JP2015116774A - 脆性材料基板の加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも容易かつ確実に分断することが可能な、あるいは、分断後に得られる個片の端面強度が従来よりも大きくなる、脆性材料基板の加工方法を提供する。
【解決手段】脆性材料基板を分断予定位置に沿って加工する方法が、パルスレーザ光を集光し、パルスレーザ光の被照射領域において溶融アブレーションが生じる照射条件にて脆性材料基板の表面に設定された分断予定位置に沿って走査しつつ照射する照射工程を、一の分断予定位置に対して複数回（例えば２回）繰り返すことにより、分断予定位置に沿った分断起点を形成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、ガラス基板などの脆性材料基板を分断する技術に関し、特に、パルスレーザ光の照射によって分断の起点を形成する技術に関する。

ガラス基板などの脆性材料基板を分断するにあたって、その起点となる部分をパルスレーザ光の照射によって形成する技術が既に公知である（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。

特許文献１には、パルスレーザ光の個々のパルス光の被照射領域（局部）において光エネルギ吸収によるアブレーションを生じさせることによって当該領域に存在する物質を蒸発・飛散させることで、当該領域に、その周辺部に形成された微小クラック群を含めた溶解痕を形成し、係る溶解痕が列設してなるミシン目状の分離容易化領域に沿って基板を分断する技術が開示されている。

特許文献２においては、（当該文献においても特許文献１として提示されている）特許文献１に開示された技術の場合には分断後の個片の端面強度が低くなるという問題点が指摘されたうえで、脆性材料基板に対してパルスレーザ光を走査しつつ連続的に（個々のパルス光がオーバーラップする態様にて）照射し、パルスレーザ光の被照射領域において光エネルギ吸収によるアブレーションを生じさせることによって当該領域に存在する物質を蒸発・飛散させるとともに、該アブレーションが生じる領域の隣接領域においては脆性材料基板を局所的に溶融・再固化させることによって、分断の起点となる連続的なスクライブ溝を形成しつつ、分断後の個片の端面強度を従来よりも大きくすることが可能な技術が開示されている。

特開２００５−２７１５６３号公報 特開２０１０−２７４３２８号公報

上述の脆性材料基板の一種として、例えば液晶パネル等に使用される、２枚のガラス基板を貼り合わせてなるいわゆる貼り合わせ基板がある。

特許文献２に開示された手法は確かに、分断後の個片における端面強度の向上には一定の効果を奏するが、貼り合わせ基板にこれを起用した場合、分断面において欠陥や凹凸を生じさせることなく分断を良好に行える条件範囲が非常に狭く、それゆえ、好適な分断を実現するための条件制御が難しいという場合があった。あるいは、分断後に得られる個片の端面強度が小さいという場合もあった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、特に貼り合わせ基板について、従来よりも容易かつ確実に分断することが可能な脆性材料基板の加工方法を提供することを目的とする。また、係る容易性および確実性を確保しつつ、分断後に得られる個片の端面強度が従来よりも大きくなる脆性材料基板の加工方法を提供することを第２の目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、脆性材料基板を分断予定位置に沿って加工する方法であって、パルスレーザ光を集光し、前記パルスレーザ光の被照射領域において溶融アブレーションが生じる照射条件にて前記脆性材料基板の表面に設定された前記分断予定位置に沿って走査しつつ照射する照射工程を、一の前記分断予定位置に対して複数回繰り返すことにより、前記分断予定位置に沿った分断起点を形成する、ことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の脆性材料基板の加工方法であって、前記照射工程を２回繰り返すことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２に記載の脆性材料基板の加工方法であって、前記脆性材料基板が２つの基板を貼り合わせてなる貼り合わせ基板である、ことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３に記載の脆性材料基板の加工方法であって、前記パルスレーザ光は、波長が３５５ｎｍであることを特徴とする。

請求項１ないし請求項４の発明によれば、一度の溶融アブレーションのみによって分断起点を形成する場合に比して、溶融アブレーションの実施条件の制御（基板種に応じた調整）が容易となる。あるいは、分断後に得られる個片の端面強度を増大させることができる。

