专利名称：切割非金属衬底的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于切割非金属衬底的方法和装置，更具体地说，涉及一种利用激光束切割非金属衬底的方法和装置。
背景技术：
高集成度和高效能的半导体器件随着半导体薄膜加工(thin film process)技术的提高而得以发展。半导体薄膜加工已经促使利用液晶来显示图象的液晶显示器(LCD)发展。半导体器件和LCD设置在非金属衬底，例如硅衬底或玻璃衬底上。
通过在硅衬底上形成半导体芯片、将半导体芯片彼此分离、并封装半导体芯片来制造半导体器件。通过在玻璃衬底(称为“母板”)上形成两个或多个单元，将各单元彼此分离，并组装LCD来制造LCD。
由于母板不具有如硅衬底那样的晶体结构，因此母板与硅衬底相比更易碎。由此，母板易于由于分隔过程中在玻璃衬底边缘部分出现的微小裂纹而导致破裂。
图1A到1E是示出切割玻璃衬底的传统方法的示意图。
参照图1A到1E，金刚石切割机10包括转盘1，该转盘在其圆形端部处设置有金刚石1a；转动部分2，该部分连接到转盘1的中心部分上，以转动转盘1；以及传动部分3，用于传动转盘1和转动部分2。
金刚石切割机10围绕玻璃衬底7表面上的目标区域L形成划槽7a。目标区域L与玻璃衬底分离。例如，当目标区域L为矩形时，金刚石切割机10通过沿着线①-②、③-④、⑤-⑥和⑦-⑧移动来在目标区域L的边界处形成划槽7a。通过围绕目标区域L向部分X施加预定冲击，裂纹沿着线①-②、③-④、⑤-⑥和⑦-⑧蔓延，从而，目标区域L与玻璃衬底7分开，从而形成单独的衬底8。
图1D示出分开的衬底8的边缘A的放大结构。分开的衬底8具有在分离表面8a处设置的裂纹8b。由于施加到部分X上的冲击，裂纹8b可以随机蔓延到分开的衬底8的任意位置上，因此，分开的衬底8可能切割成不期望的形状。同样，玻璃衬底8的传统切割方法导致许多玻璃碎片7b，从而玻璃衬底7必须通过单独的工序加以净化。此外，玻璃碎片7b导致周围设备被污染。
发明内容
本发明提供了一种切割非金属衬底的简化方法，其能够减少用于切割非金属衬底的步骤和时间，并减轻衬底的污染。
本发明还提供了一种切割非金属衬底的装置，该装置能够减少用于切割非金属衬底的步骤和时间，并减轻衬底的污染。
在本发明一个实施例中，切割非金属衬底的方法包括将激光束施加到以矩阵构型布置在非金属衬底上的多个单元的第一切割线上，以将各单元与非金属衬底分离，其中，每个单元包括第一、第二、第三和第四边缘部分，并且，其中每条第一切割线沿着相对的第一和第二边缘部分形成；以及将激光束施加到各单元的第二切割线上，以将各单元彼此分离，其中，每条第二切割线沿着相对的第三和第四边缘部分形成。
在本发明另一实施例中，切割非金属衬底的方法包括将第一激光束施加到设置在非金属衬底上的单元的第一切割线上，以形成第一裂纹，其中，该单元包括第一、第二、第三和第四边缘部分，第一切割线沿着相对的第一和第二边缘部分形成，而第一裂纹形成在第一和第二边缘部分上；将第二激光束沿着距交叉点预定距离处的第二切割线施加，以形成交叉裂纹，其中，第二切割线与第一裂纹相交，并在交叉点与第一裂纹接触；将能量小于第二激光束能量的第三激光束施加到第二切割线上；利用冷却剂冷却第二切割线，以在第二切割线的一部分上形成第一划缝(scribe crake)；将第三激光束施加到交叉裂纹上；以及利用冷却剂冷却第二切割线，以在第二切割线剩余部分上形成第二划缝。
在另一实施例中，用于切割非金属衬底的装置包括第一激光供给部分，用于将第一激光束沿着距切割起始点预定距离的非金属衬底的切割线施加，以形成初始裂纹，其中，非金属衬底的边缘部分在切割起始点处与切割线接触；以及划缝形成部分，用于将能量小于第一激光束的能量的第二激光束从初始裂纹向切割线的端部施加，并用于利用冷却剂冷却切割线以在切割线上形成划缝。
