TW201446379A - 用於雷射加工薄板狀基板之方法及裝置 - Google Patents

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Abstract

一種用於雷射加工一薄板狀基板(1)、特別為一晶圓或玻璃元件，以分割該基板成多重部份之方法，其中加工該基板(1)用之一雷射(3)雷射光束(2a、2b)係導至該基板上，其特徵為，藉定位於該雷射(3)射線路徑中之一光學配置(6)，將由導至該光學配置(6)上之雷射光束(2a)，在該光學配置光束輸出側上形成可沿該光束方向看出之一延伸雷射光束焦線(2b)，該基板(1)係關於該雷射光束焦線(2b)定位，以在該基板(1)內部之該基板材料中，沿可在該光束方向上看出之該雷射光束焦線(2b)一延伸部(2c)生成一誘發吸收，達成在該基板材料中沿該延伸部(2c)產生一誘發裂縫形成之效果。(第3a圖)

Description

用於雷射加工薄板狀基板之方法及裝置
本發明係關於一種根據申請專利範圍第1項前言之用於雷射加工特別為薄板狀基板之方法，及一種相對應裝置，以及一種依據本發明之方法與裝置之用途。該方法與該裝置在此具有，特別為分割譬如半導體晶圓、玻璃元件、...(特別為脆性材料者)等薄板狀基板成多重部份(個別分割該等晶圓或玻璃元件)之目的。如以下進一步詳細說明者，在這種情況下，可使用一般為脈衝雷射之雷射進行加工，其中該等雷射具有使該等材料呈大致透明之一波長。
先前技藝已知藉由一雷射切斷此類材料之裝置與方法。
一方面(譬如德國專利案第DE 10 2011 000 768 A1號)可能使用雷射，藉其波長或其功率之效力而由材料強力吸收，或在初始交互作用後使材料成為強力吸收物(加熱而譬如產生電荷載子；誘發吸收)，且可因此剝離材料。該方法在許多材料下具有缺點：譬如因剝離中微粒形成所致之雜質；切緣可因熱輸入而具有微裂縫；切緣可具有熔融緣；切割缺口在跨越材料厚度上並非均勻(在不同深度處具有不同寬度；譬如一楔型切割凹口)。由於材料需汽化或液化，因此需提供一高平均雷射功率。
另一方面，已知有切斷脆性材料之雷射方法，其基於一特別 導引、雷射誘發之裂縫形成而作用。例如，業納集團(Jenoptik)提出之方法，其中首先由雷射強力加熱一表面上痕跡，且接著立即將該痕跡快速地冷卻(譬如藉噴水)，使藉此達成之熱應力造成裂縫形成，其可傳播貫通該材料厚度(機械應力)，以切斷該材料。
亦有方法使用雷射，其波長可使材料大體上透明，使一焦點可生成於該材料內部。該雷射之強度必須足夠高，以在獲輻照基板材料中之內部焦點處產生內部損害。
最後述及之方法具有缺點，即誘發裂縫形成係以一點型式發生於一特定深度、或表面上，且因此僅以一額外、機械式及/或熱誘發裂縫傳播切斷該材料全厚度。由於裂縫傾向不均勻地延展，因此分割表面通常非常粗糙，且經常須二次加工。此外，需在不同深度施行相同製程數次。如此又將依相對應之倍數，減緩處理速度。
基於先前技藝，本發明之目的因此係提供一種方法(及一相對應裝置)，藉此可加工、特別地完全切斷特別為脆性材料者之薄板狀基板，而無微粒形成、無熔融緣、緣口處具最小裂縫形成、無明顯切割缺口(亦即材料損失)、具可能之最筆直切緣、及具一高處理速度。
可藉一種根據申請專利範圍第1項之方法，及一種根據申請專利範圍第11項之裝置，達成本發明。可由申請專利範圍附屬項分別取得該方法或裝置之較優架構變型及/或發展。申請專利範圍第16項係說明依據本發明之主要用途。申請專利範圍第17項及第18項係說明已依據本發明製作之依據本發明玻璃製品。
以下先廣泛地再基於數個範例具體實施例詳細說明本發明。個別範例具體實施例中所顯示特點之相互組合，無需在發明範疇內皆加以實現。特別係，個別特點亦可略除、或與同一範例具體實施例或其他範例具體實施例所顯示其他特點依某些其他方式相結合。某一範例具體實施例之個別特點本身亦可能已顯現先前技藝之優良發展。
以下先說明本發明之基礎(依據本發明分割基板成個別部份之機制)。
依據本發明之分割方法係藉由合適之雷射光學器件(此後亦稱作一光學配置)，對每一雷射脈波生成一雷射焦線(不同於一焦點)。該焦線在該雷射與該基板材料之間決定交互作用區。倘若該焦線落於待分割之材料中，則可選擇雷射參數，以產生依據本發明沿該焦線生成一裂縫區之一該材料交互作用。重要之雷射參數在此為雷射波長、雷射脈波寬度、雷射脈波能量、及亦可能地雷射極化。
依據本發明，較佳應將以下者提供雷射光線與材料之交互作用：
1)較佳為選擇雷射之波長l，使該材料在此波長下呈大致透明(具體譬如：每公釐材料深度吸收<<10%=>γ<<1/公分；γ：朗伯-比爾(Lambert-Beer)吸收係數)。
2)較佳為選擇雷射之脈波寬度，使交互作用時間內無明顯熱輸送(熱擴散)至交互作用區外(具體譬如：τ<<d2/α，d：焦點直徑，τ：雷射脈波寬度，α：材料之熱擴散常數)。
3)較佳為選擇雷射之脈波能量，使交互作用區中、亦即焦線 中之強度可生成一誘發吸收，其將導致沿該焦線局部加熱材料，如此又將導致因引入該材料中之熱應力所致之沿該焦線裂縫形成。
4)雷射之極化將影響表面處之交互作用(反射率)、與誘發吸收中之材料內交互作用型態二者。可藉由熱激發後之誘發、自由電荷載子(典型地為電子)，或藉由多光子吸收與內部光游離，或藉由直接場致離子化(光線之場強直接打斷電子鍵結)，而產生該誘發吸收。可譬如藉由所謂凱迪希(Keldysh)參數(參考)評估電荷載子產生之型態，然其在依據本發明之方法應用上，並未扮演任何角色。在某些特定材料(譬如雙折射材料)之情況下，進一步吸收/傳送雷射光線係根據極化，且結果應由使用者選擇經由合適光學器件(相位板)極化，以有助於譬如僅依一試探式分割個別材料者，實屬重要。因此，倘若材料並非光學等向性，但譬如為雙折射者，則雷射光線在該材料中之傳播亦由極化所影響。是以，可選擇極化、與極化向量之方位，使依需求僅形成單一、而非二(平常與異常射線)焦線。在光學等向性材料之情況下，這並未扮演任何角色。
5)又，應基於脈波寬度、脈波能量、及焦線直徑選擇強度，使無任何剝離或熔融，而僅有實心體微結構中之裂縫形成。譬如玻璃或透明晶體等典型材料，可藉次奈秒範圍中、亦即特別具譬如10至100皮秒脈波寬度之脈衝雷射，最輕易地滿足此需求。如此，亦請參閱第1圖：在近似1微米(0.5至5.0微米，參見圖像中心)之尺寸長度中，譬如玻璃等不良熱傳導，熱傳導係在次微秒範圍中作用(請參閱二線段間之範圍)，而譬如晶體及半導體之良好熱導體，熱傳導已可在奈秒內達成。
依據本發明產生、且垂直於基板平面延伸之材料中裂縫形成 之要素，係超過該材料結構強度(以百萬帕斯卡(MPa)計之壓縮強度)之機械應力。在此，藉由雷射能量之快速、非均質加熱，達成該機械應力(熱誘發應力)。倘若關於焦線適當地定位基板(請參閱下述者)，由於該基板表面為變形最大處，因此依據本發明之裂縫形成當然於該處開始。這係因該表面上方之半空間中，無任何材料可吸收力量。此論證亦可應用至，具硬化或韌化表面之材料，只要該硬化或韌化層沿焦線之厚度較突然加熱材料之直徑大即可。如此，亦請參閱第2圖，進一步說明如下。
