JP5965239B2 - 貼り合わせ基板の加工方法並びに加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザビームを用いたガラス、サファイア等の脆性材料の貼り合わせ基板の加工方法並びに加工装置に関する。

ガラス基板、シリコン基板、サファイア基板等の脆性材料基板に対し、スクライブ溝（切溝）のような分割起点を形成する加工方法として、パルスレーザを用いた加工方法が知られている。これらの加工方法は、パルスレーザにより照射されるエネルギーによって基板を加熱するという点では共通しているが、分割起点が形成されるメカニズムがそれぞれ大きく異なっており、異なる特徴を有している。

例えばガラス基板を分断する際には、分断予定ラインにスクライブ溝を形成するために、「熱歪」によるレーザスクライブ加工が使用されている（特許文献１）。これは、まず分断予定ラインに沿ってレーザビームを照射することにより、軟化温度以下（すなわちガラスが変質しない温度範囲）で加熱を行い、続いて、加熱直後の高温領域に向けて冷媒噴射を行う加工である。加熱と冷却とにより、基板に局所的な熱応力分布が与えられ、この熱応力により生じた熱歪によって、基板表面上に、分断予定ラインに沿ったスクライブ溝（クラック）が形成される。
熱歪によるレーザスクライブ加工では、形成されるスクライブ溝の端面を非常に美しく仕上げることができるので、端面強度の大きな加工が可能になり、ガラス基板の加工などで広く利用されている。

また、シリコン基板やサファイア基板に対する加工では、従来より、ＹＡＧレーザなどの高出力パルスレーザ（パルス幅１０^−９〜１０^−７秒）を用いて基板を加工する方法として、「レーザアブレーション」や「多光子吸収」が利用されている。すなわち、レーザ光を基板表面近傍あるいは基板内部に集光し、基板表面近傍にアブレーションを生起させてスクライブ溝を形成したり（特許文献２）、多光子吸収によって基板内部に加工変質部を形成したり（特許文献３）して、これらの加工部分をブレイクのための分割起点にするようにしている。

また、近年、短パルス幅で高出力パルスのレーザを用いた新しいレーザ加工方法が開示されている（特許文献４）。
上記特許文献に記載の短パルスレーザビームを用いた加工方法によれば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（波長１０６４ｎｍ）を用いて、短いパルス幅（２ピコ秒〜８ナノ秒）および高パワー密度（１５ＧＷ／ｃｍ^２〜８ＴＷ／ｃｍ^２以上）を有する短パルスレーザビームを、サファイア基板の表面近傍で集光するように焦点を調整して出射する。このときのレーザ光は、集光点近傍以外では基板材料（サファイア）に吸収されないが、集光点では多光子吸収が惹起されて、瞬間的かつ局部的に溶融・昇華（局部的な微小アブレーション）が発生するようになる。そして、基板の表層部位から表面に至る範囲に、衝撃圧による微小クラックが形成される。この加工方法によれば、溶融痕が微小化されているので基板の透明性が維持され、光の取出し率が要求されるＬＥＤの製造工程でのサファイア基板の加工に好適となる。

さらには、改良された短パルスレーザビームによる加工方法として、極めて短いパルス幅であるフェムト秒オーダーの短パルスレーザビームを用い、１つの分割予定ラインに対して、走査速度を変えてレーザビームの走査を繰り返すことにより、分断予定ラインの方向に連続しない改質部を基板内部に形成し、さらに分断予定ラインの方向に連続する溝部を表面に形成し、基板の深さ方向に対し上下に溝部および改質部を形成することが開示されている（特許文献５）。ここで、短パルスレーザビームとは、パルス幅が１０ピコ秒未満のレーザをいう。これによれば、２００μｍ程度のサファイア基板の加工ができることが記載されている。

特表平８−５０９９４７号公報 特開２００４−００９１３９号公報 特開２００４−２６８３０９号公報 特開２００５−２７１５６３号公報 特開２００８−０９８４６５号公報

