KR20110003531A - 취성 재료 기판의 가공 방법 - Google Patents

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KR20110003531A
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아츠시 이무라
켄지 후쿠하라
고오지 야마모토
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미쓰보시 다이야몬도 고교 가부시키가이샤
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Abstract

안정된 레이저 브레이크 처리를 할 수 있는 취성 재료 기판의 가공 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. (a) 제1 기판단(端) 근방의 스크라이브 예정 라인 상에 초기 균열을 형성하는 초기 균열 형성 공정과, (b) 제1회째의 레이저 조사의 빔 스폿을 제1 기판단 측으로부터 스크라이브 예정 라인을 따라서 제2 기판단까지 상대 이동시켜 가열함과 함께, 빔 스폿의 통과 직후의 부위를 냉각하고, 스크라이브 예정 라인에 발생하는 깊이 방향의 응력 구배를 이용하여 스크라이브 예정 라인을 따라서 유한 깊이의 스크라이브 라인을 형성하는 레이저 스크라이브 공정과, (c) 제2회째 레이저 조사의 빔 스폿을 스크라이브 라인을 따라서 제2 기판단으로부터 제1 기판단까지 역방향으로 상대 이동시켜 스크라이브 라인을 더욱 깊게 침투시키거나, 또는, 완전히 분단시키는 레이저 브레이크 공정에 의해 가공한다.

Description

취성 재료 기판의 가공 방법{METHOD FOR PROCESSING FRAGILE MATERIAL SUBSTRATE}
본 발명은, 레이저 조사에 의한 취성 재료 기판의 가공 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기판에 설정한 스크라이브 예정 라인을 따라서 제1회째의 레이저 빔을 조사하여 기판 상에 유한 깊이의 크랙으로 이루어지는 스크라이브 라인을 형성하고, 이어서, 제2회째의 레이저 빔을 조사하여 이 스크라이브 라인(scribe line)을 깊게 침투시키거나, 혹은 완전히 분단(dividing)하는 취성 재료 기판의 가공 방법에 관한 것이다.
여기에서, 취성 재료 기판이란, 유리 기판, 소결(燒結) 재료의 세라믹스, 단결정 실리콘, 반도체 웨이퍼, 사파이어 기판, 세라믹 기판 등을 말한다.
유리 기판 등의 취성 재료 기판에 레이저 빔을 조사하여, 기판 상에 형성되는 빔 스폿를 주사하여 라인 형상으로 가열하고, 추가로 가열 직후에 냉매를 분사하여 냉각하는 레이저 스크라이브 가공을 이용하면, 커터 휠 등에 의한 기계적인 가공에 비하여 컬릿의 발생을 저감시킬 수 있고, 또한, 단면(端面) 강도를 향상시킬 수 있다.
그 때문에, 플랫 패널 디스플레이를 비롯하여, 유리 기판 등을 분단하는 것이 필요한 여러 가지의 제조 공정 등에서 레이저 스크라이브 가공이 채용되고 있다.
일반적으로, 레이저 스크라이브 가공에서는, 이제부터 분단하려고 하는 가상선(스크라이브 예정 라인이라고 함)을 설정한다. 그리고 스크라이브 예정 라인의 시단(始端)이 되는 기판단(端)에, 커터 휠 등으로 초기 균열을 형성하여, 빔 스폿 및 냉각 스폿(냉매가 분사되는 영역)을 시단에 형성한 초기 균열의 위치로부터 스크라이브 예정 라인을 따라서 주사한다. 이때, 스크라이브 예정 라인 근방에 발생한 온도 분포에 기초하여 응력 구배가 발생하는 결과, 라인 형상의 크랙이 형성된다(특허문헌 1, 특허문헌 2, 특허문헌 3 참조).
그런데, 취성 재료 기판에 대하여 레이저 빔을 주사함으로써 형성되는 라인 형상의 크랙에는, 크랙의 깊이 방향의 선단이 기판의 이면까지 도달하지 않는 「유한 깊이의 크랙」과, 크랙이 기판의 이면까지 도달하여, 기판을 일거에 분단하는 「관통 크랙」(예를 들면 특허문헌 2 참조)이 있다.
전자의 「유한 깊이의 크랙」에 의해 형성되는 절단 선을 스크라이브 라인이라고 부르고, 후자의 관통 크랙에 의한 분단 라인을 풀 컷 라인이라고 부른다. 이들은 상이한 메커니즘에 의해 형성된다.
도 8은 유한 깊이의 크랙이 형성되는 메커니즘을 모식적으로(schematically) 나타낸 기판의 단면도이다. 즉 선행(先行)하는 레이저 가열에 의해, 도 8(a)에 나타내는 바와 같이 기판(GA)에 압축 응력(HR)이 발생한다. 이어서, 가열 후의 냉각에 의해, 도 8(b)에 나타내는 바와 같이 기판 표면에 인장 응력(CR)이 발생한다. 이때 열의 이동에 의해 기판 내부에 압축 응력(HR)이 이동하여, 내부 응력장(Hin)이 형성되어 있다. 그 결과, 도 8(c)에 나타내는 바와 같이, 깊이 방향의 응력 구배가 발생하여, 크랙(Cr)이 형성된다.
상기 메커니즘에 의해 크랙(Cr)이 형성되는 조건에서는, 기판 내부에 존재하는 압축 응력장(Hin)이 크랙(Cr)의 깊이 방향으로의 더 한층의 침투를 저지해 버리기 때문에, 크랙(Cr)은 기판 내부의 압축 응력장(Hin)의 바로 앞에서 정지하여, 원리적으로 크랙(Cr)은 유한 깊이가 된다. 그 때문에, 기판을 완전히 분단하려면, 크랙(Cr)에 의한 유한 깊이의 스크라이브 라인이 형성된 후에, 추가로 브레이크 처리를 행하지 않으면 안 된다. 그 한편으로, 크랙(Cr)에 의한 스크라이브 라인의 가공 단면은 매우 아름답고(표면의 요철이 작고), 게다가 직진성이 우수하여, 가공 단면으로서 이상적인 상태가 되어 있다.
