JPH09253879A - レーザビームによる脆性基板の割断方法及び装置 - Google Patents

レーザビームによる脆性基板の割断方法及び装置

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JPH09253879A
JPH09253879A JP8067871A JP6787196A JPH09253879A JP H09253879 A JPH09253879 A JP H09253879A JP 8067871 A JP8067871 A JP 8067871A JP 6787196 A JP6787196 A JP 6787196A JP H09253879 A JPH09253879 A JP H09253879A
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laser beam
cleaving
line
stage mechanism
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JP8067871A
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Takashi Matsumoto
隆 松本
Shinichi Wai
伸一 和井
Hideaki Sasaki
秀昭 佐々木
Takeoki Miyauchi
建興 宮内
Tatsuji Sakamoto
達事 坂本
Takeji Shiokawa
武次 塩川
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03BMANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B33/00Severing cooled glass
    • C03B33/09Severing cooled glass by thermal shock
    • C03B33/091Severing cooled glass by thermal shock using at least one focussed radiation beam, e.g. laser beam
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03BMANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B33/00Severing cooled glass
    • C03B33/02Cutting or splitting sheet glass or ribbons; Apparatus or machines therefor
    • C03B33/023Cutting or splitting sheet glass or ribbons; Apparatus or machines therefor the sheet or ribbon being in a horizontal position
    • C03B33/037Controlling or regulating

Abstract

(57)【要約】 【課題】レーザビームによる脆性基板の割断を高精度か
つ高能率に行なうことが可能である新規な方法及び装置
を提供すること。 【解決手段】被加工基板に対して実質的に高い吸光性を
有する塗料を用いて基板表面に割断線を描画し、当該割
断線に沿ってレーザビームを照射することによって基板
の割断を行なう。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、レーザビームによ
るシリコンウェハやセラミック基板等の脆性基板の割断
方法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術】レーザビームによる割断は、発塵が殆ど
なく切り代も不要であるという利点を持つため、脆性材
料からなる基板(シリコンウェハやセラミック基板等)
の加工に適している。即ち、レーザビームを被加工基板
(以下「基板」という)に照射すると、照射点近傍にお
ける基板材料が熱膨張して強大な圧縮応力が発生し、そ
の圧力を利用して基板を割断することができる。代表的
な酸化物セラミックであるムライト材(3Al23・2S
iO2)の場合は、出力100wの炭酸ガスレーザを使用