液晶パネルの製造工程では、貼り合わせガラス基板を分断し、個々の単位製品に加工する工程が含まれている。
貼り合わせガラス基板をレーザ加工で分断する場合に、これまでは上述した特許文献１に記載のような「熱歪」を利用したレーザスクライブ加工が行われていた。
レーザスクライブ加工では、ＹＡＧレーザ等が使用されるが、貼り合わせ基板は表裏二面にスクライブを行うために、片側面にレーザ照射を行ってから、基板を反転し、反対側面にレーザ照射を行うようにして、２回のレーザスクライブ加工が必要であった。

そこで、本発明は、貼り合わせ基板を加工する場合に、片側からの１回のレーザビームの走査で、上側の基板と下側の基板とに分割起点となるスクライブ溝を加工することが可能な貼り合わせ基板の加工方法並びに加工装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた本発明の基板加工方法では、テーブル上に載置された貼り合わせ基板に対してレーザビームを照射してスクライブ溝の加工を行う基板加工方法であって、レーザ光源からパルス幅が１０^−１０秒以下である短パルスレーザビームを出射させてこのレーザビームを２つに分岐し、これら２つのレーザビームをそれぞれ異なる発散角で焦点形成用のレンズを透過させて焦点位置の異なる２つの焦点を形成し、一方のレーザビームの焦点を貼り合わせ基板の上側基板にくるようにし、他方のレーザビームの焦点を貼り合わせ基板の下側基板にくるようにして、これら２つのレーザビームの焦点により前記上側基板と前記下側基板とを同時に加工するようにしたものである。上記発明において、前記２つに分岐されたレーザビームの少なくともいずれかの光路途中に出力調整部を介在させて、それぞれのレーザビームの照射エネルギーを調整するようにする。
ここで、貼り合わせ基板にはガラス基板が主に用いられるが、材料に応じて基板を透過する波長の光源を利用すれば、Ｓｉ基板、サファイア基板、ＳｉＣ基板等にも適用することができる。

また、本発明では、テーブル上に載置された貼り合わせ基板に対してレーザビームを照射して加工を行う基板加工装置であって、パルス幅が１０^−１０秒以下である短パルスレーザを出力するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射される短パルスレーザビームを、第一光路側のレーザビームと第二光路側のレーザビームとに分岐する光路分岐部と、これら２つのレーザビームを合成して、それぞれ異なる発散角で焦点形成用のレンズを透過させて焦点位置の異なる２つの焦点を形成するダブル焦点作成部と、前記ダブル焦点作成部から照射される合成レーザビームに対し、前記貼り合わせ基板を載置したテーブルを相対的に移動させる機構とからなり、前記ダブル焦点作成部は、一方のレーザビームの焦点が前記貼り合わせ基板の上側基板にくるように、かつ、他方のレーザビームの焦点が貼り合わせ基板の下側基板にくるように、それぞれの焦点を調整できるように形成されている貼り合わせ基板の加工装置を特徴とする。上記発明において、前記２つに分岐されたレーザビームの少なくともいずれかの光路途中に出力調整部を介在させて、それぞれのレーザビームの照射エネルギーを調整するようにする。

本発明によれば、２つのレーザビームをそれぞれ異なる発散角で焦点形成用のレンズを透過させることにより焦点位置の異なる２つの焦点が形成され、この一方のレーザビームの焦点が貼り合わせ基板の上側基板にくると共に、他方のレーザビームの焦点を貼り合わせ基板の下側基板にくるようにしたので、それぞれの焦点位置にエネルギーが集中するレーザスポットが同時に形成される。各レーザスポットでは瞬間的かつ局部的に溶融・昇華（局部的な微小アブレーション）が発生し、貼り合わせ基板の上側基板と下側基板に分割起点となるスクライブ溝を同時に形成することができる。これにより、上下ガラス基板を同時に加工することができてレーザビームの走査回数を減らすことができ、しかも基板を反転させる必要もなくなり、加工時間の短縮を図ることができる。

