JP2017528323A - 界面ブロック、そのような界面ブロックを使用する、ある波長範囲内で透過する基板を切断するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

本願には、電磁スペクトル内の所定の波長範囲内で透過性を有し、基板（１０２）シートから取り出された時に縁辺を含むことになる基板（１０２）を切断するシステムが記載されている。システムは概して、光路に沿って光を発することができ、波長範囲の中で、基板（１０２）もまたそれにおいて透過性を有する所定の波長のレーザ（１０４）と、レーザの光路内に位置付けられた光学素子（１０６）と、電磁スペクトル内の、基板（１０２）もまたそれにおいて透過性を有する所定の波長範囲の少なくとも一部について透過性を有する材料からなる界面ブロック（１０８）と、を含み、前記界面ブロック（１０８）は前記光路内の、基板（１０２）と前記光学素子（１０６）との間に位置付けられる。

Description

関連出願の相互参照

本願は、米国特許法第１１９条に基づき、２０１４年７月１４日に出願された米国仮特許出願第６２／０２４０８４号の優先権の利益を主張するものであり、本願はその内容に依拠し、その全体を参照によって本明細書に援用する。

本発明は一般に、透明材料の基板の切断に使用されるレーザ切断装置に関し、より詳しくは、透明材料基板の縁辺の切断および仕上げに使用されるそのような装置とシステムに関する。

材料のレーザ加工の分野は、切断、穴明け、旋盤、溶接、溶解等が関わる様々な用途と各種の材料を含む。これらの用途の中でも、異なる種類の基板の切断および／または分離と、特に透明材料から任意の形状を分離することに関する。

工程の開発とコストの面から、ガラス基板の切断と分離に改良を加える機会がある。いくつかの代替的技術の中で、レーザ分離は異なる手法を用いて試みられ、実証されてきた。この技術は、所望の部品の境界線とその母材との間の材料を実際に除去することから、バルク材料中に欠陥を作り、脆弱化させるか、またはそれをシードとして所望の輪郭形状の周辺に沿った亀裂起点を設け、その後、二次的な割断ステップを行うこと、初期亀裂を熱応力分離により伝播させることに及ぶ。

このようなレーザ切断工程には、高い精度、良好な縁辺仕上げ、および低い残留応力等、経済的および技術的利点の可能性があることが実証されているが、縁辺の仕上げによって、分離工程中に切断端面のデバリングと研磨が依然として必要であり、基板の周辺端部の周囲に斜角を付けることが望ましい場合、さらに別の工程が必要となる。

本発明の実施形態は、電磁スペクトル内のある所定の波長範囲内で透過性を有し、基板シートから抽出された時に縁辺を含むことになる基板を切断するためのシステムを提供する。システムは概して、光路に沿った、その基板が透過性を有する波長範囲内のある所定の波長の光を発することができるレーザと、レーザの光路内に位置付けられた光学素子と、電磁スペクトル内の、その基板もまた透過性を有する所定の波長範囲のうちの少なくとも一部について透過性を有する材料で構成された界面ブロックと、を含み、前記界面ブロックは、前記光路内で、基板と前記光学素子との間に位置付けられる。

好ましくは、いくつかの実施形態によれば、光学要素は前記レーザの光路内に、前記レーザが光学要素と共に基板の少なくとも一部の中で誘発非線形吸収を発生させるように位置付けられる。いくつかの実施形態によれば、レーザビームは基板の中へと向けられ、基板材料内に方向付けられ、誘発非線形吸収を生成し、誘発非線形吸収は、基板内でレーザビームに沿って基板材料を改質する。いくつかの実施形態によれば、レーザはパルスレーザであり、パルスレーザビームを発生させ、光学素子は、パルスレーザビームを、ビーム伝播方向に沿って、基板内へと向けられるレーザビーム焦線に集光するように構成され、レーザビームの焦線は、基板材料内に誘発非線形吸収を生成させることができ、これが基板内でレーザビーム焦線に沿った欠陥線を生じさせる。

本発明の１つの態様において、界面ブロックは直方体として形成される。本発明の他の態様において、界面ブロックは三角柱として形成される。本発明の他の態様において、界面ブロックはその１つの縁辺に沿って形成され、その中に基板の縁辺を受けることのできる切欠きのある肩部を含む。

本発明の他の態様において、界面ブロックはフレームとして形成され、これを大きい基板シート上に位置付けて、縁辺切断および、より大きいシートからより小さい基板シートの切抜きを加工し、実行してもよい。

本発明の他の実施形態は、電磁スペクトルのうちの所定の波長範囲内で透過性を有する基板の縁辺を切断するためのシステムで使用する界面ブロックを提供する。界面ブロックは、電磁スペクトル内の、基板もまた透過性を有する所定の波長のうちの少なくとも一部について透過性を有する材料の直方体の形状のブロックを含む。

本発明の他の実施形態は、電磁スペクトルのうちの所定の波長範囲内で透過性を有する基板の縁辺付近を切断する方法を提供し、レーザ、光学要素、および界面ブロックを、前記レーザから発せられた光のビームがまず前記光学素を通過し、その後、前記界面ブロックを通過するように配置するステップを含む。界面ブロックは、電磁スペクトルのうちの、基板もまた透過性を有する所定の波長範囲の少なくとも一部について透過性を有する直方体の形状の材料からなる。方法は、前記界面ブロックを前記基板の前記縁辺に対して並列関係で位置付けるステップと、前記レーザから、基板が透過性を有する波長範囲内のある波長の光ビームを発するステップと、含み、発せられた光のビームは、光学要素と界面ブロックを通る経路に沿って進み、界面ブロックにより、光ビームは基板とその縁辺付近で斜めに交差し、それを通過する。

上記のことは、添付の図面に示されている例示的実施形態に関する以下のより詳しい説明から明らかとなり、異なる図面を通じて、同様の参照記号は同じ部品を示している。図面は必ずしも正しい縮尺によらず、その代わりに、代表的な実施形態を例示することに重点が置かれている。

ある実施形態による３層、すなわちレーザエネルギーと対向する薄い材料Ａ、改質界面、および厚い材料Ｂの積層体の図であり、改質界面はレーザエネルギーが積層体のうち、改質界面のレーザビームから離れた面にある部分と相互作用しないようにする。 ある実施形態によるレーザビームの焦線の位置決めを示す図である。 ある実施形態によるレーザビームの焦線の位置決めを示す図である。 ある実施形態によるレーザ加工のための光学アセンブリの図である。 実施形態による、基板に対して透明材料内の位置にレーザビームの焦線を形成することによる基板加工の可能性を示す。 実施形態による、基板に対して透明材料内の異なる位置にレーザビームの焦線を形成することによる基板加工の可能性を示す。 実施形態による、基板に対して透明材料内の異なる位置にレーザビームの焦線を形成することによる基板加工の可能性を示す。 実施形態による、基板に対して透明材料内の異なる位置にレーザビームの焦線を形成することによる基板加工の可能性を示す。 ある実施形態によるレーザ加工のための第二の光学アセンブリの図である。 ある実施形態によるレーザ穴明けのための第三の光学アセンブリの図である。 ある実施形態によるレーザ穴明けのための第三の光学アセンブリの図である。 ある実施形態によるレーザ加工のための第四の光学アセンブリの概略図である。 ある実施形態によるピコ秒レーザの、時間に関するレーザ発光のグラフであり、各発光は、１つまたは複数のサブパルスを含んでいてもよいパルス「バースト」により特徴付けられ、バーストの周波数はレーザの繰返し数で、典型的には約１００ｋＨｚ（１０μｓｅｃ）であり、サブパルス間の時間はそれよりはるかに短く、例えば約２０ナノ秒（ｎｓｅｃ）である。 ガラス−空気−ガラス複合基板に入射する合焦ガウスビームとベッセルビームの比較である。 ある実施形態による、アブレーションまたは汚染を低減しながら複数のシートを切断する場合のための透明保護層を有する積層体の図である。 ある実施形態による、エアギャップと、封入型デバイスの切断の図である。 ある実施形態による、レーザさん孔後、エッチングまたはレーザさん孔およびＣＯ_２レーザリリースによるインタポーザまたは窓の切断を示す図である。 ある実施形態による、透明導電層（例えば、インジウム−スズ−酸化物（ＩＴＯ））で被覆されたエレクトロクロミックガラス等の成形品の切断を示す図である。 ある実施形態による、積層体中のいくつかの層を他の層に損傷を与えずに精密切断する図である。 基板を通る切断線を生成するレーザの概略図である。 分離後に欠陥を生じた基板縁辺の概略図である。 基板の分離端面の写真である。 材料のレーザ加工のためのある方式の概略図である。 材料のレーザ加工のための異なる方式の概略図である。 材料のレーザ加工のための異なる方式の概略図である。 本発明のある実施形態による直方体の形状の界面ブロックの斜視図である。 本発明のある実施形態による三角柱の形状の界面ブロックの斜視図である。 本発明のある実施形態による切欠きのある段差を有する三角柱の形状の界面ブロックの斜視図である。 本発明のある実施形態による、ＧＲＩＮ材料からなる三角柱の形状の界面ブロックの斜視図である。 基板の縁辺付近を切断するための直方体の界面ブロックと、基板の概略側面図である。 図２０Ａの界面ブロックを使って切断された基板の概略側面図である。 基板の縁辺に斜角部を設けて切断するための三角形の界面ブロックと、基板の概略側面図である。 図２１Ａの界面ブロックを使って切断された基板の概略側面図である。 フレームとして形成され、切断対象の基板上に位置決めされた界面ブロックの概略斜視図である。 図２２の切断線２３−２３に沿った断面図である。 図２２のフレームを使って基板を切断するレーザシステムと、基板の例示的な側面図である。 図２２のフレームを使って切断された基板の例示的な側面図である。 切欠きのある肩部を有する界面ブロックの代替的実施形態の概略側面図である。 回転ピニオンに取り付けられた複数の界面ブロックのシステムの概略上面図である。 図８のシステムの概略正面図である。

以下は、例示的実施形態の説明である。

ここで図面を参照するが、全体を通じて同様の参照番号は同様の図面を示しており、図２０Ａおよび２１Ａにおいて、基板１０２を切断するための、概して参照番号１００で示されるシステムがわかる。一般に、システム１００は、レーザ１０４と、レーザの経路内に位置決めされた、レーザの光を所望の方法で集光するための光学素子１０６と、基板１０２と並列関係で、光学素子１０６により集光されるレーザの光ビームの経路内に位置決めされた界面ブロック１０８と、を含む。レーザビーム装置、光学素子、および界面ブロックは、界面ブロックの使用方法と界面ブロックを使用するシステムと共に、すべて以下に詳しく説明する。しかしながら、このシステム１００について説明する前に、本発明を十分に理解するためにこのシステム１００で使用されるレーザ切断システムの例示的な実施形態について説明する。

基板のレーザ切断
本明細書に記載されている実施形態は、透明材料の内部の、またはそれを貫通する高精度の切込みを光学的に生成するための方法と装置に関する。サブサーフェスダメージは深さ６０マイクロメートル以下のオーダに限定でき、切込みによりわずかなデブリしか生成されないことがある。本開示によるレーザでの透明材料の切断はまた、本明細書において、穴明けもしくはレーザ穴明けまたはレーザ加工も指すことができる。材料がレーザ波長に対して実質的に透過性を有するとは、この波長において材料の深さ１ｍｍにつき吸収が約１０％未満、好ましくは約１％未満の場合である。

後述の方法によれば、シングルパスで、レーザは、材料を貫通する高度に制御されたフルラインさん孔を形成するために使用でき、サブサーフェスダメージおよびデブリはほとんど生成されない（＜７５μｍ、しばしば＜５０μｍ）。これは、材料のアブレーションを行うためのスポット焦点レーザの典型的な使用と対照的であり、ガラスの厚さ全体をさん孔するためにマルチパスがしばしば必要となる場合、アブレーション工程では大量のデブリが形成され、より甚大なサブサーフィスダメージ（＞１００μｍ）とエッヂチッピングが発生する。

