JP5108886B2 - 脆性材料基板の加工方法およびこれに用いるクラック形成装置 - Google Patents
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Description
本発明は、特に、脆性材料基板の板厚が薄く、レーザ照射によって基板表面付近に発生した熱がクラック形成時に基板の表面から裏面まで到達してしまう場合の脆性材料基板の加工方法に関する。
また、本発明についての説明の便宜上、「クラックの進行」とは、クラックが基板の面方向へ成長することをいい、クラックが基板の厚み方向(深さ方向)へ成長することを「クラックの進展」ということにより、両者を区別することにする。
近年、この応力勾配を利用してガラス基板にクラックを形成することにより、基板表面にスクライブ加工を行ったり(例えば特許文献1参照)、フルカット加工を行ったりする加工技術が利用されている(例えば特許文献2、3参照)。
一方、フルカット加工とは、基板表面から基板裏面に達するクラックを形成する加工であり、ブレイク処理を行うことなく基板を割断することができる。
加熱条件や冷却条件が極端でない場合には、これら割断モードの相違は、基板の厚さに応じて、加熱、冷却時に生じる応力分布や歪が異なることに起因する。以下、応力分布および歪と割断モードとの関係について説明する。
まず、板厚が厚いガラス基板の場合について説明する。ここでいう板厚が厚い場合とは、基板上面にレーザビームが照射され、上面付近に発生した熱(温熱)が基板内に伝達されるときに、基板の板厚が十分厚いために、クラック形成時に熱の伝達が基板の内部でとどまり基板下面まで熱が伝達されることのない場合をいう。具体的には、ガラス基板の場合、1mm以上の板厚になると熱の伝達が基板内部にとどまる傾向がある。
また、図7(a)、図7(b)および図7(c)は、それぞれ図6のA−A’断面、B−B’断面およびC−C’断面における温度分布と応力分布を説明するための模式図である。なお、別の視点から見れば、図7(a)、図7(b)および図7(c)は、ビームスポットBSおよび冷却スポットCSの通過に起因する同一地点の温度分布および応力分布の時間的な変化を表している。
厚板基板GAでは、レーザビームのビームスポットBSの通過による加熱によって、図7(a)に示すように加熱部位HRが基板内部に形成され、加熱部位HRが局所的に膨張することにより、圧縮応力(図中破線矢印で示す)が生じる。
厚板基板GAの場合には、加熱部位HRは徐々に基板内部に伝達されるが、基板が厚いためクラック形成時に裏面まで到達することはなく、加熱部位HRが基板内部にとどまった状態になる。
次に、板厚が薄いガラス基板の場合について説明する。ここでいう板厚が薄い場合とは、基板上面にレーザビームが照射され基板上面付近に発生した熱(温熱)が基板内に伝達されるときに、基板の板厚が十分薄いため、クラック形成時に熱が下面に達する場合をいう。具体的には、ガラス基板の場合、1mm未満、特に0.7mm程度の板厚になるとクラック形成時に熱が下面に達する傾向がある。また、当然ながら板厚が薄い場合には、冷却スポットの通過により基板上面に与えられた冷熱がすぐに下面に達することとなる。
また、図9(a)、(b)および(c)は、それぞれ図8のD−D’、断面E−E’および断面F−F’断面におけるレーザ照射後の温度分布と応力分布を説明するための模式図である。
その結果、薄板基板GBの上面付近には、前方(奥側)が圧縮応力で、後方(手前側)が引張応力である応力勾配が発生する。
薄板基板GBでは、基板上面に照射されるレーザビームのビームスポットBSの通過による加熱によって、図9(a)に示すように加熱部位HRが基板内部に形成され、加熱部位HRが局所的に膨張することにより、圧縮応力(図中破線矢印で示す)が生じる。この場合、基板の板厚が薄いために、クラック形成時には加熱部位HRが基板GBの下面に達するようになる。
薄板基板GBの場合は、冷熱部位CRがすぐに基板GBの中央まで達するようになる。
