JP5249979B2 - 脆性材料基板の加工方法およびこれに用いるレーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス、シリコン、セラミック、半導体等の脆性材料基板に対し、分断予定ラインに沿ってレーザ光を照射して局所加熱し、続いて冷媒を噴射して局所冷却することにより当該基板に亀裂を形成する加工方法に関する。ここでいう「加工」は、加熱と冷却により基板に熱応力分布を発生させて当該基板に亀裂を形成する加工をいうが、形成される亀裂が基板表面から裏面に達するようにして完全分断させる場合とともに、分断予定ラインに深い亀裂（基板厚さの８０％以上の亀裂）を形成して完全分断の直前状態にするような加工も含まれる。

従来、脆性材料であるガラス基板を分断（割断）する方法として、例えば特許文献１並びに特許文献２で開示されているように、基板を局所的に加熱及び冷却し、その際に生じる熱応力（圧縮応力並びに引張応力）によって、あらかじめ基板の端部に形成してある初期亀裂（トリガ）を起点にして亀裂を所望の方向に進展させて、基板にスクライブラインを形成したり、完全分断（板厚が極端に薄いときなど）したりする加工方法が知られている。

具体的には、熱源としてレーザビームを使用し、テーブル上に保持させた基板をレーザビームに対して相対的に移動することでレーザビームを基板の分断予定ラインに沿って局所的に照射して加熱するとともに、これに追従して冷却ユニットのノズルから冷媒を噴射する。このとき加熱によって生じる圧縮応力と、急冷によって生じる引張応力による応力分布を利用して、亀裂を分断予定ラインの方向に進展させ、一筋のスクライブラインを形成する。

そして、基板が極端に薄い場合等で完全分断されてしまう場合を除き、スクライブライン（亀裂）に沿って、ブレイクバーを押し当てたり、ローラを圧接転動したりすることによって基板を撓ませることで基板を分断するようにしている。

特開２００４−１８２５３０号公報 特開２００５−２６３５７８号公報

しかし、上述した従来方法では、加熱、冷却を行った後に、外力を与えて基板を撓ませて分断するときに、分断されて形成された端面同士が互いに押圧してしまい、精度よく分断予定ラインに沿って分断することができないことがあった。また、分断面が粗雑になるといった問題点もあった。

そこで本発明は、本課題を解決し、分断予定ラインに沿って精度よく分断することのできる基板の分断方法を提供することを目的とする。

上記課題を検討する上で、発明者の反復実験により、分断されて形成された端面同士が互いに押圧するのは、以下の点が要因となっていることがわかった。図６は、局所加熱後に、加熱部分に追従して、冷媒を噴射して冷却した直後の基板の状態を示す断面図である。なお、説明の便宜上、亀裂等を誇張して図示している。

基板Ｗをレーザビームによって局所的に加熱した後、この加熱部分を冷却装置のノズル１３からの冷媒によって急冷すると、引張応力が発生する。この引張応力によって、図６（ａ）に示すように亀裂１１が発生する。この亀裂の開口部は冷媒が噴射される冷却ポイントから離れるにしたがって、やがて閉じ、図６（ｂ）に示すように目視で見ることができないブラインドクラック１２となる。ブラインドクラックは、冷却によって引張応力が生じている領域が、時間経過により温度が緩和して再び表面温度が上昇したときに、圧縮応力に変わるようになり、亀裂面が圧縮されて亀裂が閉じていると考えられる。このようなブラインドブラック（一度発生した亀裂の開口部が再び閉じて目視で見えなくなっているが内部に亀裂が残っている状態）が生じている状態で、外力を印加して基板を撓ませてブレイクを行うと、亀裂の開口部に圧縮応力が残留して閉じているので大きな外力を必要とし、無理に分断しようとすると分断されて形成された端面同士が互いに押圧してしまうと考えられる。この圧縮応力が、精度よく分断予定ラインに沿って分断できなくなる場合の要因となっている。

