KR20210141570A

KR20210141570A - 환형 볼텍스 레이저 빔을 사용하는 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하기 위한 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20210141570A
Application number: KR1020217033269A
Authority: KR
Inventors: 안핑 리우; 매튜 리안 로스; 크레이그 존 만쿠시 언가로; 에린 카들린 왓킨스
Original assignee: 코닝 인코포레이티드
Priority date: 2019-03-21
Filing date: 2020-03-02
Publication date: 2021-11-23
Also published as: TW202106424A; US20220347796A1; WO2020190489A1; CN113613825A

Abstract

본원에 개시된 시스템 및 방법은 가우스 빔을 얇거나 적층된 유리-기반 물체의 처리를 가능하게 하는 상대적으로 큰 초점 깊이를 가진 환형 볼텍스 레이저 빔으로 변환하도록 구성된 빔-형성 시스템을 활용한다. 상기 환형 레이저 빔은 환형 볼텍스 빔이 전파됨에 따라 그 중앙축을 중심으로 환형 볼텍스 빔의 회전 양을 규정하는 위상 전하(m)에 의해 부분적으로 규정된다. 상기 환형 볼텍스 빔은 한-단계 또는 두-단계를 이용하여 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 데 사용된다. 공정 중 하나로 형성된 상기 마이크로-홀은 적용에 따라 리세스 형태 또는 관통-홀일 수 있다. 마이크로-홀의 크기는 초점 깊이 범위에 걸처 환형 볼텍스 빔의 크기를 제어함으로써 제어될 수 있다.

Description

환형 볼텍스 레이저 빔을 사용하는 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하기 위한 시스템 및 방법

본 출원은 35 U.S.C. § 119 하에 2019년 3월 21일에 제출된 미국 가출원 번호 제62/821,667호의 우선권을 주장하며, 그 전체가 참고로 본원에 혼입된다.

본 개시는 마이크로-홀(micro-holes)을 형성하는 것에 대한 것으로서, 특히 환형 볼텍스 레이저 빔(annular vortex laser beam)을 사용하여 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 시스템 및 방법에 대한 것이다.

유리-기반 재료(예컨대, 유리, 유리 세라믹 및 크리스탈)는 디스플레이, 텔레비젼, 랩톱 컴퓨터, GPS 디바이스 및 스마트 폰과 같은 상업용 디바이스에서의 사용이 증가하고 있다. 유리-기반 재료는 특정 상업용 디바이스의 전기 및 기계적 구성요소와 결합하기 위해 훌륭한 선택을 하게 만드는 열팽창, 전기 절연, 광전송, 강도, 화학적 안정성, 및 접착 능력(예컨대, 실리콘에 대해)과 관련하여 많은 물리적 성질을 갖는다. 유리-기반 재료는 커버 스크린 또는 디스플레이용 평평한 패널, 광학 도파관(optical waveguides), 광학 인터콘넥트(optical interconnects), 하이브리드 광학-전기 인터콘넥트(hybrid optical-electrical interconnects)와 같은, 다양한 유형의 디바이스 구성요소를 규정하는 데 사용될 수 있다.

상업용 디바이스에서의 유리-기반 구성요소의 사용은 종종 디바이스 제조 공정의 일부로서 구성요소 내부 또는 구성요소를 통해 고품질 마이크로-홀을 형성해야 하는 것을 요구한다. 마이크로-홀 직경은 수 미크론 내지 수백 미크론 범위일 수 있지만 마이크로-홀 깊이는 수십 나노미터 내지 수 밀리미터 범위일 수 있다. 이러한 마이크로-홀의 밀도는 제곱 센티미터 당 수개에서 수천개까지 범위일 수 있다. 상대적으로 고밀도의 마이크로-홀이 요구되는 경우, 만족스러운 제품 처리량을 보장하기 위해 마이크로-홀을 신속하고 높은 정확도와 정밀도로 형성하는 능력이 중요하다.