可經由通量(以每平方公分中焦耳計之能量密度)、及具一選定焦線直徑之雷射脈波寬度，設定交互作用之型態，使1)表面處或容體中較佳地未發生熔融，及2)表面處較佳地未發生剝離與微粒形成。在大致透明材料中，已知數種型態之誘發吸收：
a)在具一低能帶隙之半導體與絕緣體中，基於譬如一低剩餘吸收(起因於材料中之雜質痕跡，或起因於已在雷射加工前之溫度下熱激發之電荷載子)，在雷射脈波寬度之一第一部份內快速加熱，將導致進一步熱激發電荷載子，其接著又將導致增加吸收、及結果在焦線中導致一累積增加之雷射吸收。
b)在絕緣體中，倘若有足夠高之光線強度，則一光吸收將基於與該材料原子之一非線性光學交互作用，而導致一離子化，及結果又將導致自由電荷載子產生，以及結果導致雷射光線之線性吸收增加。
以下將說明一需求分割表面之幾何形狀生成(雷射光束與基板之間沿該基板表面上一線段之相對運動)。
依據本發明，與材料之交互作用將對每一雷射脈波，在該材 料中沿一焦線生成一個別、連續(沿垂直於基板表面之方向觀看)之裂縫區。為完全切斷該材料，對每一雷射脈波沿該需求分割線段設定一系列互相靠近之該等裂縫區，以使該等裂縫之一橫向連接在該材料中生成一需求裂縫表面/輪廓。為此，該雷射係依一特定重複率產生脈衝。可選擇光點尺寸與間隔，以在該表面處、沿雷射光點之連線產生一需求、獲導引之裂縫形成。可在雷射脈波至雷射脈波之時間週期內，由焦線關於該材料之運動，獲得沿該需求分割表面之個別裂縫區間隔。為此，以下請參閱第9圖作進一步說明。
為了在該材料中生成該需求分割表面，藉由可平行於(及亦可能垂直於)該基板表面運動之一光學配置而運動橫越靜止不動材料之脈衝雷射光線，或材料本身藉一可運動托座而運動通過靜止不動光學配置，以形成該需求分割線段。該焦線關於該材料表面之方位，無論為與該表面相垂直或夾一90°-β角，皆可選擇為一固定數值、或藉一樞轉式光學配置(此後亦為簡化而稱為光學器件)及/或雷射沿該需求分割線段之一樞轉式光束路徑而變化。
更，為形成該需求分割線段，該焦線可沿多達五個分離可運動軸通過該材料：二空間軸(x，y)，其將該焦線之穿透點定入該材料中，二轉角軸(θ，φ)，其將該焦線自穿透點起之方位定入該材料中，及又一空間軸(z’，並非必須正交於x，y)，其決定該焦線自表面之穿透點起到達該材料中多深。以下亦請參閱譬如第5a圖及第6圖，以座標(x，y，z)卡氏座標系說明幾何形狀。在雷射光束垂直入射於基板表面之情況下(β=0°)，即z=z’。
在此，一般有光學器件及雷射參數所要求之限制：以θ與φ 計之角度方位，僅可在雷射光線於材料中折射所容許之延伸量下產生(小於該材料中之全反射角)，且該雷射焦線之穿透深度係藉有效雷射脈波能量、及依此選定之雷射光學器件所限制，該雷射光學器件僅可藉該有效雷射脈波能量形成出，可依據本發明生成裂縫區之一焦線長度。
可使焦線沿所有五軸運動之某一可能架構可譬如包括，使該材料在一驅動軸向平台上依座標x，y運動，且同時藉一振鏡掃描器與一非遠心F-θ透鏡，使焦線在該透鏡之視場中、關於該透鏡之中心依座標x’，y’運動，及依角度θ、φ傾斜。可計算座標x與x’、及y與y’，使焦線導至需求之材料表面打射點處。該振鏡掃描器與F-θ透鏡亦緊固於一z軸上，該z軸係與該軸向平台之x，y平面正交，且決定垂直於該材料之焦線位置(焦線在該材料中之深度)。
以下將說明分割基板成多重部份之最後步驟(分割或個別分割)。
可藉由材料之內應力，或藉由譬如機械(張力)或熱(不均勻加熱/冷卻)所引入之力量，達成沿已生成之裂縫表面/輪廓分割該材料。由於依據本發明，未剝離任何材料，因此一般初始時，該材料中無任何連續缺口，而僅有一高度擾動之破裂表面區域(微裂縫)，其本身內係緊密接合，且在某些情況下，仍藉連接橋而連接。接續引入之力量，具有藉橫向裂縫成長(平行於基板平面產生)分割該等餘留連接橋、與克服該緊密接合之效果，而可沿分割表面分割該材料。
以下將基於申請專利範圍，描述一種依據本發明之方法、及一種依據本發明之裝置的主要特點。
申請專利範圍第1項係描述一種依據本發明之方法的主要特點，申請專利範圍第11項係描述一種為實施依據本發明之方法而形成之裝置的主要組件。
以上與以下亦為簡化，將申請專利範圍第1項及第11項中所述與光學配置所生成之雷射光束焦線，另稱為雷射光束之焦線。依據本發明，在基板之平面中觀看時，可藉由依據本發明之裂縫形成(誘發吸收，沿著垂直於該基板平面延伸之焦線)，將基板分割或個別分割成多重部份。依據本發明之裂縫形成結果將垂直於該基板平面產生，而至該基板中、或至該基板內部中(縱向裂縫形成)。如已描述者，一般需將多重個別雷射光束焦線沿該基板表面上之一線段引入該基板中，以使該基板之個別部份可相互分割。為此，可使該基板關於雷射光束或關於光學配置而平行於該基板平面運動，或相反地，該光學配置可關於固定地配置之基板而平行於該基板平面運動。
依據本發明，可較優地額外實現，至少其中一方法或裝置專利範圍附屬項之特點。如此，亦可依任何需求之組合，實現數個申請專利範圍附屬項之特點。
倘若根據申請專利範圍第2項實現一方法，則該基板內部中之誘發吸收延伸部將自該基板之一表面延伸至該基板之一既定深度(或甚至超越)。該誘發吸收之延伸部在這種情況下，可包括該基板由某一表面至另一個之整個深度。亦可能僅在該基板內部中，生成該誘發吸收之縱向延伸部(未包含該等基板表面)。
可由申請專利範圍第3項取得，可較優地實現之進一步特點 (亦請參閱以下將進一步說明之第3b圖)。該誘發吸收之延伸部(亦即，譬如垂直於該基板平面引入之裂縫長度)，結果可自該基板內部中之一點起沿該誘發吸收之延伸部延伸至該基板之後表面，或譬如自該基板之前表面起延伸至該基板內部中之一點等二者。在這種情況下，層厚度d係以垂直於該薄板狀基板二對立表面地，個別量測(即使在雷射輻射與該基板表面法線夾一角度β>0°地歪斜導引之情況下、亦即歪斜入射之情況下亦然)。
在申請專利範圍第3項之情況下及所有其他申請專利範圍之情況下，每一情況中述及之範圍限制，皆包含所指示之上與下限值。
依據本發明，可根據申請專利範圍第4項較優地生成誘發吸收。這可藉由設定已說明之雷射參數、光學配置之參數、及依據本發明之裝置中個別元件配置之幾何參數達成，該等參數亦將解說於後而屬範例之範疇內，且亦將在申請專利範圍附屬項第5項至第7項中述及。原則上，參數特點之任何需求組合在此皆屬可能，譬如申請專利範圍第5項至第7項中所述及者。申請專利範圍第6項中，τ<<δ2/α在此意指，τ小於δ2/α之1%、較佳為低於1%。例如，脈波寬度τ可為10皮秒(或低於此)、介於10與100皮秒之間、或高於100皮秒。為分割矽基板，較佳為使用一Er：YAG雷射，其波長介於1.5與1.8微米之間。在半導體基板中，一般較佳為使用一雷射，可選擇其波長，使光子能量小於該半導體之能帶隙。
