KR102363273B1 - 다중 빔 펨토초 레이저에 의해 재료를 절단하는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

유전체 또는 반도체 재료를 레이저 절단하는 방법으로서, 다음의 단계들: 재료의 투명도의 스펙트럼 대역에 포함된 파장의 레이저 빔(100)을 방출하는 단계; 상기 레이저 빔(100)을 제1 광축을 따라 분포된 제1 에너지를 갖는 제1 분할 빔(101), 및 상기 제1 광축과 구별되는 제2 광축을 따라 분포된 제2 에너지를 갖는 제2 분할 빔(102)으로 각각 공간 분할하는 단계; 상기 제1 분할 빔(101)을 상기 재료의 제1 구역(31)에, 그리고 상기 제2 분할 빔(102)의 에너지를 상기 재료의 제2 구역(32)에 공간적으로 집중시키는 단계; 및 상기 제1 구역(31)과 상기 제2 구역(32) 사이의 거리(dx)를, 상기 제1 구역(31)과 상기 제2 구역(32) 사이에서 연장되는 결정된 미세 파괴 방향을 따라 배향된 직선 미세 파괴(45)를 개시하도록, 1 마이크로미터 내지 약 10 마이크로미터의 거리 임계값보다 낮게 조정하는 단계를 포함한다.

Description

다중 빔 펨토초 레이저에 의해 재료를 절단하는 방법 및 장치

본 발명은 일반적으로 유전체 또는 반도체 재료를 레이저 가공하는 방법 및 장치 분야에 관한 것이다.

특히, 10분의 수 밀리미터 내지 수 밀리미터의 두께를 갖는 투명 유전체 또는 반도체 재료를 절단하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 특히, 칩핑(chipping)이 없이 그리고 재료의 손실없이 깨끗한 절단 에지를 형성하는 급속 절단 방법에 관한 것이다.

예를 들어, 유리, 석영 또는 사파이어와 같은 투명 유전체 무기 재료들, 또는 실리콘 또는 게르마늄과 같은 반도체 재료들은 전자 기기들의 평면 패널 디스플레이들, 광학계들, 광전소자 또는 시계 제조 산업에서 점점 더 많이 사용되고 있다. 이들 재료의 기계 가공, 특히 정밀 절단은 특정한 기술적인 및 산업적인 어려움을 안고 있다. 절단 기술은 연마(polishing) 또는 정밀 연삭과 같은 후 처리 단계들을 피할 수 있도록 재료 내에 잔류 응력이 생기는 것을 최소화하면서 그리고 칩핑이 없고 미세 파괴 발생이 없는 양호한 절단 품질, 즉 깨끗한 절단 에지를 보장하면서 절단 속도는 높아야 하는 산업 요구사항들을 충족시켜야 한다.

다양한 길이 및 두께를 가진 것에 대해서는 직선 뿐만 아니라 곡선 절단도 필요하다.

투명 재료를 절단하는 상이한 기술들이 존재한다. 기계적 기법들은 기계적 세기를 가하여 얻은 부품들을 분리하기 전에 다이아몬드 입자(diamond grains)로 코팅된 공구, 예를 들면 다이아몬드 톱을 사용하거나, 다이아몬드 또는 템퍼링된 강재 롤러에 의한 사전 절단을 사용하는 것에 기반한다. 또 하나의 절단 기법은 유리를 그것의 전체 두께에 걸쳐 침식시키기 위해 수천 개의 바 형태의 가압 물 제트(water jet)를 적용하는 것으로 이루어지며, 이때 상기 물은 연마 입자들로 채워질 수 있다.

보다 최근에는 다른 레이저 절단 기법들이 개발되었다.

파괴 발생(fracture initiation)에 의한 레이저 절단은 파괴를 개시시키기 위해 레이저 절제(laser ablation)에 의해 벽개가능한(cleavable) 재료의 표면에 노치(notch)를 생성하는 것으로 구성된다.

유리, 사파이어 또는 투명 세라믹의 용융 절단(fusion cutting)은 그 재료를 용융 상태까지 레이저로 가열한 다음, 용융된 재료를 커프(kerf)를 통해 압축 가스(질소 또는 공기)에 의해 방출함으로써 달성된다. 예를 들어 CO2 레이저와 같이 원적외선으로 방출되는 레이저는 표면부터 흡수되고 가열이 되며, 그 열은 전도(conduction)에 의해 재료의 표면으로부터 중심으로 확산된다. 반대로, 근적외선, 예를 들면 디스크 또는 섬유 야그(YAG) 레이저로 방출되는 레이저는 직접적으로 체적 흡수를 유도한다. 용융 절단은 유리 전이 온도(glass-transition temperature;Tg, 그 온도에서는 재료가 겨우 매우 낮은 점도를 가짐)보다 훨씬 고온에서 일반적으로 이루어진다. 이 고온은 열적으로 넓은 영역에 영향을 주며, 이는 미세 파괴의 발생과 절단 궤적(cutting trajectory)에 따른 칩핑을 촉진한다. 이러한 이유로, 일반적으로 용융 절단 후에는 연마 또는 연삭 후 처리 단계들이 필요하다.

스크라이브(scribe) 및 브레이크(break) 방법은 절단될 재료의 표면에 레이저 절제에 의해 홈을 생성한 후, 기계적 세기를 가하여 두 부품을 분리시키는 것으로 구성된다. 브레이크가 홈에 의해 정의된 궤적을 따라 발생한다. 홈 깊이는 10 내지 20 마이크로미터(μm) 정도이다. 절단 속도는 중요하며, 적어도 10 mm/s이다. 그러나, 이 방법은 절제 분진을 발생시키고 절단면의 휨(deflections)이 후면 근처에 나타날 수 있다.

유럽공개특허공보 EP 2476505_A1호는 재료에 타원형 스폿(spot)을 형성하고 두 개의 레이저 스폿이 합류하는 축을 따라 파괴를 일으키기 위해 초단 펄스 레이저 빔을 서로 접하는 2개의 레이저 스폿(spots)들로 분할(splitting) 및 포커싱(focusing)하는 것에 기초한 레이저 가공 방법 및 시스템을 개시하고 있다.

미국공개특허공보 US2015/0158120 A1호는 반도체 재료 또는 유리형의 재료를 보링하는 기법을 개시하고 있는데, 그 기법은 재료 내에 플라즈마 채널을 생성하기 위해 제1 공간 형상의 레이저 펄스를 방출하고, 그리고 재료를 가열하고 보링(boring)을 생성하기 위해 제2 전자기파를 방출하면 상기 플라즈마 채널 상에 공간적으로 포개지는 것을 포함한다.

단(short) 또는 초단 펄스에 의한 전체 레이저 절단(full laser cutting)은 어떠한 기계적 도움없이 유리의 자발적인 분리를 얻을 수 있다. 본 개시에서, 단 펄스들은 1 나노초(ns) 내지 1 마이크로초(μs)의 지속시간의 펄스들도, 그리고 초단 펄스들은 10 펨토초(fs) 내지 1 나노초(ns)의 지속시간의 펄스들로 이해된다.

전체 레이저 절제 절단 기술은 상이한 절단 궤적들 및 패턴들, 즉 닫힌된 기하학적 형상, 작은 곡률 반경, 모따기에 따른 직선 또는 곡선들에 적용할 수 있다. 투명 재료의 사용으로 인해, 이 방법은, 반투명 재료의 경우와 같이 레이저 빔이 입사되는 상부 표면에 초점을 맞춤으로써 절제를 개시하는 것 뿐만 아니라, 바닥 표면에 초점을 맞추고 상부 표면까지 이동("바텀업(bottom-up)" 기술)시켜 절제를 개시함으로써, 적용될 수 있다. 그러나, 전체 레이저 절제 절단은 다량의 재료의 제거로 이어지기 때문에 두꺼운 재료들에 대해서는 위에서 언급한 다른 방법들보다 느린 방법이다. 더욱이, 레이저 절제에 의해 생성된 절단 에지들은 일반적으로 거칠다. 마지막으로, 이 방법은 많은 양의 분진과 재료에 큰 폭의 노치를 발생시킨다. 칩핑은 특정한 조건들에서 나타날 수 있다.

제어된 파괴 전파에 의한 레이저 절단은 야그(YAG) 또는 CO2 레이저를 사용하여 유리판의 가장자리에 노치를 생성한 다음, 유리판과 레이저 빔 사이의 상대 이동을 하면서 파워 레이저 빔을 적용하는 것에 기반한다. 상기 레이저 빔은 CO2 레이저의 경우는 표면에 흡수되거나 야그(YAG) 레이저의 경우는 부피 속으로 흡수된다. 레이저 빔에 의해 생성된 큰 온도 구배(gradient)는 레이저 빔 이후의 급속 냉각에 의해 증가된다. 이 큰 온도 구배(thermal gradient)에 의해 초기 노치로부터의 파괴를 개시하게 하는 순간적인 인장 응력이 생기게 된다. 그런 다음, 이 파괴는 레이저 빔의 궤적을 따라 전파될 것이다. 절단된 절단편(cut parts)들은 기계적 도움없이 방출(released)되고 직선 궤적들, 즉 직선, 부드럽고 결함없는 가장자리들인 경우는 뛰어난 절단 품질을 나타낸다. 이러한 많은 이점들에도 불구하고, 제어된 파괴 전파는 절단 경로 편차들 및 많은 파손된 부분들로 인한 절단 불확실성 및 부정확성과 같은 단점들이 있다. 더욱이, 곡률 반경이 작은(1mm 미만) 아주 작은 부품들 또는 곡선 궤적품들을 절단하는 것은 거의 불가능하다. 마지막으로 절단 속도는 파괴의 전파(수십 mm/s)에 의해 제한된다.