それゆえ、１つの高エネルギーバーストパルスを使って透明材料に顕微鏡レベルの（すなわち、直径＜０．５μｍ〜＞１００ｎｍ）長い「穴」を形成することが可能である。これらの個々のさん孔は、数百キロヘルツ（例えば、１秒に数十万個のさん孔）の速度で形成できる。それゆえ、レーザ源と材料との間の相対的運動により、これらのさん孔は相互に隣接して設置できる（空間的分離は、希望に応じてサブマイクロメートルから数マイクロメートルの間）。この空間分離は、切断しやすくなるように選択される。いくつかの実施形態において、欠陥線は「貫通穴」であり、これは透明材料の上から下まで延びる穴または開口通路である。いくつかの実施形態において、欠陥線は連続した通路でなくてもよく、中実材料（例えば、ガラス）の一部または断面により塞がれ、または部分的に塞がれていてもよい。本明細書の定義により、欠陥線の内径は開口通路または空洞の内径である。例えば、本明細書に記載されている実施形態において、欠陥線の内径は＜５００ｎｍ、例えば≦４００ｎｍ、または≦３００ｎｍである。本明細書で開示されている実施形態において、穴を取り囲む材料の崩壊または改質領域（例えば、圧縮され、溶解し、またはそれ以外に変化している）の直径は、好ましくは、＜５０μｍ（例えば、＜０．１０μｍ）である。

さらに、透明材料の積層体の微細機械加工および選択的切断は、適切なレーザ源と波長およびビーム送達光学系を選択することと、ビーム遮断要素を所望の層の境界に配置することを通じて、切断深さを精密に制御して実現される。ビーム遮断要素は、材料の層であっても界面であってもよい。ビーム遮断要素は、本明細書において、レーザビーム遮断要素、遮断要素等と呼ぶ場合がある。ビーム遮断要素の実施形態は、本明細書において、ビーム遮断層、レーザビーム遮断層、遮断層、ビーム遮断界面、レーザビーム遮断界面、遮断界面等と呼ぶことがある。

ビーム遮断要素は、入射レーザビームを反射し、吸収し、散乱させ、焦点をぼかし、またはそれ以外にこれに干渉して、レーザビームが積層体の中の下層に損傷を与えるか、またはそれ以外に改質するのを阻止または防止する。１つの実施形態において、ビーム遮断要素は、レーザ穴明けが行われる透明材料の層の下にある。本明細書で使用するかぎり、ビーム遮断要素が透明材料の下にあるというのは、ビーム遮断要素が、レーザビームがビーム遮断要素に到達する前に透明材料を必ず通過するように配置されている場合のことである。ビーム遮断要素は、レーザ穴明けが行われる透明材料の下にあり、直接それに隣接していてもよい。積層された材料は、ある層を挿入するか、または界面を改質して、積層体の異なる層間で光学特性が対照的となるようにすることにより、高い選択性で微細加工または切断することができる。積層体内の材料間の界面を関心対象のレーザ波長に対してより高い反射性、吸収性、および／または散乱性を有するようにすることにより、切断加工を積層体の一部分または層に限定することができる。

レーザの波長は、レーザ加工を行う（レーザによる穴明け、切断、アブレーション、損傷、またはその他の大きな改質を行う）予定の積層体内の材料がレーザの波長に対して透過性を有するように選択される。１つの実施形態において、レーザにより加工される材料がレーザの波長に対して透過性を有するというのは、それが材料の厚さ１ｍｍあたり、そのレーザ波長の強度の１０％未満しか吸収しない場合である。他の実施形態において、レーザにより加工される材料がレーザの波長に対して透過性を有するというのは、それが材料の厚さ１ｍｍあたり、そのレーザ波長の強度の５％未満しか吸収しない場合である。また別の実施形態において、レーザにより加工される材料がレーザの波長に対して透過性を有するというのは、それが材料の厚さ１ｍｍあたり、そのレーザ波長の強度の２％未満しか吸収しない場合である。さらにまた別の実施形態において、レーザにより加工される材料がレーザの波長に対して透過性を有するというのは、それが材料の厚さ１ｍｍあたり、そのレーザ波長の強度の１％未満しか吸収しない場合である。

レーザ源の選択はさらに、透明材料内の多光子吸収（ｍｕｌｔｉ−ｐｈｏｔｏｎ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）（ＭＰＡ）を誘発する能力にも基づいて行われる。ＭＰＡとは、同じまたは異なる周波数の複数の光子を同時に吸収して、材料をより低いエネルギー状態（通常、グラウンド状態）からより高いエネルギー状態（励起状態）へと励起させることである。励起状態は、励起された電子状態またはイオン化状態であってもよい。材料の、より高い、およびより低いエネルギー状態間のエネルギーの差は、２つの光子のエネルギーの合計に等しい。ＭＰＡは３次非線形光学過程であり、これは線形吸収より数倍弱い。これが線形吸収と異なるのは、吸収強度が光の強度の二乗に依存することであり、それゆえ、非線形光学過程となっている。通常の光強度では、ＭＰＡは無視できる。光強度（エネルギー密度）が、レーザ源（特にパルスレーザ源）の焦点領域等のようにきわめて高いと、ＭＰＡは認識可能となり、その領域内の材料において測定可能な影響が生じる。さらに、焦点領域では、エネルギー密度が十分に高く、イオン化が起こりうる。

原子レベルでは、個々の原子のイオン化に必要なエネルギーが異なる。ガラスにおいて一般的に使用されるいくつかの元素（例えば、Ｓｉ、Ｎａ、Ｋ）のイオン化エネルギーは比較的低い（約５ｅＶ）。ＭＰＡの現象がなければ、約５ｅＶで線形のイオン化を起こすのに必要な波長は約２４８ｎｍであろう。ＭＰＡがあると、約５ｅＶのエネルギーで分離される状態間のイオン化または励起は、２４８ｎｍより長い波長でなければ起こりえない。例えば、波長５３２ｎｍの光子のエネルギーは約２．３３ｅＶであるため、波長５３２ｎｍの２つの光子は、２光子吸収（ｔｗｏ−ｐｈｏｔｏｎ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）（ＴＰＡ）において約４．６６ｅＶのエネルギーで分離される状態間の遷移を誘発しうる。

それゆえ、例えば、原子と結合は、材料の中で、レーザビームのエネルギー密度が十分に高く、必要な励起エネルギーの半分のレーザ波長の非線形ＴＰＡを誘発する領域において、選択的に励起またはイオン化できる。ＭＰＡの結果として、局所的に励起された原子または結合を再構成し、隣接する原子または結合から分離することができる。それにより、結合または構成が変化し、材料の中でＭＰＡが発生した領域の熱を用いない改質または物質の分離が可能となる。この改質または分離により、構造的欠陥（例えば、欠陥線または「さん孔」）が作られ、これは材料を機械的に脆弱化し、それが機械的または熱的応力を受けた時に、より亀裂または破砕が生じやすくなる。さん孔の位置を制御することにより、それに沿って亀裂が生じる輪郭または経路を、材料の精密な微細加工を実現できるように正確に限定することができる。一連のさん孔により画定される輪郭は切断線とみなされてもよく、材料の中の構造的に脆弱な領域に対応する。１つの実施形態において、微細加工は、レーザにより加工される材料から一部を分離することを含み、その部分は、レーザにより誘発されるＭＰＡ効果を通じて形成されるさん孔の閉鎖した輪郭によって決定される、正確に画定された形状または周辺を有する。本明細書で使用されるかぎり、閉鎖した輪郭という用語は、レーザラインにより形成されるさん孔経路であって、その経路がある位置でそれ自身と交差するものを指す。内側輪郭とは、形成された経路であって、結果として得られる形状が材料の外側部分により完全に取り囲まれるものである。

さん孔は、時間的に相互の間隔が短い高エネルギーで持続時間の短いパルスの１つの「バースト」で実現できる。レーザパルスの持続時間は１０^−１０秒以下、または１０^−１１秒以下、または１０^−１２秒以下、または１０^−１３秒以下であってもよい。これらの「バースト」は、高い繰返し数（例えば、ｋＨｚまたはＭＨｚ）で繰り返されてもよい。さん孔は、基板または積層体のレーザに関する速度を、レーザおよび／または基板もしくは積層体の動きの制御を通じて制御することにより、離間され、正確に位置決めされてもよい。

一例として、２００ｍｍ／秒で移動し、１００ｋＨｚの連続パルスを受ける薄い透明基板の場合、個々のパルスを２マイクロメートル離間させることにより、２マイクロメートル分離されたさん孔の連続が形成される。この欠陥（さん孔）の間隔は、そのさん孔の連続により画定される輪郭に沿って機械的に、または熱により分離するのに十分な近さである。

熱分離
場合によっては、さん孔または欠陥線の連続により画定される輪郭に沿って形成される切断線は、その部分を内発的に分離させるには不十分であり、二次的なステップが必要となるかもしれない。それが望まれる場合、例えば、第二のレーザを使って、それを分離するための熱応力を発生させることができる。サファイヤの場合、切断線を形成した後、機械力を加え、または熱源（例えば、ＣＯ_２レーザ等の赤外線レーザ）を使って熱応力を発生させ、ある部品を基板から強制的に分離することにより、分離を実現できる。他の選択肢は、ＣＯ_２レーザによって分離を開始し、その後、手作業で分離工程を終了させることである。任意選択によるＣＯ_２レーザでの分離は、例えば、１０．６μｍで発光し、そのデューティサイクルの制御によりパワーが調節される、デフォーカスされた連続波（ｃｗ）レーザで実現できる。焦点変更（すなわち、集光スポットサイズまでの、それを含むデフォーカスの範囲）を使用して、スポットサイズを変化させることによって、誘発される熱応力を変化させる。デフォーカスされたレーザビームは、レーザ波長の大きさのオーダでの、最小限の回折限界スポットサイズより大きいスポットサイズを生じさせるレーザビームを含む。例えば、約７ｍｍ、２ｍｍ、および２０ｍｍのスポットサイズをＣＯ_２レーザに使用でき、その発光波長は１０．６μｍではるかに小さい。例えば、いくつかの実施形態において、切断線１１０の方向に沿った隣接する欠陥線１２０間の距離は、０．５μｍより大きく、約１５μｍ以下とすることができる。

エッチング
例えばガラス層を有する被加工物を分離するために、例えば酸エッチングを使用できる。穴を金属充填および電気接続に有益な大きさまで広げるために、部分を酸エッチングできる。例えば、１つの実施形態において、使用される酸は体積で１０％ ＨＦ／１５％ ＨＮＯ_３とすることができる。部品を例えば温度２４〜２５℃で５３分間エッチングすることにより、約１００μｍの材料を除去できる。部品をこの酸浴槽に浸漬させることができ、４０ｋＨｚと８０ｋＨｚの周波数の組合せでの超音波撹拌を用いて、流体の浸透と穴内での流体交換を促進できる。それに加えて、超音波フィールド内でその部品を手で撹拌することにより、超音波フィールドからの定在波パターンがその部品に「ホットスポット」またはキャビテーション関連の損傷を生じさせないようにすることができる。酸の組成とエッチング速度は、その部品を低速で、例えばわずか１．９μｍ／分の材料除去速度でエッチングするように意図的に設計できる。例えば約２μｍ／分未満のエッチング速度では、酸が狭い穴に十分に行き渡り、撹拌により新鮮な流体と交換し、当初の非常に狭い穴から溶解した材料を除去することができる。

図１に示される実施形態において、多層積層体内の切込み深さの正確な制御は、ビーム遮断界面（「改質界面」という）を含めることによって実現される。ビーム遮断界面は、レーザ放射が多層積層体のうち、遮断界面の位置を超える部分と相互作用しないようにする。

１つの実施形態において、ビーム遮断要素は、積層体のうち、２光子吸収による改質が起こる層の真下に位置付けられる。このような構成が図１に示されており、ここでは、ビーム遮断要素は材料Ａの真下に位置付けられた改質界面であり、材料Ａは、本明細書で説明されている２光子吸収メカニズムを通じたさん孔の形成が起こる材料である。本明細書で使用されるかぎり、他の位置の下またはそれより低い位置に言及するとき、上の、または最も上の位置は多層積層体の表面であり、その上にレーザビームが最初に入射することを前提としている。例えば、図１において、材料Ａの、レーザ源に最も近い表面は上面であり、ビーム遮断要素を材料Ａの下に配置することは、レーザビームが材料Ａを通過してから、ビーム遮断要素と相互作用することを意味する。

