KR20230112153A - 고에너지 유리 절단 - Google Patents

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KR20230112153A
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laser
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laser pulses
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말테 쿠마르
팀 헤쎄
요나스 클라이너
다니엘 플람
미리암 카이저
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트룸프 레이저-운트 시스템테크닉 게엠베하
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Abstract

본 발명은 적어도 부분적으로 투명한 재료(1)를 분리하는 방법에 관한 것이며, 개별 레이저 펄스 형태 및/또는 다수의 서브 레이저 펄스를 포함하는 펄스 열 형태의 초단 레이저 펄스는, 빔 전파 방향으로 세장형인 결과적인 변형 구역(602)이 재료(1)에 들어가서 재료의 적어도 하나의 표면(14)을 관통하도록, 재료(1)에 집속되고, 따라서 재료 변형(3)들이 재료(1) 내로 도입되고, 다수의 재료 변형(3)들이 분할선(2)을 따라 재료(1) 내로 도입되고, 그 후 재료(1)는 분리 단계에 의해 분할선(2)을 따라 분리된다. 개별 레이저 펄스의 펄스 에너지 양 또는 서브 레이저 펄스들의 펄스 에너지 양들의 합은 500μJ 내지 50mJ 범위에 있다.

Description

고에너지 유리 절단
본 발명은 적어도 부분적으로 투명한 재료를 분리하는 방법에 관한 것이다.
최근에는 매우 짧은 펄스 길이, 특히 1 나노초 미만의 펄스 길이와 특히 킬로와트 범위의 높은 평균 출력을 가진 레이저의 개발로 인해 새로운 유형의 재료 가공이 이루어졌다. 짧은 펄스 길이와 높은 펄스 피크 전력 또는 몇 100μJ의 높은 펄스 에너지는 재료에서 펄스 에너지의 비선형 흡수로 이어질 수 있으므로, 사용되는 레이저 광 파장에 대해 실제로 투명하거나 실질적으로 투명한 재료가 가공될 수 있다.
US10421683은 재료 내로 레이저 펄스를 도입하는 것을 기반으로 하는 분리 방법을 설명한다. 선행 기술에 따른 방법의 문제점은 특히 재료 두께가 1 mm보다 큰 두꺼운 재료, 특히 유리 또는 층 시스템의 경우 우수한 분리 가능성을 달성하기 어렵거나 불가능하다는 것이다. 우수한 분리성은 일반적으로 재료가 미리 정해진 분할선을 따라 안정적으로 분리될 수 있음을 의미하는 것으로 이해된다.
알려진 선행 기술을 전제로, 본 발명의 과제는 방법을 개선하는 것이다.
상기 과제는 청구항 제 1 항의 특징들을 갖는 적어도 부분적으로 투명한 재료를 분리하는 방법에 의해 해결된다. 바람직한 개선예들은 종속 청구항들, 상세한 설명 및 도면들에 나타난다.
따라서, 적어도 부분적으로 투명한 재료를 분리하는 방법이 제안되며, 여기서 개별 레이저 펄스 형태 및/또는 다수의 서브 레이저 펄스를 포함하는 펄스열 형태의 초단 레이저 펄스는, 빔 전파 방향으로 인 결과적인 변형 구역이 재료에 들어가서 재료의 적어도 하나의 표면을 관통하도록, 재료에 집속되고, 따라서 재료 변형들이 재료 내로 도입되고, 다수의 재료 변형들이 분할선을 따라 재료 내로 도입되며 이후 재료는 분리 단계에 의해 분할선을 따라 분리된다. 본 발명에 따르면, 개별 레이저 펄스의 펄스 에너지 양 또는 서브 레이저 펄스들의 펄스 에너지 양들의 합은 500μJ 내지 50mJ 범위에 있다.
재료는 금속, 반도체, 절연체 또는 이들의 조합일 수 있다. 특히, 유리, 유리 세라믹, 폴리머 또는 반도체 웨이퍼, 예를 들어 실리콘 웨이퍼일 수도 있다. 재료는 또한 유리 기판 및/또는 적층된 기판 시스템 및/또는 실리콘 웨이퍼일 수 있다. 재료의 두께(LM)는 바람직하게는 1mm보다 크다.
이 경우 재료는 레이저 파장에 대해 부분적으로 투명하며, 여기서 부분적으로 투명하다는 것은 일반적으로 이 파장의 입사광의 50% 이상이 재료를 통해 투과된다는 것을 의미한다.
초단 펄스 레이저는 초단 레이저 펄스를 제공한다. 이와 관련하여 초단파는 펄스 길이가 예를 들어 500 피코초 내지 1 펨토초, 특히 100 피코초 내지 10 펨토초임을 의미할 수 있다. 초단 펄스 레이저는 또한 초단 레이저 펄스로 구성된 펄스 열(소위 버스트)을 제공할 수 있으며, 각각의 펄스 열은 다수의 서브 레이저 펄스의 방출을 포함한다. 서브 레이저 펄스들 사이의 시간 간격은 이 경우 10 피코초 내지 500 나노초, 특히 10 나노초 내지 80 나노초일 수 있다. 50 펨토초 내지 5 피코초의 범위 내에서 진폭의 상당한 변화를 나타내는 시간 형태의 펄스도 초단 레이저 펄스로 고려된다. 펄스 또는 레이저 펄스라는 용어는 다음 텍스트에서 반복적으로 사용된다. 이 경우, 각각 명시적으로 언급되지 않더라도 시간 형태의 레이저 펄스도 포함된다. 따라서, 초단 펄스 레이저에 의해 방출되는 초단 레이저 펄스들은 레이저 빔을 형성한다.
레이저 빔은 빔 전파 방향으로 초점 구역을 갖는 방식으로 재료에 집속된다. 이는 빔 전파 방향에서 레이저 빔의 초점 구역이 빔 전파 방향에 수직인 레이저 빔의 연장보다 더 크다는 것을 의미할 수 있다. 초점 구역의 연장에 대한 일반적인 정의는 아래에 주어진다.
한편, 세장형 변형 구역은 강도가 재료의 가공 임계값을 초과하는 레이저 빔의 영역을 나타내므로, 레이저의 변형 구역 내에서 재료가 가공될 수 있다. 레이저 변형 구역 및 초점 구역의 기하학적 형상은 레이저 강도의 스케일링에 의해 서로 관련된다.
세장형 변형 구역은 적어도 하나의 표면을 관통할 수 있다. 이것은 재료의 표면이 세장형 변형 구역과 교차한다는 것을 의미할 수 있다. 특히, 그 결과, 레이저 빔의 강도는 세장형 변형 구역이 관통하지 않는 표면보다 이 표면에서 더 크다. 특히 이것은 레이저 빔이 펄스 에너지를 재료의 부피로 방출하는 것을 가능하게 한다.
세장형 변형 구역은 하나 이상의 표면을 관통할 수도 있다. 특히, 2개의 반대 표면들이 세장형 변형 구역에 의해 관통될 수 있어서, 레이저에 의해 2개의 표면 사이에 준균일 강도 분포가 주어진다.
레이저 펄스 또는 레이저 펄스들은 재료에 의해 적어도 부분적으로 흡수되어 재료가 국부적으로 가열되거나 일시적인 플라즈마 상태로 바뀐다. 흡수는 선형 또는 비선형 흡수를 기반으로 할 수 있다. 가공된 영역의 크기는 빔 형상, 특히 레이저 빔의 변형 구역과 빔 단면에 의해 결정된다. 특히, 재료 변형은 빔 전파 방향으로 세장형인 변형 구역에 의해 생성될 수 있으며, 이러한 재료 변형은 예를 들어 재료의 전체 두께에 걸쳐 연장될 수 있다.
전체 재료 두께에 걸친 이러한 재료 변형은 예를 들어 단일 펄스 또는 서브 레이저 펄스의 단일 레이저 펄스 열로 직접 생성될 수 있다. 따라서 재료 변형들은 레이저의 국부적 영향에 의해 재료 내로 도입된다.
재료 변형은 일반적으로 재료의 구조, 특히 결정 구조 및/또는 비정질 구조 및/또는 기계적 구조의 변형일 수 있다. 예를 들어, 비정질 재료의 도입된 재료 변형은 재료가 국부적 가열에 의해 이 영역에서만 변화된 네트워크 구조를 얻는 것이다. 예를 들어, 네트워크 구조의 결합 각도와 길이가 변형에 의해 변화될 수 있다. 재료 변형은 특히 선택한 재료에 따라 달라질 수 있는, 재료 없는 영역들도 포함할 수 있는 국부적 밀도 변화일 수 있다.
