JP2017507878A - ３ｄ成形透明脆性基板の加工 - Google Patents

Abstract

強化型又は非強化型Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｇｏｒｉｌｌａ（登録商標）ガラス（全てのコード）から形成された基板において、特に関心が持たれている成形された３Ｄの薄型透明脆性基板の任意の形状を切断及び分離するための方法を提供する。開発したレーザ法は、パネルからのパーツの手動分離、又は所望のプロファイルに熱応力を印加することによる完全にレーザによる分離のために調整できる。本方法を用いて、曲率半径が小さい３Ｄ表面を形成できる。本方法は超短パルスレーザの利用を伴い、これに続いて完全な自動分離のためにＣＯ２レーザを任意に用いてよい。

Description

関連出願

本出願は、２０１３年１２月１７日出願の米国仮特許出願第６１／９１７１２７号、２０１４年７月１５日出願の米国仮特許出願第６２／０２４５８１号、及び２０１４年９月５日出願の米国仮特許出願第６２／０４６３６０号の利益、並びに２０１４年１０月３１日出願の米国特許出願第１４／５３０３７９号の利益を主張するものであり、これらの出願の開示全体は参照により本出願に援用される。

本開示は、３Ｄ成形透明脆性基板の加工に関する。

消費者向け電子製品の次世代の潮流は、ソフトウェア及びハードウェア面での革新だけでなく、設計及び機能面での魅力を有する変化をも取り入れたものである。何らかの形態の３次元（３Ｄ）ガラスパーツが組み込まれた新規の製品が定期的に発表及び発売されている。いくつかの例としては、可撓性であるか又は屈曲形状を有する湾曲ＬＣＤ ＴＶスクリーン、湾曲スマートフォン及びウェアラブルガジェット（腕時計型携帯電話、腕時計等）が挙げられる。これらのタイプのデバイスの設計の他の要素は、従来の平坦なガラスカバープレートから、異なるスタイルの３次元湾曲表面となった、裏蓋である。これらの革新により、常に掻き傷及び衝撃に対する耐性を有する必要がある、ガラス製のこれらの３Ｄパーツの製造プロセスに、新たな課題がもたらされる。

殆どの製造ラインが平坦な２次元パーツの取り扱いのために設計されたものであるため、複数の異なる形状を形成することの難しさは大幅に増大している。一般にこれらの３Ｄパーツは熱間打ち抜き加工されて所望の形状に形成され、大きな困難の１つとしては、熱成形された大型のパーツから上記パーツを切り離して最終的な仕上げ済み製品とすることがある。既存の製造ラインにおいて利用される技術によっては、上記製造ラインを３Ｄ形状の加工に適合させるための第１のステップは、上記製造ラインに必要な性能を追加導入することである。例えばＣＮＣ機械加工は、より複雑な形状の加工を可能とするために５軸の工具の運動を必要とし得る。同様に、レーザ、アブレシブウォータージェット、罫書き及び破断といった他の技術全てを、３次元の片の特徴部分のうちのいくつかに切断、フライス削り、穿孔及び仕上げを施すために適合させる必要がある。

２Ｄから３Ｄ加工への移行の複雑さに追加される他の課題は、材料に関するものである。３Ｄのパーツでは、湾曲、屈曲及び折り返しが機械的応力の蓄積の源となり、これはパーツの熱形成後のパーツの加工に大きな影響を与え得る。例えばパーツを大型ガラスプレートから熱間打ち抜き加工する際、マトリクスからの切断及び切り離しが必要となり、パーツの形状によっては、湾曲したパーツ上に蓄積された残留応力が、工具との接触時にパーツの粉砕を容易に誘起し得る。

ガラスを切断及び分離するためには、縁部形状と同じ数だけ異なる方法が存在する。ガラスは、機械的に（ＣＮＣ機械加工、アブレシブウォータージェット、罫書き及び破断等）、電磁照射（レーザ、放電、ジャイロトロン等）及び多くの他の方法を用いて、切断できる。より慣用的かつ一般的な方法（罫書き及び破断、又はＣＮＣ機械加工）は、異なるタイプ及びサイズの欠陥を有する縁部を生成する。また、縁部が表面に対して完璧に垂直ではないことが見受けられることも一般的である。欠陥を排除し、強度が改善されたより平らな表面を縁部に与えるために、縁部を摩砕することが多い。摩砕プロセスは、縁部材料の摩擦による除去を伴い、これは縁部に所望の仕上げを与えることができ、また縁部の形状を成形することもできる（ブルノーズ形状、面取り、鉛筆状等）。摩砕及び研磨ステップを可能とするために、パーツを最終的な所望の寸法より大きく切断する必要がある。

材料のレーザ加工の分野は、切断、穿孔、フライス削り、溶接、溶融等を伴う広範な用途、及び複数の異なるタイプの材料を包含する。これらの用途のうち特に関心が高いのは、異なる複数のタイプの基板の切断又は分離である。しかしながら、既存のレーザ技術及び工具の全てが、精密な切断及び仕上げに適しているわけではない。融除プロセス等、多くは研削が過剰となり、多くの欠陥及び微小割れを残す。上述のように、欠陥及び微小割れは、比較的弱い縁部及びパーツをもたらし、パーツが所望の寸法に仕上がるまでの摩砕及び研磨ステップを可能とするために、大型の基板を必要とする。その結果、現在市場で実施されている方法に比べてより迅速かつ清浄かつ安価で、反復可能性及び信頼性がより高い、３Ｄガラス形状切断及び抜き出し方法に対して多大な関心がある。

本出願は、強化ガラス又は非強化ガラスにおいて、特に関心が持たれている成形された３Ｄの薄型透明脆性基板の任意の形状を切断及び分離するためのプロセスを記載する。本方法により、後加工仕上げステップを必要とすることなく、３Ｄパーツをその最終形態に切断して抜き出すことができる。本方法は、（例えば化学的にイオン交換された若しくは熱強化された）強化型又は非強化型（原料ガラス）の３Ｄのパーツに適用できる。

本プロセスは、破片が無視できる程度しかなく、欠陥が最小であり、また縁部への表面下損傷が少ない状態で、制御可能な様式でパーツを分離し、これによりパーツの強度が保持される。本レーザ法は、選択されたレーザ波長に対して透過性の材料に好適である厚さ０．５５ｍｍのガラスのシート、例えば成形されたＣｏｒｎｉｎｇ Ｇｏｒｉｌｌａ（登録商標）ガラス、例えばガラスコード２３１９を用いて、本方法を実証した。

本プロセスにおいて、基板材料に垂直な欠陥線を生成するために、超短パルスレーザを使用する。一連の欠陥線は、形状の所望の輪郭を描く断層線を生成し、割れ伝播のための、耐性が最低となった経路を確立し、上記経路に沿って、その基板マトリクスからの上記形状の分離及び取り外しが発生する。このレーザ分離法は、元の基板からの３Ｄ形状の手動分離、部分的分離又は完全な分離を可能とするよう調整及び構成できる。

第１のステップでは、加工対象の物体（基板）に超短パルスレーザビームを照射し、上記超短パルスレーザビームは、高密度の高いアスペクト比の線状焦点に集束し、上記線状焦点は基板の厚さを通って貫通する。この高エネルギ密度の容積内において、材料は非線形効果によって改質される。非線形効果は、レーザビームから基板へとエネルギを伝達して欠陥線の形成を可能とする機序をもたらす。この高光密度を用いなければ、非線形吸収はトリガされないことに留意しておくことは重要である。非線形効果の強度閾値未満では、材料はレーザ照射に対して透過性であり、その元の状態のままとなる。レーザで所望の線又は経路全体を走査することにより、幅が狭い断層線（数マイクロメートル幅の複数の垂直な欠陥線）は、基板から分離されることになるパーツの周縁又は形状を画定する。

いくつかの実施形態では、パルス持続時間は、約１ピコ秒超かつ約１００ピコ秒未満、例えば約５ピコ秒超かつ約２０ピコ秒未満とすることができ、繰り返し数は約１ｋＨｚ〜４ＭＨｚ、例えば約１０ｋＨｚ〜６５０ｋＨｚとすることができる。上述の繰り返し数の単一のパルスに加えて、約１ｎｓｅｃ〜約５０ｎｓｅｃ、例えば１０ｎｓｅｃ〜３０ｎｓｅｃ、例えば約２０ｎｓｅｃの持続時間によって隔てられた２つ以上のパルス（例えば３パルス、４パルス、５パルス、１０パルス、１５パルス、２０パルス又はそれ以上）のバースト中でパルスを生成でき、バースト繰り返し周波数は約１ｋＨｚ〜約２００ｋＨｚとすることができる。パルスレーザビームは、材料が略透過性となるように選択された波長を有することができる。材料において測定される平均レーザ出力は、材料の厚さ１ｍｍあたり４０マイクロジュール超、例えば４０マイクロジュール／材料の厚さ１ｍｍ〜１０００マイクロジュール／材料の厚さ１ｍｍ、又は１００〜６５０マイクロジュール／材料の厚さ１ｍｍとすることができる。

レーザビーム焦線は、約０．１ｍｍ〜約１０ｍｍ、例えば約１ｍｍ、約２ｍｍ、約３ｍｍ、約４ｍｍ、約５ｍｍ、約６ｍｍ、約７ｍｍ、約８ｍｍ、若しくは約９ｍｍ、又は約０．１ｍｍ〜約１ｍｍの長さを有することができ、また約０．１マイクロメートル〜約５マイクロメートルの平均スポット直径を有することができる。孔又は欠陥線はそれぞれ、０．１マイクロメートル〜１００マイクロメートル、例えば０．２５〜５マイクロメートルの直径を有することができる。

複数の垂直な欠陥線を有する断層線が生成されると：１）手動で、又は断層線若しくは断層線周辺に対する機械的応力；応力又は圧力は、断層線の両側を離れるように牽引して、依然として一体として結合している領域を破断する、張力を生成しなければならない；２）熱源を用いて、断層線の周辺に応力領域を生成し、上記垂直な欠陥線に張力を印加し、部分的又は全体的な自己分離を誘起することによって、分離を発生させることができる。これら両方の場合において、分離は、レーザ走査速度、レーザ出力、レンズのパラメータ、パルス幅、繰り返し数等といったプロセスパラメータに左右される。

本開示は：
３Ｄ表面を有するガラス加工物をレーザ加工する方法にまで及び、本方法は：
ビーム伝播方向に沿って配向され、上記加工物から分離されることになるパーツを画定する輪郭に向けられたレーザビーム焦線に、パルスレーザビームを集束させるステップ；
１つ又は複数のパスにおいて：
加工物及びレーザビームを輪郭に沿って互いに対して並進移動させるステップであって、レーザビーム焦線は加工物内において、レーザビーム焦線が加工物内へと延在する輪郭に沿った位置に誘起吸収を生成し、誘起吸収は、各位置において、加工物内のレーザビーム焦線に沿って欠陥線を生成する、ステップ；並びに
加工物及びレーザビームを輪郭に沿って互いに対して並進移動させるステップ
を有してなり、
上記１つ又は複数のパスは、加工物中の部品の輪郭に沿って生成された欠陥線が、加工物からのパーツの分離を促進するために十分な数及び深さのものとなるように選択される。

本開示は：
平坦な非強化ガラス加工物をレーザ加工する方法にまで及び、本方法は：
ビーム伝播方向に沿って配向され、輪郭に沿って加工物に向けられたレーザビーム焦線に、パルスレーザビームを集束させるステップであって、レーザビーム焦線は加工物内において誘起吸収を生成し、この誘起吸収は、加工物内のレーザビーム焦線に沿って欠陥線を生成する、ステップ；
加工物及びレーザビームを輪郭に沿って互いに対して並進移動させることによって、加工物内に輪郭に沿った複数の欠陥線をレーザ形成するステップであって、上記輪郭は、加工物から分離されることになるパーツを画定する、ステップ；並びに
上記画定されたパーツを含む加工物を、３Ｄ表面を含むように成形するステップ
を有してなる。

本開示は：
成形された非強化ガラス加工物をレーザ加工する方法にまで及び、本方法は：
上記成形されたガラス加工物を、真空平坦化処理するステップ；
ビーム伝播方向に沿って配向され、輪郭に沿って真空平坦化処理された加工物に向けられたレーザビーム焦線に、パルスレーザビームを集束させるステップであって、レーザビーム焦線は加工物内において誘起吸収を生成し、この誘起吸収は、加工物内のレーザビーム焦線に沿って欠陥線を生成する、ステップ；
真空平坦化処理された加工物及びレーザビームを輪郭に沿って互いに対して並進移動させることによって、加工物内に輪郭に沿った複数の欠陥線をレーザ形成するステップであって、上記輪郭は、加工物から分離されることになるパーツを画定する、ステップ；並びに
上記画定されたパーツを含む真空平坦化処理された加工物に対する真空を解放するステップ
を有してなる。

本開示は：
３Ｄ表面を有するガラス物品であって、上記ガラス物品は、少なくとも２５０マイクロメートル延在する複数の欠陥線を有する少なくとも１つの縁部を備え、各欠陥線の直径は、約５マイクロメートル以下である、ガラス物品に及ぶ。

以上は、同様の参照符号は異なる複数の図を通して同一のパーツを示す添付の図面において図示されている例示的実施形態に関する、以下のより詳細な説明から、明らかになるであろう。これらの図は必ずしも正確な縮尺ではなく、図示されている実施形態には強調が施されている。

