JP2016069223A - ブレイク方法並びにブレイク装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ照射による基板への熱的な影響を抑え、ガラス基板をきれいな端面で分断することができるブレイク方法並びにブレイク装置を提供する。【解決手段】ガラス基板１をスクライブ予定ラインに沿ってブレイクするブレイク方法および装置であって、ガラス基板１の表面にカッターホイール１６を押し付けながら相対移動させることにより有限深さの亀裂Ｓを形成するメカニカルスクライブ工程と、亀裂Ｓに沿ってレーザビームを走査することにより生じる熱応力分布によって、メカニカルスクライブ工程で加工した亀裂Ｓをさらに浸透させてガラス基板１をフルカットするレーザブレイク工程とからなり、メカニカルスクライブ工程では、ガラス基板１の表面に板厚の３０〜８０％の亀裂を形成し、レーザブレイク工程では、発振波長が５μｍ帯のレーザを使用する。【選択図】図１

Description

本発明は、無アルカリガラス等からなるガラス基板をブレイクするブレイク方法並びにブレイク装置に関する。特に本発明は、液晶ディスプレイやプラズマディスプレイ等のフラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）に用いるのに適した厚みの薄いガラス基板をブレイクするブレイク方法並びにブレイク装置に関する。

従来から、レーザビームを照射しながら走査し、基板上に熱応力分布を発生させてスクライブを行うレーザスクライブ法を用いて、ガラス基板にブレイク予定ラインに沿った分断用の亀裂（クラック）を加工したり（例えば特許文献１参照）、あるいは、板厚が薄いガラス基板を完全分断（フルカット加工）したり（例えば特許文献２参照）する技術が知られている。

これまでのレーザスクライブ法では、主としてガラス基板による吸収係数の大きいＣＯ_２レーザ等を用いて基板表面近傍を走査加熱するとともに、これに追従して冷却機構のノズルから加熱領域に冷媒を噴射するようにしている。これによって、先行の加熱によって生じる圧縮応力と、次の急冷によって生じる引張応力とによる応力分布により、ガラス基板の表面に分断用の亀裂を生じさせたり、基板の厚み全部に亀裂を浸透させてフルカット加工したりしている。
比較的厚い基板（例えば１ｍｍ以上の板厚）に対するレーザスクライブ加工では、深さ方向に熱伝導する緩和時間の影響による上下方向の温度差により、基板表面側が引張応力、基板内部（深部）側が圧縮応力となる応力分布が主に影響するようになり、この上下方向の応力分布により、亀裂（クラック）が加工される。一方、薄い基板（例えば０．２〜０．４ｍｍ程度の板厚）の場合は、深さ方向の温度差がほとんど生じないため、上下方向の応力分布の影響もほとんど生じないが、これに代わって走査経路に沿った前後方向の応力分布が影響するようになり、この前後方向の応力分布により強い応力分布が形成されるとフルカット加工が可能になる。

国際公開ＷＯ０３／００８３５２号公報 特開２００１−１７０７８６号公報

上述したＣＯ_２レーザ等による従来のフルカット加工（レーザブレイク加工）は、薄いガラス基板であっても端面強度を保持しつつ分断することができる点で優れており、しかも後工程でメカニカルなブレイク処理を行わずに基板をいきなり分断（ブレイク）できることから工程が簡略化できる点で好ましい。
しかしながら上述したフルカット加工では、レーザビームの走査経路に沿った前後方向の応力分布だけを利用して基板を分断することから、前後方向に大きな応力差を生じさせる必要があり、十分な大きさの単位面積あたりの入熱量が必要になる。そのためには照射するレーザの出力パワーを大きくしたり、走査速度を遅くしたりすることが必要になるが、いずれの場合も基板表面での吸収係数が大きいＣＯ_２レーザ等によるレーザ照射では、基板表面近傍に与えるダメージが大きく表面に細かい傷が生じてしまう。

