TWI394630B - Laser processing method and laser processing device - Google Patents
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Description
本發明係關於雷射加工方法及雷射加工裝置，特別是關於沿脆性材料基板表面之劃線預定線照射雷射光，形成劃線槽之雷射加工方法及為實施該方法之雷射加工裝置。
做為將玻璃基板、半導體基板、陶瓷基板等脆性材料基板分斷加工之方法之1種，有使用雷射光之加工方法。在此方法係藉由先使雷射光沿脆性材料基板表面之劃線預定線移動同時照射，形成劃線槽。之後，藉由以折斷裝置等於脆性材料基板上對劃線槽之兩側施加按壓力而將基板沿劃線槽分斷(參照專利文獻1及2)。
如以上之以雷射光於脆性材料基板表面形成劃線槽之場合，被使用之雷射光係以聚光透鏡聚集，焦點位置被設定於脆性材料基板之上面附近。藉由以上做法，在雷射光之焦點位置產生因光能吸收而導致之消熔(ablation)，可使焦點位置附近之脆性材料往外部蒸散。之後，藉由使焦點位置移動同時進行消熔加工可沿劃線預定線形成劃線槽。
專利文獻1：日本特開2005-271563號公報
專利文獻2：日本特開2005-314127號公報
以使用記載於專利文獻1之習知消熔加工形成劃線槽
之方法於消熔產生部分有衝擊壓導致之裂痕或熔融及急冷導致之微小裂痕產生之虞。因此，有端面強度變低之虞。
此外，以使用記載於專利文獻2之習知消熔加工形成劃線槽之方法可藉由減少被照射之脈衝雷射光之往玻璃之熱擴散抑制熔融來抑制凹凸等表面缺陷、裂痕等之產生。然而，在如顯示面板等非常薄(例如厚度0.5mm以下)之玻璃基板形成劃線槽之場合，即使使用記載於專利文獻2之方法亦無法獲得充分之端面強度。
本發明之課題在於即使在將玻璃基板等脆性材料基板以脈衝雷射光消熔加工之場合，於加工部分亦不易產生缺陷、裂痕等，可維持加工後之高端面強度。
第1發明之雷射加工方法係沿脆性材料基板表面之劃線預定線照射雷射光，形成劃線槽，其特徵在於：包含：將脈衝雷射光聚光後對脆性材料基板表面照射之雷射光照射步驟；沿劃線預定線掃瞄前述雷射光之雷射光掃瞄步驟；前述脈衝雷射光之雷射強度係1.0×108
以上1.0×1010
W/cm2
以下；熱輸入量(J/cm2
)×脆性材料之線膨脹係數(10-7
/K)之值為3000以上100000以下之範圍；外接於前述脈衝雷射光之聚光徑之正方形內之脈衝數為2脈衝以上。
此種雷射加工方法係於雷射消熔加工之同時，被雷射光照射之脆性材料基板受熱影響而加工部熔融。以此種加工方法可抑制脆性材料基板之加工端面之缺陷或裂痕，維持高端面強度。
第2發明之雷射加工方法係於第1發明之方法中，前
述熱輸入量(J/cm2
)×脆性材料之線膨脹係數(10-7
/K)之值更理想為3600以上88000以下之範圍。
第3發明之雷射加工方法係於第1發明之方法中，在前述熱輸入量(J/cm2
)×脆性材料之線膨脹係數(10-7
/K)之值為3800以上76000以下之範圍之場合，前述正方形內之脈衝數更理想為5脈衝以上。
在此，在線膨脹係數較小之場合，為使加工部熔融有必要使熱輸入量增多。針對此點，為使脈衝雷射光之重疊率增大，使外接於前述脈衝雷射光之聚光徑之正方形內之脈衝數為5脈衝以上較理想。
第4發明之雷射加工方法係於第1至第3發明之任一方法中，前述脈衝雷射光之脈衝寬度為1ns以上1000ns以下。
