JP2008062263A - 超短パルスレーザでの透明材料処理 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】透明材料をスクライブするため、材料を横切るレーザビームのシングルパスで多重スクライブ造作を創るために、超短レーザパルスを使用し、該スクライブ造作の少なくとも一つは材料の表面下に形成され、クリーンな割断を可能にする。透明材料を溶接するための方法は、局在化された加熱を通して接合を創り出すために、超短レーザパルスを使用する。超短パルス持続時間は、レーザ放射の非線形吸収を起こし、レーザの高繰り返し率は、材料内に熱のパルスからパルスへの蓄積を起こす。レーザは材料の界面近くに集光され、溶接されるための領域に高エネルギーフルーエンスを生成し、材料の残部への損傷を最小化し、きれいな溶接線を可能にする。
【選択図】図1a
Description
光学的に透明な材料の切断は、しばしば機械的な方法で行われる。薄い平板材料の加工のための通常の方法は、多分機械的なダイシング・ソー(さいころ化鋸)を使用する。これは、シリコン・ウエハーのマイクロエレクトロニクス産業で標準的な方法である。しかしながら、この方法は、粒子汚染を避けるために管理されなければならない重要なデブリを発生し、プロセスの全体コストの増加をもたらす。さらに、先進のマイクロプロセッサ・デザインに使用される薄いウエハは、ダイイシング・ソーで切断するとき、粉々になりやすい。
ガラスとプラスチックスのような、二つ又はそれ以上の光学的に透明な材料の接合は、様々な産業での応用に有益である。光学的な透明性が機能を可能にするか又は追加する、或いはその逆で付加価値(たとえば、美的な)をもたらす任意のタイプのデバイスの製造は、そのような接合処理から恩恵を被る。一例は、目視検査が必要である(たとえば、通信とバイオ・メディカル産業)構成要素のハーメチック・封止である。
(1) 多くの光学的に透明な材料で線形吸収される波長(〜10μm)のCO2レーザの使用、或いは
(2) レーザ放射を吸収するように特別にデザインされ、それによって材料の加熱、溶融を起こす透明材料の境界面への添加材の導入、
を含む。
サブ表面マークのガラスへのパターニングは、2−Dポートレートと3−D彫刻作品を作るために芸術家によって改造された。これらのマークは、外部照明を必要としない広い範囲の条件でよく見えるようにデザインされる。
超短レーザパルスは、非線形吸収を通して、バルク透明材料内の非常によく定められた領域にエネルギーを与えることができる。レーザの特性と処理条件の整合は、一連の造作(features)、光導波を可能にする屈折率の変化、内部界面の溶融とその後の接合、或いは光を散乱する光学キズの形成、をもたらすことができる。
図1は、その後の割断のために透明材料をスクライビングする方法である本発明の一実施例を示す。この実施例は、超短レーザ・パルスのビーム(2)を生成するレーザ・システム(1)、必要なレーザ・ビーム強度分布を生成する光学システム(6)、及びレーザ・パルスの波長に対して透明なスクライブされるターゲット材料(7)を用いる。さらに、Z軸ステージ(8)が、ビーム集光位置(深さ)制御のために使用され、自動X−Y軸ステージ・アセンブリ(9)が、試料片(7)を集光レーザ・ビームに相対的に直交するように移動させるために必要とされる。代わりに、走査ミラー(3)、(4)、(5)を使用して静止ターゲット材料に対してレーザ・ビーム(2)が相対的に移動される。
本発明の別の実施例は、透明材料のレーザ溶接のためのプロセスに関する。図6に示すように、本実施例は、高繰り返し率の超短レーザパルス(51)ビームを生成するレーザシステム(50)の使用、十分な集光パワーの集光素子(55)(たとえば、レンズ、顕微鏡対物レンズ)、及び一緒に接合される少なくとも二つの材料(56)と(57)、を必要とする。二つの材料の少なくとも一方は、レーザの波長に対して透明である。さらに、ビーム集光位置決めステージ(58)が、レーザビーム(51)の集光位置の調節のために使用され、自動ステージアセンブリ(59)が、試料片(56)と(57)を集光レーザビームに対して相対的に動かすために通常必要とされる。
