KR102569941B1

KR102569941B1 - 투명 기판을 수정하기 위한 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR102569941B1
Application number: KR1020217011899A
Authority: KR
Inventors: 헤이코 키슬링; 플로리안 스패쓰; 랄프 조아킴 테르브루겐
Original assignee: 코닝 인코포레이티드
Priority date: 2018-09-28
Filing date: 2019-09-20
Publication date: 2023-08-23
Also published as: WO2020068573A3; KR20210054579A; US11633805B2; TW202026081A; JP2022503883A; CN113056345B; EP3856445A2; US20200101562A1; CN113056345A; WO2020068573A2

Abstract

시스템은 빔 소스(110) 및 제1 및 제2 부분을 포함하는 광학 시스템(304)을 포함한다. 시스템은 제1 및 제2 부분 각각으로 통합된 제1 및 제2 토크 모터를 더 포함한다. 제1 토크 모터(420)는 제1 축(434)을 중심으로 제1 부분(416)을 회전시키도록 구성된다. 제2 토크 모터(426)는 제2 축(436)을 중심으로 제2 부분(418)을 회전시키도록 구성된다. 제1 축은 제2 축에 수직한다.

Description

투명 기판을 수정하기 위한 시스템 및 방법

본 출원은 2018년 9월 28일에 제출된 미국 가출원 번호 제62/738,643호의 우선권을 주장하며, 그 전체가 참고로 본원에 병합된다.

본 명세서는 일반적으로 투명 워크피스(transparent workpieces)를 레이저 가공하는 장치 및 방법에 대한 것이며, 더욱 구체적으로, 준-비-회절 빔을 사용하는 레이저 가공에 대한 것이다.

재료의 레이저 가공의 구역은 상이한 유형의 재료의 절단, 드릴링, 밀링, 용접, 용융, 등을 포함하는 매우 다양한 적용을 포함한다. 이러한 가공들 중, 특히 관심 있는 하나는 전기 디바이스를 위한 박막 트랜지스터(TFT) 또는 디스플레이 재료를 위한 유리, 사파이어, 또는 융합 실리카와 같은 재료의 생산에 사용될 수 있는 공정에서 상이한 유형의 투명 기판을 절단하거나 분리하는 것이다.

공정 개발 및 비용 관점에서, 유리 기판을 절단하고 분리하는 것을 개선할 수 있는 많은 기회가 있다. 곡선 표면을 가진 3차원(3D) 구조를 가공하는 것이 큰 관심사이다. 통상적으로 워크피스(workpiece)는 레이저 빔을 향해 기울고 지향되어 표면에 대한 빔 입사는 수직으로 유지된다. 그러나, 이러한 시스템은 워크피스의 생산성 및 크기를 한정하고, 대부분의 경우 원하는 정확도를 생성하지 못한다. 따라서, 투명 워크피스를 자유로운 형식으로 절단하기 위한 시스템 및 방법에 대한 필요성이 존재한다.

그러므로, 필요한 것은 원하는 레이저 빔을 생성하고 투명 워크피스의 자유로운 형식의 레이저 가공을 위한 정밀한 위치 선정(positioning)을 제공하는 고정밀 광학 시스템이다.

제1 구현 예에 따라, 본 개시는 제1 및 제2 부분을 포함하는 광원 및 광학 시스템을 포함하는 시스템을 제공한다. 시스템은 또한 제1 및 제2 부분 중 각각 하나와 통합된 제1 및 제2 토크 모터(torque motors)를 포함하며, 여기서, 제1 토크 모터는 제1 축을 중심으로 제1 부분을 회전시키도록 구성되고 제2 토크 모터는 제2 축을 중심으로 제2 부분을 회전시키도록 구성되며, 여기서, 제1 축은 제2 축에 수직한다.

제2 구현 예는 제1 구현 예의 시스템을 포함하며, 여기서, 상기 광학 시스템은 비구면 광학 요소, 제1 반사 광학 디바이스, 광을 시준하도록 구성된 제1 렌즈, 제2 반사 광학 디바이스, 및 광을 초점 맞추도록 구성된 제2 렌즈를 포함한다.

제3 구현 예는 제1 구현 예의 시스템을 포함하며, 여기서, 광학 시스템은 또한 굴절 액시콘(axicon), 반사 액시콘, 음의 액시콘, 공간 광 변조기, 회절 광학기, 또는 입방체 형상의 광학 요소를 포함한다.

제4 구현 예는 제1 또는 제2 구현 예의 시스템을 포함하며, 여기서, 광학 시스템은 거울을 포함하는 제1 및 제2 반사 광학 디바이스를 포함한다.

제5 구현 예는 제1 구현 예의 시스템을 포함하며, 여기서, 제1 부분은 비구면 광학 요소 및 반사 광학 디바이스를 포함한다.

제6 구현 예는 제5 구현 예의 시스템을 포함하며, 여기서, 제1 부분은 또한 렌즈를 포함한다.

제7 구현 예는 제1 구현 예의 시스템을 포함하며, 여기서, 제1 부분은 반사 광학 디바이스 및 렌즈를 포함한다.

제8 구현 예는 제1 구현 예의 시스템을 포함하며, 여기서, 제2 부분은 반사 광학 디바이스 및 렌즈를 포함한다.

제9 구현 예는 제8 구현 예의 시스템을 포함하며, 여기서, 제2 부분은 다른 렌즈를 더 포함한다.

제10 구현 예는 제1 구현 예의 시스템을 포함하며, 여기서, 광원은 펄스 버스트 당 2개 이상의 서브-펄스를 포함하는 펄스 버스트를 가진 펄스 레이저 빔을 생성한다.

제11 구현 예는 전술한 구현 예 중 어느 하나를 포함하며, 여기서, 광학 시스템은 준-비-회절 빔을 발생하도록 구성된다.

제12 구현 예는 전술한 구현 예 중 어느 하나를 포함하며, 여기서, 준-비-회절 빔은 파장 λ, 스폿 크기 W₀, 및 보다 큰 레일리 범위 Z_R을 포함하는 단면을 포함하며, 여기서, F_D는 10 이상의 값을 포함하는 무차원 발산 계수이다.

제13 구현 예는 제12 구현 예의 시스템을 포함하며, 여기서, 무차원 발산 계수 F_D는 10 내지 2000, 50 내지 1500, 또는 100 내지 1000의 값을 포함한다.

제14 구현 예는 전술한 구현 예 중 어느 하나를 포함하며, 토크 모터를 추적하도록 구성된 인코더(encoder)를 더 포함한다.

제15 구현 예는 전술한 구현 예 중 어느 하나를 포함하며, 여기서, 제1 축은 수직 Z 축이며 제2 축은 직교좌표계의 X 또는 Y 축이다.

제16 구현 예는 전술한 구현 예 중 어느 하나를 포함하며, 여기서, 시스템은 투명 워크피스를 레이저 가공하도록 구성된다.

제17 구현 예는 제16 구현 예의 시스템을 포함하며, 여기서, 투명 워크피스는 알칼리 알루미노실리케이트(aluminosilicate) 유리 재료를 포함한다.

제18 구현 예에 따라, 방법은 시스템에 의해, 준-비-회절 빔을 발생시키고 투명 워크피스로 상기 준-비-회절 빔을 지향시키는 단계를 포함한다. 방법은 또한 유도 흡수를 발생하고 투명 워크피스 내에 결함을 생성하는 단계를 포함한다. 방법은 광학 시스템에 의해 윤곽선을 따라 투명 워크피스에 대해 준-비-회절 빔을 이동시키고 투명 워크피스에 다수의 결함을 가진 윤곽을 형성하는 단계를 더 포함하며, 여기서, 준-비-회절 빔은 충돌 위치에서 투명 워크피스의 충돌 표면에 직각으로 배향된다.

제19 구현 예는 제18 구현 예의 방법을 포함하며, 여기서, 투명 워크피스의 충돌 표면은 곡선 표면이다.

제20 구현 예는 제18 또는 제19 구현 예의 방법을 포함하며, 준-비-회절 빔이 상이한 표면 배향을 가진 투명 워크피스의 곡선 표면 상에 상이한 위치로 윤곽선을 따라 이동함에 따라 유지되는, 준-비-회절 빔과 충돌 표면 사이의 직각 배향을 더 포함한다.

제21 구현 예는 제18, 제19 또는 제20 구현 예의 방법을 포함하며, 여기서, 시스템은 광원, 제1 및 제2 부분을 포함하는 광학 시스템, 및 제1 및 제2 부분 중 각각의 하나에 통합된 제1 및 제2 토크 모터를 포함하고, 여기서, 상기 제1 토크 모터는 제1 축을 중심으로 제1 부분을 회전시키도록 구성되고 제2 토크 모터는 제2 축을 중심으로 제2 부분을 회전시키도록 구성되며, 여기서, 상기 제1 축은 제2 축에 수직한다.

제22 구현 예는 제21 구현 예의 방법을 포함하며, 여기서, 광학 시스템은 비구면 광학 요소, 제1 반사 광학 디바이스, 광을 시준하도록 구성된 제1 렌즈, 제2 반사 광학 디바이스, 및 광을 초점 맞추도록 구성된 제2 렌즈를 포함한다.

제23 구현 예에 따라, 방법은 물체의 윤곽의 이미지를 캡처하는 단계, 상기 캡처된 이미지에서 교정 패턴(calibration pattern)의 변위로부터 준-비-회절 빔의 움직임을 결정하는 단계, 미리 결정된 변위와 결정된 변위를 비교하는 단계, 상기 비교 단계로부터 차이값을 생성하는 단계, 상기 차이값에 따라 준-비-회절 빈의 위치 및 배향을 교정하는 단계, 및 상기 차이값이 임계값 이하가 될 때까지 상기 캡처 단계, 결정 단계, 비교 단계, 생성 단계 및 교정 단계를 반복하는 단계를 포함한다.

제24 구현 예는 제23 구현 예의 방법을 포함하며, 여기서, 상기 임계값은 20 ㎛ 내지 40 ㎛ 사이의 값을 포함한다.

제25 구현 예는 제23 또는 제24 구현 예를 포함하며, 물체로서 알칼리 알루미노실리케이트 유리 재료를 사용하는 것을 더 포함한다.

본원에 설명된 공정 및 시스템의 추가적인 특징 및 이점들은 다음의 상세한 설명에서 제시될 것이며, 일부는 다음의 상세한 설명, 청구 범위, 더불어 첨부된 도면을 포함하여, 그 설명으로부터 또는 본원에 설명된 구현 예를 실시함으로써 당업자에 쉽게 이해될 것이다.

전술한 배경기술 및 하기 상세한 설명 모두는 본 개시의 다양한 구현 예를 제공하고, 및 청구범위의 본질 및 특징을 이해하기 위한 개요 또는 틀거리를 제공하도록 의도된 것으로 이해될 것이다. 수반되는 도면은 또 다른 이해를 제공하기 위해 포함되고, 본 명세서에 혼입되며, 본 명세서의 일부를 구성한다. 도면은 본 개시의 다양한 구현 예를 예시하고, 상세한 설명과 함께 본 개시의 원리 및 작동을 설명하는 역할을 한다.

도면에 제시된 구현 예들은 사실상 예시적이고 대표적이며 청구항에 의해 규정된 주제를 한정하려는 것은 아니다. 예시의 구현 예의 다음의 상세한 설명은 다음의 도면들과 함께 읽혀질 때 이해될 수 있으며, 동일한 구조는 동일한 참조 번호로 지칭된다.
도 1a는 본원에 설명된 하나 이상의 구현 예에 따라 투명 워크피스에서의 결함의 윤곽의 형성을 개략적으로 도시한다.
도 1b는 본원에 설명된 하나 이상의 구현 예에 따라, 투명 워크피스에서의 가공 동안 레이저 빔 초점 라인의 위치 선정을 개략적으로 도시한다.
도 1c는 본원에 설명된 하나 이상의 구현 예에 따라, 레이저 가공하기 위한 광학 조립체를 개략적으로 도시한다.
도 2a는 본원에 설명된 하나 이상의 구현 예에 따라, 대표적인 펄스 버스트 내의 레이저 펄스의 상대 강도 대 시간을 그래프로 도시한다.
도 2b는 본원에 설명된 하나 이상의 구현 예에 따라, 다른 대표적인 펄스 버스트 내의 레이저 펄스의 상대 강도 대 시간을 그래프로 도시한다.
도 3은 구현 예에 따라, 투명 워크피스의 자유-형성 레이저 가공을 위한 시스템을 예시한다.
도 4는 구현 예에 따라, 자유-형성 레이저 가공하기 위한 광학 시스템을 예시한다.
도 5a, 5b, 6, 7 및 8은 구현 예에 따라, 광학 시스템의 다양한 뷰를 예시한다.
도 9는 구현 예에 따라, 광학 시스템의 시준을 위한 방법을 예시한다.
본 발명의 특징 및 장점들은 동일한 참조 문자가 전체에 걸쳐 상응하는 요소를 식별하는 도면들과 함께 취해질 때 아래에서 제시된 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 도면들에서, 동일한 참조 번호는 일반적으로 동일하거나, 기능적으로 유사하거나, 및/또는 구조적으로 유사한 요소들을 나타낸다. 요소가 먼저 나타내는 도면은 상응하는 참조 번호의 가장 좌측 숫자에 의해 지칭된다.

이제 회전하는 광원을 통해 투명 워크피스를 레이저 가공하기 위한 시스템 및 공정의 구현 예에 대해 상세하게 참조될 것이며, 그 예시는 첨부된 도면들에 예시된다. 가능한, 동일한 참조 번호는 동일하거나 유사한 부분을 지칭하기 위해 도면 전체에 걸쳐 사용될 것이다.

본원에 사용된 바와 같이, "레이저 가공"은 투명 워크피스 상으로 및/또는 투명 워크피스 내로 레이저 빔을 지향시키는 것을 포함한다. 일부 구현 예에서, 레이저 가공은 투명 워크피스에 대해, 예를 들어, 윤곽을 따라, 수정 선을 따라, 또는 다른 경로를 따라 레이저 빔을 병진시키는 것을 더 포함한다. 레이저 가공의 예시는 투명 워크피스에 수정 트랙을 형성하기 위해 레이저 빔을 사용하여, 그리고 라미네이트 워크피스 스택(laminate workpiece stack)의 투명 워크피스를 가열하기 위해 적외선 레이저 빔을 사용하여, 투명 워크피스로 연장되는 일련의 결함을 포함하는 윤곽을 형성하도록 레이저 빔을 사용하는 것을 포함한다. 레이저 가공은 하나 이상의 원하는 분리선을 따라 투명 워크피스를 분리할 수 있다. 그러나, 일부 구현 예에서, 추가적인, 비-레이저 단계는 하나 이상의 원하는 분리선을 따라 투명 워크피스를 분리하는데 사용될 수 있다.

본원에 사용된 바와 같이, "윤곽선"은 상응하는 윤곽을 생성하기 위해 워크피스의 평면 내에서 레이저 빔이 이동되면서 레이저 빔에 의해 횡단된 경로를 규정하는 투명 워크피스의 표면 상에 선형이거나, 각지거나, 다각형 또는 곡선을 나타낸다.

