JP2019513558A - サファイアを切断するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

サファイア本体とサファイア本体に形成されているコーティングとを含むサファイアを切断するための方法であって、前記方法は、第一のＣＯ_２レーザービームをＣＯ_２集束モジュールによってコーティングに集束させることにより、コーティングを、第一の経路に沿って、所定の厚さだけ除去することと、コーティングを除去すると同時に、コーティングを除去する際に生じた粉塵とチップを除去することと、超高速レーザービームをビーム整形モジュールによってサファイア本体に集束させることにより、第二の経路に沿って分布するとともにサファイアを貫通する複数の改質領域を形成することと、第二のＣＯ_２レーザービームを検流計集束モジュールを通して、第二のＣＯ_２レーザービームに、第二の経路と重なるまたは第二の経路からオフセットしている経路に沿ってサファイア本体をスキャンさせることにより、サファイアを改質領域に沿って裂くこととを含む。
【選択図】 図２

Description

本発明は、サファイアを切断するための方法及び装置に関する。

サファイアは、高硬度、耐擦り傷性、耐高温性、良好な化学的安定性などの特徴を有するため、精密機器のウィンドウシート、精密部品、及びＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ、発光ダイオード）の基板として用いられている。近年の消費者向け電子製品市場の急速な発展に伴い、消費者向け電子製品分野におけるサファイアの応用が急激に増加する傾向にある。携帯電話のスクリーン、カメラ、リターンボタン、及び指紋認識モジュールなどに使われてきたガラス材は、徐々にサファイアに置き換えられてきた。
従来のサファイア加工は、サファイア裸石シートを加工した後に塗装を行うため、工程が複雑で非効率的である。市場からの希望が高まるにつれて、サファイアの加工について、コーティング付きのサファイア複合材を直接加工する方法が出ている。

しかしながら、一般的には、コーティング付きのサファイア複合材を直接加工すると、コーティングの損傷エリアが大きいという問題がある。

これに鑑みて、コーティング損傷エリアを抑えられる、サファイアを切断するための方法及び装置を提供する必要がある。

サファイア本体と、前記サファイア本体上に形成されているコーティングとを含むサファイアを切断するための方法であって、
第一のＣＯ_２レーザービームをＣＯ_２集束モジュールによって前記コーティングに集束させることにより、前記コーティングを、第一の経路に沿って、所定の厚さだけ除去し、前記コーティングを除去すると同時に、前記コーティングを除去する際に生じた粉塵とチップを除去することと、
超高速レーザービームをビーム整形モジュールによって前記サファイア本体に集束させることにより、前記第一の経路と重なる第二の経路に沿って分布するとともに前記サファイアを貫通する複数の改質領域を形成することと、
第二のＣＯ_２レーザービームを検流計集束モジュールを通して、第二のＣＯ_２レーザービームに前記第二の経路と重なるまたは前記第二の経路からオフセットしている経路に沿って前記サファイア本体をスキャンさせ、前記サファイアを前記改質領域に沿って裂くこととを含む。

サファイアを切断するための装置であって、
第一のＣＯ_２レーザービームを発生させるための第一のＣＯ_２レーザー発生装置と、
前記第一のＣＯ_２レーザー発生装置に設置され、前記第一のＣＯ_２レーザービームを前記コーティングに集束させることにより、前記コーティングを、第一の経路に沿って、所定の厚さだけ除去するためのＣＯ_２集束モジュールと、
前記ＣＯ_２集束モジュールに設置され、コーティングを除去する際に生じた粉塵とチップを吹き除くための送気モジュールと、
前記粉塵と前記チップを吸い取るための粉塵吸引モジュールと、
超高速レーザービームを発生させるための超高速レーザー発生装置と、
前記超高速レーザー発生装置に設置され、前記超高速レーザービームを前記サファイア本体に集束させることにより、第二の経路に沿って分布するとともに前記サファイアを貫通する複数の改質領域を形成するためのビーム整形モジュールと、
第二のＣＯ_２レーザービームを発生させるための第二のＣＯ_２レーザー発生装置と、
前記第二のＣＯ_２レーザー発生装置に設置され、前記第二のＣＯ_２レーザービームに前記サファイア本体をスキャンさせることにより、前記サファイアを前記改質領域に沿って裂くための検流計集束モジュールとを含む。

