JP5292049B2 - 脆性材料基板の割断方法 - Google Patents

Description

本発明は、脆性材料基板の割断方法に関し、より詳細には、レーザビームの照射加熱によって、基板表面に対して略垂直方向のクラックを形成し脆性材料基板を割断する方法に関するものである。

従来、脆性材料基板の割断方法としては、脆性材料基板の表面にカッターホイール等を圧接させながら転動させて、脆性材料基板の表面に対して略垂直方向のクラック（以下、「スクライブライン」という）を形成し、形成されたスクライブラインに沿って垂直方向に機械的な押圧力を加えて割断する方法（以下、「ブレイク」という）が広く行われていた。

しかし、通常、カッターホイールを用いて脆性材料基板のスクライブを行った場合、カレットと呼ばれる小破片が発生し、このカレットによって脆性材料基板の表面にキズがつくことがあった。また、割断後の脆性材料基板の端部にはマイクロクラックが生じやすく、このマイクロクラックを起因として脆性材料基板の割れが発生することがあった。このため、通常は割断後に、脆性材料基板の表面及び端部を洗浄及び研磨して、カレットやマイクロクラック等を除去していた。

近年、ＣＯ_２レーザビームを用いて溶融温度未満で脆性材料基板を加熱して、脆性材料基板にスクライブラインを形成した後、ブレイクを行って基板を割断する方法が実用化されつつある。レーザビームを用いて脆性材料基板のスクライブを行う場合には、熱応力を利用するため、工具を直接、基板に接触させることがなく、割断面はマイクロクラック等の少ない平滑な面となり、基板の強度が維持される。すなわち、レーザビームを用いた脆性材料基板のスクライブでは、非接触加工であるため、上記した潜在的欠陥の発生が抑えられ、ブレイクを行った際に脆性材料基板に発生する割れ等の損傷が抑えられる。

ところが、脆性材料基板がガラス基板の場合、ＣＯ_２レーザビームは、深さ３．７μｍというガラス基板の表層だけでそのエネルギーの９９％が吸収され、それよりもガラス基板の厚み方向の深い部分へは熱伝導によって熱は伝えられる。このため、ＣＯ_２レーザビームによるスクライブラインの深さは、通常は１００μｍ程度と、従来の機械的に形成するスクライブラインの深さと同程度で、ガラス基板の割断にはブレーク工程が必要とされていた。

一方、製造工程における生産性向上や簡素化の観点から、レーザビームによって形成されるスクライブラインの深さを、脆性材料基板の厚み方向全部とし、ブレーク工程を経ることなく脆性材料基板を割断すること（以下、「フルカット」）が強く要求されており、例えばガラス基板の場合、透過率の高いＥｒ−ＹＡＧレーザを用いて、ガラス基板の厚み方向全体に達する垂直クラックを形成し、ブレーク工程を経ることなく割断することが近年実験・検討されている（例えば特許文献１を参照）。
特開2006-256944

しかしながら、図３に示すように、Ｅｒ−ＹＡＧレーザなどの透過率の高いレーザビーム４１を照射するとともに冷却媒体５１を噴霧して、脆性材料基板１のフルカットを行う場合、脆性材料基板１の表面のスクライブ予定ラインの終端部で垂直クラックがまったく形成されない現象が生じる。このため、脆性材料基板１を割断するには、スクライブ予定ラインの終端部に別途スクライブを行って垂直クラックを形成した後、ブレークを行う必要があった。あるいは、垂直クラックの形成されない領域が、スクライブライン全体に対して僅かな場合には、自重によって脆性材料基板は割断するが、この場合、垂直クラックの形成されない領域の割断面は所望のものとならず、研磨などの後処理が必要となる。

本発明は、このような従来の問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、脆性材料基板に対して透過率の高いレーザビームを用いて、脆性材料基板をフルカットする場合において、脆性材料基板表面のスクライブ予定ラインの終端部まで垂直クラックが形成されるようにすることにある。

