JP5416386B2 - 薄板ガラス基板のスクライブ方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス基板のレーザスクライブ方法に関し、さらに詳細には、板厚が０．１ｍｍ〜０．４ｍｍの非常に薄いガラス基板のスクライブ方法に関する。

本発明において、「スクライブ」とは、基板上に設定したスクライブ予定ラインに沿って基板を貫通していないクラックを面方向に進行させる加工をいう。スクライブによって面方向に進行したクラックは、スクライブラインを形成することになる。
なお、「スクライブ」はクラックの深さ方向の先端（クラックの最深部分）が基板内に留まるクラックが形成される加工をいい、フルカット（基板が完全に分断された状態）をひき起こすような、基板の表面から裏面まで貫通するクラックが形成される加工（フルカット加工という）は含まれない。
したがって、スクライブによって形成されたスクライブラインに沿って、基板を完全に分断するには、後から、クラックを深さ方向に進展させるブレイク処理が行われることになる。

なお、説明の便宜上、「クラックの進行」とは、クラックが基板の面方向へ成長することをいうこととする。また、クラックが基板の厚み方向（深さ方向）へ浸透することを「クラックの進展」ということとする。

ガラス基板に対し、レーザビームを走査しながら照射すると、レーザビームのビームスポットが通過して加熱された領域に、圧縮応力が生じる。そしてビームスポットが通過した直後の位置に冷媒を吹き付けて冷却することにより、冷却された領域（冷却スポット）に引張応力が生じる。このように、基板に圧縮応力が生じる領域と、引張応力が生じる領域とを接近させて形成することにより応力勾配が形成される。
近年、この応力勾配を利用してガラス基板にクラックを形成することにより、基板表面にスクライブ加工を行ったり（例えば特許文献１参照）、ガラス基板のフルカット加工を行ったりする加工技術が利用されている（例えば特許文献２、３参照）。

レーザ照射による加熱と加熱直後の冷却とにより、基板に応力勾配を形成してガラス基板を分断しようとする場合、上述したように、スクライブラインを形成した後にブレイク処理が必要なスクライブ加工と、ブレイク処理を行わずに基板が分断されるフルカット加工とがある。

このうちフルカット加工は、ブレイク処理を行わずに基板を分断できることから工程が簡略化できる点では好ましいが、最終的に得られる加工端面の直進性等の加工品質について比較すると、スクライブ加工に比べて劣っている。

一方、スクライブ加工は、形成される端面の品質が非常に優れている。しかも基板上で縦横にスクライブラインを形成してから、完全分断させることができるクロススクライブ加工が可能であるため、液晶パネルの製造工程等では、大面積基板から方形の小型基板を切り出す加工において、スクライブ加工が利用されることが多い。
国際公開番号WO 03/008352公報 特開2004-155159号公報 特開2001-170786号公報

液晶パネルの製造分野では、これまで１ｍｍ以上の板厚のガラス基板が使用されていたが、製品の軽量化のため、できるだけ薄い基板を使用することが求められている。具体的には使用する基板の板厚を０．７ｍｍ以下にすること、さらに好ましくは０．１ｍｍ〜０．４ｍｍの範囲することが求められている。
そのため、ガラス基板の分断加工技術においては、このような０．４ｍｍ以下の板厚の薄板基板をフルカット加工ではなく、スクライブ加工にて加工することが求められている。

レーザ照射により、スクライブ加工、フルカット加工のいずれが成立するかは、加熱条件（照射時間、照射パワー、走査速度等）や冷却条件（冷媒温度、吹付量、吹付位置等）などの加工条件パラメータとともに、ガラス基板の板厚にも依存する。

一般に、ガラス基板の板厚が厚い場合には、簡単、かつ、確実にスクライブ加工を成立させることができるが、板厚が０．７ｍｍよりも薄くなるにつれてスクライブ加工が成立するかどうかが不確実になる。さらに、０．４ｍｍ以下になると、スクライブ加工が困難になり、無理に加工すると、貫通クラックとなってフルカット加工になってしまう傾向があった。以下、基板の板厚と、加工モードとの関係について模式図を用いて説明する。

＜厚板基板＞
まず、板厚が厚いガラス基板の場合について説明する。ここでいう板厚が厚い場合とは、基板上面にレーザビームが照射され、上面付近に発生した熱（温熱）が基板内に伝達されるときに、基板の板厚が十分厚いために、基板表面にクラックが形成される時点で、熱の伝達が基板の内部でとどまり基板下面まで熱が伝達されることのない場合をいう。具体的には、ガラス基板の場合、１ｍｍ以上の板厚になると熱の伝達が基板内部にとどまる傾向がある。