本発明の実施例または従来技術による技術案をより明らかに説明するために、実施例または従来技術を記述するのに必要な図面を簡単に説明する。後述する図面は本発明のいくつかの実施例に過ぎず、当業者にとって、創造的な努力を必要とせずに、これらの図面に基づいて他の実施例の図面を得られることは無論である。

一実施例におけるサファイアの断面図である。 図１に示すサファイアを切断するための方法のフローチャートである。 図２に示す方法においてコーティングを除去するステップの概略図である。 図３に示すコーティングを除去するステップの加工プロセスの概略図である。 図２に示す方法においてサファイアを切断するステップの概略図である。 図５に示すサファイアを切断するステップにおける、複数の改質領域の第二の経路に沿う分布を示す概略図である。 図５に示すサファイアを切断するステップにおける、集束スポットエネルギー密度−スポット焦点深度の関係図である。 図５に示すサファイアを切断するステップにおける、複数の改質領域のサファイア内部における分布概略図である。 図２に示す方法においてサファイアを分離するステップの概略図である。 図９に示すサファイアを分離するステップにおいて、集束スポットが改質領域からオフセットしている様子の概略図である。 図１に示すサファイアを切断するための方法のもう一つのフローチャートである。 図１に示すサファイアを切断するための方法の他のフローチャートである。 図２に示す方法を用いて加工した後のサファイアの効果図である。

本発明の理解を容易にするために、次に、図面を参照しながら、サファイアを切断するための方法及び装置についてより詳しく説明する。図面には、サファイアを切断するための方法及び装置の最適な実施例が示されている。しかし、サファイアを切断するための方法及び装置は様々な形で実現でき、ここで記述される実施例に限らない。逆に、これらの実施例を挙げる目的は、サファイアを切断するための方法及び装置の開示をより徹底的かつ完全にすることにある。

特段に定義されない限り、ここで使用される全ての技術用語と科学用語の意味は、本発明の技術分野の当業者に一般的に理解されている意味とする。サファイアを切断するための方法及び装置に関して明細書において使用される用語は、具体的な実施例を説明するためのものにすぎず、本発明を限定するものではない。また、本明細書における「及び／または」は、挙げられた一または複数の関連項目の任意及び全ての組合せを含む意味とする。

図１に示すように、一実施例におけるサファイア１０を切断するための方法において、サファイア１０は、サファイア本体２００と、サファイア本体２００に形成されているコーティング１００とを含む。本実施例において、サファイア１０はシート状である。サファイア１０は、コーティング１００とサファイア本体２００とを含む。具体的には、一または複数層のコーティング１００がサファイア本体２００を基板として該サファイア本体２００上に塗装されている。すなわち、コーティング１００とサファイア本体２００は、それぞれサファイア１０の対向する両側に位置する。

図２、図３に示すように、サファイア１０を切断するための方法は、下記のステップを含む。

ステップＳ４０２において、第一のＣＯ_２レーザービーム３２をＣＯ_２集束モジュール２０によってサファイア１０のコーティング１００が塗装された側に集束させることにより、コーティング１００を、第一の経路（未図示）に沿って、所定の厚さだけ除去する。コーティング１００を除去すると同時に、コーティング１００を除去する際に生じる粉塵とチップを除去する（図４参照）。

本実施例において、図３に示すように、コーティング１００がメッキされたサファイア１０の一面を、コーティング１００の表面がＣＯ_２集束モジュール２０と対応するように、ＣＯ_２集束モジュール２０の下方の加工ステージ（未図示）に置く。第一のＣＯ_２レーザービーム３２は、ＣＯ_２集束モジュール２０の上方における第一のＣＯ_２レーザー発生装置３０により発生する。ＣＯ_２集束モジュール２０には、圧縮ガスを吹き出す送気モジュール２２が設置されている。送気モジュール２２は、加工表面時に生じた高温の粉塵とチップを吹き除くことに用いられる。加工ステージには、加工表面の周囲の粉塵とチップを吸い取るための粉塵吸引モジュール４０が設置されている。

また、図４に示されるように、第一のＣＯ_２レーザー発生装置３０がオンにされると、送気モジュール２２と粉塵吸引モジュール４０が同時にオンとなる。すなわち、第一のＣＯ_２レーザービーム３２がＣＯ_２集束モジュール２０によってコーティング１００に集束した時、高温の粉塵とチップがコーティング１００の表面に飛び落ちてコーティング１００を汚染または焼損することを回避するために、送気モジュール２２と粉塵吸引モジュール４０は同時に動作して粉塵とチップを同時に排除する。図４に示すように、一実施例において、送気モジュール２２が加工表面に生じた粉塵とチップを効果的に吹き除けるように、ＣＯ_２集束モジュール２０と送気モジュール２２とは同軸に設置されている。第一の経路はコーティング１００の切断経路であり、すなわち、コーティング１００を除去する経路である。

