JP2009067612A - 基板分割方法およびレーザ照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマによるクラックの発生を防止すること。
【解決手段】マザー基板Ｗのレーザ光照射方向手前側の表面においてパルスレーザ光のエネルギー密度が、大気中でプラズマが発生するエネルギー密度より低くなるように、パルスレーザ光の集光性を制御するようにした。そのため、マザー基板Ｗの表面でのプラズマの発生を防止でき、プラズマによるクラックの発生を防止できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光を用いて基板を分割する基板分割方法および前記基板分割方法に好適なレーザ照射装置に関する。

従来、この種の技術としては、例えば、基板にレーザ光を照射することで、基板に改質領域を形成し、その後、外力を加えて改質領域の部分で基板を分割するものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−２０５１８０号公報

しかしながら、この従来技術にあっては、レーザ光が空気中の酸素と反応すると、基板表面でプラズマが発生し、基板表面にクラックが発生する可能性がある。そして、基板の分割時や実装時の擦れによってクラックが広がるとともにそこから飛散物が発生し、当該飛散物（異物）で品質問題が生じたり、分割によって形成される基板の強度が低下し、クラックをきっかけに基板が割れたりする可能性がある。
本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであって、プラズマによるクラックの発生を防止可能な基板分割方法およびレーザ照射装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る基板分割方法にあっては、レーザ光を集光して基板に照射することで、基板に改質領域を形成し、その後、外力を加えて改質領域の部分で基板を分割する基板分割方法であって、基板のレーザ光照射方向手前側の表面においてレーザ光のエネルギー密度が、大気中でプラズマが発生するエネルギー密度より低くなるように、レーザ光の集光性を制御することを特徴とする。

このような構成によれば、基板表面でのプラズマの発生を防止でき、プラズマによるクラックの発生を防止できる。
また、本発明に係る基板分割方法にあっては、基板の厚み方向に複数層の改質領域を形成するとともに、基板のレーザ光照射方向手前側の表面付近に改質領域を形成するときには、基板の分割予定位置に沿ってレーザ光を照射することを特徴とする。

このような構成によれば、改質領域に発生する内部応力により、基板の表面において改質領域に対応する箇所に周囲方向への引張り応力を発生させることができ、引張り応力によって基板の表面に分割予定位置に沿う亀裂、つまり、基板の分割時のきっかけとなる裂け目を形成でき、分割後における基板の外形精度を向上させることができる。
さらに、本発明に係る基板分割方法にあっては、基板は、石英または硼珪酸ガラスで形成されていることを特徴とする。
また、本発明に係る基板分割方法にあっては、レーザ光は、フェムト秒レーザ、ピコ秒パルスレーザ、またはＹＡＧレーザであることを特徴とする。
このような構成によれば、基板の分割に適したレーザを用いて基板を分割できる。

さらに、本発明に係るレーザ照射装置にあっては、レーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光源から出射されたレーザ光を集光する集光手段と、集光手段で集光されたレーザ光が基板に改質領域を形成するように、集光手段と基板との相対位置を制御する位置制御手段と、集光手段によるレーザ光の集光性を制御する集光性制御手段と、を備え、集光性制御手段は、基板のレーザ光照射方向手前側の表面においてレーザ光のエネルギー密度が、大気中でプラズマが発生するエネルギー密度より低くなるように、集光手段によるレーザ光の集光性を制御することを特徴とする。
このような構成によれば、基板表面でのプラズマの発生を防止でき、プラズマによるクラックの発生を防止できる。

以下、本発明を、液晶表示パネルを製造する際に、液晶表示パネルが区画形成されたマザー基板を分割するための改質領域の形成工程に適用した実施形態を説明する。
＜レーザ照射装置の構成＞
まず、本実施形態のレーザ照射装置の構成について説明する。
図１は、レーザ照射装置１００の構成を示す構成図である。
レーザ照射装置１００は、図１に示すように、パルスレーザ光を出射するレーザ光源１０１と、出射されたパルスレーザ光を反射するダイクロイックミラー１０２と、反射したパルスレーザ光を集光する集光レンズ１０３と、を備えている。
集光レンズ１０３は、複数枚のレンズの組み合わせで構成されており、それら複数枚のレンズの一部を高さ方向に移動させることで、集光レンズ１０３の収差を調整する収差調整機構１０４を備えている。そして、収差調整機構１０４は、収差を調整することにより、出射されたパルスレーザ光の集光レンズ１０３による集光性を制御する。

