JP5194076B2 - レーザ割断装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ割断装置に関するものである。

従来、ガラス基板などの脆性材料基板の割断方法としては、カッターホイール等を圧接転動させて、垂直クラックからなるスクライブラインを形成した後、スクライブラインに沿って基板に対して垂直方向から外力を加え基板を割断する方法が広く行われている。

通常、カッターホイールを用いて脆性材料基板のスクライブを行った場合、カッターホイールによって脆性材料基板に付与される機械的な応力によって基板の欠陥が生じやすく、外力を加えて基板を割断する際に上記欠陥に起因する割れ等が発生することがあった。

そこで、近年、レーザを用いて脆性材料基板を割断する方法が実用化されている。この方法は、レーザビームを基板に照射して基板を溶融温度未満に加熱した後、冷却媒体により基板を冷却することによって基板に熱応力を生じさせ、この熱応力によって基板の表面から略垂直方向にクラック（以下、「垂直クラック」と記すことがある）を形成させるというものである。このレーザビームを用いた脆性材料基板の割断方法では、熱応力を利用するため、工具を基板に直接接触させることがなく、割断面は欠け等の少ない平滑な面となり、基板の強度が維持される。

上記いわゆるレーザ割断方法において垂直クラックを深くするには、レーザビームの照射出力を大きくしたり、走査速度を遅くする必要があるが、レーザビームの照射出力を大きくすると、基板表面に加熱による損傷が生じることがある。また、レーザビームの走査速度を遅くすると加工効率が低下する。

そこで、基板を湾曲させ、その状態でレーザビームを照射して垂直クラックを深くする技術が提案されている。例えば特許文献１では、ステージ上に基板を吸着固定することによって基板を湾曲させている。また特許文献２では、支持部材の高さを変えて自重で基板を湾曲させている。

特開平7-323384号公報 特開2007-191363号公報

しかしながら、特許文献１の提案技術では、所定高さの突条又は所定の曲面が成形されたステージ上に基板を保持するので、基板を所望の形状に湾曲させるには基板の曲面状態に対応したステージをそれぞれ用いる必要があった。加えて、基板が厚い場合には基板が充分には湾曲せずステージに固定できないおそれがある。また、特許文献２の提案技術でも、基板が厚い場合には自重では基板が充分に湾曲しないおそれがある。

本発明の目的は、固定台を交換することなくまた基板が厚い場合であっても、所望の形状に基板を湾曲でき且つ固定できるレーザ割断装置を提供することにある。

本発明によれば、脆性材料基板を固定する固定手段と、レーザ照射手段と、冷却手段とを備え、前記基板に対して前記レーザ照射手段及び前記冷却手段を相対移動させて、レーザビームを脆性材料基板に照射して溶融温度未満に加熱した後、前記基板に対して冷却媒体を吹き付けて冷却し、前記基板に生じた熱応力によって、垂直クラックを形成して前記基板を割断する装置であって、前記固定手段が、前記基板を固定する固定台と、この固定台に固定された前記基板をレーザービームの照射面側が凸となるように湾曲させる棒状部材と、この棒状部材を中心として前記基板の両側を前記固定台に押さえ止める押圧部材とを有し、前記固定台に前記基板を載置し、前記押圧部材で前記基板を押さえ止めた後、前記棒状部材で前記基板を湾曲させ、レーザビームの照射及び冷却媒体の吹き付けを行って前記基板に垂直クラックを形成し割断することを特徴とするレーザ割断装置が提供される。

ここで、前記棒状部材を、前記固定台に対して突出位置と没入位置とに移動自在とし、前記棒状部材を前記固定台から突出した位置に移動させることによって前記基板を湾曲させるのが好ましい。

また、前記棒状部材の前記固定台からの突出量を少なくとも２段階に切り替え可能とし、前記棒状部材を第１突出位置として前記基板を湾曲させ、レーザビームの照射及び冷却媒体の吹き付けによって垂直クラックを前記基板に形成した後、前記棒状部材を、第１突出位置よりもさらに突出した第２突出位置として前記基板を一層湾曲させて前記基板を割断するようにしてもよい。

