JP4890462B2 - 脆性材料基板のスクライブライン形成方法およびスクライブライン形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス、焼結材料のセラミックス、単結晶シリコン、半導体ウエハ、セラミック基板等の主として脆性材料からなる単板および貼り合わせのマザー基板を分断するときに基板にスクライブラインを形成するための方法並びにその装置に関する。

一般に、ガラス基板等の脆性材料基板を割断する場合、カッターホイールのような回転刃を基板表面上で転動させることにより、基板上にスクライブラインを刻み、当該ラインに沿って厚板方向にクラックを生じさせることにより基板を分断する方法が広く利用されている。カッターホイールでスクライブラインを形成する際、脆性基板の表面を強い圧接力でカッターホイールを押圧しながら転動してスクライブラインを刻むために、種々の不都合を起こすことがあった。例えば、カッターホイールによりスクライブラインを形成すると、厚み方向に進行する垂直クラックの他に、水平クラックが発生することがある。この水平クラックの発生に伴って、スクライブライン付近にカレットが発生する。寸法の大きな脆性材料基板（マザー基板）に複数のスクライブラインを形成して、小さな基板を多面取りするような場合等では、カッターホイールにより形成されるスクライブラインの累計長さが長くなるに伴い、カレットの発生量が増加する。その結果、スクライブ装置、あるいは、スクライブライン形成後に用いるブレイク装置のテーブル上に飛散するカレットの清掃を、頻繁に行わなければならない。
また、発生するカレットがホイール刃先の転動を軸支する回転部分に紛れ込むことにより、軸支部の磨耗を早めたり、軸支部の回転が円滑とならず刃先の磨耗を早めたりする結果、カッター寿命が短くなる。
このような不都合を回避するために、例えば特許文献１〜特許文献３に示すようなレーザビームを使用してスクライブラインを形成する方法が実用化されている。
特表平８−５０９９４７号公報 特開２００１−５８２８１公報 特開２００１−１３０９２１号公報

上記したレーザスクライブの場合、カッターホイールによるスクライブ形成に比較して、カレット発生は、基板端にカッターホイールで初期亀裂（トリガー）を形成する際に発生するものに限られるので、カレット発生量を減少させることができる。また、ブレィク装置によりブレィクした後の端面強度の数値を高くすることができる。
その一方で、加工対象の脆性材料基板の熱加工履歴、表面状態、材質、セル基板の場合のセルギャップにおける内部構造等により、レーザスクライブしても、脆性材料基板表面付近に形成されるクラックの深さが浅い場合があり、ブレィク動作が不安定になり、ブレイク後の分断面の品質の安定化が期待しにくい問題がある。さらに、クロススクライブ動作において、既に形成されている第１の方向の第１スクライブラインと交差して第２の方向に第２スクライブラインが形成される際にその交点付近でそれまで形成されていた垂直クラック形成が途切れ、それ以降のスクライブラインの形成が不具合を起こすことがある。
加えて、垂直クラックの深さが浅いと、後続のブレィク工程で大きな荷重を基板に加える必要があり、装置が大がかりとなったり、ブレィク後の断面の品質面での問題が発生したりする。

平面表示体の用途として、パソコン用ディスプレイや平面テレビにおいて表示面積が大きな寸法の画面を備えた商品が好まれる結果、マザー基板の大面積化傾向において、スクライブラインの形成における真直性はより一層高い安定性が求められている。また、携帯電話やゲーム機器に代表される携帯端末機器（PDA）については、持運びの点で基板の薄型化が求められる一方、端面強度がより一層高い品質が求められてきている。そうした種々の厳しい品質面を満足させる為には、従来の刃先によるスクライブやレーザスクライブ法だけでは市場の要求に応えられない状況になっている。
そこで本発明は、レーザスクライブおよびカッターによるスクライブの両者の特徴を最大限に生かした方法、即ち、スクライブ形成予定ラインに沿って、レーザスクライブした後にカッターでスクライブライン上をなどって、垂直クラックの深さを深くすることにより、直進性の良い断面品質の優れた脆性基板材料のスクライブライン形成方法並びにその装置を提供することを主たる目的とするものである。

