CN102380713B - 激光切割装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种激光切割装置，不用更换工作台，并且即使在基板厚的情况下，也能够使基板弯曲且能够对基板进行固定。该装置具备：工作台(11)，其供载置基板；保持部件(13a、13b)，其将基板的预定划痕线的两侧相对于工作台(11)进行按压而将基板保持在工作台(11)上；杆状部件(12)，其用于对基板的包括预定划痕线的一部分进行按压而使基板的一部分弯曲；激光束照射单元，其将基板加热至低于熔融温度的温度；以及冷却单元，其对加热后的基板进行冷却，并通过基板产生的热应力沿预定划痕线形成垂直裂纹。

Description

激光切割装置
技术领域
本发明涉及一种激光切割装置。
背景技术
以往，通过例如如下方法对玻璃基板等脆性材料基板进行切割(割断)。首先，相对于基板压接刀轮等并使刀轮等转动，从而，在基板上形成由垂直裂纹构成的划痕线。之后，沿划痕线向垂直方向对基板施加外力。由此，沿划痕线对基板进行切割。
如上所述，在采用刀轮在脆性材料基板上形成划痕线的情况下，容易因施加给脆性材料基板的机械性应力而致使基板产生缺陷。因此，在施加外力而对基板进行切割时，有时会产生因缺陷而导致的裂缝等。
因此，近年来，用激光对脆性材料基板进行切割的方法已实用化。根据该方法，对基板照射激光束，将基板加热至低于熔融温度的温度。之后，利用冷却介质使基板冷却，由此基板产生热应力。通过该热应力而从基板的表面向大致垂直方向形成裂纹(下面，称作“垂直裂纹”)。根据这样的采用激光束的脆性材料基板的切割方法，由于利用了热应力，因而工具不直接与基板接触。因此，基板的切割面成为缺口等少的平滑的面，维持了基板的强度。
在上述那样的激光切割方法中，为要加深垂直裂纹，需要加大激光束的照射输出或减慢扫描速度。但是，若加大激光束的照射输出，则会在基板表面产生因加热而导致的损伤。此外，如减慢激光束的扫描速度，则会降低加工效率。
因此，提出有这样一种技术：使基板弯曲，在该状态下照射激光束来加深垂直裂纹。例如在专利文献1中，通过将基板吸附固定在载物台上来使基板弯曲。此外，在专利文献2中，改变支承部件的高度并利用自重使基板弯曲。
专利文献1：日本特开平7-323384号公报
专利文献2：日本特开2007-191363号公报
在专利文献1所示的方法中，由于基板保持在成型有预定高度的突条或预定的曲面的载物台上，因此，为了使基板弯曲成期望的形状，需要采用与基板的曲面状态相对应的载物台。而且，在基板厚的情况下，基板未充分地弯曲，则有可能无法将基板固定在载物台上。此外，在专利文献2的方法中，在基板厚的情况下，利用自重的话，基板有可能不会充分地弯曲。
发明内容
本发明的目的是提供这样一种激光切割装置：不用更换工作台，并且，即使在基板厚的情况下，也能够使基板弯曲成期望的形状并能够对基板进行固定。
本发明的第一方面的激光切割装置是沿脆性材料基板的预定划痕线照射激光束、对所述脆性材料基板进行切割的装置，并具备载置脆性材料基板的工作台、基板保持单元、按压单元、激光束照射单元、以及冷却单元。基板保持单元将载置于工作台上的脆性材料基板的预定划痕线的两侧相对于工作台进行按压，将脆性材料基板保持在工作台上。按压单元从激光束照射方向的相反侧对脆性材料基板的包括预定划痕线的一部分进行按压，使基板的一部分弯曲。激光束照射单元沿预定划痕线对脆性材料基板照射激光束，将脆性材料基板加热至低于熔融温度的温度。冷却单元对通过激光束照射单元加热的脆性材料基板喷涂冷却介质来进行冷却，并通过脆性材料基板产生的热应力沿预定划痕线形成垂直裂纹。
本发明的第二方面的激光切割装置为，在第一方面所述的装置中，按压单元具有沿所述预定划痕线延伸的按压部件。并且，按压部件在从工作台的基板载置面向基板的激光照射面侧突出的突出位置、和从基板载置面向基板的激光照射面相反侧没入的没入位置之间移动自如，按压部件在向突出位置移动时，使脆性材料基板的包括预定划痕线的一部分弯曲。
