借助激光從平坦基板中切割輪廓的設(shè)備及方法
【專利說明】借助激光從平坦基板中切割輪廓的設(shè)備及方法
[0001] 本發(fā)明設(shè)及借助激光從平坦基板（更具體地：從玻璃基板或晶體基板）切割輪廓 的設(shè)備和方法。
[0002] DE10 2011 00768A1描述了如何在激光的幫助下，半導(dǎo)體片、玻璃元件和其他基 板可通過激光的波長被材料極大地吸收而被分成多個(gè)部分。因此，實(shí)現(xiàn)了最終導(dǎo)致基板分 成多個(gè)部分的材料去除。然而，此方法在很多材料的情況下具有缺點(diǎn)，產(chǎn)生了諸如例如在消 融（油lation)期間由于粒子形成引起的雜質(zhì)或具有不期望的微裂縫或烙化邊緣的切割邊 緣使得切割間隙在材料的厚度上不均勻。因?yàn)椴牧线€必須被汽化或液化，所W必須提供高 平均激光功率。
[0003] 從現(xiàn)有技術(shù)開始，因此本發(fā)明的目的是為了實(shí)現(xiàn)一種方法（及相應(yīng)的設(shè)備），利用 該方法，可在邊緣處具有最小裂縫形成、盡可能直的切割邊緣W及在高的過程速度的情況 下加工平坦基板（尤其由脆性材料制成的），從而可從運(yùn)些基板加工出輪廓（最終分離）而 沒有作為在基板平面上延伸的不期望的裂縫、剝落或其他破裂在輪廓的分離之后保留在基 板上的結(jié)果。因此本發(fā)明的目標(biāo)是輪廓從基板的準(zhǔn)確、干凈的分離，尤其是內(nèi)部輪廓從基板 上的干凈、精確的去除。
[0004] 如隨后詳細(xì)地描述，根據(jù)本發(fā)明，通常利用對(duì)于基板基本上透明的波長處的脈沖 激光進(jìn)行本操作。然而，基本上連續(xù)波激光的使用也是可能的，只要激光束在基板表面上的 其引導(dǎo)期間可被快速地再次打開和關(guān)閉（例如借助光調(diào)制器）W產(chǎn)生內(nèi)部損壞的區(qū)域，該 內(nèi)部損壞的區(qū)域中的一個(gè)位于另一個(gè)的后面（見下文）。
[0005] 通過根據(jù)權(quán)利要求1的方法W及通過根據(jù)權(quán)利要求16的設(shè)備獲得了根據(jù)本發(fā)明 的目的，在從屬權(quán)利要求中描述了有利的變體。
[0006] 隨后，首先大體上描述本發(fā)明，然后參考實(shí)施例。根據(jù)在實(shí)施例的范圍內(nèi)產(chǎn)生的本 發(fā)明的特征由此不需要W描述的結(jié)合來精確地產(chǎn)生而在本發(fā)明的范圍內(nèi)，反而個(gè)別特征還 可被省略或者W不同的方式與其他特征結(jié)合。特別地，不同實(shí)施例的特征還可彼此結(jié)合或 者描述的特征中的個(gè)別特征還可被省略。
[0007] 在權(quán)利要求1中描述根據(jù)本發(fā)明的方法的本質(zhì)特征。輪廓由此被理解為W基板的 部分表面為形式的基板平面中的二維表面。與此部分表面對(duì)應(yīng)的基板的部分旨在被從基板 中去除，基板的剩余部分旨在后續(xù)過程中被進(jìn)一步處理。換而言之：要從基板中分離的輪 廓形成了也可被破壞的不期望的表面，剩余基板部分旨在幸免于輪廓的分離過程而沒有內(nèi) 部損壞并且具有盡可能依照輪廓線的理想切割邊緣。運(yùn)可根據(jù)本發(fā)明來實(shí)現(xiàn)。隨后，通過 基板，輪廓的分離之前的靜止的未加工的基板和輪廓的分離之后保留的剩余基板兩者來理 解。從相應(yīng)的內(nèi)容中，本領(lǐng)域技術(shù)人員理解意思是什么。