KR101200789B1 - 취성 재료 기판의 할단 방법 - Google Patents

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미쓰보시 다이야몬도 고교 가부시키가이샤
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Abstract

(과제) 레이저를 이용한 취성 재료 기판의 할단 방법에 있어서, 할단 예정선의 종단까지 수직 균열을 진전시킨다.
(해결 수단) 취성 재료 기판의 한쪽면의, 할단 예정선의 할단 개시단에 초기 균열을 형성하는 공정과, 상기 초기 균열로부터 상기 할단 예정선을 따라서 레이저 빔을 상대 이동시키면서 조사하여, 상기 기판을 용융 온도 미만으로 가열한 직후에, 냉각 매체에 의해 냉각하고, 이에 따라 상기 기판에 열응력을 발생시켜, 상기 할단 예정선을 따라서 상기 초기 균열을 진전시켜서, 상기 기판의 이면(裏面)에 도달하는 수직 균열을 형성하는 공정을 갖는다. 그리고, 상기 레이저 빔에 의한 가열 조건 및 냉각 매체에 의한 냉각 조건의 적어도 한쪽을, 상기 초기 균열을 진전시키는 공정의 도중에 변화시켜 상기 기판의 이면에 도달하지 않는 수직 균열을 형성한다.

Description

취성 재료 기판의 할단 방법{METHOD FOR DIVIDING BRITTLE MATERIAL SUBSTRATE}
본 발명은, 취성 재료 기판(brittle material substrate)의 할단(dividing) 방법에 관한 것이며, 보다 상세하게는 레이저를 이용한 취성 재료 기판의 할단 방법에 관한 것이다.
종래, 유리 기판이나 세라믹 기판 등의 취성 재료 기판의 할단 방법으로서는, 취성 재료 기판의 표면에 커터 휠 등을 압접시키면서 전동(轉動)시켜, 취성 재료 기판의 표면에 대하여 대략 수직 방향의 균열(이하, 「수직 균열」이라고 함)을 형성하고, 이어서, 기판에 대하여 수직 방향으로 기계적인 누름력을 가하여, 수직 균열을 기판 두께 방향으로 진전(進展)시켜 기판을 할단하는 방법이 널리 행해지고 있었다.
그러나, 통상, 커터 휠을 이용하여 취성 재료 기판의 수직 균열을 형성한 경우, 컬릿(cullet)이라고 불리는 작은 파편이 발생하여, 이 컬릿에 의해 취성 재료 기판의 표면에 흠집이 생기는 경우가 있었다. 또한, 할단 후의 취성 재료 기판의 단부에는 마이크로 크랙이 발생하기 쉬워, 이 마이크로 크랙에 기인하여 취성 재료 기판의 균열이 발생하는 경우가 있었다. 이 때문에, 통상은 할단 후에, 취성 재료 기판의 단부를 연마?세정하여 마이크로 크랙이나 컬릿 등을 제거하고 있었다.
한편, 최근, CO2 레이저 빔을 이용하여 취성 재료 기판을 용융 온도 미만으로 가열하고, 이에 따라 취성 재료 기판에 발생한 열응력에 의해, 국소적으로 인장 응력을 발생시켜 수직 균열을 형성함으로써, 취성 재료 기판을 할단하는 방법이 최근 다양하게 검토?개발되고 있다. 이 레이저 빔을 이용하는 할단 방법은 비접촉 가공이기 때문에, 상기한 컬릿이나 마이크로 크랙 등의 잠재적 결함의 발생이 억제된다.
그런데 , 이 레이저 빔을 이용하는 할단 방법에서는, 도 4(a)에 나타내는 바와 같이, 할단 예정선(L1)의 종단(기판 단부) 근방에 있어서 수직 균열(L2)의 진전이 끊긴다고 하는 문제가 있다. 할단 예정선(L1)의 종단에 수직 균열이 형성되어 있지 않은 상태에서, 기판(G)에 누름력을 가하여 할단하면, 도 4(b)에 나타내는 바와 같이, 할단선의 종단 부분(L3)이 할단 예정선(L1)으로부터 벗어나 충분한 치수 정밀도를 얻을 수 없게 된다. 이 때문에, 종래는, 할단 예정선(L1)의 종단의, 수직 균열(L2)이 형성되지 않았던 부분에 대해서, 커터 휠을 압접 전동시켜 수직 균열을 다시 형성하는 작업을 필요로 하는 경우가 있었다.
