DE102020213776A1 - Method of cleaving a crystal - Google Patents

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Michael Förtsch
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Spalten eines Kristalls (2), umfassend: Einstrahlen eines gepulsten Laserstrahls auf den Kristall (2) zum Modifizieren, insbesondere zum Abtragen, von Material des Kristalls (2). Beim Einstrahlen des gepulsten Laserstrahls wird das Material des Kristalls (2) bis zu einer Eindringtiefe modifiziert, die mindestens 30%, bevorzugt mindestens 40% einer Dicke des Kristalls (2) entspricht, wobei durch das Einstrahlen des gepulsten Laserstrahls der Kristall (2) entlang einer vorgegebenen Bruchkante gespalten wird.The invention relates to a method for cleaving a crystal (2), comprising: irradiating a pulsed laser beam onto the crystal (2) to modify, in particular to remove, material from the crystal (2). When the pulsed laser beam is radiated in, the material of the crystal (2) is modified to a penetration depth which corresponds to at least 30%, preferably at least 40%, of a thickness of the crystal (2), the crystal (2) being radiated along by the pulsed laser beam a predetermined breaking edge is split.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Spalten eines Kristalls, umfassend: Einstrahlen eines gepulsten Laserstrahls auf den Kristall zum Modifizieren, insbesondere zum Abtragen, von Material des Kristalls.The present invention relates to a method for cleaving a crystal, comprising: irradiating a pulsed laser beam onto the crystal to modify, in particular to remove, material from the crystal.

Die Modifikation des Materials des Kristalls kann beispielsweise im Einbringen von Störstellen und/oder Defekten in das Material des Kristalls bestehen, die durch die Wechselwirkung des Materials des Kristalls mit dem gepulsten Laserstrahl erzeugt werden. Bei den Störstellen bzw. Defekten kann es sich beispielsweise um Dichteänderungen, chemische Änderungen und/oder um lokale Verspannungen handeln, die ein Spalten des Kristalls begünstigen. Die Modifikation des Materials des Kristalls kann auch darin bestehen, dass Material des Kristalls typischerweise durch Laserablation abgetragen wird.The modification of the material of the crystal can consist, for example, in the introduction of imperfections and/or defects into the material of the crystal, which are produced by the interaction of the material of the crystal with the pulsed laser beam. The imperfections or defects can be, for example, changes in density, chemical changes and/or local stresses that promote splitting of the crystal. The modification of the material of the crystal can also consist in material of the crystal typically being removed by laser ablation.

Bei dem Kristall kann es sich um einen optischen Kristall handeln, d.h. um einen Kristall, der für optische Anwendungen genutzt werden kann. Bei dem optischen Kristall kann es sich insbesondere um einen nichtlinearen optischen Kristall handeln. Bei dem Kristall kann es sich aber auch um einen Halbleiterkristall handeln, z.B. um einen Silizium-Kristall, oder um eine andere Art von Kristall.The crystal may be an optical crystal, i.e. a crystal that can be used for optical applications. The optical crystal can in particular be a non-linear optical crystal. However, the crystal can also be a semiconductor crystal, e.g. a silicon crystal, or another type of crystal.

Integrierte Optiken basierend auf Mikrostrukturen und Wellenleiterstrukturen in optischen Kristallen sind eine wichtige Voraussetzung für moderne (quanten)optische Geräte und Schalter. Um die Effizienz der resultierenden optischen Aufbauten zu gewährleisten, ist es erforderlich, die Verluste beim Einkoppeln, insbesondere beim direkten Einkoppeln („direct coupling“), in die einzelnen Strukturen zu minimieren. Ein Schlüsselfaktor ist dabei die Beschaffenheit der Endfacetten von Wellenleiterstrukturen, die in der Regel eine Rauheit in der Größenordnung von weniger als 10 nm aufweisen müssen. Die Herstellung dieser Endfacetten geschieht in der Regel nach der Strukturierung der eigentlichen Wellenleiter durch kontrolliertes Abtrennen der Endbereiche.Integrated optics based on microstructures and waveguide structures in optical crystals are an important prerequisite for modern (quantum) optical devices and switches. In order to ensure the efficiency of the resulting optical structures, it is necessary to minimize the losses during coupling, in particular during direct coupling, into the individual structures. A key factor is the nature of the end facets of waveguide structures, which typically must have a roughness on the order of less than 10 nm. These end facets are usually produced after the actual waveguide has been structured by controlled separation of the end areas.

Die dabei typischerweise zum Einsatz kommenden Vereinzelungsmethoden wie Sägen oder Polieren sind sehr zeitaufwändig und teuer, wobei der Durchsatz entweder durch den Prozess selbst limitiert ist, wie z.B. Diamantsägen, oder durch die Anzahl von Schritten, wie z.B. beim Anritzen und mechanischen Spalten.The singulation methods typically used, such as sawing or polishing, are very time-consuming and expensive, with throughput limited either by the process itself, such as diamond sawing, or by the number of steps, such as scribing and mechanical cleaving.

In dem Artikel „Ultrabroadband Nonlinear Optics in Nanophotonic Periodically Poled Lithium Niobate Waveguides“, M. Jankowski et al., arXiv:1909.08806, 19. September 2019, wird zum Erzeugen von Endfacetten mit optischer Qualität an periodisch gepoltem Lithiumniobat eine konventionelle Lasersäge eingesetzt, mit der Laserpulse mit Pulsenergien in der Größenordnung von µJ in die Probe fokussiert werden, um ein periodisches Array von Schädigungsstellen zu erzeugen, die als Keimstellen zur Rissausbreitung dienen. Bei einem solchen auch als „stealth dicing“ bekannten Prozess wird die Probe bzw. der optische Kristall nachfolgend gespalten, indem eine Trägermembran, auf der die Probe angeordnet ist, in radialer Richtung gedehnt wird.In the article "Ultrabroadband Nonlinear Optics in Nanophotonic Periodically Poled Lithium Niobate Waveguides", M. Jankowski et al., arXiv:1909.08806, 19 September 2019, a conventional laser saw is used to produce optical quality end facets on periodically poled lithium niobate, with of the laser pulses with pulse energies on the order of µJ are focused into the sample to create a periodic array of damage sites that serve as nucleation sites for crack propagation. In such a process, also known as “stealth dicing”, the sample or the optical crystal is subsequently split by a carrier membrane on which the sample is arranged being stretched in the radial direction.

In dem Artikel „Smooth Surfaces with High Accuracies“, S. Mahdi et al., Laser Technik Journal 9, Nr. 3 (2012): 36-39 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem ein Silizium-auf-Isolator Chip mit einem Femtosekunden-Laser angeritzt wird, wobei sich Kerben in dem Chip ausbilden. Nach dem Anritzen wird der Chip mit Hilfe von mechanischen Werkzeugen entlang der Mitte der Kerbe gespalten.In the article "Smooth Surfaces with High Accuracies", S. Mahdi et al., Laser Technik Journal 9, No. 3 (2012): 36-39, a method is described in which a silicon-on-insulator chip with a femtosecond - Laser is scribed, forming nicks in the chip. After scribing, the chip is split along the center of the kerf using mechanical tools.

In der US 9,636,783 B2 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laser-Dicing beschrieben, bei denen ein Halbleiter-Wafer und ein Substrat-Wafer durch Bonden oder Laminieren miteinander verbunden sind. Die Laserparameter eines Laserstrahls, der einen Spalt in den Halbleiter-Wafer schneidet, werden so gewählt, dass ein Ablationsschwellwert des Halbleiter-Wafers nicht überschritten wird, so dass gezielt der Halbleiter-Wafer abgetragen wird.In the U.S. 9,636,783 B2 describes a method and a device for laser dicing, in which a semiconductor wafer and a substrate wafer are connected to one another by bonding or lamination. The laser parameters of a laser beam that cuts a gap in the semiconductor wafer are selected in such a way that an ablation threshold value of the semiconductor wafer is not exceeded, so that the semiconductor wafer is removed in a targeted manner.

In der US 8969761 B2 ist ein Verfahren zum Schneiden eines Wafer-artigen Objekts beschrieben, bei dem zum Schneiden des Objekts entlang einer Mehrzahl von sich kreuzenden Schnittlinien das Objekt mit Laserlicht bestrahlt wird, um an einer Mehrzahl von Laserlicht-konvergierenden Punkten entlang der Schnittlinien eine Mehrzahl von modifizierten Stellen zu bilden. Das Objekt wird entlang der Schnittlinien in Teile geschnitten, indem sich ausgehend von den modifizierten Stellen Risse in dem Objekt ausbreiten, die sich zur Vorderseite und zur Rückseite des Objekts erstrecken. Beim Schneiden des Objekts wird eine Membran deformiert, auf der das Objekt gelagert wird, um eine Spannung auf das Objekt auszuüben und dadurch das Schneiden des Objekts in Teile zu bewirken.In the US8969761B2 describes a method for cutting a wafer-like object, in which the object is irradiated with laser light to cut the object along a plurality of crossing cutting lines to form a plurality of modified points at a plurality of laser light-converging points along the cutting lines form. The object is cut into parts along the cut lines by propagating cracks in the object from the modified locations, extending to the front and back of the object. When the object is cut, a membrane on which the object is supported is deformed to apply tension to the object, thereby causing the object to be cut into pieces.

In der WO 2011/163149 A2 ist ein Verfahren zum Schneiden eines Halbleiterwafers beschrieben, der mehrere integrierte Schaltkreise aufweist. Das Verfahren umfasst das Bilden einer Maske über dem Halbleiterwafer. Die Maske besteht aus einer Schicht, welche die integrierten Schaltkreise bedeckt und schützt. Die Maske wird mit einem Femtosekunden-basierten Laser-Ritzverfahren strukturiert, um eine strukturierte Maske mit Lücken bereitzustellen. Die Strukturierung legt Bereiche des Halbleiterwafers zwischen den integrierten Schaltungen frei. Der Halbleiterwafer wird durch die Lücken in der strukturierten Maske geätzt, um die integrierten Schaltungen zu vereinzeln.In the WO 2011/163149 A2 describes a method for cutting a semiconductor wafer having a plurality of integrated circuits. The method includes forming a mask over the semiconductor wafer. The mask consists of a layer that covers and protects the integrated circuits. The mask is patterned with a femtosecond-based laser scribing process to provide a patterned mask with gaps. The structuring lays down areas of the semiconductor wa fers between the integrated circuits. The semiconductor wafer is etched through the gaps in the patterned mask to singulate the integrated circuits.

Aufgabe der Erfindungobject of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Spalten eines Kristalls zu verbessern.The object of the invention is to improve a method for cleaving a crystal.

Gegenstand der Erfindungsubject of the invention

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem beim Einstrahlen des gepulsten Laserstrahls das Material des Kristalls bis zu einer Eindringtiefe modifiziert, insbesondere abgetragen, wird, die mindestens 30%, bevorzugt mindestens 40% einer Dicke des Kristalls entspricht, wobei durch das Einstrahlen (und während des Einstrahlens) des gepulsten Laserstrahls der Kristall entlang einer vorgegebenen Bruchkante gespalten wird. Die Eindringtiefe in den Kristall definiert den Bereich, in dem Material des Kristalls modifiziert wird, beispielsweise indem Material des Kristalls durch Laserablation abgetragen wird.This object is achieved by a method of the type mentioned at the outset, in which, when the pulsed laser beam is irradiated, the material of the crystal is modified, in particular removed, to a penetration depth which corresponds to at least 30%, preferably at least 40%, of a thickness of the crystal, wherein by irradiating (and during irradiating) the pulsed laser beam, the crystal is split along a predetermined breaking edge. The penetration depth into the crystal defines the area in which material of the crystal is modified, for example by material of the crystal being removed by laser ablation.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Material des Kristalls bei der Einstrahlung des Laserstrahls modifiziert, so dass dieser entlang der Bruchkante gespalten werden kann. Beispielsweise können beim Einstrahlen des gepulsten Laserstrahls durch Laserablation tiefe, kraterförmige Sollbruchstellen in das Material des Kristalls eingebracht werden. Es hat sich gezeigt, dass auf diese Weise ein direkter Selbstspaltungsprozess des Kristalls erreicht werden kann, d.h. der Kristall wird entlang der Bruchkante durch einen Energieeintrag, der bei der Einstrahlung des Laserstrahls eingebracht wird, gespalten. Die direkte Selbstspaltung unterscheidet das hier beschriebene Verfahren von den weiter oben beschriebenen Verfahren, bei denen zunächst ein lasergestütztes Anritzen des (optischen) Kristalls erfolgt, der (optische) Kristall aber erst durch einen nachfolgenden mechanischen Spaltungsprozess gespalten wird.In the method according to the invention, the material of the crystal is modified when the laser beam is irradiated, so that it can be split along the breaking edge. For example, when the pulsed laser beam is radiated in, deep, crater-shaped predetermined breaking points can be introduced into the material of the crystal by laser ablation. It has been shown that a direct self-cleavage process of the crystal can be achieved in this way, i.e. the crystal is split along the fracture edge by an energy input that is introduced when the laser beam is irradiated. The direct self-cleavage distinguishes the method described here from the methods described above, in which the (optical) crystal is first laser-assisted scratched, but the (optical) crystal is only split by a subsequent mechanical splitting process.

