KR20210127209A - 투명 작업편의 레이저 처리 - Google Patents

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Abstract

투명 작업편을 처리하기 위한 방법은 방사선의 빔을 생성하는 단계 및 대상물 상에 결함을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 빔은 준-비회절 빔이며 초점 볼륨을 갖는다. 상기 결함을 형성하는 단계는 상기 빔을 대상물로 지향시키는 단계 및 상기 초점 볼륨을 대상물 내에 부분적으로 또는 완전히 위치시키는 단계를 포함한다. 상기 빔을 생성하는 단계는 조정 가능한 차단 요소를 사용하여 빔의 광축에 대한 자유형 에너지 분포의 축대칭을 조정하기 위해 초점 볼륨의 상류에서 빔을 부분적으로 차단하는 단계 및/또는 위상 마스크를 사용하여 자유형 에너지 분포의 형태를 조정하기 위해 초점 볼륨 상류에서 빔의 위상을 공간적으로 변조하는 단계를 포함한다. 상기 자유형 에너지 분포는 초점 볼륨과 같은 위치에 위치된 대상물의 영역에서 다광자 흡수를 유도하기에 충분한 에너지를 갖는다. 그러한 유도된 다광자 흡수는 결함을 생성한다.

Description

투명 작업편의 레이저 처리
본 출원은 2019년 2월 11일 출원된 미국 가출원 제62/803,789호를 우선권 주장하고 있으며, 상기 특허 문헌의 내용은 참조를 위해 본 발명에 모두 병합된다.
본 명세서는 일반적으로 작업편을 레이저 처리하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 다수의 작업편을 포함하는 선택적인 레이저 처리 작업편 스택에 관한 것이다.
재료의 레이저 처리 영역은 다양한 타입의 재료의 절단, 드릴링, 밀링, 용접, 용융 등을 포함하는 광범위한 다양한 애플리케이션을 포함한다. 이들 공정 중에서, 특히 관심을 끄는 것은 박막트랜지스터(TFT), 마이크로-전자, MEMS, 광학, 마이크로-광학, 바이오-광학용 유리, 사파이어 또는 용융 실리카와 같은 재료, 또는 전자 장치용 디스플레이 재료의 생산에 활용될 수 있는 프로세스에서 다양한 타입의 기판을 절단 또는 분리하는 것이다.
공정 개발 및 비용 관점에서 기판 절단 및 분리의 개선을 위한 많은 기회가 있다. 현재 시장에서 실행되는 것보다 더 빠르고, 더 깨끗하고, 더 저렴하고, 더 반복 가능하고, 더 신뢰할 수 있는 기판 분리 방법을 갖는 것은 큰 관심사이다. 따라서, 기판을 분리하기 위한 대안의 개선된 방법이 필요하다.
본 발명은 작업편을 레이저 처리하기 위한 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
제1 구현 예에 따르면, 방법은 방사선의 빔을 생성하는 단계 및 대상물 내에 또는 대상물 상에 결함을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 빔은 준-비회절 빔이며 초점 볼륨을 갖는다. 상기 결함을 형성하는 단계는 상기 빔을 대상물로 지향시키는 단계 및 상기 초점 볼륨을 대상물 내에 부분적으로 또는 완전히 위치시키는 단계를 포함한다. 상기 빔을 생성하는 단계는 조정 가능한 차단 요소를 사용하여 빔의 광축에 대한 자유형 에너지 분포의 축대칭을 조정하기 위해 초점 볼륨의 상류에서 빔을 부분적으로 차단하는 단계 및/또는 위상 마스크를 사용하여 자유형 에너지 분포의 형태를 조정하기 위해 초점 볼륨 상류에서 빔의 위상을 공간적으로 변조하는 단계를 포함한다. 상기 자유형 에너지 분포는 초점 볼륨과 같은 위치에 위치된 대상물의 영역에서 다광자 흡수를 유도하기에 충분한 에너지를 갖는다. 그러한 유도된 다광자 흡수는 결함을 생성한다.
제2 구현 예는 제1 구현 예의 방법을 포함하며, 여기서 상기 결함은 자유형 에너지 분포와 실질적으로 유사한 형상을 포함한다.
제3 구현 예는 제1 또는 제2 구현 예의 방법을 포함하며, 여기서 조정 가능한 차단 요소는 액정 광학 요소를 포함하고, 부분적으로 차단하는 단계는 빔의 일부를 선택적으로 차단하도록 액정 광학 요소를 조정하는 단계를 포함한다.
제4 구현 예는 이전 구현 예 중 어느 하나를 포함하며, 여기서 상기 자유형 에너지 분포는 각각 빔의 광축을 따라 종축을 갖는 원형 실린더 부분과 타원형 실린더 부분의 조합을 포함한다.
제5 구현 예는 제1 내지 제3 구현 예 중 어느 하나의 방법을 포함하며, 여기서 상기 자유형 에너지 분포는 빔의 광축을 따라 종축을 갖는 모래시계 형상을 포함한다.
제6 구현 예는 제1 내지 제3 구현 예 중 어느 하나의 방법을 포함하며, 여기서 결함은 파단 형태, 공동(cavity), 또는 그 모두를 포함한다.
제7 구현 예는 이전 구현 예 중 어느 하나를 포함하며, 여기서 대상물은 투명 기판을 포함한다.
제8 구현 예는 이전 구현 예 중 어느 하나를 포함하며, 여기서 상기 투명 기판은 결정질 석영, 용융 실리카, 크라운 유리, 붕규산 유리, 소다 석회 유리, 및/또는 인산염 유리, 불화물 결정, 실리콘 결정, 사파이어, 유리 세라믹, 투명 세라믹, 폴리머, 또는 플라스틱을 포함한다.
제9 구현 예는 제1 내지 제7 구현 예 중 어느 하나를 포함하며, 여기서 상기 투명 기판은 반도체 기판을 포함한다.
제10 구현 예는 제9 구현 예의 방법을 포함하며, 여기서 상기 반도체 기판은 실리콘, 실리콘 카바이드, 게르마늄, 갈륨 비화물, 인듐 갈륨 비화물, 알루미늄 갈륨 비화물, 갈륨 질화물, 알루미늄 갈륨 질화물, 인듐 포스페이트, 또는 리튬 니오베이트를 포함한다.
제11 구현 예는 제1 내지 제7 구현 예 중 어느 하나를 포함하며, 여기서 투명 기판은 복합 웨이퍼를 포함하고, 상기 복합 웨이퍼는 상이한 재료의 복수의 층을 포함하고, 상기 상이한 재료는 유리, 세라믹, 반도체, 폴리머, 또는 플라스틱 중 어느 하나를 포함한다.
제12 구현 예는 이전 구현 예 중 어느 하나를 포함하고, 여기서 방사선은 대략 250 nm 내지 2.0 ㎛ 범위의 파장을 포함한다.
제13 구현 예는 이전 구현 예 중 어느 하나를 포함하며, 여기서 결함 형성 비율은 분당 대략 1000개의 결함보다 크다.
제14 구현 예는 제2 내지 제13 구현 예 중 어느 하나를 포함하며, 여기서 공간적으로 변조하는 단계는 위상 마스크의 광 중심을 광축으로부터 멀리 이동시키는 단계를 포함한다.
제15 구현 예는 제2 내지 제14 구현 예 중 어느 하나를 포함하며, 여기서 상기 준-비회절 빔은 파장 λ, 스폿 크기
Figure pct00001
, 및
Figure pct00002
보다 큰 레일리(Rayleigh) 범위
Figure pct00003
을 포함하는 단면을 포함하고, 여기서
Figure pct00004
는 대략 10보다 큰 값을 갖는 무차원 발산 인자이다.
제16 구현 예는 제2 내지 제15 구현 예 중 어느 하나를 포함하며, 여기서 상기 자유형 에너지 분포는 제1 단면 및 제2 단면을 포함하고, 상기 제2 단면은 제1 단면과 평행하고 상기 제1 단면과 형태가 다르다.
제17 구현 예에 따르면, 기판은 바디를 포함한다. 상기 바디는 제1 및 제2 표면과 변형된 영역을 포함한다. 제1 표면은 제2 표면에 대향한다. 상기 변형된 영역은 상기 제1 표면과 제2 표면 사이에 위치한다. 상기 변형된 영역은 에칭되도록 구성된다. 상기 변형된 영역은 자유형 형상, 타원형 단면을 포함하는 단면, 준-비회절 빔에 의해 유도된 파괴된 화학적 결합을 포함한다.
제18 구현 예는 제17 구현 예의 기판을 포함하고, 여기서 상기 기판은 투명하다.
제19 구현 예는 제17 또는 제18 구현 예의 기판을 포함하고, 여기서 상기 기판은 결정질 석영, 용융 실리카, 크라운 유리, 붕규산 유리, 소다 석회 유리, 및/또는 인산염 유리, 불화물 결정, 실리콘 결정, 사파이어, 유리 세라믹, 투명 세라믹, 폴리머, 또는 플라스틱을 더 포함한다.
제20 구현 예는 제17 또는 제18 구현 예의 기판을 포함하고, 여기서 상기 기판은 반도체 재료를 더 포함한다.
제21 구현 예는 제20 구현 예의 기판을 포함하고, 여기서 상기 반도체 재료는 실리콘, 실리콘 카바이드, 게르마늄, 갈륨 비화물, 인듐 갈륨 비화물, 알루미늄 갈륨 비화물, 갈륨 질화물, 알루미늄 갈륨 질화물, 인듐 포스페이트, 또는 리튬 니오베이트를 포함한다.
제22 구현 예는 제17 또는 제18 구현 예의 기판을 포함하고, 여기서 상기 기판은 복합 웨이퍼를 더 포함하고, 상기 복합 웨이퍼는 상이한 재료의 복수의 층을 포함하고, 상기 상이한 재료는 유리, 세라믹, 반도체, 폴리머, 또는 플라스틱 중 어느 하나를 포함한다.
제23 구현 예는 제17 내지 제22 구현 예 중 어느 하나를 포함하며, 여기서 상기 변형된 영역은 기판의 손상된 재료를 더 포함한다.
제24 구현 예는 제17 내지 제23 구현 예 중 어느 하나를 포함하며, 여기서 상기 단면은 제1 표면에 평행하고, 자유형 형상의 경계에 의해 규정되고, 상기 제1 표면으로부터 측정된 거리를 가지며, 상기 단면의 크기는 상기 거리의 함수로 스케일링되거나 일정하다.
제25 구현 예는 제17 내지 제24 구현 예 중 어느 하나를 포함하며, 여기서 중간 평면은 제1 및 제2 표면으로부터 대략 등거리로 규정되고, 단면의 크기는 거리가 상기 중간 평면에 가까워짐에 따라 감소한다.
제26 구현 예는 제17 내지 제24 구현 예 중 어느 하나를 포함하며, 여기서 상기 중간 평면은 제1 및 제2 표면으로부터 대략 등거리로 규정되고, 단면의 크기는 거리가 상기 중간 평면에 가까워짐에 따라 증가한다.
제27 구현 예는 제17 내지 제24 구현 예 중 어느 하나를 포함하며, 여기서 단면의 크기는 거리가 제1 표면으로부터 시작하여 제2 표면에 가까워짐에 따라 연속적으로 증가한다.
제28 구현 예는 제17 내지 제27 구현 예 중 어느 하나를 포함하며, 여기서 상기 변형된 영역은 제1 또는 제2 표면과 교차하지 않는다.
제29 구현 예는 제17 내지 제28 구현 예 중 어느 하나를 포함하며, 여기서 상기 기판은 또 다른 변형된 영역을 더 포함하고, 여기서 상기 또 다른 변형된 영역은 또 다른 자유형 형상을 포함하고 제1 표면과 제2 표면 사이에 위치되고, 또 다른 단면은 제1 표면에 평행하고 또 다른 자유형 형상의 경계에 의해 규정되며, 또 다른 단면은 또 다른 타원형 단면을 포함하고, 변형된 영역 및 또 다른 변형된 영역은 직선 및/또는 곡선인 윤곽선을 따라 대략 정렬된다.
제30 구현 예는 제29 구현 예의 기판을 포함하고, 여기서 타원형 단면과 또 다른 타원형 단면의 장축(major axe)은 윤곽선을 따라 대략 정렬된다.
제31 구현 예는 제29 또는 제30 구현 예의 기판을 포함하고, 여기서 상기 기판은 분리될 생산 물품을 더 포함하고, 상기 생산 물품은 윤곽을 포함하는 복수의 윤곽에 의해 규정된다.
제32 구현 예는 제31 구현 예의 기판을 포함하며, 여기서 상기 복수의 윤곽은 생산 물품으로 분리되기 전에 단일 물품으로서 제조 프로세스를 거치도록 구성되는 잠재적인 분리 형태를 형성한다.
제33 구현 예는 제17 내지 제23 구현 예 중 어느 하나를 포함하며, 상기 변형된 영역은 제1 표면에 평행하고 자유형 형상의 경계에 의해 규정되는 제1 및 제2 단면을 더 포함하고, 여기서 상기 제1 단면은 제2 단면과 형태가 다르다.
제34 구현 예는 제33 구현 예의 기판을 포함하며, 여기서 상기 자유형 형상은 타원형 실린더 부분 및 원형 실린더 부분을 포함하고, 상기 타원형 실린더 부분은 상기 원형 실린더 부분에 연결되고 제1 표면에 근접하며, 상기 기판은 상기 타원형 실린더 부분과 상기 제1 표면 사이의 교차점에 형성된 개구를 더 포함한다.
제35 구현 예는 제33 구현 예의 기판을 포함하며, 여기서 상기 자유형 형상은 타원형 실린더 부분 및 원형 실린더 부분을 포함하고, 상기 원형 실린더 부분은 상기 타원형 실린더 부분에 연결되고 제1 표면에 근접하며, 상기 기판은 상기 원형 실린더 부분과 제1 표면 사이의 교차점에 형성된 개구를 더 포함한다.
제36 구현 예는 제33 내지 제35 구현 예 중 어느 하나를 포함하며, 여기서 상기 변형된 영역은 모세관 작용을 향상시키도록 구성된 파쇄된 입자를 포함한다.
제37 구현 예는 제33 내지 제35 구현 예 중 어느 하나를 포함하며, 여기서 상기 제2 표면은 코팅을 포함한다.
제38 구현 예는 제37 구현 예의 기판을 포함하고, 여기서 상기 코팅은 파장에 기초하여 방사선을 필터링하도록 구성된 광학 필터를 포함한다.
제39 구현 예는 제38 구현 예의 기판을 포함하고, 여기서 상기 광학 필터는 연속 스펙트럼에 기초하여 방사선을 필터링하도록 구성된 다변량 광학 요소를 포함한다.
제40 구현 예는 제37 구현 예의 기판을 포함하고, 여기서 상기 코팅은 반사 방지 코팅을 포함한다.
제41 구현 예는 제37 내지 제40 구현 예 중 어느 하나를 포함하며, 여기서 상기 코팅은 기판을 보호하도록 구성된다.
제42 구현 예는 제17 내지 제23 구현 예 중 어느 하나를 포함하며, 여기서 상기 변형된 영역은 제1 및 제2 표면으로 확장되고 상기 제1 및 제2 표면 사이의 스루풋(throughput)을 제공하도록 구성되고, 상기 변형된 영역과 제1 및 제2 표면 사이의 교차점에 형성된 개구를 더 포함한다.
제43 구현 예는 제17 내지 제23 구현 예 중 어느 하나를 포함하며, 여기서 상기 자유형 형상은 제1 및 제2 표면으로 확장되는 비스듬한 타원형의 원통형 형상을 포함하고, 상기 비스듬한 타원형의 원통형 형상은 제1 표면에 대해 직각이 아닌 각도를 규정하는 경사진 중심 축을 포함하며, 상기 기판은 비스듬한 타원형 실린더와 상기 제1 및 제2 표면 사이의 교차점에 형성된 개구를 더 포함한다.
제44 구현 예에 따르면, 기판은 바디를 포함한다. 상기 바디는 제1 및 제2 표면과 변형된 영역을 포함한다. 상기 제1 표면은 상기 제2 표면에 대향한다. 상기 변형된 영역은 상기 제1 표면과 제2 표면 사이에 위치한다. 상기 변형된 영역은 준-비회절 빔에 의해 유도된 파괴된 화학적 결합을 포함하는 표면을 갖는 에칭된 공동, 타원형 단면을 포함하는 단면, 및 자유형 형상을 포함한다.
제45 구현 예는 제44 구현 예의 기판을 포함하며, 여기서 상기 기판은 투명하다.
제46 구현 예는 제44 또는 제45 구현 예의 기판을 포함하고, 여기서 상기 기판은 결정질 석영, 용융 실리카, 크라운 유리, 붕규산 유리, 소다 석회 유리, 및/또는 인산염 유리, 불화물 결정, 실리콘 결정, 사파이어, 유리 세라믹, 투명 세라믹, 폴리머, 또는 플라스틱을 더 포함한다.
제47 구현 예는 제44 또는 제45 구현 예의 기판을 포함하며, 여기서 상기 기판은 반도체 재료를 더 포함한다.
제48 구현 예는 제47 구현 예의 기판을 포함하고, 여기서 상기 반도체 재료는 실리콘, 실리콘 카바이드, 게르마늄, 갈륨 비화물, 인듐 갈륨 비화물, 알루미늄 갈륨 비화물, 갈륨 질화물, 알루미늄 갈륨 질화물, 인듐 포스페이트, 또는 리튬 니오베이트를 포함한다.
제49 구현 예는 제44 또는 제45 구현 예의 기판을 포함하고, 여기서 상기 기판은 복합 웨이퍼를 더 포함하고, 상기 복합 웨이퍼는 상이한 재료의 복수의 층을 포함하고, 상기 상이한 재료는 유리, 세라믹, 반도체, 폴리머, 또는 플라스틱 중 어느 하나를 포함한다.
제50 구현 예는 제44 내지 제49 구현 예 중 어느 하나를 포함하며, 여기서 상기 변형된 영역은 상기 기판의 손상된 재료를 더 포함한다
제51 구현 예는 제44 내지 제50 구현 예 중 어느 하나를 포함하며, 여기서 상기 변형된 영역은 제1 표면에 평행하고 자유형 형상의 경계에 의해 규정되는 제1 및 제2 단면을 더 포함하고, 여기서 상기 제1 단면은 제2 단면과 형태가 다르다.
제52 구현 예는 제51 구현 예의 기판을 포함하고, 여기서 단면은 제1 표면에 평행하고, 자유형 형상의 경계에 의해 규정되고, 상기 제1 표면으로부터 측정된 거리를 갖고, 중간 평면은 제1 및 제2 표면으로부터 대략 등거리로 규정되며, 단면의 크기는 거리가 중간 평면에 가까워짐에 따라 감소한다.
제53 구현 예는 제51 구현 예의 기판을 포함하고, 여기서 단면은 제1 표면에 평행하고, 자유형 형상의 경계에 의해 규정되고, 상기 제1 표면으로부터 측정된 거리를 갖고, 중간 평면은 제1 및 제2 표면으로부터 대략 등거리로 규정되며, 단면의 크기는 거리가 중간 평면에 가까워짐에 따라 증가한다.
제54 구현 예는 제51 내지 제53 구현 예 중 어느 하나를 포함하며, 여기서 손상된 재료는 모세관 작용을 향상시키도록 구성된 파쇄된 입자를 포함한다.
제55 구현 예는 제51 내지 제53 구현 예 중 어느 하나를 포함하며, 여기서 상기 제2 표면은 코팅을 포함한다.
제56 구현 예는 제55 구현 예의 기판을 포함하고, 여기서 상기 코팅은 파장에 기초하여 방사선을 필터링하도록 구성된 광학 필터를 포함한다.
제57 구현 예는 제56 구현 예의 기판을 포함하고, 여기서 상기 광학 필터는 연속 스펙트럼에 기초하여 방사선을 필터링하도록 구성된 다변량 광학 요소를 포함한다.
제58 구현 예는 제55 구현 예의 기판을 포함하고, 여기서 상기 코팅은 반사 방지 코팅을 포함한다.
제59 구현 예는 제55 내지 제58 구현 예 중 어느 하나를 포함하며, 여기서 상기 코팅은 기판을 보호하도록 구성된다.
