KR20190116996A - 위상 변위된 초점 라인을 이용하여 투명 워크피스를 레이저 가공하기 위한 기기 및 방법 - Google Patents

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Abstract

투명 워크피스를 레이저 가공하는 방법은 투명 워크피스에 결함을 가진 윤곽선을 형성하는 단계를 포함하며, 이는 투명 워크피스로 지향된 펄스 레이저의 일부분이 위상 변경 광학 요소에 의해 유도되고 위상 릿지 라인을 따라 연장되는 위상 윤곽 릿지를 포함하는 단면 위상 윤곽을 가진 위상 변위된 초점 라인을 포함하도록 빔 경로를 따라 지향되고 빔 전환 요소를 통해 그리고 위상 변경 광학 요소를 통해 펄스 레이저 빔을 지향시키는 단계를 포함한다. 더욱이, 위상 변위된 초점 라인은 투명 워크피스 내에 유도 흡수를 발생하여, 중앙 결함 영역 및 위상 변위된 초점 라인의 위상 릿지 라인의 20° 내로 지향된 방사상 결함 방향으로 중앙 결함 영역으로부터 바깥으로 연장되는 방사상 아암을 포함하는 투명 워크피스 내의 결함을 생성한다.

Description

위상 변위된 초점 라인을 이용하여 투명 워크피스를 레이저 가공하기 위한 기기 및 방법
본 출원은 2017년 2월 9일 제출된 미국 가출원 번호 62/456,774의 우선권을 주장하며, 그 전체가 참조로서 본원에 포함된다.
본 발명은 일반적으로 투명한 워크피스(workpiece)를 레이저 가공하기 위한 기기 및 방법에 대한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 투명 워크피스를 분리하기 위해 투명 워크피스에 윤곽선을 형성하기 위한 것이다.
재료의 레이저 가공 구역은 다양한 형식의 재료의 절단, 드릴링, 밀링, 용접, 용융 등을 포함하는 폭넓은 응용을 포함한다. 이러한 가공들 중, 특히 관심있는 것 중 하나는, 전자 장치를 위한 박막 트렌지스터(TFT) 또는 디스플레이 재료를 위한 유리, 사파이어, 또는 융합된 실리카와 같은 재료의 생산에서 활용될 수 있는 공정에서 다양한 유형의 투명 기판을 절단 또는 분리하는 것이다.
공정 개발 및 비용 관점에서, 유리 기판의 절단 및 분리의 개선을 위한 많은 기회가 존재한다. 현재 시장에서 시판되고 있는 것보다 더 빠르고, 깨끗하고, 싸고, 더욱 반복 가능하고, 및 더욱 신뢰할만한 유리 기판의 분리 방법을 갖는 것이 큰 관심의 대상이다. 따라서, 유리 기판을 분리하기 위한 대안의 개선된 방법에 대한 필요성이 존재한다.
하나의 실시예에서, 투명한 워크피스를 레이저 가공하는 방법은 투명 워크피스에 윤곽선을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 윤곽선은 투명 워크피스에 결함을 포함한다. 윤곽선을 형성하는 단계는 빔 경로를 따라 지향되고 빔 전환 요소를 통해 빔 소스에 의해 출력된 펄스 레이저 빔(pulsed laser beam)을 지향시키는 단계 및 투명 워크피스로 지향된 펄스 레이저 빔의 일부분이 펄스 레이저 빔의 빔 전파 방향을 가로지르는 단면 위상 윤곽(cross-sectional phase contour)을 가진 위상 변위된 초점 라인(phase shifted focal line)을 포함하도록, 위상 변경 광학 요소를 통해 그리고 투명 워크피스로 펄스 레이저 빔을 지향시키는 단계를 포함한다. 또한, 단면 위상 윤곽은 위상 변경 광학 요소에 의해 유도된 하나 이상의 위상 윤곽 릿지(phase contour ridges)를 포함하며, 상기 하나 이상의 위상 윤곽 릿지는 하나 이상의 위상 릿지 라인을 따라 연장된다. 더욱이, 상기 위상 변위된 초점 라인은 투명 워크피스 내에서 유도 흡수를 발생하며, 투명 워크피스 내에 결함을 생성하는 유도 흡수는 중앙 결함 영역 및 위상 변위된 초점 라인의 하나 이상의 위상 릿지 라인의 20도(°) 내로 지향된 방사상 결함 방향으로 중앙 결함 영역으로부터 바깥으로 연장되는 적어도 하나의 방사상 아암을 포함한다.
다른 실시예에서, 투명 워크피스를 레이저 가공하기 위한 방법은 투명 워크피스의 펄스 레이저 빔을 국한시키는 단계를 포함하고, 펄스 레이저 빔은 빔 전파 방향으로 광학 경로를 따라 전파되고, 투명 워크피스의 손상 임계점을 초과하기 충분한 펄스 에너지 및 펄스 지속시간을 가지며 투명 워크피스의 이미지화 표면으로 축대칭 빔 스폿을 투영하고 상기 축대칭 빔 스폿에 단면 위상 윤곽을 갖는 위상 변위된 초점 라인을 갖는다. 추가로, 단면 위상 윤곽은 위상 릿지 라인을 따라 단면 위상 윤곽을 따라 연장되는 하나 이상의 위상 윤곽 릿지를 포함한다. 더욱이, 위상 변위된 초점 라인은 투명 워크피스 내에 유도 흡수를 발생하며, 상기 유도 흡수는 중앙 결함 영역 및 상기 위상 변위된 초점 라인의 하나 이상의 위상 릿지 라인의 20도 내에서 지향된 방사상 결함 방향으로 상기 중앙 결함 영역으로부터 바깥으로 연장되는 적어도 하나의 방사상 아암을 갖는 투명 워크피스 내에 결함을 생성한다.
또 다른 실시예에서, 투명 워크피스를 레이저 가공하기 위한 방법은 투명 워크피스에 윤곽선을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 윤곽선은 투명 워크피스에 결함을 포함한다. 상기 윤곽선을 형성하는 단계는 빔 경로를 따라 지향되고 비구면 광학 요소를 통해 빔 소스에 의해 출력된 펄스 레이저 빔을 지향시키는 단계와 위상 변경 광학 요소를 통해 그리고 투명 워크피스로 펄스 레이저 빔을 지향시키는 단계를 포함하여, 투명 워크피스로 지향된 펄스 레이저 빔의 일부분은 위상 변위된 초점 라인을 포함한다. 상기 위상 변위된 초점 라인은 후미부로부터 위상 변위된 선두부를 포함하여 위상 변위된 초점 라인의 후미부가 투명 워크피스를 조사하기 전에 위상 변위된 초점 라인의 선두부는 투명 워크피스를 조사한다. 또한, 위상 변위된 초점 라인은 투명 워크피스 내에 유도 흡수를 발생하고, 상기 유도 흡수는 중앙 결함 영역 및 방사상 결함 방향으로 상기 중앙 결함 영역으로부터 바깥쪽으로 연장되는 적어도 하나의 방사상 아암을 포함한다. 더욱이, 위상 변위된 초점 라인은 투명 워크피스의 이미지화 표면으로 축대칭 빔 스폿을 투영시킨다.
본원에 설명된 공정 및 시스템의 추가적인 특징 및 이점은 다음의 상세한 설명에서 제시될 것이며, 일부분은 상기 설명으로부터 당업자에게 쉽게 이해될 것이며, 다음의 상세한 설명, 청구 범위, 및 첨부된 도면을 포함하여, 본원에 설명된 실시예를 구현함으로써 쉽게 이해될 것이다.
전술한 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명 모두가 다양한 실시예를 설명하고 청구된 주제의 본질 및 특성을 이해하기 위한 개요 또는 프레임워크를 제공하려는 것이라고 이해되어야 한다. 첨부된 도면은 다양한 실시예의 추가 이해를 제공하기 위해 포함되며, 본 명세서의 일부에 포함되고 이를 구성한다. 상기 도면들은 본원에 설명된 다양한 실시예를 나타내며, 이와 함께 청구된 주제의 원리 및 작동을 설명을 나타낸다.
도면에서 제시된 실시예는 본질적으로 예시적인 것이며, 청구 범위에 의해 정의된 주제를 제한하려는 것이 아니다. 예시의 실시예의 다음의 상세한 설명은 다음의 도면과 함께 읽혀질 때 이해될 수 있으며, 유사한 구조는 유사한 참조 번호로 나타낸다.
도 1a는 본원에 기재된 하나 이상의 실시예에 따라, 결함의 윤곽선의 형성을 개략적으로 도시한다.
도 1b는 본원에 기재된 하나 이상의 실시예에 따라, 투명 워크피스의 가공 중 예시의 위상 변위된 초점 라인을 개략적으로 도시한다.
도 2a는 본원에 기재된 하나 이상의 실시예에 따라, 투명 워크피스 내에 윤곽선을 형성하기 위해 원하는 분리선을 가로지르는 하나 이상의 위상 윤곽 릿지를 가진 빔 스폿 및 단면 위상 윤곽을 개략적으로 도시한다.
도 2c는 본원에 기재된 하나 이상의 실시예에 따라, 빔 스폿 내의 방사상 위치의 함수로서 빔 스폿의 상대적인 강도를 그래프로 도시한다.
도 3은 본원에 기재된 하나 이상의 실시예에 따라, 펄스 레이저 가공을 위한 광학 조립체의 종래의 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 4는 본원에 기재된 하나 이상의 실시예에 따라, 오프셋 렌즈를 포함하는 펄스 레이저 가공을 위한 광학 조립체의 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 5는 본원에 기재된 하나 이상의 실시예에 따라, 오프셋 복합 렌즈를 포함하는 펄스 레이저 가공을 위한 광학 조립체의 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 6a는 본원에 기재된 하나 이상의 실시예에 따라, 본원에 기재된 하나 이상의 실시예에 따른, 시간에 대한 예시의 펄스 버스트 내에서의 레이저 펄스의 상대적인 강도를 그래프로 도시한다.
도 6b는 본원에 기재된 하나 이상의 실시예에 따라, 다른 예시의 펄스 버스트 내에서의 시간에 대한 레이저 펄스의 상대적인 강도를 그래프로 도시한다.
도 7a는 본원에 기재된 하나 이상의 실시예에 따라, 도 3의 광학 조립체를 이용하여 형성된 비-위상 변위된 초점 라인의 단면 강도 프로파일을 도시한다.
도 7b는 본원에 기재된 하나 이상의 실시예에 따라, 도 7a의 비-위상 변위된 초점 라인의 단면 강도 프로파일을 도시한다.
도 7c는 본원에 기재된 하나 이상의 실시예에 따라, 도 7a 및 7b의 비-위상 변위된 초점 라인을 이용하여 투명 워크피스에 형성된 예시의 결함을 도시한다.
도 8a는 본원에 기재된 하나 이상의 실시예에 따라, 도 5의 광학 조립체를 이용하여 형성된 위상 변위된 초점 라인의 단면 강도 프로파일을 도시한다.
도 8b는 본원에 기재된 하나 이상의 실시예에 따라, 도 8a의 위상 변위된 초점 라인의 단면 강도 프로파일을 도시한다.
도 8c는 본원에 기재된 하나 이상의 실시예에 따라, 도 8a 및 8b의 위상 변위된 초점 라인을 이용하여 투명 워크피스에 형성된 예시의 결함을 도시한다.
도 9a는 본원에 기재된 하나 이상의 실시예에 따라, 도 5의 광학 조립체를 이용하여 형성된 다른 위상 변위된 초점 라인의 단면 강도 프로파일을 도시한다.
도 9b는 본원에 기재된 하나 이상의 실시예에 따라, 도 9a의 위상 변위된 초점 라인의 단면 위상 프로파일을 도시한다.
도 9c는 본원에 기재된 하나 이상의 실시예에 따라, 도 9a 및 9b의 위상 변위된 초점 라인을 이용하여 투명 워크피스에 형성된 예시의 결함을 도시한다.
도 10a는 본원에 기재된 하나 이상의 실시예에 따라, 도 4의 광학 조립체를 이용하여 형성된 위상 변위된 초점 라인의 단면 강도 프로파일을 도시한다.
도 10b는 본원에 기재된 하나 이상의 실시예에 따라, 도 10a의 위상 변위된 초점 라인의 단면 위상 윤곽을 도시한다.
도 10c는 본원에 기재된 하나 이상의 실시예에 따라, 도 10a 및 10b의 위상 변위된 초점 라인을 이용하여 투명 워크피스에 형성된 예시의 결함을 도시한다.
도 11a는 본원에 기재된 하나 이상의 실시예에 따라, 도 4의 광학 조립체를 이용하여 형성된 위상 변위된 초점 라인의 단면 강도 프로파일을 도시한다.
도 11b는 본원에 기재된 하나 이상의 실시예에 따라, 도 11a의 위상 변위된 초점 라인의 단면 위상 윤곽을 도시한다.
도 11c는 본원에 기재된 하나 이상의 실시예에 따라, 도 11a 및 11b의 위상 변위된 초점 라인을 이용하여 투명 워크피스에 형성된 예시의 결함을 도시한다.
도 12a는 본원에 기재된 하나 이상의 실시예에 따라, 도 4의 광학 조립체를 이용하여 형성된 위상 변위된 초점 라인의 단면 강도 프로파일을 도시한다.
도 12b는 본원에 기재된 하나 이상의 실시예에 따라, 도 12a의 위상 변위된 초점 라인의 단면 위상 윤곽을 도시한다.
도 12c는 본원에 기재된 하나 이상의 실시예에 따라, 도 12a 및 12b의 위상 변위된 초점 라인을 이용하여 투명 워크피스에 형성된 예시의 결함을 도시한다.
유리 워크피스와 같은, 투명 워크피스를 레이저 가공하기 위한 공정의 실시예에 대해 자세하게 참조할 것이며, 그 예시가 첨부된 도면에 도시된다. 가능한, 동일하거나 유사한 부분을 나타내기 위해 도면 전체적으로 동일한 참조 번호가 사용될 것이다. 본원에 기재된 하나 이상의 실시예에 따라, 투명 워크피스는 레이저 가공되어 투명 워크피스를 둘 이상의 부분으로 원하는 분리하는 일련의 결함을 포함하는 투명 워크피스에 윤곽선을 형성할 수 있다. 하나의 실시에에 따라, 펄스 레이저는 하나 이상의 광학 구성요소를 통해 펄스 레이저 빔을 출력하여, 펄스 레이저 빔은 위상 릿지 라인을 따라 연장되는 하나 이상의 위상 윤곽 릿지를 가진 단면 위상 윤곽을 가진 위상 변위된 초점 라인을 투영한다. 위상 변위된 초점 라인은 투명 워크피스의 일련의 결함을 생성하여 윤곽선을 형성하기 위해 활용될 수 있다. 이러한 결함은 본원의 다양한 실시예에서, 워크피스의 선 결함, 천공, 나노-천공으로서 나타낼 수 있다. 또한, 이러한 결함은 중앙 결합 영역 및 위상 변위된 초점 라인의 하나 이상의 위상 릿지 라인에 상응하는 방사상 결함 방향으로 주로 형성되는 방사상 아암(arm)을 포함할 수 있다(예컨대, 하나 이상의 위상 릿지 라인의 약 30도 이내에서 지향된, 예를 들어, 하나 이상의 위상 릿지 라인의 약 20도 내에서, 하나 이상의 위상 릿지 라인의 10도, 하나 이상의 위상 릿지 라인의 5도 등 내로 지향된, 예를 들어, 하나 이상의 위상 릿지 라인에 평행한). 일부 실시예에서, 공정은 예를 들어, 윤곽선에 인접한 투명 워크피스의 구역을 가열하거나 또는 투명 워크피스를 구부리거나, 스크라이브(scribe)하거나, 또는 달리 기계적으로 응력을 가하도록 구성된 적외선 레이저 또는 다른 레이저를 이용하여, 윤곽선을 따라 투명 워크피스를 분리하는 단계를 더욱 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 투명 워크피스는 분리를 야기하도록 기계적으로 응력을 받을 수 있으며, 또는 분리가 자연스럽게 일어날 수 있다. 이론에 의해 제한되는 것은 아니지만, 윤곽선에서 투명 워크피스에 응력을 가하는 것은 윤곽선을 따라 균열을 전파할 수 있다. 윤곽선을 따른 각각의 결함의 방사상 아암의 방향을 제어함으로써, 균열 전파는 더 잘 제어될 수 있다. 투명 워크피스를 가공하기 위한 방법 및 기기의 다양한 실시예는 첨부된 도면을 특히 참고하여 본원에서 설명될 것이다.
