JP5102557B2 - サファイア基板の分断方法 - Google Patents

Description

本発明は、単結晶サファイア基板、または、単結晶サファイア基板と他の脆性材料基板とを貼り合わせた貼合わせ基板の分断方法に関する。

サファイア基板は、光学的には透明で、機械的には硬度が高く、熱的には熱伝導率が高い性質を備えており、これら光学的特性、機械的特性、熱特性を利用したさまざまな用途の研究がなされ、ＳＡＷフィルタ、ＬＥＤ、半導体レーザ、プロジェクタ等で利用されている。

また、サファイア基板とＳｉガラスとを貼り合わせて温度カメラの防爆ガラスとしたり（特許文献１）、サファイア基板と強化ガラスとを一体化して保護ガラスとしたり（特許文献２）するように、サファイア基板を他の脆性材料と貼り合わせて合成基板にすることにより、新しい用途が開発されたりしている。

このように、サファイアの優れた物理的特性を利用してさまざまな用途が開発されているが、サファイア自体は結晶性材料であることから、これを製造するには結晶成長させることが必要である。そして結晶成長により引き上げられた単結晶サファイアの多くは、平坦面を有する基板（例えば円形基板）に加工されて提供される。この基板の平坦面（以後、基板の主面という）上にさまざまな薄膜を形成したり、加工が施されたりしてデバイスが作製される。

ところで、単結晶サファイアを基板に用いた電子部品、光学製品、半導体製品等を製造する場合、所望の形状になるように、基板の分断加工を行う必要がある。製品形状としては、方形チップ形状にされるものが多く、その場合には、基板の主面内で直交する２方向に分断する技術が必要となる。

従来、サファイア基板の分断加工にはダイシングが利用されてきた。しかしながらサファイアは硬度が非常に高いことから、ダイシング加工では分断加工の速度を速めることが困難であり、０．３ｍｍ〜０．５ｍｍ程度の厚さのサファイア基板では、１ｍｍ／秒〜２ｍｍ／秒くらいの分断速度で行う必要がある。これよりも分断速度を速くすると、砥石の磨耗が早くなり、また、分断面にチッピングが発生しやすくなる。

そこで、ダイシング加工に代えて、レーザ加工による分断が試みられている（特許文献３参照）。サファイア基板には弱い劈開性があるので、直交する２方向に分断する場合に、主面をどの面方位にして、主面内でどの方向に向けて先に分断するかにより、形成される分断面の直進性が異なるようになり、これが分断面の品質や分断のしやすさに影響を与える。

図７は、サファイアの結晶方位を示す図である。サファイアは結晶系が三方晶系であり、代表的な面方位としてＲ面（ミラー指数（ １ −１ ０ ２））、Ａ面（ミラー指数（ １ １ −２ ０））、Ｃ面（ミラー指数（ ０ ０ ０ １））が存在する。
上述した特許文献３によれば、例えば基板の主面をＲ面とし、Ａ面に垂直な方向を先に分断し、次いで、Ａ面に平行な方向に分断することとする。そして、レーザを照射してＲ面基板の成分を加熱・昇華させることにより溝（基板厚みの２０％〜５０％の深さが好適）を形成し、さらに形成した溝の底部を加熱して蓄熱させることにより基板の裏面との間で熱勾配を発生させ、このときの熱応力によって分断が行われるようにしている。
すなわち、上記文献によれば、基板を昇華温度より高く加熱して昇華させるレーザアブレーション加工の技術を用いて基板厚さの半分程度の溝加工を行い、加工の余熱で生じる熱応力で分断するものである。
特開２００２−３５０６６０号公報 特開平９−００８６９０号公報 特開平１１−２２４８６６号公報

特許文献３に記載の方法によれば、高硬度のサファイア基板であっても、分断する２方向の優先順位を特定することにより、チッピング等の分割不良の発生を抑えた分断が実現でき、しかもレーザアブレーションの加工技術を用いることにより、砥石の磨耗が問題となるダイシング加工を行わずにサファイアを分断することができる。

しかしながら、レーザアブレーションの加工技術で分断を行う場合においても、分断速度については、大きな改善は期待できない。すなわち、レーザアブレーションにより溝加工を行うには、溝部分を構成するサファイア材料の昇華に必要なエネルギーを与える必要があり、１回のレーザ照射で昇華できる溝深さは小さいことから、分断に必要な深さまで溝を形成するには複数回のレーザ照射が必要となり、結局、ダイシングと同様、相当長い加工時間が必要となる。