그러므로, 투명 유전체 무기물 또는 반도체 재료들, 특히 유리, 석영 또는 사파이어 플레이트를 절단하기 위한 기술을 개발할 필요가 있으며, 이것은 평면 절단면을 정의하는 가이딩 라인을 따르는 직선 궤적들을 따라, 또는 원통형 또는 원추형 절단면을 정의하는 가이딩 라인을 따르는 곡선 궤적들을 따라 고속의 절단 속도로 예리하고 매끄러운 에지들을 갖는 절단부(a cut)를 얻는 것을 가능하게 한다.

전술한 종래 기술의 단점을 개선하기 위하여, 본 발명은 유전체 또는 반도체 재료를 레이저 절단하는 방법을 제안한다.

특히, 본 발명에 따르면, 다음의 단계를 포함하는 방법이 제안된다:

- 재료의 투명도의 스펙트럼 대역(a spectral band of transparency of the material)에 포함된 파장의 레이저 빔을 방출하는 단계 - 상기 레이저 빔은 N개의 레이저 펄스들의 적어도 하나의 버스트(burst)를 포함하고, 상기 N은 2 이상의 자연수이며, 상기 레이저 펄스들은 펨토초 지속 시간을 가지며, 상기 하나의 버스트의 N개의 레이저 펄스들은 수백 나노초 내지 1 피코초의 시간 간격만큼 서로 시간적으로 분리되어 있음 -;

- 상기 레이저 빔을 제1 광축을 따라 분포된 제1 에너지를 갖는 제1 분할 빔, 및 상기 제1 광축과 구별되는 제2 광축을 따라 분포된 제2 에너지를 갖는 제2 분할 빔으로 각각 공간 분할하는 단계 - 상기 제2 광축은 바람직하게는 상기 제1 광축에 평행하고, 상기 제1 에너지 및 상기 제2 에너지는 재료 변형 임계치(material modification threshold)보다 높음 -;

- 상기 제1 분할 빔을 상기 재료의 제1 구역에, 그리고 상기 제2 분할 빔의 에너지를 상기 재료의 제2 구역에 공간적으로 집중시키는 단계 - 상기 제1 구역 및 상기 제2 구역은 상기 제1 구역 및 상기 제2 구역에 국부적인 변형을 일으키기 위해 서로 분리되고 거리 dx 만큼 이격되어 있음 -; 및

- 상기 제1 구역과 상기 제2 구역 사이의 거리(dx)를, 상기 제1 구역과 상기 제2 구역 사이에서 연장되는 결정된 미세 파괴 방향(determined micro-fracturing direction)을 따라 배향된 직선 미세 파괴(rectilinear micro-fracture)를 개시하도록 1 마이크로미터 내지 약 10 마이크로미터의 거리 임계값보다 낮게 조정하는 단계.

개별적으로 또는 임의의 기술적으로 가능한 조합에 따라 취해진, 본 발명에 따른 유전체 또는 반도체 재료를 레이저 절단하는 방법의 다른 비 제한적이고 유리한 특성은 다음과 같다.

- 상기 펄스들은 10 내지 900 펨토초의 지속 시간을 가지며, 상기 버스트에서의 펨토초 펄스들의 수 N은 20 이하이며, 상기 레이저 소스는 1 kHz 내지 1 GHz의 속도를 가지며, 상기 레이저 빔의 파장은 250 ㎚ 내지 2.2 ㎛이며, 제1 에너지 및 제2 에너지는 1 mJ보다 낮고 1 nJ보다 높으며;

- 상기 레이저 소스에 의해 방출되는 상기 레이저 빔은 가우스 공간 분포(Gaussian spatial distribution)를 가지며, 상기 제1 분할 빔 및 상기 제2 분할 빔은 각각 베셀 빔 공간 분포(Bessel beam spatial distribution)를 갖도록 공간적으로 형성되며;

- 상기 제1 분할 빔의 상기 베셀 빔 공간 분포는 상기 제1 구역에서의 상기 제1 분할 빔의 광축을 따라 횡 방향 및/또는 종 방향으로 변형되고, 및/또는 상기 제2 분할 빔의 상기 베셀 빔 공간 분포는 상기 제2 구역에서의 상기 제2 분할 빔의 광축을 따라 횡 방향 및/또는 종 방향으로 변형되며;

- 상기 레이저 빔을 공간적으로 분할하는 단계는 복수의 M개의 공간 분할된 빔을 생성하도록 구성되며, 상기 M개의 분할 빔들은 바람직하게는 상기 축(Z)에 평행하고, 상기 M개의 분할 빔들은 절단면의 일부를 정의하며, 여기서 M은 3 이상의 자연수이며, 상기 복수의 M개의 공간 분할된 빔들은 2×2로 취해진 서로에 대한 횡 방향 오프셋(lateral offset)을 가지며, 그리고 여기서

에너지의 상기 공간적 집중(spatial concentration) 단계는 상기 복수의 M개의 분할 빔들의 에너지를 상기 재료의 복수의 M개의 분리된 구역들에 공간적으로 집중시키는 것을 포함하고, 상기 M개의 분리된 구역들은 가이딩 라인에 의해 생성된 표면 상에 배치되고, 상기 표면은 평면형, 원통형 또는 원뿔형이며, 각각의 분할 빔은 상기 재료의 복수의 M개의 분리된 구역들에서 복수의 국부적인 변형을 개시하도록 재료 변형 임계값보다 높은 에너지를 가지며; 그리고

- 배향된 직선 미세 파괴를 개시하기 위해 1 마이크로미터 내지 약 10 마이크로미터의 거리 임계값보다 낮은 복수의 M개의 분리된 구역들 중 임의의 2개의 구역들 사이로 거리(dx)를 조정하며, 이 미세 파괴는 상기 복수의 M개의 분리된 구역들 중 상기 임의의 2개의 구역들 사이에서 연장되는 미세 파괴 방향을 따라 배향되며,

- 상기 방법은 상기 분할 빔과 상기 재료 사이의 상대 변위의 단계를 더 포함한다.

바람직하게는, 상기 방법은 상기 미세 파괴에 대해 1 밀리미터보다 작은 거리만큼 횡 방향으로 오프셋된 또 하나의 레이저 빔을 적용하는 추가의 단계를 더 포함하며, 이 다른 레이저 빔은 유전체 또는 반도체 재료의 추가적인 미세 파괴없이 열 응력을 생성하기 위해 상기 재료 절제 임계값보다 낮은 에너지를 갖는다.

본 발명은 또한 유전체 또는 반도체 재료를 레이저 절단하는 장치를 제안하며, 이 장치는 재료의 투명도의 스펙트럼 대역에 포함된 파장의 레이저 빔을 방출하도록 구성된 레이저 소스를 포함한다.

더욱 상세하게는, 본 발명에 따르면, 레이저 소스가 N개의 레이저 펄스들의 적어도 하나의 버스트를 포함하는 상기 레이저 빔을 방출하도록 구성되는 장치가 제안되며, 여기서 N은 2 이상의 자연수이고, 상기 레이저 펄스들은 펨토초 지속 시간을 가지며, 상기 하나의 버스트의 N개의 레이저 펄스들은 수백 나노초 내지 1 피코초의 시간 간격만큼 서로 시간적으로 분리되어 있으며, 상기 장치는 상기 레이저 빔을 수신하고 제1 광축을 따라 제1 분할 빔, 및 상기 제1 광축과는 별개인 제2 광축을 따라 적어도 하나의 제2 분할 빔을 생성하도록 배치된 광학 공간 분할 장치(optical spatial-splitting device) -상기 제2 광축은 바람직하게는 상기 제1 광축에 평행하고, 상기 제1 분할 빔은 제1 에너지를 갖고, 상기 제2 분할 빔은 제2 에너지를 가지며, 상기 제1 에너지 및 상기 제2 에너지는, 서로 별개로, 비-제어 미세 균열들(non-controlled micro-cracks)을 개시할 수 있도록 구성됨 -, 및 상기 제1 분할 빔의 상기 제1 에너지를 상기 재료의 제1 구역에, 그리고 상기 제2 분할 빔의 상기 제2 에너지를 상기 재료의 제2 구역에 공간적으로 집중시키도록 배치된 광학 공간 에너지 집중 장치(optical spatial-energy-concentration device) - 상기 제1 구역 및 상기 제2 구역은 서로 분리되고 거리 dx만큼 이격되어 있으며, 상기 제1 구역에서의 상기 제1 빔의 상기 광축과 상기 제2 구역에서의 상기 제2 빔의 상기 광축 사이의 거리(dx)는 거리 임계값보다 작으며, 상기 거리 임계값은 배향된 직선 미세 파괴(oriented rectilinear micro-fracture)를 개시하기 위해 수십 마이크로미터보다 작으며, 이 미세 파괴는 상기 제1 구역과 상기 제2 구역 사이에서 연장되는 결정된 미세 파괴를 따라 배향됨 - 를 더 포함한다.

