CN107662053A - 脆性材料基板的激光加工方法及激光加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种脆性材料基板的激光加工方法，能够在抑制脆性材料基板的表面附近的热损伤的同时提高厚度方向上的加工深度。在通过照射激光束从脆性材料基板的表面起在厚度方向上形成孔时，一边使激光束的焦点从脆性材料基板的表面起在厚度方向上变化，并且一边随着焦点越远离脆性材料基板的表面而越增大激光束的输出，一边进行激光束对脆性材料基板的照射。

Description

脆性材料基板的激光加工方法及激光加工装置

技术领域

本发明涉及使用激光的脆性材料基板的加工方法，特别是涉及在厚度方向上的加工。

背景技术

在对例如玻璃基板、蓝宝石基板、氧化铝基板等所代表的脆性材料基板进行形成贯穿孔或非贯穿孔的开孔加工等的在厚度方向(深度方向)上的加工的情况下，普遍使用激光作为加工手段。

作为这样的使用激光的开孔加工的一种方式，众所周知有通过呈同心圆状地照射激光来形成直径比激光的束斑直径(焦点位置处的光束直径、聚光直径)大的贯穿孔或非贯穿孔的加工方法(例如，参照专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2013-146780号公报

发明要解决的课题

在对于脆性材料基板通过激光在厚度方向上形成贯穿孔或非贯穿孔的情况下，在以往，目标形成深度越大就用越大的输出来照射激光。然而，如果激光的输出过大，则存在脆性材料基板的表面附近的热损伤(裂纹、碎屑(chipping)的产生)变得显著的问题。另一方面，可加工的深度存在与激光的输出对应的极限(阈值)，也存在无论怎么延长照射时间也不能加工得很深的问题。

发明内容

本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于提供一种能够在抑制脆性材料基板的表面附近的热损伤的同时提高厚度方向上的加工深度的脆性材料基板的激光加工方法。

用于解决课题的方案

为了解决上述课题，发明的第一方面为一种脆性材料基板的激光加工方法，通过照射激光束来从脆性材料基板的表面起在厚度方向上形成孔，所述脆性材料基板的激光加工方法的特征在于，一边使所述激光束的焦点从所述脆性材料基板的表面起在厚度方向上变化，并且一边随着所述焦点越远离所述脆性材料基板的表面而越增大所述激光束的输出，一边进行所述激光束对所述脆性材料基板的照射。

发明的第二方面是根据发明的第一方面所述的脆性材料基板的激光加工方法，其特征在于，通过使所述焦点从所述脆性材料基板的表面起在厚度方向上每次移动规定的距离，从而在所述厚度方向上离散的多个位置上依次地并且以随着所述焦点越远离所述脆性材料基板的表面而越增大所述输出的方式，进行所述激光束对所述脆性材料基板的照射。

发明的第三方面是根据发明的第二方面所述的脆性材料基板的激光加工方法，其特征在于，所形成的孔为圆孔，在所述多个位置分别以所述焦点描绘同心圆状的轨迹的方式使所述激光束进行扫描。

发明的第四方面是根据发明的第一至第三方面中任一项所述的脆性材料基板的激光加工方法，其特征在于，所述激光束是皮秒UV激光或皮秒绿激光。

发明的第五方面是一种激光加工装置，其是通过激光束对脆性材料基板进行加工的装置，其特征在于，具有：工作台，其载置固定所述脆性材料基板；光源，其射出所述激光束；以及头部，其向载置在所述工作台的脆性材料基板照射从所述光源射出的所述激光束，一边通过使所述工作台相对于所述头部相对移动而使所述激光束的焦点从所述脆性材料基板的表面起在厚度方向上变化，并且一边随着所述焦点越远离所述脆性材料基板的表面而越增大从所述光源射出的所述激光束的输出，一边进行所述激光束对所述脆性材料基板的照射，由此从所述脆性材料基板的表面起在厚度方向上形成孔。

发明的第六方面是根据发明的第五方面所述的激光加工装置，其特征在于，通过以所述焦点从所述脆性材料基板的表面起在厚度方向上每次移动规定的距离的方式进行所述工作台相对于所述头部的相对移动，从而在所述厚度方向上离散的多个位置上依次地并且以随着所述焦点越远离所述脆性材料基板的表面而越增大从所述光源射出的所述激光束的所述输出的方式，进行所述激光束对所述脆性材料基板的照射。