本発明者等は、前記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた。その結果、脆性材料基板表面のスクライブ予定ラインの終端部において垂直クラックがまったく形成されないのは、脆性材料基板の側端部は、レーザビームの照射量が他に比べて少なく、加えて脆性材料基板の側面から外方へ熱が放散されるため、基板温度が十分には上昇せず、垂直クラックの発生に必要な圧縮応力が生じないからとの知見を得た。本発明はかかる知見に基づきなされたものである。すなわち、本発明に係る脆性材料基板の割断方法は、脆性材料基板に対してレーザビームを相対移動させながら照射して、前記基板を溶融温度未満で加熱した後、冷却媒体により前記基板を冷却し、前記基板に生じた熱応力によって前記基板の表面から略垂直方向にクラックを形成させて前記基板を割断する脆性材料基板の割断方法であって、前記レーザビームの波長を、前記レーザビームが前記基板を１〜９０％透過する波長とし、前記レーザビームを前記基板の表面側端まで相対移動させた後、さらに前記基板の側面に対してレーザビームを厚み方向に相対移動させながら照射することを特徴とする。

ここで、前記脆性材料基板がガラス基板である場合、前記レーザビームの波長を１．０３〜５．５μｍとするのが好ましい。

本発明の脆性材料基板の割断方法では、レーザビームの波長を、脆性材料基板を１〜９０％透過する波長としたので、脆性材料基板のスクライブ予定ラインの終端部を除きフルカットできる。また、スクライブ予定ラインの終端部については、レーザビームを前記基板の表面側端まで相対移動させた後、さらに前記基板の側面に対してレーザビームを厚み方向に相対移動させながら照射するので、スクライブラインの終端部に垂直クラックが形成され、必要により機械的な押圧力を加えることによって、スクライブ予定ラインで脆性材料基板をきれいに割断できるようになる。

前記脆性材料基板がガラス基板である場合、前記レーザビームの波長を１．０３〜５．５μｍとすると、ガラス基板のフルカットが効率的に行うことができる。

以下、本発明に係る脆性材料基板の割断方法についてより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施形態に何ら限定されるものではない。

図１に、本発明に係る脆性材料基板の割断方法の一実施形態を示す工程図を示す。まず、同図（ａ）において、脆性材料基板１の一方側表面の、基板側端よりも内側にトリガークラック２を形成する。このトリガークラック２が、レーザービーム４１の移動予定ライン３の開始側端部となる。トリガークラック２は、レーザービーム４１の移動予定ライン３の方向に形成された切り目と、この切り目に垂直なもう一つの切り目とがそれぞれの中点で交差した十字形状をしてなる。もちろん、トリガークラックは、１本の切り目のみからなるものであってもよいが、トリガークラック２から予測不能な方向にクラックが生じる先走り現象を抑制するためには、十字形状のものが望ましい。また、トリガークラックの形成位置は、脆性材料基板１の表面側端よりも内側に形成するのが、前述の先走り現象の抑制の点で好ましい。

トリガークラック２の各切り目の形成方法に特に限定はなく、脆性材料基板１の表面にポイントダイヤモンドを圧接させたり、カッターホイールを圧接・転動させる、あるいはＣＯ_２レーザやＹＡＧレーザなどを用いて非接触で形成するようにしてもよい。

次に、同図（ｂ）に示すように、トリガークラック２の近傍でレーザビーム４１の移動予定ライン３上に、レーザ出力装置４から楕円形状のレーザビーム４１を照射すると共に、レーザビーム照射領域の後端近傍に冷却媒体としての水５１をノズル５から噴霧する。脆性材料基板１を１〜９０％透過する波長のレーザビーム４１を、例えば長径数十μｍの照射領域で脆性材料基板１に照射することによって、脆性材料基板１は厚み方向全体が溶融温度未満で加熱され、脆性材料基板１は厚み方向全体において熱膨張しようとするが、局所加熱のため膨張できず照射点を中心に圧縮応力が発生する。次いで加熱直後に、脆性材料基板１の表面に冷却媒体５１が噴霧され冷却されることによって、今度は引っ張り応力が発生する。この引っ張り応力の作用によって、トリガークラック２を開始点として、脆性材料基板１の厚み方向全体にわたるスクライブライン６が形成される。そしてレーザビーム４１を移動予定ライン３に沿って移動させることにより、前記スクライブライン６はレーザビーム４１の移動方向に沿って連続して進行する。なお、この実施形態では、脆性材料基板１を固定し、レーザ出力装置４及びノズル５を移動させているが、脆性材料基板１を移動させ、レーザ出力装置４及びノズル５を固定する、あるいは脆性材料基板１及びレーザ出力装置４・ノズル５の双方を移動させてももちろん構わない。

