JP2010184457A - 脆性材料基板の割断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】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場合に、交点部分における欠けの発生を抑制する。
【解決手段】レーザビームＬＢの照射と、冷却ノズル３７からの冷却媒体の吹き付けによって、垂直クラック５３ａからなる第１スクライブライン５２ａと、垂直クラック５３ｂからなる第２スクライブライン５２ｂとを形成する。そして第２スクライブライン５２ｂにレーザビームＬＢを再度照射して垂直クラック５３ｂを伸展させて、第２スクライブライン５２ｂで基板５０を割断する。次いで、第１スクライブライン５２ａにレーザビームＬＢを再度照射して垂直クラック５３ａを伸展させて、第１スクライブライン５２ａで基板５０を割断する。このとき第１スクライブライン５２ａに再度照射するレーザビームＬＢの照射スポットの照射幅の最大幅を１．０ｍｍ以下とする。
【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（例えば特許文献１など）。この提案方法は、脆性基板にレーザビームを照射してハーフカット状態の第１クラックを形成した後、同じくレーザビームの照射によって、第１クラックに交差するフルカットの状態の第２クラックを形成し、次いで第１クラックのハーフカット部にレーザビームを再度照射してフルカットするものである。

特開2007-301806

ところが、上記提案方法のように、第１クラックのハーフカット部にレーザビームを再度照射して脆性基板をフルカットする際に、第１クラックと第２クラックとの交点部分に欠けが生じることがある。割断後の角部となる脆性基板の交点部分に欠けが生じると、割断後の脆性基板の寸法精度が落ちるとともに、発生したカレットが基板表面に付着等して不具合の原因となる。

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、レーザを用いて互いに交差する２方向で脆性材料基板を割断する場合に、交点部分における欠けの発生を抑制する方法を提供することにある。

本発明によれば、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、次いで第１スクライブラインと交差する方向に、前記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前記基板を割断する第２工程と、次いで第１スクライブラインにレーザビームを再度照射して前記垂直クラックを伸展させて、第１スクライブラインで前記基板を割断する第３工程とを含む割断方法であって、前記第３工程における第１スクライブラインに照射するレーザビームの照射スポットの、前記相対移動方向に対して垂直方向の最大幅（以下、「照射幅」と記すことがある）を１．０ｍｍ以下としたことを特徴とする脆性材料基板の割断方法が提供される。

ここで、前記第２工程において、第１スクライブラインと交差する方向に、前記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た後、前記基板に対して冷却媒体を吹き付けて冷却して垂直クラックを形成し、次いでレーザビームを再度照射して前記垂直クラックを伸展させて前記基板を割断するのが好ましい。

また、脆性材料基板を割断するためのレーザビームを照射する条件裕度を広げるためには、第１スクライブラインの垂直クラックの深さは前記脆性材料基板の厚さの２５％以上とするのが好ましい。

さらに、前記第３工程において、下記式（１）から算出される入力エネルギーＱを０．０８５Ｊ／ｍｍ以下とするのが好ましい。
Ｑ＝Ｐ／Ｓ×Ｌ／Ｖ×Ｗ ・・・（１）
式中、Ｑ：入力エネルギー（Ｊ/ｍｍ）
Ｐ：レーザ出力（Ｊ/ｓ）
Ｓ：レーザスポット面積（ｍｍ^２）
Ｌ：照射長さ（ｍｍ）
Ｖ：相対移動速度（ｍｍ/ｓ）
Ｗ：照射幅（ｍｍ）

本発明に係る脆性材料基板の割断方法によれば、互いに交差する２方向で脆性材料基板を割断する際に、交点部分における欠けの発生を抑制できる。これにより、割断後の脆性材料基板の寸法精度が向上し、またカレットに起因する不具合が格段に抑制される。

第１スクライブラインの垂直クラックの深さを前記脆性材料基板の厚さの２５％以上とすると、脆性材料基板を割断するためのレーザビームの照射条件の裕度が広がる。

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。 レーザブレイク工程におけるレーザビームの照射スポットの模式図である。 本発明に係る割断方法の他の例を示す工程図である。 交点欠けの光学顕微鏡写真である。

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および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５３ａが伸展し脆性材料基板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を相対移動方向に伸展させて、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。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１〜２ｍｌ／ｍｉｎの範囲である。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５〜２０ｍｍ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、後工程の脆性材料基板を割断するためのレーザビームを照射する条件、例えば相対移動速度やレーザ出力などの裕度を広げるためには、基板厚み対して２５％以上の深さとするのが望ましい。これについては後段の実施例で詳述する。

次いで図３（ｂ）に示すように、第１スクライブライン５２ａに直交する割断予定ライン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。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、同図（ｃ）に示すように、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が基板厚み方向に伸展し、第２スクライブライン５２ｂで基板５０が割断される。同図（ｂ）及び同図（ｃ）が本発明における第２工程に該当する。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伸展していればよく、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を基板厚み方向に伸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。

次いで、第３工程として、同図（ｄ）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が基板厚み方向に伸展し、第１スクライブライン５２ａで基板５０が割断される。伸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伸展していればよく、必ずしも基板５０の反対面側に到達している必要はない。

ここで重要なことは、図４に示すように、第１スクライブライン５２ａに照射するレーザビームＬＢの照射スポットの照射幅Ｗを１．０ｍｍ以下とすることにある。このようにレーザビームＬＢの照射幅Ｗを１．０ｍｍ以下と通常よりも狭くすることによって、２つのスクライブラインの交点部分における基板の欠けの発生を効果的に抑えられるようになる。より好ましい照射幅Ｗは０．９ｍｍ以下である。

