JP5285736B2 - 脆性材料基板の内周加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、脆性材料基板に対し、内周となる内側輪郭線に沿って当該基板を切り抜く内周加工方法に関する。本発明は、例えば方形基板から情報記憶装置用の環状基板を加工する工程等で用いられる。ここでいう脆性材料には、ガラス基板の他に、セラミックス、単結晶シリコン、半導体ウエハ、サファイア等の材料が含まれる。

ハードディスク等に用いるガラス製の環状基板は、方形のガラス基板から円形を切り抜く加工を行うことにより形成する。
ガラス基板を円などの閉曲線に沿って切り抜く内周加工を行う場合、まず、基板の片側表面（第一面）に対し内側輪郭線となる円に沿って、左右の刃角が異なるカッター（スクライビングホイール）を用いて深さ方向に傾斜した切筋（スクライブライン）を加工する。続いて、切筋をつけた面から加熱して変形させ、この変形によって切筋に沿って形成されているクラックを浸透させて反対側の面（第二面）まで到達させる。その後、内側輪郭線で囲まれる部分を押圧部材によって押すことにより円形に切り抜く加工を行う（特許文献１参照）。なお、この方法により内周円と外周円とを有する環状ガラス基板を形成するときは、まず方形基板から外周円となる外側輪郭線に沿って上記方法により切り抜き加工を行い、続いて同じ方法を繰り返して、内周円となる内側輪郭線に沿って切り抜き加工を行うようにして環状基板を形成するようにしている。すなわち、内周加工を２回行うようにしている。

また、基板から閉曲線形状を切り抜く際に、基板に対し傾斜した切筋（クラック）を、通常のスクライビングホイール（カッターホイールとも呼ばれる）よりもクラックが深く浸透するように形成することができるスクライビングホイールとして、ディスク状ホイールの刃先稜線にホイールの軸心方向に対して傾斜させた溝を周期的に形成した傾斜溝付きスクライビングホイールが実用化されている（特許文献２参照）。

図９は、傾斜溝付きスクライビングホイール２２の刃先を示す図であり、図９（ａ）は正面図、図９（ｂ）は側面図、図９（ｃ）はＡ−Ａ’断面図である。この傾斜溝付きスクライビングホイール２２は、溝２２ａの切り取り面２２ｂを軸心２２ｃに対し傾斜させ、その切り取り量を稜線の両側で不均等にしている。
具体的には１〜２０ｍｍのホイール径に応じて、溝ピッチを２０μｍ〜２００μｍの範囲で設けるようにしている。さらに、図９（ｃ）に示すように、左右の溝深さｈ１、ｈ２について、ｈ１を２μｍ〜２５００μｍとし、ｈ２を１μｍ〜２０μｍとしている。
このような特殊刃先（高浸透刃先という）のスクライビングホイールを用いることにより、溝がない通常のスクライビングホイールでは事実上不可能な深さまで浸透した斜めクラックを形成することができる。

また、上記の高浸透刃先を用いた環状加工品の加工方法として、内側輪郭線より外側の環状領域を加熱し、内側輪郭線より内側の中心領域の上方に冷媒を噴射するためのノズルを接近させ、ノズルから中心領域に冷媒を噴射して冷却し収縮させることにより、中心領域を分離する中抜き工程を行うことが開示されている（特許文献３参照）。
さらに、冷媒噴射による冷却だけでは中心領域が分離できなかったときの補助手段として、中心領域を強制的に分離するために、ノズルを下降させ、ノズル先端を中心領域に当接して押圧することで機械的に分離することも開示されている。

特許第２７８５９０６号公報 特許第２９８９６０２号公報 特開２００９−１９０９０５号公報

内側輪郭線（閉曲線）の内側の中心領域を切り抜く内周加工では、確実に中心領域を分離できるだけでなく、分離面の加工品質が優れていることが重要である。
特許文献３に記載されているような、中心領域の上方に配置した冷媒噴射ノズルから中心領域に向けて冷媒を噴射することにより分離する中抜き方法は、これまで板厚が０．５ｍｍ〜２ｍｍ程度のガラス基板の中抜き加工において広く使用されており、特に、直径が２０ｍｍ程度の内周円の切り抜き加工では、信頼性のある加工方法とされていた。

