JP6888809B2 - 金属膜付き脆性材料基板の分断方法並びに分断装置 - Google Patents

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Description

本発明は、脆性材料基板の一面に金属膜を積層した金属膜付き脆性材料基板の分断方法並びに分断装置に関する。特に本発明は、反射鏡や鏡板等のように、透明なガラス等の脆性材料基板の一面に、アルミニウムやクロム等の薄い金属膜を蒸着等により付着させた金属膜付き脆性材料基板の分断方法並びに分断装置に関する。
一般に上記のような金属膜付き脆性材料基板を分断する場合、図８（ａ）に示すように、カッターホイール１５（スクライビングホイールともいう）等により、金属膜付き脆性材料基板Ｗの母体となる脆性材料基板Ｗ１の表面をスクライブすることによって切溝状のスクライブラインＳを形成し、このスクライブラインＳが形成された面とは反対側の金属膜Ｗ２の面から、図８（ｂ）に示すように、ブレイクバー１４を押し付けることにより金属膜付き脆性材料基板Ｗを撓ませてスクライブラインＳに沿って分断する方法が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２の図１０参照）。
上記したスクライブラインの加工では、カッターホイール等による機械的な手法に代えて、レーザビームを脆性材料基板の表面に照射して熱により分断予定ラインに沿ってクラックを生じさせたり、改質層を形成したりすることによりスクライブラインを形成する方法も一般的である。
特開２０１６−０００５３３号公報 特開２０１５−０３９８７２号公報 特開２０１２−０６６４７９号公報
しかしながら、上述した方法によって金属膜付き脆性材料基板を分断しようとする場合には、母体となる脆性材料基板と金属膜との物理的性質が異なることに起因して、金属膜の一部が完全には分断されずつながったまま残ったり、あるいは分断されたとしても引きちぎり痕、不規則に割れるソゲ、チッピングなどが生じたりしてきれいに分断されないといった問題が生じる。
また、金属膜を確実に切り離すため、分断工程に先立って金属膜の表面にもカッターホイールやレーザビームで分断予定ラインに沿ったスクライブラインを形成する方法も知られている（例えば特許文献３参照）。しかしこの方法では、金属膜付き脆性材料基板の何れか一方の面にスクライブラインを加工した後、基板を反転させて反対側の面にスクライブラインを加工する必要があり、作業工程が増えて手間がかかると共に、基板を反転させるための機構等が必要となって装置が複雑になり、コストが高くなるといった問題点がある。
そこで本発明は、上記課題を解決し、簡単な工程で精度よくきれいに分断することのできる金属膜付き脆性材料基板の分断方法並びに分断装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するためになされた本発明の分断方法は、脆性材料基板の片側の一面に金属膜を付着させた金属膜付き脆性材料基板の分断方法であって、パルスレーザビームのバーストを含むレーザビームを、収差を生じさせる収差生成レンズを透過させて収差レーザビームに生成し、前記収差レーザビームの最集束部を前記金属膜付き脆性材料基板の母体となる脆性材料基板の表面から分断予定ラインに沿ってスキャンして、前記脆性材料基板に強度が低下した改質層を形成すると同時に前記金属膜に分断溝を形成し、次いで、前記改質層に沿ってブレイク手段を介して前記金属膜付き脆性材料基板を前記分断予定ラインに沿って分断するようにしている。
本発明の分断方法において、前記収差レーザビームの最も集束する最集束部を前記脆性材料基板の厚みの中間位置に合わせてスキャンすることが好ましい。
ここで、収差レーザビームの最集束部は、収差レーザビームの照射方向に沿って、ビームプロファイル（強度分布）を測定したときに、ビームプロファイルのピークパワーが最も高くなる位置（収差レーザビームの照射方向に沿った位置）を意味する。