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明，實(shí)施輪廓限定步驟使得在其實(shí)施之后，輪廓的輪廓路線被刻在基板 材料中，然而輪廓仍然連接到基板，從而還未實(shí)施輪廓從基板上的完全分離：不期望的輪廓 從基板中逐步的完全分離是通過輪廓限定步驟、可選的裂縫限定步驟、可選的應(yīng)力釋放步 驟W及材料去除和/或材料形變步驟來實(shí)現(xiàn)的，如果還需要的話（即如果在實(shí)施步驟（a) 至（d)之后輪廓?dú)堄嘁揽坎牧现械膬?nèi)在應(yīng)力還沒自主地脫落），通過可選的后處理步驟。還 實(shí)現(xiàn)了在可選的裂縫限定步驟（參見權(quán)利要求4)和可選的應(yīng)力釋放步驟中的各個(gè)內(nèi)部損 壞區(qū)域的引入，從而還未實(shí)現(xiàn)基板中隨后產(chǎn)生的局部部分的完全分離。
[0009] 可選的裂縫限定步驟的實(shí)施優(yōu)選地實(shí)現(xiàn)在輪廓限定步驟的結(jié)束之后，但運(yùn)不是必 要的：因此例如，可通過在實(shí)施用于產(chǎn)生裂縫線部分的裂縫限定步驟之前引入內(nèi)部損壞的 區(qū)域首先產(chǎn)生輪廓線的局部部分，而在該裂縫限定步驟的結(jié)束之后，輪廓限定步驟的剩余 輪廓線部分被引入基板材料。
[0010] 理解到，裂縫線部分W角度α〉〇°導(dǎo)向遠(yuǎn)離輪廓線，即前述的（可能朝向輪廓線 連續(xù)的）裂縫線部分導(dǎo)向遠(yuǎn)離輪廓線的位置處的局部切線與裂縫線部分的末端處取向朝 向輪廓線的局部切線之間的角度α大于0°。 W11] 根據(jù)本發(fā)明，步驟（a)、化）和（d)(即在輪廓限定步驟中、在裂縫限定步驟中和 在應(yīng)力釋放步驟中一隨后運(yùn)些項(xiàng)（a)到（d)也被替代地用于根據(jù)本發(fā)明的步驟）中的激 光照射不需要垂直于基板平面來實(shí)施，即內(nèi)部損壞的各個(gè)區(qū)域不需要垂直于基板平面延 伸（并且也不需要垂直于基板平面明確地穿過整個(gè)基板厚度）?？上鄬?duì)于基板法線W角度 〉〇° (例如在0°和20°之間）實(shí)施激光照射（內(nèi)部損壞的區(qū)域的傾斜引入）。
[0012] 理解到，從數(shù)學(xué)的角度看，在本發(fā)明的范圍內(nèi)優(yōu)選地加工的內(nèi)部輪廓（即要被引 入和去除的）僅僅與二維空間（基板的平面）或基板中相應(yīng)的局部部分的數(shù)量相關(guān)。要從 中去除的內(nèi)部輪廓因此可具有幾乎任何形狀。特別地，對(duì)于內(nèi)部輪廓，圓形、楠圓形、針墊 (pin-cushion)形、長方形（具有圓角）等通過激光束在基板表面上沿著相應(yīng)形狀的輪廓線 移動(dòng)是可能的。優(yōu)選地，基板由此W靜止的方式被設(shè)置在世界坐標(biāo)系內(nèi)并且激光束通過適 當(dāng)?shù)墓馐龑?dǎo)光學(xué)單元（例如可具有由檢流計(jì)掃描器跟蹤的F-theta透鏡）在基板表面上 移動(dòng)。替代地，相對(duì)于世界坐標(biāo)系靜止的光束引導(dǎo)透鏡系統(tǒng)也是可能的，然后基板需要相對(duì) 于光束引導(dǎo)透鏡系統(tǒng)和激光束在世界坐標(biāo)系中移動(dòng)。
[0013] 隨后理解的是，基板厚度，基板的延伸垂直于基板平面，即在基板前側(cè)與基板后側(cè) 之間?；迩皞?cè)由此是取向朝向福射激光的基板的表面。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的方法的第一優(yōu)選獲得特征可從權(quán)利要求2中推導(dǎo)出。
