TWI715745B - 脆性材料基板之雷射加工方法及雷射加工裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明之目的在於提供一種脆性材料基板之雷射加工方法，其可抑制脆性材料基板之表面附近之熱損傷，且提高厚度方向之加工深度。 本發明係一面使雷射光束之焦點自脆性材料基板之表面於厚度方向變化，且，一面以焦點距脆性材料基板之表面越遠則使雷射光束之輸出越為增大，從而進行藉由照射雷射光束而自脆性材料基板之表面於厚度方向形成孔時之對於脆性材料基板之雷射光束照射。

Description

脆性材料基板之雷射加工方法及雷射加工裝置
本發明係關於一種使用雷射之脆性材料基板之加工方法，尤其關於朝厚度方向之加工。
於對以例如玻璃基板、藍寶石基板、氧化鋁基板等為代表之脆性材料基板，進行形成貫通孔或非貫通孔之開孔加工等朝厚度方向(深度方向)之加工之情形時，廣泛進行使用雷射作為加工器件。
作為此種利用雷射之開孔加工之一態樣，藉由同心圓狀地照射雷射而形成較雷射之光束點徑(焦點位置之光束徑、聚光徑)更大之徑之貫通孔或非貫通孔之加工技術已眾所周知(例如，參照專利文獻1)。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2013-146780號公報
於對脆性材料基板藉由雷射而於厚度方向形成貫通孔或非貫通孔之情形時，先前係作為目標之形成深度越大則以越大之輸出照射雷射光。然而，若雷射光之輸出過大，則有脆性材料基板之表面附近之熱損傷(產生裂紋、崩裂)變得顯著之問題。另一方面，於可加工之深度存在與雷射光之輸出相應之界限(臨限值)，而亦有無論如何延長照射時間仍無法深度加 工之問題。
本發明係鑑於上述問題而完成者，目的在於提供一種脆性材料基板之雷射加工方法，其可抑制脆性材料基板之表面附近之熱損傷且提高厚度方向之加工深度。
為了解決上述問題，技術方案1之發明之特徵在於，其係藉由照射雷射光束而自脆性材料基板之表面於厚度方向形成孔之脆性材料基板之雷射加工方法，且一面使上述雷射光束之焦點自上述脆性材料基板之表面於厚度方向變化，且，一面以上述焦點距上述脆性材料基板之表面越遠則使上述雷射光束之輸出越為增大，一面進行上述雷射光束對於上述脆性材料基板之照射。
技術方案2之發明係如技術方案1所記載之脆性材料基板之雷射加工方法，其特徵在於，藉由使上述焦點自上述脆性材料基板之表面於厚度方向逐次移動特定距離，而於在上述厚度方向上離散之複數個位置依序進行上述雷射光束對於上述脆性材料基板之照射，且，上述焦點距上述脆性材料基板之表面越遠則使上述輸出越為增大。
技術方案3之發明係如技術方案2所記載之脆性材料基板之雷射加工方法，其特徵在於，所形成之孔為圓孔，且於上述複數個位置之各者，以上述焦點描畫同心圓狀之軌跡之方式，使上述雷射光束掃描。
技術方案4之發明係如技術方案1至技術方案3中任一項所記載之脆性材料基板之雷射加工方法，其特徵在於，上述雷射光束為皮秒UV雷射或皮秒綠色雷射。
技術方案5之發明之特徵在於，其係藉由雷射光束而加工脆性材料基 板之裝置，且具備：載台，其載置固定上述脆性材料基板；光源，其出射上述雷射光束；及頭部，其對載置於上述載台之脆性材料基板照射自上述光源出射之上述雷射光束；且一面藉由使上述載台相對於上述頭部相對移動而使上述雷射光束之焦點自上述脆性材料基板之表面於厚度方向變化，且，一面以上述焦點距上述脆性材料基板之表面越遠則使自上述光源出射之上述雷射光束之輸出越為增大，一面進行上述雷射光束對於上述脆性材料基板之照射，藉此自上述脆性材料基板之表面於厚度方向形成孔。
技術方案6之發明係如技術方案5所記載之雷射加工裝置，其特徵在於，藉由以上述焦點自上述脆性材料基板之表面於厚度方向逐次移動特定距離之方式進行上述載台相對於上述頭部之相對移動，而於在上述厚度方向上離散之複數個位置依序進行上述雷射光束對於上述脆性材料基板之照射，且，上述焦點距上述脆性材料基板之表面越遠則使自上述光源出射之上述雷射光束之上述輸出越為增大。
