(57)【要約】  スクライブビームとブレークビームに変換される単一レーザビームを用いて非金属基板が分離される。システムは、レーザビームを生成するための単一レーザ源と、レーザビームを第１の平均パワーを有するスクライブビームと第２の平均パワーを有するブレークビームに変換するためのビーム分離器とを含んでいる。ビーム分離器は、スクライブビームを第１の経路に沿って非金属基板上のスクライブラインに照射し、ブレークビームを第２の経路に沿って非金属基板のスクライブビームから離れた位置に照射する。スクライブビームは、スクライブラインに沿って非金属基板を急速に加熱する。クエンチングサブシステムが、冷却流体流れを非金属基板に当ててスクライブビームにより加熱されたスクライブラインに沿ってマイクロクラックを伝播させる。ブレークビームは、冷却流体流れによりクエンチされた非金属基板を急速に再加熱して非金属基板をマイクロクラックに沿って分離する。
2015506902.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非金属基板を分離するためのシステムであって、
レーザビームを生成するための単一レーザ源と、
前記レーザビームを第１の平均パワーを有するスクライブビームと第２の平均パワーを有するブレークビームに変換するためのビーム分離器であって、前記スクライブビームを第１の経路に沿って非金属基板上のスクライブラインに照射し、前記ブレークビームを第２の経路に沿って前記非金属基板の前記スクライブビームから離れた位置に照射し、前記スクライブビームにより前記スクライブラインに沿って前記非金属基板を急速に加熱するビーム分離器と、
冷却流体流れを前記非金属基板に当てて前記スクライブビームにより加熱された前記スクライブラインに沿ってマイクロクラックを伝播させるクエンチングサブシステムと、
を備え、
前記ブレークビームは、前記冷却流体流れによりクエンチされた前記非金属基板を急速に再加熱して前記非金属基板を前記マイクロクラックに沿って分離する、
システム。
【請求項２】
前記ビーム分離器は、前記第１の経路と前記第２の経路との間で選択された速度で１サイクル中に往復するように前記レーザビームを繰り返し偏向させるように構成されている、請求項１のシステム。
【請求項３】
前記選択された速度は、前記レーザビームが前記第１の経路に沿って偏向されるサイクルごとの第１の期間と、前記レーザビームが前記第２の経路に沿って偏向されるサイクルごとの第２の期間とを定義し、前記第１の期間及び前記第２の期間の少なくとも一方が、前記第１の平均パワー及び前記第２の平均パワーの少なくとも一方を変化させるように選択的に調整可能である、請求項２のシステム。
【請求項４】
前記ビーム分離器は、ファーストステアリングミラーとミラーガルバノメータビーム偏光器とを有する群から選択されるステアリング可能な偏向器である、請求項２のシステム。
【請求項５】
前記ビーム分離器は、音響光学偏向器と電気光学偏向器とを有する群から選択される、請求項２のシステム。
【請求項６】
前記ビーム分離器は、さらに、
前記ブレークビームを第１のブレークビームと第２のブレークビームとに変換し、
前記スクライブラインの両側を同時に再加熱して前記非金属基板を前記マイクロクラックに沿って分離するように、前記第１のブレークビームと前記第２のブレークビームの双方を前記スクライブラインに平行な第１の方向と前記スクライブラインに垂直な第２の方向に偏向する、
請求項１のシステム。
【請求項７】
前記ビーム分離器は、前記スクライブビーム及び前記ブレークビームの少なくとも一方のパワーを選択的に変調する変調器を備える、請求項１のシステム。
【請求項８】
前記変調器は、音響光学変調器である、請求項７のシステム。
【請求項９】
前記ビーム分離器は、ビームスプリッタである、請求項１のシステム。
【請求項１０】
前記非金属基板と前記スクライブビーム、前記ブレークビーム、及び冷却流体流れとの間で相対運動を生じさせる運動ステージであって、前記スクライブビームと前記冷却流体流れをスクライブラインに沿って走査する運動ステージをさらに備えた、
請求項１のシステム。
【請求項１１】
非金属基板を分離するための方法であって、
単一レーザ源からレーザビームを生成し、
前記レーザビームを第１の平均パワーを有するスクライブビームと第２の平均パワーを有するブレークビームに分離し、
前記スクライブビームを第１の経路に沿って非金属基板上のスクライブラインに照射し、前記ブレークビームを第２の経路に沿って前記非金属基板の前記スクライブビームから離れた位置に照射し、前記スクライブビームは前記スクライブラインに沿って前記非金属基板を急速に加熱し、
冷却流体流れを前記非金属基板に当てて前記スクライブビームにより加熱された前記スクライブラインに沿ってマイクロクラックを伝播させ、
前記ブレークビームは、前記冷却流体流れによりクエンチされた前記非金属基板を急速に再加熱して前記非金属基板を前記マイクロクラックに沿って分離する、
方法。
【請求項１２】
前記レーザビームを分離する際に、前記第１の経路と前記第２の経路との間で選択された速度で１サイクル中に往復するように前記レーザビームを繰り返し偏向させる、請求項１１の方法。
【請求項１３】
