KR20170028943A - 조정가능한 레이저 빔 촛점 라인을 사용하여 투명한 재료를 처리하는 방법 및 시스템 - Google Patents

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잭쿼스 골리어
가렛 앤드류 피칫
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Abstract

조정가능한 레이저 빔 라인 촛점을 사용하여, 유리와 같은 투명한 재료를 처리하기 위한 시스템 및 방법이 개시된다. 일 실시예에 있어서, 투명한 재료를 처리하기 위한 시스템은 펄스 레이저 빔을 방사시키도록 작동가능한 레이저 공급원과, 상기 펄스 레이저 빔의 광학 경로 내에 배치된 광학 조립체를 포함한다. 광학 조립체는 펄스 레이저 빔을 조정가능한 길이 및 조정가능한 직경을 갖는 레이저 빔 촛점 라인으로 변형하도록 구성된다. 레이저 빔 촛점 라인의 적어도 일부는, 상기 레이저 빔 촛점 라인이 상기 레이저 빔 촛점 라인을 따라서 재료를 개질하도록, 대부분의 투명한 재료 내에 위치되게 작동가능하다. 레이저 빔 촛점 라인의 직경과 레이저 빔 촛점 라인의 길이 중 적어도 하나를 조정함으로써 투명한 재료를 레이저 처리하는 방법이 또한 개시된다.

Description

조정가능한 레이저 빔 촛점 라인을 사용하여 투명한 재료를 처리하는 방법 및 시스템{SYSTEM FOR AND METHOD OF PROCESSING TRANSPARENT MATERIALS USING LASER BEAM FOCAL LINES ADJUSTABLE IN LENGTH AND DIAMETER}
본 출원은 미국 35 U.S.C. § 119하에서 2014년 07월 14일에 출원된 미국 가특허출원번호 제62/024,122호를 우선권 주장하고 있으며, 이 특허문헌의 내용은 참조를 위해 본 명세서에 모두 통합되어 있다.
최근, 첨단 기술의 장치의 크기, 중량 및 재료비를 감소시키도록 소비자 요구를 만족시키기 위한 정밀 미세기계가공 및 이에 대한 처리 개발의 발전은 터치 스크린, 태블릿, 스마트폰 및 TV용 평탄한 패널 디스플레이의 하이-테크 산업에서 고속 성장을 유도하고 있다. 초고속 산업 레이저는 고 정밀 미세기계가공을 필요로 하는 용도에 대해 중요한 도구가 되고 있다.
유리를 절단하는 다양한 공지된 방법이 존재한다. 종래의 레이저 유리 절단 처리에 있어서, 유리의 분리는 기계적 힘이나 또는 열 응력-유도된 크랙 전파에 의한 분리에 이어 레이저 스크라이빙이나 또는 천공에 의존한다. 거의 모든 현 레이저 절단 기술이 하나 이상의 단점을 갖고 있다. 예를 들면, 가우스 레이저 빔을 사용하는 레이저 처리에 의한 유리 절단은 레이저 빔의 빽빽한(tight) 촛점에 기인하여 유리 기판 내에 요구되는 손상 라인을 만드는 상당히 많은 펄스를 필요로 한다. 이러한 레이저 절단 처리는 시간을 허비할 수 있고 이에 따라서 처리량을 제한한다.
본 명세서에 기재된 실시예는 재료의 드릴링, 절단, 분리, 천공이나 또는 처리를 위한 목적으로 작은(수 micron이거나 이보다 작은) "구멍"을 투명한 재료(유리, 사파이어, 등)에 만드는 방법 및 시스템에 관한 것이다. 더욱 특별하게는, 초단파의(즉, 10 -10 내지 10 -15 초) 펄스 레이저 빔(1064, 532, 355 또는 266 나노미터와 같은 파장)은 투명한 재료 내에 또는 상기 투명한 재료의 표면에서 결함부를 촛점 구역에 생성하는데 필요한 문턱값 이상의 에너지 밀도를 갖는 라인 촛점에 촛점을 맞춘다. 라인 촛점의 직경 및 길이는 투명한 재료의 두께 및 타입에 따라 조정된다. 처리를 반복함으로써, 사전결정된 경로에 따라 정렬되는 일련의 레이저-유도된 결함부가 만들어질 수 있다. 레이저-유도된 특징부를 함께 충분히 근접하게 이격시킴으로써, 투명한 재료 내의 기계적 취약부의 제어된 구역이 만들어질 수 있고, 그리고 투명한 재료가 일련의 레이저-유도된 결함부에 의해 형성된 경로를 따라 (부가적인 기계적 또는 열적 분리 단계 즉시 또는 이후에) 정확하게 파단될 수 있거나 또는 분리될 수 있다. 화학적으로 강화된 유리와 같은 큰 내부 응력의 재료의 경우에 있어서, 상기 재료는 즉시 파단할 수 있고 그리고 레이저 유도된 결함부에 의해 형성된 경로를 따라 분리될 수 있다. TFT(박막 트랜지스터) 디스플레이 용도에 대해 만들어진 유리와 같은 저 응력 재료의 경우에, 부가적인 분리 단계가 요구될 수 있다. 이에 따라, 초단파의 라인 촛점 레이저 펄스는 예를 들면, 기판으로부터의 부분이나 투명한 재료의 완전하게 자동화된 분리를 실행하도록 다른 열 응력 발생원이나 또는 이산화탄소(CO2) 레이저에 의해 선택적으로 뒤따를 수 있다.
일 실시예에 있어서, 투명한 재료 처리 시스템은 펄스 레이저 빔을 방사하도록 작동가능한 레이저 공급원과, 상기 펄스 레이저 빔의 광학 경로 내에 배치된 광학 조립체를 포함한다. 광학 조립체는 펄스 레이저 빔을, 조정가능한 길이 및 조정가능한 직경을 갖는 레이저 빔 촛점 라인으로 변형하도록 구성된다. 레이저 빔 촛점 라인의 적어도 일부는, 레이저 빔 촛점 라인이 유도된 다-광자 흡수를 투명한 재료 내에 생성하기 위해, 대부분의 상기 투명한 재료 내에 위치하도록 작동가능하다. 유도된 다-광자 흡수는 레이저 빔 촛점 라인을 따라서 투명한 재료 내에서의 재료 개질을 만든다.
다른 한 실시예에 있어서, 투명한 재료 처리 방법은 빔 전파 방향을 따라 레이저 빔 촛점 라인을 형성하도록 펄스 레이저 빔을 촛점맞추는 단계를 포함하고, 여기서 상기 레이저 빔 촛점 라인은 길이 및 직경을 갖는다. 이러한 투명한 재료 처리 방법은 레이저 빔 촛점 라인의 길이와 레이저 빔 촛점 라인의 직경 중 적어도 하나를 조정하는 단계와, 상기 레이저 빔 촛점 라인의 적어도 일부가 대부분의 상기 재료 내에 위치하도록, 상기 레이저 빔 촛점 라인을 상기 투명한 재료로 나아가게 하는 단계를 더 포함한다. 레이저 빔 촛점 라인은 투명한 재료 내에 유도된 다-광자 흡수를 발생시킨다. 유도된 다-광자 흡수는 레이저 빔 촛점 라인을 따라서 상기 재료 내에서 재료 개질을 만든다.
위에 기재된 사항은 첨부한 도면에 도시된 바와 같이, 예시적인 실시예인, 아래 기재된 더욱 상세한 설명으로부터 명확할 것이고, 상기 도면에 있어서, 동일한 참조 문자는 상이한 시점을 통해 동일한 부품을 지시하고 있다. 도면은 반드시 축적에 맞춰져 있지 않고, 대신 대표적인 실시예를 나타내기 위한 것이다.
도 1은 레이저 에너지에 마주한 얇은 재료(A), 개질된 접속부, 및 두꺼운 재료(B)와 같은 3개의 층의 스택을 개략적으로 나타낸 도면으로서, 상기 개질된 접속부는 레이저 에너지가 레이저 빔으로부터 먼 개질된 접속부의 쪽에서 스택 부분과 상호작용하는 것을 방해하고;
도 2a 및 도 2b는 촛점 라인에 따른 유도된 흡수에 기인한, 레이저 파장에 투명한 재료의 레이저 처리, 즉 레이저 빔 촛점 라인의 위치결정을 개략적으로 나타낸 도면이고;
도 3a는 레이저 처리를 위한 광학 조립체의 개략적인 도면이고;
도 3B-1, 도 3B-2, 도 3B-3, 및 도 3B-4는 상기 기판과 관련하여 투명한 재료 내의 상이한 위치에 레이저 빔 촛점 라인을 형성시킴으로써 기판을 처리하기 위한 다양한 가능성을 나타낸 도면이고;
도 4는 레이저 처리를 위한 제2 광학 조립체의 개략적인 도면이고;
도 5a 및 도 5b는 레이저 처리를 위한 제3 광학 조립체의 개략적인 도면이고;
도 6a는 레이저 처리를 위한 제4 광학 조립체의 개략적인 도면이고;
도 6b는 레이저 처리를 위한 액시콘의 개략적인 도면이고;
도 6c는 레이저 처리를 위한 제5 광학 조립체의 개략적인 도면이고;
도 6d는 레이저 처리를 위한 제6 광학 조립체의 개략적인 도면이고;
도 6e는 레이저 처리를 위한 제7 광학 조립체의 개략적인 도면이고;
도 6f는 레이저 처리를 위한 제8 광학 조립체의 개략적인 도면이고;
도 6g는 레이저 처리를 위한 제9 광학 조립체의 개략적인 도면이고;
도 7은 피코초 레이저에 대한 시간의 함수로서 레이저 방사 그래프이며, 여기서 각각의 방사는 하나 이상의 서브-펄스를 포함할 수 있는 펄스 "버스트(burst)"에 의해 특징지워지고, 버스트의 주파수는 전형적으로 대략 100 kHz(10 μsec)와 같은 레이저 반복율이고, 서브-펄스 사이의 시간은 예를 들면, 대략 20 나노초(nsec)처럼 상당히 짧고;
도 8은 유리-공기-유리 복합 구조체에 입사될 때, 촛점맞춰진 가우스 빔과 베셀 빔 사이의 비교 도면이고;
도 9는 마모나 오염을 감소시키면서 다수의 시트를 절단하기 위한 투명한 보호 층을 구비한 스택의 개략적인 도면이고;
도 10은 캡슐형 장치의 절단과 공기 갭을 개략적으로 나타낸 도면이고;
도 11은 레이저 천공에 의해 이후 엣칭이나 레이저 천공 및 CO2 레이저 배출에 의해 윈도우나 개재부의 절단을 개략적으로 나타낸 도면이고;
도 12는 투명한 전도 층(예를 들면, ITO(indium tin oxide))으로써 코팅된 전기변색 유리와 같은 물품의 절단을 개략적으로 나타낸 도면이고; 그리고
도 13은 스택에서 다른 층을 손상시키지 않는 여러 층의 정밀 절단의 개략적인 도면이다.
본 명세서에 기재된 실시예는 투명한 재료를 통하거나 또는 상기 투명한 재료에 고 정밀 절단을 광학적으로 만들기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다. 절단 처리로부터의 서브-표면 손상이 대략적으로 60 micron 이하의 깊이로 제한될 수 있고, 그리고 절단은 단지 적은 부스러기를 만들 수 있다. 본 발명에 따라 레이저에 의한 투명한 재료의 절단은 또한 본 명세서에서 드릴링이나 레이저 드릴링이나 또는 레이저 처리로 언급될 수 있다. 재료는, 흡수가 이와 같은 파장에서 mm의 재료 깊이 당 대략 10 % 이하일 때, 바람직하게는 대략 1 % 이하일 때, 레이저 파장에 실질적으로 투명하다.
일반적으로, 레이저 빔은, 재료 내에 손상 라인을 생성하기 위해, 유리와 같은 대부분의 재료 내에 위치된 레이저 빔 촛점 라인으로 변형된다. 재료는 이들 손상 라인을 따라서 이후 분리될 수 있다. 레이저 빔 촛점 라인은 또한 반도체 장치 조립체의 개재부(interposer)에서의 구멍과 같은, 재료의 구멍을 만들도록 사용될 수 있다. 레이저 라인 촛점의 직경 및 길이를 조정하는 방법 및 시스템이 본 명세서에 기재되어 있다. 레이저 라인 촛점의 길이 및/또는 직경이 상이한 두께의 재료 뿐만 아니라 상이한 타입의 재료에 따라 조정될 수 있다.
아래 기재된 방법에 따라, 단일 패스에서, 레이저는 서브표면 손상 및 부스러기 발생이 극히 작은 상태에서(< 75 ㎛, 종종 < 50 ㎛), 재료를 통한 상당하게 제어된 완전한 라인 천공을 만들도록 사용될 수 있다. 이는 재료를 융삭하기 위한 스팟-촛점맞춰진 레이저의 전형적인 사용과 반대이며, 이 경우 다수의 패스가 유리 두께부를 완전하게 천공하는데 종종 필요하고, 많은 양의 부스러기가 융삭 처리로부터 형성되고, 그리고 더욱 대규모 서브-표면 손상(> 100 ㎛) 및 엣지 칩이 발생한다.
이에 따라, 하나의 고 에너지 버스트 펄스를 사용하여 현미경으로 봐야하는(즉, < 0.5 ㎛ 및 > 100 nm 직경) 세장형 "구멍"(또한 소위, 천공이나 결함 라인)이 투명한 재료에 만들어질 수 있다. 본 명세서에 기재된 예시적인 실시예에 따라, 전형적인 천공은 > 100 nm 그리고 5 micrometer 이하(예를 들면, 0.2 micron 내지 2 micron, 0.2 micron 내지 1 micron, 또는 이들 사이)의 직경; 그리고 50 micron 이상(예를 들면, 0.1 mm 내지 100 mm, 150 micron 내지 2 mm, 또는 150 micron 내지 5 mm, 또는 150 micron 내지 10 mm)의 길이를 가질 것이다. 이들 천공, 결함 구역, 손상 트랙, 또는 결함 라인은 일반적으로 1 micron 내지 25 micron 이격되거나, 여러 실시예에서 1 micron - 15 micron(예를 들면, 2 micron - 12 micron, 5 micron - 10 micron) 이격되지만, 그러나 여러 실시예에서 15 micron - 25 micron 이격된다. 이들 개별 천공은 수백 킬로헤르츠(예를 들면, 초당 수십만 천공)의 속도에서 만들어질 수 있다. 이에 따라, 공급원과 재료 사이의 상대 운동에 의해, 이들 천공은 서로에 대해 인접하여 배치될 수 있다(필요에 따라 1 미크론 미만(sub-micron) 내지 수 micron 변하는 공간 분리). 이러한 공간 분리는 절단을 용이하게 하기 위해 선택된다. 여러 실시예에 있어서, 결함 라인은 투명한 재료의 정상부로부터 바닥부까지 뻗어있는 개방 채널이나 구멍인 "관통 구멍"이다. 여러 실시예에 있어서, 결함 라인은 연속의 채널이 아닐 수 있고, 그리고 솔리드 재료(예를 들면, 유리)의 섹션이나 부분에 의해 차단될 수 있거나 또는 부분적으로 차단될 수 있다. 본 명세서에서 기재된 바와 같이, 결함 라인의 내경은 공기 구멍이나 또는 개방 채널의 내경이다. 예를 들면, 본 명세서에 기재된 실시예에 있어서, 결함 라인의 내경은 < 500 nm, 예를 들면 ≤ 400 nm, 또는 ≤ 300 nm이다. 바람직하게는 본 명세서에 기재된 실시예에서 구멍을 둘러싸는 재료의 분열되거나 개질된 영역(예를 들면, 압밀되거나, 용융되거나, 또는 그렇지 않으면 변함)은 < 50 ㎛ (예를 들면, < 10 ㎛)의 직경을 갖는다.
