JP2011230940A - 脆性材料基板の割断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザを用いた既存の切断装置で、互いに交差する２方向に脆性材料基板を割断できる方法を提供すること。
【解決手段】脆性材料基板５０に対してレーザビームＬＢを相対移動させながら照射して、基板５０を溶融温度未満に加熱した後、基板５０に対して冷却媒体を吹き付けて冷却し、基板に生じた熱応力によって、垂直クラック５３ａからなる第１スクライブライン５２ａを形成する第１工程と、第１スクライブライン５２ａの、第２スクライブ予定ラインと５１ｂの交差部分を基板５０の溶融温度未満に予備加熱する第２工程と、第１スクライブライン５２ａと交差する第２スクライブライン５２ｂを形成する第３工程と、第１スクライブライン５２ａ及び第２スクライブライン５２ｂに沿って基板５０を割断する第４工程とを含むことを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、脆性材料基板にレーザビームを照射して、互いに交差する２方向に沿って脆性材料基板を割断する方法に関するものである。

従来、ガラス基板などの脆性材料基板の割断方法としては、カッターホイール等を圧接転動させてスクライブラインを形成した後、スクライブラインに沿って基板に対して垂直方向から外力を加え基板を割断する方法が広く行われている。

通常、カッターホイールを用いて脆性材料基板のスクライブを行った場合、カッターホイールによって脆性材料基板に付与される機械的な応力によって基板の欠陥が生じやすく、ブレイクを行った際に上記欠陥に起因する割れ等が発生する。

そこで、近年、レーザを用いて脆性材料基板を割断する方法が実用化されている。この方法は、レーザビームを基板に照射して基板を溶融温度未満に加熱した後、冷却媒体により基板を冷却することによって基板に熱応力を生じさせ、この熱応力によって基板の表面から略垂直方向にクラックを形成させるというものである。このレーザビームを用いた脆性材料基板の割断方法では、熱応力を利用するため、工具を基板に直接接触させることがなく、割断面は欠け等の少ない平滑な面となり、基板の強度が維持される。

また、レーザを用いて、互いに交差する２方向で脆性材料基板を割断する方法も提案されている。しかし、第１の方向に脆性材料基板を切断した後、第１の方向と交差する第２の方向に脆性材料基板を切断する際、第１の方向との交差点から垂直クラックが進展しない、あるいは切断予定線から外れて垂直クラックが進展することがあった。特に、表面圧縮応力の高い強化ガラスの場合には、第１の方向に形成された垂直クラックが大きく開いた状態を維持するので、第２の方向に脆性材料基板を切断する際、第１の方向との交差点から先にクラックが進展しにくい。

このため、例えば特許文献１では、脆性材料基板にレーザビームを照射して第１の方向に脆性材料基板を切断した後、脆性材料基板を支承する支持台の上面を凹状に変化させて、脆性材料基板の切断された部分同士を圧接し、この状態でレーザビームを照射して、第１の方向に直交する第２の方向に脆性材料基板を切断する方法が提案されている。

WO2006/90632

しかしながら上記提案方法を実施するには、脆性材料基板を支承する支持台上面の形状を変化させるための複雑な機構を備えた特別の切断装置が必要となる。

本発明はこのような従来の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、レーザを用いた既存の切断装置で、互いに交差する２方向に脆性材料基板を割断できる方法を提供することにある。

前記目的を達成する本発明に係る脆性材料基板の割断方法は、脆性材料基板に対してレーザビームを相対移動させながら照射して、前記基板を溶融温度未満に加熱した後、前記基板に対して冷却媒体を吹き付けて冷却し、前記基板に生じた熱応力によって、垂直クラックからなる第１スクライブラインを形成する第１工程と、第１スクライブラインの、第２スクライブ予定ラインとの交差部分を前記基板の溶融温度未満に予備加熱する第２工程と、第１スクライブラインと同様にして、第１スクライブラインと交差する第２スクライブラインを形成する第３工程と、第１スクライブライン及び第２スクライブラインに沿って前記基板を割断する第４工程とを含むことを特徴とする。