これに対し、特許文献２（００５５欄）には、波長が１０．６μｍのＣＯ_２レーザに代えて、ＣＯレーザ、ＹＡＧレーザ、エキシマレーザを用いてレーザスクライブすることも記載されている。しかし、当該文献にはＣＯレーザを使用する際の具体的な説明はない。一般に、ガラス基板に対する吸収係数の小さいレーザを使用すれば、原理的には基板表面近傍での吸収を抑えられることから表面のダメージを抑えた加工が可能になると考えられるが、吸収係数の小さいレーザでスクライブを行った場合には、以下のような別の問題が生じる。

すなわち、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ等の１μｍ帯の吸収係数の小さなレーザを使用した場合は、９０％以上のエネルギーがガラス基板に吸収されずに透過されてしまうので、基板をブレイクするには大きな出力（入熱量）が必要となり、かえって基板に熱ダメージを与えるおそれが生じると共に、基板裏面側で透過した熱を逃がす等の配慮が必要となり、装置が複雑になるといった問題が生じる。

したがって、ガラス基板にＣＯ_２やＮｄ：ＹＡＧレーザを走査して加熱することによるフルカット加工、すなわちレーザブレイク加工では、基板表面または内部に与える熱ダメージが問題となるおそれがあった。

一方、熱的な影響が全く生じないフルカット加工としては、カッターホイール（スクライビングホイールともいう）をガラス基板に押し付けながら転動することにより亀裂を伴うスクライブラインを形成した後、スクライブラインを押圧して分断するメカニカルな方法もあるが、亀裂を厚み方向全部に浸透させて分断する際に、分断された端面同士が接触して損傷したり、亀裂が厚さ方向に真っ直ぐに進展せずに逸れてしまい、歩留まりが悪くなったりするという問題点がある。

そこで本発明は、分断対象となるガラス基板に対し、レーザビーム照射での加熱による熱的な影響を抑え、ガラス基板を端面強度の高いきれいな分断面でブレイクすることができるブレイク方法並びにブレイク装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明では次のような技術的手段を講じた。すなわち、本発明のブレイク方法は、ガラス基板をブレイク予定ラインに沿ってブレイクするブレイク方法であって、前記ガラス基板の表面にカッターホイールを押し付けながら相対移動させることにより、前記ブレイク予定ラインに沿って有限深さの亀裂を形成するメカニカルスクライブ工程と、前記亀裂に沿ってレーザビームを走査することにより生じる熱応力分布によって、前記メカニカルスクライブ工程で加工した亀裂をさらに浸透させて前記ガラス基板をフルカットするレーザブレイク工程とからなり、前記メカニカルスクライブ工程では、前記ガラス基板の表面に板厚の３０〜８０％の亀裂を形成し、前記レーザブレイク工程では、発振波長が５μｍ帯のレーザを使用してブレイクするようにしたことをその特徴とする。
ここで、５μｍ帯のレーザとは具体的には例えばＣＯレーザが該当する。

また本発明は、ガラス基板をブレイク予定ラインに沿ってブレイクするブレイク装置であって、前記ガラス基板の表面にブレイク予定ラインに沿って有限深さの亀裂を形成するメカニカルスクライブ工程を行うためのカッターホイールと、前記カッターホイールで形成される亀裂の深さが前記ガラス基板の板厚の３０〜８０％となるように前記カッターホイールの押圧荷重を制御する加工制御部と、前記亀裂に沿ってレーザビームを走査することにより生じる熱応力分布によって、前記メカニカルスクライブ工程で加工した亀裂をさらに浸透させて、前記ガラス基板をフルカットするレーザブレイク工程を行うためのレーザ照射部とからなり、前記レーザ照射部から照射されるレーザの発振波長が５μｍ帯のレーザであるブレイク装置もその特徴とする。

上記発明において、前記したメカニカルスクライブ工程で使用されるカッターホイールは、直径１〜３ｍｍで、刃先となる稜線に沿って溝が形成された溝付きカッターホイールを用いるのがよい。
また、前記ガラス基板は、その厚みが０．１〜０．４ｍｍのものが適用される。

