KR101690335B1 - 초단파 펄스 레이저에 의한 투명 재료 프로세싱 - Google Patents

초단파 펄스 레이저에 의한 투명 재료 프로세싱 Download PDF

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알랜 와이. 아라이
규 씨. 조
지앙조우 수
후미요 요시노
하이빈 장
제임스 보바츠에크
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아이엠알에이 아메리카, 인코포레이티드.
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Abstract

스크라이빙, 마킹, 용접 및 결합의 일례의 애플리케이션과 함께, 광 투명 재료의 초단파 펄스 레이저 프로세싱을 위한 방법, 디바이스 및 시스템이 기술된다. 예를 들어, 초단파 레이저 펄스는 재료에 걸친 레이저 빔의 한번의 패스로 스크라이브 피처(scribe feature)를 생성하고, 스크라이브 피처들 중 적어도 하나는 재료의 표면 아래에 형성된다. 초단파 펄스 레이저 프로세싱 조건을 약간 변형해서 부표면 마크(sub-surface marks)를 생성한다. 적합하게 배열될 때, 마크는 정확하게 정렬된 조명으로 명백하게 가시적이다. 레이저 파라미터의 제어로 반사 마크가 또한 형성될 수 있다. 유리가 아닌 투명 재료가 사용될 수도 있다. 투명 재료를 용접하는 방법은 초단파 레이저 펄스를 사용해서 국부적 가열을 통해 결합부(bond)를 생성한다. 투명 재료 프로세싱의 소정의 실시예에서, 다초점 빔 제너레이터는 투명 재료에 대해 깊이 방향으로 스페이싱된 다수의 빔 허리들을 동시에 형성해서, 프로세싱 속도를 증가시킨다.

Description

초단파 펄스 레이저에 의한 투명 재료 프로세싱{TRANSPARENT MATERIAL PROCESSING WITH AN ULTRASHORT PULSE LASER}
관련 출원 교차 참조
본 출원은 "Transparent material processing with an ultrashort pulse laser"이라는 제목으로 2008년 3월 7일에 출원된 미국 출원번호 제61/064,476호에 대한 우선권을 주장한다. 본 출원은 "Transparent material processing with an ultrashort pulse laser"이라는 제목으로 2009년 1월 22일에 출원된 미국 출원번호 제61/146,536호에 대한 우선권을 주장한다. 출원번호 제61/064,476호 및 출원번호 제61/146,536호의 개시내용은 본 명세서에 참조용으로 그대로 인용된다. 본 출원은, 2005년 9월 8일에 출원된 미국 출원번호 제60/714,863호에 대한 우선권을 주장하는, 2006년 9월 8일에 출원된 "Transparent material processing with an ultrashort pulse laser"이라는 제목의 미국 출원번호 제11/517,325호와 관련된다. 출원번호 제11/517,325호 및 출원번호 제60/714,863호 둘다의 개시내용은 본 명세서에 참조용으로 그대로 인용된다. 11/517,325호의 개시내용은 미국 특허 출원 공개물로서, 2007년 3월 8일에, 공개 번호 20070051706으로 공개되었다. 상기 출원들은 본 발명의 양수인에게 양도된다.
1. 본 발명의 분야
본 발명은 재료 스크라이빙(scribing), 용접(welding) 및 마킹(marking)을 포함하는 광 투명 재료의 초단파 펄스 레이저 프로세싱에 관한 것이다.
2. 관련 분야 기술
A. 커팅(cutting) 및 스크라이빙
광 투명 재료의 커팅은 종종 기계적인 방법으로 실행된다. 얇고 평평한 재료를 커팅하는 가장 흔한 방법은 아마도 절단기(mechanical dicing saw)를 사용하는 방법이다. 이는 실리콘 웨이퍼를 절단하는 마이크로 전자 공학 분야에서의 표준 방법이다. 그러나, 이 방법은 부품 오염을 방지하기 위해 관리되어야만 하는 상당한 잔해(debris)를 생성하여서, 총 프로세스 비용이 증가되는 결과를 야기한다. 또한, 고급 마이크로프로세서 설계에 사용되는 더 얇은 웨이퍼는 절단기로 커트할 때 부서지는 경향이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, "스크라이브 및 클리브(scribe and cleave)" 재료 커팅을 위한 현재의 최신 프로세스들은 이 스크라이브를 따라 재료를 브레이킹(breaking)하기 전에 각종 타입의 레이저를 사용해서 재료 상의 표면 그루브(groove)를 스크라이브한다. 예를 들어, 실리콘 및 다른 반도체 재료를 커팅하는 데 서브-피코세컨(sub-picosecond) 레이저 펄스가 사용되어 왔다(H. Sawada, "Substrate cutting method", 미국 특허 제6,770,544호). 또한, 포커싱된 비점수차(astigmatic) 레이저 빔이 재료 커팅을 위한 싱글 표면 그루브를 생성하는데 사용되어 왔다(J.P. Sercel, "System and method for cutting using a variable astigmatic focal beam spot", 미국 특허 출원 제20040228004호). 본 특허는, 비점수차 포커싱 기하학을 최적화함으로써, 프로세싱 속도의 증가를 실현할 수 있음을 주장한다.
정확한 고 품질 클리브를 달성하기 위해, 그루브는 일정한 최소 깊이여야만 하고, 그 최소 깊이의 값은 애플리케이션마다 변한다(예를 들어, 100-㎛ 두께의 사파이어는 허용 가능한 클리빙을 위해 대략 15-㎛ 깊이의 그루브를 요구한다). 스캔 속도가 증가함에 따라 그루브의 깊이가 감소하기 때문에, 최소 깊이 요건은 최대 스캔 속도를 제한하고, 따라서, 레이저-스크라이빙 시스템의 총 처리량도 제한된다. 재료 커팅의 다른 기술은 다광자 흡수(multiphoton absorption)를 사용해서 투명 타겟 재료의 벌크(bulk) 내에서 싱글 레이저-변형 라인 피처(feature)를 형성한다(F.Fukuyo et al., "Laser processing method and laser processing apparatus", 미국 특허 출원 제20050173387호). 표면 그루브의 경우에서처럼, 재료의 정확한 고품질 클리빙을 위해 요구되는 부표면 피처(sub-surface feature)의 특정 최소 크기가 있으며, 이 크기는 재료 커팅의 프로세싱 속도에 대한 한계와 동등하다.
"스크라이브 및 클리브" 재료 커팅의 주목할만한 애플리케이션은 개별 전자 및/또는 광전자 디바이스의 분리를 위한 웨이퍼 절단이다. 예를 들어, 사파이어 웨이퍼 절단은 청색 발광 다이오드의 싱귤레이션(singulation)에서 사용된다. 웨이퍼 싱귤레이션은, 웨이퍼의 정면(front side) 상의 디바이스의 오염을 최소화하면서, 후면(backside) 레이저 어블레이션(ablation)으로 달성될 수 있다(T.P. Glenn et al., "Method of singulation using laser cutting", 미국 특허 제6,399,463호). 또한, 기판을 절단하는 레이저 빔을 돕기 위해 보조 가스가 사용될 수 있다(K. Imoto et al., "Method and apparatus for dicing a substrate", 미국 특허 제5,916,460호). 또한, 먼저 레이저를 사용해서 표면 그루브를 스크라이브한 후, 기계 톱 블레이드(mechanical saw blade)를 사용해서 커팅을 완성함으로써, 웨이퍼가 절단될 수 있다(N.C. Peng et al., "Wafer dicing device and method", 미국 특허 제6,737,606호). 이러한 애플리케이션은 일반적으로 대량으로 실행되므로, 프로세싱 속도가 특히 중요하다.
한 프로세스는 두개의 상이한 타입의 레이저를 사용하는데, 하나의 레이저는 재료를 스크라이브하고, 다른 레이저는 재료를 브레이크한다(J.J. Xuan et al., "Combined laser-scribing and laser-breaking for shaping of brittle substrates", 미국 특허 제6,744,009호). 유사한 프로세스는 제1 레이저 빔을 사용해서 표면 스크라이브 라인을 생성하고, 제2 레이저 빔을 사용해서 비금속 재료를 개별 피스들(pieces)로 부순다(D. Choo et al., "Method and apparatus for cutting a non-metallic substrate using a laser beam", 미국 특허 제6,653,210호). 스크라이빙 및 크래킹을 위한 두개의 상이한 레이저 빔이 유리판을 커팅하는데 사용되어 왔다(K. You, "Apparatus for cutting glass plate", 국제 특허 출원 WO 2004083133). 마지막으로, 싱글 레이저 빔이 사용되어, 재료의 상부 표면에 가깝게 레이저 빔을 포커싱시키고 재료를 통해 초점을 하부 표면에 가깝게 하향 이동시키고 동시에 포커싱된 레이저 빔과 타겟 재료 간의 상대 측방 이동(relative lateral motion)을 제공함으로써, 재료를 스크라이빙 및 크래킹한다(J.J. Xuan et al., "Method for laser-scribing brittle substrates and apparatus therefor", 미국 특허 제6,787,732호).
B. 재료 결합(Material Joining)
유리 및 플라스틱과 같이, 광학적으로 투명한 2개 이상의 재료의 결합은, 각종 산업 분야에서 유용하다. 광 투명성(optical transparency)이 기능성(functionality)을 허용 또는 보충하거나, 또는 추가 가치(예를 들면, 미학(aesthetic))를 야기하는 임의의 타입의 디바이스의 구성은 이러한 결합 프로세스로부터 이득을 얻을 수 있다. 일례는 육안 검사(visual inspection)가 요구되는 컴포넌트의 기밀 밀봉(hermetic sealing)이다(예를 들어, 원거리 통신 및 생체 공학 분야).
소정의 애플리케이션에서, 종래의 결합 프로세스(예를 들어, 접착제, 기계적 결합)는 부적합하다. 예를 들어, 다수의 접착제는 생체공학적 임플란트 디바이스의 경우에는 생체에 적합하지 않음(non-biocompatible)을 입증할 수도 있다. 다른 디바이스의 경우, 접착제는 특정 애플리케이션에 대해서는 충분히 강하지 않을 수도 있다(예를 들어, 고압 밀봉(high pressure seal)). 이러한 경우, 레이저 용접이 이상적인 해결책을 제시한다.
마이크로 유체 시스템(microfluidic systems)에서, 전체 디바이스를 커버하는 캡 피스만큼 서로 가깝게 이격된 별개의 경로들의 밀봉(sealing)이 바람직할 수 있다. 강하고 단단한 밀봉 조인트(joints)는, 상이한 마이크로 유체 경로들 간의 작은 접촉 영역으로 인해 다른 방법으로 생성하기는 어려울 수 있다. 레이저 용접은 이러한 마이크로 유체 경로들 간의 결합된 영역을 정확하게 포지셔닝할 수 있으며 단단한 밀봉을 제공한다.
투명 재료의 레이저 용접을 위한 현재의 최신 기술은:
(1) CO2 레이저 - 그 파장(~10㎛)은 다수의 광 투명 재료에 의해 선형으로 흡수됨 - 를 사용하거나, 또는
(2) 레이저 방사를 흡수하도록 특수 설계된 투명 재료의 인터페이스에서 추가 재료를 도입함으로써, 재료의 가열, 용해, 및 융합(fusing)을 야기한다.
이들 방법 둘다 기능성에서 제한되며/제한되거나 구현하는데 비용이 많이 든다.
펄스 CO2 슬라브 레이저는 파이렉스를 파이렉스에 용접하고, 폴리이미드 및 폴리우레탄을 티타늄 및 스테인레스 스틸에 결합하는데 사용되어 왔다(H.J. Herfurth et al., "Joining Challenges in the Packaging of BioMEMS," Proceedings of ICALEO 2004). 또한, 융합된 석영 및 다른 내화 재료는 10.6㎛ CO2 레이저로 용접되었다(M.S. Piltch et al., "Laser welding of fused quartz", 미국 특허 제6,576,863호). 이러한 CO2 레이저의 이용은 두꺼운 상부 층 재료(a thick top layer material)를 통해 빔을 포커싱하는 것에 의해 용접을 허용하지 않는데, 그 이유는 인터페이스에 도달될 수 있기 전에 레이저 방사가 흡수되기 때문이다. 다른 단점은, 큰 파장이 빔을 작은 스폿에 포커싱시키는 것을 허용하지 않음으로써, 미크론 스케일(micron scales)로 작은 용접 피처를 생성하기 위한 유용성(usefulness)을 제한한다.
대안으로, 육안으로 볼 때 투명한 흡수층(absorbing layer)이, 폴리아미드 및 아크릴과 같이, 용접될 두개의 재료들 사이에 배치될 수 있다(V. A. Kagan et al., "Advantages of Clearweld Technology for Polyamides," Proceedings ICALEO 2002). 라인 포커싱(line focusing)에 의한 다이오드 레이저가 용접에 사용된다(T. Klotzbuecher et al., "Microclear - A Novel Method for Diode Laser Welding of Transparent Micro Structured Polymer Chips," Proceedings of ICALEO 2004). 염료층(dye layer)은 레이저의 파장을 흡수하도록 특수 설계된다(R. A. Sallavanti et al., "Visibly transparent dyes for through-transmission laser welding", 미국 특허 제6,656,315호).
유리를 유리 또는 금속에 결합시키는 하나의 용접 프로세스는 레이저 빔을 사용해서 용접될 표면들 간에 유리 접합물(glass solder)을 녹인다(M. Klockhaus et al., "Method for welding the surfaces of materials", 미국 특허 제6,501,044호). 또한, 2개의 섬유들은 레이저 파장에 선형으로 흡수되는 중간 층(intermediary layer)을 사용해서 함께 용접될 수 있다(M.K. Goldstein, "Photon welding optical fiber with ultra violet (UV) and visible source", 미국 특허 제6,663,297호). 유사하게, 플라스틱 재킷이 있는 섬유는 흡수 중간 층을 삽입함으로써 플라스틱 페룰(ferrule)에 레이저-용접될 수 있다(K.M. Pregitzer, "Method of attaching a fiber optic connector", 미국 특허 제6,804,439호).
흡수 재료의 추가 층의 이용은 중요한 단점을 갖는다. 가장 명확한 것은 프로세스에 적합한 재료를 구매하거나 제조하는 비용이다. 이러한 추가 재료를 제조 프로세스에 통합시키는 것과 관련된 프로세싱 시간의 증가에 따라 잠재적으로 비용이 더 증가한다는 것이다. 생의학 임플란트 디바이스의 경우에서처럼, 희망 용접 영역의 크기가 매우 작아질수록 비용은 극적으로 상승할 것으로 예상된다. 중간 흡광층(an intermediate, light-absorbing layer)을 사용하는 다른 단점은, 이 층이 밀봉될 영역에 오염물을 삽입시킬 수도 있다는 점이다. 마이크로 유체 시스템의 경우, 흡광층은 채널을 통해 흐르는 유체와 직접 접촉한다.
투명 재료를 흡수 재료에 용접하는 한 방법은 투과 용접(through-transmission welding)이다. 이 방법에서, 레이저 빔은 투명 재료를 통해 흡수 재료에 포커싱되어서, 두개의 재료들을 용접시킨다(W.P. Barnes, "Low expansion laser welding arrangement", 미국 특허 제4,424,435호). 이 방법은 다색 방사선(polychromatic radiation)을 상부 투명 층을 통해 하부 흡수층에 향하게 하여 포커싱함으로써 플라스틱을 용접하는데 사용되어 왔다(R.A. Grimm, "Plastic joining method", 미국 특허 제5,840,147호; R.A. Grimm, "Joining method", 미국 특허 제5,843,265호). 본 방법의 다른 일례에서, 레이저 파장에 투명한 블랙 성형 재료(black molded material)가 인접 재료에 용접되거나, 레이저 파장을 흡수하는 추가 용접 보조 재료를 경유해 용접된다(F. Reil, "Thermoplastic molding composition and its use for laser welding", 미국 특허 제6,759,458호). 유사하게, 다른 방법은 투영 마스크와 함께 적어도 두개의 다이오드 레이저를 사용해서 두개의 재료를 용접하는데, 그 중 적어도 하나는 레이저 파장의 흡수제이다(J. Chen et al., "Method and a device for heating at least two elements by means of laser beams of high energy density", 미국 특허 제6,417,481호).
다른 레이저 용접 방법은 용해 및 용접이 발생할 때까지 재료를 점차적으로 가열하기 위해 두개의 재료들 간의 인터페이스 위에서 레이저 빔의 연속 스캔을 수행한다(J. Korte, "Method and apparatus for welding", 미국 특허 제6,444,946호). 본 특허에서, 하나의 재료는 투명하고, 다른 재료는 레이저 파장에 흡수된다. 마지막으로, 한 방법은 자외선, 레이저, X-레이, 및 싱크로트론 방사선(synchrotron radiation)을 사용해서 재료의 두개의 피스를 용해한 후, 그것들을 접촉시켜 용접점(weld)을 형성한다(A. Neyer et al., "Method for linking two plastic work pieces without using foreign matter", 미국 특허 제6,838,156호).
두개의 기판들 간의 유기 재료의 적어도 하나의 층이 존재하는 유기 발광 다이오드의 기밀 밀봉을 위한 레이저 용접이 기술된다("Method of fabrication of hermitically sealed glass package", 미국 특허 출원 공개 제20050199599호).
타마끼(Tamaki) 외 다수는 Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 44, No. 22, 2005, "Welding of Transparent Materials Using Femtosecond Laser Pulses"에서 투명 재료를 결합시키기 위해 1 ㎑에서 130-fs 레이저 펄스를 사용하는 것을 기술한다. 그러나, 저 반복률 초단파 펄스(㎑)의 재료 상호 작용은, 전자-포논 커플링 시간 상수(electron-phonon coupling time constants) 및 축적 효과(accumulation effects)로 인해 고 반복률 초단파 펄스(㎒)에 비교하여 뚜렷이 상이한 것으로 공지된다.
C. 부표면 마킹(Sub-Surface Marking)
유리의 부표면 마크의 패터닝(patterning)은 2-D 초상화 및 3-D 조각 작품을 생성하기 위해 아티스트에 의해 사용되어 왔다. 상기 마크는 외부 조명을 필요로 하지 않으면서 광범위한 조건 하에서 강하게 볼 수 있도록 설계된다.
광 투명 재료의 표면 하의 단단히 포커싱된 에너지는 가시 방사 전파 마이크로-크랙(visible, radially propagating micro-cracks)을 생성할 수 있다. 롱-펄스 레이저는 상기 마크를 생성하는데 흔히 사용된다. 수개의 특허들은 후속 패턴의 가시성을 제어하기 위한 이들 방사 크랙의 크기 및 밀도의 변화에 대해 기술한다(미국 특허 제6,333,486호, 제6,734,389호, 제6,509,548호, 제7,060,933호).
마크의 가시성은, 마크의 크기 자체 보다는, 중심 레이저 스폿 주위의 크랙 밀도에 의해 제어될 수 있다(미국 특허 제6,417,485호, "Method and laser system controlling breakdown process development and space structure of laser radiation for production of high quality laser-induced damage images").
미국 특허 제6,426,480호("Method and laser system for production of high quality single-layer laser-induced damage portraits inside transparent material")는 단일층의 평활한 마크(smooth marks)를 사용하는데, 휘도(brightness)는 스폿 밀도에 의해 제어된다.
기록 레이저 광의 펄스 지속 기간이 증가하면, 마크의 휘도가 증가된다(미국 특허 제6,720,521호, "A method for generating an area of laser-induced damage inside a transparent material by controlling a special structure of a laser irradiation").
비선형 흡수를 통해, 초단파 레이저 펄스는 투명 재료의 벌크(bulk) 내에서의 매우 잘 정의된 영역으로 에너지를 디포짓(deposit)할 수 있다. 레이저 속성과 프로세싱 조건을 일치시켜서, 한 범위의 피처를 생성할 수 있으며, 굴절률을 변화시켜 내부 인터페이스에서의 광 웨이브가이딩, 용해 및 후속 결합을 가능케 하거나, 광을 산란하는 광 결함의 형성을 야기한다.
고 반복률의 레이저 및 상당한 펄스-대-펄스 오버랩은 이전 레이저 노광에 의해 생성된 재료 변형 및 동일한 영역 내의 후속 펄스 간의 추가 상호 작용을 야기한다. 선재하는 변형 주위에서 빛이 회절하고, 구조적 간섭을 통해, 이전 변형의 "섀도(shadow)" 내에 다른 스폿을 생성하는데, 상기 스폿은 통상 "아라고 스폿(spot of Arago)" 또는 "프와송 스폿(Poisson spot)"으로 공지된다. 스폿의 크기 및 강도는 거리에 따라 증가하며, 강도는 입력 레이저 강도에 점근적으로 도달한다.
본 발명의 한 목적은, 종래의 기술에 비해 보다 더 고속으로 투명 재료의 깨끗한 브레이킹(clean breaking)을 가능하게 하는 것이다. 이는, 초단파 레이저 펄스를 사용해서, 재료를 가로지르는 단일 패스의 빔만으로, 재료 상에 표면 그루브를 형성하고 또한 재료의 벌크 내에 하나 이상의 레이저 변형 영역들을 생성함(또는, 대안으로, 다수의 부표면 레이저 변형 피처들만을 생성함)으로써 달성된다. 다수의 스크라이브 피처가 동시에 생성되어, 표면 상에 또한 재료의 벌크 내에 모두 위치하거나, 또는 재료의 벌크 내에만 위치하기 때문에, 후속 클리브(cleave)의 성공은 반드시 표면 그루브 깊이에만 좌우되지는 않는다.
스크라이브된 재료의 클리빙 프로세스(cleaving process) 중에, 표면 스크라이브 피처에서 갈라짐(fracture)이 시작되어 재료를 통해 아래쪽으로 전파된다. 표면 그루브가 너무 얕으면, 갈라짐이 꾸불꾸불해져서, 저품질 클리브 면이 야기되며 클리브 프로세스 정밀도가 저조해진다. 그러나, 재료의 벌크 내에 추가 스크라이브 피처(들)가 존재하여, 갈라짐은 재료를 통해 원하는 방향으로 안내되어서, 클리빙 정밀도 및 면 품질이 오직 얕은 표면 스크라이브만의 경우에서 예상되는 것보다 더 높아진다.
벌크 재료의 충분한 일부분이 표면 아래에서 변형되면, 갈라짐은 부표면 변형 영역으로부터 시작되어서, 표면 스크라이브 라인의 필요 없이, 재료의 벌크를 통해 인접한 변형 영역들로 전파될 수 있다. 표면 그루브의 크기를 최소화하거나, 또는 표면 그루브를 완전히 제거하여서, 프로세싱 환경을 오염시킬 수 있거나 또는 보다 넓은 포스트-프로세스 클리닝을 요구할 수 있는 프로세스에 의해 야기되는 잔해(debris)를 감소시킨다.
