(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイア基板をレーザー処理するための方法であって、
約１０６０ｎｍ〜約１０７０ｎｍの波長でレーザー光の連続パルスを発振するために電源を周期的にスイッチオンして連続波レーザーをパルス発振することによって疑似連続波（「ＱＣＷ」）モードでレーザーを動作するステップ；
レーザー光の前記パルスをサファイア基板に集光するステップ；及び
前記サファイア基板をレーザー光の前記パルスでレーザー処理するステップ、を備え、
前記レーザーは３００Ｈｚから３５００Ｈｚのパルス周波数及び５０マイクロ秒から６００マイクロ秒のパルス幅で動作される、方法。
【請求項２】
前記サファイア基板の付近に不活性ガスを供給するステップをさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記不活性ガスがアルゴン及びヘリウムからなる群より選択される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記サファイア基板をレーザー処理するステップが、切断、罫書き、及びドリル加工からなる群より選択さる、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
レーザー処理するステップが、約１０〜４０インチ／分の速度で切断するステップを含み、前記サファイア基板が約０．１〜約１ｍｍの厚さを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記レーザーがイッテルビウムファイバーレーザーである、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記レーザーが約１％〜約１０％のデューティ比で動作される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記サファイア基板にアシストレーザー光を集光するステップを更に含み、前記アシストレーザー光は前記サファイアの特性を変えて吸収センターを形成し、前記レーザーからのレーザー光の前記パルスが前記吸収センターへと結合して前記レーザー処理を容易にする、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記アシストレーザー光が、約５３２ｎｍの波長でアシストレーザー光を発振するように構成された緑色ファイバーレーザーによって発生された、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記緑色ファイバーレーザーが１ｎｓのパルス幅で前記アシストレーザー光を発振するように構成された、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記アシストレーザー光が、前記レーザーからのレーザー光の前記パルスと同時に前記サファイア基板に向けられる、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
サファイア基板をレーザー処理するためのレーザー処理システムであって、
疑似連続波（「ＱＣＷ」）モードで動作して約１０６０ｎｍ〜約１０７０ｎｍの波長でレーザー光の連続パルスを発振するように構成されたファイバーレーザーと、
前記ファイバーレーザーへの電力を周期的にスイッチングして、約１％〜約１０％のデューティ比で前記ファイバーレーザーを前記ＱＣＷモードでパルス発振するために、前記ファイバーレーザーに結合されたコントローラと、
前記サファイア基板を処理するために前記サファイア基板上に前記レーザー光を集光するように構成されたフォーカスレンズと、
前記集光されたレーザー光を前記サファイア基板に向けるように構成され、不活性ガスを前記レーザー光とともに前記サファイア基板に供給するためのノズルを含むレーザーヘッドと、
前記不活性ガスを前記レーザーヘッドに供給するように構成されたガス供給システムと、を備え、
前記ファイバーレーザーは３００Ｈｚから３５００Ｈｚのパルス周波数及び５０マイクロ秒から６００マイクロ秒のパルス幅で動作される、レーザー処理システム。
【請求項１３】
前記ファイバーレーザーがシングルモード（ＳＭ）ファイバーレーザーを含む、請求項１２に記載のレーザー処理システム。
【請求項１４】
前記ファイバーレーザーがイッテルビウムファイバーレーザーを含む、請求項１２に記載のレーザー処理システム。
【請求項１５】
前記コントローラが、前記ＳＭファイバーレーザーへの電力を周期的にスイッチングして、それぞれが約５０マイクロ秒から約６００マイクロ秒のパルス幅を有するパルスを発振するように構成された、請求項１３に記載のレーザー処理システム。
【請求項１６】
前記不活性ガスがアルゴン及びヘリウムからなる群より選択された、請求項１２に記載のレーザー処理システム。
【請求項１７】