본원에 사용된, "투명 워크피스(transparent workpiece)"라는 문구는 투명한 유리 또는 유리-세라믹으로 형성된 워크피스를 의미하며, 본원에 사용된 "투명"이라는 용어는 재료 깊이 mm 당 약 20% 이하의 광학 흡수, 예컨대, 특정 펄스 레이저 파장에 대해 재료 깊이 mm 당 약 10% 이하, 또는 특정 펄스 레이저 파장에 대해 재료 깊이 mm 당 약 1% 이하의 광학 흡수를 가진 재료를 의미한다. 하나 이상의 실시예에 따라, 투명 워크피스는 약 50 미크론 내지 약 10 mm의 두께를 가질 수 있다(예컨대, 약 100 미크론 내지 약 5 mm, 또는 약 0.5 mm 내지 약 3 mm).
하나 이상의 실시예에 따라서, 본 발명은 워크피스를 가공하기 위한 방법을 제공한다. 본원에 사용된 것과 같은, "레이저 가공"은 워크피스에 윤곽선을 형성하는 것과, 워크피스를 분리하는 것, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 투명 워크피스는 예컨대, 붕규산 유리(borosilicate glass), 소다-석회 유리, 알루미노실리케이트 유리(aluminosilicate glass), 알칼리 알루미노실리케이트 유리, 알칼리 토류 알루미노실리케이트 유리, 알칼리 토류 보로-알루미노실리케이트(boro-aluminosilicate) 유리, 융합 실리카, 또는 사파이어, 실리콘, 갈륨 비소(gallium arsenide), 또는 이들의 조합과 같은 결정성 재료와 같은, 유리 조성물로 형성된 유리 워크피스를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 유리는 이온 교환될 수 있으며, 유리 조성물은 투명 워크피스를 레이저 가공하기 전 또는 이후 기계적인 강화를 위해 이온 교환을 겪을 수 있다. 예를 들어, 투명 워크피스는 코닝, NY의 코닝 인코포레이티드에서 이용할 수 있는 코닝 고릴라® 유리(예컨대, code 2318, code 2319, 및 code 2320)와 같은 이온 교환된 및 이온 교환 가능한 유리를 포함할 수 있다. 또한, 이러한 이온 교환된 유리는 약 6 ppm/℃ 내지 약 10 ppm/℃의 열팽창계수(CTE)를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 투명 워크피스의 유리 조성물은 약 1.0 mol.% 붕소 이상을 포함할 수 있고 및/또는 제한 없이, B2O3를 포함하는 붕소를 함유한 화합물을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 투명 워크피스가 형성되는 유리 조성물은 붕소의 산화물의 약 1.0 mol.% 이하를 포함할 수 있으며 및/또는 붕소 함유 화합물을 포함할 수 있다. 더욱이, 투명 워크피스는 예를 들어, 사파이어 또는 셀렌화 아연과 같은 결정과 같은 레이저의 파장에 대해 투명한 다른 조성물을 포함할 수 있다.
일부 투명한 워크피스는 디스플레이 및/또는 TFT(박막 트렌지스터) 기판으로 활용될 수 있다. 디스플레이 또는 TFT 사용에 적합한 이러한 유리 또는 유리 조성물의 일부 예시는 NY 코닝의 코닝 코포레이티드로부터 이용할 수 있는 EAGLE XG®, CONTEGO, 및 CORNING LOTUSTM 이다. 알칼리 토류 보로-알루미노실리케이트 유리 조성물은 제한 없이, TFT용 기판을 포함하여 전자 분야를 위한 기판으로서 사용을 위해 적합하도록 조성될 수 있다. 통상적으로 TFT와 함께 사용되는 유리 조성물은 실리콘의 것(예컨대, 5 x 10-6/K 이하, 또는 4 x 10-6/K 이하, 예를 들어, 약 3 x 10-6/K, 또는 약 2.5 x 10-6/K 내지 약 3.5 x 10-6/K)과 유사한 CTE를 가지며, 유리 내에 낮은 수준의 알칼리를 갖는다. 알칼리 도펀트(alkali dopants)는 일부 조건 하에서 유리로부터 침출되어 TFT를 오염시키거나 "중독"하여, TFT를 작동 불가능하게 할 수 있기 때문에, 낮은 수준의 알칼리(예컨대, 약 0 wt.% 내지 2 wt.%의 규제량, 예컨대, 1 wt.% 이하, 예를 들어, 0.5 wt.% 이하)기 TFT 분야에 사용될 수 있다. 실시예에 따라, 본원에 기재된 레이저 절단 공정은 워크피스 무결성 및 강도를 보존하며, 무시해도 될 정도의 파편들, 최소 파편들, 및 에지에 대한 낮은 하위 표면 손상을 가진 제어된 방식으로 투명 워크피스를 분리하는데 사용될 수 있다.
본원에 사용된 "윤곽선"이란 문구는 투명 워크피스가 그를 따라 적절한 가공 조건에 노출될 때 복수의 부분으로 분리되는 투명 워크피스의 표면 상의 원하는 분리선을 따라 형성된 선을 의미한다(예컨대, 선, 곡선 등). 윤곽선은 일반적으로 다양한 기술을 이용하여 투명 워크피스로 유도된 하나 이상의 결함으로 구성된다. 본원에 사용된 바와 같이, "결함"은 투명 워크피스에서의(벌크 재료(bulk material)에 비해) 변형된 재료의 구역, 빈 공간, 스크래치, 흠집, 구멍, 또는 다른 변형을 포함할 수 있으며, 이는 자외선 레이저 가공, 기계적인 응력, 또는 다른 분리 공정과 같은 추가 가공에 의해 또는 자연적인 분리를 가능한다. 더욱이, 각각의 결함은 중앙 결함 영역 및 투명 워크피스의 이미지화 표면을 따른 중앙 결함 영역으로부터 바깥으로 연장되는 하나 이상의 방사상 아암을 포함할 수 있다. 본원에 사용된 바와 같이, 투명 워크피스의 "이미지화 표면"은 펄스 레이저 빔이 초기에 투명 워크피스와 접촉하는 투명 워크피스의 표면이다.
아래에 더욱 자세하게 설명된 바와 같이, 하나 이상의 방사상 아암의 방사상 방향은 투명 워크피스를 조사하는 위상 변위된 초점 라인의 단면 위상 윤곽의 방향에 의해 제어될 수 있다. 하나의 예시로서, 하나 이상의 위상 릿지 라인을 따라 연장되는 하나 이상의 위상 윤곽 릿지를 포함하는 위상 변위된 초점 라인을 포함하는 펄스 레이저 빔은 투명 워크피스의 이미지화 평면을 조사하여 중앙 결함 영역 및 예를 들어, 하나 이상의 위상 릿지 라인의 약 30도(°) 이내로 지향된, 예를 들어, 하나 이상의 위상 릿지 라인의 약 20도 이내, 하나 이상의 위상 릿지 라인의 10도 이내, 하나 이상의 위상 릿지 라인의 5도, 등 이내로 지향된, 예를 들어, 하나 이상의 위상 릿지 라인에 평행한, 하나 이상의 위상 릿지 라인에 상응하는 방사상 결함 방향으로 중앙 결함 영역으로부터 연장되는 하나 이상의 방사상 아암을 포함하는 결함을 발생할 수 있다. 또한, 중앙 결함 영역은 위상 변위된 초점 라인에 의해 투명 워크피스의 이미지화 표면으로 투영된 빔 스폿의 중앙과 실질적으로 같은 위치에 있을 수 있다.
유리 기판 등과 같은, 투명 워크피스는, 먼저 워크피스의 표면에 윤곽선을 형성하고, 이후, 열 응력과 같은 워크피스에 응력을 생성하기 위한 윤곽선에 워크피스의 표면을, 예를 들어, 자외선 레이저를 이용하여, 가열하여 복수의 부분으로 분리될 수 있다. 응력은 궁극적으로 윤곽선을 따라 워크피스의 분리를 야기한다. 또한, 단면 위상 윤곽의 하나 이상의 위상 윤곽 릿지가 원하는 분리선을 실질적으로 따라 또는 거의 평행하게 연장되는 하나 이상의 위상 릿지 라인을 따라 또는 거의 평행하게 연장되도록 지향된 위상 변위된 초점 라인을 가진 펄스 레이저 빔을 이용하여 각각의 결함이 형성될 때, 윤곽선을 따라 투명 워크피스에 결함을 가함으로써 야기된 균열 전파는 원하는 분리선으로 연장될 수 있다. 원하는 분리선의 방향으로 연장되는 방사상 아암을 가진 결함을 형성하는 것은 분리전 윤곽선이 존재하는 분리된 투명 워크피스의 에지(edge)에 대한 손상 없이, 임의로 연장되는 방사상 아암 또는 비 방사상 아암을 가진 결함보다 더 큰 이격 거리로 결함이 이격되도록 할 수 있다. 더욱이, 원하는 분리선의 방향을 따른 방사상 결합 방향으로 연장되는 방사상 아암을 가진 결함을 형성하는 것은 분리 전에 윤곽선 존재하는 분리된 투명 워크피스의 에지에 손상을 제한하며, 워크피스에 적용된 열 에너지와 같은, 적은 응력, 예컨대 적은 에너지에 의해 균열 전파가 발생되게 한다. 반대로, 결함이 임의로 연장되는 방사상 아암 또는 비 방사상 아암을 포함할 때, 균열은 분리된 투명 워크피스의 에지를 약화시키는 분리된 투명 워크피스의 에지에 일반적으로 수직인 방향(즉, 윤곽선에 의해 표시된 원하는 분리선에 일반적으로 수직하는)으로 분리된 에지로부터 전파될 수 있다.
예시의 방식으로 도 1a 및 1b를 이제 참고하면, 유리 워크피스 또는 유리-세라믹 워크피스와 같은, 투명 워크피스(160)는 본원에 개시된 방법에 따라 가공을 겪는 것으로 개략적으로 도시된다. 도 1a 및 1b는, 병진 방향(101)으로 투명 워크피스에 대해 펄스 레이저 빔(112)을 병진시킴으로써 형성될 수 있는, 투명 워크피스(160)의 윤곽선(170)의 형성을 도시한다. 도 1a 및 1b는 빔 경로(111)를 따르며, 위상 변경 광학 요소(140), 예를 들어, 하나 이상의 렌즈(130)(예컨대, 아래에 기재된 바와 같은 제1 초점 렌즈(132))를 이용하여 펄스 레이저 빔(112)이 투명 워크피스(160) 내에 위상 변위된 초점 라인(113)으로 초점이 맞춰질 수 있도록 지향된 펄스 레이저 빔(112)을 도시한다. 또한, 위상 변위된 초점 라인(113)은 아래에 더욱 자세하게 정의된 바와 같이, 준 비-회절 빔(quasi non-diffracting beam)의 일부이다.
도 1a 및 1b는 펄스 레이저 빔(112)이 투명 워크피스(160)의 이미지화 표면(162)으로 투영된 빔 스폿(114, beam spot)을 형성하는 것을 도시한다. 본원에 사용된 바와 같이, "빔 스폿"은 워크피스(예컨대, 투명 워크피스(160))와의 첫 번째 접촉 지점에서 레이저 빔(예컨대, 펄스 레이저 빔(112))의 강도 단면을 나타낸다. 일부 실시예에서, 위상 변위된 초점 라인(113)은 빔 경로(111)에 수직한 방향의 축대칭 강도 단면(예컨대, 축대칭 빔 스폿)을 포함할 수 있으며 다른 실시예에서, 위상 변위된 초점 라인(113)은 빔 경로(111)에 수직한 방향의 비-축대칭 강도 단면(예컨대, 비-축대칭 빔 스폿)을 포함할 수 있다. 본원에 사용된 바와 같이, "축대칭"은 중심축을 중심으로 형성된 어떤 임의의 회전 각도에 대해, 대칭이거나 또는 동일한 것을 나타내는 형태를 나타내며, "비-축대칭"은 중심축에 대해 형성된 어떤 임의의 회전 각도에 대해 대칭되지 않는 형태를 나타낸다. 원형 빔 스폿은 축대칭 빔 스폿의 예시이며 타원형 빔 스폿은 비-축대칭 빔 스폿의 예시이다. 회전 축(예컨대, 중심축)은 레이저 빔의 전파 축(예컨대, 빔 경로(111))으로서 여겨진다. 또한, 빔 스폿(114)은 빔 스폿(114)의 피크 강도(peak intensity)의 위치인 단면 중심(115)을 포함하며 빔 스폿의 기하학적 중심 또는 그 근처일 수 있다. 빔 스폿(114)의 피크 강도는 아래에서, 도 2c에 그래프로 도시된 것과 같이, 가우스-베셀 빔(Gauss-Bessel beam)의 피크 강도일 수 있다. 비-축대칭 빔 단면을 포함하는 예시의 펄스 레이저 빔은 "Apparatus and Methods for Laser Processing Transparent Workpieces Using Non-Axisymmetric Beam Spots"이란 명칭의 미국 임시 특허 출원 번호 62/402,337에서 더욱 자세하게 설명되며, 그 전체가 본원에 참고로 포함된다.
도 2a를 또한 참고하면, 윤곽선(170)은 원하는 분리선(165)을 따라 연장되며 투명 워크피스(160)가 둘 이상의 부분으로 분리될 수 있는 의도된 분리선을 기술한다. 윤곽선(170)은 투명 워크피스(160)의 표면으로 연장되고 윤곽선(170)을 따라 분리 부분으로 투명 워크피스(160)의 분리를 위하여 균열 전파를 위한 경로를 설정하는 복수의 결함(172)을 포함한다. 윤곽선(170)이 도 1a 및 도 2a에 실질적으로 선으로 도시되지만, 다른 구성이 고려되고, 제한 없이, 곡선, 패턴, 규칙적인 기하학적 형상, 불규칙적인 형상 등을 포함하는 것이 가능함을 이해해야 한다.
도 2a에 도시된 것과 같이, 각각의 결함(172)은 중앙 결함 영역(174) 및 빔 경로(111)에 실질적으로 수직한 방향으로(예컨대, 도 1a, 1b, 및 2a에 도시된 것과 같은 X 및/또는 Y방향으로) 바깥으로 연장되는 하나 이상의 방사상 아암(176)을 포함한다. 작동 중, 윤곽선(170)의 결함(172)이 형성된 후, 예를 들어, 본원에 기재된 방법 및 시스템을 이용하여, 결함(172)은 윤곽선(170)을 따라 투명 워크피스(160)의 분리를 유도하도록 후속 분리 단계에서 추가로 작용할 수 있다. 후속 분리 단계는 투명 워크피스(160)의 형식, 두께, 및 구조에 따라, 투명 워크피스에서의 응력 존재로 인해 일어나는 기계적 힘, 열응력 유도력, 또는 자연적인 파괴를 이용하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 응력은 추가적인 가열 또는 기계적인 분리 단계 없이 자연적인 분리를 야기할 수 있는 투명 워크피스(160)에 존재할 수 있다.
도 1a, 1b, 및 2a를 참고하면, 본원에 개시된 실시예에서,(투명 워크피스(160)로 투영된 빔 스폿(114)을 가진) 펄스 레이저 빔(112)은 투명 워크피스(160)로 지향될 수 있다(예컨대, 투명 워크피스(160)의 두께의 적어도 일부분을 통해 관통하는 높은 종횡비 라인 포커스로 집중된다). 이는 위상 변위된 초점 라인(113)과 같은 펄스 레이저 빔 초점 라인을 형성한다. 또한, 빔 스폿(114)은 위상 변위된 초점 라인(113)의 예시의 강도 단면이며 위상 변위된 초점 라인(113)은 또한 위상 변위된 초점 라인(113)이 투명 워크피스(160)를 조사하고 투명 워크피스(160)의 적어도 일부를 관통할 때 단면 위상 윤곽(150)을 포함한다. 본원에 사용된 바와 같이, "단면 위상 윤곽"은 펄스 레이저 빔(112)의 빔 전파 방향에 직교하는 위상 변위된 초점 라인(113)의 단면 위상 분포를 나타낸다. 하나의 예시의 단면 위상 윤곽(150)은 빔 스폿(114)에 형성된다. 더욱이, 빔 스폿(114) 및 단면 위상 윤곽(150)이 동일한 위치에(예컨대, 투명 워크피스(10)의 이미지화 평면(162)에) 형성될 수 있지만, 빔 스폿(114)은 위상 변위된 초점 라인(113)의 예시의 강도 단면이며 단면 위상 윤곽(150)이 위상 변위된 초점 라인(113)의 예시의 단면 위상 분포라는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 도 2a 및 2b에 도시된 실시예에서, 단면 위상 윤곽(150)은 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)의 물리적 단면의 각각의 특성이며 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)의 강도 및 위상 분포를 나타낸다.
