JP2018525233A

JP2018525233A - 透明な材料を加工する方法及び装置

Info

Publication number: JP2018525233A
Application number: JP2018518568A
Authority: JP
Inventors: ロット，ジェフリー; ファレット，ニコラス; クリング，ライナー
Original assignee: エレクトロサイエンティフィックインダストリーズインコーポレーテッド; サントゥルテクノロジックアルファノフ
Priority date: 2015-06-16
Filing date: 2016-06-13
Publication date: 2018-09-06
Also published as: TW201701981A; EP3311455A1; EP3311455A4; WO2016205117A1; KR20180011271A; US20160368086A1; CN107925217A

Abstract

基板にフィーチャを形成する方法では、レーザパルスビームを基板に照射し、レーザパルスは、レーザパルスビームが基板の第１の面を通って基板の内部に伝搬するように選択される波長を有する。基板の第２の面上又はその近傍でビームウェストを形成するようにレーザパルスビームの焦点が合わされ、第２の面は、第１の面からｚ軸方向に沿って離間しており、基板の第２の面から基板の第１の面に向かって延びる螺旋パターンにビームウェストが移動される。レーザパルスビームは、20kHzから３MHzの範囲にあるパルス繰り返し率、パルス持続時間、パルス重なり、及びｚ軸方向移動速度によって特徴付けられる。

Description

関連出願

本出願は、2015年６月16日に提出された米国仮特許出願第62/180,568号の利益を主張し、その内容はその全体が参照により組み込まれる。

本発明の実施形態は、概して、サファイヤやガラスなどの透明な材料をレーザ加工することに関するものである。

背景

サファイヤが持つ傑出した、耐引っ掻き性、耐腐食性、生体適合性、及び熱安定性によって、サファイヤは、現在及び次世代の数多くの技術に対して魅力的な材料となっている。モース指標９を有するサファイヤは、最も硬い既知材料の１つである。可視スペクトルから中間IRスペクトルまでの良好な光透過性とともに、この硬度により生じる耐引っ掻き性によって、サファイヤは、家庭用電子機器及び高級腕時計におけるカバーガラスとしてや軍用車両及び民間車両用の窓として広く利用されるに至っている。

サファイヤは、金属やポリマーと比較して優れた生体適合性及び不活性を呈するので、多くの医療用インプラント及びデバイスの用途で最も重要な材料である。サファイヤの熱安定性は、その強度及び電気的絶縁能力とともに、サファイヤが発光ダイオード用基板として最も有力な選択肢である理由である。サファイヤの高い耐腐食性及び耐熱性により、サファイヤは多くの過酷な化学的及び熱的環境下で使用されている。

サファイヤが広範に使用されている結果として、近年の世界的なサファイヤの生産は着実に増えている。しかしながら、家庭用電子機器をはじめとするいくつかの市場においては、サファイヤの使用の成長が予想よりも遅れている。この理由の１つとしては、多くの用途については利益のある硬さの同一性が、サファイヤを従来のレーザ加工方法によって微細構造を加工するのが非常に難しい材料にもしていることがある。

概要

本発明の一実施形態は、基板にフィーチャを形成する方法であって、レーザパルスビームを基板に照射し、レーザパルスは、レーザパルスビームが基板の第１の面を通って基板の内部に伝搬するように選択される波長を有する方法として特徴付けることができる。基板の第２の面上又はその近傍でビームウェストを形成するようにレーザパルスビームの焦点が合わされ、第２の面は、第１の面からｚ軸方向に沿って離間しており、基板の第２の面から基板の第１の面に向かって延びる螺旋パターンにビームウェストが移動される。レーザパルスビームは、20kHzから３MHzの範囲にあるパルス繰り返し率、パルス持続時間、パルス重なり、及びｚ軸方向移動速度によって特徴付けられる。

本発明の他の実施形態は、レーザパルスビームを生成するように構成されるレーザ源と、レーザパルスビームをＸ軸方向及びＹ軸方向に沿って走査するように構成されるビームステアリングシステムと、レーザパルスビームの焦点を合わせる際に生成されるビームウェストをＺ軸方向に沿って移動させるように構成されるｚ軸方向移動システムと、レーザ源、ビームステアリングシステム、及びｚ軸方向移動システムからなる群から選択される少なくとも１つに連結されるコントローラとを含む装置として特徴付けることができる。コントローラは、レーザ源、ビームステアリングシステム、及びｚ軸方向移動システムからなる群から選択される少なくとも１つを制御して先の段落で述べた方法を実施することが可能である。本発明のさらに他の実施形態は、上記段落において述べた方法により形成された孔を有する基板を備える物として特徴付けることができる。

