JP2010536576A - 短パルスレーザを用いた固体材料切断方法およびシステム - Google Patents

Abstract

パルスレーザを用いて固体材料を切断する方法であって、パルスレーザビームを提供する工程、固体材料内の目標地点を選択する工程、固体材料内の目標地点でパルスレーザビームが少なくとも固体材料を削磨するのに必要な最小エネルギー密度を有しているように、パルスレーザビームを固体材料上で集束させる工程、および、パルスレーザビームが第１経路をトレースして固体材料に第１スクライブ線を形成しその後第２経路をトレースして固体材料に第２スクライブ線を形成するように、パルスレーザビームに、固体材料に対する相対運動を生じさせる工程、を含み、第１経路および第２経路が実質的に平行であり、かつ第１および第２スクライブ線が重複して固体材料に単一切断線を形成する。

Description

関連出願の説明

本出願は、参照することにより本書に引用する、２００７年８月１５日に出願された米国特許出願第１１／８９３，１８５号明細書の優先権の利益を主張するものである。

本発明は一般に、大きなバンドギャップを有する、および／または透明である固体材料のレーザ加工に関する。本書で使用される「透明な」という用語は、その固体材料が任意の周波数の電磁放射に対して透過であることを意味するものであり、この周波数は可視領域内でもよいし、可視領域内でなくてもよい。

バンドギャップが大きいおよび／または透明な固体材料を精密に切断することは、特に所望の切断が高アスペクト比を有する、および／または曲線である場合には難しい課題となり得る。スクライブ・ブレーク技術を用いて固体材料に線形の切断部を形成することはできるが、精度の高いものではない。結晶性材料の場合には、スクライブ・ブレーク技術は材料の一結晶面に沿った切断に限定される。任意の曲線での切断は、一般にスクライブ・ブレーク技術では不可能である。レーザ切断技術を用いると、固体材料に線形および曲線の切断部を高精密に形成することができる。しかしながら、レーザを用いて、バンドギャップが大きいおよび／または透明な固体材料に高アスペクト比で切断部を形成するには課題がある。

バンドギャップが大きいおよび／または透明な固体材料のアブレーションにレーザを用いるときには、典型的には、アブレーション閾値に達し材料を除去するのに必要なエネルギー密度を得るために、レーザビームを強く集束させることが必要である。この強く集束されたレーザビームは、材料に薄いスクライブ線を生じさせる。高アスペクト比を有する切断には、所望の深度に達するために引続きレーザビームをスクライブ線に沿って複数回通過させることが必要となるであろう。強く集束されたレーザビームが材料のより深い位置に進められると、レーザビームは切断部の両側面に沿った材料の一部を通って集束し始める。結果として、切断部の両側面に沿った材料により、ビーム焦点に収差および歪曲が生じる。深度がいくらか進むと、ビーム焦点は材料を除去するほどの強度ではなくなる可能性がある。ゆるく集束されたビームを用いることによりビームの収差を解決することは可能であるが、ゆるく集束されたビームは、アブレーション閾値を解決して材料を除去するのに必要なエネルギー密度を有していない可能性がある。高エネルギー密度のレーザビームを用いれば、ビームの収差および歪曲にもかかわらず恐らくアブレーションは達成されるであろうが、除去を所望していない領域もアブレーションされることになる可能性がある。

一態様において、本発明は、パルスレーザを用いて固体材料を切断する方法に関し、パルスレーザビームを提供する工程、固体材料内の目標地点を選択する工程、固体材料内の目標地点でパルスレーザビームが少なくとも固体材料を削磨するのに必要な最小エネルギー密度を有しているように、パルスレーザビームを固体材料上で集束させる工程、および、パルスレーザビームが第１経路をトレースして固体材料に第１スクライブ線を形成しその後第２経路をトレースして固体材料に第２スクライブ線を形成するように、パルスレーザビームに、固体材料に対する相対運動を生じさせる工程、を含み、この第１経路および第２経路が実質的に平行であり、かつ第１および第２スクライブ線が部分的にまたは完全に重複して固体材料に単一切断線を形成することを特徴とする。

