KR101275539B1

KR101275539B1 - 취성 재료 기판의 가공 방법과 그것에 이용하는 가공 장치

Info

Publication number: KR101275539B1
Application number: KR1020110022714A
Authority: KR
Inventors: 아츠시 이무라; 유스케 히라우치
Original assignee: 미쓰보시 다이야몬도 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2010-03-18
Filing date: 2011-03-15
Publication date: 2013-06-17
Also published as: CN102218778A; TWI454330B; JP5249979B2; CN102218778B; JP2011194644A; TW201139025A; KR20110105343A

Abstract

(과제) 분단 예정 라인을 따라 정밀도 좋게 기판을 분단할 수 있는 기판의 분단 방법을 제공한다.
(해결 수단) 기판(W)의 분단 예정 라인(L)을 따라 이동시키면서 레이저 조사함으로써 기판(W)에 국소적인 압축 응력을 발생시키는 가열 공정과, 가열된 영역을 냉각함으로써 인장 응력을 발생시켜 균열(10)을 분단 예정 라인(L)을 따라 진전시키는 냉각 공정과, 인장 응력이 잔류하여 균열(10)의 개구부가 열려 있는 동안에, 이 균열의 개구부가 발생하고 있는 영역에 대하여 외력을 인가하여 균열을 두께 방향으로 침투시키는 브레이크 공정을 구비한다.

Description

취성 재료 기판의 가공 방법과 그것에 이용하는 가공 장치{PROCESSING METHOD FOR BRITTLE MATERIAL SUBSTRATE AND PROCESSING APPARATUS USED THEREIN}

본 발명은, 유리, 실리콘, 세라믹, 반도체 등의 취성 재료 기판(brittle material substrate}에 대하여, 분단(dividing) 예정 라인을 따라 레이저 광을 조사하여 국소 가열하고, 계속해서 냉매를 분사하여 국소 냉각함으로써 당해 기판에 균열(crack)을 형성하는 가공 방법과 그것에 이용하는 가공 장치에 관한 것이다. 여기에서 말하는 「가공」은, 가열과 냉각에 의해 기판에 열응력 분포를 발생시켜 당해 기판에 균열을 형성하는 가공을 말하지만, 형성되는 균열이 기판 표면으로부터 이면(裏面)에 도달하도록 하여 완전 분단시키는 경우와 함께, 분단 예정 라인에 깊은 균열(기판 두께의 80％ 이상의 균열)을 형성하여 완전 분단의 직전 상태로 하는 바와 같은 가공도 포함된다.

종래, 취성 재료인 유리 기판을 분단(할단)하는 방법으로서, 예를 들면 특허문헌 1 그리고 특허문헌 2에서 개시되어 있는 바와 같이, 기판을 국소적으로 가열 및 냉각하고, 그때에 발생하는 열응력(압축 응력 그리고 인장 응력)에 의해, 미리 기판의 단부(端部)에 형성되어 있는 초기 균열(트리거)을 기점으로 하여 균열을 소망하는 방향으로 진전시켜, 기판에 스크라이브 라인(scribing line)을 형성하거나, 완전 분단(판두께가 매우 얇을 때 등)하거나 하는 가공 방법이 알려져 있다.

구체적으로는, 열원으로서 레이저 빔을 사용하여, 테이블 상에 보지(保持;holding)시킨 기판을 레이저 빔에 대하여 상대적으로 이동함으로써 레이저 빔을 기판의 분단 예정 라인을 따라 국소적으로 조사하여 가열함과 함께, 이에 추종하여 냉각 유닛의 노즐로부터 냉매를 분사한다. 이때 가열에 의해 발생하는 압축 응력과, 급냉에 의해 발생하는 인장 응력에 의한 응력 분포를 이용하여, 균열을 분단 예정 라인의 방향으로 진전시켜, 한줄의 스크라이브 라인을 형성한다.

그리고, 기판이 매우 얇은 경우 등에서 완전 분단되어 버리는 경우를 제외하고, 스크라이브 라인(균열)을 따라, 브레이크 바를 누르거나, 롤러를 압접 전동(rolling)하거나 함으로써 기판을 휘게 함으로써 기판을 분단하도록 하고 있다.