在此場合，脈衝雷射光對被照射之加工部位給予熱影響較容易。因此，不提高脈衝雷射光之雷射強度便可使加工端面熔融。
第5發明之雷射加工方法係於第1至第4發明之任一方法中，前述脈衝雷射光係波長300nm以下之紫外線雷射光。
在此場合，以1個光子能量脆性材料基板內之電子之激發開始，可效率良好地脈衝雷射光。因此，不提高脈衝雷射光之雷射強度便可使加工端面熔融。
第6發明之雷射加工裝置係沿脆性材料基板表面之劃線預定線照射雷射光，形成劃線槽，其特徵在於：具備：具有發送脈衝雷射光之雷射振盪器及將被振盪之脈衝雷射
光聚光後照射之聚光光學機構之雷射照射機構；使前述雷射照射機構沿脆性材料基板表面之劃線預定線相對移動之移動機構；前述脈衝雷射光之雷射強度係1.0×108
以上1.0×1010
W/cm2
以下；熱輸入量(J/cm2
)×脆性材料之線膨脹係數(10-7
/K)之值為3000以上100000以下之範圍；外接於前述脈衝雷射光之聚光徑之正方形內之脈衝數為2脈衝以上。
藉由使用此種裝置形成劃線槽，可抑制脆性材料基板之加工端面之缺陷或裂痕，維持高端面強度。
以如以上之本發明，即使在將玻璃基板等脆性材料基板以脈衝雷射光消熔加工之場合，於加工部分亦不易產生缺陷、裂痕等，可維持加工後之高端面強度。
於圖1顯示本發明之一實施形態之雷射加工裝置。此雷射加工裝置具備雷射振盪器1、反射鏡機構2、透鏡機構3、XY載台4。由雷射振盪器1、反射鏡機構2、透鏡機構3構成雷射照射機構，由XY載台4構成移動機構。
雷射振盪器1係振盪脈衝雷射光。此雷射振盪器1只要是YAG雷射、IR雷射等周知之脈衝雷射光之振盪器，並未特別限定。對應於被加工之脆性材料基板5之材質適當選擇可消熔加工之波長之雷射即可。此外，脈衝雷射光之脈衝寬度為可雷射消熔加工且為對脆性材料基板5給予熱影響而為1ps以上1000ns以下，更理想為1ns以上1000ns以下之範圍較理想。
反射鏡機構2係與透鏡機構3一起形成聚光光學機構，變更脈衝雷射光之進行方向以使可對脆性材料基板5從大致鉛直方向照射脈衝雷射光。做為反射鏡機構2，可使用1或複數之鏡面，亦可利用稜鏡、繞射光柵等。
透鏡機構3係將脈衝雷射光加以聚光者。詳言之，此透鏡機構3係視脆性材料基板5之厚度，調整脈衝雷射光聚光位置即焦點位置之上下方向位置。此焦點位置之調整可藉由更換透鏡機構3之透鏡來調整，亦可藉由未圖示之致動器變更透鏡機構3之上下方向之位置加以調整。
XY載台4係載置作為分斷對象之玻璃基板等脆性材料基板5之平台，可於彼此正交之X方向及Y方向移動。藉由使此XY載台4於X方向及Y方向以既定速度移動，可自由變更載置於XY載台4之脆性材料基板5與脈衝雷射光之相對位置。通常係使XY載台4移動，沿形成於脆性材料基板5之表面之劃線槽6之預定線使脈衝雷射光移動。此外，加工時之XY載台4之移動速度係以未圖示之控制部控制，如此，脈衝雷射光以既定之重疊率照射於脆性材料基板5。
[消熔加工之例]
圖2係顯示利用脈衝雷射光之消熔加工之一例之圖。如此圖所示，從雷射振盪器1射出之脈衝雷射光被透鏡機構3聚光在脆性材料基板5之上面附近。脈衝雷射光被吸收之場合，如圖2(a)所示，脆性材料基板5之焦點位置附近被加熱。
脆性材料基板5之焦點位置附近之溫度超過脆性材料基板5之沸點之場合，如圖2(b)所示，超過沸點之部分其成分蒸散。另一方面，在稍微離開焦點位置之部分則有雖未到達脆性材料基板5之沸點但超過熔點之部分存在。此部分如圖2(c)所示表面會熔融，之後因散熱而溫度降低時，即如圖2(d)所示因凝固而形成熔融痕。