し、厚さ1.0mmの基板に対して直径4mmのビーム
を15mm/秒程度の移動速度で照射することによって
基板の割断を行なうことが可能である。しかしながら、
レーザビームによる割断方法は、熱膨張に伴う圧縮応力
がビーム照射点の半径方向に作用するため、所望の予定
線に沿って基板を精度良く割断することできない点で問
題がある。
【0003】このため、従来は、化学的エッチングによ
る微小溝を割断予定線上に形成した後、レーザビームを
照射する方法(特開平4−118190号公報参照)
や、基板とは化学組織の異なる改質層を割断予定線に沿
って形成した後、レーザビームを照射する方法(特開平
4−167985号公報参照)が提案されている。しか
しながら、これらの方法は、微小溝や改質層を形成する
ための面倒な前工程を必要とするため、大量生産に不向
きである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来技術の
前記問題点を解消し、レーザビームによる脆性基板の割
断を高精度かつ高能率に行なうことができる新規な方法
及びそのための装置を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明者は、試行錯誤の
結果、基板に対して実質的に高い吸光性を有する塗料を
用いて基板表面に割断線を描画し、当該割断線に沿って
レーザビームを照射すると、極めて高精度かつ高能率に
基板を割断することができることが判明した。即ち、基
板に対して実質的に高い吸光性を有する塗料を用いて割
断線を描画した場合は、当該割断線にレーザビームの照
射エネルギが集中して作用する結果、熱膨張による圧縮
応力を効率良く利用することができる。しかも、照射エ
ネルギの集中が割断線に沿って連続して発生するため、
割断線から離れて割断が進行する可能性が少なく、極め
て高精度に基板を割断することができる。
【0006】
【発明の実施の形態】ムライト材からなる基板の場合、
炭酸ガスレーザの発射光に対する吸光率は約90%で
あ。従って、割断線描画塗料は、それよりも実質的に高
い吸光率(例えば95%)を有するものを選択して使用
することが必要である。また、割断線描画塗料は、吸収
材として機能した後、ビーム照射熱によって蒸発するも
のを使用することが望ましい。種々の実験の結果、例え
ば4−メチル−チアゾル(吸光率約95%、沸点133
℃)およびジメチルサルファイト(吸光率約95%、沸
点126℃)を塗料として用いると、ビーム照射熱によ
り全ての成分がほぼ完全に蒸発するため、基板に吸着し
て汚染の原因とならないことが判明した。
【0007】本発明の割断方法の場合、基板上における
レーザビームのエネルギ及び断面積(直径)は、割断後
の基板の品質に重大な影響を及ぼす。即ち、図2aに示
すように、ビーム径が例えば直径2.0mm以下である
と、割断線(図示せず)による熱吸収が局部的となり、
基板1の表面のみが1000℃以上の温度に急激に上昇
する結果、基板表面が溶融して不測の障害(亀裂20や
飛散物21)が発生するほか、照射熱が基板下面に到達
しないため、熱膨張による基板の割断も円滑に起き難
い。
【0008】このため、本発明者は、図2bに示すよう
に、焦点の後側の適当な位置に基板1を配置することに
より、レーザビーム3をオーバーフォーカスさせて断面
積を大きくした状態で実験を行なった結果、ビーム径が
4.0mm〜5.0mm程度である場合は、炭酸ガスレー
ザの光出力を100w、ビームの移動速度を15mm/
秒程度に設定することにより、基板上のビーム照射面積
が広くなり、発生した熱も基板下面まで到達することが
判明した。このように、オーバーフォーカスさせたレー
ザビームを利用すると、熱膨張による圧縮応力が基板上
面から基板下面に亘って均等に発生して割断が容易にな
るほか、亀裂や飛散物の発生などの不所望な障害を防止
することが可能である。
【0009】レーザビームをオーバーフォーカスさせて
使用する場合は、基板の板厚に応じてビームのエネルギ
及び断面積(直径)を調整することが必要である。即
ち、図4a及び図4bに例示したように、板厚が1mm
である基板1aに対して最適であるビーム径は、板厚が
2mmである基板1bに対しては不適であるほか、エネ
ルギも不足となる。このため、図4cに示すように、ビ
ーム径を大きくするとともに、そのビーム径に見合って
レーザ発振器の光出力を増加させてやることが必要であ
る。
【0010】また、図5に例示したように、板厚が1.
