CN1768998A - 使用飞秒激光切割基板的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种使用飞秒激光切割基板的方法，能防止使用飞秒激光切割基板时在切割过程进行区域周围发生热膨胀和产生冲击波，从而能实现成本降低。该方法包括将基板设置在工作台上，用飞秒激光照射设置在工作台上的基板的预定部分，从而沿预定的基板部分切割基板的步骤。
Description
本申请要求2004年11月5日递交的韩国专利申请No.P2004-89702的权利，该申请在此如全部给出的那样引作参考。
技术领域
本申请涉及一种用于制造液晶显示(LCD)器件的方法，并具体涉及一种使用飞秒激光切割基板的方法，其可提高生产率。
背景技术
随着最近信息通信领域的飞速发展，用于显示所需信息的显示器正在得到重视。在这些信息显示器中，阴极射线管(CRT)由于其优点(包括多种颜色的再现性和优异的屏幕亮度)而持续地流行。
由于近来对大尺寸、便携式和高分辨率显示器的要求，非常需要平板显示器，以取代重且体积大的CRT。
平板显示器可用于从工业到消费使用、到飞机和航天器应用的宽且多种多样的应用领域。
近来，有多种商业上可获得的平板显示器，如LCD、电致发光显示器(ELD)、场致发射显示器(FED)、等离子体显示板(PDP)等。
平板显示器的制造通常包括使用切割工艺将易碎基板分割或分离成单元元件。通常，多个诸如半导体芯片的单元元件在易碎基板上形成矩阵阵列，以产生大规模集成电路。
平板显示器中使用的易碎基板通常由玻璃、硅或陶瓷制造而成。有两种有代表性的用于分离易碎基板的切割工艺的方法，即切割方法和划线方法。切割方法包括使用厚度为50至200μm的金刚石刀片，通过高速旋转该刀片在基板上切割出凹槽。划线方法包括使用金刚石制成的划线轮沿基板的厚度方向形成裂缝，从而在基板的表面上切割出凹槽。金刚石一般厚度为0.6至2.0mm。
切割方法适合于切割由薄膜构成的基板或者基板表面处的凸起部分，因为使用了非常薄的刀片。在切割方法中，在刀片切割基板的区域处由摩擦而生热。此外，由于在执行切割工艺时将冷却水输送到切割区域，认为切割方法并非是一种适于包括金属部分(如金属电极层或金属接线端)的平板显示器的方法。
通常在切割工艺之后难以完全去除冷却水。如果来自冷却水的湿气没有被完全去除的话，可能会腐蚀或锈化平板显示器的金属部分。另外，切割方法与划线方法相比一般会花费更多的时间，从而降低了生产率和制造效率。
在使用划线方法切割基板时不需要冷却水，这就使划线方法与切割方法相比成为一种更加有效的工艺。
图1示出了普通LCD器件的截面图。根据以下方法制造该LCD器件。为了简单，仅结合一个像素区域进行下面的描述，不过该描述适于所有像素区域的构成。
如图1中所示，首先在第一透明基板10上的预定区域处形成由诸如金属的导电材料制成的栅极11。然后在第一基板10包括栅极11的整个上表面上涂敷由氮化硅(SiNx)或二氧化硅(SiO2)制成的栅绝缘膜12。
之后，在栅绝缘膜12上与栅极11相对应的区域处放置由非晶硅制成的有源层13。在有源层13上与有源层13的各横向边缘部分相应的区域处形成欧姆接触层14。欧姆接触层14由掺杂的非晶硅制成。
在欧姆接触层14上相继涂敷由诸如金属的导电材料制成的源极15和漏极16。源极15和漏极16与栅极11一起构成薄膜晶体管T。
同时，尽管未示出，不过栅极11与栅线相连，源极15与数据线相连。栅线与数据线彼此交叉，限定像素区域。
然后，在第一基板10包括源极15和漏极16的整个上表面上形成保护膜17。保护膜17由氮化硅、二氧化硅或有机绝缘材料制成。保护膜17具有接触孔18，漏极16的表面的预定部分通过该接触孔暴露在外。