この方法は、固体材料内のより深い位置に目標地点を移動させる工程、およびパルスレーザビームを集束しかつパルスレーザビームに相対運動を生じさせて単一切断線を深くすることを繰り返す工程、をさらに含んでもよい。この方法は、単一切断線が固体材料内で所望の深度に達するまで、目標地点を移動させ、パルスレーザビームを集束し、かつパルスレーザビームに相対運動を生じさせること、を繰り返す工程を含んでもよい。所望の深度は、固体材料の厚さと等しくてもよい。一実施の形態では、所望の深度は２００μｍより大きい。一実施の形態では、単一切断線の切り口幅に対する所望の深度の比率は５以上である。

一実施の形態では、パルスレーザビームによってトレースされる実質的に平行な経路は線形である。別の実施の形態では、パルスレーザビームによってトレースされる実質的に平行な経路は曲線である。

一実施の形態において、パルスレーザビームのパルス持続時間は、１０フェムト秒から２００ピコ秒の範囲である。

一実施の形態において、固体材料はバンドギャップが大きい材料である。別の実施の形態において、固体材料は透明材料である。

別の態様において、本発明は固体材料を切断するシステムに関し、パルスレーザビームを生成するレーザ素子、固体材料をその上に取り付ける支持材、およびパルスレーザビームが第１経路をトレースして固体材料に第１スクライブ線を形成しその後第２経路をトレースして固体材料に第２スクライブ線を形成するように、パルスレーザビームに、固体材料に対する相対運動を生じさせる機構、を備え、この第１経路および第２経路が実質的に平行であり、かつ第１および第２スクライブ線が部分的にまたは完全に重複して固体材料に単一切断線を形成することを特徴とする。

このシステムは、固体材料内の目標地点でパルスレーザビームが少なくとも固体材料を削磨するのに必要な最小エネルギー密度を有しているように、パルスレーザビームを集束させる光学系を含んでもよい。

このシステムは、固体材料に対する相対運動をパルスレーザビームに生じさせる機構の運転を制御する制御装置を含んでもよい。

パルスレーザビームは、１０フェムト秒から２００ピコ秒の範囲の持続時間を有するパルスを生成することができる。

本発明のその他の特徴および利点は、以下の説明および添付の請求項から明らかになるであろう。

以下で説明される添付の図面は本発明の典型的な実施形態を示すものであるが、本発明はその他の同等の有効な実施形態を許容し得るものであるから、これらは本発明の範囲を制限するものであると考えるべきではない。形状は必ずしも測定されたものではなく、明瞭かつ簡潔にするため、形状のある特徴やある見え方は縮尺上または概略的に誇張して示されている可能性がある。

パルスレーザビームを用いて固体材料を切断するシステムを示す概略図 ２つの実質的に平行な経路をパルスレーザビームでトレースすることにより固体材料を切断する方法を示す図 ２つの実質的に平行な経路をパルスレーザビームでトレースすることにより固体材料を切断する方法を示す図 図２Ａ〜２Ｂに示した方法に従って形成された単一切断線を有する固体材料を示す斜視図 ２つの曲線経路をパルスレーザビームでトレースすることにより固体材料を切断する方法を示す図 図２Ａ〜２Ｂに示した方法に従って固体材料に形成される単一切断線を深くする工程を示す図 図２Ａ〜２Ｂに示した方法に従って固体材料に形成される単一切断線を深くする工程を示す図

ここで本発明に関し、添付の図面に示すいくつかの好ましい実施の形態を参照して詳細に説明する。好ましい実施の形態の説明では、本発明を十分に理解することができるように多数の具体的詳細について説明する。しかしながら、当業者には明らかであろうが、本発明はこういった具体的詳細のいくつかあるいは全てを含まずに実施することも可能である。この他、本発明を不必要に不明瞭にすることがないように、既知の特徴および／または処理工程については詳細な説明を行わなかった。なお、共通または類似の要素を識別するために同様または同一の参照符号を用いている。

