JP2017502901A5 - - Google Patents
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Description
本出願は、その全開示が参照することにより本書に組み込まれる、2013年12月17日に出願された米国仮特許出願第61/917,092号、並びに2014年7月10日に出願された米国仮特許出願第62/022,896号、さらに2014年10月31日に出願された米国特許出願第14/530457号の利益を主張するものである。
近年、最先端機器のサイズ、重量、および材料コストを減少させたいという顧客の要求を満たすための精密マイクロマシニングおよびそのプロセス開発の向上が、タッチスクリーン、タブレット、スマートフォン、およびテレビ用フラットパネルディスプレイにおけるハイテク産業の速いペースの成長につながった。ここでは超高速工業用レーザが、高精度が要求される用途にとって重要なツールになっている。
ガラスを切断するためには、種々の既知の手法が存在する。従来のレーザによるガラス切断プロセスにおいてガラスの分離は、レーザによるスクライビングまたは穿孔の後に、機械的な力で、または熱応力誘起の亀裂伝搬で、分離するものに頼っている。現在のレーザ切断技術のほぼ全ては、以下に挙げる欠点の1以上を呈する。
(1)切断に使用される長レーザパルス(ナノ秒スケール以上)に伴う大きい熱影響部(HAZ)に起因して、キャリア上の薄型ガラスに対して自由形状切断を行う能力が制限されること。
(2)熱応力を生成し、これが衝撃波の発生に起因してレーザ照射領域付近のガラス表面にしばしば亀裂をもたらし、さらに無制御の材料除去をもたらすこと。
(3)ガラスの表面下のガラスに数百μm(以上)延在する表面下損傷をガラス内に生成し、亀裂伝搬の開始位置となり得る欠陥地点をもたらすこと。
(4)切断の深さ(例えば、数十μm以内まで)の制御が困難であること。
本書で開示される実施形態は、透明材料(ガラス、サファイアなど)に、この材料を掘削、切断、分離、穿孔、または別のやり方で処理するために、小さい(μm以下の)「孔」を生成する方法および装置に関する。より具体的には、超短(すなわち10-10から10-15秒)パルスレーザビーム(波長は、例えば1064、532、355、または266ナノメートルなど)を、透明材料の表面または内部の焦点領域に欠陥を生じさせるのに必要な閾値を上回るエネルギー密度まで集束せる。プロセスを繰り返すことによって、既定の経路に沿って位置合わせされた一連のレーザ誘起の欠陥が生成され得る。レーザ誘起のこれらの特徴を、間隔を空けて十分に近づけることにより、機械的に脆弱な制御された領域を透明材料内に生成することができ、この一連のレーザ誘起の欠陥により画成される経路に沿って、透明材料を精密に(機械的にまたは熱的に)破断または分離することができる。超短レーザパルスの後に随意的に炭酸ガス(CO2)レーザまたは他の熱応力発生源を追従させることにより、例えば透明材料の分離または基板シートからのパーツの分離を、完全に自動化することができる。
透明材料が一緒に結合されてスタックまたは層構造を形成している特定の用途では、下にある層を乱すことなく特定の層の境界まで選択的に「切断」することがしばしば望まれる。これは、好適な切断深さの位置に反射または吸収性(所望の波長に対する)の材料または層を加えることによって行うことができる。反射層は、薄い材料(例えばアルミニウム、銅、銀、金など)を堆積することによって形成することができる。散乱または反射層は、入射エネルギーを散乱または反射する(入射エネルギーを吸収し、熱的に消散させるのとは対照的)ため優先される。このようにして切断の深さを、下にある層を損傷することなく制御することができる。一用途では、透明材料がキャリア基板に結合され、透明材料とキャリア基板との間に反射または吸収性の層が形成される。反射または吸収性の層によって、下にあるキャリア基板を損傷することなく透明材料を切断することが可能になり、これによりキャリア基板をその後再利用することができる。キャリア基板は、本書で説明される1以上のレーザ処理ステップによってキャリア基板の上にある層を改質、切断、または掘削することを可能にする、機械的剛性またはハンドリングの容易さを提供するために使用される支持層である。
一実施の形態において、材料を、レーザ掘削、切断、分離、または別のやり方で処理する方法は、パルスレーザビームから形成されたレーザビーム焦線を、複数の材料を備えたワークピース内に形成するステップを含み、この複数の材料は、レーザ処理される材料であるレーザビームに面した第1の層、第2の層、および第1の層と第2の層との間に位置するビーム破壊層、を含む。レーザビーム焦線は第1の層の材料内に誘起吸収を発生させ、この誘起吸収は、レーザビーム焦線に沿って第1の層の材料内に欠陥ラインを生じさせる。ビーム破壊層は、例えばキャリア層でもよい。
別の実施形態において、レーザ処理の方法は、パルスレーザビームから形成されたレーザビーム焦線を、ガラス層と透明導電層とを備えているワークピース内に形成するステップを含み、レーザビーム焦線はワークピース内に誘起吸収を発生させ、この誘起吸収は、レーザビーム焦線に沿って透明導電層を通りガラス層内へと欠陥ラインを生じさせる。
さらに別の実施形態において、レーザ処理の方法は、パルスレーザビームから形成されたレーザビーム焦線を、複数のガラス層を備えたワークピースであってガラス層の夫々の間に透明保護層を含んでいるワークピース内に、形成するステップを含み、レーザビーム焦線はワークピース内に誘起吸収を発生させ、この誘起吸収は、レーザビーム焦線に沿ってワークピース内に欠陥ラインを生じさせる。
さらに別の実施形態において、レーザ処理の方法は、パルスレーザビームから形成されたレーザビーム焦線を、複数のガラス層を備えたワークピースであってガラス層の夫々の間に空隙を含んでいるワークピース内に、形成するステップを含み、レーザビーム焦線はワークピース内に誘起吸収を発生させ、この誘起吸収は、レーザビーム焦線に沿ってワークピース内に欠陥ラインを生じさせる。
さらに別の実施形態において、レーザ処理の方法は、パルスレーザビームから形成されたレーザビーム焦線を、ワークピース内に形成するステップを含む。ワークピースはガラス層を備えたものであり、レーザビーム焦線はガラス層内に誘起吸収を発生させ、さらにこの誘起吸収は、レーザビーム焦線に沿ってガラス層内に欠陥ラインを生じさせる。この方法は、ワークピースおよびレーザビームを輪郭に沿って互いに対して相対移動させ、それにより輪郭に沿って複数の欠陥ラインを形成するステップと、ガラス層をこの輪郭に沿って分離させる、酸エッチングプロセスを適用するステップとをさらに含む。
酸エッチングを使用すると、単なるレーザによる方法では高速および高生産量とするのは困難になり得る、大型片内の孔、またはスロット、または他の内部輪郭など、複雑な輪郭の取外しが可能になる。さらに、酸エッチングを使用すると、メタライゼーションまたは他の化学的コーティングに実用的な寸法の、孔の形成が可能になる。レーザによって生成された孔は並行処理でターゲット直径まで並行して拡大され、これはレーザを使用してさらなるレーザ露出を用いることによって大きい直径まで孔を掘削するものよりも速くなり得る。
酸エッチングでは、レーザに長時間に亘って露出されることによって生じ得る任意の微小亀裂または損傷が弱められて、レーザのみを使用した場合より強いパーツが生成される。
さらに別の実施形態において、レーザ処理の方法は、パルスレーザビームから形成されたレーザビーム焦線を、ワークピース内に形成するステップを含む。ワークピースはガラス層を備えたものであり、レーザビーム焦線はワークピース内に誘起吸収を発生させ、さらにこの誘起吸収は、レーザビーム焦線に沿ってワークピース内に欠陥ラインを生じさせる。この方法は、ワークピースおよびレーザビームを閉じた輪郭に沿って互いに対して相対移動させ、それにより閉じた輪郭に沿って複数の欠陥ラインを形成するステップと、この閉じた輪郭によって囲まれたガラス層の部分を、取り除くのを助ける、酸エッチングプロセスを適用するステップとをさらに含む。
さらに別の実施形態において、レーザ処理の方法は、パルスレーザビームから形成されたレーザビーム焦線を、ガラス層を備えたワークピース内に形成するステップであって、レーザビーム焦線がワークピース内に誘起吸収を発生させ、この誘起吸収が、レーザビーム焦線に沿ってワークピース内に欠陥ラインを生じさせるステップと、ワークピースおよびレーザビームを輪郭に沿って互いに対して相対移動させ、それにより輪郭に沿って複数の欠陥ラインを形成するステップと、この輪郭に沿って赤外レーザビームを導くステップとを含む。赤外レーザビームは、炭酸ガス(CO2)レーザまたは他の赤外レーザによって生成され得る。
本開示による薄型ガラスのレーザ切断の利点としては、アブレーション領域またはその付近での亀裂の生成を最小にするまたは防ぐこと、および任意の形状の自由形状切断を行うことができる能力が挙げられる。ガラス基板から分離された、フラットパネルディスプレイなどの用途のためのパーツでは、応力が中心に加えられた場合でさえエッジから壊れるという明白な傾向があるため、そのエッジの亀裂およびエッジでの残留応力を避けることが重要である。超高速レーザの高いピーク出力を、本書で説明される方法に合わせたビーム送出と組み合わせると、本方法は有害な熱の影響なしで切断を行う「低温」アブレーション技術であるため、これらの問題を回避することができる。本方法による超高速レーザを用いたレーザ切断は、ガラス内に本質的に残留応力を生成しない。
本実施形態は、
レーザ処理の方法であって、
パルスレーザビームから形成されたレーザビーム焦線を、第1の層、第2の層、および第1の層と第2の層との間に位置するビーム破壊要素、を備えているワークピース内に形成するステップ、
を含み、さらに、レーザビーム焦線が第1の層内に誘起吸収を発生させ、この誘起吸収が、レーザビーム焦線に沿って第1の層内に欠陥ラインを生じさせることを特徴とする方法、
にさらに広げられる。
レーザ処理の方法であって、
パルスレーザビームから形成されたレーザビーム焦線を、第1の層、第2の層、および第1の層と第2の層との間に位置するビーム破壊要素、を備えているワークピース内に形成するステップ、
を含み、さらに、レーザビーム焦線が第1の層内に誘起吸収を発生させ、この誘起吸収が、レーザビーム焦線に沿って第1の層内に欠陥ラインを生じさせることを特徴とする方法、
にさらに広げられる。
本実施形態は、
レーザ処理の方法であって、
パルスレーザビームから形成されたレーザビーム焦線を、ガラス層と透明導電層とを備えているワークピース内に形成するステップ、
を含み、レーザビーム焦線がワークピース内に誘起吸収を発生させ、この誘起吸収が、レーザビーム焦線に沿って透明導電層を通りガラス層内へと欠陥ラインを生じさせることを特徴とする方法、
にさらに広げられる。
レーザ処理の方法であって、
パルスレーザビームから形成されたレーザビーム焦線を、ガラス層と透明導電層とを備えているワークピース内に形成するステップ、
を含み、レーザビーム焦線がワークピース内に誘起吸収を発生させ、この誘起吸収が、レーザビーム焦線に沿って透明導電層を通りガラス層内へと欠陥ラインを生じさせることを特徴とする方法、
にさらに広げられる。
本実施形態は、
レーザ処理の方法であって、
パルスレーザビームから形成されたレーザビーム焦線を、複数のガラス層を備えたワークピースであってガラス層の夫々の間に透明保護層を含んでいるワークピース内に、形成するステップ、
を含み、レーザビーム焦線がワークピース内に誘起吸収を発生させ、この誘起吸収が、レーザビーム焦線に沿ってワークピース内に欠陥ラインを生じさせることを特徴とする方法、
にさらに広げられる。
レーザ処理の方法であって、
パルスレーザビームから形成されたレーザビーム焦線を、複数のガラス層を備えたワークピースであってガラス層の夫々の間に透明保護層を含んでいるワークピース内に、形成するステップ、
を含み、レーザビーム焦線がワークピース内に誘起吸収を発生させ、この誘起吸収が、レーザビーム焦線に沿ってワークピース内に欠陥ラインを生じさせることを特徴とする方法、
にさらに広げられる。
本実施形態は、
レーザ処理の方法であって、
パルスレーザビームから形成されたレーザビーム焦線を、複数のガラス層を備えたワークピースであってガラス層の夫々の間に空隙を含んでいるワークピース内に、形成するステップ、
を含み、レーザビーム焦線がワークピース内に誘起吸収を発生させ、この誘起吸収が、レーザビーム焦線に沿ってワークピース内に欠陥ラインを生じさせることを特徴とする方法、
にさらに広げられる。
レーザ処理の方法であって、
パルスレーザビームから形成されたレーザビーム焦線を、複数のガラス層を備えたワークピースであってガラス層の夫々の間に空隙を含んでいるワークピース内に、形成するステップ、
を含み、レーザビーム焦線がワークピース内に誘起吸収を発生させ、この誘起吸収が、レーザビーム焦線に沿ってワークピース内に欠陥ラインを生じさせることを特徴とする方法、
にさらに広げられる。
本実施形態は、
レーザ処理の方法であって、
パルスレーザビームから形成されたレーザビーム焦線を、ガラス層を備えたワークピース内に形成するステップであって、レーザビーム焦線がガラス層内に誘起吸収を発生させ、この誘起吸収が、レーザビーム焦線に沿ってガラス層内に欠陥ラインを生じさせるステップ、
ワークピースおよびレーザビームを輪郭に沿って互いに対して相対移動させ、それにより輪郭に沿ってガラス層内に複数の欠陥ラインを形成するステップ、および、
ガラス層をこの輪郭に沿って分離させる、酸エッチングプロセスを適用するステップ、
を含むことを特徴とする方法、
にさらに広げられる。
レーザ処理の方法であって、
パルスレーザビームから形成されたレーザビーム焦線を、ガラス層を備えたワークピース内に形成するステップであって、レーザビーム焦線がガラス層内に誘起吸収を発生させ、この誘起吸収が、レーザビーム焦線に沿ってガラス層内に欠陥ラインを生じさせるステップ、
ワークピースおよびレーザビームを輪郭に沿って互いに対して相対移動させ、それにより輪郭に沿ってガラス層内に複数の欠陥ラインを形成するステップ、および、