サファイア基板を処理するためのマルチビームレーザー処理システムであって、
前記サファイア基板が十分にアシストレーザービームを吸収して前記サファイア基板の特性を変えるような波長及びパルス幅を有するアシストレーザービームを発生させるためのアシストレーザーと、
約１０６０ｎｍ〜約１０７０ｎｍの波長を有する処理レーザービームを発生させるための疑似連続波（ＱＣＷ）ファイバーレーザーであって、前記アシストレーザービームの波長が前記処理レーザービームの波長よりも短いＱＣＷファイバーレーザーと、
前記アシストレーザービームが目標位置で前記サファイア基板の特性を変えて吸収センターを形成するように、そして前記処理レーザービームが前記目標位置で前記サファイア基板内に形成された前記吸収センターへと結合して前記目標位置で前記サファイア基板の処理を完結させるように、前記アシストレーザービーム及び前記処理レーザービームを被加工物上の前記目標位置に向けるためのビーム合成装置と、を備え、
前記ＱＣＷファイバーレーザーは３００Ｈｚから３５００Ｈｚのパルス周波数及び５０マイクロ秒から６００マイクロ秒のパルス幅で動作される、マルチビームレーザー処理システム。
【請求項１８】
前記アシストレーザービーム及び前記処理レーザービームを前記目標位置に集光するためのフォーカスレンズを更に含む、請求項１７に記載のマルチビームレーザー処理システム。
【請求項１９】
前記アシストレーザーが、約５３２ｎｍの波長で緑色アシストレーザービームを発生させるための緑色ファイバーレーザーである、請求項１７に記載のマルチビームレーザー処理システム。
【請求項２０】
前記ＱＣＷファイバーレーザーがＱＣＷシングルモードイッテルビウムファイバーレーザーである、請求項１７に記載のマルチビームレーザー処理システム。
【請求項２１】
前記アシストレーザービーム及び前記処理レーザービームが同一の焦平面を有するように前記アシストレーザービームの拡散を制御するためのアシストレーザービーム搬送システムを更に備える、請求項１７に記載のマルチビームレーザー処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本出願は２０１３年２月２８日に出願された米国仮特許出願シリアル番号６１／７７０，８１６号の利益を主張し、参照により本願に完全に取り込まれる。本出願は本願と同時に出願された“ＭＵＬＴＩＰＬＥ−ＢＥＡＭ  ＬＡＳＥＲ  ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ  ＵＳＩＮＧ  ＭＵＬＴＩＰＬＥ  ＬＡＳＥＲ  ＢＥＡＭＳ  ＷＩＴＨ  ＤＩＳＴＩＮＣＴ  ＷＡＶＥＬＥＮＧＴＨＳ  ＡＮＤ／ＯＲ  ＰＵＬＳＥ  ＤＵＲＡＴＩＯＮＳ”と題する２０１４年２月２８日に出願された米国仮特許出願シリアル番号６１／９４５９１１（代理人整理番号ＩＰＧＭ００６Ｐ）にも関連し、参照により本願に完全に取り込まれる。
【０００２】
本開示は約１０６０〜１０７０ｎｍの波長範囲内のレーザーを用いたサファイアの処理に関連し、とりわけ疑似連続波モード（「ＱＣＷ」）で動作する変調されたシングルモード（「ＳＭ」）ファイバーレーザーシステムでのサファイアのレーザー処理に関連する。
【背景技術】
【０００３】
サファイア（Ａｌ２Ｏ３）などの硬い材料は、光学窓、磨滅を防ぐ硬い材料、及び半導体発振デバイス用のバッファ材料等の多くの産業用途に使用されている。サファイア基板を処置または処理するための従来の機械的方法はダイアモンドの罫書き及びブレードダイシングを含む。これらの方法を用いるとき、罫書きの深さが低いと基板の破壊につながり得り、それによって例えばＬＥＤを製造する際に生産歩留まりが低くなる。ブレードダイシングに伴う他の問題は、破片（ｄｅｂｒｉｓ）の形成（これによって切断後の洗浄が必要になるかもしれない）、基板内へと誘起された応力、及び切断カーフ（ｋｅｒｆ）として知られる比較的大きな切断の幅を含む。
【０００４】
大量生産用にはより効率的である非接触プロセスを提供するので、レーザー処理方法は効率を高めるために使用されてきた。レーザーで罫書かれた切断深さも、破断プロセス中のウェハへの応力を減らすために制御されてよい。また、レーザーの罫書きによって、より少ないチッピングを伴う狭い罫書き幅で、罫書きをアクティブな特徴の数ミクロンの範囲内に精確に配置することが容易となる。従って、レーザー処理は、処理量の増加、低コスト、使用の容易性、及び従来の機械的方法と比較して高い収率という全体的な長所を有する。
【０００５】
しかし、一定の材料はレーザーを用いた処理の際に問題を提示する。例えばサファイアのバンドギャップは約８ｅＶであり、通常の低強度の照度では、５０００ｎｍ〜約３００ｎｍまでサファイアは光学的に透明である。従って、従来のサファイアのレーザー処理は、約１５７から約３５５ｎｍの波長で動作するＤＵＶ及びＵＶレーザー等のサファイアにより吸収されやすいレーザーを用いてきた。
