JP7634683B2 - 材料を分離して面取りするデバイス及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、超短レーザパルスによって材料を分離するためのデバイス及び方法に関する。

近年、非常に短いパルス長、特に１ナノ秒未満のパルス長を有し、且つ特にキロワット範囲の高い平均パワーを有するレーザの開発が新たなタイプの材料加工につながっている。短いパルス長及び高いパルスピークパワー又は数マイクロジュール～１００μＪの高いパルスエネルギーにより、材料内におけるパルスエネルギーの非線形吸収をもたらすことができ、利用されるレーザ光の波長に対して実際に透明な又は実質的に透明な材料で加工することも可能となっている。

このようなレーザ放射の特定の適用分野は、ワークピースの分離及び加工である。このプロセスでは、レーザビームは、垂直入射で材料に導入されることが好ましく、なぜなら、これにより、材料の表面における反射損失が最小限に抑えられるためである。材料をある作業角度で加工すること、例えば３０°を超える作業角度で材料縁部を面削りすること又は面取り部構造及び／若しくは斜端部構造を生じさせることに関して、特に材料縁部における大きい作業角度によってレーザビームの著しい収差がもたらされ、結果的に材料内に目的のエネルギー付与をもたらすことができないことにもなるため、未解決の課題となっている。

Ｋ．Ｉｔｏｈ ｅｔ ａｌ．"Ｕｌｔｒａｆａｓｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｆｏｒ Ｂｕｌｋ Ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ"ＭＲＳ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ，ｖｏｌ．３１，ｐ．６２０（２００６） "Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ Ｌｉｇｈｔ Ｆｉｅｌｄｓ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｒａｐｐｉｎｇ，Ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｏｒｇａｎｉｓａｔｉｏｎ"，Ｍ．Ｗｏｅｒｄｅｍａｎｎ，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｂｕｓｉｎｅｓｓ Ｍｅｄｉａ（２０１２），ＩＳＢＮ ９７８－３－６４２－２９３２２－１

本発明の目的は、既知の従来技術から前進して、ワークピースを分離するための改良されたデバイス及びまた対応する方法を提供することである。

上記の目的は、請求項１の特徴を有する、ワークピースを分離する方法によって達成される。本方法の有利な発展形態は、従属請求項、本明細書及び図面から明らかになる。

したがって、透明材料を含むワークピースを分離する方法であって、超短パルスレーザからの超短レーザパルスは、分離線に沿ってワークピースの透明材料に材料改質部を導入するために使用され、ワークピースは、その後、分離工程において、結果として生じた材料改質エリアに沿って分離される、方法が提案される。本発明によれば、レーザパルスは、ワークピースの透明材料にある作業角度でもたらされ、及び材料改質部は、ワークピースの透明材料の屈折率の変化に関連するタイプＩ及び／又はタイプＩＩの改質部である。

この場合、超短パルスレーザは、超短レーザパルスを利用可能にする。これに関連して、超短とは、パルス長が例えば５００ピコ秒～１０フェムト秒、特に１０ピコ秒～１００フェムト秒であることを意味し得る。プロセスにおいて、超短レーザパルスは、それにより形成されるレーザビームに沿ってビーム伝播方向に移動する。

超短レーザパルスがワークピースの材料に集光されると、焦点体積内の強度により、例えば多光子吸収及び／又は電子雪崩イオン化プロセスによる非線形吸収をもたらすことができる。この非線形吸収は、電子－イオンプラズマの発生をもたらし、前記プラズマの冷却時にワークピースの材料に永続的な構造改質部をもたらすことができる。非線形吸収によってエネルギーを材料の体積に伝達することができるため、サンプルの内部におけるこれらの構造改質部は、ワークピースの表面に影響を及ぼすことなく生成することができる。

これに関連して、透明材料とは、超短パルスレーザからのレーザビームの波長で実質的に透明な材料であると理解される。「材料」及び「透明材料」という用語は、本明細書では互換的に使用される。すなわち、本明細書に明示される材料は、常に、超短パルスレーザのレーザビームに対して透明な材料であると理解されたい。

超短レーザパルスによって透明材料に導入される材料改質部は、３つの異なるクラスに細分され、（非特許文献１）を参照されたい。タイプＩは、等方性の屈折率変化であり、タイプＩＩは、複屈折の屈折率変化であり、及びタイプＩＩＩは、いわゆるボイド又は空洞である。この点において、作成される材料改質部は、レーザのパルス持続時間、波長、パルスエネルギー及び繰り返し周波数などのレーザパラメータと、とりわけ電子構造及び熱膨張係数などの材料特性と、更に集光の開口数（ＮＡ）とに依存する。

タイプＩ型の等方性の屈折率変化は、レーザパルスによる局所的に制限された溶融及び透明材料の急速な再固化に起因する。例えば、石英ガラスが高温からより急速に冷却された場合、石英ガラスは、材料の密度及び屈折率が高くなる。したがって、焦点体積内の材料が融解し、その後、急速に冷却された場合、石英ガラスは、材料改質領域において、非改質領域におけるよりも高い屈折率を有する。

タイプＩＩ型の複屈折の屈折率変化は、例えば、超短レーザパルスと、レーザパルスによって発生されたプラズマの電界との間の干渉によって生じ得る。この干渉により、電子プラズマ密度の周期的変調が生じ、固化時に透明材料の複屈折特性、すなわち方向依存性の屈折率がもたらされる。タイプＩＩの改質部には、例えば、いわゆるナノグレーティングの形成も伴う。

例として、タイプＩＩＩの改質部のボイド（空洞）は、高いレーザパルスエネルギーによって生じさせることができる。これに関連して、ボイドの形成は、高度に励起され気化した材料が焦点体積から周囲材料に爆発的に膨張することに起因する。このプロセスは、微小爆発とも呼ばれる。この膨張は、材料塊内で発生するため、微小爆発により、より低密度の若しくは中空のコア（ボイド）又はサブマイクロメートル領域若しくは原子領域の欠陥がもたらされ、このボイド又は欠陥は、高密度の材料の外郭によって囲まれている。爆発の衝撃波面での圧縮により、クラックの自発的な形成をもたらし得るか、又はクラックの形成を促進し得る応力が透明材料内で発生する。

特に、タイプＩの改質部及びタイプＩＩの改質部には、ボイドの形成が伴い得る。例として、タイプＩの改質部及びタイプＩＩの改質部は、導入されたレーザパルスの周りのより応力の低いエリアで生じ得る。したがって、タイプＩＩＩの改質部の導入に言及する場合、いずれの場合にもより低密度の若しくは中空のコア又は欠陥が存在する。例として、タイプＩＩＩの改質部の微小爆発によってサファイア内に生じるのは、空洞ではなく、低密度の領域である。タイプＩＩＩの改質部の場合に生じる材料応力により、このような改質部は、多くの場合、クラックの形成を更に伴うか又は少なくとも促進する。タイプＩＩＩの改質部の導入時、タイプＩの改質部及びタイプＩＩの改質部の形成を完全に抑制又は回避することはできない。したがって、「純粋な」タイプＩＩＩの改質部が見当たることはまずない。

高いレーザ繰り返しレートの場合、パルス間で材料を完全に冷却することができず、結果的にパルス毎に導入される熱の蓄積効果が材料改質部に影響を及ぼし得る。例として、レーザ繰り返し周波数は、材料の熱拡散時間の逆数よりも高い場合があり、結果として、焦点ゾーン内において、材料の融解温度に達するまでレーザエネルギーの連続的な吸収による熱の蓄積が起こり得る。更に、焦点ゾーンの周囲のエリアへの熱エネルギーの熱輸送の結果、焦点ゾーンよりも大きい領域を溶融することができる。加熱された材料は、超短レーザパルスの導入後に急速に冷却されるため、高温状態の密度及び他の構造特性は、あたかも材料中に凍結されたようなものである。

材料改質部は、分離線に沿って材料に導入される。分離線とは、ワークピースの表面上のレーザビームの入射線をいう。例えば、レーザビーム及びワークピースは、送りによってある送り速度で互いに対して変位され、結果として、レーザパルスは、時間が経過するにつれてワークピースの表面上の異なる位置に入射することになる。これに関連して、送り速度及び／又はレーザの繰り返しレートは、ワークピースの材料内の材料改質部が重ならず、むしろ材料内に互いに離れて存在するように選択される。この場合、互いに対して変位可能とは、静止したワークピースに対してレーザビームが並進的に変位され得ることと、ワークピースがレーザビームに対して変位され得ることとの両方を意味する。ワークピース及びレーザビームの両方の移動もあり得る。超短パルスレーザは、ワークピースとレーザビームが互いに対して移動している間、その繰り返し周波数で材料にレーザパルスを放射する。

