CN102649199B

CN102649199B - 基板加工装置及基板加工方法

Info

Publication number: CN102649199B
Application number: CN201110395139.7A
Authority: CN
Inventors: 中谷郁祥; 岩坪佑磨
Original assignee: Mitsuboshi Diamond Industrial Co Ltd
Current assignee: Mitsuboshi Diamond Industrial Co Ltd
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2011-11-28
Publication date: 2015-05-06
Anticipated expiration: 2031-11-28
Also published as: JP2012176420A; TW201235141A; JP5193326B2; TWI419756B; CN102649199A

Abstract

本申请提供一种不增加扫描次数便可对基板的表面与基板内部进行短脉冲激光加工的基板加工装置及基板加工方法。所述基板加工装置包括：短脉冲激光光源(31)；光路分支部(35)，将短脉冲激光光束分支成第一光路侧和第二光路侧；脉冲选择部(39)，转换重复振荡频率，使得第二光路侧以小于第一频率的第二频率重复振荡；输出调整部(36)，以第二光路侧的输出功率大于第一光路侧的输出功率的方式进行调整；光路合成部(46)，形成使第一光路侧及第二光路侧重合而成的合成激光光束；合成激光光束照射光学部(48)，包含物镜(49)，且朝向基板照射合成激光光束；及扫描机构，使合成激光光束相对地进行扫描。

Description

基板加工装置及基板加工方法

技术领域

本发明涉及一种使用短脉冲激光的基板加工装置，尤其是涉及一种适用于加工作为硬脆性材料基板的蓝宝石基板等的基板加工装置及基板加工方法。

于此，所谓短脉冲激光是指脉宽在10^-13～10^-10秒(0.1～100微微秒)以下的激光。

背景技术

作为对玻璃基板、Si基板、蓝宝石基板等脆性材料基板形成像切割槽(切槽)一样的分割起点的加工方法，已知有使用脉冲激光的若干加工方法。这些加工方法的共通之处在于通过由脉冲激光照射后的能量而将基板加热，但形成分割起点的机制彼此差异较大，分别具有不同特征。

例如，在分断玻璃基板时，为了在分断预定线上形成切割槽，而使用利用“热应变”的激光切割加工(专利文献1)。这种加工是首先通过沿着分断预定线照射激光光束，在软化温度以下(即玻璃不变质的温度范围)进行加热，接着向刚加热后的高温区域喷射制冷剂。通过加热和冷却，对基板赋予局部热应力分布，通过由此热应力产生的热应变，而在基板表面上形成沿着分断预定线的切割槽(龟裂)。

在利用热应变的激光切割加工中，能够非常精美地完成所形成的切割槽的端面，所以能够进行端面强度大的加工。但是，利用热应变的激光切割加工对于玻璃基板有效，而对于像蓝宝石基板这样的硬脆性材料基板来说，难以通过此方法形成切割槽。

另一方面，在针对Si基板或蓝宝石基板的加工中，以往作为使用YAG激光等高功率脉冲激光(脉宽10^-9～10^-7秒)加工基板的方法，是利用“激光消融”或“多光子吸收”。即，使激光聚光于基板表面附近或基板内部，使基板表面附近产生消融而形成切割槽(专利文献2)，通过多光子吸收在基板内部形成加工变质部(专利文献3)，将这些加工部分设为用于分断的分割起点。

但是，在通过激光加工硬脆性材料的蓝宝石基板时，无论是消融、多光子吸收中的哪种方法，若与玻璃加工相比则加工必须提高照射能量，所以在进行消融的情况下切割槽的槽宽变广，在多光子吸收的情况下基板内部的变质部位变广，并且变质部位所形成的分割面的表面粗糙度变粗，无法获得精度良好的分截面。而且，熔融部分的透光性受损。因此，在使用蓝宝石基板作为像发光二极管(LED)这样的发光元件用的基板时，变成出光效率下降的主要原因。