根据本发明的方法和装置，初始裂纹通过利用激光束和冷却剂切割非金属衬底而预先形成在非金属衬底上，而划线通过向初始裂纹施加激光束而形成在非金属衬底上。通过利用激光束和冷却剂快速加热和冷却划线的部分，沿着划线切割非金属衬底。从而，该方法可以减少用于切割非金属衬底的步骤和时间，并可以减轻非金属衬底的污染。
当结合附图考虑时，本发明的上述和其他优点将通过参照以下详细描述变得更容易理解，图中图1A到1E是示出用于切割玻璃衬底的传统方法的示意图；图2是示出根据本发明一个实施例的激光束相对于波长的光透射率的曲线；图3到4E是用于说明根据本发明一个实施例的切割非金属衬底的方法的示意图；图5A到5C是用于说明根据本发明另一实施例的切割具有预切割表面的非金属衬底的方法的示意图；图6A到6D是用于说明根据本发明另一实施例的切割各单元的方法的示意图；以及图7是示出根据本发明再一实施例的切割非金属衬底的装置的方块图。
具体实施例方式
图3到5是用于说明根据本发明实施例的切割非金属衬底的方法的示意图。
参照图3，第一激光束210、第二激光束220、冷却流体240和第三激光束230依次施加到玻璃衬底100的虚线(称作“第一切割线”)101上。虚线包括玻璃衬底100中要切割的部分。通过将第一激光束210施加到第一切割线101上，在玻璃衬底100上形成初始裂纹和交叉裂纹。初始裂纹发展成沿着第一切割线101形成的另一裂纹，而交叉裂纹穿过先前形成在玻璃衬底100上的裂纹。例如，如图4E或5A所示，初始裂纹106蔓延到从第一切割表面103到第一切割表面103的相对端面形成的第二切割表面110。交叉裂纹使得第三切割表面120与第二切割表面110交叉。交叉裂纹一般用于更微小地切割玻璃衬底100。
第一激光束210在预定时间内向玻璃衬底100施加第一能量，以在其上形成初始裂纹或交叉裂纹。第一激光束210包括三阶谐波YAG激光束或四阶谐波YAG激光束。该三阶和四阶谐波YAG激光束与波长大致为1064nm的YAG激光相比具有较高频率。
例如，用于在预定时间内施加第一能量的三阶谐波YAG激光束波长为355nm。在玻璃衬底100例如为SAMSUNG CORNING LTD制造的1737GLASS情况下，三阶谐波YAG激光束在大约10％到大约15％的范围内吸收到玻璃衬底100中。三阶谐波YAG激光束可以在预定时间内向玻璃衬底100施加第一能量，即使其相对于玻璃衬底100具有较低的吸收率，这是由于三阶谐波YAG激光器可以以高功率输出。用于在预定时间内施加第一能量的四阶谐波YAG激光束波长为266nm。在玻璃衬底100例如为SAMSUNG CORNING LTD制造的1737GLASS的情况下，四阶谐波YAG激光束在大约90％或更大范围内被吸收到玻璃衬底100中。四阶谐波YAG激光束可以以低功率在预定时间内向玻璃衬底100施加第一能量，这是由于相对于玻璃衬底100它具有较高的吸收率。
图2示出YAG激光束相对于波长的光透射率。例如，曲线“A”示出在厚度为0.7mm的玻璃衬底100的情况下，YAG激光束相对于每个波长的透射率，而曲线“B”示出在厚度为1.1nm的玻璃衬底100的情况下，YAG激光束相对于每个波长的透射率。
再次参照图3，第二激光束220在第一激光束210施加之后施加到第一切割线101上。第二激光束220包括二氧化碳激光束，以向玻璃衬底100提供第二能量。第二能量的密度不足以强到完全切割玻璃衬底100。第二激光束220在平行于第一切割线101的方向上具有第一长度S1，并在与第一切割线101相交的方向上具有第二长度S2。第二长度S2比第一长度S1短，从而第二激光束220具有椭圆形状。
冷却流体240在第二激光束220施加之后施加到第一切割线101上。冷却流体240例如具有斑点形状。例如，冷却流体240包括各种温度低于由第二激光束220加热的第一切割线101的温度的流体。
初始裂纹106由于第二激光束220和冷却流体240的施加而沿着第一切割线101蔓延，从而在玻璃衬底100上形成沟槽形的划缝107。为了形成第二切割表面110，第三激光束220施加到划缝107上。第三激光束103包括二氧化碳激光束，以向玻璃衬底100提供第三能量。第三能量使得划缝107向玻璃衬底100的切割方向蔓延。