ここで使用するレーザビーム４１は、脆性材料基板１を１〜９０％透過する波長を有するものである。物体に真空中の波長λ_０、強度Ｉ_０の光を照射したとき、深さｚの場所での光強度Ｉは、次のように表される。
Ｉ＝Ｉ_０・ｅｘｐ（−α・ｚ） ・・・・・・（１）
ここで、αは吸収能と呼ばれる物理量で、
α＝（４π／λ_０）ｋ＝（４π／λ_０）ｎκ ・・・（２）
（式中、ｎはその物体の屈折率、ｋ，κは減衰係数）
で表される。

レーザビーム４１が厚さＬの脆性材料基板を９０％透過するようにする場合、その波長は次のようにして算出する。まず上記式（１）から
α＝０．１０５／Ｌ
となる。そして上記式（２）から波長λ_０は、
λ_０＝３８．１・πｋＬ＝３８．１・πｎκＬ
となる。なお、上記計算では、脆性材料基板の入射表面での反射や、出射側面である脆性材料基板裏面での反射はないものとしている。

同様にして、レーザビームが厚さＬの脆性材料基板を１％透過するようにする場合、上記式（１）、（２）から波長λ_０は、
λ_０＝０．８６８・πｋＬ＝０．８６８・πｎκＬ
となる。

今のところ、波長を連続的に変化させることのできるレーザ出力装置は現存せず、固有の波長を有するそれぞれのレーザ出力装置から、前記算出した波長に近い波長のレーザビームを出力するものを選択し使用する。代表的なレーザ出力装置とレーザビーム波長を表１に示す。

脆性材料基板がソーダガラス基板である場合、波長２．９μｍのレーザビームの吸収能はα＝０．４７ｍｍ^−１であり、レーザビームが１％透過するガラス基板の厚さＬは９．８ｍｍとなる。換言すると、波長２．９μｍのレーザビームを用いれば、少なくとも厚さ９．８ｍｍのガラス基板をフルカットできることになる。なお、実際には９．８ｍｍより厚いソーダガラス基板もフルカット可能である。この理由は、加熱され圧縮応力が発生した領域の周辺に引っ張り応力が発生するため、加熱された領域よりも深い箇所に引っ張り応力が生じること、および加熱された領域が熱伝導によって深くなることによると推測される。

レーザビーム照射領域の後端近傍に噴霧する冷却媒体５１としては特に限定はなく、水などの液体の他、気体であっても構わない。また、脆性材料基板１のフルカットを迅速に行うためには、脆性材料基板１の冷却を表面と共に裏面においても行うのが好ましい。

レーザービーム４１の相対的移動速度は、レーザビーム出力値や照射面積、脆性材料基板１の厚み等から適宜決定すればよいが、通常は、１〜数百ｍｍ／ｓｅｃの範囲であり、より好ましくは５０〜５００ｍｍ／ｓｅｃの範囲である。

同図（ｃ）に示すように、レーザビーム４１が脆性材料基板１の表面側端に到達すると、従来はここでレーザビーム４１の照射を終了していたが、本発明の割断方法では、レーザ出力装置４を脆性材料基板の側端に沿って９０°回転させ、さらに脆性材料基板１の側面にレーザビーム４１を照射する。これによって、脆性材料基板１の側端に垂直クラックが形成されるようになる。図２にその機構を示す。

