JP2019531593A - マルチビームフェムト秒レーザによって材料を切断する方法及び器具 - Google Patents
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Abstract
Description
− 材料の透過スペクトルバンドに含まれる波長のレーザビームを発するステップであって、レーザビームは、N個のレーザパルスの少なくとも1つのバーストを含み、ここで、Nは、2以上の自然数であり、前記レーザパルスは、フェムト秒の持続時間を有し、1つのバーストのN個のレーザパルスは、数百ナノ秒〜1ピコ秒に含まれる時間間隔だけ相互に時間的に分離される、ステップと、
− レーザビームを、第一の光軸に沿って分散される第一のエネルギーを有する第一の分割ビームと、また第一の光軸と異なる第二の光軸に沿って分散される第二のエネルギーを有する第二の分割ビームとに空間的に分割するステップであって、第二の光軸は、好ましくは、第一の光軸と平行であり、第一のエネルギー及び第二のエネルギーは、材料改質閾値より高い、ステップと、
− 第一の分割ビームのエネルギーを材料の第一の領域に、且つまた第二の分割ビームのエネルギーを材料の第二の領域に、第一の領域及び第二の領域において局所的改質を生成するために空間的に集中させるステップであって、第一の領域及び第二の領域は、相互に分離され且つ距離dxだけ離間される、ステップと、
− 第一の領域と第二の領域との間の距離(dx)を、1マイクロメートル〜約10マイクロメートルに含まれる距離閾値より小さく調整して、第一の領域と第二の領域との間に延びる所定の微小破壊方向に沿って方向付けられた直線的微小破壊を開始させるステップと
を含む方法が提案される。
− パルスは、10〜900フェムト秒に含まれる持続時間を有し、前記バースト中のフェムト秒パルスの数Nは、20以下であり、前記レーザ源は、1kHz〜1GHzに含まれる周波数を有し、レーザビームの波長は、250nm〜2.2μmに含まれ、第一のエネルギー及び第二のエネルギーは、1mJより低く且つ1nJより高く、
− レーザ源によって発せられるレーザビームは、ガウス空間分布を有し、第一の分割ビーム及び第二の分割ビームは、それぞれベッセルビーム空間分布を有するように空間的に成形され、
− 第一の分割ビームのベッセルビーム空間分布は、第一の領域において第一の分割ビームの光軸に沿って横方向及び/若しくは縦方向に変調され、且つ/又はまた第二の分割ビームのベッセルビーム空間分布は、第二の領域において第二の分割ビームの光軸に沿って横方向及び/若しくは縦方向に変調され、
− レーザビームを空間的に分割するステップは、複数のM個の空間分割ビームを生成するように適合され、M個の分割ビームは、好ましくは、軸Zに平行であり、及びM個の分割ビームは、切断面の一部を画定し、ここで、Mは、3以上の自然数であり、複数のM個の空間分割ビームは、2つずつ相互に対して横方向にオフセットを有し、
− エネルギーを空間的に集中させるステップは、複数のM個の分割ビームのエネルギーを材料の複数のM個の分離領域に、材料の複数のM個の分離領域において複数の局所的改質を開始させるために空間的に集中させることであって、M個の分離領域は、案内ラインによって生成される表面上に配置され、前記表面は、平坦、円柱又は円錐形であり、各分割ビームは、材料改質閾値より高いエネルギーを有する、集中させることと、
− 複数のM個の分離領域のうちの任意の2つの領域間の距離(dx)を、1マイクロメートル〜約10マイクロメートルに含まれる距離閾値より小さく調整して、方向付けられた直線的微小破壊を開始させることであって、この微小破壊は、複数のM個の分離領域のうちの前記任意の2つの領域間に延びる微小破壊方向に沿って方向付けられる、開始させることと
を含み、
− 方法は、前記分割ビームと材料との間の相対的変位のステップをさらに含む。
− 第一の分割ビームは、第一の領域においてDに等しい横方向の空間範囲を有し、第二の分割ビームは、第二の領域においてDに等しい横方向の空間範囲を有し、ここで、Dは、2マイクロメートル以下であり、距離dxは、1マイクロメートル以上であり且つ約10マイクロメートル以下であり、
− 装置は、一方で固体材料と、他方で第一の分割ビーム及び第二の分割ビームとの間の相対的変位のためのシステムをさらに含み、
− レーザ源は、10〜900フェムト秒に含まれる持続時間を有するパルスを、250nm〜2.2μmに含まれる波長及び1kHz〜10GHz、好ましくは1GHz〜10Ghzの周波数で供給するように構成され、ここで、前記バースト中のフェムト秒パルスの数Nは、20以下であり、