遮断要素は、切断対象の材料とは異なる光学特性を有する。例えば、ビーム遮断要素は、デフォーカス要素、散乱要素、半透過要素、または反射要素であってもよい。デフォーカス要素は、レーザ光がデフォーカス要素の上または下にレーザビーム焦線を形成しないようにする材料を含む界面または層である。デフォーカス要素は、光ビームの波面を散乱させ、または攪乱する反射率不均一性を有する材料または界面で構成されてもよい。半透明要素は、光を透過できるが、それがレーザビームを散乱または減衰して、エネルギー密度を十分に下げ、レーザビームの焦線が、透明要素の、レーザビームから離れた側にある積層体の部分において形成されるのを防止する状態になった後に限定されるような材料の界面または層である。１つの実施形態において、半透明要素は、レーザビームの光線の少なくとも１０％を散乱させ、または偏向させる。

より具体的には、遮断要素の反射率、吸収率、デフォーカス、減衰、および／または散乱を利用して、レーザ放射に対するバリアまたは障害物を作ることができる。レーザビーム遮断要素は、いくつかの手段により製作できる。積層体系全体の光学特性が問題とならない場合、１つまたは複数の薄膜を積層体の中の所望の２層間にビーム遮断層として堆積させることができ、この１つまたは複数の薄膜は、その真上の層より多くのレーザ放射を吸収し、散乱させ、デフォーカスし、減衰させ、反射し、および／または散逸させることによって、その薄膜の下の層がレーザ源から過剰なエネルギー密度を受けないようにする。積層体系全体の光学特性が問題となる場合、ビーム遮断要素は、ノッチフィルタとして実施できる。これは、以下のようないくつかの方法で行うことができる：
・遮断層または界面に（例えば、薄膜成長、薄膜パターニング、または表面パターニングを介して）構造を作り、特定の波長または波長範囲での入射レーザ放射の回折が発生するようにすること
・遮断層または界面に（例えば、薄膜成長、薄膜パターニング、または表面パターニングを介して）構造を作り、入射レーザ放射の散乱が発生しないようにすること（例えば、テクスチャード表面）
・遮断層または界面に（例えば、薄膜成長、薄膜パターニング、または表面パターニングを介して）構造を作り、レーザ放射の減衰された位相シフトが起こるようにすること
・遮断層または界面に薄膜積層体を介して分散ブラッグリフレクタを作りレーザ放射だけを反射すること。

遮断要素によるレーザビームの吸収、反射、散乱、減衰、デフォーカス等が完全である必要はない。必要なのは、レーザビームに対する遮断要素の効果が、集光されたレーザビームのエネルギー密度または強度を、（下にある）遮断要素により保護された積層体の中の層の切断、アブレーション、さん孔等に必要な閾値より低いレベルまで低減させるのに十分であることである。１つの実施形態において、遮断要素は、集光されたレーザビームのエネルギー密度または強度を、２光子吸収を誘発するのに必要な閾値より低いレベルまで低下させる。遮断層または遮断界面は、レーザビームを吸収し、反射し、または散乱させるように構成されていてもよく、吸収、反射または散乱は、キャリア（またはその他の下層）へと透過されるレーザビームのエネルギー密度または強度を、キャリアまたは下層内で非線形吸収を誘発するのに必要なレベルより低いレベルまで低下させるのに十分である。

図２Ａおよび２Ｂを参照すると、材料をレーザで穴明けする方法は、ビーム伝播方向に沿って見た時にパルスレーザビーム２をレーザビーム焦線２ｂに集光するステップを含む。レーザビーム焦線２ｂは、高いエネルギー密度の領域である。図３に示されているように、レーザ３（図示せず）はレーザビーム２を発し、その部分２ａは光学アセンブリ６に入射する。光学アセンブリ６は、入射レーザビームを射出側で、ビーム方向に沿った限定的な延長範囲（焦線の長さｌ）にわたり、延長レーザビーム焦線２ｂに変換する。

層１は、多層積層体のうち、レーザ加工による内部改質と２光子吸収が起こることになる層である。層１はより大型の被加工物の構成要素であり、これは典型的には、基板またはキャリアを含み、その上に多層積層体が形成される。層１は、多層積層体のうち、その中に穴、切込み、またはその他の特徴が、本明細書に記載されているように２光子吸収により支援されるアブレーションまたは改質を通じて形成される予定の層である。層１は、ビーム経路内に位置付けられ、少なくとも部分的にレーザビーム２のレーザビーム焦線２ｂと重複する。参照番号１ａは、層１のうち、それぞれ光学アセンブリ６またはレーザに面する（最も近い、またはそれに近接する）面を示し、参照番号１ｂは、層１の反対の面（光学アセンブリ６またはレーザから遠い、または最も遠い面）を示す。層１の厚さ（平面１ａおよび１ｂに対して、すなわち基板平面に対して垂直に測定）は、ｄで示す。

図２Ａが示すように、層１は、縦のビーム軸に対して垂直に、それゆえ光学アセンブリ６により生成される同じ焦線２ｂの背後に整列される（基板は図の平面に対して垂直）。ビーム方向に沿って見たとき、層１は、焦線２ｂに対して、焦線２ｂが（ビームの方向に見たときに）層１の表面１ａより前で始まり、層１の表面１ｂより前で停止するように、すなわち焦線２ｂが層１の中で終わり、表面１ｂより外に出ないように位置付けられる。レーザビーム焦線２ｂが層１と重複する領域、すなわち、層１のうち、焦線２ｂが重複する部分において、延長レーザビーム焦線２ｂが層１内に非線形吸収を発生させる。（レーザビーム焦線２ｂに沿った適当なレーザ強度を前提とし、この強度はレーザビーム２を長さｌの部分に適正に集光する（すなわち、長さｌの線焦点）ことによって確保され、これが延長区間２ｃ（縦のビーム方向に沿って整列される）を画定し、それに沿って、層１内で誘発非線形吸収が生成される。）誘発非線形吸収により、層１内で、区間２ｃに沿って欠陥線または亀裂が形成される。欠陥または亀裂の形成は局所的にとどまらず、むしろ誘発吸収の延長区間２ｃの長さ全体にわたっていてもよい。区間２ｃの長さ（これは、レーザビーム焦線２ｂが層１と重複する部分の長さに対応する）は、参照記号Ｌで示す。誘発吸収の区間２ｃ（すなわち、層１の材料のうち、欠陥線または亀裂が形成される区間）の平均直径または範囲は、参照記号Ｄで示す。この平均範囲Ｄは基本的に、レーザビーム焦線２ｂの平均直径δ、すなわち約０．１μｍ〜約５μｍの範囲内の平均スポット径に対応する。

図２Ａが示すように、層１（これはレーザビーム２の波長λに対して透過性を有する）は、焦線２ｂに沿った誘発吸収により局所的に加熱される。誘発吸収は、焦線２ｂ内のレーザビームの高い強度（エネルギー密度）に関連する非線形効果から生じる。図２Ｂは、加熱された層１がそのうちに膨張し、誘発された、それに対応する張力によってマイクロクラックが生じ、この張力は表面１ａにおいて最終的には最大となる。

焦線２ｂを生成するために利用可能な代表的な光学アセンブリ６および、これらの光学アセンブリを利用できる代表的な光学装置について以下に説明する。すべてのアセンブリまたは装置が上述の説明に基づいているため、同じ構成要素もしくは特徴またはその機能において同等のものについては、同じ参照番号を使用する。したがって、以下には相違点だけを説明する。

さん孔の連続により画定される輪郭に沿って亀裂を生じた後の分離面の高い品質（破壊強度、幾何学的精度、粗さ、および再機械加工回避の必要性に関する）を保証するために、亀裂の輪郭を画定するさん孔の形成に使用される個々の焦線は、後述の光学アセンブリを使って生成するべきである（以下、光学アセンブリを代替的にレーザ光学系とも呼ぶ）。分離された面の粗さは、主として焦線のスポットサイズまたはスポット径により決まる。表面粗さは、例えば、Ｒａ表面粗さ統計（サンプリングされた面の高さの絶対値の算術平均粗さ）によって特徴付けられ得る。レーザ３の所与の長λの場合に例えば０．５μｍ〜２μｍの小さいスポットサイズを実現するために（層１の材料と相互作用する）、レーザ光学系６の開口数に対して、通常特定の要求事項を設定しなければならない。これらの要求事項は、後述のレーザ光学系６により満たされる。

必要な開口数を実現するために、光学系は、一方で、既知のアッベ式（Ｎ．Ａ．＝ｎ ｓｉｎ（シータ）、ｎ：加工対象材料の屈折率、θ：開口角度の半分、およびシータ＝ａｒｃｔａｎ（Ｄ／２ｆ）、Ｄ：開口、ｆ：焦点距離）に従って、所与の焦点距離について必要な開口をなくさなければならない。他方で、レーザビームは、光学系を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、レーザと集光光学系との間で拡大テレスコープを使ってビームを拡大することにより実現される。

スポットサイズは、焦線に沿って均一な相互作用を得るために、あまり大きく変化するべきではない。これは例えば、集光光学系を小さい円形の領域でのみ照明し、ビームの開口およびそれゆえ、開口数のパーセンテージがわずかにしか変化しないようにすることで確実にできる（以下の実施形態参照）。

図３Ａによれば（レーザ放射２のレーザビームバンドルの中の中心ビームのレベルにおいて基板平面に垂直な断面であり、ここでは、レーザビーム２は層１に垂直に入射し、すなわち、入射角βは０°であり、焦線２ｂまたは延長誘発吸収区間２ｃは基板の法線に平行である）、レーザ３により発せられるレーザ放射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関係である開口８に向けられる。開口８は、縦のビーム軸に垂直の向きであり、その中心は図のビームバンドル２ａの中心ビーム上にある。開口８の直径は、ビームバンドル２ａまたは中心ビーム（ここでは、２ａＺで示される）の中心付近のビームバンドルが開口にあたり、それによって完全に遮断されるように選択される。ビームバンドル２ａの外側の範囲にあるビーム（周辺光線、ここでは２ａＲで示される）だけは、ビーム径と比較して開口サイズが小さいために遮断されず、開口８の横を通過し、光学アセンブリ６の集光光学系の要素の周辺領域に当たり、それは、この実施形態において、球面カット両凸レンズ７として設計されている。

レンズ７は、中心が中心ビーム上にあり、一般的な球面カットレンズの形態の無補正両凸集光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、有利であるかもしれない。代替案として、理想的に補正されたシステムから外れた、理想的な焦点を形成しないが、所定の長さの明確な長い焦線を形成する非球面またはマルチレンズシステムも使用できる（すなわち、単独の焦点を持たないレンズまたはシステム）。それゆえ、レンズの領域は、レンズ中心からの距離に応じて、焦線２ｂに沿って集光する。開口８のビーム方向への直径は、ビームバンドルの直径（ビームの強度がピーク強度の１／ｅまで低下するのに必要な距離により定義される）の約９０％、および光学アセンブリ６のレンズの直径の約７５％である。それゆえ、非収差補正球面レンズ７の、中心のビームバンドルを遮断することにより得られる焦線２ｂが使用される。図３Ａは、中心ビームを通る１つの平面内の断面を示しており、図のビームを焦線２ｂの周囲で回転させると、完全な３次元のバンドルが見える。

この種の焦線の１つの考えられる欠点は、条件（スポットサイズ、レーザ強度）が焦線に沿って（およびそれゆえ、材料中の所望の深さに沿って）変化するかもしれず、したがって、所望の種類の相互作用（溶解しない、誘発吸収、亀裂形成までの熱塑性変形）が焦線のうちの選択された部分でしか起こらない可能性がある、という点である。これは、今度は、入射レーザ光の、おそらくは一部しか、所望の方法で加工されるべき材料により吸収されないことを意味する。このようにして、工程の効率（所望の分離速度に必要な平均レーザパワー）が損なわれるかもしれず、レーザ光はまた、所望しない領域（基板または基板保持固定具に接着された部分または層）に透過され、それらと望ましくない方法で相互作用する（例えば、加熱、拡散、吸収、不要な改質）かもしれない。

