KR20150119941A

KR20150119941A - 사파이어를 처리하기 위한 레이저 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20150119941A
Application number: KR1020157025917A
Authority: KR
Inventors: 비제이 칸찰라; 윌리암 샤이너; 스티븐 메이나드; 제프리 피 세르켈; 마르코 멘데스; 로우즈베 사라피
Original assignee: 아이피지 포토닉스 코포레이션
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2014-02-28
Publication date: 2015-10-26
Also published as: JP6392789B2; JP2016514055A; EP2961559B1; CN105142853B; KR102176313B1; TW201446453A; EP2961559A4; TWI632997B; EP2961559A1; WO2014134470A1; CN105142853A

Abstract

사파이어의 레이저 처리는 유사 연속파(QCW) 모드로 구동되어 약 1060nm 내지 1070nm의 범위의 파장으로 연속적인 레이저 광 펄스를 발광하는 연속파 레이저(이하 "QCW 레이저")를 사용하여 수행된다. QCW 레이저를 사용한 사파이어의 레이저 처리는 보다 낮은 듀티 사이클(예컨대, 약 1% 및 10% 사이)과 아르곤이나 헬륨 같은 불활성 가스 분위기로 구동될 수 있다. QCW 레이저를 사용한 사파이어의 레이저 처리는 사파이어 기판의 속성을 수정하여 흡수 중심을 형성하는, QCW 레이저의 레이저 광 펄스를 사파이어에 연결할 수 있게 하는 보다 짧은 파장 및/또는 펄스 길이를 가지는 보조 레이저의 사용을 더 포함할 수 있다.

Description

사파이어를 처리하기 위한 레이저 시스템 및 방법 {LASER SYSTEM AND METHOD FOR PROCESSING SAPPHIRE}

본 출원은 참조로 본 명세서에 전체적으로 통합되고 2013년 2월 28일에 출원된 미국 가출원 시리얼 번호 제61/770,816호의 혜택을 주장한다. 또한 본 출원은 함께 출원되고 참조로 본 명세서에 전체적으로 통합된 "별개의 파장 및/또는 펄스 길이를 가지는 복수의 레이저 빔을 사용한 복수-빔 레이저 처리(MULTIPLE-BEAM LASER PROCESSING USING MULTIPLE LASER BEAMS WITH DISTINCT WAVELENGTHS AND/OR PULSE DURATIONS)"라는 제목의 2014년 2월 28일 출원된 미국 가출원 시리얼 번호 제61/945,911호(대리인 일람번호(Attorney Docket No.) IPGM006P)에 관련된 것이다.

본 명세서는 약 1060 내지 1070nm 범위의 레이저를 사용한 사파이어 처리에 관련된 것이고, 보다 상세하게는, 유사 연속파 모드("QCW")로 구동되는 조절된 싱글 모드("SM") 광섬유 레이저 시스템으로 사파이어의 레이저 처리하는 것에 관련된 것이다.

사파이어(Al₂O₃)와 같은 단단한 물질은 광학적 창, 마모를 방지하는 단단한 물질 및 반도체 발광 장치의 버퍼 물질 등과 같은 많은 공업적 응용에서 사용된다. 사파이어 기판을 다루거나 처리하는 기존의 기계적 방법은 다이아몬드 스크라이빙 및 블레이드 다이싱을 포함한다. 이들 방법을 사용할 때, 예컨대 LED를 생산할 때, 스크라이빙의 낮은 깊이는 생산율을 낮추는 기판의 파괴로 이어질 수 있다. 블레이드 다이싱과 연관된 다른 방법은 (커팅 후 클리닝을 요구할 수 있는) 잔해의 형성, 기판에의 스트레스 유도 및 커프(kerf)라고 알려진 상대적으로 큰 폭의 커팅 자국을 포함한다.

레이저 처리 방법은 큰 부피의 생산에 더 효율적인 비접촉 프로세스를 제공하기 때문에 효율을 높이려는 노력 속에서 사용되어 왔다. 레이저 스크라이빙된 커팅 깊이는 절단 공정 동안 웨이퍼에의 스트레스를 감소시키기 위해 제어될 수도 있다. 또한, 레이저 스크라이빙은 스크라이빙의 정확한 위치 선정을 보다 적은 조각(chippings)의 좁은 스크라이빙 폭을 따라 능동 특징점의 수 마이크론 내에서 가능하게 한다. 따라서, 레이저 처리는 전통적인 기계적 방법에 비해 증가한 저리량, 낮은 가격, 쉬운 사용 및 높은 생산율의 전체적인 장점을 가진다.

하지만, 어떤 물질은 레이저를 사용하여 처리할 때 난점이 존재한다. 예를 들어, 사파이어의 밴드갭은 약 8eV이고, 보통의 낮은 조명 강도 하에서, 사파이어는 광학적으로 5000nm 내지 약 300nm으로 투명하다. 따라서, 기존의 사파이어의 레이저 처리는 약 157 및 약 355nm 사이 범위의 파장에서 구동되는 DUV 및 UV 레이저와 같은 사파이어에 보다 잘 흡수되는 레이저를 사용해왔다.

사파이어의 레이저 처리를 위한 한 기술은 물질의 벌크 히팅과 사태 이온화(avalanche ionization)의 조합에서 유발되는 물질의 기화인 제거를 포함한다. 초고속 레이저(Ultrafast lasers)(예컨대 피코초 및 더 짧은 펄스 폭) 및/또는 나노초 펄스 폭의 Q-스위치드 펄스 레이저가 사파이어를 제거할 수 있는 높은 피크 출력으로 펄스를 방사하기 위하여 사용될 수 있다. 고밀도는 물질 내의 전자를 들뜨게 하고 직접 결합을 끊는 비선형, 다광자 흡수 프로세스를 구동한다. 하지만, 레이저 빔의 흡수로부터의 열이 기판으로 분산될 때가 있기 때문에 높은 피크 출력은 열적으로 커팅 모서리를 손상시킬 수 있다.

