利用激光的基板切断装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种利用激光的基板切断装置，可以对激光吸收率高的厚板材料基板在短时间内容易地进行开孔加工等。该装置具有：载置有基板的工件台（2)、激光输出部（15)、旋转单元、会聚单元以及扫描单元。激光输出部（15)对基板输出具有吸收率是50%以上的波长的激光。旋转单元使从激光输出部射出的激光以规定的旋转半径旋转。会聚单元使来自旋转单元的激光会聚在基板中的激光的照射侧的深度位置。扫描单元使所会聚且旋转的激光沿着加工线扫描，并重复执行扫描来加工基板。
【专利说明】利用激光的基板切断装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及基板切断装置，特别是涉及向基板照射激光来切断基板的利用激光的基板切断装置。
【背景技术】
[0002]作为利用激光的基板切断装置，例如公知有专利文献I所示的装置。在这种加工装置中，波长是532nm左右的绿色激光被照射到基板等工件上。绿色激光一般穿透基板，然而当使激光会聚且其强度超过某阈值时，基板会吸收激光。在这样的状态下，在激光的会聚部产生等离子体，由此使基板蒸腾。利用以上的原理，能够进行在基板上形成孔等的加工。
[0003]现有技术文献
[0004]【专利文献I】日本特开2007- 118054号公报
[0005]这里，针对基板，优选的是，使激光的会聚位置从与激光照射侧相反的一侧的面(下方的面)朝向激光照射侧的面(上方的面)移动来进行加工。这是因为，当从下方进行加工时，加工粉末向下方下落，可以避免加工粉末对加工部的不良影响。
[0006]然而，在对激光的吸收率高、厚度比较厚的基板进行开孔加工等的情况下，由于激光不会穿透到下方的面，因而使用上述的现有加工方法进行加工是非常困难的。
[0007]因此，在对厚度特别厚、激光的吸收率高的基板进行开孔加工等的情况下，需要进行与现有加工方法不同的加工。
【发明内容】
[0008]本发明的课题是可以对激光的吸水率高的厚板材料基板在短时间内容易进行开孔加工等。
[0009]本发明的第I方面的利用激光的基板切断装置是朝向基板照射激光来切断基板的装置，其中，该装置具有:载置有待加工的基板的工件台、激光输出部、旋转单元、会聚单元、以及扫描单元。激光输出部对基板输出具有吸收率是50%以上的波长的激光。旋转单元使从激光输出部射出的激光以规定的旋转半径旋转。会聚单元使来自旋转单元的激光会聚在基板中的激光的照射侧的深度位置。扫描单元使所会聚且旋转的激光沿着加工线扫描，并重复执行扫描来加工基板。
[0010]在该装置中，从激光输出部输出的激光借助旋转单元旋转，并且被会聚在基板的激光照射面侧的深度位置(例如激光照射侧的表面)。并且，所会聚的激光在旋转的同时沿着加工线扫描，由此加工基板。
[0011]这里，由于激光具有相对于基板的吸水率是50%以上的波长，反过来说，所加工的基板对规定的波长的激光的吸水率是50%以上，因而激光难以到达与照射侧相反的一侧的面。特别是对于厚度厚的基板，激光到达不了与照射侧相反的一侧的面，无法加工。
[0012]因此，在本发明中，通过使激光会聚在基板中的激光照射侧的位置，进而使其旋转的同时进行扫描，由此来进行加工。通过使所会聚的激光旋转，使得激光多次照射到相同部位，从而加工效率提高，可以以短的加工时间进行加工。
[0013]本发明的第2方面的利用激光的基板切断装置，在第I方面的装置中，基板的厚度是1_以上。
[0014]这里，如上所述，在吸水率高的基板中，激光难以穿透基板内，加工困难。并且，该倾向在厚度厚的基板中变得显著。特别是，通过将本发明应用于具有1_以上的厚度的基板，使得加工变得容易。
