TWI677395B - 硬脆材料切割方法及其裝置 - Google Patents
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Abstract
一種硬脆材料切割方法，包括以下步驟：提供超快雷射光束與非超快雷射光束；使超快雷射光束與非超快雷射光束具時間相關性；整型超快雷射光束與非超快雷射光束成垂直線型光束；以及入射垂直線型光束至材料中，使垂直線型光束涵蓋整個材料厚度，被垂直線型光束照射的材料發生改質，在改質區形成高密度缺陷，如空孔、微裂縫等缺陷，使裂縫延伸，達到切割效果。此外，一種硬脆材料切割裝置亦被提出。
Description
本發明是有關於一種雷射切割技術，且特別是有關於一種以非接觸式雷射切割之硬脆材料切割方法及其裝置。
智能車厚玻璃市場隨著車聯網與電動車推廣而日益普及，智能汽車將大幅成長，帶動在汽車玻璃加工應用，如車燈或車鏡玻璃切割等車載玻璃的需求提升。再者，隨著3C產品的普及，如手機、面板、穿戴裝置等所需的玻璃蓋板加工需求源源不絕，近年來玻璃蓋板厚度從1.0 mm至現今普及的0.4 mm，隨著前述光電玻璃厚度降低，面臨切割技術之困難度亦隨之提升，故非接觸式的雷射切割更顯重要。此外，因玻璃穩定的物理特性(機械、電、光、熱性質)，廣泛應用於三維晶片(3D IC)、射頻晶片(RF) 與影像感測器(Image sensor)或光學感測器(Optical sensor)的產品中，對應積體電路(IC)所需的晶圓切割(Dicing)製程，在半導體玻璃厚度0.4 mm~0.2 mm情況下，非接觸式的雷射切割亦顯重要。
再者，目前業界所面臨的問題是進行異形切割時，切割與裂片係分屬個別的機台，使得路徑複雜，無法繼續使用機械方式裂片，且容易使整體製程時間加長。
因此，有鑑於前述車載玻璃、光電玻璃與半導體玻璃各種需求，如何提供一種『硬脆材料切割方法』解決上述需求，此實為本技術領域之人亟欲解決的技術課題。
本發明提供一種硬脆材料切割方法及其裝置，能提升增加材料被切割區域之缺陷密度，使該被切割區域進行裂縫延伸而完成切割。
本發明之一實施例提出一種硬脆材料切割方法，包括以下步驟：提供一超快雷射光束與一非超快雷射光束；使超快雷射光束與非超快雷射光束具一時間相關性；整型超快雷射光束與非超快雷射光束成一垂直線型光束；以及入射垂直線型光束至一材料，並於材料之厚度方向改質材料以在材料之一改質區內形成複數個缺陷，依據垂直線型光束中的超快雷射光束提升非超快雷射光束對材料之吸收率，以提升在改質區內形成複數個缺陷之密度，並能延伸複數個缺陷來產生一裂縫結構。
本發明之一實施例提出一種硬脆材料切割裝置，包括一超快雷射源、一非超快雷射源、一時間調整單元以及一光學調整單元。超快雷射源提供一超快雷射光束。非超快雷射源提供一非超快雷射光束。時間調整單元連接超快雷射源與非超快雷射源，時間調整單元係使超快雷射光束與非超快雷射光束具一時間相關性。光學調整單元整型超快雷射光束與非超快雷射光束成一垂直線型光束，並將垂直線型光束入射至一材料，於材料之厚度方向改質材料之一改質區內形成複數個缺陷，依據該垂直線型光束中的該超快雷射光束提升該非超快雷射光束對該材料之吸收率，以提升在該改質區內形成該複數個缺陷之密度，並能延伸該複數個缺陷來產生一裂縫結構。
基於上述，在本發明之硬脆材料切割方法及其裝置中，透過設計超快雷射光束與非超快雷射光束具一時間相關性，使得超快雷射光束與非超快雷射光束能彼此作用，使得入射至材料的垂直線型光束於材料之厚度方向改質材料，使垂直線型光束涵蓋整個材料厚度，被垂直線型光束照射的材料發生改質，在改質區形成高密度缺陷 (空孔、微裂縫等)與裂縫延伸，達到切割裂片效果。此外，本發明藉由垂直線型光束中的超快雷射光束提升非超快雷射光束對材料之吸收率，在改質區形成高密度缺陷 (空孔、微裂縫等)與裂縫延伸，以產生裂縫結構，使得使用者能輕易沿著材料之改質區域進行裂片。
