JP2011016712A - 冷却ノズル及びそれを用いた冷却方法並びに脆性材料基板の割断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】少ない冷却液量で、基板などの被冷却物を効率的に局部冷却できる冷却ノズル及び冷却方法を提供する。
【解決手段】円環状に形成された気体噴出口６１と、この円環状の気体噴出口６１の略中心から外方に突出した、冷却液が噴出する液管８とを設ける。そして、液管８の突出量を０．５〜１．０ｍｍの範囲とする。また、冷却液量を少なくし且つ冷却スポットを小さくする観点からは、液管８の先端８１から３ｍｍ以上を同一内径の直管部とするのが好ましい。ノズルキャップ６の気体流路６２の内周面の、中心軸Ｏに対する傾斜角度を、気体噴出口６１に向かって段階的に小さくするのが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却ノズル及びそれを用いた冷却方法に関し、より詳細には、ガラス基板などの脆性材料基板を割断するのに好適に用いられる冷却ノズル及びそれを用いた冷却方法に関するものである。

従来、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、ブレイクを行った際に上記欠陥に起因する割れ等が発生する。

そこで、近年、レーザビームを用いて基板にスクライブラインを形成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にスクライブラインを形成する方法では、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。

レーザビームで加熱された基板を局部的に冷却する手段として、一般に、水などの冷却媒体を空気と共に噴霧する冷却ノズルが使用される。液体を基板に噴霧するためのノズルとして、例えば、中央から液体を噴出させ、その周囲から空気をシャワー状またはリング状に噴出させるノズルが提案されている（例えば、特許文献１など）。

特開平4-171067号公報

電子機器に搭載される構成部品には、ガラス基板の表面に電極膜を形成したものがあり、このようなガラス基板を割断する場合には、冷却液の噴霧量をできるだけ少なくすることが要求される。

ところが、冷却水の噴出量を抑えると、噴出空気によって冷却液が広く拡散して冷却スポットが大きくなってしまい効率的な局部冷却ができない。

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、その目的は、少ない冷却液量で、基板などの被冷却物を効率的に局部冷却できる冷却ノズル及び冷却方法を提供することにある。

また、本発明の目的は、レーザビームで加熱された基板を少ない冷却液量で局部的に冷却し、スクライブラインを効率的に形成する脆性材料基板の割断方法を提供することにある。

本発明によれば、円環状に形成された気体噴出口と、この円環状の気体噴出口の略中心から外方に突出した、冷却液が噴出する液管とを有し、前記液管の突出量が０．５〜１．０ｍｍの範囲であることを特徴とする冷却ノズルが提供される。

また、冷却液量を少なくし且つ冷却スポットを小さくする観点からは、前記液管の先端から３ｍｍ以上を同一内径の直管部とするのが好ましい。

そして、気体流路の中心軸に対する、気体流路の内周面の傾斜角度を、前記気体噴出口に向かって段階的に小さくするのが好ましい。具体的には、前記気体噴出口に向かって、前記気体流路の内周面を４５〜６０°に傾斜させた後、２０〜３０°に傾斜させるのが好ましい。

また本発明によれば、前記のいずれかに記載の冷却ノズルを用いて被冷却物を冷却する方法であって、前記冷却ノズルの前記液管の先端と被冷却物の表面との距離を３〜１０ｍｍの範囲とすることを特徴とする冷却方法。

さらに本発明によれば、脆性材料基板に対し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に加熱した後、前記基板に対して冷却ノズルから冷却液を噴出させて冷却して、前記基板に生じた熱応力によって、垂直クラックからなるスクライブラインを形成する工程を含む脆性材料基板の割断方法において、前記冷却ノズルとして、前記のいずれかに記載の冷却ノズルを用いることを特徴とする脆性材料基板の割断方法が提供される。

ここで、前記冷却ノズルの前記液管の先端と脆性材料基板の表面との距離は３〜１０ｍｍの範囲とするのが好ましい。

本発明の冷却ノズル及び冷却方法では、液管が、気体噴出口の略中心から外方に０．５〜１．０ｍｍ突出しているので、噴出気体による冷却液の拡散が抑えられる。これによって、少ない冷却液量でも冷却スポットを小さくでき、効率的に局部冷却が行えるようになる。

また、前記液管の先端から３ｍｍ以上を同一内径の直管部とすると、液管から噴出する冷却液が層流に近くなり、冷却液の拡散が抑えられて一層効率的に局部冷却が行えるようになる。