一実施例において、第一のＣＯ_２レーザービーム３２がＣＯ_２集束モジュール２０によってコーティング１００に集束してなるスポットは、ガウススポット、トップハットスポット、またはＭ形スポットである。一実施例において、第一のＣＯ_２レーザービーム３２がＣＯ_２集束モジュール２０をコーティング１００に集束してなるスポットの重畳率は５０％〜９０％であり、コーティング１００をより効果的に除去することができる。本実施例において、第一のＣＯ_２レーザービーム３２がＣＯ_２集束モジュール２０によってコーティング１００に集束してなるスポットは、所定の厚さのコーティング１００を除去することができる。

本実施例において、第一のＣＯ_２レーザー発生装置３０はパルスレーザー発生装置である。第一のＣＯ_２レーザービーム３２は、パワーが１０Ｗ〜２００Ｗであり、周波数が１ＫＨｚ〜２０ＫＨｚであり、速度が１０ｍｍ／ｓ〜３００ｍｍ／ｓであり、第一のＣＯ_２レーザービーム３２のスポットの直径は２０μｍ〜１００μｍである。コーティング１００に作用するＣＯ_２レーザーのエネルギー密度がサファイア本体２００の破壊閾値Ｆ_ｔｈより小さいと共に、所定の厚さのコーティング１００が効果的に除去されるように、ＣＯ_２レーザービームの合理的なパラメータを選択する。パルスレーザー発生装置の場合、連続する二つのパルス同士間の間隔は、積み重ね数またはパルス間隔と称される。パルス重畳比（重畳率）の式は下記のとおりである。

上式において、Ｕ_ｐはパルス重畳比（重畳率）であり、ωはスポットのビームウエスト半径であって単位がμｍであり、ｖは速度であって単位がｍｍ／ｓであり、ｆは周波数であって単位がＫＨｚである。

本実施例において、第一の経路は円弧状の曲線であるが、他の実施例において、第一の経路は他の形状の曲線であってもよい。サファイア１０は、吸着または機械的に挟まれることで治具（未図示）に固定される。治具は、第一のＸＹ移動プラットフォーム（未図示）に設置され、第一の経路に沿ってサファイア１０のコーティング１００を除去するように、第一のＸＹ移動プラットフォームの移動に従って移動する。

一実施例において、所定の厚さは１０μｍ〜２００μｍである。一実施例において、所定の厚さは、コーティング１００の厚さに等しい。本実施例において、第一のＣＯ_２レーザービーム３２は、第一の経路に沿ってコーティング１００を完全に除去する。

ステップＳ４０４において、図５に示すように、超高速レーザービーム６２をビーム整形モジュール５０によってサファイア１０の他側に位置するサファイア本体２００に集束させることにより、第二の経路１４に沿って分布するとともにサファイア１０を貫通する複数の改質領域１２を形成する（図６参照）。ここで、第二の経路１４は第一の経路と重なっている。

本実施例において、図５に示すように、サファイア本体２００の表面とビーム整形モジュール５０とを互いに対応するように配置している。超高速レーザービーム６２は、ビーム整形モジュール５０の上方における超高速レーザー発生装置６０により発生し、ビーム整形モジュール５０により集束した後に加工ステージ上のサファイア本体２００の表面に投射することにより、第二の経路１４に沿って分布するとともにサファイア１０を貫通する改質領域１２を形成する。超高速レーザー発生装置６０により発生する超高速レーザービーム６２は、短いレーザーパルスと高いピークパワーを有する。超高速レーザービーム６２は、パルス持続期間がほんの数ピコ秒（ｐｓ）または数フェムト秒（ｆｓ）であり、パルス幅が５０ｐｓ未満である。具体的には、本実施例において、超高速レーザー発生装置６０は、サファイア１０に対する透過率が高い赤外線ピコ秒レーザー発生装置である。

