Brevet FR3054151A1 — publié le 20180126

DOMAINE TECHNIQUE AUQUEL SE RAPPORTE L'INVENTION La présente invention concerne de manière générale le domaine des 5 procédés et dispositifs de traitement des matériaux diélectriques ou semiconducteurs par laser. Elle concerne plus particulièrement une méthode de découpe de matériaux diélectriques transparents ou semiconducteurs, d'épaisseur comprise entre quelques dixièmes de millimètre et quelques millimètres. 10 Elle concerne en particulier un procédé rapide de découpe, formant des bords de découpe lisses, sans écailles et sans perte de matériau. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE Les matériaux inorganiques diélectriques transparents tels que par exemple le verre, le quartz ou le saphir, ou semiconducteurs, tels que le silicium 15 ou le germanium, sont de plus en plus utilisés dans les écrans plats de dispositifs électroniques, l'optique, l'optoélectronique ou encore l'industrie horlogère. L'usinage de ces matériaux et en particulier la découpe de précision, posent des difficultés techniques et industrielles spécifiques. La technique de découpe doit satisfaire des impératifs industriels de grande vitesse de coupe, tout en minimisant 20 l'apparition de contraintes résiduelles dans le matériau et en garantissant une bonne qualité de coupe, c'est-à-dire un bord de découpe lisse, sans écailles (chipping en anglais) et sans amorçage de microfissure, de manière à pouvoir s'affranchir d'étapes de post-traitement tels que le polissage ou le meulage de précision. 25 On souhaite effectuer non seulement des découpes rectilignes mais aussi des découpes curvilinéaires, sur des longueurs et épaisseurs variables. Il existe différentes techniques de découpe de matériaux transparents. Les techniques mécaniques reposent sur l'utilisation d'un d'outil revêtu de grains en diamant, par exemple une scie diamantée, ou encore la prédécoupe à l'aide 30 d'une roulette diamantée ou en acier durci précédant une séparation des pièces obtenue par application d'une force mécanique. Une autre technique de découpe consiste à appliquer un jet d'eau sous pression de plusieurs milliers de bars, pour éroder le verre sur toute son épaisseur, l'eau pouvant être chargée de particules abrasives. 3054151 2 Plus récemment, différentes techniques de découpe par laser ont été développées. La découpe laser par initiation de fracture consiste à produire une entaille en surface d'un matériau clivable par ablation laser de manière à initier une fracture. La découpe par fusion de verre, saphir ou céramique transparente est obtenue par un chauffage laser du matériau jusqu'à un état fondu puis par une éjection du matériau fondu au travers de la saignée au moyen d'un gaz sous pression (azote ou air). Un laser émettant dans l'infrarouge lointain, tel qu'un laser CO2 par exemple, produit une absorption et un chauffage depuis la surface, la chaleur diffusant par conduction de la surface vers le coeur du matériau. Au contraire, un laser émettant dans le proche infrarouge, par exemple un laser YAG, à disque ou à fibre, induit directement une absorption en volume. La découpe par fusion se fait en général à une température bien supérieure à la température de transition vitreuse Tg à laquelle le matériau n'a qu'une très faible viscosité. Cette haute température conduit à affecter thermiquement une large zone, ce qui favorise l'apparition de micro fissures et d'écailles le long de la trajectoire de découpe. Pour cette raison, des étapes de post-traitement par polissage ou par meulage sont en général nécessaires après une découpe par fusion. Le procédé d'inscription et casse (scribe & break) consiste à produire un sillon par ablation laser en surface du matériau à découper, puis à appliquer une force mécanique pour séparer les deux parties. La rupture se fait le long de la trajectoire définie par le sillon. La profondeur du sillon est de l'ordre de 10 à 20 micromètres (pm). La vitesse de découpe est importante, d'au moins 10 mm/s. Cependant, ce procédé génère de la poussière d'ablation et des déviations du plan de coupe peuvent apparaître au voisinage de la face arrière. La découpe complète par ablation