KR20190035805A - 레이저 처리를 위한 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

작업편은, 이 작업편에 윤곽선을 형성하는 단계, 및 상기 윤곽선을 따라 상기 작업편을 분리하기 위해 상기 윤곽선을 따라 또는 상기 윤곽선 근처에 상기 작업편에 적외선 레이저 빔을 지향시키는 단계를 포함하는 방법에 의해 레이저 처리될 수 있다. 상기 윤곽선은 작업편에 결함을 포함할 수 있다. 상기 적외선 레이저 빔은 상기 적외선 레이저 빔으로부터의 더 큰 분포의 축적된 에너지가 상기 윤곽선 상에 직접적으로가 아니라 상기 윤곽선에 인접한 영역 상에 위치하도록 빔 프로파일을 가질 수 있다.

Description

레이저 처리를 위한 장치 및 방법

본 출원은 35 U.S.C.§119 하에 2016년 7월 29일 출원된 미국 가출원 제62/368,571호를 우선권 주장하고 있으며, 상기 특허 문헌의 내용은 참조를 위해 본 발명에 모두 포함된다.

본 명세서는 일반적으로 작업편을 레이저 처리하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

재료의 레이저 처리의 영역은 상이한 타입의 재료의 절삭, 드릴링, 밀링, 용접, 용융 등을 포함하는 광범위한 다양한 애플리케이션을 포괄한다. 이러한 공정들 중 특히 관심의 대상이 되는 것은 유리, 사파이어, 또는 박막 트랜지스터(TFT)용 용융 실리카와 같은 재료 또는 전자 장치용 디스플레이 재료의 생산에 사용될 수 있는 공정에서 상이한 타입의 투명 기판을 컷팅 또는 분리하는 것이다.

공정 개발 및 비용의 관점에서, 유리 기판의 컷팅 및 분리에 있어서 많은 개선의 기회가 있다. 시장에서 현재 실행되는 것보다 유리 기판을 분리하는 더 빠르고, 깨끗하고, 저렴하고, 반복 가능하면서 보다 신뢰할 수 있는 방법을 갖는 것이 큰 관심사이다. 따라서, 유리 기판을 분리하기 위한 대안적인 개선된 방법이 필요하다.

본 발명은 작업편을 레이저 처리하기 위한 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.

일 실시예에 따르면, 작업편은, 이 작업편에 윤곽선을 형성하는 단계, 및 상기 작업편을 윤곽선을 따라 분리하기 위해 상기 윤곽선을 따라 또는 상기 윤곽선 근처에 상기 작업편에 적외선 레이저 빔을 지향시키는 단계를 포함할 수 있는 방법에 의해 레이저 처리될 수 있다. 상기 윤곽선은 상기 작업편에 결함을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 작업편은 투명 작업편일 수 있다. 상기 적외선 레이저 빔은 상기 적외선 레이저 빔으로부터의 더 큰 분포의 축적된 에너지가 상기 윤곽선 상에 직접적으로가 아니라 상기 윤곽선에 인접한 영역 상에 위치하도록 빔 프로파일을 가질 수 있다. 일부의 실시예에서, 상기 적외선 레이저 빔은 환형 빔 프로파일을 가질 수 있다.

다른 실시예에서, 투명 작업편은, 이 투명 작업편으로 지향된 펄스 레이저 빔 초점 라인으로 펄스 레이저 빔을 포커싱하는 단계, 서로에 대해 상기 투명 작업편 및 펄스 레이저 빔 초점 라인을 병진이동시킴으로써, 상기 투명 작업편 내에 윤곽선을 따라 다수의 라인 결함을 레이저 형성하는 단계, 및 상기 윤곽선을 따라 상기 투명 작업편을 분리하기 위해 상기 윤곽선을 따라 또는 상기 윤곽선 근처에 상기 투명 작업편에 적외선 레이저 빔을 지향시키는 단계를 포함할 수 있는 방법에 의해 레이저 처리될 있다. 상기 펄스 레이저 빔 초점 라인은 상기 투명 작업편 내에 라인 결함을 생설할 수 있다. 인접한 상기 라인 결함들 간 간격은 5 μ 내지 15 μ이다. 상기 적외선 레이저 빔은 상기 적외선 레이저 빔으로부터의 더 큰 분포의 축적된 에너지가 상기 윤곽선 상에 직접적으로가 아니라 상기 윤곽선의 양 측에 상기 윤곽선에 인접한 영역 상에 위치하도록 빔 프로파일을 가질 수 있다.

본원에 기술된 공정 및 시스템의 부가적인 특징 및 이점은 이하의 상세한 설명에서 설명될 것이고, 부분적으로는 그 설명으로부터 당업자에게 쉽게 명백해지거나 또는 이하의 상세한 설명, 청구항, 및 수반되는 도면을을 포함한 본원에 기술된 실시예들을 실시함으로써 인식될 것이다.

상술한 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명 모두는 다양한 실시예를 설명하고 청구 대상의 성질 및 특성을 이해하기 위한 개요 또는 기초를 제공하기 위한 것임을 이해해야 한다. 수반되는 도면은 다양한 실시예에 대한 이해를 돕기 위해 포함되며, 본 명세서에 통합되어 본 명세서의 일부를 구성한다. 도면은 본원에 설명된 다양한 실시예를 예시하고, 설명과 함께 청구 대상의 원리 및 동작을 설명하는 역할을 한다.

본 발명에 따라, 작업편을 레이저 처리하기 위한 장치 및 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본원에 기술된 하나 이상의 실시예에 따른 투명 작업편에 형성된 윤곽선을 가로지르는 환형 적외선 레이저 빔 스폿을 개략적으로 나타내고;
도 2는 본원에 기술된 하나 이상의 실시예에 따른 환형 적외선 레이저 빔 실시예의 횡단 파워 분포를 그래프로 나타내고;
도 3은 본원에 기술된 하나 이상의 실시예에 따른 환형 적외선 레이저 빔 프로파일을 형성하기 위해 이용된 광학 어셈블리를 개략적으로 나타내고;
도 4a는 본원에 기술된 하나 이상의 실시예에 따른 기존의 가우스 적외선 레이저 빔 레이저 프로파일에 적합한 파워의 함수로서 적외선 레이저 빔의 빔 직경을 그래프로 나타내고;
도 4b는 본원에 기술된 하나 이상의 실시예에 따른 환형 적외선 레이저 빔 프로파일에 적절한 파워의 함수로서 적외선 레이저 빔의 빔 직경을 그래프로 나타내고;
도 5는 본원에 기술된 하나 이상의 실시예에 따른, 분리 지점에서 분리된 투명 작업편의 측면의 이미지를 나타내고, 윤곽선에서 가우스 적외선 레이저 빔을 이용하는 기존의 레이저 처리에 의한 과도한 가열에 의해 야기된 균열을 나타내며;
도 6은 본원에 기술된 하나 이상의 실시예에 따른 라인 결함의 윤곽선의 형성을 개략적으로 나타내고;
도 7은 본원에 기술된 하나 이상의 실시예에 따른 투명 작업편의 처리 동안 펄스 레이저 빔 초점 라인의 위치맞춤(positioning)을 개략적으로 나타내고;
도 8a는 본원에 기술된 하나 이상의 실시예들 중 일 실시예에 따른 펄스 레이저 처리를 위한 광학 어셈블리를 개략적으로 나타내고;
도 8b의 8b-1은 본원에 기술된 하나 이상의 실시예에 따른 투명 작업편에 대한 펄스 레이저 초점 라인의 제1실시예를 개략적으로 나타내고;
도 8b의 8b-2는 본원에 기술된 하나 이상의 실시예에 따른 투명 작업편에 대한 펄스 레이저 초점 라인의 제2실시예를 개략적으로 나타내고;
도 8b의 8b-3은 본원에 기술된 하나 이상의 실시예에 따른 투명 작업편에 대한 펄스 레이저 초점 라인의 제3실시예를 개략적으로 나타내고;
도 8b의 8b-4는 본원에 기술된 하나 이상의 실시예에 따른 투명 작업편에 대한 펄스 레이저 초점 라인의 제4실시예를 개략적으로 나타내고;
도 9는 본원에 기술된 하나 이상의 실시예에 따른 펄스 레이저 처리를 위한 광학 어셈블리의 다른 실시예를 개략적으로 나타내고;
도 10a는 본원에 기술된 하나 이상의 실시예에 따른 펄스 레이저 처리를 위한 광학 어셈블리의 다른 실시예를 개략적으로 나타내고;
도 10b는 본원에 기술된 하나 이상의 실시예에 따른 투명 작업편에서 도 10a의 펄스 레이저의 상세도를 개략적으로 나타내고;
도 11은 본원에 기술된 하나 이상의 실시예에 따른 펄스 레이저 처리를 위한 광학 어셈블리의 다른 실시예를 개략적으로 나타내고;
도 12a는 본원에 기술된 하나 이상의 실시예에 따른 비포커싱 펄스 레이저 빔에 대한 강도 체계를 개략적으로 나타내고;
도 12b는 본원에 기술된 하나 이상의 실시예에 따른 구면 렌즈에 의한 집광된 펄스 레이저 빔에 대한 강도 체계를 개략적으로 나타내고;
도 12c는 본원에 기술된 하나 이상의 실시예에 따른 액시콘 또는 회절 프레넬 렌즈에 의한 집광된 펄스 레이저 빔에 대한 강도 체계를 개략적으로 나타내고;
도 13a는 본원에 기술된 하나 이상의 실시예에 따른 예시의 펄스 버스트 내의 시간 대 레이저 펄스의 상대적 강도를 개략적으로 나타내고, 각각의 예시의 펄스 버스트는 7 펄스를 가지며;
도 13b는 본원에 기술된 하나 이상의 실시예에 따른 예시의 펄스 버스트 내의 시간 대 레이저 펄스의 상대적 강도를 개략적으로 나타내고, 각각의 예시의 펄스 버스트는 9 펄스를 포함한다.

이제 유리 작업편과 같은 투명 작업편들을 레이저 처리하기 위한 공정의 실시예에 대한 참조가 상세히 이루어지며, 그러한 예들은 수반되는 도면에 나타나 있다. 가능할 때마다, 도면 전체에 걸쳐 동일하거나 유사한 부분에 대해서는 동일한 참조부호가 사용될 것이다. 본원에 기술된 하나 이상의 실시예에 따르면, 투명 작업편은 이 투명 작업편을 2개 이상의 부분으로 분리하기 위해 레이저 처리될 수 있다. 일반적으로, 그러한 공정은 적어도 상기 투명 작업편에 결함을 포함하는 윤곽선을 형성하는 제1단계, 및 상기 윤곽선 또는 상기 윤곽선 근처에서 적외선 레이저 빔을 상기 투명 작업편에 조사함으로써 상기 윤곽선을 따라 상기 투명 작업편을 분리하는 제2단계를 포함한다. 일 실시예에 따르면, 펄스 레이저 빔은 윤곽선을 형성하기 위해 상기 투명 작업편에 일련의 라인 결함을 생성하는데 사용될 수 있다. 이들 라인 결함은 투명 작업편 내의 천공 또는 나노-천공이라고 부를 수 있다. 다음에, 적외선 레이저는 상기 윤곽선에서 상기 투명 작업편을 분리하기 위해 상기 윤곽선에 인접한 상기 투명 작업편의 영역을 가열하는데 사용될 수 있다. 상기 윤곽선에 따른 분리는 적외선 레이저 빔으로부터의 가열에 의해 야기된 그 상이한 부분들에서의 상기 투명 작업편의 온도의 차이에 의해 야기된 상기 투명 작업편의 기계적인 응력에 의해 야기될 수 있다. 투명 작업편을 분리하기 위한 방법 및 장치들의 다양한 실시예들이 수반된 도면에 대한 특정 참조에 따라 본원에서 기술될 것이다.

본원에 사용된 문구 "투명 작업편"은 투명한 유리 또는 유리-세라믹으로부터 형성된 작업편을 의미하며, 여기서 본원에 사용된 용어 "투명"은 그러한 재료가 40%보다 큰 400-700 nm의 파장 범위에 걸친 평균 투과율을 나타내는 것을 의미한다. 일부 실시예에서, 상기 작업편은 40%보다 큰 400-700 nm의 파장 범위에 걸친 평균 투과율을 나타낼 수 있다. 일부 실시예에 따르면, 분리되는 부분과 같은 그 작업편의 적어도 일부는 약 4×10^-6/K보다 작은, 또는 약 3.5×10^-6/K보다 작은 것과 같이, 약 5×10^-6/K보다 작은 열팽창계수를 갖는다. 예를 들어, 상기 작업편은 약 3.2×10^-6/K의 열팽창계수를 가질 수 있다. 상기 투명 작업편은, 약 100 μ 내지 약 5 mm, 또는 약 0.5 mm 내지 약 3 mm와 같이, 약 50 μ 내지 약 10 mm의 두께를 가질 수 있다.

본원에 사용된 문구 "윤곽선"은 투명 작업편이 적절한 처리 조건에 대한 노출에 따라 다수의 부분으로 분리되는 작업편의 표면 상에 의도된 분리의 라인(예컨대, 라인, 커브 등)을 나타낸다. 상기 윤곽선은 일반적으로 다양한 기술을 이용하여 투명 작업편 내에 유도된 하나 이상의 결함으로 구성된다. 본원에 사용된 바와 같이, "결함"은 적외선 레이저 처리와 같은 추가의 열 처리에 의한 분리를 가능하게 하는 투명 작업편 내의 변형된 재료(벌크 재료에 대해)의 영역, 보이드 스페이스, 스크래치, 흠, 구멍, 또는 다른 변형을 포함할 수 있다.