可由申請專利範圍第8項取得依據本發明之較優輻射方向，以將雷射光束導至該基板上(其因此亦將定義輻射光束焦線相關於該基板平面之方位)。
申請專利範圍附屬項第9項及第10項中亦說明，最終分割或 個別分割該基板成其多重部份時，亦可能需要之額外方法步驟。如已述及者，該基板可相關於光學配置(結合雷射)運動，或該光學配置(結合雷射)可相關於該基板運動。申請專利範圍第10項中所述及之裂縫形成，在此(對比於主要依據本發明之誘發裂縫形成)應了解為，意指一橫斷裂縫，亦即一橫向裂縫，沿位於該基板平面中之一方向(對應於該基板分割所沿之線段路徑)。
可由申請專利範圍附屬項第12項至第15項取得，根據申請專利範圍第11項對依據本發明之一裝置所實施之進一步發展，該等發展特別係描述光學配置之各種可能架構型式，以生成與定位雷射光束焦線。如此，亦請參閱以下範例具體實施例，以及第3a、4、5a、5b、6、7及8圖。根據申請專利範圍第11項之凸透鏡可特別為一平凸透鏡。
可由申請專利範圍第16項取得依據本發明之主要用途(其他者亦說明如後)。
根據申請專利範圍第17項，本發明尚申請專利範圍：一玻璃製品，具一個或更多面(特別係：一個或更多表面)。沿至少一該一個或更多表面，提供複數個材料修飾。每一材料修飾各具有範圍範圍介於0.1公釐與100公釐間之一長度，及範圍介於0.5微米與5微米間之一平均直徑。
根據申請專利範圍第18項，本發明尚申請專利範圍：一玻璃製品，具一個或更多面(特別係：一個或更多表面)。沿至少一該一個或更多表面，提供複數個材料修飾。每一材料修飾各具有直接相鄰材料修飾平均距離a、與一產生該等材料修飾用雷射光束焦線平均直徑δ之比值V3=a/δ，該比值係約等於2.0。
本發明相較於由先前技藝已知之方法及裝置，具有一系列顯著優點。
首先，依據本發明，產生切割形成時，並無微粒形成、無熔融緣、緣口處具最小裂縫形成、無任何明顯切割缺口(結果基板材料無損失)、及具筆直切緣。在這種情況下，可設定該切割之形成，使其關於該基板之法線垂直(關於該基板之平面觀看時)、或夾一使用者需求角度δ。
依據本發明，並非必須要一非常高之平均雷射功率，然可達成相對較高之分割速度。如此，本發明之要素係對每一雷射脈波(或每一突發脈波)生成一雷射光束焦線(且非只為一無延伸量焦點、或僅非常局部之延伸量)。以下將更進一步詳細提出之雷射光學器件，即為此目的而加以使用。該焦線因此將決定該雷射與該基板間之交互作用區。倘若該焦線至少以其一部份(沿深度方向觀看)落於待分割之基板材料中，則可選擇雷射參數，以與該材料產生一交互作用，其依據本發明可沿整個焦線(或沿著落於該基板中之整個雷射光束焦線延伸部)生成一裂縫區。可選擇之雷射參數譬如為雷射之波長、雷射之脈波寬度、雷射之脈波能量，及亦可能地雷射之極化。
相較於譬如機械刻痕與斷裂，依據本發明之方法所具有之進一步優點為，不僅無(或至少最少)微粒形成，且對比於一機械刻痕線段，可達成一高寬深比(寬度對深度)。儘管在機械刻痕與斷裂之情況下，可經由大體上無法控制之裂縫成長生成破裂線進入該材料中，然依據本發明，分割將發生在，與該基板法線夾一可非常精確設定之角度β處。結果，依據本發明，可與切割方向無任何方向相依性，而可能輕易地歪斜切割。
亦相較於藉點聚焦一雷射至該表面上或至該基板材料內部 中而生成點(聚焦)缺陷，且後續在將此類焦點設於材料之不同深度處而後致斷裂者，本發明特別具有可達成一較高切割寬深比之優點。結果可避免這種已知方法，特別在較厚基板情況下之幾乎未導引裂縫形成所產生之問題。加工速度亦增加數倍，特別在較厚基板之情況下(在此情況下，必須在該基板平面中之一既定位置，於該基板自上方側至底側之該基板不同深度處設定多重損害點)尤然。
可避免該表面處剝離、該表面處溢邊形成，及微粒形成(倘若該焦線相關於該基板之位置係設定成，使依據本發明之方法自該基板表面至該基板內部，提供依據本發明之延伸誘發吸收及裂縫形成時，該後者尤然)。在這種情況下，第一(需求)損害結果將直接產生於該表面處，且藉誘發吸收依一既定路線沿該裂縫形成區，連續地進入該基板深處。
依據本發明，可加工各種材料，特別為玻璃薄板、藍寶石薄板、半導體晶圓、...。如此，可加工相對應材料之個別層與積層(多重個別基板層之疊積)二者。在這種情況下，該焦線可定位且對正成，使得即使在一多層疊積中，仍僅分割一既定層。可加工各種夾層結構之層疊積：玻璃-空氣-玻璃複合物、玻璃-薄膜-玻璃複合物、玻璃-玻璃複合物。結果，甚至可能選擇性切割一疊積內之個別層，如同切斷中間層(譬如薄膜或黏著膜)。
亦可依據本發明，加工與分割已塗覆材料(譬如抗反射(AR)塗覆、透明導電氧化物(TCO)塗覆)、或不透明地印製於某一側上之基板。
依據本發明，可能達成自由型式切割，而無該基板中裂縫形成所限制之幾何形狀。結果，可將幾乎任何需求之自由型式切割引入透明 介質中(切割方向並無方向相依性)。結果，可譬如依調整角將歪斜切割引入該基板中，該等調整角具有基於法線、達β=30°或β=45°之角度。
依據本發明，可能幾乎無任何切割缺口地切割：僅生成一般延伸量介於1與10微米範圍中之材料損害。特別係，因此未產生關於材料或表面區域之切割損失。特別在切割半導體晶圓時，由於切割缺口損失將縮減該晶圓之可有效使用表面積，因此這將屬較優者。依據本發明之焦線切割方法，結果將生成一增加之表面積產率。特別當切割寶石(譬如鑽石)時，該無材料損失亦屬較優者。儘管本發明之使用範疇較佳係切割或分割薄板狀基板，然亦可依據本發明加工非薄板狀基板或工件。
依據本發明之方法亦可特別地用於線內(in-line)製程操作中。這可在藉一捲揚方法進行之製程中，特優地實施。
依據本發明，亦可使用單一脈波雷射，如同可產生突發脈波之雷射一般。原則上，亦可設想到，可使用以連續波作用之雷射。
依以下特殊應用範疇作為範例：
1.分割藍寶石發光二極體，可能全面或部份地切割藍寶石晶圓。在這種情況下，可在單一步驟中，藉依據本發明之方法同時相同地切斷金屬層。
2.可能個別分割半導體晶圓而不損及膠帶。為此，僅將該焦線部份地取入該基板材料內部中，使其起始於表面處，且停止於膠帶膜(位在面朝遠離雷射之基板後表面上)之前：例如，大約10%之該材料並未分割。因該焦線係「停止」於該薄膜之前，結果將使該薄膜仍保持完整無缺。後續可藉機械力(或熱力，請參閱以下之二氧化碳雷射範例)分割剩餘之半導體 晶圓。
3.切割具塗覆材料：在此之範例為布勒格反射器(DBR)或金屬塗覆藍寶石晶圓。亦可依據本發明，切割業已塗覆活性材料或金屬氧化層於其上之經處理後矽晶圓。其他範例為加工銦錫氧化物(ITO)或鋁氧化鋅(AlZnO)，該等者係用於塗覆譬如製作觸控螢幕或智慧窗所需之基板。基於極度延伸之焦線(相較於其直徑而言)，部份焦線將移除金屬層(或其他層)，而同時其餘焦線將穿透入透明材料中，且將其切割。如此亦具有優點，特別為可在單一步驟製程中，亦即塗層及基板在單一作動中分割之一製程中，分割相對應塗覆之基板。