上記目的を達成する為に本発明では次のような技術的手段を講じた。即ち、本発明に係る脆性材料基板のスクライブ形成方法にあっては、脆性材料基板の表面をスクライブライン形成予定ラインに沿って、前記脆性材料基板の軟化点よりも低い温度でレーザビームで加熱する工程、加熱直後に引き続いて加熱領域を冷却して第１の深さのクラック形成する工程、その後、スクライブラインに沿って、カッターを圧接状態で基板表面上を移動させることにより、基板内に第１の深さより深い第２のクラックを形成させる工程を具備することを特徴とする。

また、本発明に係る脆性材料基板のスクライブ形成装置にあっては、脆性材料基板の表面でスクライブ形成予定ラインに沿って、前記脆性材料基板の軟化点よりも低い温度でレーザ加熱しながらレーザビームを走査するレーザビーム走査手段と、前記レーザビームによる加熱直後に引き続き加熱領域を冷却する冷却手段からなる第１のクラック形成手段と、その後、スクライブラインに沿ってカッターを圧接状態で移動して基板内に第１のクラックより深いクラックを形成させるカッター圧接移動手段を具備する構成とした。

ここで、レーザビームとしては、脆性材料基板のスクライブに通常用いられるものを使用すればよく、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザ、炭酸ガスレーザ又は一酸化炭素レーザなどのレーザビームを使用することが好ましい。特に、エネルギー吸収効率及び経済的な理由から炭酸ガスレーザを使用することが好ましい。

本発明は上記の如く、レーザビームを照射した後に冷却し、その後カッターでクラックをより深くしたものであるから、脆性材料基板の分断時には、正確に分断され、高度な断面品質を得ることができるとともに、軽い荷重で容易にブレィクすることができる。また、レーザスクライブした後にカッターを圧接状態で基板表面上を移動させるので、軽い圧接荷重でレーザスクライブのみにより形成されるクラック深さより深いクラックを形成することができ、微細なガラスカレットの発生を抑制して種々の弊害の生じることを軽減すると共に、カッターの摩耗を軽減できて使用寿命延長によるコストの低減化を図ることができる、といった優れた効果がある。
このように、レーザスクライブ動作とカッターの圧接移動との組み合わせによりスクライブラインを形成することにより、レーザスクライブ動作のみを単独で行う場合の短所を抑えつつ、レーザスクライブ動作による長所をさらにカッターの圧接移動によって増大させるという効果を奏することができる。具体的には、最初のレーザスクライブで真直性に優れ、カレットの発生の少ないスクライブラインを形成した後、そのスクライブライン上をカッターにより荷重を付加させることで、レーザスクライブ単独では浅くしか形成できないクラックの深さを、より深いクラックに進行させることで、ブレィク動作の安定性を確保し、その後の断面品質の高品質化の維持に寄与するという従来技術には見られなかった特有の効果を得ることができる。また、カッター圧接手段が初期亀裂を形成する手段を兼ねているので、そのために必要となる付加的な装置が不要になる。
更に、例えば、液晶パネルの電極端子処理は通常、刃先でスクライブラインを形成し、次にブレィクマシンでいわゆる耳落としを行うのだが、耳幅が少ない為に、正確にブレィクが行われないことがあったが、本発明によれば正確にブレィクを行うことができる。また、レーザスクライブでのレーザ走査速度を落とすことなく刃先でクラックを深く形成できるので、いわゆるタクトタイムを変えることなく液晶パネルを生産できると言う効果が得られる。

（その他の課題を解決するための手段及び効果）
上記発明において、前記カッターが、カッターホイールのような脆性基板上を転動する回転刃の形態で形成するのが好ましい。
これにより、脆性材料基板上にホイール状のカッターを転動させることにより、より深いクラックを形成することができる。

