CN103028841A - 激光加工装置 - Google Patents

Abstract

一种激光加工装置。通过简单的处理，使基板上的激光束的强度在光束的长度方向或光束的宽度方向上变得均匀。该激光加工装置具有：激光振荡器（11）；工作台（1），其放置玻璃基板；第1非球面柱面透镜（14），其控制与刻划预定线垂直的方向上的光束宽度；第2非球面柱面透镜（15），其控制光束长度；冷却喷嘴（3）；以及工作台驱动机构（4），其用于扫描激光束和冷却喷嘴（3）。第1和第2非球面柱面透镜（14、15）使入射的具有高斯型强度分布的激光束的强度分布在玻璃基板上的光束宽度方向和光束长度方向上变得均匀。

Description

激光加工装置

技术领域

本发明涉及激光加工装置，尤其涉及将激光束沿着刻划预定线照射，而在脆性材料基板的表面形成刻划槽的激光加工装置。

背景技术

作为用于分割玻璃基板等的脆性材料基板的技术，提出了利用了龟裂发展的分割方法。在该方法中，首先，使用刀轮等在玻璃基板的表面形成初始龟裂。然后，沿着刻划预定线扫描激光束来对基板进行加热，并且，在激光束的照射后马上冷却被加热的区域。由此，龟裂沿着刻划预定线发展，形成刻划槽。

沿着刻划预定线扫描的激光束沿着扫描方向具有预定的长度。为了形成这种激光束，需要使用包含球面透镜和柱面透镜（cylindrical lense）的光学系统，或者包含以使母线延伸的方向互相垂直的方式配置的2枚柱面透镜的光学系统。

以上那样通过以往的光学系统形成的激光束，沿光束扫描方向的强度分布为高斯分布。即，激光束的强度在光束长度方向的中央部最强，越靠近两端越弱。这种以往的光学系统的激光束，不能说是在形成刻划槽的方面最佳的强度分布的激光束。

因此，在专利文献1中，提出了能够在沿着刻划预定线的方向上使激光束的强度分布均匀的加工系统。该加工系统具有激光振荡器、反射从激光振荡器出射的激光束的反射镜、以及使反射镜反射的激光束在基板上扫描的多面反射镜（polygon mirror）。

专利文献

专利文献1：日本特开2005-212364号公报

在专利文献1中记载的系统中，从激光振荡器出射的激光束经由反射镜被多棱镜反射，沿着基板上的刻划预定线，在预定的长度中重复扫描。通过该重复扫描，预定长度的激光束在沿着刻划预定线的方向上的强度分布变均匀。

但是，在专利文献1中记载的系统中，由于多棱镜反射的激光束相对于基板表面的照射角度发生变化，因此，实际上激光束的强度分布不均，越靠近重复扫描的激光束照射范围的端部，强度越低。此外，只能将基板上的激光束的强度设为同样的强度分布，很难适当地对应各种基板规格、加工条件等。

发明内容

本发明的课题在于，通过简单的结构和处理，使基板上的激光束的强度在光束的长度方向或光束的宽度方向上变得均匀。

本发明的另一个课题在于，能够容易地得到对各种加工条件而言最佳强度分布的激光束。

第1发明的激光加工装置沿着刻划预定线照射激光束，在脆性材料基板的表面形成刻划槽，该激光加工装置具有：激光束出射装置，其射岀具有高斯型强度分布的激光束；工作台，其放置待加工的脆性材料基板；第1透镜，其控制与刻划预定线垂直的方向上的光束宽度；第2透镜，其控制沿着刻划预定线的方向上的光束长度；冷却装置，其对脆性材料基板的被激光束加热的区域进行冷却；以及扫描机构，其使激光束和冷却装置对放置在工作台上的脆性材料基板进行相对扫描。而且，第1透镜和第2透镜中的至少一方是使所入射的具有高斯型强度分布的激光束的强度分布在脆性材料基板上的光束宽度方向或光束长度方向上变得均匀的非球面柱面透镜。

在该加工装置中，从激光束出射装置射出的激光束，通过第1透镜和第2透镜而照射到脆性材料基板上。此外，通过扫描机构使激光束沿着脆性材料基板的刻划预定线扫描。被激光束加热的基板被与激光束一起扫描的冷却装置冷却，沿着基板的刻划预定线形成刻划槽。此处，第1透镜和第2透镜中的至少一方是非球面透镜，因此激光束的宽度方向和/或长度方向的强度分布变得均匀。

此处，与使用了以往的多面反射镜的系统相比，能够容易地得到具有大致矩形强度分布。而且，特别在使激光束的长度方向上的强度分布变得均匀的情况下，易于将刻划槽形成时的工序优化。

