KR20200040808A - 투명 워크피스의 동시 다중 레이저 처리하기 위한 기기 및 방법 - Google Patents

투명 워크피스의 동시 다중 레이저 처리하기 위한 기기 및 방법 Download PDF

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Abstract

투명 워크피스를 레이저 처리하는 방법은 빔 전파 방향을 따라 배향되고 투명 워크피스로 지향된 펄스 레이저 빔 초점 라인으로 펄스 레이저 빔 소스에 의해 생성 출력된 펄스 레이저 빔을 초점 맞추고, 이를 통해 상기 투명 워크피스 상에 펄스 레이저 빔 스폿을 형성하고 투명 워크피스 내에 결함을 생성하는 단계, 이미지화 표면에서 펄스 레이저 빔 스폿을 둘러싸고 투명 워크피스를 가열하는 환형 적외선 빔 스폿을 형성하기 위해 투명 워크피스로 출력된 적외선 레이저 빔을 지향시키는 단계를 포함한다. 또한, 상기 방법은 투명 워크피스와 펄스 레이저 빔 초점 라인을 분리 경로를 따라 서로에 대해 병진 이동시키는 단계 및 상기 투명 워크피스와 펄스 레이저 빔 초점 라인의 서로에 대한 병진 이동과 동시에 투명 워크피스와 환형 적외선 빔 스폿을 분리 경로를 따라 서로에 대해 병진 이동시키는 단계를 포함한다.

Description

투명 워크피스의 동시 다중 레이저 처리하기 위한 기기 및 방법
본 출원은 2017년 8월 11일에 제출된 미국 가출원 번호 62/544,208의 우선권을 주장하며, 그 전체가 참조로 본원에 포함된다.
본 발명는 일반적으로 투명 워크피스(workpieces)를 레이저 처리하기 위해, 더욱 구체적으로, 투명 워크피스를 분리하기 위한 기기 및 방법에 대한 것이다.
재료의 레이저 처리의 구역은 다양한 형식의 재료의 절단, 드릴링, 밀링, 용접, 용융 등을 포함하는 광범위한 응용을 포함한다. 이러한 처리들 중, 특히 관심있는 것 중 하나는 전자 장치를 위한 박막 트랜지스터(TFT) 또는 디스플레이 재료에 대한 유리, 사파이어, 또는 융합된 실리카와 같은 재료의 생산에서 활용될 수 있는 공정에서의 상이한 유형의 투명 기판을 절단 또는 분리하는 것이다.
공정 개발 및 비용 관점으로부터, 유리 기판의 절단 및 분리에서의 개선을 위한 많은 기회가 존재한다. 현재 시판되고 있는 것보다 더 빠르고, 깨끗하고, 저렴하고, 더욱 재사용 가능하며, 더욱 신뢰할만한 유리 기판을 분리하는 방법을 갖는 것이 관심 대상이다. 따라서, 유리 기판을 분리하기 위한 대안의 개선된 방법에 대한 필요성이 존재한다.
하나의 실시예에 따라서, 투명 워크피스를 레이저 처리하는 방법은, 빔 전파 방향을 따라 배향되고 투명 워크피스로 지향된 펄스 레이저 빔 초점 라인으로 펄스 레이저 빔 소스에 의해 출력된 펄스 레이저 빔을 초점 맞추고, 이에 따라 투명 워크피스의 이미지화 표면 상에 펄스 레이저 빔 스폿을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 펄스 레이저 빔 초점 라인은 투명 워크피스 내에 유도 흡수를 발생하고 상기 유도 흡수는 투명 워크피스 내에 펄스 레이저 빔 초점 라인을 따라 결함을 생성한다. 상기 방법은 또한 적외선 레이저 빔이 이미지화 표면 상에 환형 적외선 빔 스폿을 형성하도록 투명 워크피스로 적외선 빔 소스에 의해 출력된 적외선 레이저 빔을 지향시키는 단계를 포함한다. 상기 환형 적외선 빔 스폿은 이미지화 표면에서 펄스 레이저 빔 스폿을 둘러싸고 상기 적외선 레이저 빔은 투명 워크피스를 가열한다. 또한, 상기 방법은 투명 워크피스와 펄스 레이저 빔 초점 라인을 분리 경로를 따라서 서로에 대해 병진 이동시켜, 상기 분리 경로를 따라 투명 워크피스 내에 윤곽선을 형성하는 복수의 결함을 레이저 성형하는 단계 및 상기 환형 적외선 빔 스폿이 상기 투명 워크피스와 펄스 레이저 빔 초점 라인의 상대적 움직임 도중 펄스 레이저 빔 스폿을 둘러싸고 윤곽선을 따라 또는 그 근처에서 투명 워크피스를 조사하여 상기 윤곽선을 따라 투명 워크피스를 분리하도록 상기 투명 워크피스와 펄스 레이저 빔 초점 라인의 서로에 대한 병진 이동과 동시에 상기 투명 워크피스와 환형 적외선 빔 스폿을 상기 분리 경로를 따라 서로에 대해 병진 이동시키는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 투명 워크피스를 레이저 처리하는 방법은, 빔 전파 방향을 따라 배향되고 투명 워크피스로 지향된 펄스 레이저 빔 초점 라인으로 펄스 레이저 빔 소스에 의해 출력된 펄스 레이저 빔을 초점 맞추고, 이를 통해 투명 워크피스의 이미지화 표면 상에 펄스 레이저 빔 스폿을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 펄스 레이저 빔 초점 라인은 상기 투명 워크피스 내에 유도 흡수를 발생하고 상기 유도 흡수는 투명 워크피스 내에 펄스 레이저 빔 초점 라인을 따라 결함을 생성한다. 상기 방법은 또한 적외선 레이저 빔이 이미지화 표면 상에 적외선 빈 스폿을 형성하도록 상기 투명 워크피스로 적외선 빔 소스에 의해 출력된 적외선 레이저 빔을 지향시키는 단계를 포함한다. 상기 적외선 빔 스폿은 이미지화 표면에서 펄스 레이저 빔 스폿으로부터 이격 거리로 이격되고 적외선 레이저 빔은 투명 워크피스를 가열한다. 또한, 상기 방법은 상기 투명 워크피스와 펄스 레이저 빔 초점 라인을 분리 경로를 따라 서로에 대해 병진 이동시켜, 상기 분리 경로를 따라 투명 워크피스 내에 윤곽선을 형성하는 복수의 결함을 레이저 성형하는 단계 및 상기 투명 워크피스와 펄스 레이저 빔 초점 라인의 상대적인 움직임 도중 적외선 빔 스폿으로부터 상기 펄스 레이저 빔 스폿이 이격 거리로 이격되게 유지하고 상기 윤곽선을 따라 또는 근처에서 투명 워크피스를 조사하여 상기 윤곽선을 따라 투명 워크피스를 분리시키도록 상기 펄스 레이저 빔 초점 라인에 대한 투명 워크피스의 병진 이동과 동시에 상기 투명 워크피스와 적외선 빔 스폿을 분리 경로를 따라 서로에 대해 병진 이동시키는 단계를 포함한다.
본원에 기술된 공정 및 시스템의 추가 특징 및 장점은 다음의 상세한 설명에서 설명될 것이며, 부분적으로 그 설명으로부터 당업자에게 명백하거나 또는 하기의 상세한 설명, 청구 범위 및 첨부된 도면을 포함하는 본원에 기술된 실시예를 실시함으로써 인식될 것이다.
전술한 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명은 다양한 실시예를 기술하고 청구된 주제의 본질 및 특성을 이해하기 위한 개요 또는 프레임워크를 제공하기위한 것으로 이해되어야 한다. 첨부된 도면은 다양한 실시예에 대한 추가 이해를 제공하기 위해 포함되며, 본 명세서에 포함되어 본 명세서의 일부를 구성한다. 도면은 본원에 설명된 다양한 실시예를 도시하고, 상세한 설명과 함께 청구된 주제의 원리 및 동작을 설명하는 역할을 한다.
도 1a는 본원에 기술된 하나 이상의 실시예에 따른, 각각이 투명 워크피스의 분리 경로를 횡단하는, 적외선 빔 스폿에 의해 둘러싸인 펄스 레이저 빔 스폿을 개략적으로 도시한다.
도 1b는 본원에 기술된 하나 이상의 실시예에 따른, 각각이 투명 워크피스의 분리 경로를 횡단하는, 적외선 빔 스폿에서 오프셋된(offset) 펄스 레이저 빔 스폿을 개략적으로 도시한다.
도 2a는 본원에 기술된 하나 이상의 실시예에 따른, 투명 워크피스를 레이저 처리하기 위한 펄스 빔 광학 조립체 및 적외선 광학 조립체를 포함하는 광학 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2b는 본원에 기술된 하나 이상의 실시예에 따른, 투명 워크피스를 레이저 처리하기 위한 도 2a의 펄스 빔 광학 조립체 및 다른 적외선 광학 조립체를 포함하는 광학 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 3은 본원에 기술된 하나 이상의 실시예에 따른, 도 2a 및 2b의 투명 워크피스의 결함의 윤곽선의 형성 및 분리를 개략적으로 도시한다.
도 4는 본원에 기술된 하나 이상의 실시예에 따른, 투명 워크피스를 처리하는 도중 펄스 레이저 빔 초점 라인의 예시의 위치 결정을 개략적으로 도시한다.
도 5a는 본원에 기술된 하나 이상의 실시예에 따른, 펄스 빔 레이저 처리를 위한 광학 조립체를 개략적으로 도시한다.
도 5b-1은 본원에 기술된 하나 이상의 실시예에 따른, 투명 워크피스와 관련하여 펄스 빔 레이저 초점 라인의 제1 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 5b-2는 본원에 기술된 하나 이상의 실시예에 따른, 투명 워크피스와 관련하여 펄스 빔 레이저 초점 라인의 제2 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 5b-3은 본원에 기술된 하나 이상의 실시예에 따른, 투명 워크피스와 관련하여 펄스 빔 레이저 초점 라인의 제3 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 5b-4은 본원에 기술된 하나 이상의 실시예에 따른, 투명 워크피스와 관련하여 펄스 빔 레이저 초점 라인의 제4 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 6a는 본원에 기술된 하나 이상의 실시예에 따른, 각각의 예시의 펄스 버스트가 7개의 서브-펄스(sub-pulses)를 가진, 예시적인 펄스 버스트 대 시간 내에 레이저 펄스의 상대 강도를 그래프로 도시한다.
도 6b는 본원에 기술된 하나 이상의 실시예에 따른, 각각의 예시의 펄스 버스트가 9개의 서브-펄스(sub-pulses)를 가진, 예시적인 펄스 버스트 대 시간 내에 레이저 펄스의 상대 강도를 그래프로 도시한다.
유리 워크피스와 같은, 그 예시가 첨부된 도면에 도시된, 투명 워크피스를 레이저 처리하기 위한 공정의 예시를 이제 상세히 참조할 것이다. 가능한, 동일한 참조 번호는 도면 전체적으로 동일하거나 유사한 부분을 나타내는데 사용될 것이다. 본원에 기술된 하나 이상의 실시예에 따라, 투명 워크피스는 투명 워크피스를 둘 이상의 부분으로 분리하기 위해 레이저 처리될 수 있다. 일반적으로, 상기 공정은 적어도 투명 워크피스에 결함을 포함하는 윤곽선을 형성하는 것과 윤곽선에 또는 근처에서 투명 워크피스에 적외선 레이저 빔이 가해짐으로써 윤곽선을 따라 투명 워크피스를 분리하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 펄스 레이저 빔은 투명 워크피스에 일련의 결함을 생성하여 윤곽선을 형성하는데 사용될 수 있다. 이러한 결함은 투명 워크피스에 천공 또는 나노 천공으로서 본원에 나타낼 수 있다.
적외선 레이저는 이후 윤곽선에서 투명 워크피스를 분리하기 위해 윤곽선을 따라 및/또는 인접하여 투명 워크피스의 구역을 가열하는데 사용될 수 있다. 윤곽선을 따른 분리는 적외선 레이저 빔으로부터의 가열에 의해 야기된 상이한 부분에서 투명 워크피스의 온도의 차이에 의해 야기된 투명 워크피스에서의 기계적 응력에 의해 야기될 수 있다. 또한, 본원에 기술된 실시예에서, 복수의 결함을 레이저 성형하는 단계와 이러한 결함 적외선 레이저 빔으로 가열하는 단계는 단일의, 동시 단계로 일어날 수 있다. 일부 실시예에서, 적외선 레이저 빔은 (환형 적외선 빔 스폿일 수 있는 일부 실시예에서) 투명 워크피스 상에 적외선 빔 스폿을 형성할 수 있고 펄스 레이저 빔은 상기 적외선 빔 스폿(예컨대, 환형 적외선 빔 스폿)이 투명 워크피스의 이미지화 표면 상에 펄스 레이저 빔에 의해 형성된 펄스 레이저 빔 스폿을 둘러싸도록(예컨대, 선을 둘러싸도록) 투명 워크피스로 지향될 수 있다. 다른 실시예에서, 적외선 레이저 빔은 투명 워크피스 상에 적외선 빔 스폿을 형성할 수 있고 펄스 레이저 빔은 펄스 레이저 빔에 의해 형성된 펄스 레이저 빔 스폿이 이격 거리만큼 적외선 레이저 빔으로부터 이격되도록 투명 워크피스로 지향될 수 있다. 이러한 실시예 각각에서, 결함선은 펄스 레이저 빔에 의해 형성되고 적외선 레이저 빔에 의해 분리되고 투명 워크피스는 투명 워크피스와 펄스 레이저 빔 및 적외선 레이저 빔 모두의 사이에서 동시적인 상대적 움직임에 의해 결함선을 따라 분리된다. 투명 워크피스를 분리하는 방법 및 기기의 다양한 실시예가 본원에 기술되고 첨부된 도면들을 특히 참고할 것이다.
