JP2012061681A - レーザ割断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】棒状部材で基板を湾曲させるレーザ割断装置において、レーザビームが棒状部材に直接照射されても、棒状部材の温度上昇を抑えて棒状部材が変形したり組成変化するのを抑制する。
【解決手段】棒状部材１２で基板５０を湾曲させた後、基板５０に対してレーザビームＬＢを相対移動させて、レーザビームＬＢを基板５０に照射して溶融温度未満に加熱し、基板５０に生じた熱応力によって垂直クラック５３を形成して基板５０を割断する際、棒状部材１２の、基板５０の端部から露出し、レーザビームＬＢが直接照射された部分を冷却ノズル３７から噴霧する冷却媒体で冷却する。
【選択図】図４

Description

本発明はレーザ割断装置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、垂直クラックからなる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、外力を加えて基板を割断する際に上記欠陥に起因する割れ等が発生することがあった。

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（以下、「垂直クラック」と記すことがある）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。

上記いわゆるレーザ割断方法において垂直クラックを深くするには、レーザビームの照射出力を大きくしたり、走査速度を遅くする必要があるが、レーザビームの照射出力を大きくすると、基板表面に加熱による損傷が生じることがある。また、レーザビームの走査速度を遅くすると加工効率が低下する。

そこで、基板を湾曲させ、その状態でレーザビームを照射して垂直クラックを深くする技術が提案されている。例えば特許文献１では、基板を支持する複数の棒状部材の高さをそれぞれ変えて基板を自重で湾曲させている。

特開2007-191363号公報

しかしながら、特許文献１の提案技術では、複数の棒状部材の高さをそれぞれ調整しなければならず作業が煩雑となる。一方、１つの棒状部材で基板を湾曲させる場合には、棒状部材の高さ調整は容易になるが、基板を介して棒状部材の直上にレーザビームが照射されることになるので、基板端部から外方に突出した棒状部材の露出部分にはレーザビームが直接照射されることになる。

レーザビームが照射された部分は一時的に温度が７００℃以上にも上昇するので、棒状部材が熱膨張して変形したり、材質によっては組成変化が生じる。

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、棒状部材で基板を湾曲させるレーザ割断装置において、レーザビームが棒状部材に直接照射されても、棒状部材の温度上昇を抑えて棒状部材が変形したり組成変化するのを抑制するレーザ割断装置を提供することにある。

本発明によれば、脆性材料基板を固定する固定台と、レーザ照射手段と、前記固定台に固定された前記基板をレーザビームの照射面側が凸となるように湾曲させる棒状部材と、前記棒状部材を冷却する冷却手段とを備え、前記棒状部材で前記基板を湾曲させた後、前記基板に対して前記レーザ照射手段を相対移動させて、レーザビームを前記基板に照射して溶融温度未満に加熱し、前記基板に生じた熱応力によって垂直クラックを形成して前記基板を割断する装置であって、前記棒状部材の、前記固定台に固定された前記基板の端部から露出し、レーザビームが直接照射された部分を前記冷却手段で冷却することを特徴とするレーザ割断装置が提供される。

ここで、レーザビームの不規則な反射を防止し安全性を高める観点からは、前記棒状部材の少なくとも前記露出部分を無反射黒色処理するのが好ましい。

また、効率的に垂直クラックを形成する観点などから、前記冷却手段によって、前記基板のレーザビーム照射部分も冷却するのが望ましい。

そしてまた、前記棒状部材を効率的に冷却する観点からは、前記冷却手段として、気体と共に水を噴射するものを用いるのが好ましい。

さらに前記棒状部材を、前記固定台に対して突出位置と没入位置とに移動自在とし、前記棒状部材を前記固定台から突出した位置に移動させることによって前記基板を湾曲させるのが好ましい。

前記基板が厚い場合でも所望の形状に基板を湾曲できるようにする観点からは、前記棒状部材を中心として前記基板の両側を前記固定台に押圧する一対の押圧部材をさらに設け、前記固定台に前記基板を固定し、前記一対の押圧部材で前記基板を押圧した後、前記棒状部材で前記基板を湾曲させるようにするのが好ましい。

そしてまた、前記固定台に前記基板を固定するための吸引固定手段を設けるのが好ましい。

本発明に係るレーザ割断装置では、前記基板を湾曲する前記棒状部材の端部が、前記固定台に固定された前記基板の端部から露出し、前記棒状部材の露出部分にレーザビームが照射されても、レーザビーム照射部分を前記冷却手段で直ちに冷却するので、棒状部材が変形したり組成変化するのが抑制される。

