CN1349875A - 用激光束切割非金属衬底的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种切割非金属衬底的装置和方法。一个激光束产生装置向在衬底内的切割路线产生第一激光束用来加热切割路线,形成一划痕线。激光束产生装置还产生第二激光束,它与第一激光束间隔一预定距离,沿第一激光束的发射路线形成一光栅。一冷却装置将一冷流体束施加在切割路线上形成一个裂缝,用一光栅切割非金属衬底,所以使光学系统简单化。在划痕线中产生一个大的张力,立刻完全切割厚的非金属衬底。

Description

用激光束切割非金属衬底 的方法和装置
本发明涉及一种用以将非金属材料制成的平面型非金属衬底精确地切割为若干片的方法和装置，非金属衬底比如是玻璃或硅。更具体地说，本发明涉及一种用来切割非金属衬底的方法和装置，其中，在一个切割路线内产生一个切割激光束，切割激光束沿着激光束划线切割由如玻璃或硅的非金属材料制成的非金属衬底，以便沿着预定的切割路线精确地切割非金属衬底。
最近，随着半导体薄膜制造技术的发展，用来制造高集成和高性能半导体产品的半导体工业不断前进。在半导体产品中，好几万个半导体器件通过薄膜制造程序被集成在一个高纯度的衬底上。与晶片有关的衬底由单晶体硅制成，单晶体硅是一种非金属材料。半导体产品储存数字信号形式的数据，并且在瞬间用算术处理储存的数据。
另外，作为半导体工业的一个应用，液晶显示(LCD)技术迅速发展起来，该技术是通过在一个数据处理单元将被处理的模拟信号转换为一个数字信号来显示一个图像。在液晶显示装置中，液晶分子充满两个透明衬底之间。液晶显示装置通过将一电场加在液晶分子上将液晶分子的排列变为某一特定的排列。通过改变液晶分子的排列，液晶元件的光学特性比如双折射、拱极化(circumpolarization)、二色性和光散射等特性被改变，从而以不同方式显示图像。
半导体装置和液晶显示装置通常形成在非金属衬底上，比如高纯度的硅衬底或玻璃衬底上。虽然非金属衬底防止外部撞击的能力较差，但是非金属衬底有以下优点：形成于晶片或玻璃衬底上的若干半导体小片或若干晶体单元可以容易地切成单个半导体小片或晶体单元。
在半导体器件的情形下，好几百个半导体小片同时在一个晶片上形成。然后，由切割程序单独切割半导体小片。之后，根据半导体小片完成包装过程从而形成半导体产品。
在液晶显示装置的情形下，在用做母板的玻璃衬底上同时形成至少两个LCD晶体单元。然后，由切割程序从母板上切割LCD晶体单元后，再执行一个装配过程。
这时，由于切割程序几乎是制造工序中的最终步骤，因此，如果失误即切割错误发生在切割程序中，产品的成品率就会下降。具体地说，用在液晶显示装置中的母板由玻璃制成，所以母板没有晶体结构。因而，母板比硅晶片脆。为了这个原因，如果切割过程中在母板的边缘部位形成一个细小裂纹，应力就会沿细小裂纹增大，从而当进行后面的切割过程时就会切割母板的不希望的部分。
通常，金刚石刀片与切割路线接触以便沿切割路线在衬底上形成预定深度的划痕线，在金刚石刀片中，将精细的金刚石固定在盘的周边部分上并且使金刚石刀片高速旋转。然后，从外部冲击衬底，以便沿划痕线出现一个裂纹。从而从晶片或玻璃母板上切割出半导体小片或LCD晶体单元。
当用金刚石刀片执行切割程序时，在晶片或玻璃母板上要留出预定的切割边缘，所以如果不是精确执行切割程序，则从晶片上得到的半导体小片的数量受到限制。
在液晶显示装置的情形下，对由金刚石刀片切割的切割平面进行粗加工，以便应力集中在切割平面上。因此，当从外部冲击切割平面时，就会在切割平面内形成裂纹和碎片部分。
另外，金刚石刀片产生许多玻璃颗粒，所以需要单独的清洁和干燥程序以清除这些玻璃颗粒。
为了解决上述问题，已经开发了各种采用激光束的切割方法和装置。例如，美国专利号4467168公开了一种用激光的切割方法和一种用激光制造物品的方法。另外，美国专利号4682003公开了一种用激光束切割玻璃的方法，美国专利号5622540公开了一种切割玻璃衬底的方法。
图1示出一种传统的用激光束切割玻璃衬底的装置。
参考图1，激光束1沿玻璃母板2的切割路线3发射，以便迅速加热切割路线3。然后，温度大大低于被加热玻璃母板2的温度的冷流体束4沿切割路线3发射，以便利用玻璃母板2的迅速膨胀和收缩而引起的张力沿切割路线3切割玻璃母板2。