도 9는 관통 크랙이 형성되는 메커니즘을 모식적으로 나타낸 기판의 사시도(도 9(a))와 평면도(도 9(b))이다. 즉 초기 균열(TR)의 위치로부터 주사되는 레이저 빔의 빔 스폿(BS)에 의해, 기판 표면에 압축 응력(HR)이 발생하고 있다. 동시에, 빔 스폿(BS)의 후방에 있는 냉각 스폿(CS)에 의해, 기판 표면에 인장 응력(CR)이 발생하고 있다. 그 결과, 주사 라인 상(스크라이브 예정 라인(L) 상)에 전후 방향의 응력 구배가 형성되고, 이 응력 구배에 의해, 주사 라인 방향을 따라서 기판을 좌우로 찢는 힘이 작용하여 관통 크랙이 형성되어, 기판이 분단되게 된다.
이 「관통 크랙」이 형성되는 경우는, 브레이크 처리를 행하는 일 없이 기판을 분단(풀 컷)할 수 있는 점에서 편리하고, 가공 용도에 따라서는 이쪽의 메커니즘에 의한 분단이 요망되는 경우도 있지만, 전술한 스크라이브 라인의 가공 단면과 비교하면, 풀 컷 라인의 가공 단면의 직진성이 손상되어 있는 경우가 있고, 또한, 풀 컷 라인의 단면의 아름다움(표면의 요철)에 대해서도 전술한 스크라이브 라인에 비하면 품질이 떨어진다.
또한, 레이저 스크라이브 가공에 의해 스크라이브 라인이 형성될지, 풀 컷 라인이 형성될지는, 가열 조건(레이저 파장, 조사 시간, 출력 파워, 주사 속도 등), 냉각 조건(냉매 온도, 분사량, 분사 위치 등), 기판의 판두께 등에 의존한다. 일반적으로, 유리 기판의 판두께가 얇은 경우는 두꺼운 경우에 비하여 풀 컷 라인이 되기 쉬워, 스크라이브 라인을 형성할 수 있는 가공 조건의 프로세스 윈도우가 좁다.
이상의 점에서, 유리 기판 등에 대하여 단면(端面) 품질이 우수한 분단 가공을 행하고 싶은 경우에는, 풀 컷 라인이 아니라, 스크라이브 라인이 형성되는 메커니즘의 조건으로 레이저 스크라이브 가공을 행하고, 그 후, 브레이크 처리를 행하도록 하고 있다.
레이저 스크라이브 가공 후에 행하는 브레이크 처리 방법으로서는, 브레이크 바 등을 스크라이브 라인에 가압하여 굽힘 모멘트를 가하는 기계적인 브레이크 처리가 이용되는 경우가 있다. 기계적인 브레이크 처리의 경우, 기판에 큰 굽힘 모멘트를 가하면 컬릿(cullet)이 발생해 버리는 경우가 있다. 그 때문에, 컬릿의 발생을 꺼리는 제조 공정에서는, 가능한 한 깊은 스크라이브 라인을 형성하도록 하여, 작은 굽힘 모멘트를 가하는 것만으로 브레이크 처리를 할 수 있도록 할 필요가 있다.
그래서, 레이저 스크라이브 가공에서 형성한 스크라이브 라인을 따라서, 2번째의 레이저 조사를 행하여, 유한 깊이의 크랙을 더욱 깊게 침투시키거나(이 경우는 추가로 기계적 브레이크 처리를 행함), 크랙을 이면까지 침투시켜 분단하거나 하는 레이저 브레이크 처리가 행해지고 있다(예를 들면 특허문헌 1∼특허문헌 3 참조).
일본공개특허공보 2001-130921호 일본공개특허공보 2006-256944호 WO2003/008352호 공보
이와 같이 제1회째의 레이저 조사에 의해 스크라이브 라인을 형성하는 레이저 스크라이브 가공을 행하고, 이어서 제2회째의 레이저 조사에 의해 레이저 브레이크 처리를 행함으로써, 컬릿의 발생을 억제한 분단 가공이 가능해진다. 그러나, 레이저 스크라이브 가공, 즉 제1회째의 레이저 조사로 형성되는 스크라이브 라인이 얕으면, 나중의 레이저 브레이크 처리에 의해 크랙을 기판 이면까지 도달시키는 것이 곤란해진다. 그러므로, 레이저 브레이크 처리로 기판을 완전히 분단하려면, 레이저 스크라이브 가공시에, 깊은 스크라이브 라인을 형성해 두는 것이 필요해진다.
또한, 레이저 브레이크 처리로 기판을 완전 분단하지 않는 경우라도, 레이저 스크라이브 가공에 있어서 조금이라도 깊은 스크라이브 라인을 형성해 두는 편이, 나중의 레이저 브레이크 처리로 더욱 깊은 스크라이브 라인으로 하는 것을 간단히 할 수 있게 되기 때문에 바람직하다.
그런데, 레이저 스크라이브 가공에 의해, 종래보다도 깊은 스크라이브 라인을 형성하려고 하면, 이제까지 스크라이브 라인을 형성하고 있었을 때의 가열 조건이나 냉각 조건을 변경할 필요가 있다. 구체적으로는, 레이저 출력을 높여 가열에 의한 입열량을 증대하거나, 냉각시의 냉매 분사량을 증대하거나 하여, 이제까지보다 깊이 방향의 온도차가 발생하기 쉬운 과격한 조건으로 하여, 기판에 발생하는 깊이 방향의 응력 구배를 크게 할 필요가 있다.