また、レーザアブレーション加工では、材料を昇華することから、レーザ照射中は昇華した材料の一部が飛散し、基板の他の部分を汚染して製品の歩留まりを悪くするおそれがある。この汚染はレーザアブレーション時間が長いほど汚染される確率が増すことになり、したがって加工する溝深さが深いほど基板が汚染される確率が高くなる。

そこで、本発明は、サファイア基板を基板の主面内で直交する２方向に分断する際に、従来からの分断方法よりも速い速度で分断することができる分断方法を提供することを目的とする。

また、ダイシングによる砥石の摩耗の問題や、レーザアブレーションによる溝加工による汚染物質の飛散の問題を解決した分断方法を提供することを目的とする。

本発明では、サファイア基板の代表的な面方位であるＡ面（ミラー指数（ １ １ −２ ０））、Ｃ面（ミラー指数（ ０ ０ ０ １））、Ｒ面（ミラー指数（ １ −１ ０ ２））を主面とする基板についての分断を検討することにより、分断に適した基板主面の面方位をＲ面に特定した。サファイア基板はＲ面に沿って弱い劈開性を有している。主面をＲ面とすることにより分断面がＲ面と異なる面になり、後述するスクライブ工程やクラック進展工程の際に、劈開による制御不能な分断の発生を抑えることができる。

さらにこのＲ面サファイア基板において、どの方向を先に分断すべきかを検討し、ｃ軸（＜０００１＞軸）をＲ面上に投影した投影線（Ｔ）に垂直な方向を優先して分断し、次いで、これに直交する方向を後から分断するように分断方向の優先順位を特定した。これにより、チッピングが少ない分断加工を行うことができることを経験的に見出した。ちなみに、分断方向の優先順位を逆にして投影線（Ｔ）に平行な方向を先に分断したり、他の結晶方位に向けて分断加工を行ったりすると、劈開の影響で基板端部がかけたりする不具合が発生しやすくなり、歩留まりが低下する。
このように、良好な分断面を得るための面方位、および、分断方向の優先順位についての分断条件を決定した上で、この条件下で、高速に分断できる分断方法を検討することにより、本発明の分断方法を完成するに至ったものである。

すなわち、上記課題を解決するためになされた本発明によるサファイア基板の分断方法は、基板主面の面方位がＲ面であるサファイア基板を、主面内で互いに直交する第一方向と第二方向との２方向に分断する方法であって、（１ａ）前記サファイア基板のｃ軸をＲ面上に投影した投影線（Ｔ）に垂直な方向を第一方向に選択して、前記第一方向に沿ってスクライブラインを形成する第一方向スクライブ工程と、（１ｂ）形成された第一方向のスクライブラインに沿ってレーザ照射による加熱および加熱後の冷却を行い、第一方向のスクライブラインを前記サファイア基板の厚さ方向に進展させた第一クラックを形成する第一方向クラック進展工程と、（２ａ）第一方向と直交する第二方向に沿ってスクライブラインを形成する第二方向スクライブ工程と、（２ｂ）形成された第二方向のスクライブラインに沿ってレーザ照射による加熱および加熱後の冷却を行い、第二方向のスクライブラインを前記サファイア基板の厚さ方向に進展させた第二クラックを前記基板の裏面または裏面近傍まで到達するように形成する第二方向クラック進展工程とからなり、第一方向クラック進展工程で形成される第一クラックは前記サファイア基板の裏面に達しないようにしておき、第二方向クラック進展工程のときに、先に形成された第一クラックが進展して裏面まで到達することにより第一方向に沿って分断、または、第一方向と第二方向とが同時に分断されるようにしている。

ここで、第一方向に形成するスクライブライン、第二方向に形成するスクライブラインの数は、それぞれの方向に１本ずつ形成してもよいし、それぞれの方向に複数本形成してもよい。

本発明によれば、Ｒ面サファイア基板を分断する際に、最初にサファイア基板のｃ軸がＲ面上に投影された投影線（Ｔ）に垂直な方向を第一方向に選択して、第一方向から優先的に分断加工を行い、続いて投影線（Ｔ）に平行な第二方向に分断加工を行う。
第一方向に分断加工を行う場合、まず、サファイア基板表面に、スクライブラインを形成する。このスクライブラインは、後工程で基板の厚さ方向に第一方向クラックを進展させるための誘導ラインとなるものであり、表面近傍に形成する。