このように面方向に進行しようとするクラックが形成されやすい状態(あるいは実際にクラックが形成される状態)を「横割れ」の状態と称する。
また、本発明は脆性材料からなる基板に対し、横割れ状態によるフルカット加工ではなく、また、縦割れ状態によるスクライブ加工でもなく、縦割れ状態によるフルカット加工が可能な加工方法、および、これに用いるためのクラック形成装置を提供することを目的とする。
合成基板にスクライブラインが形成された状態を、合成基板の上面を構成する被加工基板に注目して見ると、実質的に、板厚が薄い被加工基板のフルカット加工が縦割れ状態で行われたことになっている。その後、合成基板を構成している支持基板と被加工基板との固着状態を解除する工程を実行することにより、縦割れによりフルカット加工された被加工基板を得ることができる。また、被加工基板の板厚が薄い場合であっても安定的にスクライブ加工モードでクラックを形成できるので、直進性に優れたクラックを形成できる。
上記発明において、被加工基板と支持基板とは、同じ材質を用いてもよい。例えば、被加工基板がガラス基板のときに、支持基板に同じ材質のガラス基板を用いてもよい。
これにより、被加工基板と支持基板とが、実質的に1つの厚板基板を構成することになるので、厚板基板のスクライブ加工モードと等価な割断モードが成立し、被加工基板については縦割れによるフルカット加工を実現することができる。
これによれば、被加工基板の下面から支持基板に熱が伝達されるときに、被加工基板側が先に加熱され温度勾配が生じているので、先に被加工基板が膨張するようになり、被加工基板には、撓みによって上に凸の歪が形成されやすくなり、縦割れ状態を発生しやすくすることができる。
これによれば、被加工基板下面から支持基板に熱が伝達されるときに、被加工基板が厚板基板である場合と同様の内部圧縮応力場が形成されるので、実質的に厚板基板と同様のスクライブ加工モードが実現でき、被加工基板の縦割れを促進することができる。
(1)冷凍チャック
また、上記発明の(a)工程において、被加工基板下面と支持基板上面とは氷層を介して固着されるようにしてもよい。
これによれば、被加工基板下面と支持基板上面とを、氷層で固着する冷凍チャックにて固着することができ、その後、氷層を融解することにより、簡単に固着状態を解除することができる。
また、上記発明の(a)工程において、被加工基板下面と支持基板上面とは接着層を介して固着されるようにしてもよい。
ここで、接着層を形成する接着剤は、基板間を一旦接着した後に、溶剤を用いて溶解することにより、被加工基板を離脱できる材料であればよい。具体的には、ポリイミドなどの熱可塑性樹脂を接着剤として用い、水、アミンまたは水とアミンの混合溶液を溶剤として用いることができる。また、UV光により粘着力低下または剥離する粘着シートなどを用いて被加工基板を支持基板に接着し、UV光を照射して被加工基板を支持基板から離脱することができる。
これによれば、被加工基板下面と支持基板上面とを、接着剤で固着することができ、その後、固着面に溶剤を与えることにより、簡単に固着状態を解除することができる。また、接着層により固着することにより、所定の範囲の被加工基板下面と支持基板上面とをくまなく固着することができる。
また、上記発明において、被加工基板がガラス材であり、その板厚が0.01mm以上1mm以下であるのが望ましい。
これによれば、被加工基板は、十分に薄い板厚であり、基板上面にレーザ照射したときに基板下面に熱が伝達されるので、支持基板を被加工基板に固着することによって厚板基板に見立てたスクライブ加工モードを実現することができる。