図９は、１ｍｍ以上の板厚を有する厚板基板に対し、レーザ照射および冷却を行うことによりクラックを進展、進行させたときに、基板に生じる応力分布を説明するための模式図であり、図９（ａ）は斜視図、図９（ｂ）はその平面図である。
また、図１０（ａ）、図１０（ｂ）および図１０（ｃ）、は、それぞれ図９のＡ−Ａ’断面、Ｂ−Ｂ’断面およびＣ−Ｃ’断面における温度分布と応力分布を説明するための模式図である。なお、別の視点から見れば、図１０（ａ）、図１０（ｂ）および図１０（ｃ）は、ビームスポットＢＳおよび冷却スポットＣＳの通過に起因する同一地点の温度分布および応力分布の時間的な変化を表している。

図９において、レーザビーム照射機構（不図示）から照射されるレーザビームにより、楕円状のビームスポットＢＳが形成される。ビームスポットＢＳの後方には、冷却機構（不図示）から吹き付けられる冷媒により、楕円状の冷却スポットＣＳが形成される。ビームスポットＢＳと冷却スポットＣＳとは、少し距離を隔てた位置関係を維持しつつ、厚板基板ＧＡの上を、予め初期亀裂ＴＲが形成してある一端側から他端側に向けて、スクライブ予定ラインＳＬに沿って走査される。

このとき、厚板基板ＧＡの上面付近には、ビームスポットＢＳの通過により加熱された領域近傍に、加熱による膨張の影響で圧縮応力（図中破線矢印で示す）が生じる。次いで、冷却スポットＣＳの通過により冷却された領域近傍に、厚板基板ＧＡに形成された温度分布に起因する引張応力（図中実線矢印で示す）が生じる。

次に、図１０に基づいて厚板基板ＧＡの内部に生じる応力および歪について説明する。
厚板基板ＧＡでは、レーザビームのビームスポットＢＳの通過による加熱によって、図１０（ａ）に示すように加熱部位ＨＲが基板内部に形成され、加熱部位ＨＲが局所的に膨張することにより、圧縮応力（図中破線矢印で示す）が生じる。

続いて、少し遅れてから冷却スポットＣＳの通過による冷熱によって、図１０（ｂ）に示すように冷却部位ＣＲが表面近傍に形成され、冷却部位ＣＲが局所的に収縮することにより、引張応力（図中実線矢印で示す）が生じる。
厚板基板ＧＡの場合には、加熱部位ＨＲは徐々に基板内部に伝達されるが、基板が厚いためクラック形成時に裏面まで到達することはなく、加熱部位ＨＲが基板内部にとどまった状態になる。

そして、図１０（ｃ）に示すように、冷却部位ＣＲの形成により厚板基板ＧＡの表層から徐々に冷熱が伝達されると、冷却部位ＣＲは基板上面近傍に存在し、その下方に加熱部位ＨＲが存在するようになる。この加熱部位ＨＲは、圧縮応力が発生している部位であるので、基板内部に存在する内部圧縮応力場Ｈinと言い換えることができる。

厚板基板ＧＡに内部圧縮応力場Ｈinが形成され、基板の上面近傍に引張応力が形成されることにより、厚板基板ＧＡには、局所的に上に凸となる歪が発生し、引張応力と同じ方向に基板を撓ませる力（図中一点鎖線矢印で示す）が基板上面に発生することになる。なお、図１０（ｃ）では、撓みの方向を示すため、便宜上、厚板基板ＧＡに生じる歪による変形を誇張して示している。

その結果、厚板基板ＧＡの上面には、引張応力、および、基板が上に凸となるように撓ませる力により、基板上面から厚み方向（深さ方向）に、垂直なクラックＣが形成される。このクラックＣがスクライブラインを形成することになる。

この場合、厚板基板ＧＡの内部には、既述のように、内部圧縮応力場Ｈinが形成されているために、クラックＣがこの内部圧縮応力場に到達すると進展が妨げられ、厚板基板ＧＡにおけるクラックＣの進展は内部圧縮応力場近傍で停止することになる。

よって、厚板基板ＧＡにおいては、クラックＣが裏面に到達するまで進展することが困難となり、基板の上面近傍に貫通しないクラックが形成されるスクライブ加工となる。換言すれば、スクライブ加工モードは、基板の厚さ方向に形成された温熱と冷熱の温度勾配に起因する応力勾配によってクラックを進展させる加工モードである。

<薄板基板>
次に、板厚が薄いガラス基板の場合について説明する。ここでいう板厚が薄い場合とは、基板上面にレーザビームが照射され基板上面付近に発生した熱（温熱）が基板内に伝達されるときに、基板の板厚が十分薄いため、その後、基板表面が冷却されてクラックが形成される時点で、温熱が下面に達する場合をいう。具体的には、０．７ｍｍ以下、特に０．４ｍｍ以下の板厚になると基板上面に与えられた温熱が下面に達するようになる。

