KR20160101103A - 슬롯 및 구멍의 레이저 가공 - Google Patents

Abstract

본 발명은 투명 재료, 특히, 유리의 얇은 기판 내의 내부 윤곽을 절단 및 분리하기 위한 프로세스에 관한 것이다. 이 방법은 기판에 구멍이나 천공부를 형성하기 위해 초단파 펄스 레이저를 사용하는 것을 수반하며, 여기에는 천공선 주변에서의 완전한 분리를 촉진하기 위해 CO₂ 레이저 비임의 사용이 후속될 수 있다.

Description

슬롯 및 구멍의 레이저 가공{LASER PROCESSING OF SLOTS AND HOLES}

본 출원은 2013년 12월 17일자로 출원된 미국 가출원 제61/917148호 및 2014년 7월 10일자로 출원된 미국 가출원 제62/022855호의 이득을 주장하는 2014년 11월 7일자로 출원된 미국 출원 제14/536009호에 대한 35 U.S.C.§120 하의 우선권의 이득을 주장한다. 이들 출원의 전체 교지는 본 명세서에 참조로 통합되어 있다.

투명 재료, 예컨대, 유리로 이루어진 얇은 기판에 구멍 및 슬롯을 절단하는 것은 구멍 또는 슬롯의 윤곽을 따라 재료를 절제하기 위해 사용되는 집속된 레이저 비임에 의해 달성될 수 있고, 이 경우, 내부 플러그가 외부 기판 부재에 더 이상 부착되어 있지 않게 될 때까지 재료의 층을 층층이 제거하기 위하여 다수회 통과가 사용되게 된다. 이런 프로세스의 문제점은 이들이 재료를 층층이 제거하기 위해 레이저 비임의 다수회 통과(수십회 또는 심지어 그 이상)를 필요로 한다는 것, 이들이 부분의 표면을 오염시키게 되는 상당한 절제 파편을 발생시킨다는 것 및 이들이 윤곽의 에지를 따라 다량의 표면 손상(>100 μm)을 발생시킨다는 점이다.

따라서, 구멍 및 슬롯을 절단하기 위한 개선된 프로세스가 필요하다.

본 명세서에 개시된 실시예는 투명 재료, 특히, 유리의 얇은 기판 내의 내부 윤곽을 절단 및 분리하기 위한 프로세스에 관한 것이다.

일 실시예에서, 재료를 레이저 천공하는 방법은 비임 전파 방향을 따라 본, 레이저 비임 초점선으로 펄스형 레이저 비임을 집속하는 단계; 제1 위치에서 재료 내로 레이저 비임 초점선을 안내하는 단계로서, 레이저 비임 초점선은 재료 내에 유도 흡수를 발생시키고, 유도 흡수는 재료 내에서 레이저 비임 초점선을 따라 구멍을 생성하는, 단계; 제1 위치로부터 시작하여 제1 폐쇄형 윤곽을 따라 재료와 펄스형 레이저 비임을 서로에 대해 병진시킴으로써, 재료 내의 제1 폐쇄형 윤곽을 따라 복수의 구멍을 레이저 천공하는 단계; 제1 위치로부터 시작하여 제1 폐쇄형 윤곽을 따라 재료와 펄스형 레이저 비임을 서로에 대해 병진시킴으로써 재료 내에서 제1 폐쇄형 경로를 따라 복수의 구멍을 레이저 천공하는 단계; 및 제1 폐쇄형 윤곽을 따라 재료의 내부 플러그의 제거를 이행하도록 제1 폐쇄형 윤곽 내에 포함된 제2 폐쇄형 윤곽 둘레의 재료에 이산화탄소(CO₂) 레이저를 안내하는 단계를 포함한다.

본 특허 또는 출원 파일은 컬러로 그려진 적어도 하나의 도면을 포함한다. 필요한 요금을 지불하고 요청하면 특허청으로부터 컬러 도면(들)을 갖는 본 특허 또는 특허 출원 공보의 사본을 제공받을 수 있다.
상술한 바는 첨부 도면에 예시된 바와 같은 본 발명의 예시적 실시예에 대한 후속하는 더 구체적인 설명으로부터 명백히 알 수 있을 것이며, 첨부 도면에서, 유사 참조 부호는 다양한 도면 전반에 걸쳐 동일한 부분을 지칭한다. 도면은 반드시 축척대로 그려진 것이 아니며, 대신, 본 발명의 실시예를 예시함에 있어 강조가 부여되어 있다.
도 1은 시작 시트의 절단될 부분의 예시도이다. 이 부분은 외부 및 내부 윤곽 양자 모두를 갖는다. 외부 윤곽은 추가적 절단부 또는 "방출선"을 추가함으로써 모재 시트로부터 쉽게 방출될 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 레이저 비임 초점선의 위치설정, 즉, 초점선을 따른 유도 흡수에 기인한, 레이저 파장에 대해 투명한 재료의 가공의 예시도이다.
도 3a는 레이저 천공을 위한 광학 조립체의 예시도이다.
도 3b-1 내지 도 3b-4는 기판에 대해 레이저 비임 초점선을 서로 다르게 위치설정함으로써 기판을 가공하는 다양한 가능성의 예시도이다.
도 4는 레이저 천공을 위한 제2 광학 조립체의 예시도이다.
도 5a 및 도 5b는 레이저 천공을 위한 제3 광학 조립체의 예시도이다.
도 6은 레이저 천공을 위한 제4 광학 조립체의 개략적 예시도이다.
도 7a 내지 도 7c는 재료의 레이저 가공을 위한 다른 체계의 예시도이다. 도 7a는 비집속 레이저 비임을 예시하고, 도 7b는 구면 렌즈에 의해 응집된 레이저 비임을 예시하고, 도 7c는 액시콘(axicon) 또는 회절 프레넬 렌즈에 의해 응집된 레이저 비임을 예시한다.
도 8a는 시간에 대비한 예시적 펄스 버스트 내의 레이저 펄스의 상대적 강도를 개략적으로 예시하며, 각 예시적 펄스 버스트는 3개 펄스를 갖는다.
도 8b는 예시적 펄스 버스트 내에서 시간에 대비한 레이저 펄스의 상대적 강도를 개략적으로 예시하며, 각 예시적 펄스 버스트는 5개 펄스를 포함한다.
도 8c는 내부 윤곽을 형성하고 이 윤곽 내측의 재료를 제거하기 위해 추종되는, 다양한 레이저 단계 및 경로에 대한 설명이다.
도 9는 윤곽 내측의 재료를 제거하기 위해 추종되는, CO₂ 레이저 단계 및 경로에 대한 설명이다.
도 10은 0.7 mm 두께 샘플로부터 절단 및 그후 분리된 구멍 및 슬롯의 예이다. 이 구멍 및 슬롯은 본 발명에 따른 프로세스를 사용하여 절단 및 제거되었다.
도 11은 내부 재료를 제거하기 위해 CO₂ 절제 프로세스가 사용된 이후, 본 명세서에 설명된 프로세스로 형성된 슬롯의 내부 에지의 사시 이미지(angled image)이다.
도 12는 0.7 mm 두께 코닝 2320 NIOX(비이온교환) 두께 기판 및 외부 윤곽의 직선 절단 스트립의 에지 이미지이다. 이 에지는 도 11에 도시된 매우 유사한 에지에 비교될 수 있다.
도 13은 본 명세서에 설명된 프로세스에 의해 형성된 슬롯의 절단 에지의 상면도이다. 윤곽의 에지에 어떠한 칩형성이나 균열(checking)도 관찰되지 않는다. 이 윤곽은 약 2 mm의 반경을 갖는다.
도 14a 내지 도 14c는 변형된 유리의 균등 이격된 결함선 또는 손상 트랙을 갖는, 결손선(또는 천공선)의 예시도이다.

예시적 실시예에 대한 설명이 후속된다.

본 명세서에는 투명 재료, 특히, 유리의 얇은 기판 내의 내부 윤곽을 절단 및 분리하기 위한 프로세스가 개시되어 있다. 이 방법은 기판에 구멍이나 천공부를 형성하기 위해 초단파 펄스 레이저를 사용하는 것을 수반하며, 여기에는 천공선 주변에서의 완전한 분리를 촉진하기 위해 CO₂ 레이저 비임의 사용이 후속될 수 있다. 후술된 레이저 프로세스는 낮은 표면하 손상(<75 μm) 및 양호한 표면 조면도(Ra < 0.5 μm)로 단일 통과로 다양한 유리의 완전 절단체(full body cut)를 생성한다. 표면하 손상(SSD)은 유리 부재의 절단 에지에 수직인 크랙 또는 "균열"의 정도로서 규정된다. 이들 크랙이 유리 부재 내로 연장하는 거리의 크기는 유리 에지 강도를 개선시키기 위해 사용되는 연삭 및 연마 작업으로부터 요구될 수 있는 추후 재료 제거의 양을 결정할 수 있다. SSD는 등각 현미경을 사용하여 크랙으로부터 산란되는 광을 관찰하고 주어진 절단 에지에 걸쳐 유리 본체 내로 크랙이 연장하는 최대 거리를 결정함으로써 측정될 수 있다.

일 실시예는 분리 공정에 의해 재료, 예컨대, 유리 내의 내부 윤곽을 절단 및 분리하기 위한 방법에 관련하며, 이 분리 공정은 분리 공정에 의한 손상 없이, 상술한 천공 프로세스에 의해 생성되는 고품질 에지를 노출시킨다. 부분이 기판의 시작 시트로부터 절단 배출될 때, 이는 도 1에 도시된 바와 같이, 외부 또는 내부 윤곽을 포함할 수 있다. 시트로부터의 해당 부분의 외부 윤곽 방출은 도 1에 도시된 바와 같이 "방출선"이라 알려진 추가적 절단선을 추가함으로써 수행될 수 있다. 그러나, 내부 윤곽에 대하여, 이들이 관련 부분을 훼손할 수 있으므로 어떠한 방출선도 형성될 수 없다. 일부 경우에, 고도 응력부여 재료 및 충분히 큰 내부 윤곽에 대하여, 내부 부분은 자체 분리되고 떨어져 나올 수 있다. 그러나, 작은 구멍 및 슬롯(예를 들어, 10 mm 구멍, 수 mm 미만, 예컨대, ≤3 mm 또는 ≤2 mm 또는 심지어 ≤1 mm의 폭의 슬롯)에 대하여, 응력부여된 재료에 대해서 조차도 내부 부분이 떨어져 나오지 않을 것이다. 구멍은 일반적으로 단면이 원형 또는 실질적 원형인 특징부로서 규정된다. 대조적으로, 슬롯은 일반적으로 고도의 타원적 특징부, 예컨대, 4:1을 초과한, 통상적으로 5:1 이상인, 예로서, 1.5 mm x 15 mm 또는 3 mm x 15 mm 또는 1 mm x 10 mm 또는 1.5 mm x 7 mm 등인 폭에 대한 길이의 형상비(예를 들어, 예로서 단면에서 또는 상단 또는 저부로부터 볼 때)를 갖는다. 슬롯은 둥근 코너를 가질 수 있거나, 코너들이 날카로운(90 도) 특징부일 수 있다.

스마트 폰의 "홈(home)" 또는 전원 버튼을 위해 요구되는 유리 부재 내의 구멍 같은 내부 윤곽을 분리하는 것의 과제는 윤곽이 잘 천공되고 그 둘레로 크랙이 전파되었다 하더라도, 플러그 주변의 재료에 의해 재료의 내부 플러그가 압축력을 받아 제 위치에 고정되어 있을 수 있다는 것이다. 이는 플러그를 낙하배출시킬 수 있는 자동화된 방출 프로세스가 과제가 되는 부분이라는 것을 의미한다. 이 문제점은 Gorilla® 유리 같은 화학적으로 강화된 유리 기판의 경우에서와 같이 절단되는 재료가 높은 응력 상태에 있고 크랙 형성이 용이한 경우인지 또는 Eagle XG® 유리의 경우에서와 같이 재료가 낮은 응력에 있는 경우인지 여부에 무관하게 발생된다. 고도 응력 유리는 약 24 MPa보다 큰 중앙(유리 두께의 중심에서) 장력을 갖는 유리이고, 저 응력 유리는 통상적으로 약 24 MPa보다 작은 중앙 장력을 갖는다.