技術方案7之發明係如技術方案6所記載之雷射加工裝置，其特徵在於，所形成之孔為圓孔，且上述頭部於上述複數個位置之各者，以上述焦點描畫同心圓狀之軌跡之方式，使上述雷射光束掃描。
技術方案8之發明係如技術方案5至技術方案7中任一項所記載之雷射加工裝置，其特徵在於，上述雷射光束為皮秒UV雷射或皮秒綠色雷射。
根據技術方案1至技術方案8之發明，於脆性材料基板之厚度方向之開孔加工中，藉由伴隨加工之進行使焦點之高度位置與雷射輸出一起階段性地不同，可抑制脆性材料基板之表面之熱損傷，且形成較深之孔。
1:光源
2:載台
2m:驅動機構
3:頭部
3a:振鏡
3b:fθ透鏡
4:快門
5:鏡面
10:控制部
100:雷射加工裝置
C:焦點之中心
d1:光束點徑
d2:掃描軌跡之最大徑
D:圓孔之直徑
E:雷射輸出
E0:雷射輸出之初始值
E1:雷射輸出之最終值
F:焦點
LB:雷射光束
TR1~TR4:同心圓狀之軌跡
W:脆性材料基板
z=z0:脆性材料基板表面位置
z=z1:與特定之圓孔之深度相應之特定位置
△z:特定間距
圖1係模式性顯示雷射加工裝置100之構成之圖。
圖2係用以對開孔加工之雷射光束LB之掃描態樣進行說明之圖。
圖3(a)~(c)係藉由實施例之各條件之加工而形成之圓孔相關之自上方之攝像圖像、及其端部附近之放大圖像。
圖4(a)~(c)係圓孔之剖面相關之攝像圖像。
<雷射加工裝置之概要>
圖1係模式性顯示在本發明之實施形態中脆性材料基板W之加工所使用之雷射加工裝置100之構成之圖。雷射加工裝置100概略地構成為藉由將自光源1出射之雷射光束LB照射至載置固定於載台2之脆性材料基板W，而對脆性材料基板W進行特定加工。
作為成為加工對象之脆性材料基板W，例示玻璃基板、藍寶石基板、氧化鋁基板等。
雷射加工裝置100除了光源1及載台2外，主要具備：頭部3，其成為雷射光束LB對脆性材料基板W之直接照射源；快門4，其隨附於光源1且使自光源1之雷射光束LB之出射ON(接通)/OFF(斷開)；鏡面5，其藉由使自光源1出射之雷射光束LB以特定角度反射而設定到達至頭部3之雷射光束LB之光路；及控制部10，其控制雷射加工裝置100之各部之動作。另，雖於圖1中設置有2個鏡面5，但其僅為例示，鏡面5之個數及配置位置並未限定於圖1所示之態樣。
雷射光束LB可根據成為加工對象之脆性材料基板W之材質等而適當地選擇，但較佳為例如皮秒UV雷射、或皮秒綠色雷射等。作為光源1，只要採用與用於加工之雷射光束LB相稱者即可。光源1之雷射光束LB之產 生動作及快門4之ON/OFF動作係藉由控制部10控制。
載台2係加工時水平地載置固定脆性材料基板W之部位。載台2係藉由驅動機構2m而於鉛直方向自由移動。藉由利用控制部10控制驅動機構2m，於雷射加工裝置100中，於加工時，可使脆性材料基板W於其厚度方向上下移動。此外，驅動機構2m亦可將載台2於水平一軸方向或二軸方向可移動地設置，再者，亦可於水平面內可旋轉地設置載台2之至少脆性材料基板W之載置部位。藉此，可較佳地進行加工位置之調整或變更。
脆性材料基板W相對於載台2之固定可藉由周知之各種態樣而實現。例如，亦可為藉由吸引而固定之態樣，又可為藉由以特定之夾持器件夾持脆性材料基板W之端部而固定之態樣。
頭部3具備振鏡3a與fθ透鏡3b。振鏡3a藉由利用控制部10控制其姿勢，可使入射之雷射光束LB於特定範圍內朝任意方向出射。又，於載台2之上方水平地、且使自振鏡3a出射之雷射光束LB可入射地配置fθ透鏡3b，自振鏡3a出射之雷射光束LB藉由經過fθ透鏡3b，而自鉛直上方對水平地載置固定於載台2之脆性材料基板W照射。藉此，於雷射加工裝置100中，藉由利用控制部10之控制使振鏡3a之姿勢連續變化，可使載置固定於載台2之脆性材料基板W上之雷射光束LB之照射位置連續改變。即，可藉由雷射光束LB而掃描脆性材料基板W之表面。