본원에 사용된 바와 같이, "윤곽"은 윤곽선을 따라 레이저를 병진시킴으로써 형성된 워크피스의 결함의 세트를 나타낸다. 본원에 사용된 바와 같이, 윤곽은 기판 내에 또는 기판 상에 가상의 2차원 형태 또는 경로를 나타낸다. 따라서, 윤곽 자체는 가상의 형태이지만, 윤곽은 예를 들어, 단층선(fault line) 또는 크랙(crack)에 의해 나타낼 수 있다. 윤곽은 워크피스의 원하는 분리의 표면을 규정한다. 윤곽은 윤곽선을 따라 다양한 기술을 사용하여 투명 워크피스에 다수의 결함을 생성함으로써, 예를 들어, 윤곽선을 따라 연속적인 지점에서 펄스 레이저 빔을 지향시킴으로써 형성될 수 있다. 복수의 윤곽 및/또는 곡선 초점 라인을 가진 레이저는 예컨대 경사진 분리 표면과 같은 복잡한 형상을 만드는데 사용될 수 있다.

본원에 사용된 바와 같이, "단층선"은 윤곽을 따라 연장되고 윤곽 근사치인 일련의 밀접하게 이격된 결함 라인을 지칭한다.

본원에 사용된 바와 같이, "결함"은 투명 워크피스 내의 수정된 재료(예컨대, 벌크 재료(bulk material)에 대한 수정된 굴절률의 영역), 빈 공간, 크랙, 스크래치, 흠집, 구멍, 천공 또는 다른 변형을 지칭한다. 이러한 결함은 본원에서 다양한 구현 예에서, 결함 라인 또는 손상 트랙으로서 지칭될 수 있다. 결함 라인 또는 손상 트랙은 동일한 위치에서 단일 레이저 펄스 또는 다중 펄스를 위해, 투명 워크피스의 단일 위치로 지향된 레이저 빔에 의해 형성된다. 윤곽선을 따라 레이저를 병진하는 것은 윤곽을 형성하는 다중 결함 라인을 야기한다. 라인 초점 레이저에 대해, 결함은 선형을 가질 수 있다.

본원에 사용된 바와 같이, 용어 "빔 단면"은 레이저 빔의 빔 전파 방향에 수직한 평면을 따라서, 예를 들어, 빔 전파 방향이 Z 방향에 있을 때 X-Y 평면을 따른 레이저 빔의 단면을 지칭한다.

본원에 사용된 바와 같이, "빔 스폿(beam spot)"은 충돌 표면(impingement surface), 즉, 레이저 광학기(laser optics)에 가장 근접한 투명 워크피스의 표면의 레이저 빔의 단면(예컨대, 빔 단면)을 지칭한다.

본원에 사용된 바와 같이, "충돌 표면"은 레이저 광학기에 가장 근접한 투명 워크피스의 표면을 지칭한다.

본원에 사용된 바와 같이, "상류" 및 "하류"는 빔 소스(beam source)에 대한 빔 경로를 따른 두 위치 또는 구성요소들의 상대적인 위치를 지칭한다. 예를 들어, 제1 구성요소가 제2 구성요소보다 레이저 빔에 의해 횡단되는 경로를 따라 레이저 광학기에 더 가까운 경우 제1 구성요소는 제2 구성요소보다 상류에 있다.

본원에 사용된 바와 같이, "레이저 빔 초점 라인"은 광학 축에 평행한, 선형의, 긴 초점 영역을 형성하는 레이저 빔의 상호 작용(예컨대, 교차하는) 광선의 패턴을 지칭한다. 레이저 빔 초점 라인은 광학 축을 따라 상이한 위치에서 레이저 빔의 광학 축과 교차하는 이탈된 광선(aberrated light rays)을 포함한다. 더욱이, 본원에 설명된 레이저 빔 초점 라인은 아래에 더 자세히 수학적으로 규정된, 준-비-회절 빔을 사용하여 형성된다.

본원에 사용된 바와 같이, "코스틱(caustic)"은 광학 구성요소에 의해 굴절된 이후 투명 워크피스로 및/또는 워크피스 내로 지향된 레이저 빔의 광의 덮개(envelope)를 지칭한다. 예를 들어, 코스틱은 투명 워크피스로 및/또는 워크피스 내로 광학 시스템의 가장 하류의 광학 구성요소로부터 연장되는 레이저 빔의 광의 덮개를 포함할 수 있다. 더욱이, 코스틱의 파면(wavefronts)은 예를 들어, 투명 워크피스 내에, 레이저 빔 초점 라인을 형성하기 위해 상호 작용(예컨대, 교차)할 수 있다.

본원에 사용된 바와 같이, "광학적으로 수정된 영역"은, 일부 구현 예에서, 광학적으로 수정된 영역에 영향을 미치고 횡단하는 코스틱의 일부분을 수정하기 충분한 광학 특성을 포함하는, 투명 워크피스에 형성된 영역 또는 투명 워크피스 상에 배치된 재료를 지칭한다. 광학적으로 수정된 영역의 예시의 광학 특성은 차단 특성, 산란 특성, 반사 특성, 흡수 특성, 굴절 특성, 회절 특성, 위상 변화 특성, 등을 포함한다. 본원에 설명된 예시의 광학적으로 수정된 영역은 수정 트랙 및 분열 재료 스트랩(disruptive material strip)을 포함한다.

본원에 사용된 바와 같이, 코스틱의 일부는 광학적으로 수정된 영역이 없을 때 형성되는 장소에 결함이 형성되지 않는 지점으로 코스틱의 일부분에 파면의 경로를 따라 레이저 빔 초점 라인의 형성을 방지하거나 또는 레이저 빔 초점의 강도를 감소시키는 방식으로 광학적으로 수정된 영역이 코스틱의 파면을 변경할 때 광학적으로 수정된 영역에 의해 "수정된다". 코스틱의 파면의 예시의 수정은 차단, 흡수, 굴절, 회절, 반사, 산란, 또는 파면을 변경하는 위상을 포함할 수 있다.

본원에 사용된 바와 같이, "투명 워크피스"라는 용어는 유리, 유리-세라믹 또는 투명한 다른 재료로 형성된 워크피스를 의미하며, 여기서, "투명"이라는 용어는, 본원에 사용된 바와 같이, 재료가 재료 깊이의 mm 당 20% 미만, 예컨대, 특정 펄스 레이저 파장에 대해 재료 깊이의 mm 당 10% 미만, 또는 특정 펄스 레이저 파장에 대해 재료 깊이의 mm 당 1% 미만의 광 흡수를 갖는다는 것을 의미한다. 달리 특정되지 않는 한, 재료는 재료 깊이의 mm 당 약 20% 미만의 광 흡수를 갖는다. 투명 워크피스는 약 50 미크론(㎛) 내지 약 10 mm, 예컨대, 약 100 ㎛ 내지 약 5 mm, 또는 약 0.5 mm 내지 약 3 mm의 깊이(예컨대, 두께)를 가질 수 있다. 투명 워크피스는 보로실리케이트 유리(borosilicate glass), 소다-라임 유리, 알루미노실리케이트 유리(aluminosilicate glass), 알칼리 알루미노실리케이트, 알칼리 토류 알루미노실리케이트 유리, 알칼리 토류 보로-알루미노실리케이트 유리, 융합 실리카, 또는 사파이어, 실리콘, 갈륨 비소, 또는 이들의 조합과 같은 결정질 재료와 같은 유리 조성물로 형성된 유리 워크피스를 포함할 수 있다. 일부 구현 예에서, 투명 워크피스는 투명 워크피스를 레이저 가공하기 전 또는 가공 후 열 템퍼링을 통해 강화될 수 있다. 일부 구현 예에서, 유리는 이온-교환될 수 있으며, 유리 조성물은 투명 워크피스를 레이저 가공하기 전 또는 가공 후 유리 강화를 위해 이온-교환을 거칠 수 있다. 예를 들어, 투명 워크피스는 이온 교환된 유리 및 이온 교환 가능한 유리, 예컨대, Corning, NY의 Corning Incorporated 사의 Corning Gorilla® 유리(예컨대, code 2318, code 2319, 및 code 2320)를 포함할 수 있다. 또한, 이러한 이온 교환된 유리는 약 6 ppm/℃ 내지 약 10 ppm/℃의 열팽창률(CTE)을 가질 수 있다. 다른 예시의 투명 워크피스는 Corning, NY의 Corning Incorporated 사의 EAGLE XG^® 및 CORNING LOTUS^TM 를 포함할 수 있다. 더욱이, 투명 워크피스는 예를 들어 사파이어 또는 셀렌화 아연(zinc selenide)과 같은 레이저의 파장에 대해 투명한 다른 구성요소를 포함할 수 있다.

이온 교환 공정에서, 투명 워크피스의 표면층의 이온은, 예를 들어, 이온 교환 배스(bath) 내에 투명 워크피스를 부분적으로 또는 완전히 침수시켜 동일한 균형 또는 산화 상태를 가진 큰 이온으로 교체된다. 큰 이온으로 작은 이온을 교체하는 것은 압축 응력 층이 투명 워크피스의 하나 이상의 표면으로부터 층의 깊이로 나타낸 투명 워크피스 내에 특정 깊이로 연장되게 한다. 압축 응력은 인장 응력(중심 인장으로 지칭됨)의 층에 의해 균형을 이루게 되어 유리 시트의 순(net) 응력은 영이 된다. 유리 시트의 표면에서의 압축 응력의 형성은 유리를 강하게 만들고 기계 손상에 대한 저항성을 갖게 하며, 이로써, 층의 깊이를 통해 연장되지 않는 흠집(flaw)에 대한 유리 시트의 치명적인 파손을 완화한다. 일부 구현 예에서, 투명 워크피스의 표면 층의 더 작은 나트륨 이온(sodium ions)은 더 큰 칼륨 이온(potassium ions)으로 교환된다. 일부 구현 예에서, 표면 층의 이온과 더 큰 이온은 Li+ (유리에 존재하는 경우), Na+, K+, Rb+, 및 Cs+과 같은 1가(monovalent) 알칼리 금속 양이온이다. 대안으로서, 표면 층의 1가 양이온은 Ag+, Tl+, Cu+, 등과 같은 알칼리 금속 양이온과 다른 1가 양이온으로 교체될 수 있다.

도 1a 및 1b을 이제 참고하면, 대표적인 투명 워크피스(160)(또한 "기판"으로 지칭됨)가 본원에 설명된 방법에 따라 레이저 가공을 받는 것으로 개략적으로 도시된다. 특히, 도 1a는 다수의 결함(172)을 포함하는 윤곽(170)의 형성을 개략적으로 도시하며, 이는 투명 워크피스(160)를 분리하는데 사용될 수 있다. 다수의 결함(172)을 포함하는 윤곽(170)은 윤곽선(165)을 따라 병진 방향(101)으로 이동하는 초단 펄스 레이저 빔(ultra-short pulsed laser beam)을 포함할 수 있는 레이저 빔(112)으로 투명 워크피스(160)를 가공함으로써 형성될 수 있다. 결함(172)은, 예를 들어, 투명 워크피스(160)의 깊이를 통해 연장될 수 있고, 투명 워크피스(160)의 충돌 표면에 대해 직교할 수 있다. 또한, 레이저 빔(112)은 충돌 표면 상의 특정 위치인 충돌 위치(115)에서 투명 워크피스(160)와 초기에 접촉한다. 도 1a 및 1b에 도시된 바와 같이, 투명 워크피스(160)의 제1 표면(162)은 충돌 표면을 포함하지만, 다른 구현 예에서, 레이저 빔(112)이 대신 초기에 투명 워크피스(160)의 제2 표면(164)을 조사할 수 있음을 이해해야 한다. 더욱이, 도 1a는 레이저 빔(112)이 투명 워크피스(160)의 제1 표면(162)으로 투사된 빔 스폿(114)을 형성된 것이 도시된다.

전체가 참조로 병합된, 2014년 10월 31일에 제출된 미국 특허 제9,815,730호는 레이저를 이용하여 3D 형태의 투명 기판을 가공하는 방법을 설명한다.

도 1a 및 1b는 빔 경로(111)를 따라 전파되고, 예를 들어, 비구면 광학 요소(120)(도 1c), 예를 들어, 액시콘 및 하나 이상의 렌즈(예컨대, 아래에 설명되고 도 1c에 도시된, 제1 렌즈(130) 및 제2 렌즈(132))를 이용하여 투명 워크피스(160) 내에 레이저 빔 초점 라인(113)으로 레이저 빔(112)이 초점 맞춰질 수 있도록 배향된 레이저 빔(112)을 도시한다. 예를 들어, 레이저 빔 초점 라인(113)의 위치는 Z-축을 따라 그리고 Z-축에 대해 제어될 수 있다. 또한, 레이저 빔 초점 라인(113)은 약 0.1 mm 내지 약 100 mm 또는 약 0.1 내지 약 10 mm의 범위의 길이를 가질 수 있다. 다양한 구현 예는 약 0.1 mm, 약 0.2 mm, 약 0.3 mm, 약 0.4 mm, 약 0.5 mm, 약 0.7 mm, 약 1 mm, 약 2 mm, 약 3 mm, 약 4 mm, 또는 약 5 mm, 예컨대, 약 0.5 mm 내지 약 5 mm의 길이를 가진 레이저 빔 초점 라인(113)을 갖도록 구성될 수 있다. 또한, 레이저 빔 초점 라인(113)은 아래에서 더 자세히 규정된 바와 같이, 준-비-회절 빔의 일부일 수 있다.

작동중, 레이저 빔(112)은 윤곽선(165)을 따라 투명 워크피스(160)(예컨대, 병진 방향(101)으로)에 대해 병진되어 윤곽(170)의 다수의 결함(172)을 형성할 수 있다. 투명 워크피스(160)로 레이저 빔(112)을 지향시키거나 또는 국부화시키는 것은 투명 워크피스(160) 내에 유도 흡수를 발생시키고 결함(172)을 형성하기 위해 윤곽선(165)을 따라 이격된 위치에서 투명 워크피스(160)에 화학적 결합(chemical bonds)을 파괴하기 위한 충분한 에너지를 증착한다. 하나 이상의 구현 예에 따라, 레이저 빔(112)은 투명 워크피스(160)의 움직임(예컨대, 도 1c에 나타낸, 투명 워크피스(160)로 연결된 병진 스테이지(190)의 움직임), 레이저 빔(112)의 움직임(예컨대, 레이저 빔 초점 라인(113)의 움직임), 또는 투명 워크피스(160)와 레이저 빔 초점 라인(113) 모두의 움직임에 의해 투명 워크피스(160)를 가로질러 병진될 수 있다. 투명 워크피스(160)에 대해 레이저 빔 초점 라인(113)을 병진시킴으로써, 다수의 결함(172)은 투명 워크피스(160)에 형성될 수 있다.