개별적으로 또는 임의의 기술적으로 가능한 조합에 따라 취해진, 본 발명에 따른 유전체 또는 반도체 재료를 레이저 절단하는 장치의 다른 비 제한적인 및 유리한 특성들은 다음과 같다:

- 제1 분할 빔은 제1 구역의 D와 동일한 횡 방향 공간 크기(transverse spatial extent)를 가지고, 상기 제2 분할 빔은 상기 제2 구역의 D와 동일한 횡 방향 공간 크기를 가지며, 여기서 D는 2 마이크로미터 이하이고, 거리 dx는 1 마이크로미터 내지 약 10 마이크로미터이며;

- 상기 장치는 한편으로는 고체 재료와, 다른 한편으로는 제1 분할 빔 및 제2 분할 빔 사이의 상대 변위를 위한 시스템을 더 포함하며;

- 상기 레이저 소스는 250 ㎚ 내지 2.2 ㎛의 파장 및 1 ㎑ 내지 10 ㎓, 바람직하게는 1 ㎓ 내지 10 GHz의 속도로 10 내지 900 펨토초의 지속 시간을 갖는 펄스들을 전달하도록 구성되며, 여기서 상기 버스트 내의 펨토초 펄스의 수 N은 20 이하이며;

- 상기 광학 공간 에너지 집중 장치는 상기 제1 구역에서의 상기 제1 광축을 따라 상기 제1 분할 빔의 복수의 집속점(focusing points)들, 및 상기 제2 구역에서의 상기 제2 광축을 따라 상기 제2 분할 빔의 또 하나의 복수의 집속점들을 각각 생성하도록 구성되며;

- 상기 광학 공간 분할 장치 및/또는 상기 광학 공간 에너지 집중 장치는 상기 제1 광축 및 상기 제2 광축을 따라 각각 베셀 빔 공간 세기 분포를 생성하도록 구성되며;

- 상기 광학 공간 분할 장치 및/또는 상기 광학 공간 에너지 집중 장치는 상기 제1 분할 빔의 공간 세기 분포를 상기 제1 구역에서의 상기 제1 광축에 대해 횡 방향으로 변형하고, 그리고 상기 제2 분할 빔의 공간 세기 분포를 상기 제2 구역에서의 제2 광축에 대해 횡 방향으로 변형하도록 각각 구성된 공간 위상 및/또는 진폭 변조기 또는 위상 및/또는 진폭 마스크를 포함하며;

- 상기 광학 공간 에너지 집중 장치는 상기 제1 분할 빔의 공간 세기 분포를 상기 제1 구역에서의 제1 분할 빔의 광축을 따라 변형하고, 그리고 상기 제2 분할 빔의 공간 세기 분포를 상기 제2 구역에서의 상기 제2 분할 빔의 광축을 따라 변형하도록 각각 구성된 또 하나의 위상 및/또는 진폭 마스크를 포함하며;

- 상기 유전체 재료는 100 마이크로미터 내지 수 밀리미터의 두께를 갖는 유리 중에서 선택되고, 상기 레이저 파장은 250 ㎚ 내지 2.2 ㎛이며, 상기 제1 에너지와 상기 제2 에너지는 1 mJ 보다 낮고 1 nJ보다 높다.

비 제한적인 예로서 주어진 첨부된 도면과 관련된 다음의 설명은 본 발명이 무엇을 구성하는지 그리고 어떻게 구현될 수 있는지에 대해 잘 이해할 수 있게 할 것이다.
첨부된 도면에서:
도 1은 예시적인 실시예에 따라 다중 레이저 빔을 사용하여 유전체 또는 반도체 재료를 절단하는 방법의 블록도를 도시한다.
도 2는 단일 펨토초 레이저 펄스 모드(도 2a) 및 펨토초 펄스 버스트(femtosecond pulse burst; 도 2b)에서의 생성을 위한 펄스들의 선택을 개략적으로 도시한다.
도 3a는 시료에 미세 파괴를 생성하는 충격을 발생시키도록 구성된 레이저를 개략적으로 도시한다.
도 3b는 레이저 빔의 상호 작용 구역에서의 횡 방향 공간 세기 분포 및 발생된 미세 파괴들의 예를 개략적으로 도시한다.
도 4a는 레이저 빔을 2개의 동시 빔으로 분할하도록 구성된 레이저를 개략적으로 도시하고, 도 4b는 2개의 레이저 빔의 상호 작용 구역에서의 횡 방향 공간 세기 분포 및 배향된 미세 파괴의 발생을 도시한다.
도 5는 일 실시예에 따른 복수의 펨토초 레이저 빔을 사용하는 절단 장치를 개략적으로 도시한다.
도 6a는 단일 펨토초 레이저 펄스에 의해 재료에 유발된 효과를 도시하고, 도 6b는 도 6a에서 사용된 단일 펄스와 동일한 전체 에너지를 갖는 펄스들의 버스트(burst)의 영향을 도시한다.
도 7은 본 개시의 방법 및 장치에 의해 제조된 배향된 파괴들의 개시의 예를 도시한다.
도 8은 레이저 빔을 복수의 도트에 포커싱하기 위한 다초점 광학 시스템의 사용을 도시한다.
도 9는 베셀(Bessel)의 횡 공간 분포를 갖는 빔을 생성하는 액시콘(axicon) 광학 시스템의 예를 도시한다.
도 10은 베셀의 횡 공간 분포를 갖는 빔을 생성하기 위한 환형 빔의 사용을 도시한다.
도 11은 베셀 공간 분포를 변형하기 위한 액시콘과 광학 시스템의 결합의 예를 도시한다.
도 12는 꼭지각 알파(ALPHA)를 갖는 액시콘 및 직경 D의 빔을 사용하는 예를 도시한다.
도 13은 꼭지각 2*알파(ALPHA)를 갖는 또 하나의 액시콘 및 직경 2*D의 빔을 사용하는 또 하나의 예를 도시한다.
도 14는 침착된 에너지(energy deposited)의 횡 방향 공간 위치의 제어를 도시한다.
도 15는 공간 성형 및/또는 버스트 펄스 모드(burst pulse mode)의 서로 다른 형태의 레이저 빔들에 의해 소디엄칼슘(sodiocalcic) 유리의 표면에서 만들어진 자국들의 현미경 이미지의 예를 도시한다.
도 16은 이중 베셀 빔을 생성하기 위해 광학 시스템과 위상 마스크를 결합하는 또 하나의 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 17은 베셀 빔을 공간적으로 분할하기 위한 위상 마스크의 예를 도시한다.
도 18은 베셀 빔을 공간적으로 분할하기 위한 위상 마스크의 또 하나의 예를 도시한다.

방법 및 장치

본 출원 및 도면에서, 동일한 참조 부호는 동일하거나 유사한 요소를 나타낸다.

도 1은 다중 레이저 빔을 사용하여 유전체 또는 반도체 재료를 절단하는 방법의 공간적 측면의 블록도를 도시한다.

시료(3)는 시료 홀더 상에 배치된다. 시료(3)는 투명 유전체 재료, 예를 들어 템퍼링된 또는 비-유리의 투명 유전체 재료 또는 반도체 재료로 만들어진다. 시료(3)는 10분의 수 밀리미터(a few tenths of millimetres) 내지 수 밀리미터, 바람직하게는 100 마이크론 내지 1 밀리미터의 전체적으로 균일 한 두께를 갖는 플레이트의 형태이다.

시스템은 도 1과 관련하여 기술된 바와 같이, 펨토초 펄스를 포함하는 빔(100)을 생성하는 레이저 소스(1)를 포함한다. 보다 정확하게는, 레이저 소스(1)는 펨토초 펄스, 즉 1 피코초 미만의 지속 시간의 펄스로 구성된 레이저 빔(100)을 생성한다. 레이저(1)의 속도는 두 펄스 사이의 지속 시간을 정의한다. 레이저 소스(1)의 속도는 일반적으로 1 kHz 내지 10 MHz이다. 결과적으로, 연속적으로 방출되는 두 개의 펄스 사이의 지속 시간은 약 1 밀리초(ms)와 10 마이크로초(μs) 사이에서 가변된다. 레이저 소스는 일반적으로 0.5W 내지 500W의 고전력을 갖는 레이저 빔(100)을 생성한다.

분할 플레이트(splitting plate;21), 예를 들어 반투명 플레이트는 빔(100)을 제1 레이저 빔(101)과 제2 레이저 빔(102)으로 분할한다. 미러(22)는 제1 레이저 빔(101)의 광축에 평행하고 상기 제1 레이저 빔(10)의 광축으로부터 거리 dx에 위치된 광축을 따라 제2 레이저 빔(102)을 반사시킨다. 이 시스템은 시료의 제1 상호작용 구역(31)에 제1 레이저 빔(101)을 그리고 시료의 제2 상호 작용 구역(32)에 제2 레이저 빔(102)을 동시에 적용하는 것을 가능케 한다. 예를 들면, 시료 홀더는 고정된 레이저 빔(101,102)에 대해 시료(3)를 이동시킬 수 있도록 스테이지 상에 병진 이동 가능하게 장착된다.

시료의 제1 구역(31)에서의 제1 빔(101)의 광축과 시료의 제2 구역(32)에서의 제2 빔(102)의 광축 사이의 간격(dx로 표시됨)은 서브 마이크로미터(sub-micrometric)의 정밀도로 조정된다.

도 1의 장치는 2개 이상의 빔을 포함하는 다중 빔의 생성에 쉽게 일반화될 수 있다. 그 때문에, 당업자라면, 레이저 빔의 광로 상에 일렬로 배치된 복수의 분할 플레이트에 의해 분할 플레이트(21)를 손쉽게 교환하여, 서로 공간적으로 분리된 복수의 레이저 빔을 생성할 수 있다. 바람직하게는, 각각의 분할 빔은 동일한 간격(dx)으로 또 다른 인접한 분할 빔으로부터 분리된다. 이 시스템은 시료의 인접한 영역들에 동시에 적용되는 펨토초 레이저 빔의 수를 증가시킬 수 있다. 이 시스템은 특히 평면 절단면을 정의하는 안내선을 따라 직선 절단에 적합하다. 원통형 또는 원추형 절단면을 정의하는 안내선을 따라 곡선 절단의 경우, 2개의 빔으로 분할된 레이저 빔이 사용될 수 있다. 특히 바람직하게는, 분할된 빔의 방향은 평면(XY)에서 원하는 궤적을 따라 절단을 생성하기 위해 절단될 시료와 절단 장치 사이의 상대 이동과 조합된다. 따라서, 약 1mm와 무한대 사이에 포함된 절단 표면의 곡률 반경이 얻어진다. 대안으로서, 멀티 빔은 구성상 1mm와 무한대 사이에 포함된 절단 표면의 곡률 반경에 도달 가능하게 하는 곡선의 소정 부분에 분포되어 있다.

