TWI419756B - Substrate processing device and substrate processing method - Google Patents

Description

基板加工裝置及基板加工方法

本發明係關於一種使用短脈衝雷射之基板加工裝置，特別係關於一種適用於加工作為硬脆性材料基板之藍寶石基板等之基板加工裝置及基板加工方法。

此處，所謂短脈衝雷射係指脈寬為10^-13 ~10^-10 秒(0.1~100微微秒)以下之雷射。

作為對玻璃基板、Si基板、藍寶石基板等脆性材料基板形成如切割槽(切槽)之分割起點之加工方法，已知有使用脈衝雷射之幾種加工方法。該等加工方法之共通之處在於藉由由脈衝雷射照射後之能量而將基板加熱，但形成分割起點之機制彼此差異較大，分別具有不同之特徵。

例如，於分斷玻璃基板時，為於分斷預定線上形成切割槽，而使用利用「熱應變」之雷射切割加工(專利文獻1)。該加工係首先藉由沿分斷預定線照射雷射光束，於軟化溫度以下(即玻璃不變質之溫度範圍)進行加熱，繼而向剛加熱後之高溫區域噴射製冷劑。藉由加熱與冷卻，對基板賦予局部熱應力分佈，藉由該熱應力產生之熱應變，而於基板表面上形成沿分斷預定線之切割槽(龜裂)。

於利用熱應變之雷射切割加工中，能夠非常精美地完成所形成之切割槽之端面，故可進行端面強度較大之加工。然而，利用熱應變之雷射切割加工對於玻璃基板有效，對於如藍寶石基板之硬脆性材料基板而言，難以藉由該方法形成切割槽。

另一方面，於針對Si基板或藍寶石基板之加工中，先前作為使用YAG雷射等高功率脈衝雷射(脈寬10^-9 ~10^-7 秒)加工基板之方法，係利用「雷射燒蝕」或「多光子吸收」。即，使雷射聚光於基板表面附近或基板內部，使基板表面附近產生燒蝕而形成切割槽(專利文獻2)，藉由多光子吸收在基板內部形成加工變質部(專利文獻3)，將該等加工部分設為用於分斷之分割起點。

然而，於藉由雷射而加工硬脆性材料之藍寶石基板時，無論係燒蝕、多光子吸收中之哪種方法，若與玻璃加工相比則加工必須提高照射能量，故於進行燒蝕之情形時切割槽之槽寬變廣，於多光子吸收之情形時基板內部之變質部位變廣，並且變質部位所形成之分割面之表面粗糙度變粗，無法獲得精度良好之分斷面。而且，熔融部分之透光性受損。因此，於使用藍寶石基板作為如發光二極體(LED)之發光元件用之基板時，變成出光效率下降之主要原因。

相對於此，近年來揭示有一種使用短脈寬且高功率脈衝之雷射之新穎雷射加工方法(專利文獻4)。

根據上述專利文獻所揭示之使用短脈衝雷射之新穎雷射加工方法，使用Nd：YAG雷射(波長1064 nm)，以具有短脈寬(2微微秒~8奈秒)及高功率密度(15 GW/cm² ~8 TW/cm² 以上)之短脈衝雷射於藍寶石基板之表面附近聚光之方式，調整焦點後出射。此時之雷射於聚光點附近以外不會被基板材料(藍寶石)吸收，而於聚光點則會引起多光子吸收，從而瞬間且局部地產生熔融、昇華(局部之微小燒蝕)。而且，於基板之表層部位至表面為止之範圍內，由於衝擊壓而形成微小龜裂。

即，於先前之燒蝕加工(雷射脈寬10^-9 ~10^-7 秒)中，照射出之雷射光束之能量基本上全部消耗於基板材料之熔融、蒸騰上，適用於寬燒蝕孔(熔融痕)之形成(孔徑8 μm左右)，而新穎雷射加工方法中，照射雷射之能量係一部分消耗於形成微小熔融痕(孔徑1 μm以下之小孔)上，剩餘之能量作為形成微小龜裂之衝擊力而消耗。將此種微小熔解痕沿分割預定線如穿孔般離散形成，藉此形成鄰接熔解痕之間以微小龜裂相連之易分離區域，從而可沿該區域分割基板。根據該加工方法，熔融痕得以微小化，故可維持基板之透明性，適用於要求出光效率之LED之製造步驟中之藍寶石基板加工。