上記発明において、前記２つに分岐されたレーザビームの少なくともいずれかの光路途中に出力調整部を介在させて、それぞれのレーザビームの照射エネルギーを調整するようにするのがよい。
これにより、加工される貼り合わせ基板の材料の特性や厚みに応じて、各レーザビームの照射エネルギーを最適な状態に調整することができる。

上記発明において、貼り合わせ基板に照射されるレーザビームをスクライブ予定ラインに沿って間欠的に照射することにより、前記２つの焦点位置に発生するレーザビームスポットを断続的に形成するのがよい。この際、隣接するレーザスポット同士は、レーザスポット形成時の衝撃で発生する微小なクラックでつながるような間隔で形成される。
これにより、貼り合わせ基板の上側基板と下側基板に、連続したスクライブ溝を同時にかつ、確実に形成することができる。

本発明の基板加工方法を実施するための基板加工装置の全体構成を示す図。 本発明におけるレーザ光学系を示すブロック図。 図２におけるダブル焦点作成部を示す拡大図。 基板上でビームスポットが形成される状態を示す模式図。

以下、本発明の貼り合わせ基板の加工方法について、図面を用いて説明する。本実施例では、貼り合わせガラス基板の加工について説明する。
図１は、本発明の加工方法を実施するための基板加工装置の一例を示す図である。
基板加工装置Ａは、水平な架台１上に平行に配置された一対のガイドレール３、４に沿って、図１の前後方向（以下Ｙ方向という）に往復移動する移動ステージ２が設けられている。両ガイドレール３、４の間に、スクリューネジ５がＹ方向に沿って配置され、このスクリューネジ５に対し、移動ステージ２に固定されたステー６が螺合されており、スクリューネジ５をモータ（図示せず）によって回転することにより、移動ステージ２がガイドレール３、４に沿ってＹ方向に移動するように構成されている。

移動ステージ２上に、水平な台座７がガイドレール８に沿って、図１の左右方向（以下Ｘ方向という）に往復移動するように配置されている。台座７に固定されたステー１０ａに、モータ９によって回転するスクリューネジ１０が貫通螺合されており、スクリューネジ１０が回転することにより、台座７がガイドレール８に沿って、Ｘ方向に移動し、モータの正、逆回転によって往復移動する。

台座７上には、回転機構１１によって回転するテーブル１２が設けられており、このテーブル１２の載置面上に、加工対象となる貼り合わせ基板Ｗが水平な状態で載置される。貼り合わせ基板Ｗは、テーブル１２に設けられた吸引チャック機構（図示せず）により保持できるようにしてある。回転機構１１は、テーブル１２を、載置面に垂直な軸を回転軸として回転できるようにしてあり、任意の回転角度に回転できるように形成されている。

テーブル１２の上方には、貼り合わせ基板Ｗを位置決めする際に使用する位置検出用のカメラ１３と、貼り合わせ基板Ｗに向けて直線偏光の短パルスレーザビームを照射するためのレーザ光源２０およびレーザ光学系２１（図２参照）とが、フレーム１４に固定してある。

レーザ光源２０には、微小アブレーションによる加工が可能なパルス幅が１０^−１０秒以下の短パルスレーザビームを出射できるものが選択される。レーザの種類は、レーザ光がガラス基板をある程度透過でき、内部に入ることができる波長であればよく、具体的にはＵＶレーザ、Ｇｒｅｅｎレーザ、ＩＲレーザを用いることができる。なお、従来からガラス基板へのレーザスクライブに用いられるＹＡＧレーザやＣＯ_２レーザは、上側ガラス基板の表面近傍だけで吸収され、下側基板まで到達しないため本発明では適用できない。