改質したガラスの、等間隔の複数の欠陥線を有する断層線の図。図１Ａは、試料を通る断層線の、レーザによる生成を示す。 改質したガラスの、等間隔の複数の欠陥線を有する断層線の図。図１Ｂは、分離後の、欠陥線を有する縁部を示す。 改質したガラスの、等間隔の複数の欠陥線を有する断層線の図。図１Ｃは、分離された縁部の写真である。 レーザビーム焦線の位置決め、即ち焦線に沿って誘起吸収によりレーザ波長に対して透過性の材料の加工の図 レーザビーム焦線の位置決め、即ち焦線に沿って誘起吸収によりレーザ波長に対して透過性の材料の加工の図 一実施形態によるレーザ加工のための光学組立体を示す図 基板に対してレーザビーム焦線を様々に位置決めすることによって基板を加工するある選択肢を示す図 基板に対してレーザビーム焦線を様々に位置決めすることによって基板を加工する別の選択肢を示す図 基板に対してレーザビーム焦線を様々に位置決めすることによって基板を加工するさらに別の選択肢を示す図 基板に対してレーザビーム焦線を様々に位置決めすることによって基板を加工するさらなる選択肢を示す図 レーザ加工のための光学組立体の第２の実施形態を示す図 レーザ加工のための光学組立体の第３の実施形態を示す図 レーザ加工のための光学組立体の第３の実施形態を示す図 レーザ加工のための光学組立体の第４の実施形態を示す図 材料のレーザ加工のためのレーザ強度に関する異なる複数の方式を示す図。図７Ａは集束されていないレーザビームを示し、図７Ｂは球面レンズを用いて集光されたレーザビームを示し、図７Ｃはアキシコン又は回折フレネルレンズを用いて集光されたレーザビームを示す。 ピコ秒レーザに関するレーザ放出を時間の関数として示す図。各放出は、１つ又は複数のサブパルスを含み得るパルス「バースト」を特徴とする。パルス持続時間、パルス間の間隔、及びバースト間の間隔に対応する時間が図示されている。 ピコ秒レーザに関するレーザ放出を時間の関数として示す図。各放出は、１つ又は複数のサブパルスを含み得るパルス「バースト」を特徴とする。パルス持続時間、パルス間の間隔、及びバースト間の間隔に対応する時間が図示されている。 ある実施形態による方法による、平坦なガラスパネルを３Ｄ成形されたパーツに加工するステップ ある実施形態による方法による、たわんだ非強化「Ｇｏｒｉｌｌａ」２３１９から作製された仕上げ済みパーツ トレースされた経路に従った欠陥線を生成するためのプロセス。３Ｄガラス表面と線状焦点との間の各相対位置において、コーナが丸くなった長方形の全周がトレースされる。次に上記相対位置を２００マイクロメートルだけ段階的に下げ、同一の形状を再びトレースする。湾曲したガラスパネル中に欠陥線が完全に画定されるまで、このプロセスを繰り返す。 ガラスの厚さが線状焦点の範囲内となっている領域にのみ欠陥線を生成する方法を誇張して示す図。この場合、線状焦点の範囲（又は長さ）は約１ｍｍであり、ステップは約１００マイクロメートルであった。隣接するステップの長方形の走査の間には重複が存在する。 大型のガラスパーツから形成されて抜き出された個々のパーツ（上の行）と、同一のレーザ法を用いてこのプロセスの規模を拡大するための方法（下の行） 本開示の方法を用いた複数のパーツの抜き出し 熱によってたわんだガラスパネルから３Ｄパーツを形成して抜き出すための代替的プロセス 熱によってたわんだガラスパネルから３Ｄパーツを形成し、強化して抜き出すための、別の代替的プロセス 曲率半径が小さいガラスパーツの成形を促進するために。実施形態による方法によってレーザ穿通された、予備形成シート 図１５Ａに示すシートから分離された、１つの個片化された予備形成物 レーザ穿通孔（欠陥線）によって可能となった半径を有する３Ｄ表面の形成前の、図１５Ｂの個片化された予備形成物の側面断面図 レーザ穿通孔（欠陥線）によって可能となった半径を有する３Ｄ表面の形成後の、図１５Ｂの個片化された予備形成物の側面断面図 複数のレーザ穿通孔（欠陥線）によって可能となった小さなコーナ半径を有する表面の形成前の、図１５Ｂの個片化された予備形成物のコーナの断面図 複数のレーザ穿通孔（欠陥線）によって可能となった小さなコーナ半径を有する表面の形成後の、図１５Ｂの個片化された予備形成物のコーナの断面図

これより、例示的実施形態について説明する。

本出願は、強化ガラス又は非強化ガラスにおいて特に関心の的となっている、任意の形状の成形された３Ｄ薄型透明脆性基板の正確な切断及び分離のためのプロセスを提供する。一実施形態では、上記ガラスはＧｏｒｉｌｌａ（登録商標）ガラス（全コード、Ｃｏｒｎｉｎｇ，Ｉｎｃ．から入手可能）である。実施形態による方法は、後加工仕上げステップを必要とすることなく、１つ又は複数の３Ｄパーツ、即ち３Ｄ表面を有するパーツをその最終的なサイズに切断して抜き出すことができる。本方法は、強化された（例えば化学的にイオン交換された）又は強化されていない（原料ガラス）３Ｄパーツに適用できる。

本開示による、レーザを用いた透明材料の切断は、本明細書では穿孔又はレーザ穿孔又はレーザ加工と呼ぶ場合もある。

本プロセスにより、破片が無視できる程度しかなく、欠陥が最小であり、また縁部への表面下損傷が少ない状態で、制御可能な様式でパーツを分離できるようになり、これによりパーツ又は加工物の強度が保持される。加工物は、本明細書で開示されるレーザ法に供される材料又は物体であり、本明細書では材料、基板又は基板材料とも呼ばれる。１つ又は複数のパーツ又は物品を加工物から分離できる。パーツ又は物品としては例えば、湾曲表面を有する携帯電話用のガラスカバー、又は自動車用ガラスが挙げられる。

本レーザ法は、線形強度方式において選択されたレーザ波長に対して透過性又は略透過性の材料に好適である。本開示の文脈において、材料又は物品は、レーザ波長における材料の吸収率が、材料の深さ１ｍｍあたり約１０％未満、又は材料の深さ１ｍｍあたり約５％未満、又は材料の深さ１ｍｍあたり約２％未満、又は材料の深さ１ｍｍあたり約１％未満である場合に、当該レーザ波長に対して略透過性である。本レーザ法は、レーザ波長に対する基板材料の透過性を、出力の線形方式（低いレーザ強度（エネルギ密度）において利用できる。線形強度方式における透過性により、集束したレーザビームによって画定される高強度領域から、基板の表面に対する損傷及び表面下損傷が削減又は防止される。

本明細書において使用される場合、表面下損傷は、本開示によるレーザ加工を受けた基板又は材料から分離されたパーツの周縁表面における構造的不完全部分の最大サイズ（例えば長さ、幅、直径）を表す。構造的不完全部分は上記周縁表面から延在するため、表面下損傷は、本開示によるレーザ加工による損傷が発生する周縁表面からの最大深さとも考えられる。本明細書において、分離されたパーツの周縁表面は、分離されたパーツの縁部又は縁部表面を表し得る。構造的不完全部分は割れ又は空所であってよく、基板又は材料から分離されたパーツの破砕又は破損を促進する機械的弱点を表す。表面下損傷のサイズを最小化することにより、本発明は、分離されたパーツの構造的完全性及び機械的強度を改善する。

以下に記載の複数の方法によると、レーザを使用して、極めて僅かな（＜７５μｍ、場合によっては＜５０μｍの）表面下損傷及び破片生成しか伴わずに、高度に制御された、材料を通した完全な又は部分的な穿通孔を、シングルパスで生成できる。表面下損傷は、深さ１００μｍ以下又は深さ７５μｍ以下又は深さ６０μｍ以下又は深さ５０μｍ以下に制限でき、切断は僅かな破片しか生成しないものとすることができる。これは、ガラスの厚さを完全に穿通するために複数回のパスが必要となる場合が多く、融除プロセスから多量の破片が形成され、より広範囲の表面下損傷（＞１００μｍ）及び縁部欠けが発生する、典型的なスポット集束レーザの使用による材料の融除とは対照的である。

従って、本方法を用いて、１つ若しくは複数の高エネルギパルス又は１つ若しくは複数の高エネルギパルスのバーストを用いて、透明材料に、微小な（即ち直径＜２μｍ及び＞１００ｎｍ、並びにいくつかの実施形態では直径＜０．５μｍ及び＞１００ｎｍの）細長い欠陥線（本明細書では穿通孔、孔又は損傷トラックとも呼ばれる）を生成できる。穿通孔は、レーザによって改質された基板材料の領域を表す。レーザが誘起する改質は、基盤材料の構造を崩壊させ、機械的に弱い部位を構成する。構造的崩壊は、圧縮、溶融、材料の脱落、再構成及び結合切断を含む。穿通孔は基板材料内へと延在し、レーザの断面形状（通常は円形）と一致する断面形状を有する。穿通孔の平均直径は、０．１μｍ〜５０μｍ、又は１μｍ〜２０μｍ、又は２μｍ〜１０μｍ、又は０．１μｍ〜５μｍであってよい。いくつかの実施形態では、穿通孔は「貫通孔」であり、これは基板材料の上部から底部まで延在する孔又は開放チャネルである。いくつかの実施形態では、穿通孔は連続した開放チャネルでなくてよく、レーザによって材料から脱落した固体材料のセクションを含んでよい。脱落した材料は、穿通孔が画定する空間を塞ぐか、又は部分的に塞ぐ。脱落した材料のセクション間に、１つ又は複数の開放チャネル（非閉塞領域）が散乱していてよい。開放チャネルの直径は＜１０００ｎｍ、又は＜５００ｎｍ、又は＜４００ｎｍ、又は＜４００ｎｍ、又は１０ｎｍ〜７５０ｎｍ、又は１００ｎｍ〜５００ｎｍであってよい。上記孔を取り囲む、材料の崩壊した又は改質された（例えば圧縮された、溶融された又はその他の方法で変化した）領域は、好ましくは＜５０μｍ（例えば＜１０μｍ）の直径を有する。

個々の穿通孔は、数百キロヘルツ（例えば１秒あたり数十万個の穿通孔）の速さで生成できる。従って、レーザ源と材料との間の相対運動により、これらの穿通孔を互いに隣接して配置でき、所望に応じて空間的間隔を１マイクロメートル未満から数マイクロメートル、又は数十マイクロメートルにまで変更できる。断層線の方向に沿った隣接する欠陥線の間の距離は、例えば０．２５μｍ〜５０μｍ、又は０．５０μｍ〜２０μｍ、又は０．５０μｍ〜１５μｍ、又は０．５０μｍ〜１０μｍ、又は０．５０μｍ〜３．０μｍ、又は３．０μｍ〜１０μｍとすることができる。上記空間的間隔は、切断を促進できるように選択される。

線形強度方式における基板材料の透過性に加えて、レーザ源の選択は更に、透明材料における多光子吸収（ＭＰＡ）を誘起できる能力に基づく。ＭＰＡは、材料を比較的低いエネルギ状態（通常グランド状態）からより高いエネルギ状態（励起状態）へと励起するための、同一の又は異なる周波数の多数の光子の同時吸収である。励起状態は、励起された電子的状態又はイオン化状態であってよい。材料の高エネルギ状態と低エネルギ状態との間のエネルギ差は、上記２つ以上の光子のエネルギの合計に等しい。ＭＰＡは、一般には線形吸収よりも数段弱い大きさの非線形プロセスである。これは、ＭＰＡの強度が光の強度の二乗以上の力に依存し、これによってＭＰＡが非線形光学プロセスとなる点で、線形吸収とは異なる。通常の光強度では、ＭＰＡは無視できる。レーザ源（特にパルスレーザ源）の集束領域等における光強度（エネルギ密度）が極めて高い場合、ＭＰＡは目に見えるものとなり、光源のエネルギ密度が十分に高い領域内の材料において測定可能な効果をもたらす。集束領域内においても、エネルギ密度は、イオン化が得られる程度に十分に高いものとなり得る。

原子レベルにおいて、個々の原子のイオン化は、別個のエネルギ要件を有する。ガラス中に一般に使用される複数の元素（例えばＳｉ、Ｎａ、Ｋ）は、イオン化エネルギが比較的低い（〜５ｅＶ）。ＭＰＡという現象を用いない場合、〜５ｅＶにおける線形イオン化を生成するには約２４８ｎｍの波長が必要となる。ＭＰＡを用いる場合、エネルギに関して〜５ｅＶだけ分離した状態間のイオン化又は励起は、２４８ｎｍより長い波長を用いて達成できる。例えば、波長５３２ｎｍの光子は〜２．３３ｅＶのエネルギを有するため、波長５３２ｎｍの２つの光子は、例えば２光子吸収（ＴＰＡ）において、エネルギに関して〜４．６６ｅＶだけ分離した状態間の遷移を誘起できる。従って、レーザビームのエネルギ密度が、必要な励起エネルギの半分のエネルギを有するレーザ波長の非線形ＴＰＡを誘起するできる程度に十分に高い、材料の領域において、原子及び結合を選択的に励起又はイオン化できる。

ＭＰＡにより、励起された原子又は結合の、隣接する原子又は結合からの局所的再構成及び分離をもたらすことができる。結合又は構成において得られるこのような改質により、ＭＰＡが起こる材料の領域からの、物質の非熱的融除及び除去をもたらすことができる。この物質の除去は構造的欠陥（以上では欠陥線、損傷線又は「穿通孔」と呼ばれている）を生成し、これは材料を機械的に弱化し、機械的又は熱的応力の印加時に割れ又は破砕を発生し易くする。穿通孔の配置を制御することによって、割れが発生する輪郭又は経路を正確に画定でき、材料の正確な微小機械加工を達成できる。一連の穿通孔によって画定された輪郭は、断層線と考えることができ、これは材料中の構造的に弱い領域に対応する。断層線は、材料からのパーツの分離のための好ましい輪郭を画定し、分離されたパーツの形状を制御する。一実施形態では、微小機械加工は、レーザで加工された材料からのパーツの分離を含み、ここで上記パーツは、レーザが誘起したＭＰＡ効果によって形成された複数の穿通孔の閉じた輪郭を画定する断層線によって決定された、正確に画定された形状又は周縁を有する。本明細書において使用される場合、用語「閉じた輪郭（ｃｌｏｓｅｄ ｃｏｎｔｏｕｒ）」は、レーザの線で形成された穿通孔経路を指し、ここでこの経路はいくつかの場所でそれ自体と交差する。内部輪郭は、得られる形状が材料の外側部分によって完全に取り囲まれている場所に形成される経路である。

好ましいレーザは、超短パルスレーザ（パルス持続時間が１００ピコ秒以下のレベル）であり、パルスモード又はバーストモードで動作できる。パルスモードでは、公称では同一の一連の複数の単一パルスがレーザから放出されて加工物に向けられる。パルスモードでは、レーザの繰り返し数は、パルス間の時間的間隔によって決定される。バーストモードでは、パルスのバーストがレーザから放出され、ここで各バーストは（同一の又は異なる振幅の）２つ以上のパルスを含む。バーストモードでは、１つのバースト内のパルスは（バーストに関するパルス繰り返し数を画定する）第１の時間間隔によって分離され、バーストは（バースト繰り返し数を画定する）第２の時間間隔によって分離され、第２の時間間隔は典型的には第１の時間間隔よりも遥かに長い。（パルスモードの文脈であるかバーストモードの文脈であるかにかかわらず）本明細書において使用される場合、時間間隔は、パルス又はバーストの対応する部分間（例えば前縁部‐前縁部間、ピーク‐ピーク間、又は後縁部‐後縁部間）の時間差を指す。パルス及びバースト繰り返し数はレーザの設計によって制御され、典型的には、例えばレーザの動作条件を調整することにより、限度内で調整できる。典型的なパルス及びバースト繰り返し数は、ｋＨｚ〜ＭＨｚ範囲内である。