第二の経路１４は、サファイア本体２００の切断経路であり、第一の経路と重なっている。超高速レーザービーム６２がビーム整形モジュール５０によって集束した後のレーザーのエネルギー密度はサファイア本体２００の破壊閾値Ｆ_ｔｈより大きいため、サファイア１０に改質領域１２が形成される。図７は、ビーム整形モジュールにより集束した後の有効焦点深度を示す概略図である。図示した横座標はスポット焦点深度であり、記号Ｚで表される。図示した縦座標は集束スポットのエネルギー密度であり、記号Ｆで表される。図７に示すように、超高速レーザービーム６２がビーム整形モジュール５０により集束してなる集束スポットのレーザーエネルギー密度Ｆがサファイア本体２００の破壊閾値Ｆ_ｔｈより大きいまたは等しい時の、スポット焦点深度の長さＤがサファイア１０の厚さより大きいまたは等しいように、超高速レーザー発生装置６０の加工時のパラメータを合理的に調節する。

一実施例において、超高速レーザービーム６２は、パルス幅が１００ｆｓ〜５０ｐｓである赤外レーザービームまたは緑色レーザービームである。

一実施例において、超高速レーザービーム６２は、一または複数のパルス列を有するレーザービームである。一または複数のパルス列は一つのパルスエンベロープを形成する。それぞれのパルスエンベロープは、サファイア内に一または複数の改質領域１２を形成する。一または複数の改質領域１２は、一の改質領域集合を構成する。図６と図８に示すように、具体的に、本実施例において、それぞれのパルス包絡は、二つのパルス列で構成され、サファイア１０の内部に二つの改質領域１２を形成する。この場合、二つの改質領域１２で一つの改質領域集合が構成される。

本実施例において、サファイア１０は、第二のＸＹ移動プラットフォーム（未図示）に置かれている。第二のＸＹ移動プラットフォームには、さらに、位置トリガ機能に基づく第二のサーボ駆動システム（未図示）が設置されている。第二のＸＹ移動プラットフォームが一定の距離を移動した時、第二のサーボ駆動システムは、超高速レーザー発生装置６０へ第二の制御信号を送信する。超高速レーザー発生装置６０は、第二の制御信号に応じて一つのパルスエンベロープ分のパルスレーザービームを発射する。図６に示すように、具体的には、第二の経路１４は円弧状の曲線である。第二のＸＹ移動プラットフォームの移動に従って、サファイア１０は第二の経路１４に沿って移動する。第二のサーボ駆動システムは、超高速レーザービーム６２がサファイア１０の内部に複数の等間隔の改質領域集合を形成するように、第二のＸＹ移動プラットフォームの移動情報を処理する。改質領域集合が三つ以上の改質領域１２で構成される場合に、改質領域集合内の改質領域１２は均一に分布してもよく、不均一に分布してもよい。本実施例において、改質領域集合は二つの改質領域１２で構成される。隣接する二つの改質領域集合間の距離はＬであって、Ｌは３μｍ〜３ｍｍである。改質領域集合内の二つの改質領域１２の間の距離はｄであって、ｄは０〜３μｍである。

図６と図８に示すように、ここで、一つ目のパルスエンベロープのパルスレーザービームによって生成された二つの改質領域１２はそれぞれ、第一の改質領域１２１と第二の改質領域１２２である。第一の改質領域１２１と第二の改質領域１２２とで、一つ目の改質領域集合が構成される。二つ目のパルスエンベロープのパルスレーザービームによって生成された二つの改質領域１２はそれぞれ、第三の改質領域１２３と第四の改質領域１２４である。第三の改質領域１２３と第四の改質領域１２４とで、二つ目の改質領域集合とが構成される。第一の改質領域１２１と第二の改質領域１２２との間の距離と、第三の改質領域１２３と第四の改質領域１２４との間の距離はいずれもｄである。一つ目の改質領域集合と二つ目の改質領域集合との間の距離はＬであり、かつ、第一の改質領域１２１と第三の改質領域１２３との間の距離、及び第二の改質領域１２２と第四の改質領域１２４との間の距離はいずれもＬである。このように、第ｎ（ｎ≧２）のパルスエンベロープのパルスレーザービームによって生成される二つの改質領域はそれぞれ、第２ｎ−１の改質領域と第２ｎの改質領域であって、第２ｎ−１の改質領域と第２ｎの改質領域とで、ｎ番目の改質領域集合が構成される。第２ｎ−１の改質領域と第２ｎの改質領域との間の距離はｄである。第２ｎ−３の改質領域と第２ｎ−１の改質領域との間の距離、及び第２ｎ−２の改質領域と第２ｎの改質領域との間の距離はいずれもＬである。