유리 기판 또는 그와 유사한 것 등과 같은 투명 작업편은 작업편의 표면 상에 윤곽선을 제일 먼저 형성하고, 이후 상기 작업편에 열 응력을 생성하기 위해 상기 윤곽선 상에서 상기 작업편의 표면을 가열함으로써 다수의 부분으로 분리될 수 있다. 그러한 응력은 궁극적으로 윤곽선을 따라 그 작업편의 자발적인 분리를 이끈다. 상기 작업편 표면의 가열은, 예를 들어 적외선 레이저를 사용하여 수행될 수 있다. 구체적으로, 윤곽선을 따라 분리를 유도하는 기존의 적외선 레이저 처리는 윤곽선을 형성하는 결함 상에 최대 가열 강도를 직접적으로 야기시키는 프로파일로 상기 윤곽선 상에 직접 입사된 적외선 레이저 빔을 이용한다. 예를 들어, 가우스 빔 프로파일이 통상적으로 윤곽선을 중심으로 직접 이용될 수 있다. 그와 같은 기존의 공정에서, 열 뿐만 아니라 레이저 에너지의 최대 강도가 윤곽선에 존재한다. 그러나, 윤곽선 상의 피크 강도를 갖는(분리를 야기시키기에 충분한 에너지를 갖는) 적외선 레이저 빔을 사용하면 분리 전 윤곽선이 존재하는 분리된 투명 작업편의 에지에 손상을 줄 수 있다는 것이 밝혀졌다. 예를 들어, 분리를 위해 비교적 높은 파워의 적외선 레이저를 필요로 하는 일부 유리 조성물의 경우, 분리된 투명 작업편의 에지를 약화시키는 그 분리된 투명 작업편의 에지에 일반적으로 수직(즉, 윤곽선으로 나타낸 의도된 분리 라인에 일반적으로 수직)인 방향으로 그 분리된 에지로부터 열 균열이 전파될 수 있다.

또한, 윤곽선의 가열 이후의 자발적인 분리는 투명 작업편 재료의 열팽창계수와 관련되며, 상대적으로 높은 CTE를 갖는 재료는 상대적으로 낮은 CTE를 갖는 재료보다 가열시 자발적인 분리에 더 잘 맞는다. 투명 작업편이 상대적으로 낮은 CTE를 갖는 재료로 형성되는 상황에서, 윤곽선에 따른 자발적인 분리는 상기 투명 작업편에 전달된 열 에너지를 증가시킴으로써 용이해질 수 있다. 그러나, 특정 조건의 경우(예컨대, 재료의 CTE가 극히 낮을 경우), 기존의 수단에 의해서는 작업편을 손상(예컨대, 용융)시키지 않고 투명 작업편에 인가된 열 에너지를 증가시킬 수 없어, 작업편을 사용할 수 없게 한다.

예를 들어, 기존의 적외선 레이저 처리의 일부 실시예에서, 스폿 크기가 너무 작거나(예컨대, 1 mm보다 작은), 또는 CO₂ 레이저 파워가 너무 높으면(예컨대, 400 W보다 큰), 투명 작업편은 윤곽선에서 과도하게 가열되어, 투명 작업편에서 절삭, 용융, 및/또는 열적으로 생성된 균열을 생성하는데, 이는 분리된 부분의 에지 강도를 감소시키기 때문에 바람직하지 않다. 그와 같은 파라미터들은 특히 상대적으로 낮은 CET(예컨대, 약 4×10^-6/K보다 작은)를 갖는 유리와 같은 투명 기판 상에서 가우스 빔 프로파일에 의한 기존의 처리 시에 피할 수 없으며, 이러한 높은 강도 레이저 파라미터는 가우스 레이저 프로파일이 사용될 때 윤곽선을 따라 균열 전파에 의해 투명 작업편의 분리를 야기시키는데 필요할 수 있다. 따라서, 기존의 수단에 의해서는, 절삭, 용융, 및/또는 열적으로 생성된 균열과 같은 원하지 않는 효과를 야기시키지 않고 낮은 CTE 유리 작업편을 분리하는 것이 어려울 수도 있고, 또 피할 수 없는 것일 수도 있다.

상기 기술한 기존의 적외선 레이저 처리의 단점들은 윤곽선 상에 직접적으로가 아니라 그 윤곽선에 인접한 영역 상에 위치된 적외선 레이저 빔으로부터의 더 큰 분포의 축적된 에너지를 갖는 적외선 레이저 빔 프로파일을 이용함으로써 극복될 수 있다. 즉, 그러한 적외선 레이저 빔은 윤곽선 상에 직접적으로가 아니라 그 윤곽선에 인접한 영역 상에 더 많은 에너지를 전달할 수 있다. 본원에 사용된 바와 같은 "축적된 에너지"는 레이저 빔이 작업편에 대해 병진이동될 때 적외선 레이저 빔에 의해 작업편의 특정 영역으로 전달되는 모든 에너지를 말한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 적외선 레이저 분리는 환형 레이저 빔 프로파일을 이용할 수 있다. 그러한 환형 레이저 빔은 윤곽선의 중심에 위치하지만 그 윤곽선 상에 직접적으로가 아니라 그 윤곽선에 인접한 영역 상에 더 큰 양의 에너지를 투사할 수 있다. 그와 같은 빔 프로파일을 이용하면, 윤곽선에서 과열로 인해 열 균열 및/또는 용융을 일으키지 않으면서 더 큰 총 양의 열 에너지가 투명 작업편에 인가될 수 있다.

이제 예로서 도 1을 참조하면, 유리 작업편 또는 유리-세라믹 작업편과 같은 투명 작업편(130)은 본원에 기술한 바와 같은 방법들에 따라 분리가 수행되는 것을 개략적으로 나타냈다. 초기에, 윤곽선(110)은 상기 투명 작업편이 2개 이상의 부분으로 분리되는 의도된 분리 라인의 윤곽을 그리기 위해 상기 투명 작업편(130)의 표면에 형성된다. 상기 윤곽선(110)은 상기 투명 작업편(130)에 일련의 결함에 의해 윤곽이 잡힐 수 있다. 상기 윤곽선(110)이 거의 선형인 것으로 도 1에 나타냈지만, 제한하지 않고 커브, 패턴, 규칙적인 기하학적 형상, 불규칙한 형상 등을 포함한 다른 구성이 고려되고 가능하다는 것을 이해해야 한다. 본원에 나타낸 바와 같이, 상기 윤곽선(110)은 이 윤곽선(110)을 따라 투명 작업편(130)의 자발적인 분리를 유도하기 위해 추가로 작용할 수 있는 결함을 포함한다. 실시예들에 따르면, 상기 윤곽선(110)의 결함은 레이저 처리, 기계적인 처리, 또는 이들의 조합을 포함한 다수의 방법에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 윤곽선(110)은 레이저 스크라이빙 또는 기계적 스코어링에 의해 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 실리콘 카바이드 휠 또는 스크라이브 도구 또는 다이아몬드-팁(diamond-tipped) 스크라이빙 도구가 상기 윤곽선(110) 및 내부에 포함된 결함을 형성하는데 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 레이저 처리 기술은 상기 투명 작업편(130)에 윤곽선(110)의 결함을 형성하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서, 2015년 12월 17일 공개된 미국 특허출원공개 제2015/0360991호에 개시되고 참조를 위해 그 내용이 모두 본원에 포함된 "천공된" 윤곽선을 형성하기 위한 방법 및 장치가 상기 투명 작업편(130)에 윤곽선(110)을 형성하기 위해 사용될 수 있다.

미국 특허출원공개 제2015/0360991호에 개시된 방법에 따르면, 윤곽선(110)은 작업편(130)의 표면 내로 확장되고 분리된 작업편의 원하는 형상의 윤곽을 그리고 균열 전파의 경로를 확립하여, 윤곽선(110)을 따라 분리된 부분들로 형상 작업편의 분리를 달성하는 본원에서 "라인 결함"이라고 부르는 라인 형상 결함을 포함할 수 있다. 윤곽선(110)을 형성하기 위해, 처리될 투명 작업편(130)은 이 투명 작업편(130)의 두께의 적어도 일부분을 관통하는 고 종횡비 라인 포커스로 집광되는 1064 nm 이하의 파장에서 초-단 펄스(즉, 100 psec보다 작은 펄스 폭을 갖는) 레이저 빔으로 조사될 수 있다. 이러한 고 에너지 밀도의 볼륨 내에서, 윤곽선(110)에 따른 투명 작업편(130)의 재료는 비선형 효과(예컨대, 2 광자 흡수)를 통해 변형되어 특히 투명 작업편(130)의 재료에 결함을 생성한다. 원하는 라인 또는 경로를 통해 레이저를 스캐닝함으로써, 윤곽선(110)을 형성하는 좁은 라인 결함(예컨대, 수 μ로 넓이)들이 형성될 수 있다. 이러한 윤곽선(110)은 다음 가열 단계에서 투명 작업편(130)으로부터 분리되는 둘레 또는 형상을 규정할 수 있다.

여전히 도 1을 참조하면, 투명 작업편(130)에 윤곽선(110)의 형성 이후, 윤곽선(110)을 따라 투명 작업편(130)을 분리하기 위해 적외선 레이저 빔과 같은 열원이 사용될 수 있다. 실시예들에 따르면, 그러한 열원은 열 응력을 생성하고, 이에 의해 윤곽선(110)에서 투명 작업편(130)을 분리시키는데 사용될 수 있다. 실시예들에서, 적외선 레이저는 자발적인 분리를 개시하기 위해 사용될 수 있으며, 이어서 분리가 기계적으로 마무리될 수 있다.

이산화탄소 레이저("CO₂ 레이저"), 일산화탄소 레이저("CO 레이저"), 고체 레이저, 레이저 다이오드, 또는 이들의 조합에 의해 생성된 레이저 빔과 같은 적외선 레이저 빔은 윤곽선(110)에서 또는 그 윤곽선 근처에서 투명 작업편(130)의 온도를 신속히 증가시키는 제어된 열원이다. 이러한 신속한 가열은 상기 윤곽선(110) 상의 투명 작업편(130) 또는 그 윤곽선에 인접한 투명 작업편(130)에 압축 응력을 생성할 수 있다. 가열된 유리 표면의 영역은 투명 작업편(130)의 전체 표면 영역에 비해 상대적으로 작기 때문에, 그러한 가열된 영역은 상대적으로 빠르게 냉각된다. 그 결과의 온도 구배는 윤곽선(110)을 따라 그 투명 작업편(130)의 두께에 걸쳐 균열을 전파하기에 충분한 인장 응력을 투명 작업편(130)으로 유도하여, 상기 윤곽선(110)에 따른 투명 작업편(130)의 완전한 분리를 야기시킨다. 이론으로 한정하지 않고, 그러한 인장 응력은 보다 높은 국부 온도를 갖는 작업편의 부분에서 유리의 팽창(즉, 변화된 밀도)에 의해 야기될 수 있다는 것을 알아야 한다.

여전히 도 1을 참조하면, 본원에 기술된 실시예들에서, 적외선 레이저 빔(투명 작업편(130) 상에 투사된 빔 스폿(210)을 갖는)은 투명 작업편(130) 상으로 지향되고 처리 방향(212)으로 윤곽선(110)을 따라 투명 작업편(130)에 대해 병진이동될 수 있다. 나타낸 빔 스폿(210)이 적외선 레이저 빔에 의해 접촉된 작업편(130)의 영역이기 때문에, 일부의 경우 "빔 스폿(210)"은 도 1과 관련하여 "적외선 레이저 빔(210)"으로 상호교환할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 윤곽선(110)의 분리된 부분(142)은 적외선 레이저 빔으로 윤곽선(110)을 가열함으로써(빔 스폿(210)을 가로지름으로써) 형성되고, 이에 따라 균열이 윤곽선(110)을 따라 그려지고 그 두께를 통해 전파되어 자발적인 분리가 야기되게 한다. 윤곽선(110)의 분리된 부분(142)은 처리 방향(212)으로 이동함에 따라 빔 스폿(210)을 따라간다. 하나 이상의 실시예에 따르면, 적외선 레이저 빔은 투명 작업편(130)의 동작, 적외선 레이저 빔의 동작(즉, 빔 스폿(210)의 동작), 또는 투명 작업편(130) 및 적외선 레이저 빔 모두의 동작에 의해 상기 투명 작업편(130)을 가로질러 병진이동될 수 있다. 적외선 레이저 빔 스폿(210)이 투명 작업편(130)에 대해 병진이동함으로써, 상기 투명 작업편(130)은 결함을 포함하는 윤곽선(110)을 따라 분리될 수 있다.

