KR101818409B1 - 투명 재료들의 고속 레이저 프로세싱 - Google Patents

Abstract

레이저 빔 (14) 으로 적층 재료 (31) 를 레이저 프리-커팅하는 방법 및 시스템이 개시된다. 적층 재료 (31) 는 적어도 하나의 인장 응력 층 (TSL), 적어도 하나의 압축 응력 층 (CSL1, CSL2), 및 적어도 하나의 인장 응력 층 (TSL) 과 적어도 하나의 압축 응력 층 (CSL1, CSL2) 사이의 적어도 하나의 계면 영역 (IR1, IR2) 을 포함하고, 적층 재료 (31) 를 통한 레이저 빔 (14) 의 전파를 허용하기 위해 투명하다. 방법은, 레이저 빔 (14) 의 적층 재료 (31) 와의 상호작용이 적층 재료 (31) 에 가늘고 긴 손상 영역 (57) 을 생성하도록 레이저 빔 (14) 의 레이저 특성 및 광학 빔 경로 (8) 를 설정하는 단계, 및 적층 재료 (31) 의 일련의 프리-컷 포지션들 (X_N-1, X_N, X_N+1) 각각에 대해, 적층 재료 (31) 및 레이저 빔 (14) 을 서로에 대하여 포지셔닝하고 각각의 가늘고 긴 손상 영역들 (57) 이 적어도 하나의 계면 영역 (IR1, IR2) 을 가로질러 연장되도록 레이저 빔 (14) 을 조사함으로써 적층 재료 (31) 를 프리-커팅하는 단계를 포함할 수도 있다.

Description

투명 재료들의 고속 레이저 프로세싱{HIGH SPEED LASER PROCESSING OF TRANSPARENT MATERIALS}

본 개시물은 일반적으로 유리와 같은 투명 재료들의 레이저 커팅에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 베셀형 (Bessel-like) 빔 구성 (configuration) 들을 이용한 레이저 커팅에 관한 것이다.

재료의 레이저 프로세싱, 구체적으로 레이저 광의 재료와의 제어된 상호작용은, 레이저 커팅 및 레이저 용접과 같은 애플리케이션들의 다양한 분야들에서, 예를 들어, 산업적 애플리케이션은 물론 의학적 애플리케이션에서도 잘 확립된다. 그 상호작용은 파장, 포커스 존, 레이저 파워 등의 레이저 광 파라미터들은 물론, 각각의 파장에서의 흡수, 재료의 밴드 갭 등의 재료 속성들에 의존한다. 조합하여, 그 파라미터들 및 속성들은 발생하는 상호작용, 및 특히 재료 내의 특정 포지션에 제공되는 필드 세기 (field strength) 를 정의한다. 열 접근법 (thermal approach) 은, 이동하는 레이저 빔에 의한 및 후속하는 로컬 냉각으로 인한 열충격 생성에 기초한 비평탄 (non-flat) 재료들의 레이저 스코어링을 위한 시스템을 이용하는 US 2009/0294419 A1 에 개시되어 있다.

US 2011/0183116 A1 및 US 2012/0064306 A1 은 유리, 구체적으로 강화 유리 (tempered glass) 를 커팅하는 레이저 프로세싱 방법들에 대한 예들을 개시하고 있다. 특히, 강화 유리의 경우에는, 내부 응력 분포가 커팅에 영향을 미친다. 이에 따라, US 2012/0064306 A1 은 커팅 영역을 처리하지 않을 것을 개시하고 있는 한편, US 2011/0183116 A1 은 미리 결정된 커팅 경로를 따라 압축 응력 층에 형성된 트렌치 구조를 제공하는 것을 개시하고 있다.

유리 기판 시트들로부터 강화 유리 패널들을 제작하는 방법이 2012&0196071 A1 에 개시되어 있다. 여기서, 제 1 홀들이 예를 들어 레이저 프로세싱, 기계적 천공 또는 에칭 프로세스들에 의해 준비되고, 그 후 강화 프로세스가 즉 일련의 홀들의 형성 후 적용된다. 이것은 홀들의 벽면들을 따라 방사상 압축 응력 층들이 형성되게 한다.

구체적으로 펄스 레이저 시스템들을 적용할 때, 레이저 펄스 에너지들은 물론 레이저 펄스 지속기간들이 잘 제어가능하고, 따라서 특정 애플리케이션에 적응될 수도 있다. JP 2005/288503 A 는 처리 전에 유리를 커팅하기 위한 베셀 빔 형상은 물론 셀프-포커싱을 이용하는 레이저 광 상호작용에 기초한 레이저 빔 머시닝 방법을 개시하고 있다.

레이저 프로세싱을 위한 베셀 빔들의 이용은, 예를 들어, "High aspect ratio nanochannel machining using single shot femtosecond Bessel beams" by M.K. Bhuyan eta al., Applied Physics Letters 97, 081102-1 (2010) 및 "Femtosecond non-diffracting Bessel beams and controlled nanoscale ablation" by M.K. Bhuyan et al., IEEE (2011) 에 개시되어 있다.

WO 2012/006736 A1 은 예를 들어 포커싱된 레이저 빔의 버스트 트레인 (burst train) 의 펄스들로 기판을 조사하는 것에 의한 투명 재료들의 레이저 커팅을 위한 방법을 개시하고 있으며, 여기서, 포커싱 조건, 펄스 에너지 및 지속기간은 기판 내에 필라멘트를 생성하기 위해 선택되었고, 기판은 레이저 빔에 대해 트랜슬레이팅된다. WO 2012/006736 A1 에 따르면, 필라멘트들은 비선형 커 효과 (Kerr effect) 에 의해 셀프-포커싱할 수 있는 약한 포커싱, 높은 강도, 짧은 지속기간의 레이저 광에 의해 생성되며, 이는 피크 강도의 증가 및 레이저 빔의 높은 강도 부분에의 낮은-밀도 플라즈마의 생성을 초래한다. WO 2012/006736 A1 에서는, 방법은 타이트한 광학적 포커싱 조건들에서 용이하게 생성될 수도 있는 완전한 광학적 파괴와 같은 밀집한 플라즈마 생성을 회피하고, 여기서 플라즈마 생성 메커니즘은 역제동 방사 (inverse Bremsstrahlung), 충격 이온화 (impact inoization), 및 전자 사태 (electron avalanche) 프로세스들이 뒤따르는 전자들의 초기 멀티-광자 (multi-photon) 여기에 기초한다는 것이 또한 명시된다. WO 2012/006736 A1 에 따르면, 이 광학적 파괴 도메인에서는, 투명 재료들의 싱귤레이션 (singulation), 다이싱, 스크라이빙, 클리빙 (cleaving), 커팅 및 패싯 처리는 느린 프로세스 속도, 크랙들의 발생, 애블레이션 잔해 (ablation debris) 에 의한 오염, 및 큰 절단폭 (kerf width) 과 같은 단점들을 갖는다.

본 개시물은, 종래 시스템들의 하나 이상의 양태들을 향상 또는 극복하는 것 및 특히 강화 유리의 고정밀 커팅을 제공하는 것과 적어도 부분적으로 관련되며, 이는 여전히 현대 기술의 도전과제로 남아있다.

본 개시물의 제 1 양태에 따르면, 레이저 빔으로 적층 재료 (layered material) 를 레이저 프리-커팅 (pre-cutting) 하는 방법이 개시되며, 여기서 적층 재료는 적어도 하나의 인장 응력 층, 적어도 하나의 압축 응력 층, 및 적어도 하나의 인장 응력 층과 적어도 하나의 압축 응력 층 사이의 적어도 하나의 계면 영역 (interface region) 을 포함하며, 적층 재료는 적층 재료를 통한 레이저 빔의 전파를 허용하기 위해 투명하다. 방법은, 레이저 빔의 적층 재료와의 상호작용이 적층 재료에 가늘고 긴 손상 영역 (elongate damage region) 을 생성하도록 레이저 빔의 레이저 특성 및 광학 빔 경로를 설정하는 단계; 및 적층 재료의 일련의 프리-컷 (pre-cut) 포지션들 각각에 대해, 적층 재료 및 레이저 빔을 서로에 대하여 포지셔닝하고 각각의 가늘고 긴 손상 영역들이 적어도 하나의 계면 영역을 가로질러 연장되도록 레이저 빔을 조사함으로써 적층 재료를 프리-커팅하는 단계를 포함한다.

다른 양태에 따르면, 적어도 하나의 인장 응력 층, 적어도 하나의 압축 응력 층, 및 적어도 하나의 인장 응력 층과 적어도 하나의 압축 응력 층 사이의 적어도 하나의 계면 영역을 포함하는 재료로부터 재료 부분을 분리하는 방법은, 본 명세서에 개시한 바와 같이 적층 재료를 프리-커팅하여, 분리 라인 (separation line) 을 따라, 적어도 하나의 계면 영역을 가로질러 연장되는 가늘고 긴 손상 영역들을 형성하는 단계, 및 일련의 프리-컷 포지션들을 가로질러 작용하는 분리력 (separating force) 을 적층 재료로 인가하여, 적층 재료를 일련의 프리-컷 포지션들을 따라 클리빙 (cleaving) 하는 단계를 포함한다.

다른 양태에 따르면, 적어도 2 개의 적층 재료 부분들로 분리되는 적층 재료는, 서로 대향하는 전면 (front face) 및 이면 (back face), 적어도 하나의 인장 응력 층, 적어도 하나의 압축 응력 층, 적어도 하나의 인장 응력 층과 적어도 하나의 압축 응력 층 사이의 적어도 하나의 계면 영역, 및 적층 재료에 형성되고 적어도 하나의 계면 영역을 가로질러 연장되는 가늘고 긴 손상 영역들을 포함한다.

다른 양태에 따르면, 적층 재료 부분은 서로 대향하는 전면 및 이면, 적어도 하나의 인장 응력 층, 적어도 하나의 압축 응력 층, 적어도 하나의 인장 응력 층과 적어도 하나의 압축 응력 층 사이의 적어도 하나의 계면 영역, 및 전면과 이면을 연결하는 적어도 하나의 컷면 (cut face) 을 포함하며, 여기서 컷면은 적어도 하나의 계면 영역을 가로질러 연장되는 레이저 상호작용에 의해 유도된 표면 구조들을 포함한다.

다른 양태에 따르면, 레이저 빔으로 적층 재료를 프리-커팅하는 레이저 프로세싱 시스템은, 레이저 빔을 제공하기 위한 레이저 광원, 레이저 광원으로부터의 레이저 빔을 적층 재료로 안내하기 위한 광학계, 적층 재료를 레이저 빔에 대하여 포지셔닝하기 위한 트랜슬레이션 메커니즘, 레이저 빔의 적층 재료와의 상호작용이 적층 재료에 가늘고 긴 손상 영역을 생성하도록 레이저 빔의 레이저 특성 및 광학 빔 경로를 설정하도록 구성되고, 및 적층 재료의 일련의 프리-컷 포지션들 각각에 대해, 적층 재료 및 레이저 빔을 서로에 대하여 포지셔닝하고 각각의 가늘고 긴 손상 영역이 적어도 하나의 계면 영역을 가로질러 연장되도록 레이저 빔을 조사하여, 적층 재료를 프리-커팅하도록 추가 구성된 제어 유닛을 포함한다.

다른 양태에 따르면, 펄스 베셀형 레이저 빔으로 재료를 레이저 프리-커팅하는 방법으로서, 재료는 그 재료를 통하여 전파할 때 펄스 베셀형 레이저 빔의 단일 광자 흡수에 대하여 본질적으로 투명한, 상기 방법은, 단일 레이저 펄스의 재료와의 상호작용이 재료에, 그 재료의 두께의 적어도 50% 를 통하여 또는 적어도 70% 를 통하여 또는 적어도 90% 를 통하여 연장되는 가늘고 긴 단일 레이저 펄스 손상 영역을 생성하도록 펄스 베셀형 레이저 빔의 레이저 특성 및 광학 빔 경로를 설정하는 단계, 및 즉시 서로를 뒤따르는 연속적인 레이저 펄스들의 단일 레이저 펄스 손상 영역들이 서로에 대하여 변위되도록 재료를 따라 펄스 베셀형 레이저 빔을 스캐닝함으로써 재료를 프리-커팅하는 단계를 포함한다.

다른 양태에 따르면, 재료로부터 재료 부분을 분리하는 방법은 본 명세서에 개시한 바와 같이 재료를 프리-커팅하여, 커팅 경로를 따라, 일련의 프리-컷 포지션들에 가늘고 긴 단일 레이저 펄스 손상 영역들을 형성하는 단계, 및 일련의 프리-컷 포지션들을 가로질러 작용하는 분리력을 재료로 인가하여, 일련의 프리-컷 포지션들을 따라 재료를 클리빙하는 단계를 포함한다.

다른 양태에 따르면, 적어도 2 개의 재료 부분들로 분리되는 재료는, 서로 대향하는 전면 및 이면, 및 재료에 형성되고, 그 재료의 두께의 적어도 50% 를 통하여 또는 적어도 70% 를 통하여 또는 적어도 90% 를 통하여 연장되며, 분리 라인을 따라 적어도 2㎛ 또는 적어도 3㎛ 또는 적어도 4㎛ 의 거리만큼 공간적으로 분리된 단일 레이저 펄스 손상 영역들을 포함한다.

다른 양태에 따르면, 재료 부분은 서로에 대향하는 전면 및 이면, 및 전면과 이면을 연결하는 적어도 하나의 컷면을 포함하며, 여기서 컷면은 재료 부분의 두께의 적어도 50% 또는 적어도 70% 또는 적어도 90% 를 가로질러 연장되는 레이저 상호작용에 의해 유도된 표면 구조들을 포함하고, 그 표면 구조들은 적어도 2㎛ 또는 적어도 3㎛ 또는 적어도 4㎛ 의 거리만큼 서로에 대하여 공간적으로 분리된다.

다른 양태에 따르면, 펄스 베셀형 레이저 빔으로 재료를 프리-커팅하는 레이저 프로세싱 시스템으로서, 재료는 그 재료를 통하여 전파할 때 펄스 베셀형 레이저 빔의 단일 광자 흡수에 대하여 본질적으로 투명한, 상기 레이저 프로세싱 시스템은, 펄스 레이저 빔을 제공하기 위한 레이저 광원, 레이저 광원으로부터의 펄스 레이저 빔을 재료로 안내하고 펄스 레이저 빔을 펄스 베셀형 레이저 빔으로 변환하기 위한 광학계, 재료를 펄스 베셀형 레이저 빔에 대하여 포지셔닝하기 위한 트랜슬레이션 메커니즘, 펄스 베셀형 레이저 빔의 단일 레이저 펄스의 재료와의 상호작용이 재료에, 그 재료의 두께의 적어도 50% 를 통하여 또는 적어도 70% 를 통하여 또는 적어도 90% 를 통하여 연장되는 가늘고 긴 단일 펄스 손상 영역을 생성하도록 펄스 베셀형 레이저 빔의 레이저 특성 및 광학 빔 경로를 설정하고, 재료의 일련의 프리-컷 포지션들 각각에 대해, 재료 및 펄스 베셀형 레이저 빔을 서로에 대하여 포지셔닝하고 연속적인 레이저 펄스들의 단일 레이저 펄스 손상 영역들이 서로에 대하여 변위되도록 펄스 베셀형 레이저 빔을 조사하여, 재료를 프리-커팅하도록 구성된 제어 유닛을 포함한다.

다른 양태에 따르면, 펄스 베셀형 레이저 빔으로 적층 재료를 레이저 프리-커팅하는 방법이 제안되며, 여기서, 적층 재료는 적어도 하나의 인장 응력 층, 적어도 하나의 압축 응력 층, 및 적어도 하나의 인장 응력 층과 적어도 하나의 압축 응력 층 사이의 적어도 하나의 계면 영역을 포함하고, 적층 재료는 그 적층 재료를 통한 레이저 빔의 전파를 허용하기 위해 투명하다. 방법은 레이저 빔의 적층 재료와의 상호작용이 적층 재료에 가늘고 긴 단일 레이저 펄스 손상 영역을 생성하도록 레이저 빔의 레이저 특성 및 광학 빔 경로를 설정하는 단계, 및 적층 재료의 일련의 프리-컷 포지션들 각각에 대해, 적층 재료 및 레이저 빔을 서로에 대하여 포지셔닝하고 각각의 가늘고 긴 단일 레이저 펄스 손상 영역들이 적어도 하나의 계면 영역을 가로질러 연장되도록 레이저 빔을 조사함으로써 적층 재료를 프리-커팅하는 단계를 포함한다.

다른 양태에 따르면, 펄스 베셀형 레이저 빔으로 재료를 레이저 프리-커팅하는 방법으로서, 재료는 그 재료를 통하여 전파할 때 펄스 레이저 빔의 단일 광자 흡수에 대하여 본질적으로 투명한, 상기 방법은, 단일 레이저 펄스의 재료와의 상호작용이 재료에, 그 재료의 두께의 적어도 50% 를 통하여 또는 적어도 70% 를 통하여 또는 적어도 90% 를 통하여 연장되는 가늘고 긴 단일 레이저 펄스 손상 영역을 생성하도록 펄스 레이저 빔의 레이저 특성 및 광학 빔 경로를 설정하는 단계, 및 즉시 서로를 뒤따르는 연속적인 레이저 펄스들의 단일 레이저 펄스 손상 영역들이 서로에 대하여 변위되도록 재료를 따라 펄스 레이저 빔을 스캐닝함으로써 재료를 프리-커팅하는 단계를 포함한다.

다른 양태에 따르면, 펄스 베셀형 레이저 빔으로 재료를 레이저 프리-커팅하는 방법으로서, 재료는 그 재료를 통하여 전파할 때 펄스 베셀형 레이저 빔의 단일 광자 흡수에 대하여 본질적으로 투명한, 상기 방법은, 단일 레이저 펄스가 1ps 내지 100ps 의 범위의 펄스 지속기간을 특징으로 하고 코니컬 반각 (conical half angle) 이 5°내지 30°의 범위에 있도록, 및 단일 레이저 펄스의 재료와의 상호작용이 재료에, 그 재료의 두께의 적어도 50% 를 통하여 또는 적어도 70% 를 통하여 또는 적어도 90% 를 통하여 연장되는 가늘고 긴 단일 레이저 펄스 손상 영역을 생성하도록 펄스 베셀형 레이저 빔의 레이저 특성 및 광학 빔 경로를 설정하는 단계, 및 즉시 서로를 뒤따르는 연속적인 레이저 펄스들의 단일 레이저 펄스 손상 영역들이 1㎛ 내지 4㎛ 의 범위에서 서로에 대하여 변위되도록 재료를 따라 펄스 베셀형 레이저 빔을 스캐닝함으로써 재료를 프리-커팅하는 단계를 포함한다.