進而，作為利用改良短脈衝雷射之加工方法，揭示有：使用極短脈寬之飛秒級短脈衝雷射，對一個分割預定線改變掃描速度而重複掃描雷射光束，藉此於基板內部形成於分斷預定線方向上不連續之改質部，然後於表面形成於分斷預定線方向上連續之槽部，相對於基板深度方向而上下地形成槽部及改質部(專利文獻5)。藉此，可加工200 μm左右之藍寶石基板。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特表平8-509947號公報

[專利文獻2]日本專利特開2004-009139號公報

[專利文獻3]日本專利特開2004-268309號公報

[專利文獻4]日本專利特開2005-271563號公報

[專利文獻5]日本專利特開2008-098465號公報

如上所述，對於硬且光學透明之藍寶石基板，適於使用如專利文獻4、專利文獻5記載之使用短脈衝雷射之分割起點加工。

尤其，如專利文獻5所示，藉由對基板表面與基板內部重複掃描多次短脈衝雷射，而可分斷(分離)厚藍寶石基板。

然而，若重複對基板表面與基板內部進行加工，則雷射之掃描次數會增加。

例如，若藍寶石基板之厚度為150 μm左右，則至少需要兩次掃描。

因此，本發明之目的在於提供一種不增加掃描次數便可對基板表面與基板內部進行短脈衝雷射加工之基板加工裝置。

而且，專利文獻5中之掃描順序必須係先將基板之深層改質，再將淺層改質，最後形成表面層之槽部。此種情形時，受到先形成之更深層之微小龜裂之影響，接下來形成淺層之微小龜裂之方向容易固定。所以，即便最後進行形成連續之表面層之槽部之掃描，受到先前形成之內部改質層之微小龜裂之影響，會有分斷面之直線性不夠充分之情形。尤其於藍寶石基板中存在因晶體結構引起之「解理面」，故分斷面有容易變成沿解理面形成鋸齒面之傾向。

因此，本發明之目的在於進而提供一種即便對於如藍寶石基板等之具有解理性之基板，亦可形成直線性良好之分斷面之基板加工裝置。

為達成上述目的而研究出之本發明之基板加工裝置係對載置於平台上之脆性材料基板照射雷射光束而進行加工者，其包含以下構成。

即，本發明之基板加工裝置包括：雷射光源，其以第一頻率重複振盪之方式輸出脈寬為10^-10 秒以下之短脈衝雷射；光路分支部，其將自上述雷射光源出射之短脈衝雷射光束分支為第一光路側之雷射光束與第二光路側之雷射光束；脈衝選擇部，其配置於第二光路上，以使第二光路側雷射光束以小於第一頻率之第二頻率重複振盪之方式重複轉換振盪頻率；輸出調整部，其至少配置於第一光路上，以使第二光路側雷射光束之輸出功率大於第一光路側雷射光束之輸出功率之方式進行調整；光路合成部，其形成將通過上述脈衝選擇部與上述輸出調整部後之第一光路側雷射光束及第二光路側雷射光束重合而成之合成雷射光束；合成雷射光束照射光學部，其包含調整上述合成雷射光束之焦點位置之物鏡，且朝向上述基板照射上述合成雷射光束；及掃描機構，其對上述基板相對地掃描上述合成雷射光束。

根據本發明，一面由掃描機構掃描脈寬為10^-10 秒以下之短脈衝雷射，一面對基板照射短脈衝雷射而進行加工，藉此進行形成無法視認之微小燒蝕(最大孔徑1 μm以下之小孔)之雷射加工，而非利用產生可視認之熔融痕之燒蝕或多光子吸收之加工。

進行該雷射加工時，藉由光路分支部將自雷射光源出射之短脈衝雷射光束分支為第一光路與第二光路，第一光路側之雷射光束維持自雷射光源出射之第一頻率重複振盪，第二光路側之雷射光束以小於第一頻率之頻率重複振盪，藉由脈衝選擇部而轉換振盪頻率。藉此，第二光路側雷射光束係相對於第一光路側雷射光束間歇性地振盪。再者，第二光路側雷射光束藉由輸出調整部而變成輸出功率比第一光路側雷射光束大之雷射光束。