図１は、集束されたパルスレーザビーム１０３を用いて固体材料１０２を切断する例示的なシステム１００を示している。一実施の形態では、固体材料１０２は、バンドギャップが大きい材料、透明材料、およびバンドギャップが大きい透明材料の中から選択される。バンドギャップが大きいおよび／または透明な材料は、結晶、半導体、ガラス、セラミック、有機物、およびプラスチックから選択してもよい。また、固体材料１０２は金属でもよい。固体材料１０２は、単一材料からなるものでもよいし、または、全体でバンドギャップが大きいおよび／または透明な材料となって機能する複数材料からなるものでもよい。固体材料１０２として使用することができるバンドギャップが大きいおよび／または透明な材料の例としては、例えば、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、ダイアモンド、窒化ガリウム、炭化ケイ素、セレン化亜鉛、シリコン、シリコン窒化物、窒化アルミニウム、サファイア基板上窒化ガリウム、およびガラス（例えば、溶融石英すなわち溶融シリカ）が挙げられる。

システム１００は、その上に固体材料１０２が取り付けられる支持材１０４を含む。支持材１０４は、固体材料１０２に並進運動を与えるように配置された１次元、２次元、または３次元の並進台１０６を備えてもよく、これにより固体材料１０２を集束されたパルスレーザビーム１０３に対して動かすことができる。並進台１０６は、手動で操作してもよいし、または制御装置１０７からの命令を受けてもよい。制御装置１０７を用いる場合には、この制御装置は必要に応じて並進台１０６と通信するために必要な処理回路を含む。

支持材１０４の上方に、すなわち支持材１０４と相対する関係で、レーザアセンブリ１０８が取り付けられる。レーザアセンブリ１０８は、パルスレーザビームを発生するレーザ素子１１０と、パルスレーザビームを固体材料１０２の表面１１４上、その上方、またはその下方で集束させる光学系１１２とを含む。光学系１１２は、独立ユニットでもよいし、レーザ素子１１０と一体化したものでもよい。光学系１１２は、当技術において既知であるような、ビームを集束させるための１以上のレンズおよび／またはその他の光学素子を含んでもよい。レーザ素子１１０は、短パルスレーザ素子であることが好ましい。一実施の形態において、短パルスレーザ素子は、ピコ秒（１０^-12ｓ）および／またはフェムト秒（１０^-15ｓ）体制の持続時間を有するレーザパルスを提供する超短パルスレーザ素子である。一実施の形態において、超短パルスレーザ素子は、１０フェムト秒（ｆｓ）から２００ピコ秒（ｐｓ）の範囲のパルス持続時間を有するパルスレーザを発生する。このパルスレーザは、パルスを紫外線、可視、または赤外範囲の波長で発生するものでもよい。パルス繰り返し数の例は１Ｈｚから１０ＭＨｚまでである。バンドギャップが大きい透明材料は、例えば連続波や長パルスレーザとは対照的な短パルスレーザでより効果的に処理される。短パルスレーザによって生成される短パルスは、バンドギャップが大きい材料の分子結合を破壊するために必要とされる極めて高いエネルギー密度を有している。また短パルスは材料と非線形的に相互作用し、その結果、大きなバンドギャップを埋めて吸収性のレーザ波長で操作する必要性を回避する多光子吸収に繋がる。非吸収の短パルスはまた材料における熱的効果を減少させ、より滑らかで正確な切断と熱影響部を最小限に抑えることを可能とした。

レーザアセンブリ１０８が固体材料１０２に対して可動となるように、このレーザアセンブリを１次元、２次元、または３次元の並進台１１６と連結してもよい。並進台１１６は、手動で制御してもよいし、または上述の並進台１０６と同様の手法で制御装置１０７からの命令を受けてもよい。図示されていないが、システム１００は、レーザ素子１１０を用いて固体材料に形成される切断部の深度を監視するための、センサや他の手段を含んでもよい。システム１００が自動化されている場合、深度監視手段は制御装置１０７と通信するものでもよく、制御装置１０７は深度監視手段から受信した情報を用いて、レーザアセンブリ１０８またはパルスレーザビーム１０３の焦点面と固体材料１０２との間の相対的間隔を制御する。レーザ素子１１０は固体材料１０２の真上に図示されているが、これは必ずしも必要なことではない。例えば、レーザ素子１１０を他の場所に設置してもよく、光ファイバ、レンズ、およびミラーのような適切な光学素子を用いてレーザ素子１１０の出力を固体材料１０２に導くこともできる。パルスレーザビーム１０３を固体材料１０２に対して動かすために、並進台１０６、１１６に替えて光学式走査技術を用いることもできる。

