TWI632997B - 雷射系統及使用該雷射系統加工藍寶石之方法 - Google Patents

雷射系統及使用該雷射系統加工藍寶石之方法 Download PDF

Info

Publication number
TWI632997B
TWI632997B TW103106983A TW103106983A TWI632997B TW I632997 B TWI632997 B TW I632997B TW 103106983 A TW103106983 A TW 103106983A TW 103106983 A TW103106983 A TW 103106983A TW I632997 B TWI632997 B TW I632997B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
laser
processing
sapphire substrate
auxiliary
sapphire
Prior art date
Application number
TW103106983A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201446453A (zh
Inventor
維傑 肯喬拉
威廉 須勒
史帝文 梅那德
傑佛瑞Ｐ 賽席爾
馬柯 曼德斯
勞茲畢 賽拉非
Original Assignee
美商Ｉｐｇ光子公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 美商Ｉｐｇ光子公司 filed Critical 美商Ｉｐｇ光子公司
Publication of TW201446453A publication Critical patent/TW201446453A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI632997B publication Critical patent/TWI632997B/zh

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0622—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/362—Laser etching
    • B23K26/364—Laser etching for making a groove or trench, e.g. for scribing a break initiation groove
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting
    • B23K26/382—Removing material by boring or cutting by boring
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/40—Removing material taking account of the properties of the material involved
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/50—Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

使用一連續波雷射(continuous wave laser)(下稱「QCW雷射」)來執行對藍寶石之雷射加工，該連續波雷射以一準連續波(quasi-continuous wave；QCW)模式運作，俾以約1060奈米至1070奈米之一波長範圍發出複數個連續雷射光脈波。使用一QCW雷射對藍寶石進行之雷射加工可以一較低負載循環(例如，介於約1%與10%之間)且在例如氬氣或氦氣等惰性氣體氛圍中執行。使用一QCW雷射對藍寶石進行之雷射加工可更包含使用具有一較短波長及/或脈波持續時間之一輔助雷射來改變藍寶石基板之一特性，以形成有利於將該QCW雷射之雷射光脈波耦合至藍寶石中之複數個吸收中心。