圖3係從脆性材料基板5之表面觀察因消熔加工而產生缺陷或裂痕之劃線槽6之圖。以在劃線槽6不形成熔融痕之條件、即在以抑制熱影響之條件下使用脈衝雷射光消熔加工之場合，如圖3(a)所示，沿形成之劃線槽6產生缺陷31。
此外，在熔融過多之場合，則如圖3(b)所示，從劃線槽6產生裂痕32。
[聚光徑之控制]
在本發明係使脈衝雷射光之焦點位置不如以往往基板上面附近而往下方移動，以使脈衝雷射光之在基板上面之直徑(聚光徑)成為既定值。圖4係顯示本發明之一實施形態之雷射加工裝置之焦點位置之示意圖。
如圖4所示，習知雷射加工裝置係將脈衝雷射光41聚光成焦點位置位於脆性材料基板5之上面附近。相對於此，本實施形態則係與習知裝置相較，使焦點位置43往下方移動，而調整為脈衝雷射光42之光束直徑D在脆性材料基板5之上面成既定之值。另外，亦可取代上述方法，改使脈衝雷射光之焦點位置位於基板上面上方，而調整為脈衝雷射光42之光束直徑D在脆性材料基板5之上面成既定之值。
於脆性材料基板5形成劃線槽6之情形時，先使脈衝雷射光聚光而照射於脆性材料基板5之表面(雷射光照射步驟)。之後，將此脈衝雷射光沿劃線預定線掃瞄(雷射光掃瞄步驟)。藉此，沿劃線預定線形成劃線槽6。
在此，本發明之特徵係在對脆性材料基板5進行使用脈衝雷射光之消熔加工之同時，對脆性材料基板5給予熱影響以使加工部熔融(以下，將此種加工稱為「熔融消熔」)。此種熔融消熔與習知之消熔加工相較能維持端面強度。
以下，顯示根據實驗獲得之可熔融消熔之各條件。
實驗使用之雷射等之條件如下。另外，以下實驗中之雷射光脈衝寬度在17.5~22.0ps之範圍。脈衝寬度係依存於使用之雷射振盪器、重複頻率及輸出而決定者。即，即使為相同之雷射振盪器，若變更重複頻率或輸出，脈衝寬度仍會變化。脈衝寬度在以下之實驗雖係17.5~22.0ps之範圍，但如前述，為對脆性材料基板5給予熱影響而為1ps以上1000ns以下，較佳為1ns以上1000ns以下之範圍。
雷射：DPSSL(半導體雷射激發固體雷射)、最大輸出7W
波長：266nm
基板1：OA10(製品名：日本電氣玻璃社製)
厚度：0.3mm
線膨脹係數：38(10-7
/K)
基板2：D263(製品名：SCHOTT社製)
厚度：0.3mm
線膨脹係數：73(10-7
/K)
針對基板1，將基板上面之聚光徑調整為8.47μm，進行1次掃瞄之結果，能以下述條件進行熔融消熔。
(i)重複頻率60kHz，掃瞄速度20mm/s~80mm/s
(ii)重複頻率90kHz，掃瞄速度20mm/s~150mm/s
針對基板1，將基板上面之聚光徑調整為21.72μm，進行1次掃瞄之結果，能以下述條件進行熔融消熔。
(i)重複頻率60kHz，掃瞄速度20mm/s~80mm/s
(ii)重複頻率90kHz，掃瞄速度20mm/s~70mm/s
針對基板2，將基板上面之聚光徑調整為8.47μm，進行1次掃瞄之結果，能以下述條件進行熔融消熔。
(i)重複頻率60kHz，掃瞄速度80mm/s~160mm/s
(ii)重複頻率90kHz，掃瞄速度60mm/s~260mm/s
針對基板2，將基板上面之聚光徑調整為21.72μm，進行1次掃瞄之結果，能以下述條件進行熔融消熔。
(i)在重複頻率60kHz下，僅能在非常有限之範圍獲得熔融消熔。
(ii)重複頻率90kHz，掃瞄速度50mm/s~80mm/s