本发明的第三方面的激光切割装置为，在第二方面所述的装置中，工作台具有：第一载置部，其对脆性材料基板的预定划痕线的一侧进行支承；以及第二载置部，其与第一载置部隔开空间地配置，并对脆性材料基板的预定划痕线的另一侧进行支承。并且，按压部件配置于所述第一载置部与所述第二载置部之间的空间。
本发明的第四方面的激光切割装置为，在第二方面所述的装置中，工作台具有：第一载置部，第一载置部，其对脆性材料基板的预定划痕线的一侧进行支承；以及第二载置部，其与第一载置部隔开空间地配置，并对脆性材料基板的预定划痕线的另一侧进行支承。并且，按压部件配置成：隔着载置于工作台的脆性材料基板与位于第一载置部与第二载置部之间的空间对置。
本发明的第五方面的激光切割装置为，在第二至第四中任一方面所述的装置中，按压部件可取第一突出位置和第二突出位置，第一突出位置是从工作台的基板载置面向基板的激光照射面侧仅突出第一量的位置，第二突出位置是从所述工作台的基板载置面向基板的激光照射面侧仅突出比第一量大的第二量的位置。
本发明的第六方面的激光切割装置为，在第一至第五中任一方面所述的装置中，激光切割装置还具有用于将脆性材料基板固定于工作台的吸附固定单元。
根据本发明的激光切割装置，由于在利用基板保持单元将基板保持在工作台上的状态下通过按压单元使基板弯曲，因此不用更换工作台、且即使在基板厚的情况下，也能够使基板仅弯曲期望的量。并且，通过对弯曲状态的基板照射激光束，能够在基板形成深的垂直裂纹。
附图说明
图1是示出本发明的激光切割装置的一个实施方式的概要图。
图2是用图1的激光切割装置来对基板进行切割的情况下的工序图。
图3是用图1的激光切割装置来对基板进行切割的情况下的工序图。
图4是说明激光划线的操作状态的立体图。
图5是说明杆状部件从第一突出位置向第二突出位置移动时的移动状态的图。
图6是用本发明的另一激光切割装置来对基板进行切割的情况下的工序图。
标号说明
11：工作台；11a、11b：载置部；12：杆状部件；13a、13b：保持部件；37：冷却喷嘴；50：脆性材料基板；53：垂直裂纹；P：真空泵；LB：激光束。
具体实施方式
下面，对本发明的一个实施方式的激光切割装置进行说明，但本发明并不限于这些实施方式。
图1示出了本发明的一个实施方式的激光切割装置的概要结构。根据该图中的激光切割装置，脆性材料基板(下面，简称为“基板”)50载置并固定于工作台11上。
工作台11具有左右两个载置部11a、11b，第一载置部11a以能够向左右方向移动自如的方式设置。此外，在各载置部11a、11b的表面形成有多个吸气孔(吸附固定单元)14，这些多个吸气孔14与真空泵P相连。通过使真空泵P进行驱动来抽吸空气，从而将基板50吸附固定到工作台11上。沿垂直于纸面的方向(前后方向)长的杆状部件(按压部件)12，以能够在从工作台11突出的位置与没入工作台11的位置之间移动自如的方式设置在工作台11的中央部、即第一载置部11a与第二载置部11b之间。当杆状部件12从工作台11向突出位置移动时，基板50的激光束LB照射面侧以呈凸的方式弯曲。关于此，在后面的段中进行详述。
在工作台11的上方，以与工作台11隔离对置的方式设置有支承台31。在支承台31沿前后方向并排地设置有：用于在基板50的表面形成触发裂纹(trigger crack)的刀轮(未图示)、用于对基板50照射激光束LB的开口、以及用于对基板50的表面进行冷却的冷却喷嘴37(如图4所示)。
刀轮能够升降为与基板50压接的位置和与基板50不接触的位置，该刀轮仅在形成划痕线的开始起点即触发裂纹时、下降至与基板50压接的位置。为了抑制从触发裂纹向不能预测的方向产生裂纹的先行(先走り)现象，触发裂纹的形成位置优选形成于基板50的比表面侧端靠内侧的位置。