Description

雷射系統及使用該雷射系統加工藍寶石之方法 【相關申請案交叉參考】
本申請案主張2013年2月28日提出申請之第61/770，816號美國臨時專利申請案之權益，該美國臨時專利申請案以引用方式全文併入本文中。
本發明係關於使用處於約1060奈米至1070奈米之一波長範圍內之複數個雷射來加工藍寶石，且更具體而言，係關於藉由以一準連續波模式(quasi-continuous wave mode；「QCW」)運作之一調變式單模(single mode；「SM」)纖維雷射系統來雷射加工藍寶石。
例如藍寶石(Al2O3)等硬質材料被用於諸多工業應用，例如光學窗、防止磨耗之硬質材料、以及用於半導體發光器件之緩衝材料等等。用於處理或加工藍寶石基板之習用機械方法包含金剛石劃刻及刀片切割(blade dicing)。當使用此等方法時，低之劃刻深度可致使基板折斷，從而降低生產良率，例如，當製造發光二極體(light emitting diode；LED)時。與刀片切割相關聯之其他問題包含：會形成碎屑(其可能需要進行切割後清潔)、在基板中感生出應力、以及被稱為切縫(kerf)之切口之寬度相對大。
為提高效率，已使用雷射加工方法，乃因雷射加工方法為大 批量生產提供更有效之非接觸式製程。亦可控制雷射劃刻切割深度，以在折斷製程期間減少晶圓上之應力。此外，雷射劃刻有利於將劃刻線精確定位於主動器件之幾微米以內以及以較少碎屑達成一窄劃刻寬度。因此，與傳統機械方法相比，雷射加工具有生產量大、成本低、易於使用以及良率高的整體優勢。
然而，某些材料在使用雷射來加工時帶來挑戰。例如，藍寶石之帶隙係為大約8電子伏特(eV)，且在正常低強度照明下，藍寶石自5000奈米至約300奈米係為光學透明的。因此，對藍寶石之習用雷射加工已使用更有可能在藍寶石中被吸收之雷射，例如在介於約157奈米與約355奈米間之一波長範圍內運作之深紫外(DUV)雷射及紫外(UV)雷射。
一種用於雷射加工藍寶石之技術涉及燒蝕，燒蝕係為因材料之整體加熱與雪崩電離相組合而引起之材料之氣化。可使用超快雷射(例如，皮秒及更短的脈波寬度)及/或具有奈秒脈波寬度之Q切換式(Q-switched)脈波雷射來發出具有能夠燒蝕藍寶石之高峰值功率之脈波。該高強度會促成一非線性、多光子吸收過程，該非線性、多光子吸收過程則激發材料中之電子並直接使鍵斷開。然而，高峰值功率可使切口邊緣受到熱損傷，乃因來自雷射束之吸收之熱量有時間擴散至基板中。
另一種雷射加工技術涉及到沿藍寶石內部之內部改變區域進行劃刻及折斷。例如，可將一皮秒雷射之輸出聚焦於藍寶石基板內部，從而在該基板內形成裂縫而不影響頂面及底面。一旦形成此等裂縫，便可使用例如帶擴展(tape expansion)等機械方式自基板分離出各個切片。然而，此兩步式製程可頗為耗時且成本效率低下。
另一種用於雷射加工具有一低吸收係數之材料之技術包含射流雷射加工。射流雷射加工涉及到將一雷射束聚焦至一細如毛髮的低壓力水射流中，水射流然後將雷射束引導至晶圓上。例如Laser-Microjet®系統等射流雷射加工系統可防止熱損傷及污染，但亦涉及到一更複雜且更昂貴之系統。以1064奈米運作之一Q切換式Nd：YAG雷射及以532奈米運作之倍頻Nd：YAG雷射特別適合於水射流引導式切割技術。
上述用於雷射加工藍寶石之現有技術具有某些相同之缺陷。具體而言，脈波式雷射之成本高。此外，紫外光(UV)切割中所用之波長需要使用晶體，而晶體可具有一短的使用壽命且可帶來維護此等雷射之問題。儘管可使用準分子雷射，但此等雷射通常具有大的尺寸及低的效率。
因此，需要一種以約1060奈米至1070奈米之波長來雷射切割藍寶石基板、同時以一具時間效益及成本效益之方式減少切割邊緣缺陷並提高速度之系統及方法。
根據一實施例，提供一種用於雷射加工一藍寶石基板之方法。該方法包含：週期性地接通一電源以使一連續波雷射發出脈波，藉此使該雷射以一準連續波(「QCW」)模式運作，俾以介於約1060奈米與約1070奈米間之一波長發出複數個連續雷射光脈波；將該等雷射光脈波聚焦於該藍寶石基板；以及以該等雷射光脈波來雷射加工該藍寶石基板。
根據另一實施例，提供一種用於雷射加工複數個藍寶石基板之雷射加工系統。該雷射加工系統包含：一纖維雷射，用以以一準連續 波(「QCW」)模式運作，俾以介於約1060奈米與約1070奈米間之一波長發出複數個連續雷射光脈波；及一控制器，耦合至該纖維雷射，用於週期性地將電力切換至單模纖維雷射，以使該纖維雷射以該QCW模式以及介於約1%與約10%間之一負載循環發出脈波。該雷射加工系統亦包含：一聚焦透鏡，用以將該雷射光聚焦於該藍寶石基板上以加工該藍寶石基板；一雷射頭，用以將經聚焦之該雷射光引導至該藍寶石基板且包含一噴嘴，該噴嘴用於將一惰性氣體隨該雷射光一起遞送至該藍寶石基板；以及一氣體遞送系統，用以遞送該惰性氣體至該雷射頭中。
根據另一實施例，提供一種用於加工一藍寶石基板之多射束(multiple-beam)雷射加工系統。該多射束雷射加工系統包含：一輔助雷射，用於產生具有一波長及一脈波持續時間之一輔助雷射束，俾使該藍寶石基板充分吸收該輔助雷射束以改變該藍寶石基板之一特性；一準連續波(QCW)纖維雷射，用於以介於約1060奈米與約1070奈米間之一波長產生一加工雷射束，其中該輔助雷射束之該波長小於該加工雷射束之該波長；以及一射束組合器(beam combiner)，用於將該輔助雷射束及該加工雷射束引導於一工件上之一目標位置，俾使該輔助雷射束改變該目標位置處該藍寶石基板之一特性而形成複數個吸收中心、且使該加工雷射束耦合至該目標位置處在該藍寶石基板中形成之該等吸收中心，以完成在該目標位置處對該藍寶石基板之加工。
100‧‧‧雷射加工系統
102‧‧‧工件
110‧‧‧準連續波單模纖維雷射
111‧‧‧射束
112‧‧‧加工被動纖維
114‧‧‧幫浦源