第2发明的激光加工装置是在第1发明的装置中，第2透镜是转换光束的强度分布的非球面柱面透镜。

此处，能够使照射到脆性材料基板上的激光束的沿着刻划预定线的激光束的长度方向的强度分布变得均匀。因此，能够在冷却装置进行冷却之前使基板的温度预先上升。因此，能够增大冷却时的拉伸应力，能够进一步扩大可以加工刻划槽的条件。即，可刻划范围（margin）变大。

第3发明的激光加工装置是在第1发明的装置中，第1透镜和第2透镜都是转换光束的强度分布的非球面透镜。

此处，能够在激光束的宽度方向和沿着刻划预定线的长度方向上，使激光束的强度分布变得均匀。因此，能够进一步扩大刻划范围。

第4发明的激光加工装置是在第1至第3发明中的任意一个装置中，还具有移动机构，该移动机构分别使第1透镜和第2透镜在沿着光轴的方向独立地移动。

使各透镜在沿着光轴的方向上移动，由此，能够改变光束的宽度方向和长度方向的长度，能够实现工序的优化。

第5发明的激光加工装置是在第1至第4发明中的任意一个装置中，还具有偏移机构，该偏移机构使非球面柱面透镜在与光轴垂直的方向上偏移。

通过使非球面柱面透镜偏移，可以改变激光束的强度分布的形状。由此，可以改变基板温度上升的方式，能够实现工序的优化。

第6发明的激光加工装置是在第1至第5发明中的任意一个装置中，还具有光束直径控制机构，该光束直径控制机构控制入射到非球面柱面透镜的激光束的直径。

通过改变入射到非球面柱面透镜的激光束的直径，能够改变激光束的强度分布的形状。因此，与第5发明同样能够实现工序的优化。

在以上那样的本发明中，用非球面柱面透镜作为构成光学系统的透镜，由此，能够简单地使基板上的激光束的强度在光束的长度方向或光束的宽度方向上变得均匀。

附图说明

图1是本发明的一个实施方式的激光加工装置的概略结构图。

图2是示出矩形光束和高斯光束的表面温度分布的图。

图3是示出矩形光束和高斯光束的表面应力分布的图。

图4是示出矩形光束的刻划范围的图。

图5是示出高斯光束的刻划范围的图。

图6是示出使非球面柱面透镜在Z轴方向上移动的情况下的强度分布的图。

图7是示出改变了入射到非球面柱面透镜的激光束的光束直径的情况下的强度分布的图。

图8是示出使非球面柱面透镜偏离光轴的情况下的强度分布的图。

图9是示出使非球面柱面透镜偏离光轴的情况下的强度分布的图。

图10是示出使非球面柱面透镜偏离光轴的情况下的强度分布的图。

标号说明

1：工作台；3：冷却喷嘴；4：工作台驱动机构；11：激光振荡器；12：光束扩展器；14、15：非球面柱面透镜；21、22：第1、第2移动机构；23、24：第1、第2偏移机构。

具体实施方式

［激光加工装置］

在图1中示出本发明的一个实施方式的激光加工装置。该激光加工装置具有：工作台1，其放置作为加工对象的玻璃基板G；加热机构2，其对工作台1上的玻璃基板G进行加热；冷却装置（图1中仅示出构成冷却装置的冷却喷嘴3），其冷却经加热机构2加热的玻璃基板G；以及工作台驱动机构（扫描机构）4，其用于使工作台1在X、Y平面内移动。另外，图1（b）是从相差90°的方向观察图1（a）的图。

加热机构2具有作为激光出射装置的激光振荡器11、光束扩展器12、反射镜13、第1非球面柱面透镜14以及第2非球面柱面透镜15。此外，加热机构2具有光束直径控制机构18、第1和第2移动机构21、22、第1和第2偏移机构23、24。

激光振荡器11是岀射例如CO₂激光的装置。从该激光振荡器11出射的激光束的强度示出高斯分布。光束扩展器12由3个透镜构成，可以改变各透镜的光轴方向的间隙。反射镜13配置成，将来自光束扩展器12的激光束反射到工作台1侧。

第1非球面柱面透镜14是用于使入射的激光束会聚到玻璃基板G上，并且，将激光束的宽度方向（与刻划预定线垂直的方向）上的强度在玻璃基板G上转换为矩形状分布的透镜。此外，第2非球面柱面透镜15是用于使入射的激光束会聚到玻璃基板G上，并且，将沿着激光束的刻划预定线的方向上的强度在玻璃基板G上转换为矩形状分布的透镜。