ガラス層をこの輪郭に沿って分離させる、酸エッチングプロセスを適用するステップ、
を含むことを特徴とする方法、
にさらに広げられる。
本実施形態は、
レーザ処理の方法であって、
パルスレーザビームから形成されたレーザビーム焦線を、ガラス層を備えたワークピース内に形成するステップであって、レーザビーム焦線がワークピース内に誘起吸収を発生させ、この誘起吸収が、レーザビーム焦線に沿ってワークピース内に欠陥ラインを生じさせるステップ、
ワークピースおよびレーザビームを閉じた輪郭に沿って互いに対して相対移動させ、それにより閉じた輪郭に沿って複数の欠陥ラインを形成するステップ、および、
この閉じた輪郭によって囲まれたガラス層の部分を、取り除くのを助ける、酸エッチングプロセスを適用するステップ、
を含むことを特徴とする方法、
にさらに広げられる。
レーザ処理の方法であって、
パルスレーザビームから形成されたレーザビーム焦線を、ガラス層を備えたワークピース内に形成するステップであって、レーザビーム焦線がワークピース内に誘起吸収を発生させ、この誘起吸収が、レーザビーム焦線に沿ってワークピース内に欠陥ラインを生じさせるステップ、
ワークピースおよびレーザビームを閉じた輪郭に沿って互いに対して相対移動させ、それにより閉じた輪郭に沿って複数の欠陥ラインを形成するステップ、および、
この閉じた輪郭によって囲まれたガラス層の部分を、取り除くのを助ける、酸エッチングプロセスを適用するステップ、
を含むことを特徴とする方法、
にさらに広げられる。
本実施形態は、
レーザ処理の方法であって、
パルスレーザビームから形成されたレーザビーム焦線を、ガラス層を備えたワークピース内に形成するステップであって、レーザビーム焦線がワークピース内に誘起吸収を発生させ、この誘起吸収が、レーザビーム焦線に沿ってワークピース内に欠陥ラインを生じさせるステップ、
ワークピースおよびレーザビームを輪郭に沿って互いに対して相対移動させ、それにより輪郭に沿って複数の欠陥ラインを形成するステップ、および、
この輪郭に沿って赤外レーザを導くステップ、
を含むことを特徴とする方法、
にさらに広げられる。
レーザ処理の方法であって、
パルスレーザビームから形成されたレーザビーム焦線を、ガラス層を備えたワークピース内に形成するステップであって、レーザビーム焦線がワークピース内に誘起吸収を発生させ、この誘起吸収が、レーザビーム焦線に沿ってワークピース内に欠陥ラインを生じさせるステップ、
ワークピースおよびレーザビームを輪郭に沿って互いに対して相対移動させ、それにより輪郭に沿って複数の欠陥ラインを形成するステップ、および、
この輪郭に沿って赤外レーザを導くステップ、
を含むことを特徴とする方法、
にさらに広げられる。
本実施形態は、
穿孔を形成する方法であって、
(i)キャリアの上に配置されたビーム破壊要素と、ビーム破壊要素の上に配置された第1の層とを備えている、マルチレイヤ構造を提供するステップ、
(ii)波長λのレーザビームを、この波長λに対して透明な第1の層の第1の部分に集束させることにより、第1の層内で高レーザ強度の領域を形成するステップであって、この高レーザ強度が、高レーザ強度のこの領域内で非線形吸収をもたらすのに十分なものであり、ビーム破壊要素が、このビーム破壊要素の第1の層とは反対側に配置されたキャリア材料または他の層に、非線形吸収が発生するのを防ぎ、非線形吸収が、レーザビームから第1の層の高強度の領域内へのエネルギー伝達を可能にして、このエネルギー伝達によって第1の層の高レーザ強度の領域内で、レーザビームの伝搬方向に延在する第1の穿孔を生成する、ステップ、
(iii)レーザビームを第1の層の第2の部分に集束させるステップ、および、
(iv)ステップ(ii)を繰り返して、基板の第2の部分に、レーザビームの伝搬方向に延在する第2の穿孔を形成するステップであって、ビーム破壊要素が、第2の穿孔の形成中に、ビーム破壊要素の第1の層とは反対側に配置されたキャリア材料または他の層に、非線形吸収が発生するのを防ぐ、ステップ、
を含むことを特徴とする方法、
にさらに広げられる。
穿孔を形成する方法であって、
(i)キャリアの上に配置されたビーム破壊要素と、ビーム破壊要素の上に配置された第1の層とを備えている、マルチレイヤ構造を提供するステップ、
(ii)波長λのレーザビームを、この波長λに対して透明な第1の層の第1の部分に集束させることにより、第1の層内で高レーザ強度の領域を形成するステップであって、この高レーザ強度が、高レーザ強度のこの領域内で非線形吸収をもたらすのに十分なものであり、ビーム破壊要素が、このビーム破壊要素の第1の層とは反対側に配置されたキャリア材料または他の層に、非線形吸収が発生するのを防ぎ、非線形吸収が、レーザビームから第1の層の高強度の領域内へのエネルギー伝達を可能にして、このエネルギー伝達によって第1の層の高レーザ強度の領域内で、レーザビームの伝搬方向に延在する第1の穿孔を生成する、ステップ、
(iii)レーザビームを第1の層の第2の部分に集束させるステップ、および、
(iv)ステップ(ii)を繰り返して、基板の第2の部分に、レーザビームの伝搬方向に延在する第2の穿孔を形成するステップであって、ビーム破壊要素が、第2の穿孔の形成中に、ビーム破壊要素の第1の層とは反対側に配置されたキャリア材料または他の層に、非線形吸収が発生するのを防ぐ、ステップ、
を含むことを特徴とする方法、
にさらに広げられる。
前述のものは、添付の図面に示されている実施形態例の以下のより具体的な説明から明らかになるであろう。図面において、同じ参照符号は異なる図を通じて同じ部分を参照する。図面は必ずしも原寸に比例したものではなく、代わりに代表的な実施形態を説明することに重点を置いている。
実施形態例の説明を以下に示す。
本書で説明される実施形態は、透明材料内に、または透明材料を通る、高精度の切込みを、光学的に生じさせる方法および装置に関する。表面下損傷を、およそ深さ100μm以下、または深さ75μm以下、または深さ60μm以下、または深さ50μm以下程度に制限することができ、切断で生成される破片はほんの僅かになり得る。本開示によるレーザを用いる透明材料の切断は、本書において掘削またはレーザ掘削またはレーザ処理とも称され得る。本開示の文脈の中で、材料がレーザの波長に対して実質的に透明であるとは、この波長での吸収が材料の深さ1mm当たり、約10%未満、好適には約1%未満の場合である。
以下で説明される方法によれば、レーザを使用して1回の通過で、表面下損傷および破片の生成を極めて小さく(<75μm、多くは<50μm)しながら、材料を通る高度に制御されたフルライン穿孔を生成することができる。これは、典型的な、点集束レーザを使用して材料をアブレーションするものとは対照的であり、後者の場合、ガラスの厚さを完全に穿孔するために多数の通過を必要とすることが多く、多量の破片がアブレーションプロセスで形成され、より広範囲に及ぶ表面下損傷(>100μm)およびエッジの欠けが生じる。本書では表面下損傷とは、本開示に従ってレーザ処理を受けた基板または材料から分離されたパーツの外縁表面における、最大サイズ(例えば、長さ、幅、直径)の構造的欠陥を称する。構造的欠陥は外縁表面から延在するものであるため、表面下損傷は本開示によるレーザ処理により損傷が生じた外縁表面からの、最大深さとしても見なすことができる。分離されたパーツの外縁表面は、本書において、分離されたパーツのエッジまたはエッジ表面と称され得る。構造的欠陥は亀裂または空所となり得、これは基板または材料から分離されたパーツの、破断または破壊を促進する機械的に脆弱な点を表す。表面下損傷のサイズを最小にすることによって、本方法は分離されたパーツの構造的完全性および機械的強度を向上させる。
従って、透明材料に微細な(すなわち、直径<2μmかつ>100nm、またいくつかの実施形態では<0.5μmかつ>100nmの)細長い欠陥ライン(本書では穿孔または損傷跡とも称される)を、1以上の高エネルギーパルス、または高エネルギーパルスから成る1以上のバーストを用いて生成することができる。穿孔は、レーザによって改質された基板材料の領域を表す。レーザ誘起の改質は、基板材料の構造を破壊し、機械的に脆弱な場所を構成する。構造的破壊は、圧縮、溶解、材料の移動、再配置、および結合切断を含む。穿孔は基板材料の内部へと延び、穿孔の断面形状はレーザの断面形状に一致する(概して円形)。穿孔の平均直径は、0.1μmから50μmの範囲、または1μmから20μmの範囲、または2μmから10μmの範囲、または0.1μmから5μmの範囲でもよい。いくつかの実施形態において穿孔は、基板材料の上から下まで延在する孔または開口チャネルである「貫通孔」である。いくつかの実施形態において、穿孔は連続的に開口したチャネルでなくてもよく、レーザによって基板材料から移動された中実材料の区間を含み得る。この移動された材料は、穿孔により画成された空間を遮断または部分的に遮断する。1以上の開口チャネル(遮断されていない領域)が、移動された材料の区間の間に分散されていてもよい。開口チャネルの直径は、<1000nm、または<500nm、または<400nm、または<300nm、または10nmから750nmの範囲、または100nmから500nmの範囲でもよい。本書で開示される実施形態における孔を囲む材料の、破壊または改質された(例えば、圧縮、溶解、または別のやり方で変化した)エリアの直径は、<50μm(例えば、<10μm)であることが好ましい。
個々の穿孔は、数百キロヘルツの速度で生成され得る(例えば1秒当たり数十万の穿孔)。従って、レーザ光源と材料との間の相対運動で、これらの穿孔は互いに隣接して設けられ得る(要望に応じて、空間的隔たりはサブミクロンから数μmまたはさらには数十μmまで変化する)。この空間的隔たりは、切断を助けるよう選択される。
さらに、光学系を慎重に選択することによって、スタックされた透明材料の個々の層の選択的切断が実現できる。透明材料のスタックのマイクロマシニングおよび選択的切断は、ビーム送出光学系と共に適切なレーザ光源および波長を選択し、さらに所望の層の境界にビーム破壊要素を配置することによって、切断深さを精密に制御して達成される。ビーム破壊要素は、材料の層でもよいし、または境界面でもよい。本書においてビーム破壊要素は、レーザビーム破壊要素、または破壊要素などと称され得る。ビーム破壊要素の実施形態は本書において、ビーム破壊層、レーザビーム破壊層、破壊層、ビーム破壊境界面、レーザビーム破壊境界面、または破壊境界面などと称され得る。
ビーム破壊要素は、入射レーザビームに対して、反射、吸収、散乱、デフォーカス、または別のやり方で干渉し、その下にあるスタック内の層をレーザビームが損傷または別のやり方で改質することを、抑制または防止する。一実施の形態においてビーム破壊要素は、レーザ掘削が行われる透明材料の層の下に位置する。本書では、ビーム破壊要素が透明材料の下にあるとは、ビーム破壊要素の配置が、レーザビームがビーム破壊要素に当たる前に透明材料を通過しなければならないような場合である。ビーム破壊要素は、レーザ掘削が行われる透明層の下にあって、この透明層に直接隣接するものでもよい。スタックの異なる層間に光学的性質の相違が存在するように、層を挿入するまたは境界面を改質することによって、スタック材料を高い選択性でマイクロマシニングまたは切断することができる。スタック内の材料間の境界面を、対象のレーザ波長でより反射、吸収、デフォーカス、および/または散乱するものとすることによって、切断をスタックの一部または1つの層に制限することができる。
レーザ波長は、レーザ処理される(レーザによって掘削、切断、アブレーション、損傷、または別のやり方で明らかに改質される)スタック内の材料が、このレーザ波長に対して透明であるように選択される。一実施の形態において、レーザによって処理される材料は、吸収されるそのレーザ波長の強度が材料の厚さ1mm当たりで10%未満の場合に、そのレーザ波長に対して透明である。別の実施形態において、レーザによって処理される材料は、吸収されるそのレーザ波長の強度が材料の厚さ1mm当たりで5%未満の場合に、そのレーザ波長に対して透明である。さらに別の実施形態において、レーザによって処理される材料は、吸収されるそのレーザ波長の強度が材料の厚さ1mm当たりで2%未満の場合に、そのレーザ波長に対して透明である。さらに別の実施形態において、レーザによって処理される材料は、吸収されるそのレーザ波長の強度が材料の厚さ1mm当たりで1%未満の場合に、そのレーザ波長に対して透明である。
レーザ光源の選択は、透明材料の多光子吸収(MPA)を誘起する能力にさらに基づく。MPAは、材料をより低いエネルギー状態(通常、基底状態)からより高いエネルギー状態(励起状態)へと励起するために、同一のまたは異なる周波数の多数の光子を同時に吸収するものである。励起状態は、励起された電子状態またはイオン化状態とし得る。材料の、より高いエネルギー状態とより低いエネルギー状態との間のエネルギー差は、2以上の光子のエネルギーの合計に等しい。MPAは、線形吸収よりも一般に数桁弱い非線形プロセスである。MPAの強度は光強度の2乗以上の出力に依存するため線形吸収とは異なり、したがって非線形光学プロセスになる。通常の光強度で、MPAは極わずかである。レーザ光源(特にパルスレーザ光源)の焦点領域内など光強度(エネルギー密度)が極めて高い場合、MPAはかなりのものとなり、光源のエネルギー密度が十分に高い領域内の材料において大きな効果につながる。焦点領域内では、イオン化をもたらすのに十分な高エネルギー密度になり得る。
原子レベルで、個々の原子のイオン化は個別のエネルギー要件を有する。ガラス内で通常使用されるいくつかの元素(例えば、Si、Na、K)のイオン化エネルギーは比較的低い(〜5eV(8.01×10-19J))。MPAの現象がない場合、〜5eV(8.01×10-19J)で線形イオン化を生じさせるには、約248nmの波長が必要になる。MPAでは、〜5eV(8.01×10-19J)のエネルギー分離状態間のイオン化または励起は、248nmよりも長い波長で達成され得る。例えば波長532nmの光子のエネルギーは〜2.33eV(3.73×10-19J)であり、そのため波長532nmの2つの光子は、例えば二光子吸収(TPA)において、〜4.66eV(7.47×10-19J)のエネルギー分離状態間で移行を誘起し得る。従って、材料の領域内で原子および結合を選択的に励起またはイオン化することができ、この場合レーザビームのエネルギー密度は、例えば必要な励起エネルギーの半分のレーザ波長の非線形TPAを誘起するのに十分な高いものである。