本発明によれば、先行するメカニカルスクライブ工程で、カッターホイールを用いてガラス基板の厚みの３０〜８０％の深い亀裂を容易に加工することができる。なお、カッターホイールは滑りにくい刃先の溝付きカッターホイールを用いてスクライブすることが好ましい。また、溝付きカッターホイールを用いることにより、低荷重であっても亀裂の浸透深さを上記範囲とすることができる。そして、この亀裂は、後続の５μｍ帯レーザ（ＣＯレーザ）を用いたレーザブレイク工程によって、基板厚み方向に浸透させることができ、これによりブレイク加工が行われる。この際、ブレイクされる部分、すなわち、亀裂の残存部分が薄いため、レーザ照射による入熱量を抑えて基板に生じさせる応力分布を小さくしても十分にフルカット状態とすることができる。そのため、入熱量を抑えたレーザ照射での加工が可能となる。
この５μｍ帯のレーザによるレーザブレイクは、従来から使用されているＣＯ_２レーザに比べて、表面からの熱分散による熱量移動の際のロスが小さくなり、ＣＯ_２レーザよりも小さい入熱量でのレーザブレイク（フルカット）が可能になることから、少ない入熱量で効率的に必要な部分を加熱することができ、ガラス基板の表面での熱的ダメージを抑えることができる。また、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ等の１μｍ帯のレーザを使用した場合は、９０％以上のエネルギーがガラス基板に吸収されずに透過するため、熱エネルギーの大きな損失を生じるが、５μｍ帯のＣＯレーザであれば大半がガラス基板内で吸収され、２０〜３０％のエネルギーだけが吸収されずに透過することになるので、熱効率を高めることができるとともに透過した熱を逃がす等の配慮を必要としない。
よって、先行するメカニカルスクライブ工程と、５μｍ帯のレーザによるレーザスクライブ工程との組み合わせによって、ガラス基板に対するレーザビームの熱によるダメージを回避することができ、ガラス基板の分断面における傷などの発生を抑制し、端面強度の高いきれいな分断面でブレイクすることが可能となる。

さらに従来のＣＯ_２レーザでは、入熱量を確保するためにレーザビームのビームスポットの断面形状を楕円ビームとし、その長軸をビーム進行方向に向けて走査していたが、本発明では、ブレイクに必要な入熱量を抑えることができるので、ビームスポットの断面形状を小さな丸形にすることができる。その結果、湾曲した線に沿った走査を行う異形分断の際でも、精度よく行うことができるといった効果がある。

本発明のブレイク方法を実施するためのブレイク装置の一実施形態を示す概略正面図。 本発明で用いられるカッターホイールを示す図。 本発明のブレイク方法に係るレーザブレイク工程を説明する斜視図。 本発明におけるガラス基板のブレイク状態を説明する斜視図。 本発明のブレイク装置を制御するコントローラを示すブロック図。

以下、本発明の詳細を図１〜図５に示した一実施形態に基づき説明する。本実施例では、分断対象となるガラス基板１として、厚みが０．１〜０．４ｍｍの薄板の無アルカリガラス板を用いることとする。

図１は本発明に用いられるブレイク装置Ａを示すものであって、ガラス基板１を載置するテーブル４を備えている。テーブル４は、ガラス基板１をテーブル４上の定位置で保持する保持手段を備えている。本実施例では、この保持手段として、テーブル４の表面に開口させた多数の小さなエア吸着孔（図示外）を介して基板１を吸着保持するようにしている。また、テーブル４は、水平なレール５に沿ってＹ方向（図１の前後方向）に移動できるようになっており、モータ（図示外）によって回転するネジ軸６により駆動される。さらにテーブル４は、モータを内蔵する回転駆動部７により水平面内で回動できるようになっている。

