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Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der am 11. November 2004 eingereichten
koreanischen Patentanmeldung Nr. P2004-89702 , die hiermit durch Bezugnahme so eingeschlossen wird, als sei sie hier vollständig dargelegt.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Flüssigkristalldisplays (LCD), und spezieller betrifft sie ein Verfahren zum Zerteilen eines Substrats unter Verwendung eines Femtosekundenlasers, wodurch eine Verbesserung der Produktivität erzielt werden kann.
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Erörterung der einschlägigen Technik
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Einhergehend mit der schnellen Entwicklung auf Gebieten der Informationskommunikation erlangen Displays Bedeutung, die dazu ausgebildet sind, gewünschte Information anzuzeigen. Unter derartigen Informationsdisplays haben Kathodenstrahlröhren (CRTs) aufgrund ihrer Eigenschaften, zu denen die Reproduzierbarkeit verschiedener Farben und hervorragende Schirmhelligkeit gehören, dauerhaft Beliebtheit erfahren.
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Aufgrund der jüngeren Nachfrage nach tragbaren Displays mit großen Abmessungen und hoher Auflösung finden Flachtafeldisplays hohe Nachfrage, um CRTs zu ersetzen, die schwer und voluminös sind.
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Flachtafeldisplays sind innerhalb eines großen und diversifizierten Bereichs von Anwendungen von industriellen und Verbraucheranwendungen bis zu Anwendungen in Luft- und Raumfahrzeugen von Nutzen.
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Aktuell existieren mehrere Typen kommerziell verfügbarer Flachtafeldisplays wie LCDs, Elektrolumineszenzdisplays (ELDs), Feldemissionsdisplays (FEDs), Plasmadisplaytafeln (PDPs) und dergleichen.
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Zum Herstellen von Flachtafeldisplays gehört im Allgemeinen eine Vereinzelung, oder Unterteilung, eines zerbrechlichen Substrats in Einheitselemente unter Verwendung eines Zerteilprozesses. Normalerweise ist eine Anzahl von Einheitselementen, wie Halbleiterchips in einem Matrixarray auf dem zerbrechlichen Substrat hergestellt, um große integrierte Schaltkreise herzustellen.
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Die bei Flachtafeldisplays verwendeten zerbrechlichen Substrate werden typischerweise aus Glas, Silicium oder Keramik hergestellt. Es existieren zwei repräsentative Verfahren, wie sie beim Zerteilprozess zum Zerteilen des zerbrechlichen Substrats verwendet werden, nämlich ein Schneidverfahren und ein Ritzverfahren. Beim Schneidverfahren werden unter Verwendung einer Diamantklinge mit einer Dicke von 50 bis 200 μm durch Drehen derselben mit hoher Drehzahl Rillen in ein Substrat geschnitten. Beim Ritzverfahren werden unter Verwendung eines Ritzrads aus Diamant Rillen in eine Oberfläche des Substrats geschnitten, um in der Dickenrichtung desselben einen Riss auszubilden. Der Diamant verfügt normalerweise über eine Dicke von 0,6 bis 2,0 mm.
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Das Schneidverfahren ist dazu geeignet, ein Substrat, das an einer seiner Oberflächen mit einem Dünnfilm oder einem konvexen Abschnitt versehen ist, zu zerteilen, da eine sehr dünne Klinge verwendet wird. Beim Schneidverfahren wird aus Wärme im Bereich, in dem die Klinge das Substrat zerschneidet, Wärme erzeugt. Ferner wird, da der Schneidprozess mit dem Schnittbereich zugeführtem Kühlwasser ausgeführt wird, das Schneidverfahren nicht als Verfahren angesehen, das für ein Flachtafeldisplay geeignet wäre, das Metallabschnitte wie Metallelektrodenschichten oder Metallanschlüsse enthält.
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Häufig ist es schwierig, das Kühlwasser nach dem Schneidprozess völlig zu entfernen. Wenn Feuchtigkeit vom Kühlwasser her nicht vollständig entfernt wird, können die Metallabschnitte des Flachtafeldisplays erodieren oder rosten. Ferner benötigt das Schneidverfahren typischerweise mehr Zeit als das Ritzverfahren, wodurch die Produktivität und die Herstelleffizienz abnehmen.
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Kühlwasser ist nicht erforderlich, wenn ein Substrat unter Verwendung des Ritzverfahrens zerteilt wird, was das Ritzverfahren zu einem effizienteren Prozess als das Schneidverfahren macht.
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Die 1 ist eine Schnittansicht unter Veranschaulichung eines üblichen LCD. Dieses LCD wird gemäß dem folgenden Verfahren hergestellt. Der Einfachheit halber erfolgt die folgende Beschreibung nur in Zusammenhang mit einem Pixelbereich, obwohl für diese Beschreibung die Herstellung aller Pixelbereich typisch ist.
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Wie es in der 1 dargestellt ist, wird als Erstes in einem vorbestimmten Bereich auf einem ersten transparenten Substrat 10 eine Gateelektrode 11 aus einem leitenden Material wie Metall, hergestellt. Dann wird auf die gesamte Oberfläche des ersten Substrats 10 mit der Gateelektrode 11 ein Gateisolierfilm 12 aus Siliciumnitrid (SiNx) oder Siliciumoxid (SiO2) aufgetragen.
