JP5444158B2

JP5444158B2 - 脆性材料基板の割断方法

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Publication number: JP5444158B2
Application number: JP2010174017A
Authority: JP
Inventors: 宇航蘇; 山本　　幸司; 剛史池田
Original assignee: Mitsuboshi Diamond Industrial Co Ltd
Current assignee: Mitsuboshi Diamond Industrial Co Ltd
Priority date: 2010-08-02
Filing date: 2010-08-02
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2030-08-02
Also published as: JP2012031035A

Description

本発明は、脆性材料基板にレーザビームを照射して、互いに交差する２方向に沿って脆性材料基板を割断する方法に関するものである。

従来、ガラス基板などの脆性材料基板の割断方法としては、カッターホイール等を圧接転動させてスクライブラインを形成した後、スクライブラインに沿って基板に対して垂直方向から外力を加え基板を割断する方法が広く行われている。

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、カッターホイールによって脆性材料基板に付与される機械的な応力によって基板の欠陥が生じやすく、ブレイクを行った際に上記欠陥に起因する割れ等が発生する。

そこで、近年、レーザを用いて脆性材料基板を割断する方法が実用化されている。この方法は、レーザビームを基板に照射して基板を溶融温度未満に加熱した後、冷却媒体により基板を冷却することによって基板に熱応力を生じさせ、この熱応力によって基板の表面から略垂直方向にクラックを形成させるというものである。このレーザビームを用いた脆性材料基板の割断方法では、熱応力を利用するため、工具を基板に直接接触させることがなく、割断面は欠け等の少ない平滑な面となり、基板の強度が維持される。

また、レーザを用いて、互いに交差する２方向で脆性材料基板を割断する方法も提案されている。しかし、交点部分においていわゆる「欠け」や「ソゲ」が発生して割断面が垂直とならないことがあった。このような欠けやソゲが発生すると、寸法精度が悪化すると共に歩留まりの低下を招く。

そこで、例えば特許文献１では、交差する第１の割断方向と第２の割断方向とでレーザビームの出力又は送り速度を変えて、形成されるスクライブラインの深さを異なるようにし、交点における欠けやソゲの発生を防止する技術が提案されている。

特開2004-59328号公報

しかしながら、前記提案技術では、ガラス原板を割断する際に、途中でレーザ出力や送り速度を変化させる必要があり制御が煩雑となると共に生産性が低下する。

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、その目的は、脆性材料基板にレーザビームを照射して、互いに交差する２方向に沿って脆性材料基板を割断する方法において、レーザ出力や送り速度を途中で変化させることなく、交点における欠けやソゲの発生を防止することにある。

本発明によれば、交差する２方向に脆性材料基板を割断する方法であって、前記基板の、第１スクライブ予定ラインと第２スクライブ予定ラインとが交わって形成される４つ角部のそれぞれにのみ反射部材を設ける工程と、第１スクライブ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照射して、前記基板を溶融温度未満に加熱した後、前記基板に対して冷却媒体を吹き付けて冷却し、前記基板に生じた熱応力によって、垂直クラックからなる第１スクライブラインを形成する工程と、第２スクライブ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照射して、第１スクライブラインと同様にして、第２スクライブラインを形成する工程と、第１スクライブライン及び第２スクライブラインに沿って前記基板を割断する工程とを有することを特徴とする脆性材料基板の割断方法が提供される。

ここで、第１スクライブ予定ラインと第２スクライブ予定ラインとが直交している場合には、前記反射部材は、第１スクライブ予定ライン及び第２スクライブ予定ラインに対してそれぞれ線対称で、且つ第１スクライブ予定ライン及び第２スクライブ予定ラインから等しい距離に設けるのが好ましい。

また、前記反射部材としては金属薄膜であるのが好ましい。

そしてまた、第１スクライブ予定ライン及び第２スクライブ予定ラインから前記反射部材までの距離は、レーザビーム照射スポットの幅に対して２〜２０％の範囲が好ましい。さらに、前記反射部材の、レーザビームの相対移動方向の長さは、レーザビーム照射スポットの幅に対して３０〜１００％の範囲が好ましい。