レーザ加工装置１０の概略構成を模式的に示す図である。 パルスレーザ光ＬＢがレンズ機構３によって集光されて基板Ｗに照射される様子を示す、基板Ｗの厚み方向に垂直な断面図である。 溶融アブレーションのメカニズムを説明するための、基板Ｗの厚み方向と加工予定線の延在方向との双方に垂直な断面図である。 実施例２における、個片が破損した確率（Failure Probability）を、荷重（Stress）に対してプロットしたグラフである。 実施例４における、１回走査の場合のサンプルについて、個片が破損した確率（Failure Probability）を、荷重（Stress）に対してプロットしたグラフである。 実施例４における、２回走査の場合のサンプルについて、個片が破損した確率（Failure Probability）を、荷重（Stress）に対してプロットしたグラフである。

＜レーザ加工装置の概略＞
図１は、本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置１０の概略構成を模式的に示す図である。レーザ加工装置１０は、レーザ光源１と、ミラー機構２と、レンズ機構３と、ＸＹステージ４と、を主に備える。本実施の形態に係るレーザ加工装置１０は、貼り合わせ基板その他のガラス基板等の脆性材料基板（以下、単に基板）Ｗを対象とする、後述する態様での溶融アブレーション加工を、好適に実行可能なものとして構成されてなる。

レーザ光源１は、内部に備わる発振器からパルスレーザ光ＬＢを出射する。本実施の形態では、波長が３５５ｎｍのＵＶレーザ光をパルスレーザ光ＬＢとして出射するレーザ光源１を用いる。

ミラー機構２は、基板Ｗに対するパルスレーザ光ＬＢの照射方向（照射角度）を調整・変更する部位である。図１においては図示の簡単のため、パルスレーザ光ＬＢを反射する一の鏡面のみがミラー機構２を構成し、これによって水平姿勢の基板Ｗに対し鉛直方向からパルスレーザ光ＬＢが照射される場合を例示しているが、実際には、複数の鏡面によってミラー機構２が構成されていてもよいし、プリズムや回折格子等がミラー機構２の構成要素に含まれる態様であってもよい。

レンズ機構３はパルスレーザ光ＬＢを集光する部位である。図１においては図示の簡単のため、レンズ機構３が一のレンズのみによって構成される場合を例示しているが、実際には、複数のレンズによってレンズ機構３が構成されていてもよい。レンズ機構３は、パルスレーザ光ＬＢの集光位置の上下方向の位置を調整可能に設けられる。

なお、本実施の形態において、集光位置とは、パルスレーザ光ＬＢの照射方向に垂直な断面におけるビーム径が最小となる位置である。これは、一般的にいうパルスレーザ光ＬＢの焦点位置に相当するが、パルスレーザ光ＬＢが焦点位置においても有限のビーム径を有することを考慮し、本実施の形態では、ビーム径が最小となる位置との意を込めて、焦点位置という文言に代えて集光位置なる文言を用いている。

係る集光位置の調整は、レンズ機構３を構成するレンズを交換することによって実現されてもよいし、レンズ機構３を構成するレンズの位置を図示しないアクチュエータ等の位置調整手段によって変更することによって実現される態様であってもよい。

ＸＹステージ４は、基板Ｗを載置するテーブルであり、水平面内において互いに直交する２つの方向（これらをＸ方向およびＹ方向とする）に移動可能である。ＸＹステージ４の上面に基板Ｗを載置固定した状態で、ＸＹステージ４をＸ方向またはＹ方向に移動させつつ、レーザ光源１からパルスレーザ光ＬＢを出射させることにより、パルスレーザ光ＬＢによる基板Ｗの走査が実現される。例えば、基板Ｗの表面にあらかじめ設定されてなる加工予定線に沿ってパルスレーザ光ＬＢを移動させることにより、該加工予定線に沿った基板Ｗの加工が実現される。

＜溶融アブレーション＞
次に、パルスレーザ光ＬＢによる溶融アブレーションについて説明する。ここでは、直線状の加工予定線に沿って溶融アブレーションを生じさせる場合を例とする。