針對基板1，於重複頻率60kHz及90kHz下，可進行熔融消熔之雷射強度係1.50×108
～8.88×109
(W/cm2
)。
-實驗6-
針對基板2，於重複頻率60kHz及90kHz下，可進行熔融消熔之雷射強度係1.50×108
～8.88×109
(W/cm2
)。
<關於熱輸入量>
-實驗7-
針對基板1，以重複頻率60kHz、聚光徑8.47μm及21.72μm進行實驗之結果，在熱輸入量為184.1～1770.3(J/cm2
)之範圍可進行熔融消熔。
-實驗8-
針對基板1，以重複頻率90kHz、聚光徑8.47μm及21.72μm進行實驗之結果，在熱輸入量為115.1～1180.2(J/cm2
)之範圍可進行熔融消熔。
-實驗9-
針對基板2，以重複頻率60kHz、聚光徑8.47μm及21.72μm進行實驗之結果，在熱輸入量為460.4～1180.2(J/cm2
)之範圍可進行熔融消熔。
-實驗10-
針對基板2，以重複頻率90kHz、聚光徑8.47μm及21.72μm進行實驗之結果，在熱輸入量為57.5～393.4(J/cm2
)之範圍可進行熔融消熔。
[定義]
此處，「雷射強度」及「熱輸入量」係以下述式(1)及式(2)定義者。
(式1)
雷射強度(W/cm2
)=脈衝能量(J)/(脈衝寬度(s)×光束面積(cm2
))
(式2)
熱輸入量(J/cm2
)=脈衝能量(J)/(正方形內之脈衝數×外接於聚光徑之正方形之面積(cm2
))
另外，「正方形內之脈衝數」係以下述式(3)定義者(參照圖5)。
(式3)
正方形內之脈衝數=聚光徑(mm)/脈衝間隔(mm)=聚光徑(mm)/(掃瞄速度(mm/s)/重複頻率(Hz))
[熔融消熔之總結]
由以上之實驗結果，可進行熔融消熔之條件如下。
雷射強度：1.0×108
～1.0×1010
(W/cm2
)--基板1、2共通
熱輸入量：基板1─100(≒115.1)～2000(≒1170.3)(J/cm2
)
基板2─50(≒57.5)～1200(≒1180.2)(J/cm2
)
正方形內之脈衝數：基板1─5.0脈衝以上
基板2─2.0脈衝以上
此外，得知線膨脹係數較大之玻璃會以較低之熱輸入熔融。此外，得知由於基板2之線膨脹係數73(10-7
/K)為基板1之線膨脹係數38(10-7
/K)之2倍程度，故可熔融消熔之熱輸入量及脈衝數亦為基板1之1/2程度。
在此，若求取各基板之「熱輸入量(J/cm2
)×線膨脹係數(10-7
/K)」之值，則得如下結果。
基板1：3800~76000
基板2：3650~87600
由以上，若將可熔融消熔之條件一般化，則得如下結果。
(a)雷射強度：1.0×108
~1.0×1010
(W/cm2
)
(b)熱輸入量(J/cm2
)×線膨脹係數(10-7
/K)：3000以上100000以下
(c)正方形內之脈衝數：2脈衝以上(線膨脹係數大時)5脈衝以上(線膨脹係數小時)
在此，於圖6顯示以熔融消熔獲得之劃線槽6之狀態。如此圖所示，在利用熔融消熔之加工下，不會產生缺陷及裂痕，可以高精度形成劃線槽6。
此外，圖7係比較因熔融消熔而端面被熔融之場合，與端面未熔融之場合之端面強度之圖。於此圖中，資料P0(■)係習知藉由端面未熔融之消熔形成劃線槽，並對基板作用一荷重，對不同荷重描繪端面破損機率者。此外，資料P1(▲)係藉由將基板1熔融消熔形成劃線槽之場合、資料P2(◆)係藉由將基板2熔融消熔形成劃線槽之場合之分別與資料P0相同之破損率資料。
