TWI406727B

TWI406727B - Laser cutting device

Info

Publication number: TWI406727B
Application number: TW100118794A
Authority: TW
Inventors: Atsushi Tabata
Original assignee: Mitsuboshi Diamond Ind Co Ltd
Priority date: 2010-09-10
Filing date: 2011-05-30
Publication date: 2013-09-01
Also published as: JP5202595B2; KR101197109B1; EP2428494A2; CN102442770B; JP2012056229A; TW201210726A; KR20120026958A; EP2428494A3; CN102442770A

Description

雷射割斷裝置

本發明係關於一種於使脆性材料基板彎曲之狀態下進行雷射光束照射並割斷之雷射割斷裝置者。

先前，作為玻璃基板等脆性材料基板之割斷方法，廣泛使用如下方法：使刀輪等壓接滾動，形成由垂直裂痕所構成之劃線之後，沿著劃線自相對於基板垂直之方向施加外力而割斷基板。

通常，於使用刀輪對脆性材料基板進行劃線之情形時，由於刀輪賦予脆性材料基板之機械應力而易產生基板之缺陷，可能於施加外力而割斷基板時產生由於上述缺陷而導致之裂痕等。

因此，近年來，使用雷射割斷脆性材料基板之方法付諸實用。該方法係將雷射光束照射至基板而使基板加熱至未達熔融溫度之後，藉由利用冷媒冷卻基板，而於基板上產生熱應力，藉由該熱應力而自基板之表面於大致垂直之方向形成裂痕(以下可能記作「垂直裂痕」)。於該使用雷射光束之脆性材料基板之割斷方法中，由於利用熱應力，故而不會使工具直接接觸於基板，割斷面成為缺陷等較少之平滑之面，從而維持基板之強度。

於上述所謂雷射割斷方法中，為了使垂直裂痕加深，需要使雷射光束之照射功率變大或者使掃描速度變慢，但若使雷射光束之照射功率變大，則可能於基板表面產生由於加熱而導致之損傷。又，若使雷射光束之掃描速度變慢，則加工效率降低。

因此，揭示有一種使基板彎曲並於該狀態下照射雷射光束而加深垂直裂痕之技術。例如於專利文獻1中，分別改變支撐基板之複數個棒狀構件之高度使基板由於自身重量而彎曲。

[先前技術文獻]

[專利文獻]

專利文獻1：日本特開2007-191363號公報

然而，於專利文獻1之提案技術中，必須分別調整複數個棒狀構件之高度，作業繁雜。另一方面，於藉由1個棒狀構件而使基板彎曲之情形時，棒狀構件之高度調整較容易，但要求自雷射光束照射方向觀察，以雷射光束照射預定線與棒狀構件重合之方式正確地定位。

本發明係鑒於如此先前之問題而成者，其目的在於提供藉由棒狀構件而使基板彎曲之雷射割斷裝置，於該裝置中，自雷射光束照射方向觀察，能夠以雷射光束照射預定線與棒狀構件重合之方式而迅速且正確地定位基板。

根據本發明，可提供一種雷射割斷裝置，其具備：固定脆性材料基板之固定台；雷射照射手段；冷卻手段；及使固定於上述固定台之上述基板以雷射光束之照射面側凸出之方式而彎曲的棒狀構件；藉由上述棒狀構件而使上述基板彎曲，相對於上述基板而使上述雷射照射手段及上述冷卻手段相對移動，將雷射光束照射至脆性材料基板而加熱至未達熔融溫度之後，對上述基板噴附冷媒而進行冷卻，藉由於上述基板上產生之熱應力而形成垂直裂痕並割斷上述基板，其特徵在於：其進而具備偵測上述基板之位置的位置偵測手段與調整上述固定台之位置的位置調整手段，自雷射光束照射方向觀察，以雷射光束照射預定線與上述棒狀構件重合之方式，依據來自上述位置偵測手段之偵測資訊，藉由上述位置調整手段而調整固定上述基板之上述固定台之位置。

此處，作為上述位置調整手段，較佳為具有：旋轉機構，其以垂直於上述固定台之基板固定面之軸為中心而旋轉上述固定台；及移動機構，其以上述固定台之基板固定面維持於同一平面內之方式而移動上述固定台。

