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TWI507265B - 雷射割斷裝置 - Google Patents

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TWI507265B
TWI507265B TW100129921A TW100129921A TWI507265B TW I507265 B TWI507265 B TW I507265B TW 100129921 A TW100129921 A TW 100129921A TW 100129921 A TW100129921 A TW 100129921A TW I507265 B TWI507265 B TW I507265B
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TW
Taiwan
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brittle material
line
laser
cutting device
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TW100129921A
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English (en)
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TW201217094A (en
Inventor
Yoichi Imaizumi
Kenji Otoda
Original Assignee
Mitsuboshi Diamond Ind Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Mitsuboshi Diamond Ind Co Ltd filed Critical Mitsuboshi Diamond Ind Co Ltd
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Description

雷射割斷裝置
本發明係有關雷射割斷裝置。
以往，玻璃基板等脆性材料基板係例如藉由以下方法割斷。首先，將切刀輪(cutter wheel)等一邊壓接於基板一邊並使其轉動，從而於基板形成由垂直裂紋(crack)構成之刻劃線(scribe line)。其後沿著刻劃線，對基板於垂直方向施加外力。藉此，沿刻劃線割斷基板。
如同以上，使用切刀輪對脆性基板材料形成刻劃線時，因對脆性材料基板賦予機械性的應力，使基板容易產生缺陷。因此，於施加外力割斷基板之際，有起因於缺陷而產生破損等情況。
因此，近年來，使用雷射割斷脆性材料基板的方法已被實際應用。在此方法中，雷射光束(laser beam)照射於基板，而將基板加熱至不到熔化溫度。其後，藉由冷卻介質冷卻基板，並藉此於基板產生熱應力。藉由此熱應力由基板表面於大致垂直方向形成裂紋(以下，會有記載為「垂直裂紋」之情況)。在此種使用雷射光束之脆性材料基板的割斷方法中，因利用熱應力，故工具不直接接觸基板。因此，基板之割斷面成為缺損少之平滑面，而維持基板之強度。
在如同以上之雷射割斷方法中，為了要加深垂直裂紋，而有加大雷射光束的照射輸出、或放慢掃描速度的必要。但是，若加大雷射光束的照射輸出，則會於基板表面產生因加熱而造成的損傷。而且，若放慢雷射光束的掃描速度，則加工效率會降低。
因此便有一種技術提案，使基板彎曲，並在該狀態下照射雷射而加深垂直裂紋。例如在專利文獻1中，藉由在平台(stage)上將基板吸著固定而使基板彎曲。而且在專利文獻2中，使支持構件的高度改變，並藉由自體重量使基板彎曲。
[先前技術文獻] (專利文獻)
[專利文獻1]日本特開平7-323384號公報
[專利文獻2]日本特開2007-191363號公報
在揭示於專利文獻1之方法中，因將基板保持在成形有預定高度之突條或預定之曲面的平台上，故若要使基板彎曲成期望之形狀，有必要使用對應於基板之曲面狀態的平台。再加上，在基板厚的情況，會有基板無法充分彎曲，而無法將基板固定於平台之虞。而且，在專利文獻2的方法中，也有在基板厚的情況，基板不會因自體重量而充分彎曲之虞。