다른 레이저 처리 기술은 사파이어 내부의 내부 수정 영역을 따르는 스크리빙과 브레이킹을 포함한다. 예를 들어 피코초 레이저의 출력은 사파이어 기판의 내부에 초점이 맞아 기판 내에 상부와 하부 표면에 영향을 주지 않고 금이 가게 할 수 있다. 한번 금이 가면, 개별 조각은 기판으로부터 테이프 확장과 같은 기계적 수단을 사용하여 떼어내질 수 있다. 하지만 이 두 단계 프로세스는 시간이 소비되고 비용이 비효율적이다.

낮은 흡수 계수의 물질을 레이저 처리하는 추가적인 기술은 워터 제트 프로세싱을 포함한다. 워터 제트 레이저 처리는 레이저 빔을 머리칼만큼 가는 저압의, 레이저 빔을 웨이퍼에 유도하는 워터 제트에 초점맞추는 것을 포함한다. Laser-Microjet®와 같은 워터 제트 레이저 처리 시스템은 열 손상과 오염을 방지할 수 있지만 보다 복잡하고 비싼 시스템이 들어간다. 1064nm로 구동되는 Q-스위치드 Nd:YAG 레이저와 532nm로 구동되는 진동수-배가된 Nd:YAG 레이저가 특히 워터 제트-유도 커팅 기술에 맞춰진다.

상술한 사파이어 레이저 처리에 사용된 현존하는 기술은 동일한 문제점에 시달린다. 특히, 펄스 레이저의 비용이 높다. 또한, UV 커팅에 사용되는 파장은 짧은 유효 수명을 가질 수 있고 이들 레이저의 관리의 문제를 생기게 하는 결정의 사용이 요구된다. 엑시머 레이저가 사용될 수 있지만, 이들 레이저는 일반적으로 큰 공간과 낮은 효율을 가진다.

따라서, 약 1060 내지 1070nm의 파장에서 감소된 커팅 모서리 결점과 시간-효율 및 비용-효율 면에서 증가된 속도로 사파이어 기판을 레이저 커팅하는 시스템 및 방법의 필요가 있다.

일실시예와 일치하는 사파이어 기판을 처리하기 위한 방법이 제공된다. 방법은: 주기적으로 출력원을 스위치 온하여 연속파 레이저를 고동치게(pulse) 함으로써 레이저를 유사 연속파("QCW") 모드로 구동하여 레이저 광의 연속적인 펄스를 약 1060nm와 약 1070nm 사이의 범위의 파장에서 발광하도록 하는 단계; 레이저 광의 펄스를 사파이어 기판에 초점 맞추는 단계; 및 레이저 광의 펄스로 사파이어 기판을 레이저 처리하는 단계를 포함한다.

다른 실시예와 일치하는 사파이어 기판을 레이저 처리하기 위한 레이저 처리 시스템이 제공된다. 레이저 처리 시스템은 유사 연속파("QCW") 모드로 구동되어 레이저 광의 연속적인 펄스를 약 1060nm와 약 1070nm 사이의 범위의 파장에서 발광하도록 구성된 광섬유 레이저와 광섬유 레이저에 주기적으로 출력을 스위치하여 광섬유 레이저가 QCW 모드에서 약 1%와 약10% 사이의 범위의 듀티 사이클로 고동치게(pulse) 하기 위해 광섬유 레이저에 연결된 제어기를 포함한다. 레이저 처리 시스템은 사파이어 기판을 처리하도록 레이저 광을 사파이어 기판에 초점 맞추도록 구성된 초점 렌즈, 초점 맞은 레이저 광을 사파이어 기판에 향하도록 구성되고 불활성 가스를 레이저 광과 함께 사파이어 기판으로 전달하기 위한 노즐을 포함하는 레이저 헤드; 및 불활성 가스를 레이저 헤드로 전달하도록 구성된 가스 전달 시스템도 포함한다.

추가 실시예와 일치하는 멀티-빔 레이저 처리 시스템이 사파이어 기판을 처리하기 위해 제공된다. 멀티-빔 레이저 처리 시스템은: 보조 레이저 빔이 사파이어 기판의 속성을 수정하기 위해 사파이어 기판이 충분히 보조 레이저 빔을 흡수하도록 파장과 펄스 길이를 가지는 보조 레이저 빔을 생성하기 위한 보조 레이저; 약 1060nm과 약 1070nm 사이의 파장을 가지는 처리 레이저 빔을 생성하기 위한 유사 연속파(QCW) 광섬유 레이저; 및 보조 레이저 빔 및 처리 레이저 빔을 워크피스 상의 타겟 위치에 향하게 하여 보조 레이저 빔이 타겟 위치에서 사파이어 기판의 속성을 수정하여 흡수 중심을 형성하여 처리 레이저 빔이 타겟 위치에서 사파이어 기판에 형성된 흡수 중심에 연결되어 타겟 위치에서 사파이어 기판의 처리를 완료하게 하기 위한 빔 컴바이너을 포함하고, 보조 레이저 빔의 파장은 처리 레이저 빔의 파장보다 작다.

본 발명의 내용 중에 포함되어 있다.