図1aに示す同じシステムが、透明材料にサブ表面マークを形成するために使用され、そこでは、適用されるレーザビームが透明材料基板の表面の下に集光される。図8は、ガラスのような透明材料(64)に描かれた矢印パターン(63)の上面視模式図である。光源(65)は、パターンを照明するために矢印マークに光を供給する光導波路(66)に光を注入する。光導波路の出力開口数は、所定のソースを十分に照明するべく適当にデザインされるべきである。多重光導波路が、パターンの異なる領域を照明するために使用される。異なる照明光源のタイミングを制御することは、異なる装飾、合図効果を作ることができる。代わりに、光導波路を使用するよりむしろ、パターンが適当に集光された光源で直接照明される。
1.超短パルスレーザスクライビング
図11に示すように、20X非球面集光対物レンズ(焦点距離8mm)を使って、100μm厚さのサファイアウエハに一対のスクライブ線(表面溝(70)とサブ表面スクライ造作(71))がレーザビームのシングルパスで同時に加工された。割段面は、良好な品質を示している。走査速度は40mm/s(非最適化)であった。
多数のレーザパルスが溶接されるための材料の個々の領域で吸収されると、加熱、溶融及び材料の混合が起こり、冷却すると個々の材料は一緒に融着される。材料を一緒に溶接するのに必要なパルス数は、プロセス変数(レーザエネルギー、パルス繰り返し率、他、集光幾何学、他)と同様に材料の物理特性に依存する。例えば、高熱伝導率と高融点の組み合わせをもつ材料は、溶接が起きるために照射領域に十分な熱の蓄積を行うために、より高いパルス繰り返し率とより低い移動速度を必要とする。
200kHzのパルス繰り返し率で動作し、1045nmの波長をもつ高繰り返し率、フェムト秒パルスレーザでの実験は、二つの光学的に透明な材料のレーザ接合をもたらした。特に、〜2μJのレーザパルスが、焦点距離100mmのレンズで、1/4インチ厚さの透明ポリカーボネートのトップ面を通して、同じサイズの透明ポリカーボネートのトップ面とのボトム面界面に集光された。ポリカーボネート片は、ビーム集光領域の位置を材料の界面近くに維持しながら、レーザ伝搬方向に直交する面内で直線移動された。二つの片は、レーザ照射界面で一緒に融着され、それらを一方から引き離すには十分な力が必要であった。
厚さ200μmの溶融石英板が、40Xの非球面レンズと5MHzのレーザ繰り返し率を使って、厚さ1mmの溶融石英板に溶接された。レーザの1/e2ビーム径は、〜3.6mmで、非球面レンズの焦点距離は4.5mmであり、動作NA(開口数)0.37をもたらす。図12は、溶融石英の溶接造作を示し、画像は、二つの石英板を分割する前と後の両方で撮られた。最初の画像(a)は、滑らかに溶けたガラスの領域を示すそのままの溶接造作を示し、次の画像(b)と(c)は、溶接がはがされた後の二つのガラス面を示す、はがされたガラス面を示している。
図13は、側面からのグリーン光源で照明された矢印マークをもつガラスサンプルを示す。ほら、矢印パターンがはっきりと見える。図8と9の模式図は、矢印パターンの詳細を示し、ここで、照明光源に直交し、深さが異なる線は、ぴったり集光するレーザ光で生成された。
Claims (15)
- 透明材料をスクライビングするための方法であって、前記材料の表面溝と前記材料のバルク内の少なくとも一つの修飾領域とを同時に創るために超短レーザパルスの集光ビームの単一走査を使用するステップを有する。
- 透明材料をスクライビングするための方法であって、前記材料のバルク内の複数の修飾領域を同時に創るために超短レーザパルスの集光ビームの単一走査を使用するステップを有する。