そしてまた、前記固定台に前記基板を固定するための吸引固定手段を設けるのが好ましい。

本発明に係るレーザ割断装置では、前記押圧部材で前記基板を押さえ止めた後、前記棒状部材で前記基板を湾曲させるので、固定台を交換することなくまた基板が厚い場合であっても、棒状部材の突出量を調整することによって所望の形状に基板を湾曲させることができる。そして湾曲した状態の基板にレーザビームを照射することにより、深い垂直クラックを基板に形成することができる。

本発明に係るレーザ割断装置の一実施形態を示す概説図である。 図１のレーザ割断装置を用いて基板の割断する場合の工程図である。 図１のレーザ割断装置を用いて基板の割断する場合の工程図である。 レーザスクライブの操作状態を説明する斜視図である。 棒状部材が第１突出位置から第２突出位置に移動する際の移動状態を説明する図である。 本発明に係る他のレーザ割断装置を用いて基板の割断する場合の工程図である。

以下、本発明に係るレーザ割断装置についてより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施形態に何ら限定されるものではない。

図１に、本発明に係るレーザ割断装置の一例を示す概説図を示す。この図のレーザ割断装置では、固定台１１上に脆性材料基板（以下、単に「基板」と記すことがある）５０が載置・固定される。

固定台１１は左右２つの固定部１１ａ，１１ｂを有し、固定部１１ａは左右方向に移動自在に設けられている。また、固定部１１ａ，１１ｂの表面には複数の吸気孔（吸着固定手段）１４が形成されており、これら複数の吸気孔１４は真空ポンプ（吸着固定手段）Ｐに繋がっている。真空ポンプＰを駆動させて空気を引くことにより、固定台１１上に基板５０が吸着固定される。固定台１１の中央部、すなわち固定部１１ａと固定部１１ｂとの間には、紙面に対して垂直方向（前後方向）に長い棒状部材１２が、固定台１１から突出した位置と固定台１１に没入した位置とに移動自在に設けられている。棒状部材１２が固定台１１から突出した位置になると、レーザビームＬＢ照射面側が凸となるように基板５０が湾曲される。これについては後段で詳述する。

固定台１１の上方には、固定台１１と離隔対向するように、支持台３１が設けられている。支持台３１には、基板５０の表面にトリガークラックを形成するためのカッタホイール（不図示）と、基板５０にレーザビームＬＢを照射するための開口と、基板５０の表面を冷却するための冷却ノズル３７（図４に図示）とが前後方向に並んで設けられている。

カッタホイール（不図示）は、基板５０に圧接する位置と非接触な位置とに昇降可能に保持されており、スクライブラインの開始起点となるトリガークラックを形成するときのみ、基板５０に圧接する位置に下降する。トリガークラックの形成位置は、トリガークラックから予測不可能な方向にクラックが生じる先走り現象を抑制するために、基板５０の表面側端よりも内側に形成するのが好ましい。

レーザ出力装置３４から出射されたレーザビームＬＢは、反射ミラー４４で下方に反射され、不図示の光学系を介して支持台３１に形成された開口から、固定台１１上に固定された基板５０に照射される。

また、支持台３１の、レーザビームＬＢが出射する開口近傍に設けられた冷却ノズル３７（図４に図示）からは、基板５０に向かって冷却媒体としての水が空気と共に噴出される。冷却媒体が噴出される基板５０上の位置は、スクライブ予定ライン５１上で且つレーザビームＬＢの照射領域の後側である（図４を参照）。

支持台３１の左右方向両側に、前後方向に細長い直方体状の押圧部材１３ａ，１３ｂが設けられている。これらの押圧部材１３ａ，１３ｂは、不図示の駆動手段によって左右方向及び上下方向に移動自在であり、後述するように、固定台１１に基板５０が固定されると、棒状部材１２を中心として基板５０の左右両側を押さえる。