また上記発明において、カッターを、脆性材料基板上で摺接する非回転刃で形成することも可能である。
これにより、カッター部分の構造を簡単な機構で安価に構成することができる。

カッター圧接移動手段が、初期亀裂（トリガー）を形成する手段を兼用することにより、単に装置を簡略化できるだけではなく、パネルの仕様が変わって、そのスクライブ条件が大幅に変更になってもプログラムの切換えで対応できる。

本発明にかかるスクライブライン形成装置を正面からみた概略的な構成図。 図１の装置において、スクライブラインを形成する動作を説明するための概略的な斜視図であって、スクライブライン形成前を示す図。 図２と同様の概略的な斜視図であって、その動作の第１過程を示す図。 図２と同様の概略的な斜視図であって、動作の第２過程を示す図。 基板にクラックが形成されていく過程を概念的に示した拡大断面図で、（ａ）レーザスクライブによりブラインドクラックが形成された状態を示す拡大断面図。（ｂ）レーザスクライブ後にカッター圧接状態で移動させている段階での拡大断面図。（ｃ）カッターの移動が終了し、スクライブラインの最終状態を示す拡大断面図。 本発明の他の実施形態であるスクライブライン形成装置の構成図。 図１のスクライブライン形成装置により形成したスクライブラインの断面写真 図１のスクライブライン形成装置により形成したスクライブラインの平面写真

符号の説明

Ａ ガラス基板（脆性材料基板）
Ｌ１ スクライブライン形成予定ライン
Ｌ２ スクライブライン
Ｓ１ レーザスポット
Ｓ２ 冷却スポット
１４ 光学ホルダー
１６ 冷却ノズル
１８ カッターホイール

以下において本発明の詳細を、図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示すスクライブライン形成装置の正面から見た概略構成図である。水平な架台１上に平行に配置された一対のガイドレール３，４に沿って、図１の前後方向（以下Ｙ方向という）に往復移動するスライドテーブル２が設けられている。両ガイドレール３，４の間に、スクリューネジ５が前後方向に沿って配置され、このスクリューネジ５に、前記スライドテーブル２に固定されたステー６が螺合されており、スクリューネジ５をモーター（図示外）によって正、逆転することにより、スライドテーブル２がガイドレール３，４に沿ってＹ方向に往復移動するように形成されている。

スライドテーブル２上に、水平な台座７がガイドレール８に沿って、図１の左右方向（以下Ｘ方向という）に往復移動するように配置されている。台座７に固定されたステー１０に、モーター９によって回転するスクリューネジ１０が貫通螺合されており、スクリューネジ１０が正、逆転することにより、台座７がガイドレール８に沿って、Ｘ方向に往復移動する。

台座７上には、回転機構１１によって回転する回転テーブル１２が設けられており、この回転テーブル１２に、切断対象物であるガラス基板等の脆性材料基板Ａ（以下これを単にガラス基板という）が水平な状態で取り付けられる。回転機構１１は、回転テーブル１２を、垂直な軸の周りで回転させるようになっており、基準位置に対して任意の回転角度になるように回転できるように形成されている。また、切断対象物であるガラス基板Ａは、例えば吸引チャックによって回転テーブル１２に固定される。

回転テーブル１２の上方には、レーザ発振器１３に連なる光学ホルダー１４が取付フレーム１５に保持されている。レーザ発振器１３から発信されたレーザビームは光学ホルダー１４によって所定方向に沿って長く延びる長円形のレーザスポットＳ１としてガラス基板Ａ上に照射される。