본 출원은 일반적으로 강도를 보전하는 부분 에지에 대한 최소의 손상 및 무시가능한 파편으로 제어가능한 형태로 유리 기판으로부터 임의적 형상을 정밀하게 절단 및 분리하기 위한 레이저 방법 및 장치에 관한 것이다. 개발된 레이저 방법은 선형 체계에서의 레이저 파장에 대한 재료 투명도 또는 낮은 레이저 강도에 의존하며, 이는 레이저 초점 주변의 고 강도의 영역에 의해 생성된 감소된 표면하 손상 및 깨끗한, 그리고, 본연의 표면 품질의 유지를 가능하게 한다. 이러한 프로세스의 핵심적 가능화 요인 중 하나는 초단파 펄스형 레이저에 의해 생성되는 결함의 높은 형상비이다. 이는 절단될 재료의 상단 표면으로부터 저부 표면까지 연장하는 결손선의 생성을 가능하게 한다. 원론적으로, 이러한 결함은 단일 레이저 펄스에 의해 생성될 수 있고, 필요시, 추가적인 펄스가 사용되어 영향받은 영역의 연장부를 증가시킬 수 있다(깊이 및 폭).

짧은 펄스 피코초 레이저 및 초점선을 생성하는 광학장치의 사용으로, 폐쇄형 윤곽이 유리 시트에 천공된다. 천공부는 직경이 수 미크론 미만이고, 천공부의 통상적 간격은 1 내지 15 μm이고, 천공부는 유리 시트 전체를 통해 진행된다.

재료 제거를 이행하기 위한 취약 지점을 생성하기 위해, 추가적 윤곽이 그후 선택적으로 동일 프로세스에 의해 제1 윤곽의 내부로 수백 미크론에서 천공될 수 있다.

유리 재료를 절제하기에 충분히 높은 파워 밀도의 집속된 CO₂ 레이저 비임이 그후 제2 윤곽 둘레를 추종함으로써, 유리 재료의 분열 및 제거를 유발한다. 레이저의 한번 이상의 통과가 사용될 수 있다. 고압 보조 가스도 CO₂ 비임과 공선적인 노즐을 통해 강제 배출되어 유리 재료를 더 큰 유리 부재의 외부로 구동하기 위한 추가적 힘을 제공한다.

투명 재료를 절단 및 분리하기 위한 방법은 본질적으로 초단파 펄스형 레이저로 처리되는 재료 상에 결손선을 생성하는 것에 기초한다. 재료 물성(흡수, CTE, 응력, 조성 등)과 결정된 해당 재료를 가공하기 위해 선택된 레이저 파라미터에 따라서, 결손선만의 생성으로 자체 분리를 유도하기에 충분할 수 있다. 이는 상당한(즉, 약 24 MPa보다 큰) 내부 또는 중앙 장력(CT)을 갖는 가장 강화된 유리(절단 이전에 이미 이온교환이 수행된 것들)에 대한 경우이다. 이 경우, 장력/굴곡력 또는 CO₂ 레이저 같은 어떠한 부차적 분리 프로세스도 필요하지 않다.

일부 경우에, 생성된 결손선은 유리를 자동으로 분리시키기에 충분하지 않다. 이는 Eagle XG®, Lotus 또는 임의의 이온교환 단계 이전에 절단되는 이온교환가능한 유리 같은 디스플레이 유리에 대한 경우인 경우가 많다. 따라서, 부차적 프로세스 단계가 필요할 수 있다. 바람직하다면, 제2 레이저가 사용되어 예로서 이를 분리하기 위한 열적 응력을 생성할 수 있다. Corning 코드 2320 NIOX(비이온교환 Gorilla® 유리 3)의 경우에, 결함선의 생성 이후, 기계적 힘을 인가함으로써 또는 적외 CO₂ 레이저 비임으로 기존 결손선을 추적함으로써 열적 응력을 생성하고 부분이 자체 분리되게 하여 분리가 달성될 수 있다는 것을 발견하였다. 다른 선택권은 분리 시작시에만 CO₂ 레이저를 사용하여 분리를 개시하고 수동으로 분리를 마무리하는 것이다. 선택적 CO₂ 레이저 분리는 10.6 μm를 출사하는 탈초점(즉, 직경 2-12 mm의 유리에서의 스팟 사이즈) 연속 파 레이저 및 그 듀티 사이클을 제어함으로써 조절되는 파워에 의해 달성된다. 초점 변화(즉, 탈초점 정도)는 스팟 사이즈를 변화시킴으로써 유도 열적 응력을 변화시키기 위해 사용된다. 천공선의 생성 이후, CO₂ 유도 분리는 일반적으로 유리에서의 ~40W의 파워, 약 2 mm의 스팟 사이즈 및 ~14-20 m/min의 비임 횡단율을 사용하여 달성될 수 있다.

그러나, 유리가 결함선의 형성 이후 자체 분리를 시작하기에 충분한 내부 응력을 갖는 경우에도, 절단 윤곽의 기하형상은 내부 유리 부분의 방출을 방지할 수 있다. 이는 단순 구멍 또는 슬롯 같은 대부분 폐쇄형인 또는 내부 윤곽의 경우이다. 개구의 내부 부분은 유리 시트에 존재하는 압축력에 기인하여 제 위치에 유지되며-크랙은 천공된 결함부 사이에서 전파할 수 있지만, 모재 시트로부터 부재가 떨어져 나올 수 있게 하는 공간이 존재하지 않는다.

결함 또는 천공선의 형성

제1 프로세스 단계를 위해, 해당 결함선을 생성하기 위해 다수의 방법이 존재한다. 선 초점을 형성하는 광학적 방법은 도넛 형상 레이저 비임과 구면 렌즈, 액시콘 렌즈, 회절 요소 또는 고 강도의 선형 영역을 형성하기 위한 다른 방법을 사용하여 다양한 형태를 취할 수 있다. 기판 재료의 파괴를 생성하기에 충분한 광학적 강도가 도달된다면, 레이저의 유형(피코초, 펨토초 등) 및 파장(IR, 그린, UV 등)도 변화될 수 있다. 이 파장은 예로서, 1064, 532, 355 또는 266 나노미터일 수 있다.

소정 범위의 유리 조성물의 본체를 완전히 천공하기 위하여 초점선을 생성하는 광학장치와 조합하여 초단파 펄스 레이저가 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 개별 펄스의 펄스 기간은 약 1 피코초 초과와 약 100 피코초 미만 사이, 예컨대, 약 5 피코초 초과와 약 20 피코초 미만 사이의 범위일 수 있고, 개별 펄스의 반복율은 약 1 kHz와 4 MHz 사이의 범위, 예컨대, 약 10 kHz와 650 kHz 사이의 범위일 수 있다.

상술한 개별 펄스 반복율에서의 단일 펄스 동작에 추가로, 펄스는 약 1 nsec와 약 50 nsec 사이의 범위, 예로서, 10 내지 50 nsec 또는 10 내지 30 nsec, 예컨대 약 20 nsec의 펄스 버스트 내의 개별 펄스 사이의 기간으로 분리되어 있는 2개 펄스 또는 그 이상(예컨대, 예를 들어, 3 펄스, 4 펄스, 5 펄스, 10 펄스, 15 펄스, 20 펄스 또는 그 이상)의 버스트로 생성될 수 있고, 버스트 반복 주파수는 약 1 kHz와 약 200 kHz 사이의 범위일 수 있다. (버스트화 또는 펄스 버스트의 생성은 펄스의 출사가 균일하고 정적인 스트림이 아니라 대신 밀접한 펄스의 클러스터들인 레이저 동작의 일 유형이다.) 펄스 버스트 레이저 비임은 재료가 이 파장에서 실질적으로 투명하도록 선택된 파장을 가질 수 있다. 재료에서 측정된 버스트 당 평균 레이저 파워는 재료의 mm 두께 당 40 μJ, 예로서, 40 μJ/mm와 2500 μJ/mm 사이 또는 200과 800 μJ/mm 사이일 수 있다. 예로서, 0.5mm 내지 0.7 mm 두께 Corning 2320 비이온교환 유리에 대하여, 유리를 절단 및 분리하기 위해 200 μJ 펄스 버스트를 사용할 수 있으며, 이는 285-400 μJ/mm의 예시적 범위를 제공한다. 유리는 임의의 원하는 부분의 형상을 추종하는 천공선을 생성하도록 레이저 비임에 대해 이동된다(또는 레이저 비임이 유리에 대해 병진된다).

레이저는 유리의 전체 깊이를 관통하는 구멍형 결함 구역(또는 손상 트랙 또는 결함선)을 생성하고, 이 결함 구역은 예로서, 직경이 대략 1 미크론인 내부 개구를 갖는다. 이들 천공부, 결함 영역, 손상 트랙 또는 결함선은 일반적으로 1 내지 15 미크론(예로서, 2 내지 12 미크론 또는 3 내지 10 미크론) 이격된다. 결함선은 예로서 유리 시트 두께를 통해 연장하며, 유리 시트의 주(평탄한) 표면에 직교한다.

일 실시예에서, 초단파(~10 psec) 버스트 펄스형 레이저가 사용되어 일정하고, 제어가능하면서 반복적인 방식으로 이러한 높은 형상비의 수직 결함선을 생성한다. 이러한 수직 결함선의 생성을 가능하게 하는 광학적 설정의 세부사항은 2013년 1월 15일자로 출원된 미국 출원 제61/752,489호에 설명되어 있고, 후술된다. 이러한 개념의 핵심은 초단파(피코초 또는 팸토초 기간) 베셀(Bessel) 비임을 사용한 높은 형상비의 비-테이퍼 마이크로채널의 영역을 생성하기 위해 광학 렌즈 조립체에 액시콘 렌즈 요소를 사용하는 것이다. 달리 말하면, 액시콘은 레이저 비임을 원통형 형상이면서 높은 형상비인(긴 길이 및 작은 직경) 영역으로 응집한다. 응집된 레이저 비임에 의해 생성되는 높은 강도에 기인하여, 레이저 전자기장과 재료의 비선형적 상호작용이 발생하고, 레이저 에너지가 기판에 전달된다. 그러나, 레이저 에너지 강도가 높지 않은 영역에서(즉, 유리 표면, 중앙 수렴선 주변의 유리 체적), 유리에 대해 아무런 일도 발생하지 않으며, 그 이유는 레이저 강도가 비선형 임계치 미만이기 때문이다.