发明的第七方面是根据发明的第六方面所述的激光加工装置，其特征在于，所形成的孔为圆孔，所述头部在所述多个位置分别以所述焦点描绘同心圆状的轨迹的方式使所述激光束进行扫描。

发明的第八方面是根据发明的第五至第七方面中任一项所述的激光加工装置，其特征在于，所述激光束是皮秒UV激光或皮秒绿激光。

发明效果

根据发明的第一至第八方面，在脆性材料基板的厚度方向上的开孔加工中，通过随着加工的进展使焦点的高度位置和激光输出一起阶段性地改变，从而能够在抑制脆性材料基板的表面的热损伤的同时形成很深的孔。

附图说明

图1是示意地表示激光加工装置100的结构的图。

图2是用于对在开孔加工中的激光束LB的扫描方式进行说明的图。

图3是关于在实施例的各条件下通过加工而形成的圆孔的、从上方拍摄的图像和其端部附近的放大图像。

图4是关于圆孔的剖面的拍摄图像。

具体实施方式

[激光加工装置的概要]

图1是示意地表示在本发明的实施方式中在脆性材料基板W的加工中使用的激光加工装置100的结构的图。概括而言，激光加工装置100构成为通过向载置固定于工作台2的脆性材料基板W照射从光源1射出的激光束LB，从而对脆性材料基板W进行规定的加工。

作为成为加工对象的脆性材料基板W，可例示出玻璃基板、蓝宝石基板、氧化铝基板等。

激光加工装置100除了具有光源1和工作台2之外，还主要具有：头部3，其成为对脆性材料基板W的激光束LB的直接照射源；光闸4，其附带在光源1，使来自光源1的激光束LB的射出进行通/断；反射镜5，其通过使从光源1射出的激光束LB反射到规定的角度从而确定到达头部3的激光束LB的光路；控制部10，其对激光加工装置100的各部分的工作进行控制。另外，在图1中设置有2个反射镜5，但这仅是例示，反射镜5的个数及配置位置不限于图1所示的方式。

激光束LB可以根据成为加工对象的脆性材料基板W的材质等恰当地选择，例如优选为皮秒UV激光、皮秒绿激光等。作为光源1采用与加工所使用的激光束LB相匹配的光源即可。光源1中的产生激光束LB的工作和光闸4的通/断工作通过控制部10进行控制。

工作台2是在加工时水平地载置固定脆性材料基板W的部位。工作台2通过驱动机构2m在竖直方向上自由移动。通过驱动机构2m被控制部10控制，从而能够在激光加工装置100中加工时使脆性材料基板W在其厚度方向上下移动。而且，驱动机构2m可以设置成使工作台2能够水平地在单轴方向或双轴方向上移动，进而，也可以设置成使工作台2的至少脆性材料基板W的载置部位能够在水平面内旋转。由此，能够适宜进行加工位置的调整、变更。

相对于工作台2来固定脆性材料基板W也可以通过公知的各种方式来实现。例如，可以是通过吸引来固定的方式，也可以是通过用规定的夹持单元夹持脆性材料基板W的端部来固定的方式。

头部3具有检流计反射镜(galvanometer mirror)3a和fθ透镜3b。检流计反射镜3a通过由控制部10对其姿势进行控制，能够使入射的激光束LB在规定的范围内向任意的方向射出。此外，fθ透镜3b配置成在工作台2的上方水平设置且能够入射从检流计反射镜3a射出的激光束LB，从检流计反射镜3a射出的激光束LB通过经过fθ透镜3b从而从竖直上方向水平地载置固定在工作台2的脆性材料基板W进行照射。由此，在激光加工装置100中，通过由控制部10进行的控制来使检流计反射镜3a的姿势连续地变化，由此能够使载置固定在工作台2的脆性材料基板W中的激光束LB的照射位置连续地改变。即，能够通过激光束LB对脆性材料基板W的表面进行扫描。

其中，激光束LB对载置固定在工作台2的脆性材料基板W的可照射范围是根据检流计反射镜3a的尺寸、姿势变更范围而预先确定了的。在向这样的可照射范围外进行加工的情况下，需要通过驱动机构2m使工作台2移动，将新的可照射范围作为对象来进行加工。