从激光输出装置34射出的激光束LB通过反射镜44向下方反射，并经未图示的光学系统从形成于支承台31的开口照射到固定于工作台11上的基板50。
此外，在支承台31中，冷却喷嘴37设置在供激光束LB射出的开口附近。作为冷却介质的水从该冷却喷嘴37朝基板50与空气一起喷出。基板50上喷冷却介质的位置是在预定划痕线51上、且在激光束LB的照射区域的后侧(参照图4)。
在支承台31的左右方向两侧，设有沿前后方向细长的长方体状的保持部件13a、13b。这些保持部件13a、13b通过未图示的驱动单元向左右方向以及上下方向移动自如，如后面所述，当将基板50固定于工作台11上时，这些保持部件13a、13b以杆状部件12为中心对基板50的左右两侧进行按压。
在工作台11的上方设有一对CCD摄像头38、39，该一对CCD摄像头38、39对预先刻印在基板50上的对准标记进行识别。通过这些CCD摄像头38、39，以使基板50的预定划痕线51(如图4所示)与杆状部件12在俯视时重叠的方式进行位置修正。具体来说，通过CCD摄像头38、39对基板50在定位时的位置偏离进行检测，例如，在基板50偏离角度θ的情况下，工作台11仅旋转-θ的角度，在基板50偏离Y时，工作台11仅移动-Y。
图2及图3示出了用这样的结构的切割装置来对基板50进行切割的情况下的工序图。再者，关于使基板50吸附固定于工作台11的吸附固定单元以及激光束照射单元、冷却单元，省略了对它们的图示，以使附图简洁。
首先，将基板50载置于工作台11上，使真空泵P(如图1所示)进行驱动，从而通过吸气孔14(如图1所示)将基板50吸附固定在工作台11上。并且，通过CCD摄像头38、39对设置在基板50上的对准标记进行拍摄，如上所述，根据摄像数据以使基板50的预定划痕线51(如图4所示)与杆状部件12在俯视时重叠的方式来移动工作台11，从而将基板50定位在预定的位置(图2(a))。
接下来，使保持部件13a、13b向中央部移动后，使该保持部件13a、13b下降并将基板50按压固定在工作台11上(图2(b))。保持部件13a、13b对基板50的按压固定的程度优选通过传感器进行检测而控制为预定的按压力。此外，保持部件13a、13b对基板50进行固定的固定位置根据基板50的材质、厚度等适当地确定即可，但优选的是，在通过杆状部件12的突出使基板50弯曲时，使得基板50的曲率半径为4000mm以下。因此，在杆状部件12的突出量在5mm以下的范围的情况下，从杆状部件12到保持部件13a、13b的距离L优选在100mm以上300mm以下。此外，保持部件13a、13b优选对基板50的前后方向的整体进行按压，但也可以在前后方向上按预定间隔对基板50进行按压。
并且，使杆状部件12为从工作台11突出的第一突出位置。由此，基板50弯曲(图2(c))。作为杆状部件12的突出量，如上所述，优选为使基板50弯曲时的基板50的曲率半径为4000mm以下，通常为0.1mm～5mm的范围。
接下来，如上所述，通过刀轮在基板50上形成触发裂纹。并且，从激光输出装置34射出激光束LB(图2(d))。激光束LB通过反射镜44如图4所示那样地对基板50表面大致垂直地进行照射。此外，同时从冷却喷嘴37向激光束照射区域的后端附近喷出作为冷却介质的水。通过对基板50照射激光束LB，从而沿厚度方向以低于熔融温度的温度对基板50进行加热，基板50欲热膨胀，但由于局部加热而不能发生膨胀，从而以照射点为中心产生压缩应力。并且，在加热之后紧接着通过水对基板50的表面进行冷却，从而使基板50收缩而产生拉伸应力。通过该拉伸应力的作用，以触发裂纹作为开始点沿预定划痕线51在基板50形成垂直裂纹53。并且，根据本装置，由于对基板50的激光束照射面侧施加因基板50的弯曲而产生的拉伸应力，因此，垂直裂纹53较通常形成得更深，有时候垂直裂纹53会到达基板50的反面侧。