도 1은 또한 시료(3)와 레이저 빔(101,102) 사이의 상대 변위(MXY)의 방향에 대한 2개의 동시 펄스들 사이의 간격(dx)의 방위를 도시한다. 분할 플레이트(21) 및/또는 미러(22)의 각각의 위치 및 방향의 조정은 제1 상호 작용 구역(31)의 위치 및 제1 빔(101)의 입사각을 시료(3)에, 및/또는 제2 상호 작용 구역(32)의 위치 및 제2 빔(102)의 입사각을 시료(3)에 각각 조정할 수 있게 한다. 바람직하게는, 제2 빔(102)의 광축은 제1 빔(101)의 광축에 평행하다. 연속적인 펄스들의 방출 사이에 가해진 변위(MXY)의 방향은 예를 들어 제1 레이저 빔(101)과 제2 레이저 빔(102) 사이의 간격(dx)에 평행하거나 그렇지 않다. 이동은 평면(XY)에서 이루어진다. 변형예에서, 평면(XY)에서 빔의 광축과 시료(3)의 표면에 수직인 축선 사이에 각도가 도입되고, 연속적인 펄스들의 방출 사이에 적용된 이동(displacement)은 시료(3)의 표면에 대해 10도 이하의 꼭지각을 갖는 약간 원추형의 절단면을 생성하도록 이루어진다. 약간 원추형의 절단면은 재료 플레이트에 대해 절단 부분의 용이하고 일반적으로 자발적인 분리가 가능하다.

두 개의 충돌 구역들 사이의 펄스 지속 시간 및 공간 간격(dx)의 특정 조건에서, 이 시스템은 놀랍게도 시료의 제1 구역(31)과 제2 구역(32) 사이에서 연장되는 예정된 방향을 따라 배향된 미세 파괴를 발생시키는 것을 가능하게 한다. 또한, 이 구성은 재료 절제 또는 재료 내 미세기공을 발생시키지 않는 이점을 제공한다. 그렇게 얻어진 절단면은 0.2㎛ 내지 5㎛의 표면 조도를 갖는다. 결과적으로, 절단 방법은 연마 또는 정밀 연삭의 추가 단계를 없앨 수 있게 한다.

따라서, 동일한 초기 분할 빔에 의해 영향을 받는 2개의 인접한 구역들 사이의 간격(dx)의 조정은 배향된 직선 미세 파괴(45)의 생성에 중요하며, 이 미세 파괴(45)는 이들 2개의 인접한 구역들 사이에서 연장되는 소정의 방향을 따라 배향된다는 것이 본 개시로부터 확실해진다.

도 2는 본 개시에 따른 복수의 레이저 빔을 사용하여 유전체 또는 반도체 재료를 절단하는 방법의 시간적인 양태를 도시한다.

도 2는 본 개시의 특정 양태를 도시한다. 도 2a는 시간의 함수로서의 단일 펄스 모드에서 선택되고 증폭된 펨토초 레이저 펄스(110)의 시퀀스의 에너지를 도시한다. 이 단일-펄스 모드에서, 두 개의 연속적인 펄스(110)들 사이의 시간 간격(T0)은 펄스 선택기(또는 펄스 픽커(pulse picker))에 의해 선택되어, 이들 펄스가 광 증폭기 시스템에서 증폭될 수 있다. 시간 간격(T0)은 관계 frep = 1/T0에 의해 레이저의 속도 또는 반복 주파수(frep)와 관계된다. 일반적으로 반복 주파수(frep)는 수백 kHz에서 수 MHz 단위까지 변할 수 있다. 반복 주파수는 일반적으로 레이저 소스(1)의 인젝터의 주파수(fosc)보다 매우 낮다.

특히 유리하게는, 도 2b에 도시된, 통상적으로 버스트 모드(burst mode)로 지칭되는 펨토초 펄스의 시퀀스가 사용된다. 도 2b는 3개의 펨토초 펄스(111,112,113)로 구성된 버스트(burst)를 개략적으로 도시한다. 달리 알려진 바와 같이, 레이저 소스(1)의 펄스 선택기는 펨토초 펄스(111,112,113)의 버스트(120)를 선택하도록 구성될 수 있다. 여기에서, 펄스 버스트(120)의 펨토초 펄스(111,112,113)의 전체 에너지 Ep는 반복 주파수에서의 증폭된 단일 펄스(110)의 에너지와 동일하다. 버스트의 펄스 속도는 예를 들어 사용된 레이저 소스의 속도(fosc = 1/Tosc)로 정의된다. 일반적으로 fosc는 레이저 시스템의 인젝터(예를 들면, 도 2b의 예에서는 40MHz 정도)로 고정된다. 중요한 데이터 요소는 버스트("PBB"로 지칭됨)에서의 펄스들의 수이다. 버스트의 두 펄스 사이의 간격(T1)은 900 나노초 내지 1 피코초로 변할 수 있다. 간격 값은 레이저 소스(1)의 특정 구성에 의해 얻어질 수 없지만, 레이저 소스(1)의 외부에 있는, 달리 알려진 복굴절 결정(birefringent crystals)을 사용하는 광학 장치들에 의해 얻어질 수 있다.

본 개시에 따르면, 버스트 모드는 배향된 직선 미세- 파괴를 생성하기 위해 빔 공간 분할(beam spatial splitting)과 조합되며, 이 미세-파괴는 서로 dx 만큼 떨어진 두 개의 상호 작용 구역들 사이에서 연장된다. 레이저 빔의 공간 분할과 펨토초 펄스들의 버스트로의 펨토초 펄스의 시간 분할의 조합은 펨토초 펄스들에 의해 만들어진 에너지 침착의 국부화(localization of the energy deposition)를 최대화하는 효과를 갖는다. 펨토초 펄스들을 사용함으로써 재료에서 이용할 수 있는 에너지의 최대 흡수를 얻을 수 있다. 그러나, 펨토초 펄스는 피코초 펄스보다 공간적으로 국부적인 흡수(localized absorption)가 적게 얻어진다. 그럼에도 불구하고, 버스트를 사용하면 침착된 에너지(energy deposited)가 재 국부화(relocalization)될 수 있다. 이러한 침착된 에너지의 집중은 미세 파괴를 가능케 하고, 그 후 재료의 직접 절단을 가능케 한다. 또한, 공간 분할 및 시간 분할은 재료에서의 비선형 광학 효과의 발생을 제어하는 것을 가능하게 한다.

도 3은 시료에 바로 적용된, 즉 빔의 공간 분할없이 적용된 단일 펨토초 레이저 빔(100)의 영향을 도시한다. 도 3a는 정규 함수계 기준 시스템(orthonormal reference system;XYZ)의 축(Z)과 정렬된 광축을 따라 배향된 레이저 빔(100)을 도시한다. 렌즈(4)는 시료(3)의 구역(30)에 레이저 빔(100)을 포커싱한다. 레이저 빔(100)은 미세 파괴를 발생시킬 수 있도록 조절된 에너지를 갖는다. 도 3b는 평면(XY) 및 레이저 빔(100)의 상호 작용 구역(30)에서의 공간 세기 분포를 개략적으로 도시한다. 레이저 빔(100)의 세기 분포는 본 개시에서 광축을 중심으로 한 회전 대칭을 갖는 것으로 가정된다. 축(X)에 따른 세기(200)의 곡선은 예를 들어 가우시안 유형(Gaussian type)의 분포를 갖는다. 평면(XY)에서, 세기는 상호 작용 구역(30)을 중심으로 하는 동심원의 링들에 의해 개략적으로 표시된다. 시료 내의 레이저 빔(100)의 흡수는 레이저 빔의 광축(Z)로부터 방사상으로 배향되고 축(Z)을 중심으로 임의적으로 배향될 수 있는 미세 파괴(40)들, 예를 들어 본 개시에서는 4개의 미세 파괴를 발생시킨다. 미세 파괴(40)를 소정 방식의 방향으로 배향하는 것은 일반적으로 매우 어렵다.

도 4는 시료 상에 동시에 적용된 제1 레이저 빔(101) 및 제2 레이저 빔(102)의 영향을 도시한다. 도 4a는 축(Z)에 평행한 광축을 따라 배향된 제1 펨토초 레이저 빔(101) 및 정규 함수계 기준 시스템(XYZ)의 축(Z)에 평행한 또 하나의 광축을 따라 배향된 제2 펨토초 레이저 빔(102)을 도시한다. 렌즈(4)는 시료(3)의 제1 구역(31)에 제1 레이저 빔(101)을 그리고 시료(3)의 제2 구역(32)에 제2 레이저 빔(102)을 포커싱한다. 제1 구역(31) 및 제2 구역(32)은 간격 dx만큼 서로 횡 방향으로 분리된다. 축(X)의 함수로서의 제1 구역(31)에서의 제1 빔의 세기의 곡선(201) 및 축(X)의 함수로서의 제2 구역(32)에서의 제2 빔의 세기의 곡선(202)이 각각 도시되어 있다. 구역(31)은 구역(32)과 분리된다. 즉, 시료 내부의 포커싱 구역에서 제1 펨토초 레이저 빔(101)과 제2 레이저 빔(102) 사이에 공간적 중첩은 없다. 놀랍게도, 제1 레이저 빔(101) 및 제2 레이저 빔(102)의 흡수는 일반적으로 제1 구역(31)과 제2 구역(32) 사이에 적어도 하나의 배향된 미세 파괴(45)를 생성시킨다.