また、レーザ照射装置１００は、マザー基板Ｗを載置するステージ１０５と、ステージ１０５を集光レンズ１０３に対して水平面直交２軸方向、すなわち、図１に記載のＸ軸およびＹ軸方向に移動させるＸ軸スライド部１０６およびＹ軸スライド部１０７と、を備えている。さらに、レーザ照射装置１００は、ステージ１０５上に載置されたマザー基板Ｗに対して、集光レンズ１０３の高さ方向、すなわち、図１に記載のＺ軸方向の位置を変えてパルスレーザ光の集光点の位置を調整するＺ軸スライド機構１０８を備えている。

さらに、レーザ照射装置１００は、各構成要素１０１〜１０８を制御するメインコンピュータ１０９を備えており、メインコンピュータ１０９は、レーザ光源１０１の出力パワー、パルス幅およびパルス周期を制御したり、Ｚ軸スライド機構１０８を駆動して集光レンズ１０３のＺ軸方向の位置を制御したりする。
また、メインコンピュータ１０９は、Ｘ軸スライド部１０６とＹ軸スライド部１０７をそれぞれレールに沿って移動させるサーボモータ（図示省略）を駆動する。

なお、レーザ光源１０１としては、例えば、チタンサファイアを固体光源とするレーザ光をフェムト秒のパルス幅で出射する、いわゆるフェムト秒レーザが用いられる。この場合、レーザ光は、波長分散特性を有しており、中心波長は８００ｎｍ、パルス幅は約３００ｆｓ（フェムト秒）、パルス周期は５ｋＨｚ、出力は約１０００ｍＷである。
また、レーザ光源１０１には、フェムト秒レーザに代えて、ピコ秒パルスレーザ（中心波長：８００ｎｍ、パルス幅：３ｐｓ、平均出力：１Ｗ）やＹＡＧレーザ（波長：３５５ｎｍ、パルス幅：３５ｎｓ、平均出力：１０Ｗ）を用いることも可能である。

そして、このレーザ照射装置１００では、メインコンピュータ１０９によって、レーザ照射装置１００の各構成要素１０１〜１０８を制御し、マザー基板Ｗの分割予定位置に沿って当該マザー基板Ｗの厚み方向に複数層の改質領域を形成する。
その際、マザー基板Ｗの最上層、つまり、マザー基板Ｗのレーザ光照射方向手前側の表面付近に改質領域を形成するときには、収差調整機構１０４を制御し、マザー基板Ｗの表面においてパルスレーザ光のエネルギー密度が、大気中でプラズマが発生するエネルギー密度より低くなり、且つ、改質領域が形成される大きさとなるように、集光レンズ１０３によるパルスレーザ光の集光性を低下させる。

すなわち、パルスレーザ光のエネルギー密度を低下させることにより、マザー基板Ｗの表面でのプラズマの発生を防止し、プラズマによるクラックの発生を防止する制御を行う。
なお、本実施形態では、マザー基板Ｗの最上層よりも下側の層に改質領域を形成するときには、マザー基板Ｗの表面においてパルスレーザ光のエネルギー密度が、大気中でプラズマが発生するエネルギー密度より常に低くなるものとする。
すなわち、マザー基板Ｗの厚み方向のいずれの層に改質領域を形成するときであっても、マザー基板Ｗの表面でのパルスレーザ光のエネルギー密度は、大気中でプラズマが発生するエネルギー密度よりも常に低いエネルギー密度となり、マザー基板Ｗの表面でのプラズマの発生が防止され、プラズマによるクラックの発生が防止される。

＜マザー基板の分割手順＞
次に、本実施形態のレーザ照射装置を用いてマザー基板Ｗを分割する手順を説明する。
まず、メインコンピュータ１０９により、サーボモータを駆動して、パルスレーザ光の光軸がマザー基板Ｗの分割予定位置に位置するようにマザー基板Ｗを移動する。
次に、Ｚ軸スライド機構１０８を駆動し、パルスレーザ光の集光領域がマザー基板Ｗの厚み方向（Ｚ軸方向）の最下層に位置するように、つまり、パルスレーザ光がマザー基板Ｗの最下層に集光するように集光レンズ１０３のＺ軸方向の位置を調整する。