又，作為上述位置偵測手段，較佳為光學性偵測形成於上述基板之檢測用標記者。

而且，較佳為設置有用以將上述基板固定於上述固定台之吸引固定手段。

較佳為，進而使上述棒狀構件相對於上述固定台於突出位置與陷入位置自如移動，且移動至自上述固定台突出之位置，藉此使上述基板彎曲。

就於上述基板較厚之情形時亦可使基板彎曲成所期望之形狀之觀點而言，較佳為，進而設置一對按壓構件，其係以上述棒狀構件為中心而將上述基板之兩側按壓至上述固定台者，將上述基板固定於上述固定台，藉由上述一對按壓構件而按壓上述基板之後，藉由上述棒狀構件而使上述基板彎曲。

於本發明之雷射割斷裝置中，由於自雷射光束照射方向觀察，以雷射光束照射預定線與棒狀構件重合之方式，可迅速且正確地定位脆性材料基板，故可藉由棒狀構件以於雷射光束照射預定線處成最大曲率之方式而使基板彎曲。而且，藉由沿著雷射光束照射預定線照射雷射光束，可形成較深之垂直裂痕。

以下，更詳細地說明本發明之雷射割斷裝置，但本發明並不限定於該等實施形態。

圖1表示本發明之雷射割斷裝置之一例之概說圖。於該圖之雷射割斷裝置中，載置、固定脆性材料基板(以下可能僅記作「基板」)50之固定台11設置於旋轉機構25及滑台26(移動機構)之上。即，於圖式之左右方向(X方向)自如移動之滑台26設置於基台20上，於滑台26上設置有旋轉機構25。藉由該等旋轉機構25及滑台26，而載置、固定於固定台11之基板50於水平平面可於X方向及既定角度移動。

滑台26可移動地支撐於隔開既定距離而平行地配置於基台20上之一對導向構件21。而且，於一對導向構件21之間，與導向構件21平行地設置有藉由馬達23而自如地正反旋轉之滾珠螺桿22。又，球形螺母24設置於滑台26之底面，且與滾珠螺桿22螺合。藉由滾珠螺桿22正轉或反轉，而球形螺母24於X方向移動，藉此，滑台26與球形螺母24一起沿著一對導向構件21於X方向移動。

於滑台26上設置有旋轉機構25。而且，於該旋轉機構25上設置有固定台11。旋轉機構25於垂直於固定台11之方向之中心軸之周圍旋轉。

作為割斷對象之基板50係藉由真空吸附而固定於固定台11上。於固定台11之表面形成有複數個吸氣孔(吸附固定手段)14，該等複數個吸氣孔14連接於真空泵(吸附固定手段)P。藉由驅動真空泵P抽吸空氣而將基板50吸附固定於固定台11上。於固定台11之中央部、垂直於紙面之方向(前後方向)形成有槽部，於該槽部設置有前後方向細長之棒狀構件12，該棒狀構件係藉由未圖示之驅動手段而於自固定台11突出之位置與陷入固定台11之位置自如移動。棒狀構件12位於自固定台11突出之位置後，以雷射光束LB照射面側凸出之方式而使基板50彎曲。對此於下文進行詳述。

於固定台11之上方以與固定台11分離對向之方式而設置有支撐台31。於支撐台31上前後方向並排設置有：用以於基板50之表面形成觸發裂痕之切割輪(未圖示)，用以將雷射光束LB照射至基板50之開口，以及用以冷卻棒狀構件12及基板50之表面之冷卻噴嘴37(冷卻手段，示於圖5)。

切割輪(未圖示)保持為可於與基板50壓接之位置及與基板50不接觸之位置升降，僅於形成成為劃線52(示於圖5)之開始起點之觸發裂痕時，下降至與基板50壓接之位置。為了抑制自觸發裂痕沿著不可預測之方向產生裂痕之先行現象，觸發裂痕之形成位置較佳為形成於較基板50之表面側端更靠內側。