또한, 펄스 레이저 빔(112)은 윤곽선(170)의 복수의 결함(172)을 형성하기 위해 투명 워크피스(160)에 대해(예컨대, 병진 방향(101)으로) 이동될 수 있다. 투명 워크피스(160)로 펄스 레이저 빔(112)을 지향시키거나 또는 국한시키는 것은, 예를 들어, 결함(172)을 형성하기 위해 원하는 분리선(165)을 따라 이격된 위치에 투명 워크피스(160)에서의 화학적 접착을 파괴하기 위한 충분한 에너지를 배치하여, 투명 워크피스(160)의 일부가 파괴되게 한다. 하나 이상의 실시예에 따라, 펄스 레이저 빔(112)은 투명 워크피스(160)의 움직임(예컨대, 투명 워크피스(160)에 결합된 병진 스테이지(190)의 움직임), 펄스 레이저 빔(112)의 움직임(예컨대, 위상 변위된 초점 라인(113)의 움직임), 또는 투명 워크피스(160) 및 위상 변위된 초점 라인(113) 모두의 움직임에 의해 투명 워크피스(160)를 가로질러 이동될 수 있다. 투명 워크피스(160)에 대해 위상 변위된 초점 라인(113)을 이동시킴으로써, 복수의 결함(172)은 투명 워크피스(160)에 형성될 수 있다.
도 2a 및 2b를 참고하면, 위상 변위된 초점 라인(113)의 단면 위상 윤곽(150)은 복수의 방사상 위상 링(152, radial phase rings)을 포함하고 하나 이상의 위상 윤곽 릿지(154)를 추가로 포함할 수 있다. 방사상 위상 링(152)은 복수의 방사상으로 대칭인 동심의 위상 윤곽이다. 또한, 방사상 위상 링(152)은 점진적으로 더 큰 반경을 포함한다. 각각의 인접한 방사상 위상 링(152)들 사이의 방사상 이격 거리는 위상의 상대적인 경사를 나타낸다. 도 2a 및 2b에 도시된 실시예에서, 방사상 이격 거리는 일정하며, 이는 일정한 상대적 위상 경사를 나타내고, 그러나, 다른 실시예에서, 방사상 이격 거리는 변할 수 있다. 이론에 의해 제한되지는 않지만, 복수의 방사상 위상 링(152)이 도 3-5에 도시된, 빔 전환 요소(120)를 통해(예컨대, 액시콘 렌즈와 같은, 비구면 광학 요소(122)를 통해) 펄스 레이저 빔(112)을 지향시킴으로써 유도되는 것으로 여겨진다.
도 2a 및 2b를 다시 참고하면, 하나 이상의 위상 윤곽 릿지(154)는 방사상으로 대칭이 아닌 복수의 위상 윤곽을 포함한다. 도 2a 및 2b에 도시된 실시예에서, 위상 윤곽 릿지(154)는 각각의 인접한 방사상 위상 링(152) 사이의 방사상 이격 거리보다 더 큰 이격 거리만큼 인접한 위상 윤곽 릿지(154)에서 이격되며, 그러나, 다른 실시예에서, 위상 윤곽 릿지(154)는 각각의 인접한 방사상 위상 링(152) 사이의 방사상 이격 거리 이하의 이격 거리만큼 인접한 위상 윤곽 릿지(154)에서 이격될 수 있다. 또한, 위상 윤곽 릿지(154)는 하나 이상의 위상 릿지 라인(151)을 따라 연장된다. 위상 릿지 라인(151)은 위상 윤곽 릿지(154)의 방향의 선형 근사치이며, 각각의 위상 윤곽 릿지(154)는 굴곡진 형상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 각각의 위상 릿지 라인(151)은 중심점(155)에서 위상 윤곽 릿지(154)와 접촉하는 개별 위상 윤곽 릿지(154)의 탄젠트 선이며, 이는 빔 스폿(114)의 단면 중심(115)에 가장 가까운 각 개별 위상 윤곽 릿지(154)를 따른 위치이며(예컨대, 도 2c에 도시된 빔 스폿(114)의 피크 강도의 위치), 전술한 바와 같이, 빔 스폿(114)은 단면 위상 윤곽(150) 근처 또는 함께 위치될 수 있다. 하나의 예시로서, 각각의 개별 위상 윤곽 릿지(154)는 대략적으로 개별 위상 릿지 라인(151)을 따라 연장되고 그리고 일부 실시예에서; 하나 이상의 위상 윤곽 릿지(154)의 위상 릿지 라인(151)은 실질적으로 평행하다. 이론에 의해 제한되는 것은 아니지만, 위상 윤곽 릿지(154)는 위상 변위된 초점 라인(113)의 위상 변경을 나타내며 빔 스폿(114)의 빔 강도 분포 및 크기에 영향을 미치지 않거나 최소로 갖는다.
도 2a 및 2b를 또한 참고하면, 단면 위상 윤곽(150)은 주어진 시간에 펄스 레이저 빔(112), 특히, 위상 변위된 초점 라인(113)의 상대적 위치를 나타낸다. 이론에 제한받지 않지만, 하나 이상의 위상 윤곽 릿지(154)를 포함하는 단면 위상 윤곽(150)을 발생함으로써, 투명 워크피스(160)의 재료의 오직 일부만이 특정 시간에 위상 변위된 초점 라인(113)과 상호 작용을 한다(예컨대, 투명 워크피스(160)로의 흡수를 유도하여 결함(172)을 생성하기 위해 충분한 비-선형 강도로 재료의 일부를 조사함). 또한, 특정 시간에 투명 워크피스(160)와 상호 작용을 하는 위상 변위된 초점 라인(113)의 일부분은 위상 윤곽 릿지(154)이며, 이는 위상 릿지 라인(151)을 따라 연장된다. 따라서, 이론에 한정되지 않지만, 위상 변위된 초점 라인(113)의 위상에서의 단일 2π 진전 이내에 특정 시간에 따라, 위상 윤곽 릿지(154)는 인접한 위상 윤곽 릿지(154) 사이의 상대적 간격을 일정하게 유지하고 위상 릿지 라인(151)을 따른 방향을 유지하면서 단면 위상 윤곽(150) 내에 상이한 국부 위치에 위치될 수 있다고 여겨진다. 이론에 한정되지 않지만, 하나 이상의 위상 윤곽 릿지(154)가 일부 실시예에서 도 4 및 5에 도시된 바와 같이, 빔 경로(111)로부터 오프셋되어 위치된 하나 이상의 렌즈(130) 중 적어도 하나를 포함하는, 위상 변경 광학 요소(140)를 통해 펄스 레이저 빔을 지향시킴으로써 유도된다고 여겨진다.
또한, 이론에 한정되지 않지만, 위상 변위된 초점 라인(113)은 선두부와 후미부를 포함할 수 있다. 위상 변위된 초점 라인(113)의 선두부는 위상 변위된 초점 라인(113)의 후미부로부터 위상 변위되어 위상 변위된 초점 라인(113)의 후미부가 투명 워크피스(160)의 이미지화 표면(162)을 조사하기 전에 위상 변위된 초점 라인의 선두부가 투명 워크피스(160)의 이미지화 표면(162)을 조사한다. 위상 변위된 초점 라인(113)이 투명 워크피스(160)의 이미지화 표면(162)을 처음에 조사할 때, 위상 변위된 초점 라인(113)의 선두부는 이미지화 표면(162)에 입사된 빔 스폿(114)의 단면 중앙(115)에 가장 가까운(및 이로써 피크 강도 근처의) 단면 위상 윤곽(150)의 하나 이상의 위상 윤곽 릿지(154)를 포함하며, 위상 변위된 초점 라인(113)의 선두부는 실질적으로 위상 릿지 라인(151)을 따라 또는 대략적으로 지향된다. 결과적으로, 위상 변위된 초점 라인(113)에 대한 투명 워크피스(160)의 재료 반응은 방사상으로 대칭이지 않으며 대신 위상 릿지 라인(151)을 따라 실질적으로 연장되며, 결국 임의적인 균열 대신, 방향성있는 균열을 야기한다.
따라서, 작업 중, 단면 위상 윤곽(150)은 투명 워크피스(160)에 펄스 레이저 빔(112)에 의해 형성된 결함(172)의 단면 형상에 영향을 미칠 수 있다. 결함(172)의 단면 형상은 펄스 레이저 빔(112)의 전파 방향에 수직한 방향의 결함의 형상을 나타낸다. 예를 들어, 레이저 빔이 투명 워크피스(160)의 이미지화 표면(162)에 수직으로 입사된 경우, 결함(172)의 단면 형상은 이미지화 표면(162)의 평면, 또는 워크피스의 이미지화 표면(162)의 평면에 평행한 임의의 평면에서의 결함(172)의 형상과 일치한다.
하나 이상의 위상 윤곽 릿지(154)를 가진 단면 위상 윤곽(150)을 발생하는 것은 분리된 부분에서의 더욱 효과적인 절단, 더 적은 결함, 및 더 높은 에지 강도를 야기한다. 이론에 한정되지 않지만,원하는 분리선(165)을 따라 또는 평행하게(또는 대략적으로 따라서 또는 평행하게) 지향된, 위상 릿지 라인(151)을 따라 연장되는 하나 이상의 위상 윤곽 릿지(154)를 가진 단면 위상 윤곽(150)을 포함하는 위상 변위된 초점 라인(113)은 절단 궤적을 따라 균열 방향을 지향시킴으로써 절단을 개선한다고 여겨진다. 하나 이상의 위상 윤곽 릿지(154)를 포함하지 않는 단면 위상 윤곽(150)의 경우, 손상 영역의 형상에 관련된 응력이 손상 영역 근처에 그러나 무작위 방향으로 집중된다고 여겨진다. 무작위 응력 방향은 절단의 의도된 궤적으로부터 멀어지는 방향의 파단을 야기하는 것으로 여겨지며, 분리된 부분에서의 미세 균열 및 다른 결함으로서 나타낸다. 그러한 미세 균열 및 결함은 벌크 및/또는 분리된 부분의 에지의 기계적 강도를 감소시킨다고 여겨진다. 원하는 분리선(165)을 따라 또는 평행하게(또는 대략적으로 따르거나 평행하게) 지향된 위상 릿지 라인(151)을 따라 연장되는 하나 이상의 위상 윤곽 릿지(154)를 가진 단면 위상 윤곽(150)을 채용함으로써, 손상 영역 형성과 관련된 결함 또는 균열은 원하는 분리선(165)으로부터 멀어지는 방향의 더 적은 균열 또는 결함의 형성을 가진 절단을 따라 지향될 수 있다고 여겨진다. 원하는 분리선(165)과 정렬된 균열의 결함은 원하는 분리선(165)으로부터 멀어지는 방향의 결함 또는 균열에 대해 바람직하다.
도 1a-1b를 다시 참고하면, 결함(172)을 형성하는데 사용된 펄스 레이저 빔(112)은 강도 분포 I(X,Y,Z)를 더욱 가지며, 여기서 Z는 펄스 레이저 빔(112)의 빔 전파 방향이며, X 및 Y는 도면에 도시된 바와 같이, 전파 방향에 직교하는 방향이다. X-방향 및 Y-방향은 또한 단면 방향으로 지칭될 수 있고 X-Y 평면은 단면 평면으로 지칭될 수 있다. 단면 평면에서의 펄스 레이저 빔(112)의 강도 분포는 단면 강도 분포로서 지칭될 수 있다. 또한, 본원에서 설명된 단면 위상 윤곽(150)은 X-Y 평면에서의 단면 위상 분포이다.
빔 스폿(114) 또는 다른 단면에서의 펄스 레이저 빔(112)은 도 3-5에 도시된 광학 조립체(100)에 대해 아래에서 더욱 자세하게 설명된 것처럼, 비구면 광학 요소(122) 또는 환형 개구와 같은. 빔 전환 요소(120)를 통해 펄스 레이저 빔(112)를 전파시킴으로써(예컨대, 빔 소스(110)를 사용하여, 가우시안 빔(Gaussian beam)와 같은 펄스 레이저 빔(112)을 출력함으로써), 준-비-회절 빔(quasi-non-diffracting beam), 예를 들어, 아래에 수학적으로 정의된 낮은 빔 발산을 가진 빔을 포함할 수 있다. 빔 발산은 빔 전파 방향(즉, Z 방향)에서의 빔 단면의 확대 비율을 나타낸다. 본원에 사용된 것처럼, 위상 "빔 단면"은 예를 들어, X-Y 평면을 따라, 펄스 레이저 빔(112)의 빔 전파 방향에 수직한 평면을 따른 펄스 레이저 빔(112)의 단면을 나타낸다. 본원에 설명된 하나의 예시의 빔 단면은 투명 워크피스(160)로 투영된 펄스 레이저 빔(112)의 빔 스폿(114)이다. 예시의 준 비-회절 빔은 가우스-베셀 빔 및 베셀 빔을 포함한다.
회절은 펄스 레이저 빔(112)의 발산을 야기하는 하나의 요인이다. 다른 요인들은 펄스 레이저 빔(112)을 형성하는 광학 시스템 또는 인터페이스에서의 굴절 및 산란에 의해 야기된 촛점 조정(focusing) 또는 촛점 이탈(defocusing)을 포함한다. 윤곽선(170)의 결함(172)을 형성하기 위한 펄스 레이저 빔(112)은 낮은 발산 및 약한 회절을 가진 빔 스폿(114)을 가질 수 있다. 펄스 레이저 빔(112)의 발산은 레일리 범위(Rayleigh range)(ZR)에 의해 특징지어지며, 이는 펄스 레이저 빔(112)의 강도 분포 및 빔 전파 요인(M2)의 변화(σ2)와 관련된다. 다음의 설명에서, 수식은 데카르트 좌표계(Cartesian coordinate system)를 이용하여 표현될 것이다. 다른 좌표계에 대한 상응하는 표현은 당업자에게 알려진 수학적 기법을 이용하여 얻어질 수 있다. 빔 발산에 대한 추가적인 정보는 SPIE Symposium Series Vol. 1224, p. 2(1990)에서의 A.E. Siegman에 의한 "New Developments in Laser Resonators", 및 Optics Letters, Vol. 22(5), 262(1997)의 R. Borghi 및 M. Santarsiero에 의한 "M2 factor of Bessel-Gauss beams" 의 기사에서 찾을 수 있으며, 그 전체가 참고로서 본원에 포함된다. 추가 정보는 "Lasers and laser-related equipment―Test methods for laser beam widths, divergence angles and beam propagation ratios―Part 1: Stigmatic and simple astigmatic beams" 명칭의 국제 표준 ISO 11146-1:2005(E), "Lasers and laser-related equipment―Test methods for laser beam widths, divergence angles and beam propagation ratios―Part 2: General astigmatic beams" 명칭의 ISO 11146-2:2005(E), 및 "Lasers and laser-related equipment―Test methods for laser beam widths, divergence angles and beam propagation ratios―Part 3: Intrinsic and geometrical laser beam classification, propagation and details of test methods" 명칭의 ISO 11146-3:2004(E) 에서 찾을 수 있으며, 그 전체가 참고로 본원에 포함된다.
시간-평균 강도 프로파일I(x,y,z)을 가진 펄스 레이저 빔의 강도 프로파일의 도심의 공간 좌표는 다음의 표현에 의해 주어진다:
Figure pct00001
(1)
Figure pct00002
(2)
이들은 또한 위그너 분포(Wigner distribution)의 제1 모먼트로서 알려져 있으며 ISO 11146-2:2005(E)의 섹션 3.5에서 설명된다. 이들의 측정은 ISO 11146-2:2005(E)의 섹션 7에서 설명된다.
