KR20110006678A - 취성 재료 기판의 가공 방법 - Google Patents

Abstract

기판을 완전 분단하거나, 보다 깊은 스크라이브 라인을 형성하거나 하는 가공을, 안정되게 실행할 수 있는 취성 재료 기판의 가공 방법을 제공한다. 제1회째의 레이저 조사에 의한 제1 빔 스폿을 상대 이동시켜 상기 기판을 가열함과 함께, 제1 빔 스폿이 통과한 직후의 부위를 냉각함으로써 스크라이브 라인을 형성하는 레이저 스크라이브 공정과, 제2회째의 레이저 조사에 의한 제2 빔 스폿을 스크라이브 라인을 따라서 상대 이동시켜, 스크라이브 라인을 더욱 깊게 침투, 또는, 완전 분단시키는 레이저 브레이크 공정으로 이루어지며, 레이저 브레이크 공정시에 폴리곤 미러에 입사되는 레이저 빔 지름이, 레이저 스크라이브 공정시에 입사되는 레이저 빔 지름보다도 작아지도록 조정하고, 제2 빔 스폿의 에너지 분포를 제1 빔 스폿보다도 톱 해트형으로 하여 조사한다.

Description

취성 재료 기판의 가공 방법{METHOD FOR PROCESSING FRAGILE MATERIAL SUBSTRATE}

본 발명은, 고속 회전하는 폴리곤 미러로 레이저 빔을 반복 반사함으로써 실질적으로 장축 방향을 갖는 빔 스폿(beam spot)을 취성 재료 기판 상에 정형(整形)하고, 이 빔 스폿을 취성 재료 기판 상에 설정한 스크라이브 예정 라인을 따라서 주사함으로써, 열응력을 이용하여 크랙을 형성하는 취성 재료 기판의 가공 방법에 관한 것이다.

더욱 상세하게는, 본 발명은 취성 재료 기판에 대하여, 제1회째의 빔 스폿의 주사를 행함으로써, 유한 깊이의 크랙으로 이루어지는 스크라이브 라인(scribe line)을 형성하고, 이어서, 제2회째의 빔 스폿의 주사를 행함으로써, 이 스크라이브 라인의 크랙을 깊게 침투(이후, 크랙이 깊이 방향으로 진행하는 것을 「침투」라고 함)시키거나, 혹은 완전히 분단(dividing)하는 취성 재료 기판의 가공 방법에 관한 것이다.

여기에서, 취성 재료 기판이란, 유리 기판, 소결 재료의 세라믹스, 단결정 실리콘, 반도체 웨이퍼, 사파이어 기판, 세라믹 기판 등을 말한다.

고속 회전하는 폴리곤 미러에 레이저 빔을 조사하여, 폴리곤 미러에서 반사된 레이저 빔을 기판 상으로 유도하면, 폴리곤 미러의 1개의 미러면에 의해 반사되는 레이저 빔의 주사 궤적의 범위가, 고속으로 반복 주사되게 되어, 기판 상에는 1개의 미러면에 의해 반사되는 레이저 빔의 주사 궤적의 범위 전체가 마치 1개의 빔 스폿인 것처럼 조사되게 된다. 따라서, 고속 회전 중의 폴리곤 미러의 1개의 미러면에 의해 기판 상에 형성되는 주사 궤적의 범위 전체를 「빔 스폿」이라고 부르기로 한다.

취성 재료인 반도체 웨이퍼에 대하여, 폴리곤 미러와 fθ렌즈를 이용하여 레이저 빔을 조사함으로써 타원형의 빔 스폿을 정형하고, 이 빔 스폿을 주사하여 기판을 어블레이션(ablation)하면, 기판 표면에 대하여 경사진 가공면이 형성되게 된다. 이것을 이용하여, 반도체 웨이퍼 상에서 홈을 형성하려고 하는 부분을, 경사 방향(가공면의 법선 방향)으로 기화시켜 증기 형태로 배출하도록 한 레이저 가공 장치가 개시되어 있다(특허문헌 1). 어블레이션에 의한 가공은, 빔 스폿이 통과한 영역이 용융되기 때문에, 가공면이 손상되어 버린다.

한편, 유리 기판에 대하여, 타원 형상으로 정형한 빔 스폿을 주사하여 기판을 용융 온도(혹은 연화(軟化) 온도) 이하로 가열하여, 응력 구배를 발생시켜 크랙을 형성하는 레이저 스크라이브 가공도 이용되고 있다(특허문헌 2, 특허문헌 3, 특허문헌 4 참조).

일반적으로, 레이저 스크라이브 가공에서는, 앞으로 분단하려고 하는 가상선(스크라이브 예정 라인이라고 함)을 기판에 설정한다. 그리고 스크라이브 예정 라인의 시단(始端)이 되는 기판단(端)에, 커터 휠 등으로 초기 균열(트리거)을 형성하고, 빔 스폿 및 냉각 스폿(냉매가 분사되는 영역)을 초기 균열의 위치로부터 스크라이브 예정 라인을 따라서 주사한다. 이때, 스크라이브 예정 라인 근방에 발생한 온도 분포에 기초하여 응력 구배가 발생하는 결과, 크랙이 형성된다.

레이저 스크라이브 가공에 의해 형성된 크랙은, 가공 단면(端面)이 아름답고, 우수한 단면(端面) 강도를 갖고 있다. 또한, 커터 휠 등을 이용한 기계적 가공에 의한 크랙에 비하면, 컬릿(cullet)의 발생을 저감시킬 수 있다.

그 때문에, 플랫 패널 디스플레이를 비롯하여, 유리 기판 등을 분단하는 것이 필요한 여러 가지 제조 공정 등에서 레이저 스크라이브 가공이 채용되고 있다.

그런데, 용융 온도 이하로 빔 스폿을 주사함으로써 형성되는 크랙에는, 크랙의 깊이 방향의 선단이 기판의 이면까지 도달하지 않는 「유한 깊이의 크랙」과, 크랙이 기판의 이면까지 도달하여, 기판을 단번에 분단하는 「관통 크랙」(예를 들면 특허문헌 2 참조)이 있다.

이후, 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 14는 유한 깊이의 크랙이 형성되는 메커니즘을 모식적으로(schematically) 나타낸 기판의 단면도이다. 즉 선행하는 레이저 가열에 의해, 도 14(a)에 나타내는 바와 같이 기판(GA)에 압축 응력(HR)이 발생한다. 이어서, 가열 후의 냉각에 의해, 도 14(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 14(c)에 나타내는 바와 같이, 기판 표면측에 인장 응력(CR), 기판 내부에 압축 응력(HR)이 분포한 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 상태로 되어 있다.