− 光学空間エネルギー集中装置は、第一の領域内の第一の光軸に沿った第一の分割ビームの複数の焦点と、また第二の領域内の第二の光軸に沿った第二の分割ビームの別の複数の焦点とを生成するように構成され、
− 光学空間分割装置及び/又は光学空間エネルギー集中装置は、第一の光軸に沿って、且つまた第二の光軸に沿ってベッセルビーム空間強度分布を生成するように構成され、
− 光学空間分割装置及び/又は光学空間エネルギー集中装置は、第一の領域において第一の分割ビームの空間強度分布を第一の光軸に対して横方向に変調し、且つまた第二の領域において第二の分割ビームの空間強度分布を第二の光軸に対して横方向に変調するように構成された空間位相及び/若しくは振幅変調器又は位相及び/若しくは振幅マスクを含み、
− 光学空間エネルギー集中装置は、第一の領域において第一の分割ビームの空間強度分布を第一の分割ビームの光軸に沿って変調し、且つまた第二の領域において第二の分割ビームの空間強度分布を第二の分割ビームの光軸に沿って変調するように構成された別の位相及び/又は振幅マスクを含み、
− 誘電材料は、100マイクロメートル〜数ミリメートルに含まれる厚さを有するガラスの中から選択され、レーザ波長は、250nm〜2.2μmに含まれ、第一のエネルギー及び第二のエネルギーは、1mJより低く且つ1nJより高い。
本明細書及び図面において、同じ参照番号は、同じ又は類似の要素を示す。
段1):従来の光学顕微鏡。この方法では、材料の亀裂、欠陥及び色のついた中心の視覚化が可能となる。
段2):位相差顕微鏡。この方法では、屈折率の変更に関連付けられる材料の改質の可視化(光学顕微鏡では見えない)が可能となる。
段3):交差偏光顕微鏡。この方法では、改質領域の周囲に誘導された応力の分布の可視化が可能となる。
列a):標準的ベッセルビーム。このビームは、図9に示される装置により得られ、角度β=6.7°である。
列b):バーストモードの標準的ベッセルビームであり、1バースト当たり4パルス、バースト中の各パルスは、同じバーストの別のパルスから25nsの時間間隔だけ分離される。
列c):図13に示される装置により得られる狭いベッセルビームであり、角度β=13°であり、b)の場合と同じバーストモード。
− 携帯電話又は電子タブレットスクリーンの保護(例えば、Coring社のGorillaガラス、旭硝子のドラゴントレイル、又はSchott社のXensation)又は高解像度フラットディスプレイスクリーンの分野で使用される強化ソーダ石灰ガラス。幾つかのGorillaの相違は、化学強化のための厚さ(30〜50μmのDOL(圧縮応力層の厚さ))、ガラスの厚さ並びにその機械的強度及び傷つき耐性の関数として存在する。
− 家電用強化ソーダ石灰ガラス(Schott社のFlat Glass、厚さ1mm超)
− 建物及び建築分野で使用するソーダ石灰ガラス
− 眼科用光学ガラスのためのほうけい酸ガラス
− UV光学ガラスのための溶融シリカ、石英、フッ化ガラス
− 中赤外線光学ガラス用カルコゲン化物ガラス
− LED基板、スマートエレクトロニクスのCCDセンサ用保護ガラス、時計の可動部品又はケーシング用保護ガラスとして使用されるサファイア
− ガラスの2層間に設けられたプラスチック又は接着フィルムを含む多層ラミネートガラス。
− タッチスクリーンの有無を問わない携帯用電子機器(携帯電話、スマートフォン、電子タブレット)のための保護ガラスとして使用される強化ソーダ石灰ガラスの曲線切断
− 高解像度フラットディスプレイスクリーン(TV、ディスプレイ、コンピュータ)のための強化ソーダガラスの直線切断
− 軍事用地上表示システムにおける保護ガラスとして使用される強化ガラスの曲線切断
− 高電子機器又は電子機器で使用されるCCDセンサ用保護ガラス又はサファイア、例えば携帯電話の写真/ビデオレンズの保護ガラスの曲線切断
− ほうけい酸ガラス又は溶融シリカ性の光学コンポーネントの曲線切断
− 厚さ30〜40μmの超薄型ガラスの切断
− 医療用ガラス管の切断
− 高電子機器の青色LED用基板として使用されるサファイアのダイシング
− ドープ若しくは非ドープYAG結晶又はフォトニックコンポーネント用ダイヤモンドの切断
Claims (16)
- 誘電又は半導体材料をレーザ切断する方法において、
− 前記材料の透過スペクトルバンドに含まれる波長のレーザビーム(100)を発するステップであって、前記レーザビーム(100)は、N個のレーザパルスの少なくとも1つのバーストを含み、ここで、Nは、2以上の自然数であり、前記レーザパルスは、フェムト秒の持続時間を有し、1つのバーストの前記N個のレーザパルスは、数百ナノ秒〜1ピコ秒に含まれる時間間隔だけ相互に時間的に分離される、ステップと、
