TWI552823B - 脆性材料基板之雷射加工方法及雷射加工裝置 - Google Patents

Description

脆性材料基板之雷射加工方法及雷射加工裝置

本發明係關於一種雷射加工方法，特別是關於將雷射照射在脆性材料基板而進行開孔加工之脆性材料基板之雷射加工方法，且關於實施該雷射加工方法用之雷射加工裝置。

就以雷射加工玻璃基板等脆性材料基板之裝置而言，已知有例如專利文獻1所示之裝置。在該種加工裝置中，波長532nm左右之綠雷射係照射在玻璃基板等工件。一般而言，綠雷射雖會穿透玻璃基板，但當將雷射予以聚光且其強度超過某臨限值時，玻璃基板將會吸收雷射。在該狀態下，於雷射之聚光部會產生電漿，因而使玻璃基板蒸散。利用以上之原理，可進行在玻璃基板形成孔等之加工。

此外，在專利文獻2中，揭示有一種以小半徑使雷射之聚光點高速旋轉，同時沿著加工線而掃描，藉此在玻璃基板進行開孔加工。

(先前技術文獻)

(專利文獻)

專利文獻1：日本特開2007-118054號公報

專利文獻2：日本特開2011-11212號公報

在習知方法之開孔加工中，於加工之開始面及結束面、亦即基板背面及表面，於所加工之孔的周圍會產生稱之為破裂(chipping)之缺損。該破裂可能是起因於在所加工之部分產生之微小龜裂，而可能成為強度降低之原因。因此，破裂較佳為儘可能減為較小。

如前所述，以上之破裂雖係產生在基板之背面與表面，但從基板之背面開始加工時，破裂會有在作為加工結束面之基板表面相較於屬於開始面之背面變大的傾向。

本發明之課題係在於：特別是在將雷射照射於脆性材料基板而進行開孔加工時，減輕脆性材料基板之表面的破裂。

第1發明之脆性材料基板的雷射加工方法係為將雷射照射於脆性材料基板而進行開孔加工之方法，且包含第1步驟及第2步驟。第1步驟係從脆性材料基板之表面照射雷射，且使雷射之聚光位置從脆性材料基板之背面朝表面移動，而且從基板背面至預定之深度位置為止進 行開孔加工。第2步驟係從脆性材料基板之表面照射雷射，且使雷射之聚光位置相對於第1步驟中所形成之孔從脆性材料基板之表面朝背面移動，以進行與第1步驟中所形成之孔連通的開孔加工。

在此，於第1步驟中，從基板表面側照射雷射，且從基板表面至預定之深度位置為止，從背面側進行開孔加工。並且，當從背面側進行之加工到達預定之深度位置為止時，暫時停止從背面側進行之加工。接著，在第2步驟中，與第1步驟同樣地從基板表面照射雷射，且從基板表面朝背面持續進行加工。藉此，形成貫穿基板之孔。

在此，從基板之背面開始進行加工，在預定之深度位置暫時停止從背面進行之加工，且再度開始從基板之表面側進行的加工。在該加工方法中，基板之背面及表面皆成為加工之開始面，加工結束面係在基板內部。在基板內部中，由於產生在加工部之龜裂不容易進展，因而可抑制破裂。

第2發明之脆性材料基板之雷射加工方法係在第1發明之加工方法中，於第1步驟中，從基板表面至240μm以上之位置為止，從脆性材料基板之背面進行開孔加工。

當從基板之表面照射雷射且從背面側進行加工時，加工屑會朝下方落下，且加工屑不會成為雷射照射之妨礙。另一方面，當從基板表面照射雷射，且從表面側進行加工時，加工屑會積留在藉由加工所形成之凹部，該 加工屑會成為使雷射聚光時之妨礙等，而妨礙到加工。因此，從基板表面側進行之加工速度係比從基板背面側進行之加工速度慢。

另一方面，使從基板背面側進行之加工持續進行至接近基板表面的位置時，在加工部產生之龜裂會到達表面，且在基板表面產生大的破裂之可能性會變高。

因此，在該第2發明中，使從基板背面側進行之加工設為離基板表面達240μm之位置為止。藉此，可使加工時間縮短，並且抑制在基板表面產生大的破裂。

第3發明之脆性材料基板之雷射加工方法係在第1或第2發明之加工方法中，於第1及第2步驟中，使雷射聚光點從中心軸偏倚，並且一面以中心軸為中心旋轉，一面沿著加工線移動。