また、取付フレーム１５には、光学ホルダー１４に近接して、冷却ノズル１６が設けられている。この冷却ノズル１６からは、冷却水、Ｈeガス、炭酸ガス等の冷却媒体がガラス基板に噴射されるようになっている。この冷却媒体は、先に光学ホルダー１４からガラス基板Ａに照射されたレーザスポットＳ１の長手方向の端部に近接した位置に吹き付けられて、ガラス基板Ａの表面に冷却スポットＳ２を形成する。

更に、取付フレーム１５には、ガラス基板Ａにより深いクラックを形成するためのカッターホイール１８が、上下移動調節機構１７を介して取り付けられている。このカッターホイール１８は、焼結ダイヤモンドまたは超硬合を材料とし、外周面に頂点を刃先とするＶ字形の稜線部を備えたものであって、その刃先によって描かれる回転軌跡がレーザスクライブにより形成されたスクライブラインに沿うように配置されている。即ち、カッターホイール１８の刃先の回転軌跡が、光学ホルダー１４からガラス基板Ａに照射されたレーザスポットＳ１と、冷却ノズル１６から噴射された冷却スポットＳ２を結ぶ線上に配置されている。このカッターホイール１８は、図示外のモーターを含む駆動機構によって駆動され、ガラス基板Ａへの圧接力は、上下移動調節機構１７によって微細に調整できるようになっている。

上記したスライドテーブル２及び台座１２の位置決め、レーザ発振器１３や冷却ノズル１６の制御、カッターホイール１８の位置決め（ガラス基板Ａに対する圧接力）や回転制御は図示しないコンピュータ制御部によってコントロールされる。

上記のスクライブライン形成装置によってガラス基板Ａにスクライブラインを形成する場合は、先ず所定の大きさに分断されるガラス基板Ａのサイズ、スクライブラインの形成位置、カッターホイール１８のガラス基板Ａに対する圧接力が入力される。そしてガラス基板Ａが、回転テーブル１２上に例えば吸引手段によって固定される。その後、取付フレーム１５に対してガラス基板Ａをスライドテーブル２と共にスクライブライン形成予定ラインＬ１に沿った方向、即ち、図１の位置から右方向に移動させる。この際、光学ホルダー１４から照射される長円形のレーザスポットの長手方向が、ガラス基板Ａのスクライブライン形成予定ラインＬ１に沿った方向になるようにする。

図２〜図４は、ガラス基板Ａにスクライブラインを形成する動作を説明するために概略的に斜視図で示したものであって、図２がスクライブライン形成前を示す。この図２のガラス基板Ａの位置が図１のガラス基板の位置に相当する。まず図２の位置からガラス基板Ａの端がカッターホイール１８の下方に位置するまで移動させ、上下移動調節機構１７によりカッターホイール１８を下降させ、ガラス基板Ａの端に当接させながらガラス基板Ａを少し矢印方向に移動させて初期亀裂をガラス基板Ａの端に形成させる。その後、一旦ガラス基板Ａを元の位置（図２の位置）に戻し、再度ガラス基板Ａを矢印方向に移動させることにより、図３に示すようにスクライブライン形成予定ラインＬ１に沿って長円形のレーザスポットＳ１が照射される。

レーザスポットＳ１は、例えば長径が３０．０mm、短径が１．０mmの細長い長円形になっており、その長軸が、形成するスクライブライン形成予定ラインＬ１と一致するように配慮されている。またレーザスポットＳ１による加熱温度は、ガラス基板Ａの軟化点よりも温度に設定する。これにより、レーザスポットＳ１が照射されたガラス基板Ａの表面が溶融されることなく加熱される。

ガラス基板Ａが更に矢印方向にスライドされることにより、冷却ノズル１６から冷却媒体が噴射される。この冷却媒体は、レーザスポットＳ１が照射されるレーザスポットＳ１の長軸方向に例えば２．５mmの間隔をあけたスクライブライン形成予定ラインＬ１上に噴射される。その結果、レーザスポットＳ１によって加熱された領域には圧縮応力が発生し、冷却媒体による冷却スポットＳ２には引張り応力が発生する。この作用によりスクライブライン形成予定ラインＬ１に沿ってガラス基板Ａに順次微細なクラックが形成されていく。