4.依據本發明，可特別優地切割非常薄之材料(譬如厚度小於300微米、小於100微米、或甚至小於50微米之玻璃基板)。藉習知機械方法，僅可非常費工地加工該等材料。更確切地，在機械方法之情況下，將產生緣口、損害、裂縫、或剝落，其可使基板不穩定、或需要費工之二次加工動作。對比地，在薄材料之情況下，依據本發明之切割可提供特別為，避免緣口損害與裂縫而不再需要任何二次加工、極高切割速度(>1公尺/秒)、一高產率、及在單一步驟中實施製程等優點。
5.依據本發明之方法亦可特別地用於製作，藉一連續運轉之玻璃抽拉製程所生成之薄膜玻璃，以修整該薄膜之緣口。
1‧‧‧薄板狀基板
1a,1b‧‧‧基板表面
2a‧‧‧雷射光束
2aR‧‧‧外周射線
2aZ‧‧‧位於雷射光束中心射線束
2b‧‧‧延伸雷射光束焦線
2c‧‧‧材料中誘發吸收部/延伸部
2c-1,2c-2,2c-3‧‧‧延伸部之多重個
3‧‧‧雷射
1a,4‧‧‧沿一線段基板之表面
5‧‧‧線段
6‧‧‧光學配置
7‧‧‧具球面像差之聚焦光學元件，較佳為一球面研磨凸透鏡
8‧‧‧光闌
9‧‧‧具非球面自由表面之光學元件，較佳為一圓錐稜鏡或一旋轉三稜鏡
10‧‧‧具非球面自由表面之第一光學元件，其成型為用於形成延伸雷射光束焦線，其較佳為圓錐稜鏡或旋轉三稜鏡
11‧‧‧第二聚焦光學元件，特別為一凸透鏡
12‧‧‧第三聚焦光學元件，其特別為一平凸透視準透鏡
21‧‧‧光束偏轉鏡
22‧‧‧光束擴張光學器件
23‧‧‧光束偏轉鏡
24‧‧‧光束偏轉鏡
25‧‧‧光束偏轉鏡
a‧‧‧誘發吸收鄰接部間隔
l‧‧‧材料中雷射光束焦線延伸量及/或誘發吸收部延伸量
L‧‧‧沿光束縱向方向觀看之材料中誘發吸收部延伸量
d‧‧‧基板層厚度
D‧‧‧橫截於光束縱向方向觀看之材料中誘發吸收部平均延伸量
δ‧‧‧雷射光束焦線直徑
τ‧‧‧雷射脈波寬度
α‧‧‧基板材料之熱擴散常數
br‧‧‧環圈寬度
dr‧‧‧環圈直徑
λ‧‧‧波長
V1‧‧‧l/d比率
V2‧‧‧L/d比率
V3‧‧‧a/δ比率
SR‧‧‧環形地形成之雷射輻射
x,y,z‧‧‧笛卡耳座標系統
z1‧‧‧從第一光學元件至基板之距離
z1a‧‧‧從第一光學元件至第三聚焦光學元件之距離
z1b‧‧‧從第三聚焦光學元件至第二聚焦光學元件之距離
z2‧‧‧從第二聚焦光學元件產生延伸雷射光束焦線之距離
F’‧‧‧第三聚焦光學元件之焦距
以下將根據，基於上述說明所發展出之數個範例具體實施例，描述本發明：第1圖係顯示各種不同材料之熱擴散常數α、材料中之線性延 伸量(尺寸長度，在此以d標示)，與譬如雷射脈波寬度等一時間週期τ間之關係。
第2圖係顯示依據本發明之一焦線定位原理，亦即基於沿該焦線之誘發吸收來加工，可對雷射波長呈透明之一材料者。
第3a圖係顯示，可依據本發明使用之一第一光學配置。
第3b圖係顯示，藉關於基板之雷射光束焦線不同定位來加工該基板之各種不同可能方式。
第4圖係顯示，可依據本發明使用之一第二光學配置。
第5a圖及第5b圖係顯示，可依據本發明使用之一第三光學配置。
第6圖係顯示，可依據本發明使用之一第四光學配置。
第7圖係顯示依據本發明之一裝置，用於實施以第3a圖之第一可使用光學配置為例之方法(第4圖、第5圖、及第6圖中所顯示之進一步光學配置其中之一，可替代第7圖中所顯示之光學配置6，因此該等光學配置亦可取代本光學配置，用於圖式所顯示之配置範疇內)。
第8圖係詳細顯示依據本發明之一焦線生成。
第9圖係顯示，經依據本發明加工之一玻璃基板表面(沿基板平面之平面視圖)微縮圖。
第2圖係概略顯示，依據本發明之加工方法基本程序。由在此未顯示出之雷射3(參考第7圖)放射出，且在光學配置6光束輸入側上以參考符號2a標示之一雷射光束2，係導至本發明之一光學配置6上(參見以下之 範例發明具體實施例)。光學配置6將由輻射入雷射光束，在光束輸出側上形成一延伸雷射光束焦線2b，其可沿光束方向橫越一既定延伸範圍(焦線長度l)。在此為一薄板狀基板1，即待加工基板1，係沿射線路徑定位於該光學配置後方，其至少一部份係與雷射輻射2之雷射光束焦線2b重疊。參考符號1a係指示該薄板基板中面朝光學配置6或雷射之表面，參考符號1b係指示基板1中相距該第一表面一距離且通常平行於該表面之一後表面1b。該基板厚度(垂直於表面1a與1b者，亦即關於該基板之平面量測)在此係以參考符號d指示。
如第2圖所顯示者，基板1在此係與該光束縱向軸，且結果與光學配置6在其下游空間中生成之焦線2b垂直對正(該基板係垂直於圖式平面)，及沿該光束方向觀看時係關於焦線2b定位，使得當沿該光束方向觀看時，焦線2b係起始於該基板表面1a之前，且終結於該基板表面1b之前，亦即仍在該基板內。結果(沿雷射光束焦線2b使用適當雷射強度，此可藉由將雷射光束2聚焦於一部份長度l，即藉一長度l線型焦點而確保)，延伸雷射光束焦線2b可在雷射光束焦線2b與基板1重疊之區域中，即該基板可由焦線2b通過之材料中，生成可沿該光束縱向方向看出之一延伸部2c，沿該延伸部可在該基板材料中生成一誘發吸收，以沿該部2c在該基板材料中誘發一裂縫形成。如此達成之裂縫形成並非局部，而為跨越該誘發吸收延伸部2c之全長。該部2c之長度(亦即雷射光束焦線2b與基板1重疊之極限長度)在此係以參考符號L指示。該誘發吸收部(或基板1材料中歷經該裂縫形成之區域)之平均直徑或平均延伸量，在此係以參考符號D標示。該平均延伸量D在此係與雷射光束焦線2b之平均直徑δ大致相當。
結果，如第2a圖所顯示者，依據本發明，可對雷射光束2波長λ呈透明之基板材料係藉沿焦線2b之誘發吸收加熱。第2b圖係概略地圖示該加熱材料如何極致地擴張，以使一相對應誘發應力導致依據本發明之微裂縫形成，其中該應力係於表面1a處達最大。
以下將對可用於生成焦線2b之實際光學配置6，及亦該等光學配置可用於其中之一實際光學裝置(第7圖)作說明。所有該等配置與裝置在此皆以上述說明為基礎，使功能完全相同或相當之組件或特徵各使用完全相同之參考符號。因此，以下僅分別說明不同點。
依據本發明，由於最終導致分割之分割表面係，或欲為高品質(關於破裂強度、幾何精度、粗糙度、及避免二次加工需求)，因此應如結合以下光學配置(此後亦另稱該光學配置為雷射光學器件)作說明者，生成可沿分割線段5定位於該基板表面上之個別焦線。粗糙度在此特別係起因於該焦線之光點尺寸或光點直徑。為了使雷射3之一給定波長λ(與基板1之材料交互作用)能夠達成譬如0.5微米至2微米之一小光點尺寸，通常需對雷射光學器件6之數值孔徑加諸某些特定需求。可藉以下說明之雷射光學器件6滿足這些需求。
為達成所需數值孔徑，一方面該光學器件必須依阿貝(Abbé)給定之已知公式(N.A.=nsin(θ),n：待加工玻璃之折射率，θ：角孔徑之半；及θ=arctan(D/2f)；D：孔徑，f：焦距)，具有一給定焦距下之必要孔徑。另一方面，雷射光束必須照射該等光學器件達該必要孔徑，典型地可藉該雷射與該等聚焦光學器件間之擴大望遠鏡達成。
