CN1268466C - 利用激光束切割非金属基片的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于通过激光切割非金属基片的方法和装置。在该方法和装置中，用于断开非金属基片的分子键的第一激光束在形成于非金属基片上的切割路径上扫描以形成具有理想深度的裂纹的划线。然后，第二激光束沿着第一激光束的扫描路径扫描，以在基片的深度方向扩展裂纹，并完全分开非金属基片。由于切割速度可以由第一激光束的速度控制，与利用由加热操作和冷却操作造成的温度差的传统切割方法相比，切割速度可以提高，并且切割速度可以容易地加以控制。

Description

利用激光束切割非金属基片的方法及装置
                        技术领域
本发明涉及一种用于切割非金属基片的方法和装置，由诸如玻璃和硅的非金属材料形成的非金属基片通过该方法及装置被分隔成多个小片，并且本发明具体涉及一种用于切割非金属基片的方法和装置，其中由玻璃和硅形成的非金属基片仅仅利用划线(scribing)激光束和切断激光束来完全切割，而不需冷却装置。
                        背景技术
近年来，制造高度集成和高性能半导体产品的半导体工业基于半导体薄膜加工技术的发展而稳步发展。通过半导体薄膜加工技术，半导体产品具有集成在由非金属材料之一的单晶硅制成的所谓“晶片”的高纯度基片上的几百万到几千万个半导体元件。半导体产品用作以数字形式存储数据或快速操纵被存储的数据。
此外，作为半导体工业的应用之一，用于显示由数据处理单元处理成数字形式的模拟视频信号的液晶显示器(LCD)已得到快速发展。在LCD中，液晶注入于两个透明基片之间。电压施加到一定分子排列的液晶上以改变其分子排列成其他的分子排列。液晶元件的诸如双反射率、旋光能力、分光特性以及光散的光学特性被分子排列所改变。
半导体产品和LCD具有的共同特征为它们形成在非金属基片上，即，高纯度硅基片和玻璃基片上。不利的是，非金属基片对于冲击很脆弱并容易破碎。然而，多个半导体芯片或LCD单元元件形成在一片晶片上或大尺寸的玻璃基片上，并然后分隔成单独的元件。
在半导体产品情况下，在一片晶片上形成几个到数百个半导体芯片并通过切割工序切割成单独的芯片后，进行半导体芯片的封装过程以生产半导体产品。
在LCD情况下，在称为母板的大尺寸玻璃基片上形成至少两个或多个LCD单元元件后，LCD单元元件通过分隔工序从母板分隔，并然后进行组装过程。
此时，由于分隔工序属子产品加工的最后的步骤，在分隔工序中的缺陷会对产品的生产率和产量造成不利影响。尤其是，在用于LCD的母板的情况下，由于因为其玻璃特性的原因不具有晶体结构，母板的脆度低于硅晶片。在分隔工序中会在母板的边缘部分形成细小的裂纹。在母板的下一工序中沿着裂纹使应力放大。因此，很容易产生母板的一部分被不期望地切掉的问题。
现有技术中，金刚石刀片中，具有适宜直径的圆形板在其四周表面上密布有精细的金刚石并以高速旋转，金刚石刀片与一“切割路径”接触以便在基片表面上沿着切割路径形成适宜深度的划线，然后，对基片施加物理冲击以便使裂纹沿着划线延伸到基片的下表面，从而将半导体芯片或LCD单元元件从晶片或玻璃母板上分离。
当晶片或玻璃母板的分隔工序利用金刚石刀片进行时，切割余量、即用于切割过程的理想的表面积是必须的。因此，如果切割过程未能精确进行，每单位晶片上获得的半导体芯片的数量就会降低。
尤其是，在LCD情况下，由于金刚石刀片造成的切割面粗略地形成，在切割面上形成有多处应力集中的部分。仅由外界施加的轻微冲击就会容易地使切割面的应力集中部分破裂，从而在切割面垂直生长裂缝或碎渣。
此外，在利用金刚石刀片的情况下，由于产生很多玻璃颗粒，不利的是需要附加的清洗和干燥工序以去除这些玻璃颗粒。
最近，为了解决上述问题，提出了利用激光束的一些方法。例如，名称为“用激光切割玻璃的方法及用该方法制成的物品”的美国专利4,467,168、名称为“激光束玻璃切割”的美国专利4,682,003以及名称为“切断玻璃片的方法”的美国专利5,622,540都公开了上述方法。由于利用激光束的切割方法为非接触类型，与用金刚石刀片摩擦的接触类型的方法相比，不会产生垂直于切割面形成的垂直裂缝。