다른 양태에 따르면, 펄스 베셀형 레이저 빔으로 재료를 레이저 프리-커팅하는 방법으로서, 재료는 그 재료를 통하여 전파할 때 펄스 레이저 빔의 단일 광자 흡수에 대하여 본질적으로 투명한, 상기 방법은, 단일 레이저 펄스의 재료와의 상호작용이 재료에 가늘고 긴 단일 레이저 펄스 손상 영역을 생성하도록 펄스 레이저 빔의 레이저 특성 및 광학 빔 경로를 설정하는 단계, 및 즉시 서로를 뒤따르는 연속적인 레이저 펄스들의 단일 레이저 펄스 손상 영역들이 제 1 스캐닝 시퀀스를 위한 재료 내의 제 1 레벨에서 및 제 2 스캐닝 시퀀스를 위한 재료 내의 제 2 레벨에서 서로에 대하여 변위되도록 재료를 따라 펄스 레이저 빔을 스캐닝함으로써 재료를 프리-커팅하는 단계를 포함한다.

구현들은 다음의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 적층 재료는 한쌍의 계면 영역들 사이에 센터링되는 센터 인장 응력 층 또는 센터 압축 응력 층을 포함할 수도 있고, 프리-커팅은, 각각의 가늘고 긴 손상 영역들이 센터 인장 응력 층 또는 센터 압축 응력 층의 적어도 30% 를 통하여 또는 적어도 50% 를 통하여 또는 적어도 70% 를 통하여 또는 적어도 90% 를 통하여 연장되도록 수행될 수도 있다.

일부 실시형태들에서, 프리-커팅은, 각각의 가늘고 긴 손상 영역들이 적층 재료의 두께의 적어도 50% 를 통하여 또는 적어도 70% 를 통하여 또는 적어도 90% 를 통하여 연장되도록 수행될 수도 있다.

일부 실시형태들에서, 프리-커팅은, 이웃하는 가늘고 긴 손상 영역들에 대해, 그 이웃하는 가늘고 긴 손상 영역들이 적어도 2㎛ 또는 적어도 3㎛ 또는 적어도 4㎛ 의 거리만큼 서로에 대하여 변위되도록 수행될 수도 있다.

일부 실시형태들에서, 레이저 빔은 펄스 베셀형 레이저 빔 또는 필라멘트 형성 가우시안 빔일 수도 있으며, 프리-커팅은, 가늘고 긴 손상 영역들이 단일 레이저 펄스 손상 영역들이고 및/또는 적층 재료가 그 재료를 통하여 전파할 때 펄스 베셀형 레이저 빔 또는 필라멘트 형성 가우시안 빔과 같은 레이저 빔의 단일 광자 흡수에 대하여 본질적으로 투명하도록 각각의 프리-컷 포지션에 대해 단일 레이저 펄스로 수행될 수도 있다.

일부 실시형태들에서, 가늘고 긴 손상 영역들은 적층 재료의 전면 또는 이면으로 연장될 수도 있고, 분리력은, 그 안에 손상을 가진 면이 먼저 분리되도록 인가될 수도 있다.

일부 실시형태들에서, 7°내지 11°(또는 5°내지 15°) 범위의, 예를 들어 9°로 설정된 코니컬 반각 (θ) 을 가진 베셀형 빔은, 각각의 프리-컷 포지션들에 대한 일련의 레이저 펄스들의 단일 패스 애플리케이션에서 1ps 와 100ps 사이의 범위의 펄스 지속기간으로 인가될 수도 있다. 본 개시물은 단일 패스 커팅과 같이 소위 베셀형 (레이저) 빔의 펄스로 기판을 조사하는 것에 의한 투명 재료들의 레이저 커팅을 위한 방법을 개시하고 있다. 베셀형 빔들은 좁은 코어 빔을 따라, 그 빔의 방사상 외측 섹션들로부터 에너지를 공급받는 높은 플루엔스 영역 (high fluence region) 을 보인다.

일반적으로, 예를 들어, 영차 (zero-order) 베셀 빔들과 같은 베셀형 빔들은 - 타이트한 포커스 후 보통 강하게 분기하는 표준 가우시안 빔들의 포커싱과 대조하여 - 분명한 회절 없이 본질적으로 전파 방향으로 지속되는 강한 센트럴 스폿을 특징으로 할 수도 있다. 이에 따라, 베셀형 빔의 단일 펄스들로, 최대 밀리미터 이상을 넘는 상호작용 존들이 달성될 수도 있으며, 이는 매우 좁은 니들형 레이저 손상 영역들을 초래한다.

투명 재료들에서의 강하고 극단 (ultra-short) 의 베셀형 빔들의 전파는 필라멘트 레짐 (regime) 과 타이트한 포커싱 레짐 사이의 중간에 있는 레짐을 아웃라인한다. 사실, 필라멘트 경우에는, 약한 포커싱 조건 때문에, 레이저 펄스 에너지는 본질적으로 빔 축을 따라 전파한다. 그 결과, 약한 플라즈마에 의해 야기된 셀프-디포커싱이 극한값 (limiting value) 보다 낮은 강도의 클램핑 (clamping) 에 기여하는 것으로 추정된다. 그에 반해서, 타이트한 포커싱 조건에서는, 모든 레이저 펄스 에너지가 모든 방향들로부터 공통 초점을 향하여 집중되게 되는데, 너무 집중되어 상기 포커싱이 플라즈마 디포커싱에 의해 더 이상 대응될 수 없고, 매우 높은 플루엔스들이 달성되어, 상기 언급된 카타스트로픽 (catastrophic) 프로세스들을 트리거링한다.

베셀형 빔 레짐에서, 레이저 펄스 에너지는 축 상에 전파하지 않고, 주어진 콘 (cone) 표면 상에 분포된 방향들을 따라, 즉 축 전파 방향에 대하여 주어진 각도로 전파한다. 따라서 베셀형 빔 레짐은, 에너지가 대부분 축 상에 흐르는 필라멘트, 및 에너지가 모든 방향들을 통해 흐르는 타이트한 포커싱 레짐 양자와 다르다. 그 결과, 베셀형 빔의 에너지는 단일 (이상적) 포인트에 집중하게 되지 않고 라인에 집중하게 된다. 즉, 포커싱 라인 위에 놓인 각각의 포인트는 펄스로부터 전체 에너지를 수신하지 않고 그 펄스의 링 부분으로부터의 에너지만을 수신한다. 특히, 에너지가 일 사이드에서 나온다는 사실로 인해, 플라즈마 디포커싱은 비효과적일 수도 있고, 매우 높은 피크 플루엔스들이 획득될 수 있으며, 이는 필라멘트 레짐에서보다 훨씬 더 높다. 그러나, 각각의 포인트에서의 인입 에너지가 원하는 값에 제한된다는 사실로 인해, 타이트한 포커싱 레짐을 대표하는 카타스트로픽 현상은 발생하지 않을 수도 있다.

상기의 이해에 기초하여, 광각 (large-angle) 베셀형 빔의 사용이 광학적 파괴를 일어나게 할 정도로 충분히 큰 피크 플루엔스들을 야기할 수도 있다는 것이 인정된다. 그러나, 그 파괴는 매우 작고 정확하게 로컬화된 볼륨, 예를 들어 레이저 파장 정도의 직경을 갖는 빔 축 주위의 원통형 유사 볼륨에서만 일어날 수도 있는데, 따라서 레이저 광을 흡수할 수도 있고 강한 충격파들의 소스가 되며, 이는 재료를 제작하도록 기능한다. 그러나, 축의 모든 포인트로 오는 제어된 에너지 양 (energy amount) 으로 인해, 가우시안 빔 타이트한 포커싱 레짐의 특징이 되는 카타스트로픽 거동 (behavior) 이 조심스럽게 회피될 수도 있다.

매우 길고 (예를 들어, ≥50㎛, ≥100㎛, ≥300㎛, 심지어는 ≥700㎛) 또한 매우 얇은 (예를 들어, 직경 ≤2㎛, ≤1.5㎛, ≤1㎛, 심지어는 ≤0.5㎛ 를 가짐) 니들-형상 볼륨 내부에, 예를 들어, 길이/직경 애스펙트비 ≥25, ≥100, ≥500, 심지어는 ≥1000 을 갖는 니들-형상 볼륨 내부에 광학적 파괴를 야기할 수도 있는, 베셀형 레이저 빔들의 단일 펄스들에 의하여 형성된 가늘고 긴 손상 영역의 생성이 투명 재료들의 고정밀 레이저 커팅을 허용할 수도 있다는 것에 주목한다. 이 정밀도는, 예를 들어, 단일 샷에서, 충격 압력파 (즉, 재료의 로컬 변형, 예를 들어 손상, 및/또는 재료 응력의 로컬 생성을 생성할 것으로 믿는 파) 를 로컬로 생성할 필요가 있는 에너지의 정확한 양의 제어에 관한 것과, 상기 압력파가 생성되어야 하는 트랜스버스 좌표 평면에서의 정확한 포지션의 제어에 관한 것 양자에 대해, 적어도 부분적으로, 물질 (matter) 로의 에너지 전달의 메커니즘을 제어할 가능성 때문일 수도 있다. 특히, 생성된 가늘고 긴 손상 영역이 파괴가 일어나는 볼륨 (즉, 전자 플라즈마 밀도가 흡수에 대한 임계치 (critical value) 를 초과하는 볼륨) 보다 더 큰 볼륨을 특징으로 할 수도 있다는 사실에도 불구하고, 단일 샷 레짐에서, 즉 임의의 열적 및 또는 기계적 어큐뮬레이션 효과 없이 동작할 가능성은, 예를 들어, 파괴 볼륨의 직경보다 그다지 크지 않은, 예를 들어, 파괴 볼륨의 직경의 ≤4 배, 또는 ≤3 배, 또는 심지어는 ≤2 배인 트랜스버스 평면의 직경을 갖는, 작은 니들 형상 손상 볼륨도 생성하는 것을 선호하게 한다. 즉, 손상 볼륨의 직경은 베셀형 빔의 제 1 제로 강도 링의 직경보다 ≤2 배, 또는 ≤1.5 배, 또는 심지어는 ≤1 배 더 클 수도 있다. 매우 높은 해상도로 가늘고 긴 손상 존의 포지션과 트랜스버스 사이즈 양자를 제어할 가능성은 본 명세서에 개시된 커팅 프로세스의 품질 (예를 들어, 선명도 (sharpness), 곡률 (curvature) 등) 을 향상시키는 것을 목표로 하는 투명 재료의 베셀형 빔 단일 펄스 레이저 커팅 방법의 주요한 특징이다.

강하고 극단의 펄스 베셀형 빔들의 일반적인 사용은 상기의, 및 특히 원하는, 로컬화된 및 제어된 광학적 파괴를 획득하기 위한 고정밀 커팅 레짐을 달성하기에 충분하지 않다는 것에 또한 주목한다. 사실, 이미 언급한 바와 같이, 제 1 요청은 상기 극단의 펄스 베셀형 빔들이 큰 콘 각, 예를 들어 코니컬 반각 ≥4°, ≥7°, ≥10°, 심지어는 ≥15°를 특징으로 하는 것이며, 그 상한은 예를 들어 ≤30°또는 25°와 같이 그 범위를 위해 필요한 것보다 더 큰 레이저 펄스 에너지를 이용하지 않을 필요성에 의해 정의된다. 충분히 큰 각이 필요한 이유는 "베셀형 빔 에너지 교체 길이", 즉 제 1 외부 링으로부터 축 상으로 포커싱된 에너지의 제 1 부분이 동일한 축으로부터 멀리 가고 제 2 외부 링에서 비롯되는 에너지의 제 2 부분에 의해 교체되는 전파 방향을 따르는 길이가 콘 각의 증가 시에 자연히 감소하기 때문이다. 사실, 더 큰 콘 각들은 더 빠른 에너지 교체를 지원한다. 한편, 높은 피크 강도 및 높은 피크 플루엔스 (에너지 밀도) 때문에, 커 (Kerr) 유도 셀프-포커싱, 플라즈마 유도 셀프-디포커싱, 셀프-페이즈 변조, 공간-시간 포커싱, 코니컬 방사 (conical emission), 공간-시간 불안정성 등 중에서, 그 존재가 원하는 밀집한 플라즈마 형성 및 후속의 광학적 파괴가 발생하지 못하게 할 수도 있는, 관련 비선형 프로세스가 베셀형 센트럴 피크에서 발생한다. 주어진 피크 강도 및 플루엔스에 대해, 최대 e 디스터빙 레벨까지 전개하기 위해 비선형 프로세스들을 위해 필요한 특징적인 길이들을 "베셀형 빔 비선형 길이들" 로서 간주하면, 베셀형 빔 콘 각의 증가 시에, "베셀형 빔 에너지 교체 길이" 와 "베셀형 빔 비선형 길이들" (중 임의의 것) 간의 비율이 감소하여, 광학적 파괴에 필요한 것보다 낮은 레벨에서 강도 및/또는 플루엔시 레벨의 포화를 일어나게 할 수도 있는 임의의 비선형 효과들을, (선형) 에너지 교체 메커니즘이 극복가능하게 만든다는 것이 분명하다.

또한, 큰 콘 각들을 특징으로 하는 극단의 펄스 베셀형 빔들의 사용은 원하는 광학적 파괴를 획득하기에 충분하지 않을 수도 있다는 것에 주목한다. 사실, 레이저 펄스 지속기간이 매우 짧다면, 예를 들어, ≤200fs, 또는 ≤1ps, 또는 심지어는 ≤7ps 라면, (주어진 펄스 에너지에 대한) 피크 강도는 매우 높아질 수도 있고, 따라서 관련 커 비선형 길이는 매우 짧아진다. 그 결과, 밀집한 플라즈마가 형성되지 못하게 하는 극심한 불안정성들이 우세할 수도 있다. 그에 반해서, 펄스 지속기간의 증가 시에, 예를 들어, 상한이 약 100ps 의 범위보다 낮은, 펄스 지속기간 ≥0.5ps, ≥1ps, ≥5ps, 심지어는 ≥10ps 에 대해 (당업자는 예를 들어 재료, 레이저 펄스 파장 등에 의존하여 최적값을 평가가능할 것이다), 및 따라서 피크 강도의 감소 시에, fs 레짐에서 사실상 효과적이지 않은 전자 사태 이온화는 최대 원하는 임계치까지 플라즈마 밀도를 부스팅하는 것의 관련 역할을 하기 시작하여, 그에 반해서 fs 레짐을 지배하는, 멀티-광자 이온화의 역할을 테이크 오버 (take over) 할 수도 있다.

상기를 고려하여, 단일 펄스 베셀형 빔들에 의하여 투명 재료의 고정밀 커팅을 획득하기 위한 최적의 조건은 충분히 큰 콘 각들과 충분히 긴 펄스 지속기간 양자의 조합된 사용에 의존하며, 예를 들어, 일부 실시형태들에서 : 반치폭 콘 각 ≥4°, ≥7°, ≥10°, 심지어는 ≥15°, 여기서 상한은 예를 들어 ≤30°와 같이 그 범위를 위해 필요한 것보다 더 큰 레이저 펄스 에너지를 이용하지 않을 필요성에 의해 정의되고, 및 펄스 지속기간 ≥0.5ps, ≥1ps, ≥5pc, 심지어는 ≥10ps, 여기서 상한은 예를 들어 약 100ps 이다. 본 명세서의 개시를 고려하여, 당업자는, 상기 제공된 이유들로, 주어진 펄스 에너지 및 빔 사이즈에 대해, 더 큰 지속기간들 (특정 범위 내) 이 더 짧은 것들보다 약간 더 작은 콘 각들, 및 따라서 약간 더 긴 손상 영역들을 허용한다는 것을 유념하여, 예를 들어, 재료, 레이저 펄스 파장, 이용가능한 레이저 펄스 에너지, 손상 존의 원하는 길이 (즉, 만들어 질 수 있는 상이한 깊이에서의 스캔들의 수 및/또는 샘플 두께) 에 의존하여, 콘 각 및 펄스 지속기간의 최적의 선택을 평가가능할 것이다.

더욱이, 전술한 고려사항들은 본 명세서에 개시된 프리-커팅 프로세스에 관여할 수도 있는 주요한 선형 및 비선형 현상들의 상대적 중요성 및 근본적인 물리적 메커니즘을 명확히 한다. 당업자는 예를 들어, 상이한 재료들 (예를 들어, 폴리머들, 세라믹들, 반도체들, 고체 및 액체 결정들, 라이브 티슈들 등) 및 상이한 레이저 파장들이 이용될 때 상이한 파라미터들 범위들, 예를 들어, 상이한 콘 각들 또는 지속기간을 식별할 수도 있다.

투명 재료들의 레이저 커팅을 위한 필라멘트 레짐에 대한 베셀형 빔들을 이용하는 일부 이점들은 다음을 포함할 수도 있다 :

- 베셀형 빔에 대한 물질로의 레이저 펄스 에너지 전달을 야기하는 메커니즘은 빔 프로파일의 임의의 비선형 변형 (예를 들어, 셀프-포커싱/디포커싱) 을 요구하지 않는다. 그 결과, 베셀형 빔에 의해 생성된 효과는 예를 들어, 펄스 에너지, 펄스 지속기간, 포커싱 포지션, 샘플 두께 등의 변동 (fluctuation) 들에 대하여 더 강인하다.

- 높은 플루엔스가 생성되는 길고 얇은 볼륨의 생성을 야기하는 메커니즘은 비선형 빔 및 펄스 형상화에 의존하지 않고 선형 입력-빔 포커싱 조건 (이하 참조) 에만 의존한다. 그 결과, 임의로 긴 채널들 (예를 들어, 임의로 긴 길이/폭 애스펙트비를 가짐) 은, 충분한 옵틱스 (optics) 및 빔 폭이 이용가능하다면 구현될 수도 있다. 비선형 레짐에서는 그렇지 않다.