続いて、形成された第一方向のスクライブラインに沿って、レーザ照射による加熱および加熱後の冷却を短時間のうちに行う。このとき、サファイア基板の深さ方向に熱勾配が形成されることにより熱応力が発生し、第一方向に形成したスクライブラインを起点として基板深さ方向にクラックが進展し第一方向クラックが形成される。サファイア基板は熱伝導率が大きいため（ガラスの約４０倍）、加熱と冷却とにより熱勾配が発生しやすく、その結果クラックが形成されやすい。それゆえ、最初のスクライブ工程で形成されるスクライブライン自体は基板表面に浅く形成されたラインであっても、急激に厚さ方向にクラックが成長する。その際、クラックが進展する方向は劈開面（すなわちＲ面）からは外れているので、クラック進展を制御できる。また、融点以下で加熱するだけなので、昇華により不要物が飛散することもない。なお、この段階ではクラック深さは裏面までは達しない（すなわち完全には分断されない）ように途中で進展が止まるようにしておくのが好ましい。これはこの時点で分断されてしまうと、第一方向の後、引き続き分断加工が行われる第二方向の分断の際に、１つの基板として扱うことができなくなり、分断された部分基板ごとに位置合わせやレーザスクライブに必要なトリガ形成の手間がかかるようになるからである。
続いて、第一方向と直交する第二方向に沿ってスクライブラインを形成する。このスクライブラインは、後工程で基板の厚さ方向に第二方向クラックを進展させるための誘導ラインとなるものであり、表面近傍に形成する。
続いて、形成された第二方向のスクライブラインに沿って、レーザ照射による加熱および加熱後の冷却を短時間のうちに行う。このとき、サファイア基板の深さ方向に熱勾配が生じることにより熱応力が発生し、第二方向に形成したスクライブラインを起点として深さ方向にクラックが進展した第二方向クラックが形成される。このときの第二方向クラックは、好ましくは裏面に達するように深く形成する。具体的には、例えば加熱温度は融点以下に維持しつつできるだけ高くし、その後の冷却温度をできるだけ低くして温度差を大きくする。これにより熱応力を大きくしてクラックが進展しやすくする。
このとき、第二方向クラックが裏面に達するか否かに関わらず、第一方向クラックと第二方向クラックとが交差するクロスカット部分では、２度目の加熱と２度目の冷却が行われることとなり、このクロスカット部分では第二方向のクラック進展のみならず、第一方向のクラック進展も生じるので、クロスカット部分については、第一方向では２回のクラック進展によって、第一方向クラックが裏面まで達することとなり、さらにクロスカット部分が起点となって裏面まで到達した第一方向クラックが第一方向に沿って広がっていくことで、第一方向を確実に分断させることができる。
そして、第二方向クラックについては、上述したようにクラックが裏面に達するようにして、第一方向と同時に第二方向も分断されるのが好ましいが、第二方向クラックのクラック進展が足りず、完全な分断ができていない場合でも、第二方向クラックは、第二方向クラック進展工程の結果、深いクラックが形成されているので、例えば通常のブレーク工程で簡単に分断することができる。

本発明によれば、第一方向、第二方向に沿って基板表面近傍に浅いスクライブラインを形成し、その後第一方向、第二方向に沿って、それぞれレーザ加熱とその後の冷却とを行うことにより、クラックを進展させて基板の分断を行うようにしたので、サファイア基板で最大の問題であった、分断に要する時間を大幅に減らすことができる。
例えばダイシングでは、１本の分断の加工速度が２ｍｍ／秒程度であったものが、同じ対象をスクライブしたり、クラック進展させたりするときにそれぞれ５０ｍｍ〜３００ｍｍ／秒程度で処理できるようになり、たとえスクライブ工程とクラック進展工程との２つの工程を実行する必要があるとしても、分断に要する時間を大幅に改善させることができる。また、レーザアブレーション加工によって分断する場合（特許文献３）に比べても、分断時間を短縮することができ、しかも昇華にともなう不要物の飛散がほとんどないので、歩留まりも向上させることができる。
さらに、第一方向クラック進展工程の直後には第一方向クラックは基板を完全には分断しておらず、基板がばらばらに分離されていないため、第二方向のスクライブ等に必要な基板位置決めや移動が容易になる。その一方で、第二方向クラック進展工程の処理のときに、第一方向クラックが裏面まで進展し第一方向に沿って完全に分断され、場合によっては第二方向クラックについても同時に進展して基板分断することができるので、その後の分断工程を簡略にすることができる。