之后，在像素区域处，由透明导电材料制成的像素电极19施加在保护膜17上。像素电极19通过接触孔18与漏极16相连。
之后，在第一基板10包括像素电极19的整个上表面上形成第一取向膜20。第一取向膜20由例如聚酰亚胺制成，并且在其一个表面上第一取向膜20的分子沿预定的方向取向。
同样，在第一基板10上设置第二透明基板31，第二透明基板31与第一基板10垂直间隔开预定的距离。
在第二基板31的下表面上与第一基板10的薄膜晶体管T相应的区域处形成黑矩阵32。尽管未示出，不过黑矩阵32也覆盖像素电极19以外的区域。
接下来，在第二基板31上黑矩阵32的下面形成滤色片33。实际上，滤色片设置成重复的红(R)、绿(G)和蓝(B)滤色片图案形式，每个滤色片与一个像素区域相应。
随后在第二基板31上滤色片33的下面形成由透明导电材料制成的公共电极34。然后，在第二基板31上公共电极34的下面形成第二取向膜35。第二取向膜35由例如聚酰亚胺制成，并且其一个表面上第二取向膜35的分子沿预定的方向取向。将液晶层40密封在第一取向膜20与第二取向膜35之间。
使用在基板上形成薄膜晶体管和像素电极以制造阵列基板的阵列基板制造工艺，在另一基板上形成滤色片和公共电极以制造滤色片基板的滤色片基板制造工艺，以及设置所制造的两个基板、注入和密封液晶材料并且粘接偏振板以制造液晶板的液晶板制造工艺，制造上述的LCD器件。
图2示出了常规的LCD制造方法的流程图。
根据该方法，如图2中所示，首先制备包括TFT的薄膜晶体管(TFT)阵列基板和包括滤色片的滤色片基板(S1)。
通过重复地执行沉积薄膜并对所沉积的薄膜构图的工艺，来制造TFT阵列基板。在此情形中，在TFT阵列基板制造过程中用于对薄膜构图的掩模的数目表示TFT阵列基板制造过程中所用的工艺数。目前，正在进行减少掩模数目，从而降低制造成本的研究。
通过顺序形成防止光从像素区域之外的区域露出的黑矩阵，R、G和B滤色片以及公共电极，制造滤色片基板。可使用染色方法、印刷方法、颜料分散方法、电沉积方法等形成滤色片。目前，最常使用颜料分散方法。之后，在各基板上形成一取向膜，以确定液晶分子的初始排列方向(S2)。
使用涂敷聚合物薄膜，并处理该聚合物薄膜的表面以使经过处理的表面上聚合物薄膜的分子沿预定方向取向的工艺，形成取向膜。通常，主要使用聚酰亚胺基有机材料作为取向膜。通常使用研磨方法作为取向方法。
根据该研磨方法，使用研磨布沿预定的方向研磨取向膜。该研磨方法适合于批量生产，这是因为其易于实现取向处理。此外，研磨方法具有取向稳定和预倾角易于控制的优点。
还研究和使用一种光学取向方法，其使用偏振光束实现取向。
接下来，在两基板其中之一处形成密封图案(S3)。该密封图案设置在图像显示区域的周围。该密封图案具有用于注入液晶材料的注入口，用于防止所注入的液晶材料泄漏出。
通过在预定图案中涂敷热固性树脂层来形成密封图案。在形成密封图案时使用利用丝网掩模的丝网印刷方法。或者，也可以使用利用密封剂分配器的方法。
丝网印刷方法的缺点是，如果丝网掩模与取向膜相接触，则可能会制造出质量差的产品。此外，随着基板尺寸的增大，丝网掩模工艺会愈加困难且易于产生误差。从而，密封剂分配器方法由于其不具有丝网印刷方法的缺点而被更经常地使用。
随后，将具有预定尺寸的衬垫料喷射到TFT阵列基板和滤色片基板其中之一上，以保持两基板之间精确和均匀的间隔(S4)。
使用湿喷射方法喷射衬垫料，其包括喷射衬垫料同时与酒精混合。此外，可使用干喷射方法，其中在没有酒精的条件下喷射衬垫料。有两种干喷射方法，一种是使用静电的静电喷射方法，一种是使用受压气体的离子喷射方法。由于LCD抗静电性较差，从而优选离子喷射方法。
