对平坦衬底进行基于激光的加工的方法和设备的制造方法
【专利说明】对平坦衬底进行基于激光的加工的方法和设备
[0001] 本发明设及根据权利要求1的通用部分的优选平坦衬底的基于激光的加工及相 应的设备W及根据本发明的方法和设备的使用。该方法和设备尤其具有将诸如半导体晶 片、玻璃元件等（尤其具有脆性材料）之类的平坦衬底分成多个块（切割晶片或玻璃元件） 的目标。如下面更详细地描述的，通常使用具有材料对其基本上透明的波长的脉冲激光。
[0002] 从现有技术中已经知道借助于激光分离运样的材料的设备和方法。
[0003] 一方面（例如，DE10 2011 000 768Al),可使用激光，借助它们的波长或它们的 功率，运些激光被材料高度吸收或者在第一相互作用之后使得材料为高度吸收的（例如利 用电荷载流子的生成而加热；诱发吸收），并且随后可消融该材料。对于很多材料，运些方 法具有缺点：例如，归因于消融期间的颗粒形成的污染；切割边缘由于热输入可具有微裂 缝；切割边缘可具有融化的边缘；切口在材料的厚度上不是均匀的（其在不同深度处具有 不同宽度；例如可能存在模形的切割缺口）。由于材料必须被蒸发或汽化，因而必须使得高 的平均激光功率可用。
[0004] 另一方面，存在用于分离脆性材料的已知的激光方法，运些激光方法经由定向的、 激光诱发的裂缝形成而操作。例如，Jenopt化提供一种方法，其中首先利用激光在表面上 高度加热迹线并且紧接着运之后，如此迅速地冷却该迹线（例如利用水射流）W使由此所 生成的热应力导致裂缝的形成，运些裂缝可通过材料的厚度进行传播（机械应力）并分离 材料。
[0005] 此外，存在一种方法，该方法使用材料对其很大程度上透明的波长下的激光W使 得可在材料的内部中生成焦点。激光的强度必须如此高W至于内部损坏在被照射的衬底的 材料中的此内部焦点处发生。
[0006] 最后提到的方法具有诱发的裂缝形成在特定深度处或在表面上的点处发生W使 得材料的完整厚度仅经由附加的机械和/或热诱发的裂缝传播来进行分离的缺点。由于 裂缝往往不均衡地传播，因而对于大部分的分离表面是相当粗糖的并且时常必须被随后加 工。另外，必须在不同深度处反复地采用相同的过程。运进而通过相应的因素而放慢过程 速率。
[0007] 因此，从现有技术开始，本发明的问题是使得一种方法（及相应的设备）可用，利 用该方法，可在没有颗粒形成、没有融化的边缘、在边缘处具有最小的裂缝形成、没有显著 的切口（因此材料损失）、具有尽可能直的切割边缘W及在高的过程速率的情况下加工平 坦衬底，尤其是脆性材料，特别是将其完全地分离。
[0008] 通过如权利要求1中的方法和如权利要求11中的设备来解决此问题。在各种情 况中，该方法或设备的有利的设计变型和/或进一步发展可从从属权利要求中获得。在权 利要求16中描述根据本发明的重要应用。在权利要求17和18中描述根据本发明所制作 的玻璃物体。
[0009] 下面首先一般地描述本发明，并且随后借助于许多实施例示例来详细地描述本发 明。在各个实施例示例中组合在一起示出的特征在本发明的范围内不必都要必须付诸实 践。具体地，各个特征还可被省略或者W其它方式与在同一实施例示例中或者甚至在其它 实施例示例中所呈现的其它特征进行组合。而且，实施例示例的各个特征通过它们自己可 指向现有技术的有利的进一步发展。
[0010] 首先，下面描述本发明的基础（根据本发明将衬底分成各个部分的机制）。
[0011] 根据本发明的分离方法借助于适当的激光光学器件（在下文中也被称为光学装 置）针对每个激光脉冲生成激光焦线（与焦点形成对比）。焦线确定激光和衬底的材料之 间的交互的区域。如果焦线落在要被分离的材料中，则可选择激光参数W使得根据本发明 而发生与材料的相互作用，该相互作用沿着焦线生成裂化区域。运里重要的激光参数是激 光的波长、激光的脉冲持续时间、激光的脉冲能量W及可能地还有激光的偏振。
