JP5973825B2 - ガラス基板の分断方法及びダイシング方法並びにレーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス基板の分断方法、特に、表面に圧縮応力を有するとともに内部に引張応力を有するガラス基板を複数の分断予定ラインに沿って分断するためのガラス基板の分断方法に関し、特に、マザーガラス基板を個々のチップに分断するダイシング方法に関する。また、本発明は、ガラス基板を分断するレーザ加工装置に関する。

ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System：微小電気機械システム）は、半導体集積技術を用いてガラスやシリコン基板上に、電子回路、機械要素部品、センサ、アクチュエータ等を作り込んだデバイスである。

このようなデバイスは、ガラス基板上に素子を形成した後に、複数の個々のチップに分断することによって得られる。このようなガラス基板を個々のチップに分断する技術として、特許文献１に示された技術がある。

この特許文献１では、まず、粘着性樹脂テープの一表面側に基板が貼り付けられる。そして、基板の分断予定ラインに沿って基板内部にレーザ光が照射され、基板内部に改質部が形成される。その後、粘着性樹脂テープを引き伸ばすことによって、基板に曲げ応力がかけられ、個々のチップに分断される。

特開２０１０−１７７３４０号公報

特許文献１の方法では、分断工程において、テープを引き伸ばすことによって基板に曲げ応力が加えられ、個々のチップに分断される。すなわち、分断工程では、レーザ加工機とは別の装置が用いられる。

このような方法では、レーザ加工機とは別の装置が必要になり、またテープの粘着力の選定や、貼り方、曲げ応力のかけ方等、熟練した技術者による操作が必要になる。したがって、安定して、かつ簡単に個々のチップに分断することが困難である。特に、クロスカットする場合には、交点の角部分にカケ（角カケ）が発生する場合が多い。

本発明の課題は、レーザ加工機のみを用いて、簡単にかつ安定して、しかも角カケ等を抑えて高い精度でガラス基板を分断できる方法を提供することにある。

本発明の第１側面に係るガラス基板の分断方法は、表面に圧縮応力を有するとともに内部に引張応力を有するガラス基板を複数の分断予定ラインに沿って分断するためのガラス基板の分断方法であって、以下の工程を含む。

第１方向第１工程：第１方向に沿って延びる複数の分断予定ラインに沿って、基板内部の第１深さに集光位置が設定されたレーザ光を照射し、分断予定ラインに沿って基板内部に加工痕を形成する。

第１方向第２工程：第１工程によってレーザ光が照射された隣接する分断予定ラインの間の分断予定ラインに沿って、基板内部の第１深さに集光位置が設定されたレーザ光を照射し、第１方向に延びる複数の分断予定ラインのうちの残りの分断予定ラインに沿って基板内部に加工痕を形成する。

第１方向第３工程：第１方向第１工程で加工痕が形成された分断予定ラインに沿って、基板内部の第１深さ位置よりレーザ光照射側の面に近い第２深さ位置に集光位置が設定されたレーザ光を照射し、分断予定ラインに沿ってガラス基板を分断する。

第１方向第４工程：第１方向第２工程で加工痕が形成された分断予定ラインに沿って、基板内部の第２深さ位置に集光位置が設定されたレーザ光を照射し、分断予定ラインに沿ってガラス基板を分断する。

ここでは、ガラス基板の第１方向に沿って複数の分断予定ラインが設定されている。そして、複数の分断予定ラインのうちの、例えば基板の端から奇数番目の分断予定ラインに対して、分断予定ラインに沿ってレーザ光が照射され、奇数番目の分断予定ラインに沿って基板内部に加工痕が形成される。次に、基板の端から偶数番目の分断予定ラインに対して、同様に、分断予定ラインに沿ってレーザ光が照射され、偶数番目の分断予定ラインに沿って基板内部に加工痕が形成される。

その後、同様の順序で、すなわち、基板の端から奇数番目の分断予定ラインにレーザ光が照射された後、偶数番目の分断予定ラインにレーザ光が照射される。この２回目のレーザ照射では、１回目のレーザ照射の場合に比較して、レーザ光の集光位置はレーザが照射される側に近い方に移動される。そして、この２回目のレーザ光の照射によってガラス基板が分断される。