MPAは、励起された原子または結合の、隣接する原子または結合からの局所的再構成および分離をもたらすことができる。結合または構成の改質が得られると、MPAが起こる材料の領域からの物質の非熱的アブレーションおよび除去をもたらすことができる。この物質の除去によって構造的欠陥(例えば、欠陥ライン、損傷ライン、または「穿孔」)が生成され、これが材料を機械的に脆弱化させ、機械的または熱的な応力が加えられたときに亀裂または破断が生じやすい状態にする。穿孔の配置を制御することによって、亀裂が生じる輪郭または経路を精密に画成することができ、材料の精密なマイクロマシニングを達成することができる。一連の穿孔によって画成される輪郭を傷(fault)ラインと見なすことができ、材料内の構造的脆弱領域に相当する。一実施の形態においてマイクロマシニングは、レーザによって処理された材料からのパーツの分離を含み、ここでのこのパーツは、レーザにより誘起されたMPA効果で形成された穿孔の閉じた輪郭により決定された、精密に画成された形状または外縁を有する。本書では、閉じた輪郭という用語は、レーザラインにより形成された穿孔の経路を称し、この場合この経路は、いくつかの位置でそれ自体と交わる。内部の輪郭とは、得られる形状が材料の外側の部分によって完全に囲まれるように形成された経路である。
レーザは超短パルスレーザ(数十ピコ秒オーダー以下のパルス持続時間)であり、パルスモードまたはバーストモードで動作され得る。パルスモードでは、一連の名目上同一の単一パルスが、レーザから放出されてワークピースへと導かれる。パルスモードにおいてレーザの繰返し率は、パルス間の時間間隔によって決定される。バーストモードにおいてパルスのバーストはレーザから放出され、このとき各バーストは(等しいまたは異なる振幅の)2以上のパルスを含む。バーストモードにおいて、バースト内のパルスは第1の時間間隔(これがバーストに対するパルスの繰返し率を画成する)だけ隔てられ、またバーストは第2の時間間隔(これがバースト繰返し率を画成する)だけ隔てられ、このとき第2の時間間隔は典型的には第1の時間間隔よりも大幅に長い。本書では(パルスモード関連でも、バーストモード関連でも)時間間隔とは、パルスまたはバーストの対応する部分間の時間の差を称する(例えば、前縁から前縁、ピークからピーク、または後縁から後縁)。パルスおよびバーストの繰返し率は、レーザの設計により制御され、レーザの動作条件を調節することによって制限内で典型的には調節することができる。典型的なパルスおよびバーストの繰返し率は、kHzからMHz範囲である。
レーザパルス持続時間は(パルスモードで、またはバーストモードのバースト内のパルスに対して)、10-10秒以下、または10-11秒以下、または10-12秒以下、または10-13秒以下でもよい。本書で説明される例示的な実施形態において、レーザパルス持続時間は10-15を上回る。
複数の穿孔は間隔を空けて配置され得、レーザ、および/または基板またはスタックの動きの制御によってレーザに対する基板またはスタックの速度を制御することで、穿孔を精密に位置付けることができる。一例として、100kHzの一連のパルス(またはパルスのバースト)に露出された200mm/秒で移動している薄型透明基板では、2μm隔てられた一連の穿孔を生成するために個々のパルスの間隔は2μmとなる。この欠陥ライン(穿孔)の間隔は十分近いため、一連の穿孔によって画成される輪郭に沿った機械的または熱的分離が可能になる。傷ラインの方向に沿った隣接する欠陥ライン間の距離は、例えば0.25μmから50μmの範囲、または0.50μmから約20μmの範囲、または0.50μmから約15μmの範囲、または0.50μmから10μmの範囲、または0.50μmから3.0μmの範囲、または3.0μmから10μmの範囲でもよい。
熱分離:
いくつかの事例において、一連の穿孔または欠陥ラインによって画成された輪郭に沿って生成される傷ラインは、そのパーツを自発的に分離するには十分ではなく、二次ステップが必要になり得る。それが望ましい場合、例えば第2のレーザを使用し、熱応力を生じさせて分離してもよい。イオン交換による化学強化を受ける前のコーニングのEagle XGまたはコーニングガラスコード2318などの低応力ガラスの場合、熱応力を生じさせるよう、またパーツを基板から分離させるよう、傷ライン生成後に機械的な力を加えることによって、または熱源(赤外レーザ、例えば、CO2レーザなど)を用いることによって分離を達成することができる。別の選択肢は、分離の開始時にのみCO2レーザを使用し、その後手動で分離を終えるものである。随意的なCO2レーザによる分離は、例えば10.6μmで発光するデフォーカスされた連続波(cw)レーザで、そのデューティサイクルを制御することにより出力を調節して達成され得る。焦点変化(すなわち、集束されたスポットサイズまでの、このスポットサイズを含むデフォーカス範囲)を使用し、スポットサイズを変化させることによって、誘起される熱応力を変化させる。デフォーカスレーザビームは、おおよそレーザ波長のサイズの、最小の回折限界スポットサイズよりも大きいスポットサイズを生成するようなレーザビームを含む。例えば、2から12mm、または約7mm、2mm、および20mmのデフォーカスされたスポットサイズ(1/e2直径)をCO2レーザで使用してもよく、例えばその回折限界スポットサイズは10.6μmの発光波長を前提とすると大幅に小さい。
エッチング:
例えば酸エッチングを使用すると、例えばガラス層を備えたワークピースを分離することができる。例えば一実施の形態において、使用される酸は容積で10%のHF/15%のHNO3でもよい。24〜25℃の温度で53分間いくつかの部分をエッチングして、レーザでMPAにより形成された孔の直径を、例えば〜100μmに拡大させることができる。このレーザ穿孔された部分をこの酸浴内に浸漬させてもよく、例えば40kHzおよび80kHzの周波数を組み合わせた超音波攪拌を用いて、孔への流体の浸透および孔内部での流体の交換を助けることができる。さらに、超音波場からの定在波パターンがその部分に「高温点」またはキャビテーションに関連する損傷を生じさせないよう、超音波場内で手動によるその部分の攪拌を行ってもよい。酸の組成およびエッチング速度は、その部分をゆっくりエッチングするように意図的に設計され得る−例えば、材料の除去速度は1.9μm/分でしかない。例えば約2μm/分未満のエッチング速度で、酸は狭い孔に十分に浸透することができ、また攪拌によって、最初にレーザで形成されたときには非常に狭い孔から、新たな流体の交換および溶解された材料の除去を行うことができる。酸が孔に浸透し、孔が隣接する孔とつながるサイズに拡大すると、穿孔された輪郭が基板の残部から分離する。例えばこれにより、孔またはスロットなどの内部特徴を、より大きい部分から抜き出すことができ、あるいは窓を、この窓を含むより大きい「フレーム」から抜き出すことができる。
熱分離:
いくつかの事例において、一連の穿孔または欠陥ラインによって画成された輪郭に沿って生成される傷ラインは、そのパーツを自発的に分離するには十分ではなく、二次ステップが必要になり得る。それが望ましい場合、例えば第2のレーザを使用し、熱応力を生じさせて分離してもよい。イオン交換による化学強化を受ける前のコーニングのEagle XGまたはコーニングガラスコード2318などの低応力ガラスの場合、熱応力を生じさせるよう、またパーツを基板から分離させるよう、傷ライン生成後に機械的な力を加えることによって、または熱源(赤外レーザ、例えば、CO2レーザなど)を用いることによって分離を達成することができる。別の選択肢は、分離の開始時にのみCO2レーザを使用し、その後手動で分離を終えるものである。随意的なCO2レーザによる分離は、例えば10.6μmで発光するデフォーカスされた連続波(cw)レーザで、そのデューティサイクルを制御することにより出力を調節して達成され得る。焦点変化(すなわち、集束されたスポットサイズまでの、このスポットサイズを含むデフォーカス範囲)を使用し、スポットサイズを変化させることによって、誘起される熱応力を変化させる。デフォーカスレーザビームは、おおよそレーザ波長のサイズの、最小の回折限界スポットサイズよりも大きいスポットサイズを生成するようなレーザビームを含む。例えば、2から12mm、または約7mm、2mm、および20mmのデフォーカスされたスポットサイズ(1/e2直径)をCO2レーザで使用してもよく、例えばその回折限界スポットサイズは10.6μmの発光波長を前提とすると大幅に小さい。
エッチング:
例えば酸エッチングを使用すると、例えばガラス層を備えたワークピースを分離することができる。例えば一実施の形態において、使用される酸は容積で10%のHF/15%のHNO3でもよい。24〜25℃の温度で53分間いくつかの部分をエッチングして、レーザでMPAにより形成された孔の直径を、例えば〜100μmに拡大させることができる。このレーザ穿孔された部分をこの酸浴内に浸漬させてもよく、例えば40kHzおよび80kHzの周波数を組み合わせた超音波攪拌を用いて、孔への流体の浸透および孔内部での流体の交換を助けることができる。さらに、超音波場からの定在波パターンがその部分に「高温点」またはキャビテーションに関連する損傷を生じさせないよう、超音波場内で手動によるその部分の攪拌を行ってもよい。酸の組成およびエッチング速度は、その部分をゆっくりエッチングするように意図的に設計され得る−例えば、材料の除去速度は1.9μm/分でしかない。例えば約2μm/分未満のエッチング速度で、酸は狭い孔に十分に浸透することができ、また攪拌によって、最初にレーザで形成されたときには非常に狭い孔から、新たな流体の交換および溶解された材料の除去を行うことができる。酸が孔に浸透し、孔が隣接する孔とつながるサイズに拡大すると、穿孔された輪郭が基板の残部から分離する。例えばこれにより、孔またはスロットなどの内部特徴を、より大きい部分から抜き出すことができ、あるいは窓を、この窓を含むより大きい「フレーム」から抜き出すことができる。
図1に示されている実施形態において、マルチレイヤスタックにおける切断の深さの精密な制御は、ビーム破壊境界面(「改質境界面」と表示されている)の形のビーム破壊要素を含むことによって達成される。ビーム破壊境界面は、レーザ放射が破壊境界面の位置を越えてマルチレイヤスタックの部分と相互作用するのを防ぐ。
一実施の形態においてビーム破壊要素は、二(または多)光子吸収によって改質が起こるスタックの層の、すぐ下に位置付けられる。このような構成は図1に示されており、ここでビーム破壊要素は材料Aのすぐ下に位置付けられた改質境界面であり、材料Aは、本書で説明される二(または多)光子吸収の機構によって穿孔の形成が行われる材料である。本書では、下または別の位置よりも下方の位置を参照する場合には、レーザビームが最初に入射するマルチレイヤスタックの表面が、上部または最上部の位置であると仮定する。例えば図1では、レーザ光源に最も近い材料Aの表面が上部表面であり、ビーム破壊要素が材料Aの下に配置されるとは、レーザビームが、材料Aを横切った後にビーム破壊要素と相互作用することを意味する。
ビーム破壊要素は、切断される材料とは異なる光学的性質を有する。例えばビーム破壊要素は、デフォーカス要素、散乱要素、半透明要素、回折要素、吸収要素、または反射要素でもよい。デフォーカス要素は、レーザ光がデフォーカス要素上またはデフォーカス要素の下方にレーザビーム焦線を形成するのを防ぐ材料を含む、境界面または層である。デフォーカス要素は、光ビームの波面を散乱するまたは乱す不均等な屈折率を有する、材料または境界面から成るものでもよい。半透明要素は、レーザビームを、半透明要素のレーザビームから遠い側のスタックの部分でレーザビーム焦線を形成するのを防ぐのに十分なエネルギー密度に低下させるよう散乱または減衰させて初めて、光を通過させることができる材料から成る境界面または層である。一実施の形態において、半透明要素がもたらす散乱または逸脱は、レーザビームの光線の少なくとも10%である。
より具体的には、破壊要素の反射性、吸収性、デフォーカス、回折性、減衰、および/または散乱を採用して、レーザ放射に対するバリアすなわち妨害物を生成することができる。レーザビーム破壊要素は、いくつかの手段で生成することができる。スタック系全体の光学的性質がそれほど重大ではない場合、1以上の薄膜をスタックの所望の2つの層の間にビーム破壊層として堆積させてもよく、このとき1以上の薄膜は、そのすぐ上の層よりも多くのレーザ放射を吸収、散乱、デフォーカス、減衰、反射、回折、および/または放散して、ビーム破壊層の下の層がレーザ光源から過度のエネルギー密度を受けないよう保護する。スタック系全体の光学的性質が重要である場合、ビーム破壊要素はノッチフィルタとして実装され得る。これは以下のいくつかの方法で行うことができる。
a)特定の波長または波長範囲で入射レーザ放射の回折が起こるように、(例えば、薄膜成長、薄膜パターン形成、または表面パターン形成によって)ビーム破壊層または境界面の位置に構造を生成する、
b)入射レーザ放射の散乱が起こるように、(例えば、薄膜成長、薄膜パターン形成、または表面パターン形成によって)ビーム破壊層または境界面の位置に構造を生成する(例えば、テクスチャ表面)、
c)レーザ放射の減衰位相シフトが起こるように、(例えば、薄膜成長、薄膜パターン形成、または表面パターン形成によって)ビーム破壊層または境界面の位置に構造を生成する、および、
d)レーザ放射のみを反射するように、ビーム破壊層または境界面の位置に薄膜スタックによって分布ブラッグ反射器を生成する。
b)入射レーザ放射の散乱が起こるように、(例えば、薄膜成長、薄膜パターン形成、または表面パターン形成によって)ビーム破壊層または境界面の位置に構造を生成する(例えば、テクスチャ表面)、
c)レーザ放射の減衰位相シフトが起こるように、(例えば、薄膜成長、薄膜パターン形成、または表面パターン形成によって)ビーム破壊層または境界面の位置に構造を生成する、および、