前記選択された速度は、前記レーザビームが前記第１の経路に沿って偏向されるサイクルごとの第１の期間と、前記レーザビームが前記第２の経路に沿って偏向されるサイクルごとの第２の期間とを定義し、前記第１の期間及び前記第２の期間の少なくとも一方が、前記第１の平均パワー及び前記第２の平均パワーの少なくとも一方を変化させるように選択的に調整される、請求項１２の方法。
【請求項１４】
さらに、ファーストステアリングミラーとミラーガルバノメータビーム偏光器とを有する群から選択されるステアリング可能な偏向器を用いて前記レーザビームを分離する、請求項１２の方法。
【請求項１５】
さらに、音響光学偏向器と電気光学偏向器とを有する群から選択されるビーム分離器を用いて前記レーザビームを分離する、請求項１２の方法。
【請求項１６】
前記レーザビームを分離する際に、
前記ブレークビームを第１のブレークビームと第２のブレークビームとに変換し、
前記スクライブラインの両側を同時に再加熱して前記非金属基板を前記マイクロクラックに沿って分離するように、前記第１のブレークビームと前記第２のブレークビームの双方を前記スクライブラインに平行な第１の方向と前記スクライブラインに垂直な第２の方向に偏向する、
請求項１１の方法。
【請求項１７】
さらに、前記レーザビームを変調して前記スクライブビーム及び前記ブレークビームの少なくとも一方のパワーを選択的に変調する、請求項１１の方法。
【請求項１８】
さらに、音響光学変調器を用いて前記レーザビームを変調する、請求項１７の方法。
【請求項１９】
さらに、
前記非金属基板と前記スクライブビーム、前記ブレークビーム、及び冷却流体流れとの間で相対運動を生じさせて、前記スクライブビームと前記冷却流体流れをスクライブラインに沿って走査する、
請求項１１の方法。
【請求項２０】
非金属基板を分離するためのシステムであって、
単一レーザ源からレーザビームを生成する手段と、
前記レーザビームを第１の平均パワーを有するスクライブビームと第２の平均パワーを有するブレークビームに分離する手段と、
前記スクライブビームを第１の経路に沿って非金属基板上のスクライブラインに照射し、前記ブレークビームを第２の経路に沿って前記非金属基板の前記スクライブビームから離れた位置に照射し、前記スクライブビームにより前記スクライブラインに沿って前記非金属基板を急速に加熱する手段と、
冷却流体流れを前記非金属基板に当てて前記スクライブビームにより加熱された前記スクライブラインに沿ってマイクロクラックを伝播させる手段と、
を備え、
前記ブレークビームは、前記冷却流体流れによりクエンチされた前記非金属基板を急速に再加熱して前記非金属基板を前記マイクロクラックに沿って分離する、
システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、非金属材料を複数の小片に分離することに関するものである。特に、本開示は、単一レーザ源を用いて、冷却源とともに用いられるスクライブビーム及びブレークビームを生成してガラス、シリコン、セラミック、又は他の非金属材料を分離することに向けられたものである。
【背景】
【０００２】
高パワーレーザ（例えば、５００ＷのＣＯ2レーザ）は、材料の溶融、蒸発、及び放出によりガラスやシリコン、セラミックなどの非金属基板を切断することがあるが、これにより表面の完全性（integrity）が悪化し、許容誤差が広がり、強度が低下する。非金属材料を分離する他の方法では、非溶融型（又は非蒸発型）の熱プロセスとそれに続く引っ張りプロセス（strain process）が用いられる。熱プロセスに関して、脆性材料の温度が所望のレベルまで上昇し、その後、脆性材料が急速に冷却又はクエンチされて分子結合が破壊されると、脆性材料はその臨界熱衝撃温度を超える。これにより材料内に「ベント（vent）」又は「ブラインドクラック（ブラインドクラック）」が形成される。ある熱プロセスでは、スクライブラインに沿って材料を加熱する第１のレーザビームを生成する第１のレーザ源が用いられる。この第１のレーザビームのすぐ後にクエンチ用の冷却流体流れ（例えば、ヘリウム及び／又は水）が続く場合がある。
【０００３】
その後、従来からの機械的方法又は第２のレーザプロセスのいずれかを用いてブラインドクラックに沿って材料を破断することによって材料を完全に分離するために引っ張りプロセスを用いることができる。機械的な引っ張り方法には、スクライブラインに沿って基板を完全に破断するのに十分な物理的な力を薄い基板（例えば約０．５ｍｍ未満）に与えるために「ギロチン」破断器を用いる方法が含まれ得る。しかしながら、より厚みのある材料に対しては、レーザスクライビング動作から生じる残留引っ張り力が、機械的な力を用いて材料を綺麗に分離するのには十分ではない場合がある。このため、クエンチ工程の後に、スクライブラインに沿って再度基板を急速に加熱して材料を完全に分離するための第２のレーザビームを生成するために第２のレーザ源を用いてもよい。しかしながら、２つのレーザを使用すると、システムがより複雑となり、メンテナンス作業も増加する。
【発明の概要】
【０００４】