図１１は、板厚が０．７ｍｍ以下の薄板ガラス基板に対し、レーザ照射および冷却を行うことによりクラックを進展、進行させるときに、基板に生じる応力分布を説明するための模式図であり、図１１（ａ）は斜視図、図１１（ｂ）は平面図である。
また、図１２（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ図１１のＤ−Ｄ’、断面Ｅ−Ｅ’および断面Ｆ−Ｆ’断面におけるレーザ照射後の温度分布と応力分布を説明するための模式図である。

図１１において、レーザビーム照射機構（不図示）から照射されるレーザビームにより、楕円状のビームスポットＢＳが形成される。ビームスポットＢＳの後方には、冷却機構（不図示）から吹き付けられる冷媒により、楕円状の冷却スポットＣＳが形成される。ビームスポットＢＳと冷却スポットＣＳとは、少し距離を隔てた位置関係を維持しつつ、薄板基板ＧＢの上を、予め初期亀裂ＴＲが形成してある一端側から他端側に向けて、分断予定ラインＳＬに沿って走査される。

このとき、薄板基板ＧＢの上面付近には、ビームスポットＢＳの通過により加熱された領域近傍に、加熱による膨張の影響で圧縮応力（図中破線矢印で示す）が生じる。次いで、冷却スポットＣＳの通過により冷却された領域近傍に、冷却による収縮の影響で引張応力（図中実線矢印で示す）が生じる。
その結果、薄板基板ＧＢの上面付近には、前方（奥側）が圧縮応力で、後方（手前側）が引張応力である応力勾配が発生する。
この場合、薄板基板ＧＢ上面付近における応力分布については、板厚が薄くなったことで基板上下方向の温度差が生じにくくなり、その結果、面方向に進行しようとするクラックが形成されやすい状態になる。この理由について、基板内部に生じる応力に基づいて説明する。

図１２は薄板基板ＧＢの内部に生じる応力および歪を説明するための模式図である。
薄板基板ＧＢでは、基板上面に照射されるレーザビームのビームスポットＢＳの通過による加熱によって、図１２（ａ）に示すように加熱部位ＨＲが基板内部に形成され、加熱部位ＨＲが局所的に膨張することにより、圧縮応力（図中破線矢印で示す）が生じる。この場合、基板の板厚が薄いために、すぐに加熱部位ＨＲが基板ＧＢの下面に達するようになる。

次いで、冷却スポットＣＳの通過による冷熱によって、図１２（ｂ）に示すように冷却部位ＣＲが表面近傍に形成される。
薄板基板ＧＢの場合は、冷熱部位ＣＲがすぐに基板ＧＢの中央まで達するようになる。

さらに冷熱が伝達されると、図１２（ｃ）に示すように、冷却部位ＣＲが薄板基板ＧＢの下面に達する。このように、薄板基板ＧＢでは温熱および冷熱が薄板基板ＧＢの上面から下面に速やかに伝達されるため、基板の厚さ方向の温度勾配に起因する応力勾配を維持することが困難である。従って、薄板基板では、スクライブ加工が成立し難い。また、成立する場合であってもプロセスウィンドウが狭くなり、安定的な加工が困難である。

このため、薄板基板ＧＢでは、ビームスポットＢＳによって下面まで加熱された領域と冷却スポットによって下面まで冷却された領域の存在により分断予定ラインに沿って前後方向に生じる温度差に起因する応力勾配によって基板のクラックが進行することとなる。すなわち、加熱部位ＨＲと冷却部位ＣＲとがそれぞれ薄板基板ＧＢの上面から下面まで存在している状態では、加熱部位ＨＲと冷却部位ＣＲの境界付近に薄板基板ＧＢの上面から下面にわたって引張応力が生じることとなる。その結果、薄板基板の上面から下面まで達するクラックが冷却部位ＣＲから加熱部位ＨＲの方向に進行することとなる。従って、フルカット加工モードが成立し易くなる。

このように基板の板厚が厚いときはスクライブ加工になるが、基板の板厚が薄くなるにつれて、フルカット加工になりやすくなり、スクライブ加工が困難になる。
そのため、加工に際して、フルカット加工になることを避け、しかも確実にスクライブラインが形成できるスクライブ加工モードにするには、ガラス基板の板厚を厚くしておく必要があった。そして板厚が０．４ｍｍ以下の非常に薄い基板の加工については、スクライブ加工による分断は、狭いプロセスウィンドウの範囲の中から加工条件を選択するか、スクライブ加工は困難であるとしてあきらめて、フルカット加工で分断することを前提としていた。

そこで、本発明は、これまではスクライブ加工ができないと考えられていた基板の板厚が０．１ｍｍ〜０．４ｍｍの範囲の薄板ガラス基板であっても、確実にスクライブ加工を行うことができるスクライブ方法を提供することを目的とする。
また、本発明は上記板厚の薄板ガラス基板において、スクライブ加工ができる加工条件のプロセスウィンドウを広げることを目的とする。

