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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Flüssigkristalldisplays
(LCD), und spezieller betrifft sie ein Verfahren zum Zerteilen eines Substrats
unter Verwendung eines Femtosekundenlasers, wodurch eine Verbesserung
der Produktivität erzielt
werden kann.
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Erörterung
der einschlägigen
Technik
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Einhergehend
mit der schnellen Entwicklung auf Gebieten der Informationskommunikation
erlangen Displays Bedeutung, die dazu ausgebildet sind, gewünschte Information
anzuzeigen. Unter derartigen Informationsdisplays haben Kathodenstrahlröhren (CRTs)
aufgrund ihrer Eigenschaften, zu denen die Reproduzierbarkeit verschiedener
Farben und hervorragende Schirmhelligkeit gehören, dauerhaft Beliebtheit
erfahren.
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Aufgrund
der jüngeren
Nachfrage nach tragbaren Displays mit großen Abmessungen und hoher Auflösung finden
Flachtafeldisplays hohe Nachfrage, um CRTs zu ersetzen, die schwer
und voluminös sind.
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Flachtafeldisplays
sind innerhalb eines großen
und diversifizierten Bereichs von Anwendungen von industriellen
und Verbraucheranwendungen bis zu Anwendungen in Luft- und Raumfahrzeugen
von Nutzen.
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Aktuell
existieren mehrere Typen kommerziell verfügbarer Flachtafeldisplays wie
LCDs, Elektrolumineszenzdisplays (ELDs), Feldemissionsdisplays (FEDs),
Plasmadisplaytafeln (PDPs) und dergleichen.
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Zum
Herstellen von Flachtafeldisplays gehört im Allgemeinen eine Vereinzelung,
oder Unterteilung, eines zerbrechlichen Substrats in Einheitselemente
unter Verwendung eines Zerteilprozesses. Normalerweise ist eine
Anzahl von Einheitselementen, wie Halbleiterchips in einem Matrixarray
auf dem zerbrechlichen Substrat hergestellt, um große integrierte
Schaltkreise herzustellen.
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Die
bei Flachtafeldisplays verwendeten zerbrechlichen Substrate werden
typischerweise aus Glas, Silicium oder Keramik hergestellt. Es existieren zwei
repräsentative
Verfahren, wie sie beim Zerteilprozess zum Zerteilen des zerbrechlichen
Substrats verwendet werden, nämlich
ein Schneidverfahren und ein Ritzverfahren. Beim Schneidverfahren
werden unter Verwendung einer Diamantklinge mit einer Dicke von
50 bis 200 μm
durch Drehen derselben mit hoher Drehzahl Rillen in ein Substrat
geschnitten. Beim Ritzverfahren werden unter Verwendung eines Ritzrads
aus Diamant Rillen in eine Oberfläche des Substrats geschnitten,
um in der Dickenrichtung desselben einen Riss auszubilden. Der Diamant
verfügt normalerweise über eine
Dicke von 0,6 bis 2,0 mm.
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Das
Schneidverfahren ist dazu geeignet, ein Substrat, das an einer seiner
Oberflächen
mit einem Dünnfilm
oder einem konvexen Abschnitt versehen ist, zu zerteilen, da eine
sehr dünne
Klinge verwendet wird. Beim Schneidverfahren wird aus Wärme im Bereich,
in dem die Klinge das Substrat zerschneidet, Wärme erzeugt. Ferner wird, da
der Schneidprozess mit dem Schnittbereich zugeführtem Kühlwasser ausgeführt wird,
das Schneidverfahren nicht als Verfahren angesehen, das für ein Flachtafeldisplay
geeignet wäre,
das Metallabschnitte wie Metallelektrodenschichten oder Metallanschlüsse enthält.
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Häufig ist
es schwierig, das Kühlwasser
nach dem Schneidprozess völlig
zu entfernen. Wenn Feuchtigkeit vom Kühlwasser her nicht vollständig entfernt
wird, können
die Metallabschnitte des Flachtafeldisplays erodieren oder rosten.
Ferner benötigt das
Schneidverfahren typischerweise mehr Zeit als das Ritzverfahren,
wodurch die Produktivität
und die Herstelleffizienz abnehmen.
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Kühlwasser
ist nicht erforderlich, wenn ein Substrat unter Verwendung des Ritzverfahrens
zerteilt wird, was das Ritzverfahren zu einem effizienteren Prozess
als das Schneidverfahren macht.
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Die 1 ist
eine Schnittansicht unter Veranschaulichung eines üblichen
LCD. Dieses LCD wird gemäß dem folgenden
Verfahren hergestellt. Der Einfachheit halber erfolgt die folgende
Beschreibung nur in Zusammenhang mit einem Pixelbereich, obwohl
für diese
Beschreibung die Herstellung aller Pixelbereich typisch ist.
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Wie
es in der 1 dargestellt ist, wird als Erstes
in einem vorbestimmten Bereich auf einem ersten transparenten Substrat 10 eine
Gateelektrode 11 aus einem leitenden Material wie Metall,
hergestellt. Dann wird auf die gesamte Oberfläche des ersten Substrats 10 mit
der Gateelektrode 11 ein Gateisolierfilm 12 aus
Siliciumnitrid (SiNx) oder Siliciumoxid (SiO2)
aufgetragen.