ビーム伝播方向に顕著な材料改質部により、ワークピースの材料内において、全ての材料改質部が存在し、且つ分離線に沿ってワークピースの表面に交差するエリアが作成されることになる。材料改質部が存在するエリアは、材料改質エリアと呼ばれる。特に、材料改質エリアは、湾曲させることもでき、例えば円筒又は円錐の側表面を形成する材料改質部も材料改質エリア内に位置することになる。

レーザパルスは、ワークピースの材料にいわゆる作業角度で導入される。この場合、作業角度は、レーザビームと、分離されるワークピースの面法線との間の角度差によって与えられる。作業角度がゼロに等しくない場合、材料改質エリアも同様にワークピースの面法線に対して傾斜する。これに関連して考慮する必要があるのは、非ゼロの作業角度の場合、レーザビームは、スネルの法則に従い、周囲媒体、好ましくは空気及びワークピースの材料の各々の屈折率に応じて屈折することである。結果として、ワークピースの材料内のビーム伝播方向は、ワークピースの材料に進入する前のビーム伝播方向と異なり得る。特に、材料改質エリアは、結果として、面法線に対して入射角と異なる角度でも傾斜し得る。

この場合、タイプＩの改質部及びタイプＩＩの改質部を使用して、材料内に所定の破断点を生じさるか、又は材料改質エリアに沿って材料を弱化する。導入されたタイプＩ及びタイプＩＩの材料弱化部により、材料改質エリアに沿って材料を分離できるようになる。

ここで、材料改質エリアに沿った分離が分離工程の範囲内で実施され、結果的にワークピースがバルク部及びワークピースのいわゆる切断部に分割されることになる。

この場合、分離工程は、機械的分離及び／又は化学的分離工程、好ましくはエッチング手順及び／又は熱の印加及び／又は自己分離工程を含み得る。

例として、熱は、材料又は分離線若しくは分離面の加熱によって印加され得る。例として、分離線又は分離面は、連続波ＣＯ２レーザによって局所的に加熱することができ、結果的に、材料改質領域内の材料は、未処理又は未改質の材料と比べて異なって膨張することになる。しかしながら、熱の印加は、高温空気流、又はホットプレート上で焼くこと、又はオーブン内で材料を加熱することによっても実現され得る。特に、材料内で異なる熱膨張をもたらすために、温度勾配も分離工程の範囲内で適用され得る。材料改質及びそれに伴う材料弱化は、材料改質エリアにおいて促進されたクラックの形成に最終的に至り、その結果、連続的で途切れない分離面が形成され、それによりワークピースの部分が互いに分離され得る。

引張応力又は曲げ応力の印加、例えば分離線又は分離面によって分離されるワークピースの部品への機械的負荷の印加により、機械的分離を発生させることができる。例として、材料平面内で相反する力が、分離線又は分離面によって分離されるワークピースの部品に各々の力の作用点で作用する場合、それぞれ分離線又は分離面から離れるように引張応力が印加され得る。力が互いに平行に又は半平行に整列していない場合、これは、曲げ応力の発生に寄与し得る。ワークピースは、引張応力又は曲げ応力が分離線又は分離面に沿った材料の結合力を超えると直ちに分離面に沿って分離される。特に、機械的な変化は、分離される部品に対するパルス状の作用によっても得ることができる。例として、衝撃によって材料中に格子振動を発生させることができる。したがって、材料改質エリアにおいてクラック形成を引き起こすことができる引張応力及び圧縮応力を同様に格子原子のたわみによって発生させることができる。しかしながら、材料は、好ましくは、湿式化学溶液を使用したエッチングによって分離され得、エッチングプロセスでは好ましくは材料を材料改質部、すなわち目的の材料弱化部に対して配置する。換言すると、材料改質部の導入により、選択的エッチング性が増す。ワークピースは、材料改質によって弱化したワークピースの部品が好ましくはエッチングされる結果として、分離面に沿って分離される。

これは、ワークピースの各材料に対して理想的な分離方法を選択することができ、結果的にワークピースの分離によって高品質の分離縁部がもたらされる点で有利である。

更に、材料改質部は、ワークピースの材料内の熱の蓄積によって導入され得る。

レーザビームのパルスレートが材料固有の熱伝達機構による放熱速度より大きい場合、超短レーザパルスの吸収が進んだ結果として熱の蓄積が達成され得る。ワークピースの材料の温度が上昇した結果として、最終的に接合相手の材料の溶融温度に到達することが可能となり、材料の局所的な溶融に至る。結果として、上記のように、特にタイプＩ及び／又はタイプＩＩの改質部がワークピースの材料に生成され得る。

ワークピースの材料を溶融させるために、材料内のいくつかの位置で複数のレーザパルスを出力することが可能であり、これらの位置は、送りが適用されても熱の蓄積を得ることができるように空間的に十分に重なっている必要がある。特に、パルスの重なりは、１より大きくされ、その結果、入射位置ごとに複数のパルスが出力され得る。

この場合、空間的な重なりは、１より大きくなければならず、重なりは、ｄｆ＊Ｒ／Ｖで与えられ、ここで、ｄｆは、ビーム径又は横断方向の強度分布の直径（後述）であり、Ｒは、レーザの繰り返し周波数であり、Ｖは、送り速度である。更に、時間的なパルス間隔は、材料における拡散時間ｔＤよりも小さくなければならず、拡散時間は、ｔＤ＝（ｄｆ／２）＾２／２Ｄによって与えられ、ここで、Ｄ＝カッパ／（ロー＊ｃｐ）は、拡散率であり、カッパは、熱伝導率であり、ｃｐは、比熱であり、ローは、材料の密度である。例えば、溶融シリカの拡散時間は、１μｓである。

特に高品質の分離面は、分離工程により、材料を連続的に加熱及び溶融させることによって生成され得る。

特に、材料改質部が、交差する平面内にあるワークピースの２つの側面を貫通し、分離工程が面取り部及び／又は成形縁部、好ましくは面取り部及び／又は斜端部を生じさせるようになされ得る。

２つの側面は、これらの平面の面法線が互いに平行に整列していない場合、交差する平面内にある。例として、直方体の場合、側面を直方体の縁部によって接続することができる場合、２つの側面は、交差する平面内にある。円盤状の材料の場合、ある意味で、円盤の周面は、円盤の上面及び下面と交差する平面内にある。少なくとも局所的に考えれば、円盤の場合でもレーザビームの入射面に矩形断面が生じる。

材料改質部は、両方の隣接する側面を貫通する。この場合、貫通とは、材料改質部が一方の側面でビーム伝播方向に始まり、もう一方の側面で終わることを意味する。しかしながら、これは、表面の欠けを避けるために、材料改質部がワークピースの材料内のみに延びることも意味し得る。しかしながら、この場合、２つの側面間におけるレーザの経路の大部分が材料改質部によって改質されなければならない。例として、材料内に材料改質部を戦略的に有利な状態で配置する結果として、材料改質部を経路の３分の１のみに沿って導入すれば十分な場合がある。しかしながら、材料改質部が２つの側面間の経路全体にわたって連続することも可能であり得る。

結果として、ワークピースの切断部は、入射ビーム及び屈折するビームが位置するレーザビームの入射面に生じる。例として、直方体の場合、この切断部は、三角形であり得る。ワークピースの三角形の切断部は、分離される縁部と反対側に、いわゆる斜辺を有する。この場合、斜辺の長さは、ワークピース内の材料改質部の長さによって与えられる。更に、切断部の斜辺に隣接する辺の距離は、ワークピースの縁部から分離線の距離によって与えられる。

材料の２つの側面を貫通する材料改質部により、所定の破断点が斜辺の全長にわたって導入される。結果として、後続の分離工程において、ワークピースは、材料改質エリアに沿って分離される。

分離後、材料改質エリアは、材料のいわゆる成形縁部になる。ワークピースの成形縁部は、いわゆる面取り部及び斜端部に更に分割される。この場合、ワークピースの面取り部は、トリムであると理解される。この場合、直方体の元の縁部は、２つの縁部に置き換わる。結果として、元の縁部が広がるか、又は第１の直方体側面と第２の直方体側面との間に移行領域が作成される。これに対して、切断部の斜辺がワークピースの縁部に一致する場合又は一般に三角形の切断部の一辺が、それに平行に延びるワークピースの少なくとも１つの辺の長さに一致する場合、斜端部が生じる。