スクライブビームとブレークビームに変換される単一レーザビームを用いて非金属基板が分離される。システムは、レーザビームを生成するための単一レーザ源と、レーザビームを第１の平均パワーを有するスクライブビームと第２の平均パワーを有するブレークビームに変換するためのビーム分離器とを含んでいる。ビーム分離器は、スクライブビームを第１の経路に沿って非金属基板上のスクライブラインに照射し、ブレークビームを第２の経路に沿って非金属基板のスクライブビームから離れた位置に照射する。スクライブビームは、スクライブラインに沿って非金属基板を急速に加熱する。クエンチングサブシステムが、冷却流体流れを非金属基板に当ててスクライブビームにより加熱されたスクライブラインに沿ってマイクロクラックを伝播させる。ブレークビームは、冷却流体流れによりクエンチされた非金属基板を急速に再加熱して非金属基板をマイクロクラックに沿って分離する。
【０００５】
さらなる態様及び利点は、添付図面を参照して述べられる以下の好ましい実施形態の詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、一実施形態において、非金属材料を分離するためのレーザ加工システムのブロック図である。
【図２Ａ】図２Ａ、図２Ｂ、及び図２Ｃは、例示の実施形態において、ＣＷレーザビームのパワーがどのようにスクライブビームとブレークビームとの間で時間的に分配されているかをグラフで示すものである。
【図２Ｂ】図２Ａ、図２Ｂ、及び図２Ｃは、例示の実施形態において、ＣＷレーザビームのパワーがどのようにスクライブビームとブレークビームとの間で時間的に分配されているかをグラフで示すものである。
【図２Ｃ】図２Ａ、図２Ｂ、及び図２Ｃは、例示の実施形態において、ＣＷレーザビームのパワーがどのようにスクライブビームとブレークビームとの間で時間的に分配されているかをグラフで示すものである。
【図３】図３は、一実施形態において、スクライブラインに沿ったレーザビームスポットの相対的位置とクエンチ位置とを示す、図１に示される材料の上面図の模式図である。
【図４】図４は、一実施形態において、ブレークビームに対応する２重レーザビームスポットを示す、図１に示される材料の上面図の模式図である。
【図５Ａ】図５Ａは、一実施形態において、非金属材料を分離するためのレーザ加工システムのブロック図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、他の実施形態において、非金属材料を分離するためのレーザ加工システムのブロック図である。
【図６】図６は、他の実施形態において、非金属材料を分離するためのデュアルパスレーザ加工システムのブロック図である。
【図７Ａ】図７Ａ及び図７Ｂは、例示の実施形態において、ＡＯＭがどのようにスクライブビームとブレークビームとの間でＣＷレーザビームのパワーを分配し変調しているかをグラフで示すものである。
【図７Ｂ】図７Ａ及び図７Ｂは、例示の実施形態において、ＡＯＭがどのようにスクライブビームとブレークビームとの間でＣＷレーザビームのパワーを分配し変調しているかをグラフで示すものである。
【好ましい実施形態の詳細な説明】
【０００７】
システム及び方法は、単一レーザ源からのレーザビームをスクライブビームとブレークビームとに変換することにより非金属材料を分離する。例であって、限定するものではないが、、非金属材料には、ガラス、シリコン、セラミック、又は他の材料が含まれ得る。実質的に材料をアブレートすることなく（例えば、溶融、蒸発及び／又は放出させることなく）、冷却流れと連係して、所望のスクライブラインに沿って非金属材料にマイクロクラックを伝播させるようにスクライブビームの平均パワーが選択される。材料を分離片に破断させるような引っ張り力をスクライブラインに沿って生じさせるようにブレークビームの平均パワーが選択される。
【０００８】
一実施形態では、連続波（ＣＷ）レーザビームは、例えば、ファーストステアリングミラー（ＦＳＭ）、ミラーガルバノメータビーム偏向器（本明細書において「ガルボ」又は「ガルボミラー」という）、音響光学偏向器（ＡＯＤ）、電気光学偏向器（ＥＯＤ）、他の光学偏向装置、又はこれらの組み合わせを用いて、スクライブビームとブレークビームとの間で「時分割」される。そのような実施形態においては、ＣＷビームは、ある期間においてはスクライブビーム経路に沿って偏向され、他の期間においてはブレークビーム経路に沿って偏向される。後述するように、それぞれのビームの平均パワーは、スクライブビーム及びブレークビームのデューティサイクルを選択することにより制御され得る。
【０００９】
加えて、あるいは他の実施形態においては、それぞれの平均パワーは、スクライブビームとブレークビームを選択的に変調することにより制御され得る。例えば、以下に詳述するように、音響光学変調器（ＡＯＭ）が、ＣＷビームを受けて変調スクライブビームと変調ブレークビームの両方（例えば０次ビームと１次ビームとして）を出力するようにしてもよい。
【００１０】