분산은 빔 전파 방향으로 위치 z의 함수로서 펄스 레이저 빔(112)의 강도 분포의 단면(X-Y) 평면에서의 폭의 측정치이다. 임의의 레이저 빔에 대해, X-방향의 분산은 Y-방향의 분산과 상이할 수 있다. σ2 x(z) 및 σ2 y(z) 는 X-방향 및 Y-방향, 각각에서 분산을 나타낸다. 특히 관심은 근거리장 및 원거리장에서의 분산이다. σ2 0x(z) 및 σ2 0y(z)은 근거리 장 한계에서, 각각, X-방향 및 Y-방향에서의 분산을 나타내며, σ2 ∞x(z) 및 σ2 ∞y(z)는 원거리 장 한계에서, 각각 X-방향 및 Y-방향에서의 분산을 나타낸다. 푸리에 변환(Fourier transform)
Figure pct00003
Figure pct00004
을 가진 시간 평균 강도 프로파일I(x,y,z)을 가진 레이저 빔에 대해,(여기서, vx 및 vy는 X-방향 및 Y-방향으로 각각 공간 주파수임), x-방향 및 y-방향의 근거리장 및 원거리장 분산은 다음의 표현에 의해 주어진다:
Figure pct00005
(3)
Figure pct00006
(4)
Figure pct00007
(5)
Figure pct00008
(6)
분산 량 σ2 0x(z), σ2 0y(z), σ2 ∞x(z) 및 σ2 ∞y(z) 는 또한 위그너 분포의 대각선 요소로서 알려져 있다(ISO 11146-2:2005(E) 참고). 이러한 분산은 ISO 11146-2:2005(E)의 섹션 7에서 설명된 측정 기술을 이용하여 실험 레이저 빔에 대해 정량화될 수 있다. 간단히 말해서, 측정은 선형 불포화 픽셀화 검출기(linear unsaturated pixelated detector)를 사용하여 분산과 중심 좌표를 정의하는 적분 방정식의 무한 적분 면적에 근접한 유한 공간 영역에 대해 I(x, y)를 측정한다. 측정 구역의 적절한 범위, 배경 감산 및 검출기 픽셀 해상도는 ISO 11146-2:2005(E)의 섹션 7에 설명된 반복 측정 절차의 수렴에 의해 결정된다. 수식 1-6에 의해 주어진 표현의 수치는 픽셀화된 검출기에 의해 측정된 강도 값의 배열로부터 수치적으로 계산된다.
임의의 광학 빔에 대한 가로 진폭 프로파일
Figure pct00009
(여기서,
Figure pct00010
)과 임의의 광학 빔에 대한 공간 주파수 분포
Figure pct00011
(여기서,
Figure pct00012
), 사이의 푸리에 변환 관계를 통해, 이는 다음으로 나타낼 수 있다:
σ2 x(z) = σ2 0x(z0x) + λ2σ2 ∞x(z - z0x)2 (7)
σ2 y(z) = σ2 0y(z0y) + λ2σ2 ∞y(z - z0y)2 (8)
수식(7) 및(8)에서, σ2 0x(z0x) 및 σ2 0y(z0y)는 σ2 0x(z) 및 σ2 0y(z)의 최소값이며, 이는 x-방향 및 y-방향 각각에서의 zox 및 zoy 허리 위치에서 일어나며, λ는 빔의 파장이다. 수식(7) 및(8)은 σ2 x(z) 및 σ2 y(z) 가 빔의 허리 위치와 관련된 최소 값으로부터 어느 방향으로든 z와 2차적으로 증가함을 나타낸다. 또한, 본원에 설명된 실시예에서, 축대칭인 빔 스폿(114)을 포함하며 이를 통해 축대칭 강도 분포 I(x,y), σ2 x(z) = σ2 y(z) 를 포함하고, 본원에 설명된 실시예에서, 비-축대칭인 빔(114)을 포함하고 이를 통해 비-축대칭 강도 분포 I(x,y), σ2 x(z) ≠ σ2 y(z), 즉, σ2 x(z) ＜ σ2 y(z) 또는 σ2 x(z) ＞ σ2 y(z) 를 포함한다.
수식(7) 및(8)은 빔 전파 요인(M2)의 관점에서 개정될 수 있으며, 여기서, x-방향 및 y-방향에 대한 분리 빔 전파 요인 M2 x 및 M2 y 는 다음과 같이 정의된다:
M2 x ≡ 4πσoxσoox (9)
M2 y ≡ 4πσoyσooy (10)
68] 수식(9) 및(10)의 재배열 및 수식(7) 및(8)으로의 치환은 다음과 같다:
Figure pct00013
(11)
Figure pct00014
(12)
이는 다음과 같이 개정될 수 있다:
Figure pct00015
(13)
Figure pct00016
(14)
여기서, x-방향 및 y-방향에서의 레일리 범위 ZRx 및 ZRy는 각각 다음에 의해 주어진다:
Figure pct00017
(15)
Figure pct00018
(16)
레일리 범위는 레이저 빔 의 변화가 두 배가 되고(빔 허리의 위치에서의 변화에 대해) 레이저 빔의 단면 구역의 발산의 측정인 거리(ISO 11146-1:2005(E)의 섹션 3.12에 정의된 빔 허리의 위치에 대해)에 상응한다. 또한, 본원에 설명된 실시예에서, 빔 스폿(114)을 포함하고 이를 통해 축대칭 강도 분포 I(x,y), ZRx = ZRy를 포함하며, 및 본원에 설명된 실시예에서, 비-축대칭인 빔 스폿(114)를 포함하고 이를 통해 비-축대칭 강도 분포 I(x, y), ZRx ≠ ZRy, 즉, ZRx ＜ ZRy 또는 ZRx ＞ ZRy를 포함한다. 레일리 범위는 또한 광학 강도가 빔 허리(최대 강도의 위치)에서 관찰된 값의 절반으로 감소하는 빔 축을 따른 거리로서 관찰될 수 있다. 더 큰 레일리 범위를 가진 레이저 빔은 낮은 발산을 가지며 작은 레일리 범위를 가진 레이저 빔보다 빔 전파 방향으로의 거리에 따라 더욱 느리게 확장된다.
상기 공식은 레이저 빔을 설명하는 강도 프로파일 I(x, y, z)을 사용하여(가우시안 빔만이 아닌) 임의의 레이저 빔에 적용될 수 있다. 가우시안 빔의 TEM00 모드의 경우, 강도 프로파일은 다음과 같이 주어진다:
Figure pct00019
(17)
여기서, wo는(빔 강도가 빔 허리 위치 z0에서 빔의 피크 빔 강도의 1/e2로 감소되는 반경으로서 정의된) 반경이다. 수식(17) 및 상기 공식으로부터, TEM00 가우시안 빔에 대해 다음 결과를 얻는다:
σ2 0x = σ2 0y =
Figure pct00020
(18)
σ2 ∞x = σ2 ∞y =
Figure pct00021
(19)
M2 x = 4πσoxσoox = 1(20)
M2 y = 4πσoyσooy = 1 (21)
Figure pct00022
(22)
Figure pct00023
(23)
Figure pct00024
(24)
여기서, ZR = ZRX = ZRY. 가우시안 빔에 대해, M2 = M2 x = M2 y = 1 이다.
빔 단면은 형상 및 치수를 특징으로 한다. 빔 단면의 치수는 빔의 스폿 크기를 특징으로 한다. 가우시안 빔의 경우, 스폿 크기는 빔의 강도가 수식(17)에서 w0 로 나타낸, 최대 값의 1/e2로 감소하는 방사상 범위로 종종 정의된다. 가우시안 빔의 최대 강도는 강도 분포의 중심(x=0 및 y=0(직교 좌표) 또는 r=0(원통 좌표))에서 발생하며 스폿 크기를 결정하는 데 사용되는 방사상 범위는 중심에 대해 측정된다.
축 대칭(즉, 빔 전파 축 Z을 중심으로 회전 대칭인) 단면을 갖는 빔은 ISO 11146-1:2005(E)의 섹션 3.12에 명시된 빔 허리 위치에서 측정되는 단일 치수 또는 스폿 크기로 특징지어 진다. 가우시안 빔의 경우, 수식(17)은 wo와 동일한 스폿 크기를 나타내며, 수식(18)은 2σ0x 또는 2σ0y 에 상응한다. 예컨대, 원형 단면과 같은, 축대칭 단면을 가진 축대칭 빔에 대해, σ0x = σ0y이다. 따라서, 축대칭 빔의 경우, 단면 치수는 단일 스폿 크기 파라미터로 특징지어 질 수 있으며, 여기서, wo = 2σ0이다. 스폿 크기는 비-축대칭 빔 단면에 대해 유사하게 정의될 수 있으며, 이와 달리 축대칭 빔은 σ0x ≠ σ0y 이다. 따라서, 빔의 스폿 크기는 비-축대칭이며, 각각 x-방향 및 y-방향에서, 2개의 스폿 크기 파라미터, wox 및 wox 로 비-축대칭 빔의 단면 치수를 특징지을 필요가 있으며, 여기서, 다음과 같다.
wox = 2σ0x (25)
woy = 2σ0y (26)
또한, 비-축대칭 빔에 대한 축(즉, 임의의 회전 각도) 대칭의 부재는 σ0x 및 σ0y의 값의 계산 결과가 x 축 및 y 축의 배향 선택에 의존한다는 것을 의미한다. ISO 11146-1:2005(E)는 이러한 기준 축을 전력 밀도 분포의 주축(섹션 3.3-3.5)으로 나타내며, 다음의 설명에서 x 및 y 축이 이러한 주축과 정렬된다고 가정한다. 또한 x-축 및 y-축이 단면 평면에서 회전될 수 있는 각도 Φ(예컨대, x-축 및 y-축, 각각에 대한 기준 위치에 대한 x-축 및 y-축의 각도)는 비-축대칭 빔에 대한 스폿 크기 파라미터의 최소값(w0,min) 및 최대값(w0,max)을 정의하는데 사용될 수 있다:
wo,min = 2σ0,min (27)
wo,max = 2σ0,max (28)
여기서, 2σ0,min = 2σ0x(Φmin,x) = 2σ0y(Φmin,y) 및 2σ0,max = 2σ0x(Φmax,x) = 2σ0y(Φmax,y)이다. 빔 단면의 축 비대칭의 크기는 종횡비에 의해 정량화될 수 있으며, 종횡비는 wo,max 대 wo,min의 비로 정의된다. 축대칭 빔 단면은 1.0의 종횡비를 갖는 반면, 타원형 및 다른 비-축대칭 빔 단면은 1.0 이상, 예를 들어, 1.1 이상, 1.2 이상, 1.3 이상, 1.4 이상, 1.5 이상, 1.6 이상, 1.7 이상, 1.8 이상, 1.9 이상, 2.0 이상, 3.0 이상, 5.0 이상, 10.0 이상 등의 종횡비를 갖는다.
빔 전파 방향(예컨대, 투명 워크피스(160)의 깊이 치수)에서 결함(172)의 균일성을 증진시키기 위해, 낮은 발산을 갖는 펄스 레이저 빔(112)이 사용될 수있다. 하나 이상의 실시예에서, 낮은 발산을 갖는 펄스 레이저 빔(112)은 결함(172)을 형성하는데 이용될 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 발산은 레일리 범위에 의해 특징지워질 수 있다. 비-축대칭 빔의 경우, 주축 X 및 Y에 대한 레일리 범위는 각각 x-방향 및 y-방향에 대한 수식(15) 및(16)에 의해 정의되며, 여기서, 임의의 실제 빔에 대해, M2 x > 1 및 M2 y > 1 를 보여줄 수 있으며, σ2 0x 및 σ2 0y 가 레이저 빔의 강도 분포에 의해 결정된다. 대칭 빔의 경우, 레일리 범위는 X-방향과 Y-방향에서 동일하며 수식(22) 또는 수식(23)으로 표시된다. 낮은 발산은 레일리 범위 중 큰 값과 레이저 빔의 약한 회절과 관련이 있다.
가우시안 강도 프로파일을 갖는 빔은 결함을 형성하기 위한 레이저 가공에 덜 바람직 할 수 있는데, 이는 작은 충분한 스폿 크기(예컨대, 약 1-5 미크론 또는 약 1-10 미크론과 같은 미크론의 범위에서의 스폿 크기)에 초점을 맞춰 유리와 같은 재료를 변경하기 위한 레이저 펄스 에너지를 가능하게 하기 때문이며, 이들은 매우 회절되고 짧은 전파 거리에 걸쳐 상당히 분기된다. 낮은 발산을 달성하기 위해, 회절을 감소시키기 위해 펄스 레이저 빔의 세기 분포를 제어 또는 최적화하는 것이 바람직하다. 펄스 레이저 빔은 비-회절 또는 약한 회절일 수 있다. 약하게 회절되는 레이저 빔은 준-비-회절 레이저 빔을 포함한다. 대표적인 약한 회절 레이저 빔은 베셀 빔, 가우스-베셀 빔, 에어리 빔(Airy beams), 웨버 빔(Weber beams), 및 마티유 빔(Mathieu beams)을 포함한다.
비-축대칭 빔에 대해, 레일리 범위 ZRX 및 ZRy 는 같지 않다. 수식(15) 및(16)은 ZRX 및 ZRy 가 각각 σ0x 및 σ0y에 의존하는 것을 나타내며, σ0x 및 σ0y의 값은 X-축 및 Y-축의 방향에 따른다는 것을 나타낸다. 따라서 ZRX 및 ZRy 의 값은 변하며, 각각은 주축에 상응하는 최소값 및 최대값을 가지며, ZRX 의 최소값은 ZRX,min 로서 나타내며, 임의의 빔 프로파일 ZRX,min 및 ZRY,min 에 대해 나타낸 ZRy 의 최소값은 다음과 같이 주어질 수 있다:
Figure pct00025
(29)
Figure pct00026
(30)
레이저 빔의 발산은 레일리 범위가 가장 작은 방향으로 짧은 거리에 걸쳐 발생하기 때문에, 절단에 사용되는 펄스 레이저 빔의 강도 분포는 ZRx 및 ZRy의 최소값(또는 축대칭 빔에 대해, ZR의 값)이 가능한 한 크도록 제어될 수 있다. 비-축대칭 빔에 대해 ZRx의 최소값 ZRx,min과 ZRy의 최소값 ZRy,min이 다르기 때문에, 강도 분포를 가진 레이저 빔은 손상 영역을 형성할 때, ZRx,min과 ZRy,min 중 더 작은 것을 가능한 크게 하는 데 사용될 수 있다.
상이한 실시예에서, ZRx,min과 ZRy,min 중 더 작은 것은 50 ㎛ 이상, 100 ㎛ 이상, 200 ㎛ 이상, 300 ㎛ 이상, 500 ㎛ 이상, 1 mm 이상, 2 mm 이상, 3 mm 이상, 5 mm 이상 이거나, 50 ㎛ 내지 10 mm의 범위, 100 ㎛ 내지 5 mm의 범위, 200 ㎛ 내지 4 mm의 범위, 300 ㎛ 내지 2 mm의 범위, 등 이다.
본원에 개시된 ZRx,min과 ZRy,min 중 더 작은 것에 대한(또는 축대칭 빔에 대해, ZR의 값) 값과 범위는 수식(27)에서 정의된 스폿 크기 파라미터 wo,min의 조정을 통해 워크피스가 투명한 상이한 파장에 대해 성취될 수 있다. 상이한 실시예에서, 스폿 크기 파라미터 wo,min는 0.25 ㎛ 이상, 0.5 ㎛ 이상, 0.75 ㎛ 이상, 1.0 ㎛ 이상, 2.0 ㎛ 이상, 3.0 ㎛ 이상, 5.0 ㎛ 이상, 0.25 ㎛ 내지 10 ㎛의 범위, 0.25 ㎛ 내지 5.0 ㎛의 범위, 0.25 ㎛ 내지 2.5 ㎛의 범위, 0.50 ㎛ 내지 10 ㎛의 범위, 0.50 ㎛ 내지 5.0 ㎛의 범위, 0.50 ㎛ 내지 2.5 ㎛의 범위, 0.75 ㎛ 내지 10 ㎛의 범위, 0.75 ㎛ 내지 5.0 ㎛의 범위, 0.75 ㎛ 내지 2.5 ㎛의 범위, 등이다.
비-회절 또는 준 비-회절 빔은 일반적으로, 반경에 비해 비-단조롭게 감소하는 것들과 같은, 복잡한 강도 프로파일을 가진다. 가우시안 빔과 유사하게, 유효 스폿 크기 wo,eff는 최대 강도의 1/e2로 강도가 감소하는 최대 강도(r=0)의 반경 위치로부터, 임의의 방향으로, 가장 짧은 반경 거리로서 비-축대칭 빔에 대해 정의될 수 있다. 또한, 축대칭 빔에 대해 wo,eff는 최대 강도의 1/e2로 강도가 감소하는 최대 강도(r=0)의 반경 위치로부터 반경 거리이다. 비-축대칭 빔에 대한 유효 스폿 크기 wo,eff 또는 축대칭 빔에 대한 스폿 크기 wo 에 기초한 레일리 범위에 대한 기준은 아래의 축대칭 빔에 대한 수식(32)의 비-축대칭 빔에 대한 수식(31)을 이용하여 손상 영역을 형성하기 위해 비-회절 또는 준 비-회절 빔으로서 정의될 수 있다:
ZRx,min과 ZRy,min 중 더 작은 것
Figure pct00027
(31)
Figure pct00028
(32)
여기서, FD는 적어도 10, 적어도 50, 적어도 100, 적어도 250, 적어도 500, 적어도 1000, 10 내지 2000의 범위, 50 내지 1500의 범위의 값을 가진 무차원 분산 계수(dimensionless divergence factor)이다. 수식(31)를 수식(22) 또는(23)와 비교하면, 비-회절 또는 준 비-회절 빔에 대해, 유효 빔 크기가 두 배로 되는, 거리, 수식(31)에서의 ZRx,min과 ZRy,min 중 더 작은 것은 통상적인 가우시안 빔 프로파일이 사용된 경우 예상된 거리의 FD 배이다. 무차원 분산 계수 FD 는 레이저 빔이 준-비-회절인지 여부를 결정하기 위한 기준을 제공한다. 본원에 사용된 바와 같이, 레이저 빔의 특성이 FD ≥ 10의 값을 갖는 수식(31) 또는 수식(32)를 만족하는 경우 레이저 빔은 준-비-회절로 간주된다. FD의 값이 증가함에 따라, 레이저 빔은 좀 더 완벽하게 비-회절 상태에 접근한다. 또한, 수식(32)는 단순히 수식(31)의 단순화 일 뿐이며 수식(31)은 축대칭 및 비-축대칭 빔 모두에 대한 무차원 발산 계수 FD를 수학적으로 기술한다는 것을 이해해야한다.