[0015] 材料移除可尤其被應(yīng)用到要分離的內(nèi)部輪廓的大半徑和小半徑且尤其適用于較 小輪廓（諸如例如具有直徑<2. 5mm的圓的斷片）和長方形孔。
[0016] 對(duì)于材料去除，可使用在基板上碰撞（由聚焦獲得）時(shí)具有大約0. 05mm和0. 5mm 之間范圍中的光束直徑的C〇2激光器。CO2激光器可W是脈沖的或連續(xù)施加的。優(yōu)選地，使 用100 μS到4, 000 μS的范圍中的脈沖，具有0. 1曲Z至IJ 100曲Z的脈沖序列頻率。尤其優(yōu) 選的是，脈沖持續(xù)時(shí)間在300 μS和4, 000 μS之間的范圍中，具有0. 1曲Ζ到3曲Ζ脈沖序列 頻率。激光功率可W在10到200W的范圍中，然而優(yōu)選在10到100W的范圍中。
[0017] 激光束的傳播路徑是沿著輪廓線的、與輪廓線有一間隔且在要分離的輪廓中，因 此例如在與目標(biāo)輪廓對(duì)稱的（平行）軌跡上。例如有要去除的圓形輪廓（孔斷片），圓形運(yùn) 動(dòng)。傳播路徑可被執(zhí)行一次或者多次重復(fù)。
[0018] 由于小聚焦直徑和高激光功率，基板材料基本上烙化了（材料去除）。連同上部毫 秒范圍中的激光脈沖一起，整個(gè)基板材料厚度（例如0.7mm)因此可利用一次脈沖完全徹底 地加熱。
[0019] 可通過氣體噴嘴（nozzle)與過程氣體（例如CDA)的使用來輔助材料去除步驟。 例如具有2mm的噴嘴直徑和1. 5到4bar的氣體壓強(qiáng)，即使對(duì)于小輪廓和小半徑，也可特別 好地產(chǎn)生材料去除。借助氣體流動(dòng)，在光束方向上消除由激光烙化的材料。
[0020] 利用上述的參數(shù)，例如鋼化玻璃值化40μm)也可被提供來材料去除而沒有損壞 的裂縫形成的結(jié)果。
[0021] 應(yīng)該充分地遠(yuǎn)離輪廓線（目標(biāo)輪廓線）移除去除輪廓（去除線）（通常運(yùn)里，根據(jù) 基板材料，大約0. 1到1. 3mm的間隔足夠了）：例如要去除具有2mm直徑的圓玻璃盤，去除線 離輪廓線的最小間隔應(yīng)該為0. 1mm(形變直徑或圓形去除線的直徑最多為1. 8mm)。在1. 5mm 的玻璃片直徑的情況下，形變直徑應(yīng)該為最多1. 3mm。在1. 0mm的玻璃盤直徑的情況下，形 變直徑應(yīng)該為最多0. 8mm。
[0022] 隨后更具體地描述的裂縫線部分（例如V切割）具有輪廓的完全分離的輔助效 果。
[0023] 根據(jù)權(quán)利要求3的有利特征，替代或者除了根據(jù)權(quán)利要求2的材料去除之外，要分 離的輪廓的材料部分的去除借助熱形變是可能的。
[0024] 用于W不去除基板材料的方式的基板材料的提取的C〇2激光器或其激光束可 純熱形變方式用于基板材料（尤其要分離的輪廓的基板材料）（運(yùn)在要分離比較大的輪廓 的情況下優(yōu)選地實(shí)施，例如在要分離的圓形斷片具有直徑> 2. 5mm，優(yōu)選> 5 - 10mm的情況 下）。
[00巧]具有運(yùn)種材料形變步驟的過程可W如下：
[00%] 借助基板的C〇2激光照射，例如借助激光束沿著輪廓線但與其間隔且在要分離的 輪廓中的運(yùn)動(dòng)（例如沿著要分離的輪廓的中屯、的圓周或螺線），至少要分離的輪廓的部分 被加熱，從而結(jié)果是至少要分離的輪廓部分的塑性形變。碰撞在基板材料上的C〇2激光斑 點(diǎn)的直徑可覆蓋寬的范圍：〇. 1mm到10mm。優(yōu)選0. 2mm到3mm的直徑。C〇2激光器可W脈 沖地并連續(xù)地運(yùn)行。然而優(yōu)選地，使用6μS到4000μS的范圍中的脈沖，且具有0. 1曲Z到 100曲Ζ的范圍中的脈沖序列頻率。激光功率可W在10到300W的范圍中，優(yōu)選在10到50W 之間的范圍中。