例として、面取り部及び／又は斜端部の斜辺の長さは、５０μｍ～５００μｍ、好ましくは１００μｍ～２００μｍである。

これは、結果として、光学的に特に訴求性があり、高品質の効果を有するようにワークピースを面削りすることができる点で有利である。したがって、更に、比較的厚いワークピースを面削りすることも可能である。更に、成形縁部、面取り部又は斜端部を設けることで、最終顧客における設置又は使用中、９０°の角度を有する縁部のように容易に欠けることのないより安定した縁部を得ることが可能になる。

レーザビームは、非回折レーザビームであり得る。

特に、非回折ビーム及び／又はベッセル型ビームは、横断方向の強度分布が伝播不変であるビームを指すものと理解されたい。特に、非回折ビーム及び／又はベッセル型ビームの場合、ビームの長手方向及び／又は伝播方向における横断方向の強度分布は、実質的に一定である。

横断方向の強度分布とは、ビームの長手方向及び／又は伝播方向に対して直角に向けられた平面内に位置する強度分布を意味するものと理解されたい。更に、強度分布とは、常に、材料の改質閾値を上回るレーザビームの強度分布の部分を意味するものと理解されたい。例として、これは、非回折ビームの強度最大部の一部のみ又は非回折ビームの強度最大部のごくわずかのみがワークピースの材料に材料改質部を導入できることを意味し得る。したがって、強度分布のこの部分が目的の方法で提供され、強度分布の形態の強度の増大が集光により得られることを明確にするために、強度分布に対して「焦点ゾーン」という語も使用することができる。

非屈折ビームの定義及び特性については、以下の書籍：（非特許文献２）を参照されたい。その内容全体が明示的に参照される。

したがって、非回折レーザビームは、強度分布の横断方向寸法よりも大きい範囲の、ビーム伝播方向に細長い強度分布を有し得る点で有利である。特に、これにより、ビーム伝播方向に細長い材料改質部を生じさせることが可能になり、結果的に、これら材料改質部は、ワークピースの２つの側面を特に容易に貫通することができる。

レーザビームは、半径方向に非対称な横断方向の強度分布を有し得、横断方向の強度分布は、第２の軸に比べて第１の軸の方向に細長く見え、及び第２の軸は、第１の軸に垂直である。

この場合、半径方向に非対称とは、横断方向の強度分布が、光軸までの距離のみならず、少なくともビーム伝播方向の周りの極角にも依存することを意味する。例として、半径方向に非対称な横断方向の強度分布とは、横断方向の強度分布が例えば十字形又は三角形又は多角形、例えば五角形であることを意味し得る。更なる半径方向に非対称な横断方向の強度分布は、回転対称及び鏡面対称のビーム断面も含み得る。特に、半径方向に非対称な横断方向の強度分布は、楕円が長軸Ａと、それに垂直な短軸Ｂとを有する楕円形も有し得る。したがって、Ａ／Ｂ比が１よりも大きい場合、特にＡ／Ｂ＝１．５である場合、楕円形の横断方向の強度分布が存在する。レーザビームの楕円形の横断方向の強度分布は、理想的な数学的楕円に対応し得る。しかしながら、非回折レーザビームの半径方向に非対称な横断方向の強度分布は、上述の長主軸と短主軸の比も単に有し得、且つ異なる輪郭、例えば近似的な数学的楕円、ダンベル型の形状又は数学的に理想的な楕円によって囲まれた任意の他の対称若しくは非対称な輪郭を有し得る。

特に、楕円形の非回折ビームは、非回折ビームによって生成することができる。この場合、楕円形の非回折ビームは、ビーム強度の解析から明らかになる特殊な特性を呈する。例として、楕円形の準非回折ビームは、ビームの中心に一致する主要最大部を有する。この場合、ビームの中心は、主軸が交差する位置によって与えられる。特に、楕円形の準非回折ビームは、複数の強度最大部の重置から生じる場合があり、この場合、関与する強度最大部の包絡線のみが楕円形である。特に、個々の強度最大部は、楕円形の強度プロファイルを有する必要はない。

半径方向に非対称な横断方向の強度分布の結果として、材料のビーム伝播方向に対して垂直な断面の材料改質部も同様に半径方向に非対称である。むしろ、材料改質部の形状は、ワークピースの材料中の非回折ビームの強度分布に対応する。

非回折ビームの場合、特に材料と相互作用し、材料改質部を導入する高強度の領域と、改質閾値未満の領域とが存在する。この場合、半径方向に非対称な横断方向の強度分布は、改質閾値を上回る強度最大部に関係する。

例えば、送り方向が横断方向の強度分布の長軸に平行である場合、特に容易に大きいパルスの重なりを発生させることが可能であり、その結果として送り速度を上げることができる。結果として、分離プロセスは、より速く且つよりコスト効率がよくなる。

ワークピースの表面上への半径方向に非対称な横断方向の強度分布の投射において、第１の軸と第２の軸とは、作業角度の結果として同じ大きさを有するように見え得る。

作業角度でのワークピースの表面上への半径方向に非対称な横断方向の強度分布の数学的投射は、強度分布の歪みにつながり得る。したがって、本来楕円形の強度分布により、例えば円形の強度分布がワークピース上に作成され得る。しかしながら、特にまたそれによって達成され得るのは、本来円形の強度分布によってワークピースの表面上に楕円形の投射が実現されることである。結果として、作業角度でのワークピースの表面上への投射から生じる強度分布を有する材料改質部が材料に導入される。

しかしながら、投射により、半径方向に非対称な横断方向の強度分布の以前に選択した好ましい方向の歪みも生じる可能性があり、結果的に好ましい方向が実際に有効な強度分布から逸脱することになる。

したがって、一実施形態では、作業角度の結果として、半径方向に非対称な横断方向の強度分布が円形に見えることが好ましい。特に、本来楕円形の横断方向の強度分布の場合、これは、投射の結果として、楕円形の長軸Ａと短軸Ｂとが同じ大きさを有するように見えることを意味する。結果として、材料改質部を生じさせることに関して作用するのは、事実上、円形の強度分布となる。

ワークピースの表面上への半径方向に非対称な強度分布の投射は、送り方向に細長くなり得る。

結果として、ワークピースの表面上への強度分布の投射による歪みは、横断方向の強度分布の長軸が送り方向に向くように制御することができる。好ましい方向が送り方向に向き、結果的に分離線に平行に延びることにより、ワークピースを、結果として生じる材料改質エリアに沿って特に容易に且つ特に高品質で分離することが可能である。

材料改質エリアは、ワークピースの表面に対して、大きさの観点において最大３５°の角度で傾斜し得る。

スネルの法則によれば、周囲媒体の屈折率と作業角度の正弦との積は、材料の屈折率と屈折角の符号との積に一致する。したがって、屈折率に応じて、材料改質エリアがワークピースの表面に対して最大３５°傾斜するように作業角度を選択することができる。特に、角度指定は、材料改質部が位置する材料改質エリアに関連するため、この角度は、屈折角に直接対応することになる。

レーザパルスのパルスエネルギーは、１０μＪ～５０ｍＪであり得、及び／又は平均レーザ出力は、１Ｗ～１ｋＷであり得、及び／又はレーザパルスは、レーザバーストの個々のレーザパルス若しくは一部であり得、及び／又はレーザの波長は、３００ｎｍ～１５００ｎｍ、特に１０３０ｎｍであり得る。

これは、様々な材料に対して最適なレーザパラメータを提供することができる点で有利である。

例として、超短パルスレーザは、パルスエネルギーが１００μＪであり、平均レーザ出力が５Ｗであり、レーザの波長が１０３０ｎｍである個々のレーザパルスを提供し得る。

レーザバーストは、２～２０個のレーザパルスを含み得、レーザバーストのレーザパルスは、１０ｎｓ～４０ｎｓ、好ましくは２０ｎｓの時間間隔を有する。

例として、レーザバーストは、１０個のレーザパルスを含み得、レーザパルスの時間間隔は、２０ｎｓであり得る。この場合、レーザパルスの繰り返し周波数は、５０ＭＨｚである。この場合、レーザバーストは、１００ｋＨｚのオーダーである個々のレーザパルスの繰り返し周波数で放出され得る。

レーザバーストを使用することにより、材料固有の熱特性に対応することが可能であり、結果的に特に高い表面品質を備えた成形縁部を生じさせることが可能になる。

ワークピースの面法線に平行に延びる材料改質部は、第１の方法ステップでワークピースの材料に導入され得、及びワークピースの面法線に対してある角度で延びる材料改質部は、第２の方法ステップでワークピースの材料に導入され得、第２の方法ステップの材料改質エリアは、第１の方法ステップの材料改質エリアに交差し、及び分離工程は、第２の方法ステップに続いて実施される。