【０００６】
サファイアをレーザー処理するための１つの技術はアブレーションに関連し、これは材料のバルク加熱及びアバランシェイオン化（ａｖａｌａｎｃｈｅ  ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ）の組み合わせに起因する材料の気化である。超高速レーザー（例えばパルス幅がピコ秒以下）及び／またはパルス幅がナノ秒のＱスイッチパルスレーザーを用いてサファイアを切断可能な高いピークパワーを有するパルスを発振し得る。高強度によって非線形の多光子吸収プロセスが起きることで材料中の電子が励起され、結合を直接破断する。しかしレーザービームの吸収による熱が基板中に拡散する時間がかかるので、高いピークパワーは切断エッジを熱的に損傷し得る。
【０００７】
別のレーザー処理技術はサファイア内の内部改質領域に沿った罫書き及び破断に関連する。例えばピコ秒レーザーの出力がサファイア基板の内部に焦点を合されてよく、上面及び底面に影響を与えることなく基板の内部にクラックをつくる。一旦これらのクラックが生み出されると、個々の断片はテープ拡張（ｔａｐｅ  ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）等の機械的手段を用いて基板から破断され得る。しかしこの２ステッププロセスは時間がかかり、費用効率が高くないかもしれない。
【０００８】
吸収係数が小さい材料をレーザー処理するための更なる技術はウォータージェットレーザー処理を含む。ウォータージェットレーザー処理は、髪の毛ほどの細さの低圧のウォータージェットにレーザービームの焦点を合わせることを伴い、それによってレーザービームをウェハ上にガイドする。Ｌａｓｅｒ−Ｍｉｃｒｏｊｅｔ（登録商標）システム等のウォータージェットレーザー処理システムは熱損傷及び汚染を防ぐかもしれないが、より複雑で高価なシステムを伴いもする。１０６４ｎｍで動作するＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザー及び５３２ｎｍで動作する周波数が２倍のＮｄ：ＹＡＧレーザーがウォータージェット誘導切断技術に特に適している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
議論されたサファイアのレーザー処理に用いられる既存の技術はいくつかの同じ欠点に悩まされる。特に、パルスレーザーのコストは高い。またＵＶ切断で使用される波長は、短い耐用寿命を有することがある結晶の使用を必要とし、レーザーのメンテナンスの問題を提示し得る。エキシマレーザーが使用され得るが、これらのレーザーは一般的に寸法が大きく、低効率である。
従って、時間面で効率的かつコスト面で効率的な態様で、切断エッジ欠陥が減少し、高速化した、約１０６０〜１０７０ｎｍの波長でサファイア基板をレーザー切断するシステム及び方法の需要が存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
実施形態と一貫して、サファイア基板をレーザー処理する方法が提供される。この方法は：約１０６０ｎｍ〜約１０７０ｎｍの波長でレーザー光の連続パルスを発振するために電源を周期的にスイッチオンして連続波レーザーをパルス発振することによって疑似連続波（「ＱＣＷ」）モードでレーザーを動作するステップ；レーザー光のパルスをサファイア基板に集光するステップ；及びサファイア基板をレーザー光のパルスで処理するステップ、を含む。
【００１１】
別の実施形態と一貫して、サファイア基板をレーザー処理するためのレーザー処理システムが提供される。このレーザー処理システムは、疑似連続波（「ＱＣＷ」）モードで動作して約１０６０ｎｍ〜約１０７０ｎｍの波長でレーザー光の連続パルスを放射するように構成されたファイバーレーザーと、このファイバーレーザーに結合され、ＳＭファイバーレーザーへの電力を周期的にスイッチングして約１％〜約１０％のデューティ比（ｄｕｔｙ  ｃｙｃｌｅ）で、ファイバーレーザーをＱＣＷモードでパルス発振するためのコントローラを含む。このレーザー処理システムはサファイア基板を処理するためにサファイア基板上にレーザー光を集光するように構成されたフォーカスレンズ、集光されたレーザー光をサファイア基板に向けるように構成され、レーザー光とともにサファイア基板に不活性ガスを供給するためのノズルを含むレーザーヘッド、及びレーザーヘッドに不活性ガスを供給するように構成されたガス供給システムも含む。
【００１２】