在此，一面使雷射旋轉，一面沿著加工線掃描，並對基板進行加工，因此可縮短加工時間。

第4發明之脆性材料基板之雷射加工方法係在第1發明之加工方法中，於第1及第2步驟中，使雷射沿著加工線掃描成螺旋狀。

在此，可連續地掃描雷射，且可縮短加工時間。

第5發明之脆性材料基板之雷射加工裝置係將雷射照射在脆性材料基板而進行開孔加工之裝置，其具備：台座，供脆性材料基板載置；雷射照射頭，將雷射照射在台座上之脆性材料基板；以及移動機構，用以使台座 及雷射照射頭相對地朝沿著台座載置面之方向及與台座載置面分離之方向移動。然後，從脆性材料基板之表面照射雷射，使雷射之聚光位置從脆性材料基板之背面朝表面移動，而從基板背面至預定之深度位置為止進行開孔加工後，從脆性材料基板之表面照射雷射，相對於由加工所形成之孔使雷射之聚光位置從脆性材料基板之表面朝背面移動，而進行與所形成之孔連通的開孔加工。

在以上所述之本發明中，在藉由雷射對脆性材料基板進行開孔加工之際，可輕減脆性材料基板之表面的破裂。

1‧‧‧基座

1a‧‧‧門型框

2‧‧‧工件台座

3‧‧‧雷射照射頭

5‧‧‧台座移動機構

6‧‧‧塊件

6a‧‧‧吸氣孔

8‧‧‧第1導軌

9‧‧‧第2導軌

10‧‧‧第1移動台座

11‧‧‧第2移動台座

11a‧‧‧導引部

12‧‧‧固定部材

15‧‧‧雷射輸出部

16‧‧‧光學系統

17‧‧‧第1中空馬達

18‧‧‧第2中空馬達

21‧‧‧x軸方向移動機構

22‧‧‧z軸方向移動機構

25至28‧‧‧第1至第4鏡

29‧‧‧功率監測器

30‧‧‧擴束器

35‧‧‧聚光透鏡

36‧‧‧第3導軌

37‧‧‧支撐部件

38‧‧‧橫支撐部材

39‧‧‧縱支撐部材

40‧‧‧第4導軌

41‧‧‧第3移動台座

42‧‧‧馬達支撐部材

321、322‧‧‧第1楔形稜鏡

321a、322a、341a、342a‧‧‧斜面

321b、322b、341b、342b‧‧‧垂直面

341、342‧‧‧第2楔形稜鏡

G‧‧‧玻璃基板

L‧‧‧加工線

R‧‧‧旋轉軸

第1圖係本發明之一實施形態之玻璃基板加工裝置的外觀斜視圖。

第2圖係工件台座之放大斜視圖。

第3圖係雷射照射頭之構成的放大斜視圖。

第4圖係示意性顯示第1中空馬達及第1楔形稜鏡(Wedge Prism)之配置的圖。

第5圖係示意性顯示第2中空馬達、第2楔形稜鏡及聚光透鏡之配置的圖。

第6圖係顯示雷射之軌跡的圖。

第7圖(a)及(b)係顯示從玻璃基板背面側進行之加工之狀況的示意圖。

第8圖係顯示從玻璃基板表面側進行之加工之狀況的示意圖。

第9圖係顯示習知之加工方法與應用本發明之加工方法之破裂尺寸之比較圖。

〔加工裝置〕

第1圖係顯示用以實施本發明之一實施形態之加工方法之裝置的整體構成。該玻璃基板加工裝置係沿著加工線將雷射照射在玻璃基板，用以在玻璃基板形成孔之裝置。該裝置係具備：基座(bed)1；供載置作為工件之玻璃基板的工件台座2；及用以將雷射照射在玻璃基板之雷射照射頭3。在此，如第1圖所示，在沿著基座1之上表面的平面，將彼此正交之軸定義為x軸、y軸，將與x軸、y軸正交之鉛直方向的軸定義為z軸。並且，將沿著x軸之兩方向(+方向及一方向)定義為x軸方向，將沿著y軸之兩方向定義為y軸方向，將沿著z軸之兩方向定義為z軸方向。