그래서, 예를 들면 특허문헌 1에서는, 할단 예정선의 시점(始點)에 초기 균열을 형성한 후, 할단 예정선의 주위에 굽힘 모멘트를 가하면서 국소 가열을 주어, 할단 예정선을 따라서 수직 균열을 종단까지 진행시키는 기술이 제안되고 있다.
일본공개특허공보 평8-175837호
그러나, 상기 제안 기술에서는, 할단 예정선의 주위에 정확하게 굽힘 모멘트를 형성하기 위해서는, 기판 이면(裏面)의, 할단 예정선에 대응하는 위치에 정확하게 쐐기를 배치하지 않으면 안 되어, 엄밀한 작업이 요구된다.
본 발명은, 이러한 종래의 문제를 감안하여 행해진 것으로서, 그 목적은, 레이저를 이용한 취성 재료 기판의 할단 방법에 있어서, 비교적 간단한 작업으로 할단 예정선의 종단까지 수직 균열을 진전시키는 것에 있다.
상기 목적을 달성하는 본 발명에 따른 취성 재료 기판의 할단 방법은, 취성 재료 기판의 한쪽면의, 할단 예정선의 할단 개시단에 초기 균열을 형성하는 공정과, 상기 초기 균열로부터 상기 할단 예정선을 따라서 레이저 빔을 상대 이동시키면서 조사하여, 상기 기판을 용융 온도 미만으로 가열한 직후에, 냉각 매체에 의해 냉각하고, 이에 따라 상기 기판에 열응력을 발생시켜, 상기 할단 예정선을 따라서 상기 초기 균열을 진전시켜서, 상기 기판에 수직 균열을 형성하는 공정을 갖는 취성 재료 기판의 할단 방법으로서, 상기 수직 균열을 형성하는 공정은, 상기 기판의 이면에 도달하는 수직 균열을 상기 할단 예정선을 따라 진전시키는 도중에, 상기 레이저 빔에 의한 가열 조건 및 상기 냉각 매체에 의한 냉각 조건의 적어도 한쪽을 변화시켜, 상기 기판의 이면에 도달하지 않는 수직 균열을 상기 할단 예정선의 종단까지 진행시키는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 할단 예정선의 종단까지 수직 균열을 확실하게 진전시키는 관점에서는, 상기 할단 예정선의 종단 근방에 있어서, 상기 가열 조건 및 상기 냉각 조건의 적어도 한쪽을, 상기 기판에 발생하는 열응력이 작아지는 방향으로 변화시키는 것이 바람직하다.
상기 가열 조건으로서는, 레이저 빔의 상대 이동 속도, 조사 스폿 형상, 조사 출력 중 적어도 하나가 바람직하다. 상기 냉각 조건으로서는, 분사 스폿 위치인 것이 바람직하다.
또한, 취성 재료 기판을 확실하게 할단하는 관점에서는, 상기 할단 예정선을 따라서 상기 초기 균열을 진전시킨 후, 진전한 균열의 주위에 굽힘 모멘트를 가하는 공정을 추가로 형성해도 좋다.
본 발명의 할단 방법에서는, 레이저 빔에 의한 가열 조건 및 냉각 매체에 의한 냉각 조건의 적어도 한쪽을, 상기 상대 이동의 도중에 변화시킨다고 하는 비교적 간단한 작업으로, 할단 예정선의 종단까지 수직 균열을 진전시킬 수 있게 된다. 이에 따라, 할단 예정선의 후단 부분에 있어서 단면(端面) 품질이 향상된다.