自雷射輸出裝置34射出之雷射光束LB藉由反射鏡面44而向下方反射，經由未圖示之光學系統而自形成於支撐台31之開口照射至固定於固定台11上之基板50。

於支撐台31之X方向兩側設置有前後方向細長之長方體狀之一對按壓構件13a、13b。此一對按壓構件13a、13b係藉由未圖示之驅動手段而於X方向及上下方向自如移動，如下述般，當將基板50固定於固定台11時，輔助以棒狀構件12為中心而按壓基板50之左右兩側，藉由棒狀構件12之突出而使基板50彎曲。另外，於棒狀構件12突出時僅依靠藉由固定台11之吸附固定便可固定基板50之情形時，即使不使用一對按壓構件13a、13b亦可。

於固定台11之上方設置有識別預先壓印於基板50之對準標記AM(檢測用標記，示於圖2)之一對CCD(Charge Coupled Device，電荷耦合裝置)攝影機(位置偵測手段)38、39。藉由該等CCD攝影機38、39而識別對準標記AM，以基板50之雷射光束照射預定線51(示於圖2)與棒狀構件12於俯視時重合之方式，驅動旋轉機構25及滑台26而修正基板50之位置。

具體而言，將基板50載置於固定台11上，驅動真空泵P(示於圖1)並藉由吸氣孔14(示於圖1)而將基板50吸附固定於固定台11。之後，藉由CCD攝影機38、39而識別對準標記AM，檢測出載置、固定於固定台11時之基板50之位置偏移。例如，如圖2(a)所示般，於基板50偏移角度「-θ」、於X方向偏移距離「-L」之情形時，藉由旋轉機構25而使固定台11旋轉角度「+θ」，並且使滑台26於X方向移動距離「+L」，以使基板50之雷射光束照射預定線51與棒狀構件12於俯視時重合(圖2(b))。旋轉機構25及滑台26之驅動可同時進行，亦可先驅動任一者後驅動另一者。

在將基板50固定於固定台11而進行基板50之位置調整之後，繼而，進行基板50之割斷處理。圖3及圖4表示割斷基板50之情形之步驟圖。另外，關於使基板50吸附固定於固定台11之吸附手段及雷射光束照射手段、冷卻手段，係為了簡化圖式而自該等圖省略。

首先，使按壓構件13a、13b向中央部移動之後，使其下降並將基板50按壓固定於固定台11(圖3(a)、(b))。藉由按壓構件13a、13b而進行之基板50之按壓固定之程度較佳為藉由感測器而進行偵測並控制以使其成為既定之按壓力。又，藉由按壓構件13a、13b而進行之基板50之固定位置可適當地取決於基板50之材質或厚度等，但較佳為於藉由棒狀構件12之突出而使基板50彎曲時，使基板50之曲率半徑為4000 mm以下。為此，於棒狀構件12之突出量為5 mm以下之範圍之情形時，自棒狀構件12起至按壓構件13a、13b為止之距離L較佳為100 mm以上且300 mm以下。又，較佳為按壓構件13a、13b按壓基板50之前後方向之整體，亦可於前後方向以既定間隔按壓基板50。

而且，使棒狀構件12位於自固定台11突出之第1突出位置。藉此使基板50彎曲(同圖(c))。作為棒狀構件12之突出量，較佳為如上述般使基板50彎曲時之基板50之曲率半徑為4000 mm以下，通常為0.1 mm～5 mm之範圍。

繼而，如上述般藉由切割輪而於基板50上形成觸發裂痕。之後，自雷射輸出裝置34射出雷射光束LB(同圖(d))。雷射光束LB由於反射鏡面44而如圖5所示般，大致垂直地照射至基板50表面。又，同時於雷射光束照射區域之後端附近自冷卻噴嘴37噴出作為冷媒之水。藉由將雷射光束LB照射至基板50，而於厚度方向以未達熔融之溫度加熱基板50，基板50欲發生熱膨脹，由於局部加熱無法膨脹，故以照射點為中心產生壓縮應力。而且，於加熱之後立即藉由利用水冷卻基板50之表面，而基板50此次收縮而產生拉伸應力。藉由該拉伸應力之作用，而以觸發裂痕為開始點沿著雷射光束照射預定線51於基板50上形成垂直裂痕53。另外，於本發明之裝置中，由於於基板50之雷射光束照射面側附加有基板50之彎曲所致之拉伸應力，故形成較通常更深之垂直裂痕53，根據情形可能垂直裂痕53會到達與基板50相反之面側。