本発明の割断方法によれば、レーザ出力や送り速度を途中で変化させることなく、交差するスクライブラインの交点における欠けやソゲの発生を有効に抑制できる。

本発明に係る割断方法を実施できる割断装置の一例を示す概説図である。レーザスクライブの操作状態を説明する図である。反射部材の形成位置及び形状の一例を示す基板の拡大平面図である。本発明に係る割断方法の一例を示す工程図である。垂直クラックの形成機構を示す模式図である。反射部材の他の例を示す平面図である。実施例１における交点部分の割断面の光学顕微鏡写真である。実施例１における第１スクライブラインの交点領域の垂直クラックの状態図である。比較例１における交差部分の割断面の光学顕微鏡写真である。

以下、本発明に係る脆性材料基板の割断方法について図に基づいて説明するが、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、本発明に係る割断方法の実施に用いる割断装置の一例を示す概説図を示す。この図の割断装置は、架台１１上に紙面に対して垂直方向（Ｙ方向）に移動自在のスライドテーブル１２と、スライドテーブル上に図の左右方向（Ｘ方向）に移動自在の台座１９と、台座１９上に設けられた回転機構２５とを備え、この回転機構２５上に設けられた回転テーブル２６に載置・固定された脆性材料基板５０はこれらの移動手段によって水平面内を自在に移動される。

スライドテーブル１２は、架台１１の上面に所定距離隔てて平行に配置された一対のガイドレール１４，１５上に移動自在に取り付けられている。そして、一対のガイドレール１４，１５の間には、ガイドレール１４，１５と平行にボールネジ１３が、不図示のモータによって正・逆回転自在に設けられている。また、スライドテーブル１２の底面にはボールナット１６が設けられている。このボールナット１６はボールネジ１３に螺合している。ボールネジ１３が正転又は逆転することによって、ボールナット１６はＹ方向に移動し、これによってボールナット１６が取り付けられたスライドテーブル１２が、ガイドレール１４，１５上をＹ方向に移動する。

また台座１９は、スライドテーブル１２上に所定距離隔てて平行に配置された一対のガイド部材２１に移動可能に支持されている。そして、一対のガイド部材２１間には、ガイド部材２１と平行にボールネジ２２が、モータ２３によって正逆回転自在に設けられている。また、台座１９の底面にはボールナット２４が設けられ、ボールネジ２２に螺合している。ボールネジ２２が正転又は逆転することによって、ボールナット２４はＸ方向に移動し、これによって、ボールナット２４と共に台座１９が、一対のガイド部材２１に沿ってＸ方向に移動する。

台座１９上には回転機構２５が設けられている。そして、この回転機構２５上に回転テーブル２６が設けられている。割断対象である脆性材料基板５０は、回転テーブル２６上に真空吸着によって固定される。回転機構２５は、回転テーブル２６を垂直方向の中心軸の周りに回転させる。

回転テーブル２６の上方には、回転テーブル２６と離隔対向するように、支持台３１が、取付台３２から垂下する保持部材３３によって支持されている。支持台３１には、脆性材料基板５０の表面にトリガークラックを形成するためのカッタホイール３５と、脆性材料基板５０にレーザビームを照射するための開口（不図示）と、脆性材料基板５０の表面を冷却するための冷却ノズル３７とが設けられている。

カッタホイール３５は、チップホルダー３６によって、脆性材料基板５０に圧接する位置と非接触な位置とに昇降可能に保持されており、スクライブラインの開始起点となるトリガークラックを形成するときのみ、脆性材料基板５０に圧接する位置に下降する。トリガークラックの形成位置は、トリガークラックから予測不可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、脆性材料基板５０の表面側端よりも内側に形成するのが好ましい。

取付台３２上にはレーザ出力装置３４が設けられている。レーザ出力装置３４から出射されたレーザビームＬＢは、反射ミラー４４で下方に反射され、保持部材３３内に保持された光学系を介して支持台３１に形成された開口から、回転テーブル２６上に固定された脆性材料基板５０に照射される。