- 베셀형 빔에 대한 물질로의 레이저 펄스 에너지 전달을 야기하는 메커니즘은 광학적 파괴, 및 따라서 물질에 의한 레이저 광의 강한 유도 로컬 흡수에 의존할 수도 있다. 이 상황은 즉, 펄스 시퀀스 또는 버스트 트레인의 펄스들의 필요성 없이 단일 레이저 펄스만을 이용함으로써 원하는 길이의 가늘고 긴 손상 영역의 용이한 생성을 허용한다. 또한, 파괴 유도 흡수로 인해, 재료를 커팅하는데 필요한 총 레이저 파워는 필라멘트 레짐의 경우보다 더 작은 것으로 예상된다.

본 명세서에 개시된 발명들의 여러 실시형태들의 상세들은 첨부 도면들 및 이하의 설명에 기재되어 있다. 본 발명들의 다른 양태들, 특징들, 목적들, 및 이점들은 다음의 설명 및 첨부 도면들로부터, 및 청구항들로부터 명백할 것이다.

도 1 은 베셀형 빔을 채용하는 것에 의한 재료들의 커팅을 위한 레이저 시스템의 개략적 표현이다.
도 2 는 도 1 의 레이저 시스템의 광학계에서의 베셀형 빔 형성을 예시하는 다이어그램이다.
도 3 은 레이저 전파의 방향의 포커스에서의 피크 플루엔스의 일 예시적인 프로파일이다.
도 4 는 도 3 의 피크 플루엔스에서의 플루엔스의 일 예시적인 방사상 프로파일이다.
도 5 는 단일 펄스 상호작용 존들의 선형 커팅 경로의 일 예시적인 예시이다.
도 6 은 강화 유리 플레이트의 개략적 단면도이다.
도 7 은 베셀 빔들에 대한 레이저 유도 손상 길이의 개략적 예시이다.
도 8 은 유리 플레이트에 대한 센터링된 포커싱의 일 예시적인 예시이다.
도 9 는 유리 플레이트에 대한 전방 사이드 시프트 포커싱의 일 예시적인 예시이다.
도 10 은 유리 플레이트에 대한 후방 사이드 시프트 포커싱의 일 예시적인 예시이다.
도 11 은 한쌍의 유리 플레이트들에 적용된 포커싱의 일 예시적인 예시이다.
도 12 는 강화 유리의 사이드뷰 (언클리빙됨) 의 광학 현미경 사진이다.
도 13 은 도 12 에 도시된 강화 유리의 전면 a) 및 이면 b) 의 광학 현미경 사진이다.
도 14 는 프리-컷 재료를 클리빙하기 위한 일 예시적인 준비 단계의 일 예시이다.
도 15 는 일 예시적인 클리빙 단계의 일 예시이다.
도 16 은 크랙 형성 없이 클리빙 후의 강화 유리의 사이드뷰의 광학 현미경 사진이다.
도 17 은 크랙 형성 없이 클리빙 후의 강화 유리의 사이드뷰의 광학 현미경 사진이다.
도 18 은 큰 크랙 형성을 가진 클리빙 후의 강화 유리의 단면의 광학 현미경 사진이다.
도 19 는 레이저 펄스 지속기간으로부터의 베셀 빔의 손상 임계 코니컬 반각의 의존성의 일 예시적인 예시이다.
도 20 은 베셀 빔의 코니컬 반각으로부터의 손상 임계 레이저 펄스 에너지의 의존성의 일 예시적인 예시이다.
도 21 은 레이저 유도 손상 길이로부터의 크랙 깊이의 의존성의 일 예시적인 예시이다.
도 22 는 강화 유리 부분의 프리-컷 및 클리빙된 면의 코너의 SEM 이미지이다.
도 23 은 강화 유리 부분의 프리-컷 및 클리빙된 면의 중간 부분의 SEM 이미지이다.
도 24 는 밀접성 (closeness) 이 그들의 형상에 영향을 미치는 단일 펄스 상호작용 존들의 구부러진 커팅 경로의 일 예시적인 예시이다.
도 25 는 예시적인 레이저 전파 변위된 스캔 섹션들을 예시한다.

다음은 본 개시물의 예시적인 실시형태들의 상세한 설명이다. 본 명세서에 설명되고 도면들에 예시된 예시적인 실시형태들은 본 개시물의 원리들을 교시하도록 의도되어, 당업자가 본 개시물을 다수의 상이한 환경들에서 및 다수의 상이한 애플리케이션들에 대해 구현 및 이용하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 예시적인 실시형태들은 특허 보호의 범위의 제한 설명인 것으로 의도되지 않고, 이 제한 설명인 것으로 간주되지 않아야 한다. 오히려, 특허 보호의 범위는 첨부된 청구항들에 의해 정의되어야 한다.

본 개시물은 레이저 광의 재료와의 상호작용이 레이저 전파 방향을 따라 재료를 재구성하고, 예를 들어 재료 내에, 본 명세서에 가늘고 긴 (내부) 손상 영역들로도 지칭되는 변형 영역들을 초래할 수도 있다는 인식에 부분적으로 기초한다. 재료의 두께의 특정 범위에 걸쳐 및/또는 재료 내의 특정 포지션에서의 및/또는 서로로부터의 특정 거리에서의 및/또는 특정 직경을 가지고 분리 라인을 따라 그 내부 변형 영역들을 제공하는 것은 분리 라인을 가로질러 재료의 클리빙 거동에 영향을 주는 것을 허용한다.

예를 들어, 강화 유리에서의 응력 층들 간의 계면 영역을 가로질러 그 내부변형 영역들을 제공하는 것은 즉 강화 프로세스 후 강화 유리를 클리빙하는 것조차 허용할 수도 있다. 또한 또는 대안으로, 예를 들어, 유리, 사파이어, 또는 강화 유리와 같은 투명 재료의 두께의 특정 범위를 가로질러 그 내부 변형 영역들을 제공하는 것은 재료로부터 고품질 컷면을 가진 부분들을 클리빙하는 것을 허용할 수도 있다.

따라서, 단일 샷/단일 패스 모드에서의 동작은 컷 품질을 향상시킬 수도 있고, 동시에 커팅 속도를 증가시킬 수도 있다는 것이 발견되었다. 내부 변형 영역들은 레이저 빔 전파를 따라 본질적으로 원통형으로 연장될 수도 있다. 클리빙 동안, 내부 변형 영역들은 재료 내에 바람직한 분리 평면을 유도한다. 그 평면을 따라 분리가 발생할 때, 변형 재료는, 하나의 컷면이 변형 재료를 포함하는 한편 다른 컷면이 카운터-피팅 구조를 포함하도록 컷면들 중 하나와 연관될 수도 있다. 예를 들어, 하나의 컷면은 패러렐 튜블러 보이드들의 형상을 가진 섹션들을 가질 수도 있는 한편, 다른 컷면은 변형 영역들의 "네거티브 폼" 은 물론 "포지티브 폼" 과 같은 패러렐 축 원통형-섹션들을 보인다. 이로써, 10 내지 1000 또는 20 내지 500 또는 50 내지 100 의 범위에서와 같이 10 또는 100 이상의 애스펙트비를 가진 튜블러 보이드들 및/또는 원통형-섹션들의 표면 구조들을 포함하는 유사한 토폴로지를 가진 영역이 형성될 수도 있다.

애블레이팅된 재료 영역이 변형된 굴절률을 가진 재료에 의해 둘러싸인 튜브형인 레이저 상호작용 결과의 경우, 양자의 컷면들은 클리빙 평면이 애블레이팅된 재료 영역을 가로질러 연장된다면 하프-파이프들을 보일 수도 있다. 컷면들 내에서, 다양한 섹션들은 상이한 타입들의 이러한 표면 구조들을 포함할 수도 있다. 그러나, 클리빙이 레이저 프리-커팅에 의해 영향을 받는 한, 클리빙의 평면은 매우 낮은 거칠기 (예를 들어, 30㎛ 보다 낮은, 이를 테면 1㎛ 보다 낮은 범위 - 약 0.5㎛ 의 거칠기가 달성되었다) 내에서 연장되고, 따라서 정밀 컷 표면들이 강화는 물론 비강화 투명 재료들 모두에 대해 달성될 수 있다.

본 명세서에 개시된 방법들 및 시스템들은 더욱이 고속, 고정밀, 및 고재현성을 보장하는 것과 관련되며, 특히 여러 응력 층들을 갖는 강화 유리의 프로세싱과 같은 적층 재료들을 프로세싱하는 것과 관련될 수도 있다.

구체적으로, 단일 패스 커팅은, 베셀형 빔들이 좁은 코어 빔을 따라, 그 빔의 방사상 외측 섹션들로부터 에너지를 공급받는 높은 플루엔스 영역을 보일 때 베셀형 빔 구성을 갖는 레이저 빔을 이용하여 개시된다.

예를 들어, 영차 베셀 빔들과 같은 베셀형 빔들은 - 타이트한 포커스 후 보통 강하게 분기하는 표준 가우시안 빔들의 포커싱에 반하여 - 분명한 회절 없이 본질적으로 전파 방향으로 지속되는 강한 센트럴 스폿을 특징으로 할 수도 있다. 이에 따라, 단일 레이저 베셀형 레이저 빔 펄스들로, 최대 밀리미터 이상을 넘는 상호작용 존들이 달성될 수도 있으며, 이는 매우 좁은 니들형 레이저 손상 영역들을 초래한다.

본 개시물은 또한, 서로 가까운 나노 채널들 (예를 들어 공기 중 17도 보다 더 높은 코니컬 반각의 영차 베셀 빔들과 같은 베셀형 빔들로 유리에 생성됨) 및 굴절률 변형 영역들을 포함하는 레이저 변형 영역들을 배치함으로써, 평면 크랙을 형성하기 위해 클리빙될 수도 있는 프리-컷 재료를 생성하고 각각의 변형 영역들의 어느 하나의 사이드에 압력을 인가할 시에 벌크 재료의 피스들로의 용이한 분리를 허용할 수도 있다는 인식에 부분적으로 기초한다.

더욱이, 본 개시물은 강화 유리의 단일 샷 베셀형 빔 유도 손상이 그 유도 손상이 계면 영역을 넘어 연장되고 및/또는 예를 들어 하나의 압축 응력 층 및 전체 인장 응력 층의 조합을 커버한다고 하면 재료의 정밀 커팅을 허용할 수도 있다는 인식에 부분적으로 기초한다.

베셀형 빔들은 방사상 강도 프로파일의 동심원 프린지 (concentric finge) 들을 특징으로 한다. 베셀형 빔들은, 예를 들어, 영차 베셀 빔의 예를 들어 트랜스버스 강도 프로파일을 가질 수도 있다. 더욱이 (방사상) 절두된 (truncated) 베셀형 빔들은, 격막 또는 임의의 방사상 제한 광학 엘리먼트를 관통하여 예를 들어 소위 아포다이즈드 베셀 빔들을 생성할 때 생성될 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 베셀형 빔들은 가우시안 빔들로부터 생성될 수도 있으며, 따라서 아포다이즈드 베셀 가우스 빔들로 지칭될 수도 있다.

두꺼운 샘플들을 프리-커팅하기 위해, 매우 긴 비회절 존의 베셀형 빔들이 이용될 수도 있다. 광학계 내에 광학 엘리먼트들의 애퍼처를 유지할 때, 주로 베셀형 빔의 콘 각을 감소시킴으로써 더 긴 (연장된) 응축된 빔 존 (즉, 더 긴 "비회절 존") 을 달성할 수도 있다. 더욱이, 레이저 펄스들의 주어진 지속기간 동안, 정의된 한계가 정확한 단일 샷 및 단일 패스 재료 레이저 컷을 야기하는 것이 가능한 가늘고 긴 손상이 야기되는 베셀형 빔의 최소 콘 각에 대해 존재한다는 것이 발견되었다.

베셀형 빔들이 상기 임계값보다 작은 콘 각들로 이용된다면, 단일 샷 레이저 프리-커팅은, 예를 들어 가우시안 빔들로, 멀티 샷 동작 (예를 들어, 각각의 포지션에 대해 10 개의 펄스들) 이 필요해질 수도 있도록 레이저 변형 영역들의 감소된 불충분한 길이로 인해 더 이상 가능하지 않을 수도 있다.

더욱이, 광학 엘리먼트들의 주어진 애퍼처에 대해, 최소 콘 각의 상기 언급된 한계 (즉, 프리-컷될 수 있는 재료의 최대 두께를 정의하는 응축된 빔 존의 최대 길이의 한계) 는 레이저 펄스들의 지속기간을 증가시키는 것에 의해 극복할 수도 있다는 것이 발견되었다. 레이저 펄스의 재료와의 더 긴 상호작용 주기 동안, 멀티-광자 이온화에 의해 생성된 전자들의 수는 전자 사태 이온화에 의해 증배되는 것으로 가정된다. 즉, (i) 요구된 가늘고 긴 손상 영역의 생성을 허용하는 베셀형 빔들의 최소 콘 각의 (ii) 레이저 펄스 지속기간에 대한 의존성이 발견되었다. 구체적으로, 최소 요구된 콘 각은 펄스 지속기간을 증가시킬 때 감소한다.

이렇게 하여, 레이저 빔의 레이저 특성 파라미터들 및 광학 빔 경로 파라미터들에 대한 레짐을 선택하는 것은 모바일 폰 윈도우 스크린들에 대해 통상적인 두께인, 예를 들어, 0.75mm 의 두께의 강화 유리를 프리-커팅하는 것을 허용할 수도 있다. 프리-커팅은 피코초 또는 펨토초 레이저들과 같은 저가, 상업적인, 고반복율 단펄스 레이저들을 이용하여 단일 샷, 단일 패스 레짐에서 정확하게 수행될 수도 있다. 특히, 파라미터들의 일부 레짐들의 경우, 단지 피코초 펄스 베셀형 빔들이 펨토초 펄스 지속기간들 대신에 이용될 필요가 있을 수도 있다.

다음에, 레이저 프리-커팅 머신 내의 예시적인 레이저 시스템들 및 그들의 애플리케이션이 도 1 내지 도 5 와 관련하여 개시된다. 도 6 내지 도 11 과 관련하여, 전파 방향의 베셀형 빔의 피크 플루엔스 분포에 대한 재료의 포지셔닝의 양태들이 개시된다. 도 16 내지 도 18, 도 22 및 도 23 과 관련하여, 본 명세서에 제안된 바와 같이 프리-커팅된 재료의 결과적인 클리빙 면들의 양태들이 개시된다. 도 19 내지 도 21 과 관련하여, 레이저 재료 상호작용의 광학 빔 경로 파라미터들 및 레이저 특성 파라미터들에 대한 의존성의 양태들이 개시된다. 도 24 와 관련하여, 손상 영역의 래터럴 형상에 대한 폼 효과들이 구부러진 스캔에 대해 예시적으로 논의된다. 도 25 의 a) 및 도 25 의 b) 와 관련하여, 멀티-스캔 시퀀스들이 전파 방향으로 변위된 스캔 섹션을 이용하여 개시된다.

도 1 을 참조하면, 베셀형 레이저 빔을 채용함으로써 투명 샘플 (3) 을 프로세싱하기 위한 일 예시적인 레이저 프로세싱 시스템 (1) 은 레이저 시스템 (5), 광학계 (7), 및 X-Y-Z 트랜슬레이션 메커니즘 (9) 을 포함한다.

레이저 시스템 (5) 은 구체적으로 조정가능한 시간적인 지속기간의 짧은 레이저 펄스들을 전달하도록 구성된다. 레이저 시스템 (5) 의 일 예는 최대 600kHz 의 펄스 반복율을 가진 1030nm 의 센트럴 파장에서 230fs 의 최소 펄스 지속기간의 레이저 펄스들을 제공하는 파로스 (Pharos) 레이저이다.

광학계 (7) 는 레이저 시스템 (1) 에 의해 제공된 가우시안 빔에 기초하여 베셀형 빔을 생성하고 그것을 샘플 (3) 위로 포커싱하기 위한 베셀형 빔 형상화 광학계 (11) 및 대물렌즈 (13) 를 포함한다.

도 2 를 참조하면, 광학 컴포넌트들의 일 예시적인 구성은 광학계 (7) 의 빔 전파 축 Z 을 따라 광학 빔 경로 (8) 를 정의한다. 구체적으로, 광학계 (7) 는 공간 필터링을 통해 고품질 베셀형 빔을 생성하기 위해 텔레스코픽 배열 (telescopic arrangement) 을 포함한다. 예를 들어, 광학계 (7) 는 예를 들어, 178°의 어펙스 각 (apex angle) 을 갖는 액시콘 렌즈 (axicon lens) (15), 초점 거리 f1 을 가진 제 1 렌즈 (L1), 불투명한 블록 (B), 초점 거리 f2 를 가진 제 2 렌즈 (L2), 초점 거리 f3 을 가진 제 3 렌즈 (L3), 및 대물렌즈 (13) 의 초점 거리 f4 를 가진 제 4 렌즈 (L4) 를 포함한다. 불투명한 블록 (B) 은 렌즈 (L1) 의 초점면에 배치되고 원하지 않는 빔 섹션들을 블록킹하는 공간 필터링 시스템을 형성하며; 예를 들어 가우시안 빔은 액시콘 렌즈 (15) 의 커브드 팁 (curved tip) 을 통하여 누출된다. 렌즈들 (L2 및 L3) 은 액시콘 렌즈 (15) 후에 생성된 베셀형 빔을 축소하는데 이용된 텔레스코픽 빔 이미징 시스템을 형성한다. 대물렌즈 (13) 의 제 4 렌즈 (L4) 는 베셀형 빔의 코니컬 반각 (θ) 을 설정하고 그것을 샘플 (3) 위로 포커싱한다. 광학 컴포넌트들의 이러한 구성으로, 7°내지 12°의 범위 또는 심지어는 5°내지 18°의 범위의 코니컬 반각 (θ) 을 갖는 베셀형 빔들이 형성될 수도 있다.