図３Ｂ−１〜４は（図３Ａの光学アセンブリについてだけではなく、他のあらゆる適用可能な光学アセンブリ６にも関して）、レーザビーム焦線２ｂの位置が、光学アセンブリ６を層１に対して適切に位置付け、および／または整列させることによって、および光学アセンブリ６のパラメータを適切に選択することによって制御可能であることを示している。図３Ｂ−１が示すように、焦線２ｂの長さｌは、それが層の厚さｄより大きくなるように（ここでは２倍）調節できる。層１が（縦ビーム方向に見たときに）焦線２ｂの中央に設置された場合、誘発吸収の延長区間２ｃは基板厚さ全体に生成される。

図３Ｂ−２に示される場合において、長さｌの焦線２ｂが生成され、これは事実上、層の厚さｄに対応する。層１は線２ｂに対して、線２ｂが加工対象材料の外の点で始まるように位置付けられているため、延長誘発吸収区間２ｃの長さＬ（ここでは、基板表面から所定の基板深さまで延びるが、反対の面１ｂまでは至らない）は、焦線２ｂの長さｌより短い。図３Ｂ−３は、基板１が（ビームの方向に沿って見たときに）、焦線２ｂの開始点の上に位置付けられている場合を示しており、それによって、図３Ｂ−２のように、線２ｂの長さｌは層１の中の誘発吸収区間２ｃの長Ｌより長い。焦線はそれゆえ、層１の中から始まり、反対側の面１ｂから外に出る。図３Ｂ−４は、焦線の長さｌが層の厚さｄより短い場合を示しており、それによって、入射の方向に見たときに基板を焦線に対して中央に位置付けた場合、焦線が層１の中の表面１ａの付近から始まり、層１の中の表面１ｂの付近で終わる（例えば、ｌ＝０．７５・ｄ）。レーザビームの焦線２ｂの長さｌは、例えば約０．１ｍｍ〜約１００ｍｍの範囲、または約０．１ｍｍ〜約１０ｍｍの範囲とすることができる。長さｌが例えば約０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、０．５ｍｍ、０．７ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、または５ｍｍとなるように、各種の実施形態を構成できる。

焦線２ｂを、表面１ａ、１ｂの少なくとも一方が焦線によってカバーされるように位置付けて、誘発非線形吸収区間２ｃが加工対象の層または材料の少なくとも一方の表面からから始まるようにすることが特に有利である。このようにすると、事実上理想的な切込みを実現しながら、表面のアブレーション、毛羽立ち、および微粒子形成を避けることが可能となる。

図４は、他の適用可能な光学アセンブリ６を示している。基本的構成は図３Ａに示されているものと同様であり、相違点だけを以下に説明する。図の光学アセンブリは、非球面の自由面を有する光学系を使用することにより、所定の長さｌの焦線が形成されるような形状の焦線２ｂを生成することに基づく。この目的のために、非球面を光学アセンブリ６の光学要素として使用できる。図４では、例えば、しばしばアキシコンとも呼ばれる、いわゆる円錐プリズムが使用される。アキシコンとは、特別な、円錐形にカットされたレンズであり、これは光軸に沿った線上にスポット光源を形成する（または、レーザビームをリング状に変形させる）。このようなアキシコンのレイアウトは基本的に当業者の間で知られており、この例における円錐の角度は１０°である。ここで参照番号９により示されるアキシコンの頂点は入射方向に向かい、中心がビームの中心にある。アキシコン９により生成される焦線２ｂはその内部から始まるため、層１（ここでは、主要ビーム軸に垂直に整列される）は、ビーム経路内でアキシコン９のすぐ背後に位置付けることができる。図４が示すように、アキシコンの光学特性により、層１をビーム方向に沿って移動させ、その一方で、焦線２ｂの範囲内にとどまることができる。したがって層１の材料内の延長誘発吸収区間２ｃは、深さｄ全体に及ぶ。

しかしながら、図のレイアウトには以下の制限がある。すなわち、アキシコン９により形成される焦線２ｂの範囲はアキシコン９の中から始まるため、アキシコン９と加工対象材料との間に分離がある状況では、レーザエネルギーの大部分が材料内の焦線２ｂの誘発吸収区間２ｃの中に集束されない。さらに、焦線２ｂの長さｌは、アキシコン９の屈折率と円錐の角度を通じて、ビーム径に関係する。そのため、比較的薄い材料（数ミリメートル）の場合、焦線全体は、加工対象の材料の厚さよりはるかに長く、これは、レーザエネルギーのほとんどが材料の中に集束されないという影響を有する。

この理由により、アキシコンと集光レンズの両方を含む光学アセンブリ６を使用することが望ましいかもしれない。図５Ａは、そのような光学アセンブリ６を示しており、長いレーザビーム焦線２ｂを形成するように設計された非球面の自由表面を持つ第一の光学要素が（ビーム方向に沿って見た場合）レーザ３のビーム径内に位置付けられている。図５Ａに示される場合において、この第一の光学要素は、円錐の角度が５°のアキシコン１０であり、これはビームの方向に垂直に位置付けられ、その中心がレーザビーム３にある。アキシコンの頂点は、ビームの方向に向けられる。第二の集光光学要素は、ここでは平凸レンズ１１（その湾曲はアキシコンに向かう）であり、ビームの方向に、アキシコン１０から距離Ｚ１に位置付けられる。距離Ｚ１は、この場合、約３００ｍｍであり、アキシコン１０により形成されるレーザ放射がレンズ１１の外側半径部分に円形に入射するように選択される。レンズ１１は、射出側で、円形放射を、この場合はレンズ１１から約２０ｍｍである距離Ｚ２の位置において、この場合は１．５ｍｍである所定の長さの焦線２ｂ上に集光する。レンズ１１の有効焦点距離は、この実施形態においては２５ｍｍである。アキシコン１０によるレーザビームの円形の変形は、参照記号ＳＲで示す。

図５Ｂは、図５Ａによる層１の材料の中の焦線２ｂまたは誘発吸収２ｃの形成を詳しく示している。両方の要素１０、１１の光学特性とそれらの位置は、ビーム方向への焦線２ｂの長さｌが層１の厚さｄと全く同じになるように選択される。その結果、図５Ｂに示されるように、焦線２ｂを層１の２つの表面１ａおよび１ｂの間に正確に位置付けるためには、層１をビーム方向に沿って正確に位置付けることが必要となる。

したがって、焦線がレーザ光学系からある距離の位置に形成される場合、およびレーザ放射のより大きい部分が焦線の所望の端まで合焦される場合が有利である。前述のように、これは、主要集光要素１１（レンズ）のみを特定の外側の半径方向領域にわたり円形に（環状に）照明することによって実現でき、これは、一方で、必要な開口数、およびそれゆえ必要なスポットサイズを実現する役割を果たすが、他方では、拡散の円の強度は、必要な焦線２ｂの後に、スポットの中心の非常に短い距離で減少し、これは、基本的に円形のスポットが形成されるからである。このようにして、亀裂の形成は、必要な基板深さの短い距離内で止まる。アキシコン１０と集光レンズ１１との組合せがこの要求事項を満たす。アキシコンは２つの異なる方法で機能し、すなわち、アキシコン１０によって、通常は円形のレーザスポットがリング状で集光レンズ１１に送られ、アキシコン１０の非球面性は、焦線が焦点面内の焦点でなく、レンズの焦点面を越えて形成される効果を有する。焦線２ｂの長さｌは、アキシコン上のビーム径を通じて調節できる。これに対して、焦線に沿った開口数は、アキシコンとレンズの距離Ｚ１およびアキシコンの円錐の角度を通じて調節できる。このようにして、レーザエネルギー全体を焦線に集中させることができる。

亀裂形成が層または加工対象材料の裏側まで続くようにする場合、円形（環状）の照明には依然として、（１）レーザパワーが、レーザ光のほとんどが焦線の必要な長さに集中されたままとなるという点で最適に使用され、（２）円形の被照明領域と、他の光学機能により設定される所望の収差との組合せにより、焦線に沿って均一なスポットサイズ、それゆえ、焦線により形成されるさん孔に沿った均一な分離プロセスを実現できる、という利点がある。

図５Ａに示される平凸レンズの代わりに、集光用のメニスカスレンズまたはその他のより補正力の高い集光レンズ（非球面、マルチレンズシステム）を使用することも可能である。

図５Ａに示されるアキシコンとレンズの組合せを使って、非常に短い焦線２ｂを生成するためには、アキシコンに入射するレーザビームについて、非常に小さいビーム径を選択する必要がある。これには、ビームの中心をアキシコンの頂点に極めて正確に置かなければならず、またその結果、レーザの方向のばらつきによる影響を非常に受けやすくなる（ビームドリフト安定性）という実践上の欠点がある。さらに、細くコリメートされたレーザビームは非常に発散的であり、すなわち、光の偏向によってビームバンドルが短い距離でぼやける。

図６に示されるように、どちらの影響も、他のレンズであるコリメートレンズ１２を光学アセンブ６に含めることにより回避できる。追加の正のレンズ１２は、集光レンズ１１の円形照明を非常に細かく調節する役割を果たす。コリメートレンズ１２の焦点距離はｆ’、所望の円の直径ｄｒが、ｆ’と等しいアキシコンからコリメートレンズ１２までの距離Ｚ１ａから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から集光レンズ１１）を通じて調節できる。純粋に幾何学の問題として、円形照明の幅が小さいと、焦線が短くなる。最小値は、距離ｆ’で得ることができる。

図６に示される光学アセンブリ６はそれゆえ、図５Ａに示されているものに基づいているため、相違点だけを以下に説明する。コリメートレンズ１２はここでは平凸レンズとして設計され（その湾曲はビーム方向に向かう）、さらに、片側でアキシコン１０（その頂点はビームの方向に向かう）と、もう一方の側で平凸レンズ１１との間のビーム経路内の中央に設置される。アキシコン１０からコリメートレンズ１２の距離はｚ１ａで、コリメートレンズ１２から集光レンズ１１の距離はｚ１ｂ、および集光レンズ１１から焦線２ｂまでの距離はｚ２で示される（常にビーム方向に見る）。図６に示されているように、アキシコン１０により形成され、発散的に、円の直径ｄｒでコリメートレンズ１２に入射する円形放射ＳＲは、集光レンズ１１において少なくとも略一定の円の直径ｄｒについて、距離Ｚ１ｂに沿って必要な円の幅ｂｒに合わせて調節される。図のケースでは、非常に短い焦線２ｂが生成されるように意図され、それによってレンズ１２における約４ｍｍの円の幅は、レンズ１２の集光特性により、レンズ１１において約０．５ｍｍまで減少する（この例では円の直径ｄｒは２ｍｍ）。

図の例において、典型的な２ｍｍのレーザビーム径、焦点距離ｆ＝２５ｍｍの集光レンズ１１、焦点距離ｆ’＝１５０ｍｍのコリメートレンズを使用し、距離Ｚ１ａ＝Ｚ１ｂ＝１４０ｍｍ、およびＺ２＝１５ｍｍとなるように選択することにより、０．５ｍｍ未満という焦線の長さｌを実現することが可能である。