為讓本發明能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
以下結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步描述。以下實施例僅用於更加清楚地說明本發明的技術方案，而不能以此限制本發明的保護範圍。
圖1為本發明硬脆材料切割方法的流程圖。圖2為本發明硬脆材料切割裝置一實施例的示意圖。圖3為硬脆材料一實施例的示意圖。圖4A為利用本發明硬脆材料切割方法切割玻璃後改質區的示意圖。圖4B為圖4A之玻璃之改質區的放大示意圖。圖5為利用本發明硬脆材料切割方法切割玻璃後之斷面圖。需說明的是，圖2之硬脆材料切割裝置10係可依據圖1之硬脆材料切割方法S10來對材料50進行裂片，但並非限制本發明僅能以圖1之硬脆材料切割裝置10對材料進行裂片，並且，本發明可依據各種產業之不同而對不同的材料50進行雷射切割，材料50例如為玻璃(glass)、藍寶石(Sapphire)、碳化矽(SiC)或者矽(Silicon)。
請先參閱圖1，本實施例的硬脆材料切割方法S10包括以下步驟S11~S15。進行步驟S11，提供一超快雷射光束與一非超快雷射光束。如圖2所示，本發明之硬脆材料切割裝置10包括一超快雷射源11、一非超快雷射源12、時間調整單元13、一合光單元14與一光學調整單元15。
超快雷射源11如飛秒雷射源或是皮秒雷射源，其可提供一超快雷射光束(Ultrafast laser beam)S1。在本實施例中，依據不同材料50而對應超快雷射光束S1之波長範圍，舉例而言，若材料50為玻璃，超快雷射光束S1之波長可介於約350 nm至2600 nm之間；若材料50為藍寶石，超快雷射光束S1之波長可介於約250 nm至5000 nm之間；若材料為矽，超快雷射光束S1之波長可介於約1500 nm至6500 nm之間；若材料為碳化矽，超快雷射光束S1之波長可介於約350 nm至1100 nm之間。超快雷射光束S1之波長對材料50全部穿透或部分穿透，其中超快雷射光束S1之波長對材料50之部分穿透率係介於20%至100%之間。超快雷射光束S1之脈衝寬度係小於等於100 ps，且超快雷射光束S1之能量係介於1 W至100 W之間。
非超快雷射源12係可為係為一連續波(CW)雷射源或一長脈衝(Pulse)雷射源。非超快雷射源12可提供一非超快雷射光束S2，非超快雷射光束S2可為一連續波雷射或一長脈衝雷射。在本實施例中，依據不同材料50而對應非超快雷射光束S2之波長範圍，舉例而言，若材料50為玻璃，非超快雷射光束S2之波長可介於約350 nm至2600 nm之間；若材料50為藍寶石，非超快雷射光束S2之波長可介於約250 nm至5000 nm之間；若材料為矽，非超快雷射光束S2之波長可介於約1500 nm至6500 nm之間；若材料為碳化矽，非超快雷射光束S2之波長可介於約350 nm至1100 nm之間。非超快雷射光束S2之波長對材料全部穿透或部分穿透，其中非超快雷射光束S2之波長對材料50之部分穿透率係介於20%至100%之間。非超快雷射光束S2之脈衝寬度係大於100 ps，且非超快雷射光束S2之能量係介於1 W至200 W之間。