したがって、上記目的を達成するために本発明では次のような技術的手段を講じた。即ち、本発明の基板加工方法では、脆性材料基板の分断予定ラインに沿ってレーザビームを相対的に移動させながら照射することによって加熱し基板に局所的な圧縮応力を生じさせる加熱工程と、加熱された領域の直後に冷媒を噴射して形成した冷却領域をレーザビームに追従して移動させながら脆性材料基板を局所冷却することによって引張応力を生じさせ分断予定ラインに沿って亀裂を進展させる冷却工程と、この引張応力が残留して亀裂の開口部が開いている間に、この亀裂の開口部が生じている領域に対して外力を印加して亀裂を厚さ方向に浸透させるブレイク工程とからなるようにしている。

ここで、ブレイク工程における外力を印加させる位置は、冷却工程による冷却領域の冷却中心から冷却領域の移動方向後方側へ２０ｍｍ、並びに、冷却領域の移動方向前方側へ５ｍｍの範囲に配置するのがよい。特に、冷却によって生じた亀裂の開口部が最大に開いている位置が最も好ましく、基板の冷却中心（ｃｐ）から冷却領域の移動方向と反対方向となる後方へ向けて０ｍｍ〜１０ｍｍの範囲の位置が適切である。
また、上記目的を達成するためになされた本発明のレーザ加工装置は、テーブル上に載置された脆性材料基板の分断予定ラインに沿って前記基板の上方からレーザビームを相対的に移動させながら照射することによって加熱して基板に局所的な圧縮応力を生じさせるレーザ照射機構と、加熱された領域の直後に冷媒を噴射して形成した冷却領域をレーザビームに追従するように移動させて脆性材料基板を局所冷却することによって引張応力を生じさせ分断予定ラインに沿って亀裂を進展させる冷却機構とを備えたレーザ加工装置であって、前記テーブルは前記基板の分割予定ラインの下面側を露出させるための間隙を挟んで両側に分割され、冷媒の噴射によって生じた引張応力が残留して亀裂の開口部が開いている間に、この亀裂の開口部が生じている領域に対して、前記基板の下方から外力を印加して亀裂を厚さ方向に浸透させるブレイク機構を備えるようにしている。

本発明の加工方法によれば、ブレイク工程での外力を印加する位置を、冷却工程による急激な冷却によって生じた亀裂がブラインドクラックにならないで、亀裂の開口部が開いている領域内にしているので、外力を少し与えるだけで、即ち、亀裂の開口部が開いている領域を外力で少し撓ませるだけで、無理なく亀裂を浸透させて分断することができる。これにより、従来のような、分断されて形成された端面同士が互いに押圧するような現象をなくすることができて、分断予定ラインに沿って精度よく分断することができるとともに、滑らかで、きれいな加工面を得ることができるといった効果がある。

本発明において、ブレイク工程における外力の印加手段として基板に圧接するローラを使用し、このローラを基板のレーザビーム照射面とは反対側に配置して、ローラを押し当てることにより外力を印加するようにするのがよい。
これにより、亀裂の開口部が開いている領域を的確に撓ませることができ、無理なく亀裂を浸透させて分断することができる。

本発明にかかる加工方法を実施するためのレーザ加工装置の一例を示す斜視図である。 本発明にかかる加工方法を説明するための図である。 本発明における加工時の熱応力の発生状態を示す拡大断面図であって、圧縮応力が生じている状態を示す。 本発明における加工時の熱応力の発生状態を示す拡大断面図であって、引張応力が生じている状態を示す。 外力が印加されている状態を示す拡大断面図である。 レーザ加熱後に、冷媒を噴射して冷却した直後の基板の状態を示す断面図である。

以下、本発明にかかる加工方法の詳細を、その実施の形態を示す図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明にかかる加工方法を実施するためのレーザ加工装置の一例を示す概略的な斜視図であり、図２は加工方法を説明するための図である。
レーザ加工装置は、ガラス基板Ｗを載置するための二分割されたテーブル１を備えている。テーブル１は、基板Ｗを載置するための平らな上面２を有しており、上面２には多数のエア吸引孔３が設けられている。このエア吸引孔３は、載置される基板Ｗを吸引保持するためのものであって、テーブル１の内部に設けられたマニホールド（不図示）を介してエア吸引ポンプ（不図示）に連通されている。さらに、テーブル１に載置された基板Ｗを、吸盤４を介して持ち上げて搬送させるための搬送ロボット５が設けられている。

