취성재료기판의 가공방법 document_id A220623072022

글라스 기판 등의 취성재료기판은, 다양한 제품에 있어서 적당한 크기나 형상으로 가공된 후에 이용되고 있다. 예를 들면 액정표시패널은, 보통 2장의 글라스 기판을 접합시킨 큰 면적의 머더기판(mother 基板)을 제작하고, 이러한 2장의 글라스 기판의 갭(gap)에 액정을 주입한 후, 하나 하나의 단위표시기판으로 절단하는 공정을 거쳐서 제조된다. 글라스 기판을 절단하는 공정에서는, 예를 들면 특허문헌1에 기재되어 있는 것 같이 커터휠을 기판에 대하여 압접하면서 이동함으로써 기판 상에 스크라이브 라인을 새기고, 이 스크라이브 라인을 따라 기판의 두께방향으로 휨 모멘트를 가하여 브레이크 함으로써 기판을 절단하는 방법이 이용되고 있다. 커터휠을 사용하여 스크라이브 라인(크랙)을 형성하는 경우, 두께방향으로 침투하는 수직크랙의 이외에, 스크라이브 라인 부근에 컬릿(cullet)이 발생하는 경우가 있다. 머더기판, 즉 큰 면적의 글라스 기판에 대하여, 복수 개의 스크라이브 라인을 종횡(縱橫)으로 형성하고, 작은 단위기판을 여러 면으로 자르는 것 같은 경우에는, 커터휠에 의하여 형성되는 스크라이브 라인의 누계(累計) 길이가 상당히 길어진다. 이 누계 길이가 길어짐에 따라, 컬릿이 발생할 확률이 높아지고 또한 컬릿의 발생량이 증가한다. 컬릿이 발생하면, 스크라이브 라인 형성장치(크랙 형성장치) 또는 스크라이브 라인을 따라 기판에 휨 모멘트를 가하는 브레이크 장치의 테이블 위로 비산하는 컬릿의 청소를, 빈번하게 하지 않으면 안되게 된다. 이에 대하여 컬릿의 발생량을 억제할 수 있는 가공방법으로서, 최근, 레이저빔을 조사하여 기판면에 빔 스폿을 형성하고, 이 빔 스폿을 스크라이브 예정라인을 따라 주사함으로써 기판의 연화온도이하로 국소가열 하는 공정과, 빔 스폿이 통과한 궤적을 따라 냉매를 국소적으로 분사하여 냉각하는 공정에 의하여 기판에 열응력을 생기게 하고, 이 열응력을 이용하여 스크라이브 라인을 형성하는 레이저 스크라이브법이 실용화되어 있다(특허문헌2 참조). 그런데 머더기판으로부터 작은 단위기판을 잘라내는 경우에, 스크라이브 라인을 종횡으로 형성하는 크로스 스크라이브가 이루어지지만, 레이저 스크라이브법에 의하여 크로스 스크라이브를 하는 경우에, 제품불량이 되는 큰 크랙(불량 크랙)이 스크라이브 라인의 교차점 근방에 발생하는 경우가 있다. 이것을 방지하기 위해서, 제1방향의 수직크랙의 깊이보다 제2방향의 수직크랙의 깊이가 얕게 되도록 레이저 스크라이브의 조건을 제어하는 것이 개시되어 있다(특허문헌3 참조). 구체적으로는, 제2방향의 스크라이브 라인을 형성할 때의 레이저 출력을 제1방향보다 억제하거나 제2방향의 주사 속도를 제1방향의 주사 속도보다 빠르게 하거나 하여, 수직크랙의 깊이를 제어하는 것이 개시되어 있다. 이 경우, 제1방향의 수직크랙을 형성할 때에, 크랙을 깊게 침투시키는 것이 필요하게 된다. 상기 문헌에 기재되어 있는 것 같이, 레이저 조사의 출력을 높여서 입열량(入熱量)을 늘리거나, 레이저의 주사 속도를 느리게 하여 단위길이당의 가열시간을 늘리거나 함으로써 입열량을 늘리거나 하고 있다. 입열량이 증가한 만큼 기판온도가 상승하고, 그 후의 냉각시에 있어서의 온도차이의 증대에 의하여 열응력(인장응력)을 크게 발생시킬 수 있어, 크랙을 깊게 침투 시킬 수 있게 된다. 그러나 기판에 입열량을 늘려서 기판온도를 높일 필요가 있어, 제품에 따라서는 기판온도의 상승을 피하고 싶을 경우가 있다. 또한 주사 속도를 느리게 하면, 생산성에 영향을 끼치게 되기 때문에, 가능한 한 고속으로 크랙을 형성하는 것이 바람직하다. 이에 대하여 크랙을 깊게 침투시키기 위한 다른 방법이 개시되어 있다(특허문헌4 참조). 우선, 열에너지 강도가 장축방향의 각 단부에 있어서 최대가 되는 빔 스폿에 의하여 2단계로 머더글래스기판의 표면을 가열한다. 즉 큰 열에너지 강도에 의하여 가열된 후에 작은 열에너지 강도에 의하여 가열되고 있는 사이에, 최초에 가한 큰 열이 확실하게 내부까지 전도되도록 한다. 이 때, 기판의 표면이 큰 열에너지 강도에 의하여 계속하여 가열되는 것이 방지되어, 기판 표면의 연화가 방지된다. 이러한 가열이 이루어진 경우에, 기판 내부에 열이 전달된 상태가 되기 때문에, 냉각 스폿(냉각 포인트)을 형성하는 냉매에 의한 냉각만으로는 냉각 스폿과의 사이에 있어서 충분한 열응력구배가 얻어지지 않아, 깊은 수직크랙이 형성되지 않는다. 