图1所示的切割装置可以立即切割较薄的玻璃母板。近来，要求液晶显示装置有大的尺寸，这样也就增加了玻璃母板的表面积和厚度。具体地说，现有玻璃母板的厚度超过0.5mm。因此，为了立即切割厚度超过0.5mm的玻璃母板，就要求激光束1有非常高的能量值。
当发射在玻璃母板2上的激光束1的能量值增加时，玻璃母板2的切割路线3与切割路线3周围部分之间的温差大大增加。因此，在冷流体束4冷却切割路线2之前，在玻璃母板2的局部产生裂纹，在该局部母板中的温差大大增加，这样可以切割到玻璃母板2的不希望的部分。
为了解决上述问题，已经开发出一种不用高能量激光束切割玻璃衬底的装置。该切割装置如图2所示。
参考图2，为了迅速加热切割路线12，沿玻璃母板10的切割路线12发射划痕线激光束13。然后，沿切割路线12施加温度大大低于被加热的玻璃母板10的温度的冷流体束14。然后，迅速冷却玻璃母板10，这样在玻璃母板10的表面上形成预定深度的裂纹，从而形成划痕线15。之后，在划痕线15周围迅速加热玻璃母板10的两侧。因此，玻璃母板10的两侧迅速膨胀，从而在划痕线15处产生巨大的张力。结果，沿划痕线15完全切割玻璃母板10。
根据图2所示的切割装置，即使当被加热的切割路线12与被冷却的切割路线12之间的温差不很大时，也可以形成划痕线15。另外，由于剪切应力随划痕线15与划痕线15周边部分之间的温差增加而增加，所以切割装置可以立即切割较厚的玻璃母板。
但是，由于图2所示的切割装置在发射冷流体束后用至少两个光栅切割玻璃母板，所以要求调节光栅的量和强度。另外，为了线性切割玻璃母板就必须对称调节光栅。而对称调节光栅需要许多时间。另外，由于激光束必须形成至少两个光栅，所以需要一个独立装置例如分光器，这样就使光学系统复杂化。
因此，本发明的第一个目的是提供一种用结构简单的光学系统切割玻璃或硅制成的非金属衬底的方法。
本发明的第二个目的是为合适地执行该切割方法的装置。
为了实现本发明的第一个目的，提供一种切割非金属衬底的方法，该方法包括下列步骤。
通过向非金属衬底上预先确定的切割路线发射第一激光束迅速加热该切割路线的第一区。通过向被加热的切割路线施加冷流体束形成一个深度预定的划痕线。然后，通过沿第一激光束的发射路线发射第二激光束迅速加热该划痕线，从而完全切割非金属衬底。
为了实现本发明的第二个目的，提供一种切割非金属衬底的装置，该装置包括一个向非金属衬底内形成的切割路线上产生第一激光束并且用来产生第二激光束的第一装置，第一激光束用来加热切割路线，以便在切割路线上形成一划痕线，第二激光束与第一激光束相隔一预定距离，以这样一种方式，即沿第一激光束的发射路线形成一个光栅。第二装置通过将冷流体束施加在切割路线上形成一个裂纹，该切割路线形成于第一激光束和第二激光束之间。
为了实现本发明的第二个目的，根据本发明的另一个实施例，这里提供一种切割非金属衬底的装置，该装置包括一个第一装置，该第一装置向非金属衬底内形成的切割路线上产生第一激光束，加热切割路线以便在切割路线上形成一划痕线以及向该划痕线上产生第二激光束，该第二激光束与第一激光束保持一个预定距离。第二装置通过将冷流体束施加在切割路线上形成一个裂纹，该切割路线形成于第一激光束和第二激光束之间。
根据本发明，在施加冷流体束后，用一个光栅切割非金属衬底，所以简化了光学系统。另外，减小了调节光栅和激光强度的时间。
本发明的上述目的和其他优点通过参考附图对最佳实施例的详细说明而变得更加清楚，其中：
图1是一个用激光束切割玻璃衬底的传统装置示意图；
图2是另一个用激光束切割玻璃衬底的传统装置示意图；
图3是根据本发明一个实施例的玻璃衬底切割装置的切割机理示意图；
图4是由图3所示的切割激光束引起的在玻璃衬底中的热分布简图；
图5A-5C是表示切割激光束的各种光栅的平面图。
下面结合附图描述本发明的优选实施例。
图3是根据本发明一个实施例的玻璃衬底切割装置的切割机理示意图。
参考图3，玻璃衬底切割装置有一个用来产生加热玻璃母板100的切割路线200的激光束的激光束产生装置110，一个为在玻璃母板100上沿切割路线(Y-轴方向)形成一裂纹而将一冷流体束作用在被加热玻璃母板100上的冷却装置120，和用来相对于玻璃母板100传送激光束产生装置110和冷却装置120的传送装置(未示)。