また、別の観点からなされた本発明のクラック形成装置は、レーザビーム照射機構と、冷却機構と、レーザビーム照射機構と冷却機構とを被加工基板に対し相対的に移動させる走査機構とを備え、被加工基板の割断予定ラインに沿ってレーザビームのビームスポットが走査されるようにレーザビーム照射機構を被加工基板に対して相対移動させて被加工基板の上面を軟化点以下の温度で加熱し、次いでビームスポットが通過した軌跡に沿って冷却機構を相対移動させて前記基板を冷却することにより割断予定ラインに沿ってクラックを形成する加工を行う脆性材料基板のクラック形成装置において、被加工基板が載置される支持基板と、クラック形成前に被加工基板の下面を支持基板に固着し、クラック形成後に固着状態を解除する着脱手段とを備え、前記支持基板は被加工基板を固着した状態でレーザビームが照射されたときに被加工基板の上面から下面に到達する熱を被加工基板の下面から熱伝導により伝達されるとともに、上に凸となる歪が冷却後の割断予定ライン近傍に生じるよう作用させる材料で形成されるようにしている。
a.支持基板
本発明によれば、支持基板上に被加工基板を載置し、着脱手段により、被加工基板の下面を支持基板に固着する。支持基板は、被加工基板を固着した状態でレーザビームが照射されたときに被加工基板の上面から下面に到達する熱を被加工基板の下面から熱伝導により伝達されるとともに、上に凸となる歪が冷却後の割断予定ライン近傍に生じるよう作用させる材料で形成されるようにしてある。したがって、支持基板と被加工基板とが固着された合成基板により、厚板基板と類似の温度分布、応力分布を生じさせることができるようになる。その結果、合成基板に対しスクライブ加工モードを成立させることができるようになり、スクライブラインが形成されるようになる。このとき、被加工基板について見ると、スクライブラインにより、被加工基板が実質的に縦割れによるフルカットが実現できていることになる。そして、その後に着脱手段による固着状態を解除することにより、縦割れ状態でフルカット加工された被加工基板を得ることができる。
上記発明において、支持基板が被加工基板と実質的に同じ材質で形成されるようにしてもよい。
これにより、被加工基板と支持基板とが、実質的に1つの厚板基板を構成することになるので、厚板基板のスクライブ加工モードと等価な割断モードが成立し、被加工基板については縦割れによるフルカット加工を実現することができる。
また、上記発明において、着脱手段は、支持基板と被加工基板との界面に氷層を形成して固着状態にするとともに氷層を融解して固着状態を解除する冷凍チャックからなるようにしてもよい。
これによれば、冷凍チャックの温度の調整により、簡単に基板の着脱を行うことができる。なお、冷凍チャックの構成については、特に限定されないが、例えば、氷層の生成、氷層の融解にペルチェ素子を用いることにより、ペルチェ素子へ印加する電圧の極性を切り替えることで冷凍と融解とを切り替えることができるので、簡単な装置構成にすることができる。
また、上記発明において、着脱手段は、支持基板と被加工基板との界面に接着剤を供給する接着剤供給機構と、支持基板と被加工基板との界面に接着剤を溶解する溶剤を供給する溶剤供給機構とからなるようにしてもよい。
ここで、支持基板に形成される多数の小孔は、加熱による被加工基板の反り返りが発生して局所的に分離しないように、隣接する小孔間の距離を小さくすることが必要である。例えば多数の小孔を有する支持基板として、多孔性セラミックのような多孔性部材を支持基板として利用するようにして真空吸着するようにしてもよい。
これによれば、支持基板に形成された多数の小孔による真空吸着により、被加工基板の下面全体を固着することができ、その後、吸引を停止することで固着を解除することができるので、固着操作および分離操作を、簡単に切り換えることができる。
11: 可動部
12: レーザ照射部
13: 冷却部
14: カッターホイール
15: レール
16: 駆動機構
21、31,41: 固定部
22、32、42: 支持基板
23、37、38、44: 弁
24: 水源
25: 水供給機構
26: ペルチェモジュール
27: 熱交換機構
28: 電源
29: 恒温槽
30、30a、30b: 制御部
33、34: 貫通孔
35: 接着剤供給流路
36: 溶剤供給流路
39: 接着剤収納容器
40: 溶剤収納容器