Die bei dem hier beschriebenen Verfahren erzeugte Bruchkante weist eine charakteristische Struktur auf, bei der entlang derjenigen Seite des Kristalls, auf die der gepulste Laserstrahl eingestrahlt wird, tiefe Defekte, beispielsweise in Form von Ablationskratern, gebildet werden, während auf einer der Einstrahlung des gepulsten Laserstrahls abgewandten Seite des Kristalls aufgrund der direkten Selbstspaltung eine vollständig glatte Bruchkante gebildet wird, die eine Rauheit in der Größenordnung eines Moleküldurchmessers bzw. im atomaren Bereich (Angström) aufweist. In dem glatten Teilbereich der Bruchkante, der sich z.B. über ca. die Hälfte der Dicke des Kristalls erstrecken kann, wird eine Kristallfacette mit optischer Qualität erzeugt, die bei einem optischen Kristall z.B. zur Herstellung von Endfacetten von Wellenleiterstrukturen mit minimalen Kopplungsverlusten verwendet werden kann. Der Kristall, der auf die oben beschriebene Weise entlang der Bruchkante gespalten wird, kann aber auch ein Substrat eines Materialverbunds mit einem optischen Kristall bilden, der mit einer Oberfläche des Substrats durch Bonden verbunden ist. Weist der optische Kristall eine deutlich geringere Dicke als das kristalline Substrat auf, wird der optische Kristall typischerweise ebenfalls entlang der Bruchkante gespalten, wobei an dem optischen Kristall eine Kristallfacette mit optischer Qualität erzeugt wird.The fracture edge produced in the method described here has a characteristic structure in which deep defects, for example in the form of ablation craters, are formed along that side of the crystal onto which the pulsed laser beam is irradiated, while on one of the irradiation of the pulsed laser beam Due to the direct self-cleavage, a completely smooth fracture edge is formed on the opposite side of the crystal, which has a roughness in the order of a molecular diameter or in the atomic range (Angstrom). In the smooth portion of the breaking edge, which can extend e.g. over about half the thickness of the crystal, a crystal facet with optical quality is produced, which can be used in an optical crystal, e.g. However, the crystal cleaved along the fractured edge in the manner described above may also constitute a composite material substrate having an optical crystal bonded to a surface of the substrate. If the optical crystal has a significantly smaller thickness than the crystalline substrate, the optical crystal is typically also cleaved along the fracture line, producing an optical quality crystal facet on the optical crystal.

Das hier beschriebene Verfahren zur Selbstspaltung des Kristalls erfordert keine Vorbehandlung des Materials des Kristalls. Zudem sind vor und nach dem Spalten des Kristalls wenige bis keine Reinigungsschritte erforderlich, so dass ggf. auf die Durchführung des Verfahrens in einem Reinraum verzichtet werden kann. Das hier beschriebene Verfahren ist somit kostengünstig durchführbar und bei geeigneter Optimierung sehr stabil und reproduzierbar. Zudem handelt es sich um ein trockenes Trennverfahren, bei dem es zu keinen Verunreinigungen durch Kühl- oder Schmierflüssigkeiten kommt. Anders als beim Diamant-Sägen handelt es sich auch nicht um ein abrasives Verfahren, so dass kein Materialverschleiß bei der Herstellung auftritt, es zu keinen Verunreinigungen und daher auch zu keinem Materialausschuss kommt.The method described here for the self-cleavage of the crystal does not require any pretreatment of the material of the crystal. In addition, few or no cleaning steps are required before and after the splitting of the crystal, so that it may be possible to dispense with carrying out the method in a clean room. The method described here can therefore be carried out inexpensively and, with suitable optimization, is very stable and reproducible. In addition, it is a dry separation process in which there is no contamination from cooling or lubricating liquids. In contrast to diamond sawing, it is not an abrasive process either, so that there is no material wear during production, there is no contamination and therefore no material wastage.

Bei einer Variante verläuft die Bruchkante entlang einer Kristallachse bzw. entlang einer Kristallebene und/oder in einer Ebene senkrecht zu einer Oberfläche des Kristalls, auf die der gepulste Laserstrahl eingestrahlt wird. Um eine möglichst glatte Bruchkante zu erhalten, ist es in der Regel günstig, wenn die Bruchkante entlang einer Kristallachse bzw. einer Kristallebene des gespaltenen Kristalls verläuft. Für den Fall, dass der Laserstrahl senkrecht auf die Oberfläche des Kristalls eingestrahlt wird, verläuft die Bruchkante in der Regel in einer Ebene senkrecht zur Oberfläche des Kristalls. In diesem Fall ist eine Spaltung des Kristalls entlang der Ebene senkrecht zur Oberfläche ggf. auch möglich, wenn diese Ebene nicht mit einer Kristallebene übereinstimmt.In one variant, the breaking edge runs along a crystal axis or along a crystal plane and/or in a plane perpendicular to a surface of the crystal onto which the pulsed laser beam is radiated. In order to obtain a fracture edge that is as smooth as possible, it is generally advantageous if the fracture edge runs along a crystal axis or a crystal plane of the split crystal. If the laser beam is radiated perpendicularly onto the surface of the crystal, the breaking edge usually runs in a plane perpendicular to the surface of the crystal. In this case, cleavage of the crystal along the plane perpendicular to the surface may also be possible if this plane does not coincide with a crystal plane.

Entgegen herkömmlicher Spaltverfahren können mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren somit auch Bruchkanten entlang von Ebenen erzeugt werden, die nicht entlang der natürlichen Spaltrichtung (d.h. typischerweise entlang einer Kristallebene) verlaufen. Auf diese Weise ist es möglich, gegenüber der Dickenrichtung des Kristalls geneigte bzw. angewinkelte Endfacetten zu erzeugen. Diese ermöglichen Anwendungen wie z.B. Brewster-Fenster und damit verbesserte Kopplungseigenschaften. Wie weiter oben beschrieben wurde, ist es typischerweise aber günstig, wenn die Bruchkante entlang der natürlichen Spaltrichtung, d.h. entlang einer vorgegebenen Kristallebene, verläuft.In contrast to conventional cleavage methods, the method proposed here can also be used to produce break edges along planes that do not run along the natural direction of cleavage (ie typically along a crystal plane). In this way it is possible to produce end facets which are inclined or angled with respect to the direction of the thickness of the crystal. This enable applications such as Brewster windows and thus improved coupling properties. However, as described above, it is typically favorable if the fracture edge runs along the natural direction of cleavage, ie along a predetermined crystal plane.

Bei einer Variante wird das Material des Kristalls beim Einstrahlen des gepulsten Laserstrahls bis zu einer Eindringtiefe modifiziert, die nicht mehr als 70%, bevorzugt nicht mehr als 60% der Dicke des Kristalls entspricht. Auch wenn die Höhe des Bereichs, in dem eine Endfacette einer Wellenleiterstruktur an einem optischen Kristall gebildet wird, in der Regel bei nicht mehr als 5% der Dicke des optischen Kristalls liegt, sollte die Eindringtiefe des gepulsten Laserstrahls typischerweise den oben angegebenen Wert nicht übersteigen. Für den Fall, dass der Kristall, auf den der Laserstrahl eingestrahlt wird, ein kristallines Substrat eines Materialverbunds mit einem optischen Kristall bildet, kann die Eindringtiefe ggf. auch größer gewählt werden.In one variant, the material of the crystal is modified when the pulsed laser beam is irradiated to a penetration depth which corresponds to no more than 70%, preferably no more than 60%, of the thickness of the crystal. Although the height of the region where an end facet of a waveguide structure is formed on an optical crystal is usually no more than 5% of the thickness of the optical crystal, the penetration depth of the pulsed laser beam should typically not exceed the value specified above. In the event that the crystal onto which the laser beam is radiated forms a crystalline substrate of a material composite with an optical crystal, the penetration depth can also be selected to be greater if necessary.

Bei einer weiteren Variante wird die gepulste Laserstrahlung auf einer vorgegebenen, insbesondere geradlinigen Bahnkurve entlang einer Mehrzahl von voneinander beabstandeten, bevorzugt in sich geschlossenen Einstrahlungskonturen auf eine Oberfläche des Kristalls eingestrahlt. Für die Erzeugung der vorgegebenen, in der Regel linienförmigen bzw. geradlinigen Bahnkurve werden der gepulste Laserstrahl und der Kristall relativ zueinander bewegt. Zur Erreichung der für die Spaltung erforderlichen Genauigkeit ist es günstig, wenn der Kristall ortsfest bleibt und der gepulste Laserstrahl über die Oberfläche bewegt wird.In a further variant, the pulsed laser radiation is radiated onto a surface of the crystal on a predetermined, in particular rectilinear path curve along a plurality of spaced apart, preferably self-contained irradiation contours. The pulsed laser beam and the crystal are moved relative to one another to generate the predetermined, generally linear or rectilinear trajectory. In order to achieve the accuracy required for the cleavage, it is favorable if the crystal remains stationary and the pulsed laser beam is moved over the surface.

Entlang der Einstrahlungskonturen wird Material des Kristalls modifiziert, wobei sich Risse in dem Kristall ausbreiten, die bis zu derjenigen Oberfläche des Kristalls reichen, die der bestrahlen Oberfläche abgewandt ist. Auf diese Weise wird der Kristall entlang einer Bruchkante gespalten, die sich in dem Volumen des Kristalls entlang der vorgegebenen Bahnkurve erstreckt. Die Einstrahlungskonturen entlang der vorgegebenen Bahnkurve wirken somit in der Art einer Perforation, entlang derer der optische Kristall gespalten wird. Der gepulste Laserstrahl wird typischerweise auf die Oberfläche oder ggf. auf einen oberflächennahen Volumenbereich des Kristalls fokussiert. Bei den Einstrahlungskonturen handelt es sich bevorzugt um geschlossene Konturen, es ist aber grundsätzlich auch möglich, dass eine jeweilige Einstrahlungskontur keine geschlossene Kontur aufweist.Material of the crystal is modified along the irradiation contours, with cracks propagating in the crystal that reach to that surface of the crystal which faces away from the irradiated surface. In this way, the crystal is split along a fracture line that extends in the volume of the crystal along the predetermined trajectory. The irradiation contours along the predetermined trajectory thus act in the manner of a perforation, along which the optical crystal is split. The pulsed laser beam is typically focused on the surface or, if necessary, on a volume area of the crystal close to the surface. The irradiation contours are preferably closed contours, but in principle it is also possible for a respective irradiation contour not to have a closed contour.

Bei der Oberfläche, auf die der gepulste Laserstrahl eingestrahlt wird, kann es sich um eine Oberfläche eines optischen Kristalls handeln, es ist aber auch möglich, dass der gepulste Laserstrahl auf die Oberfläche eines Substrats eingestrahlt wird, das mit dem optischen Kristall verbunden ist, wie dies beispielsweise bei so genannten als LNol (Lithiumniobate-on-Insulator) der Fall ist, bei dem ein LiNbO3-Kristall auf ein (kristallines) Substrat aus einem Isolator bzw. einem Halbleiter gebondet ist. Auch in diesem Fall ist es erforderlich, dass die Eindringtiefe des gepulsten Laserstrahls in das Material des Kristalls, der das Substrat bildet, bei der Materialmodifikation bei mindestens 30%, bevorzugt mindestens 40% der Dicke des Kristalls liegt.The surface on which the pulsed laser beam is irradiated may be a surface of an optical crystal, but it is also possible that the pulsed laser beam is irradiated on the surface of a substrate bonded to the optical crystal, such as This is the case, for example, with so-called LNol (lithium niobate-on insulator), in which a LiNbO 3 crystal is bonded to a (crystalline) substrate made of an insulator or a semiconductor. In this case, too, it is necessary for the penetration depth of the pulsed laser beam into the material of the crystal that forms the substrate to be at least 30%, preferably at least 40%, of the thickness of the crystal during the material modification.