之后，将LCD的两个基板，即TFT阵列基板和滤色片基板，设置成使密封图案处于两基板之间。在此状态下，在压力下将密封图案固化，以将基板结合(S5)。在此取向中，基板的取向膜彼此面对，并且像素电极和滤色片按照一一对应的关系彼此相应。然后，将结合在一起的基板切割或者分割成液晶板(S6)。
通常，在一个基板片上形成多个液晶板，每个液晶板将成为一个LCD器件，然后将其分成单独的板。这样做会提高制造效率，并降低制造成本。
液晶板切割工艺包括，使用由硬度大于玻璃或类似材料制成的基板的硬度的金刚石材料制成的划线轮在每个基板的表面中形成裂缝的划线工艺，和用于将折断条设置在基板上裂缝形成位置处的折断工艺。在将折断条放置在基板上之后，向折断条施加预定的压力，从而沿裂缝延伸的方向切割基板。
随后，将液晶材料注入每个液晶板的两个基板之间(S7)。通常使用真空注入方法注入液晶，其利用液晶板内部与外部的压力差。在注入到液晶板内部的液晶中可能会存在微气泡，会使液晶板具有较差的质量。为了避免发生这一问题，必需执行去气泡工艺，其中液晶在真空状态下保持较长时间以去除气泡。
在完成液晶注入之后，密封注入口以防止液晶通过注入口泄漏到外部。通过用紫外固化树脂(ultraviolet-setting resin)涂敷注入口来密封该注入口，并用紫外线照射所涂敷的树脂，紫外线使所涂敷的树脂固化。然后，将偏振板粘接到液晶板的外表面上(S8)，最后，将驱动电路与液晶板连接。
将参照附图描述传统的基板切割装置和使用该装置的传统的基板切割方法。
图3示出了传统划线装置的示意图。传统的划线装置包括上面放置有基板G的工作台51，和用于将基板G固定在工作台51上的真空吸盘装置。此外，该传统的划线装置包括一对平行导轨52，用于枢轴式地将工作台51支撑成悬浮状态，同时使工作台51可沿Y-轴方向移动。该划线装置还包括用于使工作台51沿导轨52移动的滚珠螺杆(ball screw)53，安装在工作台51上面的导向杆54，使导向杆54沿X-轴方向延伸，以及安装到导向杆54上面的划线头55，使划线头55可沿着导向杆54沿X-轴方向滑动。该划线装置还包括用于使划线头55滑动的电机56，安装到划线头55的下端并且可垂直移动并旋转的末端夹具(tip holder)57，以及可旋转地安装到末端夹具57的下端的划线轮1。
在使用上述划线装置的传统的基板切割方法中，基于划线轮1的旋转在被切割的基板中形成具有预定深度的裂缝。然后，将具有裂缝的基板输送到折断装置中，折断装置使用折断条沿裂缝向基板施加压力，以切割基板。
图4和图5分别示出了传统的基板切割方法中包含的划线和折断工艺的示意图。在如图4所示的划线工艺中，划线或切割轮82与基板81的表面接触。划线轮82沿基板81旋转，同时向基板81施加大约2.40Kgf/cm2的压力，在基板81的表面上沿划线轮82的轨迹形成具有预定深度的裂缝83。
然后，沿着在基板81的表面中形成预定深度的裂缝83，执行切割基板81的折断工艺。如图5中所示，将折断条84沿着裂缝83的线条放置在基板81上。折断条84与基板81相接触的部分由足够坚硬但不会在基板81的表面上形成划痕的诸如聚氨酯橡胶之类的材料制成。
立即用折断条84向基板81施加压力，使裂缝83扩展，并沿裂缝线分离基板。
之后，使用具有预定粒度的磨石执行削磨工艺，削磨划线和折断工艺过程中形成的切割表面和基板的角部。
这种传统的基板切割方法具有多个问题或缺点。一个主要的缺点是，用于切割基板的划线轮昂贵并且寿命短，需要定期更换划线轮。划线轮相对昂贵，并且更换费用在部件的制造成本中占较大的百分比。为此，导致制造成本增加。
发明内容
本发明提供了一种使用飞秒激光切割基板的方法。该方法包括在工作台上设置基板，向设置在工作台上的基板的预定部分照射飞秒激光，从而沿预定的基板部分切割基板的步骤。