（その他の課題解決手段および効果）
上記発明において、第二方向クラック進展工程の結果、第二方向クラックが前記サファイア基板の裏面に到達せず、第二方向に沿って分断されていない場合に、前記第二方向クラック進展工程に次いで、（３）既に分断された第一方向クラックに沿ってレーザ照射による加熱および加熱後の冷却を行い、第二方向クラックが進展して裏面まで到達することにより第二方向に沿って分断するようにしてもよい。
クロスカット部分（分断された第一方向クラックと第二方向クラックとのクロスカット部分）については、第二方向について２回のクラック進展によって、第二方向クラックが裏面まで達することとなり、さらにクロスカット部分が起点となって裏面まで到達した第二方向クラックが第二方向に沿って広がっていき、第二方向に確実に分断させることができる。なお、第一方向ではなく第二方向クラックに沿ってレーザ照射による加熱および加熱後の冷却の走査を行うことも可能であるが、第二方向クラックが複数本平行に並んでいるときはその本数に応じて各第二方向クラックを１本ずつ走査する必要が生じるので、第一方向クラックに沿って走査するのが好ましい。これにより１回の走査で一括して分断することができるようになる。

また、上記発明において、第一方向スクライブ工程、第二方向スクライブ工程は、それぞれカッターホイールによるスクライブ、または、レーザ加熱および加熱後の冷却によるレーザスクライブ、または、前記サファイア基板の昇華温度以上の温度で加熱するレーザアブレーションによるスクライブのいずれかにより行われるようにしてもよい。
スクライブラインはサファイア基板の表面近傍に浅く形成するだけでよいので、これらのスクライブ方法を用いてスクライブラインを形成することができる。
カッターホイールによるスクライブの場合は機械的なスクライブであるため、どうしても磨耗が発生するが、スクライブは基板の表面近傍だけであり、ダイシングに比べると磨耗量が少なくてよい。また、レーザアブレーションの場合は基板の一部が昇華され飛散することになるが、スクライブラインの形成のため、基板表面近傍に浅くスクライブラインを形成するだけであるので、短時間で済み、アブレーションによる飛散量についても問題にならないほど少なくすることができる。

また、上記発明においてサファイア基板は他の脆性材料基板との貼合せ基板であってもよい。
ここで、他の脆性材料基板とは、ガラス、石英、シリコン等が含まれる。一般に、貼合わせ基板は、サファイア単板に対する分断に比べるとさらに困難であったが、上記手順で分断加工することにより、サファイアの貼合わせ基板についても分断が可能になる。

以下、本発明によるサファイア基板の分断方法について図面を用いて説明する。最初に本発明による分断加工が行われるサファイア基板と分断方向との関係について説明する。

（サファイア基板）
図１は本発明の分断加工に用いられるサファイア基板Ｓであり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ’断面図である。このサファイア基板Ｓは円形基板であり、一部にオリフラＦが形成されている。基板の厚さは特に限定されないが、２ｍｍ以下で用いられており、０．２ｍｍ〜１．２ｍｍで使用されるものが多く、０．４ｍｍ〜０．９ｍｍのものが特によく使用されている。

既述のようにサファイアは三方晶系であり、結晶面の代表的な面方位としてＲ面（ミラー指数（ １ −１ ０ ２））、Ａ面（ミラー指数（ １ １ −２ ０））、Ｃ面（ミラー指数（ ０ ０ ０ １））が存在するが（図７参照）、本発明で用いるサファイア基板Ｓは、主面（基板の平坦面）の面方位がＲ面にしてある。この基板は例えばＥＦＧ法（Edge-defined Film-fed Growth Method）により製造することができる。