0mmの場合におけるレーザ出力及びビーム径の最適値
がそれぞれ100w及び4mmであるとした場合、板厚
T(mm)の場合における光出力V及びビーム径Lの最適値
は、それぞれ100T(w)及び4T1/2(mm) ということ
になる。即ち、基板の板厚が大きいほど、ビーム径を広
げ、かつ、レーザ発振器の光出力を増加する必要があ
る。
【0011】レーザビーム断面におけるエネルギ分布
も、良好な割断を成功させるための重要な条件である。
即ち、複数のエネルギ・ピーク値が分布して存在するマ
ルチモード(図3a参照)は、高出力レーザ発振器によ
る広範囲の割断作業に適しており、一方、エネルギ・ピ
ーク値が一つだけ中心部に存在するシングルモード(図
3b参照)は、低出力レーザ発振器による高精度の割断
作業に適している。
【0012】
【実施例】以下、本発明に係る割断方法の実施形態を図
面に示した実施例を参照して更に詳細に説明する。本発
明の割断方法を実施するために使用した装置の一例を図
1に示す。同図において、2は、水平面内における所望
の移動が可能なように基板1を載置するためのXYステ
ージであり、4は、レーザ光をビーム3に集束して基板
1に照射するための照射ヘッドである。詳細図示せざる
も、照射ヘッド4には、レーザ発振器12の出力光を集
束するための光学系(反射鏡、収束レンズなど)が備え
られている。7は、基板1上におけるビーム3の断面積
の調整が可能なように照射ヘッドを搭載するためのZス
テージである。
【0013】図1の割断装置は、照射ヘッド4に加え
て、基板1の表面に割断線を描画するための塗布ペン5
を設けた塗料ヘッド6を備えている点に特徴がある。塗
料ヘッド6には、基板1に対する塗布ペン5の筆圧を調
節するためのピストンシリンダ9及び当該シリンダの内
圧をモニタするための圧力計10が配設されている。塗
料ヘッド6は、割断線の描画開始位置への設定が可能な
ように2軸ステージ8に搭載されている。2軸ステージ
8には、基板1の厚さを測定するための光反射式測長セ
ンサ11と、基板1の表面パターン(例えばLSIチッ
プパターン)を撮影するための撮像装置17が併設され
ている。
【0014】13は、レーザ発振器12の光出力を制御
するための回路(以下「光出力制御回路」という)であ
り、14は、照射ヘッド4を搭載したZステージ7を制
御するための回路(以下「照射ヘッド制御回路」とい
う)であり、15は、基板1を載置したXYステージ2
を制御するための回路(以下「XY移動制御回路」とい
う)である。16は、これらの制御回路を含む割断装置
の全体を管理する制御用計算機であって、撮像装置17
から送られて来る画像情報(基板1の表面パターン)を
演算処理することによって割断線の描画に必要とする数
値制御データを求めるほか、測長センサ11から送られ
て来る基板1の計測結果を演算処理することによって割
断に必要とするレーザビーム3のエネルギ及び断面積を
決定する。
【0015】基板1の割断を行なう場合は、XYステー
ジ2上に基板1を載置した後、その表面パターンを撮像
装置17を用いて撮影する。その画像情報は、制御用計
算機16に送られて、割断線の描画に必要とする数値制
御データとなる。詳細図示せざるも、2軸ステージ8
は、制御用計算機16から送られて来る数値制御データ
に基づいて動作し、割断線の書出予定点まで塗料ヘッド
6を移動する。塗料ヘッド6の設定が完了すると、XY
ステージ2が動作を開始し、XY移動制御回路15の制
御のもとで、制御用計算機16から送られて来る数値制
御データに基づいて基板1を割断線の予定ルートに沿っ
て移動する。割断線の描画中、塗料ヘッド6の塗布ペン
5の筆圧は、ピストンシリンダ9の内圧を圧力計10に
よってモニタされて常に一定に保たれる。この結果、基
板1の移動に伴って、所望の微小幅(約50μm程度)
の割断線を描画することができる。割断線の描画が終了
すると、基板1は、割断線の書出点まで戻される。
【0016】続いて、照射ヘッド制御回路14の制御の
もとで、Zステージ7が動作を開始し、制御用計算機1
6から送られて来るビーム断面積の値を満足する位置ま
で照射ヘッド4を移動する。一方、レーザ発振器12
は、光出力制御装置13によって制御され、制御用計算
機16から送られて来るビームエネルギの値を満足する
光出力を設定する。以上の準備が完了すると、レーザ発
振器12からレーザ光が発射されると同時に、XYステ
ージ2が再び動作を開始し、XY移動制御回路15の制
御のもとで、制御用計算機16から送られて来る数値制
御データに基づいて基板1を割断線に沿って移動する。
この結果、最適条件のレーザビームが基板に照射され、
割断線に沿って進行方向に亀裂が進展し、高精度な割断
を行なうことができる。
