JP2013022611A

JP2013022611A - レーザスクライブ装置

Info

Publication number: JP2013022611A
Application number: JP2011158883A
Authority: JP
Inventors: Kinya Ota; 欣也太田
Original assignee: Mitsuboshi Diamond Industrial Co Ltd
Current assignee: Mitsuboshi Diamond Industrial Co Ltd
Priority date: 2011-07-20
Filing date: 2011-07-20
Publication date: 2013-02-04
Anticipated expiration: 2031-07-20
Also published as: JP5271393B2; TWI474888B; TW201304896A; CN102886830B; CN102886830A; KR20130011911A; KR101350012B1

Abstract

【課題】スクライブ動作時の振動を抑えると共に、レーザ光によって正確にスクライブ溝を形成することのできるスクライブ装置を提供する。
【解決手段】枠材で立体に組成されたフレーム１と、フレーム１の内部で設置面Ｒ近傍で下部横枠１ｂに支持される底部支持板２と、底部支持板２上に載置される石定盤３と、石定盤３の上面に取り付けられる移動ステージ１３と、該移動ステージ１３上に支持され脆性材料基板Ｗが載置されるテーブル１５と、レーザ光源１６を支持する上部支持板２０と、該レーザ光源１６からのレーザ光をテーブル１５上に載置した脆性材料基板Ｗに照射するレーザ光照射部１７とからなる構成とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガラス基板、サファイア基板、半導体基板等の脆性材料基板にレーザビームを照射してスクライブ溝を形成するためのレーザスクライブ装置に関する。

脆性材料基板を分断する過程において、脆性材料基板の表面にレーザ光をスクライブ予定ラインに沿って照射させながら相対的に移動させることにより、スクライブ溝を形成する方法は一般的に知られており、例えば、特許文献１で開示されている。

レーザスクライブ装置では、互いに直交するＸ方向とＹ方向に移動可能なＸ−Ｙステージ上のテーブルに脆性材料基板を載置し、レーザ光を照射しながらテーブルをＸ方向並びにＹ方向に移動させて脆性材料基板にスクライブ溝を形成している。大型基板を処理するＸ−Ｙステージを支える台盤には、温度変化が少なくて物理的、機械的強度に優れた石定盤が使用されている。石定盤は精密機械加工の分野で使用されているものと同等のものであって、花崗岩（ミカゲ石）により厚板状に形成され、上下面の水平度が精密に仕上げられている。

図４は石定盤を組み込んだ従来のレーザスクライブ装置を示す概略的な正面図である。
金属製の枠材で組成された下部フレーム３１の上面に、高さ調整可能な連結部３２を介して石定盤３３を基台とする金属製の上部フレーム３４が固定されている。石定盤３３の上面には、Ｘ方向（図４の前後方向）に延設されたレール３５に沿って移動可能に配置されたＸステージ３６と、このＸステージ上でＹ方向（図４の左右方向）に延設されたレール３７に沿って移動可能に配置されたＹステージ３８とからなるＸ−Ｙステージ３９が設けられている。Ｙステージ３８上には鉛直軸（縦軸）の周りで回転する回転機構４０を介してテーブル４１が設けられ、テーブル４１上に加工すべき脆性材料基板Ｗが載置される。

上部フレーム３４の最上部には、レーザ光源４２や位置確認に用いる観察部（不図示）が取り付けられている。レーザ光源４２は内部にレーザ発振源と、レーザ発振源からの光をレーザ光照射部４３に導く反射ミラーや集光レンズなどの光学素子を備えている。脆性材料基板Ｗをテーブル４１上に載置し、レーザ光照射部４３からレーザ光を脆性材料基板Ｗに照射しながら、Ｘ−Ｙステージ３９によりテーブル４１をＸ方向並びにＹ方向に移動させることにより、脆性材料基板Ｗに対してＸ方向並びにＹ方向のスクライブ溝を加工することができるように構成されている。