图1是用于利用激光束切割玻璃基片的传统装置。
如图1所示，划线激光束13，例如是具有相对玻璃95％或更高的吸收率的CO2激光束，其沿着形成在玻璃母板10上的切割路径12扫描以快速加热母板10的切割路径12。
然后，比母板10被加热的温度显著低的冷却流体束14施加到被快速加热的路径12上，于是，在玻璃母板10快速冷却的同时，在母板10的表面上产生理想深度的裂纹，以形成划线15。此时，冷却流体束14可以定位成与划线激光束13分隔理想的距离或与划线激光束13相邻。或者冷却流体束14可以定位在划线激光束13的内部。
随后，诸如CO2激光束的切断激光束沿着划线15线性扫描，以快速加热划线。从而，在划线15产生强烈的张力，从而母板沿着划线15被完全切开。此时，切断激光束相对划线15对称施加，以快速加热划线15的两侧。
如上所述，传统的激光切割装置主要包括激光束产生部分和冷却部分，以便利用激光束加热诸如具有低热传导率的玻璃的非金属基片，并然后快速冷却非金属基片的被加热的部分。因此，热应力向热传导方向(heat movingdirection)扩散，从而切开基片。
然而，在传统的切割装置中，由于在被划线激光扫描后基片必须利用气态或液态冷却物质加以快速冷却，以便产生温度突然变化，限制了基片切割速度的提高。
为了切开诸如硼硅酸盐玻璃(BSG)的玻璃，该种玻璃具有0.26kcal/mh℃的热传导率(金属的热传导率为57kcal/mh℃)激光束必须被汇聚(condense)。然而，由于施加到每个单位表面积上的激光束能量与切割速度成反比，切割速度的增加导致施加到每单位表面积上的激光束能量下降，即使激光束很集中。因此，基片不能完全切割。于是，利用激光束的切割方法与通过增加机械速度来控制切割速度的传统机械切割方法相比，切割速度较低。
此外，由于热应力扩散的方法必须在切割过程的最初阶段产生微小的裂纹，初始裂纹除了诸如CO2激光束的划线激光束外还通过物理外力或基于冲击能量的激光束如YAG，产生在初始切割点处。因此，由于切割装置设置有总共三个激光产生部分，诸如用于产生初始裂纹的激光的部分、用于产生划线激光的部分和用于产生切断激光的部分，制作成本增加了。此外，如果激光头通过切割设备的反复操纵而移动，初始裂纹就会与划线不一致。因此，切割过程具有在基片初始部分切割线形成不规则的问题。
另外，在利用激光束的传统切割方法中，由于诸如水、干冰、氨气等的致冷物质是必须的，可能会产生冷却副产品造成的污染问题，即，在其切割片被用于LCD的玻璃母板的情况下，在切割操作后，剩余的冷却物质被导入液晶注入口，从而，在液晶注入工序中产生缺陷。因此，必须有进一步工序以在切割操作完成后完全去除冷却物质。如果气体被用作冷却物质，由于气体比液体物质密度低，为了增加冷却效率，气体必须具有比液体冷却物质低的温度。然而，如果气体的温度低于环境温度，在切割过程中环境温度会快速下降，由此，环境中的潮湿成份会被冷凝，从而在切割操作完成后在环境中产生潮湿成份，因此在切割过程中产生缺陷。
                        发明内容
因此，本发明的目的是提供一种切割由玻璃或硅制成的非金属基片的方法，其中非金属基片仅通过使用划线激光束和切断激光束而完全切开，而不需冷却装置。
本发明的另一目的是提供一种用于切割非金属基片的装置，其适于执行所述切割方法。
为了获得上述本发明的目的，提供了一种切割非金属基片的方法，其包括以下步骤：在形成在非金属基片上的切割路径上扫描用于断开非金属基片材料的分子间的键的第一激光束以形成具有理想深度的裂纹的划线，并沿着第一激光束的扫描路径扫描第二激光束，以在基片的深度方向扩展裂纹，并完全分离非金属基片。
为了获得上述本发明的另一目的，提供了一种用于切割非金属基片的装置，其包括产生用于断开非金属基片材料的分子间的键的第一激光束的第一激光束产生装置，以便加热形成在非金属基片上的切割路径并形成具有一定深度的裂纹的划线，还包括产生用于沿第一激光束的扫描路径在基片的深度方向扩展裂纹的第二激光束的第二激光束产生装置。