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Danach
wird in einem der Gateelektrode 11 entsprechenden Bereich
eine aktive Schicht 13 aus amorphem Silicium auf dem Gateisolierfilm 12 platziert.
Auf der aktiven Schicht 13 wird in jeweiligen Seitenrandabschnitten
der aktiven Schicht 13 entsprechenden Bereichen eine ohmsche
Kontaktschicht 14 hergestellt. Diese ohmsche Kontaktschicht 14 wird
aus dotiertem, amorphem Silicium hergestellt.
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Anschließend werden
auf die ohmsche Kontaktschicht 14 Source- und Drainelektroden 15 und 16 aus
einem leitenden Material wie Metall aufgebracht. Die Source- und
Drainelektroden 15 und 16 bilden gemeinsam mit
der Gateelektrode 11 einen Dünnschichttransistor T.
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Indessen
ist, was nicht dargestellt ist, die Gateelektrode 11 mit
einer Gateleitung verbunden und die Sourceelektrode 15 ist
mit einer Datenleitung verbunden. Die Gateleitung und die Datenleitung schneiden
einander und bilden einen Pixelbereich.
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Dann
wird auf der gesamten Oberfläche
des ersten Substrats 10 mit den Source- und Drainelektroden 15 und 16 ein
Schutzfilm 17 hergestellt. Dieser Schutzfilm 17 wird
aus Siliciumnitrid, Siliciumoxid oder einem organischen Isoliermaterial
hergestellt. Der Schutzfilm 17 verfügt über ein Kontaktloch 18, durch
das ein vorbestimmter Teil der Oberfläche der Drainelektrode 16 freigelegt
ist.
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Danach
wird im Pixelbereich auf den Schutzfilm 17 eine Pixelelektrode 19 aufgetragen,
die aus einem transparenten, leitenden Material besteht. Die Pixelelektrode 19 ist
durch das Kontaktloch 18 mit der Drainelektrode 16 verbunden.
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Dann
wird auf der gesamten Oberfläche
des ersten Substrats 10 mit der Pixelelektrode 19 ein
erster Ausrichtungsfilm 20 hergestellt. Der erste Ausrichtungsfilm 20 besteht
z.B. aus Polyimid, und er verfügt über eine
Oberfläche,
auf der seine Moleküle in
einer vorbestimmten Richtung ausgerichtet sind.
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Indessen
wird ein zweites transparentes Substrat 31 mit einem vorbestimmten
vertikalen Abstand gegen das Substrat 10 über diesem
angeordnet.
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Auf
der Unterseite des zweiten Substrats 31 ist in einem dem
Dünnschichttransistor
T des ersten Substrats 10 entsprechenden Bereich eine Schwarzmatrix 32 ausgebildet.
Obwohl es nicht dargestellt ist, bedeckt die Schwarzmatrix 32 auch
einen anderen Bereich als die Pixelelektrode 19.
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Dann
wird auf dem zweiten Substrat 31 unter der Schwarzmatrix 32 ein
Farbfilter 33 hergestellt. In der Praxis werden Farbfilter
in Form wiederholter Filtermuster für Rot (R), Grün (G) und
Blau (B), von denen jedes einem Pixelbereich entspricht, angeordnet.
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Anschließend wird
auf dem zweiten Substrat 31 unter dem Farbfilter 33 eine
gemeinsame Elektrode 34 aus einem transparenten, leitenden
Material hergestellt. Dann wird auf dem zweiten Substrat 31 unter
der gemeinsamen Elektrode 34 ein zweiter zerteilen 35 hergestellt.
Dieser zweite Ausrichtungsfilm 35 besteht z.B. aus Polyimid,
und er verfügt über eine Oberfläche, auf
der seine Moleküle
in einer vorbestimmten Richtung ausgerichtet sind. Zwischen dem ersten
Ausrichtungsfilm 20 und dem zweiten Ausrichtungsfilm 35 wird
eine Flüssigkristallschicht 40 dicht eingeschlossen.
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Das
oben beschriebene LCD wird unter Verwendung der folgenden Prozesse
hergestellt: eines Arraysubstrat-Herstellprozesses, zu dem die Herstellung
von Dünnschichttransistoren
und Pixelelektroden auf einem Substrat zum Herstellen eines Arraysubstrats
gehört;
eines Farbfiltersubstrat-Herstellprozesses, zu dem das Herstellen
von Farbfiltern und einer gemeinsamen Elektrode auf einem anderen
Substrat zum Herstellen eines Farbfiltersubstrats gehört; und
eines Flüssigkri stalltafel-Herstellprozesses,
zu dem die Anordnung der zwei hergestellten Substrate, das Einfüllen und
das dichte Einschließen
eines Flüssigkristallmaterials
sowie das Anbringen von Polarisationsplatten zum Herstellen einer
Flüssigkristalltafel
gehören.
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Die 3 ist
ein Flussdiagramm zum Veranschaulichen eines üblichen LCD-Herstellverfahrens.
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Gemäß diesem
Verfahren werden als Erstes ein Dünnschichttransistor(TFT)-Arraysubstrat
mit TFTs sowie ein Farbfiltersubstrat mit Farbfiltern hergestellt
(S1), wie es in der 2 dargestellt ist.
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Das
TFT-Arraysubstrat wird dadurch hergestellt, dass die Prozesse des
Abscheidens eines Dünnfilms
und des Strukturierens desselben wiederholt ausgeführt werden.