具体地说，激光束产生装置110包括用来产生划痕线激光束130的第一激光束产生装置140和用来产生切割激光束150的第二激光束产生装置160。第一激光束产生装置140和第二激光束产生装置150分别有一个激光源。可选择的是，可以用一个分光器将从一个激光源产生的激光束分开。
第一激光束产生装置140产生的划痕线激光束130有一个长椭圆形状的光栅，该椭圆有一主轴和一副轴。当划痕线激光束130的主轴与玻璃母板100的切割路线200对齐时，将划痕线激光束130发射进玻璃母板100中。
第二激光束产生装置160产生的切割激光束150与划痕线激光束130保持距离并沿划痕线激光束130的发射路线发射进玻璃母板100内。切割激光束150最好也有一个长椭圆形状的光栅，该椭圆有一主轴和一副轴。当切割激光束150的主轴与玻璃母板100的切割路线200对齐时，将切割激光束150发射进玻璃母板100中。这时，切割激光束150的温度低于或等于玻璃母板100的熔点。
另外，切割激光束150的宽度(x2)大于划痕线激光束130的宽度(x1)。具体地说，划痕线激光束130的宽度(x1)不超过5mm，切割激光束150的宽度(x2)大于划痕线激光束130的宽度(x1)并且不超过20mm。
切割激光束150的深度(z2)浅于划痕线激光束130的深度(z1)。激光束的深度意味着单位面积的激光束强度。因此，划痕线激光束130必须深而窄地发射到玻璃母板100上以便在切割路线200上形成裂纹。另一方面，切割激光束150必须浅而宽地发射到玻璃母板100上，以这样一种方式，即不会在玻璃母板100上形成不想要的裂纹。
图4示出在玻璃母板100内由切割激光束150引起的热分布。
参照图4，切割激光束150发射到一划痕线210上，该划痕线由划痕线激光束130和一冷流体束170在切割路线200内形成。因此，切割激光束150对划痕线210产生一巨大的张力。同时，由于切割激光束150直接照在划痕线210上面，所以如果划痕线210被加热到玻璃熔点之上，裂纹部分就会粘结。因此，切割激光束的温度低于玻璃的熔点。
图5A到5C是表示切割激光束150的各种光栅的平面图。
图5A表示的是垂直椭圆形状的光栅。该光栅适合用来增加切割速度至约150mm/sec。
图5B表示的是圆形形状的光栅以及图5C表示的是水平椭圆形状的光栅。图5B和5C中的光栅适合用来增加切割精度。
由于切割激光束150只形成一个光栅，所以用一个圆柱形透镜可以转换激光束的轮廓，在透镜中一个凹镜和一个凸镜相互配合，这样就不需要一个像分光镜一样的额外透镜。因此，可以简化光学系统。
例如，在一个圆柱形的透镜中，透镜的上表面有一个激光束入射在其中的凹透镜，透镜的下表面有一个凸透镜，如果有圆点形状的激光束被入射进凹透镜中，则激光束的形状被转换为长椭圆形状。然后，如果已转换的激光束穿过凸透镜，则椭圆的副轴被进一步缩短而主轴被进一步拉长。
冷却装置120将冷流体束170作用在切割路线200上，该切割路线在划痕线激光束130和切割激光束150之间形成。冷流体束170为圆点状并且利用冷却水或低温冷却气体，比如包括液氦、氮和氩的低温惰性气体。另外，为了实现优良的冷却效果，可以同时使用冷却水和冷却气体。冷流体束170的宽度(x3)最好小于划痕线激光束130的宽度(x1)。
这时，冷流体束170的位置对于立即切割厚玻璃母板100来讲非常重要。
图3中，冷流体束170被安置在与划痕线激光束130主轴的下端的距离为L1的位置处，并且与切割激光束150主轴的上端的距离为L2。
冷流体束170在由划痕线激光束130加热的切割路线200上引起裂纹，从而在假设的(想象的)切割路线上形成划痕路线210。当在切割路线200上形成划痕线210时，切割激光束150发射进划痕线210中。因此，在划痕线210中产生一个大的张力，这样可以完全沿着划痕线210切割玻璃母板100。
这时，如果冷流体束170的位置偏向划痕线激光束130，即，如果距离L2大于距离L1，则由划痕线激光束130加热的玻璃母板100的温度迅速被冷却下来以便容易形成划痕线210。因此，最好将冷流体束170施加在与划痕线激光束130的主轴的低端(即L1＝0)接触的那一部分，或者施加在位置仅低于划痕线激光束130的主轴的低端的那一部分(即L1＞0)。可选择的，冷却的流体激光束170可以施加在划痕激光束30的一个区域上(即L1＜0)。以这种方式把冷流体束170施加到玻璃母板100上后，则通过迅速加热和迅速冷却就使玻璃母板100的局部温差达到最大。
