TWI414383B

TWI414383B - Angle processing device

Info

Publication number: TWI414383B
Application number: TW098115646A
Authority: TW
Inventors: Issei Kumatani; Tomihisa Sunata; Seiji Shimizu
Original assignee: Mitsuboshi Diamond Ind Co Ltd
Priority date: 2008-06-25
Filing date: 2009-05-12
Publication date: 2013-11-11
Also published as: JPWO2009157319A1; KR101306673B1; CN102123817A; WO2009157319A1; KR20110030622A; TW201002460A; CN102123817B; JP5320395B2

Description

去角加工裝置

本發明係關於一種形成於脆性材料基板之端面之邊緣線(稜線)的去角加工方法，進一步詳細而言係關於藉由雷射束之照射進行邊緣線之R面去角或C面去角的去角加工方法及去角加工裝置。

此處，除了玻璃基板以外，加工對象之脆性材料基板包含石英、單晶矽、藍寶石、半導體晶圓、及陶瓷等基板。

玻璃基板等脆性材料基板係藉由加工成所欲之尺寸、形狀而使用於各種製品。一般而言，脆性材料基板之加工雖藉由切割(dicing)、刀輪劃線(wheel scribe)、雷射劃線(laser scribe)等既有之加工技術來進行，不過藉由此等加工技術斷開之基板端面的邊緣線係非常銳利，即使是施加些微之衝擊亦會產生破裂(chipping)或微裂(microcrack)等缺陷。例如，在平面顯示器(FPD)用之玻璃基板中，因邊緣缺角所產生之破片會在FPD用基板之表面導致損傷，而對產品之良率造成影響。

因此，為了防止在斷開基板後所產生之基板之邊緣部分的缺損等，係沿邊緣線進行去角加工。

以往之去角加工之一係有一種濕式研磨法，其係一邊供應大量之水一邊藉由金剛石磨石進行研磨。然而，在藉由濕式研磨法所形成之去角加工面，會連續殘留微小裂痕，而使去角加工面之強度較周圍顯著降低。

相對於此，已提出一種加熱熔融法，其係沿欲進行去角加工之邊緣線掃瞄雷射束，並沿邊緣線移動雷射束之焦點而將邊緣上予以加熱熔融以進行去角。另揭示有一種方法(參照專利文獻1)，其係在將例如玻璃構件整體保持(預熱)於較常溫高之溫度的狀態下，將稜線部附近予以雷射加熱使稜線部軟化而加以圓化來進行去角。

圖8係表示使用CO₂ 雷射光源藉由加熱熔融法進行去角加工時之雷射照射狀態的截面圖。預先使用未圖示之加熱器將玻璃基板10整體逐漸加熱至較軟化溫度低之既定溫度，接著沿欲進行保持於既定溫度之玻璃基板10之去角加工的邊緣線51，藉由聚光透鏡53將來自CO₂ 雷射光源50之雷射光予以聚光，將焦點對準於加工部分附近並進行掃描。此時，藉由調整雷射輸出、掃描速度，使經雷射照射之邊緣部分變成高溫而軟化，藉此加工成使經雷射照射之邊緣部分帶圓狀。

此時，在預熱及加工後之冷卻會耗費時間。又，必須將基板整體預熱，當在基板上已形成無法加熱之元件或感測器等功能膜的情況下，有時無法實施此方法之去角加工。又，若預熱不夠充分則會因熱應力產生破裂(裂痕)，而無法進行良好之去角加工。再者，上述加熱熔融法之去角加工中，有時熔融部分會變形導致其一部分(帶圓狀之部分的一部分)較周圍鼓起，而損及基板端面之平坦度。

作為異於加熱熔融法、無須預熱之雷射照射的去角方法，已揭示有一種雷射劃線法(專利文獻2)，其係藉由將雷射光照射於邊緣附近來進行加熱，使玻璃基板10產生裂痕，並藉由使雷射光相對掃描於邊緣線方向，而使裂痕沿邊緣線成長，從玻璃基板分離邊緣附近以進行去角。