特開２０１０−０８９１４３号公報

上記したレーザスクライブ装置では、石定盤３３が下部フレーム３１の上方に配置され、石定盤３３の上面に上部フレーム３４が組み付けられている。石定盤３３は上部フレーム３４、下部フレーム３１とともに、装置全体の骨組みとなるフレームの一部として機能するように一体的に組み付けられた構造となっている。そして石定盤３３は、上部、下部フレーム３１、３４の間にあって、装置の設置面Ｒから下部フレーム３１や連結部３２の高さを足し合わせた間隔Ｌ_１だけ上がった位置に石定盤載置面がくるように配置され、装置の重心が浮き上がった「腰高」の構造となっている。
すなわち、石定盤３３は、通常、石定盤３３の上面に機器を載置して作業者がそれらの機器を使用するため、上面の高さが人の作業しやすい高さになるように、石定盤載置面の高さＬ_１を８００〜８５０ｍｍ程度にした下部フレーム３１と石定盤３３とがセットとして使用されるのが一般的である。

ところで、レーザスクライブ装置では、Ｘ−Ｙステージ３９によるテーブル４１の往復移動の繰り返しによって複数回のスクライブ加工が次々と行われるが、その往復移動の動作時に、Ｘ−Ｙステージ３９を振動源とする振動が発生することになる。石定盤３３が上記例のように下部フレーム３１と上部フレーム３４の間（高さ８００ｍｍ程度）に配置されていると、この振動はＸ−Ｙステージ３９から石定盤３３を介して上、下部フレームの全体に伝達される。

テーブル移動に伴う振動を観察すると、Ｘ−Ｙステージ３９によりテーブル４１がＸ方向またはＹ方向に移動し、端まで移動して停止する瞬間の急な加速度変化（慣性力）によって大きく発生し、しかもテーブル走査速度が大きいほど大きな減速による急激な加速度変化が生じるようになり、大きな慣性力が働いて振動は大きくなる。
発生した振動は時間とともに減衰することになるが、前回のテーブル移動で生じた振動が完全に減衰しきれていない状態で、次回のテーブル移動（前回と逆方向への移動）が始まると振動が残ったまま移動することとなり、移動中にレーザスクライブ加工が行われると、振動の影響を受けたスクライブ溝が形成されることになり、スクライブ精度を高めることが困難になる。
したがって、スクライブ精度を高めるには、本来Ｘ−Ｙステージが発揮できる最大の移動速度よりも小さな速度で往復運動を行うようにしたり、端まで移動した時点で振動が完全に終息するまで待機してから次の移動を開始したりするようにして振動を抑える必要があった。
そのため、振動の影響を抑える必要上、スクライブ加工のスループットを向上させることに限界があった。

また、石定盤３３を組み込んだ従来装置を設置した工場内部の環境温度が変化することがある。この場合、金属に比べて膨張係数の小さな石定盤３３の上面に、金属製の上部フレーム３４が直接ボルトなどで固定されているので、石定盤３３に固定された上部フレーム３４の下端部分に比べ、上部フレーム３４の最上部の横枠部分が熱膨張による変形が大きく生じ、結果としてこの部分が撓むように変形する。このような撓み変形が僅かでも生じると、上部フレーム３４に支持されたレーザ光源４２の照射精度や観察機器の読取り精度に誤差が生じ、レーザ光照射部４３からのビーム照射方向に狂いが発生し、設定通りの正確なスクライブ溝を加工することが困難になる。

そこで本発明は、スクライブ動作時の振動を抑え、レーザ光によって精度よく正確にスクライブ溝を形成することができるスクライブ装置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スクライブ装置は、少なくとも、四隅に立設される柱枠、前記柱枠の下部で前記柱枠の間を水平に連結する下部横枠、前記柱枠の上部で前記柱枠の間を水平に連結する上部横枠を含む枠材で立体に組成されたフレームと、前記フレームに囲まれた内側の空間における設置面近傍で前記下部横枠に支持される底部支持板と、前記底部支持板上に載置される石定盤と、前記石定盤の上面に取り付けられる移動ステージと、前記移動ステージによって移動可能に支持され脆性材料基板が載置されるテーブルと、前記石定盤の上方で前記上部横枠に支持される上部支持板と、前記上部支持板に支持されるレーザ光源、および、前記レーザ光源からのレーザ光を前記脆性材料基板に照射するレーザ光照射部を備えるようにしている。
ここで、設置面から底部支持板の上面までの高さである石定盤載置面高さＬ_２は５０ｍｍ〜４００ｍｍとするのが好ましい。