しかしながら、ハードディスク等に用いられる環状ガラス基板の内周加工では、切り抜こうとする内周円の直径を、これまでよりもさらに小径にして切り抜くことが望まれており、具体的は１５ｍｍ以下、より好ましくは９ｍｍ程度の直径で内周加工を行うことが求められている。

一般に、内周加工では切り抜こうとする中心領域の面積が大きいほど、中心領域自体の自重が大きくなるために分離しやすくなる傾向があり、中心領域が直径２０ｍｍ程度であれば、ノズルからの冷媒噴射による収縮作用だけで確実に分離することができていた。

ところが、内周円の直径が１５ｍｍ程度まで小さくすると、冷媒噴射による冷却だけでは完全分離できなくなる場合が生じ、そのため、ノズルを下降して中心領域に当てて押圧することで強制的に分離させなければならない事例が散見するようになっていた。

その場合に、ノズルを基板に当接したときの押圧力を強めたり、ノズルを瞬間的に当接したりするようにすれば、中心領域を確実に分離することは可能であるが、分離面（内周面）に、欠けが生じてしまう不具合が生じ、加工品質の面で問題が発生することがあった。

そこで、本発明は、内側輪郭線（閉曲線）の内側を切り抜く内周加工を行う際に、中心領域を確実に分離することができ、しかも分離面に欠けが発生しないようにすることができる内周加工方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の脆性材料基板の内周加工方法は、（ａ）スクライビングホイールの刃先稜線に、スクライビングホイールの軸心方向に対して傾斜させた溝を周期的に形成した傾斜溝付きスクライビングホイールを用いて、脆性材料基板の第一面上に内周となる内側輪郭線のスクライブラインを形成するスクライブ工程と、（ｂ）前記内側輪郭線よりも内側の中心領域と非接触にするための孔を設けたプレートで前記基板を支持するとともに、前記中心領域に与圧を与える与圧工程と、（ｃ）与圧が与えられた状態で、前記中心領域を冷却して収縮させて、前記中心領域を分離する中抜き工程とからなる。
ここで、上記内周加工方法は、前記内側輪郭線の直径が１５ｍｍ以下の円形である場合に適用してもよい。

本発明によれば、スクライブ工程で、まず傾斜溝付きスクライビングホイールを転動して、脆性材料基板の片側面である第一面に対し、深さ方向（基板の厚み方向）に深く浸透した斜めクラックからなるスクライブラインを形成し、これにより内周となる内側輪郭線を形成する。なお、斜めクラックは、第一面側から深さ方向に進むにつれて外側に広がるように形成する。傾斜溝付きスクライビングホイールを用いることにより、形成されたスクライブラインは、基板の厚みに対して、例えば、３０％以上、好ましくは４０％以上、さらに好ましくは５０％以上（通常は８０％以下）の深さの深いクラックとすることができる。
続いて、与圧工程において、内側輪郭線のスクライブラインが形成された基板を、孔を設けたプレートに載置して基板を支持するようにする。プレートの孔は内側輪郭線より内側にある中心領域が非接触となるような大きさにしておくことで、この孔を介して中心領域が分離できるようにする。
そして、プレートで支持された基板の中心領域に対し与圧を与える。与圧は押圧部材で中心領域を押すようにして与えればよいが、この時点では与圧が加わった状態のままで中心領域が分離されないようにするため、押す力は抑えておくようにする。すなわち、次工程で中心領域への冷却が行われて収縮する前の段階では、先に中心領域に与圧だけが与えられ積極的な冷却が行われていない状態を経るようにする。
続いて、中抜き工程において、与圧が与えられた状態のままで、中心領域を冷却して収縮させる。その結果、中心領域が十分に冷却されて斜めクラックが浸透し、裏面に達したときに、中心領域が押圧されているので、一気に中心領域が分離するようになる。
このように、先に中心領域に対し与圧を与えておき、続いて中心領域を冷却していくことにより、冷却が不十分な状態で、強い押圧力や瞬間的な押圧力によって無理に分離され欠けが生じてしまう不具合の発生がなくなり、加工品質の優れた内周加工を行うことができる。

（その他の課題を解決するための手段及び効果）
上記発明の（ｂ）の与圧工程において、プレートに設けた加熱機構で内側輪郭線の外側領域を加熱するようにしてもよい。
これにより、中心領域と外側領域との温度差をより大きくすることができるので、斜めクラックが浸透しやすくなり、より確実に分離させることができるようになる。