由此圖可知，在以習知消熔形成劃線槽之場合，在荷重到達100MPa之前便已破損。反之，在以熔融消熔形成劃線槽之場合，在荷重為250~425MPa之間破損，可知端面強度遠比習知加工方法高。
如上述，利用本實施形態之加工方法，由於調整脈衝雷
射光之雷射強度、熱輸入量以熔融消熔形成劃線槽，故可抑制基板之加工端面之缺陷或裂痕，維持高端面強度。
本發明並不限定於如以上之實施形態，在不脫離本發明之範圍內可有各種變形或修正。
作為對象之基板並不限於前述基板1及2，可對各種玻璃基板或其他脆性材料基板適用本發明。
1‧‧‧雷射振盪器
2‧‧‧反射鏡機構
3‧‧‧透鏡機構
4‧‧‧XY載台
5‧‧‧脆性材料基板
6‧‧‧劃線槽
圖1係顯示利用本發明之一實施形態之雷射加工裝置之構成之示意圖。
圖2係顯示利用脈衝雷射光之消熔加工之一例之圖。
圖3係從脆性材料基板之表面觀察因消熔加工而產生缺陷或裂痕之劃線槽之圖。
圖4係顯示雷射加工裝置之焦點位置之示意圖。
圖5係為說明「正方形內之脈衝數」之圖。
圖6係從脆性材料基板之表面觀察以利用本發明之一實施形態之雷射加工方法加工玻璃基板之場合之劃線槽之圖。
圖7係比較以以往之加工方法形成劃線槽之場合與以利用本發明之一實施形態之雷射加工方法形成劃線槽之場合之端面強度之圖。
3‧‧‧透鏡機構
5‧‧‧脆性材料基板
Claims (6)
- 一種雷射加工方法，係沿脆性材料基板表面之劃線預定線照射雷射光以形成劃線槽，其特徵在於：包含：將脈衝雷射光聚光後照射於脆性材料基板表面之雷射光照射步驟；以及沿劃線預定線掃瞄前述雷射光之雷射光掃瞄步驟；前述脈衝雷射光之雷射強度為1.0×108 以上1.0×1010 W/cm2 以下；熱輸入量(J/cm2 )×脆性材料之線膨脹係數(10-7 /K)之值為3000以上100000以下之範圍；外接於前述脈衝雷射光之聚光徑之正方形內之脈衝數為2脈衝以上。
- 如申請專利範圍第1項記載之雷射加工方法，其中，前述熱輸入量(J/cm2 )*脆性材料之線膨脹係數(10-7 /K)之值較佳為3600以上88000以下之範圍。
- 如申請專利範圍第1項記載之雷射加工方法，其中，在前述熱輸入量(J/cm2 )×脆性材料之線膨脹係數(10-7 /K)之值為3800以上76000以下之範圍之場合，前述正方形內之脈衝數較佳為5脈衝以上。
- 如申請專利範圍第1項記載之雷射加工方法，其中，前述脈衝雷射光之脈衝寬度為1ns以上1000ns以下。
- 如申請專利範圍第1項記載之雷射加工方法，其中，前述脈衝雷射光係波長300nm以下之紫外線雷射光。
- 一種雷射加工裝置，沿脆性材料基板表面之劃線預 定線照射雷射光以形成劃線槽，其特徵在於：具備：具有發出脈衝雷射光之雷射振盪器及將被振盪之脈衝雷射光聚光後照射之聚光光學機構之雷射照射機構；以及使前述雷射照射機構沿脆性材料基板表面之劃線預定線相對移動之移動機構；前述脈衝雷射光之雷射強度為1.0×108 以上1.0×1010 W/cm2 以下；熱輸入量(J/cm2 )×脆性材料之線膨脹係數(10-7 /K)之值為3000以上100000以下之範圍；外接於前述脈衝雷射光之聚光徑之正方形內之脈衝數為2脈衝以上。
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| TW201043383A (en) | 2010-12-16 |
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