集光レンズ３６
とで光学系３７が形成されており、光学系３７はモニタ
光検出ミラー２９、光シャッタ開閉調節部３３の光シャ
ッタ３８と共に断面Ｌ字形状の筒状体からなる筐体３９
内に収容されている。

【００３７】光学系３７の筐体３９のレーザ光出射口に
はレーザ光Ｌ３の伝搬方向に沿ってアシストガスＧ１を
吹き付けるためのガス供給口４０とガスノズル４１とか
らなるガス導入系４２が設けられている。ガス導入系４
２の下には基板保持移動装置４３が配置されている。

【００３８】基板保持移動装置４３は基板を保持するた
めのステージ４４と、ステージ４４を少なくともＸ方
向、Ｙ方向に移動させる移動装置４５とで構成されてい
る。ステージ４４には、ステージ４４に基板３５を真空
吸着させる真空吸引装置４６が設けられ、基板３５の表
面上に水膜４７を形成するための水導入系（図示せず）
が設けられている。尚、４８はＺｎＳｅ透光板であり、
４９はレーザビーム貫通口である。

【００３９】このような加工装置において、蒸発により
基板３５を切断する場合には（ｆ＋ｇ）の値は略集光レ
ンズ３６の焦点距離値に設定される。また割断により基
板３５を割る場合には（ｆ＋ｇ）の値は集光レンズ３５
の焦点距離に５〜１２ｍｍを加えた値が好ましい。炭酸
ガスレーザ装置２０から出力されるレーザ光の発振波長
は、グレーティング部２２の角度調節部２２−１を矢印
方向２２−２に回動させることによりその角度θを調節
することにより波長９．０μｍ〜１１．３μｍの範囲の
中から単一の発振波長が選択される。この波長の選択
は、基板３５の種類によって変えることができる。例え
ば、ガラスやセラミックス基板の場合の波長は約１０．
６μｍが好ましいが、Ｓｉ基板の場合には約９．１μｍ
が好ましい。

【００４０】このような加工装置を用いて非金属材料を
加工した具体例を数値を用いて以下に示すが数値限定さ
れるものではない。

【００４１】（具体例１）厚さ１．１ｍｍの無アルカリ
ガラスからなる基板３５に、炭酸ガスレーザ装置２０か
ら出力７０Ｗのレーザビームを照射し、基板３５をＸ方
向に１０ｍｍ／ｓｅｃの速度で移動させた。基板３５上
には約１ｍｍ厚の水膜４７を形成した。アシストガスＧ
にはＮ₂ ガスを用い、ガスノズル４１の出口部での圧力
が３Ｋｇ／ｃｍ² となるように設定した。またレーザビ
ームは基板３５の表面上に焦点を結ぶように集光させて
切断を行った。その結果、切り代幅１００μｍ以下でマ
イクロクラックのない切断加工を行うことができた。こ
れに対して基板３５上の水膜４７を除去して同様の切断
加工を行うと、基板３５の切断面にマイクロクラックが
発生し、このマイクロクラックによって切断面付近のガ
ラスにひび割れが生じ、結果的に切断面が不均一な形状
に変形してしまった。

【００４２】（具体例２）具体例１の条件において、レ
ーザビームの焦点位置が基板３５の上面より９ｍｍ上に
位置するように設定し、基板３５をＸ方向に１２ｍｍ／
ｓｅｃの速度で移動させることにより基板３５を割断す
ることができた。この場合も従来法と比較するために、
基板３５上の水膜４７を除去して同様の割断加工を行っ
たが、基板３５の表面には熱応力による亀裂が発生せ
ず、基板３５は割断されなかった。そこで、基板３５の
移動速度を７ｍｍまで遅くすると、一応の割断が行われ
ることが分かったが、割断面にはマイクロクラックが発
生していた。

【００４３】（具体例３）具体例２において、基板３５
として無アルカリガラス基板の代わりに、厚さが１．５
ｍｍのアルミナ基板を用い、基板３５をＸ方向に５ｍｍ
／ｓｅｃから１０ｍｍ／ｓｅｃの範囲で変えて割断加工
を行ったところ、マイクロクラックの無い均一な割断面
を得ることができた。尚、水膜４７を除去した状態でも
割断加工を行うことができたが、Ｘ方向の移動速度は３
ｍｍ／ｓｅｃから７ｍｍ／ｓｅｃの範囲であった。すな
わち、基板３５上に水膜４７を形成することにより、亀
裂がより速い速度で進行することが分かった。

【００４４】図３は本発明の非金属材料の加工方法の他
の実施例の概念図を示す図である。

【００４５】これは、レーザビーム５０が照射されてい
る基板５１の表面に、水５２を矢印５２−１方向に吹き
付けつつ切断或いは割断する方法である。基板５１は水
の吹き付け方向と略等しい方向（矢印５１−１方向）に
移動する。図中５３はガスノズル、５４はアシストガス
を示す。

【００４６】基板５１にレーザビーム５０の伝搬方向に
沿ってアシストガス５４を流しながら基板５１にレーザ
ビームを照射しつつ、基板５１を移動すると共に、水５
２を吹き付けて基板５１を切断或いは割断する方法によ
れば、切断或いは割断した面や基板５１の表面に付着し
たゴミや基板５１の微粒子が強制的に洗い流される。
尚、水５２の吹き付け方向は図３に示す方向と逆方向、
すなわち基板５１の移動方向５１−１と逆方向であって
もよい。