惟雷射光束LB對於載置固定於載台2之脆性材料基板W之可照射範圍係根據振鏡3a之尺寸或姿勢變更範圍而預先設定。於進行對該可照射範圍外之加工之情形時，必須藉由驅動機構2m使載台2移動，以新的可照射範圍為對象進行加工。
另，亦可為取代於載台2設置驅動機構2m，而於頭部3設置未圖示之 驅動機構，使頭部3相對於載台2移動之態樣。
控制部10藉由例如泛用之電腦而實現。藉由於控制部10執行未圖示之控制程式，而實現雷射加工裝置100中之各種動作，例如，自光源1出射雷射光束LB、移動載台2、及變更振鏡3a之姿勢等。
<開孔加工>
接著，關於對脆性材料基板W使用上述雷射加工裝置100進行之本實施形態之開孔加工進行說明。圖2係用以對該開孔加工之雷射光束LB之掃描態樣進行說明之圖。
於圖2中，設想如下情形：z=z0為脆性材料基板W之表面(上表面)之位置，藉由於脆性材料基板W之厚度方向(z方向)上自z=z0至z=z1之位置使雷射光束LB之照射位置不同，而自脆性材料基板W之表面於厚度方向形成直徑D之特定深度之大致圓筒狀之非貫通孔(圓孔)。此處，直徑D為大於雷射光束LB之焦點(光束點)F之直徑(光束點徑)d1之值。其中，於圖2中為便於圖示，將直徑D顯示於較z=z1下方，以下，直徑D為脆性材料基板W之表面即z=z0之值。
首先，以焦點F與脆性材料基板W之表面(z=z0)一致之方式，調整載置固定了脆性材料基板W之載台2之高度位置，且將自光源1之雷射光束LB之輸出(以下為雷射輸出)設定為特定之值(初始值)E0。此後，藉由控制振鏡3a之姿勢，而以z=z0中焦點F之中心C描畫與直徑D同軸且直徑不同之複數個同心圓狀之軌跡之方式，掃描雷射光束LB。換言之，使直徑不同且進行複數次周繞掃描。另，以下，有時將焦點F之中心C之軌跡簡稱為雷射光束LB之軌跡。
若為圖2所示之情形，則以4個同心圓狀之軌跡TR1、TR2、TR3、 TR4自外側依序被分別逆時針旋轉地描畫之方式，以雷射輸出E0掃描雷射光束LB。藉由該掃描，脆性材料基板W之表面附近被加工，形成凹部。另，於圖2中獨立記載有4個軌跡TR1、TR2、TR3、TR4，但實際加工時，亦可於雷射光束LB之一次周繞掃描大致結束之時點維持該雷射光束LB之輸出狀態不變而朝下次周繞掃描過渡。
於上述之態樣中，當z=z0之雷射光束LB之掃描結束時，則於使載台2上升特定間距△z後，即，使雷射光束LB之焦點F之位置自z=z0朝脆性材料基板W之深度方向位移距離△z後，進行與上述同樣之同心圓狀之掃描。另，先形成之凹部之深度與間距△z亦可不一致。以下，重複載台2之移動與雷射光束LB之同心圓狀之掃描，直至雷射光束LB之焦點F到達位置z=z1，且進行該位置之同心圓狀之掃描為止。換言之，於各高度位置，以同心圓狀完成複數次周繞掃描。另，△z及z1之值係根據脆性材料基板W之材質或欲形成之圓孔之深度而設定。通常，z=z1之位置設定為較成為圓孔之底部之位置更淺之位置。
其中，於該情形時，每次使焦點F之高度不同時，逐漸增強雷射輸出。若為圖2所示之情形，則將z=z1之雷射輸出(最終值)設為E=E1(>E0)時，自初始值E=E0至E=E1之期間階段性地增強雷射輸出。
即，於本實施形態之開孔加工中，藉由使焦點F之高度位置自脆性材料基板W之表面於厚度方向移動特定距離，而將雷射光束LB對於脆性材料基板W之照射，於在厚度方向上離散之複數個位置依序且焦點F之高度位置距脆性材料基板W之表面越遠則越增大雷射輸出地進行。
藉此，每次重複於不同之深度位置之雷射光束LB之同心圓狀之掃描時，推進脆性材料基板W之朝厚度方向之凹部形成，最終形成期望深度之 圓孔。
此處，雷射光束LB之掃描軌跡之最大徑(軌跡TR1之直徑)d2及掃描軌跡之個數(即掃描次數)只要基於欲形成之圓孔之直徑D、光束點徑d1、及振鏡3a之姿勢變更範圍，預先實驗性或憑經驗設定即可。例如，若於欲形成之圓孔之直徑為50μm，且光束點徑d1為15μm之情形，則藉由設d2=30μm且進行5次同心圓狀之掃描，可形成期望之圓孔。