이들 및 다른 특징과 장점은 다음과 같은 도면과 함께 후술되는 상세한 설명을 읽음으로써 보다 잘 이해될 것이다:
도 1은 본 명세서의 일실시예와 일치하는, 유사 연속파(QCW)를 사용하는 사파이어 물질을 커팅하기 위한 레이저 처리 시스템의 개략도이다.
도 2a 및 2b는 본 명세서의 일실시예와 일치하는, QCW 레이저 시스템을 사용하여 형성된 스크라이브 라인을 가지는 사파이어 기판을 도시하는 이미지이다.
도 3은 본 명세서의 다른 실시예와 일치하는, 복수-빔 레이저 처리 시스템의 개략도이다.

본 명세서의 실시예와 일치하는 사파이어의 레이저 처리는 유사 연속파(QCW) 모드로 구동되어 약 1060nm 내지 1070nm의 파장 범위로 연속적인 레이저 광 펄스를 방사하는 연속파 레이저(이하 "QCW 레이저")를 사용하여 수행된다. QCW 레이저를 사용하는 사파이어의 레이저 처리는 보다 낮은 듀티 사이클(duty cycle)(예컨대, 약 1% 및 10%)과 아르곤이나 헬륨과 같은 불활성 가스 분위기에서 수행될 수 있다. QCW 레이저를 사용하는 사파이어의 레이저 처리는 사파이어의 속성을 수정하여 QCW 레이저의 레이저 광 펄스를 사파이어로 연결할 수 있게 하는 흡수 중심(absorption center)를 형성하기 위하여 보다 짧은 파장 및/또는 펄스 길이를 가지는 보조 레이저의 사용을 포함할 수 있다.

본 명세서에 서술된 실시예와 일치하는 QCW 레이저를 사용하는 레이저 처리는 사파이어 기판의 드릴링, 커팅 및/또는 스크라이빙을 포함할 수 있다. 사파이어는 약 170nm와 5300nm 사이의 광 파장에 투명하고, 유리보다 5배 강하고, 모스 경도계에서 9의 경도를 가지는 알루미나(Al₂O₃)의 결정 형태이다. 또한 사파이어는 좋은 전기적 절연체이고 높은 열전도율을 가진다. 사파이어는 청색 및 녹색 발광 다이오드("LED")의 생성에 특히 장점이 있다. 또한 사파이어는 전화, 카메라, 컴퓨터 등을 포함하지만 이에 제한되지는 않는 모바일 장치의 스크린을 덮는 기존의 유리를 대체할 가능성도 있다. 그러므로, 본 명세서에 서술되는 레이저 처리 시스템 및 방법은 사파이어 기판을 광 장치, 스크린 및 사파이어를 포함하는 다른 제품을 생산하는데 사용하기 위한 소정의 형태로 커팅하기 위해 사용될 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "흡수 중심"은 물질의 속성이 수정(크레이터, 러프닝, 광학적 손상, 내부 물질 결함, 색 중심, 벌크 물질 속성 변화 또는 증가한 온도)되어 광이 물질의 수정되지 않은 영역과 비교하여 보다 잘 흡수되도록 된 비-흡수 물질 내의 위치를 말한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "파장"은 레이저의 대략적인 발광 파장을 말하고 언급된 파장 주위의 파장의 밴드 또는 범위를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "자외선(UV) 스펙트럼 범위"는 10nm 내지 380nm의 스펙트럼 범위를 말하고, "가시 스펙트럼 범위"는 380nm 내지 700nm의 스펙트럼 범위를 말하고, "적외선 스펙트럼 범위"는 700nm 내지 10.6μm의 스펙트럼 범위를 말한다.

도 1을 참조하면, 레이저 처리 시스템(100)의 실시예는 사파이어 기판과 같은 워크피스(102)를 집중된 레이저 빔을 사용하여 처리하도록 서술된다. 워크피스(102)는 다른 큰 밴드갭 및/또는 알루미늄 다이아몬드, 질화갈륨, 탄화규소, 셀렌화아연, 규소, 질화규소, 질화알루미늄, 사파이어 상의 질화갈륨 및 유리(예컨대 융해 석영 또는 실리카)를 포함하나 이에 제한되지는 않는 투명한 물질로부터 만들어질 수 있다. 본 명세서에 서술되는 예시적인 실시예가 주로 사파이어의 레이저 처리 또는 처리에 관련된 것이지만, 이들 다른 큰 밴드갭 물질의 적어도 일부는 개시된 레이저 처리 시스템으로 성공적으로 다루어 질 수 있다.

도시된 실시예에서, 레이저 처리 시스템(100)은 싱글 모드, 발산 제한된 레이저 빔(111)을 프로세싱 패시브 광섬유(112)의 하류 단부로부터 방사하는 QCW 싱글 모드(SM) 광섬유 레이저(110)을 포함한다. QCW 광섬유 레이저(110)는 500W 내지 50kW 범위의 출력이고 정렬 또는 조정을 위한 거울 또는 광학체를 필요로 하지 않는 단일체의, 완전히 고체 상태의, 광섬유-대-광섬유 디자인을 가질 수 있다. 또한 QCW 광섬유 레이저(10)는 복수의 레이저 유닛으로 이루어지고, 각각이 수백 와트의 출력을 생성하는 모듈식일 수 있다. 또한 이것은 레이저 시스템이 예비 모듈 및 출력 마진을 포함할 수 있도록 한다. QCW SM 광섬유 레이저는 예컨대 IPG 포토닉스 코퍼레이션으로부터 사용가능한 QCW 시리즈와 같이 약 1070nm의 발광 파장을 가지는 QCW SM 이테르븀 광섬유 레이저를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 레이저는 광섬유 Nd: YAG 레이저와 같은 디스크 레이저 또는 로드 레이저를 포함할 수 있다. 멀티-모드 레이저 또한 사용될 수 있다.

