CN114616071A - 激光切割方法及所属的激光切割设备 - Google Patents

Abstract

说明了一种用于切割板状材料的激光切割方法和所属的激光切割设备(1)。根据方法，在第一步骤中，通过用脉冲式第一激光束(11)沿设置的切割线(20)进行照射，对要切割的材料进行弱化、尤其是穿孔。在第二步骤中，通过用第二激光束(13)进行照射，在切割线(20)的区域中对要切割的材料进行局部加热，用以产生材料应力。在此在第二步骤中，在切割线(20)上的仅一个点(22)中或多个相互间隔开的点(22)中对要切割的材料进行加热。

Description

激光切割方法及所属的激光切割设备

技术领域

本发明涉及用于切割板状材料的激光切割方法和所属的激光切割设备。

背景技术

在传统的激光切割方法中，通常首先通过如下方式在要切割的材料上产生线形的预断裂部位，即，借助短脉冲激光束沿设置的切割线在成列的燃烧点上对要切割的材料进行弱化、尤其是穿孔。在像钢化玻璃那样的脆性材料中，这种弱化或穿孔可能足以会使材料沿着切割线分离。在像非钢化玻璃或硅那样的其他材料中，需要进行附加的热处理，以此，使得在要切割的材料中有针对性地在切割线的区域产生机械应力，这便于材料的分离。对于这种热处理来说，通常利用连续的并且只是弱聚焦或根本不聚焦的激光束走过切割线。

该方法的缺点是，热处理只允许相对较低的工作速度，特别是在该步骤中可能的辐射强度是有限的，以便排除对材料的损害。因此，在第二步骤中需要相对较长的照射时间，以便确保有足够的能量沉积。因此，常见的激光切割方法在一定程度上被热处理拖慢了速度，并由此具有受限的效率。

发明内容

本发明的任务在于，说明特别有效的用于切割板状材料的激光切割方法和所属的激光切割设备。

关于激光切割方法，根据本发明，该任务通过权利要求1的特征来解决。关于激光切割设备，根据本发明，该任务通过权利要求11的特征来解决。本发明的有利的和部分本身被视为有创造性的设计方式和改进方案在从属权利要求和以下描述中陈述。

根据方法，在第一步骤(也被称为“燃烧步骤”)中，通过脉冲式第一激光束沿设置的切割线进行照射，对要切割的材料进行弱化、尤其是穿孔。在第二步骤(也被称为“热处理”)中，于是通过在切割线区域用第二激光束进行照射，对要切割的材料进行局部加热，用以产生材料应力。在此根据本发明，在第二步骤中不连续地沿着整个切割线对要切割的材料进行加热。更确切地说，在第二步骤中只点式地、即在切割线上的一个(唯一的)点中或在多个相互间隔开的点中对要切割的材料进行加热。在本发明的优选的实施方案中，在此在第二步骤中，在正好两个点中对要切割的材料进行加热，其中，这两个点尤其布置在切割线的两个端部附近。

本发明基于以下认识：在热处理期间对要切割的材料进行点式加热足以产生足够使材料整齐分离的材料应力。由于材料不需要沿着整个切割线加热，使得热处理的工作速度明显提升。尤其地以该方式能够实现的是，使得两个方法步骤的工作速度能够大约彼此相称，由此能够实现特别有效地执行方法。

在适宜的实施方案中，方法包括紧随热处理之后的第三步骤。该第三步骤是机械分离步骤，在其中，通过机械加载，尤其是通过对要切割的材料进行弯曲、剪切和/或拉开，使要切割的材料在切割线处分离。在热处理过程中产生的材料应力作用下材料自行撕裂或开裂的情况下，省略第三步骤。

在燃烧步骤中使用的第一激光束优选由轴锥镜聚焦成类似贝塞尔式的光束(以下简化为“贝塞尔光束”)。要切割的材料在此布置在该贝塞尔光束的焦点区域中。根据常见的定义，将形式为研磨成锥形的透镜的光学器件称为轴锥镜，它将点源的光成像到沿轴锥镜的光轴的一条线上。

轴锥镜优选以如下方式选出：使得由其产生的贝塞尔光束的焦点区域具有的长度至少具有要切割的材料的厚度。由此，在燃烧步骤期间，同时有足够的能量沉积在整个材料厚度上，以便在整个材料厚度上弱化设置的燃烧点中的材料。在适宜地确定规格中，由轴锥镜产生的贝塞尔光束的焦点区域例如具有(沿光束方向测量的)2毫米的长度，并且具有(横向于光束方向测量的)2至5微米的宽度。