그러나, 종래의 레이저 스크라이브 가공의 가공 순서대로, 응력 구배를 크게 하는 가열 조건, 냉각 조건으로 이행하려고 하자, 1회째의 레이저 조사로 깊은 스크라이브 라인을 형성하지 못하고, 대신에 크랙이 기판을 관통해 버려(관통 크랙이 형성되는 메커니즘으로 이행), 풀 컷 라인이 형성되게 되었다. 즉, 레이저 스크라이브 가공시의 가열 조건이나 냉각 조건을 적절히 선택함으로써, 얕은 스크라이브 라인은 비교적 용이하게 형성할 수 있지만, 깊은 스크라이브 라인을 형성하려고 하여, 가열 조건이나 냉각 조건을 이제까지 사용하고 있었던 조건으로부터 조금 과격한 조건으로 변경하려고 해도, 설정 가능한 가열 조건이나 냉각 조건의 범위가 존재하지 않거나, 존재했다고 해도 설정 가능한 범위(프로세스 윈도우)가 좁아 불안정하게 되어, 갑자기 풀 컷 라인이 형성되어 버리는 조건으로 이행해 버려, 생각한 대로의 깊은 스크라이브 라인을 형성하는 것이 곤란했다.
그래서, 본 발명은, 레이저 스크라이브 가공에 의해 기판에 스크라이브 라인을 형성한 후에 레이저 브레이크 처리를 행하여 기판을 완전 분단하거나, 보다 깊은 스크라이브 라인을 형성하거나 하는 경우에, 안정된 레이저 브레이크 처리를 할 수 있는 취성 재료 기판의 가공 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 가공 단면의 단면 품질이 우수한 분단 가공을 안정되게 행할 수 있는 취성 재료 기판의 가공 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 레이저 스크라이브 가공으로 형성되는 가공면을 관찰하고, 그 특징을 검토함으로써 이루어진 것이다. 즉, 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 본 발명의 취성 재료 기판의 가공 방법은, 취성 재료 기판에 설정한 제1 기판단으로부터 제2 기판단까지의 스크라이브 예정 라인을 따라서, 이하의 순서로 두 번의 레이저 조사를 행함으로써 기판을 가공한다.
(a) 우선, 상기 제1 기판단 근방의 스크라이브 예정 라인 상에 초기 균열을 형성하는 초기 균열 형성 공정을 행한다. 이때, 종래의 레이저 스크라이브 가공시에 있어서의 초기 균열과 동일하게, 기판단(제1 기판단)에 형성할 수도 있지만, 기판단 근방의 스크라이브 예정 라인 상에서 기판 내측에 형성해도 좋다.
(b) 이어서, 제1회째의 레이저 조사의 빔 스폿을 제1 기판단측으로부터 스크라이브 예정 라인을 따라서 제2 기판단까지 상대 이동시켜 기판을 연화(軟化) 온도 이하로 가열함과 함께, 빔 스폿의 통과 직후의 부위에 냉매를 분사하여 냉각하고, 스크라이브 예정 라인에 발생하는 깊이 방향의 응력 구배를 이용하여, 스크라이브 예정 라인을 따라서 유한 깊이의 스크라이브 라인을 형성하는 레이저 스크라이브 공정을 행한다.
이때, 빔 스폿에 의한 가열 조건, 냉각 스폿에 의한 냉각 조건을, 적절히 선택함으로써, 깊이 방향의 응력 구배에 기초하여 형성되는 유한 깊이의 크랙으로 이루어지는 스크라이브 라인을 형성하도록 하여, 풀 컷 라인이 되지 않도록 한다. 구체적으로는, 기판 표면의 온도차가 너무 격해지는 가열 조건(예를 들면 레이저 출력 증대)이나 냉각 조건(예를 들면 냉매 분사량 증대)으로 하면, 스크라이브 라인보다도 풀 컷 라인이 되기 쉬운 경향이 있기 때문에, 종래와 동일한 정도의 조건, 즉 가열 조건이나 냉각 조건이 너무 과격한 조건이 되지 않도록 한다.
(c) 또한, 제2회째의 레이저 조사의 빔 스폿을, 스크라이브 라인을 따라서 제2 기판단으로부터 상기 제1 기판단까지 역방향으로 상대 이동시켜 스크라이브 라인을 더욱 깊게 침투시키는 레이저 브레이크 공정을 행한다. 혹은, 스크라이브 라인을 더욱 깊게 침투시켜 완전히 분단되는 레이저 브레이크 공정을 행한다.
즉, (b)의 레이저 스크라이브 공정을 행했을 때의 가공 종단(終端)인 제2 기판단에, 국소적으로 깊은 크랙이 형성되는 것을 발견했다. 그리고, 깊은 크랙을 기점으로 하여 레이저 브레이크 처리를 행하면, 얕은 크랙을 기점으로 한 레이저 브레이크 처리에 비하여, 스크라이브 라인을 깊게 할 수 있는 것을 발견했다.
그래서, (b)의 레이저 스크라이브 공정 후, 제2회째의 레이저 조사에 의한 레이저 브레이크 공정을 실행할 때에, 국소적으로 깊은 크랙이 형성되어 있는 제2 기판단으로부터 스크라이브 라인을 따라서 역방향으로 가열을 행한다. 이에 따라, 제2 기판단에 존재하는 깊은 크랙을 기점으로 하는 크랙이, 스크라이브 라인을 따라서 크랙의 깊이를 유지하면서 진행하게 되어, 이때 형성되는 크랙의 깊이를, 제2 기판단 근방의 깊은 크랙과 동등 이상의 깊이로 할 수 있는 것이 판명되었다. 이 방법에 의해, 2번째 레이저 조사를 1회째 레이저 조사와 동(同)방향으로 행했을 때보다도 깊은 스크라이브 라인을 간단히 형성할 수 있고, 또한, 깊은 스크라이브 라인이 이면측까지 도달하여 분단할 수 있는 것이 판명되었다.
