(57)【要約】  ガラス８等の脆性材料内の特徴形状をレーザマシニングするための改善された方法を提供し、ここでは、特徴形状に関連するツール経路１０を分析し、隣接しないレーザパルス１２を用いて、特徴形状をレーザマシニングするために、何回の通過が必要であるかを判定する。後続する通過の間に適用されるレーザパルス１２は、所定の重複量だけ前のレーザスポット箇所に重複するように位置決めされる。これによって、どの単一のスポットも、前のパルス箇所に隣接して適用される直後のレーザパルス１２が引き起こす過度なレーザ放射を受けることがない。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ツール経路を有するレーザ加工システムによって、脆性材料内の特徴形状をレーザマシニングするための改善された方法において、
前記脆性材料をレーザマシニングするよう動作するレーザパルス及びレーザパルスパラメータを有するレーザを準備するステップと、
各レーザパルスの数及び箇所が、前記ツール経路上の各箇所について、所定のパルス重複及びタイミングを提供するように、前記ツール経路に基づいて、前記レーザパルスパラメータを算出するステップと、
前記算出されたレーザパルスパラメータに基づいて、前記レーザを方向付け、前記レーザパルスを出射し、前記脆性材料に衝突させて、前記脆性材料内の特徴形状をマシニングするステップとを有する方法。
【請求項２】
前記所定のパルス重複及びタイミングは、前記レーザパルス間に間隔を設けるように選択される請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記レーザパラメータは、パルス繰返し率、スキャン速度、スポットサイズ、バイトサイズ及び通過回数を含む請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記パルス繰返し率は、約１ｋＨｚから１ＭＨｚの間である請求項２記載の方法。
【請求項５】
前記スキャン速度は、約１００ｍｍ／ｓから５０００ｍｍ／ｓの間である請求項２記載の方法。
【請求項６】
前記スポットサイズは、約１０μｍから５００μｍの間である請求項２記載の方法。
【請求項７】
前記バイトサイズは、約１０μｍから５００μｍの間である請求項２記載の方法。
【請求項８】
前記通過回数は、約１回から約１００回の間である請求項２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００９年３月２７日に出願された米国仮出願番号第６１／１６４，１６２号の優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、ガラス等の脆性材料のレーザ加工のための方法に関する。詳しくは、本発明は、ガラス又はこれに類する材料において、特徴形状をレーザマシニングしながら、応力によるひび割れ（fractures）及び欠け（chipping）を回避し、許容可能なシステムスループットを維持する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
ガラスの切断は、伝統的には、ガラスに罫書きを行った後、ガラスを機械的に切断する機械的ノコギリを用いて行われている。近年では、ガラス切断にレーザ技術が採用されており、ここでは、冷却ノズルと共に、又は冷却ノズルなしで、通常、レーザを局部加熱源として使用し、軌道に沿ってストレス及び微小亀裂（micro cracks）を生成し、ガラスを切断する。このようにして生成される応力及び微小亀裂は、ガラスを破砕し、設計された軌道に沿って分離するために十分である場合もあり、又は後の分割工程によってガラスを分離する必要がある場合もある。冷却源なしでレーザのみを利用する既存の技術は、以下に限定されるものではないが、２００７年２月２２日に出願された、Ｍｉｃｈａｅｌ  Ｈａａｓｅ及びＯｌｉｖｅｒ  Ｈａｕｐｔによる米国特許出願番号第２００７／００３９９３２号、発明の名称「DEVICE FOR SEPARTIVE MACHINING OF COMPONENTS MADE FROM BRITTLE MATERIAL WTH STRESS-FREE COMPONENT MOUNTING」に開示されているマルチプルレーザビーム吸収（Multiple Laser Beam Absorption：ＭＬＢＡ）があり、また、２００７年７月２６日に出願された、Ｏｌｉｖｅｒ  Ｈａｕｐｔ及びＢｅｒｎｄ  Ｌａｎｇｅによる米国特許出願番号第２００７／０１７０１６２号、発明の名称「METHOD AND DEVICE FOR CUTTING THROUGH SEMICONDUCTOR MATERIALS」では、一対の反射ミラーと共に、近赤外線レーザ光源を用いて、分離する経路に沿ったガラス内の光子エネルギの体積吸収を最大し、これにより、更なる力を加える必要なく、部品を分割するために十分な熱応力を生成する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、この技術は、最初に予亀裂（pre-crack）として機能する機械的なノッチを必要とする。