일부 구현 예에서, 결함(172)은 일반적으로 약 0.1 ㎛ 내지 약 500 ㎛, 예를 들어, 약 1 ㎛ 내지 약 200 ㎛, 약 2 ㎛ 내지 약 100 ㎛, 약 5 ㎛ 내지 약 20 ㎛, 등의 윤곽(170)을 따른 거리만큼 서로 이격될 수 있다. 예를 들어, 결함(172)들 사이의 적절한 간격은 TFT/디스플레이 유리 구성요소에 대해 약 0.1 ㎛ 내지 약 50 ㎛, 예컨대, 약 5 ㎛ 내지 약 15 ㎛, 약 5 ㎛ 내지 약 12 ㎛, 약 7 ㎛ 내지 약 15 ㎛, 또는 약 7 ㎛ 내지 약 12 ㎛일 수 있다. 일부 구현 예에서, 인접한 결함(172)들 사이의 간격은 약 50 ㎛ 이하, 45 ㎛ 이하, 40 ㎛ 이하, 35 ㎛ 이하, 30 ㎛ 이하, 25 ㎛ 이하, 20 ㎛ 이하, 15 ㎛ 이하, 또는 10 ㎛ 이하, 등일 수 있다.

도 1a에 예시된 바와 같이, 윤곽(170)의 다수의 결함(172)은 투명 워크피스(160)로 연장되고 윤곽(170)을 따라 개별 부분으로 투명 워크피스(160)의 분리에 대한 크랙 전파를 위한 경로를 수립한다. 윤곽(170)을 형성하는 것은 윤곽선(165)을 따라 투명 워크피스(160)에 대해(예컨대, 병진 방향(101)으로) 레이저 빔(112)을 병진시켜 윤곽(170)의 다수의 결함(172)을 형성하는 것을 포함한다. 하나 이상의 구현 예에 따라, 레이저 빔(112)은 투명 워크피스(160)의 움직임, 레이저 빔(112)의 움직임(예컨대, 레이저 빔 초점 라인(113)의 움직임), 또는 투명 워크피스(160)와 레이저 빔(112) 모두의 움직임에 의해, 예를 들어, 하나 이상의 병진 스테이지(190)(도 1c)를 이용하여, 투명 워크피스(160)를 가로질러 병진될 수 있다. 투명 워크피스(160)에 대해 레이저 빔 초점 라인(113)을 병진시키는 것에 의해, 다수의 결함(172)은 투명 워크피스(160)에 형성될 수 있다. 더욱이, 도 1a에 예시된 윤곽(170)은 선형이지만, 윤곽(170)은 또한 비선형(즉, 곡률을 가진 것)일 수 있다. 곡선 윤곽은 예를 들어, 하나의 치수 대신, 두 치수들에서 다른 하나에 대해 투명 워크피스(160) 또는 레이저 빔 초점 라인(113) 중 하나를 병진시킴으로써 생성될 수 있다.

일부 구현 예에서, 투명 워크피스(160)는 윤곽(170)을 따라 투명 워크피스(160)의 분리를 유도하기 위해 추후 분리 단계에서 추가로 작용될 수 있다. 추후 분리 단계는 윤곽(170)을 따라 크랙을 전파시키도록 기계적 힘 또는 열 응력으로 유도된 힘을 이용하는 것을 포함할 수 있다. 적외선 레이저 빔과 같은 열 소스는 열 응력을 만들어 윤곽(170)을 따라 투명 워크피스(160)를 분리하는 데 사용될 수 있다. 일부 구현 예에서, 적외선 레이저 빔은 분리를 시작하는 데 사용될 수 있고 이후 분리는 기계적으로 마무리될 수 있다. 이론에 얽매이지 않고, 적외선 레이저는 윤곽(170)에서 또는 윤곽(170) 근처에서 투명 워크피스(160)의 온도를 빠르게 증가시키는 제어된 열원이다. 이러한 빠른 가열은 윤곽(170)에서 또는 윤곽(170) 근처에서 투명 워크피스(160)의 압축 응력을 구축할 수 있다. 가열된 유리 표면의 구역이 투명 워크피스(160)의 전체 표면 구역에 비해 상대적으로 작기 때문에, 가열된 구역은 상대적으로 빠르게 냉각된다. 결과적인 온도 경사도는 윤곽(170)을 따라 그리고 투명 워크피스(160)의 깊이를 통해 크랙을 전파시키기 충분한 인장 응력을 투명 워크피스(160)에 유도하여, 윤곽(170)을 따라 투명 워크피스(160)의 전체 분리를 야기한다. 이론에 얽매이지 않고, 인장 응력이 더 높은 국부 온도로 워크피스의 일부분에서 유리의 팽창(즉, 밀도 변화)에 의해 야기될 수 있다고 여겨진다.

유리에 열 응력을 만들기 적절한 적외선 레이저는 통상적으로 1.2 ㎛ 내지 13 ㎛, 예를 들어, 4 ㎛ 내지 12 ㎛ 범위의 파장을 가진 유리에 의해 빠르게 흡수되는 파장을 가진다. 또한, 적외선 레이저 빔의 전력은 약 10 W 내지 약 1000 W, 예를 들어, 100 W, 250 W, 500 W, 750 W 등일 수 있다. 더욱이, 적외선 레이저 빔의 1/e² 빔 직경은 약 20 mm 이하, 예를 들어, 15 mm, 12 mm, 10 mm, 8 mm, 5 mm, 2 mm, 또는 그 이하일 수 있다. 작동 중, 적외선 레이저 빔의 더 큰 1/e² 빔 직경은 더 빠른 레이저 가공 및 더 큰 전력을 용이하게 할 수 있지만, 반면 적외선 레이저 빔의 더 작은 1/e² 빔 직경은 윤곽(170) 근처에 투명 워크피스(160)의 일부분으로 손상을 한정함으로써 높은 정밀도의 분리를 용이하게 할 수 있다. 예시의 적외선 레이저는 이산화탄소 레이저("CO₂ 레이저"), 일산화탄소 레이저("CO 레이저"), 고체 레이저(solid state laser), 레이저 다이오드(laser diode), 또는 이들의 조합을 포함한다.

다른 구현 예에서, 유형, 깊이, 및 재료 특성(예컨대, 흡수, CTE, 응력, 조성, 등)에 따라, 투명 워크피스(160)에 존재하는 응력은 추가 가열 또는 기계적인 분리 단계 없이 윤곽(170)을 따라 자발적인 분리를 야기할 수 있다. 예를 들어, 투명 워크피스(160)가 강화된 유리 기판을 포함하는 경우(예컨대, 이온-교환된 또는 열적으로 템퍼링된 유리 기판), 윤곽(170)의 형성은 윤곽(170)을 따라 크랙 전파를 유도하여 투명 워크피스(160)를 분리할 수 있다.

도 1a 및 1b를 다시 참고하면, 결함(172)을 형성하는 데 사용된 레이저 빔(112)은 또한 강도 분포 I(X, Y, Z)를 가지며, 여기서, Z는 레이저 빔(112)의 빔 전파 방향이며, X 및 Y는 도면에 도시된 바와 같이, 전파의 방향에 대해 직각 방향이다. X-방향 및 Y-방향은 또한 단면 방향으로 지칭될 수 있고 X-Y 평면은 단면 평면으로 지칭될 수 있다. 단면 평면의 레이저 빔(112)의 강도 분포는 단면 강도 분포로 지칭될 수 있다.

빔 스폿(114) 또는 다른 단면에서의 레이저 빔(112)은, 예를 들어, 도 1c에 도시된 광학 조립체(100)에 대해 아래에서 더 자세히 설명된 것처럼, 비구면 광학 요소(120)를 통해 레이저 빔(112)을 전파시킴으로써(예컨대, 펄스 빔 소스와 같은 빔 소스(110)를 사용하여, 가우스 빔(Gaussian beam)과 같은 레이저 빔(112)), 아래에서 수학적으로 규정된 바와 같이, 저 빔 발산(low beam divergence)을 갖는 빔과 같은, 준-비-회절 빔을 포함할 수 있다. 빔 발산은 빔 전파 방향(즉, Z 방향)의 빔 단면의 확대의 비율을 지칭한다. 본원에 논의된 하나의 예시 빔 단면은 투명 워크피스(160)로 투사된 레이저 빔(112)의 빔 스폿(114)이다. 예시의 준-비-회절 빔은 가우스-베셀 빔(Gauss-Bessel beams) 및 베셀 빔을 포함한다.

회절은 레이저 빔(112)의 발산으로 이어지는 하나의 요인이다. 다른 요인은 레이저 빔(112)을 형성하는 광학 시스템 또는 인터페이스에서의 굴절 및 산란에 의해 야기된 초점 맞춤 또는 초점 이탈을 포함한다. 윤곽(170)의 결함(172)을 형성하기 위한 레이저 빔(112)은 저 발산 및 약한 회절을 가진 레이저 빔 초점 라인(113)을 형성할 수 있다. 레이저 빔(112)의 발산은 레일리 범위(Z_R)로 특징지어 지고, 이는 강도 분포의 분산(σ²) 및 레이저 빔(112)의 빔 전파 계수(M²)와 관련된다. 다음의 논의에서, 공식은 직교좌표계를 사용하여 나타낼 것이다. 다른 좌표계에 대해 상응하는 표현이 당업자에게 알려진 수학적 기술을 이용하여 얻어질 수 있다. 빔 분산 상의 추가 정보는 A.E. Siegman in SPIE Symposium Series Vol. 1224, p. 2 (1990)의 "New Developments in Laser Resonators" 및 R. Borghi and M. Santarsiero in Optics Letters, Vol. 22(5), 262 (1997)의 "M² factor of Bessel-Gauss beams" 에서 찾을 수 있으며, 그 내용은 전체가 참고로 본원에 병합된다. 추가 정보는 또한 "Lasers and laser-related equipment―Test methods for laser beam widths, divergence angles and beam propagation ratios―Part 1: Stigmatic and simple astigmatic beams" 명칭의 국제 표준 ISO 11146-1:2005(E), "Lasers and laser-related equipment―Test methods for laser beam widths, divergence angles and beam propagation ratios―Part 2: General astigmatic beams" 명칭의 ISO 11146-2:2005(E), 및 "Lasers and laser-related equipment―Test methods for laser beam widths, divergence angles and beam propagation ratios―Part 3: Intrinsic and geometrical laser beam classification, propagation and details of test methods" 명칭의 ISO 11146-3:2004(E)에서 찾을 수 있으며, 그 내용은 전체가 참고로 본원에 병합된다.

시간-평균된 강도 프로파일 I(x,y,z)을 가진 레이저 빔(112)의 강도 프로파일의 중심의 공간 좌표는 다음의 표현으로 주어진다:

(1)

(2)

위그너 분포(Wigner distribution)의 제1 모멘트(moments)로서 또한 알려져 있으며 ISO 11146-2:2005(E)의 섹션 3.5에 설명된다. 그 측정은 ISO 11146-2:2005(E)의 섹션 7에 설명된다.

분산은 빔 전파의 방향으로 위치 z의 함수로서 단면 (X-Y) 평면에서의 레이저 빔(112)의 강도 분포의 폭의 측정이다. 임의의 레이저 빔의 경우, X-방향의 분산은 Y-방향의 분산과 상이할 수 있다. σ _x ²(z) 및 σ _y ²(z)는 X-방향 및 Y-방향 각각의 분산을 나타낸다. 특히 관심을 끄는 것은 근거리 장 및 원거리 장 한계 내의 분산이다. σ _x ²(z) 및 σ _y ²(z)는 근거리 장 한계에서, 각각, X-방향 및 Y-방향의 분산을 나타내며, σ _∞x ²(z) 및 σ _∞y ²(z)은 원거리 장 한계에서, 각각, X-방향 및 Y-방향의 분산을 나타낸다. 푸리에 변환(Fourier transform)(여기서, υ_x 및 υ_y는 X-방향 및 Y-방향 각각의 공간 주파수임)을 갖는 시간-평균된 강도 프로파일 I(x,y,z)을 가진 레이저 빔의 경우, X-방향 및 Y-방향의 근거리 장 및 원거리 장 분산은 다음 표면으로 주어진다:

(3)

(4)

(5)

(6)

분산 수량(variance quantities) σ₀ _x ²(z), σ₀ _y ²(z), σ_∞ _x ²(z), 및 σ_∞ _y ²(z)는 또한 위그너 분포(ISO 11146-2: 2005(E) 참고)의 대각선 요소로서 알려진다. 이러한 분산은 ISO 11146-2:2005(E)의 섹션 7에 설명된 측정 기술을 사용하여 실험용 레이저 빔에 대해 정량화될 수 있다. 간단히, 측정은 분산과 중심 좌표를 규정하는 적분 방정식의 무한 적분 구역에 가까운 유한 공간 영역에 대해 I(x,y)를 측정하기 위해 선형 불포화 픽셀화된 검출기(linear unsaturated pixelated detector)를 사용한다. 측정 구역, 배경 분리 및 검출기 픽셀 해상도의 적절한 규모는 ISO 11146-2:2005(E)의 섹션 7에 설명된 반복 측정 절차의 수렴에 의해 결정된다. 수식 1-6에 의해 주어진 표현의 수치값은 픽셀화된 검출기에 의해 측정된 강도의 배열로부터 수치적으로 계산된다.

임의의 광학 빔(여기서 )에 대한 횡방향 진폭 프로파일 과 임의의 광학 빔(여기서, )에 대한 공간-주파수 분포 사이의 푸리에 변환 관계를 통해, 다음을 보여 줄 수 있다:

(7)

(8)

수식 (7) 및 (8)에서, σ₀ _x ²(z_0x) 및 σ₀ _y ²(z_0y)는 σ₀ _x ²(z) 및 σ₀ _y ²(z)의 최소값이며, 이는 x-방향 및 y-방향 각각에서 허리 위치(waist position) z_0x 및 z_0y서 일어나고, λ는 레이저 빔(112)의 파장이다. 수식 (7) 및 (8)은 σ _x ²(z) 및 σ _y ²(z)가 레이저 빔(112)의 허리 위치와 연관된(예컨대, 레이저 빔 초점 라인(113)의 허리 부분) 최소값으로부터 양방향으로든 z와 함께 2차적으로 증가함을 나타낸다. 또한, 빔 스폿(114)을 포함하는 본원에 설명된 구현 예에서, 빔 스폿(114)은 축대칭이고 이로써 축대칭 강도 분포 I(x,y)를 포함하며, σ _x ²(z)=σ _y ²(z)이고, 빔 스폿(114)을 포함하는 본원에 설명된 구현 예에서, 빔 스폿(114)은 비-축대칭이고 이로써 비-축대칭 강도 분포 I(x,y)를 포함하고, σ _x ²(z)≠σ _y ²(z), 즉, σ _x ²(z)<σ _y ²(z) 또는 σ _x ²(z)>σ _y ²(z)이다.