43: 吸引ノズル
45: 真空ポンプ
46: 吸引部
最初に、本発明の加工方法について説明する。図1は、本発明の一実施形態である脆性材料基板の加工方法の工程を示す図である。
この支持基板GTは、被加工基板GSに固着しており、レーザビームを照射したときに、被加工基板GSの上面から下面に到達した熱を、被加工基板GSの下面から熱伝導により伝達されるとともに、被加工基板GSに、上に凸となる歪が生じるよう作用させることができる材料、すなわち被加工基板GSに縦割れ状態を誘発することができる材料が用いられる。
そして、支持基板GTの上面には、必要な場合に、被加工基板GSを固着するための媒体層Mを設けておく。すなわち、冷凍チャックを利用する場合は水層を形成し、接着剤を利用する場合は接着剤層を形成する。真空チャックを利用する場合は、媒体層Mは必要ない。見かけ上、真空層が媒体層Mとして機能することになる。
上記被加工基板GSと支持基板GTとを固着させる所定の範囲は、冷凍チャックを利用する場合は水層の形成範囲または水層を冷凍させる範囲、接着剤を利用する場合は接着剤層を形成させる範囲、真空チャックを形成する場合は真空層が形成される範囲である。なお、被加工基板GSの下面全体を支持基板GTに固着させることとしてもよい。以下、被加工基板GSの下面全体を固着させることとして説明する。
基板の固着に冷凍チャックを利用する場合は、水層を冷凍し、氷層にすることにより固着する。
基板の固着に接着剤を利用する場合は、支持基板GT上に媒体層Mとして塗布した接着剤層の上に、被加工基板GSを載せて密着させる。あるいは、支持基板GTの下面から上面にかけて接着剤を送り出すための貫通孔(不図示)を形成しておき、被加工基板GSを支持基板GTに載置した状態で、貫通孔を介して支持基板GTと被加工基板GSとの界面に接着剤を供給するようにしてもよい。
基板の固着に真空チャックを利用する場合は、被加工基板GSの下面全面が被吸着面となるようにするため、支持基板GTには多孔性セラミック基板を用いる。そして支持基板GTの上に被加工基板GSを載置し、真空ポンプを起動させ、支持基板GTの多孔面を吸着面として被加工基板GSを真空吸着する。
このとき、合成基板GUには、実質的に厚板基板と等価な熱分布、応力分布を形成することができるため、スクライブ加工モードによる加工を行うことができる。すなわち、図2に示すように、レーザビームW1による熱(温熱)の影響により被加工基板GSの下面近傍から支持基板GTの内部に内部圧縮応力場Hinを形成し、この領域に圧縮応力(破線矢印)が働くようにする。また、レーザビームW1による加熱直後の冷媒W2による冷却の影響により、被加工基板GSの上面から内部にかけては、引張応力(実線矢印)が働くようにする。さらに被加工基板GSの上面には、上に凸となる撓みによる力(一点鎖線矢印)が引張応力と同じ方向に働くようにする。
基板の固着に冷凍チャックを利用している場合は、熱を与えて氷層を融解することにより固着状態を解除する。
基板の固着に接着剤を利用している場合は、接着剤層を溶解するための溶剤を、界面に供給する。そのため、支持基板GTに溶剤を送り出す貫通孔(不図示)を形成しておき、この貫通孔を介して支持基板GTと被加工基板との界面に溶剤を供給する。
基板の固着に真空チャックを利用している場合は、真空ポンプを停止し、支持基板GTの吸着面(多孔面)に空気を送る。
これにより、被加工基板GSを支持基板GTから取り外すことにより、縦割れ状態で割断した被加工基板GSを得ることができる。
なお、上記の方法は被加工基板をフルカット加工する場合のみならず、スクライブ加工する場合にも適用できる。厚板基板をスクライブ加工する場合と同様に、加熱条件や冷却条件などの加工条件を変更することにより、形成されるクラックの深さを調整することができる。
〔装置構成1:冷凍チャック〕
