KR101753184B1 - 투명 재료 내에 레이저 필라멘테이션을 형성하기 위한 시스템 - Google Patents

투명 재료 내에 레이저 필라멘테이션을 형성하기 위한 시스템 Download PDF

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압바스 호세이니 에스.
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Abstract

투명 재료들 내에 연속 레이저 필라멘트들을 형성하기 위한 시스템들과 방법들이 설명된다. 초고속 레이저 펄스들의 버스트는 빔 웨이스트가 외부 플라스마 채널 없이 가공되는 재료 외부에 형성되는 것과 같이 초점이 맞춰지고,재료 내에 광학적 파괴를 야기하지 않고, 연속적인 필라멘트의 형성을 제공하기 위하여 재료 내의 확장된 영역 내에 충분한 에너지밀도가 형성된다. 이러한 방법에 따라 형성되는 필라멘트들은 10 ㎚를 초과하는 길이를 나타낼 수 있다. 일부 실시 예들에서, 재료 내의 입사 빔이 분포식 초점화를 생산하는 동안에 외부 빔 웨이스트를 생산하기 위하여 절제식 광학 초점화 소자가 사용된다. 클리빙/싱귤레이션 및/또는 마킹을 위하여 투명 기판들 내의 필라멘트 어레이들의 형성을 용이하게 하는 다양한 시스템들이 설명된다. 과정의 활성 제어를 용이하게 하는 피드백을 제공하기 위하여 필라멘트들의 광학 모니터링이 사용될 수 있다.

Description

투명 재료 내에 레이저 필라멘테이션을 형성하기 위한 시스템{SYSTEM FOR PERFORMING LASER FILAMENTATION WITHIN TRANSPARENT MATERIALS}
본 특허 출원서는 2013년 8월 2일에 출원된 미국 가특허출원 제 61861880의 우선권과 이익을 주장한다. 2013년 8월 2일에 출원된 미국 가특허출원 제 61861880은 여기에 전체가 참조로써 통합된다.
본 발명은 투명 재료들 내의 레이저 필라멘테이션의 분야이다.
본 발명은 재료들의 레이저 가공을 위한 시스템들과 방법들에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 상기 재료들 상에 생성되는 수동 또는 능동 전자 또는 전기 장치들을 포함하는, 웨이퍼(wafer)들, 기판들, 또는 플레이트들의 싱귤레이션(singulation) 및/또는 클리빙(cleaving)을 위한 시스템들과 방법들에 관한 것이다.
현재의 제조에서, 싱귤레이션, 다이싱(dicing), 스크라이빙(scribing), 클리빙, 절삭(cutting), 및 측면 처리(facet treatment)는 일반적으로 다이아몬드 혹은, 일부 예들에서와 같이 발광 다이오드들, 발광 다이오드 장치들(발광 어셈블리들과 같은) 및 조명 장치들(발광 다이오드 디스플레이들과 같은)을 위하여 30 ㎝/초까지의 속도로의, 종래의 절제 또는 파괴(스텔스(stealth)) 레이저 스크라이빙 및 절삭에 의존하는 중요한 가공 단계이다.
다아아몬드 절삭 가공에서, 다이아몬드 절삭이 실행된 후에, 기계적 롤러는 샘플을 클리빙하는 균열들을 전파하도록 응력을 적용한다. 이러한 과정은 제품의 수명, 효율, 품질, 및 신뢰도에 있어서 중요한 단점인 낮은 품질 모서리들, 미세균열, 넓은 커프 폭(kerf width), 및 실질적인 잔해를 생성하며, 또한 부가적인 세척 및 광택 단계를 초래한다. 다이아몬드 스크라이버(scriber)를 구동하기 위한 탈이온화된 웨이퍼의 비용은 스크라이버의 소유보다 비용이 더 들며 기술은 웨이퍼가 오염되고 정제가 필요하기 때문에 친환경적이지 않으며, 이는 또한 생산 비용에 더해진다.
레이저 절제 가공은 다이아몬드 절삭과 관련된 일부 한계들을 극복하기 위하여, 싱귤레이션, 다이싱, 스크라이빙, 클리빙, 절삭, 및 측면 처리를 위하여 개발되어 왔다. 불행히도, 알려진 레이저 가공 방법들은 특히 투명 재료들에서, 느린 가공 속도, 균열들의 발생, 절제 잔해에 의한 오염, 및 중간 크기의 커프 폭과 같은 단점들을 갖는다. 게다가, 레이저 상호작용 동안이 열 전달은 큰 영역(즉, 열 영향 구역)의 부수적 열 손상에 이르게 할 수 있다.
레이저 절제 과정은 매체에 의해 강하게 흡수되는 파장들을 갖는 레이저들(예를 들면, 원 자외선 엑시머(excimer) 레이저들 또는 원적외선 이산화탄소 레이저)의 선택에 의해 향상될 수 있다. 그러나, 앞서 언급된 단점들은 이러한 물리적 절제 과정에 내재하는 공격적 상호작용 때문에 제거될 수 없다. 이는 종래의 스크라이브(scribe)와 파괴(break) 이후에 사용되는 특정 해결책에 따라, 절제 스크라이브 다이아몬드 스크라이브 공구로부터 남겨진 손상된 구역들을 제거하기 위한 식각(etch)을 강조하는 산업에 손실을 유도한, 특정 발광 다이오드 적용들에서의 UV 가공의 실패에 의해 충분히 설명된다.
대안으로서, 레이저 절제는 또한 레이저 펄스의 기간을 감소시킴으로써 투명 매체의 표면에서 향상될 수 있다. 이는 가공 매체 내부가 투명한 레이저들을 위하여 특히 바람직하다. 투명 재료들 상에 또는 내부에 초점이 맞춰질 때, 높은 레이저 강도는 초점 볼륨에 의해 정의되는 것과 같이 재료의 작은 볼륨 내로 적절한 레이저 에너지를 정확하게 증착하도록 제어될 수 있는 동역학적 불투명성을 제공하기 위한 비선형 흡수 효과들을 유도한다. 단기간의 펄스들은 장기간 레이저 펄스들에 대하여 플라스마 생성의 제거 및 그 대신의 플라스마 반사와 같은 일부 또 다른 장점을 제공하며, 그렇게 함으로써 그러한 레이저 펄스들의 더 짧은 시간 스케일 동안의 열 확산 및 다른 열 전달 영향들의 작은 컴포넌트를 통한 부수적 손상을 감소시킨다.
따라서 펨토초 또는 피코초 레이저 절제는 두 불투명 및 투명 재료의 가공에 상당한 이익을 제공한다. 그러나, 일반적으로, 수십 내지 수백 펨토초만큼 짧은 펄스들을 갖는 투명 재료들의 가공은 또한 거친 표면, 느린 처리량 및 특히 알루미나(Al2O3), 유리, 도핑된 유전체 및 광학 수정들과 같은 잘 부러지는 재료들에 문제가 되는 레이저 형성된 커프, 홀(hole) 또는 트렌치(trench)의 부근의 미세 균열의 형성과 관련된다. 게다가, 절제 잔해는 근처의 샘플 및 주변 장치들과 표면들을 오염시킬 것이다. 최근에, 섬유 광 접근법을 사용하는, 다중-패스(multi-pass) 펨토초 절삭이 일본에서 논의되었다. 이러한 접근법은 다중 패스를 만드는 필요성에 시달리며 그렇게 함으로써 낮은 가공 처리량을 야기한다.
비록 레이저 가공이 위에 언급된 것과 같이, 다이아몬드 절삭과 관련된 많은 제한을 극복하는데 성공하였으나, 새로운 재료 성분들은 레이저 스크라이빙될 수 없는 웨이퍼들과 패널들을 제공하였다. 게다가, 웨이퍼 상의 장치들과 다이스(dice)의 크기는 더 작아지고 서로 가까워지며, 이는 다이아몬드 및 종래의 레이저 기반 스크라이빙 모두의 이용을 한정한다. 예를 들면, 30 ㎛는 실현 가능한 스크라이빙 깊이이나, 15 ㎛는 이러한 종래의 방법들에 매우 어렵다. 게다가, 다이아몬드 스크라이빙은 기판을 스크라이빙하기 위하여 기계적 힘을 사용하기 때문에, 얇은 샘플들은 스크라이빙하기가 매우 어렵다. 웨이퍼 기반 장치들의 제조에서 증가하는 외래 및 복합 재료 스택들의 사용 때문에, 이전에 적용된 레이저 스크라이빙 기술들은 스택의 불투명성에 기인하여 더 이상 작업할 수 없을 것이다.
투명 재료들 내에 연속 레이저 필라멘트를 형성하기 위한 시스템들과 방법들이 설명된다. 초고속 레이저 펄스들의 버스트는 일차 초점이 재료 내에 형성되지 않는 것과 같이, 빔 웨이스트가 가공되는 재료 외부에 형성되도록 초점이 맞춰지며, 재료 내에 광학적 파괴를 야기하지 않고, 연속 필라멘트의 형성을 제공하기 위하여 충분한 에너지 밀도가 재료 내의 확장된 영역 내에 형성된다. 이러한 방법에 따라 형성되는 필라멘트들은 변형된 구역의 길이에서 1:1의 유사성으로(필라멘트가 변형의 제제인 점에서, 변형 구역은 필라멘트의 정도로 1:1로 추적한다) 10 ㎜까지 확장하는 길이 및 단면에서 세로 축으로 보일 때 테이퍼(taper) 없는 프로파일을 나타낼 수 있다. 일부 실시 예들에서, 외부 빔 웨이스트를 생산하고, 재료 내에 입사 빔의 분포식 초점화를 생산하기 위하여 수정되지 않거나 또는 수차식(abberrated) 광학 초점화 소자가 사용된다. 클리빙/싱귤레이션 및/또는 마킹(marking)을 위하여 투명 기판 내의 필라멘트 어레이의 형성을 용이하게 하는 다양한 시스템들이 설명된다. 과정의 능동 제어를 용이하게 하기 위한 피드백을 제공하기 위하여 필라멘트들의 광학 모니터링이 사용될 수 있다.
따라서, 첫 번째 양상에서, 투명 재료를 레이저 가공하는 방법이 제공되는데, 방법은:
레이저 펄스들의 버스트를 포함하는 레이저 빔을 제공하는 단계;
투명 재료의 외부의 위치에서 빔 웨이스트를 형성하고 외부 플라스마 채널의 형성을 방지하기 위하여 투명 재료에 대하여 레이저 빔을 외부로 초점을 맞추는 단계;를 포함하며,
레이저 펄스들은 광학적 파괴를 야기하지 않고 그 안에 연속 레이저 필라멘트를 형성하기 위하여 투명 재료 내에 충분한 에너지 밀도가 유지되는 것과 같이 초점이 맞춰진다.
또 다른 양상에서, 다음의 단계들을 포함하는, 투명 재료를 가공하는 방법이 제공된다:
레이저 빔을 제공하는 단계를 구비하되, 상기 레이저 빔은 복수의 버스트를 가지며 각각의 상기 버스트는 복수의 펄스를 포함하는, 단계;
상기 투명 재료 외부에 상기 레이저 빔의 초기 웨이스트를 발생시키는 단계;
상기 투명 재료 내에 분포되는 약하게 초점이 맞춰진 레이저 빔을 발생시키는 단계; 및
상기 투명 재료 내에 공간적으로 확장되고 공간적으로 균일한 필라멘트를 생산하는 단계.
또 다른 양상에서, 투명 재료를 가공하는 방법이 제공되는데, 상기 투명 재료는 그것들의 표면 내에 또는 상에 형성되는 금속 층을 가지며, 상기 레이저 빔은 다음의 단계들을 포함하는, 필라멘트-형성 레이저 빔이다:
우선 상기 투명 재료 내에 상기 연속 레이저 필라멘트를 형성하는 단계;
상기 투명 재료 내의 필라멘트 형성을 위하여 한계 이하로 상기 필라멘트-형성 레이저 빔의 전력을 감소시키고 상기 금속 층을 절제하는데 충분한 전력을 유지함으로써 레이저 펄스들의 버스트를 포함하는 저-전력 레이저 빔을 제공하는 단계; 및
상기 금속 층이 상기 레이저 빔에 의해 국부적으로 절제되고 그렇게 함으로써 금속 층 내에 하나 또는 그 이상의 절제 마킹을 생산하는 것과 같이 하나 또는 그 이상의 위치에서 저-전력 레이저 빔으로 상기 금속 층을 조사하는(irradiating) 단계.
또 다른 양상에서, 그 안에 형성되는 연속 레이저 필라멘트를 갖는 투명 재료가 제공되며, 연속 레이저 필라멘트는 약 1 ㎜를 초과하는 길이를 갖는다.
또 다른 양상에서, 약 50 MPa를 초과하는 후-클리브(post-cleave) 또는 후-싱귤레이션 파괴 강도를 나타내는 투명 기판이 제공된다.
또 다른 양상에서, 투명 재료를 레이저 가공하기 위한 시스템이 제공되며, 시스템은:
레이저 펄스들의 버스트를 포함하는 레이저 빔을 제공하도록 구성되는 레이저원(laser source);
투명 재료 외부에 존재하는 위치에서 빔 웨이스트를 형성하고 외부 플라스마 채널 및 내부 플라스마 센터들이 형성을 방지하기 위하여 투명 재료에 대하여 외부에 레이저 빔에 초점을 맞추도록 구성되는 하나 또는 그 이상의 초점화 소자(focusing element)를 구비하되, 상기 레이저 빔 및 상기 하나 또는 그 이상의 초점화 소자는 광학적 파괴를 야기하지 않고 그 안에 연속 레이저 필라멘트를 형성하기 위하여 투명 재료 내에 충분한 에너지 밀도를 생산하도록 구성되는, 하나 또는 그 이상의 초점화 소자;
레이저 빔과 투명 재료 사이의 상대 위치를 변경하기 위한 수단; 및
레이저 빔과 투명 재료 사이의 상대 위치를 변경하기 위한 수단에 작동가능하게 결합되는 제어 및 처리 유닛을 구비하되, 제어 및 처리 유닛은 투명 재료 내의 연속 레이저 필라멘트들의 어레이의 형성을 위하여 레이저 빔과 투명 재료 사이의 상대 위치를 제어하도록 구성되는, 제어 및 처리 유닛;을 포함한다.
또 다른 양상에서, 투명 재료를 레이저 가공하기 위한 시스템은:
상기 레이저 빔과 상기 투명 재료 사이의 상대 지향을 변경하기 위한 수단; 및
상기 레이저 빔과 상기 투명 재료 사이의 상기 상대 지향을 변경하기 위한 상기 수단과 작동가능하게 결합되는 제어 및 처리 유닛;을 포함한다.
본 발명의 기능적이고 바람직한 양상들의 이해는 다음의 상세한 설명과 도면들을 참조하여 실현될 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 이제 도면들을 참조하여, 단지 예로서 설명될 것이다.
도 1a-1e는 필라멘트들의 형성을 위한 다양한 광학 구성을 도시한다. 도 1a와 1b는 재료 내의 빔 웨이스트의 형성을 포함하는 이전에 알려진 방법들을 사용하는 필라멘트들의 형성을 도시한다. 도 1c-1e는 원하는 필라멘트 구역 내로 통과하는 에너지의 양을 조절하기 위하여 표적 재료("광학 레저버(optical reservoir)"를 형성하는) 위 및/또는 아래의 초점 내로 덤핑되도록 빔 에너지에 초점을 맞춤으로써 긴 균질의 필라멘트들이 형성되는 다양한 실시 예들을 도시한다.
도 1f는 균일하고 지속적인 프로파일을 갖는 공간적으로 확장된 필라멘트의 형성을 설명하는, 여기에 개시된 방법들에 따라 형성된 필라멘트들의 바람직한 이미지를 도시하는데, 재료 내의 필라멘트의 깊이와 위치는 빔 초점(25 마이크론의 수직 오프셋(vertical offset)과 상응하는 각각의 필라멘트)의 상대적 위치선정에 의해 결정된다.
도 1g는 스텔스 다이싱(stealth dicing) 및 필라멘트 가공 방법들 사이의 차이를 나타내는 유리 샘플의 현미경 이미지이다.
도 2a 및 2b는 (a) 수십 내지 수백 밀리미터 스케일의 긴 필라멘트 구역; 반면에 (b) 그것들을 손상시키지 않고 중간 층들을 통과하기 위한 빔에 대한 능력;을 도시한다.
도 3은 스캐너를 사용하는 바람직한 렌즈 어레인지먼트를 도시한다. 종래의 스캔 렌즈(예를 들면, 텔레센트릭 또는 그 이외)는 스캐너 앞에 또는 뒤에 위치되는 비구면 플레이트(aspheric plate)의 포함과 함께 사용되었다. 이러한 실시 예는 곡선 경로들에 대하여 조화된 운동 및 일정한 속도 가공을 가능하게 한다.
도 4는 비구면 플레이트 없이 특수화된 스캔 렌즈(텔레센트릭 또는 비-텔레센트릭)를 사용하는, 도 3에 도시된 것과 유사한 바람직한 실시 예를 도시한다.
도 5는 바람직한 버스트 펄스 트레인의 특징을 도시한다. 일부 실시 예들에서, 서브-펄스들과 버스트 패킷들 사이의 간격이 제어될 수 있고, 버스트 펄스 트레인 내의 펄스들의 수가 제어될 수 있다.
도 6은 원하는 형태를 발생시키기 위하여 표적 재료 상의 경로의 추적에 의해 형성되는, 곡선의 모서리들을 갖는 부품들을 생성하기 위한 여기에 개시된 방법들의 능력을 도시한다. 필라멘트들의 위치 및 지향의 임의 제어는 시스템 컴포넌트듣의 적절한 선택에 의해 달성될 수 있다.
도 7a는 여기에 개시된 방법들을 실행하기 위한 바람직한 장치의 개략적인 레이아웃이며, 시스템은 스테이지, 스캐너, 렌즈 어레이, 및 서보 제어 XYZ 포지셔너(positioner)를 포함한다.
도 7b는 바람직한 제어 및 처리 시스템의 블록 다이어그램이다.
도 8a 및 8b는 (a) 비-텔레센트릭(non-telecentric) 및 (b) 텔레센트릭 렌즈를 사용하여, 장치가 어떻게 다수의 기판 형태와 지향을 처리하도록 제어될 수 있는가를 나타내는, 바람직한 일 실시 예에서의 처리된 부품에 대한 축의 관계를 도시한다.
도 8c는 가공되려는 재료를 지탱하는 스테이지가 각이 있는 필라멘트들을 생산하도록 회전되는 바람직한 실시 예를 도시한다.
도 9는 여기에 개시된 방법들을 사용하여 부품들을 생산하기 위한 바람직한 시스템을 도시한다. 이러한 실시 예는 실질적으로 높은 모서리 품질과 속도를 갖는 투명한 매체의 싱귤레이션을 위하여 사용될 수 있다.
도 10a-c는 각이 있는 필라멘트 클리브(cleace) 평면들의 생성을 위하여 비-직각(즉, 표적 표면에 대하여 ＜90o 또는 ＞90o)으로, 여기에 설명되는 장치의 위치선정을 위하여 세타 스테이지(theta stage)를 사용하는 바람직한 실시 예들을 도시한다. 그러한 실시 예는 표면에 수직이지 않은 모서리들을 갖는 부품(예를 들면, 챔포처리된(chamfered) 부품)들의 생산을 가능하게 한다. 예를 들면, 세타 스테이지를 사용하여, 각이 있는 특징을 갖는 컷-아웃으로 부품을 생산하여 원형 경로가 은 추적될 수 있다.
도 10d 및 10e는 서로 다른 각으로 빔들을 형성하는 다중 필라멘트로의 가공을 거쳐 챔퍼처리된 모서리의 형성을 도시한다.
도 10f-i는 챔포처리된 모서리들을 획득하기 위하여 다중 절삭을 사용하는 소다석회 유리의 가공을 도시한다.
도 10j 내지 10l은 서로 다른 줌 레벨에서 챔퍼처리된 측면의 가장자리를 도시한다.
도 10m 내지 10o는 하나의 중간 수직 모서리 및 두 개의 챔퍼처리된 모서리를 갖는 모서리를 획득하기 위하여 3개의 절삭을 갖는 부품의 가공을 도시한다.
도 11a는 여기에 개시된 방법들에 따라 웨이퍼들을 가공하기 위한 바람직한 회전식 가공 공구를 개략적으로 도시한다.
도 11b는 다중 기판, 다중 빔, 및 다중 레이저 헤드 능력을 제공하는, 도 11a에 도시된 가공 단계의 바람직한 일 구현을 도시한다.
도 11c-f는 단일 레이저 시스템을 사용하여 4개의 웨이퍼 상에 레이저 필라멘트 가공을 실행하기 위한 시스템의 바람직한 구현을 도시한다.
도 12는 복합 스플라인 모서리들을 갖는 가공된 재료 및 선택적으로 가변 반경을 갖는 둥근 코너(corner)들을 갖는 기본 시트로부터의 컷아웃(cutout) 내의 형태들의 바람직한 일 구현을 도시한다.
도 13a 및 13b는 필라멘트 간격으 선택과 제어에 의한 가변 절삭 모서리 거칠기를 나타내는 바람직한 구현을 도시한다.
도 14a-c는 이에 따라 싱귤레이션된 재료들의 가공된 파괴 강도를 결정하기 위하여 ASTMC158에 설명된 것과 같은 파괴 강도 검사 프로토콜을 도시한다. 도 14a와 14b는 두 가지 바람직한 파괴 강도 측정 구성을 도시하고, 도 14c는 특징적인 강도를 결정하기 위한 바람직한 와이불 플롯(Weibull plot)을 도시한다.
도 15a-d는 Z를 서보잉(servoing)하고 또한 서보잉될 수 있는, 적용적 광학장치로부터 "빔을 조향"함으로써 곡선 표적들로부터 복합 스플라인(complex spline) 부품들의 형성을 나타내는 바람직한 구현을 도시한다. 빔(도 15a) 및/또는 부품(도 15b, c)은 회전되거나, 기울어지거나 또는그렇지 않으면 광범위한 과정 창(process window) 및 복합 표면 곡률을 갖는 부품들을 생산하는 능력을 생성하도록 조작될 수 있다. 도 15d는 둥근 모서리를 나타내기 위하여 필라멘트 형성을 거쳐 가공된 유리 부품을 나타내는, 그러한 실시 예의 바람직한 일 구현을 도시한다.
도 16a는 정상 및/또는 비정상 각으로 절삭한, 단일 패스로 다층 기판이 절삭되거나 가공될 수 있는 바람직한 일 실시 예를 도시한다.
도 16b는 2.1 ㎜ 두께를 갖는 삼중 층 적층 유리 기판의 가공을 도시한다.
도 16c는 두 개의 공기 갭 및 중간 부착 층을 포함하는 필라멘트 가공된 다층 장치의 후-클리브의 전자 현미경 이미지를 도시한다.
도 16d는 상단 표면이 V-홈을 거쳐 가공되고 바닥부 표면이 필라멘트 형성을 거쳐 가공된, 적층된(lamionated) 액정 디스플레이 기판의 전자 현미경 이미지를 도시한다.