ステップＳ４０６において、図９に示されるように、第二のＣＯ_２レーザービーム９２を検流計集束モジュール８０を通して、第二のＣＯ_２レーザービーム９２に、第二の経路１４と重なるまたは第二の経路１４からオフセットしている経路に沿ってサファイア本体２００をスキャンさせることにより、サファイア１０を改質領域１２に沿って裂く。

本実施例において、検流計集束モジュール８０は、サファイア本体２００の上方に設置されている。第二のＣＯ_２レーザービーム９２は、第二のＣＯ_２レーザー発生装置９０により発生する。第二のＣＯ_２レーザービーム９２は、検流計集束モジュール８０を通って、第二の経路１４に沿ってサファイア本体２００の表面をスキャンする。サファイア１０は、第二のＣＯ_２レーザーのエネルギーを吸収して第二の経路１４に局部の縞状の応力分布が生じる。応力の強度は、サファイア１０が第二の経路１４に沿って割れ、切断の完成品と廃材とが自動的に分離されるための十分な強度である。ペアとなる複数の等間隔の改質領域１２が第二の経路１４に沿って均一に分布するため、サファイア１０が第二のＣＯ_２レーザービーム９２のエネルギーを吸収して膨張することにより生じる応力勾配は第二の経路１４に沿って均一に分布する。その結果、サファイア１０は第二の経路１４に沿って均一に割れ、切断表面が平坦である。

図１０に示すように、サファイア１０の分離プロセスにおいて、第二のＣＯ_２レーザービーム９２は、検流計集束モジュール８０により集束してサファイア本体２００の表面に作用する。集束した第二のＣＯ_２レーザーのスポット中心は、第二の経路１４から一定の距離ｒだけオフセットしている経路に沿ってスキャンしてもよい。サファイア１０は、第二のＣＯ_２レーザーのエネルギーを吸収して局部の縞状の応力分布が生じる。第二のＣＯ_２レーザービーム９２が検流計集束モジュール８０によってサファイア本体２００に集束したときのエネルギーでサファイア本体２００が破壊されることなく、サファイア１０が第二のＣＯ_２レーザーのエネルギーを吸収して生じた応力により第二の経路１４に沿って割れ、かつ、割れる速度が第二のＣＯ_２レーザービーム９２のスキャニング速度と協調するように、第二のＣＯ_２レーザービーム９２のパラメータを合理的に選択する。具体的には、本実施例において、第二のＣＯ_２レーザービーム９２が検流計集束モジュール８０によって集束してサファイア本体２００に作用するスポットの重畳率は７０％〜９５％であり、第二のＣＯ_２レーザービーム９２は、周波数が１ＫＨｚ〜１５ＫＨｚであり、速度が１０ｍｍ／ｓ〜５００ｍｍ／ｓである。

図１０に示すように、一実施例において、第二のＣＯ_２レーザービーム９２が検流計集束モジュール８０を通ってサファイア本体２００をスキャンする経路が第二の経路１４からオフセットしている距離ｒは、２ｍｍより小さいまたは２ｍｍに等しい。これにより、サファイア１０が第二のＣＯ_２レーザーのエネルギーを吸収して変換した熱量でコーティング１００の材料が破壊されないことが確保される。

一実施例において、第二のＣＯ_２レーザービーム９２が検流計集束モジュール８０によってサファイア本体２００に集束してなるスポットの直径は５０μｍ〜３０００μｍである。

一実施例において、サファイア１０を貫通する改質領域１２の加工方法は、ロングフォーカス・パンフォーカスシステム（長焦深聚焦系統）またはレーザーフィラメンテーションを用いた加工である。具体的には、本実施例において、サファイア１０を貫通する改質領域１２を形成するための加工方法はロングフォーカス・パンフォーカスシステムを利用した加工である。第二のＣＯ_２レーザービーム９２が検流計集束モジュールによってサファイア本体２００の表面に集束してなるスポットのエネルギー密度値が、サファイア本体２００の破壊閾値に達すると、サファイア本体２００は一気に切り通される。一実施例において、サファイア１０を貫通する改質領域１２を形成するための加工方法はレーザーフィラメンテーション法である。レーザーフィラメンテーション法により、サファイア１０の内部にプラズマチャネルが形成される。