130‧‧‧準直器
132‧‧‧射束轉彎器或反射器
140‧‧‧聚焦透鏡
160‧‧‧噴嘴
162‧‧‧氣體遞送系統
170‧‧‧平移平台
172‧‧‧控制器
200‧‧‧多射束雷射加工系統
202‧‧‧工件
208‧‧‧目標位置
210‧‧‧輔助雷射
211‧‧‧輔助雷射束
212‧‧‧射束遞送系統
220‧‧‧加工雷射
221‧‧‧加工雷射束
222‧‧‧射束遞送系統
230‧‧‧射束組合器
231‧‧‧雷射束
232‧‧‧反射器或反射鏡
234‧‧‧反射器或反射鏡
240‧‧‧聚焦透鏡
250‧‧‧射束幫浦
252‧‧‧反射器或反射鏡
254‧‧‧反射器或反射鏡
256‧‧‧反射器或反射鏡
260‧‧‧雷射加工頭
結合圖式閱讀以下詳細說明，將會更佳地理解此等及其他特徵及優點，在圖式中： 第1圖係為根據本發明一實施例用於使用一準連續波(QCW)雷射系統來切割一藍寶石材料之一雷射加工系統之示意圖；第2A圖及第2B圖係為例示根據本發明之一實施例，具有使用一QCW雷射系統形成之一劃刻線之一藍寶石基板之影像；以及第3圖係為根據本發明另一實施例之一多射束雷射加工系統之示意圖。
根據本發明各實施例，使用一連續波雷射(下稱「QCW雷射」)來執行對藍寶石之雷射加工，該連續波雷射以一準連續波(QCW)模式運作，俾以約1060奈米至1070奈米之一波長範圍發出複數個連續雷射光脈波。使用一QCW雷射對藍寶石進行之雷射加工可以一較低負載循環(例如，介於約1%與10%間)且在例如氬氣或氦氣等惰性氣體氛圍中執行。使用一QCW雷射對藍寶石進行之雷射加工可更包含使用具有一較短波長及/或脈波持續時間之一輔助雷射來改變藍寶石之一特性，以形成有利於將QCW雷射之雷射光脈波耦合至藍寶石中之複數個吸收中心。
根據本文所述各實施例，使用QCW雷射之雷射加工可包含鑽製、切割及/或劃刻藍寶石基板。藍寶石係為由對介於約170奈米與5300奈米間之光波長透明、強度較玻璃高五(5)倍且莫氏(Mohs)硬度等級為九(9)之氧化鋁(Al2O3)形成之一晶體形式。藍寶石亦係為一較佳電絕緣體且具有一高的熱傳導率。藍寶石可特別有利於製造藍色及綠色發光二極體(「LED」)。藍寶石亦具有替換現有的用於覆蓋行動器件(包含但不限於：電話、照相機、電腦等)之螢幕之玻璃的潛力。因此，本文所述雷射加工系統及方法可用於將藍寶石基板切割成一所期望之形狀，以供用於製造光 子器件、螢幕及其他包含藍寶石之產品。
如本文所使用，「吸收中心」係指一非吸收性材料中之一位置，材料之特性(例如，陷口(crater)、粗化、光學損傷、內部材料缺陷、色彩中心、整體材料特性變化、或溫度升高)已在該位置發生改變，俾與該材料之一未經改變之區域相比使光更有可能被吸收。如本文所使用，「波長」係指一雷射之一近似發光波長且可涵蓋圍繞所述波長之一波長帶或波長範圍。如本文所使用，「紫外(UV)光譜範圍」係指10奈米至380奈米之一光譜範圍，「可見光譜範圍」係指380奈米至700奈米之一光譜範圍，且「紅外光譜範圍」係指700奈米至10.6微米之一光譜範圍。
參見第1圖，描述用於使用一經聚焦之雷射束來加工一工件102(例如一藍寶石基板)之一雷射加工系統100之一實施例。工件102亦可由其他大帶隙及/或透明材料製成，包含(但不限於)鋁金剛石、氮化鎵、碳化矽、硒化鋅、矽、氮化矽、氮化鋁、藍寶石上氮化鎵(gallium nitride on sapphire)及玻璃(例如，熔凝石英或二氧化矽)。儘管本文所述實例性實施例主要涉及對藍寶石之雷射處理或加工，但可藉由所揭示之雷射加工系統成功地處理至少某些此等其他大帶隙材料。
在所示實施例中，雷射加工系統100包含一QCW單模(single mode；SM)纖維雷射110，該QCW單模纖維雷射自一加工被動纖維112之下游端發出一發散(divergence)受限之單模雷射束111。QCW纖維雷射110之功率範圍可自500瓦至50千瓦，且可具有不需要使用反射鏡或光學器件進行對準或調整之一整體式、全固態、纖維-纖維設計。QCW纖維雷射10亦可係為模組化的，由多個雷射單元構建而成，各該雷射單元產生數百瓦 之輸出功率。此亦容許該雷射系統包含預留模組及功率裕度。該QCW SM纖維雷射可包含例如具有約1070奈米之一發光波長之一QCW SM鐿纖維雷射(ytterbium fiber laser)，例如可自IPG光電公司(IPG Photonics Corporation)購得之QCW系列。在其他實施例中，該雷射可包含一纖維碟式雷射(fiber disc laser)或一棒式雷射(rod laser)，例如一Nd：YAG雷射。亦可使用多模雷射。
雷射加工系統100亦包含用於使射束111準直之一準直器130及用於將射束111引導至一聚焦透鏡140之一射束轉彎器(bender)或反射器132。聚焦透鏡140可將射束111聚焦至例如處於約14微米至30微米之一範圍內之一相對小的光點大小。另一選擇為或另外，亦可使用其他光學器件來改變雷射光及/或將雷射光引導至所期望之位置。此等光學器件可包含(但不限於)擴束器(beam expander)、射束準直器、射束成形透鏡、反射器、遮罩、分束器(beamsplitter)及掃描器(例如，一檢流計)。
雷射加工系統100更包含一雷射頭，該雷射頭包含耦合至一氣體遞送系統162之一噴嘴160。氣體遞送系統162可在加工工件102時在靠近工作區處向噴嘴160提供一惰性氣體流，例如氮氣、氬氣或氦氣。該氣體可以處於約100磅/平方英吋至300磅/平方英吋之範圍內之一壓力來遞送。惰性氛圍之存在會提高雷射加工之效率。
雷射加工系統100更包含一平移平台170，平移平台170用以沿一或多個軸線或維度賦予工件102一平移運動，藉此容許工件102相對於經聚焦之雷射束移動。平移平台170可手動操作或者可自一控制器172接收命令。另一選擇為，雷射110可相對於欲加工之工件102移動及位移。控制 器172包含一加工電路，例如一中央處理單元(central processing unit；「CPU」)，以與平移平台170進行通訊。