제60 구현 예는 제44 내지 제50 구현 예 중 어느 하나를 포함하며, 여기서 상기 변형된 영역은 제1 및 제2 표면으로 확장되고, 상기 제1 및 제2 표면 사이의 스루풋을 제공하도록 구성되고, 상기 변형된 영역과 제1 및 제2 표면 사이의 교차점에 형성된 개구를 더 포함한다.
제61 구현 예는 제44 내지 제50 구현 예 중 어느 하나를 포함하며, 여기서 상기 자유형 형상은 제1 및 제2 표면으로 확장되는 비스듬한 타원형의 원통형 형상을 포함하고, 상기 비스듬한 타원형의 원통형 형상은 상기 제1 표면에 대해 직각이 아닌 각도를 규정하는 경사진 중심 축을 포함하고, 상기 기판은 비스듬한 타원형 실린더와 제1 및 제2 표면 사이의 교차점에 형성된 개구를 더 포함한다.
제62 구현 예는 제60 구현 예의 기판을 포함하며, 여기서 상기 기판은 각각 제1 및 제2 표면 상에 전기 전도성 요소의 제1 및 제2 세트를 더 포함하고, 상기 변형된 영역은 전기 전도성 재료를 더 포함하고, 상기 변형된 영역 및 제1 및 제2 세트의 전기 전도성 요소는 신호가 제1 및 제2 표면과 그 요소 사이에서 흐르도록 구성된다.
본원에 기술된 프로세스 및 시스템의 추가 특징 및 이점들은 다음의 상세한 설명에 기술될 것이며, 부분적으로는 그 설명으로부터 통상의 기술자에게 자명하거나 또는 이하의 상세한 설명, 청구범위 및 첨부된 도면을 포함한 본원에 기술된 구현 예들을 실시함으로써 인식될 것이다.
상술한 일반적인 설명과 다음의 상세한 설명은 모두 다양한 구현 예를 설명하고 청구 대상의 성질 및 특성을 이해하기 위한 개요 또는 기초를 제공하도록 의도된 것으로 이해되어야 한다. 첨부된 도면은 다양한 구현 예들에 대한 추가 이해를 제공하기 위해 포함되며, 본 명세서에 통합되고 본 명세서의 일부를 구성한다. 그러한 도면은 본원에 기술된 다양한 구현 예를 예시하고, 설명과 함께 청구 대상의 원리 및 동작을 설명하는 역할을 한다.
본 발명에 따르면, 작업편을 레이저 처리하기 위한 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
도면에 설명된 구현 예는 본질적으로 예시적이며 청구범위에 의해 규정된 대상을 제한하도록 의도되지 않는다. 예시의 구현 예들에 대한 이하의 상세한 설명은 다음의 도면과 함께 읽을 때 이해될 수 있으며, 여기서 유사한 구조는 유사한 참조 번호로 표시된다:
도 1a는 하나 이상의 구현 예에 따른 투명 작업편에서 결함의 윤곽의 형성을 나타낸다.
도 1b는 하나 이상의 구현 예에 따른 투명 작업편의 처리 동안 레이저 빔 초점 라인의 위치 설정을 나타낸다.
도 2는 하나 이상의 구현 예에 따른 레이저 처리를 위한 광학 어셈블리를 나타낸다.
도 3a는 하나 이상의 구현 예에 따른 예시적인 펄스 버스트 내에서 시간에 대한 레이저 펄스의 상대적 강도의 그래프를 나타낸다.
도 3b는 하나 이상의 구현 예에 따른 다른 예시적인 펄스 버스트 내에서 시간에 대한 레이저 펄스의 상대적 강도의 그래프를 나타낸다.
도 4는 하나 이상의 구현 예에 따른 레이저 빔을 생성하기 위한 광학 어셈블리를 나타낸다.
도 5 내지 도 8은 하나 이상의 구현 예에 따른 자유형 에너지 분포를 나타낸다.
도 9 및 10은 하나 이상의 구현 예에 따른 자유형 에너지 분포의 단면의 레이저 에너지 밀도의 그래프를 나타낸다.
도 11 내지 도 20은 하나 이상의 구현 예에 따른 기판의 단면을 나타낸다.
본 발명의 특징 및 이점들은 유사한 참조 부호가 전체에 걸쳐 대응하는 요소를 식별하는 도면과 관련될 때 아래에 설명된 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다. 도면에서, 유사한 참조 번호는 일반적으로 동일한, 기능적으로 유사한 및/또는 구조적으로 유사한 요소를 나타낸다. 또한, 일반적으로 참조 번호의 맨 왼쪽 숫자는 참조 번호가 처음 나타나는 도면을 식별한다. 달리 표시되지 않는 한, 본 개시 전체에 걸쳐 제공된 도면들은 축척 도면으로 해석되어서는 안된다.
이제 복수의 작업편을 포함하는 작업편 및 작업편 스택을 형성 및 레이저 처리하기 위한 프로세스의 구현 예들이 상세히 참조될 것이며, 그러한 예들은 첨부 도면에 예시되어 있다. 가능하면, 동일한 참조 번호는 동일하거나 유사한 부분을 나타내기 위해 도면 전체에 걸쳐 사용될 것이다. 작업편 스택을 레이저 처리하는 것은 투명 작업편을 분리하고, 투명한 작업편에 격자를 형성하는 것 등과 같이 투명 작업편을 변경하기 위해 레이저 빔(예컨대, 펄스 레이저 빔)을 상기 작업편 스택의 적어도 하나의 투명 작업편으로 지향시키는(포커싱하는) 것을 포함할 수 있다. 일부의 구현 예에서, 작업편 스택의 적어도 하나의 다른 부분이 아닌 작업편 스택의 적어도 하나의 부분에 레이저 빔 초점 라인을 형성하도록 레이저 빔을 지향시키는 것이 유리할 수 있으며, 여기서 이들 상이한 부분은 작업편 스택의 상이한 깊이 위치에 위치된다. 일 예로서, 레이저 빔을 제1 투명 작업편의 레이저 빔 초점 라인으로 지향시키고 제2 투명 작업편의 레이저 빔 초점 라인으로 지향시키지 않는 것이 유리할 수 있다. 다른 예로서, 제1 투명 작업편의 다른 부분이 아니라 제1 투명 작업편의 한 부분에 레이저 빔 초점 라인을 형성하도록 레이저 빔을 지향시키는 것이 유리할 수 있으며, 여기서 이들 상이한 부분은 제1 투명 작업편의 상이한 깊이 위치에 위치된다. 또한, 맞춤형 결함을 형성하는 현재의 방법은 레이저 시스템 기능에 의해 제한된다.
레이저 시스템의 초점 라인의 형상을 변형함으로써 작업편 및 작업편 스택의 레이저 처리를 허용하거나 향상시키기 위한 구현 예들이 여기에서 설명된다. 예를 들어, 레이저 시스템은 레이저의 초점 라인의 형상을 변형하기 위해 위상 마스크 및/또는 조정 가능한 차단 요소를 포함할 수 있다. 그러한 변형된 형상을 자유형 에너지 분포라고 한다. 그러한 자유형 에너지 분포가 작업편으로 보내지고 그 작업편에 결함이 형성된다. 그 형성된 결함은 상기 자유형 에너지 분포의 형상과 실질적으로 유사한 형상을 갖는다. 더욱이, 본원에 기술된 방법들은 공지된 방법들에 의해 생성될 수 없는 형상을 갖는 결함을 가진 기판의 제조를 허용한다. 작업편 및/또는 작업편 스택의 다양한 구현 예의 레이저 처리가 첨부된 도면을 참조하여 본원에서 설명될 것이다.
본원에 사용된 바와 같이, "레이저 처리"는 레이저 빔을 작업편 상으로 및/또는 작업편 내로 지향시키는 것을 포함할 수 있다. 일부의 구현 예에서, 레이저 처리는, 예를 들어 윤곽선을 따라, 변형 라인을 따라, 또는 다른 경로를 따라 작업편에 대해 레이저 빔을 병진 이동시키는 것을 더 포함한다. 레이저 처리의 예는 레이저 빔을 사용하여 작업편 내로 확장되는 일련의 결함을 포함하는 윤곽을 형성하고, 레이저 빔을 사용하여 작업편에 변형 트랙을 형성하고, 적외선 레이저 빔을 사용하여 작업편 스택의 작업편들을 가열하는 것을 포함한다. 레이저 처리는 하나 이상의 원하는 분리 라인을 따라 작업편을 분리할 수 있다. 그러나, 일부의 구현 예에서, 예컨대 기계적으로 하나 이상의 원하는 분리 라인을 따라 작업편을 분리하기 위해 추가적인 비-레이저 단계들이 이용될 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, "윤곽선"은 대응하는 윤곽을 생성하기 위해 작업편의 평면 내에서 이동될 때 레이저 빔에 의해 횡단되는 경로를 규정하는 작업편의 표면 상의 선형, 각진, 다각형 또는 곡선을 나타낼 수 있다.
본원 사용된 바와 같이, "윤곽선"은 윤곽선을 따라 레이저를 병진 이동시킴으로써 형성된 작업편의 결함 세트를 지칭할 수 있다. 본원에 사용된 바와 같이, 윤곽은 기판 내 또는 기판 상의 가상의 2차원 형상 또는 경로를 지칭할 수 있다. 따라서, 윤곽 자체는 가상의 형상이지만, 그 윤곽은, 예를 들어 결손 라인이나 균열로 나타날 수 있다. 윤곽은 작업편에서 원하는 분리 표면을 규정할 수 있다. 윤곽선을 따라 다양한 기술들을 사용하여, 예를 들어 윤곽선을 따라 연속적인 지점에 펄스 레이저 빔을 지향시켜 작업편에 복수의 결함을 생성함으로써 윤곽선이 형성될 수 있다. 다수의 윤곽 및/또는 곡선 초점 라인을 갖는 레이저를 사용하여 경사진 분리 표면과 같은 복잡한 형상을 생성할 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, "결손 라인"은 윤곽을 따라 확장되고 윤곽에 근접한 일련의 밀접하게 이격된 결함 라인을 지칭할 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, "결함"은 변형된 재료의 영역(예컨대, 벌크 재료에 대해 변형된 굴절률의 영역), 공극 공간, 균열, 스크래치, 흠집, 구멍, 천공 또는 다른 변형을 지칭할 수 있다. 이들 결함은 본원의 다양한 구현 예에서, 결함 라인 또는 손상 트랙으로 지칭될 수 있다. 결함 라인 또는 손상 트랙은 동일한 위치에서 단일 레이저 펄스 또는 다중 펄스에 대해 작업편의 단일 위치로 지향하는 레이저 빔에 의해 형성될 수 있다. 윤곽선을 따라 레이저를 병진 이동시키면 윤곽선을 형성하는 다수의 결함 라인이 생성될 수 있다. 유사하게, "변형된 영역"이라는 용어는 결함을 나타낼 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, "빔 단면"이라는 문구는 레이저 빔의 빔 전파 방향에 수직인 평면에 따른, 예를 들어 빔 전파 방향이 Z 방향일 때 X-Y 평면에 따른 레이저 빔의 단면을 지칭할 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, "빔 스폿"은 충돌 표면, 즉 레이저 옵틱에 가장 가까운 작업편의 표면에서 레이저 빔의 단면(예컨대, 빔 단면)을 지칭할 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, "충돌 표면"은 레이저 옵틱에 가장 가까운 작업편의 표면을 지칭할 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, "상류" 및 "하류"는 빔 소스에 대한 빔 경로에 따른 2개의 위치 또는 요소의 상대적 위치를 지칭할 수 있다. 예를 들어, 제1 요소가 제2 요소보다 레이저 빔이 횡단하는 경로를 따라 레이저 옵틱에 더 가까우면 제1 요소는 제2 요소로부터 상류에 있다.
본원에 사용된 바와 같이, "레이저 빔 초점 라인" 또는 "초점 라인"은 광축에 평행한 선형의 가늘고 긴 초점 영역을 형성하는 레이저 빔의 상호 작용하는(예를 들어, 교차하는) 광선의 패턴을 지칭할 수 있다. 그러한 레이저 빔 초점 라인은 광축을 따라 상이한 다른 위치에서 상호 작용하는(예를 들어, 교차하는) 수차 광선을 포함한다. 레이저 빔 초점 라인은, 예를 들어 선형 형상을 갖는 결함을 생성할 수 있다. 더욱이, 본원에 기술된 레이저 빔 초점 라인은 아래에서 수학적으로 상세하게 규정되는 준-비회절 빔을 사용하여 형성된다.
본원에 사용된 바와 같은 "대상물", "작업편", "기판" 등의 용어는 레이저 처리의 타겟이 되는 대상물를 지칭할 수 있으며, 그 용어들은 상호교환적으로 사용될 수 있다. 본원에 사용된 바와 같은 "작업편"이라는 문구는 유리, 유리-세라믹 또는 투명한 기타 다른 재료로 형성된 작업편을 의미할 수 있으며, 여기서 "투명한"이라는 용어는 재료가 재료 깊이 mm 당 20% 미만, 예를 들어 지정된 펄스 레이저 파장에 대해 재료 깊이 mm 당 10% 미만, 또는 지정된 펄스 레이저 파장에 대해 재료 깊이 mm 당 1% 미만의 광 흡수를 갖는다는 것을 의미할 수 있다. 그러한 재료는 재료 깊이 mm 당 약 20% 미만의 광 흡수를 가질 수 있으며, 투명 작업편은 약 50 마이크론(㎛) 내지 약 10 mm(예컨대, 약 100 ㎛ 내지 약 5 mm, 또는 약 0.5 mm 내지 약 3 mm)의 깊이(예컨대, 두께)를 가질 수 있다. 투명한 작업편은 붕규산 유리, 소다-석회 유리, 알루미노실리케이트 유리, 알칼리 알루미노실리케이트, 알칼리 토류 알루미노실리케이트 유리, 알칼리 토류 보로-알루미노실리케이트 유리, 용융 실리카, 또는 석영, 사파이어와 같은 결정질 재료, 또는 이들의 조합과 같은 유리 조성물로 형성된 유리 작업편을 포함할 수 있다. 투명 작업편은 실리콘, 실리콘 카바이드, 게르마늄, 갈륨 비화물, 인듐 갈륨 비화물, 알루미늄 갈륨 비화물, 갈륨 질화물, 알루미늄 갈륨 질화물, 인듐 포스페이트, 또는 리튬 니오베이트와 같은 반도체 재료를 포함할 수 있다. 투명 작업편은 복합 웨이퍼를 포함할 수 있으며, 여기서 상기 복합 웨이퍼는 상이한 재료의 복수의 층을 포함하고, 상기 상이한 재료는 유리, 세라믹, 반도체, 폴리머, 또는 플라스틱 중 어느 하나를 포함한다. 일부의 구현 예에서, 투명 작업편은 투명 작업편을 레이저 처리하기 전 또는 후에 열적 템퍼링을 통해 강화될 수 있다. 일부의 구현 예에서, 상기 유리는 이온-교환할 수 있는 데, 즉 상기 유리 조성물은 투명 작업편을 레이저 처리하기 전 또는 후에 유리 강화를 위해 이온-교환을 거칠 수 있다. 예를 들어, 그러한 투명 작업편은 뉴욕주 코닝 소재의 코닝 인코포레이티드로부터 입수 가능한 Corning Gorilla® Glass(예컨대, 코드 2318, 코드 2319, 및 코드 2320)와 같은 이온-교환 및 이온-교환 가능한 유리를 포함할 수 있다. 또한, 이들 이온-교환 유리는 약 6 ppm/℃ 내지 약 10 ppm/℃의 열팽창 계수(CTE)를 가질 수 있다. 다른 예시의 투명 작업편은 뉴욕주 코닝 소재의 코닝 인코포레이티드로부터 입수 가능한 EAGLE XG® 및 CORNING LOTUS™을 포함할 수 있다. 더욱이, 상기 투명 작업편은 레이저의 파장에 투명한 다른 요소들, 예를 들어 사파이어 또는 아연 셀렌화물과 같은 결정을 포함할 수 있다.
이온-교환 공정에서, 투명 작업편의 표면 층의 이온은, 예를 들어 투명 작업편을 이온-교환 욕조에 부분적으로 또는 완전히 침지시킴으로써 동일한 원자가 또는 산화 상태를 갖는 더 큰 이온으로 교체된다. 더 작은 이온을 더 큰 이온으로 교체하면 압축 응력의 층이 투명 작업편의 하나 이상의 표면에서 투명 작업편 내의 특정 깊이(층의 깊이라고 함)까지 확장된다. 그러한 압축 응력은 유리 시트의 순 응력이 0이 되도록 인장 응력(중심 장력이라고 함)의 층에 의해 균형을 이룬다. 유리 시트의 표면에 압축 응력이 형성되면 유리가 강하고 기계적 손상에 강해지며, 따라서 층의 깊이에 걸쳐 확장되지 않는 흠집에 대한 유리 시트의 치명적인 파손을 완화시킨다. 일부의 구현 예에서, 투명 작업편의 표면 층에서 더 작은 나트륨 이온은 더 큰 칼륨 이온으로 교환된다. 일부의 구현 예에서, 표면 층의 이온 및 더 큰 이온은 Li+(유리에 존재할 때), Na+, K+, Rb+, 및 Cs+와 같은 1가 알칼리 금속 양이온이다. 대안적으로, 표면 층의 1가 양이온은 Ag+, Tl+, Cu+ 등과 같은 알칼리 금속 양이온 이외의 1가 양이온으로 교체될 수 있다.
레이저 처리 시스템
이제 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 도면들은 하나 이상의 구현 예에 따른 레이저 처리를 거치는 예시의 투명 작업편(160)을 나타낸다. 특히, 도 1a는 투명 작업편(160)을 분리하는데 사용될 수 있는 복수의 결함(172)을 포함하는 윤곽(170)의 형성을 나타낸다. 복수의 결함(172)을 포함하는 윤곽(170)은 윤곽선(165)을 따라 병진 이동 방향(101)으로 이동하는 극초단 펄스 레이저 빔을 포함할 수 있는 레이저 빔(112)으로 투명 작업편(160)을 처리함으로써 형성될 수 있다. 상기 결함(172)들은, 예를 들어 투명 작업편(160)의 깊이에 걸쳐 확장되고, 투명 작업편(160)의 충돌 표면에 직교할 수 있다. 또한, 레이저 빔(112)은 초기에 충돌 표면 상의 특정 위치인 충돌 위치(115)에서 투명 작업편(160)과 접촉한다. 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 투명 작업편(160)의 제1 표면(162)은 충돌 표면을 포함하지만, 다른 구현 예에서 레이저 빔(112)은 대신 초기에 투명 작업편(160)의 제2 표면(164)을 조사할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 더욱이, 도 1a는 레이저 빔(112)이 투명 작업편(160)의 제1 표면(162) 상에 투사된 빔 스폿(114)을 형성하는 것을 나타낸다.
도 1a 및 1b는 레이저 빔(112)이 빔 경로(111)를 따라 전파되며, 이 레이저 빔(112)이, 예를 들어 액시콘 및 하나 이상의 렌즈(예컨대, 후술되고 도 2에 도시된 바와 같은 제1 렌즈(130) 및 제2 렌즈(132))와 같은 비구면 광학 요소(120; 도 2)를 사용하여, 투명 작업편(160) 내의 레이저 빔 초점 라인(113)으로 포커싱될 수 있도록 배향되는 상기 레이저 빔(112)을 도시한다. 예를 들어, 상기 레이저 빔 초점 라인(113)의 위치는 Z-축을 따라 그리고 Z-축을 중심으로 제어될 수 있다. 또한, 상기 레이저 빔 초점 라인(113)은 약 0.1 mm 내지 약 100 mm 범위 또는 약 0.1 mm 내지 약 10 mm 범위의 길이를 가질 수 있다. 다양한 구현 예는 약 0.1 mm, 약 0.2 mm, 약 0.3 mm, 약 0.4 mm, 약 0.5 mm, 약 0.7 mm, 약 1 mm, 약 2 mm, 약 3 mm, 약 4 mm, 또는 약 5 mm, 예컨대 약 0.5 mm 내지 약 5 mm의 길이(l)를 갖는 레이저 빔 초점 라인(113)을 갖도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 레이저 빔 초점 라인(113)은 하기에 더 상세히 규정되는 바와 같이, 준-비회절 빔의 일부일 수 있다.