본 개시의 관점은 빔-형성 시스템을 포함하는 마이크로-홀-형성 시스템에 대한 것이다. 빔-형성 시스템은 종래의 가우스 레이저 빔("가우스 빔")을 환형 단면 형상을 가지며 상응하는 종래의 가우스 회절 빔(Gaussian diffracted beam)보다 더 큰 포커스 깊이를 가진(예컨대, 비-제한적인 예시로서 최소 1.1배에서 적어도 2배까지 큰, 또는 3배까지 또는 5배까지, 또는 10배까지 큰) 볼텍스 레이저 빔으로 변환하도록 구성된다. 환형 단면을 가진 볼텍스 레이저 빔("환형 볼텍스 빔")은 빔이 전파하면서 빔의 중앙축 주위에서의 빔의 회전의 양을 규정하는 위상 전하(topological charge) m(정수)을 가진 비-회절 광 빔(non-diffracting light beam)이다. 환형 볼텍스 빔은 베셀 빔(Bessel beam)보다 큰 지름을 또한 제공하면서 전통적인 가우스 빔에 비해 상대적으로 큰 깊이의 포커스를 제공하는 방식으로 형성된다. 환형 볼텍스 빔은 한-단계 방법 또는 두-단계 방법을 사용하여 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 데 사용된다. 두 공정 중 하나에 의해 형성된 마이크로-홀은 주어진 적용에 따라 닫힌 단부(예컨대, 리세스) 또는 개방 단부(관통홀)를 가질 수 있다.

한-단계 방법에서, 환형 볼텍스 빔은 유리-기반 재료의 삭마(ablation)를 통해 유리-기반 물체의 바디 내에 중공의 원통형 영역을 형성하기 충분한 에너지(예컨대, 110 TW/cm² 내지 480 TW/cm² 범위의 피크 강도(peak intensity))를 갖는다. 삭마 공정은 유리-기반 물체의 바디 내에 환형 갭(gap) 또는 홀을 만든다. 환형 갭이 유리 물체의 바디를 전체 관통하는 방식으로 연장하지 않는 경우(즉, 상단 표면에서 바닥 표면으로, 또는 외부 표면에서 내부 표면으로, 등), 갭에 의해 둘러싸인 중앙 부분이 있다. 환형 갭이 유리-기반 물체를 통해 충분히 멀리 연장하는 경우, 중앙 부분은 관통 홀을 형성하기 위해 임의의 추가적인 실질적 처리 없이 쉽게 제거왼다. 환형 갭이 바닥 표면에 도달하는 경우, 중앙 부분은 유리-기반 물체의 바디의 나머지로부터 연결이 끊어지고 간단히 떨어지거나 쉽게 제거된다.

단일 단계에서 환형 볼텍스 빔을 통해 직접 환형 갭을 형성하는 것보다, 두-단계 공정은 유리-기반 물체의 바디 내에 수정된 환형 영역을 형성하기 위해 환형 볼텍스 빔을 통해 유리-기반 물체를 조사하는 것(irradiating)에 의존한다. 하나의 실시예에서, 수정된 환형 영역의 유리 재료는 변형되어(예컨대, 치밀화에 의해 손상되어) 중앙 부분 또는 수정된 환형 영역의 바디 외측의 부분과 같이, 바디의 비변형된(untransformed)(비-조사된) 부분에 대해 우선적으로 에칭된다(etches). 에칭 공정(예컨대, 산 에칭)은 이때 마이크로-홀을 형성하기 위해 수정된 영역을 제거하는 데 사용된다.