これに関連して、分離工程に続いてワークピースの外形寸法を決定することができる材料改質部は、第１の方法ステップによってワークピースの材料に導入される。分離工程による面取り部又は斜端部の作成に至る材料改質部は、第２の方法ステップによってワークピースの材料に導入される。

この場合、分離工程は、第１の方法ステップ後及び第２の方法ステップ後に実施され得、結果としてそれぞれ２回の改質工程及び２回の分離工程が必要とされる。しかしながら、切断部の長さ調整及び面削りのための材料改質部は、第１のステップでもワークピースの材料に導入され得、合同の分離工程で分離され得る。結果として、少なくとも１つの分離工程を効率的に利用することができ、結果として本方法を特に時間効率的に実施することができる。

入射レーザビームは、入射面に平行に偏光され得る。

周囲媒体からワークピースの材料に移行中のレーザビームの屈折は、作業角度及び屈折率のみに依存するわけではない。この場合、レーザビームの偏光も重要な役割を果たす。いわゆるフレネルの式を使用すると、１０°を超える入射角に関して、入射面に平行に偏光したレーザビームの材料の透過率は、入射面に対して垂直に偏光したレーザビームの透過率よりも常に大きいことを示すことが可能である。

特に、したがって、材料内で分離プロセスの最適なエネルギー収量を実現するために、ｐ偏光によってレーザビームの反射損失を最小限にすることが可能である。更に、レーザビームをブルースター角で入射させる場合、材料への特に有利なエネルギー入力結合を得ることができる。

上記の目的は、請求項１１の特徴を有する、ワークピースを分離するためのデバイスによっても達成される。有利な発展形態は、従属請求項、本明細書及び図面から明らかになる。

したがって、透明材料を含むワークピースを分離するためのデバイスであって、超短レーザパルスを提供するように構成された超短パルスレーザと、ワークピースの透明材料にレーザパルスを導入するように構成された加工光学ユニットと、レーザパルスで作られたレーザビーム及びワークピースを分離線に沿ってある送りで互いに対して移動させ、且つ加工光学ユニットの光軸をワークピースの表面に対してある作業角度で方向付けるように構成された送りデバイスとを含むデバイスが提案される。本発明によれば、レーザパルスは、ワークピースの透明材料にある作業角度で導入され、材料改質部は、ワークピースの材料の屈折率の変化に関連するタイプＩ及び／又はタイプＩＩの改質部である。

例として、加工光学ユニットは、光学イメージングシステムであり得る。例として、加工光学ユニットは、１つ又は複数の構成部品から構成され得る。例として、構成部品は、レンズ、又は光学イメージング自由曲面、又はフレネルゾーンプレートであり得る。加工光学ユニットにより、特に強度分布がワークピースの材料に導入される深さを決定することが可能である。ある意味で、これにより、ビーム伝播方向における焦点ゾーンの配置を設定することができる。例えば、加工光学ユニットを調整することにより、焦点ゾーンは、ワークピースの表面上に配置され得るか、又は好ましくはワークピースの材料内に配置され得る。例として、これにより、レーザビームが２つの隣接する側面を貫通し、結果的に分離工程によってワークピースの全エリアの分離を可能にする材料改質部の作成に至るように焦点ゾーンを設定することが可能になる。

例として、ワークピース上のレーザパルスの入射点を変化させるために、この場合、送りデバイスは、ＸＹステージ又はＸＹＺステージであり得る。この場合、送りデバイスは、材料改質部を分離線に沿って互いに隣接した状態でワークピースの材料に導入することができるように、ワークピース及び／又はレーザビームを移動させることができる。

送りデバイスは、ワークピースとレーザビームとが全てのオイラー角に関して互いに対して回転することができるように角度調整装置も有することができる。これにより、特に作業角度を分離線全体に沿って維持できるようにし得る。

特に、作業角度は、加工光学ユニットの光軸とワークピース材料の面法線との間の角度とも理解される。この場合、加工光学ユニットの光軸と面法線との間の作業角度は、例えば、０～６０°であり得る。

ビーム整形光学ユニットは、レーザビームから非回折レーザビームを整形することができ、非回折レーザビームの横断方向の強度分布は、半径方向に非対称であり得、半径方向に非対称な横断方向の強度分布は、第２の軸に比べて第１の軸において細長くなり得、及び第２の軸は、第１の軸に垂直である。

例として、ビーム整形光学ユニットは、回折光学素子（ＤＯＥ）、反射若しくは屈折実施形態の自由曲面又はアキシコン若しくはマイクロアキシコンの形態であり得るか、又は複数のこれらの構成部品若しくは機能の組み合わせを含み得る。ビーム整形光学ユニットが加工光学ユニットの上流のレーザビームから非回折レーザビームを整形する場合、加工光学ユニットの集光により、強度分布が材料に導入される深さを決定することが可能である。しかしながら、ビーム整形光学ユニットは、非回折レーザビームが加工光学ユニットによる結像によってのみ生成されるようにも構成され得る。

回折光学素子は、２次元において、入射レーザビームの１つ又は複数の特性に影響を及ぼすように構成される。回折光学素子は、入射レーザビームから非回折レーザビームの厳密に１つの強度分布を生成するために使用され得る固定構成要素である。典型的には、回折光学素子は、特別に形成された回折格子であり、入射レーザビームは、回折によって所望のビーム形状になる。

アキシコンとは、円錐形に研削加工された光学素子であり、入射したガウシアンレーザビームが通過するとき、入射したガウシアンレーザビームから非回折レーザビームを整形する。特に、アキシコンは、ビーム入射表面から円錐の側表面までにおいて計算される円錐角αを有する。結果として、ガウシアンレーザビームの周辺光線は、近軸光線と異なる焦点に屈折される。特に、これにより、ビーム伝播方向に細長い強度分布がもたらされる。

加工光学ユニットは、減少及び／又は増大した大きさを有するレーザビームをワークピースの材料に導入するように構成されたテレスコープシステムを含み得る。

レーザビーム又はその横断方向の強度分布の大きさの増加又は減少により、レーザビーム強度を大きい又は小さい焦点ゾーンに分布させることが可能になる。レーザエネルギーを大きい又は小さいエリアに分布させる結果として、強度を適応させ、特に増加及び／又は減少により、改質部タイプＩ、ＩＩ及びＩＩＩ間で選択することも可能である。

特に、半径方向に非対称な横断方向の強度分布を増加又は減少させることにより、ワークピースの材料により大きい又は小さい材料改質部を導入することも可能である。例えば、より小さい楕円形の横断方向の強度分布を材料に導入すると、それにより導入される材料改質部の曲率半径の減少を伴う。換言すると、サイズの減少の結果として、与えられる曲率がより急になる。これにより、ワークピースの材料内のクラック形成を促進することができる。更に、光学系は、サイズの増加又は減少により、所与の加工条件に合うように適合させることができ、結果的にデバイスをより柔軟に使用することができる。

送りデバイスは、軸デバイス及びワークピースホルダを含み得、これらは、加工光学ユニット及びワークピースを３つの空間軸に沿って並進的に、且つ少なくとも２つの空間軸の周りで回転的に互いに対して移動させるように構成される。

例として、軸デバイスは、５軸デバイスであり得る。例として、軸デバイスは、レーザビームをワークピース上に案内するか、又はレーザビームに対してワークピースを移動させるロボットアームでもあり得る。

分離線に沿って材料改質部を導入できるようにするために、レーザビームとワークピースとを互いに対して移動させる結果として、レーザビーム又はワークピースを局所的に同時に回転させて、分離線に対する作業角度を維持する必要がある。結果として、湾曲した分離線の場合、材料改質エリアは、ワークピースの表面に対して常に同じ角度を有し得る。

特に、このような軸デバイスは、同時に、半径方向に非対称な横断方向の強度分布を分離線に対して方向付けることも可能にし、その結果、好ましい方向が分離線に平行に延び、分離線に沿ってクラック形成を促進する材料改質部が生じる。

更に、ワークピースホルダが対応する数の軸の周りで移動可能である限り、軸デバイスは、５つ未満の可動軸も含み得る。例として、軸デバイスがＸＹＺ方向にのみ変位可能である場合、ワークピースホルダは、ワークピースをレーザビームに対して回転させるために例えば２つの回転シャフトを有し得る。

