TWI488703B - 脆性材料基板的切割方法及切割裝置 - Google Patents

Description

脆性材料基板的切割方法及切割裝置

本發明係關於一種脆性材料基板的切割(scribe)方法，尤其關於一種沿著脆性材料基板的切割預定線(line)來形成切割溝之切割方法。

就將用以切割之切割溝形成於玻璃(glass)基板之方法而言，係有使用雷射(laser)光來加以形成之方法。在該情形中，係沿著切割預定線照射雷射光使基板的一部分溶解、蒸發，藉此形成切割溝。然而，在該方法中，所溶解、蒸發之基板的一部分會附著於基板表面，而有伴隨著品質的劣化之情形。再者，在所溶解、蒸發之部分形成之傷痕會成為基板端面強度降低之原因。

因此，就其他的玻璃基板的切割方法而言，提供有一種利用會吸收於玻璃基板表面之CO₂ 雷射之加工方法。在該方法中係藉由將雷射照射於玻璃基板上並進行掃描而將基板表面予以加熱。並且，藉由從冷卻噴頭(nozzle)所噴射之冷卻媒體對加熱區域進行冷卻來使龜裂擴大。藉此，沿著切割預定線形成切割溝並切割玻璃基板。

然而，在該種方法中，由於雷射射束的形狀係呈現橢圓形，故難以沿著曲線狀的切割預定線形成切割溝，或進行切割。再者，由於根據雷射長度及寬度而存在有最佳加工條件，故必須找出該等加工條件。再者，在至少數mm/s左右之實用性的加工速度條件中，由於通常需要數mm之寬度的射束，故從基板到切割線為止之距離(以下，係稱為「凸緣寬」)會有限制。亦即，當凸緣寬極小而成為射束的寬度以下時，會無法沿著如此之切割預定線進行切割。

另外，在專利文獻1中揭示有，當沿著曲線狀之切割預定線對玻璃基板等進行切割時，使具有預定長度的直線狀之射束點(beam spot)的兩端的強度明顯地增大，並使該兩端移動成位於切斷預定線上而進行加工。

(先前技術文獻) (專利文獻)

專利文獻1：日本特表2003-516236號公報

在專利文獻1中所揭示之加工方法中，必須將直線狀之射束點的兩端沿著切割預定線上來進行掃描。為了進行如此之掃描，必須執行非常複雜之控制。再者，能夠進行切割之曲線形狀亦受到限定，例如並無法沿著曲率較小之曲線進行切割。並且，由於無法減小射束寬度，故無法解決在能夠加工之凸緣寬上產生限制之問題。

本發明之課題為提供一種切割方法，係能夠沿著曲線 狀之切割預定線而容易地進行切割，並且可減小凸緣寬。

第1發明之脆性材料基板的切割方法係沿著脆性材料基板的切割預定線來形成切割溝之方法，並包括以下步驟。

加熱/冷卻步驟：以令焦點位於從基板的表面到背面之範圍內之方式，將相對於脆性材料基板具有吸收性及穿透性之波長之雷射予以聚焦並進行照射，並且在對雷射照射區域進行雷射照射之同時噴射冷卻媒體。

掃描步驟：將雷射照射之射束點及冷卻媒體的噴射之冷卻點沿著切割預定線進行掃描。

在此，將相對於基板具有某種程度之穿透性及吸收性之雷射照射於基板。藉由該雷射之照射，基板係不僅於表面亦至內部為止受到加熱。再者，在該加熱之同時，藉由冷卻媒體對所加熱之部分進行冷卻。因此，在基板內部會產生溫度梯度。由於該溫度梯度，於基板表面產生拉伸應力，而在基板內部產生壓縮應力。因此，基板會產生龜裂。並且，藉由將以上之射束點及冷卻點沿著切割預定線進行掃描，龜裂會沿著切割預定線擴展，而形成切割溝。