한-단계 공정에 비해, 두-단계 공정은 일반적으로 더 낮은 레이저 출력과 더 짧은 레이저 가공 시간을 사용하지만, 추가 단계를 사용한다. 추가 단계가 에칭을 포함하는 경우, 환형 볼텍스 빔의 조사에 의해 유도될 수 있는 표면 흠집 및 미세 균열을 제거하는 추가 이점을 가질 수 있다. 한-단계 방법과 두-단계 방법 모두 유리-기반 물체(예컨대, 패널(panel))에 사용하여 패널 강도를 손상시키지 않으면서 높은 처리량(예컨대, 60분 에칭(모든 홀들 상에 동시에 에칭 수행) 후 두-단계 공정에 대해 3000 마이크로-홀/초 레이저 가공 시간, 또는 한-단계 공정에 대해 1마이크로-홀/초 레이저 처리 시간)으로 많은 수의 마이크로-홀을 형성할 수 있다. 마이크로-홀은 수십 미크론에서 수백 미크론의 직경과 최대 수 밀리미터의 두께를 가질 수 있다.

본 개시의 구현예는 대향하는 제1 및 제2 표면을 규정하는 바디를 가진 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법에 대한 것이다. 상기 방법은 다음을 포함한다: a) φ_PD(r,θ) = φ₁(r,θ) + φ₂(r,θ)에 의해 규정된 위상 분포(phase distribution)를 통해 위상 디바이스(phase device)를 형성하는 단계, 여기서 φ₁(r,θ)는 -k·r·sin (γ)와 동일한 제1 위상 항이고 φ₂(r,θ)는 m·θ와 동일한 제2 위상 항이며, 여기서 (r,θ)는 극 방사상 각 좌표(polar radial and angular coordinates)이며, γ는 0.10 °≤ γ ≤ 20 °범위의 액시콘 각도(axicon angle)이며, m은 3 ≤ m ≤ 20 범위의 위상 전하이며, 여기서 m은 정수임; b) 가우스 빔을 위상 분포(φ_PD(r,θ)), 초점 깊이(DOF), 파장(λ) 및 초점 깊이(DOF) 내에 있고 내경(D1), 외경(D2), 및 폭(WA = (D2 - D1)/2)을 가진 초점 링(focus ring)을 가진 환형 볼텍스 빔으로 변환하기 위해 가우스 레이저 빔을 위상 디바이스로 지향시키는 단계; c) 상기 제1 표면으로 그리고 유리-기반 물체의 바디를 통해 환형 볼텍스 빔을 지향시켜, 조사된 환형 영역을 형성하기 위해 초점 깊이 내에 바디의 환형 영역을 조사하는 단계, 여기서 상기 조사 단계는: i) 환형 볼텍스 빔에 의해 조사되지 않은 바디의 일부분에 비해 우선적으로 에칭하는 수정된 환형 영역으로 조사된 환형 영역을 변환시키거나; ii) 조사된 환형 영역의 일부분을 삭마시켜 조사된 환형 영역의 일부분을 닫힌 단부 환형 마이크로-홀로 변환시키거나; 또는 iii) 조사된 환형 영역을 삭마시켜 조사된 환형 영역을 관통 마이크로-홀로 변환시킨다.

본 개시의 다른 구현예는 대향하는 제1 및 제2 표면을 규정하는 바디를 갖는 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 다음을 포함한다: a) 초점 깊이(DOF), 파장(λ) 및 초점 깊이(DOF) 내에 초점 링을 갖는 환형 볼텍스 빔을 형성하는 단계, 여기서 초점 링은 내경(D1), 외경(D2) 및 폭(WA = (D2 - D1)/2)을 가짐; b) 환형 볼텍스 빔을 제1 표면으로 그리고 유리-기반 물체의 바디를 통해 지향시켜 환형 볼텍스 빔에 의해 조사되지 않은 바디의 일부분에 비해 우선적으로 에칭하는 수정된 환형 영역으로 환형 영역을 변환시키기 위해 바디의 환형 영역을 조사하는 단계; 및 c) 수정된 환형 영역을 제거하여 마이크로-홀을 형성하기 위해 유리-기반 물체를 에칭하는 단계.