如此，形成以短間距且小輸出功率照射之第一光路側雷射光束、及以長間距且大輸出功率照射之第二光路側雷射光束，利用光路合成部將該等光束重合而形成合成兩種雷射光束之合成雷射光束，藉由雷射光束照射光學部之物鏡調整合成雷射光束之焦點，而將該合成雷射光束向基板照射。

根據本發明，藉由一次掃描能夠同時照射以短間距連續加工基板表面附近之第一光路側雷射光束、及滲透至基板內部而離散加工之第二光路側雷射光束，無需增加掃描次數便可形成滲透更深之切割槽作為分割起點。

再者，較深滲透之第二光路側雷射光束係間歇性地(例如1:10之比率)照射，所以較深之微小燒蝕數亦變少，而精美地完成端面。另一方面，於鄰接之微小燒蝕之間，因衝擊而形成之看不到之龜裂於鄰接之微小燒蝕間相連而連續地形成，所以僅需沿切割槽施加小按壓力便可簡單地分斷。

進而，由於能夠同時加工基板表面與基板內部，所以即便如具有解理性之藍寶石基板等之材料，受到基板表面之短間距且直線狀之連續加工之強力影響，可進行直線性良好之分斷加工。

於上述發明中，於第一光路或第二光路之任一光路上，亦可具備個別焦點調整部，獨立地調整第一雷射光束或第二雷射光束之深度方向之焦點位置。

藉此，可以個別地調整第一雷射光束或第二雷射光束之加工深度位置，故可根據基板之厚度或硬度而容易地進行最佳深度之加工。

於上述發明中，輸出調整部亦可包含介置於光路上之偏光稜鏡與半波長板之組合。

藉此，可以藉由調整偏光稜鏡(例如格蘭雷射稜鏡)與半波長板之偏光角來衰減輸出，故可簡單地調整藉由之雷射光束之輸出功率(第一光路與第二光路之輸出功率比)。

於上述發明中，掃描機構亦可用藉由合成雷射光束所含之第一光路側雷射光束於基板上形成之光點連續之掃描速度進行掃描。

藉此，能夠於基板表面附近確切地形成連續之切割槽，從而可形成沿切割槽連續之分割起點，故分割不良劇減。

以下，使用圖式而說明本發明之基板加工裝置。

圖1係表示本發明一實施形態之基板加工裝置LA之全體構成之圖。

基板加工裝置LA構成為，沿平行配置於水平台座1上之一對導軌3、4，而設有於圖紙前後方向(以下稱為Y方向)上往復移動之滑台2。於兩導軌3、4之間沿前後方向配置有螺旋螺桿5，將固定於滑台2上之拉條6旋接於該螺旋螺桿5，利用馬達(未圖示)使螺旋螺桿5旋轉，藉此滑台2沿導軌3、4而向Y方向移動。

於滑台2上，水平台座7係以沿導軌8向圖1之左右方向(以下稱為X方向)往復移動之方式配置。於固定於台座7之拉條10a上，貫通旋接有由馬達9旋轉之螺旋螺桿10，藉由螺旋螺桿10旋轉，台座7沿導軌8向X方向移動，並根據馬達之旋轉朝向而往復移動。

於台座7上，設有藉由旋轉機構11而旋轉之旋轉平台12，於該旋轉平台12之載置面上，將加工對象之藍寶石基板G以水平狀態載置，並藉由設於平台內之吸附夾具機構(未圖示)予以固定。旋轉機構11形成為能夠使旋轉平台12以垂直於載置面之軸為旋轉軸而旋轉，且能夠以任意旋轉角度進行旋轉。

於旋轉平台12上方，在框架15上固定有定位藍寶石基板G時用作監控器之相機20、與用於向藍寶石基板G照射雷射光束之雷射光源31及雷射光學系統32(參照圖2)。

雷射光源31較佳為可出射能夠實施微小燒蝕加工且脈寬為10^-10 秒以下之短脈衝雷射之光源，尤佳為脈寬10^-12 秒~5×10^-11 秒(1微微秒~50微微秒)之光源。