<工件台座>

工件台座2係形成為矩形狀，且在工件台座2之下方設置有用以使工件台座2朝x軸方向及y軸方向移動之台座移動機構5。

如第2圖之放大圖所示，工件台座2係具有複數個塊件6。該複數個塊件6係用以將圖中一點鏈線所示之玻璃基板G從工件台座2之表面抬起並予以支撐之構 件，為了避開玻璃基板G之加工線L(以虛線所示)，可安裝在工件台座2之任意位置。而且，在工件台座2以格子狀形成有複數個吸氣口2a，並且在各塊件6形成有朝上下方向貫穿之吸氣孔6a。並且，藉由連接塊件6之吸氣孔6a與工件台座2之吸氣口2a，可吸著固定配置在塊件6上之玻璃基板G。此外，吸氣用之機構係由周知之排氣泵等所構成，省略其詳細說明。

<台座移動機構>

如第1圖所示，台座移動機構5係分別具有一對之第1及第2導軌8、9、及第1及第2移動台座10、11。一對之第1導軌8係朝y軸方向延伸設置在基座1之上表面。第1移動台座10係設置在第1導軌8之上部，且在下表面具有以移動自如之方式卡合在第1導軌8之複數個導引部10a。第2導軌9係朝x軸方向延伸設置在第1移動台座10之上表面。第2移動台座11係設置在第2導軌9之上部，且在下表面具有以移動自如之方式卡合在第2導軌9之複數個導引部11a。在第2移動台座11之上部，透過固定部材12安裝有工件台座2。

藉由以上之台座移動機構5，工件台座2係可朝x軸方向及y軸方向移動自如。此外，雖省略第1及第2移動台座10、11之詳細說明，但係由周知之馬達等驅動手段所驅動。

〔雷射照射頭〕

如第1圖及第3圖所示，雷射照射頭3係安 裝在配置於基座1之上表面的門型框1a，且具備：雷射輸出部15；光學系統16；在內部組裝有一對之第1楔形稜鏡(後述)的第1中空馬達17；及在內部組裝有一對之第2楔形稜鏡(後述)及聚光透鏡的第2中空馬達18。此外，設置有：使雷射照射頭3朝x軸方向移動之x軸方向移動機構21；及使第1中空馬達17及第2中空馬達18朝z軸方向移動之z軸方向移動機構22。

<雷射輸出部>

雷射輸出部15係由與習知同樣之雷射管所構成。藉由該雷射輸出部15，波長532nm之綠雷射會沿著y軸朝工件台座2之相反側射出。

<光學系統>

光學系統16係將來自雷射輸出部15之雷射導引至組裝於第1中空馬達17之一對的第1楔形稜鏡者。如第3圖放大所示，該光學系統16係具有第1至第4鏡25至28、用以測量雷射輸出之功率監測器29、及擴束器30。

第1鏡25係配置在雷射輸出部15之輸出側的附近，且將朝y軸方向射出之雷射朝x軸方向反射。第2鏡26係在x軸方向與第1鏡25排列配置，且將朝x軸方向行進之雷射朝y軸方向反射，並導引至工件台座2側。第3鏡27及第4鏡28係在x軸方向排列配置在第1中空馬達17之上方。第3鏡27係將由第2鏡26所反射而來之雷射導引至第4鏡28側。第4鏡28係將由第3鏡27所反 射而來之雷射導引至下方之第1中空馬達17。擴束器30係配置在第2鏡26與第3鏡27之間，用以將由第2鏡26所反射之雷射放大成一定倍率之平行光束而設置者。藉由該擴束器30，可使雷射聚光在更小之點。