QWC SM纖維雷射110包含一幫浦源(pump source)114，該幫浦源可運作以被接通複數個時間間隔，該等時間間隔之持續時間長至足以使該雷射盡可能接近其穩態運作，亦即，該雷射在光學上處於連續波運作狀態，亦稱作一準連續波(QCW)模式。可使用控制器172來控制幫浦源114。雷射處於接通狀態之時間之百分比(亦即，負載循環)經選擇以減少發熱問題及與熱相關之問題。控制器172可控制幫浦源114，例如以具有處於1%至10%之一範圍內之一負載循環。因此，以QCW模式運作之QCW SM纖維雷射110可具有較高的輸出峰值功率及較低的平均功率。
在一個實例中，使用以下製程及雷射參數來加工厚度為0.7毫米之一藍寶石基板：一鐿(YB)單模雷射；1070奈米波長；14微米纖維芯直徑；60毫米準直距離；123毫米焦距；28.7微米光點大小；900瓦峰值功率；87.5微秒脈波持續時間；400赫茲脈波頻率；78.7毫焦耳脈波能量；處於250磅/平方英吋之氬氣或氮氣輔助氣體；0.5毫米噴嘴距離(nozzle stand off)；1.5毫米噴嘴孔口；以及8.46毫米/秒切割速度。
第2A圖及第2B圖例示以上述參數使用第1圖所示雷射加工系統100來加工或處理藍寶石基板而獲得之結果。如圖所示，邊緣係為清潔的且不存在任何可見裂縫。對於未經拋光之樣本及經拋光之樣本，獲得同樣令人滿意之結果。
在另一實例中，以不同負載循環、脈波頻率及速度，使用一以鐿摻雜之QCW SM纖維雷射藉由不同加工操作(例如，劃刻、切割及鑽 製)來加工不同厚度(例如，0.015英吋及0.040英吋)之樣本藍寶石基板。下表I例示用於此等加工操作之參數。
在此實例中，在以285瓦之一雷射束劃刻0.015英吋厚的藍寶石樣本時，以約420英吋/分之一速度移除了該樣本之厚度的約30%。以一285瓦之功率及約40英吋/分之速度切割0.015英吋厚的藍寶石樣本亦係為有效的。在相對低的速度下成功地在藍寶石樣本中鑽製圓孔。亦對0.040英吋厚的晶圓成功地執行相同之加工作業。
此等實例表明，藉由波長處於約1060奈米至1070奈米之一範圍之一QCW SM纖維雷射，可有效地加工藍寶石基板。具有一相對小的光點之單模射束提供能夠分解該材料之一高功率密度。看起來，在較低負載循環(亦即，低平均功率)下可達成更佳之加工。峰值功率及平均功率可能需要隨著材料厚度增加而提高，但低負載循環看起來係為比峰值功率更 關鍵之因素。
在另一實例中，可以20英吋/分之一速度以900瓦、500赫茲及3%負載循環(亦即，平均功率為27瓦)獲得一高品質切口。在此實例中，可藉由使脈波頻率增大至1000赫茲來使切割速度加倍至40英吋/分。切口之品質可響應於雷射功率之按比例增大而劣化。此外，在可達成一高速製程之更短脈波寬度(例如，50微秒至100微秒)下，品質可得到提升。更長脈波亦提供高品質切口，但增大負載循環會使得需要更長時間週期來完成加工。
在又一實例中，使用以下製程及雷射參數來加工厚度介於約0.4毫米與0.7毫米間之藍寶石基板：一鐿(Yb)單模雷射；1070奈米波長；14微米纖維芯直徑；60毫米準直距離；123毫米焦距；28.7微米光點大小；處於250磅/平方英吋之氬氣或氮氣輔助氣體；以及1.5毫米噴嘴孔口。下表II顯示使用上述參數以不同峰值功率、頻率、負載循環、脈波寬度及切割速度進行加工之結果。
根據上文，可使用波長處於1060奈米至1070奈米之一範圍之一QCW SM雷射成功地切割一藍寶石基板且具有最低限度之裂縫及碎屑。在上述實例中，0.7毫米厚的基板具有更佳之切口品質。0.4毫米厚的基板沿切口之邊緣具有碎屑；然而，該等碎屑通常小於40微米，如此項技術中之通常知識者所習知，此被視為一高品質切口。本文所揭示之雷射加工方法看起來亦對高頻率敏感，乃因在較高頻率下出現大量碎屑。切口之品質亦 相依於負載循環之持續時間，乃因一更低之負載循環能提高切口之品質。在負載循環最高達10%時超過1600瓦之峰值功率可能不會提供任何明顯優點，但低於1%之一負載循環可使切口之品質劣化。在此等實例中，氣體壓力範圍介於200磅/平方英吋與300磅/平方英吋之間亦會提高製程之效率。射束光點大小通常介於約14微米與30微米之間，且使用低於14微米之一光點大小通常並不實質影響製程之品質及效率。
在另一實例中，藉由以下參數使用具有一50微米纖維之一多模QCW雷射成功地切割厚度為2.7毫米之藍寶石基板：15千瓦峰值功率；450瓦平均功率；0.6毫秒脈波寬度；100微米光點大小；50赫茲重複速率；3%負載循環；10英吋/分速度；處於100磅/平方英吋之氬氣；一1.5毫米噴嘴直徑；以及一1毫米距離(standoff)。發現使用氬氣或氦氣作為輔助氣體可提高切割效率，此可能歸因於存在於藍寶石中之微量鈦(Ti)。
參見第3圖，亦可使用一多射束雷射加工系統200來加工藍寶石。可使用具有不同特徵(例如，波長及/或脈波持續時間)之一輔助雷射束211及一加工雷射束221兩者來對一藍寶石基板或工件202執行多射束雷射加工。輔助雷射束211被引導於工件202上或工件202內之一目標位置208，以改變藍寶石之一特性(例如，誘發損傷或升高溫度)，俾在藍寶石中形成複數個吸收中心。加工雷射束211被引導於目標位置208並被耦合至形成於藍寶石中之吸收中心中，以完成對藍寶石之加工。輔助雷射束211及加工雷射束221單獨無法完整地加工藍寶石工件，但合起來(同時或依序)提供協同效應來達成加工。