동작 시에, 레이저 빔(112)은 윤곽(170)의 복수의 결함(172)을 형성하기 위해 윤곽선(165)을 따라 투명 작업편(160)에 대해 병진 이동(예컨대, 병진 이동 방향(101)으로)될 수 있다. 레이저 빔(112)을 투명 작업편(160) 내로 지향시키거나 국부화하는 것은 투명 작업편(160) 내에 유도된 흡수를 생성하고 결함(172)을 형성하기 위해 윤곽선(165)을 따라 이격된 위치에서 투명 작업편(160)의 화학적 결합을 파괴하기에 충분한 에너지를 축적한다. 하나 이상의 구현 예에 따르면, 레이저 빔(112)은 투명 작업편(160)의 움직임(예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이 투명 작업편(160)에 결합된 병진 이동 스테이지(190)의 움직임), 레이저 빔(112)의 움직임(예컨대, 레이저 빔 초점 라인(113)의 움직임), 또는 투명 작업편(160) 및 레이저 빔 초점 라인(113) 모두의 움직임에 의해 투명 작업편(160)을 가로질러 병진 이동될 수 있다. 상기 투명 작업편(160)에 대해 레이저 빔 초점 라인(113)을 병진 이동시킴으로써, 상기 투명 작업편(160)에 복수의 결함(172)이 형성될 수 있다.
일부의 구현 예에서, 결함(172)들은 일반적으로 약 0.1 ㎛ 내지 약 500 ㎛, 예를 들어, 약 1 ㎛ 내지 약 200 ㎛, 약 2 ㎛ 내지 약 100 ㎛, 약 5 ㎛ 내지 약 20 ㎛ 등의 윤곽(170)에 따른 거리만큼 서로 이격될 수 있다. 예를 들어, 결함(172)들 사이의 적절한 간격은 TFT/디스플레이 유리 조성물의 경우 약 0.1 ㎛ 내지 약 50 ㎛, 예컨대 약 5 ㎛ 내지 약 15 ㎛, 약 5 ㎛ 내지 약 12 ㎛, 약 7 ㎛ 내지 약 15 ㎛, 또는 약 7㎛ 내지 약 12㎛일 수 있다. 일부의 구현 예에서, 인접한 결함(172)들 사이의 간격은 약 50 ㎛ 이하, 45 ㎛ 이하, 40 ㎛ 이하, 35 ㎛ 이하, 30 ㎛ 이하, 25 ㎛ 이하, 20 ㎛ 이하, 15 ㎛ 이하, 10 ㎛ 이하 등일 수 있다.
도 1a에 예시된 바와 같이, 윤곽(170)의 복수의 결함(172)은 투명 작업편(160) 내로 확장되고 투명한 작업편(160)을 윤곽(170)을 따라 개별 분리 부분으로 분리하기 위한 균열 전파를 위한 경로를 설정한다. 윤곽(170)을 형성하는 것은 윤곽(170)의 복수의 결함(172)을 형성하기 위해 윤곽선(165)을 따라 투명 작업편(160)에 대해 레이저 빔(112)을 병진 이동(예컨대, 병진 이동 방향(101)으로)시키는 것을 포함한다. 하나 이상의 구현 예에 따르면, 상기 레이저 빔(112)은, 예를 들어 하나 이상의 병진 이동 스테이지(예컨대, 도 2의 병진 이동 스테이지(190))를 사용하여 투명 작업편(160)의 움직임, 레이저 빔(112)의 움직임(예컨대, 레이저 빔 초점 라인(113)의 움직임), 또는 투명 작업편(160) 및 레이저 빔(112) 모두의 움직임에 의해 투명 작업편(160)을 가로질러 병진 이동될 수 있다. 투명 작업편(160)에 대해 레이저 빔 초점 라인(113)을 병진 이동시킴으로써, 상기 투명 작업편(160)에 복수의 결함(172)이 형성될 수 있다. 또한, 도 1a에 예시된 윤곽(170)이 선형이지만, 윤곽(170)은 또한 비선형(즉, 굴곡을 갖는)일 수 있다. 굴곡진 윤곽은, 예를 들어 투명 작업편(160) 또는 레이저 빔 초점 라인(113) 중 하나를 다른 것에 대해 1차원 대신 2차원으로 병진 이동시킴으로써 생성될 수 있다.
일부의 구현 예에서, 상기 투명 작업편(160)은 윤곽(170)을 따라 투명 작업편(160)의 분리를 유도하기 위해 후속 분리 단계에서 추가로 작용될 수 있다. 그러한 후속 분리 단계는 기계적 힘 또는 열 응력 유도 힘을 사용하여 윤곽(170)을 따라 균열을 전파하는 것을 포함할 수 있다. 적외선 레이저 빔과 같은 열원은 열 응력을 생성하여 윤곽(170)을 따라 투명 작업편(160)을 분리하는 데 사용될 수 있다. 일부의 구현 예에서, 적외선 레이저 빔은 분리를 개시하기 위해 사용될 수 있고 그 후 분리는 기계적으로 완료될 수 있다. 이론에 얽매이지 않지만, 적외선 레이저는 윤곽(170)에서 또는 그 근처에서 투명 작업편(160)의 온도를 빠르게 증가시키는 제어된 열원이다. 이러한 급속 가열은 윤곽(170) 상에서 또는 이에 인접한 투명 작업편(160)에 압축 응력을 형성할 수 있다. 가열된 유리 표면의 면적은 투명 작업편(160)의 전체 표면적에 비해 상대적으로 작기 때문에, 가열된 영역은 상대적으로 빠르게 냉각된다. 결과의 온도 구배는 윤곽(170)을 따라 그리고 투명 작업편(160)의 깊이에 걸쳐 균열을 전파하기에 충분한 투명 작업편(160)에 인장 응력을 유도하여, 그 윤곽(170)을 따라 투명 작업편(160)이 완전히 분리되게 한다. 이론에 얽매이지 않지만, 인장 응력은 더 높은 국부 온도를 갖는 작업편의 부분에서 유리의 팽창(즉, 변화된 밀도)에 의해 야기될 수 있다고 믿어진다.
유리에 열 응력을 생성하기에 적합한 적외선 레이저는 통상적으로 유리에 의해 쉽게 흡수되는 파장을 가지며, 통상적으로 1.2 ㎛ 내지 13 ㎛ 범위, 예를 들어 4 ㎛ 내지 12 ㎛ 범위의 파장을 갖는다. 또한, 적외선 레이저 빔의 파워는 약 10 W 내지 약 1000 W, 예를 들어 100 W, 250 W, 500 W, 750 W 등일 수 있다. 또한, 적외선 레이저 빔의 1/e2 빔 직경은 약 20 mm 이하, 예를 들어 15 mm, 12 mm, 10 mm, 8 mm, 5 mm, 2 mm 이하일 수 있다. 동작 시, 적외선 레이저 빔의 더 큰 1/e2 빔 직경은 더 빠른 레이저 처리 및 더 많은 파워를 용이하게 할 수 있는 반면, 적외선 레이저 빔의 더 작은 1/e2 빔 직경은 윤곽(170) 근처의 투명 작업편(160)의 부분에 대한 손상을 제한함으로써 고정밀 분리를 용이하게 할 수 있다. 예시의 적외선 레이저는 이산화탄소 레이저("CO2 레이저"), 일산화탄소 레이저("CO 레이저"), 고체 상태 레이저, 레이저 다이오드, 또는 이들의 조합을 포함한다.
다른 구현 예들에서, 타입, 깊이, 및 재료 특성(예컨대, 흡수, CTE, 응력, 조성 등)에 따라 투명 작업편(160)에 존재하는 응력은 추가 가열 또는 기계적 분리 단계 없이 윤곽(170)을 따라 자발적인 분리를 유발할 수 있다. 예를 들어,투명 작업편(160)이 강화 유리 기판(예컨대, 이온-교환 또는 열적으로 강화된 유리 기판)을 포함하는 경우, 윤곽(170)의 형성은 윤곽(170)을 따라 균열 전파를 유도하여 투명 작업편(160)을 분리할 수 있다.
도 1a 및 1b를 다시 참조하면, 결함(172)을 형성하기 위해 사용된 레이저 빔(112)은 강도 분포 I(X,Y,Z)를 더 가지며, 여기서 Z는 레이저 빔(112)의 빔 전파 방향이고, 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 평면에서 레이저 빔(112)의 강도 분포는 단면 강도 분포로 지칭될 수 있다.
빔 스폿(114) 또는 다른 단면에서의 레이저 빔(112)은, 도 2에 도시된 광학 어셈블리(100)와 관련하여 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 비구면 광학 요소(120)를 통해 레이저 빔(112; 예컨대, 펄스 빔 소스와 같은 빔 소스(110)를 사용한 가우스 빔과 같은 레이저 빔(112))을 전파함으로써, 준-비회절 빔, 예를 들어 아래에 수학적으로 규정된 바와 같이 낮은 빔 발산을 갖는 빔을 포함할 수 있다. 빔 발산은 빔 전파 방향(즉, Z 방향)의 빔 단면의 확대 비율과 관련될 수 있다. 본원에 논의된 일 예의 빔 단면은 투명 작업편(160) 상에 투사된 레이저 빔(112)의 빔 스폿(114)이다. 예시의 준-비회절 빔은 가우스-베셀 빔 및 베셀 빔을 포함한다.
회절은 레이저 빔(112)의 발산을 야기하는 하나의 인자이다. 다른 인자는 레이저 빔(112)을 형성하는 광학 시스템에 의해 야기되는 포커싱 또는 디포커싱 또는 계면에서의 굴절 및 산란을 포함한다. 윤곽(170)의 결함(172)을 형성하기 위한 레이저 빔(112)은 낮은 발산 및 약한 회절을 갖는 레이저 빔 초점 라인(113)을 형성할 수 있다. 레이저 빔(112)의 발산은 레일리 범위 ZR을 특징으로 하며, 이는 레이저 빔(112)의 강도 분포 및 빔 전파 인자 M2의 분산 σ2와 관련된다. 다음 논의에서는 데카르트 좌표계를 사용하여 식들을 제시할 것이다. 다른 좌표계에 대한 대응하는 표현은 통상의 기술자에게 공지된 수학적 기술을 사용하여 얻을 수 있다. 빔 발산에 대한 추가 정보는 SPIE Symposium Series Vol. 1224, p. 2 (1990)에서 A.E. Siegman에 의한 "New Developments in Laser Resonators"로 명칭된 논문 및 Optics Letters, Vol. 22(5), 262 (1997)에서 R. Borghi and M. Santarsiero에 의한 "M2 factor of Bessel-Gauss beams"로 명칭된 논문에서 찾을 수 있으며, 그러한 개시 내용은 그 전체가 참고로 본원에 포함된다. 추가 정보는 또한 "Lasers and laser-related equipment―Test methods for laser beam widths, divergence angles and beam propagation ratios―Part 1: Stigmatic and simple astigmatic beams"로 명칭된 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"로 명칭된 국제 표준 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"로 명칭된 국제 표준 ISO 11146-3:2004(E)에서도 찾을 수 있으며, 그 개시 내용은 그 전체가 참조로 본원에 포함된다.
시간-평균 강도 프로파일
Figure pct00005
를 갖는 레이저 빔(112)의 강도 프로파일의 중심 공간 좌표는 다음 식으로 주어진다:
Figure pct00006
(1)
Figure pct00007
(2)
이들은 위그너(Wigner) 분포의 첫 번째 모멘트로도 알려져 있으며, ISO 11146-2:2005(E)의 섹션 3.5에 설명되어 있다. 이들의 측정은 ISO 11146-2:2005(E)의 섹션 7에 설명되어 있다.
분산은, 단면(X-Y) 평면에서, 빔 전파 방향의 위치 z의 함수로서 레이저 빔(112)의 강도 분포의 폭의 척도이다. 임의의 레이저 빔의 경우, X-방향의 분산은 Y-방향의 분산과 다를 수 있다.
Figure pct00008
및
Figure pct00009
는 각각 X-방향 및 Y-방향의 분산을 나타낸다. 특히 관심의 대상은 근거리 필드 및 원거리 필드 한계의 분산이다.
Figure pct00010
및
Figure pct00011
는 근거리 필드 한계에서 X-방향 및 Y-방향의 분산을 각각 나타내고,
Figure pct00012
및
Figure pct00013
는 원거리 필드 한계에서 각각 X-방향 및 Y-방향의 분산을 나타낸다. 푸리에 변환
Figure pct00014
(여기서,
Figure pct00015
및
Figure pct00016
는 각각 X-방향 및 Y-방향의 공간 주파수임)의 시간-평균 강도 프로파일
Figure pct00017
를 갖는 레이저 빔의 경우, X-방향 및 Y-방향의 근거리 필드 및 원거리 필드 분산은 다음 식으로 주어진다:
Figure pct00018
(3)
Figure pct00019
(4)
Figure pct00020
(5)
Figure pct00021
(6)
분산 양
Figure pct00022
,
Figure pct00023
,
Figure pct00024
및
Figure pct00025
는 위그너 분포의 대각선 요소로도 알려져 있다(ISO 11146-2:2005(E) 참조). ISO 11146-2:2005(E)의 섹션 7에 설명된 측정 기술들을 사용하여 실험 레이저 빔에 대해 이러한 분산을 정량화할 수 있다. 간단히 말해서, 그러한 측정은 선형 불포화 픽셀화된 검출기를 사용하여 분산 및 중심 좌표를 규정하는 적분 식의 무한 적분 영역을 근사하는 유한 공간 영역에서
Figure pct00026
를 측정한다. 측정 영역의 적절한 범위, 배경 제거 및 검출기 픽셀 해상도는 ISO 11146-2:2005(E)의 섹션 7에 설명된 반복 측정 절차의 수렴에 의해 결정된다. 식 1-6에 의해 주어진 표현식의 수치 값은 픽셀화된 검출기에 의해 측정된 바와 같은 어레이의 강도 값들로부터 수치적으로 계산된다.
임의의 광 빔에 대한 횡방향 진폭 프로파일
Figure pct00027
(여기서
Figure pct00028
)와 임의의 광 빔에 대한 공간-주파수 분포
Figure pct00029
(여기서
Figure pct00030
) 사이의 푸리에 변환 관계를 통해, 다음과 같이 나타낼 수 있다:
Figure pct00031
(7)
Figure pct00032
(8)
식 (7) 및 (8)에서,
Figure pct00033
및
Figure pct00034
는 각각 X-방향 및 Y-방향의 허리 위치
Figure pct00035
및
Figure pct00036
에서 발생하는
Figure pct00037
및
Figure pct00038
의 최소값이며, λ는 레이저 빔(112)의 파장이다. 식 (7) 및 (8)은
Figure pct00039
및
Figure pct00040
가 레이저 빔(112)의 허리 위치(예컨대, 레이저 빔 초점 라인(113)의 허리 부분)와 연관된 최소값으로부터 어느 한 방향으로 z로 2차적으로 증가함을 나타낸다. 또한, 본원에 설명된 구현 예들에서는 축대칭이고 이에 따라 축대칭 강도 분포 I(x,y),
Figure pct00041
를 포함하는 빔 스폿(114)을 포함하고, 그리고 본원에 설명된 구현 예들에서는 비-축대칭이고 이에 따라 비-축대칭 강도 분포 I(x,y),
Figure pct00042
, 즉
Figure pct00043
또는
Figure pct00044
를 포함하는 빔 스폿(114)을 포함한다.
식 (7) 및 (8)은 빔 전파 인자 M2의 관점에서 다시 쓸 수 있으며, 여기서 X-방향 및 Y-방향에 대한 각각의 빔 전파 인자
Figure pct00045
및
Figure pct00046
는 다음과 같이 정의된다:
Figure pct00047
(9)
Figure pct00048
(10)
식 (9) 및 (10)의 재배열 및 식 (7) 및 (8)로의 대체는 다음을 산출한다:
Figure pct00049
(11)
Figure pct00050
(12)
다음과 같이 다시 쓸 수 있다:
Figure pct00051
(13)
Figure pct00052
(14)
여기서, 레일리 범위
Figure pct00053
및
Figure pct00054
는 각각 X-방향 및 Y-방향으로 다음에 의해주어진다:
Figure pct00055
(15)
Figure pct00056
(16)
상기 레일리 범위는 레이저 빔의 분산이 두 배가 되는 거리(ISO 11146-1:2005(E)의 섹션 3.12에 규정된 바와 같이 빔 웨이스트의 위치에 대한)에 대응하고 레이저 빔의 단면적의 발산의 척도이다. 또한, 본원에 설명된 구현 예에서 축대칭이고 이에 따라 축대칭 강도 분포 I(x,y),
Figure pct00057
를 포함하는 빔 스폿(114)을 포함하고, 그리고 본원에 설명된 구현 예에서 비-축대칭이고 이에 따라 비-축대칭 강도 분포 I(x,y),
Figure pct00058
, 즉
Figure pct00059
또는
Figure pct00060
를 포함하는 빔 스폿(114)을 포함한다. 상기 레일리 범위는 빔 허리 위치(최대 강도 위치)에서 관찰된 값의 절반으로 광학 강도가 감소하는 빔 축에 따른 거리로도 관찰할 수 있다. 레일리 범위가 큰 레이저 빔은 발산이 낮고 레일리 범위가 작은 레이저 빔보다 빔 전파 방향으로 거리에 따라 더 천천히 확장된다.
위의 식들은 레이저 빔을 설명하는 강도 프로파일
Figure pct00061
를 사용하여 임의의 레이저 빔(가우스 빔이 아닌)에 적용될 수 있다. 가우스 빔의 TEM00 모드의 경우, 강도 프로파일은 다음에 의해 주어진다:
Figure pct00062
(17)
여기서,
Figure pct00063
는 반경(빔 강도가 빔 허리 위치
Figure pct00064
에서 빔의 피크 빔 강도의 1/e2로 감소하는 반경으로 규정됨)이다. 식 (17) 및 위의 공식으로부터, TEM00 가우스 빔에 대해 다음과 같은 결과를 얻는다:
Figure pct00065
(18)
Figure pct00066
(19)
Figure pct00067
(20)
Figure pct00068
(21)
Figure pct00069
(22)
Figure pct00070
(23)
Figure pct00071
(24)
여기서,
Figure pct00072
이다. 가우스 빔의 경우,
Figure pct00073
임을 더 알아야 한다.
빔 단면은 형상과 치수로 특성화된다. 빔 단면의 치수는 빔의 스폿 크기로 특성화된다. 가우스 빔의 경우, 스폿 크기는 빔의 강도가 최대값의 1/e2로 감소하는 반경 범위로 종종 규정되며, 식 (17)에서 w 0 으로 표시된다. 가우스 빔의 최대 강도는 강도 분포의 중심(x=0 및 y=0(직교) 또는 r=0(원통))에서 발생하며 스폿 크기를 결정하는 데 사용되는 반경 범위는 중심을 기준으로 측정된다.
축대칭(즉, 빔 전파 축 Z를 중심으로 회전 대칭) 단면을 가진 빔은 ISO 11146-1:2005(E)의 섹션 3.12에 지정된 바와 같이 빔 허리 위치에서 측정되는 단일 치수 또는 스폿 크기로 특성화될 수 있다. 가우스 빔의 경우, 식 (17)은 스폿 크기가 w o 와 동일함을 보여주며, 이는 식 (18)에서
Figure pct00074
또는 2
Figure pct00075
에 대응한다. 원형 단면과 같은 축대칭 단면을 갖는 축대칭 빔의 경우,
Figure pct00076
이다. 따라서, 축대칭 빔의 경우, 단면 치수는
Figure pct00077
인 단일 스폿 크기 파라미터로 특성화될 수 있다. 스폿 크기는 축대칭 빔과 달리
Figure pct00078
인 비-축대칭 빔 단면에 대해 유사하게 규정될 수 있다. 따라서, 빔의 스폿 크기가 비-축대칭인 경우, 두 개의 스폿 크기 파라미터(각각 X-방향 및 Y-방향의 w ox 및 w oy )를 사용하여 비-축대칭 빔의 단면 치수를 특성화할 필요가 있다. 여기서,
Figure pct00079
(25)
Figure pct00080
(26)
또한, 비-축대칭 빔에 대한 축대칭(즉, 임의의 회전 각도)이 없다는 것은 σ 0 x 및 σ 0y 값의 계산 결과가 X-축과 Y-축의 방향 선택에 따라 달라진다는 것을 의미한다. ISO 11146-1:2005(E)는 이들 참조 축을 파워 밀도 분포의 장축으로 참조하고(섹션 3.3-3.5), 다음의 논의에서 X 및 Y 축이 이들 장축과 정렬된다고 가정한다. 또한, 단면 평면에서 X-축 및 Y-축이 회전될 수 있는 각도 φ(예컨대, 각각 X-축 및 Y-축의 기준 위치에 대한 X-축 및 Y-축의 각도)는 비-축대칭 빔에 대한 스폿 크기 파라미터의 최소값(w o,min ) 및 최대값(w o,max)을 규정하는 데 사용될 수 있다:
Figure pct00081
(27)
Figure pct00082
(28)
여기서,
Figure pct00083
및
Figure pct00084
이다. 빔 단면의 축방향 비대칭의 크기는 종횡비로 정량화할 수 있으며, 여기서 상기 종횡비는 w o,max 대 w o,min 의 비율로 규정된다. 축대칭 빔 단면의 종횡비는 1.0이고, 타원형 및 다른 비-축대칭 빔 단면의 종횡비는 1.0보다 크고, 예를 들어 1.1보다 크고, 1.2보다 크고, 1.3보다 크고, 1.4보다 크고, 1.5보다 크고, 1.6보다 크고, 1.7보다 크고, 1.8보다 크고, 1.9보다 크고, 2.0보다 크고, 3.0보다 크고, 5.0보다 크고, 10.0보다 크다. 기타 등등.