<第1楔形稜鏡及第1中空馬達>

第4圖係顯示在內部配置有第1楔形稜鏡321、322之第1中空馬達17的示意圖。第1中空馬達17係在中心具有朝z軸方向延伸之旋轉軸R，且包含該旋轉軸R之中央部會成為中空。並且，在該中空部固定有一對之第1楔形稜鏡321、322。一對之楔形稜鏡321、322係為同形狀、同比重，僅折射率不同。各楔形稜鏡321、322係具有：分別相對於旋轉軸R傾斜之斜面321a、322a；及與旋轉軸R垂直之垂直面321b、322b。並且，一對之楔形稜鏡321、322係以使彼此之垂直面321b、322b接近相對向之方式配置，而且配置成2個垂直面321b、322b平行，且2個斜面321a、322a平行。

在此，使2個第1楔形稜鏡321、322之折射率不同，並且使通過第1楔形稜鏡321、322之雷射偏向達偏角θ。

此外，關於兩楔形稜鏡321、322之形狀(頂角)，係將後述之由聚光透鏡的焦點距離f與偏角θ所決定之雷射的旋轉半徑r(=f‧tan θ或f‧θ)設定為所希望之值。

<第2楔形稜鏡、第2中空馬達、聚光透鏡>

第5圖係示意性顯示在內部配置有一對之第2楔形稜鏡341、342的第2中空馬達18。該第2中空馬達18係在中心具有朝z軸方向延伸之旋轉軸。該旋轉軸係與第1中空馬達17之旋轉軸R同軸。該第2中空馬達18係在包含旋轉軸R之中心部具有中空部。在該中空部安裝有一對之第2楔形稜鏡341、342。此外，該等第2楔形稜鏡341、342係相對於一方之楔形稜鏡342以另一方之楔形稜鏡341可繞著旋轉軸R之周圍旋轉自如之方式安裝。亦即，一對之第2楔形稜鏡341、342係可調整偏角。

一對之第2楔形稜鏡341、342係為同形狀、同材質(同比重)，因此折射率亦相同。此外，一對之第2楔形稜鏡341、342係具有：分別相對於旋轉軸傾斜之斜面341a、342a；及相對於旋轉軸垂直之垂直面341b、342b。並且，在該第2楔形稜鏡341、342中，從偏角為「0」之狀態(彼此之斜面平行狀態)，使另一方之楔形稜鏡342旋轉而配置，2個楔形稜鏡341、342之斜面341a、342a並非平行。藉由2個第2楔形稜鏡341、342之組合，一對之第2楔形稜鏡341、342係具有預定之偏角。該偏角係比第1楔形稜鏡321、322之偏角大。

再者，在第2中空馬達18之內部中，於一對之第2楔形稜鏡341、342的輸出側，固定有聚光透鏡35。此外，聚光透鏡35亦可與第2中空馬達18分開而單獨地配置。

<雷射照射頭之支撐及搬送系統>

以上所述之雷射照射頭3係如前述，由基座 1之門型框1a所支撐。更詳細而言，如第3圖所示在門型框1a之上表面設置有朝x軸方向延伸之一對的第3導軌36，該一對之第3導軌36及未圖示之驅動機構係構成x軸方向移動機構21。並且，在一對之第3導軌36以移動自如之方式支撐有支撐部材37。支撐部材37係具有：由第3導軌36所支撐之橫支撐部材38；及從橫支撐部材38之工件台座2側的一端側延伸至下方之縱支撐部材39。在縱支撐部材39之側面，設置有朝z軸方向延伸之一對之第4導軌40、該一對之第4導軌40及未圖示之驅動機構係構成z軸方向移動機構22。在第4導軌40，以朝z軸方向移動自如之方式支撐有第3移動台座41。

再者，雷射輸出部15、第1至第4鏡25至28、功率監測器29、及擴束器30係由橫支撐部材38所支撐。此外，在第3移動台座41固定有馬達支撐部材42，在該馬達支撐部材42支撐有第1中空馬達17及第2中空馬達18。

〔加工方法〕

針對利用以上之加工裝置，藉由雷射在玻璃基板形成孔之情形的加工方法加以說明。在此，就玻璃基板而言，係以厚度1．8mm之鈉鈣玻璃(soda-lime glass)為例。

首先，在工件台座2之表面設置複數個塊件6。此時，複數個塊件6係如第2圖所示，以避開玻璃基板 G之加工線L的方式配置。在如以上方式設置之複數個塊件6上，載置要加工之玻璃基板G。