在該方法中，由於雷射的焦點係聚光於基板表面至背面之間，亦即以位於表面附近之方式聚光，且在雷射照射於雷射照射位置之同時形成冷卻點，故可沿著曲線狀的切割預定線容易地對基板進行切割。再者，由於幾乎沒有從雷射照射之加熱至冷卻媒體之冷卻為止的時間差，故對於周圍之溫度擴散會變小。因此，即便在凸緣寬較小之情形 時，亦不容易產生基板的端側與相反側之間的溫度的非對稱性。結果，與以往的加工方法相比較，係可進行凸緣寬較小之加工。

第2發明之脆性材料基板的切割方法係於第1發明之方法中，復包括在脆性材料基板的表面的切割預定線的掃描開始端形成初始龜裂之初始龜裂形成步驟，以作為加熱/冷卻步驟之前步驟。

於此係於切割預定線的掃描開始端形成初始龜裂。之後，再執行加熱/冷卻步驟以及掃描步驟。此時，龜裂會從初始龜裂開始沿著切割預定線擴展，而形成切割溝。

第3發明之脆性材料基板之切割方法係於第1或第2發明之方法中，加熱/冷卻步驟之雷射的波長為2.7μm以上4.0μm以下。

藉由使用如此之雷射來照射例如玻璃基板，係不僅於基板的表面加熱亦能夠對內部進行加熱。

第4發明之脆性材料基板的切割方法係在第1至第3發明中任一方法中，脆性材料基板係玻璃基板。

第5發明之脆性材料基板的切割方法係在第1至第4發明中任一方法中，冷卻媒體係以使雷射照射之噴射加工痕位於噴射痕的中心之方式被噴射於基板表面。

第6發明之脆性材料基板的切割方法係在第1至第5發明中任一方法中，復包括在脆性材料基板的背面設置用以反射雷射之反射板之準備步驟，以作為加熱/冷卻步驟之前步驟。

如前所述，在基板的厚度較薄時，即便照射雷射，基板亦無法充分地吸收雷射，而使加熱變得不充分。因此，在該第5發明中，係在基板之與照射雷射側之面相反側的面設置用以反射雷射之反射板。藉由執行該步驟，即便為較薄之基板，亦可充分地吸收雷射，而可將基板內部充分地加熱。

第7發明之脆性材料基板的切割裝置係沿著脆性材料基板的切割預定線來形成切割溝之裝置，具備有：工作台(table)；雷射振盪器；光學系統；聚光透鏡(lens)；冷卻噴嘴；以及移動機構。工作台係載置作為加工對象之脆性材料基板。雷射振盪器係輸出相對於脆性材料基板具有吸收性及穿透性之波長的雷射。光學系統係將來自雷射振盪器之雷射光引導至工作台。聚光透鏡係以使引導至工作台之雷射光的焦點位於脆性材料基板的表面至背面的範圍內之方式來將雷射予以聚光。冷卻噴嘴係在進行雷射照射之同時對脆性材料基板的雷射照射區域噴射冷媒而形成冷卻點。移動機構係使雷射光的照射區域及冷卻點相對於脆性材料基板在水平面內相對性地移動。