In diesem Fall repräsentiert die
Anzahl der zum Strukturieren der Dünnfilme bei der Herstellung
des TFT-Arrays verwendeten Masken die Anzahl der bei der Herstellung
desselben verwendete Prozesse. Aktuell wird daran geforscht, die Anzahl
der Masken zu verringern und so die Herstellkosten zu senken.
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Das
Farbfiltersubstrat wird dadurch hergestellt, dass sequenziell eine
Schwarzmatrix zum Verhindern des Ausleckens von Licht durch einen
anderen Bereich als aus Pixelbereichen, Farbfilter für R, G und
B sowie eine gemeinsame Elektrode hergestellt werden. Die Farbfilter
können
unter Verwendung eines Einfärbeverfahrens,
eines Druckverfahrens, eines Pigmentdispersionsverfahrens, eines
Elektroabscheidungsverfahrens und dergleichen hergestellt werden.
Aktuell wird am häufigsten
das Pigmentdisperionsverfahren verwendet. Anschließend wird
auf jedem Substrat ein Ausrichtungsfilm hergestellt, um eine anfängliche
Ausrichtung von Flüssigkristallmolekülen zu bestimmen
(S2).
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Die
Herstellung des Ausrichtungsfilms erfolgt unter Verwendung eines
Prozesses zum Auftragen eines Polymer-Dünnfilms und zum Behandeln der Oberfläche desselben
in solcher Weise, dass die Moleküle
desselben auf der behandelten Fläche
in einer vorbestimmten Richtung orientiert sind. Im Allgemeinen
werden für
den Ausrichtungsfilm hauptsächlich organische
Materialien auf Polyimid-Basis verwendet. Für das Ausrichtungsverfahren
wird im Allgemeinen ein Reibeverfahren verwendet.
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Gemäß dem Reibeverfahren
wird der Ausrichtungsfilm unter Verwendung eines Reibetuchs in einer
vorbestimmten Richtung gerieben. Dieses Reibeverfahren ist zur Massenherstellung
geeignet, da es möglich
ist, auf einfache Weise eine Behandlung zur Ausrichtung zu erzielen.
Auch zeigt das Reibeverfahren Vorteile einer stabilen Ausrichtung
und einer einfachen Steuerbarkeit des Vorkippwinkels.
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Es
wurde auch ein optisches Ausrichtungsverfahren entwickelt und verwendet,
mit dem eine Ausrichtung unter Verwendung polarisierter Strahlen erzielt
wird.
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Als
Nächstes
wird auf einem der zwei Substrate ein Abdichtmuster hergestellt
(S3). Dieses Abdichtmuster ist um einen Bereich, in dem ein Bild
angezeigt wird, herum angeordnet. Das Abdichtmuster verfügt über eine Öffnung zum
Einfüllen
eines Flüssigkristallmaterials,
und es dient dazu, zu verhindern, dass das eingefüllte Flüssigkristallmaterial
ausleckt.
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Das
Abdichtmuster wird dadurch hergestellt, dass eine durch Wärme härtbare Harzschicht
mit einem vorbestimmten Muster aufgetragen wird. Beim Herstellen
des Abdichtmusters wird ein Siebdruckverfahren unter Verwendung
einer Siebmaske ver wendet. Alternativ kann auch ein Verfahren unter
Verwendung eines Abdichtmaterialspenders verwendet werden.
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Das
Siebdruckverfahren zeigt den Nachteil, dass Erzeugnisse schlechter
Qualität
hergestellt werden können,
wenn die Siebmaske mit dem Ausrichtungsfilm in Kontakt gelangt.
Ferner wird der Siebmaskenprozess bei erhöhten Substratgrößen schwieriger
und fehleranfällig.
Daher wird das Verfahren mit einem Abdichtmittelspender häufiger verwendet,
da es nicht die Nachteile des Siebdruckverfahrens zeigt.
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Anschließend werden
Abstandshalter mit vorbestimmter Größe auf das TFT-Arraysubstrat
oder das Farbfiltersubstrat aufgesprüht, um zwischen diesen beiden
Substraten einen genauen und gleichmäßigen Zwischenraum aufrecht
zu erhalten (S4).
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Zum
Aufsprühen
der Abstandshalter wird ein Nasssprühverfahren verwendet, zu dem
das Aufsprühen
der mit Alkohol vermischten Abstandshalter gehört. Außerdem kann ein Trockensprühverfahren verwendet
werden, bei dem Abstandshalter ohne Alkohol aufgesprüht werden.
Es existieren zwei Typen von Trockensprühverfahren, nämlich ein
elektrostatisches Sprühverfahren
unter Verwendung statischer Elektrizität sowie ein Ionensprühverfahren
unter Verwendung von Druckgas. Da LCDs schwach gegenüber statischer
Elektrizität
sind, ist das Ionensprühverfahren
bevorzugt.
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Anschließend werden
die zwei Substrate des LCD, d.h. das TFT-Arraysubstrat und das Farbfiltersubstrat,
so angeordnet, dass sich das Abdichtmuster zwischen ihnen befindet.
In diesem Zustand wird das Abdichtmuster unter Druck ausgehärtet, um
die Substrate zu verbinden (S5). In dieser Ausrichtung sind die
Ausrichtungsfilme der Substrate einander zugewandt, und die Pixelelektroden
und die Farbfilter entsprechen einander in eineindeutiger Beziehung. Als
Nächstes
werden die verbundenen Substrate zu Flüssigkristalltafeln zerteilt
oder vereinzelt (S6).