본 발명의 다른 목적은, 표면 아래에 초단파 레이저 펄스를 포커싱시킴으로써 투명 재료의 부표면 결함의 패턴을 생성하는 것이다. 스크라이빙에 대한 프로세싱 조건을 약간 변형해서, 빛을 산란하는 광 결함들을 표면 아래에서 생성할 수 있다. 상기 결함의 특징 및 구성을 제어해서, 측면에서 조명될 때 패턴이 명백하게 보이지만, 조명이 없을 때는 보기 어렵게 할 수 있다. 이러한 부표면 마킹의 피처는 차량용 인디케이터 사인 또는 빛, 경고 사인 또는 빛 용으로 이용되거나, 또는 단순한 유리에 (예를 들어, 미적으로) 가치를 추가하도록 이용될 수 있다. 본 기술은, 재료에서 생성된 결함이 항상 명백하게 보이도록 설계된 공지된 레이저 마킹 기술과는 구별된다.
본 발명의 일 실시예에서, 광 결함의 패턴이 투명 재료 내의 상이한 깊이에서 생성된다. 상이한 깊이에서 마크를 가져서, 하나의 마크가 후속 마크에 조명 광이 도달하는 것을 차단하는 "섀도잉(shadowing)" 효과를 방지한다. 본 구조는 동시에, 지향성(directional)이지 않은 주변 조명원(ambient illumination sources)으로부터의 산란량(the amount of scattering)을 감소시켜서, 온 상태와 오프 상태 간의 콘트라스트를 강화한다. 이러한 결함은 이산 포인트 또는 확장 라인일 수 있다.
이러한 결함의 소형 크기 및 보다 더 평활한 프로파일은 조명이 없을 때 덜 가시적이다. 또한, 기판은, 특히 얇은 투명 재료의 경우, 열 또는 기계적 스트레스로 인한 크랙 전파에 더 강해지고 덜 민감해진다. 또한 소형 크기는 단위 두께당 더 이산적인 기록 위치를 허용해서, 소정 두께의 투명 재료에 대한 패턴 분해능(pattern resolution)을 증가시킨다.
조명이 있을 때의 마크의 가시성과 조명이 없을 때의 마크의 비가시성(invisibility) 간의 트레이드-오프(trade-off)가 존재한다. 이 트레이드-오프는 조명 광원 강도, 마크의 크기 및 평활성(smoothness) 및 마크 간의 스페이싱(spacing)을 제어함으로써 조정될 수 있다. 마크 크기의 제어 파라미터는 펄스 지속 기간, 플루언스(fluence), 및 레이저의 반복률과 파장, 재료 내의 초점의 깊이 및 이동 속도를 포함한다. 이들 파라미터가 상이한 광 속성, 열 속성 및 기계 속성에 따라 투명 재료에 대해 조정될 필요가 있음을 주지할 필요가 있다.
가시성은, 예를 들어, 산란된 조명이 수신되는 입체각 내에서, 뷰잉 방향(viewing direction) 위에서 평가된다. 본 명세서에서 언급된 가시성은 가시 파장의 검출 및 육안으로 본 시야에 제약을 받지 않는다. 본 발명의 실시예는 일반적으로 검출 방향에 따른 방사 검출에 적용가능하며, 또한, 투명 재료 내의 피처의 적합한 방사의 경우에도 적용가능하다. 재료의 투명성 범위 내의 파장을 갖는 비가시 소스(non-visible source)가 사용될 수도 있다. 그 후 이 파장에서 응답하는 검출기가 사용된다.
이산 픽셀 집합으로 원하는 패턴이 구성될 수 있는데, 각 픽셀은 평행선 또는 다른 기하학 형태의 집합이다. 픽셀을 사용해서, 가시성에서 더 큰 콘트라스트로 더 적은 수의 라인들로 전체적으로 더 큰 아이콘(over-all larger icon)을 생성할 수 있다.
부표면 패턴은 적합하게 포커싱된 광원에 의해 조명을 받을 수 있다. 포커싱은 패턴을 효율적으로 조명하고 탈선 광(stray light)을 최소화하는데 있어서 중요하다. 이 조명광은, 광원과 패턴 간의 거리가 비교적 짧은 경우 광원으로부터 직접 전달될 수 있다. 거리가 길면, 투명 재료의 상부 표면과 하부 표면 간의 내부 전반사가 사용되어 빛을 가이드할 수 있다.
다른 대안은, 투명 재료의 광 도파관(optical waveguides)을 생성하여 빛을 전달하는 것이다. 광 도파관 전달의 장점은, 소스와 패턴 간의 경로가 직선이거나 및/또는 짧을 필요가 없다는 점이다. 광 도파관 전달의 경우, 도파관의 출력 단부가 원하는 패턴을 조명하기에 적합하게 설계되어야 한다.
동일한 영역 내의 두개의 패턴들이 개별적으로 구별될 수 있으며 두개의 상이한 광원들에 의해 제어 가능하게 조명받을 수 있다. 각 패턴의 조명원(illumination source)의 축은 패턴을 구성하는 마크들에 수직이다. 이러한 방식으로, 특정 조명원으로부터의 최대 산란(maximum scattering)(및 최대 가시성)이 지정된 패턴만을 위해 선택될 수 있다.
적어도 일 실시예에서, 레이저-기반 재료 변형은 유리가 아닌 실질적으로 투명한 재료 상에 또는 실질적으로 투명한 재료 내에 피처를 생산한다. 예를 들어, 플라스틱, 투명 중합체, 및 유사 재료는 일부 희망 특성을 갖는다. 일부 희망 재료 속성은: 감소된 중량(유리에 비해 대략 4배), 각종 형태를 형성하기 위해 기판의 구부러짐에 대비하는 유연성(flexibility), 고정 에지 조명으로 휘도를 증가시키는 기능을 제공하는 감소된 두께, 및 부서짐(shattering)에 대한 민감성이 감소됨에 따른 증가된 재료 강도를 포함한다.
투명 중합체(폴리카보네이트, PMMA(polymethylmethacrylate) 등)를 프로세싱하는 플루언스는 유리의 경우 보다 작다. 소정의 실시예에서, 레이저 파라미터, 예를 들어, 펄스 폭, 반복률, 및 펄스 에너지는 유리 프로세싱에 적합한 파라미터 값으로 오버랩될 수도 있다. 그러나, 특정 재료, 특히 폴리카보네이트는 훨씬 더 낮은 에너지와 훨씬 짧은 펄스 폭으로 프로세싱될 수도 있다. 따라서, 형성된 피처는 더 잘 제어될 수 있다. 볼륨 내에서 형성 가능한 피처의 밀도가 증가할 수도 있다.
또한 폴리카보네이트 또는 유사 재료의 얇은 부분은 단일 설계에서 스위치 가능한 소자를 형성하는 것을 용이하게 해준다. 또한, 재료 내에 형성된 피처는 통상 재료의 깊이 내의 임의의 원치 않은 마이크로크래킹(microcracking) 또는 다른 희망하지 않은 변화에 대한 민감성을 감소시킬 수도 있다.
소정의 실시예에서, 스위치 가능 또는 어드레스 가능 아이콘이 형성될 수도 있다. 투명 재료의 부표면 결함의 패턴 생성과 관련해서 상술된 바와 같이, 가시성을 향상시키기 위해 각종 트레이드오프가 이루어질 수 있다. 패턴은 측방으로 또는 상이한 깊이로 배열될 수 있으며, 비직교 조명 및 뷰잉 조건(non-orthogonal illumination and viewing conditions)을 포함해서, 각종 각도에서 뷰잉되거나 조명될 수 있다. 하나 이상의 제어된 조명원은 뷰잉될 피처를 직접 조명할 수도 있다. 소정의 실시예에서, 내부 도파관 또는 광 가이드는 에너지를 피처에 전달할 수 있다. 희망 방향으로부터의 조명이 있을 때 고 콘트라스트를 제공하는 것이 통상 바람직한데, 저 레벨 또는 식별할 수 없는 레벨의 소자들 간의 글레어(glare)는 검출 각도 내에서 희망하지 않은 방사를 발생시키는 누화(crosstalk)(예를 들어, 광막 글레어(veiling glare)) 또는 임의의 현상에 의해 야기되는 콘트라스트의 손실을 방지한다.
본 발명의 또 다른 목적은, 보충 본딩 에이전트 없이 고반복률 펨토세컨 펄스 레이저를 사용해서 두개의 피스의 순수(clear) 재료의 결합을 가능케 하는 것이다. 두개의 투명 재료 피스의 접촉 영역에서 고 반복률의 초고속 레이저 빔을 포커싱해서, 국부적 가열(localized heating)에 의해 결합부(bond)를 생성한다. 충분한 열 축적을 위해 요구되는 반복률은, 펄스 에너지, 빔 포커싱 기하학 및 용접될 특정 재료(들)의 물리적 속성을 포함하는 다수의 상이한 프로세스 변수에 좌우된다. 펨토세컨 레이저 스폿 본딩 프로세스에 영향을 주는 조건의 이론적인 분석은 프로세스의 최적 포커싱 조건의 결정을 강조한다(M. Sarkar et al., "Theoretical Analysis of Focusing and Intensity Mechanisms for a Spot Bonding Process Using Femtosecond Laser," IMECE2003-41906; 2003 ASME International Mechanical Engineering Congress, November 2003, Washington, D. C, USA).
레이저 방사의 비선형 흡수(초단파 펄스 지속 기간에 의해 야기됨), 및 재료 내의 열의 펄스-대-펄스 축적(고 반복률에 의해 야기됨)으로 인해, 투명 재료의 용접은 기존의 대안 방법으로 견줄 수 없는 단순성, 유연성, 및 효율성으로 달성될 수 있다. 비선형 흡수 프로세스는 용접 인터페이스 가까이 흡수된 에너지를 집중시켜서, 남은 재료에 대한 손상 및 이에 따른 광 왜곡을 최소화한다. 밀집한 채널들이 분리될 필요가 있을 때, 미세한 용접선이 가능하다.
또한, 본 발명의 실시예는, 결합될 재료의 인터페이스 가까이에 고 반복률 초단파 펄스의 빔의 초점 영역을 향하게 함으로써 레이저 방사의 파장에 투명한 두개의 재료들을 레이저에 의해 결합하는 것을 가능케 한다. 레이저 펄스 반복률은 대략 10㎑ 내지 50㎒ 사이이며, 레이저 펄스 지속 기간은 대략 50 fs 내지 500 ps 사이이다. 레이저 펄스 에너지와 빔 포커싱 광학이 용접될 영역에서 대략 0.01 J/㎠ 보다 큰 에너지 플루언스(단위 면적당 에너지)를 생성하도록 선택된다.
용접을 위한 플루언스의 최적 범위는 용접될 특정 재료에 좌우된다. 투명 중합체(폴리카보네이트, PMMA(polymethylmethacrylate) 등)의 경우, 필요한 플루언스는 유리의 경우보다 작다. 이는 재료들의 물리적 속성들이 크게 상이하기 때문이다. 예를 들어, PMMA의 녹는 온도는 ~150℃ 이며, 융합 실리카(fused silica)의 녹는 온도는 ~1585℃이다. 따라서, 융합 실리카를 녹이기 위해서는 상당히 큰 레이저 플루언스가 요구된다. 다른 중요 재료 속성은 열용량(heat capacity) 및 열전도율(thermal conductivity)을 포함한다. 중합체를 용접하기 위한 플루언스 범위는 대략 0.01 내지 10.0 J/㎠ 사이이며, 유리를 용접하는 대응 범위는 대략 1.0 내지 100 J/㎠ 사이이다.
일반적으로, 용접은, 결합될 두개의 표면들이 그 사이에 사실상 갭이 없을 것을 요구한다. 본 발명의 목적은 결합될 두개의 피스들 간의 인터페이스에서 상승 리지(raised ridge)를 형성하여, 그들간의 임의의 갭을 브리지한다(bridge). 표면 약간 아래쪽으로 고 반복률 fs 펄스를 포커싱함으로써, 가열, 용해 및 압력으로, 유리의 표면에 국부적 상승을 야기할 수 있다. 범프의 높이는 수십 nm 내지 수 ㎛ 이다. 상승 리지가 상대 피스에 결합하게 할만큼 디포짓된 에너지가 충분하지 않은 경우, 약간 더 높은 초점 위치에서의 레이저의 제2 패스로 리지를 상대 피스에 용접시킨다. 싱글 리지가 갭을 브리지할만큼 충분히 높지 않은 경우, 더 상부의 상대 표면 상에 제2 리지가 생성될 수 있다.
또한, 선형 흡수의 정도가 변하는 재료의 용접이 본 발명에 의해 달성될 수 있다. 본 발명이 재료에 에너지를 커플링하는 주요 수단으로서 비선형 흡수 현상을 사용하지만, 조사 레이저 펄스의 소량의 선형 흡수를 나타내는 재료들은 본 명세서에서 제시된 방법들을 사용해서 용접될 수 있음을 알 것이다. 본 발명과 관련된 선형 흡수의 주요 양상은, 보다 높은 선형 흡수의 경우, 빔이 포커싱될 수 있는 재료의 두께가 감소한다는 것이다. 또한, 보다 높은 선형 흡수가 용접 피처의 국부화 정도를 감소시킨다.
또한, 레이저 플루언스의 공간 분포는 용접의 품질(quality)에 영향을 줄 수 있다. 전형적인 레이저 프로세싱은 보다 적은 가우스(Gaussian) 레이저 빔을 생성하기 위해 가우스 레이저 빔을 포커싱하는 것을 포함하지만, 특정 용접 프로세스의 품질 및/또는 효율성을 향상시키기 위해 신규의 빔-형성 방법이 사용될 수도 있다. 예를 들어, 전형적인 가우스 플루언스 분포를 공간적으로 균일한 플루언스 분포("플랫-탑(flat-top)" 또는 "탑-햇(top-hat)" 강도 분포로 공지되어 있음)로 변형해서, 보다 더 균일한 용접 피처를 야기할 수도 있다.
펄스의 초단파 속성은, 비선형 흡수 프로세스를 통해 레이저 에너지를 투명 재료에 커플링하는 것을 허용하지만, 이것 단독으로는 레이저 용접을 허용하지 않는데, 이 프로세스가 통상 재료의 가열을 야기하지 않기 때문이다. 그것은, 재료의 용해, 및 후속 냉각 및 결합이 달성될 수 있도록 재료 내의 열 축적을 허용하는, 특정 범위의 다른 프로세싱 조건과 결합된, 고 펄스 반복률의 다른 양상이다.
보충 결합 에이전트의 부재로 인해, 프로세싱 시간 및 비용이 감소되고, 과도한 결합 에이전트로 인한 디바이스 내부의 오염이 제거되며, 미세한 치수의 허용 오차(fine dimensional tolerances)가 유지될 수 있다. 결합 포인트 및 라인(bond points and lines)은 임의의 간섭을 야기하지 않으면서 다른 피처와 매우 가까울 수 있다. 또한, 초점 볼륨에서의 집중된 플루언스 및 비선형 흡수 프로세스로 인해 용접 영역에 인접한 재료의 매우 제한된 열 왜곡이 가능하다.
적어도 일 실시예에서, 다수의 레이저 빔은 상이한 깊이로 신속하게 생성 및 포커싱되어서, 타겟 재료를 변형한다.
적어도 일 실시예에서, 포커싱된 빔은 동일선상이며, 재료의 표면에서 또는 재료의 표면 가까이에서, 또는 재료 내에서의 각 초점으로 공통 방향을 따라 전파된다. 다수의 빔들이 동시에, 미리 결정된 시간 간격 내에서, 또는 그의 임의의 적합한 조합으로 생성되도록 시스템이 구성될 수도 있다.
적어도 일 실시예에서, 타겟 재료가 파장에서 크게 투과되도록 포커싱된 빔은 상이한 파장을 포함할 수 있고, 각 파장은 재료의 흡수 에지를 벗어난다.
적어도 일 실시예에서, 예를 들어, 펨토세컨(fs) 내지 피코세컨(ps) 범위의 짧은 펄스 폭은 펄스 간의 임의의 시간적 오버랩의 제어 및 소형 시스템 구성을 제공한다.
각종 실시예는 싱글 빔으로 획득 가능한 것에 비해 프로세싱 속도를 향상시키며 상이한 빔 초점 위치를 갖는 다수의 프로세싱 패스를 향상시키며, 재료 프로세싱 결과를 향상시킬 수 있다.
본 발명은 첨부 도면과 함께 이하의 상세한 설명으로부터 더욱 명백히 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 투명 재료를 스크라이빙하는 방법에서 사용되는 시스템을 도시한 도면이며, 여기서, 도 1a는 시스템 구성을 도시하고, 도 1b는 스크라이빙 및 후속 클리빙의 상세도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 포커싱된 가우스 빔에 의해 생성된 표면 및 벌크 스크라이브 피처의 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 액시콘 렌즈를 사용해서 다수의 부표면 스크라이브 라인을 생성하는 시스템을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 사용되는 포커싱된 가우스 비점수차 빔의 강도 등고선도이다.
도 5는 타겟 재료에 대해 깊이 방향으로 스페이싱된 빔 허리를 갖는 다수의 포커싱된 빔들을 형성하도록 구성된 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 5a는 다수의 포커싱된 스폿을 동시에 생성하도록 구성된 DOE(diffractive optical element)의 도면이다.
도 5b 내지 도 5c는 동일선 상의 다수의 포커싱된 빔들을 신속하게 형성하기 위한 각종 구성을 개략적으로 도시한다.
도 5d는 상이한 깊이로 형성되고 각종 형태 및 콘트라스트를 갖는 피처의 일례들을 개략적으로 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 투명 재료를 용접하는 방법에서 사용되는 시스템을 도시한 도면이며, 여기서, 도 6a는 시스템 개략도를 도시하고, 도 6b는 인접한 재료들 내의 빔 포커싱을 상세히 도시한 확대도이다.
도 7은 상승 리지가 두개의 피스들 간의 갭을 채우는데 사용되는 용접 프로세스를 도시하며, (a)는 갭을 도시하고, (b)는 하부 피스의 표면 약간 아래에 레이저 빔을 포커싱해서 형성된 리지를 도시하고, (c)는 결합될 상승 리지와 상부 피스 사이의 인터페이스까지 레이저 초점이 이동할 때 형성된 용접물을 도시한다.
도 8 내지 도 10은 부표면 마킹의 예시를 도시한 것이며, 화살표 마크는 본 발명에 따라 가능한 마킹의 일례로서 사용되었다.
도 11은 일례의 마크 애스팩트비(aspect ratio)에 대한 에지 조명 및 마크 기하학을 도시한 도면이다.
도 12 및 도 13은 마크 패턴을 기록할 때의 레이저 빔의 방향 및 뷰어 시스템(viewer system)이 마킹된 패턴을 검출하는 방향을 도시하는, 기판의 에지로부터 뷰잉되는 에지-조명의 두개의 도면이다.
도 14의 (a), (b) 및 (c)는 라인-포커싱된 광원에 의해 에지-조명된 단일 기판의 상이한 깊이로 기록된 두개의 아이콘의 사진을 도시한다.
도 15는 어레이의 특정 요소의 선택적 조명이 원하는 이산 패턴을 생성하는 다층 디지털 카운터 아이콘을 도시한 일례의 도면이다.
도 15a는 두개의 상이한 기판들 간의 인터페이스에서 또는 인터페이스 가까이에서 마이크로-마크가 기록되어 있으며 하나의 기판의 내부 전반사가 패턴을 에지-조명하는데 사용된 구성을 도시한다.
도 16은 얇은 시트에서의 에지 조명의 커플링을 위한 오프셋 에지 조명을 도시한다.
도 17 및 도 18은 논-에지 조명 및 기판의 에지로부터 뷰잉되는 투영 스크린의 두개의 도면이며, 마크 패턴을 기록할 때의 레이저 빔의 방향 및 뷰어가 마킹된 패턴을 보는 방향을 도시한다.
도 17은 기판이 뷰잉 방향과 직교가 아니지만, 기록 레이저의 방향이 기판과 직교인 경우를 도시한다.
도 18은 기판이 조명 및 뷰잉 방향과 직교가 아니며, 기록 레이저 빔의 방향이 뷰잉 방향과 평행인 경우를 도시한다.
도 19는 레이저 스크라이빙 발명의 일 실시예의 실험 결과를 도시한 광학 현미경 사진이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 융합 실리카 용접물을 도시한 이미지 시퀀스이며, (a)는 용접물을 브레이킹하기 전의 융합 실리카를 도시하고, (b)는 용접물을 브레이킹한 후의 융합 실리카의 하부 표면을 도시하며, (c)는 용접물을 브레이킹한 후의 융합 실리카의 상부 표면을 도시한다.
도 21 내지 도 23은 본 발명에 따라 생성된 유리 마킹 샘플의 사진들이다.
도 24의 (a) 및 도 24의 (b)는 롱-펄스 레이저를 사용해서 레이저 마킹에 의해 생성된 종래 기술의 장식 아티클 및 개별 마크의 사진들이다.
도 25의 (a) 및 도 25의 (b)는 도 11에 도시된 개략도와 유사하게 방향 지어진, 유리 및 폴리카보네이트 샘플로부터 획득된 각 단면의 현미경 영상을 도시한다.
도 26a 내지 도 26d는 강화 유리(tempered glass) 및 사파이어 재료 샘플로 획득된 각종 실험 결과들을 도시한다. 현미경 영상은 다수의 깊이 방향 위치 및 각종 측방 (X-Y) 위치에서 포커싱된 빔을 제공하는 IR/녹색, 동일선상의 다초점 빔 제너레이터로 획득된 결과를 도시한다.
1. 초단파 펄스 레이저 스크라이빙( Ultrashort Pulse Laser Scribing )
도 1은 후속 클리빙을 위해 투명 재료를 스크라이빙하는 방법인 본 발명의 일 실시예를 도시한다. 본 실시예는 초단파 레이저 펄스의 빔(2)을 생산하는 레이저 시스템(1), 원하는 레이저 빔 강도 분포를 생성하는 광 시스템(6), 및 레이저 펄스의 파장에 투명한 스크라이빙될 타겟 투명 재료(7)를 이용한다. 또한, Z-축 스테이지(8)는 빔 포커스 위치 제어(깊이)에 사용되고, 자동화된 X-Y 축 스테이지 어셈블리(9)는 통상 포커싱된 레이저 빔에 대해 측방으로 타겟 투명 재료(7)를 이동시키기 위해 필요하다. 대안으로, 초단파 레이저 펄스의 빔(2)은 스캐닝 거울(3, 4, 5)을 사용해서 고정 타겟 재료에 대해 이동될 수 있다.
초단파 레이저 펄스의 빔(2)은 광 시스템(6)을 직통하는데, 광 시스템(6)은 초단파 레이저 펄스의 빔(2)을 변형해서 원하는 3차원 강도 분포를 생성한다. 변형된 레이저 빔의 특정 영역은 비선형 흡수 프로세스를 통해 타겟 재료의 어블레이션 및/또는 변형을 야기할만큼 충분한 강도를 갖는다. 재료 어블레이션은 통상 강렬한 레이저 방사로부터의 재료의 기화(vaporization)라고 한다. 재료 변형은, 보다 광범위하게, 재료 도처의 크랙의 전파에 영향을 줄 수 있는, 조사(irradiated) 재료의 물리적 및/또는 화학적 구조의 변화라고 한다. 레이저 변형은 통상 특정 재료에 대해 레이저 어블레이션 보다 더 낮은 광 강도를 요구한다.