优选只以弱聚焦或不聚焦的方式将用于热处理的第二激光束发射到要切割的材料上。

第一激光束的光波长优选选择成使得要切割的材料对于第一激光束的光是透明的。在燃烧步骤中导致要切割的材料弱化、尤其是穿孔的能量沉积在此通过对第一激光束的非线性光吸收而发生。要切割材料对于第一激光束的透明度在此引起的是，能量沉积均匀地发生在要切割材料的整个厚度上。

相反，第二激光束的光波长优选选择成使得要切割的材料对于第二激光束是不透明的或半透明的。由此引起要切割的材料通过线性吸收第二激光束的光能而被有效升温，但不被损坏。要切割的材料对于第二激光束的光优选是半透明的，以便确保第二激光束对要切割的材料有较高的侵入深度，并且因此确保后者在其材料厚度上被尽可能均匀地加热。

在适宜的实施方案中，以具有在300飞秒至30皮秒之间的脉冲长度的脉冲将第一激光束发射到要切割的材料上。

在优选的应用中，上述一般性描述的方法被用来切割由玻璃构成的板，特别是由非钢化玻璃构成的板。在这种情况下，第一激光束的光波长优选被确定为0.5微米至2微米之间的数值，优选大约1微米。在该方法的适宜的实施方案中，使用锁模MOPA(MasterOscillator Power Amplifier，主振荡器功率放大器)超短脉冲激光器来产生第一激光束。相反，第二激光束的光波长优选确定为4微米到11.5微米之间的数值，尤其是5微米或10微米。在该方法的适宜的实施方案中，在此使用连续的(即非脉冲式)CO₂激光器用来产生第二激光束。

在另外的优选应用中，根据本发明的方法被用来切割由硅构成的板，尤其是晶圆。在这种情况下，第一激光束的光波长尤其确定为1.5微米至4微米之间的数值，尤其是2微米。在该方法的适宜的实施方案中，在此同样使用锁模MOPA超短脉冲激光器用来产生第一激光束。相反，第二激光束的光波长尤其确定为1微米至11.5微米之间的数值，尤其是1微米或5微米。在该方法的适宜的实施方案中，在此使用连续的(即非脉冲式)钕-YAG激光器或CO₂激光器用来产生第二激光束。

根据本发明的激光切割设备通常被设立成用于执行上述根据本发明的方法，尤其是在上述的其中一个实施例中的方法。激光切割设备在此尤其具有：

·用于保持由要切割的材料构成的板的工件容纳部；

·用于产生第一激光束的第一激光器；

·用于产生第二激光束的第二激光器；

·用于使第一激光束和第二激光束和第二激光束相对于工件容纳部运动的进给机构；以及

·用于进给机构和两个激光器的、用于执行根据本发明的方法的控制部。

工件容纳部优选被构造为支架，将要切割的材料板放在支架上。在适宜的构造方案中，支架例如由具有预先布置的非吸收性的例如由聚四氟乙烯构成的散射层的玻璃板形成。

进给机构优选被构造为(例如通过线性马达运行或通过丝杠运行的)X-Y工作台。因此，进给机构在此优选使工件容纳部(必要时其上紧固有由要切割的材料构成的板)相对于方位固定布置的激光器运动。

在激光切割设备的替选的实施方案中，进给机构使第一激光器和第二激光器(共同或相互独立地)相对于方位固定布置的工件容纳部运动。在激光切割设备的另外的实施方案中，进给机构(再次共同地或相互独立地)仅使第一和第二激光器的各自的光束射出头运动，而不是使整个激光器运动；而各自的激光器的另外部件、尤其是激光谐振器和可能存在的放大器则被方位固定地布置。通过进给机构而运动的光束射出头和各自的激光器的方位固定布置的部件在此经由柔性的光纤彼此耦合、在第一激光器的情况下尤其是经由中空光纤彼此耦合，用以引导激光束。

此外，本发明还包括上述实施变体的混合形式，其中通过进给机构不仅使工件容纳部而且使两个激光器中的至少一个或光束射出头中的至少一个(相互独立地)运动，和/或其中，通过进给机构使两个激光器中的一个激光器整体运动，而在另一激光器中只使光束射出头运动。

第一激光器优选由锁模MOPA超短脉冲激光器形成。在第一激光器的下游接有轴锥镜，用以形成第一激光束的薄且纵向延伸的焦点区域。第二激光器优选被构造为连续的(即非脉冲式)钕-YAG激光器或CO₂激光器。