固体材料１０２を切断する方法は、レーザ素子１１０を動作させてパルスレーザビームを発生させる工程と、パルスレーザビームを固体材料１０２の表面１１４に導く工程を含む。この方法は、例えば光学系１１２内の集束レンズを用いて、パルスレーザビーム１０３を集束させる工程を含む。パルスレーザビーム１０３の焦点面でのエネルギー密度は、少なくとも固体材料１０２を削磨するのに必要な最小エネルギー密度と等しい。この最小エネルギー密度は、固体材料１０２の種類とレーザパルスの持続時間に依存する。固体材料１０２に対するパルスレーザビーム１０３の焦点面の位置は、固体材料１０２における目標地点でパルスレーザビームが少なくとも固体材料１０２を削磨するために必要な最小エネルギー密度を有しているような位置である。最初、目標地点は固体材料１０２の表面１１４近傍である。さらに深い切断部を形成するため、目標地点は固体材料１０２内のより深い位置に設定される。目標地点において所望のエネルギー密度を得るため、パルスレーザビーム１０３の焦点は強力なものでなければならないであろう。一般に、焦点面でのビームのスポットサイズが１００μｍより小さい場合、または集束レンズの直径に対する焦点距離が５０より小さい場合、焦点は強力であると考えられる。

図２Ａおよび２Ｂは、単一切断線がどのようにして固体材料１０２に形成されるのかを示したものである。集束されたパルスレーザビーム１０３は、固体材料１０２の表面１１４（ｘ−ｙ平面）上で第１経路２００（図２Ａ）をトレースし、その後第２経路２０２（図２Ｂ）をトレースする。ここで、第１および第２経路２００、２０２は実質的に平行である。「実質的に平行」とは、経路２００、２０２が、単一切断線が形成される、または形成される予定の範囲において交差しないことを意味する。第１および第２経路２００、２０２は別々にトレースされ、所望の単一切断線の輪郭に適合する。集束されたレーザビーム１０３のトレースは、第１経路２００から連結経路２０３に沿って第２経路２０２に移動し、その後連結経路２０５に沿って第１経路２００に戻るようにして、閉ループを形成してもよい。第１経路２００に沿ったトレースは、固体材料１０２において第１スクライブ線２００ａとなる（図２Ａ、２Ｂ）。第２経路２０２に沿ったトレースは、固体材料１０２において第２スクライブ線２００ｂとなる（図２Ｂ）。第１経路２００と第２経路２０２の間の間隔（図２ＡのＳ）は、第１および第２スクライブ線２００ａ、２００ｂが（完全にまたは部分的に）重複し、すなわち結合して、図２Ｃに２０８で示したような単一切断線を形成するようなものである。典型的には、このために、第１および第２経路２００、２０２間の間隔は、集束されたパルスレーザビーム１０３の焦点面でのビームスポットサイズと略同等である必要がある。一般にパルスレーザビーム１０３は、２以上の実質的に平行な経路をトレースすることができるが、その隣接する実質的に平行な経路間の間隔は、各トレース中に形成された個々のスクライブ線が重複すなわち結合して単一切断線を形成するようなものとすることができる。第１および第２経路２００、２０２（さらに、使用するのであれば、追加の実質的に平行な経路）は、線形または曲線とすることができ、所望の切断線に適合するものとなる。図２Ｄは、第１および第２経路２００、２０２が曲線である場合のトレースのパターンを示している。実質的に平行な経路をトレースしスクライブ線を形成するように、集束されたパルスレーザビーム１０３を固体材料１０２に対して動かすのは、手動で行ってもよいし、制御装置（図１の１０７）を通して自動的に行ってもよい。逆に、パルスレーザビーム１０３を固定して、固体材料１０２を動かしてもよい。