該光點尺寸同時應不致變化太大，以沿該焦線作一均勻交互 作用。這可譬如(請參閱以下範例具體實施例)藉由僅在一狹窄、環形區域中照射聚焦光學器件，使光束孔徑及結果數值孔徑當然因此僅變化少許百分比，而獲得確保。
依據第3a圖(垂直於該基板平面、位於雷射輻射2雷射射線束中心射線最高峰處之截面。在此，雷射光束2之入射亦垂直於該基板平面、即角β為0°地產生，使焦線2b或誘發吸收延伸部2c係與該基板之法線平行)，雷射3放射出之雷射輻射2a初始時係導至一圓形光闌8上，該光闌係對所使用之雷射輻射完全不透明。光闌8在此情況下係定向至，垂直於光束縱向軸，且定心於圖式所示射線束2a中心射線上。可選擇光闌8之直徑，使靠近射線束2a中心之射線束、或中心射線(在此以2aZ標示)打至該光闌上且由其完全吸收。僅位在射線束2a外周區域中之射線(外周射線，在此以2aR標示)，因相較於該光束直徑縮減之光闌尺寸而未獲吸收，但側向地通過光闌6且打至在此形成為一球面研磨雙凸透鏡7之光學配置6聚焦光學元件外周區域。
定心於中心射線之透鏡6在此係審慎地形成為，呈一慣常球面研磨透鏡型式之一無校正雙凸聚焦透鏡。換言之，可審慎地運用此類透鏡之球面像差。亦可使用不同於理想校正系統，且明確地不致形成一理想焦點、而為一既定長度之一限定、細長焦線的非球面透鏡或多重透鏡系統(亦即明確地不再具有一單一焦點之複數個透鏡或系統)，作為其一變型。透鏡區結果將根據沿一焦線2b相距透鏡中心之距離而特別地聚焦。在此，橫截於該光束方向之光闌8直徑，近似為該射線束直徑之90%(該射線束之直徑係依衰減達1/e之程度定義)，且大約為光學配置6透鏡直徑之75%。結果，依據本發明，可使用已藉由在中間阻斷射線束而生成之一消像差校正球面透鏡7 焦線2b。可顯現出貫通中心射線之一平面中截面。當圖示之射線環繞焦線2b旋轉時，可獲得完整之三維束。
據該焦線之一缺點在於，各條件(光點尺寸、雷射強度)係沿該焦線且結果沿該材料之需求深度變化，及結果需求之交互作用型態(未熔融、誘發吸收、熱塑性變形達裂縫形成)僅可在部份該焦線內發生。此相反地意味，可能僅部份之輻射入雷射光線依需求方式獲吸收。結果，一方面將損及該方法之效率(需求分割速度之必要平均雷射功率)，另一方面，雷射光線在某些情況下將傳送至不合期望之較深位置(黏著於該基板、或該基板托座之部件或層)，且在該處依一不合期望之方式交互作用(加熱、散佈、吸收、不合期望之修飾)。
第3b圖係顯示(並非僅用於第3a圖中之光學配置，而原則上亦用於所有可使用之其他光學配置6)，藉關於基板1適當定位及/或對正光學配置6及藉適當選擇光學配置6之參數，可不同地定位雷射光束焦線2b：如第3b圖第一線段概略地顯示，可設定焦線2b之長度l，使其超過該基板厚度d(在此係依一因數2)。結果，當沿該光束縱向方向觀看時，倘若基板1係關於焦線2b置放於中心，則可跨越整個基板厚度d生成一誘發吸收延伸部2c。
在第3b圖中第二線段顯示之情況下，可生成一焦線2b，其具有長度l，接近相當於基板厚度之延伸量d。由於基板1係關於線段2定位，使線段2b係於該基板前，即外側之一點起始，因此誘發吸收延伸部2c之長度L(其在此係自該基板表面延伸至該基板之一既定深度，但未遠達後表面1b)在此係小於焦線2b之長度l。第3b圖中之第三線段係顯示，當沿該光束方向觀看時，基板1部份地定位於焦線2b起始前之情況，使得在此l>L亦適用於 線段2b之長度l(L=誘發吸收在基板1中之部份的延伸量2c)。該焦線結果將在該基板內部中起始，且延伸超越後表面1b而至該基板外側。第3b圖中之最後第四線段係顯示出，生成之焦線長度l小於該基板厚度d之情況，使沿輻射方向觀看時，相關於該焦線中心定位該基板，該焦線在此係於該基板內部中靠近表面1a起始，且於該基板表面內部中靠近表面1b終結(l=0.75．d)。
依據本發明，在此特別係實現焦線定位，使至少一該等表面1a、1b由該焦線通過；誘發吸收之部份2c，結果將在至少一表面處起始。如此，藉由避免在該表面處剝離、溢邊、及微粒形成，可達成幾乎理想之切割。
第4圖係顯示出，依據本發明可使用之又一光學配置6基本裝置係依循第3a圖中所述者，因此以下僅說明相異處。圖式所示光學配置所基於之構想為，使用具一非球面自由表面之光學器件，其中該表面係成型為，可形成出具一既定長度l之一焦線，以形成焦線2b。為此，可使用非球面透鏡作為光學配置6光學元件。例如，在第4圖中，可使用一所謂圓錐稜鏡，其通常亦稱作一旋轉三稜鏡。一旋轉三稜鏡係一特殊、圓錐形研磨透鏡，其在沿光學軸之一線段上形成一點光源(或呈環形地轉換一雷射光束)。此種旋轉三稜鏡之裝置基本上為，發明所屬技術領域中具有通常知識者已知者。在此，圓錐角係譬如10°。在此以參考符號9標示之旋轉三稜鏡係以其圓錐尖端相反於輻射方向地對正，且定心於光束中心。由於旋轉三稜鏡9之焦線2b已起始於其內，因此可將基板1(其在此係垂直於主射線軸配置)定位於射線路徑中，旋轉三稜鏡9正後方。如第4圖所顯示者，基於旋轉三稜鏡之光學特性，基板1之一位移亦可能沿該光束方向，而不致使其脫離焦線2b 之區域。基板1材料中之誘發吸收延伸部2c，結果將可延伸橫跨整個基板深度d。然而，圖式所示之裝置具有以下限制：由於旋轉三稜鏡9之焦線已在透鏡內起始，使該透鏡與該材料之間具有一有限工作距離，因此一大部份之雷射能量未聚焦於位在該材料中之焦線2b部份2c。更，藉旋轉三稜鏡9之有效折射率與圓錐角，焦線2b之長度l將與該光束直徑連結，因此在相對較薄材料(數公釐)之情況下，該焦線必然過長，結果又使雷射能量無法特別地聚焦於該材料中。
如此，將獲得依據本發明可使用之一改良光學配置6，倘若其包括一旋轉三稜鏡與一聚焦透鏡即可。
第5a圖係顯示此種光學配置6，其中沿光束方向觀看時，定位於雷射3射線路徑上者首先具有一第一光學元件，其具一非球面自由表面，成型為形成一延伸雷射光束焦線2b。在圖式所示之情況下，該第一光學元件係一旋轉三稜鏡10，其具有一5°圓錐角，垂直於光束方向定位且定心於雷射光束3上。該旋轉三稜鏡之圓錐尖端，在此情況下係指向相反於光束方向。沿光束方向定位於距旋轉三稜鏡10距離z1者係一第二聚焦光學元件，在此為一平凸透鏡11(其凸面朝向該旋轉三稜鏡)。在此可選擇距離z1為大約300公釐，使旋轉三稜鏡10所形成之雷射輻射依一環形方式打至透鏡11之外區域上。透鏡11可將光束輸出側上之呈環形打射的輻射聚焦至，距透鏡11距離z2，在此為大約20公釐處之一既定長度，在此為1.5公釐之焦線2b。在此，透鏡11之有效焦距係25公釐。在此以參考符號SR標示旋轉三稜鏡10所達成之雷射光束環形轉換。
第5b圖係詳細顯示，依據第5a圖之焦線2b及基板1材料中誘 發吸收2c之形成。在此，二元件10、11之光學特性及其定位係使，焦線2b沿光束方向之延伸量l，與基板1之厚度d完全一致。於是，基板1沿光束方向之一精確定位係屬必要，以將焦線2b精確地定位於基板1之表面1a與1b之間。如第5b圖中所顯示者。