본원에 기술된 실시예들에 따르면, 상기 적외선 레이저 빔 스폿(210)은 윤곽선(110)에 또는 그 윤곽선 근처에 투사될 수 있고, 상기 윤곽선(110) 상에 직접적으로가 아니라 상기 윤곽선(110)의 양측에 인접한 투명 작업편(130)의 영역 상에 더 큰 양의 에너지를 전달할 수 있다. 상기 윤곽선(110)에 인접한 영역은 상기 윤곽선(110)의 양 측의 투명 작업편(130)의 소정 영역(즉, 결함의 라인을 포함하지 않는 소정의 영역)을 포함한다. 상기 윤곽선(110)의 양 측의 투명 작업편(130)의 가열은 상기 윤곽선(110)을 따라 투명 작업편(130)의 자발적인 분리를 용이하게 하기 위한 열 응력을 생성한다. 그러나, 상기 윤곽선(110)을 따라 자발적인 분리를 용이하게 하기 위해 상기 투명 작업편(130)에 전달된 총 에너지의 양이 상기 적외선 레이저 빔(210)이 상기 윤곽선(110) 상에 최대 강도로 직접 포커싱된 경우(예컨대, 가우스 빔 프로파일)와 동일할 수 있지만, 최대 강도로 상기 윤곽선(110)에 직접이 아니라 상기 윤곽선(110)의 양 측의 투명 작업편을 가열하는 것은 더 큰 영역에 걸쳐 총 열 에너지의 양을 확장시키며, 이에 따라 과열로 인한 윤곽선(110)의 측면 균열 형성을 완화시킴과 더불어 상기 윤곽선(110) 또는 이 윤곽선에 인접한 투명 작업편(130)의 재료의 용융을 감소시키거나 또는 심지어 완화시킨다. 게다가, 최대 강도로 상기 윤곽선(110)에 직접이 아니라 상기 윤곽선(110)의 양 측의 투명 작업편을 최대 강도로 가열하는 것은 원하지 않는 측면 균열의 형성 및/또는 용융 없이 실제로 더 큰 양의 총 열 에너지를 상기 투명 작업편(130)으로 유도할 수 있게 하며, 이에 따라 상대적으로 낮은 CTE를 갖는 재료로 형성된 투명 작업편(130)의 레이저 분리를 가능하게 한다.

일부의 실시예에서, 자발적인 분리를 용이하게 하기 위해 사용된 적외선 레이저 빔(210)은, 상기 윤곽선(110) 상에 직접적으로가 아니라 상기 윤곽선(110)에 인접한 영역 상에 더 큰 양의 에너지를 전달하도록, 도 1에 나타낸 원형 대칭 환형 빔 프로파일과 같은 환형 빔 프로파일을 포함할 수 있다. 도 2는 빔 직경의 함수로서 환형 빔의 에너지 분포를 그래프로 나타낸다. 본원에 사용한 바와 같이, 환형 빔 프로파일은, 일반적으로 빔의 중심으로부터 떨어져 최대 강도를 가지며, 그 최대 강도에 대한 그 중심에서의 강도 그래프 곡선의 골(trough)을 갖는 소정의 레이저 빔 프로파일을 지칭한다. 그러한 그래프 곡선의 골은, 도 2의 예시의 빔 프로파일로 나타낸 바와 같이, 그 빔 중심에서 에너지의 완전한 부족을 포함할 수 있다(즉, 빔의 강도가 그 중심에서 0이다). 예를 들어, 실시예들에서, 환형 빔 프로파일을 갖는 레이저 빔의 빔 스폿은 도 1 및 2에 나타낸 바와 같이 내경(216) 및 외경(214)을 갖는다. 상기 내경(216)은 일반적으로 상기 내경(216)과 외경(214) 사이의 영역보다 강도가 낮은 빔 스폿의 중심 영역을 규정한다.

윤곽선(110)의 양 측의 투명 작업편(130)의 가열을 용이하게 하기 위해 상기 윤곽선(110)에 원형 대칭인 환형 빔(210)의 사용에 대한 참조가 이루어졌지만, 최대 강도가 그 빔 중심과 동심이 아닌 프로파일을 빔이 갖는 한 다른 구성의 빔이 고려되고 가능하다는 것을 알아야 할 것이다. 예를 들어, 환형 빔 프로파일은 타원형일 수 있다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 적외선 레이저 빔(210)은 동일한 양의 열 에너지가 윤곽선(110)의 각 측면에 투사되도록 상기 윤곽선(110)의 중심에 위치될 수 있다. 그와 같은 실시예에서, 상기 적외선 레이저 빔(210)은 상기 윤곽선(110) 상에 직접적으로가 아니라 상기 윤곽선(110)의 양 측에 인접한 영역 상에 더 많은 열 에너지를 전달할 것이다. 도 1의 적외선 레이저 빔(210)은 사실상 개략적이고, 도 2에 나타낸 것과 같은 환형 빔 프로파일의 일 예라는 것을 이해해야 할 것이다.

본원에 기술한 바와 같이, 환형 프로파일을 갖는 적외선 레이저 빔(210)은 내경(216) 및 외경(214)을 포함할 수 있다. 실시예들에 따르면, 상기 내경(216)은 빔의 중심으로부터의 거리의 2배(즉, 반경의 2배)로 규정되며, 여기서 빔 에너지의 86%는 그 거리 외측에 있다. 유사하게, 외경(214)은 빔의 중심으로부터의 거리의 2배(즉, 반경의 2배)로 규정되며, 여기서 빔 에너지의 86%는 그 거리 내측에 있다. 그와 같이, 일부의 빔 에너지는 상기 내경(216)과 외경(214) 사이의 영역의 외측에 존재한다. 실시예들에 따르면, 상기 외경(214)은 약 1 mm 내지 약 10 mm, 약 2 mm 내지 약 8 mm, 또는 약 3 mm 내지 약 6 mm와 같이, 약 0.5 mm 내지 약 20 mm일 수 있다. 상기 내경(216)은 약 0.01 mm 내지 약 10 mm, 약 0.1 mm 내지 약 10 mm, 또는 약 0.7 mm 내지 약 3 mm일 수 있다. 예를 들어, 상기 내경(216)은 외경(214)의 약 10% 내지 약 50%, 약 20% 내지 약 45%, 또는 약 30% 내지 약 40%와 같이, 상기 외경의 약 5% 내지 약 95%일 수 있다. 일부의 실시예에 따르면, 상기 적외선 레이저 빔(210)으로부터의 최대 파워(또한 투명 작업편(130)의 최대 온도 뿐만 아니라)는 윤곽선(110)으로부터 내경(216)의 약 절반과 동일한 거리에 있을 수 있다.

일 실시예에 따르면, 환형 빔 프로파일은 도 3에 나타낸 광학 어셈블리에 의해 생성될 수 있다. 예를 들어, CO₂ 레이저(330) 또는 그와 유사한 것으로부터 입사되는 가우스 빔(302)은 액시콘 렌즈(310)를 통해 지향된 후, 제1평면-볼록 렌즈(312) 및 제2평면-볼록 렌즈(314)를 통해 지향된다. 하나 이상의 실시예에 따르면, 상기 가우스 빔(302)은 약 8 mm 내지 약 10 mm(그 1/e² 직경에 따른)의 직경을 가질 수 있으며, 상기 액시콘 렌즈(310)는 약 0.5°내지 약 5°, 또는 약 1°내지 약 1.5°, 또는 심지어 약 0.5°내지 약 5°와 같이, 약 1.2°의 각도(빔이 액시콘으로 들어가는 평평한 표면에 대해 측정된 각도)를 갖는 원뿔 표면을 가질 수 있다. 상기 액시콘 렌즈(310)는 상기 입사되는 가우스 빔(302)을 베셀 빔(Bessel beam)으로 형상화하고, 이어서 상기 베셀 빔은 제1평면-볼록 렌즈(312) 및 제2평면-볼록 렌즈(314)를 통해 지향된다. 상기 제1평면-볼록 렌즈(312) 및 제2평면-볼록 렌즈(314)는 상기 베셀 빔을 시준(collimate)하고 상기 베셀 빔의 환형 스폿의 직경(들)을 조절한다. 실시예들에서, 상기 제1평면-볼록 렌즈(312)는 약 50 mm 내지 약 200 mm(약 50 mm 내지 약 150 mm, 또는 약 75 mm 내지 약 100 mm와 같이)의 초점 길이를 갖고, 상기 제2평면-볼록 렌즈(314)는 약 25 mm 내지 약 50 mm와 같이 상기 제1평면-볼록 렌즈의 것보다 작은 초점 길이를 가질 수 있다. 결과의 환형 적외선 레이저 빔(316)은 윤곽선(110)을 따라 투명 작업편(130)에 투사된다.

도 3이 환형 레이저 빔을 생성하기 위한 하나의 광학 어셈블리를 개략적으로 나타냈지만, 환형 레이저 빔을 생성하기 위한 다른 광학 어셈블리가 고려 및 가능하며, 이와 같이 본원에 기술된 분리 공정이 도 3에 나타낸 광학 어셈블리로 한정되지 않는다는 것을 알아야 할 것이다.

상기 윤곽선(110)으로부터 떨어져 최대 파워를 투사하는 적외선 레이저 빔을 이용하는 분리 공정은 과도한 국부 가열로부터 그 분리된 표면 및/또는 에지에 손상을 야기시키지 않으면서 투명 작업편에 더 많은 총 파워가 인가되도록 할 수 있다. 그러한 추가의 파워는 투명 작업편 내에 더 많은 열 응력을 야기시키고, 이러한 열 응력은 작업편을 손상시키지 않고 낮은 CTE 재료, 더 두꺼운 작업편, 및/또는 작업편들의 스택의 분리를 가능하게 할 수 있다.

본원에 기술한 실시예들은 또한 투명 작업편 분리시 더 빠른 처리 속도를 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 적외선 레이저 빔 및 투명 작업편은 적어도 약 1 mm/s, 적어도 약 5 mm/s, 적어도 약 10 mm/s, 적어도 약 100 mm/s, 적어도 약 1 m/s, 적어도 약 2 mm/s, 적어도 약 5 m/s, 또는 심지어 적어도 약 10 m/s(약 1 mm/s 내지 약 10 m/s, 또는 약 10 mm/s 내지 약 2 m/s와 같이)의 속도로 서로에 대해 병진이동될 수 있다. 일반적으로, 보다 빠른 처리 속도는 자발적 분리를 용이하게 하기 위해 열 응력을 달성하도록 더 큰 양의 레이저 파워를 필요로 한다. 상기 나타낸 바와 같이, 더 큰 레이저 파워는 기존의 분리 기술에서는 투명 작업편을 손상시킬 수 있다. 그러나, 본원에 기술된 실시예들에서 윤곽선으로부터 떨어져 분포된 에너지 집중으로, 과열을 피할 수 있어 투명 작업편에서 원하지 않는 손상을 감소시키거나 없앨 수 있다.

실시예들에서, 본원에 기술한 바와 같은 적외선 레이저 빔 공정에 의한 투명 작업편의 분리 공정은 주어진 공정 속도에 사용될 더 큰 윈도우 파워를 허용할 수 있다. 예를 들어, 도 4a의 데이터는 200 mm/s의 속도로 투명 작업편 상에 투사된 가우스 적외선 레이저 빔을 이용하는 기존의 분리 기술을 나타내며, 여기서 빔 직경(즉, 1/e² 직경)은 분리에 충분한 빔 파워의 함수로 그래프로 나타냈다. 도 4b는 200 mm/s의 속도로 투명 작업편 상에 투사된 본원에 기술된 바와 같은 환형 적외선 레이저 빔을 나타내며, 여기서 빔 외경은 적절한 빔 파워의 함수로 그래프로 나타냈다. 도 4a 및 4b에서 볼 수 있는 바와 같이, 투명 작업편을 분리시키는데 적합한(도 5에 나타낸 측면 균열과 같은 투명 작업편에 대한 손상을 야기시키지 않으면서 자발적인 분리를 제공하는) 적외선 빔 파워 범위는 기존 공정의 가우스 빔보다는 오히려 환형 빔을 이용하는 것이 더 넓다. 따라서, 주어진 공정 속도에 대해, 그러한 적외선 레이저 빔의 파워가 환형 빔 프로파일을 이용하여 더 넓게 변경될 수 있어, 처리시 더 많은 유연성을 허용한다. 실시예에 따르면, 상기 적외선 레이저 빔은, 약 50 W 내지 약 300 W, 또는 약 75 W 내지 약 200 W와 같이, 약 20 W 내지 약 1000 W의 파워, 및 하위 범위의 파워 및 도 4b에 나타낸 바와 같은 외경에 대한 파워를 가질 수 있다.

이제 도 1 및 3을 참조하면, 투명 작업편(130)을 분리하기 위한 일 실시예는 유리 작업편(130)의 표면에 윤곽선(110)을 형성하는 초기 단계를 포함한다. 상기 윤곽선(110)은 의도된 분리 라인을 규정하며, 일반적으로 가열 등에 의해 추가로 동작될 경우, 상기 윤곽선(110)을 따라 투명 작업편(130)의 자발적인 분리를 야기시키는 결함을 포함한다. 상기 윤곽선(110) 형성 이후의 제2단계에서, 적외선 레이저로부터의 환형 레이저 빔(210)이 상기 윤곽선을 따라 유리 작업편(130)의 표면으로 지향된다. 실시예들에서, 상기 환형 레이저 빔(210)은, 도 1에 나타낸 바와 같은 환형 프로파일 및 도 2에 나타낸 바와 같은 환형 에너지 분포를 갖는 빔 스폿을 가진 베셀 빔으로 초기 가우스-형상 빔을 형상화하는 것을 용이하게 하기 위해 도 3에 나타낸 바와 같이 액시콘 렌즈(310), 제1평면-볼록 렌즈(312) 및 제2평면-볼록 렌즈(314)를 통해, 예컨대 CO₂ 레이저의 초기 가우스-형상 빔을 지향시킴으로써 형성될 수 있다. 도 1에 나타낸 분리 공정의 실시예에서, 결과의 환형 레이저 빔(210)은 일반적으로 원형 대칭(즉, 고리 또는 링)인 프로파일을 갖는다.