また、テーブル１上に載置された基板Ｗを、分断予定ラインに沿って加工するために、基板Ｗに局所的な圧縮応力を生じさせる加熱手段としてのレーザ照射機構６と、このレーザ照射機構６による加熱領域（レーザスポット）に追従して、加熱領域の直後を冷媒噴射により冷却することによって引張応力を生じさせ、亀裂を分断予定ラインに沿って進展させる冷却機構７と、この引張応力が残留している間に、冷却領域近傍（亀裂の開口部が生じている領域）に対して外力を印加して亀裂を厚み方向に浸透させるブレイク機構８とが設けられている。

冷却機構７は、先端から冷媒を噴射するノズル７ａを備えている。また、ブレイク機構８は、基板Ｗの下方側に配置されたローラ８ａを備えており、このローラ８ａを分割されたテーブル１の間隙で、下から押圧させることにより基板Ｗを押圧して分断するようになっている。なお、ローラ８ａに相対して、基板Ｗの上方側に凹面状の周面を有する受けローラ８ｂを配設しておくのが好ましい。

レーザ照射機構６、冷却機構７、ブレイク機構８は、レーザ照射機構６を先頭として順次一直線上に配列されて共通の保持部材９により保持されており、駆動機構（不図示）によって、基板Ｗを載せたテーブル１に対して相対的に配列方向に沿って移動できるように形成されている。

ブレイク機構８のローラ８ａは、ノズル７ａからの冷媒噴射による急激な冷却によって生じた亀裂１０（図４参照）がブラインドクラックにならないで、亀裂の開口部が開いている領域に配置される。
具体的には、加工すべきガラス基板Ｗの厚みが０．４ｍｍ〜１．１ｍｍ程度、基板Ｗの送り速度が５０ｍｍ／秒〜５００ｍｍ／秒としたときに、ノズル７ａによる冷却ポイントの中心ｃｐ（図２）からノズル７ａの基板Ｗに対する移動方向（矢印方向）と反対方向である後方側の２０ｍｍ並びに移動方向前方側５ｍｍの範囲にローラ８ａが配置される。
特に、冷却によって生じた亀裂の開口部が大きく開いている位置が最も好ましく、冷却ポイントの中心ｃｐ（図２）からノズル７ａの基板Ｗに対する移動方向とは反対方向の後方側に向けて０ｍｍ〜１０ｍｍの範囲内の位置が適切である。ちなみに、従来はスクライブとブレイクとは別工程で行うべきとの考えがあり、ローラブレイクを行う場合には、なるべく振動を与えない方がよいと考え、また基板Ｗが十分に冷却されて亀裂が基板の厚さ方向に進展しきった後にブレイク工程を設ける方がよいと考え、十分に冷媒噴射位置から離れた位置（冷却中心ｃｐから後方側に向けて２０ｍｍ以上離隔）にローラが配置されるようにしていた。
なお、ローラ８ａを冷却ポイントの中心ｃｐからノズル７ａの基板Ｗに対する移動方向前方側に５ｍｍより離れた位置に配置した場合には、亀裂を浸透させる効果が見られなかった。

次に、加工動作について説明する。基板Ｗを分断予定ラインＬに沿って加工するに際して、基板Ｗの分断予定ラインＬがレーザ加工装置における所定の加工位置にくるように位置合わせしながらテーブル１に保持させる。そして、レーザ照射機構６（保持部材９）を分断予定ラインＬに沿って相対的に移動させながら基板Ｗにレーザビームを照射することにより、図３に示すように、基板Ｗに局所的な圧縮応力の場Ｐ１を生じさせる。次いで、図４に示すように、レーザビームに追従させてレーザビームにより加熱された領域の直後（したがって、Ｐ１は少し基板内部に移動する）を、冷却機構７のノズル７ａからの冷媒噴射により急冷して引張応力Ｐ２を生じさせる。