於步驟S11之後，接著進行步驟S12，使超快雷射光束S1與非超快雷射光束S2具一時間相關性。以圖2為例，硬脆材料切割裝置10中的時間調整單元13連接超快雷射源11與非超快雷射源12，時間調整單元13係使超快雷射光束S1與非超快雷射光束S2具一時間相關性。需說明的是，在此所述具時間相關性，是指非超快雷射光束S2入射進材料50的時間至少需在超快雷射光束S1照射材料50後的一定時間範圍內完成，亦即時間調整單元13使非超快雷射光束S2延遲超快雷射光束S1於一延遲時間入射，換言之，超快雷射光束S1係先入射，而非超快雷射光束S2延遲入射，其中延遲時間介於1 ps至1 ms之間入射，使得非超快雷射光束S2仍能與超快雷射光束S1彼此作用。非超快雷射光束S2可為脈衝雷射或連續波雷射。
在另一實施例中，時間調整單元13使非超快雷射光束S1與超快雷射光束S2同時入射，非超快雷射光束S2可為脈衝雷射或連續波雷射。
於步驟S12之後，接著進行步驟S13，使超快雷射光束S1與非超快雷射光束S2彼此共軸。以圖2為例，硬脆材料切割裝置10中的合光單元14係將超快雷射光束S1與非超快雷射光束S2彼此共軸，以形成一合光光束S3。在本實施例中，合光單元14例如為一偏振分光鏡(PBC)，且於超快雷射源11所提供之超快雷射光束S1與非超快雷射源12提供之非超快雷射光束S2，可分別透過反射鏡來集中收集至合光單元14，更可透過如半波片改變超快雷射光束S1與非超快雷射光束S2的偏振方向來調整能量，本發明並未限定，可依據實際兩雷射源的設置與雷射切割材料所需設定而擇定光學鏡片組合。
於步驟S13之後，接著進行步驟S14，整型超快雷射光束S1與非超快雷射光束S2成一垂直線型光束S4。以圖2為例，硬脆材料切割裝置10中的光學調整單元15整型超快雷射光束S1與非超快雷射光束S2成一垂直線型光束S4。在本實施例中，垂直線型光束S4例如為一貝賽爾光束(Bessel beam)，光學調整單元15包含一旋轉三角菱鏡(Axicon)、一組縮束鏡，超快雷射光束S1與非超快雷射光束S2經共軸成合光光束S3，合光光束S3通過旋轉三角菱鏡後透過光學干涉方式而產生貝賽爾光束，並可透過一組縮束鏡來縮小成像至材料50，然本發明不限定垂直線型光束S4之形成方式與種類，在其他實施例中，垂直線型光束係例如為一多焦點光束(Multi-focus beam)或一延伸光束(Elongated beam)。舉例而言，若垂直線型光束係例如為一多焦點光束，多焦點光束透過成像光學方式產生，透過繞射光學元件(diffractive optical element, DOE)與非球面鏡之成像光學，可於材料內部形成多個焦點之垂直線型光束；若垂直線型光束係例如為一延伸光束係可透過前述繞射光學元件之元件設計來使得於前述焦點之間具有能量點源，以形成所需延伸光束。
於步驟S14之後，接著進行步驟S15，入射垂直線型光束S4至一材料50，並於材料50之厚度方向L1改質材料50。由於步驟S11中已設定超快雷射光束S1之波長與非超快雷射光束S2之波長，使超快雷射光束S1之波長對材料50全部穿透或部分穿透，故能使垂直線型光束S4涵蓋材料50之厚度方向L1，需說明的是，在此所述厚度方向L1係與垂直線型光束S4入射至材料50的方向平行。因此，如圖3所示，於步驟S15中被垂直線型光束S4照射的材料50發生改質，以在材料50之改質區51內形成複數個缺陷(defect)，其中缺陷可為空孔(void empty)53及微裂縫(micro-cracks)54，本發明之硬脆材料切割方法S10能依據垂直線型光束S4中的超快雷射光束S1提升非超快雷射光束S2對材料50之吸收率，以提升在改質區51內形成複數個缺陷(如圖3中的空孔53及微裂縫54)之密度，並將複數個缺陷延伸形成裂縫延伸，來產生一裂縫結構52。另需說明的是，圖3之改質區51、空孔53、微裂縫54與裂縫結構52之型態與大小僅為舉例而便於說明，並非用以限制本發明。