도 15는 관통 크랙이 형성되는 메커니즘을 모식적으로 나타낸 기판의 사시도(도 15(a))와 평면도(도 15(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 이들 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, 빔 스폿 형상 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 쉽고, 스크라이브 라인을 형성할 수 있는 가공 조건의 프로세스 윈도우가 좁다.

이상의 점에서, 유리 기판 등에 대하여 단면 품질이 우수한 분단 가공을 행하고 싶은 경우에는, 풀 컷 라인이 아니라, 스크라이브 라인이 형성되는 메커니즘의 가열 조건, 냉각 조건을 선택하여 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 컬릿이 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 가공으로 형성한 스크라이브 라인을 따라서, 두 번째의 레이저 조사를 행하여, 유한 깊이의 크랙을 더욱 깊게 침투시키거나(이 경우는 재차 브레이크 처리를 행함), 크랙을 이면까지 침투시켜 분단하거나 하는 레이저 브레이크 처리가 행해지고 있다(예를 들면 특허문헌 2∼특허문헌 4 참조).

일본공개특허공보 2005-288541호 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 바람직하다.

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 형성했을 때의 가열 조건이나 냉각 조건을 변경할 필요가 있다. 구체적으로는, 레이저 출력을 높여 가열에 의한 입열량(入熱量)을 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 순서인 채로, 응력 구배를 크게 하는 가열 조건, 냉각 조건으로 이행하려고 하면, 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 좁아서 불안정하게 되어, 갑자기 풀 컷 라인이 형성되어 버리는 조건으로 이행해 버려, 생각한 대로의 깊은 스크라이브 라인을 형성하는 것이 곤란했다.

또한, 풀 컷 라인으로 이행해 버리는 문제와는 별개로, 「앞질러 감」 현상이 발생하기 쉬워지는 문제도 생긴다. 「앞질러 감」이란, 도 16에 나타내는 바와 같이, 스크라이브 예정 라인(L)의 시단 근방에 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 현저히 손상되어 버린다.

제1회째의 레이저 조사를 행하는 레이저 스크라이브 가공에 있어서, 깊은 스크라이브 라인을 형성하려고 하여, 가열 조건이나 냉각 조건을 이제까지보다도 과격한 가열 조건이나 냉각 조건으로 시프트시킨 경우에, 이러한 「앞질러 감」이 발생하는 빈도가 높아진다.

그래서, 본 발명은, 레이저 스크라이브 가공에 의해 기판에 스크라이브 라인을 형성하고, 이어서 레이저 브레이크 처리를 행하여 기판을 완전 분단하거나, 보다 깊은 스크라이브 라인을 형성하거나 하는 가공을, 안정되게 실행할 수 있는 취성 재료 기판의 가공 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 「앞질러 감」 현상을 발생시키는 일 없이, 깊은 스크라이브 라인을 형성하거나, 완전 분단하거나 할 수 있는 기판의 가공 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 가공 단면의 단면 품질이 우수한 분단 가공을 안정되게 행할 수 있는 취성 재료 기판의 가공 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 폴리곤 미러를 이용하여 레이저 스폿을 형성하고, 이 레이저 스폿을 주사하여 레이저 브레이크를 행할 때에, 폴리곤 미러를 이용하여 레이저 스폿의 에너지 분포를 조정할 수 있도록 하여, 에너지 분포의 조정에 의해, 안정된 레이저 브레이크가 가능한 가공 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 본 발명의 취성 재료 기판의 가공 방법은, 레이저 광원으로부터 출사되는 레이저 빔을, 고속 회전하는 폴리곤 미러로 반복 반사하여 취성 재료 기판에 빔 스폿이 형성되도록 하고, 기판에 설정한 스크라이브 예정 라인을 따라서, 이 빔 스폿을 상대 이동함으로써 기판을 가공하는 취성 재료 기판의 가공 방법으로서, 이하의 순서를 행한다.

우선, 제1회째의 레이저 조사에 의한 제1 빔 스폿을 스크라이브 예정 라인을 따라서 상대 이동시켜 상기 기판을 가열함과 함께, 제1 빔 스폿이 통과한 직후의 부위에 냉매를 분사하여 냉각함으로써, 깊이 방향으로 변화하는 응력 구배를 발생시켜 유한 깊이의 크랙으로 이루어지는 스크라이브 라인을 형성하는 레이저 스크라이브 공정을 행한다. 단, 기판이 용융되어 버리면 응력을 이용한 가공을 할 수 없게 되기 때문에, 기판이 용융되지 않도록 가열 온도는 항상 기판의 연화 온도 미만으로 한다.

이에 따라, 스크라이브 예정 라인에는, 깊이 방향으로 변화하는 응력 구배(제1 응력 구배라고 함)가 발생한다. 제1 응력 구배는 기판 표면측에 인장 응력, 기판 내부측에 압축 응력이 분포되어 있는 응력 구배이다. 이 제1 응력 구배를 이용하여 유한 깊이의 크랙으로 이루어지는 스크라이브 라인을 형성한다.

이어서, 제2회째의 레이저 조사에 의한 제2 빔 스폿을 스크라이브 라인(유한 깊이의 크랙)을 따라서 상대 이동시켜 레이저 브레이크 공정을 행한다. 이때, 폴리곤 미러에 입사되는 레이저 빔 지름이, 레이저 스크라이브 공정시에 입사되는 레이저 빔 지름보다도 작아지도록 조정한다. 이 조정은, 구체적으로는 레이저 빔의 빔 지름 자체를 작게 해도 좋고, 광로 상에 빔 지름을 조정하는 기구를 형성해도 좋다. 이 조정에 의해, 폴리곤 미러에 조사되는 레이저 빔이 폴리곤 미러의 1개의 미러면에만 조사되고 있을 때의 비율이 증가하고, 인접하는 2개의 미러면으로 분할된 상태에서 조사될 때의 비율이 감소하게 되고, 그 결과, 제2 빔 스폿의 에너지 분포는 에너지가 증감하는 양단의 영역이 짧아져, 제2 빔 스폿 전체의 길이가 제1 빔 스폿 전체의 길이보다 짧아짐과 함께, 에너지가 균일한 중앙부의 영역이 긴 톱 해트형(top hat type)의 에너지 분포가 된다(도 11에서 상술함). 또한, 여기에서 말하는 「톱 해트형의 에너지 분포」란, 빔 스폿의 중앙부의 에너지가 대략 균일하고, 빔 스폿의 양단의 영역에서 에너지가 변화하는 에너지 분포를 말한다.