d)レーザ放射のみを反射するように、ビーム破壊層または境界面の位置に薄膜スタックによって分布ブラッグ反射器を生成する。
ビーム破壊要素によるレーザビームの吸収、反射、回折、散乱、減衰、デフォーカスなどは、完全なものである必要はない。ビーム破壊要素のレーザビームへの影響が、集束レーザビームのエネルギー密度または強度を、ビーム破壊要素によって保護される(下にある)スタック内の層の、切断、アブレーション、穿孔などに要求される閾値を下回るレベルまで減少させるのに十分なものであることのみが必要である。一実施の形態においてビーム破壊要素は、集束レーザビームのエネルギー密度または強度を、二(または多)光子吸収を誘起するのに必要な閾値を下回るレベルまで減少させる。ビーム破壊層またはビーム破壊境界面は、レーザビームを吸収、反射、回折、または散乱するように構成され得、ここでこの吸収、反射、回折、または散乱は、キャリア(または他の下にある層)に伝達されるレーザビームのエネルギー密度または強度を、キャリアまたは下にある層において非線形吸収を誘起するのに必要なレベルを下回るレベルまで減少させるのに十分なものである。
図2Aおよび2Bを参照すると、材料をレーザ掘削する方法は、ビームの伝搬方向に沿って見て、パルスレーザビーム2をレーザビーム焦線2bへと集束させるステップを含む。レーザビーム焦線2bは、高エネルギー密度の領域である。図3Aに示されているように、レーザ3(図示なし)は、光学アセンブリ6に入射する部分2aを含むレーザビーム2を放出する。光学アセンブリ6は出力側で入射レーザビームの方向を変え、ビーム方向に沿った画成された拡大範囲(焦線の長さl)に亘るレーザビーム焦線2bとする。
層1は、レーザ処理および二(または多)光子吸収による内部改質が起こるはずの、マルチレイヤスタックの層である。層1は、より大きいマルチレイヤワークピースの要素であり(その残りは図示されていない)、ワークピースは典型的には、その上にマルチレイヤスタックが形成される基板またはキャリアを含む。層1は、本書で説明したように二(または多)光子吸収の補助によるアブレーションまたは改質によって孔、切込み、または他の特徴が形成される、マルチレイヤスタック内の層である。例えば図1において、材料Aは層1に相当し、材料Bはビーム破壊要素の下にある層である。層1は、レーザビーム2のレーザビーム焦線2bと少なくとも部分的に重なり合うようにビーム路内に位置付けられる。参照符号1aは、光学アセンブリ6またはレーザの夫々に面している(最も近いまたは近接する)層1の表面を指定し、また参照符号1bは、層1の反対の表面(光学アセンブリ6またはレーザから遠い、すなわちさらに離れている表面)を指定する。層1の厚さ(平面1aおよび1bすなわち基板平面に対して、垂直に測定される)はdで表示されている。
図2Aに描かれているように、層1は、縦方向のビーム軸に実質的に垂直に、従って光学アセンブリ6により生成された同じ焦線2bの背後に位置合わせされる(この基板は図の面に垂直である)。ビームの方向に沿って見ると、(ビームの方向へと見て)焦線2bが層1の表面1aよりも手前で始まり、層1の表面1bの手前で終わるように、層1は焦線2bに対して位置付けられ、すなわち焦線2bは層1内で終端し、表面1bを越えて延在しない。レーザビーム焦線2bが層1と重なり合っているエリア、すなわち層1の焦線2bと重なり合っている部分において、レーザビーム焦線2bは層1内に非線形吸収を発生させ(レーザビーム焦線2b沿いを適切なレーザ強度であると仮定し、この強度は、長さlの区間(すなわち、長さlの線焦点)にレーザビーム2を適切に集束させることによって確実になる、する)、これが、誘起非線形吸収が層1内に発生する(縦のビーム方向に沿って位置合わせされた)区間2cを画成する。このような線焦点は、いくつかのやり方、例えばベッセルビーム、エアリービーム、ウェバービーム(Weber beam)、およびマシュービーム(Mathieu beam)(すなわち、非回折ビーム)で生成することができ、その場のプロファイルは典型的には、横切る方向(すなわち、伝搬方向)においてガウス関数よりもゆっくりと減衰する、特殊関数によって与えられる。誘起された非線形吸収は、層1内に区間2cに沿って欠陥ラインの形成をもたらす。欠陥ラインの形成は、単に局所的ではなく、むしろ誘起吸収の区間2cの全長に亘って延在し得る。区間2cの長さ(レーザビーム焦線2bが層1と重なり合っている長さに相当する)は、参照符号Lで表示されている。誘起吸収の区間2c(または欠陥ライン形成を受ける層1の材料内の区間)の平均直径または範囲は、参照符号Dで表示されている。この平均範囲Dは基本的には、レーザビーム焦線2bの平均直径δ、すなわち約0.1μmから約5μmの間の範囲の平均スポット直径に相当する。
図2Aが示しているように、(レーザビーム2の波長λに対して透明である)層1は、焦線2bに沿った誘起吸収によって局所的に加熱される。誘起吸収は、焦線2bの範囲内のレーザビームの高強度(エネルギー密度)に関連した非線形効果から生じる。図2Bは、対応する誘起された張力が微小亀裂の形成につながるように、加熱された層1が最終的に拡大することを示しており、その張力は表面1aで最も高い。
焦線2bを生成するために適用され得る代表的な光学アセンブリ6の他、この光学アセンブリを適用することができる代表的な光学セットアップを以下で説明する。全てのアセンブリまたはセットアップは上記説明に基づいているため、同一の要素または特徴、あるいはその機能が等しいものに対して、同一の参照符号を用いる。従って、その相違点のみを以下で説明する。
一連の穿孔により画成された輪郭に沿って亀裂を形成した後の分離面を確実に高品質なもの(破壊強度、幾何学的精度、粗さ、および再加工要件の回避に関して)とするために、亀裂の輪郭を画成する穿孔を形成するために使用される個々の焦線は、以下で説明する光学アセンブリを用いて生成するべきである(以下、光学アセンブリは代わりにレーザ光学系とも称される)。分離面の粗さは、焦線のスポットサイズまたはスポット直径によって主に決定される。表面の粗さは、例えば、ASME B46.1規格によって定義される表面粗さパラメータRaによって特徴付けることができる。ASME B46.1に記載されているように、Raは、評価される長さの範囲内で記録された、表面プロファイル高さの平均線からの偏差の絶対値の相加平均である。別の言い方をすると、Raは、平均に対する表面の個々の特徴(ピークおよび谷)の、高さにおける偏差の絶対値の集合平均である。
層1の材料と相互作用するレーザ3の所与の波長λに対して、例えば0.5μmから2μmの小さいスポットサイズを得るためには、通常、レーザ光学系6の開口数に特定の要件を課さなければならない。これらの要件は、以下で説明されるレーザ光学系6によって満たされる。必要な開口数を得るために、光学系は一方では、既知のアッベの公式(N.A.=n・sin(θ)、n:処理される材料の屈折率、θ:アパーチャ角の半角、さらにθ=arctan(DL/2f)、DL:アパーチャ直径、f:焦点距離)に従って、所与の焦点距離のために必要な開口に対処しなければならない。他方では、レーザビームは光学系を必要なアパーチャまで照らさなければならず、これは典型的には、レーザと集束光学系との間で拡大望遠鏡を用いてビームを拡大することによって達成される。
スポットサイズは、焦線に沿った均一な相互作用のために、あまり強く変化しないものであるべきである。これは例えば、ビームの開口、すなわち開口数の割合が、ごく僅かしか変化しないように、集束光学系の小さい円形エリアのみを照らすことによって確実にすることができる(以下の実施形態参照)。
図3Aによれば(レーザ放射2のレーザビーム束における中心ビームのレベルでの、基板平面に垂直な断面であり、ここでも、焦線2bまたは誘起吸収の区間2cが基板の法線に平行になるように、レーザビーム2は層1に垂直に(光学アセンブリ6に入る前)入射し、すなわち入射角は0°である)、レーザ3により放出されたレーザ放射2aは、使用されるレーザ放射に対して完全に不透明な円形アパーチャ8に最初に導かれる。アパーチャ8は縦方向のビーム軸に垂直に配向され、かつ図示のビーム束2aの中心ビームに中心が置かれる。ビーム束2aの中心付近のビーム束または中心ビーム(ここでは2aZで表示されている)がアパーチャに当たり、完全にアパーチャによって遮断されるように、アパーチャ8の直径は選択される。ビーム束2aの外側外縁範囲のビームのみが(周辺光線、ここでは2aRで表示されている)ビームの直径に比べて小さいアパーチャサイズのため遮断されず、アパーチャ8の横を通り過ぎて、本実施形態では球状にカットされた両凸レンズ7として設計されている光学アセンブリ6の集束光学素子の周縁エリアに当たる。
レンズ7は、中心ビームにその中心が置かれ、また一般的な球状にカットされたレンズの形の、補正されていない両凸集束レンズとして設計されている。このようなレンズの球面収差は有利になり得る。代わりに、理想的な焦点ではなく、明白な画成された長さの細長い焦線を形成する、理想的に補正された系から逸脱している非球面またはマルチレンズ系を利用することもできる(すなわち、単一の焦点を有するものではないレンズまたは系)。従ってレンズのゾーンは、レンズ中心からの距離次第で焦線2bに沿って集束する。ビームの方向を横切るアパーチャ8の直径は、ビーム束の直径(ビームの強度がピーク強度の1/e2に減少するのに要する距離によって画成される)のおよそ90%であり、光学アセンブリ6のレンズ7の直径のおよそ75%である。ビーム束の中心を遮断することによって生成される、収差補正されていない球面レンズ7の焦線2bは、こうして使用される。図3Aは、中心ビームを通る1つの平面における断面を示したものであり、図示のビームを焦線2bの周りに回転させると、完全な3次元の束が見られるであろう。
図3Aに示されているレンズ7および系によって形成されるこの種の焦線の1つの潜在的な欠点は、条件(スポットサイズ、レーザ強度)が焦線に沿って(従って、材料の所望の深さに沿って)変化することがあり、それにより所望のタイプの相互作用(溶解しないもの、誘起吸収、亀裂形成までの熱可塑性変形)が、恐らく焦線の選択された部分でのみ起こり得ることである。これは、恐らく入射レーザ光の一部のみが、処理される材料に所望のやり方で吸収されることを意味する。このように、プロセスの効率(所望の分離スピードに対して必要な平均レーザ出力)は損なわれる可能性があり、またレーザ光が望ましくない領域(基板または基板保持固定具に付着している、部分または層)にも伝達されて、望ましくない形(例えば、加熱、拡散、吸収、望ましくない改質)でこれらの領域と相互作用する可能性もある。
図3B−1〜4は(図3Aの光学アセンブリに対してだけではなく、任意の他の適用できる光学アセンブリ6に対しても)、光学アセンブリ6を層1に対して適切に位置付けるおよび/または位置合わせすることによっても、また光学アセンブリ6のパラメータを適切に選択することによっても、レーザビーム焦線2bの位置を制御できることを示している。図3B−1が示すように、焦線2bの長さlを、層厚さdを超えるように調節することができる(ここでは倍率2で)。層1が焦線2bに対して(縦のビーム方向に見て)中心に置かれる場合、誘起吸収の区間2cは基板厚さ全体に亘って生成される。
図3B−2に示されている事例では、おおよそ層厚さdに相当する長さlの焦線2bが生成される。層1は、処理される材料の外部の点から線2bが始まるように線2bに対して位置付けられるため、誘起吸収の区間2c(ここでは基板表面から、反対の表面1bまでではなく画成された基板深さまで延在する)の長さLは焦線2bの長さlよりも短い。図3B−3は、図3B−2と同様に線2bの長さlが層1における誘起吸収の区間2cの長さLよりも長くなるように、基板1が(ビーム方向に沿って見て)焦線2bの開始点の上方に位置付けられている事例を示している。焦線は従って層1の内部から始まり、反対の(遠い)表面1bを越えて延在する。図3B−4は、−入射方向に見て基板を焦線に対して中心に位置付けた事例で−焦線が層1内部の表面1a付近で始まり、層1内部の表面1b付近で終わるように(例えば、l=0.75・d)、焦線の長さlが層厚さdよりも短い事例を示している。レーザビーム焦線2bの長さlは、例えば、約0.1mmから約100mmの間の範囲、または約0.1mmから約10mmの間の範囲、または約0.1mmから約1mmの間の範囲でもよい。種々の実施形態は、長さlが例えば、約0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.7mm、1mm、2mm、3mm、または5mmとなるように構成され得る。
焦線が表面1a、1bの少なくとも一方にまで及び、その結果、誘起された非線形吸収の区間2cが処理される層または材料の少なくとも1つの表面上で始まるように、焦線2bを位置付けると特に有利である。このようにして、表面でのアブレーション、毛羽立ち、および微粒子化を回避しながら、事実上理想的な切断を達成することができる。
図4は、別の適用可能な光学アセンブリ6を描いたものである。基本構造は図3Aで説明したものに従うため、相違点のみを以下で説明する。図示の光学アセンブリは、画成された長さlの焦線が形成されるように成形された非球面の自由表面を備えた光学系を、焦線2bを生成するために使用するものをベースにしている。このために、光学アセンブリ6の光学素子として非球面が使用され得る。例えば図4では、アキシコンとも称されることが多い、いわゆる円錐プリズムが使用されている。アキシコンは、光軸に沿った線上にスポット源を形成する(またはレーザビームをリング状に変形させる)、特殊な円錐状にカットされたレンズである。このようなアキシコンの設計は当業者には主に既知であり、この例において円錐角は10°である。ここでは参照符号9で表示されているアキシコンの頂点は、入射方向へと向いており、ビーム中心に中心がある。アキシコン9によって生成された焦線2bはそのアキシコンの内部で始まるため、層1(ここではビームの主軸に垂直に位置合わせされている)をビーム路内のアキシコン9のすぐ背後に位置付けてもよい。図4が示すように、アキシコンの光学的特性のため、層1を焦線2bの範囲内に維持しながらビームの方向に沿ってシフトさせることも可能である。従って層1の材料内の誘起吸収の区間2cは、全深さdに亘って延在する。