상기 할단 예정선의 종단 근방에 있어서, 상기 가열 조건 및 상기 냉각 조건의 적어도 한쪽을, 상기 기판에 발생하는 열응력이 작아지는 방향으로 변화시키면, 예를 들면, 레이저 빔의 조사 개시로부터 조건 변경까지는, 기판의 두께 방향으로 전체에 걸치는 관통 수직 균열이 형성되고, 조건 변경 후는, 기판 두께 방향으로 소정 깊이의 수직 균열이 형성되게 된다.
상기 변화시키는 가열 조건을, 레이저 빔의 상대 이동 속도, 조사 스폿 형상, 파장, 조사 출력 중 적어도 하나로 하고, 상기 변화시키는 냉각 조건을, 냉각 매체의 분사량, 분사 스폿 위치, 냉매 온도 중 적어도 하나로 하면, 기판에 발생하는 열응력을 제어하기 쉬워져, 할단 예정선을 따라서 진전시키는 수직 균열의 깊이를 제어할 수 있게 된다.
또한, 상기 할단 예정선을 따라서 상기 초기 균열을 진전시킨 후, 진전한 수직 균열의 주위에 굽힘 모멘트를 가하는 공정을 추가로 형성하면, 취성 재료 기판을 확실하게 할단할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 할단 방법을 실시하는 할단 장치의 실시예를 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 할단 방법에 있어서의 레이저 가열 및 냉각을 나타내는 개략 사시도이다.
도 3은 수직 균열의 진전 도중에, 가열 조건 및/또는 냉각 조건을 변화시켰을 경우의, 수직 균열의 형성 상태를 나타내는 유리 기판의 평면도이다.
도 4는 종래의 할단 방법에 있어서, 할단 예정선의 후단 근방에서 수직 균열이 끊겼을 경우의 문제를 설명한 도면이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
이하, 본 발명에 따른 취성 재료 기판의 할단 방법에 대해서 보다 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들 실시 형태에 조금도 한정되는 것은 아니다.
도 1에, 본 발명의 할단 방법을 실시 가능한 할단 장치의 일 예를 나타내는 개략도를 나타낸다. 도 1의 할단 장치에서는, 수평인 가대(stand; 11)상에, 한 쌍의 가이드 레일(13a, 13b)이 소정 거리 떨어져서 평행하게 형성되어 있다. 그리고, 이 한 쌍의 가이드 레일(13a, 13b)상을 지면(紙面) 수직 방향으로 이동하는 슬라이드 테이블(12)이 형성되어 있다. 슬라이드 테이블(12)의 하면으로부터 아래쪽으로 스테이(15)가 늘어뜨려져 형성되어 있다. 이 스테이(15)에, 가이드 레일(13a, 13b)의 사이에 가이드 레일(13a, 13b)과 평행하게 배치된 스크루 나사(14)가 나사 결합하고, 도시하지 않은 모터에 의해 스크루 나사(14)가 정?역 회전함으로써, 슬라이드 테이블(12)은 가이드 레일(13a, 13b)을 따라서 이동한다.
슬라이드 테이블(12)의 위에는, 유리 기판(G)을 올려놓는 지지대(2)가 형성되어 있다. 지지대(2)는, 한 쌍의 가이드 레일(13c(13d))을 따라서 도면의 좌우 방향으로 이동 가능하게 배치된 대좌(pedestal; 21)와, 이 대좌(21)상에 형성된 회전 기구(22)와, 회전 테이블(23)을 갖는다. 회전 테이블(23)은, 회전 기구(22)에 의해 회전이 자유롭게 형성되어 있고, 이 위에 유리 기판(G)이 도시하지 않은 진공 흡인 수단으로 고정된다.
지지대(2)의 위쪽의 부착 프레임(50)에는, 레이저 조사 수단(3)과, 이 레이저 조사 수단(3)에 근접하여 냉각 수단(4)이 형성되어 있다. 레이저 조사 수단(3)은, 광학 홀더(31)와 레이저 발진기(32)를 갖고, 레이저 발진기(32)로부터 발신된 레이저 빔이, 광학 홀더(31)에 의해 소정의 방향으로 뻗은 타원형의 레이저 스폿으로서 유리 기판상에 조사된다.