빔 전파 방향(예컨대, 투명 작업편(160)의 깊이 치수)에서 결함(172)의 균일성을 촉진하기 위해, 낮은 발산을 갖는 레이저 빔(112)이 사용될 수 있다. 하나 이상의 구현 예에서, 낮은 발산을 갖는 레이저 빔(112)은 결함(172)을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 발산은 레일리 범위로 특성화될 수 있다. 비-축대칭의 경우, 장축 X 및 Y에 대한 레일리 범위는 X-방향 및 Y-방향에 대해 각각 식 (15) 및 (16)으로 규정되며, 여기서 임의의 실제 빔에 대해
Figure pct00085
및
Figure pct00086
임을 나타낼 수 있으며,
Figure pct00087
및
Figure pct00088
는 레이저 빔의 강도 분포에 의해 결정된다. 대칭 빔의 경우, 레일리 범위는 X-방향과 Y-방향에서 동일하며, 식 (22) 또는 식 (23)으로 표현된다. 낮은 발산은 레일리 범위의 큰 값과 레이저 빔의 약한 회절과 관련이 있다.
가우스 강도 프로파일을 갖는 빔들은 결함(172)을 형성하기 위한 레이저 처리에 덜 선호될 수 있다. 왜냐하면, 사용 가능한 레이저 펄스 에너지가 유리와 같은 재료를 변형할 수 있도록 충분히 작은 스폿 크기(마이크론 범위의 스폿 크기, 예컨대 약 1-5 ㎛ 또는 약 1-10 ㎛)로 포커싱될 때, 그것들은 회절이 심하고 짧은 전파 거리에서 크게 발산한다. 낮은 발산을 달성하기 위해, 펄스 레이저 빔의 강도 분포를 제어하거나 최적화하여 회절을 감소시키는 것이 바람직하다. 펄스 레이저 빔은 회절되지 않거나 약하게 회절될 수 있다. 약하게 회절하는 레이저 빔은 준-비회절 레이저 빔을 포함한다. 대표적인 약하게 회절하는 레이저 빔은 베셀 빔, 가우스-베셀 빔, 에어리(Airy beam) 빔, 웨버(Weber) 빔 및 마티외(Mathieu) 빔을 포함한다.
비-축대칭 빔의 경우, 레일리 범위
Figure pct00089
및
Figure pct00090
는 동일하지 않다. 식 (15) 및 (16)은
Figure pct00091
및
Figure pct00092
가 각각
Figure pct00093
및
Figure pct00094
에 의존함을 나타내고, 위에서
Figure pct00095
및
Figure pct00096
의 값은 X-축과 Y-축의 방향에 의존한다는 점에 주목했다. 그에 따라
Figure pct00097
및
Figure pct00098
의 값이 달라지며, 각각은 장축에 대응하는 최소값과 최대값을 갖고,
Figure pct00099
의 최소값은
Figure pct00100
로 표시되고
Figure pct00101
의 최소값은
Figure pct00102
로 표시되며, 임의의 빔 프로파일
Figure pct00103
및
Figure pct00104
은 다음과 같이 주어진 것으로 나타낼 수 있다:
Figure pct00105
(29)
및
Figure pct00106
(30)
가장 작은 레일리 범위를 갖는 방향으로 더 짧은 거리에 걸쳐 레이저 빔의 발산이 일어나기 때문에, 결함(172)을 형성하는 데 사용되는 레이저 빔(112)의 강도 분포는
Figure pct00107
및
Figure pct00108
(또는 축대칭 빔의 경우
Figure pct00109
값)의 최소값이 가능한 한 크도록 제어될 수 있다.
Figure pct00110
의 최소값
Figure pct00111
와
Figure pct00112
의 최소값
Figure pct00113
은 비-축대칭 빔에 대해 다르기 때문에, 손상 영역을 형성할 때
Figure pct00114
및
Figure pct00115
중 더 작은 것을 가능한 한 크게 만드는 강도 분포를 갖는 레이저 빔(112)이 사용될 수 있다.
다른 구현 예에서,
Figure pct00116
및
Figure pct00117
중 더 작은 값(또는 축대칭 빔의 경우
Figure pct00118
값)은 50 ㎛ 이상, 100 ㎛ 이상, 200 ㎛ 이상, 300 ㎛ 이상, 500 ㎛ 이상, 1 mm 이상, 2 mm 이상, 3 mm 이상, 5 mm 이상, 50 ㎛ 내지 10 mm 범위, 100 ㎛ 내지 5 mm 범위, 200 ㎛ 내지 4 mm 범위, 300 ㎛ 내지 2 mm 범위 등이다.
Figure pct00119
및
Figure pct00120
중 더 작은 값과 범위(또는 축대칭 빔의 경우
Figure pct00121
값)는 식 (27)에서 규정된 스폿 크기 파라미터
Figure pct00122
의 조정을 통해 작업편이 투명한 다른 파장에서 달성될 수 있다. 다른 구현 예에서, 스폿 크기 파라미터
Figure pct00123
은 0.25 ㎛ 이상, 0.50 ㎛ 이상, 0.75 ㎛ 이상, 1.0 ㎛ 이상, 이상 2.0 ㎛ 이상, 3.0 ㎛ 이상, 5.0 ㎛ 이상, 0.25 ㎛ 내지 10 ㎛ 범위, 0.25 ㎛ 내지 5.0 ㎛ 범위, 0.25 ㎛ 내지 2.5 ㎛ 범위, 0.50 ㎛ 내지 10 ㎛ 범위, 0.50 ㎛ 내지 5.0 ㎛ 범위, 0.50 ㎛ 내지 2.5 ㎛ 범위, 0.75 ㎛ 내지 10 ㎛ 범위, 0.75 ㎛ 내지 5.0 ㎛ 범위, 0.75 ㎛ 내지 2.5 ㎛ 등이다.
비회절 또는 준-비회절 빔은 일반적으로 반경에 비해 비-단조적으로 감소하는 것과 같은 복잡한 강도 프로파일을 갖는다. 가우스 빔에 비유하여, 유효 스폿 크기
Figure pct00124
는 비-축대칭 빔에 대해 최대 강도가 1/e2로 감소하는 최대 강도(r = 0)의 반경 위치에서 임의의 방향으로 가장 짧은 반경 거리로 규정될 수 있다. 또한, 축대칭 빔의 경우,
Figure pct00125
는 강도가 최대 강도의 1/e2로 감소하는 최대 강도(r = 0)의 반경 위치로부터의 반경 거리이다. 비-축대칭 빔에 대한 유효 스폿 크기
Figure pct00126
또는 축대칭 빔에 대한 스폿 크기 w o 에 기초한 레일리 범위에 대한 기준은 아래와 같이 축대칭 빔에 대한 식 (32)의 비-축대칭 빔에 대해 식 (31)을 사용하여 손상 영역을 형성하기 위한 비회절 또는 준-비회절 빔으로 지정될 수 있다:
Figure pct00127
(31)
Figure pct00128
(32)
여기서, F D 는 적어도 10, 적어도 50, 적어도 100, 적어도 250, 적어도 500, 적어도 1000, 10 내지 2000 범위, 50 내지 1500 범위, 100 내지 1000 범위의 값을 갖는 무차원 발산 인자이다. 식 (31)을 식 (22) 또는 (23)과 비교하면, 비회절 또는 준-비회절 빔의 경우, 유효 빔 크기가 두 배인 식 (31)에서의 거리
Figure pct00129
가, 일반적인 가우스 빔 프로파일이 사용된 경우 예상되는 거리의 F D 배라는 것을 알 수 있다. 무차원 발산 인자 F D 는 레이저 빔이 준-비회절인지 여부를 결정하기 위한 기준을 제공한다. 본원에 사용된 바와 같이, 레이저 빔(112)은 레이저 빔의 특성이 F D ≥10의 값을 갖는 식 (31) 또는 식 (32)를 만족하는 경우에 준-비회절인 것으로 간주된다. F D 의 값이 증가함에 따라, 레이저 빔(112)은 더 거의 완전한 비회절 상태에 가까워진다. 더욱이, 식 (32)는 식 (31)의 단순화일 뿐이며, 따라서 식 (31)은 축대칭 및 비-축대칭 펄스 레이저 빔(112) 모두에 대한 무차원 발산 인자 F D 를 수학적으로 설명한다는 것을 이해해야 한다.
이제 도 2를 참조하면, 그 도면은 하나 이상의 구현 예에 따른 비구면 광학 요소(120; 예컨대, 액시콘(122))를 사용하여 투명 작업편(160)에 레이저 빔 초점 라인(113)을 형성하고 준-비회절인 레이저 빔(112)을 생성하기 위한 광학 어셈블리(100)를 나타낸다. 상기 광학 어셈블리(100)는 레이저 빔(112)을 출력하는 빔 소스(110), 제1 렌즈(130) 및 제2 렌즈(132)를 포함한다. 상기 빔 소스(110)는 레이저 빔(112), 예를 들어 펄스 레이저 빔 또는 연속파 레이저 빔을 출력하도록 구성된 임의의 공지된 또는 아직 개발되지 않은 빔 소스(110)를 포함할 수 있다. 일부의 구현 예에서, 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 레이저 빔(112)을 출력할 수 있다. 또한, 투명 작업편(160)에 결함(172)을 형성하기 위해 사용되는 레이저 빔(112)은 선택된 펄스 레이저 파장에 대해 투명한 재료에 매우 적합할 수 있다.
또한, 상기 투명 작업편(160)은, 빔 소스(110)에 의해 출력된 레이저 빔(112)이, 예를 들어 비구면 광학 요소(120)를 횡단하고, 이후 제1 렌즈(130) 및 제2 렌즈(132) 모두를 횡단한 후, 상기 투명 작업편(160)을 조사하도록 위치될 수 있다. 광축(102)은, 빔 소스(110)가 레이저 빔(112)을 출력할 때, 레이저의 빔 경로(111)가 광축(102)을 따라 확장하도록 빔 소스(110)와 투명 작업편(160) 사이에서 확장(도 2에 도시된 구현 예에서 Z-축을 따라)된다.
결함(172)을 형성하기에 적합한 레이저 파장은 상기 투명 작업편(160)에 의한 선형 흡수 및 산란의 결합된 손실이 충분히 낮은 파장이다. 구현 예에서, 파장에서 투명 작업편(160)에 의한 선형 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 치수 "/mm"는 레이저 빔(112)의 빔 전파 방향(예컨대, Z 방향)으로 상기 투명 작업편(160) 내 거리의 밀리미터당의 단위를 의미한다. 많은 유리 작업편에 대한 대표적인 파장은 Nd3+의 기본 및 고조파 파장을 포함한다(예컨대, Nd3+:YAG 또는 Nd3+:YVO4는 기본 파장이 1064 nm에 가깝고 고차 고조파 파장이 532 nm, 355 nm 및 266 nm에 가까움). 주어진 기판 재료에 대한 결합된 선형 흡수 및 산란 손실 요구 사항을 충족하는 스펙트럼의 자외선, 가시광선, 및 적외선 부분의 다른 파장도 사용될 수 있다.
동작 시, 빔 소스(110)에 의해 출력된 레이저 빔(112)은 투명 작업편(160)에서 다광자 흡수(MPA)를 생성할 수 있다. MPA는 한 상태(일반적으로 그라운드 상태)에서 더 높은 에너지 전자 상태(즉, 이온화)로 분자를 여기시키는 동일하거나 다른 주파수의 둘 이상의 광자의 동시 흡수이다. 그러한 관련된 분자의 하위 상태와 상위 상태 사이의 에너지 차이는 관련된 광자의 에너지의 합과 같다. 유도 흡수라고도 하는 MPA는 2차 또는 3차 프로세스(또는 더 높은 차수)가 될 수 있다. 예를 들어, 2차 유도 흡수의 강도가 광 강도의 제곱에 비례한다는 점에서 선형 흡수와 다르며, 따라서 비선형 광학 프로세스이다.
윤곽(170)을 생성하는 천공 단계(도 1a 및 도 1b)는 투명 작업편(160)을 조사하고 레이저 빔 초점 라인(113)을 생성하기 위해 비구면 광학 요소(120), 제1 렌즈(130) 및 제2 렌즈(132)와 조합하여 빔 소스(110; 예컨대, 극초단 펄스 레이저와 같은 펄스 빔 소스)를 이용할 수 있다. 레이저 빔 초점 라인(113)은 상기 규정된 바와 같은 가우스-베셀 빔 또는 베셀 빔과 같은 준-비회절 빔을 포함하고, 윤곽(170)을 형성할 수 있는 투명 작업편(160)에 결함(172)을 형성하기 위해 투명 작업편(160)을 완전히 또는 부분적으로 천공할 수 있다. 레이저 빔(112)이 펄스 레이저 빔을 포함하는 구현 예에서, 개별 펄스의 펄스 지속 기간은 약 1 펨토초 내지 약 200 피코초, 예컨대 약 1 피코초 내지 약 100 피코초, 5 피코초 내지 약 20 피코초 등의 범위이고, 개별 펄스의 반복률은 약 1 kHz 내지 4 MHz 범위, 예컨대 약 10 kHz 내지 약 3 MHz, 또는 약 10 kHz 내지 약 650 kHz일 수 있다.
이제 도 3a 및 3b를 참조하면, 앞서 언급한 개별 펄스 반복률로 단일 펄스 동작에 추가하여, 펄스 레이저 빔을 포함하는 구현 예에서, 펄스는 2개 이상의 서브-펄스(300A)의 펄스 버스트(300)에서 생성될 수 있다(예를 들어, 펄스 버스트(300)당 3개의 서브-펄스, 4개의 서브-펄스, 5개의 서브-펄스, 10개의 서브-펄스, 15개의 서브-펄스, 20개의 서브-펄스, 또는 그 이상의 서브-펄스, 예컨대 펄스 버스트(300)당 1 내지 30개의 서브-펄스, 또는 펄스 버스트(300)당 5 내지 20개의 서브-펄스). 이론으로 제한하려는 것은 아니지만, 펄스 버스트는 단일 펄스 동작을 사용하여 쉽게 액세스할 수 없는 타임 스케일에서 재료와 광학 에너지 상호 작용(즉, 투명 작업편(160)의 재료에서 MPA)을 생성하는 서브-펄스의 짧고 빠른 그룹화이다. 여전히 이론에 의해 제한되는 것은 아니지만, 펄스 버스트(즉, 펄스 그룹) 내의 에너지는 보존된다. 예시적인 예로서, 100 μJ/버스트의 에너지와 2개의 서브-펄스를 갖는 펄스 버스트의 경우, 100 μJ/버스트 에너지는 서브-펄스당 50 μJ의 평균 에너지에 대한 2개의 펄스 간 분할되고, 100 μJ/버스트 및 10개의 서브-펄스의 에너지를 갖는 펄스 버스트의 경우, 100 μJ/버스트는 서브-펄스당 10 μJ의 평균 에너지에 대해 10개의 서브-펄스 중에서 분할된다. 또한, 펄스 버스트의 서브-펄스들 간의 에너지 분포는 균일할 필요가 없다. 실제로, 일부의 예에서, 펄스 버스트의 서브-펄스들 간의 에너지 분포는 지수 감소의 형태이며, 여기서 펄스 버스트의 첫 번째 서브-펄스는 가장 많은 에너지를 포함하고, 펄스 버스트의 두 번째 서브-펄스는 약간 적은 에너지를 포함하며, 펄스 버스트의 세 번째 서브-펄스는 훨씬 적은 에너지를 포함하는 식이다. 그러나, 개별 펄스 버스트 내의 다른 에너지 분포도 가능하며, 여기서 각각의 서브-펄스의 정확한 에너지는 투명 작업편(160)에 다양한 수정량을 적용하도록 맞춰질 수 있다.
여전히 이론에 의해 제한되는 것은 아니지만, 하나 이상의 윤곽(170)의 결함(172)이 적어도 2개의 서브-펄스를 갖는 펄스 버스트로 형성될 때, 윤곽(170)을 따라 투명 작업편(160)을 분리하는 데 필요한 힘(즉, 최대 파단 저항)은 단일 펄스 레이저를 사용하여 형성된 동일한 투명 작업편(160)에서 인접한 결함(172)들 사이의 동일한 간격을 갖는 윤곽(170)의 최대 파단 저항과 비교하여 감소된다. 예를 들어, 단일 펄스를 사용하여 형성된 윤곽(170)의 최대 파단 저항은 2개 이상의 서브-펄스를 갖는 펄스 버스트를 사용하여 형성된 윤곽(170)의 최대 파단 저항보다 적어도 2배 더 크다. 또한, 단일 펄스를 사용하여 형성된 윤곽(170)과 2개의 서브-펄스를 갖는 펄스 버스트를 사용하여 형성된 윤곽(170) 사이의 최대 파단 저항의 차이는 2개의 서브-펄스를 갖는 펄스 버스트를 사용하여 형성된 윤곽(170)과 3개의 서브-펄스를 갖는 펄스 버스트를 사용하여 형성된 윤곽(170) 사이의 최대 파단 저항의 차이보다 크다. 따라서, 펄스 버스트는 단일 펄스 레이저를 사용하여 형성된 윤곽(170)보다 더 쉽게 분리되는 윤곽(170)을 형성하기 위해 사용될 수 있다.
여전히 도 3a 및 3b를 참조하면, 펄스 버스트(300) 내의 서브-펄스(300A)는 약 1 nsec 내지 약 50 nsec 범위, 예를 들어 약 10 nsec 내지 약 30 nsec 범위, 예컨대 약 20 nsec의 범위에 있는 지속 기간만큼 분리될 수 있다. 다른 구현 예들에서, 펄스 버스트(300) 내의 서브-펄스(300A)는 최대 100 psec(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 그 사이의 모든 범위)의 지속 기간만큼 분리될 수 있다. 주어진 레이저에 대해, 펄스 버스트(300) 내의 인접한 서브-펄스(300A)들 사이의 시간 분리 Tp(도 3b)는 비교적 균일할 수 있다(예컨대, 서로의 약 10% 이내). 예를 들어, 일부의 구현 예에서, 펄스 버스트(300) 내의 각각의 서브-펄스는 대략 20 nsec(50 MHz)만큼 후속 서브-펄스로부터 시간상 분리된다. 또한, 각각의 펄스 버스트(300) 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 설명된 빔 소스(110)의 예시적인 구현 예들 중 일부에서, 시간 간격 Tb(도 3b)는 약 200 kHz의 버스트 반복률을 포함하는 레이저 빔(112)을 출력하는 빔 소스(110)에 대해 약 5 마이크로초이다. 레이저 버스트 반복률은 버스트의 첫 번째 펄스와 후속 버스트의 첫 번째 펄스 사이의 시간 Tb와 관련된다(레이저 버스트 반복률 = 1/Tb). 일부의 구현 예에서, 레이저 버스트 반복율은 약 1 kHz 내지 약 4 MHz의 범위에 있을 수 있다. 구현 예들에서, 레이저 버스트 반복률은, 예를 들어 약 10 kHz 내지 650 kHz의 범위일 수 있다. 각 버스트의 첫 번째 펄스와 후속 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 기간, 및 버스트 반복률은 레이저 디자인에 따라 달라질 수 있지만, 고강도의 짧은 펄스(Td ＜ 20 psec, 및 일부의 구현 예에서는 Td ≤ 15 psec)가 특히 잘 작동하는 것으로 나타났다.