留意すべき点として、図７に示されるように、このようなピコ秒レーザの典型的な動作により、パルス７２０の「バースト」７１０が発生する。各「バースト」７１０は、非常に短い持続時間（約１０ｐｓｅｃ）の複数のパルス７２０（例えば、少なくとも２パルス、または図７に示されるように少なくとも３パルス、例えば４パルス、５パルス、またはそれ以上）を含んでいてもよい。（バースト発生またはパルスバーストの生成は、パルスの発生が均一で安定したストリームではなく、パルスが緊密な塊状態にある１種のレーザ動作である。）パルス７２０は典型的に、パルス持続時間Ｔ_ｄが最高１００ｐｓｅｃ（例えば、０．１ｐｓｅｃ、５ｐｓｅｃ、１０ｐｓｅｃ、１５ｐｓｅｃ、１８ｐｓｅｃ、２０ｐｓｅｃ、２２ｐｓｅｃ、２５ｐｓｅｃ、３０ｐｓｅｃ、５０ｐｓｅｃ、７５ｐｓｅｃ、またはそれらの間）である。好ましくは、バースト内の各パルス７２０は持続時間Ｔ_ｐにより時間的に分離され、これは例えば約１ｎｓｅｃ〜約５０ｎｓｅｃの範囲内、例えば１０〜５０ｎｓｅｃ、または１０〜３０ｎｓｅｃであり、この時間はレーザキャビティの設計によって決まることが多い。所与のレーザについて、バースト７１０内の隣接パルス間の時間分離Ｔ_ｐ（パルス間分離）は、比較的均一とすることができる（±１０％）。例えば、いくつかの実施形態において、バースト内の各パルスは、次のパルスから時間で約２０ｎｓｅｃ（５０ＭＨｚ）だけ分離される。例えば、約２０ｎｓｅｃのパルス分離Ｔ_ｐを生成するレーザについて、あるバースト内のパルス間分離Ｔ_ｐは約±１０％、または約±２ｎｓｅｃ以内に保たれる。各「バースト」７１０間の時間は、これよりはるかに長く（例えば、０．２５≦Ｔ_ｂ≦１０００マイクロ秒、例えば１〜１０マイクロ秒、または３〜８マイクロ秒）であり、約１００ｋＨｚのレーザ繰返し数の場合、約１０μｓｅｃであることが多い。正確なタイミング、パルス持続時間、および繰返し数は、レーザの設計に応じて異なっていてもよいが、この技術では、高強度の短パルス（すなわち、約１５ｐｓｅｃ未満）がうまく動作することが証明されている。

本明細書に記載されているレーザの例示的実施形態のいくつかにおいて、時間分離Ｔ_ｂは、バースト繰返し数または周波数が約２００ｋＨｚのレーザについて、約５マイクロ秒である。レーザバースト繰返し数は、バースト内の第一のパルスから次のバーストの第一のパルスまでの時間Ｔ_ｂに関する（レーザバースト繰返し周波数＝１／Ｔ_ｂ）。いくつかの実施形態において、レーザバースト繰返し数は、約１ｋＨｚ〜約４ＭＨｚの範囲内であってもよい。他の実施形態において、レーザバースト繰返し数は、例えば、約１０ｋＨｚ〜６５０ｋＨｚの範囲とすることができる。各バーストの第一のパルスと次のバーストの第一のパルスの間の時間Ｔ_ｂは、０．２５マイクロ秒（４ＭＨｚのバースト繰返し数）〜１０００マイクロ秒（１ｋＨｚのバースト繰返し数）、例えば０．２５マイクロ秒（２ＭＨｚのバースト繰返し数）〜４０マイクロ秒（２５ｋＨｚのバースト繰返し数）、または２マイクロ秒（５００ｋＨｚのバースト繰返し数）〜２０マイクロ秒（５０ｋＨｚのバースト繰返し数）であってもよい。正確な時間、バースト持続時間、およびバースト繰返し数はレーザの設計に応じて異なっていてもよいが、高強度の短パルス（Ｔ_ｄ＜２０ｐｓｅｃ、好ましくはＴ_ｄ≦１５ｐｓｅｃ）が特にうまく動作することが証明されている。

このようなパルスバーストを生成できるレーザを使用することは、透明材料、例えばガラスを切断または改質するのに有利である。シングルパルスレーザの繰返し数により時間的に分離されたシングルパルスを使用した場合と対照的に、バースト７１０内のパルスの急速なシーケンスにわたりレーザエネルギーを広げるパルスバーストシーケンスを使用することにより、シングルパルスレーザで可能な場合より長い時間スケールの材料との高強度相互作用にアクセスできる。シングルパルスは時間的に広げることができるが、これが行われる時にパルス内の強度はパルス幅にわたり略１として低下しなければならない。したがって、１０ｐｓｅｃのパルス長のシングルパルスが１０ｎｓｅｃに増大された場合、強度は略３倍で低下する。このような低下によって、光学強度は、非線形吸収が有意でなくなる点まで低下する可能性があり、光／材料の相互作用は材料を切断するほど強くなくなる。これに対して、パルスバーストレーザの場合、バースト７１０内の各パルス７２０の中の強度は、非常に高いままとすることができ、例えば、約１０ｎｓｅｃだけ時間的に分離された３つの１０ｐｓｅｃのパルス７２０により、各パルス内の強度は１つの１０ｐｓｅｃのパルスより約３倍大きく、その一方で、レーザは、今度は３倍長くなった時間スケールで材料と相互作用できる。バースト７１０内の複数のパルス７２０をこのように調節することより、それゆえ、レーザと材料の相互作用の時間スケールを、事前に存在するプラズマプルームとの光との相互作用の増減、初期の、または前のレーザパルスにより事前に励起されていた原子および分子と光および材料との相互作用の増減、マイクロクラックの制御された成長を促進できる材料内加熱効果の増減を容易にすることができるような方法で操作できる。材料を改質するために必要なバーストエネルギーの量は、基板材料の組成と、基板との相互作用に使用される線焦点の長さに依存する。相互作用の領域が長いほど、エネルギーはより広がり、より高いバーストエネルギーが必要となる。正確なタイミング、パルス持続時間、およびバースト繰返し数はレーザの設計に応じて異なっていてもよいが、この技術では、高強度の短パルス（＜１５ｐｓｅｃまたは≦１０ｐｓｅｃ）がうまく動作することが証明されている。パルスの１つのバーストがガラス上の基本的に同じ位置に当たると、材料において欠陥線または穴が形成される。すなわち、１つのバースト内の複数のレーザパルスは、ガラス内の１つの欠陥線または穴に対応する。もちろん、ガラスが（例えば一定の速度で移動するステージにより）並進される（または、ビームがガラスに対して移動される）ため、バースト内の個々のパルスは、ガラス上の正確に同じ空間的位置にありえない。しかしながら、これらは相互に１μｍ内にあり、すなわち、これらはガラスに実質的に同じ位置において当たる。例えば、これらはガラスに、相互に間隔ｓｐを開けて当たるかもしれず、０＜ｓｐ≦５００ｎｍである。例えば、２０のパルス７２０からなるバースト７１０がガラスの位置に当たると、バースト７１０内の個々のパルス７２０は、相互に２５０ｎｍ以内でガラスに当たる。それゆえ、いくつかの実施形態において、１ｎｍ＜ｓｐ＜２５０ｎｍである。いくつかの実施形態において、１ｎｍ＜ｓｐ＜１００ｎｍである。

図８は、ガラス−空気−ガラス複合構造に入射し、集光されたガウスビームとベッセルビームの比較を示している。（図８において、ガウスビームは左に示され、ベッセルビームは右に示されている）。集光されたガウスビームは、第一のガラス層に入ると発散し、第一のガラス層内へと掘り進まないことを示している。ガウスビームの右に示されている第二の例において、第一のガラス層は自己集光が発生することによって分岐する。自己集光が発生すると（ガラスが掘り進められていると）、ビームが第一のガラス層から出て回折する。その結果、ビームは第二のガラス層の中に掘り進まない。さらに図８の右側へと移ると、ベッセルビームは線焦点全体にわたり、両方のガラス層に掘り進むことができる。この例では、基板はガラス−空気−ガラス複合構造である。上下のガラス部品は、厚さ０．４ｍｍの２３２０，ＣＴ１０１である。ガラスの２層間の例示的なエアギャップは約４００μｍである。切込みは２００ｍｍ／秒のレーザのシングルパスで形成され、２つのガラス部品は、それらが＞４００μｍだけ分離されていても同時に切断された。

本明細書に記載されている実施形態のいくつかにおいて、エアギャップは何れの適当な距離であってもよく、例えば５０μｍ〜５ｍｍ、５０μｍ〜２ｍｍ、または２００μｍ〜２ｍｍ等である。

例示的な遮断層は、ポリエチレンプラスチックシート（例えばＶｉｓｑｕｅｅｎ）を含む。透明層は、図９に示されるように、透明ビニル（例えば、Ｐｅｎｓｔｉｃｋ）を含む。留意すべき点として、他の合焦レーザ法と異なり、ブロックまたは停止層の効果を得るために、正確な焦点を精密に制御する必要はなく、また、遮断層の材料が特に耐久性にすぐれ、または高価である必要はない。多くの用途において、層はレーザ光とわずかに相互作用すれば、レーザ光を遮断し、線焦点が発生しないようにすることができる。Ｖｉｓｑｕｅｅｎはピコ秒レーザと線焦点での切断を防止するという事実は例に過ぎず、他の合焦されたピコ秒レーザビームは最も確実にＶｉｓｑｕｅｅｎの中へと掘り進み、このような材料の中に他のレーザ方式で掘り進むことを防止したい場合、レーザの焦点をＶｉｓｑｕｅｅｎの付近とならないように高精度に設定しなければならないであろう。

図１０は、アブレーションまたは汚染を低減させながら、複数のシートを切断する場合のための透明保護層との積層を示す。ディスプレイ用ガラスシートの積層体の同時切断は非常に有利である。ビニル等の透明ポリマをガラスシート間に設置することができる。透明ポリマ層は保護層であり、相互に密接に接触するガラス面への損傷を防止する役割を果たす。このような層によって、切断工程を進めることができるが、ガラスシートが相互に擦れ合うのを防止し、また、切削デブリ（この工程では小さいが）がガラス面を汚染するのも防止する。保護層はまた、基板またはガラスシート上に蒸着により堆積された誘電層から構成できる。

図１１を参照すると、積層されたアセンブリの中の切り抜き穴のパターンの切断方法が示されている。この線焦点工程は、たとえ大きい、肉眼で見えるエアギャップがあったとしても、積層されたガラスシートを同時に切断できる。これは、他のレーザ方式では不可能である（例えば、図８に示されるガウスビームを参照のこと）。多くの装置には、ＯＬＥＤ（有機発光ダイオード）等のガラス封止が必要となる。２つのガラス層を同時に切断できることは、それによって信頼性の高い、効率的なデバイスセグメンテーション工程を提供するため、非常に有利である。セグメンテーションとは、複数の他の構成要素を含んでいてもよい、より大型の材料シートから１つの構成要素を分離する工程をいう。本明細書に記載されている方法により分離、切取り、または生産が可能なその他の構成要素は、例えばＯＬＥＤ（有機発光ダイオード）構成要素、ＤＬＰ（デジタルライトプロセッサ）構成要素、ＬＣＤ（液晶表示）セル、半導体装置用基板である。

図１２を参照すると、透明導電層（例えば、ＩＴＯ）で被覆されたエレクトロクロミックガラス等の成形品を切断する工程が示されている。既にインジウム−スズ−酸化物（ＩＴＯ）等の透明導電層を有するガラスの切断は、エレクトロクロミックガラスの用途とタッチパネル装置の用途にとって非常に価値がある。本明細書に記載されているレーザ加工は、このような層を、透明導電層になるべく損傷を与えず、デブリをほとんど発生させずに切断できる。さん孔による穴が極端に小さいこと（＜５μｍ）は、ＩＴＯがほとんど切断工程により影響を受けないことを意味しており、これに対して、他の切断方法はそれよりはるかに大きい表面への損傷とデブリを発生させる。

図１３を参照すると、積層体内のいくつかの層を、他の層に損傷を与えずに精密切断する方法が開示されている。この方法は図１にも示されているが、図１３の実施形態は、複数の層（すなわち、３層以上）にも拡張して適用される。図１３の実施形態において、遮断要素はデフォーカス層である。

すると、要約すると、一般に、切断メカニズムは基本的に図１４Ａに示されるとおりであり、透明基板を切断し、分離する方法は基本的に、加工対象の基板上に超短パルスレーザで切断線を形成することに基づく。所定の基板を加工するために選択された材料特性（吸収、ＣＴＥ、応力、組成等）およびレーザパラメータに応じて、切断線の形成だけで自己分離を誘発するのに十分であり、この場合、折曲げ／引張力またはＣＯ_２レーザ等の二次的工程は不要となる。

