JP2010194550A - 脆性材料の割断方法および当該方法を用いたフラットパネルディスプレイの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザビームを用いた割断方法にて、十分にレーザ移動速度を維持しながら、安定した割断工程を実現することができる。
【解決手段】本発明の割断方法は、脆性材料からなる基板にレーザを照射して前記基板を割断する割断方法において、基板上にレーザを照射して基板を加熱する工程と、照射した領域を冷却する工程と、照射する領域と冷却する領域とを直線的に走査する工程と、照射および冷却した領域の一部に力を加圧する工程とを有し、照射する時間と、冷却する時間との差Ｔ（ｓ）が、レーザ出力Ｐ（Ｗ）、レーザビーム移動速度ｖ（ｍｍ／ｓ）、レーザビーム照射面積Ｓ（ｍｍ²）、基板厚ｔ（ｍｍ）、係数ｋ、係数ｈを用いて、Ｔ＝ｖＳ（０．１ｔ−ｈ）／ｋＰで表せることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明はレーザによるガラスなどの脆性材料を割断する方法、およびその方法を用いたフラットパネルディスプレイの製造方法に関する。

近年、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）や液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）で代表されるフラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）の事業においては生産能力の向上が求められている。その施策の一つとして、１枚の大型基板に構成部位を形成し、その後複数枚の単板に割断するいわゆる多面取りプロセスを採用し、生産効率を上げている。

そして、多面取りプロセスにおいて重要となるのが、ガラス等の脆性材料からなる大型基板を割断して各単板を形成する割断工程である。従来行われている割断工程では、例えばダイヤモンドなどの硬質材料からなるホイール形状のカッターを研削砥石として用いて、基板の表面に傷（スクライブ）を入れ、そのスクライブに沿って、形成した反対側の面から圧力を印加し基板を割断する方法がある。

しかしながらこのような方法では割断時に基板であるガラスの鱗片が発生しやすく、それらが各基板の構成部位に残存し、画像表示に悪影響を及ぼす課題がある。また、スクライブの周辺にはマイクロクラックが無数に発生し、切断面から基板割れが発生する課題もあった。

ところで近年、レーザ加工は切断、溶接、穴開けをはじめ多方面での応用がなされ、通常の機械加工の困難な材質の加工応用が期待されている。これに伴い最近ではレーザ加工を用いた割断工程も導入されている（例えば特許文献１、特許文献２）。

例えば特許文献２に記載された技術では、ＣＯ₂レーザビームを照射して割断を行う。
ガラスにクラックを発生させるよりも低いエネルギー密度にてＣＯ₂レーザビームを照射する。この場合ガラスは溶融やクラックは発生せず加熱されるのみである。しかしながらこの加熱によって周辺に圧縮応力が発生する。その後、加熱した地点を冷却液などで噴霧して急冷する。これによって冷却地点には加熱時とは逆に引っ張り応力が発生する。ここでガラス端部等に機械的な割断のトリガーとなるクラックをつけておくと、レーザビームが走査する方向に割断亀裂が進行し、ガラスを割断することができる。
特表平８−５０９９４７号公報 特開２００６−１３７１６９号公報

ところが、レーザ割断では割断の再現性に問題があった。つまり割断が成功する条件と同一であっても、亀裂の進行が停止したり、レーザビーム照射位置のガラス基板が溶融したりして、割断が行われない現象が見られた。これに対して従来技術では、基板の厚み方向に熱勾配を持たせて応力を増加させるために、レーザビームの移動速度を遅くし基板への熱伝導を促進させる技術がある。しかしながら、この場合は割断工程に要する時間が増加し、生産効率が低下することになり、多面取りプロセスによって高効率生産を目標とするＦＰＤの製造方法には適さない。

上記課題に対して、本発明の割断方法は、脆性材料からなる基板にレーザを照射して前記基板を割断する割断方法において、基板上にレーザを照射して基板を加熱する工程と、照射した領域を冷却する工程と、照射する領域と冷却する領域とを直線的に走査する工程と、照射および冷却した領域の一部に力を加圧する工程とを有し、照射する時間と、冷却する時間との差Ｔ（ｓ）が、レーザ出力Ｐ（Ｗ）、レーザビーム移動速度ｖ（ｍｍ／ｓ）、レーザビーム照射面積Ｓ（ｍｍ²）、基板厚ｔ（ｍｍ）、係数ｋ、係数ｈを用いて、Ｔ＝ｖＳ（０．１ｔ−ｈ）／ｋＰで表せることを特徴とする。ここで、係数ｋは８１〜１２０であり、係数ｈは０．０５〜０．１であってもよい。また本発明のＦＰＤの製造方法はこれらの割断方法を用いたことを特徴とする。