また、支持台３１の、レーザビームＬＢが出射する開口近傍に設けられた冷却ノズル３７からは、脆性材料基板５０に向かって冷却媒体としての水が空気と共に噴出される。冷却媒体が噴出される脆性材料基板５０上の位置は、スクライブ予定ライン５１上で且つレーザビームＬＢの照射領域の後側である（図２を参照）。

取付台３２には、脆性材料基板５０に予め刻印されたアライメントマークを認識する一対のＣＣＤカメラ３８，３９が設けられている。これらのＣＣＤカメラ３８，３９により、脆性材料基板５０のセット時の位置ずれが検出され、例えば脆性材料基板５０が角度θずれていた場合は回転テーブル２６が−θだけ回転され、脆性材料基板５０がＹずれていたときはスライドテーブル１２が−Ｙだけ移動される。

このような構成の割断装置において脆性材料基板５０を割断する場合には、まず、脆性材料基板５０を回転テーブル２６上に載置し吸引手段により固定する。そして、ＣＣＤカメラ３８，３９によって、脆性材料基板５０に設けられたアライメントマークを撮像し、前述のように、撮像データに基づいて脆性材料基板５０を所定の位置に位置決めする。

次いで、前述のように、ホイールカッタ３５によって脆性材料基板５０にトリガークラックを形成する。そして、レーザ出力装置３４からレーザビームＬＢを出射する。レーザビームＬＢは反射ミラー４４よって、図２に示すように、脆性材料基板５０表面に対して略垂直に照射する。また同時に、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を冷却ノズル３７から噴出させる。脆性材料基板５０にレーザビームＬＢを照射することによって、脆性材料基板５０は厚み方向に溶融温度未満で加熱され、脆性材料基板５０は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。そして加熱直後に、脆性材料基板５０の表面が水により冷却されることによって、脆性材料基板５０が今度は収縮して引張応力が発生する。この引張応力の作用によって、トリガークラックを開始点としてスクライブ予定ライン５１に沿って垂直クラック５３が脆性材料基板５０に形成される。

そしてレーザビームＬＢ及び冷却ノズル３７をスクライブ予定ライン５１に従って相対的に移動させることによって、垂直クラック５３が進展し脆性材料基板５０にスクライブライン５２が形成される。この実施形態の場合には、レーザビームＬＢと冷却ノズル３７とは所定位置に固定された状態で、スライドテーブル１２と台座１９、回転テーブル２６の回転機構２５とによって脆性材料基板５０が移動される。もちろん、脆性材料基板５０を固定した状態で、レーザビームＬＢと冷却ノズル３７とを移動させても構わない。あるいは脆性材料基板５０及びレーザビームＬＢ・冷却ノズル３７の双方を移動させても構わない。

次に、本発明に係る割断方法について説明する。図３に、脆性材料基板５０の表面拡大図を示す。脆性材料基板５０のレーザビームＬＢを照射する面に、第１スクライブ予定ライン５１ａと第２スクライブ予定ライン５１ｂとは垂直に交わり、これら２本のスクライブ予定ライン５１ａ，５１ｂが交わって形成される４つの角部に、２本のスクライブ予定ライン５１ａ，５１ｂから所定距離隔てて正方形の反射部材７ａがそれぞれ設けられている。

部分拡大図に示すように、４つの反射部材７ａは、第１スクライ予定ライン５１ａ及び第２スクライブ予定ライン５１ｂに対してそれぞれ線対称で、且つ、第１スクライ予定ライン５１ａ及び第２スクライブ予定ライン５１ｂから等しい距離Ｄに設けられている。

第１スクライブ予定ライン５１ａ及び第２スクライブ予定ライン５１ｂから反射部材７ａまでの距離Ｄは、反射部材７ａの少なくとも一部が、レーザビームＬＢの照射スポットの移動領域に位置していればよい。すなわち「２Ｄ」がレーザビームＬＢの照射スポットの幅「Ｗ」未満であればよい。より好ましくは、下記式を満足する範囲である。
０．０５Ｗ＜２Ｄ＜０．４Ｗ
（式中、Ｗ：レーザビームＬＢの照射スポットの幅，Ｄ：スクライブ予定ラインから反射部材までの距離）