이제 도 3-5를 참조하면, 준 비-회절이며 및 일부 실시예에서, 투명 워크피스(160)에서 위상 변위된 초점 라인(113)을 생성하는(도 4 및 5) 펄스 레이저 빔(112)을 생성하기 위한 광학 조립체(100)가 개략적으로 도시되어 있다. 예를 들어, 도 3은 펄스 레이저 가공에 대핸, 예를 들어, 준-비-회절이며 비-위상 변위된 초점 라인(113')을 형성하는 펄스 레이저 빔(112)을 생성하기 위한 종래의 광학 조립체(100)를 도시한다. 또한, 도 4 및 5는 각각 준-비-회절이며 위상 변경 광학 요소(140)를 이용하여 투명 워크피스(160)에서 위상 변위된 초점 라인(113)을 형성하는 펄스 레이저 빔(112)을 생성하기 위한 광학 조립체(100)를 도시한다. 일부 실시에에서, 위상 변경 광학 요소(140)는 파장판(waveplate), 광학 웨지(wedge), 또는 하나 이상의 렌즈(130)를 포함하며, 이 중 적어도 하나는 빔 경로(111)에 대해 오프셋되어 위치된다.
하나 이상의 렌즈(130)는 제1 초점 렌즈(132) 및 제2 초점 렌즈(134)와 같은 하나 이상의 초점 렌즈를 포함할 수 있다. 하나 이상의 렌즈(130)는 또한 시준 렌즈(136) 및 확대 렌즈(138)를 포함할 수 있다. 도 4의 광학 조립체(100)에서, 제1 초점 렌즈(132)는 빔 경로(111)에 대해 오프셋되어 배치된다. 도 5의 광학 조립체(100)에서, 제1 초점 렌즈(132) 및 제2 초점 렌즈(134)는 빔 경로(111)에 대해 오프셋 배치된 복합 렌즈(131)를 포함한다. 도 4는 빔 경로(111)에 대해 오프셋 위치된 제1 초점 렌즈(132)를 도시하고, 도 5는 빔 경로(111)에 대해 오프셋 위치된 제1 초점 렌즈(132) 및 제2 초점 렌즈(134) 둘 모두를 도시하지만, 위상 변위된 초점 라인(113)의 단면 위상 윤곽(150)이 하나 이상의 렌즈(130) 중 하나 이상을 오프셋함으로써 유도될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 또한, 하나 이상의 렌즈(130) 중 적어도 하나는 하나 이상의 렌즈(130)로 결합될 수 있는 하나 이상의 병진 단계(190)를 사용하여 빔 경로(111)로부터 오프셋되어 위치될 수 있다.
도 3-5 각각에 도시된 광학 조립체(100)는 또한 빔 소스(110, beam source), 빔 전환 요소(120)(예컨대, 액시콘 렌즈 또는 환형 애퍼처(annular aperture)와 같은 비구면 광학 요소(122)), 및 하나 이상의 렌즈(130)를 포함한다. 또한, 투명 워크피스(160)는 빔 소스(110)에 의해 출력된 펄스 레이저 빔(112)이 예를 들어, 빔 전환 요소(120)를 가로지르고, 이후 하나 이상의 렌즈(130)를 지나간 후 투명 워크피스(160)를 조사하도록 위치될 수 있다. 광학 축(102)은 빔 소스(110)가 펄스 레이저 빔(112)를 출력할 때, 펄스 레이저 빔(112)의 빔 경로(111)가 광학 축(102)을 따라 연장되도록 빔 소스(110)와 투명 워크피스(160) 사이에서 연장된다. 본원에 사용된 바와 같이 "상류" 및 "하류"는 빔 소스(110)에 대해 빔 경로(111)를 따른 두 개의 위치 또는 구성요소의 상대적인 위치를 나타낸다. 예를 들어, 펄스 레이저 빔(112)이 제2 구성요소를 지나가기 전에 제1 구성요소를 지나가는 경우 제1 구성요소는 제2 구성요소로부터 상류에 있다. 또한, 펄스 레이저 빔(112)이 제1 구성요소를 지나가기 전에 제2 구성요소를 지나가는 경우 제1 구성요소는 제2 구성요소로부터 하류에 있다.
또한 도 3-5를 참조하면, 빔 소스(110)는 펄스 레이저 빔(112)을 출력하도록 구성된 임의의 공지된 또는 아직 개발되지 않은 빔 소스(110)를 포함할 수 있다. 작동 중, 윤곽선(170)의 결함(172)은 투명 워크피스(160)와 빔 소스(110)에 의해 출력된 퍼스 레이저 빔(112)의 상호 작용에 의해 생성된다. 일부 실시예에서, 빔 소스(110)는 예를 들어 1064 nm, 1030 nm, 532 nm, 530 nm, 355 nm, 343 nm, 또는 266nm 또는 215nm의 파장을 포함하는 펄스 레이저 빔(112)을 출력할 수 있다. 또한, 투명 워크피스(160)에 결함(172)을 형성하는데 사용되는 펄스 레이저 빔(112)은 선택된 펄스 레이저 파장에 투명한 재료에 매우 적합할 수 있다.
결함(172)을 형성하기 위한 적합할 수 있는 레이저 파장은 투명 워크피스(160)에 의한 선형 흡수 및 산란의 결합 손실이 충분히 낮은 파장이다. 실시예들에서, 파장에서 투명 워크피스(160)에 의한 선형 흡수 및 산란으로 인한 결합 손실은 20 %/mm 미만, 또는 15 %/mm 미만, 또는 10 %/mm 미만, 또는 5 %/mm, 또는 1 %/mm 미만이며, 여기서, 치수 "/mm"는 펄스 레이저 빔 112)의 빔 전파 방향(예를 들어, Z 방향)에서 투명 워크피스(160) 내의 거리의 밀리미터 당을 의미한다. 많은 유리 워크피스의 대표 파장은 Nd3+(예컨대, 1064nm 근처의 기본 파장 및 532nm, 355nm 및 266nm 근처의 고차 고조파 파장(higher order harmonic wavelengths)을 갖는 Nd3+ : YAG 또는 Nd3+ : YVO4)의 기본 및 고조파 파장이 포함됩니다. 주어진 기판 재료에 대한 결합된 선형 흡수 및 산란 손실 요건을 충족시키는 스펙트럼의 자외선, 가시광 및 적외선 부분의 다른 파장도 사용될 수 있다.
작동시, 빔 소스(110)에 의해 출력된 펄스 레이저 빔(112)은 투명 워크피스(160)에서 다광자 흡수(MPA(multi-photon absorption))를 생성할 수 있다. MPA는 동일한 또는 상이한 주파수의 2개 이상의 광자를 동시에 흡수하는 것이며, 이는 하나의 상태(보통 접지 상태)에서 더 높은 에너지 전자 상태(즉, 이온화)로 분자를 여기시키는(excites) 것이다. 관련된 분자의 하부 상태와 상부 상태 사이의 에너지 차이는 관련된 광자의 에너지의 합과 같다. 유도 흡수라고도하는 MPA는 예를 들어 선형 흡수보다 수십 배 약한 2차 또는 3차 공정(또는 더 높은 차수)일 수 있다. 2차 유도 흡수의 강도가 예를 들어 광 강도의 제곱에 비례할 수 있다는 점에서 선형 흡수와 상이하므로, 이는 비선형 광학 프로세스이다.
윤곽선(170)을 생성하는 천공 단계는 투명 워크피스(160) 상에 빔 스폿(114)을 투영하고 도 1b의 위상 변위된 초점 라인(113)을 생성하기 위해 도 3-5와 관련하여 아래에 도시되고 설명된 광학계와 조합하여 빔 소스(110)(예컨대, 초단 펄스 레이저)를 이용할 수 있다. 위상 변위된 초점 라인(113)은 하나 이상의 위상 윤곽 릿지(154)를 가진 도 2a 및 2b의 단면 위상 윤곽 (150)을 포함하고, 투명 워크피스(160)에 일련의 결함(172)을 형성하기 위해 투명 워크피스(160)를 완전히 천공시기 위해, 전술한 바와 같이, 예컨대, 가우스-베셀 빔 또는 베셀 빔과 같은 준 비 회절 빔을 포함한다. 일부 실시예에서, 개별 펄스의 펄스 지속 시간은 약 1 펨토초(femtosecond) 내지 약 200 피코초(picoseconds), 예컨대 약 1 피코초 내지 약 100 피코초, 5 피코초 내지 약 20 피코초 등의 범위이며, 개별 펄스의 반복 속도는 약 1 kHz 내지 4 MHz, 예컨대 약 10 kHz 내지 약 3 MHz, 또는 약 10 kHz 내지 약 650 kHz 의 범위일 수 있다.
또한, 도 6a 및 6b를 참고하면, 전술한 개별 펄스 반복 속도에서의 단일 펄스 동작에 추가하여, 펄스는 2개의 펄스(500A)(예를 들어, 서브 펄스(sub-pulses)) 이상의 펄스 버스트(500) (예를 들어, 3 펄스, 4 펄스, 5 펄스, 10 펄스, 15 펄스, 20 펄스 또는 예컨대, 펄스 버스트(500) 당 1 내지 30 펄스, 또는 펄스 버스트(500) 당 5 내지 20 펄스)로 생성될 수 있다. 펄스 버스트(500) 내의 펄스(500A)들은 약 1 nsec 내지 약 50 nsec, 예를 들어 약 10 nsec 내지 약 30 nsec, 예컨대 약 20 nsec의 지속 시간만큼 분리될 수 있다. 다른 실시 예들에서, 펄스 버스트(500) 내의 펄스(500A)들은 최대 100 psec의 지속 기간(예를 들어, 0.1 psec, 5 psec, 10 psec, 15 psec, 18 psec, 20 psec, 22 psec, 25 psec, 30 psec, 50 psec, 75 psec 또는 이들 사이의 임의의 범위)만큼 분 될 수있다. 주어진 레이저에 대해, 펄스 버스트(500) 내의 인접한 펄스(500A)들 사이의 시간 분리 Tp (도 6b)는 비교적 균일할 수 있다(예를 들어, 서로의 약 10 % 이내). 예를 들어, 일부 실시예에서, 펄스 버스트(500) 내의 각각의 펄스(500A)는 후속 펄스로부터 대략 20 nsec (50 MHz)만큼 시간적으로 분리된다. 예를 들어, 각각의 펄스 버스트(500) 사이의 시간은 약 0.25 마이크로초 내지 약 1000 마이크로초, 예를 들어, 약 1 마이크로초 내지 약 10 마이크로초, 또는 약 3 마이크로초 내지 약 8 마이크로초일 수 있다.
본 명세서에 기술된 빔 소스(110)의 일부 예시적인 실시예에서, 시간 분리 Tb (도 6b)는 약 200 kHz의 버스트 반복률을 포함하는 펄스 레이저 빔(112)을 출력하는 빔 소스(110)에 대해 약 5 마이크로초이다. 레이저 버스트 반복률은 버스트의 첫 번째 펄스와 차후의 버스트의 첫 번째 펄스 사이의 시간 Tb 과 관련된다(레이저 버스트 반복률 = 1/Tb ). 일부 실시예에서, 레이저 버스트 반복률은 약 1 kHz 내지약 4 MHz의 범위에 있을 수 있다. 실시예에서, 레이저 버스트 반복률은 예를 들어, 약 10 kHz 내지 650 kHz의 범위에 있을 수 있다. 각각의 버스트의 첫 번째 펄스와 차후 버스트의 첫 번째 펄스 사이의 시간 Tb는 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(50 kHz 버스트 반복률)일 수 있다. 정확한 타이밍, 펄스 지속 시간, 및 버스트 반복률은 레이저 설계에 따라 달라질 수 있지만, 높은 강도의 짧은 펄스(Td < 20 psec, 일부 실시예에서, Td ≤ 15 psec)가 특히 잘 작동하는 것으로 나타났다.
버스트 반복률은 약 1 kHz 내지 약 2 MHz, 예컨대, 약 1 kHz 내지 약 200 kHz일 수 있다. 펄스 버스트(500)를 버스팅(bursting) 또는 생성하는 것은 펄스(500A)의 방출이 균일하고 일정한 스트림(stream)으로가 아니라 오히려 펄스 버스트(500)의 타이트한 클러스터로인 레이저 작동 형태이다. 펄스 버스트 레이저 빔은 투명 워크피스(160)의 재료가 파장에서 상당히 투명하도록 작동되는 투명 워크피스(160)의 재료에 기초하여 선택된 파장을 가질 수 있다. 재료에서 측정된 버스트 당 평균 레이저 파워는 재료의 두께의 mm 당 적어도 약 40 μJ일 수 있다. 예를 들어, 실시예에서, 버스트 당 평균 레이저 파워는 약 40 μJ/mm 내지 약 3500 μJ/mm, 또는 약 500 μJ/mm 내지 약 2250 μJ/mm일 수 있다. 특정 예시에서, 0.5 mm 내지 0.7 mm 두께의 코닝 EAGLE XG® 투명 워크피스의 경우, 약 300 μJ 내지 약 600 μJ의 펄스 버스트가 워크피스를 절단 및/또는 분리할 수 있으며, 이는 약 428 μJ/mm 내지 약 1200 μJ/mm의 예시 범위에 상응한다(즉, 0.7mm EAGLE XG® 유리에 대한 300 μJ/0.7 mm 및 0.5mm EAGLE XG® 유리에 대한 600 μJ /0.5 mm).
투명 워크피스(160)를 변경하는데 필요한 에너지는 버스트 에너지 (즉, 각각의 펄스 버스트(500)가 일련의 펄스(500A)를 포함하는 펄스 버스트(500) 내에 포함된 에너지), 또는 단일 레이저 펄스 (많은 버스트를 포함 할 수 있는) 내에 포함된 에너지의 면에서 설명될 수 있다. 펄스 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 μJ 일 수 있다. 일부 유리 조성물의 경우, 펄스 버스트 당 에너지는 약 100 μJ 내지 약 250 μJ 일 수 있다. 그러나, 디스플레이 또는 TFT 유리 조성물의 경우, 펄스 버스트 당 에너지는 더 높을 수 있다 (예컨대, 투명 워크피스(160)의 특정 유리 조성에 따라, 약 300 μJ 내지 약 500 μJ, 또는 약 400 μJ 내지 약 600 μJ). 그러한 버스트를 생성할 수 있는 펄스 레이저 빔(112)의 사용은 예를 들어 유리와 같은 투명 재료를 절단 또는 변형하는데 유리하다. 단일 펄스 레이저의 반복률에 의한 시간 간격을 둔 단일 펄스를 사용하는 것과 달리, 버스트 내의 빠른 펄스 시퀀스 이상의 레이저 에너지를 확산시키는 버스트 시퀀스의 사용은 단일 펄스 레이저로 가능한 것보다 더 많은 시간 기간의 재료와의 고강도의 상호 작용에 접근할 수 있다.
