CN101875156A

CN101875156A - 激光加工方法及激光加工装置

Info

Publication number: CN101875156A
Application number: CN2010101707223A
Authority: CN
Inventors: 福原健司; 清水政二; 山本幸司
Original assignee: Mitsuboshi Diamond Industrial Co Ltd
Current assignee: Mitsuboshi Diamond Industrial Co Ltd
Priority date: 2009-04-30
Filing date: 2010-04-30
Publication date: 2010-11-03
Anticipated expiration: 2030-04-30
Also published as: EP2246146A1; CN101875156B; JP2010274328A; KR101184259B1; EP2246146B1; US20100276404A1; KR20100119515A

Abstract

本发明是有关一种激光加工方法及激光加工装置，即使在将玻璃基板等脆性材料基板以脉冲激光消熔加工的场合，在加工部分亦不易产生缺陷、裂痕等，可将加工后的端面强度维持为高。此加工方法包含：将脉冲激光聚光后对脆性材料基板表面照射的激光照射步骤；沿划线预定线扫瞄前述激光的激光扫瞄步骤；前述脉冲激光的激光强度是1.0×10⁸以上1.0×10¹⁰W/cm²以下；热输入量(J/cm²)×脆性材料的线膨胀系数(10^-7/K)的值为3000以上10000以下的范围；外接于前述脉冲激光的聚光径的正方形内的脉冲数为2脉冲以上。

Description

激光加工方法及激光加工装置

技术领域

本发明是关于激光加工方法及激光加工装置，特别是关于沿脆性材料基板表面的划线预定线照射激光，形成划线槽的激光加工方法及为实施该方法的激光加工装置。

背景技术

做为将玻璃基板、半导体基板、陶瓷基板等脆性材料基板分断加工的方法的1种，有使用激光的加工方法。在此方法是藉由先使激光沿脆性材料基板表面的划线预定线移动同时照射，形成划线槽。之后，藉由以折断装置等于脆性材料基板上对划线槽的两侧施加按压力而将基板沿划线槽分断(参照专利文献1及2)。

如以上的以激光于脆性材料基板表面形成划线槽的场合，被使用的激光是以聚光透镜聚集，焦点位置被设定于脆性材料基板的上面附近。藉由以上做法，在激光的焦点位置产生因光能吸收而导致的消熔(ablation)，可使焦点位置附近的脆性材料往外部蒸散。之后，藉由使焦点位置移动同时进行消熔加工可沿划线预定线形成划线槽。

专利文献1：日本特开2005-271563号公报

专利文献2：日本特开2005-314127号公报

发明内容

[发明欲解决的课题]

以使用记载于专利文献1的现有习知消熔加工形成划线槽的方法于消熔产生部分有冲击压导致的裂痕或熔融及急冷导致的微小裂痕产生的虞。因此，有端面强度变低的虞。

此外，以使用记载于专利文献2的现有习知消熔加工形成划线槽的方法可藉由减少被照射的脉冲激光的往玻璃的热扩散抑制熔融来抑制凹凸等表面缺陷、裂痕等的产生。然而，在如显示面板等非常薄(例如厚度0.5mm以下)的玻璃基板形成划线槽的场合，即使使用记载于专利文献2的方法亦无法获得充分的端面强度。

本发明的课题在于即使在将玻璃基板等脆性材料基板以脉冲激光消熔加工的场合，在加工部分亦不易产生缺陷、裂痕等，可维持加工后的高端面强度。

[解决课题的手段]

第1发明的激光加工方法是沿脆性材料基板表面的划线预定线照射激光，形成划线槽，包含：将脉冲激光聚光后对脆性材料基板表面照射的激光照射步骤；沿划线预定线扫瞄前述激光的激光扫瞄步骤；前述脉冲激光的激光强度是1.0×10⁸以上1.0×10¹⁰W/cm²以下；热输入量(J/cm²)×脆性材料的线膨胀系数(10^-7/K)的值为3000以上10000以下的范围；外接于前述脉冲激光的聚光径的正方形内的脉冲数为2脉冲以上。