(그 외의 과제를 해결하기 위한 수단 및 효과)
상기 발명 (a)의 초기 균열 형성 공정에 있어서, 초기 균열은 제1 기판단으로부터 이격(離隔)되도록 형성하는 것이 바람직하다.
초기 균열을 제1 기판단으로부터 이격시킴으로써, (b)의 레이저 스크라이브 공정시에 풀 컷 라인이 형성되기 어려워진다. 따라서 레이저 스크라이브 공정시의 가열 조건이나 냉각 조건을, 종래보다도 온도차가 커지는 조건(종래보다 과격한 조건)으로 변경하는 것이 가능하게 되고, 설정 가능한 프로세스 윈도우가 넓어져, 이제까지보다도 깊은 스크라이브 라인을 형성할 수 있게 된다.
또한, 제1 기판단에 초기 균열을 형성했을 경우에 비교하면, 크랙의 진행 방향을 제어할 수 없는 앞질러 감 현상의 발생을 저감할 수 있다. 앞질러 감 현상이란, 도 10에 나타내는 바와 같이, 스크라이브 예정 라인(L)에 있어서의 레이저 조사를 개시하는 측의 기판단인 시단(제1 기판단)에 있어서, 시단에 형성된 초기 균열(TR)이 빔 스폿(BS)에 의해 가열되었을 때에, 빔 스폿(BS)에 의한 가열 영역을 기점으로 빔 스폿의 전방을 향하여 제어할 수 없는 방향으로 크랙(K)이 형성되는 현상이다. 「앞질러 감」이 발생하면, 스크라이브 예정 라인(L)을 따른 스크라이브 라인을 형성할 수 없게 되어, 스크라이브 라인의 직진성이 현저하게 손상되어 버린다.
제1 기판단에 초기 균열을 형성했을 경우, 깊은 스크라이브 라인을 형성하려고 하여, 가열 조건이나 냉각 조건을 이제까지보다도 과격한 가열 조건이나 냉각 조건으로 시프트시켰을 경우에, 이러한 「앞질러 감」이 발생하는 빈도가 높아지는 경향이 있지만, 초기 균열을 제1 기판단으로부터 이격시킴으로써, 다소 과격한 가열 조건이나 냉각 조건으로 시프트시켰을 경우라도 앞질러 감은 발생하지 않게 된다.
또한, (a)의 초기 균열 형성 공정에 있어서, 초기 균열은 날끝에 주기(周期) 홈이 형성된 홈부착 커터 휠을 압접함으로써 형성하도록 해도 좋다.
여기에서 주기 홈부착 커터 휠로서는, 구체적으로는 미츠보시다이아몬드코교가부시키가이샤 제조의 고(高)침투 날끝 「페넷(penett)」(등록 상표)이나 「APIO」(등록 상표)를 이용할 수 있다.
날끝에 주기 홈이 형성된 커터 휠을 이용함으로써, 기판면에 대하여 날끝이 미끄러지기 어려워져, 기판단으로부터 이격된 위치에 초기 균열을 형성할 때에, 짧은 거리(1㎜∼2㎜ 정도)를 전동(轉動)시키는 것만으로 확실히 안정된 초기 균열을 형성할 수 있다.
또한, (c)의 레이저 브레이크 공정에 있어서, 제2회째 레이저 조사의 빔 스폿을 스크라이브 라인을 따라서 제2 기판단으로부터 제1 기판단까지 역방향으로 상대 이동시킬 때에, 빔 스폿이 통과하는 전방의 부위에 냉매를 분사하여 냉각하도록 해도 좋다.
이에 따라, 레이저 브레이크 공정시에, 기판 표면과 기판 내부와의 사이의 큰 온도차에 의해, 기판 표면에 압축 응력, 기판 내부에 인장 응력을 강하게 발생시킬 수 있고, 깊이 방향으로 찢는 힘이 작용하여, 깊은 크랙을 더욱 깊게 침투시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 레이저 스크라이브 공정에서 형성된 제2 기판단의 국소적으로 깊은 크랙을 기점으로 하여 레이저 브레이크 처리를 행함으로써, 스크라이브 예정 라인을 따라서 역방향으로 깊은 스크라이브 라인을 진행시킬 수 있게 되어, 이제까지보다도 깊은 스크라이브 라인을 간단하고 그리고 안정되게 형성할 수 있게 되고, 또한, 간단히 분단 가공을 할 수 있게 된다.
또한, 국소적으로 깊은 크랙을 기점으로 하여 레이저 브레이크 처리를 실행할 수 있기 때문에, 레이저 브레이크 처리시에, 설정 가능한 프로세스 윈도우(가공 조건으로서 설정할 수 있는 범위)를 넓게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 기판 가공 방법을 실시할 때에 이용하는 기판 가공 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 주기 홈부착 커터 휠의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태인 가공 방법의 동작 순서의 일부를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태인 가공 방법의 동작 순서의 일부를 나타내는 도면이다.
도 5는 스크라이브 라인의 분단면을 나타내는 사진이다.
도 6은 레이저 브레이크 처리시에 형성하려고 하는 응력 구배를 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 7은 깊은 크랙을 개시단으로 하여 레이저 브레이크 처리를 행했을 때의 분단면의 진행 상태를 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 8은 유한 깊이의 크랙이 형성되는 메커니즘을 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 9는 풀 컷 라인이 형성되는 메커니즘을 모식적으로 나타낸 사시도 및 평면도이다.
