JP5352642B2 - ガラス基板のスクライブ方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス基板のスクライブ方法、特に、圧縮応力を持たせた強化層を表面に有する強化ガラスをスクライブするガラス基板のスクライブ方法に関する。

ガラス基板を分断するためにスクライブ溝を形成する方法として、レーザ光を用いてスクライブ溝を形成する方法がある。この場合は、スクライブ予定ラインに沿ってレーザ光が照射され、基板の一部が溶解、蒸発させられてスクライブ溝が形成される。ただ、この方法では、溶解、蒸発された基板の一部が基板表面に付着し、品質の劣化を伴う場合がある。また、溶解、蒸発された部分で形成された疵痕は基板端面強度が低下する原因になる。

そこで、スクライブ溝を形成する他の方法として、特許文献１又は２に示されたような方法がある。ここでは、ガラス基板のスクライブ溝の起点となる場所に初期亀裂が形成され、この初期亀裂にレーザ光が照射される。これにより、レーザ照射部分に熱応力が生じ、亀裂が進展してスクライブ溝が形成される。

また、レーザ光を照射してスクライブ溝を形成する方法では、ガラス基板の周縁部においてスクライブ溝の亀裂が深くなる傾向にある。この状態で、ガラス基板をスクライブ溝に沿って分断すると、分断面の品質が低下するという問題や、スクライブ溝がまっすぐに形成されないという問題が発生する。

そこで、特許文献３には、スクライブ予定ラインの終端部に、スクライブ溝を形成しない領域を形成するようにしたレーザスクライブ方法が示されている。この方法によれば、ガラス基板の終端部における分断後の断面の品質を、複雑な制御をすることなく向上させることができると記載されている。

特開平３−４８９号公報 特開平９−１３７０号公報 再公表特許 WO２００７／０９４３４８号公報

ところで、最近のFPD（フラットパネルディスプレイ）業界では、基板端面の強度が重要視されるために、ガラス基板として、表面に強化層が形成された化学強化ガラスが主に用いられている。この化学強化ガラスは、イオン交換処理によって表面に圧縮応力を持たせた層（強化層）を有し、内部には引張応力が存在している。このような化学強化ガラスは、最近では、特に端面強度が要求されるタッチパネル等のカバーガラスに用いられている。

本件発明者は、このような強化ガラスのなかで、最近開発された、特に表面が高強度の強化ガラスに初期亀裂を形成し、レーザスクライブ方法によってスクライブ溝を形成した場合、以下のような現象で、自然分断を生じる場合があることを見いだした。

まず、スクライブ予定ラインの開始端であるガラス基板の端縁部に初期亀裂を形成すると、スクライブ溝の形成工程において、初期亀裂が深く形成されてしまう。そして、この深い亀裂に起因して、スクライブ溝の形成後に、分断工程を実施することなくガラス基板が自然に分断される。

また、自然分断を避ける対策として、初期亀裂を開始端（基板の端縁）から内部側にオフセットして形成しても、同様に自然分断となる場合がある。この場合の現象についてより詳細に説明する。まず、スクライブ溝の形成工程において、初期亀裂からレーザ光の走査方向とは逆に、ガラス基板の端縁に向かって亀裂が進展する場合がある。そして、初期亀裂からガラス基板の端縁にまで亀裂が進展すると、ガラス基板の端縁部分の亀裂の深さは、基板厚みの全体にわたるほど深くなる。この端縁部に形成された深い亀裂によって、ガラス基板がスクライブ溝に沿って自然に分断される。このような自然分断が生じると、後工程の処理が困難になる。

そこで、オフセットの量を増やすことも考えられる。しかし、オフセットの量を増やすと、ガラス基板周縁部に無駄な部分（製品として確保できない部分）が増え、歩留まりが悪い。

本発明の課題は、強化ガラスに対して、簡単な方法で自然分断を防止することにある。

第１発明に係るガラス基板のスクライブ方法は、圧縮応力を持たせた強化層を表面に有するガラスをスクライブする方法であって、初期亀裂形成工程と、スクライブ溝形成工程と、亀裂規制溝形成工程と、を含む。初期亀裂形成工程は、ガラスの表面に、強化層の少なくとも一部を除去して初期亀裂を形成する。スクライブ溝形成工程は、ガラスの表面にレーザ光を照射して加熱するとともに、加熱された領域を冷却し、スクライブ予定ラインに沿って初期亀裂を進展させてスクライブ溝を形成する。亀裂規制溝形成工程は、スクライブ溝形成工程における亀裂進展方向と逆方向に初期亀裂が進展するのを防止するために、初期亀裂形成工程の前処理又は後処理として、ガラスの表面において初期亀裂とガラス基板の端縁との間に、スクライブ予定ラインが延びる方向と交差する方向に所定の幅を有する溝を形成する。