レーザビームのビーム成分は、ワークピースの面法線に対して８０°以下の入射角でワークピースに入射することができる。

加工光学ユニットの結果として、レーザパルスは、ワークピースの面法線に対して作業角度で方向付けられる光軸に収束する。この場合、光束の成分レーザ光は、加工光学ユニットの光軸に対する角度を含む。特に、これらの角度は、開口数の結果として、非常に大きい角度又は非常に小さい角度を含み得る。

レーザ光束のこれら包絡成分レーザ光がワークピースの表面上に８０°以下の角度で入射することにより、大きい反射損失を回避することが可能である。フレネルの式によれば、ワークピースの表面におけるレーザビームの反射率及び透過率は、入射角及び屈折率に依存する。レーザビームの微小角入射の場合、わずかなレーザ光のみが材料に入力結合できるいため、効果的に材料加工されない。更に、結果として非回折ビームの形状に悪影響を及ぼす可能性がある。

好ましくは偏光子及び波長板を含む偏光光学ユニットは、レーザビームの入射面に対するレーザビームの偏光を調整し、好ましくは前記偏光を入射面に平行に設定するように構成され得る。

波長板、特にいわゆる半波長板は、直線偏光の偏光方向を選択可能な角度で回転させることができる。結果として、レーザビームに所望の偏光を付与することが可能である。

例として、偏光子は、薄膜偏光子であり得る。薄膜偏光子は、特定の偏光を有するレーザ放射のみを透過させる。

したがって、レーザ放射の偏光状態は、波長板と偏光子との組み合わせによって常に制御され得る。

フレネルの式によれば、１０°を超える入射角に関して、透過率が、レーザビームが入射面に対して垂直に偏光された場合よりも常に大きい点において、入射面に平行なレーザビームの偏光が有利である。特に、平行偏光レーザビームの場合の透過率は、垂直偏光光の場合に比べて、より広い入射角範囲にわたってより一定且つ均一である。結果として、大きい開口数の加工光学ユニットを使用することも可能である。このプロセスでは、垂直偏光レーザビームの場合、ワークピースの表面で非対称なビームの反射が生じ、結果的に光学収差により材料改質部の品質、したがって分離面の品質が低下する。

ビーム案内デバイスは、ワークピースにレーザビームを案内するように構成され得、ビーム案内は、ミラー系及び／又は光ファイバ、好ましくは中空コアファイバによって実施される。

いわゆる自由ビーム案内では、ミラー系を使用して、様々な空間的次元内で静止超短パルスレーザからビーム整形光学ユニットにレーザビームを案内する。自由ビーム案内は、光路全体にアクセス可能であるため、例えば偏光子及び波長板などの更なる要素を問題なく設置することができる点で有利である。

中空コアファイバは、超短パルスレーザからビーム整形光学ユニットにレーザビームを柔軟に伝送することができるフォトニックファイバである。中空コアファイバの結果として、ミラー光学ユニットの調整を不要にすることができる。

制御電子機器は、レーザビームとワークピースとの相対位置により、超短パルスレーザのレーザパルス放出をトリガするように構成され得る。

湾曲した又は多角形の送り軌道の場合、送り速度の局所的な低減が有利な場合がある。しかしながら、レーザの繰り返し周波数が一定である場合、これは、材料改質エリアが均一に形成されず、その結果、分離工程中に一様な表面品質を得ることができないことに至る場合がある。このために、制御電子機器は、レーザビームとワークピースとの相対位置に基づいてパルス放出を制御することができる。

例として、送りデバイスは、送りデバイス及びレーザビームの位置を測定する空間解像エンコーダを含み得る。制御電子機器の適切なトリガシステムは、空間的情報に基づいて、超短パルスレーザにおけるレーザパルスのパルス放出をトリガし得る。

特に、コンピュータシステムを使用してパルスをトリガすることもできる。例として、材料の加工前に、各々の分離線に関するレーザパルス放出の位置を定義することができ、結果的に分離線に沿った材料改質部の最適な分布が保証される。

これによって達成されるのは、送り速度が変化する場合でも材料改質部の間隔が常に同じであることである。特に、これによって同じく達成されるのは、均一な分離面を生じさせることが可能であり、且つ面取り部又は斜端部が高い表面品質を有することである。

ワークピースホルダは、レーザビームを反射せず、且つ／又はそれを散乱させない表面を有し得る。

特に、これにより、レーザビームが材料内に再び案内され、材料を貫通後にそこで別の材料改質部が生じることを防止できる。特に、非反射性及び／又は非散乱性の表面により、作業時の安全性も高めることができる。

以下の図面を説明しながら、本発明の好ましい更なる実施形態をより詳細に説明する。

図１Ａ～図１Ｄは、本方法の概略図を示す。 図２Ａ～図２Ｃは、取り部構造及び斜端部構造の概略図を示す。 図３Ａ～図３Ｆは、面取り部構造及び斜端部構造の更なる概略図を示す。 図４Ａ及び図４Ｂは、非回折レーザビームの概略図を示す。 図５Ａ～図５Ｅは、非回折レーザビームの更なる概略図を示す。 図６は、材料改質部の概略図を示す。 図７Ａ及び図７Ｂは、材料表面上へのビーム投射の概略図を示す。 図８Ａ～図８Ｄは、材料表面上へのビーム投射の更なる概略図を示す。 図９は、透過率を偏光及び作業角度の関数として示すグラフを示す。 図１０は、本方法を実施するためのデバイスの概略図を示す。 図１１Ａ～図１１Ｃは、本方法を実施するためのデバイスの更なる概略図を示す。

以下では、図面を参照して好ましい例示的な実施形態を説明する。この場合、異なる図面において、同一の、類似の又は同じ効果を有する要素に同一の参照符号が付与され、冗長性を回避するために、これら要素を繰り返し説明することは、場合により省略される。

図１は、透明材料を含むワークピース１を分離する方法を概略的に示す。図１Ａは、超短パルスレーザ２のレーザビーム２０が入射するワークピース１の断面図を示す。この場合、レーザビーム２０は、以下に示される加工光学ユニット３の光軸に対応する作業角度αでワークピース１上に導入される。

ワークピース１内に移行中、レーザビーム２０は、スネルの法則に従ってワークピース１の表面１０で屈折し、したがって、レーザビーム２０は、面法線Ｎに対して角度βでワークピース１の材料中を伝播し続ける。ワークピース１の材料は、レーザビーム２０によってワークピース１にレーザパルスが導入された結果として、レーザビーム２０の焦点ゾーン２２０内で加熱され、好ましくは熱の蓄積によって加熱される。この場合、レーザビームの焦点ゾーンにあるワークピース１の材料が溶融し、ワークピース１の材料は、新たな冷却中、元の状態に対して異なる屈折率を有する。焦点ゾーン２２０内におけるワークピース１の材料の改質部は、材料改質部５と称され、この材料改質部５は、特にタイプＩ又はタイプＩＩの材料改質部である。材料改質部５の結果、ワークピース１の材料は、目的の方法で弱化され、その結果、分離工程によって材料１の目的の分離が可能になる。

この場合、レーザパルスのパルスエネルギーは、１０μＪ～５０ｍＪであり得、及び／又は平均レーザ出力は、１Ｗ～１ｋＷであり得、及び／又はレーザパルスは、レーザバーストの個々のレーザパルス若しくは一部であり得、及び／又はレーザの波長は、３００ｎｍ～１５００ｎｍであり得る。更に、レーザバーストは２～２０個のレーザパルスを含み、レーザバーストのレーザパルスは、１０ｎｓ～４０ｎｓ、好ましくは２０ｎｓの時間間隔を有する場合がある。

図１Ｂに示されるように、超短パルスレーザ２がレーザパルスを放射する間、レーザビーム２０及びワークピース１は、送りＶで互いに対して移動される。この送りＶは、上面１０上のいずれの箇所でワークピース１が分離されることになるかを決定する分離線４に沿って案内される。レーザビーム２０は、ワークピース１の材料内を角度βで伝播するため、材料改質部５も同様にワークピース１の材料内に角度βで導入される。特に、材料改質部５は、焦点ゾーン２２０の範囲及び形態又は強度分布に応じて、特にビーム伝播方向に細長い異なる形状になり得る。

ビーム伝播方向に細長い材料改質部５の場合、いわゆる材料改質エリア５０（この範囲内に材料改質部５が位置する）は、レーザビーム２０の同時送りＶによってワークピース１の材料内に生成される。この場合、材料改質エリア５０は、好ましくは、ワークピースの材料１に均一に導入され、これは、材料１におけるレーザパルスの十分なパルスの重なりによって得ることができる。ワークピース１は、材料改質エリア５０を介して、いわゆるバルクワークピース１’と、いわゆる切断部１２とに分離される。例として、材料改質エリア５０は、ワークピース１の表面１０に対して、大きさの観点において最大３５°の角度βで傾斜し得る。