ここで、特に表面が強化されたガラス基板では、複数の分断予定ラインのピッチが狭い場合、先にレーザ光が照射された側と、まだレーザ光が照射されていない側とでは、内部応力等、状態が異なっている。したがって、分断予定ラインに沿ってレーザ光を照射しても、亀裂が分断予定ラインに沿って進展せず、分断予定ラインから外れて分断されることがある。

そこで、本発明では、複数の分断予定ラインに対して１本飛ばしてレーザ光を照射し、その後、先に加工されたラインの間の分断予定ラインに対してレーザ光を照射するようにしている。

この方法では、複数の分断予定ラインのピッチが狭い場合であっても、先に加工されるラインはピッチが広くなるので、先に加工されたラインの影響を受けにくい。また、後に加工されるラインの両側のラインは既に加工されているので、影響を受けるとしても両側から同じような影響を受けることになり、分断予定ラインに沿って高い精度で基板を分断することができる。また、レーザ加工機のみを用いて、２回のレーザ照射によってガラス基板を高い精度で分断することができる。

本発明の第２側面に係るガラス基板の分断方法は、第１側面の方法において、以下の工程をさらに含んでいる。

第２方向第１工程：第１方向と交差する第２方向に沿って延びる複数の分断予定ラインに沿って、基板内部の第３深さ位置に集光位置が設定されたレーザ光を照射し、分断予定ラインに沿って基板内部に加工痕を形成する。

第２方向第２工程：第２方向第１工程によってレーザ光が照射された隣接する分断予定ラインの間の分断予定ラインに沿って、基板内部の第３深さ位置に集光位置が設定されたレーザ光を照射し、第２方向に延びる複数の分断予定ラインのうちの残りの分断予定ラインに沿って基板内部に加工痕を形成する。

第２方向第３工程：第２方向第１工程で加工痕が形成された分断予定ラインに沿って、第３深さ位置よりレーザ光照射側の面に近い基板内部の第４深さ位置に集光位置が設定されたレーザ光を照射し、分断予定ラインに沿ってガラス基板を分断する。

第２方向第４工程：第２方向第２工程で加工痕が形成された分断予定ラインに沿って、基板内部の第４深さ位置に集光位置が設定されたレーザ光を照射し、分断予定ラインに沿ってガラス基板を分断する。

ここでは、第１方向と交差する第２方向に延びる複数の分断予定ラインが設定されている。すなわち、ここではガラス基板はクロスカットされる。この場合でも、第１側面の方法と同様に、簡単に高い精度で分断をすることができる。

本発明の第３側面に係るガラス基板の分断方法は、第２側面の方法において、第１深さ位置と第３深さ位置とは同じ位置であり、第２深さ位置と第４深さ位置とは同じ位置である。

ここでは、第１方向及び第２方向のレーザ照射において、レーザ光の集光位置が同じであるので、第１方向の加工から第２方向の加工に移行する際に、集光位置の調整作業等が不要になり、加工が容易になる。

本発明の第４側面に係るガラス基板の分断方法は、第２又は第３側面の方法において、第２方向第１工程から第２方向第４工程までの工程は、第１方向第２工程と第１方向第３工程との間に実行される。

ここでは、以下の順序で加工される。
第１方向第１及び第２工程（第１方向のすべての分断予定ラインの１回目の加工）→第２方向第１及び第２第２工程（第２方向のすべての分断予定ラインの１回目の加工）→第２方向第３及び第４工程（第２方向のすべての分断予定ラインの２回目の加工）→第１方向第３及び第４工程（第１方向のすべての分断予定ラインの２回目の加工）
ここでは、第２方向の第１及び第２工程の加工と、第２方向の第３及び第４工程の加工とが連続して実行される。したがって、ガラス基板の方向を変える工程が減り、位置の誤差が生じにくく、より高い精度で加工することができる。

本発明の第５側面に係るガラス基板の分断方法は、第１から第４側面のいずれかの方法において、ガラス基板の厚みは１．１mm以下であり、複数の分断予定ラインのピッチは１mm以上１．５mm未満である。