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Im
Allgemeinen werden mehrere Flüssigkristalltafeln,
von denen jede ein LCD bildet, auf einer Substratlage ausgebildet,
und sie werden dann in einzelne Tafeln zerteilt. Dies erfolgt zum
Verbessern der Herstelleffizienz und zum Senken der Herstellkosten.
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Zum
Flüssigkristalltafel-Zerteilprozess
gehören
ein Ritzprozess zum Ausbilden eines Risses in einer Oberfläche jedes
Substrats unter Verwendung eines Ritzrads aus einem Diamantmaterial
mit einer größeren Härte als
der des Substrats, das aus Glas oder ähnlichen Materialien bestehen
kann, und ein Zerbrechprozess mit Positionierung eines Zerbrechstabs
im Teil des Substrats, wo der Riss ausgebildet ist. Nachdem der
Zerbrechstab auf dem Substrat positioniert wurde, wird ein vorbestimmter
Druck auf ihn ausgeübt,
um dadurch das Substrat in der Richtung entlang der sich der Riss
erstreckt, zu zerteilen.
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Anschließend wird
zwischen die zwei Substrate jeder Flüssigkristalltafel ein Flüssigkristallmaterial
eingefüllt
(S7). Häufig
wird ein Vakuumeinfüllverfahren
zum Einfüllen
des Flüssigkristalls
verwendet, bei dem die Druckdifferenz zwischen dem inneren und dem äußeren der
Flüssigkristalltafel
genutzt wird. Im in das Innere der Flüssigkristalltafel initiierten Flüssigkristall
können
Mikroluftblasen vorhanden sein, die bewirken, dass die Flüssigkristalltafel schlechte
Qualität
zeigt. Um ein solches Problem zu verhindern, ist es erforderlich,
einen Blasenentfernungsprozess auszuführen, bei dem der Flüssigkristall
für längere Zeit
zum Entfernen von Blasen in einem Vakuumzustand gehalten wird.
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Nach
Abschluss des Einfüllens
des Flüssigkristalls
wird die Einfüllöffnung dicht
verschlossen, um zu verhindern, dass der Flüssigkristall durch sie nach
außen
ausleckt. Die Einfüllöffnung wird
dadurch dicht verschlossen, dass sie mit einem durch Ultraviolettstrahlung
härtbaren
Harz bedeckt wird und das aufgetragene Harz durch Ultraviolettstrahlung
bestrahlt wird, wodurch das aufgetragene Harz aushärtet. Als
Nächstes
werden Polarisationsplatten (S8) an den Außenflächen der Flüssigkristalltafel angebracht,
und schließlich
werden Treiberschaltungen mit ihr verbunden.
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Nun
werden unter Bezugnahme auf die Figuren eine herkömmliche
Substrat-Zerteilvorrichtung und ein herkömmliches Substrat-Zerteilverfahren
beschrieben.
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Die 3 ist eine schematische
Ansicht zum Veranschaulichen einer herkömmlichen Ritzvorrichtung. Die
herkömmliche
Ritzvorrichtung verfügt über einen
Tisch 51, auf den ein Substrat G gelegt wird, und eine
Vakuumspanneinheit, die so ausgebildet ist, dass sie das Substrat
G am Tisch 51 fixiert. Außerdem verfügt die herkömmliche Ritzvorrichtung über und
ein Paar paralleler Führungsschienen 52 zum schwenkbaren
Lagern des Tischs 51 in einem Lagerungszustand, der es
ermöglicht,
ihn in einer Y-Achsenrichtung zu verstellen. Die Ritzvorrichtung
verfügt auch über eine
Kugelspindel 53 zum Verstellen des Tischs 51 entlang
den Führungsschienen 52,
eine über
dem Tisch 51 in solcher Weise installierte Führungsstange 54,
dass sich diese in einer X-Achsenrichtung erstreckt, und einen Ritzkopf 55,
der in solcher Weise an der Führungsstange 54 montiert
ist, dass er entlang dieser in der X-Achsenrichtung verschiebbar
ist. Die Ritzvorrichtung verfügt
ferner über einen
Motor 56 zum Verschieben des Ritzkopfs 55, einen
Spitzenhalter 57, der am unteren Ende des Ritzkopfs 55 sowohl
vertikal verstellbar als auch verdrehbar montiert ist, und ein Ritzrad 1,
das am unteren Ende des Spitzenhalters 57 montiert ist.
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Beim
herkömmlichen
Substrat-Zerteilverfahren unter Verwendung der oben angegebenen
Ritzvorrichtung wird ein Riss mit vorbestimmter Tiefe in einem zu
zerteilenden Substrat, auf Grundlage der Drehung des Ritzrads 1,
ausgebildet. Das Substrat mit dem Riss wird dann in eine Zerbrechvorrichtung geliefert,
die unter Verwendung eines Zerbrechstabs Druck entlang dem Riss
auf das Substrat ausübt,
um es zu zerteilen.
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Die 4 und 5 sind schematische Ansichten zum Veranschaulichen
des Ritz- bzw. des Zerbrechprozesses beim herkömmlichen Substrat-Zerteilverfahren.