[0012] 对于激光与材料的相互作用，根据本发明，应当优选规定下列：
[0013] 1)优选选择激光的波长1W使得材料在此波长下是基本上透明的（具体地，例如： 每毫米材料深度，吸收《10% =〉丫<<l/cm ;丫=Lambed-Beer吸收系数）。
[0014] 2)优选选择激光的脉冲持续时间W使得没有显著的热传输（热扩散）能够在相互 作用时间期间从相互作用区域向外发生（具体地，例如：T<<d2/a，d=焦点直径，T=激 光脉冲持续时间；a=材料的热扩散常数）。
[0015] 3)优选选择激光的脉冲能量W使得相互作用区域中（因此在焦线中）的强度生成 诱发吸收，其导致沿着焦线的材料的局部加热，作为被引入在该材料中的热应力的结果，运 又导致沿着焦线的裂缝形成。
[0016] 4)激光的偏振影响在表面处的相互作用（反射率）W及在诱发吸收期间的材料的 内部中的相互作用的种类运两者。诱发吸收可经由在热激励之后的诱发的、自由的电荷载 流子（典型地电子）、或者经由多光子吸收和内部光电离、或者经由直接的场电离（光的场 强直接使电子键合破裂）而发生。可例如经由Keldysh参数（参考）来评估电荷载流子的 生成的种类，但该Keldysh参数在根据本发明的方法的使用中不发挥任何作用。仅对于激 光的附加吸收/透射依赖于偏振的特定（例如，双折射）材料是重要的，并且因此例如在简 单地启发式基础上，应当由用户选择对借助于适当的光学器件（相位板）的相关材料的分 离有帮助的偏振。因此，如果材料不是光学各向同性的而例如是双折射的，则激光在该材料 中的传播也将受偏振影响。因此，可选择偏振和偏振矢量的取向W使得根据需要仅一条焦 线形成而不是两条（寻常光束和非常光束）。在光学各向同性材料的情况中，运不发挥作 用。
[0017] 5)此外，应当经由脉冲持续时间、脉冲能量和焦线直径选择强度W使得没有消融 或融化在固体的框架内发生，而仅裂缝形成在固体的框架内发生。对于如玻璃或透明晶体 的典型材料，利用亚纳秒范围内的脉冲激光（因此具体地利用例如10和IOOps之间的脉冲 持续时间）最容易地满足此要求。就运一点而言，还参见图1 :在约一微米（0. 5到5. 0微 米，参见图形的中间）的标度长度上，对于诸如玻璃之类的不良热导体，热传导具有直到亚 微秒区域（见两条线之间的区域）的效果，而对于如晶体和半导体之类的良好热导体，热传 导自纳秒开始已经变得有效。
[0018] 根据本发明，对于垂直地延伸至衬底平面的裂缝形成的重要过程是超过材料的结 构强度（WMPa计的压缩强度）的机械应力。在运里，机械强度是由激光能量经迅速的不 同质加热而产生的（热诱发应力）。假设相对于焦线适当定位衬底（见下文），根据本发明 的裂缝形成自然地在衬底的表面上开始，因为在那儿变形是最大的。运是因为在表面之上 的半空间中，不存在能够接收力的材料。此论点同样适用于具有硬化或预应力表面的材料， 只要硬化层或预应力层的厚度相比于沿着焦线突然加热的材料的直径是大的。（就运一点 而言，还参见下面描述的图2。）
[0019] 可经由积分通量（W焦耳/cm2计的能量密度）和对于选择的焦线直径的激光脉 冲持续时间来建立相互作用的种类W使得1)优选没有融化在表面上或在材料的内部中发 生W及2)优选没有具有颗粒形成的消融在表面上发生。在基本上透明的材料中已知许多 类型的诱发吸收：
[0020] a)在具有低带隙的半导体和绝缘体中，经由例如低残余吸收（归因于材料中的污 染物的迹线或者在激光加工之前在溫度下已经热激励的电荷载流子），在第一部分的激光 脉冲持续时间内的迅速加热导致附加的电荷载流子的热激励，运进而导致较高的吸收并作 为结果导致焦线中的激光吸收的雪崩添加。