そして、気体流路の中心軸に対する、気体流路の内周面の傾斜角度を、前記気体噴出口に向かって段階的に小さくすると、流路内の気体に整流作用が奏され、気体噴出口から噴出する気体の拡散が抑制される。これにより冷却液の拡散が抑えられて一層効率的に局部冷却が行えるようになる。

本発明の脆性材料基板の割断方法では、前記記載の冷却ノズルを使用するので、レーザビームで加熱された基板を少ない冷却液量で局部的に冷却でき、スクライブラインを効率的に形成できるようなる。これにより、電極膜が表面に形成されたガラス基板など、基板表面に水分を存在させたくない脆性材料基板の割断に好適に適用される。

本発明の冷却ノズルの実施例を示す断面図。 図１の冷却ノズルにおける傾斜面の傾斜角度及び液管長さ、液管の先端と被冷却物との距離を説明する概説断面図。 本発明の脆性材料基板の割断方法を実施する装置の一例を示す概説図。 脆性材料基板の割断を説明するための図。

以下、本発明に係る冷却ノズルについて図に基づ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及び図２に、本発明に係る冷却ノズルの一例を示す概略断面図を示す。これらの図の冷却ノズルＮは、ノズルキャップ６と、ノズルピース７とを主要構成部材とし、ノズルキャップ６の内部にノズルピース７が収納固定されている。ノズルキャップ６は有底略円筒状をなし、その内底部の中心には、気体噴出口６１が形成されている。そして、気体噴出口６１へ至るノズルキャップ６の気体流路６２の内周面には、すり鉢状に第１傾斜面６３と第２傾斜面６４とが連続して形成されている。図２に示すように、第１傾斜面６３の、気体流路６２の中心軸Ｏに対する傾斜角度θ_１は、第２傾斜面の傾斜角度θ_２よりも大きい。すなわち、気体流路６２の内周面の傾斜角度は、気体噴出口６１に向かって２段階で小さくなる。

本発明者等による実験によれば、第１傾斜面６３の傾斜角度θ_１としては４５〜６０°の範囲が好ましく、第２傾斜面６４の傾斜角度θ_２としては２０〜３０°の範囲が好ましい。このように傾斜角度を段階的に小さくすることによって、気体流路６２を流れる気体の整流化が図られ、気体噴出口６１から噴出した気体の拡散が抑制されるようになる。なお、傾斜角度の変化は２段階に限定されるものではなく、ノズルキャップ６の加工上の制約が許すなら３段階以上であっても構わない。

ノズルピース７は二重管構造を有し、中央管路が液流路７１となり、外周管路が気体流路７２となる。そして、ノズルピース７の先端部に液管８が保持されている。液流路７１及び気体流路７２には、不図示の冷却液供給手段及び気体供給手段がそれぞれ接続されている。

液管８は、気体噴出口６１の略中心を挿通し、気体噴出口６１から外方に突出する。ここで重要なことは、気体噴出口６１からの液管８の突出量ｄを０．５〜１．０ｍｍとすることにある。この範囲で液管８を気体噴出口６１から突出させることにより、冷却液の気体による拡散が抑えられ、少ない流量であっても拡散されず冷却スポットを小さくできるようになる。液管８の突出量ｄの、より好ましい下限値は０．６ｍｍであり、より好ましい上限値は０．９ｍｍである。

また、液管８の先端８１と同一内径である直管部の、液管８の先端８１からの長さＸ（図２に図示）を３ｍｍ以上とするのが好ましい。液管８は針状の細管であり、この液管８内を冷却液が所定距離以上流れることにより、流れが層流に近くなり、液管８から噴出した冷却液の拡散が抑えられ局部冷却が行えるようになる。液管８の先端８１からの長さＸの上限値としては、液管８の内径や外径等を考慮し適宜決定すればよいが、通常は５ｍｍである。

このような構成の冷却ノズルＮにおいて、冷却液は、不図示の供給手段によって液流路７１を介して液管８に送られ、液管８で層流化されて液管８の先端８１から外方へ噴出する。一方、気体は、不図示の供給手段によって気体流路７２を介してノズルキャップ６の気体流路６２に送られる。ノズルキャップ６の気体流路６２は、第１傾斜面６３及び第２傾斜面６４によって気体噴出口６１に向かって連続的に縮径されており、気体は昇圧された状態で気体噴出口６１から外方へ噴出する。液管８から噴出した冷却液は、この勢いよく噴出した気体によって拡散され、被冷却物に対して噴霧される。前述のように、本発明の冷却ノズルＮでは、液管８を気体噴出口６１から突出させているので、冷却液の気体による拡散が抑えられ、被冷却物の冷却スポットを小さくでき、効率的な冷却が図れる。