また、反射部材７ａの、レーザビームＬＢの相対移動方向の長さＮに特に限定はないが、通常、下記式を満足する範囲が好ましい。
０．３Ｗ＜Ｎ＜Ｗ
（式中、Ｗ：レーザビームＬＢの照射スポットの幅，Ｎ：レーザビームＬＢの相対移動方向の長さ）

反射部材７ａの形成方法としては、特に限定はないが、生産性等の観点からは、脆性材料基板５０を位置決めするためのアライメントマークをスクリーン印刷等によって形成する際に、反射部材７ａも同時にスクリーン印刷等によって形成するのが好ましい。なお、反射部材７ａの形成位置は、基板５０を割断した後は基板５０の端部となり、また反射部材７ａの大きさも微小であることから、割断後の基板上に反射部材７ａが残っていても通常は支障はない。

本発明で使用する反射部材７ａとしては、レーザビームＬＢを反射するものであれば特に限定はないが、基板５０への形成が簡単で反射率も高いことから金属薄膜であるのが好ましい。金属薄膜としては例えばＩＴＯ（酸化インジウムスズ）膜が挙げられる。金属薄膜の膜厚に特に限定はないが、通常、膜厚が厚くなるほど反射率が高くなるので、反射率が４０％以上になるような膜厚とするのが好ましい。

次に、図４（ａ）に示すように、レーザビームＬＢ及び冷却ノズル３７をスクライブ予定ライン５１ａに従って相対的に移動させることによって、不図示のトリガークラックを開始点とする垂直クラック５３ａを相対移動方向に進展させて、脆性材料基板５０に第１スクライブライン５２ａを形成する。

このとき、第１スクライブ予定ライン５１ａと第２スクライブ予定ライン５１ｂとの交点領域には反射部材７ａが形成され、交点領域における基板５０に対するレーザビームＬＢの照射量は減少する。これにより、第１スクライブライン５２ａの垂直クラック５３ａは、交点領域において他の部分よりも深く形成される。レーザビームＬＢの照射量が減少することによって垂直クラック５３ａが深く形成されるのは、次のような機構によるものと考えられる。

垂直クラックの深さは、冷却域の最大引張応力と、直下に存在する圧縮応力場及びその深さに依存する。図５に概説図を示す。図５は、垂直クラックの進展方向に対して垂直方向の断面図である。同図（ａ）に示すように、加熱域と冷却域とが近くなると、冷却域の最大引張応力は大きくなるが、直下の圧縮応力場が浅くなり、垂直クラックの進展が阻害される。一方、同図（ｂ）に示すように、加熱域と冷却域との距離が離れると、直下の圧縮応力場は深くなるものの冷却域の最大引張応力が小さくなるため垂直クラックは浅くなる。そこで、同図（ｃ）に示すように、反射部材によってレーザビームＬＢの照射を一部遮蔽し、垂直クラック直下の圧縮応力場を低減させると、垂直クラックは深くまで進展する。

ここで使用するレーザビームＬＢとしては特に限定はなく、基板の材質や厚み、形成したい垂直クラックの深さなどから適宜決定すればよい。脆性材料基板がガラス基板の場合、ガラス基板表面での吸収が大きい波長９〜１１μｍのレーザビームが好適に使用される。このようなレーザビームとしてはＣＯ_２レーザが挙げられる。図３に示すように、レーザビームの照射スポットの形状としては、レーザビームの相対移動方向に細長い楕円形状が好ましく、相対移動方向の照射長さＬは１０〜６０ｍｍの範囲、照射幅Ｗは１〜５ｍｍの範囲が好適である。

冷却ノズル３７から噴出させる冷却媒体としては水やアルコールなどが挙げられる。また、割断後の脆性材料基板を使用する上で悪影響を与えない範囲において、界面活性剤等の添加剤が添加されていても構わない。冷却媒体の吹き付け量としては通常は数ｍｌ／ｍｉｎ程度が好適である。冷却媒体による基板の冷却は、レーザビームによって加熱された基板を急冷する観点からは、気体（通常は空気）と共に水を噴射させるいわゆるウォータジェット方式が望ましい。冷却媒体による冷却領域は、長径１〜５ｍｍ程度の円形状又は楕円形状であることが好ましい。また、冷却領域は、レーザビームによる加熱領域の相対移動方向後方であって、冷却領域と加熱領域との中心点間の距離が数ｍｍ〜数十ｍｍ程度となるように形成するのが好ましい。