도 17a-d는 처리 제어를 위한 영상 장치의 사용을 나타내는 일부 바람직한 실시 예를 도시하며, 영상 장치로부터의 출력은 피드백을 제공하도록 처리된다. 영상 장치(들)로부터의 출력은 프로세서 제어 컴퓨팅 장치에 제공된다.
도 18a-c는 절제 마킹(ablative marking)들을 생산하기 위하여 기판의 뒤쪽 부를 가공함으로써 그 안에 형성되는 장치들의 어레이를 갖는 반도체 기판을 가공하고, 그 다음에 기판 위로부터 필라멘트 가공을 실행할 때 충실도 기준 지점들로서 절제 마킹들을 사용하는 방법을 도시한다.
도 18d는 버스트 레이저 펄스들이 금속 층(낮은 전력 마킹), 분포식 브래그 반사기(distributed Bragg reflector, DBR, 이하 DBR로 표기) 층 PSS 층 및 사파이어와 질화 갈륨 층들을 포함하는, 모든 층들을 처리하도록 사용된, 본 발명의 방법에 따라 가공된 발광 다이오드 웨이퍼의 오버헤드 이미지이다.
도 18e 및 18f는 손상되지 않은 다이싱 테이프를 갖는 후-가공된 기판들을 도시하며, 도 18g 및 18h는 다이싱 테이프의 제거 후에 가공된 기판들을 도시한다.
도 19는 필라멘트 가공 및 싱귤레이션 후 유리 기판의 측면 모서리의 현미경 사진을 도시한다.
도 20은 직각 방향으로 바람직한 기판의 후-싱귤레이션 표면 거칠기 측정들을 도시한다.
도 21은 약 200 ㎚ RMS만큼 낮은 측정 값을 갖는, 후-싱귤레이션된 사파이어 샘플로부터 획득된 표면 거칠기의 측정들을 도시한다.
본 발명의 다양한 실시 예들과 양상들이 아래에 설명되는 상세 내용을 참조하여 설명될 것이다. 다음의 설명과 도면들은 본 발명의 설명을 위한 것이며 본 발명을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 본 발명의 다양한 실시 예들의 철저한 이해를 제공하기 위하여 다양한 특정 상세 내용들이 설명된다. 그러나, 특정 경우에 있어서, 본 발명의 실시 예들의 간결한 논의를 제공하기 위하여 잘 알려지거나 또는 종래의 내용들은 설명되지 않는다.
여기서 사용되는 것과 같이, 용어들 "포함하다(comprise)" 및 "포함하는"은 포함되고 개방 확장형이며 독점적이지 않는 것으로 해석된다. 구체적으로, 명세서와 청구항들에서 사용될 때, 용어들 "포함하다" 및 "포함하는" 및 그것들의 변형들은 명시된 특징들, 단계들 또는 부품들이 포함되는 것을 의미한다. 이러한 용어들은 다른 특징들, 단계들 또는 부품들의 존재를 배제하지 것으로 해석되지 않는다.
여기서 사용되는 것과 같이, 용어 "바람직한"은 "일례, 경우, 또는 도해로서 역할을 하는" 것을 의미하며 여기에 개시되는 다른 구성에 걸쳐 바람직하거나 선호하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
여기서 사용되는 것과 같이, 용어들 "약(about)" 및 "대략(approximately)"은 특성, 파라미터, 및 면적의 변이와 같은, 값들의 범위의 상한과 하한에 존재할 수 있는 변이를 포함하는 것으로 의미된다. 비-제한적 예에서, 용어들 "약" 및 "대략"은 ±10% 또는 그 이하를 의미한다.
달리 정의되지 않는 한, 여기에 사용되는 모든 기술 및 과학 용어는 통상의 지식을 가진 자들에 통상적으로 사용되는 것과 동일한 의미를 갖는 것으로 의도된다. 달리 표시되지 않는 한, 문맥을 통하여, 여기에 설명되는 것과 같이, 다음의 용어들은 다음의 의미를 갖는 것으로 의도된다:
여기서 사용되는 것과 같이, 용어 "필라멘트 변형 구역(filament modified zone)"은 광학 빔 경로에 의해 정의되는 압축의 영역을 특징으로 하는 기판 내의 필라멘트 영역을 언급한다.
여기서 사용되는 것과 같이, 용어 "버스트(burst)", "버스트 방식", 또는 "버스트 펄스"는 실질적으로 레이저의 반복 기간보다 적은 상대적 시간 간격을 갖는 레이저 펄스들의 수집을 언급한다. 버스트 내의 펄스들 사이의 시간 간격은 일정하거나 또는 가변적이며 버스트 내의 펄스들의 진폭은 예를 들면, 표적 재료 내의 최적화되거나 미리 결정된 필라멘트 변형 구역들을 생성하는 목적을 위하여 가변적일 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 일부 실시 예들에서, 펄스들의 버스트는 버스트를 만드는 펄스들의 강도 또는 에너지의 변형으로 형성될 수 있다.
여기서 사용되는 것과 같이, 용어 "투명한"은 입사 빔의 적어도 일부가 선형 흡수 체계 내에 전송되는 것과 같은 흡수 스펙트럼과 두께를 갖는 재료를 언급한다. 예를 들면, 투명 재료는 재료를 통하여 전송된 광의 퍼센트 비율이 10% 이상, 25% 이상, 50% 이상, 75% 이상, 80% 이상, 85% 이상, 90% 이상, 95% 이상, 98% 이상, 또는 99% 이상인 것과 같이, 입사 빔의 대역 폭 내에, 선형 흡수 스펙트럼 및 두께를 가질 수 있다.
여기서 사용되는 것과 같이, 용어 "기하학적 초점"은 가공되려는 재료 내의 비-선형 효과들을 통합하거나 또는 고려하지 않고 계산이 만들어지는(예를 들면, 간단한 렌즈 방정식에 따라 결정되는 빔 웨이스트 위치를 갖는), 광학 초점화 렌즈 또는 어셈블리에 의해 계산되거나 또는 추정된 초점을 언급한다. 이 용어는 렌즈들의 위치를 기초로 하는 광학 초점의 예상되는 위치와 실제로 약 대략 10 ㎜까지의 준-레일리(quasi-Rayleigh) 길이를 제공하는, 비-선형 빔 재초전화에 의해 야기되는 가공되려는 재료 내에 생성되는 광학 수축 이벤트 사이를 구별하도록 사용된다.
본 발명의 실시 예들은 레이저 필라멘테이션에 의해 재료들을 가공하기 위한 장치들, 시스템들 및 방법들을 제공한다. 레이저 필라멘테이션의 이전에 알려진 방법들과 달리, 본 발명의 일부 실시 예들은 세로 빔 축을 따라 분포식 방식으로 입사 빔에 초점을 맞추는 광학 구성을 이용한다. 이러한 분포식 초점화 방법은 이전에 알려진 방법들을 사용하여 지금까지 달성된 것을 훨씬 넘는 길이에 대하여 필라멘트들의 형성을 가능하게 하며, 필라멘트 구역이 전체 길이에 대하여 실제의, 균일한 변형과 압축을 달성하는데 충분한 에너지 강도를 유지한다. 그러한 필라멘트들(및 필레멘테이션 공정들)은 열 처리들 사이의 균형이 압축에 책임이 있는 것과 같이 가공되려는 재료 내의 광의 자가-전파 빔을 포함하며, 다른 알려진 절제 및 다른 알려진 가공 방법들에서 사용되는 광학적 파괴를 방지한다. 예를 들면, 아래에 더 설명되는 것과 같이, 여기에 개시되는 분포식 초점화 방법들은 1 밀리미터를 훨씬 넘는(심지어 10 ㎜만큼 긴) 필라멘트들의 형성을 제공하며 또한 재료의 광학적 파괴 한계 이하로 에너지 밀도를 유지한다.
레이저 필라멘테이션
재료 내에서 초점이 맞춰지는 초고속 레이저 펄스들을 사용하여 레이저 필라멘트들이 투명 재료들 내에 형성될 수 있다는 것이 알려져 있다. 예를 들면, "Method of Material Processing by Laser Filamentation"이라는 발명의 명칭의, PCT 국제출원 제 PCT/CA2011/050427에서와 같이, 필라멘트들은 대물 렌즈로, 단기간 레이저 펄스들의 버스트-트레인(burst-train)을 투명 기판 내부에 초점을 맞춤으로써 형성될 수 있다. 레이저 펄스들의 버스트는 레이저 필라멘트 볼륨에 의해 정의되는 형상을 갖는 내부 미세구조 변형을 생산한다. 펄스된 레이저 노출 동안에 레이저 빔에 대해 샘플을 이동함으로써, 샘플 내의 레이저에 의해 추종되는 곡선 또는 직선 경로에 의해 정해진 대로의 필라멘트 트랙(filament track)들의 지속적인 자취가 유리 볼륨 내로 영구히 새겨진다.
PCT 국제출원 제 PCT/CA2011/050427에서 설명된 것과 같이, 필라멘트들("플라스마 채널들"로도 불림)은 높은 강도와 단기간을 갖는 레이저 펄스들의 약한 초점화에 의해 펄스들이 플라스마의 형성에 기인하는 비선형 커 효과(Kerr effect)에 의해 자동 초점화할 수 있도록 함에 의해 생성되는 것으로 믿어진다. 광 분야의 이러한 높은 시간-공간적 지역화는 길고 좁은 채널 내에 레이저 에너지를 증착시킬 수 있으나, 또한 백색 광 발생 및 이러한 국부적 방사선을 둘러싸는 동역학적 링 방사선 구조들과 같은 다른 복합 비선형 전파 효과들과도 관련된다. PCT 국제출원 제 PCT/CA2011/050427은 초점 지점(예를 들면, 초기 빔 웨이스트)이 재료 내에 놓이도록 레이저 빔을 초점 맞춤으로써 약 수백 마이크론의 길이 규모를 넘는 레이저 필라멘트들이 형성될 수 있다는 것을 설명한다.
알려진 필라멘트 형성 방법들과 대조적으로, 본 발명은 투명 재료들 내에 공간적으로 확장되고 공간적으로 균일한 필라멘트들을 형성하기 위한 방법들을 제공한다. 일 실시 예에 따르면, 초고속 레이저 펄스들의 초점이 맞춰지되, 외부 빔 웨이스트가 표적 재료의 외부에 형성되지만 표적 재료의 외부에는 플라스마 채널을 형성함이 없으며 입사 빔의 약한 분포식 초점화가 표적 재료 내에 발생하도록, 초점이 맞춰지며, 그렇게 함으로써 표적 내에 고밀도 전기 장을 형성하고 레이저의 입사 경로를 따라 압축 구역을 형성한다. 이러한 압축 구역은 전파 축의 중심으로부터 균일하고 방사상으로 확장하는 재료의 좁은 커튼(curtain) 내에 상 변화(식각 비율(etch rate) 실험에 의해 확인되는)를 야기한다.
아래에 더 설명되는 것과 같이, 필라멘트의 길이와 위치는 예를 들면, 초점화 장치의 위치선정, 하나 또는 그 이상의 초점화 소자의 개구 수(numerical aperture), 레이저 펄스 에너지, 파장, 기간과 반복률, 각각의 필라멘트 트랙을 형성하도록 적용되는 레이저 펄스와 버스트의 수, 및 투명 매체의 광학 및 열물리학적 특성들에 의해 쉽게 제어된다. 선택적으로, 이러한 노출 조건들(전력, 반복률, 파면(wavefront)이 상호작용 구역을 확장하도록 분포된/이탈된 이동 속도와 정도)은 가공된 재료의 총 두께를 넘어 확장하거나 또는 이에 가깝게 확장하는데 충분히 길고 강력한 필라멘트들을 생생하도록 조작될 수 있다.
따라서, 여기에 개시된 실시 예들은 투명 매체 내부에 필라멘트를 발생시키기 위하여 레이저 펄스들이 단기간 버스트들(바람직하게는 약 100 ps 미만의 펄스 지속기간을 갖는)을 이용한다. 방법은 일반적으로 펨토초 레이저 가공(예를 들면, Yosino 등의 "Micromachining with a High repetition Rate Femtosecond Fiber Laser" (2008), Journal of Laser Micro/Nanoengineering Vol. 3, No. 3 pps 157-162에 설명된 것과 같이)에 적용되고 사용되는 것과 같은 관통 광학적 파괴와 같은 플라스마 발생을 방지한다.
여기에 개시된 약하고 분포식 초점화 실시 예들에서, 비선형 커 효과는 종래의 심도(depth of field)를 초과하는 확장된 레이저 상호작용 초점 볼륨을 생성하고, 작은 자동 초점화된(self-focused) 빔 웨이스트로부터의 빔을 통상적으로 발산시키는 광학 회절을 극복하는 것으로 여겨진다. 재료가 재료 내의 빔 전파의 축을 중심으로 하는 실질적으로 대칭이고 실질적으로 실린더형인 영역 내에서, 광음향 압축에 의해 유도되는 상 전이를 겪게 되는 것은, 분포식 또는 확장식 초점화를 거쳐 형성되는 이른바 필라멘트 구역 내에서이다.
이러한 변형은 비-균일성의 복합 스택에 존재하는 재료들의 가장 높은 한계에 의해 이상적으로 선택되는, 각각의 재료에 대한 특정 특성 한계 위의 에너지 밀도를 필요로 한다. 이러한 변형은 기판의 상단에 대하여 정산 및 비정상 입사 각도에서 발생할 수 있으며 입사 빔에서 이용가능한 전력에 의해서만 제한되는 거리들을 위하여 지속된다.
게다가, 가공 동안에 재료 내에서 광학적 파괴는 발생하지 않는데, 그 이유는 이는 본 발명의 길고 지속적이며 균일한 필라멘트 변형 구역 대신에 개별 손상 중심부들을 생성할 수 있기 때문이다. 필라멘트들을 따라 증착된 레이저 에너지는 결함, 색 중심, 응력, 마이크로채널, 마이크로보이드(microvoid), 및/또는 미세 균열의 형태일 수 있는 내부 재료 변형에 이르게 하며, 실험적 결과들은 그것의 물리학적 특성에서 실질적으로 균일한 내부 표면을 갖는, 그것의 외형에서, 변형이 실질적으로 균일하고 대칭적이라는 것을 나타내었다. 이는 필라멘트의 길이를 따라 매우 균일한 에너지 분포를 갖는 매우 높은 강도의 전기 장을 제공함으로써 달성되는 것으로 여겨진다.
레이저 빔의 분포식 초점화를 거쳐 확장된 필라멘트들의 형성
PCT 국제출원 제 PCT/CA2011/050427에 개시된 방법들과 장치와 대조적으로, 본 발명은 재료 외부에 플라스마 채널을 형성하지 않고 외부 웨이스트가 형성되고 재료 내의 영역에 걸쳐 분포식 방식으로 빔 에너지가 초점이 맞춰지는 것과 같이 입사 빔이 재료 상으로 향하는 광학 초점화 구성을 사용하여 투명 재료들 내의 필라멘트들의 제어식 형성을 위한 방법들, 장치들 및 시스템들을 제공한다. 내부 빔 웨이스트의 형성이 없는 분포식 초점화 구성은 아래에 더 설명되는 것과 같이, 더 많은 제어가능한 기하학적 구조들과 기계적 특성들로, 긴 거리들을 넘어 레이저 필라멘트의 형성을 지속시키는 조건들을 제공하는 것으로 여겨진다.
이제 도 1a를 참조하면, 필라멘트(120)의 형성을 위하여 재료(110) 내의 초고속 레이저 펄스들의 버스트의 초점을 맞추도록 초점화 렌즈(100)가 사용되는, PCT 국제출원 제 PCT/CA2011/050427에 개시된 초점화 어레인지먼트가 도시된다. 초점화 렌즈(100)는 렌즈(100)의 초점이 재료(110) 내에 위치되는 것과 같이 재료(110) 에 대하여 위치된다. 입사 빔(130)은 재료 내에 초점이 맞춰지고 팽창과 탈초점화 이전에 필라멘트(120)를 형성하는, 초점 구성을 유지하는, 집광 빔(140)을 형성하기 위하여 초점화 렌즈(100)에 의해 초점이 맞춰진다. 위에 설명된 것과 같이, 재료(110) 내의 광학 전력의 제한은 필라멘트(120)를 형성하는 동안에, 자체 상 변조를 통한 자동 초점화를 통하여 달성된다. 빔(140)의 광학 빔 전력의 손실에 기인해서, 가열의 존재 및 그에 따른 표적 재료 내의 지수 변화에 의해 야기되는 탈초점화를 저지하면서 자동 초점화를 제공하는데 충분하지 못할 정도로 자체 상 변조가 더 이상 충분하지 못하게 되게 되면, 빔(140)은 필라멘트 형성 영역을 넘어 팽창한다. 도 1b에 도시된 것과 같이, 이러한 방법은 수백 마이크론 범위의 길이를 갖는 재료(110) 내의 필라멘트(120)의 형성을 야기할 수 있다.
도 1c는 초고속 레이저 펄스들의 버스트의 분포식 초점화를 통하여 투명 재료 내의 공간적으로 확장된 필라멘트 발생의 바람직한 일 실시 예를 도시한다. 입사 빔(130)이 재료(110) 내의 잘 정의된 초기 웨이스트를 형성하도록 초점화 렌즈(100)에 의해 초점이 맞춰지는 도 1a에 도시된 구성과 달리, 도 1c에 도시된 구성은 입사 빔(160)에 초점을 맞추기 위하여 분포식 초점화 소자(150)를 이용해서 그 결과로서 생기는 집광 빔(165)이 초기 외부 웨이스트(175)에 초점이 맞춰지고 또한 재료(115) 내에 분포식 방식으로 약하게 초점이 맞춰지도록 한다. 초기 웨이스트의 외부 형성은 재료 내의 과도한 초점화 및 광학적 파괴를 방지하여, 광학적 파괴와 같은 유해 효과를 방지한다. 분포식 초점화 구성은, 재료 내에 조밀하고 잘 정의된 위치를 갖도록 웨이스트를 형성하는 것과 반대로, 외부 초점화가 좁은 외부 플라스마 채널을 생성하는 공지된 방법들과 달리, 광학 전력이 위치들의 범위에 걸쳐 확장하고 그에 의해 입사 레이저가 재료(115) 내에서 분포되게끔 초점화된 빔이 재료(115) 상으로 향하도록 야기할 수 있다. 그러한 분포식 초점화 구성은 제어된 기하학적 구조 특성들과 밀리미터 크기의 길이를 갖는 필라멘트(170)를 생산할 수 있다. 분포식 초점화 소자(150)는 재료의 표면에 인접한, 재료의 표면의 위에 또는 정면에 위치되는 웨이스트를 갖는, 분포식 초점(반드시 균일하게 분포된 초점은 아님)으로 보이는 것을 생산하도록 성형되는(예를 들면, 그라인드 성형) 하나 또는 그 이상의 렌즈를 포함할 수 있으며. 이는 플라스마 채널이 없을 때에 재료 표면에 매우 약하게 초점이 맞춰지는 스폿을 제공한다. 일 실시 예에서, 웨이스트는 재료의 표면으로부터 적어도 약 10 ㎛의 오프셋에 위치된다. 또 다른 실시 예에서, 웨이스트는 재료의 외부 표면으로부터 적어도 20 ㎛의 오프셋에 위치된다. 또 다른 실시 예에서, 웨이스트는 재료의 외부 표면으로부터 적어도 50 ㎛의 오프셋에 위치된다. 따라서, 본 발명은 외부 웨이스트가 사이 공간 내의 표적 재료들의 층들 위에, 아래에 또는 예를 들면, 사이에 형성되는 것과 같이, 렌즈들의 초점 특성들을 변경하고, 광범위한 범위의 가공 선택권을 제공함으로써, 재료 내에 일차 빔 웨이스트를 형성하는 필요성을 방지한다.
이론에 의해 제한되기 위한 의도는 없으나, 본 발명의 분포식 초점화 구성은 부가적인 초점 영역들로부터의 광학 빔 전력의 공간적 보충에 기인하여 더 긴 필라멘트들을 생성하는 것으로 보인다. 좁은 필라멘트 형성 영역 내의 광학 전력이 비선형 처리들을 거쳐 형성되는 복합(비-선형) 지수 변화들과의 상호작용을 통하여, 빔 전파 동안에 초기에 고갈되기 때문에, 부가적인 광학 전력은 탈초점화 이전에, 필라멘트를 형성하는 동안에 빔이 자동 초점화 방식으로 더 전파되는 것과 같이, 그것의 길이를 따라 빔의 분포식 초점화에 의해 제공된다. 위에 설명된 것과 같이, 일부 실시 예들에서 이러한 접근법은 실제로 플라스마를 형성하지 않고서 원하는 자동 초점화 및 압축을 생산한다.
다시 도 1c를 참조하면, 집광 빔(165)의 적어도 일부가 재료(115)의 정면, 예를 들면 도면에서 위치(175)에 초점이 맞춰지는 것과 같이 위치되는 초점화 소자(150)를 갖는 바람직한 실시 예가 도시된다. 특히, 도시된 바람직한 구현에서, 분포식 초점화 소자(150)와 마주치는 높은 개구 수 광선들이 재료(115)의 정면에 초점이 맞춰진다. 입사 광학 전력의 일부를 재료(115)의 정면에 초점을 맞춤으로써, 재료 내에 즉시 형성되는 강도 프로파일은 너무 높거나 너무 낮지 않으며, 따라서 이는 그것의 길이에 대하여 실질적으로 군일한 단면을 갖는 필라멘트의 형성을 허용한다.
위에 설명된 것과 같이, 아래 대신에, 재료의 위에 또는 정면에 빔을 생성하는 장점은 재료의 광학적 파괴 한계의 초과를 방지하기 위한 바람에 있다. 이는 또한 처리 설정과 샘플 구성에 대하여 사용자에 더 많은 선택권을 줌으로써 더 긴 처리 창(process window)을 가능하게 한다.
도 1d는 집광 빔(180)의 일부가 필라멘트(190)를 형성하기 위한 위치(185)에서 재료(115) 뒤에 초점이 맞춰지는 것과 같이 분포식 초점화 소자(150)가 위치되는 것을 도시한다.
이제 도 1e를 참조하면, 필라멘트(220)를 형성하기 위하여, 집광 빔(200)의 일부가 재료(115)의 정면에(예를 들면 위치(205)에) 초점이 맞춰지고, 집광 빔(200)의 일부가 재료(115)의 뒤에(예를 들면, 위치(210)에) 초점이 맞춰지는 것과 같이 분포식 초점화 소자(150)가 위치되는 대안의 바람직한 실시 예를 도시한다. 이러한 구성에서, 빔 에너지는 더 큰 길이를 따라 분포될 수 있으며 레이저에 의해 형성되는 전기 장 유도 가열 효과로부터 음향 압축을 생성하기 위하여 여전히 표적을 통한 경로를 따라 충분한 에너지를 유지한다. 이러한 실시 예는 필라멘트들을 형성하는데 고도의 제어와 깊이를 가능하게 하도록 사용될 수 있다. 도면에 도시된 것과 같이, 그러한 실시 예는 수 밀리미터 내지 수십 밀리미터의 두께를 갖는 투명 기판을 통하여, 재료에 걸쳐 필라멘트들을 형성하는데 유용할 수 있다.