도 10은 기판단에서 발생하는 앞질러 감 현상을 나타내는 도면이다.
(발명을 실시하기 위한 최량의 형태)
이하, 본 발명의 실시 형태를 도면에 기초하여 설명한다.
맨 처음에, 본 발명의 가공 방법을 실시할 때에 이용하는 기판 가공 장치의 일 예에 대해서 설명한다.
도 1은 본 발명의 가공 방법을 실시할 수 있는 기판 가공 장치(LS1)의 개략 구성도이다. 여기에서는 유리 기판을 가공하는 경우를 예로 설명하지만, 실리콘 기판 등의 취성 재료 기판이라도 동일하다.
우선, 기판 가공 장치(LS1)의 전체 구성에 대해서 설명한다. 수평인 가대(架臺,stand; 1) 상에 평행으로 배치된 한 쌍의 가이드 레일(3, 4)을 따라서, 도 1의 지면 전후 방향(이하 Y방향이라고 함)으로 왕복 이동하는 슬라이드 테이블(2)이 형성되어 있다. 양 가이드 레일(3, 4)의 사이에, 스크루 나사(5)가 전후 방향을 따라서 배치되고, 이 스크루 나사(5)에, 슬라이드 테이블(2)에 고정된 스테이(6)가 나사 결합되어 있어, 스크루 나사(5)를 모터(도시 외)에 의해 정, 역회전함으로써, 슬라이드 테이블(2)이 가이드 레일(3, 4)을 따라서 Y방향으로 왕복 이동하도록 형성되어 있다.
슬라이드 테이블(2) 상에, 수평인 대좌(pedestal;7)가 가이드 레일(8)을 따라서, 도 1의 좌우 방향(이하 X방향이라고 함)으로 왕복 이동하도록 배치되어 있다. 대좌(7)에 고정된 스테이(10a)에, 모터(9)에 의해 회전하는 스크루 나사(10)가 관통 나사결합되어 있어, 스크루 나사(10a)가 정, 역회전함으로써, 대좌(7)가 가이드 레일(8)을 따라서, X방향으로 왕복 이동한다.
대좌(7) 상에는, 회전 기구(11)에 의해 회전하는 회전 테이블(12)이 형성되어 있고, 이 회전 테이블(12)의 위에, 유리 기판(A)이 수평인 상태로 부착되어 있다. 이 유리 기판(A)은, 예를 들면, 작은 단위 기판을 잘라내기 위한 마더 기판(mother substrate)이다. 회전 기구(11)는, 회전 테이블(12)을, 수직인 축의 주위로 회전시키도록 되어 있고, 기준 위치에 대하여 임의의 회전 각도가 되도록 회전할 수 있도록 형성되어 있다. 또한, 유리 기판(A)은, 흡인 척(chuck)에 의해 회전 테이블(12)에 고정된다.
회전 테이블(12)의 상방에는, 레이저 장치(13)와 광학 홀더(14)가 부착 프레임(15)에 보지(保持,holding)되어 있다.
레이저 장치(13)는, 취성 재료 기판의 가공용으로서 일반적인 것을 사용하면 좋고, 구체적으로는 엑시머 레이저, YAG 레이저, 탄산 가스 레이저 또는 일산화 탄소 레이저 등이 사용된다. 유리 기판(A)의 가공에는, 유리 재료의 에너지 흡수 효율이 큰 파장의 빛을 발진(發振)하는 탄산 가스 레이저를 사용하는 것이 바람직하다.
레이저 장치(13)로부터 출사된 레이저 빔은, 빔 형상을 조정하기 위한 렌즈 광학계가 조입된 광학 홀더(14)에 의해, 미리 설정한 형상의 빔 스폿이 유리 기판(A) 상에 조사된다. 빔 스폿의 형상에 대해서는, 장축을 갖는 형상(타원 형상, 장원 형상 등)이, 스크라이브 예정 라인을 따라서 효율 좋게 가열할 수 있는 점에서 우수하지만, 연화 온도보다도 저온에서 가열할 수 있는 형상이면, 빔 스폿의 형상은 특별히 한정되지 않는다. 본 실시 형태에서는, 타원 형상의 빔 스폿이 형성되도록 되어 있다.
부착 프레임(15)에는, 광학 홀더(14)에 근접하여, 냉각 노즐(16)이 형성되어 있다. 냉각 노즐(16)로부터는 냉매가 분사된다. 냉매에는, 냉각수, 압축 공기, He 가스, 탄산 가스 등을 이용할 수 있지만, 본 실시 형태에서는 압축 공기를 분사하도록 되어 있다. 냉각 노즐(16)로부터 분사되는 냉각 매체는, 빔 스폿의 좌단으로부터 조금 떨어진 위치로 향해져, 유리 기판(A)의 표면에 냉각 스폿을 형성하도록 되어 있다.
또한, 부착 프레임(15)에는, 주기 홈부착의 커터 휠(18)이, 승강 기구(17)를 개재하여 부착되어 있다. 이 커터 휠(18)은, 유리 기판(A)에 초기 균열(Tr)을 형성할 때에, 유리 기판(A)의 상방으로부터 일시적으로 하강하도록 하여 이용된다.
도 2는 주기 홈부착 커터 휠의 모식도이고, 도 2(a)는 정면도, 도 2(b)는 측면도이다. 이 주기 홈부착 커터 휠(18)은, 날끝(18a)을 따라서 주기적으로 홈(18b)이 절결(cut-away)되어 있다(또한, 도 2에서는 설명의 편의상, 날끝(18)에 대한 홈(18b)의 크기를, 실제보다도 과장하여 그려져 있음). 구체적으로는 1∼20㎜의 휠 지름에 따라서, 홈 피치를 20㎛∼200㎛의 범위에서 형성하도록 되어 있다. 또한, 홈 깊이는 2㎛∼2500㎛로 되어 있다.