특정 재료 특성과, 펄스 에너지, 펄스 지속 시간 및 반복률과 같은 레이저의 특정 설정에 따라, 다른 유형의 재료 변형도 발생할 수 있다. 예를 들어, 제 1 설정에서 레이저는 재료의 등방성 굴절률 변화를 초래하는 레이저 빔을 제공할 수 있다. 그러나 추가 설정을 통해 레이저는 재료의 굴절률에서 복굴절 변화를 유도하는 레이저 빔을 제공하여 재료가 국부적으로 복굴절 특성을 갖도록 할 수 있다.
특히, 높은 펄스 에너지에서 이른바 미세 폭발이 발생할 수 있고, 이 미세 폭발에서 매우 들뜬(highly excited) 기체 물질이 초점 구역으로부터 주변 재료로 밀려나고 덜 밀집된 영역이나 주변 압축 물질을 갖는 빈 코어가 생성된다. 가열된 영역의 크기는 빔 형상, 특히 레이저 빔의 변형 구역과 빔 단면에 의해 결정된다.
재료 변형과는 달리, 재료 변형 영역은 예를 들어 인장 응력 및 압축 응력을 사용하여 레이저 펄스의 영향을 측정할 수 있는 전체 영역을 포함한다. 특히, 이것은 재료가 공간적으로 볼 때 재료 변형으로부터 재료의 미처리 영역의 초기 상태로 다시 바뀌는 영역이다.
로컬 펄스 효과의 결과로 발생하는 온도 구배에 의해, 가열 및/또는 냉각 및 재료 변형의 형성 중에 재료 변형 영역에서 응력이 발생할 수 있으며, 이 응력은 균열 형성을 촉진한다. 특히, 예를 들어 방사상으로 또는 직교 방사상으로 연장하는 인장 및 압축 응력이 재료 변형 영역에서 발생할 수 있다. 따라서 재료 변형은 표시된 균열 형성, 즉 의도된 재료 손상을 수반하는 것이 바람직하다.
선택된 펄스 에너지에 따라 재료 변형은 재료 표면에서 재료 방출물을 생성할 수 있다. 재료 방출물은 이 경우 재료 변형의 품질과 재료의 분리 가능성에 대한 척도이다.
재료 방출물은 재료 변형을 생성하기 위해 레이저 펄스가 도입되는 위치 주변에서 발생하는, 재료 표면에서의 재료 축적물이다. 특히 "표면"은 빔 전파 방향에 대해 재료의 상부면 또는 하부면이 될 수 있음을 의미한다. 재료 방출물은 레이저 펄스가 도입될 때 재료의 부피로부터 나오는 재료 가열의 결과이다. 그러나 부피의 일부는 증발 등을 통해 손실될 수 있으므로, 재료에서 변위된 재료 부피와 재료 방출 동안 재료 변형 주위에 침착된 재료 부피가 정확히 일치할 필요는 없다.
재료 변형들은 원하는 분할선을 따라 재료 내로 도입됩니다. 분할선은 재료 또는 재료 일부가 분리되거나 분리되어야 하는 선을 나타낸다.
분할선을 따라 재료 내로 도입된 재료 변형들로 인해 재료는 흡사 천공되어 분할선에 의해 재료에 일종의 설정 파단점이 정의된다. 그러나 이러한 천공은 일반적으로 재료의 독립적인 분리로 이어지지 않는다. 오히려, 분할선을 따른 재료 변형들은 예를 들어 재료 약화를 보장하므로, 예를 들어 열 응력을 가함으로써 및/또는 기계적 응력, 바람직하게는 인장 또는 굽힘 응력을 가함으로써 및/또는 적어도 하나의 습식 화학 용액을 사용하여 에칭함으로써 후속 분리 단계가 적용될 때, 분할선을 따라 분리된다.
개별 레이저 펄스의 펄스 에너지 양 또는 서브 레이저 펄스들의 펄스 에너지 양들의 합은 500μJ ~ 50mJ 범위에 있다. 이것은 특히 두꺼운 재료, 예를 들어 재료 두께가 1mm 이상인 경우 우수한 분리 가능성을 보장한다.
분리 단계는 분할선을 따라 열 응력을 가하는 것 및/또는 기계적 응력을 가하는 것, 바람직하게는 인장 또는 굽힘 응력을 가하는 것 및/또는 적어도 하나의 습식 화학 용액을 사용하는 에칭을 포함할 수 있다.
열 응력은 예를 들어 분할선을 따라 재료를 가열함으로써 얻을 수 있다. 예를 들어, 분할선은 연속파 CO2 레이저를 사용하여 가열될 수 있으므로 재료 변형 영역 내의 재료는 처리되지 않은 또는 가열되지 않은 재료와 다르게 팽창한다. 결과적으로, 재료 변형에 의해 촉진되는 균열은 균열 성장되므로, 연속적인 분리면이 형성되어 재료의 부분들을 서로 분리할 수 있다.
인장 또는 굽힘 응력은 예를 들어 분할선에 의해 분리된 재료 부분들에 기계적 하중을 가함으로써 생성될 수 있다. 예를 들어, 분할선에 의해 분리된 재료 부분들로 재료 평면에서 반대의 힘들, 즉 분할선에서 멀어지는 방향을 가리키는 힘들이 각각의 힘 적용 지점에 작용하는 경우 인장 응력이 적용될 수 있다. 상기 힘들이 서로 평행하거나 역평행(antiparallel)하지 않으면 이것은 굽힘 응력의 생성에 기여할 수 있다. 인장 또는 굽힘 응력들이 분할선을 따라 재료의 결합력보다 크면, 재료는 분할선을 따라 분리된다.
재료는 또한 습식 화학 용액을 사용한 에칭에 의해 분리될 수 있으며, 에칭 공정은 바람직하게는 재료 변형, 즉 의도된 재료 약화에서 시작한다. 바람직하게는 재료 변형에 의해 약해진 재료 부분들이 에칭되기 때문에 분할선을 따라 재료가 분리된다.
이는 각각의 재료에 대해 이상적인 분리 방법이 선택될 수 있다는 장점을 가져 재료 분리 시 높은 품질의 분리 에지가 수반된다.
레이저 펄스는 0.3μm 내지 1.5μm의 파장을 가질 수 있고, 및/또는 개별 레이저 펄스 및/또는 서브 레이저 펄스의 펄스 길이는 0.01ps 내지 50ps, 바람직하게는 0.3ps 내지 15ps일 수 있고, 및/또는 레이저 출력부에서 평균 레이저 출력은 150W 내지 15kW일 수 있다.
이것은 방법이 큰 파라미터 범위에 걸쳐 각 재료에 대해 최적화될 수 있다는 장점을 갖는다. 특히 이것은 재료가 부분적으로 투명한, 재료에 사용 가능한 레이저 파장을 찾을 확률을 높인다.
레이저 펄스에 의해 형성된 레이저 빔과 재료는 대부분의 재료 변형을 분할선을 따라 재료 내로 도입하기 위해 피드(feed)로 서로 상대 이동 가능하며, 레이저 빔과 재료는 바람직하게는 서로 일정한 각으로 정렬될 수 있고, 특히 기울어질 수 있고 및/또는 회전 가능하다.
서로 상대 이동 가능하다는 것은 레이저 빔이 고정된 재료에 대해 병진 이동될 수 있고, 재료가 레이저 빔에 대해 이동될 수 있거나, 재료와 레이저 빔이 둘 다 이동될 수 있음을 의미한다.
특히 이것은 재료 변형들을 도입하기 위해 재료의 상이한 위치에 레이저 빔의 초점을 배치할 수 있게 한다. X, Y 및 Z 축을 따른 병진 운동 외에도 회전 운동, 특히 빔 전파 방향을 중심으로 한 재료의 회전도 가능하다. 이것은 모든 오일러(Euler) 각을 중심으로 하는 회전을 포함할 수 있다.
이렇게 하면 분할선을 따라 레이저 빔의 방향을 잡을 수 있다.
바람직한 실시예에서, 세장형 변형 구역은 빔 전파 방향에서 재료 두께(LM)보다 길며, 특히 1.5×LM보다 길거나 (2×200μm)+LM보다 길다.
세장형 변형 구역이 재료 두께보다 길기 때문에 재료 변형은 전체 재료 두께에 걸쳐 도입될 수 있다. 특히, 큰 초점 위치 공차도 달성될 수 있으므로, 특히 크기가 1제곱미터 이상인 대형 유리 기판의 경우, 재료 두께 변동 또는 재료 불균일성이 무시될 수 있다. 그러나 재료 변형을 도입하는데 필요한 펄스 에너지는 초점 구역의 길이에 따라 선형적으로 증가한다는 점에 유의해야 한다.
변형 구역에서 빔 전파 방향에 수직인 빔 단면의 최대 직경은 1 μm 내지 50 μm, 바람직하게는 2 μm 내지 4 μm일 수 있다.