本發明之目的係為提供一種雷射割斷裝置，即使在不交換工作台(table)，且基板厚的情況，亦能將基板彎曲成預期之形狀，且能予以固定。
有關第1發明之雷射割斷裝置，係為沿著脆性材料基板的刻劃預定線照射雷射光束，而割斷脆性基板材料的裝置，並具備載置脆性材料基板的工作台、基板手段、按壓手段、雷射照射手段與冷卻手段。基板保持手段係將載置於工作台之脆性材料基板的刻劃預定線兩側按壓於工作台，並將脆性材料基板保持於工作台上。按壓手段係從雷射光束照射方向之相反側按壓包含刻劃預定線的脆性材料基板之一部分，使基板的一部分彎曲。雷射照射手段係沿著刻劃預定線將雷射光束照射於脆性材料基板，而將脆性材料基板加熱至不到熔化溫度。冷卻手段係對以雷射照射手段加熱過之脆性材料基板，噴附冷卻媒介使其冷卻，並藉由產生於脆性材料基板的熱應力，沿著刻劃預定線形成垂直裂紋。
有關第2發明之雷射割斷裝置，係在第1發明中，按壓手段具有沿著刻劃預定線延伸之按壓構件。按壓構件在由工作台的基板載置面朝向基板之雷射照射面側突出之突出位置、與由基板載置面朝向基板之雷射照射面的相反側沉入之沉入位置之間自由移動，在移動到突出位置時，使脆性基板材料的包含刻劃預定線的一部分彎曲。
有關第3發明之雷射割斷裝置，係在第2發明之裝置中，工作台具有：第1載置部，支持脆性材料基板之刻劃預定線的一側；以及第2載置部，與第1載置部間隔一個空間而配置，並將脆性材料基板之刻劃預定線的另一側予以支持。然後，按壓構件係配置於第1載置部與第2載置部之間的空間。
有關第4發明的雷射割斷裝置，係在第2發明之裝置中，工作台具有：第1載置部，支持脆性材料基板之刻劃預定線的一側；以及第2載置部，與第1載置部間隔一個空間而配置，並支持脆性材料基板之刻劃預定線的另一側。然後，按壓構件係隔著配置於工作台的脆性材料基板而與第1載置部與第2載置部之間的空間相對向。
有關第5發明的雷射割斷裝置，係在由第2至第4發明的任一裝置中，按壓構件係能獲得由工作台的基板載置面朝向基板之雷射照設面側突出達第1量之第1突出位置，與突出達較第1量大之第2量之第2突出位置。
有關第6發明的雷射割斷裝置，係在由第1到第5發明的裝置中，復於工作台具備用以固定脆性材料構件之吸引固定手段。
在有關本發明之雷射割斷裝置中，因在以基板保持手段將基板保持於工作台上之狀態下，藉由按壓手段使基板彎曲，故即使在不交換工作台且基板厚的情況，亦能使基板彎曲達期望之量。然後藉由對彎曲狀態的基板照射雷射光束，而能於基板形成深的垂直裂紋。
 (實施方式1)
以下，雖就本發明之一實施方式之雷射割斷裝置進行說明，惟本發明並非以任何形式被限定於此等實施方式者。
第1圖係顯示本發明之一實施方式的雷射割斷裝置之概略構成。在此圖之雷射裝置中，在工作台11上載置並固定脆性材料基板(以下會有單記載為「基板」之情況)50。
工作台11係具有左右2個載置部11a、11b，第1載置部11a係設置為於左右方向自由移動。而且，各載置部11a、11b之表面形成複數個吸氣孔(吸著固定手段)14，此等複數個吸氣孔14連結於真空泵浦P。藉由驅動真空泵浦P吸引空氣，而將基板50吸著固定於工作台11上。工作台11之中央部，亦即第1載置部11a與第2載置部11b之間，在相對於紙面的垂直方向(前後方向)，長棒狀構件(按壓構件)12係設置成在由工作台11突出之位置與沉入於工作台11的位置之間移動自如。若棒狀構件12由工作桌11向突出位置移動，則基板50之雷射光束LB照射面側以成為凸的方式被彎曲。關於此，將在後段詳述。
於工作台11的上方，以與工作台11分離且相對向的方式，設置有支持台31。在支持台31，於前後方向排列而設有用以於基板50之表面形成觸發裂紋(trigger crack)的切刀輪(不圖示)、用以使雷射光束LB照射至基板50的開口、與用以冷卻基板50的表面之冷卻嘴(nozzle)37(圖示於第4圖)。
切刀輪係能昇降於壓接於基板50之位置與非接觸之位置間，且僅在將成為刻劃線之開始起點的觸發裂紋予以形成時，才下降至壓接基板50之位置。關於觸發裂紋之形成位置，為了抑制由觸發裂紋朝向無法預測之方向產生裂紋之先行現象，以形成於較基板50之表面側端靠內側較為理想。
由雷射輸出裝置34所射出之雷射光束LB，係藉由反射鏡片(mirror)44向下方反射，透過不圖示之光學系統，由形成於支持台31的開口照射至固定於工作台11上的基板50。
