TWI383856B - Method for cutting brittle material substrates - Google Patents

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Description

脆性材料基板之割斷方法
本發明係關於脆性材料基板之割斷方法，更詳細係關於使用雷射之脆性材料基板之割斷方法。
以往，做為玻璃基板或陶瓷基板等脆性材料基板之割斷方法，係廣泛使用使刀輪等壓接於脆性材料基板之表面並同時轉動，形成對脆性材料基板之表面大致垂直方向之龜裂(以下稱為「垂直龜裂」)，之後，對基板施加機械性之按壓力，使垂直龜裂往基板厚度方向進展以割斷基板之方法。
然而，通常在使用刀輪形成脆性材料基板之垂直龜裂之場合，會產生被稱為玻璃屑(cullet)之小破片，可能因此玻璃屑而於脆性材料基板之表面產生傷痕。此外，於割斷後之脆性材料基板之端部容易產生微裂痕(micro crack)，可能以此微裂痕為起因而產生脆性材料基板之斷裂。因此，通常係在割斷後研磨、洗淨脆性材料基板之端部以去除微裂痕或玻璃屑等。
另一方面，近年來，使用二氧化碳雷射以熔融溫度未滿之溫度加熱脆性材料基板，據此藉由於脆性材料基板產生之熱應力使拉伸應力局部性產生以形成垂直龜裂，藉此割斷脆性材料基板之方法已有各種檢討、開發。由於此使用雷射光束之割斷方法係非接觸加工，故可抑制上述之玻璃屑或微裂痕等潛在性缺陷之產生。
但由於在此使用雷射光束之割斷方法中，如圖4(a)所示，有垂直龜裂L2之進展於割斷預定線L1之終端(基板端部)附近中斷之問題。若在於割斷預定線L1之終端未形成垂直龜裂之狀態下對基板G施加按壓力以割斷，會如同圖(b)所示割斷線之終端部分L3從割斷預定線L1偏離，無法獲得充分之尺寸精度。因此，以往關於割斷預定線L1之終端之未形成垂直龜裂L2之部分，可能需要使刀輪壓接轉動重新形成垂直龜裂之作業。
針對此點，例如在專利文獻1有提案在於割斷預定線之始點形成初期龜裂後，對割斷預定線之周圍施加彎曲力矩並同時局部加熱，使垂直龜裂沿割斷預定線進行至終端之技術。
專利文獻1：日本特開平8-175837號公報
然而，在前述提案技術中，要在割斷預定線之周圍正確形成彎曲力矩，必須將楔正確配置於基板背面之對應於割斷預定線之位置，需要嚴密之作業。
本發明係鑑於此種以往之問題而為，其目的在於於使用雷射光束之脆性材料基板之割斷方法中，以比較簡單之作業使垂直龜裂確實進展至前述割斷預定線之終端。
達成前述目的之本發明之脆性材料基板之割斷方法具有：於脆性材料基板之一面之割斷預定線之割斷開始端形成初期龜裂之步驟；以及從前述初期龜裂沿前述割斷預定線使雷射光束相對移動並同時照射，以熔融溫度未滿之溫度加熱前述基板，之後立刻以冷卻媒體冷卻，藉此使基板產生之熱應力，使前述初期龜裂沿前述割斷預定線進展，形成到達前述基板之背面之垂直龜裂之步驟，其特徵在於：在使前述初期龜裂進展之步驟之途中使前述雷射光束之加熱條件及冷卻媒體之冷卻條件之至少一方變化，形成不到達前述基板之背面之垂直龜裂。
在此，從使垂直龜裂確實進展至前述割斷預定線之終端之觀點，於前述割斷預定線之終端附近使前述加熱條件及冷卻條件之至少一方往於前述基板產生之熱應力變小之方向變化較理想。
前述變化之加熱條件係雷射光束之相對移動速度、照射點形狀、照射輸出之中至少1個較理想。前述變化之冷卻條件係冷卻媒體之吹送點位置較理想。