Bei einer weiteren Variante weist eine jeweilige Einstrahlungskontur eine Erstreckung quer zur vorgegebenen Bahnkurve auf, die größer ist als eine Erstreckung entlang (d.h. parallel zur) vorgegebenen Bahnkurve. Generell gilt, dass es für die Spaltung des Kristalls günstig ist, wenn das Aspekt-Verhältnis aus der Erstreckung 2 a einer jeweiligen Einstrahlungskontur quer zur Bahnkurve und der Erstreckung 2 b parallel zur Bahnkurve gilt: 1 ≤ ( 2 a / 2 b ). Für den Fall, dass es sich bei der Bahnkurve um eine gekrümmte Bahnkurve handelt, bezieht sich die parallele bzw. senkrechte Erstreckung auf die momentan bestrahlte Stelle entlang der Bahnkurve.In a further variant, a respective irradiation contour has an extent transverse to the predetermined trajectory, which is greater than an extent along (i.e. parallel to) the predetermined trajectory. In general, it is favorable for the cleavage of the crystal when the aspect ratio of the extension 2 a of a respective irradiation contour transverse to the trajectory and the extension 2 b parallel to the trajectory applies: 1 ≤ ( 2 a / 2 b ). In the event that the trajectory is a curved trajectory, the parallel or perpendicular extension relates to the instantaneously irradiated point along the trajectory.

Wie weiter oben beschrieben wurde, handelt es sich bei der Bruchkante, entlang derer der Kristall gespalten werden soll, in der Regel um eine Bruchebene und bei der vorgegebenen Bahnkurve auf dem Kristall typischerweise um eine Gerade. Aufgrund von Winkeltoleranzen bei der Justage bzw. bei der Herstellung des Kristalls kann die vorgegebene Bahnkurve von der Bruchkante bzw. von der Kristallebene abweichen, entlang derer der Kristall gespalten werden soll. Um dennoch prozesssicher die Spaltung des Kristalls zu bewirken, sollte der gepulste Laserstrahl an jeder Einstrahlungskontur entlang der vorgegebenen Bahnkurve die vorgegebene Bruchkante des Kristalls treffen, d.h. die Bruchkante sollte jede Einstrahlungskontur entlang der Bahnkurve schneiden.As described above, the fracture line along which the crystal is to be split is usually a fracture plane and the specified trajectory on the crystal is typically a straight line. Due to angular tolerances during the adjustment or during the manufacture of the crystal, the specified trajectory can deviate from the breaking edge or from the crystal plane along which the crystal is to be split. However, in order to reliably split the crystal, the pulsed laser beam should hit the specified breaking edge of the crystal at each irradiation contour along the predetermined trajectory, i.e. the breaking edge should intersect each irradiation contour along the trajectory.

Handelt es sich bei der Bruchkante, entlang derer der Kristall gespalten werden soll, um eine Bruchebene mit Länge B entlang der vorgegebenen Bahnkurve (bei korrekter Ausrichtung der Bahnkurve zu dem Kristall) und beträgt die Erstreckung der Einstrahlungskontur quer zur Bahnkurve 2 a, so ist die (halbe) Erstreckung der Einstrahlungskontur quer zur Bahnkurve gegeben durch: a=B tan ( α ) ,

Figure DE102020213776A1_0001
wobei α die (maximale) Winkelabweichung einer Kristallachse bei der Ausrichtung des optischen Kristalls relativ zu der Bahnkurve bezeichnet, die sich aus dem Toleranzwinkel des Waferflats des Wafers des Kristalls und dem Toleranzwinkel bei der Justierung des Kristalls bzw. des Kristallstreifens zusammensetzt. Es versteht sich, dass in obiger Gleichung ein zusätzlicher Sicherheitsfaktor berücksichtigt werden kann.If the fracture edge, along which the crystal is to be split, is a fracture plane with length B along the specified trajectory (if the trajectory is correctly aligned with the crystal) and the extension of the irradiation contour is 2 a across the trajectory, then the (Half) extension of the irradiation contour transverse to the trajectory given by: a=Btan ( a ) ,
Figure DE102020213776A1_0001
where α denotes the (maximum) angular deviation of a crystal axis when aligning the optical crystal relative to the trajectory, which results from the tolerance angle of the wafer flat of the crystal wafer and the tolerance angle when adjusting the crystal or the crystal strip together people. It is understood that an additional safety factor can be taken into account in the above equation.

Bei einer Weiterbildung dieser Variante liegt die Erstreckung der Einstrahlungskontur quer zur vorgegebenen Bahnkurve zwischen 40 µm und 200 µm. Diese Größenordnung der Erstreckung der Einstrahlungskonturquer zur Bahnkurve hat sich für die Selbstspaltung des Kristalls als günstig erwiesen.In a further development of this variant, the extension of the irradiation contour is between 40 μm and 200 μm transversely to the specified trajectory. This dimension of the extent of the irradiation contour transverse to the trajectory curve has proven to be favorable for the self-splitting of the crystal.

Bei einer Weiterbildung der obigen Variante liegt die Erstreckung der Einstrahlungskontur entlang der vorgegebenen Bahnkurve zwischen 4 µm und 30 µm. Eine Erstreckung der Einstrahlungskontur entlang der vorgegebenen Bahnkurve in der angegebenen Größenordnung begünstigt die Selbstspaltung des Kristalls durch die Materialmodifikation bzw. die Laserablation.In a further development of the above variant, the extent of the irradiation contour along the specified trajectory is between 4 μm and 30 μm. An extension of the irradiation contour along the specified trajectory in the given order of magnitude favors the self-cleavage of the crystal through the material modification or the laser ablation.

Bei einer weiteren Weiterbildung ist eine Geometrie der Einstrahlungskontur ausgewählt aus der Gruppe umfassend: Ellipsen, Vielecke, insbesondere Rauten oder Rechtecke, und Linien. Bei den erstgenannten Einstrahlungskonturen handelt es sich um geschlossene Konturen. Bei einer linienförmigen Einstrahlungskontur kann es sich ebenfalls um eine geschlossene Kontur handeln, d.h. der Anfangs- und der Endpunkt der Kontur fallen zusammen, es ist aber auch möglich, dass es sich bei der linienförmigen Kontur um eine offene Kontur handelt, bei welcher der Anfangs- und Endpunkt nicht zusammenfallen. Handelt es sich bei der Einstrahlungskontur um eine Ellipse, verläuft die lange Halbachse typischerweise quer zur vorgegebenen Bahnkurve und die kurze Halbachse verläuft entlang der vorgegebenen Bahnkurve. Auch bei Vielecken, z.B. bei Rechtecken, aber auch bei einer linienförmigen Einstrahlungskontur ist die Erstreckung quer zur vorgegebenen Bahnkurve in der Regel größer ist als die Erstreckung entlang der vorgegebenen Bahnkurve. Unter einer linienförmigen Einstrahlungskontur wird eine Einstrahlungskontur verstanden, deren Länge mindestens 10 Mal so groß ist wie deren Breite.In a further development, a geometry of the irradiation contour is selected from the group comprising: ellipses, polygons, in particular rhombuses or rectangles, and lines. The irradiation contours mentioned first are closed contours. A line-shaped irradiation contour can also be a closed contour, i.e. the start and end point of the contour coincide, but it is also possible for the line-shaped contour to be an open contour in which the start point and end point do not coincide. If the irradiation contour is an ellipse, the long semi-axis typically runs transversely to the specified trajectory and the short semi-axis runs along the specified trajectory. Also in the case of polygons, e.g. in the case of rectangles, but also in the case of a line-shaped irradiation contour, the extent transverse to the specified trajectory is generally greater than the extent along the specified trajectory. A line-shaped irradiation contour is understood to mean an irradiation contour whose length is at least 10 times greater than its width.

Der gepulste Laserstrahl, der auf die Oberfläche eingestrahlt wird, weist typischerweise einen Strahldurchmesser auf, der zwischen der Beugungsgrenze und ca. 50 µm liegt. Der gepulste Laserstrahl weist in der Regel einen runden Strahlquerschnitt auf, es ist aber auch möglich, den gepulsten Laserstrahl mit Hilfe einer Strahlformungsoptik geeignet zu formen, so dass dieser eine vorgegebene, von einer runden Geometrie abweichende Form aufweist.The pulsed laser beam that is radiated onto the surface typically has a beam diameter that lies between the diffraction limit and approx. 50 µm. The pulsed laser beam generally has a round beam cross-section, but it is also possible to shape the pulsed laser beam in a suitable manner with the aid of beam-shaping optics, so that it has a predetermined shape that deviates from a round geometry.

Bei einer weiteren Weiterbildung liegt ein Abstand zwischen benachbarten Einstrahlungskonturen zwischen 50 µm und 400 µm. In der Regel ist der Abstand zwischen benachbarten Einstrahlungskonturen konstant, d.h. dieser variiert nicht entlang der Bahnkurve. Grundsätzlich kann der Abstand zwischen benachbarten Einstrahlungskonturen aber auch entlang der Bahnkurve variieren. Durch die Wahl eines geeigneten Abstandes zwischen den Einstrahlungskonturen wird die Selbstspaltung des Kristalls begünstigt bzw. ermöglicht.In a further development, the distance between adjacent irradiation contours is between 50 μm and 400 μm. As a rule, the distance between adjacent irradiation contours is constant, i.e. it does not vary along the trajectory. In principle, however, the distance between adjacent irradiation contours can also vary along the trajectory. By choosing a suitable distance between the irradiation contours, the self-cleavage of the crystal is favored or made possible.

Bei einer weiteren Variante liegt eine Sprunggeschwindigkeit zwischen benachbarten Einstrahlungskonturen zwischen 100 mm/s und 4000 mm/s. Die Sprunggeschwindigkeit zwischen benachbarten Einstrahlungskonturen ist in der Regel größer als die Markiergeschwindigkeit (s.u.) bei der Bewegung der Laserstrahls entlang der Einstrahlungskontur.In a further variant, a jump speed between adjacent irradiation contours is between 100 mm/s and 4000 mm/s. The jumping speed between adjacent irradiation contours is usually greater than the marking speed (see below) when the laser beam moves along the irradiation contour.

Bei einer Weiterbildung liegt eine Markiergeschwindigkeit bei der Bewegung des gepulsten Laserstrahls entlang der Einstrahlungskontur zwischen 10 mm/s und 200 mm/s. Bei der Bewegung des gepulsten Laserstrahls entlang der Einstrahlungskontur überlappen sich typischerweise die Strahlquerschnitte von aufeinanderfolgenden Laserpulsen, so dass eine kontinuierliche Einstrahlungskontur erzeugt wird. Wie weiter oben angegeben wurde, ist die Markiergeschwindigkeit in der Regel geringer als die Sprunggeschwindigkeit zwischen benachbarten Einstrahlungskonturen. Gegebenenfalls kann die Einstrahlungskontur auch mehrfach mit dem gepulsten Laserstrahl abgefahren werden.In a development, a marking speed during the movement of the pulsed laser beam along the irradiation contour is between 10 mm/s and 200 mm/s. During the movement of the pulsed laser beam along the irradiation contour, the beam cross sections of successive laser pulses typically overlap, so that a continuous irradiation contour is generated. As stated above, the marking speed is usually lower than the jump speed between adjacent irradiation contours. If necessary, the irradiation contour can also be traversed several times with the pulsed laser beam.

Das Spalten des Kristalls mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist deutlich schneller als herkömmliche Verfahren zur Vereinzelung bzw. zum Spalten von Kristallen z.B. zur Herstellung von Endfacetten von Wellenleiterstrukturen. Aufgrund der schnellen Spaltgeschwindigkeit ist das Verfahren skalierbar, d.h. es kann eine Vereinzelung bzw. ein Spalten des Kristalls nicht nur auf Chip-Ebene, sondern auch auf Wafer-Ebene erfolgen, ohne dass der Zeitaufwand hierbei deutlich zunimmt. Die aus der Sprunggeschwindigkeit, der Markiergeschwindigkeit und der Länge der jeweiligen Einstrahlungskontur resultierende Vorschubgeschwindigkeit, mit welcher der gepulste Laserstrahl entlang der Bahnkurve bewegt wird, entspricht ungefähr der Spaltpropagationsgeschwindigkeit im Material des Kristalls.The splitting of the crystal with the aid of the method according to the invention is significantly faster than conventional methods for separating or splitting crystals, e.g. for the production of end facets of waveguide structures. Due to the fast splitting speed, the process is scalable, i.e. the crystal can be singulated or split not only at chip level, but also at wafer level, without significantly increasing the time required. The feed rate resulting from the jumping speed, the marking speed and the length of the respective irradiation contour, with which the pulsed laser beam is moved along the trajectory curve, corresponds approximately to the gap propagation speed in the material of the crystal.

