JP2010089144A - 脆性材料基板の割断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】脆性材料基板に対する透過率の高いレーザビームを用いて、脆性材料基板を割断する方法において、トリガークラックから予測できない方向にクラックが生じる先走り現象を抑え、スクライブラインが予定ラインに沿って形成されるようにする。
【解決手段】脆性材料基板１の側端よりも内側の、レーザビーム４の移動予定ライン３の端部に、移動予定ライン３の方向の第１切り目２１と、この第１切り目２１と交差する第２切り目２２とから構成されるトリガークラック２を形成する。ここで、先走り現象を一層効果的に抑える観点からは、第２切り目２２が第１切り目２１に対して垂直であるのが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、脆性材料基板の割断方法に関し、より詳細には、レーザビームの照射加熱によって、基板表面から略垂直方向にクラックを形成し脆性材料基板を割断する方法に関するものである。

従来、脆性材料基板の割断方法としては、脆性材料基板の表面にカッターホイール等を圧接させながら転動させて、脆性材料基板の表面に対して略垂直方向のクラック（以下、「スクライブライン」という）を形成し、形成されたスクライブラインに沿って垂直方向に機械的な押圧力を加えて割断する方法（以下、「ブレイク」という）が広く行われていた。

しかし、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、カレットと呼ばれる小破片が発生し、このカレットによって脆性材料基板の表面にキズがつくことがあった。また、割断後の脆性材料基板の端部にはマイクロクラックが生じやすく、このマイクロクラックを起因として脆性材料基板の割れが発生することがあった。このため、通常は割断後に、脆性材料基板の端部を研磨・洗浄してマイクロクラックやカレット等を除去していた。

一方、近年、ＣＯ_２レーザビームを用いて溶融温度未満で脆性材料基板を加熱し、脆性材料基板にスクライブラインを形成した後、ブレイクを行って基板を割断する方法が実用化されつつある。レーザビームを用いて脆性材料基板のスクライブを行う場合には、熱応力を利用するため、工具を直接、基板に押さえつけることがなく、割断面はマイクロクラック等の少ない平滑な面となり、基板の強度が維持される。すなわち、レーザビームを用いた脆性材料基板のスクライブでは、非接触加工であるため、上記した潜在的欠陥の発生が抑えられ、ブレイクを行った際に脆性材料基板に発生する割れ等の損傷を抑えることができる。

図４に示すように、このＣＯ_２レーザビーム４’を使用して脆性材料基板１にスクライブライン６’を形成する方法では、ＣＯ_２レーザビーム４’を脆性材料基板１上に照射する前に、ポイントダイヤモンドを脆性材料基板１の表面に圧接させたり、カッターホイールを圧接・転動させることによって、脆性材料基板１の表面端部のスクライブ予定ラインの開始位置に、スクライブラインの形成の開始点となるトリガークラック２’を形成する。次いで、トリガークラック２’近傍のスクライブ予定ライン上に、脆性材料基板１にレーザ発振器から細長い楕円形状のＣＯ_２レーザビーム４’を照射すると共に、ＣＯ_２レーザビーム４’の照射領域の後端近傍に、冷却水等の冷却媒体５を吹き付ける。そして、レーザ発振装置から照射されたＣＯ_２レーザビーム４’及び冷却媒体５の吹き付けを、スクライブ予定ラインに沿って相対的に移動させる。これにより、レーザビーム４’が照射された領域には、レーザビーム４’による加熱によって圧縮応力が生じる一方、冷却媒体５が吹き付けられた領域には引張り応力が生じる。このように、圧縮応力が生じた領域に近接して引張り応力が生じると、両領域間に、それぞれの応力に基づく応力勾配が発生し、脆性材料基板１の端部等に予め形成されたトリガークラック２’を起点として、スクライブ予定ラインに沿ってスクライブライン６’が脆性材料基板１に形成される。

ところが、トリガークラック２’を脆性材料基板１の端部に形成した場合、レーザビーム４’による加熱によって、トリガークラック２’から予測できない方向にクラックが派生するいわゆる”先走り現象”が生じることがあり、スクライブライン６’がスクライブ予定ラインから外れることがあった。そこで、図５に示すように、トリガークラック２”を脆性材料基板１の側端よりも内側に形成し、ここからスクライブラインを形成開始させることも行われている。
特開2006-256944

ところで、脆性材料基板１がガラス基板の場合、ＣＯ_２レーザビーム４’は、深さ３．７μｍというガラス基板１の表層だけでそのエネルギーの９９％が吸収され、それよりもガラス基板の厚み方向の深い部分へは熱伝導によって熱は伝えられることになる。このため、ＣＯ_２レーザビーム４’によるスクライブライン６’の深さは、通常は１００μｍ程度と、従来の機械的に形成するスクライブラインの深さと同程度で、ガラス基板の割断にはブレーク工程が必要とされていた。