另外，也可以是代替在工作台2设置驱动机构2m，而在头部3设置未图示的驱动机构而使头部3相对于工作台2移动的方式。

控制部10例如通过通用的计算机来实现。通过在控制部10中执行未图示的控制程序，从而实现激光加工装置100的各种工作，例如激光束LB从光源1的射出、工作台2的移动、检流计反射镜3a的姿势变更等。

[开孔加工]

接着，对使用上述的激光加工装置100对脆性材料基板W进行的本实施方式涉及的开孔加工进行说明。图2是用于对这样的开孔加工中的激光束LB的扫描方式进行说明的图。

在图2中设想了以下情况：z＝z0是脆性材料基板W的表面(上表面)的位置，通过在脆性材料基板W的厚度方向(z方向)上从z＝z0到z＝z1的位置改变激光束LB的照射位置，从而从脆性材料基板W的表面起在厚度方向上形成直径D的规定深度的大致圆筒状的非贯穿孔(圆孔)。在此，直径D是比激光束LB的焦点(束斑)F的直径(束斑直径)d1大的值。其中，在图2中为了便于图示，将直径D示出在z＝z1的下方，但在以后直径D设为在脆性材料基板W的表面、即z＝z0处的值。

首先，以使焦点F与脆性材料基板W的表面(z＝z0)一致的方式，对载置固定有脆性材料基板W的工作台2的高度位置进行调节，并且将来自光源1的激光束LB的输出(以下称为激光输出)设定为规定的值(初始值)E0。而且，通过对检流计反射镜3a的姿势进行控制，从而在z＝z0处以焦点F的中心C描绘与直径D同轴且直径不同的多个同心圆状的轨迹的方式使激光束LB扫描。换而言之，一边改变直径，一边进行多次环绕扫描。另外，之后有时将焦点F的中心C的轨迹只称为激光束LB的轨迹。

如果在图2所示的情况下，则以使从外侧起依次分别逆时针地描绘4个同心圆状的轨迹TR1、TR2、TR3、TR4的方式，用激光输出E0使激光束LB进行扫描。通过这样的扫描，脆性材料基板W的表面附近被加工，形成凹部。另外，在图2中独立地记载了4个轨迹TR1、TR2、TR3、TR4，但在实际加工时，可以在由激光束LB进行的一次环绕扫描大致完成的时间点，维持该激光束LB的输出状态直接过渡到下一次的环绕扫描。

如果采用上述的方式完成z＝z0处的由激光束LB进行的扫描，则使工作台2上升规定的间距Δz之后，即，使激光束LB的焦点F的位置从z＝z0向脆性材料基板W的深度方向位移距离Δz之后，进行与上述相同的同心圆状的扫描。另外，之前形成的凹部的深度和间距Δz也可以不一致。之后，反复进行工作台2的移动和由激光束LB进行的同心圆状的扫描，直到激光束LB的焦点F到达位置z＝z1，进行该位置处的同心圆状的扫描。换而言之，在各个高度位置呈同心圆状地进行多次环绕扫描。另外，Δz和z1的值根据脆性材料基板W的材质、要形成的圆孔的深度来确定。通常，成为z＝z1的位置被确定为比成为圆孔的底部的位置更浅的位置。

其中，在该情况下，每当改变焦点F的高度时逐渐增强激光输出。如果在图2所示的情况下，则当将在z＝z1处的激光输出(最终值)设为E＝E1(>E0)时，在从初始值E＝E0到E＝E1之间阶段性地增强激光输出。

即，在本实施方式的开孔加工中，通过使焦点F的高度位置从脆性材料基板W的表面起在厚度方向上每次移动规定的距离，从而在厚度方向上离散的多个位置上，依次地并且以随着焦点F的高度位置越远离脆性材料基板W的表面而越增大激光输出的方式，进行激光束LB对脆性材料基板W的照射。

由此，每当在不同的深度位置反复进行激光束LB的同心圆状的扫描时，脆性材料基板W的厚度方向的凹部的形成不断发展，最终形成所期望的深度的圆孔。

在此，激光束LB的扫描轨迹的最大直径(轨迹TR1的直径)d2和扫描轨迹的个数(即扫描的次数)基于要形成的圆孔的直径D、束斑直径d1和检流计反射镜3a的姿势变更范围来预先实验性或经验性地确定即可。例如，如果在要形成的圆孔的直径为50μm，束斑直径d1为15μm的情况下，则通过设为d2＝30μm，进行5次同心圆状的扫描，从而能够形成所期望的圆孔。