Bei einer Weiterbildung ist der Kristall streifenförmig und die vorgegebene Bahnkurve erstreckt sich quer zu einer Längsrichtung des streifenförmigen Kristalls (bzw. des Kristallstreifens). In diesem Fall wird der Kristallstreifen entlang seiner Breite, d.h. quer zur Längsrichtung, gespalten. Der Kristallstreifen weist eine definierte Länge und Breite auf und kann mit Hilfe eines herkömmlichen Vereinzelungsverfahrens aus einem Wafer erzeugt werden. Beispielsweise kann der Wafer durch Laserperforation bzw. durch Laserablation mit anschließendem mechanischen Brechen in eine Mehrzahl von Kristallstreifen aufgeteilt werden. Wie weiter oben beschrieben wurde, ist es aber auch möglich, dass für das Aufteilen des Wafers in die Kristallstreifen das erfindungsgemäße Verfahren angewandt wird, bei dem eine Selbstspaltung des Kristalls stattfindet.In a development, the crystal is in the form of a strip and the predetermined trajectory extends transversely to a longitudinal direction of the crystal in the form of a strip (or the crystal strip). In this case, the crystal strip is split along its width, ie transversely to the longitudinal direction. The crystal strip has a defined length and width and can be produced from a wafer using a conventional singulation method. For example, the wafer can be divided into a plurality of crystal strips by laser perforation or by laser ablation with subsequent mechanical breaking. As above was described, but it is also possible that the method according to the invention is used for dividing the wafer into the crystal strips, in which self-cleavage of the crystal takes place.

Bei einer weiteren Variante ist der Kristall ein optischer Kristall, der ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend: Lithiumniobat, LiNbO3, Lithiumtantalat, LiTaO3, oder Kaliumtitanylphosphat, KTP. Es versteht sich, dass die genannten Materialien auch dotiert sein können, z.B. kann es sich bei LiNbO3 um MgO:LiNbO3 handeln. Der optische Kristall kann auch eine Brechungsindexstruktur zur planaren Wellenleitung oder zur Rippen-Wellenleitung aufweisen und z.B. als PE (proton-exchanged) LiNbO3 bzw. MgO:LiNbO3 ausgebildet sein.In another variant, the crystal is an optical crystal selected from the group comprising: lithium niobate, LiNbO 3 , lithium tantalate, LiTaO 3 , or potassium titanyl phosphate, KTP. It goes without saying that the materials mentioned can also be doped, for example LiNbO 3 can be MgO:LiNbO 3 . The optical crystal can also have a refractive index structure for planar waveguiding or for ribbed waveguiding and can be in the form of PE (proton-exchanged) LiNbO 3 or MgO:LiNbO 3 , for example.

Bei einer alternativen Variante bildet der Kristall ein Substrat, bevorzugt in Form eines Halbleiterkristalls, insbesondere eines Silizium-Kristalls, das mit einem optischen Kristall einen Materialverbund bildet, wobei beim Einstrahlen des gepulsten Laserstrahls auf eine dem optischen Kristall abgewandte Seite des Substrats auch der optische Kristall entlang der Bruchkante gespalten wird. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann der optische Kristall, der mit Hilfe des Verfahrens gespalten werden soll, auch auf einem kristallinen Substrat gebondet sein, d.h. der optische Kristall kann einen Materialverbund mit einem anderen Material bilden. In diesem Fall weist der optische Kristall typischerweise eine Dicke auf, die deutlich (in der Regel mindestens eine Größenordnung) kleiner ist als die Dicke des Substrats. Wird das Substrat entlang der Bruchkante gespalten, wird daher auch der optische Kristall entlang derselben Bruchkante gespalten. Durch die Einstrahlung des gepulsten Laserstrahls auf die dem optischen Kristall abgewandte Seite des Substrats wird der optische Kristall in dem glatten Teilbereich der Bruchkante gespalten und weist daher optische Qualität auf. Das Substrat kann beispielsweise eine Dicke in der Größenordnung von ca. 500 µm aufweisen, die Dicke des optischen Kristalls liegt in der Regel in der Größenordnung von ca. 5 µm - 10 µm.In an alternative variant, the crystal forms a substrate, preferably in the form of a semiconductor crystal, in particular a silicon crystal, which forms a material composite with an optical crystal is split along the breaking edge. As described above, the optical crystal to be cleaved by the method can also be bonded onto a crystalline substrate, i.e. the optical crystal can form a material composite with another material. In this case, the optical crystal typically has a thickness that is significantly (usually at least an order of magnitude) smaller than the thickness of the substrate. Therefore, when the substrate is cleaved along the fracture line, the optical crystal is also cleaved along the same fracture line. The irradiation of the pulsed laser beam onto the side of the substrate facing away from the optical crystal splits the optical crystal in the smooth partial area of the breaking edge and therefore has optical quality. The substrate can, for example, have a thickness of the order of about 500 μm, the thickness of the optical crystal is usually of the order of about 5 μm-10 μm.

Die Verbindung des optischen Kristalls mit dem Substrat zu dem Materialverbund kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Beispielsweise kann zum Verbinden ein gepulster Laserstrahl auf eine Oberfläche zwischen dem optischen Kristall und dem Substrat eingestrahlt werden, um eine Schmelzzone zu bilden und auf diese Weise den optischen Kristall stoffschlüssig mit dem Substrat zu verbinden. Zwischen dem optischen Kristall und dem Substrat kann eine Zwischenschicht gebildet sein, auf die der gepulste Laserstrahl zum Ausbilden der Schmelzzone eingestrahlt wird, wie dies in der DE102020211282.7 der Anmelderin beschreiben ist, welche durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird. Die - ggf. amorphe - Zwischenschicht weist typischerweise eine Dicke von wenigen Mikrometern auf, so dass die Zwischenschicht beim Spalten des kristallinen Substrats ebenfalls entlang der Bruchkante gespalten wird.The optical crystal can be connected to the substrate to form the composite material in different ways. For example, for bonding, a pulsed laser beam may be irradiated on a surface between the optical crystal and the substrate to form a fusion zone, thereby integrally bonding the optical crystal to the substrate. An intermediate layer may be formed between the optical crystal and the substrate, onto which the pulsed laser beam is irradiated to form the fused zone, as shown in FIG DE102020211282.7 of the applicant is described, which is incorporated by reference in its entirety into the content of this application. The—possibly amorphous—intermediate layer typically has a thickness of a few micrometers, so that the intermediate layer is also split along the fracture edge when the crystalline substrate is split.

Bei einer weiteren Variante ist an dem optischen Kristall an einer dem eingestrahlten Laserstrahl abgewandten Seite mindestens eine Wellenleiterstruktur gebildet, wobei die Bruchkante beim Spalten des optischen Kristalls eine Endfacette der Wellenleiterstruktur ausbildet. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann der optische Kristall bereits mit einem Wellenleiter strukturiert sein. In diesem Fall wird beim Spalten des optischen Kristalls eine Endfacette mit optischer Qualität erhalten. Die Endfacette wird hierbei in dem durch die Selbstspaltung erzeugten, glatten Bereich der Bruchkante gebildet, der nicht von der Materialmodifikation betroffen ist bzw. der nicht bei der Laserablation abgetragen wird.In a further variant, at least one waveguide structure is formed on the optical crystal on a side facing away from the incident laser beam, with the breaking edge forming an end facet of the waveguide structure when the optical crystal is split. As described above, the optical crystal can already be structured with a waveguide. In this case, when the optical crystal is cleaved, an optical quality end facet is obtained. In this case, the end facet is formed in the smooth area of the fracture edge produced by the self-cleavage, which is not affected by the material modification or which is not removed during the laser ablation.

Bei dem optischen Kristall, der eine Wellenleiterstruktur aufweist, handelt es sich typischerweise um einen Kristallstreifen, der wie weiter oben beschrieben durch Vereinzelung aus einem Wafer gebildet wurde. Bei einem solchen vorstrukturierten optischen Kristall können ggf. auftretende innere Verspannungen die Qualität der entstehenden Endfacetten beeinflussen. Die Tauglichkeit der mit Hilfe des hier beschriebenen Verfahrens hergestellten Endfacetten für die Wellenleitung bzw. für die Einkopplung von Strahlung wurde durch Transmissionsmessungen etc. nachgewiesen. Es versteht sich, dass der optische Kristall, der die Wellenleiterstruktur aufweist, auch einen Materialverbund mit dem weiter oben beschriebenen kristallinen Substrat bilden kann.The optical crystal having a waveguide structure is typically a crystal strip formed from a wafer by dicing as described above. In the case of such a prestructured optical crystal, any internal stresses that may occur can influence the quality of the end facets that are produced. The suitability of the end facets produced with the aid of the method described here for wave guidance or for the coupling of radiation was proven by transmission measurements etc. It goes without saying that the optical crystal having the waveguide structure can also form a material composite with the crystalline substrate described above.

Die Wellenleiterstruktur wird typischerweise in dem optischen Kristall gebildet, indem um bzw. seitlich entlang der Wellenleiterstruktur ein Materialabtrag erfolgt. Die Dicke des optischen Kristalls wird in diesem Fall daher von der (planen) Oberseite der Wellenleiterstruktur bis zur (planen) Oberfläche auf der gegenüberliegenden Seite des optischen Kristalls gemessen.The waveguide structure is typically formed in the optical crystal by removing material around or laterally along the waveguide structure. The thickness of the optical crystal in this case is therefore measured from the top (planar) surface of the waveguide structure to the (planar) surface on the opposite side of the optical crystal.

Es versteht sich, dass das hier beschriebene Verfahren auch dazu eingesetzt werden kann, einen nicht vorstrukturierten optischen Kristall zu spalten, um Chips mit Facetten optischer Qualität zu erzeugen, die beliebig weiter verwendet werden können.It goes without saying that the method described here can also be used to cleave a non-prestructured optical crystal in order to produce chips with optical quality facets which can be used in any further manner.

Es ist günstig, wenn das Einstrahlen der gepulsten Laserstrahlung in einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird. Bei der Schutzgasatmosphäre bzw. bei dem für die Erzeugung der Schutzgasatmosphäre verwendeten Gas kann es sich beispielsweise um Stickstoff oder um Argon handeln. Für die Durchführung des Verfahrens sind geeignete Atmosphären- und Strömungsverhältnisse günstig. Auf die korrekte Form und Anbringung der Gasdüsen sowie der Absaugung ist hierbei zu achten.It is favorable if the irradiation of the pulsed laser radiation is carried out in a protective gas atmosphere. The protective gas atmosphere or the gas used to generate the protective gas atmosphere can be nitrogen or argon, for example. For carrying out the procedure are suitable Atmospheric and flow conditions favourable. The correct form and attachment of the gas nozzles and the suction must be ensured here.

Für die Durchführung des Verfahrens sowie für die Entnahme der Proben bzw. der vereinzelten Chips nach der Spaltung spielt auch die korrekte Halterung des Kristalls, beispielsweise in Form eines Kristallstreifens, eine Rolle, um die Qualität bzw. die Reproduzierbarkeit des Verfahrens zu erhöhen. Hierbei können u.a. folgende Möglichkeiten zum Einsatz kommen: Vakuumhalter mit großflächiger Ansaugfläche, insbesondere unter Verwendung von Komponenten aus poröser Keramik, sowie komplexe Spannvorrichtungen (z.B. Schraubstockvariante) aus Metall und/oder Kunststoffen, beispielsweise mit Zacken- und/oder Zahnstrukturen. Insbesondere kann mit Hilfe einer geeigneten Halterung ein gesamter Wafer (instantan) vereinzelt werden.The correct mounting of the crystal, for example in the form of a crystal strip, also plays a role in carrying out the method and for removing the samples or the individual chips after the splitting, in order to increase the quality and the reproducibility of the method. The following options can be used here: Vacuum holders with a large suction surface, in particular using components made of porous ceramics, as well as complex clamping devices (e.g. vice variants) made of metal and/or plastics, for example with serrated and/or toothed structures. In particular, an entire wafer can be singulated (instantaneously) with the aid of a suitable holder.

Für die erfolgreiche Durchführung des Verfahrens ist es erforderlich, die Parameter des gepulsten Laserstrahls geeignet zu wählen.For the successful implementation of the method, it is necessary to choose the parameters of the pulsed laser beam appropriately.

Bei einer Variante wird der gepulste Laserstrahl mit einer Wellenlänge eingestrahlt, die zwischen 200 nm und 10 µm, bevorzugt zwischen 200 nm und 1100 nm, liegt. Für die Modifikation des Materials des Kristalls ist es typischerweise erforderlich, dass das Material des Kristalls den gepulsten Laserstrahl absorbiert, d.h. das Material des Kristalls sollte nicht transparent für die Wellenlänge des Laserstrahls sein, bzw. das Material des Kristalls sollte eine erhöhte Absorption für die Wellenlänge des Laserstrahls aufweisen. Dies ist in der Regel bei Wellenlängen von weniger als 550 nm bzw. unterhalb der Bandkante des Kristalls der Fall, bei Lithiumniobat beispielsweise bei Wellenlängen von weniger als ca. 400 nm, bei Silizium bei Wellenlängen von weniger als z.B. 1100 nm.In one variant, the pulsed laser beam is irradiated with a wavelength of between 200 nm and 10 μm, preferably between 200 nm and 1100 nm. The modification of the crystal material typically requires that the crystal material absorbs the pulsed laser beam, i.e. the crystal material should not be transparent to the wavelength of the laser beam, or the crystal material should have increased absorption for the wavelength of the laser beam. This is usually the case at wavelengths of less than 550 nm or below the band edge of the crystal, with lithium niobate, for example, at wavelengths of less than approx. 400 nm, with silicon at wavelengths of less than e.g. 1100 nm.