第8發明之脆性材料基板的切割裝置係於第7發明之裝置中，復包括使聚光透鏡上下移動之透鏡移動機構。

第9發明之脆性材料基板的切割裝置係於第7或第8發明之裝置中，復包括用以於脆性材料基板之一部分形成做為切割起點之初始龜裂之初始龜裂形成手段。

如以上所述，本發明係能夠容易地沿著曲線狀的切割預定線進行切割，並可減小凸緣寬。

1‧‧‧切割裝置

2‧‧‧工作台

3‧‧‧雷射振盪器

4‧‧‧反射鏡

5‧‧‧聚光透鏡

6‧‧‧冷卻噴嘴

10‧‧‧工作台移動機構

11‧‧‧透鏡移動機構

12‧‧‧初始龜裂形成手段

G‧‧‧玻璃基板

第1圖係用以實施本發明一實施形態之切割方法之裝置的概略構成圖。

第2A圖係顯示相對於雷射波長之鈉鈣玻璃(soda-lime glass)的穿透率之圖。

第2B圖係顯示依每個板厚之雷射的基板穿透率及吸收率之圖。

第3圖係顯示雷射照射區域(照射痕)及冷卻點(噴射痕)之照片。

第4圖(a)至(c)係用以說明雷射的聚焦位置(基板表面、內部、背面)與切割邊緣的關係之圖。

第5圖係用以說明雷射的聚焦位置(基板上方)與切割邊緣的關係之圖。

第6圖係顯示藉由本發明一實施形態之加工方法沿著直線狀的切割預定線進行加工時之從切割預定線的偏移量之圖。

第7圖係顯示藉由本發明一實施形態之加工方法沿著曲線狀的切割預定線進行加工時之從切割預定線的偏移量之圖。

[裝置構成]

第1圖係顯示用以實施本發明一實施形態之方法之切 割裝置的概略構成圖。切割裝置1係例如用以將一張母(mother)基板分割成複數個玻璃基板之裝置。其中，玻璃基板係例如鈉鈣玻璃基板。

切割裝置1係具備：載置作為加工對象之玻璃基板G之工作台2；雷射振盪器3；將來自雷射振盪器3之雷射引導至工作台2側之反射鏡(mirror)4；聚光透鏡5；以及冷卻噴嘴6。

其中，雷射振盪器3係輸出相對於玻璃基板G具有吸收性及穿透性之波長之雷射。聚光透鏡5係以令焦點位於玻璃基板G的表面至背面之間之方式來將雷射予以聚光。冷卻噴嘴6係將自未圖示之冷媒源所供給之冷媒予以噴射至玻璃基板G的表面而形成冷卻點。

再者，該切割裝置1係設置有在水平面內將載置有玻璃基板G之工作台2予以移動之工作台移動機構10，以及使聚光透鏡5上下移動之透鏡移動機構11。藉由工作台移動機構10，雷射的照射區域(射束點)與冷卻點係沿著切斷預定線進行掃描。

再者，於該切割裝置1係設置有用以於玻璃基板G的掃描開始側之端部形成屬於切割起點之初始龜裂之初始龜裂形成手段12。就初始龜裂形成手段12而言，雖採用壓頭(indenter)或切刀輪(cutter wheel)等機械工具，惟亦可藉由雷射切割(laser ablation)加工來形成初始龜裂。

[切割方法]

首先，使用切刀輪等初始龜裂形成手段而於玻璃基板 G的切割預定線的掃描開始側的端部形成屬於切割起點之初始龜裂。

接著，對玻璃基板G照射雷射。藉由聚光透鏡5，以焦點位於玻璃基板G的表面或位於從表面至背面之間之方式將雷射予以聚光。再者，在進行雷射照射之同時，由冷卻噴嘴6對雷射所照射之區域噴射冷卻媒體。

其中，就雷射而言，係由於使用相對於玻璃基板G具有吸收性及穿透性之波長之雷射，故藉由雷射照射而對玻璃基板G的表面及內部予以加熱。另一方面，對雷射照射區域噴射冷卻媒體而將其冷卻。因此，在基板內部會產生溫度梯度，進而於基板G的表面產生拉伸應力，且於內部產生壓縮應力。藉此於基板產生龜裂。

藉由將以上之雷射點及冷卻點沿著切割預定線進行掃描，龜裂係沿著切割預定線擴展，而形成切割溝。

(實施例) <雷射>

第2A圖係顯示相對於具有各種厚度之鈉鈣玻璃之雷射(Er光纖雷射)的波長與穿透率的關係。再者，第2B圖係顯示依每個板厚之穿透率及吸收率。另外，吸收率係計算值。

由該等圖式明顯可知，在波長為2.8μm至4.0μm之範圍內，就厚度為1.3mm(實線)及1.8mm(虛線)之玻璃基板而言，穿透率分別為55%、46%，吸收率分別為45%、54%，而具有某種程度之吸收性及穿透性。在該等厚度之基板 中，所照射之雷射係吸收於基板內部，而可進行切割。