しかしながら、場合により、形成された切断線では、基板が内発的に分離されるのに不十分であり、二次的ステップが必要であるかもしれない。その場合、第二のレーザを使って、例えばそれを分離するための熱応力を生成できる。２３２０ ＮＩＯＸの具体的な例示的ケースにおいて、分離が、欠陥線を形成した後に、機械力をかけるか、または二次的ＣＯ_２レーザを使って熱応力を発生させ、部品を強制的に自己分離させることによって実現できることがわかっている。他の選択肢は、ＣＯ_２レーザでは分離を開始するだけで、分離の終了は手で行うことである。任意選択によるＣＯ_２レーザ分離は、１０．６μｍで発光し、そのデューティサイクルの制御によりパワーが調節される集光ｃｗレーザで実現される。焦点変更が、スポットサイズ変更により誘発熱応力を変化させるために使用される。

欠陥線を形成するためにはいくつかの方法がある。線焦点を形成する光学的方法は、様々な形態をとることができ、ドーナツ型のレーザビームと球面レンズ、アキシコンレンズ、回折素子、または高強度の線形領域を形成するその他の方法を使用する。レーザの種類（ピコ秒、ファトム秒等）および波長（ＩＲ、緑、ＵＶ等）もまた、基板材料に破壊部を作るために十分な光強度が到達するかぎり、変えることができる。

本発明を用いた実験において、超短パルスレーザを使って、一貫した、制御可能、および繰返し可能な方法で、この高アスペクト比の縦の欠陥線を作った。この概念の本質は、上述したように、光学レンズアセンブリの中でアキシコンレンズ要素を使い、超短（ピコ秒またはファムト秒の持続時間）ベッセルビームを使って高アスペクト比のテーパのないマイクロチャネルの領域を作ることである。換言すれば、アキシコンは、レーザビームを円柱形で高アスペクト比（長さが長く、直径が小さい）の領域にレーザビームを凝縮する。凝縮されたレーザビームで作られる強度が高いため、レーザ電磁界と材料との非線形相互作用が発生し、レーザエネルギーが基板に伝えられる。しかしながら、レーザエネルギー強度が高くない領域（すなわち、ガラス表面、中央の収束線を取り囲むガラス体積）においては、レーザ強度が非線形閾値より低いため、ガラスには何も起こらない点を認識することが重要である。

図１５Ａ〜１５Ｃは、異なるレーザ強度でのレーザと物質の相互作用を示す。第一のケースでは、集光されないレーザビームが透明基板を透過し、それに対していかなる改質も導入しない。この具体的なケースでは、非線形効果が存在せず、それは、レーザエネルギー密度（またはビームにより照明される単位面積当たりのレーザエネルギー）は非線形効果を誘発するのに必要な閾値より低い。エネルギー密度が高いほど、電磁界の強度が高い。したがって、レーザビームがより小さいスポットサイズに集光されると、照明される領域が縮小し、エネルギー密度が増大して、非線形効果をトリガし、それが、その条件が満たされた部分のみ、材料を改質する。このようにして、集光されたレーザのビームウェストが基板の表面に位置付けられると、この場合、損傷が発生する。これに対して、集光されたレーザのビームウェストが基板の表面より下に位置付けられると、エネルギー密度が非線形光学効果の閾値より低いため、表面には何も起こらない。しかしながら、基板の体積内に位置付けられる焦点では、レーザ強度が多光子効果をトリガし、材料への損傷を誘発するのに十分である。最後に、アキシコンの場合、アキシコンレンズの回折パターンまたは、その代わりのフレスネルアキシコンは干渉を発生させ、これがベッセル形の強度分布（円柱状の高い強度）を生成し、その部分にのみ非線形吸収を生じさせ、材料を改質させるのに十分な強度がある。

レーザおよび光学システム：
ガラス切断のために、１０６４ｎｍピコ秒のレーザと線焦点ビーム形成光学系とを組み合わせて使用して、基板内に損傷の線を作る工程が開発された。厚さ０．７ｍｍのガラス基板は、それが線焦点の中に入るように位置付けられる。約１ｍｍの範囲の線焦点と、２００ｋＨｚ（約１００μ／パルス）の繰返し数で少なくとも２４Ｗの出力パワーを生成するピコ秒レーザを使用すると、線領域内の光強度が材料内に非線形吸収を生じさせるのに十分な高さになるようにすることは容易となり得る。損傷、アブレーション、蒸発またはそれ以外に改質された材料の領域が作られ、これは高強度の線形領域に略追従する。

このようなピコ秒レーザの典型的な動作でパルスの「バースト」が作られる点に留意すべきである。各「バースト」は、持続時間が非常に短い（約１０ｐｓｅｃ）複数のサブパルスを含んでいてもよい。各サブパルスは、約２０ｎｓｅｃ（５０ＭＨｚ）で時間的に分離され、この時間はしばしばレーザキャビティの設計によって決まる。各「バースト」間の時間はそれよりはるかに長く、約２００ｋＨｚのレーザ繰返し数では約５μｓｅｃであることが多い。正確なタイミング、パルス持続時間、および繰返し数はレーザの設計によって異なっていてもよい。しかし、この技術では、高強度の短パルス（＜１５ｐｓｅｃ）がうまく動作することが証明されている。

穴または損傷トラックの形成：
基板に十分な応力がある（例えば、イオン交換ガラスを有する）場合、その部分には、レーザ工程が追跡するさん孔による損傷部の経路に沿って自然に亀裂が入り、分離する。しかしながら、基板内にストレスがあまりない場合、ピコ秒レーザは単にその部分に損傷トラックを形成する。これらの損傷トラックは一般に、内寸約０．５〜１．５μｍの穴の形態をとる。

穴は、材料の厚さ全体を貫通でき、材料の深さを貫通する連続開口であってもなくてもよい。さん孔または損傷トラックは、切断端側から観察できる。材料を通るトラックは、必ずしも貫通穴であるとはかきらず、穴を塞ぐガラスの領域がしばしばあるが、これらは一般に小さいサイズであり、ナノメートルまたはマイクロメートルの断面である。

また、積層されたガラスシートをさん孔することも可能である。この場合、欠陥線の長さは、積層体の高さより長くする必要がある。

これらの穴間の横方向の間隔（ピッチ）は、基板が集光レーザビームの下で並進される間にレーザのパルス繰返し数により決まる。穴全体を形成するのに１つのピコ秒レーザパルスバーストだけでよいが、希望に応じて複数のパルスを使用してもよい。異なるピッチで穴を形成するために、レーザはより長い、または短い間隔で発射するようにトリガできる。切断動作のために、レーザのトリガは一般に、ビームの下の部品のステージにより駆動される動きと同期されるため、レーザパルスは一定の間隔で、例えば１μｍごと、または５μｍごとにトリガされる。正確な間隔は、基板内の応力レベルを考え、さん孔された穴からさん孔された穴へと亀裂が伝播しやすくするような材料特性によって決定される。しかしながら、基板切断と対照的に、材料にさん孔するためだけに同じ方法を使用することもできる。この場合、穴は７μｍのピッチで分離される。

レーザパワーとレンズ焦点距離（これは、欠陥線の長さと、したがってパワー密度を決定する）は、ガラスを完全に貫通させ、マイクロクラッキングを少なくするために特に重要なパラメータである。

一般に、各種のガラスおよびその他の透明材料を通じて、出願人は、０．２〜１０ｍ／秒の切断速度を実現するために、１０〜１００Ｗの間のレーザパワーが好ましく、多くのガラスについて、２５〜６０ワットのレーザパワーが十分（かつ最適）であることを発見した。０．４ｍ〜５ｍ／秒の切断速度では、レーザパワーは好ましくは１０Ｗ〜１５０Ｗ、バーストエネルギーは４０〜７５０μＪ／バースト、バーストあたり２〜２５パルス（切断される材料による）、穴間隔（すなわちピッチ）は２〜２５μｍ、または３〜１５μｍであるべきである。ピコ秒パルスバーストレーザの使用はこれらの切断速度にとって好ましく、それは、これらが高いパワーと必要なバーストあたりパルス数を生成するからである。それゆえ、いくつかの例示的実施形態によれば、パルスレーザは１０〜１００Ｗ、例えば２５Ｗ〜６０ワットのパワーを生成し、少なくともバーストあたり２〜２５パルスのパルスバーストを生成し、欠陥線間の距離は２〜１５マイクロメートル（例えば、２〜１０マイクロメートル）、およびレーザビームおよび／または被加工物（例えば、基板、例えばガラス基板）は相互に対して少なくとも０．２５ｍ／秒、いくつかの実施形態では少なくとも０．４ｍ／秒、例えば０．５ｍ／秒〜５ｍ／秒、６ｍ／秒、７ｍ／秒またはそれ以上の速度で並進される。

したがって、レーザが少なくともバーストあたり２パルスで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において、パルスレーザは１０Ｗ〜１５０Ｗ（例えば、１０〜１００Ｗ）のレーザパワーを有し、少なくともバーストあたり２パルス（例えば、バーストあたり２〜２５パルス）でパルスバーストを生成する。いくつかの実施形態において、パルスレーザは２５Ｗ〜６０Ｗのパワーを有し、少なくともバーストあたり２〜２５パルスのパルスバーストを生成し、そのレーザバーストにより生成される隣接する欠陥線間の周期または距離は、２〜１０マイクロメートルである。いくつかの実施形態において、パルスレーザは１０Ｗ〜１００Ｗのレーザパワーを有し、少なくともバーストあたり２パルスのパルスバーストを生成し、被加工物（基板）とレーザビームは、相互に対して少なくとも０．２５ｍ／秒の速度で並進される。いくつかの実施形態において、被加工物（基板）および／またはレーザビームは、相互に対して少なくとも０．４ｍ／秒の速度で並進される。

本明細書に記載されている実施形態にうちのいくつかによれば、あるガラス材料のさん孔に必要な容量パルスエネルギー密度（μｊ／μｍ^３）は、０．００５〜０．５μＪ／μｍ^３である。本明細書に記載されている実施形態のうちのいくつかによれば、あるガラス材料をさん孔するために必要な容量パルスエネルギー密度（μｊ／μｍ^３）は、０．００５μＪ／μｍ^３〜０．１μＪ／μｍ^３であり（例えば、Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｇｏｒｉｌｌａ（登録商標））は０．０１μＪ／μｍ^３〜０．１μＪ／μｍ^３である。他の材料（例えば、低または無アルカリガラスを有するアルカリ土類アルミノホウケイ酸ガラス）に関しては、それははるかに高く、約０．０５μＪ／μｍ^３またはそれ以上、いくつかの実施形態では、少なくとも０．１μＪ／μｍ^３、例えば０．１μＪ／μｍ^３〜０．５μＪ／μｍ^３である。

板材の形状の切断と分離：
出願人が行った実験を通じて、サファイヤの分離（線形の切込みまたは形状）が可能となる様々な条件が見られた。第一の方法は、ピコ秒レーザを使って貫通穴だけを形成し、所望の形状に追従する切断線を形成することである。このステップの後、機械的分離は、破壊プライヤを使用すること、手で部品を曲げること、または分離の起点となり、それを切断線に沿って伝播する張力を生じさせる何れかの方法によって実現できる。ピコ秒およびＣＯ_２レーザパラメータが、周辺切断における製造に必要であり、厚さ７００μｍの材料に貫通穴を形成することと、ＣＯ_２が板材から穴／スロットを分離すると判断された。

切離し線とデフォーカスされたＣＯ_２レーザがたどる経路の導入は、起点／終点位置の一致等の問題を避けるために慎重に計画される点に注意することが重要である。一般に、可動式ステージのゆっくりとした加速／減速は、一時的な応力源を生じさせるのに十分でありえ、それが後に部品に亀裂を入れ、さらにはそれを粉砕する。切離し線とデフォーカスされたＣＯ_２レーザがたどる経路の導入は、デフォーカスされたＣＯ_２レーザが追従される輪郭上の何れかのスポットで停止し、または「駐車」するのを避けるために慎重に計画される−最も一般的には、これによりサファイヤの表面を溶融させるおよび／またはマイクロクラックを生成する。ＣＯ_２レーザの経路は、切り離されるべき輪郭の外で開始し、終了するように計画するべきである。