Für die Modifikation bzw. die Ablation von Material ist es erforderlich, dass der gepulste Laserstrahl eine Pulsenergie aufweist, die oberhalb der Modifikations- bzw. Ablationsschwelle liegt. Für Lithiumniobat als Material des optischen Kristalls liegt die Pulsenergie des gepulsten Laserstrahls typischerweise zwischen 0,1 µJ und 10 µJ.For the modification or ablation of material, it is necessary for the pulsed laser beam to have a pulse energy that is above the modification or ablation threshold. For lithium niobate as the material of the optical crystal, the pulse energy of the pulsed laser beam is typically between 0.1 µJ and 10 µJ.

Bei einer weiteren Variante wird der gepulste Laserstrahl mit einer Pulsdauer zwischen 10 fs und 8 ns, bevorzugt zwischen 100 fs und 10 ps, eingestrahlt. Für die Modifikation von Material bzw. für die Laserablation haben sich insbesondere Pulsdauern im Ultrakurzpuls-Bereich zwischen 100 fs und 10 ps bewährt.In a further variant, the pulsed laser beam is irradiated with a pulse duration of between 10 fs and 8 ns, preferably between 100 fs and 10 ps. For the modification of material or for laser ablation, pulse durations in the ultra-short pulse range between 100 fs and 10 ps have proven particularly useful.

Bei einer weiteren Variante wird die gepulste Laserstrahlung mit einer Repetitionsrate zwischen 1 kHz und 10 MHz, insbesondere zwischen 500 kHz und 2000 kHz, eingestrahlt. Die Einstrahlung des gepulsten Laserstrahls mit diesen Repetitionsraten begünstigt die Selbstspaltung des Kristalls.In a further variant, the pulsed laser radiation is radiated in at a repetition rate between 1 kHz and 10 MHz, in particular between 500 kHz and 2000 kHz. The irradiation of the pulsed laser beam with these repetition rates favors the self-cleavage of the crystal.

Grundsätzlich kann die Einstrahlung des gepulsten Laserstrahls kontinuierlich oder im Burst-Betrieb erfolgen. Wie weiter oben beschrieben wurde, wird der Laserstrahl typischerweise nur in den voneinander beabstandeten Einstrahlungskonturen auf den Kristall eingestrahlt, d.h. in den Volumenbereichen, die zwischen zwei benachbarten Einstrahlungskonturen sowie in Volumenbereichen, die innerhalb von (geschlossenen) Einstrahlungskonturen liegen, erfolgt keine Einstrahlung des gepulsten Laserstrahls.In principle, the irradiation of the pulsed laser beam can take place continuously or in burst mode. As described above, the laser beam is typically only irradiated onto the crystal in the irradiation contours that are spaced apart from each other, i.e. the pulsed laser beam is not irradiated in the volume areas that lie between two adjacent irradiation contours and in volume areas that lie within (closed) irradiation contours .

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.Further advantages of the invention result from the description and the drawing. Likewise, the features mentioned above and those listed below can each be used individually or together in any combination. The embodiments shown and described are not to be understood as an exhaustive list, but rather have an exemplary character for the description of the invention.

Es zeigen:

  • 1a-d schematische Darstellungen eines Wafers bei der Vereinzelung, eines bei der Vereinzelung erzeugten Kristallstreifens, des Einschreibens von Wellenleiterstrukturen in den Kristallstreifen, sowie der Selbstspaltung des Kristallstreifens,
  • 2 eine Draufsicht auf den Kristallstreifen von 1 d mit einer geradlinigen Bahnkurve, entlang derer ein gepulster Laserstrahl an voneinander beabstandeten, ellipsenförmigen Einstrahlungskonturen auf den Kristallstreifen eingestrahlt wird,
  • 3a,b Darstellungen einer Bruchkante des Kristallstreifens von 2 mit bzw. ohne eine Wellenleiterstruktur,
  • 4 eine Detaildarstellung einer Endfacette der Wellenleiterstruktur des optischen Kristalls von 3a, sowie
  • 5 eine schematische Schnittdarstellung eines Materialverbunds aus einem Kristall-Substrat und einem optischen Kristall.
Show it:
  • 1a-d Schematic representations of a wafer during separation, a crystal strip produced during separation, the writing of waveguide structures in the crystal strip, and the self-cleavage of the crystal strip,
  • 2 a plan view of the crystal stripe of FIG 1d with a rectilinear trajectory along which a pulsed laser beam is radiated onto the crystal strip at spaced, elliptical irradiation contours,
  • 3a,b Representations of a broken edge of the crystal strip of 2 with or without a waveguide structure,
  • 4 FIG. 12 is a detailed view of an end facet of the optical crystal waveguide structure of FIG 3a , such as
  • 5 a schematic sectional view of a material composite of a crystal substrate and an optical crystal.

In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.In the following description of the drawings, identical reference symbols are used for identical or functionally identical components.

1a zeigt einen Wafer 1, der im gezeigten Beispiel aus einem optischen Kristall in Form von Lithiumniobat gebildet ist. Der Wafer 1 wird mittels eines herkömmlichen Vereinzelungsverfahrens in eine Mehrzahl von streifenförmigen optischen Kristallen 2 aufgeteilt, die nachfolgend zur Vereinfachung als Kristallstreifen 2 bezeichnet werden. Die Vereinzelung erfolgt in zwei Schritten: Der erste Schritt umfasst eine Laserperforation mit Hilfe eines gepulsten Laserstrahls, der in Z-Richtung auf den Wafer 1 ausgerichtet wird und der entlang der Y-Richtung eines XYZ-Koordinatensystems in einer geradlinigen Bahnkurve über den Wafer 1 bewegt wird, wie dies in 1a dargestellt ist. 1b zeigt einen Kristallstreifen 2, der durch nachfolgendes mechanisches Brechen des Materials des Wafers 1 entlang der durch den gepulsten Laserstrahl 3 in dem Material des Wafers 1 erzeugten Perforationslinien (in Y-Richtung) gebildet wurde. Das Brechen des Wafers 1 kann beispielsweise durch zungenförmige mechanische Werkzeuge erfolgen. Wie in 1b zu erkennen ist, werden bei der Vereinzelung Kristallstreifen 2 erzeugt, die eine definierte Länge und Breite aufweisen. 1a shows a wafer 1, which in the example shown is formed from an optical crystal in the form of lithium niobate. The wafer 1 is divided into a plurality of strip-shaped optical crystals by means of a conventional dicing method tallen 2 divided, which are referred to below as crystal strips 2 for simplicity. The singulation takes place in two steps: The first step comprises a laser perforation using a pulsed laser beam, which is aligned in the Z-direction on the wafer 1 and which moves along the Y-direction of an XYZ coordinate system in a straight-line trajectory over the wafer 1 will like this in 1a is shown. 1b 1 shows a crystal stripe 2 formed by subsequent mechanical breaking of the wafer 1 material along the perforation lines (in the Y-direction) produced by the pulsed laser beam 3 in the wafer 1 material. The wafer 1 can be broken, for example, by tongue-shaped mechanical tools. As in 1b can be seen, crystal strips 2 are produced during the separation, which have a defined length and width.

In einem in 1c dargestellten, optionalen Verfahrensschritt werden in den Kristallstreifen 2 mehrere Wellenleiterstrukturen 4 eingeschrieben, die sich in Längsrichtung (Y-Richtung) des Kristallstreifens 2 erstrecken. Für die Herstellung der Wellenleiterstrukturen 4 wird Material von der in 1c dargestellten Vorderseite 5a des Kristallstreifens 2 abgetragen. Die Wellenleiterstrukturen 4 werden zwischen streifenförmigen Bereichen des Wafers 1 gebildet, in denen Material von dem Wafer 1 abgetragen wird.in a 1c In the optional method step shown, a plurality of waveguide structures 4 are written into the crystal strip 2 , which extend in the longitudinal direction (Y-direction) of the crystal strip 2 . For the production of the waveguide structures 4, material from the 1c shown front 5a of the crystal strip 2 removed. The waveguide structures 4 are formed between strip-shaped areas of the wafer 1 in which material is removed from the wafer 1. FIG.

Zwischen dem in 1c und dem in 1d gezeigten Verfahrensschritt wird der Kristallstreifen 2 um 180° um die Y-Achse gedreht. Die in 1d gezeigte Draufsicht zeigt somit die Rückseite 5b des Kristallstreifens 2. Die in 1d dargestellten Wellenleiterstrukturen 4, die sich auf der Vorderseite 5a des Kristallstreifens 2 befinden, sind in 1d durch das Material des Kristallstreifens 2 hindurch zu erkennen.between the in 1c and the inside 1d The method step shown is the crystal strip 2 is rotated by 180 ° about the Y-axis. In the 1d The top view shown thus shows the rear side 5b of the crystal strip 2. The in 1d illustrated waveguide structures 4, which are located on the front side 5a of the crystal strip 2, are in 1d can be seen through the material of the crystal strip 2.

In dem in 1d gezeigten Verfahrensschritt wird der Kristallstreifen 2 mit dem gepulsten Laserstrahl 3 an seiner Rückseite 5b bestrahlt. Der gepulste Laserstrahl 3 wird hierbei entlang von mehreren parallelen, geradlinigen Bahnkurven 6 in positiver X-Richtung, d.h. quer zur Längsrichtung Y des Kristallstreifens 2, bewegt und wie in 1a senkrecht, d.h. in Z-Richtung ausgerichtet, auf den Kristallstreifen 2 eingestrahlt. Die Einstrahlung des gepulsten Laserstrahls 3 bewirkt eine Selbstspaltung des Kristallstreifens 2 entlang der geradlinigen Bahnkurven 6. Durch die Spaltung des Kristallstreifens 2 werden mehrere Chips 7 gebildet, die jeweils zwischen zwei benachbarten Bahnkurven 6 verlaufen.in the in 1d The method step shown is the crystal strip 2 irradiated with the pulsed laser beam 3 on its rear side 5b. The pulsed laser beam 3 is in this case moved along a plurality of parallel, rectilinear trajectories 6 in the positive X direction, ie transversely to the longitudinal direction Y of the crystal strip 2, and as in FIG 1a radiated onto the crystal strip 2 perpendicularly, ie aligned in the Z-direction. The irradiation of the pulsed laser beam 3 causes the crystal strip 2 to self-cleave along the rectilinear trajectories 6. The cleavage of the crystal strip 2 forms a plurality of chips 7 which each run between two adjacent trajectories 6.

Bei der Selbstspaltung des Kristallstreifens 2 wird mit Hilfe des gepulsten Laserstrahls 3 eine Material-Modifikation, beispielsweise ein Materialabtrag durch Laserablation erzeugt, der sich von der Rückseite 5b des Kristallstreifens 2 bis zu einer Eindringtiefe T erstreckt, die bei mehr als 30%, genauer gesagt bei mehr als 40% der Dicke D des Kristallstreifens 2 liegt, wie dies in 3a,b zu erkennen ist. 3a,b zeigen jeweils eine Bruchkante 8, entlang derer der Kristallstreifen 2 gespalten wurde. Die Dicke D des Kristallstreifens 2 liegt üblicherweise in der Größenordnung von ca. 1 mm, beispielsweise zwischen 500 µm und 700 µm. Eine größere oder kleinere Dicke D ist ebenfalls möglich. Die Bruchkante 8 verläuft entlang einer Bruchebene (XZ-Ebene) des Kristallstreifens 2 auf Höhe einer der in 1d dargestellten linearen Bahnkurven 6.During the self-cleavage of the crystal strip 2, the pulsed laser beam 3 is used to produce a material modification, for example material removal by laser ablation, which extends from the rear side 5b of the crystal strip 2 to a penetration depth T of more than 30%, to be more precise is more than 40% of the thickness D of the crystal strip 2, as shown in 3a,b can be seen. 3a,b each show a breaking edge 8 along which the crystal strip 2 was split. The thickness D of the crystal strip 2 is usually on the order of about 1 mm, for example between 500 μm and 700 μm. A larger or smaller thickness D is also possible. The fracture edge 8 runs along a fracture plane (XZ plane) of the crystal strip 2 at the level of one of the 1d illustrated linear trajectories 6.