투명한 재료의 스택의 선택적인 절단과 미세기계가공은 요구되는 층의 경계에서 빔 분열(disruption) 소자의 배치, 및 빔 이송 광학장치(optics)와 함께 파장과 적당한 레이저 공급원의 선택을 통한 절단 깊이의 정밀한 제어로써 달성된다. 빔 분열 소자는 접속부(interface)나 또는 재료의 층일 수 있다. 빔 분열 소자는 레이저 빔 분열 소자, 분열 소자 등으로서 본 명세서에서 언급될 수 있다. 실시예의 빔 분열 소자는 빔 분열 층, 레이저 빔 분열 층, 분열 층, 빔 분열 접속부, 레이저 빔 분열 접속부, 분열 접속부 등으로 본 명세서에서 언급될 수 있다.
빔 분열 소자는 스택에서의 기저(underlying) 층을 손상시키지 않거나 그렇지 않으면 개질시키지 않거나 방지하도록 입사 레이저 빔과 접속하거나, 탈촛점시키거나, 산란시키거나, 흡수하거나 또는 그렇지 않으면 반사시킨다. 일 실시예에 있어서, 빔 분열 소자는 레이저 드릴링이 발생하는 투명한 재료의 층이 기저가 되게 한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 레이저 빔이 빔 분열 소자에 직면하기 전에 투명한 재료를 반드시 통과하도록 빔 분열 소자가 배치될 때, 상기 빔 분열 소자는 투명한 재료가 기저가 되게 한다. 빔 분열 소자는 기저가 될 수 있고 그리고 레이저 드릴링이 발생하는 투명한 층에 바로 인접될 수 있다. 스택된 재료는 광학 특성 중 콘트라스트가 스택의 상이한 층 사이에 존재하도록 접속부를 개질시키거나 층을 삽입시킴으로써 높은 선택도로써 미세기계가공될 수 있거나 절단될 수 있다. 스택에서의 재료 사이의 접속부를 더욱 반사적으로 만듬으로써, 흡수, 및/또는 관심(interest) 레이저 파장에서의 산란, 절단은 상기 스택의 층이나 일부에 국한될 수 있다.
레이저의 파장은, 레이저 처리될(레이저에 의해 드릴링되거나, 절단되거나, 융삭되거나, 손상되거나, 또는 그렇지 않으면 눈에 띄게 개질될) 스택 내의 재료가 레이저 파장에 투명하도록, 선택된다. 일 실시예에 있어서, 레이저에 의해 처리될 재료는 재료의 mm 두께 당 레이저 파장의 10 % 보다 작은 강도를 흡수한다면 레이저 파장에 대해 투명하다. 다른 일 실시예에 있어서, 레이저에 의해 처리될 재료는 재료의 mm 두께 당 레이저 파장의 5 % 보다 작은 강도를 흡수한다면 레이저 파장에 대해 투명하다. 다른 일 실시예에 있어서, 레이저에 의해 처리될 재료는 재료 두께의 mm 당 레이저 파장의 2 % 보다 작은 강도를 흡수한다면 레이저 파장에 대해 투명하다.
레이저 공급원의 선택은 투명한 재료에 다-광자 흡수(MPA)를 유도하는 능력으로부터 또한 예측된다. MPA는 보다 낮은 에너지 상태(통상적으로, 접지 상태)로부터 보다 높은 에너지 상태(여기된 상태)로 재료를 여기시키기 위한, 상이한 주파수의 또는 동일한 주파수의 다 광자의 동시 흡수이다. 여기된 상태는 여기된 전자 상태일 수 있거나 또는 이온화된 상태일 수 있다. 재료의 고 에너지 상태와 저 에너지 상태 사이의 에너지 차이는 2개 이상의 광자의 에너지의 합과 동일하다. MPA는 선형 흡수보다 더 약한 수 승수(order of magnitude)의 비선형 처리이다. 2개-광자 흡수의 경우에 있어서, 흡수 강도가 광 강도의 제곱에 따라 결정되며, 이에 따라 비선형 광학 처리를 만든다는 점에서 선형 흡수와 상이하다. 통상의 광 강도에서, MPA는 무시가능하다. 예를 들면, 레이저 공급원(특히, 펄스 레이저 공급원)의 촛점 구역에서, 광 강도(에너지 밀도)가 극히 크다면, MPA는 광원의 에너지 밀도가 충분히 큰 구역 내에 측정가능하고 뚜렷한 효과를 야기한다. 촛점 구역 내에서, 에너지 밀도는 재료의 기화, 분자 결합의 파단, 및 이온화를 초래하도록 충분히 클 수 있다.
원자 레벨에서, 개별 원자의 이온화는 별개의 에너지 요구조건을 갖는다. 유리(예를 들면, Si, Na, K)에 통상적으로 사용된 수개의 소자가 비교적 저 이온화에너지(~5 eV)를 갖는다. MPA의 현상없이, 대략 248 nm의 파장은 ~5 eV에서 선형 이온화를 만드는데 필요할 수 있다. MPA에 의해, ~5 eV 만큼 에너지 분리된 상태 사이의 이온화나 여기는 248 nm 보다 더 긴 파장으로써 달성될 수 있다. 예를 들면, 532 nm의 파장을 갖는 광자는 ~2.33 eV의 에너지를 가지며, 이로서 파장 532 nm을 갖는 2개의 광자는 예를 들면, 2개-광자 흡수(TPA, two-photon absorption)에서 ~4.66 eV 만큼 에너지 분리된 상태 사이의 변천을 유도할 수 있다.
이에 따라, 원자 및 결합은 레이저 빔의 에너지 밀도가 예를 들면, 요구되는 여기 에너지 절반을 갖는 레이저 파장의 비선형 TPA를 유도하도록 충분히 큰 경우에 재료의 구역에서 선택적으로 여기될 수 있거나 또는 이온화될 수 있다. MPA는 인접한 원자 또는 결합으로부터 여기된 원자 또는 결합의 분리 및 국부 재구성을 초래할 수 있다. 결합이나 구성에서의 최종 개질은 MPA가 발생하는 재료의 구역으로부터의 물질의 제거와 열이 아닌 융삭을 초래할 수 있다. 이러한 물질의 제거는 재료를 기계적으로 취약하게 하고 그리고 기계 응력이나 열 응력이 가해질 때 크랙킹이나 파단에 더욱 민감할 수 있게 하는 구조적 결함부(예를 들면, 결함 라인이나 "천공")를 만든다. 천공의 배치를 제어함으로써, 크랙이 발생하는 경로나 윤곽이 정밀하게 형성될 수 있고 그리고 재료의 정밀한 미세기계가공이 달성될 수 있다. 일련의 천공에 의해 형성된 윤곽은 흠(fault) 라인으로서 여겨질 수 있고, 그리고 재료에서의 구조적 취약부의 구역에 대응한다. 일 실시예에 있어서, 미세기계가공은 레이저에 의해 처리된 재료로부터의 일부의 분리를 포함하며, 여기서 상기 일부는 레이저에 의해 유도된 MPA 효과를 통해 형성된 폐쇄 윤곽의 천공에 의해 결정된 정밀하게 형성된 형상부나 주변부를 구비한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 폐쇄된 윤곽이라는 용어는 레이저 라인에 의해 형성된 천공 경로를 의미하며, 여기서 상기 경로가 여러 위치에서 그 자신과 교차한다. 내부 윤곽은 최종 형상이 재료의 외측 부분에 의해 완전하게 둘러싸이는 경우에 형성된 경로이다.
천공은 시간 상 함께 근접하여 이격된 고 에너지 짧은 지속기간 펄스의 하나의 "버스트"에 의해 달성될 수 있다. 레이저 펄스 지속기간은 10 - 10 이하일 수 있거나, 10 - 11 이하일 수 있거나, 10 - 12 이하일 수 있거나, 또는 10 - 13 이하일 수 있다. 이들 "버스트"는 고 반복율(예를 들면, kHz 또는 MHz)에서 반복될 수 있다. 천공은 레이저 및/또는 기판이나 스택의 운동 제어를 통해 레이저와 관련하여 기판이나 스택의 속도를 제어함으로써 이격될 수 있고 그리고 정밀하게 위치될 수 있다.
일례로서, 100 kHz의 일련의 펄스에 노출된 200 mm/sec로 이동하는 얇은 투명한 기판에 있어서, 개별 펄스는 2 micron 만큼 분리된 일련의 천공을 만들도록 2 micron 분리될 수 있다. 이러한 결함(천공) 간극은 일련의 천공에 의해 형성된 윤곽에 따라 기계적 분리나 열 분리가 가능하도록 충분히 가깝다.
열 분리:
여러 경우에 있어서, 일련의 천공 또는 결함 라인에 의해 형성된 윤곽에 따라 생성된 흠 라인이 부분을 동시에 분리시키는데 충분하지 않으면, 2차 단계가 필요할 수 있다. 만약 이렇다면, 제2 레이저가 예를 들면, 부분을 분리시키는 열 응력을 만들도록 사용될 수 있다. 사파이어의 경우에, 기판으로부터 부분을 분리하는 열 응력 및 힘을 만들기 위한 열원(예를 들면, 적외선 레이저, 예를 들면, CO2 레이저 또는 CO 레이저)을 사용함으로써 또는 기계적 힘을 적용함으로써, 흠 라인의 생성 이후에 분리가 달성될 수 있다. 선택적인 열 분리는 예를 들면, 10.6 ㎛에서 방사되는 탈촛점 CO2 레이저 연속파(cw) 레이저 및 그 듀티 사이클을 제어함으로써 조정되는 파워에 의해 달성될 수 있다. 촛점 변화(즉, 촛점맞춰진 스팟 크기를 포함해 이에 이르는 탈촛점 정도)는 스팟 크기를 변경시킴으로써 유도된 열 응력을 변경시키도록 사용된다. 탈촛점 레이저 빔은 레이저 파장의 대략적인 크기의 최소 회절-제한된 스팟 크기보다 더 큰 스팟 크기를 만드는 레이저 빔을 포함한다. 예를 들면, 대략 7 mm, 2 mm 및 20 mm의 스팟 크기는 CO2 레이저에 대해 사용될 수 있고, 예를 들면, 이 레이저의 방사 파장은 10.6 ㎛에서 상당히 더 작다. 흠 라인(110)의 방향에 따른 인접한 결함 라인(120) 사이의 거리는 예를 들면, 0.5 ㎛ 보다 더 클 수 있고, 그리고 여러 실시예에 있어서 대략 15 ㎛ 내지 20 ㎛이거나, 이보다 더 작을 수 있다. 다른 한 선택은 수동으로, 즉 레이저-천공된 윤곽을 따라서 부분을 분리시키는 기계적 힘을 가함으로써, 분리를 개시하고, 이후 분리를 마무리하는 CO2 레이저를 단지 구비하는 것이다.
엣칭:
산 엣칭이 예를 들면, 유리 층을 구비한 피가공물을 분리하도록, 예를 들면, 사용될 수 있다. 금속 충전과 전기 접속에 유용한 크기로 구멍을 확대시키기 위하여, 부분이 산 엣칭될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 예를 들면, 사용된 산은 10 % HF / 15 % HNO3 볼륨을 가질 수 있다. 부분은 예를 들면, 대략 100 ㎛의 재료를 제거하기 위하여, 24 ℃ - 25 ℃의 온도에서 53 분 동안 엣칭될 수 있다. 부분은 이러한 산 욕조에 침지될 수 있고, 그리고 40 kHz 주파수와 80 kHz 주파수의 조합 주파수에서의 초음파 교반은 유체의 침투와 구멍에서의 유체 교환을 용이하게 하도록 사용될 수 있다. 더욱이, 초음파 장 내에서의 부분의 수동 교반은 초음파 장으로부터의 정상파 패턴이 부분에서의 "고온의 스팟"이나 캐비테이션 관련 손상이 만들어지는 것을 방지하도록 행해질 수 있다. 산 조성물 및 엣칭 율은 엣칭 부분을 느리게 엣칭하도록(예를 들면, 단지 1.9 um/분의 재료 제거율) 의도적으로 설계될 수 있다. 예를 들면, 대략 2 ㎛/분보다 더 작은 엣칭 율은 산이 협폭의 구멍을 완전하게 통과할 수 있게 하고 그리고 교반이 초기에 매우 협폭인 구멍으로부터 용해된 재료를 제거하고 신선한 유체를 교환하게 할 수 있다.
도 1에 도시된 실시예에 있어서, 다층 스택에 있어 절단 깊이의 정밀한 제어가 빔 분열 접속부("개질된 접속부"으로 지시됨)를 포함하여 달성된다. 빔 분열 접속부는 레이저 조사가 상기 분열 접속부의 위치를 넘어 다층 스택의 부분과 상호작용하는 것을 방지한다. 실시예가 다층 스택을 사용하는 것으로 본 명세서에 기재되고 도시되어 있을지라도, 이들 실시예가 기재되고 도시된 바와 같이 한정되지 않음을 알 수 있을 것이다. 본 명세서에 기재된 레이저 빔 라인 촛점 특성을 사용하는 레이저 절단 처리는 유리 기판과 같은 재료의 단일 층에 적용될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 빔 분열 소자가 2개-광자 흡수를 통한 개질이 발생하는 스택의 층 바로 아래 위치된다. 이러한 구성은 도 1에 도시되어 있고, 이 도면에서 빔 분열 소자가 재료(A) 바로 아래 위치된 개질된 접속부이고, 그리고 재료(A)는 본 명세서에 기재된 2개-광자 흡수를 통한 천공의 형성이 발생하는 재료이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 다른 한 위치 아래나 또는 보다 낮은 위치에 대한 기준은 정상부나 또는 최상의 위치가 레이저 빔이 먼저 입사되는 다층 스택의 표면이라고 가정한다. 도 1에 있어서, 예를 들면, 레이저 공급원에 가장 근접한 재료(A)의 표면이 정상부 표면이고, 그리고 재료(A) 아래의 빔 분열 소자의 배치는 레이저 빔이 상기 빔 분열 소자와 상호작용하기 전에 재료(A)를 횡단하는 것을 의미한다.
분열 소자는 절단될 재료와 상이한 광학 특성을 갖는다. 예를 들면, 빔 분열 소자는 탈촛점 소자, 산란 소자, 반투명 소자, 또는 반사 소자일 수 있다. 탈촛점 소자는 레이저 광이 탈촛점 소자에서 또는 이 탈촛점 소자 아래에서 레이저 빔 촛점 라인을 형성하는 것을 방지하는 재료를 포함한 층이거나 접속부이다. 탈촛점 소자는 광학 빔의 파면을 산란시키거나 동요시키는 굴절률 불균일성을 갖는 재료나 접속부로 이루어질 수 있다. 반투명 소자는 레이저 빔으로부터 먼 반투명 소자의 측에서 스택 부분에 레이저 빔 촛점 라인의 형성을 충분하게 방지하기 위해 에너지 밀도를 낮추도록 상기 레이저 빔을 산란하거나 감쇠시킨 이후에만 광이 통과할 수 있게 하는 재료의 층이나 또는 접속부이다. 일 실시예에 있어서, 반투명 소자는 레이저 빔의 광선의 적어도 10 %를 산란시키거나 벗어나게 한다.