図５に、本発明に係る割断方法の他の実施形態を示す。この図で示す割断方法は、まず第１工程として、同図（ａ）に示すように、前述と同様にして、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、基板５０に第１スクライブライン５２ａを形成する。

次いで、第２工程として、同図（ｂ）に示すように、第１スクライブライン５２ａに直交する割断予定ライン５１ｂに沿って、レーザビームＬＢ及び冷却ノズル３７を照射しながら相対的に移動させる。図３に示した実施形態では、割断予定ライン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て、垂直クラック５３ａからなる第２スクライブライン５２ａを形成した後、第２スクライブライン５２ｂにレーザビームＬＢを再度照射して基板５０を割断していたが、本実施形態の割断方法では、レーザビームＬＢ及び冷却ノズル３７を割断予定ライン５１ｂに従って相対的に１度移動させることによって垂直クラック５３ｂを深く形成して基板５０を割断する。このように、１度のレーザビームＬＢ照射と冷却とで基板５０を割断するには、例えば、レーザビームＬＢと冷却ノズル３７の相対移動速度を遅くする、あるいは使用するレーザビームＬＢを短い波長のものとして、基板への単位時間あたりのエネルギ付与量を多くすればよい。

次に、第３工程として、同図（ｃ）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が基板厚み方向に伸展し、第１スクライブライン５２ａで基板５０が割断される。前記と同様に、第１スクライブライン５２ａに２度目に照射するレーザビームＬＢの照射スポットの照射幅Ｗは１．０ｍｍ以下である。また、伸展後の垂直クラック５３ａの、基板厚み方向の深さは、前述と同様に、外力を加えることなく基板５０が割断される深さにまで伸展していればよく、必ずしも基板５０の反対面側に到達している必要はない。

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、化学強化を行った厚さ０．５５ｍｍのソーダガラス基板に、その交点が４０個となるように互いに直行する複数本のスクライブラインを形成し、形成したスクライブラインに沿って再びレーザビームを照射して、前記基板を複数個に割断した。ガラス基板の割断は、図３に示す方法を用いて行った。レーザ照射の具体的条件は下記の通りである。

レーザの出力及び相対移動速度を変えてガラス基板を割断し、割断可能な条件の範囲を特定し、レーザの入力エネルギーが最も小さくなる条件での交点欠け率（％）を算出した。結果を表１に示す。なお、「入力エネルギー」は、第１スクライブラインに沿ってレーザビームＬＢを再度照射する際の、第１スクライブライン１ｍｍ当たりのレーザエネルギー値に相当し、前記式（１）から算出した。

（第１スクライブラインでのレーザ照射条件）
レーザビーム：ＣＯ_２レーザ
レーザ出力：１８０Ｗ
相対移動速度：１０００ｍｍ／ｓｅｃ
レーザスポット：楕円形（照射長さＬ：３８ｍｍ、照射幅Ｗ：１．３ｍｍ）

（第２スクライブラインでのレーザ照射条件）
レーザビーム：ＣＯ_２レーザ
レーザ出力：５０〜２５０Ｗ
相対移動速度：２００〜１５００ｍｍ／ｓｅｃ
レーザスポット：楕円形（照射長さＬ：３８ｍｍ、照射幅Ｗ：０．９ｍｍ）

比較例１及び比較例７
第２スクライブラインにおけるレーザ照射条件として、レーザスポットの照射幅Ｗを１．１ｍｍ及び１．３ｍｍとし、レーザの出力および相対移動速度を変えてガラス基板を割断し、割断可能な条件の範囲を特定し、入力エネルギーが最も小さくなる条件で交点欠け率（％）を算出した。結果を表１に合わせて示す。また参考のために図６に交点欠けの発生した場合の光学顕微鏡写真を示す。

表１から理解されるように、実施例１の割断方法では交点欠け率が２９％であったのに対し、比較例１及び比較例２の割断方法では交点欠け率が５９％及び６３％と高い値を示した。

本発明の割断方法によれば、レーザを用いて互いに交差する２方向に脆性材料基板を割断する場合に、交点部分における欠けの発生を抑制でき有用である。

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、次いで第１スクライブラインと交差する方向に、前記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前記基板を割断する第２工程と、次いで第１スクライブラインにレーザビームを再度照射して前記垂直クラックを伸展させて、第１スクライブラインで前記基板を割断する第３工程とを含む割断方法であって、
   前記第３工程における第１スクライブラインに照射するレーザビームの照射スポットの、前記相対移動方向に対して垂直方向の最大幅を１．０ｍｍ以下としたことを特徴とする脆性材料基板の割断方法。
2. 前記第２工程において、第１スクライブラインと交差する方向に、前記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た後、前記基板に対して冷却媒体を吹き付けて冷却して垂直クラックを形成し、次いでレーザビームを再度照射して前記垂直クラックを伸展させて前記基板を割断する請求項１記載の割断方法。
3. 第１スクライブラインの垂直クラックの深さを前記基板の厚さの２５％以上とする請求項１又は２記載の割断方法。
4. 前記第３工程において、下記式（１）から算出される入力エネルギーＱを０．０８５Ｊ／ｍｍ以下とする請求項１〜３のいずれかに記載の割断方法。
   Ｑ＝Ｐ／Ｓ×Ｌ／Ｖ×Ｗ ・・・（１）
   式中、Ｑ：入力エネルギー（Ｊ/ｍｍ）
   Ｐ：レーザ出力（Ｊ/ｓ）
   Ｓ：レーザスポット面積（ｍｍ^２）
   Ｌ：照射長さ（ｍｍ）
   Ｖ：相対移動速度（ｍｍ/ｓ）
   Ｗ：照射幅（ｍｍ）