변형된 빔은 타겟 투명 재료(7) 쪽으로 향해서, 타겟 투명 재료(7)의 표면 내에서 및/또는 표면 상에서, 다수의 결정된 위치에서 타겟 투명 재료(7)의 어블레이션/변형을 야기한다. 어블레이션 및/또는 변형 영역은 일반적으로 광 전파 축을 따라 타겟 투명 재료(7) 내에 위치하며, 결정된 거리만큼 타겟 투명 재료(7) 내에서 떨어져 있다. 변형된 빔과 타겟 투명 재료(7)는 서로에 대해 이동해서, 타겟 투명 재료(7)의 다수의 레이저-스크라이브 피처가 동시에 생성되게 한다. 다수의 스크라이브 피처는 적합한 힘을 인가하여 타겟 투명 재료(7)의 클리빙을 허용한다(도 1b 참조).
도 2는 본 발명의 다른 실시예를 도시하며, 가우스 공간 강도 분포를 갖는 레이저 빔(10)은 타겟 재료(11)의 비선형 흡수 및 후속 어블레이션 또는 변형에 충분한 강도를 생성하도록 포커싱된다. 가장 타이트한 포커스 영역은 타겟 재료(11)의 벌크 내의 선택된 위치에 대해 재료의 표면 아래에 배치된다. 또한, 적합한 포커싱 광학 및 레이저 펄스 에너지를 사용함으로써, 재료 어블레이션을 야기하기에 충분한 강도의 영역이 타겟 재료(11)의 표면 상에 또는 표면 가까이에 동시에 생성된다.
중요한 양상은, 재료의 벌크 내에서(포커싱된 빔 허리가 위치함) 뿐만 아니라 빔 허리(12) 전의 광 전파 축 상의 다른 포인트에서도(재료의 벌크 내에서 또는 표면 상에서) 어블레이션 또는 변형을 동시에 야기하기에 충분한 강도가 존재하도록 펄스 에너지 및 포커싱 기하학이 선택된다는 것이다. 레이저 펄스가 타겟 재료(11)와 마주칠 때, 고-강도 영역(방사 가우스 강도 분포의 중심 가까이)은 재료에 의해 비선형으로 흡수되고 어블레이션 또는 변형이 발생한다. 그러나, 레이저 빔의 외부 공간 영역(가우스 강도 분포의 외부 에지)는 재료에 의해 흡수되기에는 강도가 너무 낮으며, 재료의 벌크 내에 더 멀리 위치한 빔 허리에 계속해서 전파된다. 빔 허리 위치에서, 빔 직경은 비선형 흡수 및 후속 레이저 변형이 재료의 벌크 내에서 발생하기에 충분한 강도를 다시 한번 생성할만큼 충분히 작다.
표면 어블레이션 바로 아래 영역도, 또한, 초기 표면 피처가 생성된 후에 연속 펄스의 회절(diffraction) 및 구조적 간섭(constructive interference)에 의해 변형될 수도 있다(아라고 스폿). 비교적 높은 반복률 레이저 소스는 합당한 병진 속도(translation speeds)로 이 프로세스를 더 양호하게 가능케 한다.
이러한 포커싱 및 펄스 에너지 조건 하에서, 레이저 빔(10)에 대한 타겟 재료(11)의 병진은 다수의 레이저-변형 영역들(즉, 표면 그루브(13) 및 하나 이상의 벌크 변형 영역(14), 또는 둘 이상의 벌크 변형 영역)의 동시 생성을 야기하는데, 상기 영역들은 함께 재료의 정확한 클리빙을 가능케 한다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 것으로, 액시콘(원뿔형) 렌즈(20)가 사용되어 다수의 내부 스크라이브 라인(21)을 생성한다. 레이저 빔(22)이 조명할 때, 액시콘 렌즈(20)는 소위 0차 베셀 빔(0th-order Bessel beam)으로 공지된 빔을 생성한다. 이 명칭은, 전파 축에 직교인 면의 광 강도 분포의 수학적 기술은 0차 베셀 함수에 의해 정의된다는 사실로부터 발생되며, 빔 중심으로부터의 방사 위치는 독립적 변수이다. 이 빔은 종래의 포커싱 방법에 의해 생성된 유사-크기의 빔 스폿의 경우 보다 훨씬 더 긴 거리(즉, 종래의 포커싱 빔의 레일리 범위(Rayleigh range) 보다 훨씬 더 김)에 대해 동일한 작은 크기로 전파할 수 있는 고-강도 중심 빔 스폿(23)을 포함하는 독특한 속성을 갖는다. 중심 강도 필드는 빛의 복수의 중심 링(도시되지 않음)으로 둘러싸여 있으며, 그 강도는, 반경이 증가함에 따라 감소한다. 전파 벡터의 내측 방사 컴포넌트로 인해, 이러한 빛의 링은, 베셀 빔이 전파함에 따라 계속해서 소형 중심 빔 스폿(25)을 재구성한다. 따라서, 타겟 재료(24)의 전체 두께에서 작은 직경을 유지하는 소형 고 강도 중심 빔 스폿(23)이 생성될 수 있다. 타이트한 빔 포커싱의 확장 범위 때문에, 베셀 빔은 또한 흔히 비회절 빔(non-diffracting beam)이라 한다.
외부 링이 강렬한 중심 스폿(23)을 재구성하기 때문에, 중심 스폿(23)이 표면(26)에서 재료의 어블레이션을 야기할만큼 강렬하면, 링(어블레이션된 영역 보다 큰 직경을 가짐)은 추후에 짧은 거리로 빔의 중심에 수렴되어, 강렬한 중심 빔 스폿이 재구성되며, 그 포인트에서 어블레이션 또는 재료 변형이 다시 발생할 수 있다. 적합한 광 시스템 설계 및 충분한 펄스 에너지로, 이러한 어블레이션 프로세스 및 후속 빔 재구성은 투명 재료(24)의 전체 벌크에서 반복될 수 있다. 그레이딩-인덱스 렌즈(graded-index lens) 및 회절 광 소자들과 같은 다른 광 컴포넌트가 또한 사용되어 베셀 빔을 생성할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 타겟 재료에서 다수의 스크라이브 라인을 생서하도록 빔 강도를 맞추는(tailor) 본 발명의 광 시스템에서, 당업자에게 널리 공지된 대안 빔 강도 변형 기술이 사용된다. 이러한 한 방법은, 비점수차 빔 포커싱을 사용해서 결정된 거리만큼 떨어져 있는 고 광 강도의 두개의 개별 영역들을 생성한다. 도 4는 포커싱된 비점수차 가우스 빔의 강도 분포도를 도시한 것으로, X축 및 Y축의 초점면은 20㎛의 거리만큼 떨어져 있다. 두개의 개별 고 강도 영역들(일정한 강도의 등고선으로 구별됨)의 존재를 주목한다. 타겟 재료에서 다이렉팅(directed)될 때, 이들 두개의 영역들이 사용되어 다수의 레이저 스크라이브 피처를 생성할 수 있다.
다수의 부표면 변형 라인들(종종 표면 스크라이브 라인과 함께)이 사용되어 사파이어 및 유리와 같은 취성 재료를 정밀하게 브레이킹할 수 있다. 레이저 빔의 다수의 패스로 이들 다수의 라인들이 생성될 수 있다. 그러나, 다수의 패스는 총 이동 거리 및 프로세싱 시간을 증가시킨다.
도 5는 다수의 포커싱된 빔들을 갖는 표면 영역 및/또는 부표면 영역을 프로세싱하기 위한 구성을 개략적으로 도시한다. 펄스 레이저 장치로부터의 출력은, 동시에 또는 순차적으로 재료에 대해 상이한 깊이로 포커싱된 다수의 출력 빔들을 생성하는 다초점 빔 제너레이터에 의해 수신된다. 소정의 실시예에서, 대응하는 출력 펄스들간에 시간적 오버랩이 거의 없이 또는 전혀 없이, 보다 긴 지연으로, 또는 임의의 적합한 조합으로 빔들이 생성될 수도 있다. 출력 빔은 싱글 펄스의 지속 기간을 초과하는 시간 지연을 가질 수도 있는데, 대략 100 ps 보다 작을 수도 있다.
각종 실시예에서, 타겟 재료 및 펄스 빔은, 예를 들어, 타겟 재료 및/또는 광 서브시스템의 병진으로, 서로에 대해 이동될 수도 있다. 구성은 1D 또는 2D 스캐너, 및/또는 타겟 포지셔너(target positioner)를 선택적으로 포함할 수 있다. 예를 들어, 소정의 실시예에서, 스캐너 시스템은 텔레센트릭 광 시스템(telecentric optical system)(도시되지 않음)으로 타겟 재료에 스캐닝 빔을 전달할 수도 있는데, 여기서 빔은 다수의 포커싱 위치들로 신속하게 전달된다. 스캐닝 메카니즘은 연속 또는 불연속 스캐닝 동작으로 다른 타겟 위치에 재배치된다.
다초점 빔 제너레이터는 출력 펄스들(및 대응하는 포커싱된 다수의 빔들) 간에 충분한 시간 지연을 생성하도록 구성되어서, 상이한 포커스 위치들에서 플라즈마 및 재료 변형들이 서로 간섭하지 않게 할 수도 있다. 양호하게, 다수의 깊이들에서의 펄스 빔 생성 및 포커싱은 재료와 빔 사이에서 임의의 상대 이동(any relative motion) 보다 훨씬 더 빠르게 발생한다. 따라서, 빔 생성은 특정 시간 스케일(scale)에서 거의 동시에 일어난다고 간주될 수 있다. 따라서, 처리량(processing throughput)은 하나의 깊이 방향 위치에서 포커싱된 단일 펄스 빔을 사용해서 다수의 패스로 획득가능한 처리량에 비해 증가된다. 각종 실시예에서, 시간 지연은 10ns 아래일 수도 있으며, 대략 100ps 내지 대략 1ns 범위일 수도 있다. 그러나, 보다 더 긴 지연이 특정한 다른 실시예들에서는 양호할 수도 있다. 소정의 실시예에서, 포커싱된 스폿들이 동시에 형성될 수 있다.
투명 재료에서 다수의 스크라이브 피처를 생성하는 한 방법은, 빔 전파 축을 따라 상이한 위치들에서 고 광 강도의 다수의 영역들을 생성하도록 설계된 DOE(diffractive optical element)를 사용한다. 도 5a는 그러한 DOE가 어떻게 동작할 수 있는지를 도시한다. 이들 다수의 강렬한 영역들은, 타겟 재료에서 다이렉팅될 때, 재료의 후속 클리빙을 위해 다수의 스크라이브 피처를 생성한다.
소정의 실시예에서, 다수의 동일선상의 빔들이 생성되고 하나의 포커싱 대물 렌즈(focusing objective)(또는 대안으로 스캐너 시스템)을 통해 포커싱된다. 각 빔의 빔 특성(크기, 빔 허리 위치, 디버전스(divergence) 등)은, 빔이 동일한 전달 시스템을 사용해서 포커싱되더라도, 각 빔의 초점 위치가 상이하도록 변경된다.
동일선상의 다초점 빔 제너레이터들의 소정의 일례들이 도 5ba 내지 도 5cc에 도시된다. 상기 도면들은 깊이 방향으로 스페이싱된 빔 허리들을 갖는 다수의 포커싱된 빔들을 생성하기에 적합한 광 서브시스템을 개략적으로 도시한다. 시간의 함수로서의 광 파워의 도면은 구성에 대응하는 시간 변위 출력 펄스(time displaced output pulses)의 일례를 도시한다. 본 일례에서, 멀티빔 제너레이터는, 펄스 레이저로부터 펄스 빔, 예를 들어, 일련의 펄스들 중에서 단일 펄스를 수신한다. 펄스 선택기(pulse selector), 예를 들어, 음향 광학 변조기(acousto optic modulator)(도시되지 않음)는 특정 재료 프로세싱 요건에 기초하여 펄스를 선택적으로 투과하도록 제어기에 의해 제어될 수도 있다. 그 후, 다수의 빔들은 다초점 빔 제너레이터로 형성되며, 적어도 두개는 깊이 방향으로 스페이싱된 상이한 빔 허리 위치들을 갖는다. 투명 재료 프로세싱을 위한 레이저 장치는, 펨토세컨 펄스의 소스, 예를 들어, IMRA America로부터 상용화된 FCPA(fiber-based chirped pulse amplification) 시스템(예를 들어, FCPA μJewel)을 포함할 수도 있다. 모델 D-1000(Model D-1000)은 서브-피코세컨(sub-picosecond) 펄스, 대략 100nJ 내지 10uJ 범위의 출력 에너지, 100㎑-5㎒의 가변 반복률 범위, 및 대략 1W의 평균 파워(average power)를 제공한다.
소정의 실시예는, 다수의 레이저 소스들, 예를 들어, 특정한 투명 재료 프로세싱 애플리케이션에 적합한 펄스 특성을 제공하는 피코세컨(ps) 및/또는 나노세컨(ns) 소스들을 포함할 수도 있다. 많은 가능성이 존재한다.
소정의 실시예에서, 두개의 깊이 방향으로 스페이싱된 포커싱 빔들이 생성되는데, 적어도 하나의 빔은 재료 내에서 포커싱된다. 제2 빔은 재료의 표면에서 또는 재료의 표면 가까이에서, 재료 내에서, 또는 재료 변형에 적합한 임의의 깊이 방향 위치에서 포커싱될 수도 있다. 단일 입력 레이저 빔은 먼저 후술될 편광 빔 분할기(polarizing beam splitter)를 사용해서 두개의 빔들로 분할된다. 두개의 빔들 간의 시간 지연은 빔 경로의 길이를 변경해서 조정될 수 있다. 예를 들어, 지연은, 추가의 일련의 거울들을 하나의 빔 경로에 삽입해서 이동 거리를 증가시켜서, 두개의 펄스들 간의 시간 지연을 증가시킴으로써 조정될 수 있다. fs 또는 다른 짧은 펄스 폭(예를 들어, 100 ps 미만)을 사용해서, 자유공간 광 경로 길이(free-space optical path length)는 짧을 수 있으며, 그렇게 함으로써 소형 시스템을 제공한다. 광 경로는, 또한 펄스들 간의 시간적 오버랩을 방지하기 위해, 그러한 오버랩이 방지될 때마다, 충분히 길 수도 있다. 펄스 폭 보다 더 긴 시간적 간격(temporal separation)은 빔들 간의 광 간섭을 방지할 수도 있으며, 증가된 시간적 간격은 플라즈마와의 상호 작용, 또는 레이저-재료 상호작용의 다른 생성물을 방지하도록 구성될 수도 있다.
도 5ba, 도 5bb 및 도 5ca 내지 도 5cc의 일례들에서, 입력 빔을 분리 및 조합해서 동일선상의 출력 빔을 형성하는 두 가지 방법들이 도시되어 있다. 제1 방법은 편광 차이를 사용하고, 제2 방법은 파장 차이를 사용한다. 다른 실시예는 편광 및 파장 기반 기술들의 조합을 사용해서, 펄스 레이저로부터 입력 빔을 공간적으로 및/또는 시간적으로 분리해서, 다수의 포커싱된 출력 빔을 형성할 수도 있다.
도 5ba 및 도 5bb를 참조하면, 편광 빔 분할기는 펄스 레이저 소스로부터의 빔을 두개의 직교 편광 빔들로 분할한다. 도 5ba에서, p-편광 빔은 포커싱 대물 렌즈(focusing Objective)에서 발산(diverging)하고, s-편광 빔은 같은 방향으로 된다(collimated). 따라서, 본 일례에서, s-초점은 빔 제너레이터에 더 가깝고 타겟 재료에 대해 p-초점 보다는 깊이가 얕다. 도 5bb에서, p-편광 빔은 포커싱 대물 렌즈에서 수렴(converging)하고, s-편광 빔은 같은 방향으로 되며, p-편광을 갖는 빔은 s-편광 빔보다 빔 제너레이터에 더 가깝게 포커싱되고, 타겟 재료에 대해 보다 더 얕다. 대안으로, 광 시스템은, s-편광 빔이 수렴 또는 발산해서 초점 간격을 증가시키도록 구성될 수 있다.
상기 일례에서, 두개의 빔들의 편광은 직교이다. 이 편광 차이는 레이저 프로세싱에 영향을 줄 수 있음이 공지되어 있다. 도 5bc는 이러한 편광 민감도(polarization sensitivity)를 도시한다. 실리콘 기판 결과물의 머시닝(machining)은 선형 편광의 영향을 강하게 받는다. 소정의 실시예에서, 편광 민감 효과를 방지 또는 감소하기 위해 원형 편광이 사용될 수도 있다. 빔이 조합된 후에 사분파장판(quarter-waveplate)(도시되지 않음)이 사용될 수 있다. 사분파장판을 빠져나오는 선형 편광 빔들은 원형 편광 출력이 되지만, 180°위상이 다르다.
각종 실시예에서, 기본 파장은, 예를 들어, 고조파 생성(harmonic generation) 또는 다른 파장 변환 기술로 하나 이상의 변환된 파장으로 변환될 수도 있다. 그 후, 상이한 파장을 갖는 빔은 조합 후에 상이한 깊이로 포커싱된다.
도 5ca 및 도 5cb에 도시된 일례들을 참조하면, 다수의 포커싱 빔들을 형성하는데 파장 차이가 사용된다. 본 일례에서, 하나의 빔이 분할된 후, 재 조합 전에 상이한 파장으로 변환된다. 본 일례에서, 근적외선 파장은 녹색 파장의 주파수의 두배로 되고, 그 후, 고조파 세퍼레이터(harmonic separator)로 재조합된다. 위의 편광 기반 일례에서와 같이, 빔들 중 하나 또는 둘 다의 발산/수렴이 제어되어, 두개의 빔들의 초점 위치 간격을 조정한다.
도 5cc에 도시된 다른 대안은, 분할 없이 동일선상의 포커싱 빔들을 제공한다. 주파수 변환 크리스탈(frequency conversion crystal)을 통한 잔류 IR의 투과가 이용된다. IR 빔이 SHG(second harmonic)으로 변환될 때, IR 에너지 모두가 변환되지는 않는다. 또한, 크리스탈 후의 빔 전파 특성이 상이하다. 예를 들어, 도 5cc에 도시된 시간적 특성은, 일정한 펨토세컨 펄스 폭으로 생성될 수 있는, 분산 매체(dispersive medium) 내의 전파를 대표하는 출력 펄스들 간의 약간의 시간 변위(일정 비율이 아님)를 도시한다. 두개의 빔들(SHG 및 잔류 IR)은 동일선상의 머시닝에 사용될 수 있다. 본 일례에서, SHG와 IR 빔 에너지 간의 비율은, 빔의 초점을 크리스탈로 조정함으로써 제어될 수 있다. 이러한 초점 조정은 또한 두개의 탈출(exit) 빔들의 상대 수렴/발산을 제어해서, 초점 위치 간격을 제어한다.
도 5da 내지 도 5dc은 동일선상의 다초점 빔 제너레이터로 재료 상에 또는 재료 내에 형성될 수도 있는 피처의 일례들을 개략적으로 도시한다. 본 일례에서, 빔은 (예를 들어, Z-축을 따라) 도시된 바와 같이 표면에 대략 수직으로 입사되고, 재료는 각종 측방 (X-Y) 위치들에서 피처를 형성하도록 병진된다. Z-축을 따른 피처의 상대 위치, 및 세로 스팬(longitudinal spans)(즉, Z-축을 따른 피처 길이)은 각종 초점 세팅에 따라, 또한, 두개의 빔들의 각각의 입사 빔 파워/플루언스에 따라 제어될 수 있다. 도 5da의 일례에서, 피처를 생산하는 두개의 빔들은 각각 근적외선 빔 및 SHG 빔에 대응한다. 그러나, 동일선상의 다초점 빔 제너레이터는, 각종 파장들 및/또는 편광에서 추가 빔들이 생성되도록 구성될 수 있다.
세로 스팬을 포함하는 피처 형태는 각종 방식들로 제어될 수 있다. 예를 들어, NIR 및 SHG 빔 둘 다 대물 렌즈의 대부분을 채우는 방식으로 시스템이 구성될 수 있다. 대물 렌즈는 빔, 렌즈 그룹, 또는 광 소자의 다른 적합한 장치를 포커싱하는데 사용되는 비구면 렌즈(asphere)일 수 있다. SHG 및 NIR 빔들 둘 다로 형성된 피처는 그 후 국부적으로 나타날 수 있으며 원형으로 대칭적일 수도 있다. 예를 들어, 도 5da은 도트 형태(dot shape)를 갖는 피처의 측면도를 나타내는 개략도이다. 도트 형태 피처는 대부분 에너지가 국부적으로 흡수되는 타이트한 초점을 나타낸다. 도 5da은 또한 각 빔의 레이저 파워(laser power)에 따라 피처 콘트라스트가 어떻게 변하는지를 개략적으로 나타낸다. 예를 들어, 예시된 밀집한 음영(dense shading)은 현미경 및 투조(transillumination), 또는 조명 및 영상에 적합한 임의의 다른 장치로 뷰잉될 때의 고 콘트라스트를 나타낸다. 본 일례에서, 내부 피처는 SHG 빔(상부 행) 및 NIR 빔(하부 행)으로 형성되며, SHG 파워는 오른쪽에서 왼쪽으로, 예를 들어, 0 mW 에서 300 mW(오른쪽에서 왼쪽으로)로 증가한다. 예를 들어, 대략 50 mm/s의 일정한 스캔 속도가 사용될 수도 있다.
비교적 큰 세로 스팬을 갖는 라인 형태 초점은 각종 스크라이빙 애플리케이션에 바람직할 수도 있다. 길게 된 피처, 예를 들어, 깊이 대 폭의 큰 애스팩트비를 갖는 긴 피처는, 일단 유리가 가압되면, 깨끗하고 평활한 브레이킹을 용이하게 해준다. 소정의 실시예에서, 일련의 피처는 추후의 분리를 용이하게 해주는 경로를 따르는 천공(perforations)으로서 효율적으로 작용할 수 있다; 크랙은 피처에 의해 정의된 방향을 따라 실질적으로 전파된다. 피처의 애스팩트비는 대략 2:1, 3:1, 5:1, 10:1 또는 그 이상일 수 있다.
도트 형태를 얻기 위해 상기와 같이 사용된 타이트한 초점 장치와 대조적으로, SHG 망원경은, 빔이 대물 렌즈를 언더필(underfill)하도록 조정될 수 있다. 대물 렌즈를 언더필하는 IR 빔 및 SHG 빔을 둘 다에 의해, 머시닝된 피처는 라인 형태로 길게 될 수 있다. 도 5db는 그러한 길게 된 피처 형태를 갖는 피처의 측면도를 나타내는 개략도이며, 현미경 또는 다른 적합한 영상 및 조명 장치로 획득된 영상을 나타낸다. 본 일례에서, 피처는 SHG 빔(하부 행) 및 근적외선(상부 행)으로 형성될 수 있으며, SHG 파워는 0 mW 내지 대략 200 mW 사이(왼쪽에서 오른쪽으로, 0 mW 파워 또는 재료 변형을 위한 에너지 밀도 임계값 아래인 경우에는 피처는 부재함)에서 변한다. 피처의 크기는 파워로 제어될 수 있다. 예를 들어, 피처의 치수는, 적어도 상당한 동작 범위를 넘어, 파워가 증가함에 따라 증가한다.