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Danach wird in einem der Gateelektrode 11 entsprechenden Bereich eine aktive Schicht 13 aus amorphem Silicium auf dem Gateisolierfilm 12 platziert. Auf der aktiven Schicht 13 wird in jeweiligen Seitenrandabschnitten der aktiven Schicht 13 entsprechenden Bereichen eine ohmsche Kontaktschicht 14 hergestellt. Diese ohmsche Kontaktschicht 14 wird aus dotiertem, amorphem Silicium hergestellt.
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Anschließend werden auf die ohmsche Kontaktschicht 14 Source- und Drainelektroden 15 und 16 aus einem leitenden Material wie Metall aufgebracht. Die Source- und Drainelektroden 15 und 16 bilden gemeinsam mit der Gateelektrode 11 einen Dünnschichttransistor T.
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Indessen ist, was nicht dargestellt ist, die Gateelektrode 11 mit einer Gateleitung verbunden und die Sourceelektrode 15 ist mit einer Datenleitung verbunden. Die Gateleitung und die Datenleitung schneiden einander und bilden einen Pixelbereich.
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Dann wird auf der gesamten Oberfläche des ersten Substrats 10 mit den Source- und Drainelektroden 15 und 16 ein Schutzfilm 17 hergestellt. Dieser Schutzfilm 17 wird aus Siliciumnitrid, Siliciumoxid oder einem organischen Isoliermaterial hergestellt. Der Schutzfilm 17 verfügt über ein Kontaktloch 18, durch das ein vorbestimmter Teil der Oberfläche der Drainelektrode 16 freigelegt ist.
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Danach wird im Pixelbereich auf den Schutzfilm 17 eine Pixelelektrode 19 aufgetragen, die aus einem transparenten, leitenden Material besteht. Die Pixelelektrode 19 ist durch das Kontaktloch 18 mit der Drainelektrode 16 verbunden.
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Dann wird auf der gesamten Oberfläche des ersten Substrats 10 mit der Pixelelektrode 19 ein erster Ausrichtungsfilm 20 hergestellt. Der erste Ausrichtungsfilm 20 besteht z. B. aus Polyimid, und er verfügt über eine Oberfläche, auf der seine Moleküle in einer vorbestimmten Richtung ausgerichtet sind.
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Indessen wird ein zweites transparentes Substrat 31 mit einem vorbestimmten vertikalen Abstand gegen das Substrat 10 über diesem angeordnet.
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Auf der Unterseite des zweiten Substrats 31 ist in einem dem Dünnschichttransistor T des ersten Substrats 10 entsprechenden Bereich eine Schwarzmatrix 32 ausgebildet. Obwohl es nicht dargestellt ist, bedeckt die Schwarzmatrix 32 auch einen anderen Bereich als die Pixelelektrode 19.
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Dann wird auf dem zweiten Substrat 31 unter der Schwarzmatrix 32 ein Farbfilter 33 hergestellt. In der Praxis werden Farbfilter in Form wiederholter Filtermuster für Rot (R), Grün (G) und Blau (B), von denen jedes einem Pixelbereich entspricht, angeordnet.
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Anschließend wird auf dem zweiten Substrat 31 unter dem Farbfilter 33 eine gemeinsame Elektrode 34 aus einem transparenten, leitenden Material hergestellt. Dann wird auf dem zweiten Substrat 31 unter der gemeinsamen Elektrode 34 ein zweiter zerteilen 35 hergestellt. Dieser zweite Ausrichtungsfilm 35 besteht z. B. aus Polyimid, und er verfügt über eine Oberfläche, auf der seine Moleküle in einer vorbestimmten Richtung ausgerichtet sind. Zwischen dem ersten Ausrichtungsfilm 20 und dem zweiten Ausrichtungsfilm 35 wird eine Flüssigkristallschicht 40 dicht eingeschlossen.
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Das oben beschriebene LCD wird unter Verwendung der folgenden Prozesse hergestellt: eines Arraysubstrat-Herstellprozesses, zu dem die Herstellung von Dünnschichttransistoren und Pixelelektroden auf einem Substrat zum Herstellen eines Arraysubstrats gehört; eines Farbfiltersubstrat-Herstellprozesses, zu dem das Herstellen von Farbfiltern und einer gemeinsamen Elektrode auf einem anderen Substrat zum Herstellen eines Farbfiltersubstrats gehört; und eines Flüssigkristalltafel-Herstellprozesses, zu dem die Anordnung der zwei hergestellten Substrate, das Einfüllen und das dichte Einschließen eines Flüssigkristallmaterials sowie das Anbringen von Polarisationsplatten zum Herstellen einer Flüssigkristalltafel gehören.
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Die 3 ist ein Flussdiagramm zum Veranschaulichen eines üblichen LCD-Herstellverfahrens.
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Gemäß diesem Verfahren werden als Erstes ein Dünnschichttransistor(TFT)-Arraysubstrat mit TFTs sowie ein Farbfiltersubstrat mit Farbfiltern hergestellt (S1), wie es in der 2 dargestellt ist.