이러한 특수 날끝의 커터 휠을 이용함으로써, 홈이 없는 통상의 커터 휠보다도 깊게 침투한 크랙을 형성하는 것이 가능할 뿐만 아니라, 기판면에 대하여 날끝이 미끄러지기 어려워지기 때문에, 초기 균열을 형성할 때에, 짧은 거리(1㎜∼2㎜ 정도)를 전동시키는 것만으로 초기 균열을 확실히 형성할 수 있도록 되어 있다.
또한, 기판 가공 장치(LS1)에는, 미리 유리 기판(A)에 각인되어 있는 위치 결정용의 얼라인먼트 마크(alignment mark)를 검출할 수 있는 카메라(20)가 탑재되고 있고, 카메라(20)에 의해 검출된 얼라인먼트 마크의 위치로부터, 기판(A) 상에 설정하는 스크라이브 예정 라인의 위치와 회전 테이블(12)과의 대응 위치 관계를 구하여, 커터 휠(18)의 하강 위치나 레이저 빔의 조사 위치가 스크라이브 예정 라인 상에 오도록, 정확히 위치 결정할 수 있도록 되어 있다.
다음으로, 상기 기판 가공 장치(LS1)에 의한 가공 동작 순서에 대해서 설명한다. 도 3은 제1회 레이저 조사에 의해 스크라이브 라인을 형성할 때까지의 레이저 스크라이브 가공의 가공 동작 순서를 나타내는 도면이고, 도 4는 제2회째 레이저 조사에 의해 레이저 브레이크 처리를 행하는 가공 동작 순서를 나타내는 도면이다. 또한, 도 3, 도 4에서는 도 1의 요부만을 도시하고 있다.
우선, 도 3(a)에 나타내는 바와 같이, 유리 기판(A)이 회전 테이블(12) 위에 올려놓여지고, 흡인 척에 의해 고정된다. 카메라(20)(도 1)에 의해 유리 기판(A)에 각인되어 있는 얼라인먼트 마크가 검출되고, 그 검출 결과에 기초하여, 스크라이브 예정 라인과, 회전 테이블(12), 슬라이드 테이블(2), 대좌(7)와의 위치가 관계지어진다. 그리고 회전 테이블(12) 및 슬라이드 테이블(2)을 작동하여, 커터 휠(18)의 날끝 방향이 스크라이브 예정 라인의 방향으로 나란히 서도록 위치가 조정된다.
이어서, 도 3(b)에 나타내는 바와 같이, 대좌(7)를 작동하여 회전 테이블(12)을 이동하고, 유리 기판(A)에 있어서의 초기 균열(Tr)을 형성하려고 하는 제1 기판단(A1)의 근방에서 그리고 제1 기판단(A1)으로부터 이격된 위치의 상방에, 커터 휠(18)이 오도록 한다.
이어서, 도 3(c)에 나타내는 바와 같이, 승강 기구(17)를 작동하여 커터 휠(18)을 하강한다. 그리고 기판(A)에 날끝을 압접하도록 하여 초기 균열(Tr)을 형성한다. 이때 대좌(7)를 2㎜ 정도 이동하여 기판 상에서 커터 휠(18)을 전동시켜, 안정된 초기 균열(Tr)을 확실히 형성한다.
이어서, 도 3(d)에 나타내는 바와 같이, 승강 기구(17) 및 회전 테이블(12)을 원래의 위치(도 3(a)의 위치)로 되돌려, 레이저 장치(13)를 작동하여 레이저 빔을 조사한다. 또한 냉각 노즐(16)로부터 냉매를 분사한다. 이때 조사하는 레이저 출력이나 냉매 분사량 등의 가열 조건, 냉각 조건은, 후술하는 초기 균열(Tr)의 위치에 관통 크랙이 발생하지 않는(즉 풀 컷이 되지 않는) 범위 내에서 설정한다.
본 실시 형태와 같이 초기 균열(Tr)을 기판단(제1 기판단(A1))으로부터 이격 시켜 기판 내측 위치에 형성해 둠으로써, 제1 기판단(A1)에 좌우로 찢으려고 하는 힘(풀 컷 상태로 하는 힘)이 작용하였다고 해도, 초기 균열이 없는 제1 기판단(A1)은, 크랙 발생이 곤란한 상태로 되어 있기 때문에, 기판단(A1)에 초기 균열을 형성했을 경우에 비하여 풀 컷이 되기 어렵다. 또한, 조사하는 레이저 출력이나 냉매 분사량 등의 가열 조건, 냉각 조건에 대해서는, 풀 컷이 되지 않는 조건을 선택할 수 있는 프로세스 윈도우가 넓어져 있다. 따라서, 설정하는 가열 조건이나 냉각 조건으로서는, 초기 균열을 가판단에 형성했을 때보다도 과격한 조건, 즉 스크라이브 라인을 깊게 형성할 수 있는 조건을 선택해도 좋다.
이어서, 도 3(e)에 나타내는 바와 같이, 대좌(7)(도 1)를 이동하여, 기판(A) 상에 형성되는 레이저 빔의 빔 스폿, 및, 냉각 노즐(16)로부터의 냉매에 의한 냉각 스폿이, 스크라이브 예정 라인을 따라서 주사되도록 한다.
이상의 동작에 의해, 기판(A)에는, 초기 균열(Tr)의 위치를 기점으로 하는, 유한 깊이의 크랙(Cr)으로 이루어지는 스크라이브 라인이 형성된다. 그리고, 이때 관통 크랙이 되지 않는 범위에서 레이저의 가열 조건이나 냉매에 의한 냉각 조건을 선택함으로써, 이제까지 곤란했던 깊이의 스크라이브 라인을 형성할 수 있다. 이때 기판(A)의 초기 균열(Tr)측의 기판단(제1 기판단(A1))에는, 크랙(Cr)이 형성되어 있지 않은 영역이 존재하게 된다.