多射束雷射加工系統200之所示實施例包含用於產生輔助雷 射束211之一輔助雷射210(例如，約532奈米之一綠色雷射)及用於產生加工雷射束221之一加工雷射220(例如，約1060奈米至1070奈米之一QCW SM纖維雷射)。輔助雷射及加工雷射210、220光學耦合至各自之射束遞送系統212、222，以用於在組合輔助雷射束及加工雷射束211、221之前改變該等射束。多射束雷射加工系統200更包含一射束組合器230、一聚焦透鏡240、一雷射加工頭260、及一或多個反射器或反射鏡252、254、256，該一或多個反射器或反射鏡用於將輔助雷射束及加工雷射束211、221作為一組合雷射束231引導至一工件202上或內之同一目標位置208。
儘管所示實施例顯示同時組合輔助雷射束及加工雷射束211、221，但亦可將射束211、221組合成將該等射束在不同時間引導至同一目標位置208。同時引導雷射束211、221可包含雷射束211、221之叢發或脈波之間以任意量交疊且未必需要該等雷射束具有相同之叢發或脈波持續時間。輔助雷射束211可在加工雷射束221之前或期間開始。亦可將雷射束211、221在不同時間引導至工件202，例如使輔助雷射束221在加工雷射束221之前。
在所示實施例中，輔助雷射210可係為一以稀土摻雜之纖維雷射，例如可自IPG光電公司購得之一GLP系列脈波式綠色纖維雷射(green fiber laser)。在其他實施例中，輔助雷射210可包含二極體幫浦式固態(diode pumped solid state；DPSS)雷射、準分子雷射、氣體雷射及熟習此項技術者習知之其他類型之雷射。加工雷射220亦可係為一以稀土摻雜之纖維雷射，例如可自IPG光電公司購得之一QCW系列單模鐿纖維雷射。
輔助雷射束遞送系統212可包含一可變望遠鏡(variable telescope)，以提供對輔助雷射束211之射束擴展及發散控制。具體而言，可控制輔助雷射束211之發散，以具有一最佳化數值孔徑(numerical aperture；NA)，進而在組合雷射束211、221之後形成與加工雷射束221實質相同之焦平面。加工雷射束遞送系統222可包含一準直器，例如(舉例而言)焦距為100毫米之一準直透鏡。另一選擇為或另外，射束遞送系統212、222亦可包含用於改變雷射光及/或將雷射光引導至所期望之位置之其他光學器件。此等光學器件可包含(但不限於)擴束器、射束準直器、射束成形透鏡、反射器、遮罩、分束器及掃描器(例如，一檢流計)。
在所示實施例中，射束組合器230包含反射器或反射鏡232、234，該等反射器或反射鏡分別用於選擇性地反射輔助雷射束及加工雷射束211、221之波長，以沿同一光軸引導射束211、221。第一反射鏡232帶有塗層以反射加工雷射束221之波長，且第二反射鏡234在一側上帶有塗層以反射加工雷射束221之波長、而在另一側上不帶有塗層以容許至少一部分輔助雷射束211穿過。藉此，第二反射鏡234對射束211、221兩者進行組合。在具有一綠色輔助雷射束211及一紅外加工雷射束221之一實施例中，例如，第一反射鏡232可帶紅外塗層，且第二反射鏡234可在一側上帶有紅外塗層而在另一側上不帶有塗層。第二反射鏡234之不帶塗層之側仍可將一部分輔助雷射束211反射至一射束幫浦250。射束組合器230之其他實施例亦處於本發明之範疇內。
反射鏡252、254、256可帶有塗層，以反射雷射束211、221之所期望之波長。在具有一綠色輔助雷射束211及一紅外加工雷射束221之一實施例中，例如，反射綠色雷射束之反射鏡252、254可係為能夠反射綠 色輔助雷射束211之532奈米反射鏡或帶綠色塗層之反射鏡，且反射鏡256可係為能夠反射綠色輔助雷射束211及紅外加工雷射束221兩者之一帶雙重紅外-綠色塗層之反射鏡。在一個實施例中，多射束雷射加工系統200之透射率對於輔助雷射束211可係為40%且對於加工雷射束221可係為90%。
儘管所示實施例顯示使用反射鏡之自由空間遞送，但亦可使用其他光學組件來遞送及/或組合該等雷射。例如，可使用一或多根纖維來將該等雷射束遞送至雷射加工頭260。在此實施例中，可藉由將該等雷射聚焦至工件202上或內之同一位置208來組合該等雷射。
聚焦透鏡240可係為一單葉聚焦透鏡(singlet focusing lens)，例如(舉例而言)具有一88毫米焦距且帶有紅外塗層之一透鏡。聚焦透鏡240可能夠將該等雷射束聚焦至直徑或尺寸處於約30微米至40微米之一範圍之一射束光點。在其他實施例中，該等射束遞送系統及聚焦透鏡24可能能夠將雷射211、221聚焦至一甚至更小之射束光點，例如小至15微米或更小。
在所示實施例中，雷射加工頭260包含一氣體輔助噴嘴260，以將一加壓氣態媒體與該等雷射束一起引導至工件202以利於雷射加工，例如當使用其中氣體有助於驅逐熔融材料之一熱切割製程時。該氣態媒體可包含例如氧氣(O2)。在其他實施例中，該氣態媒體可係為一惰性氣體，例如氮氣、氬氣或氦氣。
儘管所示實施例顯示由多個雷射210、220產生輔助雷射束211及加工雷射束221，但亦可使用同一雷射源產生輔助雷射束211及加工雷射束221兩者來執行該多雷射束加工方法。例如，可藉由一組參數(例如， 一較短之波長及/或脈波持續時間)自一雷射源產生一輔助雷射束，且可藉由一組不同的參數(例如，一較長之波長及/或脈波持續時間)自同一雷射源產生一加工雷射束。亦可藉由不同的射束遞送系統對由一雷射源產生之一單一雷射束進行分光及改變，以產生具有不同特徵之輔助雷射束及加工雷射束。
因此，本文所述之雷射加工系統及方法能夠使用處於約1060奈米至1070奈米之一波長範圍內之一QCW SM雷射有效率地加工藍寶石，且使切割邊緣缺陷減少、熱損傷減少及速度提高。
雖然本文已闡述本發明之原理，但熟習此項技術者應理解，此說明僅供用於舉例說明而非限制本發明之範疇。除本文所示及所述實例性實施例以外，可在本發明之範疇內設想出其他實施例。此項技術中之通常知識者作出之潤飾及替換被認為處於本發明之範疇內，本發明之範疇僅受隨附申請專利範圍限制。

