脆性材料的切割装置及切割方法 技术领域 本发明涉及一种脆性材料的切割装置及切割方法， 更具体地说， 涉及沿着在脆性 材料表面上设定的切割预定线移动切割刀而形成划线 (Scribe line) 的脆性材料的切割装 置及切割方法。
背景技术 以往， 已知有将用于制造液晶显示屏等的母玻璃， 或在液晶显示屏的制造工艺中 将矩阵基板和彩色滤色片基板粘合在一起的状态的液晶单元等脆性材料， 沿着在其表面设 定的规定的切割预定线进行切割的切割方法。
作为这种脆性材料的切割装置已知有如下装置， 即具备切入到脆性材料的表面而 形成划线的切割刀和用于移动该切割刀的移动机构， 上述移动机构使上述切割刀沿着在上 述脆性材料的表面上设定的切割预定线移动而形成划线之后， 使自该划线的裂纹扩展从而 切割脆性材料 ( 专利文献 1)。
此外， 切割装置已知还有如下的切割装置， 即在作为上述切割刀的大致圆盘状的 划线刀轮的外周上等间距地形成突起， 通过使该划线刀轮沿着切割预定线进行旋转， 由上 述突起予以打点冲击的同时形成上述划线 ( 专利文献 2)。
在先技术文献
专利文献
专利文献 1 ： 日本特开平 4-224128 号公报
专利文献 2 ： 日本特许第 3074143 号公报
发明内容 但是， 通过上述专利文献 1 的切割装置进行切割的脆性材料， 由于从所形成的划 线扩展的裂纹 ( 称为新的 ) 仅达到板厚的一半左右， 因此之后需要对脆性材料施加外力而 沿着划线进行切割， 此时， 发生在脆性材料的表面侧及背面侧上产生小碎片 ( 碎屑 ) 的问 题。
而且， 如上述专利文献 1， 当移动切割刀而形成划线时， 在脆性材料的表面上发生 水平裂纹， 因此存在降低切割的脆性材料的抗弯强度的问题。
另外， 根据上述专利文献 2 的切割装置， 虽然能够将从划线扩展的裂纹加深， 因此 用较小的外力也能够切割脆性材料， 但是存在由于上述突起的打点冲击， 产生比专利文献 1 更大的水平裂纹， 且产生大量碎屑的问题。
鉴于这些问题， 本发明提供的脆性材料的切割装置及切割方法， 能够使从划线扩 展的裂纹加深， 从而可抑制水平裂纹及碎屑的产生。
即， 技术方案 1 涉及的脆性材料的切割装置， 其具备 ： 切割刀， 在脆性材料的表 面上形成划线 ； 切割刀移动机构， 使脆性材料与切割刀进行相对移动 ； 上述切割刀移动机 构使上述切割刀沿着在上述脆性材料的表面上设定的切割预定线移动而形成划线， 其特
征在于， 设置有凹坑形成机构， 其沿着上述切割预定线在脆性材料的表面上形成多个凹坑 (Dimple)， 而且， 上述切割刀移动机构使切割刀沿着形成有上述凹坑的切割预定线进行相 对移动。
技术方案 2 涉及的脆性材料的切割装置， 其特征在于， 在上述技术方案 1 的脆性材 料的切割装置中， 上述凹坑形成机构具备 ： 发振机构， 用于发振激光 ； 聚焦机构， 将通过该 发振机构发振的激光进行聚焦 ； 聚焦位置移动机构， 使由上述聚焦机构聚焦的激光的聚焦 位置移动 ； 通过将激光聚焦在上述切割预定线的规定位置上来除去上述脆性材料表面的一 部分， 从而形成凹坑。
另外， 技术方案 3 涉及的脆性材料的切割方法， 在脆性材料的表面上设定切割预 定线， 并使脆性材料和切割刀沿着该切割预定线进行相对移动， 从而形成划线， 其特征在 于， 沿着上述切割预定线在脆性材料的表面上形成多个凹坑， 之后沿着形成有多个该凹坑 的切割预定线移动切割刀。