이러한 방식으로, 특히 큰 측면 연장을 갖는 재료 변형들이 생성될 수 있으므로 재료의 분리 가능성이 향상된다.
레이저 펄스에 의해 형성되는 레이저 빔은 적어도 세장형 초점 구역에서 준 비회절(quasi non-diffracting) 빔 또는 적어도 2개의 준 비회절 빔의 코히렌트 중첩일 수 있다.
비회절 빔은 Helmholtz 방정식을 따르고
형상의 가로 및 세로 의존성에 대한 명확한 분리 가능성을
갖는다. 여기서 k=ω/c는 가로 및 세로 구성요소 k²=kz²+kt²를 갖는 파동 벡터이고, Ut(x,y)는 가로 좌표 x,y에만 의존하는 임의의 복소수 함수이다. U(x,y,z)에서 빔 전파 방향의 z-의존성은 순수한 위상 변조로 이어지므로 솔루션의 관련 강도 I는 전파 불변 또는 비회절이다:
이 접근 방식은 타원-원통 좌표계의 Mathieu 광선 또는 원형 원통 좌표계의 베셀(Bessel) 광선과 같이 서로 다른 좌표계에서 서로 다른 솔루션 클래스를 제공한다.
실험적으로, 많은 수의 비회절 빔들이 양호한 근사치, 즉 준 비회절 빔으로 구현될 수 있다. 이들은 이론적인 구성과는 달리, 유한한 성능으로만 이어진다. 이러한 준 비회절 빔의 전파 불변성의 길이 L도 유한하다.
레이저 빔 특성화 표준 ISO11146 1-3에 따라 빔 직경은 소위 2차 모멘트를 사용하여 결정된다. 여기서, 레이저 빔의 출력 또는 0차 모멘트는 다음과 같이 정의된다:
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1차 공간 모멘트는 강도 분포의 무게 중심을 나타내며 다음과 같이 정의된다:
,
.
위의 방정식을 기반으로 가로 강도 분포의 2차 공간 모멘트가 계산될 수 있다:
,
,
.
이러한 방식으로 완전히 정의된 레이저 빔의 2차 공간 모멘트를 통해 빔 직경, 또는 주축의 초점 구역 크기가 결정될 수 있다. 여기서 주축들은 가로 빔 프로파일의 최소 및 최대 연장의 방향들, 즉 항상 서로 직교하는 빔 전파 방향에 수직인 강도 분포이다. 레이저 빔의 초점 구역(d)은 다음과 같다:
with
.
특히, 값 dx 및 dy는 가로 초점 구역의 긴 주축과 짧은 주축을 초래한다.
따라서 가우시안 빔의 초점 구역은 빔의 2차 모멘트에 의해 정의된다. 특히, 이는 가로 초점 구역의 크기 dGF x,y 와 초점 구역의 세로 연장, 레일리(Rayleigh) 길이 zR을 초래한다. 레일리 길이 zR은 zR=π(dGF x,y)2/4λ에 의해 주어진다. 이것은 초점 구역의 면적이 2배 증가한 강도 최대값의 위치에서 시작하여 빔 전파 방향을 따른 거리를 나타낸다. 대칭 가우시안 빔의 경우 초점 구역에는 dGF 0 = dGF x = dGF y 가 적용된다.
또한, 로컬 강도 최대값의 가로 치수는 강도 최대값과 이로부터 결과하는 25%로의 강도 저하 사이의 최단 거리의 두 배로서, 준 비회절 빔 dND 0의 경우 가로 초점 직경으로서 정의된다.
준 비회절 빔의 초점 구역은 빔의 2차 모멘트에 의해 정의된다. 특히, 초점 구역은 가로 초점 구역의 크기 dND x,y 및 초점 구역의 세로 연장, 소위 특성 길이 L로부터 주어진다. 준 비회절 빔의 특성 길이 L은 빔 전파 방향을 따라 로컬 강도 최대값에서 시작하여, 50%로의 강도 저하에 의해 정의된다. 특히, 위에 제시된 것처럼 초점 구역의 크기는 총 레이저 출력에 대해 정규화되므로 빔에 의해 전달되는 최대 출력과는 무관하다.
준 비회절 빔은 dND x,y dGF x,y, 즉 유사한 가로 치수에 대해 특성 길이 L이 관련 가우시안 초점의 레일리 길이를 훨씬 초과하는 경우, 예를 들어 L>10zR 경우 존재한다.
준 비회절 빔의 부분 집합으로서 준 베셀 빔 또는 베셀 유사 빔(여기서는 베셀 빔이라고도 함)이 알려져 있다. 여기서, 광축 부근의 가로 필드 분포 Ut(x,y)는 제 1 종 n차 베셀 함수의 양호한 근사치를 따른다. 이 빔 클래스의 추가 부분 집합은 간단한 생성으로 인해 널리 보급되어 있는 베셀-가우스 빔이다. 따라서 시준된 가우시안 빔을 사용한 굴절, 회절 또는 반사 디자인의 액시콘의 조명은 베셀-가우시안 빔의 형성을 허용한다. 광축 부근의 관련 가로 필드 분포는 가우시안 분포로 둘러싸인 제 1 종 0차 베셀 함수의 양호한 근사치를 따른다.
따라서, 큰 초점 위치 공차가 달성될 수 있기 때문에, 재료를 가공하기 위해 준 비회절 빔, 특히 베셀 빔을 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
재료를 가공하기 위한 일반적인 베셀-가우시안 빔은 예를 들어 dND x,y=2,5 μm 크기의 가로 초점 구역을 갖는 한편, 특성 길이는 50μm일 수 있다. 그러나 dGF x,y=2.5 μm 크기의 가로 초점 구역을 갖는 가우시안 빔의 경우 공기 중 레일리 길이는 λ=1μm에서 zR 5μm에 불과하다. 따라서 재료 가공과 관련된 이러한 경우 L>>10zR이 적용될 수 있다.
준 비회절 방사선의 코히렌트 중첩은 특히 적어도 2개의 준 비회절 빔의 중첩에 의해 발생한다. 이를 통해 추가 빔 프로파일과 재료 변형의 형상을 생성하는 것이 가능하다.
레이저 빔은 빔 전파 방향에 수직인 비방사상 대칭 빔 단면을 가질 수 있고, 빔 단면 또는 빔 단면의 엔빌로프는 바람직하게는 타원형이다.
이 경우 비방사상 대칭이란 예를 들어 가로 초점 구역이 한 방향으로 연장된다는 것을 의미한다. 그러나, 비방사상 대칭 초점 구역은 초점 구역이 예를 들어 십자형이거나 삼각형이거나 N각형, 예를 들어 오각형임을 의미할 수도 있다. 비방사상 대칭 초점 구역은 또한 추가 회전 대칭 및 거울 대칭 빔 단면을 포함할 수 있다.
예를 들어, 전파 방향에 수직인 타원형 초점 구역이 있을 수 있으며, 타원형은 장축 dx 및 단축 dy를 갖는다. 따라서 비율 dx/dy가 1보다 클 때, 특히 dx/dy=1.5일 때 타원형 초점 구역이 주어진다. 실제 빔의 타원형 초점 구역은 이상적인 수학적 타원에 해당할 수 있다. 그러나 준 비회절 빔의 실제 초점 구역은 위에서 언급한 긴 주축과 짧은 주축의 비율만 가질 수 있지만 다른 윤곽(예: 대략적인 수학적 타원, 아령 모양 또는 수학적으로 이상적인 타원이 되는 또 다른 대칭 또는 비대칭 윤곽)을 가질 수 있다.
특히, 타원형 준 비회절 빔은 준 비회절 빔을 통해 생성될 수 있다. 타원형 준 비회절 빔은 빔 강도 분석 결과로 나타나는 특수 특성을 갖는다. 예를 들어, 타원형 준 비회절 빔은 빔의 중심과 일치하는 메인 최대값을 갖는다. 빔의 중심은 주축들이 교차하는 위치에 의해 주어진다. 특히, 타원형의 준 비회절 빔은 다수의 강도 최대값들의 중첩으로부터 발생할 수 있으며, 이 경우 관련된 강도 최대값의 엔빌로프만이 타원형이다. 특히, 개별 강도 최대값은 타원형 강도 프로파일을 가질 필요가 없다.
Helmholtz 방정식의 해로부터 도출된, 메인 최대값에 가장 가까운 2차 최대값은 17% 이상의 상대 강도를 갖는다. 따라서 메인 최대값에서 전송된 레이저 에너지에 따라 2차 최대값에서도 재료 가공이 가능할 정도로 많은 레이저 에너지가 전도된다. 또한 가장 가까운 2차 최대값은 항상 긴 주축에 수직이거나 짧은 주축에 평행한 직선에 있고 메인 최대값을 통과한다.