又，雷射輸出之初始值E0只要根據可形成上述之凹部且於該凹部之周圍未產生熱損傷(裂紋或崩裂等)之雷射輸出之範圍，預先實驗性或憑經驗設定即可。該情形所設定之初始值E0亦可根據將該值保持為一定朝深度方向進行加工時無法加工至期望深度的範圍而選擇。
另一方面，雷射輸出之最終值E1，於自脆性材料基板W之表面將該值保持為一定而進行加工之情形，只要根據可加工至目標深度但會導致於脆性材料基板W之表面產生熱損傷之雷射輸出之範圍，預先實驗或憑經驗而設定即可。
另，於圖2中自外側依序進行同心圓狀之複數次周繞掃描，但亦可取而代之，自內側依序進行。或，亦可於每次焦點F之深度位置改變時，更替掃描順序。
又，於圖2所示之情形時，藉由使焦點F之高度位置逐次改變△z，而使進行周繞掃描之部位亦於厚度方向上各隔開距離△z，但亦可取而代之，為如下態樣(螺旋狀掃描)：於使焦點F之高度位置連續變化、且焦點F朝厚度方向移動距離△z之期間，連續地進行與上述之同心圓狀之複數次周繞掃描相當之複數次周繞掃描。
又，至此之說明中，雖以形成非貫通孔之情形為例，但形成貫通孔 之情形亦可採用同樣之技術。即，於將雷射光束LB之焦點F自脆性材料基板W之表面起之總移動距離設得足夠大時，可形成貫通孔。該情形亦與非貫通孔之形成之情形同樣，具體的加工條件只要根據脆性材料基板W之厚度及雷射光束LB之照射條件等設定即可。
又，至此之說明中，雖對藉由使雷射光束LB周繞掃描而形成圓孔之態樣進行說明，但欲形成之圓孔之直徑D較小時，周繞掃描非必須。
以上，如說明所示，根據本實施形態之技術，於脆性材料基板W之厚度方向之開孔加工中，藉由伴隨加工之進行使焦點之高度位置與雷射輸出一起階段性地改變，可抑制脆性材料基板之表面之熱損傷，且形成較深之圓孔。
另，不改變焦點F之高度位置而僅將雷射輸出階段性地提高，有難以將加工進行至充分之深度之情形。其理由為，隨著加工進行而凹部之底部與焦點F隔開，雷射光束LB之照射位置之光束點徑會變得大於焦點F之光束點徑d1，且該位置之能量密度會變得較焦點F之位置小。尤其，如於同心圓之最外側即軌跡TR1之位置掃描雷射光束LB之情形般，於照射位置可能成為斜面之情形時，能量密度進一步減小。
另一方面，一面將雷射輸出保持為一定一面改變焦點F之高度位置之態樣係如上述般，若其值過小則難以加工至期望深度，若過大則因產生熱損傷而制約較大。
<變化例>
於上述實施形態中，雖以圓孔之加工為例，針對於脆性材料基板之表面不產生熱損傷地實現開孔加工至更深位置之態樣進行了說明，但一面隨著朝深度方向進行加工而加深焦點位置一面提高雷射輸出之技術，亦可 應用於以圓孔以外之任意形狀於深度方向進行加工之情形。例如，亦可應用於方孔或槽之形成。另，於前者之情形，一個高度位置之雷射光束LB之掃描亦可為不同大小之矩形狀之軌跡形成於同軸，又可以特定間距形成平行之複數個軌跡。又，於後者之情形，只要以特定間距形成平行之複數個軌跡即可。
[實施例]
使雷射輸出之要件按條件A(4 W)、條件B(1 W)、條件C(自加工開始時於1 W~4 W之範圍內階段性地增大)之3種不同條件進行相同尺寸之圓孔之加工，且評價形成之圓孔之好壞。
具體而言，準備厚度為1.1mm之玻璃基板作為脆性材料基板W，形成之圓孔之直徑D為1000μm。又，設雷射光束LB之光束點徑d1為10μm，雷射光束LB之掃描軌跡之最大徑d2為1000μm，一個高度位置之掃描次數為101次，△z為10μm，焦點F朝厚度方向之移動距離(z1-z0)為400μm。
圖3係藉由各條件之加工而形成之圓孔相關之自上方之攝像圖像、及其端部附近之放大圖像。圖3(a)、(b)、(c)分別為條件A、條件B、條件C相關之圖像。又，圖4係藉由利用通過直徑D之面切斷圖3所示之玻璃基板而獲得之圓孔之剖面相關之攝像圖像。圖4(a)、(b)、(c)分別為條件A、條件B、條件C相關之圖像。
