JP5216017B2 - 脆性材料基板の分断方法 - Google Patents
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Description
この結果、これらの応力差に応じて、図13(c)に示すように、引張応力に対して直角方向である基板の板厚方向に進展したクラック120が形成される。
すなわち、レーザビームに対する遮光長さ(クラック形成予定ライン方向の遮光部分の長さ)が大きければ、遮光部分でクラックの進展が停止するが、少しずつ遮光長さを小さくしていくと、やがて、遮光部分においてもクラックが連続して形成されるとともに、遮光部分において形成されるクラックはその深さが深くなるという現象を発見している。
また、本発明は、基板内部に形成される圧縮応力領域の影響を受けないようにするための適正な加熱、冷却条件を意識することなく、すなわち圧縮応力領域が発生する加熱、冷却条件の下で加工を行った場合であっても、十分に小さな曲げモーメントを与えるだけ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。
(1)冷却スポットを形成する冷媒噴射量を変化させ、浅いクラックは噴射量を多くし、深いクラックは噴射量を少なくする
(2)ビームスポットの走査速度を変化させ、浅いクラックは走査速度を速くし、深いクラックは走査速度を遅くする
(3)ビームスポットが通過してから冷却スポットが到達するまでの時間を変化させ、浅いクラックは時間を短くし、深いクラックは時間を長くする
(4)ビームスポットを形成するレーザビームの照射強度を変化させ、浅いクラックは照射強度を弱くし、深いクラックは照射強度を強くする
(5)ビームスポットを形成するレーザビームのパルス間隔を変化させ、浅いクラックはパルス間隔を長くし、深いクラックはパルス間隔を短くする
(6)ビームスポットの形状を、長軸を有する形状にするとともにその長軸方向をスクライブ予定ラインに沿った方向にして当該長軸方向の形状を変化させ、浅いクラックは長軸長さを長くし、深いクラックは長軸長さを短くする
(1)から(6)のパラメータはいずれも、基板の加熱の程度、冷却の程度を変化させて、基板の板厚方向における温度勾配に差を生じさせることができるパラメータであるので、いずれか一つあるいはいくつかを連動して周期的に変化させることにより、周期クラックを形成することができる。
このとき既述の理由により、基板内部には圧縮応力領域が発生し(図13参照)、周期クラックの最大深さは圧縮応力領域で制限されることになる(最大深さは板厚の1割〜4割程度)。その一方で、周期クラックが形成された分断予定ラインに沿って、基板の裏面側から曲げモーメントを加えると、曲げモーメントが周期クラックのいずれかのクラックのピーク部分に集中する(応力集中)ようになり、たとえクラックは浅く形成されていても、比較的小さな曲げモーメントを与えるだけでブレイクされてしまうようになる。
上記発明において、周期クラックの波長が10mm〜200mmであり、周期クラックの最大深さと最小深さとの深さの差が基板の板厚の1%〜5%であるようにしてもよい。
(1)レーザビームの走査速度を変化させ、浅い溝は走査速度を速くし深い溝は走査速度を遅くする
(2)レーザビームの照射強度を変化させ、浅い溝は照射強度を弱くし、深い溝は照射強度を強くする
(3)レーザビームのパルス間隔を変化させ、浅い溝はパルス間隔を長くし、深い溝はパルス間隔を短くする
また、(1)から(3)のパラメータはいずれも、基板の溶融量(乃至溶融部分の深さ)に影響するので、いずれかあるいはいくつかを連動して周期的に変化させることにより、周期溝を形成することができる。
これによれば、周期溝の底に周期クラックが形成される場合には、周期クラックのピークに集中して曲げモーメントを加えることになり、この場合も同様に、比較的小さな曲げモーメントを与えればブレイクされるようになる。溝は全体として浅く形成されているので、基板表面の汚染も少ない。
