CN103212865A - 脆性材料基板的激光加工方法以及激光加工装置 - Google Patents

Abstract

一种脆性材料基板的激光加工方法以及激光加工装置。作为课题，减轻对脆性材料基板照射激光进行开孔加工时的特别是脆性材料基板正面的崩裂。作为解决手段，该激光加工方法是对脆性材料基板照射激光进行开孔加工的方法，包含第1工序和第2工序。在第1工序中，从脆性材料基板的正面照射激光，使激光的会聚位置从脆性材料基板的背面向正面移动进行开孔加工，直到距离基板背面规定深度的位置处。在第2工序中，从脆性材料基板的正面照射激光，针对在第1工序中形成的孔，进行使激光的会聚位置从脆性材料基板的正面向背面移动，而与在第1工序中形成的孔连通的开孔加工。

Description

脆性材料基板的激光加工方法以及激光加工装置

技术领域

本发明涉及激光加工方法，特别是涉及对脆性材料基板照射激光进行开孔加工的脆性材料基板激光加工方法。此外，还涉及用于实施该激光加工方法的激光加工装置。

背景技术

作为通过激光对玻璃基板等脆性材料基板进行加工的装置，公知有例如专利文献1所示的装置。在这种加工装置中，对玻璃基板等工件照射波长532nm左右的绿色激光。通常，绿色激光会透过玻璃基板，但是在会聚激光而使其强度超过某一阈值时，玻璃基板会吸收激光。在这样的状态下，在激光的会聚部会产生等离子体，由此使玻璃基板发生蒸发（transpiration）。利用以上原理，能够进行在玻璃基板上形成孔等的加工。

此外，在专利文献2中示出有：通过使激光的会聚点以小半径高速旋转的同时沿着加工线扫描激光，而对玻璃基板进行开孔加工。

专利文献

专利文献1：日本特开2007-118054号公报

专利文献2：日本特开2011-11212号公报

在基于现有方法的开孔加工中，在加工的开始面与结束面、即在基板的背面和正面，在加工孔的周围产生被称为崩裂（chipping）的缺损。这些崩裂被认为是起因于加工部分处产生的微小的龟裂，它们会成为强度降低的因素。因此，优选尽可能地减小崩裂。

如上所述，以上这样的崩裂产生于基板的背面和正面，但是在从基板的背面开始加工的情况下，存在作为加工结束面的基板正面一方的崩裂大于作为加工开始面的背面一方的崩裂的倾向。

发明内容

本发明的课题是在对脆性材料基板照射激光进行开孔加工时减轻崩裂，特别减轻脆性材料基板的正面的崩裂。

第1发明所涉及的脆性材料基板激光加工方法是对脆性材料基板照射激光进行开孔加工的方法，包含第1工序以及第2工序。在第1工序中，从脆性材料基板的正面照射激光，使激光的会聚位置从脆性材料基板的背面向正面移动而进行开孔加工，直到距离基板背面规定深度的位置处。在第2工序中，从脆性材料基板的正面照射激光，针对在第1工序形成的孔，进行使激光的会聚位置从脆性材料基板的正面向背面移动，而与在第1工序中形成的孔连通的开孔加工。

此处，第1工序中，从基板正面侧照射激光，从背面侧进行开孔加工直到距离基板正面规定深度的位置处。然后，在从背面侧进行的加工到达规定深度的位置时，暂时停止从背面侧进行的加工。接下来，在第2工序中，与第1工序同样，从基板正面照射激光，从基板正面向背面继续加工。由此，形成贯通基板的孔。

此处，从基板的背面开始加工，并且在规定深度的位置暂时停止从背面进行的加工，然后重新从基板的正面侧开始加工。在这样的加工方法中，基板的背面与正面均成为加工的开始面，加工结束面在基板内部。由加工部产生的龟裂难以在基板内部发展，从而抑制了崩裂。