ここで、生産性等の観点からは、前記予備加熱は、レーザビームの照射によって行うのが好ましい。

また、前記予備加熱する部分の、第１スクライブラインに平行な方向の長さとしては１〜５ｍｍの範囲であるのが好ましい。

前記脆性材料基板としては強化ガラス基板が好ましい。

本発明に係る脆性材料基板の割断方法によれば、特別な機構を備えた切断装置を用いることなく、互いに交差する２方向に脆性材料基板を割断できる。

本発明に係る割断方法を実施できる割断装置の一例を示す概説図である。 レーザスクライブの操作状態を説明する図である。 本発明に係る割断方法の一例を示す工程図である。 本発明に係る割断方法の一例を示す工程図である。 レーザビームの照射スポットの模式図である。 実施例１における、第１スクライブラインと第２スクライブラインの交差点部分の光学顕微鏡写真である。 比較例１における、第２スクライブ予定ラインから外れて垂直クラックが進展した基板の写真である。

以下、本発明に係る脆性材料基板の割断方法について図に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施形態に何ら限定されるものではない。

図１に、本発明に係る割断方法の実施に用いる割断装置の一例を示す概説図を示す。この図の割断装置は、架台１１上に紙面に対して垂直方向（Ｙ方向）に移動自在のスライドテーブル１２と、スライドテーブル上に図の左右方向（Ｘ方向）に移動自在の台座１９と、台座１９上に設けられた回転機構２５とを備え、この回転機構２５上に設けられた回転テーブル２６に載置・固定された脆性材料基板５０はこれらの移動手段によって水平面内を自在に移動される。

スライドテーブル１２は、架台１１の上面に所定距離隔てて平行に配置された一対のガイドレール１４，１５上に移動自在に取り付けられている。そして、一対のガイドレール１４，１５の間には、ガイドレール１４，１５と平行にボールネジ１３が、不図示のモータによって正・逆回転自在に設けられている。また、スライドテーブル１２の底面にはボールナット１６が設けられている。このボールナット１６はボールネジ１３に螺合している。ボールネジ１３が正転又は逆転することによって、ボールナット１６はＹ方向に移動し、これによってボールナット１６が取り付けられたスライドテーブル１２が、ガイドレール１４，１５上をＹ方向に移動する。

また台座１９は、スライドテーブル１２上に所定距離隔てて平行に配置された一対のガイド部材２１に移動可能に支持されている。そして、一対のガイド部材２１間には、ガイド部材２１と平行にボールネジ２２が、モータ２３によって正逆回転自在に設けられている。また、台座１９の底面にはボールナット２４が設けられ、ボールネジ２２に螺合している。ボールネジ２２が正転又は逆転することによって、ボールナット２４はＸ方向に移動し、これによって、ボールナット２４と共に台座１９が、一対のガイド部材２１に沿ってＸ方向に移動する。

台座１９上には回転機構２５が設けられている。そして、この回転機構２５上に回転テーブル２６が設けられている。割断対象である脆性材料基板５０は、回転テーブル２６上に真空吸着によって固定される。回転機構２５は、回転テーブル２６を垂直方向の中心軸の周りに回転させる。

回転テーブル２６の上方には、回転テーブル２６と離隔対向するように、支持台３１が、取付台３２から垂下する保持部材３３によって支持されている。支持台３１には、脆性材料基板５０の表面にトリガークラックを形成するためのカッタホイール３５と、脆性材料基板５０にレーザビームを照射するための開口（不図示）と、脆性材料基板５０の表面を冷却するための冷却ノズル３７とが設けられている。

カッタホイール３５は、チップホルダー３６によって、脆性材料基板５０に圧接する位置と非接触な位置とに昇降可能に保持されており、スクライブラインの開始起点となるトリガークラックを形成するときのみ、脆性材料基板５０に圧接する位置に下降する。トリガークラックの形成位置は、トリガークラックから予測不可能な方向にクラックが生じる先走り現象を抑制するために、脆性材料基板５０の表面側端よりも内側に形成するのが好ましい。

