JP6496248B2 - フラット基板のレーザベースの機械加工方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の包括部分による好適にはフラット基板のレーザベースの機械加工方法に関し、さらに対応する装置と、本発明による方法および装置の使用に関する。この方法および装置の目的は、特に、半導体ウエハ、ガラス部材などの（特に脆性材料の）フラット基板を複数の片に分離する（ウエハまたはガラス部材をダイシングする）ことである。以下でより詳細に説明するが、その材料が実質的に透明な波長を有するパルスレーザが一般に使用される。

このような材料を、レーザを用いて分離する装置および方法は、従来技術から既に公知である。

１つには（例えば、特許文献１）、その波長またはパワーによって材料に強く吸収される、あるいは最初の相互作用の後に材料を強く吸収性にして（例えば電荷担体の発生による加熱；誘起吸収）その後材料をアブレーションすることができる、レーザを使用することができる。多くの材料で、これらの方法は不利な点、すなわち、例えばアブレーションでの粒子形成に起因する汚染、熱注入のために切断エッジが微小亀裂を有し得る、切断エッジが溶融した縁を有し得る、切り口が材料の厚さに亘って均一ではない（異なる深さで異なる幅を有する。例えばくさび状の切断ノッチが存在し得る）といった不利な点を有する。材料を蒸発または気化させなければならないため、高い平均レーザパワーを利用可能にしなければならない。

他方では、目標とされるレーザ誘起の亀裂形成によって作用する、脆性材料を分離するためのレーザによる方法が知られている。例えばJenoptikが提案する方法では、最初にレーザを用いて表面上のある軌道を強く加熱し、その後すぐにこの軌道を非常に急速に（例えばウォータージェットを用いて）冷却するので、これにより発生した熱応力が亀裂の形成につながり、この亀裂を材料の厚さを通じて伝搬させて（機械的応力）材料を分離することができる。

さらに、焦点を材料の内部に生成することができるよう、その材料がほとんど透明な波長でレーザを使用する方法がある。レーザの強度は、照射された基板の材料内のこの内部焦点の位置で内部損傷が起きるほど高いものでなければならない。

最後に述べた方法には、誘起された亀裂形成が特定の深さまたは表面上のある点で起こるため、材料の全厚さの分離は、さらに機械的および／または熱的に誘起される亀裂伝搬によって行うしかないという不利な点がある。亀裂は不規則に広がる傾向があるため、分離面は大部分が非常に粗く、続いて機械加工しなければならないことが多い。さらに、同じプロセスを異なる深さで繰返し採用しなければならない。これが、その対応する要因によってプロセスの速度を遅らせる。

独国特許出願公開第１０２０１１０００７６８（Ａ１）号明細書

従って従来技術からの本発明の課題は、フラット基板、特に脆性材料を、粒子形成がなく、溶融エッジを含まず、エッジでの亀裂形成を最小とし、可能な限り真っ直ぐな切断エッジで著しい切り口（すなわち材料損失）を含まず、かつ高速のプロセス速度で、機械加工することができる、特に完全に分離することができる、方法（および対応する装置）を利用可能にすることである。

この課題は、請求項１のような方法および請求項１１のような装置によって解決される。有利な設計の変形、および／またはこの方法または装置のさらなる発展は、いずれも従属請求項から得ることができる。本発明による重要な用途は請求項１６に記載される。本発明により作製されるガラス体は、請求項１７および１８に記載される。

本開示を以下で、最初に大まかに説明し、次いでいくつかの実施形態例を用いて詳細に説明する。個々の実施形態例において組み合わせて一緒に示されている特徴は、本発明の範囲内において、全てが実現される必要はない。特に、個々の特徴は省略することも可能であるし、または同じ実施形態例あるいはさらには他の実施形態例に示されている他の特徴と、他のやり方で組み合わせてもよい。また、ある実施形態例の個々の特徴は、それ自体で従来技術の有利なさらなる発展を示し得る。

最初に、本発明の基本原理（本発明に従って基板を個々の部分に分離するメカニズム）を以下で説明する。

本発明よる分離方法は、適切なレーザ光学系（以下、光学配置とも称される）を用いてレーザパルスごとにレーザ焦線（焦点とは対照的に）を生じさせる。焦線は、レーザと基板材料との間の相互作用のゾーンを決定する。分離する材料に焦線が及ぶと本発明に従って焦線沿いに亀裂ゾーンを生じさせる材料との相互作用が起こるように、レーザパラメータは選択され得る。ここでの重要なレーザパラメータは、レーザの波長、レーザのパルス持続時間、レーザのパルスエネルギー、さらに場合によってはレーザの偏光である。

レーザ光の材料との相互作用のために、好適には以下が本発明により規定されるべきである。

１）レーザの波長１は、材料がこの波長で実質的に透明であるように選択されることが好ましい（具体的には例えば、材料深さ１ｍｍ当たりの吸収＜＜１０％→γ＜＜１／ｃｍ；γはランベルト・ベール吸収係数）。

２）レーザのパルス持続時間は、相互作用のゾーンから外側へ著しい熱輸送（熱拡散）が相互作用の時間内に起こり得ないように選択されることが好ましい（具体的には例えば、τ＜＜ｄ²／α、ｄ：焦点直径、τ：レーザパルス持続時間、α：材料の熱拡散定数）。

３）レーザのパルスエネルギーは、相互作用のゾーンすなわち焦線での強度が誘起吸収を生じさせ、この誘起吸収が焦線に沿った材料の局所加熱につながり、これがさらに材料に導入された熱応力の結果として焦線に沿った亀裂形成につながるように、選択されることが好ましい。

４）レーザの偏光は、表面での相互作用（反射性）と誘起吸収の際の材料内での相互作用の種類との両方に影響を与える。誘起吸収は、熱刺激の後に、または多光子吸収および内部の光イオン化によって、または直接の電界イオン化（光の電界強度が電子結合を直接破壊する）によって、誘起された自由電荷担体（典型的には電子）によって起こり得る。電荷担体発生の種類は、例えばケルディッシュパラメータ（基準）によって評価することができるが、これは本発明による方法の使用に全く影響しない。特定の（例えば複屈折）材料の場合にのみ、レーザ光のさらなる吸収／透過が偏光に依存することは重要になり得、従って偏光は、関連する材料の分離にとって好ましくなるように、適切な光学素子（位相板）を用いて、例えば単にヒューリスティックベースでユーザが選択するべきである。従って、材料が光学的に等方性ではなく例えば複屈折である場合、材料内のレーザ光の伝搬も偏光に影響される。従って偏光および偏光ベクトルの向きは、所望であれば、１つの焦線のみが形成されて２つ（普通のビームおよび異常なビーム）は形成されないように選択され得る。光学的等方性材料の場合には、これは影響しない。

５）さらに強度は、固体物の構造内にアブレーションまたは溶融が起こることなく亀裂形成のみが起こるように、パルス持続時間、パルスエネルギー、および焦線直径によって選択されるべきである。ガラスまたは透明結晶などの典型的な材料では、この要求をサブナノ秒範囲のパルスレーザで、従って特に例えば１０から１００ピコ秒の間のパルス持続時間で、最も容易に満たすことができる。これに関しては、さらに図１を参照されたい。すなわち、１μｍ前後のスケールの長さに亘って（０．５から５．０μｍ、図の中央参照）、ガラスなどの弱い熱導体では、熱伝導の効果はサブマイクロ秒範囲までであり（２つの線の間の範囲参照）、一方結晶および半導体のような優れた熱導体では、熱伝導は既に最初にナノ秒の時点で有効になる。

本発明によれば、基板の平面に鉛直に延在する亀裂形成のための重要な作用は、材料の構造強度（ＭＰａでの圧縮強度）を超える機械的応力である。機械的応力はここでは、レーザエネルギーによる急速で不均質な加熱（熱的に誘起された応力）によって生成される。本発明による亀裂形成は、焦線に対する基板の適切な位置付けを前提とすると（以下参照）、変形がそこで最も大きいため当然のことながら基板の表面で始まる。これは表面の上方の半空間に、力を受けることができる材料が存在していないためである。この主張は、硬化された表面または事前に圧縮応力が与えられた表面を有する材料でも、急に加熱される材料の焦線に沿った直径に比較してこの硬化された層または事前に圧縮応力が与えられた層の厚さが大きなものである限り当てはまる。（これに関しては図２をさらに参照し、以下で説明する。）
相互作用の種類は、フルエンス（ｃｍ²当たりのジュールでのエネルギー密度）とレーザパルス持続時間とによって、１）好適には材料の表面または内部で溶融が起こらないように、および２）好適には表面上で粒子形成を伴うアブレーションが起こらないように、選択された焦線直径に対して確立され得る。実質的に透明な材料において、いくつかの種類の誘起吸収が知られている。すなわち、
ａ）低バンドギャップの半導体および絶縁体では、例えば（材料内の汚染物質の跡に起因する、またはレーザ機械加工前の温度で既に熱的に刺激された電荷担体に起因する）低い残存吸収によって、最初のわずかなレーザパルス持続時間内での急速な加熱がさらなる電荷担体の熱刺激につながり、これがさらにより高い吸収につながって、結果として焦線でのレーザ吸収の雪崩的増加につながる。