如上所述，根据本发明，具有与非金属基片的自然频率一致的波长的第一激光束用于断开非金属基片的分子键。具有窄并深的裂纹的划线通过第一激光束形成在非金属基片例如玻璃的切割路径上，第一激光束例如是具有266nm波长及相对非金属基片90％或更高的吸收率的第4阶高频YAG激光束。然后作为第二激光束的CO2激光束在划线上扫描以在基片的深度方向扩展裂纹，并完全切开非金属基片。
于是，所述切割装置只有划线激光(第一激光)和切断激光(第二激光)，而没有冷却装置，从而简化了其的结构，并与传统的相比减少了成本。
此外，由于切割速度可以通过第一激光束的速度加以控制，与利用由加热和冷却操纵产生的温度差的传统切割方法相比，切割速度可以提高并容易控制。
此外，在本发明实施例的切割装置中未采用冷却装置，从而防止诸如切割操作后的液晶注入口污染的加工缺陷。
                            附图说明
本发明上述的目的和其它优点将通过参照附图对其优选实施例的详细描述而变得清楚，图中：
图1是利用激光束切割玻璃基片的传统装置的视图；
图2是示出根据本发明一个优选实施例的用于切割玻璃基片的装置的切割机构的视图；
图3是示出用在本发明实施例中的第4阶YAG激光的特性的视图；
图4是由第3阶高频YAG激光和第4阶高频YAG激光形成在玻璃母板上的裂纹形状的横截面图；以及
图5是示出第3阶高频YAG激光和第4阶高频YAG激光相对玻璃的透射率的曲线。
                        具体实施方式
现在，参照附图详细描述本发明优选实施例。
图2是示出根据本发明一个优选实施例的用于切割玻璃基片的装置的切割机构的视图。
参照图2，根据本发明一个实施例的用于切割玻璃基片的装置包括用于产生加热玻璃母板100的切割路径150的激光束的激光束产生单元，以及用于传送激光束产生单元以相对玻璃母板100移动的传送单元(未示出)。
激光束产生单元包括用于提供第一激光束120以加热切割路径150并形成具有一定深度的裂纹的划线160的第一激光束产生元件110和用于提供第二激光束140以沿着第一激光束120的扫描路径在基片100的深度方向扩展裂纹的第二激光束产生元件130。
第一激光束120具有与玻璃固有频率相同的波长以断开玻璃母板100的玻璃分子间的分子键。第一激光束加热玻璃母板100的切割路径150以产生距切割路径150的基片表面理想深度的裂纹并形成划线160。优选地是，第一激光束120由第4阶YAG(钇铝柘榴石，yttrium aluminum garnet)激光形成，该第4阶YAG激光具有166nm的振荡波长以及相对玻璃90％或更高的吸收率。由于具有与玻璃母板100的固有频率相同的波长，第4阶YAG激光束断开玻璃模板100的分子间的分子键，并相对所有划线160产生表面裂纹(参见图4，附图标号180)。
YAG激光一般是与红宝石激光类似的固态激光，其化学成份为Nd：Y3Al5O12，其中大约1％的Nd3+离子包含在YAG晶体中而取代Y3+，以产生近似红外线的波长。YAG激光可以通过高频转换器转化为高频激光束，并从而获得波长532nm的第2阶YAG激光、波长355nm的第3阶激光以及波长266nm的第4阶激光。
图3是示出用于本发明中的第4阶高频YAG激光的特性的视图。
参照图3，入射过凸透镜200的第4阶高频YAG激光的点尺寸“d”可以通过以下公式算出：
d = 4 fλ M 2 πD
其中：“f”为透镜的焦距，“λ”为激光束的波长，M是材料的常数，其取决于激光种类，以及D是激光束的输出宽度。
如上面公式所示，由于点尺寸“d”与激光束的波长成比例，波长越短，点尺寸越小。因此，波长越短，光束密度的程度越高。用作用于在传统激光切割装置中产生初始裂纹的激光束的第3阶高频YAG激光束波长为355nm，其比用作本发明实施例中的第4阶高频YAG激光束的波长长，从而点尺寸为25μm。
相反，由于用在本发明优选实施例中的第4阶高频YAG激光具有比第3阶高频YAG激光短的266nm波长，第4阶高频YAG激光的点尺寸变为10μm，该尺寸小于第3阶高频YAG激光的点尺寸。