図3は、本発明の一実施形態であるクラック形成装置の概略構成を示す図である。本実施形態では冷凍チャックによりガラス基板(被加工基板)を支持基板に固着する。本実施形態では、支持基板22が、従来のクラック形成装置に被加工基板を載置するために設けられているテーブルとしても機能するので、従来のクラック形成装置に設けられているテーブルは必要ない。本実施形態では、水平に保持されたステージ(図3中では直線で簡略に表示)上に、熱交換機構27、ペルチェモジュール26、支持基板22及び被加工基板を載置した構成としているが、例えば、従来のクラック形成装置に設けられているようなテーブル上に熱交換機構27、ペルチェモジュール26、支持基板22及び被加工基板を載置する構成としてもよい。
クラック形成装置1は、主に、レーザ照射や冷媒吹付けを行う可動部11と、被加工基板50を支持する固定部21とから構成される。
ここで、ガラス基板の割断に用いるレーザ照射部12の光源には、CO2レーザ、COレーザ、遠赤外線レーザが用いられる(ここでいう遠赤外線レーザには、本来の遠赤外線レーザの他に、レーザ光源ではない遠赤外光源を用いて遠赤外波長の光をレンズ光学系で収束させ、レーザビームによるビームスポットと同様にして照射する場合も含まれるものとする)。なお、被加工基板の基板材料がサファイヤである場合には、CO2レーザ、遠赤外線レーザが用いられる。また、基板材料がシリコン基板である場合には、YAGレーザ、UVレーザが用いられる。
クラック形成装置1の動作を説明する。まず、弁23を作動させて水供給機構25から水を供給し、支持基板22の上に水層を形成する。続いて、被加工基板50を支持基板22の上に載せ、電源28から電圧を印加し、水層を凍結して氷層にする。これにより、被加工基板50が支持基板22に固着され、全体として厚板基板と等価に扱うことができる合成基板を形成する。
以上の動作により、端面品質が優れ、しかも直進性に優れた割断面が形成される。
図4は、本発明の他の一実施形態であるクラック形成装置の概略構成を示す図である。本実施形態では接着剤を用いてガラス基板を支持基板に固着する。本実施形態では、支持基板32が、従来のクラック形成装置に被加工基板を載置するために設けられているテーブルとしても機能するので、従来のクラック形成装置に設けられているテーブルは必要ない。本実施形態では、水平に支持されたステージ下側又はステージ内部に設けられた接着剤供給通路35又は溶剤供給通路36から供給される接着剤及び溶剤を、ステージを介して又はステージ上面の接着剤供給通路35又は溶剤供給通路36の開口から支持基板32の貫通孔33、34に供給する構造としている。
クラック形成装置2は、主に、レーザ照射や冷媒吹付けを行う可動部11と、被加工基板50を支持する固定部31とから構成される。なお、可動部11については、図3と同じものであるため、同符号を付すことにより説明の一部を省略する。
以上の動作により、ガラス基板に対し、端面品質が優れ、しかも直進性に優れた割断面の加工を実現することができる。
図5は、本発明の他の一実施形態であるクラック形成装置の概略構成を示す図である。本実施形態では真空チャックによりガラス基板を支持基板に固着する。本実施形態では、支持基板42が、従来のクラック形成装置に被加工基板を載置するために設けられているテーブルとしても機能するので、従来のクラック形成装置に設けられているテーブルは必要ない。本実施形態では、水平に保持されたステージ(図5中には記載なし)上に、真空装置の平板状の吸引部46及び支持基板42を載置する構成としているが、真空吸引機構を有する多孔テーブルを備えたクラック形成装置の場合には、真空吸引機構を有する多孔テーブルを真空装置の吸引部46として利用し、その上に支持基板42を固着させる構成としてもよい。
クラック形成装置3は、主に、レーザ照射や冷媒吹付けを行う可動部11と、被加工基板50を支持する固定部41とから構成される。なお、可動部11については、図3、図4と同じものであるため同符号を付すことにより説明の一部を省略する。
以上の動作により、ガラス基板に対し、端面品質が優れ、しかも直進性に優れた割断面の加工を実現することができる。
