專利名稱：激光切割脆性材料的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及切割與分離技術(shù)，尤其是一種使用激光來(lái)切割、劈裂及/或分離非金屬或脆 性材料之方法及裝置。
背景技術(shù)：
激光熱應(yīng)力切割脆性材料的方法一般以配合脆性材料強(qiáng)烈吸收特性的激光來(lái)加熱脆性材 料表面以在脆性材料表面形成切割裂痕，例如，在脆性材料為玻璃的情形下一般使用波長(zhǎng)約 為IO. 6微米的二氧化碳激光，在脆性材料為硅的情形下一般使用波長(zhǎng)約為l. 06微米或更短的 釔鋁石榴石(Yttrium Aluminum Garnet, YAG)激光。然后以冷卻流體冷卻，進(jìn)而在該脆性材 料表面因急劇變化之溫度差產(chǎn)生熱應(yīng)力，使具有初始裂紋的脆性材料邊緣產(chǎn)生裂紋，并沿該 切割裂痕成長(zhǎng)。
然而，如何達(dá)到穩(wěn)定而快速的切裂品質(zhì)，則應(yīng)該考慮以下三大要素穩(wěn)定的加熱能量來(lái)
源、穩(wěn)定的冷卻能量提供以及穩(wěn)定的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，來(lái)共同創(chuàng)造穩(wěn)定的熱應(yīng)力控制機(jī)制。 因此，本發(fā)明針對(duì)穩(wěn)定的加熱能量來(lái)源做一實(shí)質(zhì)的改善，以獲取穩(wěn)定而快速的切割品質(zhì)

發(fā)明內(nèi)容
下面將以實(shí)施例說(shuō)明一種激光切割脆性材料的方法及裝置，可獲取穩(wěn)定而快速的切割品質(zhì)。
一種激光切割脆性材料的方法，用以切割一脆性材料，其包括步驟 提供一第一激光束；
利用一空間過(guò)濾器(Spatial filter)將第一激光束過(guò)濾整形成一具預(yù)定能量密度輪廓的 第二激光束；
將第二激光束調(diào)制整形成具長(zhǎng)條形光斑形狀的一第三激光束，該第三激光束具有一前導(dǎo) 端(Leading edge)及一拖曳端(Trailing edge),該第三激光束的能量密度輪廓線在該前導(dǎo) 端的平均斜率小于在該拖曳端的平均斜率；
利用第三激光束加熱一脆性材料；以及
在該脆性材料上施加一冷卻流體，以使該脆性材料沿該第三激光束的移動(dòng)方向產(chǎn)生裂紋 成長(zhǎng)。以及， 一種激光切割脆性材料的裝置，其包括 一個(gè)激光產(chǎn)生器，用以產(chǎn)生一第一激光束；
一空間過(guò)濾器，用以將第一激光束過(guò)濾整形成一具預(yù)定能量密度輪廓的第二激光束； 一光學(xué)調(diào)制元件，用以將第二激光束調(diào)制整形成具長(zhǎng)條形光斑形狀的一第三激光束以加
熱一脆性材料，該第三激光束具有一前導(dǎo)端及一拖曳端，該第三激光束的能量密度輪廓線在
該前導(dǎo)端的平均斜率小于在該拖曳端的平均斜率；以及
一冷卻裝置，用以向脆性材料施加一冷卻流體，以使該脆性材料沿該第三激光束的移動(dòng)
方向產(chǎn)生裂紋成長(zhǎng)。
相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，所述激光切割脆性材料的方法及裝置，其經(jīng)由過(guò)濾及調(diào)制作用將激光 束整形成具長(zhǎng)條形光斑形狀，使得最終加熱脆性材料的第三激光束之能量密度輪廓線在該前 導(dǎo)端的平均斜率小于在該拖曳端的平均斜率。也即，該第三激光束之能量密度分布在前導(dǎo)端 為平緩變化，可進(jìn)行預(yù)熱功能；能量密度分布在拖曳端為急劇下滑，可讓冷卻作用產(chǎn)生最大 溫差。因此，經(jīng)由改善加熱能量來(lái)源，最終可獲取穩(wěn)定而快速的切割品質(zhì)。


圖l是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種用于產(chǎn)生具長(zhǎng)條形光斑形狀的激光束之激光切割裝置的 結(jié)構(gòu)配置示意圖。