圖9表示使用CO₂ 雷射光源藉由雷射劃線進行去角加工時之雷射照射狀態的圖。藉由聚光透鏡53將來自CO₂ 雷射光源50之雷射光局部照射於玻璃基板10之邊緣線51附近，以較軟化溫度低之溫度進行加熱。此時，因隨著局部熱膨脹所造成之熱應力而產生裂痕52。接著，藉由使雷射光沿邊緣線51掃描，依序所產生之裂痕52即沿邊緣線51成長，即可分離包含邊緣線51之邊緣附近(角部分)。

根據專利文獻2，藉由進行雷射劃線之去角加工，即可在不損及玻璃基板之精度下，實施高生產性且無須洗淨步驟之去角加工。

專利文獻1：日本特開平2-241684號公報

專利文獻2：日本特開平9-225665號公報

此處，針對藉由雷射劃線之去角加工所形成之加工面作說明。圖10係藉由使用CO₂ 雷射之雷射劃線進行去角加工時之加工截面的放大圖。

藉由去角加工，玻璃基板10之角部分U即被分離(剝離)，玻璃基板10之邊緣線53雖會與角部分U一起消失，但卻另外形成去角加工面54。

若觀察此去角加工面54之截面形狀，則於玻璃基板10側具有凹陷之圓弧狀的逆R面。去角加工面54凹陷之結果，在與玻璃基板S之基板表面55,56交叉的部分，即形成2個邊緣線57,58。若相較於原來之邊緣線53，此等邊緣線57,58之邊緣之尖銳度雖已有改善，不過即使如此凹陷若變大時，則亦會形成銳利之邊緣。

特別是在平面顯示器用(FPD用)玻璃基板中，於緊鄰邊緣線57,58之上方有時會配置有TAB捲帶之配線，在去角加工之後，若於該部分殘留有銳利之邊緣時，造成TAB捲帶斷線之可能性便會變高。

因此，去角加工面54係被要求消除凹陷且須將去角部分形成為屬平面之斜面C面或朝向外側呈凸狀之R面。

然而，上述習知之使用CO₂ 雷射之雷射劃線法所形成之去角加工面54總是會在去角加工面產生凹陷。即使改變照射於邊緣線53之雷射的照射方向，結果仍大致相同，而難以控制去角加工面之形狀。

近年來，在平面顯示器(FPD)用玻璃基板等中，係使用較以往更大型之玻璃基板，隨著玻璃基板之大型化，對基板之加工品質亦逐漸要求較目前更高之精度或可靠性。針對去角加工面之形狀，亦要求較目前更高之精度與可靠性。

因此，本發明之目的係在於提供一種去角加工裝置，其可將雷射照射所形成之去角加工面形成為非逆R面而為C面、R面、或朝向外側呈凸狀之曲面。

為了解決上述課題而構成之本發明之去角加工裝置，係使用特殊之光學元件單元掃描雷射束之聚光點，以實現成為C面、R面、朝向基板外側呈凸狀之曲面的去角加工。

亦即，本發明之去角加工裝置，係進行脆性材料基板之去角加工，其特徵在於，具備：雷射光源；聚光構件，將從雷射光源放射之雷射束加以聚光並導至基板；射束偏向部，係設於從雷射光源經由聚光構件而到達基板之雷射束之光路上，使雷射束之射入光路偏向以使雷射束所形成之聚光點的位置進行掃描；以及基板支撐部，係將基板支撐成，對供進行去角加工之邊緣線，從以邊緣線為端邊之兩個相鄰面之斜前方朝向邊緣線照射雷射束，以使該聚光點沿與邊緣線交叉之面掃描邊緣線附近之基板表面或基板內部；聚光構件，係由具有在與邊緣線交叉之面形成之聚光點之掃描軌跡從聚光構件觀看時成凹狀或直線狀的光學參數的光學元件單元構成。

此處，脆性材料基板包含玻璃基板、石英基板、矽基板、藍寶石基板、矽或其他半導體晶圓、及陶瓷基板。

又，雷射光源會因雷射光之波長不同而使基板之吸收特性不同，因此可根據基板種類、是從基板表面掃描或是掃描基板內部，選擇所使用之雷射光源。

例如對於玻璃基板，當掃描表面附近時最好使用基板材料吸收係數大之CO₂ 雷射或CO雷射(其中，掃描基板表面時只要可使雷射聚光亦能使用吸收小之雷射)。另一方面，在掃描基板內部時，最好使用基板材料吸收係數小之YAG雷射(Nd-YAG雷射、Er-YAG雷射等)。