제2 빔 스폿의 에너지 분포를 이와 같이 변화시킴으로써, 단위 시간당의 입열량을 늘릴 수 있고, 기판의 표층을 집중하여 가열할 수 있어, 기판 표층에 고온 영역이 형성된다. 그 결과, 레이저 스크라이브 가공시의 깊이 방향으로 변화하는 응력 구배(제1 응력 구배)와는 깊이 방향으로 역방향으로 변화하는 응력 구배(제2 응력 구배)가 형성되게 된다. 즉, 기판 표면에 압축 응력이 발생하고, 그 반작용으로서 기판 내부에 인장 응력이 형성된다. 기판 내부에는 스크라이브 라인을 형성하는 크랙의 선단이 존재하고 있지만, 이 크랙 선단에 인장 응력이 집중하여 가해지게 되기 때문에, 크랙 선단이 보다 깊게 침투하게 되어, 기판 이면에 도달하면 완전 분단되게 된다.

(그 외의 과제를 해결하기 위한 수단 및 효과)

상기 발명에 있어서, 레이저 광원과 폴리곤 미러와의 사이의 레이저 빔의 광로 상에 형성된 집광 광학 소자의 위치를 변경하여, 폴리곤 미러에 입사되는 레이저 빔 지름을 조정하도록 해도 좋다.

여기에서 집광 광학 소자로서는, 집광 렌즈(예를 들면 메니스커스 렌즈), 집광경을 이용할 수 있다.

이에 따르면, 집광 광학 소자를 광로 방향으로 평행 이동하는 것만으로 레이저 빔 지름을 조정할 수 있어, 에너지 분포를 에너지가 균일한 중앙부의 영역이 긴 톱 해트형으로 하는 조정을 간단히 실현할 수 있다.

상기 발명에 있어서, 레이저 브레이크 공정시에, 집광 광학 소자의 초점 거리 근방에 폴리곤 미러를 접근시키도록 조정하도록 해도 좋다.

이에 따르면, 초점 거리 근방에 접근함에 따라, 레이저 빔 지름이 작아지기 때문에, 폴리곤 미러를 이상적인 톱 해트형에 가까워지게 할 수 있게 된다.

상기 발명에 있어서, 집광 광학 소자의 위치와 함께, 폴리곤 미러와 기판과의 사이의 거리를 동시에 조정하도록 해도 좋다.

이에 따라, 에너지 분포를 톱 해트형으로 함과 함께, 빔 스폿의 긴 방향의 길이 등의 빔 형상에 대해서도 조정할 수 있기 때문에, 단위 시간당의 입열량과 함께 입열 영역도 조정할 수 있게 되어, 레이저 브레이크의 프로세스 윈도우를 더욱 넓힐 수 있다.

본 발명에 의하면, 풀 컷 라인이 형성되는 일이 없고, 또한, 「앞질러 감」 현상을 발생시키는 일 없이, 레이저 스크라이브 공정에 의해 기판에 스크라이브 라인(유한 깊이의 크랙)을 형성하고, 이어서 레이저 브레이크 처리를 행하여 기판을 완전 분단하거나, 보다 깊은 스크라이브 라인을 형성하거나 하는 가공을 실행할 수 있는 프로세스 윈도우를 확대할 수 있어, 안정된 가공을 실현할 수 있다.

또한, 가공 단면의 단면 품질이 우수한 분단 가공을 안정되게 행할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 폴리곤 미러를 이용하여 빔 스폿을 형성하고, 이 빔 스폿을 주사하여 레이저 브레이크를 행할 때에, 폴리곤 미러를 이용하여 빔 스폿의 에너지 분포를 조정할 수 있다. 이것을 이용하여 안정된 레이저 브레이크가 가능해진다.

도 1은 본 발명의 기판 가공 방법을 실시할 때에 이용되는 기판 가공 장치의 일 예의 개략 구성도이다.
도 2는 도 1의 기판 가공 장치의 제어계를 나타내는 블록도이다.
도 3은 광로 조정 기구(14)의 동작예를 나타내는 도면이다.
도 4는 빔 지름이 큰 경우의 폴리곤 미러의 회전 각도와 레이저 빔의 광로 및 빔 스폿과의 관계를 나타내는 도면이다(1개의 미러면의 시단(始端) 근방에 조사되는 경우).
도 5는 빔 지름이 큰 경우의 폴리곤 미러의 회전 각도와 레이저 빔의 광로 및 빔 스폿과의 관계를 나타내는 도면이다(1개의 미러면의 중앙에 조사되는 경우).
도 6은 빔 지름이 큰 경우의 폴리곤 미러의 회전 각도와 레이저 빔의 광로 및 빔 스폿과의 관계를 나타내는 도면이다(1개의 미러면의 종단 근방에 조사되는 경우).
도 7은 빔 지름이 작은 경우에 있어서, 고속 회전하는 미러면에 조사되는 레이저 빔의 단면 형상의 시간 경과에 따른 변화와, 미러면에 의해 유리 기판(G)에 조사되는 빔 스폿의 에너지 분포와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 8은 빔 지름이 작은 경우의 폴리곤 미러의 회전 각도와 레이저 빔의 광로 및 빔 스폿과의 관계를 나타내는 도면이다(1개의 미러면의 시단 근방에 조사되는 경우).
도 9는 빔 지름이 작은 경우의 폴리곤 미러의 회전 각도와 레이저 빔의 광로 및 빔 스폿과의 관계를 나타내는 도면이다(1개의 미러면의 중앙에 조사되는 경우).
도 10은 빔 지름이 작은 경우의 폴리곤 미러의 회전 각도와 레이저 빔의 광로 및 빔 스폿과의 관계를 나타내는 도면이다(1개의 미러면의 종단 근방에 조사되는 경우).
도 11은 빔 지름이 작은 경우에 있어서, 고속 회전하는 미러면에 조사되는 레이저 빔의 단면 형상의 시간 경과에 따른 변화와, 미러면에 의해 유리 기판(G)에 조사되는 빔 스폿의 에너지 분포와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 12는 레이저 브레이크 공정시에 형성하려고 하는 응력 구배를 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 13은 본 발명의 기판 가공 방법에 따른 가공 순서의 플로우 차트이다.
도 14는 유한 깊이의 크랙이 형성되는 메커니즘을 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 15는 풀 컷 라인이 형성되는 메커니즘을 모식적으로 나타낸 사시도 및 평면도이다.
도 16은 기판단에서 발생하는 앞질러 감 현상을 나타내는 도면이다.

(발명을 실시하기 위한 최량의 형태)

(장치 구성)

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 일 실시 형태인 레이저 분단 장치(LC1)의 개략 구성도이다. 도 2는 도 1의 레이저 분단 장치(LC1)에 있어서의 제어계의 구성을 나타내는 블록도이다.