냉각 수단(4)은, 노즐(41)과, 노즐(41)을 이동시키는 솔레노이드(42)를 갖는다. 노즐(41)로부터는, 물, He 가스, 탄산 가스 등의 냉각 매체가 유리 기판을 향하여 분사된다. 후술하는 바와 같이, 솔레노이드(42)에 의해 노즐(41)을 이동시킴으로써, 레이저 빔 조사 스폿과 냉각 스폿과의 거리를 바꿀 수 있다.
또한, 이 도면에 나타내는 할단 장치에서는, 레이저 조사 수단(3) 및 냉각 수단(4)을 고정하고, 지지대(2)와 함께 유리 기판(G)을 이동시키고 있지만, 레이저 조사 수단(3) 및 냉각 수단(4)를 이동시키고, 유리 기판(G)을 고정해도 좋고, 레이저 조사 수단(3) 및 냉각 수단(4)과, 유리 기판(G)과의 쌍방을 이동시켜도 좋다.
이러한 구성의 할단 장치에 있어서, 레이저 발진기(32)의 출력이나 조사 스폿 형상, 노즐(41)로부터의 냉각 매체의 분사량, 냉각 스폿 위치, 모터(17)의 회전 속도 등의 제어는 컴퓨터 제어로 행해지고 있다. 이 도면에서는, 제어 수단의 일 예로서, 레이저 발진기의 출력 제어(33), 냉각 스폿 위치의 제어 수단(43), 모터(17)의 회전 속도 제어 수단(19)을 나타냈다.
상기 할단 장치를 이용하여 유리 기판을 할단하는 경우의 각 공정에 대해서 이하 설명한다. 우선, 유리 기판(G)을 회전 테이블(23)에 올려놓고 도시하지 않은 진공 흡인 수단으로 고정한다. 그리고, 광학 홀더(31)에 의한 레이저 조사 스폿(S1)(도 2에 도시)과, 노즐(41)에 의한 냉각 스폿(S2)(도 2에 도시)이 상대 이동 방향에 대하여 이 순서로, 할단 예정선(L1)(도 2에 도시)의 선상에 위치하도록 조정한다. 이어서, 유리 기판(G)의, 할단 예정선(L1)의 할단 개시단에 초기 균열을 형성한다.
그리고, 레이저 발진기(32)를 기동시켜 유리 기판(G)에 레이저 빔을 조사함과 함께, 노즐(41)로부터 냉각 매체를 분사시키고, 동시에, 모터(17)를 구동시켜 스크루 나사(16)를 회전시켜, 지지대(2)를 도 1의 왼쪽 방향으로 이동시킨다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 이에 따라, 레이저 조사 스폿(S1)과 냉각 스폿(S2)이, 할단 예정선(L1)을 따라서 상대 이동한다. 레이저 빔이 조사된 레이저 조사 스폿(S1)에서는, 유리 기판(G)이 가열되어 국부적인 압축 응력이 발생하고, 냉각 매체가 분무되는 냉각 스폿(S2)에서는, 유리 기판(G)이 냉각되어 국부적인 인장 응력이 발생한다. 그리고, 형성된 열응력 분포에 의해 초기 균열로부터 할단 예정선(L1)을 따라서 수직 균열(L2)이 진전한다.
진전하는 수직 균열(L2)의 깊이는, 가열 조건 및 냉각 조건의 적어도 한쪽을 변화시킴으로써 제어된다. 본 발명자들이 행한 실험 결과의 일 예를 나타낸다.
두께 0.7mm의 무알칼리 유리 기판에 대하여, CO2 레이저를 이용하고, 레이저 빔의 조사 출력을 120～500W, 상대 이동 속도를 100mm/sec 이하, 레이저 조사 스폿의 길이를 20～50mm, 폭을 4～6mm로 하고, 냉각 매체로서 물을 이용하여, 레이저 조사 스폿에서 냉각 스폿까지의 거리를 10～20mm로 하고, 분무량을 0.6～1.5㎤/min으로 하여 할단 처리를 행한 바, 상기 유리 기판에 형성된 수직 균열은, 유리 기판의 이면에 도달하는 균열이었다.