Claims (14)
- (a)脆性材料からなる被加工基板の裏面に支持基板を固着し、前記被加工基板の表面上の割断予定ラインの一端に初期亀裂を形成する工程、又は表面上の割断予定ラインの一端に初期亀裂が形成された脆性材料からなる被加工基板の裏面に支持基板を固着する工程、
(b)前記初期亀裂から前記割断予定ラインに沿ってレーザビームを相対移動させながらレーザ照射を行うことにより、被照射部分を前記被加工基板の軟化点よりも低い温度に加熱するとともに、前記レーザ照射に追随させて被加熱部分の冷却を行うことにより、前記レーザ照射による熱が前記被加工基板の被照射部分から裏面に伝導し、さらに前記被加工基板の裏面から支持基板に伝導し、前記支持基板が前記被加工基板の裏面に対して前記割断予定ラインに沿って凸となる歪みを生じさせ、前記初期亀裂から前記割断予定ラインに沿って被加工基板の表面から裏面に進展するクラックを進行させる工程、及び
(c)前記被加工基板と前記支持基板との固着を解除する工程
とからなる被加工基板の加工方法。 - 被加工基板がガラス基板であり、その板厚が0.01mm以上1mm以下である請求項1に記載の加工方法。
- 支持基板がガラス基板である請求項1又は2に記載の加工方法。
- 被加工基板と支持基板とが、同じ材質である請求項1に記載の加工方法。
- 被加工基板と支持基板とが、実質的に同じ線膨張係数を有する材料である請求項1に記載の加工方法。
- 被加工基板と支持基板とが、実質的に同じ熱伝導率を有する材料である請求項1に記載の加工方法。
- (a)工程において、被加工基板裏面と支持基板とは氷層を介して固着される請求項1〜請求項6のいずれかに記載の加工方法。
- (a)工程において、被加工基板裏面と支持基板とは接着層を介して固着される請求項1〜請求項6のいずれかに記載の加工方法。
- レーザビーム照射機構と、冷却機構と、レーザビーム照射機構と冷却機構とを被加工基板に対し相対的に移動させる走査機構とを備え、被加工基板の割断予定ラインに沿ってレーザビームのビームスポットが走査されるようにレーザビーム照射機構を被加工基板に対して相対移動させて被加工基板の上面を軟化点以下の温度で加熱し、次いでビームスポットが通過した軌跡に沿って冷却機構を相対移動させて前記基板を冷却することにより割断予定ラインに沿ってクラックを形成する加工を行う脆性材料基板のクラック形成装置において、
被加工基板が載置される支持基板と、
クラック形成前に被加工基板の下面を支持基板に固着し、クラック形成後に固着状態を解除する着脱手段とを備え、
前記支持基板は被加工基板を固着した状態でレーザビームが照射されたときに被加工基板の上面から下面に到達する熱を被加工基板の下面から熱伝導により伝達されるとともに、上に凸となる歪が支持基板上面の割断予定ライン近傍に生じるよう作用させる材料で形成されることを特徴とするクラック形成装置。 - 支持基板が被加工基板と実質的に同じ材質で形成される請求項9に記載のクラック形成装置。
- 着脱手段は、支持基板と被加工基板との界面に氷層を形成して固着状態にするとともに氷層を融解して固着状態を解除する冷凍チャックからなることを特徴とする請求項9または請求項10に記載のクラック形成装置。
- 着脱手段は、支持基板と被加工基板との界面に接着剤を供給する接着剤供給機構と、支持基板と被加工基板との界面に接着剤を溶解する溶剤を供給する溶剤供給機構とからなることを特徴とする請求項9または請求項10に記載のクラック形成装置。
- 接着剤供給機構、溶剤供給機構は、それぞれ支持基板に形成された貫通孔から支持基板の表面上に接着剤、溶剤を供給することを特徴とする請求項12に記載のクラック形成装置。
- 着脱手段は、支持基板に形成された多数の小孔を介して被加工基板の下面を吸引することが可能な真空チャックからなることを特徴とする請求項9または請求項10に記載のクラック形成装置。
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