此种激光加工方法是在激光消熔加工的同时，被激光照射的脆性材料基板受热影响而加工部熔融。以此种加工方法可抑制脆性材料基板的加工端面的缺陷或裂痕，维持高端面强度。

第2发明的激光加工方法是在第1发明的方法中，前述热输入量(J/cm²)×脆性材料的线膨胀系数(10^-7/K)的值更理想为3600以上8800以下的范围。

第3发明的激光加工方法是在第1发明的方法中，在前述热输入量(J/cm²)×脆性材料的线膨胀系数(10^-7/K)的值为3800以上7600以下的范围的场合，前述正方形内的脉冲数更理想为5脉冲以上。

在此，在线膨胀系数较小的场合，为使加工部熔融有必要使热输入量增多。针对此点，为使脉冲激光的重叠率增大，使外接于前述脉冲激光的聚光径的正方形内的脉冲数为5脉冲以上较理想。

第4发明的激光加工方法是在第1至第3发明的任一方法中，前述脉冲激光的脉冲宽度为1ns以上1000ns以下。

在此场合，脉冲激光对被照射的加工部位给予热影响较容易。因此，不提高脉冲激光的激光强度便可使加工端面熔融。

第5发明的激光加工方法是在第1至第4发明的任一方法中，前述脉冲激光是波长300nm以下的紫外线激光。

在此场合，以1个光子能量脆性材料基板内的电子的激发开始，可效率良好地脉冲激光。因此，不提高脉冲激光的激光强度便可使加工端面熔融。

第6发明的激光加工装置是沿脆性材料基板表面的划线预定线照射激光，形成划线槽，其特征在于：具备：具有发送脉冲激光的激光振荡器及将被振荡的脉冲激光聚光后照射的聚光光学机构的激光照射机构；使前述激光照射机构沿脆性材料基板表面的划线预定线相对移动的移动机构；前述脉冲激光的激光强度是1.0×10⁸以上1.0×10¹⁰W/cm²以下；热输入量(J/cm²)×脆性材料的线膨胀系数(10^-7/K)的值为3000以上10000以下的范围；外接于前述脉冲激光的聚光径的正方形内的脉冲数为2脉冲以上。

藉由使用此种装置形成划线槽，可抑制脆性材料基板的加工端面的缺陷或裂痕，维持高端面强度。

[发明的效果]

以如以上的本发明，即使在将玻璃基板等脆性材料基板以脉冲激光消熔加工的场合，在加工部分亦不易产生缺陷、裂痕等，可维持加工后的高端面强度。

附图说明

图1显示利用本发明的一实施形态的激光加工装置构成的示意图。

图2显示利用脉冲激光的消熔加工的一例图。

图3(a)～图3(b)是从脆性材料基板的表面观察因消熔加工而产生缺陷或裂痕的划线槽的图。

图4显示激光加工装置的焦点位置的示意图。

图5为说明“正方形内的脉冲数”的图。

图6是从脆性材料基板的表面观察以利用本发明的一实施形态的激光加工方法加工玻璃基板的场合的划线槽的图。

图7是比较以以往的加工方法形成划线槽的场合与以利用本发明的一实施形态的激光加工方法形成划线槽的场合的端面强度的图。

1：激光振荡器 2：反射镜机构

3：透镜机构 4：XY载台

5：脆性材料基板 6：划线槽

具体实施方式

[激光加工装置]

在图1显示本发明的一实施形态的激光加工装置。此激光加工装置具备激光振荡器1、反射镜机构2、透镜机构3、XY载台4。由激光振荡器1、反射镜机构2、透镜机构3构成激光照射机构，由XY载台4构成移动机构。

激光振荡器1是振荡脉冲激光。此激光振荡器1只要是YAG激光、IR激光等周知的脉冲激光的振荡器，并未特别限定。对应于被加工的脆性材料基板5的材质适当选择可消熔加工的波长的激光即可。此外，脉冲激光的脉冲宽度为可激光消熔加工且为对脆性材料基板5给予热影响而为1ps以上1000s以下，更理想为1ns以上1000ns以下的范围较理想。