Beim in der 4 veranschaulichten Ritzprozess
gelangt ein Ritz- oder Schneidrad 82 mit der Oberfläche eines
Substrats 81 in Kontakt. Das Ritzrad 82 wird entlang
dem Substrat 81 gedreht, während ein Druck von ungefähr 2,40
kgf/cm2 auf das Substrat 81 ausgeübt wird,
wodurch ein Riss 83 mit vorbestimmter Tiefe in der Oberfläche des
Substrats 81 entlang der Bahn des Ritzrads 82 erzeugt
wird.
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Als
Nächstes
wird entlang dem mit vorbestimmter Tiefe in der Oberfläche des
Substrats 81 ausgebildeten Riss 83 ein Zerbrechprozess
zum Zerteilen des Substrats 81 ausgeführt. Wie es in der 5 dargestellt ist, wird
ein Zerbrechstab 84 entlang der Linie des Risses 83 auf
dem Substrat 81 angeordnet. Derjenige Teil des Zerbrechstabs 84,
der mit dem Substrat 81 in Kontakt steht, besteht aus einem
Material wie Urethankautschuk, das ausreichend hart ist, jedoch
keine Kratzer in der Oberfläche des
Substrats 81 erzeugt.
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Mit
dem Brechstab 84 wird momentan Druck auf das Substrat 81 ausgeübt, was
dafür sorgt,
dass sich der Riss 83 ausweitet und das Substrat entlang der
Risslinie zerteilt wird.
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Danach
wird ein Schleifprozess unter Verwendung eines Schleifsteins mit
vorbestimmter Korngröße ausgeführt, um
die Schnittflächen
und Ecken des Substrats, die sich während des Ritz- und des Zerbrechprozesses
bildeten, zu schleifen.
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Dieses
herkömmliche
Substrat-Zerteilverfahren zeigt verschiedene Probleme oder Nachteile.
Ein Hauptnachteil besteht darin, dass das zum Zerteilen des Substrats
verwendete Ritzrad teuer ist und eine kurze Lebensdauer aufweist,
was einen periodischen Austausch desselben erfordert. Die Ritzräder sind
relativ teuer, und die Austauschkosten bilden einen großen Prozentsatz
der Herstellkosten der Einheiten. Aus diesem Grund kommt es zu einer
Erhöhung
der Herstellkosten.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
wird ein Verfahren zum Zerteilen eines Substrats unter Verwendung
eines Femtosekundenlasers angegeben. Das Verfahren beinhaltet die Schritte
des Bereitstellens eines Substrats auf einem Tisch und des Bestrahlens
eines vorbestimmten Teils des auf dem Tisch angeordneten Substrats
mit einem Flüssigkristall,
um dadurch das Substrat entlang dem vorbestimmten Substratteil zu
zerteilen.
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Zusätzliche
Vorteile, Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden in der folgenden
Beschreibung dargelegt, und sie werden dem Fachmann beim Studieren
des Folgenden ersichtlich werden oder sie ergeben sich beim Ausüben der
Erfindung. Die Ziele und andere Vorteile der Erfindung können durch
die Struktur realisiert und erreicht werden, wie sie in der schriftlichen
Beschreibung und den zugehörigen
Ansprüchen
sowie den beigefügten
Zeichnungen speziell dargelegt ist.
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Es
ist zu beachten, dass sowohl die vorstehene allgemeine Beschreibung
als auch die folgende detaillierte Beschreibung der Erfindung beispielhaft und
erläuternd
sind und dazu vorgesehen sind, für eine
weitere Erläuterung
der beanspruchten Erfindung zu sorgen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
beigefügten
Zeichnungen, die enthalten sind, um für ein weiteres Verständnis der
Erfindung zu sorgen, und die in diese Anmeldung eingeschlossen sind
und einen Teil derselben bilden, veranschaulichen mindestens eine
Ausführungsform
der Erfindung und sie dienen gemeinsam mit der Beschreibung dazu,
das Prinzip der Erfindung zu erläutern.
In den Zeichnungen ist Folgendes dargestellt:
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1 ist
eine Schnittansicht zum Veranschaulichen eines üblichen LCD;
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2 ist
ein Flussdiagramm zum Veranschaulichen eines üblichen LCD-Herstellverfahrens;
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3 ist
eine schematische Ansicht zum Veranschaulichen einer herkömmlichen
Ritzvorrichtung;
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4 und 5 sind
schematische Ansichten zum Veranschaulichen eines Ritz- bzw. eines Zerbrechprozesses
beim herkömmlichen
Substrat-Zerteilverfahren;
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6 ist
eine schematische Ansicht zum Erläutern eines Verfahrens zum
Zerteilen eines Substrats unter Verwendung eines Femtosekundenlasers gemäß der Erfindung;
und
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7 ist
eine Fotografie, die den Zerteilzustand des Substrats zeigt, nachdem
der Substrat-Zerteilprozess unter Verwendung des Femtosekundenlasers
gemäß der Erfindung
ausgeführt
wurde.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Nun
wird detailliert auf die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
Bezug genommen, zu denen in den beigefügten Zeichnungen Beispiele veranschaulicht
sind. Wo immer es möglich
ist, werden in allen Zeichnungen dieselben Bezugszahlen dazu verwendet,
dieselben oder ähnliche
Teile zu kennzeichnen.
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Im
Allgemeinen erfolgt eine Ablation oder ein Schneidvorgang durch
einen Laser beim Herstellen von Elementen mit hoher Präzision.