アブレーションがほとんどないか全くないように材料を加熱し、材料（例えばガラス）の表面温度を「転移」温度よりも低く維持して材料の完全性にダメージを与えることを避けるように、スクライブビームの平均パワーが選択される。クエンチジェットが当てられると、中央がまだ膨張している状態でガラスの表面が収縮する。これにより、表面引っ張り応力が大きくなる。そのような引っ張り応力がガラスの臨界破壊点を超えると、スクライブビームと冷却ノズルによって規定される経路に続くベントが生成される。材料によっては、冷却液体ジェット、液体と気体の混合物、あるいは気体単体もクエンチのために使用され得る。熱膨張係数の低い材料のような材料に対しては、臨界破壊応力を超えるためには高い勾配が必要とされる場合がある。そのような実施形態においては、効果的なクエンチのために気体と水の混合物が使用され得る。換言すれば、液体の蒸発から放出された潜熱が、対流性熱伝達及び伝導性熱伝達と組み合わされて、より効率的に材料をクエンチするのに役立つ。これにより、高速な温度クエンチが実現され、高い引っ張り応力に対して大きな熱勾配を生成することができる。
【００１１】
ある実施形態においては、マイクロクラックを材料中に伝播させるために、例えば、縁部のノッチや小さなクラックなどの初期欠陥が必要とされる場合がある。多くの材料は、以前の製造プロセスの結果として縁部に沿って欠陥を既に有している。しかしながら、残留欠陥に依存するのではなく、制御された方法で所定の位置に初期欠陥を生じさせることがより好ましいことが分かっている。
【００１２】
ここで、同様の参照符号が同様の要素を示している図面を参照する。理解を容易にするために、参照符号の最初の数字は、対応する要素が最初に用いられる図面の番号を表している。以下の説明では、本明細書に開示された実施形態が完全に理解できるように、非常にたくさんの具体的な詳細が述べられる。しかしながら、具体的な詳細のうち１つ以上のものがなくても、あるいは、他の方法、構成要素、又は材料によっても実施形態を実現できることは、当業者であれば理解できるであろう。また、実施形態の態様を不明瞭にすることを避けるために、既知の構造、材料、又は動作は、図示されていないか、あるいは詳細には述べられていない場合がある。さらに、１つ以上の実施形態においては、任意の適切な方法により、ここで述べられる特徴、構造、又は特性を組み合わせることができる。
【００１３】
実施形態は種々の工程を含んでいてもよく、これらの工程は、汎用又は専用コンピュータ（又は他の電子機器）により実行される機械実行可能な指令の形態で具現化され得る。あるいは、これらの工程を実施する特定のロジックを含むハードウェア要素により、あるいはハードウェア、ソフトウェア、及び／又はファームウェアの組み合わせによりこれらの工程を行ってもよい。
【００１４】
また、本明細書で述べられた処理を行わせるようにコンピュータ（又は他の電子機器）をプログラムするのに使用され得る指令を格納した一時的なものではない機械読取可能な媒体を含むコンピュータプログラム製品として実施形態を実現してもよい。機械読取可能な媒体には、ハードドライブ、フロッピーディスク、光ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、磁気又は光カード、固体記憶装置、又は電子的指令の格納に好適な他の種類の媒体／コンピュータ読取可能媒体が含まれ得るが、これらに限られるものではない。
【００１５】
図１は、一実施形態において、非金属材料１１０を分離するためのレーザ加工システム１００のブロック図である。システム１００は、単一ＣＷレーザ源１１２と、ステアリング可能な偏向器１１４と、集束レンズ１１６と、クエンチングサブシステム１１８と、運動ステージ１２０とを含んでいる。ＣＷレーザ源１１２は、特定の種類の材料１１０を加工するために選択された所定の波長及び平均パワーでＣＷレーザビーム１２２を出力するように構成されている。単なる例であって、限定するものではないが、ＣＷレーザ源１１２は、約９μｍから約１１μｍの間の範囲の波長のレーザビーム１２２を出力するように構成された二酸化炭素（ＣＯ2）レーザであってもよい。本明細書で述べられる例においては、ＣＷレーザビーム１２２は、約７００Ｗから約７５０Ｗの間の範囲の平均パワーを有している。しかしながら、これらの値が一例であって、材料やレーザプロセスに基づいて任意の波長又は平均パワーを用いることができることは、当業者であれば本明細書の開示から理解できるであろう。さらに、他の実施形態においては、ＣＷレーザ源１１２を、それぞれのスクライビング経路及びブレーキング経路に沿って異なるパルスが照射されるパルスレーザに置き換えてもよい。
【００１６】
図１に示されるように、ステアリング可能な偏向器１１４は、ＣＷレーザ源１１２からレーザビーム１２２を受けて、このレーザビーム１２２をスクライブビーム１２４に対応する第１の経路又はブレークビーム１２６に対応する第２の経路のいずれかに沿って選択的に偏向させるように制御され得るＦＳＭ、ガルボ、又は他の偏向器を含み得る。ある実施形態においては、ステアリング可能な偏向器１１４は、材料に対する所望の加熱を実現するようにある範囲の周波数にわたって選択的に動作し得る。例えば、ガラスはミリ秒のオーダーで熱を放散し得る。スクライブビーム１２４とブレークビーム１２６との間でレーザビーム１２２を高い周波数（例えば１ｋＨｚ以上）で偏向することにより、それぞれのビーム１２４，１２６（図２Ｂ及び図２Ｃ参照）におけるパルスが１ミリ秒以下で分離される。このため、そのようなスイッチング周波数では、スクライブビーム１２４とブレークビーム１２６の双方がガラス材料に対する連続的な加熱を実現する。