상기 버스트 반복률은 약 1 kHz 내지 약 200 kHz와 같이 약 1 kHz 내지 약 2 MHz의 범위일 수 있다. 펄스 버스트(300)를 버스팅하거나 생성하는 것은 서브-펄스(300A)의 방출이 균일하고 안정된 스트림이 아니라 펄스 버스트(300)의 조밀한 클러스터에 있는 레이저 동작의 한 타입이다. 펄스 버스트 레이저 빔은 투명 작업편(160)의 재료가 파장에서 실질적으로 투명하도록 작용되는 투명 작업편(160)의 재료에 기초하여 선택된 파장을 가질 수 있다. 재료에서 측정된 버스트당 평균 레이저 파워는 재료 두께의 mm당 적어도 약 40 μJ일 수 있다. 예를 들어, 구현 예들에서, 버스트당 평균 레이저 파워는 약 40 μJ/mm 내지 약 2500 μJ/mm, 또는 약 500 μJ/mm 내지 약 2250 μJ/mm일 수 있다. 특정 예에서, 0.5 mm 내지 0.7 mm 두께의 Corning EAGLE XG® 투명 작업편에 대해, 약 300 μJ 내지 약 600 μJ의 펄스 버스트는 작업편을 절단 및/또는 분리할 수 있으며, 이는 약 428 μJ/mm 내지 약 1200 μJ/mm(즉, 0.7 mm EAGLE XG® 유리의 경우 300μJ/0.7mm 및 0.5 mm EAGLE XG® 유리의 경우 600μJ/0.5mm))의 예시적인 범위에 대응한다.
투명 작업편(160)을 변형하는 데 필요한 에너지는 펄스 에너지이며, 이는 펄스 버스트 에너지(즉, 각 펄스 버스트(300)가 일련의 서브-펄스(300A)를 포함하는 펄스 버스트(300) 내에 포함된 에너지)의 관점에서, 또는 단일 레이저 펄스(그 중 다수는 버스트를 포함할 수 있음) 내에 포함된 에너지 관점에서 설명될 수 있다. 그러한 펄스 에너지(예를 들어, 펄스 버스트 에너지)는 약 25 μJ 내지 약 750 μJ, 예컨대 약 50 μJ 내지 약 500 μJ, 또는 약 50 μJ 내지 약 250 μJ일 수 있다. 일부의 유리 조성의 경우, 펄스 에너지(예컨대, 펄스 버스트 에너지)는 약 100 μJ 내지 약 250 μJ일 수 있다. 그러나, 디스플레이 또는 TFT 유리 조성의 경우, 펄스 에너지는 더 높을 수 있다(예컨대, 투명 작업편(160)의 특정 유리 조성에 따라 약 300 μJ 내지 약 500 μJ, 또는 약 400 μJ 내지 약 600 μJ).
이론에 의해 제한되는 것은 아니지만, 펄스 버스트를 생성할 수 있는 펄스 레이저 빔을 포함하는 레이저 빔(112)의 사용은 투명 재료, 예를 들어 유리(예컨대, 투명 작업편(160))를 절단하거나 변형하는 데 이점이 있다. 단일 펄스 레이저의 반복률로 시간 간격을 두고 단일 펄스를 사용하는 것과 달리, 버스트 내의 빠른 펄스 시퀀스에 걸쳐 펄스 에너지를 확산시키는 버스트 시퀀스를 사용하면, 단일 펄스 레이저에서 가능한 것보다 재료와의 고강도 상호 작용의 더 큰 시간 척도로 액세스할 수 있다. 펄스 버스트(단일 펄스 동작과 반대)의 사용은 결함(172)의 크기(예컨대, 단면 크기)를 증가시키며, 이는 하나 이상의 윤곽(170)을 따라 투명 작업편(160)을 분리할 때 인접한 결함(172)들의 연결을 용이하게 하며, 이에 의해 의도하지 않은 균열 형성을 최소화한다. 또한, 펄스 버스트를 사용하여 결함(172)을 형성하는 것은 결함(172)의 분리가 윤곽(170)을 따르도록 결함(172)으로부터 바깥쪽으로 확장되는 개별 균열이 윤곽(170)의 분리에 영향을 미치거나 아니면 그 분리를 바이어스하지 않도록 각 결함으로부터 투명 작업편(160)의 벌크 재료로 바깥쪽으로 확장되는 균열 방향의 무작위성을 증가시켜 의도하지 않은 균열의 형성을 최소화한다.
다시 도 2를 참조하면, 비구면 광학 요소(120)는 빔 소스(110)와 투명 작업편(160) 사이의 빔 경로(111) 내에 위치된다. 동작 시, 비구면 광학 요소(120)를 통해 입사하는 가우스 빔과 같은 레이저 빔(112)을 전파하는 것은 위에서 설명한 바와 같이 비구면 광학 요소(120) 너머로 전파되는 레이저 빔(112)의 부분이 준-비회절이 되도록 레이저 빔(112)을 변경할 수 있다. 상기 비구면 광학 요소(120)는 비구면 형상을 포함하는 임의의 광학 요소를 포함할 수 있다. 일부의 구현 예에서, 상기 비구면 광학 요소(120)는 액시콘 렌즈, 예를 들어 음 굴절 액시콘 렌즈, 양 굴절 액시콘 렌즈, 반사 액시콘 렌즈, 회절 액시콘 렌즈, 프로그램 가능한 공간 광 변조기 액시콘 렌즈(예컨대, 위상 액시콘) 등과 같은 원추형 파면 생성 광학 요소를 포함할 수 있다.
일부의 구현 예에서, 상기 비구면 광학 요소(120)는 그 형상이
Figure pct00130
와 같이 수학적으로 설명되는 적어도 하나의 비구면 표면을 포함하며, 여기서 z'는 비구면의 표면 처짐이고, r은 반경 방향(예컨대, X-방향 또는 Y-방향)에서 비구면과 광축(102) 사이의 거리이고, c는 비구면 표면의 표면 곡률(즉,
Figure pct00131
=1/
Figure pct00132
; 여기서 R은 비구면 표면의 표면 반경)이고, k는 원추 상수, 계수
Figure pct00133
는 비구면 표면을 설명하는 1차 내지 12차 비구면 계수 또는 고차 비구면 계수(다항식 비구면)이다. 하나의 예시적인 구현 예에서, 상기 비구면 광학 요소(120)의 적어도 하나의 비구면 표면은 각각 계수 a1-a7를 포함하며, 그 계수는 -0.085274788; 0.065748845; 0.077574995; -0.054148636; 0.022077021; -0.0054987472; 0.0006682955이다. 비구면 계수 a8-a12는 0이다. 이러한 구현 예에서, 적어도 하나의 비구면 표면은 원추 상수 k=0을 갖는다. 그러나 a1 계수는 0이 아닌 값을 가지므로, 이는 0이 아닌 값을 갖는 원추 상수 k를 갖는 것과 같다. 따라서, 등가 표면은 0이 아닌 원추 상수 k, 0이 아닌 계수 a1, 또는 0이 아닌 k와 0이 아닌 계수 a1의 조합을 지정하여 설명될 수 있다. 또한, 일부의 구현 예에서, 적어도 하나의 비구면 표면은 0이 아닌 값을 갖는 적어도 하나의 고차 비구면 계수 a2-a12에 의해 설명되거나 규정된다(즉, a2, a3 ..., a12≠0 중 적어도 하나). 하나의 예시적인 구현 예에서, 상기 비구면 광학 요소(120)는 0이 아닌 계수 a3을 포함하는 입방체 형상의 광학 요소와 같은 3차 비구면 광학 요소를 포함한다.
일부의 구현 예에서, 상기 비구면 광학 요소(120)가 액시콘(122; 도 2에 도시된 바와 같은)을 포함할 때, 그러한 액시콘(122)은 약 1.2°의 각도, 예를 들어 약 0.5° 내지 약 5°, 또는 약 1° 내지 약 1.5°, 또는 심지어 약 0.5°내지 약 20°의 각도를 갖는 레이저 출력 표면(126; 예컨대, 원추형 표면)을 가질 수 있으며, 상기 각도는 레이저 빔(112)이 상기 액시콘(122)에 들어가는 레이저 입력 표면(124; 예컨대, 평평한 표면)에 대해 측정된다. 또한, 상기 레이저 출력 표면(126)은 원추형 팁에서 종결된다. 더욱이, 상기 비구면 광학 요소(120)는 레이저 입력 표면(124)으로부터 레이저 출력 표면(126)으로 확장되고 상기 원추형 팁에서 종결되는 중심선 축(125)을 포함한다. 다른 구현 예들에서, 상기 비구면 광학 요소(120)는 왁시콘, 공간 광 변조기와 같은 공간 위상 변조기, 또는 회절 광학 격자를 포함할 수 있다. 동작 시, 상기 비구면 광학 요소(120)는 입사 레이저 빔(112; 예컨대, 입사 가우스 빔)을 준-비회절 빔으로 성형하고, 이는 차례로 제1 렌즈(130) 및 제2 렌즈(132)를 통해 지향된다.
여전히 도 2를 참조하면. 상기 제1 렌즈(130)는 상기 제2 렌즈(132)의 상류에 위치하며, 상기 제1 렌즈(130)와 제2 렌즈(132) 사이의 시준 공간(134) 내에서 레이저 빔(112)을 시준할 수 있다. 또한, 상기 제2 렌즈(132)는 이미징 평면(104)에 위치될 수 있는 투명 작업편(160) 내로 레이저 빔(112)을 포커싱할 수 있다. 일부의 구현 예에서, 상기 제1 렌즈(130) 및 제2 렌즈(132)는 각각 평면-볼록 렌즈를 포함한다. 상기 제1 렌즈(130) 및 제2 렌즈(132)가 각각 평면-볼록 렌즈로 이루어진 경우, 상기 제1 렌즈(130) 및 제2 렌즈(132)의 굴곡은 시준 공간(134)을 향할 수 있다. 다른 구현 예들에서, 상기 제1 렌즈(130)는 다른 시준 렌즈를 포함할 수 있고, 상기 제2 렌즈(132)는 메니스커스 렌즈, 비구면 또는 다른 고차 보정된 포커싱 렌즈를 포함할 수 있다.
작업편을 레이저 처리하는 현재 방법들은 그러한 작업편에 단순한 원통형 결함을 형성하는 것으로 제한된다. 또한, 기존의 요소(예컨대, 전기 트레이스)로 작업편을 레이저 처리하면 그러한 요소에 우발적인 레이저 노출이 발생하여 장치에 결함이 발생할 수 있다. 자유형 형상의 초점 라인을 생성하는 이점은 작업편에서 맞춤형 결함 형상을 선택적으로 형성할 수 있다는 것이다. 그것은 또한 더 빠른 제조를 가능하게 하고 및/또는 투명 물품의 제조 비용을 감소시킬 수 있다. 본원에 논의된 일부의 구현 예는 자유형 형상을 갖는 준-비회절 빔의 초점 라인을 생성하기 위한 광학 어셈블리 및 방법을 제시한다. 본원에서 논의된 다른 구현 예들은 광학 어셈블리 및 방법을 사용하여 제조된 기판 물품을 제시한다.
도 4는 하나 이상의 구현 예에 따른 레이저 빔을 생성하기 위한 광학 어셈블리(400)를 나타낸다. 달리 나타내지 않는 한, 도 4의 다음의 구조적 설명은 도 2에 사용된 동일한 구조적 요소, 특히 동일한 번호를 공유하는 요소의 일부를 사용한다. 도 4에서, 작업편 및 병진 이동 테이블과 관련된 요소들은 논의의 용이성과 명확성을 위해 나타내지 않았다. 도 2에 대해 설명된 구조적 요소 외에, 일부의 구현 예에서, 광학 어셈블리(400)는 위상 마스크(402), 공간 광 변조기(404), 및 텔레스코프 섹션(406)을 포함한다. 도 4는 아래에서 설명될 공간 광 변조기(404)에 대한 3개의 가능한 위치를 나타낸다. 텔레스코프 섹션(406)은 제1 렌즈(130), 제2 렌즈(132), 시준 공간(134), 및 구현 예에서 공간 광 변조기(404)를 포함한다. 일부의 구현 예에서, 위상 마스크(402) 또는 공간 광 변조기(404) 중 어느 하나는 광학 어셈블리(400)로부터 생략될 수 있다.
일부의 구현 예에서, 상기 위상 마스크(402)는 비구면 광학 요소(120)의 상류에 배치된다. 공간 광 변조기(404)는 제1 렌즈(130)의 하류 및 제2 렌즈(132)의 상류에 배치된다. 다른 구현 예에서, 위상 마스크(402) 및 공간 광 변조기(404)는, 예를 들어 주어진 레이저 디자인의 구조적 제약으로 인해, 상이하게 위치된다. 따라서, 예를 들어, 공간 광 변조기(404)는 제1 렌즈(130)의 상류 또는 제2 렌즈(132)의 하류에 선택적으로 배치될 수 있다.
통상의 기술자는 위상 마스크(402) 및 공간 광 변조기(404)에 대해 다른 배열이 가능하다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 일부의 구현 예에서, 위상 마스크(402)는 광축(102) 상에 실질적으로 정렬되는 광 중심(도시되지 않음)을 갖는다. 상기 위상 마스크(402)는 광축(102)에 대해 위상 마스크(402)의 광 중심을 중심에서 벗어나도록 광축(102)에 수직으로 이동될 수 있다. 일부의 구현 예에서, 상기 위상 마스크(402)는 비구면 광학 요소(120)의 상류에 배치된다. 공간 광 변조기(404)는 제1 렌즈(130)의 하류 및 제2 렌즈(132)의 상류에 배치된다. 일부의 구현 예에서, 위상 마스크(402) 및 공간 광 변조기(404)는, 예를 들어 주어진 레이저 디자인의 구조적 제약으로 인해 상이하게 위치된다. 따라서, 예를 들어, 공간 광 변조기(404)는 제1 렌즈(130)의 상류 또는 제2 렌즈(132)의 하류에 선택적으로 배치될 수 있다. 통상의 기술자는 위상 마스크(402) 및 공간 광 변조기(404)에 대해 다른 배열이 가능하다는 것을 이해할 것이다. 일부의 구현 예에서, 위상 마스크(402)는 광축(102) 상에 실질적으로 정렬되는 광 중심(도시되지 않음)을 갖는다. 상기 위상 마스크(402)는 광축(102)에 대해 위상 마스크(402)의 광 중심을 중심에서 벗어나도록 광축(102)에 수직으로 이동될 수 있다.
공간 광 변조기(404)는 레이저 빔(112)의 일부를 조정하고 선택적으로 차단하는 기능 때문에 조정 가능한 차단 요소라고도 할 수 있다. 일부의 구현 예에서, 공간 광 변조기(404)는 액정 요소이다. 그러한 액정 요소는 조정 가능한 픽셀의 그리드를 포함한다. 각각의 픽셀은 전기 입력에 응답하여 레이저 빔(112)의 일부의 전송을 차단하거나 허용하도록 프로그래밍될 수 있다.
다른 구현 예들에서, 공간 광 변조기(404)는 레이저 빔(112)을 차단하거나 투과시키는 비투과 부분 및 투과 부분의 고정된 패턴을 갖는 바디이다. 공간 광 변조기(404)는 이 공간 광 변조기(404)를 통해 투과되는 레이저 빔(112)의 공간 분포를 조정하기 위해 병진 이동 및/또는 회전될 수 있다. 고정된 투과/차단 패턴을 갖는 조정 가능한 차단 요소의 예는 US2018/0093914에서 찾을 수 있으며, 그 개시 내용은 전체가 참조로 여기에 포함된다.
일부의 준-비회절 레이저 시스템에서, 레이저 빔 초점 라인(예컨대, 레이저 빔 초점 라인 113)은 원형 실린더와 같이 성형된다. 그러한 원형 실린더는 반경 w o 및 길이 Z R (예컨대, 레일리 길이)을 갖는 원형 단면을 갖는다. 일부의 구현 예에서, 레이저 시스템은 타원형 또는 비-축대칭 단면을 갖는 타원형 실린더와 같이 성형된 레이저 빔 초점 라인을 생성할 수 있다. 비-축대칭 단면은 초점 라인(예컨대, 레이저 빔 초점 라인 113)의 상류에서 레이저(예컨대, 레이저 빔 112)를 차단하기 위해 차단 요소를 사용함으로써 달성될 수 있다. 차단 요소의 일부의 예는 US2018/0093914에서 찾을 수 있다. 본원에 개시된 구현 예들은 자유형 형상을 갖는, 즉 단순히 단일의 원형 실린더 또는 단일의 타원형 실린더와 다른 볼륨을 갖는 레이저 빔 초점 라인(113)을 생성할 수 있는 레이저 시스템 및 방법을 제공한다. 예를 들어, 자유형 형상은 모래시계 형상, 타원형 단면을 갖는 모래시계 형상, 역모래시계 형상, 타원형 단면을 갖는 역모래시계 형상, 원추형, 타원형 단면을 갖는 원추형, 또는 타원형 단면 및 원형 단면의 조합을 포함할 수 있다. 그와 같은 레이저 빔 초점 라인(113)이 자유형 형상을 갖기 때문에, 레이저 빔 초점 라인(113)은 자유형 에너지 분포를 갖는 것이라고도 할 수 있다. 레이저 에너지의 볼륨인 자유형 에너지 분포의 경계는 레이저 강도에 의해 규정된다는 것을 이해해야 한다. 특히, 자유형 에너지 분포는 투명 재료에서 레이저 흡수(예컨대, 다광자 흡수)가 유도되는 임계값 이상의 레이저 강도를 포함하는 볼륨이다. 통상의 기술자는 각각의 재료가 레이저 파장의 함수로서 고유한 임계 강도를 가질 수 있기 때문에 임계 강도가 투명 재료에 의존한다는 것을 이해할 것이다.
일부의 구현 예에서, 레이저 빔 초점 라인(113)의 변형은 위상 마스크(402) 및/또는 공간 광 변조기(404)의 조정에 의해 달성된다. 예를 들어, 위상 마스크(402)는 레이저 빔(112)의 선택된 단면 부분의 위상을 지연시킨다. 상이한 위상을 갖는 레이저 빔(112)의 상이한 부분이 재결합하여 레이저 빔 초점 라인(113)을 형성할 때, 위상 마스크(402)에 의해 유도된 위상 조정은 레이저 빔 초점 라인(113)을 따라 보강 및/또는 상쇄 간섭 영역을 생성한다. 그러한 보강 및/또는 상쇄 간섭의 위치를 제어하는 것은 자유형 에너지 분포를 갖는 레이저 빔 초점 라인(113)의 생성을 허용한다. 공간 광 변조기(404)는 광이 레이저 빔 초점 라인(113)을 형성하기 위해 도달하는 방법을 제어하는 유사한 기능을 갖지만, 위상을 제어하는 대신에, 공간 광 변조기(404)는 레이저 빔(112)의 선택된 단면 부분을 차단하거나 투과시킨다. 위상 마스크(402) 및 공간 광 변조기(404) 중 하나 또는 그 모두는 레이저 빔 초점 라인(113)의 자유형 형상을 달성하기 위해 사용될 수 있다.
도 5는 하나 이상의 구현 예에 따른 자유형 에너지 분포(500)를 나타낸다. 일부의 구현 예에서, 자유형 에너지 분포(500)는 타원형 실린더 부분(502) 및 원형 실린더 부분(504)을 포함한다. 타원형 실린더 부분(502)은 장축(506), 및 광축(510)에 따른 종축(508)을 갖는 타원형 단면을 포함한다. 원형 실린더 부분(504)은 광축(510)에 따른 종축(512)을 포함한다. 명확성을 위해, 자유형 에너지 분포(500)는 타원형 실린더 부분(502)과 원형 실린더 부분(504) 간 갑자기 꺽이는 대비를 갖는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 타원형 실린더 부분(502)과 원형 실린더 부분(504) 간 점진적 변이가 존재할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 자유형 에너지 분포(500)를 생성하는 레이저 시스템의 광학적 제한으로 인해 점진적인 변이가 존재할 수 있다.