本發明之硬脆材料切割方法S10除了係對材料50一次性切割來提升產能以外，本發明並非係直接將材料50切斷，而是對材料50做整體改質，並藉由超快雷射光束S1與非超快雷射光束S2彼此作用，在改質區形成高密度缺陷(如空孔、微裂縫)及裂縫延伸，來產生裂縫結構52，使得使用者能輕易撥開或撕裂材料50。如圖4A所示，係利用本發明硬脆材料切割方法S10對玻璃20進行改質，使得在玻璃20之改質區22產生裂縫結構21，圖4B將圖4A之改質區22放大可看出，透過本發明可使得改質區22內形成諸多空孔或微裂縫等缺陷，透過這些缺陷以達到裂縫延伸之目的而產生裂縫結構21。如圖5所示，係利用本發明硬脆材料切割方法S10對玻璃20切割後之斷面圖，斷面23由使用者撥開或撕裂玻璃20之裂縫結構所產生，由該圖5可看出，透過本發明硬脆材料切割方法S10可使得使用者能輕易撥開或撕裂玻璃20而降低破片(clipping)的疑慮，並且，可降低切割玻璃20後毛邊產生且不容易留有殘料及崩角而具有較佳的切割效果。
綜上所述，在本發明之硬脆材料切割方法及其裝置中，透過設計超快雷射光束與非超快雷射光束具一時間相關性，使得超快雷射光束與非超快雷射光束能彼此作用，使得入射至材料的垂直線型光束於材料之厚度方向改質材料以在材料形成裂縫結構。此外，本發明藉由超快雷射光束能提升非超快雷射光束對材料之吸收率，在改質區形成高密度缺陷 (空孔、微裂縫等)與裂縫延伸，以產生裂縫結構，使得使用者能輕易沿著材料之裂縫結構進行裂片。
再者，本發明之硬脆材料切割方法及其裝置，係對材料於其厚度方向進行整體改質，可對材料做整體性的一次性切割，不僅可提升產能並能瞬間增加材料之缺陷密度及裂縫延伸，來產生裂縫結構，使得材料在加工過後更容易撥開或撕裂。
另外，本發明更可用於異形切割，且本發明之硬脆材料切割方法及其裝置係對材料切割與裂片同步，故可有效縮短對材料切割之製程時間。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
| 10 | 硬脆材料切割裝置 |
| 11 | 超快雷射源 |
| 12 | 非超快雷射源 |
| 13 | 時間調整單元 |
| 14 | 合光單元 |
| 15 | 光學調整單元 |
| 20 | 玻璃 |
| 21 | 裂縫結構 |
| 22 | 改質區 |
| 23 | 斷面 |
| 50 | 材料 |
| 51 | 改質區 |
| 52 | 裂縫結構 |
| 53 | 空孔 |
| 54 | 微裂縫 |
| L1 | 厚度方向 |
| S1 | 超快雷射光束 |
| S2 | 非超快雷射光束 |
| S3 | 合光光束 |
| S4 | 垂直線型光束 |
| S10 | 硬脆材料切割方法 |
| S11~S15 | 步驟 |
圖1為本發明硬脆材料切割方法的流程圖 圖2為本發明硬脆材料切割裝置一實施例的示意圖。 圖3為硬脆材料一實施例的示意圖。 圖4A為利用本發明硬脆材料切割方法切割玻璃後改質區的示意圖。 圖4B為圖4A之玻璃之改質區的放大示意圖。 圖5為利用本發明硬脆材料切割方法切割玻璃後之斷面圖。
Claims (29)