ここでは、スクライブ予定ラインの開始端部の近辺に初期亀裂が形成される。また、初期亀裂とガラス基板の端縁との間に、スクライブ予定ラインが延びる方向と交差する方向に亀裂が逆方向に進展するのを規制するための溝が形成される。その後、ガラス表面にレーザ光が照射されて加熱され、さらに加熱された領域が冷却される。この加熱及び冷却処理によって、スクライブ予定ラインに沿って亀裂が進展し、スクライブ溝が形成される。このとき、亀裂はスクライブ予定ラインの終端部に向かって進展するが、逆方向にも進展する場合がある。しかし、この逆方向に進展する亀裂は、初期亀裂とガラス基板の端縁との間に形成された溝によって停止される。

このため、初期亀裂が逆方向に進展してガラス基板端縁部分に深い亀裂が形成されるのを避けることができる。したがって、スクライブ溝形成後の自然分断を抑えることができる。

また、初期亀裂から基板端縁に向かう亀裂の形成を規制できるので、初期亀裂と基板端縁との間の製品として確保できない部分を少なくでき、製品の歩留まりを向上させることができる。

第２発明に係るガラス基板のスクライブ方法は、第１発明のスクライブ方法において、亀裂規制溝形成工程において、溝は、スクライブ予定ラインに対して垂直な方向に延びるように形成される。

ここでは、亀裂規制用の溝がスクライブ予定ラインに対して垂直な方向に形成されるので、亀裂の進展をより確実に止めることができる。

第３発明に係るガラス基板のスクライブ方法は、第１又は第２発明のスクライブ方法において、亀裂規制溝形成工程において、溝はスクライブ溝形成工程で形成されるスクライブ溝の深さより浅く形成される。

ここで、亀裂進展停止用溝を深くした場合、ガラス基板の内部の引張り応力により亀裂進展停止用溝を起点として自然に亀裂が進展し、この亀裂によって基板が分離してしまう場合がある。

そこで、この第３発明では、亀裂進展停止用溝をスクライブ溝の深さよりも浅くし、基板の自然分断を避けるようにしている。

第４発明に係るガラス基板のスクライブ方法は、第１から第３発明のいずれかのスクライブ方法において、初期亀裂形成工程で形成される初期亀裂と、亀裂規制溝形成工程で形成される溝とは、両者の間に間隔をあけて形成される、
ここでは、初期亀裂と亀裂規制用の溝とが互いに離して形成されるので、初期亀裂がガラス基板の端縁にまで進展するのを、より確実に抑えることができる。

以上のように、本発明では、圧縮応力を持たせた強化層を表面に有するガラスに対して、初期亀裂がガラス基板の端縁に向かって逆方向に進展するのを抑えることができる。したがって、ガラスにスクライブ溝を形成した時点でガラスが自然分断するのを防止できる。

本発明の一実施形態によるスクライブ方法を実施するための装置の概略構成図。 従来方法によってスクライブを実施した場合に、基板が自然に分離する様子を示す図。 厚みが0.55mmの強化ガラスに対する初期亀裂形成のための押付荷重と初期亀裂との関係及びスクライブ結果を示す図。 初期亀裂が形成された強化ガラスの一部の拡大断面図。 厚みが0.7mmの強化ガラスに対する初期亀裂形成のための押付荷重と初期亀裂との関係及びスクライブ結果を示す図。 厚みが1.1mmの強化ガラスに対する初期亀裂形成のための押付荷重と初期亀裂との関係及びスクライブ結果を示す図。

［装置構成］
図１は、本発明の一実施形態による方法を実施するためのスクライブ装置の概略構成を示す図である。スクライブ装置１は、例えば、マザーガラス基板を、FPD（フラットパネルディスプレイ）に使用される複数の単位基板に分断するための装置である。ここでのガラス基板は、表面に強化層が形成された化学強化ガラスが主に用いられている。前述のように、この化学強化ガラスは、イオン交換処理によって表面に圧縮応力を持たせた強化層を有している。