− 前記レーザビーム(100)を、第一の光軸に沿って分散される第一のエネルギーを有する第一の分割ビーム(101)と、また前記第一の光軸と異なる第二の光軸に沿って分散される第二のエネルギーを有する第二の分割ビーム(102)とに空間的に分割するステップであって、前記第一のエネルギー及び前記第二のエネルギーは、材料改質閾値より高い、ステップと、
− 前記第一の分割ビーム(101)の前記エネルギーを前記材料の第一の領域(31)に、且つまた前記第二の分割ビーム(102)の前記エネルギーを前記材料の第二の領域(32)に、前記第一の領域(31)及び前記第二の領域(32)において局所的改質を生成するために空間的に集中させるステップであって、前記第一の領域(31)及び前記第二の領域(32)は、相互に分離され且つ距離dxだけ離間される、ステップと、
− 前記第一の領域(31)と前記第二の領域(32)との間の前記距離(dx)を、1マイクロメートル〜約10マイクロメートルに含まれる距離閾値より小さく調整して、方向付けられた直線的微小破壊(45)を開始させるステップであって、前記微小破壊(45)は、前記第一の領域(31)と前記第二の領域(32)との間に延びる所定の方向に沿って方向付けられる、ステップと
を含むことを特徴とする方法。 - 前記パルスは、10〜900フェムト秒に含まれる持続時間を有し、前記バースト中の前記フェムト秒パルスの数Nは、20以下であり、レーザ源(1)は、1kHz〜1GHzに含まれる周波数を有し、前記レーザビーム(100)の波長は、250nm〜2.2μmに含まれ、前記第一のエネルギー及び前記第二のエネルギーは、1mJより低く且つ1nJより高い、請求項1に記載の方法。
- 前記レーザ源によって発せられる前記レーザビーム(100)は、ガウス空間分布を有し、前記第一の分割ビーム(181)及び前記第二の分割ビーム(182)は、それぞれベッセルビーム空間分布を有するように空間的に成形される、請求項1又は2に記載の方法。
- 前記第一の分割ビーム(181)の前記ベッセルビーム空間分布は、前記第一の領域(31)において前記第一の分割ビームの前記光軸に沿って横方向及び/若しくは縦方向に変調され、且つ/又はまた前記第二の分割ビーム(182)の前記ベッセルビーム空間分布は、前記第二の領域(32)において前記第二の分割ビームの前記光軸に沿って横方向及び/若しくは縦方向に変調される、請求項3に記載の方法。
- 前記レーザビーム(100)を空間的に分割する前記ステップは、複数のM個の空間分割ビームを生成するように適合され、ここで、Mは、3以上の自然数であり、前記複数のM個の空間分割ビームは、2つずつ相互に対して横方向のオフセットを有し、
− エネルギーを空間的に集中させる前記ステップは、前記複数のM個の分割ビームのエネルギーを前記材料の複数のM個の分離領域に、前記材料の前記複数のM個の分離領域において複数の局所的改質を生成するために空間的に集中させることであって、各分割ビームは、材料改質閾値より高いエネルギーを有する、集中させることと、
− 前記複数のM個の分離領域のうちの任意の2つの領域間の前記距離(dx)を、1マイクロメートル〜約10マイクロメートルに含まれる距離閾値より小さく調整して、前記複数のM個の分離領域のうちの前記任意の2つの領域間で方向付けられた直線的微小破壊(45)を開始させることと
を含む、請求項1〜4の何れか一項に記載の方法。 - 前記分割ビームと前記材料との間の相対的変位のステップをさらに含む、請求項1〜5の何れか一項に記載の方法。
- 誘電又は半導体材料をレーザ切断する器具であって、
− 前記材料の透過スペクトルバンドに含まれる波長のレーザビーム(100)を発するように適合されたレーザ源(1)
含む器具において、
− 前記レーザ源(1)は、N個のレーザパルスの少なくとも1つのバーストを含む前記レーザビーム(100)を発するように適合され、ここで、Nは、2以上の自然数であり、前記レーザパルスは、フェムト秒の持続時間を有し、1つのバーストの前記N個のレーザパルスは、数百ナノ秒〜1ピコ秒に含まれる時間間隔だけ相互に時間的に分離されることと、
前記器具は、
− 前記レーザビーム(100)を受け取り、且つ第一の光軸に沿った第一の分割ビーム(101、181)と、前記第一の光軸と異なる第二の光軸に沿った少なくとも1つの第二の分割ビーム(102、182)とを生成するように配置された光学空間分割装置(11、12、21、22、90)であって、