図１１に示すように、一実施例において、第一のＣＯ_２レーザービーム３２をＣＯ_２集束モジュール２０によりコーティング１００に集束させることにより、コーティング１００を、第一の経路に沿って、所定の厚さだけ除去する。コーティング１００を除去すると同時に、コーティング１００を除去する際に生じる粉塵とチップを除去するステップＳ４０２の前に、さらに以下のステップＳ４０１が含まれる。

ステップＳ４０１において、コーティング１００のサファイア本体２００から離れた側に保護フィルム３００を貼付する。保護フィルム３００は、コーティング１００と空気との直接的な接触を回避することができ、コーティング１００が第一のＣＯ_２レーザービーム３２によって融蝕される際の受熱による酸化を防止することができ、コーティング１００を保護する。図１に示すように、本実施例において、保護フィルム３００は、コーティング１００のサファイア本体２００から離れた側に貼付された。保護フィルム３００の材料は、ＰＰ（Ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ、ポリプロピレン）、ＰＶＣ（Ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ｃｈｌｏｒｉｄｅ、ポリ塩化ビニル）、ＰＥＴ（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ、ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥ（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ、ポリエチレン）、またはＯＰＰ（Ｏ−ｐｈｅｎｙｌｐｈｅｎｏｌ、Ｏ−フェニルフェノール）などの材料である。

図１２に示すように、一実施例において、超高速レーザービーム６２をビーム整形モジュール５０を介してサファイア本体２００に集束させることにより、第二の経路１４に沿って分布するとともにサファイア１０を貫通する複数の改質領域１２を形成するステップＳ４０４の前に、さらに下記のステップＳ４０３が含まれる。

ステップＳ４０３において、第一の経路と第二の経路１４が重なるように位置決めシステム（未図示）によりビーム整形モジュール５０に対して位置決めを行うことにより、サファイア１０の加工表面をより平坦にすることができる。

本発明によるサファイア１０を切断するための装置は、第一のＣＯ_２レーザー発生装置３０と、ＣＯ_２集束モジュール２０と、送気モジュール２２と、粉塵吸引モジュール４０と、超高速レーザー発生装置６０と、ビーム整形モジュール５０と、第二のＣＯ_２レーザー発生装置９０と、検流計集束モジュール８０とを含む。第一のＣＯ_２レーザー発生装置３０は、第一のＣＯ_２レーザービームを発生させる。ＣＯ_２集束モジュール２０は、第一のＣＯ_２レーザー発生装置３０に設置され、第一のＣＯ_２レーザービームをコーティング１００に集束させることにより、コーティング１００を、第一の経路に沿って、所定の厚さだけ除去する。送気モジュール２２は、ＣＯ_２集束モジュール２０に設置され、コーティング１００を除去する際に生じた粉塵とチップを吹き除く。粉塵吸引モジュール４０は、粉塵とチップを吸い取る。超高速レーザー発生装置６０は、超高速レーザービームを発生させる。ビーム整形モジュール５０は、超高速レーザー発生装置６０に設置され、超高速レーザービームをサファイア本体２００に集束させることにより、第二の経路１４に沿って分布するとともにサファイア１０を貫通する複数の改質領域を形成する。第二のＣＯ_２レーザー発生装置９０は、第二のＣＯ_２レーザービームを発生させる。検流計集束モジュール８０は、第二のＣＯ_２レーザー発生装置９０に設置され、第二のＣＯ_２レーザービームにサファイア本体２００をスキャンさせることにより、サファイア１０を改質領域に沿って裂く。

一実施例において、送気モジュール２２とＣＯ_２集束モジュール２０とは同軸に設置される。一実施例において、サファイア１０を切断するための装置は、さらに、第一のＸＹ移動プラットフォームと、第一のサーボ駆動システムとを含む。第一のサーボ駆動システムは、第一のＸＹ移動プラットフォームに設置され、第一のＸＹ移動プラットフォームの制御部と通信接続されている。第一のサーボ駆動システムは、第一のＸＹ移動プラットフォームがサファイア１０を第一の経路に沿って移動させるように、第一のＸＹ移動プラットフォームの動作を制御する。

一実施例において、サファイア１０を切断するための装置は、さらに、第二のＸＹ移動プラットフォームと、第二のサーボ駆動システムとを含む。第二のサーボ駆動システムは、第二のＸＹ移動プラットフォームに設置され、第二のＸＹ移動プラットフォームの制御部と通信接続されている。第二のサーボ駆動システムは、第二のＸＹ移動プラットフォームがサファイア１０を第二の経路に沿って移動させるように、第二のＸＹ移動プラットフォームの動作を制御する。