又，雷射波長較佳為500 nm~1600 nm左右，雷射光束之照射能量(脈衝能量)較佳為0.1 μJ~50 μJ左右，重複振盪頻率較佳為10 kHz~200 kHz左右。再者，雷射光源31之重複振盪頻率係與下述第一光路側雷射光束之重複頻率相同之第一頻率。此處，具體而言係使用Nd：YAG雷射(波長1064 nm)。

圖2係表示圖1裝置中之雷射光學系統32之方塊圖。雷射光源31出射之以第一頻率重複振盪之雷射光束L0被反射鏡33反射，然後通過擴束器34。擴束器34調整雷射光束L0之直徑後，藉由對照下述物鏡大小來提高雷射光束之照射功率密度。又，視需要調整光束剖面形狀(圓、橢圓)，其決定照射至基板G上之光點之形狀。

通過擴束器34後之雷射光束L0利用半反射鏡35(光路分支部)而分支為第一光路側之雷射光束L1與第二光路側之雷射光束L2。

第一光路側之雷射光束L1繼而通過輸出調整部36。輸出調整部36調整第一光路側雷射光束L1之照射能量(輸出功率)，具體而言包含偏光稜鏡37(例如將非偏光變成直線偏光之格蘭雷射稜鏡)與半波長板38。藉由調整偏光稜鏡37之對於半波長板38之相位角，利用偏光而衰減通過之雷射光束L1之照射能量(輸出功率)。因此，藉由輸出調整部36來調整第一光路側與第二光路側之雷射光束之功率比。

通過輸出調整部36之雷射光束L1係導向半反射鏡46。

又，第二光路側之雷射光束L2通過脈衝選擇部39。脈衝選擇部39根據與雷射光源31內之基準時鐘振盪電路(未圖示)產生之時鐘信號同步之脈衝選擇器驅動信號，使以第一頻率入射之(脈衝)雷射光束阻斷/通過，而使其間歇性通過，藉此生成以小於第一頻率之第二頻率振盪的(脈衝)雷射光束L2。藉此進行雷射光束之頻率轉換。具體而言，以使第二頻率變成第一頻率之1/5~1/100左右之方式設定阻斷/通過比即可，較佳為1/10左右。作為此種脈衝選擇部39，具體而言可使用Kapteyn-Murnane Laboratories公司製之脈衝選擇器Eclipse。

通過脈衝選擇部39之第二光路側之雷射光束L2經過反射鏡40而入射至輸出調整部41。輸出調整部41包含偏光稜鏡42與半波長板43，與第一光路側之輸出調整部36(偏光稜鏡37、半波長板38)同樣地，調整第二光路側雷射光束L2之照射能量(輸出功率)。

再者，藉由設置輸出調整部36同時設置輸出調整部41，可提高輸出功率之調整自由度，其中以輸出功率大於第一光路側雷射光束L1之方式調整功率比。

通過輸出調整部41之第二光路側之雷射光束L2通過個別焦點調整部44。個別焦點調整部44包含焦點調整用透鏡群，用以於下述合成雷射光束L3中，使第二光路側之雷射光束L2之成分之焦點相對於第一光路側之雷射光束L1之成分之焦點而變化。具體而言，其用以調整為當第一雷射光束L1之焦點到達藍寶石基板G之表面時，第二雷射光束L2之焦點到達基板內部。

通過個別焦點調整部44之第二光路側雷射光束L2經過反射鏡45後入射至半反射鏡46(光路合成部)。

再者，個別焦點調整部44不設於第二光路側而設置在第一光路側，亦可進行同樣之調整。

半反射鏡46將第一光路側雷射光束L1與第二光路側雷射光束L2合成，生成將該等重合而成之合成雷射光束L3。

合成雷射光束L3經過反射鏡47而入射至合成雷射光束照射光學部48。合成雷射光束照射光學部48具備物鏡49，藉此將合成雷射光束L3向藍寶石基板G照射。此時，以使第一光路側雷射光束L1之焦點位於基板表面附近之方式調整物鏡49之焦點。