하나 이상의 실시예에 따르면, 본 발명은 투명 워크피스를 처리하는 방법을 제공한다. 본원에 사용되는 "레이저 처리"는 투명 워크피스에 윤곽선을 형성하거나, 투명 워크피스를 분리하거나, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 본원에서 사용되는 "투명 워크피스"라는 문구는 투명한, 유리, 유리-세라믹 또는 반도체 물질로 형성된 워크피스를 의미하며, 여기서, "투명"이라는 용어는 그 물질이 특정 펄스 레이저 파장에 대해 재료 깊이 mm 당 약 10 % 미만, 예컨대, 재료 깊이 mm 당 약 1 % 미만의 광 흡수를 갖는 것을 의미한다. 일부 실시예에 따르면, 분리되는 부분과 같은, 투명 워크피스의 적어도 일부분은 약 5x10-6/K 미만, 예컨대 약 4x10-6/K 미만, 또는 약 3.5x10-6/K 미만의 열팽창계수를 갖는다. 예를 들어, 투명 워크피스는 약 3.2x10-6/K의 열팽창계수를 가질 수 있다. 투명 워크피스는 약 50 미크론(microns) 내지 약 10 mm (예컨대, 약 100 미크론 내지 약 5 mm, 또는 약 0.5 mm 내지 약 3 mm)의 두께를 가질 수 있다.
투명 워크피스는 붕규산 유리, 소다-라임 유리, 알루미노실리케이트(aluminosilicate) 유리, 알칼리 알루미노실리케이트(alkali aluminosilicate), 알칼리 토류 알루미노실리케이트 유리(alkaline earth aluminosilicate glass), 알칼리 토류 보로-알루미노실리케이트 유리(alkaline earth boro-aluminosilicate glass), 용융 실리카, 또는 사파이어, 실리콘, 갈륨 비소 또는 이들의 조합과 같은 결정질 물질과 같은 유리 조성물로부터 형성된 유리 워크피스를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 유리는 이온 교환 가능할 수 있어서, 유리 조성물은 투명 워크피스를 레이저 가공하기 전 또는 후에 기계적 강화를 위해 이온 교환될 수 있다. 예를 들어, 투명 워크피스는 뉴욕 코닝 소재의 Corning Incorporated로부터 입수 가능한 Corning Gorilla® 유리(예컨대, code 2318, code 2319 및 code 2320)와 같은 이온 교환 및 이온 교환 유리를 포함할 수 있다. 또한, 이들 이온 교환 가능 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.% 이상의 붕소 및/또는 이에 한정하지 않지만, B2O3을 포함하는 붕소를 함유하는 화합물을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 투명 워크피스가 형성되는 유리 조성물은 약 1.0 mol.% 이하의 붕소 산화물 및/또는 붕소를 함유하는 화합물을 포함한다. 또한, 투명 워크피스는 레이저의 파장에 대해 투명한 다른 구성요소, 예를 들어, 사파이어 또는 아연 셀레나이드(zinc selenide)와 같은 결정을 포함할 수 있다.
일부 투명 워크피스는 디스플레이 및/또는 TFT(박막 트랜지스터) 기판으로 활용될 수 있다. 디스플레이 또는 TFT 용도에 적합한 이러한 유리 또는 유리 조성물의 일부 예시는 NY 코닝의 코닝 인코포레이션에서 입수 가능한 EAGLE XG®, CONTEGO, 및 CORNING LOTUSTM 이다. 알칼리 토류 보로-알루미노실리케이트 유리 조성물은 이에 한정하지 않지만, TFT를 위한 기판을 포함하는 전기 적용에 대해 기판으로서 사용하는데 적합하도록 배합(formulated)될 수 있다. TFT와 함께 사용된 유리 조성물은 통상적으로 실리콘(예컨대, 5 x 10-6/K 이하, 또는 4 x 10-6/K 이하, 예를 들어, 거의 3 x 10-6/K, 또는 약 2.5 x 10-6/K 내지 약 3.5 x 10-6/K)의 것과 유사한 CTE를 가지며, 유리 내에 낮은 수준의 알칼리를 갖는다. 낮은 수준의 알칼리(예컨대, 약 0 wt.% 내지 2 wt.%의 미량, 예컨대 1 wt.% 이하, 예를 들어, 0.5 wt.% 이하)는 TFT 적용에 사용될 수 있으며, 이는 일부 조건에서, 알칼리 도펀트(alkali dopants)가 유리에서 침출되어 TFT를 오염시키거나 "중독"시켜, TFT가 작동하지 않을 수 있기 때문이다. 실시예에 따르면, 본원에 기술된 레이저 절단 공정은 무시할 수 있는 이물질, 최소 결함, 및 에지에 대한 낮은 하위표면 손상으로 제어된 방식으로 투명 워크피스를 분리하는데 사용될 수 있고, 이는 워크피스 강도 및 무결성을 보존하는데 사용될 수 있다.
본원에 사용된 "윤곽선"과 같은 용어는 투명 워크피스의 표면 상에 의도된 분리선(예컨대, 선, 곡선 등)을 나타내며, 적절한 처리 조건에 노출되면 이를 따라서 투명 워크피스가 다수의 부분으로 분리될 것이다. 윤곽선은 일반적으로 다양한 기술을 이용하여 투명 워크피스로 도입된 하나 이상의 결함으로 구성된다. 본원에 사용된 "결함"은 투명 워크피스에서의 (벌크 재료에 대한) 수정된 재료의 구역, 빈 공간, 긁힘, 결함, 구멍 또는 다른 변형을 포함할 수 있으며, 이는 펄스 레이저 빔으로 투명 워크피스를 조사함으로써 형성될 수 있다. 윤곽선의 결함은 추가 열 처리에 의해, 예컨대 투명 워크피스(160)의 형식, 두께, 및 구조에 따라서, 투명 워크피스(160)에서의 응력 존재로 인해, 추가 가열 또는 기계적 분리 단계 없이 일어나는 적외선 레이저 처리(본원에 기술된), 기계적 응력, 또는 자발적 파괴에 의해(예를 들어, 높은 CTE를 가진 투명 워크피스(160)가 윤곽선의 형성 이후 자발적 파괴를 겪을 수 있음), 윤곽선을 따라 투명 워크피스의 분리를 가능하게 한다. 또한, 본원에 사용된 투명 워크피스의 "이미지화 표면"은 펄스 레이저 빔이 처음에 투명 워크피스와 접촉하는 투명 워크피스의 표면이다.
유리 기판 등과 같은, 투명 워크피스는 투명 워크의 표면 상에 윤곽선을 형성함으로써 다수의 부분으로 분리될 수 있으며, 이후 윤곽선을 따라 투명 워크피스의 표면을 가열하여 투명 워크피스에서의 열 응력을 생성한다. 응력은 궁극적으로 윤곽선을 따라 투명 워크피스의 분리(예컨대, 자발적 분리)를 야기한다. 투명 워크피스의 표면을 가열하는 것은 예를 들어, 적외선 레이저를 이용하여 수행될 수 있다. 더욱이, 결함을 포함하는 윤곽선의 형성 및 윤곽선을 따른 투명 워크피스의 표면을 가열하는 것은 투명 워크피스와 펄스 레이저 빔 및 적외선 레이저 빔 모두의 사이의 동시적인 상대적 움직임에 의한 것일 수 있다. 차후의 윤곽선의 가열과 함께 윤곽선의 형성을 동시에 수행함으로써, 투명 워크피스를 분리하기 위한 레이저 처리 시간(예컨대, 평균 공정 시간)이 예를 들어 절반으로 줄어들 수 있다.
도 1a 및 1b를 참고하면, 예시의 방식으로, 유리 워크피스 또는 유리-세라믹 워크피스와 같은, 투명 워크피스(160)는 본원에 기술된 방법에 따른 동시에 발생하는 결함 형성 및 분리를 겪는 것으로 개략적으로 도시된다. 도시된 바와 같이, 윤곽선(170)은 투명 워크피스(160)가 둘 이상의 부분으로 분리되는 것에 대한 의도된 분리선인, 분리 경로(165)를 따라 투명 워크피스(160)에 형성된다. 윤곽선(170)은 투명 워크피스(160)에 일련의 결함(172)을 포함하며 각각의 결함(172)은 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)(도 2 및 3)을 투명 워크피스(160)로 지향시킴으로써 형성될 수 있다. 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)은 펄스 레이저 빔(112)(도 2 및 3)의 일부분을 포함하며, 이는 투명 워크피스(160)의 이미지화 표면(162) 상에 펄스 레이저 빔 스폿(114)을 형성한다. "천공된" 윤곽선을 형성하기 위한(예컨대, 투명 워크피스(160)에 윤곽선(170)을 형성하는) 일부 예시 방법 및 기기는 2015년 12월 17일에 공개된, 미국 특허 출원 공개 번호 2015/0360991에 개시되고, 그 전체가 참고로 본원에 포함된다. 윤곽선(170)이 실질적으로 선형인 것으로 도 1a 및 1b에 도시되지만, 이에 한정하지 않지만, 곡선, 패턴, 규칙적인 기하학적 형상, 불규칙적인 형상 등을 포함하는 다른 구조가 고려되고 가능하다는 것을 이해해야 한다. 본원에 기재된 것처럼, 윤곽선(170)의 결함(170)은 윤곽선(170)을 따른 투명 워크피스(160)의 분리를 유도하기 위해 적외선 레이저 빔(212)(도 2a, 2b, 및 3)에 의해 가열될 수 있다. 도 1a 및 1b에 도시된 것처럼, 적외선 레이저 빔(212)은 투명 워크피스(160)의 이미지화 표면(162) 상에 적외선 빔 스폿(214)을 형성한다.
윤곽선(170)은, 투명 워크피스(160) 내에서 연장되는, 예를 들어, 이미지화 표면(162)으로부터 투명 워크피스(160)로 연장되고, 분리된 워크피스의 원하는 형상을 묘사하고, 균열 전파를 위한 경로를 수립하는, 선 형상의 결함(예컨대, 결함(172))을 포함할 수 있으며, 이에 따라, 윤곽선(170)을 따른 분리 부분으로 투명 워크피스(160)의 분리를 포함할 수 있다. 윤곽선(170)을 형성하기 위해, 투명 워크피스(160)는 펄스 레이저 빔(112)(도 2a, 2b, 및 3)으로 조사될 수 있으며, 이는 투명 워크피스(160)의 두께의 적어도 일부분을 통해 관통하는 높은 종횡비 라인 초점(즉, 도 2a, 2b, 및 3의 펄스 레이저 빔 초점 라인(113))으로 집중된 1064 nm 또는 이하의 파장의 초단 펄스 레이저 빔(즉, 100 psec 이하의 펄스 폭을 가진)을 포함할 수 있다. 고 에너지 밀도의 이러한 체적 내에서, 윤곽선(170)을 따른 투명 워크피스(160)의 재료는 비선형 효과(예컨대, 2개의 광자 흡수에 의해)를 통해 수정되고, 구체적으로 투명 워크피스(160)의 재료에 결함(172)을 생성한다. 원하는 선 또는 경로(즉, 분리 경로(165)) 위의 펄스 레이저 빔(112)을 스캔함으로써, 윤곽선(170)을 형성하는 좁은 선 결함(예컨대, 수 미크론 너비)이 형성될 수 있다. 이러한 윤곽선(170)은 차후 가열 단계에서 투명 워크피스(160)로부터 분리될 둘레 또는 형상을 형성할 수 있다.
투명 워크피스(160)의 윤곽선(170)의 형성과 동시에 발생하는, 도 1a-3을 참고하면, 적외선 레이저 빔(212)과 같은, 열원은 윤곽선(170)을 따른 투명 워크피스(160)를 분리하는데 사용될 수 있다. 실시예에 따르면, 열원은 열응력을 생성하고 이로써 윤곽선(170)에서 투명 워크피스(160)를 분리하는데 사용될 수 있다. 아래에서 더욱 자세히 설명된 바와 같이, 윤곽선(170)을 따른 적외선 레이저 빔(212)의 상대적 움직임은 윤곽선(170)의 형성 및 분리가 단일 통행(즉, 분리 경로(165)를 따른 펄스 레이저 빔(112)와 적외선 레이저 빔(212)의 단일의, 동시 횡단)에서 일어날 수 있도록 분리 경로(165)를 따른 펄스 레이저 빔(112)의 상대적 움직임과 동시에 발생될 수 있다.
적외선 레이저 빔(212)은 윤곽선(170)에서 또는 그 근처에서 투명 워크피스(160)의 온도를 빠르게 증가시키는 제어된 열원인, 이산화탄소 레이저(CO2 레이저), 일산화탄소 레이저(CO 레이저), 고체 상태 레이저, 레이저 다이오드, 또는 이들의 조합과 같은 적외선 레이저 빔 소스(210)에 의해 생성된 레이저 빔을 포함한다. 이러한 빠른 가열은 윤곽선(170)에 또는 인근에서 투명 워크피스(160)에 압축 응력을 구축할 수 있다. 가열된 유리 표면의 구역이 투명 워크피스(160)의 전체 표면 구역에 비해 상대적으로 작기 때문에, 가열된 구역은 상대적으로 빠르게 냉각된다. 결과적인 온도 경사는 윤곽선(170)을 따라 그리고 투명 워크피스(160)의 두께를 통해 균열이 전파되기 충분한 투명 워크피스(160)에서의 인장 응력을 유도하며, 이는 윤곽선(170)을 따라 투명 워크피스(160)의 완전한 분리를 야기한다. 이론에 구애받지 않고, 인장 응력은 더 높은 국부 온도로 투명 워크피스(160)의 일부분에서의 유리의 팽창(즉, 밀도 변화)에 의해 야기될 수 있는 것으로 여겨진다.