일본공개특허공보 2004-182530호 일본공개특허공보 2005-263578호

그러나, 전술한 종래 방법에서는, 가열, 냉각을 행한 후에, 외력을 주어 기판을 휘게 하여 분단할 때에, 분단되어 형성된 단면(端面)끼리가 서로 압압(pushing)해 버려, 정밀도 좋게 분단 예정 라인을 따라 분단할 수 없는 경우가 있었다. 또한, 분단면이 조잡해진다는 문제점도 있었다.

그래서 본 발명은, 본 과제를 해결하여, 분단 예정 라인을 따라 정밀도 좋게 분단할 수 있는 기판의 분단 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 검토한 후에, 발명자의 반복 실험에 의해, 분단되어 형성된 단면끼리가 서로 압압하는 것은, 이하의 점이 요인이 되어 있는 것을 알았다. 도 6은, 국소 가열 후에, 가열 부분에 추종하여, 냉매를 분사하여 냉각한 직후의 기판의 상태를 나타내는 단면도이다. 또한, 설명의 편의상, 균열 등을 과장하여 도시하고 있다.

기판(W)을 레이저 빔에 의해 국소적으로 가열한 후, 이 가열 부분을 냉각 장치의 노즐(13)로부터의 냉매에 의해 급냉하면, 인장 응력이 발생한다. 이 인장 응력에 의해, 도 6(a)에 나타내는 바와 같이 균열(11)이 발생한다. 이 균열의 개구부는 냉매가 분사되는 냉각 포인트로부터 떨어짐에 따라, 곧 닫혀, 도 6(b)에 나타내는 바와 같이 육안으로 볼 수 없는 블라인드 크랙(blind crack;12)이 된다. 블라인드 크랙은, 냉각에 의해 인장 응력이 발생하고 있는 영역이, 시간 경과에 따라 온도가 완화되어 재차 표면 온도가 상승했을 때에, 압축 응력으로 바뀌게 되어, 균열면이 압축되어 균열이 닫혀 있다고 생각된다. 이러한 블라인드 크랙(한번 발생한 균열의 개구부가 재차 닫혀 육안으로 보이지 않게 되어 있지만 내부에 균열이 남아 있는 상태)이 발생하고 있는 상태에서, 외력을 인가하여 기판을 휘게 하여 브레이크를 행하면, 균열의 개구부에 압축 응력이 잔류하여 닫혀 있기 때문에 큰 외력을 필요로 하고, 무리하게 분단하려고 하면 분단되어 형성된 단면끼리가 서로 압압해 버린다고 생각된다. 이 압축 응력이, 정밀도 좋게 분단 예정 라인을 따라 분단할 수 없게 되는 경우의 요인이 되고 있다.

따라서, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는 다음과 같은 기술적 수단을 강구했다. 즉, 본 발명의 기판 가공 방법에서는, 취성 재료 기판의 분단 예정 라인을 따라 레이저 빔을 상대적으로 이동시키면서 조사함으로써 가열하여 기판에 국소적인 압축 응력을 발생시키는 가열 공정과, 가열된 영역의 바로 뒤에 냉매를 분사하여 형성한 냉각 영역을 레이저 빔에 추종하여 이동시키면서 취성 재료 기판을 국소 냉각함으로써 인장 응력을 발생시켜 분단 예정 라인을 따라 균열을 진전시키는 냉각 공정과, 이 인장 응력이 잔류하여 균열의 개구부가 열려 있는 동안에, 이 균열의 개구부가 발생하고 있는 영역에 대하여 외력을 인가하여 균열을 두께 방향으로 침투시키는 브레이크 공정으로 이루어지도록 하고 있다.