而且，冷卻嘴37係設置於支持台31中雷射光束LB射出之開口附近。作為冷卻媒介的水係與空氣一同由此冷卻嘴37朝向基板50噴出。冷卻媒介所噴出之基板50上的位置，係在刻劃預定線51上且在雷射光束LB之照射區域的後側(參考第4圖)。
於支持台31之左右方向兩側，設置有沿前後方向細長之長方體狀保持構件13a、13b。此等保持構件13a、13b，係藉由不圖示之驅動手段而於左右方向及上下方向自由移動，如同後述，當基板50固定於工作台11時，則以棒狀構件12作為中心，按壓基板50的左右兩側。
於工作台11的上方設置有一對電荷耦合元件(Charge Coupled Device；簡稱CCD)相機38、39，以辨識預先刻印於基板50上的對位標記(alignment mark)。藉由此等CCD相機38、39，以令基板50的刻劃預定線51(圖示於第4圖)與棒狀構件12在平面觀視為重疊的方式修正位置。具體而言，藉由CCD相機38、39檢測出安裝時之基板50的位置偏移，例如基板50偏移角度θ的情況，使工作台11旋轉達-θ，基板50偏移Y時，使工作台11移動達-Y。
第2圖及第3圖係顯示使用此種構成之割斷裝置割斷基板50之情況的工程圖。再者，關於使基板50吸著固定於工作台11的吸著固定手段及雷射光束照射手段、冷卻手段，為了使圖面簡潔，係由此等圖省略。
首先，將基板50載置於工作台11上，並趨動真空泵浦P(圖示於第1圖)，藉由吸氣孔14(圖示於第1圖)將基板50吸著固定於工作台11。而後，藉由CCD相機38、39拍攝設於基板50的對位標記，如同前述，基於拍攝資料，使工作台11移動以使基板50的刻劃預定線51(圖示於第4圖)與棒狀構件12在平面觀視為重疊，而將基板50定位於預定的位置(第2圖(a))。
接著將保持構件13a、13b往中央部移動後，使其下降，將基板50按壓固定於工作台11(同圖(b))。保持構件13a、13b所進行之基板50的按壓固定之程度，係以藉由感測器(sensor)偵測而成為預定之按壓力的方式進行控制較為理想。而且，保持構件13a、13b固定基板50的位置，係可根據基板50的材質及厚度等適當決定，惟較為理想的是設定成藉由棒狀構件12的突出而彎曲基板50之際，基板50的曲率半徑成為4000mm以下。因此，棒狀構件12的突出量為5mm以下之範圍的情況，由棒狀構件12到保持構件13a、13b為止之距離L宜設定為100mm以上300mm以下。而且，保持構件13a、13b雖以按壓基板50的前後方向之整體較為理想，惟亦可於前後方向以預定間隔按壓基板50。
而後，使棒狀構件12移位至由工作台11突出之第1突出位置。藉此，使基板50彎曲(同圖(c))。以棒狀構件12的突出量而言，如同前述，較為理想的是設定為使基板50彎曲之際，基板50的曲率半徑成為4000mm以下，通常為0.1mm至5mm之範圍。
接著，如同前述，藉由切刀輪於基板50形成觸發裂紋。而後，由雷射輸出裝置34射出雷射光束LB(同圖(d))。雷射光束LB係藉由反射鏡片44，如同第4圖所示，大致垂直地照射於基板50表面。而且，同時地於雷射光束照射區域之後端附近，由冷卻嘴37噴出水作為冷卻媒介。藉由將雷射光束LB照射於基板50，基板50於厚度方向被加熱至不到熔化溫度，基板50雖欲熱膨脹，惟因局部加熱之故無法膨脹，而以照射點為中心產生壓縮應力。於加熱瞬後，基板50之表面藉由水被冷卻，藉此令基板50收縮而產生拉伸應力。藉由此拉伸應力之作用，以觸發裂紋作為開始點，沿著刻劃預定線51，於基板50形成垂直裂紋53。再加上，在本裝置中，因於基板50的雷射光束照射面側，附加有因基板50之彎曲導致之拉伸張力，故垂直裂紋53形成為較通常為深，視情況不同，垂直裂紋50會延伸至基板50的反對面側。
而後，藉由將雷射光束LB及冷卻嘴37沿著刻劃預定線51於前後方向相對性地移動，使垂直裂紋53於前後方向進展，並於基板50形成刻劃線52。
以此處使用之雷射光束LB而言，並無特別限定，依據基板之材質及厚度、所欲形成之垂直裂紋的深度等適當決定即可。當脆性材料基板為玻璃基板的情況，適合使用在玻璃基板表面的吸收大之波長9至11μm的雷射光束。以此種雷射光束而言，可舉例二氧化碳雷射(CO2 laser)。以雷射光束的照射點之形狀而言，以在雷射光束之相對移動方向為細長之橢圓形較為理想，以相對移動方向之照射長度為10至60mm的範圍，照射寬度為1至5mm之範圍較為適當。