- 一種硬脆材料切割方法，包括以下步驟：提供一超快雷射光束與一非超快雷射光束，使該超快雷射光束之波長與該非超快雷射光束之波長分別對一材料全部穿透或部分穿透；使該超快雷射光束與該非超快雷射光束具一時間相關性；整型該超快雷射光束與該非超快雷射光束成一垂直線型光束；以及入射該垂直線型光束至該材料，使該垂直線型光束涵蓋該材料之厚度方向，並於該材料之厚度方向改質該材料以在該材料之一改質區內形成複數個缺陷，其中依據該垂直線型光束中的該超快雷射光束提升該非超快雷射光束對該材料之吸收率，以提升在該改質區內形成該複數個缺陷之密度，並能延伸該複數個缺陷來產生一裂縫結構。
- 如申請專利範圍第1項所述之硬脆材料切割方法，其中所述使該超快雷射光束與該非超快雷射光束具該時間相關性的步驟中，包括以下步驟：使該非超快雷射光束延遲該超快雷射光束於一延遲時間入射。
- 如申請專利範圍第2項所述之硬脆材料切割方法，其中該延遲時間介於1ps至1ms之間入射。
- 如申請專利範圍第1項所述之硬脆材料切割方法，其中所述使該超快雷射光束與該非超快雷射光束具該時間相關性的步驟中，包括以下步驟：使該非超快雷射光束與該超快雷射光束同時入射。
- 如申請專利範圍第1項所述之硬脆材料切割方法，其中該超快雷射光束之波長與該非超快雷射光束之波長分別對該材料部分穿透率係介於20%至100%之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之硬脆材料切割方法，其中該材料為玻璃、藍寶石、矽或碳化矽，若該材料為玻璃，該超快雷射光束之波長係介於350nm至2600nm之間；若該材料為藍寶石，該超快雷射光束之波長係介於250nm至5000nm之間；若該材料為矽，該超快雷射光束之波長係介於1500nm至6500nm之間；若該材料為碳化矽，該超快雷射光束之波長係介於350nm至1100nm之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之硬脆材料切割方法，其中該超快雷射光束之脈衝寬度係小於等於100ps。
- 如申請專利範圍第1項所述之硬脆材料切割方法，其中該超快雷射光束之能量係介於1W至100W之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之硬脆材料切割方法，其中該非超快雷射光束係為一連續波雷射或一長脈衝雷射。
- 如申請專利範圍第1項所述之硬脆材料切割方法，其中該材料為玻璃、藍寶石、矽或碳化矽，若該材料為玻璃，該非超快雷射光束之波長係介於350nm至2600nm之間；若該材料為藍寶石，該非超快雷射光束之波長係介於250nm至5000nm之間；若該材料為矽，該非超快雷射光束之波長係介於1500nm至6500nm之間；若該材料為碳化矽，該非超快雷射光束之波長係介於350nm至1100nm之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之硬脆材料切割方法，其中該非超快雷射光束之脈衝寬度為大於100ps。
- 如申請專利範圍第1項所述之硬脆材料切割方法，其中該非超快雷射光束之能量係介於1W至200W之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之硬脆材料切割方法，其中所述提供該超快雷射光束與該非超快雷射光束的步驟中，包括以下步驟：使該超快雷射光束與該非超快雷射光束彼此共軸。
- 如申請專利範圍第1項所述之硬脆材料切割方法，其中所述整型該超快雷射光束與該非超快雷射光束成該垂直線型光束的步驟中，該垂直線型光束係為一貝賽爾光束(Bessel beam)、一多焦點光束(Multi-focus beam)或一延伸光束(Elongated beam)。
