JP5991860B2 - ガラス基板の加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス基板の加工方法、特に、表面に圧縮応力を有するとともに内部に引張応力を有する強化ガラスを、閉じた分断予定ラインに沿って抜き加工するためのガラス基板の加工方法に関する。

ガラス基板をレーザにより分断する技術として、CO₂レーザをガラス基板に照射して熱応力を生じさせ、分断する方法がある。表面が強化された強化ガラスを分断する場合も、このような従来技術を用いることによって分断することが可能である。

しかし、ガラス基板の表面の強化度が増すと、以上のような従来の技術では分断できなくなる。そこで、高強度ガラスを分断する方法として、特許文献１に示されるような分断方法が提供されている。

この特許文献１に示された方法では、まず、ガラス基板において強化層が形成されていない内部領域に、改質層としての第１ダメージラインが形成される。そして、同様に、強化層が形成されていない内部領域において、第１ダメージラインより浅い領域に第２ダメージラインが形成される。これらのダメージラインを形成することによって、分断予定ラインに沿って亀裂が進展し、ガラス基板は分断される。なお、この分断の際に、カッタによって溝を形成するメカニカルスクライブや、手動又は機械的な操作でダメージラインの両側を押して曲げ力を作用させることが記載されている。

ＷＯ２０１０／０９６３５９Ａ１（段落００２４，００２６，００２７，００３１，００３２等）

特許文献１に記載された分断方法は、主に直線の分断予定ラインに沿ってガラス基板を分断することを前提としている。したがって、このような分断方法を、母材のガラス基板から、矩形あるいは円形等の閉じた形状の単片を分断して取り出す加工（以下、このような加工を「抜き加工」と記す）に適用すると、加工品質が低下する。具体的には、レーザを走査した部分から外側に向かって亀裂が進展し、周囲を破壊してしまうという問題がある。特に走査方向が変わるコーナー部では、多数の亀裂が分断予定ラインから枝分かれして進展し、周囲の他の部分が製品として使用できなくなる。

以上のような状況では、歩留まりが悪いだけではなく、分断後に得られたガラス基板の強度も低下するという問題がある。

本発明の課題は、高強度ガラスの抜き加工において、周囲に発展する亀裂を抑え、強度の低下を抑えることにある。

第１発明に係るガラス基板の加工方法は、表面に圧縮応力を有するとともに内部に引張応力を有する強化ガラスを、閉じた分断予定ラインに沿って抜き加工するための方法であって、以下の工程を含んでいる。

第１予備照射工程：基板内部の所定の深さ位置にレーザを集光して分断予定ラインに沿ってレーザを走査し、基板内部に第１加工痕を形成する。

第２予備照射工程：基板内部の所定の深さ位置にレーザを集光して分断予定ラインの外周側に分断予定ラインを囲むようにレーザを走査し、第１加工痕の外周側に第２加工痕を形成する。

本照射工程：第２予備照射工程の後に、基板内部の所定深さ位置にレーザを集光し、分断予定ラインに沿ってレーザを走査し、第１加工痕から基板の表面又は裏面に向かって亀裂を進展させる。

この方法では、まず、基板内部において、分断予定ラインに沿って第１加工痕が形成される。次に、この第１加工痕の外周側に、第１加工痕を囲むように別の第２加工痕が形成される。以上のようにして分断予定ラインに沿って及び分断予定ラインの外周側に加工痕が形成された後、再度分断予定ラインに沿ってレーザが走査される。このレーザ照射及び走査によって、第１加工痕から基板の表面又は裏面に亀裂が進展し、さらに分断予定ラインに沿って亀裂が進展する。このとき、分断予定ラインの外周側にも第２予備照射工程において加工痕が形成されているので、亀裂が分断予定ラインから枝分かれして分断予定ラインの外側に進展するのを抑えることができる。

ここでは、分断予定ラインから逸れた亀裂の進展が抑えられるので、母材のガラス基板から単片を抜き加工する際に、周囲のガラス基板の損傷を抑えることができ、歩留まりが向上する。また、同様の理由により、抜き取ったガラス基板の強度の低下を抑えることができる。