次に、レーザ光源１０１およびサーボモータを駆動し、集光レンズ１０３に対してマザー基板Ｗを相対移動させながら分割予定位置に沿ってパルスレーザ光を照射することで、マザー基板Ｗの分割予定位置に沿ってマザー基板Ｗの最下層に改質領域を形成する。
そして、上記フローを繰り返し、パルスレーザ光の集光領域がマザー基板Ｗの厚み方向の各層それぞれに位置するように集光レンズ１０３のＺ軸方向の位置を順次調整し、パルスレーザ光をマザー基板Ｗの各層に集光させて、各層それぞれに改質領域を形成する。

そして、マザー基板Ｗの分割予定位置に沿って、マザー基板Ｗおよびマザー基板Ｗの厚み方向の各層に改質領域を形成し、その後、外力を加えて改質領域で分割する。
図２は、マザー基板Ｗの分割予定位置における断面を示す断面図であり、図３は、図２のＡ−Ａ線断面、つまり、分割予定位置の線との直交面におけるマザー基板Ｗの断面を示す断面図である。

なお、その際、図２に示すように、マザー基板Ｗの最上層、つまり、マザー基板Ｗのレーザ光照射方向手前側の表面付近に改質領域を形成するときには、メインコンピュータ１０９によって、レーザ光源１０１を制御して、パルスレーザ光の出力パワーを他の層に改質領域を形成するときと等しくし、収差調整機構１０４を制御して、マザー基板Ｗの表面においてパルスレーザ光のエネルギー密度が、大気中でプラズマが発生するエネルギー密度より低くなり、且つ、改質領域が形成される大きさとなるように、集光レンズ１０３によるパルスレーザ光の集光性を低下させる。そして、マザー基板Ｗの分割予定位置に沿ってパルスレーザ光を照射する動作（レーザ光走査）を複数回繰り返す。

すると、パルスレーザ光のエネルギー密度が低下することにより、マザー基板Ｗの表面でのプラズマの発生が防止され、プラズマによるクラックの発生が防止される。
また、図２に示すように、マザー基板Ｗの表面付近の改質領域に発生する内部応力により、図３に示すように、マザー基板Ｗの表面において改質領域に対応する箇所に周囲方向への引張り応力が発生し、引張り応力によってマザー基板Ｗの表面に分割予定位置に沿う亀裂、つまり、マザー基板Ｗの分割時のきっかけとなる裂け目が形成され、分割後におけるマザー基板Ｗ（液晶表示パネル）の外形精度が向上する。

すなわち、本発明者は、マザー基板Ｗから液晶表示パネルを取り出す工程にレーザ光を用いた基板分割方法を適用すると、レーザ光が空気中の酸素と反応し、マザー基板Ｗの表面でプラズマが発生して、マザー基板Ｗの表面にクラックが発生することを発見した。
そして、これに対し、マザー基板Ｗのレーザ光照射方向手前側の表面においてレーザ光のエネルギー密度が、大気中でプラズマが発生するエネルギー密度より低くなるように、レーザ光の集光性を制御することで、マザー基板Ｗの表面でのプラズマの発生を防止でき、プラズマによるクラックの発生を防止できることを見いだした。

図４は、実験により求めた、集光レンズ１０３のＺ軸方向の位置とパルスレーザ光の集光領域との関係を示す図である。
この図４によれば、集光レンズ１０３のＺ軸方向の位置と改質領域が形成されるマザー基板Ｗの厚み方向の位置とは比例関係にあり、集光レンズ１０３のＺ軸方向の位置を調整することで、改質領域の形成位置を制御できることがわかる。

図５は、実験により求めた、マザー基板Ｗの厚み方向最下部で集光性が最も高くなるように集光レンズ１０３の収差を調整した場合における、集光レンズ１０３のＺ軸方向の位置とパルスレーザ光の集光領域との関係を示す図である。
この図５によれば、マザー基板Ｗの厚み方向最上部においてパルスレーザ光の集光領域が拡大し、パルスレーザ光の集光性が低下しており、集光レンズ１０３の収差を制御することで、パルスレーザ光の集光性を制御できることがわかる。
以上、本実施形態では、図１のレーザ光源１０１が特許請求の範囲に記載のレーザ光源を構成し、以下同様に、図１の集光レンズ１０３が集光手段を構成し、図１のＸ軸スライド部１０６およびＹ軸スライド部１０７が位置制御手段を構成し、図１の収差調整機構１０４およびメインコンピュータ１０９が集光性設制御手段を構成する。