우선, 도 1에 기초하여, 레이저 분단 장치(LC1)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, 상기 슬라이드 테이블(2)에 고정된 스테이(6)가 나사결합되어 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(10)에, 모터(9)에 의해 회전하는 스크루 나사(10a)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)에, 절단 대상의 취성 재료 기판인 유리 기판(G)이 수평인 상태로 부착된다. 회전 기구(11)는, 회전 테이블(12)을, 수직인 축의 주위로 회전시키게 되어 있고, 기준 위치에 대하여 임의의 회전 각도가 되도록 회전할 수 있도록 형성되어 있다. 유리 기판(G)은, 예를 들면 흡인 척에 의해 회전 테이블(12)에 고정된다.

회전 테이블(12)의 상방에는, 레이저 발진기(13)와 광로 조정 기구(14)가 부착 프레임(15)에 보지(保持,holding)되어 있다. 광로 조정 기구(14)는, 레이저 발진기(13)로부터 출사되는 레이저광의 광로를 조정하기 위한 광로 조정 소자군(14a)(메니스커스 렌즈(31), 반사 미러(32), 폴리곤 미러(33))과, 광로 조정 소자군(14a)의 위치를 이동하는 모터군(14b)(모터(34∼36))과, 광로 조정 소자군(14a)과 모터군(14b)을 연결하는 아암군(14c)(아암(37∼39))으로 이루어진다. 메니스커스 렌즈(31)는 아암(37)을 개재하여 승강 모터(34)에 접속되어 상하 방향의 위치를 조정할 수 있도록 되어 있다. 또한, 반사 미러(32)는 아암(38)을 개재하여 승강 모터(35)에 접속되어 상하 방향의 위치를 조정할 수 있도록 되어 있다. 또한, 폴리곤 미러(33)는 아암(39)을 개재하여 승강 모터(36)에 접속되어 상하 방향의 위치를 조정할 수 있도록 되어 있다.

레이저 발진기(13)로부터 출사된 레이저 빔은, 이들 광로 조정 소자군(14a)을 통과함으로써, 소망하는 단면 형상을 갖는 빔 다발이 형성되어, 기판(G)의 위에 빔 스폿으로서 조사된다. 본 실시 형태에서는 원형의 레이저 빔이 출사되어, 메니스커스 렌즈(31)에서 빔 지름이 조정되고, 폴리곤 미러(33)로 주사됨으로써, 실질적으로 타원 형상의 레이저 스폿(LS)(도 2)이 유리 기판(G) 상에 형성된다. 그리고 광로 조정 소자군(14a)을 조정함으로써, 1회째 레이저 조사(레이저 스크라이브 공정)시에 이용하는 제1 빔 스폿, 2회째 레이저 조사(레이저 브레이크 공정)시에 이용하는 제2 빔 스폿을 전환하도록 한다.

또한, 조정시에, 반사 미러(32)와 폴리곤 미러(33)를 독립적으로 조정함으로써, 세세한 조정이 가능해지지만, 그 반면, 조정 작업이 복잡해진다. 그 때문에, 반사 미러(32)와 폴리곤 미러(33)를 일체로 이동하도록 하여 조정 작업을 간소화하도록 해도 좋다. 구체적으로는, 반사 미러(32)와 폴리곤 미러(33)를 연동시켜 이동함으로써 기판(G)과 폴리곤 미러(33)와의 사이의 거리 조정을 행하고, 메니스커스 렌즈(31)를 이동하여 메니스커스 렌즈(31)와 폴리곤 미러(33)와의 거리 조정을 행하도록 해도 좋다.

부착 프레임(15)에는, 광로 조정 기구(14)에 근접하여, 냉각 노즐(16)이 형성되어 있다. 이 냉각 노즐(16)로부터는, 냉각수, He 가스, 탄산 가스 등의 냉각 매체가 유리 기판(G)에 분사되도록 되어 있다. 냉각 매체는, 유리 기판(G)에 조사된 타원 형상의 레이저 스폿(LS)의 근방에 분사되어, 유리 기판(G)의 표면에 냉각 스폿(CS)(도 2)을 형성한다.

부착 프레임(15)에는, 커터 휠(18)이, 상하 이동 조절 기구(17)를 개재하여 부착되어 있다. 이 커터 휠(18)은, 소결 다이아몬드 또는 초경합금을 재료로 하고, 외주면에 정점을 날끝으로 하는 V자형의 능선부를 구비한 것으로서, 유리 기판(G)으로의 압접력이 상하 이동 조절 기구(17)에 의해 미세하게 조정할 수 있게 되어 있다. 커터 휠(18)은, 오로지, 유리 기판(G)의 단테두리에 초기 균열(TR)(도 2)을 형성할 때에, 대좌(7)를 X방향으로 이동하면서 일시적으로 하강하도록 하여 이용한다.

또한, 부착 프레임(15)의 상방에, 한 쌍의 카메라(20, 21)가 고정되어 있어, 기판(G)에 각인(刻印)되어 있는 위치 결정용 마커를 비출 수 있도록 되어 있다.

이어서, 도 2에 기초하여 제어계를 설명한다. 레이저 분단 장치(LC1)는, 메모리에 기억된 제어 파라미터 및 프로그램(소프트웨어)과 CPU에 의해, 각종 처리를 실행하는 제어부(50)를 구비하고 있다. 이 제어부(50)는, 슬라이드 테이블(2), 대좌(7), 회전 테이블(12)의 위치 결정이나 이동을 행하기 위한 모터(모터(9) 등)를 구동하는 테이블 구동부(51), 레이저 조사를 행하는 레이저 구동부(52)(레이저 발진기(13)를 구동하는 레이저 광원 구동부(52a), 광로 조정 소자군(14a)용의 모터군(14b)을 구동하는 광로 조정 기구 구동부(52b)를 포함함), 냉각 노즐(16)에 의한 냉매 분사를 제어하는 개폐 밸브(도시하지 않음)을 구동하는 노즐 구동부(53), 커터 휠(18) 및 상하 이동 조절 기구(17)에 의해 유리 기판(G)에 초기 균열을 형성하는 커터 구동부(54), 카메라(20, 21)에 의해 기판(G)에 각인되어 있는 위치 결정용 마커를 비추는 카메라 구동부(55)의 각 구동계를 제어한다. 또한, 제어부(50)는, 키보드, 마우스 등으로 이루어지는 입력부(56), 및, 표시 화면 상에 각종 표시를 행하는 표시부(57)가 접속되어, 필요한 정보가 화면에 표시됨과 함께, 필요한 지령이나 설정을 입력할 수 있도록 되어 있다.

또한, 제어부(50)는, 테이블 구동부(51), 레이저 구동부(52)(레이저 광원 구동부(52a), 광로 조정 기구 구동부(52b)), 노즐 구동부(53), 커터 구동부(54)를 종합적으로 구동하여 유리 기판(G)의 가공을 행하는 가공 제어부(58)를 구비하고 있고, 이 가공 제어부(58)에 의해, 1회째 레이저 조사, 냉각, 2회째 레이저 조사의 순서에 따른 레이저 가공이 실행된다.