依據本發明，結果倘若該焦線係形成於距該雷射光學器件某一特定距離處，且大部份雷射輻射係聚焦達該焦線之一需求端時，將屬較優者。如上所述者，這可藉由僅環形地照射於一需求區上之一主要聚焦元件11(透鏡)達成，如此一方面可實現需求之數值孔徑及結果需求之光點尺寸，然另一方面，在需求之焦線2b後，由於形成一大致環形光點，因此最小模糊圈將於一非常短距離後，在光點中間喪失強度。結果，如本發明提供者，該裂縫形成將於一短距離內、在該基板之需求深度處停止。旋轉三稜鏡10與聚焦透鏡11之一組合可滿足此需求。在此，旋轉三稜鏡10將以二方式作用：藉旋轉三稜鏡10將一通常呈圓形雷射光點環形地傳送至聚焦透鏡11上，且旋轉三稜鏡10之非球面性具有使一焦線形成於該透鏡焦平面外之效果，以取代焦平面中之一焦點。可經由該旋轉三稜鏡上之光束直徑，設定焦線2b之長度l。接著又可經由該旋轉三稜鏡與該透鏡間之距離z1、及經由該旋轉三稜鏡之圓錐角，設定沿該焦線之數值孔徑。如此，結果整個雷射能量將可聚集於該焦線中。
如本發明所提供者，倘若該裂縫形成係欲停止於基板遠離側之前，則環形照射仍具有優點，一方面由於一大部份之雷射光線仍保持聚集在焦線之需求長度，而可依最佳可能方式使用雷射功率，另一方面則因環形獲照射區與其他光學功能所設定之需求像差相結合，將可沿焦線達成 一均勻光點尺寸，且結果可依據本發明，沿焦線達成一均勻分割製程。
亦可使用一聚焦彎月形透鏡或某些其他較高度校正聚焦透鏡(非球面透鏡、多重透鏡系統)，取代第5a圖中所顯示之平凸透鏡。
為了如第5a圖中所顯示者結合一旋轉三稜鏡及一透鏡來生成非常短之焦線2b，入射於該旋轉三稜鏡上之雷射光束需選擇非常小之光束直徑。如此具有實際缺點，即光束於該旋轉三稜鏡尖端上之定心必須非常精確，且因此結果為，對雷射之方向性變動非常敏感(光束漂移穩定性)。更，一狹窄準直雷射光束係非常發散，即射線束將因光線繞射而跨越短距離再次散射。
可藉由***又一透鏡、一視準透鏡12(第6圖)以避免二者：此進一步正透鏡12容許將聚焦透鏡11之環形照射設定成非常狹窄。可選擇視準透鏡12之焦距f’，使倘若該旋轉三稜鏡至視準透鏡12具有相等於f’之一距離z1a時，可獲得需求之環圈直徑dr。可經由距離z1b(視準透鏡12至聚焦透鏡11)來選擇該環圈之需求寬度br。純粹幾何上，一短焦線將因環形照射之小寬度而產生。一最小值因此將在距離f’處達成。
結果，第6圖中所顯示之光學配置6係根據第5a圖中所顯示者為基礎，因此以下僅對不同處作說明。除此以外，在此同樣地形成為一平凸透鏡(以其凸面指向相反於光束方向)之視準透鏡12，在此以置於中心之方式引入旋轉三稜鏡10(其在此係配置成，以其圓錐尖端相反於光束方向)與平凸透鏡11間之射線路徑中。自旋轉三稜鏡10至視準透鏡12之距離在此係藉z1a標示，自視準透鏡12至聚焦透鏡11之距離係藉z1b標示，及聚焦透鏡11所生成之焦線2b距離係藉z2標示(皆沿光束方向觀看時)。如第6圖所顯示 者，由該旋轉三稜鏡形成、且依一發散方式及具環圈直徑dr地入射於視準透鏡12上之環形輻射SR，沿距離z1b具有環圈直徑dr並保持至少接近定值，並在聚焦透鏡11位置處設定為需求之環圈寬度br。在圖式所示情況下，意欲生成一非常短焦線2b，使透鏡12位置處大約4公釐環圈寬度br，藉該透鏡之聚焦特性，在透鏡11位置處縮減至大約0.5公釐(在此之環圈直徑dr譬如為22公釐)。
可達成以一2公釐之典型雷射光束直徑，f=25公釐焦距之一聚焦透鏡11及f’=150公釐焦距之一視準透鏡、低於0.5公釐之一焦線長度l所展現之範例。更，z1a=z1b=140公釐且z2=15公釐。
以下將提供，藉依據本發明之一如第7圖裝置中的一如第3a圖光學配置，而依據本發明切斷未硬化玻璃之一範例(可替換第3a圖中所顯示之光闌-透鏡組合8、7，使以上描述之其他光學配置6亦可相對應地取代該處顯示之光學配置6，而用於如第7圖之裝置中)。
無其他染色(特別為具一低鐵含量)之硼矽或鈉鈣玻璃1係在自大約350奈米至大約2.5微米下呈光學透明。玻璃一般係不良導體，因此即使數奈秒之雷射脈波寬度，仍不容許任何顯著熱自一焦線2b擴散出。然，由於藉次奈秒或皮秒脈波，可更輕易地經由非線性效應(更高之強度)達成一需求誘發吸收，因此更短之雷射脈波寬度係屬較優者。
依據本發明，適合於譬如切斷平板玻璃者係一可商業取得之皮秒雷射3，其具有以下參數：波長1064奈米，脈波寬度10皮秒，脈衝重複率100仟赫茲，平均功率(直接於雷射後方量測)達50瓦特。雷射光束初始時具有大約2公釐之一光束直徑(13%峰值強度下量測，即一高斯射線束之1/e2 直徑)，光束品質至少M2<1.2(依DIN/ISO 11146判定)。藉光束擴張光學器件22(可商業取得之克卜勒光束望遠鏡)，光束直徑將以一因數10增加達大約20至22公釐(21、23、24及25係光束偏轉鏡)。藉直徑9公釐之一所謂環形光闌8，可切斷射線束之內側部份，以形成一環形光束。可藉該環形光束照射譬如一焦距28公釐之一平凸透鏡7(具一13公釐半徑之石英玻璃)。透鏡7之大(需求)球面像差具有，可依據本發明生成焦線之效用。如此，不僅第7圖、亦請參見第8圖，該圖式係概略地顯示，藉透鏡7由外周射線生成焦線2b。
該焦線之理論直徑δ係沿光束軸變化，且因此倘若基板厚度d在此小於大約1公釐(典型地顯示器玻璃厚度為0.5公釐至0.7公釐)，則可較優地生成一均質裂縫表面。一大約2微米光點尺寸及一5微米光點與光點間隔提供一0.5公尺/秒速度，該焦線可依此速度跨越基板1之5(參見第9圖)。藉基板上之一25瓦特平均功率(在聚焦透鏡7後方量測)，100仟赫茲之脈衝重複率下將提供一250微焦耳脈波能量，其亦可在2至5個子脈波之一結構化脈波(複數個單一脈波在僅20奈秒時隔下之快速序列，已知為一突發脈波)中產生。
未硬化玻璃大致不具有內應力，因此在無任何內部作用下，在此仍藉由未分割連接橋而互相連結與連接之擾動區，起初各部份仍互相固持。然而，倘若引入一熱應力，則可沿雷射破裂表面5完全分割基板，且無需由外部引入任何進一步力量。為此，將一平均功率達250瓦特之一二氧化碳雷射聚焦於尺寸大約1公釐之一光點上，且使該光點以達0.5公尺/秒通過分割線段5。起因於誘發雷射能量(每公分之分割線段5中5焦耳)之局部熱應力，將可使工件1完全地分割。
為分割較厚玻璃，當然必須橫跨一較長焦線l上皆達製程(誘 發吸收及藉熱震形成一擾動區)所需之低限強度。結果，將因此需要較高之必要脈波能量與較高之平均輸出功率。藉由以上所描述之光學器件裝置、及基板上可取得(在經由光學器件損失後)39瓦特之最大雷射功率，將可成功地達成切斷大約3公釐厚之玻璃。在這種情況下，一方面移除環形光闌8，且另一方面修正(沿標稱焦距之方向增加)自該基板至透鏡7之距離，以在該基板中生成一較長焦線。