図１は、本発明の一実施形態によるボトムアップアブレーション幾何的配置及び螺旋パターン断面を模式的に示すものである。図２は、本明細書に開示された例示実施形態により形成された孔に対する上部及び底部の例を示している。図３は、104kHz（左上）、260kHz（右上）、521kHz（左下）、及び1042kHz（右下）の繰り返し率で穿孔された400μm径の孔についてのｚ軸方向移動速度に対する平均テーパのグラフを示している。それぞれの重なり条件に対して別個の線が示されている。図４は、（a）すべてボトムアップアブレーションにより、（b）ハイブリッドボトムアップ／トップダウンアブレーションにより孔を穿孔するのに好適な条件を模式的に示している。図５は、形状測定を模式的に示している。図６は、104kHz（一番上の行）、260kHz（２番目の行）、521kHz（３番目の行）、及び1042kHz（一番下の行）の繰り返し率で穿孔された400μm径の孔の上面のレーザ走査顕微鏡画像を示している。示された写真は、ｚ軸／加工速度の関数として孔の品質の発展を示している。104kHzの写真の赤い矢印は、クラック／ダメージに注目させるために付けられている。図７は、104kHz、260kHz、521kHz、及び1042kHzの繰り返し率で穿孔されたすべての孔についてのテーパ角に対する孔の品質のプロットを示している。孔には、クラックや大きな傷のない場合には「１」の値が割り当てられ、顕著な傷やわずかなクラックがある場合には「０」の値が割り当てられる。図８は、かろうじて見える程度（左側）から背面孔品質の低下も招く非常に目立つダメージ（右側）まで背面ダメージリングの発展を示している。

詳細な説明

以下、添付図面を参照しつつ例示実施形態を説明する。本開示の精神及び教示を逸脱することのない多くの異なる形態及び実施形態が考えられ、本開示を本明細書で述べた実施形態に限定して解釈すべきではない。むしろ、これらの例示実施形態は、本開示が完全かつすべてを含むものであって、本開示の範囲を当業者に十分に伝えるように提供されるものである。図面においては、理解しやすいように、構成要素のサイズや相対的なサイズが不釣り合いになっていたり、さらに／あるいは誇張されたりしている場合がある。明細書において使用される用語は、特定の例示的な実施形態を説明するためだけのものであり、限定を意図しているものではない。本明細書で使用される場合には、内容が明確にそうではないことを示している場合を除き、単数形は複数形を含むことを意図している。さらに、「備える」及び／又は「備えている」という用語は、本明細書で使用されている場合には、述べられた特徴、整数、ステップ、動作、要素、及び／又は構成要素の存在を特定するものであるが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、及び／又はそのグループの存在又は追加を排除するものではないこともさらに理解されよう。特に示している場合を除き、値の範囲が記載されているときは、その範囲は、その範囲の上限と下限の間にあるサブレンジだけではなく、その上限及び下限を含むものである。

上述したサファイヤ利用の趨勢を考慮し、本発明者等は、多様な加工条件において超短パルスレーザを用いたサファイヤのレーザアブレーション、（本明細書に開示される手法は、430μmよりも厚いサファイヤウェハ又は430μmよりも薄いサファイヤウェハに孔を開けたり、他のフィーチャを形成したりすることにも適用できるが）430μmの厚さのサファイヤウェハに孔を開けるのに適したレーザアブレーションの研究を行った。直径500μm未満の孔を開けることに関する研究を0.8psの1030nmレーザ源を用いて行ったが、本明細書に開示される手法の利点は、50ps以下（例えば、40ps以下、30ps以下、20ps以下、10ps以下、５ps以下、２ps以下、１ps以下、0.8ps以下など）のパルス持続時間によって、これに応じて他の加工パラメータを調整すれば得られることが理解できよう。同様に、レーザ源は、1030nm以外の波長で（例えば、1064nm、532nm、515nm、355nm、343nmなどの波長で、あるいはこれらの間の任意の波長で、あるいは1064nmよりも長い波長で、あるいは343nmよりも短い波長で）レーザエネルギーを生成することができる。同様に、本明細書で述べられる研究はサファイヤに孔を形成するものであるが、本明細書で議論される手法は、ガラスのような他の透明な材料（例えば、溶融石英、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ナトリウムガラス、アルカリ土類アルミノケイ酸ガラス、アルカリアルミノケイ酸ガラス、酸化物ガラスなど、又はこれらの任意の組み合わせ）に孔を形成することにも、これに応じて本明細書で議論されるプロセスパラメータを選択すれば適用できることは理解できよう。以下に述べられる研究は、最大パルスエネルギー26.4μJ、したがって18μmの1/e²ビームウェストに対するピークフルエンス20.7J/cm²に制限されるが、本明細書で開示される手法の利点は、1/e²スポットサイズを18μmよりも小さくしても（あるいは18μmよりも大きくしても）、アブレーションプロセスを開始又は持続させるようにピークフルエンスを十分に高く維持するように最大パルスエネルギーを選択あるいは調整すれば得られることが理解できよう。この研究の目的は、繰り返し率、パルス重なり、及びビームウェスト高さに関して、透明な材料に孔を開けるためのパラメータ空間を規定することであった。本明細書において使用される場合には、「パルス重なり」という用語は、連続的に伝搬されるレーザパルスのそれぞれのビームウェストにおける空間的な重なりを意味する。目的は、50μmから５mmの範囲の直径を有し、平均テーパ角が５°未満で傷（chips）やクラック又は他のダメージのない孔（貫通孔、非貫通孔など）を１つの孔当たり４秒未満の低い穿孔速度で形成することである。２°未満のテーパを有する孔が得られた。