여기에 개시된 방법들에서 사용되는 분포식 초점화 구성의 이익은 다음과 같이 이해될 수 있다. 만일 입사 빔이 재료 내의 웨이스트에 초점에 맞춰지면, 필라멘트 진행은 이전에 알려진 방법들에서와 같이, 짧은 거리 후에 중단된다. 그러나, 만일 입사 전력이 광학 리저버(optical reservoir)를 형성하는, 재료 외부에 초점이 맞춰지고, 열적으로 유도된 지수(특히, 복합 지수(complex index))의 변화들을 경험함에 따라 재료가 최종 렌즈로서 작용하도록 허용되면, 그때 필라멘트는 도 1f에 도시된 것과 같이, 실질적으로 균일한 단면 프로파일로 형성될 수 있고, 수 밀리미터를 넘어 공간적으로 확장될 수 있는데, 이는 소다 석화 유리 내에 1 ㎜를 초과하는 길이를 갖는 균이한 필라멘트들의 형성을 입증한다. 도 1f는 또한 빔 초점의 축 위치의 변경에 의한 필라멘트들의 상대적 수직 위치선정(각각 25 마이크론의 오프셋에 상응하는 필라멘트)의 제어를 도시한다. 그러한 가공은 실질적으로 ＞ 10 ㎛의 치핑(chipping)이 없는 고품질의 모서리를 생산할 수 있다.
도 1g는 스텔스 다이싱 방법에 따라 가공되고 클리빙된 유리 기판의 현미경 이미지이다. 필라멘트 어레이는 또한 스텔스 다이싱 라인에 수직인 방향으로 형성되었다(도시된 샘플은 필라멘트 어레이 라인에 따라 클리빙되지 않았다). 도면에 도시된 것과 같이, 스텔스 다이싱 라인(20)은 매우 매끄러운 상단 모서리를 생산하나, 전체적으로 매우 거친 면을 생산하는, 광학적 파괴의 숨길 수 없는 징후들을 나타낸다. 스텔스 다이싱 라인에 따른 클리브에 의해 획득된 면 모서리의 거칠기는 수직 방향으로 53 마이크론 및 수평 방향으로 85 마이크론인 것으로 나타났다. 이와 대조적으로, 필라멘트(10)는 기판을 통하여 확장하는 지속적인 재료 변형을 설명하는데, 이는 더 매끄러운 측면을 야기하는 클리빙을 용이하게 한다. 아래에 설명되는 것과 같이, 필라멘트 어레이 라인을 따라 샘플의 클리빙은 유리 재료들에 대하여 약 1 내지 10 마이크론의 표면 거칠기 값을 생산할 수 있다.
아래에 더 상세히 설명되는 것과 같이, 여기에 개시된 방법들에 따라 형성되는 필라멘트들은 이전에 보고된 필라멘트들보다 훨씬 긴 길이로 형성될 수 있다. 게다가, 본 발명의 방법들은 지속적이고, 방사상으로 대칭이고 균일한 면적인 필라멘트들을 생산하도록 사용될 수 있다. 투명 재료 내에 확장된 필라멘트들의 형성을 위한 주요 고려사항은 아래에서 다루어지는, 필요한 영향(fluence)의 제공이며, 동시에 재료의 광학적 파괴 한계의 방지이다. 필라멘트 길이는 재료에 공급되는 총 에너지 및 재료의 선형 흡수와 관련되는 것으로 알려졌다.
예를 들면, 실험 연구들은 다음의 조건들을 사용하여 6 ㎜ 길이의 필라멘트들이 붕규산 유리 내에 형성될 수 있다는 사실을 발견하였다: 약 50W의 평균 전력; 1064 ㎚의 파장, 약 50 피코초 미만의 펄스 폭; 약 15 펄스의 버스트 프로파일, 진폭이 감소하는, 진폭이 증가하거나 및/또는 동일한 진폭의 펄스 프로파일; 및 약 10 ㎛의 스폿 크기.
필라멘트의 중단과 시작의 위치는 렌즈 그룹 또는 초점화 어셈블리이 기하학적 구조에 의해 예측되는 것과 같이, 기하학적 초점, 또는 빔 웨이스트의 위치를 선택함으로써 제어될 수 있다. 또한 아래에 설명되는, 전력과 크기 사이의 균형은 재료 내의 빔 웨이스트의 형성을 방지하는 능력을 제공한다.
도 2a와 2b는 빔 웨이스트 자리의 위치를 제어함으로써 유연성(flexibility)이 달성될 수 있다는 사실을 도시한다. 도 2a는 수 밀리미터 내지 수십 밀리미터(본 발명에 의해 생산된 10 ㎜까지의 필라멘트들) 범위 상의 긴 필라멘트 구역(250)을 도시한다. 빔이 그것들을 손상시키지 않고 층들을 통과하는 능력이 설명된다. 임계 직경 범위(260, 예를 들면, 각각의 재료, 초점화 조건, 및 레이저 전력에 따라 다양할 수 있는)가 또한 표시되는데, 이는 위에 필라멘트들이 형성되지 않고 아래에 광학 손상이 발생하는 레이저 스폿 직경들로 정의된다. 바람직한 일 구현에서, 소다 석화 유리(soda lime glass)를 위한 임계 직경은 거의 8 ㎛에 놓여 있는 것으로 알려졌다. 필라멘트의 직경에 대한 재료 상의 입사 레이저 스폿의 직경의 비율과 같은, 임계 비율이 또한 설명된다. 예를 들면, 일 실시 범위에서, 임계 비율은 약 0.01 및 1000 사이에서 다양할 수 있고; 또 다른 실시 범위에서, 임계 비율은 약 0.01 및 10 사이에서 다양할 수 있으며; 또 다른 실시 범위에서, 임계 비율은 약 10 및 50 사이에서 다양할 수 있으며; 또 다른 실시 범위에서, 임계 비율은 약 50 및 500 사이에서 다양할 수 있으며; 또 다른 실시 범위에서, 임계 비율은 약 1 및 1000 사이에서 다양할 수 있다.
도 2b에 도시된 것과 같이, 최종 렌즈(275)에 의해 초점이 맞춰진 입사 빔(270)은 최종 층(276)을 넘어 형성되는 외부 웨이스트(290)를 갖는, 초점, 또는 어떠한 필라멘트로 형성하지 않고, 필라멘트 구역의 원하는 표적 위치 위에 하나 또는 그 이상의 실질적으로 투명 층들(272)을 통과하도록 만들어질 수 있다. 필라멘트(280)는 그리고 나서 표적 스택을 통한 입사 경로를 따라 그러한 위치까지 달성되지 않는 임계 영향의 결과로서 원하는 층 또는 층들(274, 276) 내에 형성된다.
입사 빔 내의 영향을 제어하기 위하여, 재료의 표면에서 빔 직경 내에 포함된 전력은 실제로 빔 직경의 크기를 변형함으로써 변경될 수 있다. 특히, 본 발명은 재료, 임계 영향 및 필라멘트 형성 효율 사이의 상관관계를 발견하였다.
바람직한 일 구현에서, 필라멘트들의 특성들은 제 1 입사 영향(제 1 입사 표면 상의 영향) 및 각각의 서브 펄스 내에 포함된 에너지를 변경함으로써 제어될 수 있다. 레이저가 입사되는(아래에 더 설명될) 다중 표면들을 포함하는 실시 예들에서, 각각의 표면은 고유의 영향을 가질 것이며, 각각의 영향은 흡수와 산란에 기인하여 제 1 입사 영향에 의존할 것이다.
약 100 ㎛의 입사 스폿 크기가 2.5 ㎛의 직경과 수 ㎜의 길이를 갖는 필라멘트피라멘트들에 이르게 한다는 사실이 알려졌다. 필라멘트의 일부 특성들은 펄스 에너지와 스폿 크기 비율을 변경함으로써 제어될 수 있다. 서로 다른 재료들은 확장된 필라멘트 형성을 향하여 서로 다른 특성들을 갖는다.
필라멘트가 지속적이고 실질적으로 균일한 채널을 형성하도록 하기 위하여, 에너지 강도는 또한 일단 증착되면, 버스트 펄스 주파수 비율에서 재생된, 버스트 펄스 유도 강도는 재료를 방사상으로 압축하기 위하여 필요한 강도의 충격 파(shock wave)를 형성하는 것과 같아야만 한다. 일단 상 차이가 발생하면(또는 특정 재료들에서, 단순히 밀도 변화), 필라멘트 구역은 즉시, 또는 일부 프로그램가능 지연 후에 또는 뒤따르는 클리빙 단계를 거쳐, 클리빙 면의 기능을 한다. 다양한 빔 에너지에서 필라멘트를 생성하고, 필라멘트를 깊이를 관찰하고 측정하며, 적절한 길이의 필라멘트들을 생산하는 빔 에너지를 선택함으로써, 주어진 재료들을 위하여 적절한 에너지가 경험적으로 결정될 수 있다. 비-제한적 일 구현에서, 입사 빔 내의 에너지(버스트 내의 모든 펄스의 에너지)는 약 10 μJ 내지 약 2000 μJ 사이일 수 있다.
레이저 빔 파라미터들의 광범위한 범위는 서로 다른 특징들과 특성들을 갖는 필라멘트를 획득하기 위하여 변경될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 게다가, 주어진 특성들의 세트를 갖는 필라멘트들 형성하는데 적합한 빔 파라미터들은 서로 다른 재료들 중에서 다양할 것이다. 본 발명은 일부 선택된 재료들에서 필라멘트들을 형성하도록 사용될 수 있는 빔 파라미터들의 일부 바람직한 범위들을 제공한다. 그러한 바람직한 범위들은 이를 한정하는 것으로 의도되지 않으며, 다른 범위들도 바람직한 재료들, 또는 다른 재료들에서 다른 특성들을 갖는 필라멘트들을 형성하는데 적절할 수 있다는 것을 이해할 것이다.
입사 빔에 대한 재료의 이동 속도와 함께, 버스트 반복률은 이웃하는 필라멘트들 사이의 간격을 정의한다는 것을 이해하여야 한다. 비-제한적 일 실시 예에서, 이러한 범위는 약 1 ㎑ 내지 약 2 ㎒일 수 있다.
도 1c 내지 1e에 도시된 것과 같이, 입사 빔은 샘플 내에 확장된 영역을 넘어 초점 볼륨이 분포되는 것과 같이 초점이 맞춰진다. 분포된 초점 볼륨은 유사하거나 또는 동등한 수의 구멍을 갖는 비-분포식 초점화 소자로부터 획득되는 레일리 범위(Rayleigh range)보다 충분히 길 수 있다. 예를 들면, 분포식 초점화 하의 초점 영역은 분포식 초점화 없이 획득되는 상응하는 레일리 범위의 20%, 30%, 50%, 100%, 200%, 500%, 1000% 또는 그 이상일 수 있다.
분포된 초점 볼륨은 상당히 길 수 있으며 분포식 초점화 조건들 하에서 빔에 의해 형성되는 필라멘트는 유사하거나 또는 동등한 수의 구멍을 갖는 비-분포식 초점화 소자로부터 형성될 수 있는 필라멘트보다 상당히 길다. 예를 들면, 분포식 초점화 하에서 형성된 필라멘트는 분포식 초점화 없이 형성되는 상응하는 필라멘트의 20%, 30%, 50%, 100%, 200%, 500%, 1000% 또는 그 이상일 수 있다.
분포식 초점화 어셈블리는 광학 트레인이 두 개 또는 그 이상의 광학 컴포넌트들 포함하도록 하나 또는 그 이상의 광학 컴포넌트/소자를 포함할 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 일 실시 예에서, 분포식 초점 어셈블리는 하나의 측면 치수 내에 비-분포식 방법으로 광학 빔에 초점을 맞추도록 구성된다.
예를 들면, 적절한 빔 초점화, 초점 길이 또는 빔 팽창률의 조작으로, 레이저 필라멘트들은 종료되고 레이저 가공 또는 손상이 투명 플레이트의 바닥부 표면에서 방지되는 것과 같이 레이저 빔이 높은 분산 각으로 유리 바닥부 표면을 나가도록 야기할 수 있다. 또한 표적 시트 위와 아래에 위치되는 시트들 내의 손상을 포함하지 않다중 시트 스택의 중간에 필라멘트들을 생성하는 것이 가능하나, 아래에 더 설명될 것과 같이, 표적 시트의 상단과 바닥을 손상시킨다.
일부 실시 예들에서, 긴 필라멘트 길이는 각각의 광학 소자 상에 구멍들의 충전, 광학 트레인 내의 높은 전력 효율의 유지를 최적화하고 이전에 설명된 것과 같이 표적 재료를 방사상으로 압축하도록 레이저 강도를 유지하는 오복 및 볼록 렌즈들의 조합에 의해 생성될 수 있다.
바람직한 분포식 초점화 소자: 수차 소자( aberrated element )
일부 실시 예들에서, 분포식 초점화 어셈블리는 초점이 맞춰진 광학 빔이 재료 내에 웨이스트를 형성하지 않고 세로 초점 볼륨에 대하여 분포식 방법으로 초점이 맞춰지는 것과 같이, 초점이 맞춰진 광학 빔 내에 수차를 유도하도록 구성되는 하나 또는 그 이상의 광학 컴포넌트를 포함할 수 있다.
하나 또는 그 이상의 광학 컴포넌트는 구형 수차(spherical aberration)를 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 분포식 초점 어셈블리는 하나 또는 그 이상의 수차식 광학 컴포넌트, 및 하나 또는 그 이상의 실질적으로 비-수차식 광학 컴포넌트를 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 수차들은 일차원에서의 분포식 초점 어셈블리에 의해 유도된다. 다른 실시 예들에서, 수차들은 이차원 내의 분포식 초점 어셈블리에 의해 유도된다.
표적 재료 자체 및 입사 축을 따라 생성되는 전기 장 가열에 의해 초래되는 왜곡에 기인하여 재료 내에 빔 웨이스트가 형성되지 않더라도, 일련의 긴 준-초점 지점들이 달성되는 것과 같이 수차 광학 어셈블리(하나 또는 그 이상의 수차 광학 소자)의 사용에 의해 긴 필라멘트들이 생성될 수 있다. ＞ 1 ㎛ 직경을 갖는 큰 스폿의 생성 및 표적 재료이 정면에 및/또는 뒤에(도 1c-e에 도시된 것과 같이) 적어도 하나의 외부 빔 웨이스트의 생성은 빔 웨이스트가 공기 내에 플라스마 채널을 형성하지 않고 공기 내에 형성되고 제거 작업이 달성되지 않는, 표적 재료 또는 층 외부에 초점 스폿들 내로의 에너지의 "덤핑((dumping)"을 가능하게 한다.
본 발명의 실시 예는 재료 외부에 에너지의 비-균일 분포를 갖는 빔 경로를 제공하며, 또한 그것이 길이를 따라 빔 웨이스트를 포함하지 않는 필라멘트를 생산하는 표적 재료 내에 포함되는 균일한 빔 경로를 형성한다.
하나 또는 그 이상의 수차 소자를 사용하여, 사용자는 필라멘트 형성을 촉진하고, 균일한 변형을 제공하며 광학적 파괴를 방지하는데 필요한 영향을 유지하기 위하여, 외부 플라스마 채널을 형성하지 않고, 재료 내의 빔 웨이스트 이벤트를 방지하고 균일한 필라멘트를 생성하며 하나, 두 개, 또는 그 이상의 외부 웨이스트 영역 내로 추가의 에너지를 "덤핑하기" 위한 그러한 방식으로 에너지를 분포시키도록 선택할 수 있다.
바꾸어 말하면, 재료 내에 강력한 버스트 펄스 필라멘트를 생성하기 위하여 하나 또는 그 이상의 수차 소자들의 강력한 초점이 사용될 수 있다.
광학 초점화 컴포넌트, 어셈블리, 또는 시스템의 수차는 파형들(또는 사용되는 광의 파장과 관련된 그것들의 분수)로 측정될 수 있다. 예를 들면, 수차는 동일한 지점에 도착하는 파형들의 비율에 대한 이상적인 렌즈에 의해 정의되는 것과 같이 동일한 공간 지점(또는 볼륨)에 도착하지 않는 파형들의 비율에 따라 지정될 수 있다. 일부 비-제한적 구현들에서, 광학 초점화 어셈블리 내의 수차는 약 0.1% 수차보다 크고 약 80% 수차보다 작을 수 있다.
수차의 본질은 제 1 입사 표면에서의 에너지 밀도가 필라멘트들을 형성하는데 필요한 위 및 표적 재료를 위한 광학적 파괴 한계 아래에 머무를 때 가변적일 수 있다. 특정 실시 예에서, 광학 소자들은 적어도 표적 재료(들) 또는 층(들)의 두께에 상응하는 거리에 의해 분리되는, 두 개의 일차 초점이 형성되는 것과 같이 형성될 수 있다(예를 들면, 도 1e 참조).
수차식 광학 구성을 제공하기 위한 한 가지 바람직한 방법은 적어도 두 개의 광학 어레인지먼트를 사용하는 것으로서, 하나의 광학 컴포넌트는 정상적인 필드-수정 스캔 렌즈이고, 제 2 광학 컴포넌트는 위에 설명된 것과 같이 초점이 맞춰진 광을 전달하도록 디자인된 수정 창이다. 도 3은 빔 계전과 콜리메이션(collimation)을 위한 제 1 및 제 2 렌즈(L1 및 L2), 스캐닝 메커니즘(300) 및 최종 초점화 렌즈(305)를 사용하는 그러한 바람직한 렌즈 어레인지먼트를 도시한다. 빔의 일부가 재료(305)의 정면에 초기 웨이스트를 형성하는 것과 같이 수차 초점 렌즈를 발생시키기 위하여, 최종 렌즈(305) 아래에(대안으로서 스캐닝 메커니즘(300) 앞에 위치될 수 있더라도) 비구면 플레이트가 제공된다. 컴포넌트들 사이의 분리는 표적 기판이 두께 및 필라멘트 구역의 원하는 길이를 기초로 하여 결정될 수 있다. 일부 바람직한 실시 예들에서, 필라멘트 특성들은 사용되는 초점화 렌즈들의 렌즈, 초점 길이들의 비율을 제어함으로써 제어되거나 또는 규정될 수 있다. 예를 들면, 일부 바람직한 구현들에서, L1/L2의 초점 길이들의 비율은 -300 내지 +300일 수 있다.
도 4는 비구면 플레이트 없이 특수화된 스캔 렌즈(320, 텔레센트릭, 또는 비-텔레센트릭)를 사용하는, 대안의 바람직한 실시 예를 도시한다. 전문화된 스캔 렌즈(320)는 위에 설명된 것과 같이 수차 조점 빔을 유도하도록 구성된다.
버스트 펄스들 특징들
본 발명의 발명자들은 분포식 초점화 구성에서의 버스트 펄스들의 사용은 균일한 특성들을 갖는, 긴 필라멘트들(총 표적 재료 두께의 ＞ 15%인 길이, 예를 들면, 유리 적용들에서, ＞ 100 ㎛ 및 ＞ 10 ㎜까지의 길이를 갖는 필라멘트와 같으나, 이에 한정되지 않는)의 형성을 제공한다는 사실을 발견하였다(예를 들면, 그것들의 실질적인 길이에 대하여 실질적으로 동일한 직경, 및 재료 두께를 가로지르는 필라멘트들을 위한 재료의 입구와 출구 면들에서 실질적으로 동일한 직경을 갖는 필라멘트들). 펄스들의 버스트의 분포식 초점화는 또한 필라멘트 어레이를 따른 클리빙 후에 매끄러운 표면들의 형성을 제공한다. 예를 들면, 여기에 개시되는 빔 및 초점화 조건들은 약 10 ㎛보다 작으며, 때때로 200 ㎚ 또는 그 이하인 절단 면 표면 거칠기를 갖는 세그먼트화 샘플들을 제공하도록 사용되어 왔다. 그러한 필라멘트들은 잘 부러지는 재료들에서 형성될 수 있다.
도 5a-e는 버스트 펄스들(350)의 일시적 본질 및 레이저원이 펄스의 타이밍과 순서 상에서 제공할 수 있는 제어 정도를 나타내는 다수의 실시 예를 도시한다. 도 5a와 5b는 버스트 반복률(360)에 대한 선택적 제어 및 펄스-간 일시적 간격(375)을 도시한다. 예를 들면, 펄스들 사이의 타이밍은 주 진동 신호의 다양한 배수를 생성하기 위하여 EO 스위치 타이밍을 조작하고, 가변 펄스 타이밍을 발생시킴으로써 제어될 수 있다. 도 5b는 펄스들이 전달될 수 있는 가변성의 정도 및 레이저 헤드(370) 내에 발생되는 펄스들의 도식을 도시한 바람직한 도면이다. 일부 실시 예들에서, 펄스들은 예를 들면, 펄스(및/또는 펄스 엔벨로프들) 내의 에너지의 진폭을 변경하고 펄스들의 총 수가 사용자 선택가능한 작은 버스트 펄스들 중에서 분할되는 정도를 결정하는, 사용자 선택가능 펄스(및/또는 펄스 엔벨로프들) 프로파일들(상승 또는 감소 또는 동일)을 발생시키기 위한 광학 스위치 또는 전자-광학 스위치의 포함에 의해, 광학 트레인을 따라 변조될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
도 5c에 도시된 것과 같이, 사용자/운영자는 그러한 레이저 및 관련 광학장치들이 구비된 시스템 내에 발생되는 부품들의 원하는 재료 특성들을 기초로 하여 공정을 제어하기 위하여 펄스 프로파일(380)을 조작할 수 있다.
도 5d는 버스트 내의 통합 전력을 기초로 하여, 재료에 전달되는 순 에너지를 제어하기 위한 능력을 도시한다. 도 5e는 주어진 버스트(390) 내의 펄스들의 수를 제어하기 위한 능력을 도시한다. 바람직한 일 구현에서, 레이저 펄스의 버스트는 레이저 펄스가 분할되는 2와 20 서브 펄스 사이를 포함하는 펄스 트레인을 갖는 재료 표면에 전달된다. 이러한 분할은 일부 알려진 접근법 중 어느 하나에 따라 레이저 헤드(laser head) 내에 생성될 수 있다.
처리된 재료 내의 필라멘트의 형성을 제거하기 위하여 도면 5a-e에 도시된 펄스 파라미터들 중 하나 또는 그 이상이 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
재료들
여기에 개시된 필라멘테이션 방법들은 유리, 수정, 선택된 세라믹, 중합체, 액체-캡슐화 장치, 다중-층 재료 또는 장치, 및 합성 재료의 어셈블리들을 포함하는, 입사 레이저 빔에 투명한 광범위한 재료들의 가공을 위하여 사용될 수 있다. 여기에 개시된 방법들에 따라 처리된 기판들은 유리, 반도체, 투명 세라믹, 중합체, 투명 전도체, 와이드 밴드갭(wide bandgap) 유리, 수정, 결정형 석영, 다이아몬드, 사파이어, 희토(rare earth) 제형, 디스플레이용 금속 산화물, 및 코팅이 있거나 또는 없는, 광택 또는 비광택 비정질 산화물을 포함할 수 있다.