而且，藉由使雷射光束LB及冷卻噴嘴37按照雷射光束照射預定線51於前後方向相對地移動，而垂直裂痕53於前後方向進展從而於基板50上形成劃線52。

此處所使用之雷射光束LB並無特別限定，可由基板之材質或厚度、欲形成之垂直裂痕的深度等適當地決定。於脆性材料基板為玻璃基板之情形時，較佳為使用玻璃基板表面之吸收較大之波長9～11 μm之雷射光束。作為如此之雷射光束，可列舉CO₂ 雷射。作為雷射光束之照射點之形狀，較佳為於雷射光束之相對移動方向細長之橢圓形狀，相對移動方向之照射長度較佳為10～60 mm之範圍，照射寬度較佳為1～5 mm之範圍。

作為自冷卻噴嘴37噴出之冷媒，可列舉水或乙醇等。又，於對使用割斷後之脆性材料基板之方面不造成不良影響之範圍內，亦可添加界面活性劑等添加劑。作為冷媒之噴附量，通常較佳為數ml/min左右。就對藉由雷射光束而加熱之基板進行急冷之觀點而言，藉由冷媒而進行之基板之冷卻較理想為與氣體(通常為空氣)一起噴射水之所謂的水噴方式。冷媒之冷卻區域較佳為長徑1～5 mm左右之圓形狀或橢圓形狀。又，較佳為冷卻區域為雷射光束之加熱區域之相對移動方向後方，且以冷卻區域與加熱區域之中心點之間的距離為數mm～數十mm左右的方式而形成。

作為雷射光束LB及冷卻噴嘴37之相對移動速度並無特別限定，可由欲得到之垂直裂痕之深度等適當地決定。一般地越使相對移動速度慢，則所形成之垂直裂痕越深。通常，相對移動速度為數百mm/sec左右。

繼而，使棒狀構件12更加突出而位於第2突出位置(圖4(e))。藉此，形成於基板50上之垂直裂痕53到達基板50之相反面側，從而割斷基板50。另外，於藉由雷射光束LB之照射而形成垂直裂痕53之預備步驟中，於垂直裂痕53到達基板50之相反面側之情形時，不需要該圖所示之步驟。只要使垂直裂痕53進展至基板50之相反面側，則棒狀構件12之突出量並無特別限定，通常，自第1突出位置起為0.1 mm～1 mm左右之突出量即足夠。另外，於使棒狀構件12自第1突出位置變為第2突出位置時，可使棒狀構件12之前後方向兩端同時突出，亦可如圖6所示般，使棒狀構件12之前後方向之一側端先突出，然後使另一端側突出。

在進行基板50之割斷後，保持使棒狀構件12位於第2突出位置之狀態而使按壓構件13a上升並解除基板50a之按壓(圖4(f))。之後，解除固定台11之吸附固定，使基板50a移動至下一步驟(圖4(g))。另外，保持使棒狀構件12位於第2突出位置之狀態而解除基板50a之按壓並使其移動至下一步驟，是因為於使棒狀構件12自第2突出位置移動至陷入位置之後，若移動基板50a，則於棒狀構件12移動至陷入位置時，有基板50a與基板50b之端面彼此接觸而損傷之虞。然後，基板50b超過棒狀構件12而移動至既定距離為止，重複進行上述一系列之割斷處理。另外，於圖4(f)及同圖(g)中所示之步驟亦可同時進行。

對作為本發明之雷射割斷裝置之割斷對象之脆性材料基板50並無特別限定，可列舉玻璃、陶瓷、矽、藍寶石等先前已知之脆性材料基板。於該等之中，本發明之雷射割斷裝置可較佳地使用於一般認為表面壓縮應力大、交叉劃線較困難之化學強化玻璃或風冷強化玻璃等強化玻璃基板之割斷。又，作為以本發明之雷射割斷裝置可割斷之脆性材料基板50之厚度雖係根據脆性材料基板50之材質等而不同，但於脆性材料基板50為玻璃基板之情形時，其為至大概2 mm左右之厚度。