【００１７】
説明の便宜上、スクライブビーム１２４は実線で示され、ブレークビーム１２６は破線で示されている。この実施形態においては、ステアリング可能な偏向器１１４は、２つの経路の間でレーザビーム１２２を時分割する。例として、時分割により、スクライブビーム１２４の平均パワーが約２５０Ｗとなり、ブレークビーム１２６の平均パワーが約５００Ｗとなるように７５０Ｗのレーザビーム１２２が分割され得る。しかしながら、ブレークビーム１２６よりもスクライブビーム１２４により多くのパワーを配分するなど、分離される特定の材料や特定のレーザ加工用途に応じてスクライブビーム１２４とブレークビーム１２６との間でレーザビーム１２２のパワーを任意に配分できることは、当業者であれば理解できるであろう。ある実施形態においては、スクライブビーム経路及びブレークビーム経路のそれぞれにおける付加的な光学要素（図示せず）によりスクライブビーム１２４及びブレークビーム１２６のパラメータ（例えば、スポットサイズやスポット形状）を選択的に別々に制御してもよい。
【００１８】
図２Ａ、図２Ｂ、及び図２Ｃは、例示の実施形態において、ＣＷレーザビーム１２２のパワーがどのようにスクライブビーム１２４とブレークビーム１２６との間で時間的に分配されているかをグラフで示すものである。説明の便宜上、パワーと時間の双方が任意単位（ａ．ｕ．）で示されている。図２Ａは、レーザ源により出力されるＣＷレーザビーム１２２に関して時間に対するパワーを示している。図２Ｂは、スクライブビーム１２４に関して時間に対するパワーを示している。図２Ｃは、ブレークビーム１２６に関して時間に対するパワーを示している。この例では、ステアリング可能な偏向器１１４は、時間軸に沿って０から約１ａ．ｕ．の間の時間、約４ａ．ｕ．から約５ａ．ｕ．の間の時間、約８ａ．ｕ．から約９ａ．ｕ．の間の時間にレーザパワーの１００％をスクライブビーム１２４に対応する経路に沿って照射する。ステアリング可能な偏向器１１４は、スクライブビームの休止時間中は（例えば、時間軸に沿って約１ａ．ｕ．から約４ａ．ｕ．まで、約５ａ．ｕ．から約８ａ．ｕ．まで）レーザパワーの１００％をブレークビーム１２６に対応する経路に沿って照射する。このように、この例では、パワーの約２５％がスクライブビーム１２４に分配され、パワーの７５％がブレークビーム１２６に分配される。
【００１９】
図１に戻って、運動ステージ１２０は、レーザビーム１２４，１２６と材料１１０との間のスクライブラインに沿った相対運動を提供するものである。この例では、運動ステージ１２０は、クエンチングサブシステム１１８により出力される冷却流れ（図示せず）がスクライブビーム１２４に続き、次にブレークビーム１２６がこれに続くように、材料１１０を矢印１２８により示されるように右に移動する。
【００２０】
例えば、図３は、一実施形態において、スクライブライン３１６に沿ったレーザビームスポット３１０，３１２の相対的位置とクエンチ位置３１４とを示す、図１に示される材料１１０の上面図の模式図である。図３のレーザスポット３１０，３１２は、それぞれの長軸がスクライブライン３１６に合わせられた楕円形である。しかしながら、円形のビームスポット又は他の空間的に整形された（例えば矩形又はテーパ形状の）ビームスポットを用いることもできることは、当業者であれば本明細書の開示から理解できるであろう。さらに、レーザビームスポット３１０，３１２とクエンチ位置との間のそれぞれの距離は、加工される材料１１０の種類や材料１１０内の放熱、使用されるレーザパラメータ（例えば、波長、パワー、及び他のパラメータ）、及びクエンチングにより材料１１０を冷却する速度に依存している。この例では、運動ステージ１２０が材料を矢印１２８により示される方向に移動させ、図１に示されるステアリング可能な偏向器１１４は、スクライブビーム１２４に対応するレーザビーム１２２の部分をレーザスポット３１０に偏向し、ブレークビーム１２６に対応する部分をビームスポット３１２に偏向する。
【００２１】
他の実施形態においては、ステアリング可能な偏向器１１４は、２つの方向に（例えば、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の双方に）偏向するように構成される。例えば、ステアリング可能な偏向器１１４は、Ｘ軸に偏向する第１のＦＳＭと、Ｙ軸に偏向する第２のＦＳＭとを含み得る。第１の方向に偏向するＦＳＭと第２の方向に偏向するガルボのような他の構成も可能である。このように、ステアリング可能な偏向器１１４は、スクライブライン３１６に垂直な方向にビーム１２４，１２６の一方又は双方を偏向し得る。
【００２２】
例えば、図４は、一実施形態において、ブレークビーム１２６に対応する２重レーザビームスポット４１０，４１２を示す、図１に示される材料１１０の上面図の模式図である。この実施形態では、ステアリング可能な偏向器１１４は、ブレークビーム１２６をＸ方向（水平方向又は矢印１２８により示される方向）及びＹ方向（垂直方向又は矢印１２８に垂直な方向）の双方に偏向された２つのブレークビームにさらに分割（例えば時分割）する。これは、例えば、（例えばＸ軸用の）第１の偏向器の次に（例えばＹ軸用の）第２の偏向器を縦続接続することにより行うことができる。図４に示されるように、２重ブレークビームに対応するレーザスポット４１０，４１２は、スクライブビーム１２４及びクエンチングサブシステム１１８により生成されたマイクロクラック上の引っ張り力を増すために、スクライブライン３１６のいずれかの側に位置していてもよい。