本発明によれば、レーザビームを用いた割断方法にて、十分にレーザ移動速度を維持しながら、安定した割断工程を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の実施形態における割断工程においてレーザビームを走査している状態を示す斜視図である。また図２はその状態の平面図である。

このように脆性材料であるガラス基板１の端部にトリガークラック５をつけ、トリガークラック部より照射点２形に成形したレーザビームを照射する。そして照射点２の終端から距離ｃ（ｍｍ）をおいて、冷却点３に冷却液を噴霧することによって急冷する。またレーザビームを照射する機構と冷却液を噴霧する機構は同時に移動することができる。ここでは、割断方向に沿ってレーザビーム照射機構と冷却機構（以下、単に機構とする）は速度ｖ（ｍｍ／ｓ）で移動する。これによってこの地点より割断亀裂４がスクライブ深さｄ（ｍｍ）で進行する。その後、割断亀裂４に相当する位置の裏面から、押し圧を加えることによって、基板を割断する。

なおレーザビームについて出力Ｐ（Ｗ）、照射スポットを幅ａ（ｍｍ）、長さｂ（ｍｍ）としている。また同図では照射点２としてレーザビームによって高温となった部分を模式的に示している。

ここで、レーザビームが走査した位置に精確に割断亀裂４を形成するためには、レーザビームによって生じる圧縮応力と、冷却によって生じる引っ張り応力とを調整することが必要である。

しかしながら従来技術では、割断を成功させるためには、ガラス基板１の厚さ方向に熱伝導を発生する必要があるため、レーザビームによる照射出力を大きくする必要があると考えられていた。また一方で冷却液による冷却については、レーザビームによって加熱された高温の状態から一気に冷却することが理想的であると考えられていた。

このため、レーザビームの出力Ｐ（Ｗ）をより大きくし、かつ照射によって高温になった点から、冷却開始点までの距離ｃ（ｍｍ）をある程度短くし、高温状態から急冷する仕様が採用されていた。

これに対して、発明者等が検討した結果、効果的に割断を成功させるためには、レーザビームによって高温にした直後に冷却するのではなく、ある程度時間を設けて冷却する必要があることが確認された。表１は本発明の実施形態におけるレーザ割断の設定値をまとめている。なお、機構の速度ｖ（ｍｍ／ｓ）と距離ｃ（ｍｍ）より、冷却までに要した時間を算出している。

なお割断可否の評価として、割断亀裂４の進行が停止したり、ガラス基板１の端部にて直線的形状から外れたり、あるいは裏面からの押し圧によっても割断できなかったものについては、割断不可としており、一方でガラス基板１端部にまでレーザビームの走査線通りに割断できたものを割断可としている。また本発明の実施形態の割断に使用したガラス基板１は厚さｔ＝１．８ｍｍの硼硅酸ナトリウム系ガラスである。

同表より割断の成功可否についての評価をみると、割断を成功させるために必要な割断亀裂４のスクライブ深さｄ（ｍｍ）は、ガラス基板１の厚さｔ（ｍｍ）に対して、１０％程度であることが経験則で得られる。

ここで、実験結果からパラメータαとしてレーザビーム出力Ｐ（Ｗ）、スポット幅ａ（ｍｍ）、長さｂ（ｍｍ）、冷却開始時間Ｔ（ｓ）、機構の移動速度ｖ（ｍｍ／ｓ）を用いて、
α＝ＰＴ／ｖａｂ
を定義した。図３は当該パラメータαとスクライブ深さとの関係を示す図である。このように、パラメータαに対してスクライブ深さｄ（ｍｍ）がほぼ直線的な関係にあることが確認できる。そこでこの近似直線について係数ｋ、係数ｈを用いて、
ｄ＝ｋα＋ｈ
とした。上述したように割断を成功させるために、ガラス基板厚ｔ（ｍｍ）に対して、約１０％のスクライブ深さｄ（ｍｍ）が必要であることから、必要な冷却時間Ｔ（ｓ）は、
Ｔ＝ｖＳ（０．１ｔ−ｈ）／ｋＰ
で表すことができる。つまり上記条件を満たす冷却時間Ｔ（ｓ）とすることで、割断を成功させることができる。