- 如申請專利範圍第1項所述之硬脆材料切割方法，其中所述使該超快雷射光束與該非超快雷射光束具該時間相關性的步驟，是指使該非超快雷射光束入射進該材料的時間至少需在該超快雷射光束照射該材料後的一定時間範圍內完成。
- 一種硬脆材料切割裝置，包括：一超快雷射源，提供一超快雷射光束，其中該超快雷射光束之波長對一材料全部穿透或部分穿透；一非超快雷射源，提供一非超快雷射光束，其中該非超快雷射光束之波長分別對該材料全部穿透或部分穿透；一時間調整單元，連接該超快雷射源與該非超快雷射源，該時間調整單元係使該超快雷射光束與該非超快雷射光束具一時間相關性；一光學調整單元，整型該超快雷射光束與該非超快雷射光束成一垂直線型光束，使該垂直線型光束涵蓋該材料之厚度方向，並將該垂直線型光束入射至一材料，於該材料之厚度方向改質該材料以在該材料之一改質區內形成複數個缺陷，其中依據該垂直線型光束中的該超快雷射光束提升該非超快雷射光束對該材料之吸收率，以提升在該改質區內形成該複數個缺陷之密度，並能延伸該複數個缺陷來產生一裂縫結構。
- 如申請專利範圍第16項所述之硬脆材料切割裝置，其中該時間調整單元使該非超快雷射光束延遲該超快雷射光束於一延遲時間入射。
- 如申請專利範圍第17項所述之硬脆材料切割裝置，其中該延遲時間介於1ps至1ms之間入射。
- 如申請專利範圍第16項所述之硬脆材料切割裝置，其中該時間調整單元使該非超快雷射光束與該超快雷射光束同時入射。
- 如申請專利範圍第16項所述之硬脆材料切割裝置，其中該超快雷射光束之波長與該非超快雷射光束之波長對該材料之該部分穿透率係介於20%至100%之間。
- 如申請專利範圍第16項所述之硬脆材料切割裝置，其中該材料為玻璃、藍寶石、矽或碳化矽，若該材料為玻璃，該超快雷射光束之波長係介於350nm至2600nm之間；若該材料為藍寶石，該超快雷射光束之波長係介於250nm至5000nm之間；若該材料為矽，該超快雷射光束之波長係介於1500nm至6500nm之間；若該材料為碳化矽，該超快雷射光束之波長係介於350nm至1100nm之間。
- 如申請專利範圍第16項所述之硬脆材料切割裝置，其中該超快雷射光束之脈衝寬度係小於等於100ps。
- 如申請專利範圍第16項所述之硬脆材料切割裝置，其中該超快雷射光束之能量係介於1W至100W之間。
- 如申請專利範圍第16項所述之硬脆材料切割裝置，其中該非超快雷射光束係為一連續波雷射或一長脈衝雷射。
- 如申請專利範圍第16項所述之硬脆材料切割裝置，其中該材料為玻璃、藍寶石、矽或碳化矽，若該材料為玻璃，該非超快雷射光束之波長係介於350nm至2600nm之間；若該材料為藍寶石，該非超快雷射光束之波長係介於250nm至5000nm之間；若該材料為矽，該非超快雷射光束之波長係介於1500nm至6500nm之間；若該材料為碳化矽，該非超快雷射光束之波長係介於350nm至1100nm之間。
- 如申請專利範圍第16項所述之硬脆材料切割裝置，其中該非超快雷射光束之脈衝寬度為大於100ps。
- 如申請專利範圍第16項所述之硬脆材料切割裝置，其中該非超快雷射光束之能量係介於1W至200W之間。
- 如申請專利範圍第16項所述之硬脆材料切割方裝置，更包括：一合光單元，係將該超快雷射光束與該非超快雷射光束彼此共軸。
- 如申請專利範圍第16項所述之硬脆材料切割裝置，其中所述使該超快雷射光束與該非超快雷射光束具一時間相關性，是指使該非超快雷射光束入射進該材料的時間至少需在該超快雷射光束照射該材料後的一定時間範圍內完成。
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