技术方案 4 涉及的脆性材料的切割方法， 其特征在于， 在上述技术方案 3 记载的脆 性材料的切割方法中， 通过聚焦在上述切割预定线上的规定位置上的激光来除去上述脆性 材料表面的一部分， 从而形成凹坑。 技术方案 5 涉及的脆性材料的切割方法， 其特征在于， 在上述技术方案 4 记载的脆 性材料的切割方法中， 通过断续地照射上述激光的同时进行移动， 从而沿着上述切割预定 线以规定间隔形成多个凹坑。
根据上述技术方案 1 的发明， 由于沿着切割预定线预先以规定间隔形成凹坑， 所 以当沿着切割预定线相对移动脆性材料和切割刀时， 切割刀经过凹坑时上下振动， 从而能 够使从划线扩展的裂纹加深。
而且， 通过沿着上述凹坑移动切割刀， 可抑制水平裂纹的产生， 从而能够提高切割 的脆性材料的抗弯强度。
根据上述技术方案 2 的发明， 由于通过照射激光来形成凹坑， 所以可容易形成所 需形状的凹坑。
根据上述技术方案 3 的发明， 由于沿着切割预定线以规定间隔预先形成凹坑， 所 以当沿着切割预定线相对移动脆性材料和切割刀时， 切割刀因凹坑上下振动， 从而能够使 从划线扩展的裂纹加深。
而且， 通过沿着上述凹坑移动切割刀， 可抑制水平裂纹的产生， 从而能够提高切割 的脆性材料的抗弯强度。
根据上述技术方案 4 的发明， 由于通过照射激光形成凹坑， 因此形成凹坑时不产 生碎屑。
根据上述技术方案 5 的发明， 由于沿着切割预定线以规定间隔形成多个凹坑， 所 以可使上述切割刀沿着该凹坑移动， 从而可进行根据凹坑的切割刀的自定位。
附图说明
图 1 是本实施例涉及的切割装置的侧视图。 图 2 是脆性材料的俯视图。 图 3 是加工头的扩大剖视图。图 4 是用于说明切割方法的图， (a) 是侧视图， (b) 是俯视图。 附图标记 ： 1： 脆性材料 2： 切割装置 3： 加工台 4： 加工头 12 ： 凹坑形成部 13 ： 划线形成部 31 ： 切割刀 D： 凹坑 S： 划线 Sp ： 切割预定线 L： 激光具体实施方式
下面说明图示的实施例， 图 1 是切割脆性材料的切割装置 2 的示意图， 图 2 是进行 切割的脆性材料 1 的俯视图。
上述图 2 所示的脆性材料 1 是由 TFT 基板和彩色滤色片基板粘合在一起而成的液 晶单元， 切割成作为液晶显示屏使用的 3 张屏幕部 1a、 与该屏幕部 1a 的图示上方邻接的端 子部 1b、 以及与上述屏幕部 1a 的下方邻接的位置及与端子部 1b 的上方邻接的剩余材料部 1c。
在上述切割装置 2 中， 在上述屏幕部 1a、 端子部 1b、 剩余材料部 1c 的边界部分设 定切割预定线 Sp， 并沿着该切割预定线 Sp 形成划线 S 来切割它们之后， 从上述端子部 1b 只 剥离上述彩色滤色片基板， 以便露出上述 TFT 基板。
而且， 在上述脆性材料 1 中的上述屏幕部 1a、 端子部 1b、 剩余材料部 1c 的各自四 个拐角处分别设有定位标记 1d， 切割装置 2 根据该定位标记 1d 设定脆性材料 1 的方向和切 割预定线 Sp。
而且， 除此之外， 上述脆性材料 1 有单层的蓝宝石基板、 SiC 基板、 Si 基板等， 而且， 根据本实施例涉及的切割方法， 特别适合切割厚度为 0.1 ～ 4mm 左右的脆性材料 1。
上述切割装置 2 具备 ： 加工台 3， 载置脆性材料 1 ； 加工头 4， 在脆性材料 1 上形成 划线 S ； 移动机构 5， 构成切割刀移动机构及聚焦移动机构， 该切割刀移动机构使该加工头 4 在图示左右方向的 X 方向上移动 ； 第一、 第二相机 6、 7， 用于调节上述加工头 4 的定位 ； 通过 控制机构 8 来控制这些机构。