더욱 특별하게는, 분열 소자의 반사도, 흡수도, 탈촛점, 감쇠, 및/또는 산란은 배리어를 만들도록 사용될 수 있거나 또는 레이저 조사를 저하시킬 수 있다. 레이저 빔 분열 소자는 수개의 수단에 의해 만들어질 수 있다. 전체 스택 시스템의 광학 특성이 중요하지 않다면, 이후 하나 이상의 박막이 스택의 요구되는 2개의 층 사이의 빔 분열 층으로서 증착될 수 있으며, 여기서 하나 이상의 박막은 레이저 공급원으로부터 받는 과도한 에너지 밀도로부터 박막 아래 층을 보호하기 위하여, 박막 바로 위의 층보다 많은 레이저 조사를 흡수, 산란, 탈촛점, 감쇠, 반사, 및/또는 소산한다. 전체 스택 시스템의 광학 특성이 중요하다면, 빔 분열 소자는 노치 필터로서 실행될 수 있다. 이는 수개의 단계(방법)에 의해 행해질 수 있다:
a) (예를 들면, 박막 성장, 박막 패터닝, 또는 표면 패터닝을 통해) 입사 레이저 조사의 회절이 특별한 파장이나 파장 범위에서 발생하도록, 분열 층이나 접속부에서 구조를 만드는 단계;
b) (예를 들면, 박막 성장, 박막 패터닝, 또는 표면 패터닝을 통해) 입사 레이저 조사의 산란이 발생하도록, 분열 층이나 또는 접속부(예를 들면, 텍스쳐 표면)에서 구조를 만드는 단계;
c) (예를 들면, 박막 성장, 박막 패터닝, 또는 표면 패터닝을 통해) 레이저 조사의 감쇠된 상-변위가 발생하도록, 분열 층이나 접속부에서 구조를 만드는 단계; 및
d) 단지 레이저 조사를 반사시키는 접속부나 분열 층에서 박막 스택을 통해 분산된 브라그(Bragg) 반사기를 만드는 단계.
분열 소자에 의한 레이저 빔의 흡수, 반사, 산란, 감쇠, 탈촛점 등이 완전할 필요는 없다. 분열 소자가 레이저 빔에 사용될 때의 효과는 촛점맞춰진 레이저 빔의 강도나 에너지 밀도를 (기저) 분열 소자에 의해 보호되는 스택에서의 층의 절단, 융삭, 천공 등에 요구되는 문턱값 아래의 레벨로 감소시키는데 충분할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 분열 소자가 촛점맞춰진 레이저 빔의 강도나 에너지 밀도를, 2개-광자 흡수를 유도하는데 필요한 문턱값 아래의 레벨로 감소시킨다. 분열 층이나 또는 분열 접속부는 레이저 빔을 흡수, 반사, 또는 산란시키도록 구성될 수 있으며, 이 경우 흡수, 반사, 또는 산란은 캐리어(또는 다른 기저 층)로 전달된 레이저 빔의 강도나 에너지 밀도를 기저 층이나 캐리어에서의 비선형 흡수를 유도하는데 필요한 레벨 아래로 감소시키는데 충분하다.
도 2a 및 도 2b로 돌아와서, 재료를 레이저 드릴링하는 방법은 빔 전파 방향을 따라 보았을 경우, 펄스 레이저 빔(2)을 레이저 빔 촛점 라인(2b)에 촛점맞추는 단계를 포함한다. 레이저 빔 촛점 라인(2b)은 고 에너지 밀도의 구역이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 레이저(3)(도시 생략)는 광학 조립체(6)에 입사되는 부분(2a)을 갖는 레이저 빔(2)을 방사한다. 광학 조립체(6)는 빔 방향에 따라 형성된 확장 범위(촛점 라인의 길이(l)) 내내 아웃풋 측에서 대규모 레이저 빔 촛점 라인(2b)으로 입사 레이저 빔을 조정한다(turn).
본 발명의 실시예는 레이저 빔 촛점 라인(2b)을 형성하기 위해 비-회절 빔("NDB(non-diffracting beam)")을 사용한다. 전형적으로 레이저 처리는 가우스 레이저 빔을 사용하고 있다. 가우스 강도 프로파일을 갖는 레이저 빔의 빽빽한 촛점은 아래 방정식 (1)에 의해 주어진 레일리 범위(ZR: Rayleigh range)를 갖는다:
Figure pct00001
방정식 (1)
레일리 범위는 빔의 스팟 크기(w0)가 파장(λ0)에서의 굴절률(η0)을 갖는 재료에서 √2 만큼 증가되는 거리를 나타낸다. 이러한 한정은 회절에 의해 부과된다. 방정식 (1)에서 레일리 범위가 스팟 크기와 직접적으로 연관되며, 이에 따라 빽빽한 촛점(즉, 작은 스팟 크기)을 갖는 빔이 긴 레일리 범위를 가질 수 없다는 결론을 유도한다는 것을 알 수 있을 것이다. 이러한 빔은 단지 매우 짧은 거리에 대해 이러한 작은 스팟 크기를 유지할 것이다. 이는 또한 이러한 빔이 촛점 구역의 깊이를 변경시킴으로써 재료를 통한 드릴링에 위해 사용된다면, 촛점의 어느 한 측에서의 스팟의 급격한 팽창이 빔의 촛점 특성을 제한할 수 있는 광학 왜곡이 없는 큰 구역을 필요로 할 것이라는 것을 의미한다. 이러한 짧은 레일리 범위는 또한 두꺼운 샘플을 절단하기 위한 다수의 펄스를 필요로 한다.
그러나, 본 발명의 실시예는 상기 언급된 광학 가우스 빔 대신에 NDB를 사용한다. 비-회절 빔은 회절 효과가 부득이 빔 촛점을 제한하기 이전에 상당한 거리에 대해 전파할 것이다. 무한 NDB가 회절 효과를 더 나빠지게 하지 않을지라도, 물리적으로 실현가능한 NDB가 제한된 물리적인 정도를 가질 것이다. 빔의 중앙 로브(lobe)는 매우 작은 반경을 가질 수 있고, 이에 따라 고 강도 빔을 만들 수 있다. 단지 예를 들자면, 베셀(Bessel) 빔, 에이리(Airy) 빔, 웨버(Weber) 빔 및 마씨유(Mathieu) 빔을 포함한 수개의 타입의 NDB가 존재하며, 이들 빔의 장 프로파일은 가우스 함수보다 횡단 방향에서 더욱 느리게 감쇠하는 특별한 함수에 의해 전형적으로 주어진다.
본 명세서에 기재된 NDB가 베셀 빔과 관련하여 본 명세서에 기재되어 있을지라도, 실시예는 이로써 한정되지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다. 베셀 빔의 중앙 스팟 크기가 아래 식으로써 얻어진다:
Figure pct00002
방정식 (2)
이 식에서 NA는 광학 축선과 각도(β)를 만드는 평면 파의 콘에 의해 주어진 개구수이다(도 6b 참조). 베셀 빔과 가우스 빔 사이의 중요 차이점은 레일리 범위가 아래 식에 의해 주어진다는 것이다:
Figure pct00003
방정식 (3)
이 식에서 D는 여러 개구 또는 광학 소자에 의해 부과된 빔의 유한 정도이다. 따라서, 개구 크기(D)는 중앙 스팟의 크기에 의해 부과된 한계를 넘는 레일리 범위를 증대시키도록 사용될 수 있다는 것을 알 수 있다. 베셀 빔을 만들기 위한 실제 방법은 도 6b에 도시된 바와 같은 반경방향 선형 위상 소자를 구비한 광학 소자나 액시콘(axicon)을 가우스 빔이 통과하는 것이다.
일반적으로, 라인 촛점(즉, 레이저 빔 촛점 라인)을 형성하는 광학 방법은 단지 예를 들자면, 도넛 형상의 레이저 빔 및 구형 렌즈, 액시콘 렌즈, 회절 소자, 또는 고 강도의 선형 구역을 형성하는 다른 방법을 사용하는 것과 같은 다수의 형태를 취할 수 있으며, 이들로 한정되는 것은 아니다. 레이저 타입(피코초, 펨토초, 등) 및 파장(IR, 가시광선, UV, 등)은 또한 충분한 광학 강도가 기판 재료의 파단을 만들도록 도달되는 한 변할 수 있다.
레이저 파워 및 렌즈 촛점 길이(라인 촛점 길이와 이에 따라 파워 밀도를 결정함)는 절단하는 경우에 천공(손상 트랙) 사이의 크랙을 확실하게 발생시키면서 또는 드릴링의 경우에 가능하다면 미소-크랙킹의 억제를 시도하면서, 절단과 드릴링을 위해 기판의 완전한 침투를 확실하게 하는 파라미터이다. 이에 따라, 기판에 형성된 라인 촛점의 치수가 정밀하게 제어될 수 있다.
본 발명의 실시예는 하나의 레이저 기기로써, 재료 개질을 위한 매우 큰 광학 문턱값을 갖는 재료 대 용이하게 크랙되는 재료의 기계가공 뿐만 아니라 얇은 재료와 두꺼운 재료의 절단을 용이하게 하는, 라인 촛점의 길이와 직경 모두를 조정하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 이러한 시스템 및 방법은 제조 효율을 높이고 자본 사용을 향상시키기 위하여, 상이한 기판을 절단하고 드릴링하는데 신속하게 채택될 하나의 시스템을 가능하게 한다.
도 2a 및 도 2b를 다시 한번 살펴보면, 층(1)은 다층 스택의 층이며, 이 다층 스택에서 레이저 처리에 의한 내부 개질과 2개-광자 흡수가 발생한다. 층(1)은 다층 스택이 형성되는 기판이나 캐리어를 전형적으로 포함하는 보다 큰 피가공물의 구성요소이다. 층(1)은 다층 스택 내의 층이며, 이 다층 스택에서, 구멍, 절단부, 또는 다른 특징부가 본 명세서에 기재된 바와 같이 2개-광자 흡수를 사용한 융삭이나 개질을 통해 형성된다는 것이다. 층(1)은 레이저 빔(2)의 레이저 빔 촛점 라인(2b)을 적어도 부분적으로 겹치도록 빔 경로에 위치된다. 부재번호 1a는 광학 조립체(6)나 또는 레이저에 (가장 근접하여 또는 가깝게) 각각 마주한 층(1)의 표면을 지시하고 있으며, 부재번호 1b는 층(1)의 반대쪽 표면(광학 조립체(6)나 또는 레이저로부터 멀거나 더욱 먼 표면)을 지시하고 있다. 층(1)의 두께는 d로 지시된다(평면(1a 및 1b)에, 즉, 기판 평면에 수직으로 측정됨).
도 2a가 나타내는 바와 같이, 층(1)은 길이방향 빔 축선에 수직하여 그리고 이에 따라 광학 조립체(6)에 의해 만들어진 동일한 촛점 라인(2b) 뒤에 정렬된다(기판은 도면의 평면에 수직함). 빔 방향을 따라 보았을 경우(빔의 방향에서 보았을 때), 촛점 라인(2b)이 층(1)의 표면(1a) 이전에 시작하고 그리고 상기 층(1)의 표면(1b) 이전에 정지하는 방식으로, 즉 상기 촛점 라인(2b)이 상기 층(1) 내에서 끝나고 그리고 상기 표면(1b)을 넘어 뻗어있지 않는 방식으로, 상기 층(1)은 상기 촛점 라인(2b)과 관련하여 위치된다. 층(1)과 레이저 빔 촛점 라인(2b)의 겹쳐지는 영역에 있어서, 즉, 상기 촛점 라인(2b)에 의해 겹쳐지는 상기 층(1)의 부분에 있어서, 대규모 레이저 빔 촛점 라인(2b)은 상기 층(1)에서 비선형 흡수를 만든다. (레이저 빔 촛점 라인(2b)에 따른 적당한 레이저 강도를 가정하면, 상기 강도는 (길이방향 빔 방향에 따라 정렬된) 대규모 섹션(2c)을 형성하는 길이(l)(즉, 길이(l)의 라인 촛점)의 한 섹션에서 레이저 빔(2)의 적당한 촛점맞춤에 의해 보장되며 이 방향을 따라서 유도된 비선형 흡수가 층(1)에 생성된다.) 유도된 비선형 흡수는 섹션(2c)에 따른, 층(1)에서의 결함 라인이나 크랙의 형성을 초래한다. 결함부나 크랙 형성은 국부적일 뿐만 아니라 심지어 유도된 흡수의 대규모 섹션(2c)의 총 길이 내내 뻗어있을 수 있다. 섹션(2c)의 길이(층(1)과 레이저 빔 촛점 라인(2b)의 겹쳐지는 길이에 대응함)는 부재번호 L로 지시된다. 유도된 흡수(2c)의 섹션의 정도(또는 결함 라인이나 크랙 형성을 겪게 되는 층(1)의 재료에서의 섹션)나 또는 평균 직경은 부재번호 D로 지시된다. 이러한 평균 정도(D)는 레이저 빔 촛점 라인(2b)의 평균 직경(δ), 즉, 대략 0.1 ㎛와 대략 5 ㎛ 범위의 평균 스팟 직경에 대응할 수 있다.
도 2a가 나타내는 바와 같이, 층(1)(레이저 빔(2)의 파장(λ)에 투명함)이 촛점 라인(2b)에 따른 유도된 흡수에 의해 국부적으로 가열된다. 유도된 흡수는 촛점 라인(2b) 내에서의 레이저 빔의 고 강도(에너지 밀도)와 관련된 비선형 효과로부터 발생한다. 도 2b는, 장력이 표면(1a)에서 최고인 상태에서, 가열된 층(1)이 미소-크랙 형성을 야기하도록, 종국에는 확장할 것이라는 것을 나타내고 있다.
이들 광학 조립체가 적용될 수 있는 대표적인 광학 셋업 뿐만 아니라 촛점 라인(2b)을 생성하도록 적용될 수 있는 대표적인 광학 조립체(6)가 아래 기재되어 있다. 모든 조립체 또는 셋업이 상기 기재된 사항에 기초하여, 동일한 구성요소나 특징부 또는 동일하게 작동하는 것들에 대해 동일한 기준이 사용된다. 따라서 단지 차이점만이 아래 기재된다.
일련의 천공에 의해 형성된 윤곽에 따른 크랙 이후의 (파단 강도, 기하학적 정밀도, 거칠기 및 재-기계가공 요건의 방지(avoidance)에 관한) 고 품질의 분리 표면을 보장하기 위하여, 크랙의 윤곽을 형성하는 천공을 형성하도록 사용된 개별 촛점 라인이 아래 기재된 광학 조립체(이후, 광학 조립체가 또한 레이저 광학장치로 대안적으로 지시됨)를 사용하여 생성될 수 있다. 분리된 표면의 거칠기가 촛점 라인의 스팟 직경이나 또는 스팟 크기에 의해 주로 결정된다. 표면의 거칠기가 예를 들면, Ra 표면 거칠기 통계(샘플 표면의 높이의 절대 값의 거칠기 산술 평균)에 의해 특징지워질 수 있다. 레이저(3)의 주어진 파장(λ)의 경우에 예를 들면, 0.5 ㎛ 내지 2 ㎛의 작은 스팟 크기를 달성하기 위하여(층(1)의 재료와의 상호작용), 특정 요구조건이 통상적으로 레이저 조립체(6)의 개구수에 반드시 부과되어야 한다.
요구되는 개구수를 달성하기 위하여, 광학장치는 한편으로, 알려진 Abbe 식 (N.A. = n sin (theta), n: 처리될 재료의 굴절률, theta: 개구 각도 절반; 그리고 theta = arctan (D/2f); D: 개구, f: 촛점 길이)에 따라, 주어진 촛점 길이에 대한 요구되는 개구를 반드시 배치해야 한다. 다른 한편으로, 레이저 빔은 요구되는 개구에 이르는 광학장치를 반드시 조명하며, 이는 레이저와 촛점맞춤 광학장치 사이의 와이드닝(widening) 텔레스코프를 사용하여 빔 와이드닝에 의해 전형적으로 달성된다.
스팟 크기는 촛점 라인에 따른 일정한 상호작용의 목적으로 매우 확실하게 변하지 않을 수 있다. 이는 예를 들면, 빔 개구와 이에 따라 개구수의 퍼센티지가 단지 약간 변하도록, 작은 원형 영역에서만 촛점맞춤 광학장치를 조명함으로써 보장될 수 있다(아래 실시예 참조).