一方、製造工程における生産性向上や簡素化の観点から、レーザビームによって形成されるスクライブラインの深さを、脆性材料基板１の厚み方向全部とし、ブレーク工程を経ることなく脆性材料基板１を割断すること（以下、「フルカット」と記すことがある）が強く要求されており、例えばガラス基板の場合、透過率の高いＥｒ−ＹＡＧレーザを用いて、ブレーク工程を経ることなく割断することが近年実験・検討されている。

しかしながら、Ｅｒ−ＹＡＧレーザなどの透過率の高いレーザビームを用いた場合、トリガークラック２”を脆性材料基板１の側端よりも内側に形成しても、トリガークラック２”から予測できない方向にクラックが生じる先走り現象が生じ、スクライブライン６’が予定ラインから外れることがあった。

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、その目的とするところは、脆性材料基板に対して透過率の高いレーザビームを用いて、脆性材料基板を割断する方法において、前述の先走り現象を抑えて、トリガークラックを起点としてスクライブラインが予定ラインに沿って形成されるようにすることにある。

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で加熱し、これにより前記基板に生じた熱応力によって前記基板の表面から略垂直方向にクラックを形成させて前記基板を割断する脆性材料基板の割断方法であって、前記レーザビームの波長を、前記レーザビームが前記基板を１〜９０％透過する波長とし、前記基板の側端よりも内側の、前記レーザビームの移動予定ラインの端部に、当該移動予定ラインの方向の第１切り目と、この第１切り目と交差する少なくとも１本の第２切り目とから構成されるトリガークラックを形成することを特徴とする。

ここで、先走り現象を一層効果的に抑える観点からは、第２切り目が、第１切り目に対して垂直であるのが好ましい。

前記脆性材料基板がガラス基板である場合、前記レーザビームの波長を３〜５μｍとするのが好ましい。

脆性材料基板の割断を効率的且つ確実に行う観点からは、脆性材料基板にレーザビームを照射した後、冷却媒体により脆性材料基板を冷却するのが好ましい。

本発明の脆性材料基板の割断方法では、レーザビームの波長を、脆性材料基板を１〜９０％透過する波長としたので、ブレイク工程を経ることなく脆性材料基板をフルカットできる。また、脆性材料基板の側端よりも内側の、レーザビームの移動予定ラインの端部に形成するトリガークラックを、前記移動予定ラインの方向の第１切り目と、この第１切り目と交差する少なくとも１本の第２切り目とから構成されるようにしたので、先走り現象を効果的に抑えることができる。これにより、トリガークラックを起点として予定ラインから外れることなくスクライブラインを形成できる。

トリガークラックの第２切り目を第１切り目に対して垂直にすると、先走り現象を一層効果的に抑えることができる。

前記脆性材料基板がガラス基板である場合、前記レーザビームの波長を３〜５μｍとすると、ガラス基板のフルカットが効率的に行うことができる。

脆性材料基板にレーザビームを照射した後、冷却手段により脆性材料基板を冷却すると、脆性材料基板の割断を効率的且つ確実に行うことができる。

以下、本発明に係る脆性材料基板の割断方法についてより詳細に説明するが、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、本発明に係る脆性材料基板の割断方法の一実施形態を示す工程図を示す。まず、同図（ａ）において、脆性材料基板１の一方側表面の、基板側端よりも内側にトリガークラック２を形成する。このトリガークラック２が、レーザビーム４の移動予定ライン３の開始側端部となる。トリガークラック２は、レーザビーム４の移動予定ライン３の方向に形成された第１切り目２１と、第１切り目２１に垂直な第２切り目２２とがそれぞれの中点で交差してなる。ここで重要なことは、トリガークラック２が、レーザビーム４の移動予定ライン３の方向の第１切り目２１と、この第１切り目２１に交差する第２切り目２２とから構成されていることにある。これによって、トリガークラック２から予測不能な方向にクラックが生じる先走り現象が確実に抑制される。この先走り現象の抑制機構についてはまだ十分には解明されていないが、レーザビーム移動予定ライン３の方向と交差する方向にも切り目２２を形成することによって、レーザビーム照射によって基板１に生じた熱応力のうち、レーザビーム４の移動予定ライン３方向の熱応力が前記切り目２２により解放され、レーザビーム４による加熱で生じる第１切り目２１の先端への応力が緩和されるためではないかと推測される。