[0027] 激光的傳播路徑優(yōu)選為相對(duì)于要分離的輪廓（目標(biāo)輪廓）對(duì)稱的（例如平行的， 但有間隔）軌跡。例如在孔斷片為要分離的內(nèi)部輪廓的情況下，圓形運(yùn)動(dòng)。然而，螺線運(yùn)動(dòng) 也可在運(yùn)樣的內(nèi)部輪廓（例如玻璃盤）的熱塑性形變上具有有利的影響。在某些情況下， 運(yùn)可證明是有利的，如果激光束僅在要分離的輪廓的中屯、在限定的時(shí)間區(qū)間（例如…S和 0. 5s之間）上保持靜止而使熱量通過要分離的輪廓且因此使其形變。傳播路徑可被通過一 次或者多次重復(fù)，運(yùn)可在要分離的輪廓的熱塑性形變上具有有利的影響。
[0028] 在中屯、的塑性形變導(dǎo)致要分離的輪廓（例如玻璃盤）的收縮，由于中屯、的照射區(qū) 域上或朝向中屯、的基板材料（例如玻璃材料）的熱致流動(dòng)。例如在圓盤為要分離的輪廓的 情況下，運(yùn)可如下所見：
[0029] ?由于重力，形變通常在地球的中屯、的方向上遠(yuǎn)離激光形成隆起。此隆起可能會(huì)采 取液滴形狀。此表面地形可與凸透鏡的表面地形相比較。
[0030] ?在特定激光條件下，隆起也形成為朝向激光。那么表面地形為雙面凸透鏡的表面 地形。
[0031] ?在特定激光條件下，凹部（凹面）被形成在一側(cè)，而在相反的表面上，隆起。
[0032] ?如果照射表面遭受平行且同時(shí)經(jīng)由氣體噴嘴的過程氣體（商用氣體，CDA)的 流動(dòng)，那么隆起和/或凹部的形成可被非常精確地控制。因此，即使具有非常小的半徑 (<2. 5mm到1. 2mm)的輪廓也可被引導(dǎo)來去除。例如在2mm的噴嘴直徑W及1. 5到-3bar的 范圍內(nèi)的氣體壓強(qiáng)的情況下，相對(duì)較小的輪廓可被特別容易地去除。
[0033] 描述的熱塑性形變變體共同具有的是要分離的輪廓的基板材料流動(dòng)（例如在要 去除的內(nèi)部輪廓朝向相同的中屯、流動(dòng)）從而形成相對(duì)于剩余基板材料的裂縫（要去除的內(nèi) 部輪廓的位于外表上的材料）。運(yùn)樣的縫隙可具有大約10μπι到50μπι的尺寸。
[0034] 在短暫的熱松弛時(shí)間（要分離的輪廓的冷卻和收縮）之后，由于形成的縫隙，要分 離的輪廓完全地掉落。
[0035] 在材料形變步驟的情況下，因此沒有基板材料被去除，沒有產(chǎn)生去除產(chǎn)物。
[0036]C〇2誘導(dǎo)的熱塑性形變或由激光照射的區(qū)域應(yīng)該充分地遠(yuǎn)離（根據(jù)基板材料，大約 1到3mm的間隔通常足夠了）已經(jīng)引導(dǎo)的輪廓線（輪廓切割）而被去除：例如具有10mm直 徑的玻璃盤要被去除，在此玻璃盤的中屯、照射的區(qū)域（形變直徑）應(yīng)該具有最多8mm的直 徑。在5mm的玻璃盤直徑的情況下，該區(qū)域應(yīng)該為最多3. 4mm。在2. 5mm的玻璃盤直徑的情 況下，該區(qū)域應(yīng)該為最多1. 5mm。
[0037] 已經(jīng)引導(dǎo)的輪廓線（目標(biāo)輪廓切割）相對(duì)于剩下的殘余基板形成充分的熱絕 緣，從而具有適當(dāng)?shù)臒崴苄孕巫冎睆?，可?shí)現(xiàn)在切合邊緣上或在周圍材料上沒有W碎片 (chipping)或寄生的裂紋形成的形式的不利熱影響。
[0038] 在后續(xù)實(shí)施例中，借助沒有更加詳細(xì)描述的材料去除激光束來實(shí)現(xiàn)作為材料去除 步驟的材料去除和/或材料形變步驟