反射镜机构2与透镜机构3一起形成聚光光学机构，变更脉冲激光的进行方向以使可对脆性材料基板5从大致铅直方向照射脉冲激光。做为反射镜机构2，可使用1或多个镜面，亦可利用棱镜、绕射光栅等。

透镜机构3是将脉冲激光加以聚光。详言之，此透镜机构3视脆性材料基板5的厚度，调整脉冲激光聚光位置即焦点位置的上下方向位置。此焦点位置的调整可藉由更换透镜机构3的透镜来调整，亦可藉由未图示的致动器变更透镜机构3的上下方向的位置加以调整。

XY载台4是载置作为分断对象的玻璃基板等脆性材料基板5的平台，可在彼此正交的X方向及Y方向移动。藉由使此XY载台4在X方向及Y方向以既定速度移动，可自由变更载置于XY载台4的脆性材料基板5与脉冲激光的相对位置。通常是使XY载台4移动，沿形成于脆性材料基板5的表面的划线槽6的预定线使脉冲激光移动。此外，加工时的XY载台4的移动速度是以未图示的控制部控制，如此，脉冲激光以既定的重叠率照射于脆性材料基板5。

[消熔加工之例]

图2显示利用脉冲激光的消熔加工的一例的图。如此图所示，从激光振荡器1射出的脉冲激光被透镜机构3聚光在脆性材料基板5的上面附近。脉冲激光被吸收的场合，如图2(a)所示，脆性材料基板5的焦点位置附近被加热。

脆性材料基板5的焦点位置附近的温度超过脆性材料基板5的沸点的场合，如图2(b)所示，超过沸点的部分其成分蒸散。另一方面，在稍微离开焦点位置的部分则有虽未到达脆性材料基板5的沸点但超过熔点的部分存在。此部分如图2(c)所示表面会熔融，之后因散热而温度降低时，即如图2(d)所示因凝固而形成熔融痕。

图3(a)～图3(b)是从脆性材料基板5的表面观察因消熔加工而产生缺陷或裂痕的划线槽6的图。以在划线槽6不形成熔融痕的条件、即在以抑制热影响的条件下使用脉冲激光消熔加工的场合，如图3(a)所示，沿形成的划线槽6产生缺陷31。

此外，在熔融过多的场合，则如图3(b)所示，从划线槽6产生裂痕32。

[聚光径的控制]

在本发明是使脉冲激光的焦点位置不如以往往基板上面附近而往下方移动，以使脉冲激光的在基板上面的直径(聚光径)成为既定值。图4显示本发明的一实施形态的激光加工装置的焦点位置的示意图。

如图4所示，现有习知的激光加工装置是将脉冲激光41聚光成焦点位置位于脆性材料基板5的上面附近。相对于此，本实施形态则是与现有习知的装置相较，使焦点位置43往下方移动，而调整为脉冲激光42的光束直径D在脆性材料基板5的上面成既定的值。另外，亦可取代上述方法，改使脉冲激光的焦点位置位于基板上面上方，而调整为脉冲激光42的光束直径D在脆性材料基板5的上面成既定的值。

[激光加工方法]

在脆性材料基板5形成划线槽6的情形时，先使脉冲激光聚光而照射于脆性材料基板5的表面(激光照射步骤)。之后，将此脉冲激光沿划线预定线扫瞄(激光扫瞄步骤)。藉此，沿划线预定线形成划线槽6。

在此，本发明的特征是在对脆性材料基板5进行使用脉冲激光的消熔加工的同时，对脆性材料基板5给予热影响以使加工部熔融(以下，将此种加工称为「熔融消熔」)。此种熔融消熔与现有习知的消熔加工相较能维持端面强度。