光束直径控制机构18是用于改变构成光束扩展器12的3个透镜中的2个透镜间的距离，而控制激光束的光束直径的机构。

第1移动机构21是用于使第1非球面柱面透镜14在Z轴方向（高度方向）移动，而改变玻璃基板G上的光束宽度的机构。此外，第2移动机构22是用于使第2非球面柱面透镜15在Z轴方向上移动，而改变玻璃基板G上的光束长度（沿着刻划预定线的方向的长度）的机构。

第1偏移机构23是用于使第1非球面柱面透镜14在与光轴垂直的Y轴方向（与刻划预定线垂直的光束宽度方向）上偏移，改变玻璃基板G上的光束宽度方向的强度分布的机构。此外，第2偏移机构24是用于使第2非球面柱面透镜15在水平面内的与Y轴垂直的X轴方向（沿着刻划预定线的方向）上偏移，而改变玻璃基板G上的光束长度方向的强度分布的机构。

冷却装置经由冷却喷嘴3喷射从未图示的制冷剂源提供的制冷剂，形成冷却点。该冷却点形成在被照射到玻璃基板G上的激光束的扫描方向的后端部。

［刻划方法］

在使用以上的加工装置在玻璃基板G上形成刻划槽的情况下，首先，使用刀轮等，在玻璃基板G的端部形成作为刻划起点的初始龟裂。另外，该初始龟裂也可以通过激光形成。

接着，从激光振荡器11岀射激光束，该激光束经由光束扩展器12、反射镜13、第1和第2非球面柱面透镜14、15，照射到玻璃基板G上。此时，激光束的强度分布通过第1和第2非球面柱面透镜14、15，在光束宽度方向和光束长度方向的两方中，从高斯分布转换为矩形状的分布。通过工作台驱动机构4来移动工作台1，由此，沿着刻划预定线在玻璃基板G上扫描该激光束。通过激光束将玻璃基板G加热至比玻璃基板G的软化点低的温度。此外，使冷却点在激光束的扫描方向后端追随。

由此，在因激光束的照射而被加热的区域的附近产生压缩应力，但在那之后马上通过喷射制冷剂形成冷却点，因此，产生对垂直裂纹的形成有效的拉伸应力。通过该拉伸应力，沿着刻划预定线形成垂直裂纹，形成期望的刻划槽。

［激光束的强度分布］

此处，详细地对强度分布为高斯分布的激光束（以下，记为“高斯光束”）与强度分布为本实施方式的矩形状分布的激光束（以下，记为“矩形光束”）的不同进行说明。

图2示出将矩形光束和高斯光束在玻璃基板上扫描的情况下的、基板的某个位置处的表面温度的随时间变化。在图2中，实线是使用矩形光束的情况下的表面温度的随时间变化，点划线是使用高斯光束的情况下的表面温度的随时间变化。此外，图2的横轴是时间[秒]，纵轴是温度[℃]。另外，激光束的长度为60mm，宽度为1.5mm，扫描速度为120mm/s。此外，在激光束的扫描方向后端进行冷却。

由图2可知，在使用高斯光束进行加热的情况下，基板表面温度缓慢地上升，在激光束大约通过2/3的时刻成为最高，然后下降。另一方面，在使用矩形光束进行加热的情况下，温度急剧上升，温度持续上升直到进行冷却为止。因此，在该例中，矩形光束的情况与高斯光束的情况相比，冷却时的温度差约大150℃。

图3示出将矩形光束和高斯光束在玻璃基板上扫描的情况下的、基板的某个位置处的表面应力的随时间变化。在图3中，实线是使用矩形光束的情况下的表面应力的随时间变化，点划线是使用高斯光束的情况下的表面应力的随时间变化。此外，图3的横轴是时间[秒]，纵轴是应力[MPa]。另外，激光束的尺寸和扫描速度与图2相同。

由图3可知，在使用高斯光束进行加热的情况下，在光束中心压缩应力最大，在该例中为-83MPa。然后，压缩应力下降，到冷却之前成为-17MPa。另一方面，在使用矩形光束进行加热的情况下，在光束先端压缩应力急剧增大到约-60MPa后，压缩应力逐渐地朝向光束后端增大。在冷却之前的压缩应力为-74MPa。此外，冷却时的拉伸应力在高斯光束的情况下为150MPa，在矩形光束的情况下为177Mpa，矩形光束的一方约大18％。

据此，得出以下结论。

在使用矩形光束的加热中，冷却时的拉伸应力增大，因此，相比于使用高斯光束进行的加热，可以形成刻划槽的条件范围变大，即，可以预测到可刻划范围会扩大。因此，能够提高刻划槽形成时的工序的稳定性。此外，能够容易地找到可加工条件。

在图4和图5中示出根据以上的预测进行的实验结果。图4示出通过矩形光束加热并进行了刻划槽加工的情况下的刻划可否的结果。此外，图5示出通过高斯光束加热并进行了刻划槽加工的情况下的刻划可否的结果。

