TW201309408A - 單一波長多層雷射加工的方法 - Google Patents

Abstract

一種單一波長多層雷射加工的方法，包含：切割材料定位步驟；雷射聚焦調整步驟，將雷射光聚焦在切割材料內部，並調整雷射光的聚焦點及在切割材料表面的照射面積，使切割材料表面的能量密度至少達到臨界破壞能量密度；以及雷射加工步驟，以載台帶動將切割材料依預設之切割路徑移動，使雷射光至少在切割材料表面及切割材料內部同時形成切割道，且切割材料對該波長之雷射為透明或半透明材料，在此，以單一雷射系統完成多層切割道，能減少多次加工的誤差及設備成本，又由於切割後的晶圓具有裂片準直性，能提升良率，使產品更具有市場競爭力。

Description

單一波長多層雷射加工的方法

本發明涉及一種雷射加工方法，尤其是應用單一雷射、單一波長同時形成多個切割道的方法。

雷射加工系統已廣泛利用在精密加工領域，對於金屬、高分子、陶瓷、玻璃等材料加工，相較習知機械式加工法，具有高加工速度、高精度、不受材料硬度影響等的特點，尤其對陶瓷與玻璃等硬脆材料而言，因雷射加工特性具無刀具磨耗、不受材料硬度影響等優勢，近年來迅速發展。

然而，以雷射加工陶瓷與玻璃材料仍有改進的空間，例如因雷射加工的熱影響區、熱熔突起、殘留應力、微裂縫等現象而間接或直接影響成品加工效率；因此，如何降低這些影響一直都是技術關鍵所在。

如中華民國專利公開編號：201110221晶圓加工方法，揭露發明提供一種在不傷害形成於藍寶石基板表面之光學裝置情況下，達到在藍寶石基板內部形成連續之變質層之加工目的，其主要架構係將對藍寶石基板具有透過性之波長之雷射光，從藍寶石基板之背面定位聚焦點於藍寶石基板之內部，藉由劃線方式形成連續變質層者，此一專利雖能避免雷射光對表面光學元件造成之傷害，唯在進行單位晶圓分離步驟中仍須精準控制斷面裂片之施力方向，以避免破壞晶圓上之發光區，電極圖案或產生錯排滑移，影響產品之外觀、良率與發光效率等。

專利編號US20080124898提供一種藍寶石基材內部含有兩變質層的方法，此發明係由兩種不同波長之雷射，分別在晶圓中形成第一變質層與第二變質層於預定切割道的晶圓中。在分離過程中，斷面裂片方向會延著兩變質層之路徑兩端分離，藉此控制斷面之裂片方向，提高生產良率與降低分離製程中所需的外加應力。然而，此專利因係應用兩組不同波長之雷射源系統組成，且需兩道加工製程，考驗系統重覆定位精度與雷射品質，無形中增加設備成本及拉長製程時間。

由於前案的方式切面微裂縫方向不均、以及兩次加工累積誤差，使得後續進行裂片製程時，會沿著加工誤差的應力集中點、以及微裂縫方向劈裂，造成晶格差排與滑移等問題，且雙雷射源成本昂貴，因此，希望開發出一種能夠減少加工程序、解決習用技術的問題，並降低成本的加工方法。

本發明的主要目的是提供一種發明單一波長同時形成多層雷射加工的方法，該方法包含切割材料定位步驟、雷射聚焦調整步驟，以及雷射加工步驟。切割材料定位步驟係將經過研磨拋光的切割材料定位於雷射切割裝置的載台上，該載台能依預設之切割路徑移動，且該切割材料對該波長之雷射為透明或半透明材料。雷射聚焦調整步驟係將從雷射源發出，經過光學整束系統及反射鏡的雷射光，經由光學聚焦系統，聚焦在切割材料的內部，並調整雷射光的聚焦點及表面的照射面積，使在雷射光在切割材料表面的能量密度，至少達到一臨界破壞能量密度，以藍寶石基板為例，雷射的輸出功率至少大於1.8W，在藍寶石基板表面的臨界能量密度為2.1 x 10²(W/cm²)。