도 2a 및 도 2b로 돌아가서, 재료를 레이저 천공하는 방법은 비임 전파 방향을 따라 볼 때, 펄스형 레이저 비임(2)을 레이저 비임 초점선(2b)으로 집속하는 것을 포함한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 레이저(3)(미도시)는 광학 조립체(6)에 입사되는, 2a라 지칭되는 광학 조립체(6)의 비임 입사측에서 레이저 비임(2)을 출사한다. 광학 조립체(6)는 입사 레이저 비임을 비임 방향을 따라 규정된 확장 범위(초점선의 길이(l))에 걸쳐 출력측 상의 광범위한 레이저 비임 초점선(2b)으로 전향시킨다. 가공되는 평면형 기판(1)은 광학 조립체가 레이저 비임(2)의 레이저 비임 초점선(2b)에 부분적으로 중첩한 이후 비임 경로 내에 위치된다. 참조번호 1a는 광학 조립체(6) 또는 레이저에 대면하는 평면형 기판의 표면을 나타내고, 참조번호 1b는 일반적으로 평행하게 이격된 기판(1)의 이면 표면을 나타낸다. 기판 두께(평면(1a 및 1b)에 대해, 즉, 기판 평면에 대해 직각으로 측정됨)는 d로 표시된다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 기판(1)은 종방향 비임 축에 직각으로, 그리고, 따라서, 광학 조립체(6)에 의해 생성된 동일한 초점선(2b) 뒤쪽에 정렬되고(기판은 도면 평면에 직각임), 비임 방향을 따라 보면, 이는 비임 방향으로 본 초점선(2b)이 기판의 표면(1a) 이전에 시작하고 기판의 표면(1b) 이전에, 즉, 여전히 기판 내에 있는 상태에서 정지하는 방식으로 초점선(2b)에 대해 위치된다. 기판(1)과의 레이저 비임 초점선(2b)의 중첩 영역에서, 즉, 초점선(2b)으로 덮여진 기판 재료에서, 따라서 넓은 레이저 비임 초점선(2b)은 종방향 비임 방향을 따라 볼 때 넓은 섹션(2c)을 생성하고(길이(l)의 섹션 상에서의 레이저 비임(2)의 집속, 즉, 길이(l)의 선 초점에 기인하여 보증되는 레이저 비임 초점선(2b)을 따른 적절한 레이저 강도의 경우), 이를 따라, 유도 흡수가 기판 재료 내에 생성되며, 이는 섹션(2c)을 따른 기판 재료 내에 결함선 또는 크랙 형성을 유도한다. 크랙 형성은 국소 뿐만 아니라, 유도 흡수의 넓은 섹션(2c)의 전체 길이에 걸쳐 존재한다. 섹션(2c)의 길이(즉, 결국, 기판(1)과 레이저 비임 초점선(2b)의 중첩의 길이)은 참조번호 L로 표시된다. 유도 흡수의 섹션의 평균 직경 또는 평균 연장부(또는 크랙 형성이 이루어지는 기판(1)의 재료의 섹션)는 참조번호 D로 표시된다. 평균 연장부(D)는 기본적으로 레이저 비임 초점선(2b)의 평균 직경(δ), 즉, 약 0.1 μm와 약 5 μm 사이의 범위의 평균 스팟 직경에 대응한다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 레이저 비임(2)의 파장(λ)에 대해 투명한 기판 재료는 초점선(2b)을 따른 유도 흡수에 기인하여 가열된다. 도 2b는 대응적으로 유도된 장력이 마이크로-크랙 형성을 초래하도록 가온된 재료가 결국 팽창하게 되는 것을 개요설명하며, 장력은 표면(1a)에서 최고이다.

초점선(2b)을 생성하기 위해 적용될 수 있는 구체적 광학 조립체(6) 및 이들 광학 조립체가 적용될 수 있는 구체적 광학적 설정이 후술된다. 모든 조립체 또는 설정은 상술한 설명에 기초하며, 그래서, 동일한 구성요소나 특징 또는 그 기능이 동일한 것들에는 동일한 참조번호가 사용된다. 따라서, 차이점만을 후술한다.

결국 분리를 초래하는 분할 면이 고품질이거나 고품질로 이루어져야만 하기 때문에(파괴 강도, 기하형상 정밀도, 조면도 및 재기계가공 요구의 회피에 관하여), 분할선(5)을 따라 기판 표면 상에 위치되는 개별 초점선은 후술된 광학 조립체를 사용하여 생성되어야 한다(이하에서, 광학 조립체는 대안적으로 레이저 광학장치라고도 지칭된다). 조면도는 특히 초점선의 스팟 사이즈 또는 스팟 직경으로부터 초래된다. 레이저(3)의 주어진 파장(λ)의 경우에 예로서, 0.5 μm 내지 2 μm의 작은 스팟 사이즈를 달성하기 위해(기판(1)의 재료와의 상호작용), 레이저 광학장치(6)의 개구수에 소정 요건이 일반적으로 부여되어야 한다. 이들 요건은 후술된 레이저 광학장치(6)에 의해 충족된다.

요구되는 개구수를 달성하기 위해, 광학장치는 한편으로는 공지된 아베(Abbe) 공식(N.A. = n sin(세터), n: 가공되는 유리의 굴절 지수, 세터: 개구 각도의 절반; 및 세터 = arctan (D/2f); D: 개구, f: 초점 길이)에 따라 주어진 초점 길이를 위해 요구되는 개방부를 결정하여야 한다. 다른 한편, 레이저 비임은 요구되는 개구까지 과학장치를 조명하여야만 하며, 이는 통상적으로 레이저와 집속 광학장치 사이의 확폭 텔레스코프(widening telescope)를 사용한 비임 확폭에 의해 달성된다.

스팟 사이즈는 초점선을 따른 균일한 상호작용의 목적을 위해 너무 강하게 변하지 않아야 한다. 이는 예로서, 비임 개구, 그리고, 따라서, 개구수의 백분율이 단지 미소하게만 변하도록 작은 원형 영역에서만 집속 광학장치를 조명함으로써 보증될 수 있다(후술된 실시예 참조).

도 3a(레이저 방사선(2)의 레이저 비임 다발의 중앙 비임의 레벨에서 기판 평면에 직각인 섹션; 여기서, 역시, 레이저 비임(2)의 중심은 바람직하게는 기판 평면에 직각으로 입사하고, 즉, 각도가 0도이고, 그래서, 초점선(2b) 또는 유도 흡수(2c)의 넓은 섹션은 기판 법선에 평행함)에 따라서, 레이저(3)에 의해 출사되는 레이저 방사선(2a)은 먼저 원형 개구(8) 상으로 안내되고, 이 원형 개구는 사용되는 레이저 방사선에 대해 완전히 불투명하다. 개구(8)는 종방향 비임 축에 수직으로 배향되고, 도시된 비임 다발(2a)의 중앙 비임에 중심설정된다. 개구(8)의 직경은 비임 다발(2a)의 중심 또는 중앙 비임(여기서 2aZ로 표시됨) 부근의 비임 다발이 개구에 부딪히고, 그에 의해 완전히 흡수되는 방식으로 선택된다. 비임 다발(2a)의 외부 주연부 범위의 비임(주변 광선, 여기서, 2aR로 표시됨)만이 비임 직경에 비해 감소된 개구 크기에 기인하여 흡수되지 않고 측방으로 개구(8)를 통과하며 광학 조립체(6)의 집속 광학 요소의 주변 영역에 부딪히고, 이는 여기서 구면 절단된 양방향볼록 렌즈(7)로서 설계되어 있다.

중앙 비임 상에 중심설정된 렌즈(7)는 의도적으로 일반적, 구면 절단 렌즈 형태의 비보정, 양방향 볼록 집속 렌즈로서 설계되어 있다. 달리 말하면, 이런 렌즈의 구면 수차가 의도적으로 사용된다. 대안으로서, 이상적 초점을 형성하지 않고 규정된 길이의 구별되는 세장형 초점선을 형성하는, 이상적으로 보정된 시스템으로부터 벗어나는 비구면 또는 다중렌즈 시스템도 사용될 수 있다(즉, 단일 초점을 갖지 않는 렌즈 또는 시스템). 따라서, 렌즈의 구역들은 초점선(2b)을 따라 집속되고, 렌즈 중심으로부터 거리를 갖게 된다. 비임 방향을 가로지른 개구(8)의 직경은 비임 다발의 직경(1/e²로의 감소까지의 연장에 의해 형성되는 비임 다발 직경)(강도)의 약 90%이고, 광학 조립체(6)의 렌즈의 직경의 약 75%이다. 따라서, 중심에서 비임 다발을 차단함으로써 생성된 비-수차 보정 구면 렌즈(7)의 초점선(2b)이 사용된다. 도 3a는 중앙 비임을 통한 하나의 평면의 섹션을 도시하며, 도시된 비임이 초점선(2b) 둘레로 회전되면 완전한 3차원 다발을 볼 수 있다.

이러한 초점선의 한 가지 단점은 초점선을 따른, 그리고, 따라서, 재료의 원하는 깊이를 따른 조건(스팟 사이즈, 레이저 강도)가 변하고, 따라서, 원하는 유형의 상호작용(비용융, 유도 흡수, 크랙 형성까지의 열-가소성 변형)이 초점선의 일부에서만 선택될 수 있다는 것이다. 이는 따라서 입사 레이저 광의 단지 일부만이 원하는 방식으로 흡수될 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 방식에서, 한편으로는 프로세스의 효율(원하는 분리 속도를 위한 요구 평균 레이저 파워)이 훼손되고, 다른 한편으로는 레이저 광이 원하지 않은 더 깊은 장소(기판 또는 기판 보유 고정구에 부착된 부분 또는 층) 내로 전달될 수 있고, 원하지 않는 방식으로(가열, 확산, 흡수, 원하지 않는 변경) 그곳에서 상호작용할 수 있다.

도 3b-1 내지 도 3b-4는 (도 3a의 광학 조립체 뿐만 아니라, 기본적으로 임의의 다른 적용가능한 광학 조립체(6)에 대해) 레이저 비임 초점선(2b)이 기판(1)에 대해 광학 조립체(6)를 적절히 위치설정 및/또는 정렬함으로써, 그리고, 광학 조립체(6)의 파라미터를 적절히 선택함으로써 다르게 위치설정될 수 있다는 것을 보여준다. 도 3b-1이 개요설명하는 바와 같이, 초점선(2b)의 길이(l)는 기판 두께(d)를 초과하는 방식으로(여기서는 인자 2만큼) 조절될 수 있다. 기판(1)이 초점선(2b)에 대해 중앙에 배치되는 경우(종방향 비임 방향에서 볼 때), 유도 흡수(2c)의 넓은 섹션이 전체 기판 두께에 걸쳐 생성된다.

도3b-2에 도시된 경우에, 기판 두께(d)와 실질적으로 동일한 길이(l)를 갖는 초점선(2b)이 생성된다. 선(2)에 대해 기판(1)이 선(2b)이 기판 이전, 즉, 외측의 지점에서 시작하기 때문에, (본 경우에, 기판 표면으로부터 규정된 기판 깊이까지 연장하고 이면 표면(1b)까지는 연장하지 않는) 유도 흡수(2c)의 넓은 섹션의 길이(L)는 초점선(2b)의 길이(l)보다 작다. 도 3b-3은 기판(1)(비임 방향을 따라 볼 때)이 초점선(2b)의 시작 지점 이전에 부분적으로 위치되고, 그래서, 여기에서도 역시 선(2b)의 길이(l)에 l> L(L=기판(1)의 유도 흡수(2c)의 섹션의 연장)이 적용되는 경우를 도시한다. 따라서, 초점선은 기판 내에서 시작하고, 이면 표면(1b)을 거쳐 기판을 초과하도록 연장한다. 도 3b-4는 마지막으로 -입사 방향에서 본 초점선에 대한 기판의 중앙 위치설정의 경우- 초점선이 기판 내의 표면(1a) 부근에서 시작하고 기판 내의 표면(1b) 부근(l = 0.75 · d)에서 종결되도록 기판 두께(d)보다 작은 초점선 길이(l)를 생성하는 경우를 도시한다.

적어도 하나의 표면(1a, 1b)이 초점선에 의해 덮여지는 방식, 즉, 유도 흡수(2c)의 섹션이 적어도 하나의 표면 상에서 시작하는 방식으로 초점선 위치설정을 실현하는 것이 특히 유리하다. 이러한 방식으로, 표면에서의 절제, 피더링(feathering) 및 미립자형성을 피하면서 실질적으로 이상적인 절단을 달성하는 것이 가능하다.

도 4는 다른 적용가능한 광학 조립체(6)를 도시한다. 기본적 구성은 도 3a에 도시된 것을 따르며, 그래서, 차이점만을 후술한다. 도시된 광학 조립체는 규정된 길이(l)의 초점선이 형성되는 방식으로 성형된, 초점선(2b)을 생성하기 위해 비구면 자유 표면을 갖는 광학장치를 사용하는데 기초한다. 이를 위해, 광학 조립체(6)의 광학 요소로서 비구면이 사용될 수 있다. 도 4에서, 예로서, 액시콘이라고도 지칭되는 소위 원추형 프리즘이 사용된다. 액시콘은 구면, 원추형 절단 렌즈이고, 이는 광학 축을 따른 선 상에 스팟 소스를 형성한다(또는 레이저 비임을 링으로 변환한다). 이런 액시콘의 레이아웃은 원론적으로 본 기술 분야의 숙련자에게 알려져 있으며, 본 예의 원추 각도는 10도이다. 여기서 참조번호 9로 표시된 액시콘의 정점은 입사 방향을 향해 지향되고, 비임 중심에 중심설정된다. 액시콘(9)의 초점선(2b)이 이미 그 내부에서 시작하기 때문에, 기판(1)(여기서는, 주 비임 축에 직각으로 정렬됨)은 액시콘(9) 바로 뒤의 비임 경로에 위치될 수 있다. 도 4가 도시하고 있는 바와 같이, 또한, 초점선(2b)의 범위를 남기지 않고 액시콘의 광학 특성에 기인하여 비임 방향을 따라 기판(1)을 변위시키는 것도 가능하다. 따라서, 기판(1)의 재료의 유도 흡수(2c)의 넓은 섹션은 전체 기판 두께(d)에 걸쳐 연장한다.