第2发明所涉及的脆性材料基板激光加工方法是在第1发明的加工方法中，在第1工序中，从脆性材料基板的背面实施开孔加工，直到距离基板正面240μm以上的位置处。

在从基板的正面照射激光、从背面侧开始进行加工时，加工屑向下方落下，加工屑不会妨碍激光照射。另一方面，在从基板正面照射激光、从正面侧开始加工时，加工屑会蓄积在加工所形成的凹部中，这些加工屑在会聚激光时会成为妨碍等，从而干扰加工。因此，从基板正面侧进行的加工速度慢于从基板背面侧进行的加工速度。

另一方面，当从基板背面侧进行加工一直进行到接近基板正面的位置时，加工部产生的龟裂到达正面，在基板正面产生较大崩裂的可能性增高。

因此，在第2发明中，从基板背面侧开始加工，一直进行到距离基板正面240μm的位置处。由此，能够缩短加工时间，并且能够抑制在基板正面产生较大的崩裂。

第3发明所涉及的脆性材料基板激光加工方法是在第1或者第2发明的加工方法中，在第1和第2工序中，使激光会聚点偏离中心轴，并且使该激光会聚点在以中心轴为中心旋转的同时沿着加工线移动。

此处，使激光在旋转的同时沿着加工线扫描而对基板进行加工，因此能够缩短加工时间。

第4发明所涉及的脆性材料基板激光加工方法是在第1发明的加工方法中，在第1与第2工序中，使激光沿着加工线以螺旋状扫描。

此处，能够使激光连续地扫描，从而缩短加工时间。

第5发明所涉及的脆性材料基板激光加工装置是对脆性材料基板照射激光进行开孔加工的装置，具备：工作台，其载置脆性材料基板；激光照射头，在对工作台上的脆性材料基板照射激光；移动机构，其使工作台与激光照射头在沿着工作台载置面方向以及离开工作台载置面的方向上相对移动。并且，从脆性材料基板的正面照射激光，使激光的会聚位置从脆性材料基板的背面向正面移动，在从基板背面开始进行开孔加工直到规定深度的位置后，从脆性材料基板的正面照射激光，针对加工所形成的孔，进行使激光的会聚位置从脆性材料基板的正面向背面移动，而与已形成的孔连通的开孔加工。

发明效果

在以上这样的本发明中，在通过激光对脆性材料基板进行开孔加工时，能够降低脆性材料基板正面的崩裂。

附图说明

图1是基于本发明的一个实施方式的玻璃基板加工装置的外观立体图。

图2是工件工作台的放大立体图。

图3是放大示出激光照射头的结构的立体图。

图4是示意地示出第1中空电动机和第1楔形棱镜的配置的图。

图5是示意地示出第2中空电动机、第2楔形棱镜以及会聚透镜的配置的图。

图6是示出激光的轨迹的图。

图7是示出从玻璃基板背面侧进行加工的情况的示意图。

图8是示出从玻璃基板正面侧进行加工的情况的示意图。

图9是示出对现有的加工方法以及应用本发明后的加工方法的崩裂尺寸进行比较的图。

标号说明：

2 工件工作台；3 激光照射头；5 工作台移动机构；21 x轴方向移动机构；22 z轴方向移动机构；G 玻璃基板；L 加工线。

具体实施方式

［加工装置］

图1示出了用于实施基于本发明的一个实施方式的加工方法的装置的整体结构。该玻璃基板加工装置是用于沿着加工线对玻璃基板照射激光，从而在玻璃基板上形成孔的装置。该装置具备：机床1；工件工作台2，其载置作为工件的玻璃基板；激光照射头3，其用于对玻璃基板照射激光。此处，如图1所示，将沿着机床1的上表面的平面中的相互垂直的轴定义为x轴、y轴，并将与这些轴垂直的垂直方向的轴定义为z轴。此外，将沿着x轴的两个方向（+方向以及﹣方向）定义为x轴方向，将沿着y轴的两个方向（+方向以及﹣方向）定义为y轴方向，将沿着z轴的两个方向（+方向以及﹣方向）定义为z轴方向。