次いで、ガラス基板Ａが矢印方向にスライドされることにより、ガラス基板Ａ上のスクライブラインに沿って圧接転動するカッターホイール１８でより深いクラックが形成される。カッターホイール１８のガラス基板Ａへの圧接荷重は約３Ｎが好ましく、この程度の軽い圧接荷重でもスクライブラインＬ２の下部に、図５（ｃ）に示すようなクラックＢが発生して軽い荷重で分断することが可能となる。カッターホイール１８によってより深いクラックが形成されているので、分断時にはここから分断することにより、高度な断面品質を得ることができる。また、３Ｎよりさらに低い荷重でカッターホイールを圧接荷重した場合でも、前記したクラックは形成されないが、ガラス基板表面に塑性変形レベルのスクライブラインを形成することができ、これにより、このスクライブラインから上記同様に一直線状に分断させることが可能である。また分断の際も、レーザビームのみでスクライブラインを形成した場合に比べて、軽い荷重で分断することができる。

（実験例）
図７、図８は、上述したスクライブライン形成装置において、カッターホイールによる圧接条件を変化させて形成したスクライブラインの状態を示す断面写真および平面写真である。使用した装置は、三星ダイヤモンド工業株式会社製ＭＳ５００型であり、使用したカッターホイールは、三星ダイヤモンド工業株式会社製ＣＷ−Ｔ ２φ １２０°Ｖ７７０タイプである。
また、使用した基板は、コーニング社製イーグル２０００で、その厚さは、０．７ｍｍである。

図７の断面写真は、(ａ)レーザスクライブのみによる分断面、（ｂ）レーザスクライブと圧接荷重２Ｎでのカッターホイールによる分断面、（ｃ）レーザスクライブと圧接荷重４Ｎでのカッターホイールでの分断面、（ｄ）レーザスクライブと圧接荷重１０Ｎでのカッターホイールでの分断面である。
なお、図において×１０００倍（右列）は、×２００（左列）の表面部分を拡大したものである。

断面写真では、カッターホイールを使用しない場合（図７（ａ））、カッターホイール圧接荷重２Ｎ（図７（ｂ））のときは、クラックは発生していないが、カッターホイール圧接荷重４Ｎ（図７（ｃ））、カッターホイール圧接荷重１０Ｎ（図７（ｄ））のときは、クラックが発生していることがわかる。
ちなみに、カッターホイールのみでスクライブした後、分断する場合には、７Ｎ程度の圧接荷重が必要なので、それに比べると非常に軽い荷重でクラックが入り、軽い荷重でブレークすることができる。なお、写真による図示はしないが、３Ｎ近傍にクラックが発生し始める境界がある。

図８の平面写真は、レーザスクライブ後に（ａ）圧接荷重２Ｎでのカッターホイールによる分断面、（ｂ）圧接荷重４Ｎでのカッターホイールによる分断面、（ｃ）圧接荷重６Ｎでのカッターホイールでの分断面、（ｄ）圧接荷重８Ｎでのカッターホイールでの分断面である。
平面写真では、カッターホイール圧接荷重２Ｎの場合は（図８（ａ））、クラックは入らず、塑性変形の痕跡が生じる。カッターホイール圧接荷重４Ｎの場合は（図８（ｂ））、クラックが少し入り始めている。カッターホイール圧接荷重６Ｎ、８Ｎの場合は（図８（ｃ）（ｄ））、クラックが入っている。
また、図８に見られるように、レーザスクライブ後にカッターホイールを転動させた場合は荷重が２Ｎから１０Ｎまで、いずれもうねりのない一直線状に形成されたスクライブラインが形成されている。

特にカッターホイール圧接荷重２Ｎ（図７（ｂ））のときのように、低荷重で圧接転動させた場合は、レーザスクライブのみによる場合と同程度の良好な断面が得られ、それでいて、スクライブラインに沿って容易に分断することができる。