具體而言，例如在玻璃基板可使用波長為從193nm至1064nm之雷射，雷射光源則可使用Nd-YAG雷射、ArF準分子雷射、及KrF準分子雷射等。又，例如在矽基板可使用波長為1100nm以上之雷射。

又，作為聚光構件之光學元件單元能使用透鏡單元或反射鏡單元。一般而言，透鏡單元中可藉由調整其折射率分布、透鏡曲面形狀，反射鏡單元可藉由調整其反射面形狀，來設計射出光相對於射入透鏡單元、反射鏡單元之射入光的光路方向或聚光點。因此，用於本發明之光學元件單元(透鏡單元、反射鏡單元)之光學參數，能使用藉由射束偏向部使射入光路偏向時藉聚光構件形成之聚光點之掃描軌跡從聚光構件觀看時成凹狀或直線狀的光學參數者。此外，用以取得上述掃描軌跡之光學參數，可藉由進行幾何運算或有限元素法之分析、或試行錯誤之設計來求出。

又，此處所指之光學元件單元並非單透鏡，而係如組合透鏡般作成將複數個透鏡或反射鏡串聯排列的構造，藉此，元件整體亦包含聚光點之掃描軌跡從聚光構件觀看時成凹狀者。

根據本發明，係將光學系統配置成，從雷射光源放射之雷射束經由射束偏向部、聚光構件，而對供進行基板之去角加工的邊緣線從基板之斜前方方向照射。射束偏向部，係使從雷射光源放射之雷射光束對聚光構件的射入光路偏向。聚光構件因射入光路藉射束偏向部而偏向，從聚光構件射出之雷射光束的行進方向亦偏向。其結果，藉由從聚光構件射出之雷射束而形成之聚光點的位置，係在基板之邊緣線附近掃描。此時，聚光構件，由於使用具有一光學參數(在與邊緣線交叉之面形成之聚光點之掃描軌跡從聚光構件觀看時成凹狀或直線狀的光學參數)的光學元件單元，因此邊緣線附近之聚光點之掃描軌跡從聚光構件觀看時成凹狀或直線狀。接著，使聚光點在基板表面或基板內部掃描，即會沿其軌跡產生剝離熔融現象，而沿聚光點之掃描軌跡除去基板之一部分。因此，當掃描軌跡為直線狀時，即進行C面之去角加工，當掃描軌跡從聚光構件觀看成凹狀時，即進行對應該凹狀決定之R面、拋物面、橢圓面等之凸狀的去角加工。

根據本發明，可將藉由雷射照射所形成之去角加工面形成為C面、R面、或朝向外側呈凸狀之曲面。

上述發明中，聚光構件亦可係由fθ透鏡或fθ反射鏡構成之光學元件單元。

將聚光構件作成由fθ透鏡或fθ反射鏡構成之光學元件單元時之聚光點之掃描軌跡由於成直線狀，因此能進行C面之去角加工。

上述發明中，聚光構件亦可係將非遠心之fθ透鏡與平面平行板組合而成的光學元件單元。

將聚光構件作成非遠心之fθ透鏡與平面平行板組合而成的光學元件單元時之聚光點之掃描軌跡由於係朝向基板外側成凸狀，因此能進行該凸狀之去角加工。

上述發明中，亦可具備使基板側或雷射束側移動以使該聚光點沿該邊緣線相對移動之移送機構。

藉此，可沿邊緣線進行邊緣線整體之去角加工。

上述發明亦可為，該基板支撐部係由將基板裝載成水平之平台構成，該聚光構件及射束偏向部，係配置成以相對裝載成水平之基板之邊緣線傾斜45度的方向為中心方向使該聚光點掃描於該邊緣線。