另外，即便在吸收率因板厚較薄等理由而較低時，只要吸收率為10%以上，即可藉由採用更高輸出之雷射，或在與雷射所照射之面相反側之面設置用以反射雷射之反射板，即可使雷射在基板內部充分地被吸收。再者，藉由從與雷射照射面相反側之面進行冷卻，即可對基板內部賦予龜裂擴展所需之充分之溫度梯度。

另外，在以下的實驗中係全部使用波長為2.8μm之Er光纖雷射(fiber laser)。

<射束點及冷卻點>

第3圖係顯示將加工部分的詳細態樣擴大顯示之照片。於第3圖中，中心部的圓L所示之部分為雷射的照射痕，而圓C所示之部分為冷卻媒體的噴射痕。由第3圖係明顯地可知，係以射束點位於冷卻點的中心之方式，同時地執行雷射照射及冷卻媒體的噴射。

<焦點位置的影響>

第4圖係顯示將雷射的焦點位置設為基板表面(a)、基板中央(b)、基板背面(c)，並對雷射輸出及掃描速度做各種改變，而實驗是否可進行切割，亦即實驗切割邊緣因應於焦點位置會如何變化之結果。另外，該實驗所採用之玻璃基板係厚度為1.3mm鈉鈣玻璃基板。

於第4圖中，「○」係顯示可進行切割(龜裂從初始龜裂沿著切割預定線擴展)，「×」係顯示不可進行切割(沿著切割預定線之龜裂不會從初始龜裂開始擴展)，「止」係顯 示加工停止(沿著切割預定線之龜裂雖從初始龜裂擴展，但在加工途中龜裂的擴展會停止)，「先」係顯示先行擴展(未沿著切割預定線之龜裂會擴展)。

由第4圖可知，即便將焦點位置在基板表面與背面之間變換，分割邊緣亦大致相同。

另一方面，第5圖係對於與第4圖相同之玻璃基板，使焦點位置從玻璃基板的上面往上方離開達10mm而進行加工之實驗結果。在此情形下，玻璃基板表面的射束直徑為660μm。因此，基板表面之射束功率(beam power)密度較低，而基板溫度不會充分地升高。因此，若使掃描速度變慢，且不將雷射輸出提高，即無法進行切割。

依據以上實驗結果可知，較佳為將雷射的焦點位置設定於從基板表面至背面之間來進行加工。

<從切割預定線的偏移>

第6圖係顯示在實施本實施形態的加工方法時，龜裂從切割預定線以何種程度偏移而形成之實驗例。橫軸係顯示沿著切割線之位置(0mm係顯示初始龜裂側的基板端)，縱軸係顯示從切割預定線之偏移量。另外，實驗所採用之玻璃基板係厚度為1.3mm之鈉鈣玻璃基板且長度為55mm。再者，雷射輸出為7.5W，掃描速度為20mm/s。

如第6圖所示，從切割預定線之偏移量係在+7μm至-10μm之間，可知依據本實施形態之加工方法亦不會有較大的偏移。

另外，在沿著第7圖所示之曲線狀的分割預定線SL 而實施本實施形態之加工方法時，所形成之切割溝係產生最大20μm之偏移量。然而，由於會有偏移至分割預定線SL的一方側之傾向，故能夠預期該偏移來進行加工。

[特徵]

(1)由於將雷射的焦點設定於基板表面附近，且冷卻點係在進行雷射照射之同時形成於雷射照射位置，故可沿著曲線狀的切割預定線而容易地對基板進行切割。

(2)由於對基板的相同區域同時執行加熱及冷卻，故對於周圍之溫度擴散會變小。因此，即便在凸緣寬較小之情形，亦不容易產生在基板的端側與另一側之間之溫度的非對稱性。結果，與以往的加工方法相比較，係能夠進行凸緣寬較小之加工。