更なる実施形態と一貫して、サファイア基板を処理するためのマルチビームレーザー処理システムが提供される。このマルチビームレーザー処理システムは以下を含む：サファイア基板が十分にアシストレーザービームを吸収してサファイア基板の特性を変えるような波長及びパルス幅を有するアシストレーザービームを発生させるためのアシストレーザー；約１０６０ｎｍ〜約１０７０ｎｍの波長を有する処理レーザービームを発生させるための疑似連続波（ＱＣＷ）ファイバーレーザーであって、上記アシストレーザービームの波長は上記処理レーザービームの波長よりも短いＱＣＷファイバーレーザー；並びに、アシストレーザービームが目標位置でサファイア基板の特性を変えて吸収センターを形成するように、かつ処理レーザービームが目標位置でサファイア基板内に形成された吸収センターへと結合して目標位置でサファイア基板の処理を完結させるように、アシストレーザービーム及び処理レーザービームを被加工物上の目標位置に向けるためのビーム合成装置。
【００１３】
これらの及び他の特徴及び利点は、図面とともに以下の詳細な説明を読むことによって、よりよく理解されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本開示の実施形態と一貫した、疑似連続波（ＱＣＷ）レーザーシステムを用いてサファイア材料を切断するためのレーザー処理システムの概略図である。
【図２Ａ】本開示の実施形態と一貫した、ＱＣＷレーザーシステムを用いて形成された罫書き線を有するサファイア基板を描写する図である。
【図２Ｂ】本開示の実施形態と一貫した、ＱＣＷレーザーシステムを用いて形成された罫書き線を有するサファイア基板を描写する図である。
【図３】本開示の別の実施形態と一貫した、マルチビームレーザー処理システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本開示の実施形態と一貫したサファイアのレーザー処理は、疑似連続波（ＱＣＷ）モードで動作して約１０６０ｎｍ〜１０７０ｎｍの波長の連続レーザー光パルスを発振する連続波レーザー（以降、「ＱＣＷレーザー」）を用いて実施される。ＱＣＷレーザーを用いるサファイアのレーザー処理はより低いデューティ比（例えば約１％〜１０％）で実施されてよく、アルゴンまたはヘリウムなどの不活性ガス雰囲気下で実施されてよい。ＱＣＷレーザーを用いたサファイアのレーザー処理は、サファイアの特性を変えて、ＱＣＷレーザーのレーザー光パルスがサファイアへと結合するのを容易にする吸収センターを形成するために、より短い波長及び／またはパルス幅を有するアシストレーザーの使用をさらに含み得る。
【００１６】
ここで記述された実施形態と一貫して、ＱＣＷレーザーを用いるレーザー処理は、サファイア基板のドリル加工、切断、及び／または罫書きを含み得る。サファイアはアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）の結晶形態であり、約１７０ｎｍ〜５３００ｎｍの波長の光に透明であり、ガラスの５倍の強度であり、モース硬度計上で９である。サファイアは良好な電気絶縁体でもあり、高い熱伝導率を有する。サファイアは青及び緑の発光ダイオード（「ＬＥＤ」）を製造する際に特に有利であり得る。サファイアは、電話、カメラ、コンピュータ等に制限はされないがそれらを含む携帯デバイス用の画面を覆う既存のガラスを置換する可能性も有している。従って、本願で記述されたレーザー処理システム及び方法は、フォトニックデバイス、画面、及びサファイアを組み込んだ他の製品を製造するのに用いるために、サファイア基板を所望の形状に切断するのに使用されてよい。
【００１７】
本明細書で「吸収センター」とは、非吸収性の材料において、材料の改変されていない領域と比較して光をより吸収しやすいように材料の特性が変えられた（例えば、クレーター、粗化、光学的損傷、内部材料欠陥、色中心、バルク材料の特性変化、または温度上昇）位置を意味する。本明細書で「波長」とはレーザーの凡その発光波長に言及し、宣言された波長のまわりの波長の帯域または範囲を含んでよい。本明細書で「紫外（ＵＶ）スペクトル域」とは１０ｎｍ〜３８０ｎｍのスペクトル範囲を意味し、「可視スペクトル域」とは３８０ｎｍ〜７００ｎｍのスペクトル範囲を意味し、「赤外スペクトル範囲」とは７００ｎｍ〜１０．６μｍのスペクトル範囲を意味する。
【００１８】
図１を参照すると、集光レーザービームを用いて、サファイア基板などの被加工物１０２を処理するためのレーザー処理システム１００の実施形態が記述されている。被加工物１０２は他のバンドギャップが大きな材料及び／または透明な材料からなってもよく、アルミニウム、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、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、サファイア上の窒化ガリウム、及びガラス（例えば溶融石英またはシリカ）を含むがこれらに限定されない。本明細書で記述される例示的な実施形態は大半がサファイアのレーザー処置または処理と関連するが、これらの他のバンドギャップが大きな材料のうちの少なくともいくつかは、開示されたレーザー処理システムでうまく処置することができる。
【００１９】