ただし図示の設計は以下の制約を受ける。すなわち、アキシコン9によって形成された焦線2bの領域はアキシコン9内で始まるため、アキシコン9と処理される材料との間に隔たりが存在している状況では、レーザエネルギーのかなりの部分は、材料内に位置している焦線2bの誘起吸収の区間2cへと集束されない。さらに焦線2bの長さlは、アキシコン9の屈折率と円錐角とによるビーム直径に関連する。このため、比較的薄い材料の場合(数ミリメートル)、焦線全体は処理される材料の厚さよりもかなり長く、多くのレーザエネルギーが材料内に集束されないという結果になる。
こういった理由で、アキシコンと集束レンズとの両方を含む光学アセンブリ6を使用することが望ましくなり得る。図5Aはこのような光学アセンブリ6を描いたものであり、ここではレーザビーム焦線2bを形成するように設計された非球形の自由表面を備えている(ビーム方向に沿って見て)最初の光学素子がレーザ3のビーム路内に位置付けられている。図5Aに示されている事例において、この最初の光学素子は円錐角5°のアキシコン10であり、ビーム方向に垂直に位置付けられかつレーザビーム3上に中心がある。アキシコンの頂点はビーム方向に向かって配向されている。2番目の集束光学素子、ここでは平凸レンズ11(その湾曲がアキシコンに向かって配向されている)が、アキシコン10からビーム方向に距離Z1の位置に位置付けられている。この事例でおよそ300mmである距離Z1は、アキシコン10によって形成されたレーザ放射がレンズ11の外側放射状部分に円形に入射するように選択される。レンズ11は円形の放射を出力側で、この事例ではレンズ11からおよそ20mmの距離Z2の位置で、この事例では1.5mmの画成された長さの焦線2bへと集束させる。レンズ11の有効焦点距離は、本実施形態において25mmである。アキシコン10によるレーザビームの円形の変形は、参照符号SRで表示されている。
図5Bは、図5Aによる層1の材料における焦線2bまたは誘起吸収2cの形成を詳細に描いたものである。両素子10、11の光学的特性、並びにこれらの位置付けは、ビーム方向において焦線2bの長さlが層1の厚さdと厳密に一致するように選択される。結果として、図5Bに示されているように焦線2bを層1の2つの表面1aおよび1bの間に厳密に位置付けるよう、層1をビーム方向に沿って厳密に位置付けることが必要となる。
従って、焦線がレーザ光学系から特定の距離の位置に形成されれば、またレーザ放射のより大部分が焦線の所望の端部まで集束されれば、有利である。説明したように、これは主に集束する素子11(レンズ)を、特定の外側放射状領域上を円形(環状)にのみ照らすことによって達成され得る。これは一方では、必要な開口数、従って必要なスポットサイズを実現する役割を果たし、しかし他方で拡散円の強度は、基本的には円形スポットが形成されるようなスポット中心において、必要な焦線2bの後、極短距離で小さくなる。このように欠陥ラインの形成は、必要な基板深さで短距離の範囲内で停止される。アキシコン10および集束レンズ11の組合せは、この要件を満たす。アキシコンは2つの異なるやり方で作用する。すなわち、アキシコン10のために、通常丸いレーザスポットがリングの形で集束レンズ11に送られ、またアキシコン10の非球面性の効果によって、焦点面内の焦点の代わりにレンズの焦点面を超えて焦線が形成される。焦線2bの長さlは、アキシコンのビーム直径によって調節することができる。他方で焦線に沿った開口数は、距離Z1(アキシコンとレンズとの隔たり)によって、またアキシコンの円錐角によって調節され得る。このようにして、レーザエネルギー全体を焦線に集中させることができる。
欠陥ラインの形成が、処理される層または材料の裏面へと続くように意図されている場合、円形(環状)の照明は依然として以下のような利点を有し、すなわち、(1)レーザ光のほとんどが焦線の必要な長さに集中されたままであるという意味で、レーザ出力が最適に使用される、および(2)円形照射ゾーンを、他の光学的機能を用いて設定された所望の収差と併せることによって、焦線に沿って均一なスポットサイズ−従って、焦線により生成される穿孔に沿った均一な分離プロセス−を達成することができる。
図5Aに描かれている平凸レンズの代わりに、収束メニスカスレンズ、または別のより高度に補正された集束レンズ(非球面マルチレンズシステム)を使用することも可能である。
図5Aに描かれているアキシコンおよびレンズの組合せを用いて極短い焦線2bを生成するためには、アキシコンに入射するレーザビームのビーム直径を非常に小さく選択することが必要になる。これは、ビームの中心をアキシコンの頂点に極めて精密に合わせなければならないという、またその結果レーザの方向性の変動(ビームドリフトの安定性)に非常に敏感になるという、現実的な欠点を有する。さらに、強くコリメートされたレーザビームは非常に発散的であり、すなわち光の偏向に起因して、ビーム束は短距離で不鮮明になる。
図6に示されているように、両方の影響は、光学アセンブリ6に別のレンズ、すなわちコリメートレンズ12を含むことによって回避することができる。さらなる正レンズ12は、集束レンズ11の円形照明を非常に厳しく調節する役割を果たす。コリメートレンズ12の焦点距離f’は、アキシコンからコリメートレンズ12までのf’に等しい距離Z1aから、所望の円の直径drが得られるように選択される。リングの所望の幅brは、(コリメートレンズ12から集束レンズ11までの)距離Z1bによって調節することができる。純粋幾何学上、円形照明の幅が小さいと短い焦線につながる。最小値は距離f’で達成され得る。
従って、図6に描かれている光学アセンブリ6は図5Aに描かれているものに基づいているため、その相違点のみを以下で説明する。ここでは(その湾曲がビーム方向に向いている)平凸レンズとしても設計されているコリメートレンズ12が、ビーム路内に中央に、一方の側の(その頂点がビーム方向に向いている)アキシコン10と他方の側の平凸レンズ11との間にさらに設けられている。アキシコン10からコリメートレンズ12までの距離をZ1a、コリメートレンズ12から集束レンズ11までの距離をZ1b、さらに集束レンズ11から焦線2bまでの距離をZ2と称する(常にビーム方向に見て)。図6に示されているように、コリメートレンズ12上に円直径drで発散的に入射する、アキシコン10によって形成された円形放射SRは、集束レンズ11での少なくとも略一定の円直径drのために、距離Z1bに沿って必要な円の幅brに調節される。図示の事例では非常に短い焦線2bを生成するよう意図されており、そのためレンズ12の位置でおよそ4mmの円の幅brは、レンズ12の集束特性によりレンズ11の位置でおよそ0.5mmまで減少される(この例において円直径drは22mmである)。
図示の例では、典型的な2mmのレーザビーム直径、焦点距離f=25mmの集束レンズ11、焦点距離f’=150mmのコリメートレンズを使用し、さらに距離Z1a=Z1b=140mmおよびZ2=15mmを選択して、0.5mm未満の焦線の長さlを得ることができる。
より具体的には、図7Aおよび7Bに示されているように、本書で説明される特定の実施形態によればピコ秒レーザは、「バーストパルス」とも呼ばれることもある、パルス500Aの「バースト」500を生成する。バーストは、パルスの放出が均一な安定した流れではなく、むしろパルスの密集した塊であるような種類のレーザ動作である。各「バースト」500は、100ピコ秒まで(例えば0.1ピコ秒、5ピコ秒、10ピコ秒、15ピコ秒、18ピコ秒、20ピコ秒、22ピコ秒、25ピコ秒、30ピコ秒、50ピコ秒、75ピコ秒、またはこれらの間)の非常に短い持続時間Tdの、多数のパルス500A(2パルス、3パルス、4パルス、5パルス、10、15、20以上など)を含有し得る。パルス持続時間は一般に、約1ピコ秒から約1000ピコ秒の範囲、または約1ピコ秒から約100ピコ秒の範囲、または約2ピコ秒から約50ピコ秒の範囲、または約5ピコ秒から約20ピコ秒の範囲である。単一のバースト500内のこれらの個々のパルス500Aは「サブパルス」とも呼ばれることもあり、これはこれらの個々のパルスが、パルスから成る単一のバースト内で起こるという事実を単に示している。バースト内の各レーザパルス500Aのエネルギーまたは強度は、そのバースト内の他のパルスのものと等しくなくてもよく、バースト500内の多数のパルスの強度分布は、レーザ設計に左右される、時間での指数関数的減衰に従い得る。好適には、本書で説明される例示的な実施形態のバースト500内の各パルス500Aは、バースト内の続くパルスから1ナノ秒〜50ナノ秒(例えば、10〜50ナノ秒、または10〜40ナノ秒、または10〜30ナノ秒)の持続時間Tpだけ時間的な隔たりがあり、この時間はしばしばレーザキャビティ設計に左右される。所与のレーザでは、バースト500内の各パルス間の時間の隔たりTp(パルス間の隔たり)は比較的均一である(±10%)。例えばいくつかの実施形態において、各パルスは続くパルスからおよそ20ナノ秒の時間的な隔たりがある(50MHzのパルス繰返し周波数)。例えば、約20ナノ秒のパルス間の隔たりTpを生み出すレーザでは、バースト内のパルス間の隔たりTpは約±10%以内で維持され、すなわち約±2ナノ秒である。各「バースト」間の時間(すなわち、バースト間の時間の隔たりTb)は大幅に長くなる(例えば、0.25≦Tb≦1000マイクロ秒、例えば1〜10マイクロ秒、または3〜8マイクロ秒)。例えば本書で説明されるレーザの例示的な実施形態いくつかにおいて、約200kHzのレーザ繰返し率または周波数では、これはおおよそ5マイクロ秒である。レーザ繰返し率は、本書においてバースト繰返し周波数またはバースト繰返し率とも称され、バースト内の第1のパルスから続くバースト内の第1のパルスまでの間の時間として定義される。他の実施形態においてバースト繰返し周波数は、約1kHzから約4MHzの間の範囲、または約1kHzから約2MHzの間の範囲、または約1kHzから約650kHzの間の範囲、または約10kHzから約650kHzの間の範囲である。各バースト内の第1のパルスから続くバースト内の第1のパルスまでの間の時間Tbは、0.25マイクロ秒(4MHzのバースト繰返し率)から1000マイクロ秒(1kHzのバースト繰返し率)、例えば0.5マイクロ秒(2MHzのバースト繰返し率)から40マイクロ秒(25kHzのバースト繰返し率)、または2マイクロ秒(500kHzのバースト繰返し率)から20マイクロ秒(50kHzのバースト繰返し率)でもよい。正確なタイミング、パルス持続時間、および繰返し率は、レーザ設計およびユーザ制御可能な動作パラメータ次第で変化し得る。高強度の短パルス(Td<20ピコ秒、好適にはTd≦15ピコ秒)を、うまく機能するよう図示した。
材料の改質に必要なエネルギーを、バーストエネルギー−バースト内に含まれるエネルギー(各バースト500は一連のパルス500Aを含む)の観点から、あるいは単一のレーザパルス(多数のこの単一のレーザパルスでバーストを構成し得る)内に含まれるエネルギーの観点から説明することができる。これらの適用に対し、バースト当たりのエネルギー(切断される材料1ミリメートル当たり)は、10〜2500μJ、または20〜1500μJ、または25〜750μJ、または40〜2500μJ、または100〜1500μJ、または200〜1250μJ、または250−1500μJ、または250〜750μJでもよい。バースト内の個々のパルスのエネルギーはより少なく、正確な個々のレーザパルスのエネルギーは、バースト500内のパルス500Aの数と、図7Aおよび7Bに示されているような経時的なレーザパルスの減衰の割合(例えば、指数関数的な減衰率)に依存する。例えば一定のエネルギー/バーストに対し、パルスバーストが10の個々のレーザパルス500Aを含む場合、個々の各レーザパルス500Aは、同じバーストパルス500が個々のレーザパルスを2つのみ含む場合よりも少ないエネルギーを含有する。
このようなパルスバーストを生成することができるレーザを使用すると、例えばガラスなどの透明材料を切断または改質するのに有利である。単一パルスレーザの繰返し率だけ時間間隔の空いた、単一パルスを使用するのとは対照的に、レーザエネルギーをバースト500内の急速なパルスシーケンスに広げるバーストパルスシーケンスを使用すると、単一パルスレーザで可能なものよりも大きい時間スケールで、材料との高強度の相互作用を利用することが可能になる。単一パルスの時間を拡大することはできるが、この拡大を行うとエネルギーの保持のために、パルス内の強度はパルス幅に亘って略一斉に低下せざるを得なくなる。従って、10ピコ秒の単一パルスが10ナノ秒のパルスに拡大されると、強度はおよそ3桁低下する。この低下によって光の強度は、非線形吸収がもはや有意なものとならず、光と材料との相互作用がもはや切断を可能にするほど強いものではない程度まで低下し得る。対照的にバーストパルスレーザでは、バースト500内の各パルスすなわちサブパルス500Aでの強度を非常に高く保つことができる−例えば、パルス持続時間Tdが10ピコ秒の、およそ10ナノ秒の隔たりTpだけ時間間隔の空いた3つのパルス500Aによれば、依然として各パルス内の強度を単一の10ピコ秒パルスの強度よりもおよそ3倍高くすることができ、同時にレーザは3桁大きい時間スケールに亘って材料と相互作用することができる。従って、バースト内の多数のパルス500Aのこの調節によれば、予め存在しているプラズマプルームとの光の相互作用を多少なりとも助けることができ、最初のまたは以前のレーザパルスによって予め励起された原子および分子での光‐材料の相互作用を多少なりとも助けることができ、さらに欠陥ライン(穿孔)の制御された成長を促進することができる材料内の加熱効果を多少なりとも助けることができるようなやり方で、レーザ‐材料の相互作用の時間スケールの操作を可能にすることができる。材料を改質するのに必要なバーストエネルギーの量は、基板材料の組成と、基板との相互作用に用いられる線焦点の長さとに依存する。相互作用の領域が長くなればなるほど、よりエネルギーが広がり、必要とされるバーストエネルギーがより高くなる。