参照图4A，玻璃衬底100放置到切割装置的预定位置上。向第一激光束210所处的点传送玻璃衬底100。第一激光束210、第二激光束220和第三激光束230与第一切割线101对齐。第一激光束210施加到第一切割线103和第一切割线101之间的交点104上，同时传送玻璃衬底100。第一激光束210包括波长为266nm的四阶谐波YAG激光束和三阶谐波YAG激光束。三阶谐波YAG激光束的吸收率低于四阶谐波YAG激光束的，而功率高于四阶谐波YAG激光束的。如图4B和4C所示，第一激光束210从交点104沿着第一切割线101施加预定长度“W”，从而在玻璃衬底100上形成初始裂纹106。
玻璃衬底100连续向第二激光束220所处的点传送。当玻璃衬底100的初始裂纹106穿过第二激光束220所处的点时，第二激光束220沿着玻璃衬底100上的第一切割线101施加。包括初始裂纹106的第一切割线101由第二激光束220快速加热，并由冷却流体230冷却。冷却流体230在第二激光束220施加之后沿着第一切割线101提供。由于第二激光束220和冷却流体240依次施加到玻璃衬底100的第一切割线101上，初始裂纹106沿着第一切割线101自冷却流体240所供给的点蔓延。
初始裂纹106沿着第一切割线101发展成划缝107。划缝107引导玻璃衬底100的预定部分被切割。划缝107延伸到玻璃衬底100上的第二切割部分108处。例如，第三激光束230施加到划缝107上，以便在玻璃衬底100上形成第二切割部分108。由于划缝107被第三激光束230加热，划缝107的体积增大。划缝107的体积增大产生了热应力，热应力将划缝107扩展到第二切割部分108上。当通过蔓延划缝107来完全切割玻璃衬底100时，划缝107由第二切割部分108取代，从而形成第二切割表面110。
图5A到5C示出根据本发明的切割具有第二切割表面110的玻璃衬底100的方法。
划线由第二激光束220和冷却流体240形成在与第二切割表面110相交的第二切割线102(I～J)上，而第三切割表面120通过第三激光束230形成。随着传送玻璃衬底100，第一激光束210靠近第二切割表面110。
当第二切割表面110和第二切割线102之间的交点119与第一激光束210的位置重合时，第一激光束210开始向玻璃衬底100上施加第一能量，从而在第二切割线102上形成距交点119距离W1的交叉裂纹119a。第一激光束210可以利用三阶或四阶谐波YAG激光束。第三切割表面120沿着第二切割线102切割，直到表面120到达交点119为止。第三切割表面120由第二激光束102和冷却流体140连续沿着交叉裂纹119a切割，从而第三切割表面120形成在玻璃衬底100上，并相交于玻璃衬底100上的第二切割表面110，如图5C所示。
图6A到6D是用于说明根据本发明另一实施例的切割单元的方法的示意图。
假设玻璃衬底100设置有第一到第六LCD单元1、2、3、4、5和6。玻璃衬底100包括TFT衬底、滤色镜衬底等。第一到第六单元1、2、3、4、5和6中的每一个都具有四个边缘部分，即，第一到第四边缘部分109a、109b、109c和109d。第一和第四单元1和4的第一和第三边缘部分109a和109c沿着切割线A和B切割，第二和第五单元2和5的第一和第三边缘部分沿着切割线C和D切割，而第三和第六单元3和6的第一和第三边缘部分沿着切割线E和F切割。
第一初始裂纹由第一激光束210形成在切割线A、B、C、D、E和F与玻璃衬底100相接触的位置。通过由第二激光束220加热第一初始裂纹并通过由冷却流体240冷却被加热的第一初始裂纹，第一划线沿着切割线A、B、C、D、E和F形成。第三激光束230施加到第一划线上，以便将单元1、2、3、4、5和6与玻璃衬底100分离。