laser (full ablation cutting) au moyen d'impulsions courtes ou ultracourtes permet d'obtenir une séparation spontanée du verre sans aucune assistance mécanique. Dans le présent document, on entend par impulsions courtes des impulsions de durée comprise entre 1 nanoseconde (ns) 1 microseconde (ils), respectivement, par impulsions ultracourtes des impulsions de durée comprise entre 10 femtosecondes (fs) et 1 nanoseconde (ns). La technique de découpe complète par ablation laser est adaptable à 3054151 3 différentes trajectoires et motifs de découpe : lignes droites ou courbes, suivant une figure géométrique fermée, faible rayon de courbure, chanfrein. Du fait de l'utilisation d'un matériau transparent, ce procédé peut être appliqué, en initiant l'ablation par focalisation sur la surface supérieure sur laquelle le faisceau laser 5 est incident, comme c'est le cas pour des matériaux non transparents, mais aussi en initiant l'ablation par focalisation sur la surface inférieure en remontant vers la surface supérieure (technique « bottom-up » en anglais). Cependant, la découpe complète par ablation laser est un procédé plus lent que les autres procédés mentionnés ci-dessus pour les matériaux épais du fait qu'il conduit à l'enlèvement 10 d'une importante quantité de matière. De plus, les bords de la découpe produits par ablation laser sont généralement rugueux. Enfin, ce procédé génère une grande quantité de poussière et une large entaille dans le matériau. Des ébréchures (chipping) peuvent apparaître dans certaines conditions. La découpe laser par propagation de fracture contrôlée repose sur 15 l'utilisation d'un laser YAG ou CO2 pour générer une encoche sur le bord d'une plaque de verre puis l'application d'un faisceau laser de puissance tout en effectuant un mouvement relatif entre la plaque de verre et le faisceau laser. Le faisceau laser est absorbé en surface pour un laser CO2 ou en volume pour un laser YAG. Le fort gradient de température généré par le faisceau laser est 20 augmenté par un refroidissement rapide après le faisceau laser. Ce fort gradient thermique induit une contrainte de tension transitoire qui provoque l'initiation d'une fracture à partir de l'encoche initiale. Ensuite, cette fracture se propage le long de la trajectoire du faisceau laser. Les parties découpées sont libérées sans assistance mécanique et présentent une excellente qualité de découpe pour des 25 trajectoires rectilignes : bords droits, lisses et sans défauts. Malgré ces nombreux avantages, la propagation de fracture contrôlée présente des inconvénients tels que des incertitudes et imprécisions de découpe dus à des déviations du chemin de découpe et un nombre important de parties cassées. De plus, la découpe de petites pièces ou de trajectoires courbes ayant un petit rayon de courbure ( REVENDICATIONS1. Procédé pour la découpe de matériau diélectrique ou semiconducteur par laser caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - émission d'un faisceau laser (100) à une longueur d'onde dans une bande spectrale de transparence du matériau, le faisceau laser (100) comprenant au moins une rafale de N impulsions laser, où N est un nombre entier naturel supérieur à 2, lesdites impulsions laser ayant une durée femtoseconde, les N impulsions laser d'une rafale étant séparées temporellement l'une de l'autre par un intervalle temporel compris entre quelques centaines de nanosecondes et une picoseconde ; - séparation spatiale du faisceau laser (100) en un premier faisceau divisé (101) ayant une première énergie répartie suivant un premier axe optique et, respectivement, un deuxième faisceau divisé (102) ayant une deuxième énergie répartie suivant un deuxième axe optique distinct du premier axe optique, la première énergie et la deuxième énergie étant supérieures à un seuil de modification du matériau ; - concentration spatiale d'énergie du premier faisceau divisé (101) dans une première zone (31) du matériau et, respectivement, du deuxième faisceau divisé (102) dans une deuxième zone (32) du matériau, la première zone (31) et la deuxième zone (32) étant disjointes et décalées d'une distance dx, de manière à produire des modifications localisées dans la première zone (31) et la deuxième zone (32) ; et - ajustement de la distance (dx) entre la première zone (31) et la deuxième zone (32) inférieure à un seuil de distance, compris entre 1 micromètre et une dizaine de micromètres de manière à initier une micro-fracture (45) rectiligne orientée entre la première zone (31) et la deuxième zone (32). 