Es werden Hochgeschwindigkeitslaserpulse verwendet, da diese eine Beschädigung des
Substrats um den Bereich herum verringern, in dem die Laserpulse
aufgestrahlt werden. Aufgrund dieses Vorteils bei der Verwendung von
Lasern mit Hochgeschwindigkeitspulsen werden bei Anwendungen, bei
denen Substratschnitte hoher Genauigkeit erforderlich sind, allgemein
Lasermaschinen unter Verwendung eines YAG-Lasers oder eines Excimerlasers
mit hoher Pulsgeschwindigkeit in der Größenordnung von Nanosekunden,
d.h. 10–9 m/s
verwendet. Diese Maschinen werden als "Nanosekundenlaser-Maschinen" bezeichnet.
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Jedoch
sind YAG-Lasermaschinen, bei denen ein Aluminiumoxid zum Erzeugen
eines Lasers künstlich
kristallisiert ist, problematisch, da durch einen YAG-Laser bearbeitete
Seitenwände
die Tendenz zeigen, rau zu sein. Kohledioxidlaser auf Infrarotbasis
bilden häufig
im Krater im bearbeiteten Bereich. Daher können CO2-Laser
nicht für
einen Mikrobearbeitungsprozess verwendet werden, der eine Genauigkeit
in Mikrometer-Größenordnung
oder höher
erfordert.
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Die
oben beschriebenen Lasermaschinen werden häufig als "thermische Lasermaschinen" bezeichnet, da die
Bearbeitung unter Verwendung thermischer Energie, die durch Umwandlung
aus optischer Energie entstand, ausgeführt wird. Es ist schwierig,
unter Verwendung dieser Maschinen eine genaue Bearbeitung zu erzielen,
da die bearbeitete Struktur leicht zusammenfallen kann, wenn thermische
Lasermaschinen verwendet werden.
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Andererseits
erfolgt im Fall eines Excimerlasers ein Sublimatätzvorgang mittels einer optochemischen
Reaktion, die für
eine Auftrennung kovalenter Bindungen zwischen Kohlenstoffatomen
sorgt. Unter Verwendung dieses Prozesses ist eine sehr genaue Bearbeitung
möglich.
D.h., dass dann, wenn ein Excimerlaser auf die Oberfläche eines
zu bearbeitenden Objekts gestrahlt wird, die bestrahlte Oberfläche des
Objekts durch Ausbilden eines Plasmas und einer Stoßstörung dissipiert.
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Jedoch
wird die Energie eines Excimerlasers nicht vollständig zum
Aufbrechen der kovalenten Bindungen von Kohlenstoffatomen genutzt.
Stattdessen wird ein Teil der Excimerlaserenergie in Wärmeenergie
gewandelt. Der Effekt der gewandelten Wärmeenergie ist beträchtlich,
da die Excimerlaserenergie über
hohe Dichte verfügt.
Daher ist es schwierig, Mineralmaterialien wie Metall, Keramik,
Silicium, Quarz und Glas, die über
eine niedrige Fotoabsorptionsrate verfügen, unter Verwendung eines
Excimerlasers zu bearbeiten. Die durch einen Excimerlaser erzeugte thermische
Verformung beeinflusst die Beständigkeit des
bearbeiteten Erzeugnisses beträchtlich,
obwohl sie kleiner als diejenige ist, die durch thermische Laserbearbeitung
erzeugt wird.
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Andererseits
zeigt ein Femtosekundenlaser mit einer Pulsgeschwindigkeit von ungefähr 10–15 m/s
hervorragende Eigenschaften, mit denen die oben beschriebenen Probleme
gelöst
werden können.
Es ist möglich,
eine sehr hohe Schwingungs dichte der Laserenergie unter Verwendung
eines Lasers zu erzielen, der mit einer ultrakurzen Pulsstrahlungsdauer
von 1 Pikosekunde (1 × 10–12 m/s)
oder kürzer
schwingt.
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Wenn
ein Laser über
eine Fotoenergie von 1 mJ und eine Pulsstrahlungsdauer von 100 Femtosekunden
oder kürzer
verfügt,
erreicht die Energiedichte des Lasers einen Wert von ungefähr 10 Gigawatt. Unter
diesen Umständen
ist es möglich,
nahezu jedes Material genau zu bearbeiten.
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Indessen
tritt, wenn ein Laser mit ultrakurzen Pulsen, wie ein Femtosekundenlaser,
auf ein zu bearbeitendes Objekt gestrahlt wird, in den Gittern des Materials
des Objekts ein Mehrphotoneneffekt auf, der dafür sorgt, dass die Atome innerhalb
des Materials angeregt werden. Jedoch ist die Dauer des einfallenden
Laserpulses kürzer
als die Zeit, die die Photonen dazu benötigen, Wärme an die Gitter um sie herum
während
der Anregung der Atome zu übertragen.
Daher ist es möglich,
ein Flüssigkristall
ohne die Probleme, die mit anderen Anlagen und Methoden einhergehen,
wie thermische Beeinträchtigung,
physikalische und chemische Variation der Eigenschaften des Materials
durch den Bearbeitungsprozess sowie ein teilweises Schmelzen des
bearbeiteten Teils des Objekts, genau zu bearbeiten.
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Darüber hinaus
sammeln sich während
der Bearbeitung mit einem Femtosekundenlaser keine Teilchen an,
und es werden wenige oder keine Nebenprodukte oder Krater erzeugt.