取付台３２上にはレーザ出力装置３４が設けられている。レーザ出力装置３４から出射されたレーザビームＬＢは、反射ミラー４４で下方に反射され、保持部材３３内に保持された光学系を介して支持台３１に形成された開口から、回転テーブル２６上に固定された脆性材料基板５０に照射される。

また、支持台３１の、レーザビームＬＢが出射する開口近傍に設けられた冷却ノズル３７からは、脆性材料基板５０に向かって冷却媒体としての水が空気と共に噴出される。冷却媒体が噴出される脆性材料基板５０上の位置は、割断予定ライン５１上で且つレーザビームＬＢの照射領域の後側である（図２を参照）。

取付台３２には、脆性材料基板５０に予め刻印されたアライメントマークを認識する一対のＣＣＤカメラ３８，３９が設けられている。これらのＣＣＤカメラ３８，３９により、脆性材料基板５０のセット時の位置ずれが検出され、例えば脆性材料基板５０が角度θずれていた場合は回転テーブル２６が−θだけ回転され、脆性材料基板５０がＹずれていたときはスライドテーブル１２が−Ｙだけ移動される。

このような構成の割断装置において脆性材料基板５０を割断する場合には、まず、脆性材料基板５０を回転テーブル２６上に載置し吸引手段により固定する。そして、ＣＣＤカメラ３８，３９によって、脆性材料基板５０に設けられたアライメントマークを撮像し、前述のように、撮像データに基づいて脆性材料基板５０を所定の位置に位置決めする。

次いで、前述のように、ホイールカッタ３５によって脆性材料基板５０にトリガークラックを形成する。そして、レーザ出力装置３４からレーザビームＬＢを出射する。レーザビームＬＢは反射ミラー４４よって、図２に示すように、脆性材料基板５０表面に対して略垂直に照射する。また同時に、レーザビーム照射領域の後端近傍に冷却媒体としての水を冷却ノズル３７から噴出させる。脆性材料基板５０にレーザビームＬＢを照射することによって、脆性材料基板５０は厚み方向に溶融温度未満で加熱され、脆性材料基板５０は熱膨張しようとするが、局所加熱のため膨張できず照射点を中心に圧縮応力が発生する。そして加熱直後に、脆性材料基板５０の表面が水により冷却されることによって、脆性材料基板５０が今度は収縮して引張応力が発生する。この引張応力の作用によって、トリガークラックを開始点として割断予定ライン５１に沿って垂直クラック５３が脆性材料基板５０に形成される。

そしてレーザビームＬＢ及び冷却ノズル３７を割断予定ライン５１に従って相対的に移動させることによって、垂直クラック５３が進展し脆性材料基板５０にスクライブライン５２が形成される。この実施形態の場合には、レーザビームＬＢと冷却ノズル３７とは所定位置に固定された状態で、スライドテーブル１２と台座１９、回転テーブル２６の回転機構２５とによって脆性材料基板５０が移動される。もちろん、脆性材料基板５０を固定した状態で、レーザビームＬＢと冷却ノズル３７とを移動させても構わない。あるいは脆性材料基板５０及びレーザビームＬＢ・冷却ノズル３７の双方を移動させても構わない。

次に、本発明に係る割断方法について説明する。図３に、本発明の割断方法の一例を示す工程図を示す。まず同図（ａ）に示すように、第１工程として前述のようにして、レーザビームＬＢ及び冷却ノズル３７を割断予定ライン５１ａに従って相対的に移動させることによって、不図示のトリガークラックを開始点とする垂直クラック５３ａを相対移動方向に進展させて、脆性材料基板５０に第１スクライブライン５２ａを形成する。