基板にレーザ照射による加熱が行われ、その後に冷却が行われると、冷却直後のクラックが形成される時点の基板内には、レーザ照射面（基板上面）側に引張応力が発生する。そのため、加熱と冷却がなされた後の基板は、上に凸（レーザ照射面側に凸）に変形するものと考えられていた。
しかしながら、板厚が異なる複数のガラス基板のレーザスクライブを行って、板厚の影響を実験的に求め、その実験結果に基づいた有限要素法による二次元熱弾性解析を行ってみた。その結果、基板の板厚が０．４ｍｍより薄くなり、しかもレーザビームの走査速度が遅いときは（すなわち加熱と冷却との間の時間差が大きくなるとき）、加工条件によっては基板が上に凹（レーザ照射面側に凹）に変形することを発見した。そして、このような加工条件になると、クラックの進行およびクラックの進展が抑制されてクラックが形成されなくなると考えられるので、本発明では以下のスクライブ方法を考案したものである。

上記課題を解決するためになされた本発明の薄板ガラス基板のスクライブ方法は、板厚が０．１ｍｍ〜０．４ｍｍである薄板ガラス基板上のスクライブ予定ラインに対し、基板に熱的損傷を与えない温度で加熱するようにレーザビームを相対移動させながらスクライブ予定ラインに沿って照射し、次いで冷却することにより、基板を貫通しないクラックがスクライブ予定ライン上を進行するようにして、スクライブラインを形成する薄板ガラス基板のスクライブ方法であって、前記冷却された基板がレーザ照射面側に凹となる変形をする板厚および走査速度の加工条件でスクライブラインを形成するように、前記基板の板厚に応じた前記走査速度の加工条件を設定し、かつ、基板吸着機構を備えたテーブル上に前記基板を吸着させた状態で、レーザ照射と冷却とを行うようにする。

ここで「熱的損傷を与えない温度」とは、ビームスポットが通過したときに過度に加熱され、目視で確認できる変形、溶融等の損傷が残る温度をいう。具体的には、例えばソーダガラス基板では、後述するように、実験的に求められた５００℃（図５参照）よりも低ければよい。
本発明によれば、板厚が０．１ｍｍ〜０．４ｍｍの薄板ガラス基板を加工する際に、基板吸着機構で基板をテーブルに吸着させて固定する。これにより、スクライブ予定ラインに沿った前後方向の応力勾配により、スクライブ予定ラインに対し横方向に裂こうとする力を抑制し、フルカット状態になるのを防ぐ。

一方、レーザ照射面側に凹となる変形をしている基板は、レーザ照射側の表面に発生した引張応力が基板の変形により緩和されているのでクラックが基板の表面のみで進展しにくい状態になっており、亀裂が全く進展しないか亀裂が進展してもフルカットになってしまう。しかしながら、基板吸着機構で基板を固定することで、上に凹になっていた撓みを解消させることにより、（フルカットの抑制とともに）クラックが進展できるようになり、その結果、これまで不可能であった加工条件でスクライブ加工を成立させることができるようになる。

本発明によれば、板厚が０．１ｍｍ〜０．４ｍｍの薄板基板であっても、フルカット加工ではなくスクライブ加工を成立させることが可能になり、スクライブ加工ができるプロセスウィンドウを広げることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
［装置構成］
最初に本発明のスクライブ方法を実施するための装置構成について説明する。ここでは基板吸着機構が搭載された汎用のレーザスクライブ装置を用いる。図１は本発明で使用するレーザスクライブ装置ＬＳの要部の概略構成を示す図である。図２は後述する有限要素法による熱弾性解析によって求めたガラス基板の板厚、ビームスポットおよび冷却スポットの走査速度と、基板の変形状態との関係を示す図である。

本発明では、真空吸着機構が設けられたテーブル１０が用いられる。テーブル１０の上面には、多孔質部材（例えば多孔質セラミック）で形成され、基板Ｇが載置されるプレート１１が設けられている。テーブル１０は、プレート１１の周囲に密着し、底面が形成され、プレート１１との間に中空空間１２ａが形成されるボディ１２と、中空空間１２ａに繋がる流路１３が形成され、外部流路１４に接続されるプラグ１５と、流路１３、外部流路１４、開度調節弁１６ａを介して中空空間１２ａを減圧する真空ポンプ１６と、流路１３、外部流路１４、圧力調整弁１７ａを介して中空空間１２ａに加圧空気を送るエアー源１７とからなる。このテーブル１０は、真空ポンプ１６を作動させることで、プレート上に載置されたガラス基板Ｇを吸着することができ、エアー源１７から空気を送ることで吸着状態を解除することができるようにしてある。