在下面的描述中将给出本领域普通技术人员根据下面的说明易于想到或者通过本发明的实现获悉的本发明的附加优点、目的和特征。通过文字描述和其权利要求以及附图中具体给出的结构，可实现和获得本发明的这些目的和其他优点。
还可知，本发明上面的概括描述和下面的详细描述都是示例性和解释性的，意在提供对所要求保护的本发明的进一步理解。
附图说明
用于提供本发明进一步理解并包含和构成本申请一部分的附图，说明了本发明的实施方式，其与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：
图1示出了普通LCD器件的截面图。
图2示出了常规的LCD制造方法的流程图。
图3示出了传统划线装置的示意图。
图4和图5分别示出了传统的基板切割方法中包含的划线和折断工艺的示意图。
图6示出了说明根据本发明使用飞秒激光切割基板的方法的示意图；以及
图7示出了在根据本发明使用飞秒激光进行基板切割工艺之后，基板的切割状态的照片。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的优选实施方式，在附图中表示出其示例。如可能，则在附图中将使用相同的附图标记表示相同或相似部件。
通常，在制造高精度精密元件时通过激光器进行切除或切割。使用高速激光脉冲是因为其可减小对激光脉冲照射区域周围的基板造成的损伤。由于使用具有高速脉冲的激光的这一优点，使用脉冲速度为纳秒量级，即10-9m/s的YAG激光或准分子激光的激光机械，通常用在需要高精度基板切割的应用中。这些机械被称作“纳秒激光机械”。
不过，在将氧化铝人工结晶以产生激光的YAG激光机械中，是存在问题的，因为通过YAG激光加工的侧壁势必较粗糙。基于红外的二氧化碳激光在加工区域处常常形成环形坑(crater)。从而，CO2激光不能用于要求微米或更高量级的精度的微加工处理。
上面所述的激光机械通常被称作“热激光加工”，这是因为使用由光能转变成的热能进行加工。因为在使用热激光机械时被加工的结构易于塌陷，使用这些机械难以实现精密加工。
另一方面，在准分子激光的情形中，通过使碳原子间的共价键断开的光化反应执行升华蚀刻(sublimate etching)。使用该过程可进行非常精密的加工。即，当准分子激光照射被加工物体的表面时，通过形成等离子体和冲击噪声，使物体的被照射表面损耗。
不过，准分子激光器的能量并没有完全用于使碳原子的共价键断开。实际上一部分准分子激光能量被转换成热能。由于准分子激光能量具有高密度，从而所转换成的热能的影响相当大。从而，难以使用准分子激光器加工矿物材料，诸如具有低光吸收率的金属、陶瓷、硅、石英和玻璃。准分子激光器产生的热变形对所加工产品的耐久性产生不利影响，即使所述热变形小于热激光加工产生的热变形时也不例外。
另一方面，脉冲速度近似为10-15m/s的飞秒激光，具有能解决上述问题的优异性质。通过使用以1皮秒(1×10-12m/s)或更短的超短脉冲辐射持续时间振荡的激光器，可得到非常高的激光能量振荡密度。
当激光器具有1mJ的光能量，并且脉冲辐射持续100飞秒或更短时，激光器的能量密度达到大约100亿瓦的大小。在这些条件下，可精确地加工几乎任何材料。
同时，当超短脉冲激光如飞秒激光，照射被加工物体时，在该物体材料的晶格中发生多光子现象，使材料内的原子被激发。不过，入射的激光脉冲持续时间比原子激发期间光子将热传导到光子附近晶格时所需的时间要短。从而，可精确地加工基板，不存在与其他设备和方法有关的问题，诸如热降解、加工过程引起的材料性质的物理和化学改变，以及物体被加工部分的部分熔化。
此外，在飞秒激光加工期间没有粒子聚集，并且形成很少或没有形成副产品或环形坑。从而，当使用飞秒激光时，不必如使用传统的切割方法时所需的那样使用副产品去除处理，如超声波清洗处理。