한편, 기판(A)의 스크라이브 라인의 종단(제2 기판단(A2))에는, 기판 중앙에 형성된 유한 깊이의 크랙(Cr)에 비하여, 그것보다도 깊은 크랙(Cr1)의 영역이 국소적으로 형성된다. 이것은 기판 중앙의 스크라이브 라인과, 기판 종단의 스크라이브 라인에서는, 가열, 냉각 후의 열의 이동 상황이 상이하여, 기판단에서는 중앙 부분보다도 열이 차기 쉽고, 또한, 온도 변화가 격해지는 것에 기인한다고 생각할 수 있다.
도 5는 스크라이브 라인의 분단면을 나타내는 사진이고, 도 5(a)는 기판 중앙 부분, 도 5(b)는 종단 부분이다. 판두께가 2.8㎜의 기판에 있어서, 기판 중앙 부분에서는 크랙(Cr)의 깊이가 0.48㎜인 데에 대하여, 종단의 크랙(Cr1)은 1.6㎜까지 침투하고 있다.
이와 같이 스크라이브 라인의 종단에서는 국소적으로 깊은 크랙(Cr1)이 형성되는 것이 판명되었기 때문에, 이것을 이용하여 레이저 브레이크 처리를 행하기 위해, 제2회째 레이저 조사는 종단(제2 기판단(A2))측으로부터 역방향으로 주사하도록 한다.
즉, 도 4(f)에 나타내는 바와 같이, 레이저 장치(13)를 작동하여 레이저 빔을 조사한다. 이때의 가열 조건에 대해서는 후술한다.
이어서, 도 4(g)에 나타내는 바와 같이, 대좌(7)를 이동하여, 기판(A) 상에 형성되는 빔 스폿을, 스크라이브 라인을 따라서 제2 기판단(A2)으로부터 제1 기판단(A1)을 향하여 역방향으로 주사한다. 이에 따라 깊은 크랙(Cr1)이 기점이 되어 스크라이브 라인을 따라서 진행되어 가기 때문에, 이제까지보다 깊은 스크라이브 라인이 제1 기판단(A1)까지 형성되게 된다. 또한, 제1 기판단(A1) 근방에는 크랙(Cr)이 형성되어 있지 않은 영역이 존재하지만, 특별히 문제없이 깊은 크랙이 제1 기판단(A1)까지 연속하여 진행할 수 있다.
여기에서, 레이저 브레이크 처리시의 가열 조건에 대해서 설명한다. 레이저 출력 등의 가열 조건에 대해서는, 제1회째 레이저 조사 때와 동일해도 좋지만, 이하와 같이 설정하는 것이 바람직하다.
레이저 브레이크 처리에서는 주사 속도를 제1회째 레이저 조사 때보다도 빨리 하여, 스크라이브 라인 상의 각 점에서의 가열 시간을 짧게 하고(레이저 출력은 높게 설정함), 스크라이브 라인의 표층을 단시간만 가열하도록 설정한다. 이것은 기판 표층과 기판 내부와의 사이에서 크랙(Cr)을 깊게 침투시키기 위한 응력 구배를 형성하기 위해서이다.
도 6은, 레이저 브레이크 처리시에 형성하려고 하는 응력 구배를 모식적으로 나타낸 단면도이다. 기판 표층을 단시간 가열하여, 가열 영역(H)을 형성한다. 그러면, 기판 표층에 큰 압축 응력(HR)이 형성되고, 그 영향을 받아 기판 내부에는, 반대로 인장 응력(CR)이 발생한다. 기판 내부에 크랙(Cr)이 존재하면, 인장 응력은 크랙(Cr)의 선단에 집중하게 되고, 그 결과, 크랙(Cr)은, 더욱 깊게 침투하게 된다.
기판 표층의 가열 시간을 길게 해나가면, 기판 내부에 열이 전달되어 깊이 방향으로 발생하는 온도차가 작아진다. 그 결과, 깊이 방향의 응력 구배가 약해져 버린다. 따라서, 레이저 브레이크 처리에서는, 기판 표층에 압축 응력, 기판 내부에 인장 응력이 형성되기 쉬운 가열 조건, 냉각 조건을 설정하기 위해, 기판이 연화하지 않는 온도 범위에서, 단시간 내에 강하게 가열하는 가열 조건을 선택하도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 가열 전에, 미리 냉매를 분사하여 냉각해 둠으로써, 깊이 방향의 온도차를 크게 하여, 기판 내부에 인장 응력이 발생하기 쉽게 해도 좋다.
또한, 깊은 크랙(Cr1)을 기점으로 함으로써, 이제까지보다 깊은 스크라이브 라인이 형성되는 것에 대해서 설명한다.
제2 기판단(A2)에 형성된 깊은 크랙(Cr1)을 레이저 브레이크 처리의 개시단으로 함으로써, 인장 응력이 집중되는 크랙 선단의 초기 위치를 기판의 깊은 위치로 할 수 있다. 이 상태에서, 레이저 조사를 행함으로써, 기판 표층에 강한 압축 응력을 부여한다. 이에 따라, 깊은 위치의 크랙 선단에 인장 응력이 집중하게 되고, 또한, 기판 표면으로부터 크랙 선단까지의 거리가 길수록, 크랙을 확장하려고 하는 큰 힘(모멘트)이 크랙 선단을 찢는 방향으로 작용하게 되기 때문에, 크랙이 깊게 침투하게 된다.