도 1a-3을 다시 참고하면, 본원에 기술된 실시예에서, 적외선 레이저 빔(212)은 투명 워크피스(160)로 지향되고(이를 통해 투명 워크피스(160)로 적외선 빔 스폿(214)을 투영시킴) 처리 방향(10)으로 윤곽선(170)을 따라 투명 워크피스(160)에 대해 병진 이동될 수 있다. 작동 중, 윤곽선(170)의 분리 부분(164)은 적외선 레이저 빔(212)으로 윤곽선(170)을 가열하여 형성되며(예컨대, 적외선 빔 스폿(214)을 횡단하여), 이로써 윤곽선(170)을 따라 그리고 분리가 일어나게 되는 그 두께를 통해 균열이 전파된다. 윤곽선(170)의 분리된 부분(164)은 적외선 빔 스폿(214)이 처리 방향(10)으로 이동하면서 적외선 빔 스폿(214)을 따라간다. 하나 이상의 실시예에 따라, 적외선 레이저 빔(212)은 투명 워크피스(160)의 움직임, 적외선 레이저 빔(212)의 움직임(즉, 적외선 빔 스폿(214)의 움직임), 또는 투명 워크피스(160)와 적외선 레이저 빔(212) 모두의 움직임에 의해 투명 워크피스(160)를 가로질러 병진 이동될 수 있다. 투명 워크피스(160)에 대한 적외선 빔 스폿(214)의 병진 이동에 의해, 투명 워크피스(160)는 윤곽선(170)을 따라 분리될 수 있다.
이론에 한정하려는 것은 아니지만, 윤곽선(170)의 양측에 투명 워크피스(160)을 가열하는 것은 윤곽선(170)을 따라 투명 워크피스(160)의 분리를 용이하게 하는 열응력을 생성한다. 그러나, 윤곽선(170)을 따른 분리를 용이하게 하기 위해 투명 워크피스(160)로 가해진 에너지의 총량은 적외선 레이저 빔(212)이 윤곽선(170) 상에 직접 최대 강도로 초점 맞춰지는 것과 같을 수 있지만, 윤곽선(170) 상에 직접 최대 강도가 아닌 윤곽선(170)의 양측면에 투명 워크피스를 가열하는 것은 더 큰 구역에 걸쳐 열에너지의 총량을 확산시켜, 과열로 인한 윤곽선(170)의 측면에 균열의 형성을 완화시키고 또한 윤곽선(170)에 또는 그 인접한 투명 워크피스(160)의 재료의 용융을 줄이거나 또는 완화시킨다. 실제로, 윤곽선(170) 상에 직접적인 최대 강도가 아닌 윤곽선(170)의 양측면에 최대 강도로 투명 워크피스(160)를 가열하는 것은 실제로 원치않은 측면 균열 및/또는 용융의 형성 없이, 더 큰 양의 총 열에너지가 투명 워크피스(160)로 유도되게 할 수 있으며, 이로 인해, 상대적으로 낮은 CTE를 가진 재료로 형성된 투명 워크피스(160)의 레이저 분리가 가능하다.
일부 실시예에서, 분리를 용이하게 하는데 사용된 적외선 레이저 빔(212)의 적외선 빔 스폿(214)은 더 큰양의 에너지를 직접 윤곽선(170)으로보다 윤곽선(170) 인근 구역으로 전달하고 또한 적외선 빔 스폿(214)이 투명 워크피스(160)의 이미지화 표면(162)에서 펄스 레이저 빔(112)을 둘러싸게 하기 위해(즉, 도 1a에 도시된 실시예의 펄스 레이저 빔 스폿(114)을 둘러싸기 위해), 도 1a 및 1b에 도시된 원형의 대칭 빔 프로파일과 같은, 환형 빔 프로파일(예컨대, 환형 적외선 빔 스폿)을 포함할 수 있다. 따라서, 적외선 빔 스폿(214)은 윤곽선(170)을 따라 투명 워크피스(160)의 동시 형성 및 분리를 용이하게 한다. 도 1a 및 1b에 도시된 바와 같이, 적외선 빔 스폿(214)이 환형 적외선 빔 스폿을 포함하는 실시예에서, 적외선 빔 스폿(214)은 내부 지름(216) 및 외부 지름(218)을 포함한다. 또한, 본원에 사용된 바와 같이, 환형 빔 프로파일(예컨대, 환형 적외선 빔 스폿의)은 일반적으로 빔의 중심에서 멀어지는 최대 강도를 가지며 최대 강도에 대해 그 중심에서 강도 트로프를 갖는 임의의 레이저 빔 프로파일을 나타낸다. 트로프(trough)는 빔의 중심에서 에너지의 완전한 부족(즉, 빔의 강도가 그 중심에서 0임)을 포함할 수 있다. 더욱이, 적외선 빔 스폿(214)이 원형 고리를 포함하는 것으로 도 1a 및 1b에 도시지만(예컨대, 윤곽선(170)에 대해 원형으로 대칭), 타원형, 타원, 리사주 패턴(Lissajous pattern), 복수의 개별 스폿(discrete spots), 복수의 링 등과 같은 다른 환형 빔 프로파일이 고려되는 것을 이해해야 한다. 또한, 일부 실시예에서, 적외선 빔 스폿(214)가 내부 지름(216)을 포함하지 않고 외부 지름(218) 내의 실질적으로 모든 위치에서 레이저 에너지를 투사하는 것을 포함하는 가우시안 빔 스폿과 같은 비-환형 형태를 포함할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
도 1a 및 1b를 다시 참고하면, 윤곽선(170)의 결함(172)의 동시 형성은 투명 워크피스(160)와 펄스 레이저 빔 스폿(114)과 적외선 빔 스폿(214)이 분리 경로(165)를 따라 서로 가까이 위치한 배열의 펄스 레이저 빔 스폿(114) 및 적외선 빔 스폿(214) 모두 사이의 동시적인 상대적 움직임을 포함할 수 있다. 동시적인 상대적 움직임을 용이하게 하기 위해, 펄스 레이저 빔 스폿(114)(및 이로 인한 펄스 레이저 빔 초점 라인(113))은 적외선 빔 스폿(214)과 투명 워크피스(160) 사이의 상대적 움직임의 속도와 같은 속도로 병진 이동될 수 있다. 예를 들어, 투명 워크피스(160)와 각각의 적외선 빔 스폿(214) 및 펄스 레이저 빔 스폿(114) 사이의 상대적인 병진 이동은 약 1 mm/s 내지 약 10 m/s, 예컨대 약 2 mm/s, 5 mm/s, 10 mm/s, 25 mm/s, 50 mm/s, 75 mm/s, 100 mm/s, 250 mm/s, 500 mm/s, 750 mm/s, 1 m/s, 2.5 m/s, 5 m/s, 7.5 m/s 등일 수 있다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 적외선 빔 스폿(214)은 환형 적외선 빔 스폿을 포함할 수 있으며 도 1a에 도시된 바와 같이, 투명 워크피스(160)의 이미지화 표면(162) 상에 펄스 레이저 빔 스폿(114)을 둘러쌀 수 있다. 적외선 빔 스폿(214)이 펄스 레이저 빔 스폿(114)을 둘러싸면, 윤곽선(170)을 따른 투명 워크피스(160)의 동시 형성 및 분리는, 적외선 빔 스폿(214)은 투명 워크피스(214)와 펄스 레이저 빔 스폿(114)(및 이를 통한 펄스 레이저 빔 초점 라인(113))의 상대적인 움직임 도중 펄스 레이저 빔 스폿(114)을 둘러싸도록, 투명 워크피스(160)와 펄스 레이저 빔 스폿(114)(및 이를 통한 펄스 레이저 빔 초점 라인(113))의 서로에 대한 병진 이동과 동시에, 분리 경로(165)(예컨대, 처리 방향(10)으로)를 따라 서로에 대해 투명 워크피스(160)와 적외선 빔 스폿(214)을 병진 이동시키는 것을 포함한다. 도 1a에 도시된 실시예에서, 펄스 레이저 빔 스폿(114) 및 적외선 빔 스폿(214)은 동축이다(즉, 각각 공통의 중심점을 공유함). 그러나, 펄스 레이저 빔 스폿(114)을 둘러싸고 있는 동안 펄스 레이저 빔 스폿(114)이 적외선 빔 스폿(214)의 내부 지름 내의 임의의 위치에서 위치될 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 일부 실시예에서, 펄스 레이저 빔 스폿(114)은 펄스 레이저 빔 스폿(114) 및 적외선 빔 스폿(214)의 가장 가까운 부분이 펄스 레이저 빔 스폿(114)으로부터 약 3 mm 이상, 예를 들어, 4 mm 이상, 5 mm 이상, 6 mm 이상, 등이 되도록 적외선 빔 스폿(214)의 내부 지름(126) 내에 위치될 수 있다.
다음으로 도 1b를 참고하면, 일부 실시예에서, 적외선 빔 스폿(214)은 펄스 레이저 빔 스폿(114)으로부터 이격 거리(15)만큼 이격될 수 있으므로, 적외선 빔 스폿(214)은 처리 방향(10)을 따라 펄스 레이저 빔 스폿(114)을 따른다(trail). 펄스 레이저 빔 스폿(114)과 적외선 빔 스폿(214) 사이의 이격 거리(15)는 약 1 ㎛ 내지 약 100 mm, 예를 들어, 약 2 ㎛, 5 ㎛, 10 ㎛, 25 ㎛, 50 ㎛, 100 ㎛, 250 ㎛, 500 ㎛, 1 mm, 2 mm, 5 mm, 10 mm, 25 mm, 50 mm, 75 mm 등일 수 있다. 적외선 빔 스폿(215)이 이격 거리(15)만큼 펄스 레이저 빔 스폿(114)에서 이격된 경우, 윤곽선(170)을 따른 투명 워크피스(160)의 동시 형성 및 분리는, 적외선 빔 스폿(114)이 투명 워크피스(160)와 펄스 레이저 빔 스폿(114)(및 이를 통해 펄스 레이저 빔 초점 라인(113))의 상대적인 움직임 도중 펄스 레이저 빔 스폿(114)으로부터 이격 거리(15)만큼 이격되어 있고 윤곽선(170)을 따라 투명 워크피스(160)를 분리하기 위해 윤곽선(170)을 따라 또는 그 근처에 투명 워크피스(160)를 조사하도록 투명 워크피스(160)와 펄스 레이저 빔 스폿(114)(및 이를 통한 펄스 레이저 빔 초점 라인(113))의 서로에 대한 병진 이동과 동시에 투명 워크피스(160)와 적외선 빔 스폿(214)의 서로에 대한 분리 경로(165)(예컨대, 처리 방향(10))를 따른 병진 이동 단계를 포함한다. 또한, 적외선 빔 스폿(214)은 도 1b에서 환형 적외선 빔 스폿으로 도시되지만, 적외선 빔 스폿(214)이 펄스 레이저 빔 스폿(114)으로부터 이격 거리(15)만큼 이격된 실시예에서, 적외선 빔 스폿(214)은 예를 들어, 가우시안 빔 스폿과 같은 비-환형 형태를 포함할 수 있다.
도 1a 및 1b가 펄스 레이저 빔 스폿(114)과 적외선 빔 스폿(214)이 투명 워크피스(160)의 이미지화 표면(162) 상에 겹쳐지지 않은 실시예를 도시하지만, 다른 실시예에서, 펄스 레이저 빔 스폿(114)과 적외선 빔 스폿(214)은 겹쳐질 수 있다. 예를 들어, 투명 워크피스(160)가 낮은 CTE를 가진 실시예에서, 펄스 레이저 빔 스폿(114)과 적외선 빔 스폿(214)은 겹쳐질 수 있으며 적외선 빔 스폿(214)이 펄스 레이저 빔 스폿(114)과 겹쳐짐을 유지하면서 투명 워크피스(160)와 펄스 레이저 빔 스폿(114)(및 이를 통한 펄스 레이저 빔 초점 라인(113))의 서로에 대한 병진 이동과 동시에 윤곽선(170)을 따른 투명 워크피스(160)의 동시 형성 및 분리는 투명 워크피스(160)와 적외선 빔 스폿(214)을 서로에 대해 분리 경로(165)를 따라 병진 이동하는 것을 포함할 수 있다. 이론에 한정하려는 의도는 아니지만, 투명 워크피스(160)가 낮은 CTE를 포함하는 경우, 투명 워크피스(160)에서 펄스 레이저 빔(112)과 적외선 레이저 빔(212) 사이의 간섭이 최소화되고, 적외선 레이저 빔(212)과 펄스 레이저 빔(112)에 의해 조사된 투명 워크피스(160)의 국소 부분의 굴절률의 원치 않는 변경을 최소화한다.
다시 도 1a 및 1b를 참고하면, 내부 지름(216)은 빔 에너지의 86 %가 빔의 중심으로부터 거리 밖에 있는 거리(즉, 반경)의 두배로 정의된다. 유사하게, 외부 지름(218)은 빔 에너지의 86 %가 빔 중심에서 거리 내에 있는 거리(즉, 반경)의 두배로 정의된다. 실시예에 따라, 외부 지름(218)은 약 0.5 mm 내지 약 30 mm, 예컨대 약 1 mm 내지 약 10 mm, 약 2 mm 내지 약 8 mm, 또는 약 3 mm 내지 약 6 mm 일 수 있다. 내부 지름(216)은 약 0.01 mm 내지 약 15 mm, 약 0.1 mm 내지 약 10 mm, 또는 약 0.7 mm 내지 약 3 mm 일 수 있다. 예를 들어, 내부 지름(216)은 외부 지름(218)의 약 5 % 내지 약 95 %, 예컨대 외부 지름(218) 약 10 % 내지 약 50 %, 약 20 % 내지 약 45 %, 또는 약 30 % 내지 약 40 %일 수 있다. 일부 실시예에 따라, 적외선 레이저 빔(212)으로부터의 최대 출력(더불어 투명 워크피스(160)의 최대 온도)은 내부 지름(216)에 약 절반과 같은 윤곽선(170)으로부터의 거리에 있을 수 있다.