実験
これらの研究を0.8ピコ秒の1030nmレーザを用いて行い、試料上の最大パルスエネルギー26.4μJ、３MHzまでの繰り返し率で、自己相関とスペクトル分析器とを用いて検証した。実験装置は、ビームステアリングシステムとして、走査型ガルバノメータ（入口開口20mm）と100mmのテレセントリック集束レンズを用いる。４倍のビーム拡大器は、99％ビーム径を4.6mmから18mmに増加させ、最大ピークフルエンス20.7J/cm²に対して試料上の1/e²で測定されるビームウェストを18μmとする。レーザビームの偏光は、レーザから出て直線偏光であり、λ/4波長板を使用することにより円偏波に変えられる。

本明細書において提示されるすべてのドリリングプロセスに対するパターンは、フィーチャ縁部の品質を最適化するために、螺旋の繰り返し（内側＋外側復帰経路）ごとにその最大螺旋径において円形の回転が加えられた螺旋状となっている。パターン断面の大まかなスケッチが図１に描かれている。0.8psパルスでサファイヤ穿孔を行うための最適な加工条件を決定するために、走査速度／パルス重なり、レーザ繰り返し率、パルスエネルギー、及びパターン直径をはじめとする加工パラメータをこれらの研究を通して変化させた。すべてのテストについて、ピッチは９μm（ビームウェストの半分）で一定に維持する。試料上の最大パルスエネルギーを26.4μJとしてすべてのテストが行われる。ガスシールドのない大気中で実験を行った。

これらの研究を通して、厚さ430μm、直径50.8mmの両面研磨ｃ面サファイヤウェハを使用した。これらのウェハを加工するための有効厚さ（ビームウェストがｚ軸に沿ってウェハの上面から底面まで（又はその逆に）移動しなければならない距離）は、250μm以下であり、サファイヤウェハの430μmの厚さをその屈折率（ｎ＝1.75）で除算したものに等しい。ビームウェストのＺ軸方向の移動は、スキャンレンズをＺ軸に沿って移動させることにより、あるいはサファイヤ試料を支持しているステージを（例えばＺ軸に沿って）移動させることにより、あるいは音響光学偏向器システムをチャーピングすることにより、あるいはこれと同様のことをすることにより、あるいはこれらを任意に組み合わせることにより実現することができる。

図１に示されるように、ボトムアップ構成でアブレーティブプロセスを用いることにより貫通孔を穿孔した。ボトムアップアブレーション法は、これまでの研究において、様々な種類のガラスにゼロテーパ孔を生成するために用いられてきた。この構成において、レーザビームは、そのビームウェストがサファイヤウェハの底面の下方に位置している状態から開始する。加工が始まると、ビームウェストがｚ軸に沿って一定速度で上方に移動される（すなわち試料を通過する）。この速度は、典型的には、10μm/sから50μm/s以上である。ビームウェストがサファイヤ試料の上面に達したときにｚ軸に沿った移動が停止する。ドリリングプロセスを通して、プラズマが目に見える。ドリリングが完了すると、螺旋パターンが見えなくなり、手動で試料の加工が直ちに停止される。

図２において、これらのテストにおいて生成された最も高品質の孔の例が示されている。図２において、孔の中の模様のある領域は、レーザ顕微鏡の試料ステージからのものであり、サファイヤに穿孔された孔の品質に関して何かを示しているものではない。上面画像及び底面画像（それぞれ上部パネル及び底部パネル）は、非常にテーパが小さく（２°未満）、傷がなく、クラックもないことを示している。底面は、上面とほぼ同一の直径を有することを示しており、また、傷やクラックがないことを示している。

上面及び底面の孔の直径がほぼ同一であることが観測されるが、いずれの実験条件においてもゼロテーパの孔の生成は観測されない。この理由は、加工中に、溶融サファイヤ微粒子が孔の側壁に沿って再付着するからである。これは、図２における高品質の結果及び低品質の結果の両方において見ることができる。いずれの場合においても、サファイヤウェハの底面（すなわちボトムアップ加工中にアブレートされた材料が噴出する面）上の孔の内側に溶融サファイヤ微粒子の密集集合体が観測される。本明細書においては、最も小さいテーパを生成し、したがって孔の側壁に沿って再付着する材料が最も少ないパラメータを決定する。加工済みの試料をアルコールスワブで清浄し、ウェハ表面からデブリ及び微粒子を取り除いたが、これは、孔の中に再付着した材料には影響を与えなかった。さらなる研究により、この加工中の再付着を低減し、再付着した材料を後加工により除去する方法について検討する。

これらのプロセスにより生成された孔のプロファイルをレーザ走査顕微鏡（キーエンス社VK-9700、VK9710）で分析し、クラックや傷を含む定性的特性だけではなく、最大孔径（すなわち孔入口）及び最小孔径及び平均テーパ角などの定量的パラメータを決定した。サファイヤウェハの全厚にわたり２μmごとのサイズで画像が生成される。２つの直交する線にわたりそれぞれの孔を解析し、これら２つの線について孔入口径と孔内部径の結果を平均した。これらの結果を用いて孔テーパ角を決定した。それぞれの孔の平均テーパ角θは、上面上の孔径（Ｔ）と、最小孔内部径（Ｂ）と、試料厚さ（ｈ）とから以下のように決定される。