소정의 재료 타입의 경우, 세로 스팬 데이터는 스크라이빙 또는 다른 머시닝 프로세스에 대해 적합한 파라미터를 결정하기에 유용하다. 도 5dc에 개략적으로 도시된 테스트 패턴은 빔의 초점 위치, 파워, 플루언스, 스캔 속도 또는 다른 파라미터를 조정해서 생성될 수 있다. 피처는 싱글 스캔, 다중 스캔 또는 임의의 조합으로 형성될 수 있다. 피처는 국부적이거나 길게 될 수 있으며, 오버랩되거나 오버랩되지 않을 수 있으며, 소정의 애플리케이션에 적합한 크기, 형태, 측방 또는 깊이 방향 스페이싱, 또는 콘트라스트의 임의의 적합한 조합일 수 있다. 이러한 테스트 패턴은 특정 기판 재료에 대한 프로세스 한계를 정의하는 프로세스 윈도(process window)를 결정하는데 유용하다.
NIR 및 SHG를 둘 다 갖는 구성의 한가지 장점은, 하나의 파장이 유리 표면을 어블레이션하는데 사용될 수 있으며, 다른 파장은 다음에 올 크랙에 대한 내부 천공을 형성한다는 점이다. 또한, 각종 재료가 가변 효율성으로 상이한 파장들을 흡수한다. 예를 들어, 522 nm 빛이 IR의 경우보다 훨씬 더 쉽게 융합 실리카에 광 도파관을 생성함을 알았다. 어떠한 경우에서든, 대물 렌즈에 대한 NIR 포커싱 렌즈의 거리를 조정해서, NIR 피처는 SHG 피처에 대해 상향 또는 하향 이동될 수 있다. 파워 제어에 의해 사용되는 이러한 조정은, 머시닝된 피처들의 크기 및 그들의 상대 거리를 제어하는데 사용될 수 있다. 소자들 간의 스페이싱은 피처의 깊이 방향 간격(depthwise separation)을 증가시킬 수 있는데, 이는 각종 실시예에서 바람직하다. 예를 들어, 깊이 방향 간격이 증가하면, 유리에서 크랙이 전파하는 방법에 영향을 줄 수 있다; 크랙은 유리 내부의 피처로 전파되어서 깨끗한 브레이킹을 용이하게 해줄 수 있다. 그러나, 소정의 실시예에서, 렌즈 간격은 오버랩하는 피처를 생성하도록 구성될 수도 있다. 각종 실시예에서, 피처 간격을 증가시켜서 제어 크래킹(controlled cracking)을 용이하게 할 수도 있다.
예를 들어, 도 5dc에 개략적으로 도시된 바와 같이, 광 시스템은, 피처들이 널리 스페이싱되거나, 오버랩되거나, 또는 깊이 방향으로 서로에 대해 역(reverse)이 되도록 조정될 수 있다. 또한, 피처는 표면에 또는 표면에 가깝게 및/또는 표면의 아래에 형성될 수 있다. 또한, 세개 이상의 빔들이 사용될 수도 있다.
스크라이빙 또는 다른 애플리케이션의 소정의 실시예에서, 표면 어블레이션 및 내부 피처 간의 양호한 밸런스가 유익하다. SHG 대 IR 파워의 비율도 또한 피처에 영향을 줄 수 있다. SHG 파워가 증가함에 따라, SHG 피처 크기도 증가하지만, NIR 피처 크기는 감소한다.
다수의 파장을 사용하는 실시예에서, 각종 파워 조합은, 더블링 크리스탈(doubling crystal)에 입사된 각도를 조정해서, 또는 다른 주파수 변환기에 의해 획득 가능하다. 예를 들어, SHG 및 IR 파워는 빔에 대한 SHG 크리스탈의 회전에 의해 또한 SHG 크리스탈 내부의 스폿 크기에 의해 조정될 수 있다. 대략 45°의 범위를 넘는 조정으로 SHG를 최대화하고 IR을 최소화한다. 대략 동일한 파워는 30°에서 획득될 수 있다. 각도가 크리스탈 타입 및 다른 파라미터마다 변할 수 있더라도, 스크라이브 및 브레이크 프로세스에 대해 각종 조합이 사용될 수 있다.
도 5ca에 도시된 바와 유사한 시스템이 초기 데모(demonstration)에서 사용되었다. 본 예에서, 펨토세컨 펄스가 IMRA FCPA μJewel D-1000에 의해 생성되었고, 수신된 레이저 빔은 편광 빔 분할기(PBS)에 의해 두개의 빔들로 분할되었다. 두개의 빔들 간의 파워비(power ratio)는 PBS 전에 ½ 파장판에 의해 조정될 수 있었다. p-편광 광은 망원경으로 확장되었고, 선택적인 렌즈는 빔으로의 발산을 유도했다. s-편광 광은 LBO 크리스탈에 의해 SHG(second harmonic generation)로 변환되었다. 두개의 빔들은 고조파 세퍼레이터(harmonic separator)에 의해 조합되었고(IR 투과, SHG 반사), 비구면 대물 렌즈에 의해 포커싱되었다. 굴절률 및 발산/수렴의 차이로 인해, SHG는 NIR 빔 보다 더 짧은 거리로(더 얕게) 포커싱되었다.
내부 라인들은 세개의 세팅, 즉, 두 개의 빔 조합, NIR 단독 및 SHG 단독으로 기록되었다. FCPA 레이저 반복률은 500㎑로 세팅되었다. 레이저 펄스 반복률은, 또한, (프로세싱의 액티브 프로세싱 기간 중에, 프로세싱을 위해 선택된 모든 펄스로) 다초점 제너레이터가 깊이 방향으로 스페이싱된 다수의 포커싱 빔들을 생성하는 비율에 대응한다. SHG 파워는 대략 100 mW였고, NIR 파워는 대략 250 mW였다(SHG 파워는 하나의 거울로부터의 누설로 인해 낮았음). 대물 렌즈는 40X 비구면 렌즈였고, 500-mm 렌즈가 사용되어 같은 방향이 아닌 빔(non-collimated beam)을 형성하고 총 초점 길이를 조정했다. 유리 샘플(소다 석회(soda lime))은 각각 5 및 2 mm/s 로 스캔되었다. 기록 후에, 샘플은 라인 방향과 직교로 스크라이빙 및 브레이킹되었다.
두개의 수직 피처의 깊이 방향 간격은 본 일례에서 대략 70㎛였다. (얕은 초점으로 형성된) 상부 피처의 형성은 하부 피처에 영향을 주지 않았고, 각종 실시예에서 깊이 방향 피처를 독립적으로 형성하는 것이 바람직하다.
제2 세트의 마크가 깊이 방향의 상이한 스페이싱으로 형성되었다. 500-mm 포커싱 렌즈가 제거되었다. 거의 같은 방향의(near-collimated) NIR 빔은 보다 더 깊게 포커싱되었다. 두 세트의 마크들 간의 간격은 대략 170㎛로 측정되었다. 따라서, 두개의 피처는 싱글 스캔으로 상이한 깊이로 생성되었다.
각종 실시예에서, 도 5에 도시된 본 특정 일례의 다초점 빔 제너레이터는, 하나의 싱글 스캔으로 두개의 깊이들로 마크 또는 다른 피처를 생성하는데 사용될 수 있다. 피처들 간의 거리는 다초점 빔 제너레이터 내의 광 소자들을 사용해서 조정될 수 있다. 피처의 깊이 방향 센터-센터 스페이싱은, 특정 시스템 구성에 따라, 수 미크론 내지 수백 미크론 범위일 수 있다. 파라미터의 각종 다른 선택은 특정 재료 속성 및 프로세싱 요건에 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 포커싱된 스폿은 원형 또는 비원형(non-circular)일 수 있다. 스폿 치수는 대략 수 미크론 내지 대략 100㎛ 범위일 수 있고, 플루언스는 재료 변형에 대한 임계 플루언스와 관련해서 결정될 수 있다. 각종 실시예에서, 플루언스는 대략 1 J/㎠ 내지 100 J/㎠의 범위일 수 있다. 예를 들어, 유리 및/또는 사파이어의 부표면 스크라이빙은, SHG 녹색 파장에서 대략 10-50 J/㎠의 범위의 플루언스로 실행될 수 있으며, IR에서 50-150 J/㎠로 실행될 수 있다. 각종 유리 및 사파이어 재료 샘플의 추정된 표면 어블레이션 임계값은 대략 1-5 J/㎠의 범위 내에 있다. 특정 일례로서, 각종 유리의 부표면 변형은 대략 20 J/㎠ SHG 및 100 J/㎠ IR로 발생할 수 있으며, 사파이어의 부표면 변형은 대략 40 J/㎠ SHG 및 80 J/㎠ IR로 발생할 수 있다. 이들 재료의 표면 변형의 임계값은 대략 유리의 경우 2.5 J/㎠ SHG 및 3 J/㎠ IR 이며, 사파이어의 경우 1.5 J/㎠ SHG 및 2 J/㎠ IR 일 수 있다.
대략 1 W 보다 적은 평균 파워는 다수의 재료를 프로세싱하기에 적합할 수 있는데, 예를 들어, 100-500 mW SHG, 및 300 mW-1W IR 이다. 펄스 반복률은 대략 1 ㎑ 내지 100 ㎒의 범위일 수 있으며, 펄스 에너지는 스폿 내에서 대략 100 nJ 내지 100 μJ의 범위이다.
각종 실시예에서, 타겟 재료와 펄스 레이저 빔의 상대 이동은, 프로세싱 요건에 따라, 대략 1 mm/초 내지 10 m/초의 범위일 수 있다. 예를 들어, 포커싱된 빔 및/또는 워크피스 재료는 수 mm/초 내지 100 mm/초, 대략 1 m/초의 비율로 스캔될 수 있으며, 소정의 실시예에서, 대략 5-10 m/초까지 빔 스캐너를 사용한다. 소정의 실시예에서, 재료는 대략 10 mm/초 내지 대략 100 mm/초의 범위의 속도로 병진될 수 있다. 다수의 다른 변형이 가능하다.
또한, 도 5의 시스템은, 단독으로 또는 1D 또는 2D 빔 스캐너 및/또는 공간 광 변조기의 조합으로 사용되는 초점 위치들 및/또는 재료의 이동을 조정하기 위해 동적 초점 메카니즘(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 제어기는 다초점 제너레이터, 스캐너, 및 동적 조정, 캘리브레이션(calibration) 및 다른 오퍼레이션을 위한 광학계와 통신할 수 있다. 예를 들어, 편광 기반 방법으로, 펄스 레이저 출력은 ½ 파장판 및 편광 빔 분할기를 사용해서 두개의 빔들로 분할될 수 있다. 파워 비율은 ½ 파장판의 회전으로 변할 수 있다. 상이한 깊이의 다수의 패스들이 사용되면, 재료 내에서 두개의 빔 모두가 포커싱되는 경우에 비해 표면에서 하나의 빔이 포커싱될 때의 파워 분할 비율이 상이할 수 있다. SHG 파장 변환이 사용되면, SHG 변환 효율성이 파워 비율을 조정하기 위해 변할 수 있다. 적어도 일 실시예에서, 조정은 SHG 온도 크리스탈의 제어에 의해, 또는 크리스탈 내의 빔의 초점 위치에 의해 이루어질 수 있다. 또한, 본 명세서에 기재된 기술은 시간 간격을 가지고 또는 동시에 3개 이상의 빔들을 생성하도록 확장될 수 있다. 프로세싱 시간 및 빔들의 수의 각종 트레이드오프가 특정 워크피스 프로세싱 요건에 따라 이루어질 수 있다.
상술된 바와 같이, 본 발명자들에 의한 실험은, 길게 된 피처의 형태가, 빔들의 깊이 방향 공간 간격이 충분하면, 근접 피처가 형성되었을 때, 실질적으로 영향을 받지 않았음을 나타냈다. 또한, 50 mm/s 속도 및 100 mm/s 속도로 획득된 피처들은 단면도가 거의 동일했음이 관측되었으며, 소정의 애플리케이션에서, 상당한 범위를 넘는 스캔 속도의 증가는 결과에 크게 영향을 주지않을 수도 있음이 시사된다.
실험에서 간섭 및 누화 효과도 또한 충분히 낮았다. 또한, 도 5b-5c의 시스템에 의해 생성된 초단파 펄스는 테스트된 조건에서, 시간적 오버랩 및 플라즈마 간섭을 방지하기 위해 충분한 시간 지연을 갖는다. 예를 들어, 대략 10fs - 수십 피코세컨의 범위의 폭을 갖는 오버랩되지 않는 펄스가 도 5의 소형 버전의 시스템 또는 유사 장치에 의해 생성될 수 있다. 각 펄스가 상이한 깊이로 포커싱되는 일련의 펄스들은 추가 광 경로 및/또는 소스를 갖는 도 5b-5c의 장치의 확장으로 3개 이상의 피처를 형성하는데 사용될 수 있다. 유사하게, 펄스 버스트(a burst of pulses)가 레이저 시스템에 의해 생성될 수 있으며, 소정의 프로세싱 위치에서 재료에 인가되어서, 깊이 방향으로 포커싱된 빔들 및 대응하는 피처를 형성할 수 있으며, 예를 들어, 펄스 레이저 소스는 1 ns 내지 10 ns의 범위 내에서 시간 간격으로 두개의 펄스들을 생성할 수 있는데, 두개의 펄스들 각각은 그후 분할, 결합 및 포커싱되어, 상술된 바와 같이, 그러나, 버스트 모드 구성으로 피처를 형성할 수 있다.
머시닝의 다수의 가능성이 존재하며, 총 레이저 파워, 속도, 및 재료 프로세싱 요건에 좌우된다. 이러한 멀티빔 기술은 또한 커팅, 용접, 결합, 마킹 또는 다른 머시닝 오퍼레이션, 및 고 머시닝 속도가 유익한 다른 애플리케이션에서 사용될 수 있다. 소정의 실시예에서, 최대 근적외선 파워는 SHG가 매우 낮은 경우 대략 1W 일 수 있거나, IR이 매우 낮은 경우 SHG는 최대 400 mW 일 수 있다. 프로세싱 속도는 파워 요건을 결정할 수도 있지만, 적어도 몇몇 결과들은, 속도가 피처 형성에 실질적으로 영향을 주지 않으면서 비교적 넓은 범위(예를 들어, 2:1, 50 mm/초 및 100 mm/초)를 초과하여 변할 수 있다는 것을 나타낸다. 상이한 피처 간격의 프로세싱 조건은 증가된 스캔 속도를 제공할 수 있다. 상이한 재료 및 상이한 샘플 두께의 경우, 피처 간격 및 파워 조합은 최적 브레이킹을 위해 조정될 수 있다.
각종 실시예에서, 포커싱된 빔은 동일선상이며, 상술된 일례에서 도시된 바와 같이 타겟 재료의 표면에 대략 직교한다. 다른 실시예에서, 빔들은 오프셋 및 비-동일선상(non-collinear)일 수 있으며, 고속, 작은 각도, 병진 속도 보다 훨씬 더 빠른 레이트로 동작하는 빔 편향기(beam deflector)에 의해 형성될 수 있다. 소정의 실시예에서, 광 시스템은 오프-축 입사각으로 깊이 방향으로 스페이싱된 포커싱된 빔들을 전달하도록 구성될 수 있다. 피처는 재료 표면에 대해 직교가 아닌 방향을 따르는 길이를 갖도록 형성될 수 있으며, 비스듬한 커트(beveled cut)를 포함할 수 있다. 각종 NIR 포커싱 렌즈가 사용되어, 부분적으로 오버랩하는 피처를 포함하는 상이한 피처 간격을 생성할 수 있으며, 이는 각종 기판의 프로세싱을 최적화하는데 사용될 수 있다. 소정의 실시예에서, 다초점 제너레이터는 파장 및 편광 기반 분할 모두를 위해 구성될 수 있으며, 다수의 포커싱된 빔들, 예를 들어, 4개의 깊이 방향으로 스페이싱된 빔들을 형성할 수 있다. 다초점 제너레이터는, 시간적 순서로, 예를 들어, 재료에 대해 깊은 초점으로부터 얕은 초점으로 진행하는, 포커싱 빔들을 생성하도록 구성될 수도 있다.
소정의 실시예에서, 특히 두꺼운 투명 재료를 프로세싱하는 경우, 다수의 패스들이 사용될 수 있는데, 적어도 하나의 패스는 깊은 초점으로부터 얕은 초점으로의 시퀀스로, 또는 다른 적합한 시리즈로 다수의 깊이 방향으로 스페이싱된 포커싱된 빔들의 생성을 포함한다. 이러한 한 예는 평판 디스플레이 또는 유사 구조의 프로세싱을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 사용된 투명 재료는 오퍼레이팅 파장에서 상당한 방사를 흡수하지 않는 재료이어서, 가시적으로 투명한 재료에 국한되지 않는다.
멀티-스크라이브 어블레이션 피처를 생성하는데 사용된 각종 빔-포커싱 및/또는 강도-매핑 방법들의 경우, 추가 광 컴포넌트는 총 빔 형태로 타원형 컴포넌트를 생성하도록 유도될 수 있다. 긴 축이 빔 스캐닝의 방향과 평행하게 되도록 타원형 빔을 배향함으로써, 보다 높은 스캔 속도가 달성될 수 있다. 타원형 빔 형태가 (재료를 어블레이션하는 공간적으로 분리된 펄스들로부터 야기되는 도트 스크라이브 피처에 반해) 평활하고 연속적인 스크라이브 피처들의 머시닝을 위해 충분한 펄스-대-펄스 오버랩을 허용하기 때문에, 보다 높은 스캔 속도가 달성될 수 있다. 증가된 펄스 오버랩, 및 보다 높은 스캔 속도가 보다 큰 원형 빔 스폿에 의해 달성될 수 있지만, 이것은 동시에 종종 바람직하지 않은 보다 넓은 스크라이브 피처 폭을 야기한다.
2. 초단파 펄스 레이저 용접
본 발명의 다른 실시예는 투명 재료의 레이저-용접을 위한 프로세스와 관련된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예는 고 반복률로 초단파 레이저 펄스의 빔(51)을 생성하는 레이저 시스템(50); 충분한 포커싱 파워의 포커싱 소자(55)(예를 들어, 렌즈, 현미경 대물 렌즈); 및 함께 결합될 적어도 투명 타겟 재료(56, 57) - 그 중 적어도 하나는 레이저의 파장에 투명함 - 을 사용할 것을 요구한다. 또한, 빔 포커스 포지셔닝 스테이지(58)는 초단파 레이저 펄스의 빔(51)의 초점 위치를 조정하는데 사용되고, 자동화 이동 스테이지 어셈블리(59)는 통상 포커싱된 레이저 빔과 관련하여 투명 타겟 재료(56, 57)를 이동하는 데 요구된다.
본 실시예에서, 레이저 용접될 두 재료("상부 투명 타겟 재료"(56) 및 "하부 투명 타겟 재료"(57))는 그 표면들 간에 갭이 거의 없거나 전혀 없는 인터페이스를 생성하도록 서로 접촉해서 배치된다; 체결력(clamping force)은 두 피스에 인가될 수도 인가되지 않을 수도 있다. 렌즈(55)는 그 후 레이저 빔의 경로에 배치되어 고 강도 레이저 방사의 초점 영역을 생성한다. 두 투명 타겟 재료(56, 57)는, 빔 초점 영역이 상부 투명 타겟 재료(56) 및 하부 투명 타겟 재료(57)의 인터페이스를 연결하도록 포커싱된 레이저 빔에 대해 배치된다. 충분한 레이저 강도로, 재료 인터페이스의 용접이 발생한다. 빔 초점 영역과 관련해서 투명 타겟 재료(56, 57)를 이동시킴으로써, 투명 타겟 재료(56, 57)의 인터페이스를 빔 초점 영역에 근접하게 유지함과 동시에, 레이저 용접의 결정된 길이가 달성될 수 있다. 본 실시예의 특히 고유한 애플리케이션에서, 투명 타겟 재료(56, 57)는, 포커싱된 레이저 빔이 상부 (투명) 피스(56)를 통해 이동해서 상부 투명 타겟 재료(56)와 하부 투명 타겟 재료(57)의 인터페이스에 가깝게 초점 영역을 형성하도록 배치되어서, 두 재료의 용접을 야기할 수 있다.
다른 레이저 용접 프로세스와 달리, 본 발명의 프로세스는 선형 흡수가 아닌 비선형 흡수를 주로 사용해서 용접한다. 이 때문에, 본 용접 프로세스에는 독특한 속성들이 존재한다. 비선형 흡수는 매우 강도 의존적이어서, 프로세스가 레이저 빔의 초점에 제한될 수 있다. 따라서, 흡수는 초점 주위의 투명 재료 내에서 깊게만 발생하도록 이루어질 수 있다. 통상, 초단파 펄스에 의한 비선형 흡수는 플라즈마 형성을 야기하고, 거의 없지만 (만약 있다면) 열 증착(heat deposition)을 야기하여서, 초고속 레이저에 의한 어블레이션이 매우 적은 HAZ(heat affected zone)을 초래한다. 그러나, 어블레이션이 발생하지 않을 정도로 충분히 낮지만, 비선형 흡수가 발생하기에는 충분히 높은 강도를 유지함으로써, 소정의 열이 디포짓된다. 레이저의 반복률이 충분히 증가하면, 용해를 야기할 정도로 충분히 열이 재료에 축적될 수 있다.
레이저 시스템(50)은 100 ㎑와 5 ㎒ 사이의 펄스 반복률로 대략 200-900 fs의 범위의 펄스 지속 기간과 대략 1045 nm의 파장을 갖는 펄스의 거의 같은 방향의 초단파 레이저 펄스의 빔(51)을 방출한다. 제1 빔 스티어링 거울(52)은 레이저 빔을 파워 조정 어셈블리(53)에 향하게 하며, 이는 용접 프로세스에서 사용되는 펄스 에너지를 조정하는데 사용된다; 이러한 감쇠를 달성하기 위한 특정 방법들은 당업자에게 공지되어 있다. 제2 빔 스티어링 거울(54)은 빔을 빔 포커싱 대물 렌즈(55)에 향하게 한다. 빔 포커싱 대물 렌즈(55)는, 빔 포커싱 대물 렌즈(55)로부터 대략 거리 (F)에서 최대 값을 갖는, 프로세스에 적합한 플루언스(에너지/단위 면적)를 달성하도록 레이저 펄스를 포커싱한다. 빔 포커스 포지셔닝 스테이지(58)는, 이러한 최대 플루언스 영역이 투명 타겟 재료(56, 57)의 인터페이스에 위치하도록 빔-포커싱 대물 렌즈(55)를 병진한다. 자동화 이동 스테이지 어셈블리(59)는, 투명 타겟 재료(56, 57)의 인터페이스에서, 선형 용접 피처, 또는 원형 용접 피처의 어레이를 생성하는 능력을 제공하도록 포커싱된 빔에 대해 투명 타겟 재료(56, 57)를 이동시킨다.