＜工件工作台＞

工件工作台2形成为矩形，在工件工作台2的下方设置有工作台移动机构5，用于使工件工作台2在x轴方向和y轴方向上移动。

如图2放大所示，工件工作台2具有多个块6。这些多个块6是用于将图中点划线所示的玻璃基板G从工件工作台2的表面举起并支撑的部件，可以安装在工件工作台2的避开玻璃基板G的加工线L（虚线所示）的任意位置。此外，在工件工作台2上阵列状地形成有多个吸气口2a，并且在各块6中形成有在上下方向上贯通的吸气孔6a。并且，通过使块6的吸气孔6a与工件工作台2的吸气口2a连接，能够对配置在块6上的玻璃基板G进行吸附固定。另外，用于吸气的机构由公知的排气泵等构成，省略其详细说明。

＜工作台移动机构＞

如图1所示，工作台移动机构5具有一对第1导轨8、一对第2导轨9、以及第1移动工作台10和第2移动工作台11。1对第1导轨8设置在机床1的上表面，在y轴方向上延伸。第1移动工作台10设置在第1导轨8的上部，在下表面具有多个导向部10a，该多个导向部10a与第1导轨8以可自由移动的方式卡合。第2导轨9设置在第1移动工作台10的上表面，在x轴方向上延伸。第2移动工作台11设置在第2导轨9的上部，在其下表面具有多个导向部11a，该多个导向部11a与第2导轨9以可自由移动的方式卡合。在第2移动工作台11的上部，隔着固定部件12安装有工件工作台2。

通过以上这样的工作台移动机构5，工件工作台2在x轴方向和y轴方向上自由移动。另外，第1工作台10和第2移动工作台11，通过公知的电动机等驱动手段进行驱动，省略其详细说明。

［激光照射头］

如图1以及图3所示，激光照射头3安装于配置在机床1的上表面的门型框架1a上，具有：激光输出部15；光学***16；第1中空电动机17，在其内部安装有1对第1楔形棱镜（下述）；第2中空电动机18，在其内部安装有1对第2楔形棱镜（下述）以及会聚透镜。此外，还设置有：x轴方向移动机构21，其用于使激光照射头3在x轴方向上移动；z轴方向移动机构22，其用于使第1中空电动机17以及第2中空电动机18在z轴方向上移动。

＜激光输出部＞

激光输出部15由与现有激光管相同的激光管构成。通过该激光输出部15，沿着y轴向与工件工作台2相反的一侧射出波长532nm的绿色激光。

＜光学***＞

光学***16将来自激光输出部15的激光引导向安装在第1中空电动机17中的1对第1楔形棱镜。如图3放大所示，该光学***16具有：第1镜25～第4镜28、对激光输出进行测量的功率监控器29以及光束扩展器30。

第1镜25配置在激光输出部15的输出侧附近，将在y轴方向上射出的激光向x轴方向反射。第2镜26在x轴方向上与第1镜25排列配置，将在x轴方向上前进的激光向y轴方向反射，引导向工件工作台2一侧。第3镜27以及第4镜28在第1中空电动机17的上方沿x轴方向排列配置。第3镜27将由第2镜26反射来的激光引导向第4镜28一侧。第4镜28将由第3镜27反射来的激光引导向下方的第1中空电动机17。光束扩展器30配置在第2镜26与第3镜27之间，其被设置为用于将被第2镜26反射来的激光扩展为一定倍率的平行光束。通过该光束扩展器30，能够使激光会聚成更小的光点。

＜第1楔形棱镜以及第1中空电动机＞

图4示出了内部配置有第1楔形棱镜321、322的第1中空电动机17的示意图。第1中空电动机17在中心具有在z轴方向上延伸的旋转轴R，包含该旋转轴R的中央部为中空。并且，在该中空部中，固定有1对第1楔形棱镜321、322。1对楔形棱镜321、322具有相同形状和相同比重，仅折射率不同。各楔形棱镜321、322分别具有相对于旋转轴R倾斜的斜面321a、322a以及与旋转轴R垂直的垂直面321b、322b。并且，1对楔形棱镜321、322配置为使双方的垂直面321b、322b接近并对置，2个垂直面321b、322b配置为平行并且使2个斜面321a、322a平行。