図２は、レーザ光学系２１を示すブロック図である。
レーザ光源２０から出射された直線偏光の短パルスレーザビームＬ_０はロータリーシャッタ２２を経て１／２波長板２３を通過する。ロータリーシャッタ２２は、レーザビームＬ_０を間欠的に遮断したり、全開口して連続的に透過したりするためのものであって、間欠的にレーザビームを照射して加工する場合と、連続してレーザビームを照射して加工する場合を選択するのに使用される。

１／２波長板２３は、入射光源に１／２波長の位相差を生じさせるものであって、入射する直線偏光の振動方向が１／２波長板２３の光軸方向に対して角度θ（例えば４５度）で入射すると、振動方向が２θ（９０度）回転させられた直線偏光として出射される。この１／２波長板の前記角度θを変えることによって、出射する直線偏光の照射エネルギー（出力パワー）がコントロールできるようにしてある。

１／２波長板２３を通過したレーザビームＬ_０は、光路分岐部としての分岐用偏光ビームスプリッタ２４により、第一光路側のレーザビーム（Ｐ波）Ｌ_１と、第二光路側のレーザビーム（Ｓ波）Ｌ_２とに分岐される。

第一光路側のレーザビームＬ_１は、ハーフミラー２５で屈折されて出力調整部２６を通過する。出力調整部２６は、第一光路側レーザビームＬ_１の照射エネルギー（出力パワー）を調整するものであり、具体的には１／２波長板２７と偏光ビームスプリッタ２８とからなる。偏光ビームスプリッタ２８に対する１／２波長板２７の位相角を調整することで、偏光を利用して通過するレーザビームＬ_１の照射エネルギー（出力パワー）が減衰するようにしてある。したがって、出力調整部２６によって第一光路側レーザビームＬ_１の照射エネルギーを調整することができる。なお、出力調整部２６の偏光ビームスプリッタ２８は、レーザビームＬ_１を光軸進行方向に透過するようにしてある。
出力調整部２６を通過したレーザビームＬ_１は、ハーフミラー２９で屈折されて後述するダブル焦点作成部３０に送られる。

また、第二光路側のレーザビームＬ_２は、ハーフミラー３１、３２を経て出力調整部３３に入射するようにしてある。出力調整部３３は、前記第一光路側の出力調整部２６と同じように、１／２波長板３４と偏光ビームスプリッタ３５とからなり、前記した出力調整部２６と同様に、第二光路側レーザビームＬ_２の照射エネルギー（出力パワー）を調整するものである。出力調整部２６を通過したレーザビームＬ_２は、ダブル焦点作成部３０に送られる。

ダブル焦点作成部３０は、レンズ群（３６、３７、３８、３９）と合成用偏光ビームスプリッタ４０とからなり、第一光路側レーザビームＬ_１と第二光路側レーザビームＬ_２とを合成し、これらを重ね合わせた合成レーザビームを生成する。この合成レーザビームにおいて、第一光路側のレーザビームＬ_１の焦点Ｐ’と、第二光路側のレーザビームＬ_２の焦点Ｓ’とがそれぞれ異なった位置で結ぶように、すなわち、２つの焦点を形成するようにしてある。具体的には、図４に示すように、第二光路側のレーザビームＬ_２の焦点Ｓ’が貼り合わせ基板Ｗの上側の基板Ｗ_１の表面近傍にくるようにしたときに、第一光路側のレーザビームＬ_１の焦点Ｐ’が下側の基板Ｗ_２の表面近傍、または下面近傍にくるようにしてある。