다음으로 도 2a 및 2b를 참고하면, 윤곽선(170)의 동시 형성 및 분리가 개략적으로 도시된다. 광학 시스템(100)은 펄스 빔 광학 조립체(101)와 적외선 빔 광학 조립체(201)(도 2a) 또는 (201')(도 2b)를 포함한다. 펄스 빔 광학 조립체(101)는 펄스 레이저 빔 소스(110) 및 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)으로 펄스 레이저 빔(112)을 형성하기 위한 하나 이상의 광학 구성요소를 포함하여 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)이 투명 워크피스(160)에 윤곽선(170)의 결함(172)을 형성할 수 있다. 적외선 빔 광학 조립체(201, 201')는 적외선 레이저 빔(212)을 발생하기 위한 적외선 레이저 빔 소스(210)(도 2b에 도시되지 않음)을 포함하고 투명 워크피스(160)의 이미지화 표면(162)으로 적외선 레이저 빔(212)을 지향시키기 위한 하나 이상의 광학 구성요소를 포함한다. 도 2a 및 2b에 도시된 바와 같이, 펄스 빔 광학 조립체(101)는 펄스 빔 광학 조립체(101)의 구성요소를 수용하고 물리적으로 결합하기 위한 하우징(102)을 포함할 수 있으며 적외선 빔 광학 조립체(201, 201')는 적외선 빔 광학 조립체(201, 201')의 구성요소를 수용하고 물리적으로 결합하기 위한 하우징(202, 202')을 포함할 수 있다.
광학 조립체(100)는 장착 유닛(182)을 더욱 포함할 수 있으며 펄스 빔 광학 조립체(101)의 하우징(102)과 적외선 빔 광학 조립체(201)의 하우징(202, 202') 모두는 예를 들어, 펄스 빔 광학 조립체(101)의 펄스 레이저 빔 소스(110)에 의해 발생된 펄스 레이저 빔(112)의 병진 이동 움직임 및 적외선 레이저 빔 소스(210)에 의해 발생된 적외선 레이저 빔(212)의 병진 이동 움직임을 용이하게 하기 위해 장착 유닛(182)에 이동 가능하게 결합된 장착 유닛(182)에 결합될 수 있다. 또한, 광학 시스템(100)은 병진 이동 가능한 스테이지(180, translatable stage)를 포함한다. 도 2a 및 2b에 도시된 바와 같이, 투명 워크피스(160)는 병진 이동 가능한 스테이지(180)에 장착될 수 있으며, 이는 투명 워크피스(160)의 병진 이동 움직임을 용이하게 한다. 따라서, 투명 워크피스(160)와 각각의 펄스 레이저 빔(112)과 적외선 레이저 빔(212) 사이의 상대적 움직임(예컨대, 동시적인 상대적 움직임)은 병진 이동 가능한 스테이지(180)의 움직임, 장착 유닛(182)을 따른 펄스 빔 광학 조립체(101)의 하우징(102)과 적외선 빔 광학 조립체(201, 201')의 하우징(202, 202')의 움직임, 장착 유닛(182) 그 자체의 움직임, 또는 이들의 결합에 의해 발생될 수 있다.
도 2a를 참고하면, 적외선 빔 광학 조립체(201)는 적외선 레이저 빔 소스(210), 비구면 광학 요소(220), 제1 평철 렌즈(222, plano-convex lens), 제2 평철 렌즈(224), 빔 컨디셔닝 요소(226, beam conditioning element), 및 빔 지향 요소(230, beam directing element)를 포함한다. 이론에 한정하지 않지만, 적외선 레이저 빔(212)은 (그의 1/e2 지름에 따라) 약 8 mm 내지 약 10 mm의 지름을 가진 가우시안 빔을 포함할 수 있으며, 비구면 광학 요소(220)는 액시콘 렌즈(axicon lens)를 포함할 수 있으며, 이는 약 1.2 °, 예컨대 약 0.5 ° 내지 약 5 °, 또는 약 1 ° 내지 약 1.5 °, 또는 심지어 약 0.5 ° 내지 약 5 °의 각도(적외선 레이저 빔(212)이 비구면 광학 요소(220)으로 들어가는 평평한 표면에 대해 측정된 각도)를 갖는 원추형 표면을 포함할 수 있다. 비구면 광학 요소(220)(예컨대, 액시콘 렌즈)는 (가우시안 빔을 포함하는) 유입되는 적외선 레이저 빔(212)을 베셀 빔으로 성형한다. 일부 실시예에서, 비구면 광학 요소(220)는 굴절 액시콘, 반사 액시콘, 왁스콘(waxicon), 네거티브 액시콘(negative axicon), 공간 광 변조기, 회절 광학 장치, 입방체 형상 광학 요소, 또는 가우스 빔을 베셀 빔으로 성형하기 위한 임의의 광학 요소를 포함할 수 있다.
도 2a를 또한 참고하면, 제1 평철 렌즈(222, plano-convex lens) 및 제2 평철 렌즈(224)는 비구면 광학 요소(220)로부터 하류에 위치되어 적외선 레이저 빔 소스(210)에 의해 출력된 적외선 레이저 빔(212)이 비구면 광학 요소(220)를 통해 지향되고, 그 후, 제1 평철 렌즈(222) 및 제2 평철 렌즈(224)를 통과한다. 본원에 사용된 "상류" 및 "하류"는 빔 소스에 대한(예컨대, 펄스 레이저 빔 소스(110) 또는 적외선 레이저 빔 소스(210)) 광학 조립체의 두 위치들 또는 구성요소들(예컨대, 펄스 빔 광학 조립체(101) 또는 적외선 빔 광학 조립체(201))의 상대적인 위치를 나타낸다. 예를 들어, 제1 구성요소는 빔 소스에 의해 출력된 빔이 제2 구성요소를 횡단하기 전에 제1 구성요소를 횡단하는 경우 제2 구성요소로부터 상류에 있다. 또한, 제1 구성요소는 빔 소스에 의해 출력된 빔이 제1 구성요소를 횡단하기 전에 제2 구성요소를 횡단하는 경우 제2 구성요소로부터 하류에 있다.
작동중, 제1 평철 렌즈(222)와 제2 평철 렌즈(224)는 베셀 빔(예컨대, 적외선 레이저 빔이 비구면 광학 요소(220)를 횡단한 이후 적외선 레이저 빔(212))을 시준하고 적외선 레이저 빔(212)의 지름을 조정한다(예컨대, 투명 워크피스(160)의 이미지화 표면(162)에 형성된 적외선 빔 스폿(214)의 내부 지름(216) 및 외부 지름(218)을 조정함). 일부 실시예에서, 제1 평철 렌즈(222)는 약 50 mm 내지 약 200 mm(예컨대, 약 50 mm 내지 약 150 mm, 또는 약 75 mm 내지 약 100 mm)의 초점 길이를 가질 수 있으며, 제2 평철 렌즈(224)는 예컨대, 약 25 mm 내지 약 50 mm의, 제1 평철 렌즈(222)의 것보다 작은 초점 렌즈를 가질 수 있다.
빔 지향 요소(230)는 거울 또는 다른 반사 구성요소, 검류계 스캐닝 거울(galvanometer scanning mirror), 2D 스캐너 등과 같은 회전 가능한 스캐너, 또는 임의의 다른 공지된 또는 레이저 빔을 재지향시키기 위한 미개발된 광학 구성요소를 포함할 수 있다. 도 2a에 도시된 적외선 빔 광학 조립체(201)의 실시예에서, 빔 지향 요소(230)는 비구면 광학 요소(220), 제1 평철 렌즈(222), 및 제2 평철 렌즈(224) 하류에 위치되므로, 적외선 레이저 빔(212)은 제2 평철 렌즈(224)로부터 수렴하면서 빔 지향 요소(230)에 의해 재지향된다. 그러나, 다른 실시예에서, 빔 지향 요소(230)는 비구면 광학 요소(220), 제1 평철 렌즈(222), 및 제2 평철 렌즈(224) 중 하나 이상의 상류에 위치될 수 있다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 빔 지향 요소(230)는 적외선 레이저 빔 소스(210)에 광학적으로 결합되어 빔 지향 요소(230)는 유입되는 적외선 레이저 빔(212)을 재지향시킨다(예컨대, 반사한다). 따라서, 빔 지향 요소(230) 하류의 적외선 레이저 빔(212)의 일부분은 빔 지향 요소(230)로부터 투명 워크피스(160)로 방향(14)으로 전파되어, 적외선 레이저 빔(212)은, 펄스 레이저 빔(112)의 빔 전파 방향(즉, 방향(12))과 빔 지향 요소(230) 하류의 적외선 레이저 빔(212)의 빔 전파 방향(즉, 방향(14)) 사이의 각도 차이인, 접근각(θ)에서 투명 워크피스를 조사한다. 일부 실시예에서, 접근각(θ)은 예컨대, 30 °, 35 °, 40 °, 45 °, 50 °, 55 °, 60 °, 65 °, 70 °, 75 °, 등과 같이, 약 30 ° 내지 약 75 °, 약 40 ° 내지 약 65 ° 등일 수 있다. 또한, 접근각(θ)은 펄스 레이저 빔(112)의 빔 전파 방향(즉, 방향(12))과 평행하지 않다. 따라서, 적외선 빔 광학 조립체(201)와 펄스 빔 광학 조립체(101)의 구성요소는 서로 이격되어 위치될 수 있으며 적외선 레이저 빔(212)과 펄스 레이저 빔(112)은 투명 워크피스(160)의 이미지화 표면(162)에 형성된 펄스 레이저 빔 스폿(114)을 둘러싸기 위해 투명 워크피스(160)의 이미지화 표면(162)에 형성된 적외선 빔 스폿(214)에 대해 동축이될 필요가 없다(도 1a).
더욱이, 펄스 레이저 빔 스폿(114)이 투명 워크피스(160)(도 1b)의 이미지화 표면(162)에서 적외선 빔 스폿(214)에서 이격되는 실시예에서, 이격 거리(15)(도 1b)가 적외선 빔 광학 조립체(201)에 대해 너무 작을 수 있고 펄스 빔 광학 조립체(101)가 상기 이격 거리(15)에 의해 오프셋된 2개의 평행한 빔을 형성할 수 있으므로 접근각(θ)에서 방향(14)으로 빔 지향 요소(230) 하류의 적외선 레이저 빔(212)의 일부가 빔 지향 요소(230)로부터 투명 워크피스(160)로 전파되도록 적외선 레이저 빔(212)을 재지향시키는 것이 또한 바람직할 수 있다. 다른 실시예에서, 적외선 레이저 빔(212)이 이격 거리(15)만큼 펄스 레이저 빔 스폿(114)으로부터 오프셋되고 평행하게 투명 워크피스(160)의 이미지화 표면(162)을 조사하기 위해 적외선 빔 광학 조립체(201)는 펄스 레이저 빔(112)과 평행하게 적외선 레이저 빔(212)을 재배향시키도록(예컨대, 펄스 레이저 빔을 방향(12)으로 지향되도록) 빔 지향 요소(230) 하류에 위치한 다른 빔 지향 요소를 더욱 포함할 수 있다.
또한, 빔 컨디셔닝 요소(226)는 예를 들어, 접근각(θ)에서 투명 워크피스(160)의 이미지화 표면(162)을 조사함으로써 야기된 적외선 빔 스폿(214)의 형태의 변경을 설명하기 위해, 적외선 레이저 빔(212)의 단면 빔 프로파일을 변경하도록 구성된다. 특히, 빔 컨디셔닝 요소(226)는 투명 워크피스(160)의 이미지화 표면(162)으로 입사된 적외선 빔 스폿(214)이 원하는 형상(예컨대, 원형, 타원형, 등)을 포함하도록 펄스 레이저 빔(112)의 단면 빔 프로파일을 변경하도록 구성된다. 예를 들어, 적외선 레이저 빔(212)의 일부가 빔 지향 요소(230)에 의한 재지향이후의 원형 단면 빔 프로파일을 포함하고 그후 (빔 컨디셔닝 요소(226)를 통해 횡단하지 않고) 접근각(θ)에서 투명 워크피스(160)의 이미지화 표면(162)을 조사하는 경우, 적외선 빔 스폿(214)의 결과적인 형상은 원형이 아닐 것이다. 그러나, 빔 컨디셔닝 요소(226)는 적외선 빔 스폿(214)의 결과적인 형상이 원형이 되도록 적외선 레이저 빔(212)의 단면 빔 프로파일을 변경할 수 있다. 빔 컨디셔닝 요소(226)는 실린더형 렌즈, 프리즘, 회절 광학 요소, 텔레스코프 렌즈, 등을 포함할 수 있다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 빔 컨디셔닝 요소(226)는 빔 지향 요소(230)가 방향(14)으로 적외선 레이저 빔(212)을 재지향시킨 이후 빔 컨디셔닝 요소(226)가 적외선 레이저 빔(212)의 단면 빔 프로파일을 변경시키도록 빔 지향 요소(230) 하류에 위치된다. 다른 실시예에서, 빔 컨디셔닝 요소(226)는 빔 지향 요소(230)가 방향(14)으로 적외선 레이저 빔(212)을 재지향시키기 이전 빔 컨디셔닝 요소(226)가 적외선 레이저 빔(212)의 단면 빔 프로파일을 변경시키도록 빔 지향 요소(230) 상류에 위치될 수 있다.
다음으로 도 2b를 참고하면, 적외선 빔 광학 조립체(201')는 2D 스캐닝 시스템을 포함하는 빔 지향 요소(230')를 갖는다. 일부 실시예에서, 2D 스캐닝 시스템(230')은 2D 스캐닝 시스템(230')의 하우징이 적외선 빔 광학 조립체(201')의 하우징(202')이 되도록 적외선 빔 광학 조립체(201')의 광학 구성요소를 수용할 수 있다. 작동중, 적외선 레이저 빔(212)은 2D 스캐닝 시스템(230')에 의해 출력되어 투명 워크피스(160)로 지향될 수 있다. 일부 실시예에서, 2D 스캐닝 시스템(230')은 장착 유닛(182)에 결합된다. 예를 들어, 2D 스캐닝 시스템(230')은 2D 스캐닝 시스템(230')이 회전축(205)에 대해 회전될 수 있도록 장착 유닛(182)에 회전 가능하게 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 2D 스캐닝 시스템(230')은 또한 Z 방향을 따라 투명 워크피스(160)에 대해 또한 병진 이동될 수 있다. 따라서, 적외선 레이저 빔(212)의 방향(14)의 방향이 변경되면(이로써 접근각(θ)을 변경함) Z 방향을 따른 2D 스캐닝 시스템(230')의 위치는 적외선 레이저 빔(212)이 원하는 위치에서 투명 워크피스(160)를 조사할 수 있도록 변결될 수 있다. 또한, 도시되지 않았지만, 적외선 빔 광학 조립체(201')는 (2D 스캐닝 시스템(230')의 구성요소가 되어 하우징(202') 내에 수용될 수 있는) 적외선 레이저 빔 소스를 더욱 포함한다. 또한, 2D 스캐닝 시스템(230')은 가우시안 적외선 빔 또는 베셀 적외선 빔을 출력하도록 구성될 수 있다. 2D 스캐닝 시스템(230')이 가우시안 빔을 출력하는 실시예에서, 적외선 빔 광학 조립체(201')는 2D 스캐닝 시스템(230') 내에 수용되거나 또는 2D 스캐닝 시스템(230') 하류에 위치한 비구면 광학 요소를 더욱 포함하여 베셀 빔으로 가우시안 빔을 형성할 수 있다. 더욱이, 일부 실시예에서, 적외선 빔 광학 조립체(201')는 도 2a에 대해 전술한 바와 같이, 하나 이상의 렌즈(예컨대, 제1 및 제2 평철 렌즈) 및 빔 컨디셔닝 요소를 더욱 포함할 수 있다.