도 2 에 도시된 실시형태를 참조하면, 광학계 (7) 는 예를 들어, 영차 베셀형 빔들을 생성하는데 이용될 수도 있고, 렌즈 (L1) 는 요구된 베셀 빔들에 의존하여 100mm 내지 250mm 으로 가변하는 초점 거리 f1 의 평면 볼록 렌즈일 수도 있으며, 렌즈 (L2) 및 렌즈 (L3) 는 예를 들어 300mm 에 고정 유지되는 각각 초점 거리 f2 및 f3 의 평면 볼록 렌즈들일 수도 있다. 렌즈 (L4) 는 배율 20x 및 0.4 의 개구수의 현미경 대물 렌즈이다.

트랜슬레이션 메커니즘 (9) 은 레이저 전파 축 Z 을 따라서는 물론 레이저 전파 축 Z 에 대하여 직교인 방향들 X 및 Y 로 베셀형 레이저 빔에 대하여 샘플 (3) 을 포지셔닝하기 위해 구성될 수도 있다. 도 1 에서, 트랜슬레이션 메커니즘 (9) 은 샘플 (3) 을 지지하도록 구성되지만, 대안으로 또는 추가적으로, 트랜슬레이션 메커니즘은 레이저 시스템 (5) 및/또는 광학계 (7) 를 샘플 (3) 에 대하여 이동시키기 위해 제공될 수도 있다.

도 3 을 참조하면, 전파 축 Z 를 따라 측정된 피크 플루엔스의 일 예시적인 종방향 플루엔스 프로파일 (17) 이 도시된다. 구체적으로, 센트럴 빔 피크 (정규화된 피크 플루엔스) 에서의 정규화된 빔 플루엔스 (F) 는 Z 방향의 포지션에 의존하여 표시된다. 이로써, 플루엔스는 J/cm2 단위의 에너지 밀도로서 정의된다. 공기 중 9°의 코니컬 반각 (θ) 의 실험적 생성된 베셀형 빔에 대해, 빔 전파 방향을 따른 종방향 플루엔스 프로파일 (17) 의 반치전폭 (full width at half-maximum; FWHM) 값은 540㎛ 인 것으로 측정된다. 종방향 플루엔스 프로파일 (17) 은 약 종방향 포지션 Z=800㎛ 에서 그것의 최대를 보인다. 광학 재료 내의 FWHM 은 일반적으로 1 보다 큰 굴절율을 갖는 재료들의 경우 더 길 것이며, 이를 테면 약 1.5 의 굴절률이 약 800㎛ 의 FWHM 값을 초래할 것이다.

도 4 는 즉 Z 방향에 직교하는 X 방향의 포지션에 의존한 정규화된 피크 플루엔스를 예시하는 일 예시적인 트랜스버스 플루엔스 프로파일 (19) 을 도시한다. 구체적으로, 트랜스버스 플루엔스 프로파일 (19) 은 코니컬 반각 9°의 실험적 생성된 베셀형 빔에 대해 도 3 의 종방향 포지션 Z=800㎛ 에서 취해진다. 트랜스버스 플루엔스 프로파일 (19) 은 베셀형 빔의 각각의 빔 아포다이제이션 함수에 의해 설정되는 빔 직경을 가로지른 여러 특징적 동심원 프린지들을 도시한다. 베셀형 빔의 센트럴 코어 (21) 의 반치 전폭 (Wcore) 은 Z=800㎛ 에서 약 2.5㎛ 이다.

빔 아포다이제이션 함수는 액시콘 렌즈 (15) 의 입구 (entrance) 에서 측정된 실제의 아포다이제이션 FWHM 직경 (Dapod) 을 통해 설정될 수도 있다. 그것은 코니컬 반각 (θ), 단일 레이저 펄스 손상 영역의 길이 (L), 액시콘 렌즈 (15) 를 이용하지 않은 광학계 (7) 의 축소율 1/M (여기서 M 은 1 보다 크다), 재료의 굴절률 (n), 및 예를 들어, 선택가능한 파라미터 (k, 여기서 0.5<k<2) 에 의존하여, 식 : Dapod = k*2*L/n*tg(θ)*M 에 따라 설정된다.

도 5 를 참조하면, 레이저 프로세싱 시스템 (1) 에 의한 레이저 프로세싱이 예시된다. 도 5 는 샘플 (3) 의 전면 (23) 이, 베셀형 레이저 빔의 레이저 펄스들을 그 전면 상으로 조사하는 것에 의해 머시닝되는 평면도이다. 샘플 (3) 은 예를 들어 X 방향을 따라 연장되는 미리 결정된 프리-커팅 경로 (25) 를 따라 스캐닝된다.

레이저 스캐닝은 연이은 레이저 펄스들이 프리-커팅 경로 (25) 를 따라 전면 (23) 의 상이한 영역들을 조사하도록 수행된다. 도 5 에서, 원들 (27) 은 샘플 (3) 이 베셀형 레이저 빔의 코어에 의해 조사되는 영역들을 개략적으로 표현한다. 원들 (27) 은 거리 dx 만큼 분리되는 센터들 (X_N-1, X_N, X_{N+ 1}, ...) 을 갖고 프리-컷 포지션들에 대응한다. 이에 따라, 각각의 원 (27) 내에서, 손상 영역은 전파 축 Z 을 따라 및 센터들 (X_N-1, X_N, X_N+1) 의 각각의 센터 둘레로 연장된다. 예시적인 스페이싱 조건들은, 적어도 1㎛, 적어도 2㎛, 또는 적어도 4㎛, 예를 들어 2㎛ 의 거리 dx, 또는 현재의 빔 전파에, 따라서 그 레이저 손상 영역의 품질에 영향을 미칠 수도 있기 때문에 이전의 레이저 손상 존에 너무 가깝지 않도록 펄스 베셀형 레이저 빔의 반치전폭에서의 코어 빔 웨이스트 (waist) 의 적어도 80% 또는 적어도 100% 의 거리 dx 를 이용할 수도 있다. 4㎛ 의 거리 dx 는 프리-커팅의 큰 속도 및 양호한 품질을 허용할 수도 있다.

일부 실시형태들에서, 스캐닝은 단일 패스 스캔에서 수행된다. 단일 패스는, 커팅 경로를 따른 각각의 섹션이 단지 레이저 빔에 의해 한번 방문 (패스) 된다는 사실에 관련된다. 이에 따라, 선택된 레이저 펄스에서 비롯되는 단일 레이저 펄스 손상 영역 (센터 X_N 둘레) 은 단지 선택된 레이저 펄스 직전의 시간에 조사된 단일 레이저 펄스들에서 비롯되는 단일의 바로 이웃하는 단일 레이저 펄스 손상 영역 (센터 X_N-1 둘레) 및 선택된 레이저 펄스 직후의 시간에 조사된 단일 레이저 펄스들에서 비롯되는 하나의 바로 이웃하는 단일 레이저 펄스 손상 영역 (센터 X_N+1 둘레) 만을 갖는다.

즉, 스캐닝은, 단일 패스 스캐닝 동안, 선택된 레이저 펄스에서 비롯되는 단일 레이저 펄스 손상 영역 (센터 X_N 둘레) 이 단지 그 선택된 레이저 펄스 직전의 시간에 조사된 단일 레이저 펄스들에서 비롯되는 단일의 바로 이웃하는 단일 레이저 펄스 손상 영역 (센터 X_N-1 둘레) 및 선택된 레이저 펄스 직후의 시간에 조사된 단일 레이저 펄스들에서 비롯되는 하나의 바로 이웃하는 단일 레이저 펄스 손상 영역 (센터 X_N+1 둘레) 만을 갖도록 펄스 베셀형 레이저 빔이 더 이른 조사된 포지션으로 리턴하지 않도록 수행된다.

도 1 내지 도 5 와 관련하여 개시한 바와 같은 재료 프로세싱의 제 1 단계는, - 커팅 경로 (25) 를 따른 프리-커팅 후 손상 영역들의 제한된 연장으로 인해 - 커팅 경로 (25) 의 사이드들 상에 재료의 섹션들 간의 구조적 연결이 일반적으로 남아있기 때문에 본 명세서에 프리-커팅으로도 지칭된다. 구조적 연결들이 남아 있는 것은 일반적으로는 손상 영역들이 (레이저 빔이 재료에 들어가는) 전면으로부터 (레이저 빔이 재료에서 빠져나가는) 이면으로 연장되는 경우에도 존재할 수도 있다.

본 명세서의 개시의 여러 양태들은 적층 재료들과 관련 있다. 적층 재료의 일 예는 적어도 하나의 인장 응력 층, 적어도 하나의 압측 응력 층, 및 적어도 하나의 인장 응력 층과 적어도 하나의 압축 응력 층 사이의 적어도 하나의 계면 영역을 포함한다.

도 6 에서, 적층 재료의 특정 예로서, 두께 DS 의 강화 유리 (31) 가 개략적으로 예시된다. 강화 유리 (31) 는 2 개의 압축 응력 층들, 즉 전면 (33) 에서의 전방 압축 응력 층 (CSL1) 및 이면 (35) 에서의 후방 압축 응력 층 (CSL2) 은 물론 그들 사이에 있는 하나의 인장 응력 층 (TSL) 을 포함한다. 이에 따라, 강화 유리 (31) 는 2 개의 계면 영역들, 즉 전방 압축 응력 층 (CSL1) 과 인장 응력 층 (TSL) 사이의 계면 영역 (IR1) 및 인장 응력 층 (TSL) 과 후방 압축 응력 층 (CSL2) 사이의 계면 영역 (IR2) 을 포함한다.

강화 유리는 비강화 유리와 비교하여, 예를 들어 전면의 더 높은 세기 때문에 디스플레이 패널, 안전 윈도우 등에 대한 기판으로서 이용된다. 일반적으로, 유리 재료들은 샘플 표면들에 압축 응력 층의 형성을 야기하는 화학적 또는 열적 강화 처리를 이용하여 강화된다. 압축 응력 층의 두께는 예를 들어 50㎛ 내지 70㎛ 의 범위에 있을 수도 있다. 인장 응력 층은 따라서 재료 내부로 연장될 수도 있다. 그 응력 층들로 인해, 강화 유리의 종래의 커팅은 불규칙한 피스들을 초래하기 쉬울 수도 있다. 그러나, 본 명세서에 개시된 방법들은 고품질 컷면 (cat-surface) 을 가진 강화 유리의 커팅을 허용할 수도 있다.

단일 레이저 펄스 손상에 대한 임계 플루엔스보다 높은 플루엔스의 연장을 예시하는 예들이 도 7 내지 도 13 과 관련하여 다음에 개시된다.

도 7 을 참조하면, 예를 들어, 전파 방향 Z 를 따른 베셀형 빔의 코어의 플루엔스 (F) 의 변화가 플루엔스 그래프 (41) 에 의해 개략적으로 예시된다. 또한, 전파 방향 Z 의 최대 손상 길이 (DLmax) 가 표시되며, 여기서 피크 플루엔스 (F) 는 광학 손상에 대한 임계값 (Fth) 보다 높으며, 이는 본질적으로 이 임계값이 광학적 파괴의 임계값에 대응하는 것으로 가정된다. 구체적으로, 임계값 (Fth) 보다 높은 플루엔스는 광학적 파괴를 야기하며, 이로써 재료의 내부 구조를 변형, 예를 들어, 재료가 파괴되는 손상 영역 또는 심지어는 애블레이션도 형성할 수도 있다. 애블레이션이 하나의 타입의 레이저 유도 손상이지만, 굴절률의 변형들, 밀도의 변경들 또는 심지어는 경도와 같은 다른 타입들이 존재하고 예를 들어, 하나의 평면, 예를 들어 레이저 유도 손상 영역들의 평면들 또는 그 평면 바로 옆의 평면 내에서 주로 연장되는 고품질 컷면들이 오리지네이트되도록 클리빙 프로세스에 대해 대칭을 유도하기 위해 동일한 효과를 가질 수도 있다는 것이 가정된다.

여기서, 레이저 유도 손상 존은 레이저 상호작용의 결과로서의 구조들이 클리빙 후 관찰되는 샘플의 존으로서 식별될 수도 있다. 상이한 타입들의 구조들이 도 22 및 도 23 에 도시된 SEM 이미지들과 관련하여 개시한 바와 같이 컷면의 상이한 섹션들에 존재할 수도 있다. 따라서, 레이저 유도 손상 존들은 예를 들어, 도 16 내지 도 18 과 관련하여 이하 논의한 바와 같이 컷면의 광학 현미경 이미지에서 볼 수도 있다. 일반적으로, 레이저 유도 손상 존의 길이는 하나의 평면에서 (샘플이 X 방향을 따라 스캐닝된다면, XZ 평면에서) 손상을 보이고 레이저 빔으로 프리-커팅되지 않은 부분과 종종 관련되는 샘플의 임의의 크랙 섹션을 포함하지 않는 샘플 섹션의 길이로서 정의될 수도 있다. 레이저 유도 손상 영역은 일부 재료 변형들이 조사된 레이저 빔의 높은 플루엔스와의 상호작용에 의해 야기되는 언클리빙된 재료의 영역으로서 본 명세서에서 간주된다.

일반적으로, 레이저 유도 손상 영역 및 레이저 유도 손상 존들의 연장 (길이) 은 서로에 대응하고 본 명세서에 도 7 에 표시된 최대 레이저 유도 손상 길이 (DLmax) 와 같은 레이저 유도 손상 길이 (DL) 로 지칭된다. 더욱이, 선형 트랜슬레이션 무브먼트들에 대해, 연속적인 레이저 펄스들의 단일 레이저 펄스 손상 영역들은 서로에 대하여 패러렐이고 - 순수 래터럴 트랜슬레이션 무브먼트의 경우 - 본질적으로 동일한 레이저 유도 손상 길이에 걸쳐 연장된다.

일반적으로, 예를 들어, 재료를 통하여 전파할 때 레이저 빔의 단일 광자 흡수에 대하여 본질적으로 투명한 재료와 이러한 베셀형 빔의 단일 펄스의 상호작용은 멀티-광자 이온화에 기초할 수도 있다. 멀티-광자 이온화는 전자 사태 광이온화를 수반하고 단일 레이저 펄스 손상 영역을 초래할 수도 있다. 단일 레이저 펄스 손상 영역의 길이는 레이저 빔 전파의 방향으로 수 100㎛ 내지 최대 1mm 이상의 범위 내일 수도 있고, 폭은 방사상 방향으로 약 2㎛ 보다 작은 범위 내일 수도 있다. 단일 레이저 펄스 손상 영역의 연장은 예를 들어, 코어 빔의 포커스 내의 필드 세기에 의존하고, 따라서 광학계 (7) 내의 광학 빔 경로 및 레이저 시스템 (5) 에 의해 제공된 레이저 펄스 에너지 및 레이저 펄스 지속기간과 같은 펄스 베셀형 레이저 빔의 레이저 특성에 의존한다.

높은 강도들에 대해, 재료의 (표면 상이든 또는 재료 내이든) 애블레이션이 우세할 수도 있다. 더 낮은 강도들에 대해, 재료 그 자체의 (그 내부 구조) 의 변형은, 예를 들어 원자 구조에 대한 변경들로 인한 굴절률 또는 경도의 변형을 발생시킬 수도 있다.

단일 광자 흡수에 대한 투명성은 단일 광자 흡수가 예를 들어, 밴드 갭이 광자 에너지보다 더 클 때 근본적인 이온화 프로세스가 아니라는 사실에 대응한다. 멀티-광자 이온화에 기초한 이온화는 일반적으로, 손상 영역의 형성이 또한 공간에서 잘 정의되도록 이온화 임계를 특징으로 한다. 예를 들어, 재료는 근적외선 및/또는 가시 스펙트럼 범위에서 투명할 수도 있다.

재료의 프리-커팅을 수행할 때, 레이저 빔에 대한 샘플의 포지션은 응축된 빔 존 (레이저 빔의 플루엔스 (J/cm2) 가 최대 플루엔스의 1/2 보다 높은 공간의 볼륨) 이 샘플면 중 어느 하나의 면을 가로질러 포지셔닝되도록 하는 방식으로 유지될 수도 있다. 그 후, 플루엔스는 예를 들어, 샘플 전면 또는 샘플 이면에서 가장 높을 것이다. 대안으로, 응축된 빔 존은 플루엔스가 샘플면들에서 임계 플루엔스보다 낮거나 심지어는 영이 되도록 샘플 내에 완전히 포지셔닝될 수도 있다.

샘플의 나중의 포지션은 두께 (DS1) 의 재료에 대해 도 8 에 예시된다. 도 8 은, 레이저 유도 손상의 존이 전파 방향 Z 에서 전체 샘플을 통하여 연장되는 길이 (DL1), 즉 적어도 DL1=DS1 을 적어도 갖는 포커싱 지오메트리를 도시한다. 이 경우에, 레이저 유도 손상은 샘플의 전면 (43) 과 이면 (45) 양자에 연결된다.

도 6 에 도시한 바와 같은 적층 유리에 대해, 도 8 의 포커싱 포지션은 모든 응력 층들은 물론 모든 계면 영역들이 프리-커팅되는 것을 보장한다.

도 9 는 두께 (DS1) 의 재료에 대한 포커싱 포지션을 예시하며, 이로써 단지 전면 (43) 만이 상위 (above) 임계 플루엔스의 대상이다. 대응하여, 길이 (DL2) 의 레이저 유도 손상의 존은 재료의 내부에 형성되며, 이는 두께 (DS1) 보다 더 작은 길이를 갖는다. 도 8 에 도시된 포커싱 지오메트리에 반하여, 레이저 유도 손상의 존은 전면 (43) 에만 연결되고 이면 (45) 에는 연결되지 않는다.

도 6 에 도시한 바와 같은 적층 (예를 들어, 강화) 유리의 경우, 도 9 의 포커싱 포지션은, 단지 계면 영역 (IR1) 을 포함하는 인장 응력 층 (TSL) 의 일부만 및 전방 압축 응력 층 (CSL1) 이, 두께 (DS1) 와 길이 (DL2) 간의 차이가 후방 압축 응력 층 (CSL2) 의 두께보다 더 크다면 프리-커팅되는 것만을 규정한다.

유사하게, 도 10 은 두께 (DS1) 의 재료에 대한 포커싱 포지션을 예시하며, 이로써 단지 이면 (45) 만이 즉 도 8 및 도 9 에 도시된 포커싱 지오메트리들과 대조하여, 상위 임계 플루엔스의 대상이 된다.