일부의 구현 예에서, 자유형 에너지 분포(500)는 타원형 실린더 부분(502)이 원형 실린더 부분(504)의 상류에 배치되도록 배향된다. 다른 구현 예들에서, 타원형 실린더 부분(502)이 원형 실린더 부분(504)의 하류에 있는 반대 방향이 생성된다. 이러한 배향의 선택은 대안적인 타입의 비구면 광학 요소(120; 예컨대, 액시콘)를 사용함으로써 달성된다. 예를 들어, 통상적인 액시콘에는 평평한 면이 있고 그 평평한 면의 반대쪽에 돌출된(볼록한) 원추형 섹션이 있다. 다른 구현 예에서, 역 액시콘, 또는 속이 빈 액시콘이 대신 사용될 수 있다. 역 액시콘은 평평한 면과 속이 빈(오목한) 원추형 섹션을 가진 액시콘이다. 액시콘과 역 액시콘 간 전환함으로써 상류/하류 실린더 부분(예컨대, 타원형 또는 원형)이 제어된다.
도 6은 하나 이상의 구현 예에 따른 자유형 에너지 분포(600)를 나타낸다. 일부의 구현 예에서, 자유형 에너지 분포(600)는 모래시계 형상(602)을 포함한다. 모래시계 형상(602)은 광축(606)에 따른 종축(604)을 포함한다. 모래시계 형상(602)은 종축(604)을 따라 크기가 변하는 원형 단면을 포함하고 더 넓은 부분이 측면에 있는 허리(608)를 갖는다. 명확성을 위해, 자유형 에너지 분포(600)는 상부 및 하부 경계에서 급격한 컷오프(cutoff)를 갖는 것으로 도시되어 있다. 상부 및 하부 경계가 눈금이 표시될 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 자유형 에너지 분포(600)를 생성하는 레이저 시스템의 광학적 제한으로 인해 점진적 변이가 존재할 수 있다.
도 7은 하나 이상의 구현 예에 따른 자유형 에너지 분포(700)를 나타낸다. 일부의 구현 예에서, 자유형 에너지 분포(700)는 모래시계 형상(702)을 포함한다. 모래시계 형상(702)은 광축(706)에 따른 종축(704)을 포함한다. 모래시계 형상(702)은 종축(704)을 따라 크기가 스케일링되는 장축(708)을 갖는 타원형 단면을 포함한다. 모래시계 형상(702)은 옆구리가 좁은 허리를 갖는다. 명확성을 위해, 자유형 에너지 분포(700)는 상부 및 하부 경계에서 급격한 컷오프를 갖는 것으로 도시되어 있다. 상부 및 하부 경계가 눈금이 표시될 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 자유형 에너지 분포(700)를 생성하는 레이저 시스템의 광학적 제한으로 인해 점진적 변이가 존재할 수 있다.
도 8은 하나 이상의 구현 예에 따른 자유형 에너지 분포(800)를 나타낸다. 일부의 구현 예에서, 자유형 에너지 분포(800)는 역모래시계 형상(802; 예컨대, 또한 꽃병 또는 다이아몬드 형상)을 포함한다. 역모래시계 형상(802)은 광축(806)에 따른 종축(804)을 포함한다. 역모래시계 형상(802)은 종축(804)을 따라 크기가 스케일링되는 장축(808)을 갖는 타원형 단면을 포함한다. 통상의 기술자는 도 6 및 7에 나타낸 모래시계 구현 예에 대해 나타낸 바와 같이 원형 단면이 또한 가능하다는 것을 이해할 것이다. 역모래시계 형상(802)은 옆구리가 넓은 중앙 부분을 갖는다. 도 5 내지 8에 나타낸 자유형 에너지 분포는, 예를 들어 위상 마스크 및/또는 공간 광 변조기(예컨대, 도 4의 위상 마스크(402) 및/또는 공간 광 변조기(404))의 조정으로 달성된다.
본원에 기술된 레이저 시스템 및 방법은 투명 재료에 결함을 형성하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 1a를 참조하면, 결함(172)들은 윤곽선(165)을 따라 투명 작업편(160)을 절단 또는 분할하는 맥락에서 설명되었다. 이러한 애플리케이션 및 다른 애플리케이션에서, 원형 실린더와 다른 형상의 결함을 성형하는 것이 유리할 수 있다. 본원에 기술된 레이저 시스템 및 방법의 구현 예들은 숨겨진 분리 형태를 형성하기 위해 작업편에 사용될 수 있다. 그러한 숨겨진 분리 형태는 원하는 균열 전파를 촉진하고 작업편 내에 완전히 유지되는(즉, 결함이 투명 작업편의 표면에 도달하지 않음) 특정 형상의 결함을 포함한다. 자유형 형상을 갖는 결함을 형성하기 위해, 기판 상의 영역이 자유형 에너지 분포에 노출된다. 그러한 자유형 에너지 분포는 이 자유형 에너지 분포와 같은 위치에 위치하는 작업편의 영역에서 MPA를 유도하기에 충분한 에너지를 갖는다.
도 9는 하나 이상의 구현 예에 따른 자유형 에너지 분포, 예컨대 자유형 에너지 분포(500; 도 5)의 단면의 레이저 에너지 밀도의 그래프를 나타낸다. 그러한 레이저 에너지 밀도는 이진 값으로 표시되며, 여기서 1의 값은 MPA를 이끄는 임계값을 초과하는 레이저 에너지 밀도에 해당하고 0의 값은 MPA를 유도하기에 불충분한 레이저 에너지에 해당한다. z-축은 레이저 전파 방향(예컨대, 도 5의 광축(510))에 대응한다. y-축은 장축(506; 도 5)의 방향을 따라 놓여 있다. x-축은 장축(506; 도 5)에 수직인 단축(minor axis에 대응한다. 도 9는 자유형 에너지 분포(500; 도 5)의 단면의 레이저 강도를 나타내며, 그 단면은 y=0으로 규정된 평면에 놓여 있다. 도 10은 하나 이상의 구현 예에 따른 자유형 에너지 분포(500; 도 5)의 다른 단면의 레이저 에너지 밀도의 그래프를 나타낸다. 도 10은 x=0으로 규정된 평면에 놓인 자유형 에너지 분포(500)의 단면에 대응한다. 통상의 기술자는 자유형 에너지 분포 600(도 6), 자유형 에너지 분포 700(도 7), 및 자유형 에너지 분포 800(도 8)가 레이저 에너지 밀도의 대응하는 그래픽 표현을 갖는다는 것을 이해할 것이다.
레이저 처리의 방법
작업편을 레이저 처리하는 방법은 본원에 개시된 레이저 시스템, 예컨대 광학 어셈블리(400)를 사용한다. 일부의 구현 예에서, 상기 방법은 방사선의 빔을 생성하는 단계 및 대상물 내에 또는 대상물 상에 결함을 형성하는 단계를 포함한다. 방사선의 빔은 준-비회절 빔 및 자유형 에너지 분포를 갖는 초점 볼륨을 포함한다. 상기 결함을 형성하는 단계는 상기 빔을 대상물로 지향시키는 단계 및 초점 볼륨을 대상물 내에 부분적으로 또는 완전히 위치시키는 단계를 포함한다. 상기 빔을 생성하는 단계는 단면의 상류에서 방사선의 빔을 부분적으로 차단하는 단계 및/또는 단면의 상류에서 방사선의 빔의 위상을 공간적으로 변조하는 단계를 포함한다.
일부의 구현 예에서, 상기 방사선의 빔을 부분적으로 차단하는 단계는 조정 가능한 차단 요소(예컨대, 도 4의 공간 광 변조기(404))를 사용하여 수행된다. 상기 방사선의 빔을 부분적으로 차단하는 단계는 방사선의 빔의 일부를 선택적으로 차단하도록 조정 가능한 차단 요소를 조정하는 단계를 포함한다. 이것은 방사선의 빔의 광축에 대한 자유형 에너지 분포의 축대칭을 조정할 수 있게 한다. 상기 방사선의 빔의 위상을 변조하는 단계는 위상 마스크(예컨대, 도 4의 위상 마스크(402))를 사용하여 수행된다. 상기 방사선의 빔을 공간적으로 변조하는 단계는 위상 마스크의 광 중심을 광축으로부터 멀리 이동시키는 단계를 포함한다. 이를 통해 자유형 에너지 분포의 형태를 조정할 수 있다. 상기 자유형 에너지 분포는 초점 볼륨과 같은 위치에 위치되는 대상물의 영역에서 적어도 MPA를 유도하기에 충분한 에너지를 갖는다. 결과적으로 유도된 MPA는 결함을 생성하고 그 결함은 자유형 에너지 분포와 실질적으로 유사한 형상을 포함한다.
일부의 구현 예에서, 준-비회절 빔은 파장 λ, 스폿 크기 w o , 및 단면을 포함한다. 상기 단면은
Figure pct00134
보다 큰 레일리 범위 Z R 을 포함하며, 여기서 F D 는 대략 10보다 큰 값을 갖는 무차원 발산 인자이다.
일부의 구현 예에서, 자유형 에너지 분포는 제1 단면 및 이 제1 단면에 평행한 제2 단면을 포함한다. 상기 제1 단면은 제2 단면과 형태가 다르다. 즉, 상기 제1 및 제2 단면은 상기 제1 또는 제2 단면에 대한 스케일링의 양이 상기 제1 및 제2 단면을 동일하게 만들 수 없도록 성형된다. 예를 들어, 일부의 구현 예에서, 자유형 에너지는 원형 실린더 부분과 타원형 실린더 부분을 구별한다(예컨대, 도 5의 자유형 에너지 분포(500)). 원형 및 타원형 실린더는 각각 광축을 따라 종축을 갖는다.
일부의 구현 예에서, 상기 자유형 에너지 분포는 광축을 따라 종축을 갖는 모래시계 형상을 포함한다. 그러한 모래시계 형상은 원형 단면(예컨대, 도 6의 자유형 에너지 분포(600)) 또는 타원형 단면(예컨대, 도 7의 자유형 에너지 분포(700))을 가질 수 있다. 일부의 구현 예에서, 상기 자유형 에너지 분포는 광축을 따라 종축을 갖는 역모래시계 형상(예컨대, 도 8의 자유형 에너지 분포(800))을 포함한다. 상기 역모래시계 형상은 원형 또는 타원형 단면을 가질 수 있다.
일부의 구현 예에서, 방사선은 대략 250 nm 내지 2.0 ㎛ 범위의 파장을 포함한다. 일부의 구현 예에서, 형성된 결함은 파단 형태, 공동, 또는 그 모두를 포함한다. 결함 형성 비율은 분당 대략 1000개의 결함보다 크다. 일부의 구현 예에서, 결함은 단일 레이저 펄스를 사용하여 형성될 수 있다. 일부의 구현 예에서, 결함은 작업편에 대해 방사선의 빔을 래스터링(rastering) 없이 형성될 수 있다.
일부의 구현 예에서, 결함은 파단 형태, 공동, 또는 그 모두를 포함한다. 일부의 구현 예에서 대상물은 투명 기판을 포함한다.
레이저 처리된 물품
일부의 구현 예에서, 본원에 개시된 방법들은 공지된 방법들에 의해 생산하기 어렵거나 아니면 불가능한 투명한 레이저 처리된 물품의 제조를 허용한다. 상기 방법들은 또한 더 빠른 제조를 가능하게 하고/하거나 투명 물품의 제조 비용을 감소시킬 수 있다. 그러한 투명 물품은 다양한 애플리케이션, 그 중에서도, 예컨대 더 정확한 균열 전파 또는 숨겨진(예컨대, 잠재/지연된) 균열 전파 형태를 갖는 기판 상의 전자 장치, 맞춤형 리셉터클이 있는 의료용 웰-플레이트(well-plate), 높은 절연 파괴를 갖는 회로 보드 및 향상된 밀봉 실(hermetic seal)에 맞춰질 수 있다.
추가의 구현 예들을 논의하기 전에, 에칭 기술을 간략하게 설명하는 것이 유익하다. 기판에 형성된 결함은 속이 비어 있거나(예컨대, 에칭을 통해) 또는 결함 내에 손상된 재료로 남을 수 있다. 애플리케이션에 따라, 기판은 속이 빈 결함을 형성하거나 결함을 고체 재료로 남겨두는 선택을 통해 이점을 얻을 수 있다. 속이 빈 결함이 필요한 시나리오에서, 기판은 레이저 노출에 의해 결함이 형성된 후 에칭된다. 예를 들어, 기판은 액체 에칭액에 잠긴다. 그러한 에칭액은 주어진 비율로 기판을 용해할 수 있지만, 결함 영역과 접촉하는 에칭액은 비-결함 재료보다 더 빠른 비율로 결함 재료를 용해한다. 이러한 현상을 선택적 에칭이라고 한다. 이론에 얽매이지 않지만, 선택적 에칭은 기판 재료의 레이저 노출에 의해 유도된 결함 내에서 파괴된 화학적 결합에 의해 촉진될 수 있다. 자유형 에너지 분포를 통해 기판의 맞춤형 형상을 선택적으로 에칭할 수 있다.
도 11은 하나 이상의 구현 예에 따른 기판(1100)의 단면을 나타낸다. 일부의 구현 예에서, 기판(1100; 예컨대, 투명 작업편)은 바디(1102), 제1 표면(1104), 제2 표면(1106), 및 복수의 결함(1108; 예컨대, 변형된 영역)을 포함한다. 복수의 결함(1108)은 적어도 제1 결함(1108a) 및 제2 결함(1108b)을 포함한다. 제1 결함(1108a) 및 제2 결함(1108b)은 제1 표면(1104)과 제2 표면(1106) 사이에 배치된다. 특히, 제1 결함(1108a) 및 제2 결함(1108b)은 바디(1102) 내에 부분적으로(예컨대, 표면, 리세스와 교차) 또는 완전히 배치된다. 제1 결함(1108a)과 제2 결함(1108b)은 서로 일정 거리만큼 분리된다. 일부의 구현 예에서, 제1 결함(1108a) 및 제2 결함(1108b)은 에칭되도록 구성된다. 제1 결함(1108a) 및 제2 결함(1108b)은 기판(1100)의 손상된 재료를 포함할 수 있다. 다른 구현 예들에서, 제1 결함(1108a) 및 제2 결함(1108b)은 에칭되고, 이에 따라 공극(예컨대, 공동)이 존재하며 그리고/또 기판 재료의 잔류 미립자를 갖는다.
도 12는 하나 이상의 구현 예에 따른 기판(1200)의 단면을 나타낸다. 일부의 구현 예에서, 기판(1200)은 바디(1202), 제1 표면(1204), 제2 표면(1206), 및 제1 결함(1208)을 포함한다. 제1 결함(1208)은 단면(1210)을 포함한다. 기판(1200)은 제1 표면(1204) 및 제2 표면(1206)으로부터 대략 등거리로 규정되는 중간 평면(1212)을 포함한다. 일부의 구현 예에서, 기판(1200)은 제2 결함(1214)을 포함한다. 제2 결함(1214)은 단면(1216)을 포함한다. 기판(1200)은 윤곽(1218; 예컨대, 파단 또는 분리 형태)을 포함한다.
일부의 구현 예에서, 제1 표면(1204)은 제2 표면(1206)에 대향한다. 제1 표면(1204)은 제2 표면(1206)에 실질적으로 평행하다. 제1 결함(1208) 및 제2 결함(1214)(예컨대, 변형된 영역)은 제1 표면(1204)과 제2 표면(1206) 사이에 배치된다. 단면 1210 및 단면 1216은 제1 표면(1204)에 평행하다. 일부의 구현 예에서, 제1 결함(1208) 및 제2 결함(1214)은 자유형 형상을 포함한다. 제1 결함(1208)의 자유형 형상은 타원형 단면을 갖는 역모래시계 형상(예컨대, 자유형 에너지 분포(800)를 사용하여 형성된)을 포함한다. 단면(1210)은 제1 결함(1208)의 상기 타원형 단면이다. 즉, 단면(1210)은 결함(1208)의 자유형 형상의 경계에 의해 규정된다. 제1 결함(1214)의 자유형 형상은 타원형 단면을 갖는 역모래시계 형상(예컨대, 자유형 에너지 분포(800)를 사용하여 형성된)을 포함한다. 단면(1216)은 제2 결함(1214)의 타원형 단면이다. 즉, 단면(1216)은 결함(1208)의 자유형 형상의 경계에 의해 규정되거나 둘러싸인다. 다른 구현 예들에서, 단면 1210 및 단면 1216은 원형이다.
제1 결함(1208) 및 제2 결함(1214)의 역모래시계 형상은 대안적인 방식으로 설명될 수 있다. 예를 들어, 단면(1210)이 대략 중간 평면(1212)에 나타나 있지만, 단면(1210)은 실제로 제1 표면(1204)으로부터 임의의 거리에서 그려질 수 있다. 단면(1210)이 중간 평면(1212)으로부터 더 멀리 그려지면(예컨대, 제1 표면(1204)에 더 가깝게), 단면(1210)의 크기는 감소된다. 이러한 시나리오에서, 단면(1210)의 크기는 제1 표면(1204)으로부터 측정되고 상기 제1 표면에 수직인 단면(1210)의 거리의 함수로서 스케일링되는 '슬라이딩' 파라미터로 볼 수 있다. 일부의 구현 예에서, 단면(1210)의 크기는 단면(1210)의 거리가 중간 평면에 가까워짐에 따라 증가한다. 이것은 단면(1210)의 거리가 역모래시계 형상을 설명하는 제1 표면(1204) 또는 제2 표면(1206)으로부터 중간 평면에 가까운지의 여부에 관계없이 사실이다. 통상의 기술자는 원통형 결함(예컨대, 도 2의 초점 라인(113)에 의해 생성된)의 시나리오에서, 단면의 크기는 제1, 제2, 또는 중간 표면/평면으로부터의 임의의 거리에서 실질적으로 일정하게 유지된다.
일부의 구현 예에서, 제1 결함(1208) 및 제2 결함(1214)은 윤곽(1218)을 따라 정렬된다. 윤곽(1218)은 직선 또는 곡선이다. 윤곽(1218)은 또한 직선 및 곡선 섹션 모두를 가질 수 있다. 일부의 구현 예에서, 단면 1210 및 단면 1216은 각각 장축을 포함한다. 타원형 단면은 특히 타원형 단면의 장축의 방향으로 균열 전파의 바람직한 방향을 촉진한다. 따라서, 단면 1210 및 단면 1216의 장축은 윤곽(1218)을 따라 대략 정렬된다.
도 13은 하나 이상의 구현 예에 따른 기판(1300)의 단면을 나타낸다. 일부의 구현 예에서, 기판(1300)은 바디(1302), 제1 표면(1304), 제2 표면(1306), 및 제1 결함(1308)을 포함한다. 제1 결함(1308)은 단면(1310)을 포함한다. 기판(1300)은 제1 표면(1304) 및 제2 표면(1306)으로부터 대략 등거리로 규정되는 중간 평면(1312)을 포함한다. 일부의 구현 예에서, 기판(1300)은 제2 결함(1314)을 포함한다. 제2 결함(1314)은 단면(1316)을 포함한다. 기판(1300)은 윤곽(1318)을 포함한다.
일부의 구현 예에서, 제1 표면(1304)은 제2 표면(1306)에 대향된다. 제1 표면(1304)은 제2 표면(1306)에 실질적으로 평행하다. 제1 결함(1308) 및 제2 결함(1314)은 제1 표면(1304)과 제2 표면(1306) 사이에 배치된다. 단면(1316)은 제1 표면(1304)에 평행하다. 일부의 구현 예에서, 제1 결함(1308) 및 제2 결함(1314)은 자유형 형상을 포함한다. 제1 결함(1308)의 자유형 형상은 타원형 단면을 갖는 모래시계 형상(예컨대, 자유형 에너지 분포(700)를 사용하여 형성된)을 포함한다. 단면(1310)은 제1 결함(1308)의 상기 타원형 단면이다. 즉, 단면(1310)은 제1 결함(1308)의 자유형 형상의 경계에 의해 규정된다. 제1 결함(1308)의 자유형 형상은 타원형 단면을 갖는 모래시계 형상(예컨대, 자유형 에너지 분포(700)을 사용하여 형성된)을 포함한다. 단면(1316)은 제2 결함(1314)의 상기 타원형 단면이다. 즉, 단면(1316)은 제2 결함(1314)의 자유형 형상의 경계에 의해 규정되거나 둘러싸인다. 다른 구현 예들에서, 단면 1310 및 단면 1316은 원형이다.