도 3a는 라인 촛점을 생성하는 한 방법을 나타내고 있다. 도 3a에 따라(레이저 조사의 레이저 빔 다발(2)에서의 중앙 빔의 레벨에서 기판 평면에 수직한 섹션; 여기서, 또한, 레이저 빔(2)이 층(1)에 수직으로 입사하는, 유도된 흡수(2c)의 대규모 섹션이나 촛점 라인(2b)이 기판 법선에 평행하도록, 즉 입사 각도(β)가 0°임), 레이저(3)에 의해 방사된 레이저 조사(2a)는 사용된 레이저 조사에 완전하게 불투명한 원형 개구(8)에 먼저 나아가게 된다. 개구(8)는 길이방향 빔 축선에 수직으로 정위되고 그리고 도시된 빔 다발(2a)의 중앙 빔에 집중된다. 중앙 빔(여기서 2aZ로 지시됨)이나 빔 다발(2a)의 중앙 근처의 빔 다발이 개구를 가격하고 이로써 완전하게 차단되는 방식으로 개구(8)의 직경이 선택된다. 빔 다발(2a)의 외측 주변부 범위에서의 빔(2aR로 지시된 주변 광선(marginal ray)) 만이 빔 직경에 비해 감소된 개구 크기에 기인하여 차단되지 않지만, 그러나 개구(8)를 측방향으로 통과하고 그리고 이러한 실시예에 있어서, 구형으로 절단된, 양면-볼록 렌즈(7)로서 설계되는, 광학 조립체(6)의 촛점맞춤 광학 소자의 주변 영역을 가격한다.
렌즈(7)는 중앙 빔에 집중되고 그리고 공통의, 구형으로 절단된 렌즈의 형태로 교정되지 않은, 양면-볼록 촛점맞춤 렌즈처럼 설계된다. 이러한 렌즈의 구면 수차는 유리할 수 있다. 대안으로서, 이상적인 촛점을 형성하지 않지만 형성된 길이의 독특한 세장형 촛점 라인을 형성하는 이상적으로 교정된 시스템(즉, 하나의 촛점을 갖지 않는 렌즈나 시스템)으로부터 벗어나는 비구면 또는 다중-렌즈 시스템이 또한 사용될 수 있다. 이에 따라, 렌즈의 영역은 렌즈 중앙으로부터 거리를 갖는 촛점 라인(2b)을 따라서 촛점맞춘다. 빔 방향을 가로지른 개구(8)의 직경이 빔 다발의 직경의 대략적으로 90 %이고(피크 강도의 1/e로 감소하도록 빔의 강도에 대해 요구되는 거리만큼 형성됨) 그리고 광학 조립체(6)의 렌즈의 직경의 대략적으로 75 %이다. 중앙에서 빔 다발을 차단함으로써 발생된 비-수차-교정된 구형 렌즈(7)의 촛점 라인(2b)이 이에 따라 사용된다. 도 3a는 중앙 빔을 통한 한 평면에서의 섹션을 나타내고 있으며, 완전한 3-차원 다발은, 도시된 빔이 촛점 라인(2b) 주위에서 회전될 때, 보여질 수 있다.
이러한 타입의 촛점 라인의 하나의 잠재적인 단점은 조건(스팟 크기, 레이저 강도)이 촛점 라인을 따라서(그리고 이에 따라 재료에서의 요구되는 깊이에 따라서) 변할 수 있고, 그리고 이에 따라서 요구되는 타입의 상호작용(비(no) 용융, 유도된 흡수, 크랙 형성하는 정도의 열 소성 변형)이 아마도 촛점 라인의 선택된 부분에서만 발생할 수 있다는 것이다. 이는 결과적으로 입사 레이저 광의 일부 만이 아마도 요구되는 방식으로 처리될 재료에 의해 흡수된다는 것을 의미한다. 이처럼, 처리 효율(요구되는 분리 속도에 대한 요구되는 평균 레이저 파워)은 악화될 수 있고, 그리고 레이저 광은 또한 요구되지 않는 구역(기판이나 기판 유지 고정부에 인접한 부분이나 층)으로 전송될 수 있고 그리고 요구되지 않는 방식(예를 들면, 가열, 발산, 흡수, 원치않는 개질)으로 이들과 상호작용할 수 있다.
도 3B-1 내지 도 3B-4는 레이저 빔 촛점 라인(2b)의 위치가 광학 조립체(6)의 파라미터를 적당하게 선택함으로써 뿐만 아니라 층(1)과 관련하여 광학 조립체(6)를 적당하게 위치 및/또는 정렬시킴으로써 제어될 수 있다는 것을 나타내고 있으며(도 3a에서의 광학 조립체 뿐만 아니라 임의의 여러 적용가능한 광학 조립체(6)): 도 3B-1 내지 도 3B-4가 나타내는 바와 같이, 촛점 라인(2b)의 길이(l)는 층 두께(d)(여기서 인자 2 만큼)를 초과하는 방식으로 조정될 수 있다. 층(1)이 (길이방향 빔 방향에서 보았을 경우) 촛점 라인(2b)에 집중적으로 배치된다면, 유도된 흡수(2c)의 대규모 섹션이 전체 기판 두께 내내 생성된다.
도 3B-2에 도시된 경우에 있어서, 길이(l)의 촛점 라인(2b)이 층 두께(d)에 보다 작거나 보다 크도록 대응하게 생성된다. 라인(2b)이 처리될 재료 외측 지점에서 시작하는 방식으로 층(1)이 상기 라인(2b)과 관련하여 위치되기 때문에, 대규모 유도된 흡수(2c)의 섹션의 길이(l)(기판 표면으로부터 형성된 기판 깊이까지 뻗어있지만 반대쪽 표면(1b)까지는 아님)는 촛점 라인(2b)의 길이(l)보다 더 작다. 도 3B-3는 도 3B-2에서와 같이, 라인(2b)의 길이(l)가 층(1)에서의 유도된 흡수(2c)의 섹션의 길이(l) 보다 더 크도록, 층(1)(빔 방향을 따라서 보았을 경우)이 촛점 라인(2b)의 시작점 위에 위치되는 경우를 나타내고 있다. 촛점 라인은 이에 따라 층(1) 내에서 시작하고 그리고 반대쪽 표면(1b)을 넘어 뻗어있다. 도 3B-4는 - 입사 방향에서 보았을 때 촛점 라인과 관련하여 기판의 중앙 위치의 경우에 - 촛점 라인이 층(1) 내의 표면(1a) 근처에서 시작하고 층(1) 내의 표면(1b) 근처에서 끝나도록(예를 들면, l = 0.75 · d), 촛점 라인 길이(l)가 층 두께(d)보다 더 작은 경우를 나타내고 있다. 레이저 빔 촛점 라인(2b)은 예를 들면, 대략 0.1 mm와 대략 100 mm 사이의 범위나 또는 대략 0.1 mm와 대략 10 mm 사이의 범위의 길이(l)를 가질 수 있다. 다양한 실시예가 예를 들면, 대략 0.1 mm, 0.2 mm, 0.3 mm, 0.4 mm, 0.5 mm, 0.7 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm 또는 5 mm의 길이(l)를 갖도록 구성될 수 있다.
유도된 비선형 흡수의 섹션(2c)이 처리될 재료나 또는 층의 한 표면에서 적어도 시작하도록, 표면(1a, 1b) 중 적어도 하나의 표면이 촛점 라인에 의해 커버되는 방식으로 촛점 라인(2b)이 위치되는 것이 특히 유리하다. 이처럼, 표면에서의 미립자 발생, 패더링(feather), 및 융삭을 피하면서, 시각적으로 이상적인 절단부가 달성될 수 있다.
도 4는 다른 한 적용가능한 광학 조립체(6)를 나타내고 있다. 기본적인 구성이 도 3a에 나타난 것에 따르므로, 단지 차이점만이 아래 기재되어 있다. 나타내어진 광학 조립체는 형성된 길이(l)의 촛점 라인이 형성되는 방식으로 형성된 촛점 라인(2b)을 생성하도록 비-구형 자유 표면을 갖는 광학장치의 사용에 기초한다. 이를 위하여, 비구면은 광학 조립체(6)의 광학 소자로서 사용될 수 있다. 도 4에 있어서, 예를 들면, 소위 원추형 프리즘(또한 종종 액시콘으로서 알려져 있음)이 사용된다. 액시콘은 광학 축선에 따른 라인에 스팟 발생원을 형성하는(또는 레이저 빔을 링으로 변형하는) 원추형으로 절단된 렌즈이다. 이러한 액시콘의 레이아웃은 기본적으로 당업자에 알려져 있으며; 본 예에서 콘 각도는 10°이다. 부재번호 9로써 본 명세서에서 지시된 액시콘의 정점은 입사 방향 쪽으로 향하고 그리고 빔 중앙에 집중된다. 액시콘(9)에 의해 만들어진 촛점 라인(2b)이 그 내부에서 시작하기 때문에, 층(1)(여기서 메인 빔 축선에 수직으로 정렬됨)은 액시콘(9) 바로 뒤 빔 경로에 위치될 수 있다. 도 4가 나타내는 바와 같이, 촛점 라인(2b)의 범위 내에 유지되면서 액시콘의 광학 특성에 기인하여 빔 방향을 따라 층(1)이 또한 변위될 수 있다. 따라서, 층(1)의 재료에서의 대규모 유도된 흡수의 섹션(2c)이 전체 깊이(d) 내내 뻗어있다.
그러나, 도시된 레이아웃은 아래 기재된 바와 같은 제한을 받게 된다: 액시콘(9)에 의해 형성된 촛점 라인(2b)의 구역이 상기 액시콘(9) 내에서 개시하기 때문에, 상기 액시콘(9)과 처리될 재료 사이에 분리가 발생하는 상황에서, 재료 내에 위치된, 상기 촛점 라인(2b)의 유도된 흡수의 섹션(2c)으로 레이저 에너지의 상당한 부분이 촛점맞춰지지 않는다. 더욱이, 촛점 라인(2b)의 길이(l)가 액시콘(9)의 콘 각도와 굴절률을 통한 빔 직경과 관련된다. 이는 비교적 얇은 재료(수 밀리미터)의 경우에, 많은 레이저 에너지가 재료에 촛점맞춰지지 않는다는 효과를 나타내는, 처리될 재료의 두께보다 총 촛점 라인이 상당히 더 길기 때문이다.
이러한 이유 때문에, 액시콘 및 촛점맞춤 렌즈를 모두 포함한 광학 조립체(6)를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 도 5a는 이러한 광학 조립체(6)를 나타내고 있으며, 상기 광학 조립체에서 대규모 레이저 빔 촛점 라인(2b)을 형성하도록 설계된 비-구형 자유 표면을 갖는 (빔 방향을 따라 보았을 경우) 제1 광학 소자는 레이저(3)의 빔 경로에 위치된다. 도 5a에 도시된 경우에 있어서, 이러한 제1 광학 소자는 빔 방향에 수직으로 위치되고 레이저 빔에 집중되는, 5°의 콘 각도를 갖는 액시콘(10)이다. 액시콘의 정점은 빔 방향 쪽으로 향하게 된다. 제2의, 촛점맞춤 광학 소자(여기서, 평면 볼록 렌즈(11)이며, 이 곡률은 액시콘 쪽으로 향하게 됨)는 액시콘(10)으로부터의 거리(z1)로 빔 방향에 위치된다. 거리(z1)(본 경우에, 대략적으로 300 mm)는 액시콘(10)에 의해 형성된 레이저 조사가 렌즈(11)의 외측 반경방향 부분에 원형으로 입사되는 방식으로 선택된다. 렌즈(11)는 형성된 길이(이 경우, 1.5 mm)의 촛점 라인(2b)에서, 거리(z2)(이 경우, 렌즈(11)로부터 대략적으로 20 mm)로 아웃풋 측에서 원형 조사를 촛점맞춘다. 렌즈(11)의 유효 촛점 길이는 이러한 실시예에서 25 mm이다. 액시콘(10)에 의한 레이저의 원형 변형은 부재번호 SR으로써 지시된다.
도 5b는 도 5a에 따른 층(1)의 재료에 유도된 흡수(2c)나 촛점 라인(2b)의 형성을 상세하게 나타낸 도면이다. 양 소자(10, 11)의 광학 특성 뿐만 아니라 이들의 위치결정은 빔 방향에 있어 촛점 라인(2b)의 길이(l)가 층(1)의 두께(d)와 정확하게 동일한 방식으로 선택된다. 결론적으로, 빔 방향에 따른 층(1)의 정확한 위치결정은 도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 층(1)의 2개의 표면(1a 및 1b) 사이에 촛점 라인(2b)을 정확하게 위치시키도록 제공될 수 있다.
따라서, 촛점 라인이 레이저 광학장치로부터 특정 거리에 형성된다면, 그리고 레이저 조사의 보다 큰 부분이 촛점 라인의 요구되는 단부에 이르기까지 촛점맞춰진다면 유리하다. 기재된 바와 같이, 이러한 구성은 특별한 외측 반경방향 구역 내내 단지 원형으로(환형으로) 주로 촛점맞춤 소자(11)(렌즈)를 조명함으로써 달성될 수 있으며, 이는 한편으로, 요구되는 개구수와 이에 따라 요구되는 스팟 크기를 실현하도록 사용되고, 그러나, 다른 한편으로, 원의 발산은 기본적으로 원형 스팟이 형성됨에 따라, 스팟의 중앙에서 매우 짧은 거리 내내 요구되는 촛점 라인(2b) 이후에 강도를 약화시킨다. 이처럼, 크랙 형성이 요구되는 기판 깊이에서 짧은 거리 내에 정지된다. 액시콘(10)과 촛점맞춤 렌즈(11)의 조합은 이러한 요구조건을 만족한다. 액시콘은 2개의 상이한 방식으로 작용하며: 액시콘(10)에 기인하여, 통상적으로 라운드 레이저 스팟이 링의 형태로 촛점맞춤 렌즈(11)로 보내지고, 그리고 액시콘(10)의 비구면계수는 촛점 라인이 촛점 면에서의 촛점 대신에 렌즈의 촛점 면을 넘어 형성된다는 효과를 갖는다. 촛점 라인(2b)의 길이(l)가 액시콘에서의 빔 직경을 통해 조정될 수 있다. 다른 한편으로, 촛점 라인에 따른 개구수가 거리(z1) 액시콘-렌즈를 통해 그리고 액시콘의 콘 각도를 통해 조정될 수 있다. 이처럼, 전체 레이저 에너지가 촛점 라인에 집중될 수 있다.
크랙 형성이 처리될 재료나 또는 층의 뒷면에 연속하도록 의도된다면, 원형(환형) 조명은 여전히 (1) 대부분의 레이저 광이 촛점 라인의 요구되는 길이에 집중되어 유지된다는 점에서 레이저 파워가 최적으로 사용되고, 그리고 (2) 촛점 라인에 따른 일정한 스팟 크기 그리고 이에 따라 상기 촛점 라인에 의해 만들어진 천공에 따른 일정한 분리 처리(다른 광학 작동에 의해 설정된 요구되는 수차와 결합하여 원형으로 조명된 영역에 기인함)가 달성될 수 있다는 장점을 갖는다.
도 5a에 도시된 평면 볼록 렌즈 대신에, 또한 촛점맞춤 메니스커스 렌즈 또는 다른 한 보다 큰 교정된 촛점맞춤 렌즈(비구면, 다중-렌즈 시스템)가 사용될 수 있다.