なお、カッターホイールでスクライブ後に、レーザスクライブを行う場合（すなわち逆順の工程）も検討した。上記実施例（レーザが先でカッターホイールが後）に比べると、カッターホイール単独でスクライブを行う場合と同様に、カレット発生の問題が発生する。更に刃先でのスクライブ動作によるスクライブラインの真直性の問題とクラックの深さが加工対象物である脆性材料基板の１０〜１５％程度であって、ブレィク後の断面品質の評価としての端面強度の数値がレーザ単独のスクライブライン形成の場合と比較して劣る。

（他の実施形態）
上記した実施形態ではスクライブラインＬ２を形成するカッターをホイール状の回転刃としたが、図６に示すように、設定された位置でガラス基板Ａに摺接する非回転刃１８ａで形成することも可能である。

また、上記実施形態で示した装置では、光学ホルダー１４、冷却ノズル１６、カッターホイール１８に対してガラス基板Ａをスライドさせるようにしたが、逆にガラス基板Ａに対して光学ホルダー１４、冷却ノズル１６、カッターホイール１８を移動させるように構成してもよいことは勿論である。

本発明のスクライブライン形成方法及びその装置は、ガラス、焼結材料のセラミックス、単結晶シリコン、半導体ウエハ、セラミック基板の他に、ガラス基板同士を張り合わせた液晶表示基板、透過型液晶表示基板、有機ＥＬ素子基板、ＰＤＰ（プラズマディスプレイパネル）基板、ガラス基板とシリコン基板とを張り合わせた反射型液晶表示基板等のスクライブライン形成に適用させることができる。

Claims (8)

1. 脆性材料基板の表面をスクライブライン形成予定ラインに沿って、前記脆性材料基板の軟化点よりも低い温度でレーザビームで加熱する工程、加熱直後に引き続いて加熱領域を冷却して第１の深さの第１のクラックを形成する工程、その後、スクライブラインに沿って、カッターを圧接状態で基板表面上を移動させることにより、基板内に前記スクライブラインに沿って第１の深さより深い第２のクラックを形成させる工程を具備することを特徴とする脆性材料基板のスクライブライン形成方法。
2. 前記カッターが脆性材料基板表面上を転動する回転刃である請求項１に記載の脆性材料基板のスクライブライン形成方法。
3. 前記カッターが脆性材料基板表面上を摺接する非回転刃である請求項１に記載の脆性材料基板のスクライブライン形成方法。
4. テーブルに載置した脆性材料基板の表面でスクライブ形成予定ラインに沿って、前記脆性材料基板の軟化点よりも低い温度でレーザ加熱しながらレーザビームを発生するレーザビーム発生手段と、前記レーザビームによる加熱直後に引き続き加熱領域を冷却する冷却手段からなる第１のクラック形成手段と、その後、スクライブラインに沿って圧接状態で移動して前記基板内に前記第１のクラック形成手段により形成される第１のクラックより深いクラックを形成するカッター圧接手段とを具備し、前記第１のクラック形成手段と前記カッター圧接手段を脆性材料基板に対して相対的に移動させることを特徴とする脆性材料基板のスクライブライン形成装置。
5. 前記カッターが脆性材料基板表面上を転動する回転刃である請求項４に記載の脆性材料基板のスクライブライン形成装置。
6. 前記カッターが脆性材料基板表面上を摺接する非回転刃である請求項４に記載の脆性材料基板のスクライブライン形成装置。
7. 前記レーザビーム発生手段、冷却手段およびカッター圧接手段をこの順に一直線上に配設して走査させる取付けフレームを具備してなる請求項４記載のスクライブライン形成装置。
8. 前記カッター圧接移動手段が、初期亀裂を形成する手段を兼用する請求項７に記載のスクライブライン形成装置。