본 개시의 다른 구현예는 대향하는 제1 및 제2 표면을 규정하는 바디를 갖는 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 다음을 포함한다: a) 초점 깊이(DOF), 파장(λ) 및 초점 깊이(DOF) 내에 초점 링을 갖는 환형 볼텍스 빔을 형성하는 단계, 여기서 초점 링은 내경(D1), 외경(D2) 및 폭(WA = (D2 - D1)/2)을 가짐; b) 환형 볼텍스 빔을 제1 표면으로 그리고 유리-기반 물체의 바디로 지향시키고: i) 중앙 부분을 가진 닫힌 환형 마이크로-홀의 형태로 마이크로-홀을 형성하기 위해 제1 표면으로부터 바디의 환형 부분을 삭마시키지만 제2 표면에 도달하지 않거나; 또는 ii) 실질적으로 원통형의 관통 마이크로-홀과 같은 마이크로-홀을 형성하기 위해 제1 표면으로부터 제2 표면으로 바디의 환형 부분을 삭마시키는 단계.

본 개시의 다른 구현예는 대향하는 제1 및 제2 표면을 규정하는 바디를 가진 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 시스템에 대한 것이다. 상기 시스템은 다음을 포함한다: a) 가우스 레이저 빔을 발생시키도록 구성된 레이저 소스(laser source); b) 가우스 레이저 빔을 수신하고 처리하도록 작동하게 배치된 광학 시스템, 상기 광학 시스템은 위상 분포 φ_PD(r,θ) = φ₁(r,θ) + φ₂(r,θ)로 구성된 위상 디바이스를 포함하며, 여기서 φ₁(r,θ)는 -k·r·sin (γ)와 동일한 제1 위상 항이고 φ₂(r,θ)는 m·θ와 동일한 제2 위상 항이며, 여기서 (r,θ)는 극 방사상 각 좌표이며, γ는 0.01 °≤ γ ≤ 20 °범위의 액시콘 각도이며, m은 3 ≤ m ≤ 20 범위의 위상 전하이며, 여기서 m은 정수임; c) 가우스 레이저 빔은 시스템 축을 따라 광학 시스템을 빠져 나가는 환형 볼텍스 빔으로 가우스 레이저 빔을 변환시키기 위해 거기에서 광학 시스템 및 위상 디바이스에 의해 처리되고, 상기 환형 볼텍스 빔은 위상 분포(φ_PD(r,θ)), 초점 깊이(DOF), 파장(λ) 및 초점 깊이(DOF) 내에 있고 내경(D1), 외경(D2), 및 폭(WA = (D2 - D1)/2)을 가진 초점 링을 가짐; d) 환형 볼텍스 빔이 제1 표면을 통해 그리고 유리-기반 물체의 바디를 통해 이동시켜 조사된 환형 영역을 형성하기 위해 초점 깊이 내에 바디의 환형 영역을 조사시키도록 환형 볼텍스 빔에 대해 유리-기반 물체를 작동하게 지지하도록 구성된 지지 스테이지(support stage), 여기서 상기 조사 단계는: i) 환형 볼텍스 빔에 의해 조사되지 않은 바디의 일부분에 비해 우선적으로 에칭하는 수정된 환형 영역으로 조사된 환형 영역을 변환시키거나; ii) 조사된 환형 영역의 일부분을 삭마시켜 조사된 환형 영역의 일부분을 닫힌 단부 환형 마이크로-홀로 변환시키거나; 또는 iii) 조사된 환형 영역을 삭마시켜 조사된 환형 영역을 관통 마이크로-홀로 변환시킨다.