（パルスモードにおける、又はバーストモードのバースト内のパルスに関する）レーザパルス持続時間は、１０^‐１０秒以下、又は１０^‐１１秒以下、又は１０^‐１２秒以下、又は１０^‐１３秒以下であってよい。本明細書に記載の例示的実施形態では、レーザパルス持続時間は１０^‐１５秒超である。

実施形態のプロセスの１つの特徴は、超短パルスレーザによって生成された欠陥線の高いアスペクト比である。この高いアスペクト比により、基板材料の上面から底面へと延在する欠陥線を生成できる。本方法はまた、基板材料内の制御された深さまで延在する欠陥線を形成できる。欠陥線は単一のパルス、又は複数のパルスの単一のバーストによって生成でき、必要に応じて、影響を受ける領域の範囲（例えば深さ及び幅）を増大させるために、追加のパルス又はバーストを使用できる。

ガウシアンレーザビームをアキシコンレンズに送ることによって、線状焦点の生成を実施でき、この場合、ガウス‐ベッセルビームとして知られているビームプロファイルが生成される。このようなビームは、ガウシアンビームよりも遥かにゆっくりと回折する（例えば数十マイクロメートル以下ではなく、数百マイクロメートル又はミリメートルの範囲の単一マイクロメートル（ｓｉｎｇｌｅ ｍｉｃｒｏｎ）スポットサイズを維持できる）。従って、焦点の深さ又は材料との強い相互作用の長さは、ガウシアンビームのみを使用した場合より遥かに大きくなり得る。エアリービーム等、他の形態又はゆっくりと回折する若しくは回折しないビームも使用してよい。

図１Ａ〜１Ｃに示すように、薄型ガラスプレート１１０を切断するための方法は、超短パルスレーザビーム１４０を用いて、基板材料１３０内に、複数の垂直な欠陥線１２０で形成された断層線又は輪郭１１０を生成することに基づくものである。材料の特性（吸収率、熱膨張率（ＣＴＥ）、応力、組成等）及び材料１３０の加工のために選択されるレーザパラメータに応じて、自己分離を誘起するために断層線１１０の生成だけで十分とすることができる。この場合、張力／屈曲力、加熱又はＣＯ_２レーザといった副次的な分離プロセスは不要となる。

図１Ｂは、複数の垂直な欠陥線１２０によって画定される輪郭又は断層線１１０に沿って加工物を分離した後の、加工物の縁部を示す。欠陥線を生成する誘起吸収は、分離された縁部又は表面上に、平均直径が３マイクロメートル未満の粒子を生成でき、これにより極めて清浄な切断プロセスが得られる。図１Ｃは、図１Ａに図示された、これ以降で更に説明されるレーザプロセスを用いて分離されたパーツの縁部を示す写真である。

場合によっては、生成された断層線は、基板材料からパーツを自発的に分離させるには不十分であり、副次的なステップが必要となる場合がある。例えば必要に応じて、第２のレーザを用いて熱応力を生成し、ガラスパーツを互いから分離できる。厚さ０．５５ｍｍの「Ｇｏｒｉｌｌａ」２３１９ガラスの場合、ガラスの分離は、例えば機械的力の印加によって、又は熱源（例えば赤外レーザ、例えばＣＯ_２レーザ）を用いて熱応力を生成し、断層線に沿った基板材料からのパーツの分離を推し進めることによって、欠陥線を生成した後に達成できる。別の選択肢は、赤外レーザを用いて分離を開始させ、分離を手動で完了することである。任意の赤外レーザによる分離は、デューティサイクルを制御することによって出力が調整された、１０．６マイクロメートルで放出を行う集束連続波（ｃｗ）レーザを用いて達成できる。焦点変更（即ち集束スポットサイズまで、かつ集束スポットサイズを含む程度のデフォーカス）を用いて、スポットサイズを変更することによって、誘起される熱応力を変化させる。デフォーカスレーザビームは、レーザの波長のサイズと同等の最小の回折限界スポットサイズよりも大きいスポットサイズを生成するレーザビームを含む。例えばＣＯ_２レーザに関して、２ｍｍ〜２０ｍｍ、又は２ｍｍ〜１２ｍｍ、又は約７ｍｍ、又は約２ｍｍ及び／又は約２０ｍｍのデフォーカススポットサイズ（１／ｅ^２直径）を使用でき、上記ＣＯ_２レーザの回折限界スポットサイズは、放出波長が１０．６マイクロメートルの場合、遥かに小さくなる。

欠陥線を生成するための方法は複数存在する。焦線又は線状焦点を形成するための光学的方法はドーナツ状レーザビーム及び球面レンズ、アキシコンレンズ、回折素子を使用する複数の形態、又は高強度の線形領域を形成するための他の方法を取ることができる。基板又は加工物材料の集束領域における破壊を生成することにより、非線形光学的効果（例えば非線形吸収、多光子吸収）によって基板材料の破壊を生成するために十分な光学的強度に到達しさえすれば、レーザのタイプ（ピコ秒、フェムト秒等）及び波長のタイプ（ＩＲ、緑色、ＵＶ等）も変更できる。

本出願では、高アスペクト比の垂直な欠陥線を、一貫した、制御可能かつ反復可能な方法で生成するために、超短パルスレーザを使用する。この垂直な欠陥線の生成を可能とする光学的設定の詳細については以下に記載され、また２０１４年１月１４日出願の米国特許出願第１４／１５４５２５号明細書に記載されている。上記特許出願の内容全体は、それが出願において完全に記載されているかのように、参照により本出願に援用される。このコンセプトの本質は、超短（ピコ秒又はフェムト秒の持続時間の）ベッセルビームを使用して高アスペクト比かつ傾斜のない微小チャネルを生成するために、光学レンズ組立体中にアキシコンレンズ素子を使用することである。換言すると、上記アキシコンは、レーザビームを、基板材料中の円筒形かつ高アスペクト比（長さが長く直径が小さい）の高強度領域に集光させる。集光されたレーザビームによって生成された高強度により、レーザ及び基板材料の電磁場の非線形相互作用が発生し、レーザエネルギが基板に伝達されて複数の欠陥の形成が発生し、これらが断層線の構成要素となる。しかしながら、レーザエネルギ強度が高くない基板の領域（例えば基板表面、中央収束線を取り囲む基板のガラス容積）において、基板はレーザに対して透過性であり、レーザから基板へとエネルギを伝達する機序が存在しないことを理解することが重要である。結果として、レーザ強度が非線形閾値未満であれば、基板には何も起こらない。

図２Ａ及び２Ｂに移ると、材料をレーザ加工する方法は、ビーム伝播方向に沿って見て、パルスレーザビーム２をレーザビーム焦線２ｂに集束させるステップを含む。レーザビーム焦線２ｂは、例えばベッセルビーム、エアリービーム、ウェーバービーム及びマチュービーム（即ち非回折ビーム）といった複数の方法で生成でき、これらのビームの場のプロファイルは典型的には、ガウス関数よりも横断方向（即ち伝播の方向）においてよりゆっくりと減衰する特別な関数によって与えられる。図３Ａに示すように、レーザ３（図示せず）はレーザビーム２を放出し、このレーザビーム２は、光学組立体６に入射する部分２ａを有する。光学組立体６は入射したレーザビームの方向を、ビーム方向（焦線の長さｌ）に沿った所定の広がり範囲に亘って、出力側のレーザビーム焦線２ｂへと変化させる。平面状の基板１（加工されることになる材料）は、レーザビーム２のレーザビーム焦線２ｂと少なくとも部分的に重なるように、ビーム経路内に位置決めされる。参照符号１ａは、平面状の基板の、光学組立体６又はレーザそれぞれに対面する表面を指し、参照符号１ｂは、基板１の反対側の（遠方の）表面を指す。基板の厚さ（平面１ａ及び１ｂに対して、即ち基板平面に対して垂直に測定される）は、ｄで標識する。

図２Ａに示すように、基板１は、長手方向ビーム軸に対して略垂直に、及びこれに伴って、光学組立体６が生成した同一の焦線２ｂの後側に整列される（基板は図の平面に対して垂直である）。ビーム方向に沿って見ると、基板は焦線２ｂに対して、焦線２ｂが基板の表面１ａの前で始まり、基板の表面１ｂの前で止まる、即ち焦線２ｂが基板内で終端し、表面１ｂを超えないように、位置決めされる。レーザビーム焦線２ｂと基板１の重複領域において、即ち焦線２ｂで被覆された基板材料において、レーザビーム焦線２ｂは、（レーザビーム焦線２ｂに沿った好適なレーザ強度（この強度は、長さｌのセクション（即ち長さｌの線状焦点）上にレーザビーム２が集束することを保証する）を想定した場合に）（長手方向のビーム方向に沿って整列された）セクション２ｃを画定し、上記セクション２ｃに沿って、非線形誘起吸収が基板材料中で生成される。誘起吸収は、セクション２ｃに沿った基板材料中での欠陥線の形成を誘起する。欠陥線の形成は局所的なものだけではなく、誘起吸収のセクション２ｃの全長に亘って延在する。セクション２ｃの長さ（これはレーザビーム焦線２ｂと基板１との重複の長さに対応する）は、参照符号Ｌで標識される。誘起吸収セクション２ｃ（又は欠陥線の形成が実行される基板１の材料のセクション）の平均直径又は平均直径（範囲（例えば長さ若しくは他の関連する直線寸法））は、参照符号Ｄで標識される。この平均距離Ｄは基本的には、レーザビーム焦線２ｂの平均直径δ、即ち約０．１マイクロメートル〜約５マイクロメートルの平均スポット直径に対応する。

図２Ａに示すように、（レーザビーム２の波長λに対して透過性の）基板材料は、焦線２ｂに沿った誘起吸収により、局所的に加熱される。この波長は例えば１０６４、５３２、３５５又は２６６ナノメートルであってよい。誘起吸収は、焦線２ｂ内のレーザビームの高い強度に関連する非線形効果（例えば２光子吸収、多光子吸収）に起因する。図２Ｂは、加熱された基板材料が最終的に膨張することにより、これに対応して誘起張力が微小割れ及び欠陥線の形成を引き起こし、上記張力は表面１ａにおいて最高となる。

焦線２ｂを生成するために適用できる代表的な光学組立体６、及びこれらの光学組立体を適用できる代表的な光学的設定について、以下に記載する。全ての組立体又は設定はこれまでの記載に基づくものであり、従って、同一の構成部品若しくは特徴部分又は機能が同一の構成部品若しくは特徴部分に関しては同一の参照符号を用いる。従って差異のみを以下に記載する。

分離されたパーツ（分離はこれに沿って発生する）の表面の（破断強度、幾何学的精度、粗度及び再機械加工の必要の回避に関する）高い品質を保証するために、基板表面上に分離又は取り外しの線（断層線）に沿って位置決めされた個々の断層線を、以下に記載の光学組立体（以下、この光学組立体は代替的にレーザ光学部品とも呼ばれる）を用いて生成する必要がある。分離された表面（又は切断縁部）の粗度は主に、断層線のスポットサイズ又はスポット直径から決定される。表面の粗度は例えば、ＡＳＭＥ Ｂ４６．１規格によって定義されたＲａ表面粗度パラメータによって特徴決定できる。ＡＳＭＥ Ｂ４６．１に記載されているように、Ｒａは、評価長さ内で記録された、中心線からの表面プロファイルの高さ偏差の絶対値の算術平均である。別の言い方をすると、Ｒａは、中心に対する表面の個々の特徴部分（山及び谷）の絶対高さ偏差の組の平均である。

例えば０．５マイクロメートル〜２マイクロメートルという小さいスポットサイズ、又は基板１の材料と相互作用するレーザ３の所定の波長λを達成するために、通常、レーザ光学部品６の開口数に対して特定の要件を課す必要がある。これらの要件は、以下に記載のレーザ光学部品６によって満たされる。必要な開口数を達成するために、上記光学部品は、公知のアッベの式（開口数＝ｎｓｉｎθ、ｎ：加工される材料又は加工物の屈折率、θ：開口角度の１／２；及びθ＝ａｒｃｔａｎ（Ｄ_Ｌ／２ｆ）；Ｄ_Ｌ：開口の直径、ｆ：焦点距離）に従って、所定の焦点距離に関して必要な開口を配置しなければならない。その一方でレーザビームは上記光学部品を、上記必要な開口まで照明しなければならず、これは典型的には、レーザと集束用光学部品との間の拡大用望遠鏡を用いたビームの拡大によって達成される。

焦線に沿った均一な相互作用のために、スポットサイズは、あまり強く変化させ過ぎてはならない。これは例えば、ビーム開口、及びそれに伴って開口数のパーセンテージが僅かしか変化しないように、集束用光学部品を小さな円形領域においてのみ照明することによって保証できる。

図３Ａ（レーザ照射２のレーザビーム束の中央のビームの高さの、基板平面に対して垂直なセクション；ここではまた、レーザビーム２は（光学組立体６に入る前に）基板平面に垂直に入射し、即ち入射角θは０°であり、これにより焦線２ｂ又は誘起吸収のセクション２ｃが基板の法線に対して平行となる）によると、レーザ３によって放出されたレーザ照射２ａはまず、使用されるレーザ放射に対して完全に不透過性の円形開口８に向けられる。開口８は長手方向ビーム軸に対して垂直に配向され、図示されているビーム束２ａの中央ビームに対してセンタリングされる。開口８の直径は、ビーム束２ａの中央付近のビーム束又は中央ビーム（ここでは２ａＺで標識される）が開口に当たり、開口によって完全に吸収されるように選択される。開口サイズがビーム直径に比べて削減されているため、ビーム束２ａの外側周縁範囲のビーム（辺縁光線、ここでは２ａＲで標識される）のみが吸収されず、開口８を横断方向に通過し、光学組立体６の集束用光学素子の辺縁領域に当たり、上記光学素子は、この実施形態では球面に切削された両凸面レンズ７として設計される。

図３Ａに示すように、レーザビーム焦線２ｂは、レーザビームのための単一の焦点であるだけでなく、レーザビーム中の異なる複数の光線のための一連の焦点である。上記一連の焦点は、レーザビーム焦線２ｂの長さｌとして図３Ａに示す所定の長さの伸長した焦線を形成する。レンズ７は中央ビームに対してセンタリングされ、一般的な球面に切削されたレンズの形状の、非補正両凸面レンズとして設計される。このようなレンズの球面収差は有利となり得る。代替例として、理想的な焦点を形成しないものの、所定の長さの明確な伸長した焦線を形成する、理想的に補正された系から逸脱した非球面レンズ又は多レンズ系（即ち単一の焦点を有しないレンズ又は系）も使用できる。このように焦線２ｂに沿って集束するレンズの領域は、レンズの中央から離間している。ビーム方向に広がる開口８の直径は、（ビームの強度をピーク強度の１／ｅ^２に低減させるために必要な距離によって定義される）ビーム束の直径のおよそ９０％及び光学組立体６のレンズ７の直径のおよそ７５％である。ビーム束を中央においてブロックする非収差補正球面レンズ７の焦線２ｂは、このように使用される。図３Ａは、中央ビームを通る１つの平面内のセクションを示し、図示されているビームが焦線２ｂの周りで回転する際、完全な３次元の束を確認できる。