本発明に係るレーザ割断装置の一実施形態を示す概説図である。 図１のレーザ割断装置を用いて基板の割断する場合の工程図である。 図１のレーザ割断装置を用いて基板の割断する場合の工程図である。 レーザビーム及び冷却ノズルの動作状態を説明する斜視図である。 固定台に固定された基板と棒状部材との状態を示す平面図である。 棒状部材が第１突出位置から第２突出位置に移動する際の移動状態を説明する図である。

以下、本発明に係るレーザ割断装置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、本発明に係るレーザ割断装置の一例を示す概説図を示す。この図のレーザ割断装置では、固定台１１上に脆性材料基板（以下、単に「基板」と記すことがある）５０が載置・固定される。

固定台１１は左右２つの固定部１１ａ，１１ｂを有し、固定部１１ａは左右方向に移動自在に設けられている。また、固定部１１ａ，１１ｂの表面には複数の吸気孔（吸着固定手段）１４が形成されており、これら複数の吸気孔１４は真空ポンプ（吸着固定手段）Ｐに繋がっている。真空ポンプＰを駆動させて空気を引くことにより、固定台１１上に基板５０が吸着固定される。固定台１１の中央部、すなわち固定部１１ａと固定部１１ｂとの間には、紙面に対して垂直方向（前後方向）に長い棒状部材１２が、固定台１１から突出した位置と固定台１１に没入した位置とに移動自在に設けられている。棒状部材１２が固定台１１から突出した位置になると、レーザビームＬＢ照射面側が凸となるように基板５０が湾曲される。これについては後段で詳述する。

固定台１１の上方には、固定台１１と離隔対向するように、支持台３１が設けられている。支持台３１には、基板５０の表面にトリガークラックＴＣ（図４に図示）を形成するためのカッタホイール（不図示）と、基板５０にレーザビームＬＢを照射するための開口と、棒状部材１２及び基板５０の表面を冷却するための冷却ノズル３７（冷却手段，図４に図示）とが前後方向に並んで設けられている。

カッタホイール（不図示）は、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ＴＣを形成するときのみ、基板５０に圧接する位置に下降する。トリガークラックＴＣの形成位置は、トリガークラックＴＣ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、基板５０の表面側端よりも内側に形成するのが好ましい。

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、不図示の光学系を介して支持台３１に形成された開口から、固定台１１上に固定された基板５０に照射される。

支持台３１の左右方向両側に、前後方向に細長い直方体状の一対の押圧部材１３ａ，１３ｂが設けられている。この一対の押圧部材１３ａ，１３ｂは、不図示の駆動手段によって左右方向及び上下方向に移動自在であり、後述するように、固定台１１に基板５０が固定されると、棒状部材１２を中心として基板５０の左右両側を押さえる。

固定台１１の上方には、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、基板５０のスクライブ予定ライン５１（図４に図示）と棒状部材１２とが平面視において重なるように位置修正される。具体的には、ＣＣＤカメラ３８，３９によりセット時の基板５０の位置ずれが検出され、例えば基板５０が角度θずれていた場合は固定台１１が−θだけ回転され、基板５０がＹずれていたときは固定台１１が−Ｙだけ移動される。

図２及び図３に、このような構成の割断装置を用いて基板５０を割断する場合の工程図を示す。なお、固定台１１に基板５０を吸着固定させる吸着手段及びレーザビーム照射手段、冷却手段については、図を簡潔にするためこれらの図からは省略している。

まず、基板５０を固定台１１上に載置し、真空ポンプＰ（図１に図示）を駆動させて吸気孔１４（図１に図示）により固定台１１に基板５０を吸着固定する。そして、ＣＣＤカメラ３８，３９によって、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基板５０のスクライブ予定ライン５１（図４に図示）と棒状部材１２とが平面視において重なるように固定台１１を移動させて基板５０を所定の位置に位置決めする（図２（ａ））。

次に、押圧部材１３ａ，１３ｂを中央部へ移動させた後、下降させて基板５０を固定台１１に押圧固定する（同図（ｂ））。押圧部材１３ａ，１３ｂによる基板５０の押圧固定の程度は、センサにより検知し所定の押圧力となるよう制御するのが好ましい。また、押圧部材１３ａ，１３ｂによる基板５０の固定位置は、基板５０の材質や厚みなどから適宜決定すればよいが、棒状部材１２の突出によって基板５０が湾曲した際に基板５０の曲率半径が４０００ｍｍ以下となるようにするのが好ましい。このためには、棒状部材１２の突出量が５ｍｍ以下の範囲の場合、棒状部材１２から押圧部材１３ａ，１３ｂまでの距離Ｌは１００ｍｍ以上３００ｍｍ以下とするのが好ましい。また、押圧部材１３ａ，１３ｂは、基板５０の前後方向の全体を押圧するのが好ましいが、前後方向に所定間隔で基板５０を押圧するようにしても構わない。