本実施例に係るサファイア１０を切断するための方法及び装置は、まず、第一のＣＯ_２レーザービーム３２をＣＯ_２集束モジュール２０によってサファイア１０のコーティング１００が塗装された側に集束させることにより、所定の厚さのコーティング１００を除去する。それと同時に、コーティング１００を除去する際に生じた粉塵とチップを除去することにより、生じた火花付きのチップと粉塵がコーティング１００の表面に飛び落ちてコーティング１００を汚染しまたは破壊してしまうことを回避する。次に、後続のレーザー加工において平坦な表面を得るために、超高速レーザービーム６２をビーム整形モジュール５０により整形してサファイア１０のコーティング１００から離れた側のサファイア本体２００に集束させることにより、サファイア１０を貫通する改質領域１２を形成する。最後に、第二のＣＯ_２レーザービーム９２は、検流計集束モジュール８０を通って、第二の経路１４と重なるまたは第二の経路１４からオフセットしている経路に沿ってサファイア本体２００をスキャンする。第二のＣＯ_２レーザービーム９２のエネルギーを吸収したサファイア１０は膨張して応力勾配を生じる。すなわち、検流計集束モジュール８０を通ってサファイア本体２００をスキャンする経路において亀裂が生じる。最終に、サファイア１０は改質領域１２に沿って割れて切断される。このため、サファイア１０全体が切断された後のコーティング１００の損傷エリアは小さくなる。よって、コーティング１００付きのサファイア１０の複合材を直接加工した後にコーティング１００の損傷エリアが大きいという従来技術の問題が解決される。一般的に、コーティング１００付きのサファイア１０の複合材を直接加工する方法はマルチ焦点集束貫通法という切断方法である。マルチ焦点集束貫通法切断は、バイナリ光学素子、異なる発散角、または他の方法によりマルチ焦点切断を実現している。しかし、複数の焦点同士間のエネルギーが不均一に分布するため、切断面も粗く、加工後のサファイア１０のコーティング１００の強度も低い。

本実施例に係るサファイア１０を切断するための方法及び装置の加工ステップは、コーティング１００を薄くする段階、サファイア１０を切断する段階、及びサファイア１０を切り離す段階、即ち、三つの段階を含む。コーティング１００を薄くする段階の加工はサファイア１０のコーティング１００が付いた側に対して行われ、サファイア１０の切断及び分離段階の加工はサファイア本体２００側に対して行われるため、一般的なサファイア切断において存在している問題を解決することができ、コーティング１００付きのサファイア１０の複合材の切断を実現できるとともに、コーティング１００付きのサファイア１０の切断面の粗さが小さく、サファイア１０の強度が高く、コーティング１００付きのサファイア１０の複合材の加工によるコーティング１００の変色及び粘着力の低下などの問題が解決される。サファイア１０が分離されると、サファイア１０の廃材とサファイア１０の完成品とが分けられ、最終的に、図１３に示すような良好なサファイア１０断面が得られる。図面においては、除去されたコーティング１００の所定の厚さｂは、コーティング１００の厚さの半分としている。

上述した実施例の各技術的特徴は任意に組み合わせることができる。記述の簡潔化のために、上述した実施例における各技術的特徴のあらゆる組合せについて説明していないが、これらの技術的特徴の組合せは矛盾しない限り、本明細書に記述されている範囲内であると考えられるべきである。

上述した実施例は、本発明のいくつかの実施形態を示したものにすぎず、その記述が具体的かつ詳細であるが、本発明の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。なお、当業者にとって、本発明の趣旨から逸脱しないかぎり、若干の変形および改良を行うことができ、これらもすべて本発明の保護範囲内にある。本発明の保護範囲は、特許請求の範囲に準ずるべきである。

Claims (17)