수식 (7) 및 (8)은 빔 전파 계수 M²로 다시 작성할 수 있으며, 여기서 x-방향 및 y-방향에 대한 분리 빈 전파 계수 M_x ² 및 M_y ²는 다음과 같이 규정된다:

(9)

(10)

수식 (9) 및 (10)의 재배열 및 수식 (7) 및 (8)로의 치환은 다음을 산출한다:

(11)

(12)

이는 다음과 같이 재작성될 수 있다:

(13)

(14)

여기서, x-방향 및 y-방향의 레일리 범위 Z_Rx 및 Z_Ry 각각은 다음으로 주어진다:

(15)

(16)

레일리 범위는 레이저 빔의 분산이 두 배가 되는(빔 허리의 위치에서 분산에 비해) 거리(ISO 11146-1:2005(E)의 섹션 3.12에 규정된 빔 허리의 위치에 대한)에 상응하고 레이저 빔의 단면 구역의 발산의 측정이다. 또한, 빔 스폿(114)을 포함하는 본원에 설명된 구현 예에서, 빔 스폿(114)은 축대칭이며 이로써 축대칭 강도 분포 I(x,y)를 포함하며, Z_Rx = Z_Ry이고 빔 스폿(114)을 포함하는 본원에 설명된 구현 예에서, 상기 빔 스폿(114)은 비-축대칭이고 이로써 비-축대칭 강도 분포 I(x,y)를 포함하며, Z_Rx ≠ Z_Ry, 즉, Z_Rx < Z_Ry 또는 Z_Rx > Z_Ry이다. 레일리 범위는 또한 광학 강도가 빔 허리 위치(최대 강도의 위치)에서 관찰된 값의 절반으로 감소하는 빔 축을 따른 거리로서 관찰될 수 있다. 큰 레일리 범위를 가진 레이저 빔은 낮은 발산을 가지며 작은 레일리 범위를 가진 레이저 빔보다 빔 전파 방향에서 거리에 따라 더 느리게 확장된다.

상기 공식은 레이저 빔을 설명하는 강도 프로파일 I(x,y,z)을 사용하여 임의의 레이저 빔(가우스 빔뿐만이 아닌)으로 적용될 수 있다. 가우스 빔의 TEM₀₀ 모드의 경우, 강도 프로파일은 다음으로 주어진다:

(17)

여기서, 는 빔 허리 위치 에서 빔의 정점 빔 강도의 1/e² 로 빔 강도가 감소하는 반경으로 규정된 반경이다. 수식 (17) 및 상기 공식으로부터, TEM₀₀ 가우스 빔에 대한 다음의 결과를 얻는다:

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

여기서, Z_R=Z_Rx=Z_Ry이다. 가우스 빔의 경우, 또한 M²=M_x ²=M_y ²=1임을 유의한다.

빔 단면은 형태 및 치수로 특징지어진다. 빔 단면의 치수는 빔의 스폿 크기로 특징지어진다. 가우스 빔의 경우, 스폿 크기는 w₀로서 수식(17)에 나타낸, 최대 값의 1/e² 로 빔의 강도가 감소하는 반경 범위로 정의된다. 가우스 빔의 최대 강도는 강도 분포의 중심(x=0 및 y=0(직각 좌표) 또는 r=0(원통 좌표))에서 일어나며 스폿 크기를 측정하는 데 사용된 반경 범위는 중심에 대해 측정된다.

축대칭(즉, 빔 전파 축 Z을 중심으로 회전 대칭인) 단면을 가진 빔은 ISO 11146-1:2005(E)의 섹션 3.12에 명시된 빔 허리 위치에서 측정된 단일 치수 또는 스폿 크기에 의해 특징지어질 수 있다. 가우스 빔의 경우, 수식(17)은 스폿 크기가 수식(18)로부터 2σ_0x 또는 2σ_0y에 상응하는 w₀와 같음을 나타낸다. 원형 단면과 같은, 축대칭 단면을 가진 축대칭 빔의 경우, σ_0x=σ_0y이다. 따라서, 축대칭 빔의 경우, 단면 치수는 단일 스폿 크기 파라미터로 특징지어질 수 있으며, 여기서, w₀ = 2σ₀이다. 스폿 크기는 비-축대칭 빔 단면에 대해 유사하게 규정될 수 있으며, 여기서, 축대칭 빔과 달리, σ_0x ≠σ_0y이다. 따라서, 빔의 스폿 크기가 비-축대칭인 경우, x-방향 및 y-방향으로 각각 두 스폿 크기 파라미터: w_0x 및 w_0y를 가진 비-축대칭 빔의 단면 치수를 특징지을 필요가 있으며, 여기서,

w_0x = 2σ_0x (25)

w_0y = 2σ_0y (26)

또한, 비-축대칭 빔에 대한 축방향(즉, 임의의 회전 각도) 대칭의 부족은 및 의 값의 계산의 결과가 X-축 및 Y-축의 배향의 선택에 따를 것임을 의미한다. ISO 11146-1:2005(E)는 전력 밀도 분포의 주축들로서 이러한 기준 축들을 지칭하며 다음의 논의에서 X 및 Y 축들은 이러한 주축들과 정렬됨을 가정할 것이다. 또한, X-축 및 Y-축이 단면 평면에서 회전될 수 있는 각도(예컨대, X-축 및 Y-축 각각에 대한 기준 위치와 관련된 X-축 및 Y-축의 각도)는 비-축대칭 빔에 대한 스폿 크기 파라미터의 최소값(w_0, _min ) 및 최대값(w_0, _max )을 규정하는 데 사용될 수 있다:

w_0, _min = 2σ_0, _min (27)

w_0, _max = 2σ_0, _max (28)

여기서, 2σ_0, _min =2σ_0x(φ_min,x)=2σ_0y(φ_min,y) 및 2σ_0, _max =2σ_0x(φ _max _,x)=2σ_0y(φ _max _,y)이다. 빔 단면의 축방향 대칭의 크기는 종횡비로 정량화될 수 있으며, 여기서 종횡비는 w_0, _max 대 w_0, _min 의 비율로 규정된다. 축대칭 빔 단면은 1.0의 종횡비를 가지며, 반면 타원 및 다른 비-축대칭 빔 단면은 1.0 보다 큰 종횡비, 예를 들어, 1.1보다 크거나, 1.2보다 크거나, 1.3보다 크거나, 1.4보다 크거나, 1.5보다 크거나, 1.6보다 크거나, 1.7보다 크거나, 1.8보다 크거나, 1.9보다 크거나, 2.0보다 크거나, 3.0보다 크거나, 5.0보다 크거나, 10.0보다 큰 종횡비를 가진다.

빔 전파 방향의 결함(172)의 균일성(예컨대, 투명 워크피스(160)의 깊이 치수)을 촉진하기 위해, 저 발산을 가진 레이저 빔(112)이 사용될 수 있다. 하나 이상의 구현 예에서, 저 발산을 가진 레이저 빔(112)은 결함(172)을 형성하기 위해 활용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 발산은 레일리 범위에 의해 특징지어질 수 있다. 비-축대칭 빔의 경우, 기준축 X 및 Y에 대한 레일리 범위는 X-방향 및 Y-방향 각각에 대해 수식(15) 및 (16)에 의해 규정되며, 여기서, 임의의 실제 빔에 대해 M_x ² > 1 및 M_y ² > 1이며, 여기서 σ² _0x 및 σ² _0y는 레이저 빔의 강도 분포에 의해 결정된다. 대칭 빔의 경우, 레일리 범위는 X-방향 및 Y-방향에서 동일하며 수식 (22) 또는 수식 (23)으로 표현된다. 저 발산은 레일리 범위의 큰 값과 레이저 빔의 약한 회절과 관련이 있다.

이용할 수 있는 레이저 펄스 에너지가 유리와 같은 재료를 수정하게 하기 위해 충분히 작은 스폿 크기(예컨대, 약 1-5 ㎛ 또는 약 1-10 ㎛의 미크론 범위의 스폿 크기)로 초점 맞춰질 때, 짧은 전파 거리에 걸쳐 충분히 크게 회절하고 발산하기 때문에, 가우스 강도 프로파일을 가진 빔은 결함(172)을 형성하기 위한 레이저 가공에 대해 덜 선호될 수 있다. 저 발산을 달성하기 위해, 회절을 감소시키기 위해 펄스 레이저 빔의 강도 분포를 제어하거나 최적화하는 것이 바람직하다. 펄스 레이저 빔은 비-회절 또는 약하게 회절할 수 있다. 약하게 회절하는 레이저 빔은 준-비-회절 레이저 빔을 포함한다. 대표적인 약하게 회절하는 레이저 빔은 베셀 빔, 가우스-베셀 빔, 에어리 빔(Airy beams), 웨버(Weber) 빔, 및 마티유(Mathieu ) 빔을 포함한다.

비-축대칭 빔의 경우, 레일리 범위 Z_Rx 및 Z_Ry는 같지 않다. 수식 (15) 및 (16)은 Z_Rx 및 Z_Ry가 각각 σ_0x 및 σ_0y에 의존한다는 것을 나타내며, 위에서 σ_0x 및 σ_0y의 값들이 X-축 및 Y-축의 배향에 의존한다는 것을 알았다. Z_Rx 및 Z_Ry의 값은 따라서 변화하고 각각은 주축들에 상응하는 최소값 및 최대값을 가질 것이며, Z_Rx의 최소값은 Z_Rx, _min 로서 나타내고 Z_Ry의 최소값은 임의의 빔 프로파일에 대해 Z_Ry, _min 로 나타내며, Z_Rx, _min 및 Z_Ry, _min 은 다음으로 주어질 수 있다:

(29)

(30)

레이저 빔의 발산은 가장 작은 레일리 범위를 가진 방향으로의 최단 거리에 대해 일어나며, 결함(172)을 형성하는 데 사용된 레이저 빔(112)의 강도 분포는 Z_Rx 및 Z_Ry의 최소값(또는 축대칭 빔에 대해, Z_R의 값)이 가능한 크도록 제어될 수 있다. Z_Rx의 최소값 Z_Rx, _min 및 Z_Ry의 최소값 Z_Ry, _min 이 비-축대칭 빔과 상이하기 때문에, 레이저 빔(112)은 손상 영역을 형성할 때 Z_Rx, _min 및 Z_Ry, _min 중 더 작은 것을 가능한 크게 만드는 강도 분포로 사용될 수 있다.

일부 구현 예에서, Z_Rx, _min 와 Z_Ry, _min 중 더 작은 것(또는 축대칭 빔에 대해, Z_R의 값)은 50 ㎛ 이상, 100 ㎛ 이상, 200 ㎛ 이상, 300 ㎛ 이상, 500 ㎛ 이상, 1 mm 이상, 2 mm 이상, 3 mm 이상, 5 mm 이상, 50 ㎛ 내지 10 mm 범위, 100 ㎛ 내지 5 mm 범위, 200 ㎛ 내지 4 mm 범위, 300 ㎛ 내지 2 mm 범위 등이다.

본원에 특정된 Z_Rx, _min 와 Z_Ry, _min 중 더 작은 것(또는 축대칭 빔에 대해, Z_R의 값)에 대한 값 및 범위는 워크피스가 수식 (27)에서 규정된 스폿 크기 파라미터 w_0,min의 조정을 통해 투명하게 되는 상이한 파장에 대해 달성될 수 있다. 일부 구현 예에서, 스폿 크기 파라미터 w_0,min는 0.25 ㎛ 이상, 0.50 ㎛ 이상, 0.75 ㎛ 이상, 1.0 ㎛ 이상, 2.0 ㎛ 이상, 3.0 ㎛ 이상, 5.0 ㎛ 이상, 0.25 ㎛ 내지 10 ㎛ 범위, 0.25 ㎛ 내지 5.0 ㎛ 범위, 0.25 ㎛ 내지 2.5 ㎛ 범위, 0.50 ㎛ 내지 10 ㎛ 범위, 0.50 ㎛ 내지 5.0 ㎛ 범위, 0.50 ㎛ 내지 2.5 ㎛ 범위, 0.75 ㎛ 내지 10 ㎛ 범위, 0.75 ㎛ 내지 5.0 ㎛ 범위, 0.75 ㎛ 내지 2.5 ㎛ 범위, 등이다.

비-회절 또는 준-비-회절 빔은 일반적으로, 예컨대 반경에 비해 단조롭지 않게(non-monotonically) 감소하는 것과 같은, 복잡한 강도 프로파일을 갖는다. 가우스 빔과 유사성에 의해, 유효 스폿 크기 w_0,eff는 최대 강도의 1/e²로 강도가 감소하는 최대 강도의 반경 위치(r=0)로부터 임의의 방향으로 최단 반경 거리로서 비-축대칭 빔에 대해 규정될 수 있다. 또한, 축대칭 빔의 경우, w_0,eff는 강도가 최대 강도의 1/e²로 감소하는 최대 강도의 반경 위치(r=0)로부터 반경 거리이다. 비-축대칭 빔에 대한 유효 스폿 크기 w_0,eff 또는 축대칭 빔에 대한 스폿 크기 w₀에 기초한 레일리 범위에 대한 기준은 아래에서, 축대칭 빔에 대한 수식 (32)의 비-축대칭 빔에 대한 수식 (31)을 이용하여 손상 영역을 형성하기 위해 비-회절 또는 준-비-회절 빔으로서 특정될 수 있다:

Z_Rx, _min 와 Z_Ry, _min 중 더 작은 것 (31)

(32)

여기서, F_D는 적어도 10, 적어도 50, 적어도 100, 적어도 250, 적어도 500, 적어도 1000, 10 내지 2000 범위, 50 내지 1500 범위, 100 내지 1000 범위의 값을 가진 무차원 발산 계수이다. 수식 (22) 또는 (23)에 대해 수식 (31)을 비교하면, 비-회절 또는 준-비-회절 빔의 경우, 유효 빔 크기가 두 배가 되는 거리, 수식 (31)에서 Z_Rx, _min 와 Z_Ry, _min 중 더 작은 것은 통상적인 가우스 빔 프로파일이 사용되는 경우 예상된 거리의 F_D 배임을 볼 수 있다. 무차원 비-회절 계수 F_D는 레이저 빔이 준-비-회절인지 아닌지를 결정하기 위한 기준을 제공한다. 본원에 사용된 바와 같이, 레이저 빔(112)은 레이저 빔의 특징이 F_D ≥ 10의 값을 가진 수식 (31) 또는 수식 (32)을 만족시킨다. F_D의 값이 증가함에 따라, 레이저 빔(112)은 더욱 거의 완벽한 비-회절 상태에 접근한다. 더욱이, 수식 (32)은 단순히 수식 (31)의 단순화이며 이로써 수식 (31)은 축대칭 및 비-축대칭 펄스 레이저 빔(112) 모두에 대한 무차원 발산 계수 F_D를 수학적으로 설명한다.

이제 도 1c를 참고하면, 준-비-회절이며 비구면 광학 요소(120)(예컨대, 액시콘(122))을 이용하여 투명 워크피스(160)에서 레이저 빔 초점 라인(113)을 형성하는 레이저 빔(112)을 생성하는 광학 조립체(100)가 개략적으로 도시된다. 광학 조립체(100)는 레이저 빔(112)을 출력하는 빔 소스(110), 제1 렌즈(130) 및 제2 렌즈(132)를 포함한다. 빔 소스(110)는 레이저 빔(112), 예를 들어, 펄스 레이저 빔 또는 연속파 레이저 빔을 출력하도록 구성된 임의의 알려진 또는 개발될 빔 소스(110)를 포함할 수 있다. 일부 구현 예에서, 빔 소스(110)는 예를 들어, 1064 nm, 1030 nm, 532 nm, 530 nm, 355 nm, 343 nm, 266 nm, 또는 215 nm의 파장을 포함하는 레이저 빔(112)을 출력할 수 있다. 또한, 투명 워크피스(160) 내에 결함(172)을 형성하는 데 사용된 레이저 빔(112)은 선택된 펄스 레이저 파장에 대해 투명한 재료에 대해 매우 적합할 수 있다.