これによれば、周期溝の深さの変化の波長を適切な波長(1mm〜10mm)にすることにより、曲げモーメントが集中して加わりやすくなる。また、周期溝の最大深さと最小深さとの深さの差が基板の板厚の1%〜5%となるようにすることにより、溝のピーク部分が顕著に現れるようになり、曲げモーメントを集中させて加えることが容易になる。
13 レーザ(CO2レーザ)
14 光学系調整機構
16 冷却ノズル
16a 流量調整弁
16b ノズル位置調整機構
23a,23b スライドテーブル
25a,25b 製品クランプユニット
35 レーザ(UVレーザ)
36 光学系調整機構
50 制御部
53、55 記憶部
CS 冷却スポット
HS ビームスポット
SL スクライブライン(クラック)
AL スクライブライン(溝)
W 周期クラックまたは周期溝の波形
Cr クラック
Gr 溝
LS レーザスクライブ装置
BM ブレイク装置
LA レーザアブレーション装置
本発明の第一実施形態として、レーザスクライブ加工による分断方法について説明する。この分断方法では、分断予定ラインに沿って周期クラックを形成するレーザスクライブ装置と、形成した周期クラックに沿って曲げモーメント(ブレイク圧)を加えるブレイク装置とが用いられる。
このレーザ13には、基板が溶融されないように基板の溶融温度未満の温度で加熱するために、比較的長波長のレーザ、例えばCO2レーザが使用される。
Gに噴射されるようにしてあり、ガラス基板Gの表面には冷却スポットCS(図2)が形成される。冷媒は、冷媒供給源(不図示)から流量調整弁16aを介してノズル16に送られる。この流量調整弁16aの開閉により、噴射開始および停止の制御が行われるとともに、開度の調整により冷媒の噴射量が制御される。
また、カッター駆動部67は、カッターホイール18を駆動する。これにより基板Gに初期亀裂を形成する。
冷媒噴射量を周期変化させ、他の制御パラメータを一定に維持する制御信号の場合、冷媒噴射量が少ない部分ではクラックの深さが浅くなり、冷媒噴射量が多い部分ではクラックの深さが深くなる。すなわち冷媒が多く噴射され強く冷却された部分で基板厚み方向における温度勾配(温度差)が大きくなり、この部分の応力差が大きくなってクラックが深く進展する。
基板上でのビームスポット(及び冷却スポット)の走査速度を周期変化させ、他の制御パラメータを一定に維持する制御信号の場合、走査速度が速い部分ではクラックの深さが浅くなり、遅い部分ではクラックの深さが深くなる。すなわち走査速度が遅い部分では入熱量が増加して強く加熱され、この部分の応力差が大きくなってクラックが深く進展する。
スポット間距離を周期変化させ、他の制御パラメータを一定(ビームスポットの走査速度も一定)に維持する制御信号の場合、スポット間距離を短くして加熱/冷却間時間(ビームスポットHSが通過してから冷却スポットCSが通過するまでの時間)を短くした部分ではクラックの深さが浅くなり、スポット間距離を長くして加熱冷却間時間を長くした部分ではクラックの深さが深くなる。すなわちスポット間距離を長くした部分におけるクラック形成時の圧縮応力領域(すなわちクラック進展が制限される領域)が深くなり、クラックが深く進展する。
レーザ照射強度(出力)を周期変化させ、他の制御パラメータを一定に維持する制御信号の場合、レーザビームの照射強度が弱い部分ではクラックの深さが浅くなり、照射強度が強い部分ではクラックの深さが深くなる。すなわち照射強度が強い部分では入熱量が増加して強く加熱され、この部分の応力差が大きくなってクラックが深く進展する。
レーザのパルス間隔を周期変化させ、他の制御パラメータを一定に維持する場合、レーザのパルス間隔が長い部分ではクラックの深さが浅くなり、パルス間隔が短い部分ではクラックの深さが深くなる。すなわち、パルス間隔が短い部分では入熱量が増加して強く加熱され、この部分の応力差が大きくなってクラックが深く進展する。