Daher ist es, wenn ein Femtosekundenlaser verwendet wird, überflüssig, einen
Nebenprodukt-Beseitigungsprozess zu verwenden, wie einen Ultraschall-Reinigungsprozess,
wie er bei Verwendung herkömmlicher
Zerteilverfahren benötigt
wird.
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Außerdem ist
es möglich,
ein Material mit hohem Wärmeübertragungskoeffizienten
oder niedriger Fotoabsorptionsrate zu bearbeiten. Es ist auch möglich, zwei
oder mehr verschiedene Materialien oder ein Verbundmaterial mit
Mehrschichtstruktur unter Verwendung eines einzelnen Prozesses zu
bearbeiten.
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Nachfolgend
wird ein Verfahren zum Zerteilen eines Substrats unter Verwendung
eines Femtosekundenlasers gemäß der Erfindung
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben.
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Die 6 ist
eine schematische Ansicht zum Erläutern des Verfahrens und der
Komponenten, wie sie beim zerteilen eines Substrats unter Verwendung eines
Femtosekundenlasers gemäß der Erfindung verwendet
werden. Es ist eine Erzeugungsvorrichtung für Femtosekundenlaserstrahlung
gemäß der Erfindung
dargestellt. Die Erzeugungsvorrichtung für Femtosekundenlaserstrahlung
verfügt über einen Femtosekundenlaseroszillator
200 zum Erzeugen von Femtosekundenlaserstrahlung 201 und
eine Kondensorlinse 210 zum Fokussieren derselben, wie sie
vom Femtosekundenlaseroszillator 200 emittiert wird, auf
ein zu zerteilendes Substrat 100.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird
die vom Femtosekundenlaseroszillator 200 mit der oben beschriebenen
Konfiguration erzeugte Femtosekundenlaserstrahlung 201 auf
das Substrat 100 gestrahlt, um dieses dadurch zu zerteilen.
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Da
die Femtosekundenlaserstrahlung 201 über eine kurze Pulsbreite (ungefähr 150 fs)
und eine hohe Spitzenleistung pro Puls verfügt, treten um einen Teil des
Substrats 100, das während
des Zerteilvorgangs zerteilt wird, keine Wärmeexpansion und Erzeugung
von Stoßwellen
auf.
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Indessen
verfügt
ein Femtosekundenlaser über
andere Eigenschaften als übliche
Laser. Ein Femtosekundenlaser verfügt über einen ziemlich weiten Spektralbereich,
während
typische Laser normalerweise monochromatisch sind.
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Auch
wird die Femtosekundenlaserstrahlung mittels der Kondensorlinse 210 verstärkt, und
sie verfügt über eine
Spitzenleistung in der Größenordnung von
Terawatt (1012 Watt), was viel höher als
diejenige üblicher
Laser ist. In jüngerer
Zeit zeigte eine derartige verstärkte
Femtosekundenlaserstrahlung eine auf Petawatt (1015 Watt)
erhöhte
Spitzenleistung. Ein Femtosekundenlaser kann als "T3-Laser" (Table Top Terawatt
Laser = Terawatt-Tischlaser) bezeichnet werden. Es ist möglich, die
Dichte der Laserstrahlung dadurch deutlich zu erhöhen, dass
sie einfach durch eine Kondensorlinse gebündelt wird. Demgemäß, da nämlich die
Laserenergie durch eine Kondensorlinse auf eine kleine Fläche eingegrenzt
werden kann, wird das Material im Brennpunkt der Laserstrahlung
praktisch momentan in einen Plasmazustand überführt.
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Normalerweise
zeigt ein Femtosekundenlaser eine Pulsenergie in der Größenordnung
von Mikrojoules (μJ)
pro Puls. In einigen Fällen
nutzt ein Femtosekundenlaser eine höhere Pulsenergie, in der Größenordnung
von Millijoules pro Puls, entsprechend einer mittleren Leistung
von ungefähr
1 Watt.
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Normalerweise
reagiert ein durch Laserstrahlung erzeugtes Plasma mit dem Laserlicht,
um die Laserstrahlung zu absorbieren oder das zu bearbeitende Material
zu erwärmen.
Im Ergebnis führt
ein derartiges Plasma zu verschiedenen Problemen wie erhöhter Erwärmung, instabiler
Bearbeitung und einer Beeinträchtigung
der Effizienz. Jedoch ändert
ein Femtosekundenlaser. Jedoch ändert
ein Femtosekundenlaser derartige, durch ein Plasma hervorgerufene
Umstände.
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Im
Allgemeinen wird Laserenergie seitens des bearbeiteten Materials
durch ein Akzeptorelektron aufgenommen. Im Fall eines Metalls ist
ein Akzeptor ein freies Elektron in einem Leitungsband oder ein
durch Licht in dieses angeregtes Elektron. Das Elektron (Elektronensystem)
schwingt aufgrund eines schwingenden elektrischen Felds der Laserstrahlung.
Anders gesagt, empfängt
das Elektron Energie aus der Laserstrahlung. Das schwingende Elektron
trifft auf Atome oder Ionen in den Gittern des Materials (Gittersystem),
um kinetische Energie auf die Atome oder Ionen zu übertragen.