結果及び説明
比較的小さな直径でアスペクト比（試料厚さ：孔径）の高い孔を穿孔すると、高品質な孔を生成するためのパラメータ空間が極めて制限されることが多く、これから有益な一般的情報が得られることは少ない。他方、比較的大きな直径でアスペクト比の低い孔を穿孔すると、有効パラメータ空間が非常に広くなり、これもまた一般的情報が少なくなる。これらの研究を通して多くの試行を、これらの制限的なケースの中間の好適なものになることが期待される400μm径のパターン径（アスペクト比は１未満）で行った。したがって、これらの研究から得られた教訓は、（100μm径以下までの）非常に小さな寸法から（数ミリメートルの）非常に大きな寸法までの孔に対する最適なレーザ加工パラメータを決定するための補助となる指針として有用である。

21kHz、104kHz、260kHz、521kHz、及び1042kHzのパルス繰り返し率で400μm径の孔を穿孔した。それぞれのパルス繰り返し率では、ビーム径があればビーム径の70％、80％、90％、95％、及び98％の（ビームウェストでの）パルス重なりで孔を穿孔した。繰り返し率が増えるにつれ、特定のパルス重なりに対して必要とされる走査速度も増やさなければならない。ガルバノメータの直線速度は10m/sより高い速度で信頼できるが、400μmのサイズのフィーチャの加工速度がずっと低い値に制限されることに留意することは重要である。400μmの直径の螺旋パターンに対して、移動速度が最大で800mm/s未満に制限された。この制限のため、すべての繰り返し率でのすべてのパルス重なり条件について研究を行うことができなかった。

それぞれのパルス重なりにおいて、低い加工速度で顕著でかつ矩形のダメージが認められた以外は、ｚ軸に沿った焦点の移動は10μm/sから50μm/s以上まで変化した。最も遅いｚ軸方向移動速度を10μm/sに制限し、孔形成のスループットを合理的なものとし続ける。21kHzで行われたテストに対する結果は示さない（21kHzで穿孔された孔の品質は許容できるものである場合もあったが、その結果は一貫しておらず、すべての繰り返し率とパルス重なりにおいてサファイヤ基板に対する傷とダメージが酷いものが最も多かった）。

テーパの最小化
この繰り返し率、パルス重なり、及びｚ軸方向速度を列挙したものに対して式１を用いて算出されたテーパ値が図３に示されている。エラーバーは、上述した２つの直交する孔プロファイルから算出されるテーパの差から決定される。

90％のパルス重なり、260kHzの繰り返し率で生成された結果（図３の右上のグラフ、▲で示されるデータ）に目を向けると、ｚ軸方向移動速度の関数として、テーパの発展は、２つの別個の領域、すなわち高速度（≧60μm/s）における略直線領域と、60μm/s未満の速度におけるより複雑な領域とに分けることができるようである。この低速領域においては、ｚ軸方向移動速度が10μm/sから40μm/sに増加する際に、テーパが増加し、その後、速度が40μm/sから60μm/sに増加する際にテーパが少し減少することがわかる。このデータセットについて、40μm/sの値は、目で観察され、ハイブリッドボトムアップ／トップダウンプロセスではなく、ボトムアップアブレーションのみで孔を穿孔する最も速いｚ軸方向移動速度に対応する。遅いｚ軸方向移動速度（例えば、このデータセットにおいて40μm/s以下）では、ボトムアッププロセスは、蓄熱及び保温効果のため、ウェハの底面のずっと下方にあるビームウェストから開始することが観察される。これらの効果はプロセス全体を通して維持され、250μm以下のｚ軸方向の移動後、蓄熱／保温効果が閾値を超えて図4aに示されるような上面上でのアブレーションを開始する前に穿孔が完了する。しかしながら、ｚ軸方向速度が40μm/sを超えて増加すると、サファイヤウェハの底面にビームウェストが益々近くなってボトムアップアブレーションが開始することが観察される。この結果、250μmのボトムアッププロセスウィンドウの終了に対するｚ軸値もより高い値に移る。最終的には、ボトムアッププロセスウィンドウは、サファイヤウェハの上面上でアブレーションを開始するｚ軸位置に重なる。このため、40μm/s以上のｚ軸方向速度では、プロセスが、図4bに示されるようなハイブリッドボトムアップ／トップダウンプロセスになり、ボトムアッププロセスに対するトップダウンプロセスの比は、ｚ軸方向速度の増加とともに高くなる。

このハイブリッドプロセスを生じる低いｚ軸方向速度では、プロセスのうちボトムアップ部分は、プロセスのうちトップダウン部分に切り替わる前に、ウェハの内部に深く進行する。40μm/sから60μm/sまでのテーパの低下は、以下のように理解することができる。ボトムアッププロセスは、ウェハ中をずっと進行するわけではないので、溶融サファイヤの薄い層が側壁に沿って再付着する。トップダウンプロセスは、この再付着した層の厚さを通り越して延びないテーパ状の壁を生成し、これにより、この移行前のより速い速度で生成されたボトムアップ孔よりも低いテーパとなる。速度が60μm/sを超えて増加すると、ボトムアップからトップダウンへの切り替えがより早く生じ、再付着層を通り越して延びる壁テーパが生じ、これにより、孔の最小径が小さくなった出っ張り又は張り出しが生じ、したがって、60μm/sから200μm/sまでのテーパの概ね増加する傾向を生じさせる。