そして、棒状部材１２を固定台１１から突出した第１突出位置とする。これにより基板５０が湾曲する（同図（ｃ））。棒状部材１２の突出量としては、前述のように、基板５０を湾曲させた時の基板５０の曲率半径が４０００ｍｍ以下となるようにするのが好ましく、通常、０．１ｍｍ〜５ｍｍの範囲である。

次いで、前述のように、ホイールカッタによって基板５０にトリガークラックＴＣ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（同図（ｄ））。

ここで、レーザビームによる基板の単位面積当たりの照射量を一定にするには、レーザビームＬＢを基板５０に対して一定速度で相対移動させる必要がある。そのためには、図４及び図５に示すように、レーザビームＬＢが相対移動開始してから一定速度に達するまでの加速区間及び一定速度から移動停止するまでの減速区間を、基板５０の端部外側に設ける必要がある。これら両区間では基板５０が介在せず、レーザビームＬＢが棒状部材１２に直接照射する。

一方、棒状部材１２の少なくとも露出部分には、安全性を高める観点から、無電解ニッケル黒化処理、黒クロムめっき処理などの無反射黒色処理を施すことが望まれる。このため、棒状部材１２の、レーザビームＬＢが直接照射される部分はレーザビームを吸収し温度が上昇し、変形したり組成変化するおそれがある。そこで、本発明では、レーザビームＬＢが出射する開口近傍に冷却ノズル３７を設け、棒状部材１２に向かって冷却媒体を噴霧し棒状部材１２の露出部分の温度上昇を抑えるようにした。

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、冷却媒体には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数ｍｌ／ｍｉｎ程度が好適である。冷却媒体による棒状部材１２の冷却は、レーザビームＬＢによって加熱された部分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ＬＢによる加熱領域の相対移動方向後方である。後述するように、冷却ノズル３７から冷却媒体を噴霧して基板５０をも冷却し、基板５０に引張応力を発生させて垂直クラック５３を効率的に形成するためには、冷却領域と加熱領域との中心点間の距離を数ｍｍ〜数十ｍｍ程度となるようにするのが好ましい。

図４（ｂ）に示すように、レーザビームＬＢの相対速度が一定になると、基板５０の表面にレーザビームＬＢを照射する。また、レーザビーム照射領域の後端近傍に冷却ノズル３７から継続して冷却媒体を噴出させる。基板５０にレーザビームＬＢを照射することによって、基板５０は厚み方向に溶融温度未満で加熱され、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、基板５０の表面が冷却媒体により冷却されることによって、基板５０が今度は収縮して引張応力が発生する。基板５０が冷却されることによって生じる引張応力の作用によって、トリガークラックＴＣを開始点としてスクライブ予定ライン５１に沿って垂直クラック５３が基板５０に形成される。加えて、本発明の装置では、基板５０のレーザビーム照射面側に基板５０の湾曲による引張応力が付加されるので、垂直クラック５３が通常よりも深く形成され、場合によっては垂直クラック５３が基板５０の反対面側まで至る。なお、冷却ノズル３７から冷却媒体を噴出させることなく、空冷により基板５０を冷却してもよいが、処理時間を短くする観点からは冷却ノズル３７から冷却媒体を噴出させて基板５０を冷却することが推奨される。

そして、レーザビームＬＢ及び冷却ノズル３７をスクライブ予定ライン５１に従って前後方向に相対的に移動させることによって、垂直クラック５３が前後方向に進展し基板５０にスクライブライン５２が形成される。

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。

次いで、図４（ｃ）に示すように、基板５０に対するレーザビームＬＢの照射が終了するとレーザビームＬＢの相対移動を停止させる。レーザビームＬＢの相対移動開始工程と同様に、レーザビームＬＢの減速区間では、棒状部材１２にレーザビームＬＢが直接照射されるので、棒状部材１２の、レーザビームＬＢが照射した部分に向かって冷却ノズル３７から冷却媒体を噴霧し棒状部材１２の温度上昇を抑える。そして、レーザビームＬＢの照射が停止すれば、冷却ノズル３７からの冷却媒体の噴霧を停止する。

レーザビームＬＢの加速区間及び減速区間は、通常、レーザビームＬＢの照射スポットの移動方向長さに対して１〜２倍程度の長さ以上とするのが好ましく、通常、１５０ｍｍ〜２００ｍｍ程度である。

本発明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。レーザビームの照射スポットの形状としては、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は１０〜６０ｍｍの範囲、照射幅は１〜５ｍｍの範囲が好適である。