レンズ７及び図３Ａに示す系によって形成されるタイプの焦線の、１つの潜在的な欠点は、条件（スポットサイズ、レーザ強度）が焦線に沿って（及びこれに伴って材料の所望の深さに沿って）変化し得、従って所望のタイプの相互作用（非溶融、誘起吸収、割れ形成までの熱可塑性変形）が、焦線の選択された部分にしか発生できない場合がある点である。これは即ち、基板材料は入射レーザ光の一部しか所望の様式で吸収しない場合があることを意味する。このようにして、プロセスの効率（所望の分離速度に対して必要な平均レーザ出力）が損なわれる場合があり、レーザ光は望ましくない領域（例えば基板又は基板保持構造に付着したパーツ又は層）にも伝達され得、上記領域と望ましくない様式で相互作用し得る（例えば加熱、拡散、吸収、不必要な改質）。

図３Ｂ‐１〜４は、（図３Ａの光学組立体に関してのみならず、他のいずれの応用可能な光学組立体６に関して）光学組立体６を基板１に対して好適に位置決めする及び／又は整列させることによって、並びに光学組立体６のパラメータを好適に選択することによって、レーザビーム焦線２ｂの位置を制御できることを示す。図３Ｂ‐１に示すように、焦線２ｂの長さｌは、これが基板厚さｄを超える（ここでは２倍となる）ように調整できる。（長手方向ビーム方向に見て）基板１が焦線２ｂに対して中央に配置されると、誘起吸収のセクション２ｃが基板の厚さ全体に亘って生成される。レーザビーム焦線２ｂは、例えば約０．０１ｍｍ〜約１００ｍｍ、約０．１ｍｍ〜約１０ｍｍ、又は約０．１ｍｍ〜１ｍｍの長さｌを有することができる。様々な実施形態は、例えば約０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、０．５ｍｍ、０．７ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ又は５ｍｍの長さｌを有するように構成できる。

図３Ｂ‐２に示されている場合においては、基板厚さｄにある程度対応する長さｌの焦線２ｂが生成される。基板１は線２ｂに対して、線２ｂが基板の外側の点において始まり、また誘起吸収の領域２ｃの（ここでは基板表面から所定の基板深さまで延在するものの、反対側の（遠方の）表面１ｂまでは延在しない）長さＬが、焦線２ｂの長さｌより小さくなるように位置決めされる。図３Ｂ‐３は、（ビーム方向に対して垂直な方向に沿って見て）基板１が焦線２ｂの始点の上側に位置決めされ、これにより、線２ｂの長さｌが基板１の誘起吸収のセクション２ｃの長さＬより大きくなるような場合を示している。従って焦線は基板内で始まり、反対側の表面１ｂを超えて延在する。図３Ｂ‐４は、焦線の長さｌが基板厚さｄより小さくなり、これによって、入射方向に見て焦線に対して基板が中央に位置決めされている場合、焦線が基板内の表面１ａの近傍で始まって基板内の表面１ｂの近傍で終わる（例えばｌ＝０．７５・ｄ）ような場合を示している。

表面１ａ、１ｂのうちの少なくとも一方が焦線によって被覆され、誘起吸収のセクション２ｃが基板の少なくとも１つの表面上で始まるように、焦線２ｂを位置決めすると、特に有利である。このようにして、表面における融除、フェザリング及び微粒化を回避しながら殆ど理想的な切断を達成できる。

図４は、適用可能な別の光学組立体６を示す。基本的な構成は図３Ａにおいて記載したものと同様であるため、差異のみを以下に記載する。図示されている光学組立体は、焦線２ｂを生成するための、所定の長さｌの焦線が形成されるように成形された非球面自由表面を有する光学部品の使用に基づくものである。この目的のために、光学組立体６の光学素子として非球面を使用できる。図４では、例えば、アキシコンと呼ばれることも多い、所謂円錐プリズムが使用される。アキシコンは、光軸に沿った線上にスポット源を形成する（又はレーザビームをリングに変形させる）、円錐形に切削された特別なレンズである。このようなアキシコンの設計は当業者には一般的に知られており、本例での円錐角は１０°である。ここでは参照符号９で標識されたアキシコンの頂点は、入射方向へと向けられており、ビームの中央に対してセンタリングされる。アキシコン９によって生成された焦線２ｂはアキシコン９の内部で始まるため、基板１（ここではビーム主軸に対して垂直に整列されている）を、アキシコン９のすぐ後側のビーム経路内に位置決めできる。図４に示すように、アキシコンの光学特性によって、基板１を、焦線２ｂの範囲内にあるまま、ビーム方向に沿って変移させることもできる。従って、基板１の材料内の誘起吸収のセクション２ｃは、基板深さｄ全体に亘って延在する。

しかしながら、図示した設計は以下の制約を受ける：アキシコン９が形成する焦線２ｂの領域はアキシコン９内で始まるため、アキシコン９と基板材料又は加工物との間が離間している状況では、レーザエネルギのかなりの部分が、材料内に位置する焦線２ｂの誘起吸収のセクション２ｃへと集束しない。更に、焦線２ｂの長さｌは、アキシコン９の屈折率及び円錐角により、ビーム直径に関連する。これが、比較的薄い材料（数ミリメートル）の場合に焦線全体が基板の厚さより遥かに長くなる原因であり、これによりレーザエネルギの大半が材料に集束しない。

このため、アキシコン及び集束用レンズの両方を含む光学組立体６を用いることが望ましい場合がある。図５Ａはこのような光学組立体６を示し、これは、レーザビーム焦線２ｂを形成するよう設計された非球面自由表面を有する第１の光学素子がレーザ３のビーム経路内に位置決めされる。図５Ａに示されている場合では、この第１の素子は、円錐角５°のアキシコン１０であり、これはビーム方向に対して垂直に位置決めされ、レーザビーム３に対してセンタリングされる。アキシコンの頂点はビーム方向に向かって配向される。ここでは平凸レンズ１１（その湾曲面はアキシコンに向かって配向される）である第２の集束用光学素子は、ビーム方向においてアキシコン１０から距離Ｚ１に位置決めされる。距離Ｚ１はこの場合はおよそ３００ｍｍであり、これは、アキシコン１０が形成するレーザ照射がレンズ１１の外径部分に円形に入射するように選択される。レーザは出力側に、この場合は１．５ｍｍの所定の長さの焦線２ｂ上において、この場合はレンズ１１からおよそ２０ｍｍである距離Ｚ２に円形照射を集束させる。レンズ１１の有効焦点距離は、この実施形態では２５ｍｍである。アキシコン１０によるレーザビームの円形変形は、参照符号ＳＲで標識される。

図５Ｂは、図５Ａによる基板１の材料中の焦線２ｂ又は誘起吸収のセクション２ｃの形成を詳細に示す。両素子１０、１１の光学特性及びこれらの位置決めは、ビーム方向の焦線２ｂの長さｌが基板１の厚さｄと完全に一致するように選択される。その結果、図５Ｂに示すように、焦線２ｂが基板１の２つの表面１ａと１ｂとの間に正確に位置決めされるような、ビーム方向に沿った基板１の正確な位置決めが必要となる。

従って、焦線がレーザ光学部品からある一定の距離に形成され、またレーザ照射の大半が焦線の所望の端部に集束すれば有利である。上述のように、これは、一次集束用素子１１（レンズ）を、特定の外径領域全体に亘って円形（環状）にのみ照明することによって達成でき、これは必要な開口数、及びこれに伴って必要なスポットサイズを実現する役割を果たすが、その一方で、スポットの中央の極めて短い距離に亘る必要な焦線２ｂが、基本的に円形のスポットとして形成された後で、拡散の円の強度が減少する。このようにして、欠陥線の形成は、必要な基板深さの短い距離内で停止される。アキシコン１０と集束用レンズ１１との組合せがこの要件を満たす。アキシコンは２つの異なる様式で作用する。即ちアキシコン１０により、通常は丸みを帯びたレーザスポットがリングの形状で集束用レンズ１１に送られ、またアキシコン１０の非球面性は、焦面内の焦点の代わりにレンズの焦面を超えて焦線を形成する効果を有する。焦線２ｂの長さｌは、アキシコン上のビーム直径によって調整できる。一方、焦線に沿った開口数は、距離Ｚ１（アキシコン‐レンズ間の分離）によって、及びアキシコンの円錐角によって調整できる。このようにして、レーザエネルギ全体を焦線に集中させることができる。

欠陥線の形成が基板の裏側まで続くよう構成する場合、円形（環状）照明は、（１）レーザ光の大半が焦線の必要な長さに集中したままとなるという意味でレーザ出力が最適に使用されるという点、並びに（２）円形に照明された領域と、他の光学機能を用いた所望の収差設定とを併せることで、焦線に沿った均一なスポットサイズ、及びこれに伴って焦線に沿った基板からのパーツの均一な分離を達成できるという点で、依然として有利である。

図５Ａに示す平凸レンズの代わりに、集束用メニスカスレンズ又は別のより高度に補正された集束用レンズ（非球面、多レンズ系）も使用できる。

図５Ａに示すアキシコン及びレンズの組合せを用いて、極めて短い焦線２ｂを生成するために、アキシコンに入射するレーザビームの極めて小さいビーム直径を選択する必要がある。これは、アキシコンの頂点に対するビームのセンタリングを極めて正確なものとする必要がある点、及び結果がレーザの方向の変動に対して極めて敏感である点（ビームドリフト安定性）という、実用上の欠点を有する。更に精密にコリメートされたレーザビームは発散性が高く、即ち光の偏向によってビーム束が短い距離に亘ってぼやけてしまう。

図６に示すように、これら両方の効果は、光学組立体６に別のレンズ、即ちコリメートレンズ１２を含めることによって回避できる。追加の正レンズ１２は、集束用レンズ１１の円形照明を極めて精密に調整する役割を果たす。コリメートレンズ１２の焦点距離ｆ’は、アキシコンからコリメートレンズ１２までの距離Ｚ１ａ（これはｆ’に等しい）から所望の円の直径ｄｒが得られるように選択される。リングの所望の幅ｂｒは、距離Ｚ１ｂ（コリメートレンズ１２から集束用レンズ１１まで）によって調整できる。完全に幾何学的な問題として、円形照明の幅が小さいと、焦線が短くなる。距離ｆ’において最小値を達成できる。

従って図６に示す光学組立体６は、図５Ａに示す光学組立体６に基づき、従って差異についてのみ以下に記載する。ここでも（湾曲面がビーム方向に向けられた）平凸レンズとして設計されたコリメートレンズ１２は更に、（頂点がビーム方向に向けられた）アキシコン１０と平凸レンズ１１との間のビーム経路内の中央に配置される。アキシコン１０からのコリメートレンズ１２の距離はＺ１ａで表され、（常にビーム方向に見た）コリメートレンズ１２からの集束用レンズ１１の距離はＺ２で表される。図６に示すように、アキシコン１０で形成される円形照射ＳＲは、コリメートレンズ１２に円の直径ｄｒに発散して入射し、これは、集束用レンズ１１において少なくともおよそ一定の円の直径ｄｒのために、距離Ｚ１ｂに沿った必要な円の幅ｂｒに調整される。図示されている場合では、レンズ１２におけるおよそ４ｍｍの円の幅ｂｒが、レンズ１２の集束特性によって、レンズ１１においておよそ０．５ｍｍへと削減されるように、極めて短い焦線２ｂを生成することが意図されている（この例では円の直径ｄｒが２２ｍｍである）。

図示されている例では、典型的なレーザビーム直径２ｍｍ、焦点距離ｆ＝２５ｍｍを有する集束用レンズ１１、焦点距離ｆ’＝１５０ｍｍを有するコリメートレンズを用い、距離Ｚ１ａ＝Ｚ１ｂ＝１４０ｍｍ及びＺ２＝１５ｍｍを選択して、０．５ｍｍ未満の焦線の長さｌを達成できる。

図７Ａ〜７Ｃは、異なる複数のレーザ強度方式におけるレーザ‐物質間の相互作用を示す。図７Ａに示す第１の場合では、集束していないレーザビーム７１０は、透明基板７２０にいずれの改質も導入することなく、透明基板７２０を通過する。この特定の場合では、レーザエネルギ密度（又はビームが照明する単位面積あたりのレーザエネルギ）が非線形効果を誘起するために必要な閾値未満であるため、非線形効果が存在しない。エネルギ密度が高くなるほど、電磁場の強度が高くなる。従って図７Ｂに示すように、レーザビームが球面レンズ７３０によってより小さなスポットサイズに集束されるとき、照明されている面積が削減され、エネルギ密度が上昇して、このような条件を満たす容積内においてのみ焦線の形成を可能とするように材料を改質する非線形効果がトリガされる。このようにして、集束したレーザのビームウエストが基板の表面に位置決めされた場合に、表面の改質が発生することになる。対照的に、集束したレーザのビームウエストが基板の表面の下側に位置決めされた場合には、エネルギ密度が非線形光学効果の閾値未満であれば表面には何も起こらない。しかしながら、基板７２０の体積内に位置決めされた焦点７４０において、レーザ強度は、多光子非線形効果をトリガすることによって材料に損傷を誘起できる程度に十分に高い。

最終的には、図７Ｃに示すように、アキシコンの場合、アキシコンレンズ７５０あるいはフレネルアキシコンの回折パターンは、ベッセル型強度分布（高強度の円筒７６０）を生成する干渉を生成し、また非線形吸収及び材料への改質を生成するために十分に高い強度が、上記容積内にのみ存在する。ベッセル型強度分布が、非線形吸収及び材料への改質を生成するために十分に高くなっている、円筒７６０の直径は、本明細書において記載されているように、レーザビーム焦線のスポット直径でもある。ベッセルビームのスポット直径Ｄは、Ｄ＝（２．４０４８λ）／（２πＢ）として表すことができ、ここでλはレーザビームの波長であり、Ｂはアキシコン角度の関数である。

レーザ及び光学系
ある代表的な実例において、３Ｄ成形された「Ｇｏｒｉｌｌａ」ガラスパーツ又は他の３Ｄ加工物からパーツを切断して抜き出すために、１０６４ｎｍピコ秒パルスレーザを、線状焦点ビーム形成光学部品と併用して、「Ｇｏｒｉｌｌａ」ガラス基板に損傷の線（本明細書では欠陥線、損傷トラック又は断層線とも呼ばれる）を生成するプロセスが開発された。