本発明ではサファイア基板Ｓを分断するに際し、ｃ軸方向（＜０００１＞軸）をＲ面に投影した投影線Ｔを基準軸として、分断方向が決定される。しかしながらｃ軸方向や投影線Ｔは実際のサファイア基板Ｓには現れない。それゆえ、基板製造時に形成するオリフラＦの方向で基準軸方向を可視化するようにしている。すなわちオリフラＦの方向を投影線Ｔと垂直（あるいは平行でもよい）になるように形成しておき、投影線Ｔと垂直な方向や平行な方向をオリフラＦの方向によって決定するようにしている。なお、方形基板であれば、オリフラに代えて辺方向によりｃ軸方向や投影線Ｔの方向を可視化してもよい。

本実施形態では１枚のサファイア基板Ｓから方形チップを切り出して製品にする。その際、スクライブ方向（すなわち分断方向）とスクライブの優先順とが正確に定められる。
すなわち、スクライブ方向（分断方向）はｃ軸に垂直な方向と、ｃ軸に平行な方向との２方向とに定められ、そのうちｃ軸に垂直な方向を平行な方向に優先して切り出し、ｃ軸に平行な方向をそれより後に切り出すようにする。そのため、図２に示すように、サファイア基板Ｓを、縦方向に６本（［１］−１〜［１］−６）、横方向に５本（［２］−１〜［２］−５）、この順でスクライブ等を行う。

また、本発明は図１、図２に示したサファイア基板Ｓのほかに、図３に示すようにサファイア基板Ｓとガラス基板Ｇ（Ｓｉ基板等のその他の脆性材料基板でもよい）とを貼り合わせた貼合わせ基板Ｕであってもよい。この場合は、サファイア基板の単板のときと同様の分断方法でサファイア側を分断した後、ガラス基板を分断すればよい（逆の順でもよい）。ガラス基板の分断についてはカッターホイールによる分断、レーザスクライブによる分断等、通常のガラス基板の分断技術を用いればよい。

（分断装置）
次に、本発明を用いてサファイア基板Ｓを分断するときに使用する分断装置の一例について説明する。図４はサファイア基板分断装置の一例を示す概略構成図である。
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４の紙面前後方向（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Ｙ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４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１０ａが貫通螺合されており、スクリューネジ１０ａ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、サファイア基板Ｓ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、基準方向（具体的には図１のオリフラＦの方向）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、サファイア基板Ｓ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１４内部の光学レンズ１４ａ、１４ｂによって予め設定された形状のビームスポット（例えば長円形状のビームスポット）として基板Ｓ上に照射される。

レーザ発振器１３にはＣＯ_２レーザが用いられる。レーザ照射の照射条件を調整することにより、サファイア基板を昇華温度以上に加熱することもできるし、融点以下で加熱することもできる。前者の場合は、レーザアブレーションによりサファイア基板の一部を昇華させることになる。後者の場合は、加熱とその後の冷却とによる熱勾配により熱応力を利用した分断が行われることになる。

また、取付フレーム１５には、光学ホルダ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サファイア基板Ｓ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１４からサファイア基板Ｓに照射されたビームスポット（長円形状）の長手方向の端部に近接した位置に吹き付けられて、サファイア基板Ｓの表面に冷却スポットを形成することができる。なお、冷媒噴射は上述したように熱応力を利用した分断の際に行われるが、レーザアブレーションの場合には行われない。

更に、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、サファイア基板Ｓへの圧接力が上下移動調節機構１７によって微細に調整できるようになっている。サファイア基板は高硬度であるため、周辺リッジに多数の溝が形成され、周辺リッジが断続した突起を形成した高浸透タイプのホイールを使用するのが好ましい。

カッターホイール１８は、サファイア基板Ｓの端縁に初期亀裂（トリガ）を形成するために用いられる。この初期亀裂（トリガ）はレーザスクライブでスクライブラインを形成するときに必要となるものであり、台座７をＸ方向に移動させつつ一時的にホイール１８を下降させて基板端にカッターホイール１８を衝突させて初期亀裂を作成する。
また、後述するように、機械的にスクライブラインを形成する方法として用いられる。

次に、サファイア基板分断装置ＬＳ１による分断動作について説明する。図５はサファイア基板分断装置ＬＳ１による分断加工の手順を説明するフローチャートである。図６は分断動作中の基板の状態を示す模式図である。

先ずサファイア基板Ｓを回転テーブル１２の上に載置し、オリフラＦの方向で結晶方位を確認し、投影線Ｔに垂直な第一方向（図１、図６（ａ）の［１］の方向）にスクライブ加工が行えるようにセッティングを行う（Ｓ１０１）。