그러나, 도시된 레이아웃은 이하의 구속을 받게 된다: 액시콘(9)의 초점선이 이미 렌즈 내에서 시작하기 때문에, 레이저 에너지의 상당한 부분이 렌즈와 재료 사이의 거리가 유한한 경우에, 재료 내에 위치되는 초점선(2b)의 부분(2c) 내에 집속되지 않는다. 또한, 초점선(2b)의 길이(l)는 액시콘(9)의 가용 굴절 지수 및 원추 각도에 대하여 비임 직경에 관련되어 레이저 에너지가 다시 재료 내에 특정하게 집속되지 않는 영향을 가지며, 이는 비교적 얇은 재료(수 밀리미터)의 경우, 전체 초점선이 너무 길어지는 이유이다.

이것이 개선된 광학 조립체(6)가 액시콘과 집속 렌즈 양자 모두를 포함하는 이유이다. 도 5a는 넓은 레이저 비임 초점선(2b)을 형성하기 위해 설계된 비구면 자유 표면을 갖는 제1 광학 요소(비임 방향을 따라 본 경우)가 레이저(3)의 비임 경로 내에 위치되는 광학 조립체(6)를 도시한다. 도 5a에 도시된 경우에서, 이 제1 광학 요소는 레이저 비임(3) 상에 중심설정되고 비임 방향에 직각으로 위치되어 있는 5도의 원추 각도를 갖는 액시콘(10)이다. 액시콘의 정점은 비임 방향을 향해 배향된다. 제2 집속 광학 요소, 여기서는, 평면-볼록 렌즈(11)(곡률부가 액시콘을 향해 배향됨)가 액시콘(10)으로부터의 거리(z1)에서 비임 방향으로 위치된다. 본 경우에는 대략 300 mm인 거리(z1)는 액시콘(10)에 의해 형성된 레이저 방사선이 렌즈(11)의 주변 영역에 원형으로 입사하도록 선택된다. 렌즈(11)는 본 경우에는 1.5 mm인 규정된 길이의 초점선(2b) 상에서, 본 경우에는 렌즈(11)로부터 약 20 mm인 거리(z2)에서 출력 측부 상에 원형 방사선을 집속한다. 렌즈(11)의 유효 초점 길이는 여기서 25 mm이다. 액시콘(10)에 의한 레이저 비임의 원형 변환은 참조번호 SR로 표시되어 있다.

도 5b는 도 5a에 따른 기판(1)의 재료 내에서의 유도 흡수(2c) 또는 초점선(2b)의 형성을 상세히 도시한다. 양 요소(10, 11)의 광학 특성 및 이들의 위치설정은 비임 방향으로 초점선(2b)의 연장(l)이 기판(1)의 두께(d)와 정확히 동일한 방식으로 선택된다. 결과적으로, 비임 방향을 따른 기판(1)의 정확한 위치설정은 도 5b에 도시된 바와 같이, 기판(1)의 두 표면(1a, 1b) 사이에서 정확하게 초점선(2b)을 위치설정하기 위해 요구된다.

따라서, 초점선이 레이저 광학장치로부터 소정 거리에 형성되고 레이저 방사선의 더 큰 부분이 초점선의 원하는 단부까지 집속되는 것이 유리하다. 설명된 바와 같이, 이는 요구되는 구역 상에서만 원형으로 주 집속 요소(11)(렌즈)를 조명함으로써 달성될 수 있으며, 이는 한편으로는 요구되는 개구수, 그리고, 따라서, 필요한 스팟 사이즈를 실현하도록 기능하지만, 그러나, 다른 한편으로는 기본적으로 원형 스팟이 형성되기 때문에 확산의 원은 스팟의 중심에서 매우 짧은 거리에 걸친 요구되는 초점선(2b) 이후 강도가 감소한다. 이러한 방식으로, 요구되는 기판 깊이의 짧은 거리 내에서 크랙 형성이 정지된다. 액시콘(10)과 집속 렌즈(11)의 조합은 이러한 요건을 충족시킨다. 액시콘은 두 가지 다른 방식으로 작용한다: 액시콘(10)에 기인하여, 일반적으로 둥근 레이저 스팟이 링의 형태로 집속 렌즈(11)에 전송되고, 액시콘(10)의 비구면성은 초점선이 초점 평면의 초점 대신 렌즈의 초점 평면을 지나서 형성되게 하는 영향을 갖는다. 초점선(2b)의 길이(l)는 액시콘 상의 비임 직경을 통해 조절될 수 있다. 다른 한편, 초점선을 따른 개구수는 액시콘-렌즈 거리(z1) 및 액시콘의 원추 각도를 통해 조절될 수 있다. 이러한 방식에서, 전체 레이저 에너지는 초점선에 집중될 수 있다.

크랙 형성(즉, 결함선)이 기판의 탈출측까지 이어지게되는 경우, 원형 조명은 여전히 한편으로는 레이저 광의 대부분이 요구되는 초점선의 길이에서 집중되어 유지되기 때문에 최상의 가능한 방식으로 레이저 파워가 사용되고, 다른 한편으로는 다른 광학적 기능에 의해 설정된 원하는 수차와 연계된 원형 조명 구역에 기인하여 초점선을 따른 균일한 스팟 사이즈-따라서, 초점선을 따른 균일한 분리 프로세스-를 달성할 수 있게 한다는 장점을 갖는다.

도 5a에 도시된 평면-볼록 렌즈 대신, 집속 메니스커스 렌즈 또는 다른 더 고도로 보정된 집속 렌즈(비구면, 다중렌즈 시스템)를 사용하는 것도 가능하다.

도 5a에 도시된 렌즈와 액시콘의 조합을 사용하여 매우 짧은 초점선(2b)을 생성하기 위해, 액시콘에 입사하는 레이저 비임의 매우 작은 비임 직경을 선택할 필요가 있을 수 있다. 이는 액시콘의 정점 상으로 비임을 중심설정하는 것이 매우 정밀하여야만 하고, 따라서, 결과가 레이저의 방향 변동(비임 드리프트 안정성)에 매우 민감하다는 실용적 단점을 갖는다. 또한, 엄격히 시준된 레이저 비임은 매우 발산성이며, 즉, 광 편향에 기인하여, 비임 다발이 짧은 거리에 걸쳐 흐려지게 된다.

도 6에 도시된 바와 같이, 이 양자의 영향은 다른 렌즈인 시준 렌즈(12)를 삽입함으로써 회피될 수 있고, 이 추가적인 양의 굴절력의(positive) 렌즈(12)는 매우 엄격하게 집속 렌즈(11)의 원형 조명을 조절하도록 기능한다. 시준 렌즈(12)의 초점 길이(f')는 원하는 원 직경(dr)이 f'와 같은, 액시콘으로부터 시준 렌즈(12)까지의 거리(z1a)로부터 초래되는 방식으로 선택된다. 링의 원하는 폭(br)은 거리(z1b)(시준 렌즈(12)로부터 집속 렌즈(11)까지)를 통해 조절될 수 있다. 순수 기하형상의 문제로서, 원형 조명의 작은 폭은 짧은 초점선을 초래한다. 최소치는 거리(f')에서 달성될 수 있다.

도 6에 도시된 광학 조립체(6)는 따라서, 도 5a에 도시된 것에 기초하며, 그래서, 단지 차이점만을 후술한다. 여기서 또한 평면-볼록 렌즈(비임 방향을 향한 그 곡률부를 가짐)로서 설계되는 시준 렌즈(12)가 일 측의 액시콘(10)(그 정점이 비임 방향을 향함)과 다른 측부 상의 평면-볼록 렌즈(11) 사이에서 비임 경로 내에 중앙에서 추가로 배치된다. 액시콘(10)으로부터의 시준 렌즈(12)의 거리는 z1a라 지칭되고, 시준 렌즈(12)로부터 집속 렌즈(11)의 거리는 z1b라 지칭되고, 집속 렌즈(11)로부터 생성된 초점선(2b)의 거리는 z2라 지칭된다(항상 비임 방향으로 봄). 도 6에 도시된 바와 같이, 시준 렌즈(12) 상의 원형 직경(dr) 하에서 발산적으로 입사되는 액시콘(10)에 의해 형성된 원형 방사선(SR)은 집속 렌즈(11)에서 적어도 대략 일정한 원 직경(dr)을 위해 거리(z1b)를 따라 요구되는 원 폭(br)으로 조절된다. 도시된 경우에, 매우 짧은 초점선(2b)은 렌즈(12)에서 대략 4 mm의 원 폭(br)이 렌즈(12)의 집속 물성에 기인하여 렌즈(11)에서 약 0.5 mm으로 감소되도록 생성된다(원 직경(dr)은 본 예에서 22 mm이다).

도시된 예에서, 초점 길이(f'=150 mm)의 시준 렌즈, 초점 길이(f = 25 mm)의 집속 렌즈(11), 및 2 mm의 통상적 레이저 비임 직경을 사용하여 0.5 mm보다 작은 초점선(l)의 길이를 달성할 수 있다. 또한, Z1a = Z1b = 140 mm 및 Z2 = 15 mm가 적용된다.

도 7a 내지 도 7c는 상이한 레이저 강도 체계에서 레이저-물질 상호작용을 예시한다. 도 7a에 도시된 제1 경우에, 비집속 레이저 비임(710)은 그에 어떠한 변경도 도입하지 않고 투명 기판(720)을 통해 진행한다. 이러한 특정 경우에, 레이저 에너지 밀도(또는 비임에 의해 조명되는 단위 영역 당 레이저 에너지)가 비선형적 영향을 유도하기 위해 필요한 임계치 미만이기 때문에, 비선형적 영향은 존재하지 않는다. 에너지 밀도가 더 높으면, 전자기장의 강도가 더 높다. 따라서, 도 7b에 도시된 바와 같이, 레이저 비임이 더 작은 스팟 사이즈로 구면 렌즈(730)에 의해 집속될 때, 도 7b에 도시된 바와 같이, 조명 영역은 감소되고, 에너지 밀도는 증가하여 해당 조건이 충족되는 체적에서만 결손선의 형성을 허용하도록 재료를 변형시키는 비선형적 영향을 촉발한다. 이러한 방식으로, 집속된 레이저의 비임 허리(beam waist)가 기판의 표면에 위치되는 경우, 표면의 변형이 발생한다. 대조적으로, 집속된 레이저 비임의 비임 허리가 기판의 표면 아래에 위치되는 경우, 에너지 밀도가 비선형 광학 영향의 임계치 미만인 경우 표면에 어떠한 일도 발생하지 않는다. 그러나, 기판(720)의 벌크 내에 위치되어 있는 초점(740)에서, 레이저 강도는 다중-광자 비선형 영향을 촉발하기에 충분히 높고 따라서, 재료에 대한 손상을 유도한다. 마지막으로, 도 7c에 도시된 바와 같이, 액시콘의 경우에, 도 7c에 도시된 바와 같이, 액시콘 렌즈(750) 또는 대안적으로 프레넬 액시콘의 회절 패턴은 베젤 형상 강도 분포(높은 강도의 실린더(760))를 생성하는 간섭을 생성하고, 해당 체적에서만 재료(720)에 대한 비선형적 흡수 및 변형을 생성하기에 충분하게 강도가 높다. 베젤 형상 강도 분포가 재료에 대한 비선형적 흡수 및 변형을 생성하기에 충분하게 높은 실린더(760)의 직경은 또한 여기서 지칭되는 바와 같이 레이저 비임 초점선의 스팟 직경이다. 베젤 비임의 스팟 직경(D)은 D= (2.4048 λ)/(2πB)로 표현될 수 있고, 여기서, λ는 레이저 비임 파장이고, B는 액시콘 각도의 함수이다.