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Das TFT-Arraysubstrat wird dadurch hergestellt, dass die Prozesse des Abscheidens eines Dünnfilms und des Strukturierens desselben wiederholt ausgeführt werden. In diesem Fall repräsentiert die Anzahl der zum Strukturieren der Dünnfilme bei der Herstellung des TFT-Arrays verwendeten Masken die Anzahl der bei der Herstellung desselben verwendete Prozesse. Aktuell wird daran geforscht, die Anzahl der Masken zu verringern und so die Herstellkosten zu senken.
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Das Farbfiltersubstrat wird dadurch hergestellt, dass sequenziell eine Schwarzmatrix zum Verhindern des Ausleckens von Licht durch einen anderen Bereich als aus Pixelbereichen, Farbfilter für R, G und B sowie eine gemeinsame Elektrode hergestellt werden. Die Farbfilter können unter Verwendung eines Einfärbeverfahrens, eines Druckverfahrens, eines Pigmentdispersionsverfahrens, eines Elektroabscheidungsverfahrens und dergleichen hergestellt werden. Aktuell wird am häufigsten das Pigmentdisperionsverfahren verwendet. Anschließend wird auf jedem Substrat ein Ausrichtungsfilm hergestellt, um eine anfängliche Ausrichtung von Flüssigkristallmolekülen zu bestimmen (S2).
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Die Herstellung des Ausrichtungsfilms erfolgt unter Verwendung eines Prozesses zum Auftragen eines Polymer-Dünnfilms und zum Behandeln der Oberfläche desselben in solcher Weise, dass die Moleküle desselben auf der behandelten Fläche in einer vorbestimmten Richtung orientiert sind. Im Allgemeinen werden für den Ausrichtungsfilm hauptsächlich organische Materialien auf Polyimid-Basis verwendet. Für das Ausrichtungsverfahren wird im Allgemeinen ein Reibeverfahren verwendet.
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Gemäß dem Reibeverfahren wird der Ausrichtungsfilm unter Verwendung eines Reibetuchs in einer vorbestimmten Richtung gerieben. Dieses Reibeverfahren ist zur Massenherstellung geeignet, da es möglich ist, auf einfache Weise eine Behandlung zur Ausrichtung zu erzielen. Auch zeigt das Reibeverfahren Vorteile einer stabilen Ausrichtung und einer einfachen Steuerbarkeit des Vorkippwinkels.
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Es wurde auch ein optisches Ausrichtungsverfahren entwickelt und verwendet, mit dem eine Ausrichtung unter Verwendung polarisierter Strahlen erzielt wird.
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Als Nächstes wird auf einem der zwei Substrate ein Abdichtmuster hergestellt (S3). Dieses Abdichtmuster ist um einen Bereich, in dem ein Bild angezeigt wird, herum angeordnet. Das Abdichtmuster verfügt über eine Öffnung zum Einfüllen eines Flüssigkristallmaterials, und es dient dazu, zu verhindern, dass das eingefüllte Flüssigkristallmaterial ausleckt.
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Das Abdichtmuster wird dadurch hergestellt, dass eine durch Wärme härtbare Harzschicht mit einem vorbestimmten Muster aufgetragen wird. Beim Herstellen des Abdichtmusters wird ein Siebdruckverfahren unter Verwendung einer Siebmaske verwendet. Alternativ kann auch ein Verfahren unter Verwendung eines Abdichtmaterialspenders verwendet werden.
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Das Siebdruckverfahren zeigt den Nachteil, dass Erzeugnisse schlechter Qualität hergestellt werden können, wenn die Siebmaske mit dem Ausrichtungsfilm in Kontakt gelangt. Ferner wird der Siebmaskenprozess bei erhöhten Substratgrößen schwieriger und fehleranfällig. Daher wird das Verfahren mit einem Abdichtmittelspender häufiger verwendet, da es nicht die Nachteile des Siebdruckverfahrens zeigt.
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Anschließend werden Abstandshalter mit vorbestimmter Größe auf das TFT-Arraysubstrat oder das Farbfiltersubstrat aufgesprüht, um zwischen diesen beiden Substraten einen genauen und gleichmäßigen Zwischenraum aufrecht zu erhalten (S4).
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Zum Aufsprühen der Abstandshalter wird ein Nasssprühverfahren verwendet, zu dem das Aufsprühen der mit Alkohol vermischten Abstandshalter gehört. Außerdem kann ein Trockensprühverfahren verwendet werden, bei dem Abstandshalter ohne Alkohol aufgesprüht werden. Es existieren zwei Typen von Trockensprühverfahren, nämlich ein elektrostatisches Sprühverfahren unter Verwendung statischer Elektrizität sowie ein Ionensprühverfahren unter Verwendung von Druckgas. Da LCDs schwach gegenüber statischer Elektrizität sind, ist das Ionensprühverfahren bevorzugt.