第２発明に係るガラス基板の加工方法は、第１発明の方法において、第１予備照射工程のレーザ走査と第２予備照射工程のレーザ走査とは連続して実施される。

ここでは、予備照射工程を短時間で容易に実行することができる。

第３発明に係るガラス基板の加工方法は、第１予備照射工程と第２予備照射工程におけるレーザの集光位置は同じ深さ位置である。

ここでは、第２発明と同様に、予備照射工程を短時間で容易に実行することができる。

第４発明に係るガラス基板の加工方法は、第１から第３発明のいずれかの方法において、基板内部の所定の深さ位置にレーザ光を集光して第２予備照射工程における走査ラインのさらに外周側にレーザを走査し、第２加工痕の外周側に第３加工痕を形成する第３予備照射工程をさらに含む。

ここでは、分断予定ラインの加工痕の外周側にさらに２重に加工痕が形成されるので、分断がより容易になる。

第５発明に係るガラス基板の加工方法は、第４発明の方法において、第１予備照射工程から第３予備照射工程のレーザ走査は連続して実施される。

ここでは、第２発明と同様に、予備照射工程を短時間で容易に実行することができる。

第６発明に係るガラス基板の加工方法は、第５発明の方法において、第１予備照射工程から第３予備照射工程におけるレーザの集光位置は同じ深さ位置である。

ここでは、第２発明と同様に、予備照射工程を短時間で容易に実行することができる。

第７発明に係るガラス基板の加工方法は、第１から第６発明のいずれかの方法において、本照射工程におけるレーザの集光位置は、第１予備照射工程におけるレーザの集光位置より基板の表面又は裏面に近い位置である。

ここでは、本照射工程において、第１加工痕より基板に近い位置にレーザを集光させて走査するので、亀裂が容易に基板表面に到達しやすい。したがって、本照射工程の後の分断工程が容易になる。

以上のように本発明では、圧縮応力を持たせた強化層を表面に有する強化ガラスに対して抜き加工を行う際に、周囲に発展する亀裂を抑え、強度の低下を抑えることができる。

本発明の一実施形態による分断方法が適用される強化ガラスの模式的断面図。 本発明の一実施形態による加工方法のレーザ走査ラインを示す図。 本発明の一実施形態による加工方法の実験１の結果（分断前）を示す写真。 本照射後のガラス基板を示す写真。 分断予定ラインＬ０の周囲の基板を分離して取り出したガラス基板の写真。 従来の加工方法によって分断された比較実験の結果（全体）を示す写真。

［ガラス基板］
図１に分断対象としてのガラス基板の断面構成の一例を示している。このガラス基板は、表面に圧縮応力を有するとともに内部に引張応力を有する強化ガラスである。具体的には、表面及び裏面の近傍において、表面及び裏面に近づくほど大きな圧縮応力（ＣＳ）を有している。そして、表面及び裏面から所定の深さに達する基板内部では、逆に引張応力（ＣＴ）を有している。図１において、「ＤＯＬ」は基板表面の圧縮応力を有する強化層深さを示している。

［分断方法］
以上のような強化ガラス（以下、単に「基板」と記す場合もある）を、閉じた分断予定ラインに沿って分断する場合は、以下のような工程を実行する。ここでは、１枚の母材のガラス基板から４隅がＲ形状の矩形の単片ガラス基板を抜き加工する場合を例にとって説明する。

＜予備照射工程＞
基板内部の引張応力を有する領域にレーザを集光し、図２に示すように、分断予定ラインＬ０に沿ってレーザを走査するとともに、分断予定ラインＬ０の外周に、分断予定ラインＬ０を２重に囲むようにレーザを走査する。以下、分断予定ラインＬ０の外周側のラインを第１外周ラインＬ１、第１外周ラインＬ１のさらに外周側のラインを第２外周ラインＬ２と記す。以上のようなレーザ走査によって、分断予定ラインＬ０及びその外周の第１及び第２外周ラインＬ１，Ｌ２に沿って基板内部に第１、第２及び第３の加工痕が形成される。ここで加工痕は、レーザによって基板が一旦軟化または溶融し、再度固化した状態の領域である。

