JP5627201B2

JP5627201B2 - 脆性材料基板の割断方法

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Publication number: JP5627201B2
Application number: JP2009144662A
Authority: JP
Inventors: 淳史井村; 義隆塚田
Original assignee: Mitsuboshi Diamond Industrial Co Ltd
Current assignee: Mitsuboshi Diamond Industrial Co Ltd
Priority date: 2009-06-17
Filing date: 2009-06-17
Publication date: 2014-11-19
Anticipated expiration: 2029-06-17
Also published as: TW201103684A; CN101927402A; CN101927402B; KR101223490B1; KR20100135661A; JP2011000605A; TWI385047B

Description

本発明は、ガラス基板やセラミック基板等の脆性材料基板をレーザビーム照射によって割断する方法に関するものである。

従来、ガラス基板やセラミック基板等の脆性材料基板の割断方法としては、脆性材料基板の表面にカッターホイール等を圧接させながら転動させて、脆性材料基板の表面に対して略垂直方向のクラック（以下、「垂直クラック」という）を形成し、次いで、基板に対して垂直方向に機械的な押圧力を加えて、垂直クラックを基板厚み方向に進展させて基板を割断する方法が広く行われていた。

しかし、通常、カッターホイールを用いて脆性材料基板の垂直クラックを形成した場合、カレットと呼ばれる小破片が発生し、このカレットによって脆性材料基板の表面にキズがつくことがあった。また、割断後の脆性材料基板の端部にはマイクロクラックが生じやすく、このマイクロクラックを起因として脆性材料基板の割れが発生することがあった。このため、通常は割断後に、脆性材料基板の端部を研磨・洗浄してマイクロクラックやカレット等を除去していた。

一方、近年、ＣＯ_２レーザビームを用いて溶融温度未満で脆性材料基板を加熱し、これにより脆性材料基板に生じた熱応力によって局所的に引張応力を発生させて垂直クラックを形成する方法が近年種々検討・開発されている。このレーザビームを用いる割断方法は非接触加工であるため、上記したカレットやマイクロクラック等の潜在的欠陥の発生が抑えられる。ただ、このレーザビームを用いる割断方法でも、垂直クラックは基板の厚み方向の全体には至らず、通常は表面部に止まるため、外力を加えて垂直クラックを基板厚み方向に進展させることは依然として必要であった。このため、垂直クラックの端面同士が押圧されてマイクロクラックやカレット等の生じるおそれあった。

そこで、例えば特許文献１では、ガラス基板の側面に初期亀裂を形成し、割断予定線を線状ヒータで予め加熱し、進展する亀裂の先端周辺をエアノズルなどの冷却機構で部分冷却することによって亀裂を更に進展させる技術が提案されている。

また特許文献２では、少なくとも２点にレーザビームを同時に照射して初期亀裂を形成した後、割断予定線に沿って移動させることによって初期亀裂を割断予定線の方向に進展させて脆性材料基板を割断する方法が提案されている。

特開2000-281375号公報特開平7-328781号公報

しかしながら、特許文献１の提案技術では、ガラス基板の側面に初期亀裂を形成するので、割断予定線の方向（基板側面から見て深さ方向）に所定長さ（深さ）の初期亀裂を形成するのは難しい。また、割断面を開く方向に割断予定線の終端部に力を加えた状態で固定支持する機構や、進展する亀裂位置を検出するセンサを移動させる機構などを実質的に必要とし、割断作業の準備作業に手間がかかると共に装置が大型化する。さらに、割断予定線に沿って配置するヒータ線で割断予定線の全線を加熱するので、部分加熱の場合に比べて電力消費量が多くなる。

また、特許文献２の提案技術では、レーザ発振器を複数必要とすると共に、光軸変更手段を必要とし、装置が複雑化・大型化するおそれがある。また、複数のレーザビーム照射で初期亀裂を形成する場合、レーザ出力や照射位置などの調整が難しく、初期亀裂の形成位置の精度が上がらないおそれがある。

本発明は、このような従来の問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、装置の大型化・複雑化を招くことなく、マイクロクラックやカレット等の発生を最小限に抑えながら、脆性材料基板を割断する方法を提供することにある。