第一到第六单元1、2、3、4、5和6与玻璃衬底100分离成三个部分。例如，形成三对单元，如第一和第四单元1和4、第二和第五单元2和5、以及第三和第六单元3和6。玻璃衬底100在第二和第四边缘部分109b和109d处的部分被去除，以将第一到第六单元1、2、3、4、5和6一个接一个与玻璃衬底100分离。
例如，第一单元1的第二和第四边缘部分109b和109d沿着切割线G和H切割，第四单元4的第二和第四边缘部分109b和109d沿着切割线I和J切割，第二单元2的第二和第四边缘部分109b和109d沿着切割线K和L切割，第五单元5的第二和第四边缘部分109b和109d沿着切割线M和N切割，第三单元3的第二和第四边缘部分109b和109d沿着切割线O和P切割，而第六单元6的第二和第四边缘部分109b和109d沿着切割线Q和R切割。
第二初始裂纹设置到切割线G、H、I、J、K、L、M、N、O、P、Q和R与玻璃衬底100相接触的部分上。通过由第二激光束220加热第二初始裂纹并通过由冷却流体240冷却加热的第二初始裂纹，沿着切割线G、H、I、J、K、L、M、N、O、P、Q和R形成第二划线。第三激光束230施加到第二划线上，以便将各单元1、2、3、4、5和6彼此分离。
图7是根据本发明再一实施例的用于切割非金属衬底的装置的方块图。
参照图7，非金属衬底切割装置500包括第一激光束供给部分510、第二激光束供给部分520、冷却剂供给器540、第三激光束供给部分530、控制器550、以及衬底传送部分560。
第一激光束供给部分510包括第一激光束发生器512和频率调制器514。第一激光束发生器512产生第一激光束，如波长为1064nm的YAG激光束，并将第一激光束提供给玻璃衬底100。频率调制器514调制第一激光束。例如，波长为1064nm的YAG激光束被调制成波长为266nm或355nm的YAG激光束。在本发明优选实施例中，第一激光束包括四阶谐波YAG激光束，其波长为266nm。第一激光束发生器512施加到玻璃衬底100上，以便形成交叉裂纹或初始裂纹。
第二激光束供给部分520包括第二激光束发生器522和激光束形状调节器524。第二激光束发生器522产生第二激光束，如二氧化碳激光束，并将第二激光束提供到玻璃衬底100上。激光束形状调节器524调节第二激光束的整个形状。例如，激光束形状将圆形改变为第二激光束的椭圆形。激光束形状调节器524可以包括具有凸透镜和凹透镜的透镜组。
冷却剂供给器540以预定压力和温度向玻璃衬底100提供冷却流体，如冷却剂。第三激光束供给部分530可以包括第三激光束发生器532，用于产生第三激光束，如二氧化碳激光束，并将第三激光束提供到玻璃衬底100上。
根据本发明优选实施例的切割非金属衬底的方法事先通过施加激光束和冷却剂在玻璃衬底上形成初始裂纹。初始裂纹响应激光束的施加而发展成划缝。通过利用激光束和冷却剂快速加热和冷却划缝的部分而沿着划缝切割玻璃衬底。从而，本发明的方法可以减少切割玻璃衬底的步骤和时间，并减轻玻璃衬底的污染。
虽然已经描述了本发明示例性实施例，但应理解为本发明不局限于这些示例性实施例，而是本领域技术人员在此后权利要求书限定的本发明的精髓和范围内可以对其作出各种变化和改进。
权利要求
1.一种切割非金属衬底的方法，包括将激光束施加到以矩阵构型布置在非金属衬底上的多个单元的第一切割线上，以将各单元与非金属衬底分离，其中，每个单元包括第一、第二、第三和第四边缘部分，并且每条第一切割线沿着相对的第一和第二边缘部分形成；以及将激光束施加到各单元的第二切割线上，以将各单元彼此分离，其中，每条第二切割线沿着相对的第三和第四边缘部分形成。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述将各单元与非金属衬底分离包括将第一激光束从切割起始点沿着第一切割线施加预定距离，以在第一切割线上形成初始裂纹，其中第一和第二边缘部分在切割起始点处与第一切割线相接触；将第二激光束从起始裂纹施加到第一切割线的端部，其中，第二激光束的能量低于第一激光束的能量；利用冷却剂冷却第一切割线，以在第一切割线上形成划缝；以及将第三激光束施加到划缝上，以沿着第一切割线形成切割表面。