ここで使用するレーザビームＬＢとしては特に限定はなく、基板の材質や厚み、形成したい垂直クラックの深さなどから適宜決定すればよい。脆性材料基板がガラス基板の場合、ガラス基板表面での吸収が大きい波長９〜１１μｍのレーザビームが好適に使用される。このようなレーザビームとしてはＣＯ_２レーザが挙げられる。図５に示すように、レーザビームの基板への照射形状としては、レーザビームの相対移動方向に細長い楕円形状が好ましく、相対移動方向の照射長さＬは１０〜６０ｍｍの範囲、照射幅Ｗは１〜５ｍｍの範囲が好適である。

冷却ノズル３７から噴出させる冷却媒体としては水やアルコールなどが挙げられる。また、割断後の脆性材料基板を使用する上で悪影響を与えない範囲において、界面活性剤等の添加剤が添加されていても構わない。冷却媒体の吹き付け量としては通常は数ｍｌ／ｍｉｎ程度が好適である。冷却媒体による基板の冷却は、レーザービームによって加熱された基板を急冷する観点からは、気体（通常は空気）と共に水を噴射させるいわゆるウォータジェット方式が望ましい。冷却媒体による冷却領域は、長径１〜５ｍｍ程度の円形状又は楕円形状であることが好ましい。また、冷却領域は、レーザビームによる加熱領域の相対移動方向後方であって、冷却領域と加熱領域との中心点間の距離が数ｍｍ〜数十ｍｍ程度となるように形成するのが好ましい。

レーザビームＬＢ及び冷却ノズル３７の相対移動速度としては特に限定はなく、得たい垂直クラックの深さなどから適宜決定すればよい。一般に相対移動速度を遅くするほど、形成される垂直クラックは深くなる。通常、相対移動速度は数百ｍｍ／ｓｅｃ程度である。

スクライブライン５２ａを構成する垂直クラック５３ａの深さとしては、特に限定はないが、後工程における脆性材料基板の割断を円滑且つ確実に行うためには、基板厚み対して１５％以上の深さとするのが望ましい。

次いで図３（ｂ）に示すように、第２工程として、第１スクライブライン５２ａに直交する第２スクライブ予定ライン５１ｂに沿って、レーザビームＬＢを相対的に移動させることによって割断予定ライン５１ｂを予備加熱する。脆性材料基板の予備加熱した部分は熱膨張して、第１スクライブライン５２ａの垂直クラック５３ａの向かい合う端面同士が圧接し、第１スクライブライン５２ａが見かけ上部分的に消失する。予備加熱におけるレーザビームＬＢの照射条件としては、脆性材料基板５０が加熱により膨張して第１スクライブライン５２ａの向かい合う端面同士が圧接する範囲において限定はなく、脆性材料基板５０の材質や第１スクライブライン５２ａの垂直クラック５３ａの深さなどから適宜決定すればよい。例えば、出力１００〜２００ＷのレーザビームＬＢを用いる場合には相対速度は２００〜５００ｍｍ／ｓｅｃの範囲が通常好ましい。また、予備加熱する部分の、第１スクライブライン５２ａに平行な方向の長さ、すなわちレーザビームＬＢの照射幅Ｗ（図５を参照）は１〜５ｍｍの範囲が好適である。

なお、レーザビームＬＢによる予備加熱は、第１スクライブライン５２ａと第２スクライブ予定ライン５１ｂとの交差部分を少なくとも加熱すればよく、第２スクライブ予定ライン５１ｂの全てにわたって加熱する必要はない。第１スクライブライン５２ａと第２スクライブ予定ライン５１ｂとの交差部分のみを予備加熱する場合には、レーザビームの出力をオンオフ制御し、脆性材料基板５０を相対移動させながら前記交差部分に達したときのみレーザビームＬＢの出力をオンすればよい。

また、予備加熱の熱源としては、レーザビームＬＢに限定されるものではなく、赤外線など従来公知の加熱手段を用いることができるが、短時間で微小範囲を効率的に加熱できることからレーザビームＬＢによる加熱が好ましい。