【００４７】図４は本発明の非金属材料の加工方法を適
用した加工装置の他の実施例を示す図である。尚図２に
示した実施例と同様の部材には共通の符号を用いた。

【００４８】図２に示した加工装置との相違点は、モニ
タ装置と、画像処理装置と、制御装置とを有する点であ
る。

【００４９】この加工装置は、モニタ装置としてのＣＣ
Ｄカメラ６０で、予め切断或いは割断する箇所をモニタ
し、ＣＣＤカメラ６０のモニタ信号を画像処理装置６１
に入力して画像処理し、この画像処理信号を基にして制
御装置としてのコンピュータ６２を操作し、光シャッタ
駆動回路６３と、ＸＹＺステージコントローラ６４とを
作動させるようにしたものである。

【００５０】このような指令系統により、基板３５の所
望箇所を直線状或いは曲線状、さらには直線と曲線とを
組み合わせたパターンに正確に加工することができる。

【００５１】尚、本実施例ではガラス基板を加工する場
合で説明したが、これに限定されるものではなく、Ｇａ
Ａｓ、ＩｎＰ等の半導体基板、磁性体材料、強誘電体材
料、高分子材料等からなる基板を加工してもよい。

【００５２】また本実施例において、レーザ光を全反射
ミラーと集光レンズとで案内、集光しているが、これに
限定されず凹面鏡でレーザ光を案内、集光してもよい。
さらに、図１で示した加工方法と、図３に示した加工方
法において、割断によって基板を加工する場合にはＺｎ
Ｓｅ透光板は金属板のようにレーザ光を反射するもので
も、絶縁板のようにレーザ光を吸収するもので置き換え
てもよい（割断の場合には基板の裏面に達したレーザ光
は微弱なためである）。この場合にはレーザビーム貫通
口はなくてもよい。

【００５３】

【発明の効果】以上要するに本発明によれば、次のよう
な優れた効果を発揮する。

【００５４】(1) 非金属材料の表面を水でぬらしながら
炭酸ガスレーザ光を照射するので、クラックを発生させ
ることがなく、切断面のエッジ部が滑らかで均一であ
り、しかも切断時に発生した非金属材料の微粉末の付着
がない。

【００５５】(2) 加工装置に、モニタ装置と、画像処理
装置と、制御装置とを設けることにより、非金属材料を
所望するパターンに正確に加工することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の非金属材料の加工方法の原理図であ
る。

【図２】本発明の非金属材料の加工方法を適用した加工
装置の一実施例を示す図である。

【図３】本発明の非金属材料の加工方法の他の実施例の
概念図を示す図である。

【図４】本発明の非金属材料の加工方法を適用した加工
装置の他の実施例を示す図である。

【図５】集積回路の切断、分離方法を説明するための基
板の平面図である。

【図６】本発明者が先に提案した、基板材料の加工方法
及びその装置の概略図である。

【図７】（ａ）は本発明者が先に提案した加工装置によ
る切断直後の非金属材料の平面図であり、（ｂ）は切断
してから数十秒後の非金属材料の平面図である。

【符号の説明】

１０ 非金属材料（基板） １１ 炭酸ガスレーザ光（レーザビーム） １２ アシストガス １４ 水（水膜）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ２３Ｋ 26/18 Ｂ２３Ｋ 26/18

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭酸ガスレーザ光の伝搬方向に沿ってア
   シストガスを流しながら非金属材料の表面に上記炭酸ガ
   スレーザ光を照射しつつ、上記非金属材料を移動させて
   上記非金属材料を加工する非金属材料の加工方法におい
   て、上記非金属材料の表面を水でぬらしながら加工する
   ことを特徴とする非金属材料の加工方法。
2. 【請求項２】 上記アシストガスを、レーザ光が照射さ
   れる非金属材料上のスポット面に集中して吹き付けるよ
   うにした請求項１記載の非金属材料の加工方法。
3. 【請求項３】 上記水を、レーザ光が照射されるスポッ
   ト面に向かって吹き付けるようにした請求項１又は２記
   載の非金属材料の加工方法。
4. 【請求項４】 上記炭酸ガスレーザ光を、非金属材料の
   種類に応じて波長９．０μｍから１１．３μｍまでの範
   囲の中からグレーティングを用いて選択した単一波長の
   レーザ光とした請求項１から３までのいずれかに記載の
   非金属材料の加工方法。
5. 【請求項５】 炭酸ガスレーザ装置と、該炭酸ガスレー
   ザ装置から出射されたレーザ光を加工すべく非金属材料
   へ案内すると共に集光する光学系と、該レーザ光の伝搬
   方向に沿ってアシストガスを流すためのガス導入系と、
   上記非金属材料を保持するためのステージと、該ステー
   ジを上記レーザ光の伝搬方向に垂直な方向に移動させる
   移動装置と、上記ステージに上記非金属材料を真空吸着
   させる機構と、上記非金属材料の表面上を水でぬらすた
   めの水導入系とを備えたことを特徴とする非金属材料の
   加工装置。
6. 【請求項６】 上記非金属材料の切断箇所を予めＣＣＤ
   カメラでモニタするモニタ装置と、該モニタ装置からの
   モニタ信号を画像処理する画像処理装置と、画像処理装
   置からの信号で上記移動装置の移動を制御する制御装置
   とを設けた請求項５記載の非金属材料の加工装置。