또한, 투명 워크피스(160)는 빔 소스(110)에 의해 출력된 레이저 빔(112)이 예를 들어 비구면 광학 요소(120)를 횡단한 이후, 그리고 그 이후 제1 렌즈(130)와 제2 렌즈(132) 모두를 횡단한 후 투명 워크피스(160)를 조사하도록 위치될 수 있다. 광학 축(102)은 빔 소스(110)와 투명 워크피스(160) 사이에서(도 1c에 도시된 구현 예의 Z-축을 따라) 연장되어 빔 소스(110)가 레이저 빔(112)을 출력할 때 레이저 빔(112)의 빔 경로(111)는 광학 축(102)을 따라 연장된다.

결함(172)을 형성하기 위한 적절한 레이저 파장은 투명 워크피스(160)에 의한 선형 흡수 및 산란의 결합된 손실이 충분히 낮은 파장이다. 구현 예에서, 파장에서 투명 워크피스(160)에 의한 선형 흡수 및 산란으로 인한 결합된 손실은 20%/mm 미만, 15%/mm 미만, 10%/mm 미만, 5%/mm 미만, 또는 1%/mm 미만이며, 여기서, "/mm"는 레이저 빔(112)의 빔 전파 방향(예컨대, Z 방향)으로 투명 워크피스(160) 내의 거리의 밀리미터 당을 의미한다. 많은 유리 워크피스에 대한 대표적인 파장은 Nd³ ⁺의 기본 및 고조파 파장(예컨대, 기본 파장이 1064 nm에 가깝고 고차 고조파 파장이 532 nm, 355 nm, 및 266 nm에 가까운 Nd³ ⁺:YAG 또는 Nd³ ⁺:YVO₄)을 포함한다. 주어진 기판 재료에 대한 결합된 선형 흡수 및 산란 손실 요구 사항을 충족하는 스펙트럼의 자외선, 가시선 및 적외선 부분의 다른 파장도 사용될 수 있다.

작동 중, 빔 소스(110)에 의해 출력된 레이저 빔(112)은 투명 워크피스(160)의 다광자 흡수(MPA)를 생성할 수 있다. MPA는 분자를 하나의 상태(보통 기저 상태)로부터 더 높은 에너지 전자 상태(즉, 이온화)로 여기시키는 동일하거나 상이한 주파수의 두 개 이상의 광자의 동시 흡수이다. 분자의 관련된 낮은 상태와 높은 상태 사이의 에너지 차이는 관련된 광자의 에너지의 합계와 동일하다. 또한 유도 흡수로 불리는, MPA는, 예를 들어, 선형 흡수보다 더 약한 크기의 몇몇 차인 2차 또는 3차 공정(또는 더 높은 차수)일 수 있다. 예를 들어, 2차 유동 흡수의 강도가 광 강도의 제곱에 비례할 수 있으며, 따라서, 비선형 광학 공정인 점에서 상이하다.

윤곽(170)을 생성하는 천공 단계(도 1a 및 1b)는 투명 워크피스(160)를 조사하고 레이저 빔 초점 라인(113)을 발생하기 위해 비구면 광학 요소(120), 제1 렌즈(130), 및 제2 렌즈(132)를 결합하여 빔 소스(110)(예컨대, 초단파 펄스 레이저와 같은 펄스 빔 소스)를 활용할 수 있다. 레이저 빔 초점 라인(113)은 상기 규정된 가우스-베셀 빔 또는 베셀 빔과 같은 준-비-회절 빔을 포함하며, 윤곽(170)을 형성할 수 있는 투명 워크피스(160)에 결함(172)을 형성하기 위해 투명 워크피스(160)를 완전히 또는 부분적으로 천공할 수 있다. 레이저 빔(112)이 펄스 레이저 빔을 포함하는 구현 예에서, 개별 펄스의 펄스 지속 시간은 약 1 펨토초(femtosecond) 내지 약 200 피코초(picoseconds), 예컨대, 약 1 피코초 내지 약 100 피코초, 5 피코초 내지 약 20 피코초 등의 범위이고, 개별 펄스의 반복률은 약 1 kHz 내지 4 MHz 범위, 예컨대, 약 10 kHz 내지 약 3 MHz, 또는 약 10 kHz 내지 약 650 kHz 범위일 수 있다.

또한 도 2a 및 2b를 참고하면, 전술한 개별 펄스 반복률에서의 단일 펄스 작동에 더해서, 펄스 레이저 빔을 포함하는 구현 예에서, 펄스는 둘 이상의 서브-펄스(201A, sub-pulses)(예컨대, 예를 들어, 펄스 버스트 당 3개의 서브-펄스, 4개의 서브-펄스, 5개의 서브-펄스, 10개의 서브-펄스, 15개의 서브-펄스, 20개의 서브-펄스, 또는 그 이상, 예컨대, 펄스 버스트(201) 당 1 내지 30개의 서브-펄스, 또는 펄스 버스트(201) 당 5 내지 20개의 서브-펄스)의 펄스 버스트(201, pulse bursts)에서 생성될 수 있다. 이론에 제한되지는 않지만, 펄스 버스트는 짧고 빠른 서브-펄스 그룹이며 이는 단일-펄스 작업을 사용하여 쉽게 접근할 수 없는 시간 스케일(time scale)로 재료(즉, 투명 워크피스(160)의 재료의 MPA)와 광학 에너지 상호작용을 생성한다. 또한 이론에 제한되지 않지만, 펄스 버스트 내의 에너지(즉, 펄스의 그룹)는 보존된다. 예시의 실시 예와 같이, 100 μJ/버스트의 에너지를 가진 펄스 버스트 및 2개의 서브-펄스에 대해, 100 μJ/버스트 에너지는 서브-펄스 당 50 μJ의 평균 에너지에 대해 2개의 펄스 사이에서 분할되고 100 μJ/버스트의 에너지를 가진 펄스 버스트 및 10개의 서브-펄스에 대해, 100 μJ/버스트는 서브-펄스 당 10 μJ의 평균 에너지에 대해 10개의 서브-펄스들 사이로 분할된다. 또한, 펄스 버스트의 서브-펄스들 사이의 에너지 분포는 균일할 필요는 없다. 사실상, 일부 예시에서, 펄스 버스트의 서브-펄스들 사이의 에너지 분포는 지수 감소의 형태이며, 여기서, 펄스 버스트의 제1 서브-펄스는 가장 큰 에너지를 포함하고, 펄스 버스트의 제2 서브-펄스는 약간 적은 에너지를 포함하며, 펄스 버스트의 제3 서브-펄스는 훨씬 적은 에너지를 포함한다. 그러나, 개별 펄스 버스트 내의 다른 에너지 분포가 또한 가능하며, 여기서, 각각의 서브-펄스의 정확한 에너지는 투명 워크피스(160)에 대한 상이한 양의 수정을 달성하도록 조정될 수 있다.

이론에 제한되지 않지만, 하나 이상의 윤곽(170)의 결함(172)은 적어도 두 서브-펄스를 가진 펄스 버스트를 통해 형성되며, 윤곽(170)을 따른 투명 워크피스(160)를 분리하는데 필요한 힘(즉, 최대 파손 저항)은 단일 펄스 레이저를 이용하여 형성된 동일한 투명 워크피스(160)의 인접한 결함(172)들 사이의 동일한 간격으로 윤곽(170)의 최대 파손 저항에 비해 감소된다. 예를 들어, 단일 펄스를 이용하여 형성된 윤곽(170)의 최대 파손 저항은 2개 이상의 서브-펄스를 가진 펄스 버스트를 이용하여 형성된 윤곽(170)의 최대 파손 저항보다 적어도 2배 더 크다. 또한, 단일 펄스를 이용하여 형성된 윤곽(170)과 2개의 서브-펄스를 가진 펄스 버스트를 이용하여 형성된 윤곽(170) 사이의 최대 파손 저항의 차이는 2개의 서브-펄스를 가진 펄스 버스트를 이용하여 형성된 윤곽(170)과 3개의 서브-펄스를 가진 펄스 버스트를 이용하여 형성된 윤곽(170) 사이의 최대 파손 저항의 차이보다 크다. 따라서, 펄스 버스트는 단일 펄스 레이저를 이용하여 형성된 윤곽(170)보다 더 쉽게 분리하는 윤곽(170)을 형성하는 데 사용될 수 있다.

도 2a 및 2b를 계속 참고하면, 펄스 버스트(201) 내의 서브-펄스(201A)는 약 1 nsec 내지 약 50 nsec, 예를 들어, 약 10 nsec 내지 약 30 nsec 범위, 예컨대 약 20 nsec인 기간만큼 분리될 수 있다. 다른 구현 예에서, 펄스 버스트(201) 내의 서브-펄스(201A)는 100 psec(예를 들어, 0.1 psec, 5 psec, 10 psec, 15 psec, 18 psec, 20 psec, 22 psec, 25 psec, 30 psec, 50 psec, 75 psec, 또는 이들 사이의 임의의 범위)까지의 기간만큼 분리될 수 있다. 주어진 레이저에 대해, 펄스 버스트(201) 내의 인접한 서브-펄스(201A) 사이의 시간 분리 T_p(도 2b)는 상대적으로 균일할 수 있다(예컨대, 서로 약 10% 내). 예를 들어, 일부 구현 예에서, 펄스 버스트(201) 내의 각각의 서브-펄스(201A)는 차후의 서브-펄스로부터 대략 20 nsec(50 MHz)만큼의 시간에 분리된다. 또한, 각각의 펄스 버스트(201) 사이의 시간은 약 0.25 마이크로초(microseconds) 내지 약 1000 마이크로초, 예컨대, 약 1 마이크로초 내지 약 10 마이크로초, 또는 약 3 마이크로초 내지 약 8 마이크로초일 수 있다.

본원에 설명된 빔 소스(110)의 일부 예시의 구현 예에서, 시간 분리 Tb(도 2b)는 약 200 kHz의 버스트 반복률을 포함하는 레이저 빔(112)을 출력하는 빔 소스(110)에 대해 약 5 마이크로초이다. 레이저 버스트 반복률은 추후 버스트(레이저 버스트 반복률 = 1/T_b)의 제1 펄스에 대한 버스트의 제1 펄스 사이의 시간T_b와 관련된다. 일부 구현 예에서, 레이저 버스트 반복률은 약 1 kHz 내지 약 4 MHz의 범위일 수 있다. 구현 예에서, 레이저 버스트 반복률은, 예를 들어, 약 10 kHz 내지 650 kHz의 범위일 수 있다. 추후 버스트의 제1 펄스에 대한 각 버스트의 제1 펄스 사이의 시간 T_b는 약 0.25 마이크로초(4 MHz 버스트 반복률) 내지 약 1000 마이크로초(1 kHz 버스트 반복률), 예를 들어, 약 0.5 마이크로초(2 MHz 버스트 반복률) 내지 약 40 마이크로초(25 kHz 버스트 반복률), 약 2 마이크로초(500 kHz 버스트 반복률) 내지 약 20 마이크로초(50 kHz 버스트 반복률)일 수 있다. 정확한 시간, 펄스 기간, 및 버스트 반복률은 레이저 설계에 따라 달라질 수 있지만, 고강도의 짧은 펄스(T_d < 20 psec 및 일부 구현 예에서, T_d≤15 psec)는 특히 잘 작동하는 것으로 나타났다.

약 1 kHz 내지 약 2 MHz의 범위, 예컨대, 약 1 kHz 내지 약 200 kHz 번위일 수 있다. 펄스 버스트(201)를 버스팅(Bursting)하거나 생성하는 것은 서브-펄스(201A)의 방출이 균일하고 안정된 스트림이 아니라 펄스 버스트(201)의 밀집된 클러스터(clusters)에 있는 레이저 작동의 한 유형이다. 펄스 버스트 레이저 빔은 투명 워크피스(160)의 재료가 실질적으로 파장에서 투명하도록 작동되는 투명 워크피스(160)의 재료에 기초하여 선택된 파장을 가질 수 있다. 재료에서 측정된 버스트 당 평균 레이저 전력은 재료의 두께의 mm 당 적어도 약 40 μJ일 수 있다. 예를 들어, 구현 예에서, 버스트 당 평균 레이저 전력은 약 40 μJ/mm 내지 약 2500 μJ/mm, 또는 약 500 μJ/mm 내지 약 2250 μJ/mm일 수 있다. 구체적인 예시에서, 0.5 mm 내지 0.7 mm 두께의 Corning EAGLE XG^® 투명 워크피스에 대해, 약 300 μJ 내지 약 600 μJ의 펄스 버스트는 워크피스를 절단하고 및/또는 분리할 수 있으며, 이는 약 428 μJ/mm 내지 약 1200 μJ/mm의 예시적인 범위(즉, 0.7 mm EAGLE XG^{® 유}리에 대해 300 μJ/0.7 mm 및 0.5 mm EAGLE XG^®유리에 대해600 μJ/0.5 mm)에 상응한다.

투명 워크피스(160)를 수정하는 데 필요한 에너지는 펄스 에너지이며, 이는 펄스 버스트 에너지에 관하여(즉, 각 펄스 버스트(201)가 일련의 서브-펄스(201A)를 포함하는 펄스 버스트(201) 내에 포함된 에너지), 또는 단일 레이저 펄스(그 중 다수가 버스트를 포함할 수 있음) 내에 포함된 에너지에 관하여 설명될 수 있다. 펄스 에너지(예를 들어, 펄스 버스트 에너지)는 약 25 μJ 내지 약 750 μJ, 예컨대, 약 50 μJ 내지 약 500 μJ, 또는 약 50 μJ 내지 약 250 μJ일 수 있다. 일부 유리 조성에 대해, 펄스 에너지(예컨대, 펄스 버스트 에너지)는 약 100 μJ 내지 약 250 μJ일 수 있다. 그러나, 디스플레이 또는 TFT 유리 조성에 대해, 펄스 에너지(예컨대, 펄스 버스트 에너지)는 (예컨대, 투명 워크피스(160)의 특정 유리 조성에 따라, 약 300 μJ 내지 약 500 μJ, 약 400 μJ 내지 약 600 μJ) 더 높을 수 있다.

이론에 제한하지 않지만, 펄스 버스트를 발생할 수 있는 펄스 레이저 빔을 포함하는 레이저 빔(112)의 사용은 예를 들어 유리(예컨대, 투명 워크피스(160))와 같은 투명 재료를 절단하거나 수정하기 위해 바람직하다. 단일-펄스 레이저의 반복률만큼 시간으로 이격된 단일 펄스의 사용과 대조적으로, 버스트 내의 빠른 펄스 시퀀스에 걸쳐 펄스 에너지를 확산시키는 버스트 시퀀스의 사용은 단일-펄스 레이저로 가능한 것보다 더 큰 시간 척도의 재료의 고강도 상호 작용에 액세스할 수 있다. 펄스 버스트의 사용(단일 펄스 작동에 반대되는)은 하나 이상의 윤곽(170)을 따라 투면 워크피스(160)를 분리할 때 인접한 결함(172)의 연결을 용이하게 하고, 이로써 의도치 않은 크랙 형성을 최소화하는 결함(172)의 크기(예컨대, 단면 크기)를 증가시킨다. 또한, 결함(172)을 형성하기 위해 펄스 버스트를 사용하는 것은 각 결함(172)으로부터 바깥으로 투명 워크피스(160)의 벌크 재료로 연장되는 크랙의 배향의 임의성을 증가시켜 결함(172)으로부터 바깥으로 연장되는 개별 크랙이 윤곽(170)의 분리에 영향을 주지 않거나 그렇지 않으면 편향되지 않게 하므로 결함(172)의 분리가 윤곽(170)을 따르고, 의도하지 않은 크랙의 형성을 최소화한다.