前記脆性材料基板の改質層を分断するブレイク手段として、波長１０．６μｍのＣＯ２レーザビームや、波長１．０６４μｍのＮｄ；ＹＡＧレーザビーム等の赤外線領域の波長（通常、波長０．７μｍ以上）を有するレーザビーム（具体的には波長０．７〜２０μｍのレーザビーム）を照射して熱により分断する光学的手段や、ブレイクバーを基板上面から押し付けて基板を撓ませることにより分断する機械的手段を用いることができる。
また、別の観点からなされた本発明の分断装置は、脆性材料基板の片側の一面に金属膜を付着させた金属膜付き脆性材料基板の分断装置であって、前記金属膜付き脆性材料基板を載置するテーブルと、光源から出射されたパルスレーザビームのバーストを含んだレーザビームを、収差を生じさせる収差生成レンズを介して収差レーザビームに生成する収差レーザビーム発光部材と、前記収差レーザビーム発光部材を前記金属膜付き脆性材料基板の分断予定ラインに沿って相対的に移動させて母体となる脆性材料基板に強度が低下した改質層を形成すると同時に金属膜に分断溝を形成する移動機構と、前記改質層に沿って前記金属膜付き脆性材料基板を分断するブレイク手段とからなる構成とした。
本発明は上記のごとく構成されているので、収差レーザビームのスキャンにより、母体となるガラス基板等の脆性材料基板に強度が低下した改質層を加工することができると同時に、金属膜に分断溝を分断予定ラインに沿って形成することができる。したがって、次のブレイク工程で、金属膜付き脆性材料基板に外力を加えて改質層に沿って脆性材料基板を分断したときに、金属膜が予め分断溝の部分で切り離されているか、あるいはその厚みの大部分が除去されているので、金属膜での引きちぎり痕やソゲ、チッピング等が生じることなくきれいな端面で確実に分断することができる。また、収差レーザビームによって脆性材料基板に改質層を加工すると同時に金属膜に分断溝が加工されるので、従来のように基板を反転させて金属膜にスクライブラインを加工するといった煩雑な工程を省略でき、加工時間の短縮やコストの低減化を図ることができる。
本発明において、前記収差生成レンズは平凸レンズで形成するのがよい。この場合、レーザビームを平凸レンズの平面側から入射させることにより、凸面側から収差レーザビームを出射させることができる。この場合、平凸レンズの平面側に回折光学素子（ＤＯＥ）を配置することによって、平凸レンズの凸面側から出射するレーザビームの焦点数を多くすることができ、また、集光径を小さくすることができる。
さらに、本発明において、前記収差レーザビームの光源が波長０．７〜２．５μｍ（例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの基本波）の近赤外レーザであり、かつ、パルス幅が１００ピコ秒以下のレーザビームのバーストを用いるようにするのがよい。
本発明に係る分断装置の概略的な説明図。 本発明における収差レーザビーム発光部材の光学系を示すブロック図。 収差レーザビームの集束状態を示す拡大説明図。 パルスレーザビームのバーストのプロファイルを示す概念図。 本発明における分断加工工程の第一段階を示す説明図。 本発明における分断加工工程の第二段階を示す説明図。 本発明におけるブレイク手段の他の一例を示す説明図。 従来の金属膜付き脆性材料基板の分断方法の一例を示す説明図。
以下において、本発明の詳細を図に示した実施例に基づき説明する。
図１は本発明に係るスクライブ装置（分断装置）Ａを示す図である。
スクライブ装置Ａには、左右の支柱１、１にＸ方向に沿ったガイド２を備えた水平なビーム（横梁）３が設けられている。このビーム３のガイド２には、収差レーザビーム発光部材４を備えたスクライブヘッド５と、分断用レーザビーム発光部材６を備えたスクライブヘッド７とがモータＭ１によりＸ方向に移動できるように取り付けられている。加工対象基板Ｗを載置して吸着保持するテーブル８は、縦軸を支点とする回動機構９を介して台盤１０上に保持されており、台盤１０は、モータＭ２によって駆動するスクリューネジ１１によってＹ方向（図１における前後方向）に移動できるように形成されている。なお、本実施例では、収差レーザビーム発光部材４と分断用レーザビーム発光部材６とは個別のスクライブヘッド５、７に振り分けて取り付けられているが、共通のスクライブヘッドに取り付けるようにしてもよい。