특히, 빔 단면들의 윤곽들은 서로 다른 곡선 반경들을 가진 위치들을 갖는다. 예를 들어, 타원형 빔 단면의 경우, 작은 반축과 타원이 교차하는 지점에서 곡선 반경이 특히 크고, 큰 반축과 타원이 교차하는 지점에서 곡선 반경이 특히 작다. 예를 들어, 곡선 반경이 작은 지점(예: 피크 및 모서리)에서 재료 응력이 완화되어 유도된 균열 형성이 발생할 가능성이 있다. 재료 변형들 사이의 제어된 균열 전파를 통해 분할선을 따른 재료의 분리 가능성이 개선될 수 있다.
비방사상 대칭 빔 단면의 장축은 분할선을 따라 및/또는 피드 방향을 따라 빔 전파 방향에 수직으로 배향될 수 있다.
일반적으로 균열 형성은 비방사상 대칭 빔 단면의 우선 방향을 따라 발생한다. 예를 들어 균열 전파는 주로 빔 단면의 더 긴 연장의 방향으로 발생하며, 이는 상기 우선 방향에 있는 외부 윤곽 에지에서 빔 단면 윤곽의 더 작은 반경을 수반한다.
특히, 의도된 균열 안내는 비방사상 대칭 빔 단면 및/또는 재료의 회전에 의해 촉진될 수 있으므로, 회전에 의해 항상 분할선을 따른 비방사상 대칭 빔 단면의 우선 방향이 배향된다.
예를 들어, 레이저 빔과 재료 사이의 피드 방향이 바람직한 균열 전파가 발생하는 축에 수직으로 정렬되면, 인접한 재료 변형들의 균열들이 만날 가능성이 거의 없다. 반면에, 피드 방향이 바람직한 균열 전파 축과 평행하게 정렬되면, 인접한 재료 변형들의 균열들이 만나 합쳐질 가능성이 있다. 빔 단면 및/또는 공작물의 회전에 의해, 구부러진 분할선에서도 분할선의 전체 길이에 걸쳐 의도된 균열 유도가 보장될 수 있다. 그 결과, 임의의 모양의 분할선을 따라 재료가 분리될 수 있다.
비방사상 대칭 빔 단면의 장축은 소실 또는 비소실 강도를 가질 수 있고, 바람직하게는 비소실 강도의 경우에 0.9 미만의 간섭 콘트라스트를 가질 수 있다.
타원형 준 비회절 빔은 긴 주축을 따라 비소실 강도를 가질 수 있고, 특히 간섭 콘트라스트 Imax-Imin/(Imax+Imin)<0.9를 가질 수 있으므로 빔은 긴 주축을 따라 모든 곳에서 레이저 에너지를 전송한다.
여기서 Imax는 긴 주축을 따른 최대 빔 강도이고 Imin은 최소 빔 강도이다. Imin = 0이면 긴 주축을 따라 완전한 간섭이 나타나고 1의 간섭 콘트라스트가 나타난다. Imin > 0이면 긴 주축을 따라 부분 간섭만 나타나거나 간섭이 없으므로 간섭 콘트라스트는 1보다 작다.
예를 들어 긴 주축을 따른 간섭 콘트라스트가 0.9 미만인 경우 긴 주축을 따라 완전한 간섭이 없고 부분 간섭만 있어 강도 최소값 Imin의 위치에서 레이저 강도가 완전히 소거되지 않는다. 이것은 예를 들어, 준 비회절 빔이 복굴절 요소, 예를 들어 석영 각도 변위기 또는 석영 빔 변위기 또는 이들의 조합에 의해 생성되는 경우이다.
그러나 타원형 준 비회절 빔은 긴 장축을 따라 소실 강도와 1의 간섭 콘트라스트를 가질 수 있으므로 빔은 긴 주축을 따라 모든 곳에서 레이저 에너지를 전송하지 않는다. 이것은 예를 들어 준 비회절 빔이 변형된 액시콘에 의해 생성되는 경우이다.
레이저 펄스에 의해 형성된 레이저 빔은 바람직하게는 직각이 아닌 가공 각도로 재료 표면에 부딪칠 수 있으며, 상기 가공 각도는 2mm 미만의 재료 두께에 대해 20°미만이고 2mm보다 큰 재료 두께에 대해 10°미만, 특히 5°미만이다.
레이저 빔이 재료 표면에 일정한 각으로 떨어지므로 레이저 빔은 재료에 들어갈 때 굴절된다. 따라서 재료 변형은 표면에 수직으로 도입되지 않고 Snellius의 굴절 법칙에 따라 결정되는 굴절 각도로 도입된다. 이렇게 하면 재료에는 직각으로 형성된 에지가 없다. 예를 들어 재료들이 다시 조립되고 결합될 때 따르는 비스듬한 에지들이 형성될 수 있다. 예를 들어, 이러한 방식으로 재료들의 측면 결합이 달성될 수 있다.
특히, 우수한 분리성이 여전히 달성되는, 재료 내의 변형 구역의 가공 각도는 재료 두께에 따라 달라진다.
개별 레이저 펄스 및/또는 펄스 열은 레이저 시스템의 위치 제어식 트리거링 의해 트리거될 수 있으며, 위치는 바람직하게는 재료 상의 레이저 펄스에 의해 형성되는 레이저 빔의 위치에 의해 주어진다.
위치 제어식 펄스 트리거링은 재료 또는 피드 장치의 위치 또는 피드 벡터와 레이저 빔의 위치를 읽는 검출기에 의해 구현될 수 있다.
그 결과, 분할선을 따라 동일한 간격으로 재료 변형들이 재료 내로 도입될 수 있다. 이것은 특히 일정한 레이저 펄스 속도와 다양한 피드 속도에서 발생할 수 있는 것처럼 재료 변형들이 중첩되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 바람직한 추가 실시예들은 이하의 실시예 설명에 의해 보다 상세하게 설명된다.
도 1a, 1b, 1c는 방법을 수행하기 위한 방식을 개략적으로 도시한다.
도 2a, 2b는 재료 방출물을 갖는 재료 변형의 현미경 이미지 및 단면을 나타낸다.
도 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f는 준 비회절 빔의 빔 단면을 개략적으로 도시한다.
도 4a, 4b, 4c, 4d는 준 비회절 빔의 빔 단면의 분석을 도시한다.
도 5는 복합 타원형 준 비회절 빔을 개략적으로 도시한다.
도 6a, 6b, 6c는 방법을 수행하기 위한 추가 방식을 개략적으로 도시한다.
도 7a, 7b, 7c, 7d는 타원형 빔 단면과 재료 변형 및 분할선에서의 그들의 정렬을 개략적으로 도시한다.
도 8a, 8b는 방법을 수행하기 위한 장치의 개략도를 도시한다.
도 9a, 9b는 방법을 수행하기 위한 방식을 개략적으로 도시한다.
도 10은 본 발명에 따라 생성된 재료 변형의 현미경 사진을 나타낸다.
바람직한 실시예들은 도면들을 참조하여 아래에서 설명된다. 상이한 도면들에서 동일하거나 유사하거나 동일한 효과를 갖는 요소들은 동일한 도면 부호로 표시되며 이러한 요소들에 대한 반복 설명은 때때로 중복을 피하기 위해 생략된다.
도 1에는 적어도 부분적으로 투명한 재료(1)를 분리하기 위한 여기에 설명된 분리 방법이 개략적으로 도시되어 있다.
재료(1)를 분리하기 위해, 초단 펄스 레이저(6)(예를 들어, 도 8a 참조)로부터의 레이저 펄스가 재료(1)에 집속된다. 레이저 빔(60)의 변형 구역(602)에서 재료(1)에 의해 적어도 부분적으로 흡수되는 레이저 펄스는 이러한 방식으로 재료 변형(3)을 재료(1) 내로 도입하기 위해 레이저 빔(60)에서 진행된다. 여기서 빗금친 평면은 재료(1)가 분리되는 분할선(2) 아래 평면을 나타낸다. 이상적으로, 이 평면은 나중의 분리면(20)에 해당한다.
재료(1)에서 레이저 펄스의 선형 및/또는 비선형 흡수에 의해 재료 변형(3)이 생성될 수 있다. 예를 들어, 재료(1)의 일반적인 구조 또는 재료의 밀도는 이러한 방식으로 재료 변형(3)을 형성하기 위해 변경될 수 있다.