＜スクライブ装置＞
スクライブ装置１は、レーザビームをガラス基板Gに向けて照射する照射部２と、冷却部３と、図示しない移動部と、を備えている。冷却部3は、図示しない冷媒源から供給される冷媒を、ノズル４を介して噴射して冷却スポットCPを形成する。移動部は、照射部２及び冷却部３のノズル４を、ガラス基板Gに設定されたスクライブ予定ラインSLに沿って、ガラス基板Gとの間で相対移動させる。

照射部２は、レーザビームLBを照射するレーザ発振器（例えば、CO_２レーザ）を有し、このレーザビームLBを、光学系を介してガラス基板G上にビームスポットLSとして照射する。

なお、ここでは図示していないが、ガラス基板Gの端部にスクライブの起点となる初期亀裂TRを形成するための初期亀裂形成手段が設けられている。初期亀裂形成手段としては、カッタホイール等の機械的ツールが用いられるが、レーザビームの照射によって初期亀裂TRを形成することも可能である。

［スクライブ方法］
まず、図１に示すように、カッタホイール等の初期亀裂形成手段を用いてガラス基板Gの端部にスクライブの起点となる初期亀裂TRを形成する。このとき、初期亀裂TRの深さは、ガラス基板（強化ガラス）の表面に形成された強化層が剥離される程度の深さにする。具体的には、初期亀裂TRの深さを、強化層の厚みの1．0倍以上2．0倍以下にする。

以上の初期亀裂を形成する工程の前工程あるいは後工程として、次の工程であるスクライブ溝形成工程において、初期亀裂TRから、亀裂が進展する方向（レーザビームLBの走査方向）と逆方向に亀裂が進展するのを防止するために、亀裂規制用の溝Sを形成する。この溝Sは、ガラス基板Gの表面において初期亀裂TRとガラス基板Gの端縁Geとの間に形成される。また、溝Sは、スクライブ予定ラインSLが延びる方向と直交する方向に所定の幅で形成される。さらに、亀裂規制溝Sの深さは、後工程で形成されるスクライブ溝の深さより浅く形成するのが好ましい。その理由は、亀裂進展停止用溝Sが深すぎると、ガラス基板の内部の引張り応力により亀裂進展停止用溝Sを起点として自然に亀裂が進展し、この亀裂によって基板が分離してしまうからである。また、亀裂進展停止用溝Ｓの深さは、強化層の厚みより深くするのが望ましい。

なお、この亀裂規制溝Sは、複数のスクライブ予定ラインSLのそれぞれに対応して形成される。ただし、亀裂規制溝Sは、すべてのスクライブ予定ラインSLに直交する1本の溝でもよい。しかし、この溝形成時に発生する粉塵等の異物を少なくするためには、局所的に複数の溝を形成する方が好ましい。

次に、ガラス基板Gに対して、照射部２からレーザビームLBが照射される。このレーザビームLBはビームスポットLSとしてガラス基板G上に照射される。そして、照射部２から出射されるレーザビームLBが、スクライブ予定ラインSLに沿ってガラス基板Gと相対的に移動させられる。ガラス基板GはビームスポットLSによってガラス基板Gの軟化点よりも低い温度に加熱される。また、冷却スポットCPをビームスポットLSの移動方向後方において追従させる。

以上のようにして、レーザビームLBの照射によって加熱されたビームスポットLSの近傍には圧縮応力が生じるが、その直後に冷媒の噴射によって冷却スポットCPが形成されるので、垂直クラックの形成に有効な引張応力が生じる。この引張応力により、ガラス基板Gの端部に形成された初期亀裂TRを起点としてスクライブ予定ラインSLに沿った垂直クラックが形成され、所望のスクライブ溝が形成される。

ここで、スクライブ溝の形成工程において、初期亀裂TRから、レーザビームLBの走査方向とは逆方向に亀裂が進展したとしても、初期亀裂TRとガラス基板Gの端縁Geとの間に亀裂規制溝Sが形成されているので、亀裂は亀裂規制溝Sで停止する。このため、初期亀裂TRからガラス基板Gの端縁Geにまで亀裂が進展し、ガラス基板Gの端縁部で深い亀裂が形成されるのを避けることができる。これにより、ガラス基板Gが自然に分断されるのを防止することができる。