此处，使2个第1楔形棱镜321、322的折射率不同，使通过第1楔形棱镜321、322的激光偏转偏角θ。

另外，关于两楔形棱镜321、322的形状（顶角），将下述的由会聚透镜的焦点距离f以及偏角θ决定的激光旋转半径r（=f·tanθ或者f·θ）设定为期望的值。

＜第2楔形棱镜、第2中空电动机、会聚透镜＞

图5示意地示出了内部配置有1对第2楔形棱镜341、342的第2中空电动机18。该第2中空电动机18在中心具有在z轴方向上延伸的旋转轴。该旋转轴与第1中空电动机17的旋转轴R同轴。该第2中空电动机18在包含旋转轴R的中心部具有中空部。在该中空部中，安装有1对第2楔形棱镜341、342。此外，这些第2楔形棱镜341、342被设置为：另一方的楔形棱镜341相对于一方的楔形棱镜342，可以绕着旋转轴R相对自由旋转。即，1对第2楔形棱镜341、342的偏角是可调整的。

1对第2楔形棱镜341、342具有相同形状和相同材质（相同比重），因此折射率也相同。此外，1对第2楔形棱镜341、342分别具有相对于旋转轴倾斜的斜面341a、342a以及相对于旋转轴垂直的垂直面341b、342b。并且，在该第2楔形棱镜341、342中，另一方的楔形棱镜342从偏角为“0”的状态（彼此的斜面平行的状态）起旋转而进行配置，2个楔形棱镜341、342的斜面341a、342a不平行。通过这样的2个第2楔形棱镜341、342的组合，1对第2楔形棱镜341、342具有规定的偏角。该偏角大于第1楔形棱镜321、322的偏角。

此外，在该第2中空电动机18的内部，在1对第2楔形棱镜341、342的输出侧，固定有会聚透镜35。另外，会聚透镜35可以与第2中空电动机18分开而单独地配置。

＜激光照射头的支撑以及搬运***＞

如上所述，以上这样的激光照射头3支撑在机床1的门型框架1a上。更详细地讲，如图3所示，在门型框架1a的上表面，设置有1对在x轴方向上延伸的第3导轨36，该1对第3导轨36以及未示出的驱动机构构成x轴方向移动机构21。并且，支撑部件37以可自由移动的方式支撑在该1对第3导轨36上。支撑部件37具有支撑在第3导轨36上的横支撑部件38以及从横支撑部件38的靠近工件工作台2侧的一端侧向下方延伸的纵支撑部件39。在纵支撑部件39的侧面，设置有1对在z轴方向上延伸的第4导轨40，该1对第4导轨40以及未示出的驱动机构构成z轴方向移动机构22。第3移动工作台41以可在z轴方向上自由移动的方式支撑在第4导轨40上。

并且，激光输出部15、第1镜25～第4镜28、功率监控器29以及光束扩展器30支撑在横支撑部件38上。此外，电动机支撑部件42固定在第3移动工作台41上，第1中空电动机17以及第2中空电动机18支撑在该电动机支撑部件42上。

［加工方法］

使用以上的加工装置，对通过激光在玻璃基板上形成孔的情况下的加工方法进行说明。此处，作为玻璃基板，以厚度为1.8mm的钠钙玻璃为例。

首先，在工件工作台2的表面设置多个块6。此时，如图2所示，多个块6配置为避开玻璃基板G的加工线L。在以上这样设置的多个块6上，载置有待加工的玻璃基板G。

接下来，通过x轴方向移动机构21使激光照射头3在x轴方向上移动，或者通过工作台移动机构5使工件工作台2在y轴方向上移动，由此使激光照射头3射出的激光的会聚点位于加工线L的开始位置处。