雷射加工步驟係以載台帶動將切割材料依預設之切割路徑移動，使得雷射光在切割材料表面及切割材料內部同時各形成至少一切割道，而切割道的數目，可以依照切割材料的特性、雷射功率以及能量密度的控制來作選擇。

更進一步地，本發明單一波長多層雷射加工的方法包含一切割步驟，將切割材料分割為複數個小塊，由於在材料表面以及內部都以形成切割道，在切割後的切割步驟中，該切割材料能夠具有裂片準直性。

本發明單一波長多層雷射加工的方法，藉由雷射能量密度的控制，能只用單一雷射系統來完成多層切割道的加工方法，進而能減少多次加工的加工誤差，或是減少需要增購設備的成本，並且，由於此方式的進行，使切割後具有裂片準直性，而更能提升良率，而使產品更具有市場競爭力。

以下配合圖式及元件符號對本創作之實施方式做更詳細的說明，俾使熟習該項技藝者在研讀本說明書後能據以實施。

參閱第一圖，本發明單一波長多層雷射加工的方法的流程圖。本發明單一波長多層雷射加工的方法S100包含切割材料定位步驟S10、雷射聚焦調整步驟S20，以及雷射加工步驟S30。同時參照第二圖，雷射切割裝置的示意圖。切割材料定位步驟S10係將經過研磨拋光的一切割材料100，該切割材料對該波長之雷射為透明或半透明材料，如藍寶石基板，定位於一雷射切割裝置的載台20上，該載台20能夠依預設之切割路徑移動。

同時參照第二至第四圖，雷射聚焦調整步驟S20係將從雷射源11發出，經過整束系統13及反射鏡15的雷射光L，經由光學聚焦系統17，聚焦在切割材料100的內部，並調整雷射光的聚焦點及表面的照射面積，使在雷射光在切割材料100表面的能量密度，至少達到一臨界破壞能量密度。

切割材料100以藍寶石基板為例，在此，雷射的輸出功率至少大於1.8W，較佳為2.2W至4.5W的範圍，而在藍寶石基板表面的臨界能量密度為2.1x10²(W/cm²)；而又因為能量在材料內部轉換為熱能時不易消散，因此，在藍寶石基板聚焦點只需要較低的能量密度為就能達到形成切割破壞的能量，通常為1.6x10²(W/cm²)，在材料的表面與內部造成熱熔或是汽化反應的破壞結果。

第三圖為調整雷射能量密度的示意圖，將左方及右方的雷射圖相比較。當雷射聚焦在切割材料內部的焦點F1時，在雷射光束照射在切割材料表面的面積為S1，若雷射材料能量為E，能量密度為D1=E/S1，而當雷射聚焦在切割材料內部的焦點F1時，在雷射光束照射在切割材料表面的面積為S2，能量密度為D2=E/S2，因此，D2>D1，在雷射聚焦調整步驟S20時，可以依據各種不同的材料特性選取雷射的功率或調整焦點及雷射光束照射在切割材料表面的面積，而使能量密度至少達到臨界破壞能量密度。

第四圖為切割材料中雷射能量密度的示意圖，右方的圖示代表雷射能量密度的微分圖，當雷射L聚焦在焦點F，雷射光束照射在切割材料表面的面積為S，在表面的區域的能量密度如第四A圖，中心處的能量密度達到臨界能量密度，而能被材料所吸收，形成材料的破壞，進而能形成切割道，其餘的能量未被吸收而向下穿透。而在切割材料的表面與焦點F之間的區域A，因為聚焦而使得能量密度提昇，但由於中心處的能量都被材料表面所吸收，因此並未達到能夠破壞材料的臨界能量密度。而在內部聚焦處，又由於能量集中與穿透能量面積的減少，使得能量波形集中與提高，穿透的能量密度又達到臨界值，而能夠形成材料破壞，進而在材料內部同時形成另一切割道。