도 7은 작은 갭(60)만큼 떨어져 있는 두 피스들 간에 용접이 요구되는 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 먼저, 초단파 레이저 펄스의 빔(51)은 하부 투명 타겟 재료(57)의 표면 아래에 포커싱된다. 펄스 에너지 및 포커싱 조건을 적절히 제어해서, 샘플이 빔 초점에 대해 병진될 때(또는 빔이 타겟에 대해 이동될 때) 상승 리지(61)가 형성된다. 이러한 상승 리지(61)는 상부 타겟과 하부 타겟 간 갭을 브리지한다. 그 후, 상승 리지(61)의 상부와 상부 투명 타겟 재료(56) 간의 인터페이스에 가까운 높이로 상승된 빔 초점을 갖는 레이저의 제2 패스가 용접(62)을 형성한다.
3. 가시적/비가시적 레이저 마크
도 1a에 도시된 동일한 시스템은, 인가된 레이저 빔이 투명 재료 기판의 표면 아래에 포커싱되는 투명 재료 내에 부표면 마크를 생성하는데 사용될 수 있다.
도 8은 유리와 같은 투명 재료(64)에 기록된 화살표 패턴(63)의 상부도를 도시한다. 광원(65)은 광을 광 도파관(66)에 주입하고, 광 도파관(66)은 그 광을 화살표 마크(63)에 전달해서 패턴을 조명한다. 광 도파관의 출력 개구수(output numerical aperture)는 원하는 소스를 효율적으로 조명하도록 적합하게 설계되어야 한다. 다수의 광 도파관은 패턴의 상이한 영역들을 조명하는 데 사용될 수 있다. 상이한 조명 광원들의 타이밍을 제어해서, 상이한 장식적(decorative) 시그널링 효과를 생성할 수 있다. 대안으로, 패턴은, 광 도파관을 사용하지 않고, 적합하게 포커싱된 광원으로부터 직접 조명될 수 있다.
도 9의 (a)는 조명광의 방향에 모두 수직인 평행 라인들로 이루어진 화살표 마크(63)의 상부도의 상세 도면이다. 평행 라인들은, 재료 변형 영역들을 생성하도록 타겟 기판 내에서 레이저 광을 타이트하게 포커싱함으로써 생성된다. 도 9의 (b)는 화살표 마크(63)의 측면도를 도시한다. 화살표 마크는 상이한 깊이의 마크들의 그룹으로 구성된다. 이들 마크는 광 도파관(66)에 의해 전달된 광을 뷰어(67)를 향해 산란한다. 휘도는 조명광의 강도, 개별 마크의 크기 및 마크의 밀도에 의해 제어될 수 있다.
도 10은 패턴이 "픽셀"(68)로 구성되고 각 픽셀이 기판 재료를 변형하기 위해 레이저 광을 타이트하게 포커싱함으로써 형성된 상이한 깊이의 평행 라인들의 그룹(69)으로 구성되는 개념을 도시한다. 마크를 상이한 깊이로 배치함으로써, 에지-조명(edge-illuminated)될 때 "섀도잉"을 방지하는 것을 돕는다. 광원에 더 가까운 마크는, 에지-조명이 광원으로부터 더 멀리 있는 마크를 침범하는 것을 부분적으로 차단한다.
도 8, 도 9의 (a), (b)에 도시된 일례들에서, 화살표 마크가 도시되었다. 도 10은 상이한 깊이의 평행 라인들의 그룹으로부터 형성된 픽셀의 일례를 제공한다.
투명 재료 프로세싱의 실시예는 조명 및 뷰잉에 적합한 조건으로 검출 가능한 많은 타입의 패턴들을 형성하는데 사용될 수 있다. 다른 일례 및 구성은 다층 아이콘 디스플레이, 논-에지 조명 구성(non-edge illumination configurations), 다층 구성, 투영 스크린 디스플레이, 또는 그레이 스케일 아이콘을 포함한다.
기판 재료는 유리로만 제한되지 않으며, 플라스틱, 중합체 또는 기록 레이저 및 조명 광원의 파장에 투명한 임의의 적합한 재료를 포함할 수도 있다. 소정의 일례의 구성 및 패턴은 다음과 같다.
가시성 및 마크 특성 - 일반적 설명
피처, 예를 들어, 마크의 가시성 트레이드오프는 일반적으로 다음과 같이 정의될 수도 있다:
조명될 때(On 가시성) 명백히 가시적이다
조명되지 않을 때(Off 가시성) 보기 어렵다(거의 비가시적)
수개의 요인들이 가시성에 영향을 줄 수 있다. 요인은, 마크 크기 및 애스팩트비, 라인 밀도 및 뷰잉 각도를 포함하지만, 이로만 제한되지는 않는다.
도 11을 참조하면, 마크 애스팩트비(예를 들어, 마크 깊이 대 폭의 비율)의 효과가 명백하다. 마크의 폭이 더 넓어지면, 에지-조명되지 않을 때보다 더 가시적이 된다. 마크의 깊이가 깊을수록, 에지-조명될 때, 보다 많은 광이 산란된다. 그 후 마크는 더 가시적이 된다.
아이콘은 원하는 형태를 채우는 래스터-스캔 라인을 통상 포함한다. 상기 라인들은 최적 산란을 위해 에지-조명 방향에 일반적으로 수직일 수 있다. 아이콘은, 상대 휘도를 제어하고/제어하거나 재료의 상이한 에지로부터 상이한 섹션을 조명하도록 상이한 방향으로 배향된 라인들로 구성될 수 있다.
라인 밀도가 더 높을수록, 조명될 때 마크는 더 가시적이 된다. 광을 산란시키기 위해 보다 많은 표면 면적이 사용될 수 있다. 그러나, 조명되지 않을 때, 밀도가 증가하면, 가시성이 증가된다. 예를 들어, 도 8 내지 도 10의 화살표 마크 및 픽셀은 라인 밀도에 의해 영향을 받을 수 있다.
도 11에 도시된 뷰잉 각도는, 특히 다중 아이콘 층 또는 깊은 (긴) 마크의 경우에 가시성에 통상 영향을 준다.
각종 실시예에서, 아이콘 마이크로-마크 단면은, 기록-레이저 전파 방향을 따라, 높은 깊이 대 폭 애스팩트비, 예를 들어, 대략 10:1의 애스팩트비를 가질 수 있다. 마이크로-마이크로의 비대칭 형태는 뷰잉 방향에 대한 아이콘 휘도-종속성을 야기한다. 최소 Off-가시성은 통상 뷰잉 방향에 평행한 마이크로-마크에 의해 야기된다.
도 12 및 도 13은 뷰잉 방향이 기판 표면에 수직이 아닌 경우의 에지-조명 장치의 측면도를 도시한다. 도 12에서, 마이크로-마크 축은 기판 표면에 수직이어서, 이는 제작에 보다 더 용이하다. 에지-조명 방향에 수직인 마이크로-마크 단면 면적은 최대화되지만, 뷰잉 방향에 수직인 마이크로-마크 단면 면적은 최소화되지 않는데, 이는 Off-가시성에 영향을 준다.
도 13에서, 마이크로-마크 축은 뷰잉 방향에 평행해서, 뷰잉된 단면 면적 및 Off-가시성을 최소화한다. 그러나, 에지 조명 방향에 수직인 마이크로-마크 단면 면적은 최대화되지 않으며, On-가시성에 영향을 준다.
본원에서 마크는 상이한 깊이에서 생성될 수 있다. 마크 또는 다른 피처가 또한 기판의 표면 상에 또는 표면 내에 형성될 수 있다. 상이한 조명 구성과 조합되어, 각종 효과가 야기될 수 있다.
Figure 112010058119155-pct00001
반사 마크
도 8-12 및 도 14는 투명 재료의 부표면 마크의 일례를 도시한다. 마크를 형성하는 국부적인 마이크로-크랙으로부터의 광 산란 때문에 부표면 마크는 가시적이었다. 마크는, 뷰잉 방향에 수직인 마크의 단면 면적에 비해 에지 조명에 수직인 방향으로 상당히 더 큰 단면 면적을 갖는다. 따라서, 마크는 에지 조명이 있을 때 더 명백하게 가시적이고, 에지 조명이 없을 때 거의 비가시적이다.
반사 마크가 또한 생성되었지만, 에지 조명이 있거나 없거나 검출하기가 어려웠다. 저조한 검출 가능성으로, 도 8-12 및 도 14에 도시된 광-산란 마크로부터 반사 마크를 구별한다. 조명 및 뷰잉 각도의 각종 조합을 갖는 결론에 이르지 못하는 실험을 수회 한 후에, 발명자는 마크가 조명광을 산란이 아닌 반사함을 발견했다. 강한 정반사성 반사는, 광-산란 마크처럼, 마크가 에지 조명될 때 왜 가시적이지 않았는지를 설명해 주었다. 조명 광의 입사 각은 최적 뷰잉 각도와 대충 동일했다. 후술되는 바와 같이, 뷰잉 방향 외부일 때에 비해 최적 뷰잉 방향을 따라 관측될 때 가시성 차이가 상당하다.
반사 마크의 단면의 전자 현미경 영상들을 스캐닝하는 것은, 확장 연속 반사 영역을 생성하면서, "평면(planar)" 크랙이 형성되었음을 시사했다. 예를 들어, 크랙의 평면은 기록 레이저 빔의 축과 병진 방향으로 정의될 수 있다. 형태론(morphology)은 산란 마크의 국부적 마이크로-크랙과 기본적으로 상이하다.
임의의 특정 이론에 동의없이, 평면 크랙 형성은, 초기에는 인식되지 않았지만, 실험의 놀랄만한 결과로, 조명 및 뷰잉 각도의 특정 조합으로 마크의 고 가시성을 산출하는 반사 광에 대한 설명을 제공한다. 에지 조명은 저조한 콘트라스트를 야기했고, 후속 실험은 논-에지 조명이 고 가시성을 제공했음을 보여주었다. 광 현미경 하에서 광 도파관들과 유사한, 평활한, 용해된(melted) 라인들로 보이는 재료 변형들이 종종 생성되지만, 마크의 가시성과 관련이 있는 것으로 보이지 않는다.
하나의 예에서, 투명 재료의 일련의 부표면 마크는 예를 들어, 2차원 어레이를 형성하는데, 여기서 일련의 마크는 원하는 패턴을 생성한다. 본 예에서, 마크는 재료 표면에 수직이다. 그러나, 기록 레이저의 입사각이 투명 재료의 굴절률의 함수인 임계각(critical angle) 보다 작으면, 마크는 재료에 대해 다른 각도에서 형성될 수 있다. 제1 경로를 따라 우측에서 오는 조명광에 의해, 조명은 부표면 반사 마크에 의해 반사되는데, 입사각은 반사각과 대충 동일하다. 패턴을 구성하는 모든 마크에 의해 반사되는 광은 뷰어에게 패턴이 가시적이게 한다. 다른 뷰잉 위치에서, 불충분한 광이 반사되기 때문에 마크 패턴은 명백히 가시적이지는 않다. 조명광의 소정의 일부는, 제2 경로에 대응해서, 반사 마크를 맞추지 않고 재료를 통해 곧장 투과된 광을 전달한다.
반사 마크 조명 및 뷰잉을 도시하는 예에서, 유리에 형성된 반사 마크는 손전등(flashlight)으로 조명되었고, 각종 각도에서 뷰잉되었다. 유리의 일 피스의 표면 아래에 기록된 정사각형 패턴의 어레이가 도시되며, 여기서 뷰잉 위치는 특정 조명 각도에 최적이다. 동일한 조명 각도를 사용하는 동일한 마크 어레이가 최적 뷰잉 위치로부터 먼 위치에서 뷰잉될 때, 검출된 방사물(detected radiation)은 빗나간 광에 의해 야기된 로우 레벨 배경을 나타내고, 콘트라스트는 조명의 증가된 제어로 더 향상될 수 있다.
반사 마크의 애플리케이션은: (1) 산출물 식별, (2) 깨끗하고 평활한 표면이 필요한 경우의 투명 재료의 명암 및 기준 마크; (3) 방해받지 않은 뷰가 통상 요구되지만(경고가 필요 없지만), 소정의 조건을 위해 매우 가시적인 경고가 요구되는 경우의 윈도의 스위치 가능한 경고 인디케이터; (4) 진품(legitimate product): 예를 들어, 값비싼 시계, 원석, 고품질 렌즈 및 투명 컴포넌트를 갖는 다른 제품을 모조품으로부터 구별하지만, 통상 가시적이지 않은 위조 방지 패턴(anti-counterfeiting pattern)을 포함한다.
Figure 112010058119155-pct00002
다층 아이콘 디스플레이( Multi - Layer Icon Display )
도 14는 두개의 아이콘이 단일 기판에 기록되어 있는 다층 아이콘 디스플레이의 데모를 도시한다. 도 14의 (a)의 녹색 화살표는 기판의 우측으로 녹색 광원에 의해 에지 조명된다. 도 14의 (b)의 적색 위험 사인은 기판의 상부의 적색 광원에 의해 에지 조명된다. 도 14의 (c)는 광원이 둘다 오프일 때의 기판을 도시한다. 두 아이콘 모두 유리 기판의 동일한 영역에 있는 것으로 보인다. 레이저-기록 마크가 유리에서 상이한 깊이에 있고 두개의 광원은 원통형 렌즈를 사용해서 라인-포커싱되기 때문에 개별 아이콘은 각 광원을 스위치함으로써 선택적으로 조명될 수 있으며, 라인 초점의 축은 유리 기판의 평면에 평행하다.
도 15는 다수의 기판 층들(이 경우에는, 5개)을 갖는 아이콘의 일례를 도시한다. 어레이의 각 개별 소자는 조명 광원의 타이트한 포커싱 없이 다른 소자들로부터 개별적으로 조명될 수 있다. 요소 'a'는 층 1에 있고 광 'A'에 의해 조명될 수 있다. 요소 'a'가 개별 층에 있기 때문에, 광 'A'로부터의 조명광은 내부 전반사에 의해 제약을 받아서, 다른 요소들은 조명되지 않는다. 유사하게, 요소 'd'는 층 3에 있으며 광 'D'에 의해서만 조명되며, 요소 'h'는 층 5에 있으며 광 'H'에 의해서만 조명된다. 기판 층에 대해 충분히 상이한 굴절률을 갖는 미세한 공기층 또는 재료의 얇은 층은 시각적으로 투명하면서 각 층을 격리한다.
요소 'b' 및 요소 'c'는 층 2에 있으며 광 'B' 및 광 'C'에 의해 각각 조명된다. 이 두 요소들이 동일한 층에 있더라도, 이 두 요소는 충분한 공간만큼 떨어져 있어서, 오직 하나의 광원에 의해서만 조명된다. 유사하게, 요소 'f' 및 요소 'g'는 층 4에 있으며 광 'F' 및 광 'G'에 의해 각각 조명된다. 본 예는 영숫자 디스플레이 또는 디지털 카운터의 하나의 캐릭터가 어떻게 디자인될 수 있는지를 나타낸다. 다른 멀티-요소 디스플레이가 또한 가능하다.
도 15a는 기판의 표면에서 또는 표면 가까이에서 마이크로-마크가 생성되는 장치를 도시한다. 그 후 표면은 투명 코팅된다. 에지 조명광은 이 제2 층에서 내부 전반사에 의해 가이드되어 마이크로-마크를 산란시킨다. 기판은 투명할 수도 투명하지 않을 수도 있다. 투명하면, 내부 전반사에 충분한 투명 코팅과의 굴절률 차이를 가져야 한다.
소정의 실시예에서, 얇은 시트의 스택(stack)이 도 16에 도시된 바와 같이 사용될 수 있다. 에지 조명광이 개별 시트의 두께 보다 더 크면, 광을 인접 시트에 커플링하지 않고 특정 시트에 광을 개별적으로 커플링하기가 어렵다. 이는 요소들의 어레이의 오직 하나의 요소 또는 하나의 기판 층의 타겟 조명을 방지한다. 광원들 간의 소정의 오프셋은 상이한 광원들 간의 고립을 향상시키고 오직 원하는 어레이 요소의 조명만을 허용한다. 도 16에 도시된 예의 경우, 5개의 기판 층들(1-5)이 존재한다. 각 층에 하나씩, 5개의 광원들(A-E)이 기판에 대해 각도를 이루어 오프셋된다. 각도는 내부 전반사가 각 층에서 광을 포함하도록 한다.
Figure 112010058119155-pct00003
논-에지-조명( Non - Edge - Illumination )
소정의 실시예에서, 아이콘은 논-에지 위치로부터 조명된다. 도 17은 기판이 조명 방향 및 뷰잉 방향에 직교가 아닌 아이콘의 논-에지 조명을 도시한다. 그러나, 기록 방향은 기판에 직교이다.
도 18은 기판이 기록 방향, 조명 방향 및/또는 뷰잉 방향에 직교가 아닌 아이콘의 논-에지 조명을 도시한다. 이러한 구성은, 기판 재료 평면이 주요 뷰잉 방향에 수직이 아니어서, 마이크로-마크가 재료 표면에 수직이 아닐 때에 특히 유용할 수 있다. 기판의 하나 이상의 표면들이 반사 방지 코팅(anti-reflection coating)되어, 빗나가는 반사를 감소시킨다.
마이크로-마크가 재료 표면에 수직인 경우 제작이 더 쉬워지고 더 빨라질 수 있다. 그러나, 가시성 트레이드오프는 본 실시예에서는 최적 보다 덜할 가능성이 있다.
Figure 112010058119155-pct00004
투영 스크린 개념( Projection Screen Concept )
이전 일례들에서, 타겟 재료에 그래픽 패턴이 기록된다. 이는, 패턴이 추후에 변경되거나 재프로그래밍될 수 없기 때문에, 디스플레이의 유연성을 제한한다. 큰 균일한 필드의 마이크로-마크들이 스크린으로서 사용될 수 있는데, 고속 스캐닝 거울 또는 LED 어레이와 같은 상이한 방식들을 사용해서 그래픽이 투영된다.
상기 논-에지 조명을 예시하는 데 사용된 도 17 및 도 18은 또한 투영 스크린 개념을 나타내는데도 사용될 수 있다. 상기 도면들은, 뷰잉 방향 및 패턴 투영 방향이 기판 표면에 수직이 아닌 두개의 구성의 측면도를 나타낸다. 선행 절에서 주지된 바와 같이, 조명 광은 고정적이며 기판의 마크 패턴을 간단히 조명한다. 투영 스크린 개념의 경우, 조명광이 원하는 패턴을 스크린에 투영하기 위해 고속 액츄에이션 시스템에 의해 스티어링되거나, 또는 원하는 패턴을 생성하도록 설계된 광 패턴이 스크린에 투영된다.
도 17에서, 마이크로-마크는 보다 쉬운 제작을 위해 기판 표면에 수직으로 기록되었다. 그러나, 조명광 방향에 수직인 마이크로-마크 단면은 보다 양호한 On-가시성을 위해 최대화되지 않으며, 뷰잉 방향에 평행한 마이크로-마크 단면은 최적 Off-가시성을 위해 최소화되지 않는다.
도 18에서, 마이크로-마크 축은, 뷰잉 방향에 평행하며, Off-가시성을 최소화한다. 조명광원 방향은 마이크로-마크축에 수직이며, On-가시성을 최대화한다.
용납될 수 있는 콘트라스트는 애플리케이션에 의존적일 수 있다. 10:1 내지 100:1 사이의 콘트라스트가 통상 용납될 수 있으며, 뷰잉 및 검출 시스템의 타입에 좌우된다. 예를 들어, 30:1 범위는 디스플레이로 뷰잉하기에 충분한 것보다 많을 수 있다. 고 그레이 스케일 분해능 영상 시스템이 사용되면, 대략 30:1 내지 1000:1의 콘트라스트 비율이 양호할 수 있다.
Figure 112010058119155-pct00005
그레이 스케일 아이콘( Grayscale Icons )
각종 실시예에서, 가시성 트레이드오프를 위해 아이콘의 프로세싱 조건이 최적화될 수도 있다. 보다 고속의 병진 속도 또는 보다 낮은 펄스 에너지와 같은 상이한 프로세싱 조건을 사용해서 덜 산란하는 마크를 생성할 수 있다. 이들 파라미터를 제어해서, "그레이 스케일" 아이콘을 생성할 수 있으며, "보다 더 하얀" 영역이 광을 덜 산란시키고, "보다 검은" 영역이 광을 더 산란시키거나, 또는 그와 반대이다.
예를 들어, 레이저 파라미터들의 조합으로, 적어도 10:1 또는 30:1, 양호하게는 대략 100:1 내지 1000:1 까지의 산란 범위를 야기할 수 있다. 뷰잉 방향 내의 콘트라스트는 통상 각 분포에 의해 영향을 받는다.
동작 메카니즘을 이해하기 위해 본 발명의 실시예를 수행할 필요는 없지만, 두가지 기본 현상들: 산란 콘트라스트 및 산란 각을 조합하는 것을 고려했다. 기준, Con >> Coff을 따르는 미세한 마크들로 산란 콘트라스트를 제어한다. Con 및 Coff는 각각 인공 조명이 있는 경우와 없는 경우의 산란 계수이다. 이하와 같이 정의된다.
Figure 112010058119155-pct00006
여기서, s는 산란 구조의 산란 단면이고, ρ는 마크의 구조의 밀도이며, κ는 배경의 휘도를 나타낸다. N은 인공 조명과 배경 조명 간의 휘도의 비율이다. 산란 구조의 크기는 통상 가시성 광의 파장의 대략 1/10 내지 1/100의 범위 내에 있다.
특정 실시예에서, 산란 각을 제어하는 디바이스 및 프로세스가 제공될 수 있다. 배경 조명에 대한 조명 각이 고려될 수 있는데, 예를 들어, 광의 조명은 주요 배경 광에 수직이다. 이러한 구성은 관측 방향에 대해 수직으로 광이 조명되는 아이콘-타입 디스플레이에 적용될 수 있다. 마크의 기하학 구조 및 마크의 구성이 또한 고려될 수도 있다. 산란 크기 제어(가시광의 1/10 내지 1/1000의 범위)는 마이 산란(Mie scattering)에 대한 하나의 기본 양상이다. 관측 가능한 각을 확장하고 산란의 각 분포를 보다 더 양호하게 사용하기 위해, 유리 표면의 내부 전반사를 변조하는 것이 다른 제어 아이디어로서 사용될 수 있다.
각종 실시예에서, 기판 내의 노광을 변화시키도록 적합한 범위의 펄스 에너지, 병진 속도, 반복률이 사용된다. 노광이 증가되어, 뷰잉 각도에 비해 증가된 각도를 초과해서 산란 광이 방출되게 하는 보다 큰 마이크로-마크를 생성한다. 뷰잉 각도 내에서 방향 반사율이 크면, 피처는 밝게 나타난다. 동일한 양의 광이 넓은 각도로 산란되면, 피처는 어둡게 나타난다.
Figure 112010058119155-pct00007
대안 재료( Alternative Materials )
소정의 실시예에서, 유리가 아닌 재료의 표면 및/또는 벌크가 변형될 수 있다. 하나 이상의 레이저 빔이 조명 및 검출에 적합한 구성을 갖는 검출가능한 피처를 형성할 수 있다.