以下將提出，切斷硬化玻璃之又一範例具體實施例(同樣地藉由第3a圖及第7圖中所示之裝置)。
含鈉玻璃硬化時係藉浸於液態鉀鹽浴中，而將該玻璃表面處之鈉交換為鉀。這將在該表面處之一5至50微米厚層中，導致一相當大之內應力(壓縮應力)，其又將導致較高穩定性。
原則上，切斷硬化玻璃時之製程參數，與尺寸及成分類同之未硬化玻璃用者相似。然而，硬化玻璃可因內應力而非常容易斷裂，特別係因不合期望之裂縫成長，其不沿雷射預期之破裂表面5裂開，卻裂入材料之中。因此，為成功切斷一特定硬化玻璃，將有一較窄之參數範圍。特別係，平均雷射功率、及相關聯之切割速度，必須非常精確地保持，具體為根據硬化層之厚度而定。針對一硬化層厚40微米且一總厚度0.7公釐之一玻璃，可在前述裝置之情況下獲得譬如以下參數：在一100仟赫茲脈衝重複率下之一1公尺/秒切割速度，及因此一10微米光點間隔與一14瓦特平均功率。
硬化玻璃之內應力具有效用，即破裂區5可在一短時間(數秒)後完全地形成，且基板將分割成需求之複數個部份。
非常薄之硬化玻璃(小於100微米)主要由韌化材料組成，即 前與後側之鈉含量減低，且結果將各達譬如30微米，及僅內部中之40微米未硬化。倘若其中一該等表面損害，此材料即非常容易且完全地斷裂。先前技藝迄今仍不可能加工此種硬化玻璃薄膜。
倘若a)焦線之直徑非常小、譬如小於1微米，b)光點與光點間隔小，譬如介於1與2微米之間，及c)分割速度高到足以使裂縫成長不致領先雷射製程(0.2至0.5公尺/秒下之譬如200仟赫茲高雷射脈衝重複率)，則可成功地達成藉本發明之方法切斷該材料。
以下將提出，切斷藍寶石玻璃及結晶藍寶石之又一範例具體實施例(同樣地藉由第3a圖及第7圖中所顯示之裝置)。
藍寶石石英與藍寶石玻璃儘管光學上相似(透明度及折射率)，然其為機械與熱行為非常不同之玻璃。例如，藍寶石係一極佳熱導體，可承載極度機械負荷且非常堅硬及防刮。然，藉由以上所描述之雷射與光學器件裝置，可切斷薄(0.3公釐至0.6公釐)藍寶石石英與玻璃。基於高機械穩定性，將待分割部份間之餘留連接橋最小化特別重要，否則將需非常高之力量來作最終分割。必須自基板進入表面1a至遠離表面1b儘可能完全地形成擾動區。在較厚玻璃之情況下，這可藉較高脈波能量、及結果較高平均雷射功率達成。更，結晶藍寶石係雙折射者。切割表面必須垂直於光學軸(所謂C-切割)。為切斷一厚0.45公釐之結晶藍寶石晶圓，可使用以下參數：一100仟赫茲脈衝重複率下之一30瓦特平均雷射功率、一2微米光點尺寸、及一5微米光點間隔，其可對應於上述脈衝重複率下之一0.5公尺/秒切割速度。在玻璃之情況下，完全分割需要譬如以一二氧化碳雷射光點實施後續之切割線段5加熱，以藉由熱應力使擾動區貫穿裂縫成長，而形成一完 全、連續、無互連結分割表面。
第9圖係最後顯示，經依據本發明加工之一玻璃薄板表面微縮圖。在此以參考符號2c-1、2c-2...指示之個別焦線或誘發吸收延伸部2c(垂直於圖示表面進入基板深處)係藉裂縫形成而沿線段5互相接合，以形成一分割表面，分割該基板之複數個部份，其中雷射光束已沿該線段通過該基板之表面4。可清楚看出多重個別誘發吸收延伸部，在圖式所示之情況下，已使雷射之脈衝重複率與雷射光束運動橫越表面4之前進速率相匹配，使直接鄰接部2c-1、2、2c-2...平均間隔a與雷射光束焦線平均直徑δ之比值V3=a/δ近似2.0。
1‧‧‧薄板狀基板
1a‧‧‧基板表面
1b‧‧‧基板表面
2a‧‧‧雷射光束
2aR‧‧‧外周射線
2aZ‧‧‧位於雷射光束中心射線束
2b‧‧‧延伸雷射光束焦線
2c‧‧‧材料中誘發吸收部/延伸部
6‧‧‧光學配置
7‧‧‧具球面像差之聚焦光學元件，較佳為一球面研磨凸透鏡
8‧‧‧光闌
d‧‧‧基板層厚度
l‧‧‧材料中雷射光束焦線延伸量及/或誘發吸收部延伸量

Claims (18)

  1. 一種用於雷射加工一較佳為薄板狀基板(1)，特別為一晶圓或玻璃元件，以分割該基板成多重部份之方法，其中加工該基板(1)用之一雷射(3)雷射光束(2a、2b)係導至該基板上，其特徵為，藉定位於該雷射(3)射線路徑中之一光學配置(6)，將由導至該光學配置(6)上之雷射光束(2a)，在該光學配置光束輸出側上形成可沿該光束方向看出之一延伸雷射光束焦線(2b)，該基板(1)係關於該雷射光束焦線(2b)定位，以在該基板(1)之材料中，沿可在該光束方向上看出之該雷射光束焦線(2b)一延伸部(2c)生成一誘發吸收，達成在該基板材料中沿該延伸部(2c)產生一誘發裂縫形成之效果。
  2. 根據前項申請專利範圍所述之方法，其特徵為，該基板(1)係關於該雷射光束焦線(2b)定位，以使該材料中，亦即該基板(1)內部中之該誘發吸收延伸部(2c)延伸達二對立基板表面(1a，1b)至少其中之一。
  3. 根據前項申請專利範圍所述之方法，其特徵為，該基板(1)係關於該雷射光束焦線(2b)定位，以使該材料中，亦即該基板(1)內部中之該誘發吸收延伸部(2c)，自該二對立基板表面其中之一(1a)延伸達該二對立基板表面其中另一個(1b)，亦即延伸跨越該整個基板(1)層厚度d，或該基板(1)係關於該雷射光束焦線(2b)定位，以使該材料中、亦即該基板(1)內部中之該誘發吸收延伸部(2c)，自該二對立基板表面其中之一(1a) 延伸入該基板(1)中，但未達該二對立基板表面其中另一個(1b)，亦即未延伸跨越該整個基板(1)層厚度d，較佳為延伸跨越該層厚度之80%至98%、較佳為跨越其85%至95%、尤佳為跨越其90%。
  4. 根據前述申請專利範圍中任一項所述之方法，其特徵為，生成該誘發吸收，以在該基板(1)之微結構中產生該裂縫形成，而未剝離且未熔融該基板(1)之材料。
  5. 根據前述申請專利範圍中任一項所述之方法，其特徵為，該材料中，亦即該基板(1)內部中之該雷射光束焦線(2b)延伸量l及/或該誘發吸收部(2c)延伸量，在該光束縱向方向上觀看時，各介於0.1公釐與100公釐之間、較佳為介於0.3公釐與10公釐之間，及/或垂直該二對立基板表面(1a，1b)量測之該基板(1)層厚度d係介於30微米與3000微米之間，較佳為介於100微米與1000微米之間，及/或該雷射光束焦線(2b)延伸量l與該基板(1)層厚度d之比值V1=l/d係介於10與0.5之間、較佳為介於5與2之間，及/或在該光束縱向方向上觀看時，該材料中，亦即該基板(1)內部中誘發吸收部(2c)延伸量L，與橫截於該光束縱向方向觀看時，該材料中、亦即該基板(1)內部中誘發吸收部(2c)平均延伸量D之比值V2=L/D係介於5與5000之間、較佳為介於50與500之間。