다시 도 3 내지 5을 참조하면, 빔 전환 요소(120)는 빔 소스(110)와 투명 워크피스(160) 사이의 빔 경로(111) 내에 위치된 비구면 광학 요소(122)를 포함 할 수 있다. 동작 중, 비구면 광학 요소 (122)를 통해, 펄스 레이저 빔(112), 예컨대, 들어오는 가우시안 빔을 전파하는 것은 비구면 광학 요소(122) 너머 전파하는 펄스 레이저 빔(112)의 일부분이 전술한 바와 같이, 준-비-회절되도록 펄스 레이저 빔(112)을 변경할 수 있다. 비구면 광학 요소(122)는 비구면 형상을 포함하는 임의의 광학 요소를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 비구면 광학 요소(122)는 원추형 파면 생성 광학 요소, 예컨대 액시콘 렌즈, 예를 들어, 부(negative) 굴절 액시콘 렌즈, 정(positive) 굴절 액시콘 렌즈, 반사 액시콘 렌즈, 회절 액시콘 렌즈, 프로그램 가능한 공간 광 변조기 액시콘 렌즈(예컨대, 위상 액시콘) 등을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 비구면 광학 요소(122)는 적어도 하나의 비구면 표면을 포함하며 그 형상은 z' = (cr2/1) + (1-(1+k)(c2r2))1/2 + (a1r + a2r2 + a3r3 + a4r4 + a5r5 + a6r6 + a7r7 + a8r8 + a9r9 + a10r10 + a11r11 + a12r12)과 같이 수학적으로 설명되며, 여기서, z'는 비구면 표면의 표면 처짐(sag)이고, r는 비구면 표면과 방사상 방향(예컨대, x-방향 또는 y-방향)의 광학 축(102) 사이의 거리이며, c는 비구면 표면의 표면 곡률(즉, ci = 1/Ri, 여기서, R은 비구면 표면의 표면 반경임)이며, k는 원뿔 상수이고, 계수 ai는 비구면 표면을 기술하는 1차 내지 12차 비구면 계수 또는 고차 비구면 계수(다항식 영역)이다. 하나의 예시의 실시예에서, 비구면 광학 요소(122)의 적어도 하나의 비구면 표면은 다음의 계수 각각 a1 - a7: -0.085274788; 0.065748845; 0.077574995; -0.054148636; 0.022077021; -0.0054987472; 0.0006682955;을 포함하며, 비구면 계수 a8 - a12는 0이다. 이 실시예에서, 적어도 하나의 비구면 표면은 원뿔 상수 k = 0을 갖는다. 그러나, a1 계수는 0이 아닌 값을 가지며, 이는 0이 아닌 값을 가진 원뿔 상수 k를 가진 것과 같다. 따라서, 등가 표면은 0이 아닌 원뿔 상수 k, 0이 아닌 계수 a1, 또는 0이 아닌 k와 0이 아닌 계수 a1의 조합을 명기하여 설명할 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 적어도 하나의 비구면 표면은 0이 아닌 값(즉, a2, a3…, a12 ≠ 0 중 적어도 하나)을 갖는 적어도 하나의 상위 비구면 계수 a2 - a12에 의해 기술되거나 정의된다. 하나의 예시적인 실시예에서, 비구면 광학 요소(122)는 0이 아닌 계수 a3을 포함하는 입방체 형태의 광학 요소와 같은 3차 비구면 광학 요소를 포함한다.
일부 실시예에서, 비구면 광학 요소(122)가 액시콘을 포함할 때, 액시콘은 펄스 레이저 빔(112)이 액시콘 렌즈로 들어가는 레이저 입력 표면(124)(예컨대, 평평한 표면)에 대해 측정된 각도, 약 1.2 °, 예컨대 약 0.5 ° 내지 약 5 °, 또는 약 1 ° 내지 약 1.5 °, 또는 심지어 약 0.5 ° 내지 약 20 °의 각도를 가진 레이저 출력 표면(126)(예컨대, 원뿔 표면)을 가질 수 있다. 또한, 레이저 출력 표면(126)은 원뿔형 팁(conical tip)에서 종결된다. 또한, 비구면 광학 요소(122)는 레이저 입력 표면(124)으로부터 레이저 출력 표면(126)으로 연장되고 원뿔형 팁에서 종결되는 중심선 축(125)을 포함한다. 다른 실시예에서, 비구면 광학 요소 (122)는 공간 광 변조기와 같은 공간 위상 변조기, 또는 회절 광학 그래이팅(diffractive optical grating)을 포함할 수 있다. 동작시, 비구면 광학 요소 (122)는 들어오는 펄스 레이저 빔(112)(예컨대, 가우시안 빔)을 준-비-회절 빔으로 성형하고, 이는 결국 하나 이상의 렌즈(130)를 통해 지향된다. 또한, 일부 실시예에서, 빔 전환 요소(120)는 환형 애퍼처일 수 있다.
도 3-5를 계속 참고하면, 하나 이상의 렌즈(130)는 제1 초점 렌즈(132), 제2 초점 렌즈(134), 시준 렌즈(136) 및 확대 렌즈(138)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 초점 렌즈(132) 및 제2 초점 렌즈(134)는 복합 렌즈(131)로서 배열된다. 도 3-5에 도시된 것처럼, 확대 렌즈(138) 및 시준 렌즈(136)는 빔 소스(110)와 제1 및 제2 초점 렌즈(132, 134) 모두 사이의 빔 경로(111)를 따라 각각 위치된다. 특히, 확대 렌즈(138)는 빔 소스(110)와 시준 렌즈(136) 사이에 위치될 수 있으며 시준 렌즈(136)는 확대 렌즈(138)와 제1 초점 렌즈(132)와 제2 초점 렌즈(134) 사이에 위치될 수 있다. 작동 중, 확대 렌즈(138)는 확대 렌즈(138)와 시준 렌즈(136) 사이의 빔 경로(111)의 일부를 따라 펄스 레이저 빔(112)을 확대시킬 수 있으며 시준 렌즈(136)는 시준 렌즈(136)와 제1 초점 렌즈(132)와 제2 초점 렌즈(134)(즉, 도 3-5에 도시된 실시예의 제2 초점 렌즈(134))의 최상류 위치 사이에서 빔 경로(111)의 일부를 따라 위치된 시준 공간(135) 내에서 펄스 레이저 빔(112)을 시준할 수 있다. 또한, 제1 초점 렌즈(132)와 제2 초점 렌즈(134)는 펄스 레이저 빔(112)을 투명 워크피스(16)로 초점을 맞출 수 있으며, 이는 이미지화 평면(104)에 위치할 수 있다. 예시 렌즈(130)는 평면 볼록 렌즈, 메니스 커스 렌즈, 비구면 렌즈, 또는 고차 보정 포커싱 렌즈 등을 포함한다.
이제 도 4를 참조하면, 위상 변경 광학 요소(140)가 방사상 오프셋 방향 (예를 들어, 빔 전파 방향에 직교하는 펄스 레이저 빔(112)의 반경을 따른 방향)으로 펄스 레이저 빔(112)의 빔 경로(111)에 대해 오프셋되어 위치된 제1 초점 렌즈(132)를 포함하는 광학 조립체(100)의 실시예가 도시되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 초점 렌즈(132)는 빔 경로(111)로부터 오프셋 거리 (a)만큼 오프셋되어 위치될 수 있다(예를 들어, X-Y 평면에서의 오프셋되어). 특히, 오프셋 거리 (a)는 펄스 레이저 빔 (112)이 제1 초점 렌즈(132)의 표면을 조사 할 때 제1 초점 렌즈(132)의 중심선 축(137)과 펄스 레이저 빔(112)의 단면 중심 사이의 X-Y 평면에서의 거리이다.
제1 초점 렌즈(132)와 빔 경로(111) 사이이 상대적인 오프셋은 X-Y 평면을 따라 제1 초점 렌즈(132)를 변위시키거나, X-Y 평면을 따라 빔 소스(110)를 변위시키거나, 또는 둘 모두를 변위시켜 달성될 수 있다. 결과적인 단면 위상 윤곽(150)의 대칭성을 충분히 깨는데 필요한 오프셋의 크기는 광학 조립체(100)의 광학 레이아웃(optical layout)과 오프셋 렌즈(예컨대, 제1 초점 렌즈(132))의 초점 길이의 함수이다. 이론에 한정하려는 것은 아니지만, 펄스 레이저 빔(112)이 오프셋 렌즈(예컨대, 제1 초점 렌즈(132))를 통해 전파됨에 따라, X-Y 평면을 따른 펄스 레이저 빔(112)의 상이한 단면 부분이 하나 이상의 위상 윤곽 릿지(154)를 생성하기 위해 상이한 추가 위상을 모은다고 여겨진다. 하나의 예시로서, 오프셋 렌즈(예컨대, 제1 초점 렌즈(132))가 약 30 미크론 내지 약 40 미크론의 초점 길이를 포함하는 실시예에서, 오프셋 거리 (a)는 약 50 미크론 내지 약 500 미크론일 수 있다. 또한, 다른 일부 실시예에서, 오프셋 거리 (a)는 약 10 미크론 내지 약 1 mm, 예를 들어, 20 미크론, 50 미크론, 100 미크론, 250 미크론, 500 미크론 등을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 오프셋 거리 (a)는 약 20 미크론 내지 약 100 미크론, 또는 약 50 미크론 내지 약 100 미크론 등일 수 있다. 일부 실시예에서, 오프셋 거리 (a)는 펄스 레이저 빔(112)과 제1 초점 렌즈(132) 사이의 접촉 위치에서 펄스 레이저 빔(112)의 단면 지름의 약 10 배 내지 약 500 배의 거리를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 오프셋 거리 (a)는 펄스 레이저 빔(112)의 파장의 함수일 수 있으며, 예를 들어, 오프셋 거리는 펄스 레이저 빔(112)의 파장에 약 50 내지 500 배, 예를 들어, 75 배, 100 배, 150 배, 200 배, 250 배, 300 배, 350 배, 400 배, 450 배, 등일 수 있다.
빔 경로(111)에 대해 제1 초점 렌즈(132)를 오프셋시킴으로써, 위상 변위된 초점 라인(113)의 결과적인 단면 위상 윤곽(150)은 위상 릿지 라인(151)(도 2a 및 2b)을 따라서 또는 거의 평행하게 연장되는 하나 이상의 위상 윤곽 릿지(154)를 포함한다. 또한, 위상 릿지 라인(151)의 방향은 X-Y 평면을 따라 오프셋 렌즈의 방사상 오프셋 방향에 의해 제어될 수 있다. 특히, 위상 릿지 라인(151)은 오프셋 렌즈의 방사상 오프셋 방향을 가로질러 연장될 수 있다. 예를 들어, 예컨대 제1 초점 렌즈(132)와 같은 오프셋 렌즈가 X-축을 따라 방사상 오프셋 방향에서 오프셋되는 실시예에서, 위상 릿지 라인(151)은 실질적으로 Y-축을 따라 연장될 수 있다. 또한, 제1 초점 렌즈(132)와 같은 오프셋 렌즈가 Y-방향을 따라 방사상 오프셋 방향으로 오프셋되는 실시예에서, 위상 릿지 라인(151)은 실질적으로 X-축을 따라 연장될 수 있다.
또한, 펄스 레이저 빔(112)의 단면은 빔 경로(111)를 중심으로 펄스 레이저 빔(112)에 대해 제1 초점 렌즈(132)(예컨대, 오프셋 렌즈)를 병진시킴으로써, 예를 들어, 제1 초점 렌즈(132)를 병진시키거나, 펄스 레이저 빔(112)을 병진시키거나, 또는 둘 모두를 병진시켜 회전될 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 빔 경로(111)를 중심으로 펄스 레이저 빔(112)에 대해 제1 초점 렌즈(132)를 병진시킬 때, 제1 초점 렌즈(132)와 빔 경로(111) 사이의 오프셋 거리 (a)는 일정하게 유지될 수 있다. 작동 중, 빔 경로(111)에 대한 펄스 레이저 빔(112)에 관하여 제1 초점 렌즈(132)를 병진시키는 것은 제1 초점 렌즈(132)(예컨대, 오프셋 렌즈)의 방사상 오프셋 방향을 변경하여(예컨대, 회전하여), 위상 윤곽 릿지(154)의 위상 릿지 라인(151)을 변경(예컨대, 회전)할 수 있다. 또한, 하나 이상의 위상 윤곽 릿지(154)의 위상 릿지 라인(151)을 회전시키는 것은 투명 워크피스(160)에 형성된 윤곽선(170)이 투명 워크피스(160)의 이미지화 표면(162)을 따라 굴곡을 포함할 수 있도록 투명 워크피스(160)에 형성된 결함(172)의 방사상 아암(176)의 방향을 바꿀 수 있다.
또한, 하나의 실시예에서, 위상 변경 광학 요소(140), 예를 들어, 빔 경로(111)에 대해 오프셋되어 위치한 제1 초점 렌즈(132)는 결과적인 펄스 레이저 빔(112)과 결과적인 위상 변위된 초점 라인(113)의 강도 프로파일을 변경하지 않는다. 하나의 예시로서, 제1 초점 렌즈(132)(예컨대, 오프셋 렌즈)를 가로지르기 전의 펄스 레이저 빔(112)이 축대칭 강도 프로파일(예컨대, 원형 강도 프로파일)을 포함하는 실시예에서, 펄스 레이저 빔(112)은 제1 초점 렌즈(132)(예컨대, 오프셋 렌즈)를 가로지른 후의 축대칭 강도 프로파일을 유지할 것이다. 다른 예시로서, 제1 초점 렌즈(132)(예컨대, 오프셋 렌즈)를 가로지르기 전의 비-축대칭 강도 프로파일(예컨대, 타원형 강도 프로파일)을 포함하는 실시예에서, 펄스 레이저 빔(112)은 제1 초점 렌즈(132)(예컨대, 오프셋 렌즈)를 가로지르기 전의 비-축대칭 강도 프로파일을 유지할 것이다.
도 5를 이제 참고하면, 위상 변경 광학 요소(140)가 복합 렌즈(131)로서 배열되고 방사상 오프셋 방향으로 펄스 레이저 빔(112)의 빔 경로(111)에 대해 각각 위치된 제1 초점 렌즈(132) 및 제2 초점 렌즈(134)를 포함하는 광학 조립체(100)의 실시예가 도시되어 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 초점 렌즈(132, 134) 모두는 동일한 방향으로 또는 대안으로 상이한 방향으로 방사상으로 오프셋될 수 있다. 동작시, 제1 및 제2 초점 렌즈(132, 134)는 하나 이상의 병진 스테이지(190)의 움직임에 의해 오프셋될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제1 초점 렌즈(132)는 오프셋 거리 (a)에 의해 빔 경로(111)로부터 오프셋되어(예컨대, X-Y 평면에서의 오프셋) 위치될 수 있으며, 이는 펄스 레이저 빔(112)이 제1 초점 렌즈(132)의 표면을 조사할 때 제1 초점 렌즈(132)의 중심선 축(137)과 펄스 레이저 빔(112)의 단면 중심 사이의 X-Y 평면의 거리이다. 또한, 제2 초점 렌즈(134)는 오프셋 거리 (b)에 의해 빔 경로(111)로부터 오프셋되어(예컨대, X-Y 평면에서 오프셋) 위치될 수 있으며, 이는 펄스 레이저 빔(112)이 제2 초점 렌즈(134)의 표면을 조사할 때 제2 초점 렌즈(134)의 중심선 축(139)과 펄스 레이저 빔(112)의 단면 중심 사이의 X-Y 평면에서의 거리이다. 일부 실시예에서, 오프셋 거리 (a)는 오프셋 거리 (b)와 같다. 다른 실시예에서, 오프셋 거리 (a)는 오프셋 거리 (b)와 같지 않으며, 예를 들어, 오프셋 거리 (a)는 오프셋 거리 (b)보다 크거나 작을 수 있다. 또한, 오프셋 거리 (a)와 오프셋 거리 (b)는 도 4와 관련하여 전술한 오프셋 거리, 예를 들어, 약 10 미크론 내지 약 1 mm, 예를 들어, 20 미크론, 50 미크론, 100 미크론, 250 미크론, 500 미크론, 등 중 임의의 것일 수 있다.
도 5를 계속 참고하면, 빔 경로(111)에 대해 제1 및 제2 초점 렌즈(132, 134)를 오프셋되어, 위상 변위된 초점 라인(113)의 결과적인 단면 위상 윤곽(150)은 위상 릿지 라인(151)을 따라 또는 거의 평행하게 연장된 하나 이상의 위상 윤곽 릿지(154)(도 2a 및 2b 참고)를 포함한다. 또한, 위상 릿지 라인(151)의 방향은 X-Y 평면을 따른 오프셋 렌즈의 방사상 오프셋 방향에 의해 제어될 수 있다. 특히, 위상 릿지 라인(151)은 제1 및 제2 초점 렌즈(132, 134)(예컨대, 오프셋 렌즈)의 방사상 오프셋 방향을 가로질러 연장될 수 있다. 또한, 펄스 레이저 빔(112)의 단면은 빔 경로(111)에 대해 펄스 레이저 빔(112)에 대해 제1 및 제2 초점 렌즈(132, 134)(예컨대, 오프셋 렌즈)를 병진시켜, 예를 들어, 제1 및 제2 초점 렌즈(132, 134)를 병진시키거나, 펄스 레이저 빔(112)을 병진시키거나, 또는 둘 모두를 병진시킴으로써 회전될 수 있다. 또한, 빔 경로(111)에 대해 제1 및 제2 초점 렌즈(132, 134)를 오프셋시키는 것은 도 4에 대해 전술한 바와 같이, 결과적인 펄스 레이저 빔(112)과 결과적인 위상 변위된 초점 라인(113)의 강도 프로파일을 변경하지 않는다. 이론에 한정하려는 것은 아니지만, 빔 경로(111)에 대해 다중 오프셋 렌즈의 오프셋 거리가 유사한 위상 변경을 유도하기 위해 단일 오프셋 렌즈의 오프셋 거리보다 작을 수 있으며, 예컨대, 다중 오프셋 렌즈는 결과적인 위상 변위된 초점 라인(113)에 대한 누적되는 위상 변경 효과를 가질 수 있다고 여겨진다.