为了增大划线精度，优选地，聚焦的激光束具有较小的直径。从而，如图4所示，由于第4阶高频YAG激光束的点尺寸小于第3阶高频YAG激光束的，玻璃母板100和激光束之间的接触表面积被减小以产生尖并深的裂纹。即，由点尺寸约为25μm的第3阶高频YAG激光束产生的裂纹170既宽又浅地形成在玻璃母板100上。然而，由点尺寸约为10μm的第4阶高频YAG激光束产生的裂纹180既尖又深地形成。从而，防止产生垂直于切割路径150的细小裂纹的产生，从而改善了切割工序后切割表面的质量。
图5是示出第3阶高频YAG激光和第4阶高频YAG激光(厚度0.7mm和1.1mm)相对玻璃的透射率的曲线。在图5中，曲线的横轴为激光束的波长，而纵轴为激光束的透射率。
参照图5，由于用在传统激光切割装置中的第3阶高频YAG激光相对0.7mm的玻璃具有约85％的透射率而相对1.1mm玻璃具有约80％的透射率，因此，该YAG激光具有约10％到15％的较低的吸收率。相反，由于用在本发明优选实施例中的第4阶高频YAG激光相对0.7mm的玻璃具有约5％的透射率，而相对1.1mm的玻璃具有约1％的透射率，用在本发明优选实施例中的YAG激光具有约90％到97％的较高的吸收率。
因此，通过第4阶高频YAG激光束在玻璃母板100上刻划由于高的吸收率使划线160既尖又深地形成并且提高刻划速度。例如，当利用根据本发明优选实施例的切割装置切割0.7mm厚度的玻璃LCD板时，完全切开的速度可以增大到400mm/sec。此外，由于在切割装置中不需要冷却装置，该切割速度可以仅通过第一激光束120的速度加以控制。因此，与利用由快速加热工作和快速冷却工作产生的温度差的传统切割方法的相比，切割速度易于控制。
作为象CO2激光束一样的高能量激光的第二激光束140具有理想短轴和长轴的椭圆光束形状，并在玻璃母板100上扫描，以便该形状的长轴与切割路径150对齐。第二激光束140与第一激光束120分隔适宜的距离，并沿着第一激光束120的扫描路径在玻璃基片100上扫描。优选地是，第二激光束140在由第一激光束120在玻璃母板100的切割路径上形成的划线160上扫描。此时，如果划线160被加热以超过玻璃的熔点，其内产生裂纹的一部分将再次接合。因此，第二激光束140必须以与玻璃熔点相同的温度或比其低的温度扫描。
此外，参照图2，第二激光束140宽度(x2：短轴长度)比第一激光束120的宽度(x1：短轴长度)宽。第二激光束140扫描以便形成比第一激光束120浅的深度。在此，激光束的深度意味着每单位表面积激光束的密度。
第一激光束120必须尽可能窄并深地扫描以在玻璃母板100的切割路径150上形成裂纹。另一方面，由于第二激光束140扫描以沿切割路径150完全切开玻璃母板100，第二激光束140必须比第一激光束120更宽并更浅地扫描，以便防止在玻璃母板100上切割路径150之外产生不需要的裂纹。
第二激光束140的光束外形可以通过凹透镜和凸透镜组合于其中的圆柱透镜变形。即，在利用上面形成为凹透镜而下面形成为凸透镜的圆柱透镜情况下，如果点状激光束入射到凹透镜上，激光束由点状变形为具有短轴和长轴的长椭圆形。如果被变形的激光束穿过凸透镜，短轴被进一步缩短，以形成更细长的椭圆形，与其短轴相比其具有延长的长轴。
根据如上所述的本发明实施例的激光切割装置，该切割装置包括划线激光(第一激光)和切断激光(第二激光)，而没有冷却装置，从而简化了其结构，并与传统激光切割装置相比减少了制造成本。此外，本发明实施例的切割装置不采用冷却装置，从而防止诸如切割操作后液晶注入口污染的加工缺陷。
现在，更详细地描述利用图2所示的切割装置切割玻璃母板100的方法。
首先，第一激光束120沿着在玻璃母板100上形成的切割路径150扫描。由于第一激光束120具有与玻璃母板100的固有频率相同的波长，第一激光束120断开玻璃母板100的分子键，以在切割路径150的表面上产生窄并深的裂纹。因此，具有所述裂纹的划线160以理想的深度沿切割路径150形成。
在第一激光束120沿着切割路径150持续前进的同时，第二激光束140沿第一激光束120的扫描路径扫描，以快速加热划线160。即，第二激光束140直接在划线160上扫描。