또한 입사 레이저 빔의 스펙트럼 범위는 가시 스펙트럼에 한정되지 않으며, 또한 진공 자외선, 자외선 가시, 근적외선, 또는 적외선 스펙트럼에 놓일 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 예를 들면, 실리콘은 1500 ㎚ 광에 투명하나 가시광선에 불투명성이다. 따라서, 레이저 필라멘트들은 예를 들면, 직접적으로(예를 들면, 에르븀(erbium)-도핑된 유리 레이저들) 혹은 수정 또는 다른 비선형 매체 내의 비선형 혼합에 의해(예를 들면, 광학 파라미터 증폭을 거쳐) 이러한 1500 ㎚ 파장에서 발생되는 짧은 펄스 레이저 광을 갖는 실리콘으로 형성될 수 있다. 실리콘, 탄화규소, 갈륨 비소, 질화 칼륨, 다른 화합물 및 복합 화합물 반도체(예를 들면, Ⅱ-Ⅳ 및 유사 밴드 갭 조작 재료들)뿐만 아니라 인듐 주석 산화물, 평면 정렬 스위칭(IPS), 인듐 갈륨 아연 산화물(IGZO) 등과 같은 디스플레이 관련 화합물들과 같은 다수의 잘 부러지는 재료들을 위하여 1200-3000 ㎚ 범위의 광으로 적절한 성능이 예상될 수 있다.
펄스 에너지 및 전력
필라멘트들을 형성하고 자동 초점화룰 지속시키기 위하여, 펄스 에너지는 버스트 발생 필라멘트 형성이 가능한 것과 같이, 비선형 상황 내에 놓이도록 선택된다. 비-제한적 일 실시 예에 따르면, 소다 석화 유리유리들의 가공을 위하여, 약 10 μJ 및 2 mJ 사이의 펄스 에너지가 자동 초점화가 지속될 수 있는 상태에 도달하는데 필요한 전기 장 강도를 달성하는데 적절하다는 사실을 잘견하였다. 일부 바람직한 구현들에서, 레이저의 평균 전력은 비록 필라멘트 형성을 위하여 필요한 평균 전력이 예를 들면, 펄스 에너지, 버스트 당 펄스들의 수, 및 반복률에 의존할 수 있더라도, 약 3W 및 150W(또는 mr 이상) 내에 위치될 수 있다.
바람직한 일 실시 예에서, 펄스 반복률은 펄스 선택 발진기(oscillator)에 의해 정의되는 것과 같은 펄스 반복 주파수와 관련하여 10 ㎑ 및 8 ㎒ 사이의 범위일 수 있다. 이들은 더 적은 에너지의 버스트들 내로 하향 선택될 수 있으며 1 펨토초와 동일하거나 또는 1 밀리초까지 큰 서브 펄스 간격을 갖는 재료에 전달된다. 일부 바람직한 실시 예들에서, 레이저는 약 5 이하의 빔 품질(M2)을 부유한다. 예를 들면, 광학 컴포넌트들이 축을 따라 하나 이상의 초점 지점을 생성하도록 구성되는 실시 예들에서 약 1의 빔 품질이 사용될 수 있으며, 덜 엄격한 빔 품질 실시 예들은 다운스트림 광학장치들이 빔의 상대적 형태를 보상하는 정도까지 견딜 수 있다. 재료의 두께에 걸쳐 필라멘트가 형성되는 일부 바람직한 실시 예들에서, 레이저 빔은 미리 선택된 한계(예를 들면, 적어도 약 50%)를 초과하는 트랜스미터전력을 갖는 재료(비-균질 및 비-유사 재료들의 어떠한 사이에 있는 갭(intervening gap)을 포함하는)를 통하여 전송되어야만 한다.
콜리메이션 , 초점 길이, 선명한 구멍
일부 실시 예들에서, 시스템의 광학 트레인은 분포식 초점화 소자와 레이저원 사이에 가변 경로 길이를 수용하기 위하여, 초점화 이전에 빔을 조준하기 위한 하나 또는 그 이상의 광학 컴포넌트를 포함한다. 일부 바람직한 실시 예들에서, 조준 컴포넌트들의 개구수는 약 4.5 ㎜ 및 2 m 사이의 효율적인 초점 거리를 갖는, 약 0.1 및 0.88 개구수(NA) 사이이다. 일부 바람직한 실시 예들에서, 선명한 구멍의 직경은 약 2 및 10 ㎜ 사이일 수 있다.
재생 증폭기의 사용
일 실시 예에서, 신축성 장치를 제공하기 위하여 재생 증폭기가 사용되는데, 그 이유는 재생 증폭기가 필라멘트 형성을 위한 버스트 트레인 특성들을 쉽게 변경할 수 있기 때문이다. 예를 들면, 재생 증폭기는 제 1 레이저 노출 이후에 불완전하게 분리되는 재료들이 경우에 있어서 싱귤레이션(열 구배를 제공하기 위하여 가열 또는 냉각을 위한 또 다른 소스를 기초로 하는)을 위한 뒤따르는 노출 단계를 위하여 재구성될 수 있다. 그러한 레이저 시스템은 특정 적용에 맞춘 가변 또는 일정한 펄스 타이밍을 갖는 완전하거나 또는 부분적인 길이의 필라멘트들을 생산할 수 있으며, 부품의 속도가 가공을 통하여 변하지 않는 것과 같이- 실제로 인접한 필라멘트 구역들 사이의 간격을 일정하게 유지하는 것과 같이, 자동 초점은 빔 타이밍 및 속도와 조화된다. 이는 차례로 종래의 레이저 절삭 공정들을 사용하여 획득되는 것과 같은 10-100 ㎛와 비교하여, 절삭 바로 이후에 대체로 약 1-3 ㎛의, 현재 레이저 공정에서 이용가능한 가장 낮은 절삭-면 거칠기를 갖는 싱귤레이션을 가능하게 한다. 자동 초점은 부품을 미리 스캐닝하거나, 헤드 높이를 원 위치에(in situ) 감지하거나(예를 들면, 광학적으로) 또는 기계 시각 시스템을 사용하여 위치를 결정함으로써 달성될 수 있다.
재생 증폭기 디자인은 펄스의 배출 이전에 얼마나 많은 왕복 이동이 얻어지는 것과 관련하여 정확한 타이밍 제어를 가능하게 한다. 펄스-대-펄스 또는 버스트-대-버스트 타이밍은 특정 적용에 따라 매우 정밀하게 조정되는 측면 모서리들(예를 들면, 거칠기)을 제공하기 위한 단계 속도로 조작될 수 있다. 특히, 레이저 시스템은 복잡한 형태들을 갖는 유리 부품들 또는 복합 스플라인(spline)이 존재하는 기본 유리 시트들에 특히 매우 적합하다. 바람직한 일 구현에서, 로핀(Rofin) MPS 플랫폼은 위의 실시 예들을 포함하도록 쉽게 변형될 수 있다.
필라멘트 형성 메커니즘들
따라서 필라멘트들을 형성하기 위한 본 발명의 방법들은 지금까지는 가능하지 않았던 투명 재료들의 새로운 가공 적용들을 제공한다. 비록 이전의 연구자들에 의해 고체 재료들에서의 필라멘트 형성이 존재하였으나, 본 발명은 매우 긴 필라멘트들이 버스트 방식 타이밍 및 분포식 초점화에 의해 발생되는 실행에 대한 첫 번째 감소를 나타낸다.
스텔스 다이싱 및 어큐스크라이브 시스템(Accuscribe system)들에서 사용되는 것과 같은, 종래의 레이저 가공 방법들은 Yoshino 등["Micromachining with a High repetition Rate Femtosecond Fiber Laser" (2008), Journal of Laser Micro/Nanoengineering Vol. 3, No. 3 pgs. 157-162]에 의한 것과 같은 변형에 의해 구동되고, 주로 광학적 파괴에 의해 지배를 받는 공정들이며, 재료 제거의 일차 방식은 가변 측면 면적 및 제한된 세로 길이의 보이드들을 생성하는 작은 폭발을 거친 절제이다. 광학적 파괴는 싱귤레이션되는 재료들에 의해 생성되는 기하학적 초점 주위에 국부적이고 밀집한 플라스마를 형성하는 투명 매체 내부의 조밀하게 초점이 맞춰지는 레이저 빔의 결과이다. 플라스마 발생 메커니즘은 전자들의 초기 다광자 여기를 기초로 하고 그 뒤에 역 제동복사(Bremsstrahlung), 충격 이온화(impact ionization), 및 전자 이용가능한 공정들이 뒤따른다. 쿨롱 폭발(coulombic explosion)은 국부적 보이드들 및 문헌에서 설명되는 다른 변형들의 생성에 책임이 있다. 그러한 공정들과 시스템들은 위에 설명된 굴절률 및 보이드 형성 공정들[미국특허 제 US154593; SPIE Proceedings 6681-46]을 강조하며, 재료 가공을 위하여 대부분의 단 펄스 레이저 적용들의 기본을 형성한다. 이러한 광학적 파괴 도메인에서, 투명 재료들의 싱귤레이션, 다이싱, 스크라이빙, 클리빙, 절삭, 및 측면 처리는 느린 가공 속도, 균열의 발생, 낮은 강도의 부품들, 절제 잔해에 의한 오염, 및 큰 커프 폭의 단점들(컴퓨터, 테블릿 및/또는 전화기와 같은 서형 전자 장치들 내로 조립하도록 부품들의 이동을 완료하기 위하여 모두 또 다른 가공을 필요로 하는)을 갖는다.
이와 대조적으로, 여기에 개시되는 레이저 필라멘트 가공 및 시스템들은 투명 재료의 내부 레이저 가공을 위하여 이전에 알려진 방법들의 단점들을 극복하며, 절제 또는 표면 손상을 방지하며(만일 원하면), 커프 폭을 극적으로 감소시키며, 균열 발생을 방지하며, 그러한 스크라이빙 적용들을 위한 가공 시간을 빠르게 한다. 또한, 재생 증폭기가 구비된 높은 반복률의 레이저들 및 고속 전자-광학 스위칭은 초점 볼륨 외부의 열 확산보다 훨씬 빠른 시간 스케일 상에서(일반적으로 ＜10 마이크로초) 재료의 최소 열 축적 및 다른 트랜지언트 반응들을 갖는 레이저 빔 필라멘트들의 형성의 개선을 허용한다. 본 발명의 방법들에 따라 생산되는 초점 볼륨은 계산된 초점의 깊이(DOF)의 수 배로 확장하기 위하여 빔 경로 내의 광학 컴포넌트들에 의해 조작될 수 있다.
피코초 펄스 버스트들을 사용하는, 아래의 실시 예들에 나타낸 것과 같이, 본 발명의 발명자들은 분포식 방법으로 펄스에 초점이 맞춰질 때, 이는 레이저 펄스들의 영향에 따라, 그리고 선택된 가공 조간들에 따라, 약 20 ㎛부터 약 10 ㎜까지 범위의 축 거리를 위하여 제한된 채로 남아 있다. 이는 실질적으로 비-절제 공정들이 대부분의 재료의 제거 또는 압축에 책임이 있는 재료들에서, 실질적으로 제로 테이퍼를 갖는 드릴링을 거쳐 유용한, 밀집한, 국부적 음파 압력 형성을 가능하게 한다.
이론에 얽매이지 않고, 필라멘트들은 비선형 커 효과에 의해 자동 초점화할 수 있는, 약한 초점화, 높은 강도의 단기간 레이저 광에 의해 생산되며, 따라서 이릅바 필라멘트를 형성하는 것으로 여겨진다. 광 필드의 이러한 높은 공간-시간적 위치선정은 길고 좁은 채널 내에 레이저 에너지를 증착시킬 수 있으며, 또한 백색 광 발생 및 이러한 국부적 방사선을 둘러싸는 동역학적 링 방사선 구조들의 형성과 같은 다른 복합 비선형 전파 효과들과 관련된다.
급속 레이저 펄스들에 의한 가열은 빔이 탈초점화하고 필라멘트를 깨도록 야기하는 빔 경로의 중심에서 일시적으로 굴절률을 낮춘다. 커 효과 자동-초점화 및 지수 사이의 동역학적 균형은 안정적인 필라멘트의 형성을 위한 다수의 재조첨화된 레이저 상호작용 필라멘트들에 이르게 할 수 있다.
종래의 필라멘트 변형 방법들과 달리, 여기에 개시된 실시 예들은 기판 내에 광범위한 깊이들의 범위에 걸쳐 확장가능한 연속적인 필라멘트들의 형성을 제공한다. 예를 들면, 일부 실시 예들에서, 필라멘트들은 실질적으로 그것들의 세로 축을 따라 연속적인 것과 같이 형성된다. 이는 재료의 어떠한 변화들에 영향을 미치기 위하여 불충분한 방사선 강도(레이저 영향 또는 전력)를 갖는 불연속의, 개별 손상 중심들을 생산하는 종래의 필라멘트 가공 방법들과 대조를 이룬다. 따라서 아래에 설명되는 실시 예들은 기판의 재료 특성들이 이러한 현상에 노출되지 않는 영역들과 비교하여 다른 것과 같이, 가공 빔의 경로를 따라 광음향 압축의 연속적인 구역을 형성하기 위한 방법들을 포함한다. 일부 실시 예들에서, 연속적인 구역은 기판 내의 재료의 방사상으로 균일한 압축에 의해 기판 내에 형성된다.
가장 단순한 레벨 상에서, 필라멘테이션 과정은 주로 두 가지의 경쟁적 과정에 의존하는 것으로 여겨진다. 첫 번째로, 레이저 펄스들의 공간적 강도 프로파일이 비선형 광학적 커 효과 때문에 초점화 렌즈 같이 작용한다. 이는 빔이 자동 초점화하도록 야기하며, 이는 피크 강도의 증가를 야기한다. 이러한 효과는 제한적이며 회절의 증가에 의해 균형을 이루는데 그 이유는 이러한 스폿 크기로부터 공초점 빔 파라미터(또는 초점의 깊이)의 간단한 계산으로부터 예상되는 것보다 수 배 긴 거리를 전파할 수 있는 안정적인 빔 직경이 도달할 때까지 직경이 감소하기 때문이다. 또 다른 중요한 구별 특징은 이러한 기술에 의해 달성되는 매우 작은 필라멘트 크기이다.
필라멘트 형성 과정은 새로운데, 그 이유는 여기에 설명되는 실험들은 종래의 필라멘트 형성 방법들을 사용하여 획득되는 것들을 초과하는 길이를 갖는 필라멘트들을 나타내었기 때문이다. 예를 들면, 본 발명의 선택된 실시 예들에 따르면, 10 ㎜ 또는 그 이상의 길이를 갖는 방사상으로 압축하는 필라멘트들(재료가 압축되고 재료의 전체 두께를 통하여 확장하는 실린더형 보이드를 나타내는)이 적절한 투명 매체 내에 형성될 수 있다. 이론에 얽매이지 않고, 메커니즘은 재료 내의 빔 전파 축을 따라 중심이 있는 레이저 관의 조밀한 간격의 연속적인 펄스들(버스트 펄스 현상)을 거쳐 급속 가열에 의해 생성되는 충격파 압축을 포함하는 것으로 보인다. 필라멘트 형성 빔이 충분한 강도를 가질 때, 공기 갭들 및 실질적으로 낮은 굴절률(실제 및 복합)을 갖는 재료의 갭들을 가로지를 수 있으며, 다른 투명 층들로 들어갈 때 필라멘트들을 형성할 수 있다. 백색 광 발생 밑 x-선 방출은 고도로 비-선형 공정들이 작업중인 것을 확인해 준다. 관련 현상에 관하여 보고한, Gurovich 및 Fel[ArXiv 1106.5980v1]은 매체 내의 이온 및 전자 충돌들의 존재 하에서 충격 파 형성을 관찰하였다.
필라멘트 형성 과정의 광음향 본질에 대한 또 다른 단서는 Paul 등[Proceedings SPIE vol. 6107, 610709-1 (2006)]에 의해 수행된 깊은 절제 드릴링 연구들에 존재하는데, 그들의 측정 방법은 다중 레이저 펄스들을 사용하는 보이드 형성에 의해 발생되는 광음향 신호를 포함하였다. 버스트들의 분포식 초점화를 포함하는, 본 발명의 접근법은 훨씬 더 강력한 광음향 신호를 발생시키고 다른 기술에 통상적인 플라스마 형성과 재료 절제를 방지하는 것으로 나타난다. 게다가, 표적 재료들의 초기 및 최종 표면들에 열 입구와 출구가 부드럽게 형성되더라도, 필라멘트의 내부 표면들은 실질적으로 절제 미세가공과 관련된 어떠한 방해도 없는 것으로 나타났다.
또한 플라스마 관련 레이저 절제를 사용하는 고체 상태 가공과 관련된 최대 압력이 Kudryashov 등[Appl. Phys. Left. 98, 254102 (2011)]에 의해 보고된 사실이 설명된다. 그들의 연구에서, 그들은 110GPa의 상응하는 압력을 갖는 90eV의 플라스마 온도들을 보고하였다. 이러한 레벨에서, 재료 내부에 압축 파형을 설정하는데 충분한 에너지가 존재한다. 본 발명의 접근법은 더 가까운 버스트 간격을 사용하고 이는 단기간에 걸쳐 뜨거운 빔 축 중심의 생성의 장점을 가지며, 열 충격은 어떠한 열 영향 구역(HAZ)의 형성보다 빠른 압축 변형 환경들을 제공하는 어떠한 잠재적인 열 효과들을 앞서거나 또는 용해한다. 본 발명의 방법들에 따라 발생하는 방사 과정들의 검서는 제동복사뿐만 아니라 초음파 트랜지언트들이 관찰된다는 것을 설명한다. 기하학적 초점 위치의 광학적 조정과 변경에 의해, 재료 내의 이러한 광음향 변형의 정도 및 "중지-개시" 특징들은 갭들을 갖는 다중 층들이 표적 재료를 포함한다 하더라도 제어될 수 있다. 그렇게 생산되는 모서리들의 특징은 그렇게 노출된 재료들의 물리적 및 화학적 특성들의 균일한 변형에 의존하지 않는 느린, 절제 공정들을 사용하여 생산되는 것들과 기본적으로 구별된다.
싱귤레이션
일부 실시 예들에서, 앞서 언급된 필라멘트 형성 방법들과 장치는 투명 재료들의 싱귤레이션을 위하여 사용된다. 앞서 언급된 필라멘트 가공 동안에 생성되는 레이저 유도 지수 변화는 싱귤레이션되는 재료의 실질적으로 또는 효과적으로 중량 손실 없이 부품들을 싱귤레이션하기 위한 필라멘트 어레이를 생산한다.
바람직한 일 구현에서, 싱귤레이션의 방법은 분포식 초점화를 갖는 레이저 빔의 하나 또는 그 이상의 펄스들의 버스를 갖는 기판의 로딩(loading), 정렬, 매핑(mapping) 및 조사(irradiation)를 포함할 수 있으며, 기판은 실질적으로 레이저 빔에 대하여 투명하며, 하나 또는 그 이상의 펄스는 필라멘트를 생산하도록 선택되는 에너지와 펄스 기간을 갖는다.
필라멘트들의 어레이는 기판을 조사하고 하나 또는 그 이상의 부가적인 위치에서 부가적인 필라멘트를 생산하기 위하여 초점이 맞춰진 레이저 빔에 대하여 재료 기판을 이동시킴으로써 형성된다. 따라서 필라멘트 어레이는 기판을 클리빙하기 위하여 내부로 스크라이빙된 경로를 정의한다. 이러한 어레이들은 이동 라인 주위에 하나 또는 그 이상의 면적으로 존재할 수 있으며, 직선 또는 곡선 프로파일로 형성될 수 있는데, 바람직한 곡선 프로파일(395)이 도 6에 도시된다. 필라멘트들은 그것들이 표적 재료의 상당한 부분을 넘어(예를 들면, 표적 재료의 약 15% 이상, 및 일반적으로 50 ㎛ 이상, 또는 일부 경우에 있어서, 1 ㎜ 또는 심지어 10 ㎜ 이상) 확장하는 것과 같이 형성된다.
일부 실시 예들에서, 여기에 개시되는 방법들은 가깝게 위치되는 필라멘트 유도 변형 트랙들이 어레이를 형성하기 위하여 초점이 맞춰진 레이저 빔의 측면 이동을 포함한다. 필라멘트 어레이는 상단 또는 바닥부 표면들에서 레이저 절제 손상의 발생 없이 투명 매체 내부의 슈도-연속적 커튼(curtain)을 정의한다(구체적으로 달리 원하지 않는 한). 이러한 커튼은 매우 약한 압력(힘)이 적용될 때, 클리빙에 매우 민감한 조사된 재료를 제공하거나, 또는 내부 응력 하에서 자연발생적으로 클리빙할 수 있다. 클리빙된 측면들은 절제 잔해물이 없으며, 최소 또는 무 미소균열과 마이크로벤트(microvent)를 나타내며, 자동 초점화 빔 웨이스트에 의해 정의된 것과 같이 매우 작은 커프 폭을 갖는 레이저에 의해 내부에 표시되는 신축성의 곡선 또는 직선 경로를 정확하게 따른다.
일부 실시 예들에서, 선택된 재료들과 가공들을 위하여, 일단 투명 기판 내에 필라멘테이션 어레이가 형성되면, 초기 레이저 필라멘테이션 커튼에 의해 정확하게 정의되는 표면 상에 기판을 두 부품으로 클리빙하는데 단지 작은 기계적 압력만이 필요할 수 있다. 특정 재료들 및 특히 화학적으로 강화된 유리들에 있어서, 분리 이벤트는 자연발생적이며, 싱귤에이션에 영향을 미치는 어떠한 다음 단계도 필요로 하지 않는다.
0초(노출 상에서 즉시 분리하는)부터 무한 초(싱귤레이션 과정을 완료하기 위하여 어느 정도의 뒤따르는 단계가 필요한)까지의 노출 및 분리 사이의 시간 간격을 변경하기 위하여 사용자 선택가능 과정 조건들이 선택될 수 있다.
일부 실시 예들에서, 다수의 각 절삭은 예를 들면, 3개의 순차적인 절단을 사용하여, 싱귤레이션되는 재료의 챔퍼처리되거나(chamfered) 또는 측면 모서리를 생성하도록 사용될 수 있으며, 이는 생산 시간과 비용을 상당히 감소시킨다. 바람직한 일 구현에서, 이는 X 통과 과정으로서 실행될 수 있는데, X는 각진 면들 또는 모서리들의 수를 나타낸다.
일부 실시 예들에서, 기판은 다음 중 하나 또는 그 이상을 사용하여 클리빙될 수 있다: 부가적인 레이저 가공 단계들, 물리적 가열, 냉각, 및/또는 기계적 수단. 앞서 언급된 필라멘트 발생 방법들에 따라 필라멘트 어레이가 형성될 때, 클리빙 단계는 더 적게 적용되는 힘을 필요로 하고 종래 접근법들과 관련하여 우수한 모서리 품질을 생산하는 것으로 알려졌다. 재료의 본질에 따라, 스크라이빙 및 분리(싱귤레이션)의 과정은 어떠한 힘 또는 열-기계적 장력에 또 다른 어떠한 노출도 필요하지 않은 단일 단계로 발생할 수 있다.