テーブル４を挟んで設けてある両側の支持柱８、８と、Ｘ方向に水平に延びるビーム（横桟）９とを備えたブリッジ１０が、テーブル４上を跨ぐようにして設けられている。
ビーム９には、Ｘ方向に水平に延びるガイド１１が設けられ、このガイド１１にカッターホイール用スクライブヘッド１２と、レーザ照射部用スクライブヘッド１３とがモータ１４を駆動源とする移動機構（図示外）によってガイド１１に沿ってＸ方向に移動できるように取り付けられている。カッターホイール用スクライブヘッド１２には、昇降機構１８により昇降するホルダ１５を介してカッターホイール１６が取り付けられており、レーザ照射部用スクライブヘッド１３には、レーザビームを基板表面に集光するようにして照射するレーザ照射部１７が設けられている。
なお、本実施例では、レーザ照射部１７と、カッターホイール１６とを個別のスクライブヘッド１２、１３に取り付けた例を示したが、同じスクライブヘッドに取り付けるようにすることも可能である。

カッターホイール１６は、ガラス基板１の表面に押し付けて転動したときに、基板厚みの３０〜８０％の高浸透の亀裂Ｓを加工することができるものが用いられる。本実施例では、図２に示すように、円周稜線に沿って溝（切欠き）１６ａが形成され、残存した稜線が刃先部１６ｂとなる超硬合金製のディスク体１６ｃで形成された溝付きカッターホイールが用いられている。
なお、このような高浸透の加工用の溝付きカッターホイール１６には、三星ダイヤモンド株式会社製のペネット（Ｐｅｎｅｔｔ；登録商標）カッターホイール、アピオ（ＡＰＩＯ；；登録商標）カッターホイールがある。前者はより深い亀裂Ｓを形成することができ、後者は前者よりは浅い亀裂Ｓを形成することができるので、加工対象基板に合わせて適宜選択することができる。

本発明のレーザ照射部１７から照射されるレーザは、発振波長が５μｍ帯のＣＯレーザが用いられる。レーザの出力パワーおよび走査速度は、加工対象となるガラス基板１の厚みや材質、加工される亀裂Ｓの深さによって異なるが、分断可能である出力パワーおよび走査速度の条件範囲のうち、できるだけダメージが小さくなる条件を選ぶようにする。すなわち、分断可能な範囲の中で、できるだけ出力パワーを小さくするとともに走査速度が遅くなりすぎない条件を選ぶのが望ましい。

さらに本発明のブレイク装置Ａは、図５のブロック図に示すように、コントローラ２０と、入力操作部２１と、表示部２２を備えている。コントローラ２０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等のコンピュータハードウエアにより実現される機能的構成要素として、加工制御部２３を備えている。加工制御部２３は、吸着保持手段によるガラス基板１の吸着保持、ネジ軸６や回転駆動部７によるテーブル４の移動、モータ１４によるスクライブヘッド１２、１３の移動、昇降機構１８によるカッターホイール１６の昇降動作やガラス基板１への押圧動作、レーザ照射部１７からのレーザの出力パワー等、ガラス基板１に対する加工処理動作全般の制御を行う。入力操作部２１はオペレータがブレイク装置Ａに対して種々の操作指示やデータを入力するためのインターフェースであり、表示部２２は処理メニューや動作状況を表示するためのものである。

次に、上記装置を用いた本発明のブレイク方法について説明する。
まず、図１および図３に示すように、ガラス基板１をテーブル４に載置し、その表面にカッターホイール１６を押し付けながら転動させることにより、ブレイク予定ラインに沿って有限深さの亀裂Ｓを形成する（メカニカルスクライブ工程）。
このメカニカルスクライブ工程では、溝付きカッターホイール１６を用いることにより、ガラス基板１の厚みの３０〜８０％程度といった深い亀裂Ｓを低い押圧荷重で容易に加工することができる。なお、溝付きカッターホイールは基板上で滑りにくい（かかりやすい）ので、ガラス端にカッターホイールを衝突させてトリガとなる切欠きを形成し、基板端からスクライブ（外切り）することなく、基板端より少し内側からスクライブを開始（内切り）することができる。そして、本実施例では、ガラス基板１の厚み０．２ｍｍに対し、亀裂Ｓの深さＬが約７０％程度となるように形成する。この亀裂Ｓの深さは、コントローラ２０における加工制御部２３によって、カッターホイール１６の押圧荷重を制御することによって行うことができる。