여기에서, 브레이크 공정에 있어서의 외력을 인가시키는 위치는, 냉각 공정에 의한 냉각 영역의 냉각 중심으로부터 냉각 영역의 이동 방향 후방측으로 20㎜, 그리고, 냉각 영역의 이동 방향 전방측으로 5㎜의 범위에 배치하는 것이 좋다. 특히, 냉각에 의해 발생한 균열의 개구부가 최대로 열려 있는 위치가 가장 바람직하고, 기판의 냉각 중심(cp)으로부터 냉각 영역의 이동 방향과 반대 방향이 되는 후방을 향하여 0㎜∼10㎜의 범위의 위치가 적절하다.

또한, 본 발명의 기판 가공 장치에는, 테이블 상에 올려놓여진 취성 재료 기판의 분단 예정 라인을 따라 상기 기판의 상방으로부터 레이저 빔을 상대적으로 이동시키면서 조사함으로써 가열하여 기판에 국소적인 압축 응력을 발생시키는 레이저 조사 기구와, 가열된 영역의 바로 뒤에 냉매를 분사하여 형성한 냉각 영역을 레이저 빔에 추종하도록 이동시켜 취성 재료 기판을 국소 냉각함으로써 인장 응력을 발생시켜 분단 예정 라인을 따라 균열을 진전시키는 냉각 기구를 구비한 레이저 가공 장치로서, 상기 테이블은 상기 기판의 분할 예정 라인의 하면측을 노출시키기 위한 간극(gap)을 사이에 두고 양측으로 분할되고, 냉매의 분사에 의해 발생한 인장 응력이 잔류하여 균열의 개구부가 열려 있는 동안에, 이 균열의 개구부가 발생하고 있는 영역에 대하여, 상기 기판의 하방으로부터 외력을 인가하여 균열을 두께 방향으로 침투시키는 브레이크 기구를 구비하고 있다.

여기에서 상기 브레이크 기구는, 상기 테이블에 대하여, 상기 간극을 따라 상대적으로 이동하면서 기판의 분할 예정 라인의 하면을 압압하는 롤러로 이루어져 있다.

또한, 상기 냉각 기구는 냉매를 분사하는 노즐을 갖고, 냉매가 분사되는 냉각 포인트의 중심으로부터, 노즐의 기판에 대한 이동 방향과 반대측인 후방측 20㎜, 그리고, 이동 방향 전방측 5㎜의 범위 내에 상기 롤러를 배치하고 있다.

또한 상기 브레이크 기구는, 상기 롤러에 상대하는 상기 기판의 상방의 위치에 오목면 형상의 주면(周面)을 갖는 받침 롤러를 추가로 구비하고 있다.

본 발명의 가공 방법과 가공 장치에 의하면, 브레이크 공정에서의 외력을 인가하는 위치를, 냉각 공정에 의한 급격한 냉각에 의해 발생한 균열이 블라인드 크랙이 되지 않고, 균열의 개구부가 열려 있는 영역 내로 하고 있기 때문에, 외력을 조금 주는 것만으로, 즉, 균열의 개구부가 열려 있는 영역을 외력으로 조금 휘게 하는 것만으로, 무리 없이 균열을 침투시켜 분단할 수 있다. 이에 따라, 종래와 같은, 분단되어 형성된 단면끼리가 서로 압압하는 바와 같은 현상을 없앨 수 있어, 분단 예정 라인을 따라 정밀도 좋게 분단할 수 있음과 함께, 매끄럽고, 깨끗한 가공면을 얻을 수 있다는 효과가 있다.

본 발명에 있어서, 브레이크 공정에 있어서의 외력의 인가 수단으로서 기판에 압접하는 롤러를 사용하고, 이 롤러를 기판의 레이저 빔 조사면과는 반대측에 배치하여, 롤러를 누름으로써 외력을 인가하도록 하는 것이 좋다.