[0015]本发明的第3方面的利用激光的基板切断装置，在第I或第2方面的装置中，会聚单元使激光的会聚位置从基板的被照射激光的一侧的面朝向相反侧移动。
[0016]这里，通过在使激光的会聚位置从激光的照射侧朝向相反侧移动的同时进行加工，使得加工效率进一步提高，可以进一步缩短加工时间。
[0017]本发明的第4方面的利用激光的基板切断装置，在第I至第3方面中的任一方面的装置中，基板是由从碳、陶瓷、硅中所选择的材料形成的。
[0018]通过将本发明的加工应用于由这些材料构成的基板，可以容易地加工这些基板。
[0019]在以上所述的本发明中，可以对激光的吸收率高的厚板材料基板在短时间内容易地进行开孔加工等。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是本发明的一个实施方式的基板加工装置的外观立体图。
[0021]图2是工件台的放大立体图。
[0022]图3是放大示出激光照射头的结构的立体图。
[0023]图4是示意性示出第I空心电动机和第I楔形棱镜的配置的图。
[0024]图5是示出棱镜的顶角和偏角的关系的图。
[0025]图6是示意性示出第2空心电动机、第2楔形棱镜和会聚透镜的配置的图。
[0026]图7是示出激光的轨迹的图。
[0027]图8的(a)和(b)是说明在z轴方向上控制会聚点的作用的示意图。
[0028]图9的(a)和(b)是示出本发明的一个实施方式和比较例的加工例的图。
[0029]图10的(a)和(b)是用于说明会聚旋转方式和同心圆方式的示意图。
[0030]标号说明
[0031]2:工件台；15:激光输出部；16:光学系统；17:第I空心电动机；18:第2空心电动机;321、322 --第I楔形棱镜;341、342:第2楔形棱镜；35:会聚透镜；ff:基板。
【具体实施方式】
[0032][整体结构]
[0033]图1示出本发明的一个实施方式的基板切断装置的整体结构。该基板切断装置是用于向碳、陶瓷、硅等的基板沿着加工线照射激光并进行开孔等加工的装置。该装置具有:底座1、载置有基板的工件台2、以及用于向基板照射激光的激光照射头3。这里，如图1所示，将在沿着底座I的上表面的平面中相互垂直的轴定义为X轴、y轴，将与这些轴垂直的铅直方向的轴定义为z轴。并且，将沿着X轴的两个方向(正方向和负方向)定义为X轴方向，将沿着I轴的两个方向定义为y轴方向，将沿着z轴的两个方向定义为z轴方向。
[0034][工件台2及其移动机构]
[0035]<工件台2 >
[0036]工件台2形成为矩形，在工件台2的下方设置有用于使工件台2在X轴方向和y轴方向上移动的台移动机构5。
[0037]如图2放大所示，工件台2具有多个块6。该多个块6是用于将图中单点划线表示的基板W从工件台2的表面抬起并支撑的部件，能够以避开基板W的加工线L (虚线表示)的方式安装在工件台2的任意位置。并且，在工件台2上呈格子状形成有多个吸气口 2a，并在各块6上形成有在上下方向上贯通的吸气孔6a。然后，通过使块6的吸气孔6a和工件台2的吸气口 2a连接，能够将配置在块6上的基板W吸附固定。另外，吸气用的机构由公知的排气泵等构成，详情省略。
[0038]如图1所不，台移动机构5分别具有一对第I导轨8和第2导轨9、以及第I移动台10和第2移动台11。一对第I导轨8沿着y轴方向设置在底座I的上表面。第I移动台10设置在第I导轨8的上部，第I移动台10在下表面具有与第I导轨8移动自如地卡合的多个引导部10a。第2导轨9沿着X轴方向设置在第I移动台10的上表面。第2移动台11设置在第2导轨9的上部，第2移动台11在下表面具有与第2导轨9移动自如地卡合的多个引导部11a。在第2移动台11的上部，经由固定部件12安装有工件台2。