Claims (21)

  1. 一種用於雷射加工一藍寶石基板之方法，該方法包含：週期性地接通一電源以使一連續波雷射(continuous wave laser)發出脈波，藉此使該雷射以一準連續波(quasi-continuous wave；「QCW」)模式運作，俾以介於1060奈米與1070奈米間之一波長發出連續雷射光脈波，其中該雷射係以介於1%與10%間之一負載循環(duty cycle)運作；將該等雷射光脈波聚焦於該藍寶石基板上；以及以該等雷射光脈波來雷射加工該藍寶石基板。
  2. 如請求項1所述之方法，更包含在該藍寶石基板附近供應一惰性氣體。
  3. 如請求項2所述之方法，其中該惰性氣體係選自由氬氣及氦氣組成之群組。
  4. 如請求項1所述之方法，其中雷射加工該藍寶石基板係選自由切割、劃刻、及鑽製組成之群組。
  5. 如請求項1所述之方法，其中雷射加工包含以介於每分鐘10英吋與40英吋間之一速度進行切割，且其中該藍寶石基板具有介於0.1毫米與1毫米間之一厚度。
  6. 如請求項1所述之方法，其中該雷射係為一鐿纖維雷射(ytterbium fiber laser)。
  7. 如請求項1所述之方法，其中該雷射係以介於50微秒與600微秒間之一脈波寬度運作。
  8. 如請求項1所述之方法，更包含將輔助雷射光聚焦於該藍寶石基板，其中該輔助雷射光改變該藍寶石之一特性以形成複數個吸收中心，且其中來自該雷射之該等雷射光脈波耦合至該等吸收中心，以利於該雷射加工。
  9. 如請求項8所述之方法，其中該輔助雷射光係由一綠色纖維雷射(green fiber laser)產生，該綠色纖維雷射用以以532奈米之一波長發出輔助雷射光。
  10. 如請求項9所述之方法，其中該綠色纖維雷射用以發出具有1奈秒之一脈波持續時間之輔助雷射光。
  11. 如請求項8所述之方法，其中該輔助雷射光係與來自該雷射之該等雷射光脈波同時被引導於該藍寶石基板。
  12. 一種用於雷射加工複數個藍寶石基板之雷射加工系統，該雷射加工系統包含：一纖維雷射，用以以一準連續波(「QCW」)模式運作，俾以介於1060奈米與1070奈米間之一波長發出複數個連續雷射光脈波；一控制器，耦合至該纖維雷射，用於週期性地將電力切換至該纖維雷射，以使該纖維雷射以該QCW模式以及介於1%與10%間之一負載循環發出脈波；一聚焦透鏡，用以將該雷射光聚焦於該藍寶石基板上以加工該藍寶石基板；一雷射頭，用以將經聚焦之該雷射光引導至該藍寶石基板，且包含一噴嘴，該噴嘴用於將一惰性氣體隨該雷射光一起遞送至該藍寶石基板；以及一氣體遞送系統，用以遞送該惰性氣體至該雷射頭。
  13. 如請求項12所述之雷射加工系統，其中該纖維雷射包含一單模(single mode；SM)纖維雷射。
  14. 如請求項12所述之雷射加工系統，其中該纖維雷射包含一鐿纖維雷射。
  15. 如請求項13所述之雷射加工系統，其中該控制器用以週期性地將電力切換至該單模纖維雷射以發出複數個脈波，各該脈波具有介於50微秒與600微秒間之一脈波寬度。
  16. 如請求項12所述之雷射加工系統，其中該惰性氣體係選自由氬氣及氦氣組成之群組。
  17. 一種用於加工一藍寶石基板之多射束(multiple-beam)雷射加工系統，該多射束雷射加工系統包含：一輔助雷射，用於產生具有一波長及一脈波持續時間之一輔助雷射束，俾使該藍寶石基板充分吸收該輔助雷射束以改變該藍寶石基板之一特性；一準連續波(QCW)纖維雷射，用於以介於1060奈米與1070奈米間之一波長產生一加工雷射束，其中該輔助雷射束之該波長小於該加工雷射束之該波長；以及一射束組合器(beam combiner)，用於將該輔助雷射束及該加工雷射束引導於一工件上之一目標位置，俾使該輔助雷射束改變該目標位置處該藍寶石基板之該特性而形成複數個吸收中心、且使該加工雷射束耦合至在該目標位置處在該藍寶石基板中形成之該等吸收中心，以完成在該目標位置處對該藍寶石基板之加工。
  18. 如請求項17所述之多射束雷射加工系統，更包含一聚焦透鏡，用於將該輔助雷射束及該加工雷射束聚焦於該目標位置。
  19. 如請求項17所述之多射束雷射加工系統，其中該輔助雷射係為一綠色纖維雷射，用於產生具有532奈米之一波長之一綠色輔助雷射束。
  20. 如請求項17所述之多射束雷射加工系統，其中該QCW纖維雷射係為一QCW單模鐿纖維雷射。
  21. 如請求項17所述之多射束雷射加工系統，更包含一輔助雷射束遞送系統，用於控制該輔助雷射束之發散(divergence)，俾使該輔助雷射束與該加工雷射束具有相同之焦平面。
TW103106983A 2013-02-28 2014-03-03 雷射系統及使用該雷射系統加工藍寶石之方法 TWI632997B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201361770816P 2013-02-28 2013-02-28
US61/770,816 2013-02-28