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Anschließend werden die zwei Substrate des LCD, d. h. das TFT-Arraysubstrat und das Farbfiltersubstrat, so angeordnet, dass sich das Abdichtmuster zwischen ihnen befindet. In diesem Zustand wird das Abdichtmuster unter Druck ausgehärtet, um die Substrate zu verbinden (S5). In dieser Ausrichtung sind die Ausrichtungsfilme der Substrate einander zugewandt, und die Pixelelektroden und die Farbfilter entsprechen einander in eineindeutiger Beziehung. Als Nächstes werden die verbundenen Substrate zu Flüssigkristalltafeln zerteilt oder vereinzelt (S6).
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Im Allgemeinen werden mehrere Flüssigkristalltafeln, von denen jede ein LCD bildet, auf einer Substratlage ausgebildet, und sie werden dann in einzelne Tafeln zerteilt. Dies erfolgt zum Verbessern der Herstelleffizienz und zum Senken der Herstellkosten.
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Zum Flüssigkristalltafel-Zerteilprozess gehören ein Ritzprozess zum Ausbilden eines Risses in einer Oberfläche jedes Substrats unter Verwendung eines Ritzrads aus einem Diamantmaterial mit einer größeren Härte als der des Substrats, das aus Glas oder ähnlichen Materialien bestehen kann, und ein Zerbrechprozess mit Positionierung eines Zerbrechstabs im Teil des Substrats, wo der Riss ausgebildet ist. Nachdem der Zerbrechstab auf dem Substrat positioniert wurde, wird ein vorbestimmter Druck auf ihn ausgeübt, um dadurch das Substrat in der Richtung entlang der sich der Riss erstreckt, zu zerteilen.
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Anschließend wird zwischen die zwei Substrate jeder Flüssigkristalltafel ein Flüssigkristallmaterial eingefüllt (S7). Häufig wird ein Vakuumeinfüllverfahren zum Einfüllen des Flüssigkristalls verwendet, bei dem die Druckdifferenz zwischen dem inneren und dem äußeren der Flüssigkristalltafel genutzt wird. Im in das Innere der Flüssigkristalltafel initiierten Flüssigkristall können Mikroluftblasen vorhanden sein, die bewirken, dass die Flüssigkristalltafel schlechte Qualität zeigt. Um ein solches Problem zu verhindern, ist es erforderlich, einen Blasenentfernungsprozess auszuführen, bei dem der Flüssigkristall für längere Zeit zum Entfernen von Blasen in einem Vakuumzustand gehalten wird.
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Nach Abschluss des Einfüllens des Flüssigkristalls wird die Einfüllöffnung dicht verschlossen, um zu verhindern, dass der Flüssigkristall durch sie nach außen ausleckt. Die Einfüllöffnung wird dadurch dicht verschlossen, dass sie mit einem durch Ultraviolettstrahlung härtbaren Harz bedeckt wird und das aufgetragene Harz durch Ultraviolettstrahlung bestrahlt wird, wodurch das aufgetragene Harz aushärtet. Als Nächstes werden Polarisationsplatten (S8) an den Außenflächen der Flüssigkristalltafel angebracht, und schließlich werden Treiberschaltungen mit ihr verbunden.
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Nun werden unter Bezugnahme auf die Figuren eine herkömmliche Substrat-Zerteilvorrichtung und ein herkömmliches Substrat-Zerteilverfahren beschrieben.
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Die 3 ist eine schematische Ansicht zum Veranschaulichen einer herkömmlichen Ritzvorrichtung. Die herkömmliche Ritzvorrichtung verfügt über einen Tisch 51, auf den ein Substrat G gelegt wird, und eine Vakuumspanneinheit, die so ausgebildet ist, dass sie das Substrat G am Tisch 51 fixiert. Außerdem verfügt die herkömmliche Ritzvorrichtung über und ein Paar paralleler Führungsschienen 52 zum schwenkbaren Lagern des Tischs 51 in einem Lagerungszustand, der es ermöglicht, ihn in einer Y-Achsenrichtung zu verstellen. Die Ritzvorrichtung verfügt auch über eine Kugelspindel 53 zum Verstellen des Tischs 51 entlang den Führungsschienen 52, eine über dem Tisch 51 in solcher Weise installierte Führungsstange 54, dass sich diese in einer X-Achsenrichtung erstreckt, und einen Ritzkopf 55, der in solcher Weise an der Führungsstange 54 montiert ist, dass er entlang dieser in der X-Achsenrichtung verschiebbar ist. Die Ritzvorrichtung verfügt ferner über einen Motor 56 zum Verschieben des Ritzkopfs 55, einen Spitzenhalter 57, der am unteren Ende des Ritzkopfs 55 sowohl vertikal verstellbar als auch verdrehbar montiert ist, und ein Ritzrad 1, das am unteren Ende des Spitzenhalters 57 montiert ist.
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Beim herkömmlichen Substrat-Zerteilverfahren unter Verwendung der oben angegebenen Ritzvorrichtung wird ein Riss mit vorbestimmter Tiefe in einem zu zerteilenden Substrat, auf Grundlage der Drehung des Ritzrads 1, ausgebildet. Das Substrat mit dem Riss wird dann in eine Zerbrechvorrichtung geliefert, die unter Verwendung eines Zerbrechstabs Druck entlang dem Riss auf das Substrat ausübt, um es zu zerteilen.