[0039]利用以上的台移动机构5，使得工件台2在X轴方向和y轴方向上移动自如。另夕卜，第I移动台10和第2移动台11省略详情，由公知的电动机等驱动单元驱动。
[0040][激光照射头2]
[0041]如图1和图3所示，激光照射头3安装于被配置在底座I的上表面的门型框架Ia上，并具有:激光输出部15、光学系统16、内部装入有一对第I楔形棱镜(后述)的第I空心电动机17、以及内部装入有一对第2楔形棱镜(后述)和会聚透镜的第2空心电动机18。还设置有:用于使激光照射头3在X轴方向上移动的X轴方向移动机构21、和用于使第I空心电动机17和第2空心电动机18在z轴方向上移动的z轴方向移动机构22。
[0042]〈激光输出部15>
[0043]激光输出部15使用与以往相同的激光管构成。通过该激光输出部15使波长532nm的绿色激光沿着I轴射出到与工件台2相反的一侧。
[0044]〈光学系统16>
[0045]光学系统16将来自激光输出部15的激光引导到装入在第I空心电动机17内的一对第I楔形棱镜。如图3放大所示，该光学系统16具有:第I?第4反射镜25?28、测量激光输出的功率监视器29、以及光束扩展器30。
[0046]第I反射镜25被配置在激光输出部15的输出侧的附近，使沿y轴方向射出的激光沿X轴方向反射。第2反射镜26与第I反射镜25排列配置在X轴方向上，使沿X轴方向前进的激光沿I轴方向反射，并引导到工件台2侧。第3反射镜27和第4反射镜28在X轴方向上排列配置在第I空心电动机17的上方。第3反射镜27将由第2反射镜26反射来的激光引导到第4反射镜28侧。第4反射镜28将由第3反射镜27反射来的激光引导到下方的第I空心电动机17。
[0047]光束扩展器30配置在第2反射镜26和第3反射镜27之间，是为了将由第2反射镜26反射来的激光扩展成一定倍率的平行光束而设置的。通过该光束扩展器30，能够使激光会聚成更小的光斑。
[0048]<第I楔形棱镜和第I空心电动机>
[0049]图4中示意性示出在内部配置有第I楔形棱镜321、322的第I空心电动机17。第I空心电动机17在中心具有在z轴方向上延伸的旋转轴R，包括该旋转轴R的中央部为空心的。并且，在该空心部固定有一对第I楔形棱镜321、322。一对楔形棱镜321、322是相同形状且相同比重的，仅折射率不同。各楔形棱镜321、322分别具有:相对于旋转轴R倾斜的斜面321a、322a、和与旋转轴R垂直的垂直面321b、322b。并且，一对楔形棱镜321、322以彼此的垂直面321b、322b接近并对置的方式配置，并且以两个垂直面321b、322b平行且两个斜面321a、322a平行的方式配置。
[0050]通过按以上方式配置相同形状、相同比重的两个第I楔形棱镜321、322，使得两个第I楔形棱镜321、322的整体的重心位于旋转轴R上。因此，即使使这些第I楔形棱镜321、322高速旋转，也可以使动态不平衡量非常小。
[0051]<关于使用两个楔形棱镜的情况下的偏角>
[0052]参照图5，在将棱镜的顶角设为δ、将折射率设为η的情况下，在δ小的情况下该棱镜的偏角Θ为:
[0053]( η — I).δ
[0054]另外，上式是在δ小到可以以sinS = δ (单位是弧度)求近似的程度的情况下的近似式。在本实施方式使用的棱镜中，即使顶角δ大，也是5°左右，因而可以近似为sin δ = δ。因此，在相同形状(相同顶角)时折射率分别是nl、n2的两个楔形棱镜各自的偏角Θ 1、Θ 2是
[0055]Θ1=(η1 — I).δ
[0056]Θ2=(η2 — 1).δ
[0057]并且，在以两个楔形棱镜的斜面平行的方式组合配置的情况下的偏角Θ为:
[0058]Θ = ( η I — I).δ — ( η 2 — I).δ = (nl—η2).δ