또한 레이저 처리 시스템(100)은 빔(111)을 시준하는 콜리메이터(130) 및 빔(111)을 포커스 렌즈(140)로 향하게 하는 빔 벤더 또는 리플렉터(132)를 포함한다. 포커스 렌즈(140)는 빔(111)을 상대적으로 작은 스팟 크기, 예컨대 약 14 내지 30μm의 범위에 초점을 맞춘다. 대안적으로 또는 추가적으로, 다른 광학체 또한 레이저 광을 수정 및/또는 소정의 위치로 향하게 하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 광학체는 빔 익스펜더, 빔 콜리메이터, 빔 성형 렌즈, 리플렉터, 마스크, 빔스플리터 및 스캐너(예컨대 검류계)를 포함할 수 있지만 이에 제한되지는 않는다.

레이저 처리 시스템(100)은 가스 전달 시스템(162)에 연결된 노즐(160)을 포함하는 레이저 헤드를 더 포함한다. 가스 전달 시스템(162)는 워크피스(102)를 처리할 때 질소, 아르곤 또는 헬륨과 같은 불활성 가스의 흐름을 작엽 영역 근처의 노즐(160)에 제공할 수 있다. 가스는 약 100 내지 300psi의 범위의 압력으로 전달될 수 있다. 불활성 분위기의 존재는 레이저 처리의 효율을 향상시킨다.

레이저 처리 시스템(100)은 워크피스(102)에 하나 이상의 축 또는 차원으로 병진운동을 줌으로써 워크피스(102)가 집중된 레이저 빔으로 상대적으로 이동할 수 있도록 구성된 병진 스테이지(translation stage)(170)를 더 포함한다. 병진 스테이지(170)는 자동으로 구동되거나 제어기(172)로부터 명령을 수신할 수 있다. 대안적으로, 레이저(110)는 이동되고 워크피스(102)가 처리되도록 상대적으로 배치될 수 있다. 제어기(172)는 중앙 처리 장치("CPU")와 같은 처리 회로를 포함하여 병진 스테이지(170)와 통신한다.

QWC SM 광섬유 레이저(110)는 가능한 한 정상상태에 가까운 레이저를 구동, 예컨대 레이저가 유사 연속파(QCW) 모드라고도 하는 광학적 연속파 구동 상태에 있도록 하는데 충분히 긴 기간을 가지는 시간 간격으로 스위치 온되도록 구동되는 펌프 소스(114)를 포함한다. 제어기(172)는 펌프 소스(114)를 제어하는데 사용될 수 있다. 레이저가 스위치 온되는 시간의 비율, 예컨대 듀티 사이클은 가열 및 열 관련 문제를 줄이도록 선택된다. 제어기(172)는 펌프 소스(114)를 예컨대 약 1% 내지 10% 범위의 듀티 사이클을 가지도록 제어할 수 있다. 따라서, QCW 모드로 구동되는 QCW SM 광섬유 레이저(110)는 보다 높은 피크 출력과 낮은 평균 출력을 가질 수 있다.

한 예시에서, 0.7mm의 두께의 사파이어 기판이 다음 프로세스와 레이저 파라미터를 사용하여 처리됐다: 이테르븀(Yb) 싱글 모드 레이저; 1070nm 파장; 14μm 광섬유 코어 직경; 60mm 시준 거리; 123mm 초점거리; 28.7μm 스팟 크기; 900W 피크 출력; 87.5μs 펄스 길이; 400Hz 펄스 주파수; 78.7 mJ 펄스 에너지; 250psi의 아르곤 또는 질소 보조 가스; 0.5mm 노즐 이격 거리; 1.5mm 노즐 오리피스; 및 8.46mm/s 커팅 속도.

도 2a 및 2b는 상술한 파라미터로 사파이어 기판을 처리하거나 다루기 위해 도 1의 레이저 처리 시스템(100)을 사용하여 얻은 결과를 도시한다. 도시된 바와 같이, 모서리가 깨끗하고 보이는 금이 없다. 동일하게 만족스러운 결과가 폴리시되지 않은 샘플 및 폴리시된 샘플에서 얻어졌다.

다른 실시예에서, 상이한 두께(0.015인치 및 0.040인치)의 샘플 사파이어 기판이 상이한 듀티 사이클, 펄스 주파수 및 속도로 Yb-도핑된 QCW SM 광섬유 레이저를 사용하여 다른 처리 동작(스크라이빙, 커팅 및 드릴링)으로 처리되었다. 다음 표 1이 이들 처리 동작에서 사용된 파라미터를 도시한다.

사파이어 두께(인치)	처리	출력(W)	주파수(Hz)	듀티 사이클(%)	속도(분당 인치("ipm"))	보조 가스
0.015"	스크라이빙	285	3500	20	420	30psi N₂
0.015"	커팅	285	2000	40	40	30psi N₂
0.015"	드릴링	285	2000	40	<10	30psi N₂
0.040"	스크라이빙	285	2500	25	360	30psi N₂
0.040"	스크라이빙	285	500	30	30	30psi N₂
0.040"	드릴링	285	2000	30	<10	30psi N₂

이 예시에서, 0.015" 두께의 사파이어 샘플을 285W의 레이저 빔으로 스크라이빙한 것은 샘플의 두께의 약 30%를 약 420ipm으로 제거했다. 0.015" 두께의 사파이어 샘플을 커팅한 것 역시 285W 출력과 약 40ipm의 속도에서 효과적이었다. 사파이어 샘플에 원형의 구멍을 드릴링한 것은 비교적 낮은 속도에서 성공적이었다. 동일한 처리 동작은 0.040" 두께의 웨이퍼에서 성공적으로 수행되었다.