ワークピース１の材料は、材料改質エリア５０内の材料改質部５によって目的の方法で弱化され、ワークピース１と切断部１２とがこの材料改質エリア５０に沿って特に容易に互いに分離され得ることになる。

実際の分離は、特定の分離工程によって実現され得る。例として、切断部１２は、切断部１２に対する化学作用によってあるエリアにわたってバルクワークピース１’から分離され得る。例として、図１Ｃに示されるように、切断部１２は、化学浴においてバルクワークピース１’から分離され得る。例として、導入された材料改質部５は、エッチング液の影響を特に受けやすいため、材料改質エリア５０のエッチング手順によってバルクワークピース１’から切断部１２を分離する場合がある。したがって、材料改質部５は、選択的にエッチングされているとも言える。

上記の分離工程の結果として、図１Ｄに示されるようないわゆる面取り部及び／又は斜端部がバルクワークピース１’上に作成される。ワークピース１の成形縁部としてワークピース１をトリミングすることも同様に知られている。面取り部又は斜端部は、屈折角βがレーザビーム２０の作業角度α、周囲媒体の屈折率及びワークピース１の屈折率から生じ、したがって材料改質部５及び最終的に面取り部又は斜端部のアライメントも同様に生じるように材料改質エリア５０によって形成される。

成形縁部１４を生じさせるために、材料改質部５が、面削りすべき縁部を形成するワークピース１の側面を貫通すると有利である。例として、図１Ａの側面１０及び側面１１は、面削りすべき縁部１１０を形成する。特に、ワークピース１の側面１０及び側面１１は、交差する空間的平面内にあり、平面の交差線は、正にワークピース１の縁部１１０である。

図２Ａ～図２Ｃは、材料の可能な異なる成形縁部を示す。図２Ａにおいて、材料改質エリア５０は、面取り部の高さが側面１１の高さよりも小さく、面取り部の幅が側面１０よりも小さい状態でワークピース１を横断している。したがって、面削りの結果として、縁部１１０は、２つの縁部１１０’及び縁部１１０’’に置き換えられる。結果として、特に元の縁部１１０が鈍化又は平坦化する。

図２Ｂにおいて、材料改質エリア５０は、切断部１２の高さが側面１１の高さに一致し、材料改質エリア５０と、ワークピース１の下面１３と側面１１とによって形成される縁部１３０とが重なる状態でワークピース１を横断している。この例では、縁部の数は、一定のままであるが、側面１３と側面１１とが接する角度は、より鋭くなる。したがって、斜端部１２を形作ることにより、ワークピース１を鋭利化及び／又は尖鋭化することができる。

図２Ｃにおいて、材料改質エリア５０は、材料改質エリアがワークピース１の上面１０と下面１３の両方に交差する状態でワークピース１を横断している。結果として、ワークピース１の長手方向範囲が全体的に減少し、ワークピース１は、同様に図２Ｂに示されるように鋭利化される。

示されるいずれの場合でも、切断部１２のいわゆる斜辺Ｈは、材料内の材料改質部の長さによって与えられる。

これまでの説明が直方体の分離に限定されている場合でも、丸い材料１又は丸みを帯びた材料も本方法によって分離することができる。例として、図３Ａ、図３Ｂは、円盤の形態のワークピース１を示す。いわゆる入射面は、作業角度αで入射するレーザビーム２０と、角度βで屈折するレーザビーム２０とによって画定される。この入射面内では、上記の説明の一語一句が採用され得る。

図３Ｃは、図３Ａ、図３Ｂの円盤を面削りすると円錐状にテーパした要素になり、結果的に、導入される材料改質部５が、非常に異なる形態の成形縁部を生じさせることを可能にすることを更に示す。

図３Ｄに更なる例が示される。材料改質部５は、ワークピース１の周囲全体に導入され、分離線４は、湾曲しており、入射面の作業角度αは、常に一定に保たれる。結果として、分離工程後、高い光学品質を有する、丸みを帯びた面取り部又は斜端部が生じる。

図３Ｅに更なる例が示される。図３Ｄとは対照的に、この場合、丸みを帯びた分離線４は、使用されていない。ワークピース１は、４つの側面の全てで連続的に面削りされ、結果として、分離工程後、ワークピース１の隅部に結晶形状の面取り部が生じる。したがって、本方法は、ワークピース１に特に高い品質の外観を与えることにも適している。

図３Ｆは、図３Ｄ及び図３Ｆの材料１の断面図を示す。この断面図は、面取り部１４の形成を明確に示す。

いわゆる非回折レーザビーム２０は、少なくとも部分的にワークピース１を貫通する、特に単純な材料改質部５を生じさせるのに適している。非回折ビーム２０は、ビーム伝播方向に長さＬの細長い焦点ゾーン２２０を有することが好ましい。焦点ゾーン２２０の長さＬが切断部１２の所望の斜辺Ｈの長さよりも大きいことにより、ワークピース１を特に容易に且つ効果的に面削りすることができる。

図４Ａは、ビーム整形光学ユニットによって加工されたレーザビーム２０を概略的に示す。レーザビーム２０の成分レーザ光２００は、光軸３０に対して角度α’でワークピース１上に入射し、各成分レーザ光２００は、光軸３０に対するその角度α’に従って屈折する。しかしながら、全体的に、この例におけるレーザビーム２０の光軸３０は、ワークピース１の表面１０に対して垂直であるため、結果的に、作業角度は、０°である。ワークピース１では、成分レーザ光２００は、重畳されて、長さＬの細長い焦点ゾーン２２０を有する非回折ビームを形成する。

レーザビーム２０の斜め入射の場合、すなわち非ゼロの作業角度αの場合、ビームの上半分がワークピース１に角度α＋α’で入射し、ビームの下半分経路がワークピース１に角度α－α’で入射するため、材料中に収差が生じる。結果として、作業角度α＝１５°に関して図４Ｂに示されるように、焦点ゾーン２２０は、短縮するか又は歪み得る。しかしながら、収差補正を伴わないレーザビームが使用される場合でも、本方法の範囲内において、面取り部及び／又は斜端部の斜辺Ｈが５０μｍ～５００μｍ、好ましくは１００μｍ～２００μｍの材料改質部５を生じさせることができる。

図５Ａは、非回折レーザビーム２０の焦点ゾーン２２０の横断方向の強度分布を示す。非回折レーザビーム２０は、いわゆるベッセルガウスビームであり、ｘｙ平面における横断方向の強度分布は、半径方向に対称であるため、非回折レーザビーム２０の強度は、光軸３０からの半径方向距離のみに依存する。特に、横断方向の強度分布の直径は、０．２５μｍ～１０μｍである。図５Ｂは、長手方向のビーム断面、すなわち長手方向の強度分布を示す。長手方向の強度分布は、約３ｍｍの大きさを有する高強度の細長い領域を有する。したがって、焦点ゾーン２２０の長手方向範囲は、横断方向範囲よりも大幅に大きい。

図５Ａと同様に、図５Ｃは、半径方向に非対称な横断方向の強度分布を有する非回折レーザビームを示す。特に、横断方向の強度分布は、ｙ方向に伸びており、事実上、楕円形に見える。図５Ｄは、焦点ゾーン２２０がこの場合にもＬ＝３ｍｍの範囲を有するレーザビーム２０の長手方向の強度分布を示す。図５Ｅは、様々な成分レーザ光２００の重置によって生じた様々な強度最大部を有する、図５Ｃの横断方向の強度分布の拡大部を示す。特に、焦点ゾーン２２０は、垂直方向Ｂに対して水平方向Ａに著しく細長く、この２つの方向は、互いに垂直である。

このような焦点ゾーン２２０を有するレーザビーム２０がワークピース１に導入された場合、結果として生じる材料改質部５は、図６に示されるように、焦点ゾーン２２０と同じ形状を有することになる。しかしながら、材料改質部は、特に均一な材料改質エリア５０が生じるように重複して材料１に導入される。