도 1a-5를 다시 참고하면, 원하는 분리선(165)을 따른 결함(172)을 포함하는 윤곽선(170)을 형성하는 방법은 빔 경로(111)를 따라 지향되고 투명 워크피스(160)로 빔 소스(110)에 의해 출력된 펄스 레이저 빔(112)을 지향시키는 단계(예컨대, 국한시키는 것)를 포함하여, 투명 워크피스(160)로 지향된 펄스 레이저 빔(112)의 일부는 투명 워크피스 내의 유도 흡수를 생성하며 및 유도 흡수는 투명 워크피스(160) 내의 결함(172)을 생성한다. 예를 들어, 펄스 레이저 빔(112)은 투명 워크피스(160)의 손상 한계를 초과하기 충분한 펄스 에너지 및 펄스 기간을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 투명 워크피스(160)로 펄스 레이저 빔(112)을 지향시키는 단계는 빔 소스(110)에 의해 출력된 펄스 레이저 빔(112)을 빔 전파 방향(예컨대, Z 축)을 따라 지향된 위상 변위된 초점 라인(113)으로 초점을 맞추는 단계를 포함한다. 투명 워크피스(160)는 펄스 레이저 빔(112)의 위상 변위된 초점 라인(113)과 적어도 부분적으로 겹쳐지도록 빔 경로(111)에 위치된다. 따라서, 위상 변위된 초점 라인(113)은 투명 워크피스(160)로 지향된다. 펄스 레이저 빔(112), 예컨대, 위상 변위된 초점 라인(113)은 투명 워크피스(160)에 결함(172)을 생성하기 위해 투명 워크피스(160) 내에 유도 흡수를 생성한다. 일부 실시예에서, 개별 결함(172)은 수백kHz의 속도(즉, 초당 수십만 개의 결함)로 생성될 수 있다.
일부 실시예에서, 위상 변경 광학 요소(140), 예를 들어, 하나 이상의 렌즈(130)(예컨대, 제1 포커싱 렌즈(132) 및/또는 제2 포커싱 렌즈(134))는 펄스 레이저 빔(112)을 위상 변위된 초점 라인(113)으로 초점 맞출 수 있다. 더욱이, 위상 변경 광학 요소(140), 예를 들어, 빔 경로(111)를 따라 오프셋되어 위치된 하나 이상의 렌즈(130) 중 적어도 하나(예컨대, 도 4에 도시된 예에서의 제1 초점 렌즈(132) 및 도 5에 도시된 예시의 제1 및 제2 초점 렌즈(132, 134) 모두)는 또한 위상 변위된 초점 라인(113) 내에서 위상 변경을 유도하여 위상 릿지 라인(151)을 따라 연장되는 하나 이상의 위상 윤곽 릿지(154)를 갖는 단면 위상 윤곽(150)을 형성할 수 있다. 또한, 위상 릿지 라인(151)의 방향은 오프셋 렌즈의 방사상 오프셋 방향에 의해 제어될 수 있다. 특히, 위상 릿지 라인(151)은 오프셋 렌즈의 방사상 오프셋 방향을 가로지를 수 있다.
작동시, 위상 변위된 초점 라인(113)의 위치는 투명 워크피스(160)에 대해 펄스 레이저 빔(112)을 적절하게 배치 및/또는 정렬하고 광학 조립체(100)의 파라미터를 적절하게 선택함으로써 제어될 수 있다. 예를 들어, 위상 변위된 초점 라인(113)의 위치는 Z-축을 따라 그리고 Z-축을 중심으로 제어될 수 있다. 또한, 위상 변위된 초점 라인(113)은 약 0.1 mm 내지 약 100 mm의 범위 또는 약 0.1 mm 내지 약 10 mm의 길이를 가질 수 있다. 다양한 실시예는 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, 예를 들어, 약 0.5 mm 내지 약 5 mm의 길이 l을 갖는 위상 변위된 초점 라인(113)을 갖도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 위상 변위된 초점 라인은 약 0.1 ㎛ 내지 약 250 ㎛, 예를 들어 약 0.5 ㎛ 내지 약 0.25 ㎛, 1 ㎛ 내지 약 10 μm 등, 예컨대, 약 0.1 μm, 0.5 μm, 1 μm, 2 μm, 3 μm, 4 μm, 5 μm, 6 μm, 7 μm, 8 μm, 9 μm, 10 μm, 20 μm, 25 μm, 50 μm, 100 μm, 200 μm 등과 같은 직경(예를 들어, 빔 강도가 1/e2로 감소하는 반경의 2 배)을 포함할 수 있다. 또한, 위상 변위된 초점 라인(113)은 약 1 내지 약 10,000의, 예를 들어, 약 2, 5, 10, 15, 20, 25, 50, 75, 100, 150, 200, 300 , 500, 750, 1000, 5000 등의 길이 대 직경 종횡비를 포함할 수 있다.
도 1a - 도 5를 계속 참고하면, 원하는 분리선(165)을 따라 결함(172)을 포함하는 윤곽선(170)을 형성하는 방법은 결함 (172)을 갖는 원하는 부분의 형상을 추적하는 윤곽선(170)을 형성하기 위해 펄스 레이저 빔(112)에 대해 투명 워크피스(160)를 병진시키는 단계를 포함할 수 있다(또는, 펄스 레이저 빔(112)은 예를 들어 도 1a 및 2에 도시된 병진 방향(101)으로 투명 워크피스(160)에 대해 병진될 수 있다). 결함(172)은 유리의 전체 깊이를 관통할 수 있다. 때때로 "구멍(hole)" 또는 "구멍과 같은" 것으로 설명되지만, 본원에 개시된 결함(172)은 일반적으로 공극 공간이 아니라 본원에 기술된 바와 같이 레이저 가공에 의해 변경된 투명 워크피스(160)의 일부인 것으로 이해되어야 한다. 일부 실시예에서, 결함(172)은 일반적으로 약 0.1 미크론 내지 약 500 미크론, 예를 들어, 약 1 미크론 내지 약 200 미크론, 약 2 미크론 내지 약 100 미크론, 약 5 미크론 내지 약 20 미크론 등의 거리만큼 서로 이격될 수 있다. 예를 들어, 결함(172)들 사이의 적절한 간격은 TFT / 디스플레이 유리 조성물의 경우 약 0.1 미크론 내지 약 30 미크론, 예컨대 약 5 미크론 내지 약 15 미크론, 약 5 미크론 내지 약 12 미크론, 약 7 미크론 내지 약 15 미크론, 또는 약 7 미크론 내지 약 12 미크론일 수 있다. 또한, 펄스 레이저 빔 (112)에 대한 투명 워크피스(160)의 병진은 하나 이상의 병진 스테이지(190)를 사용하여 투명 워크피스(160) 및/또는 빔 소스(110)를 이동시킴으로써 수행될 수 있다.
단일 투명 워크피스(160)의 천공을 넘어서, 상기 공정은 또한 유리 시트의 스택(stack)과 같은 투명 워크피스(160)의 스택을 천공하는데 사용될 수 있으며, 단일 레이저 패스(single laser pass)를 통해 수 mm의 전체 높이까지 유리 스택을 완전히 천공 할 수 있다. 단일 유리 스택은 스택 내에 다양한 유리 유형, 예를 들어 코닝 코드 2318 유리(Corning code 2318 glass)의 하나 이상의 레이어로 적층된 하나 이상의 소다-석회(soda-lime) 유리 레이어로 구성될 수 있다. 유리 스택은 추가로 다양한 위치에 에어 갭(air gaps)을 가질 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 접착제와 같은 연성층(ductile layers)이 유리 스택 사이에 배치될 수 있다. 그러나, 본원에 기술된 펄스 레이저 공정은 여전히, 단일 패스로, 그러한 스택의 상부 및 하부 유리 레이어 모두를 완전히 천공할 것이다.
투명 워크피스(160)에서의 윤곽선(170)의 형성 이후, 기계적 또는 열적 소스와 같은 응력 유도 소스는 상기 윤곽선(170)을 따라 투명 워크피스(160)를 분리하는데 활용될 수 있다. 실시예에 따라서, 적외선 레이저 빔과 같은 열적 소스는 열적 응력을 생성하며 이로 인해 상기 윤곽선(170)에서 투명 워크피스(160)를 분리하는데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 적외선 레이저는 자연스러운 분리가 시작되는데 사용될 수 있고 이후 분리는 기계적으로 마무리될 수 있다. 유리의 열적 응력을 생성하기 적합한 적외선 레이저는 통상적으로 유리에 의해 쉽게 흡수되는 파장을 가지며, 통상적으로 상기 파장은 1.2 미크론 내지 13 미크론, 예를 들어, 4 미크론 내지 12 미크론의 범위의 파장을 갖는다. 이산화탄소 레이저("CO2 레이저"), 일산화탄소 레이저("CO 레이저"), 고체 레이저, 레이저 다이오드, 또는 이들의 조합에 의해 생성된 레이저 빔과 같은 적외선 레이저 빔은 윤곽선(170)에서 또는 그 근처에서 투명 워크피스(160)의 온도를 쉽게 증가시키는 제어된 열 소스이다. 이러한 빠른 가열은 윤곽선(170) 상에 또는 그 인근에 투명 워크피스(160)에 압축 응력을 발생시킬 수 있다. 가열된 유리 표면의 구역이 투명 워크피스(160)의 전체 표면 면적에 비해 상대적으로 작기 때문에, 가열된 구역은 상대적으로 빠르게 냉각된다. 결과적인 온도 기울기는 윤곽선(170)을 따라 그리고 투명 워크피스(160)의 두께를 통한 균열을 전파하기 적합한 투명 워크피스(160)의 인장 응력을 유도하고, 이는 윤곽선(170)을 따른 투명 워크피스(160)의 전체 분리를 야기한다. 이론에 얽매이지 않고, 인장 응력은 더 높은 국부 온도를 통한 워크피스의 일부분에서의 유리의 확장(즉, 변화된 밀도)에 의해 야기될 수 있다고 여겨진다.
전술한 설명을 고려하여, 원하는 분리선을 따라 결함을 포함하는 윤곽선의 형성은 위상 변위된 초점 라인은 원하는 분리선을 따라 투명 워크피스를 조사하도록 광학 조립체에 의해 위상 변위된 초점 라인으로 형성된 펄스 레이저 빔을 이용함으로써 향상될 수 있음을 이해해야 한다.
예시
예시 1
예시 1은 비-위상 변위된 초점 라인(113')을 생성하기 위해 도 3에 도시된 광학 조립체(100)를 통해 전파된 펄스 레이저 빔(112)의 실험 결과이다. 도 7a는 비-위상 변위된 초점 라인(113')의 단면 강도 프로파일을 도시하고 도 7b는 비-위상 변위된 초점 라인(113')의 단면 위상 윤곽(150)을 도시한다. 도 7a 및 7b에 도시된 바와 같이, 단면 강도 프로파일과 단면 위상 윤곽(150) 모두는 축대칭이다. 또한, 단면 위상 윤곽(150)은 하나 이상의 위상 윤곽 릿지(154)를 포함하지 않는다. 따라서, 도 7c에 도시된 투명 워크피스(160)에 형성된 결과적인 결함(172)은 임의로 지향된 방사상 아암(176)을 포함한다.
예시 2
예시 2는 위상 변위된 초점 라인(113)을 생성하기 위해 도 5에 도시된 광학 조립체(100)를 통해 전파된 펄스 레이저 빔(112)의 실험 결과이다. 예시 2에서, 제1 초점 렌즈(132) 및 제2 초점 렌즈(134)는 제1 초점 렌즈(132)의 오프셋 거리 (a) 및 제2 초점 렌즈(134)의 오프셋 거리 (b)가 각각 약 354 ㎛이 되도록 X-방향 및 Y-방향 모두에서 각각 약 250 ㎛ 오프셋된다. 도 8a는 위상 변위된 초점 라인(113)의 단면 강도 프로파일을 도시하고 도 8b는 위상 변위된 초점 라인(113)의 단면 위상 윤곽(150)을 도시한다. 도 8a에 도시된 바와 같이, 단면 강도 프로파일은 축대칭이다. 또한, 도 8b에 도시된 바와 같이, 단면 위상 윤곽(150)은 비스듬하게 연장되는(예컨대, X-방향 및 Y-방향 모두에서) 위상 릿지 라인(151)을 따라 연장되는 하나 이상의 위상 윤곽 릿지(154)를 포함한다. 따라서, 도 8c에 도시된 투명 워크피스(160)에 형성된 결과적인 결함(172)은 위상 릿지 라인(151)을 따라 연장되는 방사상 아암(176)을 포함한다.
예시 3
예시 3은 위상 변위된 초점 라인(113)을 생성하기 위해 도 5에 도시된 광학 조립체(100)를 통해 전파된 펄스 레이저 빔(112)의 실험 결과이다. 예시 3에서, 제1 초점 렌즈(132) 및 제2 초점 렌즈(134)는 제1 초점 렌즈(132)의 오프셋 거리 (a) 및 제2 초점 렌즈(134)의 오프셋 거리 (b)가 각각 약 250 ㎛이 되도록 X-방향에서 각각 약 250 ㎛ 오프셋된다. 도 9a는 위상 변위된 초점 라인(113)의 단면 강도 프로파일을 도시하고 도 9b는 위상 변위된 초점 라인(113)의 단면 위상 윤곽(150)을 도시한다. 도 9a에 도시된 바와 같이, 단면 강도 프로파일은 축대칭이다. 또한, 도 9b에 도시된 바와 같이, 단면 위상 윤곽(150)은 Y-방향을 따라 실질적으로 연장되는 위상 릿지 라인(151)을 따라 연장되는 하나 이상의 위상 윤곽 릿지(154)를 포함한다. 따라서, 도 9c에 도시된 투명 워크피스(160)에 형성된 결과적인 결함(172)은 Y-방향으로 위상 릿지 라인(151)을 따라 연장되는 방사상 아암(176)을 포함한다.
예시 4
예시 4은 위상 변위된 초점 라인(113)을 생성하기 위해 도 4에 도시된 광학 조립체(100)를 통해 전파된 펄스 레이저 빔(112)의 실험 결과이다. 예시 4에서, 제1 초점 렌즈(132)는 오프셋 거리 (a)가 약 354 ㎛가 되도록 X-방향 및 Y-방향 모두에서 약 250 ㎛ 오프셋된다. 도 10a는 위상 변위된 초점 라인(113)의 단면 강도 프로파일을 도시하고 도 10b는 위상 변위된 초점 라인(113)의 단면 위상 윤곽(150)을 도시한다. 도 10a에 도시된 바와 같이, 단면 강도 프로파일은 축대칭이다. 또한, 도 10b에 도시된 바와 같이, 단면 위상 윤곽(150)은 비스듬하게 연장되는(예컨대, X-방향 및 Y-방향 모두에서) 위상 릿지 라인(151)을 따라 연장되는 하나 이상의 위상 윤곽 릿지(154)를 포함한다. 따라서, 도 10c에 도시된 투명 워크피스(160)에 형성된 결과적인 결함(172)은 X-방향 및 Y-방향 모두에서 위상 릿지 라인(151)을 따라 연장되는 방사상 아암(176)을 포함한다.
예시 5
예시 5은 위상 변위된 초점 라인(113)을 생성하기 위해 도 4에 도시된 광학 조립체(100)를 통해 전파된 펄스 레이저 빔(112)의 실험 결과이다. 예시 5에서, 제1 초점 렌즈(132)는 제1 초점 렌즈(132)의 오프셋 거리 (a)가 약 250 ㎛가 되도록 X-방향에서 약 250 ㎛ 오프셋된다. 도 11a는 위상 변위된 초점 라인(113)의 단면 강도 프로파일을 도시하고 도 11b는 위상 변위된 초점 라인(113)의 단면 위상 윤곽(150)을 도시한다. 도 11a에 도시된 바와 같이, 단면 강도 프로파일은 축대칭이다. 또한, 도 11b에 도시된 바와 같이, 단면 위상 윤곽(150)은 Y-방향을 따라 실질적으로 연장되는 위상 릿지 라인(151)을 따라 연장되는 하나 이상의 위상 윤곽 릿지(154)를 포함한다. 따라서, 도 11c에 도시된 투명 워크피스(160)에 형성된 결과적인 결함(172)은 Y-방향으로 위상 릿지 라인(151)을 따라 연장되는 방사상 아암(176)을 포함한다.