本発明の第６側面に係るダイシング方法は、第１から第５側面のいずれかの方法をもちいて、マザー基板であるガラス基板を個々のチップに分断する。

本発明の第７側面に係るガラス基板のレーザ加工装置は、表面に圧縮応力を有するとともに内部に引張応力を有するガラス基板にレーザ光を照射して複数の分断予定ラインに沿って分断する装置であって、レーザ光線発振ユニットと、伝送光学系と、集光レンズと、テーブルと、移動制御部と、加工制御部と、を備えている。レーザ光線発振ユニットは、レーザ光線発振器と、レーザ光線のビーム強度を調整するレーザ制御部と、を含み、レーザ光を出射する。伝送光学系はレーザ光線発振ユニットから出射されるレーザ光を所定の方向に導く。集光レンズは伝送光学系からのレーザ光を集光させる。テーブルは、集光レンズからのレーザ光線に対して垂直な面内で相対移動が可能であり、集光レンズからのレーザ光が照射されるガラス基板を載置する。移動制御部は集光レンズからのレーザ光線とテーブルとを相対移動させる。加工制御部は、レーザ制御部及び移動制御部を制御して、テーブルに載置されたガラス基板の厚み方向に伸びる複数の線状のレーザ加工痕を分断予定ラインに沿って周期的に形成する。

そして、加工制御部は、以下の機能を含んでいる。
第１方向第１機能：第１方向に沿って延びる複数の分断予定ラインに沿って、基板内部の第１深さに集光位置が設定されたレーザ光を照射し、分断予定ラインに沿って基板内部に加工痕を形成する。

第１方向第２機能：第１機能によってレーザ光が照射された隣接する分断予定ラインの間の分断予定ラインに沿って、基板内部の第１深さに集光位置が設定されたレーザ光を照射し、第１方向に延びる複数の分断予定ラインのうちの残りの分断予定ラインに沿って基板内部に加工痕を形成する。

第１方向第３機能：第１方向第１機能で加工痕が形成された分断予定ラインに沿って、第１深さ位置よりレーザ光照射側の面に近い基板内部の第２深さ位置に集光位置が設定されたレーザ光を照射し、分断予定ラインに沿ってガラス基板を分断する。

第１方向第４機能：第１方向第２機能で加工痕が形成された分断予定ラインに沿って、基板内部の第２深さ位置に集光位置が設定されたレーザ光を照射し、分断予定ラインに沿ってガラス基板を分断する。

本発明第８側面に係るガラス基板のレーザ加工装置は、第７側面の装置において、加工制御部は、さらに以下の機能を含んでいる。

第２方向第１機能：第１方向と交差する第２方向に沿って延びる複数の分断予定ラインに沿って、基板内部の第３深さ位置に集光位置が設置されたレーザ光を照射し、分断予定ラインに沿って基板内部に加工痕を形成する。

第２方向第２機能：第２方向第１機能によってレーザ光が照射された隣接する分断予定ラインの間の分断予定ラインに沿って、基板内部の第３深さ位置に集光位置が設定されたレーザ光を照射し、第２方向に延びる複数の分断予定ラインのうちの残りの分断予定ラインに沿って基板内部に加工痕を形成する。

第２方向第３機能：第２方向第１機能で加工痕が形成された分断予定ラインに沿って、第３深さ位置よりレーザ光照射側の面に近い基板内部の第４深さ位置に集光位置が設定されたレーザ光を照射し、分断予定ラインに沿ってガラス基板を分断する。

第２方向第４機能：第２方向第２機能で加工痕が形成された分断予定ラインに沿って、基板内部の第４深さ位置に集光位置が設定されたレーザ光を照射し、分断予定ラインに沿ってガラス基板を分断する。

以上のように本発明では、特に表面が強化されたガラス基板を狭いピッチで分断する際に、レーザ加工機のみを用いて、簡単にかつ安定して、しかも高い精度で分断することができる。

分断対象としての強化ガラスの構成を模式的に示す図。 本発明の加工方法を実施するためのレーザ加工装置の概略構成図。 Ｘ方向の加工痕形成工程及び分断工程を示す図。 Ｙ方向の加工痕形成工程及び分断工程を示す図。 本発明の方法を用いて製作したガラスチップを示す図。 本発明の方法を用いて製作したガラスチップの分断面の拡大図。 本発明の方法を用いて製作したガラスチップの表面の拡大図。