이에 따라, 균열의 개구부가 열려 있는 영역을 정확하게 휘게 할 수 있어, 무리 없이 균열을 침투시켜 분단할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 가공 방법을 실시하기 위한 레이저 가공 장치의 일 예를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 가공 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 있어서의 가공시의 열응력의 발생 상태를 나타내는 확대 단면도로, 압축 응력이 발생하고 있는 상태를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 있어서의 가공시의 열응력의 발생 상태를 나타내는 확대 단면도로, 인장 응력이 발생하고 있는 상태를 나타낸다.
도 5는 외력이 인가되어 있는 상태를 나타내는 확대 단면도이다.
도 6은 레이저 가공 후에, 냉매를 분사하여 냉각한 직후의 기판의 상태를 나타내는 단면도이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

이하, 본 발명에 따른 가공 방법의 상세를, 그 실시 형태를 나타내는 도면에 기초하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 가공 방법을 실시하기 위한 레이저 가공 장치의 일 예를 나타내는 개략적인 사시도이고, 도 2는 가공 방법을 설명하기 위한 도면이다.

레이저 가공 장치는, 유리 기판(W)을 올려놓기 위한 2분할된 테이블(1)을 구비하고 있다. 테이블(1)은, 기판(W)을 올려놓기 위한 평평한 상면(2)을 갖고 있고, 상면(2)에는 다수의 에어 흡인구멍(3)이 형성되어 있다. 이 에어 흡인구멍(3)은, 올려놓여지는 기판(W)을 흡인 보지하기 위한 것으로서, 테이블(1)의 내부에 설치된 매니폴드(도시하지 않음)를 통하여 에어 흡인 펌프(도시하지 않음)로 연통(communication)되어 있다. 또한, 테이블(1)에 올려놓여진 기판(W)을, 흡반(吸盤; 4)을 통하여 들어 올려 반송시키기 위한 반송 로봇(5)이 설치되어 있다.

또한, 테이블(1) 상에 올려놓여진 기판(W)을, 분단 예정 라인을 따라 가공하기 위해, 기판(W)에 국소적인 압축 응력을 발생시키는 가열 수단으로서의 레이저 조사 기구(6)와, 이 레이저 조사 기구(6)에 의한 가열 영역(레이저 스폿)에 추종하여, 가열 영역의 바로 뒤를 냉매 분사에 의해 냉각함으로써 인장 응력을 발생시켜, 균열을 분단 예정 라인을 따라 진전시키는 냉각 기구(7)와, 이 인장 응력이 잔류하고 있는 동안에, 냉각 영역 근방(균열의 개구부가 발생하고 있는 영역)에 대하여 외력을 인가하여 균열을 두께 방향으로 침투시키는 브레이크 기구(8)가 설치되어 있다.

냉각 기구(7)는, 선단(先端)으로부터 냉매를 분사하는 노즐(7a)을 구비하고 있다. 또한, 브레이크 기구(8)는, 기판(W)의 하방측에 배치된 롤러(8a)를 구비하고 있고, 이 롤러(8a)를 분할된 테이블(1)의 간극(gap)에서, 아래로부터 압압시킴으로써 기판(W)을 압압하여 분단하게 되어 있다. 또한, 롤러(8a)에 상대하여, 기판(W)의 상방측에 오목면 형상의 주면(周面)을 갖는 받침 롤러(8b)를 설치해 두는 것이 바람직하다.

레이저 조사 기구(6), 냉각 기구(7), 브레이크 기구(8)는, 레이저 조사 기구(6)를 선두로 하여 순차로 일직선 상에 배열되어 공통의 보지 부재(holding member;9)에 의해 보지되어 있고, 구동 기구(도시하지 않음)에 의해, 기판(W)을 올려놓은 테이블(1)에 대하여 상대적으로 배열 방향을 따라 이동할 수 있도록 형성되어 있다.

브레이크 기구(8)의 롤러(8a)는, 노즐(7a)로부터의 냉매 분사에 의한 급격한 냉각에 의해 발생한 균열(10)(도 4 참조)이 블라인드 크랙이 되지 않고, 균열의 개구부가 열려 있는 영역에 배치된다.

구체적으로는, 가공해야 할 유리 기판(W)의 두께가 0.4㎜∼1.1㎜ 정도, 기판(W)의 전송 속도가 50㎜/초∼500㎜/초로 했을 때에, 노즐(7a)에 의한 냉각 포인트의 중심(cp)(도 2)으로부터 노즐(7a)의 기판(W)에 대한 이동 방향(화살표 방향)과 반대 방향인 후방측의 20㎜ 그리고 이동 방향 전방측 5㎜의 범위에 롤러(8a)가 배치된다.