[產業上之可利用性]

於本發明之雷射割斷裝置中，自雷射光束照射方向觀察，可以基板之雷射光束照射預定線與棒狀構件重合之方式而迅速且正確地定位基板。藉此，可以於雷射光束照射預定線處成最大曲率之方式而使基板彎曲，可藉由沿著雷射光束照射預定線照射雷射光束而於基板上形成較深之垂直裂痕，從而有用。

11．．．固定台

12．．．棒狀構件

13a、13b．．．按壓構件

14．．．吸氣孔(吸附固定手段)

20．．．基台

21．．．導向構件

22．．．滾珠螺桿

23．．．馬達

24．．．球形螺母

25．．．旋轉機構

26．．．滑台(移動機構)

31．．．支撐台

34．．．雷射輸出裝置

37．．．冷卻噴嘴

38、39．．．CCD攝影機(位置偵測手段)

44．．．反射鏡面

50、50a、50b．．．基板/脆性材料基板

51．．．雷射光束照射預定線

52．．．劃線

53‧‧‧垂直裂痕

P‧‧‧真空泵(吸附固定手段)

LB‧‧‧雷射光束

AM‧‧‧對準標記(檢測用標記)

θ‧‧‧角度

L‧‧‧距離

圖1係表示本發明之雷射割斷裝置之一實施形態之概說圖。

圖2係表示基板之位置調整之一例之平面圖。

圖3係使用圖1之雷射割斷裝置割斷基板之情形之步驟圖。

圖4係使用圖1之雷射割斷裝置割斷基板之情形之步驟圖。

圖5係說明雷射光束及冷卻噴嘴之動作狀態之立體圖。

圖6係說明棒狀構件自第1突出位置起移動至第2突出位置時之移動狀態之圖。

11．．．固定台

12．．．棒狀構件

50．．．基板/脆性材料基板

51．．．雷射光束照射預定線

AM．．．對準標記(檢測用標記)

θ．．．角度

L．．．距離

Claims

一種雷射割斷裝置，其具備：固定台，其係固定脆性材料基板；雷射照射手段；冷卻手段；及棒狀構件，其係使固定於上述固定台之上述基板以雷射光束之照射面側凸出之方式而彎曲；藉由上述棒狀構件而使上述基板彎曲，相對於上述基板使上述雷射照射手段及上述冷卻手段相對移動，使雷射光束照射至脆性材料基板而加熱至未達熔融溫度之後，對上述基板噴附冷媒而進行冷卻，藉由產生於上述基板之熱應力而形成垂直裂痕並割斷上述基板，其特徵在於：進而具備偵測上述基板之位置之位置偵測手段與調整上述固定台之位置的位置調整手段；且自雷射光束照射方向觀察，以雷射光束照射預定線與上述棒狀構件重合之方式，依據來自上述位置偵測手段之偵測資訊，藉由上述位置調整手段而調整固定上述基板之上述固定台之位置；上述棒狀構件相對於上述固定台而於突出位置與陷入位置自如移動，且移動至自上述固定台突出之位置，藉此使上述基板彎曲；進而具備以上述棒狀構件為中心而將上述基板之兩側按壓至上述固定台之一對按壓構件，將上述基板固定於上述固定台，藉由上述一對按壓構件而按壓上述基板之後，藉由上述棒狀構件而使上述基板彎曲；割斷後，在將上述棒狀構件維持於上述突出位置之狀態下解除上述一對按壓構件之至少一方之按壓並使上述基板退避。
如申請專利範圍第1項之雷射割斷裝置，其中，上述位置調整手段具有：旋轉機構，其係以垂直於上述固定台之基板固定面之軸為中心而旋轉上述固定台；及移動機構，其係以上述固定台之基板固定面維持於同一平面內之方式而移動上述固定台。
如申請專利範圍第1項或第2項之雷射割斷裝置，其中，上述位置偵測手段係光學性地偵測形成於上述基板之檢測用標記者。
如申請專利範圍第1項或第2項之雷射割斷裝置，其中，設置有用以將上述基板固定於上述固定台之吸引固定手段。