ｂ）絶縁体では、十分な光の強度がある場合、光吸収は材料の原子との非線形光学的相互作用によってイオン化につながり、従ってさらに自由電荷担体の発生に、さらに結果的にレーザ光のより高い線形吸収につながる。

所望の分離面の形状の生成（基板表面上の線に沿った、レーザビームと基板との間の相対的な運動）を以下で説明する。

本発明による材料との相互作用は、（基板表面に垂直な方向に見て）単一の連続した亀裂ゾーンを、レーザパルスごとに焦線に沿って材料内に生じさせる。材料の完全な分離のために、一連のこれらの亀裂ゾーンは所望の分離線に沿ってレーザパルスごとに互いに非常に近接して確立されるため、材料内の所望の亀裂表面／輪郭に合わせて亀裂の横方向のつながりが得られる。このために、レーザは特定の繰返し率でパルス発振される。スポットサイズと間隔は、表面でレーザスポットのラインに沿って、向きを有する所望の亀裂形成が結果として起こるように選択される。所望の分離面に沿った個々の亀裂ゾーンの間隔は、レーザパルスからレーザパルスまでの期間内の、材料に対する焦線の動きからもたらされる。これに関しては図９をさらに参照し、以下で説明する。

材料に所望の分離面を生じさせるために、基板の平面に平行に（および随意的にはこれに対してさらに垂直に）動かすことができる光学配置で、パルスレーザ光を固定された材料上で動かしてもよく、あるいは所望の分離線が形成されるように、固定された光学配置に対して材料自体を可動ホルダで動かしてもよい。材料の表面に対する焦線の向きは、表面に対して垂直であってもまたは９０°−βの角度であっても、固定して選択することができ、あるいは回転可能な光学配置（以下、簡単のため光学系とも称する）によって、および／または回転可能なレーザのビーム路によって、所望の分離線に沿って変化させることができる。

つまり所望の分離線を形成するために、焦線を最大５つの別々に可動の軸、すなわち材料内への焦線の入口点を固定する２つの空間軸（ｘ，ｙ）、材料内への入口点からの焦線の向きを固定する２つの角度のある軸（θ,φ）、および焦線が表面の入口点から材料内へどのくらいの深さまで浸透するかを固定するさらなる空間軸（ｚ´、ｘ，ｙに直角である必要はない）で、材料を通るように誘導してもよい。デカルト座標系（ｘ，ｙ，ｚ）の配置のために、例えば以下で説明する図５ａおよび６も参照されたい。基板表面上のレーザビームが垂直入射（β＝０°）である場合、ｚ＝ｚ´である。

一般に、光学系およびレーザのパラメータによってもたらされる制限が存在する。すなわち、θおよびφの角度の配向は、材料内におけるレーザ光の屈折によって許容される範囲（材料内の全反射の角度未満）でのみ行うことができ、またレーザ焦線の浸透の深さは、唯一の長さの焦線を形成する、利用可能なレーザパルスエネルギーと対応して選択されるレーザ光学系とによって制限され、この焦線はこの利用可能なレーザパルスエネルギーで本発明に従って亀裂ゾーンを生じさせ得る。

焦線を全ての５つの軸で動かすための１つの考えられる設計は、例えば、駆動回転傾斜テーブル上で材料を座標ｘ，ｙで動かし、同時にガルバノスキャナおよび非テレセントリックＦシータレンズによって焦線をレンズの視野内でレンズの中心に対し座標ｘ´,ｙ´で動かし、さらに角度θおよびφだけ傾けるものから成るものとすることができる。座標ｘおよびｘ´とｙおよびｙ´は、焦線を材料表面上の所望の入射点に向けるように計算され得る。ガルバノスキャナおよびＦシータレンズは、回転傾斜テーブルのｘ，ｙ平面に直角なｚ軸にさらに固定され、これが材料に垂直な焦線の位置（材料内の焦線の深さ）を決定する。

基板を複数の片に分離する最後のステップを以下で説明する（分離またはダイシング）。

生成された亀裂表面／輪郭に沿った材料の分離は、材料の固有応力によって、あるいは例えば機械的（応力）または熱的（不規則な加熱／冷却）に導入された力によって起こる。本発明によればアブレーションされる材料はないため、一般に最初は材料内に連続した間隙はなく、噛み合った、場合によってはブリッジによって接続されたままの、大きく歪んだ破断面（微小亀裂）のみが存在する。続いて導入される力により、材料を分離面に沿って分離することができるよう、横方向の（基板平面に平行に起こる）亀裂の成長と噛合いの破壊を介して残存しているブリッジが分離される。

本発明による方法と本発明による装置の重要な特徴を、特許請求項を用いて以下で説明する。

請求項１は本発明による方法の重要な特徴を記載し、また請求項１１は本発明による方法を行うために作製される装置の重要な構成要素を記載する。

請求項１および１１に記載される、光学配置によって生成されるレーザビーム焦線は、上記および下記において代わりに簡単にレーザビームの焦線とも称される。本発明によれば、基板は、本発明による亀裂形成（基板平面に垂直に延在する焦線に沿った誘起吸収）によって、基板の平面から見て複数の片に分離またはダイシングされる。本発明による亀裂形成は、従って基板平面に垂直に基板内へと、すなわち基板の内部へと起こる（縦方向の亀裂形成）。既に説明したように、基板の個々の片を互いから分離することができるように、一般に複数の個々のレーザビーム焦線を基板表面上の線に沿って基板内へと導入しなければならない。このために、基板をレーザビームに対して、または光学配置に対して、基板平面に平行に動かしてもよいし、あるいは逆に光学配置を、固定された基板に対して基板平面に平行に動かしてもよい。

本発明によれば、少なくとも１つの従属する方法または装置の請求項の特徴が有利にさらに実行される。この場合、複数の従属請求項の特徴は、いかなる組合せでも実行され得る。

方法が請求項２に従って実行される場合、基板内部の誘起吸収の延在セグメントは、基板の一方の表面から基板内の画成された深さまで（またはさらにこれを超えて）延在する。誘起吸収の延在セグメントは、基板の一方の表面から他方の表面までの全深さを含み得る。さらに、基板の内部のみに（基板の両表面を含まずに）誘起吸収の縦方向の延在セグメントを生じさせることも可能である。

他の有利に実行可能な特徴は、請求項３から得ることができる（以下で説明する図３ｂをさらに参照されたい）。誘起吸収の延在セグメント（従って、例えば基板平面に垂直に導入される亀裂の長さ）は、従って基板内部のある点から誘起吸収の延在セグメントに沿って基板の後側表面まで延在するものでもよいし、あるいはさらには例えば基板の前側表面から基板内部のある点まで延在するものでもどちらでもよい。層厚さｄはいずれの場合も、フラット基板の２つの対向する基板表面に垂直に測定される（レーザビームを基板表面の法線に対してある角度β＞０°で向ける場合、従って斜め入射の場合であっても）。

請求項３並びに他の全ての請求項において、述べられる範囲制限は夫々、示された上限値および下限値を含む。

本発明によれば、誘起吸収は請求項４に従って有利に生成される。これは、例の範囲内において以下でさらに説明されかつ従属請求項５から７でも述べられる既に説明したレーザパラメータと、光学配置のパラメータと、本発明による装置の個々の要素の配置の幾何学的パラメータとを設定することによって起こる。基本的には、請求項５から７に示されているようなパラメータの特徴の、任意の組合せが可能である。請求項６においてτ＜＜δ²／αは、τがδ²／αの１％未満であること、好適には１％未満であることを意味する。例えばパルス持続時間τは、１０ピコ秒（あるいはさらにこれ未満）、１０から１００ピコ秒の間、またはさらには１００ピコ秒超でもよい。Ｓｉ基板を分離するために、好適には波長が１．５から１．８μｍの間のＥｒ：ＹＡＧレーザが使用される。一般的に言えば、光子エネルギーが半導体のバンドギャップ未満になるように選択された波長を有するレーザを、半導体基板に対して使用することが好ましい。

レーザビームを基板へと発する本発明の方法による有利なビーム方向（これが次いで、基板平面に対するレーザビーム焦線の向きも画成する）は、請求項８から得ることができる。