図８Ａ及び図８Ｂに示すように、本明細書に記載されている選択された実施形態によると、ピコ秒レーザはパルス５００Ａの「バースト」５００を生成し、これは場合によっては「バーストパルス」とも呼ばれる。バースト生成は、パルスの生成が均一で安定したストリームでなく、パルスの密集であるような、レーザ動作のタイプである。各「バースト」５００は、最高１００ｐｓｅｃ（例えば０．１ｐｓｅｃ、５ｐｓｅｃ、１０ｐｓｅｃ、１５ｐｓｅｃ、１８ｐｓｅｃ、２０ｐｓｅｃ、２２ｐｓｅｃ、２５ｐｓｅｃ、３０ｐｓｅｃ、５０ｐｓｅｃ、７５ｐｓｅｃ又はこれらの数値の間）という極めて短い持続時間Ｔ_ｄの複数のパルス５００Ａ（例えば２パルス、３パルス、４パルス、５パルス、１０、１５、２０又はそれ以上）を含有してよい。パルス持続時間は一般に、約１ｐｓｅｃ〜約１０００ｐｓｅｃ、又は約１ｐｓｅｃ〜約１００ｐｓｅｃ、又は約２ｐｓｅｃ〜約５０ｐｓｅｃ、又は約５ｐｓｅｃ〜約２０ｐｓｅｃである。単一のバースト５００内のこれら個々のパルス５００Ａは、「サブパルス」とも呼ぶことができ、これは単に、これらがパルスの単一のバースト内で発生するという事実を示す。上記バースト内の各レーザパルス５００Ａのエネルギ又は強度は、バースト内の他のパルスのエネルギ又は強度と等しくなくてよく、バースト５００内の複数のパルスの強度分布は、レーザの設計によって支配されている、時間による急激な減衰に追随できる。好ましくは、本明細書に記載の例示的実施形態のバースト５００内の各パルス５００Ａは、バースト内の後続のパルスから、１ｎｓｅｃ〜５０ｎｓｅｃ（例えば１０〜５０ｎｓｅｃ、又は１０〜４０ｎｓｅｃ、又は１０〜３０ｎｓｅｃ）の期間Ｔ_ｐだけ時間的に離れており、上記時間はレーザキャビティの設計によって支配されることが多い。ある所定のレーザに関して、バースト５００内の各パルス間の時間間隔Ｔ_ｐ（パルス‐パルス間間隔）Ｔ_ｐは比較的均一である（±１０％）。例えばいくつかの実施形態では、各パルスは後続のパルスから、およそ２０ｎｓｅｃ（５０ＭＨｚパルス繰り返し周波数）だけ時間的に離れている。例えば、約２０ｎｓｅｃのパルス‐パルス間間隔Ｔ_ｐを生成するレーザに関して、あるバースト内のパルス‐パルス間間隔Ｔ_ｐは約±１０％内に維持され、又は約±２ｎｓｅｃである。各「バースト」間の時間（即ちバースト間の時間間隔Ｔ_ｂ）は遥かに長くなる（例えば０．２５≦Ｔ_ｂ≦１０００マイクロ秒、例えば１〜１０マイクロ秒又は３〜８マイクロ秒）。例えば、本明細書に記載のレーザの例示的実施形態のうちのいくつかでは、これは約２００ｋＨｚのレーザ繰り返し数又は周波数に関して約５マイクロ秒となる。レーザ繰り返し数はまた、本明細書ではバースト繰り返し周波数又はバースト繰り返し数とも呼ばれ、これはあるバーストの第１のパルスと、後続のバーストの第１のパルスとの間の時間として定義される。他の実施形態では、バースト繰り返し周波数は、約１ｋＨｚ〜約４ＭＨｚ、又は約１ｋＨｚ〜約２ＭＨｚ、又は約１ｋＨｚ〜約６５０ｋＨｚ、又は約１０ｋＨｚ〜約６５０ｋＨｚである。各バーストの第１のパルスと後続のバーストの第１のパルスとの間の時間Ｔ_ｂは、０．２５マイクロ秒（４ＭＨｚのバースト繰り返し数）〜１０００マイクロ秒（１ｋＨｚのバースト繰り返し数）、例えば０．５マイクロ秒（２ＭＨｚのバースト繰り返し数）〜４０マイクロ秒（２５ｋＨｚのバースト繰り返し数）、又は２マイクロ秒（５００ｋＨｚのバースト繰り返し数）〜２０マイクロ秒（５０ｋＨｚバーストの繰り返し数）であってよい。正確なタイミング、パルス持続時間及び繰り返し数は、レーザの設計及びユーザが制御可能な動作パラメータに応じて変化できる。高強度の短いパルス（Ｔ_ｄ＜２０ｐｓｅｃ及び好ましくはＴ_ｄ≦１５ｐｓｅｃ）は、動作が良好であることが示されている。

材料を改質するために必要なエネルギについて、バーストエネルギ、即ちあるバースト内に含まれるエネルギ（各バースト５００は一連の複数のパルス５００Ａを含む）に関して、又は単一のレーザパルス内に含まれるエネルギ（その多くはあるバーストを構成する）に関して説明できる。これらの応用に関して、（切断される材料１ミリメートルあたりの）バーストあたりのエネルギは、１０〜２５００μＪ、又は２０〜１５００μＪ、又は２５〜７５０μＪ、又は４０〜２５００μＪ、又は１００〜１５００μＪ、又は２００〜１２５０μＪ、又は２５０〜１５００μＪ、又は２５０〜７５０μＪとすることができる。バースト内の個々のパルスのエネルギはより小さくなり、正確な個々のレーザパルスエネルギは、バースト５００内のパルス５００Ａの数、並びに図８Ａ及び図８Ｂに示すような時間によるレーザパルスの減衰率（例えば急激な減衰率）に左右されることになる。例えば一定のエネルギ／バーストのために、あるパルスバーストが１０個の個々のレーザパルス５００Ａを含む場合、個々のレーザパルス５００Ａはそれぞれ、同一のバーストパルス５００が２つの個々のレーザパルスしか有しない場合よりも小さいエネルギを含むことになる。

このようなパルスバーストを生成できるレーザの使用は、透明材料、例えばガラスを切断又は改質するために有利である。単一パルスレーザの繰り返し数によって時間的に離れている複数の単一パルスの使用とは対照的に、レーザエネルギをバースト５００内のパルスの迅速なシーケンス全体に亘って広げるバーストパルスシーケンスの使用により、単一パルスレーザを用いて可能な材料との高強度相互作用のタイムスケールを長くすることができる。単一パルスを時間的に拡大できる一方で、これが実施されると、エネルギの保存のために、パルス内強度をパルス幅に亘っておおよそ１だけ落とすことが要求される。従って、１０ｐｓｅｃの単一パルスが１０ｎｓｅｃパルスに拡大される場合、強度はおおよそ３桁下がる。このような低減により、非線形吸収がもはや重要でなくなり、かつ光‐材料間相互作用が切断を可能とすることができるほどには強くなくなる点まで、光の強度を低下させることができる。対照的に、バーストパルスレーザを用いると、バースト５００内の各パルス又はサブパルス５００Ａ中の強度は極めて高いままとすることができ、例えば、およそ１０ｎｓｅｃの間隔Ｔ_ｐだけ時間的に離れている、パルス持続時間Ｔ_ｄが１０ｐｓｅｃの３つのパルス５００Ａは、各パルス内の強度を依然として単一の１０ｐｓｅｃパルスの強度のおおよそ３倍とすることができ、その一方でレーザを、３桁大きいタイムスケールに亘って材料と相互作用させることができる。従って、あるバースト内の複数のパルス５００Ａをこのように調整することにより、既存のプラズマプルームとの光のより強い又は弱い相互作用、初期又は過去のレーザパルスによって事前に励起された原子及び分子とのより強い又は弱い光‐材料間相互作用、及び欠陥線（穿通孔）の制御された成長を促進できる材料内のより強い又は弱い加熱効果を促進できるような方法で、レーザ‐材料間相互作用のタイムスケールを操作できる。材料を改質するために必要なバーストエネルギの量は、基板材料の組成、及び基板との相互作用に使用される線状焦点に左右されることになる。相互作用範囲が長いほど、エネルギはより広がり、また必要となるバーストエネルギが高くなる。

複数のパルスの単一のバーストがガラス上の略同一の位置に当たる場合、欠陥線又は孔が材料内に形成される。即ち単一のバースト内の複数のレーザパルスは、ガラス内に、単一の欠陥線又は孔位置を生成できる。当然のことながら、ガラスが（例えば連続移動ステージによって）並進移動するか、又はビームがガラスに対して移動する場合、バースト内の個々のパルスは、ガラス上の正確に同一の空間的位置にあることはできない。しかしながら、これらは互いに１μｍの範囲内にあり、即ちこれらは基本的に同一の位置でガラスに当たる。例えばこれらは、互いから間隔ｓｐ（ここで０＜ｓｐ≦５００ｎｍ）でガラスに当たることができる。例えば２０個のパルスのバーストがあるガラス位置に当たる場合、このバースト内の個々のパルスは、互いに２５０ｎｍの範囲内でガラスに当たる。従っていくつかの実施形態では、１ｎｍ＜ｓｐ＜２５０ｎｍである。いくつかの実施形態では、１ｎｍ＜ｓｐ＜１００ｎｍである。

一実施形態では、厚さ０．５５ｍｍの、Ｃｏｒｎｉｎｇガラスコード２３１９の「Ｇｏｒｉｌｌａ」ガラス基板を、光学系が生成する焦線の領域内となるように位置決めした。長さ約１ｍｍの焦線、及びバースト繰り返し数又は周波数２００ｋＨｚ（材料において測定した場合に約２００マイクロジュール／バースト）において約４０Ｗ以上の出力を生成するピコ秒レーザを用いると、焦線領域における光強度（エネルギ密度）を、基板材料において非線形吸収を生成できる程度に高くすることは容易である。基板内の損傷、融除、気化又はその他の改質を受けた材料の領域は、高強度の線形領域に概ね続いて生成された。

孔又は損傷トラックの形成：
（例えばイオン交換ガラスを用いて）基板が十分な応力を有する場合、パーツは、レーザプロセスによってトレースされた穿通損傷の経路（断層線又は輪郭）に沿って自発的に基板から分離することになる。しかしながら、基板に固有の応力が高くない場合、ピコ秒レーザは単に、基板中に損傷トラック（欠陥線）を形成するだけである。これらの損傷トラックは概ね、約０．２マイクロメートル〜約２マイクロメートル、例えば０．５〜１．５マイクロメートルの内側寸法（例えば直径）を有する孔の形態を取る。好ましくは、この孔の寸法は極めて小さい（数マイクロメートル以下）。

欠陥線は、材料の厚さ全体を穿通してもしなくてもよく、また材料の深さ全体に亘る連続した開口部であってもなくてもよい。図１Ｃは、７００マイクロメートル厚の「Ｇｏｒｉｌｌａ」ガラス基板の加工物の厚さ全体を穿通する、このようなトラック又は欠陥線の例を示す。穿通孔又は損傷トラックは、へき開縁部の側部を通して観察される。材料を通るトラックは、貫通孔である必要はない。孔を塞ぐガラスの領域が存在してよいが、上記領域は一般にサイズが小さく、例えば数マイクロメートルである。

パーツの分離時、欠陥線に沿って破砕が発生し、欠陥線に由来する特徴部分を有する周縁表面（縁部）を有するパーツが提供されることに留意されたい。分離前、欠陥線は一般に円筒形である。パーツを分離すると、欠陥線は破砕され、欠陥線の残りが、分離されたパーツの周縁表面の輪郭に残る。理想的なモデルでは、欠陥線は分離時に半分だけへき開し、これによって、分離されたパーツの周縁表面が、円筒の半分に相当するセレーションを含む。実際には、分離は理想的なモデルから外れる場合もあり、周縁表面のセレーションは、元の欠陥線の形状の任意の画分となり得る。特定の形状とは無関係に、周縁表面の特徴部分を欠陥線と呼ぶものとし、これは欠陥線の起源を示す。

ガラス又は他の材料の積層されたシートを穿通することもできる。この場合、焦線の長さは、積層体の高さよりも長い必要がある。

集束したレーザビームの下で基板が並進移動するため、欠陥線の間の横断方向間隔（ピッチ）は、レーザのパルス数によって決定される。完全な孔を形成するためには通常、単一のピコ秒レーザパルス又はバーストしか必要でないが、必要に応じて複数のパルス又はバーストを使用してよい。異なるピッチ又は欠陥線間隔の複数の孔を形成するために、レーザを、より長い又は短い間隔で点灯するようにトリガできる。切断動作に関して、レーザのトリガは一般に、ビームの下での、ステージによって駆動される基板の運動と同期されるため、レーザパルスは１マイクロメートル毎又は５マイクロメートル毎といった固定間隔でトリガされる。隣接する欠陥線の間の正確な間隔は、基板内の応力レベルを考慮して、穿通孔から穿通孔への割れの伝播を促進する、材料の特性によって決定される。しかしながら、基板の切断とは対照的に、材料を穿通するためだけに同一の方法を用いることもできる。この場合、孔（又は損傷トラック若しくは穿通孔）を、より大きな間隔（例えば７マイクロメートル以上のピッチ）で離すことができる。

レーザ出力及びレンズ焦点距離（これは焦線の長さ、及びこれに伴って出力密度を決定する）は、ガラスを完全に貫通することと、表面及び表面下損傷が小さいこととを保証するために、特に重要なパラメータである。

一般に、利用可能なレーザ出力が高いほど、上述のプロセスを用いて材料をより迅速に切断できる。本明細書で開示される１つ又は複数のプロセスは、切断速度０．２５ｍ／ｓｅｃ以上でガラスを切断する。切断速度は、複数の欠陥線の孔を生成しながら基板材料（例えばガラス）の表面に対してレーザビームが移動する速さである。製造のための資本投資を最小化するため、及び設備利用率を最適化するために、例えば４００ｍｍ／ｓｅｃ、５００ｍｍ／ｓｅｃ、７５０ｍｍ／ｓｅｃ、１ｍ／ｓｅｃ、１．２ｍ／ｓｅｃ、１．５ｍ／ｓｅｃ若しくは２ｍ／ｓｅｃ、又は更に３．４ｍ／ｓｅｃ〜４ｍ／ｓｅｃといった高い切断速度が望ましいことが多い。レーザ出力は、レーザのバーストエネルギとバースト繰り返し周波数（数）との積に等しい。一般に、高い切断速度でガラス材料を切断するために、欠陥線は典型的には１〜２５μｍだけ離間し、いくつかの実施形態ではこの間隔は好ましくは３μｍ以上、例えば３〜１２μｍ、又は例えば５〜１０μｍである。

