JP2009263159A - 貼り合わせガラス基板の加工方法 - Google Patents

貼り合わせガラス基板の加工方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 優れた端面品質、端面強度を維持しつつ、薄い板厚の貼り合わせガラス基板を作成することができる加工方法を提供する。
【解決手段】
(a)貼り合わせ前の2枚のガラス基板それぞれの片側面に対し、分割予定位置にレーザスクライブ加工により所望の深さのスクライブラインを形成する工程と、(b)スクライブラインが形成された片側面同士を内側にして2枚のガラス基板を貼り合わせる工程と、(c)貼り合わされた2枚のガラス基板の外側面をエッチングして前記スクライブラインの深さまで各基板を薄板化することにより、スクライブラインを端面にして各基板を分割する工程とを行う。
【選択図】図1

Description

本発明は、レーザスクライブ加工を利用した貼り合わせガラス基板の加工方法に関する。
ここで、レーザスクライブ加工とは、レーザビームの照射により基板上に形成されるビームスポットを相対移動させて、基板を軟化温度以下で局所加熱し、その後、冷却(自然冷却または強制冷却)することにより、基板に深さ方向の温度差を発生させ、この温度差に起因する応力勾配を利用してスクライブラインを形成する加工をいう。
また、スクライブラインとは、基板面上に形成された線状のクラックをいう。なお、以下の説明では、スクライブラインは、クラックの下端が基板内で停止している有限深さのクラックをいうものとし、基板を貫通するクラック(基板を完全分断するクラック)は、スクライブラインに含まれないものとする。
液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ等のフラットパネルディスプレイ(以下FPDという)は、大面積の貼り合わせガラス基板に、1つ1つがFPDとなる単位表示基板を複数個形成しておき、その後、単位表示基板ごとに分割するようにして量産している。
例えば、液晶ディスプレイでは、2枚の大面積ガラス基板(マザー基板)を使用し、一方の基板上にカラーフィルタ(CF)をパターン形成し、他方の基板上に液晶を駆動するTFT(Thin film Transistor)および外部接続のための端子部をパターン形成する。そして、これら2枚の基板を、それぞれのパターン形成面を内側にして貼り合わせることにより、大面積の貼り合わせ基板を形成する。その後、大面積の貼り合わせ基板を1つ1つの単位表示基板に分割する工程を経ることにより、液晶ディスプレイが製造される。
大面積貼り合わせ基板から単位表示基板を切り出す分割工程は、これまで、さまざまな加工方法によりなされている。
例えば、大面積貼り合わせ基板に対し、カッターホイールを圧接しながら移動させて貼り合わせ基板にスクライブラインを刻む工程と、形成されたスクライブラインに沿って曲げモーメントを加えて機械的にブレイクする工程とを、所定の順で行う分割方法が利用されている(特許文献1参照)。
カッターホイールの圧接工程と曲げモーメント付与によるブレイク工程とを組み合わせた分割方法は、分割する基板の板厚が薄い場合であっても厚い場合であっても、カッターホイールの刃先形状や圧接荷重を調整することにより、確実に分割を行うことができる。
また、別の方法として、(1)FPD用の一対のCF基板用マザーガラスおよびTFT基板用マザーガラスに対し、貼り合わせ前にそれぞれレーザスクライブ加工によりスクライブラインを形成する工程、(2)次いで、スクライブラインが形成されたCF基板用マザーガラスおよびTFT基板用マザーガラスを相互に貼り合わせる工程(このときスクライブラインが形成された面が内側になるように貼り合わせてもよいし、外側になるように貼り合わせてもよい)、(3)その後に、CF基板用マザーガラスおよびTFT基板用マザーガラスをそれぞれ順番に分断する工程による分割方法が開示されている(特許文献2参照)。
この方法によれば、マザーガラス同士を貼り合わせた状態でスクライブラインを形成する必要がないので、2枚のマザーガラスを貼り付けるシール材の影響を受けにくく、スクライブラインの形成を安定かつ正確に行うことができる。