한편, 동일한 두께의 무알칼리 유리 기판에 대하여, CO2 레이저를 이용하고, 레이저 빔의 조사 출력을 50～500W, 상대 이동 속도를 50～1,000mm/sec, 레이저 조사 스폿의 길이를 30～100mm, 폭을 0.8～4mm로 하고, 냉각 매체로서 물을 이용하여, 레이저 조사 스폿에서 냉각 스폿까지의 거리를 10mm 미만으로 하고, 분무량을 0.6～1.5㎤/min으로 하여 할단 처리를 행한 바, 상기 유리 기판에 형성된 수직 균열은, 유리 기판의 두께에 대하여 10～20％ 정도의 균열이었다.
유리 기판(G)의 할단을 효율적으로 행하려면, 할단 예정선(L1)의 전체에 걸쳐, 기판의 이면에 도달하는 수직 균열을 형성하는 것이 가장 바람직하지만, 종래와 같이, 레이저에 의한 가열 조건 및 냉각 매체에 의한 냉각 조건을 고정하여 기판의 할단을 행하면, 할단 예정선(L1)의 기판 단부 근방에 있어서 수직 균열의 진전이 끊긴다고 하는 현상이 발생한다. 수직 균열의 진전이 끊기는 위치는, 기판의 두께나 재질에 따라 다르지만, 일반적으로 종단으로부터 수 mm～수십 mm 정도이다.
그래서 본 발명에서는, 수직 균열의 진전이 끊기는 위치 또는 그 바로 앞에 있어서, 가열 조건 및 냉각 조건의 적어도 한쪽을 변화시켜, 수직 균열을 끊기는 일 없이 진전시키도록 한다. 구체적으로는, 도 3(a)에 나타내는 바와 같이, 상기와 같이 가열 조건 및 냉각 조건을 조정하여, 유리 기판(G)의 이면에 도달하는 수직 균열(CR1)을, 할단 예정선(L1)의 개시단으로부터 진전시킨다. 그리고, 할단 예정선의 종단으로부터 10mm 정도인 곳에서, 가열 조건 및 냉각 조건의 적어도 한쪽을, 기판(G)에 발생하는 열응력이 작아지는 방향으로 변화시킨다. 그렇게 하면, 형성되는 수직 균열은, 유리 기판(G)의 두께에 대하여 10～20％ 정도의 수직 균열(CR2)이 되지만, 끊기는 일 없이 할단 예정선(L1)의 종단(기판 단부)까지 진전한다. 도 3(b)는, 가열 조건 및/또는 냉각 조건을 변화시키는 시점을 보다 빠르게 했을 경우로서, 이러한 경우라도, 개시단으로부터 조건 변경전까지 수직 균열(CR1)이 형성되고, 조건 변경 후는 할단 예정선의 종단까지 수직 균열(CR2)이 진전한다. 통상, 가열 조건 및 냉각 조건을 동일 조건으로 하여 할단을 행했을 경우의, 수직 균열의 진전이 끊기는 위치에는 편차가 있기 때문에, 가열 조건 및 냉각 조건을 변화시키는 위치는, 종단으로부터 20mm 이상 바로 앞의 위치로 하는 것이 실사용상 바람직하다.
상기 변화시키는 가열 조건으로서는, 레이저 빔의 상대 이동 속도, 조사 스폿 형상, 파장, 조사 출력 중 적어도 하나가 바람직하다. 상기 변화시키는 냉각 조건으로서는, 냉각 매체의 분사량, 분사 스폿 위치, 냉매 온도 중 적어도 하나가 바람직하다. 또한, 이들 조건에 있어서 변화시키는 방향은, 기판에 발생하는 열응력을 작게 하는 방향이 바람직하다.