[0059]从以上可知，若是顶角δ相同、且相同材质的楔形棱镜的组合，则η I = η 2，总偏角为“O”。
[0060]然而，若是n I^n 2，则总偏角不为“0”，而与两个楔形棱镜的折射率的差成比例。
[0061]因此，这里，使两个第I楔形棱镜321、322的折射率不同，从而使通过第I楔形棱镜321、322的激光偏向。即，通过使用这样的第I楔形棱镜321、322，可以构成旋转平衡良好的激光偏向单元。
[0062]另外，作为相同比重且折射率不同的楔形棱镜的例子，考虑了例如以下的组合。
[0063]<例 I > S-BSM22+S-TIH1K 比重:3.24，小原(才，、9 )株式会社制)
[0064]该组合情况下的偏角(° )相对于顶角1°是“0.169”。
[0065]<例 2 > N-SSK2+N-SF57 (比重:3.53，Shot ( '> 3 '7 卜)日本株式会社制)
[0066]该组合情况下的偏角(° )相对于顶角1°是“0.232”。
[0067]<例 3 > BACDl 1+E-FD10 (比重:3.07, HOYA 株式会社制)
[0068]该组合情况下的偏角(° )相对于顶角1°是“0.170”。
[0069]另外，关于两个楔形棱镜321、322的形状(顶角)，由后述的会聚透镜的焦距f和偏角Θ决定的激光的旋转半径r( = f.tan Θ或者f.Θ )被设定成期望值。
[0070]<第2楔形棱镜、第2空心电动机、会聚透镜>
[0071]图6示意性示出在内部配置有一对第I楔形棱镜341、342的第2空心电动机18。该第2空心电动机18在中心具有在z轴方向上延伸的旋转轴。该旋转轴与第I空心电动机17的旋转轴同轴。该第2空心电动机18在包括旋转轴R的中心部具有空心部。在该空心部安装有一对第2楔形棱镜341、342。并且，这些第2楔形棱镜341、342中，一个楔形棱镜341相对于另一个楔形棱镜342绕旋转轴R相对旋转自如地安装。即，一对第2楔形棱镜341、342的偏角是可调整的。
[0072]一对第2楔形棱镜341、342是相同形状且相同材质(相同比重)的，因此折射率也相同。并且，一对第2楔形棱镜341、342分别具有:相对于旋转轴倾斜的斜面341a、342a、和与旋转轴垂直的垂直面341b、342b。并且，在该第2楔形棱镜341、342中，另一个楔形棱镜342从偏角是“O”的状态(彼此的斜面平行的状态)旋转而配置，两个楔形棱镜341、342的斜面341a、342a不平行。通过这样的两个第2楔形棱镜341、342的组合，使得一对第2楔形棱镜341、342具有规定的偏角。该偏角比第I楔形棱镜321、322的偏角大。
[0073]另外，一对第2楔形棱镜341、342由于一方相对于另一方旋转，因而它们的旋转平衡与第I楔形棱镜321、322相比不良。然而，第2楔形棱镜341、342是用于扫描激光的单元，因而旋转速度是低速的，不会使得在加工时动态不平衡对加工品质产生不良影响。
[0074]并且，在该第2空心电动机18的内部，在一对第2楔形棱镜341、342的输出侧固定有会聚透镜35。另外，会聚透镜35也可以与第2空心电动机18分开地单独配置。
[0075]<激光照射头2的支撑和输送系统>
[0076]如上所述，以上的激光照射头3由底座I的门型框架Ia支撑。更详细地，如图3所示，在门型框架Ia的上表面设置有在X轴方向上延伸的一对第3导轨36，该一对第3导轨36和未图不的驱动机构构成X轴方向移动机构21。并且,在一对第3导轨36上移动自如地支撑有支撑部件37。支撑部件37具有:由第3导轨36支撑的横支撑部件38、和从横支撑部件38的靠工件台2侧的一端侧向下方延伸的纵支撑部件39。在纵支撑部件39的侧面设置有在z轴方向上延伸的一对第4导轨40，该一对第4导轨40和未图示的驱动机构构成z轴方向移动机构22。在第4导轨40上，在z轴方向上移动自如地支撑有第3移动台41。