제1 결함(1308) 및 제2 결함(1314)의 모래시계 형상은 대안적인 방식으로 설명될 수 있다. 예를 들어, 단면(1310)이 제1 표면(1304)에 더 가깝게 나타나 있지만, 단면(1310)은 실제로 제1 표면(1304)으로부터 임의의 거리에서 그려질 수 있다. 단면(1310)이 중간 평면(1312)으로부터 더 멀리 그려지면, 단면(1310)의 크기가 증가된다. 이러한 시나리오에서, 단면(1310)의 크기는 제1 표면(1304)으로부터 측정되고 제1 표면에 수직인 단면(1310)의 거리의 함수로서 스케일링되는 '슬라이딩' 파라미터로서 보여질 수 있다. 일부의 구현 예에서, 단면(1310)의 크기는 단면(1310)의 거리가 중간 평면에 가까워짐에 따라 감소한다. 이것은 단면(1310)의 거리가 모래시계 형상을 설명하는 제1 표면(1304) 또는 제2 표면(1306)으로부터 중간 평면에 가까운지의 여부에 관계없이 사실이다.
일부의 구현 예에서, 제1 결함(1308) 및 제2 결함(1314)은 윤곽(1318)을 따라 정렬된다. 윤곽(1318)은 직선 또는 곡선이다. 윤곽(1318)은 또한 직선 및 곡선 섹션 모두를 가질 수 있다. 일부의 구현 예에서, 단면 1310 및 단면 1316은 각각 장축을 포함한다. 타원형 단면은 특히 타원형 단면의 장축 방향으로 균열 전파의 바람직한 방향을 촉진한다. 따라서, 단면 1310 및 단면 1316의 장축은 윤곽(1318)을 따라 대략 정렬된다.
또한, 도 12 및 도 13에 의해 설명된 구현 예는 도시된 모래시계(또는 역모래시계) 결함 대신 원추형 결함을 포함할 수 있다. 이는, 예를 들어 자유형 에너지 분포의 모래시계(또는 역모래시계) 형상의 절반만이 작업편 내부에 있도록 하는 반면, 나머지 절반은 외부에 있도록 자유형 에너지 분포 600, 자유형 에너지 분포 700, 또는 자유형 에너지 분포 800을 확장함으로써 달성될 수 있다. 따라서, 일부의 구현 예에서, 단면(1310)의 거리가 제1 표면으로부터 시작하여 원뿔을 설명하는 제2 표면에 가까워짐에 따라 결함의 단면의 크기가 연속적으로 증가한다.
일부의 구현 예에서, 도 12 및 도 13의 윤곽은 레이저 처리에 의해, 특히 정렬된 결함을 형성하여 생성된다. 이러한 윤곽의 애플리케이션은 하나의 더 큰 물품에서 더 작은 물품을 대량 생산하는 것이다. 예를 들어, 미터 또는 그 이상의 치수를 갖는 유리 기판은 레이저 처리된다. 그런 다음 기판은, 예를 들어 터치 디스플레이(예컨대, 스마트폰 또는 태블릿)용 스크린 디지타이저가 될 수 있는 수백 또는 수천 개의 더 작은 직사각형으로 절단된다. 이상적으로는, 더 큰 기판에 제조 프로세스를 적용하는 것이 가장 효율적이고 편리할 것이다. 스크린 디지타이저의 예에서, 스크린의 전자 요소들이 기판을 더 작은 개별 장치로 절단하기 전에 더 큰 기판에 한 번에 모두 적용될 수 있다면 대량 생산 시간이 상당히 단축될 것이다. 일부의 예에서, 전자 제조 프로세스를 완료한 후 대형 기판을 레이저 처리하면 전자 요소의 우발적인 레이저 노출, 과도한 국부적 가열, 및 청정 환경의 무결성 손상이 발생할 수 있다. 이 모두는 중요한 전자 기능을 손상시켜 개별 장치를 작동하지 못하게 할 수 있다.
해결책은 다른 제조 단계들을 적용하기 전에 대형 기판을 레이저 처리하는 것일 수 있다. 그러한 대형 기판은 통상적으로 윤곽에서 구조적 무결성이 감소하기 때문에 레이저 처리 직후에 더 작은 제품으로 분리되어야 한다. 이러한 상태에서 기판에 제조 프로세스를 시도하면, 윤곽의 구조적 무결성이 감소하여 다른 제조 단계들 동안 기판이 부주의하게 분리될 수 있다. 이것은 더 큰 기판에서 제조하는 것을 매우 번거롭게 하므로, 일반적으로 더 작고 분리된 장치에서 개별적으로 제조가 수행된다.
윤곽에서 감소된 구조적 무결성에 대한 한 가지 이유는 결함이 기판의 표면에 '도달'하거나 교차하기 때문이다(도 1의 결함(172) 참조). 그러한 형성된 결함은 상부 표면에서 하부 표면으로 확장될 수 있다. 본 개시의 구현 예들은 지연 또는 잠재적 파단 형태를 형성하는 숨겨진 결함을 허용하는 제품 및 방법을 제공한다. "숨겨진"이라는 용어는 결함이 보이지 않는다는 것을 의미하지 않을 수 있음을 이해해야 한다. 일부의 구현 예에서, "숨겨진"이라는 용어는 결함이 기판의 표면과 교차하지 않거나 기판의 표면에 근접하지 않도록 투명 작업편 내에 결함을 배치하는 것을 의미할 수 있다.
도 12를 참조하면, 일부의 구현 예에서, 제1 결함(1208) 및 제2 결함(1214)은 제1 표면(1204) 및/또는 제2 표면(1206)과 교차하지 않는다. 기판(1200)은 분리될 생산 물품을 더 포함한다. 그러한 생산 물품은 복수의 윤곽에 의해 규정된다. 상기 복수의 윤곽은 윤곽(1218)을 포함한다. 일부의 구현 예에서, 상기 복수의 윤곽은 잠재적인 분리 형태를 형성하여 기판이 생산 물품으로 분리되기 전에 단일의 더 큰 물품으로서 제조 프로세스를 거칠 수 있도록 한다. 도 13에 나타낸 구현 예에는 이러한 기능도 포함될 수 있다. 잠재적인 분리 형태의 형성을 허용함으로써, 기판은 더 큰 작업편으로서 다른 제조 단계(예컨대, 포토리소그래피, 에칭 등)를 거칠 수 있고, 더 큰 작업편으로부터 분리되는 더 작은 물품의 훨씬 더 빠른 볼륨 처리 속도를 허용한다.
기판은 또한 액체 용액에 현탁된 물질(예컨대, 웰 플레이트)의 광학적 측정을 위해 제조될 수 있다. 도 14는 하나 이상의 구현 예에 따른 기판(1400)의 단면을 나타낸다. 기판(1400)은 바디(1402), 제1 표면(1404), 제2 표면(1406), 결함(1408), 및 개구(1410)를 포함한다. 결함(1408)은 타원형 실린더 부분(1408a) 및 원형 실린더 부분(1408b)(예컨대, 도 5의 자유형 에너지 분포(500)에 의해 형성된)을 포함한다. 일부의 구현 예에서, 기판(1400)은 코팅(1412)을 포함한다.
일부의 구현 예에서, 결함(1408)의 타원형 실린더 부분(1408a)은 원형 실린더 부분(1408b)에 연결된다. 타원형 실린더 부분(1408a)은 제1 표면(1404)에 근접한다. 개구(1410)는 타원형 실린더 부분(1408a)과 제1 표면(1404) 사이의 교차점에 배치된다. 기판(1400)이 에칭되지 않은 웰 플레이트(예컨대, 나중에 에칭될)로서 제공되는 시나리오에서, 개구(1410)는 후속 에칭에서 타원형 실린더 부분(1408a)과 제1 표면(1404) 사이의 교차점에 형성되어야 한다는 것을 이해해야 한다.
일부의 구현 예에서, 코팅(1412)은 파장에 기초하여 방사선을 필터링하도록 구성된 광학 필터이다. 그러한 광학 필터는 연속 스펙트럼에 기초하여 방사선을 필터링하도록 구성된 다변량 광학 요소(예컨대, 다변량 광학 필터 등)를 포함한다. 일부의 구현 예에서, 코팅(1412)은 반사 방지 코팅이다. 일부의 구현 예에서, 코팅(1412)은 충격에 의해 야기되는 손상으로부터 기판(1400)을 보호하도록 구성된 보호 층이다.
일부의 구현 예에서, 결함(1408)은 제1 표면(1404)에 평행한 제1 및 제2 단면을 포함한다. 상기 제1 및 제2 단면은 결함(1408)의 자유형 형상의 경계에 의해 규정된다. 상기 제1 및 제2 단면은 형태가 서로 다르다.
도 15는 하나 이상의 구현 예에 따른 기판(1500)의 단면을 나타낸다. 기판(1500)은 바디(1502), 제1 표면(1504), 제2 표면(1506), 결함(1508), 및 개구(1510)를 포함한다. 결함(1508)은 타원형 실린더 부분(1508a) 및 원형 실린더 부분(1508b)(예컨대, 반전된 도 5의 자유형 에너지 분포(500)에 의해 형성된)을 포함한다. 일부의 구현 예에서, 기판(1500)은 코팅(1512)을 포함한다. 결함(1508)은 기판(1500)의 파쇄된 입자(1514)를 포함한다.
일부의 구현 예에서, 타원형 실린더 부분(1508a)은 원형 실린더 부분(1508b)에 연결된다. 원형 실린더 부분(1508b)은 제1 표면(1504)에 근접한다. 개구(1510)는 원형 실린더 부분(1508b)과 제1 표면(1504) 사이의 교차점에 배치된다. 기판(1500)이 에칭되지 않은 웰 플레이트(예컨대, 나중에 에칭될)로서 제공되는 시나리오에서, 개구(1510)는 후속 에칭에서 원형 실린더 부분(1508b)과 제1 표면(1504) 사이의 교차점에 형성되어야 한다는 것을 이해해야 한다.
코팅(1512)의 구조 및 기능은 코팅(1412; 도 14)에 대해 설명된 것과 동일하다. 일부의 구현 예에서, 파쇄된 입자(1514)는 결함(1508)에 배치된 액체 샘플의 모세관 작용을 향상시키도록 구성된다. 명료성을 위해 일부 도면에는 도시되지 않았지만, 파쇄된 입자(1514)는 다른 도면(예컨대, 도 14, 16 및 17)에 나타낸 구현 예들에서 사용될 수 있다.
일부의 구현 예에서, 결함(1508)은 제1 표면(1504)에 평행한 제1 및 제2 단면을 포함한다. 제1 및 제2 단면은 결함(1508)의 자유형 형상의 경계에 의해 규정된다. 제1 및 제2 단면은 형태가 서로 다르다.
도 16은 하나 이상의 구현 예에 따른 기판(1600)의 단면을 나타낸다. 기판(1600)은 바디(1602), 제1 표면(1604), 제2 표면(1606), 결함(1608), 및 개구(1610)를 포함한다. 일부의 구현 예에서, 기판(1600)은 코팅(1612)을 포함한다. 결함(1608)은 기판(1600)의 파쇄된 입자(1614)를 포함한다.
결함(1608)은 모래시계 형상(예컨대, 도 6의 자유형 에너지 분포 600 또는 도 7의 700에 의해 형성된)을 포함한다. 개구(1610)는 결함(1608)과 제1 표면(1604) 사이의 교차점에 배치된다. 기판(1600)이 에칭되지 않은 웰 플레이트(예컨대, 나중에 에칭될)로서 제공되는 시나리오에서, 개구(1610)는 후속 에칭에서 결함(1608)과 제1 표면(1604) 사이의 교차점에 형성되어야 한다는 것을 이해해야 한다. 코팅(1612)의 구조 및 기능은 코팅(1412; 도 14)에 대해 설명된 것과 동일하다.
도 17은 하나 이상의 구현 예에 따른 기판(1700)의 단면을 나타낸다. 기판(1700)은 바디(1702), 제1 표면(1704), 제2 표면(1706), 결함(1708), 및 개구(1710)를 포함한다. 일부의 구현 예에서, 기판(1700)은 코팅(1712)을 포함한다. 결함(1708)은 기판(1700)의 파쇄된 입자(1714)를 포함한다.
결함(1708)은 역모래시계 형상(예컨대, 도 8의 자유형 에너지 분포(800)에 의해 형성된)을 포함한다. 개구(1710)는 결함(1708)과 제1 표면(1704) 사이의 교차점에 배치된다. 기판(1700)이 에칭되지 않은 웰 플레이트(예컨대, 나중에 에칭될)로서 제공되는 시나리오에서, 개구(1710)는 후속 에칭에서 결함(1708)과 제1 표면(1704) 사이의 교차점에 형성되어야 한다는 것을 이해해야 한다. 코팅(1712)의 구조 및 기능은 코팅(1412; 도 14)에 대해 설명된 것과 동일하다.
일부의 구현 예에서, 본원에 개시된 레이저 시스템 및 방법들은 또한 인쇄 회로 애플리케이션에서 사용하기 위한 기판의 제조를 허용한다. 예컨대, 마이크로파, 원적외선, 및 더 높은 주파수와 같은 고주파 작동을 허용하는 절연 특성을 갖는 회로가 필요하다. 수지 및 반도체 기반 기판은 기판 상의 회로 요소들이 고주파수에서 동작할 때 종종 절연 파괴를 경험한다. 예를 들어, 용융 실리카는 수지 또는 반도체보다 수십 배 더 큰 절연 강도를 갖기 때문에 이러한 문제를 해결하는 데 적합한 기판이 될 수 있다. 용융 실리카는 또한 일반적인 전자 인쇄 회로 보드만큼 많은 고주파 방사선을 흡수하지 않는다. 용융 실리카 및 다른 유리 유사 기판에서는 보드의 한 표면에서 대향 표면으로 전기적 스루풋을 제공하면서 만족스러운 밀봉 실을 형성하는 관통-비아를 제조하는 것이 어려울 수 있다. 본 개시의 레이저 시스템 및 방법들은 고주파 애플리케이션에서 회로 보드로 사용될 수 있는 기판의 제조를 허용한다.
도 18은 하나 이상의 구현 예에 따른 기판(1800)의 단면을 나타낸다. 기판(1800)은 바디(1802), 제1 표면(1804), 제2 표면(1806), 결함(1808), 개구 1810, 및 개구 1812를 포함한다. 일부의 구현 예에서, 결함(1808)은 전기 전도성 재료를 포함한다. 기판(1800)은 전기 전도성 요소 1814 및 전기 전도성 요소 1816(예컨대, 전기 신호를 전송하기 위한 전기 트레이스)를 더 포함한다.
일부의 구현 예에서, 결함(1808)은 모래시계 형상(예컨대, 도 6의 자유형 에너지 분포(600) 또는 도 7의 700에 의해 형성된)을 포함한다. 모래시계 형상은 결함(1808)이 전기 전도성 스루풋 재료로 채워질 때 밀봉 실을 향상시킨다. 개구(1810)는 결함(1808)과 제1 표면(1804) 사이의 교차점에 배치된다. 개구(1812)는 결함(1808)과 제2 표면(1806) 사이의 교차점에 배치된다. 기판(1800)이 에칭되지 않은 기판(예컨대, 나중에 에칭될)으로서 제공되는 시나리오에서, 개구 1810 및 개구 1812는 후속 에칭에서 이전에 표시된 위치에 형성되어야 한다.
결함(1808) 내의 전기 전도성 재료는 금속 증착 기술을 사용하여 증착된다. 전기 전도성 요소(1814)는 제1 표면(1804) 상에 배치된다. 전기 전도성 요소(1816)는 제2 표면(1806) 상에 배치된다. 전기 전도성 요소 1814 및 전기 전도성 요소 1816은 결함(1808)의 전도성 재료를 통해 서로 전기적으로 결합된다.
도 19는 하나 이상의 구현 예에 따른 기판(1900)의 단면을 나타낸다. 기판(1900)은 바디(1902), 제1 표면(1904), 제2 표면(1906), 결함(1908), 개구 1910, 및 개구 1912를 포함한다. 일부의 구현 예에서, 결함(1908)은 전기 전도성 재료를 포함한다. 기판(1900)은 전기 전도성 요소 1914 및 전기 전도성 요소 1916을 더 포함한다.
일부의 구현 예에서, 결함(1908)은 역모래시계 형상(예컨대, 도 8의 자유형 에너지 분포(800)에 의해 형성된)을 포함한다. 개구 1910은 결함(1908)과 제1 표면(1904) 사이의 교차점에 배치된다. 개구 1912는 결함(1908)과 제2 표면(1906) 사이의 교차점에 배치된다. 기판(1900)이 에칭되지 않은 기판(예컨대, 나중에 에칭될)으로서 제공되는 시나리오에서, 개구 1910 및 개구 1912는 후속 에칭에서 이전에 표시된 위치에 형성되어야 한다.
결함(1908) 내의 전기 전도성 재료는 금속 증착 기술을 사용하여 증착된다. 전기 전도성 요소(1914)는 제1 표면(1904)에 배치된다. 전기 전도성 요소(1916)는 제2 표면(1906)에 배치된다. 전기 전도성 요소 1914 및 전기 전도성 요소 1916은 결함(1908)의 전도성 재료를 통해 서로 전기적으로 결합된다.
도 20은 하나 이상의 구현 예에 따른 기판(2000)의 단면을 나타낸다. 기판(2000)은 바디(1902), 제1 표면(2004), 제2 표면(2006), 결함(2008), 개구 2010, 및 개구 2012를 포함한다. 일부의 구현 예에서, 결함(2008)은 전기 전도성 재료를 포함한다. 기판(2000)은 전기 전도성 요소 2014 및 전기 전도성 요소 2016을 더 포함한다.
일부의 구현 예에서, 결함(2008)은 비스듬한 원형, 또는 타원형의 실린더 형상(예컨대, 경사진 실린더)을 포함한다. 실린더 형상의 각도는 결함(2008)을 형성하기 위해 사용되는 레이저 시스템의 위상 마스크(예컨대, 도 4의 위상 마스크(402)) 및/또는 공간 광 변조기(예컨대, 도 4의 공간 광 변조기(404))를 조정함으로써 달성된다. 개구(2010)는 결함(2008)과 제1 표면(2004) 사이의 교차점에 배치된다. 개구(2012)는 결함(2008)과 제2 표면(2006) 사이의 교차점에 배치된다. 기판(2000)이 에칭되지 않은 기판(예컨대, 나중에 에칭될)으로서 제공되는 시나리오에서, 개구 2010 및 개구 2012는 후속 에칭에서 이전에 표시된 위치에 형성되어야 한다.
결함(2008) 내의 전기 전도성 재료는 금속 증착 기술을 사용하여 증착된다. 전기 전도성 요소 2014는 제1 표면(2004) 상에 배치된다. 전기 전도성 요소 2016은 제2 표면(2006) 상에 배치된다. 전기 전도성 요소 2014 및 전기 전도성 요소 2016은 결함(2008)의 전도성 재료를 통해 서로 전기적으로 결합된다.
도 18 내지 20에 의해 설명된 구현 예들은 또한 대안적인 방식으로 설명될 수 있다. 예를 들어, 기판(예컨대, 기판(1800))은 제1 및 제2 세트의 전기 전도성 요소(예컨대, 전기 전도성 요소 1814 및 전기 전도성 요소 1816)를 더 포함한다. 제1 및 제2 세트의 전기 전도성 요소는 신호가 제1 및 제2 표면(예컨대, 제1 표면(1804) 및 제2 표면(1806))과 그 요소 사이에서 흐르도록 구성된다.
도 16 내지 19에 의해 설명된 구현 예는 도시된 모래시계(또는 역모래시계) 결함 대신 원추형 결함을 포함할 수 있다. 이는, 예를 들어 자유형 에너지 분포의 모래시계(또는 역모래시계) 형상의 절반만이 작업편 내부에 있도록 하는 반면, 나머지 절반은 외부에 있도록 자유형 에너지 분포 600, 자유형 에너지 분포 700, 또는 자유형 에너지 분포 800을 확장함으로써 달성될 수 있다.