圖2是采用圖1所示激光切割裝置產(chǎn)生的具長(zhǎng)條形光斑形狀之激光束切割脆性材料之一狀 態(tài)示意圖。
圖3是沿圖2剖線III-III之剖面示意圖。
圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的切割速度與切割深度關(guān)系示意圖。 圖5為局部形成有切割裂痕的脆性材料的照片。 圖6是圖5所示脆性材料裂片后其端面形態(tài)照片。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
參見圖1至圖3，本發(fā)明實(shí)施例提供的激光切割脆性材料的方法可采用如圖l所示的激光 切割裝置10來(lái)產(chǎn)生具長(zhǎng)條形光斑形狀的激光束116，以對(duì)脆性材料20，如玻璃、陶瓷、玻璃 硅晶圓或發(fā)光二極管晶圓等進(jìn)行切割。本實(shí)施例中，激光切割裝置10包括一個(gè)激光產(chǎn)生器 11、 一個(gè)光學(xué)偏轉(zhuǎn)元件12、 一個(gè)空間過(guò)濾器13、 一個(gè)光學(xué)調(diào)制元件15以及一個(gè)冷卻裝置17。 該激光切割脆性材料的方法可包括以下步驟
首先，提供一第一激光束112;該第一激光束112可由激光產(chǎn)生器11產(chǎn)生，其可為高斯光束、非高斯光束或其混合。其中，高斯光束可為TEM00模激光束；非高斯光束可為TEM01模激 光束或TEM10模激光束等。第一激光束11的波長(zhǎng)通常需與脆性材料20的吸收波長(zhǎng)相匹配，因 此其種類的選擇則視脆性材料20的材質(zhì)而定；例如，當(dāng)脆性材料20的材質(zhì)為玻璃時(shí)可選用波 長(zhǎng)約為IO. 6微米的二氧化碳激光束，當(dāng)脆性材料的材質(zhì)為硅時(shí)則可選用波長(zhǎng)約為l. 06微米的 釔鋁石榴石激光束。
接著，利用空間過(guò)濾器(Spatial filter) 13將第一激光束112過(guò)濾整形成一具預(yù)定能量 密度輪廓的第二激光束114。具體的，由激光產(chǎn)生器11產(chǎn)生的第一激光束112經(jīng)由光學(xué)偏轉(zhuǎn)元 件12，例如反射鏡(Mirror)導(dǎo)引并入射至空間過(guò)濾器13，再由空間過(guò)濾器13對(duì)該入射的第一 激光束112進(jìn)行過(guò)濾整形，使得過(guò)濾整形后的第二激光束114具有預(yù)定的能量密度輪廓。其中 ，所采用的空間過(guò)濾器13主要由一個(gè)透鏡對(duì)以及一個(gè)針孔(pinhole)孔徑光闌組成，其可通 過(guò)對(duì)針孔孔徑光闌上的針孔位置設(shè)置，將第一激光束112過(guò)濾整形成具有預(yù)定的能量密度輪 廓之第二激光束114。例如，將該針孔孔徑光闌的針孔設(shè)置在其周邊位置而非中央部位，可 防止過(guò)濾整形后形成的第二激光束114的中央部分的能量起伏過(guò)大，從而可使得第二激光束 114具有合適的能量密度輪廓。另外，經(jīng)空間過(guò)濾器13過(guò)濾整形后所形成的第二激光束114的 光斑形狀可為圓形、方形(square)或條形，該光斑形狀可由針孔的位置決定。
然后，將該第二激光束114調(diào)制整形成一具長(zhǎng)條形光斑形狀的第三激光束116。如圖2及 圖3所示，第三激光束116的光斑形狀近似為長(zhǎng)條形的橢圓狀，其具有一前導(dǎo)端1162及一拖曳 端1164。第三激光束116的能量密度(power intensity)輪廓線1160在前導(dǎo)端1162的平均斜率 小于在拖曳端1164的平均斜率；也即第三激光束116的能量密度分布在前導(dǎo)端1162為平緩變 化而在拖曳端1164則為急劇下滑。因此，當(dāng)?shù)谌す馐?16加熱脆性材料20以及在脆性材料 20上距離第三激光束116的拖曳端1164預(yù)定距離的位置施加冷卻流體118以形成切割裂痕22的 過(guò)程中，第三激光束116的前導(dǎo)端1162(也即B1點(diǎn)的右側(cè)部分)執(zhí)行預(yù)熱功能，其拖曳端 1164 (也即B2點(diǎn)的左側(cè)部分)則可讓冷卻作用產(chǎn)生最大溫差以利于初始裂紋(initial crack) 21沿第三激光束116的移動(dòng)方向(也即切割裂痕22的延伸方向)成長(zhǎng)。其中，冷卻流體 118由冷卻裝置17提供，其可為噴射的氣液混合物(are-liquid mist)。