以下，显示根据实验获得的可熔融消熔的各条件。

实验使用的激光等的条件如下。另外，以下实验中的激光脉冲宽度在17.5～22.0ps的范围。脉冲宽度是依存于使用的激光振荡器、重复频率及输出而决定者。即，即使为相同的激光振荡器，若变更重复频率或输出，脉冲宽度仍会变化。脉冲宽度在以下的实验虽是17.5～22.0ps的范围，但如前述，为对脆性材料基板5给予热影响而为1ps以上1000s以下，较佳为1ns以上1000ns以下的范围。

激光：DPSSL(半导体激光激发固体激光)、最大输出7W

波长：266nm

基板1：OA10(制品名：日本电气玻璃社制)

厚度：0.3mm

线膨胀系数：38(10^-7/K)

基板2：D263(制品名：SCHOTT社制)

厚度：0.3mm

线膨胀系数：73(10^-7/K)

<关于扫瞄速度>

-实验1-

针对基板1，将基板上面的聚光径调整为8.47μm，进行1次扫瞄的结果，能以下述条件进行熔融消熔。

(i)重复频率60kHz，扫瞄速度20mm/s～80mm/s

(ii)重复频率90kHz，扫瞄速度20mm/s～150mm/s

-实验2-

针对基板1，将基板上面的聚光径调整为21.72μm，进行1次扫瞄的结果，能以下述条件进行熔融消熔。

(i)重复频率60kHz，扫瞄速度20mm/s～80mm/s

(ii)重复频率90kHz，扫瞄速度20mm/s～70mm/s

-实验3-

针对基板2，将基板上面的聚光径调整为8.47μm，进行1次扫瞄的结果，能以下述条件进行熔融消熔。

(i)重复频率60kHz，扫瞄速度80mm/s～160mm/s

(ii)重复频率90kHz，扫瞄速度60mm/s～260mm/s

-实验4-

针对基板2，将基板上面的聚光径调整为21.72μm，进行1次扫瞄的结果，能以下述条件进行熔融消熔。

(i)在重复频率60kHz下，仅能在非常有限的范围获得熔融消熔。

(ii)重复频率90kHz，扫瞄速度50mm/s～80mm/s

<关于激光强度>

-实验5-

针对基板1，在重复频率60kHz及90kHz下，可进行熔融消熔的激光强度是1.50×10⁸～8.88×10⁹(W/cm²)。

-实验6-

针对基板2，在重复频率60kHz及90kHz下，可进行熔融消熔的激光强度是1.50×10⁸～8.88×10⁹(W/cm²)。

<关于热输入量>

-实验7-

针对基板1，以重复频率60kHz、聚光径8.47μm及21.72μm进行实验的结果，在热输入量为184.1～1770.3(J/cm²)的范围可进行熔融消熔。

-实验8-

针对基板1，以重复频率90kHz、聚光径8.47μm及21.72μm进行实验的结果，在热输入量为115.1～1180.2(J/cm²)的范围可进行熔融消熔。

-实验9-

针对基板2，以重复频率60kHz、聚光径8.47μm及21.72μm进行实验的结果，在热输入量为460.4～1180.2(J/cm²)的范围可进行熔融消熔。

-实验10-

针对基板2，以重复频率90kHz、聚光径8.47μm及21.72μm进行实验的结果，在热输入量为57.5～393.4(J/cm²)的范围可进行熔融消熔。

[定义]

此处，「激光强度」及「热输入量」是以下述式(1)及式(2)定义者。

(式1)

激光强度(W/cm²)＝脉冲能量(J)/(脉冲宽度(s)×光束面积(cm²))

(式2)

热输入量(J/cm²)＝脉冲能量(J)/(正方形内的脉冲数×外接于聚光径的正方形的面积(cm²))

另外，「正方形内的脉冲数」是以下述式(3)定义者(参照图5)。

(式3)

正方形内的脉冲数＝聚光径(mm)/脉冲间隔(mm)＝聚光径(mm)/(扫瞄速度(mm/s)/重复频率(Hz))

[熔融消熔的总结]