상기 환형 레이저 빔(210)은 윤곽선(110)이 일반적으로 환형 레이저 빔(210)을 이등분하도록 투명 작업편(130)의 표면 상에 위치맞추어진다. 즉, 상기 환형 레이저 빔(210)은 윤곽선(110)이 상기 환형 레이저 빔(210)의 직경을 따라 놓이도록 상기 투명 작업편(130)의 표면 상에 위치맞추어진다. 다음에, 상기 환형 레이저 빔(210)은 상기 환형 레이저 빔(210)을 상기 작업편(130)에 대해 이동시키고, 상기 작업편(130)을 상기 환형 레이저 빔(210)에 대해 이동시키거나, 또는 상기 환형 레이저 빔(210) 및 작업편(130)을 서로에 대해 이동시킴으로써 윤곽선(110)을 걸쳐 가로지른다.

상기 본원에 나타낸 바와 같이, 상기 환형 레이저 빔(210)은 상기 윤곽선(110)을 따라 상기 투명 작업편(130)에 열 에너지를 인가한다. 본원에 기술한 실시예들에서, 상기 투명 작업편(130)에 인가된 열 에너지의 최대 양은 윤곽선(110)에 직접적이지 않고, 오히려 용융 및/또는 측면 균열과 같은 투명 작업편(130)에 대한 의도되지 않은 손상을 완화시키는 상기 윤곽선(110)으로부터 측면 오프셋되고 그로부터 이격된 상기 투명 작업편(130)의 영역에 존재한다. 상기 환형 레이저 빔(210)이 윤곽선(110)을 가로지름에 따라, 상기 환형 레이저 빔(210)은 상기 투명 작업편(130)의 재료를 가열하여 그 재료의 팽창을 야기시킨다. 이것은 인장 응력이 환형 레이저 빔(210)의 앞뒤로 상기 윤곽선(110)을 따라 전개되는 동안 그 가열된 영역에서 압축 응력을 발생시킨다. 이러한 응력은 윤곽선(110), 및 특히 그 윤곽선(110)의 결함이 투명 작업편(130)의 두께를 통해 그리고 그 윤곽선(110)을 따라 자발적으로 전파하여 상기 윤곽선(110)을 따라 상기 투명 작업편(130)이 자발적으로 분리되게 한다.

하나 이상의 실시예에 따르면, 본 개시는 예를 들어 알칼리 토금속 보로-알루미노실리케이트 유리 조성물, 사파이어, 용융 실리카, 또는 이들의 조합물로부터 형성된 유리 작업편과 같은 투명 작업편의 정밀한 컷팅 및/또는 분리를 위한 공정을 제공한다. 그와 같은 투명 작업편은 디스플레이 및/또는 TFT(박막 트랜지스터) 기판으로 사용될 수 있다. 디스플레이 또는 TFT 사용에 적합한 그와 같은 유리 또는 유리 조성물의 일부 예들로는 뉴욕, 코닝의 코닝사로부터 이용가능한 EAGLE XG^®, CONTEGO, 및 CORNING LOTUS^TM 이 있다. 알칼리 토금속 보로-알루미노실리케이트 유리 조성물은, 제한없이, TFT용 기판을 포함하는 전자 애플리케이션을 위한 기판으로서 사용하기에 적합하도록 생성될 수 있다. TFT와 연관되어 사용된 그러한 유리 조성물은 통상 실리콘의 것과 유사한 열팽창계수(5×10^-6/K보다 작은, 또는 심지어 4×10^-6/K보다 작은, 예를 들어, 약 3×10^-6/K, 또는 약 2.5×10^-6/K 내지 약 3.5×10^-6/K와 같은)를 갖고, 그 유리 내에 낮은 레벨의 알칼리를 갖는다. 낮은 레벨의 알칼리((예컨대, 1 wt.%보다 작은, 예를 들어 0.5 wt.%보다 작은 것과 같이, 약 0 wt.% 내지 2 wt.%의 소량)가 사용될 수 있는데, 일부 조건 하에서, 알칼리 도펀트가 유리로부터 용출되어 TFT를 오염시키거나 "악화시키기" 때문에, TFT가 작동하지 않을 가능성이 있다. 실시예들에 따르면, 본원에 기술한 레이저 컷팅 공정은 무시할 수 있는 파편, 최소 결함, 및 에지에 대한 낮은 표면 하의 손상으로 투명 작업편을 제어된 방식으로 분리하여 작업편의 무결성 및 강도를 보존하는데 사용될 수 있다.

상기 기술한 바와 같이, 일부 실시예에 따르면, 상기 윤곽선은 미국 특허출원공개 제2015/0360991호에 기술한 바와 같이, 펄스 레이저 빔과 투명 작업편의 상호작용에 의해 생성된 라인 결함(때때로 본원에서 천공이라고 부르는)을 포함할 수 있다. 상기 투명 작업편에 결함을 형성하기 위해 펄스 레이저를 사용하는 이러한 방법은 선택된 펄스 레이저 파장에 대해 투명한 재료에 매우 적합할 수 있다.이러한 펄스 레이저 파장은, 예를 들어 1064 nm, 532 nm, 355 nm, 또는 266 nm일 수 있다. 예를 들어, 두께가 0.025 mm 내지 0.7 mm의 범위인 EAGLE XG^®을 사용하여 윤곽선 결함을 형성하기 위한 방법의 데모가 만들어졌다.

그러한 펄스 레이저 빔은 유리 작업편과 같이 실질적으로 투명한 재료에서 다중-광자 흡수(MPA)를 생성할 수 있다. MPA는 하나의 상태(보통 기저 상태)에서보다 높은 에너지 전자 상태(즉, 이온화)로 분자를 여기시키는 동일하거나 상이한 주파수의 2개 이상의 광자의 동시 흡수이다. 그러한 분자의 관련된 하부 및 상부 상태 사이의 에너지 차이는 관련된 광자의 에너지의 합과 동일하다. 유도 흡수라고도 불리는 MPA는 2-차 또는 3-차 프로세스(또는 더 높은 차수)일 수 있으며, 예를 들어 선형 흡수보다 몇 배 더 약하다. 2-차 유도 흡수의 강도는 예컨대 광 강도의 제곱에 비례할 수 있다는 점에서 선형 흡수와 다르며, 따라서 비선형 광학 프로세스이다.

윤곽선을 생성하는 천공 단계는, 예를 들어 다양한 유리 조성물로 형성된 투명 작업편을 완전히 천공하기 위해 초점 라인을 생성시키는 광학 장치와 연관된 초-단 펄스 레이저를 이용할 수 있다. 일부 실시예에서, 개별 펄스의 펄스 지속 시간은 약 5 피코초 내지 약 20 피코초와 같이 약 1 피코초 내지 약 100 피코초의 범위 내에 있고, 개별 펄스의 반복률은 약 10 ㎑ 내지 약 3 ㎒, 또는 약 10 ㎑ 내지 약 650 ㎑의 범위와 같이 1 kHz 내지 4 ㎒ 범위 내일 수 있다.

상기 언급한 개별 펄스 반복률에서의 단일 펄스 동작 외에, 상기 펄스는 2개 이상의 펄스(예를 들어, 펄스 버스트 당 1 내지 30 펄스, 또는 펄스 버스트 당 5 내지 20 펄스와 같이 펄스 버스트 당 3 펄스, 4 펄스, 5 펄스, 10 펄스, 15 펄스, 20 펄스, 또는 그 이상과 같은)의 버스트에 생성될 수 있다. 그러한 버스트 내의 펄스는 약 1 nsec 내지 약 50 nsec의 범위, 예를 들어 약 20 nsec와 같이 약 10 nsec 내지 약 30 nsec의 범위의 지속 시간에 의해 분리될 수 있다. 그러한 버스트 반복 주파수는 약 1 kHz 내지 약 200 kHz와 같이 약 1 kHz 내지 약 2 MHz의 범위일 수 있다. 펄스 버스트의 버스팅 또는 생성은 펄스의 방출이 균일하고 일정한 흐름이 아닌 펄스의 밀집된 클러스터에서 이루어지는 레이저 동작의 타입이다. 펄스 버스트 레이저 빔은 투명 작업편의 재료가 파장에서 실질적으로 투명해지도록 작동되는 투명 작업편의 재료에 기초하여 선택된 파장을 가질 수 있다. 그러한 재료에서 측정된 버스트 당 평균 레이저 파워는 재료 두께의 적어도 약 40 μJ/mm일 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서, 그러한 버스트 당 평균 레이저 파워는 약 40 μJ/mm 내지 약 2500 μJ/mm, 또는 약 500 μJ/mm 내지 약 2250 μJ/mm일 수 있다. 특정 예에서, 0.5 mm 내지 0.7 mm의 두꺼운 Corning EAGLE XG^® 투명 작업편의 경우, 약 300 μJ 내지 약 600 μJ의 펄스 버스트는 작업편을 컷팅 및/또는 분리할 수 있으며, 이는 약 428 μJ/mm 내지 약 1200 μJ/mm(즉, 0.7 mm EAGLE XG^® 유리에 대해 300 μJ/0.7mm 및 0.5 mm EAGLE XG^® 유리에 대해 600 μJ/0.5mm)의 예시의 범위에 대응한다.

상기 투명 작업편은 펄스 레이저 빔에 대해 병진이동되어(또는 펄스 레이저 빔이 유리에 대해 병진이동될 수 있음) 결함을 갖는 원하는 부분의 형상을 따라가는 윤곽선을 생성할 수 있다. 그러한 펄스 레이저는 유리의 전체 깊이를 관통하는 본원에서 라인 결함이라고 부르는 구멍과 같은 형상의 결함 구역을 생성할 수 있다. 때때로 "구멍" 또는 "구멍과 같은 형상"이라고 기술하지만, 본원에 기술된 결함들은 보통 보이드 스페이스(void space)가 아니라, 오히려 본원에 기술한 바와 같이 레이저 처리에 의해 변형된 작업편의 일부라는 것을 알아야 할 것이다. 디스플레이 또는 TFT 타입 유리에서, 이러한 라인 결함들은 보통 약 5 μ 내지 약 20 μ의 거리로 서로 이격될 수 있다. 예를 들어, 그러한 라인 결함들 간의 적절한 간격은, 상기 TFT/디스플레이 유리 조성에 대해 약 5 μ 내지 약 15 μ, 약 5 μ 내지 약 12 μ, 약 7 μ 내지 약 15 μ, 또는 약 7 μ 내지 약 12 μ와 같이, 약 1 μ 내지 약 30 μ일 수 있다.

본원에 규정한 바와 같이, 라인 결함의 내경은 투명 작업편에 라인 결함을 형성하는 변형된 영역의 내경이다. 예를 들어, 본원에 기술한 일부 실시예에서, 상기 라인 결함의 내경은 약 1 μ보다 작거나 같은, 예컨대 약 500 nm보다 작거나 같은, 약 400 nm보다 작거나 같은, 또는 심지어 약 300 nm보다 작거나 같을 수 있다. 실시예들에서, 상기 라인 결함의 내경은 레이저 빔 초점 라인의 스폿 직경만큼 클 수 있다. 실시예들에서, 펄스 레이저 빔 초점 라인은, 약 0.1 μ 내지 약 10 μ, 약 0.1 μ 내지 약 5 μ, 예컨대 약 1.5 μ 내지 약 3.5 μ와 같이, 약 0.1 μ 내지 약 30 μ 범위의 평균 스폿 직경을 가질 수 있다. 일단 작업편이 윤곽선을 따라 분리되면, 그러한 라인 결함은 분리된 표면에서 잠재적으로 여전히 관찰 가능할 수 있고, 라인 결함의 내경에 필적하는 폭을 가질 수 있다. 따라서, 본원에 기술된 방법 실시예들에 의해 준비된 작업편의 컷팅 표면 상의 라인 결함들의 폭은 약 0.1 μ 내지 약 5 μ의 폭을 가질 수 있다.

단일의 투명 작업편의 천공 외에, 상기 공정은 또한 유리 시트의 스택과 같이, 투명 작업편들의 스택을 천공하는데 사용될 수 있으며, 단일의 레이저 통과로 총 높이가 몇 mm인 유리 스택을 완전히 천공할 수 있다. 그러한 유리 스택들은 다양한 위치에 공기 갭을 가질 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 접착제와 같은 연성 층들이 상기 유리 스택들 사이에 배치될 수 있다. 그러나, 상기 펄스 레이저 처리는 여전히 단일의 통과로 그와 같은 스택의 상부 및 하부 유리 층들 모두를 완전히 천공할 것이다.

이론에 구애됨이 없이, 기술된 천공 공정의 원동력 중 하나는 초-단 펄스 레이저에 의해 생성된 라인 결함들의 고 종횡비인 것으로 믿어진다. 이러한 고 종횡비는, 일부 실시예에서, 컷팅될 작업편의 상부에서 하부 표면까지 확장되는 윤곽선의 생성을 허용한다. 원칙적으로, 상기 라인 결함은 단일 펄스에 의해 생성될 수 있으며, 필요에 따라, 추가 펄스가 영향 받는 영역(깊이 및 폭)의 확장을 증가시키는데 사용될 수 있다.

실시예들에서, 펄스 레이저 빔 초점 라인은 약 0.1 mm 내지 약 10 mm, 또는 약 0.5 mm 내지 약 5 mm 범위의 길이, 예를 들어 약 1 mm, 약 2 mm, 약 3 mm, 약 4 mm, 약 5 mm, 약 6 mm, 약 7 mm, 약 8 mm, 또는 약 9 mm의 길이, 또는 약 0.1 mm 내지 약 2 mm, 또는 약 0.1 mm 내지 약 1 mm 범위의 길이를 가질 수 있다. 실시예들에서, 상기 펄스 레이저 빔 초점 라인은 약 0.1 μ 내지 약 5 μ 범위의 평균 스폿 직경을 가질 수 있다. 각각의 라인 결함은 약 0.1 μ 내지 30 μ, 예를 들어 약 0.25 μ 내지 약 5 μ(예컨대, 약 0.25 μ 내지 약 0.75 μ)의 직경을 가질 수 있다.