図３で詳しく示すように、第一光路側の凹レンズ３６を通過したレーザビームＬ_１は、放射方向に拡がる発散光（これをプラス発散光という）となって合成用偏光ビームスプリッタ４０を透過し、焦点形成用の凸レンズ３７に送られる。
一方、第二光路側の凹レンズ３８を通過してプラス発散光となったレーザビームＬ_２は、凸レンズ３９で焦点に向かって集光する光（これをマイナス発散光という）となって合成用偏光ビームスプリッタ４０に送られ、ビームスプリッタ４０の反射面４０ａで屈折して第一光路側のレーザビームＬ_１と合成されて、焦点形成用凸レンズ３７に送られる。このとき、第一光路側からきたレーザビームＬ_１と第二光路側からきたレーザビームＬ_２は、凸レンズ３７に入射する際の発散角が異なるので、すなわち、第一光路側のレーザビームＬ_１は放射方向に拡がるプラス発散光となり、第二光路側のレーザビームＬ_２は一点に向かって集光するマイナス発散光となるので、凸レンズ３７を通過した第一光路側のレーザビームＬ_１の焦点距離は、第二光路側のレーザビームＬ_２の焦点距離よりも長くなり、結果的に２つの焦点が形成されることになる。

次に、基板加工装置Ａによる加工動作について説明する。加工を始める前に、予め、加工条件の設定をしておく。具体的には、１／２波長板２３によるレーザビームＬ_１の出力パワー、出力調整部２６、３３の調整による第一光路側と第二光路側のレーザビームＬ_１、Ｌ_２の出力パワーの比を、加工する貼り合わせ基板Ｗの厚みや材料の特性に合わせて調整しておく。
同時に、図４（ａ）に示すように、第二光路側レーザビームＬ_２の焦点Ｓ’が貼り合わせ基板Ｗの上側基板Ｗ_１の上面近傍にくるように、かつ、第一光路側レーザビームＬ_２の焦点Ｐ’が下側基板Ｗ_２の上面近傍にくるように、焦点形成用凸レンズ３７や凹レンズ３６、３８の位置を調整しておく。なお、前記焦点位置は基板Ｗの内部で任意の位置に調整することが可能であり、例えば、図４（ｂ）に示すように、第一光路側レーザビームＬ_２の焦点Ｐ’が下側基板Ｗ_２の下面近傍にくるように調整してもよい。
また、ロータリーシャッタ２２によりレーザ光源２０からのレーザビームＬ_０を間欠的に遮断するようにするとともに、基板を載置したテーブル１２の移動速度を調節してレーザビームが所定の間隔をあけて基板Ｗに照射するようにする。これにより、基板Ｗに所定の間隔をあけて、レーザ照射スポットＳをスクライブ予定ラインに沿って直線的に形成するようにしておく。上記「所定の間隔」とは、隣接するレーザスポット同士がレーザスポット形成時の衝撃で発生する微小なクラックでつながるような距離をいう。

上記の設定を行った後、貼り合わせ基板Ｗをテーブル１２上に載置し、カメラ１３で加工位置の位置決めを行った上で、光源２０からのレーザビームを発振させ、テーブル１２をＸ方向に走査する。これにより、貼り合わせ基板Ｗに所定の間隔をあけてレーザ照射スポットＫが形成される。このとき、図４（ａ）に示すように、第一光路側レーザビームＬ_１による焦点Ｐ’と、第二光路側レーザビームＬ_２による焦点Ｓ’が基板Ｗの上側基板Ｗ_１と下側基板Ｗ_２の上面近傍にくるようにしてあるので、レーザスポットＫはそれぞれの焦点位置に２カ所同時に形成される。

レーザスポットＫでは、焦点で、瞬間的かつ局部的に溶融・昇華（局部的な微小アブレーション）が発生する。そして隣接するレーザスポット同士は加工時の衝撃で発生する微少なクラックによりつながっており、これにより、連続したスクライブ溝が上側基板Ｗ_１と下側基板Ｗ_２に同時に形成することができる。

以上、短パルスレーザを用いて上記実施例では、ロータリーシャッタ２２によりレーザ光源２０からのレーザビームＬ_０を間欠的に遮断して、レーザ照射スポットＫを一定の間隔をあけて形成するようにしたが、ロータリーシャッタ２２を全開口してレーザビームを連続して基板Ｗに照射するようにしてもよい。