基板を複数の片に最後に分離またはダイシングするために依然として必要になり得るさらなるプロセスステップが、従属請求項９および１０に記載される。既に記したように、光学配置（レーザを含む）に対して基板を動かす、または基板に対して光学配置（レーザを含む）を動かす。請求項１０で主張される亀裂形成は（本発明による不可欠な誘起される亀裂形成とは対照的に）、横切る亀裂、従って基板の平面内の方向における横方向の亀裂形成（基板が分離される線の進路に対応する）と理解されたい。

レーザビーム焦線を生成しかつ位置付けるための光学配置の様々な考えられる設計を特に記述している、請求項１１に従う本発明による装置の有利な発展は、従属請求項１２から１５より得ることができる。これに関しては、以下の実施形態例と図３ａ、４、５ａ、５ｂ、６、７、および８も参照されたい。請求項１１に従う凸レンズは、特に平凸レンズでもよい。

本発明による重要な用途（以下でさらに説明する）は請求項１６から得ることができる。

請求項１７に従ってさらに請求されるのは、１以上の平坦エリア（特に１以上の表面）を有するガラス体である。１以上の表面の少なくとも１つに沿って、いずれの場合も複数の材料改質が存在し、この場合材料改質の夫々の長さは０．１ｍｍから１００ｍｍの間の範囲内であり、かつ材料改質の夫々の平均直径は０．５μｍから５μｍの間の範囲内である。

請求項１８に従ってさらに請求されるのは、１以上の平坦エリア（特に１以上の表面）を有するガラス体である。１以上の表面の少なくとも１つに沿って、少なくとも複数の材料改質が存在する。材料改質の夫々の、直接隣接する材料改質の平均間隔ａと材料改質を生じさせたレーザビーム焦線の平均直径δとの比率Ｖ３＝ａ／δは、およそ２．０である。

従来技術より公知の方法または装置とは対照的に、本発明はいくつかの重要な利点を有する。

最初に、本発明によれば、粒子形成がなく、溶融エッジを含まず、エッジでの亀裂を最小にし、著しい切り口を含まず（すなわち基板材料の損失なく）、かつ真っ直ぐな切断エッジで切断が行われる。切断はユーザの所望のように、（基板平面に向かって見て）垂直に、または基板の法線に対して角度βで確立され得る。

本発明によれば、それほど高い平均レーザパワーは必要ではなく、それでも比較的速い分離速度を達成することができる。この場合、本発明はレーザパルスごと（またはバーストパルスごと）に１つのレーザビーム焦線（延在していないまたは単に局所的に延在している、単なる焦点ではない）を生成することが重要である。以下で詳細に示すレーザ光学系を、このために使用する。焦線は従って、レーザと基板との間の相互作用のゾーンを決定する。焦線の少なくとも（深さ方向に見て）一部が分離される基板材料に及ぶ場合、本発明により焦線全体に沿って（または、基板に及ぶレーザビーム焦線の延在セグメント全体に沿って）亀裂ゾーンを生じさせる材料との相互作用が起こるようにレーザパラメータは選択され得る。選択可能なレーザパラメータは、例えば、レーザの波長、レーザのパルス持続時間、レーザのパルスエネルギー、さらに場合によってはレーザの偏光である。

粒子が形成されない（または粒子形成が少なくとも最小である）ことの他に、本発明による方法が、例えば機械的な罫書きおよびブレークを超えて有する他の利点は、機械的な罫書き線とは対照的に高アスペクト比（深さに対する幅）を達成できるという事実である。機械的に罫書きしかつブレークする場合には、材料内の破断線は大部分が制御できない亀裂の成長によって生成されるが、本発明によれば基板の法線に対して非常に正確に確立可能な角度βで分離が行われる。従って本発明によれば、切断方向の方向依存性はなく、斜めの切断が容易に可能である。

さらに、レーザを基板材料の表面上で、あるいはその内部でさえも、点集束させることによって点状の（集束）欠陥を生じさせ、この点状の焦点を材料の異なる深さで設定した後に続いてブレークするものに比べて、本発明は特に明らかに高いアスペクト比での切断が達成可能であるという利点を有する。特により厚い基板の場合に、向きを有する亀裂形成がほとんどないために生じるこの既知の方法における問題は従って回避される。さらに機械加工の速度も、特により厚い基板では（この場合、基板平面内の特定の位置で、基板の表面から下側へと基板の異なる深さで複数の点状損傷の設定が必要になる）何倍も増加する。

表面でのアブレーション、表面での毛羽立ち、および粒子形成が回避される（粒子形成は特に、本発明の方法が本発明の延在する誘起吸収および亀裂形成を基板の表面から基板の内部へと向かって提供するように、基板に対して焦線の位置が設定される場合）。この場合、最初の（意図的な）損傷は従って直接表面上で起こり、さらに特定の形およびやり方で誘起吸収によって基板の深さの方へと亀裂形成ゾーンに沿って進む。

種々の材料、特にガラスディスク、サファイアディスク、半導体ウエハなどを、本発明に従って機械加工することができる。対応する材料の個々の層並びに層サンドイッチ（いくつかの個々の基板の層のスタック）の両方を機械加工することができる。スタックの内部でさえも１つのみの特定の層が分離されるように、焦線を位置付けかつ向けることができる。様々なサンドイッチ状の層のスタック、すなわち、ガラス−空気−ガラスサンドイッチ、ガラス−膜−ガラスサンドイッチ、ガラス−ガラスサンドイッチが機械加工され得る。従って、スタックの内部でさえ個々の位置の選択的な切断は、中間層（例えば、膜または接着膜）の分離と全く同じく可能である。

既にコーティングされた材料（例えばＡＲコーティング、ＴＣＯコーティング）、あるいは片面に不透明プリントが施された基板でさえも、本発明に従って同様に機械加工および分離することができる。

本発明によれば、基板内の亀裂形成によって制限される形状はなく、自由な形の切断が可能である。従って、ほとんどどのような自由な形の切断も、透明媒体に作製することができる（切断方向は方向依存性がない）。従って、法線から例えば最大でβ＝３０°またはβ＝４５°までの迎え角で、斜めの切断を基板に作製することができる。

本発明によれば、事実上切り口なしの切断が可能であり、すなわち一般に１から１０μｍの間の範囲内の材料損傷のみが生成される。従って、特に材料または面積に対して切断損失は生じない。これは特に半導体ウエハの切断において有利であり、というのも切断損失はウエハの能動的に使用できる面積を減少させることになるためである。本発明による方法を通じて、焦線切断は従って増加した面積収率を生み出す。材料損失がないと、特に宝石（例えばダイヤモンド）の切断にも有利である。すなわち本発明の用途の範囲は好適にはフラット基板の切断または分離であるが、平坦ではない基板またはワークピースも本発明によって機械加工可能である。

本発明による方法は、特に製造プロセスのインラインオペレーションで使用することもできる。これは、ロール・トゥ・ロール法で動作する製造プロセスで特に有利に行われる。

本発明によれば、シングルパルスレーザの他、バーストパルスを発生させるレーザも使用することができる。基本的には、連続波動作でのレーザの使用も考えられる。

以下の具体的な適用範囲が例として生じる。

１．完全にまたは部分的にサファイアウエハを切断する可能性を有する、サファイアＬＥＤの分離。本発明による方法で金属層を同様に分離することができ、これは単一ステップで行われる。

２．テープを損傷せずに、半導体ウエハのダイシングが可能である。このために焦線は、表面を始点としかつ（レーザから離れる方に向いている、基板の後側表面上の）貼られた膜の前で止まるように、基板材料の内部に部分的にのみ置かれ、例えば材料の約１０％は分離されない。焦線が膜の前で「止まる」ため、従って膜は傷がないままである。その後、半導体ウエハを機械的な力（または熱的な力、ＣＯ₂レーザを用いる以下の例参照）によって、残りの１０％に亘って分離することができる。

３．コーティング材料の切断。ここでの例は、ブラッグ反射器（ＤＢＲ）あるいはさらには金属コーティングされたサファイアウエハである。活性金属または金属酸化物の層が既に堆積された処理済みのシリコンウエハでさえ、本発明に従って切断することができる。他の例は、例えばタッチスクリーンまたはスマートウインドウを製造するために必要とされる基板をコーティングしたＩＴＯまたはＡｌＺｎＯの機械加工である。非常に伸びた焦線（その直径と比較して）であるため、焦線の一部は金属層（または別の層）を取り除き、一方焦線の残りの部分は透明材料に浸透してこれを切断する。これは特に、対応してコーティングされた基板をワンステップのプロセスで、すなわちコーティングと基板とを１つの動作で分離するプロセスで、分離できるという利点も有する。