これにより亀裂１０が分断予定ラインＬ（図１）に沿って形成される。さらに図５に示すように、ブレイク機構８のローラ８ａを上昇させて、冷却工程によって亀裂１０の生じている領域を撓ませて、亀裂深さを板厚の１００％（完全分断）から８０％まで浸透させる。
このとき、ブレイク機構８のローラ８ａの圧接位置が、ノズル７ａによる急激な冷却によって生じた亀裂１０がブラインドクラックにならないで、亀裂１０の開口部が開いている領域にしてあるので、ローラ８ａを少し押圧させるだけで、即ち、亀裂１０の開口部が開いている領域をローラ８ａで少し撓ませるだけで、無理なく亀裂を浸透させることができる。これにより、分断されて形成された端面同士が互いに押圧するような現象をなくすことができ、分断予定ラインに沿って精度よく分断することができるとともに、滑らかで、きれいな分断面を得ることができる。

以上本発明の代表的な実施例について説明したが、本発明は必ずしも上記の実施形態に特定されるものでなく、その目的を達成し、請求の範囲を逸脱しない範囲内で適宜修正、変更することが可能である。

本発明の加工方法は、ガラス基板等の脆性材料からなる基板を加工するのに利用することができる。

Ｗ 基板
Ｌ 分断予定ライン
１ テーブル
６ レーザ照射機構
７ 冷却機構
７ａ ノズル
８ ブレイク機構
８ａ ローラ
１０ 亀裂

Claims (5)

1. 脆性材料基板の分断予定ラインに沿ってレーザビームを相対的に移動させながら照射することによって加熱し基板に局所的な圧縮応力を生じさせる加熱工程と、
   加熱された領域の直後に冷媒を噴射して形成した冷却領域をレーザビームに追従して移動させながら脆性材料基板を局所冷却することによって引張応力を生じさせ分断予定ラインに沿って亀裂を進展させる冷却工程と、
   前記基板に外力を印加して亀裂を厚さ方向に浸透させるブレイク工程とからなる脆性材料基板の加工方法において、
   前記ブレイク工程における外力を印加させる位置は、前記冷却領域の範囲内であって、かつ、前記冷却領域の冷却中心から冷却領域の移動方向後方側へ２０ｍｍ、冷却領域の移動方向前方側へ５ｍｍの範囲内であることを特徴とする脆性材料基板の加工方法。
2. 前記ブレイク工程でローラを使用し、このローラを基板のレーザ照射面とは反対側に配置して、ローラを圧接することにより外力を印加するようにした請求項１に記載の脆性材料基板の加工方法。
3. テーブル上に載置された脆性材料基板の分断予定ラインに沿って前記基板の上方からレーザビームを相対的に移動させながら照射することによって加熱して基板に局所的な圧縮応力を生じさせるレーザ照射機構と、
   加熱された領域の直後に冷媒を噴射して形成した冷却領域をレーザビームに追従するように移動させて脆性材料基板を局所冷却することによって引張応力を生じさせ分断予定ラインに沿って亀裂を進展させる冷却機構とを備え、
   前記テーブルは前記基板の分割予定ラインの下面側を露出させるための間隙を挟んで両側に分割され、前記基板の下方から前記基板に外力を印加して亀裂を厚さ方向に浸透させるブレイク機構を備えたレーザ加工装置であって、
   前記冷却機構は冷媒を噴射するノズルを有し、冷媒が噴射される冷却領域の範囲内であって、かつ、前記冷却領域の冷却中心からノズルの基板に対する移動方向と反対側である後方側２０ｍｍ、移動方向前方側５ｍｍの範囲内に前記ブレイク機構が配置されることを特徴とするレーザ加工装置。
4. 前記ブレイク機構は、前記テーブルに対し、前記間隙に沿って相対的に移動しながら基板の分割予定ラインの下面を押圧するローラからなる請求項３に記載のレーザ加工装置。
5. 前記ブレイク機構は、前記ローラに相対する前記基板の上方の位置に凹面状の周面を有する受けローラをさらに備えた請求項４に記載のレーザ加工装置。

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