控制部优选由控制计算机(例如个人计算机或微控制器)形成，在其中实施用于驱控进给机构和两个激光器的控制程序。根据控制程序，使激光器或其射出头和/或使工件容纳部沿预定的切割线运动，用以使激光束运动。第一激光器在此根据控制程序脉冲式受驱控，使得其在第一步骤中沿切割线在一系列燃烧点中对保持在工件容纳部中的材料进行弱化、尤其是穿孔。第二激光器根据控制程序被控制，使得其在第二步骤中点式地沿切割线在一个点或多个相互间隔开的点中对要切割的材料进行加热，用以产生材料应力。

这两个步骤优选是前后相继地(即在时间上依次地)执行。尤其是当第一激光束和第二激光束能相对于工件容纳部相互独立地运动时，那么这两个步骤也能够在本发明的范围内在时间上重叠执行。然而，在这种情况下，在第二步骤中只在切割线的如下区域中对要切割的材料进行加热：在这些区域中，要切割的材料事先已经被第一激光束弱化、尤其是被穿孔。

优选地，激光切割设备附加地包括机械分离设备，以便在第三步骤中沿着通过燃烧步骤和热处理来预处理的切割线尤其是通过弯曲、剪切和/或拉开要切割的材料来分离要切割的材料。在本发明的范围内，分离设备能够由工件容纳部本身形成，在这种情况下，工具容纳部例如由两个能相对彼此翻转或能相对彼此移动的部分形成。替选地，可选的分离设备由与工件容纳部分开的、必要时也在空间上远离的器械形成。

除非另有说明，在说明数值的过程中的术语“大约”应被理解为，包括与给定的数值最多至百分之10(即±10％)，优选是最多至百分之5(即±5％)的偏差。

附图说明

下面将参照图示更详细地解释本发明的实施例。其中：

图1以粗略示意性简化透视图示出用于切割板状材料、此处为玻璃板的激光切割设备，激光切割设备具有用于保持要切割材料的工件容纳部、用于产生第一激光束的第一激光器、用于产生第二激光束的第二激光器、用于使工件容纳部相对于第一和第二激光束运动的进给机构、用于进给机构和两个激光器的控制部；

图2以示意图示出第一激光束的光路以及定位在光路中的轴锥镜；

图3以俯视图示出在借助激光切割设备执行的方法的第一步骤之后的玻璃板，在第一步骤中，借助第一激光束沿切割线在一系列燃烧点中对玻璃板进行弱化；

图4以根据图3的图示示出在方法的第二步骤之后的玻璃板，在第二步骤中，借助第二激光束在切割线上的一个点中对玻璃板进行局部加热用以产生材料应力；

图5以根据图3的图示示出在方法的第三步骤之后的玻璃板，在第三步骤中，通过机械加载、在此是弯曲，沿切割线分离玻璃板；

图6以根据图3的图示示出作为要切割材料的另外示例的在方法第一步骤之后的硅晶圆，在第一步骤中，借助第一激光束沿切割线在一系列燃烧点中对硅晶圆进行弱化；

图7以根据图3的图示示出在方法的第二步骤之后的硅晶圆，在第二步骤中，借助第二激光束在切割线上的两个相对置的点中对硅晶圆进行局部加热用以产生材料应力；以及

图8以根据图3的图示示出在方法的第三步骤之后的硅晶圆，其中，通过机械加载、在此是弯曲，沿切割线分离硅晶圆。

彼此相应的部分和结构在所有的附图中总是设有相同的附图标记。

具体实施方式

图1以粗略示意性简化透视图示出用于切割板状材料的(激光切割)设备1，在此所示的示例中，板状材料是由非钢化玻璃构成的玻璃板2。玻璃板2例如具有为一毫米的厚度。

设备1包括用于容纳玻璃板2的工件容纳部3。工件容纳部3在此由玻璃制成的载板4形成，在载板上在工件侧(即在设备1运行中按要求放置要切割的玻璃板2的一侧上)涂覆有由聚四氟乙烯制成的散射层5。

载板4具有的厚度例如为5厘米，散射层5具有的厚度例如为0.2毫米。

工件容纳部3被构造为X-Y工作台，其中，载板4能借助(仅在图1中指明的)进给机构6在与载板4的面平行的平面之内沿通过箭头7标记的方向进行移动。进给机构6例如包括两个线性马达，它们与载板4在驱动技术上耦联。