また本発明の目的は、貼り合わされた積層基板の一方の基板を割断する方法であって、割断された基板部分を簡単に分離・除去できる方法を提供することにある。

前記目的を達成する第１の発明に係る脆性材料基板の割断方法は、脆性材料基板をレーザビーム照射することによって割断する方法であって、前記基板の一方面の、割断予定線の割断開始端にカッターで初期亀裂を形成する工程と、前記基板の前記初期亀裂を形成した面と反対側面の、前記初期亀裂と対向する部分を押圧し、前記初期亀裂を前記基板の厚み方向に進展させて前記反対側面に至る初期貫通亀裂とする工程と、前記初期貫通亀裂から前記割断予定線に沿ってレーザビームを相対移動させながら照射して、前記基板を溶融温度未満で加熱し、これにより前記基板に生じた熱応力によって、初期貫通亀裂を前記割断予定線に沿って進展させる工程とを有することを特徴とする。

また第２の発明に係る割断方法は、脆性材料基板をレーザビーム照射することによって割断する方法であって、前記基板の一方面の、割断予定線の割断開始端にカッターで初期亀裂を形成する工程と、前記初期亀裂から前記割断予定線に沿ってレーザビームを相対移動させながら照射して、前記基板を溶融温度未満で加熱し、これにより前記基板に生じた熱応力によって、初期亀裂を前記割断予定線に沿って進展させて初期進展亀裂を形成する工程と、前記基板の前記初期進展亀裂を形成した面と反対側面の、前記初期進展亀裂と対向する部分を押圧し、前記初期進展亀裂を前記基板の厚み方向に進展させて前記反対側面に至る初期貫通亀裂とする工程と、前記初期貫通亀裂から前記割断予定線に沿ってレーザビームを相対移動させながら照射して、前記基板を溶融温度未満で加熱し、これにより前記基板に生じた熱応力によって、初期貫通亀裂を前記割断予定線に沿って進展させる工程とを有することを特徴とする。

第３の発明に係る割断方法は、２枚の脆性材料基板を貼り合わせた積層基板の、一方の脆性材料基板を割断する方法であって、第１脆性材料基板の、割断予定線の割断開始端にカッターで初期亀裂を形成する工程と、第２脆性材料基板の、前記初期亀裂と対向する部分を押圧し、前記初期亀裂を第１脆性材料基板の厚み方向に進展させて第１脆性材料基板の反対側面に至る初期貫通亀裂とする工程と、前記初期貫通亀裂から前記割断予定線に沿ってレーザビームを相対移動させながら照射して、第１脆性材料基板を溶融温度未満で加熱し、これにより第１脆性材料基板に生じた熱応力によって、初期貫通亀裂を前記割断予定線に沿って進展させる工程とを有することを特徴とする。

第４の発明に係る割断方法は、２枚の脆性材料基板を貼り合わせた積層基板の、一方の脆性材料基板を割断する方法であって、第１脆性材料基板の、割断予定線の割断開始端にカッターで初期亀裂を形成する工程と、前記初期亀裂から前記割断予定線に沿ってレーザビームを相対移動させながら照射して、第１脆性材料基板を溶融温度未満で加熱し、これにより第１脆性材料基板に生じた熱応力によって、前記初期亀裂を前記割断予定線に沿って進展させて初期進展亀裂を形成する工程と、第２脆性材料基板の、前記初期進展亀裂と対向する部分を押圧し、前記初期進展亀裂を第１脆性材料基板の厚み方向に進展させて第１脆性材料基板の反対側面に至る初期貫通亀裂とする工程と、前記初期貫通亀裂から前記割断予定線に沿ってレーザビームを相対移動させながら照射して、第１脆性材料基板を溶融温度未満で加熱し、これにより第１脆性材料基板に生じた熱応力によって、初期貫通亀裂を前記割断予定線に沿って進展させる工程とを有することを特徴とする。

本発明の脆性材料基板の割断方法では、初期亀裂を基板厚み方向に貫通した亀裂とし、この初期貫通亀裂を、レーザビームの照射によって割断予定線に沿って進展させるので、装置の大型化・複雑化を招くことなく、マイクロクラックやカレット等の発生を最小限に抑えることができるようになる。

また、２枚の脆性材料基板を貼り合わせた積層基板の、一方の脆性材料基板を割断する本発明の方法では、上記効果に加えてさらに、初期貫通亀裂を形成する際に、第２脆性材料基板の、前記初期亀裂と対向する部分を押圧することにより、第１脆性材料基板及び第２脆性材料基板が撓み、初期貫通亀裂の端面同士の貼り付き及び第１脆性材料基板の端部の割断除去部分と第２脆性材料基板との貼り付きが解消されやすくなる。

そしてまた、カッターによって形成する初期亀裂を僅かなものとし、レーザビーム照射によって当該初期亀裂を所定長さまで進展させる方法によれば、マイクロクラックやカレットの発生を一層抑えることができるようになる。