此外，從使垂直龜裂確實進展至前述割斷預定線之終端之觀點，可進一步設在使前述初期龜裂沿前述割斷預定線進展後，於進展後之龜裂之周圍施加彎曲力矩之步驟。
在本發明之脆性材料基板之割斷方法中，以使前述雷射光束之加熱條件及冷卻媒體之冷卻條件之至少一方在前述相對移動之途中變化之比較簡單之作業即可使垂直龜裂進展至前述割斷預定線之終端。藉此，於割斷預定線之後端部分端面品質提升。
若於前述割斷預定線之終端附近使前述加熱條件及冷卻條件之至少一方往於前述基板產生之熱應力變小之方向變化，例如，從雷射光束之照射開始至條件變更係於基板厚度方向形成涵蓋全體之貫通垂直龜裂，條件變更後係於基板厚度方向形成既定深度之垂直龜裂。
若使前述變化之加熱條件為雷射光束之相對移動速度、照射點形狀、照射輸出之中至少1個，並使前述變化之冷卻條件為冷卻媒體之吹送量、吹送點位置、冷媒溫度之中至少1個，容易控制於基板產生之熱應力，可控制沿割斷預定線進展之垂直龜裂之深度。
此外，若進一步設在使前述初期龜裂沿前述割斷預定線進展後，於進展後之龜裂之周圍施加彎曲力矩之步驟，可確實割斷脆性材料基板。
以下雖針對本發明之脆性材料基板之割斷方法更詳細說明，但本發明並不限於此等實施型態。
於圖1顯示顯示可實施本發明之割斷方法之割斷裝置之一例例之概說圖。在圖1之割斷裝置中，於水平之架台11上隔既定距離平行設有一對導軌13a、13b。此外，設有在此一對導軌13a、13b上於紙面垂直方向移動之滑動台12。從滑動台12之下面往下方垂設有支柱15。與導軌13a、13b平行地配置於導軌13a、13b之間之導螺桿14螺合於此支柱15，藉由導螺桿14藉由不圖示之馬達正逆轉，滑動台12沿導軌13a、13b移動。
於滑動台12之上設有載置玻璃基板G之保持台2。保持台2具有被配置為可沿一對導軌13c(13d)於圖之左右方向移動之台座21、設於此台座21上之旋轉機構22、旋轉台23。旋轉台23係設為可藉由旋轉機構22自由旋轉，於其上玻璃基板G被以不圖示之真空吸引手段固定。
於保持台2之上方之安裝架50設有雷射照射手段3、接近此雷射照射手段3之冷卻手段4。雷射照射手段3具有光學保持具31與雷射振盪器32，從雷射振盪器32發射之雷射光束藉由光學保持具31成為往既定方向延伸之長圓形之雷射點被照射至玻璃基板上。
冷卻手段4具有噴嘴41、使噴嘴41移動之電磁線圈42。從噴嘴41係向玻璃基板G吹送水、氦氣、二氧化碳等冷卻媒體。如後述，藉由以電磁線圈42使噴嘴41移動，可改變雷射光束照射點與冷卻點之距離。
另外，在於此圖顯示之割斷裝置係固定雷射照射手段3及冷卻手段4並使玻璃基板G與保持台2一起移動，但亦可使雷射照射手段3及冷卻手段4移動並固定玻璃基板G，或使雷射照射手段3及冷卻手段4、玻璃基板G雙方移動。
於此種構成之割斷裝置中，雷射振盪器32之輸出或照射點形狀、從噴嘴41之冷卻媒體之吹送量、冷卻點位置、馬達17之旋轉速度等之控制係以被電腦控制進行。在此圖係做為控制手段之一例顯示雷射振盪器之輸出控制33、冷卻點位置之控制手段43、馬達17之旋轉速度控制手段19。
針對使用前述割斷裝置割斷玻璃基板之場合之各步驟於以下說明。首先，將玻璃基板G載置於旋轉台23並以不圖示之真空吸引手段固定。之後，調整為由光學保持具31產生之雷射照射點S1(於圖2圖示)、由噴嘴41產生之冷卻點S2(於圖2圖示)對相對移動方向以此順序位於割斷預定線L1(於圖2圖示)之線上。其次，於玻璃基板G之割斷預定線L1之割斷開始端形成初期龜裂。