レーザビームＬＢ及び冷却ノズル３７の相対移動速度としては特に限定はなく、得たい垂直クラックの深さなどから適宜決定すればよい。一般に相対移動速度を遅くするほど、形成される垂直クラックは深くなる。通常、相対移動速度は数百ｍｍ／ｓｅｃ程度である。

スクライブライン５２ａを構成する垂直クラック５３ａの深さとしては、特に限定はないが、後工程における脆性材料基板の割断を円滑且つ確実に行うためには、交点領域以外では基板厚み対して１５％以上の深さとするのが好ましい。そして、交点における欠けやソゲの発生を抑制するためには、交点領域の垂直クラック５３ａの深さを基板厚みに対して５０％以上とするのが好ましい。

次いで図４（ｂ）に示すように、第１スクライブライン５２ａに直交する第２スクライブ予定ライン５１ｂに沿って、レーザビームＬＢ及び冷却ノズル３７を相対的に移動させることによって第２スクライブライン５２ｂを形成する。ここでも、第１スクライブ予定ラインと第２スクライブ予定ラインとの交点領域に形成された反射部材によって、交点領域におけるレーザビームＬＢの照射量が減少し、第２スクライブライン５２ｂの垂直クラック５３ｂは、交点領域において他の部分よりも深く形成される。なお、第２スクライブライン５２ｂの形成条件としては、第１スクライブライン５２ａの形成条件と同じ条件がここでも挙げられる。

次に、同図（ｃ）に示すように、第１スクライブライン５２ａに沿ってブレイクバー６を脆性材料基板５０の表面に押し当て、基板に対して垂直方向に押圧力を加える。これによって、基板５０に応力が生じ、第１スクライブライン５２ａの垂直クラック５３ａが基板裏面にまで進展し、第１スクライブライン５２ａで基板５０が割断される。そして同図（ｄ）に示すように、第２スクライブライン５２ｂにおいても同様にして、ブレイクバー６で基板５０を押圧し基板５０を割断する。なお、ブレイクバー６に換えてローラを用いてブレイクを行ってももちろん構わない。また、第２スクライブライン５２ｂで基板５０を割断した後、第１スクライブライン５２ａを割断しても構わない。

以上説明した実施形態では、反射部材として正方形状のものを用いていたが、反射部材の形状はこれに限定されるものではなく、例えば図６（ａ）に示すようなかぎ型状や同図（ｂ）に示すような三角形状であっても構わない。

本発明の割断方法を適用できる脆性材料基板５０としては特に限定はなく、ガラス、セラミック、シリコン、サファイア等の従来公知の脆性材料基板が挙げられる。これらの中でも、表面圧縮応力が大きく、クロススクライブが困難とされている化学強化ガラスや風冷強化ガラスなどの強化ガラス基板に本発明の割断方法は好適に適用できる。また、本発明の割断方法を適用できる脆性材料基板５０の厚みとしては、脆性材料基板５０の材質等によって異なるが、脆性材料基板５０がガラス基板の場合にはおおよそ２ｍｍ程度の厚さまでである。

以上、説明した各実施形態では第１スクライブライン５２ａと第２スクライブライン５２ｂとを各１本形成して基板を割断していたが、大面積の基板５０に第１スクライブライン５２ａ及び第２スクライブライン５２ｂをそれぞれ複数本の形成して、多数個の小面積基板に割断する場合も本発明の割断方法は当然ながら適用できる。また、本発明の割断方法は、２つのスクライブラインを直交させる場合の他、所望の角度で交差させる場合にももちろん適用できる。