レーザが生成するストレスによって、最初の亀裂が伝播し、分離を形成する。フロリダ州３２７４６レイクメアリーのＦｏｎｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ社によるゼロ幅レーザダイシングテクノロジ（Zero-Width Laser Dicing Technology：ZWLDT：商標）では、ガラスを加熱するためにＣＯ２源を使用し、続いて、冷却ノズルによって応力を生成し、切断経路に沿って微小亀裂を開始し、そして、機械的な分割工程によって、ガラスを分離する。上に列挙した全ての手法は、これらの加工に関連するカーフ幅が略々ゼロであるので、亀裂伝搬の方向を正確に制御することが困難なため、軌道が丸いコーナ又は曲線の経路を含む状況に適用することが非常に困難である。機械的な分割工程を適用しても、バルクガラスに重大な欠け（chipping）又は亀裂（cracking）を引き起こすことなく、部品を正確に分離することは非常に難しい。
【０００５】
そこで、レーザを用いて、許容できる速度で、容認できない欠け及び亀裂を引き起こすことなく、丸いコーナ又は曲線のセグメントを含む軌道で、例えば、ガラス等の脆性材料を切断する方法が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の側面は、高価な追加的設備を必要とすることなく、又はシステムスループットを重大に低下させることなく、特徴形状の周囲の領域に加わる過剰な熱に起因する材料の欠け及び亀裂を回避して、ガラス等の脆性材料内の複雑な軌道をレーザマシニングする方法である。特徴形状をマシニングする際、次のレーザパルスが前のパルスと同じ箇所に重ならないように、レーザパルスに間隔を設けることによって、領域内の過剰な熱を回避することができる。本発明の実施の形態では、特徴形状に関連するツール経路を分析して、望まれるパルス重複及びステップサイズに基づき、被加工物内の特徴形状をレーザマシニングするために何回の通過が必要であるかを判定する。ツール経路とは、関連する特徴形状をマシニングするためにレーザパルスが方向付けられる被加工物上の一連の箇所である。特徴形状は、使用されるレーザパラメータに応じて、複数の可能なツール経路を有することができ、異なるツール経路でも同じ特徴形状を形成できることがある。この実施の形態は、ツール経路上の選択された点に１つ以上のレーザパルスを方向付ける。そして、焦点スポットの径より小さくレーザを移動させて、他のパルスを被加工物に向けて所望の重複を達成するのではなく、システムは、ツール経路上の潜在的パルス箇所を算出された数だけスキップして、被加工物にレーザパルスを向ける。そして、システムは、ツール経路を続け、算出された数の潜在的パルス箇所だけ離間させてレーザパルスを被加工物に方向付け、ツール経路を一周する。そして、システムは、再び、第１のレーザパルス箇所から、レーザパルススポットの径より小さい距離だけオフセットした箇所において、レーザパルスを被加工物に方向付け、これによって、過度の加熱を引き起こすことなく、パルス重複を達成する。そして、システムは、算出されたステップサイズによって、同じ重複オフセットだけ前のレーザパルス箇所と重なる次の箇所に回転送りを行う。このプロセスは、全体の特徴形状がマシニングされるまで続けられる。
【０００７】
具体化して、ここに包括的に説明したように、本発明の目的に基づいて、上述及び他の課題を解決するために、方法及び装置を開示する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】レーザ加工の１回の通過によるツール経路を示す図である。
【図２】レーザ加工の５回の通過によるツール経路を示す図である。