切離し線は、周辺の、支持する母材の時期尚早な崩壊を起こさずに分離できるように計画するべきである。

縁辺切断と仕上げ
システム１００の例示的な実施形態の説明を以下に記す。本発明の実施形態により行うことのできる、より難しい切断のうちのいくつかは、透明母材シート（例えば、大型のＧ６ガラスシート）の周辺端部付近の切断を含む。その結果得られる基板は、例えば、ただしこれらに限定されないが、携帯電話、タブレットコンピュータ、ＬＣＤ表示装置その他の用途で使用するための、より小さいシートに変換される。それに加えて、より小さいフェイスプレートシートの尖った９０°の縁辺にカスタマイズされた斜角部を生成するために有益である。先行技術は機械加工され、研磨された９０°の縁辺を利用して、０°〜９０°の範囲とすることのできる斜角部または面取り部を実現できるが、本発明はシステム１００内の界面ブロック１０８を使って、カスタマイズされた特定の面取り部または斜角部を容易に実現する。

システム１００内で、界面ブロック１０８は既存のビーム光路内に設置される。界面ブロック１０８は、所望のビーム誘発効果を作るための、何れの所望の形状／断面および長さすることもできる。それに加えて、界面ブロック１０８は、何れの透明な中実材料の１つまたは複数の小片で構成することもでき、これらの透明材料は、異なる屈折率を有していてもよい。界面ブロック１０８の構成に使用される具体的な材料としては、例えば、プラスチック、ガラス、セラミック、結晶材料を含むことができ、これらはすべて、関心対象のレーザ切断波長で透過性を有する（例えば、アルミノケイ酸ガラス（Ｃｏｒｎｉｎｇ ＥａｇｌｅおよびＥａｇｌｅ ＸＧガラス）、アルミノケイ酸塩ガラス（すべてＣｏｒｎｉｎｇ社製のＧｏｒｉｌｌａ Ｇｌａｓｓ ２３１８、４３１８等）、Ｓｃｈｏｔｔにより製造されるリチウムアルミノケイ酸ガラス、ＨＰＦＳ（登録商標）等の石英ガラス、ポリカーボネート等のポリマ、透明エポキシ樹脂、ＯＣＡ等の接着剤、およびホヤ、Ｓｃｈｏｔｔ、およびオハラが製造する溶融光学ガラス）。しかしながら、材料の選択において特に重要なのは、波長スペクトルのうち、切断対象の基板材料もまた透過性を有する部分において透過性を持つものを選択することである。例えば、アルミノケイ酸ガラスの場合、界面ブロック１０８は、切断に使用されるレーザの波長が１０６４ｎｍか５３２ｎｍかに応じて、ＩＲおよび／または可視範囲において透過性がなければならない。可視スペクトルにおいて透過性を持たないシリコンおよびゲルマニウム等の結晶材料の場合、界面ブロック１０８の材料は、赤外スペクトルにおいて透過性を持たなければならない。それゆえ、界面ブロック１０８と切断対象の基板１０２の組合せに関して、適正な切断波長を選択する必要がある。それに加えて、具体的な技術的問題を克服し、または困難な切断角度を実現するために、異なる屈折率を有する材料を使用することが有利であるかもしれない。現在の最新技術は、本出願人による本願と同時係属中の米国特許出願第１４／１５４，５２５号明細書に記載されており、これには、切断メカニズムとシステムの現象学が説明されており、これは基板１０２に対して垂直なビーム提供において典型的に使用される。光を基板に直接、切断ビームの形態で導入したいという希望は、反射角度と、全内部反射がどこで発生し始めるかによって限定される。レーザヘッドを角度αで移動させることによる斜角切断の限界は約２０度である。ほとんどの用途には、約４５度の切断角度が必要である。レーザビームを基板内に直接導入することに関連する限定は、界面ブロック１０８の使用により克服される。

図１６および２０Ａに示される１つの実施形態において、界面ブロック１０８は、直方体の形状で形成され、５３２ｎｍおよび１０６４ｎｍの両方の波長で透過性を有するガラスから構成される。材料は、所望の波長を透過させる、例えば石英ガラスの研磨小片とすることができるが、もちろん、当業者であればわかるように、コストまたは具体的な屈折率の必要性に合わせて他の多くの種類のガラスを使用できる。界面ブロック１０８はまた、図２２に示されているように、ガラスフレームとして、成形プラスチックから構成され、または形成されてもよく、これは成型工程を通じてその表面仕上げを保持する。また、基板１０２の中に具体的な縁辺形状を生成する希望により、界面ブロック１０８を小さくし、ビームの動きに対して、またはビームの直線移動と共に、および横方向に関節接合されるようにすることもできる。

この実施形態において、界面ブロック１０８は、図２０Ａに示されるように、切断対象基板１０２の上に並列関係で設置される。直方体として形成される界面ブロック１０８は、図２０Ｂからわかるように、縁辺に近い切断を改善するために、レーザビームを透過させるための体積（すなわち、均一な光路）を提供する。それに加えて、ベッセルビームが大きい角度で分割し、再結合されるため、界面ブロック１０８は、基板１０２の周辺の外に位置付けることにより、縁辺に近い切断を可能にすることができる。

切断をより急峻な角度で行いたい場合、界面ブロック１０８は、図１７、１８、１９、２１Ａ、および２２〜２７に示されるように、三角柱として形成できる。斜面は、所望の面取り角度を補償し、それによってレーザはレーザ１０４からのビームをより好ましい角度で供給できる。界面ブロック１０８は、基板１０２と同じ組成でも異なる組成でも構成されてよく、基板１０２と屈折率が同じでも異なっていてもよい。界面ブロック１０８の、レーザ光のビームが最初に衝突する表面の角度もまた、カスタマイズされた光路の変更を提供するために変えることができる。屈折率と角度をどのように組み合わせても所望の切断角度と効果を生じさせることができる。

界面ブロック１０８は、０〜９０度の何れの角度でも製造でき（例えば、１０、１５、２０、３０、４０、または４５度）、所望の屈折率を有する材料から製造できる（例えば、界面ブロック１０８は、相互に対して斜めの少なくとも２つの面を有し、それらの間に形成される角度は＞０度かつ９０度未満であり、いくつかの例において、角度は５〜４５度である）。ブロック１０８は、材料ブロックまたはストリップから製造でき、これはガラス、セラミック、またはプラスチックとすることができる。１つの実施形態において、ブロック１０８は、機械加工により成形され、その後、切断ビームの波長で光学的に透明になるように研磨される。ブロック１０８は、可視およびＩＲスペクトルのどちらにおいても透過性を有する石英ガラスで製造されてもよい。ブロック１０８がガラス材料を含む場合、透過性には少なくとも２つの透過面の精密研磨が関わってもよい。図２２に示されるように、ブロック１０８は、成型工程を介してその透過性の表面仕上げを保持するフレーム２３の中で成型されてもよい。

三角柱を使用する工程には、それを切断対象基板１０２の上に載せるステップが含まれる。希望に応じて、ブロック１０８は、反射防止コーティングで被覆し、ブロック１０８と基板１０２との界面における後方反射を軽減させてもよい。例えば、このようなコーティングは、１層のフッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）であってもよく、その厚さは、特定の切断用途のために選択された光の具体的な波長に基づいて、λ／４である。１つの実施形態において、例えば、ブロック１０８は１０６４ｎｍの波長のレーザと共に使用されてもよい。この実施形態では、ＭｇＦ_２の反射防止層の厚さは２６６ｎｍである。反射防止コーティングを使用することに加え、またはその代わりに、ブロック１０８と基板１０２との界面に屈折整合流体を配置して、反射損失を軽減させることができる。レーザ１０４はすると、レンズ装置１０６とブロック１０８の中でそのビームを適切に案内するように整列される。ブロック１０８が直方体として形成された場合、ビームの角度は９０度となり、ブロック１０８が反射防止コーティングおび／または屈折整合流体の有無を問わず三角柱として形成された場合、その角度は０〜９０度の間で変えることができる。

ブロック１０８は、切断ビームの保存と提供を行い、また歪みと光学的損失を限定する。均一な屈折率を有する長方形のブロックが使用される場合、工程によって基板１０２の縁辺に極めて近い切込みを生成できる。三角形のブロック１０８の場合、工程によりカスタマイズされた面取り部の角度が提供される。

図１８および２５に関して、ブロック１０８は、その長さ全体に沿って延びる段差または切欠きを有する肩部１２０を含むように変更されてもよい。基板１２の縁辺は、ブロック１０８に形成された切欠きのある肩部１２０の中に受けられてもよく（図２５に示されている）、それによって、例えば長方形のブロックとすることのできる成形されたブロック１０８で、さらに縁辺に近い切断が可能となる。

図１９を参照すると、ブロック１０８の別の実施形態は、例えば屈折率分布型材料（ｇｒａｄｉｅｎｔ ｉｎｄｅｘ ｍａｔｅｒｉａｌｓ）（ＧＲＩＮ）での製造を含み、各部分（１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ等）が異なる屈折率を有する。ＧＲＩＮ材料は屈折率が不均一であるため、これらはそこに衝突する光ビームを何れかの方法で集光または方向転換するために使用できる。ＧＲＩＮ材料が長方形のブロック１０８に使用される場合、入射される入力ビームが斜めに、または何れかの画定された曲線形状に沿って伝播し、集光されるようにビームプロファイルを誘発し、または変更することが可能である。この曲線ビームは、所望の切断領域内で提供されて、斜角部もしくは面取り部またはその他の形状の縁辺が形成される。

図２６および２７に関して、各々が固有の角度で特徴付けられる一連の界面ブロック１０８を回転ピニオン１２２に配置することができる。この配置によって、使用者はピニオン１２２に取り付けられた複数のブロック１０８の中から、ビーム切断経路と整列させるためにどれを選択してもよい。この配置では、コンピュータでプログラム可能なコントローラ１２４をシステム１００に組み込むことができ、それによって使用者は事前に計画した様々な面取り角度から選択的に選ぶことができる。この配置では、ブロック１０８は縁辺に沿って変化する屈折率を有する半連続的小片から切断された、またはディスク状に作られた様々な角度の段差を有する１つの小片から作られた個々のプリズム小片で構成できる。

ピニオン装置１２２は、ビーム径の中で一定の角度を保持するシステムのレーザ切断ヘッドの線形移動に追従してもよく、なぜなら、それとレーザヘッドが経路に沿って並進するからである。装置はまた、ビームの直線移動に対して左右に移動させることもできる。幾つかの例において、特にＧＲＩＮ材料を使用した場合、これは、可変的な斜角部の角度を同じ切断作業で生成することを可能にするという利点を提供できる。

いくつかの実施形態によれば、ガラス基板を加工または切断する方法は、
レーザビームを基板内へと方向付けるステップであって、レーザビームは基板材料内で誘発非線形吸収を発生させ、誘発非線形吸収が基板内のレーザビームに沿って基板材料を改質するステップと、
ある輪郭に沿って基板とレーザビームを相互に対して並進させ、それによってレーザが基板内でその輪郭に沿って複数の欠陥線を形成するようにするステップであって、隣接する欠陥線間の周期性が０．１マイクロメートル〜２５マイクロメートル（および好ましくは０．１〜２０マイクロメートル、例えば２〜１５マイクロメートル）であるステップと、
を含む。

いくつかの実施形態よれば、ガラス基板を加工または切断する方法は、
パルスレーザビームを、ビーム伝播方向に沿って向き付けられ、基板内へと向かうレーザビーム焦線に集光するステップであって、レーザビーム焦線は、基板材料内に誘発吸収を発生させ、誘発吸収が基板内でレーザビーム焦線に沿って欠陥線を生成するステップと、
ある輪郭に沿って基板とレーザビームを相互に対して並進させ、それによってレーザが基板内でその輪郭に沿って複数の欠陥線を形成するステップであって、隣接する欠陥線間の周期性は０．１マイクロメートル〜２０マイクロメートルの間であるステップと、
を含む。

本発明を好ましい実施形態に関して説明したが、特許請求の範囲により定義される本発明の範囲から逸脱することなく、本発明に改良、変更、および追加を行うことができると理解すべきである。