특히, 냉각에 의해 발생한 균열의 개구부가 크게 열려 있는 위치가 가장 바람직하고, 냉각 포인트의 중심(cp)(도 2)으로부터 노즐(7a)의 기판(W)에 대한 이동 방향과는 반대 방향의 후방측을 향하여 0㎜∼10㎜의 범위 내의 위치가 적절하다. 덧붙여 말하면, 종래는 스크라이브와 브레이크는 별도의 공정에서 행해야 한다는 생각이 있어, 롤러 브레이크를 행하는 경우에는, 가급적 진동을 주지 않는 편이 좋다고 생각하고, 또한 기판(W)이 충분히 냉각되어 균열이 기판의 두께 방향으로 진전이 끝난 후에 브레이크 공정을 형성하는 편이 좋다고 생각하여, 충분히 냉매 분사 위치로부터 떨어진 위치(냉각 중심(cp)으로부터 후방측을 향하여 20㎜ 이상 이격)에 롤러가 배치되도록 하고 있었다.

또한, 롤러(8a)를 냉각 포인트의 중심(cp)으로부터 노즐(7a)의 기판(W)에 대한 이동 방향 전방측으로 5㎜보다 떨어진 위치에 배치한 경우에는, 균열을 침투시키는 효과를 볼 수 없었다.

다음으로, 가공 동작에 대해서 설명한다. 기판(W)을 분단 예정 라인(L)을 따라 가공할 때에 있어서, 기판(W)의 분단 예정 라인(L)이 레이저 가공 장치에 있어서의 소정의 가공 위치에 오도록 위치 맞춤을 하면서 테이블(1)에 보지시킨다. 그리고, 레이저 조사 기구(6)(보지 부재(9))를 분단 예정 라인(L)을 따라 상대적으로 이동시키면서 기판(W)에 레이저 빔을 조사함으로써, 도 3에 나타내는 바와 같이, 기판(W)에 국소적인 압축 응력의 영역(P1)을 발생시킨다. 이어서, 도 4에 나타내는 바와 같이, 레이저 빔에 추종시켜 레이저 빔에 의해 가열된 영역의 바로 뒤(따라서, P1은 조금 기판 내부로 이동함)를, 냉각 기구(7)의 노즐(7a)로부터의 냉매 분사에 의해 급냉하여 인장 응력(P2)을 발생시킨다.

이에 따라 균열(10)이 분단 예정 라인(L)(도 1)을 따라 형성된다. 또한 도 5에 나타내는 바와 같이, 브레이크 기구(8)의 롤러(8a)를 상승시켜, 냉각 공정에 의해 균열(10)이 발생하고 있는 영역을 휘게 하여, 균열 깊이를 판두께의 100％(완전 분단)에서 80％까지 침투시킨다.

이때, 브레이크 기구(8)의 롤러(8a)의 압접 위치가, 노즐(7a)에 의한 급격한 냉각에 의해 발생한 균열(10)이 블라인드 크랙이 되지 않고, 균열(10)의 개구부가 열려 있는 영역으로 되어 있기 때문에, 롤러(8a)를 조금 압압시키는 것만으로, 즉, 균열(10)의 개구부가 열려 있는 영역을 롤러(8a)로 조금 휘게 하는 것만으로, 무리 없이 균열을 침투시킬 수 있다. 이에 따라, 분단되어 형성된 단면끼리가 서로 압압하는 바와 같은 현상을 없앨 수 있어, 분단 예정 라인을 따라 정밀도 좋게 분단할 수 있음과 함께, 매끄럽고, 깨끗한 분단면을 얻을 수 있다.

이상 본 발명의 대표적인 실시예에 대해서 설명했지만, 본 발명은 반드시 상기의 실시 형태로 특정되는 것이 아니라, 그 목적을 달성하고, 특허청구 범위를 일탈하지 않는 범위 내에서 적절히 수정, 변경하는 것이 가능하다.