該第三激光束116可經(jīng)由光學(xué)調(diào)制元件15對(duì)第二激光束114調(diào)制整形后獲得；為使第三激 光束116的能量密度(power intensity)輪廓線1160在前導(dǎo)端1162的平均斜率小于在拖曳端 1164的平均斜率，可經(jīng)由設(shè)計(jì)軟件優(yōu)化光學(xué)調(diào)制元件15的光學(xué)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，并不限于 優(yōu)化光學(xué)參數(shù)之方法，也可通過(guò)調(diào)整第二激光束114與光學(xué)調(diào)制元件15的夾角大小(0 +90° )來(lái)調(diào)整第三激光束116入射至脆性材料20上的角度，從而可調(diào)制第三激光束116的前導(dǎo)端1162與拖曳端1164的能量密度分布，以使得第三激光束116的能量密度輪廓線1160在前導(dǎo)端 1162的平均斜率小于在拖曳端1164的平均斜率。在第三激光束116加熱脆性材料20的過(guò)程中 ，第三激光束116的能量密度輪廓通常保持不變。其中，光學(xué)調(diào)制元件15可選用球-柱狀透鏡 、非球面元件等折射式元件；可以理解的是，光學(xué)調(diào)制元件15也可采用衍射式元件或折衍混 合式元件，只要其能將第二激光束114調(diào)制整形成具有前述能量密度輪廓的第三激光束116均 可。
圖3中的能量密度輪廓線1160所圍繞的區(qū)域?yàn)榈谌す馐?16加熱脆性材料20時(shí)在脆性材 料20中產(chǎn)生的熱影響區(qū)域，該熱影響區(qū)域的輪廓由第三激光束116的能量密度輪廓決定且與 第三激光束116的能量密度輪廓相一致。從圖3中的溫度輪廓線可以得知，B3點(diǎn)的溫度為常溫 ，Bl點(diǎn)右側(cè)部分所對(duì)應(yīng)的區(qū)域之溫度變化較為平滑，表明第三激光束116在前導(dǎo)端1162的能 量密度分布為平緩變化；B2點(diǎn)左側(cè)部分所對(duì)應(yīng)的區(qū)域之溫度變化為急劇下滑，表明第三激光 束116在拖曳端1164的能量密度分布為急劇下降；B1B2段對(duì)應(yīng)第三激光束116之可產(chǎn)生最大熱 應(yīng)力的加工范圍。
圖4為采用本實(shí)施例提供的激光切割脆性材料的方法，以固定的激光功率190瓦特 (Watt)搭配不同的切割速度進(jìn)行玻璃切割所得到的切割速度與切割深度關(guān)系圖。圖4中示出 切割深度隨著切割速度增加而遞減，切割速度為300-500毫米/秒(mm/sec)可得到125-80微米
(ym)的切割深度。
圖5示出采用本實(shí)施例提供的激光切割脆性材料的方法切割玻璃所形成的切割裂痕22(如 圖5中的圓圈圈住的部分裂痕)。另外，圖5中的位于圓圈之外的部分裂痕為初始裂紋21，圖 5中的黑色部分為背景色。
圖6為圖5中的玻璃沿切割裂痕22裂片后其端面形態(tài)照片圖，玻璃的厚度T為O. 55毫米， 玻璃的切割深度S為120微米。從圖6中可以得知，玻璃的切割端面(圖6中厚度方向上的括弧 部分)及裂片端面(圖6中厚度方向上的無(wú)括弧部分)均平滑而無(wú)裂紋(Crack)，玻璃的角落部 分垂直度佳(90。 +5° )且無(wú)裂紋及破片(Chi卯ing)現(xiàn)象。