[0077]并且，激光输出部15、第I?第4反射镜25?28、功率监视器29、以及光束扩展器30由横支撑部件38支撑。并且，在第3移动台41上固定有电动机支撑部件42，在该电动机支撑部件42上支撑有第I空心电动机17和第2空心电动机18。
[0078][动作]
[0079]下面，对利用激光对基板的加工动作进行说明。
[0080]首先，在工件台2的表面上设置多个块6。此时，如图2所示，多个块6以避开基板W的加工线L的方式配置。在按以上设置的多个块6上载置待加工的基板W。
[0081]然后，通过X轴方向移动机构21使激光照射头3在X轴方向上移动，并通过台移动机构5使工件台2在y轴方向上移动，使激光照射头3的激光的会聚点位于来到加工线L的开始位置。
[0082]在按上述使激光照射头3和基板W移动到加工位置之后，将激光照射到基板进行加工。这里，从激光输出部15射出的激光由第I反射镜25反射并被引导到第2反射镜26。另外，入射到第I反射镜25的激光由功率监视器29测量激光输出。入射到第2反射镜26的激光在I轴方向上反射，光束借助光束扩展器30扩展并被引导到第3反射镜27。然后，被第3反射镜27反射进而被第4反射镜28反射的激光被输入到设置在第I空心电动机17的中心部内的一对第I楔形棱镜321、322。
[0083]被输入到一对第I和第2楔形棱镜321、322的激光由于两个第I楔形棱镜321、322的折射率不同而被偏向地输出。并且，第I楔形棱镜321、322例如以15000rpm以上高速旋转，因而穿透了第I楔形棱镜321、322的激光以小的旋转半径(例如直径为0.4mm?
0.8mm)高速旋转。
[0084]从第I楔形棱镜321、322射出的激光被输入到第2楔形棱镜341、342。该第2楔形棱镜341、342中，一方相对于另一方旋转，具有比第I楔形棱镜321、322大的偏角。因此，通过使第2楔形棱镜341、342旋转，使得高速旋转的激光以比较大的旋转半径(例如外侧直径为5.0mm)旋转扫描。另外,第2楔形棱镜341、342的转速低,例如为400rpm?800rpm左右。
[0085]图7不出以上的激光在基板上的轨迹。这里，由于一对第I楔形棱镜321、322中的加工误差或者安装误差等，由借助第I楔形棱镜321、322偏向并旋转的激光描绘的圆的直径产生误差。由于该误差使最终加工出的孔的直径产生误差。在该情况下，使第2楔形棱镜341、342中的一方相对于另一方旋转来调整偏角从而调整通过了第2楔形棱镜341、342的激光的扫描轨迹即可。由此，可以以高精度加工出期望直径的孔。
[0086]这里，在对Imm以上的板厚的碳、陶瓷或硅的基板照射波长是532 μ m的激光来进行加工的情况下，激光相对于基板的吸收率为50%以上。因此，在从基板的表面照射了激光的情况下，激光到达不了背面，无法进行开孔。因此，在对基板进行开孔加工的情况下，使会聚点沿着加工线扫描一次而形成孔、即、使加工线的内侧的部分脱落一般是困难的。
[0087]因此，首先，以会聚点(加工部位)形成在基板的表面(会聚照射侧)的方式，通过z轴移动装置22控制包括会聚透镜35在内的第2空心电动机18的z轴方向的位置(参照图8的(a))。在该状态下使会聚点沿着加工线绕数圈之后，控制第2空心电动机18的z轴方向的位置，从而如图8(b)所示，使会聚点下降。然后，同样使会聚点沿着加工线绕数圈之后，再使会聚点下降。通过重复执行以上动作，可以使加工线的内侧部分脱落而形成孔。
[0088]或者，不每次使会聚点沿着加工线绕数圈后使其下降，而是使会聚点以适当的速度连续地在z轴方向上下降，呈螺旋状进行加工，同样也可以进行开孔加工。
[0089][实验例]