그러나 레이저 펄스 흡수의 결과로 이른바 미세 폭발이 발생할 수도 있으며, 이 경우 재료(1)는 레이저 빔의 변형 구역(602)에서 갑자기 기화된다. 크게 들뜬 기체 상태의 재료(1)는 고압에 의해 주변 재료(1)로 밀려나므로 재료(1)는 쇼크 프런트에서 압축된다. 그 결과, 변형 구역(602)의 영역에서 덜 조밀하거나 비어 있는 코어("void")가 생성되고 압축된 재료로 둘러싸여 있다. 특히, 미세 폭발의 결과로, 변형 구역(602)으로부터의 재료의 일부는 외부로 침투할 수 있으며, 여기서 재료(1)의 표면에 침착되고 재료 방출물(300)을 형성한다.
이러한 변형은 재료 변형(3)이 된다. 재료 변형(3) 주변에는 재료 변형 영역(30)이 형성된다. 재료 변형 영역(30)에서, 재료가 재료 변형(3)으로부터 멀어짐에 따라, 재료는 재료 변형(3)에 존재하는 상태로부터 서서히 다시 원래 상태로 바뀐다. 원래 상태는 예를 들어 재료(1)의 인접 지점에 존재하는 재료가 가공되지 않은 상태일 수 있다. 그러나 여기서 원래 상태는 재료 변형(3)의 도입 전에 존재했던 재료(1)의 상태를 의미하는 것으로 이해된다.
레이저 펄스는 0.3μm 내지 1.5μm의 파장을 가질 수 있고 및/또는 레이저 펄스의 펄스 길이는 0.01ps 내지 50ps, 바람직하게는 0.3 내지 15ps일 수 있고 및/또는 레이저의 평균 출력은 150W 내지 15kW일 수 있다. 레이저 에너지는 개별 레이저 펄스의 형태로 재료 내로 도입될 수 있으며, 개별 레이저 펄스의 반복률은 1kHz ~ 2MHz이다. 그러나 레이저 에너지는 다수의 서브 레이저 펄스를 포함하는 펄스 열의 형태로 재료 내로 도입될 수도 있으며, 이 경우 펄스 열의 서브 레이저 펄스의 반복 주파수는 2MHz 내지 100GHz, 특히 12.5MHz 내지 100MHz일 수 있고, 또한 하나의 펄스 열은 바람직하게는 2 내지 20개의 서브 레이저 펄스를 포함할 수 있고 및/또는 하나의 펄스 열의 서브 레이저 펄스들의 펄스 에너지 양들의 합은 500μJ 내지 50mJ일 수 있다.
예를 들어, 재료 변형(3)은 1μm의 파장 1μm, 1ps의 펄스 지속 시간 및 1000W의 평균 출력을 가진 레이저에 의해 생성될 수 있다. 레이저 펄스는 단일 펄스의 형태로 재료(1) 내로 도입될 수 있고 레이저의 반복률은 예를 들어 100kHz이다.
재료 변형(3) 및 재료 변형 영역(30)에서, 균열 형성을 촉진하는 국부 응력이 발생할 수 있다. 예를 들어, 재료(1)는 국부적인 가열로 인해 다른 밀도, 예를 들어 더 낮은 밀도를 가질 수 있고, 그로 인해 압축 응력이 재료 변형 영역(30)에 형성될 수 있다. 그러나 가열된 영역에 더 높은 밀도가 존재할 수 있고 따라서 인장 응력이 재료 변형 영역(30)에 형성될 수 있다. 인장 및/또는 압축 응력이 너무 커지면, 예를 들어 처리되지 않은 재료의 인장 또는 압축 강도보다 커지면, 자발적으로 균열이 형성될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 다수의 재료 변형(3)들이 재료(1) 내로 도입된다. 재료 변형 영역(30)은 각각의 재료 변형(3) 주위에 형성된다. 여기서, 재료 변형(3)은 원하는 분할선(2)을 따라 배치된다. 분할선(2)은 재료(1)가 분리될 때 따르는 가상 선이다.
분할선(2)을 따라 재료(1) 내로 도입된 재료 변형(3)들에 의해, 재료(1)가 준 천공되어, 분할선(2)에 의해 재료(1) 내에 일종의 설정 파단점이 정의된다. 그러나 이러한 천공은 일반적으로 재료(1)의 독립적인 분리로 이어지지 않는다. 오히려, 분할선(2)을 따른 재료 변형(3)은 예를 들어 의도된 재료 약화 및/또는 분할선(2)을 따라 재료 약화를 일으키는 의도된 균열(32) 도입을 보장한다.
레이저 빔(6)에 의해 재료 변형(3)이 재료(1) 내로 도입된 후, 예를 들어 후속 분리 단계에서 분할선(1)에 의해 서로 분리된 재료 절반부들(10 및 12)에 인장력(FZ)을 가함으로써 재료(1)가 물리적으로 분리될 수 있다. 특히, 재료 절반부들(10, 12)에 굽힘 응력을 가함으로써 재료(1)를 분리하는 것도 가능하다(미도시).
도 1b에는, 재료 절반부들이 분리 단계에서 기계적인 힘에 의해 분리되지 않고 열 응력을 가함으로써 분리되는 유사한 방법이 도시되어 있다.
재료 변형(3)이 도입된 후, 재료 변형(3)에 대한 열 구배(620)가 생성될 수 있다. 열 구배(620)를 도입하기 위해, 예를 들어 연속파 CO2 레이저(62)가 사용될 수 있다.
열 구배(620)를 생성하기 위해, 연속파 CO2 레이저(62)의 초점은 예를 들어 표면(14) 아래 몇 마이크로미터에 배치될 수 있으므로 재료(1)는 손상이 거의 없고 매끄러운 절단 에지 또는 분리면(20)으로 분리된다. 그러나 초점은 표면으로부터 다른 거리에 위치할 수도 있다. 일반적으로, 연속파 CO2 레이저 방사선의 대부분은 재료 표면 아래 몇 나노미터에서 이미 흡수되므로, 적어도 연속파 CO2 레이저(62)의 초점 위치에 대한 강한 의존성은 없다.
재료의 상부 표면(14) 근처에서 지배적인 흡수로 인해, 온도는 하부 표면에서보다 거기서 더 높다. 이렇게 하면 열 구배 T(z)가 생성된다. 제 1 근사치에서 온도에 대해 선형인 재료(1)의 열 팽창으로 인해, 재료(1)는 하부 표면보다 상부 표면(14)에서 더 많이 팽창한다. 이로 인해 Z축을 따라 상이한 재료 응력이 발생한다.
도입된 재료 변형(3)들을 통해 상이한 재료 응력들이 발생한다. 거기서 재료 응력들이 바람직하게 완화될 수 있으며, 이는 균열 형성으로 이어진다. 균열 형성은 인접한 상이한 재료 변형(3)들 사이에서 발생한다. 이는 크랙 형성으로 이어지고, 크랙 형성은 재료(1)를 최종적으로 2개의 재료 절반부들(10 및 12)로 분리한다.
도 1c에는, 재료 절반부들(10, 12)이 분리 단계에서 습식 화학 반응에 의해 분리되는 또 다른 유사한 방법이 도시되어 있다. 이를 위해, 재료 변형(3)들로 천공된 재료(1)는 화학조(11) 내에 배치된다. 이 경우, 화학조(11)는 재료(1)를 제거하고 에칭할 수 있는 용매를 함유한다. 특히, 에칭 공정은 이전에 도입된 재료 변형(3)들에서 발생하는데, 그 이유는 재료 약화가 특히 크고 재료 변형(3) 위치에서의 물리적 및/또는 화학적 특성의 변화는 반응이 특히 바람직하게 진행되도록 하기 때문이다. 어느 정도까지는 재료 변형(3)이 에칭 반응의 촉매 역할을 할 수 있다. 반응은 도 1c에서 화학조(11)에 반응 기포(110)의 형성에 의해 개략적으로 표시되어 있다.
재료(1)가 에칭되자마자, 재료(1)는 2개의 재료 절반부들(10, 12)로 분리된다. 예를 들어 화학조(11)가 재료 변형(3)만 에칭했기 때문에, 재료(1)가 화학조(11) 후에 여전히 분리되지 않은 경우, 재료(1)는 분할선(2)을 따라 의도적으로 더 손상되고, 따라서 예를 들어 인장 또는 굽힘 응력을 가함으로써 재료(1)가 재료 절반부들(10, 12)로 분리될 수 있다.
도 2a에는 가공된 재료(1)의 표면의 현미경 이미지가 도시되어 있다. 원형 재료 변형(3)들은 거리 dM=5μm를 두고 분할선(2)을 따라 재료(1) 내로 도입되었다. 재료 변형(3)들은 홀 채널의 형태이며, 재료 변형(3)이 도입될 때 홀 채널의 외부 표면의 재료가 미세 폭발에 의해 압축되었다. 재료 변형(3), 또는 홀 채널의 원형 개구 주위에서 원형 재료 방출물(300)이 재료(1)의 표면에 발생한다. 이 재료 방출물(300)은 외경(dA)을 갖는다. 재료 방출물(300)의 외경은 여기서 3μm이다.