スクライブヘッド５に取り付けられた収差レーザビーム発光部材４は、図２に示すように、パルス幅（パルス持続時間）が１００ピコ秒以下、好ましくは５０ピコ秒以下（通常は１ピコ秒以上）、ここでは１０ピコ秒のパルスレーザビームを出射する光源４ａと、この光源４ａから発振されたパルスレーザビームを分割されたバースト列の集合として出射させる光変調器４ｂと、この光変調器４ｂから出射されたレーザビームＬ１に収差を生じさせる収差生成レンズ４ｃとを備える。
なお、光源４ａには波長０．７〜２．５μｍの近赤外レーザを使用することができ、本実施例では波長１．０６４μｍの近赤外線レーザを用いた。
また、パルスレーザビームのバースト列を出射させる光変調器４ｂについては、例えば特表２０１２−５１５４５０号公報に開示されており、ここでは公知の光変調器を利用してパルスレーザビームのバースト列を出射するものとし、詳細については説明を省略する。
光変調器４ｂから出射されたレーザビームＬ１に収差を生じさせるために用いる収差生成レンズ４ｃは、特に限定されるものではないが、ここでは焦点を光軸方向に分散させ、通過したレーザビームＬ１を軸方向にぼやけた焦点を結ぶように集束させて収差を生じさせる平凸レンズを利用している。この平凸レンズを通過したレーザビームＬ１は、焦点が分散した収差レーザビームＬ２となる。レーザビームＬ１を平凸レンズの平面側から入射させることによって、凸面側から収差レーザビームＬ２を出射させることができる。
パルスレーザビームのバースト列から生成された収差レーザビームＬ２は、図３（ａ）に示すように、収差生成レンズ４ｃで集束させることによりレーザエネルギーを各焦点部ｆで蓄積させた狭くて長い高エネルギー分布領域Ｆを形成することができる。この高エネルギー分布領域Ｆを模式的に拡大した図を図３（ｂ）に示す。このような高エネルギー分布領域Ｆの形成によって、加工対象基板、例えばソーダガラス基板の表面に照射したときに、ソーダガラス基板の被照射面から内部深くまで強度が低下した改質層Ｋ（図５参照）を加工することができる。
もう一方のスクライブヘッド７に取り付けられた分断用レーザビーム発光部材６から出射される分断用レーザビームＬ３（図６参照）は、上記収差レーザビームＬ２により強度が低下した改質層Ｋを完全分断可能なレーザビームが用いられる。本実施例では、この分断用レーザビームＬ３として波長１０．６μｍのＣＯ２レーザビームを使用した。なお、ＣＯ２レーザビームに代えて、波長１．０６４μｍのＮｄ；ＹＡＧレーザビーム等の波長０．７〜２０μｍのレーザビームを用いることもできる。
次に、上記のスクライブ装置Ａを用いた本発明に係る金属膜付き脆性材料基板Ｗの分断方法について、以下に説明する。本実施例では、母体となる脆性材料基板Ｗ１が厚み１ｍｍのソーダガラスで形成され、その一面に厚み０．０５〜５μｍ（具体的には０．１μｍ）のアルミニウムからなる金属膜Ｗ２を積層させた金属膜付き脆性材料基板Ｗを加工対象基板とした。
まず、図５（ａ）に示すように、テーブル８上に金属膜付き脆性材料基板Ｗを載置し、収差レーザビーム発光部材４から出射される収差レーザビームＬ２を基板Ｗに向かって照射しながら、スクライブヘッド５とガイド２による移動機構により基板Ｗの分断予定ラインに沿って移動させる。このとき、収差レーザビームＬ２の集束部における高エネルギー分布領域Ｆが脆性材料基板Ｗ１の厚みの中間から金属膜Ｗ２に及ぶようにする。これにより、図５（ｂ）に示すように、脆性材料基板Ｗ１の被照射面から下面まで、強度が弱くなった改質層Ｋを加工することができると同時に、肉厚の薄い金属膜Ｗ２の高エネルギー分布領域Ｆがアブレーション等により除去されて分断溝Ｖが形成される。この分断溝Ｖの部分で金属膜Ｗ２が完全に切り離されるか、あるいは、厚みの大部分が除去される。