초점 라인의 생성은 액시콘 렌즈로 가우스 레이저 빔을 전송함으로써 수행될 수 있으며, 그 경우 가우스-베셀 빔으로 알려진 빔 프로파일이 생성된다. 그와 같은 빔은 가우스 빔보다 훨씬 더 느리게 회절한다(예컨대, 상기 빔은 수십 μ 이하가 아닌 수백 μ 또는 mm의 범위에 대해 단일의 μ 직경 스폿 크기를 유지할 수 있다). 따라서, 초점 깊이 또는 재료와의 강한 상호 작용의 길이는 가우스 빔만 사용하는 경우보다 훨씬 더 클 수 있다. 또한, 에어리 빔(Airy beam)과 같은 다른 형태의 느린 회절 또는 비-회절 빔이 사용될 수도 있다.

도 6에 나타낸 바와 같이, 다수의 라인 결함(120)을 포함하는 윤곽선(110)은 처리 방향(160)으로 이동하는 초-단 펄스 레이저 빔(140)에 의해 투명 작업편(130)을 처리함으로써 형성될 수 있다. 그러한 라인 결함(120)들은, 예컨대 투명 작업편(130)의 두께에 걸쳐 확장되고, 투명 작업편(130)의 주 표면(평평한)에 수직일 수 있다. 윤곽선들이 도 6에 나타낸 윤곽선(110)과 같이 선형일 수 있지만, 그러한 윤곽선들은 비선형(즉, 굴곡을 갖는)일 수도 있다. 굴곡진 윤곽선들은, 예컨대 1차원이 아닌 2차원으로 다른 차원에 대해 투명 작업편(130) 또는 펄스 레이저 빔(140)을 병진이동함으로써 생성될 수 있다. 일부의 투명 작업편에서, 투명 작업편을 처리하기 위해 선택된 재료 특성(예컨대, 흡수, CTE, 응력, 조성 등) 및 펄스 레이저 파라미터는 단독으로 자기-분리를 유도할 수 있으며, 본원에 기술된 실시예들에서, 열 처리(예컨대, 적외선 레이저에 의한)는 윤곽선(110) 형성 후 그 윤곽선(110)에서 투명 작업편(130)을 분리하는데 사용된다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 다수의 결함(120)이 윤곽선(110)을 규정할 수 있다.

일부의 투명 작업편에 있어서, 윤곽선(110)의 방향에 따른 인접한 라인 결함(120)들 간의 거리 또는 주기성은 적어도 약 0.1 μ 또는 1 μ 및 약 20 μ 또는 심지어 30 μ보다 작거나 같을 수 있다. 예를 들어, 일부의 투명 작업편에서, 인접한 라인 결함(120)들 간의 주기성은 약 0.5 내지 약 15 μ, 또는 약 3 μ 내지 약 10 μ, 또는 약 0.5 μ 내지 약 3.0 μ일 수 있다. 예를 들어, 일부의 투명 작업편에서, 인접한 라인 결함(120)들 간의 주기성은 약 0.5 μ 내지 약 1.0 μ일 수 있다. 그러나, 알칼리 토금속 보로-알루미노실리케이트 유리 조성물, 특히 0.5 mm의 두께 또는 그보다 더 두꺼운 두께의 경우, 인접한 라인 결함들 간의 주기성은 적어도 약 1 μ, 예컨대 적어도 약 5 μ, 또는 약 1 μ 내지 약 15 μ일 수 있다.

다양한 실시예들에 따르면, 펄스 레이저 빔으로 처리함으로써 천공된 윤곽선을 생성하기 위한 몇가지 방법들이 개시된다. 초점 라인을 형성하는 광학 방법은 도넛 형상의 레이저 빔 및 구면 렌즈, 액시콘 렌즈, 회절 소자, 또는 다른 방법들을 사용하여 높은 강도의 선형 영역을 형성하는 다수의 형태를 취할 수 있다. 레이저(피코초, 펨토초 등) 및 파장(적외선, 녹색선, UV 등)의 타입은, 비선형 광학 효과를 통해 투명 작업편 상의 초점 영역에서 작업편 재료의 파괴를 만들기에 충분한 광학 강도가 도달하는 한, 다양하게 변경될 수 있다. 하나 이상의 실시예에 따르면, 상기 레이저는 주어진 버스트 내의 펄스의 수를 조정함으로써 시간에 따른 에너지 축적의 제어를 허용하는 펄스 버스트 레이저일 수 있다.

본 실시예들에서, 초-단 펄스 레이저는 일관되고, 제어 가능하며, 반복 가능한 방식으로 고 종횡비 수직 라인 결함을 생성하는데 사용될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 투명 작업편 내에 높은 강도 레이저 빔의 라인 포커스를 생성하기 위해 광학 기술들이 사용된다. 일 실시예에서, 액시콘 렌즈 요소는, 초-단(피코초 또는 펨토초 지속 시간) 베셀 빔을 사용하여 고 종횡비, 테이퍼 없는 라인 결함의 영역을 생성하기 위해 광학 렌즈 어셈블리에 사용된다. 즉, 액시콘은 원통 형상 및 고 종횡비(긴 길이 및 작은 직경)의 높은 강도 영역으로 레이저 빔을 집광시킨다. 집광된 레이저 빔에 의해 생성된 높은 강도로 인해, 레이저의 전자기장과 작업편 재료의 비선형 상호작용이 발생하여, 레이저 에너지가 윤곽선을 구성하게 되는 결함의 형성에 영향을 주도록 작업편으로 전달될 수 있다. 그러나, 레이저 에너지 강도가 높지 않은 재료의 영역(예컨대, 중심 수렴 라인을 둘러싸는 작업편의 유리 볼륨)에서, 투명한 작업편의 재료는 레이저의 영향을 크게 받지 않으며 레이저에서 재료로 에너지를 전달하는 메커니즘이 없다. 결과적으로, 레이저 강도가 비선형 임계치 이하일 경우 초점 구역에서 직접적으로 작업편에 일어나는 일은 아무것도 없다.

이제 도 7을 참조하면, 천공된 윤곽선을 형성하기 위한 방법은 펄스 레이저 빔(2)을 레이저 장치(3)로부터 빔 전파 방향을 따라 지향된 레이저 초점 라인(2b)으로 포커싱하는 단계를 포함한다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 레이저(나타내지 않음)는 광학 어셈블리(6)로 입사되는 부분(2a)을 갖는 레이저 빔(2)을 방출한다. 광학 어셈블리(6)는 입사된 레이저 빔을 빔 방향을 따라 규정된 확장 범위(초점 라인의 길이 1)에 걸쳐 출력 측의 광범위한 레이저 빔 초점 라인(2b)으로 전환한다. 평평한 작업편(1)은 펄스 레이저 빔(2)의 레이저 빔 초점 라인(2b)에 적어도 부분적으로 겹치도록 빔 경로에 위치된다. 이에 따라, 상기 레이저 빔 초점 라인은 작업편(1)으로 지향된다. 참조부호 1a는 각각 광학 어셈블리(6) 또는 레이저에 대면하는 평평한 작업편(1)의 표면을 나타내며, 참조부호 1b는 상기 작업편의 반대 표면을 나타낸다. 상기 작업편(1)은 평평한 표면 1a 및 1b에, 즉 작업편 평면에 수직으로 측정된 깊이(d)를 갖는다.

도 7에 나타낸 바와 같이, 상기 작업편(1)은 종방향 빔 축에 수직하게, 이에 따라 상기 광학 어셈블리(6)에 의해 생성된 동일한 초점 라인(2b)의 뒤쪽에 정렬된다(작업편(1)은 도면의 평면에 수직이다). 상기 초점 라인(2b)은 빔 방향을 따라 지향되거나 정렬되며, 상기 작업편(1)은 상기 초점 라인(2b)이 작업편(1)의 표면(1a) 앞에서 시작하여 상기 작업편(1)의 표면(1b) 앞에서 정지하도록(즉, 초점 라인(2b)이 작업편(1) 내에서 종료되고 표면(1b)을 넘어 확장하지 않도록) 초점 라인(2b)에 위치된다. 작업편(1)과 레이저 빔 초점 라인(2b)의 겹치는 영역에서(즉, 초점 라인(2b)에 의해 덮여진 작업편 재료에서), 상기 광범위한 레이저 빔 초점 라인(2b)은 유도 흡수가 작업편 재료에서 생성되는 광범위한 섹션 2c(종방향 빔 방향을 따라 정렬된)를 생성한다(강도가 길이(1)의 섹션, 즉 길이(1)의 라인 포커스에서 펄스 레이저 빔(2)의 포커싱에 의해 보장되는 레이저 빔 초점 라인(2b)을 따라 적절한 레이저 강도를 가정함). 유도 흡수는 섹션(2c)을 따라 작업편 재료에 라인 결함 형성을 생성한다. 그러한 라인 결함은 다수의 레이저 펄스의 단일의 높은 에너지 버스트를 사용함으로써 생성될 수 있는 작업편 내의 극히 작은(예컨대, 약 100 nm 내지 약 0.5 μ의 내경을 갖는) 길게 연장된 결함이다. 일련의 이러한 라인 결함은 윤곽선을 따라 투명 작업편에 천공 패턴을 생성한다. 예를 들어, 개별 라인 결함들은 수백 kHz(즉, 초당 수십만 라인 결함)의 비율로 생성될 수 있다. 초점 라인(2b)과 투명 작업편(1) 간 상대적인 동작에 따라, 이들 라인 결함은 서로 인접하여 배치될 수 있다(원하는대로 서브-마이크론에서 다수의 마이크론까지 다양한 공간적 분리). 이러한 공간적 분리(피치; pitch)는 적외선 레이저와 같은 열원에 의해 작업편의 분리를 용이하게 하기 위해 선택될 수 있다. 일부의 실시예에서, 그러한 라인 결함은 상부 표면(1a)에서 하부 표면(1b)까지 확장되는 결함인 "관통 결함"이다. 그러한 라인 결함 형성은 국부적인 것이 아니라, 유도 흡수의 광범위한 섹션(2c)의 전체 길이에 걸친 것이다. 그러한 섹션(2c)의 길이(작업편(1)과 레이저 빔 초점 라인(2b)의 겹치는 길이에 대응하는)는 참조부호 L로 표시되어 있다. 유도 흡수의 섹션(2c)에서 결함 영역(즉, 그 결함)의 내경은 참조부호 D로 표시되어 있다. 이러한 내경(D)은 기본적으로 레이저 빔 초점 라인(2b)의 평균 직경(δ), 즉 약 0.1 μ과 약 5 μ 사이의 범위의 평균 스폿 직경에 대응한다.

초점 라인(2b)을 생성하도록 적용될 수 있는 대표적인 광학 어셈블리(6)들 뿐만 아니라, 이들 광학 어셈블리가 적용될 수 있는 대표적인 광학 구성이 아래에서 설명된다. 모든 어셈블리 또는 구성들은 위의 설명을 기반으로 하므로 동일한 구성 요소 또는 형태 또는 해당 기능이 동일한 것들에 대해 동일한 참조부호가 사용된다. 따라서, 이하에서는 차이점만 설명한다.

도 8a에 따르면, 광학 어셈블리(6)에 입사되는 레이저 장치(3)에 의해 방출된 레이저 빔의 부분(2a)은 먼저 사용된 레이저 방출 파장에 대해 불투명한 원형 개구(8) 상으로 지향된다. 개구(8)는 종방향 빔 축에 수직으로 지향되며, 나타낸 빔 부분(2a)의 중심 부분의 중심에 위치한다. 개구(8)의 직경은 빔 부분(2a)의 중심 부근의 레이저 방사(즉, 여기서 2aZ로 표시된 중심 빔 부분)가 개구를 히팅하고 그에 의해 완전히 흡수되는 방식으로 선택된다. 빔 부분(2a)의 바깥 둘레 범위의 빔(여기서 2aR로 표시된 가장자리 광선)만이 빔 직경에 비해 감소된 개구로 인해 원형 개구(8)에 의해 흡수되지 않고, 개구(8) 측면으로 통과하여, 본 실시예에서 구면으로 컷팅된 양면-볼록 렌즈로 나타낸 상기 광학 어셈블리(6)의 포커싱 렌즈(7)의 가장자리 영역을 히팅한다.

도 8a에 나타낸 바와 같이, 레이저 빔 초점 라인(2b)은 레이저 빔에 대한 단일 초점일 뿐만 아니라 레이저 빔 내의 상이한 광선들에 대한 일련의 초점들일 수 있다. 그러한 일련의 초점들은 레이저 빔 초점 라인(2b)의 길이(1)로서 도 8a에 나타낸 규정된 길이의 길게 연장된 초점 라인을 형성한다. 렌즈(7)는 중심 빔의 중심에 위치되고 공통의 구면으로 컷팅된 렌즈의 형태로 비-보정 양면-볼록 포커싱 렌즈로서 디자인될 수 있다. 대안으로서, 이상적인 초점을 형성하지는 않지만 규정된 길이의 별개의 다른 길게 연장된 초점 라인을 형성하는 이상적으로 보정된 시스템으로부터 벗어난 비구면 또는 다중-렌즈 시스템(즉, 단일의 초점을 갖지 않는 렌즈 또는 시스템)이 사용될 수도 있다. 따라서 그러한 렌즈의 구역들은 렌즈 중심으로부터의 거리에 따라 초점 라인(2b)을 따라 포커싱된다. 빔 방향을 가로지르는 개구(8)의 직경은 빔 부분(2a)의 직경(빔 강도가 피크 강도의 1/e²로 감소하는데 필요한 거리로 규정된)의 약 90% 및 광학 어셈블리(6)의 렌즈(7)의 직경의 약 75%일 수 있다. 따라서, 중심에서 빔 번들을 차단함으로써 생성된 비-수차-보정 구면 렌즈(7)의 초점 라인(2b)이 사용된다. 도 8a는 중심 빔을 통한 한 평면의 섹션을 나타내고, 나타낸 빔이 초점 라인(2b) 둘레로 회전될 때 완전한 3-차원 번들이 보일수 있다.