(3)藉由對於玻璃基板使用波長為2.8μm以上4.0μm以下之雷射，即可從基板表面遍及至內部有效地進行加熱。因此，龜裂會順暢地(smooth)擴展，且可抑制從切割預定線之偏移。

(4)就板厚為1.0mm以上2.0mm以下之玻璃基板而言，藉由使用波長為2.8μm以上4.0μm以下之雷射，則至基板的內部為止皆可充分地加熱，而能夠形成良好的切割溝。

[其他實施形態]

本發明並非由以上之實施形態所限定者，只要在不脫離本發明的範圍內皆可有各種變形或修正。

例如，在前述實施形態中，雖顯示了使用鈉鈣玻璃作為脆性材料基板之實驗例，惟就脆性材料基板而言並不限 定於鈉鈣玻璃。

1‧‧‧切割裝置

2‧‧‧工作台

3‧‧‧雷射振盪器

4‧‧‧反射鏡

5‧‧‧聚光透鏡

6‧‧‧冷卻噴嘴

10‧‧‧工作台移動機構

11‧‧‧透鏡移動機構

12‧‧‧初始龜裂形成手段

G‧‧‧玻璃基板

Claims (9)

1. 一種脆性材料基板的切割方法，係沿著脆性材料基板的切割預定線來形成切割溝者，係包括以下步驟：加熱/冷卻步驟，係以令焦點位於從前述基板的表面到背面之範圍內之方式，將相對於前述脆性材料基板具有吸收性及穿透性之波長之雷射予以聚光並進行照射，並且在對雷射照射區域進行雷射照射之同時噴射冷卻媒體；以及掃描步驟，係將前述雷射照射之射束點及冷卻媒體的噴射之冷卻點沿著前述切割預定線進行掃描。
2. 如申請專利範圍第1項所述之脆性材料基板的切割方法，復包括：作為前述加熱/冷卻步驟的前步驟之初始龜裂形成步驟，係在前述脆性材料基板的表面的切割預定線的掃描開始端形成初始龜裂。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之脆性材料基板的切割方法，其中，前述加熱/冷卻步驟之雷射的波長為2.7μm以上4.0μm以下。
4. 如申請專利範圍第1項所述之脆性材料基板的切割方法，其中，前述脆性材料基板係玻璃基板。
5. 如申請專利範圍第1項所述之脆性材料基板的切割方法，其中，前述冷卻媒體係以使前述雷射照射之噴射加工痕位於噴射痕的中心之方式被噴射於前述基板表面。
6. 如申請專利範圍第1項所述之脆性材料基板的切割方 法，復包括：作為前述加熱/冷卻步驟之前步驟之準備步驟，係在前述脆性材料基板之與雷射照射側的面為相反側之面設置用以反射雷射之反射板。
7. 一種脆性材料基板的切割裝置，係沿著脆性材料基板的切割預定線來形成切割溝者，係包括：工作台，載置作為加工對象之脆性材料基板；雷射振盪器，係輸出相對於前述脆性材料基板具有吸收性及穿透性之波長的雷射；光學系統，係將來自前述雷射振盪器之雷射光引導至前述工作台；聚光透鏡，係以引導至前述工作台之雷射光的焦點位於前述脆性材料基板的表面至背面之間之方式將雷射予以聚光；冷卻噴嘴，係在進行雷射照射之同時對前述脆性材料基板的雷射照射區域噴射冷媒而形成冷卻點；以及移動機構，係用以使前述雷射光的照射區域及冷卻點相對於前述脆性材料基板在水平面內相對性地移動。
8. 如申請專利範圍第7項所述之脆性材料基板的切割裝置，復包括：透鏡移動機構，係使前述聚光透鏡上下移動。
9. 如申請專利範圍第7項或第8項所述之脆性材料基板的切割裝置，復包括：初始龜裂形成手段，係用以在 前述脆性材料基板的一部分形成做為切割起點之初始龜裂。