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201446453A TW201446453A (zh) 2014-12-16
TWI632997B true TWI632997B (zh) 2018-08-21

Family

ID=51428844

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW103106983A TWI632997B (zh) 2013-02-28 2014-03-03 雷射系統及使用該雷射系統加工藍寶石之方法

Country Status (6)

Country Link
EP (1) EP2961559B1 (zh)
JP (1) JP6392789B2 (zh)
KR (1) KR102176313B1 (zh)
CN (1) CN105142853B (zh)
TW (1) TWI632997B (zh)
WO (1) WO2014134470A1 (zh)

Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9102011B2 (en) 2013-08-02 2015-08-11 Rofin-Sinar Technologies Inc. Method and apparatus for non-ablative, photoacoustic compression machining in transparent materials using filamentation by burst ultrafast laser pulses
US11053156B2 (en) 2013-11-19 2021-07-06 Rofin-Sinar Technologies Llc Method of closed form release for brittle materials using burst ultrafast laser pulses
US9517929B2 (en) 2013-11-19 2016-12-13 Rofin-Sinar Technologies Inc. Method of fabricating electromechanical microchips with a burst ultrafast laser pulses
US10252507B2 (en) 2013-11-19 2019-04-09 Rofin-Sinar Technologies Llc Method and apparatus for forward deposition of material onto a substrate using burst ultrafast laser pulse energy
US10005152B2 (en) 2013-11-19 2018-06-26 Rofin-Sinar Technologies Llc Method and apparatus for spiral cutting a glass tube using filamentation by burst ultrafast laser pulses
US10144088B2 (en) 2013-12-03 2018-12-04 Rofin-Sinar Technologies Llc Method and apparatus for laser processing of silicon by filamentation of burst ultrafast laser pulses
US9844833B2 (en) * 2014-01-30 2017-12-19 Apple Inc. System and method for laser cutting sapphire using multiple gas media
US9938187B2 (en) 2014-02-28 2018-04-10 Rofin-Sinar Technologies Llc Method and apparatus for material processing using multiple filamentation of burst ultrafast laser pulses
US9757815B2 (en) 2014-07-21 2017-09-12 Rofin-Sinar Technologies Inc. Method and apparatus for performing laser curved filamentation within transparent materials
WO2016033477A1 (en) * 2014-08-28 2016-03-03 Ipg Photonics Corporation Multi-laser system and method for cutting and post-cut processing hard dielectric materials
US10391588B2 (en) 2015-01-13 2019-08-27 Rofin-Sinar Technologies Llc Method and system for scribing brittle material followed by chemical etching
CN104959734B (zh) * 2015-07-06 2017-01-18 武汉华工激光工程有限责任公司 一种用于激光切割油墨丝印蓝宝石的方法
CN105479009B (zh) * 2016-02-02 2017-09-29 深圳光韵达光电科技股份有限公司 一种smt模板表面超疏水结构的制备方法
JP6604891B2 (ja) * 2016-04-06 2019-11-13 株式会社ディスコ ウエーハの生成方法
JP2018094777A (ja) * 2016-12-12 2018-06-21 ダイセルポリマー株式会社 シール方法
JP6781649B2 (ja) * 2017-03-13 2020-11-04 株式会社ディスコ レーザー加工装置
US11385420B2 (en) 2017-12-29 2022-07-12 Nanjing Casela Technologies Corporation Limited Photon source comprising a plurality of optical sources and an optical shell to receive the light emitted by the optical source
JP2020145345A (ja) * 2019-03-07 2020-09-10 株式会社フジクラ ファイバレーザーの制御装置及び制御方法
EP4234150A1 (en) * 2022-02-28 2023-08-30 Bystronic Laser AG Laser cutting method and machine
CN115302112A (zh) * 2022-08-02 2022-11-08 山东理工大学 一种用于太阳能电池片的飞秒激光高效无损精密划片方法及装置