在上述加工台 3 的表面上穿设有无数个未图示的吸附孔， 该吸附孔与未图示的真 空源及高压气体源连接。而且， 通过上述吸附孔产生负压来吸附保持脆性材料 1， 同时通过 由吸附孔喷射高压气体来在划线位置上切割脆性材料 1。
此外， 加工台 3 通过 Y 向驱动机构 3a 在图示的纵深方向的 Y 方向上进行进退运动， 同时通过 θ 轴驱动机构 3b 以上下方向的 Z 轴为中心旋转， 从而能够变更被载置的脆性材 料 1 的方向。
上述加工头 4 包括 ： 外壳 11， 通过上述移动机构 5 进行移动 ； 凹坑形成部 12， 设在 该外壳 11 的内部， 并且在脆性材料 1 的表面上形成凹坑 D ； 划线形成部 13， 在上述脆性材料 1 的表面上形成划线 S。
上述移动机构 5 由沿 X 方向架设在加工台 3 上方的滚珠丝杆 5a 和用于驱动该滚 珠丝杆 5a 的电机 5b 构成， 通过滚珠丝杆 5a 的旋转上述外壳 11 在 X 方上进行进退运动。当形成划线 S 时， 上述凹坑形成部 12 位于在 X 方向上比上述划线形成部 13 更前方。 换言之， 上述凹坑形成部 12 沿着切割预定线 Sp 形成凹坑 D 之后， 上述划线形成部 13 经过凹坑 D 的同时形成划线 S。
上述凹坑形成部 12 包括 ： 未图示的激光发振器， 发振激光 L ； 导光机构 14， 将激光 L 进行导光 ； 聚焦透镜 15， 将被导光的激光 L 进行聚焦 ； 焦点调节机构 16， 调节上述激光 L 的焦点位置。
上述激光发振器设在与上述加工台 3 邻接的位置， 作为激励 UV 激光的固体激光 器， 通过非线性光学晶体进行 Q 开关脉冲发振。
上述导光机构 14 包括 ： 光导纤维 21， 将从上述激光发振器照射的激光 L 导光到加 工头 4 内 ； 准直透镜 22， 将从光导纤维 21 射出的激光 L 转换成平行光 ； 分色镜 23， 使水平方 向照射的激光 L 朝向脆性材料 1 的向下方反射。
上述聚焦透镜 15 将通过上述准直透镜 22 转换成平行的激光 L 以尽可能防止由于 球面像差导致光斑直径扩大的情况下进行聚焦， 也就是消色差透镜。
而且， 上述光导纤维 21 的射出侧的端部、 准直透镜 22、 分色镜 23 以及聚焦透镜 15 由构成上述焦点调节机构 16 的框架 24 一体地支撑。
上述焦点调节机构 16 包括 ： 上述框架 24 ； 第三相机 25， 固定在该框架 24 上 ； 三个 调节用千分卡头 26， 将上述框架 24 可移动地保持在上述外壳 11 内 ； 升降机构 27， 构成聚焦 位置移动机构， 并在 Z 方向上升降上述框架 24。
上述第三相机 25 拍摄凹坑 D， 该凹坑 D 由上述聚焦透镜 15 通过上述分色镜 23 在 脆性材料 1 上聚焦的激光 L 形成。
上述三个调节用千分卡头 26 可分别在 X、 Y、 Z 的各方向上精密地移动上述框架 24， 并且可将通过上述聚焦透镜 15 聚焦的激光 L 的照射位置合并在切割预定线 Sp 上。
此外， 上述升降装置 27 可通过在 Z 方向上升降上述框架 24， 调节被上述聚焦透镜 15 聚焦在脆性材料 1 表面上的激光 L 的光斑直径。
也就是， 用于移动通过上述聚焦透镜 15 聚焦的激光 L 的聚焦位置的聚焦位置移动 机构， 由上述移动机构 5 和上述升降机构 27 构成， 该上述移动机构 5 使包括该聚焦透镜 15 在内的加工头 4 在 X 方向移动， 该上述升降机构 27 用于调节激光 L 的光斑直径。