図２は、パルスレーザ光ＬＢがレンズ機構３によって集光されて基板Ｗに照射される様子を示す、基板Ｗの厚み方向に垂直な断面図である。図３は、溶融アブレーションのメカニズムを説明するための、基板Ｗの厚み方向と加工予定線の延在方向との双方に垂直な断面図である。いずれの場合も、図面に垂直な方向がパルスレーザ光ＬＢの走査方向ということになる。

係る態様にて溶融アブレーションを行うにあたっては、図２に示すように、パルスレーザ光ＬＢを、基板Ｗの上面Ｗａ（ＸＹステージ４に載置されていない側の表面）を集光位置Ｆとする態様にて、基板Ｗに照射する。係る態様にてパルスレーザ光ＬＢが照射されると、集光位置Ｆの近傍において基板Ｗが加熱される。パルスレーザ光ＬＢの照射条件を適宜に設定した場合、集光位置Ｆの直下の領域ＲＥ１は、基板Ｗの沸点を超える温度にまで加熱される。それゆえ、係る領域ＲＥ１からは、図３（ａ）に矢印ＡＲ１にて示すような基板Ｗの構成物質の蒸発・飛散、いわゆるアブレーションが生じる。一方、該領域ＲＥ１の周辺の領域ＲＥ２は、沸点よりは低いものの基板Ｗの融点を超える温度にまで加熱される。係る領域ＲＥ２では、基板Ｗの溶融が生じる。パルスレーザ光ＬＢが通過した後、放熱により温度が低下すると、領域ＲＥ２に存在している物質は再固化する。

このような、領域ＲＥ１における蒸発・飛散と、その周辺の領域ＲＥ２における溶融・再固化とが生じた結果として、基板Ｗには、図３（ｂ）に示すように、走査方向に垂直な断面視において基板Ｗの上面Ｗａから下方へと（基板Ｗの厚み方向へと）延在する溝部Ｇが、加工予定線に沿って形成される。溝部Ｇは、基板Ｗを構成する物質が溶融・再固化することによりその表面形状が形成されてなり、かつ、基板Ｗの厚み方向に対して略対称な形状を有する。

すなわち、溶融アブレーションとは、アブレーションが生じる領域ＲＥ１の周囲に、このような溶融・再固化が生じる領域ＲＥ２を積極的に形成することを意図した手法であり、このような領域の積極的な形成を意図しない単なるアブレーションとは異なるものである。

なお、溝部Ｇは１対の曲面状のエッジ部分を有する。それぞれのエッジ部分が、基板Ｗを溝部Ｇのところで分断することで得られる個々の個片のエッジとなる。より詳細には、係るエッジ部分は、パルスレーザ光ＬＢの走査方向（溝部Ｇの延在方向）に垂直な断面との交線が適宜の曲率半径を有する滑らかな曲線となるように形成されてなる。エッジ部分が係る形状を有する場合、エッジ部分が角張っているような場合に比して、該分断後の個片は、大きな端面強度を有するものとなる。これは、上述のような状態にて曲面状に形成されてなるエッジ部分においては、マイクロクラックが発生しにくくなっているからであると考えられる。

一方、溝部Ｇの底部は、溝部Ｇの延在方向に垂直な断面との交線が適宜の曲率半径を有する曲線となるように、形成されてなる。

また、パルスレーザ光ＬＢの集光位置Ｆの近傍であって、領域ＲＥ２よりも外側の領域では、融点にまでは達しないものの、パルスレーザ光ＬＢによる加熱は生じている。係る領域においては熱膨張が生じ、集光位置Ｆから外側へと向けて引張応力Ｓ１が作用する。その一方、パルスレーザ光ＬＢによる加熱の影響を受けない基板Ｗの内部においては、上述の熱膨張を打ち消すべく、パルスレーザ光ＬＢの照射位置の下方へと向けて圧縮応力Ｓ２が作用する。

このとき、パルスレーザ光ＬＢの走査速度が遅いなどの理由で、入熱量が一定量よりも大きい場合、圧縮応力Ｓ２が作用した結果として、パルスレーザ光ＬＢが通過した直後から始まる放熱時に、パルスレーザ光ＬＢの照射によって形成された溝部Ｇの底部の最下端部から下方に向けて、亀裂（垂直クラック）ＣＲが伸展することがある。