【００２３】
図５Ａは、一実施形態において、非金属材料１１０を分離するためのレーザ加工システム５００のブロック図である。システム５００は、図１に関して先に述べた単一ＣＷレーザ源１１２と、集束レンズ１１６と、クエンチングサブシステム１１８と、運動ステージ１２０とを含んでいる。しかしながら、この実施形態においては、システム５００は、スクライブビーム１２４に対応する第１の経路又はブレークビーム１２６に対応する第２の経路のいずれかに沿ってレーザビーム１２２を選択的に偏向するＡＯＤ５１０を含んでいる。ＡＯＤ５１０に代えて、あるいはＡＯＤ５１０とともにＥＯＤを用いてもよい。また、説明の便宜上、スクライブビーム１２４は実線で示され、ブレークビーム１２６は破線で示されている。この実施形態では、ＡＯＤ５１０は、２つの経路間でレーザビーム１２２を時分割する。
【００２４】
また、システム５００は、スクライブビーム１２４及びブレークビーム１２６をそれぞれの経路に沿って材料１１０に照射するためのリレーレンズ５１２及び偏向器５１４を含んでいる。一実施形態においては、偏向器５１４は、固定ミラーである。他の実施形態においては、偏向器５１４はステアリング可能な偏向器であり、例えば、１以上のＦＳＭ及び／又は１以上のガルボを含み得る。加えて、あるいは他の実施形態においては、ＡＯＤは、上述したようにスクライブビーム１２４及びブレークビーム１２６の少なくとも一方を少なくとも２つの方向（例えば、Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に選択的に偏向させるための複数のＡＯＤ及び／又はＥＯＤを含み得る。
【００２５】
図５Ｂは、他の実施形態において、非金属材料１１０を分離するためのレーザ加工システム５２０のブロック図である。システム５２０は、図１に関して先に述べた単一ＣＷレーザ源１１２と、集束レンズ１１６と、クエンチングサブシステム１１８と、運動ステージ１２０とを含んでいる。また、システム５２０は、図５Ａに関して先に述べたリレーレンズ５１２と偏向器５１４を含んでいる。しかしながら、この実施形態では、システム５２０は、レーザビーム１２２をスクライブビーム１２４とブレークビーム１２６に分離し、スクライブビーム１２４とブレークビーム１２６を選択的に変調してそれぞれの平均パワーをさらに制御するためのＡＯＭ５２２を含んでいる。一実施形態においては、ＡＯＭ５２２は、スクライブビーム１２４及びブレークビーム１２６として０次ビームと１次ビームとを同時に出力する。他の実施形態においては、ＡＯＭ５２２は、スクライブビーム１２４及びブレークビーム１２６として別個に制御された２つの１次ビームを出力するように構成されていてもよい（例えば、０次ビームがビームダンプに送られる）。加えて、あるいは他の実施形態においては、ＡＯＭ５２２がＡＯＤの機能を含んでいる。一実施形態においては、偏向器５１４は固定ミラーである。他の実施形態においては、偏向器５１４はステアリング可能な偏向器であり、例えば、１以上のＦＳＭ及び／又は１以上のガルボを含み得る。
【００２６】
図６は、他の実施形態において、非金属材料１１０を分離するためのデュアルパスレーザ加工システム６００のブロック図である。システム６００は、図１に関して先に述べた単一ＣＷレーザ源１１２と、集束レンズ１１６と、クエンチングサブシステム１１８と、運動ステージ１２０とを含んでいる。しかしながら、この実施形態では、システム６００は、第１の偏向器５１４（ａ）と、存在する場合には第１の光学要素６１２（ａ）と、ビームコンバイナ６１４とを含む第１の光路にレーザビームの一部（例えばスクライブビーム１２４）を向けるように構成されたビームスプリッタ６１０を含んでいる。また、ビームスプリッタ６１０は、第２の偏向器５１４（ｂ）と、存在する場合には第２の光学要素６１２（ｂ）と、ビームコンバイナ６１４とを含む第２の光路にレーザビームの一部（例えばブレークビーム１２６）を向ける。ビームスプリッタ６１０は、分極ビームスプリッタキューブや部分反射ミラーなどのバルク光学系を含んでいてもよい。ビームの分割を行うために、ＡＯＤ、ＥＯＤ、及び切替可能液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）偏光子を構成して駆動させてもよい。あるいは、光ファイバによる実装において、光ファイバカプラをビームスプリッタとして機能させてもよい。
【００２７】