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel les impulsions ont une durée comprise entre 10 et 900 femtosecondes, le nombre N d'impulsions femtosecondes dans ladite rafale est inférieur ou égal à 20, ladite source laser (1) ayant une cadence comprise entre 1 kHz à 1 GHz, la longueur d'onde du faisceau laser (100) est comprise entre 250 nm et 2,2 pm, la première énergie et la deuxième énergie sont inférieures à 1 mJ et supérieures à 1 nJ. 3054151 24 3. Procédé selon l'une des revendications 1 à 2 dans lequel le faisceau laser (100) émis par la source laser ayant une distribution spatiale Gaussienne, le premier faisceau divisé (181) et le deuxième faisceau divisé (182) sont mis en forme spatialement de manière à présenter chacun une distribution spatiale en 5 faisceau de Bessel. 4. Procédé selon la revendications 3 dans lequel la distribution spatiale en faisceau de Bessel du premier faisceau divisé (181) est modifiée transversalement et/ou longitudinalement suivant l'axe optique du premier faisceau divisé dans la première zone (31) et/ou, respectivement, la distribution 10 spatiale en faisceau de Bessel du deuxième faisceau divisé (182) est modifiée transversalement et/ou longitudinalement suivant l'axe optique du deuxième faisceau divisé dans la deuxième zone (32). 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel l'étape de séparation spatiale du faisceau laser (100) est adaptée pour générer une pluralité 15 de M faisceaux divisés spatialement, où M est un nombre entier naturel supérieur ou égal à trois, la pluralité de M faisceaux divisés spatialement présentant un décalage latéral l'un par rapport à l'autre pris deux à deux, et dans lequel -l'étape de concentration spatiale d'énergie comprend la concentration spatiale d'énergie de la pluralité de M faisceaux divisés dans une pluralité de M 20 zones disjointes du matériau, chaque faisceau divisé ayant une énergie supérieure à un seuil de modification du matériau, de manière à produire une pluralité de modifications localisées dans la pluralité de M zones disjointes du matériau ; et - ajustement de distance (dx) entre deux zones quelconques parmi la 25 pluralité de M zones disjointes inférieure à un seuil de distance, compris entre 1 micromètre et une dizaine de micromètres de manière à initier une micro-fracture (45) rectiligne orientée entre lesdites deux zones quelconques parmi la pluralité de M zones disjointes. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5 comprenant en outre une 30 étape de déplacement relatif entre lesdits faisceaux divisés et le matériau. 7. Appareil pour la découpe par laser de matériau diélectrique ou semiconducteur comprenant : - une source laser (1) adaptée pour émettre un faisceau laser (100) à une longueur d'onde dans une bande spectrale de transparence du matériau, 3054151 25 caractérisé en ce que : - la source laser (1) est adaptée émettre ledit faisceau laser (100) comprenant au moins une rafale de N impulsions laser, où N est un nombre entier naturel supérieur ou égal à 2, lesdites impulsions laser ayant une durée femtoseconde, 5 les N impulsions laser d'une rafale étant séparées temporellement l'une de l'autre par un intervalle temporel compris entre quelques centaines de nanosecondes et une picoseconde, et en ce que l'appareil comporte en outre : - un dispositif optique de séparation spatiale (11, 12, 21, 22, 90) arrangé pour 10 recevoir le faisceau laser (100) et pour générer un premier faisceau divisé (101,181) suivant un premier axe optique et au moins un deuxième faisceau divisé (102, 182) suivant un deuxième axe optique, distinct du premier axe optique; - le premier faisceau divisé (101, 181) ayant une première énergie et, respectivement, le deuxième faisceau divisé (102, 182) ayant une deuxième 15 énergie, la première