トリガークラック２の形状としては、少なくともレーザビーム４の移動予定ライン３の方向の第１切り目２１と、第１切り目２１と交差する第２切り目２２とから構成されていればよく、例えば図２に示すような、第１切り目２１と第２切り目２２とが直交する形状（同図（ａ））、第１切り目２１の中点に、２本の切り目すなわち第２切り目２２と第３切り目２３とが交差する形状（同図（ｂ））、第１切り目２１の中点に、３本の切り目すなわち第２切り目２２，第３切り目２３、第４切り目２４が交差する形状（同図（ｃ））などが挙げられる。トリガークラック２の形状及び第１切り目２１と交差する切り目の本数に限定はないが、先走り現象の抑制および生産効率等を考慮するならば、図２（ａ）に示すような、第１切り目２１と第２切り目２２とが直交する形状のトリガークラック２が推奨される。なお、第１切り目２１に対して２本以上の切り目を交差させる場合、それぞれ第１切り目２１と異なる点で交差させても構わない。

各切り目の長さ及び深さに特に限定はないが、通常は、切り目の長さはポイントクラック(数十μｍ)〜３ｍｍの範囲が好ましい。また、切り目の深さは板厚の１０％〜９０％の範囲が好ましい。

トリガークラック２の各切り目の形成方法に特に限定はなく、脆性材料基板１の表面にポイントダイヤモンドを圧接させたり、カッターホイールを圧接・転動させる、あるいはＣＯ_２レーザやＹＡＧレーザなどを用いて非接触で形成するようにしてもよい。

次に、図１（ｂ）に示すように、トリガークラック２の近傍でレーザビームの移動予定ライン３上に、楕円形状のレーザビーム４を照射すると共に、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５を不図示のノズルから噴霧する。脆性材料基板１を１〜９０％透過する波長のレーザビーム４を、例えば長径数十μｍの照射領域で脆性材料基板１に照射することによって、脆性材料基板１は厚み方向全体が溶融温度未満で加熱され、脆性材料基板１は厚み方向全体において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。次いで加熱直後に、脆性材料基板１の表面に冷却媒体５が噴霧され冷却されることによって、今度は引っ張り応力が発生する。この引っ張り応力の作用によって、トリガークラック２を開始点として、脆性材料基板１の厚み方向全体にわたるスクライブライン６が形成される。そして同図（ｃ）に示すように、レーザビーム４を移動予定ライン３に沿って移動させることにより、前記スクライブライン６はレーザビーム４の移動方向に沿って連続して進行する。なお、この実施形態では、脆性材料基板１を固定し、レーザビーム４を移動させているが、脆性材料基板１を移動させ、レーザビーム４を固定する、あるいは脆性材料基板１及びレーザビーム４の双方を移動させてももちろん構わない。

ここで使用するレーザは、脆性材料基板１を１〜９０％透過する波長を有するものである。物体に真空中の波長λ_０、強度Ｉ_０の光を照射したとき、深さｚの場所での光強度Ｉは、次のように表される。
Ｉ＝Ｉ_０・ｅｘｐ（−α・ｚ） ・・・・・・（１）
ここで、αは吸収能と呼ばれる物理量で、
α＝（４π／λ_０）ｋ＝（４π／λ_０）ｎκ ・・・（２）
（式中、ｎはその物体の屈折率、ｋ，κは減衰係数）
で表される。

レーザビーム４が厚さＬの脆性材料基板を９０％透過するようにする場合、その波長は次のようにして算出する。まず上記式（１）から
α＝０．１０５／Ｌ
となる。そして上記式（２）から波長λ_０は、
λ_０＝３８．１・πｋＬ＝３８．１・πｎκＬ
となる。なお、上記計算では、脆性材料基板の入射表面での反射や、出射側面である脆性材料基板裏面での反射はないものとしている。

同様にして、レーザビームが厚さＬの脆性材料基板を１％透過するようにする場合、上記式（１）、（２）から波長λ_０は、
λ_０＝０．８６８・πｋＬ＝０．８６８・πｎκＬ
となる。

今のところ、波長を連続的に変化させることのできるレーザ出力装置は現存せず、固有の波長を有するそれぞれのレーザ出力装置から、前記算出した波長に近い波長のレーザビームを出力するものを選択し使用する。代表的なレーザ出力装置とレーザビーム波長を表１に示す。

