CN107866637A - 脆性材料基板的断开方法及断开装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供脆性材料基板的断开方法及断开装置，其中利用了使激光束产生像差并聚焦后的像差激光束以及断开用激光束。使包括脉冲激光束的突发脉冲的激光束(L1)透过用于产生像差的像差生成透镜(4c)，生成为像差激光束(L2)，沿脆性材料基板(W)的预定断开线(S)扫描该像差激光束(L2)而形成改性层，沿该改性层照射断开用激光束(L3)，并跟随该照射对该断开用激光束(L3)的照射点(P)的前进方向前方侧进行冷却，从而沿预定断开线(S)将脆性材料基板(W)断开。

Description

脆性材料基板的断开方法及断开装置

技术领域

本发明涉及采用了断开用激光束的玻璃等脆性材料基板的断开方法及断开装置。

背景技术

在现有技术中已经开始利用对基板照射具有透过性(透明)的脉冲激光束来形成内部改性层的、被称为“隐形切割”的激光加工技术(参照专利文献1)。在该激光加工技术中，通过聚焦于要断开的区域的基板内部来照射脉冲激光束进行改性，并沿着路线(预定断开线)连续地进行上述动作，从而形成改性层。然后，通过沿着强度降低了的改性层施加外力而进行断开。

此外，近年来，脉冲宽度(脉冲持续时间)为纳秒(ns)、皮秒(ps)的断开用激光束的研究以及开发得到发展，其结果，也开始利用如下的激光加工技术：其中，照射作为将各个脉冲分割后的突发脉冲序列(突发脉冲光(バーストパルス光))进行振荡的、被称为“突发模式(Burst Mode)”的断开用激光束来进行基板的内部改性(参照专利文献2)。

即、通过采用对基板具有透过性的波长的激光，调整为其脉冲激光束的重复频率、脉冲宽度适合于加工的断开用激光束，并使聚光点对准基板内部来进行照射，从而可以在不产生消融的情况下形成改性层。在该激光加工技术中，并不是直接照射具有调整后的脉冲宽度的断开用激光束，而是使各个脉冲在被分割为多个(例如2～10个)细微脉冲宽度构成的突发脉冲光(突发脉冲序列)的状态下进行振荡、照射。

例如，通过脉冲光生成单元，以脉冲光能量10μJ生成重复频率100kHz(以10μ秒(μs)周期生成脉冲)、且脉冲宽度200ns的断开用激光束时，通过突发脉冲光形成单元，使该断开用激光束在被分割为细微脉冲宽度为1ns的十个突发脉冲光(突发脉冲序列)的状态下振荡。在这种情况下，突发脉冲光的峰值功率理论上平均为(10μJ/10个)/1ns＝1kW，但既可以使各突发脉冲光的峰值功率相互等同，也可以使其相互不同(例如，使各突发脉冲光的峰值功率依次变大、依次变小等)。

于是，使相对于硅基板具有透过性的波长(例如1064nm)的、适合于改性的脉冲宽度的突发激光束作为由这样的多个细微脉冲宽度构成的突发脉冲光来进行振荡，通过聚光器使突发脉冲光的聚光点对准基板的厚度方向中央部，作为“突发模式”在硅基板上进行照射。由此，公开了可以抑制向被加工物中与激光入射面相反的一面侧泄露的光对相反面造成损伤，并可以抑制对于预先形成于该相反面上的器件的损伤。

此外，作为利用断开用激光束的突发脉冲序列(突发脉冲光)来裂开基板的加工方法，在其它的文献中，公开了在基板内形成“丝”来进行加工的激光加工技术。即、在专利文献3(特别是0035、0039栏)中公开了如下技术：对基板照射通过物镜而被聚焦的聚焦激光束，在基板内形成长度为数百微米或数毫米的、被称为“激光丝”(下面，简称为“丝”)的、积蓄了激光能量的狭而长的通道，使基板并进，呈直线状或曲线状地移动丝，从而刻划丝轨迹来进行加工。在该文献中，作为能够适用该加工方法的基板材料，记载有玻璃、半导体、透明陶瓷、聚合物、透明导体、宽带隙玻璃、水晶、结晶石英、钻石以及蓝宝石。