이들 예시는 사파이어 기판이 약 1060 내지 1070nm의 범위의 파장에서 QCW SM 광섬유 레이저에 의해 효과적으로 처리될 수 있음을 보여준다. 상대적으로 작은 스팟을 가지는 싱글 모드 빔은 물질을 분해할 수 있는 높은 출력 밀도를 제공한다. 보다 좋은 처리가 낮은 듀티 사이클, 예컨대 낮은 평균 출력에서 가능한 것으로 보인다. 피크 출력과 평균 출력은 물질의 두께가 증가할수록 높아질 필요가 있을 수 있지만, 낮은 듀티 사이클이 피크 출력보다 더 키가 되는 요인인 것으로 보인다.

추가 예시에서, 고품질 커팅은 900W, 500Hz 및 3% 듀티 사이클(예컨대 평균 출력 27W)에서 20인치/분의 속도로 달성될 수 있다. 이 예시에서, 커팅 속도는 펄스 주파수를 1000Hz로 증가시킴으로써 40인치/분으로 두 배가 될 수 있다. 커팅의 품질은 레이저 출력을 높임에 따라 악화될 수 있다. 또한, 품질은 고속도 처리로 이어지는 보다 짧은 펄스 폭(예컨대 50 내지 100 마이크로초)에서 향상될 수 있다. 보다 긴 펄스 또한 고품질 커팅을 제공하나, 듀티 사이클의 증가는 보다 긴 처리 완료 시간을 불러온다.

또 다른 예시에서, 약 0.4mm와 0.7mm 사이의 두께를 가진 사파이어 기판이 다음 처리와 레이저 파라미터를 사용하여 처리되었다: 이테르븀(Yb) 싱글 모드 레이저; 1070nm 파장; 14μm 광섬유 코어 직경; 60mm 시준 거리; 123mm 초점거리; 28.7μm 스팟 크기; 250psi의 아르곤 또는 질소 보조 가스; 1.5mm 노즐 오리피스. 다음 표 2는 상기 파라미터와 상이한 피크 출력, 주파수, 듀티 사이클, 펄스 폭 및 커팅 속도를 사용하여 처리한 결과를 보여준다.

#	물질	피크 출력(W)	주파수(Hz)	듀티 사이클(%)	펄스 폭(ms)	커팅 속도(인치/분)	비고
1	0.4mm 폴리시됨	400	160	2.75	0.171	12	매우 고운 가루 찌꺼기. 찌꺼기는 닦는 것만으로 쉽게 벗겨짐. 약간의 조각 및 금. 임의의 위치에 30마이크론 미만.
2	0.7mm 폴리시되지 않음	900	400	3.5	0.0875	16 내지 20	매우 고운 가루 찌꺼기. 찌꺼기는 닦는 것만으로 쉽게 벗겨짐. 금은 없으나 약간의 조각. 임의의 위치에 40마이크론 미만.
3	0.7mm 폴리시되지 않음	750	300	3.5	0.116	12	매우 고운 가루 찌꺼기. 찌꺼기는 닦는 것만으로 쉽게 벗겨짐. 금은 없으나 약간의 조각. 임의의 위치에 40마이크론 미만. 사용된 광학체는 200 초점/120mm 콜리메이터.

상술한 내용에 기반하여, 1060 내지 1070nm 범위의 파장을 가지는 QCW SM 레이저는 최소한의 금과 조각으로 사파이어 기판을 커팅하는데 성공적으로 사용될 수 있다. 상술한 예시에서, 0.7mm 두께의 기판은 보다 좋은 커팅 품질을 가진다. 0.4mm 두께의 기판은 커팅 모서리를 따라 조각을 보인다; 하지만, 조각은 일반적으로 40마이크론보다 작고, 통상의 기술자에게 고품질의 커팅으로 간주될 것이다. 본 명세서에 개시되는 레이저 처리 방법은 또한 고주파수에서 큰 조각이 발생하는 등 고주파수에 민감한 것으로 보인다. 커팅의 품질 또한 낮은 듀티 사이클이 커핑 품질을 향상시키는 등 듀티 사이클의 길이에 의존한다. 최대 10%의 듀티 사이클과 1600W 이상의 피크 출력은 아무런 가시적인 장점을 제공하지 않으나, 1%보다 낮은 듀티 사이클은 커팅의 품질을 악화시킬 수 있다. 200과 300psi 사이 범위의 가스 압력 역시 이들 예시에서 처리의 효율을 향상시켰다. 빔 스팟 크기는 일반적으로 약 14와 30마이크론 사이이고, 14마이크론보다 낮은 스팟 크기의 사용은 일반적으로 처리의 품질과 효율에 실질적으로 영향을 주지 않는다.

추가 예시에서, 2.7mm 두께의 사파이어 기판은 50마이크론 광섬유와 다음 파라미터의 멀티모드 QCW 레이저를 사용하여 성공적으로 커팅되었다: 15kW 피크 출력; 450W 평균 출력; 0.6ms 펄스 폭; 100마이크론 스팟 크기; 50Hz 반복률; 3% 듀티 사이클; 10ibm 속도; 100psi의 아르곤 가스; 1.5mm 노즐 직경; 및 1mm 이격 거리. 아르곤 또는 헬륨을 보조 가스로서 사용하는 것은 커팅 효율을 향상시키는 것이 발견됐고, 사파이어에서 발견되는 극미량의 Ti 때문일 가능성이 있다.