上述划线形成部 13 包括 ： 大致圆盘状的切割刀 31 ； 保持部件 32， 可旋转地保持该 切割刀 31 ； 气缸 33， 对包括该保持部件 32 在内的切割刀 31 向下方施加压力 ； 测压元件 34， 用于测量以使切割刀 31 切入脆性材料 1 的载荷 ； 升降机构 35， 用于在 Z 方向上升降上述切 割刀 31。
如图 4 所示， 上述切割刀 31 具有圆盘状， 在外周上形成有截面 V 字型的齿部 31a， 当加工头 4 通过上述移动机构 5 在 X 方向上移动时， 切入到脆性材料 1 表面的同时在 X 方 向上旋转， 从而在脆性材料 1 的表面上形成上述划线 S。
即， 切割刀 31 具有与专利文献 1 记载的切割刀大致相同的形状， 属于现有的公知 技术。
上述保持材料 32 以 Z 轴为中心可旋转地保持上述切割刀 31， 当加工头 4 在 X 方向 移动时， 进行调节上述切割刀 31 的方向的自定位。
上述气缸 33 对切割刀 31 施加始终向下的压力， 当上述切割刀 31 通过该气缸 33 切入到脆性材料 1 的表面时， 由上述测压元件 34 测量该载荷。
而且， 上述升降机构 35 包括 ： 框架 35a， 一体地保持上述切割刀 31、 保持部件 32、 气缸 33、 以及测压元件 34 ； 滚珠丝杆 35b， 设在 Z 方向上 ； 电机 35c， 用于旋转该滚珠丝杆 35b ； 随着滚珠丝杆 35b 的旋转， 包括上述框架 35a 在内的切割刀 31 进行升降。
上述第一、 第二相机 6、 7 以沿 X 方向排列的方式配置在与上述加工头 4 邻接的位 置， 并且分别通过移动机构 6a、 7a 在 X 方向上移动， 同时通过未图示的 Y 方向移动机构及 θ 轴驱动机构， 可向 Y 方向微量移动并以视野中央为中心进行旋转。
此外， 在第一、 第二相机 6、 7 的视野中心处设定有十字形的十字光标， 当在该视野 内拍摄到上述划线 S 或脆性材料 1 的定位记号 1d 时， 基于该十字光标， 上述控制机构 8 进 行加工头 4 的定位调节或识别脆性材料的位置。
说明使用具有上述结构的切割装置 2 切割脆性材料 1 的方法。再有， 在下面说明 中以切割单层脆性材料时的过程进行说明。
最初， 由于上述加工头 4 中的切割刀 31 存在制造误差， 因此每次更换切割刀 31 时 进行定位调节。 首先， 在上述加工头 4 的划线形成部 13 上安装新的切割刀 31 之后， 在不由上述凹 坑形成部 12 照射激光的情况下， 使加工头 4 在 X 方向移动， 从而在所要的测试件表面上形 成临时划线。
之后， 通过排列在 X 方向上的第一、 第二相机 6、 7 及设置在加工头 4 内的第三相机 25 拍摄上述临时划线， 而且， 上述控制机构 8 移动上述第一、 第二相机 6、 7， 以使设定在各相 机的拍摄范围中央的十字光标位于上述临时划线上， 同时基于第三相机 25 的拍摄结果， 调 节在上述加工头 4 中的凹坑形成部 12 的焦点调节机构 16。
接着， 当在上述加工台 3 上设置新的脆性材料 1 时， 通过在加工台 3 上表面形成的 吸附孔供给负压， 以使脆性材料 1 吸附保持在加工台 3 的上表面上。
这样设置脆性材料 1 之后， 上述第一、 第二相机 6、 7 拍摄设在上述脆性材料 1 上的 所需的定位标记 1d， 而控制机构 8 识别在第一、 第二相机 6、 7 的拍摄范围内设定的十字光标 和定位标记 1d 的倾斜度。