본 개시의 다른 구현예는 대향하는 제1 및 제2 표면을 규정하는 바디를 가진 유리-기반 물체 상의 공정에 의해 형성된 유리-기반 제품에 대한 것이다. 상기 공정은 다음을 포함하는 유리-기반 제품을 형성하는 데 사용된다: a) 위상 분포 φ_PD(r,θ) = φ₁(r,θ) + φ₂(r,θ)를 통해 위상 디바이스를 형성하는 단계, 여기서 φ₁(r,θ)는 -k·r·sin (γ)와 동일한 제1 위상 항이고 φ₂(r,θ)는 m·θ와 동일한 제2 위상 항이며, 여기서 (r,θ)는 극 방사상 각 좌표이며, γ는 0.1 °≤ γ ≤ 20 °범위의 액시콘 각도이며, m은 3 ≤ m ≤ 20 범위의 위상 전하이며, 여기서 m은 정수임; b) 위상 분포(φ_PD(r,θ)), 초점 깊이(DOF), 파장(λ) 및 초점 깊이(DOF) 내에 있고 내경(D1), 외경(D2), 및 폭(WA = (D2 - D1)/2)을 가진 초점 링을 가진 환형 볼텍스 빔으로 가우스 레이저 빔을 변환시키 위해 위상 디바이스로 가우스 레이저 빔을 지향시키는 단계; c) 제1 표면으로 그리고 유리-기반 물체의 바디를 통해 환형 볼텍스 빔을 지향시켜 제1 조사된 환형 영역을 형성하기 위해 초점 깊이 내에 바디의 제1 환형 영역을 조사하는 단계, 여기서 상기 조사 단계는 환형 볼텍스 빔에 의해 조사되지 않은 바디의 일부분에 비해 우선적으로 에칭하는 제1 수정된 환형 영역으로 제1 조사된 환형 영역을 변환시킴; 및 d) 유리-기반 물체의 바디에 환형 마이크로-홀을 형성하기 위해 제1 수정된 환형 영역을 에칭하는 단계.

본 개시의 다른 구현예는 바로 위에서 설명된 공정별 제품에 관한 것이며, 여기서 상기 조사 단계는 상기 에칭 단계가 환형 마이크로-홀을 둘러싸는 환형 리세스(recess)를 형성하도록 제1 조사된 환형 영역과 동심이며 제1 조사된 환형 영역 외부에 있는 제2 조사된 환형 영역을 형성하는 단계를 포함한다.

본 개시의 다른 구현예는 대향하는 제1 및 제2 표면을 규정하는 바디를 가진 유리-기반 물체 상에 공정에 의해 형성된 유리-기반 제품에 대한 것이다. 상기 유리-기반 제품을 형성하는 데 사용된 공정은 다음을 포함한다: a) 위상 분포 φ_PD(r,θ) = φ₁(r,θ) + φ₂(r,θ)를 가진 위상 디바이스를 형성하는 단계, 여기서 φ₁(r,θ)는 -k·r·sin (γ)와 동일한 제1 위상 항이고 φ₂(r,θ)는 m·θ와 동일한 제2 위상 항이며, 여기서 (r,θ)는 극 방사상 각 좌표이며, γ는 0.1 °≤ γ ≤ 20 °범위의 액시콘 각도이며, m은 3 ≤ m ≤ 20 범위의 위상 전하이며, 여기서 m은 정수임; b) 위상 전하(φ_PD(r,θ)), 초점 깊이(DOF), 파장(λ) 및 초점 깊이(DOF) 내에 있고 내경(D1), 외경(D2), 및 폭(WA = (D2 - D1)/2)을 가진 초점 링을 가진 환형 볼텍스 빔으로 가우스 빔을 변환시키기 위해 위상 디바이스로 가우스 레이저 빔을 지향시키는 단계; 및 c) 제1 표면으로 그리고 유리-기반 물체의 바디를 통해 환형 볼텍스 빔을 지향시켜 제1 조사된 환형 영역을 형성하기 위해 초점 깊이 내에 바디의 제1 환형 영역을 조사하는 단계, 여기서 상기 조사 단계는 제1 조사된 환형 영역의 일부분을 삭마시켜 조사된 환형 영역의 일부분을 닫힌 단부 환형 마이크로-홀로 변환시킨다.