도 1c를 다시 참고하면, 비구면 광학 요소(120)는 빔 소스(110)와 투명 워크피스(160) 사이의 빔 경로(111) 내에 위치된다. 작동 중, 예컨대 들어오는 가우스 빔과 같은 레이저 빔(112)을 비구면 광학 요소(120)를 통해 전파하는 것은 비구면 광학 요소(120)를 넘어 전파하는 레이저 빔(112)의 일부분이 전술한 준-비-회절이 되도록 레이저 빔(112)을 변경시킬 수 있다. 비구면 광학 요소(120)는 비구면 형태를 포함하는 임의의 광학 요소를 포함할 수 있다. 일부 구현 예에서, 비구면 광학 요소(120)는 예컨대, 액시콘 렌즈(axicon lens), 예를 들어, 음의 굴절 액시콘 렌즈(negative refractive axicon lens), 양의 굴절 액시콘 렌즈, 반사 액시콘 렌즈, 회절 액시콘 렌즈, 프로그램 가능한 공간 광 변조기 액시콘 렌즈(예컨대, 위상 액시콘), 등과 같은 원뿔형 파면 생성 광학 요소(conical wavefront producing optical element)를 포함할 수 있다.

일부 구현 예에서, 비구면 광학 요소(120)는 적어도 하나의 비구면 표면을 포함하며, 비구면 표면의 형태는 다음과 같이 수학적으로 설명된다:

여기서, z'는 비구면 표면의 표면 처짐(sag)이며, r은 비구면 표면과 광학 축(102) 사이의 방사상 방향(예컨대, X-방향 또는 Y-방향)의 거리이고, c는 비구면 표면의 표면 곡률(즉, c_i = 1/R_i, 여기서, R은 비구면 표면의 표면 반경이다)이고, k는 원뿔 상수이고, 및 계수 α_i는 비구면 표면을 설명하는 1차부터 12차까지의 비구면 계수 또는 고차 비구면 계수(다항식 비구면)이다. 하나의 예시의 구현 예에서, 비구면 광학 요소(120)의 적어도 하나의 비구면 표면은 다음의 계수 α₁-α₇을 각각 포함한다: -0.085274788; 0.065748845; 0.077574995; -0.054148636; 0.022077021; -0.0054987472; 0.0006682955; 그리고 비구면 계수 α₈-α₁₂는 0이다. 이 구현 예에서, 적어도 하나의 비구면 표면은 원뿔 상수 k=0을 갖는다. 그러나, α₁계수는 0이 아닌 값을 갖기 때문에, 이는 0이 아닌 값을 가진 원뿔 상수 k를 가진 것과 동등하다. 따라서, 동등한 표면은 0이 아닌 원뿔 상수 k, 0이 아닌 계수 α₁, 0이 아닌 k와 0이 아닌 계수 α₁ 의 결합을 명시함으로써 설명될 수 있다. 또한, 일부 구현 예에서, 적어도 하나의 비구면 표면은 0이 아닌 값을 가진(즉, α₂, α_{3 ...,}α₂≠0) 적어도 하나의 고차원 비구면 계수 α₂ -α₁₂ 에 의해 설명되거나 규정된다. 하나의 예시의 구현 예에서, 비구면 광학 요소(120)는 0이 아닌 계수 α₃ 를 포함하는, 입방체 형태의 광학 요소와 같은 3-차 비구면 광학 요소를 포함한다.

일부 구현 예에서, 비구면 광학 요소(120)는 액시콘(122)(도 1c에 도시됨)을 포함할 때, 액시콘(122)은 약 1.2°의 각도, 예컨대, 약 0.5°내지 약 5°, 또는 약 1°내지 1.5°, 또는 약 0.5° 내지 20°의 각도를 가진 레이저 출력된 표면(126)(예컨대, 원뿔 표면)을 가질 수 있으며, 여기서, 상기 각도는 레이저 빔(112)이 액시콘(122)으로 들어가는 레이저 입력 표면(124)(예컨대, 평평한 표면)에 대해 측정된다. 또한, 레이저 출력 표면(126)은 원뿔 선단에서 끝난다. 더욱이, 비구면 광학 요소(120)는 레이저 입력 표면(124)으로부터 레이저 출력 표면(126)으로 연장되고 원뿔 선단에서 끝나는 중심선 축(125)을 포함한다. 다른 구현 에에서, 비구면 광학 요소(120)는 왁시콘(waxicon), 공간 광 변조기와 같은 공간 위상 변조기, 또는 회절 광학 그래이팅(diffractive optical grating)을 포함할 수 있다. 작동 중, 비구면 광학 요소(120)는 들어오는 레이저 빔(112)(예컨대, 들어오는 가우스 빔)을 준-비-회절 빔으로 형성하며, 이는 결국 제1 렌즈(130)와 제2 렌즈(132)를 통해 지향된다.

도 1c를 계속 참고하면, 제1 렌즈(130)는 제2 렌즈(132) 상류에 위치되고 제1 렌즈(130)와 제2 렌즈(132) 사이의 시준 공간(134, collimation space) 내에 레이저 빔(112)을 시준할 수 있다. 또한, 제2 렌즈(132)는 레이저 빔(112)을 이미징 평면(104)에 위치될 수 있는 투명 워크피스(160)로 초점 맞출 수 있다. 일부 구현 예에서, 제1 렌즈(130)와 제2 렌즈(132) 각각은 평면-볼록 렌즈를 포함한다. 제1 렌즈(130)와 제2 렌즈(132)가 각각 평면-볼록 렌즈를 포함하는 경우, 제1 렌즈(130)와 제2 렌즈(132)의 곡률은 각각 시준 공간(134)을 향해 배향될 수 있다. 다른 구현 예에서, 제1 렌즈(130)는 다른 시준 렌즈를 포함할 수 있고 제2 렌즈(132)는 반달 렌즈(meniscus lens), 비구면, 또는 다른 고차 보정된 초점 렌즈를 포함할 수 있다.

준-비-회절 빔을 사용하는 적용의 경우, 레이저 빔 초점 라인(113)은 투명 워크피스(160)의 제1 표면(162)에 수직하게 배향되어 윤곽(170)을 따른 평균 레이저 강도를 최대화할 수 있다. 레일리 범위 Z_R 및 스폿 크기 w₀의 높은 종횡비로 인해, 준-비-회절 빔의 정렬은 더욱 어려울 수 있다. 작은 각도의 수직 입사로부터의 편차(예컨대, 20°미만)는 윤곽(170)을 따른 레이저 강도의 충분한 감소를 야기할 수 있으며, 이는 원하는 재료 수정을 위한 임계값을 아래로 저하시키고 절단 기능을 잃을 수 있다.

일부 실시 예에서, 준-비-회절 빔의 수직 입사(normal incidence)는 기판을 회전시킴으로써 달성된다. 다른 실시 예에서, 준-비-회절 빔을 직접 회전시키는 것은 3D 기판 상의 미세 특징부를 정확하게 절단하거나 또는 대형 기판을 절단하기 매우 바람직하다. 빔 형상의 보존(preservation)으로 인해, 가우스 빔은 스월링(swirling) 레이저 헤드의 사용을 통해 회전되거나 기울 수 있다. 그러나, 준-비-회절 빔을 회전시키거나 기울이는 것은 매우 어렵다. 광 전파 방향이 광학 시스템의 출력 밖으로 조종될 경우, 특히 준-비-회절 빔 형성 이후, 빔 형태의 뒤틀림이 일어날 수 있다.

본원에 논의된 구현 예는 정밀한 위치 선정(positioning) 및 제어된 준-비-회절 빔을 제공하기 위해 회전 기계 유닛을 통해 준-비-회절 빔 형성을 위해 광학 요소를 통합하는 광학 시스템을 제공한다.

도 3은 일부 구현 예에 따라 투명 워크피스(160) 상에 레이저 가공을 수행하는 시스템(300)의 개략적인 예시를 나타내며, 여기서, 시스템(300)은 광원(light source)(예컨대, 빔 소스(110)) 및 광학 시스템(304)을 포함한다.

이러한 실시 예에서, 빔 소스(110)는 빔 경로(111)를 따라 광학 시스템(304)을 통해 지나가는 레이저 빔(112)을 생성한다. 레이저 빔(112)은 도 2에서 설명된 바와 같이, 펄스 버스트 당 2개 이상의 서브-펄스를 가진 펄스 버스트를 가진 펄스 레이저 빔일 수 있다. 레이저 빔(112)은 처음에 충돌 표면(예컨대, 도 3에 도시된 제1 표면(162)) 상의 충돌 위치(115)에서 투명 워크피스(160)와 접촉하고, 이후 투명 워크피스(160) 내의 레이저 빔 초점 라인(113)으로 초점 맞춰진다. 이러한 실시 예에서, 시스템(300)은 레이저 빔 초점 라인(113)이 충돌 위치(115)에서 제1 표면(162)에 직교될 수 있도록 레이저 빔(112)을 배향시키는 데 사용된다. 시스템(300)은 도 1a에 설명된 윤곽(170)과 유사한 윤곽을 형성하기 위해 투명 워크피스(160)의 레이저 가공을 위해 구성된다. 투명 워크피스(160)는 도 1a에 설명된 투명 워크피스일 수 있으며 알칼리 알루미노실리케이트 유리 재료를 포함할 수 있다.

일부 구현 예에서, 제1 표면(162)은 평평하거나 고르지 않을 수 있다. 다른 구현 예에서, 투명 워크피스(160)는 도 3에 나타낸 것처럼, 3차원 구조를 가질 수 있다. 투명 워크피스는 작은 기판, 또는 약 0.5 m x 0.5 m의 대형 시트, 등일 수 있다.

일부 구현 예에서, 빔 소스(110)는 광학 시스템(304)에 장착될 수 있다. 다른 구현 예에서, 빔 소스(110)는 광학 시스템(304)과 별도로 위치될 수 있다. 이러한 실시 예에서, 레이저 빔(112)은 광학 배열 세트 또는 섬유(미도시)를 통해 광학 시스템(304)으로 안내될 수 있다.

광학 시스템(304)의 출력에서의 레이저 빔(112)은 본원에 설명된 준-비-회절 빔을 포함하며, 이는 베셀 빔, 가우스-베셀 빔, 에어리 빔, 웨버 빔, 및 마티유 빔, 등을 포함한다.

시스템(300)은 하나 이상의 병진 스테이지(190, translating stages) 및 교정 유닛(362)을 더 포함할 수 있다. 이러한 실시 예에서, 하나 이상의 병진 스테이지(190)는 투명 워크피스(160), 빔 소스(110), 광학 시스템(304), 또는 빔 소스(110)와 광학 시스템(304)의 결합을 이동시키도록 구성될 수 있다. 병진 스테이지(190)는 X-, Y-, Z- 방향을 따른 선형 운동학적 움직임을 제공할 수 있으며, 슬라이드(slides), 트랙(tracks), 갠트리(gantries), 또는 광학 시스템을 위한 임의의 적절한 위치 선정 장치를 포함할 수 있다. 따라서, 충돌 위치(115)는 레이저 빔(112)과 투명 워크피스(160) 사이의 상대적인 변위를 통해 조정될 수 있다. 레이저 빔(112)은 빔 경로(111)를 따라 전파하고, 충돌 표면(예컨대, 제1 표면(162))과 각도 α를 형성한다. 본 개시의 광학 시스템(304)은 각도 α를 충돌 위치(115)에서 90도로 조정하기 위해 두 회전 움직임을 제공할 수 있다.

하나 이상의 카메라 또는 이미지 센서와 같은, 교정 유닛(362)은 투명 워크피스(160) 상의 윤곽의 이미지를 통해 레이저 빔(112)의 위치 및 배향을 측정하거나 교정하는 데 사용될 수 있다. 필요한 경우, 병진 스테이지(190)는 교정 유닛(362)으로부터 피드백에 기초하여 광학 시스템(304)에 대한 투명 워크피스(160)의 위치 및 높이를 조정하는 데 사용될 수 있다. 레이저 빔(112)의 배향은 광학 시스템(304)에 의해 조정될 수 있다.

도 4는 광학 시스템(304)의 대표적인 구성을 예시하며, 여기서, 광학 시스템(304)은 비구면 광학 요소(120)와 같은 광학 요소, 제1 반사 광학 디바이스(424), 제1 렌즈(130), 제2 반사 광학 디바이스(430), 및 제2 렌즈(132)를 포함한다. 비구면 광학 요소(120)는 도 4에 도시된 바와 같이, 액시콘(122)일 수 있다. 비구면 광학 요소(120)는 또한 굴절 액시콘, 반사 액시콘, 음의 액시콘, 공간 광 변조기, 회절 광학기, 또는 입방체 형상의 광학 요소를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 반사 광학 디바이스(424, 430)는 미러(mirrors)를 포함한다. 제1 렌즈(130)는 레이저 빔(112)을 시준하도록 구성될 수 있고, 제2 렌즈(132)는 레이저 빔(112)을 초점 맞추도록 구성될 수 있다.

일부 구현 예에서, 비구면 광학 요소(120)는 입사 레이저 빔(112)(예컨대, 들어오는 가우스 빔)을 준-비-회절 빔으로 변환시킬 수 있으며, 여기서, 준-비-회절 빔의 레일리 범위 Z_R은 10 이상의 무차원 발산 계수 F_D를 가진 수식 (32)를 사용하여 결정될 수 있다. 무차원 발산 계수 F_D는 또한 10 내지 2000의 값, 50 내지 1500, 또는 100 내지 1000의 값을 가질 수 있다.

제1 및 제2 렌즈는 광학 시스템(304)의 출력에서 스폿 크기 및 레이저 빔 초점 라인 길이를 수정하는 데 사용될 수 있다. 하나의 예시적인 작동 중, 레이저 빔(112)은 제1 및 제2 반사 광학 디바이스(424, 430)에서 광학 시스템(304) 내에서 방향이 바뀐다. 빔 형태 변형을 최소화하기 위해, 빔 경로(111) 또는 광학 축을 따른 편향 각도는 90도에서 유지될 수 있다.

일부 구현 예에서, 광학 시스템(304)은 제1 부분(416)과 제2 부분(418)을 포함한다. 제1 부분(416)은 비구면 광학 요소(120)와 제1 반사 광학 디바이스(424)를 포함한다. 제2 부분(418)은 제1 렌즈(130), 제2 반사 광학 디바이스(430), 및 제2 렌즈(132)를 포함한다.