レーザスクライブ加工では、楕円形状等のビームスポットの長軸方向を分断予定ライン(スクライブ予定ライン)に合わせるようにしてビームスポットの走査が行われる。このときの長軸長さを周期変化させ、他の制御パラメータを一定にする場合、長軸長さが短い部分では単位面積当りの熱量が多くなり、クラックの深さが深くなり、長軸長さが長い部分では単位面積当たりの熱量が少なくなり、クラックの深さが浅くなる傾向がある。
すなわち、分断予定ラインの端に、カッターホイール18により初期亀裂TRを形成し、ついでビームスポットHSおよび冷却スポットCSを分断予定ラインに沿って走査させる。このときに、制御パラメータの一部が周期的に変化する制御信号により各駆動部が制御されるようにする。これにより、基板Gに周期クラックが形成されるようになる。
初期亀裂TRから直線状にビームスポットHSおよび冷却スポットCSが走査されることにより、図4(a)に示すようにクラックCrが形成され、基板表面には直線状のスクライブラインSLが形成される。
このとき、図4(a)(b)に示すように、板厚方向に進展するクラックCrの先端部分は、制御パラメータが変動する周期と同周期の波形Wとなり、周期クラックが形成される。
また、周期クラックの最大深さと最小深さとの深さの差が基板の板厚の1%〜5%となるようにすれば、周期クラックの山と谷とのピーク部分が顕著に現れるようになり、ブレイク装置において、曲げモーメントを集中して加えることが容易になる。
基板Gの板厚にもよるが、例えば基板の板厚が0.5mm〜1mm程度であれば、5μm〜50μmの範囲にすればよい。
エッジに位置し、z軸方向に微動可能である。同様に第2の製品クランプユニット25bは、基板右部GRを固定し、基板のスクライブラインSLに剪断応力及び曲げ応力を集中させるものである。第2の製品クランプユニット25bには、基板GのスクライブラインSL付近を押圧する第2のクランプバー29bが設けられている。第2のクランプバー29bの先端は第2の製品テーブル24bの左側エッジに位置し、z軸方向に微動可能である。
x1=0
z1=−d0
x2=d0sinθ
z2=d0(1−cosθ)−d0
この場合の水平移動量x2−x1を計算すると、θ=3°の場合、0.039mmとなる。
次に、本発明の第二実施形態として、レーザアブレーション加工による分断方法について説明する。ここでは1枚のサファイア基板を分断する場合を例に説明する。この分断方法では、分断予定ラインに沿って周期溝を形成するレーザアブレーション装置と、形成した周期溝に沿って曲げモーメント(ブレイク圧)を加えるブレイク装置とが用いられる。このうち、ブレイク装置は第一実施形態で説明したブレイク装置と同じであるので説明を省略する。
レーザ35には、基板材料が溶融されるように溶融温度以上で加熱するために、比較的短波長のレーザが使用され、例えばUVレーザが使用される。
走査速度を周期変化させ、他の条件を一定に維持する制御信号の場合、走査速度が速い部分では溝の深さが浅くなり、遅い部分では溝の深さが深くなる。すなわち走査速度が遅い部分での入熱量が増加して強く溶融され、この部分の溝が深く形成される。
レーザビームの焦点深さを周期変化させ、他の条件を一定(走査速度も一定)に維持する制御信号の場合、焦点深さを基板表面または浅い位置にした部分では溝深さが浅くなり、焦点深さを深い位置にした部分では溝深さが深くなる。すなわち焦点深さを深くした部分では深くまで強く溶融される結果、溝が深く進展する。
レーザ照射強度を周期変化させ、他の条件を一定に維持する制御信号の場合、レーザビームの照射強度が弱い部分では溝深さが浅くなり、照射強度が強い部分では溝深さが深くなる。すなわち照射強度が強い部分は入熱量が増加して強く溶融され、この部分の溝が深く形成される。