设备1还包括用于产生第一激光束11的第一激光器10和用于产生第二激光束13的第二激光器12。这两个激光器10和12装配在工件容纳部3的上方，使得由它们分别发射的激光束11和13分别垂直于载板4地对准其工件侧的面。激光器10和12方位固定地保持，从而在通过进给机构6调节载板4时使支承在载板4上的玻璃板2相对于激光束11和13运动。

第一激光器10是锁模MOPA超短脉冲激光器，在根据图1的示例中，它以激光脉冲的形式产生第一激光束11。第一激光束11在此具有的光波长大约为一微米，具体而言例如1064纳米。因此它在电磁波谱的近红外范围内，从而使得要切割的玻璃板2对于第一激光束11是透明的。

在第一激光器10前方接连有轴锥镜14作为光学器件，轴锥镜将第一激光束11聚焦成具有薄且纵向延伸的焦点区域16的贝塞尔光束15。在示例性的确定规格中，轴锥镜14产生第一激光束11的焦点区域16，其(相对光束方向横向测量的)宽度为2至5微米，并且(沿光束方向测量的)长度大约2毫米。产生贝塞尔光束15和焦点区域16的轴锥镜14在图2中以粗略示意性简化的方式示出。在设备1的范围内，相对于工件容纳部3调校轴锥镜14，使得贝塞尔光束15的焦点区域16穿过支承在载板4上的玻璃板2的整个厚度。

在根据图1的实施方式中，第二激光器12是CO₂激光器，它产生作为连续的(即非脉冲式)激光束的第二激光束13，其具有的光波长大约为10微米，具体来说例如是10.6微米，并且功率/强度为100瓦特。因此，第二激光束13的光在电磁波谱的中红外范围内，从而使得要切割的玻璃板2对于第二激光束13来说根据玻璃类型是半透明的或者甚至是不透明的。第二激光束13以未聚焦方式发射到载板4和支承在其上的玻璃板2上。

最后，设备1包括作为控制部的控制计算机17。在控制计算机17中实施控制程序18，根据该控制程序，使得控制计算机17在设备1运行中驱控进给机构6和两个激光器10和12。

按规定，借助设备1执行激光切割方法，在应用于切割非钢化玻璃时该激光切割方法具有三个步骤。在此，在图3至图5中示出了第一、第二和第三步骤之后的玻璃板2的状态。

在该方法的第一步骤中，第一激光束11通过如下方式沿着预定的切割线20(图3)引导经过要切割的玻璃板2：(通过在控制计算机17中运行的控制程序18控制地并通过进给机构6驱动地)使得载板相对于第一激光器10运动。通过高度聚焦的脉冲式激光束11在此在玻璃板2中沿切割线20产生一系列的燃烧点21(图3)，在这些燃烧点中，玻璃板2的材料通过脉冲能量的非线性吸收而被弱化或破坏。由于玻璃板2对于第一激光束11的光是透明的并且焦点区域16的轴向延展度较长，使得每个燃烧点21以2至5微米的宽度在玻璃板2的整个厚度上延伸。燃烧点21在切割线20上例如以1至10微米的间距、优选是4至5微米的间距产生。从玻璃板2射出的激光束11在散射层5中被散射而不被吸收，从而能量密度在其光路的进一步走向中被降低。由此，第一激光束11在传输过载板4时不会对该载板造成损害。

在接下来的第二步骤中，使要切割的玻璃板2与工件容纳部3运动，使得第二激光束13在预定的点22中(图4)撞击在切割线20上。现在，玻璃板2的材料在点22中被局部加热，其方式是：利用第二激光束13照射玻璃板2并持续例如5至2000毫秒。通过该热处理，在玻璃板2中产生了材料应力，该材料应力支持了随后在切割线20处分离玻璃板2。

为此，在第三步骤中对玻璃板2进行机械加载，从而使玻璃板在经过之前步骤预处理的切割线20处破裂。由于该机械加载，使得在第三步骤之后根据图5，玻璃板2以两个在切割线20处分离的块23的形式存在。在此所示的实施例中，机械加载通过借助没有明确示出的优选被构造为整体的且自动地通过控制计算机17操纵的机构的分离设备对玻璃板2进行弯曲来实现。在这种情况下，分离设备例如是提升机构，它将玻璃板2局部提升，并以该方式使玻璃板2在其自身重量的作用下弯曲。替选地，也可以使用与设备1分开的分离设备来弯曲玻璃板2。再次替选地，玻璃板2也可以手动弯曲或以其他方式加载。