移動ステージ（Ｘ−Ｙステージ）で駆動されるテーブルが急停止するときの慣性力によって発生する水平方向の振動は、移動ステージが載置される石定盤を介してフレームに伝達されるが、石定盤の高さが設置面から遠いほど振動は長周期になり、設置面に近いほど短周期になる。一般に、振動は長周期ほど減衰するまでの時間を要することから、振動の周波数を短くすることで減衰時間を短縮することができる。
したがって、本発明では、装置の設置面に近接する位置に底部支持板を配置し、その上に石定盤を配置した構造として、設置面から石定盤の載置面までの高さを短くするようにしている。これにより、テーブルの急停止によって振動が発生しても、短周期振動のため、短時間のうちに減衰するようになり、次回のテーブル移動が始まる前に前回の振動は完全に終息するようになり、振動の影響の少ないスクライブ加工が可能になる。
これにより、スクライブ溝の加工を精度よく行うことができるとともに、移動ステージの高速運転も可能となり、装置性能を高めることができる。
ここで、設置面から石定盤の載置面までの高さである石定盤載置面高さＬ_２が５０ｍｍ〜４００ｍｍとすれば、水平方向の振動を大幅に減衰させることができ、高さを低くするほど、より減衰効果を増すことができる。
また、石定盤は底部支持板を介して下部横枠（フレーム）に支持されるようにして、石定盤が直接フレームに固定されないようにしているので、温度変化によるフレームと石定盤との熱膨張率差に起因する変形の影響を抑えることができる。

上記発明において、前記石定盤と前記底部支持板とは、片側が固定され、他方側は自由に膨張できるようにして熱膨張率の差による底部支持板の変形を避けるようにして支持されるようにするのが好ましい。
熱膨張率差による底部支持板の変形を抑える逃がし機構を備えたので、温度変化に対して精度の高いレーザスクライブ加工ができるようになる。

本発明に係るスクライブ装置のフレーム部分を示す斜視図である。本発明に係るスクライブ装置の一部断面正面図である。上記スクライブ装置のＸ−Ｙステージ部分を示す概略的な平面図である。従来のスクライブ装置の正面図である。

以下において、本発明のレーザスクライブ装置を図１〜図３に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係るレーザスクライブ装置のフレーム部分を示す斜視図であり、図２は本発明に係るレーザスクライブ装置の一部断面正面図である。
フレーム１は四隅に垂直に立設された４本の柱枠１ａと、これら柱枠１ａの間を水平に連結する下部横枠１ｂおよび上部横枠１ｃと、補強のために必要に応じて設けられる中部横枠１ｄとによって立方体状（直方体でもよい）に組成されている。これらの枠材１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄは同一金属材料の角パイプで、例えば板厚９ｍｍ程度の鉄やステンレススチールで形成されるようにしてある。

本実施形態では、下部横枠１ｂは、隣接する柱枠１ａの最下部どうしを水平に連結する４本の枠材の他に、対向する一対の下部横枠１ｂ、１ｂの中央どうしを水平に連結するさらに１本の下部横断横枠１ｅとの合計５本で構成される。柱枠１ａの下端面には設置面Ｒに対する高さ調整のアジャスタ１８が取り付けてあり、また、下部横枠１ｂには移動用のキャスタ１９が取り付けてある。

そして、設置面Ｒに近接した位置に底部支持板２を介して石定盤３が下部横枠１ｂ（および下部横断横枠１ｅ）により水平に支持されるようにしてある。

上部横枠１ｃは、隣接する柱枠１ａの最上部どうしを水平に連結する４本の枠材で方形をなすように構成され、その上に上部支持板２０が載置されるようにして固定してある。上部支持板２０の上には後述するレーザ光源１６が載置され、さらにレーザ光照射部１７が上部支持板２０に形成した開口部２１から下方に向けてレーザが照射されるようにして支持されている。