レーザのパルス間隔を周期変化させ、他の条件を一定に維持する場合、レーザのパルス間隔が長い部分では溝深さが浅くなり、パルス間隔が短い部分では溝深さが深くなる。すなわち、パルス間隔が短い部分は入熱量が増加して強く溶融され、この部分の溝が深く形成される。
すなわち、分断予定ラインに沿って、ビームスポットHSを走査させ、基板Gを溶融させる。このときに、制御パラメータの一部が周期的に変化する制御信号により各駆動部が制御されるようにする。これにより、基板Gに周期溝が形成されるようになる。
直線状にビームスポットHSが走査されることにより、図10(a)に示すように溝Grが形成され、基板表面には直線状のスクライブラインALが形成される。
このとき、図10(a)(b)に示すように、板厚方向に進展する溝Grの先端部分は、制御パラメータが変動する周期と同周期の波形Wとなり、周期溝が形成される。
また、周期溝の最大深さと最小深さとの深さの差が基板の板厚の1%〜5%となるようにすれば、周期溝の山と谷とのピーク部分が顕著に現れるようになり、ブレイク装置において、曲げモーメントを集中して加えることが容易になる。
この場合も、図10で説明した周期溝が形成された場合と同様であり、できるだけ浅い周期溝および周期クラックの状態でブレイク動作を行うようにすれば、比較的小さな曲げモーメントで分断することができ、しかもアブレーション加工で生じる基板表面の汚染を低減することができる。
(実施例1) 冷媒噴射量の変動による周期クラックの形成
初期亀裂TRを形成した無アルカリガラス基板(長さ300mm×幅300mm×厚さ0.7mm)に、CO2レーザ(出力120W)を走査してスクライブラインを形成し、そのとき冷媒噴射量を変動させて周期クラックを形成した。ビームスポット及び冷却スポットの走査速度を150mm/秒、冷媒噴射量の変動周期(切替間隔)を1秒とし、冷却水量の設定を0.8cc/分、1cc/分、0.8cc/分の順で切り替えた。結果を表1に示す。
他の条件を一定に設定すると、単位時間当たりの冷却水量が多い位置(端部から150mm)でクラックが深く形成された。浸透深さの変動幅は13μm〜15μmであり、基板板厚(0.7mm)の1.8%〜2.1%であった。
初期亀裂TRを形成した無アルカリガラス基板(長さ300mm×幅300mm×厚さ0.7mm)に、CO2レーザ(出力150W)を走査してスクライブラインを形成し、そのとき走査速度を変動させて周期クラックを形成した。
レーザビーム及び冷却スポットの走査速度を、220mm/秒と300mm/秒との2つの速度で変動させた。結果を表2に示す。
他の条件を一定にして走査速度を変えると、走査速度が遅い位置で深いクラックが形成された。
初期亀裂TRを形成した無アルカリガラス基板(長さ300mm×幅300mm×厚さ0.7mm)に、CO2レーザを使用してスクライブラインを形成し、そのとき照射強度を変動させて周期クラックを形成した。
レーザビーム及び冷却スポットの走査速度を220mm/秒で一定にし、レーザ照射強度(出力)は、150Wと110Wとの2つの出力で変動させた。結果を表3に示す。
他の条件を一定にすると、照射強度(出力)が大きい位置で深いクラックが形成された。
初期亀裂TRを形成した無アルカリガラス基板(長さ300mm×幅300mm×厚さ0.7mm)に、CO2レーザ(出力150W)を使用してスクライブラインを形成し、そのとき楕円形状のビームスポットの長軸および短軸の長さを変動させて周期クラックを形成した。
レーザビーム及び冷却スポットの走査速度を220mm/秒で一定にし、長軸と短軸は(40mm×1.5mm)と、(27mm×1.9mm)の2つの形状で変動させた。結果を表4に示す。
他の条件を一定にすると、ビームスポットの長軸が長い位置で浅いクラックが形成された。
Claims (7)