以冷卻嘴37噴出之冷卻媒介而言，可舉例水或酒精(alcohol)等。而且，在不會對使用割斷後之脆性材料基板上造成壞影響的範圍內，亦可添加界面活性劑等添加劑。以冷卻媒介的噴附量而言，通常以數ml/min左右為適當。冷卻媒介所進行之基板的冷卻，由將藉由雷射光束所加熱之基板急速冷卻之觀點觀之，宜為使氣體(通常是空氣)與水一同噴射之所謂水噴注(Water jet)方式。冷卻媒介之冷卻區域，以長徑1至5mm左右的圓形或橢圓形較為理想。而且，冷卻區域宜在雷射光束所導致之加熱區域之相對移動方向後方，且形成為使冷卻區域與加熱區域之中心點間的距離成為數mm至數十mm左右。
以雷射光束LB及冷卻嘴37的相對移動速度而言並無特別限定，根據欲得到之垂直裂紋的深度等適當決定即可。一般而言，相對移動速度越慢，所形成之垂直裂紋越深。通常，相對移動速度係為數百mm/sec左右。
接著，使棒狀構件12更突出至第2突出位置(第3圖(e))。藉此，形成於基板50的垂直裂紋53，係延伸至基板50側之反對面，以將基板50割斷。再者，在藉由雷射光束LB的照射而形成垂直裂紋53的前步驟中，垂直裂紋53已延伸至基板50的反對面側之情況，不需要此圖所示之步驟。棒狀構件12的突出量只要是能使垂直裂紋53進展至基板50之反對面側者則並無特別限定，通常以由第1突出位置算起0.1mm至1mm左右之突出量便足夠。再者，在將棒狀構件12由第1突出位置移位至第2突出位置之際，可同時使棒狀構件12的後方向兩端同時突出，亦可如第5圖所示，先使棒狀構件12的前後方向一方端側先突出，而延遲突出另一方端側。
當基板50的割斷完成時，一方之保持構件13a上昇，而解除基板50a的按壓，且第1載置部11a與基板50a一同朝向遠離棒狀構件12的方向移動(第3圖(f))。藉此被分離被割斷為2個的基板50a、50b，而防止割斷面的缺損等發生。接著，棒狀構件12由第2突出位置朝向沉入位置移動(同圖(g))。再者，第3圖(f)及同圖(g)所示之步驟，亦可同時進行。
而後，解除第1載置部11a的吸著固定，並將基板50a被移動到下個步驟(同圖(h))。接著，保持構件13b上昇而解除基板50b的按壓，並且解除第2載置部11b的吸著固定。而後，基板50b移動越過棒狀構件12達到預定距離，重覆進行前述一連串之割斷處裡。
對於作為有關本發明之雷射割斷裝置的脆性基板材料50，並無特別限定，可舉例玻璃、陶瓷(ceramic)、矽、藍寶石(sapphire)等以往周知之脆性材料基板。本發明特別有用於此等之中表面壓縮應力大、劃線困難之化學強化玻璃及風冷強化玻璃等強化玻璃基板之割斷。而且，以本發明之雷射割斷裝置能割斷之脆性材料基板50的厚度而言，雖因脆性材料基板50的材質等而相異，惟於脆性材料基板50為玻璃基板的情況，大體上能達到2mm左右的厚度。
第6圖係為顯示有關本發明之雷射割斷裝置之其他實施方式。顯示於此圖之雷射割斷裝置與前述之實施方式的裝置之不同點，在於棒狀構件12係按壓基板50之與保持構件13a、13b所按壓的面為相同之面而彎曲基板50之點，及基板50之由工作台側照射雷射光束LB之點。以下，關於使用此裝置之基板50的割斷程序，主要就與前述實施方式之裝置的不同點予以概略說明。
首先，將基板50吸著固定於工作台50(第6圖(a))。而後，移動保持構件13a、13b，並以棒狀構件12為中心，將基板50之兩側以保持構件13a、13b按壓固定(同圖(b))。接著，使棒狀構件12下降，並使基板50彎曲(同圖(c))。以由工作台11之表面往下方之棒狀構件12的突出量而言，此處亦例示與前述相同之範圍。
接著，如同前述，藉由切刀輪於基板50形成觸發裂紋。而後，由雷射輸出裝置34射出雷射光束LB(同圖(d))。
而且，同時於雷射光束照射區域之後端附近，由冷卻嘴37(圖示於第4圖)噴出水作為冷卻媒介，沿著刻劃預定線51(圖示於第4圖)，於基板50形成垂直裂紋。在此實施方式之裝置中，因亦於基板50之雷射光束照射面側附加因基板50之彎曲導致之拉伸應力，故垂直裂紋53形成為較通常深。以下，亦在此實施方式之裝置進行與第3圖所示之處理步驟相同之處理。
(產業上之可利用性)