欠陥ラインまたは孔は、パルスの単一のバーストがガラスの本質的に同じ位置に当たると材料内に形成される。すなわち、単一のバースト内の多数のレーザパルスは、ガラスに単一の欠陥ラインまたは1つの孔位置を生成し得る。当然のことながら、ガラスを(例えば、一定に移動する台により)並進させる、またはビームをガラスに対して移動させる場合、バースト内の個々のパルスはガラス上の厳密に同じ空間的位置にはなり得ない。しかしながらこれらのパルスは互いに十分に1μm範囲内であり、すなわちこれらはガラスに本質的に同じ位置で当たる。例えばこれらのパルスは、互いからの間隔spが0<sp≦500nmの位置でガラスに当たり得る。例えば、20パルスのバーストがガラスのある位置に当たる場合、バースト内の個々のパルスは互いから250nmの範囲内でガラスに当たる。従って、いくつかの実施形態では1nm<sp<250nmである。いくつかの実施形態では、1nm<sp<100nmである。
一般に、利用できるレーザ出力が高くなればなるほど、上記プロセスで材料をより速く切断することができる。本書で開示されるプロセスは、ガラスを0.25m/秒またはこれよりも速い切断スピードで切断することができる。切断スピード(すなわち、切断するスピード)は、レーザビームが多数の欠陥ラインの孔を生成しながら基板材料(例えば、ガラス)の表面に対して動く速度である。製造のための設備投資を最小にするために、また設備稼働率を最適化するために、例えば400mm/秒、500mm/秒、750mm/秒、1m/秒、1.2m/秒、1.5m/秒、または2m/秒、またはさらには3.4m/秒から4m/秒などの、高速の切断スピードが望まれることが多い。レーザ出力は、バーストエネルギーにレーザのバースト繰返し周波数(率)を乗じたものに等しい。一般に、ガラス材料を高速の切断スピードで切断するために、欠陥ラインの間隔は典型的には1〜25μmであり、いくつかの実施形態では、間隔は好適には3μm以上−例えば3〜12μm、または例えば5〜10μmである。
例えば、300mm/秒の線形切断スピードを達成するためには、3μmの孔のピッチは、少なくとも100kHzのバースト繰返し率のパルスバーストレーザに相当する。600mm/秒の切断スピードでは、3μmのピッチは少なくとも200kHzのバースト繰返し率のバーストパルスレーザに相当する。200kHzで少なくとも40μJ/バーストを生成し、600mm/sの切断スピードで切断するパルスバーストレーザのレーザ出力は、少なくとも8ワットである必要がある。従って、より高速の切断スピードには、より高いレーザ出力が必要になる。
例えば、3μmピッチおよび40μJ/バーストで0.4m/秒の切断スピードには、少なくとも5Wのレーザが必要となり、3μmピッチおよび40μJ/バーストで0.5m/秒の切断スピードには、少なくとも6Wのレーザが必要となる。従って、パルスバーストピコ秒レーザのレーザ出力は6W以上であることが好ましく、より好適には少なくとも8W以上であり、さらに好適には少なくとも10W以上である。例えば、4μmピッチ(欠陥ラインの間隔、または損傷跡の間隔)および100μJ/バーストで0.4m/秒の切断スピードを達成するためには、少なくとも10Wのレーザが必要となり、4μmピッチおよび100μJ/バーストで0.5m/秒の切断スピードを達成するためには、少なくとも12Wのレーザが必要となる。例えば、3μmピッチおよび40μJ/バーストで1m/秒の切断スピードを達成するには、少なくとも13Wのレーザが必要になる。さらに、例えば4μmピッチおよび400μJ/バーストで1m/秒の切断スピードには、少なくとも100Wのレーザが必要になる。
欠陥ライン(損傷跡)間の最適なピッチおよび正確なバーストエネルギーは材料依存であり、経験的に決定され得る。ただし、レーザパルスエネルギーを上昇させること、または損傷跡をより近いピッチで作ることは、常に基板材料をより良い状態で、すなわちエッジ品質を向上させて分離するための条件ではないことに留意されたい。欠陥ライン(損傷跡)間のピッチが小さすぎると(例えば<0.1μm、またはいくつかの例示的な実施形態では<1μm、または他の実施形態では<2μm)、近接する続く欠陥ライン(損傷跡)の形成を妨げてしまうときがあり、また穿孔された輪郭の周りでの材料の分離を妨げることが頻繁にあり得る。ガラス内の望ましくない微小亀裂の増加は、ピッチが過度に小さい場合にも起こり得る。ピッチが長すぎると(例えば>50μm、またいくつかのガラスでは>25μmまたはさらには>20μm)、「無制御の微小亀裂」をもたらす可能性があり−すなわち、意図された輪郭に沿って欠陥ラインから欠陥ラインへと伝搬する代わりに微小亀裂が異なる経路に沿って伝搬し、意図された輪郭から離れた、異なる(望ましくない)方向へとガラスに亀裂を生じさせる。この残存する微小亀裂が、ガラスを脆弱化させる傷を構成するため、これは最終的には分離されたパーツの強度を低下させる可能性がある。欠陥ラインを形成するためのバーストエネルギーが過度に高いと(例えば>2500μJ/バースト、またいくつかの実施形態では>500μJ/バースト)、これまでに形成された欠陥ラインを「治す」、すなわち再溶解を生じさせる可能性があり、これがガラスの分離を妨げることがある。従ってバーストエネルギーは、<2500μJ/バースト、例えば、≦500μJ/バーストであることが好ましい。また、過度に高いバーストエネルギーを使用すると、分離後のパーツのエッジ強度を低下させ得る構造的欠陥を生み出す、極めて大きい微小亀裂の形成を引き起こし得る。バーストエネルギーが過度に低い(例えば<40μJ/バースト)と、ガラス内に欠陥ラインがそれほど形成されない可能性があり、従って、特に高い分離力を必要とする、あるいは穿孔された輪郭に沿って分離することが全くできなくなる可能性がある。
このプロセスによって可能になる典型的な例示的な切断速度(スピード)は、例えば0.25m/秒以上である。いくつかの実施形態において、切断速度は少なくとも300mm/秒である。いくつかの実施形態において、切断速度は少なくとも400mm/秒、例えば500mm/秒から2000mm/秒以上である。いくつかの実施形態において、ピコ秒(ps)レーザはパルスバーストを利用し、0.5μmから13μmの間、例えば0.5から3μmの間の周期で欠陥ラインを生じさせる。いくつかの実施形態において、パルスレーザのレーザ出力は10W〜100Wであり、また材料および/またはレーザビームを互いに対して、少なくとも0.25m/秒、例えば0.25m/秒から0.35m/秒、または0.4m/秒から5m/秒の速度で相対移動させる。ワークピースで測定したパルスレーザビームの各パルスバーストの平均レーザエネルギーは、ワークピースの厚さ1mm当たり40μJ/バーストを上回ることが好ましい。好適には、ワークピースで測定したパルスレーザビームの各パルスバーストの平均レーザエネルギーは、ワークピースの厚さ1mm当たり2500μJ/バースト未満よりであり、また好適にはワークピースの厚さ1mm当たり約2000μJ/バースト未満であり、またいくつかの実施形態ではワークピースの厚さ1mm当たり1500μJ/バースト未満であり、例えばワークピースの厚さ1mm当たり500μJ/バースト以下である。
我々は、アルカリ含有量が低い若しくはアルカリが含まれていない、アルカリ土類ホウアルミノケイ酸ガラスに穿孔するためには、かなり高い(5から10倍高い)容積パルスエネルギー密度(μJ/μm3)が必要であることを見出した。これは例えば、好適にはバースト当たり少なくとも2パルスのパルスバーストレーザを利用し、アルカリ土類ホウアルミノケイ酸ガラス(低または無アルカリ)内に約0.05μJ/μm3以上、例えば少なくとも0.1μJ/μm3、例えば0.1〜0.5μJ/μm3の容積エネルギー密度を提供することによって達成され得る。
従ってレーザが、バースト当たり少なくとも2パルスのパルスバーストを生成することが好ましい。例えばいくつかの実施形態において、パルスレーザの出力は10W〜150W(例えば、10W〜100W)であり、かつパルスレーザはバースト当たり少なくとも2パルスのパルスバーストを生成する(例えば、バースト当たり2〜25パルス)。いくつかの実施形態において、パルスレーザの出力は25W〜60Wであり、かつパルスレーザはバースト当たり少なくとも2〜25パルスのパルスバーストを生成し、さらにレーザのバーストにより生成された隣接する欠陥ライン間の周期または距離は2〜10μmである。いくつかの実施形態において、パルスレーザの出力は10W〜100Wであり、かつパルスレーザはバースト当たり少なくとも2パルスのパルスバーストを生成し、さらにワークピースおよびレーザビームを互いに対して少なくとも0.25m/秒の速度で相対移動させる。いくつかの実施形態ではワークピースおよび/またはレーザビームを、互いに対して少なくとも0.4m/秒の速度で相対移動させる。
例えば0.7mm厚のイオン交換されていないコーニングコード2319またはコード2320Gorilla(登録商標)ガラスの切断では、約150〜250μJ/バーストのパルスバーストエネルギーおよび2〜15の範囲のバーストパルス数で3〜7μmのピッチがうまく機能し得、また好適には3〜5μmのピッチおよび2〜5のバーストパルス数(バースト当たりのパルスの数)でうまく機能し得ることが認められる。
1m/秒の切断スピードで、Eagle XG(登録商標)ガラスの切断には典型的には15〜84Wのレーザ出力の使用を必要とし、30〜45Wで十分であることが多い。一般に、様々なガラスおよび他の透明材料を横切って、0.2〜1m/秒の切断スピードを達成するためには10Wから100Wの間のレーザ出力が好ましく、多くのガラスでは25〜60Wのレーザ出力で十分である(または最適である)ことを出願人らは見出した。0.4m/秒から5m/秒の切断スピードのためには、バーストエネルギーが40〜750μJ/バースト、バースト当たり2〜25パルス(切断される材料に依存)、さらに欠陥ラインの隔たり(ピッチ)が3から15μmまたは3〜10μmで、レーザ出力は好適には10W〜150Wであるべきである。このような切断スピードのためにはピコ秒パルスバーストレーザの使用が好ましく、というのもピコ秒パルスバーストレーザは、高出力と、このバースト当たりの必要なパルス数を生み出すためである。従って、いくつかの例示的な実施形態によれば、パルスレーザは10W〜100W、例えば25Wから60Wの出力を生み出し、さらにバースト当たり少なくとも2〜25のパルスでパルスバーストを生成し、また欠陥ライン間の距離は2〜15μmであり、かつレーザビームおよび/またはワークピースを互いに対して、少なくとも0.25m/秒の速度で、いくつかの実施形態では少なくとも0.4m/秒で、例えば0.5m/秒から5m/秒、またはこれよりも高速の速度で相対移動させる。
図8は、ガラス‐空気‐ガラス複合構造に入射する、集束ガウスビームおよびベッセルビーム間の比較を示している。集束ガウスビームは、第1のガラス層に入ると発散して大深度まで掘削しないか、あるいは、ガラスが掘削されるときに自己集束が起こる場合には、ビームは第1のガラス層から出てくると回折し、第2のガラス層内へと掘削しない。カー効果によるガウスビームの自己集束(「フィラメンテーション」と称されることもある)に頼るのは、空隙を有する構造では問題があり、というのも空気中でカー効果による自己集束を誘起するために必要な出力は、ガラス中で必要とされる出力の約20倍にもなるためである。対照的に、ベッセルビームは線焦点の全範囲に亘って両方のガラス層を掘削する。ベッセルビームで切断されたガラス‐空気‐ガラス複合構造の一例が、露出された切断エッジの側面図を示した図8の差込写真に示されている。上部および下部のガラス片は0.4mm厚のコーニング社コード2320ガラスであり、その中心張力(CT)は101MPaである。ガラスの2つの層間の例示的な空隙は、約400μmである。切断はレーザの200mm/秒での単一の通過で行われ、その結果約400μmで隔てられていたにも拘らず、2片のガラスは同時に切断された。
本書で説明される実施形態のいくつかのにおいて、空隙の厚さは50μmから5mmの間、または50μmから2mmの間、または200μmから2mmの間である。
例示的なビーム破壊層としては、ポリエチレンプラスチックシート(例えば、ブリティッシュ・ポリシーン工業社(British Polythene Industries Limited)から市販されているVisqueen)が挙げられる。図9に示されているような透明層は、透明ビニル(例えば、MOLCOから市販されているPenstick)を含む。他の集束レーザによる方法とは異なり、遮断層または停止層の効果を得るために正確な焦点を精密に制御する必要はないし、あるいはビーム破壊層の材料を特に耐久性のある、または高価なものとする必要もないことに留意されたい。多くの用途では、レーザ光を破壊して線焦点が生じるのを防ぐようレーザ光と若干干渉する層を単に必要とする。Visqueenがピコ秒レーザおよび線焦点による切断を妨げるという事実は理想的な例である−他の集束ピコ秒レーザビーム(例えば、ガウスビーム)は最も確実にVisqueenを貫通掘削し、他のレーザによる方法で材料を貫通掘削しないよう望む場合は、レーザの焦点をVisqueen付近ではない位置に非常に精密に設定しなければならなくなる。
図10は、カプセル化デバイスの空隙および切断を示している。この線焦点プロセスは、かなりの大きさの巨視的空隙が存在したとしても、スタックされた複数のガラスシートを通して同時に切断することができる。これは、図8に示されているような他のレーザによる方法では不可能である。OLED(有機発光ダイオード)などの多くの機器では、ガラスのカプセル化が必要である。2つのガラス層を同時に通って切断できると、信頼できかつ効率的なデバイスのセグメント化プロセスとして非常に有利である。セグメント化とは、1つの要素が、複数の他の要素を含有し得るより大きい材料のシートから分離され得ることを意味する。要素のスタック全体の切断に単一のレーザの通過を用いるということは、レーザの2度目の通過が1度目の通過と厳密に同じ位置には決してならない多数の通過による方法で生じる可能性があるような、各層の切断エッジ間の位置合わせずれが生じないことを意味する。本書で説明される方法によってセグメント化、切断、または生成され得る他の要素は、例えば、OLED(有機発光ダイオード)素子、DLP(デジタルライトプロセッサ)素子、LCD(液晶ディスプレイ)セル、半導体デバイス基板である。