＜作用・効果＞
図６は、レーザ光照射後で且つ分割前のマザー基板Ｗを示す平面図であり、図７は、分割後のマザー基板Ｗを示す平面図であり、図８は、分割後のマザー基板Ｗの分割面を示す側面図である。
（１）このように、本実施形態では、マザー基板Ｗのレーザ光照射方向手前側の表面においてパルスレーザ光のエネルギー密度が、大気中でプラズマが発生するエネルギー密度より低くなるように、パルスレーザ光の集光性を制御するようにした。そのため、マザー基板Ｗの表面でのプラズマの発生を防止でき、図６〜図８に示すように、プラズマによるクラックの発生を防止できる。そのため、マザー基板Ｗの分割時や実装時の擦れによってクラックが広がるとともにそこから飛散物が発生することを防止でき、当該飛散物（異物）で品質問題が生じることを防止できる。また、分割によって形成される液晶表示パネルの強度を向上させることができ、クラックをきっかけに液晶表示パネルが割れることを防止できる。

また、パルスレーザ光の集光性を制御することで、マザー基板Ｗのレーザ光照射方向手前側の表面における、パルスレーザ光のエネルギー密度を制御する方法を用いるようにした。そのため、例えば、パルスレーザ光のパワーを制御する方法と異なり、比較的大きなパワーを用いることができ、マザー基板Ｗに改質領域を適切に形成できる。
図９は、レーザ光照射後で且つ分割前のマザー基板Ｗを示す平面図であり、図１０は、分割後のマザー基板Ｗの分割面を示す側面図である。

ちなみに、パルスレーザ光の照射時に、パルスレーザ光の集光性の制御を行わない方法にあっては、図９および図１０に示すように、パルスレーザ光が空気中の酸素と反応して、マザー基板Ｗの表面でプラズマが発生し、マザー基板Ｗの表面にクラックが発生する。そのため、マザー基板Ｗの分割時や実装時の擦れによってクラックが広がるとともにそこから飛散物が発生し、当該飛散物（異物）で品質問題が生じてしまう。また、分割によって形成される液晶表示パネルの強度が低下し、クラックをきっかけに液晶表示パネルが割れてしまう。

また、パルスレーザ光のパワーを低下させることで、マザー基板Ｗのレーザ光照射方向手前側の表面における、パルスレーザ光のエネルギー密度を制御する方法にあっては、パルスレーザ光のパワーが小さくなるため、改質領域を適切に形成できない。
なお、本実施形態では、パルスレーザ光の集光性を収差調整機構１０４で調整する例を示したが、これに限られるものではない。例えば、集光レンズ１０３とマザー基板Ｗとの間に石英ガラス板を配し、特開平２００７−０２１５５６号公報に記載されているように、レーザ光の集光領域を長くすることで、パルスレーザ光の集光性を低下させてもよい。

また、マザー基板Ｗの最上層に改質領域を形成するときにのみ集光レンズ１０３によって集光性を低下させる例を示したが、これに限られるものではない。例えば、マザー基板Ｗの最上層よりも下側の層に改質領域を形成するときにも、マザー基板Ｗの表面においてパルスレーザ光のエネルギー密度が、大気中でプラズマが発生するエネルギー密度より高くなってしまう場合には、当該下側の層に改質領域を形成するときにも、収差調整機構１０４を制御し、集光レンズ１０３による集光性を低下させてもよい。
さらに、マザー基板Ｗを分割するための改質領域を形成する際にレーザ照射装置１００を用いる例を示したが、これに限られるものではない。例えば、溝状または円形の改質領域を形成した後、エッチングを行うことで改質領域を除去し、マザー基板Ｗの表面に溝または穴を設ける、という工程のための改質領域の形成に用いるようにしてもよい。

（２）また、マザー基板Ｗのレーザ光照射方向手前側の表面付近に改質領域を形成するときには、マザー基板Ｗの分割予定位置に沿ってパルスレーザ光を照射するようにした。そのため、改質領域に発生する内部応力により、マザー基板Ｗの表面において改質領域に対応する箇所に周囲方向への引張り応力を発生させることができ、引張り応力によってマザー基板Ｗの表面に分割予定位置に沿う亀裂、つまり、マザー基板Ｗの分割時のきっかけとなる裂け目を形成でき、分割後におけるマザー基板Ｗの外形精度を向上させることができる。