另外，最好使冷流体束170和切割激光束50之间尽可能形成最短的距离L2。随着距离L2变短，由切割激光束150加热的切割路线210与其周围部分之间的温差加大，从而也增加了剪切应力。因此，能够方便迅速地完全切割厚玻璃母板100。
虽然切割激光束150和冷流体束170可以根据切割速度和其他条件而变化，但最好让切割激光束150和冷流体束170相互邻近地形成。最好将冷流体束170和切割激光束150之间的距离L2保持在25mm以下。例如，当切割速度为200到250mm/sec时，距离L2被设置为16mm。
在下文中，将要描述一种用来利用图3所示的切割装置切割玻璃母板100的方法。
首先，划痕线激光束130沿切割路线200发射到玻璃母板100上，从而迅速加热切割路线200的第一区。然后沿划痕线激光束130施加冷却气体、冷却水、或其混合物，因此迅速冷却切割路线200。即将冷流体束170加在切割路线200的紧邻第一区的第二区或加在切割路线200的第三区，该区以预先确定的距离与第一区隔开。可替换地，可以将冷流体束170加在形成于切割路线200的第一区内的第四区。
因此，如图3所示，被划痕线激光束130加热的玻璃母板100被冷流体束170迅速冷却，从而在玻璃母板100的表面上产生深度预定的裂纹，并且沿切割路线200形成划痕线210。
当沿切割路线200移动划痕线激光束130和冷流体束170时，切割激光束150沿切痕线激光束130的发射路线发射到玻璃母板100上，从而再一次迅速加热划痕线210。这时，切割激光束150仅发射在划痕线210上面。
通过将切割激光束150正好发射在划痕线210上面，则在形成有裂纹的划痕线210内产生巨大的张力，因此，裂纹沿划痕线210线性延伸到玻璃母板100的下侧，从而完全切割玻璃母板100。
如上所述，根据本发明，在沿划痕线施加冷流体束之后，用一光栅切割玻璃母板，可以减小调节光栅尺寸和光束强度的时间。另外，由于利用一个如分光镜的光学透镜而不用增加透镜来形成一个光栅，从而简化了光学系统。另外，通过将切割激光束直接发射进入划痕线而在划痕线内产生巨大张力，所以可以立即完全切割厚玻璃母板。
虽然已经详细描述了本发明，但应当理解的是，可以进行各种变化、替代和改变而不背离下面权利要求限定的本发明的精神和范围。

Claims (32)

1.一种切割非金属衬底的方法，包括步骤：
i)通过向非金属衬底上预先确定的切割路线发射第一激光束迅速加热该切割路线的第一区；
ii)通过向被加热的切割路线发射冷流体束形成一个深度预先确定的划痕线；和
iii)通过沿第一激光束的发射路线发射第二光束迅速加热该划痕线，从而完全切割非金属衬底。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第二激光束仅发射在划痕线上方。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第二激光束的温度低于非金属衬底的熔点。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一激光束的宽度小于第二激光束的宽度，冷流体束的宽度小于第一激光束的宽度。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一激光束的宽度小于5mm，第二激光束的宽度大于第一激光束的宽度并且小于20mm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，冷流体束发射在切割路线的第二区，第二区与切割路线的第一区相邻。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，冷流体束施加在切割路线的第三区上，第三区与切割路线的第一区间隔一预定距离。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，冷流体束和第一激光束之间的距离不大于25mm。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，冷流体束发射在切割路线的第四区上，该区位于第一区的内部，第一激光束发射在第一区。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，发射第二激光束以便有一个圆形形状或椭圆形状。