本発明に係る脆性材料基板の割断方法の一例を示す工程図である。初期亀裂の他の形成方法を示す工程図である。本発明に係る積層基板の割断方法の一例を示す工程図である。

以下、本発明に係る脆性材料基板の割断方法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、本発明に係る脆性材料基板の割断方法の一実施形態を示す工程図を示す。図１は、脆性材料基板としてのガラス基板１を割断予定線１１で割断する場合の工程図である。同図（ａ）に示すように、まず、ガラス基板１の表面１０ａの割断開始端Ａｓにカッタホイール２で初期亀裂３１を形成する。この初期亀裂３１の長さ及び深さに特に限定はないが、通常は、初期亀裂３１の長さは１〜３０ｍｍの範囲が好ましく、より好ましくは数ｍｍの範囲である。また、初期亀裂３１の深さは基板厚さの１０％以上が好ましい。

次に、同図（ｂ）に示すように、ガラス基板１の裏面１０ｂの、初期亀裂３１に対向する部分を、ブレークローラー４によって表面１０ａ方向に押圧する。これによって、初期亀裂３１は、ガラス基板１の厚み方向に進展し、裏面１０ｂに達する初期貫通亀裂３２となる。

次いで、同図（ｃ）に示すように、ガラス基板１の初期貫通亀裂３２から割断予定線１１に沿って、楕円形状のレーザビーム５１を照射すると共に、レーザビーム照射領域の後端近傍に冷却媒体としての冷却水６１を冷却ノズル６０から噴霧する。レーザビーム５１をガラス基板１に照射することによって、ガラス基板１は厚み方向に溶融温度未満で加熱され、ガラス基板１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、ガラス基板１の表面に冷却水６１が噴霧され冷却されることによって、今度は引っ張り応力が発生する。この引っ張り応力の作用によって、初期貫通亀裂３２を開始点として、ガラス基板１の厚み方向全体にわたる亀裂が進展する。そして、レーザビーム５１を割断予定線１１に沿って移動させることにより、基板厚み方向全体にわたる亀裂３３はレーザビーム５１の移動方向に沿って連続して進展し、ガラス基板１は割断予定線１１で割断される。なお、この実施形態では、ガラス基板１を固定し、レーザビーム５１を移動させているが、ガラス基板１を移動させ、レーザビーム５１を固定する、あるいはガラス基板１及びレーザビーム５１の双方を移動させてももちろん構わない。また、冷却水６１を噴霧することなく自然空冷によっても、初期貫通亀裂３２を起点とした亀裂３３を進展させることはできるが、冷却水６１を噴霧して強制的に冷却する方が亀裂３３が迅速且つ確実に進展されるので望ましい。

ここで使用するレーザビーム５１としては特に限定はなく、基板の材質や厚み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には、基板表面での吸収が大きいことから波長９〜１１μｍのレーザビームが好ましい。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５１のガラス基板１への照射形状としては、レーザビーム５１の相対移動方向に長い楕円形状が好ましく、長径は１０〜６０ｍｍの範囲、短径は１〜５ｍｍの範囲が好適である。

冷却ノズル６０から噴出させる水としては蒸留水が好ましい。ただし、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を水に添加しても構わない。冷却水量としては通常は１〜２ｍｌ／ｍｉｎの範囲である。水によるガラス基板１の冷却は、レーザービーム４１によって加熱されたガラス基板１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。冷却水による冷却領域は、直径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５１による加熱領域の相対移動方向後方であって、加熱域の後端付近に形成するのが好ましい。

レーザビーム５１の相対的移動速度は、レーザビーム出力値や照射面積、脆性材料基板１の厚み等から適宜決定すればよいが、通常は、１〜数百ｍｍ／ｓｅｃの範囲が好ましい。

本発明の割断方法は、前述のガラス基板の他、セラミックス基板や単結晶シリコン基板、サファイヤ基板など従来公知の脆性材料基板の割断に用いることができ、例えば液晶ディスプレイ等のパネル製造分野などで好適に使用できる。

以上説明した割断方法では、ガラス基板１の端部に僅かに形成した初期貫通亀裂３２を起点としてレーザビーム照射によって亀裂３３を進展させるので、カレットやマイクロクラック等の発生を効果的に抑えることができる。さらに、カレットやマイクロクラック等の発生を一層抑える場合には、カッタホイール２で形成する亀裂を短く抑え、初期亀裂として必要な残りの長さをレーザビーム照射で形成することが推奨される。このような初期亀裂の形成方法を図２に示す。