도 5a에 도시된 렌즈와 액시콘의 조합을 사용하여 매우 짧은 촛점 라인(2b)을 생성하기 위하여, 액시콘에 입사된 레이저 빔의 매우 작은 빔 직경이 요구될 수 있다. 이는 액시콘의 정점에 빔을 집중시키는 것은 반드시 매우 정확해야 하며, 그 결과는 레이저의 방향성 변화(빔 드리프트 안정성)에 매우 민감하다는 실제 단점을 갖는다. 더욱이, 빽빽하게 시준된 레이저 빔은 매우 발산하며, 이는 즉 광 편향에 기인하여, 빔 다발이 짧은 거리 내내 흐릿하게 된다는 것이다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 이들 효과는 다른 한 렌즈(광학 조립체(6)에서의 시준 렌즈(12))를 포함으로써 피해질 수 있다. 부가적인 시준 렌즈(12)가 촛점맞춤 렌즈(11)의 원형 조명을 매우 빽빽하게 조정하도록 사용된다. 시준 렌즈(12)의 촛점 길이(f')는, 요구되는 원 직경(dr)이 촛점 길이(f')와 동일한, 액시콘으로부터 시준 렌즈(12)까지의 거리(z1a)를 초래하는 방식으로 선택된다. 링의 요구되는 폭(br)이 거리(z1b)(시준 렌즈(12)를 통해 촛점맞춤 렌즈(11))로 조정될 수 있다. 순정 기하학(pure geometry)의 사항으로서, 원형 조명의 작은 폭이 짧은 촛점 라인으로 유도된다. 촛점 거리(f')에서 최소치가 달성될 수 있다.
도 6a에 도시된 광학 조립체(6)는 이에 따라 도 5a에 나타내어진 광학 조립체에 기초하므로 단지 차이점만이 아래 기재되어 있다. 여기서, 평면 볼록 렌즈(빔 방향쪽으로 정점을 가짐)로서 또한 설계된 시준 렌즈(12)는 한 측에서 액시콘(10)(빔 방향쪽으로 정점을 가짐)과 다른 한 측에서, 평면 볼록 렌즈(11) 사이의 빔 경로에 집중적으로 부가적으로 배치된다. 액시콘(10)으로부터의 시준 렌즈(12)의 거리는 z1a으로 지시되고, 상기 시준 렌즈(12)로부터 촛점맞춤 렌즈(11)의 거리는 z1b으로 지시되며, 그리고 상기 촛점맞춤 렌즈(11)로부터 촛점 라인(2b)의 거리는 z2으로 지시된다(빔 방향에서 항상 보았을 경우임). 도 6a에 도시된 바와 같이, 시준 렌즈(12)에서의 원 직경(dr) 하에서 그리고 발산하게 입사되는, 액시콘(10)에 의해 형성된 원형 조사(SR)는 촛점맞춤 렌즈(11)에서 적어도 대략적으로 일정한 원 직경(dr)에 대해 거리(z1b)를 따라 요구되는 원 폭(br)으로 조정된다. 도시된 경우에 있어서, 매우 짧은 촛점 라인(2b)은 시준 렌즈(12)에서 대략 4 mm의 원 폭(br)이 상기 시준 렌즈(12)의 촛점맞춤 특성에 기인하여 렌즈(11)에서 대략 0.5 mm로 감소되도록(원 직경(dr)이 본 실시예에서 22 mm임), 의도적으로 만들어진다.
설명된 예에 있어서, 거리(Z1a = Z1b = 140 mm 그리고 Z2 = 15 mm)를 선택하여 그리고 촛점 길이(f' = 150 mm)를 갖는 시준 렌즈, 촛점 길이(f = 25 mm)를 갖는 촛점맞춤 렌즈(11), 및 2 mm의 전형적인 레이저 빔 직경을 사용하여, 0.5 mm 이하의 촛점 라인(l)의 길이가 달성될 수 있다.
도 6b를 살펴보면, 액시콘(10)에 의해 형성된 NDB의 특성이 지금 기재되어 있다. 도 6b는 투과형 액시콘(10)의 평탄한 진입 표면에 충돌하는 가우스 레이저 빔(2)을 개략적으로 나타낸 도면이다. 액시콘(10)의 탈출 표면이 도시된 바와 같은 레이저 빔(2)을 편향시킨다. 액시콘의 선단으로부터 거리(z)로 위치된 평면에서의 전형적인 에너지 프로파일이 아래 방정식에 의해 주어진다:
I(r,z) = Io(Rz)Rz2πk(sin(β)/cos2(β)) Jo2(krsin(β)) 방정식 (4.1),
Rz = z * tan(β) 방정식 (4.2).
여기서, β는 액시콘(10)의 굴절률 및 경사진 탈출 표면에 의해 제공된 액시콘의 콘의 각도의 함수인, 상기 액시콘(10)에 의해 만들어진 광선 각도이다. Io(Rz)는 가우스 프로파일로 추정되는, 액시콘(10)을 조명하는 레이저 빔(2)의 조사 프로파일이고, 그리고 k는 파벡터(k=2π/λ)이고, 그리고 Jo는 제1-차수(first-order) 베셀 함수를 나타낸다.
최강의 손상 트랙이나 또는 구멍을 재료의 최고 경질부에 만들기 위하여, 하나의 촛점의 직경이 가능한 작을 수 있다. 상기 식에 기초하여, 액시콘(10)의 정점으로부터 약간의 거리(z)로 임의의 평면에서의 조사 프로파일의 "FWHM(full width half maximum)"이 아래 식에 의해 주어진다:
FWHM = 2.52λ/(2πsin(β)) 방정식 (4.3)
방정식 (4.3)으로부터 알 수 있는 바와 같이, 라인 촛점의 직경은 하나의 기하학적 시스템 파라미터, 도 6b에 도시된 바와 같은 개구 각도(β)에 관련된다.
방정식 4.1로부터, 라인 촛점의 중앙에서, 피크 파워가 아래 식에 의해 주어진다:
I_peak(z) = Io(Rz) Rz 2πk(sin(β)/cos2(β)) 방정식 (4.4).
방정식 (4.4)로부터 알 수 있는 바와 같이, 피크 파워는 개구 각도(β)의 함수일 뿐만 아니라 동공(pupil) 조사 프로파일(Io(Rz))의 함수이다.
본 출원인이 온-축선 강도(on-axis intensity)가 그 최대 강도의 대략적으로 절반 정도로 감소되는 경우를 검사한다면, 이후 라인 촛점의 길이(또는 광학 축선에 따른 정도)가 아래 식에 의해 개략적으로 얻어질 수 있다:
L ~ 0.8*Rz/sin(β) 방정식 (4.5)
이에 따라, 촛점맞춰진 라인의 길이가 인풋 빔 크기(Rz) 및 개구 각도(β) 모두의 함수이다.
레이저 절단 기기에 있어서, 절단될 재료는 두께가 변할 수 있다. 일례로서, 이러한 레이저 기기는 0.1 mm 내지 2.0 mm로 변하는 두께를 갖는 유리를 절단하도록 사용될 수 있다. 이에 따라, 두꺼운 재료(즉, 유리)가 드릴링되고 절단될 수 있다는 것을 보장하기 위하여, 라인 촛점의 사용가능한 부분은 예로서, 동공 조사 프로파일을 보다 큰 영역으로 퍼지게 함으로써, 예를 들면, 적어도 2.0 mm로 설정될 수 있다. 그러나, 이렇게 함으로써, Io(Rz)의 최대 값이 감소되기 때문에, 라인 촛점 내의 피크 파워 밀도가 감소할 것이다. 피크 파워 밀도를 재료 개질 에너지 밀도 문턱값 보다 더 크게 유지시키기 위하여, 개구 각도(β)가 커질 수 있으며, 이는 라인 촛점의 FWHM가 감소할 것이라는 것을 의미한다.
따라서, 광학장치의 고정된 선택에 의한 시스템에 있어서, 파라미터는 가장 어려운 경우에 대해 조정가능할 수 있다. 보다 얇은 기판(예를 들면, 100 ㎛ 두꺼운 디스플레이 유리)을 절단할 때, 긴 라인 촛점이 두꺼운 재료(예를 들면, 이온 교환된 유리의 스택)의 절단을 가능하게 하도록 설정된다면 많은 레이저 에너지가 낭비될 수 있다. 이와 비슷하게, 광학장치가 매우 얇고 경질의 재료(예를 들면 사파이어)를 절단하도록 매우 짧고 작은 직경의 라인 촛점(고 에너지 밀도)을 만들도록 설정된다면, 광학 시스템은 보다 두꺼운 재료(예를 들면, 두꺼운 소다 라임(soda lime) 유리 또는 이온-교환가능한 유리 기판)에 대해 더 이상 잘 작동하지 않을 수 있다.
적어도 이들 이유 때문에, 조사 프로파일(Io(Rz)) 및/또는 개구 각도(β)가 조정가능한 것이 바람직할 수 있다. 각각의 유리 두께 및 재료에 대해 아래 기재된 바와 같은 사항을 적용하도록 조정가능한 양의 파라미터가 제공되는 것이 바람직하다:
* 요구되는 라인 촛점 길이를 달성하도록 인풋 조사 프로파일을 조정; 그리고
* 주어진 재료의 개질에 최적인 에너지 밀도를 유지하도록, 라인 촛점에서 레이저 빔의 FWHM(또는 직경)을 설정하기 위한 개구 각도 조정.
재료 내에 손상 트랙을 만들고 이에 따라 최대 처리 여유부를 제공하도록 사용될 수 있게 하는, 가능한 협폭이도록 라인 촛점(2b)의 FWHM(또는 직경)이 설정될 수 있는 것이 바람직하다. 그러나, 여러 경우에 있어서, 손상 트랙 주위의 미소-크래킹의 양을 감소시키는 보다 큰 직경 라인 촛점을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 보다 큰 직경 스팟은 이어서 산-엣칭되는 구멍의 드릴링에 도움이 될 수 있으며, 여기서 미소-크랙은 엣칭 비대칭도를 만들 수 있음에 따라 요구되지 않는다. 라인 촛점의 직경에서의 상한은, 레이저 공급원에 대해 이용가능한 최대 레이저 펄스 에너지가 주어져, 충분한 에너지 밀도는 손상 트랙의 생성과 재료의 개질이 가능하도록 반드시 계속 도달되어야 한다는 것이다.
라인 촛점(2b)의 길이에 대해, 스넬(Snell)의 굴절 법칙에 따라, 재료의 굴절률(예를 들면, 유리에 대해 n ~1.5)은 재료 자체 내에서 라인 촛점(2b)의 유효 길이를 증대시킨다는 사실을 확인하는, 재료의 두께와 적어도 동일하거나 바람직하게는 보다 더 크게 만들어지는 것이 바람직하다. 보다 긴 촛점 라인은 보다 큰 촛점 공차를 제공하고, 또한 다양한 기판 두께가 수용될 수 있게 한다. 촛점 라인 길이에서의 상한은 다시 한번 레이저 공급원에 대해 이용가능한 최대 레이저 펄스 에너지가 주어져, 충분한 에너지 밀도가 기판의 두께 내내 손상 트랙의 생성과 재료의 개질이 가능하도록 반드시 계속 도달해야 한다는 것이다.
도 6c 및 도 6e - 도 6g는 레이저 빔 촛점 라인(2b)(즉, 라인 촛점)의 FWHM(즉, 직경)과 길이의 조정을 가능하게 하는 단지 예시적인 광학 시스템을 나타낸 도면이다. 도 6c는 레이저 빔 촛점 라인(2b)을 사용하여 재료(도시 생략)를 절단하기 위한 시스템을 나타낸 도면이다. 상기 시스템은 촛점 라인(2b)을 갖는 베셀 프로파일 레이저 빔으로 가우스 프로파일 레이저 빔(2)을 변형시키도록 구성된 광학 조립체(6')와 레이저 공급원(3)(도시 생략)을 포함한다. 광학 조립체(6')는 레이저 빔(2)의 광학 경로(1) 내에 배치되고, 그리고 투명한(즉, 굴절 소자로서 작용하는) 액시콘(10), 제1 촛점 길이(F1)를 갖는 제1 렌즈 소자, 및 제2 촛점 길이(F2)를 갖는 제2 렌즈 소자(11)(즉, 촛점맞춤 렌즈 소자)를 포함한다.
투명한 액시콘(10)은 상기 액시콘(10)에 의해 형성된 라인 촛점(2b')을 재료에 적용되는 라인 촛점(2b)에 확대하고 릴레이하는 텔레스코프로서 작용하는, 제1 렌즈 소자(5)와 제2 렌즈 소자(11)에 의해 이미지화되는 라인 촛점(2b')을 형성한다. 제1 렌즈 소자(5) 및 제2 렌즈 소자(11)에 의해 형성된 텔레스코프의 배율은 상이한 배율(M)을 달성하도록 2개의 렌즈 소자 중 1개나 또는 2개를 변경시킴으로써 변할 수 있는 M = F2/F1에 의해 주어진다. 라인 촛점(2b)의 길이는 배율의 자승으로 크기 조정되는 한편으로, 주어진 z-평면에서의 라인 촛점의 직경이 배율로써 선형으로 크기 조정된다.
제1 및/또는 제2 렌즈(5, 11)의 촛점 길이를 변경하는 것은 여러 경우에 있어, 라인 촛점 길이 및 폭 모두 함께 크기조정으로서 최적화되지 않을 수 있다. M이 제1 촛점 길이와 제2 촛점 길이에 의해 제공된 배율이라는 것을 가정하자:
FWHM1 = FWHM0 * M 방정식 (5.1);
길이1=길이0 * M2 방정식 (5.2).
여기서, FWHM0는 최대 절반 직경에서의 액시콘(10) 직후에 형성된 라인 촛점의 총-폭을 지시하고 있고, 그리고 FWHM1는 최대 절반 직경에서의 제2 렌즈 소자(11) 이후에 형성된 라인 촛점의 총-폭을 지시하고 있다. 이와 비슷하게, 길이0는 액시콘(10) 직후에 형성된 라인 촛점의 길이나 광학 축선에 따른 공간 정도를 지시하고, 그리고 길이1는 제2 렌즈 소자(11) 이후에 형성된 라인 촛점의 길이를 지시한다. 최종 라인 촛점(2b)이 길이 치수 및 직경 치수의 실린더의 형태를 취하고(길이1 x FWHM1), 이후 실린더 내측의 파워(또는 에너지) 밀도가 상기 물체의 1/volume로 변할 것이라고 추정된다면, 이 경우 volume = (pi/4)*직경2*길이를 만족한다. 이는 파워 밀도가 아래 식과 같이 변할 것이라는 것을 의미한다:
파워밀도1 = 파워밀도0 / M4 방정식 (5.3).
이에 따라, 라인 촛점의 직경이 제1 및 제2 렌즈(5, 11)에 의해 제공된 텔레스코프의 배율으로 선형으로 증가하며, 라인 촛점(2b)의 길이가 배율의 자승으로 증가하고, 그리고 파워나 에너지 밀도는 한번에 4th 승보다 크게 변한다. 이는 보다 짧은 촛점 길이 렌즈가 F2에 대해 사용됨에 따라, 촛점의 직경이 작아지고, 길이가 상당히 더 짧아지고, 그리고 파워 밀도가 급격하게 증가한다는 것을 의미한다.
여러 실시예에 있어서, 조정가능한 각도를 갖는 액시콘(10)이 라인 촛점(2b)의 직경과 길이 모두를 조정할 수 있는 시스템을 달성하는 제3 자유도로서 제공된다. 상기 기재된 최초 액시콘(10)의 각도가 인자 A만큼 배가된다고 가정하자. 이후, 작은 각도(즉, (sin(α)
Figure pct00004
α)가 추정되며, 다음 식을 만족한다:
FWHM2 = FWHM1 / A 방정식 (6.1); 및
길이2 = 길이1 / A 방정식 (6.2).
여기서, 증폭(A)이 보다 큰 액시콘 각도를 만든다면, 이후 라인 촛점(2b)의 FWHM(즉, 직경)이 보다 작게 되고 그리고 상기 라인 촛점(2b)의 길이가 또한 보다 작게 된다. 일반적으로, 주어진 시스템에 대한 라인 촛점(2b)의 요구되는 FWHM 및 길이를 달성하기 위하여, A 및 M는 아래 식을 만족하도록 계산된다:
M/A = FWHM2 / FWHM0 방정식 6.3); 및
M2/A = 길이2 / 길이0 방정식 (6.4).