次いで、亀裂Ｓに沿ってレーザ照射部１７からＣＯレーザビームを照射しながら走査して加熱する。このときに生じる熱応力分布によって、先行するメカニカルスクライブ工程で加工した亀裂Ｓをさらに厚み方向に浸透させて、ガラス基板１をフルカットする（レーザブレイク工程）。
なお、図４において、Ｐ１はレーザビームによる加熱領域を示している。

レーザブレイク工程では、発振波長が５μｍ帯のＣＯレーザを使用しており、ガラス基板の表面近傍だけで吸収されるのではなく、一部が基板内部で吸収されるので、基板内部を直接加熱することができる。なお、基板の厚みが０．２ｍｍと薄いため、レーザ照射で加熱領域Ｐ１の表面から裏面に渡って瞬時に加熱され、深さ方向における温度差がほとんど生じない。よって加熱領域Ｐ１には深さ方向に一様な圧縮応力が発生する。
一方、加熱領域Ｐ１の周囲は加熱されておらず、加熱領域Ｐ１との周囲に応力分布が形成される。すなわち加熱領域Ｐ１には圧縮応力、加熱領域Ｐ１の周囲には引張応力が発生するようになり、これにより、図４に矢印で示したように、ガラス基板１を引き裂くように作用する力が働いて確実にガラス基板１をフルカット（ブレイク）することができる。

特に、本発明で使用されるＣＯレーザは、前述の通り発振波長が５μｍ帯のレーザであり、ガラス基板の表面近傍だけで吸収されるのではなく、一部が基板内部で吸収されるので、基板内部を直接加熱することができ、効率的かつ瞬時に分断面近傍を加熱することができる。したがって、従来から広く使用されているＣＯ_２レーザに比べると、表面からの熱分散による熱量移動の際のロスが小さくなり、ＣＯ_２レーザよりも小さい入熱量でのレーザブレイク（フルカット）が可能になることから、少ない入熱量で効率的に必要な部分を加熱することができ、ガラス基板１の表面での熱的ダメージを抑えることができる。

さらに付け加えれば、５μｍ帯のＣＯレーザを使用したことにより、ガラス基板１を透過するエネルギーを十分に抑えることができる。すなわちＮｄ：ＹＡＧレーザ等の１μｍ帯のレーザを使用した場合は、９０％以上のエネルギーがガラス基板に吸収されずに透過し、熱エネルギーの大きな損失を生じるが、５μｍ帯のＣＯレーザであれば大半がガラス基板内で吸収され、２０〜３０％のエネルギーだけが吸収されずに透過することになるので熱効率を高めることができる。加えて、メカニカルスクライブ工程との組み合わせにより、レーザでフルカットする必要がないため、レーザの出力パワーを小さく抑えることができるとともに、基板表面での傷の発生を抑制し、端面強度が高くきれいな分断面でブレイクすることができる。

（実施例）
発明者等は、厚さ０．２ｍｍのガラス基板にカッターホイール１６で板厚の７０％の深さの亀裂を加工した後、ＣＯ_２レーザおよびＣＯレーザを用いて上記レーザブレイク工程の比較実験を行った。
その結果、ＣＯレーザの場合は基板表面におけるレーザの照射位置であるレーザスポットの温度が３３７℃でフルカット（ブレイク）することができた。なお、同じ条件でＣＯ_２レーザを用いた場合、基板表面におけるレーザスポットの温度が４４４℃であった。このことからＣＯレーザのほうが約１００℃も低い表面温度でブレイクできることがわかった。