도 6 의 강화 유리에 대해, 도 10 의 포커싱 포지션은, 계면 영역 (IR2) 을 포함하는 (완전한) 후방 압축 응력 층 (CSL2) 및 인장 응력 층 (TSL) 의 일부만이 - 특히 두께 (DS1) 와 길이 (DL3) 사이의 차이가 압축 응력 층 (CSL1) 의 두께보다 더 크다면 - 프리-커팅되는 것을 규정한다.

도 11 을 참조하면, 2 개의 플레이트형 샘플들 (47 및 49) 의 일 부분의 프리-커팅은 동시의 멀티-재료 프로세싱의 일 예로서 예시된다. 도 11 의 예에서, 예를 들어, 강화 유리의 샘플들은 두께들 (DS2 및 DS3) 을 갖고 레이저 유도 손상의 최대 길이 (DLmax) 는 2 개의 샘플들의 총 두께보다 더 크다, DLmax>DS2+DS3. 도 11 의 실시형태는 충분한 긴 유도 손상 길이 (DLmax) 에 대해, 다수의 재료 플레이트들을 동시에 프리-커팅하는 것이 가능할 수도 있다는 것을 예시한다.

도 12 및 도 13 은 도 8 의 포커싱 포지션을 추가 예시한다. 구체적으로, 도 12 는 700㎛ 의 두께를 갖는 프리-컷 강화 유리의 사이드뷰 광학 현미경 사진을 도시한다. 레이저 프리-커팅은 9°의 코니컬 반각, 72μJ 의 펄스당 레이저 에너지, 및 11ps 의 레이저 펄스 지속기간의 베셀형 빔에 의해 수행되었다. 연이은 상호작용 레이저 펄스들 간의 거리 dx 는 4.5㎛ 였다. 강화 유리는 단일 레이저 펄스 손상 영역들이 인 택트 (in tact) 유지되고 사이드로부터 보여질 수 있도록 아직 분리되지 않는다. 레이저 유도 손상 영역들은 강화 유리 전반에 걸쳐 연장된다. 광학 현미경 사진은 레이저 빔이 강화 유리에 들어가고 그 강화 유리에서 빠져나가는 어두워진 스폿들을 각각 보이는 전면 (53) 및 이면 (55) 을 도시한다. 전면 (53) 의 도 13 의 a) 의 평면도 및 이면 (55) 의 도 13 의 b) 의 평면도는 커팅 경로를 따른 단일 펄스 상호작용 영역들 (전면 (53) 의 손상 영역들 (54) 및 이면 (55) 의 손상 영역들 (56)) 을 분명히 표시한다.

다시 도 12 를 참조하면, 사이드뷰는 강화 유리를 가로질러 전면 (53) 으로부터 이면 (55) 으로 연장되고 강화 유리 내에 레이저 유도 손상 영역들 (57) 의 긴 레인징을 분명히 예시하는, 라인들 중 하나가 예시를 목적으로 확대된, 선형으로 연장된 더 어두운 라인들을 도시한다.

다음에, 재료 프로세싱의 제 2 (분리) 단계가 도 14 및 도 15 와 관련하여 개시된다. 예를 들어, 커스텀 설계 장치를 이용하여 압력을 인가하는 것에 의한 재료의 부분들의 기계적 분리가 달성된다. 일부 실시형태들에서, 재료 내의 내부 응력은 그러나 분리 부분들에서의 재료의 자발적인 분리를 개시할 수도 있다는 것에 주목한다.

프리-커팅 단계에 이어, 재료는 커팅 경로를 가로질러 힘을 인가하는 것에 의해 분리될 수도 있다. 도 14 및 도 15 는 기계적 배열에 기초하여 일 예시적인 분리 단계를 단순한 방식으로 예시한다. 구체적으로, 도 14 에 따르면, 프리-컷 샘플의 전면 및 이면은 각각 커버 플레이트들 (61 및 63) 의 쌍들로 커버된다. 커버 플레이트들 (61 및 63) 의 쌍들은, 커팅 경로가 바람직한 브레이킹 라인이 되도록 구성된다. 예를 들어, 커버 플레이트들 (61, 63) 은 예를 들어 15°의 콘 형상 팁들의 로우-각을 특징으로 함으로써 도 14 에 도시한 바와 같이 커팅 경로 포지션을 따라 약해진다. 커버 플레이트들 (61, 63) 은 알루미늄과 같은 단단한 재료로 만들어질 수도 있다. 모든 4 개의 콘 형상 팁들의 일 예시적인 배치가 도 14 에 도시된다. 대시 점선 (65) 은 레이저 빔의 전파 방향에 대응하는, 커팅 경로에 대한 법선 (normal) 을 도시한다.

일부 실시형태들에서, 연한 스폰지형 재료 (예를 들어, 수백 미크론으로 압축가능, 미도시) 는 샘플 (3) 과 커버 플레이트들 (61 및 63) 사이에 충격 흡수체들로서 배치될 수도 있다. 분리는 샘플 (3) 의 샌드위치된 사이드들 중 하나의 사이드 (예를 들어, 도 14 의 좌측의 사이드) 를 홀드하고 화살표 방향으로, 예를 들어 샘플의 다른 사이드의 중심에서 대시 점선 (65) 과 평행하게 힘 (66) 을 인가함으로써 수행될 수도 있다.

도 15 는 샘플 (3) 이 부분들 (67 및 69) 로 브레이킹되는 브레이킹 무브먼트를 예시한다.

브레이킹 (즉, 압력의 인가) 의 방향은 레이저 유도 손상 영역이 전체 샘플을 커버하지 않을 때 중요할 수도 있다. 브레이킹의 방향은, 레이저 유도 손상 영역이 연결하는 표면이 우선 개방되도록 선택될 수도 있다. 레이저 유도 손상 영역들이 샘플의 양자의 표면들을 커버하는 실시형태들에서, 브레이킹의 방향은 중요하지 않을 수도 있고 압력이 어느 하나의 사이드에 인가될 수도 있다.

레이저 유도 손상 존은 광학 현미경 관찰 (microscopy) 에 의해 가시화될 수도 있다. 예시적으로, 도 16 내지 도 18 은 레이저 유도 손상 존의 상이한 연장 및 포지셔닝에 대한 사이드뷰 광학 현미경 사진들을 도시한다. 두께 700㎛ 의 강화 유리에 대한 실험적 테스트들에 대한 컷의 품질이 예시된다. 컷 품질은 그 중에서도 전면/이면 바로 옆의 크랙 깊이에 의해 정의되고 도 8 내지 도 10 과 관련하여 예시된 포커싱 지오메트리들 및 레이저 유도 손상 영역의 길이에 의존한다. 프리-커팅은 코니컬 반각 9°, 11ps 의 펄스 지속기간 및 2㎛ 의 내부 펄스 스페이싱의 베셀형 빔들에 의해 수행되었다.

구체적으로, 도 16 은 임의의 크랙 없이 머시닝 표면을 보이는 단면의 광학 현미경 사진을 도시한다. 이 경우에 포커싱 지오메트리는, 레이저 유도 손상 존 (700㎛ 의 길이 (DL1)) 이 강화 유리의 완전한 두께를 가로질러, 즉 전면 (73) 으로부터 이면 (75) 으로 연장되도록 도 8 에 도시한 것과 유사하다.

도 17 에서, 프리-커팅은 도 10 에 도시한 것과 유사한 포커싱 지오메트리에 대응하지만 조건 DL>CSL+TSL 이 충족될 때 (이하 논의된) 도 21 의 영역 Ⅱ 로서 분류된 오퍼레이팅 레짐에서 여전하다. 어떠한 크랙들도 압축 응력 층들 내에 존재하지 않는다. 레이저 유도 손상 존이 이면으로부터 샘플의 거의 70% 를 커버할 때, 또한, 표면에 대한 손상 임계가 임의의 투명 재료의 벌크의 경우보다 더 낮기 때문에 전면에 대한 애블레이션/손상을 관찰할 수도 있다는 것에 주목한다.

도 18 에서, 프리-커팅 및 클리빙에 의해 프로세싱된 강화 유리의 단면의 광학 현미경 사진이 도시되며, 여기서 샘플의 전면 (73) 에 대한 베셀형 빔 포지션이 도 10 에 예시된 포지션과 유사하게 설정된다. 그러나, 레이저 유도 손상 존은 단지 370㎛ 이고, 따라서 강화 유리의 두께의 50% 보다 약간 더 큰 것으로 설정되었다.

도 18 에서, 약 100㎛ 의 두께를 갖는 크랙 영역 (71) 은 전면 (73) 에 인접한 것으로 볼 수 있다. 이면 (75) 에는, 폴리싱된 것처럼 보이고 레이저 프리-커팅으로 인한 고품질 컷을 표현하는 패턴을 갖는 영역 (77) 이 존재한다. 그 영역 (77) 다음에는, 영역 (77) 의 평면 내에 여전히 클리빙 프로세스에 의해 생성된 패턴을 가져 고품질이 되는 영역 (79) 이 존재한다. 구체적으로, 약 370㎛ 의 길이 (DL3) 는 영역들 (77 및 79) 에 대응하고 압축 층 (CSL2) 과 인장 층 (TSL) 의 두께들의 합보다 더 작다. 영역 (79) 과 크랙 영역 (71) 사이에는, 프리-커팅에 의해 영향을 받지 않고 영역 (81) 이 더 낮은 품질의 커팅에 대응하도록 프리-커팅의 평면에 있지 않은 미제어된 클리빙에 기인할 수도 있는 고유한 패턴을 가진 다른 영역 (81) 이 존재한다.

크랙 영역 (71) 및 영역 (81) 의 거칠기는 프리-커팅의 영향을 받은 영역들 (77 및 79) 의 표면 거칠기보다 상당히 더 클 수도 있는데, 이는 단지 수 미크론의 범위 또는 심지어는 서브미크론 범위에 있을 수도 있다.

도 18 의 상이한 영역들의 존재는, 레이저 유도 손상 존이 두께를 따라 충분한 길이를 커버하지 않을 때 통상 관찰될 수도 있다. 특히, 도 18 의 상이한 영역들은 레이저 유도 손상 존의 길이 (DL3) 가 완전한 두께에 걸쳐 클리빙 프로세스에 대해 대칭을 제공할 정도로 길지 않다는 사실 때문일 수도 있다.

그럼에도 불구하고, 도 18 의 조건들은 여전히, 압축 층 (CSL2) 과 인장 층 (TSL) 간의 계면 영역이 레이저 손상 영역의 대상이 될 때 프리-컷 강화 유리의 충분한 클리빙을 허용할 수도 있다.

도 16 내지 도 18 에 대하여, 레이저 유도 손상 존은 레귤러 손상 패턴들이 광학 현미경 이미지로부터 분명한 바와 같이 관찰되는 샘플의 존으로서 정의되었다. 여기서, 하나의 평면에 (샘플이 X 방향을 따라 스캐닝된다면, XZ 평면에) 손상을 포함하고, 따라서 레이저를 이용하여 머시닝되지 않은 부분 및 샘플의 크랙 부분(들)을 포함하지 않는 샘플의 전체 길이로서 레이저 유도 손상 존의 길이를 정의할 수도 있다는 것에 주목한다.

도 19 내지 도 21 은 다양한 실험적 데이터를 예시한다. 도 19 를 참조하면, 도 10 의 포커싱 지오메트리에 대해, 레이저 펄스 지속기간 τ 으로부터 강화 유리에 손상을 유도할 수 있는 베셀형 빔의 최소 코니컬 반각 θ 의 의존성이 도시된다. 인접한 손상 존들 간의 거리 (dx) 는 약 2㎛ 였다. 더 작은 코니컬 반각들에 대해, 더 긴 펄스들이 요구된다.

도 20 을 참조하면, 도 10 의 포커싱 지오메트리에 대해, 베셀형 빔의 선택된 코니컬 반각 θ 으로부터 강화 유리에 손상을 유도할 수 있는 최소 레이저 에너지 (E (μJ 단위)) 의 의존성이 도시된다. 임계 레이저 에너지는 11ps 펄스 지속기간의 레이저 펄스들로 700㎛ 두께의 강화 유리를 프리-커팅함으로써 결정되었다. 인접한 손상 존들 간의 거리 (dx) 는 약 2㎛ 였다. 임계 에너지는 레이저 유도 손상 존이 강화 유리를 프리-커팅할 정도로 충분히 긴 것을 야기하는 (특정 코니컬 반각에 대해) 최소 에너지로서 정의되었다.

도 21 을 참조하면, 도 10 의 포커싱 지오메트리, 두께 700㎛ 의 강화 유리, 11ps 의 레이저 펄스 지속기간, 및 9°의 코니컬 반각의 베셀 빔에 대해, 레이저 유도 손상 존의 길이 (DL) 로부터 전면으로부터의 크랙 깊이 (Dcrack) 의 의존성이 도시된다. 인접한 손상 존들 간의 거리 (dx) 는 약 2㎛ 였다. 도 21 에서, 영역 I 는 크랙들이 강화 유리의 전면에서 압축 응력 층 (CSL1) 상에 보이는 것으로 표시되었다.

영역 I 는 본질적으로, 레이저 유도 손상 길이 (DL) 가 하나의 압축 응력 층 및 하나의 인장 응력 층의 조합된 두께들보다 더 작은 포커싱 지오메트리에 대응한다.

영역 Ⅱ 는 레이저 유도 손상 길이 (DL) 가 하나의 압축 응력 층 및 하나의 인장 응력 층의 조합된 두께들보다 더 큰 포커싱 지오메트리에 대응한다. 영역 Ⅱ 에서는, 레이저 유도 손상 길이 (DL) 가 2 개의 압축 응력 층들 및 하나의 인장 응력 층의 조합된 두게들보다 더 작은 경우라도, 즉 샘플이 레이저 유도 손상 존보다 더 두꺼운 경우라도; 어떠한 크랙들도 보이지 않는다.

상기에 기초하여, 펄스당 (최소) 필요한 에너지는 주로 샘플 두께에 의존하고 그 중에서도 재료 및 레이저 스펙트럼에 의존하여, 그러나 선택된 콘 각 또는 설정된 펄스 지속기간에 약하게 의존하여 예를 들어, 100㎛ 두께 당 1μJ 내지 40μJ, 예를 들어 100㎛ 두께 당 2μJ 내지 20μJ 의 범위 (이를 테면 100㎛ 두께 당 5μJ) 에 있을 수도 있다는 것이 식별되었다. 이것은 더 긴 샘플들, 즉 더 작은 각들에 대해, 더 긴 펄스들이 필요한 도 19 및 펄스 지속기간의 증가로 펄스 에너지가 증가하는 것을 명시하는 도 20 의 조합으로부터 코어스 근사 (coarse approximation) 로 보여질 수 있다.

그러나, 펄스 당 정확한 에너지를 갖는 것은 단일 샷 프리-커팅을 달성하기에 충분하지 않다. 사실, 양자의 펄스들이 짧고 콘 각이 작다고 하면, 단일 샷 프리-커팅이 방지된다. 그러나, 그 후 단일 샷 프리-커팅 레짐은 펄스 지속기간 및/또는 콘 각을 증가시키는 것에 의해 도달될 수도 있다. 콘 각을 증가시키고 동시에 동일한 샘플 길이를 유지가능하게 하기 위하여, 동일한 베셀 존이 보장되도록 빔 사이즈를 (예를 들어, 베셀형 빔의 빔 아포다이제이션 함수를 증가시키는 것에 의해) 증가시키는 것이 또한 추가로 필요할 수도 있다는 것에 주목한다. 이 동작은 고정 에너지에서 수행되기 때문에, 평균 에너지 밀도는 감소한다는 것에 주목한다. 그러나, 실제로 관찰되는 바와 같이, 이것은 컷 능력에 영향을 미치지 않으므로, 베셀형 빔 코어는 더 작은 사이즈를 갖고, 합당한 각 범위 내에서, 플루엔스가 여전히 재료를 변형시키고 이로써 허용가능한 프리-커팅을 수행하기 위해 임계값보다 높다.

콘 각을 증가시키는 것은, 빔 직경, 및 따라서 광학 엘리먼트들의 사이즈를 증가시키는 것을 요구하며, 이는 비용이 많이 들 수도 있다. 그에 반해서, 펄스 지속기간을 증가시키는 것은 펄스를 처핑 (chirping) 하는 것을 단순히 요구할 수도 있는데, 이는 fs 또는 ps 레이저 펄스 지속기간들 동안 용이하게 실현가능하다. 더욱이, ps 레이저들은 fs 보다 보통 더 저렴하므로, 두꺼운 샘플들 (예를 들어, 0.5mm 내지 1.5mm 범위의 두께들) 의 단일 샷 프리-커팅을 위해 (fs 가 아닌) ps 레이저 시스템들을 이용하는 것이 제안된다.

즉, 펄스 지속기간의 증가 (따라서 비용의 감소) 시에, 단일 샷 컷을 위해 필요한 최소 콘 각이 감소한다는 것이 발견되었다. 이것은, 고정 샘플 길이에 대해, 더 작은 빔들 및 더 작은 옵틱스를 허용하고, 이로써 셋업을 다루기에 더 싸고 더 용이하다. 놀랍게도, 더 긴 펄스들을 택하는 것은 더 긴 레이저 펄스 에너지 (또는 평균 파워들) 을 요구하지 않는다. 실제로, 데이터를 주의하여 보면, 최소 에너지는 약간만 감소할 수도 있다. 따라서, 예를 들어, ps 펄스 지속기간 (예를 들어 10ps 와 같이 5ps 내지 15ps 의 범위) 은 "싸지만" 고품질의 단일 샷 프리-커팅에 대해 제안된다.

도 22 및 도 23 을 참조하면, 540㎛ 의 두께를 가진 강화 유리의 프리-컷 및 클리빙된 부분의 SEM 이미지들이 재현된다. 도 22 에서, 프리-컷 및 클리빙된 부분의 코너는 컷면에서 레귤러 표면 구조를 보인다. 구체적으로, 일련의 패러렐 하프-파이프들이 형성되고 전면으로부터 컷면을 따라 연장된다. 도 23 에서, 프리-컷 및 클리빙된 부분의 중간 부분이 도시된다. 그 표면 구조는 상이한 타입들의 구조들을 가진 컷면의 상이한 섹션과 관련 있다. 구체적으로, 표면 구조는 계속 평행하게 연장된다. 그러나, 하프-파이프 구조들에 더하여 또한 하프-원통형 돌출 형상들이 식별될 수 있다.