４．本発明によれば、非常に薄い材料（例えば、厚さ３００μｍ未満、１００μｍ未満、またはさらには５０μｍ未満のガラスの基板）の切断に特に有利である。こういった材料は従来の機械的な方法では、非常に高コストでしか機械加工することができない。確実に機械的な方法の場合には、基板を使用不可にする可能性のある、または費用のかかる２次的な機械加工作業を必要にさせ得る、エッジ損傷、亀裂、剥離が生じる。一方本発明による切断は、特に薄い材料で、２次的な機械加工を必要としないようにエッジ損傷および亀裂を回避するという利点を提供し、さらに非常に高速の切断速度（＞１ｍ／ｓ）、非常に高い収率、および単一ステップでのプロセスの実行を提示する。

５．本発明による方法は、特に、連続作動するガラス延伸プロセスで製造される薄膜ガラスの製造においても、膜のエッジを整えるために使用され得る。

ここで本発明を、上記説明に基づくいくつかの実施形態例を用いて以下で説明する。

種々の材料に対する、熱拡散定数αと、材料内の直線範囲（スケールの長さ、ここではｄで示される）と、例えばレーザのパルス持続時間などの時間τとの間の関係を示した図 本発明による焦線の位置付けの原理、従ってレーザの波長に対して透明な材料を焦線に沿った誘起吸収に基づいて機械加工する原理を示した図 本発明により使用され得る第１の光学配置を示した図 基板に対するレーザビーム焦線の異なった位置付けによる、基板の機械加工の様々な可能性を示した図 本発明により使用され得る第２の光学配置を示した図 本発明により使用され得る第３の光学配置を示した図 本発明により使用され得る第３の光学配置を示した図 本発明により使用され得る第４の光学配置を示した図 図３ａの第１の使用可能な光学配置（この光学配置の代わりに、図７に示されている光学配置６を図４、５、および６の他の図示の光学配置の１つで置き換えることで、図示の配置の構成の範囲内でこれらの配置を使用することも可能である）の例を使用した方法を行うための、本発明によるセットアップを示した図 本発明による焦線の生成を詳細に示した図 本発明により機械加工されるガラスペインの表面の顕微鏡図（基板平面上の図）

図２は、本発明による機械加工方法の概要を示したものである。レーザ３（ここでは図示されていない。図７参照）により放出された、光学配置６のビーム入力側では参照番号２ａで示されているレーザビーム２が、本発明の光学配置６へと発せられる（これに関しては以下の実施形態例参照）。光学配置６は、放射されたレーザビームから、ビームの方向に沿って特定の延在範囲に亘って延在するレーザビーム焦線２ｂ（焦線の長さｌ）を、ビーム出力側で形成する。レーザビーム２のレーザビーム焦線２ｂは、少なくともその一部分が、ここではフラット基板１である機械加工される基板に重なって、ビーム路内の光学配置の後に位置付けられる。参照番号１ａはフラット基板の、光学配置６またはレーザの方に向いている表面を示し、一方参照番号１ｂは、表面１ａから離れている通常平行な基板１の後側表面１ｂを示す。基板の厚さ（表面１ａおよび１ｂに垂直な、従って基板平面に関して測定される）を、ここではｄで示す。

図２ａが示すように、ここでは基板１はビームの縦軸に対し、従って光学配置６によって光学配置６を超えた空間内に生成される焦線２ｂに対し、垂直であり（基板は図面平面に垂直である）、また基板１は、ビームの方向に見て焦線２ｂが基板の表面１ａの前から始まり、かつ基板の表面１ｂの前すなわち未だ基板内部の位置で終わるように、ビームの方向に沿って見て焦線２ｂに対して位置付けられる。従って（レーザビーム２を長さｌのセグメントに集束させることによって、すなわち長さｌの線集束によって確保される、レーザビーム焦線２ｂに沿った適切なレーザ強度で）、延在するレーザビーム焦線２ｂは、レーザビーム焦線２ｂの基板１と重なる領域に、すなわち焦線２ｂが通過した基板の材料内に、レーザビームの方向に沿って見て延在するセグメント２ｃを生み出し、この延在セグメント２ｃに沿って基板の材料に誘起吸収が生じ、この誘起吸収が、セグメント２ｃに沿って基板材料に亀裂形成を誘起する。亀裂形成は、局所的のみではなく、むしろ誘起吸収の延在セグメント２ｃの長さ全体に亘って起こる。このセグメント２ｃの長さ（従って結局は、レーザビーム焦線２ｂが基板１と重なる長さ）を、ここではＬで示す。誘起吸収のセグメント（または、基板１の材料内の亀裂形成を受けることになる領域）の平均直径または平均範囲を、ここではＤで示す。この平均範囲Ｄは、ここでは実質的にレーザビーム焦線２ｂの平均直径δに相当する。

図２ａが示すように、レーザビーム２の波長λに対して透明である基板材料を、こうして本発明に従い焦線２ｂに沿って誘起吸収により加熱する。図２ｂは、加熱された材料が最終的に広がり、その結果対応して誘起された応力が本発明による微小亀裂の形成につながり、さらにこの応力が表面１ａで最も大きいことを示している。

焦線２ｂを生じさせるために使用され得る特定の光学配置６と、これらの光学配置が使用され得る特定の光学セットアップ（図７）とを以下で説明する。すべての配置またはセットアップは上記説明に基づいたものであり、そのためいずれの場合も同一のまたはその機能が対応する構成要素または特徴に対し、同一の参照番号を使用する。従って、いずれの場合も相違点のみを夫々以下で説明する。

最終的に分離につながる分離面は、本発明によれば（破断強度、幾何学的精度、粗さ、および２次的機械加工要求の回避に関して）高品質であるから、あるいは高品質であるはずであるから、基板の表面上の分離線５に沿って位置付けられる個々の焦線は、以下の光学配置によって、説明されるように生成されるはずである（光学配置は代わりに、以下でレーザ光学系とも称される）。この場合の粗さは、特に焦線のスポットサイズまたはスポット径からもたらされる。レーザ３の所与の波長λ（基板１の材料との相互作用）で、例えば０．５μｍから２μｍの小さいスポットサイズを達成可能にするために、一般にレーザ光学系６の開口数に特定の要件を課す必要がある。これらの要件は、以下で説明するレーザ光学系６で満たされる。

所望の開口数を得るために、光学系は一つには、アッベの既知の公式（開口数＝ｎｓｉｎ（θ）、ｎ：機械加工されるガラスの屈折率、θ：開口角の半分、およびθ＝ａｒｃｔａｎ（Ｄ／２ｆ）、Ｄ：口径、ｆ：焦点距離）に従って所与の焦点距離で必要な口径を有していなければならない。他方では、レーザビームは光学系を必要な口径まで照らさなければならないが、これはレーザと集束光学系との間で拡大望遠鏡を用いたビームの拡大によって典型的にはもたらされる。

均一な相互作用のために、スポットサイズは焦線に沿ってあまり大きく変化しないものであるべきである。これは例えば（以下の実施形態例参照）、集束光学系の細い環状領域のみを照らすことによって確実にすることができ、一方このとき当然のことながらビーム口径および従って開口数は若干のパーセントしか変化しない。

図３ａによれば（レーザビーム２のレーザビーム束の中心ビームのレベルでの、基板の平面に垂直な断面。ここでも、焦線２ｂまたは誘起吸収の延在セグメント２ｃが基板の法線に平行になるように、レーザビーム２の発光は基板平面に垂直に、すなわち角度βが０°で行われる）、レーザ３によって放出されたレーザビーム２ａは最初に、使用されるレーザビームに対して完全に不透明な円形の隔壁８へと向けられる。隔壁８は、ビームの縦軸に垂直に配向され、かつ図示のビーム束２ａの中心ビームに中心が置かれている。ビーム束２ａの中心近くのビーム束（ここでは２ａＺで示す）または中心ビームが隔壁にぶつかって隔壁に完全に吸収されるように、隔壁８の直径は選択される。ビーム束２ａの外側円周領域のビームのみが（エッジビーム、ここでは２ａＲで示す）、ビームの直径よりも小さい縮小された隔壁サイズのために吸収されずに隔壁８の横を通り過ぎ、ここでは球状に研磨された両凸レンズ７として作製された光学配置６の集束光学素子のエッジ領域にぶつかる。

中心ビームを中心としたレンズ７は、従来の球状に研磨されたレンズの形で、補正されていない両凸集束レンズとして意図的に作製される。言い換えれば、このレンズの球面収差を意図的に利用する。代わりに、理想的に補正された系から逸脱した、理想的な焦点ではなく画成された長さの明確な縦方向の延在した焦線を形成する、非球面レンズまたはマルチレンズを使用することもできる（従って、正確に単一の焦点を有するものではないレンズまたは系）。従ってレンズのこの区域は、レンズの中心からの距離に基づいて焦線２ｂに沿って正確に集束する。ここではビームの方向を横断する隔壁８の直径は、ビーム束の直径（１／ｅに減衰するまでの広がりによって画成されるビーム束の直径）の約９０％となり、また光学配置６のレンズの直径の約７５％となる。従って本発明によれば、中心のビーム束をマスクすることによって生成された、収差補正されていない球面レンズ７の焦線２ｂが使用される。図示は中心ビームを通る平面における断面であり、図示のビームを焦線２ｂに関して回転させると完全な３次元の束が得られる。