도 2b에는 도 2a의 두께 단면이 도시되어 있다. 재료 방출물이 50nm 내지 200nm의 재료(1) 표면 위의 높이를 가짐을 분명히 알 수 있다. 여기서 재료 방출물(300)의 직경 및 높이는 레이저 빔의 빔 단면 및 펄스 에너지 양에 의해 미리 정해진다. 특히, 재료 변형(3)이 상부 표면(14)에서 시작된다는 것을 알 수 있다. 이것은 세장형 변형 구역(602)이 표면(14)을 관통한다는 사실, 즉 특히 공통 분리면이 있다는 사실의 결과이다.
도 3a는 준 비회절 레이저 빔의 강도 프로파일 및 빔 단면(4)을 도시한다. 특히, 준 비회절 빔은 베셀-가우스(Bessel-Gaussian) 빔이다. x-y 평면의 빔 단면(4)에서 베셀-가우스 빔은 방사상 대칭을 가지므로 레이저 빔의 강도는 광축으로부터의 거리에만 의존한다. 특히, 가로 빔 직경 dND x,y 는 0.25μm 내지 10μm 이다.
도 3b는 세로 빔 단면(4), 즉 빔 전파 방향의 빔 단면(4)을 도시한다. 빔 단면(4)은 크기가 약 3mm인 세장형 초점 구역을 갖는다. 따라서 전파 방향에서 초점 구역이 빔 단면(4)보다 훨씬 더 커서 세장형 초점 구역(600)이 주어진다.
도 3c는 도 3a와 유사하게 비방사상 대칭 빔 단면(4)을 갖는 비회절 빔을 도시한다. 특히, 빔 단면(4)은 y-방향으로 거의 타원형으로 연장된 것으로 나타난다.
도 3d는 약 3μm의 연장을 갖는 베셀 빔의 세로 초점 구역(600)을 도시한다. 따라서 베셀 빔도 빔 전파 방향으로 세장형인 초점 구역을 갖는다.
도 3e는 상이한 준 비회절 빔의 코히렌트 중첩을 도시한다. 다수의 준 비회절 빔을 중첩하여 단일 레이저 빔으로는 얻을 수 없는 빔 프로파일들이 생성될 수 있다. x-y 평면에서 강도 최대값의 레이블은 총 강도에 상대적인 둥근 강도 분포를 나타낸다.
도 3f는 레이저 출력은 다르지만 z 방향에서 동일한 가우스-베셀 모양의 빔 단면을 갖는 2개의 레이저 빔들의 강도 프로파일들을 도시한다. 2개의 빔 프로파일은 강도 최대값의 50%까지 레이저 강도가 떨어지는 것으로 정의되기 때문에 동일한 특성 길이 L을 갖는다. 그러나 재료 자체는 재료가 가공될 수 있는 특정 강도 임계값 IS를 갖는다. 이 경우, 변형 구역(602)의 길이는 레이저 빔의 강도가 재료의 강도 임계값(IS)보다 높은 길이로 정의된다. 이는 높은 레이저 출력을 위한 레이저 빔의 큰 변형 구역(602)을 생성하는 반면, 낮은 레이저 출력을 위해 레이저 빔은 작은 변형 구역(602)을 갖는다. 따라서 레이저 빔의 변형 구역(602)은 전송된 레이저 출력에 따라 스케일링된다.
도 4는 도 3c로부터의 빔 단면(4)의 상세한 분석을 도시한다. 도 4a는 레이저 빔(60)의 가로 강도 분포를 도시하고, 메인 최대값 및 2차 최대값은 헬름홀츠 방정식의 해로부터 주어진다.
도 4b는 도 4a로부터의 강도 분포의 소위 등강도 라인을 도시한다. 상기 라인은 레이저 빔의 상대 강도가 25%, 50% 또는 75%인 곳에 도시되어 있다. 강도 분포의 메인 최대값(41)이 대략 타원형이며, x축을 따른 연장이 y축을 따른 연장보다 훨씬 더 크다는 것이 명확하게 나타난다. 특히, 메인 최대값 다음에는 상대 강도가 상당히 낮은, 2개의 신장 모양 2차 최대값(43)이 있다.
도 4c는 x축을 따라 메인 최대값의 중심을 통한 도 4a로부터의 강도 분포의 단면을 도시한다. 강도 분포는 메인 최대값(41)의 중심에 최대값을 가지며 여기서 상대 강도는 정의에 따라 100%이다. 강도 분포는 상대 강도 분포의 최소값이 약 0.003mm에 도달할 때까지 포지티브 및 네거티브 x 방향을 따라 감소하지만 0%는 아니다. 따라서, 레이저 에너지는 레이저 빔(60)의 메인 최대값(41)과 2차 최대값(43) 사이에서도 전달된다.
도 4d는 y축을 따라 메인 최대값(41)의 중심을 통한 도 4a로부터의 강도 분포의 단면을 도시한다. 다시, 강도 최대값은 중심에서 찾을 수 있지만 y 방향을 따른 강도 강하는 훨씬 빠르므로 강도 최소값은 약 0.002mm에 도달한다. 이 경우, 레이저 빔(60)에 대해 완전한 간섭이 있기 때문에 강도 최소값은 정확히 0이다. 특히, y-축에서 더 큰 값으로, 예를 들어 25%의 상대 강도 값보다 높은 2차 최대값(43)을 다시 찾을 수 있다. 이것은 도 4c로부터의 x축 단면의 경우가 아니다. 따라서 타원형 빔 단면(4)의 특성은 상이한 전파 방향을 따라 상이하다.
특히, 도 4c 및 도 4b는 긴 반축 a가 메인 최대값의 중심에서 상대 강도가 50%로 떨어지는 지점까지 측정되는 것을 도시한다. 유사하게, 짧은 반축 b의 길이는 메인 최대값의 중심에서 상대 강도가 50%로 떨어지는 지점까지 측정된다. 여기서 긴 반축과 짧은 반축은 서로 수직이다.
도 5는 타원형 준 비회절 빔들이 다수의 강도 최대값들의 중첩으로부터 발생할 수 있음을 나타내며, 이 경우 관련된 강도 최대값의 포락선만 타원형이다. 특히, 개별 강도 최대값은 타원형 강도 프로파일을 가질 필요가 없다.
본 경우, 빔 단면은 뚜렷한 메인 최대값(41)에 추가하여 2개의 신장 모양의 2차 최대값(43)을 갖는다. 메인 최대값(41)의 레이저 에너지의 최대 17%가 2차 최대값들에서 전송된다. 레이저 펄스 에너지가 충분히 크면, 2차 최대값(43)에서 전송되는 레이저 펄스 에너지도 재료 변형(3)을 일으키기에 충분하다. 그 결과, 변형 구역(602)의 기하학적 형상은 레이저 펄스 에너지의 선택에 따라 영향을 받을 수 있다.
예를 들어, 레이저 펄스 에너지는 25% 등강도 라인 위의 영역에 재료 변형들이 이미 도입될 수 있는 방식으로 선택될 수 있다. 메인 최대값(41) 및 2개의 2차 최대값(43)은 각각 예를 들어 중첩하는 재료 변형 영역(30)을 형성하여 전체적으로 타원형 재료 변형(3)이 생성되고, 그 장축은 y-방향으로 연장된다. 따라서 y 방향을 따른 균열 형성이 예상된다.
특히, 이는 장축이 y축을 따라 유사하게 정렬되는 타원형 재료 변형(3)을 초래할 것이다.
도 6a, 6b는 세장형 변형 구역(602)이 상이한 방식으로 재료(1) 내로 도입될 수 있음을 보여준다. 도 6a에서, 세장형 변형 구역(602)은 재료의 두께보다 더 큰 길이를 갖는다. 특히, 세장형 변형 구역(602)은 1.5xLM보다 크다. 이것은 변형 구역(602)이 상부 표면(14) 및 하부 표면을 관통하도록 변형 구역(602)이 위치될 수 있게 한다. 이는 특히 전체 재료 두께(LM)에 걸쳐 재료 변형(3)이 도입되는 것을 가능하게 한다. 이는 후속 분리 공정에서 요구되는 분리력을 낮추고 따라서 분리면(20)의 표면 거칠기를 낮추게 된다.