도 7은, 깊은 크랙(Cr1)을 개시단으로 하여 레이저 브레이크 처리를 행했을 때의 분단면의 진행 상태를 모식적으로 나타낸 단면도이다. 빔 스폿의 주사에 수반하여, 도 7(a), 도 7(b), 도 7(c)에 나타내는 바와 같이, 깊은 크랙(Cr1)의 깊이를 유지하면서 레이저 브레이크 처리에 의해 크랙(Cr2)이 진행되어 간다.
이와 같이, 레이저 브레이크 처리시에, 제2 기판단측으로부터 제1 기판단을 향하여 역방향으로 레이저 조사함으로써, 이제까지 이상의 깊은 크랙(Cr2)으로 이루어지는 스크라이브 라인을 형성할 수 있게 되고, 또한, 크랙(Cr2)이 이면까지 도달하면 레이저 브레이크 처리에 의해 기판을 완전 분단할 수 있게 된다.
이 메커니즘에 의해 형성된 분단면은, 매우 아름답고, 게다가 직진성이 우수하여, 가공 단면으로서 이상적인 상태가 되어 있다.
또한, 전술한 실시 형태에서는, 레이저 스크라이브 가공시에, 초기 균열(Tr)을 제1 기판단(A1)으로부터 이격하는 위치에 형성했지만, 종래와 동일하게, 제1 기판단(A1)으로부터 형성한 경우라도 좋다. 그 경우에는, 레이저 스크라이브 가공시, 제1회째의 레이저 조사에서의 가열 조건, 냉각 조건의 프로세스 윈도우는 좁아지기 때문에, 제1회째의 레이저 조사에 의해 형성되는 스크라이브 라인은, 종래와 동일하게, 너무 깊게는 할 수 없지만, 그 경우라도, 제2회째 레이저 조사를 제2 기판단(A2)으로부터 제1 기판단(A1)을 향하여 주사함으로써, 깊은 크랙(Cr1)을 개시단으로 하여 이제까지보다 깊은 크랙(Cr2)으로 이루어지는 스크라이브 라인을 형성할 수 있게 된다.
또한, 레이저 스크라이브 가공에 있어서의 크랙의 형성 및 레이저 브레이크 처리에 있어서의 크랙의 침투를 확인하기 위해, 광학 센서로 크랙의 유무나 깊이를 검출하는 것으로 해도 좋다. 이 경우, 레이저 스크라이브 가공시에는 냉각 스폿의 상대 이동 방향 후방을 검사 범위로 하고, 레이저 브레이크 처리시에는 빔 스폿의 상대 이동 방향 후방을 검사 범위로 하여, 크랙의 유무나 깊이를 검출하면 좋다. 상기 2개의 검사 범위에 각각 대응하는 위치에 2개의 센서를 형성해도 좋고, 1개의 센서를 에어 실린더 등으로 상기 2개의 검사 범위에 각각 대응하는 위치에 이동 가능하게 형성하는 것으로 해도 좋다.
본 발명은, 유리 기판 등의 취성 재료 기판에 대하여, 깊은 스크라이브 라인을 형성하거나, 완전 분단하거나 하는 가공에 이용할 수 있다.
2 : 슬라이드 테이블
7 : 대좌
12 : 회전 테이블
13 : 레이저 장치
16 : 냉각 노즐
17 : 승강 기구
18 : 주기 홈부착 커터 휠
A : 유리 기판(취성 재료 기판)
BS : 빔 스폿
CS : 냉각 스폿
Cr : 크랙
Cr1 : 깊은 크랙
Cr2 : 크랙
Tr : 초기 균열

Claims (4)

  1. 취성 재료 기판에 설정한 제1 기판단(端)으로부터 제2 기판단까지의 스크라이브 예정 라인을 따라서 두 번의 레이저 조사를 행함으로써 상기 기판을 가공하는 취성 재료 기판의 가공 방법으로서,
    (a) 상기 제1 기판단 근방의 스크라이브 예정 라인 상에 초기 균열을 형성하는 초기 균열 형성 공정과,
    (b) 제1회째의 레이저 조사의 빔 스폿을 상기 제1 기판단측으로부터 상기 스크라이브 예정 라인을 따라서 상기 제2 기판단까지 상대 이동시켜 상기 기판을 연화(軟化) 온도 이하로 가열함과 함께, 상기 빔 스폿의 통과 직후의 부위에 냉매를 분사하여 냉각하고, 상기 스크라이브 예정 라인에 발생하는 깊이 방향의 응력 구배를 이용하여 상기 스크라이브 예정 라인을 따라서 유한 깊이의 스크라이브 라인을 형성하는 레이저 스크라이브 공정과,
    (c) 제2회째 레이저 조사의 빔 스폿을 상기 스크라이브 라인을 따라서 상기 제2 기판단으로부터 상기 제1 기판단까지 레이저 스크라이브 공정과는 역방향으로 상대 이동시켜 상기 스크라이브 라인을 더욱 깊게 침투시키거나, 또는, 완전히 분단시키는 레이저 브레이크 공정으로 이루어지는 취성 재료 기판의 가공 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    (a)의 초기 균열 형성 공정에 있어서, 상기 초기 균열은 제1 기판단으로부터 이격(離隔)되도록 형성하는 취성 재료 기판의 가공 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    (a)의 초기 균열 형성 공정에 있어서, 상기 초기 균열은 날끝에 주기 홈이 형성된 홈부착 커터 휠을 압접함으로써 형성되는 취성 재료 기판의 가공 방법.
  4. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    (c)의 레이저 브레이크 공정에 있어서, 제2회째 레이저 조사의 빔 스폿을 상기 스크라이브 라인을 따라서 상기 제2 기판단으로부터 상기 제1 기판단까지 역방향으로 상대 이동시킬 때에, 빔 스폿이 통과하는 전방의 부위에 냉매를 분사하여 냉각하는 취성 재료 기판의 가공 방법.
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