実施例１
化学強化ガラス基板（厚さ０．５５ｍｍ）の表面の、第１スクライブ予定ラインと第２スクライブ予定ラインとの交点領域に、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）インクをスクリーン印刷して、図３に示した正方形の反射部材（長さ１．２ｍｍ×１．２ｍｍ、厚さ５００Å）を形成した。次に、図１に示した割断装置にガラス基板を取り付けた後、レーザ照射及び冷却を行って第１スクライブラインを形成した。レーザ照射及び冷却の具体的条件は下記の通りである。次に、第２スクライブ予定ラインに沿ってレーザ照射及び冷却を行って第２スクライブラインを形成した。第２スクライブライン形成におけるレーザ照射及び冷却の具体的条件は第１スクライブラインを形成する際のレーザ照射及び冷却の条件と同じである。スクライブ終了後、第２スクライブラインでガラス基板を手割りした後、第１スクライブラインでガラス基板を手割りした。そして、第１スクライブラインの交点部分の割断面を光学顕微鏡で観察した。観察結果を図７に示す。また、第１スクライブラインを形成した後、第１スクライブラインでガラス基板を手割りし、交点領域における第１スクライブラインの垂直クラックの状態を観察した。観察結果を図８に示す。

（第１スクライブライン及び第２スクライブラインのレーザ照射及び冷却条件）
レーザビーム：ＣＯ_２レーザ
レーザ出力：２００Ｗ
照射スポット形状：Ｌ＝６０ｍｍ，Ｗ＝１．８ｍｍ
相対移動速度：２００ｍｍ／ｓｅｃ
冷却スポット：楕円形（長径３ｍｍ，短径２ｍｍ）
冷却水量：０．５ｍｌ／ｍｉｎ
照射スポットと冷却スポットの中心点間距離：１０ｍｍ

（結果）
図８から明らかなように、第１スクライブラインの垂直クラックは交点領域において他の部分よりも深くなっていた。また、図７から理解されるように、第１スクライブラインの交点部分の割断面は垂直であった。

比較例１
基板に反射部材を形成しなかった以外は実施例１と同様にして、第１スクライブラインと第２スクライブラインを形成し、ガラス基板を手割りして第１スクライブラインの交点部分の割断面を光学顕微鏡で観察した。観察結果を図９に示す。図９から明らかなように、割断面の上部に「ソゲ」が発生しており、割断面は垂直ではなかった。

本発明の割断方法によれば、レーザ出力や送り速度を途中で変化させることなく、交差するスクライブラインの交点における欠けやソゲの発生を有効に抑制でき有用である。

７ａ，７ｂ，７ｃ反射部材
３７冷却ノズル
５０脆性材料基板
５１スクライブ予定ライン
５１ａ第１スクライブ予定ライン
５１ｂ第２スクライブ予定ライン
５２スクライブライン
５２ａ第１スクライブライン
５２ｂ第２スクライブライン
５３，５３ａ，５３ｂ垂直クラック
ＬＢレーザビーム

Claims

交差する２方向に脆性材料基板を割断する方法であって、
前記基板の、第１スクライブ予定ラインと第２スクライブ予定ラインとが交わって形成される４つ角部のそれぞれにのみ反射部材を設ける工程と、第１スクライブ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照射して、前記基板を溶融温度未満に加熱した後、前記基板に対して冷却媒体を吹き付けて冷却し、前記基板に生じた熱応力によって、垂直クラックからなる第１スクライブラインを形成する工程と、第２スクライブ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照射して、第１スクライブラインと同様にして、第２スクライブラインを形成する工程と、第１スクライブライン及び第２スクライブラインに沿って前記基板を割断する工程とを有することを特徴とする脆性材料基板の割断方法。
第１スクライブ予定ラインと第２スクライブ予定ラインとは直交し、前記反射部材は、第１スクライブ予定ライン及び第２スクライブ予定ラインに対してそれぞれ線対称で、且つ第１スクライブ予定ライン及び第２スクライブ予定ラインから等しい距離に設ける請求項１記載の割断方法。
前記反射部材が金属薄膜である請求項１又は２記載の割断方法。
前記反射部材の、レーザビームの相対移動方向の長さが、レーザビーム照射スポットの幅に対して３０〜１００％の範囲である請求項１〜３のいずれかに記載の割断方法。