＜第1工序＞

以上这样，在使激光照射头3以及玻璃基板G移动到加工位置后，对玻璃基板照射激光进行加工。此处，从激光输出部15射出的激光被第1镜25反射，而引导向第2镜26。另外，对于入射到第1镜25的激光，通过功率监控器29测量激光输出。使入射到第2镜26的激光向y轴方向反射，通过光束扩展器30进行光束扩展，而引导向第3镜27。然后，使被第3镜27反射、并被第4镜28进一步反射的激光输入到设置在第1中空电动机17的中心部的1对第1楔形棱镜321、322。

由于2个第1楔形棱镜321、322的折射率不同，输入到1对第1以及第2楔形棱镜321、322的激光发生偏转而输出。此外，使第1楔形棱镜321、322以例如15000rpm以上的速度高速旋转，使透过第1楔形棱镜321、322的激光以小旋转半径（例如直径0.4mm～0.8mm）高速旋转。

使从第1楔形棱镜321、322射出的激光输入到第2楔形棱镜341、342。使该第2楔形棱镜341、342的一方相对于另一方旋转，使其具有大于第1楔形棱镜321、322的偏角。因此，通过使第2楔形棱镜341、342旋转，高速旋转的激光以较大的旋转半径（例如外侧直径5.0mm）旋转扫描。另外，第2楔形棱镜341、342的转速较低，例如为400～800rpm左右。

图6示出了以上这样的激光在玻璃基板上的轨迹。此处，由于1对第1楔形棱镜321、322中的加工误差和安装误差等，在由经第1楔形棱镜321、322偏转和旋转后的激光所描绘的圆的直径中，会产生误差。由于该误差，在最终加工出的孔径中会产生误差。在该情况下，使第2楔形棱镜341、342的一方相对于另一方旋转，调整偏角，调整通过第2楔形棱镜341、342的激光所产生的扫描轨迹即可。由此，能够高精度地加工出期望直径的孔。

此处，通过1次激光加工去除的玻璃厚度为数十μm。因此，在对玻璃基板G进行开孔加工的情况下，难以使会聚点沿着加工线仅扫描1次就形成孔，即难以一次即使加工线内侧的部分脱落。

因此，首先，通过z轴移动装置22控制包含会聚透镜35的第2中空电动机18在z轴方向上的位置，使得会聚点（加工部位）形成在玻璃基板的下表面（背面）（参照图7（a））。在该状态下，使会聚点沿加工线走1周以后，通过控制第2中空电动机18在z轴方向上的位置，如图7（b）所示，使会聚点升高。并且，同样，在使会聚点沿加工线走1周以后，进一步使会聚点升高。

反复执行以上的动作，在使会聚点到达距离基板G的正面240μm的位置的时间点，暂时停止从基板背面进行的加工。

另外，也可以不是每当会聚点沿加工线走1周以后才升高会聚点，而是以适当的速度使会聚点在z轴方向上连续地升高，螺旋状地进行加工，这样同样也能够进行开孔加工。

此处，在从玻璃基板G的正面照射激光从背面侧进行加工时，加工屑向下方落下，加工屑不会蓄积在加工所形成的凹部中。因此，加工屑不会妨碍激光照射，能够在较短时间内进行加工。

＜第2工序＞

接下来，如图8所示，从玻璃基板G的正面侧向背面侧，以与从背面侧开始的加工相同的条件，对与在先前的工序中形成的孔相同的部位进行加工。通过以上这样的加工，能够形成贯通玻璃基板G的孔。

另外，从玻璃基板G的正面照射激光、从正面侧开始加工时，加工屑容易蓄积在加工所形成的凹部中。这些加工屑在会聚激光时会成为妨碍等，从而干扰加工。

但是，此处，对于厚度为1.8mm的玻璃基板G，在第1工序中，从基板背面侧开始的加工进行到距离基板正面240μm深度的位置处，相对于整个工序，从基板正面侧进行的加工极其微小。因此，即使加工屑蓄积在凹部中，也能够抑制带给开孔加工的不良影响。