도 22 및 도 23 을 참조하면, 30㎛ 보다 작은 범위의, 예를 들어 약 0.5㎛ 와 같은 1㎛ 보다 작은 표면 거칠기가 달성되었다.

일부 실시형태들에서, 프리-커팅을 위한 파라미터들은 상기 설명한 바와 같이 레이저 프리-컷을 위해 필요한 시간을 감소시키고, 따라서 커팅 속도를 향상시키기 위하여 설정된다. 이 때문에, 이웃하는 가늘고 긴 손상 영역들 간의 거리가 증가될 수도 있다. 예를 들어, 단일 패스 스캔의 일부 실시형태들에서, 프리-커팅은, 이웃하는 가늘고 긴 손상 영역들에 대해, 그 이웃하는 가늘고 긴 손상 영역들이 적어도 1㎛ 또는 적어도 2㎛ 또는 적어도 3㎛ 또는 적어도 4㎛ 의 거리만큼 서로에 대하여 변위되도록 수행될 수도 있다. 물론, 이웃하는 손상 영역들 간의 거리가 클수록, 그 부분들의 클리빙/분리에 대한 프리-컷 레이저 프로세스의 완료 후 요구될 수도 있는 힘 (외부 또는 내부) 이 커진다. 보통, 이웃하는 손상 영역들이 컷 표면의 충분한 품질을 클리빙/분리 프로세스에 대해 충분히 제공하지 않는 거리의 상한이 존재한다. 그 제한 거리들은 재료의 두께에 의존하고, 2㎛ 내지 50㎛ 의 범위, 이를 테면 4㎛ 내지 10㎛ 의 범위에 있다.

일부 실시형태들에서, 프리-커팅을 위한 파라미터들은 프리-컷이 완료된 후 재료의 컷 부분들을 분리하는데 필요한 노력을 최소화하기 위하여 설정될 수도 있다. 이전에 지적한 바와 같이, 이것은 심지어는 자발적인 분리를 개시할 수도 있으며, 즉 조금도 외부 (기계적) 힘이 필요하지 않다. 예를 들어, 손상 영역들의 밀도 및 연장은 물론 재료 속성들에 의존하여, 컷 부분들의 자발적인 분리가 발생할 수도 있다. 바람직하게는, 예를 들어, 완료 후 10s 또는 5s, 또는 심지어는 완료 후 1s 미만과 같이 자발적으로 분리되어야 하는 그 부분에 대해 프리-커팅 프로세스가 완료된 후 발생한다. 이 때문에, 50% 이상 심지어는 완전히 재료를 통하여 연장될 때까지와 같이 레이저 전파 방향으로의 레이저 손상 영역의 각각의 연장과 조합하여, 이웃하는 가늘고 긴 손상 영역들 간의 더 작은 거리, 예를 들어 10㎛ 또는 5㎛ 또는 2㎛ 또는 1.5㎛ 보다 더 작은 거리, 심지어는 1㎛ 보다 더 작은 거리가 선택될 수도 있다.

더욱이, 발명자들은, 레이저 펄스 파라미터들의 임의의 세트 (펄스 지속기간, 콘 각, 펄스 에너지, 및 빔 아포다이제이션을 포함) 에 대해, 이웃하는 손상 영역들이 더 이상 독립적이지 않은 크로스오버 거리 (dcross) 가 존재한다는 것을 알았다. 예를 들어, 이웃하는 가늘고 긴 손상 영역들 간의 거리가 크로스오버 거리 (dcross) 보다 더 작게 된다면, 2 개의 손상 영역들은 제 2 손상 영역의 볼륨의 형상이 제 1 손상 영역의 존재에 의존한다는 의미에서 더 이상 독립적이지 않다.

예시적으로, 예를 들어, 베셀형 빔들의 방사상 대칭 빔들의 경우를 고려하면, 각각의 빔은 통상 - 임의의 이웃하는 빔의 부재 시에 - 방사상 대칭적인 손상 존을 형성한다. 그러나, 제 2 빔이 이웃하는 송산 영역에 충분히 가깝게 포지셔닝된다면, 그 손상 영역의 존재, 및 잠재적으로는 재료에서의 관련 응력의 존재는 독립적인 손상 영역들에 대해 Z 방향을 따라서는 물론 이웃하는 손상 영역에 대해 가늘고 긴 손상을 제 2 빔이 수행하게 할 수도 있다. 예를 들어, 2 개의 손상 영역들을 연결하는 방향 (도 5 의 X 방향으로도 예시적으로 지칭) 을 따라 변형이 일어날 수도 있다.

즉, 제 2 펄스 손상 영역의 볼륨의 형상은 원통형이 아니라 X 및 레이저 전파 방향 Z 에 수직인 방향인, Y 방향을 따라 더 짧은 축을 가진 3D 타원체가 된다.

발명자들은 또한, X 방향의 손상 존의 이러한 신장 (elongation) 의 출현이 단순히 2 개의 이웃하는 손상 존의 2 개의 부분이 오버랩하고 있다는 사실에 의해 야기된 아티팩트 때문은 아닐 수도 있다는 것을 알았다. 일부 경우들에서, 이웃하는 손상 영역에 대한 X 방향을 따른 손상 신장은 제 1 이웃하는 손상 영역을 향하는 방향은 물론 이웃하는 손상 영역으로부터 먼 방향으로도 돌출한다.

또한 추가로, 이전의 생성된 손상 영역이 다음의 펄스와의 상호작용에 의해 유사한 방식으로 영향을 받게 될 수도 있다는 것이 가정된다.

관찰된 현상은 제 2 펄스가 제 1 펄스의 영향으로 이미 응력을 받은 재료에 응력을 유도한다는 사실의 결과로서 해석될 수도 있다. 2 개의 레이저 유도 기계적 응력의 중첩은, 더 큰 값이 본래 양자의 펄스들이 기여하는 방향을 따라, 예를 들어 Y 방향을 따라 배향되는 압력을 재료 내부에 생성한다. 그 결과, 재료 손상 존 (예를 들어, 예를 들어, 굴절률이 변경되거나, 또는 마이크로 크랙들이 형성되는 등의 재료 내부의 볼륨 영역) 은 그 힘에 직교하는 평면으로의, 여기서는 XZ 평면으로의 가장 큰 연장을 특징으로 할 수도 있다. 이 상황은 특히 컷 라인을 따른 다수의 펄스의 시퀀스가 고려될 때, 일련의 독립적인 손상 원통형 볼륨들을 형성하지 않고, 더욱이 (프리-커팅의 라인에 의존하여, 즉 일련의 손상 영역들의 포지셔닝에 의존하여 평면 또는 구부러진) XZ 평면으로 넓게 연장되는 반연속 또는 가상 연속적인 손상 표면의 형성을 허용할 수도 있기 때문에 특히 적절하다.

도 24 는 기존의 가늘고 긴 손상 영역의 가까운 존재로 인해 가늘고 긴 손상 존의 변형의 상기의 영향을 예시한다. 구체적으로, 도 24 는 일련의 위치들 (XN-1, XN, NX+1) 을 도시한다. 일 예로서, 그 시리즈는 유리 플레이트와 같은 재료 플레이트의 표면, 예시적으로 대시 분리 라인 (700) 으로서 도시된 원의 일 섹션 상에 구부러진 형상으로 포지셔닝된다. 분리 라인 (700) 은 예를 들어, 셀 폰 스크린 (710) 을 외부 섹션 (720) 으로부터 코너의 영역에서 분리한다. 이 예에서, 셀 폰 스크린 (710) 은 그 내부 영역에 임의의 가늘고 긴 손상 영역들을 갖지 않는다. 그 재료의 외부 섹션 (720) 은 또한, 분리가 단지 분리 라인 (700) 을 따라서만 (보통 적어도 제공되는 가늘고 긴 손상 영역들인 그 영역들에 대해 래터럴 방향으로 손상 존 연장의 범위의 표면의 변화로; 도 24 의 실시형태에 따르면 라인을 따라 계속적으로 및 구부러진 보더들에 대해, 보통 본질적으로 완전한 재료 두께를 가로질러) 발생하도록 임의의 손상 영역들을 갖지 않는다.

더욱이, 도 24 는 각각의 위치 XN-1, XN, XN+1 에 대해, 도 5 와 유사한 원 (27), 및 그레이 스케일의 타원형 형상을 예시한다. 가늘고 긴 손상 영역의 타원형 기형 (elliptical deformation) 을 더 명확히 예시하기 위해, 2 개의 타원형 형상들 (730) 이 둘러싸는 대시 라인으로 표시된다. 도 24 의 특정 예의 경우, 그 기형은 이웃하는 이미 존재하는 가늘고 긴 손상 영역의 방향으로 존재한다. 사이즈 및 형상은 XY 평면의, 예를 들어 샘플의 표면 평면의 기형을 예시하기 위해 단지 개략적으로 표시된다.

도 24 에 도시한 바와 같이, 가늘고 긴 손상 영역들은 래터럴 방향보다, 스캔의 방향, 즉 분리 라인 (700) 으로 약 1.5 배 더 많이 연장된다. 인정될 바와 같이, 대칭 브레이크는 분리 프로세스를 안내함으로써 구부러진 분리 라인의 경우에는 특히 브레이킹 분리 프로세스에 영향을 줄 수도 있다 (크랙 형성이 코너 주위에서 "구부러진다").

더욱이, 작은 변위의 경우 또한 스캔의 방향으로의 확장 (widening) 이 발생할 수도 있도록 (도 24 에는 미도시) 이전의 가늘고 긴 손상 영역의 형성의 영향을 받을 수도 있다.

더욱이, 가늘고 긴 손상 영역들의 결과의 밀접성 (심지어는 계속적인 손상 영역의 형성까지) 은 또한, 셀 폰 스크린 (710) 과 외부 섹션 (720) 의 자발적인 분리를 지원할 수도 있다.

셀프-분리 손상 표면을 생성하기 위한 레이저 프로세싱은, 재료의 2 개의 부분들이 그 2 개의 부분들을 연결하는 재료가 제거되는 애블레이션 라인의 경우에 대해, 한꺼번에 분리되지 않으므로 본 명세서에 컷인 것으로 간주되지 않는다. 그에 반해서, 그 부분들의 본 명세서에 개시된 분리는 레이저 프로세싱이 완료된 후, 예를 들어 완전한 분리 라인이 레이저 펄스들에 의해 프로세싱된 후에만 그 자체에 대해 발생할 수도 있다. 예시적인 완성된 커팅 라인들은 재료 주위의 시작점과 종료점들 양자를 특징으로 할 수도 있고 및/또는 오버랩하는 시작 및 종료점들을 갖는 구조들을 특징으로 할 수도 있으며 및/또는 제거되는 재료의 섹션들을 특징으로 할 수도 있다.

분리 프로세스 (및 따라서 상기 논의의 관점에서의 커팅의 완료) 은 나중에, 예를 들어 외부 힘을 인가하는 것에 의해서와 같이 클리빙에 의해 수행될 수도 있다. 이 분리 프로세스는 예를 들어, 이웃하는 손상 영역들이 잘 분리되는 경우들에 적용될 수도 있다. 그러나, 상기 설명한 바와 같이, 분리는 또한, 프리-커팅이 완료된 후, XZ 평면의 손상 표면이 충분히 크다면, 및/또는 프리-커팅 액션으로 인한 어큐뮬레이팅된 내부 응력이 충분히 크다면 자발적으로 발생할 수도 있다. 이러한 자발적인 분리의 발생은 레이저 상호작용에 의해 재료 내부에 생성된 많은 양의 응력의 결과로서 및 재료의 2 개의 부분들이 결국 분리될 때 그 응력이 릴리즈될 수도 있다는 사실에 의해 이해될 수도 있다. 그 분리 라인과는 상이한 라인들을 따라 재료를 브레이킹하는 것을 방지하기 위하여, 과도한 응력이 바람직하게는 어큐뮬레이팅되지 않도록 레이저 파라미터를 튜닝하는 것이 중요하다는 것에 주목한다. 바람직하게는 파라미터들은 프리-컷이 완성되기 전에 자발적인 분리가 개시되지 않도록 설정된다. 자발적인 분리가 분리 라인이 완성되기 전에 시작할 수도 있다면, 프리-커팅이 수행되지 않은 그 영역들에는 특히 랜덤 브레이킹이 일어날 수도 있다.

상기와 비슷하게, 소정의 실시형태들에서, 이웃하는 손상 영역들 간의 거리는, 임의의 펄스에 대한 손상된 볼륨의 형상이 예를 들어 도 5 의 Y 방향의, 분리 라인에 직교하는 더 짧은 축을 갖는 3D 타원체가 되는 것을 보장할 정도로 충분히 작은 것으로 선택된다. 일부 실시형태에서, X 축의 손상 영역의 연장은 예를 들어 Y 축의 연장보다 예를 들어 1.2 배, 바람직하게는 1.5 배 이상, 이를 테면 2 배 더 크다. 전술한 것을 고려하면, 그것은 손상 영역을 제한하는 가장 작은 타원체로 지칭된다.

일부 실시형태들에서, 레이저 파라미터들은, 레이저 프리-컷이 처음에 샘플 주위 또는 시작 포지션에 도달한 후 및 전의 어느 시점에 중단된다면, 이웃하는 펄스에 대한 손상 영역의 형상은 분리 평면에 직교하는 방향 (예를 들어 도 5 에서 XZ 평면에 직교하는 Y 방향) 을 따라서보다 더 많이 이웃하는 펄스의 손상에서 벗어나, 스캐닝 방향을 따라, 예를 도 5 의 X 방향을 따라 예를 들어 1.2 배 이상 또는 1.5 배 이상 또는 2 배 이상 연장되도록 튜닝될 수도 있다.

일부 실시형태들에서, 재료의 프리-컷 부분들의 분리는 탑 및 바텀 재료 표면들 간에 유도된 온도 기울기에 의하여 열 응력을 생성함으로써 개시될 수도 있다. 예를 들어, 두께 방향으로 재료를 가로질러 1°이상, 이를 테면 3°이상, 예를 들어 10°의 기울기를 유도할 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 온도 기울기는 재료의 하나의 사이드에 따뜻하거나 차가운 공기를 블로잉함으로써, 또는 재료의 표면 사이드의 하나로부터 습기의 증발을 야기함으로써 생성될 수도 있다.

일부 실시형태들에서, 온도 기울기는 예를 들어, 양자의 사이드들의 고속 외부 냉각 또는 가열 프로세스에 의해 외부 표면들과 내부 벌크 재료 간에 유도될 수도 있다.

추가 실시형태에서, 재료의 프리-컷 부분들의 분리는 (예를 들어, 17KHz 보다 높은, 바람직하게는 19KHz 보다 높은, 더 바람직하게는 20KHz 보다 높은 범위의 주파수, 및 10W 내지 1000W, 바람직하게는 50W 내지 500W, 더 바람직하게는 100W 내지 300W 의 범위의 파워에서) 초음파들을 이용하는 것과 같이 음향파들에 의해 개시될 수도 있다. 더욱이 자발적인 분리를 참조하면, 베셀형 빔 커팅 기술은 기계적 클리빙의 필요성 없이 단일 단계의 강화 유리 커팅 기술로서 구성될 수도 있다. 단지 단일 프로세싱 단계, 예를 들어 셀프-브레이킹 조건들을 제공하기 위한 프리-커팅 - 때로는 플러스 심플 제 2 텐션 증가 단계 (가열, 블로잉, 응축 냉각 등) 를 가짐 - 이 달성될 수도 있다. 강화 층들 간의 텐션은 프리-컷 재료를 분리하는 셀프-브레이킹 힘으로서 이용될 수도 있다. 셀프-분리는 임의의 형상들의 컷, 예를 들어, 예를 들어 도 24 에 도시한 바와 같이 라운드 컷들을 가능하게 한다.

예를 들어, 강화 유리는, 강화 층들 간의 재료, 강화 층들을 포함하여, 그 강화 층들로 인해 발생하는 응력이 프리-커팅 프로세스에 의해 형성된 분리 라인을 따라 재료를 별도로 브레이킹할 정도로 충분히 큰 것과 같은 방식으로 레이저 상호작용에 의해 손상된다면 기계적 클리빙 단계 없이 커팅될 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 브레이크 개시는 레이저에 의해 또는 재료 표면들 간의 온도 차이에 의해 적용될 수도 있다.

소정의 조건들 하에서, 기계적 클리빙을 수행하는 제 2 단계는 필요하지 않을 수도 있다. 일부 구성들에서, 레이저 펄스들은 분리 라인을 따라 서로에 더 가깝게 전달되며, 손상은, 예를 들어, 샘플의 탑과 바텀 간에 유도된 온도 차이들이 충분하거나 또는 분리가 심지어는 셀프-스타트되는 정도까지 제공된다. 타이밍은 심지어는 프리-커팅 시스템 밖으로 재료가 전송되는 것을 허용하기 위해 특정 시간 차이로 설정될 수도 있다.

예시적으로, 이것은 샘플에 공기를 블로잉한 후 1 분 또는 2 분 후, 또는 수초 사이에 자발적으로 클리빙이 발생하게 할 수도 있다. 클리빙은 또한, 클리빙될 2 개의 부분들 간에 약간의 초기 분리력을 인가함으로써 개시될 수도 있다.

상기 설명한 바와 같이, 셀프-분리 접근법은 강화 유리에는 물론, 사파이어와 같은 비강화 유리에도 이용될 수도 있다. 그러나, 고강화된 재료의 경우에는, 셀프-분리의 구성이 설정되기 더 쉬울 수도 있다. 더욱이, 멀티-스캐닝 접근법들 (본 명세서에 개시한 바와 같음) 은, 레이저 파라미터들이 분리 라인 내의 손상 영역들의 요구된 연장을 제공하도록 허용하지 않는다면 필요해질 수도 있다.

셀프-분리 접근법의 특정 이점은 커브드 분리 라인들에 대한 상기 설명된 애플리케이션이다. 기계적 개시된 브레이킹 프로세스는 재료로 연장되는 저품질 분리 평면들 또는 크랙들에 더 하기 쉬울 수도 있다.

일부 실시형태들에서, 셀프-분리의 경우, 가늘고 긴 손상 영역들은 하나의 사이드로부터 다른 사이드로 (또는 적어도 두께의 90% 를 넘어) 연장될 필요가 있을 수도 있다. 이것은 특히 구부러진 분리 라인들을 따른 셀프 분리의 경우에 해당할 수도 있다.