なお、基板Ｗを受けるテーブル８には、収差レーザビームＬ２を照射したときに、基板Ｗを透過したレーザビームを下方に逃がすことができるように空間８ａを設けておくのが好ましい。
ここで、バーストを含む収差レーザビームＬ２（パルスレーザビームのバースト列）の好ましい実施条件の一例を下記に示す。

レーザ出力 ： ９．７Ｗ
繰り返し周波数 ： ３２．５ｋＨｚ
パルス幅 ： １０ピコ秒
パルス間隔（レーザパルスの基板上での照射スポットの照射間隔）： ３μｍ
バースト ： ２パルス
パルスエネルギー ： １４９μＪ／１バースト
走査速度 ： ９７．５ｍｍ／ｓ

なお、加工深さや加工状態は、上記したレーザ出力、繰り返し周波数、パルス幅、バースト数やパルス間隔、収差等の調整により容易にコントロールすることができる。
図４はパルスレーザビームのバースト列を示す模式図である。１つ１つのパルスレーザビームが分割された２つの微細パルスＰが形成され、これが繰り返し周波数ごとに間欠的に照射される。
上記のように、収差レーザビームＬ２のスキャンによって、基板Ｗの脆性材料基板Ｗ１に改質層Ｋを加工すると同時に金属膜Ｗ２に分断溝Ｖを加工した後、図６に示すように、改質層Ｋを加工した分断予定ラインに向かって分断用レーザビーム発光部材６からＣＯ２レーザビームＬ３を照射しながら、スクライブヘッド７並びにガイド２を含む移動機構により分断予定ラインに沿って移動させる。このときのＣＯ２レーザビームＬ３のレーザ照射条件は、加工対象となる金属膜付き脆性材料基板Ｗの素材や厚みによって異なるが、本実施例では出力を１２０Ｗ、走査速度を１８０ｍｍ／ｓ、繰り返し周波数を１０ｋＨｚとした。
このようにして、改質層Ｋを加工した分断予定ラインに沿ってＣＯ２レーザビームＬ３を照射しながら移動させることにより、レーザビームの熱によって脆性材料基板Ｗ１の強度が弱くなった改質層Ｋが完全分断される。また、これに先立って収差レーザビームＬ２の照射によって金属膜Ｗ２が分断溝Ｖで切り離されているか、あるいはその厚みの大部分が除去されているので、ＣＯ２レーザビームＬ３で外力を加えることにより、金属膜付き脆性材料基板Ｗに引きちぎり痕やソゲ、チッピング等が生じることなく、分断予定ラインに沿ってきれいな端面で確実に分断することができる。
上記実施例では、収差レーザビームＬ２によって脆性材料基板Ｗ１に改質層Ｋを加工した後に、金属膜付き脆性材料基板Ｗに外力を加えて改質層Ｋから分断するブレイク手段として分断用レーザビームＬ３を用いたが、これに代えて、ブレイクバーを用いて機械的に外力を加えて分断するようにしてもよい。
図７はブレイクバーを用いたブレイク手段を示すものであって、図７（ａ）に示すように、ステージ１２上にゴム等からなる弾性シート１３を敷設し、この弾性シート１３上に改質層Ｋが加工された金属膜付き脆性材料基板Ｗを、金属膜Ｗ２側が上になるようにして載置する。そして図７（ｂ）に示すように、上方からブレイクバー１４を改質層Ｋに向かって押し付けることにより、脆性材料基板Ｗ１を撓ませて改質層Ｋから基板Ｗを分断することができる。
本発明者は、脆性材料基板Ｗ１の材質並びに厚みが先の実施例と同じで、金属膜Ｗ２の材料をアルミニウムに代えてクロムとした場合についても、下記のレーザ照射条件で収差レーザビームＬ２の照射実験を行った。この場合も、先のアルミニウム膜と同じように、母体となる脆性材料基板Ｗ１に強度が低下した改質層Ｋが加工されると同時に、金属膜Ｗ２に分断溝Ｖを形成することができた。

レーザ出力 ： ７．６Ｗ
繰り返し周波数 ： １３ｋＨｚ
パルス幅 ： １０ピコ秒
パルス間隔（レーザパルスの基板上での照射スポットの照射間隔）： ４μｍ
バースト ： ４パルス
パルスエネルギー ： １４６μＪ／１バースト