プレート１１の上方には、基板上に楕円状のビームスポットを照射するレーザ照射機構２１と、冷媒を噴射して基板上に楕円形の冷却スポットを形成する冷却機構２２とを一体に走査するスクライブヘッド２３が配置されている。スクライブヘッド２３は図示しない走査駆動機構および制御部により、走査速度が１０ｍｍ／秒から５００ｍｍ／秒の間で制御できるようにしてある。

〔スクライブ方法〕
本発明では、板厚が０．１ｍｍ〜０．４ｍｍのガラス基板が対象となる。これまで、この板厚範囲のガラス基板をスクライブ加工することは困難であり、狭いプロセスウィンドウから加工条件を選択する必要があった。特に基板の板厚が薄くなるほど、プロセスウィンドウが狭くなり、０．２ｍｍくらいまで薄くなると、全くスクライブ加工ができないと考えられていた。
しかしながら、後述する実験と、その実験結果に基づいた有限要素法による二次元熱弾性解析を行うことにより、図２に示すように、基板がレーザ照射面側に凹となる変形をする板厚および走査速度の加工条件があることを見出した。そこで、本発明のスクライブ方法では、レーザ照射面側に凹となる変形をする板厚および走査速度の加工条件で、基板吸着機構で基板を吸着させた状態にして、上記加工条件の範囲で加工することで、フルカットになるのを防ぐとともに、基板上面側に引張応力と同じ方向の力を与えるようにする。その結果、確実にスクライブ加工ができるようになる。

［実験］
レーザスクライブ加工におけるガラス基板の板厚の影響を検討するために、板厚が１．１ｍｍ、０．７ｍｍ、０．５５ｍｍ、０．４ｍｍのガラス基板に対するレーザスクライブが可能な加工条件の範囲を実験により求め、その結果に基づいて有限要素法による二次元熱弾性解析を行った。

実験方法について説明する。３００ｍｍ×４００ｍｍのソーダガラス基板を真空吸着機構（図１参照）に固定して、フルカット加工になりにくい状態にする。ガラス基板の端部には、予め、スクライブの起点となる初期亀裂をカッターホイールで設ける。レーザ光源にはＣＯ_２レーザを用いるとともに、ガラス表面で楕円状のビームスポットになるように成形する。冷却スポットは、ウォータージェットにより形成し、ビームスポットの後端付近に形成する。なお、ビームスポットと冷却スポットの位置関係は、図９（ｂ）や図１１（ｂ）に図示したビームスポットＢＳ、冷却スポットＣＳと同じであり、寸法関係は以下のとおりである。
ビームスポットの長軸ＹＡ： ２２ｍｍ
ビームスポットの短軸ＸＡ： ２．１ｍｍ
冷却スポットの長軸ＹＢ ： ３．０ｍｍ
冷却スポットの短軸ＹＡ ： ２．０ｍｍ
ビームスポット中心と冷却スポット中心間の距離ｄ： １０ｍｍ

図３は、各板厚ｈにおけるレーザスクライブが可能な加工条件を、レーザ出力Ｐに対する走査速度ｖとして求めたデータ（図３（ａ１）〜図３（ｄ１））と、レーザ出力Ｐに対するクラック深さＤｃを求めたデータ（図３（ａ２）〜図３（ｄ２））である。
板厚ｈが０．４ｍｍでは、図３（ｄ１）に見られるように、装置の最高走査速度５００ｍｍ／秒でもスクライブが可能である。図３（ａ１）〜図３（ｄ１）において、高速側の×印はクラックの進行が停止した状態を表しており、低速側の×印は熱的損傷がガラス基板に残った状態を表している。

いずれの板厚においてもレーザ出力が増加するにつれて、スクライブ可能な走査速度が高速になる傾向がある。また熱的損傷が生じた加工条件（低速側の×印）は、板厚に依らず、ほぼ同じ条件になっている。
図３（ａ２）〜図３（ｄ２）における各レーザ出力に対するクラック深さＤｃは、その深さが深い方が走査速度の低速側、浅い方が高速側に対応している。

板厚ｈが１．１ｍｍにおいてクラック進行が停止した加工条件（高速側の×印）は、レーザの低出力側でスクライブ可能な走査速度の範囲が広いのに対し、高出力側では狭くなる。走査速度が３５０ｍｍ／秒以上ではスクライブができなくなっている。
一方、板厚ｈが０．４ｍｍでは、低出力側でスクライブ可能な走査速度の範囲が狭く、レーザ出力が３０．４Ｗでは、すべての走査速度においてスクライブができなくなっている。これに対して、高出力側のスクライブが可能な走査速度範囲は広く、走査速度が５００ｍｍ／秒でもスクライブができている。
すなわち、板厚ｈが厚くなるほど、走査速度の高速側でスクライブが困難になり、板厚ｈが薄くなるほど、低速側でスクライブが困難になる。