Wie anhand von 3a,b zu erkennen ist, wird das Material des Kristallstreifens 2 von der Rückseite 5b aus bis zur Eindringtiefe T modifiziert. Im gezeigten Beispiel wird das Material in mehreren benachbarten kraterförmigen Volumenbereichen abgetragen. Ausgehend von der Eindringtiefe T bis zur Vorderseite 5a des Kristallstreifens 2, d.h. über die Strecke D - T, wird der Kristallstreifen 2 durch den Energieeintrag bei der Materialmodifikation in Form der Laserablation gespalten, ohne dass zu diesem Zweck eine äußere mechanische Einwirkung erforderlich wäre. Ein bei der Selbstspaltung erzeugter Teilbereich 9 der Bruchkante 8, der nicht innerhalb des Modifikationsbereichs liegt, ist daher glatt und weist optische Qualität auf: In dem Teilbereich 9, insbesondere in der Nähe der Vorderseite 5a des Kristallstreifens 2, weist die Bruchkante 8 eine Rauheit in der Größenordnung von weniger als 10 nm auf.How based on 3a,b can be seen, the material of the crystal strip 2 is modified from the rear side 5b to the penetration depth T. In the example shown, the material is removed in several adjacent crater-shaped volume areas. Starting from the penetration depth T to the front side 5a of the crystal strip 2, ie over the distance D - T, the crystal strip 2 is split by the energy input during the material modification in the form of laser ablation, without any external mechanical action being required for this purpose. A sub-area 9 of the breaking edge 8 produced during the self-cleavage, which is not within the modification area, is therefore smooth and has optical quality: In the sub-area 9, in particular in the vicinity of the front side 5a of the crystal strip 2, the breaking edge 8 has a roughness of the order of less than 10 nm.

Durch die Selbstspaltung wird bei der in 3a gezeigten Bruchkante 8 des Kristallstreifens 2 eine Endfacette 10 der Wellenleiterstruktur 4 ausgebildet, die optische Qualität aufweist (vgl. auch die Detaildarstellung der Bruchkante 8 in 4). In die Endfacette 10 der Wellenleiterstruktur 4 kann Strahlung mit einer geringen Verlustrate eingekoppelt werden.Due to the self-cleavage in the in 3a shown breaking edge 8 of the crystal strip 2, an end facet 10 of the waveguide structure 4 is formed, which has optical quality (cf. also the detailed illustration of the breaking edge 8 in 4 ). Radiation can be coupled into the end facet 10 of the waveguide structure 4 with a low loss rate.

Auch wenn die Höhe H der Endfacette 10 der Wellenleiterstruktur 4 vergleichsweise gering ist und in der Regel bei weniger als 5% der Dicke D des Kristallstreifens 2 liegt, ist es günstig, wenn der Kristallstreifen 2 beim Einstrahlen des gepulsten Laserstrahls 3 nur bis zu einer Eindringtiefe T abgetragen wird, die in der Regel nicht mehr als 70% der Dicke D, typischerweise nicht mehr als 60% der Dicke D des Kristallstreifens 2 entspricht.Even if the height H of the end facet 10 of the waveguide structure 4 is comparatively small and is generally less than 5% of the thickness D of the crystal strip 2, it is favorable if the crystal strip 2 only penetrates up to a penetration depth when the pulsed laser beam 3 is irradiated T is removed, which typically does not correspond to more than 70% of the thickness D, typically not more than 60% of the thickness D of the crystal strip 2 .

Wie in 3b zu erkennen ist, kann die Selbstspaltung auch an einem Kristallstreifen 2 durchgeführt werden, bei dem der in 1b dargestellte optionale Schritt des Einschreibens von Wellenleiterstrukturen 4 nicht durchgeführt wurde. Auch in diesem Fall wird in dem der Vorderseite 5a benachbarten Teilbereich 9 der Bruchkante 8 eine Facette mit optischer Qualität erzeugt, die beliebig weiter verwendet werden kann.As in 3b can be seen, the self-cleavage can also be carried out on a crystal strip 2, in which the 1b illustrated optional step of inscribing waveguide structures 4 was not performed. Also in this case, in which the front 5a neighboring portion 9 of the breaking edge 8 produces a facet with optical quality that can be used further as desired.

Zur Erzeugung des in 3a,b gezeigten Materialabtrags an der Bruchkante 8, bei dem kraterförmige Strukturen in dem Material des Kristallstreifens 2 gebildet werden, wird der gepulste Laserstrahl 3 wie in 1d dargestellt entlang einer jeweiligen geradlinigen Bahnkurve 6 bewegt. Der gepulste Laserstrahl 3 wird hierbei in einer Mehrzahl von zueinander beabstandeten Einstrahlungskonturen 11 auf die Rückseite 5b des Kristallstreifens 2 eingestrahlt, wie dies in 2 zu erkennen ist.To generate the in 3a,b shown removal of material at the breaking edge 8, are formed in the crater-shaped structures in the material of the crystal strip 2, the pulsed laser beam 3 as in 1d shown moved along a respective straight path curve 6. The pulsed laser beam 3 is irradiated onto the rear side 5b of the crystal strip 2 in a plurality of irradiation contours 11 spaced apart from one another, as is shown in FIG 2 can be seen.

Bei dem in 2 gezeigten Beispiel sind die Einstrahlungskonturen11 ellipsenförmig, wobei die lange Halbachse a quer zur geradlinigen Bahnkurve 6 (in Y-Richtung) und die kurze Halbachse b entlang der geradlinigen Bahnkurve 6 (in X-Richtung) ausgerichtet ist. Eine jeweilige ellipsenförmige Einstrahlungskontur 11 weist somit eine (maximale) Erstreckung von 2 a (2 x die lange Halbachse a) quer zur geradlinigen Bahnkurve 6 auf, die größer ist als eine (maximale) Erstreckung 2 b (2 x die kurze Halbachse b) entlang der geradlinigen Bahnkurve 6.At the in 2 In the example shown, the irradiation contours 11 are elliptical, with the long semi-axis a being oriented transversely to the rectilinear trajectory 6 (in the Y direction) and the short semi-axis b being oriented along the rectilinear trajectory 6 (in the X direction). A respective elliptical irradiation contour 11 thus has a (maximum) extension of 2a (2 x the long semi-axis a) transversely to the rectilinear trajectory 6, which is greater than a (maximum) extension 2 b (2 x the short semi-axis b) along the straight trajectory curve 6.

Für die Erzeugung der Selbstspaltung des Kristallstreifens 2 entlang der vorgegebenen Bahnkurve 6 hat es sich als günstig erwiesen, wenn die maximale Erstreckung 2 a der ellipsenförmigen Einstrahlungskontur 11 quer zur Bahnkurve 6 zwischen 40 µm und 200 µm liegt. Entsprechend hat sich für die Selbstspaltung eine maximale Erstreckung 2 b der Einstrahlungskontur 11 entlang der vorgegebenen Bahnkurve 6 zwischen 4 µm und 30 µm als günstig erwiesen.For generating the self-cleavage of the crystal strip 2 along the given trajectory 6, it has proven to be advantageous if the maximum extent 2a of the elliptical irradiation contour 11 transverse to the trajectory 6 is between 40 μm and 200 μm. Correspondingly, a maximum extension 2b of the irradiation contour 11 along the specified trajectory 6 of between 4 μm and 30 μm has proven favorable for the self-cleavage.

Die Einstrahlungskonturen 11 können auch eine andere als eine ellipsenförmige Geometrie haben. Beispielsweise können die Einstrahlungskonturen 11 Vielecke, z.B. Rauten oder Rechtecke, bilden oder linienförmig sein. Auch in diesem Fall ist es günstig, wenn die Einstrahlungskonturen 11 eine größere maximale Erstreckung quer zur geradlinigen Bahnkurve 6 (in Y-Richtung) aufweisen als entlang der geradlinigen Bahnkurve 6 (in X-Richtung).The irradiation contours 11 can also have a geometry other than an elliptical geometry. For example, the irradiation contours 11 can form polygons, e.g. rhombuses or rectangles, or be linear. In this case, too, it is favorable if the irradiation contours 11 have a greater maximum extent transversely to the straight path curve 6 (in the Y direction) than along the straight path curve 6 (in the X direction).

Bei dem in 2 gezeigten Beispiel liegt ein Abstand d zwischen benachbarten Einstrahlungskonturen 11 zwischen 50 µm und 400 µm. Ein solcher Abstand d zwischen den Einstrahlungskonturen 11 bzw. generell das Vorsehen eines lateralen Versatzes zwischen benachbarten Einstrahlungskonturen 11 hat sich für die Selbstspaltung des Kristallstreifens 2 als günstig erwiesen. Eine Überlappung zwischen benachbarten Einstrahlungskonturen 11 bei der Einstrahlung des gepulsten Laserstrahls 3 auf die Rückseite 5b des Kristallstreifens 2 hat sich hingegen als eher ungünstig für die Spaltung erwiesen.At the in 2 In the example shown, a distance d between adjacent irradiation contours 11 is between 50 μm and 400 μm. Such a distance d between the irradiation contours 11 or generally the provision of a lateral offset between adjacent irradiation contours 11 has proven favorable for the self-splitting of the crystal strip 2 . On the other hand, an overlap between adjacent irradiation contours 11 when the pulsed laser beam 3 irradiates the rear side 5b of the crystal strip 2 has proven to be rather unfavorable for the splitting.

Wie in 1d dargestellt ist, wird der Laserstrahl 3 bei der Bewegung über den Kristallstreifen 2 entlang der positiven X-Richtung bewegt, und zwar mit einer (mittleren) Vorschubgeschwindigkeit, die ungefähr der Spaltpropagationsgeschwindigkeit im Material des Kristallstreifens 2 entspricht. Die Verweildauer des gepulsten Laserstrahls 3 an einer jeweiligen Einstrahlungskontur 11 ist hierbei typischerweise größer als die Zeitdauer zwischen dem Abfahren von jeweils zwei benachbarten Einstrahlungskonturen 11. Den Abstand d zwischen zwei benachbarten Einstrahlungskonturen 11 legt der gepulste Laserstrahl 3 mit einer Sprunggeschwindigkeit vs zurück, die typischerweise zwischen 100 mm/s und 4000 mm/s liegt. Eine Markiergeschwindigkeit vM beim Abfahren einer jeweiligen Einstrahlungskontur 11 mit dem gepulsten Laserstrahl 3 liegt typischerweise in der Größenordnung zwischen 10 mm/s und 200 mm/s.As in 1d is shown, the laser beam 3 is moved along the positive X-direction during the movement over the crystal strip 2, specifically with a (mean) feed speed which corresponds approximately to the gap propagation speed in the material of the crystal strip 2. The dwell time of the pulsed laser beam 3 on a respective irradiation contour 11 is typically longer than the time between the traversing of two adjacent irradiation contours 11. The pulsed laser beam 3 covers the distance d between two adjacent irradiation contours 11 at a jump speed vs, which is typically between 100 mm/s and 4000 mm/s. A marking speed v M when traversing a respective irradiation contour 11 with the pulsed laser beam 3 is typically of the order of magnitude between 10 mm/s and 200 mm/s.

In der Regel ist es günstig, wenn die jeweilige Bruchkante 8 entlang einer Kristallebene des Kristallstreifens 2 verläuft. Die X-Richtung und die Y-Richtung, entlang derer der Wafer 1 beim in 1a dargestellten Vereinzeln ausgerichtet wird, können herstellungsbedingt nicht exakt entlang der Kristallachsen verlaufen, sondern einen vorgegebenen Toleranzwinkel zu den Kristallachsen aufweisen. Auch kann es bei der Ausrichtung des Kristallstreifens 2 für die Spaltung in einer zu diesem Zweck vorgesehenen Halteeinrichtung, z.B. in der Art eines Schraubstocks oder dergleichen, zu Justage-Toleranzen kommen. Um sicherzustellen, dass der gepulste Laserstrahl 3 bei der Bewegung entlang der geradlinigen Bahnkurve 6 eine Kristallachse 12 trifft, die unter einem Toleranzwinkel α bzw. einer (maximalen) Winkelabweichung zur X-Richtung ausgerichtet ist, ist es erforderlich, dass folgende Bedingung eingehalten wird: a=B tan ( α ) ,

Figure DE102020213776A1_0002
wobei a die große Halbachse der ellipsenförmigen Einstrahlungskontur 11 und B die Breite des Kristallstreifens 2 bezeichnen.As a rule it is favorable if the respective breaking edge 8 runs along a crystal plane of the crystal strip 2 . The X-direction and the Y-direction along which the wafer 1 at in 1a shown is aligned, can not run exactly along the crystal axes due to production, but have a predetermined tolerance angle to the crystal axes. Adjustment tolerances can also occur when aligning the crystal strip 2 for the cleavage in a holding device provided for this purpose, for example in the form of a vice or the like. In order to ensure that the pulsed laser beam 3, when moving along the straight trajectory 6, strikes a crystal axis 12 that is aligned at a tolerance angle α or a (maximum) angular deviation from the X-direction, the following condition must be met: a=Btan ( a ) ,
Figure DE102020213776A1_0002
where a denotes the semimajor axis of the elliptical irradiation contour 11 and B denotes the width of the crystal strip 2 .