次いで図３（ｃ）に示すように、第３工程として、第１スクライブライン５２ａに直交する第２スクライブ予定ライン５１ｂに沿って、レーザビームＬＢ及び冷却ノズル３７を相対的に移動させることによって第２スクライブライン５２ｂを形成する。ここで、従来は、第２スクライブライン５２ｂが、第１スクライブライン５２ａとの交差点から先に進展しないか、第２スクライブ予定ライン５１ｂから外れて進展していたが、本発明の割断方法では、第２工程において交差部分を加熱し、脆性材料基板５０を熱膨張させることによって第１スクライブライン５２ａの向かい合う端面同士を圧接させているので、第２スクライブライン５２ｂは、第１スクライブライン５２ａとの交差点を越えて第２スクライブ予定ライン５１ｂに沿って先に進展するようになる。第２スクライブライン５２ｂの形成条件としては、第１スクライブライン５２ａの形成条件と同じ条件がここでも挙げられる。

次に、図４（ｄ）に示すように、第４工程として、第２スクライブライン５２ｂに沿ってレーザビームＬＢを再度照射する。これによって垂直クラック５３ｂが基板厚み方向に進展し、第２スクライブライン５２ｂで基板５０が割断される。なお、垂直クラック５３ｂは、外力を加えることなく基板５０が割断される深さにまで進展していればよく、必ずしも基板５０の反対面側に到達している必要はない。

垂直クラック５３ｂを基板厚み方向に進展させるためのレーザビームＬＢの照射条件は、基板５０の厚みや垂直クラック５３ｂの深さなどから適宜決定すればよいが、通常は前述の第２スクライブライン５２ｂを形成するときの照射条件がここでも例示される。また、レーザビームＬＢの相対移動方向は、第２スクライブライン５２ｂを形成する場合と逆方向とするのが好ましい。

次いで、同図（ｅ）に示すように、第１スクライブライン５２ａに沿ってレーザビームＬＢを再度照射する。これによって垂直クラック５３ａが基板厚み方向に進展し、第１スクライブライン５２ａで基板５０が割断される。進展後の垂直クラック５３ａの、基板厚み方向の深さは、垂直クラック５３ｂの場合と同様に、外力を加えることなく基板５０が割断される深さにまで進展していればよく、必ずしも基板５０の反対面側に到達している必要はない。

垂直クラック５３ａを基板厚み方向に進展させるためのレーザビームＬＢの照射条件は、基板５０の厚みや垂直クラック５３ａの深さなどから適宜決定すればよいが、通常は前述の第１スクライブライン５２ａを形成するときの照射条件がここでも例示される。また、レーザビームＬＢの相対移動方向は、第１スクライブライン５２ａを形成する場合と逆方向とするのが好ましい。

なお、図４（ｄ），（ｅ）に示した、第１スクライブライン５２ａ及び第２スクライブライン５２ｂに沿って脆性材料基板５０の割断する第４工程は、第１スクライブライン５２ａを割断した後、第２スクライブライン５２ｂを割断してもよいが、前記実施形態のように第２スクライブライン５２ｂを割断した後、第１スクライブライン５２ａを割断するのが好ましい。また、第４工程における脆性材料基板の割断は、レーザビームＬＢの再照射による割断に限定されるものではなく、脆性材料基板５０の表面に対して略垂直方向に外力を加えて機械的に割断する方法など従来公知の方法を用いることができる。

本発明の割断方法を適用できる脆性材料基板５０としては特に限定はなく、ガラス、セラミック、シリコン、サファイア等の従来公知の脆性材料基板が挙げられる。これらの中でも、表面圧縮応力が大きく、クロススクライブが困難とされている化学強化ガラスや風冷強化ガラスなどの強化ガラス基板に本発明の割断方法は好適に適用できる。また、本発明の割断方法を適用できる脆性材料基板５０の厚みとしては、脆性材料基板５０の材質等によって異なるが、脆性材料基板５０がガラス基板の場合にはおおよそ２ｍｍ程度の厚さまでである。

以上、説明した各実施形態では第１スクライブライン５２ａと第２スクライブライン５２ｂとを各１本形成して基板を割断していたが、大面積の基板５０に第１スクライブライン５２ａ及び第２スクライブライン５２ｂをそれぞれ複数本の形成して、多数個の小面積基板に割断する場合も本発明の割断方法は当然ながら適用できる。また、本発明の割断方法は、２つのスクライブラインを直交させる場合の他、所望の角度で交差させる場合にももちろん適用できる。