於條件A之情形時，如圖4(a)所示，將加工進行至436μm之最深位置，但如圖3(a)之放大圖像中箭頭所示，於玻璃基板之表面附近，於圓孔之端部產生裂紋。
又，於條件B之情形時，由圖3(b)可知，未產生熱損傷，但如圖4(b) 所示，只能將加工進行至346μm之較條件A淺之位置。
與此相對，於條件C之情形時，由圖3(c)可知，與條件B之情形相同，未產生熱損傷，且，如圖4(c)所示，可將加工進行至377μm之較條件B深之位置。
即，於條件C之情形時，一面使加工開始時之雷射輸出與不產生熱損傷之條件B相同，一面隨著其後之加工之進行而階段性地增大雷射輸出，藉此不會對基板之表面造成熱損傷，可較條件B深度地進行加工。
另，雖於條件C中使雷射輸出之最終值與條件A之雷射輸出之值相同，但藉由將該最終值設為進一步大之值，進一步增大焦點F朝厚度方向之移動距離(z1-z0)，可加工至更深位置。
C‧‧‧焦點之中心
d1‧‧‧光束點徑
d2‧‧‧掃描軌跡之最大徑
D‧‧‧圓孔之直徑
E‧‧‧雷射輸出
E0‧‧‧雷射輸出之初始值
E1‧‧‧雷射輸出之最終值
F‧‧‧焦點
LB‧‧‧雷射光束
TR1~TR4‧‧‧同心圓狀之軌跡
z=z0‧‧‧脆性材料基板表面位置
z=z1‧‧‧與特定之圓孔之深度相應之特定位置
Δz‧‧‧特定間距

Claims (7)

  1. 一種脆性材料基板之雷射加工方法，其特徵在於，其係藉由照射雷射光束而自脆性材料基板之表面於厚度方向形成孔者，且藉由使上述雷射光束之焦點自上述脆性材料基板之表面於厚度方向逐次移動特定距離，而於在上述厚度方向上離散之複數個位置依序進行上述雷射光束對於上述脆性材料基板之照射，且，一面以上述焦點距上述脆性材料基板之表面越遠則使上述雷射光束之輸出越為增大，一面進行上述雷射光束對於上述脆性材料基板之照射；且所形成之孔為圓孔；於上述複數個位置之各者，以上述焦點描畫同心圓狀之軌跡之方式使上述雷射光束進行同心圓狀之掃描，每次重複上述掃描時，推進上述脆性材料基板之朝厚度方向之圓孔之形成，而形成較上述雷射光束之光束點徑更大徑之圓孔。
  2. 如請求項1之脆性材料基板之雷射加工方法，其中上述雷射光束為皮秒UV雷射或皮秒綠色雷射。
  3. 一種雷射加工裝置，其特徵在於，其係藉由雷射光束自脆性材料基板之表面於厚度方向形成孔之雷射加工裝置，且具備：載台，其載置固定上述脆性材料基板；光源，其出射上述雷射光束；頭部，其具備振鏡與fθ透鏡，上述振鏡配置為可供自上述光源出射 之上述雷射光束入射，上述fθ透鏡配置為可供自上述振鏡出射之雷射光束入射，且使其可對載置於上述載台之脆性材料基板自鉛直上方照射；驅動機構，其藉由上述載台相對於上述頭部之相對移動，使上述雷射光束之焦點自上述脆性材料基板之表面於厚度方向變化；及控制部，其以使上述雷射光束掃描上述脆性材料基板之表面之方式控制上述振鏡之姿勢，且以上述焦點距上述脆性材料基板之表面越遠則使上述雷射光束之輸出越為增大之方式控制上述雷射光束之輸出。
  4. 如請求項3之雷射加工裝置，其中上述驅動機構藉由以上述焦點自上述脆性材料基板之表面於厚度方向逐次移動特定距離之方式進行上述載台相對於上述頭部之相對移動，而於在上述厚度方向上離散之複數個位置依序進行上述雷射光束對於上述脆性材料基板之照射。
  5. 如請求項4之雷射加工裝置，其中形成之孔為圓孔；且上述控制部係以如下之方式控制上述振鏡之姿勢：於上述複數個位置之各者，以上述焦點描畫同心圓狀之軌跡之方式，使上述雷射光束掃描。
  6. 如請求項3至5中任一項之雷射加工裝置，其中上述雷射光束為皮秒UV雷射或皮秒綠色雷射。
  7. 如請求項6之雷射加工裝置，其中上述脆性材料基板係玻璃基板、藍寶石基板或氧化鋁基板。
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