上記発明の（ｂ）の与圧工程において、中心領域への与圧は、冷却媒体の流入路が形成された金属部材を前記中心領域に押圧することにより与えられ、（ｃ）の中抜き工程において、中心領域の冷却は、金属部材の前記冷却媒体の流入路に当該冷却媒体を導入することにより行われるようにしてもよい。
これによれば、金属部材に冷却媒体を導入していない状態で押圧を行い、押圧後に当該金属部材の流入路に冷却媒体を導入することにより、先に与圧を与えた常態で冷却を行うことができる。

本発明の加工方法を実施する加工システムの一例を示す全体構成図である。 図１の加工システム中のスクライブ装置の構成を示す図である。 図１の加工システム中のブレイク装置の構成を示す図である。 図３のブレイク装置の環状プレートの構成を示す図である。 スクライブ装置による加工状態を示す図である。 ブレイク装置による加工状態の一つを示す図である。 ブレイク装置による加工状態の一つを示す図である。 ブレイク装置による加工状態の一つを示す図である。 傾斜溝付きスクライビングホイールの刃先を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。ここでは、円板状のガラス基板Ｇの中心部に対し、１５ｍｍの内周円を切り抜く内周加工を例に説明する。
このような内周加工は、例えばハードディスクに用いるガラス製の環状基板を製造する場合に適用される。

図１は本発明の加工方法の実施に適した加工システムＭＳ１の全体構成を示す概略図である。加工システムＭＳ１は、基板搬入部１、スクライブ装置２、ブレイク装置３、基板搬出部４と、搬送ロボット５とにより構成される。
基板搬入部１には、基板Ｇを収納するカセットが設置され、内周加工を行う前の多数の基板Ｇが搬入してある。
スクライブ装置２は、図９で示した傾斜溝付きスクライビングホイール２２を用いて、基板Ｇに内側輪郭線となるスクライブラインを形成する。ここでは内側輪郭線として１５ｍｍの円を基板Ｇの第一面に刻む。なお、スクライブ装置２の具体的構成については後述する。
ブレイク装置３は、内側輪郭線が形成された基板Ｇに対し、内側輪郭線の内側である中心領域の中抜きを行う加工を行う。なお、ブレイク装置３の具体的構成についても後述する。
基板搬出部４は、基板搬入部１と同様に、基板Ｇを収納するカセットが設置され、中抜き加工された基板Ｇが搬出される。
搬送ロボット５は、先端に真空吸着機構を備えたアームによって基板Ｇを一つずつ保持して搬送し、基板搬入部１、スクライブ装置２、ブレイク装置３、基板搬出部４の各部間の搬送を行う。

次に、スクライブ装置２について説明する。図２はスクライブ装置の概略構成を示す図である。

スクライブ装置２は、テーブル１１とスクライブヘッド１２とを有する。テーブル１１は、回転ステージ１３、回転駆動機構１４、回転ステージ１３を搭載するＸステージ１５、Ｘステージ駆動機構１６、Ｘステージ１５を搭載するＹステージ１７、Ｙステージ駆動機構１８を備えており、回転ステージ１３上に載置された基板Ｇを回転しあるいはＸＹ方向に並進移動して、スクライブヘッド１２に対し基板Ｇを相対的に移動するようにしてある。
スクライブヘッド１２は、傾斜溝付きスクライビングホイール２２（高浸透刃先）と、回転ステージ１３上に載置した基板Ｇへの傾斜溝付きスクライビングホイール２２の圧接荷重を調整する調整機構を備えたホイール支持機構２３と、ホイール支持機構２３および傾斜溝付きスクライビングホイール２２の位置を調整するアーム２４とからなる。

傾斜溝付きスクライビングホイール２２（図９参照）は、既述のようにスクライビングホイール２２の刃先稜線に沿って、スクライビングホイールの軸心方向に対し傾斜させた溝２２ａを周期的に形成してある。刃先稜線に溝が形成されることにより、溝のない刃先を用いた場合よりもクラックの板厚方向の浸透深さを深くすることができ、また、この溝を軸心に対し傾斜させることにより、形成されるクラックを斜めクラックにすることができる。