また、この方法によれば、カレットが発生しないレーザスクライブ加工によってスクライブラインの形成が行われるので、貼り合わせ工程より前工程においてスクライブラインを形成しても、貼り合わせ面にはカレット発生に起因する問題が発生しない。
さらにレーザスクライブ加工により形成されたスクライブラインの端面品質、端面強度は他の加工方法に比べて非常に優れており、分割面の端面品質を向上させることができる。
また、別の方法として、エッチング工程を利用した切断分離方法が開示されている(特許文献3参照)。これによれば、ガラス内部にレーザを集光してガラス内部を変質させる工程を行った後、エッチング工程を行う。エッチング工程の際に、変質領域(マイクロクラック領域)にエッチング液が侵入することにより変質領域のエッチング速度を高めることができる。これにより、長時間のエッチングを行うことなく、ガラスを切断分離することが開示されている。
すなわち、特許文献3によれば、図2(a)に示すように、シーリング剤26で貼り合わせたガラス板21、22をエッチング液に接触させると、ガラス板21、22がエッチングされる。やがてエッチングがガラス板21、22内部の変質領域23に到達すると、変質領域23にはマイクロクラックが形成されており、このマイクロクラックにエッチング液が侵入することによって、変質領域23のエッチング速度が非変質領域よりも速くなり、他に比べて速くエッチングされる。そして、変質領域23がエッチングされることにより、図2(b)に示すように完全な切断分離がなされることになる。
特許文献3によれば、さらに図2(c)に示すように、単板のガラス板27にホイールカッターやレーザ照射によって予めスクライブライン28を形成しておくと、その後のエッチング工程でスクライブライン28の下端がエッチングされ(すなわちスクライブライン内がエッチングされ)、やがて変質領域29まで到達するようになると、エッチング速度が速まる。そして、図2(d)に示すように、スクライブライン28とともに変質領域29がエッチングされて完全分離されるようになることが開示されている。
特開平6−48755号公報 特開2004−157145号公報 特開2005−219960号公報
フラットパネルディスプレイ(FPD)では、ディスプレイの薄型化が市場のニーズである。そしてFPDの薄型化を実現する上で、FPD用貼り合わせガラス基板の薄板化が求められている。
一般に、ガラス基板は、基板の板厚が薄くなるにつれて、基板を分割する難易度が高まる傾向にある。製造工程中に、大面積貼り合わせガラス基板から単位表示基板(小面積貼り合わせガラス基板)を切り出す分割工程が含まれる場合、貼り合わせガラス基板の薄板化を図るためには、分割工程も合わせて考慮する必要がある。
上述した特許文献1に記載のカッターホイールによる圧接工程と曲げモーメント付与によるブレイク工程とを組み合わせた分割方法は、カッターホイールの刃先形状や圧接荷重を基板の板厚に応じて調整することにより、板厚が薄い場合であっても厚い場合であっても、確実に分割を行うことができる点で優れている。
しかしながら、カッターホイールの圧接により、切り屑が発生し、また、切断端面にひび割れが生じることがあり、レーザスクライブ加工により形成される端面と比較すると、端面強度、端面品質に差が生じる。また、スクライブラインを形成した後のブレイク工程の際に、ブレイクバー等で機械的に力を加える必要があり、このときカレットが発生してしまう場合がある。
一方、特許文献2に記載の方法、すなわち、レーザスクライブ加工によりスクライブラインを形成し、次いで、基板用ガラスを相互に貼り合わせ、その後に、基板用ガラスを分断する方法によれば、安定かつ正確なスクライブラインを形成することができるだけではなく、端面強度、端面品質もカッターホイールによる端面に比べると格段に優れている。
しかしながら、このレーザスクライブ加工は基板の板厚が薄くなると利用が困難となる。すなわち、レーザスクライブ加工でガラス基板にスクライブラインを形成するには、原理上、基板内部に深さ方向の温度差を発生させて、温度差に基づく応力勾配を作ることが必要になる。板厚が1mm以上あるガラス基板では、ビームスポットにより基板内部に温度差を発生させることが容易であり、基板内部に簡単に応力勾配を形成できるのでスクライブラインを形成できるが、板厚が薄くなるにつれて、深さ方向の温度差を発生させることが困難になる。具体的には板厚が1mm以下になると、スクライブラインを形成できるレーザ照射条件が次第に制限されるようになり、さらに板厚が薄くなって0.4mm程度以下になると、レーザ照射によって深さ方向の温度差を発生させることが非常に困難になり、その結果、レーザスクライブ加工によるスクライブラインの形成出来る条件が極めて狭く実用に適さない。