なお、図２に示す例では、分断予定ラインＬ０に沿ったレーザ照射と、外周側の第１及び第２外周ラインＬ１，Ｌ２に沿ったレーザ照射とを、連続した工程で、すなわち螺旋状に走査している。したがって、第１外周ラインＬ１に沿ったレーザ照射は分断予定ラインＬ０のすべてを囲むように走査されるが、第２外周ラインＬ２に沿ったレーザ照射については、４辺のうちの３辺のみを囲むように走査される。

＜本照射工程＞
以上のような予備照射工程終了後に、予備照射工程でのレーザ集光位置より表面側の位置にレーザを集光し、分断予定ラインＬ０に沿ってレーザを走査する。この場合のレーザ照射は、分断予定ラインＬ０に沿って１周の走査でもよいが、確実に分断するためには２周走査するのが好ましい。

以上のような工程を実行することによって、第１及び第２外周ラインＬ１，Ｌ２の外側、及び分断予定ラインＬ０の外側の部分が分断され、分断予定ラインＬ０の内側の領域を抜き取ることができる。

実験例

以下に、本願発明を適用した実験結果を示す。なお、抜き形状は、１辺が３０mmの矩形で、かつ４隅を半径５mmの曲線で結んだ形状である。また、各ラインの間隔は１mmである。

［実験１］
実験１では、厚みが１．１mmの高強化ガラス（断面構成は図１参照）について、以下の方法を実行した。なお、レーザの繰り返し周波数は以下の実験において、すべて３MHzである。

＜予備照射＞
図２に示す各走査ラインＬ０，Ｌ１，Ｌ２に沿って連続してレーザを走査した。走査回数は１回である。また、レーザの照射条件は、各ラインにおいて同じであり、以下の通りである。

レーザ出力：６W
走査速度：３００mm/s
加工深さ：３６８μm
以上の予備照射を行った場合のガラス基板の様子を図３に示している。なお、撮影のための基板の取り扱い中に基板が破損することを防止するため、基板には透明テープが貼り付けられている。

＜本照射＞
図２に示す分断予定ラインＬ０に沿って、レーザを２回（２周）走査した。レーザの照射条件は、２回とも以下の通りである。

レーザ出力：６W
走査速度：３００mm/s
加工深さ：１４５μm
以上の本照射の結果、分断予定ラインから外周側に枝分かれするような亀裂は発生しなかった。図４Ａは本照射後のガラス基板を示し、図４Ｂは分断予定ラインＬ０の周囲の基板を分離して取り出したガラス基板を示している。

［実験２］
実験２では、厚みが０．７mmの高強化ガラス（断面構成は図１参照）について、以下の方法を実行した。なお、レーザの繰り返し周波数は、前記同様に、以下の実験において、すべて３MHzである。

＜予備照射＞
図２に示す各走査ラインＬ０，Ｌ１，Ｌ２に沿って連続してレーザを走査した。走査回数は１回である。また、レーザの照射条件は、各ラインにおいて同じであり、以下の通りである。

レーザ出力：６W
走査速度：３００mm/s
加工深さ：３９９μm
＜本照射＞
図２に示す分断予定ラインＬ０に沿って、レーザを２回（２周）走査した。レーザの照射条件は、２回とも以下の通りである。

レーザ出力：６W
走査速度：３００mm/s
加工深さ：１６３μm
以上の本照射の結果、実験１と同様に（図４Ａ参照）、分断予定ラインから外周側に枝分かれするような亀裂は発生しなかった。

［比較実験例］
以上の実験１及び２と同様の抜き形状を、以下のような従来の方法で抜き加工した。なお、分断対象は、厚みが１．１mmの高強化ガラスである。また、レーザの繰り返し周波数は１MHｚである。