在此，激光输出的初始值E0根据能够形成上述凹部但在该凹部的周围不使热损伤(裂纹、碎屑等)发生的激光输出的范围来预先实验性或经验性地确定即可。在该情况下所确定的初始值E0，可以根据在将其值保持成恒定并向深度方向进行加工的情况下到所期望的深度为止就不能进行加工的范围来选择。

另一方面，关于激光输出的最终值E1，可以根据在从脆性材料基板W的表面起将该值保持恒定地进行加工的情况下，虽然能够加工到成为目标的深度但是导致在脆性材料基板W的表面产生热损伤的激光输出的范围来预先实验性或经验性地确定。

另外，在图2中从外侧依次进行同心圆状的多次环绕扫描，但取而代之，也可以从内侧依次进行。或者，也可以每当焦点F的深度位置发生变化时对扫描顺序进行调换。

此外，在如图2所示的情况下，通过焦点F的高度位置每次改变Δz，进行环绕扫描的部位也在厚度方向上每次离开Δz距离，但取而代之，也可以是使焦点F的高度位置连续地变化、在焦点F在厚度方向上移动Δz距离的期间连续地进行与上述的同心圆状的多次环绕扫描相当的多次环绕扫描的方式(螺旋状扫描)。

此外，在至此的说明中，以形成非贯穿孔的情况为例进行了说明，但在形成贯穿孔的情况下也能够采用相同的方法。即，在使激光束LB的焦点F从脆性材料基板W的表面起的总移动距离充分大的情况下，能够形成贯穿孔。在该情况下，与形成非贯穿孔的情况相同地，具体的加工条件根据脆性材料基板W的厚度、激光束LB的照射条件等来确定即可。

此外，在至此的说明中，对通过使激光束LB进行环绕扫描来形成圆孔的方式进行了说明，但在要形成的圆孔的直径D小的情况下，环绕扫描并不是必须的。

如以上说明的那样，根据本实施方式涉及的方法，在脆性材料基板W的厚度方向上的开孔加工中，通过随着加工的进展而使焦点的高度位置和激光输出一起阶段性地改变，从而能够在抑制脆性材料基板的表面的热损伤的同时形成深的圆孔。

另外，在不改变焦点F的高度位置而仅阶段性地提高激光输出的情况下，存在难以加工到足够的深度的情况。其原因是，随着加工进展，凹部的底部和焦点F彼此分离，激光束LB的照射位置处的束斑直径变得比焦点F处的束斑直径d1大，该位置处的能量密度变得比焦点F的位置处的能量密度小。特别是如在同心圆的最外侧即轨迹TR1的位置处使激光束LB进行扫描的情况那样，在照射位置可能变为斜面的情况下，能量密度进一步变小。

另一方面，如上所述，在一边将激光输出保持为恒定一边改变焦点F的高度位置的方式中，如果其值过小，则难以加工到所期望的深度，如果过大，则产生热损伤，因此限制大。

[变形例]

在上述的实施方式中，以圆孔的加工为例，说明了在脆性材料基板的表面不产生热损伤而实现更深位置的开孔加工的方式，但随着向深度方向的加工的进展一边使焦点位置加深一边提高激光输出的方法，也能够应用于以圆孔以外的任意形状在深度方向进行加工的情况。例如，也能够应用于方孔或槽的形成。另外，在前者的情况下，在一个高度位置处的激光束LB的扫描可以同轴地形成不同大小的矩形形状的轨迹，也可以以规定间距形成平行的多个轨迹。此外，在后者的情况下，以规定间距形成平行的多个轨迹即可。

[实施例]

将激光输出的必要条件改变成条件A(4W)、条件B(1W)、条件C(从开始加工时起在1W～4W的范围内阶段性地增大)这三种方式进行相同尺寸的圆孔的加工，对所形成的圆孔的优劣进行了评价。

具体而言，作为脆性材料基板W准备厚度为1.1mm的玻璃基板，形成的圆孔的直径D设为1000μm。此外，激光束LB的束斑直径d1设为10μm，激光束LB的扫描轨迹的最大直径d2设为1000μm，一个高度位置的扫描次数设为101次，Δz设为10μm，焦点F在厚度方向上的移动距离(z1－z0)设为400μm。