구체적으로는, 가공 제어부(58)가, 우선 커터 구동부(54)와 테이블 구동부(51)를 제어하여, 커터 휠(18)을 하강한 상태에서 기판(G)을 이동하고, 이에 따라 초기 균열(TR)을 형성하는 처리가 행해진다. 이어서 테이블 구동부(51), 레이저 구동부(52), 노즐 구동부(53)를 제어하여, 레이저 빔(제1 빔 스폿)을 조사함과 함께 냉매를 분사한 상태에서 기판(G)을 이동한다. 이에 따라 1회째 레이저 조사 및 냉각을 행하여, 기판에 유한 깊이의 크랙으로 이루어지는 스크라이브 라인을 형성하는 처리가 행해진다. 이어서 테이블 구동부(51), 레이저 구동부(52)를 제어하여, 레이저 빔(제2 빔 스폿)을 조사한 상태에서 기판(G)을 이동한다. 이에 따라 2회째 레이저 조사를 행하여, 크랙을 침투시키는 처리(혹은 완전 분단시키는 처리)가 행해진다.

(광로 조정 동작)

다음으로, 가공 제어부(58)가 광로 조정 기구(14)(광로 조정 소자군(14a), 모터군(14b), 아암군(14c))를 제어함으로써 행해지는 광로 조정에 대해서 설명한다.

도 3은 광로 조정 기구(14)의 동작예를 나타내는 도면으로, 구체적으로는, 메니스커스 렌즈(31)의 상하 이동에 의해, 폴리곤 미러(33)의 미러면에 조사하는 빔 지름을 변화시켜, 기판(G)에 조사되는 빔 스폿의 에너지 분포를 변화시키는 동작을 설명하는 도면이다.

레이저 광원(13)으로부터 출사되는 원형 단면의 레이저 빔(LB0)의 진행 방향은 연직 하방으로 향해져 있어, 레이저 빔(LB0)은 메니스커스 렌즈(31)에 입사된다. 메니스커스 렌즈(31)를 통과한 레이저 빔(LB1)은 집광되면서 추가로 연직 방향으로 진행하여, 반사 미러(32)에 입사된다. 이때 반사 미러(32)의 반사면에 45도의 입사 각도로 입사됨과 함께, 45도의 반사 각도로 출사되도록 반사 미러(32)의 부착 각도가 조정되어 있고, 반사 미러(32)에서 반사된 레이저 빔(LB2)은, 수평 방향으로 진행한다.

수평 방향으로 진행하는 레이저 빔(LB2)은 회전 중의 폴리곤 미러(33)에 입사된다. 이때, 메니스커스 렌즈(31)와 폴리곤 미러(33)와의 사이의 거리에 따라서, 폴리곤 미러의 미러면에 조사되는 빔 지름이 변화하게 된다.

도 4∼도 6은 폴리곤 미러(33)의 미러면에 조사되는 빔 지름이 비교적 큰 경우의 폴리곤 미러의 회전 각도와 레이저 빔의 광로 및 빔 스폿과의 관계를 나타내는 도면이다.

이 상태의 빔 지름은, 메니스커스 렌즈(31)를 반사 미러(32)에 접근시켜, 메니스커스 렌즈(31)의 초점이 폴리곤 미러(33)의 미러면보다도 기판(G)측이 되도록 조정했을 때에 실현된다. 그리고 이 상태의 빔 지름은, 레이저 스크라이브 공정시에 이용된다.

도 4(a)에 있어서, 시계 방향으로 회전 중의 폴리곤 미러(33)에 있어서의 2개의 미러면(M0과 M1)에 주목한다. 미러면(M0)은, 직전까지 레이저 빔(LB2)이 조사되고 있던 미러면이다. 회전이 진행되어, 레이저 빔(LB2)의 미러면(M0)으로의 조사가 이윽고 종료되는 시점이 되면, 미러면(M0)의 종단과 다음의 미러면(M1)의 시단에 레이저 빔(LB2)이 분할되어 동시에 조사되게 된다. 도 4(c)는 미러면(M0)에 조사되는 레이저 빔(LB2)의 단면 형상을 나타내는 도면이다. 또한, 도 4(d)는 미러면(M1)에 조사되는 레이저 빔(LB2)의 단면 형상을 나타내는 도면이다.

분할된 레이저 빔의 단면의 면적비에 따라서, 미러면(M0, M1)에 조사되는 레이저 빔의 에너지가 분배되게 된다. 이때 미러면(M0)측에서 반사된 레이저 빔(LB3a)은 유리 기판(G)의 빔 스폿(LS1)의 위치의 좌단 부분을 조사하게 되어, 이 부분에 에너지를 부여한다. 한편, 미러면(M1)측에서 반사된 레이저 빔(LB3b)은 빔 스폿(LS1)의 위치의 우단 부분을 조사하게 되어, 이 부분에 에너지를 부여한다.

도 4(b)는 기판(G)의 빔 스폿(LS1)의 위치에 조사되는 에너지 분포이다. 즉, 레이저 빔(LB3a, LB3b)으로 분할되어 조사되기 때문에, 기판(G)에 부여되는 에너지도 2개로 분할되어, 빔 스폿(LS1)의 양단은 각각 분할비에 대응한 에너지로 가열되게 된다.

도 5(a)는 추가로 회전이 진행되어, 미러면(M1)의 중앙 부분에 레이저 빔(LB2)이 조사되게 된 상태이다. 이 시점에서는, 1개의 미러면(M1)에만 원형 단면의 레이저 빔(LB2)이 조사되게 된다. 도 5(c)는 미러면(M1)에 조사되는 레이저 빔(LB2)의 단면 형상을 나타내는 도면이다. 레이저 빔(LB2)이 갖는 원형 단면의 빔이 그대로 조사되고 있다. 이때 미러면(M1)에서 반사된 레이저 빔(LB3c)은 빔 스폿(LS1)의 위치의 중앙을 조사하여, 이 부분에 전(全) 에너지를 부여한다.

도 5(b)는 기판(G)의 빔 스폿(LS1)의 위치에 조사되는 에너지 분포이다. 빔 스폿(LS1)의 위치의 중앙 부분에 에너지가 부여되어, 이 부분이 집중적으로 가열된다.

도 6은 추가로 회전이 진행되어, 미러면(M1)의 종단과 다음의 미러면(M2)의 시단에 레이저 빔(LB2)이 분할되어 동시에 조사된 상태이다. 도 6(c)는 미러면(M1)에 조사되는 레이저 빔(LB2)의 단면 형상을 나타내는 도면이다. 또한, 도 6(d)는 미러면(M2)에 조사되는 레이저 빔(LB2)의 단면 형상을 나타내는 도면이다.