  6. 根據前述申請專利範圍中任一項所述之方法，其特徵為，該雷射光束焦線(2b)平均直徑δ，亦即光點直徑係介於0.5微米與5微米之間，較佳地介於1微米與3微米之間，較佳地為2微米，及/或選擇該雷射(3)脈波寬度τ，使與該基板(1)材料作交互作用之時間內，可 忽略該材料中熱擴散、較佳為無任何熱擴散產生，此較佳為依據τ=δ2/α設定τ、δ、與該基板(1)材料之熱擴散常數α，及/或較佳選擇τ為小於10奈秒，較佳為小於100皮秒，及/或該雷射(3)之脈衝重複率係介於10仟赫茲與1000仟赫茲之間、較佳為100仟赫茲，及/或該雷射(3)係作動如一單一脈波雷射或一突發脈波雷射，及/或直接在該雷射(3)光束輸出側上量測之平均雷射功率係介於10瓦特與100瓦特之間、較佳地介於30瓦特與50瓦特之間。
  7. 根據前述申請專利範圍中任一項所述之方法，其特徵為，選擇該雷射(3)之波長λ，使該基板(1)之材料對該波長呈透明、或大致透明，後者可了解為，意指該雷射光束在該基板(1)材料中，沿該光束方向穿透每公釐深度產生之強度減少係10%或更小，特別當可見波長範圍中呈透明之玻璃或晶體作為該基板(1)時，該雷射較佳係一具1064奈米波長λ之Nd：YAG雷射或一具1030奈米波長λ之Y：YAG雷射，或特別係用於在紅外線波長範圍中呈透明之半導體基板(1)者，較佳係一具1.5微米至1.8微米間波長λ之Er：YAG雷射。
  8. 根據前述申請專利範圍中任一項所述之方法，其特徵為，該雷射光束(2a，2b)係垂直地導至該基板(1)上，因此在於該基板(1)係關於該雷射光束焦線(2b)定位成，使沿該雷射光束焦線(2b)延伸部(2c)之誘發吸收垂直於該基板平面產生，或該雷射光束(2a，2b)係關於該基板(1)平面法線夾一大於0o角β地導至該基板(1)上，因此在於該基板(1)係關於該雷射光束焦線(2b)定位成，使沿 該雷射光束焦線(2b)延伸部(2c)之誘發吸收，以與該基板平面夾角度90o-β地產生，其中較佳為β≦45o、較佳為β≦30o。
  9. 根據前述申請專利範圍中任一項所述之方法，其特徵為，該雷射光束(2a，2b)係關於該基板(1)表面(1a，4)，沿著該基板(1)切斷以獲得多重部份所沿之一線段(5)運動，該基板(1)內部中誘發吸收延伸部(2c)之多重個(2c-1，2c-2，...)係沿該線段(5)生成，其較佳為直接鄰接誘發吸收延伸部(2c)，亦即直接相鄰接生成之複數個部份平均間隔a，與該雷射光束焦線(2b)平均直徑δ，亦即光點直徑之比值V3=a/δ，係介於0.5與3.0之間、較佳為介於1.0與2.0之間。
  10. 根據前項申請專利範圍所述之方法，其特徵為，在該基板(1)內部中誘發吸收延伸部(2c)之多重個(2c-1，2c-2，...)生成期間及/或之後，施加機械力於該基板(1)上及/或引入熱應力至該基板(1)中，特別地不均勻加熱且再次冷卻該基板，以造成裂縫形成，分別在該等誘發吸收直接鄰接(2c-1，2c-2)延伸部(2c)之間，分割該基板成多重部份，該等熱應力較佳係藉由以一二氧化碳雷射沿該線段(5)幅照該基板(1)而引入。
  11. 一種用於雷射加工一較佳為薄板狀基板(1)，以分割該基板成多重部份之裝置，藉其可將一加工該基板(1)用雷射(3)之雷射光束(2a、2b)導至該基板上，其特徵為，一光學配置(6)，其定位於該雷射(3)之射線路徑中，且當沿該光束方向觀看時，可藉其將來自導至其上之雷射光束(2a)，在該光學配置(6)之光束 輸出側上形成一延伸雷射光束焦線(2b)，該基板(1)能夠，或係相關於該雷射光束焦線(2b)定位，以在該基板(1)之材料中，沿可在該光束方向上看出之該雷射光束焦線(2b)一延伸部(2c)產生一誘發吸收，達成在該基板材料中沿該延伸部(2c)造成一誘發裂縫形成之效果。
  12. 根據前項申請專利範圍所述之裝置，其特徵為，該光學配置(6)包括一具球面像差之聚焦光學元件，較佳係一球面研磨凸透鏡(7)，該光學配置(6)之一光闌(8)、較佳為一環形光闌，係較佳為在該雷射(3)射線路徑中，定位於該聚焦光學元件(7)之前，以達成將打至該光闌上之雷射光束(2a)中心射線束(2aZ)阻斷之效果，使僅有位於該中心外側之外周射線(2aR)打至該聚焦光學元件上。
  13. 根據前述二項申請專利範圍中任一項所述之裝置，其特徵為，該光學配置(6)包括一光學元件，具有一非球面自由表面，其成型為用於形成該雷射光束焦線(2b)，當在該光束方向上觀看時，該雷射光束焦線具有一既定延伸量l，亦即一既定長度，該具非球面自由表面之光學元件，較佳係一圓錐稜鏡或一旋轉三稜鏡(9)。
  14. 根據前述三項申請專利範圍中任一項所述之裝置，其特徵為，該光學配置(6)在該雷射(3)射線路徑中，首先包括一第一光學元件，具有一非球面自由表面，其成型為用於形成該延伸雷射光束焦線(2b)，且其較佳為一圓錐稜鏡或一旋轉三稜鏡(10)，及在該第一光學元件之光束輸 出側上且相距該第一光學元件距離z1處，包括一第二聚焦光學元件，特別為一凸透鏡(11)，該二光學元件較佳係定位且對準，使該第一光學元件將呈環形地打至其上之雷射輻射(SR)，投射至該第二光學元件上，以在該第二光學元件之光束輸出側上距其距離z2處，生成該延伸雷射光束焦線(2b)。
  15. 根據前項申請專利範圍所述之裝置，其特徵為，一第三聚焦光學元件，其特別為一平凸視準透鏡(12)，定位於該雷射(3)射線路徑中，介於該第一與第二光學元件之間，該第三光學元件較佳係定位且對準，使藉該第一光學元件呈環形地形成之雷射輻射(SR)，落於該第三光學元件上，而具有一既定平均環圈直徑dr，及在於該第三光學元件係依該環圈直徑dr且依一既定環圈寬度br，將該雷射輻射呈環形地投射至該第二光學元件上。
  16. 一種根據前述申請專利範圍中任一項所述方法或裝置之用途，以．分割玻璃之基板，特別為石英、硼矽、藍寶石或鈉鈣玻璃、含鈉玻璃、硬化玻璃、或未硬化玻璃、結晶三氧化二鋁(Al2O3)、含水二氧化矽(SiO2．nH2O)(蛋白石)、或特別為矽(Si)、砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)一半導體材料之基板，．分割特別為玻璃-玻璃複合物、玻璃-薄膜複合物、玻璃-薄膜-玻璃複合物，或玻璃-空氣-玻璃複合物等單或多層基板，．分割特別為金屬塗覆藍寶石晶圓、具金屬或金屬氧化物層之矽晶圓或者塗覆有銦錫氧化物(ITO)或鋁氧化鋅(AlZnO)之塗覆基板，及/或．完全切斷一單或多層基板或者切斷一多層基板中之一或更多，但非全 部層。
  17. 一種玻璃製品，其具有至少一表面，沿該表面具有複數材料修飾，每一材料修飾各具有一長度，其範圍介於0.1公釐與100公釐之間，及一平均直徑，其範圍介於0.5微米與5微米之間。
  18. 一種玻璃製品，其具有至少一表面，沿該表面具有複數材料修飾，每一材料修飾各具有直接相鄰材料修飾之平均距離a，與產生該等材料修飾用雷射光束焦線平均直徑δ之一比值V3=a/δ約等於2.0。
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