이론에 구속되지 않는다면, 이중 빔 또는, 보다 일반적으로 다중 빔을 사용함으로써 재료에 유발된 응력들을 제어하여 미세 파괴(micro-crack) 또는 미세 파괴(micro-fracture)를 배향시킬 수 있다.

한편, 간격(dx)은 빔의 흡수 조건이 인접한 빔의 흡수에 의해 너무 변형되지 않을 정도로 크게 조정된다. 다른 한편으로, dx는 파괴 시작의 방위의 효과가 효율적이기 위해서는 너무 커서는 안된다. 비 제한적인 예로서, 간격(dx)은 각각 2㎛보다 작은 구역들(31 및 32)의 크기에 대해 1㎛ 내지 10㎛에서 선택된다.

한편, 본 개시에서 제1 레이저 빔(101)의 에너지와 제2 레이저 빔(102)의 에너지의 합은도 3의 레이저 빔(100)의 에너지와 동일하다. 도 4b는 평면(XY) 및 상호 작용 구역들(31,32)에서의 레이저 빔들(101,102)의 공간 세기 분포를 개략적으로 도시한다.

배향된 미세 파괴(45)는 재료의 현저한 내부 변형에 필요한 에너지보다 낮은 에너지에서 발생된다. 절단될 각 재료의 경우, 각 재료에 따라 최적의 에너지 영역(energetic domain)이 존재한다. 이 영역은 재료 변형 임계값에 의해 에너지가 열등하게 제한된다. 이 임계값은 육안으로 또는 광학 현미경을 사용하여 광학적으로 시인 가능한(viewable) 손상의 임계값(용융, 공극이라고도 지칭되는 기공의 생성)보다 낮다. 다른 한편으로, 이 낮은 에너지 임계값은 편광 또는 위상차 현미경과 같은 도구를 사용하여 볼 수 있다. 에너지 영역의 상한은 육안으로 또는 광학 현미경을 사용하여 광학적으로 시인 가능한 손상의 임계값에 의해 고정된다.

도 5는 또 다른 실시예에 따른 투명 재료를 레이저 절단하기 위한 장치의 예를 개략적으로 도시한다.

절단 장치는 레이저 소스(1), 미러(M1,M2,M3)를 포함하는 광학 시스템, 빔 스플리터(11), 또 다른 빔 스플리터(12) 및 포커싱 렌즈(4)를 포함한다.

레이저 소스(1)는 도 1과 관련하여 기술된 것과 같은 펨토초 펄스로 구성된 레이저 빔(100)을 생성한다.

비 제한적인 예로서, 소스(1)로부터 나오는 레이저 빔(100)은 선형적으로 편광된다. 평면 미러(10)는 레이저 빔(100)을 빔 스플리터(11) 쪽으로 반사시킨다. 빔 스플리터(11)는 제1 광축을 따라 배향된 제1 빔(101)과 제2 광축을 따라 배향된 제2 빔(102)으로 레이저 빔(100)을 공간적으로 분할한다. 바람직하게는, 빔 스플리터(11)의 출구에서, 제1 빔(101)의 에너지는 제2 빔(102)의 에너지와 동일하다. 미러(M1 및 M2)는 각각 제1 빔(101) 및 제2 빔(102)을 또 다른 빔 스플리터(12) 쪽으로 반사시킨다. 빔 스플리터(12)는 제1 광축과 제2 광축 사이에 감마(GAMMA)로 표시된 각도 오프셋(angular offset)을 유지하면서 제1 빔(101)과 제2 빔(102)을 재결합시킨다. 미러(M3)는 제1 빔(101) 및 제2 빔(102)을 광학 시스템(4), 예를 들어 현미경 렌즈 쪽으로 반사시킨다. 광학 시스템(4)은 시료(3)의 제1 구역(31)에 제1 빔(101)을 포커싱하고, 동시에 시료(3)의 제2 구역(32)에 제2 빔(102)을 포커싱한다.

따라서, 도 5의 시스템은 시료(3)의 제1 구역(31) 및 제2 구역(32) 상에 동시에 전달되는 두 개의 펨토초 펄스를 생성한다. 제1 구역(31) 및 제2 구역(32)은 서로 공간적으로 분리된다. 바람직하게는, 구역(31,32)들은 광축을 가로지르는 평면에서 직경이 2㎛보다 작은 디스크에 필적하는 형상을 갖는다.

미러(M1) 및/또는 미러(M2)의 방위는 제2 구역(32)의 위치에 대해 제1 구역(31)의 위치를 각도 감마(γ)에 의해 조정할 수 있게 한다.

도 5의 시스템은 시료의 제1 구역(31)에서의 제1 빔(101)의 광축과 시료의 제2 구역(32)에서의 제2 빔(102)의 광축 사이의 간격(dx로 표시됨)의 정확한 서브-미크론(sub-micron) 조정이 가능하도록 구성된다.

도 6a는 단일 펄스 펨토초 레이저 빔의 재료로의 광축(Z)을 따른 상기 빔에 의해 유발된 온도(가로 좌표), 및 이 축(Z)에 대해 반경 거리(R)(세로 좌표)의 함수로서의 매핑(mapping)을 도시한다. 도 6a에서, 레이저 빔은 1 μJ의 에너지, 500 kHz의 속도, 및 2 μs의 시간 간격을 갖는다.

도 6b는 가로 좌표에서 광축(Z)을 따라 5개의 펨토초 펄스를 포함하는, 버스트 모드의 레이저 빔에 의해 유발된 온도의 상승, 및 이 축(Z)에 대한 반경 거리(R)(세로 좌표)의 함수로서의 매핑을 도시한다. 도 6b에서, 레이저 빔은 총 에너지 1 μJ, 두 펄스들 사이에 약 25 ns의 지속 시간(T1), 500 kHz의 속도, 또는 두 펄스 버스트들 사이에 2 μs의 시간 간격을 갖는다. 도 6b에서는 동일한 전체 에너지의 증폭된 단일 펨토초 펄스에 의해 침착된 에너지에 대응하는 도 6a에 비해 5개의 펄스들의 버스트에 의해 침착된 에너지의 보다 강한 국부화(localization)가 관찰된다. 도 6a 내지 6b는 버스트 모드가 펄스(110)의 세기를 보다 낮은 세기의 몇몇 펄스(111,112,113)들로 시간적으로(temporally) 분배하는 복합 효과를 도시하며, 상기 펄스들은 단일 펄스보다 더 작은 원통형 부피(직경 2 미크론 이하)에 에너지 침착을 공간적으로 집중시키면서 비선형 효과를 감소시킨다.

도 7은 도 1과 관련하여 기술된 시스템에 의해 가요성 유리 플레이트의 표면에서 얻어진 자국(trace)의 예를 보여주는 광학 현미경 이미지이다. 레이저 소스는 가우스 분포(Gaussian distribution)의 에너지를 갖는다. 시스템은 이중 레이저 빔을 생성하고, 분할 빔들 사이의 간격(dx) = 3.6 μm이다. 이 예에서, 레이저 빔의 총 에너지는 2.5 마이크로주울(μJ)이다. 펄스들은 버스트 모드에서, 25 ns만큼 분리되어 생성되며 펄스 버스트는 4개의 펨토초 펄스들을 포함한다. 선형 변위의 속도는 90 mm/s이고 레이저 속도는 5 kHz이며, 두 번의 이중 충격들 사이의 거리(d)는 d = 18μm이다. 도 7에서는 축(X)을 따라 선형 변위의 방향으로 생성된 직선 미세 파괴(45)들의 시작의 정렬이 관찰된다.

초당 수 미터까지 절단 속도를 증가시키는 것이 재료 내의 열 축적 현상에 의해 불이익이 되지 않기 때문에 초당 수 미터까지 절단 속도를 증가시킬 수 있는 본 개시의 방법은 높은 레이저 속도(> 200kHz)에서 사용가능하다. 그 목적을 위해, 레이저 빔은 2개의 연속적인 펄스(또는 버스트)들 사이에 공간적인 중첩을 피하도록 시료에 대해 변위되어 10 kHz에서 100 m/s, 100 kHz에서 1 mm/s, 또는 1 MHz에서 10m/s 정도의 절단 속도를 얻게 된다

도 8은 공간 빔 분할 및 버스트 모드와 조합하여 사용되는 본 개시의 실시예의 특정 양태를 도시한다. 이러한 특정 양태에 따르면, 종 방향 광축(60) 상에 복수의 초점을 갖도록 구성되는 광학 포커싱 시스템(64)이 사용된다. 그 목적을 위해, 광학 포커싱 시스템(64)은 예를 들어 가장자리에서보다 광축(60)에서 곡률 반경이 더 큰 비구면 렌즈를 사용한다. 광학 포커싱 시스템(64)은 레이저 빔(101)을 수신하며, 광축(60)을 따라 종 방향으로 연장된 구역(80) 상에 복수의 초점들을 생성한다. 이러한 광학 포커싱 시스템(64)은 1 밀리미터를 초과하는, 예를 들면 2 mm의 재료의 두께의 함수로서 레이저 빔의 포커싱 영역을 조정할 수 있다.