なお、本実施形態では、マザー基板Ｗのレーザ光照射方向手前側の表面付近に改質領域を形成するときに、マザー基板Ｗの分割予定位置に沿ってパルスレーザ光を照射するレーザ光走査を複数回繰り返す例を示したが、これに限られるものではない。例えば、レーザ光走査の回数を１回だけとしても、改質領域に対応する箇所に周囲方向への引張り応力を発生させることができ、引張り応力によってマザー基板Ｗの表面に分割予定位置に沿う亀裂を形成でき、分割後におけるマザー基板Ｗの外形精度を向上させることができる。

ちなみに、マザー基板Ｗの分割予定位置に沿ってパルスレーザ光を照射するレーザ光走査を複数回繰り返す方法にあっては、レーザ光走査回数を１回だけとする方法に比べ、改質領域を十分に形成でき、改質領域に対応する箇所に周囲方向へのより大きな引張り応力を発生させることができ、引張り応力によってマザー基板Ｗの表面に分割予定位置により適切に沿う亀裂を形成でき、分割後におけるマザー基板Ｗの外形精度をより向上させることができる。

（３）さらに、マザー基板Ｗおよびマザー基板Ｗとして石英製のものを用いる例を示したが、これに限られるものではなく、例えば、硼珪酸ガラスを用いることもできる。
さらに、パルスレーザ光としてフェムト秒レーザを用いる例を示したが、これに限られるものではなく、例えば、ピコ秒パルスレーザを用いることもできる。そのようにすれば、マザー基板Ｗの分割に適したレーザを用いてマザー基板Ｗを分割することができる。

レーザ照射装置１００の構成を示す構成図である。 マザー基板Ｗの分割予定位置における断面を示す断面図である。 図２のＡ−Ａ線断面におけるマザー基板Ｗの断面を示す断面図である。 実験により求めた、集光レンズ１０３のＺ軸方向の位置とパルスレーザ光の集光領域との関係を示す図である。 実験により求めた、マザー基板Ｗの厚み方向最下部で集光性が最も高くなるように集光レンズ１０３の収差を調整した場合における、集光レンズ１０３のＺ軸方向の位置とパルスレーザ光の集光領域との関係を示す図である。 レーザ光照射後で且つ分割前のマザー基板Ｗを示す平面図である。 分割後のマザー基板Ｗを示す平面図である。 分割後のマザー基板Ｗの分割面を示す側面図である。 従来の方法を用いたときの、レーザ光照射後で且つ分割前のマザー基板Ｗを示す平面図である。 従来の方法を用いたときの、分割後のマザー基板Ｗの分割面を示す側面図である。

符号の説明

１００ レーザ照射装置、１０１ レーザ光源、１０２ ダイクロイックミラー、１０３ 集光レンズ、１０４ 収差調整機構、１０５ ステージ、１０６ Ｘ軸スライド部、１０７ Ｙ軸スライド部、１０８ Ｚ軸スライド機構、１０９ メインコンピュータ。

Claims (5)

1. レーザ光を集光して基板に照射することで、前記基板に改質領域を形成し、その後、外力を加えて前記改質領域の部分で前記基板を分割する基板分割方法であって、
   前記基板のレーザ光照射方向手前側の表面において前記レーザ光のエネルギー密度が、大気中でプラズマが発生するエネルギー密度より低くなるように、前記レーザ光の集光性を制御することを特徴とする基板分割方法。
2. 前記基板の厚み方向に複数層の前記改質領域を形成するとともに、
   前記基板の前記レーザ光照射方向手前側の表面付近に前記改質領域を形成するときには、前記基板の分割予定位置に沿って前記レーザ光を照射することを特徴とする請求項１に記載の基板分割方法。
3. 前記基板は、石英または硼珪酸ガラスで形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の基板分割方法。
4. 前記レーザ光は、フェムト秒レーザ、ピコ秒パルスレーザ、またはＹＡＧレーザであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の基板分割方法。
5. レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を集光する集光手段と、前記集光手段で集光されたレーザ光が基板に改質領域を形成するように、前記集光手段と前記基板との相対位置を制御する位置制御手段と、前記集光手段による前記レーザ光の集光性を制御する集光性制御手段と、を備え、
   前記集光性制御手段は、前記基板のレーザ光照射方向手前側の表面において前記レーザ光のエネルギー密度が、大気中でプラズマが発生するエネルギー密度より低くなるように、前記集光手段による前記レーザ光の集光性を制御することを特徴とするレーザ照射装置。