由这些图可知，通过矩形光束进行加热并进行了刻划槽加工的一方，相比于通过高斯光束进行了加热的情况，可以刻划的范围进一步扩大。

［矩形光束的控制］

此处，通过改变非球面柱面透镜14、15的位置，可以控制矩形光束的强度分布的形状。以下，对具体的控制进行说明。

＜Z轴方向位置＞

通过第1移动机构21或第2移动机构22，改变各非球面柱面透镜14、15距离玻璃基板G的位置，即Z轴方向的位置，由此能够改变光束幅的长度和沿着刻划预定线的方向的光束长度。在图6中示出该情况。另外，图6示出光束长度方向的强度分布。

由图6可知，如果非球面柱面透镜与基板表面之间的距离增大，则光束长度变长。但是，伴随光束长度的改变，强度分布的形状也发生变化。

＜入射光束直径＞

通过控制光束扩展器12的各透镜的位置，能够改变入射到非球面柱面透镜的激光束的光束直径。而且，如图7所示，通过改变光束直径，能够改变矩形光束的强度分布。另外，图7示出光束长度方向的强度分布。

具体而言，如果缩小光束直径，则如图7的下层左侧所示，强度分布的矩形走样，光束中央部的强度与两端部相比变强，接近高斯分布。如果接下来增大光束直径，则如图7的下层中央所示，可以得到大致矩形状的强度分布。而且，如果继续增大光束直径，则如下层右侧所示，中央部与两端相比变弱。

＜偏移＞

通过第1偏移机构23或第2偏移机构24，使各非球面柱面透镜14、15在与光轴垂直的方向上偏移，由此，能够改变光束宽度方向的强度分布和光束长度方向的强度分布。

在图8～图10中示出具体例。图8～图10分别示出将图7的下层中央的状态、下层左侧的状态、下层右侧的状态下的第2非球面柱面透镜15在与光轴垂直的方向上偏移-0.3～+0.3mm的情况。

由这些图可知，通过使非球面柱面透镜在与光轴垂直的方向上偏移，能够使光束的两端中的一方的强度比另一方强。此外，根据偏移的程度，能够控制两端强度的差异程度。

如上所述，通过改变矩形光束的强度分布的形状，能够以最适合各种加工条件的温度分布进行加热，可以将工序最优化。

［其他实施方式］

本发明不限于以上那样的实施方式，可以在不脱离本发明的范围的情况下进行各种变形或修正。

（a）在所述实施方式中，使用非球面柱面透镜14、15，将激光束的宽度方向和长度方向的强度分布转换为矩形状，但是，也可以仅将任意一方设置为非球面柱面透镜，从而仅使一侧的强度分布成为矩形状。

（b）在所述实施方式中，通过1个光束扩展器改变激光束的光束直径，但是，也可以独立设置分别用于改变光束宽度方向和光束长度方向上的光束直径的光束扩展器。

Claims (6)

1.一种激光加工装置，其沿着刻划预定线照射激光束，在脆性材料基板的表面形成刻划槽，该激光加工装置具有：

工作台，其放置待加工的脆性材料基板；

激光束出射装置，其射岀具有高斯型强度分布的激光束；

第1透镜，其控制与所述刻划预定线垂直的方向上的光束宽度；

第2透镜，其控制沿着所述刻划预定线的方向上的光束长度；

冷却装置，其对脆性材料基板的被所述激光束加热的区域进行冷却；以及

扫描机构，其用于使激光束和所述冷却装置对放置在所述工作台上的脆性材料基板进行相对扫描，

所述第1透镜和所述第2透镜中的至少一方是使所入射的具有高斯型强度分布的激光束的强度分布在脆性材料基板的光束宽度方向上或光束长度方向上变得均匀的非球面柱面透镜。

2.根据权利要求1所述的激光加工装置，其中，

所述第2透镜是转换光束的强度分布的所述非球面柱面透镜。

3.根据权利要求1所述的激光加工装置，其中，

所述第1透镜和所述第2透镜都是转换光束的强度分布的所述非球面柱面透镜。

4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的激光加工装置，其中，

所述激光加工装置还具有移动机构，该移动机构分别使所述第1透镜和所述第2透镜在沿着光轴的方向上独立地移动。

5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的激光加工装置，其中，

所述激光加工装置还具有偏移机构，该偏移机构使所述非球面柱面透镜在与光轴垂直的方向上移动。

6.根据权利要求1至5中的任意一项所述的激光加工装置，其中，

所述激光加工装置还具有光束直径控制机构，该光束直径控制机构控制入射到所述非球面柱面透镜的激光束的直径。

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