일부 실시 예들에서, 필라멘트 어레이는 필라멘트들이 접촉하거나(예를 들면, 빔 주위의 분포에서 순환하는 필라멘트들을 위하여 예를 들면, 서로 접선인) 또는 가변적일 수 있는, 사용자 선택가능 거리에 의해 분리되는 것과 같이 형성될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 어레이를 형성하는 필라멘트들 사이의 거리는 일정하다. 다른 실시 예들에서, 재료의 특성들은 제거되거나 절삭되는 형태의 원주를 따라 가변 간격으로 형성되는 필라멘트 어레이들을 위하여 향상된 싱귤레이션이 획득되는 것과 같을 수 있다. 효율적인 클리빙을 위한 적절한 필라멘트 간격은 따라서 일반적으로 싱귤레이션된 부품들의 물리적/전기적 특성들을 포함하는, 재료의 특성들 및 적용의 필요사항들에 의해 결정될 것이다. 펄스 폭, 버스트 내의 펄스-대-펄스 분리, 버스트 반복률, 파장, 및 펄스 에너지와 같은 빔 파라미터들이 변경에 더하여, 편광 회전 소자(파장판과 같은)를 사용함으로써, 그리고 약 1도부터 약 80도까지의 회전 각도의 변경 및 원하는 최종 결과에 의해 필요한 것과 같이 가공 동안에 랜덤으로부터 선형, 원형 또는 어느 정도는 이 둘의 혼합으로의 변경에 의해 편광 상태가 변경될 수 있다. 모서리 품질 및 따라서 후-싱귤레이션 모서리 강도는 이러한 기술뿐만 아니라 다른 기술들을 사용하여 조절될 수 있는 것이 관찰된다.
위에 설명된 것과 같이, 레이저원은 버스트 펄스 레이저, 예를 들면, 재생 증폭기를 갖는 펄스된 레이저를 포함할 수 있으나, 다른 버스트 펄스 시스템들도 사용될 수 있다. 예를 들면, 일 실시 예에서, 빔을 컴퓨터 제어가능 조향(및 선택적 초점 메커니즘들과 편광 제어)을 거쳐 기판에 전달하기 위하여, 내부에 또는 외부에 장착된, 고속 전자-광학 스위치가 구비된 다중 패스 증폭기가 사용될 수 있으며, 기판은 노출 경로를 따라 일정한 속도를 갖는 초점이 맞춰진 레이저 빔에 대하여 이동될 수 있다.
일부 실시 예들에서, 접선 속도(tangential speed)는 코너들에서 필라멘트 어레이들을 형성할 때에서와 같이, 그렇게 생성된 필라멘트들의 어레이가 그것의 공간적 조도(irradiance), 투여령 및 시간적 특성들에서 일정한 것과 같이, 필라멘트 어레이의 곡선 부를 형성할 때 일정할 수 있다. 다른 실시 예들에서, 고정된 기판에 대하여 빔을 이동시키기 위하여 컴퓨터 제어가 사용될 수 있다. 다른 실시 예들에서, 빔과 기판 모두의 운동을 제어하기 위하여 컴퓨터 제어가 사용될 수 있다.
예를 들면, 필라멘트 어레이를 형성하기 위하여 사용되는 이동률은 원하는 가공에 따라, 텔레센트릭 또는 비-텔레센트릭 최종 대물을 기초로 하는 스캐닝 시스템의 경우에 있어서, 기판을 지탱하는 단순한 선형 스테이지의 속도에 따라 결정될 수 있거나, 또는 스테이지 속도와 빔 속도의 결합에 따라 결정될 수 있다.
이동률은 예를 들면, 이에 따라 싱귤레이션되는 재료들의 원하는 특징들(뮬리적, 광학적, 전기적, 화학적, 열적 등)에 따라, 마이크론 단위의 사용자 선택가능 필라멘트 간격을 생산하도록 선택될 수 있다.
따라서, 하나 또는 그 이상의 가공 파라미터를 실시간으로 변경함으로써, 국부적으로 제어되거나 또는 맞춰지는 특성들을 갖는 필라멘트 어레이들이 형성될 수 있다(즉, 필라멘트들의 특성들이 재료의 서로 다른 영역 중에서 공간적으로 변경하며, 그렇게 함으로써 재료 자체의 특성들을 공간적으로 변형하는 필라멘트의 어레이들), 레이저 가공의 이러한 양상은 이전에 알려진 레이저 싱귤레이션 접근법들과 시스템들을 사용하여 달성될 수 없었다. 실제로, 국부적으로 제어되는 특성들을 갖는 어레이들을 형성하는 본 발명의 방법은 광범위한 범위의 적용들을 위하여 사용될 수 있다. 본 발명의 필라멘트 가공에 따라 국부적으로 제어될 수 있는 바람직한 특성들이 비-제한적 목록은 전기 성능, 광 출력 및 후-싱귤레이션 파괴 강도를 포함한다.
필라멘트 어레이를 형성하기 위하여 사용되는 레이저 펄스들의 빔의 특성들은 레이저 빔의 자동 초점화를 야기하도록 기판 내에 충분한 빔 강도를 제공하기 위하여, 미리 선택되고, 컴퓨터로 제어되는 처리 파라미터들에 따라 변경될 수 있다. 예를 들면, 레이저 빔은 가공되려는 재료 내의 모든 빔 축을 따라 모든 지점에서 필라멘트가 형성되는 것과 같이 제어될 수 있다. 바꾸어 말하면, 빔 특성들은 기판(들) 내에 음향 압축을 생성하고, 따라서 표적 재료들의 본질에 따라 그렇게 되도록 싱귤레이션되거나 준비된 빔을 제공하기 위하여특정 특징적 에너지 레벨을 초과하도록 하는 것과 같이 제어될 수 있다.
일부 실시 예들에서, 필라멘트 어레이들은 실질적으로 그것들의 세로 축(일반적으로 레이저 빔의 입사 축) 주위에 대칭인 필라멘트들에 의해 형성된다. 필라멘트의 길이는 기계 파라미터들에 의해 제어되는, 전력, 초점화 특징들 및 빔 형태와 같은 처리 파라미터들을 변경함으로써 제어될 수 있다(예를 들면, 약 10 ㎛부터 10 ㎜ 이상까지). 그러한 파라미터들의 변경은 재료 내에 생성된 광음향 변형과 관련된 특징들의 변화를 야기할 수 있다.
그것들이 발생되는 방법 및 각각의 에너지 특성들 모두와 관련하여, 본 발명의 방법들에서 사용되는 처핑된 펄스들과 버스트 펄스들 사이에 중요한 차이가 존재하는데, 버스트 가공 방법은 특히 정의된 필드 크기에 대하여 텔레센트릭을 제공하기 위하여 스캐너 및 적절한 초점화 광학장치와 결합될 때, 훨씬 큰 유연성을 나타낸다.
일 실시 예에서, 필라멘트 형성 빔을 실시간으로 자동 초점화하기 위한 시스템이 제공된다. 예를 들면, 일부 실시 예들에서, 빔은 컴퓨터 제어 하에서 완전히 협조 방식으로 빔을 조향하기 위하여 검류계(galvanometer) 및/또는 음향 광학 디플렉터(deflector)를 사용하여 높은 속도비율로 이동될 수 있다.
도 7a는 바람직하게는 100 피코초 미만의 펄스 폭을 갖는, 버스트 방식 펄스들의 트레인을 제공하는 초고속 레이저(500)를 포함하고, 빔 또는 빔들이 XY 면 내의 회전 스테이지(theta, θ), 3차원 XYZ 이동 스테이지, 및 좌표 제어 구조에서 X 축에 대하여 빔 또는 부품을 티핑하기(tipping) 위한 축(감마, γ)을 포함하는 다중 축 회전 및 이동 스테이지에 전달되도록 적절한 빔 조향 광학장치들이 이 구비된, 필라멘트 어레이 형성을 위한 레이저 가공 시스템의 예를 나타낸다. 도시된 바람직한 실시 예에서, 빔은 광학장치(502, 예를 들면, 볼록 또는 오목 렌즈 혹은 더 조정되거나 조작될 수 있는 약하게 초점이 맞춰진 스폿을 전달할 수 있는 렌즈들이 조합), 빔 샘플링 미러(504), 전력계(506), X-Y 스캐너(505), 최종 초점화 렌즈(520), 및 워크피스(520)를 위치시키기 위한 서보-제어 스테이지(510)를 조정함으로써 조작된다. 아래에 더 상세히 설명되는, 제어 및 처리 유닛(550)은 여기에 개시된 레이저 필라멘테이션 및/또는 싱귤레이션 장치 실시 예들의 제어를 위하여 사용된다. 필라멘트 위치와 깊이는 일정한 작업 거리를 유지하는 자동 초점 구성을 사용하여(예를 들면, 위치-감지 장치를 사용하여) 제어될 수 있다(도 1f에 도시된 것과 같이).
도 7b는 하나 또는 그 이상의 프로세서(예를 들면, 중앙 처리 장치/마이크로프로세서), 버스(bus, 554), 랜덤 액세스 메모리(RAM) 및/또는 판독 전용 메모리(ROM)를 포함할 수 있는 메모리(556), 하나 또는 그 이상의 광학 내부 저장 장치(558, 예를 들면, 하드 디스크 드라이브, 콤팩트 디스크 드라이브 또는 내부 플래시 메모리), 전원장치(560), 하나 또는 그 이상의 광학 통신 인터페이스(562), 광학 외부 저장장치(564), 광학 디스플레이, 및 다양한 광학 입력/출력(I/O) 장치 및/또는 인터페이스(568, 예를 들면, 수신기, 트랜스미터, 스피커, 디지털 스틸 카메라 또는 디지털 비디오 카메라에서 사용되는 것과 같은 영상 센서, 출력 포트, 키보드, 키패드, 마우스, 위치 추적 스타일러스, 위치 추적 프로브, 풋 스위치와 같은 사용자 입력 장치, 및/또는 음성 명령을 캡쳐하기 위한 마이크로폰)을 포함하는, 제어 및 처리 유닛(550)의 바람직한 구현을 도시한다. 제어 및 처리 유닛(550)은 레이저 시스템(500), 레이저 스캐닝/위치 시스템(505), 가공된 재료(510)를 위한 위치선정 시스템, 및 하나 또는 그 이상의 계측 센서 또는 영상 장치와 같은 하나 또는 그 이상의 계측 장치 또는 시스템(511) 중 하나 또는 그 이상과 인터페이스로 접속된다.
비록 도 7b에 각각의 컴포넌트 중 하나만이 도시되나, 제어 및 처리 유닛(550)에 어떠한 수의 각각의 컴포넌트도 포함될 수 있다. 예를 들면, 컴퓨터는 일반적으로 다수의 서로 다른 저장 매체를 포함한다. 게다가, 비록 모든 컴포넌트 사이의 단일 연결로서 버스(554)가 도시되나, 버스(554)는 두 개 또는 그 이상의 컴포넌트를 연결하는, 하나 또는 그 이상의 회로, 장치, 통신 채널을 나타낼 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 예를 들면, 개인용 컴퓨터들에서, 버스(554)는 때때로 마더보드(motherboard)를 포함하거나 또는 마더보드이다.
일 실시 예에서, 제어 및 처리 유닛(550)은 일반 목적의 컴퓨터 또는 다른 어떠한 하드웨어 등가물일 수 있거나 또는 이들을 포함할 수 있다. 제어 및 처리 유닛(550)은 또한 하나 또는 그 이상의 통신 채널 또는 인터페이스를 통하여 프로세서(552)에 결합되는 하나 또는 그 이상의 물리적 장치로서 구현될 수 있다. 예를 들면, 제어 및 처리 유닛(550)은 주문형 반도체(ASIC)를 사용하여 구현될 수 있다. 대안으로서, 제어 및 처리 유닛(550)은 소프트웨어가 메모리로부터 또는 네트워크 연경을 거쳐 프로세서 내에 로딩되는, 하드웨어와 소프트웨어의 조합으로서 구현될 수 있다.
제어 및 처리 유닛(550)은 프로세서 내에 실행될 때 시스템이 본 발명에서 설명된 하나 또는 그 이상의 방법을 실행하도록 야기하는 명령들의 세트로 프로그래밍될 수 있다. 제어 및 처리 유닛(550)은 도시된 섯보다 더 많거나 더 적은 컴포넌트들을 포함할 수 있다.
완전한 기능을 하는 컴퓨터들과 컴퓨터 시스템들의 맥락에서 일부 실시 예들이 설명되었으나, 통상의 지식을 가진 자들은 다양한 실시 예들이 다양한 형태의 프로그램 제품으로 분포될 수 있으며 실제로 분포에 영향을 미치도록 사용되는 특정 형태의 기계 또는 컴퓨터 판독가능 매체 없이 적용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
컴퓨터 판독가능 매체는 데이터 처리 시스템에 의해 실행될 때 시스템이 다양한 방법들을 실행하도록 야기하는 소프트웨어 및 데이터를 저장하도록 사용될 수 있다. 실행가능한 소프트웨어 및 데이터는 예를 들면, ROM, 휘발성 RAM, 비-휘발성 메모리 및/또는 캐시를 포함하는 다양한 위치들에 저장될 수 있다. 일반적으로, 기계 판독가능 매체는 기계(예를 들면, 컴퓨터, 네트워크 장치, 개인 휴대용 단말기, 제조 공구, 하나 또는 그 이상의 프로세서의 세트를 갖는 어떠한 장치 등)에 의해 액세스 가능한 형태로 정보를 제공하는(즉, 저장 및/또는 전송하는) 어떠한 메커니즘을 포함한다.
컴퓨터 판독가능 매체의 예들은 그중에서도 휘발성 및 비-휘발성 메모리장치들, 판독 전용 메모리(ROM), 랜덤 액세스 메모리(RAM), 플래시 메모리 장치, 플로피 및 다른 제거가능 디스크들, 자기 디스크저장 매체, 광학 저장 매체(예를 들면, 콤팩트디스크(CD), 디지털 다기능 디스크(DVD) 등)과 같은, 기록가능 및 비-기록가능 형태 매체를 포함하나 이에 한정되지 않는다. 명령들은 전기, 광학, 음향, 또는 캐리어 파, 적왜선 신호들, 디지털 신호들 등과 같은 다른 형태의 전파 신호들을 위한 디지털 또는 아날로그 통신 링크들로 구현될 수 있다.
본 발명의 일부 양상들은 적어도 부분적으로 소프트웨어에서 구현될 수 있다. 즉, 기술들은 ROM, 휘발성 RAM, 비-휘발성 메모리 캐시, 자기 및 광학 디스크, 또는 원격 저장 장치들과 같은, 메모리 내에 포함된 명령들의 시퀀스들을 실행하는 마이크로프로세서와 같은, 그것의 프로세서에 응답하는 컴퓨터 시스템 또는 다른 데이터 시스템에서 수행될 수 있다. 게다가, 명령들은 컴플라이 버전(complied version) 또는 링크 버전의 형태로 데이터 네트워크를 넘어 컴퓨팅 장치 내로 다운로드될 수 있다. 대안으로서, 위에 설명된 과정들을 실행하기 위한 논리는 부가적인 컴퓨터 및/또는 대규모 집적 회로(LSIC), 주문형 반도체(ASIC)와 같은, 기계 판독가능 매체, 또는 전기적으로 소거가능한 프로그램가능 판독-전용 메모리(EEPROM) 및 필드 프로그램가능 게이트 어레이(FPGA)들과 같은 펌웨어에서 구현될 수 있다.
도 8a 및 8b는 (a) 비-텔레센트릭(600) 및 (b) 텔레센트릭 렌즈(602)를 사용하여, 스테이지(605)의 제어를 거쳐 다중 축을 제어하는 능력을 나타내는 바람직한 실시 예들을 도시한다. 비-텔레센트릭 렌즈(600)의 경우에 있어서, 비-필드-수정 렌즈 내에 존재하는 자연적인 왜곡에 의해 각이 있는 필라멘트 경로가 생성될 수 있다. 정상적인 입사 광을 사용하는 워크피스(610) 내에 각이 있는 필라멘트 변형 구역(612, 614)을 제공하기 위하여 X(감마) 축 주위의 회전이 실행될 수 있다. 다른 광학 구성들이 가능하다는 것을 이해하여야 한다.
도 8c는 가공되려는 재료를 지탱하는 스테이지가 재료 표면에 대하여 각기 있는 필라멘트들 생산하도록 회전되는 대안의 실시 예를 도시한다. 이러한 실시 예는 스캔 렌즈를 사용하는 장치 실시 예와 유사한 결과들을 생산하기 위하여 빔 입사 각에 대하여 경사진 샘플을 나타내도록 구성된다.
도 9는 부품 싱귤레이션에 적합한 바람직한 레이저 시스템의 레이아웃을 도시한다. 레이저(765)는 예를 들면, 약 2.5 ㎒까지의 반복률로, 약 1 μJ - 50 μJ의 범위의 에너지를 갖는 버스트 펄스들을 전달할 수 있는 레이저 시스템이다.
화강암 라이저(granite riser, 702)는 산업용으로 통상적으로 사용되는 것과 같이, 기계적 진동을 약화시키기 위한 반응성 질량이 되도록 디자인된다. 이는 스테이지 위의 광학장치들이 하나의 축, 스테이지에 대한 X 또는 Y를 따라 이동할 수 있고 그것과 조화될 수 있는 브리지(bridge)일 수 있다.화강암 베이스(704)는 시스템의 컴포넌트들 중 어느 하나 또는 모두를 제공할 수 있는 반응성 질량을 제공한다. 일부 실시 예들에서, 핸들링 장치(740)가 안정성 이유를 위하여 시스템으로부터 진동으로 분리된다.
스테이지에 대하여 Z 축 내의 광학장치(만일 필요하면 조절 및 초점화 및 스캔 광학장치) 이동을 위하여 Z 축 모터(710)가 제공된다. 이러한 모터는 XY 스테이지 및 오버헤드 화강암 브리지 내의 X 또는 Y 운동, 및 가공되려는 샘플 재료를 받치는, 화강암 베이스 상의 스테이지의 XY 운동과 조화될 수 있다.
스테이지들(720)은 예를 들면, XY 및 기울기 축, 감마("요(yaw)")를 갖는 세타 스테이지를 포함한다. 스테이지들(720)의 운동은 예를 들면, 큰 기본 시트로부터 원하는 부품 형태를 생성하기 위하여 제어 컴퓨팅 시스템에 의해 조화된다. 계측 장치(metrology aapparatus, 775)는 예를 들면, 매핑, 크기, 및/또는 절석 후 모서리 품질 검사를 위하여, 후 가공 또는 선 가공(또는 모두) 측정들을 제공한다.
도 10a-c는 바람직한 각 결과를 달성하기 위하여 후 싱귤레이션 가공이 필요하지 않은 각이 있는 모서리들을 갖는 내부 특징부를 만들기 위한 각이 있는 컷 아웃 접근법을 도시한다. 도 10a-c에서, 빔 추적은 최종 부품 모서리(765) 상에서 원하는 슬로프와 동일한, 레이저 빔으로부터 고정된 입사 각을 갖는 세타 축(755) 주위의 회전을 통하여 달성된다. 비-제한적 실시 예는 필라멘트 어레이들을 거쳐 복합 컷아웃들이 생성을 제공하기 위한 장치로서 회전식 스테이지의 각이 있는 절삭과 이동을 가능하게 한다.
도 10d는 서로 다른 각도에서 다중 필라멘트 형성 빔들(775)로의 가공을 거쳐 챔퍼처리된 부품(770)의 형성의 바람직한 구현을 도시한다. 빔과 필라멘트 경로는 다양한 정도의 챔퍼처리되거나 사면(bevel) 모서리들을 형성하도록 제어될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 합성(평행) 형성이 경우에 있어서, 3면 모서리 또는 챔퍼가 생성되는 것과 같이, 정상적 입사 각을 따라, 정상 이외의 입사 각들을 나타내는 표적에 도달하는 다중 빔 경로를 달성하기 위하여 빔은 분열되고 광학 장치를 향한다.
첨버는 예를 들면, 과정에 의해 용인되는 스플리팅(plitting)의 정도에 따라, 두 개 또는 그 이상의 측면으로 생성될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 일부 바람직한 구성이 도 10e에 도시된다.
도 10f 내지 10n은 다수의 서로 다른 구성으로 챔퍼처리된 모서리들을 획득하기 위하여 다중 절삭을 사용하는 소다석회 유리의 가공을 도시한다. 도 10f 및 10h에서, 1.6 ㎜의 두께, 500 ㎜/초의 스캔 속도, 및 12도의 입사 각을 갖는 소다석회 유리 기판들이 두 빔으로 가공되는데, 일 면이 스크라이빙되고, 유리 기판이 뒤집히며, 제 2 면이 다시 스크라이빙된다. 상응하는 후-클리빙된 구조들이 각각 도 10g와 10i에 도시된다. 도 10j-10l은 다중 줌 레벨에서 챔퍼처리된 측면의 모서리를 도시한다.
일부 실시 예들에서, 아래에 설명되는 것과 같이, 레이저 가공 시스템은 하나의 레이저(빔 스플리팅 광학장치를 갖는)가 두 스크라이빙 단계를 동시에 실행할 수 있는 것과 같이 구성될 수 있다.
도 10m, 10n 및 10o는 위에 설명된 것과 유사한 조건들을 사용하여, 하나의 중간 수직 모서리와 두 개의 챔퍼처리된 모서리를 갖는 모서리를 획득하기 위한 3가지 절삭을 갖는 부품의 가공을 도시한다. 이러한 경우에 있어서, 기판은 12도의 입사각으로 일 면에서 가공되었으며; 기판은 뒤집혀지고 12도의 입사 각으로 다른 면 상에서 가공되었으며, 그리고 나서 입사 각은 수직 가공 단계를 위하여 0도로 변경되었다.
위에 설명된 것과 같이, 이러한 가공 단계들은 레이저가 충분한 전력을 가질 때 적절한 빔 스플리팅을 갖는 단일 레이저를 사용하여 동시에 실행될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 예를 들면, 약 75W의 평균 전력을 갖는 레이저가 동시에 모든 가공 단계를 실행하는데 충분하다는 것이 밝혀졌다.
다중 축 회전 및 이동 제어를 갖는, 앞서 언급된 장치는 부품들을 컴포넌트 조가 내로 싱귤레이션하고, 폐쇄 형태들을 컷아웃하며, 현재 장치 제조사들에 의해 사용되는 기술들을 사용하여 가능하지 않은, 높은 싱귤레이션된 파괴 강도(예를 들면, 약 30 MPa)를 갖는 모바일 장치들을 위한 커버 유리와 같은 제품들을 생성하기 위한 목적으로, 다양한 초점 위치들에서, 필라멘트 어레이들의 곡면 구역들을 생성하기 위한 비-정상 입사 각 및 가변적인, 레시피 제어 위치들에서 빔을 워크피스 상으로 가져오는 목적을 위하여 사용될 수 있다.