본 명세서에 설명된 이런 피코초 레이저의 통상적 동작은 펄스 500A의 "버스트"(500)를 생성한다는 것을 유의하여야 한다. (예로서, 도 8a 및 도 8b 참조). 각 "버스트"("펄스 버스트" 500이라고도 본 명세서에서 지칭됨)는 매우 짧은 기간의 다수의 개별 펄스(500A)(예컨대, 적어도 2 펄스, 적어도 3 펄스, 적어도 4 펄스, 적어도 5 펄스, 적어도 10 펄스, 적어도 15 펄스, 적어도 20 펄스 또는 그 이상)를 포함한다. 즉, 펄스 버스트는 펄스의 "포켓"이고, 버스트는 각 버스트 내의 개별 인접 펄스의 분리보다 긴 기간만큼 서로 분리되어 있다. 펄스(500A)는 100 psec까지의 펄스 기간(Td)을 갖는다(예컨대, 0.1 psec, 5 psec, 10 psec, 15 psec, 18 psec, 20 psec, 22 psec, 25 psec, 30 psec, 50 psec, 75 psec, 또는 그 사이). 버스트 내의 각 개별 펄스(500A)의 에너지 또는 강도는 버스트 내의 다른 펄스의 것과 같지 않을 수 있고, 버스트(500) 내의 다수의 펄스의 강도 분포는 종종 레이저 디자인에 의해 관장되는 시간적인 지수적 감쇠를 추종한다. 바람직하게, 본 명세서에 설명된 예시적 실시예의 버스트(500) 내의 각 펄스(500A)는 후속 펄스로부터 시간적으로 1 nsec 내지 50 nsec의 기간(Tp) 만큼 분리된다(예를 들어, 10-50 nsec 또는 10-30 nsec, 시간은 빈번히 레이저 공동 디자인에 의해 관장됨). 주어진 레이저에 대하여, 버스트(500) 내의 인접한 펄스 사이의 시간 분리(Tp)(펄스간 분리)는 비교적 균일하다(±10% ). 예로서, 일부 실시예에서, 버스트 내의 각 펄스는 후속 펄스로부터 시간적으로 대략 20 nsec(50 MHz)만큼 분리된다. 예로서, 약 20 nsec의 펄스 분리(Tp)를 생성하는 레이저에 대하여, 버스트 내의 펄스간 분리(Tp)는 약 ±10% 또는 약 ±2 nsec 이내에서 유지된다. 펄스의 각 "버스트" 사이의 시간(즉, 버스트 사이의 분리(Tb)는 매우 더 길다(예를 들어, 0.25 ≤ Tb ≤ 1000 마이크로초, 예로서, 1-10 마이크로초 또는 3-8 마이크로초). 본 명세서에 설명된 레이저의 일부 예시적 실시예에서, 시간 분리(Tb)는 약 200 kHz의 펄스 버스트 반복율 또는 주파수를 갖는 레이저에 대하여 5 마이크로초 정도이다. 레이저 버스트 반복율은 버스트 내의 제1 펄스와 후속 버스트 내의 제1 펄스까지의 사이의 시간(Tb)에 관련한다(레이저 버스트 반복율 = 1/Tb). 일부 실시예에서, 레이저 버스트 반복 주파수는 약 1 kHz와 약 4 MHz 사이의 범위에 있을 수 있다. 더 바람직하게, 레이저 버스트 반복율은 예로서 약 10 kHz와 650 kHz 사이의 범위일 수 있다. 각 버스트 내의 제1 펄스와 후속 버스트 내의 제1 펄스까지의 사이의 시간(Tb)은 0.25 마이크로초(4 MHz 버스트 반복율) 내지 1000 마이크로초(1 kHz 버스트 반복율), 예로서 0.5 마이크로초(2 MHz 버스트 반복율) 내지 40 마이크로초 (25 kHz 버스트 반복율) 또는 2 마이크로초(500 kHz 버스트 반복율) 내지 20 마이크로초(50k Hz 버스트 반복율)일 수 있다. 정확한 타이밍, 펄스 기간 및 버스트 반복율은 레이저 디자인에 따라 변할 수 있지만, 높은 강도의 짧은 펄스(Td <20 psec 그리고, 바람직하게는 Td≤15 psec)는 특히 양호한 가공을 나타내었다.

재료를 변형하기 위해 요구되는 에너지는 버스트 에너지-버스트 내에 포함된 에너지(각 버스트(500)는 일련의 펄스(500A)를 포함-에 관련하여 또는 단일 레이저 펄스 내에 포함된 에너지(단일 레이저 펄스 중 다수는 버스트를 포함할 수 있음)에 관련하여 설명될 수 있다. 이들 용례에 대하여, 버스트 당 에너지는 25-750 μJ, 더 바람직하게는 50-500 μJ, 또는 50-250 μJ일 수 있다. 일부 실시예에서, 버스트 당 에너지는 100-250 μJ이다. 펄스 버스트 내의 개별 펄스의 에너지는 적을 수 있고, 정확한 개별 레이저 펄스 에너지는 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같은 시간에 따른 레이저 펄스의 감쇠율(예를 들어, 지수적 감쇠율) 및 펄스 버스트(500) 내의 펄스(500A)의 수에 의존한다. 예로서, 일정한 에너지/버스트에 대하여, 펄스 버스트가 10개 개별 레이저 펄스(500A)를 포함하는 경우, 이때, 각 개별 레이저 펄스(500A)는 동일한 펄스 버스트(500)가 단지 2개의 개별 레이저 펄스를 갖는 경우보다 적은 에너지를 포함한다.

이런 펄스 버스트를 생성할 수 있는 레이저의 사용은 투명 재료, 예컨대, 유리를 절단 또는 변형하기 위해 유리하다. 단일 펄스형 레이저의 반복율에 의해 시간적으로 이격된 단일 펄스의 사용과는 대조적으로, 버스트(500) 내의 급속한 펄스의 순서열에 걸쳐 레이저 에너지를 분산시키는 펄스 버스트 순서열의 사용은 단일 펄스 레이저에 의해 가능한 것 보다 재료와의 높은 강도의 상호작용의 더 큰 시간스케일을 억세스할 수 있게 한다. 단일 펄스가 시간적으로 확장될 수 있지만, 이렇게 되는 경우, 펄스 내의 강도는 대략 1/펄스 폭으로 강하하여야만 한다. 이 때문에, 10 psec 단일 펄스가 10 nsec 펄스로 확장되는 경우, 강도는 대략 1000배만큼 강하한다. 이런 감소는 비선형 흡수가 더 이상 유의미하지 않은 지점까지 광학 강도를 감소시킬 수 있고, 광 재료 상호작용은 더 이상 절단을 가능하게 하기에 충분하게 강하지 않다. 대조적으로, 펄스 버스트 레이저에서, 버스트(500) 내의 각 펄스(500A) 동안의 강도는 매우 높게 유지될 수 있고, - 예로서, 대략 10 nsec만큼 시간적으로 이격된 3개 10 psec 펄스(500A)는 여전히 각 펄스 내의 강도가 단일 10 psec 펄스의 것보다 대략 3배 높게 할 수 있고, 동시에, 레이저는 이제 1000배 더 큰 시간 스케일에 걸쳐 재료와 상호작용하는 것이 허용된다. 따라서 버스트 내의 다수의 펄스(500A)의 이러한 조절은 기존 플라즈마 플룸(pre-existing plasma plume)과의 더 크거나 더 작은 광 상호작용, 초기 또는 이전 레이저 펄스에 의해 예비 여기된 분자 및 원자와의 더 크거나 더 작은 광-재료 상호작용 및 마이크로크랙의 제어된 성장을 촉진할 수 있는 재료 내의 더 크거나 더 작은 가열 효과를 이행할 수 있는 방식으로 레이저-재료 상호작용의 시간스케일의 조작을 가능하게 한다. 재료를 변형하기 위해 요구되는 버스트 에너지의 양은 기판과 상호작용하기 위해 사용되는 선 초점의 길이 및 기판 재료 조성에 의존한다. 상호작용 영역이 더 길수록, 에너지가 더 많이 분산되고, 더 높은 버스트 에너지가 요구된다. 정확한 타이밍, 펄스 기간 및 버스트 반복율은 레이저 디자인에 따라 변할 수 있지만, 높은 강도의 짧은 펄스(<15 psec 또는 ≤10 psec)가 본 기술 분야에서 특히 양호한 가공을 나타낸다. 결함선 또는 구멍은 펄스의 단일 버스트가 유리 상의 본질적으로 동일한 위치를 타격할 때 재료에 형성된다. 즉, 단일 버스트 내의 다수의 레이저 펄스는 유리의 단일 결함선 또는 구멍 위치에 대응한다. 물론, 유리가 병진되기 때문에(예로서, 일정하게 이동하는 스테이지에 의해)(또는 비임이 유리에 대해 이동하기 때문에), 버스트 내의 개별 펄스는 유리 상의 정확하게 동일한 공간적 위치에 있지 않을 수 있다. 그러나, 이들은 서로 1 μm 내에서 양호하며-즉, 이들은 본질적으로 동일한 위치에서 유리를 타격한다. 예로서, 이들은 서로간의 간격(sp)에서 유리를 타격할 수 있고, 여기서, 0<sp≤ 500 nm이다. 예로서, 유리 위치가 20 펄스의 버스트로 타격될 때, 버스트 내의 개별 펄스는 서로 250 nm 이내의 유리를 타격한다. 따라서, 일부 실시예에서, 1 nm<sp<250 nm이다. 일부 실시예에서, 1 nm<sp<100 nm이다.

다중 광자 효과 또는 다중 광자 흡수(MPA)는 하나의 상태(일반적으로 기저 상태)로부터 더 높은 에너지 전자 상태(이온화)로 분자를 여기시키기 위한 동일하거나 상이한 주파수의 둘 이상의 광자의 동시적 흡수이다. 수반되는 부자의 하위 상태와 상위 상태 사이의 에너지 차이는 두 개의 광자의 에너지의 합과 같을 수 있다. 유도 흡수라고도 지칭되는 MPA는 예로서 선형 흡수보다 10의 수 승배 더 약한 2차, 3차 또는 더 고차의 프로세스일 수 있다. MPA는 유도 흡수의 강도가 예로서 광 강도 자차에 비례하는 대신 광 강도의 자승 또는 삼승(또는 더 고차의 멱법칙)에 비례할 수 있다는 점에서 선형 흡수와 다르다. 따라서, MPA는 비선형적 광학 프로세스이다.

결함선(손상 트랙) 사이의 측방 간격(피치)은 기판이 집속된 레이저 비임 아래에서 병진될 때 레이저의 펄스 율에 의해 결정된다. 전체 구멍을 형성하기 위해 일반적으로 단지 단일 피코초 레이저 펄스 버스트만이 필요하지만, 필요하다면 다수의 버스트가 사용될 수 있다. 서로 다른 피치로 손상 트랙(결함선)을 형성하기 위해, 레이저는 더 길거나 더 짧은 간격으로 발사되도록 촉발될 수 있다. 절단 작업 동안, 레이저 촉발은 일반적으로 비임 아래의 작업편의 스테이지 구동 운동과 동기화되며, 그래서, 레이저 펄스 버스트는 예로서, 매 1 미크론 또는 매 5 미크론 같은 고정된 간격으로 촉발된다. 결손선의 방향을 따른 인접한 천공 또는 결함선 사이의 거리 또는 주기성은 예로서, 일부 실시예에서 0.1 미크론보다 클 수 있고, 약 20 미크론이하일 수 있다. 예로서, 인접한 천공 또는 결함선 사이의 간격 또는 주기성은 0.5와 15 미크론 사이, 또는 3과 10 미크론 사이 또는 0.5 미크론과 3.0 미크론 사이이다. 예로서, 일부 실시예에서, 주기성은 2 미크론과 8 미크론 사이일 수 있다.