在结合图6至图8所示的另外的应用中，激光切割方法被用来将芯片30(例如集成电子电路)从硅晶圆31上分割出来。与图3至图5的顺序类似，图6至图9示出了在方法的第一、第二和第三步骤之后的晶圆31。一直以不同的切割边20为基础重复方法步骤，直到所有的芯片30均被分割。

结合图6至图8描述的激光切割方法的变体以设备1的一个实施方式来执行，除了下面描述的差异外，该实施方式与根据图1的设备1相应。然而，与最后提及的实施方式不同的是，为了切割晶圆31，第一激光器10和第二激光器12被设计成使得产生光波长为2微米的第一激光束11和光波长为1微米的第二激光束13。通过这种光波长的选择确保了晶圆31对于第一激光束11的光是透明的，对于第二激光束13的光是半透明或不透明的。在此也可以用钕-YAG激光器代替CO₂激光器作为第二激光器12。

与根据图3至图5的方法变体的另外的区别在于，在第二步骤中根据图7，晶圆31在布置在切割线20的相反的端部上的两个点22中被加热。

最后，根据图8分离晶圆31，其方式是：将晶圆31的由切割线20分界的块23彼此拉离。为此，晶圆31优选被面式地粘附在未示出的柔性的载体薄膜上，该载体薄膜被拉伸用以分离块23。

作为对图6至图8中所示方法顺序的替选方案，用于分割芯片30所需的所有切割线20首先通过重复地相继实施第一和第二步骤进行预处理，而不首先切开晶圆31。随后，通过一次性实施第三步骤，即通过一次性拉伸载体薄膜，将晶圆30的所有芯片31同时彼此分离。

本发明在上述实施例方面特别清楚明了。然而，本发明并不限于这些实施例。相反，本发明的另外大量的实施方式能够从权利要求书和上述描述中推断出来。尤其地，上述实施例的单个特征也可以以其他方式彼此组合，而不偏离本发明。

附图标记列表

1 (激光切割)设备

2 玻璃板

3 工件容纳部

4 载板

5 散射层

6 进给机构

7 箭头

10 (第一)激光器

11 (第一)激光束

12 (第二)激光器

13 (第二)激光束

14 轴锥镜

15 贝塞尔光束

16 焦点区域

17 控制计算机

18 控制程序

20 切割线

21 燃烧点

22 点

23 块

30 芯片

31 晶圆

Claims (11)

1.用于切割板状材料的激光切割方法，

-其中，在第一步骤中，通过用脉冲式第一激光束(11)沿设置的切割线(20)进行照射，对要切割的材料进行弱化、尤其是穿孔，并且

-其中，在第二步骤中，通过用第二激光束(13)进行照射，在所述切割线(20)的区域中对所述要切割的材料进行局部加热，用以产生材料应力，

其中，在第二步骤中，在所述切割线(20)上的仅一个点(22)中或在多个相互间隔开的点(22)中对所述要切割的材料进行加热。

2.根据权利要求1所述的方法，

其中，在第二步骤中，只在所述切割线(20)上的正好两个相互间隔开的点(22)中对所述要切割的材料进行加热。

3.根据权利要求1或2的方法，

其中，在第三步骤中，通过机械加载，尤其是通过对所述要切割的材料进行弯曲、剪切和/或拉开，使所述要切割的材料在所述切割线(20)处分离。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，

其中，通过轴锥镜(14)使所述第一激光束(11)聚焦成贝塞尔光束(15)，在所述贝塞尔光束的焦点区域(16)中布置所述要切割的材料。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，

其中，以弱聚焦或不聚焦的方式将所述第二激光束(13)发射到所述要切割的材料上。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，

其中，所述要切割的材料对于所述第一激光束(11)是透明的。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，

其中，所述要切割的材料对于所述第二激光束(13)是不透明的或半透明的。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，

其中，以具有在300飞秒和30皮秒之间的脉冲长度的脉冲将所述第一激光束(11)发射到所述要切割的材料上。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，

其中，将尤其是由非钢化玻璃构成的玻璃板(2)用作要切割的材料，其中，所述第一激光束(11)具有大约1微米的波长，并且其中，所述第二激光束(13)具有大约10微米的波长。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，

其中，将由硅构成的板(31)用作要切割的材料，其中，所述第一激光束(11)具有大约2微米的波长，并且其中，所述第二激光束(13)具有大约1微米的波长。

11.用于切割板状材料的激光切割设备(1)，所述激光切割设备被设立成用于执行根据权利要求1至10中任一项所述的方法。

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