본 개시의 또 다른 구현예는 바로 위에 기재된 공정별 제품에 관한 것으로, 여기서 상기 조사 단계는 제1 조사된 환형 영역의 외부에 있고 제1 조사된 환형 영역과 동심인 제2 조사된 환형 영역을 조사하는 단계를 포함하고, 여기서 상기 제2 조사된 환형 영역의 조사 단계는 환형 마이크로-홀을 둘러싸는 환형 리세스를 형성하기 위해 제1 조사된 환형 영역의 일부분을 삭마시킨다.

본 개시의 다른 구현예는 대향하는 제1 및 제2 표면을 규정하는 바디를 가진 유리-기반 물체 상에 공정에 의해 형성된 유리-기반 제품에 대한 것이다. 상기 유리-기반 제품을 형성하는 데 사용된 공정은 다음을 포함한다: a) 위상 분포 φ_PD(r,θ) = φ₁(r,θ) + φ₂(r,θ)를 가진 위상 디바이스를 형성하는 단계, 여기서 φ₁(r,θ)는 -k·r·sin(γ)와 동일한 제1 위상 항이고 φ₂(r,θ)는 m·θ와 동일한 제2 위상 항이며, 여기서 (r,θ)는 극 방사상 각 좌표이며, γ는 0.1 °≤ γ ≤ 20 °범위의 액시콘 각도이며, m은 3 ≤ m ≤ 20 범위의 위상 전하이며, 여기서 m은 정수임; b) 위상 전하(φ_PD(r,θ)), 초점 깊이(DOF), 파장(λ) 및 초점 깊이(DOF) 내에 있고 내경(D1), 외경(D2), 및 폭(WA = (D2 - D1)/2)을 가진 초점 링을 가진 환형 볼텍스 빔으로 가우스 빔을 변환시키기 위해 위상 디바이스로 가우스 레이저 빔을 지향시키는 단계; 및 c) 제1 표면으로 그리고 유리-기반 물체의 바디를 통해 환형 볼텍스 빔을 지향시켜, 제1 및 제2 조사된 환형 영역을 형성하기 위해 초점 깊이 내에 바디의 제1 및 제2 동심 환형 영역을 조사하는 단계, 여기서 상기 조사 단계는 제1 조사된 환형 영역을 삭마시켜 제1 조사된 환형 영역을 관통 마이크로-홀로 변환시키고 제2 조사된 환형 영역을 상기 관통 마이크로-홀을 둘러싸는 환형 리세스로 변환시킨다.

추가 특징 및 이점은 다음의 상세한 설명에 기재되어 있으며, 부분적으로는 설명으로부터 당업자에게 명백하거나 본 명세서의 기재된 설명 및 청구범위와 첨부된 도면에 기재된 바와 같은 구현예를 실시함으로써 인식될 것이다. 전술한 일반적인 설명과 다음의 상세한 설명은 모두 단지 예시일 뿐이며, 청구범위의 본질과 특성을 이해하기 위한 개요 또는 프레임워크을 제공하기 위한 것임을 이해해야 한다.