小型パッケージのレーザダイオードモジュールや、マイクロプロジェクタには、１mm角の小型・高精度レンズが用いられている。また、ＭＥＭＳデバイスについても同様である。このようなデバイスは、ガラス基板を、互いに直交するＸ，Ｙ方向にクロスカットして形成される。以下、この実施形態では、強化ガラスをＸ，Ｙ方向にクロスカットする場合を例にとって説明する。

［分断対象］
分断対象としての強化ガラスを図１に示す。このガラス基板は、表面に圧縮応力を有するとともに内部に引張応力を有する強化ガラスである。具体的には、表面及び裏面の近傍において、表面及び裏面に近づくほど大きな圧縮応力（ＣＳ）を有している。そして、表面及び裏面から所定の深さに達する基板内部では、逆に引張応力（ＣＴ）を有している。図１において、「ＤＯＬ」は基板表面の圧縮応力を有する強化層深さを示している。

［レーザ加工装置］
図２は、本発明の一実施形態による加工方法を実施するためのレーザ加工装置５の概略構成を示したものである。レーザ加工装置５は、レーザ光線発振器６ａやレーザ制御部６ｂを含むレーザ光線発振ユニット６と、レーザ光を所定の方向に導くための複数のミラーを含む伝送光学系７と、伝送光学系７からのレーザ光を集光させるための集光レンズ８と、を有している。レーザ光線発振ユニット６からは、ビーム強度等の照射条件が制御されたパルスレーザ光（以下、単にレーザ光と記す）が出射される。なお、ガラス基板Gはテーブル９に載置されている。テーブル９は、駆動制御部２０によって駆動制御され、水平面内で移動が可能である。すなわち、テーブル９に載置されたガラス基板Gと集光レンズ８から照射されるレーザ光線とは水平面内で相対移動が可能である。また、レーザ光とガラス基板Gが載置されるテーブル９とは、相対的に上下方向に移動が可能である。レーザ制御部６ｂ及び駆動制御部２０は、加工制御部２１によって制御されるようになっている。

加工制御部２１は、マイクロコンピュータで構成されており、レーザ制御部６ｂ及び駆動制御部２０を制御して、以下のような分断加工を実行する。

［分断方法］
まず、準備工程として、ガラス基板の裏面に粘着性樹脂テープや保持用のフィルム等を貼り、ガラス基板が複数のチップに分断されてもそれぞれが分離されないような処理をしておく。

＜Ｘ方向：加工痕形成＞
Ｘ方向においては、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、１１本の分断予定ラインＬｘ１〜Ｌｘ１１が設定されている。

まず、図２（ａ）に示すように、Ｘ方向に沿って延びる１１本の分断予定ラインＬｘ１〜１１のうちの、基板Ｇの端から奇数番目の分断予定ラインＬｘ１，Ｌｘ３，Ｌｘ５，Ｌｘ７，Ｌｘ９，Ｌｘ１１（実線で表示）に沿って、順に基板の第１表面側からレーザ光を照射し、各分断予定ラインＬｘ１，Ｌｘ３，Ｌｘ５，Ｌｘ７，Ｌｘ９，Ｌｘ１１に沿って基板内部に加工痕を形成する。ここで、レーザ光の集光位置はガラス基板Ｇの第１表面から第１深さの位置に設定する。

次に、図２（ｂ）に示すように、先に加工痕が形成された分断予定ラインＬｘ１，Ｌｘ３，Ｌｘ５，Ｌｘ７，Ｌｘ９のそれぞれの間の偶数番目の分断予定ラインＬｘ２，Ｌｘ４，Ｌｘ６，Ｌｘ８，Ｌｘ１０（破線で表示）に沿って、順に基板の第１表面側からレーザ光を照射し、各分断予定ラインＬｘ２，Ｌｘ４，Ｌｘ６，Ｌｘ８，Ｌｘ１０に沿って基板内部に加工痕を形成する。ここで、前記同様に、レーザ光の集光位置はガラス基板Ｇの第１表面側から第１深さの位置に設定する。