例えば、３００ｍｍ／ｓｅｃの直線切断速度を達成するために、３μｍの孔ピッチは、少なくとも１００ｋＨｚのバースト繰り返し数を有するパルスバーストレーザに対応する。６００ｍｍ／ｓｅｃの切断速度に関して、３μｍのピッチは、少なくとも２００ｋＨｚのバースト繰り返し数を有するバーストパルスレーザに対応する。２００ｋＨｚにおいて少なくとも４０μＪ／バーストを生成し、切断速度６００ｍｍ／ｓで切断を行うパルスバーストレーザは、少なくとも８ワットのレーザ出力を有する必要がある。切断速度が高くなると、これに伴って高いレーザ出力が必要となる。

例えば３μｍピッチ及び４０μＪ／バーストにおいて０．４ｍ／ｓｅｃの切断速度には、少なくとも５Ｗのレーザが必要となり、３μｍピッチ及び４０μＪ／バーストにおいて０．５ｍ／ｓｅｃの切断速度には、少なくとも６Ｗのレーザが必要となる。従って好ましくは、パルスバーストピコ秒レーザのレーザ出力は６Ｗ以上、より好ましくは少なくとも８Ｗ以上、及び更に好ましくは少なくとも１０Ｗ以上である。例えば、４μｍピッチ（欠陥線の間隔、又は損傷トラックの間隔）及び１００μＪ／バーストにおいて０．４ｍ／ｓｅｃの切断速度を達成するためには、少なくとも１０Ｗのレーザが必要であり、４μｍピッチ及び１００μＪ／バーストにおいて０．５ｍ／ｓｅｃの切断速度を達成するためには、少なくとも１２Ｗのレーザが必要である。例えば、３μｍピッチ及び４０μＪ／バーストにおいて１ｍ／ｓｅｃの切断速度を達成するためには、少なくとも１３Ｗのレーザが必要である。また例えば、４μｍピッチ及び４００μＪ／バーストにおいて１ｍ／ｓｅｃの切断速度は、少なくとも１００Ｗのレーザが必要となる。

欠陥線（損傷トラック）間の最適なピッチ及び正確なバーストエネルギは材料に左右され、経験的に決定できる。しかしながら、レーザパルスエネルギが上昇する、又は損傷トラックをより小さいピッチで作製するのは、常に基板材料の分離をより良好なものとする、又は縁部品質を改善する条件ではないことに留意されたい。欠陥線（損傷トラック）間の小さ過ぎる（例えば＜０．１マイクロメートル、又はいくつかの例示的実施形態では＜１μｍ、又は他の実施形態では＜２μｍの）ピッチは、場合により、近隣の後続の欠陥線（損傷トラック）の形成を阻害し得、また穿通された輪郭を巡る材料の分離を阻害し得る。ピッチが小さ過ぎる場合、ガラス内の望ましくない微小割れの増大も引き起こされ得る。長過ぎる（例えば＞５０μｍ、及びいくつかのガラスでは＞２５μｍ又は＞２０μｍでさえある）ピッチは、「非制御下の微小割れ」を引き起こし得る。即ちこの場合、意図した輪郭に沿った欠陥線から欠陥線への伝播の代わりに、微小割れが異なる経路に沿って伝播し、意図した輪郭とは離れた異なる（望ましくない）方向のガラスの割れを引き起こす。これは最終的には、分離されたパーツの強度を低下させ得る。というのは残留する微小割れは、ガラスを弱化させるきずを構成するためである。欠陥線を形成するための高過ぎる（例えば＞２５００μＪ／バースト、及びいくつかの実施形態では＞５００μＪ／バーストの）バーストエネルギは、既に形成された欠陥線の「治癒（ｈｅａｌｉｎｇ）」又は再溶融を引き起こし得、これはガラスの分離を阻害し得る。従って、バーストエネルギが＜２５００μＪ／バースト、例えば≦５００μＪ／バーストであることが好ましい。また、高過ぎるバーストエネルギの使用は微小割れの形成を引き起こし得、これは極めて大きく、分離後のパーツの縁部強度を低減し得る構造的不完全性を生成する。低過ぎる（例えば＜４０μＪ／バーストの）バーストエネルギは、ガラス内に目に見える欠陥線を形成できず、従って特に高い分離力が必要となり得、又は穿通された輪郭に沿った分離を完全に不可能としてしまい得る。

このプロセスが可能な典型的な切断速度の例は、例えば０．２５ｍ／ｓｅｃ以上である。いくつかの実施形態では、切断速度は少なくとも３００ｍｍ／ｓｅｃである。いくつかの実施形態では、切断速度は少なくとも４００ｍ／ｓｅｃ、例えば５００ｍｍ／ｓｅｃ〜２０００ ｍｍ／ｓｅｃ以上である。いくつかの実施形態では、ピコ秒（ｐｓ）レーザはパルスバーストを利用して、０．５μｍ〜１３μｍ、例えば０．５〜３μｍの周期で欠陥線を生成する。いくつかの実施形態では、パルスレーザは１０Ｗ〜１００Ｗのレーザ出力を有し、材料及び／又はレーザビームは互いに対して、少なくとも０．２５ｍ／ｓｅｃ；例えば０．２５／ｍｓｅｃ〜０．３５ｍ／ｓｅｃ、又は０．４ｍ／ｓｅｃ〜５ｍ／ｓｅｃの速度で並進移動する。好ましくは、パルスレーザビームの各パルスバーストは、加工物において測定した場合に、加工物の厚さ１ｍｍあたり４０μＪ／バースト超の平均レーザエネルギを有する。好ましくは、パルスレーザビームの各パルスバーストは、加工物において測定した場合に、加工物の厚さ１ｍｍあたり２５００μＪ／バースト未満、及び好ましくは加工物の厚さ１ｍｍあたり約２０００μＪ／バースト未満、及びいくつかの実施形態では加工物の厚さ１ｍｍあたり１５００μＪ／バースト未満、例えば加工物の厚さ１ｍｍあたり５００μＪ／バースト以下の平均レーザエネルギを有する。

本発明者らは、アルカリ含有量が低いか又はゼロのアルカリ土類ボロアルミノシリケートガラスを穿通するためには、遥かに高い（５〜１０倍高い）容積パルスエネルギ密度（μＪ／μｍ^３）が必要となることを発見した。これは例えば、好ましくは少なくとも１バーストあたり２パルスを有するパルスバーストレーザを利用し、約０．０５μＪ／μｍ^３以上、例えば少なくとも０．１μＪ／μｍ^３、例えば０．１〜０．５μＪ／μｍ^３の、上記アルカリ土類ボロアルミノシリケートガラス中の容積エネルギ密度を提供することによって、達成できる。

従って、レーザが、１バーストあたり少なくとも２パルスを有するパルスバーストを生成することが好ましい。例えばいくつかの実施形態では、パルスレーザは１０Ｗ〜１５０Ｗ（例えば１０Ｗ〜１００Ｗ）の出力を有し、１バーストあたり少なくとも２パルス（例えば１バーストあたり２〜２５パルス）を有するパルスバーストを生成する。いくつかの実施形態では、パルスレーザは２５Ｗ〜６０Ｗの出力を有し、１バーストあたり少なくとも２〜２５パルスを有するパルスバーストを生成し、このレーザバーストが生成する隣接する欠陥線間の周期又は距離は２〜１０μｍである。いくつかの実施形態では、パルスレーザは１０Ｗ〜１００Ｗの出力を有し、１バーストあたり少なくとも２パルスを有するパルスバーストを生成し、加工物及びレーザビームは互いに対して、少なくとも０．２５ｍ／ｓｅｃの速度で並進移動する。いくつかの実施形態では、加工物及び／又はレーザビームは互いに対して、少なくとも０．４ｍ／ｓｅｃの速度で並進移動する。

例えば、厚さ０．７ｍｍの非イオン交換Ｃｏｒｎｉｎｇコード２３１９又はコード２３２０Ｇｏｒｉｌｌａ（登録商標）ガラスを切断するために、約１５０〜２５０μＪ／バーストのパルスバーストエネルギ及び２〜１５のバーストパルス数を伴う３〜７μｍのピッチ、また好ましくは３〜５μｍのピッチ及び２〜５のバーストパルス数（１バーストあたりのパルスの数）が、良好に作用できることが観察されている。

１ｍ／ｓｅｃの切断速度において、ＥａｇｌｅＸＧ（登録商標）ガラス又は２３２０「Ｇｏｒｉｌｌａ」ガラスの切断は典型的には、１５〜８４Ｗのレーザ出力の利用が必要となり、３０〜４５Ｗで十分である場合が多い。一般に、広範なガラス及び他の透明材料に亘って、出願人らは、０．２〜１ｍ／ｓｅｃの切断速度を達成するために１０Ｗ〜１００Ｗのレーザ出力が好ましく、多くのガラスに関しては２５〜６０Ｗのレーザ出力で十分である（又はこれが最適である）ことを発見した。０．４ｍ／ｓｅｃ〜５ｍ／ｓｅｃの切断速度に関して、レーザ出力は好ましくは、４０〜７５０μＪ／バーストのバーストエネルギ、（切断される材料に応じて）１バーストあたり２〜２５パルス、及び３〜１５μｍ又は３〜１０μｍの欠陥線間隔（ピッチ）を伴う１０Ｗ〜１５０Ｗとするべきである。これらの切断速度のためには、ピコ秒パルスバーストレーザの使用が好ましい。というのは、上記ピコ秒パルスバーストレーザは高い出力と、必要な１バーストあたりのパルス数とを生成するためである。従っていくつかの例示的実施形態によると、パルスレーザは１０Ｗ〜１００Ｗ、例えば２５Ｗ〜６０Ｗの出力を生成し、また１バーストあたり少なくとも２〜２５パルスのパルスバーストを生成し、欠陥線間の間隔は２〜１５μｍとなる。そしてレーザビーム及び／又は加工物は互いに対して、少なくとも０．２５ｍ／ｓｅｃ、いくつかの実施形態では少なくとも０．４ｍ／ｓｅｃ、例えば０．５ｍ／ｓｅｃ〜５ｍ／ｓｅｃ以上の速度で並進移動する。

３Ｄ成形形状の切断及び抜き出し
図８Ｃは、厚さ０．５５ｍｍのＣｏｒｎｉｎｇコード２３１９「Ｇｏｒｉｌｌａ」ガラスの、大型予備形成パネル加工物から、３Ｄ形状を切断して抜き出すためのプロセスを示す。大型予備形成切断ガラスシートを、テンプレートを用いてたわませることによって、３Ｄ形状の、大きな半径で湾曲したパネルへと形成する。この３Ｄ形状をレーザビームの下に配置し、ガラス形状の表面と線状焦点（焦線）との間の相対距離を段階的に下げながら、図９と併せて後に記載する同一の形状を漸進的にトレースすることによって、本明細書に記載の欠陥線を上記湾曲ガラス上に生成した。表面と焦線との間の相対距離を段階的に下げるステップについては、図１０Ａ及び１０Ｂと併せて後に更に説明する。各パスにおいて、ガラスの僅かな部分のみがレーザの線状焦点と重複することにより、欠陥線が生成された。コーナが丸くなった（丸みの半径Ｒ２＝１２ｍｍ）長方形のトレースが完了する毎に、距離を２００マイクロメートルだけ変化させた、又は段階的に変化させた。湾曲ガラス形状上の欠陥線によって上記形状全体が刻印されると、切り離し線（図示せず）を用いてパーツを手動で破断して外すことにより、最終的なパーツの抜き出しが達成された。このパーツは、長さＬ、幅Ｗ及び厚さ又は高さｈを有する。値Ｒ１は、形成されたパーツに関する曲率半径であり、これは長さＬと併せて厚さｈを決定する。

図９は、図８と併せて上述した加工ステージに従って、たわんだ非強化「Ｇｏｒｉｌｌａ」２３１９から加工された、仕上げ済みパーツを示す。

図１０Ａは、ガラスとレーザ焦線との間の複数の相対距離において、トレースされた経路に従った欠陥線を生成するためのプロセスを示す。３Ｄガラス表面とレーザ焦線との間の各距離又は間隔において、コーナが丸くなった長方形の全周をトレースする。次に上記相対間隔を２００マイクロメートルだけ段階的に下げ、同一の形状を再びトレースする。湾曲したガラスパネル中に欠陥線が完全に画定されるまで、このプロセスを繰り返す。このステップの走査は、パスと呼ぶ場合もある。従って１つ又は複数のパスにおいて、加工物とレーザビームとを互いに対して並進移動させることができ、レーザビーム焦線は、図１０Ａの上側に４つの異なる平面内に図示された輪郭経路に沿って加工物と交差する。レーザビーム及び加工物が、例えば上記４つの平面のうちの１つに対して垂直な方向に段階的に移動するか、又は互いに対して並進移動すると、レーザビーム焦面は加工物中の上記平面のうちの別のものと、輪郭経路において交差する。１つ又は複数のパスにおいて、各平面において輪郭の周辺に十分な数の欠陥線を生成すると、輪郭によって画定されたパーツを加工物から分離できる。分離がレーザビーム焦線単独による分離であるか、又は分離が機械的な力、若しくは別個の赤外レーザビームの印加、若しくは他のステップを更に伴うかにかかわらず、欠陥線の数は、分離が促進されれば十分である。

図１０Ｂは、ある所与の平面内での走査に関して、ガラスの厚さが線状焦点又は焦線の範囲内となっている領域にのみ欠陥線を生成する方法の拡大図を示す。いくつかの場合、異なる複数の平面における走査間に重複が存在し得ることに留意されたい。例えばある例示的な場合において、線状焦点の範囲（又は焦線の長さ）は約１ｍｍであり、ステップは約１００マイクロメートルであった。従って、後ろのステップの走査（又はパス）におけるレーザビーム焦線は、前のステップの走査（又はパス）において生成された欠陥線と重複した。

図１１は、切断及び抜き出しプロセスの規模を拡大して、複数のパーツを生成できるようにする方法を示す。図１１の上の行は、図８〜１０Ｂと併せて上述したように大型のガラスパーツ又は加工物から個々のパーツを形成して抜き出すステージを示す。この上の行はまた、抜き出し後のガラスパーツ又は加工物の強化も示す。図１１の下の行は、図１１の上の行に示した方法と同様の方法を用いて複数のガラスパーツの形成、抜き出し及び強化を行うための対応するステージを、上の行と並べて示す。