도 9 내지 도 18은 공간 빔 분할 및 버스트 모드와 조합하여 사용되는 본 개시의 실시예의 또 하나의 특정 양태를 도시한다. 이 다른 특정 양태에 따르면, 레이저 빔의 종 방향 광축에 횡 방향으로 베셀 빔 세기 분포를 갖는 빔을 생성하도록 구성된 광학 장치가 제공된다.

도 9에 도시된 제1 예시적인 실시예에서, 액시콘(axicon)으로 지칭되는 광학 소자(74)가 베셀 빔을 형성하는데 사용된다. 액시콘은 각도 알파(ALPHA)와 꼭지각 세타(THETA)를 갖는다. 액시콘(74)의 정점은 가우스 분포를 갖는 레이저 빔(100)의 광축 상에 배치된다. 따라서, 액시콘은 광축(70)의 횡단면에 최대 세기의 중심 영역(81), 및 광축(70)에 대한 반경 방향 거리의 함수로서 감소하는 세기의 몇몇 동심 링(82,83)들을 포함하는 베셀 빔(80)을 형성한다. 이 베셀 빔은 광축(70)을 따라 길이 L에 걸쳐 연장된다.

도 10b에 도시된 또 하나의 예시적인 실시예에서, 환형 레이저 빔(10)이 형성된다. 종래의 렌즈 기반 광학 시스템(4)은 환형 레이저 빔(100)을 수신하고 광 간섭에 의해 광축 근처의 길이 L의 베셀-가우스 유형("베셀(Bessel)로 지칭됨")의 빔을 형성한다. 도 10a는 렌즈(4)로부터 상류에 있는 광축을 가로지르는 평면에서의 환형 레이저 빔(100)의 세기 분포를 도시한다. 도 10c는 가로 좌표는 광축을 따라 거리의 함수로서 그리고 세로 좌표는 광축에 대한 반경 방향 거리의 함수로서의 포커싱 영역에서의 베셀 빔(80)의 세기 분포를 도시한다. 종 방향으로 연장되지만 광축(70)에 대해 횡 방향으로 집중되는 에너지의 공간 분포가 도 10c에서 관찰될 수 있다. 베셀 빔의 중앙 주변부(fringe)는 비선형 흡수에 의해 방사선에 투과성인 유전체 재료의 내부 변형을 생성할 정도로 강할 수 있다. 그렇게 생성된 변형은 가늘고 길며 원형 대칭이다..

도 11에 도시된 또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 베셀 빔의 길이는 액시콘(74) 및 망원경을 형성하는 렌즈 기반 광학 시스템(75,76)을 조합함으로써 조정된다. 액시콘(74)은 길이 L의 베셀 빔(80)을 형성한다. 렌즈 기반 광학 시스템(75,76)은 광축(70)을 따라 길이 l의 베셀 빔의 이미지(180)를 형성한다. 이러한 광학 장치는 간단하며, 베셀 빔의 길이를 최적화하여 에너지가 침착되는 부피를 최적화할 수 있다. 실제로, 베셀 빔(80)은 공기 중에 생성되고, 베셀 빔(180)은 1보다 작은 배율의 망원경(75,76) - 베셀 빔(180)의 길이 l을 감소시키고 베셀 빔(180)의 세기를 증가시킴 - 에 의해 재료, 예를 들어 유리의 두께로 투영된다. 베셀 빔(180)의 이렇게 얻어진 길이 l은 액시콘(74)의 꼭지각 및 렌즈들로 형성된 망원경의 배율을 변경함으로써 0.2 내지 2.0 mm로 조정 가능하다. 베셀 빔(180)은 유리에 전체 두께에 걸쳐 균일하게 영향을 주기 위해 내부 체적 변형을 연장시킬 수 있다.

도 12a는 베셀 빔 형성 광학 장치의 예를 도시한다. 이 예에서 액시콘은 예각 알파(ALPHA)를 나타낸다. 렌즈(75)는 초점 거리(f1)를 갖고 대물 렌즈(76)는 초점 거리(f2)를 갖는다. 이 예에서, 렌즈(75)는 d1 ≒ L이 되도록 액시콘으로부터 거리(d1)에 배치된다. 대물 렌즈(76)는 초점 거리(f2)를 가지며 d2 ≒ f1 + f2가 되도록 렌즈(75)로부터 거리(d2)에 배치된다. 이렇게 이미징된 베셀 빔(180)의 길이(l)는 l = L/M과 동일하며, 여기서 M은 배율 인자이고, 본 개시에서 M = f1/f2이다. f2 = 200mm 및 f2 = 10mm인 대물 렌즈 x20에 대해, 굴절률 n = 1.5를 갖는 재료의 질량에서 길이 l = 0.9mm (또는 공기 중에서 0.6mm)가 얻어진다. 입사 빔의 직경은 D로 표시된다. 장치에 의해 발생된 방사선이 광축을 가로지르는 각도는 베타(BETA)로 표시된다.

도 12b는 각각 가로 좌표는 축(Z)을 따른 거리의 함수로서 그리고 세로 좌표는 광축(70)에 대한 반경 방향의 거리(R)의 함수로서, 도 12a의 장치에 의해 얻어지는 이미징된 빔(180)의 공간 세기 분포를 도시한다.

도 13a는 액시콘의 각도가 이미징된 베셀 빔의 길이를 조정하도록 변경된 베셀 빔 형성 광학 장치의 또 다른 예를 도시한다. 이 예에서 액시콘은 2*ALPHA와 같은 각도를 나타낸다. 입사 빔의 직경은 본 개시에서 2*D이다. 따라서, 최소 베타(BETA MIN)값과 최대 베타(BETA MAX)값 사이에 포함된 값을 갖는 각도 베타(BETA)가 얻어진다. 도 12b와 유사하게, 도 13b는 각각 가로 좌표는 축(Z)을 따라 거리의 함수로서 그리고 세로 좌표는 광축(70)에 대한 반경 방향 거리(R)의 함수로서, 도 13a의 장치로 얻어지는 이미징된 빔(180)의 세기 분포를 도시한다. 광축(70)에 대해 수직인 방향으로 연장된다. 도 12b와 비교하여, 광축에 대해 횡 방향으로 보다 집중된 공간 분포가 도 13b에서 관찰될 수 있다.

도 12b 및 도 13b에 도시된 시뮬레이션 예에서, 펨토초 펄스는 10 μJ의 에너지를 가지며, 초점 거리는 f1 = 200 mm, f2 = 10 mm이다. 도 12a의 장치의 경우: 알파(ALPHA) = 1도, D = 3.6 mm이다. 도 13a-13b의 경우: 알파(ALPHA) = 2도, D = 7.2mm이다.

도 14는 도 12b 및 13b에 나타낸 이미지들의 단면도를 보여주며, 도 14a(또는 도 14에서 정의된 반경 방향으로 X축에 따름)에서는 펨토초 펄스 버스트에 의해 침착된 에너지 밀도 F(J/cm2)의 횡 진폭을 시각적으로 보여주기 위한 것이고, 그리고 도 14b(축(Z)에 따름)에서는 상기 에너지 밀도 F의 종 진폭을 시각적으로 보여준다.

도 13b에서 얻어진 베셀 빔(184)은 도 12b에서 얻어진 베셀 빔(183)과 비교하여 광축에 대해 반경 방향으로 더 좁게 나타난다. 다른 한편으로, 두 개의 빔의 종 방향 범위 및 에너지 밀도는 도 14b와 유사하다.

도 15는 서로 다른 빔 형성 조건에서 얻은 상이한 현미경 이미지들을 보여준다.

도 15에 도시된 모든 경우들에서, 펨토초 펄스(200 내지 800 fs의 펄스 지속 시간)는 60μJ의 에너지를 가지며 동일한 재료(소디엄칼슘 유리(sodiocalcic glass))가 사용된다. 시료에 대한 상대 변위의 속도와 레이저 속도는 두 개의 연속적인 펄스들 사이에 10μm의 간격을 만든다. 도 15에 도시된 세 가지 시각화 기술은 각각 다음과 같다.

라인 1) : 종래의 광학 현미경. 이 기술은 재료의 균열, 결함 및 유색(coloured)의 중심을 시각화할 수 있다.

라인 2) : 위상차 현미경. 이 기술은 굴절률의 변경(광학 현미경으로는 보이지 않음)과 관련된 재료의 변형을 시각화할 수 있다.

라인 3) : 교차-편광 현미경. 이 기술은 변경된 구역들 주위에 유발된 응력의 분포를 시각화할 수 있다.

상이한 예시적인 실시예들이 시각화된다:

컬럼 a) : 표준 베셀 빔. 이 빔은 도 9에 도시된 장치에 따라 얻어지며, 각도 베타(BETA) = 6.7°를 갖는다.

컬럼 b) : 버스트 당 4개의 펄스를 갖는 버스트 모드의 표준 베셀 빔 - 버스트의 각 펄스는 25ns의 시간 간격으로 동일한 버스트의 또 다른 펄스와 분리됨 -.

컬럼 c) : 도 13에 도시된 장치에 따라 및 b)의 경우와 동일한 버스트 모드에서 얻어진 각도 베타(BETA) = 13°의 좁은 베셀 빔.

a)와 b)의 경우, 광학 현미경은 관찰 가능한 변형이 거의 보이지 않고, 단지 c)의 경우 미세 파괴들이 나타나는데, 따라서 이 경우에는 에너지 국부화가 충분하다. 위상차 현미경은 a)의 경우 재료에 지수(index)의 변형이 발생하지 않았음을 보여준다. 다른 한편으로, 버스트 모드의 사용은 강한 지수 변화를 얻기 위해 에너지를 충분히 국부화할 수 있게 한다. c)의 경우, 균열의 존재는 빛을 산란시키고 선명한 이미지를 얻는 것을 방해한다. 교차 편광 현미경은 a)의 경우 변형을 나타내지 않으며, b)의 경우에 빔의 영향을 받은 구역들 주위에 국부적으로 유도된 응력의 존재, 및 c)의 경우에 유도된 균열들 주위에 넓은 구역들의 존재를 확인한다.