固定台１１の上方には、基板５０に予め刻印されたアライメントマークを認識する一対のＣＣＤカメラ３８，３９が設けられている。これらのＣＣＤカメラ３８，３９により、基板５０のスクライブ予定ライン５１（図４に図示）と棒状部材１２とが平面視において重なるように位置修正される。具体的には、ＣＣＤカメラ３８，３９によりセット時の基板５０の位置ずれが検出され、例えば基板５０が角度θずれていた場合は固定台１１が−θだけ回転され、基板５０がＹずれていたときは固定台１１が−Ｙだけ移動される。

図２及び図３に、このような構成の割断装置を用いて基板５０を割断する場合の工程図を示す。なお、固定台１１に基板５０を吸着固定させる吸着手段及びレーザビーム照射手段、冷却手段については、図を簡潔にするためこれらの図からは省略している。

まず、基板５０を固定台１１上に載置し、真空ポンプＰ（図１に図示）を駆動させて吸気孔１４（図１に図示）により固定台１１に基板５０を吸着固定する。そして、ＣＣＤカメラ３８，３９によって、基板５０に設けられたアライメントマークを撮像し、前述のように、撮像データに基づいて基板５０のスクライブ予定ライン５１（図４に図示）と棒状部材１２とが平面視において重なるように固定台１１を移動させて基板５０を所定の位置に位置決めする（図２（ａ））。

次に、押圧部材１３ａ，１３ｂを中央部へ移動させた後、下降させて基板５０を固定台１１に押圧固定する（同図（ｂ））。押圧部材１３ａ，１３ｂによる基板５０の押圧固定の程度は、センサにより検知し所定の押圧力となるよう制御するのが好ましい。また、押圧部材１３ａ，１３ｂによる基板５０の固定位置は、基板５０の材質や厚みなどから適宜決定すればよいが、棒状部材１２の突出によって基板５０が湾曲した際に基板５０の曲率半径が４０００ｍｍ以下となるようにするのが好ましい。このためには、棒状部材１２の突出量が５ｍｍ以下の範囲の場合、棒状部材１２から押圧部材１３ａ，１３ｂまでの距離Ｌは１００ｍｍ以上３００ｍｍ以下とするのが好ましい。また、押圧部材１３ａ，１３ｂは、基板５０の前後方向の全体を押圧するのが好ましいが、前後方向に所定間隔で基板５０を押圧するようにしても構わない。

そして、棒状部材１２を固定台１１から突出した第１突出位置とする。これにより基板５０が湾曲する（同図（ｃ））。棒状部材１２の突出量としては、前述のように、基板５０を湾曲させた時の基板５０の曲率半径が４０００ｍｍ以下となるようにするのが好ましく、通常、０．１ｍｍ〜５ｍｍの範囲である。

次いで、前述のように、ホイールカッタによって基板５０にトリガークラックを形成する。そして、レーザ出力装置３４からレーザビームＬＢを出射する（同図（ｄ））。レーザビームＬＢは反射ミラー４４よって、図４に示すように、基板５０表面に対して略垂直に照射する。また同時に、レーザビーム照射領域の後端近傍に冷却媒体としての水を冷却ノズル３７から噴出させる。基板５０にレーザビームＬＢを照射することによって、基板５０は厚み方向に溶融温度未満で加熱され、基板５０は熱膨張しようとするが、局所加熱のため膨張できず照射点を中心に圧縮応力が発生する。そして加熱直後に、基板５０の表面が水により冷却されることによって、基板５０が今度は収縮して引張応力が発生する。この引張応力の作用によって、トリガークラックを開始点としてスクライブ予定ライン５１に沿って垂直クラック５３が基板５０に形成される。加えて、本発明の装置では、基板５０のレーザビーム照射面側に基板５０の湾曲による引張応力が付加されるので、垂直クラック５３が通常よりも深く形成され、場合によっては垂直クラック５３が基板５０の反対面側まで至る。

そして、レーザビームＬＢ及び冷却ノズル３７をスクライブ予定ライン５１に従って前後方向に相対的に移動させることによって、垂直クラック５３が前後方向に進展し基板５０にスクライブライン５２が形成される。