도 8b의 8b-1 내지 8b-4는 레이저 빔 초점 라인(2b)의 위치가 광학 어셈블리(6)의 파라미터를 적절하게 선택하는 것 뿐만 아니라 작업편(1)에 대해 상기 광학 어셈블리(6)를 적절하게 위치 및/또는 정렬시킴으로써 제어되는 것을 나타낸다(도 8a의 광학 어셈블리 뿐만 아니라 소정의 다른 적용가능한 광학 어셈블리(6)에서도). 8b-1에 나타낸 바와 같이, 초점 라인(2b)의 길이(1)는 작업편 깊이(d)를 초과하는(여기서는 2 배) 방식으로 조정될 수 있다. 작업편(1)이 초점 라인(2b) 중심에 배치(종방향 빔 방향에서 본)되면, 유도 흡수의 광범위한 섹션(2c)은 전체 작업편 두께에 걸쳐 생성될 수 있다. 그러한 빔 초점 라인(2b)는 약 0.01 mm 내지 약 100 mm의 범위 또는 약 0.1 mm 내지 약 10 mm 범위의 길이(1)를 가질 수 있다. 다양한 실시예들은 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 길이(1)를 가진 초점 라인(2b)를 갖도록 구성될 수 있다.

8b-2에 나타낸 경우에, 일반적으로 작업편 깊이(d)에 대응하는 길이(1)의 초점 라인(2b)이 생성된다. 초점 라인(2b)이 작업편(1) 외측 지점에서 시작하는 방식으로 초점 라인(2b)에 대해 작업편(1)이 위치되기 때문에, 유도 흡수의 광범위한 섹션(2c)의 길이(1)(작업편 표면에서 규정된 작업편 깊이까지 확장되지만, 반대 표면(1b)으로는 확장되지 않음)는 초점 라인(2b)의 길이(1)보다 작다. 도 8b-3은, 8b-2에서와 같이 초점 라인(2b)의 길이(1)가 작업편(1)의 유도 흡수의 섹션(2c)의 길이보다 크도록 작업편(1)이 초점 라인(2b)의 시작점 위에 위치된 경우(빔 방향에 수직인 방향을 따라 본)를 나타낸다. 따라서, 초점 라인은 작업편 내에서 시작하여 반대 표면(1b)을 넘어 확장한다. 8b-4는, 입사 방향에서 본 초점 라인에 대한 작업편의 중심 위치의 경우에, 초점 라인(2b)이 작업편(1) 내에 표면(1a) 근처에서 시작되어 작업편 내에 표면(1b) 근처에서 종료되도록, 초점 라인 길이(1)가 작업편 깊이(d)보다 작은 경우를 나타낸다(예컨대, 1-0.75·d). 상기 유도 흡수의 섹션(2c)이 작업편의 적어도 한 표면에서 시작되도록, 표면 1a, 1b 중 적어도 하나가 초점 라인에 의해 덮히는 방식(예컨대, 8b-2 또는 8b-3의 구성)으로 초점 라인(2b)을 위치시키는데 특히 이점이 있을 수 있다. 이러한 방식으로, 표면에서 절삭, 페더링(feathering), 및 미립자를 피하면서 실질적으로 이상적인 컷팅을 수행할 수 있다.

도 9는 광학 어셈블리(6)의 다른 실시예를 나타낸다. 기본적인 구성은 도 8a에 기술된 것을 따르기 때문에, 이하 단지 차이점만을 기술한다. 도 9에 나타낸 광학 어셈블리는 규정된 길이(1)의 초점 라인이 형성되는 방식으로 형상화된 초점 라인(2b)을 생성하기 위해 비구면 자유 표면을 가진 광학 요소를 사용한다. 이러한 목적을 위해, 비구면은 광학 어셈블리(6)의 광학 요소로서 사용될 수 있다. 도 9에서, 예를 들어, 액시콘이라고도 부르는 소위 원뿔 프리즘이 사용된다. 액시콘은 광학 축을 따라 라인 상에 스폿 소스를 형성하는(레이저 빔을 링으로 변형하는) 원뿔형 컷팅 렌즈이다. 액시콘의 콘 각도는 예로서 약 10°이다. 그러나, 그러한 다른 범위의 액시콘 콘 각도가 사용될 수도 있다는 것을 알아야 할 것이다. 상기 액시콘(9)의 꼭지점은 입사 방향으로 지향되고 빔 중심의 중심에 위치한다. 액시콘(9)에 의해 생성된 초점 라인(2b)이 액시콘의 내부에서 시작되기 때문에, 작업편(1; 여기서 주 빔 축에 수직으로 정렬됨)은 액시콘(9) 바로 뒤쪽에 있는 빔 경로에 위치될 수 있다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 초점 라인(2b)의 범위 내에 유지하면서 액시콘의 광학 특성으로 인해 빔 방향을 따라 작업편(1)을 이동시킬 수도 있다. 이에 따라, 작업편(1)의 재료에서 유도 흡수의 섹션(2c)은 전체 작업편 깊이(d)에 걸쳐 확장한다. 그러나, 나타낸 레이아웃은, 액시콘(9)에 의해 형성된 초점 라인(2b)의 영역이 액시콘(9) 내에서 시작하기 때문에, 상기 액시콘(9)과 작업편 간 분리가 있는 상황에서, 레이저 에너지의 상당 부분은 재료 내에 위치된 초점 라인(2b)의 유도 흡수의 섹션(2c)으로 포커싱되지 않는 제한 조건이 적용될 수 있다. 더욱이, 초점 라인(2b)의 길이(l)는 액시콘(9)의 굴절률 및 콘 각도를 통한 빔 직경과 관련된다. 이것은 비교적 얇은 재료(예컨대, 수 mm)의 경우, 전체 초점 라인이 작업편의 두께보다 훨씬 길어서 레이저 에너지의 상당 부분이 재료의 두께에 포커싱되지 않는 이유이다.

이러한 이유 때문에, 액시콘 및 포커싱 렌즈 모두를 포함하는 광학 어셈블리(6)를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 도 10a는 광범위한 레이저 빔 초점 라인(2b)을 형성하기 위해 디자인된 비구면 자유 표면을 갖는 제1광학 요소가 레이저 장치(3)로부터 빔 경로에 위치되는 광학 어셈블리(6)를 나타낸다. 도 10a에 나타낸 경우, 이러한 제1광학 요소는 빔 방향에 수직으로 위치되고 레이저 장치(3)로부터의 빔의 중심에 위치된 5°의 콘 각도를 갖는 액시콘(10)이다. 상기 액시콘(10)의 꼭지점은 빔 방향으로 지향된다. 제2포커싱 광학 요소, 즉 여기서 평면-볼록 렌즈(11; 액시콘 쪽으로 지향된 굴곡)는 액시콘(10)으로부터 거리 Z1로 빔 방향에 위치된다. 거리 Z1은, 약 300 mm일 수 있으며, 액시콘(10)에 의해 형성된 레이저 방사가 렌즈(11)의 바깥 반경 부분에 원형으로 입사되도록 선택된다. 렌즈(11)는, 규정된 길이(이 경우 1.5 mm)의 초점 라인(2b) 상에, 렌즈(11)로부터의 거리(Z2; 이 경우, 약 20 mm)에 출력 측에 원형 방사를 포커싱한다.

렌즈(11)로부터 약 20 mm인 경우, 렌즈(11)의 효과적인 초점 길이는 본 실시예에서 25 mm이다. 액시콘(10)에 의한 레이저 빔의 원형 변형은 참조부호 SR로 표시했다.

도 10b는 도 10a의 광학 어셈블리(6)에 따른 작업편(1) 재료의 유도 흡수의 섹션(2c) 또는 초점 라인(2b)의 형성을 나타낸다. 2개의 요소 10, 11의 광학 특성 뿐만 아니라 그들의 위치는 빔 방향의 초점 라인(2b)의 길이(1)가 작업편(1)의 깊이(d)와 동일하도록 선택된다. 일부의 실시예에서, 빔 방향에 따른 작업편(1)의 정확한 위치는, 도 10b에 나타낸 바와 같이, 작업편(1)의 2개의 표면 1a와 1b 사이에 정확하게 초점 라인(2b)을 위치시키기 위해 필요하다.

다른 실시예에서, 도 10a에 나타낸 평면-볼록 렌즈 대신, 포커싱 메니스커스 렌즈(focusing meniscus lens) 또는 다른 고차 보정된 포커싱 렌즈(예컨대, 비구면, 다중-렌즈 시스템)를 사용할 수도 있다.

도 10a에 나타낸 액시콘 및 렌즈의 조합을 사용하여 비교적 짧은 초점 라인(2b)들을 생성하기 위해, 액시콘 상에 입사되는 레이저 빔의 아주 작은 빔 직경을 선택할 필요가 있다. 이는 액시콘의 꼭지점 상에 빔의 중심을 맞추는 것은 매우 정확해야 하고 결과가 빔 드리프트 안정성과 같은 레이저의 방향 변화에 매우 민감해야 한다는 실질적인 단점이 있다. 더욱이, 타이트하게 시준된 레이저 빔은 크게 발산될 수 있는데, 즉 빔 번들은 광 편향으로 인해 짧은 거리에서 흐려질 수 있다.

도 11에 나타낸 바와 같이, 광학 어셈블리(6) 내에 또 다른 렌즈인 시준 렌즈(12)를 포함시킴으로써 두 효과를 피할 수 있다. 그러한 추가의 시준 렌즈(12)는 포커싱 렌즈(11)의 원형 조명을 타이트하게 조절하는 역할을 한다. 그러한 시준 렌즈(12)의 초점 길이(f')는 원하는 원 직경(dr)이 f'와 동일한 액시콘으로부터 시준 렌즈(12)까지의 거리(Z1a)로부터 얻어지도록 선택된다. 링의 원하는 폭(br)은 시준 렌즈(12)와 포커싱 렌즈(11) 간 거리(Z1b)를 통해 조절될 수 있다. 순수한 기하학의 문제로서, 그러한 원형 조명의 작은 폭은 짧은 초점 라인을 이끈다. 거리 f'에서 최소가 달성될 수 있다.

도 11에 나타낸 광학 어셈블리(6)가 도 10a에 나타낸 것을 기초함으로써, 이하에서는 차이점만이 기술된다. 본원에 빔 방향 쪽으로 굴곡진 평면-볼록 렌즈로도 디자인된 시준 렌즈(12)는 어느 한 측면 상의 액시콘(10; 빔 방향 쪽으로 향한 꼭지점을 가진)과 다른 측면 상의 평면-볼록 렌즈(11) 간 빔 경로의 중심에 배치된다. 액시콘(10)에서 시준 렌즈(12) 간 거리는 Z1a라 하고, 시준 렌즈(12)에서 포커싱 렌즈(11) 간 거리는 Z1b이며, 포커싱 렌즈(11)에서 초점 라인(2b)의 거리는 Z2이다. 도 11에 나타낸 바와 같이, 시준 렌즈(12) 상에 원 직경(dr) 아래에서 발산적으로 입사하는 액시콘(10)에 의해 형성된 원형 방사(SR)는 포커싱 렌즈(11)에서 대략 일정한 원 직경(dr)에 대해 거리(Z1b)를 따라 요구된 원 폭(br)으로 조절된다. 그러한 나타낸 경우에, 렌즈(12)에서 대략 4 mm의 원 폭(br)이 렌즈(12)의 포커싱 특성으로 인해 렌즈(11)에서 대략 0.5 mm로 감소되도록 매우 짧은 초점 라인(2b)이 생성되도록 의도된다(원 직경(dr)은 예로서 22 mm이다).

나타낸 예에서, 2 mm의 통상적인 레이저 빔 직경, 초점 길이 f = 25 mm를 갖는 포커싱 렌즈(11), 초점 길이 f' = 150 mm를 갖는 시준 렌즈, 및 선택 거리 Z1a = Z1b = 140 mm 및 Z2 = 15 mm를 이용하여 0.5 mm보다 작은 초점 라인의 길이를 달성할 수 있다.