上述の手順で形成された単一切断線（図２Ｃの２０８）は十分な深度を有し得るため、レーザビーム（図２Ａおよび２Ｂの１０３）をさらに固体材料１０２に通過させる必要はない。しかしながら、単一切断線２０８が十分な深度を有していない場合には、上述の手順を固体材料１０２の異なる深度で繰り返すことにより、固体材料１０２の全厚さまで深くすることができる。切断線２０８を深くするためには、パルスレーザビーム１０３の焦点を固体材料１０２内のより深い位置に進める。すなわち、固体材料１０２内のより深い目標地点で、パルスレーザビームが少なくとも固体材料１０２を削磨するのに必要な最小エネルギー密度を有しているように、パルスレーザビーム１０３は集束される。パルスレーザビーム１０３の焦点が固体材料内のより深い位置に進められると、集束されたレーザビーム１０３は再び第１経路（図２Ａの２００）をトレースし、図３Ａに３００として示すように第１経路に沿って単一切断線２０８を深くする。集束されたレーザビーム１０３はその後第２経路をトレースし、図３Ｂに３０２として示すように第２経路に沿って単一切断線２０８を深くする。最終的に、より深い単一切断線２０８となる。

パルスレーザビーム１０３の焦点を固体材料１０２内のより深い位置に進め、集束されたパルスレーザビームで第１および第２の実質的に平行な経路をトレースする工程は、単一切断線２０８が所望の深度となるまで繰り返すことができ、その深さは固体材料１０２の厚さと等しくてもよいし異なってもよい。このため、固体材料１０２の各切断深度では、単一切断線を形成するように部分的または全体的に重複している少なくとも２つの実質的に平行な切断部が形成される。同じレーザパラメータに対し、切断深度ごとの２以上の重複切断部は、図２Ａ〜２Ｂおよび３Ａ〜３Ｂに示すように、切断深度ごとの単一の切断部と比較するとより広い切り口（図３ＢのＫ）を生成する。このより広い切り口は、パルスレーザビーム１０３が固体材料１０２内のより深い位置に移動するとき、パルスレーザビームの収差および歪曲を最小限に抑え、あるいは防ぐ。切断深度ごとの複数平行切断方法では、所望のエネルギーを得るために必要な強さにパルスレーザビーム１０３を集束させて、固体材料１０２のより深い位置に進める間、固体材料１０２を削磨することができる。このため、この方法は、固体材料１０２に高アスペクト比および／または任意の形状を有する切断部を形成することを可能とする。切り口に対して切断深度が５以上である場合には、切断は高アスペクト比を有していると考えられる。一実施の形態において、単一切断線は、１００μｍより小さい切り口幅と、５００μｍ以内の切断精度を有する。

一実施の形態において、繰り返し数１ｋＨｚ、５０ｆｓ、８７０μＪのパルスで動作し、４０μｍスポットに集束されたレーザビームを用いてサファイアサンプルを切断した。集束されたパルスレーザビームはサンプルを横切り、すなわち２つの実質的に平行な経路を０．２ｍｍ／ｓの速さでトレースし、おおよその深さが４０μｍの溝（単一切断線）を形成した。０．５ｍｍ厚のサファイアサンプルを切断するために、最小精度が２μｍであり併行精度が１μｍより大きいｘｙｚ並進台上にサファイアサンプルが取り付けられた。パルスレーザビームは１０倍対物レンズを用いてサンプルの表面で集束され、第１組の実質的に平行な切断部が形成された。実質的に平行な経路間の間隔は２０〜５０μｍの範囲であった。パルスレーザビームは引き続いてサンプル内のより深い位置に進められ、サンプルが分離されるまで、各切断深度で実質的に平行な切断部が形成された。同じレーザパラメータを用いて切断深度ごとに単一の切断を行った場合には、サファイアサンプルを分離することはできなかった。