実験例

［ガラス基板の分断に関する検証］
＜従来例による実験例＞
図２に、従来の方法、すなわち亀裂規制溝Sを形成することなく、スクライブ予定ラインの開始端から終了端までレーザ加熱及び冷却を行った場合の例を示している。基板は、全体厚みが0.7mmで、強化層の厚みが18μmの強化ガラスである。また、レーザビームの条件は、レーザ出力が200W、走査速度は200mm/secである。なお、図２では、ガラス基板の端部領域は表れていない。

図２（ａ）はスクライブ直後の状態である。ここでは、スクライブ溝は、基板の全深さにわたって進展していない状態（以下、この状態を「ハーフカット」と記す)であり、図では薄いラインで表れている。

図２（ｂ）はスクライブ処理から５秒後の状態である。ここでは、スクライブの開始点側（図の右側）から図の中央付近までスクライブラインがフルカット（図では濃いラインで表れている）されている。

図２（ｃ）はスクライブ処理から２０秒後の状態である。ここでは、図で表れているすべての部分で、スクライブラインがフルカット（図では濃いラインで表れている）されている。

このように、スクライブ予定ラインの開始端から終了端までのすべてにわたってレーザ加熱及び冷却を行ってスクライブ溝を形成した場合は、基板が自然に分断される（フルカットされる）。

＜実施例＞
以上のような従来例に対して、亀裂規制のための溝Sを、初期亀裂TRとガラス基板Gの端縁Geとの間に形成することによって、初期亀裂TRから基板端縁Geに向かって亀裂が形成されてのが防止され、基板のフルカット、すなわち自然分断を避けることができた。なお、溝Sは、形成されるスクライブ溝の深さより浅く形成した。

［初期亀裂に関する考察］
本実施形態の方法では、初期亀裂の深さ等が製造品質に大きく影響する。そこで、初期亀裂の深さに関する実験例を以下に示す。

＜実験例１＞
図３に、全体厚みが0．55mmで、強化層の厚みが18μmの強化ガラスに対してスクライブ溝を形成した実験例1を示している。具体的には、図３は、初期亀裂形成時の工具のガラスに対する押圧荷重とそのときの溝深さとの関係を示すとともに、その後のレーザ加熱及び冷却処理によるスクライブ結果を示している。

この場合の加熱処理のためのレーザ出力は200W、加工速度は230mm/secである。また、冷却条件は、ビーム後端に冷却ノズルを配置し、冷却水及びエアをビームスポットで加熱された部分に吐出している。

この実験例１から、初期亀裂の溝深さが19〜30μm（強化層の厚みの1.05〜1.67倍）であれば、スクライブ予定ラインに沿って所望のスクライブ溝が形成されることがわかる。そして、溝深さが19μm未満では亀裂が確実に進展せず（不安定である）、また30μmを越えると割れが発生してスクライブ予定ライン以外に亀裂が形成されることがわかる。

なお、初期亀裂の溝深さの例を図４に示している。この図４に示すように、所定の面積が確保されている最も深い部分までの深さを「溝深さ」としており、一部先鋭的に深部まで到達している亀裂については無視している。

［実験例２］
図５に、全体厚みが0.7mmで、強化層の厚みが21μmの強化ガラスに対してスクライブ溝を形成した実験例２を示している。図の横軸と縦軸の関係は図３と同様である。また、この場合の加熱処理のためのレーザ出力は200W、加工速度は170mm/secである。また、冷却条件は実験例１と同様である。

この実験例２から、初期亀裂の溝深さが約24〜50μm（強化層の厚みの1.14〜2.38倍）であれば、スクライブ予定ラインに沿って所望のスクライブ溝が形成されることがわかる。そして、溝深さが24μm未満では亀裂が確実に進展せず（不安定である）、また50μmを越えると割れが発生してスクライブ予定ライン以外に亀裂が形成されることがわかる。なお、押付荷重が約6〜24Nであれば、溝深さが50μmを越えても所望のスクライブ溝が形成されるが、溝深さのみに着目すると、初期亀裂の溝深さは約24〜50μmが妥当である。

［実験例３］
図６に、全体厚みが1.1mmで、強化層の厚みが34μmの強化ガラスに対してスクライブ溝を形成した実験例３を示している。図の横軸と縦軸の関係は図３と同様である。また、この場合の加熱処理のためのレーザ出力は200W、加工速度は170mm/secである。また、冷却条件は実験例１と同様である。