この焦線の不利な点は、条件（スポットサイズ、レーザの強度）が焦線に沿って、従って材料内の求められる深さに沿って、変化することであり、従って望ましい種類の相互作用（溶融、誘起吸収、亀裂形成に至る熱／塑性変形、がないこと）は場合によっては焦線の一部分の範囲内でしか確立することができない。これは逆に、場合によっては放射されたレーザ光の一部のみが所望のやり方で吸収されることを意味する。従って、一方ではこの方法の効率（所望の分離速度に必要な平均レーザパワー）は損なわれ、他方ではレーザ光がより深い望ましくない位置に（基板を接着している部分または層、または基板ホルダに）伝送され、そこで望ましくない相互作用（加熱、散乱、吸収、望ましくない改質）を生み出す可能性がある。

図３ｂは（図３ａの光学配置だけではなく、基本的には使用可能な全ての他の光学配置６にとって）、基板１に対して光学配置６を適切に位置付けるおよび／または向けることによって、また光学配置６のパラメータを適切に選択することによって、レーザビーム焦線２ｂが様々に位置付けられ得ることを示している。すなわち図３ｂの第１の列が示しているように、焦線２ｂの長さｌは、これが基板厚さｄを越えるように（ここでは２倍）設定され得る。従って、ビーム方向に見て焦線２ｂの中心に基板１が置かれる場合、誘起吸収の延在セグメント２ｃは基板の全厚さに亘って生じる。

図３ｂの第２部分に示されている事例では、基板の範囲ｄに略相当する長さｌの焦線２ｂが生成される。線２ｂが基板の前、従って基板の外側の点を始点とするように基板１は線２ｂに対して位置付けされるため、誘起吸収の延在セグメント２ｃ（ここでは基板の表面から基板の画成された深さまで延在するが、後側表面１ｂまで全てではない）の長さＬは、ここでは焦線２ｂの長さｌ未満である。図３ｂの第３の列は、基板１がビーム方向に沿って見て焦線２ｂの始まる前に部分的に位置付けられている事例を示しており、そのためここでも線２ｂの長さｌに対してｌ＞Ｌである（Ｌは基板１内の誘起吸収のセグメント２ｃの範囲）。従って焦線は基板の内部を始点とし、後側表面１ｂを超えて基板の外側まで延在する。図３ｂの第４の列は最後に、生成される焦線の長さｌが基板厚さｄ未満である事例を示し、そのため基板がビーム方向に見て焦線に対して中心に位置付けられる場合、焦線はここでは基板内部の表面１ａ付近を始点とし、基板内部の表面１ｂ付近で終わる（ｌ＝０．７５・ｄ）。

本発明によれば、表面１ａ、１ｂの少なくとも一方に焦線が及ぶように、従って誘起吸収のセグメント２ｃが少なくとも一方の表面の位置で始まるように、焦線の位置付けが行われると特に有利である。この手法では、表面でのアブレーション、毛羽立ち、および粒子形成を回避することによって略理想的な切断を達成することができる。

図４は、本発明に従って使用され得る別の光学配置６を示している。基本構造は図３ａで説明したものに従うため、相違点のみを以下で説明する。図示の光学配置は、画成された長さｌの焦線が形成されるように成形された非球形の自由表面を備えた光学系を使用して、焦線２ｂを形成する発想に基づく。このために非球面レンズが、光学配置６の光学素子として使用され得る。例えば図４では、アキシコンとも称される、いわゆる円錐プリズムが使用されている。アキシコンは、光軸に沿った線上に点光源を形成する（あるいはさらにレーザビームを環状に変形する）、特殊な円錐状に研磨されたレンズである。このアキシコンの構造は基本的に当業者には公知であり、ここでは円錐角は例えば１０°である。ここでは参照番号９で示されているアキシコンは、その頂点がビーム方向の反対に向けられており、またその中心はビームの中心に置かれている。アキシコン９の焦線２ｂは既にアキシコンの内部で始まるため、基板１（ここではビームの主軸に垂直に配置される）をビーム路内でアキシコン９の直後に位置付けてもよい。図４が示すように、アキシコンの光学的性質のために、基板１を焦線２ｂの領域から離れることなくビーム方向に沿って変位させることもできる。基板１の材料内の誘起吸収の延在セグメント２ｃは、従って基板の全深さｄに亘って延在する。

確かに、図示の構造は以下の制限を有する。すなわち、アキシコン９の焦線はレンズと材料との間の有限の作動距離を伴って既にレンズ内で始まるため、レーザエネルギーの特定の部分は焦線２ｂの材料内に位置する部分２ｃに集束しない。さらに、アキシコン９の利用可能な屈折率および円錐角によって、焦線２ｂの長さｌはビーム径と関連付けられ、その結果比較的薄い材料（数ミリメートル）の場合、焦線全体が長すぎて、このため目的をもってレーザエネルギーを材料に集束させることができない。

こういった理由で、アキシコンおよび集束レンズの両方を含むときに本発明により使用され得る、改善された光学配置６がある。

図５ａはこの光学配置６を示しており、ここでは延在するレーザビーム焦線２ｂを形成するように成形された非球形の自由表面を有する、第１の光学素子が、ビーム方向に沿って見てレーザ３のビーム路内に最初に位置付けられている。図示の事例においてこの第１の光学素子は、ビーム方向に垂直に位置付けされかつレーザビーム２上に中心が置かれた、５°の円錐角を有するアキシコン１０である。アキシコンの頂点は、ビーム方向の反対方向に向いている。アキシコン１０からビーム方向に距離ｚ１の位置に、第２の集束光学素子、ここでは平凸レンズ１１（湾曲がアキシコンの方に向いている）が存在している。アキシコン１０によって形成されるレーザビームがレンズ１１の外側領域に環状にぶつかるよう、距離ｚ１はここでは約３００ｍｍになるように選択される。レンズ１１は、環状のビームをビーム出力側で、ここでは１．５ｍｍの画成された長さの焦線２ｂへ、ここではレンズ１１から約２０ｍｍの距離ｚ２の位置で集束させる。ここではレンズ１１の有効焦点距離は２５ｍｍである。アキシコン１０によるレーザビームの環状変形を、ここでは参照符号ＳＲで示す。

図５ｂは、図５ａによる焦線２ｂまたは基板１の材料内の誘起吸収２ｃの発生を、詳細に示したものである。２つの要素１０、１１の光学的性質とその位置付けは、ここではビーム方向における焦線２ｂの範囲ｌが基板１の厚さｄと正確に一致するようなものとされる。従って、図５ｂに示されているように焦線２ｂを基板１の２つの表面１ａおよび１ｂの間に正確に位置付けるために、ビーム方向に沿った基板１の正確な位置付けが必要である。

従って本発明によれば、レーザ光学系から特定の距離の位置に焦線が生じ、さらに焦線の望ましい端部までレーザビームの大部分が集束されると有利である。これは説明したように、主に集束用の要素１１（レンズ）上の所望の区域が環状にのみ照らされているために達成することができ、これにより一方では所望の開口数と、従って所望のスポットサイズとを満たすが、他方では、実質的に環状のスポットが形成されるために、所望の焦線２ｂの後に散乱する円はスポットの中心強度を極短距離で損失する。従って、本発明の意味での亀裂形成は、短距離のうちに基板の所望の深さで止まる。アキシコン１０と集束レンズ１１との組合せは、この要件を満たす。ここではアキシコン１０は二重の働きをする。すなわち、概して円形のレーザスポットがアキシコン１０によって集束レンズ１１へと環状で送られ、またアキシコン１０の非球面性によって、レンズの焦点面内の焦点の代わりに焦点面外に焦線が生じる。焦線２ｂの長さｌは、アキシコンでのビーム径によって調節され得る。焦線に沿った開口数は、アキシコンとレンズの距離ｚ１によって、またアキシコンの円錐角によって調節され得る。このようにして、全てのレーザエネルギーを焦線に集中させることができる。

本発明の意味での亀裂形成が基板の出口側の前で止められる場合、環状の照明はさらに以下のような利点を有する。すなわち一方では、レーザ光の大部分が所望の長さの焦線に集中されたままとなるため、レーザパワーが可能な限り使用され、他方では、環状の照射区域と共に他の光学機能によって確立される望ましい収差に起因して、焦線に沿って均一なスポットサイズを得ることができ、従って本発明による均一な分離プロセスを焦線に沿って達成することができる。

図５ａに示されている平凸レンズの代わりに、収束メニスカスレンズや、あるいは別のより高度に補正された集束レンズ（非球面レンズ、マルチレンズ）を使用することも可能である。