以上説明したように、本発明では、先行するメカニカルスクライブ工程でカッターホイール１６を用いてガラス基板の厚みの３０〜８０％の亀裂Ｓを加工し、続いて、後続のＣＯレーザを用いたレーザブレイク工程によって、亀裂Ｓを基板厚み方向に浸透させてフルカット（ブレイク）するようにしている。これにより、レーザブレイクで加工される部分の厚さ、すなわち、亀裂Ｓの残存部分が薄いため、ＣＯレーザによるダメージを与えないエネルギーでの加熱による熱応力分布によって、確実にガラス基板１をフルカット（ブレイク）することができる。

さらに、本発明におけるレーザブレイク工程では、ＣＯレーザを照射するときのエネルギーは、円形のビームスポットによる走査でも十分な熱量を基板の内部に与えることができる。
ビームスポットを円形とすることにより、直線ではなく曲線形状での加工が容易となる。すなわち、ＣＯ_２レーザを用いた従来のレーザスクライブでは、基板表面にダメージを与えることなく、しかも入熱量を確保するために、ガラス基板上に照射されるレーザのビームスポットの形状を楕円とし、この楕円ビームスポットの走査方向と楕円ビームスポットにおける長軸の方向とを一致させるようにして加工するようにしていた。このとき、ビームスポットの形状が楕円であるがゆえに曲線形状の加工は困難であったが、本発明のレーザブレイクでは楕円形状のビームスポットではなく、円形のビームスポットにすることができるので、走査方向とビームスポットの方向を合わせる必要がなくなり、曲線形状の加工も容易になる。

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形態に特定されるものでなく、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、主として厚みが０．１〜０．４ｍｍといった薄いガラス基板のブレイクに利用される。

Ａ ブレイク装置
Ｓ 亀裂
１ ガラス基板
４ テーブル
１６ カッターホイール
１６ａ 溝
１６ｂ 刃先部
１６ｃ ディスク体
１７ レーザ照射部
２０ コントローラ
２３ 加工制御部

Claims (5)

1. ガラス基板をブレイク予定ラインに沿ってブレイクするブレイク方法であって、
   前記ガラス基板の表面にカッターホイールを押し付けながら相対移動させることにより、前記ブレイク予定ラインに沿って有限深さの亀裂を形成するメカニカルスクライブ工程と、
   前記亀裂に沿ってレーザビームを走査することにより生じる熱応力分布によって、前記メカニカルスクライブ工程で加工した亀裂をさらに浸透させて前記ガラス基板をフルカットするレーザブレイク工程とからなり、
   前記メカニカルスクライブ工程では、前記ガラス基板の表面に板厚の３０〜８０％の亀裂を形成し、
   前記レーザブレイク工程では、発振波長が５μｍ帯のレーザを使用してブレイクするようにしたことを特徴とするブレイク方法。
2. 前記カッターホイールは、直径１〜３ｍｍで、刃先となる稜線に沿って溝が形成された溝付きカッターホイールである請求項１に記載のブレイク方法。
3. 前記ガラス基板の厚みが０．１〜０．４ｍｍである請求項１または請求項２に記載のブレイク方法。
4. ガラス基板をブレイク予定ラインに沿ってブレイクするブレイク装置であって、
   前記ガラス基板の表面にブレイク予定ラインに沿って有限深さの亀裂を形成するメカニカルスクライブ工程を行うためのカッターホイールと、
   前記カッターホイールで形成される亀裂の深さが前記ガラス基板の板厚の３０〜８０％となるように前記カッターホイールの押圧荷重を制御する加工制御部と、
   前記亀裂に沿ってレーザビームを走査することにより生じる熱応力分布によって、前記メカニカルスクライブ工程で加工した亀裂をさらに浸透させて、前記ガラス基板をフルカットするレーザブレイク工程を行うためのレーザ照射部とからなり、
   前記レーザ照射部から照射されるレーザの発振波長が５μｍ帯のレーザであるブレイク装置。
5. 前記カッターホイールは、直径１〜３ｍｍで、刃先となる稜線に沿って溝が形成された溝付きカッターホイールである請求項４に記載のブレイク装置。

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