［实验结果］

对基于现有的加工方法而形成孔的情况下的崩裂尺寸以及基于本发明的一个实施方式的加工方法而形成孔的情况下的崩裂尺寸进行比较而进行了实验。该情况下的加工条件如下。

激光输出：5W

扫描速度：40mm/s

基板：钠钙玻璃（厚度=1.8mm）

孔径：

图9示出实验结果的汇总。现有方法的情况下的芯片尺寸为236～333μm，平均尺寸为284μm。此外，在应用本发明的情况下的芯片尺寸为157～213μm，平均尺寸为180μm。另外，测定数n均为“10”。

此外，在第1工序中加工到距离正面不足240μm时，龟裂从加工处向基板正面发展。因此认为，由于该龟裂，会在基板正面产生较大的崩裂。

［特征］

（1）玻璃基板的背面以及正面均为加工开始面，加工结束面在基板内部。于是，由于在基板内部由加工部产生的龟裂难以发展，所以抑制了崩裂。

（2）在从基板背面侧进行的加工中，由于开孔加工进行至距离玻璃基板的正面240μm的位置处，所以能够缩短加工时间，并且能够抑制加工屑带给开孔加工的影响。

（3）由于在距离玻璃基板的正面240μm以上的位置处停止从基板背面侧开始的加工，所以能够避免龟裂到达玻璃基板的正面。因此，能够减小在基板正面形成的崩裂尺寸。

［其它实施方式］

本发明并非限定于以上这样的实施方式，在不脱离本发明的范围内，能够进行各种变形或者修正。

例如，用于扫描激光的手段不限定于所述实施方式。例如，可以设置2个振镜来替代第2中空电动机以及1对第2棱镜，从而以任意的形状进行扫描。

此外，加工孔的形状不限定于圆形。对于其它形状的开孔加工，本发明也同样适用。

Claims (5)

1.一种脆性材料基板激光加工方法，对脆性材料基板照射激光进行开孔加工，该激光加工方法包含：

第1工序，从脆性材料基板的正面照射激光，使激光的会聚位置从脆性材料基板的背面向正面移动而进行开孔加工，直到距离基板背面规定深度的位置处；以及

第2工序，从脆性材料基板的正面照射激光，针对在所述第1工序中形成的孔，进行使激光的会聚位置从脆性材料基板的正面向背面移动，而与在所述第1工序中形成的孔连通的开孔加工。

2.根据权利要求1所述的脆性材料基板激光加工方法，其中，

在所述第1工序中，从脆性材料基板的背面实施开孔加工，直到距离基板正面240μm以上的位置处。

3.根据权利要求1或者2所述的脆性材料基板激光加工方法，其中，

在所述第1工序以及所述第2工序中，使激光会聚点偏离中心轴，并且使该激光会聚点在以所述中心轴为中心旋转的同时沿着加工线移动。

4.根据权利要求1所述的脆性材料基板激光加工方法，其中，

在所述第1工序以及所述第2工序中，使激光沿着加工线以螺旋状进行扫描。

5.一种脆性材料基板激光加工装置，其对脆性材料基板照射激光进行开孔加工，所述脆性材料基板激光加工装置具备：

工作台，其载置脆性材料基板；

激光照射头，其对所述工作台上的脆性材料基板照射激光；以及

移动机构，其使所述工作台以及所述激光照射头在沿着所述工作台的载置面的方向以及离开工作台的载置面的方向上相对移动，

其中，

从脆性材料基板的正面照射激光，使激光的会聚位置从脆性材料基板的背面向正面移动而进行开孔加工，直到距离基板背面规定深度的位置，然后从脆性材料基板的正面照射激光，针对由所述加工形成的孔，进行使激光的会聚位置从脆性材料基板的正面向背面移动，而与形成的所述孔连通的开孔加工。

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