따라서, 빔의 공간 분할, 버스트 모드 및 베셀 빔 공간 성형의 최적 조정은 유도된 응력 구역을 최소화하면서 균열의 시작을 허용하는 에너지 침착의 조건을 정의하는 것을 가능하게 한다.

도 16은 공간 분할 장치의 또 하나의 실시예를 도시한다. 이 장치는 능동 또는 수동 회절 광학 요소(90) 및 액시콘(74)을 사용한다. 회절 광학 요소(90)는 적어도 2개 또는 수 개의 스폿(spot)들을 직접 발생시킨다. 회절 광학 요소(90)는 예를 들어, 레이저 빔(100)의 공간 분할을 얻을 수 있게 하는 위상 마스크를 포함한다. 회절 광학 요소(90)는 액시콘(74)의 상류에 배치된다. 액시콘(74)은 베셀 빔을 생성하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 도 16의 시스템은 간격(dx)만큼 서로 분리되고 서로 평행하게 연장되는 두 개의 베셀 빔(101,102)을 생성할 수 있다. 바람직하게는, 위상 마스크는 소정의 절단 궤적의 함수로서 위상 마스크가 자동으로 배향될 수 있게 하는 회전 스테이지 상에 배치된다. 위상 마스크(90)의 배향은 분할 빔(101,102)들의 방향을 변경하여 재료 내의 미세 파괴들의 방향을 결정할 수 있게 한다. 따라서 미세 파괴들은 원하는 절단 방향으로 정렬된다. 이 능동 장치는 (1mm 내지 무한대의 곡률 반경을 갖는) 곡선형 궤적들을 따라 비정질 및 결정질 또는 복굴절(birefringent) 재료들을 절단할 수 있다.

위상 마스크(90)의 예가 도 17의 정면도에 도시되어 있다. 이 위상 마스크(90)는 두 부분으로 분할된다. 예를 들어, 위상 마스크는 0과 동일한 균일 위상을 갖는 하나의 절반부(half) 및 π와 동일한 균일 위상을 갖는 또 하나의 절반부를 포함한다. 위상 마스크의 두 부분을 분리하는 선은 레이저 빔(100)의 광축(70)에 횡 방향으로 배열된다. 도 17b는 각각 가로 좌표는 축(Z)의 함수로서 그리고 세로 좌표는 광축(70)에 대한 반경 방향 거리(R)의 함수로서, 도 16의 장치와 같은 장치 및 도 17a의 위상 마스크로 얻어지는 두 개의 빔(181,182)의 세기 분포를 도시한다.

회절 광학 요소(90)의 또 하나의 예가 도 18의 정면도에 도시되어 있다. 이 회절 광학 소자(90)는 수동 위상 마스크 또는 공간 광 변조기(SLM) 유형의 능동 소자에 의해 만들어질 수 있다. 도 18b는 각각 가로 좌표는 광축(Z)의 함수로서 그리고 세로 좌표는 광축(70)에 대한 반경 방향 거리(R)의 함수로서, 도 16의 장치와 같은 장치 및 도 18a의 위상 마스크로 얻어지는 2개의 빔(181,182)의 세기 분포를 도시한다.

상기 방법은 원하는 절단선에 접하면서 서로 연이어 배열되는 미세 파괴들을 발생시킬 수 있다. 일반적으로 분리는 자발적이다. 분리가 즉각적이지 않거나 자발적이지 않은 경우, 상기 방법의 변형은 유지하고 싶지 않은 부분의 측면 상의 미세 파괴들에 대해 횡 방향으로 오프셋된 또 하나의 레이저 빔을 절단 궤적에 대해 1 밀리미터보다 짧은 거리에 걸쳐 인가하는 것으로 이루어진다. 이 다른 레이저 빔은 미세 파괴가나 재료의 추가 절단없이 약간의 열 응력을 가져오기 위해 상이한레이저 특성들을 가지고 있다. 그 목적을 위해, 상기 다른 레이저 빔은 버스트 모드가 아닌 단일 펄스 모드에서 절제 임계값보다 낮은 에너지를 가지며, 더 높은 속도로 작동할 수 있다. 이 추가 단계는 유전체 또는 반도체 재료의 플레이트로부터 절단된 부분을 비접촉 분리할 수 있게 한다.

본 개시의 방법은 특히, 화학적으로 강화된 유리, 표준 유리 또는 사파이어와 같은 투명한 비정질 또는 결정질 미네랄 유전체 재료의 절단, 또는 예를 들어 실리콘 또는 게르마늄과 같은 반도체 재료의 절단에 적용된다. 투명(transparent)은 레이저 파장에 대해 투명함을 의미한다. 미네랄(mineral)은 비 유기물과 비 금속성을 의미한다. 절단되는 재료는 보강/강화(사전 응력 또는 두께에 대한 다양한 응력 프로파일 포함)되거나 정상 상태(사전 응력없이)일 수 있다. 다음의 재료들은 비 한정적이고 비 제한적인 방식으로 기술될 수 있다.

- 휴대 전화 또는 전자 태블릿 화면 보호(예를 들면, 코어링(Coring)사의 고릴라(Gorilla) 유리, 아사히 글라스(Asahi Glass)사의 드래곤 트레일(Dragon Trail) 또는 스코트(Schott)사의 센세이션(Xensation)) 또는 고해상도 평면 디스플레이 화면의 응용 분야에 사용되는 강화된 소디엄칼슘(sodiocalcic) 유리. 몇몇 고릴라 뉘앙스(nuances)는 화학적 템퍼링 두께(DOL, 깊이 30 ~ 50 μm), 유리 두께 및 유리의 기계적 세기 및 스크래치 저항의 함수로 존재한다;

- 강화 붕규산 유리(코닝(Corning)사의 이글(Eagle)) 또는 침식이 엷은(erosion-thinned ) 강화 유리;

- 가전 제품용 강화 소디엄칼슘 유리(두께가 1mm를 초과하는 스코트(Schott)사의 평면 유리);

- 건축 및 건축 분야에 적용하기 위한 소디엄칼슘 유리;

- 안과용 광학 유리용 보로 실리케이트(borosilicate) 유리;

- 용융 실리카, 석영, 자외선 광학 유리용 불소 유리;

- 평균 적외선 광학 유리용 칼 코겐화물(chalcogenide) 유리;

- LED 기판, 스마트 전자 기기의 CCD 센서용 보호 유리, 시계 제조에서의 이동 부품 또는 케이싱용 보호 유리로 사용되는 사파이어;

- 유리의 두 개의 레이어들 중에서 선택되는 플라스틱 또는 접착 필름을 포함하는 다층 적층 유리.

특히, 본 발명은 다음에서 응용 예들을 발견한다:

- 터치 스크린 유무에 관계없이 휴대형 전자 기기(휴대폰, 스마트 폰, 전자 타블렛)의 보호 유리로 사용되는 강화된 소디엄칼슘 유리의 곡선(curvilinear) 절단;

- 고해상도 평면 디스플레이 스크린(TV, 디스플레이, 컴퓨터)용 강화 소디엄칼슘 유리의 선형 절단;

- 군사용 지상 디스플레이 시스템의 보호 유리로 사용되는 강화 유리의 곡선 절단;

- 광전자 공학(optoelectronics) 또는 전자 제품에 사용되는 CCD 센서용 보호 유리, 예를 들면 휴대전화 사진/비디오 렌즈의 보호 유리, 또는 사파이어)의 곡선 절단;

- 보로 실리케이트 유리 또는 용융 실리카로 만들어진 광학 부품들의 곡선 절단;

- 30 ~ 40μm 두께의 초박형 유리의 절단;

- 의료용 유리 튜브의 절단;

- 광전자 공학에서 청색 LED의 기판으로 사용되는 사파이어의 싱귤레이션;

- 광통신(photonic) 부품용의 도핑된 또는 비 도핑된 야그(YAG) 결정, 또는 다이아몬드의 절단.