図５ａに示されているアキシコンおよびレンズの組合せで非常に短い焦線２ｂを生じさせるためには、非常に小さいビーム径のレーザビームがアキシコンにぶつかるように選択しなければならない。これは、ビームの中心をアキシコンの先端に非常に正確に合わせなければならないため、結果としてレーザの向きの変動（ビームのドリフトの安定性）に非常に敏感になるという実用上の不利な点を有する。さらに、細くコリメートされたレーザビームは非常に発散的であり、すなわちビーム束は光の屈折のために短距離で消失する。

追加のレンズすなわちコリメートレンズ１２（図６）を挿入することで、両方を回避することができる。つまり、この追加の正レンズ１２によって、集束レンズ１１の環状の照明を非常に細くなるように設定することができる。コリメートレンズ１２の焦点距離ｆ´は、ｆ´に等しいアキシコンからコリメートレンズ１２までの間隔ｚ１ａで、所望の円環直径ｄ_rが得られるように選択される。間隔ｚ１ｂ（コリメートレンズ１２から集束レンズ１１まで）によって、所望の円環幅ｂ_rを選択することができる。ここで、純粋に幾何学に基づき、小さい幅の環状照明から短い焦線が生じる。最小値は、間隔ｆ´で得られる。

従って、図６に示されている光学配置６は図５ａに示されているものに基づくため、相違点のみを以下で説明する。ここでは同様に平凸レンズ（湾曲がビーム方向の反対を指している）として作製されたコリメートレンズ１２を、一方のアキシコン１０（ここではその頂点をビーム方向の反対にして配置されている）と他方の平凸レンズ１１との間のビーム路内のここでは中心にさらに導入した。アキシコン１０からコリメートレンズ１２までの間隔をここではｚ１ａで示し、コリメートレンズ１２から集束レンズ１１までの間隔をｚ１ｂで示し、さらに集束レンズ１１から、生成される焦線２ｂまでの間隔をｚ２で示す（いずれの場合も、ビーム方向に見て）。図６が示しているように、アキシコン１０によって形成され、かつ発散しながらリング直径ｄ_rでコリメートレンズ１２にぶつかる環状ビームＳＲは、範囲ｚ１ｂに沿って円環直径ｄ_rを少なくとも略一定に保ったまま、集束レンズ１１の位置で所望の円環幅ｂ_rに設定される。図示の事例では非常に短い焦線２ｂが生成されるはずであり、そのためレンズ１２の位置では約４ｍｍの円環幅ｂ_rは、レンズ１２の集束特性によってレンズ１１の位置では約０．５ｍｍに縮小される（ここではリング直径ｄ_rは例えば２２ｍｍ）。

図示の例では、レーザによる２ｍｍの典型的なビーム径、焦点距離ｆ＝２５ｍｍの集束レンズ１１、および焦点距離ｆ´＝１５０ｍｍのコリメートレンズで、０．５ｍｍ未満の焦線の長さｌを実現することができる。さらに、Ｚ１ａ＝Ｚ１ｂ＝１４０ｍｍかつＺ２＝１５ｍｍである。

図７における本発明による構造において図３ａの光学配置を用いた、本発明による非硬化ガラスの分離の一例を以下に示す（図７による構造における図３ａの光学配置６の代わりに、図示の隔壁／レンズの組合せ８、７を対応して置き換えることにより、上述した他の光学配置６を使用することも可能である）。

特殊な着色を含まない（特に鉄含有量が少ない）ホウケイ酸ガラスまたはソーダ石灰ガラス１は、約３５０ｎｍから約２．５μｍに対して光学的に透明である。一般にガラスは熱導体としては劣っており、そのため数ナノ秒のレーザパルス持続時間では、焦線２ｂから外への著しい熱拡散は全く認められない。それにも拘わらず、より短いレーザパルス持続時間がさらに有利であり、というのも非線形効果によって所望の誘起吸収が、サブナノ秒またはピコ秒のパルスでより容易に達成されるためである（強度が大幅に高くなる）。

例えば以下のパラメータ、すなわち波長１０６４ｎｍ、パルス持続時間１０ピコ秒、パルス繰返し率１００ｋＨｚ、最大５０Ｗの平均パワー（レーザの後で直接測定される）を有する、市販されているピコ秒レーザ３が本発明によるフラットガラスの分離に適している。レーザビームは最初に約２ｍｍのビーム径（ピーク強度の１３％、すなわちガウシアンのビーム束の１／ｅ²直径で測定される）を有し、そのビーム品質は少なくともＭ²＜１．２である（ＤＩＮ／ＩＳＯ１１１４６に従って判定される）。ビーム拡大光学系２２（市販されているケプラー（Ｋｅｐｌｅｒ）ビーム望遠鏡）で、ビーム径を約２０〜２２ｍｍまで１０倍増加させる（２１、２３、２４、および２５はビーム偏向ミラー）。直径９ｍｍのいわゆる環状隔壁８で、ビーム束の内部は環状ビームが生じるようにマスクされる。この環状ビームで、例えば焦点距離２８ｍｍの平凸レンズ７（半径１３ｍｍの石英ガラス）が照らされる。レンズ７の強い（所望の）球面収差を通じて、本発明により焦線が生じる。これに関しては、図７に加えて、レンズ７によるエッジビームからの焦線２ｂの生成の概要を説明した図８も参照されたい。

焦線の理論的直径δはビームの軸に沿って変化する。従ってここでの基板厚さｄが約１ｍｍよりも小さい場合（ディスプレイガラスの典型的な厚さは０．５ｍｍから０．７ｍｍである）、均一な亀裂表面を生じさせるのに有利である。スポットサイズ約２μｍとスポットからスポットまでの間隔５μｍとで、速度０．５ｍ／ｓが得られ、この速度で焦線を基板１上で５（図９参照）に誘導することができる。基板上での平均パワー２５Ｗ（集束レンズ７の後で測定される）で、パルス繰返し率１００ｋＨｚからパルスエネルギー２５０μＪが得られる。このパルスエネルギーは２〜５のサブパルスの構造のパルス（間隔が２０ｎｓのみ空いている急速な連続したシングルパルス、いわゆるバーストパルス）でも起こり得る。

非硬化ガラスは実質的に内部応力を含まないため、分離されていないブリッジによって未だ連結されかつ結び付けられているここでは歪みゾーンは、外部作用がなければ最初はこれらの片を一緒に未だ保持している。しかしながら熱応力が導入されると、レーザ破断面５に沿ってさらなる力が外的に導入されなくても基板は完全に分離する。このために、最大で２５０Ｗの平均パワーを有するＣＯ₂レーザを約１ｍｍのスポットサイズへと集束させ、このスポットを最大０．５ｍ／ｓで分離線５上に誘導する。導入されるレーザエネルギーによって引き起こされる局所的な熱応力（分離線５の１ｃｍ当たり５Ｊ）によって、ワークピース１は完全に分離する。

より厚いガラスを分離するためには、当然のことながら、より長い焦線ｌに亘ってプロセスに対する強度閾値（熱衝撃による誘起吸収と歪みゾーンの形成）に到達させなければならない。従って、必要なパルスエネルギーがより高くなり、かつ平均パワーが高くなる。上述した光学構造と基板上で３９Ｗの最大限に利用可能なレーザパワー（光学系による損失の後）とで、厚さ約３ｍｍのガラスの分離を何とか成し遂げることができる。ここでは一方では環状隔壁８が取り除かれ、また他方ではより長い焦線が基板内で生じるように、基板までのレンズ７の距離が補正される（公称の焦点距離の方向に増加させる）。

（同様に図３ａおよび７に示されている装置を用いた）硬化ガラスを分離する別の実施形態を以下に示す。

ナトリウム含有ガラスは、溶融カリウム塩浴内に浸漬させることによってガラス表面でナトリウムがカリウムに交換されることで硬化される。これは表面の厚さ５〜５０μｍの層においてかなりの内部応力（圧縮応力）につながり、これがより大きな安定性につながる。

基本的には、硬化ガラスの分離におけるプロセスパラメータは、同様の寸法および組成の非硬化ガラスの場合と同様である。しかしながら硬化ガラスは、内部応力に起因して、特に意図されているレーザ破断面５に沿わずに材料内を進む望ましくない亀裂成長に起因して、かなり容易に粉々になり得る。このため、特定の硬化ガラスの分離を成功させるためのパラメータ領域は、より狭く定義される。特に平均レーザパワーおよび関連する切断速度は、特に硬化された層の厚さに基づいて非常に正確に維持されなければならない。硬化層が厚さ４０μｍであり全厚さが０．７ｍｍであるガラスと上記セットアップでは、例えば次のパラメータ、すなわち平均パワー１４Ｗで、パルク繰返し率１００ｋＨｚで切断速度１ｍ／ｓ、従ってスポット間隔１０μｍが得られる。