선 초점의 대략 원통형 체적 내에서 특정 체적 펄스 에너지 밀도(μJ/μm³)를 갖는 펄스 버스트 레이저를 사용하는 것이 유리 내에 천공 윤곽을 생성하기에 바람직하다는 것을 발견하였다. 이는 예로서, 바람직하게는 버스트 당 적어도 2 펄스를 갖는 펄스 버스트 레이저를 사용하고, 알칼라인 토류 보로-알루미노실리케이트 유리(알칼리를 작게 갖거나 갖지 않음) 내에 손상 트랙이 형성하는 것을 보증하기 위한 약 0.005 μJ/μm³ 이상 그러나 유리가 너무 많이 손상되지 않도록 0.100 μJ/μm³ 미만의 체적 에너지 밀도, 예로서, 0.005 μJ/μm³-0.100 μJ/μm³의 체적 에너지 밀도를 제공함으로써 달성될 수 있다.

내부 윤곽 프로세스

도 1은 해결 대상 문제점을 예시한다. 부분(22)은 유리 시트(20)에서 절단된다. 부분의 외부 윤곽을 방출하기 위해, 추가적 방출선이 더 큰 유리 시트 내에 절단될 수 있고, 이는 임의의 크랙을 시트의 에지까지 연장하여 유리가 제거될 수 있는 섹션으로 파괴될 수 있게 한다. 그러나, 전화기의 홈 버튼을 위해 요구되는 것들 같은 내부 윤곽에 대하여, 추가적 방출선의 생성은 관련 부분을 통해 절단한다. 따라서, 내부 구멍 또는 슬롯은 "제 위치에 로킹"되고, 그래서 제거가 어렵다. 유리가 높은 응력 상태에 있고, 크랙이 구멍 또는 슬롯의 외부 직경에서 천공부간에 전파하는 경우에도, 재료가 너무 강성적이고 압축력에 의해 보유되어 있기 때문에 내부 유리는 방출되지 않는다.

더 큰 구멍을 방출하는 한 가지 방법은 구멍의 윤곽을 먼저 천공하고, 그후, 예컨대, CO₂ 레이저에 의해 레이저 가열 프로세스를 후속하는 것이며, 이는 연화되어 그후 떨어져 나오기에 충분히 유연해질 때까지 내부 유리 부재를 가열하게 된다. 이는 구멍 직경이 더 클수록 그리고 재료가 더 얇을수록 양호하게 작용한다. 그러나, 유리 플러그의 형상비(두께/직경)가 매우 크면, 이런 방법은 더 어려워진다. 예로서, 이런 방법에서, 10 mm 직경 구멍이 0.7 mm 두께 유리로부터 방출될 수 있지만, 동일한 유리 두께에서 4 mm 미만의 구멍은 항상 방출이 가능하지는 않다.

도 8c는 이 문제점을 해결하고 0.7 mm 두께 코드 2320 유리(이온교환 또는 비이온교환)로부터 1.5 mm까지 작은 구멍을 분리하기 위해, 그리고, 1.5 mm만큼 작은 반경 및 폭을 갖는 슬롯을 또한 생성하기 위해 성공적으로 사용되는 프로세스를 예시한다. 단계 1- 절단될 윤곽(예를 들어, 구멍, 슬롯)의 원하는 형상을 형성하는 피코초 펄스 버스트 프로세스를 사용하여 유리 시트(20)에 제1 윤곽(24)의 천공이 형성된다. 예로서, Corning의 코드 2320 0.7 mm 두께 비이온교환 유리에 대하여, 210 μJ 버스트가 사용되어 재료를 천공하기 위한 피칭을 위해 그리고 4μm 피치로 손상 트랙 또는 결함선을 생성하기 위해 사용된다. 정확한 재료에 따라서, 다른 손상 트랙 간격, 예컨대 1-15 미크론 또는 3-10 미크론 또는 3-7 미크론이 또한 사용될 수 있다. 상술한 것들 같은 이온교환가능한 유리에 대하여, 3-7 미크론 피치 작업이 양호하지만, 디스플레이 유리 Eagle XG 같은 다른 유리에 대하여, 더 작은 피치, 예컨대, 1-3 미크론이 바람직할 수 있다. 본 명세서에 설명된 실시예에서, 통상적 펄스 버스트 레이저 파워는 10 W-150 W이고, 25-60 W의 레이저 파워가 다수의 유리에 대해 충분(그리고, 최적)하다.

단계 2 - 동일한 레이저 프로세스를 사용하여, 그러나, 제1 윤곽의 대략 수백 미크론 내측에서, 제1 윤곽 내측에 제2 윤곽을 형성하도록 제2 천공선(26)이 형성된다. 이 단계는 선택적이지만 바람직한 경우가 많고, 그 이유는 여분의 천공부가 열적 배리어로서 작용하고 다음 프로세스 단계가 사용될 때 구멍 내측의 재료의 제거 및 단편화를 촉진하도록 설계되기 때문이다.

단계 3 - 고도로 집속된 CO₂ 레이저(28)가 사용되어 상술한 제2 천공 윤곽에 의해 형성된 근사 경로 또는 제2 윤곽의 미소한 내측(100μm)을 추종하는 것에 의해 구멍 내측의 재료를 절제한다. 이는 구멍 또는 슬롯 내측의 유리 재료를 물리적으로 용융, 절제 및 배출한다. Corning Incorporated로부터 입수할 수 있는 코드 2320 0.7mm 두께 비이온교환 유리에 대하여, 약 100 μm 직경의 집속 스팟 사이즈에서 약 14W의 CO₂ 레이저 파워가 사용되고, 이 CO₂ 레이저는 약 0.35 m/min의 속도로 경로 둘레로 병진됨으로써 재료의 완전한 제거를 위해 1-2회 통과를 실행하고, 통과의 수는 구멍 또는 슬롯의 정확한 기하형상에 의존한다. 일반적으로, 이 프로세스 단계를 위해, CO₂ 비임은 유리 재료가 높은 강도에 의해 용융 및/또는 절제되기에 충분히 높은 강도를 달성하는 경우 "집속"된 것으로서 규정된다. 예로서, 집속 스팟의 파워 밀도는 상술한 조건에서 달성되는 약 1750 W/mm²이거나, 표면을 가로지른 레이저 비임의 원하는 횡단 속도에 따라서 500 W/mm² 내지 5000 W/mm²일 수 있다.

또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 가압 공기 또는 질소 같은 고속 보조 가스가 CO₂ 레이저 헤드(32) 둘레에서 노즐을 통해 송풍된다. 이는 유리 상의 집속된 CO₂ 레이저 스팟에서 지향된 가스 스트립을 송풍하고, 더 큰 기판으로부터 느슨해진 유리 재료를 강제 배출하는 것을 돕는다. 동일한 내부 반경 또는 미소하게 다른 내부 반경에서의 CO₂ 레이저의 다수회 통과는 강제 제거에 대한 재료의 저항에 따라 사용될 수 있다. 상술한 고압의 경우, 압축 공기는 80 psi의 압력을 사용하여 약 1 mm노즐을 통해 강제이송된다. 노즐은 절제 동안 유리 기판 위쪽 약 1mm에 위치되고, CO₂ 비임은 노즐의 개구를 통한 비네팅(vignetting) 없이 통과되도록 집속된다.

도 9는 CO₂ 절제 및 공기 노즐이 느슨해진 재료를 생성하고 이를 구멍 또는 슬롯의 내부로부터 밀어내는 방식을 예시하기 위한, 상술한 이 프로세스의 측면도를 도시한다.

샘플 결과:

도 10은 통상적 휴대 전화를 위한 커버 유리에 대한 프로세스의 결과를 도시한다. 긴 구멍(홈 버튼)의 기하형상은 약 5.2mm x 16 mm이고, 약 1.5mm 반경의 코너를 가지며, 슬롯에 대하여, 이는 15 mm 길이, 1.6 mm 폭이며, 단부들에서 약 0.75mm 반경을 갖는다. 양호한 에지 품질(약 0.5 미크론의 Ra, 100X 배율 현미경에서 어떠한 칩형성도 관찰되지 않음) 및 일정한 재료 제거와 분리가 이 프로세스를 사용하여 100개를 초과한 부분에 대하여 관찰되었다.

도 11은 내부 에지의 사시도를 도시한다. 에지는 도 12에서 비교를 위해 도시되어 있는 동일한 손상 트랙 또는 필라멘트화(filamentation) 프로세스에 의해 제조된 외부 윤곽에서 달성되는 것과 동일한 텍스쳐 손상 트랙 또는 필라멘트 구조를 보여준다. 상술된 CO₂ 절제 프로세스는 고품질, 저 조면도 및 상술한 피코초 천공 프로세스에서 일반적으로 생성되는 낮은 표면하 에지에 대한 손상 없이 느슨해진 내부 재료를 제거하였다.

도 13은 설명된 프로세스에 의해 형성된 슬롯의 절단 에지의 상면도를 보여준다. 윤곽의 에지에 대한 어떠한 칩형성이나 균열도 관찰되지 않는다. 이 윤곽은 약 2 mm의 반경을 갖는다.

도 14a 내지 도 14c에 예시된 바와 같이, 투명 재료, 더 구체적으로, TFT 유리 조성물을 절단 및 분리하기 위한 방법은 본질적으로 초단파 펄스형 레이저(140)로 처리 대상 재료 또는 작업편(130)에 복수의 수직 결함선(120)으로 형성된 결손선(110)을 생성하는 것에 기초한다. 결함선(120)은 예로서 유리 시트 두께를 통해 연장하며, 유리 시트의 주(평탄한) 표면에 직교한다. "결손선"은 또한 본 명세서에서 "윤곽"이라고도 지칭된다. 결함선 또는 윤곽이 도 14a에 예시된 결손선(110)과 유사하게 선형적이지만, 결손선 또는 윤곽은 곡률을 가지고 비선형적일 수도 있다. 굴곡된 결손선 또는 윤곽은 예로서, 1차원 대신 2차원적으로 작업편(130) 또는 레이저 비임(140) 중 어느 하나를 나머지에 관하여 병진시킴으로써 생성될 수 있다. 재료 물성(흡수, CTE, 응력, 조성 등)과 재료(130)를 가공하기 위해 선택된 레이저 파라미터에 따라서, 결손선(110)만의 생성으로 자체 분리를 유도하기에 충분할 수 있다. 이 경우, 장력/굴곡력 또는 예로서 CO₂ 레이저에 의해 생성되는 열적 응력 같은 어떠한 부차적 분리 프로세스도 필요하지 않다. 도 14a에 예시된 바와 같이, 복수의 결함선이 윤곽을 형성할 수 있다. 결함선을 갖는 분리된 에지 또는 표면이 윤곽에 의해 형성된다. 결함선을 생성하는 유도 흡수는 3 미크론 미만의 평균 직경을 갖는 분리된 에지 또는 표면 상의 입자를 생성할 수 있어서, 매우 깔끔한 절단 프로세스를 초래한다.