基板の板厚が薄くなるとスクライブラインの形成が困難になる理由について、板厚が厚い場合と比較することにより説明する。まず、板厚が厚いガラス基板GAの場合について説明する。図3(a)はレーザ照射時(加熱時)、図3(b)は加熱後に冷媒を噴射して冷却した時、図3(c)はスクライブライン(クラック)発生時の基板断面での温度分布を説明するための模式図である。
厚板の基板GAでは、ビームスポットの通過による加熱によって、図3(a)に示すように加熱部位HRが基板内部に形成され、加熱部位HRが局所的に膨張することにより、圧縮応力(図中破線矢印で示す)が生じる。なお、図では、説明の便宜上、基板GAに生じる変形を誇張して示している。
続いて、少し遅れてから冷却スポット(冷媒が噴射される領域)の通過による冷熱によって、図3(b)に示すように冷却部位CRが表面近傍に形成され、冷却部位CRが局所的に収縮することにより、引張応力(図中実線矢印で示す)が生じる。
厚板の基板GAの場合には、基板が厚いため冷却部位CRが形成された時に加熱部位HRが裏面まで到達することはなく、加熱部位HRが基板内部にとどまった状態になる。
そして、図3(c)に示すように、冷却部位CRが基板上面近傍に存在し、その下方に加熱部位HRが存在するようになる。この加熱部位HRは、圧縮応力が発生しているので、基板内部に内部圧縮応力場Hinが存在する状態になる。
基板GAに内部圧縮応力場Hinが形成され、基板GAの上面近傍に引張応力が形成されることにより、厚板基板GAには、局所的に上に凸となる歪が発生し、引張応力と同じ方向に基板を撓ませる力(図中一点鎖線矢印で示す)が基板上面に発生することになる。
その結果、基板GAの上面には、引張応力、および、基板が上に凸となるように撓ませる力により、基板上面から厚み方向(深さ方向)に、垂直なスクライブラインC(クラック)が形成される。
なお、基板GAの内部には、既述のように、内部圧縮応力場Hinが形成されているために、スクライブラインC(クラック)の先端がこの内部圧縮応力場に到達するとそれより深く進展することが妨げられ、スクライブラインC(クラック)は停止することになる。
よって、基板GAにおけるレーザスクライブ加工では、有限の深さのスクライブラインC(クラック)が形成されることになる。このようにして形成されるスクライブラインC(クラック)は、端面品質が優れており、分断面として理想な状態である。
次に、板厚が薄いガラス基板GBについて説明する。図4(a)はレーザ照射時(加熱時)、図4(b)は加熱後に冷媒を噴射して冷却した時、図4(c)は図4(b)より少し後の基板断面での温度分布を説明するための模式図である。
基板GBでは、ビームスポットの通過による加熱によって、図4(a)に示すように加熱部位HRが基板内部に形成されて圧縮応力(図中破線矢印で示す)が発生するが、板厚が薄いため、加熱部位HRがすぐに裏面まで達する。裏面に達した加熱部位HRは一部が下面から抜けてしまい、発生した圧縮応力が弱まる。
次いで、冷却スポットCSの通過による冷熱によって、図4(b)に示すように冷却部位CRが表面近傍に形成され、冷熱部位CRがすぐに基板GBの中央まで達するようになる。このとき加熱部位HRは弱まっているか、ほとんど消失している。
さらに冷熱が伝達されていくと、図4(c)に示すように、冷却部位CRが基板GBの下面に達する。このように、薄板の基板GBでは温熱および冷熱が薄板基板GBの上面から下面に速やかに伝達されてしまうため、基板の深さ方向の温度勾配が形成されにくく、温度勾配に起因する応力勾配を発生させることが困難である。また、たとえ基板の厚さ方向の応力勾配を形成できても、板厚が薄いため温熱および冷熱の範囲がそれぞれ狭いので、それぞれの圧縮応力および引張応力の大きさも限定的になってしまう。従って、薄板の基板GBの場合は、スクライブラインの形成が困難となる。