また、中部横枠１ｄは、柱枠１ａの中央部どうしを水平に連結する４本の枠材で方形をなすように構成される。

石定盤３は、温度変化が少なくて物理的、機械的強度に優れた花崗岩（ミカゲ石）により厚板状に形成され、上下面の水平度が精密に仕上げられている。

底部支持板２は、石定盤３の底面が完全に載置されるように石定盤３の占める面（投影面）より大きくしてあり、フレーム１と石定盤３とが直接には接触しないようにしてフレーム１に囲まれる内側空間に取り付けてある。また、図２に示すように、石定盤３の一側面がアングル状の取付片４並びにボルト５を介して底部支持板２に固定するようにして取り付けてあり、石定盤３の反対側の側縁部は、押さえ片６により固定することなく、自由に膨張できるようにして、上面が軽く押さえ片６に接するようにしてある。これにより、周囲温度の変化が生じたときに、底部支持板２は石定盤３によって拘束されることなく熱膨張が許容され、石定盤３との熱膨張率の差による影響で底部支持板２に偏った変形が生じないようにし、ひいてはフレーム１に石定盤３との熱膨張率の差に起因する影響がでないようにしてある。

設置面Ｒから石定盤３下面までの石定盤載置高さＬ_２は、これまでは人の作業性の観点から８００ｍｍ程度にしていたが、後述するテーブルの移動に起因して発生する振動の周波数が設置面Ｒからの高さに依存するので、石定盤載置高さＬ_２を５０ｍｍ〜４００ｍｍ、より好ましくは５０ｍｍ〜２００ｍｍ以下になるようにして、発生する振動の周波数を充分に高くして短時間のうちに振動が減衰するようにしている。

石定盤３の上面には、図２並びに図３に示すように、Ｘ方向に延設されたレール７に沿って駆動軸８により移動可能に配置されたＸステージ９と、このＸステージ９上でＸ方向と平面上で直交するＹ方向に延設されたレール１０に沿って駆動軸１１により移動可能に配置されたＹステージ１２とからなるＸ−Ｙステージ１３が設けられている。Ｙステージ１２上には縦軸の周りで回転する回転機構１４を介してテーブル１５が設けられ、テーブル１５上に加工すべき脆性材料基板Ｗが載置される。

上部横枠１ｃに支持された上部支持板２０の上には、既述のようにレーザ光源１６とレーザ光照射部１７とが取り付けられている。レーザ光源１６には、図示は省略するが、レーザ発振源と、レーザ発振源からのレーザ光をレーザ光照射部１７に導くための反射ミラーや集光レンズなどの光学系素子とが含まれる。また、上部支持板２０の上には、レーザ光を照射するポイントを検出してズレを修正するための光学系観察部（撮像カメラ）も備えている。さらに、レーザ照射による加熱とともに加熱直後の冷却を行うことにより熱応力を利用したスクライブ加工を行う際には、冷媒噴射機構も上部支持板２０の上に取り付けられる。

次に、本発明によるスクライブ加工の動作について説明する。脆性材料基板Ｗにスクライブ溝を加工する場合は、搬送ロボット（不図示）等により、脆性材料基板Ｗをテーブル１５上に載置し、レーザ光照射部１７からレーザ光を脆性材料基板Ｗに照射しながら、Ｘ−Ｙステージ１３によりテーブル１５をＸ方向並びにＹ方向に移動させることにより、脆性材料基板ＷにＸ方向並びにＹ方向のスクライブ溝を加工する。

上記構成において、フレーム１（柱枠１ａ、下部横枠１ｂ、上部横枠１ｃ）に囲まれた内部空間で、装置の設置面Ｒに近接した底部支持板２に石定盤３を配置したので、Ｘ−Ｙステージ１３によるテーブル１５の移動で発生する振動の周波数は、設置面Ｒから石定盤３までの高さＬ_２を短くした分だけ高い周波数にシフトする。その結果、Ｘ−Ｙステージ１３の運動による振動が発生しても短時間のうちに減衰し、テーブル１５を反復運動させた場合でも、移動方向が変わるときに生じる振動はすぐに減衰して蓄積しなくなり、振動を抑えることができる。これにより、スクライブ溝の加工を精度よく行うことができるとともに、Ｘ−Ｙステージ１３の高速運転も可能となり、装置性能を高めることができる。