도 12a-12c는 각기 다른 상이한 레이저 강도 체계에서의 레이저-대상의 상호작용을 나타낸다. 도 12a에 나타낸 첫번째 경우, 비포커싱 펄스 레이저 빔(710)은 투명 작업편(720)에 어떠한 변형도 가하지 않으면서 투명 작업편(720)을 통과한다. 이러한 특정 경우에 있어서, 레이저 에너지 밀도(또는 빔으로 조명된 단위 면적당 레이저 에너지)가 비선형 효과를 유도하는데 필요한 임계치 이하이기 때문에, 비선형 효과가 나타나지 않는다. 그러한 에너지 밀도가 높을 수록, 전자기장의 강도가 높아진다. 따라서, 도 12b에 나타낸 바와 같이, 레이저 빔이 보다 작은 스폿 크기에 구면 렌즈(730)에 의해 포커싱될 경우, 조명 영역이 감소하고 에너지 밀도가 증가하여, 투명 재료를 변형시키는 비선형 효과가 유발되어, 해당 조건이 충족되는 볼륨에만 흠 라인(즉, 결함 라인)의 형성이 허용된다. 이러한 방식으로, 포커싱된 레이저의 빔 허리가 작업편의 표면에 위치되면, 그 표면의 변형이 발생할 것이다. 반대로, 포커싱된 레이저의 빔 허리가 작업편의 표면 아래에 위치되면, 에너지 밀도가 비선형 광학 효과의 임계치 이하일 때 그 표면에는 아무것도 발생하지 않는다. 그러나, 초점(740)이 작업편(72)의 벌크에 위치될 때, 레이저 강도는 다중-광자 비선형 효과를 유발할 정도로 충분히 높아져, 재료에 손상을 야기시킨다. 도 12c에 나타낸 바와 같은 다른 실시예에서, 액시콘의 경우에, 액시콘 렌즈(750), 또는 대안으로 프레넬 액시콘의 회절 패턴은 베셀-형상의 강도 분포(즉, 높은 강도 실린더(760))를 생성하는 간섭을 생성하고, 해당 볼륨에서만 재료(720)의 비선형 흡수 및 변형을 생성하기에 충분한 강도이다. 그러한 베셀-형상의 강도 분포가 재료에 대한 비선형 흡수 및 변형을 생성하기에 충분한 상기 실린더(760)의 직경 또한 레이저 빔 초점 라인의 스폿 직경이다. 베셀 빔의 스폿 직경(D)은 D = (2.4048 λ)/(2πB)로 표현될 수 있으며, 여기서 λ는 레이저 빔 파장이고, B는 액시콘 각도의 함수이다.

알칼리 토금속 보로-알루미노실리케이트 유리 조성물을 컷팅하기 위한 목적으로, 일부 예시의 실시예들에 따르면, 라인-포커스 빔 형성 광학 요소와의 조합으로 다중 펄스의 버스트를 생성하는 피코초 펄스 레이저(예컨대, 1064 nm, 또는 532 nm 피코초 펄스 레이저)는 그러한 유리 조성물의 라인 결함에 사용될 수 있다. 그러나, 본원에 기술된 천공 공정에 다른 펄스 레이저들 또한 사용될 수 있다는 것을 알아야 한다.

예를 들어, 0.7 ㎜까지의 두께를 갖는 디스플레이/TFT 유리 조성물은 광학 요소에 의해 생성된 초점 라인의 영역 내에 있도록 위치될 수 있다. 투명 작업편에서 측정된 200 kHz의 버스트 반복률(약 120 μJ/burst 이상)에서 약 24 W 이상의 출력 파워를 생성하는 길이가 약 1 mm인 1014 nm 피코초 레이저의 초점 라인의 경우, 그 초점 라인 영역에서의 광 강도는 상기 유리 조성물에서 비선형 흡수를 생성하기에 충분할 수 있다. 펄스 레이저 빔은 작업편의 mm의 두께 당 40 μJ보다 큰 상기 재료에서 측정된 평균 레이저 버스트 에너지를 가질 수 잇다. 일부 유리의 경우, 그러한 사용된 평균 레이저 버스트 에너지는 재료의 mm의 두께 당 2500 μJ 정도로 큰, 예를 들어 약 40 μJ/mm 내지 약 2500 μJ/mm, 약 400 μJ/mm 내지 약 1300 μJ/mm, 또는 약 550 μJ/mm 내지 약 1000 μJ/mm일 수 있는데, 이는 그러한 에너지 밀도가 천공 라인 또는 컷팅 에지에 직각인 미세 균열의 정도를 최소화하면서 작업편의 라인 결함에 대한 철저한 손상 추적을 하기에 충분하기 때문이다. 이러한 mm 당 "평균 펄스 버스트 레이저 에너지"는 평균 버스트-선형 에너지 밀도, 또는 재료의 두께의 mm 당 레이저 펄스 버스트 당 평균 에너지로도 지칭될 수 있다. 유리 조성물 내에서 손상되거나, 제거되거나, 증발되거나, 그렇지 않으면 변형된 재료의 영역은 레이저 빔 초점 라인에 의해 생성된 높은 광 강도의 선형 영역을 대략적으로 따르도록 생성될 수 있다.

이제 도 13a 및 13b를 참조하면, 본원에 기술된 그와 같은 피코초 레이저의 통상적인 동작이 펄스(500A)의 버스트(500)를 생성한다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 각각의 버스트(500)는 매우 짧은 지속 시간의 다수의 개별 펄스 500A(적어도 2개의 펄스, 적어도 5 펄스, 적어도 7 펄스, 적어도 8 펄스, 적어도 9 펄스, 적어도 10 펄스, 적어도 15 펄스, 적어도 20 펄스, 또는 심지어 그 이상의 펄스와 같이)를 포함한다. 즉, 하나의 버스트는 펄스의 그룹이고, 그러한 버스트들은 각각의 버스트 내의 각 개별의 인접한 펄스들의 분리보다 긴 지속 시간에 의해 서로 분리된다. 하나 이상의 실시예에 따르면, 디스플레이 유리/TFT 유리 조성물의 컷팅 또는 천공의 경우, 버스트 당 펄스의 수는 약 1 내지 30개(5 내지 20개와 같이)일 수 있다. 펄스(500A)들은 100 psec까지(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 그들 사이의 임의의 범위)의 펄스 지속 시간(T_d)를 갖는다. 버스트 내의 각각의 개별 펄스(500A)의 에너지 또는 강도는 그 버스트 내의 다른 펄스의 에너지 또는 강도와 동일하지 않을 수 있으며, 버스트(500) 내의 다수의 펄스의 강도 분포는 종종 레이저 디자인에 의해 지배되는 시간에 따른 기하급수적 감쇠를 따른다. 일부의 실시예들에서, 본원에 기술된 예시 실시예들의 버스트(500) 내의 각각의 펄스(500A)는 약 1 nsec 내지 약 50 nsec(예컨대, 약 10 nsec 내지 약 50 nsec, 또는 약 10 nsec 내지 약 30 nsec, 레이저 공동 디자인에 의해 종종 지배되는 시간)의 지속 시간(T_p) 만큼 그 버스트 내의 다음 펄스로부터 시간적으로 분리된다. 주어진 레이저에 있어서, 버스트(500) 내의 인접한 펄스들 간의 시간 분리(T_p)는 비교적 동일할 수 있다(예컨대, 서로 약 10% 내에서). 예를 들어, 일부의 실시예에서, 버스트 내의 각각의 펄스는 약 20 nsec(50 MHz) 만큼 다음 펄스로부터 시간적으로 분리된다. 예를 들어, 약 20 nsec의 펄스 분리(T_p)를 생성하는 레이저에 있어서, 버스트 내의 펄스 대 펄스 분리(T_p)는 약 ±10%, 또는 약 ±2 nsec 내에서 유지된다. 각 버스트의 펄스들 간의 시간(즉, 버스트들 간의 시간 분리(T_b))은 훨씬 더 길어질 수 있다. 예를 들어, 각 버스트의 펄스들 간의 시간은 약 0.25 마이크로초 내지 약 1000 마이크로초, 예컨대 1 마이크로초 내지 약 10 마이크로초, 또는 약 3 마이크로초 내지 약 8 마이크로초일 수 있다. 본원에 기술한 레이저의 일부 예시의 실시예에서, 그러한 시간 분리(T_b)는 약 200 kHz의 버스트 반복률을 갖는 레이저에 대해 약 5 마이크로초이다. 레이저 버스트 반복률은 버스트 내의 제1펄스와 다음 버스트 내의 제1펄스 간의 시간(T_b)과 관련된다(레이저 버스트 반복률 = 1/T_b). 일부의 실시예에서, 레이저 버스트 반복률은 약 1 kHz 내지 약 4 MHz의 범위일 수 있다. 실시예들에서, 상기 레이저 버스트 반복률은, 예를 들어 약 10 kHz 내지 650 kHz의 범위일 수 있다. 각 버스트 내의 제1펄스와 다음 버스트 내의 제1버스트 간의 시간(T_b)은 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), 또는 약 2 마이크로초(500 kHz 버스트 반복률) 내지 약 20 마이크로초(50k Hz 버스트반복률)일 수 있다. 정확한 타이밍, 펄스 지속 시간, 및 버스트 반복률은 레이저 디자인에 따라 바뀔 수 있으나, 높은 강도의 짧은 펄스(T_d ＜20 psec 및 바람직하게 T_d≤15 psec)가 특히 양호하게 작동하는 것으로 나타났다.

재료를 변형하는데 요구된 에너지는 버스트 에너지(즉, 각각의 버스트(500)가 일련의 펄스(500A)를 포함하는 버스트 내에 함유된 에너지)와 관련하여, 또는 단일의 레이저 펄스 내에 함유된 에너지(그 중 다수는 버스트를 포함할 수 있는)와 관련하여 기술될 수 있다. 버스트 당 에너지는 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. 일부의 유리 조성물에 있어서, 버스트 당 에너지는 약 100 μJ 내지 약 250 μJ일 수 있다. 그러나, 디스플레이 또는 TFT 조성물에 있어서, 버스트 당 에너지는 더 높을 수 있다(예컨대, 작업편의 특정 디스플레이/TFT 유리 조성물에 따라, 약 300 μJ 내지 약 500 μJ, 또는 약 400 μJ 내지 약 600 μJ). 버스트 내의 개별 펄스의 에너지는 작을 것이고, 정확한 각 개별 레이저 펄스 에너지는 도 13a 및 13b에 나타낸 바와 같이 레이저 시간에 따른 레이저 펄스의 감쇠 비율(예컨대, 기하급수적 감쇠 비율) 및 버스트(500) 내의 펄스(500A)의 수에 좌우될 것이다. 예를 들어, 일정한 에너지/버스트에 있어서, 펄스 버스트가 10개의 개별 레이저 펄스(500A)를 포함하면, 각각의 개별 레이저 펄스(500A)는 동일한 버스트(500)가 단지 2개의 개별 레이저 펄스를 가졌던 경우보다 작은 에너지를 포함할 것이다.

그와 같은 버스트를 생성할 수 있는 펄스 레이저 빔의 사용은 투명 재료, 예컨대 유리를 컷팅 또는 변형하는데 이점이 있다. 단일-펄스 레이저의 반복률 만큼 시간적으로 간격된 단일 펄스의 사용과 반대로, 버스트(500) 내의 펄스들의 신속한 시퀀스에 걸쳐 레이저 에너지를 확장시키는 버스트 시퀀스의 사용은 단일-펄스 레이저로 가능한 것보다 재료와의 높은 강도 상호작용의 보다 큰 타임스케일(timescale)에 대한 액세스를 허용한다. 단일-펄스가 시간적으로 확장될 수 있지만, 펄스 내의 강도는 펄스 폭에 걸쳐 대략 1 정도 감소한다. 따라서, 10 psec 단일 펄스가 10 nsec 펄스로 확장되면, 그 강도는 대략 크기가 3배 정도 감소한다. 그와 같은 감소는 비선형 흡수가 더 이상 중요하지 않은 지점으로 광 강도를 감소시킬 수 있으며, 경량-재료의 상호 작용은 컷팅을 위해 더 이상 충분하지 않다. 반대로, 버스트(500) 내의 각각의 펄스(500A) 중의 강도는 관련되어 높게 유지될 수 있으며(예를 들어, 대략 10 nsec 만큼 시간적으로 간격된 3개의 10 psec 펄스(500A)는 여전히 각 펄스 버스트 내의 에너지가 단일의 10 psec 펄스의 것보다 약 3배 더 높아지게 한다), 레이저는 크기가 3배 더 큰 타임스케일에서 재료와 상호작용한다. 예를 들어, 종종 약 10 nsec 만큼 시간적으로 간격된 10 psec 펄스(500A)들은 각 펄스 버스트 내의 에너지가 단일의 10 psec 펄스의 에너지보다 약 10배 더 높아지도록 하며, 레이저는 현재의 크기가 더 큰 타임스케일에 걸쳐 재료와 상호작용한다. 일 실시예에서, 재료를 변형하는데 필요한 버스트 에너지의 양은 작업편과 상호작용하는데 사용된 라인 포커스의 길이 및 작업편 재료 조성에 좌우될 것이다. 상호 작용 영역이 길수록, 에너지가 더 확장되고, 더 높은 버스트 에너지가 요구될 것이다. 정확한 타이밍, 펄스 지속 시간, 및 버스트 반복률은 레이저 디자인에 따라 바뀔 수 있으나, 높은 강도 펄스의 짧은 펄스 시간(예컨대, 약 15 psec보다 작은, 또는 심지어 약 10 psec보다 작거나 같은)은 일부 실시예의 예시일 수 있다. 단일 버스트의 펄스들이 본질적으로 투명 작업편의 동일한 위치에 충돌할 때 결함이 재료에 형성된다. 즉, 단일 버스트 내의 다수의 레이저 펄스는 투명 작업편의 단일 라인 결함에 대응한다. 상기 작업편은 이동(예컨대, 항상 움직이는 스테이지 또는 상기 작업편에 대해 이동된 빔에 의해)되기 때문에, 상기 버스트 내의 개별 펄스들은 정확히 상기 유리 상의 동일한 공간 위치에 있을 수 없다. 그러나, 개별 펄스들은 서로 1㎛ 이내일 수 있다(즉, 이들은 실질적으로 동일한 위치에서 유리에 효과적으로 충돌한다). 예를 들어, 펄스들은 0＜sp≤500 nm인 간격(sp)으로 유리에 충돌할 수 있다. 예를 들어, 유리 위치가 20 펄스의 버스트에 의해 히팅되면, 버스트 내의 개별 펄스들은 서로의 250 nm 내에서 유리에 충돌한다. 따라서, 일부 실시예에서, 1 nm＜sp＜250 nm이다. 일부 실시예에서, 1 nm ＜sp＜100 nm이다.