[0021] b)在绝缘体中，如果存在足够的光强度，则光吸收将经由与材料的原子的非线性 光学相互作用而导致电离并且因此又导致自由电荷载流子的生成并且作为结果导致激光 的较高的线性吸收。
[0022] 下面描述期望的分离表面的几何结构的生成（沿着衬底表面上的线在激光束和 衬底之间的相对运动）。
[0023] 根据本发明的与材料的相互作用针对每个激光脉冲沿着焦线在材料中生成单个 连续的（如在垂直于衬底表面的方向中所观察的）裂化区域。对于材料的完整分离，针对每 个激光脉冲，沿着期望的分离线与彼此如此紧密地建立一系列的运些裂化区域W使裂缝的 横向连接产生材料中的期望的裂化表面/轮廓。为此，W特定重复率使激光脉动。选择光 斑尺寸和间距W使得在表面上，沿着激光光斑的线，期望的、定向的裂缝形成接着发生。沿 着期望的分离表面的各个裂化区域的间距由从激光脉冲到激光脉冲的时间跨度中焦线相 对于材料的运行产生。就运一点而言，还参见下面描述的图9。
[0024] 为了在材料中生成期望的分离表面，可利用可平行于衬底平面移动（并且可选地 还垂直于衬底平面）的光学装置来在固定的材料之上移动脉冲激光，或者利用可移动的保 持器使材料本身移动到固定的光学装置W使得形成期望的分离线。焦线关于材料的表面的 取向（不管垂直的还是在关于表面的90° -0的角度处）可被固定地选择或者可借助于可 旋转的光学装置（为简单起见在下文中也被称为光学器件）和/或沿着期望的分离线的可 旋转的激光束路径而进行改变。
[00巧]总的来说，可W多达五个可单独地移动的轴来引导用于期望的分离线的形成的焦 线通过材料：两个空间轴（x，y)，其固定焦线进入到材料中的进入点，两个角轴（0，f)，其 固定焦线从进入点到材料中的取向，W及附加的空间轴（Z'，不一定正交于X，y)，其固定焦 线从表面处的进入点穿透到材料中多深。下面所描述的，对于在笛卡尔坐标系（x，y，z)中 的几何结构，还参见例如图5a和6。在激光束垂直入射在衬底表面上（0 =0° )的情况 中，Z=z'O
[0026] 通常，存在由光学器件和激光参数造成的限制：角度0和皆的取向仅可进行到 激光在材料中的折射允许此的程度（小于材料中的全反射的角度），并且激光焦线的穿透 深度受可用的激光脉冲能量W及相应地选择的激光光学器件限制，该激光光学器件仅形成 一个长度的焦线，该一个长度的焦线可利用可用的激光脉冲能量来根据本发明生成裂化区 域。
[0027] 用于在所有五个轴中移动焦线的一个可能设计可例如包括在驱动的旋转倾斜台 上在坐标X，y中移动材料，同时经由检流计扫描仪和非远屯、F- 0透镜，焦线在坐标X'，y' 中相对于透镜中屯、在透镜的场中移动并且倾斜角度0和巧。可计算坐标X和X'和y和y' W使得焦线被瞄准在材料表面上的期望的入射点处。检流计扫描仪和F-0透镜被另外粘 附到正交于旋转倾斜台的X，y平面的Z轴上，其确定了垂直于材料的焦线的位置（焦线在 材料中的深度）。
[0028] 下面描述将衬底分成多个块的最后步骤（分离或切割）。
[0029] 材料沿着所生成的裂化表面/轮廓的分离通过材料的固有应力或者通过所引入 的力（例如机械（应力）或热（不均匀的加热/冷却））而发生。由于根据本发明没有消 融材料，因而通常最初在材料中不存在连续的间隙，而仅存在高度扭曲的断裂表面（微裂 缝），该断裂表面互锁并且可能地仍由桥进行连接。通过后续引入的力，剩余的桥经由横向 裂缝生长（平行于衬底平面而发生）变得分离并且互锁损坏，W使得可沿着分离表面分离 材料。
[0030] 下面借助于专利权利要求书来描述根据本发明的方法和根据本发明的设备的重 要特征。