接著，藉由x軸方向移動機構21使雷射照射頭3朝x軸方向移動，且藉由台座移動機構5使工件台座2朝y軸方向移動，以使雷射照射頭3所產生之雷射的聚光點來到加工線L之起始位置。

<第1步驟>

如以上之方式使雷射照射頭3及玻璃基板G移動至加工位置後，將雷射照射在玻璃基板而進行加工。在此，從雷射輸出部15射出之雷射係藉由第1鏡25反射而導引至第2鏡26。此外，射入第1鏡25之雷射係藉由功率監測器29來測量雷射輸出。射入第2鏡26之雷射係朝y軸方向反射，且藉由擴束器30將光束擴展而導引至第3鏡27。然後，在第3鏡27反射且在第4鏡28反射之雷射，係輸入至設置在第1中空馬達17之中心部的一對之第1楔形稜鏡321、322。

輸入至一對之第1及第2楔形稜鏡321、322的雷射，係由於2個第1楔形稜鏡321、322之折射率不同而偏向輸出。此外，第1楔形稜鏡321、322係以例如15000rpm以上高速旋轉，穿透第1楔形稜鏡321、322之雷射係以小的旋轉半徑(例如直徑0.4mm至0.8mm)高速旋轉。

從第1楔形稜鏡321、322射出之雷射係輸入至第2楔形稜鏡341、342。該第2楔形稜鏡341、342係一 方相對於另一方旋轉，且具有比第1楔形稜鏡321、322更大之偏角。因此，藉由使第2楔形稜鏡341、342旋轉，高速旋轉之雷射會以比較大之旋轉半徑(例如外側直徑5.0mm)旋轉掃描。此外，第2楔形稜鏡341、342之旋轉數較低，例如為400至800rpm左右。

第6圖係顯示在以上所述之雷射在玻璃基板上之軌跡。在此，因一對之第1楔形稜鏡321、322之加工誤差或安裝誤差等，藉由第1楔形稜鏡321，322而偏向、旋轉之雷射所描繪之圓的直徑會產生誤差。由於該誤差，最後加工之孔的直徑會產生誤差。此時，使第2楔形稜鏡341、34之一方相對於另一方旋轉，以調整偏角，並調整通過第2楔形稜鏡341、342之雷射所進行之掃描軌跡即可。藉此，能以高精密度來加工所希望之直徑的孔。

在此，以雷射進行之1次加工將玻璃予以去除的高度為數十μm。因此，對玻璃基板G進行開孔加工時，即便使聚光點沿著加工線僅進行一次掃描，亦難以形成孔，亦即難以使加工線之內側部分脫落。

因此，首先以使聚光點(加工部位)形成在玻璃基板之下表面(背面)之方式，藉由z軸移動裝置22來控制包含聚光透鏡35之第2中空馬達18的z軸方向之位置(參照第7圖(a))。在該狀態下，使聚光點沿著加工線環繞一周後，控制第2中空馬達18之z軸方向的位置，藉此如第7圖(b)所示使聚光點上升。然後，同樣地使聚光點沿著加工線環繞一周後，再使聚光點上升。

反覆執行以上之動作，當聚光點到達離玻璃基板G之表面240μm之位置的時間點，暫時停止從基板背面進行之加工。

此外，不使聚光點於每次沿著加工線環繞一周就使之上升，而以適當之速度使連續地朝z軸方向上升，並加工成螺旋狀，亦可同樣地進行開孔加工。

在此，從玻璃基板G之表面照射雷射而從背面側進行加工時，加工屑係朝下方掉落，且加工屑不會積留在藉由加工所形成之凹部。因此，加工屑不會成為雷射照射之妨礙，而能以比較短時間進行加工。

<第2步驟>

接著，如第8圖所示，將與先前步驟中所形成之孔相同之部位從玻璃基板G之表面側朝向背面側，在與從背面側進行之加工同樣的條件下進行加工。藉由以上所述之加工，可形成貫穿玻璃基板G之孔。

此外，從玻璃基板G之表面照射雷射，且從表面側進行加工時，加工屑容易積留在因加工所形成之凹部。該加工屑會成為使雷射聚光時之妨礙等，而妨礙到加工。

然而，在此對於厚度1.8mm之玻璃基板G，由於在第1步驟中離基板表面為240μm之深度位置為止從基板背面側進行加工，因此從基板表面側進行之加工相對於整體之步驟的比例極少。因此，即使加工屑積留於凹部，亦可抑制對開孔加工造成之不良影響。