之後，使雷射振盪器32起動以對玻璃基板G照射雷射光束並從噴嘴41噴射冷卻媒體，同時使馬達17驅動以使導螺桿16旋轉，使保持台2往圖1之左方向移動。如圖2所示，藉此，雷射照射點S1與冷卻點S2沿割斷預定線L1相對移動。在被照射雷射光束之雷射照射點S1，玻璃基板G被加熱而產生局部壓縮應力，在被噴霧冷卻媒體之冷卻點S2，玻璃基板G被冷卻而產生局部拉伸應力。於是，垂直龜裂L2藉由被形成之熱應力分布而從初期龜裂沿割斷預定線L1進展。
進展之垂直龜裂L2之深度會因使加熱條件及冷卻條件之至少一方變化而受控制。顯示本發明者等所進行之實驗結果之一例。
使用二氧化碳雷射、使雷射光束之照射輸出為120～500W、相對移動速度為100mm/sec以下，雷射照射點之長度為20～50mm、寬度為4～6mm，使用水做為冷卻媒體、使從雷射照射點至冷卻點之距離為10～20mm，使噴霧量為0.6～1.5cm3 /min，對厚度0.7mm之無鹼玻璃基板進行割斷處理之結果，形成於前述玻璃基板之垂直龜裂係到達玻璃基板之背面之龜裂。
另外，使用二氧化碳雷射、使雷射光束之照射輸出為50～500W、相對移動速度為50～1000mm/sec，雷射照射點之長度為30～100mm、寬度為0.8～4mm，使用水做為冷卻媒體、使從雷射照射點至冷卻點之距離為未滿10mm，使噴霧量為0.6～1.5cm3 /min，對相同厚度之無鹼玻璃基板進行割斷處理之結果，形成於前述玻璃基板之垂直龜裂係相對於玻璃基板之厚度10～20%程度之龜裂。
欲有效率地進行玻璃基板G之割斷，於割斷預定線L1之全域形成到達基板之背面之垂直龜裂雖最理想，但若如以往固定雷射之加熱條件及冷卻媒體之冷卻條件進行基板之割斷，會產生垂直龜裂之進展於割斷預定線之基板端部附近中斷之現象。垂直龜裂之進展中斷之位置雖因基板之厚度或材質而異，但一般為離終端數mm～十數mm程度。
針對此問題，在本發明係於垂直龜裂之進展中斷之位置或即將中斷之位置使加熱條件及冷卻條件之至少一方變化，以使垂直龜裂不會中斷而繼續進展。具體係如圖3(a)所示，如前述調整加熱條件及冷卻條件，使到達玻璃基板G之背面之垂直龜裂CR1從割斷預定線L1之開始端進展。之後，在離割斷預定線之終端10mm程度之位置使加熱條件及冷卻條件之至少一方往於前述基板G產生之熱應力變小之方向變化。如此一來，被形成之垂直龜裂雖成為相對於玻璃基板G之厚度10～20%程度之垂直龜裂CR2，但不會中斷而會進展至割斷預定線L1之終端(基板端部)。同圖(b)係使使加熱條件及/或冷卻條件變化之時點更提早之場合，即使在此種場合，從開始端至條件變更前形成垂直龜裂CR1，條件變更後垂直龜裂CR2進展至割斷預定線之終端。通常，使加熱條件及冷卻條件為相同條件進行割斷之場合之垂直龜裂之進展中斷之位置會有誤差，故使加熱條件及冷卻條件變化之位置選擇離終端20mm以上之位置在實際使用上較理想。
前述變化之加熱條件係雷射光束之相對移動速度、照射點形狀、波長、照射輸出之中至少1個較理想。前述變化之冷卻條件係冷卻媒體之吹送量、吹送點位置、冷媒溫度之中至少1個較理想。此外，於此等條件使變化之方向係於基板產生之熱應力變小之方向較理想。
在於圖1顯示之割斷預定線係使馬達17之旋轉速度變化，以使雷射照射手段3及冷卻手段4之對玻璃基板G之相對移動速度變化。具體係前述之相對移動速度於割斷預定線之終端附近變快。且同時使雷射照射點與冷卻點之距離變化。具體係於割斷預定線之終端附近對電磁線圈42通電使噴嘴41往接近光學保持具31之方向移動。此外，藉由降低雷射輸出或使雷射照射點之形狀變長或使寬度變窄而成為更細長之長圓形來使於基板產生之熱應力變小亦無妨。