具体的には、液管８の突出量をゼロ、すなわち液管８の先端８１と気体噴出口６１とを同じ位置としていた従来の冷却ノズルでは、冷却液として水を１０ｍＬ／ｍｉｎ、気体としてのエアを４０Ｌ／ｍｉｎ必要としていたのに対し、液管８の突出量を０．７ｍｍとした本発明の冷却ノズルでは、水１ｍＬ／ｍｉｎ、エア１０Ｌ／ｍｉｎで従来と同等の冷却効果が奏された。

冷却処理において、本発明の冷却ノズルＮは被冷却物５０（図２に図示）の表面に対向配置される。冷却ノズルＮの液管８の先端８１と被冷却物５０の表面との距離Ｙ（図２に図示）に特に限定はないが、通常、３〜１０ｍｍの範囲が好ましい。前記距離が３ｍｍよりも近いと、被冷却物５０に気体が衝突して生じる背圧の影響を受けて冷却液が液管８から噴出しにくくなる。他方、前記距離が１０ｍｍよりも遠いと、冷却液が広く拡散し冷却スポットが大きくなって冷却効果が低下する。液管８の先端８１と被冷却物５０の表面との距離Ｙのより好ましい範囲は、５〜８ｍｍの範囲である。

次に、本発明の冷却ノズルＮを用いた脆性材料基板の割断方法について説明する。図３に、本発明の割断方法の実施に用いる割断装置の一例を示す概説図を示す。この図の割断装置は、架台１１上に紙面に対して垂直方向（Ｙ方向）に移動自在のスライドテーブル１２と、スライドテーブル上に図の左右方向（Ｘ方向）に移動自在の台座１９と、台座１９上に設けられた回転機構２５とを備え、この回転機構２５上に設けられた回転テーブル２６に載置・固定された脆性材料基板５０はこれらの移動手段によって水平面内を自在に移動される。

スライドテーブル１２は、架台１１の上面に所定距離隔てて平行に配置された一対のガイドレール１４，１５上に移動自在に取り付けられている。そして、一対のガイドレール１４，１５の間には、ガイドレール１４，１５と平行にボールネジ１３が、不図示のモータによって正・逆回転自在に設けられている。また、スライドテーブル１２の底面にはボールナット１６が設けられている。このボールナット１６はボールネジ１３に螺合している。ボールネジ１３が正転又は逆転することによって、ボールナット１６はＹ方向に移動し、これによってボールナット１６が取り付けられたスライドテーブル１２が、ガイドレール１４，１５上をＹ方向に移動する。

また台座１９は、スライドテーブル１２上に所定距離隔てて平行に配置された一対のガイド部材２１に移動可能に支持されている。そして、一対のガイド部材２１間には、ガイド部材２１と平行にボールネジ２２が、モータ２３によって正逆回転自在に設けられている。また、台座１９の底面にはボールナット２４が設けられ、ボールネジ２２に螺合している。ボールネジ２２が正転又は逆転することによって、ボールナット２４はＸ方向に移動し、これによって、ボールナット２４と共に台座１９が、一対のガイド部材２１に沿ってＸ方向に移動する。

台座１９上には回転機構２５が設けられている。そして、この回転機構２５上に回転テーブル２６が設けられている。割断対象である脆性材料基板５０は、回転テーブル２６上に真空吸着によって固定される。回転機構２５は、回転テーブル２６を垂直方向の中心軸の周りに回転させる。

回転テーブル２６の上方には、回転テーブル２６と離隔対向するように、支持台３１が、取付台３２から垂下する保持部材３３によって支持されている。支持台３１には、脆性材料基板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３５と、脆性材料基板５０にレーザビームを照射するための開口（不図示）と、脆性材料基板５０の表面を冷却するための冷却ノズルＮとが設けられている。冷却ノズルＮの液管先端と脆性材料基板５０の表面との距離は、３〜１０ｍｍの範囲とするのが望ましい。

カッタホイール３５は、チップホルダー３６によって、脆性材料基板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、脆性材料基板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、脆性材料基板５０の表面側端よりも内側に形成するのが好ましい。

取付台３２上にはレーザ出力装置３４が設けられている。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、保持部材３３内に保持された光学系を介して支持台３１に形成された開口から、回転テーブル２６上に固定された脆性材料基板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Ｎからは、前述のように、脆性材料基板５０に向かって冷却水が空気と共に噴出される。冷却水が噴霧される脆性材料基板５０上の位置は、割断予定ライン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）。ここで、本発明の冷却ノズルＮから噴霧される冷却水の冷却スポットは、少ない噴出量であっても従来に比べて小さい面積となる。これにより、電極膜が表面に形成されたガラス基板を割断する場合等に従来問題となっていた冷却液の使用量を従来に比べて格段に抑えられるようになる。