이에 따라, 제1 렌즈 소자(5), 제2 렌즈 소자(11), 및 액시콘(10)의 광학 소자는 라인 촛점(2b)에 대한 요구되는 직경 및 길이를 달성하도록 교환될 수 있다. 여러 실시예에 있어서, 이들 광학 소자는 광학 조립체(6')로부터 물리적으로 제거되고 요구되는 광학 특성을 갖는 다른 것에 의해 대체된다. 그러나, 이는 다른 한 구성으로 스위치될 때 광학 조립체(6')의 재정렬을 필요로 할 수 있다. 여러 실시예에 있어서, 복수의 광학 소자가 빔 경로에 위치하는 요구되는 광학 소자를 선택적으로 선택하도록 로터리 휠(필터 휠과 비슷함)이나 슬라이더에 제공된다. 예를 들면, 액시콘이 제거가능한/조정가능한 소자로서 선택되어진다면, 다수의 액시콘이 하나의 기판 상에 제조될 수 있다. 도 6d를 지금 살펴보면, 하나의 기판에서 상이한 각도를 갖는 복수의 개별 액시콘(10A - 10D)을 포함한 액시콘 조립체(600)가 개략적으로 나타내어져 있다. 임의의 수의 액시콘이 제공될 수 있다. 요구되는 개별 액시콘(10A - 10D)이 레이저 빔(2)의 광학 경로로 수동으로 또는 모터식 제어로 이동될 수 있다.
단지 일례로서, 다이아몬드 터닝(turning)은 투과형 재료에서 복수의 개별 액시콘(10A - 10D)을 형성하도록 사용될 수 있다. 다이아몬드 터닝은 광학 표면의 초 고 정밀(~1 ㎛) 특징부가 제조될 수 있게 하며, 특히 물리적인 부분의 외측 특징부와 관련하여 상기 광학 표면은 정렬을 위해 기계적으로 참조된다. 기판은 직사각형 형상을 취할 수 있고, 이에 따라 상이한 액시콘을 선택하도록 측방향으로 이동될 수 있다. 이들 레이저 절단 시스템에 사용된 파장(통상적으로 1064 nm)에 대해, ZnSe는 다이아몬드 터닝과 호환가능한 적당한 투과형 광학 재료이다. 또한, 다이아몬드 터닝이 다른 하나와 관련하여 물체를 배치시키도록 극히 고 정밀도를 갖기 때문에, 기판은 홈이나 또는 원추형 구멍과 같은 기계적 재위치결정 특징부를 포함할 수 있다. 비슷한 렌즈 소자 조립체가 만들어질 수 있고 사용될 수 있어 상이한 촛점 길이를 갖는 다양한 제1 및 제2 렌즈 소자(즉, 제1 렌즈 조립체 및/또는 제2 렌즈 조립체)가 선택될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
여러 실시예에 있어서, 인풋 레이저 빔(2)은 도 6e에 도시된 광학 조립체(6'')와 같이, 액시콘(10) 이전에 광학 경로에서 인자 N에 의해 배가된다. 도 6e에 도시된 광학 조립체(6'')는, 도 6c에 도시된 실시예와 비슷한 액시콘(10), 제1 렌즈 소자(5), 및 제2 렌즈 소자(11)를 포함한다. 도 6e에 도시된 예시적인 광학 조립체(6'')에 있어서, 제3 촛점 길이를 갖는 제3 렌즈 소자(13)와 제4 촛점 길이를 갖는 제4 렌즈 소자(15)를 포함하고 있는 텔레스코프 조립체가 제공된다. 도 6c와 관련하여 상기 기재된 바와 같이, 제3 렌즈 소자(13)의 촛점 길이와 제4 렌즈 소자(15)의 촛점 길이는 예를 들면, 렌즈 소자 교환에 의해 조정가능하다.
방정식 (4.3) 및 방정식 (4.5)에 따라, 레이저 빔(2)을 배가시킴으로써, 단지 영향을 받게 되는 파라미터는 라인 촛점(2b)의 길이 뿐이며 - 직경은 변하지 않게 된다. 따라서, 액시콘(10) 이전에 위치된 텔레스코프는 직경이 변하지 않으면서 라인 촛점(2b)의 길이 만이 변할 수 있게 한다.
제1 렌즈 내지 제4 렌즈와 같은 광학 소자를 교환하는 것은 산업 환경에서 작동하는 레이저 절단 시스템에 대해 바람직하지 않을 수 있다. 여러 실시예에 있어서, 배율 인자 N을 제공하는 제3 및 제4 렌즈 소자(13, 15) 및/또는 제1 및 제2 렌즈 소자(5, 11)는 하나 이상의 가변 줌 조립체로서 대신 구성될 수 있다. 이러한 가변 줌 조립체는 액시콘이나 또는 렌즈 소자를 상호교환함으로써 이용가능한 별 개의 단계와 반대로, 레이저 빔 촛점 라인 길이의 연속의 조정을 가능하게 할 수 있다. 이러한 가변 줌 조립체는 수동으로 또는 모터화에 의해 기동될 수 있으며, 여기서 모터화는 제조 요건과 양립가능한 시스템의 프로그램 조정을 가능하게 한다.
레이저 빔 라인 촛점(2b)을 사용하여 재료를 분리하기 위한 다른 한 광학 조립체(4)가 도 6f에 개략적으로 도시되어 있다. 일반적으로, 예시적인 광학 조립체(4)는 반사 액시콘(19), 및 상기 반사 액시콘(19)과 동일한 각도를 갖는 경사진 반사 표면이 형성된 링-형상의 반사 조립체(18)를 사용한다. 제1 렌즈 소자(17)가 반사 액시콘(19) 이전에 레이저 빔(2)을 수렴(또는 발산)한다. 반사 액시콘(19) 및 링-형상의 반사 조립체(18)는 시준된 광의 링을 만든다. 제2 렌즈 소자(11)는 레이저 빔 라인 촛점(2b)을 생성하도록 원형 조사(SR)를 촛점맞춘다. 원형 조사의 반경(h)은 화살표(A)로 지시된 바와 같은 링-형상의 반사 조립체(18)와 관련하여(또는 이와 반대로) 반사 액시콘(19)을 이동시킴으로써 연속적으로 변할 수 있다. 제2 렌즈 소자(11)의 촛점 길이가 광선을 제2 렌즈 소자(11)로부터의 거리(F2)로 대략적으로 촛점맞추기 때문에, 링 반경의 이러한 변경은 결과적으로 최종 개구 각도(β)를 변경시킬 것이며, 방정식 (4.5)에 따라, 레이저 빔 라인 촛점(2b)의 길이의 변경을 초래할 것이다. 반사 액시콘(19)을 우측으로 이동시킴으로써 만들어진 보다 큰 조사 반경(h)이 보다 작은 촛점 라인 길이를 초래할 것이다. 그러나, 레이저 빔 촛점 라인(2b)의 직경이 또한 방정식 (4.3)에 따라 변할 것이다. 보다 큰 링 반경(h)이 보다 작은 촛점 라인 직경을 초래할 것이다.
도 6g는 광(SR)의 연속적으로 조정가능한 시준된 링을 만들기 위한 다른 한 광학 조립체(4')를 개략적으로 나타낸 도면이다. 예시적인 광학 조립체(4')는 제1 투과형 액시콘(20) 이전의 제1 렌즈 소자(17), 제2 투과형 액시콘(21), 및 제2 투과형 액시콘(21) 이전의 제2 렌즈 소자(11)를 포함한다. 제1 렌즈 소자(17)는 라인 촛점을 만드는 시스템에 구면 수차를 생성하는 레이저 빔(2)의 작은 수렴(또는 여러 실시예에서 발산)을 생성한다.
레이저 빔(2)은 그 경사진 탈출 표면에서 제1 투과형 액시콘(20)을 빠져나온다. 제2 투과형 액시콘(21)은 그 경사진 진입 표면에서 레이저 빔을 받고 시준된 광(SR)의 링을 만든다. 제1 투과형 액시콘(20)의 편향 각도는 제2 투과형 액시콘(21)의 편향 각도와 실질적으로 동일하다. 제2 렌즈 소자(11)는 이후 레이저 빔 라인 촛점(2b)을 생성하도록 광을 촛점맞춘다. 링 반경(h)을 조정하는 것은 제1 및 제2 투과형 액시콘(20, 21) 사이의 조정가능한 거리(D)를 변경시킴으로써 달성될 수 있다. 이러한 이동은 레이저 빔 라인 촛점(2b)의 직경 및 길이를 조정한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 이러한 피코초 레이저의 전형적인 작동이 펄스(720)의 "버스트"(710)를 만든다는 것을 알 수 있을 것이다. 각각의 "버스트"(710)는 매우 짧은 지속기간(~10 psec)의 다수의 펄스(720)(예를 들면, 2개의 펄스, 도 7에 도시된 바와 같이 3개의 펄스, 4개의 펄스, 5개의 펄스, 10개의 펄스, 15개의 펄스, 20개의 펄스, 25 펄스 또는 이 이상의 펄스)를 포함할 수 있다. 각각의 펄스(720)(또한 본 명세서에서 서브-펄스로 언급됨)는 대략 1 nsec와 대략 50 nsec 사이의 범위(예를 들면, 대략적으로 20 nsec(50MHz) 처럼 10 nsec 내지 30 nsec)의 지속시간 만큼 시간 분리되며, 상기 시간은 종종 레이저 공동 설계에 의해 영향을 받는다. 각각의 "버스트"(710) 사이의 시간이 대략 100 kHz의 레이저 반복률에 대해, 상당히 더 길 것이다(종종 대략 10 μsec). 여러 실시예에 있어서, 버스트 반복 주파수는 대략 1 kHz와 대략 200 kHz 사이의 범위를 갖는다. 정확한 타이밍, 펄스 지속기간, 및 반복율은 레이저 설계에 따라 변할 수 있지만, 그러나 고 강도의 짧은 펄스(즉, 대략 15 psec보다 작음)가 이러한 기술에 의해 잘 작동한다고 나타내고 있다. (펄스 버스트를 만들거나 버스트하는 것은 펄스의 방사가 일정하고 안정적인 스트림이 아닌 차라리 펄스의 빽빽한 클러스터(cluster)인 타입의 레이저 작동이다.)
재료에서 측정된 버스트당 평균 레이저 파워는 재료의 mm 두께 당 40 microJoule 보다 클 수 있다(예를 들면, 40 microJoules/mm와 2500 microJoules/mm 사이, 또는 500 microJoules/mm와 2250 microJoules/mm 사이). 예를 들면, 0.1 mm - 0.2 mm 두께의 Corning Eagle XG® 유리에 대해, 1000 μJ/mm - 2000 μJ/mm의 예시적인 범위를 제공하는 200 μJ 펄스 버스트가 사용될 수 있다. 예를 들면, 0.5 - 0.7 mm 두께의 Corning Eagle XG® 유리에 대해, 여러 알카라인 토류 보로-알루미노실리케이트 유리 조성물을 천공하기 위한 목적으로서, 예시적인 예에 해당되는 천공 유리에 대한 400 - 700 μJ 펄스 버스트가 사용될 수 있으며, 라인-촛점 빔 형성 광학장치와 호환가능한 다수의 펄스의 버스트를 만드는 피코초 펄스 레이저(예를 들면, 1064 nm, 또는 532 nm 피코초 펄스 레이저)가 유리 조성물에 손상 라인(결함 라인)을 생성하도록 사용될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 0.7 mm 두께에 이르는 유리 조성물은 광학장치에 의해 만들어진 촛점 라인의 구역 내에 배치하도록 위치되었다. 유리에서 측정되어, 200 kHz의 반복율(대략 120 microJoules/버스트)에서 대략 24 W 이상의 아웃풋 파워를 만드는 1064 nm 피코초 레이저와 대략 1 mm 길이의 촛점 라인으로써, 촛점 라인 구역에서의 광학 강도는 유리에 비-선형 흡수를 만들도록 충분히 크다. 펄스 레이저 빔은 재료의 mm 두께 당 40 microJoule 보다 큰, 재료에서 측정된 평균 레이저 버스트 에너지를 가질 것이다. 사용된 평균 레이저 버스트 에너지는 투명한 재료의 mm 두께 당 2500 μJ, 예를 들면 40 μJ/mm - 2500 μJ/mm 만큼 클 수 있으며, 500 μJ/mm - 2250 μJ/mm가 바람직하고, 그리고 550 μJ/mm 내지 2100 μJ/mm는 천공된 라인이나 절단 엣지에 수직한 미소 크랙킹 정도를 최소화하면서, 에너지 밀도가 유리를 통한 관통 손상 트랙을 만드는데 충분히 크기 때문에 심지어 더욱 바람직하다. 여러 예시적인 실시예에 있어서, 레이저 버스트 에너지가 40 μJ/mm - 1000 μJ/mm이다. mm 당 이러한 "평균 펄스 버스트 레이저 에너지"는 또한 재료의 mm 두께 당 레이저 펄스 버스트 당 평균 에너지나 또는 평균 버스트 당 선형 에너지 밀도로 언급될 수 있다. 유리 조성물 내의 손상되거나, 기화되거나, 또는 그렇지 않으면 개질된 재료의 구역은 레이저 빔 촛점 라인에 의해 만들어진 고 광학 강도의 선형 구역에 대략적으로 따라 만들어졌다.
도 8은 유리-공기-유리 복합 구조체에 입사된 베셀 빔과 촛점맞춰진 가우스 빔 사이의 콘트라스트를 나타낸 도면이다. 촛점맞춰진 가우스 빔은 제1 유리 층에 진입할 때 발산할 것이고, 그리고 깊은 깊이로 드릴링 되지 않을 것이거나, 또는 유리가 드릴링된다면 자동-촛점맞춤이 발생할 것이고, 상기 빔은 제1 유리 층으로부터 빠져나와 회절할 것이며, 제2 유리 층으로 드릴링되지 않을 것이다. 이와 달리, 베셀 빔은 라인 촛점의 완전한 정도로 유리 층 모두를 드릴링할 것이다(그리고 더욱 상세하게는 손상, 천공 또는 절단). 베셀 빔으로써 절단된 일례의 유리-공기-유리 복합 구조체가 노출된 절단 엣지의 측면도인 도 8에서의 삽입된 사진에 나타나 있다. 정상부 유리 절편과 바닥부 유리 절편은 0.4 mm 두께의 2320, CT101이다. 유리의 2개의 층 사이의 예시적인 공기 갭이 대략 400 ㎛이다. 절단부는 200 mm/sec에서의 레이저의 단일의 패스로써 만들어져서, 유리의 2개의 절편이 > 400 ㎛ 만큼 분리되었을지라도 동시에 절단되었다.
본 명세서에 기재된 여러 실시예에 있어서, 공기 갭은 50 ㎛와 5 mm 사이이고, 예를 들면, 50 ㎛와 2 mm 사이이거나, 또는 200 ㎛와 2 mm 사이이다.
예시적인 분열 층은 폴리에틸렌 플라스틱 시트(예를 들면, 비스퀸(Visqueen))를 포함한다. 도 9에 도시된 바와 같이 투명한 층은 투명한 비닐(예를 들면, 펜스틱(Penstick))을 포함한다. 다른 촛점맞춰진 레이저 방법과 달리, 차단 또는 정지 층의 효과를 얻기 위하여, 정확한 촛점이 정밀하게 제어될 필요가 없거나, 또는, 분열 층의 재료가 특히 내구성이 있거나 고가일 필요가 없다는 것을 알 수 있을 것이다. 많은 적용예에 있어서, 라인 촛점이 발생하는 것을 방지하고 레이저 광을 분열시키는 레이저 광을 약간 간섭하는 층이 단지 요구된다. 비스퀸은 피코초 레이저에 의한 절단을 방지하고 라인 촛점이 완벽한 예라는 사실 - 다른 촛점맞춰진 피코초 레이저 빔이 비스퀸을 통해 매우 정확하게 똑바로 드릴링하고, 다른 레이저 방법에 의해 이러한 재료를 통한 올바른 드릴링이 피해지기가 요구되면, 비스퀸 근처가 아니도록 레이저 촛점을 반드시 매우 정밀하게 설정되어야 한다.