走査速度 ： ５２ｍｍ／ｓ
以上、本発明の代表的な実施形態について説明したが、本発明は必ずしも上記の実施形態のみに特定されるものでない。例えば、上記実施例では、ブレイク手段として光学系を用いたときに、収差レーザビームＬ２の照射によって全ての分断予定ラインに改質層Ｋを形成した後、分断用レーザビームＬ３を改質層Ｋに沿って照射して分断するようにしたが、収差レーザビームＬ２の照射に追随して分断用レーザビームＬ３を照射するようにしてもよい。その他本発明では、本発明の目的を達成し、請求の範囲を逸脱しない範囲内で適宜修正および変更することが可能である。
本発明は、ガラス基板等の脆性材料基板の一面に金属膜を積層した金属膜付き脆性材料基板を分断するときに利用することができる。
Ａ スクライブ装置（分断装置）
Ｆ 高エネルギー分布領域
Ｋ 改質層
Ｌ１ レーザビーム
Ｌ２ 収差レーザビーム
Ｌ３ 分断用レーザビーム（ＣＯ２レーザビーム）
Ｖ 分断溝
Ｗ 金属膜付き脆性材料基板
Ｗ１ 脆性材料基板
Ｗ２ 金属膜
２ ガイド
４ 収差レーザビーム発光部材
４ａ 光源
４ｂ 光変調器
４ｃ 収差生成レンズ
５ スクライブヘッド
６ 分断用レーザビーム発光部材
７ スクライブヘッド
８ テーブル
１４ ブレイクバー

Claims (6)

  1. 脆性材料基板の片側の一面に金属膜を付着させた樹脂層付き脆性材料基板の分断方法であって、
    パルスレーザビームのバーストを含むレーザビームを平凸レンズの平面側から入射させて凸面側から収差レーザビームを生成させ、
    前記収差レーザビームの最集束部を前記金属膜付き脆性材料基板の母体となる脆性材料基板の表面から分断予定ラインに沿ってスキャンして、前記脆性材料基板に貫通する穴を形成することなく強度が低下した改質層を形成すると同時に前記金属膜に分断溝を形成し、
    次いで、前記改質層に沿ってブレイク手段を介して前記金属膜付き脆性材料基板を前記分断予定ラインに沿って分断するものであり、
    前記ブレイク手段が、分断用レーザビームを照射することにより分断するようにしたもの、又はブレイクバーを押し付けることにより分断するようにしたものであることを特徴とする金属膜付き脆性材料基板の分断方法。
  2. 前記分断用レーザビームが、ＣＯ２レーザビームである請求項１に記載の金属膜付き脆性材料基板の分断方法。
  3. 前記平凸レンズの平面側に回折光学素子（ＤＯＥ）を配置する請求項１または２に記載の金属膜付き脆性材料基板の分断方法。
  4. 脆性材料基板の片側の一面に金属膜を付着させた金属膜付き脆性材料基板の分断装置であって、
    前記金属膜付き脆性材料基板を載置するテーブルと、
    光源から出射されたパルスレーザビームのバーストを含んだレーザビームを平凸レンズの平面側から入射させて凸面側から収差レーザビームを生成させる収差レーザビーム発光部材と、
    前記収差レーザビーム発光部材を前記金属膜付き脆性材料基板の分断予定ラインに沿って相対的に移動させて母体となる脆性材料基板に貫通する穴を形成することなく強度が低下した改質層を加工すると同時に金属膜に分断溝を加工する移動機構と、
    前記改質層に沿って前記金属膜付き脆性材料基板を分断するブレイク手段とからなり、
    前記ブレイク手段が、分断用レーザビームを照射することにより分断するようにしたもの、又はブレイクバーを押し付けることにより分断するようにしたものである金属膜付き脆性材料基板の分断装置。
  5. 前記平凸レンズの平面側に回折光学素子（ＤＯＥ）を配置する請求項４に記載の金属膜付き脆性材料基板の分断装置。
  6. 前記テーブルには、収差レーザビームを照射したときに、前記基板を透過したレーザビームを下方に逃がすことができる空間が設けられている請求項４または５に記載の金属膜付き脆性材料基板の分断装置。
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