통상의 지식을 가진 자들은 모든 적용을 위하여 이러한 모든 축이 필요하지 않으며 일부 적용들은 단순한 시스템 구성으로 이익이 발생한다는 것을 이해할 것이다. 게다가, 도시된 장치는 단지 본 발명의 실시 예의 바람직한 구현이며, 그러한 실시 예들은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 기판들, 적용들, 및 부품 표현 전략들을 위하여 변경되거나, 변형되거나 또는 혼성된다는 것을 이해하여야 한다.
도 11a는 여기에 개시된 방법들에 따른 큰 볼륨의 제조에서의 사용을 위한 바람직한 회전식 가공 시스템 구성(800)을 도시한다. 바람직한 시스템은 로드 및 언로드 오버헤드뿐만 아니라, 후-처리 계측 및 후-처리 매핑을 제거하기 위하여 부품들을 다양한 스테이션으로 이동시키기 위한 회전식 스테이지를 포함한다.
예를 들면, 샘플 내의 보우(bow), 크기, 부품 지향, 또는 싱귤레이션이 영향을 받는 곡률을 결정하기 위하여 매핑 서브시스템(805)이 제공된다. 가공 스테이션(810)은 여기에 개시된 방법들에 따라, 싱귤레이션, 텍스처링(texturing), 드릴링 등을 실행한다. 계측 스테이션(815)은 모서리들의 저장된 프로파일 또는 검사에 대한 부픔의 측정과 같은 측정들을 실행한다. 로드 및 언로드 스테이션(820)은 부품들을 가공 스테이션 내로 또는 외부로 가져오도록 구성된다. 선형 슬라이드 스테이션(830)은 최소 이동 부품들과 소비로 빠른 \부품 교환을 제공한다. 스테이지는 시스템의 중심 축 주위를 회전하며(825에 도시된 것과 같이), 스테이션으로부터 다른 스테이션으로 부품들을 이동시킨다.
도 11b는 다중 기판, 다중 빔, 및 다중 레이저 헤드 능력을 제공하는, 가공 스테이지(810)의 바람직한 구현을 도시한다. 이는 다중 샘플이 일제히 처리되는 것과 같이, 처리 스테이지의 멀티플렉싱을 가능하게 한다. 도면에 도시된 바람직한 구현에서, 레이저들(832 및 834)에 의해 방출된 빔들은 분열되고 핸들러 셔틀(handler shuttle, 838)에 의해 4가지 위치에 위치될 수 있는 부품들 상으로 향하기 전에 각각의 X, Y, Z 2 및 8 스테이지를 향한다.
도 11c-11f는 4개의 웨이퍼의 가공을 위한 듀얼 레이저 빔 시스템을 포함하는 또 다른 바람직한 구현을 도시한다. 도 11c에 도시된 것과 같이, 4개의 웨이퍼(1-4)는 웨이퍼들 사이에 제어가능한 갭(1100)을 갖는, 가공을 위한 4개의 사분면으로 간격을 이룬다. 도 11d를 참조하면, 두 개의 입사 및 측면으로 간격을 두는(x-방향으로) 버스트 레이저 빔이 빔 스플리터(beamsplitter, 1105), 미러(1110), 및 렌즈(1115)를 포함하는 이동가능한 빔 전달 시스템을 사용하여 레이저 시스템으로부터 형성된다. 빔들은 각각 개별 웨이퍼들(예를 들면, 웨이퍼 1과 3, 2와 4) 상으로 초점이 맞춰지며, 개별 웨이퍼들은 공통 지지대(1120)에 의해 지탱된다.
도 11e에 도시된 것과 같이, 빔 전달 시스템은 본 발명에 따른 필라멘트 가공을 거쳐 웨이퍼들을 스크라이빙하기 위하여 Y-방향으로 웨이퍼들에 대하여 이동된다. Y-방향으로의 주어진 라인을 따라 스크라이브를 완료한 후에, X-방향에서의 웨이퍼들과 빔 전달 시스템 사이의 상대 위치는 변경되고, 웨이퍼들은 다시 한 번 Y-방향으로 스크라이빙된다. 이러한 과정은 Y-방향 내의 모든 필요한 라인을 따라 레이저 가공을 용이하게 하도록 반복된다. 웨이퍼 가공의 속도는 X-스테이지의 속도보다 Y-스테이지의 속도에 더 의존한다는 것을 이해하여야 한다. 따라서, 일부 실시 예들에서, Y-스테이지는 X-스테이지를 제어하는 모터의 속도보다 높은 속도를 갖는 모터에 의해 제어될 수 있다.
도 11e는 Y-스테이지 내의 두 개의 바람직한 스크라이브 라인, 주로 제 1 스크라이빙된 라인(1130) 및 중간-웨이퍼 스프라이빙된 라인(1140)을 도시한다. 또한 도면에 스크라이빙 이전에 빔 전달 시스템과 웨이퍼들 사이의 상대 속도가 증가하는 가속 영역(1150), 및 스크라이빙 이전에 빔 전달 시스템과 웨이퍼들 사이의 상대 속도가 감소하는 감속 영역(1156)이 표시된다.
레이저 펄스들은 레이저 빔이 웨이퍼 상의 스크라이브 라인 위에 위치되지 않을 때 차단되거나 약화될 수 있다. 바람직한 두 레이저 전력 시간 의존 프로파일이 도 11f에 도시되는데, 시간적 프로파일 (ⅰ)은 도 11d의 제 1 스크라이브 라인(1130)과 상응하고, 시간적 프로파일 (ⅱ )은 도 11d의 중간-웨이퍼 스크라이브 라인(1140)과 상응한다.
Y-방향으로 모든 스크라이브 라인이 형성된 후에, 웨이퍼들은 그리고나서 빔 전달 시스템에 대하여 90도로 회전하며, 도 11f에 도시된 것과 같이, X-방향으로 모든 필요한 라인을 스크라이빙하기 위하여 과정이 반복된다.
일부 실시 예들에서, 입사 레이저 펄스들의 편광은 아래에 더 상세히 설명되는 것과 같이, 수평, 수직, 또는 원형일 수 있다. 예를 들면, 일부 재료들에서 스크라이빙 동안에 수평 편광의 사용은 향상된 스크라이빙 효율을 야기한다는 것이 알려졌다.
도 12는 복합 모서리, 내부 컷아웃 특징부(842) 및 둥근 코너들을 갖는 부품(840)을 생산하기 위한 투명 기판의 가공을 도시한다. 도면에 도시된 것과 같이, 코너들(844)은 고정되거나 또는 반경이 변경될 수 있다. 도면은 또한 폐쇄 형태의 적용들 및 내부 특징들을 위한 필라멘트들의 임의의 곡선 어레이들을 형성하는 능력을 설명한다.
또 다른 실시 예에서, 최종 렌즈는 예를 들면, 약 50 ㎜의, 크고 분명한 구멍일 수 있으며, 이는 각 왜곡이 정상이 아닌 입사각을 생성하는 것과 같이, 그리고 싱귤레이션된 제품이 가공 바로 후에 각이 있거나 또는 챔퍼처리된 것과 같이, 100 ㎜ × 100 ㎜까지 약 25 ㎜ × 25 ㎜ 필드, 및 수정되지 않은 필드를 발생시키도록 사용될 수 있다.
일부 실시 예들에서, 버스트를 포함하는 각각의 서브-펄스의 에너지 gfpqpffml 상승 또는 하강에 대하여, 그것들이 생성됨에 따라 버스트 펄스 내의 특정 프로그램가능 정도가 존재할 수 있다. 바꾸어 말하면, 펄스들의 버스트 엔벨로프의 파형 프로파일의 상승 또는 하강을 선택함으로써 제어 정도가 사용자에 주어진다. 이러한 펄스 에너지 프로파일 변조는 사용자가 열 형성의 비율 및 따라서 재료가 음향 압축을 받는 비율을 결정하도록 허용한다. 따라서 그러한 방법은 펄스 대 펄스 제어에 의해 변조된 버스트 펄스 프로파일을 사용하는 음향 압축 제어를 허용한다.
아래에 설명되는 것과 같이, 본 발명의 싱귤레이션 방법들은 종래의 접근법들보다 높은 생산 과정을 달성하기 위하여 사용될 수 있는데, 그 이유는 일부 실시 예들에서, 단일 과정 단계로 그리고 종래의 싱귤레이션된 부품들로 높은 벤드 강도에서 싱귤레이션이 달성될 수 있기 때문이다.
공간적으로 분포되는 방식으로 초점이 맞춰지는, 버스트 펄스들의 에너지 특징들은 각각의 층 또는 표면이 횡단된 후에 빔 내에 충분한 에너지가 존재할 때, 단일 층 또는 다층 재료들을 위하여, 장치가 재료의 확장된 길이를 넘어 실질적으로 균일한 밀도의 재료 압축 파를 전달하는 것을 가능하게 한다. 아래에 더 설명되는 것과 같이, 공기, 가스, 진공에 의해 형성되는 갭을 갖는 다수의 재료 층이 있는 스택, 또는 중간 층들의 모두 또는 일부 사이에 서로 다른 굴절률(예를 들면, 복합 및/또는 실제)을 갖는 다른 재료들을 포함하는 바람직한 실시 예들에서, 충분한 에너지 및 초점화 조건들이 사용될 때 다층 필라멘테이션이 다시 발생할 수 있다. 위에 설명된 것과 같이, 필라멘트 어레이들이 간격은 빔과 작업 사이의 상대 비율을 변경함으로써 다양해질 수 있다.
위에 설명된 것과 같이, 위에 개시된 필라멘테이션 변형 방법들은 투명 재료들의 빠르고 낮은 손상의 싱귤레이션, 다이싱, 스크라이빙, 클리빙, 절삭, 및 측면 처리를 가능하게 한다. 일부 실시 예들에서, 필라멘트 기반 싱귤레이션은 평면 또는 곡선 재료들 상에서 실행될 수 있으며, 따라서 많은 제조 적용들에 사용될 수 있다. 방법은 일반적으로 필라멘트가 초고속 레이저 펄스들의 버스트를 거쳐 형성될 수 있는 어떠한 투명 매체에 적용된다. 아래에 개시되는 실시 예들에 따라 제공되는 장치는 예를 들면, 곡선 표면들 위로 그리고 주위로 확장하는, 다중 축 내의 조화된 빔 운동을 위한 수단을 제공할 수 있으며, 벤드 강도, 모서리 거칠기, 전기 또는 광학 효율, 생산 비용, 및 및 모서리 형태와 질감과 같은, 가공된 특성들과 같은, 최종 제품의 프로그램가능한 제어(예를 들면, 미리 선택된 레시피에 따라)를 위한 광학 자동-초점화 소자들과 함께 제공될 수 있다.
일부 바람직한 구현들에서, 유리 재료들(예를 들면, 알루미노 규산염, 규산 나트륨, 도핑된 유전체 산화물, 및 유사 성분 또는 화학량)을 위하여, 여기에 개시된 싱귤레이션 방법들은 액정 디스플레이, 평면 패널 디스플레이, 유기 디스플레이, 유리 플레이트, 다층 얇은 유리 플레이트, 오토글라스, 튜빙, 디스플레이 커버 유리, 보호성 창, 안전 유리, 적층된 구조체, 건축용 유리, 전자변색 및 그렇지 않으면, 바이오칩, 광학 센서, 평면 광파 회로, 과 섬유, 실험, 산업 및 가정용 유리 및 공예의 다이싱 또는 클리빙을 위하여 사용될 수 있다.
반도체 재료들(특히, 얇은 웨이퍼 형태에서의, 실리콘, Ⅲ-Ⅴ, 및 다른 반도체 재료들과 같은)을 위하여, 미소전자 칩, 메모리 칩, 센서 칩, 발광 다이오드, 레이저 다이오드, 빅셀(VCSEL) 및 다른 광전자 장치들을 위하여 여기에 개시된 싱귤레이션 방법이 사용될 수 있다.
다른 바람직한 구현들에서, 여기에 개시된 필라멘트 방법들은 투명 세라믹, 중합체, 투명 전도체, 와이드 밴드갭 유리 및 수정(수정 석영, 다이아몬드, 사파이어와 같은)의 다이싱, 절삭 또는 스크라이빙을 위하여 사용될 수 있다.
여기에 개시된 방법들은 또한 적어도 하나의 재료 성분이 그러한 필라멘테이션 가공을 용이하게 하도록 레이저 파장에 대하여 투명한 복합 재료들과 어셈블리들로 확대될 수 있다. 비-제한적 예들은 실리콘 상이 실리카, 유리 상이 실리콘, 금속 코팅된 유리 패널 디스플레이, 인쇄 회로 기판, 미소전자 칩, 전기변색 디스플레이, 미러, 유리, 창 또는 투명 플레이트, 광학 히로, 다층 평면 패널 디스플레이, 액정 디스플레이, 미세유동 장치, 센서, 액추에이터, MEM, 마이크로 총 분석 시스템(μTAS) 및 다층 중합체 패키징을 포함한다.
빔 축에 대한 필라멘트의 방사상 대칭은 높은 파괴 강도를 제공하기 위하여, 다른 레이저 가공들, 가열 냉각, 가스 제트, 및 자유 접촉 방법으로 부품들을 싱귤레이션하는 다른 수단과 같으나 이에 한정되지 않는, 후속(follow-on) 방법에 의해 특히 클리빙하기가 쉬운 재료를 제공한다.
일 실시 예에서, 제 1 노출에 의해 생성된 필라멘트 어레이 라인을 추적하기 위하여 또 다른 레이저 노출이 사용될 수 있다. 이는 필라멘트 형성을 위하여 사용되는 레이저, 또는 다른 더 경재적인 레이저로 달성될 수 있다. 이러한 방법으로 완전한 싱귤레이션이 두께 또는 재료 특성 때문에, 자연적인 자가-클리빙이 여기에 개시된 기술에 의해 바람직하지 않거나 또는 실현할 수 없는 유리 부품들에 영향을 받는다. 부가적인 레이저 노출은 펄스된 또는 연속 파이다. 부가적인 레이저 노출의 전력 레벨은 약 10W 또는 그 이상일 수 있다. 부가적인 레이저 노출의 파장은 532 ㎚보다 길 수 있다. 부가적인 레이저 노출의 상대 이동 속도는 약 500 ㎜/초일 수 있다. 부가적인 레이저 노출은 정적 또는 동역학적(스캐닝) 광학장치를 사용하여 전달될 수 있다.
여기에 개시된 방법들에 따라 형성되는 제품들과 재료들은 가공 조건 및 그것들 내에 필라멘트들이 어떻게 만들어졌는가에 의해 독특한 전기 및 광 생산 특성들을 나타낼 수 있다. 예를 들면, 고장(기계적 또는 전기적)에 대한 저항성 및 매우 낮으나 프로그램가능한 모서리 거칠기를 나타내는 강한 부품들(유리 또는 사파이어)이 형성될 수 있다. 고장에 대한 저항성은 또한 이에 따라 싱귤레이션된 이러한 부품들 상에 또는 내에 제조된 장치들로 확장된다.
도 13a 및 13b에 도시된 것과 같이, 필라멘트들의 오버랩의 정도(또는 필라멘트들의 개별 간격)는 부품들의 모서리 거칠기(850, 852)가 마이크론 스케일 상에서 제어될 수 있는 것과 같이, 사용자와 레시피가 선택가능하다. 모서리 거칠기에 대한 그러한 제어는 싱귤레이션 조건들에 의해 장치 성능이 영향을 받거나 또는 제어되는데 유용할 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 방법들과 시스템들은 새로운 재료들의 기하학적 형태 및/또는 부품들을 생산할 수 있으며, 그렇게 함으로써 소비재, 항공우주산업, 자동차 및 건축용 세그먼트들에와 같은 세그먼트에서의 대용품을 제조하기 위한 새로운 길을 열 수 있다.
높은 파괴 강도를 갖는 싱귤레이션된 부품들을 위한 필라멘테이션
선행 실시 예들은 다른 레이저 가공 방법들을 거쳐 달성될 수 있는 강도를 초과하는 파괴 강도로 강력한 손상이 없는 모서리를 갖는, 기판들을 생산하도록 사용될 수 있다. 그러한 기판들은 챔퍼처리되거나(chamfered), 경사지거나(beveled), 또는 불 노우즈(bull nose) 모서리들을 나타내는 테블릿 PC, 소형 장치, 미러, 유리 플레이트, 반도체, 필름 스택, 디스플레이 렌즈 어레이, 전자-초점화 렌즈, 전기변색(electrochromic) 어셈블리, 디스플레이, 액정 디스플레이 및 평면 패널 디스플레이들과 같은 다양한 적용들에서 사용될 수 있다.
예를 들면, 위에 개시된 방법들에 따라 가공되고, 그 뒤에 싱귤레이션된 기판들은 50 MPa 이상의 파괴 강도를 나타낼 수 있는 것을 발견하였다. 도 14a-c는 이에 따라 싱률레이션된 재료들의 가공된 파괴 강도를 결정하기 위하여 ASTMC158에서 설명된 것과 같은 파괴 강도 검사 프로토콜을 도시한다. 도 14a 및 14b는 두 가지 바람직한 파괴 강도 측정 구성을 도시하며, 도 13c는 특징적인 강도를 결정하기 위한 바람직한 와이블 플롯(Weibull plot)을 도시한다. 도시된 바람직한 보고 방법은 조사 하의 재료의 통계 결과를 전달하고, 언제 그리고 어떤 조건에서 실패하는지를 예측하도록 디자인된, 와이블 플롯이다.
일부 실시 예들에서, 여기에 개시된 방법들은 100 MPa를 초과하는 파괴 강도를 제공하기에 충분히 높은 모서리 품질을 제공하도록 사용될 수 있다. 예를 들면, 여기에 개시된 방법들에 따라 싱귤레이션된 재료들을 위한 파괴 검사 데이터는 비-화학적으로 강화된 유리 내의 300 MPa만큼 높은 파괴 강도를 설명하였다. 이에 따라 생성된 재료 및 어떠한 제품이 파괴 강도는 처리 조건들의 신중한 선택에 의해 긍정적으로 영향을 미칠 수 있다. 100 MPa를 초과하는 파괴 강도가 바람직하나, 그러한 높은 파괴 강도들은 또 다른 가공 없이 다른 방법들을 사용하여 달성될 수 없다는 것을 이해하여야 한다.
복합 스플라인 가공을 위한 장치
일부 실시 예들에서, 위에 개시된 본 발명의 방법들에 따라 기판 내에 필라멘트를 형성하기 위한 시스템은 복합 스플라인 부품들을 제공하기 위하여, 조화된 Z 위치 제어와 결합된, 회전식 스테이지 및 자동화 짐벌 장착 최종 대물렌즈(감마 축, γ)를 포함할 수 있다. 그러한 실시 예는 또 다른 개량 또는 후 가공의 필요 없이 높은 생산으로 높은 벤드 강도 부품들의 생성을 제공한다.
도 15a 및 15b는 부품들이 부품의 원하는 특성들에 의해 지시되고 싱귤레이션되는(예를 들면, 그 안의/그 위의 장치들의 강도, 전도도, 전기 효율, 식각 저항 또는 효율 등) 것과 같이 부품 형태의 전체 주위를 가로질러 정상 또는 비정상 빔 입사를 갖는 임의 형태로 절단될 수 있는, 복합 스플라인 표면(900)을 갖는 샘플들의 가공을 도시한다. 일정한 대물 렌즈 간격을 이한 자동 초점과 결합된 XY 면 내의 적절한 이동을 갖는 세타(theta) 및 감마 축 내의 좌표 운동은 부품의 적용 및 그것의 필요한/원하는 성능 엔벨로프에 따라 사용자 선택가능(합리적인 범위에 대하여) 특성들을 갖는 부품을 발생시키도록 사용될 수 있다. 가공되는 광학장치(도 15a) 및/또는 부품은 이러한 능력을 달성하기 위하여 이동되거나 및/또는 회전될 수 있다. 도 15b 및 15c는 스테이지(905)를 거쳐 가공되는 부품의 이동 및/또는 회전을 도시한다. 도 15d는 둥근 모서리를 나타내기 위한 필라멘트 형성을 거쳐 가공된 유리 부품을 도시한, 그러한 실시 예의 바람직한 일 구현을 제공한다.
다중 층의 가공
다른 실시 예들에서, 다중 평면 필라멘트들은 투명 가스 또는 다른 투명 재료들에 의해 분리되는 유리들의 일부 층을 가로질러 생산될 수 있거나, 혹은 서로 다른 투명 재료들의 다중 층 내에 생산될 수 있다. 기판은 두 개 또는 그 이상의 층을 포함할 수 있으며, 초점식 레이저 빔의 빔 초점의 위치는 두 개 또는 그 이상의 층 중 적어도 하나 내에 필라멘트 어레이를 발생시키도록 선택된다.
예를 들면, 다층 기판은 액정 디스플레이(LCD), 평면 패널 디스플레이(FPD), 및 유기 디스플레이(OLED)와 같은 다층 평면 패널 디스플레이 유리를 포함할 수 있다. 기판은 또한 오토글라스, 튜빙, 창, 바이오칩, 광학 센서, 평면 광파 회로, 광섬유, 음료용 유리 그릇, 공예 유리, 실리콘, Ⅲ-Ⅴ 반도체, 미소전자 칩, 메모리 칩, 센서 칩, 전기-광학 렌즈, 평면 디스플레이, 강력한 커버 재료를 필요로 하는 소형 컴퓨팅 장치, 발광 다이오드(LED), 레이저 다이오드(LD), 및 빅셀(vertical cavity surface emitting laser, VCSEL)로 구성되는 그룹으로부터 선택될 수 있다.
대안으로서, 초점이 맞춰진 레이저 빔의 빔 초점의 위치는 먼저 두 개 또는 그 이상의 층 중 제 1 층 내에 필라멘트 어레이를 발생시키도록 선택될 수 있으며, 방법은: 두 개 또는 그 이상의 층 중 제 2 층 내에 지수 변화를 생성하기 위하여 제 2 빔 초점을 위치시키는 단계; 제 2 층을 조사하는 단계 및 기판을 클리빙하기 위한 제 2의 내부에(개별 층이 아닌, 스택 내부에) 스크라이빙된 경로를 생산하기 위하여 기판을 이동시키는 단계;를 더 포함할 수 있다. 기판은 제 1 층을 조사할 때에 대한 반대편 면으로부터 조사될 수 있다. 기판은 일제히 또는 뒤따르는 과정 단계들에서, 상단 및 바닥부로부터 또는 다중 입사 각들로부터 더 조사될 수 있다. 게다가, 제 2 층을 조사하기 전에, 제 2 빔 초점의 위치는 제 1 층을 조사할 때 빔 초점의 위치에 대하여 측면으로 이동될 수 있다. 제 2 초점식 레이저 빔은 제 2 층을 조사하도록 사용될 수 있다. 이러한 빔은 단일 소스 또는 제 2 소스로부터의 시스템에 의해 제공될 수 있다. 일제히 작동하는 다중 빔들은 따라서 평행한 다중 기판들을 처리할 수 있다.