[0090]图9示出使激光以会聚旋转方式和同心圆方式照射到基板来进行加工的情况下的实验例。该图(a)是会聚旋转方式的加工，会聚旋转方式如图10(a)所示是本发明的激光照射方式。并且，该图(b)是同心圆方式的加工，同心圆方式如图10的(b)所示，是在不使激光旋转的情况下使激光沿着加工线(图10中的圆轨迹)扫描来进行加工的方式。另夕卜，会聚旋转方式在图10的(a)所示的宽度是200 μ m以上的情况下是能够实现的。
[0091]在图9的加工例中，激光的波长是532μπι，基板是碳，厚度是1mm。并且，激光的输出和I圈的扫描时间在(a)和(b)中条件相同。
[0092]比较图9的(a)和(b)可以明确，会聚旋转方式可以以少的扫描次数使加工深度变深。即，可以以更短的时间进行开孔加工。其原因之一被认为是因为，在会聚旋转方式的情况下，在加工部位的外周缘部分中激光反复重叠照射，该部分被加工得更深。
[0093]如以上所述，在本实施方式中，可以以更短时间对厚度比较厚(Imm以上)且激光的吸收率是50%以上的基板进行加工。
[0094][其它实施方式]
[0095]本发明不限定于以上的实施方式，能够在不脱离本发明的范围的情况下进行各种变型或修改。
[0096](a)关于用于使激光旋转的机构、用于使激光会聚的结构、以及用于扫描的结构，不限定于所述实施方式。
[0097]例如，作为扫描用的结构，取代第2空心电动机和一对第2棱镜,可以设置两个电流反射镜，按任意形状扫描。具体地说，设置用于在沿着基板表面的平面内在X轴方向上扫描激光的X方向电流反射镜、和用于在沿着基板表面的平面内在I轴方向上扫描激光的I方向电流反射镜，并配置?.θ透镜，从而可以在基板表面中按任意形状扫描激光。
[0098](b)在所述实施方式中，作为使会聚点在z轴方向上移动的机构，通过z轴移动装置22使包括会聚透镜35的第2空心电动机18移动，然而也可以使包括会聚透镜35的第2空心电动机18固定，并使工件台2在z轴方向上移动。
[0099](c)光学系统的具体结构不限定于所述实施方式。只要能使激光输出部15的激光以容易调整光轴且有效的方式输入到第I空心电动机17的第I楔形棱镜321、322即可。
[0100](d)第I楔形棱镜321、322的具体例是一例，并不限定于此。并且，加工例的各数值也不过是一例。
[0101](e)作为基板的材料，除了碳以外，对于陶瓷或者硅等其它材料的基板，也可以应用本发明并得到相同效果。
【权利要求】
1.一种利用激光的基板切断装置，其朝向基板照射激光来切断基板，其中， 所述利用激光的基板切断装置具有: 工件台，其载置有待加工的基板； 激光输出部，其对所述基板输出具有吸收率是50%以上的波长的激光； 旋转单元，其使从激光输出部射出的激光以规定的旋转半径旋转； 会聚单元，其使来自所述旋转单元的激光会聚在所述基板中的激光的照射侧的深度位置；以及 扫描单元，其使所会聚且旋转的激光沿着加工线扫描，并重复执行所述扫描来加工所述基板。
2.根据权利要求1所述的利用激光的基板切断装置，其中， 所述基板的厚度是Imm以上。
3.根据权利要求1或2所述的利用激光的基板切断装置，其中， 所述会聚单元使激光的会聚位置从基板的被照射激光的一侧朝向相反侧移动。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的利用激光的基板切断装置，其中， 所述基板是由从碳、陶瓷、硅中所选择的材料形成的。
【文档编号】B23K26/082GK104209655SQ201410202072
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年5月14日 优先权日:2013年5月29日
【发明者】福原健司 申请人:三星钻石工业股份有限公司