유리로 작업하는 중에 발견된 일부 한계는, 비교적 느린 프로세싱 속도 및 비교적 높은 펄스 에너지에 대한 요건을 포함했다. 예를 들어, 200 ps 펄스, 50 ㎑ 반복률, 및 13 μJ 펄스 에너지가 거의 최적이었다. 전형적인 스폿 크기의 경우, 대략 1 mm/초의 속도가 전형적이었다.
다른 한계는 마크 깊이에 따른 마이크로-크랙 특성의 종속성과 관련된 성능의 약간의 손실을 포함하는 반면, 깊이에 따른 실질적인 독립성이 통상 양호하다.
특정 애플리케이션의 또 다른 한계는, 유리가 깨지기 쉽다는 점과 산산조각 나기 쉽다는 것이며, 일부 환경 및 애플리케이션에서 잠재적으로 위험한 상황이라는 점이다. 따라서, 유리 프로세싱의 애플리케이션은 제약을 받거나 제한될 수 있다. 최종 제품의 요구되는 강도 및 사용되는 환경에서의 안정성에 기초하여, 일부 애플리케이션에서 기판의 특별한 핸들링 및 관리가 요구될 수 있다. 하나의 옵션은, 폴리카보네이트의 두 피스들 사이에 유리 기판을 배치하는 것이다. 폴리카보네이트는 어셈블리에 강도를 추가하고, 유리가 산산조각이 나더라도 유리를 포함한다(contain). 또한, 폴리카보네이트 층은 유리의 표면 오염을 방지할 수 있다. 표면 오염은 조명될 때 산란 중심을 생성하여, 아이콘의 On-가시성 콘트라스트를 감소시킬 수 있다.
소정의 실시예에서, 폴리카보네이트 재료 또는 다른 중합체가 사용될 수 있다. 예를 들어, 플라스틱, 투명 중합체 및 유사 재료가 소정의 바람직한 특성을 갖는다. 일부 바람직한 재료 속성은: 감소된 중량(유리로부터 생성된 유사 파트에 비해 대략 4배), 각종 형태를 형성하도록 기판의 구부러짐을 허용하는 유연성, 고정 에지 조명으로 휘도를 증가시키는 능력을 제공하는 감소된 두께, 및 부서짐에 대한 민감성이 감소됨에 따른 증가된 재료 강도를 포함한다.
이하의 섹션에 기술되는 실험 결과는 프로세싱 속도의 상당한 향상 및 펄스 에너지의 동시 감소를 증명했다.
폴리카보네이트 또는 유사 재료의 프로세싱이 초단파 펄스 지속 기간을 사용해서 수행될 수도 있는데, 이는 유리 프로세싱에 비해 펄스 에너지를 상당히 감소시킨다. 펄스 지속 기간은 통상 대략 10 ps 미만일 수 있다. 소정의 실시예에서, 펄스 지속 기간은 대략 100 fs 내지 대략 1 ps의 범위, 예를 들면, 대략 500 fs에 있을 수 있다. 펄스 에너지는 대략 100 nJ 내지 1 μJ의 범위, 예를 들면, 대략 0.5 μJ 에 있을 수 있다.
열 축적을 유도하기 위해 상당한 펄스 오버랩을 갖는 고속 프로세싱을 위해서는 고 반복률이 양호한데, 예를 들면, 적어도 100 ㎑이다. 상기 파라미터는 수 미크론 내지 수십 미크론의 스폿 크기 및 수십 미크론 내지 수십 미터/초의 병진 속도의 전형적인 범위를 넘어서 적용될 수도 있다. 총 펄스 에너지 및 스폿 크기는 포커싱된 스폿 위치에서 플루언스를 결정한다. 위의 예시적인 범위는 스폿 크기 또는 다른 파라미터, 예를 들어, 레이저 파장의 변형에 적합하게 변할 수 있다.
유리 프로세싱의 소정의 실시예에서, 펄스 폭은 대략 10 fs 내지 1 ns, 10 fs 내지 500 ps, 또는 100 fs 내지 200 ps 범위에 있을 수 있다. 펄스 에너지는 수십 μJ(microjoules) 까지일 수 있는데, 예를 들어, 대략 20 μJ 내지 50 μJ일 수 있다. 특정 실시예에서, 펄스 압축기(pulse compressor)가 생략될 수 있으며, 양호한 FCPA 시스템의 다른 컴포넌트가 사용될 수 있다.
IMRA America로부터 상용화된 FCPA μJewel D-400 및 D-1000는 100 ㎑ 내지 5 ㎒ 사이에서 변할 수 있는 반복률로 대략 10 μJ 까지의 총 에너지를 갖는 초단파 펄스 폭을 제공한다. 소정의 실시예에서, 레이저 시스템은 스트레칭(stretching), 증폭 및 압축을 위한 "모든 섬유(all-fiber)" 시스템을 포함할 수 있다.
스위치 가능한 아이콘의 애플리케이션은 헬멧 실드, 스쿠바 마스크, 외과의사의 안경, 안전용 얼굴 가리개, 비행기 덮개, 안경, 백미러, 썬루프, 및 헤드라이트 렌즈에서 발견될 수 있다. 마크는 거울에 기록될 수 있는데, 상기 마크는 통상 주변 광(ambient lighting)(Off 가시성)하에서 보기가 어렵지만, 에지 조명(On 가시성)일 때는 명백히 구별될 수 있다. 적합한 거울은, 한 표면에 반사 코팅이 되어 있는, 유리 또는 폴리카보네이트와 같은, 투명 기판을 사용하는 거울이다. 투명 매체 내의 피처 형성을 위해서는 레이저 프로세싱이 양호하다. 그러나, 다른 프로세스가 단독으로 또는 레이저 프로세싱과 조합해서 사용될 수도 있다. 예를 들어, 에칭, 리소그래픽 방법, CVD(chemical vapor deposition), 및 펄스 레이저 디포지션이 사용될 수 있다. 소정의 실시예에서, 레이저 프로세싱 및 비-레이저 프로세싱의 조합이 실행될 수도 있다.
4. 다초점 머시닝( Multifocus Machining )
스크라이빙 외에, 도 5에 도시된 다초점 머시닝이 커팅, 용접, 결합, 마킹 또는 다른 머시닝 오퍼레이션에서 사용될 수 있다.
각종 재료는 비가시적 파장에서 투명하거나 거의 투명할 수도 있다. 예를 들어, 실리콘은 대략 1-1.1㎛ 로 높게 투과되며, 근적외선은 대략 1.2㎛ 최대 투과이다. 따라서, 다초점 마이크로머시닝은 각종 표준 레이저 파장으로 수행될 수도 있거나, 또는 몇몇 경우에 통상적이지 않은 파장으로 수행될 수도 있다. 밴드갭(bandgap) 가까이에서 프로세싱이 수행되는 애플리케이션에서, 흡수 계수 및 온도에 따른 변화가 고려될 필요가 있을 수도 있다. 예를 들어, 대략 1.0-1.1 ㎛, 1.2 ㎛, 1.3 ㎛, 1.55 ㎛ 등의 잠재적인 파장들로 실리콘 내에서 피처가 형성될 수도 있다. 소정의 실시예에서, 통상적이지 않은 파장은 표준 파장을 시프트한 파장으로 획득될 수도 있다.
초단파 펄스는 타겟 영역을 침범하는 포커싱 스폿 외부에서 과도한 가열을 방지하고, 관련된 부수적 손상을 방지할 수 있다. 초단파 펄스에 의한 다초점 마이크로머시닝은 반도체 기판의 스크라이빙 및 절단에 유익할 수 있다. 예를 들어, 다수의 길게 된 피처들이 재료 내의 내부 라인들의 싱글 패스 형성으로 획득가능한 것 보다 더 깨끗한 다이의 분리를 제공할 수 있다.
실험적 데모 결과
1. 초단파 펄스 레이저 스크라이빙
도 19에 도시된 바와 같이, 레이저 빔의 싱글 패스로, 한 쌍의 스크라이브 라인(표면 그루브(70) 및 부표면 스크라이브 피처(71))이 20X 비구면 포커싱 대물 렌즈(8-mm 초점 길이)를 사용해서 100-㎛ 두께의 사파이어 웨이퍼로 동시에 머시닝되었다. 클리브 면은 양호한 품질을 나타낸다. 스캔 속도는 40 mm/s(최적은 아님)였다.
표면 스크라이브 라인의 경우에만, 동일한 레이저 펄스 에너지 및 반복률을 사용해서, 그리고 동일한 프로세싱 조건(주변 대기 환경 등) 하에서, 재료의 양호한 클리빙을 야기한 가장 빠른 스크라이빙 속도는 ~20 mm/초였다.
2. 초단파 펄스 레이저 용접
용접될 재료의 특정 영역 내에서 다수의 레이저 펄스들이 흡수된 후에, 재료의 가열, 용해 및 혼합이 발생하고, 냉각시, 개별 재료들이 함께 융합된다. 재료를 함께 용접하는데 필요한 펄스의 수는 재료의 물리적 속성 뿐만 아니라 다른 프로세스 변수(레이저 에너지, 펄스 반복률, 포커싱 기하학 등)에 좌우된다. 예를 들어, 높은 열 전도율(thermal conductivity) 및 높은 용해 온도의 조합에 따른 재료는, 용접 발생을 위해 방사된 볼륨 내에서의 충분한 열 축적을 달성하도록 보다 높은 펄스 반복률과 보다 낮은 병진 속도를 요구한다.
A. 폴리카보네이트 용접
200 ㎑의 펄스 반복률로 동작하고 1045 nm의 파장을 갖는 고 반복률의 펨토세컨 펄스 레이저 소스에 의한 실험으로, 두개의 광 투명 재료의 레이저-결합이 야기되었다. 특히, ~2μJ 레이저 펄스가, 100 mm 초점 길이 렌즈로 투명 폴리카보네이트의 1/4" 두께 피스의 상부 표면을 통해, 투명 폴리카보네이트의 유사 크기 피스의 상부 표면과의 하부 표면 인터페이스에 포커싱되었다. 폴리카보네이트 피스는 선형으로 병진되었으며 레이저 전파 방향에 수직인 면에 있으며, 재료의 인터페이스에 가까운 빔 초점 영역의 포지셔닝을 유지한다. 두 피스들은 레이저 조사 인터페이스에서 함께 융합되었고, 서로 자유롭게 브레이킹하기 위해 상당한 힘이 요구되었다.
B. 융합 실리카 용접
40X 비구면 렌즈 및 5 ㎒의 레이저 반복률을 사용해서 200-㎛ 두께의 융합 실리카 판이 1-mm 두께의 융합 실리카판에 용접되었다. 레이저의 1/e2 빔 직경은 ~3.6 mm 였고, 비구면 렌즈 초점 길이는 4.5 mm 여서, ~0.37의 동작 NA(개구수)를 야기한다. 도 20은 융합 실리카의 용접 피처를 도시한 것으로, 영상은 두개의 실리카 판이 브레이킹되기 전과 후에 취해진 것이다. 제1 영상 (a)는 평활한 용해 유리의 영역을 나타내는 완전한 용접 피처를 도시하며, 다음 영상들 (b)와 (c)는 용접이 갈라진 후의 두 유리 표면들을 도시한 것으로 갈라진 유리의 면을 나타낸다.
0.1 내지 1.0 mm/s 범위의 용접 속도는, 5 mm/s 보다 큰 속도가 가능하더라도, 최대 속도가 증가된 펄스 반복률에 의해 증가될 수 있다. 프로세스의 공칭 플루언스 범위는 5-15 J/㎠ 이고, 공칭 펄스 지속 기간 범위는 10-1000 fs 이다. 상기 플루언스 및 펄스 지속 기간 범위 내에서, 공칭 펄스 반복률 범위는 1-50 ㎒ 이다. 엄밀한 프로세스 최적화로, 상기 범위는 플루언스가 1-100 J/㎠ 로, 지속 기간이 1 fs- 500 ps 로, 또한 반복률이 100 ㎑ - 100 ㎒로 각각 확장될 수 있다. 융합 실리카의 용해 개시에 충분한 열 축적을 위해서는 고 반복률이 양호하다.
유사 반복률에서 보다 높은 에너지 펄스를 사용하여, 보다 헐거운 포커싱은, 요구된 플루언스로 보다 큰 초점 볼륨을 생성할 수 있다. 이러한 용접 초점 볼륨의 크기 및 형태는 용접될 영역에 기초하여 맞추어질 수 있다.
3. 가시적/비가시적 레이저 마크
도 21은 측면에서 녹색 광원에 의해 조명되는 화살표 마크를 갖는 유리 샘플을 도시한다. 여기서, 화살표 패턴은 명백히 가시적이다. 도 8-10의 예시는 화살표 패턴을 상세히 도시하는데, 조명 광원(이 경우 녹색 광)에 수직인 상이한 깊이의 라인들이 레이저 광을 타이트하게 포커싱해서 생성되었다. 이러한 마크를 형성하는데 사용된 레이저 파라미터 및 스캔 속도는 이하의 표에서 알 수 있다.
도 22는 조명광원이 off인 동일한 유리 샘플을 도시한다. 명백하게, 화살표 패턴을 볼 수 없다.
도 23은 도 21의 화살표 마크를 정의하는데 사용된 개별 픽셀의 현미경 사진을 도시한다.
도 24의 (a)는 유리 내부의 장식 패턴의 사진을 나타내고, 도 24의 (b)는 개별 마크의 현미경 사진을 나타낸다.
도 24의 (b)의 마크는 크기가 대략 200 ㎛ 이고, 중심으로부터 방사하는 수개의 개별 크랙들로 매우 거칠게 구성된다. 도 23의 픽셀은 일련의 평행 라인들로 구성되는데, 각 라인은 대략 10 ㎛ 폭이고 250 ㎛ 길이이다. 라인 스페이싱은 50 ㎛ 이다. 도 23 및 도 24의 (b)의 피처들 간의 크기 차이 및 평활성차이(smoothness difference)는 도 24의 (a)의 유리 조각이 왜 대부분의 조명 조건에서 명백하게 가시적인지를 설명해주며, 도 21 및 도 22의 화살표는 측면 조명을 가시적이도록 요구한다. 생성된 피처의 크기 및 평활성은 펄스 에너지, 펄스 지속 기간, 레이저의 파장 및 타겟을 통한 빔의 병진 속도에 의해 제어된다. 최적 파라미터는 특정 타겟 재료에 좌우된다. 도 23의 픽셀의 가시성은 평활성뿐만 아니라 픽셀의 각 라인의 폭 및 길이와 픽셀 내의 라인 밀도를 제어함으로써 제어될 수 있다.
따라서, 투명 재료의 표면 아래에 레이저 변형 피처의 가시적 패턴을 생성하는 한가지 방법은, 기술되는 상기 레이저의 파라미터를 제어하는 것에 의해 라인들의 거칠기(roughness)를 제어하면서, 먼저 타이트하게 포커싱된 초고속 펄스 레이저를 사용해서 재료 내에 상이한 깊이의 복수의 라인들을 형성함으로써 진행한다. 그 후, 라인들은, 라인들에 대체로 수직으로 향하거나 전파하는 광을 사용해서 조명된다. 이러한 방식으로 형성된 패턴은, 조명되지 않을 때; 즉, 도 22에서처럼 정상 주변 광 조건 하에서 육안으로 실질적으로 보이지 않더라도, 수직 방향으로부터 조명될 때 육안으로 명백하게 볼 수 있다. 포커싱된 광원을 라인들 상에 향하게 함으로써 또는 패턴을 효율적으로 조명하기 위해 선택된 출력 개구수를 갖는 광 도파관을 통해 라인들에 광을 향하게 함으로써, 조명이 수행된다.
상기 라인들 중 상이한 라인들, 예를 들어, 상이한 픽셀의 라인들은 서로에 대해 정의된 각도에 있을 수 있으며, 각각이 상기 라인들의 부집합에 대체로 수직으로 광을 향하게 하도록 다수의 광원들을 배열함으로써 개별적으로 또는 동시에 조명될 수 있다.
또한 결과는 폴리카보네이트 샘플로 획득되었고, 유리와 비교되었다. 도 25의 (a) 및 (b)는 유리(좌측 도면, (a)) 및 폴리카보네이트(우측 도면, (b)) 샘플로부터 획득된 각각의 단면들을 도시한다. 도 24의 (a) 및 (b)는 나노세컨 펄스로 생성된 마크를 나타내고, 도 24의 (b)는 도 24의 (a)의 패턴의 일부의 확대도이다. 영상은 명시야 조명(bright-field illumination)으로 광 현미경을 사용해서 취해졌다. 폴리카보네이트의 마크는 보다 좁은 폭과 그와 동등한 깊이를 가지며, 보다 양호한 가시성 트레이드오프를 제시한다.
도 25의 (a) 및 (b)의 마크를 도 24의 (a) 및 (b)에 도시된 롱-펄스 레이저에 의해 생성된 장식 조각 마크(decorative sculpture mark)와 비교하는 것이 유익하다. 롱-펄스 레이저 마크는 훨씬 더 크며 구형으로 대칭적이어서, 모든 방향으로부터의 대부분의 조명 조건에서 명백히 가시적이다.
폴리카보네이트의 또 다른 장점은 레이저 프로세싱 파라미터와 연관된다.
폴리카보네이트의 경우, 이하의 표에 도시된 바와 같이, 프로세싱 속도가 증가하면 펄스 에너지가 10배보다 많이 감소한다. 중합체의 재료 변형 임계값은 통상 유리 보다 더 낮다. 흥미로운 관측 사항은, 재료 변형 프로세스가 유리 및 폴리카보네이트에서 상이하게 나타난다는 점이다. 유리의 경우, 마이크로-크랙이 마이크로-익스플로젼(micro-explosions)에 의해 야기될 가능성이 높다. 레이저 초점이 표면에 가까울 때, 갈라짐은 표면으로 전파될 수 있다. 폴리카보네이트의 경우, 마이크로-익스플로시브 프로세스(micro-explosive process)인 것으로 나타나지 않으며, 보다 온화한, 따라서 보다 낮은 펄스 에너지가 요구된다. 빔이 표면 가까이에 포커싱될 때, 표면 변형은 없다.
Figure 112010058119155-pct00008
폴리카보네이트에 대해 사용된 보다 낮은 플루언스는, 500 fs 펄스들을 사용해서 유리 상의 데이터로부터 결정된, 보다 짧은 펄스와 반드시 관계가 있는 것은 아니며, 펄스가 짧아지면, 산란이 덜해진다. 대략 10 ps 결과 보다 더 짧은 초단파 펄스를 사용하는 유리의 재료 변형 프로세스는 굴절률의 변화를 야기하는 것이 가능하며, 마이크로-크랙에 비해 그 만큼 광으로서 산란하지 않는다. 어떠한 경우든, 0.5 μJ로의 펄스 에너지의 감소 및 대응하는 속도 증가는 상당한 향상성 및 응용성을 제공한다.
도 13a 내지 도 13d에 도시된 바와 유사한 반사 마크는 현미경 슬라이드 유리, 윈도 유리, 및 화학-저항 봉규산 유리(chemical-resistant borosilicate glass)의 샘플로 형성되었다. 테스트 결과로, 대략 300 fs 내지 대략 25 ps의 범위의 펄스 지속 기간의 초단파 펄스를 사용해서 반사 마크가 형성될 수도 있음이 나타났고, 펄스는 0.3 내지 0.55 사이의 개구수로 표면 아래에 포커싱되었다. 레이저 펄스는 50 ㎑ 및 100 ㎑의 반복률로 생성되었다. 실험에서의 평균 파워는 최대 1W 였고, 레이저 스캔 속도는 최대 200 mm/s 였다.
반사 마크를 형성하는데 사용된 레이저 파라미터는 수개의 방식으로 마크 파라미터를 산란시키는 것과 상이하다. 비교적 짧은 펄스 지속 기간, 예를 들어, 대략 300 fs - 25 ps 범위의 펄스 지속 기간이 반사 마크를 형성하는데 사용되었다. 훨씬 더 긴 펄스들, 예를 들어, 대략 200 ps가 동일한 프로세싱 재료, 예를 들어, 윈도 유리에서 일부 산란 마크를 생성하기에 적합하다. 또한, 실험은 보다 넓은 범위의 속도를 나타냈고, 파워 레벨은 반사 마크를 생성하기에 적합하다. 역으로, 보다 낮은 반복률이 훨씬 더 높은 평균 파워에서 유리에 산란 마크를 생성하기에 최선이었고, 스캔 속도는, 예를 들어, 1 mm/s 까지 감소되었다. 그러나, 낮은 파워, 짧은 펄스는 플라스틱 샘플의 산란 마크를 생성하기에는 충분했다.
4.0 다초점 머시닝 예들
실험은 도 5c에 도시된 바와 같이 파장 조합 프로세스를 사용해서 수행되었고, 다양한 깊이의 피처 형성을 테스트하기 위해, 또한 산란을 방지하도록 파라미터를 조정하기 위해 예비적인 싱글-빔 실험을 포함했다. 소다 석회 유리, 강화 유리, 및 사파이어 샘플이 프로세스되었다. 1 mm 두께의 소다 석회 유리(예를 들어, 현미경 슬라이드)가 저 레이저 변형 임계값 및 저 비용 때문에 먼저 테스트되었다. 널리 보급된 산업 용도 및 레이저 머시닝의 잠재적 도전성 때문에 강화 유리 및 사파이어는 관심있게 고려될 만하다.
강화 유리는, 스크래치 저항성, 구부러짐 내성, 및 강건성 때문에 다수의 산업 애플리케이션에서 사용된다. 유리는, 열, 화학 또는 다른 프로세스를 통해 강화될 수도 있어서, 표면에 가까운 재료는 압축 응력(compressive stress)을 받으며, 중심에 가까운 재료는 인장 응력(tensile stress)을 받는다. 압축 응력을 받는 표면에 가까운 유리는 스크래치 저항성이 더 강하다.
보다 큰 칼륨 원자를 알루미노 균산염 유리 구조(aluminosilicate glass structure)에 확산시킴으로써 유리를 강화하는데 화학 프로세스가 사용된다. 표면 강도 및 마모/스크래치 저항성을 증가시키기 위해, 표면 상의 커버 유리가 화학적으로 강화될 수 있다. 이러한 강화 프로세스는 유리 표면 상의 압축 및 다른 장소에서의 인장을 유도하는데, 이는 머시닝에 있어 흥미로운 일이다.
초단파 머시닝 결과가 후술된다. 유리의 표면 아래에 포커싱된 초단파 펄스 빔은 원하는 브레이킹 또는 커팅 방향을 따라 라인들 또는 다른 피처를 생성할 수 있다. 응력 분포가 보다 대칭적인 유리의 중심에서 또한 인장 응력 하에서 커트를 개시함으로써, 표면에서의 커팅에 비해 더 양호한 브레이킹 액션 제어가 획득될 수 있다. 대략 10 ps 미만의 펄스 폭이 적합하고, 서브-피코세컨 펄스가 양호하다. 소정의 실시예에서, 수십 피코세컨의 펄스 폭이 사용될 수 있다.