énergie et la deuxième énergie étant adaptées pour permettre chacune séparément l'initiation de micro fissures non contrôlées, et - un dispositif optique (4, 18, 74) de concentration spatiale d'énergie arrangé pour concentrer spatialement la première énergie du premier faisceau divisé (101,181) dans une première zone (31) du matériau (3) et, respectivement, la deuxième 20 énergie du deuxième faisceau divisé (102,182) dans une deuxième zone (32) du matériau (3), la première zone (31) et la deuxième zone (32) étant disjointes et séparées d'une distance dx ; - la distance (dx) l'axe optique du premier faisceau dans la première zone (31) et l'axe optique du deuxième faisceau dans la deuxième zone (32) étant inférieure à 25 un seuil de distance, le seuil de distance est inférieur à quelques dizaines de micromètres, de manière à initier une micro-fracture (45) rectiligne orientée entre la première zone (31) et la deuxième zone (32). 8. Appareil selon la revendication 7 dans lequel le premier faisceau divisé ayant une étendue spatiale transverse égale à D dans la première zone 30 (31), le deuxième faisceau divisé ayant une étendue spatiale transverse égale à D dans la deuxième zone (32), où D est inférieur ou égal à 2 micromètres et où la distance dx est supérieure ou égale à 1 micromètre et inférieure ou égale à une dizaine de micromètres. 9. Appareil selon l'une des revendications 7 à 8 comprenant en outre un 3054151 26 système de déplacement relatif entre, d'une part, le matériau solide et, d'autre part, le premier faisceau divisé (101, 181) et le deuxième faisceau divisé (102, 182). 10. Appareil selon la revendication 7 dans lequel la source laser est 5 configurée pour délivrer des impulsions de durée comprise entre 10 et 900 femtoseconde, à une longueur d'onde comprise entre 250 nm et 2,2 pm et à une cadence de 1 kHz à 1 GHz, où le nombre N d'impulsions femtosecondes dans ladite rafale est inférieur ou égal à 20. 11. Appareil selon l'une des revendications 7 à 10 dans lequel le 10 dispositif optique de concentration spatiale d'énergie est configuré pour générer une pluralité de points de focalisation du premier faisceau divisé le long du premier axe optique dans la première zone, et, respectivement, une autre pluralité de points de focalisation du deuxième faisceau divisé le long du deuxième axe optique dans la deuxième zone. 15 12. Appareil selon l'une des revendications 7 à 11 dans lequel le dispositif optique de séparation spatiale et/ou le dispositif optique de concentration spatiale d'énergie est configuré de manière à générer une distribution spatiale d'intensité en faisceau de Bessel le long du premier axe optique (181) et, respectivement, du deuxième axe optique (182). 20 13. Appareil selon l'une des revendications 7 à 12 dans lequel le dispositif optique de séparation spatiale et/ou le dispositif optique de concentration spatiale d'énergie comprend un modulateur spatial de phase et/ou d'amplitude ou un masque de phase et/ou d'amplitude configuré pour modifier une distribution spatiale d'intensité du premier faisceau divisé transversalement au premier axe 25 optique dans la première zone et, respectivement, pour modifier une distribution spatiale d'intensité du deuxième faisceau divisé transversalement au deuxième axe optique dans la deuxième zone. 14. Appareil selon l'une des revendications 7 à 13 dans lequel le dispositif optique de concentration spatiale d'énergie comprend un autre masque 30 de phase et/ou d'amplitude configuré pour modifier une distribution spatiale d'intensité du premier faisceau divisé le long de l'axe optique du premier faisceau divisé dans la première zone et, respectivement, pour modifier une distribution spatiale d'intensité du deuxième faisceau divisé le long de l'axe optique du deuxième faisceau divisé dans la deuxième zone. 3054151 27 15. Appareil selon l'une des revendications 7 à 14 dans lequel le matériau diélectrique est choisi parmi un verre d'épaisseur comprise entre 100 micromètres et quelques millimètres, la longueur d'onde du laser est comprise entre 250 nm et 2,2 pm, la première énergie et la deuxième énergie sont 5 inférieures à 1 mJ et supérieures à 1 nJ.