도 3을 참조하면, 복수-빔 레이저 처리 시스템(200)은 사파이어를 처리하기 위해 사용될 수 있다. 복수-빔 레이저 처리는 사파이어 기판 또는 워크피스(202) 상에 상이한 특징(예컨대, 파장 및/또는 펄스 길이)을 가지는 보조 레이저 빔(211) 및 처리 레이저 빔(221) 양자를 사용하여 수행될 수 있다. 보조 레이저 빔(211)은 워크피스(202) 상 또는 내의 타겟 위치(208)로 향하여 흡수 중심이 사파이어에 형성되도록 사파이어의 속성을 수정(손상을 입히거나 온도를 높임)한다. 처리 레이저 빔(221)은 타겟 위치(208)로 향하여 사파이어에 형성된 흡수 중심과 연결되어 사파이어의 처리를 완료한다. 보조 레이저 빔(211) 및 처리 레이저 빔(221) 개별적으로는 사파이어 워크피스를 완전히 처리할 수 없으나 함께(동시에 또는 순차적으로) 처리를 가능하게 하는 시너지를 제공한다.

복수-빔 레이저 처리 시스템(200)의 도시된 실시예는 보조 레이저 빔(211)(예컨대, 약 532nm의 녹색 레이저)를 생성하는 보조 레이저(210)와 처리 레이저 빔(221)(예컨대, 약 1060 내지 1070nm의 QCW SM 광섬유 레이저)를 생성하는 처리 레이저(220)를 포함한다. 보조 및 처리 레이저(210, 220)는 빔을 결합하기 전에 보조 및 처리 레이저 빔(211, 221)을 각각 수정하기 위하여 각각 빔 전달 시스템(212, 222)에 광학적으로 연결된다. 복수-빔 레이저 처리 시스템(200)은 빔 컴바이너(230), 초점 렌즈(240), 레이저 처리 헤드(260) 및 보조 및 처리 레이저 빔(211, 221)을 결합된 레이저 빔(231)로서 워크피스(202) 상 또는 내의 동일한 타겟 위치(208)로 향하게 하는 하나 이상의 리플렉터 또는 거울(252, 254, 256)을 더 포함한다.

도시된 실시예가 보조 및 처리 레이저 빔(211, 221)이 동시에 결합되는 것으로 도시하고 있지만, 빔들(211, 221)은 빔들이 서로 다른 때에 동일한 타겟 위치(208)에 향하도록 결합될 수 있다. 레이저 빔(211, 221)이 동시에 향하도록 하는 것은 레이저 빔들(211, 221)의 버스트 또는 펄스 간의 임의의 양의 오버랩을 포함할 수 있고 반드시 레이저 빔들이 동일한 버스트 또는 펄스 길이를 가질 것을 요구하는 것은 아니다. 보조 레이저 빔(211)은 처리 레이저 빔(221) 전 또는 동안에 시작할 수 있다. 레이저 빔들(211, 221)은 또한 워크피스(202)에 서로 다른 때, 예컨대 처리 레이저 빔(221) 전에 보조 레이저 빔(211)이 향할 수 있다.

도시된 실시예에서, 보조 레이저(210)는 IPG 포토닉스 코퍼레이션으로부터 사용가능한 GLP 시리즈 펄스형 녹색 광섬유 레이저와 같은 희토류-도핑된 광섬유 레이저일 수 있다. 다른 실시예에서, 보조 레이저(210)는 DPSS(diode pumped solid state) 레이저, 엑시머 레이저, 가스 레이저 및 통상의 기술자에게 알려진 다른 타입의 레이저를 포함할 수 있다. 처리 레이저(220)는 역시 IPG 포토닉스 코퍼레이션으로부터 사용가능한 QCW 시리즈 싱글모드 이테르븀 광섬유 레이저와 같은 희토류-도핑된 광섬유 레이저일 수 있다.

보조 레이저 빔 전달 시스템(212)는 보조 레이저 빔(211)의 빔 확장과 발산 제어를 제공하기 위해 다양한 텔레스코프를 포함할 수 있다. 특히, 보조 레이저 빔(211)의 발산은 최적화된 개구수(NA)를 가져 레이저 빔들(211, 221)이 결합된 후 처리 레이저 빔(221)과 실질적으로 동일한 초점 평면을 생성하도록 제어될 수 있다. 처리 레이저 빔 전달 시스템(222)은 예컨대, 100mm의 초점 거리로 렌즈를 시준하는 콜리메이터를 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 빔 전달 시스템(212, 222)는 또한 레이저 광을 소정의 위치로 수정 및 또는 향하게 하는 다른 광학체를 포함할 수 있다. 그러한 광학체는 빔 익스팬더, 빔 콜리메이터, 빔 성형 렌즈, 리플렉터, 마스크, 빔스플리터 및 스캐너(예컨대 검류계)를 포함할 수 있지만 이에 제한되지는 않는다.

도시된 실시예에서, 빔 컴바이너(230)는 보조 및 처리 레이저 빔(211, 221)의 파장을 각각 선택적으로 반사하여 빔들(211, 221)이 동일한 광축을 따라 향하도록 하기 위한 리플렉터 또는 거울(232, 234)를 포함한다. 제1 거울(232)는 코팅되어 처리 레이저 빔(221)의 파장을 반사하고, 제2 거울(234)는 한 면에 코팅되어 처리 레이저 빔(221)의 파장을 반사하고 다른 면은 코팅되지 않아 보조 레이저 빔(211)의 적어도 일부가 통과하도록 한다. 그러므로, 제2 거울(234)은 두 빔들(211, 221)을 통합한다. 녹색 보조 레이저 빔(211)과 IR 처리 레이저 빔(221)의 일실시예에서, 예컨대, 제1 거울(232)는 IR 코팅되고 제2 거울(234)는 한 면에 IR 코팅되고 다른 면은 코팅되지 않을 수 있다. 제2 거울(234)의 코팅되지 않은 면은 여전히 보조 레이저 빔(211)의 일부를 빔 덤프(250)로 반사할 수 있다. 빔 컴바이너(230)의 다른 실시예 또한 본 명세서의 범위에 들어간다.