図４は、熱的損傷が発生しなかった５つの加工条件のクラック深さＤｃを、板厚に対して整理した結果を示す図である。クラック進行が停止してスクライブができなかった条件を×印で示している。
レーザ出力７１．０Ｗ、走査速度３２０ｍｍ／秒の加工条件では、板厚１．１ｍｍでスクライブができなくなっており、レーザ出力３０．４Ｗ、走査速度８０ｍｍ／秒の条件では、板厚０．４ｍｍでスクライブができなくなっている。これら以外ではすべての板厚においてスクライブができている。

次に、実験で求めた加工条件に基づいて、以下の方法で有限要素法による熱弾性解析を行い、スクライブの加工条件における板厚の影響を検討した。有限要素法解析プログラムは、計算力学計算センター製のＱｕｉｃｋ Ｗｅｌｄｅｒである。
レーザ照射面をｘ−ｙ座標とし、ｙ軸をスクライブ方向、ｚ軸を板厚方向として要素分割を行う。要素分割は、ビーム方向（ｙ方向）の分割最小値を３．７μｍとし、板厚方向（ｚ方向）の分勝最小値を２．７μｍとした。
ソーダガラス基板の物性値は以下のとおりである。
密度： ２５２０ｋｇ／ｍ^２
比熱： ８００Ｊ／ｋｇＫ
熱伝導率： １．０３Ｗ／ｍＫ
熱膨張係数： ８．７×１０^−６Ｋ^−１
ヤング率： ７１．６ＧＰａ
ポアソン比： ０．２３
軟化温度： ７２０℃〜７３０℃
曲げ強度： ４９ＭＰａ

時間ステップは、０．２５ｍｍを走査速度ｖで除した時間である０．２５ｍｍ／ｖとした。ビームスポットおよび冷却スポットの大きさは、上述したものと同じ楕円形状でありガウス分布とした。

ｘ−ｚ面の二次元熱伝導解析では、レーザビーム中心をｙ＝−１５ｍｍの位置からｙ方向に走査し、加熱、冷却条件を時間とともに変化させた。このとき、ガラスへの入熱量は光学系の減衰率、ガラスの反射率を考慮して、レーザ出力Ｐ（Ｗ）に対し、０．７９８Ｐ（Ｗ）とした。また、冷却域の熱伝達率α_０は、１０^５Ｗ／ｍ^２Ｋとした。
続いて、得られた温度場を用いて、σ_ｙｙ＝τ_ｙｘ＝τ_ｙｚ＝０と仮定した平面応力問題としてｘ−ｚ面の二次元熱弾性解析を行った。レーザビームの照射端をｘ方向に拘束し、他端をｘ方向およびｚ方向にそれぞれ拘束した。
以下の説明においては、レーザスクライブ時のガラス基板表面の最高到達温度をＴ_ｍａｘ、冷却域で発生するガラス基板表面のσ_ｘｘの最大引張応力をσ_ｔｍａｘとする。

板厚０．４ｍｍ、０．５５ｍｍ、０．７ｍｍ、１．１ｍｍのガラス基板において、レーザスクライブが可能であった出力および走査速度の加工条件のもとで、熱弾性解析を行った。
図５は、熱弾性解析の結果を示す図である。図５（ａ）〜図５（ｄ）はそれぞれ板厚１．１ｍｍ、０．７ｍｍ、０．５５ｍｍ、０．４ｍｍの解析結果を示している。
図中の上側のプロット点群は、ガラス基板表面の最高到達温度Ｔ_ｍａｘを表し（右縦軸）、下側のプロット点群は、ガラス基板表面の最大引張応力σ_ｔｍａｘを表している（左縦軸）。
それぞれのプロット点群の高速側の×印が、図３（ａ１）〜図３（ｄ１）においてレーザスクライブのクラック進行が途中で停止した加工条件に対応しており、低速側の×印が、熱的損傷の生じた加工条件に対応している。

各板厚において、レーザ出力が一定のとき、走査速度が低速になるとＴ_ｍａｘは増加する。いずれのレーザ出力のときもＴ_ｍａｘの上限値は走査速度に依存せずほぼ一定（約５００℃）となっている。したがって、Ｔ_ｍａｘの上限値以下ではガラスに熱的損傷は発生しないといえる。

一方、レーザ出力が一定のとき、走査速度が高速になるとσ_ｔｍａｘは減少している。これが図３（ａ２）〜図３（ｄ２）において、高速側でクラック深さが浅くなる理由である。いずれのレーザ出力のときものσ_ｔｍａｘの下限値は走査速度に依存せずほぼ一定（約６５ＭＰａ）となっている。したがって、σ_ｔｍａｘの下限値以上でレーザスクライブでのクラックが進行するといえる。
これにより、熱弾性解析の結果から、板厚にかかわらず、レーザスクライブが可能な加工条件が、表面最高到達温度Ｔ_ｍａｘと、冷却域の最大引張応力σ_ｔｍａｘから推定することができる。