另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可于本發(fā)明精神內(nèi)做其它變化，如變更第一激光束112的種類 、光學(xué)調(diào)制元件15的結(jié)構(gòu)等以用于本發(fā)明等設(shè)計(jì)，只要其不偏離本發(fā)明的技術(shù)效果均可。這 些依據(jù)本發(fā)明精神所做的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種激光切割脆性材料的方法，其包括步驟提供一第一激光束；利用一空間過(guò)濾器將該第一激光束過(guò)濾整形成一具預(yù)定能量密度輪廓的第二激光束；將該第二激光束調(diào)制整形成具長(zhǎng)條形光斑形狀的一第三激光束，該第三激光束具有一前導(dǎo)端及一拖曳端，該第三激光束的能量密度輪廓線在該前導(dǎo)端的平均斜率小于在該拖曳端的平均斜率；利用該第三激光束加熱一脆性材料；以及在該脆性材料上施加一冷卻流體，以使該脆性材料沿該第三激光束的移動(dòng)方向產(chǎn)生裂紋成長(zhǎng)。
2 如權(quán)利要求l所述的激光切割脆性材料的方法，其特征在于該第二 激光束的光斑形狀為圓形、方形或條形。
3 如權(quán)利要求l所述的激光切割脆性材料的方法，其特征在于該空間 過(guò)濾器包括一個(gè)透鏡對(duì)以及一個(gè)針孔孔徑光闌。
4 如權(quán)利要求l所述的激光切割脆性材料的方法，其特征在于該第三 激光束是經(jīng)由一光學(xué)調(diào)制元件調(diào)制整形該第二激光束后形成，該光學(xué)調(diào)制元件選自折射式元 件、衍射式元件及折衍混合式元件之一。
5 如權(quán)利要求l所述的激光切割脆性材料的方法，其特征在于在該第 三激光束加熱該脆性材料的過(guò)程中，該第三激光束的能量密度輪廓保持不變。
6 如權(quán)利要求l所述的激光切割脆性材料的方法，其特征在于該第一 激光束的波長(zhǎng)與該脆性材料的吸收波長(zhǎng)相匹配。
7 如權(quán)利要求l所述的激光切割脆性材料的方法，其特征在于該冷卻 流體為氣液混合物。
8 一種激光切割脆性材料的裝置，其包括 一個(gè)激光產(chǎn)生器，用以產(chǎn)生一第一激光束；一空間過(guò)濾器，用以將該第一激光束過(guò)濾整形成一具預(yù)定能量密度輪廓的第二激光束一光學(xué)調(diào)制元件，用以將該第二激光束調(diào)制整形成具長(zhǎng)條形光斑形狀的一第三激光束 以加熱一脆性材料，該第三激光束具有一前導(dǎo)端及一拖曳端，該第三激光束的能量密度輪廓 線在該前導(dǎo)端的平均斜率小于在該拖曳端的平均斜率；以及一冷卻裝置，用以向脆性材料施加一冷卻流體，以使該脆性材料沿該第三激光束的移 動(dòng)方向產(chǎn)生裂紋成長(zhǎng)。
9.如權(quán)利要求8所述的激光切割脆性材料的裝置，其特征在于該空間 過(guò)濾器包括一個(gè)透鏡對(duì)以及一個(gè)針孔孔徑光闌。
10.如權(quán)利要求8所述的激光切割脆性材料的裝置，其特征在于該光 學(xué)調(diào)制元件選自折射式元件、衍射式元件及折衍混合式元件之一。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種激光切割脆性材料的方法，其包括步驟提供一第一激光束；利用一空間過(guò)濾器將第一激光束過(guò)濾整形成一具預(yù)定能量密度輪廓的第二激光束；將第二激光束調(diào)制整形成具長(zhǎng)條形光斑形狀的一第三激光束，該第三激光束具有一前導(dǎo)端及一拖曳端，該第三激光束的能量密度輪廓線在該前導(dǎo)端的平均斜率小于在拖曳端的平均斜率；利用第三激光束加熱一脆性材料；以及在脆性材料上施加一冷卻流體，以使該脆性材料沿該第三激光束的移動(dòng)方向產(chǎn)生裂紋成長(zhǎng)。本發(fā)明還提供執(zhí)行前述激光切割脆性材料的方法之裝置。
文檔編號(hào)B23K26/42GK101513692SQ200810300378
公開日2009年8月26日 申請(qǐng)日期2008年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月21日
發(fā)明者何仁欽, 傅承祖, 周祥瑞, 黃俊凱 申請(qǐng)人:富士邁半導(dǎo)體精密工業(yè)(上海)有限公司;沛鑫半導(dǎo)體工業(yè)股份有限公司