일부 경우에, 생성된 결손선은 재료를 자발적으로 분리시키기에 불충분하고, 부차적 단계가 필요할 수 있다. 결함선을 따른 부분의 분리를 위해 열적 응력을 생성하도록 천공된 유리 부분이 챔버, 예컨대, 오븐 내에 배치되어 유리 부분의 벌크 가열 또는 냉각을 생성할 수 있지만, 이런 프로세스는 느릴 수 있고, 다수의 작품 또는 큰 부재나 천공된 유리를 수용하기 위한 대형 오븐 또는 챔버를 필요로 할 수 있다. 바람직하다면, 제2 레이저가 사용되어 예로서 이를 분리하기 위한 열적 응력을 생성할 수 있다. TFT 유리 조성물의 경우에, 열적 응력 및 재료의 강제 분리를 생성하기 위해, 열원(예를 들어, 적외선 레이저, 예로서, CO₂ 레이저)을 사용함으로써 또는 기계적 응력의 인가에 의해 결손선의 생성 이후 분리가 달성될 수 있다. 다른 선택권은 분리 시작시에만 CO₂ 레이저를 사용하여 분리를 개시하고 그후 수동으로 분리를 마무리하는 것이다. 선택적 CO₂ 레이저 분리는 예로서 10.6 미크론으로 출사하는 탈초점 연속 파(cw) 레이저 및 그 듀티 사이클을 제어함으로써 조절되는 파워에 의해 달성된다. 초점 변화(즉, 집속된 스팟을 포함하여 그까지의 탈초점 정도)는 스팟 사이즈를 변화시킴으로써 유도 열적 응력을 변화시키기 위해 사용된다. 탈초점 레이저 비임은 레이저 파장의 크기 정도에서 최소, 회절 제한된 스팟 사이즈보다 큰 스팟 사이즈를 생성하는 레이저 비임을 포함한다. 예로서, 1 내지 20 mm, 예컨대, 1 내지 12 mm, 3 내지 8 mm 또는 약 7 mm, 2 mm 및 20 mm의 CO₂ 레이저 스팟 사이즈가 CO₂ 레이저, 예로서, CO₂ 10.6 μm 파장 레이저를 위해 사용될 수 있다. 예로서, 9 내지 11 미크론에서 출사하는 파장을 갖는 레이저 같은 그 출사 파장이 또한 유리에 의해 흡수되는 다른 레이저도 사용될 수 있다. 이런 경우에, 100과 400 W 사이의 파워 레벨을 갖는 CO₂ 레이저가 사용되고, 비임은 결함선을 따라 또는 결함선에 인접하게 50-500 mm/sec의 속도로 스캐닝될 수 있고, 이는 분리를 유도하기에 충분한 열적 응력을 생성한다. 특정 범위 내에서 선택된 정확한 파워 레벨, 스팟 사이즈 및 스캐닝 속도는 재료 사용, 그 두께, 열 팽창 계수(CTE), 탄성 모듈러스에 의존할 수 있으며, 그 이유는 이들 인자 모두가 주어진 공간적 위치에서 특정 에너지 투입율에 의해 부여되는 열적 응력의 양에 영향을 주기 때문이다. 스팟 사이즈가 너무 작은 경우(즉, <1 mm) 또는 CO₂ 레이저 파워가 너무 높은 경우(>400W) 또는 스캐닝 속도가 너무 낮은 경우(10 mm/sec 미만), 유리는 과열되고, 유리에서 절제, 용융 또는 열적으로 생성되는 크랙을 유발할 수 있으며, 이는 이들이 분리된 부분의 에지 강도를 감소시키기 때문에 바람직하지 못하다. 바람직하게, CO₂ 레이저 비임 스캐닝 속도는 효율적이고 신뢰성있는 부분 분리를 유도하기 위해 50 mm/sec 보다 크다. 그러나, CO₂ 레이저에 의해 생성되는 스팟 사이즈가 너무 큰 경우(>20 mm) 또는 레이저 파워가 너무 낮은 경우(< 10W 또는 일부 경우에는 <30W) 또는 스캐닝 속도가 너무 높은 경우(>500 mm/sec), 비효율적 가열이 발생하고, 이는 신뢰성있는 부분 분리를 유도하기에는 너무 낮은 열적 응력을 초래한다.

예로서, 일부 실시예에서, 유리 표면에서의 스팟 직경은 약 6 mm이고, 스캐닝 속도는 250 mm/sec인 상태에서 200 W의 CO₂ 레이저 파워가 사용되어 상술한 psec 레이저에 의해 천공된 0.7 mm 두께 Corning Eagle XG® 유리를 위한 부분 분리를 유도한다. 예로서, 더 두꺼운 Corning Eagle XG® 유리 기판은 더 얇은 Eagle XG® 기판보다 분리를 위해 단위 시간 당 더 많은 CO₂ 레이저 열적 에너지를 필요로 할 수 있거나, 더 낮은 CTE를 갖는 유리는 더 낮은 CTE를 갖는 유리보다 분리를 위해 더 많은 CO₂ 열적 에너지를 필요로 할 수 있다. 천공선을 따른 분리는 CO₂ 스팟이 주어진 위치를 통과한 이후 매우 신속하게(1초 미만), 예로서, 100 밀리초이내, 50 밀리초 이내 또는 25 밀리초이내에 발생할 수 있다.

결손선(110)의 방향을 따른 인접한 결함선(120) 사이의 거리 또는 주기성은 예로서, 일부 실시예에서 0.1 미크론보다 클 수 있고, 약 20 미크론이하일 수 있다. 예로서, 일부 실시예에서, 인접한 결함선(120) 사이의 주기성은 0.5와 15 미크론 사이 또는 3과 10 미크론 사이, 또는 0.5 미크론과 3.0 미크론 사이일 수 있다. 예로서, 일부 실시예에서, 인접한 결함선(120) 사이의 주기성은 0.5 미크론과 1.0 미크론 사이일 수 있다.

결함선을 생성하기 위한 다수의 방법이 존재한다. 선 초점을 형성하는 광학적 방법은 도넛 형상 레이저 비임과 구면 렌즈, 액시콘 렌즈, 회절 요소 또는 고 강도의 선형 영역을 형성하기 위한 다른 방법을 사용하여 다양한 형태를 취할 수 있다. 비선형 광학 효과를 통해 기판 재료 또는 유리 작업편의 파괴를 생성하기 위해 초점의 영역에서 기판 재료의 파괴를 생성하는데 충분한 광학적 강도가 달성된다면, 레이저의 유형(피코초, 팸토초 등) 및 파장(IR, 그린, UV 등)도 변화될 수 있다. 바람직하게는, 레이저는 펄스 버스트 레이저이며, 이는 주어진 버스트 내에서 펄스의 수를 조절함으로써 시간에 의한 에너지 투입의 제어를 가능하게 한다.

일 실시예에서, 초단파 펄스형 레이저가 사용되어 일정하고, 제어가능하면서 반복적인 방식으로 높은 형상비의 수직 결함선을 생성한다. 이러한 수직 결함선의 생성을 가능하게 하는 광학적 설정의 세부사항은 2013년 1월 15일자로 출원된 미국 출원 제61/752,489호에 설명되어 있고, 해당 출원의 전문은 본 명세서에 전체가 기재된 것 처럼 참조로 통합되어 있다. 이 개념의 핵심은 투명 부분 내에 고강도 레이저 비임의 선 초점을 생성하기 위해 광학장치를 사용하는 것이다. 이러한 개념의 일 형태는 초단파(피코초 또는 팸토초 기간) 베셀 비임을 사용한 높은 형상비의 비-테이퍼 마이크로채널의 영역을 생성하기 위해 광학 렌즈 조립체에 액시콘 렌즈 요소를 사용하는 것이다. 달리 말하면, 액시콘은 레이저 비임을 원통형 형상이면서 높은 형상비인(긴 길이 및 작은 직경) 영역으로 응집한다. 응집된 레이저 비임에 의해 생성된 높은 강도에 기인하여, 레이저의 전자기장 필드와 기판 재료의 비선형 상호작용이 발생하고, 레이저 에너지가 기판으로 전달되어 결손선의 구성요소가 되는 결함의 형성을 이행한다. 그러나, 레이저 에너지 강도가 높지 않은 영역에서(예를 들어, 중앙 수렴선 주변의 기판의 유리 체적), 재료가 레이저에 대해 투명하고, 레이저로부터 재료로 에너지를 전달하기 위한 어떠한 메커니즘도 존재하지 않는 것을 실현하는 것이 중요하다. 결과적으로, 레이저 강도가 비선형 임계치 미만일 때 유리 또는 작업편에는 어떠한 일도 발생하지 않는다.

상술한 방법은 이하의 장점을 제공하며, 이들 장점은 개선된 레이저 가공 기능 및 비용 절약과 이에 따른 더 낮은 비용의 제조를 초래한다. 절단 프로세스는 다음을 제공한다:

1)절단되는 내부 윤곽의 완전한 분리: 상술한 방법은 유리 부분이 화학적 강화를 받기 이전에 융합 견인 프로세스 또는 다른 유리 형성 프로세스에 의해 생성된 바와 같은 이온교환가능한 유리(예컨대, Gorilla® 유리, Corning 유리 코드 2318, 2319, 2320 등)에 깔끔하고 제어된 형태로 구멍 및 슬롯을 완전히 분리/절단할 수 있다.

2)매우 작은 치수를 갖는 구멍/슬롯의 분리: 유리 플러그가 유리 시트로부터 떨어져 나올게 할 수 있는 가열 및 유리 연화의 유도를 위하여 다른 프로세스가 사용될 수 있다. 그러나, 유리 플러그의 형상비(두께/직경)가 매우 커지면, 이런 방법은 실패하게 된다. 예로서, 내부 유리 플러그의 가열(절제 아님)은 0.7 mm 두께 유리로부터 10 mm 직경 구멍을 떨어져 나오게 할 수 있지만, 구멍 직경이 4 mm로 감소되면, 이런 프로세스는 작동하지 않는다. 그러나, 본 명세서에 개시된 프로세스는 0.7 mm 두께 유리에서 1.5 mm(원 직경 또는 슬롯의 폭)만큼 작은 치수를 갖는 유리 플러그를 제거하기 위해 사용되었다.

3)감소된 표면하 결함 및 양호한 에지 품질: 레이저와 재료 사이의 초단파 펄스 상호작용에 기인하여, 열적 상호작용이 거의 존재하지 않고, 따라서, 바람직하지 못한 응력과 미소 크랙형성을 유발하는 열 영향 구역이 최소한으로 존재하게 된다. 또한, 레이저 비임을 유리로 응집하는 광학장치는 부분의 표면 상에서 통상적으로 2 내지 5 미크론 직경인 결함선을 생성한다. 분리 이후, 기판하 손상은 75 μm 미만이고, 25μm 미만이 되도록 조절될 수 있다. 분리된 표면(또는 절단된 에지)의 조면도는 특히 초점선의 스팟 직경 또는 스팟 사이즈로부터 초래된다. 예로서, 0.1 내지 1 미크론 또는 예로서, 0.25 내지 1 미크론일 수 있는 분리된(절단된) 표면의 조면도는 예로서, Ra 표면 조면도 통계치에 의해 특징지어진다(초점선의 스팟 직경으로부터 초래되는 범프의 높이를 포함하는 샘플링된 표면의 높이의 절대값의 조면도 대수 평균). 이 프로세스에 의해 생성되는 표면 조면도는 0.5μm(Ra) 미만이고, 0.1μm(Ra)만큼 낮을 수 있다. 이는 부분의 에지 강도에 대한 큰 영향을 가지며, 그 이유는 강도가 결함의 수, 크기와 깊이에 관한 그 통계학적 분포에 의해 관장되기 때문이다. 이들 수가 더 높을수록 부분의 에지는 더 약해지게 된다. 또한, 연삭 및 연마 같은 임의의 기계적 마감 프로세스가 추후 에지 형상을 변형하기 위해 사용되는 경우, 더 적은 표면하 손상을 갖는 부분에 대하여서는 요구되는 재료 제거의 양이 더 낮아진다. 이는 마감 단계를 감소 또는 제거하고, 부분 비용을 저하시킨다. 본 명세서에 설명된 구멍 및 슬롯 방출 프로세스는 이 선 초점 피코초 레이저 천공 프로세스에 의해 생성되는 고품질 에지의 완전한 장점을 취하며- 이는 그 천공선을 따라 유리를 깔끔하게 방출하고, 원하는 부분 에지에 절제 손상, 미소 크랙형성 또는 다른 결함을 유도하지 않는 방식으로 내부 유리 재료의 제거가 이루어지는 것을 보증한다.