さらに、特許文献2に記載の方法の場合、レーザスクライブ加工によりスクライブラインが形成できたとしても、スクライブライン形成後に、特許文献1の方法と同様に、ブレイク工程を行う必要がある。このときに機械的に曲げモーメントを加えると、やはりカレットが発生してしまう場合がある。
これに対し、特許文献3に記載の方法、すなわち、ガラス内部にレーザを集光してガラス内部を変質させる工程を行った後、ガラスをエッチングする工程を行う方法では、カレット発生を抑えることができる。また、エッチングによりガラス基板の薄板化も可能になる。
しかしながら、図2に示したように、ガラス内部には強いレーザ照射によるダメージを受けた変質領域23(マイクロクラック領域)が形成されている。そして、この変質領域23内にエッチング液が侵入し、エッチングされることで分割が行われるため、変質領域23が加工端面として残る場合があり、その場合、端面強度、端面品質がレーザスクライブによる端面に比べて劣ることになる。
変質領域23が完全に除去されるまでエッチングを続けるようにすれば、変質領域23の影響をなくすことができるが、そのためにはガラス基板が分割された後でも変質領域23を確実に除去し終えるまで浸食させる必要がある。
そこで、本発明は、単位表示基板(小面積貼り合わせ基板)となる複数の領域が形成された大面積貼り合わせガラス基板から、単位表示基板となる個々の領域を分割する加工を行う際に、優れた端面品質、端面強度の分割面を形成しつつ、それでいて薄板化された単位表示基板にすることができる加工方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、優れた端面品質、端面強度を維持しつつ、これまでにない薄い板厚の貼り合わせガラス基板を作成することができる加工方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するためになされた本発明の加工方法は、2枚のガラス基板が互いに狭い間隙を挟んで貼り合わせた状態で加工が行われること、および、レーザスクライブ加工により形成されるスクライブラインは、スクライブ面同士が密着しており(圧縮応力が加わりブラインドクラック状態になっていることが多い)、内部に液体等が侵入しにくい状態であることを巧みに利用してなされたものである。
すなわち、本発明の貼り合わせガラス基板の加工方法では、以下の工程を行う。
まず、(a)貼り合わせ前の2枚のガラス基板それぞれの片側面に対し、分割予定位置にレーザスクライブ加工により所望の深さのスクライブラインを形成する工程を行う。ガラス基板上に機能素子等(例えば液晶ディスプレイではTFT膜やカラーフィルタ(CF))が形成されている場合は、レーザスクライブ加工を行う側の片側面を、機能素子等が形成される面にしておく。これにより、後工程で機能素子等がエッチングされないようにする。また、レーザスクライブ加工により形成するスクライブラインの深さは、後工程で薄板化及び分割するときの板厚の値になるので、この深さを所望の値にしておく。続いて、(b)スクライブラインが形成された片側面同士を内側にして2枚のガラス基板を貼り合わせる工程を行う。貼り合わせはシーリング剤を用いて行うことができる。続いて、(c)貼り合わされた2枚のガラス基板の外側面(貼り合わせ面とは反対側の面)をエッチングする。エッチングはウェットエッチングでもドライエッチングでもよい。
貼り合わせガラス基板をエッチングする場合、貼り合わせガラス基板の外側面近傍ではエッチング能力の高い新鮮なエッチング液やエッチングガスが多く存在するが、貼り合わせ面側(スクライブラインが形成された面)は、面間の間隙が狭く、エッチング液やエッチングガスが侵入しても滞留しやすい。そのため、外側面に比べるとほとんどエッチングが進行しない。その上、レーザスクライブ加工によるスクライブラインのクラック内は、スクライブ面同士が密着しており内部にエッチング液等が侵入しにくい状態であることからエッチングされにくい。したがって、貼り合わせガラス基板は実質的に外側面から一方的にエッチングされ、基板の薄板化が進行することになる。そしてエッチングが進行し、スクライブラインに達する深さまで薄板化されると、スクライブラインが端面となって分割される。これにより、レーザスクライブ加工で形成されたスクライブラインが端面となる薄板化された貼り合わせガラス基板が得られる。なお、スクライブラインを深めに形成しておき、貼り合せガラス基板が薄板化され分割された後も、2枚のガラス基板が所望の板厚になるまで引き続きエッチングを行うこととしてもよい。