다음에는, 다양한 상황에 특정 솔루션들을 제공하는 것을 목표로 하는 여러 절차들이 예시적으로 개시된다 :

절차 A

절차 A 에서, 레이저 및 스캐닝 파라미터들은, 자발적인 브레이킹이 프리-컷 페이즈 동안 발생하지 않고 프리-커팅 페이즈의 완료의 수초 후, 예를 들어 완료의 약 10, 5, 1s 후에 발생하는 것을 보장하도록 설정된다. 레이저 파라미터는, 예를 들어 콘 각, 펄스 지속기간, 빔 아포다이제이션, 및 펄스 에너지 중 적어도 하나를 포함한다. 파라미터들의 세팅은 요구된 고품질 및 고속도의 프리-컷이 보장되도록 재료의 두께에 기초하여 본 명세서에 설명한 바와 같이 수행될 수 있다. 스캐닝 파라미터들은, 예를 들어, 분리 평면 내의 이웃하는 가늘고 긴 손상 영역들 간의 거리를 포함한다; 예를 들어, 그 거리는 최대 4㎛, 또는 최대 2㎛, 또는 최대 1.5㎛, 또는 심지어는 최대 1㎛ 까지 연장되는 범위에서 취해진다. 일부 실시형태들에서, 그 거리는, 임의의 펄스에 대한 손상 볼륨의 형상이 스캐닝 방향에 직교하는 방향으로 더 짧은 축을 갖는 3D 타원체가 되는 것을 보장할 정도로 충분히 작은 것으로 취해지며, 예를 들어, 3D 타원체의 Y 연장은 3D 타원체의 X 연장보다 적어도 1.2 배, 적어도 1.5 배 또는 적어도 2 배 더 짧다.

절차 B

일부 실시형태들에서, 레이저 및 스캐닝 파라미터들은 절차 A 의 조건들을 충족하도록, 및 가늘고 긴 손상 영역이 샘플 두께의 적어도 70%, 적어도 90%, 또는 심지어는 100% 를 커버하고, 또는 적층 재료들의 경우, 압축 및 응력 층들 간의 계면들을 적어도 전부 커버한다는 추가 요건으로 설정된다.

절차 C (예시적인 멀티-스캔 접근법)

일부 실시형태들에서, 레이저 및 스캐닝 파라미터들은 절차 A 또는 B 의 조건들을 충족하도록, 및 프리-컷이 2 개 이상의 스캔들을 포함한다는 추가 요건으로 설정되며, 여기서 제 1 스캔은 재료 내부의 제 1 Z 좌표에서 그들의 중심을 갖는 제 1 복수의 가늘고 긴 손상 영역을 생성하고 제 2 스캔은 재료 내부의 제 2 Z 좌표에서 그들의 중심을 갖는 제 2 복수의 가늘고 긴 손상 영역을 생성하며, 각각의 가늘고 긴 손상 영역은 3D 타원체의 Y 연장보다 3D 타원체의 Z 연장이 적어도 10 배, 적어도 20 배, 또는 적어도 30 배, 이를 테면 100 배 더 큰 3D 타원체에 새겨진다.

절차 D

일부 실시형태들에서, 레이저 및 스캐닝 파라미터들은 절차 C 의 조건들을 충족하도록 설정되고, 여기서 제 1 및 제 2 스캔 간의 거리는, 동일하거나 유사한 XY 좌표로 론칭되는 제 1 스캔으로부터의 제 1 펄스와 제 2 스캔으로부터의 대응하는 제 2 펄스의 동시발생적 액션 (래터럴 방향의 그들의 거리는 동일한 스캔에 속하는 2 개의 펄스들 간의 거리보다 더 작다) 이 Z 방향의 연장이 제 1 및 제 2 펄스들 (예를 들어, 그들이 XY 평면의 큰 거리들에서 셧 (shut) 된다면) 에 의해 독립적으로 생성될 손상 영역들의 연장들의 합보다 더 크다는 결과의 가늘고 긴 손상 영역의 형성을 야기한다는 것을 보장하는 것이다.

절차 E

일부 실시형태들에서, 레이저 및 스캐닝 파라미터들은 절차 D 의 조건들을 충족하도록 설정되고, 여기서 재료는 적층 재료가 아니며, 각각의 단일 펄스에 의해 생성된 가늘고 긴 손상 영역의 길이는 샘플 두께의 ≤50%, 예를 들어, 샘플 두께의 30% 와 50% 사이이다.

절차 F

일부 실시형태들에서, 레이저 및 스캐닝 파라미터들은 절차 A 또는 B 의 조건들을 충족하도록 설정되며, 여기서 레이저 및 스캐닝 파라미터들은 프리-컷을 3 개의 스캔들에 의해 수행하도록 설정되는데, 제 1 스캔은 재료 내부의 제 1 Z 좌표에서 그들의 중심을 갖는 제 1 복수의 가늘고 긴 손상 영역을 생성하고, 제 2 스캔은 재료 내부의 제 2 Z 좌표에서 그들의 중심을 갖는 제 2 복수의 가늘고 긴 손상 영역을 생성하며, 제 3 스캔은 재료 내부의 제 3 Z 좌표에서 그들의 중심을 갖는 제 2 복수의 가늘고 긴 손상 영역을 생성하며, 각각의 가늘고 긴 손상 영역은 Y 연장보다 Z 연장이 적어도 10 배, 적어도 20 배, 또는 적어도 30 배 더 큰 3D 타원체에 새겨질 수 있다.

절차 G

일부 실시형태들에서, 레이저 및 스캐닝 파라미터들은 임의의 이전의 절차의 조건들을 충족하도록 설정되며, 이웃하는 펄스들의 소정의 수 (N) 에 의해 생성된 전체 손상 볼륨 (Vtot) 은 N*V0 의 적어도 70%, 적어도 90%, 또는 적어도 100% 이며, 여기서 V0 은 임의의 이웃하는 펄스로부터 먼 개개의 펄스에 의해 생성된 통상의 손상 볼륨이다.

절차 H

일부 실시형태들에서, 레이저 및 스캐닝 파라미터들은 임의의 이전의 절차의 조건들을 충족하도록 설정되며, 여기서 프리-컷 프로세스는 임의의 애블레이션 및/또는 화학적 에칭 프로세스, 및/또는 재료의 로컬 제거 및/또는 프리-커팅 프로세스의 완료 전에 프리-컷 라인에 의해 분리된 재료의 부분들 간의 갭의 형성을 야기하는 임의의 다른 수단 없이 수행된다.

상기 개시된 멀티-스캐닝 접근법에 대하여, 도 25 는 상이한 높이 포지션들에서 스캔들의 2 개의 예시적인 상대적 배향들을 도시한다. 도 25 의 a) 는 Z-방향의, 즉 레이저 빔의 전파 방향을 따른 변위를 표시하는 한편, 도 25 의 b) 는 분리 평면 내의 변위를 추가적으로 예시한다.

도 25 의 a) 를 참조하면, 스캔 방향 (X 방향) 을 따라, 4 개의 가늘고 긴 손상 영역들 (857(Z1)) 이 Z1 에서 Z 방향을 따른 연장의 중심을 갖는 포지션들 XNZ1 에서 예시적으로 예시된다. 가늘고 긴 손상 영역들 (857(Z1)) 은 이면 (845) 으로부터 전면 (843) 을 향하여 재료의 완전한 두께의 약 2/3 까지 연장된다. 가늘고 긴 손상 영역들 (857(Z1)) 은 분리가 손상 영역의 폭의 범위에 있는 (길이 대 두께의) 더 큰 10 의 애스펙트비를 가진 단일 레이저 펄스 손상 영역들이다.

예를 들어, 일단 완전한 스캐닝 패턴이 뒤따르게 되었다면, 레이저 시스템은 그 포커스 포지션을 전면 (843) 을 향하여

Z 만큼 조정한다. 도 25 의 a) 에는,

Z 가 Z 방향의 가늘고 긴 손상 영역의 길이의 절반이라는 것이 예시적으로 도시된다. 그 후, 동일한 분리 라인이 뒤따르게 되고 레이저 손상 영역 (857(Z2)) 은 Z2 에서 Z 방향을 따른 연장의 중심을 갖는 분리 라인을 따른 동일한 위치들 (XNZ1) 에서의 포지션이다. 이로써, 멀티-스캔 가늘고 긴 손상 존들이 생성되며, 이는 이면 (845) 으로부터 전면 (843) 으로 연장된다.

도 25 의 a) 에 반하여, 도 25 의 b) 는 일 스캔의 후속 레이저 손상 영역들 간의 변위 dx 의 1/2 에 의한 Z1 에서의 스캔 및 Z2 에서의 스캔의 손상 영역들의 변위를 추가적으로 도시한다. 이로써, 분리 라인 내에 손상 영역을 계속 연장시키는 것이 생성되며, 이는, 포지션들 (XNZ1) 에서의 이면 (845) 으로부터 포지션들 (XNZ2) 에서의 전면 (843) 으로 연장된다.

이에 따라, 다수의 상이한 Z 포지션들에 의한 스캐닝은 분리 라인을 따른 단일 스캔 내의 펄스들 간의 Z 포지션에 어떠한 변경도 없도록 수행된다. 이에 따라, 프리-커팅에 대한 완전한 스캔은, 하나의 Z 포지션 (제 1 스캔 섹션) 에서 수행된 분리 라인을 따른 스캔 및 상이한 Z 포지션 (제 2 스캔 섹션) 에서 수행된 제 2 스캔 등을 포함한다.

도 25 를 참조하면, 상이한 Z 포지션에서의 스캔들은 연이은 펄스들 간의 동일한 변위 (예를 들어, 동일한 스캔 속도 및 반복률) 로 수행된다. 그러나, 또한 상이한 Z 포지션들에 대한 스캔들의 차이들은, 예를 들어, 단지 도 25 의 a) 의 모든 제 2 손상 영역이 제 2 스캔에 의해 연장되도록 설정될 수도 있다. 이로써, 자발적인 분리 거동이 예를 들어 조정될 수도 있다. 유사하게, Z 방향의 오버랩 또는 연장은 적절한 분리 또는 심지어는 셀프-분리 거동에 적응될 수도 있다.

(주어진 레이저 시스템으로 설정될 수 있는 가늘고 긴 손상 영역에 대해) 너무 강하거나 너무 두꺼운 재료들의 경우, 상이한 Z 포지션들에서의 스캔들의 수가 더 클 수도 있다. 더욱이, 도 25 에 도시한 바와 같이, 연속적인 손상 영역은 멀티샷 손상 영역의 일 예, 즉, 서로로 천이하는 상이한 샷들에서 비롯되는 손상 영역으로서 생성될 수도 있다.

본 명세서에 개시된 레이저 시스템은 다양한 파라미터들을 설정하기 위한 제어 유닛을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 광학 빔 경로 파라미터 세팅은 코니컬 반각을 7°내지 12°또는 15°의 범위, 이를 테면 9°로 설정하는 것을 포함할 수도 있고, 레이저 특성 파라미터 세팅은 32μJ 의 액티콘에 입사하는 펄스당 레이저 에너지를 설정하는 것을 포함할 수도 있다; 1064nm 주위의 레이저 파장, 이로써 샘플 두께의 적어도 50%, 적어도 70% 또는 적어도 90% 의 샘플 내부에 베셀형 빔 유도 손상 길이를 제공. 더욱이, 제어 유닛은 이웃하는 레이저 유도 손상 존들 간의 거리는 물론 레이저 반복률에 의존하여 예를 들어, 300mm/s 로 스캔 속도를 설정하는 것을 허용할 수도 있다. 일반적으로, 프리-컷 재료를 클리빙할 때, 크랙들이 전면/이면에 생성될 수도 있는데, 그 크랙들은 클리빙의 프로세스 동안 (즉, 레이저 머시닝으로 인한 것이 아님) 벌크 유리로부터 필 오프되거나 또는 평면 밖에서 (즉, 레이저 전파의 평면 안이 아님) 손상되거나 한 재료의 부분들과 관련된다. 그 크랙들의 사이즈는, 커팅 (레이저 프리-커팅 및/또는 클리빙) 의 임의의 스테이지 동안, 평면 내에 손상들을 생성하고, 이로써 클리빙 및 본질적으로 평면 손상 존들을 초래하는 것에 의해 벌크 재료의 2 개의 부분들로의 용이한 분리를 허용하길 원하는 것만큼 작게 유지되어야 한다.

상기 실시형태들은 주로 단일 베셀형 레이저 빔 펄스들과 관련하여 설명되지만, 당업자는 일부 양태들 (이를 테면 응력 적층 재료를 프리-커팅하는 것에 관한 양태들) 이 또한 가우시안 레이저 빔들에 기초하여 레이저 상호작용을 적용하고 요구된 길이의 레이저 유도 손상 존을 형성하기 위한 셀프-포커싱 (필라멘트 형성 가우시안 빔들로도 지칭) 을 수반하는 것에 달성될 수도 있다는 것을 인정할 것이다.

또한, 예를 들어, 강화 유리의 커팅이 가늘고 긴 단일 샷 손상 영역들 간의 고정 분리에 의해, 단일 샷 및 단일 패스 레짐에서 수행되므로, 커팅 속도는 단지 레이저 반복률에 비례한다는 것에 주목한다. 예를 들어, 300 밀리미터/초의 스캔 속도에서의 정확한 프리-커팅이 달성되었다 - 그 스캔은 이용된 트랜슬레이션 스테이지의 한계이다. 이러한 프리-커팅 스캔 속도는 약 1mm 의 샘플 두께에 대해서는 발명자들에게 공지되지 않는다; 특히 가우시안 빔 커팅의 경우에는 공지되지 않는다.

본 명세서에 개시된 커팅 접근법들은 강화 유리는 물론 비강화 유리 및 사파이어에 대한 피겨 (figure) 들과 관련하여 설명한 바와 같이 솔리드 투명 광학 재료들에 적용될 수도 있다. 그러나, 대안으로 또는 추가적으로, 또한 유연하거나 부드러운 재료들은 개시된 방법들의 대상이 된다. 특히, 인간 눈의 각막과 같은 부드러운 인간 또는 동물 조직이 본 명세서에 개시되는 방법들을 이용하여 및 예를 들어 펄스 베셀형 빔들에 기초하여 프리-커팅될 수도 있다.

레이저 시스템의 변형들은, 예를 들어, 도 2 에 예시된 제 1 텔레스코프를 제거하는 것, 즉 컴포넌트들 렌즈 (L1), 블록 (B), 및 렌즈 (L2) 를 제거하는 것을 포함할 수도 있다. 더욱이, 액시콘 렌즈 (15) 및 결과의 베셀형 빔의 팁의 품질이 요구된 품질을 가진 강화 유리 커팅에 충분한 그 실시형태들에서는 공간 필터링의 필요성이 없을 수도 있다.

일부 실시형태들에서, 2ps 내지 25ps 의 범위, 이를 테면 17ps 또는 20ps 의 ps 펄스 지속기간들이 상업상 이용가능한 레이저 시스템들을 이용하기 위해 적용될 수도 있다. 광학적 적응은 길이 및 방사상 치수들과 같은 요구된 속성들을 갖는 가늘고 긴 손상 영역들을 허용할 수도 있다.

일부 실시형태들에서, 5°내지 25°의 범위의, 예를 들어 13.8° 또는 17°로 설정된 코니컬 반각 (θ) 을 가진 베셀형 빔이 일련의 레이저 펄스들의 각각의 프리-컷 포지션들에의 단일 또는 멀티 패스 애플리케이션에서 1ps 와 100ps 간의 범위의 펄스 지속기간으로 적용될 수도 있다.

일부 실시형태들에서, 샘플들은 수 10㎛ 내지 수 밀리미터의 범위, 이를 테면 적어도 100㎛ 내지 5mm, 예를 들어, 500㎛ 내지 2mm 의 범위, 이를 테면 700㎛, 800㎛, 900㎛, 또는 1mm 의 두께를 갖는다.

일반적으로, 레이저 손상 영역들의 분리 라인은 독립적인 부분으로서 고립시키기 위해 관심 재료의 섹션을 보더링 또는 심지어는 둘러싼다. 일부 실시형태들에서, 분리 라인은 레이저 빔으로 (한번 또는 수회) 스캐닝된다. 일부 실시형태들에서, 분리 라인의 각각의 사이드에 관심 부분이 존재한다. 클리어 컷면을 제공하기 위해, 레이저 손상 영역들은 관심 부분의 형상에 의존하여 일직선 또는 구부저려 있을 수도 있는 단일 라인에 위치된다.

본 명세서에서 이웃하는 손상 영역들 간의 거리에 대한 하한은 1 또는 수 ㎛의 범위로 개시되지만, 상한은 컷면의 요구된 품질, 손상 영역들의 래터럴 연장에 의존할 수도 있다. 이에 따라, 상한은 2㎛ 내지 50㎛ 의 범위, 이를 테면 4㎛, 9㎛, 또는 10㎛ 일 수도 있다.

손상 영역들은 래터럴 디멘젼으로의 레이저 전파 방향에 따른 그들의 연장의 애스펙트비를 특징으로 할 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 애스펙트비는 10 내지 1000 의 범위, 또는 50 내지 500 의 범위, 이를 테면 100, 200, 300, 또는 400 일 수도 있다. 타원형 형상들과 같은 비대칭 래터럴 형상들의 경우, 타원의 가장 작은 직경, 예를 들어, 더 작은 축을 가진 방향에 기초한 애스펙트비를 고려할 수도 있다. 플레이트를 가로질러 완전히 연장되는 손상 영역은 이에 따라 플레이트의 두께 대 손상 영역의 래터럴 디멘젼의 비율, 이를 테면 700㎛/1㎛=700 또는 700㎛/10㎛=70 또는 1000㎛/10㎛=100 또는 100㎛/10㎛=10 에 기초할 것이다.