속도: 내부 윤곽 둘레의 재료를 순수히 절제하기 위해 집속된 레이저를 사용하는 프로세스와는 달리, 본 레이저 프로세스는 천공선에 대해 단일 패스 프로세스이다. 천공된 구멍 윤곽은 수반되는 단계의 가속 기능에만 의존하여 80-1000mm/sec의 속도에서 본 명세서에 설명된 피코초 레이저 프로세스에 의해 생성될 수 있다. 이는 재료가 "층층이" 제거되고 레이저 비임의 위치당 긴 체류 시간이나 많은 수의 통과를 필요로 하는 절제성 구멍 및 슬롯 천공 방법과는 대조적이다.

프로세스 청결성: 상술한 방법은 깔끔하고 제어된 형태로 유리 또는 다른 투명한 취성 재료를 분리/절단할 수 있다. 종래의 절제성 또는 열적 레이저 프로세스를 사용하는 것이 큰 문제가 되며, 그 이유는 이들이 열 영향 구역을 촉발하고, 이 열 영향 구역이 유리의 미소 크랙 및 다수의 더 작은 부재로의 단편화를 유도하기 때문이다. 레이저 펄스의 특성 및 개시된 방법의 재료와의 유도된 상호작용은 이들 문제 모두를 회피하며, 그 이유는 이들이 매우 짧은 시간 스케일을 갖고, 레이저 방사선에 대한 재료의 투명성이 유도된 열 영향을 최소화하기 때문이다. 결함선이 대상물 내에 생성되기 때문에, 절단 단계 동안 파편 및 부착된 입자의 존재가 사실상 제거된다. 생성되는 결함선으로부터 초래되는 임의의 미립자가 존재하는 경우, 이들은 부분이 분리될 때까지 잘 수용되어 있게 된다.

서로 다른 크기의 복합 프로파일 및 형상의 절단

상술한 방법은 다른 경쟁적 기술에서는 제한이 되는 다수의 형태 및 형상을 추종하는 유리 또는 다른 기판의 절단/분리를 가능하게 한다. 급격한 반경(<2mm)이 절단될 수 있어서 (휴대 전화 용례에서 스피커/마이크로폰을 위해 요구되는 것 같은) 작은 구멍 및 슬롯의 생성을 가능하게 한다. 또한, 결함선이 임의의 크랙 전파의 위치를 엄격히 제어하기 때문에, 이들 방법은 절단의 공간적 위치에 대한 양호한 제어를 제공하며, 수백 미크론만큼 작은 구조체 및 특징부의 절단 및 분리를 가능하게 한다.

프로세스 단계의 제거

유입 유리 패널로부터 최종 사이즈 및 형상으로 유리 판을 제조하기 위한 프로세스는 패널의 절단, 사이즈로의 절단, 마감가공 및 에지 성형, 그 목표 두께로의 부분의 박화, 연마 및 심지어 일부 경우에는 화학적 강화를 포함하는 다수의 단계를 포함한다. 이들 단계 중 임의의 것의 제거는 프로세스 시간 및 자본 지출에 관하여 제조 비용을 개선시킨다. 상술한 방법은 예로서 다음에 의해 다수의 단계를 감소시킬 수 있다:

감소된 파편 및 에지 결함 생성 - 세척 및 건조 스테이션의 잠재적 제거.

그 최종 사이즈, 형상 및 두께로의 직접적인 샘플 절단 - 마감가공 라인에 대한 필요성 제거.

따라서, 일부 실시예에 따르면, 유리 물품은 적어도 250 μm에서 유리 시트의 주 면에 직각으로 연장하는 복수의 결함선을 갖는 적어도 하나의 내부 윤곽 에지를 구비하고, 결함선 각각은 약 5μm 이하의 직경을 갖는다. 예로서, 유리 물품은 적어도 250 μm에서 유리 시트의 주(즉, 측부에 비해 큰) 평탄한 면에 직각으로 연장하는 복수의 결함선을 갖는 적어도 하나의 내부 윤곽 에지를 구비하고, 결함선 각각은 약 5μm 이하의 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 내부 윤곽 에지에 의해 규정되는 내부 윤곽의 최소 치수 또는 폭은 5 mm 미만이고, 예로서, 이는 폭(또는 직경)이 0.1 mm 내지 3 mm, 예를 들어, 0.5 mm 내지 2 mm일 수 있다. 일부 실시예에 따라서, 유리 물품은 이온교환후 유리(post-ion exchange glass)를 포함한다. 일부 실시예에 따라서, 결함선은 적어도 하나의 내부 윤곽 에지의 전체 두께로 연장한다. 적어도 일부 실시예에 따라서, 적어도 하나의 내부 윤곽 에지는 약 0.5 μm 미만인 Ra 표면 조면도를 갖는다. 적어도 일부 실시예에 따라서, 적어도 하나의 내부 윤곽 에지는 약 75 μm 이하의 깊이까지 표면하 손상을 갖는다. 유리 물품의 적어도 일부 실시예에서, 결함선은 에지의 전체 두께로 연장한다. 결함선 사이의 거리는 예로서, 약 7 μm 이하이다.

본 명세서에 인용된 모든 특허, 공개 출원 및 참조 문헌의 관련 교지는 그 전체가 참조로 통합되어 있다.

예시적 실시예를 본 명세서에 설명하였지만, 본 기술 분야의 숙련자는 첨부된 청구범위에 포함되는 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 그 안에서 형상 및 세부 사항에 대한 다양한 변경이 이루어질 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.

Claims (25)

1. 재료를 레이저 천공하는 방법이며,
   비임 전파 방향을 따라 볼 때, 펄스형 레이저 비임을 레이지 비임 초점선으로 집속하는 단계,
   제1 위치에서 재료 내로 레이저 비임 초점선을 지향시키는 단계로서, 레이저 비임 초점선은 재료 내에 유도 흡수를 발생시키고, 유도 흡수는 재료 내에 레이저 비임 초점선을 따라 손상 트랙을 생성하는, 단계,
   제1 위치로부터 시작하여 제1 폐쇄형 윤곽을 따라서 서로에 대해 재료와 펄스형 레이저 비임을 병진시킴으로서 재료 내에 제1 폐쇄형 윤곽을 따라 복수의 구멍을 레이저 천공하는 단계, 및
   제1 폐쇄형 윤곽 내에 수용된 제2 폐쇄형 윤곽 둘레의 재료로 집속된 이산화탄소(CO₂) 레이저를 지향시켜 제1 폐쇄형 윤곽을 따른 재료의 내부 플러그의 제거를 이행하는 단계를 포함하는 방법.
2. 제1항의 방법에 의해 준비된 유리 물품.
3. 적어도 250 μm에서 유리 시트의 주 면에 직각으로 연장하는 복수의 결함선을 갖는 적어도 하나의 내부 윤곽 에지를 구비하고, 결함선 각각은 약 5μm 이하의 직경을 갖는 유리 물품.
4. 제1항의 방법 또는 제2항의 물품에 있어서,
   제2 위치에서 재료 내로 레이저 비임 초점선을 지향시키는 단계로서, 레이저 비임 초점선은 재료 내에 유도 흡수를 발생시키고, 유도 흡수는 재료 내에 레이저 비임 초점선을 따라 손상 트랙을 생성하는, 단계,
   제2 위치로부터 시작하여 제3 폐쇄형 윤곽을 따라서 서로에 대해 재료와 펄스형 레이저 비임을 병진시킴으로서 재료 내에 제3 폐쇄형 윤곽을 따라 복수의 손상 트랙을 레이저 천공하는 단계로서, 제3 폐쇄형 윤곽은 제1 폐쇄형 윤곽 내에 수용되는 단계를 더 포함하는 방법 또는 물품.
5. 제4항에 있어서, 제2 폐쇄형 윤곽 및 제3 폐쇄형 윤곽은 일치하는 방법 또는 물품.
6. 제4항에 있어서, 제2 폐쇄형 윤곽은 제1 폐쇄형 윤곽과 제3 폐쇄형 윤곽 사이에 수용되는 방법 또는 물품.
7. 제1항, 제2항 또는 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, CO₂ 레이저 비임과 공선적으로 재료를 향해 보조 가스를 지향시키는 단계를 더 포함하는 방법 또는 물품.
8. 제1항, 제2항 또는 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 내부 플러그의 제거는 재료에 개방부를 형성하고, 이 개방부는 0.5 mm과 100 mm 사이의 폭을 갖는 방법 또는 물품.
9. 제1항, 제2항 또는 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 내부 플러그의 제거는 재료에 슬롯을 형성하고, 이 슬롯은 0.5 mm과 100 mm 사이의 폭을 갖는 방법 또는 물품.
10. 제1항, 제2항 또는 제4항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 유도 흡수는 재료 내의 약 75 μm 이하의 깊이까지 제1 윤곽에서 표면하 손상을 생성하는 방법 또는 물품.
11. 제1항, 제2항 또는 제4항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 유도 흡수는 약 0.5 μm 이하의, 제1 윤곽에서의 Ra 표면 조면도를 생성하는 방법 또는 물품.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 재료는 약 100 μm와 약 8 mm 사이의 범위의 두께를 갖는 방법 또는 물품.
13. 제1항, 제2항 또는 제4항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 재료와 펄스형 레이저 비임은 약 1 mm/sec와 약 3400 mm/sec 사이의 범위의 속도로 서로에 대해 병진되는 방법 또는 물품.
14. 제1항, 제2항 또는 제4항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 펄스형 레이저 비임의 펄스 기간은 약 1 피코초 초과와 약 100 피코초미만 사이의 범위인 방법 또는 물품.
15. 제1항, 제2항 또는 제4항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 펄스형 레이저 비임의 반복율은 약 1 kHz와 2 MHz 사이의 범위인 방법 또는 물품.
16. 제1항, 제2항 또는 제4항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 펄스형 레이저 비임은 재료 두께 mm 당 40 μJ보다 큰 재료에서 측정된 버스트 당 에너지를 갖는 방법 또는 물품.
17. 제1항, 제2항 및 제4항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 펄스는 약 1 nsec와 약 50 nsec 사이의 범위의 기간만큼 분리된 적어도 두 개의 펄스의 펄스 버스트로 생성되고, 버스트 반복 주파수는 약 1 kHz와 약 650 kHz 사이의 범위인 방법 또는 물품.
18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 레이저 비임 초점선은 약 0.1 mm와 약 100 mm 사이의 범위의 길이를 가지는 방법 또는 물품.
19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 내부 윤곽 에지에 의해 형성되는 내부 윤곽의 최소 치수 또는 폭은 5 mm 미만인 방법 또는 유리 물품.
20. 제19항에 있어서, 결함선 사이의 거리는 약 7 μm 이하인 유리 물품.
21. 제1항, 제2항 또는 제4항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 펄스형 레이저는 펄스 버스트 당 적어도 2 펄스를 갖는 펄스 버스트를 생성하는 방법 또는 물품.
22. 제1항, 제2항 또는 제4항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 펄스형 레이저는 10W 내지 150W의 레이저 파워를 가지고, 펄스 버스트 당 적어도 2 펄스를 갖는 펄스 버스트를 생성하는 방법 또는 물품.
23. 제1항, 제2항 또는 제4항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 펄스형 레이저는 10W 내지 100W의 레이저 파워를 가지고, 펄스 버스트 당 적어도 2 내지 25 펄스를 갖는 펄스 버스트를 생성하는 방법 또는 물품.
24. 제1항, 제2항 또는 제4항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 펄스형 레이저는 10W 내지 100W의 레이저 파워를 가지고, 작업편 또는 레이저 비임은 적어도 0.25 m/sec의 속도로 서로에 대해 병진되는 방법 또는 물품.
25. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    (i) 유리 시트의 상기 주 표면은 평탄하고, 및/또는
    (ii) 내부 윤곽 에지에 의해 형성되는 내부 윤곽의 최소 치수 또는 폭은 5 mm 미만이고, 및/또는
    (iii) 유리 물품은 이온교환후 유리를 포함하고, 및/또는
    (iv) 결함선은 적어도 하나의 내부 윤곽 에지의 전체 두께로 연장하고, 및/또는
    (v) 적어도 하나의 내부 윤곽 에지는 약 0.5 μm 미만인 Ra 표면 조면도를 갖는 유리 물품.

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