硬化ガラスの内部応力は、しばらくした（数秒）後に完全に生じる破断ゾーン５につながり、基板は所望の片に分離される。

非常に薄い硬化ガラス（＜１００μｍ）は大部分が応力を受けた材料から成り、すなわち前後の面は例えばナトリウムが失われて従って夫々３０μｍに亘って硬化されて、内部の４０μｍのみが硬化されないままである。この材料は、一方の表面が損傷された場合、非常に容易にかつ完全に粉々になる。こういった硬化ガラス膜は、これまで従来技術では機械加工できなかった。

本発明の方法によるこういった材料の分離は、ａ）焦線の直径が非常に小さく、例えば１μｍ未満である場合、ｂ）スポットからスポットへの間隔が小さく、例えば１から２μｍの間である場合、およびｃ）亀裂の成長がレーザプロセスの先を行くことができないほど分離速度が十分に速い場合（例えば０．２から０．５ｍ／ｓで２００ｋＨｚの高いレーザパルス繰返し率）に可能である。

サファイアガラスおよび結晶サファイアを分離するための（同様に図３ａおよび７で説明した装置を用いた）別の実施形態例を以下に示す。

サファイア結晶およびサファイアガラスは、実際に光学的に類似しているガラス（透明性および屈折率）であるが、その機械的および熱的挙動はかなり異なっている。従って、サファイアは優れた熱導体であり、機械的に極めて耐久性があり、非常に硬くかつ耐引っ掻き性を有する。それにも拘わらず、上述したレーザおよび光学セットアップを用いて、薄い（０．３ｍｍから０．６ｍｍ）サファイア結晶およびガラスを分離することができる。機械的安定性が大きいため、分離される片の間に残存するブリッジを最小限に抑えることが特に重要であり、というのもそうでなければ最終的な分離に非常に強い力が必要となるためである。歪みゾーンは、基板の入口表面１ａから出口表面１ｂまで、できるだけ完全に形成されなければならない。より厚いガラスでは、これはより高いパルスエネルギーで、従ってより高い平均レーザパワーで達成され得る。さらに、結晶サファイアは複屈折である。切断表面は光軸に垂直でなければならない（いわゆるＣ軸カット）。厚さ０．４５ｍｍの結晶サファイアを分離するためには、以下のパラメータ、すなわち、パルス繰返し率１００ｋＨｚで平均レーザパワー３０Ｗ、スポットサイズ２μｍ、およびスポット間隔５μｍが使用され得、これは上記パルス繰返し率で切断速度０．５ｍ／ｓに相当する。ガラスの場合、完全な分離のためには、歪みゾーンが熱応力によって亀裂成長を経て完全な連続した連結されていない分離面へと進展するように、例えばＣＯ₂レーザのスポットを用いて続いて切断線５の加熱を行うことが必要になり得る。

図９は最後に、本発明により機械加工されたガラスペインの表面の顕微鏡図を示したものである。個々の焦線、すなわちここでは参照番号２ｃ−１、２ｃ−２などが与えられている（図示の表面に垂直な基板の深さ内への）誘起吸収の延在セグメント２ｃは、基板の表面４上のレーザビームを誘導した線５に沿って、基板の片を分離するための分離面を形成する亀裂形成によって結び付けられる。誘起吸収の複数の個々の延在セグメントを容易に見ることができるが、この図示の事例では、すぐ隣接するセグメント２ｃ−１、２ｃ−２、２ｃ−３・・・の平均間隔ａとレーザビーム焦線の平均直径δとから成る比率Ｖ３＝ａ／δが約２．０となるように、表面４上でレーザビームを動かすための供給速度とレーザのパルス繰返し率を適合させた。

１ 基板
１ａ、１ｂ 表面
２ａ レーザビーム
２ｂ レーザビーム焦線
２ｃ 延在セグメント
３ レーザ
６ 光学配置
７、１１ レンズ
８ 隔壁
９、１０ アキシコン
１２ コリメートレンズ

Claims (19)