− 前記第一の分割ビーム(101、181)は、第一のエネルギーを有し、及びまた前記第二の分割ビーム(102、182)は、第二のエネルギーを有し、前記第一のエネルギー及び前記第二のエネルギーは、相互に別々に、制御されないマイクロクラックの開始を可能にするようにそれぞれ適合される、光学空間分割装置(11、12、21、22、90)と、
− 前記第一の分割ビーム(101、181)の前記第一のエネルギーを前記材料(3)の第一の領域(31)に、且つまた前記第二の分割ビーム(102、182)の前記第二のエネルギーを前記材料(3)の第二の領域(32)に空間的に集中させるように配置された光学空間エネルギー集中装置(4、18、74)であって、前記第一の領域(31)及び前記第二の領域(32)は、相互に分離され且つ距離dxだけ離間され、
− 前記第一の領域(31)内の前記第一のビームの前記光軸と、前記第二の領域(32)内の前記第二のビームの前記光軸との間の前記距離(dx)は、距離閾値より小さく、前記距離閾値は、数十マイクロメートルより小さく、方向付けられた直線的微小破壊(45)を開始させるために、前記微小破壊(45)は、前記第一の領域(31)と前記第二の領域(32)との間に延びる所定の方向に沿って方向付けられる、光学空間エネルギー集中装置(4、18、74)と
をさらに含むこととを特徴とする器具。 - 前記第一の分割ビームは、前記第一の領域(31)においてDに等しい横方向の空間範囲を有し、前記第二の分割ビームは、前記第二の領域(32)においてDに等しい横方向の空間範囲を有し、ここで、Dは、2マイクロメートル以下であり、前記距離dxは、1マイクロメートル以上であり且つ約10マイクロメートル以下である、請求項7に記載の器具。
- 一方で前記固体材料と、他方で前記第一の分割ビーム(101、181)及び前記第二の分割ビーム(102、182)との間の相対的変位のためのシステムをさらに含む、請求項7又は8に記載の器具。
- 前記レーザ源は、10〜900フェムト秒に含まれる持続時間を有するパルスを、250nm〜2.2μmに含まれる波長及び1kHz〜10GHz、好ましくは1GHz〜10Ghzの周波数で供給するように構成され、ここで、前記バースト中の前記フェムト秒パルスの数Nは、20以下である、請求項7に記載の器具。
- 前記光学空間エネルギー集中装置は、前記第一の領域内の前記第一の光軸に沿った前記第一の分割ビームの複数の焦点と、また前記第二の領域内の前記第二の光軸に沿った前記第二の分割ビームの別の複数の焦点とを生成するように構成される、請求項7〜10の何れか一項に記載の器具。
- 前記光学空間分割装置及び/又は前記光学空間エネルギー集中装置は、前記第一の光軸(181)に沿って、且つまた前記第二の光軸(182)に沿ってベッセルビーム空間強度分布を生成するように構成される、請求項7〜11の何れか一項に記載の器具。
- 前記光学空間分割装置及び/又は前記光学空間エネルギー集中装置は、前記第一の領域において前記第一の分割ビームの空間強度分布を前記第一の光軸に対して横方向に変調し、且つまた前記第二の領域において前記第二の分割ビームの空間強度分布を前記第二の光軸に対して横方向に変調するように構成された空間位相及び/若しくは振幅変調器又は位相及び/若しくは振幅マスクを含む、請求項7〜12の何れか一項に記載の器具。
- 前記光学空間エネルギー集中装置は、前記第一の領域において前記第一の分割ビームの空間強度分布を前記第一の分割ビームの前記光軸に沿って変調し、且つまた前記第二の領域において前記第二の分割ビームの空間強度分布を前記第二の分割ビームの前記光軸に沿って変調するように構成された別の位相及び/又は振幅マスクを含む、請求項7〜13の何れか一項に記載の器具。
- 前記誘電材料は、100マイクロメートル〜数ミリメートルに含まれる厚さを有するガラスの中から選択され、前記レーザ波長は、250nm〜2.2μmに含まれ、前記第一のエネルギー及び前記第二のエネルギーは、1mJより低く且つ1nJより高い、請求項7〜14の何れか一項に記載の器具。
- 前記微小破壊に対して1ミリメートルより短い距離だけ横方向にオフセットされた別のレーザビームを当てる追加のステップをさらに含み、前記別のレーザビームは、誘電又は半導体材料に追加の微小破壊を生じさせることなく熱応力を発生させるために、材料アブレーション閾値より低いエネルギーを有する、請求項1〜6の何れか一項に記載の方法。
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