以上の従来の加工方法では、図５に示すように、分断予定ラインから外周側に複数の亀裂が進展した。

［実験結果まとめ］
予備照射によって、分断予定ラインの外周側において、少なくとも１重の外周ラインに沿ってレーザを照射し、基板内部に加工痕を形成することで、本照射時に分断予定ラインから外周側に亀裂が進展するのを抑えることができる。外周ラインに加工痕を形成することによって分断予定ラインから外周側への亀裂の進展を抑えることができる理由は、明らかではないが、加工痕を形成する際に基板が一旦溶融されるため加工痕の周囲の基板内部の引張り応力が緩和され、外周側に勝手に亀裂が伸展しなくなったと考えられる。

外周ラインは、少なくとも１重であればよく、２重以上の外周ラインを形成してもよい。また、本照射は分断予定ラインに沿って１回レーザ走査すればよいが、分断をより確実にするためには、２回のレーザ走査が好ましい。

［他の実施形態］
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形又は修正が可能である。

（ａ）抜き形状は前記実施形態に限定されない。例えば円形や星型等の閉じた形状を抜き加工する場合も、本発明を同様に適用することができる。

（ｂ）予備照射の回数や本照射の回数は前記実施形態に限定されない。また、実験１及び２では、予備照射工程と本照射工程とで加工深さ（レーザの集光位置）を変えたが、両工程において同じ加工深さにしてもよい。

（ｃ）予備照射工程におけるレーザ走査の方法は、螺旋状に限定されない。分断予定ラインと外周ラインとを連続させずに、別々の工程で実施してもよい。

（ｄ）本照射工程におけるレーザの集光位置（加工深さ）は、前記実施形態では予備照射における集光位置（加工深さ）よりも基板表面に近い位置としたが、これに代えて、予備照射における集光位置（加工深さ）よりも基板裏面に近い位置として、第１加工痕から基板の裏面に向かって亀裂を進展させることとしてもよい。

Claims (7)

1. 表面に圧縮応力を有するとともに内部に引張応力を有するガラスを、閉じた分断予定ラインに沿って抜き加工するためのガラス基板の加工方法であって、
   基板内部の所定の深さ位置にレーザを集光して分断予定ラインに沿ってレーザを走査し、基板内部に基板が一旦軟化又は溶融し再度固化した状態の第１加工痕を形成する第１予備照射工程と、
   基板内部の所定の深さ位置にレーザを集光して前記分断予定ラインの外周側に前記分断予定ラインを囲むようにレーザを走査し、前記第１加工痕の外周側に基板が一旦軟化又は溶融し再度固化した状態の第２加工痕を形成する第２予備照射工程と、
   前記第２予備照射工程の後に、基板内部の所定深さ位置にレーザを集光し、前記分断予定ラインに沿ってレーザを走査し、前記第１加工痕から基板の表面又は裏面に向かって亀裂を進展させる本照射工程と、
   を含むガラス基板の加工方法。
2. 前記第１予備照射工程のレーザ走査と前記第２予備照射工程のレーザ走査とは連続して実施される、請求項１に記載のガラス基板の加工方法。
3. 前記第１予備照射工程と前記第２予備照射工程におけるレーザの集光位置は同じ深さ位置である、請求項１又は２に記載のガラス基板の加工方法。
4. 基板内部の所定の深さ位置にレーザ光を集光して前記第２予備照射工程における走査ラインのさらに外周側にレーザを走査し、前記第２加工痕の外周側に第３加工痕を形成する第３予備照射工程をさらに含む、請求項１から３のいずれかに記載のガラス基板の加工方法。
5. 前記第１予備照射工程から前記第３予備照射工程のレーザ走査は連続して実施される、請求項４に記載のガラス基板の加工方法。
6. 前記第１予備照射工程から前記第３予備照射工程におけるレーザの集光位置は同じ深さ位置である、請求項５に記載のガラス基板の加工方法。
7. 前記本照射工程におけるレーザの集光位置は、前記第１予備照射工程におけるレーザの集光位置より基板の表面又は裏面に近い位置である、請求項１から６のいずれかに記載のガラス基板の加工方法。