相对于此，近年来，公开了一种使用短脉宽且高功率脉冲的激光的新型激光加工方法(专利文献4)。

根据所述专利文献揭示的使用短脉冲激光的新型激光加工方法，使用Nd:YAG激光(波长1064nm)，以具有短脉宽(2微微秒～8奈秒)及高功率密度(15GW/cm²～8TW/cm²以上)的短脉冲激光在蓝宝石基板的表面附近聚光的方式，调整焦点后出射。此时的激光在聚光点附近以外不会被基板材料(蓝宝石)吸收，而在聚光点则会引起多光子吸收，从而瞬间且局部地产生熔融、升华(局部的微小消融)。而且，在基板的表层部位到表面为止的范围内，由于冲击压而形成微小龟裂。

即，在以往的消融加工(激光脉宽10^-9～10^-7秒)中，照射出的激光光束的能量基本上全部消耗在基板材料的熔融、蒸腾上，适用于宽消融孔(熔融痕)的形成(孔径8μm左右)，而新型激光加工方法中，照射激光的能量是一部分消耗在形成微小熔融痕(孔径1μm以下的小孔)上，剩余的能量作为形成微小龟裂的冲击力而消耗。将这种微小熔解痕沿着分割预定线像穿孔一样离散形成，借此形成邻接熔解痕之间以微小龟裂相连的易分离区域，从而可以沿着此区域分割基板。根据此加工方法，熔融痕得以微小化，所以能够维持基板的透明性，适用于要求出光效率的LED的制造步骤中的蓝宝石基板加工。

另外，作为利用改良短脉冲激光的加工方法，公开有：使用极短脉宽的飞秒级短脉冲激光，对一个分割预定线改变扫描速度而重复扫描激光光束，借此于基板内部形成在分断预定线方向上不连续的改质部，然后于表面形成在分断预定线方向上连续的槽部，相对于基板深度方向而上下地形成槽部及改质部(专利文献5)。据此，能够加工200μm左右的蓝宝石基板。

先行技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特表平8-509947号公报

专利文献2：日本专利特开2004-009139号公报

专利文献3：日本专利特开2004-268309号公报

专利文献4：日本专利特开2005-271563号公报

专利文献5：日本专利特开2008-098465号公报

发明内容

如上所述，对于硬且光学透明的蓝宝石基板，适于使用像专利文献4、专利文献5记载的使用短脉冲激光的分割起点加工。

尤其是，如专利文献5所示，通过对基板表面和基板内部重复扫描多次短脉冲激光，而可分断(分离)厚蓝宝石基板。

但是，如果重复对基板表面和基板内部进行加工，那么激光的扫描次数就会增加。

例如，若蓝宝石基板的厚度为150μm左右，则至少需要两次扫描。

因此，本发明的目的在于提供一种不增加扫描次数便可对基板表面和基板内部进行短脉冲激光加工的基板加工装置。

而且，专利文献5中的扫描顺序必须是先将基板的深层改质，再将浅层改质，最后形成表面层的槽部。这种情况下，受到先形成的更深层的微小龟裂的影响，接下来形成浅层的微小龟裂的方向容易固定。所以，即便最后进行形成连续的表面层的槽部的扫描，由于先形成的内部改质层的微小龟裂的影响，有时候分截面的直线性不够充分。尤其是在蓝宝石基板中存在因晶体结构引起的“解理面”，所以分截面有容易变成沿着解理面的锯齿面的倾向。