此外，在专利文献4中公开了将上述专利文献3中记载的“激光丝”进一步在空间上扩大而在空间上形成长的同质的丝的改良方法。

根据该文献，公开了通过“会聚透镜”使专利文献3中由超高速脉冲激光束的突发脉冲构成的入射激光束在基板内部聚焦，从而可以在基板内部形成数百微米左右的丝。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第3408805号公报

专利文献2：日本特开2014-104484号公报

专利文献3：日本特表2013-536081号公报

专利文献4：日本特开2015-037808号公报

为了通过上述专利文献3、4所揭示的“激光丝”来断开形成有强度变弱的改性层的玻璃基板，采用了沿着改性层按压裂片棒而使基板机械性地弯曲来进行断开的方法。此时，在形成有改性层的预定断开线为直线的情况下，可以沿着预定断开线利落地断开，但如图7的(a)所示地在预定断开线S为在角部具有圆弧S1的四角形状时、或如图7的(b)所示地在直线状的预定断开线S的中间具有圆弧状的凸部S2时，沿着预定断开线S均等地使圆弧S1、凸部S2的区域弯曲是很困难的，不能利落地进行断开。

于是，还考虑了对改性层照射CO₂激光而通过加热导致的压缩应力来进行断开的方法，以取代基于裂片棒的机械性的断开单元。

但是，在通过CO₂激光进行的裂片中，在对改性层照射激光束进行了扫描时，如图8所示，具有在激光照射点P的激光前进方向的前方侧会先产生小的裂纹K的趋势。该现象在预定断开线S为直线时是没有问题的，但是，在为圆弧的情况下，由于在圆弧的切线方向上会先产生裂纹，因此，如图9的(a)所示，裂痕K1会抢先产生等，无法利落地进行断开。特别是在圆弧的半径为5mm以下的情况下，断开变得更加困难。此外，如图9的(b)所示，在直线的预定断开线S的中间具有圆弧状的凸部S2的情况下，以横贯凸部S2的底边的方式产生裂痕K2等，存在成品率差等问题点。

发明内容

于是，本发明的目的在于，提供可以利用包括脉冲激光束的突发脉冲的像差激光束、以及CO₂激光等断开用激光束来高精度、利落地断开脆性材料基板的断开方法以及断开装置。

在为了达到上述目的而完成的本发明的脆性材料基板的断开方法中，使包括脉冲激光束的突发脉冲(突发，バースト)的激光束透过用于产生像差的像差生成透镜而生成为像差激光束，沿脆性材料基板的预定断开线扫描所述像差激光束而形成改性层(通常为强度降低了的改性层)，沿该改性层照射断开用激光束，并对该断开用激光束的照射点的前进方向前方侧(优选为包括前进方向前方侧的照射点周边)进行冷却(例如，通过吹喷冷却介质进行冷却)，从而沿所述预定断开线将所述脆性材料基板断开。

在本发明的断开方法中，优选地，使像差激光束的最聚焦的最聚焦部对准于脆性材料基板的厚度的中间位置来进行扫描。这里，像差激光束的最聚焦部是指，在沿像差激光束的照射方向测定了激光束轮廓(强度发布)时，激光束轮廓的峰值功率最高的位置(沿着像差激光束的照射方向的位置)。此外，作为断开用激光束，优选波长10.6μm的CO2激光束、波长1064nm的Nd:YAG激光束。

此外，在其它方面的本发明的脆性材料基板的断开装置中，构成为包括：工作台，用于载置脆性材料基板；像差激光束发光部件，使从光源射出的包括脉冲激光束的突发脉冲的激光束通过用于产生像差的像差生成透镜而生成为像差激光束；像差激光束发光部件移动机构，使所述像差激光束发光部件沿所述脆性材料基板的预定断开线相对地移动；断开用激光束发光部件，沿被照射了所述像差激光束的所述预定断开线照射断开用激光束；冷却剂喷射部件，对所述断开用激光束的照射点的激光束前进方向前方侧(优选为包括前进方向前方侧的照射点周边)进行冷却；以及断开用激光束发光部件移动机构，使所述断开用激光束发光部件以及所述冷却剂喷射部件沿被照射了所述像差激光束的所述预定断开线相对地移动。