图3是关于在各条件下通过加工而形成的圆孔的、从上方拍摄的图像和其端部附近的放大图像。图3(a)、(b)、(c)分别是关于条件A、条件B、条件C的图像。此外，图4是通过将图3所示的玻璃基板用穿过直径D的面进行切割而得到的关于圆孔的剖面的拍摄图像。图4(a)、(b)、(c)分别是关于条件A、条件B、条件C的图像。

在条件A的情况下，如图4(a)所示，能进行加工到最深为436μm的位置，但如在图3(a)的放大图像中箭头所示那样，在玻璃基板的表面附近，圆孔的端部产生了裂纹。

此外，在条件B的情况下，从图3(b)可知，没有产生热损伤，但如图4(b)所示，仅能加工到346μm这样的比条件A更浅的位置。

相对于此，在条件C的情况下，从图3(c)可知，与条件B的情况相同地，不产生热损伤，并且如图4(c)所示，能够加工到377μm这样的比条件B更深的位置。

即，在条件C的情况下，通过使开始加工时的激光输出与不产生热损伤的条件B相同，但是随着之后加工的进展使激光输出阶段性地增大，从而不会对基板的表面造成热损伤，相比于条件B，能够加工得更深。

另外，在条件C的情况下，将激光输出的最终值设为与条件A的激光输出的值相同，但通过将该最终值设为更大的值，进一步增大焦点F在厚度方向上的移动距离(z1－z0)，从而能够加工到更深的位置。

附图标记说明

1：光源；

2：工作台；

2m：驱动机构；

3：头部；

3a：检流计反射镜；

3b：透镜；

4：光闸；

5：反射镜；

10：控制部；

100：激光加工装置；

C：焦点的中心；

D：圆孔的直径；

F：焦点；

LB：激光束；

W：脆性材料基板；

d1：束斑直径。

Claims (8)

1.一种脆性材料基板的激光加工方法，通过照射激光束来从脆性材料基板的表面在厚度方向上形成孔，所述脆性材料基板的激光加工方法的特征在于，

一边使所述激光束的焦点从所述脆性材料基板的表面起在厚度方向上变化，并且一边随着所述焦点越远离所述脆性材料基板的表面而越增大所述激光束的输出，一边进行所述激光束对所述脆性材料基板的照射。

2.如权利要求1所述的脆性材料基板的激光加工方法，其特征在于，

通过使所述焦点从所述脆性材料基板的表面起在厚度方向上每次移动规定的距离，从而在所述厚度方向上离散的多个位置上依次地并且以随着所述焦点越远离所述脆性材料基板的表面而越增大所述输出的方式，进行所述激光束对所述脆性材料基板的照射。

3.如权利要求2所述的脆性材料基板的激光加工方法，其特征在于，

所形成的孔为圆孔，

在所述多个位置分别以所述焦点描绘同心圆状的轨迹的方式使所述激光束进行扫描。

4.如权利要求1至3中任一项所述的脆性材料基板的激光加工方法，其特征在于，

所述激光束为皮秒UV激光或皮秒绿激光。

5.一种激光加工装置，其是通过激光束对脆性材料基板进行加工的装置，所述激光加工装置的特征在于，具有：

工作台，其载置固定所述脆性材料基板；

光源，其射出所述激光束；以及

头部，其向载置在所述工作台的脆性材料基板照射从所述光源射出的所述激光束，

一边通过使所述工作台相对于所述头部相对移动而使所述激光束的焦点从所述脆性材料基板的表面起在厚度方向上变化，并且一边随着所述焦点越远离所述脆性材料基板的表面而越增大从所述光源射出的所述激光束的输出，一边进行所述激光束对所述脆性材料基板的照射，由此从所述脆性材料基板的表面起在厚度方向上形成孔。

6.如权利要求5所述的激光加工装置，其特征在于，

通过以所述焦点从所述脆性材料基板的表面起在厚度方向上每次移动规定的距离的方式进行所述工作台相对于所述头部的相对移动，从而在所述厚度方向上离散的多个位置上依次地并且以随着所述焦点越远离所述脆性材料基板的表面而越增大从所述光源射出的所述激光束的所述输出的方式，进行所述激光束对所述脆性材料基板的照射。

7.如权利要求6所述的激光加工装置，其特征在于，

所形成的孔为圆孔，

所述头部在所述多个位置分别以所述焦点描绘同心圆状的轨迹的方式使所述激光束进行扫描。

8.如权利要求5至7中任一项所述的激光加工装置，其特征在于，

所述激光束为皮秒UV激光或皮秒绿激光。