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Die 4 und 5 sind schematische Ansichten zum Veranschaulichen des Ritz- bzw. des Zerbrechprozesses beim herkömmlichen Substrat-Zerteilverfahren. Beim in der 4 veranschaulichten Ritzprozess gelangt ein Ritz- oder Schneidrad 82 mit der Oberfläche eines Substrats 81 in Kontakt. Das Ritzrad 82 wird entlang dem Substrat 81 gedreht, während ein Druck von ungefähr 2,40 kgf/cm2 auf das Substrat 81 ausgeübt wird, wodurch ein Riss 83 mit vorbestimmter Tiefe in der Oberfläche des Substrats 81 entlang der Bahn des Ritzrads 82 erzeugt wird.
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Als Nächstes wird entlang dem mit vorbestimmter Tiefe in der Oberfläche des Substrats 81 ausgebildeten Riss 83 ein Zerbrechprozess zum Zerteilen des Substrate 81 ausgeführt. Wie es in der 5 dargestellt ist, wird ein Zerbrechstab 84 entlang der Linie des Risses 83 auf dem Substrat 81 angeordnet. Derjenige Teil des Zerbrechstabs 84, der mit dem Substrat 81 in Kontakt steht, besteht aus einem Material wie Urethankautschuk, das ausreichend hart ist, jedoch keine Kratzer in der Oberfläche des Substrats 81 erzeugt.
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Mit dem Brechstab 84 wird momentan Druck auf das Substrat 81 ausgeübt, was dafür sorgt, dass sich der Riss 83 ausweitet und das Substrat entlang der Risslinie zerteilt wird.
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Danach wird ein Schleifprozess unter Verwendung eines Schleifsteins mit vorbestimmter Korngröße ausgeführt, um die Schnittflächen und Ecken des Substrats, die sich während des Ritz- und des Zerbrechprozesses bildeten, zu schleifen.
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Dieses herkömmliche Substrat-Zerteilverfahren zeigt verschiedene Probleme oder Nachteile. Ein Hauptnachteil besteht darin, dass das zum Zerteilen des Substrates verwendete Ritzrad teuer ist und eine kurze Lebensdauer aufweist, was einen periodischen Austausch desselben erfordert. Die Ritzräder sind relativ teuer, und die Austauschkosten bilden einen großen Prozentsatz der Herstellkosten der Einheiten. Aus diesem Grund kommt es zu einer Erhöhung der Herstellkosten.
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US 2002/0115235 A1 beschreibt ein Substratschneideverfahren, bei dem ein Halbleiterwaver mittels ultrakurzer Laserstrahlpulse mit einer Pulsbreite von nicht mehr als einer Pikosekunde geschnitten wird, um einzelne Chips zu erhalten. Das Substrat wird dabei auf einem Tisch positioniert und in X- und Y-Richtung verschoben, wobei der Laserstrahl mit Hilfe einer Linse gebündelt ist.
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US 2002/0177288 A1 beschreibt ein Verfahren zum Zerteilen von Halbleiterwavern mit hochenergetischen Laserstrahlern (KrF, Nd:YAG), bei dem eine Kamera neben der Laservorrichtung angeordnet ist, um die Positionierung des Laserstrahls auf dem Waver zu steuern.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zerteilen einen Substrats für ein montiertes LCD-Modul anzugeben, bei denen die Zerteilposition mittels einer CCD-Kamera überwacht werden kann, um eine hohe Schnittqualität zu erreichen.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die beigefügten Zeichnungen, die enthalten sind, um für ein weiteres Verständnis der Erfindung zu sorgen, und die in diese Anmeldung eingeschlossen sind und einen Teil derselben bilden, veranschaulichen mindestens eine Ausführungsform der Erfindung und sie dienen gemeinsam mit der Beschreibung dazu, das Prinzip der Erfindung zu erläutern. In den Zeichnungen ist Folgendes dargestellt:
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1 ist eine Schnittansicht zum Veranschaulichen eines üblichen LCD;
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2 ist ein Flussdiagramm zum Veranschaulichen eines üblichen LCD-Herstellverfahrens;
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3 ist eine schematische Ansicht zum Veranschaulichen einer herkömmlichen Ritzvorrichtung;
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4 und 5 sind schematische Ansichten zum Veranschaulichen eines Ritz- bzw. eines Zerbrechprozesses beim herkömmlichen Substrat-Zerteilverfahren;
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6 ist eine schematische Ansicht zum Erläutern eines Verfahrens zum Zerteilen eines Substrats unter Verwendung eines Femtosekundenlasers gemäß der Erfindung; und
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7 ist eine Fotografie, die den Zerteilzustand des Substrats zeigt, nachdem der Substrat-Zerteilprozess unter Verwendung des Femtosekundenlasers gemäß der Erfindung ausgeführt wurde.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Nun wird detailliert auf die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, zu denen in den beigefügten Zeichnungen Beispiele veranschaulicht sind. Wo immer es möglich ist, werden in allen Zeichnungen dieselben Bezugszahlen dazu verwendet, dieselben oder ähnliche Teile zu kennzeichnen.