도 2a 및 2b를 다시 참고하면, 펄스 레이저 빔(112)을 생성하고 펄스 레이저 빔(112)을 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)으로 형성하기 위한 펄스 빔 광학 조립체(101)는 펄스 레이저 빔 소스(110) 및 비구면 광학 요소(120)를 포함한다. 비구면 광학 요소(120)는 굴절 액시콘, 반사 액시콘 또는 네거티브 액시콘과 같은 액시콘, 왁시콘(waxicon), 공간 광 변조기, 회절 광학 장치 또는 입방체 형상의 광학 요소를 포함할 수 있다. 펄스 레이저 빔 소스(110)에 의해 출력된 펄스 레이저 빔(112)은 비구면 광학 요소(120)에 의해 가우스-베셀 빔으로 변환되는 가우시안 빔을 포함할 수 있다. 이론에 구애받지 않고, 가우스-베셀 빔은 가우시안 빔보다 더욱 천천히 회절된다(예컨대, 가우스-베셀 빔은 수십 미크론 이하와 반대로 수백 미크론 또는 밀리미터의 범위의 단일 미크론 지름 스폿 크기를 유지할 수 있다). 다시 말해서, 비구면 광학 요소(120)는 펄르 레이저 빔(112)을 실린더 형태의 고 강도 영역과 높은 종횡비(긴 길이 및 작은 지름)로 집중시킨다. 집집된 레이저 빔으로 생성된 고강도로 인해, 펄스 레이저 빔(112)은 투명 워크피스(160)로 지향되고(예컨대, 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)이 투명 워크피스(160)로 지향될 때) 레이저와 워크피스 재료의 전자기장의 비선형 상호 작용이 일어나면서 레이저 에너지는 투명 워크피스로 전달되어 윤곽선의 구성요소가 되는 결함의 형성에 영향을 미칠 수 있다. 그러나, 레이저 에너지 강도가 높지 않은 재료의 구역에서는(예컨대, 중심 수렴선을 둘러싸는 워크피스의 유리 체적), 투명 워크피스의 재료가 레이저에 의해 크게 영향을 받지 않고 레이저로부터 재료로 에너지를 전달하는 메커니즘이 없다는 점을 인식하는 것이 중요하다. 결과적으로, 레이저 강도가 비선형 임계값 미만인 경우 초점 존에서 직접적으로 워크피스에는 아무일도 일어나지 않는다.
비구면 광학 요소(120)가 펄스 레이저 빔을 가우스-베셀 빔으로 변환시키고 펄스 레이저 빔(112)을 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)으로 초점 맞출 수 있지만, 일부 실시예에서, 펄스 빔 광학 조립체(101)는 펄스 레이저 빔(112)을 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)으로 형성하는데 도움을 주는 추가적인 광학 구성요소를 더욱 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 2a 및 2b에 도시된 펄스 빔 광학 조립체(101)는 제1 렌즈(130) 및 제2 렌즈(132)를 포함하고, 각각은 비구면 광학 요소(120) 하류에 위치되어 펄스 레이저 빔(112)을 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)으로 시준하고 이후 초점을 맞춘다. 다른 광학 구성요소가 아래에 설명된, 도 4 및 5a에 도시된 펄스 빔 광학 조립체(101)의 실시예에서 설명된다.
또한, 투명 워크피스(160)는 펄스 레이저 빔 소스(110)에 의해 출력된 펄스 레이저 빔(112)이 투명 워크피스(160)를 조사하도록 위치된다. 작동중, 펄스 빔 광학 조립체(101)는 펄스 레이저 빔(112)을 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)으로 형성할 수 있으며, 이는 개별 결함(172)을 형성하기 위해, 예를 들어, 분리 경로(165)를 따라 투명 워크피스(160) 내에 흡수를 유도하도록 투명 워크피스(160)로 지향될 수 있다. 더욱이, 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)과 투명 워크피스(160)를 서로에 대해 병진 이동시키는 것은 복수의 결함(172)을 포함하는 윤곽선(170)을 형성할 수 있다.
작동중, 펄스 레이저 빔(112)(예컨대, 펄스 레이저 빔 초점 라인(113))은 윤곽선(170)의 결함(172)을 형성하기 위한 투명 워크피스(160)로서 실질적으로 투명한 재료에 다광자 흡수(MPA)를 생성할 수 있다. MPA는 하나의 상태로부터(보통 기저 상태) 더 높은 에너지 전자 상태(즉, 이온화)로 분자를 여기시키는 동일하거나 상이한 주파수의 둘 이상의 광자의 동시 흡수이다. 분자의 관련된 낮은 상태와 높은 상태 사이의 에너지 차이는 관련된 광자의 에너지의 합계와 같다. 유도 흡수라고도 하는 MPA는 예를 들어, 선형 흡수보다 수십 배 약한, 2차 또는 3차 공정(또는 높은 차의)일 수 있다. 2차 유도 흡수의 강도가 예를 들어, 광 강도의 제곱에 비례할 수 있는 점에서 선형 흡수와 상이하며, 따라서, 이는 비선형 광학 공정이다.
다음으로 도 3을 참고하면, 윤곽선(170)을 따라 동시에 윤곽선(170)을 형성하고 투명 워크피스(160)를 분리하기 위한 펄스 레이저 빔(112)과 적외선 레이저 빔(212)에 의해 레이저 처리를 겪는 투명 워크피스(160)가 더욱 자세히 도시된다. 이론에 구애받지 않고, 극초단 펄스 레이저에 의해 생성된 결함(172)의 높은 종횡비(예컨대, 펄스 레이저 빔(112)의 펄스 레이저 빔 초점 라인(113))가 투명 워크피스(160)의 정상부에서 바닥 표면으로(즉, 이미지화 표면(162)에서 제2 표면(163)으로) 결함(172)의 확장을 용이하게 한다고 여겨진다. 이론상, 이러한 결함은 단일 펄스에 의해 생성될 수 있으며, 필요한 경우, 영향을 받은 구역(깊이 및 폭)의 확장을 증가시키는데 추가 펄스가 사용될 수 있다. 실시예에서, 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)은 약 0.1 mm 내지 약 10 mm, 또는 약 0.5 mm 내지 약 5 mm, 예를 들어, 약 1 mm, 약 2 mm, 약 3 mm, 4 mm, 약 5 mm, 약 6 mm, 약 7 mm, 약 8 mm, 또는 약 9 mm의 범위의 길이, 또는 약 0.1 mm 내지 약 2 mm, 또는 0.1 mm 내지 약 1 mm 범위의 길이를 가질 수 있다. 실시예에서, 펄스 레이저 빔 초점 라인은 약 0.1 미크론 내지 약 5 미크론 범위의 평균 스폿 지름을 가질 수 있다. 결함(172) 각각은 약 0.1 미크론 내지 30 미크론의 지름, 예를 들어, 약 0.25 미크론 내지 약 5 미크론(예컨대, 약 0.25 미크론 내지 약 0.75 미크론)을 가질 수 있다.
윤곽선은 도 1a, 1b 및 3에 도시된 윤곽선(170)과 같은, 선형일 수 있지만, 윤곽선은 또한 비선형(즉, 곡선)일 수 있다. 곡선의 윤곽선은, 예를 들어, 일차원 대신 2차원으로 다른 것에 대해 투명 워크피스(160) 또는 펄스 레이저 빔(112)을 병진 이동시킴으로써 생성될 수 있다. 또한, 윤곽선(170)이 곡률을 포함하는 실시예에서, 적외선 레이저 빔(212)은 타원 또는 계란형 형태를 포함하는 적외선 빔 스폿(214)을 형성하고, 빔 지향 요소(230, 230')(도 2a 및 2b)가 적외선 레이저 빔(212)을 회전시켜 적외선 빔 스폿(214)을 회전시키도록 구성된 회전 가능한 스캐너를 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 특히, 적외선 빔 스폿(214)이 타원 또는 계란형을 포함하는 경우, 적외선 빔 스폿(214)은 주축(예컨대, 적외선 빔 스폿(214)의 가장 긴 지름)이 윤곽선(170)을 따라 연장되도록 배향될 수 있다. 따라서, 윤곽선(170)이 곡률을 가진 경우, 회전 가능한 스캐너는 투명 워크피스(160)의 이미지화 표면(162)을 따라 병진 이동하는 경우 적외선 빔 스폿(214)이 회전하도록 적외선 레이저 빔(212)을 회전시킬 수 있으며, 일부 실시예에서, 적외선 빔 스폿(214)의 주축은 적외선 레이저 빔(212)이 곡선의 윤곽선(170)을 따라 투명 워크피스(160)에 대해 병진 이동될 때 윤곽선(170)을 따라 배향된 상태를 유지한다.
또한, 일부 실시예에서, 윤곽선(170)의 방향을 따른 인접한 결함(172)들 사이의, 거리 또는 주기는 적어도 약 0.1 미크론 또는 1 미크론일 수 있으며 약 20 미크론 또는 30 미크론 이하 또는 같을 수 있다. 예를 들어, 일부 투명 워크피스에서, 인접한 결함(172) 사이의 주기는 약 0.5 내지 약 15 미크론, 또는 약 3 미크론 내지 약 10 미크론, 또는 약 0.5 미크론 내지 약 3.0 미크론일 수 있다. 예를 들어, 일부 투명 워크시에서, 인접한 결함(172) 사이의 주기는 약 0.5 미크론 내지 약 1.0 미크론일 수 있다. 그러나, 알칼리 토류 보로-알루미노실리케이트(alkaline earth boro-aluminosilicate) 유리 조성물, 특히 그 0.5 mm 두께 또는 그 이상의 두께에 대해, 인접한 결함(172) 사이의 주기는 적어도 약 1 미크론, 예컨대 적어도 야 5 미크론, 똔느 약 1 미크론 내지 약 15 미크론일 수 있다.
다음으로 도 4를 참고하면, 펄스 빔 광학 조립체(101)를 이용한 윤곽선(170)의 형성은 길이 L을 포함하는 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)으로 펄스 레이저 빔(112)을 초점 맞추는 것을 포함할 수 있다. 투명 워크피스(160)는 펄스 레이저 빔(112)의 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)과 적어도 부분적으로 겹쳐지도록 위치된다. 따라서, 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)은 깊이 d를 가진 투명 워크피스(160)로 지향된다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 투명 워크피스(160)의 충돌 위치(115)는 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)에 수직으로 정렬된다. 투명 워크피스(160)가 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)에 대해 위치되어 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)은 투명 워크피스(160)의 이미지화 표면(162)에서 또는 그 이전에 시작하고 투명 워크피스(160)의 제2 표면(163) 이전에 정지한다(즉, 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)은 투명 워크피스(160) 내에서 종료되고 제2 표면(163) 너머로 연장되지 않음).
더욱이, 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)이 투명 워크피스(160)의 충돌 위치(115)에서 투명 워크피스(160)의 이미지화 표면(162)에 수직한 투명 워크피스(160)로 연장되도록 투명 워크피스(160)에 대해 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)을 위치시키는 것이 바람직하다. 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)이 투명 워크피스(160)와 직교하지 않는 경우, 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)은 투명 워크피스(160)의 깊이를 따라 시프트되고 펼쳐지며, 이는 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)이 투명 워크피스(160)의 큰 체적에 걸쳐 에너지를 분배하게 하며, 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)의 날카로움 및 초점을 낮추고 투명 워크피스(160) 내에 낮은 품질의, 덜 균일한 결함(172)을 발생시킨다.
도 4를 계속 참고하면, 투명 워크피스(160)와 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)의 겹쳐진 구역에서(즉, 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)에 의해 덮힌 투명 워크피스 재료에서), 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)은 (길이방향 빔 방향을 따라 정렬된) 섹션(113a)(초점 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)을 따른 적절한 레이저 강도를 가정하면, 길이 L의 섹션, 즉, 길이 L의 라인 초점 상에 펄스 레이저 빔(112)을 초점 맞춤으로써 그 강도가 보장됨)을 발생시키고, 이를 따라 투명 워크피스(160)의 재료에서 유도 흡수가 발생된다. 유도 흡수는 섹션(113a)을 따라 투명 워크피스(160)에 결함(172)을 생성한다. 결함(172)의 형성은 국부적이지 않고, 유도 흡수의 섹션(113a)의 전체 길이에 걸쳐 있다. (투명 워크피스(160)와 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)의 겹쳐진 길이에 상응하는) 섹션(113a)의 길이는 참조 A로 표시된다. 유도 흡수의 섹션(113a)에서의 결함 구역(즉, 결함(172))의 내부 지름은 참조 D로 표시된다. 이러한 내부 지름 D는 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)의 평균 지름에 상응하며, 즉, 약 0.1 ㎛ 내지 약 5 ㎛ 사이의 범위의 평균 스폿 지름에 상응한다.