거울들(252, 254, 256)은 레이저 빔들(211, 221)의 소정의 파장을 반사하도록 코팅될 수 있다. 녹색 보조 레이저 빔(211)과 IR 처리 레이저 빔(221)의 일실시예에서, 예컨대, 녹색 레이저 빔을 반사하는 거울들(252, 254)은 녹색 보조 레이저 빔(211)을 반사할 수 있는 532nm 또는 녹색 코팅된 거울이고, 거울(256)은 녹색 보조 레이저 빔(211)과 IR 처리 빔(221) 양자를 반사할 수 있는 이중 IR-녹색 코팅된 거울일 수 있다. 일실시예에서, 복수-빔 레이저 처리 시스템(200)의 전파는 보조 레이저 빔(211)에 대해 40% 및 처리 레이저 빔(221)에 대해 90%일 수 있다.

도시된 실시예가 거울을 사용한 자유 공간 전달을 도시하고 있지만, 다른 광학적 구성요소 역시 레이저의 전달 및/또는 결합을 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 광섬유가 레이저 빔을 레이저 처리 헤드(260)에 전달하기 위하여 사용될 수 있다. 이 실시예에서, 레이저는 워크피스(202) 상 또는 내의 동일한 위치(208)에 레이저의 초점을 맞춤으로써 결합될 수 있다.

초점 렌즈(240)는 예컨대 88mm의 초점 거리와 IR로 코팅된 렌즈와 같은 싱글렛 초점 렌즈(singlet focusing lens)일 수 있다. 초점 렌즈(240)는 레이저 빔을 약 30 내지 40μm 범위의 직경 또는 길이의 빔 스팟에 초점 맞출 수 있다. 다른 실시예에서, 빔 전달 시스템과 초점 렌즈(24)는 레이저들(211, 221)을 훨씬 작은 빔 스팟, 예컨대 15μm만큼 작거나 더 작은 빔 스팟에 초점 맞출 수 있다.

도시된 실시예에서, 레이저 처리 헤드(260)는 가압된 기체 매체를 레이저 빔과 함께 워크피스(202)로 향하게 하여 레이저 처리를 가능하게 하는, 예컨대 열적 커팅 처리를 사용할 때 가스가 녹은 물질을 배출하도록 돕는, 가스 보조 노즐(262)을 포함한다. 기체 매체는 예컨대 산소(O₂)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 가스 매체는 질소, 아르곤 또는 헬륨과 같은 불활성 가스일 수 있다.

도시된 실시예가 보조 레이저 빔(211) 및 처리 레이저 빔(221)을 생성하는 복수의 레이저(210, 220)을 도시하고 있지만, 복수 레이저 빔 처리 방법은 또한 보조 레이저 빔(211) 및 처리 레이저 빔(221) 양자를 생산하는 동일한 레이저원을 사용하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 보조 레이저 빔은 하나의 세트의 파라미터(예컨대, 짧은 파장 및/또는 펄스 길이)로 레이저원으로부터 생성되고 처리 레이저 빔은 동일한 레이저원으로부터 다른 세트의 파라미터(예컨대, 긴 파장 및/또는 펄스 길이)로 생성될 수 있다. 레이저원으로부터 생성된 단일 레이저 빔은 또한 다른 빔 전달 시스템으로 나누어지고 수정되어 별개의 특성을 갖는 보조 레이저 빔과 처리 레이저 빔을 생산할 수 있다.

따라서, 본 명세서에 서술된 바와 같이 레이저 처리 시스템 및 방법은 약 1060 내지 1070nm 범위의 파장에서 QCW SM 레이저를 사용하여 감소된 커팅 모서리 결점, 감소된 열적 손상 및 증가된 속도로 효율적으로 사파이어를 처리할 수 있다.

발명의 원리가 본 명세서에 서술되었으나, 이 분야의 통상의 기술자는 본 설명이 예시의 방법으로만 된 것이며 발명의 범위를 제한하는 것이 아님을 이해할 것이다. 다른 실시예는 본 발명의 범위 내에서 본 명세서에 도시되고 서술된 예시적인 실시예에 추가적으로 고려될 것이다. 통상의 기술자에 의한 수정 및 대체는 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주될 것이며, 다음 청구범위를 제외하고 제한되지 않는다.