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Im Allgemeinen erfolgt eine Ablation oder ein Schneidvorgang durch einen Laser beim Herstellen von Elementen mit hoher Präzision. Es werden Hochgeschwindigkeitslaserpulse verwendet, da diese eine Beschädigung des Substrats um den Bereich herum verringern, in dem die Laserpulse aufgestrahlt werden. Aufgrund dieses Vorteils bei der Verwendung von Lasern mit Hochgeschwindigkeitspulsen werden bei Anwendungen, bei denen Substratschnitte hoher Genauigkeit erforderlich sind, allgemein Lasermaschinen unter Verwendung eines YAG-Lasers oder eines Excimerlasers mit hoher Pulsgeschwindigkeit in der Größenordnung von Nanosekunden, d. h. 10–9 m/s verwendet. Diese Maschinen werden als ”Nanosekundenlaser-Maschinen” bezeichnet.
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Jedoch sind YAG-Lasermaschinen, bei denen ein Aluminiumoxid zum Erzeugen eines Lasers künstlich kristallisiert ist, problematisch, da durch einen YAG-Laser bearbeitete Seitenwände die Tendenz zeigen, rau zu sein. Kohledioxidlaser auf Infrarotbasis bilden häufig im Krater im bearbeiteten Bereich. Daher können Ca2-Laser nicht für einen Mikrobearbeitungsprozess verwendet werden, der eine Genauigkeit in Mikrometer-Größenordnung oder höher erfordert.
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Die oben beschriebenen Lasermaschinen werden häufig als ”thermische Lasermaschinen” bezeichnet, da die Bearbeitung unter Verwendung thermischer Energie, die durch Umwandlung aus optischer Energie entstand, ausgeführt wird. Es ist schwierig, unter Verwendung dieser Maschinen eine genaue Bearbeitung zu erzielen, da die bearbeitete Struktur leicht zusammenfallen kann, wenn thermische Lasermaschinen verwendet werden.
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Andererseits erfolgt im Fall eines Excimerlasers ein Sublimatätzvorgang mittels einer optochemischen Reaktion, die für eine Auftrennung kovalenter Bindungen zwischen Kohlenstoffatomen sorgt. Unter Verwendung dieses Prozesses ist eine sehr genaue Bearbeitung möglich. D. h., dass dann, wenn ein Excimerlaser auf die Oberfläche eines zu bearbeitenden Objekts gestrahlt wird, die bestrahlte Oberfläche des Objekts durch Ausbilden eines Plasmas und einer Stoßstörung dissipiert.
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Jedoch wird die Energie eines Excimerlasers nicht vollständig zum Aufbrechen der kovalenten Bindungen von Kohlenstoffatomen genutzt. Stattdessen wird ein Teil der Excimerlaserenergie in Wärmeenergie gewandelt. Der Effekt der gewandelten Wärmeenergie ist beträchtlich, da die Excimerlaserenergie über hohe Dichte verfügt. Daher ist es schwierig, Mineralmaterialien wie Metall, Keramik, Silicium, Quarz und Glas, die über eine niedrige Fotoabsorptionsrate verfügen, unter Verwendung eines Excimerlasers zu bearbeiten. Die durch einen Excimerlaser erzeugte thermische Verformung beeinflusst die Beständigkeit des bearbeiteten Erzeugnisses beträchtlich, obwohl sie kleiner als diejenige ist, die durch thermische Laserbearbeitung erzeugt wird.
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Andererseits zeigt ein Femtosekundenlaser mit einer Pulsgeschwindigkeit von ungefähr 10–15 m/s hervorragende Eigenschaften, mit denen die oben beschriebenen Probleme gelöst werden können. Es ist möglich, eine sehr hohe Schwingungsdichte der Laserenergie unter Verwendung eines Lasers zu erzielen, der mit einer ultrakurzen Pulsstrahlungsdauer von 1 Pikosekunde (1 × 10–12 m/s) oder kürzer schwingt.
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Wenn ein Laser über eine Fotoenergie von 1 mJ und eine Pulsstrahlungsdauer von 100 Femtosekunden oder kürzer verfügt, erreicht die Energiedichte des Lasers einen Wert von ungefähr 10 Gigawatt. Unter diesen Umständen ist es möglich, nahezu jedes Material genau zu bearbeiten.
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Indessen tritt, wenn ein Laser mit ultrakurzen Pulsen, wie ein Femtosekundenlaser, auf ein zu bearbeitendes Objekt gestrahlt wird, in den Gittern des Materials des Objekts ein Mehrphotoneneffekt auf, der dafür sorgt, dass die Atome innerhalb des Materials angeregt werden. Jedoch ist die Dauer des einfallenden Laserpulses kürzer als die Zeit, die die Photonen dazu benötigen, Wärme an die Gitter um sie herum während der Anregung der Atome zu übertragen. Daher ist es möglich, ein Flüssigkristall ohne die Probleme, die mit anderen Anlagen und Methoden einhergehen, wie thermische Beeinträchtigung, physikalische und chemische Variation der Eigenschaften des Materials durch den Bearbeitungsprozess sowie ein teilweises Schmelzen des bearbeiteten Teils des Objekts, genau zu bearbeiten.