11.一种切割非金属衬底的装置，包括：
一个第一装置，该装置用来向非金属衬底内形成的切割路线上产生第一激光束以及用来产生第二激光束，第一激光束用来加热切割路线，以便在切割路线上形成一划痕线，第二激光束与第一激光束相隔一预定距离，以这样一种方式即，沿第一激光束的发射路线形成一个光栅；和
一个第二装置，该装置通过将冷流体束施加到在第一激光束和第二激光束之间形成的切割路线上而形成一个裂纹。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，第二激光束的温度低于非金属衬底的熔点。
13.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，第一装置包括一个用来产生第一和第二激光束的激光源。
14.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，第一激光束的宽度小于第二激光束的宽度，冷却激光束的宽度小于第一激光束的宽度。
15.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，第一激光束的宽度小于5mm，第二激光束的宽度大于第一激光束的宽度并且小于20mm。
16.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，第一激光束与冷流体束之间的距离大于0。
17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，第一激光束与冷流体束之间的距离不大于25mm。
18.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，冷流体束与第一激光束之间的距离小于0。
19.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，冷流体束与第一激光束之间的距离等于0。
20.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，第二激光束的深度比第一激光束的深度浅。
21.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，第二激光束为圆形或椭圆形。
22.一种切割非金属衬底的装置，包括：
一个第一装置，该装置用来向非金属衬底内形成的切割路线上产生第一激光束，以加热该切割路线，以便在该切割路线上形成一划痕线，以及用来向该划痕线上产生第二激光束，该第二激光束与第一激光束保持一个预定距离；和
一个第二装置，用来通过将冷流体束施加到该在第一激光束和第二激光束之间形成的切割路线上面而形成一个裂纹。
23.根据权利要求22所述的装置，其特征在于，第二激光束的温度低于非金属衬底的熔点。
24.根据权利要求22所述的装置，其特征在于，第一装置包括一个用来产生第一和第二激光束的激光源。
25.根据权利要求22所述的装置，其特征在于，第一激光束的宽度小于第二激光束的宽度，冷却激光束的宽度小于第一激光束的宽度。
26.根据权利要求22所述的装置，其特征在于，第一激光束的宽度不大于5mm，第二激光束的宽度大于第一激光束的宽度并且不大于20mm。
27.根据权利要求22所述的装置，其特征在于，第一激光束与冷流体束之间的距离大于0。
28.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，第一激光束与冷流体束之间的距离不大于25mm。
29.根据权利要求22所述的装置，其特征在于，冷流体束与第一激光束之间的距离小于0。
30.根据权利要求22所述的装置，其特征在于，冷流体束与第一激光束之间的距离等于0。
31.根据权利要求22所述的装置，其特征在于，第二激光束的深度比第一激光束的深度浅。
32.根据权利要求22所述的装置，其特征在于，第二激光束为圆形或椭圆形。
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