因此，本发明的目的还在于提供一种即便对于像蓝宝石基板这样具有解理性的基板，也能够形成直线性良好的分截面的基板加工装置。

为了达成所述目的而研究出的本发明的基板加工装置是对载置于平台上的脆性材料基板照射激光光束而进行加工，其包含以下构成。

即，本发明的基板加工装置包括：激光光源，输出脉宽为10^-10秒以下的短脉冲激光且以第一频率重复振荡；光路分支部，将所述激光光源出射的短脉冲激光光束，分支成第一光路侧的激光光束和第二光路侧的激光光束；脉冲选择部，配置在第二光路上，转换重复振荡频率而使第二光路侧激光光束以小于第一频率的第二频率重复振荡；输出调整部，至少配置在第一光路上，将第二光路侧激光光束的输出功率调整为大于第一光路侧激光光束的输出功率；光路合成部，使通过所述脉冲选择部和所述输出调整部后的第一光路侧激光光束及第二光路侧激光光束重合，形成合成激光光束；合成激光光束照射光学部，包含调整所述合成激光光束的焦点位置的物镜，且朝向所述基板照射所述合成激光光束；及扫描机构，对所述基板相对地扫描所述合成激光光束。

根据本发明，一边由扫描机构扫描脉宽为10^-10秒以下的短脉冲激光，一边对基板照射短脉冲激光而进行加工，借此进行形成不可见微小消融(最大孔径1μm以下的小孔)的激光加工，而非利用产生可见熔融痕的消融或多光子吸收的加工。

执行此激光加工时，通过光路分支部，将激光光源出射的短脉冲激光光束分支成第一光路和第二光路，第一光路侧的激光光束维持从激光光源出射的第一频率重复振荡，第二光路侧的激光光束以小于第一频率的频率重复振荡，通过脉冲选择部来转换振荡频率。由此，相对于第一光路侧激光光束来说，第二光路侧激光光束是间歇性地振荡。而且，第二光路侧激光光束通过输出调整部而变成输出功率比第一光路侧激光光束大的激光光束。

如此一来，形成以短间距且小输出功率照射的第一光路侧激光光束、及以长间距且大输出功率照射的第二光路侧激光光束，利用光路合成部使这些光束重合而形成合成两种激光光束的合成激光光束，通过激光光束照射光学部的物镜，调整合成激光光束的焦点后向基板照射。

[发明的效果]

根据本发明，通过一次扫描能够同时照射以短间距连续加工基板表面附近的第一光路侧激光光束、及渗透到基板内部而离散加工的第二光路侧激光光束，不增加扫描次数便可形成渗透更深的切割槽作为分割起点。

而且，渗入渗透的第二光路侧激光光束是间歇性地(例如1∶10的比率)照射，所以较深的微小消融数也变少，精美地完成端面。尽管如此，在邻接的微小消融之间，因冲击而形成的不可见龟裂在邻接微小消融间相连而连续地形成，所以仅通过沿着切割槽施加较小按压力便可简单地分断。

另外，由于能够同时加工基板表面和基板内部，所以即便是像具有解理性的蓝宝石基板这样的材料，受到基板表面的短间距且直线状的连续加工的强力影响，而可进行直线性良好的分断加工。

在所述发明中，第一光路上或第二光路上的任一光路上，也可以具备个别焦点调整部，独立地调整第一激光光束或第二激光光束的深度方向的焦点位置。

借此，可以个别地调整第一激光光束或第二激光光束的加工深度位置，所以能够根据基板的厚度或硬度而容易地进行最佳深度的加工。

在所述发明中，输出调整部也可以包含介于光路上的偏光棱镜和半波长板的组合。

借此，可以通过调整偏光棱镜(例如格兰激光棱镜)和半波长板的偏光角来衰减输出，所以能够简单地调整通过的激光光束的输出功率(第一光路和第二光路的输出功率比)。

在所述发明中，扫描机构也可以用通过合成激光光束所含的第一光路侧激光光束在基板上形成的光点连续的扫描速度来进行扫描。

借此，能够在基板表面附近确切地形成连续的切割槽，从而能够形成沿着切割槽连续的分割起点，所以分割不良剧减。

附图说明

图1是表示本发明一实施方式的基板加工装置的全体构成图。

图2是表示图1装置中的激光光学系统的框图。

图3(a)-(d)是表示激光光学系统的各位置的光束状态的示意图。

图4是表示基板上光点连续的状态的示意图。

图5是表示经加工的蓝宝石基板的截面状态的示意图。

[符号的说明]