図11は、摩滅または汚染を低減しながら多数のシートを切断するための、透明保護層を含むスタッキングを示している。ディスプレイガラスシートのスタックの同時切断は非常に有利である。ビニルまたはポリエチレンなどの透明ポリマーを、ガラスシートの間に設けてもよい。この透明ポリマー層は、互いに密接に接触している複数のガラス表面への損傷を低下するのに役立つ、保護層としての役割を果たす。この保護層は、切断プロセスは機能させることができるが、ガラスシートが互いに引っ掻くことのないよう保護し、さらにいかなる切断の破片(このプロセスでは小さいものではあるが)もガラス表面を汚染しないようにする。この保護層は、基板またはガラスシート上に堆積された蒸着誘電体層から成るものでもよい。
図12は、透明導電層(例えばITO)でコーティングされたエレクトロクロミックガラス(「透明基板」と表示)などの物品の切断を示している。酸化インジウムスズ(ITO)などの透明導電層を既に備えているガラスの切断は、エレクトロクロミックガラス用途と、さらにタッチパネル機器にとって付加価値が高い。このレーザプロセスは、透明導電層への損傷を最小限とし、かつ破片の生成がほとんどない状態で、このような層を通って切断することができる。穿孔された孔が極めて小さいサイズ(<5μm)であるということは、切断プロセスによって影響が及ぼされるITOがほとんどないことを意味し、一方で他の切断方法は、はるかに多い表面損傷および破片を生成することになる。
図13は、図1にも示したような他の層を損傷せずスタック内のいくつかの層を精密に切断するものを、多数の層(すなわち3以上の層)にまで構想を拡大して示したものである。図13の実施形態において、ビーム破壊要素はデフォーカス層である。
実施形態の方法は、ガラス、プラスチック、およびゴムなどの実質的に透明な材料を、穿孔して切断することができるという利点を有する。穿孔は、積層ワークピースの多数のラミネート層または選択された層を通るものとすることができる。非常に独特な製品形状および特徴を生み出すことができ、また実施形態を使用して、成形済みの3D形状を、例えばこの積層ワークピースの3D表面に垂直に全ての層を穿孔するように配向されたレーザビームで、切断することさえ可能である。選択された層を穿孔および/または脆弱化させて、自動車のフロントガラスまたは他の安全ガラスの用途などのために、制御された破損を可能にすることもできる。例えば、層厚さ0.1mmから1mmのガラス、プラスチック、および/またはゴムのラミネート層を、非常に高確度で、また非常に良好なエッジ品質で製造するために、高速で切断することができる。開示されるレーザプロセスは、いかなるエッジ仕上げの必要性も排除することさえ可能であり、これはコスト面で著しく有利である。
図14Aは、プラスチックフィルムの外側層をガラスまたはプラスチックの内側層と共に含む、一例の積層スタックの側面図である。積層スタック1400は、プラスチックフィルム1405とプラスチックフィルム1435との間に、層1410、1415、1420、1425、および1430を含んでいる。層1410、1415、1420、1425、および1430は、ガラスまたはプラスチックでもよく、また同じ組成でもよいし、または異なる組成でもよい。プラスチックフィルム1405および1435は、0.01mm〜0.10mmの範囲の典型的な厚さを有している。層1410、1415、1420、1425、および1430は、0.05mm〜1.5mmの範囲の典型的な厚さを有している。積層スタック1400の全厚は、典型的には1.0mm〜4.0mmの範囲である。積層体は、一緒に融合されたものでもよいし、接着剤で結合されたものでもよく、あるいは隣接する層間に空隙または真空間隙を有するものでさえ可能である。全ての層が、実質的に透明であり、かつレーザビームを破壊できたはずの有意な欠陥を含んでいない場合には、レーザ穿孔は積層体の全てまたは一部を通って生成され得る。
図14Bは、開示されるレーザによる積層体切断方法を用いて、図14Aに示した積層体の全ての層を通って生成されたレーザ穿孔1450を示している。いくつかの実施形態において積層体は3D表面を有し、かつレーザは、例えばレーザビームがこの積層体にその3D表面に垂直に穿孔することが可能になる、積層体の形状に適応した角度で位置付けられる。
図14Cは、レーザ穿孔1450から得られる欠陥ライン1452を示している。一連の隣接する欠陥ラインは積層体を脆弱化して、その一連の隣接する欠陥ラインによって画成されるエッジすなわち輪郭に沿った分離に備えた状態にすることができる。
図15は、図14A〜Cに示した積層体の上面図である。図15は、レーザ穿孔が積層体の1つのエッジ全体と、積層体の長方形区間との両方を取り除くのを助けるように形成されることを示している。この切断は、図示のような一連の隣接するレーザ穿孔で行われ得る。図15において一連の隣接するレーザ穿孔は、鉛直および水平に向いた直線を成している。しかしながら他の事例において、隣接する穿孔は例えば湾曲した輪郭に沿う。さらに、孔、スロット、開口、窪み、および任意の形状を生成することができる。図15に示されているガラスまたはプラスチックの長方形(または他の事例では他の形状)は、例えばパンチおよびダイによる方法で行われるように、これを機械的に押して材料に通すことによって取り除くことができる。このガラスまたはプラスチックは、例えば真空吸着カップなどを用いて、他の方法で取り除くこともできる。
図16Aは、図14A〜Cに示したものに類似する積層体の側面図であり、ただしレーザ穿孔1450’は積層体のいくつかの層のみを通って延在している。穿孔の深さは、任意の数の層を切断して取り除き、残りの層を所定位置に残すことができるように選択され得る。従って、孔、スロット、開口、窪み、および任意の形状の他の特徴を切断することができる。この切断方法は、選択されたエリアの切断および除去をもたらし、1以上の3D表面を有する積層形状を生成することができる。
図16Bは、積層体の特定の深さのみに延在するレーザ穿孔1450’に対応する、欠陥ライン1452’を示している。
本書で引用された全ての特許、公開出願、および参考文献の関連する教示は、その全体が参照することにより組み込まれる。
本書では例示的な実施形態を説明したが、添付の請求項により包含される範囲から逸脱することなく、その形状および詳細を種々変化させ得ることは当業者には理解されるであろう。
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
実施形態1
レーザ処理の方法であって、
パルスレーザビームから形成されたレーザビーム焦線を、第1の層、第2の層、および前記第1の層と前記第2の層との間に位置するビーム破壊要素、を備えているワークピース内に形成するステップを含み、前記レーザビーム焦線が前記第1の層内に誘起吸収を発生させ、該誘起吸収が、前記レーザビーム焦線に沿って前記第1の層内に欠陥ラインを生じさせることを特徴とする方法。
レーザ処理の方法であって、
パルスレーザビームから形成されたレーザビーム焦線を、第1の層、第2の層、および前記第1の層と前記第2の層との間に位置するビーム破壊要素、を備えているワークピース内に形成するステップを含み、前記レーザビーム焦線が前記第1の層内に誘起吸収を発生させ、該誘起吸収が、前記レーザビーム焦線に沿って前記第1の層内に欠陥ラインを生じさせることを特徴とする方法。
実施形態2
レーザ処理の方法であって、
パルスレーザビームから形成されたレーザビーム焦線を、ガラス層と透明導電層とを備えているワークピース内に形成するステップを含み、前記レーザビーム焦線が前記ワークピース内に誘起吸収を発生させ、該誘起吸収が、前記レーザビーム焦線に沿って前記透明導電層を通り前記ガラス層内へと欠陥ラインを生じさせることを特徴とする方法。
レーザ処理の方法であって、
パルスレーザビームから形成されたレーザビーム焦線を、ガラス層と透明導電層とを備えているワークピース内に形成するステップを含み、前記レーザビーム焦線が前記ワークピース内に誘起吸収を発生させ、該誘起吸収が、前記レーザビーム焦線に沿って前記透明導電層を通り前記ガラス層内へと欠陥ラインを生じさせることを特徴とする方法。
実施形態3
レーザ処理の方法であって、
パルスレーザビームから形成されたレーザビーム焦線を、複数のガラス層を備えたワークピースであって該ガラス層の夫々の間に透明保護層を含んでいるワークピース内に、形成するステップを含み、前記レーザビーム焦線が前記ワークピース内に誘起吸収を発生させ、該誘起吸収が、前記レーザビーム焦線に沿って前記ワークピース内に欠陥ラインを生じさせることを特徴とする方法。
レーザ処理の方法であって、
パルスレーザビームから形成されたレーザビーム焦線を、複数のガラス層を備えたワークピースであって該ガラス層の夫々の間に透明保護層を含んでいるワークピース内に、形成するステップを含み、前記レーザビーム焦線が前記ワークピース内に誘起吸収を発生させ、該誘起吸収が、前記レーザビーム焦線に沿って前記ワークピース内に欠陥ラインを生じさせることを特徴とする方法。
実施形態4
レーザ処理の方法であって、
パルスレーザビームから形成されたレーザビーム焦線を、複数のガラス層を備えたワークピースであって該ガラス層の夫々の間に空隙を含んでいるワークピース内に、形成するステップを含み、前記レーザビーム焦線が前記ワークピース内に誘起吸収を発生させ、該誘起吸収が、前記レーザビーム焦線に沿って前記ワークピース内に欠陥ラインを生じさせることを特徴とする方法。
レーザ処理の方法であって、
パルスレーザビームから形成されたレーザビーム焦線を、複数のガラス層を備えたワークピースであって該ガラス層の夫々の間に空隙を含んでいるワークピース内に、形成するステップを含み、前記レーザビーム焦線が前記ワークピース内に誘起吸収を発生させ、該誘起吸収が、前記レーザビーム焦線に沿って前記ワークピース内に欠陥ラインを生じさせることを特徴とする方法。
実施形態5
レーザ処理の方法であって、
パルスレーザビームから形成されたレーザビーム焦線を、ガラス層を備えたワークピース内に形成するステップであって、前記レーザビーム焦線が前記ガラス層内に誘起吸収を発生させ、該誘起吸収が、前記レーザビーム焦線に沿って前記ガラス層内に欠陥ラインを生じさせるステップ、
前記ワークピースおよび前記レーザビームを輪郭に沿って互いに対して相対移動させ、それにより前記輪郭に沿って前記ガラス層内に複数の欠陥ラインを形成するステップ、および、
前記ガラス層を前記輪郭に沿って分離させる、酸エッチングプロセスを適用するステップ、
を含むことを特徴とする方法。
レーザ処理の方法であって、
パルスレーザビームから形成されたレーザビーム焦線を、ガラス層を備えたワークピース内に形成するステップであって、前記レーザビーム焦線が前記ガラス層内に誘起吸収を発生させ、該誘起吸収が、前記レーザビーム焦線に沿って前記ガラス層内に欠陥ラインを生じさせるステップ、
前記ワークピースおよび前記レーザビームを輪郭に沿って互いに対して相対移動させ、それにより前記輪郭に沿って前記ガラス層内に複数の欠陥ラインを形成するステップ、および、
前記ガラス層を前記輪郭に沿って分離させる、酸エッチングプロセスを適用するステップ、
を含むことを特徴とする方法。
実施形態6
レーザ処理の方法であって、
パルスレーザビームから形成されたレーザビーム焦線を、ガラス層を備えたワークピース内に形成するステップであって、前記レーザビーム焦線が前記ワークピース内に誘起吸収を発生させ、該誘起吸収が、前記レーザビーム焦線に沿って前記ワークピース内に欠陥ラインを生じさせるステップ、
前記ワークピースおよび前記レーザビームを閉じた輪郭に沿って互いに対して相対移動させ、それにより前記閉じた輪郭に沿って複数の欠陥ラインを形成するステップ、および、
前記閉じた輪郭によって囲まれた前記ガラス層の部分を、取り除くのを助ける、酸エッチングプロセスを適用するステップ、
を含むことを特徴とする方法。
レーザ処理の方法であって、
パルスレーザビームから形成されたレーザビーム焦線を、ガラス層を備えたワークピース内に形成するステップであって、前記レーザビーム焦線が前記ワークピース内に誘起吸収を発生させ、該誘起吸収が、前記レーザビーム焦線に沿って前記ワークピース内に欠陥ラインを生じさせるステップ、
前記ワークピースおよび前記レーザビームを閉じた輪郭に沿って互いに対して相対移動させ、それにより前記閉じた輪郭に沿って複数の欠陥ラインを形成するステップ、および、
前記閉じた輪郭によって囲まれた前記ガラス層の部分を、取り除くのを助ける、酸エッチングプロセスを適用するステップ、
を含むことを特徴とする方法。
実施形態7
レーザ処理の方法であって、
パルスレーザビームから形成されたレーザビーム焦線を、ガラス層を備えたワークピース内に形成するステップであって、前記レーザビーム焦線が前記ワークピース内に誘起吸収を発生させ、該誘起吸収が、前記レーザビーム焦線に沿って前記ワークピース内に欠陥ラインを生じさせるステップ、
前記ワークピースおよび前記レーザビームを輪郭に沿って互いに対して相対移動させ、それにより前記輪郭に沿って複数の欠陥ラインを形成するステップ、および、
前記輪郭に沿って赤外レーザを導くステップ、
を含むことを特徴とする方法。
レーザ処理の方法であって、
パルスレーザビームから形成されたレーザビーム焦線を、ガラス層を備えたワークピース内に形成するステップであって、前記レーザビーム焦線が前記ワークピース内に誘起吸収を発生させ、該誘起吸収が、前記レーザビーム焦線に沿って前記ワークピース内に欠陥ラインを生じさせるステップ、
前記ワークピースおよび前記レーザビームを輪郭に沿って互いに対して相対移動させ、それにより前記輪郭に沿って複数の欠陥ラインを形成するステップ、および、
前記輪郭に沿って赤外レーザを導くステップ、
を含むことを特徴とする方法。
実施形態8
前記輪郭に沿って前記ワークピースを破断するステップをさらに含むことを特徴とする実施形態5、6、または7記載の方法。
前記輪郭に沿って前記ワークピースを破断するステップをさらに含むことを特徴とする実施形態5、6、または7記載の方法。