并且，通过使激光束LB以及冷却喷嘴37按照预定划痕线51沿前后方向相对地移动，从而，垂直裂纹53沿前后方向进展，在基板50形成划痕线52。作为在此使用的激光束LB没有特别的限定，根据基板的材质、厚度以及要形成的垂直裂纹的深度等适当确定即可。在脆性材料基板是玻璃基板的情况下，适宜使用在玻璃基板表面的吸收大的波长为9～11μm的激光束。作为这样的激光束，可以列举出C02激光。激光束的照射斑点的形状优选为沿激光束的相对移动方向细长的椭圆形状，相对移动方向的照射长度适宜在10～60mm的范围，照射宽度适宜在1～5mm的范围。
作为从冷却喷嘴37喷出的冷却介质，可以列举出水或酒精等。此外，在对切割后的脆性材料基板的使用上不会带来不好影响的范围内，也可以添加界面活性剂等添加剂。作为冷却介质的喷涂量，通常适宜为数ml/min左右。从对被激光束加热的基板进行淬火的观点来看，冷却介质对基板的冷却优选采用使水与气体(通常是空气)一起喷射的所谓的水射流(water iet)方式。冷却介质的冷却区域优选是长径为1～5mm左右的圆形或椭圆形。此外，冷却区域优选形成为：在激光束进行的加热区域的相对移动方向后方，且冷却区域和加热区域的中心点间的距离为数mm～数十mm左右。
激光束LB以及冷却喷嘴37的相对移动速度没有特别的限定，根据想要得到的垂直裂纹的深度等适当确定即可。通常，越是减慢相对移动速度，形成的垂直裂纹就越深。通常，相对移动速度是数百mm/sec左右。
接下来，进一步使杆状部件12突出并作为第二突出位置(图3(e))。由此，形成于基板50的垂直裂纹53到达基板50的反面侧，从而基板50被切割。再者，在通过激光束LB的照射来形成垂直裂纹53的前工序中，在垂直裂纹53到达基板50的反面侧的情况下，则不需要该图所示的工序。杆状部件12的突出量只要是使垂直裂纹53进展到基板50的相反侧的量即可，没有特别的限定，通常，从第一突出位置突出0.1mm～1mm左右的量就足够了。再者，在使杆状部件12从第一突出位置到第二突出位置时，既可以使杆状部件12的前后方向两端同时突出，也可以如图5所示那样地，使杆状部件12的前后方向的一个侧端先突出，迟些再使另一端侧突出。
当基板50被切割后，一个保持部件13a上升，从而解除对基板50a的按压，第一载置部11a与基板50a一起向离开杆状部件12的方向移动(图3(f))。由此，被切割成两个的基板50a、50b分开，防止了在切割面产生缺口等。接下来，杆状部件12从第二突出位置向没入位置移动(图3(g))。再者，图3(f)以及图3(g)所示的工序也可以同时进行。
并且，解除对第一载置部11a的吸附固定，基板50a移动至下一工序(图3(h))。接下来，保持部件13b上升，从而解除对基板50b的按压，并且解除对第二载置部11b的吸附固定。然后，基板50b越过杆状部件12而被移动至预定距离，并反复进行上述一连串的切割处理。
对作为本发明的激光切割装置的切割对象的脆性材料基板50没有特别的限定，可以列举出玻璃、陶瓷、硅以及蓝宝石等的以往公知的脆性材料基板。本发明的激光切割装置对于其中的表面压缩应力大、难以进行交叉划线的化学钢化玻璃、风冷钢化玻璃等钢化玻璃基板的切割特别有效。此外，作为能够通过本发明的激光切割装置进行切割的脆性材料基板50的厚度，根据脆性材料基板50的材质等的不同而不同，但在脆性材料基板50是玻璃基板的情况下，其厚度大致为2mm左右。
图6示出了本发明的激光切割装置的另一实施方式。该图所示的激光切割装置与上述的实施方式的装置的不同点在于：杆状部件12对基板50的、与保持部件13a、13b所按压的面相同的面进行按压来使基板50弯曲的这一点、以及从基板50的工作台侧照射激光束LB的这一点。下面，对于采用了该装置的基板50的切割步骤，主要对与上述实施方式的装置的不同点进行概述。