3.如权利要求2所述的方法，其中，第一激光束相对于非金属衬底具有大约90％或更高的波长吸收率。
4.如权利要求3所述的方法，其中，非金属衬底是玻璃衬底，而第一激光束是波长为266nm的四阶谐波YAG激光束。
5.如权利要求2所述的方法，其中，第一激光束相对于非金属衬底具有大约10％到大约15％范围内的波长吸收率。
6.如权利要求5所述的方法，其中，非金属衬底是玻璃衬底，而第一激光束是波长为355nm的三阶谐波YAG激光束。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述将各单元彼此分离包括将第一激光束从切割起始点沿着第二切割线施加预定距离，以在第二切割线上形成初始裂纹，其中第三和第四边缘部分在切割起始点处与第二切割线相接触；将第二激光束从初始裂纹施加到第二切割线的端部，其中第二激光束的能量低于第一激光束的能量；以及利用冷却剂冷却第二切割线，以在第二切割线上形成划缝。
8.如权利要求7所述的方法，还包括将第三激光束施加到划缝上以沿着第二切割线形成切割表面的步骤。
9.一种切割非金属衬底的方法，包括将第一激光束施加到非金属衬底上设置的单元的第一切割线上，以形成第一裂纹，其中所述单元包括第一、第二、第三和第四边缘部分，第一切割线沿着相对的第一和第二边缘部分形成，而第一裂纹形成在第一和第二边缘部分上；将第二激光束从交叉点起沿着第二切割线施加预定距离以形成一交叉的裂纹，其中，第二切割线与第一裂纹相交并在交叉点处与第一裂纹相接触；将能量低于第二激光束的能量的第三激光束施加到第二切割线上；利用冷却剂冷却第二切割线，以在第二切割线一部分上形成第一划缝；将第三激光束施加到交叉裂纹上；以及利用冷却剂冷却第二切割线，以在第二切割线剩余部分上形成第二划缝。
10.如权利要求9所述的方法，还包括将第四激光束施加到第一和第二划缝上以沿着第一和第二划缝形成切割表面的步骤。
11.如权利要求9所述的方法，其中，非金属衬底是玻璃衬底，第二激光束是波长为266nm的四阶谐波YAG激光束。
12.如权利要求9所述的方法，其中，非金属衬底是玻璃衬底，第二激光束是波长为355nm的三阶谐波YAG激光束。
13.一种用于切割非金属衬底的装置，包括第一激光供给部分，用于从切割起始点沿着非金属衬底的切割线施加第一激光束一预定距离，以形成初始裂纹，其中非金属衬底的边缘部分在切割起始点处与切割线相接触；以及划缝形成部分，用于将能量低于第一激光束能量的第二激光束从初始裂纹施加到切割线的端部，并用于利用冷却剂冷却切割线，以在切割线上形成划缝。
14.如权利要求13所述的装置，还包括第三激光束供给部分，用于向划缝提供第三激光束，以沿着切割线形成切割表面。
15.如权利要求13所述的装置，其中，第一激光束相对于非金属衬底具有在90％或更大范围内的波长吸收率。
16.如权利要求15所述的装置，其中，非金属衬底是玻璃衬底，第一激光束是波长为266nm的四阶谐波YAG激光束。
17.如权利要求13所述的装置，其中，第一激光束相对于非金属衬底具有在大约10％到15％范围内的波长吸收率。
18.如权利要求17所述的装置，其中，非金属衬底是玻璃衬底，而第一激光束是波成为355nm的三阶谐波YAG激光束。
19.如权利要求13所述的装置，其中，第二和第三激光束分别是二氧化碳激光束。
全文摘要
本发明公开了一种切割非金属衬底的方法和装置。该方法能够减少切割非金属衬底的步骤和时间，并减轻衬底的污染。初始裂纹事先通过将激光束和冷却剂施加到非金属衬底上而形成在非金属衬底上，通过向初始裂纹施加激光束而将划缝形成在非金属衬底上。通过利用激光束和冷却剂快速加热和冷却划缝部分来沿着划缝切割非金属衬底。
文档编号B23K26/00GK1435291SQ0215842
公开日2003年8月13日 申请日期2002年12月24日 优先权日2002年2月2日
发明者全栢均 申请人:三星电子株式会社