図２（ａ−１）において、カッタホイール２によって、ガラス基板１の表面１０ａの割断開始端Ａｓに亀裂３１ａを形成する。この亀裂３１ａは、レーザビーム照射によって亀裂が進展する長さであればよく、例えばポイントクラック(数十μｍ)であってもよい。これにより、カッタホイール２の使用で発生するカレットやマイクロクラック等を最小限に抑えられる。

次いで、同図（ａ−２）に示すように、亀裂３１ａから割断予定線１１に沿って、レーザビーム５１を照射すると共に、レーザビーム照射領域の後端近傍に冷却水６１を冷却ノズル６０から噴霧し、亀裂３１ａを割断予定線１１に沿って進展させて、所定長さの初期亀裂３１にする。この亀裂３１ａの進展は、ガラス基板１と非接触で行うので、カレットやマイクロクラック等は発生しない。同図（ｂ）に示す初期貫通亀裂３２を形成する工程から後の工程は、図１に示した割断方法と同様であるので、ここでは説明を略する。なお、レーザビーム照射による亀裂３１ａの進展機構は、前述の初期貫通亀裂３２を起点とした亀裂３３の進展機構と同様である。

次に、２枚の脆性材料基板を貼り合わせた積層基板の、一方の脆性材料基板を割断する方法について説明する。図３に、ガラス基板（第１脆性材料基板）７とガラス基板（第２脆性材料基板）８がシール剤Ｓによって張り合わされた積層基板Ｐの、ガラス基板７の一部を割断する方法の工程図を示す。同図（ａ）に示すように、まず、ガラス基板７の表面端部に、カッタホイール２を圧接させながら転動させて初期亀裂３１を形成する。この初期亀裂３１の長さ及び深さについては前記実施形態の場合と同様である。

次いで、同図（ｂ）に示すように、ガラス基板８の裏面側の、初期亀裂３１に対向する部分を、ブレークローラー４によってガラス基板７の方向に押圧する。これによって、積層基板Ｐが上に凸となるように撓み、初期亀裂３１は、ガラス基板７の厚み方向全体に進展して初期貫通亀裂３２となる。また同時に、初期貫通亀裂３２の端面同士の貼り付き及びガラス基板７の端部の割断除去部分７１とガラス基板８との貼り付きが解消され、ガラス基板７の割断除去部分７１の分離が容易に行えるようになる。

次いで、同図（ｃ）に示すように、ガラス基板７の初期貫通亀裂３２から割断予定線１１に沿って、楕円形状のレーザビーム５１を照射すると共に、レーザビーム照射領域の後端近傍に冷却媒体としての冷却水６１を冷却ノズル６０から噴霧して、初期貫通亀裂３２を開始点として、ガラス基板７の厚み方向全体にわたる亀裂３３を進展させる。レーザビーム５１を割断予定線１１に沿って移動させることにより、ガラス基板７の厚み方向全体にわたる亀裂３３はレーザビーム５１の移動方向に沿って連続して進展し、ガラス基板７は割断予定線１１で割断される。そして、同図（ｄ）に示すように、割断除去部分７１は積層基板Ｐから分離・除去される。なお、この実施形態では、積層基板Ｐを固定し、レーザビーム５１を移動させているが、積層基板Ｐを移動させ、レーザビーム５１を固定する、あるいは積層基板Ｐ及びレーザビーム５１の双方を移動させてももちろん構わない。また、冷却水６１を噴霧することなく自然空冷によっても、初期貫通亀裂３２を起点とした亀裂３３を進展させることはできるが、冷却水６１を噴霧して強制的に冷却する方が亀裂３３が迅速且つ確実に進展されるので望ましい。

また、前記実施形態と同様に、カッターホイール２によるカレットやマイクロクラック等の発生を一層抑える観点から、カッタホイール２で形成する亀裂を短く抑え、初期亀裂として必要な残りの長さをレーザビーム照射で形成しても構わない。

このような積層基板の割断方法は、例えば、液晶表示パネルの、２枚のガラス基板が貼り合わされ、その一方のガラス基板の内側面に端子電極が形成されている場合に、当該端子電極を覆っている部分を切断除去して、当該端子電極を露出させる場合などに好適に用いられる。

本発明の脆性材料基板の割断方法は、カッターで形成した初期亀裂を基板厚み方向に貫通した亀裂とし、この初期貫通亀裂を、レーザビームの照射によって割断予定線に沿って進展させるので、装置の大型化・複雑化を招くことなく、マイクロクラックやカレット等の発生を最小限に抑えることができ有用である。