藉此，可在將基板穩定地裝載於水平之平台上的狀態下進行去角加工。

上述發明中，射束偏向部亦可係藉由電流鏡或多面鏡構成。

當為電流鏡時，可藉由反射鏡之擺動運動，又，當為多面鏡時可藉由反射鏡之旋轉運動，藉此均能以簡單之機構正確且以良好再現性使朝向聚光構件之雷射束偏向。

上述發明中，亦可進一步具備深度調整機構，係藉由使基板或該聚光構件之位置移動於雷射束之照射方向，以調整該聚光點於基板之深度方向的位置。

藉此，能將聚光點於基板內之深度位置配合去角加工之加工預定深度進行去角加工，藉以進行所欲深度之去角加工。

又，在進行較深之去角加工時，係進行淺去角加工，並使深度和緩地變化而進行較深之去角加工，藉由一邊調整深度方向之掃描位置一邊從邊緣線之起點連續相對移動終點，即能進行不過度極端之去角加工。

以下，使用圖式針對本發明之實施形態作說明。此處，係針對玻璃基板之去角加工作說明。

此外，本發明當然並不限於以下說明之實施形態，在不超出本發明之要旨的範圍係包含各種形態。

圖1係表示本發明之一實施形態之脆性材料基板之去角加工裝置LM的圖。圖2係表示圖1之掃描光學系統的放大圖。

去角加工裝置LM設有滑動平台2，其係沿平行設置於水平之架台1上的一對導軌3,4，來回移動於圖1之紙面前後方向(以下稱為Y方向)。於兩導軌3,4之間，係形成為螺桿5沿前後方向設置，而固定於該滑動平台2之支桿6則螺合於該螺桿5，藉由馬達(未圖示)使螺桿5正、逆轉，以使滑動平台2沿導軌3,4來回移動於Y方向。

於滑動平台2上，水平之台座7係設置成沿導軌8來回移動於圖1之左右方向(以下稱為X方向)。於固定在台座7之支桿10a，係貫通螺合有藉由馬達9旋轉之螺桿10，藉由螺桿10正、逆轉，台座7即沿導軌8來回移動於X方向。

於台座7上，設有用以進行高度方向(以下稱為Z方向)之調整的升降平台11、及裝載吸引夾頭之吸附平台12，玻璃基板G係以水平之狀態固定於該吸附平台12之上。此時，欲進行去角加工之邊緣線EL係以朝向上方，且支撐成後述雷射束可從傾斜45度方向射入。

此外，玻璃基板G係利用攝影機20及形成在基板之對準標記(未圖示)進行定位，使邊緣線EL朝向Y方向。在基板G為一定之情況下，亦可以預先將定位用導件設於吸附平台12表面，使基板之一部分抵接於導件的方式進行定位。

於玻璃基板G之上方，安裝有雷射光源13、電流鏡14(射束偏向部)、及透鏡單元15(聚光構件)。電流鏡14與透鏡單元15係構成掃描光學系統16。

雷射光源13係使用Nd-YAG雷射光源。雷射光源13係在XZ面內射出方向為朝向左斜下方45度。

電流鏡14係將反射鏡設置於從雷射光源13射出之雷射束之光路上，以將雷射束射出至右斜下方，並藉由反射鏡之擺動運動，使射束之射出方向在XZ面內偏向。此時之電流鏡14之擺動運動的範圍，係依據加工對象物所要進行之去角加工的角度範圍來調整。

透鏡單元15係將從電流鏡14射出之雷射束予以聚光，以形成聚光點。又，藉由電流鏡14使射出方向偏向，而掃描雷射束往透鏡單元15之射入位置的結果，從透鏡單元15射出之雷射束之聚光點，即在XZ面內(亦即，正交於邊緣線EL之面內)掃描，使掃描軌跡從透鏡單元側觀看時呈凹狀(朝向基板外側呈凸狀)。

例如，如圖2所示，藉由電流鏡14之擺動運動，聚光點之掃描軌跡即成為連結F0,F1,F2之弧R0。

此處說明透鏡單元15之具體例。透鏡單元15，藉由作成將非遠心之fθ透鏡與平面平行板組合而成的透鏡單元，而可將聚光點之掃描軌跡設成如上述連結F0,F1,F2之弧R0的形狀(朝向基板外側呈凸狀)。

電流鏡14與透鏡單元係固定於裝置之框架，藉由此等光學元件而形成之聚光點之位置及聚光點的掃描軌跡，由於成為一定之位置及軌跡，因此可預先藉由幾何計算(或以實測)求出表示聚光點之座標(F0,F1,F2之座標)或軌跡(弧R0)的函數。