도 1에 나타내는 할단 장치에서는, 모터(17)의 회전 속도를 변화시키고, 레이저 조사 수단(3) 및 냉각 수단(4)의, 유리 기판(G)에 대한 상대 이동 속도를 변화시킨다. 구체적으로는, 상기의 상대 이동 속도는, 할단 예정선의 종단 근방에 있어서 빠르게 한다. 또한 동시에, 레이저 조사 스폿과 냉각 스폿과의 거리를 변화시킨다. 구체적으로는, 할단 예정선의 종단 근방에 있어서, 솔레노이드(42)에 통전하여 노즐(41)을 광학 홀더(31)에 근접시키는 방향으로 이동시킨다. 그 외, 레이저 출력을 낮추거나, 혹은 레이저 조사 스폿의 형상을 길게, 또는 폭을 좁게 하여 보다 가늘고 긴 타원형으로 함으로써, 기판에 발생하는 열응력이 작아지도록 해도 상관없다.
이상과 같이 하여, 할단 예정선(L1)의 종단까지 수직 균열(CR1, CR2)을 형성한 후, 기판(G)에 대하여 수직 방향으로 누름력을 가한다. 이에 따라, 할단 예정선(L1)의 후단 부분의 기판 이면에 도달해 있지 않은 수직 균열(CR2)의 주위에 굽힘 모멘트를 가하여, 수직 균열(CR2)을 기판 이면측까지 진전시킨다. 물론, 기판(G)의 자중(自重) 등으로 수직 균열(CR2)이 기판 이면측까지 진전하는 경우는, 상기 누름력을 가할 필요는 없다.
본 발명의 할단 방법에서는, 할단 예정선의 종단까지 수직 균열을 진전시킬 수 있어, 할단 예정선의 후단 부분에 있어서 단면 품질이 향상하여 유용하다.
3 : 레이저 조사 수단
4 : 냉각 수단
G : 유리 기판(취성 재료 기판)
19 : 모터 회전 속도 제어
33 : 레이저 출력 제어
43 : 냉각 스폿 위치 제어
L1 : 할단 예정선
L2 : 할단선
S1 : 레이저 조사 스폿
S2 : 냉각 스폿
CR1 : 수직 균열(기판 두께 전체에 걸치는 균열)
CR2 : 수직 균열(기판 두께보다도 얕은 균열)

Claims (4)

  1. 취성 재료 기판(G)의 한쪽면의, 할단 예정선(L1)의 할단 개시단에 초기 균열을 형성하는 공정과, 상기 초기 균열로부터 상기 할단 예정선(L1)을 따라서 레이저 빔을 상대 이동시키면서 조사하여, 상기 기판(G)을 용융 온도 미만으로 가열한 직후에, 냉각 매체에 의해 냉각하고, 이에 따라 상기 기판(G)에 열응력을 발생시켜, 상기 할단 예정선(L1)을 따라서 상기 초기 균열을 진전시켜서, 상기 기판(G)에 수직 균열을 형성하는 공정을 갖는 취성 재료 기판의 할단 방법으로서,
    상기 수직 균열을 형성하는 공정은, 상기 기판(G)의 이면(裏面)에 도달하는 수직 균열(CR1)을 상기 할단 예정선(L1)을 따라 진전시키는 도중에, 상기 레이저 빔에 의한 가열 조건 및 상기 냉각 매체에 의한 냉각 조건의 적어도 한쪽을 변화시켜, 상기 기판(G)의 이면에 도달하지 않는 수직 균열(CR2)을 상기 할단 예정선(L1)의 종단까지 진행시키는 것을 특징으로 하는 취성 재료 기판의 할단 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 할단 예정선(L1)의 종단 근방에 있어서, 상기 가열 조건 및 상기 냉각 조건의 적어도 한쪽을, 상기 기판(G)에 발생하는 열응력이 작아지는 방향으로 변화시키는 취성 재료 기판의 할단 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 가열 조건은, 레이저 빔의 상대 이동 속도, 조사 스폿 형상, 조사 출력 중 적어도 하나이며, 상기 냉각 조건은, 냉각 매체의 분사 스폿 위치인 취성 재료 기판의 할단 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 할단 예정선(L1)을 따라서 상기 초기 균열을 진전시킨 후, 진전한 균열의 주위에 굽힘 모멘트를 가하는 공정을 추가로 갖는 취성 재료 기판의 할단 방법.
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