第二光路側雷射光束L2之焦點如上所述，藉由個別焦點調整部44(及物鏡49)使其焦點到達略微進入基板內部之位置。

此處，說明通過雷射光學系統32之雷射光束之變化。圖3係表示圖2之各光路中之雷射光束L0~L3之最終光點上之重複振盪頻率與輸出功率之關係的模式圖。

圖3(a)係自雷射光源31出射並通過擴束器34之雷射光束L0。該雷射光束L0具有維持自雷射光源31出射之重複振盪頻率即第一頻率F_H ，且具有維持自雷射光源31出射之大輸出功率P_H 。

圖3(b)係通過第一光路側之輸出調整部36後之雷射光束L1。重複振盪頻率係第一頻率F_H ，但通過輸出調整部36時經衰減而變成小輸出功率P_L (其中P_H ＞P_L )。

圖3(c)係通過第二光路側之輸出調整部41或個別焦點調整部44後之雷射光束L2。重複振盪頻率通過脈衝選擇部39時經頻率轉換而變成第二頻率F_L (其中F_H ＞F_L )，但輸出功率未衰減而具有原本之大輸出功率P_H 。

圖3(d)係通過合成雷射光束照射光學部48後之合成雷射光束L3。其係將圖3(b)所示之第一雷射光束與圖3(c)所示之第二雷射光束重合而成之波形。

其次，對基板加工裝置LA之加工動作進行說明。於加工開始前，預先設定加工條件。

具體而言，調整旋轉平台12(台座7)之掃描速度、雷射光源31之重複振盪頻率(第一頻率)、脈衝選擇部39調整後之第二光路側之雷射光束之重複振盪頻率(第二頻率)、輸出調整部36調整後之第一光路側對於第二光路側之功率比。

再者，掃描速度之設定係根據照射至藍寶石基板G表面之第一光路側雷射光束之成分之光點徑φ(例如1 μm)、與第一光路側雷射光束之重複振盪頻率(第一頻率F_H )之關係，設定如圖4之鄰接之光點S1、S2、…Sn、…重合而連續之掃描速度。藉此，設定為於基板表面附近能夠確切地形成連續切割槽。

而且，將藍寶石基板G載置於旋轉平台12上，利用相機20對加工位置進行定位後，以雷射振盪之狀態於X方向上掃描旋轉平台12(台座7)。

對藍寶石基板G照射第一光路側雷射光束L1與第二光路側雷射光束L2合成後之合成雷射光束L3(圖3(d))，而形成切割槽。

圖5係模式性表示利用合成雷射光束L3而於厚度150 μm左右之藍寶石基板G上形成之切割槽之基板剖面圖。於藍寶石基板G上形成有LED等功能元件之情形時，係自功能元件之相反側面進行雷射照射。

而且，於雷射照射側之表面附近，存在連續形成有淺孔(深度10 μm~20 μm)之區域A(連續加工區域)，而於基板內部存在間歇性形成有深孔(深度20 μm~50 μm)之區域B(間歇加工區域)。再者，實際上無論區域A還是區域B，該等之孔徑均為1 μm以下，故而無法視認。進而，區域B之深孔由於加工時之衝擊而於周圍產生無法視認之龜裂C，鄰接之孔彼此之間係藉由無法視認之龜裂相連。

因此，於下一步驟之分斷步驟中，沿切割槽施力時，用極小之力便可分斷。

以上，對本發明之代表性實施例進行了說明，本發明並非必須由上述實施形態特定，於達成其目的且不脫離申請專利範圍之範圍內可以適當地進行修正、變更。

例如，於上述實施形態中係以藍寶石基板G為對象，但本發明對於其他硬脆性材料基板亦有效。

[產業上之可利用性]

本發明之基板加工裝置可利用於藍寶石基板等硬脆性材料基板之切割加工。

1．．．水平台座

2．．．滑台

3．．．導軌

4．．．導軌

5．．．螺旋螺桿

6．．．拉條

7．．．台座

8．．．導軌

9．．．馬達

10．．．螺旋螺桿

10a．．．拉條

11．．．旋轉機構

12．．．旋轉平台

15．．．框架

20．．．相機

31．．．雷射光源(短脈衝雷射)