发明效果

由于本发明如上所述地构成，因此，通过边沿着由像差激光束形成的改性层的线照射断开用激光束，边进行移动，从而可以沿预定断开线完全断开玻璃基板等脆性材料基板。此时，由于断开用激光束的照射点的前进方向前方侧(优选以前进方向前方侧为中心的照射点的周边)被冷却，因此，可以有效地提高在照射点的部位产生的热应力、即加热导致的压缩应力以及冷却导致的拉伸应力，由此，不会产生在激光前进方向前方侧的裂纹，可以有效地仅断开照射点的部位。因此，具有下述等效果：即使预定断开线是在角部具有圆弧的四角形状、或者是在直线状的预定断开线的中途具有弯曲的凸部这样的复杂形状，也不会在圆弧的切线方向产生抢先的裂痕、不会产生横贯凸部的底边的裂痕等，可以沿预定断开线利落地进行断开。

在本发明中，所述像差生成透镜通过平凸透镜来形成较好。在这种情况下，通过使激光束从平凸透镜的平面侧射入，从而可以从凸面侧射出像差激光束。

进而，在本发明中，也可以是，所述像差激光束的光源是波长0.7μm～2.5μm(例如Nd:YAG激光器的基波)的近红外激光器、且采用脉冲宽度为100皮秒以下的激光束的突发脉冲。

附图说明

图1是本发明所涉及的断开装置的简要说明图。

图2是示出本发明中的像差激光束发光部件的光学***的框图。

图3的(a)和(b)是示出像差激光束的聚焦状态的放大说明图。

图4是示出脉冲激光束的突发脉冲的轮廓的示意图。

图5是示出本发明中的断开加工工序的第一阶段的说明图。

图6的(a)和(b)是示出本发明中的断开加工工序的第二阶段的说明图。

图7的(a)和(b)是示出预定断开线的形状的一个例子的平面图。

图8是用于说明通过CO₂激光束进行断开时的裂纹的产生的平面图。

图9的(a)和(b)是用于说明图7所示的预定断开线上的裂痕的产生的平面图。

具体实施方式

下面，基于附图所示的实施例对本发明的详细内容进行说明。

图1是示出本发明所涉及的划线装置(断开装置)A的图。

在划线装置A中，在左右的支柱1、1上设有水平梁(横梁)3，水平梁(横梁)3具有沿着X方向的引导件2。在该梁3的引导件2上，以通过电机M1能够沿X方向移动的方式安装有包括像差激光束发光部件4的划线头5、以及包括断开用激光束发光部件6和冷却部件(冷却介质)7的划线头8。用于载置并吸附保持作为加工对象的脆性材料基板W的工作台9通过将纵轴作为支点的转动机构10而被保持在台座11上，台座11形成为可以通过由电机M2驱动的螺杆12而沿着Y方向(图1中的前后方向)移动。需要注意的是，在本实施例中，像差激光束发光部件4和断开用激光束发光部件6分开安装在单独的划线头5、8上，但也可以安装于共同的划线头上。

如图2所示，安装于划线头5的像差激光束发光部件4包括：光源4a，射出脉冲宽度(脉冲持续时间)为100皮秒以下、优选为50皮秒以下(通常为1皮秒以上)、在这里为15皮秒的脉冲激光束；光调制器4b，使从该光源4a振荡的脉冲激光束作为被分割了的突发脉冲序列(突发串，バースト列)的集合射出；以及像差(収差)生成透镜4c，使从该光调制器4b射出的激光束L1产生像差。

需要注意的是，光源4a可以使用波长0.7μm～2.5μm的近红外激光器。

此外，关于射出脉冲激光束的突发脉冲序列的光调制器4b，例如在日本专利特表2012-515450号公报中已经公开，这里利用的是公知的光调制器来射出脉冲激光束的突发脉冲序列，从而省略其详细的说明。