首先，将基板50吸附固定于工作台11(图6(a))。并且，使保持部件13a、13b移动，并以杆状部件12为中心利用保持部件13a、13b对基板50的两侧进行按压固定(图6(b))。接下来，使杆状部件12下降，从而使基板50弯曲(图6(c))。作为杆状部件12从工作台11的表面向下方的突出量，在此也示例性地示出了与上述同样的范围。
接下来，如上所述，通过刀轮在基板50形成触发裂纹。并且，从激光输出装置34射出激光束LB(图6(d))。
此外，同时从冷却喷嘴37(如图4所示)向激光束照射区域的后端附近喷出作为冷却介质的水，并沿预定划痕线51(如图4所示)在基板50形成垂直裂纹53。由于在本实施方式的装置中也在基板50的激光束照射面侧施加有因基板50的弯曲而产生的拉伸应力，因此，垂直裂纹53比通常形成得深。下面，在本实施方式的装置中也进行与图3所示的处理工序同样的处理。
本发明的激光切割装置在将基板保持在工作台上后使基板弯曲，因此，不用更换工作台，且在基板厚的情况下，也能使基板弯曲成期望的形状。并且，通过对弯曲状态的基板照射激光束，能够在基板形成深的垂直裂纹，因而是有用的。

Claims (6)

1.一种激光切割装置，其沿脆性材料基板的预定划痕线照射激光束，对所述脆性材料基板进行切割，其中，
所述激光切割装置具备：
工作台，其载置所述脆性材料基板；
基板保持单元，其将载置于所述工作台上的所述脆性材料基板的预定划痕线的两侧相对于所述工作台进行按压，将所述脆性材料基板固定在所述工作台上；
按压单元，其用于从激光束照射方向的相反侧对所述脆性材料基板的包括所述预定划痕线的一部分进行按压，使所述脆性材料基板的一部分弯曲；
激光束照射单元，其沿所述预定划痕线对所述脆性材料基板照射激光束，将所述脆性材料基板加热至低于熔融温度的温度；以及
冷却单元，其用于对通过所述激光束照射单元加热的所述脆性材料基板喷涂冷却介质来进行冷却，并通过所述脆性材料基板产生的热应力沿所述预定划痕线形成垂直裂纹，
以所述按压单元为中心，利用所述工作台和所述基板保持单元对所述脆性材料基板的两侧进行固定的状态下，所述按压单元从载置所述脆性材料基板的所述工作台的表面向上方或下方突出，从而使所述脆性材料基板的一部分弯曲。
2.根据权利要求1所述的激光切割装置，其中，
所述按压单元具有沿所述预定划痕线延伸的按压部件，
所述按压部件在从所述工作台的基板载置面向所述脆性材料基板的激光照射面侧突出的突出位置、和从所述基板载置面向所述脆性材料基板的激光照射面相反侧没入的没入位置之间移动自如，所述按压部件在向所述突出位置移动时使所述脆性材料基板的包括预定划痕线的一部分弯曲。
3.根据权利要求2所述的激光切割装置，其中，
所述工作台具有：
第一载置部，其对所述脆性材料基板的预定划痕线的一侧进行支承；以及
第二载置部，其与所述第一载置部隔开空间地配置，并对所述脆性材料基板的预定划痕线的另一侧进行支承，
所述按压部件配置于所述第一载置部与所述第二载置部之间的空间。
4.根据权利要求2所述的激光切割装置，其中，
所述工作台具有：
第一载置部，其对所述脆性材料基板的预定划痕线的一侧进行支承；以及
第二载置部，其与所述第一载置部隔开空间地配置，并对所述脆性材料基板的预定划痕线的另一侧进行支承，
所述按压部件配置成：隔着载置于所述工作台的所述脆性材料基板与位于所述第一载置部与所述第二载置部之间的空间对置。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的激光切割装置，其中，
所述按压部件可取第一突出位置和第二突出位置，所述第一突出位置是从所述工作台的基板载置面向所述脆性材料基板的激光照射面侧仅突出第一量的位置，所述第二突出位置是从所述工作台的基板载置面向基板的激光照射面侧仅突出比所述第一量大的第二量的位置。
6.根据权利要求1所述的激光切割装置，其中，
所述激光切割装置还具有用于将所述脆性材料基板固定于所述工作台的吸附固定单元。
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