7 台座

9 电动机

10 螺杆

10a 拉条

12 旋转平台

31 激光光源(短脉冲激光)

32 激光光学系统

35 半反射镜(光路分支部)

36 输出调整部

37 偏光棱镜

38 半波长板

39 脉冲选择部

41 输出调整部

42 偏光棱镜

43 半波长板

44 个别焦点调整部

46 半反射镜(光路合成部)

48 合成激光光束照射光学部

49 物镜

G 蓝宝石基板

L0～L3 激光光束

具体实施方式

以下，使用图式来说明本发明的基板加工装置。

图1是表示本发明一实施方式的基板加工装置LA的全体构成图。

基板加工装置LA构成为，沿着平行配置在水平台座1上的一对导轨3、4，而设有在图纸前后方向(以下称为Y方向)上往复移动的滑台2。在两导轨3、4之间沿着前后方向配置着螺杆5，将固定在滑台2上的拉条6旋接于此螺杆5，利用电动机(未图示)使螺杆5旋转，借此滑台2沿着导轨3、4而向Y方向移动。

在滑台2上，水平台座7是以沿着导轨8向图1的左右方向(以下称为X方向)往复移动的方式配置。在固定于台座7的拉条10a上，贯通旋接着由电动机9旋转的螺杆10，通过螺杆10旋转，台座7沿着导轨8向X方向移动，并根据电动机的旋转朝向而往复移动。

在台座7上，设置着通过旋转机构11而旋转的旋转平台12，在此旋转平台12的载置面上，将加工对象的蓝宝石基板G以水平状态载置，并通过设于平台内的吸附夹具机构(未图示)予以固定。旋转机构11形成为能够使旋转平台12以垂直于载置面的轴为旋转轴而旋转，且能够以任意旋转角度进行旋转。

于旋转平台12上方，在框架15上固定着定位蓝宝石基板G时用作监控器的相机20、和用于向蓝宝石基板G照射激光光束的激光光源31及激光光学系统32(参照图2)。

激光光源31优选可以出射能够实施微小消融加工且脉宽为10^-10秒以下的短脉冲激光的光源，尤其是脉宽为10^-12秒～5×10^-11秒(1微微秒～50微微秒)的光源为宜。

而且，激光波长优选为500nm～1600nm左右，激光光束的照射能量(脉冲能量)优选为0.1μJ～50μJ左右，重复振荡频率优选为10kHz～200kHz左右。还有，激光光源31的重复振荡频率是与下述第一光路侧激光光束的重复频率相同的第一频率。于此，具体来说是使用Nd:YAG激光(波长1064nm)。

图2是表示图1装置中的激光光学系统32的框图。激光光源31出射的以第一频率重复振荡的激光光束L0被反射镜33反射，然后通过扩束器34。扩束器34调整激光光束L0的直径后，通过对照下述物镜大小来提高激光光束的照射功率密度。而且，视需要调整光束截面形状(圆、椭圆)，其决定照射到基板G上的光点的形状。

通过扩束器34后的激光光束L0利用半反射镜35(光路分支部)而分支成第一光路侧的激光光束L1和第二光路侧的激光光束L2。

第一光路侧的激光光束L1接着通过输出调整部36。输出调整部36调整第一光路侧激光光束L1的照射能量(输出功率)，具休来说包含偏光棱镜37(例如将非偏光变成直线偏光的格兰激光棱镜)和半波长板38。通过调整偏光棱镜37对于半波长板38的相位角，利用偏光而衰减通过的激光光束L1的照射能量(输出功率)。因此，通过输出调整部36来调整第一光路侧和第二光路侧的激光光束的功率比。