また、この単独のボトムアッププロセスからハイブリッドプロセスへの移行は、形状測定により決定されるような孔壁の曲率によっても確認される。トップダウンプロセスにより完成されるハイブリッド孔は、一般的にトップダウンプロセスの特徴である凹状であるが、ボトムアッププロセスは、サファイヤウェハの上面に向かってやや凸状の壁を生成する。これは、図５において観察することができる。260kHz、90％のパルス重なりにおけるこのデータセット内の40μm/sから45μm/sまでの側壁の曲率の差は僅かではあるが、目には見える。ｚ軸方向移動速度がさらに増加すると、図５の一番下の150μm/sについての図に示されるように、この効果がより目立ってくる。

260kHzでパルス重なりが95％に増加すると（図３の右上のグラフ、●で示されるデータ）、90％よりも95％の方が平均テーパ値が僅かに高いものの、260kHzで90％のパルス重なりに対して特徴付けた観察結果及び傾向が見事に当てはまる。同様に、これらの観察結果を98％のパルス重なり（図３の右上のグラフ、■で示されるデータ）に拡張することができる。ただし、30μm/s以上で深刻な大きなクラックが孔に生じ始めるので、データセットを60μm/sで切り詰めた。260kHzで80％及び70％のパルス重なりに対して必要とされるパターン速度は、ガルバノメータに対しては高すぎるが、１以上の音響光学偏向器、ファーストステアリングミラーなど、又はこれらを任意に組み合わせものなど、他のビームステアリングシステムを用いることで達成可能なものである。

パルス重なりが増加すると、また、ｚ軸方向移動速度が増加すると、260kHzで穿孔された孔に対する平均テーパ角が増加することが観察された。これらの傾向のいずれも、ｚ軸に沿った空間パターンの空間周期性が増加すると、テーパが増加することに対応している。空間パターン速度が低下すると（すなわち、パルス重なりが増加すると）、ｚ軸に沿った連続パターン繰り返し間の距離も増加する。これは、ｚ軸に沿ったプロセス速度が直接増加するときにも当てはまる。これは、観察される平均テーパ角の増加に寄与し得るとも考えられるが、これらの変数の関数としての穿孔された孔の断面は、この可能性を確認又はこの可能性に反論するためにまだ検証されていない。

また、260kHzでのｚ軸方向移動速度の関数としてのこれらの傾向は、521kHzの繰り返し率（図３の左下のグラフ）及び1042kHzの繰り返し率（図３の右下のグラフ）での穿孔から得られる結果にも当てはまるものである。ただし、繰り返し率が高くなると、可能なパルス重なり条件も少なくなり、1042kHzでの98％パルス重なりのデータセットは、相当なクラック及び表面ダメージのために60μm/sを過ぎると続かなかった。繰り返し率が高くなると、保温効果が増加し、同一のパルス重なり及びｚ軸方向移動速度では、ボトムアッププロセスウィンドウの開始が、より低い繰り返し率のボトムアッププロセスウィンドウの開始を下回る。これにより、より高い繰り返し率でのより高いｚ軸方向移動速度でハイブリッドプロセスが開始する。これは、521kHzについての95％パルス重なりで明確に見ることができる。260kHzでは40μm/sであったのが50μm/sで生じるように変わることが目で観察された。テーパが大きく変動し、これらの条件で穿孔された多くの孔に著しいダメージが生じるために、521kHz及び 1042kHz での98％パルス重なりに対するこの振る舞いを確認することは難しい。104kHzの繰り返し率（図３の左上のグラフ）で穿孔された一連の孔は、研究されたすべてのパルス重なりについて高い繰り返し率で傾向から大きく外れている。これらの孔は、品質が相対的に悪く、非常にクラックが生じやすかった。

このハイブリッドプロセスの考えられる１つの結果は、スループットに与える影響である。プロセスがボトムアップアブレーションだけからなる場合には、１つの孔の穿孔時間は、有効試料厚さ250μmをｚ軸方向移動速度で除算したものに等しい。孔のテーパは、一般的に、最も遅いｚ軸方向移動速度で最小になり、これらの条件ではスループットが低下する問題が明白になる。ボトムアップだけのプロセスに対する限界に近い40〜50μm/sの速度に対しては、これは、１つ孔あたり５〜６秒の穿孔時間に等しい。ハイブリッドプロセスが起こり始めると、プロセス時間はｚ軸方向移動速度に反比例して短くなり、プロセス時間が５〜10秒の範囲になることが観察される。したがって、スループットに対する改善がなく、孔テーパの僅かな低減もないため、ハイブリッドボトムアップ／トップダウンプロセスを起こすレベル以上のｚ軸方向移動速度に対して著しい利点はないと結論づけられる。260kHz（90％パルス重なり及び95％パルス重なり）及び521kHz（95％パルス重なり）では、幅広い範囲のｚ軸方向速度で５度未満の側壁テーパを有する孔を生成することができる。