도 10은 마모나 오염을 감소시키면서 다수의 시트를 절단하기 위한 투명한 보호 층을 구비한 스택을 나타낸 도면이다. 디스플레이 유리 시트의 스택을 동시에 절단하는 것은 매우 유리하다. 비닐과 같은 투명한 폴리머는 유리 시트 사이에 배치될 수 있다. 투명한 폴리머 층은 보호 층으로서 사용되어 근접해 서로 접촉한 상태인 유리 표면에 손상을 감소시킨다. 이들 층은 절단 처리가 잘 될 수 있게 하지만, 그러나 유리 시트가 서로 스크래치로부터 보호될 수 있으며, 그리고 임의의 절단 부스러기(비록 이러한 처리에 의해 작을 지라도)가 유리 표면을 더욱 오염시키지 않게 한다. 보호 층은 또한 기판이나 유리 시트 상에 증착된 기화된 유전체 층으로 이루어질 수 있다.
도 11은 캡슐형(encapsulated) 장치의 절단 및 공기 갭을 나타낸 도면이다. 이러한 라인 촛점 처리는, 상당한 거시적인 공기 갭이 심지어 존재할지라도, 스택된 유리 시트를 동시에 절단할 수 있다. 이는 도 8에 도시된 바와 같이, 다른 레이저 방법으로 가능하지 않다. 많은 장치가 OLED(유기 발광 다이오드)와 같은 유리 캡슐화를 필요로 한다. 2개의 유리 층을 동시에 절단할 수 있다는 것은 신뢰가능하고 효율적인 장치 세그먼트화(segmentation) 처리에 매우 유리하다. 세그먼트라는 것은 한 구성요소가 복수의 다른 구성요소를 수용할 수 있는 재료의 보다 큰 시트로부터 분리될 수 있다는 것을 의미한다. 본 명세서에 기재된 방법에 의해 세그먼트될 수 있거나, 절단될 수 있거나, 또는 만들어질 수 있는 다른 구성요소가 예를 들면, OLED(유기 발광 다이오드) 구성요소, DLP(디지털 광 프로세서) 구성요소, LCD(액정 디스플레이) 전지, 반도체 장치 기판이다.
도 12는 투명한 전도 층(예를 들면, ITO(indium tin oxide))으로 코팅된 전기변색 유리와 같은 물품을 절단하는 것을 나타내고 있다. ITO와 같은 투명한 전도 층을 사전에 구비한 유리를 절단하는 것은 전기변색 유리 적용과 또한 터치 패널 장치에 대해 큰 값을 갖는다. 이러한 레이저 처리는 투명한 전도 층에 대한 최소 손상 및 매우 적은 부스러기 발생으로써 이러한 층을 절단할 수 있다. 천공된 구멍의 극히 작은 크기(< 5um)는 ITO가 절단 처리에 의해 거의 영향을 받지 않는 반면에, 다른 절단 방법이 상당히 보다 큰 표면 손상 및 부스러기를 발생시킬 것이라는 것을 의미한다.
도 13은 또한 도 1에 도시된 바와 같이, 다수의 층(즉, 2개 이상의 층)에 대한 개념을 확장하여, 다른 것에 영향을 미치지 않으면서, 스택에서의 여러 층의 정밀 절단을 나타낸 도면이다. 도 13의 실시예에 있어서, 분열 소자는 탈촛점(defocusing) 층이다.
다른 예.
일반적으로, 이용가능한 레이저 파워가 크면 클수록, 재료가 상기 처리로써 더욱 신속하게 절단될 수 있다. 본 명세서에 개시된 처리는 0.25 m/sec이거나 이보다 더 빠른 절단 속도에서 유리를 절단할 수 있다. 절단 속도(또는 절단하는 속도)는 다수의 구멍이나 또는 개질된 구역을 만들면서 투명한 재료(예를 들면, 유리)의 표면과 관련하여 레이저 빔이 이동하는 속도이다. 예를 들면, 400 mm/sec, 500 mm/sec, 750 mm/sec, 1 m/sec, 1.2 m/sec, 1.5 m/sec, 2 m/sec, 3.4 m/sec, 5 m/sec, 5 m/sec, 7 m/sec, 또는 10 m/sec와 같은 빠른 절단 속도가 제조 자본 투자를 최소화하고 설비 사용율을 최적화하도록 종종 요구된다. 레이저 파워는 레이저의 버스트 반복 주파수(속도(rate))에 의해 배가된 버스트 에너지와 동일하다. 일반적으로, 빠른 절단 속도에서 이러한 유리 재료를 절단하기 위하여, 손상 트랙은 1 micron - 25 micron 만큼 전형적으로 분리되며, 여러 실시예에 있어서, 간극은 바람직하게는 3 micron이거나 이보다 크다(예를 들면, 3 micron - 12 micron, 또는 예를 들면, 5 micron - 10 micron, 또는 10 micron - 20 micron).
예를 들면, 300 mm/sec의 선형 절단 속도를 달성하기 위하여, 3 micron 구멍 핏치는 적어도 100 kHz 버스트 반복율을 갖는 펄스 버스트 레이저에 대응한다. 600 mm/sec 절단 속도에 대해, 3 micron 핏치는 적어도 200 kHz 버스트 반복율을 갖는 버스트-펄스 레이저에 대응한다. 200 kHz에서 적어도 40 μJ/버스트를 만들고 600 mm/s 절단 속도에서 절단하는 펄스 버스트 레이저는 적어도 8 Watt의 레이저 파워를 갖도록 요구된다. 보다 빠른 절단 속도는 이에 따라 심지어 보다 큰 레이저 파워를 필요로 한다.
예를 들면, 3 ㎛ 핏치 및 40 μJ/버스트에서의 0.4 m/sec 절단 속도는 적어도 5 Watt 레이저를 요구할 수 있고, 3 ㎛ 핏치 및 40 μJ/버스트에서의 0.5 m/sec 절단 속도는 적어도 6 Watt 레이저를 요구할 수 있다. 이에 따라, 바람직하게는 펄스 버스트 ps 레이저의 레이저 파워는 6 watt 이상이거나, 더욱 바람직하게는 적어도 8 Watt 이상이거나, 심지어 더욱 바람직하게는 적어도 10 W 이상이다. 예를 들면, 4 ㎛ 핏치(결함 라인 속도 또는 손상 트랙 사이 간극) 및 100 μJ/버스트에서 0.4 m/sec 절단 속도를 달성하기 위하여, 적어도 10 Watt 레이저가 필요할 수 있고, 그리고 4 ㎛ 핏치 및 100 μJ/버스트에서 0.5 m/sec 절단 속도를 달성하기 위하여, 적어도 12 Watt 레이저가 필요할 수 있다. 예를 들면, 3 ㎛ 핏치 및 40 μJ/버스트에서 1 m/sec의 절단 속도를 달성하기 위하여, 적어도 13 Watt 레이저가 필요할 수 있다. 또한, 예를 들면, 4 ㎛ 핏치 및 400 μJ/버스트에서의 1 m/sec 절단 속도는 적어도 100 Watt 레이저를 필요로 할 수 있다. 손상 트랙 사이의 최적의 핏치와 정확한 버스트 에너지가 재료에 따라 결정되고, 그리고 경험적으로 결정될 수 있다. 그러나, 보다 근접한 핏치에서 손상 트랙을 만들거나 레이저 펄스 에너지를 상승시키는 것은 보다 우수하거나 향상된 엣지 품질으로써 기판 재료를 항상 분리시키는 조건이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다. 손상 트랙 사이의 매우 밀집한 핏치(예를 들면, < 0.1 micron, 여러 예시적인 실시예에서, < 1 ㎛, 또는 여러 실시예에서, < 2 ㎛)가 인근 다음 손상 트랙의 형성을 때때로 방지할 수 있고, 그리고 종종 천공된 윤곽 주변의 재료의 분리를 방지할 수 있고, 그리고 또한 유리 내에서의 향상된 원치않는 미소 크랙킹을 초래할 수 있다. 매우 긴 핏치(> 50 ㎛, 그리고 여러 유리에 있어서 > 25 ㎛)는 "제어되지 않은 마이크로크랙킹"을 초래할 수 있으며, 즉, 이는 구멍으로부터 구멍까지 전파하는 대신에, 마이크로크랙이 상이한 경로를 따라서 전파되고, 그리고 유리가 상이한(바람직하지 않는) 방향으로 크랙형성되게 한다는 것이다. 이는 나머지 마이크로크랙이 유리를 취약하게 하는 흠으로서 작용할 것이기 때문에, 분리된 유리 부분의 강도를 극히 더 낮출 수 있다. 각각의 손상 트랙을 형성하도록 사용된 매우 큰 버스트 에너지(예를 들면, > 2500 μJ/버스트, 그리고 여러 실시예에 있어서 > 500 μJ/버스트)는 유리의 분리를 방지하는, 인접한 손상 트랙의 사전에 형성된 마이크로크랙의 재-용융이나 "힐링(healing)"을 야기할 수 있다. 이에 따라, 버스트 에너지가 < 2500 μJ/버스트인 것이 바람직하다(예를 들면, ≤ 500 μJ/버스트). 또한, 매우 큰 버스트 에너지를 사용하는 것은 극히 큰 마이크로크랙의 형성을 야기할 수 있고 분리 이후의 부분의 엣지 강도를 감소시키는 홈을 생성할 수 있다. 매우 작은 버스트 에너지(< 40 μJ/버스트)는 천공된 윤곽에 따라 분리하기 위하여, 유리 내에 형성된 인식할 수 없을 정도의 손상 트랙과, 이에 따른 매우 큰 분리 강도나 또는 완전한 불능을 초래할 수 있다.
이러한 처리에 의해 실행된 전형적인 예시적인 절단 속도(절단 율)는 예를 들면, 0.25 m/sec이고 이보다 더 빠를 수도 있다. 여러 실시예에 있어서, 절단 속도는 적어도 300 mm/sec이다. 본 명세서에 기재된 여러 실시예에 있어서, 절단 속도는 적어도 400 mm/sec이거나, 예를 들면, 500 mm/sec 내지 2000 mm/sec이거나, 또는 이보다 더 빠르다. 여러 실시예에 있어서, 피코초(ps) 레이저는 0.5 micron 내지 13 micron(또는 예를 들면, 0.5 micron 내지 3 micron) 주기성을 갖는 결함 라인을 만들도록 펄스 버스트를 사용한다. 여러 실시예에 있어서, 펄스 레이저는 10 W - 100 W의 레이저 파워를 갖고, 그리고 재료 및/또는 레이저 빔은 적어도 0.25 m/sec의 속도(예를 들면, 0.25 m/sec 내지 0.35 m/sec의 속도나 또는 0.4 m/sec 내지 5 m/sec의 속도)에서 서로와 관련하여 이동된다. 바람직하게는, 펄스 레이저 빔의 각각의 펄스 버스트는 버스트 당 피가공물의 mm 두께 당 40 microJoule 보다 큰 피가공물에서 측정된 평균 레이저 에너지를 갖는다. 바람직하게는, 펄스 레이저 빔의 각각의 펄스 버스트는 버스트 당 피가공물의 mm 두께 당 2500 microJoule보다 작고, 그리고 바람직하게는 버스트 당 mm 당 대략 2000 microJoule보다 작고, 그리고 여러 실시예에서 버스트 당 피가공물의 mm 두께 당 1500 microJoule보다 작고, 예를 들면, 버스트 당 피가공물의 mm 두께 당 500 microJoule보다 크지 않는, 보다 큰 피가공물에서 측정된 평균 레이저 에너지를 갖는다.
상당히 더 큰 (5 내지 10 배 이상의) 볼륨측정의 펄스 에너지 밀도(μJ/μ㎥)가 Corning Gorilla®와 같은 유리와 비교하였을 경우 무 알칼리 유리나 저 알칼리 함유 유리를 갖는 알카라인 토류 보로-알루미노실리케이트 유리를 천공하는데 요구된다고 발견되었다. 이는 예를 들면, 바람직하게는 버스트 당 적어도 2 펄스를 갖는 펄스 버스트 레이저를 사용함으로써 그리고 대략 0.05 μJ/μ㎥ 이상(예를 들면, 적어도 0.1 μJ/μ㎥, 예를 들면 0.1 μJ/μ㎥ - 0.5 μJ/μ㎥)의 알카라인 토류 보로-알루미노실리케이트 유리(알칼리가 없거나 조금 있음) 내에서의 볼륨측정의 에너지 밀도를 제공함으로써, 달성될 수 있다.
이에 따라, 레이저가 버스트 당 적어도 2 펄스를 갖는 펄스 버스트를 만드는 것이 바람직하다. 예를 들면, 여러 실시예에 있어서, 펄스 레이저는 10 W - 150 W(예를 들면, 10 W - 100 W)의 레이저 파워를 갖고, 그리고 버스트 당 적어도 2 펄스(예를 들면, 버스트 당 2 펄스 - 25 펄스)를 갖는 펄스 버스트를 만든다. 여러 실시예에 있어서, 펄스 레이저는 25 W - 60 W의 파워를 갖고, 그리고 버스트 당 적어도 2 펄스 - 25 펄스를 갖는 펄스 버스트를 만들고, 그리고 레이저 버스트에 의해 만들어진 인접한 결함 라인 사이의 거리나 주기는 2 micron - 10 micron이다. 여러 실시예에 있어서, 펄스 레이저는 10 W - 100 W의 레이저 파워를 갖고, 버스트 당 적어도 2 펄스를 갖는 펄스 버스트를 만들며, 그리고 피가공물 및 레이저 빔은 적어도 0.25 m/sec의 속도에서 서로와 관련하여 이동된다. 여러 실시예에 있어서, 피가공물 및/또는 레이저 빔은 적어도 0.4 m/sec의 속도에서 서로와 관련하여 이동된다.
예를 들면, 0.7 mm 두께의 이온교환되지 않은 Corning 코드 2319 또는 코드 2320 Gorilla 유리를 절단하기 위하여, 3 micron - 7 micron의 핏치가, 대략 150 μJ/버스트 - 250 μJ/버스트의 펄스 버스트 에너지, 그리고 2 - 15의 버스트 펄스 수, 그리고 바람직하게는 3 micron - 5 micron의 핏치와 2 - 5의 버스트 펄스 수(버스트 당 펄스의 수)로써, 잘 작업될 수 있다고 관찰되었다.
1 m/sec 절단 속도에서, Eagle XG® 유리의 절단은 30 Watt - 45 Watt가 종종 충분하지만, 15 Watt - 84 Watt의 레이저 파워의 사용을 전형적으로 요구하고 있다. 일반적으로, 다양한 유리 및 다른 투명한 재료에 대해, 출원인은 10 W 내지 100 W의 레이저 파워가 0.2 m/sec - 1 m/sec의 절단 속도를 달성하는데 바람직하며, 25 Watt - 60 Watt의 레이저 파워가 많은 유리에 대해 충분하다(그리고 최적이다)는 것을 발견하였다. 0.4 m/sec 내지 5 m/sec의 절단 속도에 대해, 레이저 파워는 바람직하게는 40 μJ/버스트 - 750 μJ/버스트의 버스트 에너지, 펄스 당 2 버스트 - 25 버스트(절단된 재료에 따라 결정됨), 그리고 3 ㎛ 내지 15 ㎛나, 또는 3 ㎛ - 10 ㎛의 구멍 분리(또는 핏치)로써 10 W - 150 W일 수 있다. 피코초 펄스 버스트 레이저의 사용은 버스트 당 펄스의 요구되는 수와 고 파워를 생성하기 때문에 이들 절단 속도에 대해 바람직할 수 있다. 이에 따라, 여러 예시적인 실시예에 따라, 펄스 레이저는 10 W - 100 W의 파워(예를 들면, 25 W 내지 60 Watt)를 만들고, 그리고 버스트 당 적어도 2 펄스 - 25 펄스의 펄스 버스트를 만들며, 그리고 결함 라인 사이의 거리는 2 micron - 15 micron이고; 그리고 레이저 빔 및/또는 피가공물은 적어도 0.25 m/sec로, 여러 실시예에서 적어도 0.4 m/sec로, 예를 들면 0.5 m/sec 내지 5 m/sec로, 또는 이보다 빠른 속도로 서로에 대해 이동된다.