このような傾斜溝付きスクライビングホイール２２を用いることにより、板厚が２ｍｍ程度までのガラス基板であれば、板厚の５０％程度、あるいはそれ以上の浸透深さを有するクラック（スクライブライン）を簡単に形成することができる。なお、スクライビングホイール２２を転動する方向は、後述するように、内側輪郭線（閉曲線）を切り抜いたときに閉曲線の内側が落下して中抜き加工ができるように、クラックが深さ方向に浸透するにつれて外側に広がる向きに傾斜するようにしてある。具体的には、スクライビングホイール２２を、溝２２ａの深い側が閉曲線の外側に向く方向に転動させることにより、クラックが深さ方向に浸透するにつれて閉曲線の外側に広がる向きに傾斜するようになる。

ホイール支持機構２３は、バネを用いた押圧荷重調整機構（不図示）を内蔵しており、基板Ｇと傾斜溝付きスクライビングホイール２２との間の圧接力を調整して、基板Ｇに形成する斜めクラックの浸透深さを調整することができるようにしてある。
アーム２４は、フレーム２５に支持され、Ｘステージ駆動機構１６およびＹステージ駆動機構１８と連携して、テーブル１１に対する傾斜溝付きスクライビングホイール２２の位置を調整する。すなわち、アーム２４により傾斜溝付きスクライビングホイール２２の位置を調整し、回転ステージ１３を回転させることにより、基板Ｇに所望の直径を有する円（内側輪郭線）をスクライブすることができるようにしてある。また、テーブル１１のＸステージ１５、Ｙステージ１７を並進させることで、搬送ロボット５（図１参照）との間で基板Ｇの受け渡しができる位置まで移動できるようにしてある。

次に、ブレイク装置３について説明する。図３はブレイク装置３の概略構成を示す図である。
ブレイク装置３は、環状プレート４２と中抜き機構４３とからなる。図４は環状プレート４２の構成を示す図であり、図４（ａ）は斜視図、図４（ｂ）は断面図である。

内周円と外周円とに囲まれた環状プレート４２の上面４６には、多数の吸着孔４７が形成され、基板Ｇが載置されたときに固定できるようにしてある。環状プレート４２の内部にはヒータ４８が内蔵してあり、載置された基板Ｇのうち上面４６と接する領域が加熱されるようにしてある。
環状プレート４２の中央は、基板Ｇから切り抜こうとする中心領域Ｇ０（直径１５ｍｍの円板）が分離されたときに落下できるように、中心領域Ｇ０の最大径よりも大きな径の孔４９にしてあり、具体的には直径２０ｍｍの内周面となる孔４９が形成してある。

中抜き機構４３は、冷却されたエアー（冷媒）を供給ライン（不図示）を介して供給するエアージェット５１、冷却されたエアーを噴射するノズル５２、エアージェット５１およびノズル５２を支持するホルダ５３、アーム５４を介してホルダ５３を昇降させる昇降機構５５からなる。ノズル５２の先端部分は基板Ｇよりも柔らかい樹脂（例えばテフロン（登録商標）樹脂）で形成され、ノズル５２が基板Ｇに当接したときに基板Ｇが傷つかないようにしてある。また、ノズル５２の先端の径ｄは、基板Ｇの中心領域Ｇ０の径Ｄよりも小さくなるように形成してあり、これにより環状プレート４２に載置された基板Ｇの中心領域Ｇ０だけをノズル５２の先端で下方に向けて押圧できるようにしてある。また、ホルダ５３にはクッション機構が内蔵され、ノズル５２が基板Ｇに当接したときに、一定以上の押圧力が基板に加わらないようにしてある。

次に、上記加工システムＭＳ１のスクライブ装置２とブレイク装置３を用いた本発明の内周加工方法の手順について図面を用いて説明する。

まず、図５に示すように、基板搬入部１からスクライブ装置２の回転ステージ１３上に搬送された基板Ｇに対し、傾斜溝付きスクライビングホイール２２により、基板Ｇの第一面に、内側輪郭線となる内周円Ｃ１を形成する。このとき、基板の板厚の半分程度の深さまで浸透した斜めクラックが形成されるようにし、深さ方向に進行するにつれて外側に広がる斜めクラックが形成されるようにする。