多くの用途において、スループットを上げる確実な方法は、繰り返し率を高めることである。例えば、繰り返し率を２倍にして２倍の平均パワーを与えることにより、多くの場合、係数２だけスループットを増加させると期待される。これらの結果は、その期待に添ったものではない。例えば、260kHzでの90％パルス重なりに対するガルバノメータ移動速度は、521kHzでの95％パルス重なりに対するガルバノメータ移動速度と同一であるが、先の段落で述べたように、潜在的なスループットは、蓄熱及び保温効果の増大によるボトムアップアブレーションに対するプロセスウィンドウの遷移により少量だけ増加する。

要するに、260kHz（90％パルス重なり及び95％パルス重なり）及び521kHz（95％パルス重なり）では、幅広い範囲のｚ軸方向速度で５°未満の側壁テーパを有する孔を生成することができる。ボトムアッププロセスからハイブリッドプロセスに移行する近傍の最速プロセスでは、５〜６秒で４〜５°のテーパを有する孔が生成される。より小さいテーパが求められる場合には、スループットを犠牲にすれば達成することができ、521kHzで20μm/s近傍において２°を下回る平均テーパ値が観察される。

クラック及び傷の回避
ここで、許容可能なスループットでサファイヤに低テーパ孔を生成する条件を規定するとき、テーパよりも孔の品質を考慮しなければならない。加工中にクラックや傷を避けるためにはどのような条件が必要なのか、そして、これがテーパ及びスループットのみを考慮して決定されたプロセスウィンドウにどのように影響を与えるのか？

図６には、異なるｚ軸方向速度及び繰り返し率における孔の品質の代表的な写真を示す。それぞれの繰り返し率にいいて、孔の品質が最もよく、クラックの少ないパルス重なりが選択された。すべての孔の円形度及び対称性は優れており、試験を行った全パラメータ空間において一貫している。一番上の行には、104kHz、90％パルス重なりで生成された孔が示されている。10μm/sでは、孔は、大きなテーパ（図３によると７°）とクラックを生じる。30μm/s及び50μm/sで穿孔された孔についてはそれぞれテーパは小さい。ただし、50μm/sでの孔はクラックを生じている。図６の２番目及び３番目の行の260kHz（90％パルス重なり）及び521kHz（95％パルス重なり）での孔は同様に進行する。いずれも10μm/sから50μm/sまでテーパが僅かに増加し（２°未満から４°未満）、このｚ軸方向速度範囲ではいずれの孔もクラックが生じていない。1042kHzでの孔（一番下の行）は、テーパについては260kHz及び521kHzの孔と同様に進行するが、品質は明確に低下する。50μm/sでは非常に大きなダメージが明白であり、10μm/s及び30μm/sでは粘着性のある微粒子が見られる。同様の微粒子は、低い繰り返し率で生成された孔から、強くないアルコールスワブを用いて容易に除去されたが、1042kHzの表面には部分的に残った。これは、高いパルス重なり及び高い繰り返し率で加工している間に熱的効果が増大したことを反映している。

図７において、テーパに対する孔の品質のプロットが提示されており、クラックがなく、（せいぜい）非常に小さな傷がある程度の孔に対しては「１」の値を割り当て、目に見えるクラック及び／又は傷を有する孔に対しては「０」の値を割り当てている。104kHz、260kHz、521kHz、及び1042kHzの繰り返し率で生成されたすべての孔から得られる結果がこのプロットにまとめられている。５°のテーパ値の上と下で孔にクラックが生じる可能性に明確な境界があることがわかる。しかしながら、５°以下のテーパを有する孔については、86％の時間において傷やクラックが見つからなかった。５°よりも大きなテーパを有する孔については、24％のケースにおいてのみ傷やクラックが見られなかった。これは、孔の品質とテーパとの間に強い相関関係があることを示している。全体的に、これは、先のセクションで規定されたプロセスウィンドウによく合致する。すなわち、サファイヤに穿孔された、小さなテーパ（５°以下）を有する孔は、クラックが生じにくく、大きな傷も生じにくい。これらの実験で調べた大きなパラメータ空間では、個々の孔に対するパラメータは、概して、１回又は２回よりも多くの回数の試験を行わなかった。これは、孔にクラックが生じるという意味において偽陰性又は陽性に容易になることができる。図７は、５°未満のテーパを有する孔を生成するパラメータについて研究することにより、穿孔に成功する可能性が高くなることを示唆している。したがって、クラックを避けるための最善の条件は、90％パルス重なり及び95％パルス重なりでの260kHz及び95％パルス重なりでの521kHzである。これらの条件の３つすべてにおけるテーパは、ボトムアップアブレーションからハイブリッドプロセスに移行する間のｚ軸方向移動速度で５°未満のままである。