＜溶融アブレーションを利用した分断起点の形成＞
次に本実施の形態において行う、溶融アブレーションを利用した基板Ｗに対する分断起点の形成について説明する。本実施の形態においては、一の分断予定位置に対する溶融アブレーションの実施を複数回繰り返すことによって、基板Ｗに対して分断起点を形成するようにする。

係る場合においては、最終の溶融アブレーションを行った時点で、これに続く分断に好適な起点が形成されるように、各回の溶融アブレーションの実施条件を定めるものとする。換言すれば、予定回数の溶融アブレーションが全て終了していない段階では必ずしも良好な分断が行える状態に達しなくてもよい（あるいは当該状態に達しないようにする）という条件で、溶融アブレーションを繰り返すようにする。これにより、一度の溶融アブレーションのみによって分断起点を形成する場合に比して、溶融アブレーションの実施条件の制御（基板種に応じた調整）が容易となる。あるいは、分断後に得られる個片の端面強度を増大させることができる。特に、分断対象たる基板Ｗが貼り合わせ基板である場合に、係る対応が有効である。

各回の溶融アブレーションの実施条件は同じであってもよいし、異なっていてもよい。前者の場合、条件設定を繰り返す必要が無いので、処理効率が高いという利点がある。後者の場合、一回々々の溶融アブレーション後の状態に応じて実施条件を変更することで、分断起点をより好適な状態に形成できるという利点が得られるが、個々の溶融アブレーションの時間間隔が開いてしまう点には留意が必要である。

なお、溶融アブレーションを繰り返す場合、いったん図３（ｂ）のように溝部Ｇが形成された基板Ｗの分断予定位置に対して再びパルスレーザ光ＬＢを照射することになるので、基本的には、溝部Ｇの表面において、基板Ｗの構成物質のアブレーションと、該アブレーションが生じた領域の周辺領域における基板Ｗの溶融・再固化が生じる。それゆえ、溶融アブレーションを繰り返すほど、溝部Ｇの深さＤはより深くなる傾向がある。それゆえ、より深い溝部Ｇの形成を所望する場合は、溶融アブレーションを繰り返し行うというのは好適な対応といえる。ただし、溝部Ｇの幅ｗ（エッジ部分の幅）も大きくなる傾向がある。

また、上述のように、溝部Ｇの底部から亀裂ＣＲが伸展することがあるが、係る亀裂ＣＲの形成は、実質的な加工深さを溝部Ｇのみが形成される場合に比して増大させる効果があるので、好適な分断の実現にあたってプラスとなる。

（実施例１）
本実施例では、基板Ｗとして厚さ０．２ｍｍのガラス基板を封止材によって貼り合わせてなる貼り合わせ基板を複数枚用意した。そして、レーザ加工装置１０を用いて、それぞれの基板Ｗに分断起点となる溝部Ｇを形成した。

係る場合においては、溶融アブレーションの回数を表す走査回数を、１回走査と２回走査の二水準に違えた。後者については、１回目の走査と２回目の走査におけるパルスレーザ光ＬＢの照射条件は同じとした。また、１回走査と２回走査のいずれの場合も、パルスレーザ光ＬＢの出力（レーザ出力）と走査速度（ＸＹステージ４の移動速度）を種々に違えた。具体的には、レーザ出力は６．０（Ｗ）、８．０（Ｗ）、１２．０（Ｗ）の三水準とし、走査速度は、１００（ｍｍ／ｓ）〜４００（ｍｍ／ｓ）の範囲内でレーザ出力の大きさに応じて２５（ｍｍ／ｓ）刻みで複数の水準に設定した。

その他の条件は全ての基板Ｗについて共通で、以下の通りとした。

パルスレーザ光ＬＢの波長：３５５ｎｍ；
集光位置：基板Ｗの表面；
集光位置におけるビーム径：９．３μｍ。

形成された溝部Ｇについて、光学顕微鏡により、その幅ｗと深さＤとを測定した。また、溝部Ｇを形成後の基板Ｗをハンドブレーク（手割り）にて実際に分断し、その分断面を目視や光学顕微鏡により観察した。なお、ここでいう分断面には、溝部Ｇをなしていたエッジ部分や、パルスレーザ光ＬＢの被照射面とは反対側の主面側のエッジ部分をも含むものとする。