다수의 패스들이 강화 유리를 커트하는데 사용될 수 있는데, 초기 패스(들)가 일부 재료 변형을 생성하지만, 크래킹 또는 브레이킹은 없다. 그 후, 레이저의 후속 패스는 초기 레이저 변형 경로를 따라 크랙을 개시 및 전파하는데 사용될 수 있다. 그러나, 속도가 제한된다.
몇몇 실험은, 화학적으로 강화된 유리가 응력 분포가 붕괴되는 경우 쉽게 부서짐을 암시했다. 아마도, 화학적 강화 유리의 두께에 걸친 응력 분포는 열 강화 유리와는 상이하다. 그러나, 다초점 마이크로머시닝은 표면 스크라이빙 단독에 비해 보다 더 평활한 브레이크 표면을 생성했다.
A. 강화 유리
강화 유리를 스크라이빙 및 브레이킹하는 능력은, 이중-파장, 다중 빔 프로세싱을 포함해서, 초단파 레이저 펄스로 테스트되었다. 본 실험에서는 700 ㎛ 두께의 커버 유리판이 사용되었다. 일부 상용화된 강화 유리는, 화학적 강화 표면을 갖고 700 ㎛ 내지 2 mm의 두께를 갖는, 휴대형 전자 장치용으로, 예를 들어, 터치스크린용으로서 특별히 설계된다.
Figure 112010058119155-pct00009
각종 깊이에서의 스크라이빙 - 다중 스캔
가능한 부서짐을 방지하기 위해, 레이저 노광 라인들이 먼저 샘플의 정면 아래 ~240㎛에서 테스트되었고, 그 후 표면 위 ~120㎛로 점차적으로 상승되었다. FCPA μJewel D-1000 레이저 시스템이 강화 유리의 스크라이빙에 사용되었고, 이하의 파라미터를 갖는다:
레이저: IMRA FCPA μJewel D-1000
파장: SHG @ 523 nm
펄스 반복률: 100 ㎑
포커싱 렌즈: SHG용으로 코팅된 16X 비구면 렌즈
레이저 파워: 400 mW SHG
스캔 속도: 20 mm/s
초점 깊이: -240 ㎛(내부) 내지 +120 ㎛(표면 위)
도 26a는 상기 레이저 파라미터로 획득된 일련의 영상을 도시한 것으로, 소정의 결과는 유리의 상부 표면 및 하부 표면에 대해 초점 위치에 대한 종속성을 나타낸다. 제1 행은, 샘플 정면에 대해 레이저 초점이 -240 ㎛(유리 내부)로부터 +120 ㎛(유리 외부)로 조정된 레이저-노광 라인의 상부도 영상들에 대응한다. 제2 행은, 샘플이 뒤집히고 샘플 후면에 대해 레이저 초점이 -240 ㎛(유리 내부)로부터 +80 ㎛(유리 외부)로 조정되었을 때와 유사한 조건으로 레이저 머시닝된 라인을 나타낸다. 본 실험에서, 정면에 가깝거나 정면 상의 스크라이브 라인은 후면에 가깝거나 후면 상의 스크라이브 라인과는 상이한 특성을 갖는다. 도 4의 일례를 다시 참조하면, 빔 허리에 가까운 일례의 빔 초점 볼륨 일정-강도 등고선(beam focal volume constant-intensity contours)이 도시되어 있는데, 축을 따라 변하는 직경을 갖는 오목한 형태(예를 들어, "덤벨"과 유사함)의 외부 등고선을 포함한다. 상이한 레이저 파라미터 및 포커싱 조건을 갖는 상이한 재료를 프로세싱할 때, 플루언스가 어블레이션 임계값을 초과하는 빔 내의 위치가 반드시 초점에 있는 것은 아니며, 외부 등고선 위치에 있을 수 있다. 따라서, 사용되는 초점 볼륨의 일부분을 기반으로, 상이한 변형 피처를 생성하기 위해 상이한 깊이로 빔 초점을 배치할 수 있어서, 머시닝된 피처의 깊이에 대해 향상된 제어를 야기한다. 본 일례에서, 빔 초점이 정면 가까이에 또는 정면 상에 있을 때 어블레이션 라인 가까이에서 크랙이 인지되었다. 후면의 경우, 이러한 크랙은 동일한 머시닝 조건 범위에서는 발생하지 않았다. 이는, 강화 유리 두께에 걸친 응력 분포가 대칭이 아님을 암시한다.
강화 유리 샘플은 약간 곡선이었다: 정면은 오목하고, 후면은 볼록하다. 이는 유리 롤링 프로세스에서 유도된 응력에 의해, 또는 유리 정면 및 후면 상의 균일하지 않은 강화 정도에 의해 야기될 수 있다. 어떠한 경우든, 깊이-스캔 노광(depth-scanning exposures)은, 강화 유리가 펨토세컨 레이저 표면 또는 내부 머시닝에서 부서지지 않음을 입증했다. 놀랍게도, 크랙은, 초점이 정면 아래 또는 정면 위에 있을 때만 나타나고, 정면상에 포커싱될 때는 나타나지 않는다. 임의의 특정 이론을 참조하지 않고, 빔이 정면 아래에 포커싱될 때, 소정의 재료 변형이 발생하고, 그 후 인장력을 해제하고 크랙을 생성하는 것이 가능하다. 그 후 표면은 어블레이션된다. +80 ㎛의 경우는 상이하다. 각종 파워에 의한 어블레이션 실험들은, 표면 상의 초점으로 이러한 크랙을 결코 야기할 수 없음을 보여주었다.
Figure 112010058119155-pct00010
스크라이브 및 브레이크
유리는 그 후 스크라이브 및 브레이크 프로세스에 대해 테스트되었다. 먼저, 20 mm/s 스캔 속도, 400 mW SHG 파워, 및 -30 ㎛의 레이저 초점으로 형성된 싱글 표면 어블레이션 라인이 사용되었다. 도 26b-1은 크랙 자취(좌) 및 표면 거칠기(우)를 갖는 유리의 브레이크면을 도시한다.
상이한 깊이의 다수의 스캔으로 크랙이 감소된다. 도 26b-2는 4개의 레이저 패스가 사용되었을 때 브레이크면을 도시한다: 각각, Z = -30 ㎛ 표면 어블레이션, -700 ㎛, -450 ㎛, -300 ㎛의 내부 마크. 내부 변형의 자취는 이러한 영상 내에서 검출되었다.
Figure 112010058119155-pct00011
동일선상의 이중 파장 스크라이브 및 브레이크
또한, 동일선상의 이중색 스크라이브가 강화 유리에 대해 테스트되었다. 광범위한 파워 조합(SHG 및 IR)이 조사되었다. 이하의 파라미터로 유리가 깨끗하게 브레이킹되었다:
레이저: IMRA FCPA μJewel D-1000
펄스 반복률: 100 ㎑
파장: SHG 및 IR
파워: 150 mW SHG, 및 460 mW IR
초점: 표면에서 IR, 표면 아래 ~200㎛에서 SHG
스캔 속도: 20 mm/s
도 26c는, 각각 5X 및 50X 현미경 대물 렌즈로 취해진, 동일선상의 이중 프로세스 후의 깨끗한 브레이킹을 도시한다. 상부 표면 손상이 최소였고, 크랙 사인이 관측될 수 없다(오른쪽 영상). 예상치 않은 다수의 수평 라인들이 브레이크의 하부 가까이에서 가시적이지만(왼쪽 영상), 프로세싱을 제한하지 않았다; 깨끗한 브레이킹이 획득되었다.
결과는, 동일선상의 초단파 펄스가 다초점 빔 제너레이터에서 사용되어, 기판 내에 다수의 피처들을 생성할 수 있으며, 깨끗한 분리가 달성될 수 있도록 강화 유리를 프로세싱할 수 있음을 설명한다. 또한, 패스의 수가 감소되어 총 속도가 증가될 수 있다.
B. 사파이어
실험이 사파이어에 대해서도 수행되었다. 두개의 개별 기판 피처들이 생성되었다. 그러나, 스크라이브 라인을 따른 성공적인 브레이크가 획득되지 않았다. 본 테스트 웨이퍼의 프로세싱은, 기판 피처의 크기에 비해, 대략 0.5 mm의 웨이퍼 두께로 제한될 수 있다. 이러한 큰 두께는 생성된 스크라이브 변형의 크기에는 과도한 것일 수 있다. 도 26d의 각각의 깊이의 두 라인들은 25㎛ 만큼 떨어져 있다. 상이한 깊이의 추가 동일선상의 스크라이브 패스는 수용할만한 클리브 결과를 제공할 것으로 예상된다.
실시예들 및 특징들
따라서, 발명자는 초단파 레이저에 의한 투명 재료 프로세싱을 위한 방법 및 시스템을 기술했고, 그로부터 아티클이 만들어졌다. 프로세스는, 커팅, 스크라이빙, 용접, 마킹, 및/또는 결합을 포함하지만, 이로만 제한되지는 않는다. 공간적 및 시간적 프로세싱의 각종 조합, 예를 들어, 순차적 또는 병렬 프로세싱이 사용될 수 있다.
적어도 하나의 실시예는 투명 재료를 스크라이빙하는 방법을 포함한다. 본 방법은 초단파 레이저 펄스의 포커싱된 빔의 싱글 스캔을 사용해서, 재료의 표면 그루브 및 재료의 벌크 내의 적어도 하나의 변형된 영역을 동시에 생성하는 단계를 포함한다.
적어도 하나의 실시예는, 투명 재료를 스크라이빙하는 방법을 포함한다. 본 방법은 초단파 레이저 펄스의 포커싱된 빔의 싱글 스캔을 사용해서, 재료의 벌크 내에 복수의 변형 영역을 동시에 생성하는 단계를 포함한다.
적어도 하나의 실시예는, 초단파 레이저 펄스의 포커싱된 빔의 싱글 스캔에 의해 깊이 방향으로 두개 이상의 포인트들에서 스크라이빙된 투명 재료를 생성한다.
적어도 하나의 실시예는 투명 재료를 용접하는 방법을 포함한다. 본 방법은 초단파 레이저 펄스의 빔을 재료들 간의 인터페이스 가까이에 포커싱하는 단계와, 인터페이스에서 재료의 국부적 용해를 유도하기에 충분한 1 이상의 플루언스 존들 및 반복률로 초단파 레이저 펄스를 생성하는 단계를 포함한다.
적어도 하나의 실시예는 투명 재료를 용접하는 방법을 포함한다. 본 방법은 초단파 레이저 펄스의 빔을 재료들 간의 인터페이스 가까이에 향하게 하여, 빔의 적어도 하나의 고 강도 영역에 근접한 에너지의 비선형 흡수를 유도하고, 재료의 국부적 용해를 야기하기에 충분한 반복 펄스를 갖는 영역에서 열을 디포짓 및 축적하는 단계를 포함한다.
적어도 하나의 실시예는, 용접될 두 반대 표면들 간의 인터페이스에서 상승 리지를 생성하여, 용접만으로는 브리지될 수 없는 갭을 채우는 방법을 포함한다. 본 방법은 리지가 형성될 반대 표면들 중 한 표면의 아래에 또는 양 표면들 모두의 아래에 초단파 레이저 펄스를 포커싱하여, 리지를 상승시키는 단계와, 그 후 상승 리지와 반대 표면 또는 리지를 레이저 용접하는 단계를 포함한다.
적어도 하나의 실시예는 투명 재료를 용접하는 광 시스템을 포함한다. 본 시스템은 펨토세컨 내지 피코세컨의 초단파 레이저 펄스의 빔을 생산하는 레이저 시스템과, 재료들 간의 인터페이스 가까이에 빔을 포커싱하는 포커싱 소자를 포함하는데, 레이저 시스템은 펄스 반복률을 가지며, 펄스는 보다 높은 플루언스의 존을 갖는데, 이는 인터페이스에서 재료들의 국부적 용해를 유도하기에 누적으로 충분하다.
적어도 하나의 실시예는 재료를 용접하는 광 시스템을 포함한다. 본 시스템은 초단파 레이저 펄스의 빔을 생산하는 레이저 시스템과, 재료들 간의 인터페이스 가까이에 빔을 포커싱하는 포커싱 소자를 포함한다. 인터페이스에서, 빔은 재료를 어블레이션하기에 불충분한 강도를 가지지만, 레이저 시스템은 인터페이스에서 재료들의 국부적 용해를 누적으로 유도하기에 충분히 높은 펄스 반복률을 갖는다. 재료중 적어도 하나는 레이저 시스템의 파장에 투명하다.
적어도 하나의 실시예는 투명 재료를 용접하는 방법을 포함한다. 본 방법은 초단파 레이저 펄스의 빔을 재료들 간의 인터페이스 가까이에 향하게 하고, 재료의 바디(body) 내에 하나 이상의 고 강도 영역의 형성 및 공간 위치를 광학적으로 제어해서, 존 또는 존들 내에서만 재료를 용해하도록 유도하는 단계를 포함한다.
적어도 하나의 실시예는 투명 재료의 표면 아래에 레이저-변형 피처의 패턴을 생성하는 방법을 포함한다. 본 방법은: 타이트하게 포커싱된 초단파 레이저 펄스를 사용해서 재료 내에 상이한 깊이의 복수의 라인들을 형성하는 단계와; 레이저의 파라미터를 제어함으로써 라인의 거칠기를 제어하는 단계와; 라인에 대체로 수직으로 전파하는 광을 사용해서 라인을 조명하는 단계를 포함한다.
각종 실시예에서,
패턴은 수직으로부터 조명될 때 육안으로 명백히 보이지만, 주변 광에서는 육안으로 실질적으로 보이지 않는다.
조명 단계는, 라인 상에 포커싱된 광원을 향하게 함으로써 또는 패턴을 효율적으로 조명하도록 선택된 출력 개구수로 광 도파관을 통해 라인에 광을 향하게 함으로써 수행된다.
라인들 중 상이한 라인들은 서로에 대해 정의된 각도에 있으며, 조명 단계는 복수의 소스로부터 라인에 광을 향하게 함으로써 수행되는데, 각 소스는 라인의 부집합에 대체로 수직인 방향으로 광을 향하게 한다.
초단파 펄스의 펄스 폭은 대략 1 ns 미만이고, 투명 재료는 투명 중합체를 포함한다.
타이트하게 포커싱된 초단파 펄스 내의 총 에너지는 대략 20 μJ 미만이다.
제어는 산란 콘트라스트 및 산란 각도 중 적어도 하나의 조정을 포함한다.
투명 재료는 폴리카보네이트를 포함하고, 타이트하게 포커싱된 초단파 펄스는 대략 1 ps 미만의 펄스 폭을 가지며, 펄스 에너지는 대략 1 μJ 미만이다.
초단파 펄스와 재료 간의 상대 이동이 야기되고; 본 방법은 패턴의 단면 면적이 조명 방향을 따르는 것에 비해 뷰잉 방향을 따라 더 작도록 상기 레이저 및 상기 이동의 파라미터를 제어함으로써 상기 라인의 깊이 대 폭 애스팩트비를 제어하는 단계를 포함한다.
적어도 하나의 실시예는 개별 라인들의 폭, 길이 및 평활성과, 마킹을 구성하는 라인들의 밀도를 제어함으로써 투명 재료의 레이저-유도 부표면 마킹의 가시성을 제어하는 방법을 포함한다.
적어도 하나의 실시예는 레이저에 의해 형성된 부표면 마킹의 패턴을 갖는 재료를 생산하는데, 마킹은 재료 내에서 상이한 깊이의 라인들로 형성되고, 라인들은 라인에 대체로 수직으로 향해진 광원으로 조명될 때만 육안으로 실질적으로 볼 수 있다.
적어도 하나의 실시예는 제어된 조사에 응답해서 검출 가능한 공간 패턴을 생성하는 디바이스를 포함한다. 본 디바이스는: 적어도 하나의 피처가 형성되어 있는 실질적으로 투명한 매체를 포함하며, 적어도 하나의 피처는 조사 방향을 따라 입사된 제어된 조사에 응답해서 검출 방향을 따라 검출 가능한 방사를 생산하기 위한 물리적 속성과, 깊이, 폭을 가지며, 검출 가능한 방사는 공간 패턴을 나타낸다. 적어도 물리적 속성은 원하지 않은 방사에 응답해서 검출 방향을 따르는 검출을 실질적으로 제한한다.
각종 실시예에서:
디바이스는 패턴에 대응하는 기하학 형태를 채우는 피처를 포함한다.
디바이스는, 하나 이상의 검출 가능한 공간 패턴이 깊이 방향 제어 방사에 응답해서 생성되도록 매체 내에 상이한 깊이로 형성된 피처를 포함함으로써, 스위치 가능한 공간 패턴을 제공한다.
디바이스는, 투명 재료의 다수의 층들을 포함하며, 깊이 방향 제어 방사는 층 내의 또는 층에 근접한 피처만을 조사하도록 층 내의 내부 전반사에 의해 제약된다.
제어된 조사의 적어도 일부는 적어도 제2 방향을 따라 입사되며, 피처는 다수의 배향들로 형성된다.
디바이스는 적어도 하나의 소스로부터 방사를 수신하고 제어된 조사를 야기하도록 제1 방향을 따라 방사를 가이드하도록 구성된 디바이스 내의 적어도 하나의 영역을 포함한다.
깊이 대 폭의 비율은 대략 10 보다 크다.
디바이스는 유연성 및 실질적으로 부서지지 않는 속성 중 적어도 하나를 갖는 재료를 포함한다.
매체는 두개 이상의 상이한 투명 재료를 포함하며, 적어도 하나의 재료는 유연성 및 실질적으로 부서지지 않는 속성 중 적어도 하나를 갖는다.
디바이스의 적어도 일부는 중합체를 포함한다.
디바이스의 적어도 일부는 폴리카보네이트를 포함한다.
적어도 하나의 피처는 하나 이상의 포커싱된 초단파 레이저 펄스를 사용해서 형성된다.
피처는 어레이로서 형성되고, 어레이는 공간 패턴을 투영하도록 선택적으로 조사된다.
피처는 어레이를 형성하고, 어레이의 소자들로부터의 검출 가능한 방사는 조사 또는 물리적 속성 중 적어도 하나의 결과로서 변하며, 패턴은 그레이 스케일 패턴에 대응한다.
적어도 하나의 실시예는 투명 재료의 표면 아래에 레이저-변형 피처의 패턴을 생성하는 시스템을 포함한다. 본 시스템은: 대략 10 fs 내지 대략 500 ps 범위의 펄스 폭을 갖는 펄스를 생산하는 레이저 서브시스템을 포함한다. 재료와 관련해서 펄스를 포지셔닝하는 포지셔닝 시스템이 포함되고, 펄스를 포커싱하고 재료 내에 적어도 하나의 피처를 형성하는 광 시스템이 포함된다. 적어도 하나의 피처는, 제1 조사 방향을 따라 입사된 제어된 조사에 응답해서 검출 방향을 따라 검출 가능한 방사를 생성하기 위한 물리적 속성과, 깊이, 폭을 갖는다.
각종 실시예에서:
펄스는 대략 100 fs 내지 200 ps 범위의 펄스 폭을 가지며, 레이저 소스는 FCPA(fiber-based chirped pulse amplifier) 시스템을 포함한다.
적어도 하나의 실시예는 제어된 조사에 응답해서 검출 가능한 공간 패턴을 생성하는 디바이스와; 적어도 하나의 검출 가능한 공간 패턴을 형성하도록 디바이스를 선택적으로 조사하는 일루미네이터를 갖는 시스템을 포함한다.
각종 실시예에서:
선택적으로 조사하는 수단은 복수의 방사 소스를 포함한다.
조사 수단은 길게 된 빔을 생성하고 제1 조사 방향을 따라 길게 된 빔을 투영하기 위한 비구면 광 컴포넌트를 포함한다.
시스템은 검출 방향을 따라 배치된 검출 시스템을 포함한다.
조사 수단은 디바이스의 적어도 일부를 선택적으로 조사하는 스캔 메카니즘을 포함한다.
적어도 하나의 실시예는 투명 재료의 변형을 위한 레이저 기반 시스템을 포함한다. 본 시스템은: 펄스 레이저 출력을 생성하는 펄스 레이저 장치와, 출력을 수신하는 다초점 빔 제너레이터를 포함한다. 제너레이터는 출력을 사용해서 복수의 포커싱된 빔들을 형성하도록 구성되는데, 각 포커싱 빔은 빔 허리를 가지며, 빔 허리는 재료에 대해 깊이 방향으로 스페이싱되고, 복수의 포커싱된 빔의 적어도 하나의 빔 허리는 재료 내에 있으며, 재료의 변형을 야기한다. 이동 시스템이 재료와 포커싱된 빔 간의 상대 이동을 야기하도록 포함된다. 제어기는 펄스 레이저 장치 및 이동 시스템에 연결되고, 복수의 포커싱된 빔이 상대 이동 중에 형성되도록 시스템을 제어한다.
각종 실시예에서:
다초점 빔 제너레이터는 파장 변환기를 포함하고, 포커싱된 빔은 다수의 파장들을 포함한다.
제1 파장은 IR 파장이고, 제2 파장은 재료의 흡수 에지 보다 더 긴 가시적 또는 근자외선 파장이다.
다초점 빔 제너레이터는 편광 소자를 포함하고, 포커싱된 빔은 다수의 편광을 포함한다.
편광은 원형 편광이다.
깊이 방향으로 스페이싱된 빔 허리는 포커싱된 빔의 전파 방향을 따라 동일선상의 위치에 형성된다.
복수의 포커싱된 빔은 조사 시간 간격 중에 형성되고, 시간 간격 중의 상대 이동은 포커싱된 빔의 대략 빔 허리 직경보다 짧은 상대 변위(relative displacement)를 야기한다. 깊이 방향으로 스페이싱된 빔 허리는 대략 표면에 수직인 방향을 따라 형성되고, 국부적 영역 내에서 표면에 대해 대략 수직인 면의 일부에 대응한다.
포커싱된 빔은 대략 10 ns 미만의 조사 시간 간격 중에 형성되고, 상대 이동은 대략 1 mm/초 내지 대략 10 m/초의 범위의 속도를 포함한다.
적어도 하나의 생성된 펄스 출력은 대략 10 fs 내지 100 ps의 범위의 펄스 폭을 갖는 레이저 펄스를 포함한다.
다초점 빔 제너레이터는 다수의 광 경로들을 따라 빔을 전파하도록 구성된 빔 분할기 및 빔 결합기와, 빔의 초점을 제어하고 깊이 방향으로 스페이싱된 빔 허리를 형성하도록 구성된 포커싱 소자를 포함한다.
시스템은 빔 편향기(beam deflector)를 포함하고, 시스템은 재료와 빔 편향기 사이에 배치된 스캔 렌즈를 포함한다.
펄스 레이저 장치는 대략 10 ㎑ 내지 100 ㎒의 범위의 반복률로 레이저 출력 펄스를 생성하고, 다초점 빔 제너레이터는 반복률로 복수의 포커싱된 빔을 형성하도록 구성된다.
다초점 빔 제너레이터는 적어도 두개의 깊이 방향으로 스페이싱된 빔 부분들을 형성하는 DOE(diffractive optical element)를 포함한다.