続いて、第一方向にスクライブライン（１ａ）の形成を行う（Ｓ１０２、図６（ａ））。スクライブラインは、カッターホイール１８の圧接によるスクライブ、レーザ１３による加熱と冷却ノズル１６による冷却とによるレーザスクライブ、昇華温度以上でレーザ加熱することによるレーザアブレーション加工のいずれかにより形成される。
カッターホイール１８の圧接によるスクライブでは、５０ｍｍ〜３００ｍｍ／秒程度のスクライブ速度でカッターホイール１８を走査する。
レーザスクライブでは、基板Ｓの融点より低い温度でレーザビームのビームスポットを走査するとともに、加熱直後を冷媒噴射により急冷することにより、熱応力によりスクライブラインを形成する。なお、レーザスクライブの場合は、例えば、カッターホイール１８により基板端に予め初期亀裂（トリガ）を設けておく必要がある。
レーザアブレーション加工によるスクライブでは、基板Ｓの昇華温度より高い温度で加熱するようにしながらビームスポットを走査しスクライブラインを形成する。レーザスクライブ、レーザアブレーションのいずれの場合も、５０ｍｍ／秒〜３００ｍｍ／秒程度のスクライブ速度で走査する。レーザアブレーション加工は、深く加工するほど加工速度は遅くなるが、ここでは、表面近傍を浅くスクライブすればよいので、この程度の加工速度でスクライブ加工を行うことができる。
この第一方向のスクライブ工程により、基板Ｓの厚さの５％〜３０％程度の深さのスクライブラインが形成できればよい。

続いて、前工程で形成した第一方向のスクライブラインに沿って、第一方向クラック（１ｂ）を進展させる（Ｓ１０３、図６（ｂ））。第一方向クラックの進展は、基板Ｓの融点以下の温度での加熱と加熱直後の冷却（すなわちレーザスクライブと同じ工程）とにより行われる。クラック進展の際のレーザ照射および冷却の走査速度は５０ｍｍ〜３００ｍｍ／秒の走査速度が適当である。これにより、サファイア基板Ｓの厚さの２５％〜７５％程度までクラック進展させればよい。この時点では、クラックの先端は基板内に留めるようにして第一方向は分断されないようにする。
なお、サファイア基板Ｓの端部近傍を走査するレーザ出力が大きすぎると、分断不良の原因となる場合があるので、基板Ｓの端部を走査するときのレーザ出力を基板Ｓの中央を走査するときのレーザ出力より少し小さく（中央部分を走査するときの７５％〜９５％出力）すればよい。
第一方向に沿って複数本の分断を行う場合は、１本目について、スクライブライン（１ａ）の形成および第一方向クラック（１ｂ）の進展を終えると、スライドテーブル２をＹ方向に移動して同様の処理を繰り返す（図６（ｃ））。

続いて、回転ステージ１２を９０度回転し、投影線Ｔに平行な第二方向（図１、図６（ｄ）の［２］の方向）に沿ってスクライブ加工を行い、第二方向にスクライブライン（２ａ）を形成する（Ｓ１０４、図６（ｄ））。
第二方向スクライブ工程のスクライブ方法は、第一方向スクライブ工程で説明した３つの方法（カッターホイールによるスクライブ、レーザスクライブ、レーザアブレーション）のいずれかで行う。第一方向スクライブ工程と同じ方法でもよいし、異なる方法でもよい。異なる方法のときは、例えば、第一方向スクライブ工程をレーザスクライブで行い、第二方向スクライブ工程をカッターホイールによるスクライブで行うようにしてもよい。また、第一方向と第二方向とのスクライブ方法を同じにする場合、スクライブ条件（走査速度等）は同じであっても異なっていてもよい。
なお、スクライブ速度については、第一方向スクライブ工程と同じく５０ｍｍ／秒〜３００ｍｍ／秒程度が適当である。また、スクライブラインの深さは第一方向と同じく基板Ｓの厚さの５％〜３０％程度でよい。
また、第二方向は、経験的に第一方向よりも少しスクライブラインが進展しやすい傾向があるので、第一方向よりもレーザ出力を少し抑えてもよい。例えば第一方向の７５％〜９５％出力で照射するようにしてもよい。