일부 구현 예에서, 광학 시스템(304)은 제1 및 제2 부분(416, 418) 중 각 하나에 통합된 제1 회전 디바이스(420)(또한 "제1 토크 모터(torque motor)"로서 본원에서 지칭됨) 및 제2 회전 디바이스(426)(또한 "제2 토크 모터"로 본원에서 지칭됨)를 포함한다. 제1 회전 디바이스(420) 및 제2 회전 디바이스(426)는 예를 들어, 직접-구동 모터와 같은 모터일 수 있다. 직접-구동 모터는 임의의 변속기어(transmission gears)에 의존하지 않고 이동 구조로 직접 출력을 전달할 수 있다. 변속기어의 백래시(backlash) 또는 이력 현상(hysteresis) 없이, 직접-구동 모터는 더 높은 속도, 및 더욱 중요하게는, 더 높은 정확도를 제공할 수 있다. 직접 구동 모터는 레이저 빔을 통과시키기 위한 중심 중공 샤프트를 가진 토크 모터를 포함할 수 있다. 더욱이, 토크 모터는 모터에 의해 제공된 회전을 정확하게 위치 선정하고 추적하기 위해, 예를 들어, 인코더(encoder)와 같은 컴퓨팅 시스템 및 제어 시스템을 포함할 수 있다. 피드백 디바이스와 토크 모터의 부하(load) 사이에 어떠한 기계적 전달이 없기 때문에, 위치 인코더는 정밀한 제어를 위한 높은 해상도를 제공할 수 있다.

광학 시스템(304)에서, 제1 회전 디바이스(420)는 제1 축(434)을 중심으로 제1 부분(416)을 회전시키고 제2 회전 디바이스(426)는 제2 축(436)을 중심으로 제2 부분(418)을 회전시킨다. 일부 구현 예에서, 제1 축(434)은 제2 축(436)에 수직할 수 있다. 이 실시 예에서, 직교좌표계에서 제1 축(434)은 수직 Z-축(또는 C-축)일 수 있고 제2 축(436)은 X- 또는 Y-축(또는 A-축)일 수 있다.

일부 구현 예에서, 제2 부분(418)은 제1 부분(416)과 함께 제1 축(434)을 중심으로 회전할 수 있다. 이 실시 예에서, 제1 축(434)을 중심으로 한 회전이 주 회전이고 제2 축(436)을 중심으로 한 회전이 보조 회전이다.

일부 구현 예에서, 비구면 광학 요소(120)는 고정이고 제1 축(434)을 중심으로 반드시 회전하지 않을 수 있다. 다른 구현 예에서, 제1 렌즈(130)는 제1 축(434)을 중심으로 회전할 수 있고 제2 축(436)을 중심으로 반드시 회전하지 않을 수 있다. 따라서, 구현 예에서, 제1 부분(416)은 비구면 광학 요소(120), 제1 반사 광학 디바이스(424) 및 제1 렌즈(130)를 포함할 수 있고, 제2 부분(418)은 제2 반사 광학 디바이스(430) 및 제2 렌즈(132)를 포함할 수 있다. 다른 구현 예에서, 제1 부분(416)은 제1 반사 광학 디바이스(424)와 제1 렌즈(130)를 포함할 수 있고, 제2 부분(418)은 제2 반사 광학 디바이스(430) 및 제2 렌즈(132)를 포함할 수 있다. 일부 구현 예에서, 제1 부분(416)은 제1 반사 광학 디바이스(424)를 포함하고, 제2 부분(418)은 제1 렌즈(130), 제2 반사 광학 디바이스(430) 및 제2 렌즈(132)를 포함한다.

도 5a는 구현 예에 따른 광학 시스템(304)의 대표적인 디자인을 예시한다. 광학 시스템(304)은 제1 부분(416)과 제2 부분(418)을 포함한다. 광학 시스템(304)은 제1 회전 디바이스(420)와 제2 회전 디바이스(426)를 더 포함한다. 이 실시 예에서, 제1 부분(416)은 비구면 광학 요소(120) 및 제1 반사 광학 디바이스(424)를 포함한다. 이 실시 예에서, 제1 회전 디바이스(420)는 토크 모터를 포함한다. 제1 토크 모터(420)는 스테이터(420S, stator) 및 로터(420R, rotor)를 포함한다. 스테이터(420S)는 고정일 수 있고 로터(420R)는 회전할 수 있다. 비구면 광학 요소(120) 및 제1 반사 광학 디바이스(424)는 로터(420R)에 부착될 수 있다.

일부 구현 예에서, 제1 부분(416)은 중공 샤프트를 가진 슬립 링(550, slip ring)을 더 포함한다. 슬립 링(550)은 광학 시스템(304)의 이동 구조로 전력 및 전기 신호를 전달하는 데 사용될 수 있다. 이 실시 예에서, 레이저 빔(미도시)은 슬립 링(550)과 제1 토크 모터(420)의 중공 샤프트를 통해 지나갈 수 있고, 비구면 광학 요소(120)로 조명될 수 있다. 비구면 광학 요소(120)를 통한 조명하는 빔의 정렬은 준-비-회절 빔을 생성하는 데 중요하다.

일부 구현 예에서, 제2 부분(418)은 제1 렌즈(130), 제2 반사 광학 디바이스(430), 및 제2 렌즈(132)를 포함한다. 이 실시 예에서, 제2 회전 디바이스(426)는 토크 모터를 포함한다. 제2 토크 모터(426)는 스테이터(426S) 및 로터(426R)를 포함한다. 스테이터(426S)는 고정일 수 있고 로터(426R)는 회전할 수 있다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 제1 렌즈(130), 제2 반사 광학 디바이스(430), 및 제2 렌즈(132)는 로터(426R)에 부착될 수 있다. 스테이터(426S)는 예를 들어 금속 튜빙(tubing) 및/또는 커플링(couplings)을 통해 제1 부분(416)의 로터(420R)로 부착될 수 있다.

비구면 광학 요소(120), 제1 반사 디바이스(424), 제1 렌즈(130), 제2 반사 광학 디바이스(430), 및 제2 렌즈(132) 사이의 정렬은 광학 시스템(304)의 출력에서 원하는 준-비-회절 빔을 생성하는데 중요하다. 따라서, 제1 및 제2 반사 광학 디바이스(424, 430)에서의 광 편향 각도는 광학 축을 따라 90도에서 유지될 수 있다.

일부 구현 예에서, 제1 회전 디바이스(420)는 제1 축(434)을 중심으로 제1 부분(416)을 회전시킬 수 있고 제2 회전 디바이스(426)는 제2 축(436)을 중심으로 제2 부분(418)을 회전시킬 수 있다. 제1 축(434)은 수직 X-방향의 C-축을 포함할 수 있고, 제2 축(436)은 X-방향 또는 Y-방향의 A-축을 포함할 수 있다. 일부 구현 예에서, 제2 부분(418)은 또한 로터(420R)와 스테이터(426S) 사이의 강성 연결(rigid connection)을 통해 제1 축(434)을 중심으로 회전할 수 있다.

일부 구현 예에서, 도 5b에 도시된 바와 같이, 비구면 광학 요소(120)는 고정될 수 있고 제1 축(434)을 중심으로 반드시 회전하지 않을 수 있다. 이 실시 예에서, 비구면 광학 요소(120)는 스테이터(420S)에 부착될 수 있다. 일부 구현 예에서, 제1 부분(416)은 제1 렌즈(130)를 포함할 수 있고, 여기서, 제1 렌즈(130)는 제1 축(434)을 중심으로 회전할 수 있고 제2 축(436)을 중심으로 반드시 회전하지 않을 수 있다. 이 실시 예에서, 제1 렌즈(130)는 로터(420R)에 부착될 수 있다.

도 6은 구현 예에 따라, 작동 중 제1 및 제2 위치에서의 대표적인 광학 시스템(304)을 예시한다. 이 실시 예에서, 광학 시스템(304)은 제1 부분(416)과 제2 부분(418)을 포함한다. 제1 부분(416)은 비구면 광학 요소(120) 및 제1 반사 광학 디바이스(424)를 포함한다. 제2 부분(418)은 제1 렌즈(130), 제2 반사 광학 디바이스(430) 및 제2 렌즈(132)를 포함한다. 광학 시스템(304)은 제1 회전 디바이스(420) 및 제2 회전 디바이스(426)를 더 포함한다.

이러한 실시 예에서, 제1 부분(416)은 제1 축(434)을 중심으로 회전할 수 있으며 제2 부분(418)은 제2 축(436)을 중심으로 회전할 수 있다. 이 실시 예에서, 제1 축(434)은 수직 Z-축일 수 있고 제2 축(436)은 수평 X-축 또는 Y-축일 수 있다.

일부 구현 예에서, 제2 부분(418)은 제1 부분(416)에 부착될 수 있고, 또한 제1 축(434)(도 6에 도시됨)을 중심으로 회전할 수 있다.

이 실시 예에서, 도 6의 점선은 제1 회전 디바이스(420)에 의해 구동되는, 제1 축(434)을 중심으로 180도 회전한 후 광학 시스템(304)의 광학 요소의 위치를 예시한다. 제1 부분(416)의 일부로서, 비구면 광학 요소(120) 및 제1 반사 광학 디바이스(424)는 제1 축(434)을 중심으로 180도 회전한다. 제2 부분(418)은 또한 제1 축(434)을 중심으로 180도 회전하며, 동시에 제1 회전 디바이스(420)의 회전 구조에 부착되기 때문에 제1 부분(416)과 함께 회전한다.

도 7 및 8은 구현 예에 따라, 제2 축(436)을 중심으로 하는 제2 부분(418)의 회전에 대한 사시도 및 정면도를 나타낸다.

도 7 및 8에서, 제2 회전 디바이스(426), 제1 렌즈(130)(미도시), 제2 반사 광학 디바이스(430) 및 제2 렌즈(132)는 제2 축(436)을 중심으로 회전할 수 있다. 일부 구현 예에서, 제2 축(436)은 X-방향 또는 Y-방향의 A-축일 수 있다.

일부 구현 예에서, 광학 시스템(304)은 제1 회전 디바이스(420)를 포함할 수 있다. 제1 회전 디바이스(420)는 제1 축(434)을 중심으로 회전할 수 있다. 일부 구현 예에서, 제1 축(434)은 수직 Z-방향의 C-축일 수 있다. 일부 구현 예에서, 광학 시스템(304)은 슬립 링(550)을 더욱 포함할 수 있다.

도 1a 및 도 3를 다시 참고하면, 구현 예에 따라, 투명 워크피스(160)의 프리-폼(free-form) 레이저 가공을 위한 방법이 예시된다. 방법은 시스템(300)을 사용하여 준-비-회절 빔(112)을 발생하는 단계를 포함하며, 여기서, 시스템(300)은 광원(110) 및 광학 시스템(304)을 포함한다. 방법은 또한 투명 워크피스(160)로 준-비-회절 빔(112)을 지향시키는 단계, 유도 흡수를 발생하는 단계, 및 투명 워크피스(160) 내에 결함을 생성하는 단계를 포함한다. 방법은 윤곽선(165)을 따라 투명 워크피스(160)에 대해 준-비-회절 빔(112)을 이동시켜, 투명 워크피스(160)에 다수의 결함(172)을 가진 윤곽(170)을 형성하는 단계를 더 포함하며, 여기서, 준-비-회절 빔(112)은 충돌 위치(115)에 투명 워크피스(160)의 충돌 표면(예컨대, 제1 표면(162))에 직각으로 배향된다.

도 1a, 도 3 및 4를 참고하면, 준-비-회절 빔(112)은 광학 시스템(304)의 회전 디바이스(420, 426)를 통해 임의의 주어진 충돌 위치(115)에서 수직 입사를 유지하도록 조정될 수 있다. 준-비-회절 빔 형태를 유지하고 반사 광학 디바이스(424/430)에서 90도의 반사 각도를 유지하기 위해, 광학 시스템(304)은 3도 회전(three degrees of rotation)이 아니라 2도 회전(two degrees of rotation)을 갖는다. 임의의 주어진 충돌 위치(115)에서 수직 입사를 달성하는 것은 제1 축(434)(예컨대, C-축)을 중심으로 제1 회전 디바이스(420)를 회전하는 제1 단계를 포함하므로, 준-비-회절 빔(112)과 투명 워크피스(160)의 입사 평면이 제2 축(436)(예컨대, A-축)에 수직이거나, 또는 다시 말해서, 제2 축(436)을 중심으로 하는 회전 평면에 평행할 수 있다. 임의의 주어진 충돌 위치(115)에서 수직 입사를 달성하는 것은 준-비-회절 빔(112)이 입사 평면 내에서 기울고 충돌 평면(115)에서 제1 표면(162)에 대해 수직하게 만들어질 수 있도록 제2 회전 디바이스(426)를 회전하는 제2 단계를 포함한다. 곡선의 충돌 표면을 가진 3차원 투명 워크피스(160)의 경우, 준-비-회절 빔(112)과 충돌 표면(162) 사이의 직각 배향은 상이한 표면 배향을 가진 투명 워크피스(160)의 곡선 표면 상에 상이한 위치로 윤곽선(165)을 따라 준-비-회절 빔(112)이 이동하면서 시스템(300)에 의해 유지될 수 있다.

전술한 바와 같이, 프리-폼 레이저 가공을 위해 사용된 시스템(300)은 광원(또는 빔 소스(110)), 제1 및 제2 부분(416, 418)을 포함하는 광학 시스템(304), 및 제1 및 제2 부분(416, 418) 각각에 통합된 제1 및 제2 토크 모터(420, 426)를 포함하며, 제1 토크 모터(420)는 제1 축(434)을 중심으로 제1 부분(416)을 회전하도록 구성되고, 제2 토크 모터(426)는 제2 축(436)을 중심으로 제2 부분(418)을 회전하도록 구성되며 제1 축(434)은 제2 축(436)에 수직한다. 광학 시스템(304)은 비구면 광학 요소(120), 제1 반사 광학 디바이스(424), 광을 시준시키도록 구성된 제1 렌즈(130), 제2 반사 광학 디바이스(430), 및 광을 초점 맞추도록 구성된 제2 렌즈(132)를 포함한다.

도 9는 구현 예에 따른, 준-비-회절 빔(112)의 위치 및 배향을 측정하고 교정하기 위한 대표적인 방법(900)의 흐름도이다. 방법(900)은 도 1a-8을 참고하여 상기 설명된 바와 같이 시스템(300)의 작동을 설명할 수 있다. 방법(900)에 나타낸 작동은 완전하지 않으며 다른 작동이 임의의 예시된 작동들 이전, 이후, 또는 이들 사이에 수행될 수 있음을 이해해야 한다. 본 발명의 다양한 구현 예에서, 방법(900)의 작동은 상이한 순서 및/또는 변화로 수행될 수 있다.

단계(902)에서, 물체(예컨대, 투명 워크피스(160)의 윤곽(도 1a의 윤곽(170)과 유사함)의 이미지는 교정 유닛(362)을 사용함으로써 캡처될 수 있다(도 3에 나타냄). 교정 유닛(362)은 하나 이상의 카메라, 이미지 센서, 3차원 스캐너, 등과 같은 임의의 시각 시스템을 포함할 수 있다. 교정 유닛(362)은 또한 레이저 트래커(laser trackers)와 같은 3차원 좌표 측정 머신(machines)을 포함할 수 있다.

단계(904)에서, 준-비-회절 빔(112)의 움직임은 캡처된 이미지의 하나 이상의 교정 패턴의 변위로부터 결정될 수 있다. 교정 패턴은 현저한 대조 변화를 가지며 및/또는 디지털식으로 추출될 수 있는 임의의 점, 선, 또는 코너 특징부일 수 있다.

단계(906)에서, 캡처된 이미지의 하나 이상의 교정 패턴의 결정된 변위는 미리 결정된 변위와 비교될 수 있다.