実施形態9
前記ビーム破壊要素がビーム破壊層であることを特徴とする実施形態1記載の方法。
前記ビーム破壊要素がビーム破壊層であることを特徴とする実施形態1記載の方法。
実施形態10
前記ビーム破壊要素がキャリア層であることを特徴とする実施形態1から9いずれか1項記載の方法。
前記ビーム破壊要素がキャリア層であることを特徴とする実施形態1から9いずれか1項記載の方法。
実施形態11
前記第1の層がガラスシートを含むことを特徴とする実施形態1、9、または10記載の方法。
前記第1の層がガラスシートを含むことを特徴とする実施形態1、9、または10記載の方法。
実施形態12
前記第1の層および前記第2の層が、ガラスを含むことを特徴とする実施形態1、8、9、10、または11記載の方法。
前記第1の層および前記第2の層が、ガラスを含むことを特徴とする実施形態1、8、9、10、または11記載の方法。
実施形態13
前記レーザビームのパルス持続時間が、約1ピコ秒超と約100ピコ秒未満との間の範囲であることを特徴とする実施形態1から12いずれか1項記載の方法。
前記レーザビームのパルス持続時間が、約1ピコ秒超と約100ピコ秒未満との間の範囲であることを特徴とする実施形態1から12いずれか1項記載の方法。
実施形態14
前記レーザビームが、約1ナノ秒から約50ナノ秒の間の範囲の持続時間で隔てられた少なくとも2つのパルスから成るバーストの状態でパルスを提供し、さらに前記バーストの繰返し周波数が約1kHzから約650kHzの間の範囲であることを特徴とする実施形態1から13いずれか1項記載の方法。
前記レーザビームが、約1ナノ秒から約50ナノ秒の間の範囲の持続時間で隔てられた少なくとも2つのパルスから成るバーストの状態でパルスを提供し、さらに前記バーストの繰返し周波数が約1kHzから約650kHzの間の範囲であることを特徴とする実施形態1から13いずれか1項記載の方法。
実施形態15
前記ガラス層が、前記パルスレーザビームの波長で実質的に透明であることを特徴とする実施形態2、5、6、または7記載の方法。
前記ガラス層が、前記パルスレーザビームの波長で実質的に透明であることを特徴とする実施形態2、5、6、または7記載の方法。
実施形態16
前記欠陥ラインの平均直径が、約0.1μmから約5μmの間の範囲であることを特徴とする実施形態1から15いずれか1項記載の方法。
前記欠陥ラインの平均直径が、約0.1μmから約5μmの間の範囲であることを特徴とする実施形態1から15いずれか1項記載の方法。
実施形態17
前記透明保護層が、エポキシ樹脂およびビニルのうちの少なくとも1つを含むことを特徴とする実施形態3、13、14、15、または16記載の方法。
前記透明保護層が、エポキシ樹脂およびビニルのうちの少なくとも1つを含むことを特徴とする実施形態3、13、14、15、または16記載の方法。
実施形態18
前記ワークピースおよび前記レーザビームを互いに対して相対移動させ、それにより前記ワークピース内に複数の欠陥ラインを形成するステップをさらに含み、隣接する前記欠陥ライン間の間隔が0.5μmから20μmの間であることを特徴とする実施形態1から17いずれか1項記載の方法。
前記ワークピースおよび前記レーザビームを互いに対して相対移動させ、それにより前記ワークピース内に複数の欠陥ラインを形成するステップをさらに含み、隣接する前記欠陥ライン間の間隔が0.5μmから20μmの間であることを特徴とする実施形態1から17いずれか1項記載の方法。
実施形態19
前記空隙が、前記ガラス層間に接着されたエポキシ樹脂またはガラスフリットによって提供されることを特徴とする実施形態4記載の方法。
前記空隙が、前記ガラス層間に接着されたエポキシ樹脂またはガラスフリットによって提供されることを特徴とする実施形態4記載の方法。
実施形態20
前記ビーム破壊層が反射材料であることを特徴とする実施形態9記載の方法。
前記ビーム破壊層が反射材料であることを特徴とする実施形態9記載の方法。
実施形態21
前記ビーム破壊層がデフォーカス層であることを特徴とする実施形態9記載の方法。
前記ビーム破壊層がデフォーカス層であることを特徴とする実施形態9記載の方法。
実施形態22
前記デフォーカス層が半透明材料であることを特徴とする実施形態21記載の方法。
前記デフォーカス層が半透明材料であることを特徴とする実施形態21記載の方法。
実施形態23
前記ガラスシートを通って生成された前記欠陥ラインの範囲が、前記ガラスシート内の前記レーザビーム焦線の長さと一致することを特徴とする実施形態1から7いずれか1項記載の方法。
前記ガラスシートを通って生成された前記欠陥ラインの範囲が、前記ガラスシート内の前記レーザビーム焦線の長さと一致することを特徴とする実施形態1から7いずれか1項記載の方法。
実施形態24
前記パルス持続時間が、約5ピコ秒超から約20ピコ秒未満の間の範囲であることを特徴とする実施形態1から7いずれか1項記載の方法。
前記パルス持続時間が、約5ピコ秒超から約20ピコ秒未満の間の範囲であることを特徴とする実施形態1から7いずれか1項記載の方法。
実施形態25
前記レーザビームの繰返し率が、約1kHzから2MHzの間の範囲であることを特徴とする実施形態1から7いずれか1項記載の方法。
前記レーザビームの繰返し率が、約1kHzから2MHzの間の範囲であることを特徴とする実施形態1から7いずれか1項記載の方法。
実施形態26
前記繰返し率が、約10kHzから650kHzの間の範囲であることを特徴とする実施形態25記載の方法。
前記繰返し率が、約10kHzから650kHzの間の範囲であることを特徴とする実施形態25記載の方法。
実施形態27
前記バーストの前記パルスが、10〜30ナノ秒の持続時間で隔てられていることを特徴とする実施形態14記載の方法。
前記バーストの前記パルスが、10〜30ナノ秒の持続時間で隔てられていることを特徴とする実施形態14記載の方法。
実施形態28
前記第1の層が、前記パルスレーザビームの波長で実質的に透明であることを特徴とする実施形態1記載の方法。
前記第1の層が、前記パルスレーザビームの波長で実質的に透明であることを特徴とする実施形態1記載の方法。
実施形態29
前記ガラス層の少なくとも1つが、前記パルスレーザビームの波長で実質的に透明であることを特徴とする実施形態3または4記載の方法。
前記ガラス層の少なくとも1つが、前記パルスレーザビームの波長で実質的に透明であることを特徴とする実施形態3または4記載の方法。
実施形態30
前記欠陥ラインの長さが、約0.1mmから約100mmの間の範囲であることを特徴とする実施形態1から7いずれか1項記載の方法。
前記欠陥ラインの長さが、約0.1mmから約100mmの間の範囲であることを特徴とする実施形態1から7いずれか1項記載の方法。
実施形態31
前記欠陥ラインの長さが、約0.1mmから約1mmの間の範囲であることを特徴とする実施形態30記載の方法。
前記欠陥ラインの長さが、約0.1mmから約1mmの間の範囲であることを特徴とする実施形態30記載の方法。
実施形態32
前記ワークピースを通って生成された前記欠陥ラインの長さが、前記レーザビーム焦線の長さと一致することを特徴とする実施形態1から7いずれか1項記載の方法。
前記ワークピースを通って生成された前記欠陥ラインの長さが、前記レーザビーム焦線の長さと一致することを特徴とする実施形態1から7いずれか1項記載の方法。
実施形態33
前記欠陥ラインの平均直径が、約0.1μmから約5μmの間の範囲であることを特徴とする実施形態1から7いずれか1項記載の方法。
前記欠陥ラインの平均直径が、約0.1μmから約5μmの間の範囲であることを特徴とする実施形態1から7いずれか1項記載の方法。
実施形態34
前記透明導電層が酸化インジウムスズを含むことを特徴とする実施形態2記載の方法。
前記透明導電層が酸化インジウムスズを含むことを特徴とする実施形態2記載の方法。
実施形態35
前記空隙の厚さが、50μmから2mmの間であることを特徴とする実施形態4記載の方法。
前記空隙の厚さが、50μmから2mmの間であることを特徴とする実施形態4記載の方法。
実施形態36
前記ワークピースが、OLED素子、DLP素子、LCDセル、または半導体デバイス、のうちのいずれかであることを特徴とする実施形態1から35いずれか1項記載の方法。
前記ワークピースが、OLED素子、DLP素子、LCDセル、または半導体デバイス、のうちのいずれかであることを特徴とする実施形態1から35いずれか1項記載の方法。
実施形態37
実施形態1から7のいずれかによって処理されるガラス素子。
実施形態1から7のいずれかによって処理されるガラス素子。
実施形態38
前記誘起吸収が前記第2の層では起こらないことを特徴とする実施形態1記載の方法。
前記誘起吸収が前記第2の層では起こらないことを特徴とする実施形態1記載の方法。
実施形態39
前記欠陥ラインが、前記複数のガラス層のうちの少なくとも2つに存在することを特徴とする実施形態3または4記載の方法。
前記欠陥ラインが、前記複数のガラス層のうちの少なくとも2つに存在することを特徴とする実施形態3または4記載の方法。
実施形態40
穿孔を形成する方法であって、
(i)キャリアの上に配置されたビーム破壊要素と、該ビーム破壊要素の上に配置された第1の層とを備えている、マルチレイヤ構造を提供するステップ、
(ii)波長λのレーザビームを、該波長λに対して透明な前記第1の層の第1の部分に集束させることにより、前記第1の層内で高レーザ強度の領域を形成するステップであって、該高レーザ強度が、高レーザ強度の前記領域内で非線形吸収をもたらすのに十分なものであり、前記ビーム破壊要素が、該ビーム破壊要素の前記第1の層とは反対側に配置された前記キャリア材料または他の層に、前記非線形吸収が発生するのを防ぎ、前記非線形吸収が、前記レーザビームから前記第1の層の高強度の前記領域内へのエネルギー伝達を可能にして、該エネルギー伝達によって前記第1の層の高レーザ強度の前記領域内で、前記レーザビームの伝搬方向に延在する第1の穿孔を生成する、ステップ、
(iii)前記レーザビームを前記第1の層の第2の部分に集束させるステップ、および、
(iv)ステップ(ii)を繰り返して、前記基板の前記第2の部分に、前記レーザビームの前記伝搬方向に延在する第2の穿孔を形成するステップであって、前記ビーム破壊要素が、前記第2の穿孔の形成中に、該ビーム破壊要素の前記第1の層とは反対側に配置された前記キャリア材料または他の層に、前記非線形吸収が発生するのを防ぐ、ステップ、
を含むことを特徴とする方法。
穿孔を形成する方法であって、
(i)キャリアの上に配置されたビーム破壊要素と、該ビーム破壊要素の上に配置された第1の層とを備えている、マルチレイヤ構造を提供するステップ、
(ii)波長λのレーザビームを、該波長λに対して透明な前記第1の層の第1の部分に集束させることにより、前記第1の層内で高レーザ強度の領域を形成するステップであって、該高レーザ強度が、高レーザ強度の前記領域内で非線形吸収をもたらすのに十分なものであり、前記ビーム破壊要素が、該ビーム破壊要素の前記第1の層とは反対側に配置された前記キャリア材料または他の層に、前記非線形吸収が発生するのを防ぎ、前記非線形吸収が、前記レーザビームから前記第1の層の高強度の前記領域内へのエネルギー伝達を可能にして、該エネルギー伝達によって前記第1の層の高レーザ強度の前記領域内で、前記レーザビームの伝搬方向に延在する第1の穿孔を生成する、ステップ、
(iii)前記レーザビームを前記第1の層の第2の部分に集束させるステップ、および、
(iv)ステップ(ii)を繰り返して、前記基板の前記第2の部分に、前記レーザビームの前記伝搬方向に延在する第2の穿孔を形成するステップであって、前記ビーム破壊要素が、前記第2の穿孔の形成中に、該ビーム破壊要素の前記第1の層とは反対側に配置された前記キャリア材料または他の層に、前記非線形吸収が発生するのを防ぐ、ステップ、
を含むことを特徴とする方法。
1 層
2 レーザビーム
2b レーザビーム焦線
2c 誘起吸収の区間
6 光学アセンブリ
1450 レーザ穿孔
1452 欠陥ライン
2 レーザビーム
2b レーザビーム焦線
2c 誘起吸収の区間
6 光学アセンブリ
1450 レーザ穿孔
1452 欠陥ライン
Claims (10)
- レーザ処理の方法であって、
パルスレーザビームから形成されたレーザビーム焦線を、第1の層、第2の層、および前記第1の層と前記第2の層との間に位置するビーム破壊要素を備えているワークピース内に形成するステップ、
を有してなり、
前記レーザビーム焦線が前記第1の層内に誘起吸収を発生させ、該誘起吸収が、前記レーザビーム焦線に沿って前記第1の層内に欠陥ラインを生じさせることを特徴とする方法。 - 前記第2の層がキャリア層であることを特徴とする請求項1記載の方法。
- 前記第1の層がガラスシートを含むことを特徴とする請求項1または2記載の方法。
- 前記レーザビームのパルス持続時間が、約1ピコ秒超と約100ピコ秒未満との間の範囲であることを特徴とする請求項1から3いずれか1項記載の方法。
- 前記第1の層が、前記パルスレーザビームの波長で実質的に透明であることを特徴とする請求項1から4いずれか1項記載の方法。
- 前記欠陥ラインの平均直径が、約0.1μmから約5μmの間の範囲であることを特徴とする請求項1から5いずれか1項記載の方法。
- 前記ワークピースおよび前記レーザビームを輪郭に沿って互いに対して相対移動させ、それにより前記ワークピース内に前記輪郭に沿って複数の欠陥ラインを形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項1から6いずれか1項記載の方法。
- 前記輪郭に沿って前記ワークピースを破断するステップをさらに含むことを特徴とする請求項7記載の方法。
- 前記輪郭に沿って赤外レーザを導くステップをさらに含むことを特徴とする請求項7または8記載の方法。
- 前記ワークピースが、OLED素子、DLP素子、LCDセル、または半導体デバイス、のうちのいずれかであることを特徴とする請求項1から9いずれか1項記載の方法。
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