通过输出调整部36的激光光束L1是面向半反射镜46。

而且，第二光路侧的激光光束L2通过脉冲选择部39。脉冲选择部39根据与激光光源31内的基准时钟振荡电路(未图示)产生的时钟信号同步的脉冲选择器驱动信号，阻断/通过以第一频率入射的(脉冲)激光光束，通过使其间歇性通过，而生成以小于第一频率的第二频率振荡的(脉冲)激光光束L2。借此，进行激光光束的频率转换。具体来说，以第二频率变成第一频率的1/5～1/100左右的方式设定阻断/通过比便可，优选为1/10左右。作为这样的脉冲选择部39，具体来说可以使用Kapteyn-Murnane Laboratories公司制造的脉冲选择器Eclipse。

通过了脉冲选择部39的第二光路侧的激光光束L2经过反射镜40而入射到输出调整部41。输出调整部41包含偏光棱镜42和半波长板43，与第一光路侧的输出调整部36(偏光棱镜37、半波长板38)同样地，调整第二光路侧激光光束L2的照射能量(输出功率)。

还有，通过设置输出调整部36同时设置输出调整部41，而可提高输出功率的调整自由度，以输出功率大于第一光路侧激光光束L1的方式调整功率比。

通过了输出调整部41的第二光路侧的激光光束L2通过个别焦点调整部44。个别焦点调整部44包含焦点调整用透镜群，用于在下述合成激光光束L3中，使第二光路侧的激光光束L2的成分的焦点相对于第一光路侧的激光光束L1的成分的焦点而变化。具体来说，用于调整为当第一激光光束L1的焦点来到蓝宝石基板G的表面时，第二激光光束L2的焦点来到基板内部。

通过了个别焦点调整部44的第二光路侧激光光束L2经过反射镜45后入射到半反射镜46(光路合成部)。

还有，个别焦点调整部44不设于第二光路侧而设置在第一光路侧，也可以进行同样的调整。

半反射镜46将第一光路侧激光光束L1和第二光路侧激光光束L2合成，生成使它们重合后的合成激光光束L3。

合成激光光束L3经过反射镜47而入射到合成激光光束照射光学部48。合成激光光束照射光学部48具备物镜49，借此将合成激光光束L3向蓝宝石基板G照射。此时，以第一光路侧激光光束L1的焦点位于基板表面附近的方式调整物镜49的焦点。

第二光路侧激光光束L2的焦点如上所述通过个别焦点调整部44(及物镜49)而到达略微进入基板内部的位置。

于此，说明通过激光光学系统32的激光光束的变化。图3是表示图2的各光路中的激光光束L0～L3的最终光点上的重复振荡频率和输出功率的关系的示意图。

图3(a)是从激光光源31出射后通过了扩束器34的激光光束L0。此激光光束L0具有维持从激光光源31出射的重复振荡频率即第一频率F_H，且具有维持从激光光源31出射的大输出功率P_H。

图3(b)是通过了第一光路侧的输出调整部36后的激光光束L1。重复振荡频率是第一频率F_H，但通过输出调整部36时衰减而变成小输出功率P_L(其中P_H＞P_L)。

图3(c)是通过了第二光路侧的输出调整部41或个别焦点调整部44后的激光光束L2。重复振荡频率通过脉冲选择部39时被频率转换而变成第二频率F_L(其中F_H＞F_L)，输出功率不衰减而具有原本的大输出功率P_H。

图3(d)是通过了合成激光光束照射光学部48后的合成激光光束L3。它是将图3(b)所示的第一激光光束和图3(c)所示的第二激光光束重合而成的波形。

接下来，说明基板加工装置LA的加工动作。在加工开始前，预先设定加工条件。

具体来说，调整旋转平台12(台座7)的扫描速度、激光光源31的重复振荡频率(第一频率)、脉冲选择部39调整后的第二光路侧的激光光束的重复振荡频率(第二频率)、输出调整部36调整后的第一光路侧对于第二光路侧的功率比。

还有，扫描速度的设定是根据照射到蓝宝石基板G表面的第一光路侧激光光束的成分的光点径φ(例如1μm)、和第一光路侧激光光束的重复振荡频率(第一频率F_H)的关系，设定如图4那样邻接的光点S1、S2、…Sn、…重合而连续的扫描速度。借此，设定为在基板表面附近能够确切地形成连续切割槽。