【図３】完全なレーザ加工を示すツール経路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の実施の形態は、レーザ加工システムによって、脆性材料内の特徴形状をレーザマシニングするための改善された方法を提供する。このレーザ加工システムは、ツール経路、すなわち、関連する特徴形状をマシニング（機械加工）するためにレーザパルスが向けられる被加工物上の一連の箇所を有する。本発明を実施するために適用される例示的なレーザ加工システムは、オレゴン州９７２２９、ポートランドのエレクトロサイエンティフィックインダストリーズインコーポレーテッド社（Electro Scientific Industries Inc.）によって製造されているＭＭ５８００である。このシステムは、２つのレーザを使用し、これらのうちの一方又は両方は、３０〜７０ｋＨｚのパルス繰返し周波数で、約１０６４μｍから約２５５μｍまでの波長で動作し、３０ｋＨｚのパルス繰返し率で約５．７Ｗより大きい平均パワーを有するダイオード励起固体ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧ又はＮｄ：ＹＶＯ４レーザであってもよい。
【００１０】
本発明の実施の形態は、引用によってその全体が本願に援用される、２００７年８月２１日に発行された、Ｒｏｂｅｒｔ  Ｍ．  Ｐａｉｌｔｈｏｒｐ、Ｗｅｉｓｈｅｎｇ  Ｌｅｉ、Ｈｉｓａｓｈｉ  Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ、Ｇｌｅｎｎ  Ｓｉｍｏｎｓｏｎ、Ｄａｖｉｄ  Ａ．  Ｗａｔｔ、Ｍａｒｋ  Ａ．  Ｕｎｒａｔｈ及びＷｉｌｌｉａｍ  Ｊ．  Ｊｏｒｄｅｎｓによる米国特許第７，２５９，３５４号、発明の名称「METHODS FOR PROCESSING HOLES BY MOVING PRECISELY TIME LASER PULSES IN CIRCULAR AND SPIRAL TRAJECTORIES」に開示されている技術の新たな応用であり、ここでは、開設される穴より小さいレーザビームスポットサイズを用いて、材料に穴が開設され、レーザパルスを円形又は渦巻状のツール経路で移動させる必要がある。円周の周りに間隔を空けてレーザパルスを照射することによって、より良質な穴が形成されることが示されている。本発明は、この開示の拡張であり、脆性を有する被加工物上の任意のツール経路に適用されるレーザパルスの間隔及びタイミングを計算することによって、脆性材料のレーザマシニングの品質及びスループットを向上させる。特徴形状をマシニングする際、ツール経路に沿ってレーザパルス間に時間的及び空間的な間隔を設けることによって、特定の領域における過剰な熱が回避され、この結果、カットの品質が向上する。本発明の実施の形態に基づいてレーザをパルスすることによって、パルスされる箇所は、隣接する箇所がパルスされる前に冷却され、この結果、残留損傷に関する危惧なく、レーザパルスがパルス単位で除去する材料の量を最大にすることができる。これによって、全体の加工を最適化でき、品質を維持しながら、スループットを向上させることができる。
【００１１】
図１は、本発明の側面を示しており、ここでは、被加工物８上の複雑なツール経路１０を示している。このツール経路は、亀裂及び欠けを引き起すことなく切断することが難しい曲線のセクションを含む。１つを符号１２で示す円は、１回の通過（pass）で被加工物に向けられるレーザパルスを表している。一旦、この通過が完了すると、パターンが１ステップサイズだけ回転送り（index）され、繰り返される。図２は、５回の通過の後の被加工物８上のツール経路１０上のこのパルス１４のパターンを示している。図３は、レーザパルス１６が被加工物８上のツール経路１０によって描かれた特徴形状を完全にマシニングした状態を示している。
【００１２】
レーザビア穴あけ用途では、周辺において、複数の繰返しによって、トレパンツールで穴あけを行う場合、パルスが穴の周辺に均等に分布し、一様な材料除去を達成し、ビア品質に関して、ビア間の良好な一貫性を達成するように、スキャン速度及び繰返し率を微調整することが望ましい。パルス間の位置インクリメントは、等しくし且つ最小化する必要がある。新たな量は、仮想バイトサイズとして定義され、これは、最初の一周で送達される最初のパルスと、２回目の一周で送達される最初のパルスとの間の、周辺に沿った距離である。アルゴリズムは、ツール速度を微調整して、仮想バイトサイズを設定し、パルス間隔を最適化して、パルス間隔が均等且つ可能な限り細かく分布するように指定される。また、これは、Ｑスイッチレーザコマンドのタイミング調整を行い、全てのパルスを意図されたツール経路によって要求されるタイミングに同期させる方法でもある。
【００１３】
本発明の基底にある原理から逸脱することなく、本発明の上述の実施の形態の詳細に多くの変更を加えてもよいことは当業者にとって明らかである。したがって、本発明の範囲は、特許請求の範囲のみによって決定される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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