도 4의 경우와 동일하게, 분할된 레이저 빔의 단면의 면적비에 따라서, 미러면(M1, M2)에 조사되는 레이저 빔의 에너지가 분배되게 된다. 이때 미러면(M1)측에서 반사된 레이저 빔(LB3d)은 유리 기판(G)의 빔 스폿(LS1)의 위치의 좌단 부분을 조사하여, 이 부분에 에너지를 부여한다. 미러면(M2)측에서 반사된 레이저 빔(LB3e)은 빔 스폿(LS1)의 위치의 우단 부분을 조사하게 되어, 이 부분에 에너지를 부여한다.

도 6(b)는 기판(G)의 빔 스폿(LS1)의 위치에 조사되는 에너지 분포이다. 기판(G)에 조사되는 에너지는 2개로 분배되어, 빔 스폿(LS1)의 양단은 각각 분할비에 대응한 에너지로 가열되게 된다.

그리고, 고속 회전하는 폴리곤 미러(33)에 의해 도 4에서 도 6까지의 레이저 조사가 반복되게 됨으로써, 도 4(b), 도 5(b), 도 6(b)에서 나타낸 에너지 분포가 더해 합쳐진 에너지 분포를 갖는 빔 스폿(LS1)이 형성되게 된다.

도 7은 고속 회전하는 미러면(M1)에 조사되는 레이저 빔(LB2)의 단면 형상의 시간 경과에 따른 변화와 미러면(M1)에 의해 유리 기판(G)에 조사되는 빔 스폿(LS1)의 에너지 분포와의 관계를 나타내는 도면이다.

도 7(a)에 나타내는 바와 같이, 미러면(M1)에 조사되는 레이저 빔(LB2)의 단면은, 회전이 진행됨에 따라 변화한다.

즉, 미러면(M1)의 시단(미러면(M0)과의 경계)이 레이저 빔(LB2)의 조사 범위를 통과하는 기간에는, 미러면(M1)에 조사되는 레이저 빔(LB2)의 단면 형상은, 원형 단면의 일부가 결여된 형상이며, 이 동안은 단면적이 점차 증가한다. 그 후는, 미러면(M1)에 조사되는 레이저 빔(LB2)의 단면 형상은 원형 단면이 되며, 미러면(M1)의 종단(미러면(M2)과의 경계)이 레이저 빔(LB2)의 조사 범위에 들어갈 때까지는 원형 단면이 계속된다. 그리고 미러면(M1)의 종단이, 레이저 빔(LB2)의 조사 범위를 통과하는 기간에는, 미러면(M1)에 조사되는 레이저 빔(LB2)의 단면 형상은, 다시 원형 단면의 일부가 결여된 단면 형상이 되어, 단면적이 점차 감소한다.

이러한 단면적의 변화에 대응하여, 미러면(M1)에 의해 기판(G) 상에 형성되는 빔 스폿(LS1)의 에너지 분포가 변화한다. 에너지 분포를 도 7(b)에 나타낸다. 빔 스폿(LS1)의 에너지 분포는, 중앙부의 에너지가 균일하고(톱 해트형), 그 양단이 완만하게 변화하는 에너지 분포가 된다. 양단의 완만한 부분의 폭은, 레이저 빔(LB2)의 조사 범위를 미러면(M1)의 시단 또는 종단이 통과하는 기간에, 미러면(M1)에 의해 반사된 레이저 빔이 기판(G) 상에 조사된 범위에 상당한다. 따라서, 레이저 빔(LB2)의 빔 지름이 커짐에 따라 빔 스폿(LS1)의 양단의 에너지 분포가 완만하게 변화하는 부분의 폭이 넓어진다. 그리고 회전하는 폴리곤 미러(33)의 각 미러면에 의해, 도 7(b)의 에너지 분포를 갖는 조사가 반복된다.

다음으로, 미러면에 조사되는 빔 지름이 작은 경우에 대해서 설명한다. 도 8∼도 10은 미러면에 조사되는 레이저 빔(LB2)의 빔 지름이 비교적 작은 경우의 폴리곤 미러의 회전 각도와 레이저 빔의 광로 및 빔 스폿과의 관계를 나타내는 도면이다.

이 상태의 빔 지름은, 메니스커스 렌즈(31)의 초점이 폴리곤 미러(33)의 미러면(M1)의 근방에 오도록 메니스커스 렌즈(31)의 위치를 조정했을 때에 실현된다. 그리고 이 상태의 빔 지름은 레이저 브레이크 공정시에 이용된다.

도 8(a)에 있어서, 도 4(a)와 동일하게, 시계 방향으로 회전 중의 폴리곤 미러(33)에 있어서의 2개의 미러면(M0과 M1)에 주목한다. 미러면(M0)은, 직전까지 레이저 빔(LB2)이 조사되고 있던 미러면이다. 회전이 진행되어, 레이저 빔(LB2)의 미러면(M0)으로의 조사가 이윽고 종료되는 시점이 되면, 미러면(M0)의 종단과 다음의 미러면(M1)의 시단에 레이저 빔(LB2)이 분할되어 동시에 조사되게 된다. 도 8(c)는 미러면(M0)에 조사되는 레이저 빔(LB2)의 단면 형상을 나타내는 도면이다. 또한, 도 8(d)는 미러면(M1)에 조사되는 레이저 빔(LB2)의 단면 형상이다. 빔 지름이 작기 때문에, 2개의 미러면(M0, M1)이 동시에 조사되는 범위(시단, 종단에서 빔 지름까지의 범위)는, 도 4의 경우에 비하여 좁아진다.

미러면(M0, M1)에 조사되는 레이저 빔의 에너지는, 도 4와 동일하게, 분할된 빔의 면적비에 따라서 분배되게 된다. 이때 미러면(M0)측에서 반사된 레이저 빔(LB3a)은 유리 기판(G)의 빔 스폿(LS1)의 위치의 좌단 부분을 조사하여, 이 부분에 에너지를 부여한다. 한편, 미러면(M1)측에서 반사된 레이저 빔(LB3b)은 빔 스폿(LS1)의 위치의 우단 부분을 조사하여, 이 부분에 에너지를 부여한다.

도 8(b)는 기판(G)의 빔 스폿(LS1)의 위치에 조사되는 에너지 분포이다. 즉, 레이저 빔(LB3a, LB3b)으로 분할되어 조사되기 때문에, 기판(G)에 조사되는 에너지도 2개로 분배되어, 빔 스폿(LS1)의 양단은 각각 분할비에 대응한 에너지로 가열되게 된다.

도 9(a)는 추가로 회전이 진행되어, 미러면(M1)의 중앙 부분에 레이저 빔(LB2)이 조사되게 된 상태이다.