描写された実施形態においてレーザー処理システム１００は、シングルモードを発振するＱＣＷシングルモード（ＳＭ）ファイバーレーザー１１０と、処理受動ファイバー１１２の下流端からの、拡散が制限されたレーザービーム１１１とを含む。ＱＣＷファイバーレーザー１１０は５００Ｗ〜５０ｋＷのパワーでよく、モノリシックで、完全に固体であり、位置合わせや調整をするミラーまたは光学素子を必要としないファイバー対ファーバー設計を有してよい。ＱＣＷファイバーレーザー１０は複数のレーザーユニットから構築されたモジュラ型であってもよく、各々が数百ワットの出力パワーを発生する。これによってレーザーシステムは予備モジュール及びパワーマージンを取り込むことが可能にもなる。ＱＣＷ  ＳＭファイバーレーザーは、例えば、ＩＰＧ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ株式会社から入手可能なＱＣＷシリーズ等の、発振波長が約１０７０ｎｍのＱＣＷ  ＳＭイッテルビウムファイバーレーザーを含み得る。他の実施形態では、レーザーはファイバーディスクレーザーまたはＮｄ：ＹＡＧレーザー等のロッドレーザーを含んでよい。マルチモードレーザーを用いてもよい。
【００２０】
レーザー処理システム１００は、ビーム１１１を平行にするコリメータ１３０と、ビーム１１１をフォーカスレンズ１４０に向けるビームベンダーまたはリフレクタ１３２も含む。フォーカスレンズ１４０はビーム１１１を例えば約１４〜３０μｍの範囲の比較的小さなスポットサイズに集光させてよい。代替的または追加的に、レーザー光を所望の位置に修正及び／または向けるために他の光学素子も用いられてよい。そのような光学素子は、ビームエクスパンダ、ビームコリメータ、ビーム整形レンズ、リフレクタ、マスク、ビームスプリッタ及びスキャナ（例えば検流計）を含んでよいが、これらに限定はされない。
【００２１】
レーザー処理システム１００は更に、ガス供給システム１６２と結合されたノズル１６０を含むレーザーヘッドを含む。このガス供給システム１６２は、被加工物１０２を処理している際に、窒素、アルゴン、またはヘリウムなどの不活性ガスの流れを、作業領域の近くのノズル１６０に提供してよい。このガスは約１００〜３００ｐｓｉの範囲内の圧力で供給されてよい。不活性雰囲気が存在することでレーザー処理の効率が向上する。
【００２２】
レーザー処理システム１００は被加工物１０２に１以上の軸または次元内での並進運動を与えるように構成された並進ステージ１７０を更に含み、これによって被加工物１０２が集光レーザービームに対して移動可能になる。並進ステージ１７０は手動で動作されても、コントローラ１７２から命令を受けてもよい。代替的に、レーザー１１０が動かされて、処理される被加工物１０２に対して変位されてもよい。コントローラ１７２は並進ステージ１７０と通信するために、中央処理装置（「ＣＰＵ」）等の処理回路を含む。
【００２３】
ＱＷＣＳＭファイバーレーザー１１０は、可能な限りその定常状態に近いレーザーを動作させるのに十分長い期間を有する時間間隔でスイッチオンされるように動作可能なポンプ源１１４を含む。即ち、このレーザーは光学的には連続波動作の状態であり、疑似連続波（ＱＣＷ）モードとも呼ばれる。コントローラ１７２はポンプ源１１４を制御するのに用いられてよい。レーザーがスイッチオンの時間の割合、つまりデューティ比は、加熱及び熱に関連した問題を減らすように選択される。コントローラ１７２は例えばデューティ比が約１％〜１０％の範囲内であるようにポンプ源１１４を制御してよい。従って、ＱＣＷモードで動作しているＱＣＷ  ＳＭファイバーレーザー１１０は、より高い出力ピークパワーと、より低い平均パワーを有してよい。
【００２４】
１例において、厚さ０．７ｍｍのサファイア基板が以下のプロセス及びレーザーパラメータを用いて処理された：イッテルビウム（Ｙｂ）シングルモードレーザー；１０７０ｎｍの波長；１４μｍのファイバーコア直径；６０ｍｍのコリメート距離；１２３ｍｍの焦点距離；２８．７μｍのスポットサイズ；９００Ｗのピークパワー；８７．５μｓのパルス幅；４００Ｈｚのパルス周波数；７８．７ｍＪのパルスエネルギー；  ２５０  ｐｓｉのアルゴンまたは窒素のアシストガス；０．５ｍｍのノズルの離隔；１．５ｍｍのノズル開口；及び８．４６ｍｍ／秒の切断速度。
【００２５】
図２Ａ及び図２Ｂは、サファイア基板を処理または処置するのに、上記パラメータで図１のレーザー処理システム１００を用いて得られた結果を描写している。示されたように、エッジは清浄であり、目に見えるクラックがない。非研磨試料及び研磨試料について、等しく満足な結果が得られた。
【００２６】
別の実施例では、異なる厚さ（例えば０．０１５インチ及び０．０４０インチ）の試料サファイア基板が、異なる処理操作（例えば、罫書き、切断、及びドリル加工）で、異なるデューティ比、パルス周波数、及び速度でＹｂドープのＱＣＷ  ＳＭファイバーレーザーを用いて処理された。以下の表１はこれらの処理操作に用いられたパラメータを描写する。