ここで使用するレーザビームＬＢとしては特に限定はなく、基板の材質や厚み、形成したい垂直クラックの深さなどから適宜決定すればよい。脆性材料基板がガラス基板の場合、ガラス基板表面での吸収が大きい波長９〜１１μｍのレーザビームが好適に使用される。このようなレーザビームとしてはＣＯ_２レーザが挙げられる。レーザビームの照射スポットの形状としては、レーザビームの相対移動方向に細長い楕円形状が好ましく、相対移動方向の照射長さは１０〜６０ｍｍの範囲、照射幅は１〜５ｍｍの範囲が好適である。

冷却ノズル３７から噴出させる冷却媒体としては水やアルコールなどが挙げられる。また、割断後の脆性材料基板を使用する上で悪影響を与えない範囲において、界面活性剤等の添加剤が添加されていても構わない。冷却媒体の吹き付け量としては通常は数ｍｌ／ｍｉｎ程度が好適である。冷却媒体による基板の冷却は、レーザビームによって加熱された基板を急冷する観点からは、気体（通常は空気）と共に水を噴射させるいわゆるウォータジェット方式が望ましい。冷却媒体による冷却領域は、長径１〜５ｍｍ程度の円形状又は楕円形状であることが好ましい。また、冷却領域は、レーザビームによる加熱領域の相対移動方向後方であって、冷却領域と加熱領域との中心点間の距離が数ｍｍ〜数十ｍｍ程度となるように形成するのが好ましい。

レーザビームＬＢ及び冷却ノズル３７の相対移動速度としては特に限定はなく、得たい垂直クラックの深さなどから適宜決定すればよい。一般に相対移動速度を遅くするほど、形成される垂直クラックは深くなる。通常、相対移動速度は数百ｍｍ／ｓｅｃ程度である。

次に、棒状部材１２をさらに突出させて第２突出位置とする（図３（ｅ））。これにより、基板５０に形成された垂直クラック５３が、基板５０の反対面側にまで至り基板５０が割断される。なお、レーザビームＬＢの照射によって垂直クラック５３を形成する前工程において、垂直クラック５３が基板５０の反対面側まで至った場合には、この図に示す工程は不要となる。棒状部材１２の突出量は、垂直クラック５３を基板５０の反対面側に進展させるものであれば特に限定はなく、通常、第１突出位置から０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度の突出量で足りる。なお、棒状部材１２を第１突出位置から第２突出位置にする際、棒状部材１２の前後方向両端を同時に突出させてもよいし、図５に示すように、棒状部材１２の前後方向の一方側端を先に突出させて、遅れてもう一方端側を突出させるようにしてもよい。

基板５０の割断がなされると、一方の押圧部材１３ａが上昇して基板５０ａの押さえが解除され、基板５０ａと共に固定部１１ａが棒状部材１２から離れる方向に移動する（図３（ｆ））。これにより２つに割断された基板５０ａ，５０ｂが分離され、割断面の欠け等の発生が防止される。次いで、棒状部材１２が第２突出位置から没入位置に移動する（同図（ｇ））。なお、図３（ｆ）及び同図（ｇ）で示す工程は、同時に行っても構わない。

そして、固定部１１ａの吸着固定が解除され、基板５０ａが次の工程に移動される（同図（ｈ））。次いで、押圧部材１３ｂが上昇して基板５０ｂの押さえが解除されるとともに、固定部１１ｂの吸着固定が解除される。そして、基板５０ｂが棒状部材１２を超えて所定距離まで移動され、前記一連の割断処理が繰り返し行われる。

本発明に係るレーザ割断装置の割断対象としての脆性材料基板５０に特に限定はなく、ガラス、セラミック、シリコン、サファイア等の従来公知の脆性材料基板が挙げられる。これらの中でも、表面圧縮応力が大きく、クロススクライブが困難とされている化学強化ガラスや風冷強化ガラスなどの強化ガラス基板の割断に本発明のレーザ割断装置は好適に使用できる。また、本発明のレーザ割断装置で割断できる脆性材料基板５０の厚みとしては、脆性材料基板５０の材質等によって異なるが、脆性材料基板５０がガラス基板の場合にはおおよそ２ｍｍ程度の厚さまでである。