当检测出定位标记 1d 倾斜度时， 控制机构 8 控制上述加工台 3 的上述 Y 方向驱动 机构 3a 及 θ 轴驱动机构 3b， 使加工台 3 移动及旋转， 从而使第一、 第二相机 6、 7 的十字光 标和定位标记 1d 的倾斜度一致。
由此， 脆性材料 1 的切割预定线 Sp 以朝向 X 方向的状态设置在加工台 3 上， 在该 状态下， 通过在 X 方向移动加工头 4， 可形成上述划线 S。换言之， 通过上述动作在脆性材料 1 上设定朝向 X 方向的切割预定线 Sp。
另外， 当在加工台 3 上设置上述脆性材料 1 时， 上述加工头 4 在图 1 中的图示左端 的后退位置处待机， 至少上述划线形成部 13 的切割刀 31 通过上述移动机构 5 退避到比脆 性材料 1 的端部更靠图示左侧的状态。
此外， 切割刀 31 通过上述气缸 33 及上述升降机构 35 位于比脆性材料 1 的表面更 下方处， 当在这种状态下， 上述移动机构 5 在 X 方向上移动加工头 4 时， 切割刀 31 被置于脆 性材料 1 的表面上的同时克服气缸 33 的施力而上升， 随后切割刀 31 切入到脆性材料 1 中
的同时沿着上述切割预定线 Sp 进行旋转。
同时上述测压元件 34 测量上述切割刀 31 在克服气缸 33 的施力上升时的载荷， 从 而判断上述切割刀 31 在脆性材料 1 中的切入量。
再有， 根据切割的脆性材料 1， 该切割刀 31 在脆性材料 1 中的切入量不同， 由上述 升降机构 35 调节的切割刀 31 的高度， 预先登记在上述控制机构 8 中。
然后， 参照图 4 的 (a)、 (b) 所示的放大图， 说明形成划线 S 的过程， 当上述移动机 构 5 在 X 方向移动加工头 4 时， 在上述凹坑形成部 12 中， 上述激光发振器发振激光 L， 而激 光 L 通过上述导光机构 14 导光之后， 被上述聚焦透镜 15 聚焦并照射在上述脆性材料 1 的 表面上。
激光 L 通过脉冲辐照加热而去除脆性材料 1 的表面， 从而在脆性材料 1 的表面上 形成直径为 20 ～ 50μm、 深度为 5 ～ 10μm 的凹坑 D。
而且， 激光 L 随着加工头 4 的移动进行照射， 沿着上述切割预定线 Sp 的线上以 20 ～ 100μm 的间隔形成上述凹坑 D。
这样沿着切割预定线 Sp 形成凹坑 D 之后， 切割刀 31 经过凹坑 D 的同时在脆性材 料 1 上形成划线 S， 而裂纹从划线 S 向板厚方向扩展。 此时， 切割刀 31 由于被上述气缸 33 向下方施力， 从而沿着凹坑 D 的形状下降， 之 后切割刀 31 克服气缸 33 的施力向脆性材料 1 的表面侧上升。
也就是， 当将切割刀 31 沿着形成有上述凹坑 D 的切割预定线 Sp 移动时， 切割刀 31 将一边上下振动一边进行移动， 其结果， 裂纹从切割刀 31 切入位置向深处扩展。
具体地说， 通过本发明涉及的切割装置 2 形成划线 S 时， 可确认到向形成的划线 S 的下方扩展的裂纹 ( 新的 ) 扩展到脆性材料 1 的板厚的约 80％左右。
此外， 通过本发明涉及的切割装置 2 形成划线 S 时， 可确认到由于切割刀 31 切入 脆性材料 1 时冲击较小， 所以在脆性材料 1 的表面上几乎不发生因该冲击产生的水平裂纹。
而且， 当上述加工头 4 移动到脆性材料 1 的图示右端部从而在脆性材料 1 的表面 上形成了划线 S 时， 上述升降机构 35 使切割刀 31 退避到脆性材料 1 的上方， 而上述移动机 构 5 再次使加工头 4 移动到图示左端部的退避位置。