次に、レーザスクライブにおける板厚の影響について説明する。
図６は冷却域の最大引張応力σ_ｔｍａｘ発生位置におけるｘ−ｚ面（ただしスクライブ予定ラインを一端とする片側半分）の温度分布と変形状態とを示す図である。各図の左端はスクライブ予定ライン直下の位置に対応している。したがって左上端がレーザ入射位置となる。スクライブ予定ラインを挟んだ反対側では、対称性からこれらの図を鏡面対称にした温度分布および変形状態が形成されている。
各図における傾斜は、基板変形の大きさおよび変形方向（上に凸または上に凹）を表している。すなわち、右下がりの図は、上に凸の変形状態であり、右上がりの図は、上に凹の変形状態をしていることになる。

ここでは、板厚が１．１ｍｍ、０．７ｍｍ、０．５５ｍｍ、０．４ｍｍの基板に対して、（ａ）レーザ出力Ｐ＝３０．４Ｗ、走査速度Ｖ＝８０ｍｍ／秒と、（ｂ）レーザ出力Ｐ＝５２．８Ｗ、走査速度Ｖ＝８０ｍｍ／秒と、（ｃ）レーザ出力Ｐ＝７１．０Ｗ、走査速度Ｖ＝３２０ｍｍ／秒の各加工条件について示している。

ｘ−ｚ面の温度分布は冷却直下のガラス内部に高温領域が残存している。走査速度が低速になるほど高温領域が深くなり、内部まで熱が伝達されている。
これらの中で、特に、板厚０．４ｍｍでレーザ出力Ｐ＝３０．４Ｗ、走査速度Ｖ＝８０ｍｍ／秒の加工条件では、裏面が約２００℃まで温度上昇している。そして、この加工条件の基板では、他と異なり、上に凹に変形するようになっている。

図７は、図６に対応する応力分布を示す図である。冷却域の表面に引張応力が生じ、冷却域直下の基板内部に高温領域が形成され、圧縮応力場となっている。
そして、板厚が０．４ｍｍでレーザ出力Ｐ＝３０．４Ｗ、走査速度Ｖ＝８０ｍｍ／秒の加工条件で加工したときの内部圧縮応力場の深さ（板厚に対する相対的な深さ）が、他の加工条件に比べると深くなっている。これが、基板が上に凹状態に変形する一因と考えられる。

図８は、図４で示した５つの加工条件の冷却域の最大引張応力σ_ｔｍａｘを、板厚に関して整理して示した図である。いずれの加工条件でも、σ_ｔｍａｘは上に凸となり、極大となる板厚は走査速度が高速になるほど薄い方にシフトし、低速になるほど厚い方にシフトする傾向がある。例えばレーザ出力Ｐ＝７１．０Ｗ、走査速度ｖ＝３２０ｍｍ／秒の加工条件では、最大引張応力σ_ｔｍａｘが極大となる板厚は０．４ｍｍに近づく。板厚１．１ｍｍのときの最大引張応力σ_ｔｍａｘがクラック進行する下限値より小さくなっており、その結果スクライブができなくなったと考えられる。
また、レーザ出力Ｐ＝３０．４Ｗ、走査速度Ｖ＝８０ｍｍ／秒の条件では最大引張応力σ_ｔｍａｘが極大となる板厚は１．１ｍｍ以上となる。その結果、板厚０．４ｍｍの最大引張応力σ_ｔｍａｘがクラック進行する下限値より小さくなり、スクライブができなくなったと考えられる。

先に示した図２は、板厚と走査速度とをパラメータとして基板の変形状態（上に凸状態、上に凹状態）を整理して表した図である。
上述した熱弾性解析の結果を整理すると、基板が上に凸になる状態（境界より右側）と、上に凹になる状態（境界より左側）とは、下記式（１）を境界にして分かれる。
ｙ＝７．５Ｘ^−２．８ ・・・（１）
ｙは走査速度（ｍｍ／秒）、ｘは板厚（ｍｍ）

例えば、基板の板厚が０．４ｍｍのときは、走査速度が３２０ｍｍ／秒、１６０ｍｍ／秒のときは上に凸状態に変形しているが、走査速度が８０ｍｍ／秒になると上に凹状態に変形するようになる。