Claims

주기적으로 출력원을 스위치 온하여 연속파 레이저를 고동치게(pulse) 함으로써 레이저를 유사 연속파("QCW") 모드로 구동하여 레이저 광의 연속적인 펄스를 약 1060nm와 약 1070nm 사이의 범위의 파장에서 발광하도록 하는 단계;
레이저 광의 펄스를 사파이어 기판에 초점 맞추는 단계; 및
레이저 광의 펄스로 사파이어 기판을 레이저 처리하는 단계를 포함하는 사파이어 기판을 레이저 처리하는 방법.
청구항 1에 있어서,
사파이어 기판의 부근에 불활성 가스를 공급하는 단계를 더 포함하는 사파이어 기판을 레이저 처리하는 방법.
청구항 2에 있어서,
불활성 가스는 아르곤 및 헬륨으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 사파이어 기판을 레이저 처리하는 방법.
청구항 1에 있어서,
사파이어 기판의 레이저 처리는 커팅, 스크라이빙 및 드릴링으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 사파이어 기판을 레이저 처리하는 방법.
청구항 1에 있어서,
레이저 처리는 약 10과 40분당 인치 사이의 속도로 커팅하는 것을 포함하고, 사파이어 기판은 약 0.1과 약 1mm 사이의 두께를 가지는 사파이어 기판을 레이저 처리하는 방법.
청구항 1에 있어서,
레이저는 이테르븀 광섬유 레이저인 사파이어 기판을 레이저 처리하는 방법.
청구항 1에 있어서,
레이저는 약 1%와 약 10% 사이의 범위의 듀티 사이클로 구동되는 사파이어 기판을 레이저 처리하는 방법.
청구항 1에 있어서,
레이저는 약 50마이크로초와 약 600마이크로초 사이의 범위의 펄스 폭으로 구동되는 사파이어 기판을 레이저 처리하는 방법.
청구항 1에 있어서,
보조 레이저 광을 사파이어 기판에 초점 맞추는 단계를 더 포함하고,
보조 레이저 광은 사파이어의 속성을 수정하여 흡수 중심을 형성하고, 레이저로부터의 레이저 광의 펄스는 흡수 중심에 연결되어 레이저 처리를 가능하게 하는 사파이어 기판을 레이저 처리하는 방법.
청구항 9에 있어서,
보조 레이저 광은 약 532nm의 파장으로 보조 레이저 광을 발광하도록 구성된 녹색 광섬유 레이저로부터 생성되는 사파이어 기판을 레이저 처리하는 방법.
청구항 10에 있어서,
녹색 광섬유 레이저는 보조 레이저 광을 1ns의 펄스 길이로 발광하도록 구성되는 사파이어 기판을 레이저 처리하는 방법.
청구항 9에 있어서,
보조 레이저 광은 레이저로부터의 레이저 광의 펄스와 동시에 사파이어 기판을 향하는 사파이어 기판을 레이저 처리하는 방법.
유사 연속파("QCW") 모드로 구동되어 레이저 광의 연속적인 펄스를 약 1060nm와 약 1070nm 사이의 범위의 파장에서 발광하도록 구성된 광섬유 레이저;
광섬유 레이저에 주기적으로 출력을 스위치하여 광섬유 레이저가 QCW 모드에서 약 1%와 약10% 사이의 범위의 듀티 사이클로 고동치게(pulse) 하기 위해 광섬유 레이저에 연결된 제어기;
사파이어 기판을 처리하도록 레이저 광을 사파이어 기판에 초점 맞추도록 구성된 초점 렌즈;
초점 맞은 레이저 광을 사파이어 기판에 향하도록 구성되고 불활성 가스를 레이저 광과 함께 사파이어 기판으로 전달하기 위한 노즐을 포함하는 레이저 헤드; 및
불활성 가스를 레이저 헤드로 전달하도록 구성된 가스 전달 시스템을 포함하는 사파이어 기판을 레이저 처리하기 위한 레이저 처리 시스템.
청구항 13에 있어서,
광섬유 레이저는 싱글 모드(SM) 광섬유 레이저를 포함하는 사파이어 기판을 레이저 처리하기 위한 레이저 처리 시스템.
청구항 13에 있어서,
광섬유 레이저는 이테르븀 광섬유 레이저를 포함하는 사파이어 기판을 레이저 처리하기 위한 레이저 처리 시스템.
청구항 14에 있어서,
제어기는 주기적으로 출력을 스위치하여 SM 광섬유 레이저가 각각이 약 50마이크로초와 약 600마이크로초 사이의 범위의 펄스 폭을 가지는 펄스를 발광하도록 구성되는 사파이어 기판을 레이저 처리하기 위한 레이저 처리 시스템.
청구항 13에 있어서,
불활성 가스는 아르곤 및 헬륨으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 사파이어 기판을 레이저 처리하기 위한 레이저 처리 시스템.
보조 레이저 빔이 사파이어 기판의 속성을 수정하기 위해 사파이어 기판이 충분히 보조 레이저 빔을 흡수하도록 파장과 펄스 길이를 가지는 보조 레이저 빔을 생성하기 위한 보조 레이저;
약 1060nm과 약 1070nm 사이의 파장을 가지는 처리 레이저 빔을 생성하기 위한 유사 연속파(QCW) 광섬유 레이저; 및
보조 레이저 빔 및 처리 레이저 빔을 워크피스 상의 타겟 위치에 향하게 하여, 보조 레이저 빔이 타겟 위치에서 사파이어 기판의 속성을 수정하여 흡수 중심을 형성하고 처리 레이저 빔이 타겟 위치에서 사파이어 기판에 형성된 흡수 중심에 연결되어 타겟 위치에서 사파이어 기판의 처리를 완료하게 하기 위한 빔 컴바이너을 포함하고,
보조 레이저 빔의 파장은 처리 레이저 빔의 파장보다 작은 사파이어 기판을 처리하기 위한 복수-빔 레이저 처리 시스템.
청구항 17에 있어서,
보조 레이저 빔 및 처리 레이저 빔을 타겟 위치에 초점 맞추는 초점 렌즈를 더 포함하는 사파이어 기판을 처리하기 위한 복수-빔 레이저 처리 시스템.
청구항 17에 있어서,
보조 레이저는 약 532nm의 파장을 가지는 녹색 보조 레이저 빔을 생성하기 위한 녹색 광섬유 레이저인 사파이어 기판을 처리하기 위한 복수-빔 레이저 처리 시스템.
청구항 17에 있어서,
QCW 광섬유 레이저는 QCW 싱글-모드 이테르븀 광섬유 레이저인 사파이어 기판을 처리하기 위한 복수-빔 레이저 처리 시스템.
청구항 17에 있어서,
보조 레이저 빔 및 처리 레이저 빔이 동일한 초점 평면을 가지도록 보조 레이저 빔의 발산을 제어하기 위한 보조 레이저 빔 전달 시스템을 더 포함하는 사파이어 기판을 처리하기 위한 복수-빔 레이저 처리 시스템.