ある実施形態においては、スクライブビーム１２４及びブレークビーム１２６のパラメータを選択的に別個に制御してもよい。例えば、各経路のオプションである光学要素６１２（ａ），６１２（ｂ）をビームの光学的特性を整形するあるいは変化させるために含めてもよく、これらは、例えば、偏光子、分極モディファイア（polarization modifiers）、ファラデーアイソレータ、空間的ビームプロファイルモディファイア（spatial beam profile modifiers）、時間的ビームプロファイルモディファイア（temporal beam profile modifiers）、周波数シフタ、倍周光学系、減衰器、パルス増幅器、モード選択光学系、ビームエクスパンダ、レンズ、及びリレーレンズを含んでいてもよい。また、付加的な光学要素は、追加の光路距離、折り返し光路、及び光ファイバ遅延ラインを含む遅延要素を含んでいてもよい。
【００２８】
図７Ａ及び図７Ｂは、例示の実施形態において、ＡＯＭ５２２がどのようにスクライブビーム１２４とブレークビーム１２６との間でＣＷレーザビーム１２２のパワーを分配し変調しているかをグラフで示すものである。説明の便宜上、パワーと時間の双方が任意単位（ａ．ｕ．）で示されている。上述したように、図２Ａは、レーザ源により出力されるＣＷレーザビーム１２２に関して時間に対するパワーを示している。図７Ａは、スクライブビーム１２４に関して時間に対するパワーを示している。図７Ｂは、ブレークビーム１２６に関して時間に対するパワーを示している。図７Ａに示される例は、ＡＯＭ５２２が図７Ａに示されるスクライブビーム１２４のパワーを０％から８０％の間でさらに変調している点を除き、図２Ｂに示される例と同様である。このように、スクライブビーム１２４がオンの間（例えば、時間軸に沿って０から約１ａ．ｕ．まで、約４ａ．ｕ．から約５ａ．ｕ．まで、約８ａ．ｕ．から約９ａ．ｕ．まで）は、ＡＯＭ５２２は、図７Ｂに示されるように、パワーの２０％をブレークビーム１２６に分配し続ける。換言すれば、ブレークビーム１２６に対してパワーを完全にオフにするのではなく、ＡＯＭ５２２は、最大パワーの少なくとも２０％を常にブレークビーム１２６に維持している。
【００２９】
本発明の基底にある原理から逸脱することなく、上述した実施形態の詳細に対して多くの変更を行うことができることは、当業者であれば理解できるであろう。したがって、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によってのみ決定されるべきである。
【図１】
2015506902.tif 000003
【図２Ａ】
2015506902.tif 000004
【図２Ｂ】
2015506902.tif 000005
【図２Ｃ】
2015506902.tif 000006
【図３】
2015506902.tif 000007
【図４】
2015506902.tif 000008
【図５Ａ】
2015506902.tif 000009
【図５Ｂ】
2015506902.tif 000010
【図６】
2015506902.tif 000011
【図７Ａ】
2015506902.tif 000012
【図７Ｂ】
2015506902.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成26年10月2日(2014.10.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非金属基板を分離するためのシステムであって、
レーザビームを生成するための単一レーザ源と、
前記レーザビームを第１の平均パワーを有するスクライブビームと第２の平均パワーを有するブレークビームに変換するためのビーム分離器であって、前記スクライブビームを第１の経路に沿って非金属基板上のスクライブラインに照射し、前記ブレークビームを第２の経路に沿って前記非金属基板の前記スクライブビームから離れた位置に照射し、前記スクライブビームにより前記スクライブラインに沿って前記非金属基板を急速に加熱するビーム分離器と、
冷却流体流れを前記非金属基板に当てて前記スクライブビームにより加熱された前記スクライブラインに沿ってマイクロクラックを伝播させるクエンチングサブシステムと、
を備え、
前記ブレークビームは、前記冷却流体流れによりクエンチされた前記非金属基板を急速に再加熱して前記非金属基板を前記マイクロクラックに沿って分離する、
システム。
【請求項２】
前記ビーム分離器は、前記第１の経路と前記第２の経路との間で選択された速度で１サイクル中に往復するように前記レーザビームを繰り返し偏向させるように構成されている、請求項１のシステム。
【請求項３】
前記選択された速度は、前記レーザビームが前記第１の経路に沿って偏向されるサイクルごとの第１の期間と、前記レーザビームが前記第２の経路に沿って偏向されるサイクルごとの第２の期間とを定義し、前記第１の期間及び前記第２の期間の少なくとも一方が、前記第１の平均パワー及び前記第２の平均パワーの少なくとも一方を変化させるように選択的に調整可能である、請求項２のシステム。
【請求項４】
前記ビーム分離器は、ファーストステアリングミラーとミラーガルバノメータビーム偏光器とを有する群から選択されるステアリング可能な偏向器である、請求項２のシステム。
【請求項５】
前記ビーム分離器は、音響光学偏向器と電気光学偏向器とを有する群から選択される、請求項２のシステム。
【請求項６】
前記ビーム分離器は、さらに、
前記ブレークビームを第１のブレークビームと第２のブレークビームとに変換し、