また表１に示したように、必要な冷却時間Ｔ（ｓ）を設けることによって、機構速度ｖ（ｍｍ／ｓ）を上げた状態であっても割断を成功することができ、割断工程での生産性を向上することも可能となる。

なお係数ｋは８１〜１２０の範囲で、係数ｈは０．０５〜０．１の範囲において実験結果と直線近似の関係が得られた。

次に本実施の形態の割断方法をＦＰＤの製造方法に用いる実施例について説明する。先に述べたように、ＦＰＤの生産においては、高効率化のため、一枚の大型基板に複数枚の単板相当の構成部位を形成した後に、当該単板に割断するいわゆる多面取りプロセスが行われている。ここでは、ＦＰＤの一つであるＰＤＰについて説明する。

まず、ＰＤＰの構造について説明する。図４は本発明の実施の形態におけるＰＤＰ１１の構造を示す斜視図である。ＰＤＰ１１の基本構造は、一般的な交流面放電型ＰＤＰと同様である。図４に示すように、ＰＤＰ１１は前面ガラス基板１３などよりなる前面板１２と、背面ガラス基板２１などよりなる背面板２０とが対向して配置され、その外周部をガラスフリットなどからなる封着材によって気密封着されている。封着されたＰＤＰ１１内部の放電空間２６には、ＮｅおよびＸｅなどの放電ガスが５５ｋＰａ〜８０ｋＰａの圧力で封入されている。

前面板１２の前面ガラス基板１３上には、走査電極１４および維持電極１５よりなる一対の帯状の表示電極１６とブラックストライプ（遮光層）１７が互いに平行にそれぞれ複数列配置されている。前面ガラス基板１３上には表示電極１６と遮光層１７とを覆うようにコンデンサとしての働きをする誘電体層１８が形成され、さらにその表面に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などからなる保護層１９が形成されている。

また、背面板２０の背面ガラス基板２１上には、前面板１２の走査電極１４および維持電極１５と直交する方向に、複数の帯状のアドレス電極２２が互いに平行に配置され、これを下地誘電体層２３が被覆している。さらに、アドレス電極２２間の下地誘電体層２３上には放電空間２６を区切る所定の高さの隔壁２４が形成されている。隔壁２４間の溝にアドレス電極２２毎に、紫外線によって赤色、青色および緑色にそれぞれ発光する蛍光体層２５が順次塗布して形成されている。走査電極１４および維持電極１５とアドレス電極２２とが交差する位置に放電セルが形成され、表示電極１６方向に並んだ赤色、青色、緑色の蛍光体層２５を有する放電セルがカラー表示のための画素になる。

ここからＰＤＰ１１の製造方法について説明する。まず、前面ガラス基板１３上に、走査電極１４および維持電極１５と遮光層１７とを形成する。走査電極１４と維持電極１５とを構成する透明電極と金属バス電極は、フォトリソグラフィ法などを用いてパターニングして形成される。透明電極は薄膜プロセスなどを用いて形成され、金属バス電極は銀（Ａｇ）材料を含むペーストを所望の温度で焼成して固化している。また、遮光層１７も同様に、黒色顔料を含むペーストをスクリーン印刷する方法や黒色顔料をガラス基板の全面に形成した後、フォトリソグラフィ法を用いてパターニングし、焼成することにより形成される。

次に、走査電極１４、維持電極１５および遮光層１７を覆うように前面ガラス基板１３上に誘電体ペーストをダイコート法などにより塗布して誘電体ペースト層（誘電体材料層）を形成する。誘電体ペーストを塗布した後、所定の時間放置することによって塗布された誘電体ペースト表面がレベリングされて平坦な表面になる。その後、誘電体ペースト層を焼成固化することにより、走査電極１４、維持電極１５および遮光層１７を覆う誘電体層１８が形成される。なお、誘電体ペーストはガラス粉末などの誘電体材料、バインダおよび溶剤を含む塗料である。

次に、誘電体層１８上に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなる保護層１９を真空蒸着法により形成する。以上の工程により、前面ガラス基板１３上に所定の構成物が形成されて前面板１２が完成する。

一方、背面板２０は次のようにして形成される。まず、前面ガラス基板１３と同様に背面ガラス基板２１表面へ、ＱＲコード、品番、型番、あるいはアライメントマーク等を形成する。次に背面ガラス基板２１上に、銀（Ａｇ）材料を含むペーストをスクリーン印刷する方法や、金属膜を全面に形成した後、フォトリソグラフィ法を用いてパターニングする方法などによりアドレス電極２２用の構成物となる材料層を形成し、それを所望の温度で焼成することによりアドレス電極２２を形成する。次に、アドレス電極２２が形成された背面ガラス基板２１上にダイコート法などによりアドレス電極２２を覆うように誘電体ペーストを塗布して誘電体ペースト層を形成する。その後、誘電体ペースト層を焼成することにより下地誘電体層２３を形成する。なお、誘電体ペーストはガラス粉末などの誘電体材料とバインダおよび溶剤を含んだ塗料である。