【００２７】
【表１】
0006392789.tif 000002
【００２８】
この実施例では、２８５Ｗのレーザービームで厚さ０．０１５インチのサファイア試料を罫書きして、約４２０ｉｐｍの速度で試料の厚さの約３０％を除去した。２８５Ｗのパワー及び約４０ｉｐｍの速度で、厚さ０．０１５インチのサファイア試料の切断もまた有効であった。サファイア試料内の円形孔のドリル加工は比較的遅い速度で成功した。同じ処理操作は厚さ０．０４０インチのウェハについても良好に実施された。
【００２９】
これらの実施例は、約１０６０〜１０７０ｎｍの範囲の波長のＱＣＷ  ＳＭファイバーレーザーによって、サファイア基板を効率的に処理できることを描写している。比較的スポットが小さなシングルモードのビームは材料を破壊可能な高出力密度を提供する。より低いデューティ比、つまり低い平均パワーで、より良好な処理が可能であると思われる。材料が厚くなるにつれてピークパワー及び平均パワーが高くなる必要があるかもしれないが、低いデューティ比がピークパワーよりも重要な要因のようである。
【００３０】
更なる実施例において、２０インチ／分の速度で、９００Ｗ、５００Ｈｚ、及び３％のデューティ比（つまり２７Ｗの平均パワー）で高品質の切断が達成され得る。この実施例ではパルス周波数を１０００Ｈｚに増やすことによって切断速度を２倍の４０インチ／分にしてもよい。切断の品質はレーザーパワーをスケールアップするのに応答して低下し得る。また短パルス幅（例えば５０〜１０００マイクロ秒）で品質は改善し得り、高速処理を導き得る。長パルスも高品質な切断を提供するが、デューティ比を上げると、処理を完了するのにより長い期間かかることになる。
【００３１】
また別の実施例において、約０．４ｍｍ〜０．７ｍｍの厚さを有するサファイア基板が以下のプロセス及びレーザーパラメータを用いて処理された：イッテルビウム（Ｙｂ）シングルモードレーザー；１０７０ｎｍの波長；１４μｍのファイバーコア直径；６０ｍｍのコリメート距離；１２３ｍｍの焦点距離；２８．７μｍのスポットサイズ；  ２５０  ｐｓｉでのアルゴンまたは窒素のアシストガス；及び１．５ｍｍのノズル開口。上記パラメータを用い、ピークパワー、周波数、デューティ比、パルス幅、及び切断速度が異なる処理の結果が以下の表２に示されている。
【００３２】
【表２】
0006392789.tif 000003
【００３３】
上述に基づき、１０６０〜１０７０ｎｍの範囲内の波長を有するＱＣＷ  ＳＭレーザーは、最小のクラック及びチッピングを有してサファイア基板を切断するのにうまく使用することができる。上記実施例では、厚さ０．７ｍｍの基板がより良好な切断品質を有する。厚さ０．４ｍｍの基板は切断のエッジに沿ってチップを示すが、このチップは一般に４０μｍ未満であり、当業者に高品質の切断と知られると考えられる。本明細書に開示されたレーザー処理方法は高周波数にも敏感であるように思われ、より高周波数では大量のチッピングが生じる。切断の品質はデューティ比の期間にも依存し、より低いデューティ比で切断の品質が向上する。最大１０％のデューティ比で１６００Ｗ超のピークパワーは目に見える利点を提供しないかもしれないが、１％未満のデューティ比は切断の品質を低下させ得る。２００〜３００ｐｓｉの範囲のガス圧力もこれらの実施例のプロセスの効率を向上させた。ビームのスポットサイズは一般に約１４〜３０μｍであり、１４μｍ未満のスポットサイズを用いることは一般にプロセスの品質及び効率に実質的な影響を与えない。
【００３４】
更なる実施例において、厚さ２．７ｍｍのサファイア基板が以下のパラメータで、５０μｍのファイバーを有するマルチモードＱＣＷレーザーを用いてうまく切断された：１５ｋＷのピークパワー；４５０Ｗの平均パワー；０．６ｍｓのパルス幅；１００μｍのスポットサイズ、５０Ｈｚの繰返し速度；３％のデューティ比、１０ｉｐｍの速度；１００ｐｓｉでのアルゴンガス；１．５ｍｍのノズル直径；及び１ｍｍのノズルの離隔。アシストガスとしてアルゴンまたはヘリウムを用いることで切断効率が向上すると分かった。恐らくサファイア内に見つかった痕跡量のチタンのせいだろう。
【００３５】
図３を参照し、マルチビームレーザー処理システム２００を用いてサファイアを処理してもよい。マルチビームレーザー処理はアシストレーザービーム２１１及び異なる特性（例えば波長及び／またはパルス幅）を有する処理レーザービーム２２１の両方を用いてサファイア基板または被加工物２０２上で実施されてよい。このアシストレーザービーム２１１は目標位置２０８または被加工物２０２内に向けられて、サファイア内に吸収センターが形成されるようにサファイアの特性を変える（例えばダメージを誘発するか、温度を上げる）。処理レーザービーム２２１は目標位置２０８に向けられ、サファイア内に形成された吸収センターへと結合し、サファイアの処理を完了する。アシストビーム２１１及び処理レーザービーム２２１は別々にはサファイア被加工物を完全に処理することができないが、（同時、または連続的に）一緒になって相乗効果を提供して処理が可能となる。