別の例において、厚さ０．５ｍｍ、直径５０ｍｍの４分の１円形のサファイアウエハを、上述の切断深度ごとの複数平行切断方法を用いて分離した。このサンプルは、８００ｎｍ付近の動作波長を有するチタンサファイアレーザからの５０ｆｓのパルスを用いて分離した。８５０μＪのパルスを使用し、その焦点を、固体材料を横切って０．２ｍｍ／ｓで平行移動させた。２つの実質的に平行な切断部の間隔は４０μｍであった。各切断の後、焦点をサンプル内のさらに２０μｍ深い位置に進めた。このウエハをスクライブ、劈開技術を用いて分割することは不可能であった。結晶軸に沿って１つの切断部を形成することはできるが、その垂直の切断部が別の劈開面に沿うことは不可能であった。

本発明について、ここまで限られた数の実施の形態を参照して説明してきたが、ここで開示された本発明の範囲から逸脱することなくその他の実施形態を考案できることは、この開示に関して利益を有する当業者には明らかであろう。したがって、本発明の範囲は添付の請求項によってのみ制限されるべきである。

１０２ 固体材料
１０３ パルスレーザビーム
１０６、１１６ 並進台
１０７ 制御装置
１１０ レーザ素子
１１２ 光学系
２００ 第１経路
２０２ 第２経路
２０８ 単一切断線

Claims (10)

1. パルスレーザを用いて固体材料を切断する方法であって、
   パルスレーザビームを提供する工程、
   前記固体材料内の目標地点を選択する工程、
   前記固体材料内の前記目標地点で前記パルスレーザビームが少なくとも前記固体材料を削磨するのに必要な最小エネルギー密度を有しているように、パルスレーザビームを前記固体材料上で集束させる工程、および、
   前記パルスレーザビームが第１経路をトレースして前記固体材料に第１スクライブ線を形成し、その後第２経路をトレースして前記固体材料に第２スクライブ線を形成するように、前記パルスレーザビームに、前記固体材料に対する相対運動を生じさせる工程、
   を含み、該第１経路および第２経路が実質的に平行であり、かつ前記第１および第２スクライブ線が重複して前記固体材料に単一切断線を形成することを特徴とする方法。
2. 前記固体材料内のより深い位置に前記目標地点を移動させる工程、および前記パルスレーザビームを集束しかつ該パルスレーザビームに相対運動を生じさせて前記単一切断線を深くすることを繰り返す工程、をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記単一切断線が前記固体材料内で所望の深度に達するまで、前記目標地点を移動させ、前記パルスレーザビームを集束し、かつ前記パルスレーザビームに相対運動を生じさせること、を繰り返す工程をさらに含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 前記所望の深度が、前記固体材料の厚さと等しいことを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 前記所望の深度が２００μｍより大きいことを特徴とする請求項３記載の方法。
6. 前記単一切断線の切り口幅に対する、前記所望の深度の比率が、５以上であることを特徴とする請求項３記載の方法。
7. 前記パルスレーザビームのパルス持続時間が１０フェムト秒から２００ピコ秒の範囲であることを特徴とする請求項１記載の方法。
8. 固体材料を切断するシステムであって、
   パルスレーザビームを提供するレーザ素子、
   前記固体材料をその上に取り付ける支持材、および、
   前記パルスレーザビームが第１経路をトレースして前記固体材料に第１スクライブ線を形成しその後第２経路をトレースして前記固体材料に第２スクライブ線を形成するように、前記パルスレーザビームに、前記固体材料に対する相対運動を生じさせる機構、
   を備え、該第１経路および第２経路が実質的に平行であり、かつ前記第１および第２スクライブ線が重複して前記固体材料に単一切断線を形成することを特徴とするシステム。
9. 前記固体材料内の目標地点で前記パルスレーザビームが少なくとも前記固体材料を削磨するのに必要な最小エネルギー密度を有しているように、前記パルスレーザビームを集束させる光学系をさらに備えていることを特徴とする請求項８記載のシステム。
10. 前記固体材料に対する相対運動を前記パルスレーザビームに生じさせる前記機構を制御する制御装置をさらに備えていることを特徴とする請求項８記載のシステム。

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