上記実施形態ではガラスの貼り合わせ基板の加工に適した加工方法について説明したが、加工対象の基板材料に応じて、基板表面のみで吸収されずに、基板内部に入ることができるレーザの種類を選択すれば、同様の加工が可能になる。例えば加工対象がサファイア基板の場合には、基板内部にレーザ光を入射させることのできるレーザとして、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザ等を利用することができる。

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、本発明の目的を達成し、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。

例えば、出力調整部２６、３３はいずれか片側だけにして、基板Ｇを載置するテーブル１２で調整するようにしてもよい。

本発明の基板加工方法は、ガラス基板等の脆性材料からなる貼り合わせ基板のスクライブ加工に利用される。

Ａ 基板加工装置
Ｋ レーザスポット
Ｌ_１ 第一光路側のレーザビーム
Ｌ_２ 第二光路側のレーザビーム
Ｐ’ 第一光路側のレーザビームの焦点
Ｓ’ 第二光路側のレーザビームの焦点
Ｗ 貼り合わせ基板
Ｗ_１ 上側基板
Ｗ_２ 下側基板
１２ テーブル
２０ レーザ光源
２１ レーザ光学系
２２ ロータリーシャッタ
２３ １／２波長板
２４ 分岐用偏光ビームスプリッタ
２６、３３ 出力調整部
３０ ダブル焦点作成部
３７ 焦点形成用凸レンズ
４０ 合成用偏光ビームスプリッタ

Claims (3)

1. テーブル上に載置された貼り合わせ基板に対してレーザビームを照射してスクライブ溝の加工を行う基板加工方法であって、
   レーザ光源からパルス幅が１０^−１０秒以下である短パルスレーザビームを出射させてこのレーザビームを２つに分岐し、
   これら２つのレーザビームをそれぞれ異なる発散角で焦点形成用のレンズを透過させて焦点位置の異なる２つの焦点を形成し、
   一方のレーザビームの焦点を貼り合わせ基板の上側基板にくるようにし、他方のレーザビームの焦点を貼り合わせ基板の下側基板にくるようにしてこれら２つのレーザビームの焦点により前記上側基板と前記下側基板とを同時に加工するようにし、
   前記２つに分岐されたレーザビームの少なくともいずれか一方の光路途中に出力調整部を介在させて、それぞれのレーザビームの照射エネルギーを調整するようにした貼り合わせ基板の加工方法。
2. 貼り合わせ基板に照射されるレーザビームをスクライブ予定ラインに沿って間欠的に照射することにより、前記２つの焦点位置に発生するレーザビームスポットを断続的に形成するようにした請求項１に記載の貼り合わせ基板の加工方法。
3. テーブル上に載置された貼り合わせ基板に対してレーザビームを照射して加工を行う基板加工装置であって、
   パルス幅が１０^−１０秒以下である短パルスレーザを出力するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射される短パルスレーザビームを、第一光路側のレーザビームと第二光路側のレーザビームとに分岐する光路分岐部と、
   これら２つのレーザビームを合成してそれぞれ異なる発散角で焦点形成用のレンズを透過させて焦点位置の異なる２つの焦点を形成するダブル焦点作成部と、
   前記ダブル焦点作成部から照射される合成レーザビームに対し、前記貼り合わせ基板を載置したテーブルを相対的に移動させる機構とからなり、
   前記ダブル焦点作成部は、一方のレーザビームの焦点が前記貼り合わせ基板の上側基板にくるように、かつ、他方のレーザビームの焦点が貼り合わせ基板の下側基板にくるように、それぞれの焦点を調整できるように形成され、前記２つに分岐されたレーザビームの少なくともいずれか一方の光路途中に、レーザビームの照射エネルギーを調整する出力調整部を介在させてなる貼り合わせ基板の加工装置。

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