用于使从光调制器4b射出的激光束L1产生像差的像差生成透镜4c并没有特别的限定，在此利用了使焦点在光轴方向上分散并以在轴向上连结模糊的焦点的方式使通过了的激光束L1聚焦(集束)而产生像差的平凸透镜。通过了该平凸透镜的激光束L1变为焦点分散的像差激光束(収差レーザビーム)L2。通过从平凸透镜的平面侧射入激光束L1，从而可以从凸面侧射出像差激光束L2。

如图3的(a)所示，从脉冲激光束的突发脉冲序列生成的像差激光束L2通过像差生成透镜4c聚焦，从而可以形成在各焦点部f蓄积了激光能量的狭长的高能量分布区域F。图3的(b)示出了示意性地放大了该高能量分布区域F的图。通过形成这样的高能量分布区域F，在照射于作为加工对象物的脆性材料基板W、例如钠钙玻璃基板的表面时，可以加工出从加工对象基板W的被照射面直至内部深处强度变弱的改性层。

从安装于另一划线头8的断开用激光束发光部件6射出的断开用激光束L3(参照图6)采用可以通过加热导致的压缩力完全断开强度变弱的改性层的激光束。在本实施例中，作为该断开用激光束L3，使用了波长10.6μm的CO₂激光束。需要注意的是，也可以使用波长0.7μm～10μm的IR激光束等来替代CO₂激光束。此外，作为从冷却部件7喷射的冷却剂，可以使用冷却气体、喷雾状的水等。

下面，参照图1～6，对采用了上述的划线装置A的本发明所涉及的脆性材料基板W的断开方法进行说明。在本实施例中，作为成为加工对象的脆性材料基板W，使用了厚度1.8mm的钠钙玻璃基板。

首先，如图5、6所示，在工作台9上载置基板W，边向基板W照射从像差激光束发光部件4射出的像差激光束L2的同时，边通过基于引导件2的像差激光束发光部件移动机构使划线头5沿着基板W的预定断开线S移动。此时，像差激光束L2的聚焦部中的高能量分布区域F为基板W的厚度的中间位置。由此，可以从基板W的被照射面直至内部深处，沿预定断开线S加工出改性层(通常，为强度变弱的改性层)。

这里，如下示出了包括突发脉冲的像差激光束L2(脉冲激光束的突发脉冲序列)的优选实施条件的一个例子。

激光输出：19.4W

重复频率：32.5kHz

脉冲宽度：15皮秒

脉冲间隔(激光脉冲在基板上的照射点的照射间隔)：4μm

突发脉冲：4脉冲

脉冲能量：155μJ/1突发脉冲

扫描速度：130mm/s

需要注意的是，可以通过上述的激光输出、重复频率、脉冲宽度、突发脉冲数或脉冲间隔、像差等的调整来容易地控制加工深度、加工状态。

图4是示出脉冲激光束的突发脉冲序列的示意图。形成将一个个的脉冲激光束分割后的四个细微脉冲p，按各重复频率间歇性地进行照射。

如上所述，在沿预定断开线S对基板W加工出了强度变弱的改性层之后，如图6的(a)所示，边从断开用激光束发光部件6向加工出了改性层的预定断开线S照射CO₂激光束L3的同时，通过包括引导件2的断开用激光束发光部件移动机构使划线头8沿着预定断开线S进行移动。同时，从冷却部件7向CO₂激光束L3的照射点P的前进方向前方侧喷射冷却剂。图6的(b)是从上侧观察CO₂激光束L3对基板W的照射点P的部位的平面图，通过符号B来表示冷却部件7的冷却区域。冷却区域B形成为通过冷却剂的飞散来对激光束的照射点P的前进方向前方侧进行冷却(优选以照射点P的前进方向前方侧为中心包围照射点P的周边)。