본 명세서에 기재된 실시예가 레이저 빔 촛점 라인을 적용함으로써 유리 기판과 같은 기판을 분리하는 시스템 및 방법을 제공한다는 것을 알 수 있을 것이다. 본 명세서에 개시된 시스템은 재료의 상이한 두께 뿐만 아니라 재료의 상이한 타입을 고려하여 레이저 빔 촛점 라인의 길이 및/또는 직경의 신속한 조정을 가능하게 한다.
예시적인 실시예가 본 명세서에 기재되어 있는 한편으로, 당업자라면 첨부된 청구범위의 범주 내에서 여러 변경이나 수정이 본 발명에 대해 행해질 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.

Claims (32)

  1. 투명한 재료 처리 시스템으로서,
    펄스 레이저 빔을 방사하도록 작동가능한 레이저 공급원; 및
    상기 펄스 레이저 빔을, 조정가능한 길이와 조정가능한 직경을 갖는 레이저 빔 촛점 라인으로 변형하도록 구성되고 상기 펄스 레이저 빔의 광학 광로 내에 배치된 광학 조립체를 포함하고;
    상기 레이저 빔 촛점 라인이 상기 투명한 재료 내에서 유도된 다-광자 흡수를 발생시키도록, 상기 레이저 빔 촛점 라인의 적어도 일부는 대부분의 상기 투명한 재료 내에 위치되게 작동가능하고, 상기 다-광자 유도된 흡수는 상기 레이저 빔 촛점 라인에 따라 상기 투명한 재료 내에서의 재료 개질을 만드는, 투명한 재료 처리 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 광학 조립체는 액시콘을 포함하는, 투명한 재료 처리 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 액시콘은 투과형이고, 그리고 상기 광학 조립체는 상기 액시콘과 상기 투명한 재료 사이의 상기 펄스 레이저 빔의 광학 경로에 위치된 가변 줌 조립체를 더 포함하는, 투명한 재료 처리 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 액시콘은 투과형이고;
    상기 광학 조립체는 제1 촛점 길이를 갖는 제1 렌즈 소자와, 제2 촛점 길이를 갖는 제2 렌즈 소자를 더 포함하고;
    상기 제1 렌즈 소자가 상기 액시콘과 상기 제2 렌즈 소자 사이에 위치되도록, 상기 제1 렌즈 소자 및 상기 제2 렌즈 소자는 상기 액시콘 이후에 펄스 레이저 빔의 상기 광학 경로 내에 배치되고;
    상기 레이저 빔 촛점 라인이 대부분의 상기 투명한 재료 내에 적어도 부분적으로 위치되도록, 상기 제1 촛점 길이 및 상기 제2 촛점 길이는 배치되고; 그리고
    상기 레이저 빔 촛점 라인의 상기 조정가능한 길이 및 상기 조정가능한 직경은 상기 제1 렌즈 소자의 상기 제1 촛점 길이와 상기 제2 렌즈 소자의 상기 제2 촛점 길이 중 적어도 하나를 변경시킴으로써 조정되는, 투명한 재료 처리 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 광학 조립체는 복수의 제1 렌즈 소자를 포함한 제1 렌즈 조립체와, 복수의 제2 렌즈 소자를 포함한 제2 렌즈 조립체를 더 포함하고, 각각의 제1 렌즈 소자는 상이한 제1 촛점 길이를 갖고, 각각의 제2 렌즈 소자는 상이한 제2 촛점 길이를 가지며;
    상기 제1 렌즈 소자의 상기 제1 촛점 길이는 상기 펄스 레이저 빔의 상기 광학 경로 내에 상기 복수의 제1 렌즈 소자의 요구되는 제1 렌즈 소자를 선택적으로 위치시킴으로써 조정되고; 그리고
    상기 제2 렌즈 소자의 상기 제2 촛점 길이는 상기 펄스 레이저 빔의 상기 광학 경로 내에 상기 복수의 제2 렌즈 소자의 요구되는 제2 렌즈 소자를 선택적으로 위치시킴으로써 조정되는, 투명한 재료 처리 시스템.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 액시콘은 진입 표면과 탈출 표면을 포함하고;
    상기 탈출 표면은 상기 진입 표면과 관련하여 각도를 갖고; 그리고
    상기 레이저 빔 촛점 라인의 상기 조정가능한 길이 및 상기 조정가능한 직경은 상기 액시콘의 상기 탈출 표면의 각도를 변경시킴으로써 조정되는, 투명한 재료 처리 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 광학 조립체는 복수의 액시콘을 포함한 액시콘 조립체를 더 포함하고, 각각의 개별 액시콘은 상기 탈출 표면에서 상이한 각도를 갖고, 그리고
    상기 액시콘의 상기 탈출 표면의 상기 각도는 상기 펄스 레이저 빔의 상기 광학 경로 내의 상기 복수의 액시콘의 요구되는 개별 액시콘을 선택적으로 위치시킴으로써 변경되는, 투명한 재료 처리 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 광학 조립체는 제1 촛점 길이를 갖는 제1 렌즈 소자와, 제2 촛점 길이를 갖는 제2 렌즈 소자를 더 포함하고;
    상기 제1 렌즈 소자가 상기 제2 렌즈 소자와 상기 액시콘 사이에 위치되도록, 상기 제1 렌즈 소자 및 상기 제2 렌즈 소자는 상기 액시콘 이후에 펄스 레이저 빔의 상기 광학 경로 내에 배치되고; 그리고
    상기 레이저 빔 촛점 라인의 상기 조정가능한 길이 및 상기 조정가능한 직경은 상기 제1 촛점 길이 및/또는 상기 제2 촛점 길이를 변경시킴으로써 더욱 조정되는, 투명한 재료 처리 시스템.
  9. 청구항 2에 있어서,
    상기 레이저 빔 촛점 라인의 상기 조정가능한 길이는 상기 액시콘의 진입 표면에서 상기 펄스 레이저 빔의 직경을 조정함으로써 조정되는, 투명한 재료 처리 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 광학 조립체는 제3 촛점 길이를 갖는 제3 렌즈와, 제4 촛점 길이를 갖는 제4 렌즈를 더 포함하고; 그리고
    상기 제3 촛점 길이와 상기 제4 촛점 길이 중 적어도 하나는 상기 액시콘의 상기 진입 표면에서 상기 펄스 레이저 빔의 상기 직경을 조정하도록 조정가능한, 투명한 재료 처리 시스템.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 광학 조립체는 상기 액시콘의 상기 진입 표면에서 상기 펄스 레이저 빔의 상기 직경을 조정하도록 작동가능한 가변 줌 조립체를 더 포함하고, 투명한 재료 처리 시스템.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 광학 조립체는:
    상기 펄스 레이저 빔의 상기 광학 경로 내에 위치된 반사 액시콘;
    조정가능한 거리(D) 만큼 상기 반사 액시콘으로부터 축선방향으로 분리된 링-형상의 반사 조립체; 및
    상기 링-형상의 반사 조립체에 이어 상기 펄스 레이저 빔의 상기 광학 경로 내에 위치된 렌즈 소자;를 포함하고,
    상기 링-형상의 반사 조립체는 경사진 반사 표면을 포함하고, 상기 펄스 레이저 빔은 상기 반사 액시콘에 의해 상기 경사진 반사 표면 쪽으로 반사되고, 그리고 상기 펄스 레이저 빔은 이후 상기 경사진 반사 표면에 의해 반사되고,
    상기 렌즈 소자는 상기 레이저 빔 촛점 라인을 형성하도록 상기 펄스 레이저 빔을 촛점맞추고,
    상기 펄스 레이저 빔은 상기 반사 액시콘 이전에 수렴하거나 반사하는, 투명한 재료 처리 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 레이저 빔 촛점 라인의 상기 조정가능한 직경이나 또는 상기 촛점 라인의 상기 조정가능한 길이는 상기 조정가능한 거리(D)를 변경시킴으로써 조정되는, 투명한 재료 처리 시스템.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 광학 조립체는 상기 반사 액시콘 이전에 상기 펄스 레이저 빔의 상기 광학 경로에 위치된 제2 렌즈 소자를 더 포함하고;
    상기 제2 렌즈 소자는 상기 반사 액시콘 이전에 상기 펄스 레이저 빔이 수렴하거나 발산하게 하고; 그리고
    상기 제2 렌즈 소자의 촛점 길이를 조정하는 단계는 상기 레이저 빔 촛점 라인의 상기 조정가능한 직경과 상기 조정가능한 길이를 조정하는, 투명한 재료 처리 시스템.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 광학 조립체는:
    상기 펄스 레이저 빔의 상기 광학 경로 내에 위치되고, 상기 펄스 레이저 빔이 수렴이나 발산하도록 구성된 제1 렌즈 소자;
    제1 투과형 액시콘;
    제2 투과형 액시콘; 및
    제2 렌즈 소자;를 포함하고,
    상기 제1 투과형 액시콘은, 상기 펄스 레이저 빔이 경사진 탈출 표면 상의 상기 제1 투과형 액시콘을 빠져나오도록, 상기 제1 렌즈 소자에 이어 상기 펄스 레이저 빔의 상기 광학 경로 내에 위치되고,
    상기 제2 투과형 액시콘은, 상기 펄스 레이저 빔이 상기 제2 투과형 액시콘의 경사진 진입 표면에서 상기 제2 투과형 액시콘에 진입하도록, 상기 제2 투과형 액시콘에 이어 상기 펄스 레이저 빔의 상기 광학 경로 내에 위치되고, 상기 제1 투과형 액시콘의 상기 경사진 탈출 표면의 편향 각도는 상기 제2 투과형 액시콘의 상기 경사진 진입 표면의 편향 각도와 실질적으로 동일하며, 그리고
    상기 제2 렌즈 소자는 상기 제2 투과형 액시콘에 이어 상기 펄스 레이저 빔의 상기 광학 경로 내에 위치되고, 상기 제2 렌즈 소자가 상기 펄스 레이저 빔을 촛점맞춰 상기 레이저 빔 촛점 라인을 형성하도록 상기 제2 렌즈 소자는 촛점 길이를 갖는, 투명한 재료 처리 시스템.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 레이저 빔 촛점 라인의 상기 조정가능한 길이는 상기 제1 렌즈 소자의 촛점 길이를 변경시킴으로써 조정되고; 그리고
    상기 레이저 빔 촛점 라인의 상기 조정가능한 직경은 상기 제1 투과형 액시콘과 상기 제2 투과형 액시콘 사이의 거리(D)를 변경시킴으로써 조정되는, 투명한 재료 처리 시스템.
  17. 투명한 재료 처리 방법으로서,
    길이와 직경을 갖고 빔 전파 방향에 따른 레이저 빔 촛점 라인을 형성하도록 펄스 레이저 빔을 촛점맞추는 단계;
    상기 레이저 빔 촛점 라인의 길이와 상기 레이저 빔 촛점 라인의 직경 중 적어도 하나를 조정하는 단계; 및
    상기 레이저 빔 촛점 라인의 적어도 일부가 대부분의 상기 투명한 재료 내에 위치하도록, 상기 투명한 재료에 상기 레이저 빔 촛점 라인을 나아가게 하는 단계;를 포함하고,
    상기 레이저 빔 촛점 라인은 유도된 다-광자 흡수를 상기 투명한 재료 내에서 발생시키고, 상기 다-광자 유도된 흡수는 상기 레이저 빔 촛점 라인을 따라서 상기 투명한 재료 내에 재료 개질을 만드는, 투명한 재료 처리 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 레이저 빔 촛점 라인의 상기 길이와 상기 레이저 빔 촛점 라인의 직경은 연속적으로 조정가능한, 투명한 재료 처리 방법.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 레이저 빔 촛점 라인의 상기 길이는 상기 투명한 재료의 두께와 동일하거나 이보다 더 두꺼운, 투명한 재료 처리 방법.
  20. 청구항 17에 있어서,
    상기 레이저 빔 촛점 라인의 상기 길이는 상기 레이저 빔 촛점 라인의 상기 직경에 영향을 미치지 않으면서 조정가능한, 투명한 재료 처리 방법.
  21. 청구항 17에 있어서,
    상기 레이저 빔 촛점 라인의 상기 직경의 범위는 0.5 ㎛ 내지 5 ㎛인, 투명한 재료 처리 방법.
  22. 청구항 17 또는 21에 있어서,
    상기 레이저 빔 촛점 라인의 상기 길이의 범위는 0.1 mm 내지 100 mm인, 투명한 재료 처리 방법.
  23. 청구항 17, 21 또는 22에 있어서,
    상기 투명한 재료는 유리 기판인, 투명한 재료 처리 방법.
  24. 청구항 1 내지 16 중 어느 한 항에 따른 시스템이나, 또는 청구항 17 내지 23 중 어느 한 항에 따른 방법으로서,
    상기 펄스 레이저 빔은 버스트 당 2 펄스 - 25 펄스를 갖는 버스트 펄스 레이저 빔인, 투명한 재료 처리 시스템 및 방법.
  25. 청구항 1 내지 16 또는 24 중 어느 한 항에 따른 시스템이나, 또는 청구항 17 내지 23 또는 24 중 어느 한 항에 따른 방법으로서,
    상기 레이저 빔 촛점 라인은 베셀 빔 촛점 라인인, 투명한 재료 처리 시스템 및 방법.
  26. 청구항 1 내지 16 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학 조립체와 결합하여 상기 레이저 공급원은 에이리 빔, 웨버 빔, 마씨유 빔 중에서 하나의 빔을 만드는, 투명한 재료 처리 시스템.
  27. 청구항 1 내지 16 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 공급원은 펄스 버스트 당 적어도 2 펄스를 갖는 펄스 버스트를 만드는, 투명한 재료 처리 시스템.
  28. 청구항 1 내지 16 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 공급원은 10 W - 150 W의 레이저 파워를 갖고, 그리고 펄스 버스트 당 적어도 2 펄스를 갖는 펄스 버스트를 만드는, 투명한 재료 처리 시스템.
  29. 청구항 28에 있어서,
    상기 레이저 공급원은 10 W - 100 W의 레이저 파워를 갖고, 그리고 펄스 버스트 당 2 펄스 - 25 펄스를 갖는 펄스 버스트를 만드는, 투명한 재료 처리 시스템.
  30. 청구항 28에 있어서,
    상기 레이저 공급원은 25W - 60 W의 레이저 파워를 갖고, 그리고 펄스 버스트 당 2 펄스 - 25 펄스를 갖는 펄스 버스트를 만드는, 투명한 재료 처리 시스템.
  31. 청구항 17 내지 23 중 어느 한 항에 있어서,
    10 W - 100 W의 파워를 갖는 레이저로써 상기 펄스 레이저 빔을 생성하는 단계와, 인접한 결함 라인 사이의 간격이 2 micron - 10 micron이도록, 결함 라인을 형성하기 위해 투명한 재료에 레이저 빔 촛점 라인을 나아가게 하는 단계를 포함하고,
    상기 펄스 레이저 빔은 버스트 당 2 펄스 - 25 펄스를 갖는 펄스 버스트를 구비하는, 투명한 재료 처리 방법.
  32. 청구항 31에 있어서,
    상기 레이저 공급원은 25 W - 60 W의 레이저 파워를 갖는, 투명한 재료 처리 방법.
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