그래서, 스크라이브 라인을 효율적이고 또한 확실하게 형성하기 위해서, 빔 스폿의 후방에서, 냉각 스폿(주냉각 스폿)보다 레이저 스폿측이고 스크라이브 라인을 따르는 영역(예를 들면 특허문헌4의 실시예1에서는 빔 스폿 후단보다 55mm후방의 위치 부근)에, 미리 냉매를 분사하여 냉각하는 어시스트 냉각 스폿(assist 冷却 spot)을 형성하고 또한 어시스트 냉각 스폿의 냉매온도를 주냉각 스폿의 냉매온도보다 높은 냉매온도로 설정하여, 어시스트 냉각 스폿 및 주냉각 스폿을 주사하도록 하고 있다. 이 어시스트 냉각 스폿은, 불필요한 열충격(thermal shock)을 완화하고, 열충격으로 잃어버린 에너지를 크랙 형성에 쓰려고 하는 것이다. 도6은, 절단예정 라인(P)을 따라 빔 스폿(BS)에 의한 기판가열이 이루어지고, 그 후 어시스트 냉각, 주냉각이 순차적으로 이루어질 때의 각 점에서의 폭 방향(단축방향)의 온도분포의 변화, 열응력변화를 설명하는 모식도이다. 도6(a)는 빔 스폿(BS)에 의한 가열 및 어시스트 냉각 스폿(AS), 주냉각 스폿(MS)에 의하여 냉각이 이루어지고 있는 영역의 위치관계를 나타내는 평면도이다. 도6(a)에 나타나 있는 바와 같이 빔 스폿(BS)에 의한 가열 후, 후방의 어시스트 냉각 스폿(AS)에 의하여 냉각이 되기 직전의 위치에서의 절단예정 라인(P)에 직교하는 단면을 A-A''단면이라고 하고, 어시스트 냉각 스폿(AS)에 의하여 냉각이 되었을 때의 절단예정 라인(P)에 직교하는 단면을 B-B''단면이라고 하고, 주냉각 스폿(MS)에 의하여 냉각이 되었을 때의 절단예정 라인(P)에 직교하는 단면을 C-C''단면이라고 한다. 도6(b)는 A-A''단면에서의 기판 표면 및 기판 내부(두께방향의 중간점)의 온도분포도 및 기판 내부의 온도분포와 열응력을 나타내는 모식도이다. 빔 스폿(BS)에 의한 가열 후, 후방의 어시스트 냉각 스폿(AS)에 의하여 냉각이 되기 직전의 A-A''단면에서는, 기판 표면의 온도분포는 절단예정 라인(P)을 중심으로 하여 위로 볼록한 온도 피크를 가지는 분포를 하고 있다. 또한 A-A''단면에 있어서의 기판 내부에서의 온도분포 및 열응력은, 빔 스폿(BS)의 통과 후에는 열원의 중심이 절단예정 라인(P) 상을 기판 내부를 향하여 진행함과 아울러 열원중심으로부터 방사상으로 열이 전달되는 결과, 타원모양의 온도분포가 형성되고, 기판 표면 근방으로부터 내부에 걸쳐서 압축응력이 걸려 있다. 도6(c)는, B-B''단면에서의 기판 표면 및 기판 내부의 온도분포도 및 기판 내부의 온도분포와 열응력을 나타내는 모식도이다. 어시스트 냉각 스폿(AS)에 의하여 냉각이 된 B-B''단면에서는, 기판 표면에서의 어시스트 냉각 스폿(AS)에 의하여 냉각되는 폭이, 빔 스폿(BS)으로 가열되는 폭과 동일하게 되어 있기 때문에, 기판 표면 부근은 폭 방향(단축방향) 전체가 완만하게 냉각되어, 온도 피크가 전체적으로 낮아진 상태로 변화(도면 중, 점선부분이 냉각에 의하여 변화)한다. 이 때 기판 내부는, 표면으로부터 기판 내부로 전달되어 온 열에 의하여 위로 볼록한 피크가 남아 있다. 어시스트 냉각 스폿(AS)에 의한 냉각이 이루어짐으로써 기판 표면에서는 약한 인장응력이 발생하지만, 이 때 발생하는 인장응력에 의해서는(응력집중이 불충분하기 때문에) 크랙이 형성되지 않는다. 도6(d)는, C-C''단면에서의 기판 표면 및 기판 내부의 온도분포도 및 기판 내부의 온도분포와 열응력을 나타내는 모식도이다. 주냉각 스폿(MS)에 의하여 냉각이 된 C-C''단면에서는, 기판 표면에서의 주냉각 스폿(MS)에 의하여 기판 표면 부근 전체가 강하게 냉각되어, 큰 인장응력이 폭 방향(단축방향) 전체에 발생한다. 이 때 기판 내부는, 표면으로부터 기판 내부로 전달되어 온 열에 의하여 위로 볼록한 피크가 남아있어, 압축응력이 발생하고 있다. 그 결과, 어시스트 냉각 스폿(AS)에 의한 인장응력이 발생되어 있는 상태에서 계속하여 주냉각 스폿(MS)을 형성하는 냉매에 의한 냉각을 함으로써, 강한 인장응력이 기판 표면에 대하여 작용한다. 이 때에 깊게 침투한 크랙이 형성되게 된다. 그리고 이러한 어시스트 냉각을 실행함으로써 어시스트 냉각을 실행하지 않을 경우와 비교하여, 10%정도 크랙의 깊이를 늘리는 것이 개시되어 있다. 특허문헌1 : 일본국 공개특허공보 특개평11-116260호 공보 특허문헌2 : 일본국 공표특허공보 특표평8-509947호 공보 특허문헌3 : 일본국 공개특허공보 특개2001-58281호 공보 특허문헌4 : WO2004/014625호 공보