図１２は、２つの形成及び分離されたパーツ又は加工物を示し、これらは図９に図示したパーツと同様であるが、図１２の例では、２つの長方形を同時にトレースした。図１２のトレースされた長方形及び各切り離し線もまた、レーザによる欠陥線によってトレースされ、かつ所望のコーナが丸くなった長方形を基板パネルから分離するために使用される。半径５００ｍｍの湾曲したガラスに成形された、たわんだ厚さ０．５５ｍｍのＣｏｒｎｉｎｇコード２３１９「Ｇｏｒｉｌｌａ」ガラスを、図１２に示す実証でも使用した。２つの長方形は、図９のパーツに関して使用したものと同一の３Ｄ湾曲形状及び１２ｍｍのコーナ半径を有する。

上述の実証のために使用されたレーザ条件及び速度を、参考のために以下にまとめる。パーツをガラスマトリクスから分離するために、切り離し線に力を手動で印加した。この力は、穿通線（欠陥線）における破断と、断層線に沿った割れの伝播とを引き起こし、これにより最終的にガラスマトリクスから上記形状が分離された。
アキシコンレンズへの入力ビーム直径〜２ｍｍ
アキシコン角度＝１０°
初期コリメートレンズ焦点距離＝１２５ｍｍ
最終対物レンズ焦点距離＝４０ｍｍ
入射ビーム方位角＝１２．７５°
焦点は０〜１０ｍｍに設定され、各トレースにおいて２００マイクロメートル刻みで変化
レーザ出力は全出力の７５％（〜３０ワット）
レーザのパルス繰り返し数＝２００ｋＨｚ
３パルス／バースト
ピッチ＝６マイクロメートル
図９に示す同一トレースの複数のパス
可動ステージ速度＝１２ｍ／ｍｉｎ＝２００ｍｍ／ｓ

上述のプロセスの代替例として、デフォーカスＣＯ_２レーザを利用してパーツの切り離しを補助する別の実施形態が実証されている。デフォーカスＣＯ_２レーザは、ピコ秒レーザが所望の輪郭（断層線）をトレースして、周りを取り囲む基板マトリクスからのパーツの分離を実施するに従って、ピコ秒レーザに追従する。デフォーカスＣＯ_２レーザが誘起した熱応力は、割れを開始及び伝播させるために十分であり、これは、断層線によって画定された上記所望の輪郭に沿ったパーツの分離を引き起こし、これによって基板パネルから成形されたパーツが切り離される。このために、以下の光学部品及びレーザパラメータに関して最良の結果が見られた：

ピコ秒レーザ
アキシコンレンズへの入力ビーム直径〜２ｍｍ
アキシコン角度＝１０°
初期コリメートレンズ焦点距離＝１２５ｍｍ
最終対物レンズ焦点距離＝４０ｍｍ
入射ビーム方位角＝１２．７５°
焦点は０〜１０ｍｍに設定され、各トレースにおいて２００マイクロメートル刻みで変化
レーザ出力は全出力の７５％（〜３０ワット）
レーザのパルス繰り返し数＝２００ｋＨｚ
３パルス／バースト
ピッチ＝６マイクロメートル
図９に示す同一トレースの複数のパス
可動ステージ速度＝１２ｍ／ｍｉｎ＝２００ｍｍ／ｓ

ＣＯ_２レーザ
レーザ並進移動速度：１３０ｍｍ／ｓ
レーザ出力＝１００％
パルス持続時間１３マイクロ秒（９５％デューティサイクル）
レーザ変調周波数２０ｋＨｚ
レーザビームのデフォーカスは２１ｍｍである
シングルパス

熱によってたわんだガラスパネルから３Ｄパーツを形成して抜き出すための、代替的なプロセス
図１３は、３Ｄ形状を抜き出す代替的な方法の複数のステージを示す。平坦ガラス基板パネルをたわませて予備形成する前に、平坦ガラス基板パネル上に欠陥線を生成する（レーザによってトレースする）。熱たわみプロセスの後、欠陥線周辺の残留応力は張力（引張力）を生成し、これは上記形状が切り離されるまで割れが伝播するのを支援する。

図１４は、熱によってたわんだガラスパネルからの３Ｄのパーツの形成、強化及び抜き出しのための、ある実施形態によるプロセスを示す。図１４に示すように、上述のような方法は、異なるレベルのイオン交換及び圧縮応力を施された、様々な平坦な強化Ｃｏｒｎｉｎｇコード２３１９「Ｇｏｒｉｌｌａ」ガラスを分離するにあたっても、極めて良好に作用する。３Ｄパーツは、既にイオン交換によって強化された大型基板又はパネル全体から、直接生成して抜き出すことができる。ガラスが事前に強化されているという事実により、ＣＯ_２レーザ等の赤外レーザを用いる必要なく、基板からのパーツの切り離しを促進できる。

例えば携帯電話等のハンドヘルド製品のために、３Ｄ表面を有するカバーガラスが開発されている。しかしながら、例えば薄型ＬＣＤガラスから３Ｄパーツを形成するのは、曲率半径が小さい場合ほど困難になる。例えば１０ｍｍの曲率半径は、薄型ＬＣＤガラスによって容易に達成される。しかしながら、例えば５ｍｍ又は２ｍｍといった比較的小さい半径を有する３Ｄ皿状パーツは、既存の方法で製造するのがより困難である。というのは、既存の方法では、ガラスは典型的には高温となり、これにより、良好な２ｍｍのコーナ半径を達成するためには表面欠陥が発生してしまうためである。更に、ガラスを型の厳密な特徴部分に押し付けるために、真空及び圧力が必要となり得る。更に、製造サイズ及び容積をスケールアップするためには、典型的にはコスト効率のために大型に形成された薄型ガラスのシートが使用され、複数のパーツのアレイ上に厳密なコーナ半径を生成するのは、更に困難になり得る。本明細書で開示される実施形態は、図１〜４Ｂと併せて更に説明されるように、曲率半径が小さい３Ｄ表面を有するガラスパーツの製造を促進できる。

図１５Ａは、複数のパーツ１５５１の予備形成シート１５５０の図である。シート１５５０を、実施形態による方法に従ってレーザ穿通する（欠陥線を生成する）ことにより、曲率半径が小さいガラス部品の成形が促進される。特に、これまでに開示した方法に従って切り離し線１５５４をレーザ穿通することにより、複数の個々のパーツを有する個々のパーツ予備形成物１５５１の個片化が促進される。パーツの外形１５５２もレーザ穿通することにより、３Ｄ湾曲表面を有するようにガラスパーツ１５５２を成形した後に続く、個片化した予備形成物からのパーツの取り外しが促進される。他の実施形態では、成形は予備形成シート１５５０全体をそのままに保った状態で実施されることに留意されたい。

図１５Ｂは、図１５Ａに示すシートから分離された、１つの個片化された予備形成物の図である。図１５Ｂにはパーツのコーナ１５５６も図示されており、上記コーナ１５５６は複数回レーザ穿通され、これによって、図１６Ｃ〜Ｄのコーナ断面図に関連して更に後述されるように、湾曲半径が小さいコーナの成形が促進される。図１６Ａ〜Ｂの側面断面図に関連して更に後述されるように、ガラスパーツ１５５２の表面上における更なる３Ｄ湾曲部の成形を促進する他のレーザ穿通孔は、図１５Ｂには示されていない。

図１６Ａ〜Ｂは、レーザ穿通孔によって可能となった半径を有する３Ｄ表面の形成のそれぞれ前及び後における、図１５Ｂの個片化された予備形成物の側面断面図である。図１６Ａは、個片化された予備形成物１５５１の一部の表面に適用されることになる３Ｄ湾曲部を画定する３Ｄ湾曲表面を有する型１５５８を示す。予備形成物１５５１は、表面欠陥を僅かしか又は全く誘起せずに予備形成物の屈曲を促進する、レーザ穿通孔１５６０を含む。図１６Ｂは、成形後の同一の型１５５８及び予備形成物１５５１を示し、穿通孔１５６０がガラス中の屈曲応力を緩和することを確認できる。このようなレーザ穿通孔は、成形を完了するために予備形成物１５５１に対して真空又は圧力を印加する必要を削減又は排除できる。

図１６Ｃ〜Ｄは、複数のレーザ穿通孔１５６０によって可能となった小さなコーナ半径を有する表面の形成のそれぞれ前及び後における、図１５Ｂの個片化された予備形成物のコーナ断面図である。図１６Ｃ〜Ｄに示すように、複数の穿通孔によって、例えば５ｍｍ又は２ｍｍ以下といった特に小さい表面曲率半径を可能とすることができる。複数の又は高密度の穿通孔により、成形中の応力が緩和され、成形中に真空又は圧力を印加する必要が削減され、表面欠陥が減少する。

上述の方法は、レーザ加工性能の向上及びコスト節約、並びにこれに伴って低コストの製造につながり得る、以下の便益を提供する。上述の実施形態は、以下を提供する：
最終的なサイズでの３Ｄ成形「Ｇｏｒｉｌｌａ」ガラスパーツの完全な分離及び抜き出し‐‐方法は、フュージョンプロセスによって製造されたままの状態で（非強化）、又は「Ｇｏｒｉｌｌａ」ガラス基板に清浄な制御された様式で化学強化を施した後で、（個々の又は複数の）任意の形状の成形された３Ｄ「Ｇｏｒｉｌｌａ」ガラスパーツの完全な切断及び抜き出しを可能とする。最終的なサイズへのパーツの完全な切断及び分離は、レーザ線状焦点（焦線）に対する基板の表面の相対位置を段階的に下げながらパーツの形状の輪郭をトレースすることによって、半径が大きい形状に予備成形された基板から達成された。

表面下損傷の減少：レーザと材料との間の超短パルス相互作用により、熱的相互作用が殆ど存在しなくなり、従って、望ましくない応力並びに表面における及び表面下領域における微小割れにつながり得る、熱の影響を受ける領域が最小となる。更に例えば、レーザビームを３Ｄガラス形状へと集中させる光学部品は、基板の表面上に、典型的には直径２〜５マイクロメートルの欠陥線を生成する。

分離後、表面下損傷は、表面から深さ＜７５マイクロメートル、例えば深さ＜５０マイクロメートル又は更に深さ＜３０マイクロメートルといった距離にまで制限される。これは分離されたパーツの縁部強度に大きく影響する。というのは、強度は欠陥の数、並びにサイズ及び深さに関する欠陥の統計的分布に左右されるためである。これらの数が多いほど、パーツの縁部は弱くなり、分離されたパーツが破損しやすくなる。本明細書によって開示される実施形態によって可能となるプロセスは、深さ７５マイクロメートル未満、例えば深さ５０マイクロメートル未満、深さ３０マイクロメートル未満又は更に深さ２０マイクロメートル以下といった、切断されたままの状態の縁部の表面下損傷を提供できる。

いずれの切断プロセスによって引き起こされる、切断表面に対して概ね垂直に配向された、表面下損傷、又は微小割れ及び材料の改質は、ガラス又は他の脆性材料の縁部強度に関する懸案事項である。表面反射は無視されるが、割れは材料内に向かって探索され、これらの割れは明るい線として現れる。次に、「スパーク」がなくなるまでこの顕微鏡の焦点を材料に合わせ、規則的な間隔で画像を収集する。そして割れを発見し、ガラスの深さを通してこれらを追跡し、表面下損傷の最大深さ（典型的にはマイクロメートルで測定される）を得ることによって、これらの画像を手動で処理する。典型的には数千もの微小割れが存在するため、典型的には最も大きい微小割れのみを測定する。このプロセスを、１つの切断縁部の約５箇所に対して繰り返す。微小割れは切断表面に対して概ね垂直であるが、切断表面に対して完全に垂直であるいずれの割れは、この方法では検出できない。

プロセスの清浄性‐‐‐上述の方法は、清浄な制御された様式で３Ｄガラス形状を分離／切断できる。従来の融除又は熱的レーザプロセスを用いるのは極めて困難である。というのは、上記プロセスは、ガラス又は他の基板の微小割れ又は複数のより小さい片への断片化を誘起する、熱の影響を受ける領域をトリガする傾向があるためである。本開示のレーザパルス、及び誘起される材料との相互作用の特徴により、これらの問題は全て回避できる。というのは、これらの問題は極めて短いタイムスケールで発生するため、及びレーザ照射に対する基板材料の透過性により、誘起される熱的効果が最小化されているためである。欠陥線は物体又は加工物内に生成されるため、切断ステップ中の破片及び粒子状物質の存在は実質的に排除される。生成される欠陥線に由来するいずれの粒子が存在する場合、これら粒子は、パーツが分離されるまで良好に内包される。本明細書に記載のレーザによる方法によって切断及び分離される表面上の粒子の平均直径は、例えば約３マイクロメートル未満とすることができる。

異なる複数のサイズの複雑なプロファイル及び形状の切断
本レーザ加工方法により、ガラス及び他の基板又は加工物を、多数の形態及び形状に従って切断／分離できる。これは他の競合技術において制約となっている。本明細書に記載の方法を用いて、厳密な半径（例えば＜２ｍｍ又は＜５ｍｍ）を切断でき、これにより湾曲縁部が可能となる。また、欠陥線はいずれの割れの伝播位置を強力に制御するため、本方法は、切断の空間的位置に対する優れた制御をもたらし、僅か数百マイクロメートルの構造体及び特徴部分の切断及び分離を可能とする。

プロセスステップの削除
パーツ（新規のガラスパネルからの、任意の成形された複数のガラスプレート）を最終的なサイズ及び形状に加工するためのプロセスは、パネルの切断、あるサイズへの切断、仕上げ及び縁部成形、目標厚さへのパーツの薄化、研磨、並びに場合によっては化学強化さえも包含する、複数のステップを伴う。これらのステップのうちのいずれを削除することにより、プロセス時間及び投入資本の観点において製造コストが改善されることになる。本明細書において提示した方法は、例えば破片及び縁部欠陥の生成を低減すること、洗浄及び乾燥ステーションの必要を本質的に排除することにより、ステップの数を削減できる。更に、例えば試料をその最終的なサイズ、形状及び厚さに直接切断し、仕上げラインの必要を排除することにより、ステップの数を削減できる。

積層体の切断
本プロセスは、積層されたガラスパネル内に垂直な欠陥線を生成することもできる。積層体の高さには制限があるものの、複数の積層されたプレートを同時に加工することにより、生産性を向上させることができる。材料をレーザ波長に対して略透過性とする必要があり、上記レーザ波長は、３Ｄガラス形状に関する場合には、本明細書において使用したレーザ波長（１０６４ｎｍ）である。

本明細書において挙げられている全ての特許、公開出願及び参考文献の関連する教示は、その全体が参照により本出願に援用される。

本明細書では複数の例示的実施形態について開示したが、添付の請求項が包含する本発明の範囲から逸脱することなく、上記例示的実施形態において形態及び細部の様々な変更を実施してよいことは、当業者には理解されるだろう。