前記スクライブラインの両側を同時に再加熱して前記非金属基板を前記マイクロクラックに沿って分離するように、前記第１のブレークビームと前記第２のブレークビームの双方を前記スクライブラインに平行な第１の方向と前記スクライブラインに垂直な第２の方向に偏向する、
請求項１のシステム。
【請求項７】
前記ビーム分離器は、前記スクライブビーム及び前記ブレークビームの少なくとも一方のパワーを選択的に変調する変調器を備える、請求項１のシステム。
【請求項８】
前記変調器は、音響光学変調器である、請求項７のシステム。
【請求項９】
前記ビーム分離器は、ビームスプリッタである、請求項１のシステム。
【請求項１０】
前記非金属基板と前記スクライブビーム、前記ブレークビーム、及び冷却流体流れとの間で相対運動を生じさせる運動ステージであって、前記スクライブビームと前記冷却流体流れをスクライブラインに沿って走査する運動ステージをさらに備えた、
請求項１のシステム。
【請求項１１】
非金属基板を分離するための方法であって、
単一レーザ源からレーザビームを生成し、
前記レーザビームを第１の平均パワーを有するスクライブビームと第２の平均パワーを有するブレークビームに分離し、
前記スクライブビームを第１の経路に沿って非金属基板上のスクライブラインに照射し、前記ブレークビームを第２の経路に沿って前記非金属基板の前記スクライブビームから離れた位置に照射し、前記スクライブビームは前記スクライブラインに沿って前記非金属基板を急速に加熱し、
冷却流体流れを前記非金属基板に当てて前記スクライブビームにより加熱された前記スクライブラインに沿ってマイクロクラックを伝播させ、
前記ブレークビームは、前記冷却流体流れによりクエンチされた前記非金属基板を急速に再加熱して前記非金属基板を前記マイクロクラックに沿って分離する、
方法。
【請求項１２】
前記レーザビームを分離する際に、前記第１の経路と前記第２の経路との間で選択された速度で１サイクル中に往復するように前記レーザビームを繰り返し偏向させる、請求項１１の方法。
【請求項１３】
前記選択された速度は、前記レーザビームが前記第１の経路に沿って偏向されるサイクルごとの第１の期間と、前記レーザビームが前記第２の経路に沿って偏向されるサイクルごとの第２の期間とを定義し、前記第１の期間及び前記第２の期間の少なくとも一方が、前記第１の平均パワー及び前記第２の平均パワーの少なくとも一方を変化させるように選択的に調整される、請求項１２の方法。
【請求項１４】
さらに、ファーストステアリングミラーとミラーガルバノメータビーム偏光器とを有する群から選択されるステアリング可能な偏向器を用いて前記レーザビームを分離する、請求項１２の方法。
【請求項１５】
さらに、音響光学偏向器と電気光学偏向器とを有する群から選択されるビーム分離器を用いて前記レーザビームを分離する、請求項１２の方法。
【請求項１６】
前記レーザビームを分離する際に、
前記ブレークビームを第１のブレークビームと第２のブレークビームとに変換し、
前記スクライブラインの両側を同時に再加熱して前記非金属基板を前記マイクロクラックに沿って分離するように、前記第１のブレークビームと前記第２のブレークビームの双方を前記スクライブラインに平行な第１の方向と前記スクライブラインに垂直な第２の方向に偏向する、
請求項１１の方法。
【請求項１７】
さらに、前記レーザビームを変調して前記スクライブビーム及び前記ブレークビームの少なくとも一方のパワーを選択的に変調する、請求項１１の方法。
【請求項１８】
さらに、音響光学変調器を用いて前記レーザビームを変調する、請求項１７の方法。
【請求項１９】
さらに、
前記非金属基板と前記スクライブビーム、前記ブレークビーム、及び冷却流体流れとの間で相対運動を生じさせて、前記スクライブビームと前記冷却流体流れをスクライブラインに沿って走査する、
請求項１１の方法。
【請求項２０】
非金属基板を分離するためのシステムであって、
単一レーザ源からレーザビームを生成する手段と、
前記レーザビームを第１の平均パワーを有するスクライブビームと第２の平均パワーを有するブレークビームに分離する手段と、
前記スクライブビームを第１の経路に沿って非金属基板上のスクライブラインに照射し、前記ブレークビームを第２の経路に沿って前記非金属基板の前記スクライブビームから離れた位置に照射し、前記スクライブビームにより前記スクライブラインに沿って前記非金属基板を急速に加熱する手段と、
冷却流体流れを前記非金属基板に当てて前記スクライブビームにより加熱された前記スクライブラインに沿ってマイクロクラックを伝播させる手段と、
を備え、
前記ブレークビームは、前記冷却流体流れによりクエンチされた前記非金属基板を急速に再加熱して前記非金属基板を前記マイクロクラックに沿って分離する、
システム。
【請求項２１】
前記レーザビームを分離する手段は、さらに、前記第１の平均パワーと前記第２の平均パワーとを互いに動的に選択する、請求項２０のシステム。
【請求項２２】
前記第１の平均パワーと前記第２の平均パワーとを互いに動的に選択するように前記ビーム分離器を制御するプロセッサ
をさらに備えた、請求項１のシステム。
【国際調査報告】
2015506902.tif 000014
2015506902.tif 000015