도 16a는 재료들(935, 선택적으로 크거나 작은 굴절률(n)을 갖는 갭들(940)을 갖는)이 복합 스택들의 싱귤레이션을 제공하기 위하여, 기울어진(tipped, 비-정상 입사를 의미) 부품 또는 기울어진 빔(925) 또는 모두에 의한 임이 입사 각에서, 필라멘트 구역들(940)의 형성에 의해 어떻게 싱귤레이션될 수 있는지를 도시한다. 절제에 있어서, 조건들은 부품 및 그것의 컴포넌트의 중간 및 단말 인터페이스에서의 절제에 영향을 미치도록 선택될 수 있다. 이는 주로 필라멘트 형성의 온셋(onset), 일반적으로 필라멘트 형성이 바람직한 표적 층의 z 위치와 일치하도록, 최종 대물 렌즈로부터의 설정 거리를 제어함으로써 조정된다. 부품 또는 광학장치의 z-위치를 조정함으로써, 사용자가 어디서 필라멘트를 먼저 형성하는지를 결정하는데 고도의 제어가 제공될 수 있다.
도 16b는 2.1 ㎜의 두께를 갖는 3중 층 적층 유리 기판이 0.5 m/초의 속도에서 단일 패스에 의한 필라멘트 형성을 거쳐 처리된, 그러한 실시 예의 바람직한 일 구현을 도시한다. 도 16c는 두 개의 공기 갭 및, 중간 부착 층을 포함하는 필라멘트 처리된 다층 장치의 후-클리브의 전자 현미경 이미지를 도시한다.
일부 실시 예들에서, 고체 투명 층들 내에만 필라멘트들을 형성하도록 레이저 노출을 제어함으로써, 단일 또는 다층 플레이트들 내의 각각의 표면 상의 절제 및 잔해 발생을 방지할 수 있다. 이는 예를 들면, 두꺼운 유리들 또는 섬세한 다층 투명 플레이트들이 매끄럽고 균열 없는 측면으로 클리빙되어야만 하는 제조에 있어서 상당한 장점을 제공한다.
예를 들면, 도 16d는 상단 표면이 V-홈을 거쳐 가공되고 바닥부 표면이 필라멘트 형성을 거쳐 가공되는, 하이브리드 가공 방법을 사용하여 적층된 액정 디스플레이 기판의 클리빙의 바람직한 구현을 나타내는 현미경 이미지를 도시한다.
모니터링
일 실시 예에서, 앞서 언급된 방법들을 실행하기 위한 장치는 모서리 위치를 위하여, 대조를 위한 사용자 선택할 수 있는 가변 파장들을 사용하는, 시각 및 정렬 능력, 모두 전- 및 후-레이저 가공하는 웨이퍼 매핑 및 계측을 포함한다. 바람직한 일 구현에서, 이미지 획득과 분석을 위한 표준 기계 시각 컴포넌트들은 이러한 작업을 달성하는데 충분하며 이러한 작업과 정렬 알고리즘과의 결합은 필요한 제어 레벨을 제공한다. z 방향으로 광학장치 또는 부품을 구동하기 위하여 음성 코일 또는 유사한 기구가 제공될 수 있고 사용될 수 있으며, XY 위치선정을 위하여 선형 모터들이 사용될 수 있다, 모터들에 인코더 신호들 내의 0.1-10 ㎛ 정밀도 및 정확도가 구비된다.
예를 들면 발광 다이오드 웨이퍼들의 경우에 있어서, 웨이퍼들은 평평하지 않다. 로딩 스테이션에서, 웨이퍼들이 선택될 수 있고 그리고 나서 샘플 곡률 또는 다이싱 테이프, 다이 부착 필름(die attach film, DAF), 또는 장착에 의해 유도되는 다른 왜곡을 계산하기 위하여 선-매핑(pre-mapping)된다. 선-매핑은 일반적으로 작업을 가로질러 빔 또는 광원의 광학 스캐닝에 의해 완료되며, 반사된 광은 작업과 카메라 사이의 거리를 측정하기 위하여 정보를 얻는다. 예를 들면, 그러한 실시 예는 공초점 시스템으로서 구현될 수 있다. 공초점 또는 유사 고속 자동 초점 메커니즘은 발광 다이오드 웨이퍼 노치(notch) 또는 플랫에 대한 정확한 거리 위치 및 코너 모서리 위치를 제공하는데 충분할 수 있다. z-위치는 원하는 초점 위치와 일치하도록 선택될 수 있으며, XY 및 세타 위치들의 함수로서 웨이퍼 곡률의 + 또는 - 오프셋일 수 있다. 선-매핑된 데이터는 그리고 나서 시스템 제어 컴퓨터 내로 로딩될 수 있으며, 서보 좌표 신호를 갖는 Z에서 실시간 자동 초점 시스템을 구동하도록 사용된다. 이러한 시스템은 부품 또는 스테이지의 표면에 대하여 기하학적 초점의 위치 내의 약 +/- 50 ㎚의 자동 초점 제어를 가능하게 하며, 높은 선형 속도(1.5 m/초와 같은)로 광학 빔에 대하여 샘플을 이동시킨다.
바람직한 일 구현에서, 이러한 기능성은 힘 프레임-계측 프레임 구성으로 달성될 수 있으며, 반응 힘은 유도된 진동으로부터 흔들리지 않는 광학 프레임을 제공하는 비-결합식 기계 컴포넌틀 내로 댐핑된다(damped).
일부 실시 예들에서, 시각 시스템은 측정이 프리스크라이빙된 범위 내에 존재하지 않을 때, 부분 파일 충실도, 경고 생산, 보고, 또는 다른 알림을 추적하기 위하여 필라멘트들의 특성들 및/또는 치수를 측정할 수 있다. 위에 설명된 것과 같이, 시스템에 필라멘트 형성을 단면으로 추적하는 시각 시스템이 구비될 수 있다.
일부 실시 예들에서, 실시간으로 필라멘트 형성과 관련된 하나 또는 그 이상의 처리 파라미터를 측정하기 위하여 빠른 피드백(예를 들면, ＞1 ㎑의 샘플링 레이트)이 가능한 전자장치가 사용될 수 있다. 바람직한 일 구현이 도 17a에 도시된다. 모니터링 컴포넌트 모두 또는 어느 하나는 필라멘트 형성의 위치를 추적하도록 구성(이동 또는 그렇지 않으면 각의 위치의 변경)될 수 있다. 예를 들면, 도 17a에 도시된 바람직한 구현에서, 두 개의 카메라(영상 장치) 및 하나의 검출기가 필라멘트들의 크기, 깊이, 및 간격을 검출하도록 위치된다. 필라멘트 형성 과정 동안에 방출되는 광학 방사선을 검출하기 위하여 카메라 또는 검출기(950)가 위치되며, 검출된 광학 방사선과 관련된 신호들은 계측을 위하여 처리들 수 있다. 가공되는 투명 재료의 모서리를 통하여 형성되는 것과 같이, 필라멘트들(960)의 깊이 및/또는 크기를 모니터하기 위하여 카메라(952)가 위치된다. 필라멘트 어레이의 깊이를 측정하기 위하여 검출기(954, 영상 장치 또는 카메라일 수 있는)가 위치된다(도 17b는 이러한 카메라에 의해 획득된 필라멘트 어레이(960)의 바람직한 이미지를 도시한다).
가공 품질을 확인하거나 및/또는 과정을 실제로 제어하기 위한 피드백 측정들을 제공하기 위하여 측정된 특성들 또는 파라미터들 중 어느 하나가 제어 및 처리 시스템(970)에 제공될 수 있다. 예를 들면, 측정된 특성들 또는 파라미터들은 제어 시스템 내에 저장된 미리 결정된 값들과 비교될 수 있다. 제어 및 처리 시스템(970)은 필라멘트 형성 과정을 제어하도록 프로그래밍된 프로세서가 구비된 컴퓨터 또는 컴퓨팅 장치일 수 있다.
바람직한 일 구현에서, 하나 또는 그 이상의 영상 장치로부터의 출력은 필라멘트의 깊이의 모니터링을 위한 z-서보에 피드백을 제공하기 위하여 필라멘트 종료 지점과 위치를 확인하도록 처리된다. 그러한 실시 예는 필라멘트가 재료(예를 들면, 발광 다이오드 다이싱) 내부에서 중단되는 것을 보장하기를 원할 때 유익할 수 있다. 도 19에 도시된 것과 같이, 형태 및/또는 위치 충실도와 관련된 계측 데이터를 제공하기 위하여 부가적인 영상 장치들이 포함될 수 있다.
도 17c 및 17d에 도시된 것과 같이, 적외선 광원과 같은, 광원(970)은 하나 또는 그 이상의 필라멘트를 통과하고 실질적으로 검출기/카메라(975)에 의해 검출되는 광학 샘플링 빔을 발생시키도록 사용될 수 있다. 도 19c는 평면-내 모니터링 실시 예의 일례를 도시하며, 도 19d는 각이 있는 각변형(out-of-plane) 모니터링 실시 예의 일례를 도시한다.
선행 실시 예들은 DBR 및 질화 갈륨 구조를 갖는 발광 다이오드 웨이퍼들의 싱률레이션을 포함하는 바람직한 적용들에 특히 유용할 수 있다. 기판 내에 클리브 면을 생성하고 이러한 특징을 지속시키는 깊이를 제어할 수 있는 실질적인 장점이 존재한다. 질화 갈륨 층을 갖는 발광 다이오드의 경우에 있어서, 질화 갈륨은 기판과 질화 갈륨 부착 층들 사이의 인터페이스에서 절제 공정의 존재에 의해 분포된다. 본 발명의 방법은 이러한 깊이를 ＜10 ㎛의 z 위치 내로 제어하는 방법뿐만 아니라, 필라멘트 형성 이벤트 후에 레이저 빔을 빠르게 분기하는 능력을 가능하게 한다. 이는 필라멘트 구역 바로 아래의 재료가 종래의 레이저 가공보다 덜 영향을 받는다는 것을(광학적으로, 기계적으로, 열적으로 및 진동적으로) 의미한다. 필라멘트는 필라멘트 종점(terminus)에서의 높은 분기로 매우 짧은 시간의 가공에 의해 더 부드러운 내부 효과를 생산한다.
위에 설명된 것과 같이, 레이저 시스템의 계측과 모니터링 능력을 더 향상시키기 위하여, 필라멘트들의 형성(일반적으로 비-선형 과정에 의해)과 함께 방출된 백색 광은 기판의 변화를 나타내는 강도 및/또는 스펙트럼 변화들을 위하여 모니터될 수 있다. 일반적으로, 필라멘트의 크기, 위치, 패턴 충실도 및 깊이 중 어느 하나 또는 그 이상뿐만 아니라, 표적 재료들의 화학적 및 물리학적 특성들이 모니터될 수 있으며 선택적으로 시스템을 제어하기 위한 활성 피드백 루프를 위하여 사용될 수 있다.
일부 실시 예들에서, 시각, 정렬, 계측 시스템들 어느 하나가 표적 기판 위에 및/또는 아래에 위치될 수 있으며 초점화 광학장치를 서보 제어 액추에이터들을 거쳐 표적 스택 내의 표적 층에 대하여 미리 결정된 위치로 향하도록 사용될 수 있다. 이러한 표적 층은 하나 또는 그 이상의 두꺼운 층일 수 있으며 적어도 하나의 층이 필라멘트들의 생성을 제공하는데 충분히 투명할 때, 입사 레이저 r파장에 투명하거나 또는 불투명할 수 있다.
필라멘트 형성을 거쳐 반도체 장치들의 절제 및 정렬
다른 바람직한 구현들에서, 위에 설명된 방법들과 장치들은 반도체 장치의 가공 동안에 기판 상에 또는 내에 생성되는 장치들의 상대적 위치선정에 도움을 주기 위한 것과 같이 뒤따르는 가공 동안에 뒤따르는 상대 위치 및 기판의 정렬에 도움을 주기 위하여, 실질적으로 투명 기판 상에 증착되는 제 1 입사 층들(레이저 방사선과 처음 마주치는 층) 내에 절제 마킹(ablative marking)들을 생산하도록 사용될 수 있다.
예를 들면, 발광 다이오드 웨이퍼의 불투명 층들은 가동 동안에 정렬하는 것이 어렵다는 것이 잘 알려져 있다. 과거의 노력들은 정렬 마크들 또는 기준들을 위치시키기 위하여 적외선 카메라들을 사용하였으며 그리고 나서 이들을 레이저 좌표 시스템에 등록하였다. 새로운 웨이퍼 형태들은 이를 달성하는데 훨씬 어렵게 하는데, 그 이유는 금속 층들이 적외선 신호를 차단하도록 훨씬 두꺼워지고 따라서 정렬을 방해하기 때문이다.
따라서, 선택된 실시 예들에서,종래 버전의 구성들이 두꺼운 금속 층들(적외선 보기가 효과적이지 않은 것과 같은 두께를 갖는)의 존재 때문에 실용적이지 않은 적용들에서, 선행 실시 예들은 싱귤레이션되려는 반도체 웨이퍼 상의 이웃하는 다이스 사이의 거리들과 같은, 관심 있는 구조들을 위치시키는 수단을 제공하도록 사용될 수 있다.
따라서, 투명 기판(레이저 다이와 같은) 내에 또는 상에 위치되는 금속 층들을 통한 정렬 마킹들을 생산하기 위하여, 다음이 바람직한 실시 예들이 사용된다. 특히, 여기에 설명되는 과정들은 레이저 전력을 변경하고 버스트 내의 펄스들의 수를 증가시킴으로써, 금속 층들을 통한 절제를 생산하는데 적용될 수 있다(필라멘트의 형성 대신에, 또는 필라멘트의 형성에 부가적으로). 일부 실시 예들에서, 금속은 투명 기판 상의 약 50 ㎛ 미만의 금속 층들을 갖는, 앞서 언급된 필라멘트 가공 방법들과 조건들에 따라 절제될 수 있다. 버스트 내의 초기 수 펄스들은 금속을 절제하고, 그리고 나서 버스트 내의 펄스들은 필라멘트를 형성하도록 진행된다는 것이 알려졌다.
일부 실시 예들과 적용들에서, 금속이 금속 층에 인접한 필라멘트를 형성하지 않고 국부적으로 절제되는 것과 같이 금속 층을 갖는 재료를 처리하는 것이 유익하거나 및/또는 바람직할 수 있다. 이는 예를 들면, 필라멘트의 존재가 반도체 층(예를 들면, 발광 다이오드웨이퍼의 질화 갈륨 층)에 손상을 줄 수 있는 적용들에서 바람직할 수 있다. 이는 필라멘트 형성을 위하여 필요한 에너지 밀도를 방지하고 금속을 깨끗하게 절제하는데 충분한 에너지를 유지함으로써 달성될 수 있다. 예를 들면, 약 5W의 레이저 전력, 및 1064 ㎚에서 버스트 내의 20 펄스들로, 필라멘트의 형성 없이 얇은 금속 층을 절제하는 것이 적합하다는 것이 알려졌다.
선행 실시 예들은 투명 재료 상의 또는 내의 어떠한 표면에서 어떠한 금속 층의 절제를 실행하도록 적용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 예를 들면, 금속 층은 투명 재료의 외부 표면 상에, 또는 투명 재료 내의 내부 표면에 위치될 수 있다. 게다가, 일부 실시 예들에서, 두 개 또는 그 이상의 금속 층이 선행 실시 예들에 따라 평행하게 또는 연속적으로, 절제될 수 있다.
도 18a-c에 도시된, 바람직한 일 실시 예에서, 그 안에 형성되는 반도체 웨이퍼는 장치들의 어레이를 가지며, 활성 장치 층들(예를 들면, 웨이퍼의 바닥부 표면 상의) 아래에 금속화 층을 가지며, 그러한 방법에 따라 처리된다. 장치들의 어레이를 나타내는, 기판/웨이퍼(1000)가 도 18a에 상면도로 도시된다. 도 18b에 도시된 것과 같이, 장치의 바닥부 표면은 적어도 하나의 금속 층(1020)을 포함한다. 장력 표시들은 위에 설명된 것과 같이, 저 전력 버스트 트레인(1010)을 사용하여 기판의 후방 표면으로부터의 방사선을 기초로 하여, 금속 층(들)을 통하여 절제식으로 만들어진다. 이러한 정렬 표시들은 기준 프레임에 대하여 공간적으로 등록된다. 정렬/기준 마크들(1030)은 필라멘트 형성에 적합한 버스트 트레인(1040)으로 위에서부터 샘플을 가공할 때 실질적으로 사용될 수 있다(예를 들면, 샘플은 뒤집히고 가공은 기준 마크로서 절제 마크들을 사용하여 수행될 수 있다). 따라서, 본 발명의 방법들은 히트 싱크 및/또는 반사기의 역할을 하는 두꺼운 금속 층들을 포함하는 고급 발광 다이오드 기판들에 의해 부과되는 제한들을 방지하는데 바람직할 수 있다.
도 18d는 버스트 레이저 펄스들이 금속 층(저 전력 머킹), DBR 층 PSS 층 및 사파이어와 질화 갈륨 층들을 포함하는, 모든 층을 처리하도록 사용된, 본 방법에 따라 가공된 발광 다이오드 웨이퍼의 오버헤드 이미지이다.
이러한 접근법은 유연성은 사용자가 반도체(예를 들면, 질화 갈륨) 면 및 발광 다이오드 장치 웨이퍼의 반사기 면 모두 상에 금속화를 통한 투명 재료들 내의 필라멘트 형성을 이용하기 위한 능력에 있어서 자명하다. 스크라이빙은 주변 장치들에 대한 손상 또는 사파이어 기판으로부터 반도체 층(질화 갈륨)의 탈적층화(delamination) 없이 적용될 수 있다. 과정은 장치 디자인 또는 그것의 방식에 따라, 어느 하나의 면으로부터의 싱귤레이션을 영향을 주기 위하여 두 면 모두에 적용될 수 있다.
본 실시 예에 따른 가공은 싱귤레이션 동안에 어느 방향으로 사용되는가에 상관없이, 다이싱 테이프에 선상을 야기하지 않고, 실행될 수 있다.
특히, 다이싱 테이프는 빔의 매우 큰 발산 각 및 기판을 통과한 후의 그것의 낮은 전력 때문에 손상을 입지 않을 수 있다. 이는 예를 들면, 손상되지 않은 다이싱 테이프를 갖는 후-처리된 기판들을 도시한 도 18e와 18f에 도시된다. 도 18g와 18h는 다이싱 테이프의 제거 후에 가공된 기판들을 도시한다. 작은 잔여 테이프들이 예를 들면, 면봉 또는 다른 세척 기구로 제거될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
일부 바람직한 구현들에서, 현재 고려되는 실시 예들은 값비싼 시각 시스템들을 제공하지 않고, 정렬을 위한 종래의 광학 카메라들을 사용할 수 있다.
다른 가공 방법들과 달리, 레이저 빔은 필라멘트 형성이 중단된 후에 높은 분기를 경험하며, 이는 질화 갈륨 또는 DBR 층들에 손상을 유도하지 않고 다이스를 싱귤레이션하기 위하여 고도의 z 정밀도, 예를 들면, 약 0.01 ㎛를 갖는 자동 초점 메커니즘이 구비된 발광 다이오드 가공 스테이션에 대한 이러한 레이저 처리의 적용에 이르게 한다. 특정 층들의 가공은 원치 않는 전력의 "덤핑"을 위하여, 외부 플라스마 채널이 형성 없이, 전 및/또는 후 재료 초점(빔 웨이스트들)을 생산하기 위하여 빔 전력을 변조하고 적절한 광학 초점화 조건들을 선택함으로써 선택될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
이러한 접근법에서의 유연성은 또한 장치의 어느 하나의 면으로부터 접근가능한 표적 재료 또는 스택 내의 어떠한 입사 표면에서의 정렬 마크들의 생성을 허용하며, 따라서 현재 개발 실험실들에서 나타나는 최고급의 발광 다이오드 스택들의 완전하게 정렬된 싱귤레이션을 가능하게 하며, 층들 및 그 조성은 종래의 정렬 및 싱귤레이션 기술들이 완전히 호환되지 않고 비효율적이 되도록 만든다.
정렬 마크들은 표시되는 표면 근처에 존재하는 재료들 또는 마크가 만들어지는 재료에 따라, 필라멘트 및/또는 절제 기술(표면 "상의" 마크들을 위한 절제 기술 및 재료 "내의" 원하는 마크들을 위한 필라멘트 기술들)을 사용하여 생성될 수 있다. 예를 들면, 유전체 상의 금속은 검사를 위하여 이용가능한 마크들 및 시각 시스템의 위치의 두 형태 모두를 제공할 것이다.
실시 예들
통상의 지식을 가진 자들이 본 발명을 이해하고 실행하는 것을 가능하게 하기 위하여 다음의 실시 예들이 설명된다. 이들은 여기에 제공되는 실시 예들의 범위를 한정하는 것으로 고려되어서는 안 되며, 이는 단지 그것들의 도해와 설명을 위한 것이다.
실시 예 1: 레이저 필라멘테이션을 거쳐 유리 샘플들의 싱귤레이션
위에 개시된 일부 실시 예들을 설명하기 위하여, 유리 샘플들은 약 500 ㎜/초-1000 ㎜/초의비율로 이동하는 스테이지들을 갖는, 표적을 가로질러 레이저 빔의 매우 빠른 스캔들을 용이하게 하기 위하여 높은 반복률(＞400 ㎑)에서 작동하는 500W ps 레이저가 구비된 레이저 시스템 상에서 처리되었으며. 0.7 ㎜ 두께의 고릴라 글래스(Gorilla glass)가 장착되었다. 25 ps 미만의 펄스 폭을 갖는 기본적인, 1064 ㎚에서 작동하는 레이저는 버스트 내에 20 서브 펄스들을 갖는 버스트 방식으로 작동하도록 설정되었다.
직선 커트(cut)들과 곡선 형태들은 매우 뛰어난 모서리 품질과 높은 벤드(bend) 강도를 갖는 고속에서 달성되었다. 예를 들면, 이에 따라 가공된 고릴라 샘플들은 커트 벤드 강도로서 ＞110 MPa인 것으로 나타났다. 도 19는 변형된 구역의 형성(이른바 스크라이브 단계) 및 클리브 단계(싱귤레이션) 후 측면 모서리의 현미경 사진을 도시한다. 도시된 거칠기는 표면에 실제 부에 걸쳐 10 ㎛ RMS 미만이다. 도 20은 직각 방향으로 바람직한 기판의 후-싱귤레이션 표면 거칠기 측정들을 도시한다.
또 다른 실시 예에서, 도 21에 도시된 것과 같이, 약 200 ㎚ RMS 만큼 낮은 측정 값을 갖는 훨씬 뛰어난 거칠기로, 0.4 ㎜의 두께를 갖는 사파이어 내에 반경 모서리 및 측면 모서리 부분들이 생성되었다.