如以上之做法，在將垂直龜裂CR1、CR2形成至割斷預定線L1之終端後，於垂直方向對基板G施加按壓力。藉此，對割斷預定線L1之後端部分之未達基板背面之垂直龜裂CR2之周圍施加彎曲力矩，使垂直龜裂CR2進展至基板背面側。當然，在垂直龜裂CR2因基板G之自重等而進展至基板背面側之場合便無施加上述按壓力之必要。
[產業上之可利用性]
以本發明之脆性材料基板之割斷方法可使垂直龜裂進展至割斷預定線之終端，於割斷預定線之後端部分端面品質提升，甚為有用。
3．．．雷射照射手段
4‧‧‧冷卻手段
G‧‧‧玻璃基板(脆性材料基板)
19‧‧‧馬達旋轉速度控制
33‧‧‧雷射輸出控制
43‧‧‧冷卻點位置控制
L1‧‧‧割斷預定線
L2‧‧‧割斷線
S1‧‧‧雷射照射點
S2‧‧‧冷卻點
CR1‧‧‧垂直龜裂(涵蓋基板厚度全體之龜裂)
CR2‧‧‧垂直龜裂(比基板厚度淺之龜裂)
圖1係顯示實施本發明之割斷方法之割斷裝置之實施例之構成圖。
圖2係顯示本發明之割斷方法中之雷射加熱及冷卻之概略立體圖。
圖3係顯示在垂直龜裂之進展之途中，使加熱條件及/或冷卻條件變化之場合之垂直龜裂形成狀態之玻璃基板之俯視圖。
圖4係說明於以往之割斷方法中，垂直龜裂在割斷預定線之後端附近中斷之場合之問題之圖。
11．．．架台
12．．．滑動台
13a．．．導軌
13b．．．導軌
13c．．．導軌
13d．．．導軌
14．．．導螺桿
15．．．支柱
16．．．導螺桿
17．．．馬達
2．．．保持台
21．．．台座
22．．．旋轉機構
23．．．旋轉台
3．．．雷射照射手段
31．．．光學保持具
32．．．雷射振盪器
4．．．冷卻手段
41．．．噴嘴
42．．．電磁線圈
50．．．安裝架
19．．．馬達旋轉速度控制
33．．．雷射輸出控制
43．．．冷卻點位置控制
G．．．玻璃基板(脆性材料基板)

Claims (4)

  1. 一種脆性材料基板之割斷方法，具有：於脆性材料基板之一面之割斷預定線之割斷開始端形成初期龜裂之步驟；以及從前述初期龜裂沿前述割斷預定線使雷射光束相對移動並同時照射，以熔融溫度未滿之溫度加熱前述基板，之後立刻以冷卻媒體冷卻，藉此使基板產生之熱應力，使前述初期龜裂沿前述割斷預定線進展，於前述基板形成垂直龜裂之步驟，其特徵在於：前述形成垂直龜裂之步驟係於使到達前述基板之背面之垂直龜裂沿前述割斷預定線進展之途中使前述雷射光束之加熱條件及冷卻媒體之冷卻條件之至少一方變化，使不到達前述基板之背面之垂直龜裂進行至前述割斷預定線(L1)之終端。
  2. 如申請專利範圍第1項之脆性材料基板之割斷方法，其中，於前述割斷預定線之終端附近使前述加熱條件及冷卻條件之至少一方往於前述基板產生之熱應力變小之方向變化。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之脆性材料基板之割斷方法，其中，前述變化之加熱條件係雷射光束之相對移動速度、照射點形狀、照射輸出之中至少1個，前述變化之冷卻條件係冷卻媒體之吹送點位置。
  4. 如申請專利範圍第1項之脆性材料基板之割斷方法，其中，進一步具有在使前述初期龜裂沿前述割斷預定 線進展後，於進展後之龜裂之周圍施加彎曲力矩之步驟。
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