〔實驗結果〕

針對藉由習知加工方法來形成孔時、與藉由本發明之一實施形態之加工方法來形成孔時之破裂尺寸的比較來進行實驗。此時之加工條件係如以下所述。

雷射輸出：5W

掃描速度：40mm/s

基板：鈉鈣玻璃(厚度=1.8mm)

孔徑：φ 4mm

將實驗結果之總結顯示在第9圖。習知方法時之破裂晶片尺寸為236至333μm，平均尺寸為284μm。此外，適用本發明時之破裂尺寸為157至213μm，平均尺寸為180μm。此外，測定數n皆為「10」。

此外，在第1步驟中當加工至離表面未達240μm時，龜裂會從加工部位進展至基板表面。因此，可能會因該龜裂而在基板表面產生大的破裂。

〔特徵〕

(1)玻璃基板之背面及表面皆成為加工之開始面，加工結束面係成為基板內部。而且，在基板內部中，在加工部產生之龜裂不容易進展，因而可抑制破裂。

(2)在從基板背面側進行之加工中，由於開孔加工至離玻璃基板之表面達240μm的位置，因此可縮短加工時間，且可抑制加工屑對開孔加工所造成之影響。

(3)由於使從基板背面側進行之加工在距離玻璃基板 之表面240μm以上的位置停止，因此可避免龜裂到達玻璃基板之表面。因此，可使形成在基板表面之破裂尺寸減小。

〔其他實施形態〕

本發明並非限定在以上之實施形態者，在不脫離本發明之範圍下，可進行各種之變形或修正。

例如，用以掃描雷射之手段並未限定於前述實施形態。例如，亦可設置2個電流鏡(galvano mirror)，而掃描成任意形狀，以取代第2中空馬達及一對之第2稜鏡。

此外，加工之孔形狀並未限定於圓形。其他形狀之開孔加工亦同樣地適用本發明。

18‧‧‧第2中空馬達

G‧‧‧玻璃基板

Claims (5)

1. 一種脆性材料基板之雷射加工方法，係為將雷射照射於脆性材料基板而進行開孔加工之加工方法，該方法係包含：第1步驟，從脆性材料基板之表面照射雷射，且使雷射之聚光位置從脆性材料基板之背面朝表面移動，而且從基板背面至預定之深度位置為止進行開孔加工；第2步驟，從脆性材料基板之表面照射雷射，且使雷射之聚光位置相對於前述第1步驟中所形成之孔從脆性材料基板之表面朝背面移動，以進行與前述第1步驟中所形成之孔連通的開孔加工。
2. 如申請專利範圍第1項所述之脆性材料基板之雷射加工方法，其中，於前述第1步驟中，從脆性材料基板之背面進行開孔加工至離基板表面達240μm以上之位置為止。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之脆性材料基板之雷射加工方法，其中，於前述第1及第2步驟中，使雷射聚光點從中心軸偏倚，並且一面以前述中心軸為中心旋轉，一面沿著加工線移動。
4. 如申請專利範圍第1項所述之脆性材料基板之雷射加工方法，其中，於前述第1及第2步驟中，使雷射沿著加工線掃描成螺旋狀。
5. 一種脆性材料基板之雷射加工裝置，係將雷射照射在 脆性材料基板而進行開孔加工之加工裝置，該裝置具備：台座，供脆性材料基板載置；雷射照射頭，將雷射照射在前述台座上之脆性材料基板；以及移動機構，用以使前述台座及前述雷射照射頭相對地朝沿著前述台座載置面之方向及與台座載置面分離之方向移動；並且從脆性材料基板之表面照射雷射，使雷射之聚光位置從脆性材料基板之背面朝表面移動，而從基板背面至預定之深度位置為止進行開孔加工後，從脆性材料基板之表面照射雷射，相對於由前述加工所形成之孔使雷射之聚光位置從脆性材料基板之表面朝背面移動，而進行與前述所形成之孔連通的開孔加工。