此外，可加工具有高热传导系数或低光吸收率的材料。还可以使用单一处理加工两种或多种不同的材料，或者加工具有多层结构的复合材料。
下面，将参照附图描述根据本发明使用飞秒激光切割基板的方法。
图6示出了说明根据本发明使用飞秒激光切割基板的方法和所用部件的示意图。示出了根据本发明的飞秒激光产生装置。飞秒激光产生装置包括用于产生飞秒激光201的飞秒激光振荡器200，和用于将飞秒激光振荡器200发射出的飞秒激光201聚焦到被切割基板100上的聚光透镜210。
根据本发明的方法，由具有上述结构的飞秒激光振荡器200产生的飞秒激光201，照射基板100，从而切割基板100。
由于飞秒激光201具有短脉冲宽度(大约150fs)且每个脉冲具有高峰值功率，在切割操作期间在被切割基板100部分附近不会发生热膨胀和产生冲击波。
同时，飞秒激光的性质与一般激光不同。飞秒激光具有相当宽的光谱范围，而一般激光通常是单色的。
此外，飞秒激光通过聚光透镜210放大，并具有太瓦量级(1012瓦)的峰值功率，其远高于一般激光的峰值功率。近来，这种经过放大的飞秒激光已经表现出增至拍瓦(1015瓦)的峰值功率。可将飞秒激光称作“T3激光”(台面式太瓦激光Table Top Terawatt Laser)。通过经过聚光透镜简单地会聚激光，可大大增加激光的密度。因而，由于可使用聚光透镜将激光的能量约束在一个小的区域内，激光焦点处的材料实质上瞬间就转变成等离子体状态。
通常，飞秒激光呈现出每脉冲微焦(μJ)量级的脉冲能量。在有些情形中，飞秒激光使用更强的脉冲能量，每个脉冲为毫焦量级，相当于平均功率为人约1瓦。
通常，由激光产生的等离子体与激光反应，以吸收激光或者加热被加工材料。结果，这种等离子体产生多种问题，如发热增加，加工不稳定且效率降低。不过，飞秒激光改变了等离子体所产生的这些情形。
一般，激光能量由被加工材料一侧的受主电子接收。在金属的情形中，受主是存在于导带中的自由电子，或者通过光激发到导带中的电子。通过激光的振动电场使电子(电子***)振动。换言之，电子接收来自激光的能量。振动电子撞击材料晶格(晶格***)中的原子或离子，将动能传递给原子或离子。能量的这种传递使材料的温度升高。结果，(通过熔化或蒸发)材料发生相变，使得材料被加工。
例如，被照射材料的原子离子化、从而产生等离子体所花费的时间，长于飞秒激光的脉冲宽度。因而，对于飞秒加工而言，希望等离子体不与激光反应。此外，被照射区域处产生的热扩散到被照射区域周围时所花费的时间，长于飞秒激光的脉冲宽度。激光能量仅局部存在于被照射区域中。从而，仅在被照射区域中材料发生相变。
从而，当根据本发明使用飞秒激光切割基板时，在进行切割的区域周围不形成热影响区的条件下实现切割。
下面，将结合图6的飞秒激光产生装置更详细地描述根据本发明使用飞秒激光的基板切割方法。
根据这种基板切割方法，首先将作为由多个将要切割成单元液晶板的液晶板所构成的母基板的基板100，放置在可活动工作台220上。之后，由飞秒激光振荡器200产生飞秒激光201。
同时，当从飞秒激光振荡器200产生飞秒激光201时，使用CCD(ChargeCoupled Device，电荷耦合式)摄像机230识别基板上的切割位置。此外，显示基板100的图像，以有助于精确地切割基板100。
随后，调节飞秒激光振荡器200产生的飞秒激光201的强度和密度。经过调节的飞秒激光201通过聚光透镜210聚焦，并照射到基板100的切割表面上。之后，根据来自控制器(未示出)的信号切割基板100，同时沿个方向移动工作台。或者，在工作台处于固定状态时切割基板100，同时沿一个方向移动飞秒激光振荡器200。还可以设置监控装置(未示出)，以允许操作者在切割工艺期间检查切割状态。