また、２枚の脆性材料基板を貼り合わせた積層基板の、一方の脆性材料基板を割断する本発明の方法は、上記効果に加えてさらに、初期貫通亀裂を形成する際に、第２脆性材料基板の、前記初期亀裂と対向する部分を押圧することにより、初期貫通亀裂の端面同士の貼り付き及びガラス基板の端部の割断除去部分とガラス基板との貼り付きが解消され、ガラス基板の割断除去部分の分離が容易になり有用である。

１ガラス基板（脆性材料基板）
２カッタホイール（カッタ）
４ブレークローラー
７ガラス基板（第１脆性材料基板）
８ガラス基板（第２脆性材料基板）
Ｐ積層基板
１１割断予定線
３１初期亀裂
３２初期貫通亀裂
３３亀裂
５１レーザビーム
６１冷却水

Claims

脆性材料基板をレーザビーム照射することによって割断する方法であって、
前記基板の一方面の、割断予定線の割断開始端にカッターで初期亀裂を形成する工程と、前記基板の前記初期亀裂を形成した面と反対側面の、前記初期亀裂と対向する部分を押圧し、前記初期亀裂を前記基板の厚み方向に進展させて前記反対側面に至る初期貫通亀裂とする工程と、前記初期貫通亀裂から前記割断予定線に沿ってレーザビームを相対移動させながら照射して、前記基板を溶融温度未満で加熱し、これにより前記基板に生じた熱応力によって、初期貫通亀裂を前記割断予定線に沿って進展させる工程とを有することを特徴とする脆性材料基板の割断方法。
脆性材料基板をレーザビーム照射することによって割断する方法であって、
前記基板の一方面の、割断予定線の割断開始端にカッターで初期亀裂を形成する工程と、前記初期亀裂から前記割断予定線に沿ってレーザビームを相対移動させながら照射して、前記基板を溶融温度未満で加熱し、これにより前記基板に生じた熱応力によって、初期亀裂を前記割断予定線に沿って進展させて初期進展亀裂を形成する工程と、前記基板の前記初期進展亀裂を形成した面と反対側面の、前記初期進展亀裂と対向する部分を押圧し、前記初期進展亀裂を前記基板の厚み方向に進展させて前記反対側面に至る初期貫通亀裂とする工程と、前記初期貫通亀裂から前記割断予定線に沿ってレーザビームを相対移動させながら照射して、前記基板を溶融温度未満で加熱し、これにより前記基板に生じた熱応力によって、初期貫通亀裂を前記割断予定線に沿って進展させる工程とを有することを特徴とする脆性材料基板の割断方法。
２枚の脆性材料基板を貼り合わせた積層基板の、一方の脆性材料基板を割断する方法であって、
第１脆性材料基板の、割断予定線の割断開始端にカッターで初期亀裂を形成する工程と、第２脆性材料基板の、前記初期亀裂と対向する部分を押圧し、前記初期亀裂を第１脆性材料基板の厚み方向に進展させて第１脆性材料基板の反対側面に至る初期貫通亀裂とする工程と、前記初期貫通亀裂から前記割断予定線に沿ってレーザビームを相対移動させながら照射して、第１脆性材料基板を溶融温度未満で加熱し、これにより第１脆性材料基板に生じた熱応力によって、初期貫通亀裂を前記割断予定線に沿って進展させる工程とを有することを特徴とする脆性材料基板の割断方法。
２枚の脆性材料基板を貼り合わせた積層基板の、一方の脆性材料基板を割断する方法であって、
第１脆性材料基板の、割断予定線の割断開始端にカッターで初期亀裂を形成する工程と、前記初期亀裂から前記割断予定線に沿ってレーザビームを相対移動させながら照射して、第１脆性材料基板を溶融温度未満で加熱し、これにより第１脆性材料基板に生じた熱応力によって、前記初期亀裂を前記割断予定線に沿って進展させて初期進展亀裂を形成する工程と、第２脆性材料基板の、前記初期進展亀裂と対向する部分を押圧し、前記初期進展亀裂を第１脆性材料基板の厚み方向に進展させて第１脆性材料基板の反対側面に至る初期貫通亀裂とする工程と、前記初期貫通亀裂から前記割断予定線に沿ってレーザビームを相対移動させながら照射して、第１脆性材料基板を溶融温度未満で加熱し、これにより第１脆性材料基板に生じた熱応力によって、初期貫通亀裂を前記割断予定線に沿って進展させる工程とを有することを特徴とする脆性材料基板の割断方法。