이 시점에서는, 1개의 미러면(M1)에만 원형 단면의 레이저 빔(LB2)이 조사되게 된다. 도 9(c)는 미러면(M1)에 조사되는 레이저 빔(LB2)의 단면 형상을 나타내는 도면이다. 레이저 빔(LB2)이 갖는 원형 단면의 빔이 그대로 조사되고 있다. 이때 미러면(M1)에서 반사된 레이저 빔(LB3c)은 빔 스폿(LS1)의 위치의 중앙을 조사하여, 이 부분에 전(全) 에너지를 부여한다.

도 9(b)는, 이때 기판(G)의 빔 스폿(LS1)의 위치에 조사되는 에너지 분포이다. 빔 스폿(LS1)의 위치의 중앙 부분에 에너지가 부여되어, 이 부분이 집중적으로 가열된다.

도 10은 추가로 회전이 진행되어, 미러면(M1)의 종단과 다음의 미러면(M2)의 시단에 레이저 빔(LB2)이 분할되어 동시에 조사된 상태이다. 도 10(c)는 미러면(M1)에 조사되는 레이저 빔(LB2)의 단면 형상을 나타내는 도면이다. 또한, 도 10(d)는 미러면(M2)에 조사되는 레이저 빔(LB2)의 단면 형상을 나타내는 도면이다.

도 6과 동일하게, 분할된 레이저 빔의 단면의 면적비에 따라서, 미러면(M1, M2)에 조사되는 레이저 빔의 에너지가 분배되게 된다. 이때 미러면(M1)측에서 반사된 레이저 빔(LB3d)은 유리 기판(G)의 빔 스폿(LS1)의 위치의 좌단 부분을 조사하여, 이 부분에 에너지를 부여한다. 미러면(M2)측에서 반사된 레이저 빔(LB3e)은 빔 스폿(LS1)의 위치의 우단 부분을 조사하게 되어, 이 부분에 에너지를 부여한다.

도 10(b)는 이때 기판(G)의 빔 스폿(LS1)의 위치에 조사되는 에너지 분포이다. 기판(G)에 조사되는 에너지는 2개로 분배되고, 빔 스폿(LS1)의 양단은 각각 분할비에 대응한 에너지로 가열되게 된다.

그리고, 고속 회전하는 폴리곤 미러(33)에 의해 도 8에서 도 10까지의 레이저 조사가 반복됨으로써, 도 8(b), 도 9(b), 도 10(b)에서 나타낸 에너지 분포가 더해 합쳐진 에너지 분포를 갖는 빔 스폿(LS1)이 형성되게 된다.

도 11은 고속 회전하는 미러면(M1)에 조사되는 레이저 빔(LB2)의 단면 형상의 시간 경과에 따른 변화와 미러면(M1)에 의해 유리 기판(G)에 조사되는 빔 스폿(LS1)의 에너지 분포와의 관계를 나타내는 도면이다.

미러면(M1)에 조사되는 레이저 빔(LB2)의 빔 지름이 작기 때문에, 도 11(a)에 나타내는 바와 같이, 도 7(a)에서 나타낸 빔 지름이 큰 경우에 비하여 조사되는 단면적이 전체적으로 작아지지만, 에너지 밀도는 높아지고 있다. 또한, 도 11(a)에서 나타내는 바와 같이, 미러면(M1)에 조사되는 레이저 빔(LB2)의 단면은 회전이 진행됨에 따라서 변화한다. 즉, 도 7(a)와 동일하게, 미러면(M1)의 시단(미러면(M0)과의 경계)이 레이저 빔(LB2)의 조사 범위를 통과하는 기간, 및, 미러면(M1)의 종단(미러면(M2)과의 경계)이 레이저 빔(LB2)의 조사 범위를 통과하는 기간에 대해서는, 미러면(M1)에 조사되는 레이저 빔(LB2)의 단면은, 원형 단면의 일부가 결여된 단면 형상이 되어, 이 범위 내에서 단면적이 증대 또는 감소한다. 그 사이의, 레이저 빔(LB2)의 조사 범위 전체가 미러면(M1)에 조사되는 기간에 대해서는, 미러면(M1)에 조사되는 레이저 빔(LB2)의 단면은, 원형 단면이 된다.

레이저 빔(LB2)의 빔 지름이 작기 때문에, 미러면(M1)의 시단 근방 및 종단 근방에서 미러면(M1)에 조사되는 레이저 빔(LB2)의 단면적이 변화되는 범위의 폭은, 도 7(a)에 비하면 좁아져, 단면적이 급격하게 증감한다. 이 단면적의 변화에 대응하여, 미러면(M1)에 의해 기판(G) 상에 형성되는 빔 스폿(LS1)의 에너지 분포가 변화한다. 이때의 빔 스폿(LS1)의 에너지 분포를 도 11(b)에 나타낸다. 또한, 비교를 위해, 빔 지름이 작은 경우의 에너지 분포를 실선으로 나타냄과 함께, 빔 지름이 큰 경우의 에너지 분포(도 7(b)의 에너지 분포)를 일점쇄선으로 나타내 둔다.

조사되는 레이저 빔(LB2)의 빔 지름이 작아질수록, 빔 스폿(LS1)의 에너지 분포는, 에너지가 변화하는 양단의 영역이 짧아져, 빔 스폿(LS1) 전체의 길이가 짧아짐과 함께, 에너지가 균일한 중앙부의 영역이 긴 톱 해트형의 에너지 분포가 된다.

그리고 회전하는 폴리곤 미러(33)의 각 미러면에 의해, 미러면(M1)과 동일한 에너지 분포를 갖는 빔 스폿(LS1)으로 조사가 반복된다.

이와 같이 하여, 메니스커스 렌즈(31)의 높이 조정만으로 빔 스폿의 에너지 분포의 조정을 행할 수 있다.

또한, 메니스커스 렌즈(31)의 높이를 바꿈으로써, 기판(G)에 조사되는 빔 스폿의 에너지 분포를 조정할 수 있지만, 그때에, 빔 스폿 전체의 길이도 변화되게 된다.

그 때문에, 공정마다 빔 스폿의 장축 길이를 변화시키고 싶지 않은 경우나, 반대로, 레이저 브레이크 공정에 있어서 장축의 길이를 더욱 짧게 조정하고 싶은 경우에는, 메니스커스 렌즈(31)와 폴리곤 미러(33)와의 거리를 조정함과 동시에, 폴리곤 미러(33), 반사 미러(32)를 일체로 이동하여, 기판(G)과의 거리를 조정하도록 하고, 장축 길이도 조정하도록 한다.

이에 따라, 소망하는 빔 스폿 형상이고, 그리고, 소망하는 에너지 분포로써 가열을 행하도록 한다.

레이저 브레이크 공정시에는, 에너지가 균일한 중앙부의 영역이 긴 톱 해트형의 에너지 분포를 갖는 빔 스폿을 조사함으로써 단시간에 보다 큰 입열량을 부여하도록 한다.