图7示出了根据本发明在使用飞秒激光进行基板切割工艺之后，基板的切割状态的照片。可以看出，基板100被沿着所需的切割方向均匀且精确地切割，切割宽度为大约40μm。这是因为在进行切割的区域周围即没有发生热膨胀，也不产生冲击波。从而，当使用飞秒激光切割基板时，可精确且干净地切割基板，在所切割基板部分的边缘和侧面上不会形成填料(padding)或沉积物。
在不偏离本发明精神或范围的条件下，本领域技术人员显然可对本发明进行多种变型和改变。因此，只要本发明的变型和改变处于所附权利要求及其等效范围之内，则本发明就意在覆盖这些变型和改变。
从上面的描述显然可以看出，根据本发明使用飞秒激光的基板切割方法具有多种效果。即，根据本发明所用的飞秒激光具有短脉冲宽度和高峰值功率，从而在进行切割的区域周围即不会发生热膨胀，也不会产生冲击波。此外，飞秒激光无需如传统情形中发生定期更换划线轮，这样可降低制造成本。
Claims (13)
1.一种用于切割基板的方法，包括以下步骤：
将基板设置在工作台上；以及
用飞秒激光照射设置在所述工作台上的基板的预定部分，从而沿预定的基板部分切割所述基板。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括移动所述工作台的步骤。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括相对于所述工作台移动飞秒激光。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述照射飞秒激光的步骤包括以下步骤：
由飞秒激光振荡器产生所述飞秒激光；
通过聚光透镜将所产生的所述飞秒激光会聚；以及
在所述工作台上的基板处于固定的状态下，将经过会聚的所述飞秒激光照射到所述基板的预定部分。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
当所述飞秒激光振荡器产生所述飞秒激光时，通过设置在与所述飞秒激光的轴相同的轴上的电荷耦合式摄像机，识别所述基板上的切割位置。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
调节所述飞秒激光振荡器产生的所述飞秒激光的强度和密度。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述切割基板步骤包括沿一个方向移动所述工作台，并固定所述飞秒激光振荡器的步骤。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述工作台处于固定的状态下，根据所述飞秒激光振荡器沿一个方向的移动进行基板切割。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
在切割所述基板时监控切割状态，使操作者能识别切割状态的步骤。
10.一种用于切割基板的装置，包括：
用于支撑基板的工作台；
飞秒激光振荡器，其中所述振荡器产生飞秒激光束；
聚光透镜，其将所述飞秒激光束聚焦到所述基板上。
11.根据权利要求10所述的用于切割基板的装置，其特征在于，所述工作台和基板可相对激光移动。
12.根据权利要求10所述的用于切割基板的装置，其特征在于，所述飞秒激光振荡器和聚光透镜可相对于所述工作台和基板移动。
13.根据权利要求10所述的用于切割基板的装置，其特征在于，还包括当所述飞秒激光振荡器产生所述飞秒激光时，设置在与所述飞秒激光的轴相同的轴上的电荷耦合式摄像机。
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