＜基板の姿勢変更＞
Ｘ方向のすべての分断予定ラインについて基板内部に加工痕が形成された後は、ガラス基板Ｇが載置されたテーブルを回転し、ガラス基板Ｇの姿勢を９０°回転させる。

＜Ｙ方向：加工痕形成＞
Ｙ方向においては、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、９本の分断予定ラインＬｙ１〜Ｌｙ９が設定されている。

まず、図３（ａ）に示すように、Ｙ方向に沿って延びる９本の分断予定ラインＬｙ１〜９のうちの、基板Ｇの端から奇数番目の分断予定ラインＬｙ１，Ｌｙ３，Ｌｙ５，Ｌｙ７，Ｌｙ９（実線で表示）に沿って、順に基板の第１表面側からレーザ光を照射し、各分断予定ラインＬｘ１，Ｌｘ３，Ｌｘ５，Ｌｘ７，Ｌｘ９，Ｌｘ１１に沿って基板内部に加工痕を形成する。ここで、Ｘ方向の場合と同様に、レーザ光の集光位置はガラス基板Ｇの第１表面側から第１深さの位置に設定する。

次に、図３（ｂ）に示すように、先に加工痕が形成された分断予定ラインＬｙ１，Ｌｙ３，Ｌｙ５，Ｌｙ７，Ｌｙ９のそれぞれの間の偶数番目の分断予定ラインＬｙ２，Ｌｙ４，Ｌｙ６，Ｌｙ８（破線で表示）に沿って、順に基板の第１表面側からレーザ光を照射し、各分断予定ラインＬｙ２，Ｌｙ４，Ｌｙ６，Ｌｙ８に沿って基板内部に加工痕を形成する。ここで、前記同様に、レーザ光の集光位置はガラス基板Ｇの第１表面側から第１深さの位置に設定する。

＜Ｙ方向：分断＞
次に、先のＹ方向の加工痕形成工程において加工痕の形成された分断予定ラインに対して、分断処理を実行する。具体的には、レーザ光の集光位置を第１深さ位置より浅い第２深さ位置、すなわち、ガラス基板Ｇの第１表面側（レーザ光の照射側）に移動させ、Ｙ方向加工痕形成工程とまったく同様の順序によってレーザ光を照射する。

これにより、各分断予定ラインに沿って亀裂が進展し、各分断予定ラインに沿って基板が分断される。

＜基板の姿勢変更＞
Ｙ方向のすべての分断予定ラインについて分断処理が終了すると、ガラス基板Ｇが載置されたテーブルを回転し、ガラス基板Ｇの姿勢を９０°回転させる。

＜Ｘ方向：分断＞
次に、先のＸ方向の加工痕形成工程において加工痕の形成された分断予定ラインに対して、分断処理を実行する。ここでは、レーザ光の集光位置はＹ方向分断工程と同様に第２深さ位置に設定する。そして、Ｘ方向加工痕形成工程とまったく同様の順序によってレーザ光を照射する。

これにより、各分断予定ラインに沿って亀裂が進展し、各分断予定ラインに沿って基板が分断される。

［実験例］
厚さ１．１mmでＤＯＬが４０μmの強化ガラスについて、従来の順送り（隣接する分断予定ラインに対して順に加工を行う方法）と、本発明による方法（奇数番目ライン→偶数番目ライン（中飛ばし））を、分断予定ラインのＸ，Ｙ方向のピッチを変えて分断を行った。その結果は以下の通りである。

なお、評価項目において、「ＮＧ」とは分断予定ラインに沿って分断されず、亀裂が分断予定ラインからずれて進展したことを示している。また、「ＯＫ」とは、亀裂進展のずれが分断予定ラインから５０μm以下であったことを示している。

また、レーザ照射条件は、Ｘ，Ｙ両方向ともに同じであり、以下の通りである。

加工痕形成工程：
波長：３MHz
出力：７．５W
走査速度：６００mm/s
加工位置：５７０μm
分断工程：
波長：１０６４nm
発振周波数：３MHz
出力：７．５W
走査速度：６００mm/s
加工位置：２８７μm
以上の実験結果から、ガラス基板の厚みが１．１mm以下の場合、分断予定ラインのピッチは１mm以上１．５mm未満であれば、良好に分断されることがわかる。