円形の又は半径方向に非対称な横断方向の強度分布を有するレーザビーム２０をワークピース１の表面１０上に作業角度αで投射した場合、これにより入射面内で強度分布の歪みが生じる。これは、図７に示されている。レーザビーム２０は、図７Ａ、図７Ｂの半径方向に非対称な横断方向の強度分布でワークピース１の表面１０に入射する。例として、短軸Ｂは、入射面にあり得る一方、ビームプロファイルの長軸Ａは、送り方向Ｖに平行である。しかしながら、表面１０上に短軸Ｂを投射した結果として、短軸Ｂの強度は、長さＢ／ｃｏｓαにわたって分布し、したがって、短軸Ｂは、投射の結果として作業角度の増加とともに長くなる。特に、結果として、短軸Ｂの投射が長軸Ａの長さに対応するケースを達成することが可能である。それ以上に、不都合なことに、送り速度は、適合されなければならない。例として、作業角度が４５°の場合、短軸は、√２Ｂに増大する。したがって、投射前にＡ／Ｂ比が√２よりも大きい場合、投射中に分離線４に対する長軸Ａの向きが維持される。

図８は、投射の影響に関する更なる例を示す。図８Ａは、ワークピース１の表面１０上への垂直入射の場合の図５Ａのベッセルガウスビームを示す。図８Ｂに示されるような非ゼロの作業角度αの場合、ワークピース１の表面１０上の半径方向に対称な強度分布は、１つの方向に細長い強度分布になり、結果として生じる材料改質部５は、好ましい方向を有することになる。したがって、材料改質部５の好ましい方向は、ワークピース１の表面１０上へのレーザビーム２０の投射によって設定又は調整することができる。図８Ｃは、図５Ｃのベッセルビームを示す。長軸Ａのアライメントは、ワークピース１の表面１０上への投射によって維持され、結果として生じる材料改質部５のクラックの伝播の好ましい方向の向きに変化はない。この場合、Ａ／Ｂは、作業角度αの余弦の逆数よりも小さい。

特に、レーザビーム２０は、反射損失を最小限にするために、偏光させる、好ましくは入射面に平行に偏光させることができる。この点において、図９は、フレネルの式に従い、入射面に対して平行及び垂直な偏光の場合におけるワークピース１中のレーザ放射の透過率を示す。特に、作業角度αは、Ｘ軸に沿ってプロットされているが、図４Ａによる成分レーザ光２００は、光軸３０に対して収束角α’を有する。

例として、作業角度α＝５０°及び収束角α’＝２０°の場合、成分レーザ光２００は、α－α’＝３０°～α＋α’＝７０°の角度範囲でワークピース１の表面１０上に入射する。結果として、平行入射の場合の透過率は、９６％～９４％の範囲であるが、垂直入射の場合、透過率は、９５％～７０％で変化する。したがって、入射面に対して垂直に偏光したレーザビーム２０の変動は、入射面に平行に偏光した光の変動よりもはるかに顕著である。したがって、反射損失を低減するために、成分レーザ光２００が面法線Ｎに対して８０°未満の角度でワークピース１上に入射すると特に有利である。

図１０は、本方法を実施するためのデバイスの一実施形態を示す。この場合、レーザパルスは、超短パルスレーザ２によって提供され、偏光光学ユニット３２を介して、ビーム整形光学ユニット３４を介して方向制御される。レーザビーム２０は、ビーム整形光学ユニット３４からテレスコープシステム３６を介してワークピース１上に方向制御され、加工光学ユニット３の光軸３０は、ワークピース１の面法線Ｎに対して作業角度αで方向付けられる。

この場合、偏光光学ユニット３２は、超短パルスレーザ２によって放出されたレーザビーム２０を、前記レーザビームが明確に定義された偏光のみを有するように偏光させる偏光子を含み得る。次いで、好ましくは入射面に平行な偏光を有するレーザビーム２０がワークピース１に導入され得るように、後続の半波長板は、最終的にレーザビーム２０の偏光を回転させることができる。

示される例では、ビーム整形光学ユニット３４は、入射レーザビーム２０を非回折レーザビームに整形するためのアキシコンである。しかしながら、アキシコンは、非回折ビームを生成するための他の要素で置き換えられ得る。アキシコンは、好ましくは、コリメートされた入力ビームから、円錐状に細くなるレーザビーム２０を生成する。これに関連して、ビーム整形光学ユニット３４は、半径方向に非対称な強度分布を入射レーザビーム２０に与えることもできる。最終的に、レーザビーム２０は、ここで、２つのレンズ３６０、３６２から構成されるテレスコープ光学ユニット３６を介してワークピース１に結像することができ、この結像は、拡大結像又は縮小結像となり得る。テレスコープ光学ユニット３６の一部、特にレンズ３６０は、ビーム整形光学ユニット３４にも組み込むことができる。例として、屈折自由曲面又は球状に研磨された裏面を有するアキシコンは、レンズ３６０のレンズ機能とビーム整形光学ユニット３４のビーム整形機能の両方を組み込み得る。

図１１Ａは、加工光学ユニット３及びワークピース１を３つの空間軸に沿って並進的に、且つ２つの空間軸の周りで回転的に移動させるように構成された送りデバイス６を示す。超短パルスレーザ２のレーザビーム２０は、加工光学ユニット３によってワークピース１上に方向制御される。この場合、ワークピース１は、送りデバイス６の支持面上に配置され、支持面は、好ましくは、材料によって吸収されなかったレーザエネルギーを吸収せず、また前記レーザエネルギーを再びワークピース１に著しく反射させない。

特に、レーザビーム２０は、ビーム案内デバイス３８を介して加工光学ユニット３に入力結合され得る。この場合、ビーム案内デバイスは、図１１Ａに示されるように、レンズ及びミラー系を有する自由空間経路であり得る。しかしながら、ビーム案内デバイス３８は、図１１Ｂに示されるように、入力結合及び出力結合光学ユニットを有する中空コアファイバでもあり得る。

図１１Ａの本例では、レーザビーム２０は、ミラー構造によってワークピース１の方向に方向制御され、加工光学ユニット３によってワークピース１に導入される。レーザビーム２０は、ワークピース１に材料改質部５を生じさせる。加工光学ユニット３は、例えば、レーザビーム２０の横断方向の強度分布の好ましい方向又は対称軸を送り軌道、したがって分離線４に適合させることができるように、送りデバイス６を用いて材料に対して移動及び調整され得る。

この場合、送りデバイス６は、レーザビーム２０が所望の分離線４に沿って材料改質部５を導入するように、ワークピース１をレーザビーム２０下において送りＶで移動させることができる。特に、示される図１１Ａにおいて、送りデバイス６は、第１の軸システム６０を含む。第１の軸システム６０により、ワークピース１をＸＹＺ軸に沿って移動させることができ、任意選択的に回転させることができる。特に、送りデバイス６は、ワークピース１を保持するように構成されたワークピースホルダ６２も含み得る。任意選択的に、ワークピースホルダは、同様に、ビーム伝播方向に対して垂直な、半径方向に非対称な横断方向の強度分布の長軸を、常に分離線４に対して接線方向に方向付けることができるように運動の自由度を有し得る。

この目的のために、送りデバイス６は、制御電子機器６４にも接続され得る。制御電子機器６４は、デバイスのユーザのユーザコマンドを送りデバイス６の制御コマンドに変換する。特に、所定の切断パターンを制御電子機器６４のメモリに格納することができ、プロセスを制御電子機器６４によって自動的に制御することができる。

制御電子機器６４は、特に超短パルスレーザ２にも接続され得る。これに関連して、制御電子機器６４は、レーザパルス又はレーザパルス列の放出を要求又はトリガすることができる。制御電子機器６４は、他の指定された構成要素にも接続することができ、したがって材料の加工を調整することができる。

特に、このようにして位置制御パルストリガを実現することができ、例えば送りデバイス６の軸エンコーダ６００が読み取られ、軸エンコーダ信号は、制御電子機器６４によって位置指定として解釈される。したがって、制御電子機器６４は、例えば、移動経路の長さを加算する内部加算器ユニットがある値に達し、この値に達した後に０にリセットされた場合、レーザパルス又はレーザパルス列の放出を自動的にトリガすることが可能である。したがって、例えば、レーザパルス又はレーザパルス列を規則的な間隔でワークピース１に自動的に放出することができる。

制御電子機器６４において送り速度Ｖ及び送り方向、したがって分離線４も処理できることにより、レーザパルス又はレーザパルス列の自動放出を行うことができる。

制御電子機器６４は、測定された速度及びレーザ２によって提供される基本周波数に基づいて、レーザパルス列又はレーザパルスが放出されるべき距離又は位置を計算することもできる。特に結果として達成され得るのは、材料改質部５が可能な限り均一な材料改質エリア５０を形成することである。