クラックと傷が生じることに加えて、加工中の背面ダメージリングの形成を引き起こす条件についても考慮しなければならない。これらのダメージリングの大きさは、図８に示されるように大きく変わり得る。ここで、かろうじて形成され始めたダメージリングで、特に探そうとしなければ簡単に見落としてしまうようなダメージリングの例（左側の図）を、これよりもずっと明白なダメージリングの例（中央及び右側の図）とともに示す。これらのダメージリングが最も強く表れるときには、最も右の例のように、底面における孔のエッジの品質にも影響を与え得る。要約すると、これらのリングが表れる傾向は、クラックや傷が表れる傾向ほど明確ではない。クラックが生じるのと同様に、ダメージリングの存在は、大きなテーパ角に強く結びついており、許容可能なプロセスパラメータ空間は、90％パルス重なり及び95％パルス重なりでの260kHz及び95％パルス重なりでの521kHzである。

結論
50psレーザ源及び同様の仕様を用いた先の試行とは対照的に、２ps未満（例えば、１ps以下、0.8ps以下など）の範囲にあるパルス持続時間のファイバレーザシステムを用いて、期待できるサファイヤ穿孔結果を得ることができた。非線形吸収及びエネルギー付与の動的相互作用の制御によるプロセス初期化及び基板における材料噴出及び放熱は、ドリリングプロセスの多くの部分に対してボトムアッププロセスを維持するための相当高い繰り返し率（典型的には500kHz）及び大きなパルス重なり（90％〜98％）でのプロセスウィンドウを規定する。これらの条件下で、430μmの基板に５秒未満で２°未満のテーパ角を有する400μmの孔を穿孔することができた。

穿孔工程中のある時点において、焦点位置を上昇させることにより、表面吸収の閾値が抑えられる。これは、ボトムアッププロセスが、テーパ及び背面品質が悪いことに影響される典型的なトップダウンアブレーション作用に切り替わるときの移行点である。したがって、この研究における一般的な知見は、プロセス速度及び品質の両方がボトムアッププロセスから恩恵を得ていることである。プロセスがより早くトップダウンアブレーションに切り替われば切り替わるほど、テーパ角及び背面ダメージがより顕著になる。

図示はされていないが、レーザ源、ビーム位置決めシステム、Ｚ軸方向移動システムなどの動作は、これらに通信可能に連結された１以上のコントローラを介して制御され得ることは理解できよう。コントローラは、命令を実行するように構成された（例えば、１以上の汎用コンピュータプロセッサ、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサなど又はこれらの任意の組み合わせを含む）プログラマブルプロセッサであってもよい。これらの命令は、ソフトウェア、ファームウェアなど、あるいは、プログラマブルロジックデバイス（PLD）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）、フィールドプログラマブルオブジェクトアレイ（FPOA）、特定用途向け集積回路（ASIC）を含む（デジタル回路、アナログ回路、アナログ／デジタル混合回路を含む）回路など又はこれらを任意に組み合わせた好適な形態により実現され得る。命令の実行は、１つのプロセッサ上で行ってもよく、複数のプロセッサに分散させてもよく、１つのデバイス内又はデバイスのネットワークにわたる複数のプロセッサにわたって並行に行っても、あるいはこれらを任意に組み合わせて行ってもよい。詳細な機能を実現するためのソフトウェ命令は、例えば、C、C++、Visual Basic、Java、Python、Tel、Perl、Scheme、Rubyなどによって書かれ、当業者によって本明細書で述べられた説明から簡単に作成することができる。ソフトウェア命令は、一般的に、磁気ディスクや光ディスク、メモリカード、ROMなどの有形媒体により伝達される１以上のデータ構造内の命令として格納され、ローカルアクセス可能なもの、又は（例えばネットワークを通じて）遠隔アクセス可能なもの、又はこれらを組み合わせたものであってもよい

本発明の様々な実施形態について述べてきたが、本技術は限定されるものではなく、穿孔されるサファイヤの厚さ、穿孔される孔の要求される径、孔のドリリングプロセスの要求されるスループット、得られる孔の要求される品質、穿孔された孔の要求されるテーパ、穿孔される材料の特定の化学的又は材料的特性など、又はこれらの任意の組み合わせのようなファクターに応じて、上述したプロセスパラメータのうちの１つ以上を調整してもよいことは理解できよう。しかしながら、当業者であれば、１以上の加工パラメータが変化すると、これに伴い、１以上の他の加工パラメータを調整しなければならないことを理解するであろう。このため、レーザ源は、50ps以下（例えば、40ps以下、30ps以下、20ps以下、10ps以下、５ps以下、２ps以下、１ps以下、0.8ps以下など）のパルス持続時間を有するレーザパルスを生成し得る。また、レーザパルスは、IR、緑色又はUVレーザパルスとして生成することができる。例えば、レーザパルスは、1030nm（又はその近傍）、515nm（又はその近傍）、343nm（又はその近傍）などの波長を有することができる。20kHzから３MHz（例えば、50kHzから１MHz又はその近傍、100kHzから500kHz又はその近傍、100kHzから250kHz又はその近傍など）の範囲にある繰り返し率でレーザパルスを出力することができる。もちろん、繰り返し率は、３MHzよりも高くてもよく、あるいは、20kKzより低くてもよい。ある実施形態においては、パルス重なりは、50％から100％を僅かに下回る範囲（例えば、70％から98％の範囲、80％から95％の範囲、95％から98％の範囲など）であり得る。ある実施形態においては、パルス重なりは、加工される材料に応じて50％未満であってもよい。例えば、ガラスに孔を形成する場合には、パルス重なりは、50％未満（例えば、40％未満、30％未満、20％未満、10％未満、５％未満、１％未満など）であってもよく、サファイヤに孔を形成する場合には、パルス重なりは、典型的には、50％以上になるように選択される。ｚ軸方向移動速度は、10μm/sから100μm/sの範囲（例えば、30μm/sから80μm/s、50μm/sから60μm/sの範囲など）であり得る。もちろん、ｚ軸方向の移動速度が、100μm/sより速くても、10μm/sよりも遅くてもよい。上述したプロセスパラメータは、50μmから５mmの範囲（例えば、100μmから２mmの範囲、300μmから450μmの範囲、400μmなど）にある直径を有するサファイヤ基板に孔を形成するように好適に選択される。本明細書で述べた穿孔方法は、サファイヤに貫通孔や非貫通孔などの孔を穿孔することに関して議論されたが、これらの方法が、サファイヤに孔以外のフィーチャを形成することにも適用でき、レーザ源により生成されるレーザパルスの波長に対して少なくとも部分的に透明な材料（例えば、溶融石英、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ナトリウムガラス、アルカリ土類アルミノケイ酸ガラス、アルカリアルミノケイ酸ガラス、酸化物ガラスなど、又はこれらの任意の組み合わせなどのガラス）に孔（又は他のフィーチャ）を形成することにも適用できることは理解できよう。