도 6b는 재료(1)가 상이한 층들(1', 1", 1'")으로 구성될 수 있음을 보여준다. 이 경우 각각의 층은 고유 재료 두께를 갖고, 전체 재료 두께(LM)는 개별 층들의 두께들의 합이다. 특히 각각의 층은 개별 굴절률을 가질 수도 있지만 각각의 층이 레이저 파장에 대해 부분적으로 투명하다. 여기서도 세장형 변형 구역(602)은 전체 재료 두께보다 크다.
도 6c는 재료 표면(14)만이 세장형 변형 구역(602)에 의해 관통되는 방식으로 세장형 변형 구역(602)이 재료(1) 내로 도입될 수 있음을 보여준다. 이 경우, 상부 표면(14)이 관통된다. 그러나 레이저 빔(6)에 의해 다른 유형의 재료 변형(3)들이 재료(1) 내로 도입되는 것도 가능하다.
도 7a는 재료(1) 내의 타원형 재료 변형(3)을 도시한다. 재료 변형(3)은 레이저(6)의 레이저 빔(60)에 의해 재료(1) 내로 도입된다. 이 경우, 재료 변형(3)의 형상은 레이저 빔(60)의 빔 단면(4)에 의해, 특히 그의 변형 구역(602)에 의해 미리 정해진다. 레이저 펄스의 시간 동안 레이저 빔(60)이 재료(1)에 직접적인 영향을 미치는 재료 변형(3)의 영역 주위에, 도입된 재료 변형(3)의 형태이거나 레이저 빔(6)의 빔 단면(4)에 해당하는 재료 변형 영역(30)이 형성된다.
따라서, 재료 변형(3) 자체와 재료 변형 영역(30)에서 재료 응력이 발생하여 균열 형성을 촉진할 수 있다. 예를 들어, 타원형 재료 변형(3)의 경우, 경계선의 곡선 반경이 특히 작은 타원의 지점들에서 균열 형성이 촉진될 수 있다. 작은 곡선 반경은 재료 변형(3)에 의해 유리(1) 내로 도입된 응력이 많은 상이한 방향에서 특히 빠르게 떨어질 수 있게 한다. 따라서 재료 응력이 몇 방향으로만 완화될 수 있는 위치보다 이 지점에서 재료 응력이 완화될 확률이 더 높다. 결과적으로, 재료(1)에서 작은 곡선 반경을 갖는 재료 변형(3)의 지점들은 특히 불안정하다.
균열(32)의 형성은 바람직하게는 타원형 재료 변형(3)의 장축 방향으로 발생한다. 따라서 재료 변형(3)의 배향에 의해 균열 전파를 제어하는 것이 가능하다. 특히, 하나의 재료 변형(3)으로부터 다른 재료 변형(3)으로의 균열 전파를 제어하는 것이 가능하다.
도 7b는 다수의 재료 변형(3)들이 재료(1) 내로 도입된 것을 도시한다. 재료 변형(3)들은 타원형이다. 그 결과, 균열들(32)은 타원의 곡선 반경이 가장 작은 지점에서 타원의 장축을 따라 특히 바람직하게 형성된다. 재료 변형(3)들은 도면에서 인접한 재료 변형들의 각각의 균열이 중첩될 정도로 서로 가깝게 배치된다. 이로 인해 균열들이 합쳐져 2개의 인접한 재료 변형들 사이에 공통 균열을 형성할 수 있다. 특히, 이 상태는 예를 들어 인장력을 가하는 것과 같이 균열 성장에 의해 달성될 수 있다. 예를 들어, 균열들(32)은 이 방법에 의해 임의의 분할선(2)을 따라 재료(1) 내로 도입될 수 있다.
도 7c는 재료 변형(3) 및 재료 방출물(300)의 장축이 분할선(2)을 따라 정렬됨을 도시한다. 재료 변형(3)들의 장축이 분할선(2)을 따라 정렬되기 때문에, 이는 동시에, 재료 변형(3)들이 도입될 때 레이저 빔(60)의 빔 단면의 장축이 분할선(2)을 따라 정렬되었음을 의미한다.
도 7d는 빔 단면(4)의 장축이 피드 속도(V)에 평행하게 정렬되어 상기 장축이 항상 분할선(2)에 평행하게 정렬됨을 도시한다.
도 8a는 방법을 수행하기 위한 구조를 도시한다. 초단 펄스 레이저(6)의 레이저 빔(60)은 빔 형성 광학 장치(9) 및 선택적인 미러(70)에 의해 재료(1)로 향하게 된다. 재료(1)는 이 경우 피드 장치의 지지면 상에 배치되고, 상기 지지면은 재료가 흡수하지 않는 레이저 에너지를 반사하거나 흡수하지 않고 재료(1)로 다시 강하게 산란시키지도 않는다.
특히, 레이저 빔(60)은 렌즈 및 미러 시스템을 갖는 자유 공간 섹션을 통해 빔 형성 광학 장치(9)에 결합될 수 있다. 그러나 레이저는 도 8b에 도시된 바와 같이 커플링-인 및 커플링-아웃 광학 장치를 갖는 중공 코어 섬유(65)를 통해 빔 형성 광학 장치에 결합될 수도 있다.
빔 형성 광학 장치(9)는 가우스형 레이저 빔(60)으로부터 비회절 레이저 빔(60)을 생성하는 예를 들어 회절 광학 요소 또는 액시콘(axicon)일 수 있다. 본 예에서, 레이저 빔(60)은 미러(70)에 의해 재료(1)의 방향으로 향하고 포커싱 광학 장치(72)에 의해 재료(1) 상에 또는 재료 내에 집속된다. 레이저 빔(60)은 재료(1)에서 재료 변형(3)들을 야기한다. 빔 형성 광학 장치(9)는 특히 예를 들어 레이저 빔의 우선 방향 또는 대칭축이 피드 궤적에 따라 조정될 수 있도록 회전될 수 있다.
이 경우에, 피드 장치(8)는 레이저 빔(60)이 원하는 분할선(2)을 따라 재료 변형(3)들을 도입하도록 피드 V로 레이저 빔(60) 아래에서 재료(1)를 이동시킬 수 있다. 특히, 도시된 도면에서, 피드 장치(8)는 축을 따라 재료(1)를 이동시킬 수 있는 제 1 부분(80)을 포함한다. 특히, 피드 장치는 z-축 또는 빔 전파 방향을 중심으로 레이저 빔(60)을 회전시키도록 설계된 제 2 부분(82)을 가질 수 있어, 빔 전파 방향에 수직인 빔 단면의 장축은 원하는 분할선(2)을 따른 균열 전파를 유발하기 위해 상기 분할선(2)에 항상 접선이 된다.
빔 단면의 장축 방향이 빔 형성 광학 장치(9)와 피드 장치의 제 2 부분(82)에 의해 결정될 수 있는 경우, 빔 형성 광학 장치(9) 또는 피드 장치의 제 2 부분(82)의 방향 옵션을 사용하는 것도 가능하다. 그러나 두 옵션이 서로 추가적으로 사용되는 것도 가능하다.
이를 위해, 피드 장치(8)는 제어 장치(5)에 연결될 수 있으며, 상기 제어 장치(5)는 장치 사용자의 사용자 명령을 피드 장치(8)에 대한 제어 명령으로 변환한다. 특히, 사전 정의된 절단 패턴은 제어 장치(5)의 메모리에 저장될 수 있고 프로세스는 제어 장치(5)에 의해 자동으로 제어될 수 있다.
제어 장치(5)는 특히 레이저(6)에도 연결될 수 있다. 제어 장치(5)는 레이저(6)의 레이저 펄스의 레이저 펄스 에너지를 설정하거나 레이저 펄스 또는 레이저 펄스 열의 출력을 요청하거나 트리거할 수 있다. 제어 장치(5)는 또한 언급된 모든 구성 요소에 연결될 수 있으며 따라서 재료 가공을 조정할 수 있다.
특히, 위치 제어식 펄스 트리거링이 실현될 수 있고, 예를 들어 피드 장치(8)의 축 인코더가 판독되고, 축 인코더 신호가 제어 장치에 의해 위치 정보로서 해석될 수 있다. 따라서 제어 장치(5)는 예를 들어 커버된 거리를 더하는 내부 가산기 유닛이 값에 도달하고 도달된 후 0에 리셋되는 경우 레이저 펄스 또는 레이저 펄스 열의 송출을 자동으로 트리거하는 것이 가능하다. 예를 들어, 레이저 펄스 또는 레이저 펄스 열이 일정한 간격으로 재료(1) 내로 자동으로 송출될 수 있다.
피드 속도 및 피드 방향 및 분할선(2)이 제어 장치(5)에서 처리되기 때문에 레이저 펄스 또는 레이저 펄스 열이 자동으로 송출될 수 있다.