在加工台 3， 停止对上述吸附孔供给的负压， 而供给不至于使脆性材料 1 浮起的程 度的上述高压气体。由于在脆性材料 1 上形成有自划线 S 较深的裂纹， 因此仅通过该高压 气体的供给就可分离脆性材料 1。
其结果， 分离时在脆性材料 1 的背面上几乎不产生碎屑， 而且如上所述， 在脆性材 料的表面上也不会产生水平裂纹， 因此在脆性材料的表面上几乎不产生碎屑。
再有， 如图 4 的 (b) 所示， 由于沿着切割预定线 Sp 形成凹坑 D， 因此可进行防止上 述切割刀 31 摇晃的自定位。
也就是， 即使上述切割刀 31 通过保持机构以 Z 轴为中心旋转而摇晃， 但切割刀 31 经过凹坑 D 时要向该凹坑 D 的较深处移动。
也就是， 由于切割刀 31 要按照沿着切割预定线 Sp 的 X 方向排列的凹坑移动， 因此 可将切割刀 31 的摇晃控制在凹坑 D 的直径范围内。
其次， 根据上述实施例涉及的切割方法， 进行了有关被切割的脆性材料 1 的抗弯 强度的实验如下。
首先， 将根据上述方法切割的脆性材料 1 放置在两根横梁状的支撑部件上， 在该 状态下从上方向两个支撑部件的大致中间位置施加载荷， 以使脆性材料的下表面产生张 力， 然后测量了脆性材料被折弯时的载荷， 作为抗弯强度。
其结果， 可确认到形成有上述划线 S 的划线面的抗弯强度最多为， 该划线面的背 面也就是净切割面的抗弯强度的 90％左右。换言之， 可确认到通过本实施例涉及的切割方 法进行切割的脆性材料 1 的抗弯强度大。
其原因可认为是， 由于通过上述实施例涉及的切割方法切割脆性材料 1 时， 在脆 性材料 1 的表面上几乎不产生水平裂纹， 即使上述张力作用于划线面上， 裂纹不会从水平 裂纹扩展， 从而可获得与不产生水平裂纹的净切割面同级别的较高的抗弯强度。
针对这种本发明涉及的切割方法， 当使用不形成凹坑 D 且在外周没有形成凹凸的 专利文献 1 记载的切割刀形成划线 S 时， 上述裂纹只扩展到脆性材料板厚的约 50％左右。
在这种情况下， 需要另外的装置来切割脆性材料， 而且由于切割时从脆性材料的 表面及背面飞散碎屑， 所以存在再次损伤脆性材料 1 或去除该碎屑较麻烦等的问题。
此外， 由于形成划线时在脆性材料的表面上形成水平裂纹， 所以存在降低划线面 的抗弯强度的问题。
其次， 根据专利文献 2 涉及的切割方法， 即在外周形成有突起的切割刀形成划线 S 的方法， 能够将裂纹扩展到脆性材料 1 的板厚的约 80％左右， 从而能够容易地切割脆性材 料 1。
但是， 由于在脆性材料的表面上形成比所述专利文献 1 的情况更大的水平裂纹， 因此存在进一步降低脆性材料 1 的抗弯强度的问题。认为这是当形成在上述切割刀 31 外 周的突起切入脆性材料 1 中时， 由于打点冲击在脆性材料 1 上形成上述水平裂纹而所致。
而且， 通过上述突起的打点冲击结果， 在脆性材料 1 的表面上产生大量的碎屑， 虽 然用较小的力容易切割脆性材料 1， 但存在比专利文献 1 产生更多碎屑的问题。
再有， 在本实施例的划线形成部 13 中， 虽然通过旋转大致圆盘状的切割刀 31 来形 成了划线 S， 但也可以使用其它方法形成划线 S。例如， 可使用前端形成为四角锤状的所谓 点划线机。
进一步， 在本实施例中， 虽然上述加工头 4 内一体地设有凹坑形成部 12 和划线形 成部 13， 但它们也可以设在不同的加工头内， 并分别通过各自的移动机构进行移动。
通过这样的结构， 例如在不具备凹坑形成部 12 的专利文献 1 结构的切割装置上设 置上述凹坑形成部 12， 即可通过本发明涉及的切割方法进行脆性材料的切割。