上記は、本発明の実施形態を説明したものであって、これに限定するものとして解釈されるものではない。いくつかの特定の例示的実施形態が述べられたが、当業者は、本発明の新規な教示や利点から大きく逸脱することなく、開示された例示的実施形態と考えられる他の実施形態に対して多くの改良が可能であることを容易に認識するであろう。したがって、そのような改良はすべて、特許請求の範囲において規定される本発明の範囲に含まれることを意図している。例えば、当業者は、そのような組み合わせが互いに排他的になる場合を除いて、いずれかの文や段落を他の文や段落の一部又は全部の主題と組み合わせることができることを理解するであろう。当業者には、本発明の根底にある原理を逸脱することなく、上述した実施形態の詳細に対して多くの変更を行うことができることは自明である。したがって、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲とこれに含まれるべき請求項の均等物とによって決定されるべきである。

Claims

基板にフィーチャを形成する方法であって、
レーザパルスビームを基板に照射し、前記レーザパルスは、前記レーザパルスビームが前記基板の第１の面を通って前記基板の内部に伝搬するように選択される波長を有し、
前記基板の第２の面上又はその近傍でビームウェストを形成するように前記レーザパルスビームの焦点を合わせ、前記第２の面は、前記第１の面からｚ軸方向に沿って離間しており、
前記基板の前記第２の面から前記基板の前記第１の面に向かって延びる螺旋パターンに前記ビームウェストを移動して前記基板をアブレートし、
前記レーザパルスビームは、パルス繰り返し率、パルス持続時間、パルス重なり、及びｚ軸方向移動速度によって少なくとも部分的に特徴付けられ、
前記パルス繰り返し率は、20kHzから３MHzの範囲にある、
方法。
前記パルス繰り返し率は、100kHzから600kHzの範囲にある、請求項１の方法。
前記パルス持続時間は50ps以下である、請求項１の方法。
前記パルス持続時間は20ps以下である、請求項３の方法。
前記パルス持続時間は10ps以下である、請求項４の方法。
前記パルス持続時間は１ps以下である、請求項５の方法。
前記パルス重なりは50％以上である、請求項１の方法。
前記パルス重なりは80％以上である、請求項７の方法。
前記パルス重なりは90％以上である、請求項８の方法。
前記パルス重なりは、95％から98％の範囲にある、請求項９の方法。
前記パルス重なりは50％未満である、請求項１の方法。
前記ｚ軸方向移動速度は、10μm/sから100μm/sの範囲にある、請求項１の方法。
前記ｚ軸方向移動速度は、30μm/sから80μm/sの範囲にある、請求項12の方法。
前記ｚ軸方向移動速度は、50μm/sから60μm/sの範囲にある、請求項13の方法。
前記フィーチャは孔である、請求項１の方法。
前記孔は貫通孔である、請求項15の方法。
前記孔の直径は、50μmから５mmの範囲にある、請求項16の方法。
前記基板はサファイヤを含む、請求項１の方法。
前記基板はガラスを含む、請求項１の方法。
請求項１のプロセスにより形成された孔を有する基板を備える物。
基板にフィーチャを形成する装置であって、
レーザパルスビームを生成するように構成されるレーザ源と、
前記レーザパルスビームをＸ軸方向及びＹ軸方向に沿って走査するように構成されるビームステアリングシステムと、
前記レーザパルスビームの焦点を合わせる際に生成されるビームウェストをＺ軸方向に沿って移動させるように構成されるｚ軸方向移動システムと、
前記レーザ源、前記ビームステアリングシステム、及び前記ｚ軸方向移動システムからなる群から選択される少なくとも１つに連結されるコントローラとを備え、前記コントローラは、前記レーザ源、前記ビームステアリングシステム、及び前記ｚ軸方向移動システムからなる群から選択される少なくとも１つを制御して請求項１のプロセスを行うことが可能である、
装置。