進一步參照第五A圖及第五B圖，解釋本發明雷射加工步驟的輔助示意圖。雷射加工步驟S30係以載台帶動將切割材料100依預設路徑移動，而使得雷射光至少在切割材料表面及切割材料內部同時形成一切割道151、153，如第五A圖所示。進一步地，也可在切割材料的上下表面及材料內部同時形成切割道151、153、155，如第五B圖所示，切割道的數目，可以依照切割材料的特性、雷射功率以及能量密度的控制來選擇。

更進一步地，本發明單一波長多層雷射加工的方法S100還可以直接在完成雷射加工後進行一切割步驟S40，將切割材料切割為複數個小塊，由於在材料表面以及內部都已形成切割道，在切割時該切割材料具有裂片準直性。

本發明單一波長多層雷射加工的方法，藉由雷射能量密度的控制，能只用單一雷射系統來完成多層切割道的加工方法，而能減少多次加工的加工誤差，或是減少需要增購設備的成本，由於此方式的進行，使裂片時具有裂片準直性，而更能提升良率，而使產品更具有市場競爭力。

以上所述者僅為用以解釋本發明之較佳實施例，並非企圖據以對本發明做任何形式上之限制，是以，凡有在相同之精神下所作有關本創作之任何修飾或變更，皆仍應包括在本創作意圖保護之範疇。

11．．．雷射源

13．．．整束系統

15．．．反射鏡

17．．．光學聚焦系統

20．．．載台

100．．．切割材料

151．．．切割道

153．．．切割道

155．．．切割道

A．．．切割材料的表面與焦點之間的區域

F．．．焦點

F1．．．焦點

F2．．．焦點

L．．．雷射光

S．．．雷射光束照射在切割材料表面的面積

S1．．．雷射光束照射在切割材料表面的面積

S2．．．雷射光束照射在切割材料表面的面積

S10．．．切割材料定位步驟

S20．．．雷射聚焦調整步驟

S30．．．雷射加工步驟

S40．．．切割步驟

S100．．．單一波長多層雷射加工的方法

第一圖是本發明單一波長多層雷射加工方法的流程圖。

第二圖是雷射切割裝置的示意圖。

第三圖是調整雷射能量密度的示意圖。

第四圖及第四A至四C圖為切割材料中雷射能量密度的示意圖。

第五A圖及第五B圖為，解釋本發明雷射加工步驟的輔助示意圖。

S100．．．單一波長多層雷射加工的方法

S10．．．切割材料定位步驟

S20．．．雷射聚焦調整步驟

S30．．．雷射加工步驟

S40．．．切割步驟

Claims (5)

1. 一種單一波長多層雷射加工的方法，包含：一切割材料定位步驟，將經過研磨拋光的一切割材料，定位於一雷射切割裝置的一載台，且該載台能夠依預設之一切割路徑移動；一雷射聚焦調整步驟，將一雷射光聚焦在該切割材料的內部，並調整該雷射光的聚焦點及在該切割材料表面的照射面積，使在該切割材料表面的能量密度，至少達到一臨界破壞能量密度；以及一雷射加工步驟，以該載台帶動將該切割材料依預設之該切割路徑移動，使得該雷射光至少在該切割材料表面及該切割材料內部同時形成一切割道，其中該切割材料對該波長之雷射為透明或半透明材料。
2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該切割材料為藍寶石基板，該雷射光的輸出功率至少大於1.8W，而該臨界能量密度為2.1 x 10²(W/cm²)。
3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，進一步包含一切割步驟，將該切割材料切割為複數個小塊，由於形成在該切割材料表面及該切割材料內部同時形成的一切割道，使在切割時該切割材料具有裂片準直性。
4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，進一步在切割材料的下表面同時形成一切割道。
5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，進一步在切割材料的內部同時形成複數個切割道。