다음으로 도 5a를 참고하면, 펄스 빔 광학 조립체(101)의 예시는 비구면 광학 요소(미도시), 렌즈(133) 및 애퍼쳐(134, aperture)(예컨대, 원형 애퍼쳐)를 포함한다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 펄스 레이저 빔 소스(110)에 의해 방출된 펄스 레이저 빔(112)은 펄스 레이저 빔(112)의 레이저 방사 파장에 불투명한 애퍼쳐(134)로 지향된다. 애퍼쳐(134)는 길이방향 빔 축에 수직으로 배향되며 펄스 레이저 빔(112)의 중심 부분에 중심을 갖는다. 애퍼쳐(134)의 지름은 펄스 레이저 빔(112)의 중심 근처의 레이저 방사(즉, 중심 빔 부분, 여기서는 112Z로 표시됨)가 애퍼쳐(134)에 부딪치고 그에 의해 완전히 흡수되는 방식으로 선택된다. 펄스 레이저 빔(112)의 외부 둘레 범위에서의 빔 만이(즉, 주변 광선(marginal rays), 여기서 112R로 표시됨) 빔 지름에 비해 줄어든 애퍼쳐 크기로 인해 원형 애퍼쳐(134)에 의해 흡수되지 않으며 애퍼쳐(134)를 측면으로 지나고, 본 실시예에서, 구형의 절단된, 양면 볼록 렌즈로 디자인된 렌즈(133)의 주변 구역에 부딪친다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)은 펄스 레이저 빔(112)에 대한 단일 초점이 될뿐만 아니라, 펄스 레이저 빔(112)에서의 상이한 광선에 대한 일련의 초점일 수 있다. 일련의 초점은 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)의 길이 L로서 도 5a에 도시된, 정의된 길이의 기다란 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)을 형성한다. 렌즈(133)는 중심 빔에 중심을 가질 수 있으며 보통, 구형의 절단 렌즈 형태의 비-보정, 양면 볼록 초점 렌즈(a non-corrected, bi-convex focusing lens)로 디자인될 수 있다. 대안으로서, 이상적인 초점을 형성하진 않지만 정의된 길이의 뚜렷한, 기다란 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)인, 이상적으로 보정된 시스템에서 벗어난 비구면 또는 다중-렌즈 시스템이 또한 사용될 수 있다(즉, 단일 초점을 갖지 않은 렌즈 또는 시스템). 따라서, 렌즈(133)의 존은 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)을 따라 초점을 맞추고, 렌즈 중심으로부터의 거리에 따른다. 빔 방향을 가로지르는 애퍼쳐(134)의 지름은 (피크 강도의 1/e2로 감소되기 위해 빔의 강도에 필요한 거리로 정의된) 펄스 레이저 빔(112)의 지름의 거의 90 % 및 렌즈(133)의 지름의 거의 75 %일 수 있다. 따라서, 중심에서의 빔 다발(bundle)을 차단함으로서 발생된 비-수차-보정 구면 렌즈(133)의 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)이 사용된다. 도 5a는 중심 빔을 통과하는 하나의 평면의 섹션을 보여주고, 도시된 빔들이 펄스 레이저 빔 초점 라인(113) 주위에서 회전될 때 완전한 3차원 다발이 보여질 수 있다.
도 5b-1 내지 5b-4는 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)의 위치가 투명 워크피스(160)에 대해 펄스 빔 광학 조립체(101)의 구성요소를 적절히 위치시키고 및/또는 정렬하여, 더불어 펄스 빔 광학 조립체(101)의 변수들을 적절히 선택하므로써 제어될 수 있음을 보여준다. 또한, 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)의 길이 L은 예시의 목적으로 도 5b-1 내지 5b-4에 개략적으로 도시된다. 작동중, 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)의 길이 L은 투명 워크피스(160) 내의 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)의 위치와 투명 워크피스(160)의 굴절률에 의존한다. 도 5b-1에 도시된 것처럼, 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)의 길이 L은 투명 워크피스(160)의 깊이 d를 초과하는 방식으로(여기에서, 인자(2)에 의해) 조정될 수 있다. 투명 워크피스(160)가 (길이방향 빔 방향으로 볼 때) 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)을 중심으로 놓인 경우, 유도 흡수의 확장 섹션(예컨대, 길이 A의 섹션(113a))은 전체 워크피스 깊이 d 이상으로 발생될 수 있다. 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)은 약 0.01 mm 내지 약 100 mm의 범위에서 또는 약 0.1 mm 내지 약 10 mm의 범위에서 길이 L을 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 공간에서 길이 L을 갖는 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)을 갖도록 구성 될 수 있다. 일부 실시예에서, 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)의 길이 L은 투명 워크피스(160)의 깊이 d에 상응하도록, 펄스 빔 광학 조립체(101)를 이용하여, 조절될 수 있으며, 예를 들어, 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)은 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)의 길이 L이 투명 워크피스(160)의 깊이 d보다 약 1.1 내지 약 1.8 배 사이에서 더 크거나, 예컨대, 1.25, 1.5 배 더 크도록 펄스 빔 광학 조립체(101)를 이용하여, 조절될 수 있다. 하나의 예시로서, 투명 워크피스(160)가 약 0.7 mm의 깊이를 포함하는 실시예에서, 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)은 약 0.9 mm의 길이를 포함할 수 있다. 또한, 다른 실시예에서, 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)은 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)이 투명 워크피스(160)의 깊이 d와 실질적으로 같도록, 펄스 빔 광학 조립체(101)를 이용하여, 조절될 수 있다.
도 5b-2에 도시된 경우에서, 길이 L의 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)은 일반적으로 워크피스 깊이 d에 상응하게 발생된다. 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)이 투명 워크피스(160) 밖의 지점에서 시작하는 방식으로 투명 워크피스(160)가 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)에 대해 위치되기 때문에, (이미지화 표면(162)에서 정의된 워크피스 깊이로 연장되지만, 제2 표면(163)까지는 아닌) 유도 흡수의 확장 섹션(113a)의 길이 A는 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)의 길이 L보다 더 작다. 도 5b-3은 (빔 방향에 수직한 방향을 따라 볼 때) 투명 워크피스(160)가 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)의 시작 지점 위에 위치되는 경우를 보여주므로, 도 5b-2에서와 같이, 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)의 길이 L은 투명 워크피스(160)에서의 유도 흡수(113a)의 섹션의 길이 A보다 더 크다. 따라서, 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)은 투명 워크피스(160) 내에서 시작하고 제2 표면(163) 너머로 연장된다. 도 5b-4는 초점 라인 길이 L이 워크피스 깊이 d보다 작은 경우를 보여주므로, 입사 방향에서 볼 때 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)에 대해 투명 워크피스(160)의 중심에 위치되는 경우, 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)은 투명 워크피스(16) 내에 이미지화 표면(162) 근처에서 시작하고 투명 워크피스(160) 내에서 제2 표면(163) 근처에서 끝난다(예컨대, L=0.75d).
도 2a-5a를 다시 참고하면, 펄스 레이저 빔 소스(110)는 펄스 레이저 빔(112)을 출력하도록 구성된 임의의 공지된 또는 아직 개발되지 않은 펄스 레이저 빔 소스(110)를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 윤곽선(170)의 결함(172)은 펄스 레이저 빔 소스(110)에 의해 출력된 펄스 레이저 빔(112)과 투명 워크피스(160)의 상호작용에 의해 생성된다. 일부 실시예에서, 펄스 레이저 빔 소스(110)는 예를 들어 1064 nm, 1030 nm, 532 nm, 530 nm, 355 nm, 343 nm, 또는 266 nm, 또는 215 nm의 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 형성하기에 적합한 레이저 파장은 투명 워크 피스(160)에 의한 흡수 및 산란의 결합된 손실이 충분히 낮은 파장이다. 실시예에서, 파장에서 투명 워크피스(160)에 의한 흡수 및 산란으로 인한 결합된 손실은 20 %/mm 미만, 또는 15 %/mm 미만, 또는 10 %/mm 미만, 또는 5 %/mm 미만, 또는 1 %/mm 미만이며, 여기서, "/mm" 치수는 펄스 레이저 빔(112)의 전파 방향(예컨대, Z 방향)에서 투명 워크피스(160) 내 거리의 밀리미터 당을 의미한다. 많은 유리 워크피스에 대한 대표 파장에는 Nd3+(예컨대, 1064nm 근처의 기본 파장 및 532nm, 355nm 및 266nm 근처의 고차 고조파 파장을 갖는 Nd3+ : YAG 또는 Nd3+ : YVO4)의 기본 및 고조파 파장이 포함된다. 주어진 기판 재료에 대한 결합된 흡수 및 산란 손실 요건을 만족시키는 스펙트럼의 자외선, 가시 광선 및 적외선 부분의 다른 파장도 사용될 수 있다.
또한, 펄스 레이저 빔 소스(110)는 약 25 μJ 내지 약 1500 μJ, 예를 들어 100 μJ, 200 μJ, 250 μJ, 300 μJ, 400 μJ, 500 μJ, 600 μJ, 700 μJ, 750 μJ, 800 μJ, 900 μJ, 1000 μJ, 1100 μJ, 1200 μJ, 1250 μJ, 1300 μJ, 1400 μJ 등의 펄스 에너지를 갖는 펄스 레이저 빔(112)을 출력할 수 있다. 펄스 레이저 빔 소스(110)는 또한 펄스 레이저 빔 소스(110)가 다양한 펄스 에너지를 포함하는 펄스 레이저 빔(112)을 출력할 수 있도록 조정 가능할 수 있다. 작동중, 펄스 레이저 빔(112)이 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)에 초점 맞춰질 때, 펄스 레이저 빔 초점 라인(113)은 약 25 μJ 내지 약 1500 μJ의 펄스 에너지를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 펄스 레이저 빔(112)의 개별 펄스의 펄스 지속 시간은 약 1 피코초(picosecond) 내지 약 100 피코초, 예컨대, 약 5 피코초 내지 약 20 피코초의 범위에 있으며, 개별 펄스의 반복률은, 예컨대 약 10 kHz 내지 약 3 MHz, 또는 약 10 kHz 내지 약 650 kHz와 같은, 약 1 kHz 내지 4 MHz의 범위에 있을 수 있다.
다음으로 도 6a 및 6b를 참조하면, 본원에 기술된 이러한 펄스 레이저 빔(112)(예컨대, 피코초 레이저)의 전형적인 작동은 서브-펄스(500A, sub-pulses)의 버스트(500, burst)를 생성한다는 것을 이해해야 한다. 각각의 버스트(500)는 매우 짧은 기간의 다수의 개별 서브-펄스(500A)(예컨대, 적어도 2 개의 서브-펄스, 적어도 5 개의 서브-펄스, 적어도 7 개의 서브-펄스, 적어도 8 개의 서브-펄스, 적어도 9 개의 서브-펄스, 적어도 10 개의 서브-펄스, 적어도 15 개의 서브-펄스, 적어도 20 개의 서브-펄스 또는 훨씬 더 많은 서브-펄스)를 포함한다. 즉, 버스트는 서브-펄스 그룹이고, 버스트는 각각의 버스트 내에서 개별 인접 서브-펄스를 분리하는 것보다 더 긴 지속 시간으로 서로 분리된다. 하나 이상의 실시예에 따르면, 디스플레이 유리/TFT 유리 조성물을 절단 또는 천공하기 위해, 버스트 당 서브-펄스의 수는 약 2 내지 30 (예를 들어 5 내지 20)일 수 있다. 서브-펄스(500A)는 최대 100 psec의 펄스 지속 시간 Td를 갖는다(예컨대, 0.1psec, 5psec, 10psec, 15psec, 18psec, 20psec, 22psec, 25psec, 30psec, 50psec, 75psec, 또는 이들 사이의 임의의 범위). 버스트 내의 각각의 개별 서브-펄스(500A)의 에너지 또는 강도는 버스트 내의 다른 펄스의 에너지 또는 강도와 같지 않을 수 있고, 버스트(500) 내의 다수의 서브-펄스의 강도 분포는 종종 레이저 설계에 의해 통제된 시간에 따른 지수 감쇠를 따른다. 그러한 버스트를 발생할 수 있는 펄스 레이저 빔(112)의 사용은 유리와 같은 투명 재료를 절단 또는 변형하는데 유리하다. 단일 펄스 레이저의 반복률에 의해 시간 간격을 둔 단일 펄스를 사용하는 것과는 대조적으로, 버스트 내의 서브-펄스 빠른 시퀀스에 걸쳐 레이저 에너지를 확산시키는 버스트 시퀀스를 사용하면 단일 펄스 레이저로 가능한 재료와의 높은 강도 상호작용의 더 큰 타임스케일(timescales)에 접근할 수 있다.
일부 실시예에서, 본원에 설명된 예시적인 실시예의 버스트(500) 내의 각각의 서브-펄스(500A)는 약 1 nsec 내지 약 50 nsec의 지속 시간 Tp 만큼(예컨대, 약 10 nsec 내지 약 50 nsec, 또는 약 10 nsec 내지 약 30 nsec, 시간은 종종 레이저 공동 설계에 의해 결정됨) 버스트의 후속 서브-펄스로부터 시간적으로 분리된다. 주어진 레이저에 대해, 버스트(500) 내의 인접한 서브-펄스 사이의 시간 간격 Tp 은 비교적 균일할 수 있다(예컨대, 서로의 약 10 % 이내). 예를 들어, 일부 실시예에서, 버스트 내의 각각의 서브-펄스는 후속 서브-펄스로부터 대략 20 nsec (50 MHz)만큼 시간적으로 분리된다. 예를 들어, 약 20 nsec의 펄스 분리 Tp 를 생성하는 펄스 레이저 빔 소스(110)의 경우, 버스트 내의 펄스 대 펄스 분리 Tp는 약 ±10 %, 또는 약 ±2 nsec 내에 유지된다. 서브-펄스의 각 버스트 사이의 시간(즉, 버스트 사이의 시간 분리 Tb)은 훨씬 길어질 것이다. 예를 들어, 서브-펄스의 각 버스트 사이의 시간은 약 0.25 마이크로초 내지 약 1000 마이크로초, 예컨대, 약 1 마이크로초 내지 약 10 마이크로초, 또는 약 3 마이크로초 내지 약 8 마이크로초일 수 있다.