- 脆性材料基板に設定した分断予定ラインに沿って、レーザビームの照射により形成されるビームスポットを相対移動させて、前記基板を軟化点以下の温度で基板表面側から加熱し、次いでノズルからの冷媒噴射により形成される冷却スポットを、前記ビームスポットを追随するように相対移動させて基板を冷却することによりクラックを形成する工程と、形成されたクラックに沿って基板裏面側から曲げモーメントを加えることにより分離するブレイク工程とからなる脆性材料基板の分断方法であって、
クラックを形成する工程において、加熱条件又は/及び冷却条件を分断予定ラインに沿って周期的に変化させることにより、クラックの最大深さが基板内部の圧縮応力領域により制限される深さ以内に留まり、かつ、分断予定ライン方向に沿ってクラックの深さが前記加熱条件又は/及び冷却条件の周期で変化する周期クラックを形成し、
前記周期クラックを形成する工程の加熱条件又は冷却条件を、以下の(1)から(6)の少なくともいずれかのパラメータを以下に示すようにして周期的に変化させることを特徴とする脆性材料基板の分断方法。
(1)冷却スポットを形成する冷媒噴射量を変化させ、浅いクラックは噴射量を多くし、深いクラックは噴射量を少なくする
(2)ビームスポットの走査速度を変化させ、浅いクラックは走査速度を速くし、深いクラックは走査速度を遅くする
(3)ビームスポットが通過してから冷却スポットが到達するまでの時間を変化させ、浅いクラックは時間を短くし、深いクラックは時間を長くする
(4)ビームスポットを形成するレーザビームの照射強度を変化させ、浅いクラックは照射強度を弱くし、深いクラックは照射強度を強くする
(5)ビームスポットを形成するレーザビームのパルス間隔を変化させ、浅いクラックはパルス間隔を長くし、深いクラックはパルス間隔を短くする
(6)ビームスポットの形状を、長軸を有する形状にするとともにその長軸方向をスクライブ予定ラインに沿った方向にして当該長軸方向の形状を変化させ、浅いクラックは長軸長さを長くし、深いクラックは長軸長さを短くする - 前記周期クラックの波長が10mm〜200mmであり、周期クラックの最大深さと最小深さとの深さの差が基板の板厚の1%〜5%である請求項1に記載の脆性材料基板の分断方法。
- 脆性材料基板がガラス基板である請求項1に記載の脆性材料基板の分断方法。
- 脆性材料基板に設定した分断予定ラインに沿って、レーザビームの照射により形成されるビームスポットを相対移動させて前記基板を溶融温度以上の温度で加熱して溝を形成する工程と、形成された溝に沿って基板裏面側から曲げモーメントを加えることにより分離するブレイク工程とからなる脆性材料基板の分断方法であって、
溝を形成する工程において、加熱条件を分断予定ラインに沿って周期的に変化させることにより、分断予定ライン方向に沿って溝の深さが前記加熱条件の周期で変化する周期溝を形成し、
前記周期溝を形成する工程の加熱条件を、以下の(1)から(3)の少なくともいずれかのパラメータを以下に示すようにして周期的に変化させることを特徴とする脆性材料基板の分断方法。
(1)レーザビームの走査速度を変化させ、浅い溝は走査速度を速くし深い溝は走査速度を遅くする
(2)レーザビームの照射強度を変化させ、浅い溝は照射強度を弱くし、深い溝は照射強度を強くする
(3)レーザビームのパルス間隔を変化させ、浅い溝はパルス間隔を長くし、深い溝はパルス間隔を短くする - 前記周期溝を形成する工程において、周期溝とともに周期溝の底に周期クラックが形成され、周期溝及び周期クラックに曲げモーメントを加える請求項4に記載の脆性材料基板の分断方法。
- 前記周期溝の波長が1mm〜10mmであり、周期溝の最大深さと最小深さとの深さの差が基板の板厚の1%〜5%である請求項4に記載の脆性材料基板の分断方法。
- 脆性材料基板がサファイア基板である請求項4に記載の脆性材料基板の分断方法。
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