次に、下地誘電体層２３上に隔壁材料を含む隔壁形成用ペーストを塗布して所定の形状にパターニングすることにより、隔壁材料層を形成した後、焼成することにより隔壁２４を形成する。ここで、下地誘電体層２３上に塗布した隔壁用ペーストをパターニングする方法としては、フォトリソグラフィ法やサンドブラスト法を用いることができる。次に、隣接する隔壁２４間の下地誘電体層２３上および隔壁２４の側面に蛍光体材料を含む蛍光体ペーストを塗布し、焼成することにより蛍光体層２５が形成される。以上の工程により、背面ガラス基板２１上に所定の構成部材を有する背面板２０が完成する。ここまでの工程を大型基板上に作成し、その後上記に述べた本発明の実施形態である割断方法によって単板に割断する。

このようにして割断工程によって単板となった前面板１２と背面板２０とを走査電極１４とアドレス電極２２とが直交するように対向配置して、その周囲をガラスフリットで封着し、放電空間２６にＮｅ、Ｘｅなどを含む放電ガスを封入することによりＰＤＰ１１が完成する。

以上のように本発明の割断方法は、脆性材料からなる基板にレーザを照射して前記基板を割断する割断方法において、基板上にレーザを照射して基板を加熱する工程と、照射した領域を冷却する工程と、照射する領域と冷却する領域とを直線的に走査する工程と、照射および冷却した領域の一部に力を加圧する工程とを有し、照射する時間と、冷却する時間との差Ｔ（ｓ）が、レーザ出力Ｐ（Ｗ）、レーザビーム移動速度ｖ（ｍｍ／ｓ）、レーザビーム照射面積Ｓ（ｍｍ²）、基板厚ｔ（ｍｍ）、係数ｋ、係数ｈを用いて、Ｔ＝ｖＳ（０．１ｔ−ｈ）／ｋＰで表せることを特徴とする。

これによって、レーザビームを用いた割断方法にて、十分にレーザ移動速度を維持しながら、安定した割断工程を実現することができる。

以上述べたように本発明の割断方法及びＦＰＤの製造方法は、安定した割断工程と高い生産性の製造方法を実現することができ、産業上有用である。

本発明の実施形態における割断工程を模式的に示した斜視図 本発明の実施形態における割断工程を模式的に示した平面図 割断工程のパラメータαとスクライブ深さとの関係を示す図 本発明の実施形態におけるＰＤＰの部分斜視図

１ ガラス基板
２ 照射点
３ 冷却点
４ 割断亀裂
５ トリガークラック始点
１１ ＰＤＰ
１２ 前面板
１３ 前面ガラス基板
１４ 走査電極
１５ 維持電極
１６ 表示電極
１７ ブラックストライプ（遮光層）
１８ 誘電体層
１９ 保護層
２０ 背面板
２１ 背面ガラス基板
２２ アドレス電極
２３ 下地誘電体層
２４ 隔壁
２５ 蛍光体層
２６ 放電空間

Claims (3)

1. 脆性材料からなる基板にレーザを照射して前記基板を割断する割断方法において、
   基板上にレーザを照射して前記基板を加熱する工程と、
   前記照射した領域を冷却する工程と、
   前記照射する領域と前記冷却する領域とを直線的に走査する工程と、
   前記照射および冷却した領域の一部に力を加圧する工程とを有し、
   前記照射する時間と、前記冷却する時間との差Ｔ（ｓ）が、
   レーザ出力Ｐ（Ｗ）、レーザビーム移動速度ｖ（ｍｍ／ｓ）、レーザビーム照射面積Ｓ（ｍｍ²）、基板厚ｔ（ｍｍ）、係数ｋ、係数ｈを用いて、
   Ｔ＝ｖＳ（０．１ｔ−ｈ）／ｋＰ
   で表せることを特徴とする割断方法。
2. 前記係数ｋは８１〜１２０であり、前記係数ｈは０．０５〜０．１であることを特徴とする請求項１に記載の割断方法。
3. 請求項１，請求項２に記載の割断方法を用いたフラットパネルディスプレイの製造方法。

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