因此，在固定玻璃基板G之後，藉由進行滑動平台2、台座7、及升降平台11之XYZ方向的位置調整，使聚光點F0對準於設定在邊緣線EL上或邊緣線EL附近之加工預定面的位置。

接著，針對去角加工裝置LM之控制系統作說明。圖3係控制系統的方塊圖。去角加工裝置LM具備由用以儲存各種控制資料、設定參數、及程式(軟體)之記憶體，以及用以執行運算處理之CPU構成的控制部50。

該控制部50係控制以下各驅動系統，亦即驅動用以進行滑動平台2、台座7、升降平台11之定位或移動之馬達(馬達9等)的平台驅動部51；驅動吸附平台12之吸引夾頭的吸附機構驅動部52；驅動電流鏡14之射束偏向部驅動部53；以及進行雷射照射的雷射驅動部54。又，控制部50係連接有由鍵盤、滑鼠等構成之輸入部56、及在顯示畫面上進行各種顯示之顯示部57，並形成為可在畫面顯示必要資訊，且輸入必要之指令或設定。

其次，針對去角加工裝置LM之去角動作作說明。將基板G裝載於吸附平台12，並使用攝影機20進行位置調整。接著，使邊緣線EL朝向Y方向並藉由滑動平台2、台座7、及升降平台11進行位置調整，以使聚光點F0之座標到達邊緣線EL上或其附近之加工預定面的深度。

此時，只要使台座7與升降平台11連動移動，即能使基板移動於傾斜方向，因此能使用作為聚光點F0於基板之深度方向的位置調整機構。

接著，驅動電流鏡14及雷射光源13，使雷射束在邊緣線附近掃描。其結果，在聚光點藉由剝離熔融除去基板材料而形成去角加工面。

在涵蓋邊緣線EL之全長進行去角時，係以一定速度移送滑動平台2，相對於雷射束之掃描面(XZ面)使基板G移動往Y方向。此時，亦可間歇移送滑動平台2以使雷射束對相同加工位置進行複數次掃描。

又，在欲形成較深之去角加工面時，係分成複數次進行去角加工。亦即，如圖4所示，第一次之去角加工係將聚光點設定於接近邊緣線EL之較淺位置，一邊往Y方向移動一邊進行加工，第二次移動則使聚光點之位置逐漸偏移至基板內部側，以反覆進行同樣之加工。

其次，針對變形實施例作說明。

圖5係使聚光構件由fθ透鏡15a來取代透鏡單元15時之掃描光學系統的放大圖。此時，由於聚光點之掃描軌跡在XZ面內係呈直線狀，因此可進行C面之去角加工。

又，由於若將透鏡單元15之曲面形狀、曲率半徑、及折射率等光學參數予以適當設計，則可製作能描繪所欲之掃描軌跡的自由曲面透鏡，因此即可使用此自由曲面透鏡將去角加工面形成為拋物面、橢圓面、或任意之自由曲面。此外，亦可使用反射鏡以取代透鏡，來描繪與透鏡之掃描軌跡相同的軌跡。

又，使射束偏向部由電流鏡取代為多面鏡時亦能進行同樣之去角加工。

圖6係掃描光學系統之變形例。對與圖2相同之構件賦予相同符號，省略其說明。圖2之掃描光學系統中，雖係以電流鏡14掃描焦點之位置，但此處係代替電流鏡14，於透鏡單元15之平面平行板安裝擺動機構(未圖示)，藉由擺動此機構，而實質地構成與圖2相同之掃描軌跡。

又，圖7係將聚光構件由非遠心之fθ反射鏡與平面平行板構成的單元15b取代時之掃描光學系統之放大圖。

單元15b，與圖2所說明之非遠心之fθ透鏡與平面平行板之組合時同樣地，能使聚光點之掃描軌跡成為連結F0,F1,F2之弧R0的形狀(朝向基板外側呈凸狀)。

使用此等掃描光學系統時亦能進行與圖2相同之去角加工。

又，藉由使用有限元素法設計具有適當之光學參數的非球面透鏡或非球面反射鏡，而亦能僅以單透鏡或單反射鏡，形成與非遠心之fθ透鏡及平面平行板之組合透鏡相等的光學系統。

又，在沿邊緣線EL進行去角加工時，圖2之去角加工裝置LM中，雖係移動裝載基板G之滑動平台2，不過亦可移動掃描光學系統(電流鏡14、透鏡單元15)側。

以上，雖針對玻璃基板之去角加工作了說明，不過針對其他脆性材料基板，亦可根據基板材料各自之吸收特性來選擇可使用之雷射光源，藉此實現相同之去角加工。

2．．．滑動平台

7．．．台座

11．．．升降平台

12．．．吸附平台

13．．．雷射光源

14．．．電流鏡(射束偏向部)