以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。

実施形態１
３Ｄ表面を有するガラス加工物をレーザ加工する方法であって、上記方法は：
ビーム伝播方向に沿って配向され、上記加工物から分離されることになるパーツを画定する輪郭に向けられたレーザビーム焦線に、パルスレーザビームを集束させるステップ；
１つ又は複数のパスにおいて：
加工物及びレーザビームを輪郭に沿って互いに対して並進移動させるステップであって、レーザビーム焦線は加工物内において、レーザビーム焦線が加工物内へと延在する輪郭に沿った位置に誘起吸収を生成し、上記誘起吸収は、各位置において、加工物内のレーザビーム焦線に沿って欠陥線を生成する、ステップ；並びに
加工物及びレーザビームを互いに対して並進移動させるステップ
を有してなり、
上記１つ又は複数のパスは、加工物中のパーツの輪郭に沿って生成された欠陥線が、加工物からのパーツの分離を促進するために十分な数及び深さのものとなるように選択される、方法。

実施形態２
平坦な非強化ガラス加工物をレーザ加工する方法であって、上記方法は：
ビーム伝播方向に沿って配向され、輪郭に沿って加工物に向けられたレーザビーム焦線に、パルスレーザビームを集束させるステップであって、上記レーザビーム焦線は加工物内において誘起吸収を生成し、この誘起吸収は、加工物内のレーザビーム焦線に沿って欠陥線を生成する、ステップ；
加工物及びレーザビームを輪郭に沿って互いに対して並進移動させることによって、加工物内に輪郭に沿った複数の欠陥線をレーザ形成するステップであって、上記輪郭は、加工物から分離されることになるパーツを画定する、ステップ；並びに
上記画定されたパーツを含む加工物を、３Ｄ表面を含むように成形するステップ
を有してなる、方法。

実施形態３
成形された非強化ガラス加工物をレーザ加工する方法であって、上記方法は：
上記成形されたガラス加工物を、真空平坦化処理するステップ；
ビーム伝播方向に沿って配向され、輪郭に沿って真空平坦化処理された加工物に向けられたレーザビーム焦線に、パルスレーザビームを集束させるステップであって、レーザビーム焦線は加工物内において誘起吸収を生成し、この誘起吸収は、加工物内のレーザビーム焦線に沿って欠陥線を生成する、ステップ；
真空平坦化処理された加工物及びレーザビームを輪郭に沿って互いに対して並進移動させることによって、加工物内に輪郭に沿った複数の欠陥線をレーザ形成するステップであって、上記輪郭は、加工物から分離されることになるパーツを画定する、ステップ；並びに
上記画定されたパーツを含む真空平坦化処理された加工物に対する真空を解放するステップ
を有してなる、方法。

実施形態４
パーツを加工物から輪郭に沿って分離するステップを更に含む、実施形態１〜３のいずれか１つに記載の方法。

実施形態５
上記パーツを加工物から輪郭に沿って分離するステップは、上記パーツに機械的力を印加することによって、輪郭に沿った分離を促進するステップを含む、実施形態４に記載の方法。

実施形態６
上記パーツを加工物から輪郭に沿って分離するステップは、輪郭に沿って又は輪郭付近において赤外レーザビームを上記加工物に向けることによって、上記分離を促進するステップを含む、実施形態４又は５に記載の方法。

実施形態７
上記加工物は成形ガラスパネルである、実施形態１〜６のいずれか１つに記載の方法。

実施形態８
上記加工物はたわませたガラスパネルである、実施形態１〜７のいずれか１つに記載の方法。

実施形態９
レーザビーム焦線の長さは、上記加工物の厚さより大きい、実施形態１〜８のいずれか１つに記載の方法。

実施形態１０
上記輪郭は、上記加工物から分離されることになる２つ以上のパーツを画定する、実施形態１〜９のいずれか１つに記載の方法。

実施形態１１
１つ又は複数のパスにおいて、上記加工物を上記レーザビームに対して回転させるステップを更に含む、実施形態１〜１０のいずれか１つに記載の方法。

実施形態１２
上記誘起吸収は、上記加工物内に、深さ約７５マイクロメートル以下までの表面下損傷を生成する、実施形態１〜１１のいずれか１つに記載の方法。

実施形態１３
上記加工物の厚さは、約１００マイクロメートル〜約８ｍｍである、実施形態１〜１２のいずれか１つに記載の方法。

実施形態１４
上記パルスレーザビームのパルス持続時間は、約１ピコ秒超かつ約１００ピコ秒未満である、実施形態１〜１３のいずれか１つに記載の方法。

実施形態１５
上記パルスレーザビームは、上記加工物において測定した場合の平均レーザバーストエネルギが、上記加工物の厚さ１ｍｍあたり４０マイクロジュール超である、実施形態１〜１４のいずれか１つに記載の方法。

実施形態１６
上記パルスレーザビームはある波長を有し、上記加工物は上記波長に対して略透過性である、実施形態１〜１５のいずれか１つに記載の方法。

実施形態１７
上記加工物は化学強化ガラスを含む、実施形態１及び４〜１６のいずれか１つに記載の方法。

実施形態１８
上記加工物は非強化ガラスを含む、実施形態１及び４〜１６のいずれか１つに記載の方法。

実施形態１９
上記パルスレーザは１０Ｗ〜１００Ｗの出力を有し、１バーストあたり少なくとも２パルスを含む複数のパルスのバーストを生成する、実施形態１〜１８のいずれか１つに記載の方法。

実施形態２０
上記パルスレーザは１０Ｗ〜１００Ｗの出力を有し、１バーストあたり２〜２５パルスを含む複数のパルスのバーストを生成する、実施形態１９に記載の方法。

実施形態２１
上記パルスレーザは２５Ｗ〜６０Ｗの出力を有し、１バーストあたり２〜２５パルスを含む複数のパルスのバーストを生成し、
欠陥線間の距離は２〜１０マイクロメートルである、実施形態１９に記載の方法。

実施形態２２
上記パルスレーザは１０Ｗ〜１００Ｗの出力を有し、上記加工物及び上記レーザビームは互いに対して少なくとも０．４ｍ／ｓｅｃの速さで並進移動する、実施形態１９に記載の方法。

実施形態２３
上記誘起吸収は、約０．５マイクロメートル以下のＲａ表面粗度を生成する、実施形態１〜２２のいずれか１つに記載の方法。

実施形態２４
上記加工物の厚さは約１００マイクロメートル〜約８ｍｍである、実施形態１〜２３のいずれか１つに記載の方法。

実施形態２５
上記加工物及びパルスレーザビームは、約１ｍｍ／ｓｅｃ〜約３４００ｍｍ／ｓｅｃの速さで、上記輪郭に沿って互いに対して並進移動する、実施形態１〜２４のいずれか１つに記載の方法。

実施形態２６
上記パルスレーザビームのパルス持続時間は、約１ピコ秒超かつ約１００ピコ秒未満である、実施形態１〜２５のいずれか１つに記載の方法。

実施形態２７
上記パルス持続時間は、約５ピコ秒超かつ約２０ピコ秒未満である、実施形態２６に記載の方法。

実施形態２８
上記パルスレーザビームの繰り返し数は約１ｋＨｚ〜２ＭＨｚである、実施形態１〜２７のいずれか１つに記載の方法。

実施形態２９
上記繰り返し数は約１０ｋＨｚ〜６５０ｋＨｚである、実施形態２８に記載方法。

実施形態３０
上記パルスは、約１ｎｓｅｃ〜約５０ｎｓｅｃの持続時間によって隔てられた少なくとも２つのパルスのバースト内で生成され、
上記バーストのバースト繰り返し周波数は、約１ｋＨｚ〜約６５０ｋＨｚである、実施形態１〜２９のいずれか１つに記載の方法。

実施形態３１
上記パルスは、約１０〜５０ｎｓｅｃの持続時間によって隔てられる、実施形態３０に記載の方法。

実施形態３２
上記レーザビーム焦線の長さは約０．０１ｍｍ〜約１００ｍｍである、実施形態１〜３１のいずれか１つに記載の方法。

実施形態３３
上記レーザビーム焦線の長さは約０．１ｍｍ〜約１０ｍｍである、実施形態３２に記載の方法。

実施形態３４
上記レーザビーム焦線の長さは約０．１ｍｍ〜約１ｍｍである、実施形態３２に記載の方法。

実施形態３５
上記レーザビーム焦線の平均スポット直径は、約０．１マイクロメートル〜約５マイクロメートルである、実施形態１〜３４のいずれか１つに記載の方法。

実施形態３６
上記加工物の成形前に、成形後にある表面湾曲部を有することが意図された上記加工物のあるセクションに、レーザビーム焦線を向けることによって、上記セクション内に１つ又は複数の欠陥線を生成して、上記加工物の成形を促進するステップを更に含む、実施形態２に記載の方法。

実施形態３７
成形後の表面曲率半径は約５ｍｍ未満である、実施形態３６に記載の方法。

実施形態３８
成形後の表面曲率半径は約２ｍｍ未満である、実施形態３７に記載の方法。

実施形態３９
実施形態１〜３８のいずれか１つに記載の方法によって調製された、ガラス物品。

実施形態４０
３Ｄ表面を有するガラス物品であって、
上記ガラス物品は、少なくとも２５０マイクロメートル延在する複数の欠陥線を有する少なくとも１つの縁部を有し、
上記欠陥線はそれぞれ、約５マイクロメートル以下の直径を有する、ガラス物品。

実施形態４１
上記ガラス物品は強化ガラスを含む、実施形態４０に記載のガラス物品。

実施形態４２
上記ガラス物品は非強化ガラスを含む、実施形態に記載４０のガラス物品。

実施形態４３
上記縁部のＲａ表面粗度は約０．５マイクロメートル未満である、実施形態４０に記載のガラス物品。

実施形態４４
上記縁部は深さ約７５マイクロメートル以下までの表面下損傷を有する、実施形態４０に記載のガラス物品。

実施形態４５
上記欠陥線間の距離は約７マイクロメートル以下である、実施形態４０に記載のガラス物品。

１ 基板
１ａ 基板の表面
１ｂ 基板の反対側の表面
２ レーザ照射
２ａ レーザ照射、ビーム束
２ａＲ 辺縁光線
２ａＺ 中央ビーム
２ｂ レーザビーム焦線
２ｃ 誘起吸収のセクション
３ レーザ
６ 光学組立体
７ 両凸面レンズ
８ 円形開口
９ アキシコン
１０ アキシコン
１１ 平凸レンズ
１２ コリメートレンズ
１１０ 薄型ガラスプレート、断層線、輪郭
１２０ 欠陥線、孔
１３０ 基板材料
１４０ 超短パルスレーザビーム
５００ バースト
５００Ａ パルス
７１０ 集束していないレーザビーム
７２０ 透明基板
７３０ 球面レンズ
７４０ 焦点
７５０ アキシコンレンズ
７６０ 円筒
１５５０ 予備形成シート
１５５１ パーツ
１５５２ パーツの外形
１５５４ 切り離し線
１５５６ パーツのコーナ
１５５８ 型
１５６０ レーザ穿通孔

Claims (9)

1. ３Ｄ表面を有するガラス加工物をレーザ加工する方法であって、前記方法は：
   ビーム伝播方向に沿って配向され、前記加工物から分離されることになるパーツを画定する輪郭に向けられたレーザビーム焦線に、パルスレーザビームを集束させるステップ；
   １つ又は複数のパスにおいて：
   前記加工物及び前記レーザビームを前記輪郭に沿って互いに対して並進移動させるステップであって、前記レーザビーム焦線は前記加工物内において、前記レーザビーム焦線が前記加工物内へと延在する前記輪郭に沿った位置に誘起吸収を生成し、前記誘起吸収は、各前記位置において、前記加工物内の前記レーザビーム焦線に沿って欠陥線を生成する、ステップ；並びに
   前記加工物及び前記レーザビームを互いに対して並進移動させるステップ
   を有してなり、
   前記１つ又は複数のパスは、前記加工物中の前記パーツの前記輪郭に沿って生成された前記欠陥線が、前記加工物からの前記パーツの分離を促進するために十分な数及び深さのものとなるように選択される、方法。
2. 平坦な非強化ガラス加工物をレーザ加工する方法であって、前記方法は：
   ビーム伝播方向に沿って配向され、輪郭に沿って前記加工物に向けられたレーザビーム焦線に、パルスレーザビームを集束させるステップであって、前記レーザビーム焦線は前記加工物内において誘起吸収を生成し、前記誘起吸収は、前記加工物内の前記レーザビーム焦線に沿って欠陥線を生成する、ステップ；
   前記加工物及び前記レーザビームを前記輪郭に沿って互いに対して並進移動させることによって、前記加工物内に前記輪郭に沿った複数の前記欠陥線をレーザ形成するステップであって、前記輪郭は、前記加工物から分離されることになるパーツを画定する、ステップ；並びに
   前記画定されたパーツを含む前記加工物を、３Ｄ表面を含むように成形するステップ
   を有してなる、方法。
3. 成形された非強化ガラス加工物をレーザ加工する方法であって、前記方法は：
   前記成形されたガラス加工物を、真空平坦化処理するステップ；
   ビーム伝播方向に沿って配向され、輪郭に沿って真空平坦化処理された前記加工物に向けられたレーザビーム焦線に、パルスレーザビームを集束させるステップであって、前記レーザビーム焦線は前記加工物内において誘起吸収を生成し、前記誘起吸収は、前記加工物内の前記レーザビーム焦線に沿って欠陥線を生成する、ステップ；
   前記真空平坦化処理された加工物及び前記レーザビームを前記輪郭に沿って互いに対して並進移動させることによって、前記加工物内に前記輪郭に沿った複数の前記欠陥線をレーザ形成するステップであって、前記輪郭は、前記加工物から分離されることになる前記パーツを画定する、ステップ；並びに
   前記画定されたパーツを含む前記真空平坦化処理された加工物に対する真空を解放するステップ
   を有してなる、方法。
4. 前記パーツを前記加工物から前記輪郭に沿って分離するステップを更に含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記加工物は成形ガラスパネルである、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記加工物はたわませたガラスパネルである、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記誘起吸収は、前記加工物内に、深さ約７５マイクロメートル以下までの表面下損傷を生成する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記１つ又は複数のパスにおいて、前記加工物を前記レーザビームに対して回転させるステップを更に含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. ３Ｄ表面を有するガラス物品であって、
   前記ガラス物品は、少なくとも２５０マイクロメートル延在する複数の欠陥線を有する少なくとも１つの縁部を有し、
   前記欠陥線はそれぞれ、約５マイクロメートル以下の直径を有する、ガラス物品。