Claims (16)

1. 유전체 또는 반도체 재료를 레이저 절단하는 방법으로서,
   다음의 단계들:
   - 재료의 투명도의 스펙트럼 대역에 포함된 파장의 레이저 빔(100)을 방출하는 단계 - 상기 레이저 빔(100)은 N개의 레이저 펄스들의 적어도 하나의 버스트(burst)를 포함하고, 상기 N은 2 이상의 자연수이며, 상기 레이저 펄스들은 펨토초 지속 시간을 가지며, 상기 하나의 버스트의 N개의 레이저 펄스들은 수백 나노초 내지 1 피코초의 시간 간격만큼 서로 시간적으로 분리되어 있음 -;
   - 상기 레이저 빔(100)을 제1 광축을 따라 분포된 제1 에너지를 갖는 제1 분할 빔(101), 및 상기 제1 광축과 구별되는 제2 광축을 따라 분포된 제2 에너지를 갖는 제2 분할 빔(102)으로 각각 공간 분할하는 단계 - 상기 제1 에너지 및 상기 제2 에너지는 재료 변형 임계치보다 높음 -;
   - 상기 제1 분할 빔(101)의 에너지를 상기 재료의 제1 구역(31)에, 그리고 상기 제2 분할 빔(102)의 에너지를 상기 재료의 제2 구역(32)에 공간적으로 집중시키는 단계 - 상기 제1 구역(31) 및 상기 제2 구역(32)은 상기 제1 구역(31) 및 상기 제2 구역(32)에 국부적인 변형을 일으키기 위해 서로 분리되고 거리 dx 만큼 이격되어 있음 -; 및
   - 상기 제1 구역(31)과 상기 제2 구역(32) 사이의 거리(dx)를, 상기 제1 구역(31)과 상기 제2 구역(32) 사이에서 연장되는 결정된 미세 파괴 방향을 따라 배향된 직선 미세 파괴(45)를 개시하도록, 1 마이크로미터 내지 10 마이크로미터의 거리 임계값보다 낮게 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 절단 방법.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 펄스들은 10 내지 900 펨토초의 지속 시간을 가지며, 상기 버스트에서의 펨토초 펄스들의 수 N은 20 이하이며, 레이저 소스(1)는 1 kHz 내지 1 GHz의 속도를 가지며, 상기 레이저 빔(100)의 파장은 250 ㎚ 내지 2.2 ㎛이며, 제1 에너지 및 제2 에너지는 1 mJ보다 낮고 1 nJ보다 높은 것을 특징으로 하는 레이저 절단 방법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 레이저 소스에 의해 방출되는 상기 레이저 빔(100)은 가우스 공간 분포(Gaussian spatial distribution)를 가지며, 상기 제1 분할 빔(181) 및 상기 제2 분할 빔(182)은 각각 베셀 빔 공간 분포를 갖도록 공간적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 절단 방법.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 제1 분할 빔(181)의 상기 베셀 빔 공간 분포는 상기 제1 구역(31)에서의 상기 제1 분할 빔의 광축을 따라 횡 방향과 종 방향 중 적어도 한 방향으로 변형되는 것, 및 상기 제2 분할 빔(182)의 상기 베셀 빔 공간 분포는 상기 제2 구역(32)에서의 상기 제2 분할 빔의 광축을 따라 횡 방향과 종 방향 중 적어도 한 방향으로 변형되는 것 중 적어도 어느 하나를 특징으로 하는 레이저 절단 방법.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 레이저 빔(100)을 공간적으로 분할하는 단계는 복수의 M개의 공간 분할된 빔을 생성하도록 구성되며, 여기서 M은 3 이상의 자연수이며, 상기 복수의 M개의 공간 분할된 빔들은 2×2로 취해진 서로에 대한 횡방향 오프셋을 가지며,
   - 에너지의 상기 공간적으로 집중시키는 단계는 상기 복수의 M개의 분할 빔들의 에너지를 상기 재료의 복수의 M개의 분리된 구역들에 공간적으로 집중시키는 것을 포함하고, 각각의 분할 빔은 상기 재료의 복수의 M개의 분리된 구역들에서 복수의 국부적인 변형을 개시하도록 재료 변형 임계값보다 높은 에너지를 가지며; 그리고
   - 상기 복수의 M개의 분리된 구역들 중 상기 임의의 2개의 구역들 사이에서 배향된 직선 미세 파괴(45)를 개시하기 위해, 1 마이크로미터 내지 약 10 마이크로미터의 거리 임계값보다 낮은 복수의 M개의 분리된 구역들 중 임의의 2개의 구역들 사이로 거리(dx)를 조정하는 것을 특징으로 하는 레이저 절단 방법.
6. 제 1항에 있어서,
   상기 분할 빔과 상기 재료 사이의 상대 변위 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 절단 방법.
7. 유전체 또는 반도체 재료를 레이저 절단하기 위한 장치로서,
   - 상기 재료의 투명 스펙트럼의 스펙트럼 대역에 포함된 파장으로 레이저 빔(100)을 방출하도록 구성된 레이저 소스(1)를 포함하고,
   - 상기 레이저 소스(1)는 N개의 레이저 펄스들의 적어도 하나의 버스트를 포함하는 상기 레이저 빔(100)을 방출하도록 구성되고, 여기서 N은 2 이상의 자연수이고, 상기 레이저 펄스들은 펨토초 지속 시간을 가지며, 상기 하나의 버스트의 N개의 레이저 펄스들은 수백 나노초 내지 1 피코초의 시간 간격만큼 서로 시간적으로 분리되어 있으며,
   상기 장치는,
   - 상기 레이저 빔을 수신하고 제1 광축을 따라 제1 분할 빔(101,181), 및 상기 제1 광축과는 별개인 제2 광축을 따라 적어도 하나의 제2 분할 빔(102,182)을 생성하도록 배치된 광학 공간 분할 장치(11, 12, 21, 22, 90) - 상기 제1 분할 빔(101,181)은 제1 에너지를 갖고, 상기 제2 분할 빔(102,182)은 제2 에너지를 가지며, 상기 제1 에너지 및 상기 제2 에너지는, 서로 별개로, 비-제어 미세 파괴들을 개시할 수 있도록 구성되며 -; 및
   - 상기 제1 분할 빔(101,181)의 상기 제1 에너지를 상기 재료(3)의 제1 구역(31)에, 그리고 상기 제2 분할 빔(102,182)의 상기 제2 에너지를 상기 재료(3)의 제2 구역(32)에 공간적으로 집중시키도록 배치된 광학 공간 에너지 집중 장치(4,18,74) - 상기 제1 구역(31) 및 상기 제2 구역(32)은 서로 분리되고 거리 dx만큼 이격되어 있으며, 상기 제1 구역(31)에서의 상기 제1 분할 빔의 상기 광축과 상기 제2 구역(32)에서의 상기 제2 분할 빔의 상기 광축 사이의 거리(dx)는 거리 임계값보다 작으며, 상기 거리 임계값은 배향된 직선 미세 파괴(45)를 개시하기 위해 수십 마이크로미터보다 작으며, 이 미세 파괴(45)는 상기 제1 구역(31)과 상기 제2 구역(32) 사이에서 연장되는 결정된 미세 파괴를 따라 배향됨 - 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 절단 장치.
8. 제 7항에 있어서,
   상기 제1 분할 빔은 상기 제1 구역(31)에서 D와 동일한 횡 방향 공간 크기를 가지며, 상기 제2 분할 빔은 상기 제2 구역(32)에서 D와 동일한 횡 방향 공간 크기를 가지며, D 거리 dx가 1 마이크로미터 이상이고 10 마이크로미터 이하인 경우에, 거리 dx는 2 마이크로미터보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 레이저 절단 장치.
9. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,
   한편으로는 고체 재료와, 다른 한편으로는 제1 분할 빔(101,181) 및 제2 분할 빔(102,182) 사이의 상대 변위를 위한 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 절단 장치.
10. 제 7항에 있어서,
    상기 레이저 소스는 250 ㎚ 내지 2.2 ㎛의 파장 및 1 ㎑ 내지 10 ㎓의 속도로 10 내지 900 펨토초의 지속 시간을 갖는 펄스들을 전달하도록 구성되며, 여기서 상기 버스트 내의 펨토초 펄스의 수 N은 20 이하인 것을 특징으로 하는 레이저 절단 장치.
11. 제 7항에 있어서,
    상기 광학 공간 에너지 집중 장치는 상기 제1 구역에서의 상기 제1 광축을 따라 상기 제1 분할 빔의 복수의 집속점(focusing points)들, 및 상기 제2 구역에서의 상기 제2 광축을 따라 상기 제2 분할 빔의 또 하나의 복수의 집속점들을 각각 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 절단 장치.
12. 제 7항에 있어서,
    상기 광학 공간 분할 장치와 상기 광학 공간 에너지 집중 장치 중 적어도 어느 하나는 상기 제1 광축(181) 및 상기 제2 광축(182)을 따라 각각 베셀 빔 공간 세기 분포를 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 절단 장치.
13. 제 7항에 있어서,
    상기 광학 공간 분할 장치와 상기 광학 공간 에너지 집중 장치 중 적어도 어느 하나는 상기 제1 분할 빔의 공간 세기 분포를 상기 제1 구역에서의 상기 제1 광축에 대해 횡 방향으로 변형하고, 그리고 상기 제2 분할 빔의 공간 세기 분포를 상기 제2 구역에서의 제2 광축에 대해 횡 방향으로 변형하도록 각각 구성된 공간 위상 변조기 및 진폭 변조기 중 적어도 어느 하나, 또는 위상 마스크 및 진폭 마스크 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 절단 장치.
14. 제 7항에 있어서,
    상기 광학 공간 에너지 집중 장치는 상기 제1 분할 빔의 공간 세기 분포를 상기 제1 구역에서의 제1 분할 빔의 광축을 따라 변형하고, 그리고 상기 제2 분할 빔의 공간 세기 분포를 상기 제2 구역에서의 상기 제2 분할 빔의 광축을 따라 변형하도록 각각 구성된 또 하나의 위상 및/또는 진폭 마스크를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 절단 장치.
15. 제 7항에 있어서,
    상기 유전체 재료는 100 마이크로미터 내지 수 밀리미터의 두께를 갖는 유리 중에서 선택되고, 상기 레이저 빔(100)의 파장은 250 ㎚ 내지 2.2 ㎛이며, 상기 제1 에너지와 상기 제2 에너지는 1 mJ 보다 낮고 1 nJ보다 높은 것을 특징으로 하는 레이저 절단 장치.
16. 제 1항에 있어서,
    상기 미세 파괴에 대해 1 밀리미터보다 작은 거리만큼 횡 방향으로 오프셋된 또 다른 레이저 빔을 인가하는 추가의 단계를 더 포함하며, 상기 다른 레이저 빔은 유전체 또는 반도체 재료의 추가적인 미세 파괴없이 열 응력을 생성하기 위해 재료 절제 임계값보다 낮은 에너지를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 절단 방법.

Images