예시 6
예시 6은 위상 변위된 초점 라인(113)을 생성하기 위해 도 4에 도시된 광학 조립체(100)를 통해 전파된 펄스 레이저 빔(112)의 실험 결과이다. 예시 6에서, 제1 초점 렌즈(132)는 제1 초점 렌즈(132)의 오프셋 거리 (a)가 약 500 ㎛가 되도록 X-방향에서 약 500 ㎛ 오프셋된다. 도 12a는 위상 변위된 초점 라인(113)의 단면 강도 프로파일을 도시하고 도 12b는 위상 변위된 초점 라인(113)의 단면 위상 윤곽(150)을 도시한다. 도 12a에 도시된 바와 같이, 단면 강도 프로파일은 축대칭이다. 또한, 도 12b에 도시된 바와 같이, 단면 위상 윤곽(150)은 Y-방향을 따라 실질적으로 연장되는 위상 릿지 라인(151)을 따라 연장되는 하나 이상의 위상 윤곽 릿지(154)를 포함한다. 따라서, 도 12c에 도시된 투명 워크피스(160)에 형성된 결과적인 결함(172)은 Y-방향으로 위상 릿지 라인(151)을 따라 연장되는 방사상 아암(176)을 포함한다. 또한, 도 12b에 도시된 바와 같이, 제1 초점 렌즈(132)의 오프셋 거리 (a)를 증가시킴으로써, 인접한 위상 윤곽 릿지(154) 사이의 간격이 감소한다.
본 명세서에서 범위는 "약" 하나의 특정 값으로부터 및/또는 "약" 다른 특정 값으로 표현 될 수 있다. 이러한 범위가 표현될 때, 다른 실시예는 하나의 특정 값으로부터 및/또는 다른 특정 값을 포함한다. 유사하게, 이전의 "약"을 사용하여 값이 근사치로 표현될 때, 특정 값은 다른 실시예를 형성하는 것으로 이해될 것이다. 각 범위의 종말점은 다른 종말점과 관련하여, 그리고 다른 종말점과 무관하게 중요하다는 것이 추가로 이해될 것이다.
본원에 사용된 바와 같은 방향 용어는 - 예를 들어, 위, 아래, 오른쪽, 좌측, 전방, 후방, 정상, 바닥 - 도시된 것처럼 도면만을 참고하여 형성되고 절대적인 방향을 암시하려는 것은 아니다.
달리 표현되지 않는한, 본원에 제시된 임의의 방법은 그 단계가 특정 순서로 수행될 것을 요구하는 것으로 해석되지 않으며 임의 장치를 통해 특정 방향이 요구되는 것으로 해석되지 않는다. 따라서, 방법 청구항이 그 단계들의 순서를 실제로 열거하지 않거나, 임의 장치 청구항이 개별 구성요소에 대한 순서 또는 방향을 실제로 열거하지 않거나, 또는 단계가 특정 순서에 한정되지 않으며, 또는 장치의 구성요소에 대한 특정 순서 또는 방향이 나열되지 않는 청구항 또는 명세서에서 달리 구체적으로 언급되지 않는 경우, 어떤 식으로든 순서 또는 방향이 추정되려는 의도는 아니다. 이는 해석에 대한 임의의 가능한 비-표현적 근거를 유지하며, 이는 단계의 배열, 작동 흐름, 구성요소의 순서, 또는 구성요소의 방향에 대한 논리 문제; 문법적 구성 또는 구두점에서 파생된 명백한 의미; 및 명세서에 설명된 실시예의 수 또는 유형을 포함한다.
본원에 사용된 바와 같이, 하나, 한, 및 그와 같은 단수 표현은 문맥상 명백하게 달리 지시하지 않는한 복수 표현을 포함한다. 따라서, 예를 들어, 하나의 구성 요소에 대한 언급은 문맥상 명백하게 달리 지시하지 않는한 둘 이상의 그러한 구성요소를 갖는 관점을 포함한다.
청구된 주제의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 본원에 설명된 실시예들에 대한 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 명세서는 본 명세서에 기술된 다양한 실시예들의 수정 및 변형을 포함하고, 그러한 수정 및 변형은 첨부된 청구 범위 및 그 등가물의 범위 내에 있는 것으로 의도된다.

Claims (24)

  1. 투명 워크피스를 레이저 가공하는 방법으로서, 상기 방법은:
    상기 투명 워크피스에 결함을 포함하는 윤곽선을 형성하는 단계를 포함하고, 여기서, 상기 윤곽선을 형성하는 단계는:
    빔 경로를 따라 지향되고 빔 전환 요소를 통해 빔 소스에 의해 출력된 펄스 레이저 빔을 지향시키는 단계; 및
    상기 투명 워크피스로 지향된 펄스 레이저 빔의 일부분이 펄스 레이저 빔의 빔 전파 방향을 가로지르는 단면 위상 윤곽을 가지는 위상 변위된 초점 라인을 포함하도록 위상 변경 광학 요소를 통해 그리고 투명 워크피스로 펄스 레이저 빔을 지향시키는 단계를 포함하고; 여기서:
    상기 단면 위상 윤곽은 위상 변경 광학 요소에 의해 유도된 하나 이상의 위상 윤곽 릿지를 포함하고, 상기 하나 이상의 위상 윤곽 릿지는 하나 이상의 위상 릿지 라인을 따라 연장됨; 및
    상기 위상 변위된 초점 라인은 투명 워크피스 내에 유도 흡수를 발생하며, 상기 유도 흡수는 투명 워크피스 내에 결함을 생성하고, 상기 투명 워크피스는 중앙 결함 영역 및 위상 변위된 초점 라인의 하나 이상의 위상 릿지 라인의 20°내로 지향된 방사상 결함 방향으로 상기 중앙 결함 영역으로부터 바깥으로 연장된 적어도 하나의 방사상 아암을 포함하는, 투명 워크피스를 레이저 가공하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 방사상 결함 방향은 위상 변위된 초점 라인의 하나 이상의 위상 릿지 라인의 5°내로 지향되는, 투명 워크피스를 레이저 가공하는 방법.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 방사상 결함 방향은 위상 변위된 초점 라인의 하나 이상의 위상 릿지 라인에 평행한, 투명 워크피스를 레이저 가공하는 방법.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 하나에 있어서,
    상기 위상 변경 광학 요소는 빔 경로로부터 방사상 오프셋 방향으로 오프셋되어 위치된 렌즈를 포함하는, 투명 워크피스를 레이저 가공하는 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 렌즈는 초점 렌즈를 포함하며;
    확대 렌즈 및 시준 렌즈는 상기 빔 소스와 초점 렌즈 사이의 빔 경로를 따라 각각 위치되고; 및
    상기 확대 렌즈는 상기 빔 소스와 시준 렌즈 사이에 위치되고 상기 시준 렌즈는 확대 렌즈와 초점 렌즈 사이에 위치되는, 투명 워크피스를 레이저 가공하는 방법.
  6. 청구항 4 또는 5에 있어서,
    상기 빔 경로에 대해 렌즈를 병진시키는 단계; 및
    상기 윤곽선을 따라 투명 워크피스 및 펄스 레이저 빔을 서로에 대해 병진시켜, 레이저는 상기 윤곽선의 일부가 투명 워크피스의 이미지화 표면을 따라 굴곡을 포함하도록 상기 투명 워크피스 내에 윤곽선을 따라 복수의 결함을 형성하는 단계를 더욱 포함하는, 투명 워크피스를 레이저 가공하는 방법.
  7. 청구항 1 내지 6 중 어느 하나에 있어서,
    상기 윤곽선을 따라 투명 워크피스와 펄스 레이저 빔을 서로에 대해 병진시켜, 레이저가 상기 투명 워크피스 내에 윤곽선을 따라 복수의 결함을 형성하는 단계를 더욱 포함하는, 투명 워크피스를 레이저 가공하는 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 윤곽선을 따라 투명 워크피스를 분리하기 위해 윤곽선을 따라 또는 근처에 투명 워크피스로 적외선 레이저 빔을 지향시키는 단계를 더욱 포함하는, 투명 워크피스를 레이저 가공하는 방법.
  9. 청구항 1 내지 8 중 어느 하나에 있어서,
    상기 위상 변위된 초점 라인의 후미부가 투명 워크피스를 조사하기 전에 위상 변위된 초점 라인의 선두부가 투명 워크피스를 조사하도록 위상 변위된 초점 라인은 후미부로부터 위상 변위된 선두부를 포함하는, 투명 워크피스를 레이저 가공하는 방법.
  10. 청구항 1 내지 9 중 어느 하나에 있어서,
    상기 위상 변위된 초점 라인은 투명 워크피스의 이미지화 표면으로 비-축대칭 빔 스폿을 투영하는, 투명 워크피스를 레이저 가공하는 방법.
  11. 청구항 1 내지 10 중 어느 하나에 있어서,
    상기 투명 워크피스로 지향된 펄스 레이저 빔의 일부분은:
    파장 (λ);
    유효 스폿 크기 (wo,eff); 및
    단면 x-방향으로 최소 레일리 범위 ZRx,min 및 단면 y-방향으로 최소 레일리 범위 ZRy,min를 포함하는 단면, 여기서, ZRx,min 및 ZRy,min 중더 작은 것이
    Figure pct00029
    이상이며, 여기서 FD는 10 또는 그 이상의 값을 포함하는 무차원 발산 계수인, 투명 워크피스를 레이저 가공하는 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 무차원 발산 계수 FD는 약 50 내지 약 1500의 값을 포함하는, 투명 워크피스를 레이저 가공하는 방법.
  13. 청구항 1 내지 12 중 어느 하나에 있어서,
    상기 빔 전환 요소는 비구면 광학 요소, 환형 애퍼처, 또는 둘 모두를 포함하는, 투명 워크피스를 레이저 가공하는 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 비구면 광학 요소는 굴절 액시콘, 반사 액시콘, 부 액시콘, 공간 광 변조기, 회절 광학 기구, 또는 입방체 형태의 광학 요소를 포함하는, 투명 워크피스를 레이저 가공하는 방법.
  15. 투명 워크피스를 레이저 가공하는 방법으로서, 상기 방법은:
    상기 투명 워크피스에 펄스 레이저 빔을 국한시키는 단계를 포함하고,
    여기서, 상기 펄스 레이저 빔은 빔 전파 방향으로 광학 경로를 따라 전파되며 상기 펄스 레이저 빔은:
    상기 투명 워크피스의 손상 한계를 초과하기 충분한 펄스 에너지 및 펄스 지속시간; 및
    상기 투명 워크피스의 이미지화 표면으로 축대칭 빔 스폿을 투영하고 상기 축대칭 빔 스폿에 단면 위상 윤곽을 포함하는 위상 변위된 초점 라인;을 포함함, 여기서:
    상기 단면 위상 윤곽은 하나 이상의 위상 릿지 라인을 따라 단면 위상 윤곽을 따라 연장되는 하나 이상의 위상 윤곽 릿지를 포함하고; 및
    상기 위상 변위된 초점 라인은 투명 워크피스 내에 유도 흡수를 발생하고, 상기 유도 흡수는 투명 워크피스 내에 결함을 생성하며, 상기 투명 워크피스는 중앙 결함 영역 및 상기 위상 변위된 초점 라인의 하나 이상의 위상 릿지 라인의 20°내로 지향된 방사상 결함 방향으로 상기 중앙 결함 영역으로부터 바깥쪽으로 연장된 적어도 하나의 방사상 아암을 포함하는, 투명 워크피스를 레이저 가공하는 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    방사상 오프셋 방향으로 빔 경로에서 오프셋되어 위치한 렌즈를 통해 펄스 레이저 빔을 지향시키는 단계를 더욱 포함하는, 투명 워크피스를 레이저 가공하는 방법.
  17. 청구항 15 또는 16에 있어서,
    비구면 광학 요소, 환형 애퍼처, 또는 둘 모두를 포함하는 빔 전환 요소를 통해 펄스 레이저 빔를 통해 펄스 레이저 빔을 지향시키는 단계를 더욱 포함하는, 투명 워크피스를 레이저 가공하는 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 투명 워크피스로 지향된 펄스 레이저 빔의 일부분은:
    파장 (λ);
    유효 스폿 크기 (wo); 및
    Figure pct00030
    이상인 레일리 범위 ZR를 포함하는 단면을 포함하고, 여기서, FD는 10 또는 그 이상의 값을 포함하는 무차원 발산 계수인, 투명 워크피스를 레이저 가공하는 방법.
  19. 청구항 15 내지 18 중 어느 하나에 있어서,
    상기 투명 워크피스 및 펄스 레이저 빔을 윤곽선을 따라 서로에 대해 병진시켜, 레이저가 상기 투명 워크피스 내에 윤곽선을 따라 복수의 결함을 형성하는 단계를 더욱 포함하는, 투명 워크피스를 레이저 가공하는 방법.
  20. 투명 워크피스를 레이저 가공하는 방법으로서, 상기 방법은:
    상기 투명 워크피스에 결함을 포함하는 윤곽선을 형성하는 단계를 포함하고,
    여기서, 상기 윤곽선을 형성하는 단계는:
    빔 경로를 따라 지향되고 비구면 광학 요소를 통해 빔 소스에 의해 출력된 펄스 레이저 빔을 지향시키는 단계; 및
    상기 투명 워크피스로 지향된 펄스 레이저 빔의 일부분이 단면 위상 윤곽을 가진 위상 변위된 초점 라인을 포함하도록 위상 변경 광학 요소를 통해 그리고 투명 워크피스로 펄스 레이저 빔을 지향시키는 단계를 포함하고; 여기서:
    상기 위상 변위된 초점 라인의 후미부가 투명 워크피스를 조사하기 전에 상기 위상 변위된 초점 라인의 선두부가투명 워크피스를 조사하도록 상기 위상 변위된 초점 라인은 후미부로부터 위상 변위된 선두부를 포함하고;
    상기 위상 변위된 초점 라인은 투명 워크피스 내에 유도 흡수를 발생하고, 상기 유도 흡수는 투명 워크피스 내에 결함을 생성하며, 상기 투명 워크피스는 중앙 결함 영역 및 방사상 결함 방향으로 상기 중앙 결함 영역으로부터 바깥으로 연장되는 적어도 하나의 방사상 아암을 포함하고; 및
    상기 위상 변위된 초점 라인은 상기 투명 워크피스의 이미지화 표면으로 축대칭 빔 스폿을 투영하는, 투명 워크피스를 레이저 가공하는 방법.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 위상 변경 광학 요소는 빔 경로로부터 방사상 오프셋 방향으로 오프셋되어 위치된 렌즈를 포함하는, 투명 워크피스를 레이저 가공하는 방법.
  22. 청구항 20 또는 21에 있어서,
    상기 윤곽선을 따라 투명 워크피스와 펄스 레이저 빔을 서로에 대해 병진시켜, 레이저가 상기 투명 워크피스 내에 윤곽선을 따라 복수의 결함을 형성하는 단계를 더욱 포함하는, 투명 워크피스를 레이저 가공하는 방법.
  23. 청구항 20 내지 22 중 어느 하나에 있어서,
    상기 위상 변위된 초점 라인의 선두부는 위상 변위된 초점 라인의 선두부가 투명 워크피스를 조사할 때 단면 위상 윤곽의 하나 이상의 윤곽 릿지에 상응하며;;
    상기 하나 이상의 위상 윤곽 릿지는 하나 이상의 위상 릿지 라인을 따라 연장되고; 및
    상기 적어도 하나의 방사상 아암의 방사상 결함 방향은 위상 변위된 초점 라인의 하나 이상의 위상 릿지 라인의 20°내로 지향되는, 투명 워크피스를 레이저 가공하는 방법.
  24. 청구항 20 내지 23 중 어느 하나에 있어서,
    상기 투명 워크피스로 지향된 펄스 레이저 빔의 일부는:
    파장 (λ);
    유효 스폿 크기 (wo); 및
    Figure pct00031
    이상인 레일리 범위 ZR를 포함하는 단면을 포함하고, 여기서, FD는 10 또는 그 이상의 값을 포함하는 무차원 발산 계수인, 투명 워크피스를 레이저 가공하는 방법.
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