取付台３２には、脆性材料基板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、脆性材料基板５０のセット時の位置ずれが検出され、例え脆性材料基板５０が角度θずれていた場合は回転テーブル２６が−θだけ回転され、脆性材料基板５０がＹずれていたときはスライドテーブル１２が−Ｙだけ移動される。

このような構成の割断装置において脆性材料基板５０を割断する場合には、まず、脆性材料基板５０を回転テーブル２６上に載置し吸引手段により固定する。そして、ＣＣＤカメラ３８および３９によって、脆性材料基板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脆性材料基板５０を所定の位置に位置決めする。

次いで、前述のように、ホイールカッタ３５によって脆性材料基板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。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、脆性材料基板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Ｎから噴出させる。脆性材料基板５０にレーザビームＬＢを照射することによって、脆性材料基板５０は厚み方向に溶融温度未満で加熱され、脆性材料基板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、脆性材料基板５０の表面が冷却ノズルＮから噴霧される水で冷却されることによって、脆性材料基板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割断予定ライン５１に沿って垂直クラック５３が脆性材料基板５０に形成される。

そしてレーザビームＬＢ及び冷却ノズルＮを割断予定ライン５１に従って相対的に移動させることによって、垂直クラック５３が伸展し脆性材料基板５０にスクライブライン５２が形成される。この実施形態の場合には、レーザビームＬＢと冷却ノズルＮとは所定位置に固定された状態で、スライドテーブル１２と台座１９、回転テーブル２６の回転機構２５とによって脆性材料基板５０が移動される。もちろん、脆性材料基板５０を固定した状態で、レーザビームＬＢと冷却ノズルＮとを移動させても構わない。あるいは脆性材料基板５０及びレーザビームＬＢ・冷却ノズルＮの双方を移動させても構わない。

このような脆性材料基板の割断方法では、本発明の冷却ノズルＮによって、レーザビームＬＢで加熱された部分だけを局部的に且つ少ない冷却液量で冷却できるので、電極膜が表面に形成されたガラス基板を割断する場合など冷却液の使用量を抑えたい場合に好適に用いられる。また、垂直クラックを安定的に形成できるので、加工歩留まりの向上と共に切断速度をより早くすることができ、加工時間の短縮も図れる。

本発明の冷却ノズルでは、噴出気体による冷却液の拡散が抑えられ、少ない冷却液量で小さい冷却スポットを形成できる。これにより、効率的な局部冷却が可能となり有用である。

６ ノズルキャップ
７ ノズルピース
８ 液管
Ｎ 冷却ノズル
ｄ 気体噴出口からの液管の突出量
５０ 脆性材料基板
５２ スクライブライン
５３ 垂直クラック
６１ 気体噴出口
６２ 気体流路
６３ 第１傾斜面
６４ 第２傾斜面
７１ 液流路
７２ 気体流路
８１ 先端
ＬＢ レーザビーム

Claims (7)

1. 円環状に形成された気体噴出口と、この円環状の気体噴出口の略中心から外方に突出した、冷却液が噴出する液管とを有し、
   前記液管の突出量が０．５〜１．０ｍｍの範囲であることを特徴とする冷却ノズル。
2. 前記液管の先端から３ｍｍ以上が同一内径の直管部である請求項１記載の冷却ノズル。
3. 気体流路の中心軸に対する、気体流路の内周面の傾斜角度が、前記気体噴出口に向かって段階的に小さくなる請求項１又は２記載の冷却ノズル。
4. 前記気体噴出口に向かって、前記気体流路の内周面が４５〜６０°に傾斜した後、２０〜３０°に傾斜した請求項３記載の冷却ノズル。
5. 前記請求項１〜４のいずれかに記載の冷却ノズルを用いて被冷却物を冷却する方法であって、
   前記冷却ノズルの前記液管の先端と被冷却物の表面との距離を３〜１０ｍｍの範囲とすることを特徴とする冷却方法。
6. 脆性材料基板に対し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に加熱した後、前記基板に対して冷却ノズルから冷却液を噴出させて冷却して、前記基板に生じた熱応力によって、垂直クラックからなるスクライブラインを形成する工程を含む脆性材料基板の割断方法において、
   前記冷却ノズルとして、前記請求項１〜４のいずれかに記載の冷却ノズルを用いることを特徴とする脆性材料基板の割断方法。
7. 前記冷却ノズルの前記液管の先端と脆性材料基板の表面との距離を３〜１０ｍｍの範囲とする請求項６記載の脆性材料基板の割断方法。