상술한 설명에 비추어, 레이저 시스템의 초점 볼륨(예컨대, 자유형 에너지 분포)의 형상을 변형함으로써 작업편 및 작업편 스택의 레이저 처리가 향상될 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 레이저 시스템은 레이저의 자유형 에너지 분포의 형상을 변형하기 위해 위상 마스크 및/또는 조정 가능한 차단 요소를 포함할 수 있다. 변형된 자유형 에너지 분포가 작업편으로 전송되고 작업편에 결함이 형성된다. 그 형성된 결함은 자유형 에너지 분포의 형태와 실질적으로 유사한 형상을 갖는다. 또한, 본원에 기술된 방법들은 공지된 방법들에 의해 생성될 수 없는 형상을 가진 결함을 갖는 투명 기판의 제조를 허용한다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "약"은 양, 크기, 제형, 파라미터, 및 기타 다른 수량 및 특성이 정확하지 않고 정확할 필요는 없지만, 공차, 변환 인자, 반올림, 측정 오차 등, 및 통상의 기술자에게 공지된 기타 다른 인자를 필요에 따라 반영하여 근사시키거나 그리고/또 더 크게 또는 더 작게할 수 있음을 의미한다. "약"이라는 용어가 범위의 값 또는 끝점을 설명하는 데 사용되는 경우, 언급되는 특정 값 또는 끝점이 포함된다. 명세서에서 수치 또는 범위의 끝점이 "약"을 인용하는지의 여부에 관계없이, 하나는 "약"으로 변형되고 다른 하나는 "약"으로 변형되지 않은 두 가지 구현 예가 기술된다. 각각의 범위의 끝점은 다른 끝점과 관련하여 그리고 다른 끝점과는 독립적으로 모두 중요하다는 것이 추가로 이해될 것이다.
본원에 사용된 방향 용어(예를 들어, 위, 아래, 오른쪽, 왼쪽, 앞, 뒤, 상부, 하부)는 도시된 도면을 참조해서만 만들어지며 절대적인 방향을 의미하지는 않는다.
달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 여기에 설명된 임의의 방법은 그 단계들이 특정 순서로 수행되어야 하거나 임의의 장치에 대해 특정 방향이 요구되는 것으로 해석되지 않는다. 따라서, 방법 청구항이 실제로 그 단계들에 따라야 할 순서를 언급하지 않거나, 임의의 장치 청구항이 개별 구성요소에 대한 순서나 방향을 실제로 언급하지 않거나, 청구항 또는 설명에 달리 명시적으로 명시되어 있지 않은 경우 단계들이 특정 순서로 제한되거나, 장치의 구성 요소에 대한 특정 순서 또는 방향이 언급되지 않은 경우, 순서 또는 방향이 어떤 점에서든 추론되도록 의도되지 않는다. 이것은 다음을 포함하여 해석을 위한 모든 가능한 비명시적 근거에 적용된다: 문법적 구성이나 구두점에서 파생된 평범한 의미; 및 명세서에 기술된 구현 예의 수 또는 타입.
본원에 사용된 바와 같이, 단수 형태 "하나", "한" 및 "그"는 문맥이 명백하게 달리 나타내지 않는 한 복수 지시 대상을 포함한다. 따라서, 예를 들어, "하나의" 구성요소에 대한 언급은 문맥이 달리 명백하게 나타내지 않는 한, 2개 이상의 그러한 구성요소를 갖는 측면을 포함한다.
청구 대상의 사상 및 범위를 벗어남이 없이 여기에서 설명된 구현 예에 대해 다양한 변형 및 변경이 이루어질 수 있다는 것이 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 명세서는 여기에 설명된 다양한 구현 예의 변형 및 변경을 포함하는 것으로 의도되며, 그러한 변형 및 변경은 첨부된 청구범위 및 그 균등물의 범위 내에 포함된다.

Claims (62)

  1. 대상물 내에 또는 대상물 상에 결함을 형성하는 단계; 및
    방사선의 빔을 생성하는 단계를 포함하되,
    상기 결함을 형성하는 단계는:
    상기 빔을 대상물로 지향시키는 단계; 및
    초점 볼륨을 대상물 내에 부분적으로 또는 완전히 위치시키는 단계를 포함하고,
    상기 빔을 생성하는 단계는:
    조정 가능한 차단 요소를 사용하여 빔의 광축에 대한 자유형 에너지 분포의 축대칭을 조정하기 위해 초점 볼륨의 상류에서 빔을 부분적으로 차단하는 단계; 및/또는
    위상 마스크를 사용하여 자유형 에너지 분포의 형태를 조정하기 위해 초점 볼륨 상류에서 빔의 위상을 공간적으로 변조하는 단계를 포함하며,
    상기 빔은:
    준-비회절 빔; 및
    자유형 에너지 분포를 갖는 초점 볼륨을 포함하고,
    상기 자유형 에너지 분포는 초점 볼륨과 같은 위치에 위치된 대상물의 영역에서 다광자 흡수를 유도하기에 충분한 에너지를 갖고, 상기 유도된 다광자 흡수는 결함을 생성하는, 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 결함은 자유형 에너지 분포와 실질적으로 유사한 형상을 포함하는, 방법.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    조정 가능한 차단 요소는 액정 광학 요소를 포함하고;
    부분적으로 차단하는 단계는 빔의 일부를 선택적으로 차단하도록 액정 광학 요소를 조정하는 단계를 포함하는, 방법.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    자유형 에너지 분포는 각각 빔의 광축을 따라 종축을 갖는 원형 실린더 부분과 타원형 실린더 부분의 조합을 포함하는, 방법.
  5. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    자유형 에너지 분포는 빔의 광축을 따라 종축을 갖는 모래시계 형상을 포함하는, 방법.
  6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
    결함은 파단 형태, 공동, 또는 그 모두를 포함하는, 방법.
  7. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    대상물은 투명 기판을 포함하는, 방법.
  8. 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
    투명 기판은 결정질 석영, 용융 실리카, 크라운 유리, 붕규산 유리, 소다 석회 유리, 및/또는 인산염 유리, 불화물 결정, 실리콘 결정, 사파이어, 유리 세라믹, 투명 세라믹, 폴리머, 또는 플라스틱을 포함하는, 방법.
  9. 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
    투명 기판은 반도체 기판을 포함하는, 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    반도체 기판은 실리콘, 실리콘 카바이드, 게르마늄, 갈륨 비화물, 인듐 갈륨 비화물, 알루미늄 갈륨 비화물, 갈륨 질화물, 알루미늄 갈륨 질화물, 인듐 포스페이트, 또는 리튬 니오베이트를 포함하는, 방법.
  11. 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
    투명 기판은 복합 웨이퍼를 포함하고, 상기 복합 웨이퍼는 상이한 재료의 복수의 층을 포함하며, 상기 상이한 재료는 유리, 세라믹, 반도체, 폴리머, 또는 플라스틱 중 어느 하나를 포함하는, 방법.
  12. 청구항 1 내지 11 중 어느 한 항에 있어서,
    방사선은 대략 250 nm 내지 2.0 ㎛ 범위의 파장을 포함하는, 방법.
  13. 청구항 1 내지 12 중 어느 한 항에 있어서,
    결함 형성 비율은 분당 대략 1000개의 결함보다 큰, 방법.
  14. 청구항 1 내지 13 중 어느 한 항에 있어서,
    공간적으로 변조하는 단계는 위상 마스크의 광 중심을 광축으로부터 멀리 이동시키는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 청구항 1 내지 14 중 어느 한 항에 있어서,
    준-비회절 빔은:
    파장 λ;
    스폿 크기
    Figure pct00135
    ; 및
    Figure pct00136
    보다 큰 레일리(Rayleigh) 범위
    Figure pct00137
    을 포함하는 단면을 포함하며,
    여기서
    Figure pct00138
    는 대략 10보다 큰 값을 갖는 무차원 발산 인자인, 방법.
  16. 청구항 1 내지 15 중 어느 한 항에 있어서,
    자유형 에너지 분포는 제1 단면 및 제2 단면을 포함하고;
    상기 제2 단면은 상기 제1 단면과 평행하고 상기 제1 단면과 형태가 다른, 방법.
  17. 바디를 포함하는 기판으로서,
    상기 바디는 제1 및 제2 표면과 변형된 영역을 포함하고;
    상기 제1 표면은 제2 표면에 대향하고;
    상기 변형된 영역은 상기 제1 표면과 제2 표면 사이에 위치하고;
    상기 변형된 영역은:
    자유형 형상;
    타원형 단면을 포함하는 단면; 및
    준-비회절 빔에 의해 유도된 파괴된 화학적 결합을 포함하며;
    상기 변형된 영역은 에칭되도록 구성되는, 기판.
  18. 청구항 17에 있어서,
    기판은 투명한, 기판.
  19. 청구항 17 또는 18에 있어서,
    결정질 석영, 용융 실리카, 크라운 유리, 붕규산 유리, 소다 석회 유리, 및/또는 인산염 유리, 불화물 결정, 실리콘 결정, 사파이어, 유리 세라믹, 투명 세라믹, 폴리머, 또는 플라스틱을 더 포함하는, 기판.
  20. 청구항 17 또는 18에 있어서,
    반도체 재료를 더 포함하는, 기판.
  21. 청구항 20에 있어서,
    반도체 재료는 실리콘, 실리콘 카바이드, 게르마늄, 갈륨 비화물, 인듐 갈륨 비화물, 알루미늄 갈륨 비화물, 갈륨 질화물, 알루미늄 갈륨 질화물, 인듐 포스페이트, 또는 리튬 니오베이트를 포함하는, 기판.
  22. 청구항 17 또는 18에 있어서,
    복합 웨이퍼를 더 포함하며, 상기 복합 웨이퍼는 상이한 재료의 복수의 층을 포함하고, 상기 상이한 재료는 유리, 세라믹, 반도체, 폴리머, 또는 플라스틱 중 어느 하나를 포함하는, 기판.
  23. 청구항 17 내지 22 중 어느 한 항에 있어서,
    변형된 영역은 기판의 손상된 재료를 더 포함하는, 기판.
  24. 청구항 17 내지 23 중 어느 한 항에 있어서,
    단면은 제1 표면에 평행하고, 자유형 형상의 경계에 의해 규정되고, 상기 제1 표면으로부터 측정된 거리를 가지며;
    상기 단면의 크기는 상기 거리의 함수로 스케일링되거나 일정한, 기판.
  25. 청구항 17 내지 24 중 어느 한 항에 있어서,
    중간 평면은 제1 및 제2 표면으로부터 대략 등거리로 규정되고, 단면의 크기는 거리가 상기 중간 평면에 가까워짐에 따라 감소하는, 기판.
  26. 청구항 17 내지 24 중 어느 한 항에 있어서,
    중간 평면은 제1 및 제2 표면으로부터 대략 등거리로 규정되고, 단면의 크기는 거리가 상기 중간 평면에 가까워짐에 따라 증가하는, 기판.
  27. 청구항 17 내지 24 중 어느 한 항에 있어서,
    단면의 크기는 거리가 제1 표면으로부터 시작하여 제2 표면에 가까워짐에 따라 연속적으로 증가하는, 기판.
  28. 청구항 17 내지 27 중 어느 한 항에 있어서,
    변형된 영역은 제1 또는 제2 표면과 교차하지 않는, 기판.
  29. 청구항 17 내지 28 중 어느 한 항에 있어서,
    또 다른 변형된 영역을 더 포함하며,
    상기 또 다른 변형된 영역은 또 다른 자유형 형상을 포함하고 제1 표면과 제2 표면 사이에 위치되고,
    또 다른 단면은 상기 제1 표면에 평행하고 상기 또 다른 자유형 형상의 경계에 의해 규정되며,
    상기 또 다른 단면은 또 다른 타원형 단면을 포함하고,
    변형된 영역 및 또 다른 변형된 영역은 직선 및/또는 곡선인 윤곽선을 따라 대략 정렬되는, 기판.
  30. 청구항 29에 있어서,
    타원형 단면과 또 다른 타원형 단면의 장축은 윤곽선을 따라 대략 정렬되는, 기판.
  31. 청구항 29 또는 30에 있어서,
    분리될 생산 물품을 더 포함하며,
    상기 생산 물품은 윤곽을 포함하는 복수의 윤곽에 의해 규정되는, 기판.
  32. 청구항 31에 있어서,
    복수의 윤곽은 생산 물품으로 분리되기 전에 단일 물품으로서 제조 프로세스를 거치도록 구성되는 잠재적인 분리 형태를 형성하는, 기판.
  33. 청구항 17 내지 24 중 어느 한 항에 있어서,
    변형된 영역은 제1 표면에 평행하고 자유형 형상의 경계에 의해 규정되는 제1 및 제2 단면을 더 포함하고, 여기서 상기 제1 단면은 제2 단면과 형태가 다른, 기판.
  34. 청구항 17 내지 33 중 어느 한 항에 있어서,
    자유형 형상은 타원형 실린더 부분 및 원형 실린더 부분을 포함하고;
    상기 타원형 실린더 부분은 상기 원형 실린더 부분에 연결되고 제1 표면에 근접하며;
    기판은 상기 타원형 실린더 부분과 상기 제1 표면 사이의 교차점에 형성된 개구를 더 포함하는, 기판.
  35. 청구항 17 내지 33 중 어느 한 항에 있어서,
    자유형 형상은 타원형 실린더 부분 및 원형 실린더 부분을 포함하고;
    상기 원형 실린더 부분은 상기 타원형 실린더 부분에 연결되고 제1 표면에 근접하며;
    기판은 상기 원형 실린더 부분과 제1 표면 사이의 교차점에 형성된 개구를 더 포함하는, 기판.
  36. 청구항 33 내지 35 중 어느 한 항에 있어서,
    변형된 영역은 모세관 작용을 향상시키도록 구성된 파쇄된 입자를 포함하는, 기판.
  37. 청구항 17 내지 36 중 어느 한 항에 있어서,
    제2 표면은 코팅을 포함하는, 기판.
  38. 청구항 37에 있어서,
    코팅은 파장에 기초하여 방사선을 필터링하도록 구성된 광학 필터를 포함하는, 기판.
  39. 청구항 38에 있어서,
    광학 필터는 연속 스펙트럼에 기초하여 방사선을 필터링하도록 구성된 다변량 광학 요소를 포함하는, 기판.
  40. 청구항 37에 있어서,
    코팅은 반사 방지 코팅을 포함하는, 기판.
  41. 청구항 37 내지 40 중 어느 한 항에 있어서,
    코팅은 기판을 보호하도록 구성되는, 기판.
  42. 청구항 17 내지 23 중 어느 한 항에 있어서,
    변형된 영역은 제1 및 제2 표면으로 확장되고 상기 제1 및 제2 표면 사이의 스루풋을 제공하도록 구성되고, 상기 변형된 영역과 제1 및 제2 표면 사이의 교차점에 형성된 개구를 더 포함하는, 기판.
  43. 청구항 17 내지 23 중 어느 한 항에 있어서,
    자유형 형상은 제1 및 제2 표면으로 확장되는 비스듬한 타원형의 원통형 형상을 포함하고;
    상기 비스듬한 타원형의 원통형 형상은 제1 표면에 대해 직각이 아닌 각도를 규정하는 경사진 중심 축을 포함하며;
    기판은 비스듬한 타원형 실린더와 상기 제1 및 제2 표면 사이의 교차점에 형성된 개구를 더 포함하는, 기판.
  44. 바디를 포함하는 기판으로서,
    상기 바디는 제1 및 제2 표면과 변형된 영역을 포함하고;
    상기 제1 표면은 상기 제2 표면에 대향하고;
    상기 변형된 영역은 상기 제1 표면과 제2 표면 사이에 위치하며;
    상기 변형된 영역은:
    준-비회절 빔에 의해 유도된 파괴된 화학적 결합을 포함하는 표면을 갖는 에칭된 공동;
    타원형 단면을 포함하는 단면; 및
    자유형 형상을 포함하는, 기판.
  45. 청구항 44에 있어서,
    기판은 투명한, 기판.
  46. 청구항 44 또는 45에 있어서,
    결정질 석영, 용융 실리카, 크라운 유리, 붕규산 유리, 소다 석회 유리, 및/또는 인산염 유리, 불화물 결정, 실리콘 결정, 사파이어, 유리 세라믹, 투명 세라믹, 폴리머, 또는 플라스틱을 더 포함하는, 기판.
  47. 청구항 44 또는 45에 있어서,
    반도체 재료를 더 포함하는, 기판.
  48. 청구항 47에 있어서,
    반도체 재료는 실리콘, 실리콘 카바이드, 게르마늄, 갈륨 비화물, 인듐 갈륨 비화물, 알루미늄 갈륨 비화물, 갈륨 질화물, 알루미늄 갈륨 질화물, 인듐 포스페이트, 또는 리튬 니오베이트를 포함하는, 기판.
  49. 청구항 44 또는 45에 있어서,
    복합 웨이퍼를 더 포함하며, 상기 복합 웨이퍼는 상이한 재료의 복수의 층을 포함하고, 상기 상이한 재료는 유리, 세라믹, 반도체, 폴리머, 또는 플라스틱 중 어느 하나를 포함하는, 기판.
  50. 청구항 44 내지 49 중 어느 한 항에 있어서,
    변형된 영역은 기판의 손상된 재료를 더 포함하는, 기판.
  51. 청구항 44 내지 50 중 어느 한 항에 있어서,
    변형된 영역은 제1 표면에 평행하고 자유형 형상의 경계에 의해 규정되는 제1 및 제2 단면을 더 포함하고, 여기서 상기 제1 단면은 제2 단면과 형태가 다른, 기판.
  52. 청구항 44 내지 51 중 어느 한 항에 있어서,
    단면은 제1 표면에 평행하고, 자유형 형상의 경계에 의해 규정되고, 상기 제1 표면으로부터 측정된 거리를 갖고;
    중간 평면은 제1 및 제2 표면으로부터 대략 등거리로 규정되며;
    상기 단면의 크기는 거리가 상기 중간 평면에 가까워짐에 따라 감소하는, 기판.
  53. 청구항 44 내지 51 중 어느 한 항에 있어서,
    단면은 제1 표면에 평행하고, 자유형 형상의 경계에 의해 규정되고, 상기 제1 표면으로부터 측정된 거리를 갖고;
    중간 평면은 제1 및 제2 표면으로부터 대략 등거리로 규정되며;
    상기 단면의 크기는 거리가 상기 중간 평면에 가까워짐에 따라 증가하는, 기판.
  54. 청구항 51 내지 53 중 어느 한 항에 있어서,
    손상된 재료는 모세관 작용을 향상시키도록 구성된 파쇄된 입자를 포함하는, 기판.
  55. 청구항 51 내지 53 중 어느 한 항에 있어서,
    제2 표면은 코팅을 포함하는, 기판.
  56. 청구항 55에 있어서,
    코팅은 파장에 기초하여 방사선을 필터링하도록 구성된 광학 필터를 포함하는, 기판.
  57. 청구항 56에 있어서,
    광학 필터는 연속 스펙트럼에 기초하여 방사선을 필터링하도록 구성된 다변량 광학 요소를 포함하는, 기판.
  58. 청구항 55에 있어서,
    코팅은 반사 방지 코팅을 포함하는, 기판.
  59. 청구항 55 내지 58 중 어느 한 항에 있어서,
    코팅은 기판을 보호하도록 구성되는, 기판.
  60. 청구항 44 내지 50 중 어느 한 항에 있어서,
    변형된 영역은 제1 및 제2 표면으로 확장되고, 상기 제1 및 제2 표면 사이의 스루풋을 제공하도록 구성되고, 상기 변형된 영역과 제1 및 제2 표면 사이의 교차점에 형성된 개구를 더 포함하는, 기판.
  61. 청구항 44 내지 50 중 어느 한 항에 있어서,
    자유형 형상은 제1 및 제2 표면으로 확장되는 비스듬한 타원형의 원통형 형상을 포함하고;
    상기 비스듬한 타원형의 원통형 형상은 상기 제1 표면에 대해 직각이 아닌 각도를 규정하는 경사진 중심 축을 포함하며;
    기판은 상기 비스듬한 타원형 실린더와 제1 및 제2 표면 사이의 교차점에 형성된 개구를 더 포함하는, 기판.
  62. 청구항 60에 있어서,
    각각 제1 및 제2 표면 상에 제1 및 제2 세트의 전기 전도성 요소를 더 포함하고,
    변형된 영역은 전기 전도성 재료를 더 포함하고, 상기 변형된 영역 및 제1 및 제2 세트의 전기 전도성 요소는 신호가 제1 및 제2 표면과 그 요소 사이에서 흐르도록 구성되는, 기판.
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