図４は、本発明の方法を用いてガラス基板を１．０ｍｍ角に分断して製作したガラスチップの写真である。また、図５はガラスチップの分断面の拡大写真であり、図６はガラスチップの表面の拡大写真である。図５及び図６から明らかなように、本発明の方法で制作されたガラスチップには分断ラインのうねりや角部の欠けは無く、高い精度でガラス基板が分断されている。

［他の実施形態］
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形又は修正が可能である。

前記実施形態では、ガラス基板をクロスカットする場合について説明したが、Ｘ方向又はＹ方向の一方向のみの分断を行う場合についても、本発明を同様に適用することができる。

Ｇ ガラス基板
Ｌｘ１〜１１ Ｘ方向分断予定ライン
Ｌｙ１〜９ Ｙ方向分断予定ライン

Claims (6)

1. 表面に圧縮応力を有するとともに内部に引張応力を有するガラス基板を複数の所定ピッチの分断予定ラインに沿って分断するためのガラス基板の分断方法であって、
   第１方向に沿って延びる複数の分断予定ラインに対して１本飛ばして前記分断予定ラインに沿って、基板内部の第１深さに集光位置が設定されたレーザ光を照射し、前記分断予定ラインに沿って基板内部に加工痕を形成する第１方向第１工程と、
   前記第１工程によってレーザ光が照射された隣接する分断予定ラインの間の残りの分断予定ラインに沿って、基板内部の前記第１深さに集光位置が設定されたレーザ光を照射し、前記残りの分断予定ラインに沿って基板内部に加工痕を形成する第１方向第２工程と、
   前記第１方向第１工程で加工痕が形成された分断予定ラインに沿って、前記第１深さ位置よりレーザ光照射側の面に近い基板内部の第２深さ位置に集光位置が設定されたレーザ光を照射し、前記分断予定ラインに沿ってガラス基板を分断する第１方向第３工程と、
   前記第１方向第２工程で加工痕が形成された分断予定ラインに沿って、基板内部の前記第２深さ位置に集光位置が設定されたレーザ光を照射し、前記分断予定ラインに沿ってガラス基板を分断する第１方向第４工程と、
   を含む、ガラス基板の分断方法。
2. 前記第１方向と交差する第２方向に沿って延びる複数の分断予定ラインに対して１本飛ばして前記分断予定ラインに沿って、基板内部の第３深さ位置に集光位置が設置されたレーザ光を照射し、前記分断予定ラインに沿って基板内部に加工痕を形成する第２方向第１工程と、
   前記第２方向第１工程によってレーザ光が照射された隣接する分断予定ラインの間の残りの分断予定ラインに沿って、基板内部の前記第３深さ位置に集光位置が設定されたレーザ光を照射し、前記残りの分断予定ラインに沿って基板内部に加工痕を形成する第２方向第２工程と、
   前記第２方向第１工程で加工痕が形成された分断予定ラインに沿って、前記第３深さ位置よりレーザ光照射側の面に近い基板内部の第４深さ位置に集光位置が設定されたレーザ光を照射し、前記分断予定ラインに沿ってガラス基板を分断する第２方向第３工程と、
   前記第２方向第２工程で加工痕が形成された分断予定ラインに沿って、基板内部の前記第４深さ位置に集光位置が設定されたレーザ光を照射し、前記分断予定ラインに沿ってガラス基板を分断する第２方向第４工程と、
   をさらに含む、請求項１に記載のガラス基板の分断方法。
3. 前記第１深さ位置と前記第３深さ位置とは同じ位置であり、前記第２深さ位置と前記第４深さ位置とは同じ位置である、請求項２に記載のガラス基板の分断方法。
4. 前記第２方向第１工程から前記第２方向第４工程までの工程は、前記第１方向第２工程と前記第１方向第３工程との間に実行される、請求項２又は３に記載のガラス基板の分断方法。
5. 前記ガラス基板の厚みは１．１mm以下であり、複数の分断予定ラインのピッチは１mm以上１．５mm未満である、請求項１から４のいずれかに記載のガラス基板の分断方法。
6. 前記ガラス基板はマザー基板であり、請求項１から５のいずれかに記載の分断方法を用いて前記ガラス基板を個々のチップに分断する、ガラス基板のダイシング方法。