而且，将蓝宝石基板G载置于旋转平台12上，利用相机20对加工位置进行定位后，以激光振荡的状态在X方向上扫描旋转平台12(台座7)。

对蓝宝石基板G照射第一光路侧激光光束L1和第二光路侧激光光束L2合成后的合成激光光束L3(图3(d))，而形成切割槽。

图5是示意性表示利用合成激光光束L3在厚度150μm左右的蓝宝石基板G上形成的切割槽的基板截面图。在蓝宝石基板G上形成着LED等功能元件的情况下，是从功能元件的相反侧面进行激光照射。

而且，在激光照射侧的表面附近，存在连续形成着浅孔(深度10μm～20μm)的区域A(连续加工区域)，而在基板内部存在间歇性形成着深孔(深度20μm～50μm)的区域B(间歇加工区域)。还有，实际上无论是区域A还是区域B，它们的孔径均为1μm以下，所以不可见。另外，区域B的深孔由于加工时的冲击而在周围产生不可见的龟裂C，邻接的孔彼此之间是通过不可见的龟裂相连。

因此，在下一步骤的分断步骤中，沿着切割槽施力时，用极小的力便可分断。

以上，对本发明的代表性实施例进行了说明，本发明并非必须由所述实施方式特定，在达成其目的且不脱离权利要求的范围内可以适当地进行修正、变更。

例如，在所述实施方式是以蓝宝石基板G为对象，但本发明对于其他硬脆性材料基板也有效。

[工业利用可能性]

本发明的基板加工装置可以利用于蓝宝石基板等硬脆性材料基板的切割加工。

Claims

1.一种基板加工装置，对载置于平台上的脆性材料基板照射激光光束而进行加工，其特征在于包括：

激光光源，输出脉宽为10^-10秒以下的短脉冲激光，且以第一频率重复振荡；

光路分支部，将所述激光光源出射的短脉冲激光光束分支成第一光路侧的激光光束和第二光路侧的激光光束；

脉冲选择部，配置在第二光路上，转换重复振荡频率，使得第二光路侧激光光束以小于第一频率的第二频率重复振荡；

输出调整部，至少配置在第一光路上，调整输出使得第二光路侧激光光束的输出功率大于第一光路侧激光光束的输出功率；

光路合成部，使通过所述输出调整部后的第一光路侧激光光束与通过所述脉冲选择部、或所述脉冲选择部及所述输出调整部后的第二光路侧激光光束重合，形成合成激光光束；

合成激光光束照射光学部，包含调整所述合成激光光束的焦点位置的物镜，且朝向所述基板照射所述合成激光光束；及

扫描机构，对所述基板相对地扫描所述合成激光光束。

2.根据权利要求1所述的基板加工装置，其中在第一光路或第二光路的任一光路上具备个别焦点调整部，独立地调整第一激光光束或第二激光光束的深度方向的焦点位置。

3.根据权利要求1所述的基板加工装置，其中所述输出调整部包含介于光路上的偏光棱镜和半波长板的组合。

4.根据权利要求2所述的基板加工装置，其中所述输出调整部包含介于光路上的偏光棱镜和半波长板的组合。

5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的基板加工装置，其中所述扫描机构是以通过所述合成激光光束所含的第一光路侧激光光束在所述基板上形成的光点连续的扫描速度进行扫描。

6.一种脆性材料基板的加工方法，对载置于平台上的脆性材料基板照射激光光束而进行加工，其特征在于：

将脉宽为10^-10秒以下的短脉冲激光分支成两个；

将一个短脉冲激光以第一频率重复振荡，对应于基板表面设定的第一焦点而以第一输出功率照射；

同时将另一个短脉冲激光频率转换而以小于第一频率的第二频率重复振荡，然后对应于设定地比第一焦点更靠基板内部侧的第二焦点，而以大于第一输出功率的第二输出功率照射。