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Darüber hinaus sammeln sich während der Bearbeitung mit einem Femtosekundenlaser keine Teilchen an, und es werden wenige oder keine Nebenprodukte oder Krater erzeugt. Daher ist es, wenn ein Femtosekundenlaser verwendet wird, überflüssig, einen Nebenprodukt-Beseitigungsprozess zu verwenden, wie einen Ultraschall-Reinigungsprozess, wie er bei Verwendung herkömmlicher Zerteilverfahren benötigt wird.
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Außerdem ist es möglich, ein Material mit hohem Wärmeübertragungskoeffizienten oder niedriger Fotoabsorptionsrate zu bearbeiten. Es ist auch möglich, zwei oder mehr verschiedene Materialien oder ein Verbundmaterial mit Mehrschichtstruktur unter Verwendung eines einzelnen Prozesses zu bearbeiten.
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Nachfolgend wird ein Verfahren zum Zerteilen eines Substrats unter Verwendung eines Femtosekundenlasers gemäß der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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Die 6 ist eine schematische Ansicht zum Erläutern des Verfahrens und der Komponenten, wie sie beim zerteilen eines Substrats unter Verwendung eines Femtosekundenlasers gemäß der Erfindung verwendet werden. Es ist eine Erzeugungsvorrichtung für Femtosekundenlaserstrahlung gemäß der Erfindung dargestellt. Die Erzeugungsvorrichtung für Femtosekundenlaserstrahlung verfügt über einen Femtosekundenlaseroszillator 200 zum Erzeugen von Femtosekundenlaserstrahlung 201 und eine Kondensorlinse 210 zum Fokussieren derselben, wie sie vom Femtosekundenlaseroszillator 200 emittiert wird, auf ein zu zerteilendes Substrat 100.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die vom Femtosekundenlaseroszillator 200 mit der oben beschriebenen Konfiguration erzeugte Femtosekundenlaserstrahlung 201 auf das Substrat 100 gestrahlt, um dieses dadurch zu zerteilen.
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Da die Femtosekundenlaserstrahlung 201 über eine kurze Pulsbreite (ungefähr 150 fs) und eine hohe Spitzenleistung pro Puls verfügt, treten um einen Teil des Substrats 100, das während des Zerteilvorgangs zerteilt wird, keine Wärmeexpansion und Erzeugung von Stoßwellen auf.
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Indessen verfügt ein Femtosekundenlaser über andere Eigenschaften als übliche Laser. Ein Femtosekundenlaser verfügt über einen ziemlich weiten Spektralbereich, während typische Laser normalerweise monochromatisch sind.
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Auch wird die Femtosekundenlaserstrahlung mittels der Kondensorlinse 210 verstärkt, und sie verfügt über eine Spitzenleistung in der Größenordnung von Terawatt (1012 Watt), was viel höher als diejenige üblicher Laser ist. In jüngerer Zeit zeigte eine derartige verstärkte Femtosekundenlaserstrahlung eine auf Petawatt (1015 Watt) erhöhte Spitzenleistung. Ein Femtosekundenlaser kann als ”T3-Laser” (Table Top Terawatt Laser = Terawatt-Tischlaser) bezeichnet werden. Es ist möglich, die Dichte der Laserstrahlung dadurch deutlich zu erhöhen, dass sie einfach durch eine Kondensorlinse gebündelt wird. Demgemäß, da nämlich die Laserenergie durch eine Kondensorlinse auf eine kleine Fläche eingegrenzt werden kann, wird das Material im Brennpunkt der Laserstrahlung praktisch momentan in einen Plasmazustand überführt.
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Normalerweise zeigt ein Femtosekundenlaser eine Pulsenergie in der Größenordnung von Mikrojoules (μJ) pro Puls. In einigen Fällen nutzt ein Femtosekundenlaser eine höhere Pulsenergie, in der Größenordnung von Millijoules pro Puls, entsprechend einer mittleren Leistung von ungefähr 1 Watt.
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Normalerweise reagiert ein durch Laserstrahlung erzeugtes Plasma mit dem Laserlicht, um die Laserstrahlung zu absorbieren oder das zu bearbeitende Material zu erwärmen. Im Ergebnis führt ein derartiges Plasma zu verschiedenen Problemen wie erhöhter Erwärmung, instabiler Bearbeitung und einer Beeinträchtigung der Effizienz. Jedoch ändert ein Femtosekundenlaser derartige, durch ein Plasma hervorgerufene Umstände.
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Im Allgemeinen wird Laserenergie seitens des bearbeiteten Materials durch ein Akzeptorelektron aufgenommen. Im Fall eines Metalls ist ein Akzeptor ein freies Elektron in einem Leitungsband oder ein durch Licht in dieses angeregtes Elektron. Das Elektron (Elektronensystem) schwingt aufgrund eines schwingenden elektrischen Felds der Laserstrahlung. Anders gesagt, empfängt das Elektron Energie aus der Laserstrahlung. Das schwingende Elektron trifft auf Atome oder Ionen in den Gittern des Materials (Gittersystem), um kinetische Energie auf die Atome oder Ionen zu übertragen. Diese Energieübertragung sorgt für eine Erhöhung der Materialtemperatur. Im Ergebnis ändert sich die Phase des Materials (durch Schmelzen oder Verdampfen), was ein Bearbeiten des Materials bewirkt.