続いて、前工程で形成した第二方向のスクライブラインに沿って、第二方向クラック（２ｂ）を進展させる（Ｓ１０５、図６（ｅ））。第二方向クラックの進展は、基板Ｓの融点以下の温度でのレーザ加熱と加熱直後の冷却（すなわちレーザスクライブと同じ工程）とにより行われる。クラック進展の際のレーザ照射および冷却の走査速度は、５０ｍｍ／秒〜３００ｍｍ／秒程度が適当である。
第二方向のクラック進展は、可能であれば、進展する第二方向クラックが一挙に裏面まで到達し、その結果、第二方向に沿って完全に分断されるのが望ましい。基板Ｓの厚さが十分に厚いときのように一挙に分断させることが困難な場合は、第二方向クラックをできるだけ深く進展させておき、後工程で分断するようにする。

ところで、このとき、第一方向クラックと第二方向クラックとが交差するクロスカット部分では、２度目の加熱と２度目の冷却が行われることとなり、クロスカット部分の近傍では第二方向のクラック進展のみならず、第一方向についてもクラック進展が生じる。すなわち、クロスカット部分では、２回のクラック進展工程によって第一方向のクラックが深く進展して裏面まで達することとなり、局所的に完全に分断される。さらにこの分断された部分が起点となって、完全に分断された第一方向クラックがさらに第一方向に沿って広がるようになる。その結果、第二方向クラック進展工程により、第二方向よりもむしろ第一方向への完全な分断が促進されることとなる。

そして、第二方向に沿って複数本の分断を行う場合には、１本目についてスクライブライン（２ａ）の形成および第二方向クラック（２ｂ）の進展を終えると、台座７をＸ方向に移動して同様の処理を繰り返す。
その結果、基板Ｓは、第一方向と第二方向とに沿って同時に分断されるときは、一挙に格子状に分断されることになる（図６（ｆ））。また、第一方向は完全に分断され、第二方向についてはクラックが深く進展するだけで分断まで至らないときは、基板Ｓ’が短冊状に切り出される（図６（ｆ’））。前者の場合は分断加工を終了し、後者の場合は、さらに次の工程に進む（Ｓ１０６）。

前工程で第一方向だけが分断された場合は、短冊状の基板Ｓ’に対し、分断された第一方向クラックに沿って（図６（ｇ）の［３］の方向）、この線上をなぞるようにレーザ加熱と加熱後の冷却とを行うことにより、第二方向の分断を行う（Ｓ１０７、図６（ｇ））。
第２方向クラックと分断済み第一方向クラックとが交差するクロスカット部分（既に切り出されているので実際には端面となっている）では、２度目の加熱と２度目の冷却が行われることとなり、このクロスカット部分の近傍では、第二方向についてクラック進展が生じる。すなわちクロスカット部分では、２回のクラック進展工程によって第二方向のクラックが深く進展して裏面まで達することとなり、局所的に完全に分断される。さらに局所的に完全分断された部分が起点となって、第二方向に沿って完全に分断されたクラックが広がるようになる。その結果、第二方向の完全な分断が促進されることとなる（図６（ｈ））。このように第二方向に分断する際に、第二方向ではなく第一方向に走査することにより、１回の走査で、１つの短冊状の基板Ｓ’内にある複数本の第二方向クラックの分断を同時に行うことができる。

短冊状に切り出されたすべての基板Ｓ’に対して、第二方向の分断を同様の手順で行い、最終的に、図６（ｆ）と同様に、第一方向および第二方向に沿って格子状に分断する（図６（ｉ））。

以上の手順により、サファイア基板Ｓを方形に分断することができる。従来のダイシングによる分断加工やレーザアブレーション加工による分断加工に比べると、加工に必要な工程数は増えているが、それぞれの工程分断速度は一桁以上速くなり、分断に要する全体時間を短縮することができる。

（実施例）
基板主面の面方位がＲ面である円板状のサファイア基板（直径約１５ｃｍ、厚さ０．７ｍｍ）について、表１に示す各条件で、（１ａ）刃先スクライブによる第一方向スクライブ工程、（１ｂ）レーザ照射・冷却による第一方向クラック進展工程、（２ａ）刃先スクライブによる第二方向スクライブ工程、（２ｂ）レーザ照射・冷却による第二方向クラック進展工程を実行した。（１ａ）及び（２ａ）の刃先スクライブには、三星ダイヤモンド工業株式会社製高浸透刃先（Penett（登録商標））を使用した。