そして、基板の板厚が０．１ｍｍ〜０．４ｍｍになると、式（１）において上に凹状態になる範囲が支配的になる。
その結果、既述のように、上に凹状態になる範囲では、基板吸着機構でテーブルに密着させて基板の凹状態への変形を抑制することで、基板上面に引張応力を加えた状態にすることができ、クラックを進展、進行させやすくすることができるようになる。したがって、スクライブ加工ができるプロセスウィンドウが広がるようになる。なお、スクライブ予定ラインにおける基板の変形を抑制するためには、スクライブ予定ラインの近傍を吸着する必要があるが、多孔質部材を上面に設けた真空吸着機構を有するテーブルを用いることによりスクライブ加工ができるプロセスウィンドウが広がることを確認した。なお、スクライブ予定ラインから0.5ｍｍ程度の範囲に吸着孔が存在すれば、複数の吸着孔を設けた板材を上面に設けた吸着テーブルでも基板の変形を抑制してスクライブ加工ができるプロセスウインドウが広がることを確認したが、テーブルの吸着孔とスクライブ予定ラインとの位置合わせが不要なため、多孔質部材を上面に設けた真空吸着テーブルを用いることが好ましい。

ちなみに、上に凸状態になる領域では、フルカット状態になるのを避けるために基板を吸着機構で吸着させると、基板を吸着させることでスクライブ予定ラインの位置に圧縮応力と同じ方向の力が加わるようになり、むしろスクライブ加工が困難になってしまうことから、薄板基板をスクライブ加工する場合は、上に凹状態になる領域で加工するスクライブ方法を用いる方法が有意義であることが判明した。

本発明は、板厚が０．１ｍｍ〜０．４ｍｍの薄板ガラス基板に対するスクライブ加工を行うときに利用される。

本発明のスクライブ方法を実施するために用いるレーザスクライブ装置の要部の構成を示す図。 有限要素法による熱弾性解析によって求めたガラス基板の板厚、ビームスポットおよび冷却スポットの走査速度と、基板の変形状態との関係を示す図。 各板厚ｈにおけるレーザスクライブ可能な加工条件を、レーザ出力Ｐに対する走査速度ｖとして求めたデータ（図３（ａ１）〜図３（ｄ１））と、レーザ出力Ｐに対するクラック深さＤｃを求めたデータ（図３（ａ２）〜図３（ｄ２））とを示す図。 クラック深さＤｃを、板厚に対して整理した結果を示す図。 熱弾性解析の結果を示す図。 冷却域の最大引張応力σ_ｔｍａｘ発生位置におけるｘ−ｚ面の温度分布と変形状態とを示す図。 図６に対応する応力分布を示す図。 冷却域の最大引張応力σ_ｔｍａｘを、板厚に関して整理して示した図。 厚板基板に対し、レーザ照射および冷却を行うことによりクラックを進展、進行させたときに基板に生じる応力分布を説明するための模式図。 図９のＡ−Ａ’断面、Ｂ−Ｂ’断面およびＣ−Ｃ’断面における温度分布と応力分布を説明するための模式図。 薄板基板に対し、レーザ照射および冷却を行うことによりクラックを進展、進行させるときの基板に生じる応力分布を説明するための模式図。 図１１のＤ−Ｄ’、断面Ｅ−Ｅ’および断面Ｆ−Ｆ’断面における温度分布と応力分布を説明するための模式図。

符号の説明

１０： テーブル
１１： プレート（多孔質部材）
１２： ボディ
１６： 真空ポンプ
１７： エアー源
２１： レーザ照射機構
２２： 冷却機構
２３： スクライブヘッド
ＬＳ： レーザスクライブ装置
Ｇ ： ガラス基板

Claims (3)

1. 板厚が０．１ｍｍ〜０．４ｍｍである薄板ガラス基板のスクライブ予定ラインに対し、基板に熱的損傷を与えない温度で加熱するようにレーザビームを相対移動させながらスクライブ予定ラインに沿って照射し、次いで冷却することにより、基板を貫通しないクラックがスクライブ予定ライン上を進行するようにして、スクライブラインを形成する薄板ガラス基板のスクライブ方法であって、
   前記冷却された基板がレーザ照射面側に凹となる変形をする板厚および走査速度の加工条件でスクライブラインを形成するように、前記基板の板厚に応じた前記走査速度の加工条件を設定し、かつ、基板吸着機構を備えたテーブル上に前記基板を吸着させた状態で、レーザ照射と冷却とを行うことを特徴とする薄板ガラス基板のスクライブ方法。
2. 前記冷却された基板がレーザ照射面側に凹となる変形をする板厚および走査速度の加工条件は、スクライブラインが形成される前記基板の板厚が前記基板に対するレーザビームの走査速度に対して式（１）を満たす板厚よりも小さい場合である請求項１に記載のスクライブ方法。
   ｙ＝７．５ｘ^−２．８ ・・・（１）
   ここで、ｙは走査速度（ｍｍ／秒）、ｘは板厚（ｍｍ）
   
3. 前記基板吸着機構は、テーブル上面に配設された多孔質部材を介して基板を吸着させる請求項１に記載のスクライブ方法。