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW200621661A (en) * 2004-10-25 2006-07-01 Mitsuboshi Diamond Ind Co Ltd Method and device for forming crack
TW200809938A (en) * 2006-05-25 2008-02-16 Electro Scient Ind Inc Ultrashort laser pulse wafer scribing
TW201143947A (en) * 2009-12-07 2011-12-16 J P Sercel Associates Inc Laser machining and scribing systems and methods
US20120255935A1 (en) * 2011-02-09 2012-10-11 National University Corporation Okayama University Laser processing method

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS56169347A (en) 1980-05-31 1981-12-26 Toshiba Corp Laser scribing device
JPS6380989A (ja) * 1986-09-22 1988-04-11 Mazda Motor Corp 窒化ケイ素焼結材の切断加工方法
GB2390994B (en) * 2001-03-12 2004-10-13 Electro Scient Ind Inc Quasi-CW Diode-pumped, solid-state UV laser system and method employing same
JP4209615B2 (ja) * 2001-12-28 2009-01-14 株式会社ニデック レーザ加工装置
JP2004114075A (ja) * 2002-09-25 2004-04-15 Laser Solutions Co Ltd レーザ加工装置
JP4247383B2 (ja) * 2003-08-28 2009-04-02 独立行政法人産業技術総合研究所 透明材料の微細アブレーション加工方法
US20050087522A1 (en) * 2003-10-24 2005-04-28 Yunlong Sun Laser processing of a locally heated target material
CN1256754C (zh) * 2003-10-28 2006-05-17 中国科学院上海光学精密机械研究所 色心蓝宝石衬底的制备方法
US7633979B2 (en) * 2008-02-12 2009-12-15 Pavilion Integration Corporation Method and apparatus for producing UV laser from all-solid-state system
JP5595805B2 (ja) * 2010-06-28 2014-09-24 株式会社メガオプト レーザ装置
JP5435500B2 (ja) * 2010-12-24 2014-03-05 古河電気工業株式会社 半導体レーザ駆動回路および光ファイバパルスレーザ装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW200621661A (en) * 2004-10-25 2006-07-01 Mitsuboshi Diamond Ind Co Ltd Method and device for forming crack
TW200809938A (en) * 2006-05-25 2008-02-16 Electro Scient Ind Inc Ultrashort laser pulse wafer scribing
TW201143947A (en) * 2009-12-07 2011-12-16 J P Sercel Associates Inc Laser machining and scribing systems and methods
US20120255935A1 (en) * 2011-02-09 2012-10-11 National University Corporation Okayama University Laser processing method

Also Published As

Publication number Publication date
JP6392789B2 (ja) 2018-09-19
KR102176313B1 (ko) 2020-11-09
EP2961559B1 (en) 2020-05-20
TW201446453A (zh) 2014-12-16
KR20150119941A (ko) 2015-10-26
WO2014134470A1 (en) 2014-09-04
EP2961559A4 (en) 2016-09-07
CN105142853A (zh) 2015-12-09
JP2016514055A (ja) 2016-05-19
CN105142853B (zh) 2017-07-04
EP2961559A1 (en) 2016-01-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI632997B (zh) 雷射系統及使用該雷射系統加工藍寶石之方法
US11819949B2 (en) Multi-laser system and method for cutting and post-cut processing hard dielectric materials
US10343237B2 (en) System and method for laser beveling and/or polishing
US10286487B2 (en) Laser system and method for processing sapphire
US9764427B2 (en) Multi-laser system and method for cutting and post-cut processing hard dielectric materials
US11565350B2 (en) System and method for laser beveling and/or polishing
US11345625B2 (en) Method and device for the laser-based machining of sheet-like substrates
US9956646B2 (en) Multiple-beam laser processing using multiple laser beams with distinct wavelengths and/or pulse durations
TW201143947A (en) Laser machining and scribing systems and methods
US20130256286A1 (en) Laser processing using an astigmatic elongated beam spot and using ultrashort pulses and/or longer wavelengths
KR102131764B1 (ko) 반도체 기판을 통한 중간 적외선 레이저 광의 투과에 의한 열처리