図２は、脆性材料基板１の側端部の垂直断面図である。同図（ａ）に示すように、脆性材料基板１には、レーザ出力装置４からのレーザビーム４１の照射によって、厚み方向に円柱状の加熱部が形成された後、ノズル５から冷却媒体５１の噴霧によって冷却部が形成される。前述のように、この加熱による圧縮応力と冷却による引っ張り応力とによって、脆性材料基板１の厚み方向全体にわたるスクライブライン６がレーザビーム４１の移動に後続する。

同図（ｂ）に示すように、レーザビーム４１が脆性材料基板１の側端に到達すると、レーザ出力装置４は脆性材料基板１の側端に沿って９０°回転し、脆性材料基板１の側面にレーザビーム４１が照射される。これによって、脆性材料基板１の側端部において、従来は不足していたレーザビーム４１の照射量が補充され、基板側端部の温度が上昇し、クラック発生に必要な圧縮応力が生じる。次いで、同図（ｃ）に示すように、レーザ出力装置４は、脆性材料基板１の側面を厚み方向に移動し、レーザビーム４１は基板側面に連続して照射される。このとき、ノズル５をレーザ出力装置４に追随させて基板側面を移動させてもよいが、脆性材料基板１がよほど厚い場合を除き、ノズル５を脆性材料基板１の表面端部上方に停止させて、脆性材料基板１の表面側から冷却媒体５１を噴霧することで脆性材料基板１の冷却は足りる。

従来、脆性材料基板１の側端部に垂直クラックが形成されなかったと同じ原理で、同図（ｄ）に示すように、脆性材料基板１の側面下方には、クラックの形成されない部分が不可避的に生じる。したがって、レーザ出力装置４は、脆性材料基板１の厚み方向裏面まで移動する必要はなく、例えば脆性材料基板１の厚みの半分の位置で停止し照射を終了するようにしてもよい。脆性材料基板１の側面下方の未分断部分は、脆性材料基板１の体積に比べてごく僅かであるため、通常は、脆性材料基板１の自重によって分断される。このとき、未分断部分の上方にはクラックが形成されているので、そのクラックが進展する形で未分断部分は分断され、その分断面は研磨などの後処理が不要なものである。なお、自重により分断しない場合は、脆性材料基板１に垂直方向の機械的な押圧力を加えて割断すればよい。

本発明の割断方法は、前述のガラス基板の他、セラミックス基板や単結晶シリコン基板、サファイヤ基板など従来公知の脆性材料基板の割断に用いることができ、例えば液晶ディスプレイ等のパネル製造分野などで好適に使用できる。

本発明によれば、脆性材料基板表面のスクライブ予定ラインの終端部まで垂直クラックを形成できる結果、スクライブ予定ラインで脆性材料基板をきれいに割断でき、液晶ディスプレイ等のパネル製造工程などで好適に使用される。

本発明に係る割断方法の一例を示す工程図である。 脆性材料基板の側端部の分断状態を示す垂直断面図である。 従来の割断方法を示す概説図である。

符号の説明

１ 脆性材料基板
２ トリガークラック
３ 移動予定ライン
４ レーザ出力装置
５ ノズル
６ スクライブライン
４１ レーザビーム
５１ 冷却水（冷却媒体）

Claims (2)

1. 脆性材料基板に対してレーザビームを相対移動させながら照射して、前記基板を溶融温度未満で加熱した後、冷却媒体により前記基板を冷却し、前記基板に生じた熱応力によって前記基板の表面から略垂直方向にクラックを形成させて前記基板を割断する脆性材料基板の割断方法であって、
   前記レーザビームの波長を、前記レーザビームが前記基板を１〜９０％透過する波長とし、
   前記レーザビームを前記基板の表面側端まで相対移動させた後、さらに前記基板の側面に対してレーザビームを厚み方向に相対移動させながら照射することを特徴とする脆性材料基板の割断方法。
2. 前記脆性材料基板がガラス基板であり、前記レーザビームの波長が１．０３〜５．５μｍである請求項１記載の脆性材料基板の割断方法。