Diese Energieübertragung
sorgt für
eine Erhöhung
der Materialtemperatur. Im Ergebnis ändert sich die Phase des Materials
(durch Schmelzen oder Verdampfen), was ein Bearbeiten des Materials
bewirkt.
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Z.B.
ist die Zeit, die die Atome des bestrahlten Materials zum Ionisieren
benötigen,
um so ein Plasma zu erzeugen, länger
als die Pulsbreite des Femtosekundenlasers. Demgemäß ist es
zu erwarten, dass bei einer Femtosekundenbearbeitung das Plasma
nicht mit der Laserstrahlung reagiert. Ferner ist die Zeit, die
die im bestrahlten Bereich erzeugte Wärme dazu benötigt, um
diesen herum zu diffundieren, länger
als die Pulsbreite des Femtosekundenlasers. Die Laserenergie existiert
lokal im bestrahlten Bereich, so dass eine Phasenänderung
des Materials nur in diesem auftritt.
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Demgemäß wird,
wenn ein Substrat unter Verwendung eines Femtosekundenlasers gemäß der Erfindung
zerteilt wird, das zerteilen ohne Ausbildung einer durch Wärme beeinflussten
Zone um den Bereich herum, in dem das zerteilen ausgeführt wird,
erzielt.
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Nachfolgend
wird das Substrat-Zerteilverfahren unter Verwendung eines Femtosekundenlasers gemäß der Erfindung
in Zusammenhang mit der Erzeugungsvorrichtung der 6 für Femtosekundenlaserstrahlung
detaillierter beschrieben.
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Gemäß diesem
Substrat-Zerteilverfahren wird als Erstes ein Substrat 100,
das ein mit einer Anzahl von Flüssigkristalltafeln,
die in Flüssigkristall-Einheitstafeln
zu zerteilen sind, versehenes Muttersubstrat ist, auf einem verstellbaren
Tisch (220) angeordnet. Danach wird durch den Femtosekundenlaseroszillator 200 Femtosekundenlaserstrahlung 201 erzeugt.
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Indessen
wird, wenn die Femtosekundenlaserstrahlung 201 durch den
Femtosekundenlaseroszillator 200 erzeugt wird, die Schnittposition
auf dem Substrat unter Verwendung der CCD-Kamera (230) erkannt. Auch
wird ein Bild des Substrats 100 angezeigt, um das genaue
Zerteilen desselben zu unterstützen.
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Anschließend werden
die Intensität
und die Dichte der durch den Femtosekundenlaseroszillator 200 erzeugten
Femtosekundenlaserstrahlung 201 eingestellt. Die eingestellte
Femtosekundenlaserstrahlung 201 wird durch die Kondensorlinse 210 fokussiert
und auf eine Zerteilfläche
des Substrats 100 gestrahlt. Danach wird das Substrat 100 zerteilt,
während
der Tisch entsprechend einem Signal von der Steuerung (nicht dargestellt)
in einer Richtung verstellt wird. Alternativ wird das Substrat 100 zerteilt, während der
Femtosekundenlaseroszillator 200 in einer Richtung bewegt
wird, während
sich der Tisch in einem fixierten Zustand befindet. Zusätzlich kann eine Überwachungsvorrichtung
(nicht dargestellt) vorhanden sein, die es dem Bediener ermöglicht,
den Zerteilzustand während
des Zerteilprozesses zu überprüfen.
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Die 7 ist
eine Fotografie, die den Zerteilzustand des Substrats zeigt, nachdem
der Substrat-Zerteilprozess unter Verwendung des Femtosekundenlasers
gemäß der Erfindung
ausgeführt
wurde. Es ist erkennbar, dass das Substrat 100 in einer gewünschten
Zerteilrichtung gleichmäßig und
genau unter der Bedingung einer Schnittbreite von ungefähr 40 μm eingeschnitten
wurde. Dies, da um den Bereich, in dem der Schneidvorgang ausgeführt wurde, herum
weder eine Wärmeexpansion
noch eine Erzeugung von Stoßwellen
auftrat. Demgemäß ist es, wenn
ein Substrat unter Verwendung eines Femtosekundenlasers zerteilt
wird, möglich,
das Substrat ohne Ausbildung von Ablagerungen oder Ausscheidungen
an den Rand- und Seitenflächen
des zerteilten Substratsabschnitts genau und sauber zu zerteilen.
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Der
Fachmann erkennt, dass an der Erfindung verschiedene Modifizierungen
und Variationen vorgenommen werden können, ohne vom Grundgedanken
oder Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. So soll die Erfindung
die Modifizierungen und Variationen derselben abdecken, vorausgesetzt, dass
sie in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente
fallen.
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Aus
der obigen Beschreibung ist es ersichtlich, dass das erfindungsgemäße Substrat-Zerteilverfahren
unter Verwendung eines Femtosekundenlasers verschiedene Effekte
zeigt. D.h., dass der gemäß der Erfindung
verwendete Femtosekundenlaser eine kurze Pulsbreite und eine hohe
Spitzenleistung zeigt, so dass um einen Bereich, in dem ein Zerteilen ausgeführt wird,
weder eine Wärmeausdehnung noch
eine Erzeugung von Stoßwellen
auftreten. Außerdem
benötigt
der Femtosekundenlaser keinen periodischen Austausch eines Ritzrads,
wie dies in herkömmlichen
Fällen
auftrat, wodurch die Herstellkosten gesenkt sind.