단계(908)에서, 차이 값은 캡처된 이미지의 하나 이상의 교정 패턴의 정해진 변위와 미리 결정된 변위의 비교로부터 생성될 수 있다.

단계(910)에서, 준-비-회절 빔(112)의 위치 및 배향은 차이 값에 따라 보정될 수 있다.

단계(912)에서, 단계(902)-(910)로부터 앞선 단계의 캡처 작업, 결정 작업, 비교 작업, 생성 작업 및 보정 작업은 차이 값이 임계값 미만이 될 때까지 반복될 수 있으며, 여기서, 임계값은 20 ㎛ 내지 40 ㎛ 사이의 값을 포함한다. 임계값은 시스템(300)의 해상도에 의해 결정될 수 있다.

본원에서 다양한 구현 예가 설명되었지만, 이들은 제한이 아닌 예시로서 제시되었다. 본원에 제시된 교시 및 안내에 기초하여, 개작 및 수정이 개시된 구현 예의 균등물의 의미 및 범위 내에 있도록 의도된다는 것이 명백해야 한다. 따라서, 본 개시의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 본원에 개시된 구현 예들에 대한 형태 및 세부 사항의 다양한 변경이 이루어질 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 본원에 제시된 구현 예의 요소는 반드시 상호 배타적이지는 않지만, 당업자에 의해 이해되는 바와 같이 다양한 상황을 충족시키기 위해 교환될 수 있다.

본 개시의 구현 예는 첨부된 도면에 도시된 바와 같은 그의 구현 예를 참조하여 본원에서 상세하게 설명되며, 동일한 참조 번호는 동일하거나 기능적으로 유사한 요소를 나타내기 위해 사용된다. "일 구현 예", "구현 예", "일부 구현 예", "특정 구현 예에서" 등에 대한 언급은 설명된 구현 예가 특정 특징, 구조 또는 특성을 포함할 수 있지만 모든 구현 예가 반드시 특정 기능, 구조 또는 특성을 포함할 수는 없음을 나타낸다. 더욱이, 그러한 문구는 반드시 동일한 구현 예를 지칭하는 것은 아니다. 또한, 특정 특징, 구조 또는 특성이 구현 예와 관련하여 설명될 때, 명시적으로 설명되었는지 여부에 관계없이 다른 구현 예와 관련하여 그러한 특징, 구조 또는 특성에 영향을 미치는 것은 당업자의 지식 내에 있다는 것이 제출된다.

구현 예는 본 개시 내용을 제한하는 것이 아니라 예시적인 것이다. 당해 분야에서 통상적으로 접하고 당업자에게 명백할 다양한 조건 및 매개 변수의 다른 적절한 수정 및 적응은 본 개시의 사상 및 범위 내에 있다.

본원에 사용된 용어 "또는"은 포괄적이고; 보다 구체적으로, "A 또는 B"라는 문구는 "A, B 또는 A와 B 모두"를 의미한다. 배타적 "또는"은 예를 들어 "A 또는 B" 및 "A 또는 B 중 하나"와 같은 용어로 본원에서 지정된다.

요소 또는 구성요소를 설명하기 위한 부정 관사 "하나" 및 "한"은 이러한 요소 또는 구성 요소 중 하나 또는 적어도 하나가 존재함을 의미한다. 이러한 관사들은 변형된 명사가 단수 명사임을 나타내기 위해 통상적으로 사용되지만, 본원에서 사용된 바와 같이 관사 "한" 및 "하나"는 또한 특정 예에서 달리 언급되지 않는 한 복수를 포함한다. 유사하게, 본원에서 사용된 정관사 "그(the)"는 또한 특정 예에서 달리 언급되지 않는 한 수정된 명사가 단수 또는 복수일 수 있음을 의미한다.

청구 범위에 사용된 바와 같이, "포함하는"은 개방형 전환 문구이다. 과도기적 어구 "포함하는" 다음에 오는 요소의 목록은 비배타적인 목록이므로 목록에서 구체적으로 언급된 요소에 더하여 요소도 존재할 수 있다. 청구 범위에 사용된 바와 같이, "본질적으로 구성되는" 또는 "본질적으로 구성되는"은 재료의 구성을 특정 재료 및 재료의 기본 및 신규 특성(들)에 실질적으로 영향을 미치지 않는 재료로 제한한다. 청구 범위에 사용된 바와 같이, "구성된" 또는 "전체적으로 구성된"은 재료의 구성을 지정된 재료로 제한하고 지정되지 않은 재료는 제외한다.

용어 "여기서"는 구조의 일련의 특성을 낭독하기 위해 개방형 과도기 문구로 사용된다.

특정 상황에서 달리 언급되지 않는 한, 상한 및 하한값을 포함하는 수치 값의 범위가 본원에서 언급되는 경우, 범위는 그 범위 내의 모든 정수 및 분수를 포함하는 것으로 의도된다. 청구항의 범위는 범위를 정의할 때 인용된 특정 값으로 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 또한, 양, 농도 또는 다른 값 또는 매개 변수가 범위, 하나 이상의 바람직한 범위 또는 상위 바람직한 값과 하위 바람직한 값의 목록으로 제공되는 경우, 이러한 쌍이 개별적으로 개시되는지 여부에 관계없이, 임의의 범위 상한 또는 선호 값 및 임의의 하한 또는 선호 값의 임의의 쌍으로부터 형성된 모든 범위를 구체적으로 개시하는 것으로 이해되어야 한다. 마지막으로, "약"이라는 용어가 범위의 값 또는 종점을 설명하는 데 사용되는 경우, 본 개시 내용은 언급된 특정 값 또는 종점을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 명세서의 범위의 수치 값 또는 범위의 종점이 "약"을 언급하든 아니든, 범위의 수치 값 또는 종점은 두 가지 구현 예를 포함하도록 의도된다: 하나는 "약"에 의해 수정되고 다른 하나는 "약"에 의해 수정되지 않는다.

본원에 사용된 용어 "약"은 양, 크기, 범위, 제형, 매개 변수 및 기타 양 및 특성이 정확하지 않고 정확할 필요는 없지만 근사 및/또는 더 크거나 작을 수 있고, 원하는 대로, 허용 오차, 변환 계수, 반올림, 측정 오류, 및 당업자에게 알려진 기타 요인을 반영합니다.

본 구현 예(들)는 지정된 기능 및 그 관계의 구현을 예시하는 기능 빌딩 블록(building blocks)의 도움으로 위에서 설명되었다. 이러한 기능적 빌딩 블록의 경계는 설명의 편의를 위해 여기에서 임의로 정의되었다. 지정된 기능과 그 관계가 적절하게 수행되는 한 대체 경계를 정의할 수 있다.

본원에서 사용된 어법 또는 용어는 제한이 아니라 설명을 위한 것임을 이해해야 한다. 본 개시의 폭 및 범위는 전술한 예시적인 구현 예 중 어느 것에 의해 제한되어서는 안되며, 다음의 청구 범위 및 그 균등물에 따라 정의되어야 한다.

Claims

레이저 빔을 생성하도록 구성된 광원(110);
제1 및 제2 부분(416, 418)을 포함하는 광학 시스템(304); 및
상기 제1 및 제2 부분(416, 418) 각각에 통합된 제1 및 제2 토크 모터(420, 426), 여기서 상기 레이저 빔은 상기 제1 토크 모터(420)의 샤프트를 통해 지나감;를 포함하며,
여기서, 상기 제1 토크 모터(420)는 제1 스테이터(420S) 및 제1 로터(420R)를 포함하고 제1 축(434)을 중심으로 상기 제1 부분(416)을 회전시키도록 구성되고, 상기 제1 스테이터(420S)는 고정되고 상기 제1 로터(420R)는 회전하도록 구성되고;
상기 제2 토크 모터(426)는 제2 스테이터(426S) 및 제2 로터(426R)를 포함하고 제2 축(436)을 중심으로 상기 제2 부분(418)을 회전시키도록 구성되고, 상기 제2 스테이터(426S)는 고정되고 상기 제2 로터(426R)는 회전하도록 구성되며;
상기 제1 축(434)은 상기 제2 축(436)에 수직하고,
여기서, 상기 제1 부분(416)은 비구면 광학 요소(120) 및 제1 반사 광학 디바이스(424)를 포함하고, 상기 비구면 광학 요소(120) 및 제1 반사 광학 디바이스(424)는 상기 제1 토크 모터(420)의 제1 로터(420R)에 부착되며;
상기 제2 부분(418)은 제2 반사 광학 디바이스(430), 제1 렌즈(130), 및 제2 렌즈(132)를 포함하고, 상기 제2 반사 광학 디바이스(430), 제1 렌즈(130), 및 제2 렌즈(132)는 상기 제2 토크 모터(426)의 제2 로터(426R)에 부착되는, 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 렌즈는 광을 시준하도록 구성되고;
상기 제2 렌즈는 광을 초점 맞추도록 구성되는, 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 비구면 광학 요소는 굴절 액시콘, 반사 액시콘, 음의 액시콘, 공간 광 변조기, 회절 광학기, 또는 입방체 형상의 광학 요소를 포함하는, 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 및 제2 반사 광학 디바이스는 거울을 포함하는, 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 부분은 렌즈를 더 포함하는, 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 레이저 빔은 펄스 버스트 당 2개 이상의 서브-펄스를 포함하는 펄스 버스트를 가진 펄스 레이저 빔인, 시스템.
청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 시스템은 준-비-회절 빔을 발생하도록 구성된, 시스템.
청구항 7에 있어서,
상기 준-비-회절 빔은:
파장 λ;
스폿 크기 W₀; 및
보다 큰 레일리 범위 Z_R을 포함하는 단면, 여기서, F_D는 10 이상의 값을 포함하는 무차원 발산 계수임;을 포함하는, 시스템.
청구항 8에 있어서,
상기 무차원 발산 계수 F_D는 10 내지 2000, 50 내지 1500, 또는 100 내지 1000의 값을 포함하는, 시스템.
청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
상기 시스템은 투명 워크피스(160)를 레이저 가공하도록 구성되는, 시스템.
시스템(300)에 의해 준-비-회절 빔을 발생하는 단계;
상기 준-비-회절 빔을 투명 워크피스(160)로 지향시키고, 유도 흡수를 발생하여, 상기 투명 워크피스(160) 내에 결함(172)을 생성하는 단계; 및
상기 시스템(300)에 의해 윤곽선(165)을 따라 상기 투명 워크피스(160)에 대해 상기 준-비-회절 빔을 이동시키고, 상기 투명 워크피스(160)의 다수의 결함(172)을 통해 윤곽(170)을 형성하는 단계;를 포함하고,
여기서, 상기 준-비-회절 빔은 충돌 위치에서 상기 투명 워크피스(160)의 곡선의 충돌 표면에 대해 직각으로 배향되고,
상기 준-비-회절 빔이 상이한 표면 배향을 가진 상기 투명 워크피스(160)의 곡선의 충돌 표면의 상이한 위치에서 윤곽선을 따라 이동함에 따라 상기 준-비-회절 빔과 상기 곡선의 충돌 표면 사이에서 직각 배향을 유지하며,
상기 시스템(300)은:
광원(110);
제1 및 제2 부분(416, 418)을 포함하는 광학 시스템(304); 및
상기 제1 및 제2 부분(416, 418) 각각에 통합된 제1 및 제2 토크 모터(420, 426);를 포함하며,
여기서, 상기 제1 토크 모터(420)는 제1 스테이터(420S) 및 제1 로터(420R)를 포함하고 제1 축(434)을 중심으로 상기 제1 부분(416)을 회전시키도록 구성되고, 상기 제1 스테이터(420S)는 고정되고 상기 제1 로터(420R)는 회전하도록 구성되고;
상기 제2 토크 모터(426)는 제2 스테이터(426S) 및 제2 로터(426R)를 포함하고 제2 축(436)을 중심으로 상기 제2 부분(418)을 회전시키도록 구성되고, 상기 제2 스테이터(426S)는 고정되고 상기 제2 로터(426R)는 회전하도록 구성되며;
상기 제1 축(434)은 상기 제2 축(436)에 수직하고,
여기서, 상기 제1 부분(416)은 비구면 광학 요소(120) 및 제1 반사 광학 디바이스(424)를 포함하고, 상기 비구면 광학 요소(120) 및 제1 반사 광학 디바이스(424)는 상기 제1 토크 모터(420)의 제1 로터(420R)에 부착되며;
상기 제2 부분(418)은 제2 반사 광학 디바이스(430), 제1 렌즈(130), 및 제2 렌즈(132)를 포함하고, 상기 제2 반사 광학 디바이스(430), 제1 렌즈(130), 및 제2 렌즈(132)는 상기 제2 토크 모터(426)의 제2 로터(426R)에 부착되는, 방법.
청구항 11에 있어서,
상기 제1 렌즈는 광을 시준하도록 구성되고;
상기 제2 렌즈는 상기 광을 초점 맞추도록 구성되는, 방법.
물체의 윤곽의 이미지를 캡처하는 단계;
캡처된 이미지의 교정 패턴의 변위로부터 시스템(300)에 의해 발생된 준-비-회절 빔의 움직임을 결정하는 단계;
미리 결정된 변위와 결정된 상기 변위를 비교하는 단계;
상기 비교 단계로부터 차이 값을 생성하는 단계;
상기 차이 값에 따라 상기 준-비-회절 빔의 위치 및 배향을 수정하는 단계; 및
상기 차이 값이 임계값 미만이 될 때까지 상기 캡처 단계, 결정 단계, 비교 단계, 생성 단계 및 수정 단계를 반복하는 단계;를 포함하며,
상기 시스템(300)은:
광원(110);
제1 및 제2 부분(416, 418)을 포함하는 광학 시스템(304); 및
상기 제1 및 제2 부분(416, 418) 각각에 통합된 제1 및 제2 토크 모터(420, 426);를 포함하며,
여기서, 상기 제1 토크 모터(420)는 제1 스테이터(420S) 및 제1 로터(420R)를 포함하고 제1 축(434)을 중심으로 상기 제1 부분(416)을 회전시키도록 구성되고, 상기 제1 스테이터(420S)는 고정되고 상기 제1 로터(420R)는 회전하도록 구성되고;
상기 제2 토크 모터(426)는 제2 스테이터(426S) 및 제2 로터(426R)를 포함하고 제2 축(436)을 중심으로 상기 제2 부분(418)을 회전시키도록 구성되고, 상기 제2 스테이터(426S)는 고정되고 상기 제2 로터(426R)는 회전하도록 구성되며;
상기 제1 축(434)은 상기 제2 축(436)에 수직하고,
여기서, 상기 제1 부분(416)은 비구면 광학 요소(120) 및 제1 반사 광학 디바이스(424)를 포함하고, 상기 비구면 광학 요소(120) 및 제1 반사 광학 디바이스(424)는 상기 제1 토크 모터(420)의 제1 로터(420R)에 부착되며;
상기 제2 부분(418)은 제2 반사 광학 디바이스(430), 제1 렌즈(130), 및 제2 렌즈(132)를 포함하고, 상기 제2 반사 광학 디바이스(430), 제1 렌즈(130), 및 제2 렌즈(132)는 상기 제2 토크 모터(426)의 제2 로터(426R)에 부착되는, 방법.
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