1. シート状の基板（１）を複数の部分に分離するための、レーザベースの機械加工の方法であって、
   前記基板（１）を機械加工するためのレーザ（３）のレーザビーム（２ａ、２ｂ）が該基板へと向けられ、
   光学配置（６）が前記レーザ（３）の光線路内に位置付けられており、かつ、前記レーザビームの方向に沿って見て延在するレーザビーム焦線（２ｂ）が、前記光学配置（６）のビーム出力側で、該光学配置へと向けられた前記レーザビーム（２ａ）から形成され、さらに、
   誘起吸収が前記レーザビームの方向に見て前記レーザビーム焦線（２ｂ）の延在部分（２ｃ）に沿って前記基板（１）の材料内に生じるように、前記基板（１）が前記レーザビーム焦線（２ｂ）に対して位置付けられており、誘起された亀裂形成が前記延在部分（２ｃ）に沿って前記基板（１）の材料内で起こるという効果を有し、
   前記レーザ（３）の波長λが、前記基板（１）の前記材料が該波長に対して透明または実質的に透明であるように選択され、該実質的に透明であるとは、前記基板（１）の前記材料において前記レーザビームの方向に沿って起こる前記レーザビームの強度の減少が、浸透深さ１ミリメートル当たり１０％以下であり、
   前記レーザビーム焦線（２ｂ）の平均直径δ、すなわちスポット径が０．５μｍから５μｍの間であり、
   前記レーザ（３）のビーム出力側で直接測定された平均レーザパワーが、１０ワットから１００ワットの間である、ことを特徴とする方法。
2. 前記材料内すなわち前記基板（１）の内部の、前記誘起吸収の前記延在部分（２ｃ）が、２つの対向する基板表面（１ａ、１ｂ）のうちの少なくとも一方に至るまで延在するように、前記基板（１）が前記レーザビーム焦線（２ｂ）に対して位置付けられることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記材料内すなわち前記基板（１）の内部の、前記誘起吸収の前記延在部分（２ｃ）が、前記２つの対向する基板表面の一方（１ａ）から該２つの対向する基板表面の他方（１ｂ）に至るまで、すなわち前記基板（１）の全層厚さｄに亘って延在するように、前記基板（１）が前記レーザビーム焦線（２ｂ）に対して位置付けられる、あるいは、
   前記材料内すなわち前記基板（１）の内部の、前記誘起吸収の前記延在部分（２ｃ）が、前記２つの対向する基板表面の前記一方（１ａ）から前記基板（１）内へと延在するが該２つの対向する基板表面の前記他方（１ｂ）に至るまでではなく、すなわち前記基板（１）の前記全層厚さｄに亘ってではなく、該全層厚さｄの８０％から９８％に亘り延在するように、前記基板（１）が前記レーザビーム焦線（２ｂ）に対して位置付けられることを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 前記亀裂形成が前記基板（１）の前記材料の著しいアブレーションなくかつ著しい溶融なく前記基板（１）の微細構造において起こるように、前記誘起吸収が生じることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の方法。
5. 前記レーザビーム焦線（２ｂ）の範囲ｌ、および／または前記材料内すなわち前記基板（１）の内部の前記誘起吸収の前記延在部分（２ｃ）の範囲は、いずれも前記レーザビームの縦方向に見て０．１ｍｍから１００ｍｍの間であり、および／または、
   ２つの対向する基板表面（１ａ、１ｂ）に垂直に測定される前記基板（１）の層厚さｄは、３０μｍから３０００μｍの間であり、および／または、
   前記レーザビーム焦線（２ｂ）の前記範囲ｌと前記基板（１）の前記層厚さｄとの比率Ｖ１＝ｌ／ｄは、１０から０．５の間であり、および／または、
   前記レーザビームの縦方向に見て、前記材料内すなわち前記基板（１）の内部の前記誘起吸収の前記誘起吸収の前記延在部分（２ｃ）の範囲Ｌと、前記レーザビームの縦方向を横切る方向に見て、前記材料内すなわち前記基板（１）の内部の前記誘起吸収の前記延在部分（２ｃ）の平均範囲Ｄとの比率Ｖ２＝Ｌ／Ｄは、５から５０００の間であることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の方法。
6. 前記レーザビーム焦線（２ｂ）のスポット径の平均直径δが、１μｍから３μｍの間であり、および／または、
   前記レーザ（３）のパルス持続時間τが、前記基板（１）の前記材料との相互作用の時間内で、前記材料の熱拡散がごく僅かであるように、好適には熱拡散が起こらないように選択され、このためτ、δ、および前記基板（１）の前記材料の熱拡散定数αがτ＜＜δ²／αに従って設定され、および／または、
   前記レーザ（３）のパルス繰返し率が、１０ｋＨｚから１０００ｋＨｚの間であり、および／または、
   前記レーザ（３）がシングルパルスレーザとして、あるいはバーストパルスレーザとして操作され、および／または、
   前記レーザ（３）のビーム出力側で直接測定された平均レーザパワーが、３０ワットから５０ワットの間であることを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載の方法。
7. 前記レーザは、前記基板（１）が可視波長範囲で透明である特にガラスまたは結晶である場合には、波長λが１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザ、または波長λが１０３０ｎｍのＹ：ＹＡＧレーザであり、あるいは赤外波長範囲で透明である半導体基板（１）である場合には、波長λが１．５μｍから１．８μｍの間のＥｒ：ＹＡＧレーザであることを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載の方法。
8. 前記レーザビーム（２ａ、２ｂ）が前記基板（１）へと垂直に向けられ、従って、前記レーザビーム焦線（２ｂ）の前記延在部分（２ｃ）に沿った前記誘起吸収が前記基板の平面に垂直に起こるように前記基板（１）が前記レーザビーム焦線（２ｂ）に対して位置付けられ、または、
   前記レーザビーム（２ａ、２ｂ）が前記基板（１）へと、前記基板（１）の前記平面の法線に対して０°を超える角度βで向けられ、従って、前記レーザビーム焦線（２ｂ）の前記延在部分（２ｃ）に沿った前記誘起吸収が前記基板の前記平面に対して９０°−βの角度で起こるように前記基板（１）が前記レーザビーム焦線（２ｂ）に対して位置付けられ、このとき好適にはβ≦４５°であることを特徴とする請求項１から７いずれか１項記載の方法。
9. 前記複数の部分を得るために、前記基板（１）を分断する線（５）に沿って、前記レーザビーム（２ａ、２ｂ）を前記基板（１）の表面（１ａ、４）に対して動かして、前記基板（１）内部の前記誘起吸収の前記延在部分（２ｃ）を前記線（５）に沿って複数（２ｃ−１、２ｃ−２、・・・）生じさせ、
   ここで、直接隣接する前記誘起吸収の前記延在部分（２ｃ）の、すなわちすぐ次に生成された前記延在部分との、平均間隔ａと、前記レーザビーム焦線（２ｂ）すなわちスポット径の、平均直径δとの比率Ｖ３＝ａ／δは、１．０μｍから２．０μｍの間であることを特徴とする請求項１から８いずれか１項記載の方法。
10. 前記基板（１）内部で前記誘起吸収の前記延在部分（２ｃ）を複数（２ｃ−１、２ｃ−２、・・・）生成している間および／または生成した後に、前記基板を前記複数の部分に分離するために前記誘起吸収の前記延在部分（２ｃ）の直接隣接しているもの（２ｃ−１、２ｃ−２）の間に夫々亀裂形成をもたらすよう、前記基板（１）に機械的な力を与え、および／または前記基板（１）に、前記基板を不規則に加熱し再び冷却して、熱応力を導入し、
    前記熱応力は、ＣＯ₂レーザで前記基板（１）を前記線（５）に沿って照射することによって導入されることを特徴とする請求項９記載の方法。
11. シート状基板（１）を複数の部分に分離するための、レーザベースの機械加工のための装置であって、
    該装置で、前記基板（１）を機械加工するためのレーザ（３）のレーザビーム（２ａ、２ｂ）を、該基板へと向けることができ、
    前記レーザ（３）の光線路内に位置付けられた光学配置（６）であって、前記レーザビームの方向に沿って見て延在するレーザビーム焦線（２ｂ）を、該光学配置（６）のビーム出力側で、該光学配置へと向けられる前記レーザビーム（２ａ）から形成することができる、光学装置（６）と、
    誘起吸収が前記レーザビームの方向に見て前記レーザビーム焦線（２ｂ）の延在部分（２ｃ）に沿って前記基板（１）の材料内で起こり、誘起された亀裂形成が前記延在部分（２ｃ）に沿って前記基板の前記材料内にもたらされるという効果を有するように、前記レーザビーム焦線（２ｂ）に対して位置付けることができる、あるいは位置付けられた、前記基板（１）と、
    前記レーザ（３）の波長λが、前記基板（１）の前記材料が該波長に対して透明または実質的に透明であるように選択され、該実質的に透明であるとは、前記基板（１）の前記材料において前記レーザビームの方向に沿って起こる前記レーザビームの強度の減少が、浸透深さ１ミリメートル当たり１０％以下であり、
    前記レーザビーム焦線（２ｂ）の平均直径δ、すなわち、スポット径が、０．５μｍから５μｍの間であり、
    前記レーザ（３）のビーム出力側で直接測定された平均レーザパワーが、１０ワットから１００ワットの間である、
    を特徴とする装置。
12. 前記光学配置（６）が、球面収差を有する集束光学素子を含み、
    前記光学配置（６）の隔壁（８）は、前記レーザビーム（２ａ）の中心に位置する、前記隔壁に衝突する光線の束（２ａＺ）を遮断し、その結果該中心の外側に位置する周縁光線（２ａＲ）のみが前記集束光学素子に衝突するという効果を有することを特徴とする請求項１１記載の装置。
13. 前記光学配置（６）が、前記レーザビームの方向に見て画成された範囲ｌすなわち画成された長さを有する前記レーザビーム焦線（２ｂ）を形成するように成形された、非球形の自由表面を有する光学素子を含み、
    該非球形の自由表面を有する光学素子が、円錐プリズムまたはアキシコン（９）であることを特徴とする請求項１１または１２記載の装置。
14. 前記光学配置（６）が、前記レーザ（３）の前記光線路内に、延在する前記レーザビーム焦線（２ｂ）を形成するように成形された、非球形の自由表面を有する第１の光学素子を最初に備え、さらに該第１の光学素子のビーム出力側の該第１の光学素子から距離ｚ１の位置に、凸レンズ（１１）である第２の集束光学素子を備え、
    該２つの光学素子は、延在する前記レーザビーム焦線（２ｂ）が前記第２の集束光学素子のビーム出力側の前記第２の集束光学素子から距離ｚ２の位置に生成されるように、前記第１の光学素子が該第１の光学素子に衝突したレーザ放射を前記第２の集束光学素子へと環状に（ＳＲ）投影するよう、位置付けおよび位置合わせされていることを特徴とする請求項１１から１３いずれか１項記載の装置。
15. 平凸コリメートレンズ（１２）である第３の集束光学素子が、前記レーザ（３）の前記光線路内の前記第１の光学素子と前記第２の集束光学素子との間に位置付けられ、
    前記第３の集束光学素子が、前記第１の光学素子によって環状に（ＳＲ）形成された前記レーザ放射が、画成された平均リング直径ｄ_rで前記第３の集束光学素子へと及び、さらに前記第３の集束光学素子が前記レーザ放射を前記平均リング直径ｄ_rと画成されたリング幅ｂ_rとで前記第２の集束光学素子の方へ環状に投影するよう、位置付けおよび位置合わせされていることを特徴とする請求項１４記載の装置。
16. ・サファイア、ガラス、または半導体材料の基板を分離するための、および／または、
    ・単一層基板、または多層基板を分離するための、および／または、
    ・コーティング基板を分離するための、および／または、
    ・単一層基板または多層基板を完全に分断する、または多層基板の全ての層ではないが１以上の層を分断するための、
    請求項１から１５いずれか１項記載の方法または装置の使用。
17. 前記基板が、
    石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、またはソーダ石灰ガラス、
    ナトリウム含有ガラス、
    硬化ガラスまたは非硬化ガラス、
    結晶Ａｌ_２Ｏ_３、またはＳｉＯ_２・ｎＨ_２Ｏ（オパール）、
    Ｓｉ，ＧａＡｓ，およびＧａＮを含有する材料、
    ガラス―ガラス複合体、
    ガラス―膜複合体、
    ガラス―膜―ガラス複合体、
    ガラス―空気―ガラス複合体、
    金属コーティングのサファイアウエハ、
    金属層または金属酸化物層を備えたシリコンウエハ、および、
    ＩＴＯまたはＡｌＺｎＯでコーティングされた基板、
    の少なくとも１つであることを特徴とする、請求項１６に記載の使用。
18. 少なくとも１つの表面を有するガラス物品であって、前記少なくとも１つの表面が複数の材料改質を該表面に沿って含み、前記材料改質の夫々の長さが０．１ｍｍから１００ｍｍの間の範囲内であり、かつ前記材料改質の夫々の平均直径が０．５μｍから５μｍの間の範囲内であり、前記材料改質はアブレーションホールではない、ことを特徴とするガラス物品。
19. 少なくとも１つの表面を有するガラス物品であって、前記少なくとも１つの表面が複数の材料改質を該表面に沿って含み、前記材料改質の夫々の、直接隣接する前記材料改質の平均距離ａと前記材料改質を作り出したレーザビーム焦線の平均直径δとの比率Ｖ３＝ａ／δが、およそ２．０に等しく、前記材料改質はアブレーションホールではない、ことを特徴とするガラス物品。

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