본원에 기술된 펄스 레이저 빔 소스(110)의 일부 예시적인 실시예에서, 시간 분리 Tb 는 약 200 kHz의 버스트 반복률을 갖는 레이저에 대해 약 5 마이크로초이다. 레이저 버스트 반복률은 후속 버스트의 제1 서브 펄스에 대한 버스트의 제 1 서브 펄스 사이의 시간 Tb 와 관련된다(레이저 버스트 반복률 = 1/Tb). 일부 실시 예에서, 레이저 버스트 반복률은 약 1 kHz 내지 약 4 MHz의 범위일 수 있다. 실시예에서, 레이저 버스트 반복률은 예를 들어 약 10 kHz 내지 650 kHz의 범위일 수 있다. 각각의 버스트에서의 제1 서브 펄스와 후속 버스트에서의 제1 서브 펄스 사이의 시간 Tb은 약 0.25 마이크로초(4 MHz 버스트 반복률) 내지 약 1000 마이크로초(1 kHz 버스트 반복률), 예를 들어 약 0.5 마이크로초(2MHz 버스트 반복률) 내지 약 40 마이크로초(25kHz 버스트 반복률), 또는 약 2 마이크로초(500kHz 버스트 반복률) 내지 약 20 마이크로초(50kHz 버스트 반복률)일 수 있다. 정확한 타이밍, 펄스 지속 시간, 및 버스트 반복률은 레이저 설계에 따라 달라질 수 있지만, 높은 강도의 짧은 서브-펄스(Td < 20 psec, 및 바람직하게는 Td ≤ 15 psec)가 특히 잘 작동하는 것으로 나타났다.
투명 워크피스의 재료를 수정하기 위해 필요한 에너지는 버스트 에너지(즉, 각 버스트(500)가 일련의 서브-펄스(500A)를 포함하는 버스트 내에 포함된 에너지), 또는 단일 레이저 펄스 내에 포함된 에너지(이들 중 다수는 버스트를 포함 할 수 있음)에 관해서 설명될 수 있다. 버스트 당 에너지는 약 25 μJ 내지 약 750 μJ, 예를 들어, 약 50 μJ 내지 약 500 μJ, 또는 약 50 μJ 내지 약 250 μJ 일 수 있다. 일부 유리 조성물의 경우, 버스트 당 에너지는 약 100 μJ 내지 약 250 μJ 일 수 있다. 그러나, 디스플레이 또는 TFT 유리 조성물의 경우, 버스트 당 에너지는 더 높을 수 있다(예컨대, 워크 피스의 특정 디스플레이/TFT 유리 조성에 따라, 약 300 μJ 내지 약 500 μJ, 또는 약 400 μJ 내지 약 600 μJ). 버스트 내의 개별 서브-펄스의 에너지는 더 적을 것이고, 정확한 개별 레이저 펄스 에너지는 버스트(500) 내의 서브 펄스(500A)의 수 및 도 6a 및 6b에 도시된 시간에 따른 레이저 서브-펄스의 감쇠율(예컨대, 지수 감쇠율)에 의존할 것 이다. 예를 들어, 일정한 에너지/버스트의 경우, 펄스 버스트가 10 개의 개별 레이저 서브 펄스(500A)를 포함하면, 각각의 개별 레이저 서브 펄스(500A)는 동일한 버스트(500)가 2 개의 개별 레이저 서브 펄스를 갖는 경우보다 적은 에너지를 포함할 것이다.
이론에 의해 제한되는 것은 아니지만, 그러한 버스트를 생성할 수 있는 펄스 레이저 빔 소스(예컨대, 펄스 레이저 빔 소스(110))의 사용은 유리와 같은 투명 재료를 절단 또는 수정하는데 유리하다. 단일 펄스 레이저의 반복 속도에 의해 시간 간격을 둔 단일 펄스를 사용하는 것과는 대조적으로, 버스트(500) 내의 빠른 서브-펄스 시퀀스에 걸쳐 레이저 에너지를 확산시키는 버스트 시퀀스의 사용은 단일 펄스 레이저로 가능한 재료와의 높은 강도의 상호작용의 더 큰 타임스케일에 접근할 수 있다. 단일 펄스가 시간에 따라 확장될 수 있지만, 펄스 내의 강도는 펄스 폭에 비해 대략 1 만큼 감소된다. 따라서 10 psec 단일 펄스가 10 nsec 펄스로 확장되면, 강도는 약 3 배 줄어든다.
이러한 감소는 비선형 흡수가 더 이상 중요하지 않고, 광-물질 상호작용이 더 이상 절단에 충분하지 않은 지점까지 광학 강도를 감소시킬 수 있다. 대조적으로, 펄스 버스트 레이저의 경우, 버스트(500) 내의 각각의 서브-펄스(500A) 동안의 강도는 적절하게 높게 유지될 수 있고(예를 들어, 대략 10 nsec만큼 시간 간격을 둔 3 개의 10 psec 서브-펄스(500A)는 여전히 각 펄스 버스트 내의 에너지가 단일 10 psec 펄스의 에너지보다 약 3 배 더 높은 것을 허용함) 레이저는 3 배 더 큰 타임스케일에 걸쳐 재료와 상호 작용한다. 예를 들어, 종종 시간 간격이 약 10 nsec만큼 떨어져 있는 10 psec 서브-펄스(500A)는 각 펄스 버스트 내의 에너지가 단일 10 psec 펄스의 에너지보다 약 10 배 더 높으며 레이저는 수 배 더 높은 타임스케일에 따라 재료와 상호 작용한다. 하나의 실시예에서, 재료를 수정하기 위해 요구되는 버스트 에너지의 양은 워크피스 재료 조성 및 워크피스와 상호작용하는데 사용되는 초점 라인의 길이에 의존할 것 이다.
이론에 의해 제한되지 않고, 상호 작용 영역이 길수록 에너지가 더 많이 퍼지고, 더 높은 버스트 에너지가 요구될 것이다. 정확한 타이밍, 펄스 지속 시간 및 버스트 반복률은 레이저 설계에 따라 달라질 수 있지만, 고강도 서브 펄스의 짧은 서브-펄스 시간(예컨대, 약 15 psec 미만, 또는 심지어 약 10 psec 이하)은 일부 실시예에서 예시적일 수 있다. 작동시, 결함(172)은 서브-펄스의 단일 버스트가 투명 워크피스(160) 상에 본질적으로 동일한 위치에 부딪칠 때 투명 워크피스(160)의 재료에 형성된다. 즉, 단일 버스트 내의 다수의 레이저 서브-펄스는 투명 워크피스(160)의 단일 결함(172)에 상응한다. 투명 워크피스(160)가 (예컨대, 병진 이동 가능한 스테이지(180, translatable stage) 또는 투명 워크피스(160)에 대해 이동된 빔에 의해) 병진 이동되기 때문에, 버스트 내의 개별 서브-펄스는 유리 상에서 정확히 동일한 공간 위치에 있을 수 없다. 그러나, 개별 서브-펄스는 서로 1㎛ 이내에 있을 수 있다(즉, 본질적으로 동일한 위치에서 유리를 효과적으로 타격함). 예를 들어, 서브-펄스는 0 <sp≤ 500 nm 인, sp, 간격으로 유리에 충돌할 수 있다. 예를 들어, 유리 위치가 20 개의 서브-펄스의 버스트로 타격될 때, 버스트 내의 개별 서브-펄스는 서로 250 nm 내의 유리를 타격한다. 따라서, 일부 실시예에서 1 nm<sp<250 nm. 일부 실시예에서, 1 nm <sp< 100 nm.
하나 이상의 실시예에서, 워크피스를 절단 또는 분리하기 위해, 펄스 버스트 에너지는 버스트 당 약 100 μJ 내지 약 600 μJ, 예컨대 버스트 당 약 300 μJ 내지 약 600 μJ 일 수 있다. 일부 디스플레이 유리 유형에 대해, 펄스 버스트 에너지는 약 300 μJ 내지 약 500 μJ 일 수 있거나, 또는 다른 디스플레이 유형 유리의 경우, 약 400 μJ 내지 약 600 μJ 일 수 있다. 400 μJ 내지 500 μJ의 펄스 버스트 에너지는 많은 디스플레이 유형의 유리 조성물에 대해 잘 작동할 수 있다. 초점 라인 내의 에너지 밀도는 특정 디스플레이 또는 TFT 유리에 최적화될 수 있다. 예를 들어, EAGLE XG 및 CONTEGO 유리 모두에 대해, 펄스 버스트 에너지에 대한 적절한 범위는 약 300 내지 약 500 μJ 일 수 있고 초점 라인은 약 1.0 mm 내지 약 1.4 mm 일 수 있다(여기서, 광학 구성에 의해 초점 라인 길이가 결정됨).
하나 이상의 실시예에서, 상대적으로 낮은 펄스 레이저 에너지 밀도(예컨대, 300 μJ 미만)는 원하는대로 형성되지 않는 천공을 형성할 수 있으므로, 적외선 레이저 처리 동안 결함들 사이의 균열이 쉽게 구체화되지 않아, 디스플레이 유리의 증가된 파괴 저항(본원에서 파괴 강도로도 나타냄)을 야기한다. 디스플레이 펄스 레이저 빔의 에너지 밀도가 너무 높으면(예컨대, 600 μJ 이상, 또는 500 μJ 이상), 열 손상이 커져서, 천공을 연결하는 균열이 길어지고 원하는 경로를 따라 형성되지 않으며 디스플레이(또는 TFT) 유리의 원하는 경로 및 파괴 저항(파괴 강도)이 급격히 증가한다.
전술한 설명의 관점에서, 적외선 레이저 빔에 의한 투명 워크피스의 레이저 분리를 위한 처리 시간은 펄스 레이저 빔을 사용하여 투명 워크피스에 복수의 결함을 레이저 형성하고 투명한 공작물과 적외선 레이저 빔 및 펄스 레이저 빔 사이의 상대적 움직임의 단일의, 동기화 단계에서 적외선 레이저 빔을 사용하여 이러한 결함을 가열함으로써 감소될 수 있음을 이해해야 한다. 적외선 레이저 빔은 투명 워크피스 상에 적외선 빔 스폿을 형성할 수 있고, 펄스 레이저 빔은 적외선 빔 스폿이 투명 워크피스의 이미지화 표면 상에서 펄스 레이저 빔에 의해 형성된 펄스 레이저 빔 스폿을 둘러싸도록 (예를 들어, 둘러쌈) 투명 워크피스 내로 지향될 수 있다. 대안적으로, 펄스 레이저 빔은 투명 워크피스로 지향되어 펄스 레이저 빔에 의해 형성된 펄스 레이저 빔 스폿이 이격 거리만큼 적외선 빔 스폿으로부터 이격 될 수 있다. 이들 각각의 실시예에서, 결함선은 펄스 레이저 빔에 의해 형성되고 적외선 레이저 빔에 의해 분리되고, 투명한 워크피스는 투명 워크피스와 펄스 레이저 빔 및 적외선 레이저 빔 둘 모두 사이의 동시적인 상대 움직임에 의해 결함선을 따라 분리된다.
범위는 본원에서 "약" 하나의 특정 값 및/또는 "약" 다른 특정 값으로 표현될 수 있다. 이러한 범위가 표현될 때, 다른 실시예는 하나의 특정 값 및/또는 다른 특정 값을 포함한다. 유사하게, 선행 "약"을 사용하여 값이 근사치로 표현될 때, 특정 값은 다른 실시예를 형성하는 것으로 이해될 것이다. 각각의 범위의 종말점은 다른 종말점과 관련하여 그리고 다른 종말점과 무관하게 중요하다는 것이 추가로 이해될 것이다.
본원에 사용되는 방향 용어 - 예를 들어, 위, 아래, 오른쪽, 왼쪽, 앞, 뒤, 위, 아래, 위 - 는 도시된 도면을 참조해서만 만들어지며 절대적인 방향을 의미하도록 의도되지 않는다.
달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 본원에 제시된 임의의 방법은 그 단계가 특정 순서로 수행될 것을 요구하는 것으로 해석되지 않으며, 임의의 장치를 사용하여 특정 배향이 요구되는 것으로 해석되지 않는다. 따라서, 방법 청구항은 그 단계에 뒤따르는 순서를 실제로 언급하지 않거나, 또는 임의의 장치 청구항은 실제로 개별 구성 요소에 대한 순서 또는 방향을 언급하지 않거나, 또는 청구항 또는 명세서에서 달리 구체적으로 언급되지 않는 경우, 단계들은 특정 순서로 제한되거나, 장치의 구성 요소들에 대한 특정 순서 또는 방향이 언급되지 않았으며, 어떤 식으로든 순서 또는 방향이 추론되는 것은 아니다. 이것은 해석에 대한 임의의 가능한 비-표현적 근거를 유지하며, 상기 해석은: 단계의 배열, 배향 흐름, 구성요소의 순서, 또는 구성요소의 배향에 대한 논리의 문제; 문법적 구성 또는 구도점에서 파생된 일반 의미; 및 본 명세서에 기술된 실시예의 수 또는 유형;을 포함한다.
본원에 사용된 바와 같이, 단수 형태 "한", "하나" 및 "일"은 문맥 상 명백하게 다르게 지시되지 않는 한 복수의 지시 대상을 포함한다. 따라서, 예를 들어, "하나의" 구성요소에 대한 언급은 문맥상 명백하게 다르게 지시하지 않는 한, 둘 이상의 그러한 구성 요소를 갖는 측면을 포함한다.
청구된 주제의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 본원 기재된 실시예에 대한 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 명세서는 본원에 기술된 다양한 실시예의 수정 및 변형을 포함하고, 그러한 수정 및 변형은 첨부된 청구 범위 및 그 등가물의 범위 내에 있는 것으로 의도된다.