続いて、図６に示すように、スクライブ装置２からブレイク装置３に搬送し、環状プレート４２に載置する。このとき孔４９の上に基板Ｇの中心領域Ｇ０がくるように環状プレート４２および基板Ｇの中心軸の位置を合わせるようにして搬送ロボット５が基板を載置する。
なお、環状プレート４２は、基板Ｇから中心領域Ｇ０がいきなり脱落しないように温度を設定しておく。すなわち、過度に加熱すると斜めクラックが裏面まで浸透し、この段階で完全分離してしまうのでこれを避けるように温度を設定する。基板Ｇが薄い場合には加熱しなくてもよい。

続いて、図７に示すように、ブレイク装置３のノズル５２を、冷媒を噴射しない状態のままで下降し、基板Ｇに軽く与圧Ｗを与えるように当接する。このとき基板Ｇから中心領域Ｇ０がいきなり脱落しないように、与圧Ｗとして与える押圧力を設定しておく。

続いて、図８に示すように、与圧Ｗを与えた状態のままで、ノズル５２から冷媒Ｊを噴射し、中心領域Ｇ０を冷却する。
その結果、冷却作用により、中心領域Ｇ０が収縮し、斜めクラックが浸透する。やがて斜めクラックが裏面まで達した時点で中心領域Ｇ０が分離する。したがって、冷却不足の状態で、衝撃的な押圧力によって無理に分離されることがなくなるので、内周面に欠けの生じない分離が行えるようになる。

上記実施形態では、冷媒を噴射するノズル５２を下降させて中心領域に与圧Ｗを与えたが、ノズル５２とは別に棒状の押圧部材を設けて与圧を与えるようにしてもよい。

また、上記実施形態では冷却手段として冷媒噴射ノズルを用いたが、ペルチェ素子で冷却を行うようにしてもよい。

さらに、上記実施形態では直径１５ｍｍ程度の内周加工を行ったが、さらに小さい径の内周加工を行ってもよい。例えば、０．９ｍｍ程度でも高い信頼性で内周加工を行うことができることが確認できた。
また、内周加工は円形に限らず、楕円その他の閉曲線であってもよい。

本発明は、ガラス基板を始めとする脆性材料基板に対し、円形などの切り抜きを行う内周加工の際に利用することができる。

１ 基板搬入部
２ スクライブ装置
３ ブレイク装置
４ 基板搬出部
５ 搬送ロボット
１１ テーブル
１２ スクライブヘッド
１３ 回転ステージ
１５ Ｘステージ
１７ Ｙステージ
２２ 傾斜溝付きスクライビングホイール
４２ 環状プレート
４３ 中抜き機構
４８ ヒータ
４９ 孔
５１ エアージェット
５２ ノズル
５３ ホルダ
５５ 昇降機構

Claims (4)

1. （ａ）スクライビングホイールの刃先稜線に、スクライビングホイールの軸心方向に対して傾斜させた溝を周期的に形成した傾斜溝付きスクライビングホイールを用いて、脆性材料基板の第一面上に内周となる内側輪郭線のスクライブラインを形成するスクライブ工程と、
   （ｂ）前記内側輪郭線よりも内側の中心領域と非接触にするための孔を設けたプレートで前記基板を支持するとともに、前記中心領域に与圧を与える与圧工程と、
   （ｃ）与圧が与えられた状態で、前記中心領域を冷却して収縮させて、前記中心領域を分離する中抜き工程とからなる脆性材料基板の内周加工方法。
2. 前記内側輪郭線の直径が１５ｍｍ以下の円形である請求項１に記載の脆性材料基板の内周加工方法。
3. 前記（ｂ）の与圧工程において、前記プレートに設けた加熱機構で前記内側輪郭線の外側領域を加熱する請求項１または請求項２のいずれかに記載の脆性材料基板の内周加工方法。
4. 前記（ｂ）の与圧工程において、前記中心領域への与圧は、冷却媒体の流入路が形成された金属部材を前記中心領域に押圧することにより与えられ、
   前記（ｃ）の中抜き工程において、前記中心領域の冷却は、前記金属部材の前記冷却媒体の流入路に当該冷却媒体を導入することにより行われる請求項１〜請求項３のいずれかに記載の脆性材料基板の内周加工方法。
   

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