本発明によれば、小面積に分割された貼り合わせガラス基板(単位表示基板)の端面が、レーザスクライブ加工時の端面により形成されるので、端面品質、端面強度の優れた加工面を有する薄板化貼り合わせガラス基板を製造することができる。
(その他の課題を解決するための手段及び効果)
(a)工程において、スクライブラインを形成する前の各ガラス基板の板厚を0.4mm〜2mmにしてもよい。既述のようにレーザスクライブ加工によりスクライブラインを形成できるようにするには、一定以上の板厚が必要になるが、この数値範囲の板厚のガラス基板を用いることにより、レーザスクライブ加工が可能になり、しかも適度なエッチング時間で貼り合わせガラス基板を分割することができるようになる。
また、(a)工程において、形成するスクライブラインの深さが0.01mm〜0.2mmであるようにしてもよい。
これによれば、スクライブラインの深さにより、薄板化及び分割されたガラス基板の板厚が決定されるので、スクライブラインの深さをこの範囲に設定することで、従来は分割が困難であった薄さの貼り合わせガラス基板を作成することができる。
また、(b)工程において、ガラス基板間の間隙幅を10μm以下にしてもよい。
これによれば、ガラス基板間の間隙幅が十分に狭いため、この間隙内に入り込んだエッチング液またはエッチングガスは置換されず滞留しやすくなり、貼り合わせ面側での侵食を抑制することができ、一方的に外側面からの侵食を進行させることができる。
また、上記発明において、貼り合わせ前の2枚のガラス基板は、それぞれ基板周縁に端材領域を有し、(b)工程で各基板の端材領域との境界にスクライブラインが形成されるようにしてもよい。
これによれば、基板周縁に端材領域が存在することにより、貼り合わせ後のガラス基板の間隙内に侵入したエッチング液等はさらに滞留しやすくなり、ますます内側からのエッチングの進行が抑制され、確実に外側面からのエッチングが行われる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図1は本発明の一実施形態である貼り合わせガラス基板の加工方法の手順を示す図である。ここでは液晶ディスプレイの製造工程を例に説明する。
図1(a)に示すように、カラーフィルタ(CF)がマトリクス状にパターン形成されたCF用マザーガラス基板1と、薄膜トランジスタ(TFT)がマトリクス状にパターン形成されたTFT用マザーガラス基板2とが準備される。CF用マザーガラス基板1にはカラーフィルタ(CF)の他に、対向電極、位置決め用アライメントマーク等が設けられており、また、TFT用マザーガラス基板2には薄膜トランジスタ(TFT)の他に、画素電極、位置決め用アライメントマーク等が設けられている。
続いて、レーザスクライブ加工により、図1(b)に示すように、CF用マザーガラス基板1およびTFT用マザーガラス基板2に対し、各カラーフィルタ(CF)ごと、各薄膜トランジスタ(TFT)ごとに区切るためのスクライブライン3、4を形成する。なお、スクライブライン3,4は、カラーフィルタ(CF)や薄膜トランジスタ(TFT)の各パターンの全周囲に形成するようにして、基板端に近い側の辺にもスクライブライン3,4を形成するのが好ましい。そしてマザー基板1,2の周縁部分に端材領域5を設けるようにして、カラーフィルタ(CF)や薄膜トランジスタ(TFT)のパターン形成位置が基板端に近づきすぎないようにしておくのが好ましい。
加工に使用するレーザの種類は、スクライブラインを形成できるものであれば特に限定されないが、例えばCOレーザを用いることができる。
加工前の基板の板厚が薄すぎると、レーザスクライブ加工ができない。また、基板の板厚が厚すぎると、スクライブラインは形成できるが、後述するエッチング工程で薄板化するときに長時間を要することになるので、0.4mm〜2mm、より好ましくは0.4mm〜1mm程度にする。