Claims (41)

  1. 투명 워크피스를 레이저 처리하는 방법으로서,
    (i) 빔 전파 방향을 따라 배향되고 투명 워크피스로 지향된 펄스 레이저 빔 초점 라인으로 펄스 레이저 빔 소스에 의해 생성 출력된 펄스 레이저 빔을 초점 맞추고, 이를 통해 상기 투명 워크피스의 이미지화 표면 상에 펄스 레이저 빔 스폿을 형성하는 단계, 여기서:
    상기 펄스 레이저 빔 초점 라인은 투명 워크피스 내에 유도 흡수를 발생하고; 및
    상기 유도 흡수는 투명 워크피스 내에 펄스 레이저 빔 초점 라인을 따라 결함을 생성함;
    (ii) 적외선 레이저 빔이 상기 이미지화 표면 상에 환형 적외선 빔 스폿을 형성하도록 적외선 빔 소스에 의해 출력된 적외선 레이저 빔을 투명 워크피스로 지향시키는 단계, 여기서:
    상기 환형 적외선 빔 스폿은 이미지화 표면에서 펄스 레이저 빔 스폿을 둘러쌈; 및
    상기 적외선 레이저 빔은 상기 투명 워크피스를 가열함;
    (iii) 투명 워크피스와 펄스 레이저 빔 초점 라인을 서로에 대해 분리 경로를 따라 병진 이동시켜, 이를 통해 상기 분리 경로를 따라 투명 워크피스 내에 윤곽선을 형성하는 복수의 결함을 레이저 형성하는 단계; 및
    상기 환형 적외선 빔 스폿이 상기 투명 워크피스와 펄스 레이저 빔 초점 라인의 상대적인 움직임 도중 펄스 레이저 빔 스폿을 둘러싸고 상기 윤곽선을 따라 투명 워크피스를 분리하기 위해 윤곽선을 따라 또는 그 근처에서 투명 워크피스를 조사하기 위해, 상기 투명 워크피스와 펄스 레이저 빔 초점 라인의 서로에 대한 병진 이동과 동시에 상기 투명 워크피스와 환형 적외선 빔 스폿을 상기 분리 경로를 따라 서로에 대해 병진 이동시키는 단계;를 포함하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 펄스 레이저 빔은 펄스 레이저 빔 초점 라인을 형성하기 위해 하나 이상의 렌즈를 통해 지향되고;
    상기 하나 이상의 렌즈 중 적어도 하나는 비구면 광학 요소를 포함하며; 및
    상기 비구면 광학 요소는 굴절 액시콘, 반사 액시콘, 네거티브 액시콘, 왁시콘, 공간 광 변조기, 회절 광학 장치, 또는 입방체 형상의 광학 요소를 포함하는, 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 적외선 레이저 빔은 적외선 빔 소스와 투명 워크피스 사이에 위치한 하나 이상의 렌즈를 통해 지향되고;
    상기 하나 이상의 렌즈 중 적어도 하나는 비구면 광학 요소를 포함하며; 및
    상기 비구면 광학 요소는 굴절 액시콘, 반사 액시콘, 네거티브 액시콘, 공간 광 변조기, 회절 광학 장치, 또는 입방체 형상의 광학 요소를 포함하는, 방법.
  4. 청구항 1, 2, 또는 3에 있어서,
    상기 적외선 레이저 빔은 상기 펄스 레이저 빔의 빔 전파 방향과 평행하지 않은 접근각에서 투명 워크피스로 빔 지향 요소에 의해 재지향되는, 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 빔 지향 요소는 거울 또는 회전 가능한 스캐너를 포함하는, 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 빔 지향 요소는 회전 가능한 스캐너를 포함하고 상기 방법은 상기 투명 워크피스의 이미지화 표면을 따라 병진 이동할 때 상기 환형 적외선 빔 스폿이 회전하도록 상기 회전 가능한 스캐너를 이용하여 적외선 레이저 빔을 회전시키는 단계를 더욱 포함하는, 방법.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 적외선 레이저 빔은 빔 컨디셔닝 요소를 통해 지향되어 상기 적외선 레이저 빔의 단면 빔 프로파일을 변경시키는, 방법.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 빔 지향 요소는 2D 스캐너 시스템을 포함하는, 방법.
  9. 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 있어서,
    인접한 결함들 사이의 간격은 약 1 미크론 내지 30 미크론인, 방법.
  10. 청구항 1 내지 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 환형 적외선 빔 스폿의 외부 지름은 약 0.5 mm 내지 약 20 mm인, 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 환형 적외선 빔 스폿의 내부 지름은 상기 외부 지름의 약 5 % 내지 약 95 %인, 방법.
  12. 청구항 1 내지 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 환형 적외선 빔 스폿과 펄스 레이저 빔 스폿은 투명 워크피스의 이미지화 표면에서 동축인, 방법.
  13. 청구항 1 내지 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 환형 적외선 빔 스폿은 투명 워크피스의 이미지화 표면 상에 원형 형태를 포함하는, 방법.
  14. 청구항 1 내지 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 환형 적외선 빔 스폿은 투명 워크피스의 이미지화 표면 상에 타원형 형태를 포함하는, 방법.
  15. 청구항 1 내지 14 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적외선 레이저 빔은 이산화탄소 레이저, 일산화탄소 레이저, 고체 레이저, 레이저 다이오드, 또는 이들의 조합에 의해 생성되는, 방법.
  16. 청구항 1 내지 15 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 투명 워크피스는 알칼리 토류 보로-알루미노실리케이트 유리, 사파이어, 용융 실리카, 또는 이들의 조합을 포함하는, 방법.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 환형 적외선 빔 스폿과 투명 워크피스는 약 1mm/s 내지 약 10 m/s의 속도로 서로에 대해 병진 이동되고;
    상기 펄스 레이저 빔 초점 라인과 투명 워크피스는 상기 환형 적외선 빔 스폿과 투명 워크피스 사이의 상대적인 움직임 속도와 동일한 속도로 서로에 대해 병진 이동되는, 방법.
  18. 청구항 1에 있어서,
    상기 적외선 레이저 빔은 약 20 W 내지 약 1000 W의 출력을 갖는, 방법.
  19. 청구항 1에 있어서,
    상기 투명 워크피스는 약 5x10-6/K 이하의 CTE를 갖는, 방법.
  20. 청구항 1에 있어서,
    상기 투명 워크피스는 약 50 미크론 내지 약 10 mm의 두께를 갖는, 방법.
  21. 청구항 1에 있어서,
    상기 펄스 레이저 빔 소스는 펄스 버스트 당 약 2 서브-펄스 내지 펄스 버스트 당 약 30 서브-펄스의 펄스 버스트 및 펄스 버스트 당 약 100 μJ 내지 약 600 μJ 의 펄스 버스트 에너지를 생성하는, 방법.
  22. 청구항 21에 있어서,
    상기 펄스 레이저 빔은 펄스 버스트 당 약 9 서브-펄스 내지 약 20 서브-펄스의 펄스 버스트를 생성하고, 상기 펄스 버스트 에너지는 펄스 버스트 당 약 300 μJ 내지 약 500 μJ 인, 방법.
  23. 청구항 21에 있어서,
    상기 윤곽선의 인접한 결함들 사이의 간격은 약 7 미크론 내지 약 12 미크론이며; 및
    상기 펄스 레이저 빔은 펄스 버스트 당 약 5 서브-펄스 내지 펄스 버스트 당 15 서브-펄스의 펄스 버스트를 생성하고, 상기 펄스 버스트 에너지는 펄스 버스트 당 약 400 μJ 내지 약 600 μJ 인, 방법.
  24. 청구항 21에 있어서,
    상기 펄스 버스트의 펄스는 약 1 피코초 내지 약 100 피코초의 기간을 갖는, 방법.
  25. 청구항 21에 있어서,
    상기 펄스 버스트는 약 10 kHz 내지 약 3 MHz 범위의 반복률을 갖는, 방법.
  26. 청구항 1에 있어서,
    상기 펄스 레이저 빔 초점 라인은 약 0.1 미크론 내지 약 10 미크론 범위의 평균 스폿 지름을 갖는, 방법.
  27. 투명 워크피스를 레이저 처리하는 방법으로서,
    (i) 빔 전파 방향을 따라 배향되고 투명 워크피스로 지향된 펄스 레이저 빔 초점 라인으로 펄스 레이저 빔 소스에 의해 출력된 펄스 레이저 빔을 초점 맞추고, 이를 통해 상기 투명 워크피스의 이미지화 표면 상에 펄스 레이저 빔 스폿을 형성하는 단계; 여기서:
    상기 펄스 레이저 빔 초점 라인은 투명 워크피스 내에 유도 흡수를 발생하고; 및
    상기 유도 흡수는 투명 워크피스 내에 펄스 레이저 빔 초점 라인을 따라 결함을 생성함;
    (ii) 적외선 레이저 빔이 상기 이미지화 표면 상에 적외선 빔 스폿을 형성하도록 적외선 빔 소스에 의해 출력된 적외선 레이저 빔을 투명 워크피스로 지향시키는 단계, 여기서:
    상기 적외선 빔 스폿은 이미지화 표면에서 펄스 레이저 빔 스폿으로부터 이격 거리만큼 이격됨; 및
    상기 적외선 레이저 빔은 상기 투명 워크피스를 가열함;
    (iii) 투명 워크피스와 펄스 레이저 빔 초점 라인을 서로에 대해 분리 경로를 따라 병진 이동시켜, 이를 통해 상기 분리 경로를 따라 투명 워크피스 내에 윤곽선을 형성하는 복수의 결함을 레이저 형성하는 단계; 및
    (iv) 상기 투명 워크피스와 펄스 레이저 빔 초점 라인의 상대적인 움직임 도중 상기 펄스 레이저 빔 스폿이 상기 적외선 빔 스폿으로부터 이격 거리만큼 이격되어 유지되고 상기 윤곽선을 따라 투명 워크피스를 분리하기 위해 윤곽선을 따라 또는 그 근처에서 투명 워크피스를 조사하기 위해, 상기 펄스 레이저 빔 초점 라인에 대한 상기 투명 워크피스의 병진 이동과 동시에 상기 투명 워크피스와 적외선 빔 스폿을 상기 분리 경로를 따라 서로에 대해 병진 이동시키는 단계;를 포함하는 방법.
  28. 청구항 27에 있어서,
    상기 이격 거리는 약 1 ㎛ 내지 약 100 mm를 포함하는, 방법.
  29. 청구항 27 또는 28에 있어서,
    상기 펄스 레이저 빔은 펄스 레이저 빔 초점 라인을 형성하기 위해 하나 이상의 렌즈를 통해 지향되고;
    상기 하나 이상의 렌즈 중 적어도 하나는 비구면 광학 요소를 포함하고; 및
    상기 비구면 광학 요소는 굴절 액시콘, 반사 액시콘, 네거티브 액시콘, 왁시콘, 공간 광 변조기, 회절 광학 장치, 또는 입방체 형상의 광학 요소를 포함하는, 방법.
  30. 청구항 27 내지 29 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적외선 레이저 빔은 적외선 빔 소스와 투명 워크피스 사이에 위치한 하나 이상의 렌즈를 통해 지향되고;
    상기 하나 이상의 렌즈 중 적어도 하나는 비구면 광학 요소를 포함하며; 및
    상기 비구면 광학 요소는 굴절 액시콘, 반사 액시콘, 네거티브 액시콘, 공간 광 변조기, 회절 광학 장치, 또는 입방체 형상의 광학 요소를 포함하는, 방법.
  31. 청구항 27 내지 30 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적외선 레이저 빔은 상기 펄스 레이저 빔의 빔 전파 방향과 평행하지 않은 접근각에서 투명 워크피스로 빔 지향 요소에 의해 재지향되는, 방법.
  32. 청구항 31에 있어서,
    상기 적외선 레이저 빔은 빔 컨디셔닝 요소를 통해 지향되어 적외선 레이저 빔의 단면 빔 프로파일을 변경시키는, 방법.
  33. 청구항 31에 있어서,
    상기 빔 지향 요소는 거울 또는 2D 스캐너 시스템을 포함하는, 방법.
  34. 청구항 27 내지 33 중 어느 한 항에 있어서,
    인접한 결함들 사이의 간격은 약 1 미크론 내지 30 미크론인, 방법.
  35. 청구항 27 내지 30 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적외선 빔 스폿은 환형 적외선 빔 스폿을 포함하는, 방법.
  36. 청구항 35에 있어서,
    상기 환형 적외선 빔 스폿의 외부 지름은 약 0.5 mm 내지 약 20 mm이며 상기 환형 적외선 빔 스폿의 내부 지름은 상기 외부 지름의 약 5 % 내지 약 95 %인, 방법.
  37. 청구항 27 내지 30 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적외선 빔 스폿은 가우시안 빔 스폿을 포함하는, 방법.
  38. 청구항 27 내지 37 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적외선 레이저 빔은 이산화탄소 레이저, 일산화탄소 레이저, 고체 레이저, 레이저 다이오드, 또는 이들의 조합에 의해 생성되는, 방법.
  39. 청구항 27 내지 37 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 투명 워크피스는 알칼리 토류 보로-알루미노실리케이트 유리, 사파이어, 용융 실리카, 또는 이들의 조합을 포함하는, 방법.
  40. 청구항 27 내지 39 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적외선 빔 스폿과 투명 워크피스는 약 1mm/s 내지 약 10 m/s의 속도로 서로에 대해 병진 이동되고;
    상기 펄스 레이저 빔 초점 라인과 투명 워크피스는 상기 환형 적외선 빔 스폿과 투명 워크피스 사이의 상대적인 움직임 속도와 동일한 속도로 서로에 대해 병진 이동되는, 방법.
  41. 청구항 1 내지 19, 또는 27 내지 40 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 윤곽선(170)의 인접한 결함(172) 사이의 간격은 약 1 미크론 내지 약 30 미크론이며;
    상기 펄스 레이저 빔(212)은 펄스 버스트(500) 당 약 5 서브-펄스(500A) 내지 펄스 버스트(500) 당 약 15 서브-펄스(500A)의 펄스 버스트(500)를 생성하고 상기 펄스 버스트 에너지는 펄스 버스트(500) 당 약 400 μJ 내지 약 600 μJ이고; 및
    상기 펄스 버스트(500)의 서브-펄스(500A)는 약 1 피코초 내지 약 100 피코초의 기간을 가지며 약 10 kHz 내지 약 3 MHz 범위의 반복률을 갖는, 방법.
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