各工程後のスクライブラインの深さを表２に示す。

上記表の記載からも明らかな通り、（２ｂ）第二方向クラック進展工程により、第二方向クラックだけでなく、第一方向クラックも、サファイア基板裏面まで到達し、サファイア基板を分断することができた。

（貼合わせ基板の分断）
これまでサファイア基板Ｓの分断加工について説明したが、サファイア基板が他の脆性材料基板（ガラス基板、シリコン基板等）と貼り合わされている場合も、本発明を適用できる。その場合は、例えば、先にサファイア基板を分断し、その後でガラス基板等他の脆性材料基板を分断すればよい。その際、サファイア基板の分断については、単板の場合と同様の手順で分断する。その後、他の脆性材料基板それぞれに適した通常の分断方法を用いて分断すればよい。例えばガラス基板が貼り合わされているときは通常のスクライブ方法（カッターホイールによるスクライブ、レーザスクライブ）により分断することができる。

本発明は、サファイア基板の分断加工する際に利用することができる。

本発明の分断加工に用いられるサファイア基板の平面図（ａ）およびＡ−Ａ’断面図（ｂ））。 サファイア基板を切り出す方向および切り出す優先順を示す平面図。 サファイア基板と他の脆性材料基板との貼合わせ基板を示す図。 本発明の一実施形態であるサファイア基板分断装置の概略構成図。 サファイア基板分断装置による分断加工の手順を説明するフローチャート。 分断動作中の基板の状態を示す模式図。 サファイアの結晶方位を示す図。

符号の説明

２ スライドテーブル
７ 台座
１２ 回転テーブル
１３ レーザ発信器
１６ 冷却ノズル
１８ カッターホイール
Ｓ サファイア基板
Ｆ オリフラ
Ｔ ｃ軸投影線

Claims (4)

1. 基板主面の面方位がＲ面であるサファイア基板を、主面内で互いに直交する第一方向と第二方向との２方向に分断する方法であって、
   （１ａ） 前記サファイア基板のｃ軸をＲ面上に投影した投影線（Ｔ）に垂直な方向を第一方向に選択して、前記第一方向に沿ってスクライブラインを形成する第一方向スクライブ工程と、
   （１ｂ） 形成された第一方向のスクライブラインに沿ってレーザ照射による加熱および加熱後の冷却を行い、第一方向のスクライブラインを前記サファイア基板の厚さ方向に進展させた第一方向クラックを形成する第一方向クラック進展工程と、
   （２ａ） 第一方向と直交する第二方向に沿ってスクライブラインを形成する第二方向スクライブ工程と、
   （２ｂ） 形成された第二方向のスクライブラインに沿ってレーザ照射による加熱および加熱後の冷却を行い、第二方向のスクライブラインを前記サファイア基板の厚さ方向に進展させた第二方向クラックを前記基板の裏面または裏面近傍まで到達するように形成する第二方向クラック進展工程とからなり、
   第一方向クラック進展工程で形成される第一方向クラックは前記サファイア基板の裏面に達しないようにしておき、第二方向クラック進展工程のときに、先に形成された第一クラックが進展して裏面まで到達させることにより第一方向に沿って分断、または、第一方向と第二方向とに沿って同時に分断されることを特徴とするサファイア基板の分断方法。
2. 前記第二方向クラック進展工程の結果、第二方向クラックが前記サファイア基板の裏面に到達せず、第二方向に沿って分断されていない場合に、前記第二方向クラック進展工程に次いで、
   （３） 既に分断された第一方向クラックに沿ってレーザ照射による加熱および加熱後の冷却を行い、第二方向クラックが進展して裏面まで到達することにより第二方向に沿って分断する請求項１に記載のサファイア基板の分断方法。
3. 第一方向スクライブ工程、第二方向スクライブ工程は、それぞれカッターホイールによるスクライブ、または、レーザ加熱および加熱後の冷却によるレーザスクライブ、または、前記サファイア基板の昇華温度以上の温度で加熱するレーザアブレーションによるスクライブのいずれかにより行われる請求項１または請求項２のいずれかに記載のサファイア基板の分断方法。
4. 前記サファイア基板は他の脆性材料基板との貼合せ基板である請求項１〜請求項３のいずれかに記載のサファイア基板の分断方法。