由以上的实验结果，可进行熔融消熔的条件如下。

激光强度：1.0×10⁸～1.0×10¹⁰(W/cm²)--基板1、2共通热输入量：

正方形内的脉冲数：基板1-5.0脉冲以上

基板2-2.0脉冲以上

此外，得知线膨胀系数较大的玻璃会以较低的热输入熔融。此外，得知由于基板2的线膨胀系数73(10^-7/K)为基板1的线膨胀系数38(10^-7/K)的2倍程度，故可熔融消熔的热输入量及脉冲数亦为基板1的1/2程度。

在此，若求取各基板的「热输入量(J/cm²)×线膨胀系数(10^-7/K)」的值，则得如下结果。

基板1：3800～76000

基板2：3650～87600

由以上，若将可熔融消熔的条件一般化，则得如下结果。

(a)激光强度：1.0×10⁸～1.0×10¹⁰(W/cm²)

(b)热输入量(J/cm²)×线膨胀系数(10^-7/K)：3000以上10000以下(c)正方形内的脉冲数：2脉冲以上(线膨胀系数大时)

5脉冲以上(线膨胀系数小时)

在此，在图6显示以熔融消熔获得的划线槽6的状态。如此图所示，在利用熔融消熔的加工下，不会产生缺陷及裂痕，可以高精度形成划线槽6。

此外，图7是比较因熔融消熔而端面被熔融的场合，与端面未熔融的场合的端面强度的图。在此图中，资料P0(■)是现有习知藉由端面未熔融的消熔形成划线槽，并对基板作用一荷重，对不同荷重描绘端面破损机率者。此外，资料P1(▲)是藉由将基板1熔融消熔形成划线槽的场合、资料P2(◆)是藉由将基板2熔融消熔形成划线槽的场合的分别与资料P0相同的破损率资料。

由此图可知，在以现有习知消熔形成划线槽的场合，在荷重到达100MPa的前便已破损。反之，在以熔融消熔形成划线槽的场合，在荷重为250～425MPa之间破损，可知端面强度远比现有习知加工方法高。

如上述，利用本实施形态的加工方法，由于调整脉冲激光的激光强度、热输入量以熔融消熔形成划线槽，故可抑制基板的加工端面的缺陷或裂痕，维持高端面强度。

[其他实施形态]

本发明并不限定于如以上的实施形态，在不脱离本发明的范围内可有各种变形或修正。

作为对象的基板并不限于前述基板1及2，可对各种玻璃基板或其他脆性材料基板适用本发明。

Claims

1.一种激光加工方法，沿脆性材料基板表面的划线预定线照射激光以形成划线槽，其特征在于：

包含：

将脉冲激光聚光后照射于脆性材料基板表面的激光照射步骤；以及

沿划线预定线扫瞄前述激光的激光扫瞄步骤；

前述脉冲激光的激光强度为1.0×10⁸以上1.0×10¹⁰W/cm²以下；

热输入量(J/cm²)×脆性材料的线膨胀系数(10^-7/K)的值为3000以上10000以下的范围；

外接于前述脉冲激光的聚光径的正方形内的脉冲数为2脉冲以上。

2.根据权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于其中前述热输入量(J/cm²)×脆性材料的线膨胀系数(10^-7/K)的值为3600以上8800以下的范围。

3.根据权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于其中在前述热输入量(J/cm²)×脆性材料的线膨胀系数(10^-7/K)的值为3800以上7600以下的范围的场合，前述正方形内的脉冲数为5脉冲以上。

4.根据权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于其中前述脉冲激光的脉冲宽度为1ns以上1000ns以下。

5.如申请专利范围第1项记载的激光加工方法，其中，前述脉冲激光是波长300nm以下的紫外线激光。

6.一种激光加工装置，沿脆性材料基板表面的划线预定线照射激光以形成划线槽，其特征在于：

具备：

具有发出脉冲激光的激光振荡器及将被振荡的脉冲激光聚光后照射的聚光光学机构的激光照射机构；以及

使前述激光照射机构沿脆性材料基板表面的划线预定线相对移动的移动机构；

前述脉冲激光的激光强度为1.0×10⁸以上1.0×10¹⁰W/cm²以下；