加工時のレーザ照射条件は一定にして、各スクライブラインの深さを一定にする。スクライブラインの深さは、薄板化しようとする板厚に合わせてレーザパワー、ビームスポット形状を調整するほかに、加工前の基板の板厚により調整する。加工前の基板板厚を0.4mm〜2mmの範囲にしておけば、照射条件を選ぶことにより、スクライブラインの深さを0.01mm〜0.2mmにすることができる。
続いて、図1(c)に示すように、CF用マザーガラス基板1またはTFT用マザーガラス基板2のいずれか一方のスクライブラインを形成した側の面にシーリング剤6を塗り、スクライブライン3、4を形成した側の面同士を貼り合わせる。
貼り合わせるマザー基板1,2間の間隙幅は、液晶の注入に適した値にする。具体的には1μm〜10μm程度、好ましくは3μm〜7μmにする。間隙幅が10μm以下であれば特に問題ないが、間隙幅を狭くするほど、後工程において間隙内へのエッチング液の侵入量が減り、また、間隙内に侵入したエッチング液が置換されにくくなるので、スクライブラインを形成した側の面のエッチングをさらに抑制できる。
続いて、図1(d)に示すように、貼り合わせた基板1,2を、エッチング液7に浸漬する。エッチング液7にはフッ化物溶液(フッ化水素、フッ化アンモニウム、フッ化カリウム、フッ化ナトリウム等)等のガラスエッチング用の市販品を用いることができる。
基板1,2ともに、外側面1a,2a(貼り合わせ面とは反対側の面)がエッチングされ、内側面1b,2bはエッチングが抑制される。さらにレーザスクライブ加工により形成されたスクライブライン3,4は、スクライブ面が密着して内部にエッチング液が侵入しにくくなっているので、ほとんど侵食されないで残る。
そして、エッチングが進行し、スクライブライン3,4の深さまで外側面側が除去されることにより、図1(e)に示すように、単位表示基板8ごとに分割される。分割されると同時にエッチング液7から取り出すことにより、図1(f)に示すようにスクライブライン3,4の端面がほとんどそのまま残り、端面品質、端面強度の優れた単位表示基板8が形成される。しかも単位表示基板8の板厚は、スクライブライン3,4の深さ(例えば0.01mm〜0.2mm)まで薄板化することができる。
上述した実施形態では端子領域を設けていないが、図2で示した従来例と同様に、スクライブラインの位置を2枚の基板の間で異ならせることにより、端子領域を形成することもできる。
本発明の加工方法は、貼り合わせガラス基板の薄膜化に利用することができる。
本発明の一実施形態である貼り合わせガラス基板の加工方法を示す図。 従来のエッチングによる加工方法を示す図。 厚板の基板のレーザスクライブ加工を示す図。 薄板の基板のレーザスクライブ加工を示す図。
符号の説明
1 CF用マザーガラス基板
2 TFT用マザーガラス基板
3 スクライブライン
4 スクライブライン
5 端材領域
6 シーリング剤
7 エッチング液
8 単位表示基板
CF カラーフィルタ
TFT 薄膜トランジスタ

Claims (5)

  1. (a)貼り合わせ前の2枚のガラス基板それぞれの片側面に対し、分割予定位置にレーザスクライブ加工により所望の深さのスクライブラインを形成する工程と、
    (b)スクライブラインが形成された片側面同士を内側にして前記2枚のガラス基板を貼り合わせる工程と、
    (c)貼り合わされた2枚のガラス基板の外側面をエッチングして前記スクライブラインの深さまで各基板を薄板化することにより、前記スクライブラインを端面にして各基板を分割する工程とからなる貼り合わせガラス基板の加工方法。
  2. 前記(a)工程において、スクライブラインを形成する前の各ガラス基板の板厚が0.4mm〜2mmである請求項1に記載の貼り合わせガラス基板の加工方法。
  3. 前記(a)工程において、形成するスクライブラインの深さが0.01mm〜0.2mmである請求項1に記載の貼り合わせガラス基板の加工方法。
  4. 前記(b)工程において、ガラス基板間の間隙幅が10μm以下である請求項1に記載の貼り合わせガラス基板の加工方法。
  5. 貼り合わせ前の2枚のガラス基板は、それぞれ基板周縁に端材領域を有し、前記(b)工程で各基板の端材領域との境界にスクライブラインが形成される請求項1に記載の貼り合わせガラス基板の加工方法。
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