- 深さ方向の二つ以上のポイントを超短レーザパルスの集光ビームの単一走査によってスクライブされた透明材料。
- 透明材料を溶接するための方法であって、前記材料の間の界面近くに超短レーザパルスのビームを集光するステップと、前記界面に前記材料の局在化した溶融を起こすに十分な一つ以上のフルーエンスゾーンをもつ、繰り返し率の前記超短レーザパルスを生成するステップと、を有する。
- 透明材料を溶接するための方法であって、前記ビームの少なくとも一つの高強度領域の最も近くにエネルギーの非線形吸収を起こすため、前記材料の局在化された溶融を起こすために十分な繰り返しパルスで前記領域に熱を累積し蓄積するため、に前記材料間の界面近くに超短レーザパルスのビームを向けるステップを有する。
- 溶接でつなげられない隙間を埋めるために、溶接される二つの対向する面間の界面に盛り上がりリッジを創るための方法であって、リッジを盛り上げるために、リッジが形成される対向面の一方或いは両方の下に超短レーザパルスを集光するステップを有し、その後該盛り上がりリッジと対向面或いはリッジとレーザ溶接する。
- 透明材料を溶接するための光学システムであって、フェムト秒からピコ秒台の超短レーザパルスのビームを生成するレーザシステムと、前記材料間の界面近くに前記ビームを集光するための集光要素と、を有し、前記レーザシステムは、パルス繰り返し率をもち、前記パルスは、高フルーエンスゾーンをもち、該フルーエンスは、前記界面に前記材料の局在化した溶融を起こすのに累積して十分である。
- 透明材料を溶接するための光学システムであって、超短レーザパルスのビームを生成するレーザシステムと、前記材料間の界面近くに前記ビームを集光するための集光要素と、を有し、前記界面での前記ビームは、前記材料をアブレーションするのに不十分な強度をもつが、前記レーザシステムは、前記界面に前記材料の局在化した溶融を累積して起こすのに十分高いパルス繰り返し率をもち、前記材料の少なくとも一方は前記レーザシステムの波長に透明である。
- 透明材料を溶接するための方法であって、前記材料間の界面近くに超短レーザパルスのビームを向けるステップと、一つの領域或いは複数の領域内だけで前記材料の溶融を起こすために、前記材料のボディ内の一つ以上の高強度領域の空間位置と形成とを光学的に制御するステップと、を有する。
- 透明材料の表面下にレーザ修飾造作の可視パターンを生成するための方法であって、
しっかり集光した超高速パルスレーザを使って材料内の異なる深さに複数の線を形成するステップと、
前記レーザのパラメータを制御して前記線の粗さを制御するステップと、
前記線におおよそ垂直に伝搬する光を使って前記線を照明するステップと、を有する。 - 前記パターンが、垂直位置から照明されると肉眼ではっきりと見え、周囲光下では肉眼で見えない、請求項10で請求された方法。
- 前記照明ステップは、集光された光源を前記線の上に向ける或いは該パターンを十分に照明する選定された出力開口数をもつ光導波路を介して前記線に光を向けることでガイドされる請求項10で請求された方法。
- 前記線の異なる一つが、他方に関して輪郭を明瞭に示す角度にあり、前記照明ステップが、複数の光源からの光を前記線に向けることで実施され、該光源の各々は、前記線のサブセットに光を概して直交する方向に向ける、請求項10で請求された方法。
- 個々の線の幅、長さ及び滑らかさと、マーキングを作る線の密度と、を制御して透明材料中のサブ表面マーキングの可視度を制御する方法。
- レーザで形成されたサブ表面マーキングのパターンをもつ透明材料であって、該マーキングが材料内の異なる深さの線で形成され、前記線が該線におおよそ垂直に向けられた光源で照明されたときのみ肉眼で十分見える。
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