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
電磁スペクトル内のある所定の波長範囲内で透過性を有する基板を切断するためのシステムにおいて、前記基板は、シートから抽出されたときに縁辺を含み、
ａ．光路に沿った、前記基板が透過性を有する波長範囲内のある所定の波長の光を発することができるレーザと、
ｂ．光学要素であって、前記レーザの前記光路内に、前記レーザが、前記基板の少なくとも一部の中で誘発非線形吸収を発生させることができるように位置付けられた光学要素と、
ｃ．電磁スペクトル内の、前記基板もまた透過性を有する前記所定の波長範囲のうちの少なくとも一部について透過性を有する材料で構成された界面ブロックであって、前記光路内の、前記基板と前記光学要素との間に位置付けられる界面ブロックと、
を含むことを特徴とするシステム。

実施形態２
前記界面ブロックは、直方体の形状とされることを特徴とする、実施形態１に記載のシステム。

実施形態３
前記界面ブロックは、三角柱の形状とされることを特徴とする、実施形態１に記載のシステム。

実施形態４
前記界面ブロックは、屈折率分布型材料で構成されることを特徴とする、実施形態１に記載のシステム。

実施形態５
前記界面ブロックは、各々が、前記光路内に位置付けられ、前記基板と相互に対して固有の角度が付けられた平坦面を含む、複数の界面ブロックのうちの１つであることを特徴とする、実施形態１〜４の何れか１項に記載のシステム。

実施形態６
使用者が前記複数の界面ブロックのうちのいずれか１つを前記基板と並列関係に選択的に移動させることができるようになされた、コンピュータプログラム可能コントローラをさらに含むことを特徴とする、実施形態５に記載のシステム。

実施形態７
前記複数の界面ブロックの各々は、回転ピニオンに取り付けられることを特徴とする、実施形態５に記載のシステム。

実施形態８
前記界面ブロックは、相互に対して角度を付けられた２つの表面を有し、それらの間に形成される角度が０度より大きく、９０度未満であることを特徴とする、実施形態１に記載のシステム。

実施形態９
前記界面ブロックは、それらに形成された切欠きのある肩部を含み、前記切欠きのある肩部は、その中に前記基板の少なくとも１つの縁辺のうちの１つの縁辺を受けるようになされていることを特徴とする、実施形態１〜８の何れか１項に記載のシステム。

実施形態１０
前記光路内にある前記界面ブロックの表面上に配置された反射防止コーティングをさらに含むことを特徴とする、実施形態１〜９の何れか１項に記載のシステム。

実施形態１１
前記界面ブロックと前記基板との間の境界に配置された屈折整合流体をさらに含むことを特徴とする、実施形態１〜１０の何れか１項に記載のシステム。

実施形態１２
前記光学要素は、アキシコン、球面レンズ、回折レンズのうちの少なくとも１つであることを特徴とする、実施形態１に記載のシステム。

実施形態１３
前記光学要素が集光レンズであることを特徴とする、実施形態１に記載のシステム。

実施形態１４
前記レーザは前記光学要素と共にベッセルビームを形成することを特徴とする、実施形態１〜１１の何れか１項に記載のシステム。

実施形態１５
前記レーザは前記光学要素と共に線焦点を形成することを特徴とする、実施形態１〜１１または１４の何れか１項に記載のシステム。

実施形態１６
前記レーザはバーストパルスレーザであることを特徴とする、実施形態１〜１１、１４または１５の何れか１項に記載のシステム。

実施形態１７
前記レーザはピコ秒レーザであることを特徴とする、実施形態１〜１６の何れか１項に記載のシステム。

実施形態１８
前記レーザはフェムト秒レーザであることを特徴とする、実施形態１〜１７の何れか１項に記載のシステム。

実施形態１９
電磁スペクトル内のある所定の波長範囲内で透過性を有する基板の少なくとも１つの縁辺を切断するシステムで使用する界面ブロックにおいて、
電磁スペクトル内の、前記基板もまた透過性を有する所定の波長範囲の少なくとも一部について透過性を有する材料の直方体の形状のブロックを含むことを特徴とする界面ブロック。

実施形態２０
前記界面ブロックは、直方体または三角柱の形態の形状であることを特徴とする、実施形態１９に記載の界面ブロック。

実施形態２１
前記界面ブロックは屈折率分布型材料で構成されることを特徴とする、実施形態１９に記載の界面ブロック。

実施形態２２
それらに形成された、その中に前記基板の少なくとも１つの縁辺のうちの１つの縁辺を受けるようになされた切欠きのある肩部をさらに含むことを特徴とする、実施形態１９に記載の界面ブロック。

実施形態２３
前記光路内にある前記界面ブロックの表面上に配置された反射防止コーティングをさらに含むことを特徴とする、実施形態１９〜２２の何れか１項に記載の界面ブロック。

実施形態２４
電磁スペクトルのうちの所定の波長範囲内で透過性を有する基板の少なくとも１つの縁辺を切断する方法において、
ａ．レーザ、光学要素、および界面ブロックを、前記レーザから発せられた光のビームがまず前記光学素を通過し、その後、前記界面ブロックを通過するように配置するステップであって、前記界面ブロックが、電磁放射スペクトルのうちの、前記基板もまた透過性を有する所定の波長範囲の少なくとも一部について透過性を有する直方体の形状の材料からなるステップと、
ｂ．前記界面ブロックを前記基板の前記少なくとも１つの縁辺に対して並列関係で位置付けるステップと、
ｃ．前記レーザから、前記基板が透過性を有する前記波長範囲内のある波長の光ビームを発するステップであって、発せられた光ビームは、前記光学要素と前記界面ブロックを通る経路に沿って進み、前記界面ブロックにより、前記光ビームが前記縁辺付近の位置で前記基板を通るステップと、
を含むことを特徴とする方法。

実施形態２５
前記界面ブロックは、複数の界面ブロックのうちの１つであり、前記複数の界面ブロックのうちの１つを前記光路内に位置付けるために選択する別のステップを含むことを特徴とする、実施形態２４に記載の方法。

実施形態２６
前記界面ブロックと前記基板との間の境界に屈折整合流体を提供する別のステップを含むことを特徴とする、実施形態２４または２５に記載の方法。

実施形態２７
前記界面ブロックの表面上に反射防止コーティングを提供する別のステップを含むことを特徴とする、実施形態２４〜２６の何れか１項に記載の方法。

実施形態２８
前記レーザはパルスバーストレーザであり、前記パルスレーザは、パルスバーストあたり少なくとも２パルスのパルスバーストを生成することを特徴とする、実施形態２４〜２５の何れか１項に記載の方法または実施形態１〜１５の何れか１項に記載のシステム。

実施形態２９
前記レーザはパルスバーストであり、前記パルスレーザのレーザパワーは１０Ｗ〜１５０Ｗであり、パルスバーストあたり少なくとも２パルスのパルスバーストを生成することを特徴とする、実施形態２４〜２７の何れか１項に記載の方法または実施形態１〜１５の何れか１項に記載のシステム。

実施形態３０
前記レーザはパルスバーストであり、前記パルスレーザのレーザパワーは１０Ｗ〜１００Ｗであり、パルス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することを特徴とする、実施形態２４〜２７の何れか１項に記載の方法または実施形態１〜１５の何れか１項に記載のシステム。

実施形態３１
レーザビームを前記基板の中に方向付けるステップであって、前記レーザビームは前記基板材料内に誘発非線形吸収を生成し、前記誘発非線形吸収が、前記基板内の前記レーザビームに沿って前記基板材料を改質するステップと、
前記基板と前記レーザビームを輪郭に沿って相互に対して並進させ、それによってレーザが前記基板内で前記輪郭に沿って複数の欠陥線を形成するようにし、隣接する欠陥線間の周期が０．１マイクロメートル〜２０マイクロメートルの間であるステップと、
を含むことを特徴とする、実施形態２４〜３０の何れか１項に記載の方法。

実施形態３２
パルスレーザビームを、前記ビーム伝播方向に沿って向けられ、前記基板内へと方向付けられるレーザビーム焦線に集光するステップであって、前記レーザビーム焦線は、前記基板材料内に誘発非線形吸収を発生させ、前記誘発非線形吸収が前記基板内に前記レーザビーム焦点線に沿って欠陥線を生成するステップと、
前記基板と前記レーザビームを輪郭に沿って相互に対して並進させ、それによってレーザが前記基板内で前記輪郭に沿って複数の欠陥線を形成するようにし、隣接する欠陥線間の周期が０．１マイクロメートル〜２０マイクロメートルの間であるステップと、
を含むことを特徴とする、実施形態２４〜３０の何れか１項に記載の方法。

Claims (10)

1. 電磁スペクトル内のある所定の波長範囲内で透過性を有する基板を切断するためのシステムにおいて、前記基板は、シートから抽出されたときに少なくとも１つの縁辺を含み、
   ａ．光路に沿った、前記基板が透過性を有する波長範囲内のある所定の波長の光を発することができるレーザと、
   ｂ．前記レーザの前記光路内に位置付けられた光学要素と、
   ｃ．電磁スペクトル内の、前記基板もまた透過性を有する前記所定の波長範囲のうちの少なくとも一部について透過性を有する材料で構成された界面ブロックであって、前記光路内の、前記基板と前記光学要素との間に位置付けられる界面ブロックと、
   を含むことを特徴とするシステム。
2. 前記界面ブロックは、（ｉ）直方体または三角柱の形態の形状であるか、（ｉｉ）各々が、前記光路内に位置付けられ、前記基板に対して、および相互に対して固有の角度が付けられている複数の界面ブロックのうちの１つであるか、（ｉｉｉ）屈折率分布型材料で構成されることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
3. 前記界面ブロックは、そこに形成された切欠きのある肩部を含み、前記切欠きのある肩部は、その中に前記基板の前記少なくとも１つの縁辺のうちの１つの縁辺を受けるようになされていることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
4. 前記光路内にある前記界面ブロックの表面上に配置された反射防止コーティングをさらに含むことを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載のシステム。
5. 前記界面ブロックと前記基板との間の境界に配置された屈折整合流体をさらに含むことを特徴とする、請求項１〜４の何れか１項に記載のシステム。
6. 電磁スペクトル内のある所定の波長範囲内で透過性を有する基板の少なくとも１つの縁辺を切断するシステムで使用する界面ブロックにおいて、
   電磁スペクトル内の、前記基板もまた透過性を有する所定の波長範囲の少なくとも一部について透過性を有する材料の直方体の形状のブロックを含むことを特徴とする界面ブロック。
7. 前記界面ブロックは、直方体または三角柱の形態の形状であるか、屈折率分布型材料で構成されることを特徴とする、請求項６に記載のシステム。
8. それらに形成された、その中に前記基板の少なくとも１つの縁辺のうちの１つの縁辺を受けるようになされた切欠きのある肩部をさらに含むことを特徴とする、請求項６または７に記載の界面ブロック。
9. 前記光路内にある前記界面ブロックの表面上に配置された反射防止コーティングをさらに含むことを特徴とする、請求項６〜８の何れか１項に記載の界面ブロック。
10. 電磁スペクトルのうちの所定の波長範囲内で透過性を有する基板の少なくとも１つの縁辺を切断する方法において、
    ａ．レーザ、光学要素、および界面ブロックを、前記レーザから発せられた光のビームがまず前記光学素を通過し、その後、前記界面ブロックを通過するように配置するステップであって、前記界面ブロックが、電磁放射スペクトルのうちの、前記基板もまた透過性を有する所定の波長範囲の少なくとも一部について透過性を有する直方体の形状の材料からなるステップと、
    ｂ．前記界面ブロックを前記基板の前記少なくとも１つの縁辺に対して並列関係で位置付けるステップと、
    ｃ．前記レーザから、前記基板が透過性を有する前記波長範囲内のある波長の光ビームを発するステップであって、発せられた光ビームは、前記光学要素と前記界面ブロックを通る経路に沿って進み、前記界面ブロックにより、前記光ビームが前記縁辺付近の位置で前記基板を通るステップと、
    を含むことを特徴とする方法。

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