제어 장치(5)는 또한 측정된 속도 및 레이저(6)에 의해 제공된 기본 주파수에 기초하여, 레이저 펄스 열 또는 레이저 펄스가 송출되어야 하는 거리 dM 또는 위치를 계산할 수 있다.
레이저 펄스 또는 펄스 열이 위치 제어식으로 송출되기 때문에 시간 소모적인 분리 프로세스 프로그래밍이 필요하지 않다. 또한 자유롭게 선택할 수 있는 프로세스 속도가 쉽게 구현될 수 있다.
도 9는 빔 형성 광학 장치(9) 뒤의 부분 레이저 빔으로부터 준 비회절 빔이 재료(1) 내로 도입되는 방법을 도시한다. 도 9a에서, 부분 레이저 빔은 재료(1)의 표면(14) 상에서 재료(1)의 표면 법선(140)에 대칭적으로 떨어진다. 특히, 레이저 빔은 전체적으로 표면(14) 상으로 직각으로 떨어진다. 따라서, 세장형 변형 구역(602)은 표면 법선(140)에 평행하게 정렬된다. 즉, 특히 어떤 굴절도 경험하지 않는다. 그러나 부분 레이저 빔은 Snellius의 굴절 법칙에 따라 굴절되도록 재료 표면(14)에 일정한 각으로 떨어진다. 재료(1) 내의 세장형 변형 구역(602)의 길이는 재료(1)의 굴절률 및 부분 레이저 빔의 입사각에 의해 결정될 수 있다. 재료 변형(3)들은 세장형 변형 구역(602)을 따라 재료(1)에 도입될 수 있다.
도 9b는 부분 레이저 빔들이 표면 법선(140)에 대칭적으로 재료(1) 내로 도입되지 않고 각도 θ로 도입되는 상황을 도시한다. 이는 표면 법선(140)에 평행하게 연장되지 않고 어떤 각도(θ')로 굴절되는 세장형 변형 구역(602)을 재료 내에 형성한다. 이는 표면 법선(140)에 평행하지 않은 재료 변형(3)을 재료(1) 내로 도입하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 재료(1)는 예를 들어 각도(θ')로 분리될 수 있다.
도 10은 상이한 펄스 에너지에 대해 재료(1) 내로 도입되었던 재료 변형(3)들의 현미경 사진들을 나타낸다. 이를 위해, 세장형 변형 구역(602)이 재료(1)의 표면(14)을 관통했다. 따라서, 도시된 재료 변형(3)들은 각각 표면(14)에서 시작된다. 700μJ의 펄스 에너지 양으로, 제 1 세장형 변형 구역(602)이 생성되었으며, 이는 재료 두께(LM)보다 짧다. 따라서 재료 변형은 하부 표면에 도달하기 전에 끝난다. 세장형 변형 구역(602)을 확대하기 위해, 특히 도 3f에 도시된 바와 같이 펄스 에너지가 증가되었다. 예를 들어, 1400μJ의 펄스 에너지 양으로 700μJ에서보다 2배 긴 세장형 변형 구역(602)이 생성되었다. 그러나 원칙적으로 세장형 변형 구역의 길이와 펄스 에너지 양 사이에 선형 관계가 있을 필요는 없다. 그러나 세장형 변형 구역의 길이와 펄스 에너지 양 사이의 관계는 부분적으로 선형 관계에 의해 근사화될 수 있다. 따라서, 생성된 세장형 변형 구역(602)은 1.5×LM보다 커서, 2개의 반대 재료 표면들 사이에서 연장되는 재료 변형(3)이 재료(1)에 생성되었다.
적용 가능한 한, 실시예들에서 제시된 모든 개별 특징은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 서로 조합 및/또는 교환될 수 있다.
1: 재료 10: 제 1 재료 절반부
12: 제 2 재료 절반부 14: 표면
140: 표면 법선 2: 분할선
20: 분리면 3: 재료 변형
30: 재료 변형 영역 300: 재료 방출물
32: 균열 4: 빔 단면
41: 메인 오더 43: 2차 오더
5: 제어 장치 6: 레이저
60: 레이저 빔 600: 초점 구역
602: 변형 구역 62: 연속파 CO2 레이저
620: 온도 구배 65: 중공 코어 섬유
7: 포커싱 유닛 70: 미러
72: 포커싱 광학 장치 8: 피드 장치
80: 피드 장치의 제 1 부분 800: 지지면
82: 피드 장치의 제 2 부분 9: 빔 형성 광학 장치
11: 화학조 110: 반응 기포
LM: 재료의 두께 dA: 재료 방출물의 외경
dM: 재료 변형들 사이의 거리 FZ: 인장력

Claims (13)

  1. 적어도 부분적으로 투명한 재료(1)를 분리하는 방법으로서,
    개별 레이저 펄스 형태 및/또는 다수의 서브 레이저 펄스를 포함하는 펄스 열 형태의 초단 레이저 펄스는, 빔 전파 방향으로 세장형인 결과적인 변형 구역(602)이 상기 재료(1)에 들어가서 상기 재료의 적어도 하나의 표면(14)을 관통하도록, 상기 재료(1)에 집속되고, 따라서 재료 변형(3)들이 상기 재료(1) 내로 도입되고,
    다수의 재료 변형(3)들이 분할선(2)을 따라 상기 재료(1) 내로 도입되고,
    그 후 상기 재료(1)는 분리 단계에 의해 상기 분할선(2)을 따라 분리되는, 상기 방법에 있어서,
    상기 개별 레이저 펄스의 펄스 에너지 양 또는 상기 서브 레이저 펄스들의 펄스 에너지 양들의 합은 500μJ 내지 50mJ 범위에 있고, 상기 세장형 변형 구역(601)은 빔 전파 방향으로 재료 두께(LM)보다 길고 1.5xLM보다 길거나 2x(200μm)+LM보다 긴 것
    을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 분리 단계는 상기 분할선(2)을 따라 열 응력을 가하는 것 및/또는 기계적 응력, 바람직하게는 인장 또는 굽힘 응력을 가하는 것 및/또는 적어도 하나의 습식 화학 용액을 사용하여 에칭하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 재료(1)는 유리 기판 및/또는 적층된 기판 시스템 및/또는 실리콘 웨이퍼이고, 상기 재료의 두께(LM)는 바람직하게는 1㎜보다 큰 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 레이저 펄스는 0.3μm 내지 1.5μm의 파장을 가지며, 및/또는
    - 상기 개별 레이저 펄스 및/또는 상기 서브 레이저 펄스의 펄스 길이는 0.01ps 내지 50ps, 바람직하게는 0.3ps 내지 15ps이고, 및/또는
    - 레이저 출력부에서 레이저의 평균 출력은 150W 내지 15kW인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 펄스에 의해 형성된 레이저 빔(60)과 상기 재료(1)는 대부분의 재료 변형(3)들을 상기 분할선(2)을 따라 상기 재료(1) 내로 도입하기 위해 피드(V)로 서로 상대 이동 가능하며, 상기 레이저 빔(60)과 상기 재료(1)는 바람직하게는 서로 일정한 각(θ)으로 정렬될 수 있고, 특히 바람직하게는 기울어질 수 있고 및/또는 회전 가능한 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변형 구역(602)에서 상기 빔 전파 방향에 수직인 빔 단면(4)의 최대 직경은 1μm 내지 50μm, 바람직하게는 2μm 내지 4μm인 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 펄스에 의해 형성된 상기 레이저 빔(60)은 적어도 세장형 초점 구역(600)에서 준 비회절 빔인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 레이저 빔(60)은 상기 빔 전파 방향에 수직인 비방사상 대칭 빔 단면(4)을 갖고, 상기 빔 단면(4) 또는 상기 빔 단면(4)의 엔빌로프는 바람직하게는 타원형인 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 비방사상 대칭 빔 단면(4)의 장축은 상기 분할선(2)을 따라 및/또는 피드 방향을 따라 상기 빔 전파 방향에 수직으로 배향되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    타원형 준 비회절 빔의 장축은 0.9 미만의 비소실 간섭 콘트라스트를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. (출원 시 누락)
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 펄스에 의해 형성된 상기 레이저 빔(60)은 바람직하게는 직각이 아닌 가공 각도(θ)로 재료 표면(14)에 부딪치고, 상기 가공 각도(θ)는 2mm 미만의 재료 두께(LM)에 대해 20°미만이고 2mm보다 큰 재료 두께(LM)에 대해 10°미만, 바람직하게는 5°미만인 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개별 레이저 펄스 및/또는 펄스 열은 레이저 시스템(6)의 위치 제어식 펄스 트리거링에 의해 트리거되고, 위치는 바람직하게는 재료(1) 상의 상기 레이저 펄스에 의해 형성된 상기 레이저 빔(60)의 위치에 의해 주어지는 것을 특징으로 하는 방법.
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