次に、図３（ｅ）に示すように、棒状部材１２をさらに突出させて第２突出位置とする。これにより、基板５０に形成された垂直クラック５３が、基板５０の反対面側にまで至り基板５０が割断される。なお、レーザビームＬＢの照射によって垂直クラック５３を形成する前工程において、垂直クラック５３が基板５０の反対面側まで至った場合には、この図に示す工程は不要となる。棒状部材１２の突出量は、垂直クラック５３を基板５０の反対面側に進展させるものであれば特に限定はなく、通常、第１突出位置から０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度の突出量で足りる。なお、棒状部材１２を第１突出位置から第２突出位置にする際、棒状部材１２の前後方向両端を同時に突出させてもよいし、図６に示すように、棒状部材１２の前後方向の一方側端を先に突出させて、遅れてもう一方端側を突出させるようにしてもよい。

基板５０の割断がなされると、一方の押圧部材１３ａが上昇して基板５０ａの押さえが解除され、基板５０ａと共に固定部１１ａが棒状部材１２から離れる方向に移動する（図３（ｆ））。これにより２つに割断された基板５０ａ，５０ｂが分離され、割断面の欠け等の発生が防止される。次いで、棒状部材１２が第２突出位置から没入位置に移動する（同図（ｇ））。なお、図３（ｆ）及び同図（ｇ）で示す工程は、同時に行っても構わない。

そして、固定部１１ａの吸着固定が解除され、基板５０ａが次の工程に移動される（同図（ｈ））。次いで、押圧部材１３ｂが上昇して基板５０ｂの押さえが解除されるとともに、固定部１１ｂの吸着固定が解除される。そして、基板５０ｂが棒状部材１２を超えて所定距離まで移動され、前記一連の割断処理が繰り返し行われる。

本発明に係るレーザ割断装置の割断対象としての脆性材料基板５０に特に限定はなく、ガラス、セラミック、シリコン、サファイア等の従来公知の脆性材料基板が挙げられる。これらの中でも、表面圧縮応力が大きく、クロススクライブが困難とされている化学強化ガラスや風冷強化ガラスなどの強化ガラス基板の割断に本発明のレーザ割断装置は好適に使用できる。また、本発明のレーザ割断装置で割断できる脆性材料基板５０の厚みとしては、脆性材料基板５０の材質等によって異なるが、脆性材料基板５０がガラス基板の場合にはおおよそ２ｍｍ程度の厚さまでである。

本発明に係るレーザ割断装置では、脆性材料基板を湾曲する棒状部材の端部が、固定台に固定された前記基板の端部から露出し、棒状部材の露出部分にレーザビームが照射されても、レーザビーム照射部分を冷却手段で直ちに冷却するので、棒状部材が変形したり組成変化するのが抑制され有用である。

１１ 固定台
１１ａ，１１ｂ 固定部
１２ 棒状部材
１３ａ，１３ｂ 押圧部材
３７ 冷却ノズル
５０ 脆性材料基板
５３ 垂直クラック
Ｐ 真空ポンプ
ＬＢ レーザビーム

Claims (7)

1. 脆性材料基板を固定する固定台と、レーザ照射手段と、前記固定台に固定された前記基板をレーザビームの照射面側が凸となるように湾曲させる棒状部材と、前記棒状部材を冷却する冷却手段とを備え、前記棒状部材で前記基板を湾曲させた後、前記基板に対して前記レーザ照射手段を相対移動させて、レーザビームを前記基板に照射して溶融温度未満に加熱し、前記基板に生じた熱応力によって垂直クラックを形成して前記基板を割断する装置であって、
   前記棒状部材の、前記固定台に固定された前記基板の端部から露出し、レーザビームが直接照射された部分を前記冷却手段で冷却することを特徴とするレーザ割断装置。
2. 前記棒状部材の少なくとも前記露出部分が無反射黒色処理されている請求項１記載のレーザ割断装置。
3. 前記冷却手段によって、前記基板のレーザビーム照射部分も冷却する請求項１又は２記載のレーザ割断装置。
4. 前記冷却手段が、気体と共に水を噴射するものである請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ割断装置。
5. 前記棒状部材が、前記固定台に対して突出位置と没入位置とに移動自在で、前記固定台から突出した位置に移動することによって前記基板を湾曲させる請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ割断装置。
6. 前記棒状部材を中心として前記基板の両側を前記固定台に押圧する一対の押圧部材をさらに備え、
   前記固定台に前記基板を固定し、前記一対の押圧部材で前記基板を押圧した後、前記棒状部材で前記基板を湾曲させる請求項１〜５のいずれかに記載のレーザ割断装置。
7. 前記固定台に前記基板を固定するための吸引固定手段が設けられている請求項１〜６のいずれかに記載のレーザ割断装置。