32．．．雷射光學系統

33．．．反射鏡

34．．．擴束器

35．．．半反射鏡(光路分支部)

36．．．輸出調整部

37．．．偏光稜鏡

38．．．半波長板

39．．．脈衝選擇部

40．．．反射鏡

41．．．輸出調整部

42．．．偏光稜鏡

43．．．半波長板

44．．．個別焦點調整部

45．．．反射鏡

46．．．半反射鏡(光路合成部)

47．．．反射鏡

48．．．合成雷射光束照射光學部

49．．．物鏡

F_H ．．．第一頻率

F_L ．．．第二頻率

G．．．藍寶石基板

L0~L3．．．雷射光束

LA．．．基板加工裝置

P_H ．．．大輸出功率

P_L ．．．小輸出功率

圖1係表示本發明一實施形態之基板加工裝置之全體構成圖。

圖2係表示圖1裝置中之雷射光學系統之方塊圖。

圖3(a)-(d)係表示雷射光學系統之各位置之光束狀態之模式圖。

圖4係表示基板上光點連續之狀態之模式圖。

圖5係表示經加工之藍寶石基板之剖面狀態之模式圖。

12．．．旋轉平台

31．．．雷射光源(短脈衝雷射)

32．．．雷射光學系統

33．．．反射鏡

34．．．擴束器

35．．．半反射鏡(光路分支部)

36．．．輸出調整部

37．．．偏光稜鏡

38．．．半波長板

39．．．脈衝選擇部

40．．．反射鏡

41．．．輸出調整部

42．．．偏光稜鏡

43．．．半波長板

44．．．個別焦點調整部

45．．．反射鏡

46．．．半反射鏡(光路合成部)

47．．．反射鏡

48．．．合成雷射光束照射光學部

49．．．物鏡

G．．．藍寶石基板

L0~L3．．．雷射光束

Claims (5)

1. 一種基板加工裝置，其係對載置於平台上之脆性材料基板照射雷射光束而進行加工者，其特徵在於包括：雷射光源，其以第一頻率重複振盪之方式輸出脈寬為10^-10 秒以下之短脈衝雷射；光路分支部，其將自上述雷射光源出射之短脈衝雷射光束分支為第一光路側之雷射光束與第二光路側之雷射光束；脈衝選擇部，其配置於第二光路上，以使第二光路側雷射光束以小於第一頻率之第二頻率重複振盪之方式重複轉換振盪頻率；輸出調整部，其至少配置於第一光路上，以使第二光路側雷射光束之輸出功率大於第一光路側雷射光束之輸出功率之方式進行調整；光路合成部，其形成將通過上述脈衝選擇部與上述輸出調整部後之第一光路側雷射光束及第二光路側雷射光束重合而成之合成雷射光束；合成雷射光束照射光學部，其包含調整上述合成雷射光束之焦點位置之物鏡，且朝向上述基板照射上述合成雷射光束；及掃描機構，其對上述基板相對地掃描上述合成雷射光束。
2. 如請求項1之基板加工裝置，其中於第一光路或第二光路之任一者上具備個別焦點調整部，該個別焦點調整部 獨立地調整第一雷射光束或第二雷射光束之深度方向之焦點位置。
3. 如請求項1或2之基板加工裝置，其中上述輸出調整部包含介置於光路上之偏光稜鏡與半波長板之組合。
4. 如請求項1或2之基板加工裝置，其中上述掃描機構以藉由上述合成雷射光束中所含之第一光路側雷射光束而於上述基板上形成之光點為連續之掃描速度進行掃描。
5. 一種脆性材料基板之加工方法，其係對載置於平台上之脆性材料基板照射雷射光束而進行加工者，其特徵在於：將脈寬為10^-10 秒以下之短脈衝雷射分支為兩個；將一方之短脈衝雷射以第一頻率重複振盪，且對準設定於基板表面之第一焦點而以第一輸出功率照射；且同時將另一方之短脈衝雷射以小於第一頻率之第二頻率重複振盪之方式進行頻率轉換，且對準設定於比第一焦點更靠基板內部側之第二焦點，而以大於第一輸出功率之第二輸出功率照射。