这样，通过边沿着加工出了改性层的预定断开线S照射CO₂激光束L3的同时，边进行移动，从而基板W由于热应力而沿着预定断开线S完全断开。此时，由于CO₂激光束L3的照射点P的前进方向前方侧(优选以照射点P的前进方向前方侧为中心的照射点P的周边)被冷却，因此，可以有效地提高在照射点P的部位所产生的热应力、即加热导致的压缩应力以及冷却导致的拉伸应力，由此，不会产生如之前在图8中所述那样的、在激光前进方向前方侧的裂纹K，可有效地仅断开照射点P的部位。因此，例如，即使是在如图9的(a)所示那样地预定断开线S为在角部具有圆弧S1的四角形状的情况下、或者如图9的(b)所示那样地在直线状的预定断开线S的中间具有圆弧状凸部S2的情况下，也不会在圆弧的切线方向产生抢先的裂痕K1、不会产生横贯凸部S2的底边的裂痕K2，能够沿预定断开线S利落地进行断开。

此外，通过冷却CO₂激光束L3的照射点P的前进方向前方侧(优选以照射点P的前进方向前方侧为中心的周边)，从而可以提高热应力，因此，即使是降低CO₂激光束L3的输出也能够断开，可以降低电力消耗。

以上，对本发明的代表性的实施方式进行了说明，但本发明并不仅限于上述的实施方式。例如，在上述实施例中，在通过像差激光束的照射在全部的预定断开线上形成了改性层之后，对改性层照射CO₂激光束等断开用激光束来进行断开，但也可以跟随像差激光束的照射来照射断开用激光束。此外，在本发明中，为了实现本发明的目的，在不脱离权利要求书的范围内，可以进行适当的修改以及变更。

产业上的利用可能性

本发明可以在断开玻璃基板等脆性材料基板时利用。

附图标记说明

A划线装置(断开装置) B冷却区域

F高能量分布区域 K裂纹

L1激光束 L2像差激光束

L3断开用激光束(CO₂激光束)

P断开用激光束的照射点

S预定断开线 W脆性材料基板

2引导件 4像差激光束发光部件

4a光源 4b光调制器

4c像差生成透镜 5划线头

6断开用激光束发光部件 7冷却部件(冷却介质)

8划线头 9工作台

Claims (6)

1.一种脆性材料基板的断开方法，其特征在于，包括：

使包括脉冲激光束的突发脉冲的激光束透过用于产生像差的像差生成透镜而生成为像差激光束；

沿脆性材料基板的预定断开线扫描所述像差激光束而形成改性层；以及

沿所述改性层照射断开用激光束，并对所述断开用激光束的照射点的前进方向前方侧进行冷却，从而沿所述预定断开线将所述脆性材料基板断开。

2.根据权利要求1所述的脆性材料基板的断开方法，其特征在于，

通过吹喷冷却介质来对包括所述断开用激光束的照射点的前进方向前方侧的照射点周边进行冷却。

3.根据权利要求1或2所述的脆性材料基板的断开方法，其特征在于，

所述像差激光束的光源为波长0.7μm～2.5μm的近红外激光器、且采用脉冲宽度为100皮秒以下的激光束的突发脉冲。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的脆性材料基板的断开方法，其特征在于，

所述断开用激光束为波长10.6μm的CO₂激光束。

5.一种脆性材料基板的断开装置，其特征在于，包括：

工作台，用于载置脆性材料基板；

像差激光束发光部件，使从光源射出的包括脉冲激光束的突发脉冲的激光束通过用于产生像差的像差生成透镜而生成为像差激光束；

像差激光束发光部件移动机构，使所述像差激光束发光部件沿所述脆性材料基板的预定断开线相对地移动；

断开用激光束发光部件，沿被照射了所述像差激光束的所述预定断开线照射断开用激光束；

冷却剂喷射部件，对所述断开用激光束的照射点的激光束前进方向前方侧进行冷却；以及

断开用激光束发光部件移动机构，使所述断开用激光束发光部件以及所述冷却剂喷射部件沿被照射了所述像差激光束的所述预定断开线相对地移动。

6.根据权利要求5所述的脆性材料基板的断开装置，其特征在于，

所述冷却剂喷射部件对包括所述断开用激光束的照射点的激光束前进方向前方侧的照射点周边进行冷却。