有關本發明之雷射割斷裝置，因係在基板被保持於工作台之後，使基板彎曲，故即使在不交換工作台且基板厚的情況，亦能使基板彎曲為期望之形狀。而後藉由對處於已彎曲狀態之基板照射雷射光束，能將深的垂直裂紋形成於基板，而為有用者。
11．．．工作台
11a．．．第1載置部
11b．．．第2載置部
12．．．按壓構件
13a、13b．．．保持構件
14．．．吸氣孔
31．．．支持台
34．．．雷射輸出裝置
37．．．冷卻嘴
38、39．．．CCD相機
44．．．反射鏡片
50．．．脆性材料基板
51．．．刻劃預定線
52．．．刻劃線
53．．．垂直裂紋
LB．．．雷射光束
P．．．真空泵浦
第1圖係為顯示有關本發明之雷射割斷裝置之一實施方式的概略說明圖。
第2圖(a)至(d)係為使用第1圖之雷射割斷裝置以割斷基板之情況的步驟圖。
第3圖(e)至(h)係為使用第1圖之雷射割斷裝置以割斷基板之情況的步驟圖。
第4圖係為說明雷射刻劃之操作狀態的斜視圖。
第5圖(a)至(c)係為棒狀構件由第1突出位置移動至第2突出位置之際之移動狀態之說明圖。
第6圖(a)至(d)係為使用有關本發明之其他雷射割斷裝置以割斷基板的情況之步驟圖。
11．．．工作台
11a．．．第1載置部
11b．．．第2載置部
12．．．按壓構件
13a、13b．．．保持構件
50．．．脆性材料基板
53．．．垂直裂紋
LB．．．雷射光束

Claims (6)

  1. 一種雷射割斷裝置，沿著脆性材料基板的刻劃預定線照射雷射光束，以割斷前述脆性材料基板，該雷射割斷裝置係具備：工作台，載置脆性材料基板；基板保持手段，將載置於前述工作台的脆性材料基板之刻劃預定線的兩側按壓於前述工作台，並將脆性材料基板固定於前述工作台上；按壓手段，用以從雷射光束照射方向之相反側按壓包含前述刻劃預定線之脆性材料基板的一部分，而使基板的一部分彎曲；雷射照射手段，沿著刻劃預定線將雷射光束照射於脆性材料基板，而將脆性材料基板加熱至不到熔化溫度；以及冷卻手段，用以對以前述雷射照射手段所加熱過之脆性材料基板，噴附冷卻媒介使其冷卻，並藉由產生於脆性材料基板的熱應力，沿著刻劃預定線形成垂直裂紋；且在藉由前述工作台與前述基板保持手段將以前述按壓手段作為中心的前述基板兩側予以固定的狀態下，使前述按壓手段從載置有前述基板之前述工作台的面朝上方或下方突出，藉此彎曲前述基板的一部分。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之雷射割斷裝置，其中，前述按壓手段係具有沿著前述刻劃預定線延伸之 按壓構件；前述按壓構件係在由前述工作台的基板載置面朝向基板的雷射照射面側突出之突出位置、與由前述基板載置面沉入於基板之雷射照射面之相反側的沉入位置之間自由移動，在移動至前述突出位置時，使脆性材料基板之包含刻劃預定線的一部分彎曲。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之雷射割斷裝置，其中，前述工作台係具有：第1載置部，將脆性材料基板之刻劃預定線之一方側予以支持；以及第2載置部，與前述第1載置部相隔一個空間而配置，並將脆性材料基板之刻劃預定線的另一方側予以支持；前述按壓構件係配置於前述第1載置部與前述第2載置部之間的空間。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之雷射割斷裝置，其中，前述工作台係具有：第1載置部，將脆性材料基板之刻劃預定線之一方側予以支持；以及第2載置部，與前述第1載置部相隔一個空間而配置，並將脆性材料基板之刻劃預定線的另一方側予以支持；前述按壓構件係配置成隔著載置於前述工作台的脆性材料基板而相對向於前述第1載置部與前述第2 載置部之間的空間。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之雷射割斷裝置，其中，前述按壓構件係能獲得由前述工作台的基板載置面朝向基板之雷射照射面側突出達第1量之第1突出位置，與突出達大於前述第1量之第2量之第2突出位置。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之雷射割斷裝置，其中，復具備吸著固定手段，用以將脆性材料基板固定於前述工作台。
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