また、石定盤３はフレーム１とは直接接触しないようにするとともに、石定盤３の一側面が底部支持板２に取付片４並びにボルト５を介して止着され、石定盤３の反対側の側縁部が押さえ片６により上面より押さえられた状態でスライドできるように底部支持板２に保持されているので、金属製の底部支持板２並びにこれを保持するフレーム１が周囲温度の変化によって熱膨張したときに、底部支持板２は石定盤３に拘束されず自由に膨張することができ、フレーム１全体が石定盤３に影響されず、均等に膨張することになり、フレーム１の一部が撓んでいびつに変形することを抑制することができる。これにより、フレーム１により上部に組み付けられたレーザ光源１６や光学系観察器やレーザ光照射部１７の変位を抑制し、精度のよいスクライブ溝を加工することができる。

本発明において、底部支持板２が石定盤３に拘束されずに自由に熱膨張できるようにする取り付け方法は上記実施例に限定されない。例えば、図示は省略するが、連結用のボルトの外周面との間に膨張用の隙間が残るような大きなボルト挿入孔を石定盤３に形成して、このボルト挿入孔からボルトを石定盤３に螺入して石定盤３と底板２とを連結するようにしてもよい。

以上、本発明の代表的な実施例について説明したが、本発明は必ずしも上記の実施例のみに特定されるものではない。例えば、実施例で示したフレーム底面のキャスタ１９やアジャスタ１８を排除してフレーム１を設置面Ｒに直接設置するようにしてもよい。
また、移動ステージは、Ｘ−Ｙステージに代えて一方向だけに移動するＸステージであってもよい。

また、実施例では柱枠１ａの最上部に上部横枠１ｃを設けたが、上部支持板２によって支持されるレーザ光照射部１７の下端とテーブル１５との間に充分な間隔があれば、柱枠１ａの最上部から少し下がった位置で上部横枠１ｃを水平に連結するようにして、その上に上部支持板２を支持するようにしてもよい。その他、本発明では、その目的を達成し、請求の範囲を逸脱しない範囲内で適宜修正、変更することが可能である。

本発明は、ガラス基板、半導体基板、サファイア基板等の脆性材料基板にスクライブ溝を形成するためのレーザスクライブ装置に適用することができる。

Ｒ設置面
Ｗ脆性材料基板
１フレーム
１ａ柱枠
１ｂ下部横枠
１ｃ上部横枠
２底部支持板
３石定盤
１３Ｘ−Ｙステージ（移動ステージ）
１５テーブル
１６レーザ光源
１７レーザ光照射部

Claims

少なくとも、四隅に立設される柱枠、前記柱枠の下部で前記柱枠の間を水平に連結する下部横枠、前記柱枠の上部で前記柱枠の間を水平に連結する上部横枠を含む枠材で立体に組成されたフレームと、
前記フレームに囲まれた内側の空間における設置面近傍で前記下部横枠に支持される底部支持板と、
前記底部支持板上に載置される石定盤と、
前記石定盤の上面に取り付けられる移動ステージと、
前記移動ステージによって移動可能に支持され脆性材料基板が載置されるテーブルと、
前記石定盤の上方で前記上部横枠に支持される上部支持板と、
前記上部支持板に支持されるレーザ光源、および、前記レーザ光源からのレーザ光を前記脆性材料基板に照射するレーザ光照射部を備えたことを特徴とするレーザスクライブ装置。
設置面から前記底部支持板の上面までの高さである石定盤載置高さＬ_２は５０ｍｍ〜４００ｍｍである請求項１に記載のレーザスクライブ装置。
前記石定盤と前記底部支持板とは、片側が固定され、他方側は自由に膨張できるようにして熱膨張率の差による底部支持板の変形を避けるようにして支持される請求項１または請求項２に記載のレーザスクライブ装置。