【００３６】
マルチビームレーザー処理システム２００の描写された実施形態は、アシストレーザービーム２１１を発生させるためのアシストレーザー２１０（例えば約５３２ｎｍの緑色レーザー）と、処理レーザービーム２２１を発生させるための処理レーザー２２０（例えば約１０６０〜１０７０ｎｍのＱＣＷ  ＳＭファイバーレーザー）とを含む。アシストレーザー及び処理レーザー２１０、２２０は、ビームを組み合わせる前にアシストレーザービーム及び処理レーザービーム２１２、２２１をそれぞれ修正するために、それぞれのビーム搬送システム２１２、２２２に光学的に結合される。マルチビームレーザー処理システム２００は更に、ビーム合成装置２３０、フォーカスレンズ２４０、レーザー処理ヘッド２６０、並びにアシストレーザービーム及び処理レーザービーム２１１、２２１を組み合わされたレーザービーム２３１として同一の目標位置２０８または被加工物２０２内に向けるための１つまたは複数のリフレクタまたはミラー２５２、２５４、２５６を含む。
【００３７】
描写された実施形態は同時に組み合わされたアシスト及び処理レーザービーム２１１、２２１を示しているが、ビーム２１１、２２１は異なる時にビームが同一の目標位置２０８に向けられるように組み合わされてもよい。レーザービーム２１１、２２１を同時に向けることはレーザービーム２１１、２２１のバースト間またはパルス間の任意量の重複を含んでよく、必ずしもレーザービームが同一のバーストまたはパルス幅を有することを必要としない。アシストレーザービーム２１１は処理レーザービーム２２１の前または最中に開始してよい。レーザービーム２１１、２２１は、例えばアシストレーザービーム２１１が処理レーザービーム２２１の前であるなど、異なる時間に被加工物２０２へと向けられてもよい。
【００３８】
描写された実施形態では、アシストレーザー２１０はＩＰＧ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ社から入手可能なＧＬＰシリーズのパルス緑色ファイバーレーザーなどの希土類ドープされたファイバーレーザーでよい。他の実施形態において、アシストレーザー２１０はダイオード励起固体（ＤＰＳＳ）レーザー、エキシマレーザー、ガスレーザー、及び当業者に知られた他のタイプのレーザーを含んでよい。処理レーザー２２０もＩＰＧ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ社から入手可能なＱＣＷシリーズのシングルモードイッテルビウムファイバーレーザーなどの希土類ドープされたファイバーレーザーでよい。
【００３９】
アシストレーザービーム搬送システム２１２はアシストレーザービーム２１１のビーム拡散及び拡散制御を提供するために可変テレスコープを含み得る。特に、アシストレーザービーム２１１の拡散は、レーザービーム２１１、２２１が組み合わせた後に処理ビーム２２１と実質的に同一の焦平面をつくり出すために、最適開口数（ＮＡ）を有するように制御されてよい。処理レーザービーム搬送システム２２２は例えば焦点距離が１００ｍｍのコリメートレンズなどのコリメータを含み得る。代替的または追加的に、ビーム搬送システム２１２、２２２はレーザー光を所望の位置へと修正及び／または向けるための他の光学素子も含み得る。そのような光学素子は、ビームエクスパンダ、ビームコリメータ、ビーム整形レンズ、リフレクタ、マスク、ビームスプリッタ及びスキャナ（例えば検流計）を含んでよいが、これらに限定はされない。
【００４０】
描写された実施形態において、ビーム合成装置２３０は、ビーム２１１、２２１が同一の光軸に沿って向けられるように、アシスト及び処理レーザービーム２１１、２２１の波長をそれぞれ選択的に反射するためのリフレクタまたはミラー２３２、２３４を含む。第１ミラー２３２は処理レーザービーム２２１の波長を反射するようにコートされ、第２ミラー２３４は一側が処理レーザービーム２２１の波長を反射するようにコートされ、他側はコートされず、アシストレーザービーム２１１の少なくとも一部が通過できる。従って第２ミラー２３４はビーム２１１、２２１の両方を組み合わせる。例えば緑色アシストレーザービーム２１１及びＩＲ処理レーザービーム２２１での実施形態において、第１ミラー２３２はＩＲコートされてよく、第２ミラー２３４は一側がＩＲコートされ、他側がコートされなくてよい。第２ミラー２３４のコートされない側は依然としてアシストレーザービーム２１１の一部をビームダンプ２５０へと反射し得る。ビーム合成装置２３０についての他の実施形態もまた本開示の範囲内である。
【００４１】