表１は、レーザ出力、走査速度、および、走査回数ごとに、分断後の基板Ｗの観察結果と溝部Ｇの幅ｗと深さＤとの測定結果とを示している。

なお、表１において、「表面欠陥」なる項目は、エッジ部分における基板Ｗの欠けの有無を表している。また、「断面不良」なる項目は、分断面における凹凸の有無や、筋状の痕跡の有無を表しており、前者が確認された場合には「凹凸」と記し、後者が確認された場合には「痕跡」と記している。

表１に示すように、１回走査の場合、「表面欠陥」と「断面不良」とがともに「無し」という場合が存在しなかった。これに対して、２回走査の場合は、レーザ出力が１２Ｗの場合を除き、「表面欠陥」と「断面不良」とがともに「無し」という場合が多く存在した。また、溝部Ｇの幅ｗと深さＤとは、２回走査の方が大きくなる傾向があった。

係る結果は、波長が３５５ｎｍでレーザ出力が６Ｗのパルスレーザ光を集光位置におけるビーム径が９．３μｍとなるように集光し、かつ、１７５ｍｍ／ｓ以上３００ｍｍ／ｓ以下の走査速度で２回走査することで、あるいは、レーザ出力が８Ｗのパルスレーザ光を集光位置におけるビーム径が９．３μｍとなるように集光し、かつ、２７５ｍｍ／ｓ以上３５０ｍｍ／ｓ以下の走査速度で２回走査することで、後工程における分断が良好に行える分断起点が形成できることを意味している。

（実施例２）
本実施例では、実施例１で基板Ｗを分断することで得られた個片のうち、分断起点の形成の条件を、２回走査でかつレーザ出力（単位Ｗ）と走査速度（単位ｍｍ／ｓ）を以下の組合せとした３種類について、端面強度の評価を行った。

サンプル１：６Ｗ、２００ｍｍ／ｓ；
サンプル２：８Ｗ、３００ｍｍ／ｓ；
サンプル３：１２Ｗ、３２５ｍｍ／ｓ。

端面強度の評価は、分断後の個片を複数個用意して、それぞれに加える荷重を徐々に高めていき、破損した個片の比率を荷重ごとに求めることにより行った。

図４は、個片が破損した確率（Failure Probability）を、荷重（Stress）に対してプロットしたグラフである。

図４からは、３種のサンプルのうち、レーザ出力８Ｗのサンプル２が、最大強度が相対的に大きくかつ強度のバラツキが最も小さいということがわかる。

係る結果と実施例１の結果とを踏まえると、波長が３５５ｎｍでレーザ出力が８Ｗのパルスレーザ光を集光位置におけるビーム径が９．３μｍとなるように集光し、かつ、２７５ｍｍ／ｓ以上３５０ｍｍ／ｓ以下の走査速度で２回走査することで、後工程における分断が良好に行えるとともに端面強度のバラツキの小さい分断個片を得ることの出来る分断起点が形成できることを意味している。

（実施例３）
本実施例では、実施例１と同様の貼り合わせ基板を複数枚用意した。そして、集光位置におけるビーム径を変えて、それぞれの基板Ｗに分断起点となる溝部Ｇを形成し、さらに、実施例１と同様に分断を行った。

係る場合においては、溶融アブレーションの回数を表す走査回数を、１回走査と２回走査の二水準に違えた。後者については、１回目の走査と２回目の走査におけるパルスレーザ光ＬＢの照射条件は同じとした。また、１回走査と２回走査のいずれの場合も、パルスレーザ光ＬＢの出力（レーザ出力）と走査速度（ＸＹステージ４の移動速度）を種々に違えた。具体的には、レーザ出力は２．０（Ｗ）、４．０（Ｗ）、６．０（Ｗ）の三水準とし、走査速度は、７５（ｍｍ／ｓ）〜３５０（ｍｍ／ｓ）の範囲内でレーザ出力の大きさに応じて２５（ｍｍ／ｓ）刻みで複数の水準に設定した。