Grundsätzlich ist es mittels des hier beschriebenen Selbstspaltungsverfahrens möglich, den Kristallstreifen 2 entlang einer praktisch beliebig ausgerichteten Bruchebene bzw. Bruchkante 8 zu spalten. Insbesondere ist es nicht zwingend erforderlich, dass die Bruchkante 8 in einer Ebene senkrecht zur Rückseite 5b des Kristallstreifens 2 bzw. in Dickenrichtung (Z-Richtung) verläuft. Vielmehr kann die Bruchkante 8 auch unter einem Winkel zur Dickenrichtung (Z-Richtung) ausgerichtet sein. Dies ist insbesondere günstig, um Endfacetten 10 an den Wellenleiterstrukturen 4 zu bilden, die z.B. unter dem Brewster-Winkel zur einfallenden Strahlung ausgerichtet sind. Zur Erzeugung von seitlich geneigten Bruchkanten 8 wird der gepulste Laserstrahl 3 in der Regel nicht wie weiter oben beschrieben senkrecht auf die Rückseite 5b des Kristallstreifens 2 eingestrahlt, sondern unter einem von 90° verschiedenen Winkel.In principle, it is possible by means of the self-cleavage method described here to cleave the crystal strip 2 along a fracture plane or fracture edge 8 that can be oriented in practically any way. In particular, it is not absolutely necessary for the breaking edge 8 to run in a plane perpendicular to the rear side 5b of the crystal strip 2 or in the thickness direction (Z-direction). Rather, the breaking edge 8 can also be aligned at an angle to the thickness direction (Z-direction). This is particularly favorable in order to form end facets 10 on the waveguide structures 4, which are aligned, for example, at Brewster's angle to the incident radiation. To create laterally inclined breaking edges 8 the pulsed laser beam 3 is generally not radiated perpendicularly onto the rear side 5b of the crystal strip 2, as described above, but at an angle other than 90°.

Für die Ablation von Material des Kristallstreifens 2 ist es erforderlich, dass der gepulste Laserstrahl 3 in dem Material des Kristallstreifens absorbiert wird. Es ist daher günstig, wenn das Material des Kristallstreifens 2 nicht transparent für die Wellenlänge λ des Laserstrahls 3 ist. Grundsätzlich kann die Wellenlänge λ des Laserstrahls 3 in einem Wertebereich zwischen ca. 200 nm und ca. 10 µm liegen. Bei typischen optischen Kristallen 2 wie Lithiumniobat, Lithiumtantalat oder Kaliumtitanylphosphat ist es günstig, wenn die Wellenlänge λ des Laserstrahls 3 bei weniger als 550 nm, insbesondere bei weniger als 400 nm, und bei mehr als 200 nm liegt. Die Pulsenergie des gepulsten Laserstrahls 3 ist im gezeigten Beispiel größer als die Ablationsschwelle des Materials des Kristallstreifens 2. Im gezeigten Beispiel, bei dem es sich bei dem Material des Kristallstreifens 2 um Lithiumniobat handelt, sollte die (mittlere) Pulsenergie zwischen ca. 0,1 µJ und 10 µJ liegen.For the ablation of material of the crystal strip 2 it is necessary that the pulsed laser beam 3 is absorbed in the material of the crystal strip. It is therefore favorable if the material of the crystal strip 2 is not transparent to the wavelength λ of the laser beam 3. In principle, the wavelength λ of the laser beam 3 can lie in a value range between approximately 200 nm and approximately 10 μm. With typical optical crystals 2 such as lithium niobate, lithium tantalate or potassium titanyl phosphate, it is favorable if the wavelength λ of the laser beam 3 is less than 550 nm, in particular less than 400 nm, and more than 200 nm. In the example shown, the pulse energy of the pulsed laser beam 3 is greater than the ablation threshold of the material of the crystal strip 2. In the example shown, in which the material of the crystal strip 2 is lithium niobate, the (mean) pulse energy should be between approx µJ and 10 µJ.

Pulsdauern τ des Laserstrahls 3, die zwischen 10 fs und 8 ns, insbesondere zwischen 100 fs und 10 ps liegen (Ultrakurzpulse) haben sich für die Selbstspaltung bzw. für die Materialmodifikation als günstig herausgestellt. Die Ablation des Materials des Kristallstreifens 2 wird ebenfalls begünstigt, wenn der gepulste Laserstrahl 3 mit einer Repetitionsrate zwischen 1 kHz und 10 MHz, insbesondere zwischen 500 kHz und 2000 kHz, eingestrahlt wird.Pulse durations τ of the laser beam 3 that are between 10 fs and 8 ns, in particular between 100 fs and 10 ps (ultra short pulses) have proven to be favorable for the self-cleavage or for the material modification. The ablation of the material of the crystal strip 2 is also promoted if the pulsed laser beam 3 is irradiated with a repetition rate between 1 kHz and 10 MHz, in particular between 500 kHz and 2000 kHz.

Zwar wurde das Selbstspaltungs-Verfahren weiter oben in Zusammenhang mit streifenförmigen optischen Kristallen bzw. Kristallstreifen 2 beschrieben, es ist aber ebenso möglich, einen optischen Kristall in Form des in 1a gezeigten Wafers 1 auf diese Weise zu spalten. In diesem Fall wird der in Zusammenhang mit 1a beschriebene Schritt der Vereinzelung des Wafers 1 in eine Mehrzahl von Kristallstreifen 2 mit Hilfe des weiter oben beschriebenen Selbstspaltungs-Verfahrens durchgeführt. Für die Halterung des Wafers 1 bzw. der Kristallstreifen 2 bei der Spaltung können beispielsweise Vakuumhalter mit großflächiger Ansaugfläche, z.B. mit Komponenten aus poröser Keramik, oder komplexe Spannvorrichtungen aus Metall und Kunststoffen, zum Beispiel mit Zacken- und Zahnstrukturen, zum Einsatz kommen.Although the self-cleavage process has been described above in connection with strip-shaped optical crystals or crystal strips 2, it is also possible to use an optical crystal in the form of the in 1a to split the wafer 1 shown in this way. In this case, the associated with 1a described step of separating the wafer 1 into a plurality of crystal strips 2 is carried out using the self-cleavage method described above. For example, vacuum holders with a large suction surface, eg with components made of porous ceramics, or complex clamping devices made of metal and plastics, eg with serrated and toothed structures, can be used to hold the wafer 1 or the crystal strips 2 during the splitting.

Das Einstrahlen des gepulsten Laserstrahls 3 wird in der Regel in einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt. Bei der Schutzgasatmosphäre bzw. bei dem für die Erzeugung der Schutzgasatmosphäre verwendeten Gas bzw. Gasen kann es sich beispielsweise um Stickstoff oder um Argon handeln. Für die Durchführung des Verfahrens sind geeignete Atmosphären- und Strömungsverhältnisse günstig.The irradiation of the pulsed laser beam 3 is generally carried out in a protective gas atmosphere. The protective gas atmosphere or the gas or gases used to generate the protective gas atmosphere can be, for example, nitrogen or argon. Suitable atmospheric and flow conditions are favorable for carrying out the process.

Es versteht sich, dass das hier beschriebene Selbstspaltungs-Verfahren auch an optischen Kristallen 2 durchgeführt werden kann, die eine Dotierung aufweisen oder die eine Brechungsindexstruktur zur planaren Wellenleitung oder zur Rippen-Wellenleitung aufweisen, z.B. PE (proton-exchanged) LiNbO3.It goes without saying that the self-cleavage method described here can also be carried out on optical crystals 2 which are doped or which have a refractive index structure for planar waveguides or for rib waveguides, eg PE (proton-exchanged) LiNbO 3 .

Auch kann der optische Kristall 2 Teil eines Materialverbunds sein, z.B. kann es sich bei dem Materialverbund um LNol handeln. In diesem Fall wird der gepulste Laserstrahl 3 nicht auf die Rückseite 5b des optischen Kristalls 2, sondern auf die Rückseite 5b eines kristallinen Substrats 13 eingestrahlt. An einer Vorderseite 5a des Substrats 13 ist der optische Kristall 2 mit dem Substrat 13 verbunden. Im gezeigten Beispiel ist zwischen dem Substrat 13 und dem optischen Kristall 2, bei dem es sich um Lithiumniobat handelt, eine Zwischenschicht 14 gebildet. Die Zwischenschicht 14, die beispielsweise aus SiO2 bestehen kann, begünstigt die Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung des optischen Kristalls 2 mit dem Substrat 13, wenn die Verbindung durch das Einstrahlen eines gepulsten Laserstrahls erzeugt wird, wie dies in der DE102020211282.7 der Anmelderin beschrieben ist. Es versteht sich, dass der Materialverbund nicht zwingend eine Zwischenschicht 14 aufweisen muss, d.h. der optische Kristall 2 kann ggf. direkt mit dem kristallinen Substrat 13 verbunden werden.The optical crystal 2 can also be part of a composite material, for example the composite material can be LNol. In this case, the pulsed laser beam 3 is not irradiated on the back side 5b of the optical crystal 2 but on the back side 5b of a crystalline substrate 13. The optical crystal 2 is bonded to the substrate 13 at a front side 5a of the substrate 13 . In the example shown, an intermediate layer 14 is formed between the substrate 13 and the optical crystal 2, which is lithium niobate. The intermediate layer 14, which can consist of SiO 2 , for example, favors the production of a material connection of the optical crystal 2 to the substrate 13 when the connection is produced by irradiating a pulsed laser beam, as is the case in FIG DE102020211282.7 is described by the applicant. It goes without saying that the composite material does not necessarily have to have an intermediate layer 14, ie the optical crystal 2 can, if necessary, be connected directly to the crystalline substrate 13.

Bei dem kristallinen Substrat 13 handelt es sich bei dem in 5 gezeigten Beispiel um einen Halbleiter, genauer gesagt um einkristallines Silizium. Das Substrat 13 wird wie weiter oben in Zusammenhang mit dem optischen Kristall 2 beschrieben entlang einer Bruchkante gespalten, indem das Material des Kristall-Substrats 13 bis zu einer Eindringtiefe T modifiziert wird, die mindestens 30%, bevorzugt mindestens 40% einer Dicke D des Kristall-Substrats 13 entspricht. Bei der Selbstspaltung des Kristall-Substrats 13 werden der optische Kristall 2 und die Zwischenschicht 14 ebenfalls gespalten. Der optische Kristall 2 befindet sich hierbei in einem Teilbereich der Bruchkante, der durch die Selbstspaltung gebildet wird und in dem die Bruchkante eine optische Qualität aufweist.The crystalline substrate 13 is the one in 5 The example shown is a semiconductor, more precisely monocrystalline silicon. The substrate 13 is split along a breaking edge as described above in connection with the optical crystal 2 by modifying the material of the crystal substrate 13 to a penetration depth T which is at least 30%, preferably at least 40%, of a thickness D of the crystal -Substrate 13 corresponds. When the crystal substrate 13 self-cleaves, the optical crystal 2 and the intermediate layer 14 are also cleaved. In this case, the optical crystal 2 is located in a partial area of the breaking edge, which is formed by the self-cleavage and in which the breaking edge has an optical quality.

Die Dicke DM des optischen Kristalls 2 ist bei dem in 5 gezeigten Beispiel deutlich geringer als die Dicke D des Substrats 13. In der Regel gilt: DM < 0,1 D. Im gezeigten Beispiel weist der optische Kristall 5 eine Dicke DM zwischen ca. 5 µm und ca. 10 µm auf. Die Dicke D des Substrats 13 liegt in der Größenordnung von ca. 500 µm. Die Zwischenschicht 14 weist eine für die Spaltung vernachlässigbare Dicke in der Größenordnung von ca. 2 µm auf. Das Verfahren zur Spaltung des Kristall-Substrats 13 wird analog zu dem weiter oben in Zusammenhang mit der Spaltung des optischen Kristalls 2 beschriebenen Verfahren durchgeführt. Lediglich die Wellenlänge λ des Laserstrahls 3 ist an das Silizium-Material des Substrats 13 angepasst und liegt im gezeigten Beispiel bei ca. 1030 nm.The thickness D M of the optical crystal 2 is at the in 5 shown example is significantly less than the thickness D of the substrate 13. As a rule: D M <0.1 D. In the example shown, the optical crystal 5 has a thickness D M between approximately 5 μm and approximately 10 μm. The thickness D of the substrate 13 is of the order of approx. 500 μm. The intermediate layer 14 has a thickness of the order of about 2 μm, which is negligible for the cleavage. That The method for cleaving the crystal substrate 13 is carried out analogously to the method described above in connection with the cleaving of the optical crystal 2. Only the wavelength λ of the laser beam 3 is adapted to the silicon material of the substrate 13 and is approximately 1030 nm in the example shown.