図６に、本発明に係るレーザ割断装置の他の実施形態を示す。この図に示すレーザ割断装置が、前記の実施形態の装置と異なる点は、棒状部材１２が、基板５０の、押圧部材１３ａ，１３ｂが押圧する面と同じ面を押圧して基板５０を湾曲させる点、及び基板５０の、固定台側からレーザビームＬＢを照射する点にある。以下、この装置を用いた基板５０の割断手順について、前記実施形態の装置と異なる点を中心に概説する。

まず、基板５０を固定台１１に吸着固定する（図６（ａ））。そして、押圧部材１３ａ，１３ｂを移動させて、棒状部材１２を中心として基板５０の両側を押圧部材１３ａ，１３ｂで押圧固定する（同図（ｂ））。次に、棒状部材１２を下降させて基板５０を湾曲させる（同図（ｃ））。固定台１１の表面から下方への棒状部材１２の突出量としては、前述と同様の範囲がここでも例示される。

次いで、前述のように、ホイールカッタによって基板５０にトリガークラックを形成する。そして、レーザ出力装置３４からレーザビームＬＢを出射する（同図（ｄ））。
また同時に、レーザビーム照射領域の後端近傍に冷却媒体としての水を冷却ノズル３７（図４に図示）から噴出させて、スクライブ予定ライン５１（図４に図示）に沿って垂直クラック５３を基板５０に形成させる。この実施形態の装置でも、基板５０のレーザビーム照射面側に基板５０の湾曲による引張応力が付加されているので、垂直クラック５３が通常よりも深く形成される。以下、図３に示した処理工程と同じ処理がこの実施形態の装置でも行われる。

本発明に係るレーザ割断装置は、押圧部材で基板を押さえ止めた後、棒状部材で基板を湾曲させるので、固定台を交換することなくまた基板が厚い場合であっても、所望の形状に基板を湾曲させることができる。そして湾曲した状態の基板にレーザビームを照射することにより、深い垂直クラックを基板に形成させることができ有用である。

１１ 固定台
１１ａ，１１ｂ 固定部
１２ 棒状部材
１３ａ，１３ｂ 押圧部材
３７ 冷却ノズル
５０ 脆性材料基板
５３ 垂直クラック
Ｐ 真空ポンプ
ＬＢ レーザビーム

Claims (4)

1. 脆性材料基板を固定する固定手段と、レーザ照射手段と、冷却手段とを備え、前記基板に対して前記レーザ照射手段及び前記冷却手段を相対移動させて、レーザビームを脆性材料基板に照射して溶融温度未満に加熱した後、前記基板に対して冷却媒体を吹き付けて冷却し、前記基板に生じた熱応力によって、垂直クラックを形成して前記基板を割断する装置であって、
   前記固定手段が、前記基板を固定する固定台と、この固定台に固定された前記基板をレーザービームの照射面側が凸となるように湾曲させる棒状部材と、この棒状部材を中心として前記基板の両側を前記固定台に押さえ止める押圧部材とを有し、
   前記固定台に前記基板を載置し、前記押圧部材で前記基板を押さえ止めた後、前記棒状部材で前記基板を湾曲させ、レーザビームの照射及び冷却媒体の吹き付けを行って前記基板に垂直クラックを形成し割断することを特徴とするレーザ割断装置。
2. 前記棒状部材が、前記固定台に対して突出位置と没入位置とに移動自在で、前記固定台から突出した位置に移動することによって前記基板を湾曲させる請求項１記載のレーザ割断装置。
3. 前記棒状部材の前記固定台からの突出量を少なくとも２段階に切り替え可能とし、前記棒状部材を第１突出位置として前記基板を湾曲させ、レーザビームの照射及び冷却媒体の吹き付けによって垂直クラックを前記基板に形成した後、前記棒状部材を、第１突出位置よりもさらに突出した第２突出位置として前記基板を一層湾曲させて前記基板を割断する請求項２記載のレーザ割断装置。
4. 前記固定台に前記基板を固定するための吸引固定手段が設けられている請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ割断装置。