実施例１
図１に示した割断装置を用いて、厚さ０．５５ｍｍの化学強化ガラス基板にレーザ照射及び冷却を行って第１スクライブラインを形成した（第１工程）。レーザ照射及び冷却の具体的条件は下記の通りである。次に、第１スクライブラインに直交する第２スクライブ予定ラインに沿ってレーザ照射を行い予備加熱を行った。予備加熱におけるレーザ照射条件は、第１スクライブラインを形成する際のレーザ照射条件と同じである。その後、第２スクライブ予定ラインに沿ってレーザ照射及び冷却を行って第２スクライブラインを形成した（第３工程）。第２スクライブライン形成におけるレーザ照射及び冷却の具体的条件は第１スクライブラインを形成する際のレーザ照射及び冷却の条件と同じである。
（第１スクライブライン及び第２スクライブラインのレーザ照射及び冷却条件）
レーザビーム：ＣＯ_２レーザ
レーザ出力：２００Ｗ〜２５０Ｗ
相対移動速度：１３０ｍｍ／ｓｅｃ〜１５０ｍｍ／ｓｅｃ

（結果）
図６に、第１スクライブラインと第２スクライブラインの交差点部分の光学顕微鏡写真を示す。同図（ａ）は第１スクライブラインの形成後、同図（ｂ）は予備加熱後、同図（ｃ）は第２スクライブラインの形成後である。同図（ｂ）から理解されるように、第１スクライブライン形成後、第２スクライブ予定ラインに沿って予備加熱を行うと、第１スクライブラインの予備加熱が行われた部分は、垂直クラックが見かけ上消失した。そして、同図（ｃ）から明らかなように、第２スクライブ予定ラインに沿ってレーザ照射及び冷却を行うと、第２スクライブラインは、第１スクライブラインの交差点を越えて第２スクライブ予定ラインに沿って形成された。

比較例１
予備加熱を行わなかった以外は実施例１と同様にして第１スクライブライン及び第２スクライブラインを形成しようとしたところ、第２スクライブラインの形成工程において、第１スクライブラインとの交差部分から垂直クラックが第２スクライブ予定ラインから外れて進展した。図７に、第２スクライブ予定ラインから外れて垂直クラックが進展した基板の写真を示す。

本発明の割断方法によれば、特別な機構を備えた切断装置を用いることなく、互いに交差する２方向に脆性材料基板を割断できるようになる。

３７ 冷却ノズル
５０ 脆性材料基板
５１，５１ａ，５１ｂ 割断予定ライン
５２ スクライブライン
５２ａ 第１スクライブライン
５２ｂ 第２スクライブライン
５３，５３ａ，５３ｂ 垂直クラック
ＬＢ レーザビーム

Claims (4)

1. 脆性材料基板に対してレーザビームを相対移動させながら照射して、前記基板を溶融温度未満に加熱した後、前記基板に対して冷却媒体を吹き付けて冷却し、前記基板に生じた熱応力によって、垂直クラックからなる第１スクライブラインを形成する第１工程と、第１スクライブラインの、第２スクライブ予定ラインとの交差部分を前記基板の溶融温度未満に予備加熱する第２工程と、第１スクライブラインと同様にして、第１スクライブラインと交差する第２スクライブラインを形成する第３工程と、第１スクライブライン及び第２スクライブラインに沿って前記基板を割断する第４工程とを含むことを特徴とする脆性材料基板の割断方法。
2. 前記予備加熱をレーザビームの照射によって行う請求項１記載の割断方法。
3. 前記予備加熱する部分の、第１スクライブラインに平行な方向の長さが１〜５ｍｍの範囲である請求項１又は２記載の割断方法。
4. 前記脆性材料基板が強化ガラス基板である請求項１〜３のいずれかに記載の割断方法。