脆性材料基板がソーダガラス基板である場合、波長２．９μｍのレーザビームの吸収能はα＝０．４７ｍｍ^−１であり、レーザビームが１％透過するガラス基板の厚さＬは９．８ｍとなる。換言すると、波長２．９μｍのレーザビームを用いれば、少なくとも厚さ９．８ｍｍのガラス基板をフルカットできることになる。なお、実際には９．８ｍｍより厚いソーダガラス基板もフルカット可能である。この理由は、加熱され圧縮応力が発生した領域の周辺に引っ張り応力が発生するため、加熱された領域よりも深い箇所に引っ張り応力が生じること、および加熱された領域が熱伝導によって深くなることによると推測される。

レーザビーム照射領域の後端近傍に噴霧する冷却媒体５としては特に限定はなく、水などの液体の他、気体であっても構わない。また、脆性材料基板１のフルカットを迅速に行うためには、脆性材料基板１の冷却を表面と共に裏面においても行うのが好ましい。
もちろん、冷却媒体５を噴霧することなく自然空冷によってもスクライブライン６を発生させることはできるが、冷却媒体５を噴霧して強制的に冷却する方がスクライブライン６が迅速且つ確実に形成されるので望ましい。

レーザビーム４の相対的移動速度は、レーザビーム出力値や照射面積、脆性材料基板１の厚み等から適宜決定すればよいが、通常は、１〜数百ｍｍ／ｓｅｃの範囲が好ましい。

本発明の割断方法は、前述のガラス基板の他、セラミックス基板や単結晶シリコン基板、サファイヤ基板など従来公知の脆性材料基板の割断に用いることができ、例えば液晶ディスプレイ等のパネル製造分野などで好適に使用できる。

以下、本発明を実施例によりさらに詳しく説明するが本発明はこれらの例に何ら限定されるものではない。

実施例１
レーザビームの移動予定ラインの方向の第１切り目と、この第１切り目に垂直に交差する第２切り目とから構成されるトリガークラックを、厚さ７００μｍのガラス基板の表面の周縁近傍に形成した（図１（ａ）を参照）。レーザ出力装置としてＥｒ−ＹＡＧレーザ（波長：２．９３μｍ）を用い、前記トリガークラックの近傍でレーザビーム移動予定ライン上からレーザービームの照射を開始し、移動予定ラインに沿って照射スポットを移動させて、ガラス基板をフルカットした。フルカットしたガラス基板の切断面を目視によって観察した結果、ガラス基板の分断ラインはレーザビーム移動予定ラインと一致していた。なお、レーザビームの照射スポットサイズは６３６０μｍ^２、レーザ出力は５Ｗ、レーザビーム移動速度は２ｍｍ／ｓｅｃであった。

比較例１
レーザビームの移動予定ラインの方向の第１切り目のみから構成されるトリガークラックをガラス基板の表面に形成した以外は実施例１と同様にしてガラス基板のフルカットした。フルカットしたガラス基板の切断面を目視により観察した結果、ガラス基板の分断ラインは、図３に示すように、レーザビームの移動予定ライン３から外れていた。

本発明によれば、ブレーク工程を経ることなく脆性材料基板をフルカットでき、しかもトリガークラックを起点としてスクライブラインが予定ラインから外れることなく形成されるので、液晶ディスプレイ等のパネル製造工程などで好適に使用される。

本発明に係る割断方法の一例を示す工程図である。 トリガークラックの形状例を示す部分斜視図である。 比較例１におけるガラス基板の分断状態を示す説明図である。 従来の割断方法を示す概説図である。 従来の他の割断方法を示す概説図である。

符号の説明

１ 脆性材料基板
２ トリガークラック
３ 移動予定ライン
４ レーザビーム
５ 冷却水（冷却媒体）
６ スクライブライン
２１ 第１切り目
２２ 第２切り目

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で加熱し、これにより前記基板に生じた熱応力によって前記基板の表面から略垂直方向にクラックを形成させて前記基板を割断する脆性材料基板の割断方法であって、
   前記レーザビームの波長を、前記レーザビームが前記基板を１〜９０％透過する波長とし、
   前記基板の側端よりも内側の、前記レーザビームの移動予定ラインの端部に、当該移動予定ラインの方向の第１切り目と、この第１切り目と交差する少なくとも１本の第２切り目とから構成されるトリガークラックを形成することを特徴とする脆性材料基板の割断方法。
2. 第２切り目が、第１切り目に対して垂直である請求項１記載の脆性材料基板の割断方法。
3. 前記脆性材料基板がガラス基板であり、前記レーザビームの波長が３〜５μｍである請求項１又は２記載の脆性材料基板の割断方法。
4. 前記脆性材料基板にレーザビームを照射した後、冷却媒体により前記脆性材料基板を冷却する請求項１〜３のいずれかに記載の脆性材料基板の割断方法。