1. サファイア本体と、前記サファイア本体上に形成されているコーティングとを含むサファイアを切断するための方法であって、
   第一のＣＯ_２レーザービームをＣＯ_２集束モジュールによって前記コーティングに集束させることにより、前記コーティングを、第一の経路に沿って、所定の厚さだけ除去し、前記コーティングを除去すると同時に、前記コーティングを除去する際に生じた粉塵とチップを除去することと、
   超高速レーザービームをビーム整形モジュールによって前記サファイア本体に集束させることにより、前記第一の経路と重なる第二の経路に沿って分布するとともに前記サファイアを貫通する複数の改質領域を形成することと、
   第二のＣＯ_２レーザービームを検流計集束モジュールを通して、第二のＣＯ_２レーザービームに前記第二の経路と重なるまたは前記第二の経路からオフセットしている経路に沿って前記サファイア本体をスキャンさせ、前記サファイアを前記改質領域に沿って裂くことと、
   を含むことを特徴とするサファイアを切断するための方法。
2. 第一のＣＯ_２レーザービームをＣＯ_２集束モジュールによって前記コーティングに集束させる前に、さらに、
   前記コーティングの前記サファイア本体から離れた側に保護フィルムを貼付すること
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記第一のＣＯ_２レーザービームが前記ＣＯ_２集束モジュールによって前記コーティングに集束してなるスポットは、ガウススポット、トップハットスポット、またはＭ形スポットであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記第一のＣＯ_２レーザービームが前記ＣＯ_２集束モジュールによって前記コーティングに集束してなるスポットの重畳率は５０％〜９０％であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 第一のＣＯ_２レーザービームは、周波数が１ＫＨｚ〜２０ＫＨｚであり、速度が１０ｍｍ／ｓ〜５００ｍｍ／ｓであり、第一のＣＯ_２レーザービームのスポットの直径は２０μｍ〜１００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記所定の厚さは１０μｍ〜２００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記所定の厚さは前記コーティングの厚さに等しいことを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 前記超高速レーザービームをビーム整形モジュールによって前記サファイア本体に集束させる前に、さらに、
   位置決めシステムにより、前記第一の経路と前記第二の経路が重なるように、前記ビーム整形モジュールに対して位置決めを行うこと
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 前記第一の経路と前記第二の経路はいずれも円弧状の曲線であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. ロングフォーカス・パンフォーカスシステムまたはレーザーフィラメンテーションを用いた加工により、前記サファイアを貫通する前記改質領域を形成することを特徴とする請求項１に記載の方法。
11. 前記超高速レーザービームは、パルス幅が１００ｆｓ〜５０ｐｓの赤外レーザービームまたは緑色レーザービームであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
12. 前記超高速レーザービームは、一または複数のパルス列を有するレーザービームであり、前記パルス列ずつ、パルスレーザービームが一つの前記改質領域を生成することを特徴とする請求項１に記載の方法。
13. 前記第二のＣＯ_２レーザービームが前記検流計集束モジュールによって前記サファイア本体に集束してなるスポットの重畳率は７０％〜９５％であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
14. 前記第二のＣＯ_２レーザービームが前記検流計集束モジュールを通って前記サファイア本体をスキャンする経路が前記第二の経路からオフセットしている距離は、２ｍｍより小さいまたは２ｍｍに等しいことを特徴とする請求項１に記載の方法。
15. 前記第二のＣＯ_２レーザービームが前記検流計集束モジュールによって前記サファイア本体に集束してなるスポットの直径は５０μｍ〜３０００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
16. サファイアを切断するための装置であって、
    第一のＣＯ_２レーザービームを発生させるための第一のＣＯ_２レーザー発生装置と、
    前記第一のＣＯ_２レーザー発生装置に設置され、前記第一のＣＯ_２レーザービームを前記コーティングに集束させることにより、前記コーティングを、第一の経路に沿って、所定の厚さだけ除去するためのＣＯ_２集束モジュールと、
    前記ＣＯ_２集束モジュールに設置され、コーティングを除去する際に生じた粉塵とチップを吹き除くための送気モジュールと、
    前記粉塵と前記チップを吸い取るための粉塵吸引モジュールと、
    超高速レーザービームを発生させるための超高速レーザー発生装置と、
    前記超高速レーザー発生装置に設置され、前記超高速レーザービームを前記サファイア本体に集束させることにより、第二の経路に沿って分布するとともに前記サファイアを貫通する複数の改質領域を形成するためのビーム整形モジュールと、
    第二のＣＯ_２レーザービームを発生させるための第二のＣＯ_２レーザー発生装置と、
    前記第二のＣＯ_２レーザー発生装置に設置され、前記第二のＣＯ_２レーザービームに前記サファイア本体をスキャンさせることにより、前記サファイアを前記改質領域に沿って裂くための検流計集束モジュールと、
    を含むことを特徴とするサファイアを切断するための装置。
17. 前記送気モジュールと前記ＣＯ_２集束モジュールとは同軸に設置されていることを特徴とする請求項１６に記載の装置。