レーザパルス又はパルス列の放出が位置制御下で実施されることにより、分離プロセスの複雑なプログラミングを不要にできる。更に、自由に選択可能なプロセス速度を容易に実装することができる。

図１１Ｃは、同様に、ワークピース１に材料改質部５を導入する目的で加工光学ユニットが５軸アームを介してワークピース１上で案内される送りデバイス６を示す。回転アームの組み合わせにより、加工光学ユニットを３つの空間軸に沿って移動させること及び２つの空間軸の周りで回転させることが可能である。

適用可能な限り、例示的な実施形態に提示される全ての個々の特徴は、本発明の範囲から逸脱することなく、互いに組み合わされ得、且つ／又は相互に交換され得る。

１ ワークピース
１’ バルクワークピース
１０ 表面
１１ 上面
１１０ 縁部
１２ 切断部
１３ 下面
１３０ 縁部
１４ 成形縁部、面取り部、斜端部
２ 超短パルスレーザ
２０ レーザビーム
２００ 成分レーザ光
２２０ 焦点ゾーン
３ 加工光学ユニット
３０ 光軸
３２ 偏光光学ユニット
３４ ビーム整形光学ユニット
３６ テレスコープ
３８ ビーム案内デバイス
３６０ 第１のレンズ
３６２ 第２のレンズ
４ 分離線
４０ 化学浴
４２ ホットプレート
５ 材料改質部
５０ 材料改質エリア
６ 送りデバイス
６０ 軸デバイス
６２ ワークピースホルダ
６４ 制御電子機器
α 作業角度
β 屈折角
Ａ 第１の軸
Ｂ 第２の軸
Ｎ 面法線
Ｖ 送り
Ｈ 斜辺

Claims (12)

1. 透明材料を有するワークピース（１）を分離する方法であって、超短パルスレーザ（２）からの超短レーザパルスは、分離線（４）に沿って前記ワークピース（１）の前記透明材料に材料改質部（５）を導入するために使用され、及び前記ワークピース（１）の材料は、その後、分離工程において、結果として生じた材料改質エリア（５０）に沿って分離され、
   レーザパルスは、前記ワークピース（１）上に作業角度（α）でもたらされ、前記材料改質部（５）は、前記ワークピース（１）の前記材料の屈折率の変化に関連するタイプＩ及び／又はタイプＩＩの改質部であり、前記材料改質部（５）は、交差する平面内にある前記ワークピース（１）の２つの面を貫通し、前記分離工程は、面取り部及び／又は斜端部を生じさせ、及び前記面取り部（１４）及び／又は斜端部（１４）の斜辺（Ｈ）の長さは、５０μｍ～５００μｍである、方法において、
   レーザビーム（２０）は、非回折レーザビーム（２０）であり、かつ半径方向に非対称な横断方向の強度分布（２２０）を有し、前記横断方向の強度分布（２２０）は、第２の軸（Ｂ）に比べて第１の軸（Ａ）の方向に細長く見え、前記第２の軸（Ｂ）は、前記第１の軸（Ａ）に垂直であり、前記材料（１）上への前記半径方向に非対称な横断方向の強度分布（２２０）の投射は、送り方向（Ｖ）に細長いことを特徴とする方法。
2. 前記材料改質部は、熱の蓄積によって前記材料に導入されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記分離工程は、機械的分離及び／又は化学的分離工程を含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記面取り部（１４）及び／又は斜端部（１４）の前記斜辺（Ｈ）の前記長さは、１００μｍ～２００μｍであることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記レーザパルスのパルスエネルギーは、１０μＪ～５ｍＪであること、及び／又は平均レーザ出力は、１Ｗ～１ｋＷであること、及び／又は
   前記レーザパルスは、個々のレーザパルス又はレーザバーストの一部であり、レーザバーストは、２～２０個のレーザパルスを含み、及び前記レーザバーストの前記レーザパルスは、１０ｎｓ～４０ｎｓの時間間隔を有すること、及び／又は
   前記レーザの波長は、３００ｎｍ～１５００ｎｍ、特に１０３０ｎｍであることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記材料（１）の面法線（Ｎ）に平行に延びる材料改質部（５）は、第１の方法ステップで前記材料（１）に導入され、
   前記材料（１）の前記面法線（Ｎ）に対してある角度で延びる材料改質部（５）は、第２の方法ステップで前記材料（１）に導入され、
   前記第２の方法ステップの前記材料改質エリア（５０）は、前記第１の方法ステップの前記材料改質エリア（５０）と交差し、
   前記分離工程は、前記第２の方法ステップ後に実施されることを特徴とする、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。
7. 入射する前記レーザビーム（２０）は、入射面に平行に偏光されることを特徴とする、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。
8. 透明材料を含むワークピース（１）を分離するためのデバイスであって、超短レーザパルスを提供するように構成された超短パルスレーザ（２）と、ワークピースホルダ（６２）を有する送りデバイス（６）と、前記ワークピースホルダ（６２）に保持された、透明材料を含むワークピース（１）と、加工光学ユニット（３）とを含み、前記加工光学ユニット（３）は、レーザパルスを前記ワークピース（１）の材料に導入するように構成されており、前記送りデバイス（６）は、レーザパルスで作られたレーザビーム（２０）及び前記ワークピース（１）を分離線（４）に沿って送り（Ｖ）で互いに対して移動させ、且つ前記加工光学ユニット（３）の光軸（３０）を前記ワークピース（１）の表面（１０）に対して作業角度（α）で方向付けるように構成されており、
   前記レーザパルスは、前記ワークピース（１）に前記作業角度（α）で導入され、材料改質部（５）は、前記ワークピース（１）の前記材料の屈折率の変化に関連するタイプＩ及び／又はタイプＩＩの改質部であり、前記材料改質部（５）は、交差する平面内にある前記ワークピース（１）の２つの面を貫通し、かつ分離工程は、面取り部及び／又は斜端部を生じさせ、及び前記面取り部（１４）及び／又は斜端部（１４）の斜辺（Ｈ）の長さは、５０μｍ～５００μｍである、デバイスにおいて、
   前記デバイスのビーム整形光学ユニット（３４）は、前記レーザビーム（２０）から非回折レーザビーム（２０）を整形し、前記非回折レーザビーム（２０）の横断方向の強度分布（２２０）は半径方向に非対称であり、前記半径方向に非対称な横断方向の強度分布（２２０）は、第２の軸（Ｂ）に比べて第１の軸（Ａ）の方向に細長くなっており、前記第２の軸（Ｂ）は、前記第１の軸（Ａ）に垂直であり、前記材料（１）上への前記半径方向に非対称な横断方向の強度分布（２２０）の投射は、送り方向（Ｖ）に細長いことを特徴とするデバイス。
9. － 前記加工光学ユニット（３）は、減少及び／又は増大した大きさを有する前記レーザビーム（２０）を前記ワークピース（１）に導入するように構成されたテレスコープシステム（３６）を含むこと、及び／又は
   － 前記送りデバイス（６）は、前記加工光学ユニット（３）及び前記ワークピース（１）を３つの空間軸に沿って並進的に、且つ少なくとも２つの空間軸の周りで回転的に互いに対して移動させるように構成される軸デバイス（６０）及び前記ワークピースホルダ（６２）を含むことを特徴とする、請求項８に記載のデバイス。
10. － 前記加工光学ユニット（３）の前記作業角度（α）は、０～６０°であること、及び／又は
    － 前記レーザビーム（２０）の成分レーザ光（２００）は、前記ワークピース（１）の面法線（Ｎ）に対して８０°以下の入射角で前記ワークピース（１）に入射することを特徴とする、請求項８又は９に記載のデバイス。
11. 前記レーザビーム（２０）の入射面に対する前記レーザビーム（２０）の偏光を調整し、前記偏光を前記入射面に平行に調整するように構成された偏光子及び波長板を含む偏光光学ユニット（３２）が設けられていることを特徴とする、請求項８～１０のいずれか一項に記載のデバイス。
12. － ビーム案内デバイス（３８）は、前記レーザビーム（２０）を前記ワークピース（１）に案内するように構成され、ビーム案内は、ミラー系及び／又は光ファイバによって実施されること、及び／又は
    － 制御電子機器（６４）は、レーザビーム（２０）とワークピース（１）との相対位置により、前記超短パルスレーザ（２）のレーザパルス放出をトリガするように構成されること、及び／又は
    － 前記ワークピースホルダ（６２）は、前記レーザビーム（２０）を反射せず、且つ／又はそれを散乱させない表面を有することを特徴とする、請求項８～１１のいずれか一項に記載のデバイス。

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