Brevet FR3054152A1 — publié le 20180126

DOMAINE TECHNIQUE AUQUEL SE RAPPORTE L'INVENTION La présente invention concerne de manière générale le domaine des dispositifs et procédé de traitement des matériaux par laser. Elle concerne plus particulièrement un appareil et une méthode de découpe de matériaux diélectriques transparents ou semiconducteurs, d'épaisseur comprise entre quelques dixièmes de millimètre et quelques millimètres. Elle concerne en particulier un procédé de découpe de verre rapide, 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 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 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. 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 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. Plus récemment, différentes techniques de découpe par laser ont été 3054152 2 développées. La découpe laser par initiation de fracture consiste à produire une entaille en surface d'un matériau cassant par ablation laser de manière à initier une fracture par un processus thermique. 5 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 10 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 15 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 20 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 (um). La vitesse de découpe est importante. Cependant, ce procédé génère de la poussière d'ablation et des déviations du plan de coupe peuvent 25 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 30 nanoseconde (ns) et 1 microseconde (us), 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 différentes trajectoires et motifs de découpe : lignes droites ou courbes, suivant 3054152 3 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 est incident, comme c'est le cas pour des matériaux non transparents, mais aussi 5 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 d'une importante quantité de matière. De plus, les bords de la découpe produits 10 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 l'utilisation d'un laser YAG ou CO2 pour générer une encoche sur le bord d'une 15 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 augmenté par un refroidissement rapide après le faisceau laser. Ce fort gradient 20 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 trajectoires rectilignes : bords droits, lisses et sans défauts. Malgré ces nombreux 25 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. Appareil de découpe de matériau diélectrique transparent ou semiconducteur comprenant : - une source laser (1) adaptée pour générer un faisceau laser (100) se dirigeant suivant un axe optique (70), le faisceau laser (100) comprenant des impulsions de durée picoseconde ou femtoseconde, caractérisé en ce que l'appareil comporte : - un dispositif optique générateur de faisceau de Bessel (74), le dispositif optique générateur de faisceau de Bessel (74) étant configuré pour recevoir le faisceau laser et pour concentrer spatialement le faisceau laser en au moins une zone sur l'axe optique (70) du faisceau laser, ledit dispositif optique générateur de faisceau de Bessel (74) étant configuré pour transformer une distribution spatiale d'intensité Gaussienne du faisceau laser en une distribution spatiale d'intensité de Bessel du faisceau laser transversalement à l'axe optique dans ladite zone; et - un système optique passif (90) disposé entre la source laser (1) et le dispositif optique générateur de faisceau de Bessel (74), le système optique passif (90) comprenant un masque de phase et/ou d'amplitude configuré pour modifier la distribution spatiale d'intensité de Bessel du faisceau laser transversalement et/ou longitudinalement par rapport à l'axe optique dans ladite zone. 2. Appareil selon la revendication 1 dans lequel le système optique passif (90) comprend un masque d'amplitude (81, 82) ayant une distribution d'amplitude de symétrie axiale par rapport à l'axe optique (70) du faisceau laser. 3. Appareil selon la revendication 1 dans lequel le système optique passif comprend un masque de phase (81, 83) ayant une distribution de phase de symétrie axiale par rapport à l'axe optique (70) du faisceau laser. 4. Appareil selon la revendication 1 dans lequel le système optique passif comprend un masque de phase (81, 84, 85) ayant une distribution de phase symétrique par rapport à un axe transverse à l'axe optique (70) du faisceau laser. 5. Appareil selon l'une des revendications 3 ou 4 dans lequel le masque de phase comprend une lame de phase (85) inclinable par rapport à un plan 3054152 24 transverse à l'axe optique (70) du faisceau laser. 6. Appareil selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel le système optique passif est configuré pour concentrer spatialement le faisceau laser en une pluralité de zones réparties le long de l'axe optique (70) du faisceau laser. 5 7. Appareil selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel le système optique passif est configuré pour apodiser la distribution spatiale transverse d'intensité du faisceau laser dans ladite au moins une zone suivant au moins une direction transverse à l'axe optique. 8. Appareil selon l'une des revendications 1 à 7 dans lequel le dispositif 10 optique générateur de faisceau de Bessel (74) comporte une lentille axicon ou un dispositif optique configuré pour former un faisceau laser de section annulaire, ou un modulateur spatial de phase et/ou d'amplitude. 9. Appareil selon l'une des revendications 1 à 8 comprenant en outre un dispositif optique de séparation spatiale (21, 22) du faisceau disposé entre le 15 dispositif optique générateur de faisceau de Bessel (74) et ladite au moins une zone, le dispositif optique de séparation spatiale (21, 22) étant configuré pour séparer latéralement ladite au moins une zone en une première zone de focalisation (31) et une deuxième zone (32) séparées d'un écart dx, l'écart dx étant adapté pour initier dans le matériau une micro-fracture rectiligne entre la 20 première zone (31) et la deuxième zone (32). 10. Appareil selon l'une des revendications 1 à 9 comprenant un dispositif opto-électronique configuré pour diviser temporellement une impulsion laser de durée femtoseconde en une rafale d'impulsions femtoseconde séparées les unes des autres par un intervalle de temps prédéterminé. 25 11. Procédé de découpe de matériau diélectrique transparent ou semiconducteur comprenant les étapes suivantes : - génération (51) d'un faisceau laser (100) se dirigeant suivant un axe optique, le faisceau laser comprenant des impulsions de durée picoseconde ou femtoseconde, le faisceau laser ayant une distribution spatiale d'intensité 30 Gaussienne transversalement à l'axe optique ; - modification spatiale (52) de phase et/ou d'amplitude du faisceau laser ; - transformation (53) de la distribution spatiale d'intensité Gaussienne du faisceau laser en une distribution spatiale d'intensité de Bessel modifiée par la modification spatiale (52) de l'étape précédente transversalement et/ou 3054152 25 longitudinalement par rapport à l'axe optique, - concentration spatiale d'énergie (54) du faisceau laser ayant une distribution spatiale d'intensité de Bessel modifiée, dans au moins une zone sur l'axe optique du faisceau laser, et 5 - découpe (55) du matériau disposé dans ladite zone.