然后，热梯度只在玻璃母板100的深度方向快速产生。于是，形成在划线160表面上的裂纹竖直扩展到玻璃母板100的下表面，以完全分离玻璃母板100。
在利用冷却装置的传统激光切割装置中，由于细小的裂纹利用由快速加热和快速冷却造成的温度差而形成，诸如玻璃母板的要被切割的物体必须被局部快速加热。因此，由于应该减少传导到没有被激光束加热的部分的热量，要被切割的物体的热传导率成为重要的因素，且要被切割的物体被局限于具有较低热传导率的玻璃和陶瓷材料。
相反，根据本发明实施例的切割装置，由于裂纹由诸如第4阶高频YAG激光束的第一激光束直接形成在诸如玻璃母板的物体上，要被切割的物体的热传导率与传统切割装置相比不那么重要。从而，本发明实施例的激光切割装置可以应用于硅基片以及玻璃和陶瓷材料的切割方法中。
根据如上所述的本发明实施例，第一激光束具有与非金属基片的固有频率相同的波长(即，能够断开非金属基片材料的分子键)。具有窄且深的裂纹的划线利用第一激光束形成在非金属基片的切割路径上，其中所述激光束诸如是具有266nm波长且相对非金属基片的吸收率为90％或更高的第4阶高频YAG激光束。然后，诸如CO2激光束的第二激光束在划线上扫描以在基片的深度方向上扩展裂纹，并完全分离非金属基片。
于是，切割装置只包括划线激光(第一激光)和切断激光(第二激光)，而没有冷却装置，从而与传统装置相比，简化了其的结构并降低了其制造成本。
此外，由于切割速度可以由第一激光束的速度来控制，有利的是，与利用由加热和冷却操作造成的温度差的传统切割方法相比，切割速度可以增加，并且切割速度便于控制。
此外，在本发明实施例的切割装置中未采用冷却装置，从而防止了诸如切割操作后的液晶注入口污染的加工缺陷。
虽然本发明已经详细描述，但应理解的是，在不背离由权利要求书所限定的本发明的精神和范围前提下可以作出各种变化、替代和改进。

Claims (11)

1.一种切割非金属基片的方法，包括以下步骤：
在形成在非金属基片上的切割路径上扫略用于断开非金属基片材料的分子键的第一激光束，以形成具有理想深度的裂纹的划线；以及
沿第一激光束的扫略路径扫略第二激光束，以在基片的深度方向扩展裂纹，并完全分开非金属基片。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第一激光束具有相对非金属基片90％或更高吸收率的波长。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，非金属基片是玻璃，而第一激光束是266nm波长的第4阶高频YAG激光束。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第一激光束从切割路径的起始点向切割路径的终点扫略。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第二激光束为CO2激光束。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第一激光束具有小于第二激光束的宽度。
7.一种用于切割非金属基片的装置，包括：
第一激光束产生装置，其产生用于断开非金属基片的分子键的第一激光束，以便加热在非金属基片上形成的切割路径并形成具有理想深度的裂纹的划线；以及
第二激光束产生装置，其产生用于在基片的深度方向沿第一激光束的扫略路径扩展裂纹的第二激光束。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，第一激光束具有相对非金属基片90％或更高吸收率的波长。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，第一激光束是266nm振荡波长的第4阶高频YAG激光束。
10.如权利要求7所述的装置，其特征在于，第二激光束为CO2激光束。
11.如权利要求7所述的装置，其特征在于，第一激光束具有小于第二激光束的宽度。
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