14a．．．多面鏡

15．．．透鏡單元(聚光構件)

15a．．．fθ透鏡

15b．．．單元

16．．．掃描光學系統

圖1係表示本發明之一實施形態之脆性材料基板之去角加工裝置之構成的圖。

圖2係圖1之掃描光學系統的放大圖。

圖3係圖1之去角加工裝置之控制系統的方塊圖。

圖4係表示形成較深之去角加工面時之步驟的圖。

圖5係掃描光學系統之變形例的放大圖。

圖6係掃描光學系統之變形例的放大圖。

圖7係掃描光學系統之變形例的放大圖。

圖8係表示使用CO₂ 雷射光源藉由加熱熔融法進行去角加工時之雷射照射狀態的截面圖。

圖9係表示使用CO₂ 雷射光源藉由雷射劃線法進行去角加工時之雷射照射狀態的圖。

圖10係使用CO₂ 雷射藉由雷射劃線法進行去角加工時之加工截面的放大圖。

1‧‧‧架台

2‧‧‧滑動平台

3,4‧‧‧導軌

5‧‧‧螺桿

6‧‧‧支桿

7‧‧‧台座

8‧‧‧導軌

9‧‧‧馬達

10‧‧‧螺桿

10a‧‧‧支桿

11‧‧‧升降平台

12‧‧‧吸附平台

13‧‧‧雷射光源

14‧‧‧電流鏡(射束偏向部)

15‧‧‧透鏡單元(聚光構件)

16‧‧‧掃描光學系統

20‧‧‧攝影機

G‧‧‧玻璃基板

EL‧‧‧邊緣線

LM‧‧‧去角加工裝置

Claims

一種去角加工裝置，係進行脆性材料基板之去角加工，其特徵在於，具備：雷射光源；聚光構件，將從該雷射光源放射之雷射束加以聚光並導至該基板；射束偏向部，係設於從該雷射光源經由該聚光構件而到達該基板之雷射束之光路上，使雷射束之射入光路偏向以使雷射束所形成之聚光點的位置進行掃描；以及基板支撐部，係將基板支撐成，對供進行去角加工之邊緣線，從以該邊緣線為端邊之兩個相鄰面之斜前方朝向邊緣線照射雷射束，以使該聚光點沿與邊緣線交叉之面掃描邊緣線附近之基板表面或基板內部；該聚光構件係由具有下述光學參數的光學元件單元構成，亦即，在與邊緣線交叉之面形成之聚光點之掃描軌跡，從聚光構件觀看時成凹狀或直線狀的光學參數；且進一步具備深度調整機構，係藉由使該基板或該聚光構件之位置移動於雷射束之照射方向，以調整該聚光點於基板之深度方向的位置。
如申請專利範圍第1項之去角加工裝置，其中，聚光構件係由f θ透鏡或f θ反射鏡構成之光學元件單元。
如申請專利範圍第1項之去角加工裝置，其中，聚光構件係將非遠心之f θ透鏡與平面平行板組合而成的光學元件單元。
如申請專利範圍第1項之去角加工裝置，其具備使基板側或雷射束側移動以使該聚光點沿該邊緣線相對移動之移送機構。
如申請專利範圍第1項之去角加工裝置，其中，該基板支撐部係由將基板裝載成水平之平台構成，該聚光構件及射束偏向部，係配置成以相對裝載成水平之基板之邊緣線傾斜45度的方向為中心方向使該聚光點掃描於該邊緣線。
如申請專利範圍第1項之去角加工裝置，其中，射束偏向部係藉由電流鏡或多面鏡構成。
如申請專利範圍第3項之去角加工裝置，其中，該聚光構件之該平面平行板構成為可擺動，兼用為射束偏向部。