도 5 에 도시한 바와 같이, 프리-커팅 경로 (25) 는 원들 (27) 의 포지션들, 예를 들어, 레이저 빔의 프리-컷 포지션들을 정의한다. 도 5 에서 원들 (27) 은 직선 상에 개략적으로 중심들 (X_N-1, X_N, X_N+1) 을 갖지만, 중심들 (X_N-1, X_N, X_N+1, ...) 은 또한 곡선들 상에 제공되어 직선들에 의해 연결되는 커브드 코너들을 갖는 부분들과 같은 커브드 부분들을 초래할 수도 있다. 곡률 반경은 예를 들어 수 미크론 내지 미터들의 범위, 이를 테면 100㎛ 내지 100mm 의 범위에 있을 수도 있다. 이에 따라, X_N-1, X_N, X_N+1 은 단지 트랜슬레이션 메커니즘 (9) (도 1 참조) 의 x 좌표를 따르는 포지션인 것으로 이해되지 않고 일반적으로 샘플 (3) 상의 포지션 X (즉, x 및 y 좌표들을 포함) 인 것으로 이해된다.

1㎛ 의 변위 거리 (dx) 는 예를 들어, 100mm/s 의 이동 속도 및 100kHz 의 반복률로 도달될 수도 있다. 따라서, 반복률 및 테이블 무브먼트에 의존하여, 변위 거리 (dx) 는, 이웃하는 단일 펄스 손상 영역들 간에 본질적으로 어떠한 오버랩도 존재하지 않거나 또는 오버랩이 존재하도록 선택될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시형태들은 본 명세서에 설명되었지만, 향상들 및 변형들이 다음의 청구항들의 범위로부터의 벗어남 없이 통합될 수도 있다.

Claims (16)

1. 펄스 베셀형 (pulsed Bessel-like) 레이저 빔 (14) 으로 적층 재료 (31) 를 레이저 프리-커팅하는 방법으로서,
   상기 적층 재료 (31) 는 적어도 하나의 인장 응력 층 (TSL), 적어도 하나의 압축 응력 층 (CSL1, CSL2), 및 상기 적어도 하나의 인장 응력 층 (TSL) 과 상기 적어도 하나의 압축 응력 층 (CSL1, CSL2) 사이의 적어도 하나의 계면 영역 (IR1, IR2) 을 포함하고, 상기 적층 재료 (31) 는 상기 적층 재료 (31) 를 통한 상기 레이저 빔 (14) 의 전파를 허용하기 위해 투명하며, 상기 방법은 :
   상기 레이저 빔 (14) 의 상기 적층 재료 (31) 와의 상호작용이 상기 적층 재료 (31) 에 가늘고 긴 단일 레이저 펄스 손상 영역 (57) 을 생성하도록 상기 레이저 빔 (14) 의 레이저 특성 및 광학 빔 경로 (8) 를 설정하는 단계; 및
   상기 적층 재료 (31) 의 일련의 프리-컷 포지션들 (X_N-1, X_N, X_N+1) 각각에 대해, 상기 적층 재료 (31) 및 상기 레이저 빔 (14) 을 서로에 대하여 포지셔닝하고 각각의 상기 가늘고 긴 단일 레이저 펄스 손상 영역들 (57) 이 상기 적어도 하나의 계면 영역 (IR1, IR2) 을 가로질러 연장되도록 상기 레이저 빔 (14) 을 조사함으로써 상기 적층 재료 (31) 를 프리-커팅하는 단계
   를 포함하며,
   상기 펄스 베셀형 레이저 빔은 1ps 내지 100ps 의 범위의 레이저 펄스 지속기간, 및 4° 내지 30°의 범위의 코니컬 반각 (conical half-angle) (θ)을 가지는, 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 레이저 빔 (14) 의 상기 레이저 특성 및 상기 광학 빔 경로 (8) 는,
   가늘고 긴 손상 영역이 10 내지 1000 의 범위의 애스펙트비를 특징으로 하는 것; 및
   이웃하는 가늘고 긴 손상 영역들 간의 거리 (dx) 가 0.5㎛ 내지 4㎛ 의 범위인 것
   중 적어도 하나가 제공되도록, 설정되는, 방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 적층 재료 (31) 는 전면 (front face) (33) 을 포함하고, 상기 적어도 하나의 인장 응력 층 (TSL) 또는 상기 적어도 하나의 압축 응력 층 (CSL1, CSL2) 은 상기 전면 (33) 과 상기 적어도 하나의 계면 영역 (IR1, IR2) 사이에 포지셔닝되며, 상기 프리-커팅은, 각각의 가늘고 긴 손상 영역 (57) 이 상기 전면 (33) 으로부터 상기 적어도 하나의 인장 응력 층 (TSL) 또는 상기 적어도 하나의 압축 응력 층 (CSL1, CSL2) 을 통하여 및 상기 적어도 하나의 계면 영역 (IR1, IR2) 을 가로질러 각각의 이웃하는 층으로 연장되도록 수행되거나; 또는
   상기 적층 재료 (31) 는 이면 (back face) (35) 을 포함하고, 상기 적어도 하나의 인장 응력 층 (TSL) 또는 상기 적어도 하나의 압축 응력 층 (CSL1, CSL2) 은 상기 이면 (35) 과 상기 적어도 하나의 계면 영역 (IR1, IR2) 사이에 포지셔닝되며, 상기 프리-커팅은, 상기 각각의 가늘고 긴 손상 영역들 (57) 이 상기 이면 (35) 으로부터 상기 적어도 하나의 인장 응력 층 (TSL) 또는 상기 적어도 하나의 압축 응력 층 (CSL1, CSL2) 을 통하여 및 상기 적어도 하나의 계면 영역 (IR1, IR2) 을 가로질러 상기 각각의 이웃하는 층으로 연장되도록 수행되는, 방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 적층 재료 (31) 는 한 쌍의 계면 영역들 (IR1, IR2) 사이에 센터링되는 센터 인장 응력 층 (TSL) 또는 센터 압축 응력 층을 포함하며, 상기 프리-커팅은, 각각의 가늘고 긴 손상 영역들 (57) 이 상기 센터 인장 응력 층 (TSL) 또는 상기 센터 압축 응력 층의 적어도 30% 를 통하여 연장되도록 수행되는, 방법.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 프리-커팅은, 각각의 가늘고 긴 손상 영역들 (57) 이 상기 적층 재료 (31) 의 두께 (DS) 의 적어도 50% 를 통하여 연장되도록 수행되는, 방법.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 프리-커팅은, 이웃하는 가늘고 긴 손상 영역들 (57) 에 대해, 상기 이웃하는 가늘고 긴 손상 영역들 (57) 이 적어도 1㎛의 거리 (dx) 만큼 서로에 대하여 변위되거나, 또는 이웃하는 가늘고 긴 손상 영역들 간의 거리 (dx) 가 1㎛ 내지 4㎛ 의 범위에 있도록 수행되는, 방법.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 프리-커팅은, 가늘고 긴 손상 영역들 (57) 이 단일 레이저 펄스 손상 영역들이고, 그리고 상기 적층 재료 (31) 가 상기 재료를 통하여 전파할 때 상기 펄스 베셀형 레이저 빔의 단일 광자 흡수에 대하여 투명하도록 각각의 프리-컷 포지션 (X_N-1, X_N, X_N+1) 에 대해 단일 레이저 펄스로 수행되는, 방법.
8. 제 1 항에 있어서,
   즉시 서로를 뒤따르는 연속적인 레이저 펄스들의 단일 레이저 펄스 손상 영역들은 제 1 스캐닝 시퀀스를 위한 상기 재료 내의 제 1 레벨에서 및 제 2 스캐닝 시퀀스를 위한 상기 재료 내의 제 2 레벨에서 서로에 대한 변위되는, 방법.
9. 적어도 하나의 인장 응력 층 (TSL), 적어도 하나의 압축 응력 층 (CSL1, CSL2), 및 상기 적어도 하나의 인장 응력 층 (TSL) 과 상기 적어도 하나의 압축 응력 층 (CSL1, CSL2) 사이의 적어도 하나의 계면 영역 (IR1, IR2) 을 포함하는 재료 (31) 로부터 재료 부분 (67, 69) 을 분리하는 방법으로서,
   제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 따라 적층 재료 (31) 를 프리-커팅하여, 분리 라인을 따라, 상기 적어도 하나의 계면 영역 (IR1, IR2) 을 가로질러 연장되는 가늘고 긴 손상 영역들 (57) 을 형성하는 단계;
   상기 일련의 프리-컷 포지션들 (X_N-1, X_N, X_N+1) 을 가로질러 작용하는 분리력 (separating force) (66) 을 상기 적층 재료 (31) 로 인가하여, 상기 적층 재료 (31) 를 상기 일련의 프리-컷 포지션들 (X_N-1, X_N, X_N+1) 을 따라 클리빙 (cleaving) 하는 단계;
   상기 적층 재료에 걸쳐 온도 차이를 적용하는 단계
   중 적어도 하나를 포함하며, 그리고
   상기 가늘고 긴 손상 영역들 (57) 의 정도 (extent) 는, 1 초 내지 60 분의 시간 간격 후, 상기 응력 층들의 내부 응력이 상기 재료 부분의 셀프-분리를 개시하기에 충분한, 방법.
10. 펄스 베셀형 (pulsed Bessel-like) 레이저 빔 (14) 으로 재료 (3, 31) 를 레이저 프리-커팅하는 방법으로서,
    상기 재료 (3, 31) 는, 상기 재료 (3, 31) 를 통하여 전파할 때 상기 펄스 베셀형 레이저 빔의 단일 광자 흡수에 대하여 투명하며, 상기 방법은 :
    단일 레이저 펄스가 1ps 내지 100ps 의 범위의 펄스 지속기간을 특징으로 하고 코니컬 반각 (conical half angle) 이 7°내지 12°의 범위에 있도록, 및 단일 레이저 펄스의 상기 재료 (3, 31) 와의 상호작용이 상기 재료 (3, 31) 에, 상기 재료 (3, 31) 의 두께의 적어도 50% 를 통하여 연장되는 가늘고 긴 단일 레이저 펄스 손상 영역 (57) 을 생성하도록 상기 펄스 베셀형 레이저 빔 (14) 의 레이저 특성 및 광학 빔 경로 (8) 를 설정하는 단계; 및
    즉시 서로를 뒤따르는 연속적인 레이저 펄스들의 단일 레이저 펄스 손상 영역들이 1㎛ 내지 4㎛ 의 범위에서 서로에 대하여 변위되도록 상기 재료 (3, 31) 를 따라 상기 펄스 베셀형 레이저 빔을 스캐닝함으로써 상기 재료 (3, 31) 를 프리-커팅하는 단계를 포함하는, 방법.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 재료 (3, 31) 는 플레이트형 형상을 갖고, 상기 스캐닝은, 이웃하는 가늘고 긴 단일 레이저 펄스 손상 영역들이 상기 단일 레이저 펄스 손상 영역 (57) 내에 존재하는 상기 펄스 베셀형 레이저 빔 (14) 의 코어 (21) 의 반치전폭에서의 빔 웨이스트 (waist) 의 적어도 80% 의 최소 거리만큼, 또는 적어도 1㎛ 만큼 서로에 대하여 변위되도록, 또는 이웃하는 가늘고 긴 단일 레이저 펄스 손상 영역들 (57) 의 변위 (dx) 가 제 1 펄스의 제 1 단일 레이저 펄스 손상 영역이 상기 제 1 단일 레이저 펄스 손상 영역 다음의 제 2 단일 레이저 펄스 손상 영역을 생성하는 제 2 펄스의 전파에 영향을 미치지 않도록 선택되도록 플레이트의 연장의 방향으로 수행되는, 방법.
12. 제 10 항에 있어서,
    상기 레이저 특성 및 상기 광학 빔 경로 (8) 는, 광학적 파괴 광이온화 (optical breakdown photoionization) 의 레짐 (regime) 의 멀티-광자 프로세스가 단일 레이저 펄스 손상의 근본적인 프로세스여서, 상기 펄스 베셀형 레이저 빔 (14) 의 상기 레이저 특성 및 상기 광학 빔 경로 (8) 의 파라미터들에 대한 손상 임계값을 정의하도록 선택되거나, 또는 펄스 지속기간 (τ) 은, 상기 멀티-광자 프로세스가 전자 사태 광이온화 (electron avalanche photoionization) 를 수반하도록 선택되는, 방법.
13. 제 10 항에 있어서,
    상기 재료 (3, 31) 의 두께 (DS) 에 대한 정보를 수신하는 단계;
    사전 설정된 브레이크 품질로 상기 재료 (3, 31) 를 브레이크하기 위해 요구되는 상기 가늘고 긴 단일 레이저 펄스 손상 영역 (57) 의 최소 길이를 결정하는 단계;
    상기 프리-커팅을 위해, 상기 최소 길이에 대응하는 최소 레이저 펄스 에너지보다 높은 펄스 에너지 (E) 를 결정하는 단계; 및 다음의 선택들 :
    최소 레이저 펄스 에너지 및 설정된 코니컬 반각 (conical half-angle) 에 대해, 단일 레이저 펄스 손상에 대한 임계 레이저 펄스 지속기간보다 높은 펄스 지속기간을 선택하거나, 또는 최종 포커싱 렌즈 전의 펄스 베셀 레이저 빔의 빔 직경을 선택,
    적어도 상기 최소 레이저 펄스 에너지 및 설정된 펄스 지속기간에 대해, 임계 코니컬 반각보다 높은 코니컬 반각을 선택, 및
    상기 레이저 펄스 에너지, 상기 코니컬 반각, 또는 상기 펄스 지속기간을 선택
    중 적어도 하나의 선택을 수행하는 단계
    를 더 포함하여,
    상기 단일 레이저 펄스 손상 영역들 (57) 이 적어도 상기 최소 길이를 넘어 연장되도록 또는 상기 펄스 베셀형 레이저 빔 (14) 의 피크 플루엔스 (peak fluence) 가 적어도 미리 결정된 최소 길이에 대해 광학적 파괴에 대한 임계값보다 높게 유지되도록 하는, 방법.
14. 복수의 응력 층들을 포함한 재료 (3, 31) 로부터 재료 부분 (67, 69) 을 분리하는 방법으로서,
    상기 재료 (3, 31) 는 상기 재료 (3, 31) 를 통하여 전파할 때 펄스 베셀형 (pulsed Bessel-like) 레이저 빔 (14) 의 단일 광자 흡수에 대하여 투명하며, 상기 방법은 :
    상기 재료 (3, 31) 를 프리-커팅하여, 커팅 경로 (25) 를 따라, 일련의 프리-컷 포지션들 (X_N-1, X_N, X_N+1) 에서 가늘고 긴 단일 레이저 펄스 손상 영역들 (57) 을 형성하는 단계; 및
    상기 일련의 프리-컷 포지션들 (X_N-1, X_N, X_N+1) 을 가로질러 작용하는 분리력 (separating force) (66) 을 상기 재료 (3, 31) 로 인가하여, 상기 재료 (3, 31) 를 상기 일련의 프리-컷 포지션들 (X_N-1, X_N, X_N+1) 을 따라 클리빙 (cleaving) 하는 단계, 또는
    상기 재료에 걸쳐 온도 차이를 적용하는 단계를 포함하며, 또는
    가늘고 긴 손상 영역들 (57) 의 정도 (extent) 는, 1 초 내지 60 분의 시간 간격 후, 상기 응력 층들의 내부 응력이 상기 재료 부분의 셀프-분리를 개시하기에 충분한, 방법.
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 레이저 빔 (14) 의 레이저 특성 및 광학 빔 경로 (8) 는,
    가늘고 긴 손상 영역이 10 내지 1000 의 범위의 애스펙트비를 특징으로 하는 것; 및
    이웃하는 가늘고 긴 손상 영역들 간의 거리 (dx) 가 0.5㎛ 내지 4㎛의 범위인 것
    중 적어도 하나가 제공되도록, 설정되며, 그리고
    상기 프리-컷 포지션들 (X_N-1, X_N, X_N+1) 은 일직선 또는 구부러진 섹션들, 또는 일직선 및 구부러진 섹션들을 포함하는 분리 라인 상에 포지셔닝되는, 방법.
16. 펄스 베셀형 (pulsed Bessel-like) 레이저 빔 (14) 으로 재료 (3, 31) 를 프리-커팅하는 레이저 프로세싱 시스템 (1) 으로서,
    상기 재료 (3, 31) 는 상기 재료 (3, 31) 를 통하여 전파할 때 상기 펄스 베셀형 레이저 빔 (14) 의 단일 광자 흡수에 대하여 투명하며, 상기 레이저 프로세싱 시스템 (1) 은 :
    레이저 펄스 지속기간 (τ) 이 1ps 내지 100ps 의 범위에 있도록 펄스 레이저 빔을 제공하기 위한 레이저 광원 (5);
    상기 레이저 광원 (5) 으로부터의 상기 펄스 레이저 빔을 상기 재료 (3, 31) 로 안내하고 상기 펄스 레이저 빔을 펄스 베셀형 레이저 빔 (14) 으로 변환하기 위한 광학계 (7);
    상기 펄스 베셀형 레이저 빔에 대하여 상기 재료 (3, 31) 를 포지셔닝하기 위한 트랜슬레이션 메커니즘 (9);
    상기 펄스 베셀형 레이저 빔 (14) 의 단일 레이저 펄스의 상기 재료 (3, 31) 와의 상호작용이 상기 재료 (3, 31) 에, 상기 재료 (3, 31) 의 두께 (DS) 의 적어도 50% 를 통하여 연장되는 가늘고 긴 단일 펄스 손상 영역 (57) 을 생성하도록 상기 펄스 베셀형 레이저 빔 (14) 의 레이저 특성 및 광학 빔 경로 (8) 를 설정하고, 상기 재료 (3, 31) 의 일련의 프리-컷 포지션들 (X_N-1, X_N, X_N+1) 각각에 대해, 상기 재료 (3, 31) 및 상기 펄스 베셀형 레이저 빔 (14) 을 서로에 대하여 포지셔닝하고 연속적인 레이저 펄스들의 단일 레이저 펄스 손상 영역들 (57) 이 2㎛ 내지 50㎛ 의 범위의 거리 (dx) 만큼 서로에 대하여 변위되도록 상기 펄스 베셀형 레이저 빔 (14) 을 조사하여, 상기 재료 (3, 31) 를 프리-커팅하도록 구성된 제어 유닛을 포함하며,
    상기 펄스 베셀형 레이저 빔은 4° 내지 30°의 범위의 코니컬 반각 (θ)을 가지는, 레이저 프로세싱 시스템 (1).

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