본 발명의 가공 방법은, 유리 기판 등의 취성 재료로 이루어지는 기판을 가공하는 데에 이용할 수 있다.

W : 기판
L : 분단 예정 라인
1 : 테이블
6 : 레이저 조사 기구
7 : 냉각 기구
7a : 노즐
8 : 브레이크 기구
8a : 롤러
10 : 균열

Claims

취성 재료 기판의 분단 예정 라인을 따라 레이저 빔을 상대적으로 이동시키면서 조사함으로써 가열하여 기판에 국소적인 압축 응력을 발생시키는 가열 공정과, 가열된 영역의 바로 뒤에 냉매를 분사하여 형성한 냉각 영역을 레이저 빔에 추종하여 이동시키면서 취성 재료 기판을 국소 냉각함으로써 인장 응력을 발생시켜 분단 예정 라인을 따라 균열을 진전시키는 냉각 공정과, 이 인장 응력이 잔류하여 균열의 개구부가 열려 있는 동안에, 이 균열의 개구부가 발생하고 있는 영역에 대하여 외력을 인가하여 균열을 두께 방향으로 침투시키는 브레이크 공정을 포함하고,
상기 브레이크 공정에 있어서의 외력을 인가시키는 위치는, 상기 냉각 영역의 범위 내로서, 냉각 공정에 의한 냉각 영역의 냉각 중심으로부터 냉각 영역의 이동 방향 후방측으로 20mm, 그리고, 냉각 영역의 이동 방향 전방 측으로 5mm의 범위 내이며, 냉각 공정에 의해 균열이 다 진전하기 전의 영역인 취성 재료 기판의 가공 방법.
제1항에 있어서,
상기 브레이크 공정에서 롤러를 사용하여, 이 롤러를 기판의 레이저 조사면과는 반대측에 배치하여, 롤러를 압접함으로써 외력을 인가하도록 한 취성 재료 기판의 가공 방법.
삭제
테이블 상에 올려놓여진 취성 재료 기판의 분단 예정 라인을 따라 상기 기판의 상방으로부터 레이저 빔을 상대적으로 이동시키면서 조사함으로써 가열하여 기판에 국소적인 압축 응력을 발생시키는 레이저 조사 기구와,
가열된 영역의 바로 뒤에 냉매를 분사하여 형성한 냉각 영역을 레이저 빔에 추종하도록 이동시켜 취성 재료 기판을 국소 냉각함으로써 인장 응력을 발생시켜 분단 예정 라인을 따라 균열을 진전시키는 냉각 기구를 구비한 레이저 가공 장치로서,
상기 테이블은 상기 기판의 분할 예정 라인의 하면측을 노출시키기 위한 간극(gap)을 사이에 두고 양측으로 분할되고,
냉매의 분사에 의해 발생한 인장 응력이 잔류하여 균열의 개구부가 열려 있는 동안에, 이 균열의 개구부가 발생하고 있는 영역에 대하여, 상기 기판의 하방으로부터 외력을 인가하여 균열을 두께 방향으로 침투시키는 브레이크 기구를 추가로 구비하며,
상기 브레이크 기구는, 상기 브레이크 기구에 의해 외력이 인가되는 위치가, 상기 냉각 영역의 범위 내로서, 상기 냉각 영역의 냉각 중심으로부터 냉각 영역의 이동 방향 후방측 20mm, 그리고, 냉각 영역의 이동 방향 전방 측으로 5mm의 범위 내이며, 냉각 공정에 의해 균열이 다 진전하기 전의 영역에 있도록 배치되는 레이저 가공 장치.
제4항에 있어서,
상기 브레이크 기구는, 상기 테이블에 대하여, 상기 간극을 따라 상대적으로 이동하면서 기판의 분할 예정 라인의 하면을 압압(pushing)하는 롤러로 이루어지는 레이저 가공 장치.
삭제
제5항에 있어서,
상기 브레이크 기구는, 상기 롤러에 상대하는 상기 기판의 상방의 위치에 오목면 형상의 주면(周面)을 갖는 받침 롤러를 추가로 구비한 레이저 가공 장치.