시스템의 스테이지 운동은 레이저 펄스와 조정되었으며 부품이 레이저 또는 스테이지들을 따라가기 위하여 기다리지 않도록 상대 운동 레이저 및 부품들이 동기화되는 것과 같이 신호들을 트리거한다(trigger). 재료에 대한 빔의 속도는 따라서 모서리들 주위와 같은, 곡면 부들에서 필라멘트 어레이들을 생산할 때에도, 일정한 값으로 유지되었다. 이는 스플라인 파일(스플라인 파일은 어도비 일러스트레이터(Adobe Illustrator) 파일로부터 컴퓨터 내로 판독되었다)로부터의 데이터를 기초로 하여 빔과 재료의 상대 운동을 제어함으로써 달성된다. 일정한 속도는 필라멘트들 사이의 일정한 상대 간격을 유지하며, 그렇게 함으로써 모든 위치들에서 싱귤레이션 후에 일정한 필라멘트 형성과 인터페이스 품질을 생산한다. 본 실시 예는 레이저 가공의 어떠한 방법에도 적용될 수 있으며, 레이저 필라멘테이션을 거친 가공을 포함하는 앞서 언급된 실시 예들에 한정되지 않는다는 것을 이해하여야 한다.
버스트 특징들은 검사되는 재료들을 기초로 하여 경험적으로 선택된다. 개선된 싱귤레이션 결과들은 필라멘트 길이가 기판 두께의 약 105 이상 확장될 때 획득된 것으로 경험적으로 알려졌다. 이는 두껍고 연한 유리 및 발광 다이오드 웨이퍼들과 같은 민감한 전자 장치들을 포함하는 기판에 특히 사실인 것으로 알려졌다.
붕규산과 소다 석화 같은 연한 유리들은 최소 치핑(chipping)을 갖는 모서리 거칠기를 포함하는, 일정하고 뛰어난 재료 품질을 갖는 클리브를 생산하기 위하여 아마 샘플 두께의 75%까지, 훨씬 긴 필라멘트로 이득을 볼 수 있다.
이러한 결과들은 필라멘트의 본질이 레이저 노출의 펄스된 본질에 의해 쉽게 변경될 수 있다는 것을 나타낸다. 바꾸어 말하면, 에너지, 파장, 및 빔 초점화 조건들(즉, 샘플 내의 개구 수, 초점 위치), 펄스파라미터들은 원하는 필라멘트 프로파일을 획득하도록 맞춰질 수 있다. 특히, 펄스 버스트 내의 펄스들의 수 및 연속적인 펄스들 사이의 지연 시간은 생산되는 필라멘트들의 형태를 제어하기 위하여 변경될 수 있다. 위에 설명된 것과 같이, 일 실시 예에서, 필라멘트들은 각각의 필라멘트를 발생시키기 위하여 펄스들의 버스트를 제공함으로써 생산되며, 각각의 버스트는 모든 재료 변형 동역학의 완화를 위한 시간 스케일보다 적은 상대 지연이 제공되는 일련의 펄스들을 포함한다.
단일 시트 유리 스크라이빙, 평면 패널 스크라이빙, 실리콘 및/또는 사파이어 웨이퍼 스크라이빙의 산업적 적용에서, 입증된 신뢰성을 갖는 레이자 시스템을 사용하는 높은 스크라이빙 속도에 대한 요구가 존재한다. 그러한 실시 예를 설명하기 위하여, 피코초 범위의 펄스 기간을 갖는 높은 반복률의 상업용 초고속 레이저 시스템을 사용하는 실험들이 실행되었다.
일부 실험적 조사들에서, 휴대폰 유리 디스플레이들 및 테블릿 커버 유리들이 여기에 개시된 방법들에 따라 싱귤레이션되었다. 이글(Eagle) 2000 또는 가변 두께 및 고릴라 글라스 전 및 후 이온 교환이 상당한 유연성과 속도를 갖는, 큰 기본 시트들과 작은 전화 크기의 유닛들로부터 싱귤레이션되었다. 측면 모서리들 및 복합 스플라인 형태들의 포함은 잘 부러지는 재료들에서 종래의 상태의 확장을 나타낸다. 재생 증폭기 기반 플랫폼의 사용은 지금까지 펌토초 및 피코초 펄스 체계에서 모두, 최선의 결과들을 생산하였다.
일부 실험들에서, 시간적 및 공간적 특성들에 더하여, 입사 빔이 편광이 변형되었다. 이러한 파라미터들의 조작은 뒤따르는 생산 준비 시스템들에서 기계 디자인을 구동하는 파라미터 공간을 발생시켰다. 예를 들면, 편광은 가공 유연성을 전달하는데 그 이유는 편광판이 실질적으로 두꺼운 기판들의 각 절삭을 향상시키거나 최적화하도록 회전될 수 있기 때문이다. 예를 들면, 빔의 편광 상태에 대한 그러한 제어는 내부 및 외부 라인을 갖는, 베벨 글라스(beveled glass) 부품들을 생성하는데 유용할 수 있다. 둥근 모서리 및/또는 레이저 빔 전달 시스템의 회전(만일 회전이 아니면 적어도 이동)을 필요로 하는 부품들이 그러한 방법에 따라 가공될 수 있는데, 그 이유는 그러한 부품들이 가공이 부품과 레이저가 서로에 대하여 이동함에 따라 변경하는 빔 입사 각을 포함하기 때문이며, 이는 차례로 필라멘트 형성 효율에 영향을 미친다. 따라서, 재료의 표면에 대한 편광 상태는 빔의 입사 각이 가공 동안에 변경됨에 따라 제어될 수 있다. 이는 예를 들면, 빔 위치 및 지향에 더하여, 그리고 이들과 관련하여 가공 동안에 편광 상태(polarization state)가 제어되는 자동화 빔 전달 시스템(여기에 설명된 것과 같은)을 사용하여 달성될 수 있다.
바람직한 부품들은 0.3부터 3.2 ㎜까지의 범위 또는 0.1부터 8 ㎜까지의 훨씬 더 광범위한 범위의 유리 두께를 가로질러 발생되었다. 유리 부품들은 00 ㎜/초 또는 그 이상의 이동 속도로 발생되었다. 사파이어 재료들은 500 ㎜/초의 이동 속도로 발생되었다. 변형된 구역들의 속도는 매끄럽고 일관된 방식으로 기계의 특징적인 고속 스테이지 및 빠르게 방향을 변경하려는 부품들의 능력을 이용하며, 그렇게 함으로써 부품 파일들의 신뢰할 만한 재생산들인 모서리들을 생산한다. 전기변색 창들이 본 발명의 시스템을 위한 적절한 적용이다. 그러한 실시 예의 일례는 항공우주 산업 유리이다. 싱귤레이션 부품들은 곡선들과 정확한 모서리들을 나타내며, 어셈블리를 위하여 효율적으로 준비되며, 즉시 후 싱귤레이션된다.
본 발명의 유연성은 각각 서로 다른 부품 표현 전략으로 제조될 수 있는 부품들의 광범위한 어레이에 의해 강조된다. 이러한 유연성 부품은 과정 요구에 반응하여 초점을 빠르게 이동시킬 수 있는 조정가능한 광학 트레인 및 빔이 공간적 분포의 사용에 기인한다. 여기에 설명되는 유연성과 결합되는, 낮은 거칠기 모서리들을 갖는 실질적으로 또는 효율적으로 손실 없는 싱귤레이션의 생산은 어떠한 경쟁 기술보다도 높은 속도에서, 그리고 낮은 소유 비용으로 30 ㎛ 미만의 RMS 모서리 거칠기 부품들을 갖는, 높은 생산, 고 강도 부품들이 요구되는, 디스플레이 및 일반적으로 잘 부러지는 재료들의 싱귤레이션 시장에서 이러한 기술을 위한 상업적 기회들을 제공한다.
실시 예 2: 유리 기판 내의 6 ㎜ 길이의 필라멘트들의 형성
바람직한 일 구현에서, 레이저 빔은 표적 외부의 스폿에 콜리메이션되고 초점이 맞춰지는, 약 500 ps 미만의 펄스 기간을 갖는 펄스들의 버스트를 포함할 수 있다(예를 들면, 약 1 ㎛ 이상 및 약 100 ㎛ 이하의 웨이스트를 갖는). 이론에 얽매이지 않고, 그리고 위에 설명된 것과 같이, 필라멘트 형성을 야기하는 비-선형 상호작용들은 재료 내에 일련이 음향 압축을 야기하는 것으로 여겨진다. 이러한 음향 압축들은 실질적으로 빔 축 주위에 대칭인 것으로 이해되어야 한다.이러한 구역의 세로 길이는 위에 설명된 것과 같이, 펄스의 수 및 초점의 위치, 레이저 전력 및 펄스 에너지를 포함하는 빔 파라미터들에 의해 결정된다.
예를 들면, 각각 2 ㎒ 반복률로, 약 10 ps의 펄스 폭을 갖는 펄스들의 버스트 트레인을 갖는 50W 레이저를 사용하여, 예를 들면, 10 ㎜를 초과하는 길이를 갖는 필라멘트들이 유리 재료들 내에 생성될 수 있다. 그러한 필라멘트들은 그것들이 분기하지 않고, 연속적이며, 재료의 상단 표면으로부터 재료의 바닥부 표면까지 실질적으로 일정한 직경을 나타내는 것과 같이 형성된다.
특히, 그러한 구조들은 출구 직경이 또한 약 3 ㎛(본 실시 예에서)인 것과 같이, 표적 층 또는 스택의 외부에, 상부 표면 상에 시작하고 매끈하고 균일한 방법으로(약 10 ㎛ 이하의 내부 RMS 표면 거칠기를 갖는) 지속하는 작고 좁은 직경(예를 들면, 약 3 ㎛)의 튜브를 포함하는 것으로 관찰되었다. 그러한 필라멘트들은 그것들의 특성들 및 그것들이 형성되는 재료에 효과들 모두와 관련하여 제어가능한 특성들을 갖는다. 필라멘트들을 제어하기 위한 파라미터의 일례는 작업을 가로질러 빔의 이동 속도(또는 빔에 대한 작업의 이동)이다.
본 발명의 방법들과 이전에 알려진 모든 방법들 사이의 한 가지 중요한 차이는 이러한 필라멘트들 및 따라서 스크라이브/클리브/다이싱 어레이들이 생성되는 비율이다. 본 실시 예에서, 6 ㎜ 필라멘트들은 약 600 ㎜/초에서 생성될 수 있다. 이러한 형태, 비율 및 후 스크라이브 재료 통합은 레이저 가공 역사에서 전례가 없는 일이다.
실시 예 3: 1064 ㎚ 펄스된 레이저를 사용하여 필라멘트 형성
여기에 설명된 방법들, 장치들 및 시스템들의 바람직한 일 구현에서, 설명된 것과 같이 피코초 펄스들의 버스트들을 출력하도록 구성되는 레이저는 콜리메이터와 조향 광학장치를 갖는 광학 트레인, 선택적으로 사용자 선택가능 각으로 전달할 수 있는 장 수정 영역을 갖는 스캐너, 상호작용 구역이 스크라이빙되려는 표적 층의 깊이를 초과하는 것과 같이 오목 또는 볼록 렌즈를 거쳐 초점이 맞춰질 수 있는 수차 파면들을 유도하도록 디자인된 광학장치를 갖는 빔에 수용된다. 바람직한 일 구현에서, 50W 1064 ㎚ 레이저에서 방출되는 피코초 펄스들의 버스트는 표적 기판 및 의도되는 최종 결과(완전 절삭, 스크라이브 및 파괴 등)에 따라, 초점 길이들의 비율(W)이 -20 및 +20 사이에 존재하는 이중 또는 삼중 렌즈를 사용하여 재료 외부 초점에서 5 ㎛ 스폿을 생성하기 위하여 일련의 렌즈들에 초점이 맞춰지는데 그 이유는 상호작용 구역의 길이가 가공되는 부품들의 특징을 결정할 것이기 때문이다. 위에 설명된 것과 같이, 일부 실시 예들에서, 약 -300 내지 300까지의 렌즈 초점 길이의 비율이 사용될 수 있다.
위에 설명된 특정 실시 예들은 예로써 나타낸 것이며, 이러한 실시 예들이 다양한 변형들과 대안의 형태들에 민감할 수 있는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한 청구항들은 개시된 특정 형태들에 제한적인 것으로 의도되지 않으며 오히려 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 변형들, 등가물들, 및 대안들을 포함하는 것으로 이해하여야 한다.
10 : 필라멘트
100 : 초점화 렌즈
110 : 재료
115 : 재료
120 : 필라멘트
130 : 입사 빔
140 : 빔
150 : 분포식 초점화 소자
160 : 입사 빔
165 : 집광 빔
170 : 필라멘트
175 : 초기 외부 웨이스트
180 : 집광 빔
190 : 필라멘트
200 : 집광 빔
220 : 필라멘트
250 : 필라멘트 구역
260 : 임계 직경 범위
270 : 입사 빔
272 : 투명 층
275 : 최종 렌즈
276 : 최종 층
280 : 필라멘트
290 : 외부 웨이스트
300 : 스캐닝 메커니즘
305 : 최종 초점화 렌즈
320 : 스캔 렌즈
350 : 버스트 펄스
360 : 버스트 반복률
370 : 레이저 헤드
375 : 간격
380 : 펄스 프로파일
395 : 곡선 프로파일
500 : 레이저
502 : 광학장치
504 : 빔 샘플링 미러
505 : X-Y 스캐너
506 : 전력계
510 : 서보-제어 스테이지
511 : 계측 장치 또는 시스템(511)
520 : 최종 초점화 렌즈
550 : 제어 및 처리 유닛
554 : 버스
556 : 메모리
558 : 광학 내부 저장 장치
560 : 전원장치
562 : 광학 통신 인터페이스
564 : 광학 외부 저장장치
568 : 광학 입력/출력(I/O) 장치 및/또는 인터페이스
600 : 비-텔레센트릭 렌즈
602 : 텔레센트릭 렌즈
610 : 워크피스
612, 614 : 필라멘트 변형 구역
702 : 화강암 라이저
710 : Z 축 모터
720 : 스테이지
740 : 핸들링 장치
755 : 세타 축
765 : 레이저
770 : 챔퍼처리된 부품
775 : 계측 장치
805 : 매핑 서브시스템
810 : 가공 스테이지
815 : 계측 스테이션
820 : 로드 및 언로드 스테이션
830 : 선형 슬라이드 스테이션
832, 834 : 레이저
838 : 핸들러 셔틀
840 : 부품
843 : 내부 컷아웃 특징부
844 : 코너
850, 852 : 모서리 거칠기
925 : 빔
935 : 재료
940 : 갭
952 : 카메라
954 : 검출기
960 : 필라멘트들
970 : 제어 및 처리 시스템
975 : 검출기/카메라
1000 : 기판/웨이퍼
1010 : 버스트 트레인
1020 : 금속 층
1030 : 정렬/기준 마크
1040 : 버스트 트레인
1100 : 갭
1105 : 빔 스플리터
1110 : 미러
1115 :렌즈
1120 : 지지대
1130 : 제 1 스크라이빙된 라인
1140 : 중간-웨이퍼 스프라이빙된 라인
1150 : 가속 영역
1156 : 감속 영역

Claims (24)

  1. 투명 재료를 레이저 가공하기 위한 시스템으로서,
    레이저 펄스들의 버스트들을 포함하는 레이저 빔을 제공하도록 구성되는 레이저원;
    외부 플라즈마 채널의 형성은 피하면서 상기 투명 재료 외부에 존재하는 위치에 빔 웨이스트를 형성하도록 상기 레이저 빔을 상기 투명 재료에 대하여 외부로 초점을 맞추게 구성되는 하나 또는 그 이상의 분포식 초점화 소자;를 포함하여,
    상기 레이저 빔 및 상기 하나 또는 그 이상의 분포식 초점화 소자는 상기 투명 재료의 광학적 파괴를 야기함이 없이 투명 재료 내에 연속 레이저 필라멘트를 형성하기에 충분한 상기 투명 재료 내 에너지 밀도를 생성하며,
    상기 레이저 빔은 상기 투명 재료 내에 압축 구역이 형성되도록 외부로 초점이 맞춰지고, 이에 의해서 상기 투명 재료 내의 레이저 빔의 전파 축의 중심으로부터 균일하게 방사상으로 확장하는 재료의 좁은 커튼 내에 상 변화를 생성하는,
    투명 재료를 레이저 가공하기 위한 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 레이저 빔과 상기 투명 재료 간의 상대 위치를 변경하기 위한 수단; 및
    상기 레이저 빔과 상기 투명 재료 간의 상기 상대 위치를 변경하기 위한 수단과 작동 가능하게 결합되는 제어 및 처리 유닛;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 재료를 레이저 가공하기 위한 시스템.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 제어 및 처리 유닛은 상기 투명 재료 내의 연속 레이저 필라멘트들의 어레이의 형성을 위하여 상기 레이저 빔과 상기 투명 재료 사이의 상대 위치를 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 투명 재료를 레이저 가공하기 위한 시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 분포식 초점화 소자는 하나 또는 그 이상의 수차 광학 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 재료를 레이저 가공하기 위한 시스템.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 수차 광학 소자는 수차 레이저 빔을 생산하도록 구성되는 정상 필드-수정 스캔 및 수정 창을 포함하는 특징으로 하는 투명 재료를 레이저 가공하기 위한 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 레이저 빔은 상기 투명 재료 상의 입사 스폿 직경 및 상기 투명 재료 내의 연속 레이저 필라멘트 직경을 가지며,
    상기 투명 재료 내의 상기 연속 레이저 필라멘트 직경에 대한 상기 투명 재료 상의 상기 입사 스폿 직경의 비율로서 임계 비율이 정의되며,
    상기 레이저 빔은 임계 비율이 1 내지 1000 이 되도록 초점이 맞춰지는 것을 특징으로 하는 투명 재료를 레이저 가공하기 위한 시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 레이저 빔과 상기 투명 재료 사이의 상대 지향을 변경하기 위한 수단; 및
    상기 레이저 빔과 상기 투명 재료 사이의 상기 상대 지향을 변경하기 위한 상기 수단과 작동 가능하게 결합되는 제어 및 처리 유닛;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 재료를 레이저 가공하기 위한 시스템.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 레이저원을 제어하기 위한 제어 및 처리 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 재료를 레이저 가공하기 위한 시스템.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 제어 및 처리 유닛은 상기 레이저원의 펄스의 파장을 변경하는 것을 특징으로 하는 투명 재료를 레이저 가공하기 위한 시스템.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 제어 및 처리 유닛은 상기 레이저 펄스들의 버스트 내의 펄스-대-펄스 분리를 변경하는 것을 특징으로 하는 투명 재료를 레이저 가공하기 위한 시스템.
  11. 제 8항에 있어서, 상기 제어 및 처리 유닛은 상기 레이저 펄스들의 버스트 내의 레이저 펄스의 펄스 에너지를 변경하는 것을 특징으로 하는 투명 재료를 레이저 가공하기 위한 시스템.
  12. 제 8항에 있어서, 상기 제어 및 처리 유닛은 상기 레이저 펄스들의 버스트 반복률을 변경하는 특징으로 하는 투명 재료를 레이저 가공하기 위한 시스템.
  13. 삭제
  14. 제 8항에 있어서, 상기 제어 및 처리 유닛은 상기 레이저원의 편광을 변경하는 것을 특징으로 하는 투명 재료를 레이저 가공하기 위한 시스템.
  15. 제 7항에 있어서, 상기 레이저 빔과 상기 투명 재료 사이의 상대 지향을 변경하기 위한 상기 수단은 상기 투명 재료 내에 형성되는 연속 필라멘트들 사이에 일정한 간격을 유지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 투명 재료를 레이저 가공하기 위한 시스템.
  16. 제 1항에 있어서, 상기 레이저 빔의 실시간 자동 초점화를 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 재료를 레이저 가공하기 위한 시스템.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 연속 레이저 필라멘트들을 광학적으로 모니터하도록 구성되는 적어도 하나의 광학 모니터링 장치를 더 포함하며,
    상기 제어 및 처리 유닛은 상기 적어도 하나의 광학 모니터링 장치와 작동가능하게 결합되며,
    상기 제어 및 처리 유닛은 상기 적어도 하나의 광학 모니터링 장치에 의해 제공되는 이미지들 또는 신호들을 기초로 하여 상기 연속 레이저 필라멘트들의 형성과 관련된 하나 또는 그 이상의 파라미터를 결정하도록 구성되며,
    상기 제어 및 처리 유닛은 적어도 하나의 파라미터에 따라 연속 레이저 필라멘트들의 형성을 능동으로 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 투명 재료를 레이저 가공하기 위한 시스템.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 광학 모니터링 장치는 상기 투명 재료 위에 또는 아래에 위치되는 것을 특징으로 하는 투명 재료를 레이저 가공하기 위한 시스템.
  19. 제 17항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광학 모니터링 장치는 상기 필라멘트 형성 과정 동안에 방출되는 광학 방사선을 검출하도록 구성되는 광학 검출기를 포함하며, 상기 제어 및 처리 유닛은 상기 연속 레이저 필라멘트들과 관련된 하나 또는 그 이상의 파라미터를 결정하기 위하여 상기 광학 검출기로부터의 신호들을 처리하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 투명 재료를 레이저 가공하기 위한 시스템.
  20. 제 17항에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 파라미터는 필라멘트 깊이, 필라멘트 크기, 필라멘트 위치, 및 패턴 충실도로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 투명 재료를 레이저 가공하기 위한 시스템.
  21. 제 1항에 있어서, 상기 투명 재료는 2차원 또는 3차원의 복합 스플라인 프로파일을 갖는 표면을 가지며,
    상기 레이저 빔과 상기 투명 재료 사이의 상대적인 위치를 제어하고 상기 레이저 빔의 지향을 제어하여, 상기 투명 재료를 싱귤레이션하거나 클리빙하기 위한 연속 레이저 필라멘트들의 어레이가 상기 투명 재료 내에 형성되고 그 결과 경사지거나, 직선이거나 또는 챔퍼처리된 모서리가 형성되는 것을 특징으로 하는 투명 재료를 레이저 가공하기 위한 시스템.
  22. 제 1항에 있어서, 상기 투명 재료는 2차원 또는 3차원의 복합 스플라인 프로파일을 갖는 표면을 가지며,
    상기 레이저 빔과 상기 투명 재료 사이의 상대적인 위치를 제어하고 상기 레이저 빔의 지향을 제어하여, 상기 투명 재료를 싱귤레이션하기 위해 연속 레이저 필라멘트들의 어레이가 상기 투명 재료 내에 형성되도록 하며, 상기 레이저 펄스들은 제 2 빔 전달에서 동일한 기판 상의 재료 제거를 위한 레이저 절제를 하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 투명 재료를 레이저 가공하기 위한 시스템.
  23. 제 1항에 있어서,
    연속 레이저 펄스들의 어레이를 방출하도록 제 2 레이저원을 제공하여 기판 재료와 온도차를 갖는 열 소스를 적용하여 열 구배를 제공함에 의해 기판의 스크라이빙된/절삭된 위치에서 분리를 야기하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 재료를 레이저 가공하기 위한 시스템.
  24. 제 23항에 있어서, 상기 레이저원은 이산화탄소 고체 상태 또는 섬유 레이저인 것을 특징으로 하는 투명 재료를 레이저 가공하기 위한 시스템.
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