도 12는, 본 발명의 가공 방법에 따라서 레이저 브레이크 공정시에 형성하려고 하는 응력 구배를 모식적으로 나타낸 단면도이다. 빔 스폿을 톱 해트형의 에너지 분포로 하여 기판 표층으로부터 단시간에 집중하여 가열해, 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 직전의 레이저 스크라이브 공정에 의해 발생한 크랙(Cr)이 존재하면, 인장 응력은 크랙(Cr)의 선단에 집중하게 되고, 그 결과, 크랙(Cr)은 더욱 깊게 침투하게 된다. 또한, 크랙(Cr)이 이면까지 도달함으로써 완전 분단되게 된다.

(가공 순서)

다음으로, 가공 장치(LC1)를 이용하여 기판(G)을 분단할 때의 가공 순서에 대해서 설명한다. 도 13은 가공 순서의 플로우 차트이다.

우선, 기판(G)을 회전 테이블(12) 위에 올려놓고, 흡인 척(chuck)에 의해 고정한다. 회전 테이블(12)을 카메라(20, 21)의 아래로 이동하여, 카메라(20, 21)에 의해 유리 기판(A)에 각인되어 있는 얼라이먼트 마크(도시하지 않음)가 검출된다. 그 검출 결과에 기초하여, 스크라이브 예정 라인과, 회전 테이블(12), 슬라이드 테이블(2), 대좌(7)와의 위치의 관계 지음을 기억한다. 그리고 회전 테이블(12) 및 슬라이드 테이블(2)을 작동하여, 커터 휠(18)의 날끝 방향이 스크라이브 예정 라인의 방향으로 나란히 서도록 함과 함께, 초기 균열을 형성하는 위치의 근방에 날끝이 오도록 한다(S101). 이때의 위치를 가공 개시 위치로서 기억한다.

이어서, 승강 기구(17)를 작동하여 커터 휠(18)을 하강한다.

회전 테이블(12)(대좌(7))을 이동하여 기판단 커터 휠(18)을 압접한다. 이에 따라 초기 균열(TR)을 형성한다. 초기 균열(TR)이 형성되면, 승강 기구(17)를 작동하여 커터 휠(18)을 상승한다(S102).

이어서, 기판(G)을 가공 개시 위치로 되돌리고, 레이저 장치(13)를 작동하여 제1회째의 레이저 빔을 조사한다. 이때 메니스커스 렌즈(31)의 위치를 조정하여, 폴리곤 미러(31)의 미러면에 비교적 큰 빔 지름(도 4∼도 7 참조)으로 입사한다. 이에 따라, 기판(G)에 형성되는 빔 스폿의 에너지 분포가 완만하게 상승하는 상태의 에너지 분포로 한다. 또한, 냉각 노즐(16)로부터 냉매를 분사한다. 이 상태에서, 회전 테이블(12)(대좌(7))을 이동하여, 스크라이브 예정 라인을 따라서 빔 스폿 및 냉각 스폿을 주사함으로써, 스크라이브 라인을 형성한다(S103).

이어서, 기판(G)을 가공 개시 위치로 되돌려, 제2회째의 레이저 빔을 조사한다. 이때 메니스커스 렌즈(31)의 위치를, 제1회째의 조사시보다도 반사 미러(32)로부터 멀리하여, 폴리곤 미러(33)의 미러면에 입사되는 빔 지름을 작게 줄인다(도 8∼도 11 참조). 이에 따라, 기판(G)에 형성되는 빔 스폿의 에너지 분포가 가파르게 상승하여, 제1회째보다 톱 해트형의 에너지 분포로 한다. 냉각 노즐(16)은 분사를 계속해도 좋지만, 반드시 필요한 것은 아니기 때문에, 여기에서는 정지한다. 이 상태에서, 회전 테이블(12)(대좌(7))을 이동하여, 전회의 주사로 형성한 스크라이브 라인을 따라서, 톱 해트형의 에너지 분포를 갖는 빔 스폿을 주사한다. 이에 따라, 스크라이브 라인을 형성하고 있는 크랙이 깊게 침투하여, 기판 이면에 도달하면 완전 분단된다(S104).

이와 같이 하여 형성된 스크라이브 라인은, 매우 우수한 가공 단면이며, 단면 강도도 강해진다.

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(臺座)
12 : 회전 테이블
13 : 레이저 장치
16 : 냉각 노즐
17 : 승강 기구
18 : 커터 휠
31 : 메니스커스 렌즈
32 : 반사 미러
33 : 폴리곤 미러
G : 유리 기판(취성 재료 기판)
Cr : 크랙
Tr : 초기 균열

Claims (4)

1. 레이저 광원으로부터 출사되는 레이저 빔을, 고속 회전하는 폴리곤 미러로 반복 반사하여 취성 재료 기판에 빔 스폿이 형성되도록 하고, 상기 기판에 설정한 스크라이브 예정 라인을 따라서 상기 빔 스폿을 상대 이동함으로써 상기 기판을 가공하는 취성 재료 기판의 가공 방법으로서,
   제1회째의 레이저 조사에 의한 제1 빔 스폿을 스크라이브 예정 라인을 따라서 상대 이동시켜 상기 기판을 가열함과 함께, 제1 빔 스폿이 통과한 직후의 부위를 냉각함으로써, 깊이 방향으로 변화하는 응력 구배를 발생시켜 유한 깊이의 스크라이브 라인을 형성하는 레이저 스크라이브 공정과,
   제2회째의 레이저 조사에 의한 제2 빔 스폿을 상기 스크라이브 라인을 따라서 상대 이동시켜, 상기 스크라이브 라인을 더욱 깊게 침투, 또는, 완전 분단시키는 레이저 브레이크 공정으로 이루어지고,
   레이저 브레이크 공정시에 폴리곤 미러에 입사되는 레이저 빔 지름이, 레이저 스크라이브 공정시에 입사되는 레이저 빔 지름보다도 작아지도록 조정하여 조사하는 취성 재료 기판의 가공 방법.
2. 제1항에 있어서,
   레이저 광원과 폴리곤 미러와의 사이의 레이저 빔의 광로 상에 형성된 집광 광학 소자의 위치를 변경하여 폴리곤 미러에 입사되는 레이저 빔 지름을 조정하는 취성 재료 기판의 가공 방법.
3. 제2항에 있어서,
   레이저 브레이크 공정시에, 상기 집광 광학 소자의 초점 위치 근방에 폴리곤 미러를 접근시키도록 조정하는 취성 재료 기판의 가공 방법.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   집광 광학 소자의 위치와 함께, 폴리곤 미러와 기판과의 사이의 거리를 동시에 조정하는 취성 재료 기판의 가공 방법.

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