この実験例３から、初期亀裂の溝深さが約24〜60μm（強化層の厚みの0.71〜1.76倍）であれば、スクライブ予定ラインに沿って所望のスクライブ溝が形成されることがわかる。そして、溝深さ浅すぎる場合は亀裂が進展せず、また60μmを越えると亀裂進展が不安定であることがわかる。なお、実験例２と同様に、押付荷重が約6N〜24Nであれば、溝深さが60μmを越えても所望のスクライブ溝が形成されるが、溝深さのみに着目すると、初期亀裂の溝深さは約24〜60μmが妥当である
［まとめ］
以上から、スクライブ予定ラインに沿って所望のスクライブ溝を形成するためには、初期亀裂の深さは強化ガラスの強化層の厚みの1.0倍以上2．0倍以下であることが望ましいことがわかる。また、初期亀裂の深さは、ガラス板厚が0．55mmでは30μm（5.5％）以下であること、ガラス板厚が0.7mmでは50μm（7.1％）以下であること、ガラス板厚が1.1mmでは60μm（5.4％）以下であることが望ましいことがわかる。このことは、初期亀裂の深さは、最大でもガラスの板厚の7％以下であることが望ましいことを示している。

［特徴］
（１）スクライブ予定ラインSLの開始端部で、初期亀裂と基板端縁との間に、スクライブ予定ラインSLに対して直交する亀裂を規制するための溝Sを形成しているので、初期亀裂から基板端縁に向かって亀裂が進展するのを防止できる。このため、基板の端縁部に深い亀裂が形成されるのを避けることができ、この深い亀裂に起因する基板の自然分断を避けることができる。したがって、クロススクライブ等の後の加工工程が容易になる。

（２）初期亀裂から基板端縁に向かう亀裂の形成を規制できるので、初期亀裂の基板端縁からのオフセット量を少なくすることができる。したがって、基板において、製品として確保できない部分が少なくなり、製品の歩留まりを向上させることができる。

（３）初期亀裂から基板端縁に向かう亀裂を停止させるための手段として、溝を形成しているので、簡単な方法で基板の自然分断を避けることができる。

（４）初期亀裂と亀裂規制溝とは離れて形成されているので、初期亀裂から基板端縁に向かう亀裂をより確実に停止させることができる。

（５）亀裂規制用の溝は局所的に形成されているので、粉塵等の発生を極力抑えることができ、ガラス基板の品質の低下を避けることができる。

［他の実施形態］
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形又は修正が可能である。

亀裂規制のための溝は、スクライブ予定ラインに対して直交するように形成するのが好ましいが、スクライブ予定ラインに交差するように形成されていれば直交していなくてもよい。

G ガラス基板
LB レーザビーム
LS ビームスポット
SL スクライブ予定ライン
CP 冷却スポット
TR 初期亀裂
S 亀裂規制溝

Claims (4)

1. 圧縮応力を持たせた強化層を表面に有するガラスをスクライブするガラス基板のスクライブ方法であって、
   ガラスの表面に、強化層の少なくとも一部を除去して初期亀裂を形成する初期亀裂形成工程と、
   ガラスの表面にレーザ光を照射して加熱するとともに、加熱された領域を冷却し、スクライブ予定ラインに沿って前記初期亀裂を進展させてスクライブ溝を形成するスクライブ溝形成工程と、
   前記スクライブ溝形成工程における亀裂進展方向と逆方向に前記初期亀裂が進展するのを防止するために、前記初期亀裂形成工程の前処理又は後処理として、ガラスの表面において前記初期亀裂とガラス基板の端縁との間に、スクライブ予定ラインが延びる方向と交差する方向に所定の幅を有する溝を形成する亀裂規制溝形成工程と、
   を含むガラス基板のスクライブ方法。
2. 前記亀裂規制溝形成工程において、前記溝は、スクライブ予定ラインに対して垂直な方向に延びるように形成される、請求項１に記載のガラス基板のスクライブ方法。
3. 前記亀裂規制溝形成工程において、前記溝は前記スクライブ溝形成工程で形成されるスクライブ溝の深さより浅く形成される、請求項１又は２に記載のガラス基板のスクライブ方法。
4. 前記初期亀裂形成工程で形成される初期亀裂と、前記亀裂規制溝形成工程で形成される溝とは、両者の間に間隔をあけて形成される、請求項１から３のいずれかに記載のガラス基板のスクライブ方法。