【0017】
【発明の効果】以上の詳細説明から明らかなように、本
発明に係る割断方法又は割断装置によれば、吸光性を有
する塗料からなる割断線を基板表面に描画するだけで基
板を高精度に割断することが可能となる。しかも、割断
線の描画を含む一連の割断工程は、制御用計算機16に
よる総合管理のもとで自動的に効率良く実行することが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る脆性基板の割断方法を実施するた
め装置の一を示す全体構成図。
【図2】レーザビームの基板に対する熱効果を説明する
ための概念図。
【図3】レーザビーム断面におけるエネルギ分布を説明
するための曲線図。
【図4】基板の板厚とレーザビームとの関係を説明する
ための概念図。
【図5】基板の板厚とレーザビームのエネルギ及び断面
積との関係を示す曲線図。
【符号の説明】
1:被加工基板 2:基板載置用XYステージ 4:照射ヘッド 6:塗料ヘッド 7:照射ヘッド搭載用Zステージ 8:塗料ヘッド搭載用2軸ステージ 11:板厚計測用センサ 12:レーザ発振器 13:光出力制御回路 14:照射ヘッド制御回路 15:XY移動制御回路 16:制御用計算機 17:撮像装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮内 建興 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 坂本 達事 神奈川県秦野市堀山下1番地 株式会社日 立製作所汎用コンピュータ事業部内 (72)発明者 塩川 武次 神奈川県秦野市堀山下1番地 株式会社日 立製作所汎用コンピュータ事業部内

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】被加工基板(以下「基板」という)に対し
    て実質的に高い吸光性を有する塗料を用いて基板表面に
    所望の割断線を描画する工程と、当該割断線に沿ってレ
    ーザビームを照射して基板を割断する工程からなる脆性
    基板の割断方法。
  2. 【請求項2】前記吸光性塗料は、4−メチル−チアゾル
    あるいはジメチルサルファイトであることを特徴とする
    請求項1に記載の割断方法。
  3. 【請求項3】前記吸光性塗料は、レーザ発射光の吸収材
    として機能した後、ビーム照射熱によって蒸発する性質
    を有するものであることを特徴とする請求項1に記載の
    割断方法。
  4. 【請求項4】蒸発性を有する前記吸光性塗料は、4−メ
    チル−チアゾルあるいはジメチルサルファイトであるこ
    とを特徴とする請求項3に記載の割断方法。
  5. 【請求項5】オーバフォーカスさせたレーザビームを前
    記割断線に沿って照射することによって基板を割断する
    ことを特徴とする請求項1〜請求項4のいづれか一に記
    載の割断方法。
  6. 【請求項6】水平面内における所望の移動が可能なよう
    に基板を載置するための第1のステージ機構と、レーザ
    光を発射するためのレーザ発振器と、レーザ光をビーム
    に集束して基板に照射するための照射ヘッドと、基板上
    におけるレーザビームの断面積の調整が可能なように照
    射ヘッドを搭載するための第2のステージ機構と、基板
    表面に割断線を描画するための塗布ペンを設けた塗料ヘ
    ッドと、割断線の描画開始位置への設定が可能なように
    塗料ヘッドを搭載するための第3のステージ機構と、第
    1のステージ機構に載置された基板の板厚を計測するた
    めの手段と、板厚の計測結果を演算処理することによっ
    て割断に必要とするレーザビームのエネルギ及び断面積
    を決定し、その結果に基づいてレーザ発振器及び第2の
    ステージ機構を制御するための手段を少なくとも備えた
    脆性基板の割断装置。
  7. 【請求項7】前記第1のステージ機構に載置された基板
    の表面パターンを撮影するための撮像装置と、撮影した
    画像情報を演算することによって割断線の描画に必要と
    する数値制御データを求め、その結果に基づいて前記第
    1のステージ機構及び前記第3のステージ機構を制御す
    るための手段を更に備えたことを特徴とする請求項6に
    記載の割断装置。
  8. 【請求項8】前記塗料ヘッドは、基板に対する塗布ペン
    の筆圧を調整するための手段を包含するものであること
    を特徴とする請求項6又は請求項7に記載の割断装置。
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