적어도 하나의 실시예는 재료의 변형을 위한 레이저 기반 방법을 포함한다. 본 방법은: 펄스 레이저 빔을 생성하는 단계와; 복수의 포커싱된 펄스 빔을 형성하는 단계 - 각 빔은 빔 허리를 가지며, 빔 허리는 재료에 대해 깊이 방향으로 스페이싱되고, 빔 허리들 중 적어도 하나는 재료 내에 있음 - 와, 적어도 하나의 부표면 피처를 생성하는 재료 내의 재료 변형을 야기하는 단계를 포함한다. 본 방법은 재료와 포커싱된 빔 간의 상대 이동을 야기하는 단계를 포함한다. 본 방법은 복수의 포커싱된 펄스 빔이 이동 중에 형성되도록 형성 및 이동을 제어하는 단계를 포함한다.
각종 실시예에서:
적어도 하나의 부표면 피처가 형성되고, 상기 피처는 적어도 길게 된 형태 또는 원형 형태를 포함한다.
피처는 기계적 분리 프로세스 중에 재료의 깨끗한 분리를 야기하는 깊이 방향 스페이싱으로 형성된다.
재료는 강화 유리를 포함한다.
재료는 사파이어 또는 반도체를 포함하고, 포커싱된 펄스 빔은 재료가 크게 투과되는 파장을 포함한다.
피처는 재료의 표면 일부 및 부표면 일부를 모두 변형해서 형성된다.
적어도 하나의 포커싱된 펄스 빔은 대략 100 ps 미만의 펄스 폭을 갖는 펄스를 포함한다.
적어도 하나의 포커싱된 빔은 재료 내에 대략 1 J/㎠ 내지 150 J/㎠ 의 범위의 플루언스를 생성한다.
적어도 하나의 실시예는 재료 변형을 위한 레이저 기반 방법을 포함한다. 본 방법은, 펄스와 재료 간의 제어된 상대 이동 중에, 재료에 대해 깊이 방향으로 공간 배열을 갖는 다수의 피처들을 형성하도록 동일선상의 방향을 따라 복수의 레이저 빔을 포커싱 및 전달하는 단계를 포함한다.
각종 실시예에서:
공간 배열은 분리 프로세스 중에 재료의 깨끗한 분리를 제공하도록 미리 선택된다.
적어도 하나의 실시예는, 레이저 기반 재료 변형의 상기 방법에 의해 생성된 아티클을 포함하며, 아티클의 재료 일부를 획득하도록 재료를 분리하는 추가 단계를 갖는다.
적어도 하나의 실시예는 재료의 변형을 위한 레이저 기반 시스템을 포함한다. 본 시스템은: 펄스 레이저 빔을 생성하는 펄스 레이저 장치와; 재료에 대해 깊이 방향으로 스페이싱된 복수의 포커싱된 펄스 빔을 형성하는 수단을 포함하는데, 복수의 포커싱된 펄스 빔 중 적어도 하나는 재료 내에 형성된 빔 허리를 가지며, 적어도 하나의 부표면 피처를 생성하는 재료 내에서 재료 변형을 야기한다. 본 시스템은 또한 재료와 포커싱된 빔 간의 상대 이동을 야기하는 수단을 포함한다. 제어기가 복수의 포커싱된 펄스 빔이 상대 이동 중에 형성되도록 형성 및 이동을 제어하기 위해 포함된다.
각종 실시예에서:
복수의 빔이 동시에 형성된다.
제어기는 다초점 빔 제너레이터에 연결된다. 제어기는 편광, 파장, 플루언스, 및 빔 허리 위치 중 적어도 하나를 제어하도록 구성된다.
빔 허리는 빔 허리 직경 보다 작은 깊이 방향 간격으로 형성된다.
다수의 부표면 피처는 재료에 대해 깊이 방향을 따라 공간적 오버랩을 갖도록 형성된다.
포커싱 및 전달은 동시에 피처를 형성한다.
적어도 하나의 실시예에서, 복수의 깊이 방향으로 포커싱된 빔은 스크라이빙 및 브레이킹 프로세스에서 사용된다.
적어도 하나의 실시예에서, 복수의 깊이 방향으로 포커싱된 빔은 투명 재료 마킹을 위한 프로세스에서 사용된다.
적어도 하나의 실시예에서, 복수의 깊이 방향으로 포커싱된 빔은 용접 또는 결합 프로세스에서 사용된다.
적어도 하나의 실시예에서, 다초점 빔 제너레이터는 파장 변환기 및 편광 소자를 포함하고, 상이한 위치 또는 깊이에서 포커싱된 다수의 파장 및 다수의 편광 모두를 포함하는 포커싱된 빔을 형성하도록 구성된다.
적어도 하나의 실시예는 투명 재료의 표면 아래에 레이저-변형 피처의 패턴을 생성하는 방법을 포함한다. 본 방법은 타이트하게 포커싱된 초단파 레이저 펄스를 사용해서 재료 내에 상이한 깊이의 복수의 라인들을 형성하는 단계와, 적어도 하나의 라인이 강한 정반사 컴포넌트(strong specular reflection component)를 갖는 확장된 평면 영역을 포함하도록 레이저 파라미터를 제어하는 단계를 포함한다.
각종 실시예에서, 대략 300 fs 내지 25 ps의 범위의 펄스 폭이 반사 마크를 형성하는데 사용된다.
따라서, 본 발명은 레이저, 예를 들어, 초고속 펄스 레이저에 의해 형성된 부표면 마킹의 패턴을 갖는 투명 재료를 제공하는데, 마킹은 재료 내에서 상이한 깊이의 라인들로 형성되며, 라인은 라인에 대체로 수직으로 향해진 광원으로 조명될 때만 육안으로 실질적으로 볼 수 있다.
따라서, 특정 실시예만이 본 명세서에 특별히 기술되었지만, 본 발명의 사상 및 범위에서 벗어나지 않고 다수의 변형이 이루어질 수도 있음이 명백하다. 또한, 머리글자어(acronyms)는 단지 명세서 및 청구항을 읽기 쉽게 하기 위해 사용된 것이다. 이러한 머리글자어는 사용된 용어의 일반성(generality)을 감소시키는 의도가 아니며 본 명세서에 기술된 실시예로 청구항의 범위를 제한하도록 해석되어서는 안됨을 주지해야만 한다.

Claims (63)

  1. 투명 재료의 변형(modification)을 위한 레이저 기반 시스템으로서,
    10 fs 내지 100 ps의 범위의 펄스 폭을 갖는 적어도 하나의 펄스를 포함하는 펄스 레이저 출력(pulsed laser output)을 생성하는 펄스 레이저 장치,
    상기 출력을 수신하는 다초점 빔 제너레이터 - 상기 제너레이터는 상기 펄스 레이저 출력을 사용해서 복수의 포커싱된 빔들을 형성하도록 구성되며, 각각의 포커싱된 빔은 빔 허리(beam waist)를 가지며, 상기 빔 허리는 상기 재료에 대해 깊이 방향으로 스페이싱되고(spaced), 상기 복수의 포커싱된 빔들의 적어도 하나의 빔 허리는 상기 재료 내에 있고 상기 재료의 변형을 야기하며, 상기 복수의 포커싱된 빔들은 상이한 광 경로들에서 생성된 상이한 편광들 또는 상이한 파장들을 포함함 -,
    상기 재료와 상기 포커싱된 빔들 간의 상대 이동을 야기하는 이동 시스템(motion system), 및
    상기 펄스 레이저 장치 및 상기 이동 시스템에 연결되고, 상기 복수의 포커싱된 빔들이 상기 상대 이동 중에 형성되도록 상기 시스템을 제어하는 제어기 - 상기 제어기는 상기 다초점 빔 제너레이터에 연결되고, 상기 제어기 및 상기 다초점 빔 제너레이터는 상기 포커싱된 빔들의 편광, 파장, 플루언스(fluence), 및 빔 허리 위치 중 적어도 하나를 제어하도록 구성됨 -
    를 포함하고,
    상기 상이한 편광들 또는 상이한 파장들을 갖는 깊이 방향으로 분리된 포커싱된 펄스 빔들은 상기 이동 중에 상기 재료에 동시에 전달되며,
    상기 복수의 포커싱된 빔들은 상기 재료 상에서 또는 내에서 복수의 피처들(features)을 형성하며, 각각의 상기 피처는 타이트한(tight) 포커싱과 연관된 점 형상 피처(dot shaped feature)로부터 큰 깊이 대 폭의 종횡비(aspect ratio of depth to width)를 갖는 길게 된(elongated) 피처들에 이르는 제어된 세로방향의 길이(longitudinal span) 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 기반 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다초점 빔 제너레이터는 파장 변환기를 포함하고, 상기 포커싱된 빔들은 상기 파장 변환기를 통해 생성되는 다수의 파장들을 포함하는 레이저 기반 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 다수의 파장들 중 하나의 파장은 적외선 파장이고, 상기 다수의 파장들 중 또 다른 하나의 파장은 상기 재료의 흡수 에지보다 더 긴 가시적 또는 근자외선 파장인 레이저 기반 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다초점 빔 제너레이터는 편광 소자들을 포함하고, 상기 포커싱된 빔들은 상기 편광 소자들을 통해 생성되는 다수의 편광을 포함하는 레이저 기반 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 편광들은 원형 편광을 포함하는 레이저 기반 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 깊이 방향으로 스페이싱된 빔 허리들은 상기 포커싱된 빔들의 전파 방향을 따라 동일선상의 위치에 형성되는 레이저 기반 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 포커싱된 빔들은 소정의 시간 기간 동안 형성되고, 상기 시간 기간 중의 상대 이동은 포커싱된 빔의 빔 허리 직경보다 짧은 상대 변위(relative displacement)를 야기하며, 상기 깊이 방향으로 스페이싱된 빔 허리들은 상기 재료의 표면에 수직인 방향을 따라 형성되고, 국부적 영역 내에서 상기 표면에 대해 수직인 면의 일부에 대응하는 레이저 기반 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 포커싱된 빔들은 0 ns 초과 10 ns 미만의 시간 기간 동안 형성되고, 상기 상대 이동은 1 mm/초 내지 10 m/초의 범위의 속도를 포함하는 레이저 기반 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 다초점 빔 제너레이터는 다수의 광 경로들을 따라 빔들을 전파하도록 구성된 빔 분할기들 및 빔 결합기들과, 상기 빔들의 초점을 제어하고 상기 깊이 방향으로 스페이싱된 빔 허리들을 형성하도록 구성된 포커싱 소자들을 포함하는 레이저 기반 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 시스템은 빔 편향기(beam deflector)를 포함하고, 상기 시스템은 상기 재료와 상기 빔 편향기 사이에 배치된 스캔 렌즈를 포함하는 레이저 기반 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 펄스 레이저 장치는 10 ㎑ 내지 100 ㎒의 범위의 반복률로 레이저 출력 펄스들을 생성하고, 상기 다초점 빔 제너레이터는 상기 반복률로 상기 복수의 포커싱된 빔들을 형성하도록 구성되는 레이저 기반 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 빔들은 동시에 형성되는 레이저 기반 시스템.
  13. 삭제
  14. 제1항에 있어서,
    상기 다초점 빔 제너레이터는 파장 변환기 및 편광 소자들(polarizing elements)을 포함하고, 상이한 위치 또는 깊이로 포커싱된 다수의 파장 및 다수의 편광 양쪽 모두를 포함하는 포커싱된 빔들을 형성하도록 구성되는 레이저 기반 시스템.
  15. 재료의 변형을 위한 레이저 기반 방법으로서,
    펄스 레이저 입력 빔을 생성하는 단계 - 상기 펄스 레이저 입력 빔은 0 ps 초과 100 ps 미만의 펄스 폭을 가짐 -;
    상기 펄스 레이저 입력 빔으로부터 상이한 편광들 또는 상이한 파장들을 갖는 복수의 포커싱된 펄스 빔들을 형성하는 단계 - 상기 형성하는 단계는, 적어도 두 개의 각자의 빔 경로에서 전파되는 적어도 두 개의 펄스 빔을 형성하기 위해 상기 펄스 레이저 입력 빔을 공간적으로 분리하는 단계; 및 통상의 전파 경로를 따라 복수의 동일선상의 빔들을 형성하기 위해 상기 적어도 두 개의 빔을 결합하고, 상기 적어도 두 개의 펄스 빔을 포커싱하는 단계를 포함하며, 각각의 포커싱된 펄스 빔은 빔 허리를 가지며, 상기 포커싱된 펄스 빔들의 각자의 빔 허리들은 상기 재료에 대해 상기 통상의 전파 경로를 따라 깊이 방향으로 분리되고 스페이싱되며, 상기 포커싱된 펄스 빔들의 상기 빔 허리들 중 적어도 하나는 상기 재료 내에 있으며 적어도 하나의 부표면 피처(sub-surface feature)를 생성하는 상기 재료 내의 재료 변형을 야기함 -;
    상기 재료와 상기 포커싱된 빔들 간의 상대 이동을 야기하는 단계; 및
    상기 포커싱된 펄스 빔들의 편광, 파장, 플루언스(fluence), 및 빔 허리 위치 중 적어도 하나를 제어하여, 상기 상이한 편광들 또는 파장들을 갖는 상기 복수의 동일선상의, 깊이 방향으로 분리된 포커싱된 펄스 빔들이 상기 이동 중에 상기 재료에 동시에 전달되도록 상기 복수의 포커싱된 펄스 빔들의 형성 및 상기 재료와 상기 포커싱된 펄스 빔들 간의 상대 이동을 제어하는 단계
    를 포함하는 레이저 기반 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    적어도 하나의 부표면 피처가 형성되고, 상기 피처는 길게 된 형태(elongated shape) 또는 원형 형태 중 적어도 하나를 포함하는 레이저 기반 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    피처들이 기계적 분리 프로세스 중에 상기 재료의 깨끗한 분리(clean separation)를 야기하는 깊이 방향 스페이싱으로 형성되는 레이저 기반 방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 재료는 강화 유리를 포함하는 레이저 기반 방법.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 재료는 사파이어 또는 반도체를 포함하고, 상기 포커싱된 펄스 빔들은 상기 재료가 크게 전도되는(transmissive) 파장을 포함하는 레이저 기반 방법.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 피처들은 형성되어 상기 재료의 표면 부분 및 부표면 부분 양쪽 모두를 변형하는 레이저 기반 방법.
  21. 제15항에 있어서,
    적어도 하나의 포커싱된 빔은 상기 재료 내에 1 J/㎠ 내지 150 J/㎠의 범위의 플루언스를 생성하는 레이저 기반 방법.
  22. 제15항에 있어서,
    상기 빔 허리들은 빔 허리 직경보다 작은 깊이 방향 간격으로 형성되는 레이저 기반 방법.
  23. 제15항에 있어서,
    상기 재료에 대해 깊이 방향을 따라 공간 오버랩된 다수의 부표면 피처가 형성되는 레이저 기반 방법.
  24. 제15항에 있어서, 상기 재료 변형은 투명 재료 내에 형성된 부표면 마크들을 포함하는 레이저 기반 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 부표면 마크들은 반사 마크들을 포함하는 레이저 기반 방법.
  26. 제15항에 있어서, 상기 레이저 기반 방법은 투명 재료들을 용접, 결합 또는 본딩하는 레이저 기반 방법.
  27. 제15항에 있어서, 상기 레이저 기반 방법은 투명 재료를 스크라이빙하는 레이저 기반 방법.
  28. 제27항에 있어서, 상기 재료 변형은 동시에 생성된 스크라이빙 피처들을 포함하며, 상기 스크라이빙 피처들은 상기 재료의 표면 위 및 상기 재료의 벌크 내 양쪽 모두에 위치하는 레이저 기반 방법.
  29. 제15항에 있어서, 상기 레이저 기반 방법은 투명 재료를 절단하는 레이저 기반 방법.
  30. 재료의 변형을 위한 레이저 기반 시스템으로서,
    입력 빔을 생성하는 펄스 레이저 - 상기 펄스 레이저의 입력 빔은 0 ps 초과 100 ps 미만의 펄스 폭을 가짐 -,
    상기 펄스 레이저의 입력 빔으로부터 상이한 편광들 또는 상이한 파장들을 갖는 복수의 포커싱된 펄스 빔들을 형성하는 수단 - 상기 수단은, 적어도 두 개의 각각의 빔 경로에서 전파되는 적어도 두 개의 펄스 빔을 형성하기 위해 상기 펄스 레이저의 입력 빔을 공간적으로 분리하기 위한 빔 분리기, 및 통상의 전파 경로를 따라 복수의 동일선상의 빔들을 형성하기 위해 상기 적어도 두 개의 빔을 결합하기 위한 빔 결합기 및 상기 적어도 두 개의 펄스 빔을 포커싱하기 위한 적어도 하나의 광학 요소를 포함하며, 각각의 포커싱된 펄스 빔은 빔 허리를 가지며, 상기 포커싱된 펄스 빔들의 각자의 빔 허리들은 상기 재료에 대해 상기 통상의 전파 경로를 따라 깊이 방향으로 분리되고 스페이싱되며, 상기 포커싱된 펄스 빔들의 상기 빔 허리들 중 적어도 하나는 상기 재료 내에 있으며 적어도 하나의 부표면 피처(sub-surface feature)를 생성하는 상기 재료 내의 재료 변형을 야기함 -,
    상기 재료와 상기 포커싱된 펄스 빔들 간의 상대 이동을 야기하기 위한 수단 - 상기 수단은 병진 스테이지(translation stage) 또는 빔 편향기 중 하나 또는 양쪽 모두를 포함함 -, 및
    상기 상이한 편광들 또는 파장들을 갖는 상기 복수의 동일선상의, 깊이 방향으로 분리된 포커싱된 펄스 빔들이 상기 이동 중에 상기 재료에 동시에 전달되는 방식으로 상기 형성하는 수단 및 상기 이동을 야기하기 위한 수단을 제어하기 위한 제어기 - 상기 제어기는 상기 형성하는 수단에 연결되고, 상기 포커싱된 펄스 빔들의 편광, 파장, 플루언스(fluence), 및 빔 허리 위치 중 적어도 하나를 제어하도록 구성됨 -
    를 포함하는 레이저 기반 시스템.
  31. 제1항에 있어서, 상기 시스템은 투명 재료 내에 부표면 마크들을 생성하도록 구성된 레이저 기반 시스템.
  32. 제31항에 있어서, 상기 부표면 마크들은 반사 마크들을 포함하는 레이저 기반 시스템.
  33. 제1항에 있어서, 상기 시스템은 투명 재료들을 용접, 결합 또는 본딩하도록 구성된 레이저 기반 시스템.
  34. 제1항에 있어서, 상기 시스템은 레이저 스크라이빙하도록 구성된 레이저 기반 시스템.
  35. 제34항에 있어서, 스크라이빙 피처들은 동시에 생성되고 상기 재료의 표면 위 및 상기 재료의 벌크 내 양쪽 모두에 위치하는 레이저 기반 시스템.
  36. 제1항에 있어서, 상기 시스템은 투명 재료를 절단하도록 구성된 레이저 기반 시스템.
  37. 투명 재료의 변형(modification)을 위한 레이저 기반 시스템으로서,
    10 fs 내지 100 ps의 범위의 펄스 폭을 갖는 적어도 하나의 펄스를 포함하는 펄스 레이저 출력(pulsed laser output)을 생성하는 펄스 레이저 장치,
    상기 출력을 수신하는 다초점 빔 제너레이터 - 상기 다초점 빔 제너레이터는 상기 펄스 레이저 출력을 사용해서 복수의 포커싱된 빔들을 형성하도록 구성되며, 각각의 포커싱된 빔은 빔 허리(beam waist)를 가지며, 상기 빔 허리는 상기 재료에 대해 깊이 방향으로 스페이싱되고(spaced), 상기 복수의 포커싱된 빔들의 적어도 하나의 빔 허리는 상기 재료 내에 있고 상기 재료의 변형을 야기하며, 상기 복수의 포커싱된 빔들은 상이한 광 경로들에서 생성된 상이한 편광들 또는 상이한 파장들을 포함하고, 상기 다초점 빔 제너레이터는 파장 변환기 및 편광 소자들(polarizing elements)을 포함하고, 상이한 위치 또는 깊이로 포커싱된 다수의 파장 및 다수의 편광 양쪽 모두를 포함하는 포커싱된 빔들을 형성하도록 구성됨 -,
    상기 재료와 상기 포커싱된 빔들 간의 상대 이동을 야기하는 이동 시스템(motion system), 및
    상기 펄스 레이저 장치 및 상기 이동 시스템에 연결되고, 상기 복수의 포커싱된 빔들이 상기 상대 이동 중에 형성되도록 상기 시스템을 제어하는 제어기
    를 포함하고,
    상기 상이한 편광들 및 상이한 파장들을 갖는 깊이 방향으로 분리된 포커싱된 펄스 빔들은 상기 이동 중에 상기 재료에 동시에 전달되는 것을 특징으로 하는 레이저 기반 시스템.
  38. 제37항에 있어서,
    상기 다초점 빔 제너레이터는 빔 분할기들 및 빔 결합기들과, 상기 빔들의 초점을 제어하고 상기 깊이 방향으로 스페이싱된 빔 허리들을 형성하도록 구성된 포커싱 소자들을 포함하는 레이저 기반 시스템.
  39. 삭제
  40. 제37항에 있어서,
    복수의 상기 상이한 파장들 중 하나의 파장은 적외선 파장이고, 복수의 상기 상이한 파장들 중 또 다른 하나의 파장은 상기 재료의 흡수 에지보다 더 긴 가시적 또는 근자외선 파장인 레이저 기반 시스템.
  41. 제40항에 있어서,
    상기 상이한 광 경로들 중 적어도 하나는 근적외선 파장을 상기 가시 또는 근자외선 파장으로 변환하는 고조파 제너레이터를 포함하는 레이저 기반 시스템.
  42. 제37항에 있어서,
    상기 상이한 편광들은 상기 포커싱된 펄스 빔들에 대한 상기 재료의 미리 결정된 이동 방향에 대한 평행 또는 수직 편광들을 포함하는 레이저 기반 시스템.
  43. 제30항에 있어서,
    상기 펄스 폭은 0 ps 초과 10 ps 이하이고, 적어도 하나의 포커싱된 빔 허리는 1 J/㎠ 내지 100 J/㎠의 범위 내의 플루언스(fluence)를 제공하는 레이저 기반 시스템.
  44. 제30항에 있어서,
    적어도 하나의 포커싱된 빔 허리는 100 nJ 내지 100 μJ의 범위 내의 펄스 에너지를 제공하는 레이저 기반 시스템.
  45. 제30항에 있어서,
    상기 펄스들의 적어도 일부는 100 kHz 내지 5 MHz의 범위 내의 반복률로 생성되는 레이저 기반 시스템.
  46. 제30항에 있어서,
    상기 형성하는 수단은 다수의 광 경로들을 따라 빔들을 전파하도록 구성된 빔 분할기들 및 빔 결합기들과, 상기 빔들의 초점을 제어하고 상기 깊이 방향으로 스페이싱된 빔 허리들을 형성하도록 구성된 포커싱 소자들을 포함하는 레이저 기반 시스템.
  47. 제30항에 있어서,
    상기 재료 변형은 투명 재료를 스크라이빙, 마킹, 용접, 접합하는 것으로부터 초래되는 레이저 기반 시스템.
  48. 삭제
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