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  • US 9636783 B2 [0008]US 9636783 B2 [0008]
  • US 8969761 B2 [0009]US8969761B2 [0009]
  • WO 2011/163149 A2 [0010]WO 2011/163149 A2 [0010]
  • DE 102020211282 [0036, 0074]DE 102020211282 [0036, 0074]

Claims (18)

Verfahren zum Spalten eines Kristalls (2, 13), umfassend: Einstrahlen eines gepulsten Laserstrahls (3) auf den Kristall (2, 13) zum Modifizieren, insbesondere zum Abtragen, von Material des Kristalls (2, 13), dadurch gekennzeichnet, dass beim Einstrahlen des gepulsten Laserstrahls (3) das Material des Kristalls (2, 13) bis zu einer Eindringtiefe (T) modifiziert wird, die mindestens 30%, bevorzugt mindestens 40% einer Dicke (D) des Kristalls (2) entspricht, wobei durch das Einstrahlen des gepulsten Laserstrahls (3) der Kristall (2, 13) entlang einer vorgegebenen Bruchkante (8) gespalten wird.Method for splitting a crystal (2, 13), comprising: irradiating a pulsed laser beam (3) onto the crystal (2, 13) to modify, in particular to remove, material of the crystal (2, 13), characterized in that when Radiating in the pulsed laser beam (3), the material of the crystal (2, 13) is modified to a penetration depth (T) which corresponds to at least 30%, preferably at least 40%, of a thickness (D) of the crystal (2), with the Radiation of the pulsed laser beam (3) the crystal (2, 13) along a predetermined breaking edge (8) is split. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Bruchkante (8) entlang einer Kristallachse (12) und/oder in einer Ebene (XZ) senkrecht zu einer Oberfläche (5b) des Kristalls (2, 13) verläuft, auf die der gepulste Laserstrahl (3) eingestrahlt wird.procedure after claim 1 , in which the breaking edge (8) runs along a crystal axis (12) and/or in a plane (XZ) perpendicular to a surface (5b) of the crystal (2, 13) onto which the pulsed laser beam (3) is irradiated. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Material des Kristalls (2) beim Einstrahlen des gepulsten Laserstrahls (3) bis zu einer Eindringtiefe (T) modifiziert wird, die nicht mehr als 70%, bevorzugt nicht mehr als 60% der Dicke (D) des Kristalls (2, 13) entspricht.procedure after claim 1 or 2 , in which the material of the crystal (2) is modified when the pulsed laser beam (3) is irradiated to a penetration depth (T) which is no more than 70%, preferably no more than 60%, of the thickness (D) of the crystal (2 , 13). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der gepulste Laserstrahl (3) auf einer vorgegebenen, insbesondere geradlinigen Bahnkurve (6) entlang einer Mehrzahl von zueinander beabstandeten, bevorzugt in sich geschlossenen Einstrahlungskonturen (11) auf eine Oberfläche (5b) des Kristalls (2, 13) eingestrahlt wird.Method according to one of the preceding claims, in which the pulsed laser beam (3) radiates onto a surface (5b) of the crystal (2 , 13) is irradiated. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem eine jeweilige Einstrahlungskontur (11) eine Erstreckung (2 a) quer zur vorgegebenen Bahnkurve (6) aufweist, die größer ist als eine Erstreckung (2 b) entlang der vorgegebenen Bahnkurve (6).procedure after claim 4 , in which a respective irradiation contour (11) has an extent (2a) transversely to the predetermined trajectory (6) which is greater than an extent (2b) along the predetermined trajectory (6). Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die Erstreckung (2 a) der Einstrahlungskontur (11) quer zur vorgegebenen Bahnkurve (6) zwischen 40 µm und 200 µm liegt.procedure after claim 4 or 5 , in which the extension (2a) of the irradiation contour (11) is transverse to the predetermined trajectory (6) between 40 microns and 200 microns. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem die Erstreckung (2 b) der Einstrahlungskontur (11) entlang der vorgegebenen Bahnkurve (6) zwischen 4 µm und 30 µm liegt.Procedure according to one of Claims 4 until 6 , in which the extension (2 b) of the irradiation contour (11) along the specified trajectory (6) is between 4 μm and 30 μm. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem eine Geometrie der Einstrahlungskontur (11) ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend: Ellipsen, Vielecke, insbesondere Rauten oder Rechtecke, und Linien.Procedure according to one of Claims 4 until 7 , in which a geometry of the irradiation contour (11) is selected from the group comprising: ellipses, polygons, in particular rhombuses or rectangles, and lines. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, beim dem ein Abstand (d) zwischen benachbarten Einstrahlungskonturen (11) zwischen 50 µm und 400 µm liegt.Procedure according to one of Claims 4 until 8th , in which a distance (d) between adjacent irradiation contours (11) is between 50 μm and 400 μm. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, bei dem eine Sprunggeschwindigkeit (vs) zwischen benachbarten Einstrahlungskonturen (11) zwischen 100 mm/s und 4000 mm/s liegt.Procedure according to one of Claims 4 until 9 , in which a jumping speed (v s ) between adjacent irradiation contours (11) is between 100 mm/s and 4000 mm/s. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, bei dem eine Markiergeschwindigkeit (vM) entlang der Einstrahlungskonturen (11) zwischen 10 mm/s und 200 mm/s liegt.Procedure according to one of Claims 4 until 10 , in which a marking speed (v M ) along the irradiation contours (11) is between 10 mm/s and 200 mm/s. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 11, bei dem der Kristall (2, 13) streifenförmig ist und die vorgegebene Bahnkurve (6) sich quer zu einer Längsrichtung (Y) des streifenförmigen Kristalls (2) erstreckt.Procedure according to one of Claims 4 until 11 , in which the crystal (2, 13) is strip-shaped and the predetermined trajectory (6) extends transversely to a longitudinal direction (Y) of the strip-shaped crystal (2). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Kristall ein optischer Kristall (2) ist, der bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend: Lithiumniobat, Lithiumtantalat oder Kaliumtitanylphosphat.Method according to one of the preceding claims, in which the crystal is an optical crystal (2), which is preferably selected from the group comprising: lithium niobate, lithium tantalate or potassium titanyl phosphate. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem der Kristall ein Substrat (13), bevorzugt in Form eines Halbleiterkristalls, insbesondere in Form eines Silizium-Kristalls, bildet, das mit einem optischen Kristall (2) einen Materialverbund bildet, wobei beim Einstrahlen des gepulsten Laserstrahls (2) auf eine dem optischen Kristall (2) abgewandte Seite (5b) des Substrats (13) auch der optische Kristall (2) entlang der Bruchkante (8) gespalten wird.Procedure according to one of Claims 1 until 12 , in which the crystal forms a substrate (13), preferably in the form of a semiconductor crystal, in particular in the form of a silicon crystal, which forms a material composite with an optical crystal (2), wherein when the pulsed laser beam (2) is irradiated on a the side (5b) of the substrate (13) facing away from the optical crystal (2), the optical crystal (2) is also split along the breaking edge (8). Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei dem an dem optischen Kristall (2) an einer dem eingestrahlten Laserstrahl (3) abgewandten Seite (5a) mindestens eine Wellenleiterstruktur (4) gebildet ist, wobei die Bruchkante (8) beim Spalten des optischen Kristalls (2) eine Endfacette (10) der Wellenleiterstruktur (4) ausbildet.procedure after Claim 13 or 14 , in which at least one waveguide structure (4) is formed on the optical crystal (2) on a side (5a) facing away from the irradiated laser beam (3), the breaking edge (8) having an end facet (10 ) of the waveguide structure (4) forms. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der gepulste Laserstrahl (3) mit einer Wellenlänge (λ) eingestrahlt wird, die zwischen 200 nm und ca. 10 µm, bevorzugt zwischen 200 nm und 1100 nm, liegt.Method according to one of the preceding claims, in which the pulsed laser beam (3) is irradiated with a wavelength (λ) which is between 200 nm and approx. 10 µm, preferably between 200 nm and 1100 nm. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der gepulste Laserstrahl (3) mit einer Pulsdauer (τ) zwischen 10 fs und 8 ns, bevorzugt zwischen 100 fs und 10 ps, eingestrahlt wird.Method according to one of the preceding claims, in which the pulsed laser beam (3) is irradiated with a pulse duration (τ) of between 10 fs and 8 ns, preferably between 100 fs and 10 ps. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der gepulste Laserstrahl (3) mit einer Repetitionsrate zwischen 1 kHz und 10 MHz, insbesondere zwischen 500 kHz und 2000 kHz, eingestrahlt wird.Method according to one of the preceding claims, in which the pulsed laser beam (3) is irradiated with a repetition rate between 1 kHz and 10 MHz, in particular between 500 kHz and 2000 kHz.
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Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19727957A1 (en) 1996-07-02 1998-01-08 Miyachi Technos Kk Scanning laser marker
US5761111A (en) 1996-03-15 1998-06-02 President And Fellows Of Harvard College Method and apparatus providing 2-D/3-D optical information storage and retrieval in transparent materials
US20070091977A1 (en) 2005-10-12 2007-04-26 Research And Industrial Corporation Group Method and system for forming periodic pulse patterns
WO2011163149A2 (en) 2010-06-22 2011-12-29 Applied Materials, Inc. Wafer dicing using femtosecond-based laser and plasma etch
US20130126573A1 (en) 2010-07-12 2013-05-23 Filaser Inc. Method of material processing by laser filamentation
US8969761B2 (en) 2000-09-13 2015-03-03 Hamamatsu Photonics K.K. Method of cutting a wafer-like object and semiconductor chip
WO2015094898A2 (en) 2013-12-17 2015-06-25 Corning Incorporated Stacked transparent material cutting with ultrafast laser beam optics, disruptive layers and other layers
US9636783B2 (en) 2014-04-30 2017-05-02 International Business Machines Corporation Method and apparatus for laser dicing of wafers
EP3024616B1 (en) 2013-07-23 2019-04-10 3D-Micromac AG Method and device for separating a flat workpiece into multiple parts
US20190389006A1 (en) 2017-09-22 2019-12-26 Lg Chem, Ltd. Laser transmission characteristic value determination method
WO2020231719A1 (en) 2019-05-16 2020-11-19 Corning Research & Development Corporation Methods of singulating optical waveguide sheets to form optical waveguide substrates
DE102020211282A1 (en) 2020-09-09 2022-03-10 Q.ant GmbH Method of joining an optical crystal to a substrate

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6951120B2 (en) * 2002-03-19 2005-10-04 Wisconsin Alumni Research Foundation Machining of lithium niobate by laser ablation
EP2965853B2 (en) * 2014-07-09 2020-03-25 High Q Laser GmbH Processing of material using elongated laser beams

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5761111A (en) 1996-03-15 1998-06-02 President And Fellows Of Harvard College Method and apparatus providing 2-D/3-D optical information storage and retrieval in transparent materials
DE19727957A1 (en) 1996-07-02 1998-01-08 Miyachi Technos Kk Scanning laser marker
US8969761B2 (en) 2000-09-13 2015-03-03 Hamamatsu Photonics K.K. Method of cutting a wafer-like object and semiconductor chip
US20070091977A1 (en) 2005-10-12 2007-04-26 Research And Industrial Corporation Group Method and system for forming periodic pulse patterns
WO2011163149A2 (en) 2010-06-22 2011-12-29 Applied Materials, Inc. Wafer dicing using femtosecond-based laser and plasma etch
US20130126573A1 (en) 2010-07-12 2013-05-23 Filaser Inc. Method of material processing by laser filamentation
EP3024616B1 (en) 2013-07-23 2019-04-10 3D-Micromac AG Method and device for separating a flat workpiece into multiple parts
WO2015094898A2 (en) 2013-12-17 2015-06-25 Corning Incorporated Stacked transparent material cutting with ultrafast laser beam optics, disruptive layers and other layers
US9636783B2 (en) 2014-04-30 2017-05-02 International Business Machines Corporation Method and apparatus for laser dicing of wafers
US20190389006A1 (en) 2017-09-22 2019-12-26 Lg Chem, Ltd. Laser transmission characteristic value determination method
WO2020231719A1 (en) 2019-05-16 2020-11-19 Corning Research & Development Corporation Methods of singulating optical waveguide sheets to form optical waveguide substrates
DE102020211282A1 (en) 2020-09-09 2022-03-10 Q.ant GmbH Method of joining an optical crystal to a substrate

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