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Z. B. ist die Zeit, die die Atome des bestrahlten Materials zum Ionisieren benötigen, um so ein Plasma zu erzeugen, länger als die Pulsbreite des Femtosekundenlasers. Demgemäß ist es zu erwarten, dass bei einer Femtosekundenbearbeitung das Plasma nicht mit der Laserstrahlung reagiert. Ferner ist die Zeit, die die im bestrahlten Bereich erzeugte Wärme dazu benötigt, um diesen herum zu diffundieren, länger als die Pulsbreite des Femtosekundenlasers. Die Laserenergie existiert lokal im bestrahlten Bereich, so dass eine Phasenänderung des Materials nur in diesem auftritt.
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Demgemäß wird, wenn ein Substrat unter Verwendung eines Femtosekundenlasers gemäß der Erfindung zerteilt wird, das zerteilen ohne Ausbildung einer durch Wärme beeinflussten Zone um den Bereich herum, in dem das Zerteilen ausgeführt wird, erzielt.
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Nachfolgend wird das Substrat-Zerteilverfahren unter Verwendung eines Femtosekundenlasers gemäß der Erfindung in Zusammenhang mit der Erzeugungsvorrichtung der 6 für Femtosekundenlaserstrahlung detaillierter beschrieben.
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Gemäß diesem Substrat-Zerteilverfahren wird als Erstes ein Substrat 100, das ein mit einer Anzahl von Flüssigkristalltafeln, die in Flüssigkristall-Einheitstafeln zu zerteilen sind, versehenes Muttersubstrat ist, auf einem verstellbaren Tisch (220) angeordnet. Danach wird durch den Femtosekundenlaseroszillator 200 Femtosekundenlaserstrahlung 201 erzeugt.
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Indessen wird, wenn die Femtosekundenlaserstrahlung 201 durch den Femtosekundenlaseroszillator 200 erzeugt wird, die Schnittposition auf dem Substrat unter Verwendung der CCD-Kamera (230) erkannt. Auch wird ein Bild des Substrats 100 angezeigt, um das genaue Zerteilen desselben zu unterstützen.
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Anschließend werden die Intensität und die Dichte der durch den Femtosekundenlaseroszillator 200 erzeugten Femtosekundenlaserstrahlung 201 eingestellt. Die eingestellte Femtosekundenlaserstrahlung 201 wird durch die Kondensorlinse 210 fokussiert und auf eine Zerteilfläche des Substrats 100 gestrahlt. Danach wird das Substrat 100 zerteilt, während der Tisch entsprechend einem Signal von der Steuerung (nicht dargestellt) in einer Richtung verstellt wird. Alternativ wird das Substrat 100 zerteilt, während der Femtosekundenlaseroszillator 200 in einer Richtung bewegt wird, während sich der Tisch in einem fixierten Zustand befindet. Zusätzlich kann eine Überwachungsvorrichtung (nicht dargestellt) vorhanden sein, die es dem Bediener ermöglicht, den Zerteilzustand während des Zerteilprozesses zu überprüfen.
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Die 7 ist eine Fotografie, die den Zerteilzustand des Substrats zeigt, nachdem der Substrat-Zerteilprozess unter Verwendung des Femtosekundenlasers gemäß der Erfindung ausgeführt wurde. Es ist erkennbar, dass das Substrat 100 in einer gewünschten Zerteilrichtung gleichmäßig und genau unter der Bedingung einer Schnittbreite von ungefähr 40 μm eingeschnitten wurde. Dies, da um den Bereich, in dem der Schneidvorgang ausgeführt wurde, herum weder eine Wärmeexpansion noch eine Erzeugung von Stoßwellen auftrat. Demgemäß ist es, wenn ein Substrat unter Verwendung eines Femtosekundenlasers zerteilt wird, möglich, das Substrat ohne Ausbildung von Ablagerungen oder Ausscheidungen an den Rand- und Seitenflächen des zerteilten Substratsabschnitts genau und sauber zu zerteilen.
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Der Fachmann erkennt, dass an der Erfindung verschiedene Modifizierungen und Variationen vorgenommen werden können, ohne vom Grundgedanken oder Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. So soll die Erfindung die Modifizierungen und Variationen derselben abdecken, vorausgesetzt, dass sie in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente fallen.
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Aus der obigen Beschreibung ist es ersichtlich, dass das erfindungsgemäße Substrat-Zerteilverfahren unter Verwendung eines Femtosekundenlasers verschiedene Effekte zeigt. D. h., dass der gemäß der Erfindung verwendete Femtosekundenlaser eine kurze Pulsbreite und eine hohe Spitzenleistung zeigt, so dass um einen Bereich, in dem ein Zerteilen ausgeführt wird, weder eine Wärmeausdehnung noch eine Erzeugung von Stoßwellen auftreten. Außerdem benötigt der Femtosekundenlaser keinen periodischen Austausch eines Ritzrads, wie dies in herkömmlichen Fällen auftrat, wodurch die Herstellkosten gesenkt sind.