その他の条件は全ての基板Ｗについて共通で、以下の通りとした。

パルスレーザ光ＬＢの波長：３５５ｎｍ；
集光位置：基板Ｗの表面；
集光位置におけるビーム径：２．３μｍ。

形成された溝部Ｇについて、実施例１と同様の評価を行った。

表２は、レーザ出力、走査速度、および、走査回数ごとに、分断後の基板Ｗの観察結果と溝部Ｇの幅ｗと深さＤとの測定結果とを示している。

表２に示すように、本実施例の場合は、１回走査よりもむしろ２回走査の方が「表面欠陥」と「断面不良」とがともに「無し」という場合が比較的多く存在した。一方、溝部Ｇの幅ｗと深さＤとは、２回走査の方が大きくなる傾向があった。

（実施例４）
本実施例では、実施例３で基板Ｗを分断することで得られた個片のうち、分断起点の形成の条件を、走査回数とレーザ出力（単位Ｗ）と走査速度（単位ｍｍ／ｓ）を以下の組合せとした６種類について、実施例２と同様に端面強度の評価を行った。

サンプル４：１回走査、２Ｗ、７５ｍｍ／ｓ；
サンプル５：１回走査、４Ｗ、１５０ｍｍ／ｓ；
サンプル６：１回走査、６Ｗ、２００ｍｍ／ｓ。

サンプル７：２回走査、２Ｗ、１００ｍｍ／ｓ；
サンプル８：２回走査、４Ｗ、２００ｍｍ／ｓ；
サンプル９：２回走査、６Ｗ、２７５ｍｍ／ｓ。

図５は、１回走査の場合のサンプル４〜６について、個片が破損した確率（Failure Probability）を、荷重（Stress）に対してプロットしたグラフである。図６は、２回走査の場合のサンプル７〜９について、個片が破損した確率（Failure Probability）を、荷重（Stress）に対してプロットしたグラフである。

図５および図６からわかるように、６種のサンプルのうち、２回走査でかつレーザ出力４Ｗのサンプル８が、強度の最大値が最も大きい（最大値２４８ＭＰａ）という結果が得られた。

係る結果と実施例３の結果とを併せ考えると、端面強度をより高めるには、分断が好適に行える条件範囲で２回走査を行う方がよいということができる。具体的には、波長が３５５ｎｍでレーザ出力が８Ｗのパルスレーザ光を集光位置におけるビーム径が２．３μｍとなるように集光し、かつ、１７５ｍｍ／ｓ以上２２５ｍｍ／ｓ以下の走査速度で２回走査することで、後工程における分断が良好に行えるとともに端面強度の大きな分断個片を得ることの出来る分断起点が形成できる。

１ レーザ光源
２ ミラー機構
３ レンズ機構
４ ＸＹステージ
１０ レーザ加工装置
ＣＲ 亀裂
Ｆ 集光位置
Ｇ 溝部
ＬＢ パルスレーザ光
Ｗ 基板

Claims (4)

1. 脆性材料基板を分断予定位置に沿って加工する方法であって、
   パルスレーザ光を集光し、前記パルスレーザ光の被照射領域において溶融アブレーションが生じる照射条件にて前記脆性材料基板の表面に設定された前記分断予定位置に沿って走査しつつ照射する照射工程を、一の前記分断予定位置に対して複数回繰り返すことにより、前記分断予定位置に沿った分断起点を形成する、
   ことを特徴とする脆性材料基板の加工方法。
2. 請求項１に記載の脆性材料基板の加工方法であって、
   前記照射工程を２回繰り返すことを特徴とする脆性材料基板の加工方法。
3. 請求項２に記載の脆性材料基板の加工方法であって、
   前記脆性材料基板が２つの基板を貼り合わせてなる貼り合わせ基板である、
   ことを特徴とする脆性材料基板の加工方法。
4. 請求項３に記載の脆性材料基板の加工方法であって、
   前記パルスレーザ光は、波長が３５５ｎｍである、
   ことを特徴とする脆性材料基板の加工方法。

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