하나 이상의 실시예에서, 작업편을 컷팅 또는 분리의 목적을 위해, 펄스 버스트 에너지는, 버스트 당 약 300 μJ 내지 약 600 μJ와 같이, 버스트 당 약 100 μJ 내지 약 600 μJ이 될 수 있다. 이러한 범위 밖에서 작업하면 다른 유리를 성공적으로 분리할 수는 있지만, 디스플레이(또는 TFT) 유리 조성물은 분리할 수 없다. 일부 디스플레이 유리 타입의 경우, 그러한 펄스 버스트 에너지는 약 300 μJ 내지 약 500 μJ가 되거나, 또는 다른 디스플레이 타입의 경우에는 약 400 μJ 내지 약 600 μJ이 될 수 있다. 400 μJ 내지 500 μJ의 펄스 버스트 에너지는 많은 디스플레이 타입의 유리 조성물에 대해 양호하게 작용할 수 있다. 라인 포커스 내의 에너지 밀도는 특정 디스플레이 또는 TFT 유리에 대해 최적화될 수 있다. 예를 들어, EAGLE XG 및 CONTEGO 모두의 경우, 펄스 버스트 에너지에 대한 적절한 범위는 약 300 내지 약 500 μJ가 될 수 있으며, 라인 포커스는 약 1.0 mm 내지 약 1.4 mm가 될 수 있다(여기서 그러한 라인 포커스 길이는 광학 구성에 의해 결정된다).

하나 이상의 실시예에서, 상대적으로 낮은 펄스 레이저 에너지 밀도(예컨대, 300 μJ 미만)는 원하는대로 형성되지 않는 천공을 형성할 수 있어, 적외선 레이저 처리 중에 결함들 사이의 파손이 용이하게 일어나지 않아, 디스플레이 유리의 내파괴성(본원에서 파괴 강도라고도 부르는)이 증가하게 된다. 펄스 레이저 빔의 에너지 밀도가 너무 높으면(예컨대, 600 μJ보다 크거나 같은, 또는 심지어 500 μJ보다 큰), 열 손상이 더 커질 수 있어, 천공(관통 구멍)을 빗나가게 연결하는 균열을 야기하고 원하는 경로를 따라 형성되지 않는 균열 및 디스플레이(또는 TFT) 유리의 내파괴성(파괴 강도)이 급격하게 증가할 수 있다.

상기한 설명의 관점에서, 적외선 레이저 빔에 의한 레이저 분리는 윤곽선 상에 직접적으로가 아니라 결함을 포함하는 윤곽선에 인접한 영역 상에 최대 강도를 투사하는 적외선 레이저 빔을 이용함으로써 향상될 수 있다는 것을 이해해야 할 것이다. 일 실시예에서, 환형 빔 프로파일은 윤곽선에 인접하여 적외선 레이저 최대 파워 투사를 달성하기 위해 이용될 수 있다.

본원에서는 "약" 하나의 특정 값에서, 그리고/또 "약" 다른 특정 값까지와 같이 범위가 표현될 수 있다. 그와 같은 범위가 표시될 때, 다른 실시예는 하나의 특정 값부터 그리고/또 또 다른 특정 값까지 포함한다. 유사하게, 대략과 같이 값들이 표시될 때, 선행에 "약"의 사용에 의해, 특정 값이 다른 실시예를 형성한다는 것을 이해해야 할 것이다. 그러한 범위의 각각의 끝점은 다른 끝점과 관련하여, 그리고 그 다른 끝점과는 독립적으로 중요하다는 것을 더 이해해야 할 것이다.

위, 아래, 오른쪽, 왼쪽, 앞, 뒤, 상부, 하부와 같은 본원에 사용된 방향 용어들은 그려진 도면을 참조하여 이루어진 것이며, 절대적인 방위를 암시하지 않는다.

특별히 명시하지 않는 한, 본원에 기재된 임의의 방법은 그 단계들이 특정 순서로 수행될 것을 요구하는 것으로 해석되지 않으며, 임의의 장치의 특정 방위가 요구되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 따라서, 여기서, 방법 청구항이 실제로 그 단계들이 따르는 순서를 기술하지 않거나, 소정 장치 청구항이 실제로 개별 구성 요소에 대해 순서 또는 방위를 기술하지 않거나, 또는 그 단계들이 특정 순서로 한정되거나 장치의 구성 요소에 대한 특정 순서 또는 방위가 기술되지 않는 것으로 청구항 또는 설명에 달리 명시되지 않는 경우, 어떤 식으로든 순서 또는 방위를 유추하려는 의도는 전혀 없다. 이것은 단계들의 배열, 동작 흐름, 구성 요소의 순서, 또는 구성 요소의 방위와 관련된 논리적 문제; 문법적 구성이나 구두점에서 파생된 단순한 의미; 명세서에서 설명된 실시예들의 수 또는 타입을 포함한 해석을 위한 소정의 가능한 비표현적 근거가 된다.

본원에서 사용된 바와 같이, 단수 형태 "하나", "한" 및 "그"는 문맥 상 다르게 지시하지 않는 한 복수의 대상을 포함한다. 따라서, 예를 들어, "하나"의 요소에 대한 언급은 문맥이 다른 것을 명백하게 나타내지 않는 한, 2 개 이상의 그러한 요소를 갖는 형태를 포함한다.

본 기술 분야의 당업자는 청구 대상의 사상 및 범주를 벗어나지 않으면서 다양한 변형 및 변경이 본원에 설명된 실시예들에 대해 이루어질 수 있음을 명백히 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 명세서는 수반된 특허청구범위 및 그 등가물의 범위 내에 있는 그러한 변형 및 변경이 본원에 기술된 다양한 실시예의 변형 및 변경을 커버하는 것으로 의도된다.

Claims (20)

1. 작업편을 레이저 처리하기 위한 방법으로서,
   작업편에 윤곽선을 형성하는 단계, 여기서 상기 윤곽선은 상기 작업편에 결함을 포함함; 및
   상기 작업편을 상기 윤곽선을 따라 분리하기 위해 상기 윤곽선을 따라 또는 상기 윤곽선 근처에 상기 작업편에 적외선 레이저 빔을 지향시키는 단계를 포함하며,
   상기 적외선 레이저 빔은 상기 적외선 레이저 빔으로부터의 더 큰 분포의 축적된 에너지가 상기 윤곽선 상에 직접적으로가 아니라 상기 윤곽선에 인접한 영역 상에 위치하도록 환형 빔 프로파일을 갖는, 작업편을 레이저 처리하기 위한 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 환형 빔 프로파일의 외경은 약 0.5 mm 내지 약 20 mm인, 작업편을 레이저 처리하기 위한 방법.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 환형 빔 프로파일의 내경은 빔 외경의 약 5% 내지 약 95%인, 작업편을 레이저 처리하기 위한 방법.
4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
   적외선 레이저 빔으로부터의 더 큰 분포의 축적된 에너지는 윤곽선 상에 직접적으로가 아니라 상기 윤곽선의 양 측에 상기 윤곽선에 인접한 영역 상에 위치하는, 작업편을 레이저 처리하기 위한 방법.
5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
   적외선 레이저 빔은 윤곽선의 중심에 위치하는, 작업편을 레이저 처리하기 위한 방법.
6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
   적외선 레이저 빔은 이산화탄소 레이저, 일산화탄소 레이저, 고체 레이저, 레이저 다이오드, 또는 이들의 조합에 의해 생성되는, 작업편을 레이저 처리하기 위한 방법.
7. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
   작업편은 알칼리 토금속 보로-알루미노실리케이트 유리, 사파이어, 용융 실리카, 또는 이들의 조합을 포함하는, 작업편을 레이저 처리하기 위한 방법.
8. 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
   적외선 레이저 빔 및 작업편은 약 1 mm/s 내지 약 10 m/s의 속도로 서로에 대해 병진이동하는, 작업편을 레이저 처리하기 위한 방법.
9. 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 있어서,
   적외선 레이저 빔은 약 20 W 내지 약 1000 W의 파워를 갖는, 작업편을 레이저 처리하기 위한 방법.
10. 청구항 1 내지 9 중 어느 한 항에 있어서,
    작업편은 약 5×10^-6/K보다 작거나 같은 CTE를 갖는, 작업편을 레이저 처리하기 위한 방법.
11. 청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 있어서,
    작업편은 약 50 μ 내지 약 10 mm의 두께를 갖는, 작업편을 레이저 처리하기 위한 방법.
12. 청구항 1 내지 11 중 어느 한 항에 있어서,
    윤곽선을 형성하는 단계는:
    빔 전파 방향을 따라 지향되고 작업편으로 지향된 펄스 레이저 빔 초점 라인으로 펄스 레이저 빔을 포커싱하는 단계, 여기서 상기 펄스 레이저 빔 초점 라인은 작업편 내에 유도 흡수를 생성하고, 상기 유도 흡수는 상기 작업편 내에 펄스 레이저 빔 초점 라인을 따라 라인 결함을 생성함; 및
    상기 윤곽선을 따라 서로에 대해 상기 작업편 및 펄스 레이저 빔 초점 라인을 병진이동시킴으로써, 상기 작업편 내에 윤곽선을 따라 다수의 라인 결함을 레이저 형성하는 단계를 포함하며,
    인접한 상기 라인 결함들 간 간격은 1 μ 내지 30 μ이고,
    펄스 레이저는 펄스 버스트 당 약 1 펄스 내지 펄스 버스트 당 약 30 펄스를 갖는 펄스 버스트를 생성하고, 펄스 버스트 에너지는 펄스 버스트 당 약 100 μJ 내지 약 600 μJ인, 작업편을 레이저 처리하기 위한 방법.
13. 청구항 12에 있어서,
    펄스 레이저 빔은 펄스 버스트 당 약 9 펄스 내지 펄스 버스트 당 약 20 펄스를 갖는 펄스 버스트를 생성하고, 펄스 버스트 에너지는 펄스 버스트 당 약 300 μJ 내지 펄스 버스트 당 약 500 μJ인, 작업편을 레이저 처리하기 위한 방법.
14. 청구항 12에 있어서,
    인접한 라인 결함들 간 간격은 약 7 μ 내지 약 12 μ이고;
    펄스 레이저 빔은 펄스 버스트 당 약 5 펄스 내지 펄스 버스트 당 약 15 펄스를 갖는 펄스 버스트를 생성하고, 펄스 버스트 에너지는 펄스 버스트 당 약 400 μJ 내지 펄스 버스트 당 약 600 μJ인, 작업편을 레이저 처리하기 위한 방법.
15. 청구항 12 내지 14 중 어느 한 항에 있어서,
    펄스 버스트의 펄스는 약 1 피코초 내지 약 100 피코초의 지속 시간을 갖는, 작업편을 레이저 처리하기 위한 방법.
16. 청구항 12 내지 15 중 어느 한 항에 있어서,
    펄스 버스트는 약 10 kHz 및 약 3 MHz 범위의 반복률을 갖는, 작업편을 레이저 처리하기 위한 방법.
17. 청구항 12 내지 16 중 어느 한 항에 있어서,
    펄스 레이저 빔 초점 라인은 약 0.1 μ 내지 약 10 μ 범위의 평균 스폿 직경을 갖는, 작업편을 레이저 처리하기 위한 방법.
18. 작업편을 레이저 처리하기 위한 방법으로서,
    상기 작업편으로 지향된 펄스 레이저 빔 초점 라인으로 펄스 레이저 빔을 포커싱하는 단계, 여기서 상기 펄스 레이저 빔 초점 라인은 상기 작업편 내에 라인 결함을 생성함;
    서로에 대해 상기 작업편 및 펄스 레이저 빔 초점 라인을 병진이동시킴으로써, 상기 작업편 내에 윤곽선을 따라 다수의 라인 결함을 레이저 형성하는 단계, 여기서 인접한 상기 라인 결함들 간 간격은 5 μ 내지 15 μ임; 및
    상기 윤곽선을 따라 상기 작업편을 분리하기 위해 상기 윤곽선을 따라 또는 상기 윤곽선 근처에 상기 작업편에 적외선 레이저 빔을 지향시키는 단계를 포함하며,
    상기 적외선 레이저 빔은 상기 적외선 레이저 빔으로부터의 더 큰 분포의 축적된 에너지가 상기 윤곽선 상에 직접적으로가 아니라 상기 윤곽선의 양 측에 상기 윤곽선에 인접한 영역 상에 위치하도록 빔 프로파일을 갖는, 작업편을 레이저 처리하기 위한 방법.
19. 청구항 18에 있어서,
    적외선 레이저 빔은 환형 빔 프로파일을 가지며, 윤곽선의 중심에 위치되는, 작업편을 레이저 처리하기 위한 방법.
20. 청구항 18에 있어서,
    적외선 레이저 빔은 이산화탄소 레이저, 일산화탄소 레이저, 고체 레이저, 레이저 다이오드, 또는 이들의 조합에 의해 생성되는, 작업편을 레이저 처리하기 위한 방법.

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