ミラー２５２、２５４、２５６はレーザービーム２１１、２２１の所望の波長を反射するようにコートされ得る。例えば緑色アシストレーザービーム２１１及びＩＲ処理レーザービーム２２１の実施形態において、緑色レーザービームを反射するミラー２５２、２５４は緑色アシストレーザービーム２１１を反射可能な５３２ｎｍまたは緑色コートミラーであり得、ミラー２５６は緑色アシストレーザービーム２１１及びＩＲ処理レーザービーム２２１の両方を反射可能な２重ＩＲ−緑色コートミラーであり得る。一実施形態において、マルチビームレーザー処理システム２００の透過率はアシストレーザービーム２１１について４０％、処理レーザービーム２２１について９０％であり得る。
【００４２】
描写された実施形態はミラーを用いた自由空間搬送を示しているが、他の光学要素が使用されてレーザーを搬送及び／または組み合わせてもよい。例えば、１または複数のファイバーを用いてレーザービームをレーザー処理ヘッド２６０に搬送してもよい。この実施形態では被加工物２０２上、または被加工物２０２内の同一位置２０８にレーザーを集光することによってレーザーを組み合わせてよい。
【００４３】
フォーカスレンズ２４０は例えば８８ｍｍの焦点距離を有しＩＲのためにコートされたレンズなどの１重集束レンズでよい。フォーカスレンズ２４０は約３０〜４０μｍの範囲内の直径または寸法を有するビームスポットにレーザービームを集光することが可能であり得る。他の実施形態では、ビーム搬送システム及びフォーカスレンズ２４０はレーザー２１１、２２１を、例えば１５μｍ以下にまで小さな、より小さなビームスポットへと集光することが可能であり得る。
【００４４】
描写された実施形態において、レーザー処理ヘッド２６０は、例えば熱切断処理を用いる際にガスが溶融材料を追い出すのを促進し、レーザー処理を容易にするために、レーザービームとともに被加工物２０２に圧縮されたガス状媒体を向けるガスアシストノズル２６２を含む。このガス状媒体は、例えば酸素（Ｏ２）を含み得る。他の実施形態において、このガス状媒体は窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスであり得る。
【００４５】
描写された実施形態ではアシストレーザービーム２１１及び処理レーザービーム２２１を発生させる複数のレーザー２１０、２２０が示されているが、マルチレーザービーム処理法はアシストレーザービーム２１１及び処理レーザービーム２２１の両方を生み出すために同一のレーザー源を用いて実施されてもよい。例えばアシストレーザービームは１セットのパラメータ（例えば、より短い波長及び／またはパルス幅）でレーザー源から発生されてよく、処理レーザービームは同一のレーザー源から異なるパラメータのセット（例えば、より長い波長及び／またはパルス幅）で発生されてよい。レーザー源によって発生された単一のレーザービームがスプリットされ、異なる特徴を有するアシストレーザービーム及び処理レーザービームを生み出すために異なるビーム搬送システムで修正されてもよい。
【００４６】
従って、本明細書に記載されたレーザー処理システム及び方法は、約１０６０〜１０７０ｎｍの範囲の波長のＱＣＷ  ＳＭレーザーを用いて効率的にサファイアを処理することができ、切断エッジ欠陥が減少し、熱ダメージが低減し、速度が上がる。
本明細書で本発明の原理が記述されたが、この記述は例として記述されただけであり、本発明の範囲を限定するものとして記述されたものではないことが当業者によって理解されるべきである。本明細書に示され記述された例示的な実施形態に加えて、他の実施形態が本発明の範囲内に想定される。当業者による修正及び置換は、本発明の範囲内であるとみなされ、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によってのみ制限される。
【符号の説明】
【００４７】
１００  レーザー処理システム
１０２  被加工物
１１０  ＱＣＷファイバーレーザー
１１１  レーザービーム
１１４  ポンプ源
１３０  コリメータ
１３２  リフレクタ
１４０  フォーカスレンズ
１６０  ノズル
１６２  ガス供給システム
１７０  並進ステージ
１７２  コントローラ
２００  マルチビームレーザー処理システム
２０２  被加工物
２０８  目標位置
２１０  アシストレーザー
２１１  アシストレーザービーム
２１２  アシストレーザービーム搬送システム
２２０  処理レーザー
２２１  処理レーザービーム
２２２  処理レーザービーム搬送システム
２３０  ビーム合成装置
２３１  レーザービーム
２３２  第１ミラー
２３４  第２ミラー
２４０  フォーカスレンズ
２５０  ビームダンプ
２５２、２５４、２５６  ミラー
２６０  レーザー処理ヘッド
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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