첨부된 도면은 추가 이해를 제공하기 위해 포함되며, 본 명세서에 통합되고 본 명세서의 일부를 구성한다. 도면은 하나 이상의 구현예(들)를 예시하고, 상세한 설명과 함께 다양한 구현예의 원리 및 동작을 설명하는 역할을 한다. 이와 같이, 본 개시는 첨부된 도면과 함께 취해진 다음의 상세한 설명으로부터 더 완전히 이해될 것이다.
도 1a는 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 데 사용된 환형 볼텍스 빔을 형성하기 위해 사용된 본원에 개시된 빔-형성 시스템의 개략적인 도표이다.
도 1b는 액시콘 각도 γ를 나타내는 예시의 액시콘 렌즈의 확대 단면도이다.
도 1c는 환형 볼텍스 빔의 초점 깊이(DOF)를 예시하는, 초점 평면 이후의 영역의 환형 볼텍스 빔의 확대된 y-z 단면도이다.
도 1d는 환형 볼텍스 빔의 예시의 강도 분포 I_A(r, θ)의 확대된 최적화 표현이며, 확대된 삽입도는 초점 링(가장 안쪽 강도 링)과 관심의 다양한 치수를 나타내고,또한 (주) 초점 링에 바로 인접한 보조 초점 링을 나타낸다.
도 2a는 도 1a와 유사하며 도 1의 위상 디바이스가 액시콘 렌즈를 활용하지 않으므로 위상 분포가 전체적으로 위상 디바이스의 위상 요소에 의해 규정되는 예시의 구현예를 나타낸다.
도 2b는 광학적으로 투과성의 위상 플레이트 및 광학적으로 반사성의 활성 위상 요소에 의해 형성된 위상 요소의 예시의 구성의 개략도이다.
도 3a는 평면 구조를 가진 예시의 유리-기반 물체의 사시도이다.
도 3b는 이동식 지지 스테이지에 의해 작동하게 지지된 도 3a의 평면 유리-기반 물체의 측면도이다.
도 3c는 이동식 지지 스테이지와 함께 빔 형성 시스템 및 마이크로-홀-형성 시스템의 작동을 제어하는 제어기를 포함하는 예시적인 마이크로-홀-형성 시스템의 개략도이다.
도 3d는 도 1c와 유사하며 유리-기반 물체의 바디의 일부분을 통해 지나가는 환형 볼텍스 빔을 나타내며, 유리-기반 물체가 전체적으로 환형 볼텍스 빔의 초점 깊이 내에 존재하는 예시를 나타낸다.
도 4a는 액시콘 렌즈에 의해 입력 가우스 빔으로부터 형성된 중공 빔의 그레이-스케일 강도 프로파일(gray-scale intensity profile) I_H(r,θ)에 의해 시뮬레이션된 예시를 나타낸다.
도 4b는 위상 디바이스를 위한 전체 위상 분포 φ_PD(r,θ)를 규정하기 위해 액시콘 렌즈와 결합하여 사용되는 위상 요소를 위한 예시의 위상 분포 φ_PD(r,θ)이며, 위상 요소로 인한 상기 위상 분포 φ_PD(r,θ)는 오직 액시콘 각도 γ = 0 °및 위상 전하 m = 3에 의해 규정된다.
도 4c는 도 4a와 유사하며, 위상 요소를 정의하는 위상 특징부가 외부 부분에만 형성되도록 위상 요소의 중앙 부분이 불투명한 예시를 나타낸다.
도 4d는 액시콘 각도 γ = 20 °를 가진 액시콘 위상과 m=3의 위상 전하를 가진 도 4b의 위상 플레이트의 결합에 의해 규정된 위상 디바이스의 그레이-스케일 위상 분포 φ_PE(r,θ)이다.
도 4e는 도 4d의 위상 디바이스의 위상 분포 φ_PD(r,θ)에 의해 형성된 초점 평면에 환형 볼텍스 빔의 예시의 위상 분포 φ_V(r,θ)의 예시의 시뮬레이션된 2차원 그레이-스케일 이미지이다.
도 5는 도 4d의 위상 분포 φ_PD(r,θ)를 이용하여 빔-형성 시스템(10B)을 위한 18mm, 19mm, 20mm 및 21.5mm의 각각의 거리(df)에서 그 안에 환형 볼텍스 빔 및 초점 링의 강도 분포 I_A(r,θ)의 4개의 시뮬레이션된 이미지(A~D)를 나타낸다.
도 6은 각도 γ = 20 ° 및 m = 13인 위상 디바이스(60)를 위한 예시의 위상 분포 φ_PD(r,θ)이다.
도 7은 도 5와 유사하며, 도 6의 위상 분포 φ_PD(r,θ)를 이용하여 도 2a의 빔-형성 시스템을 위한 18mm, 19mm, 20mm 및 21.5mm의 각각의 거리(df)에서 그 안에 환형 볼텍스 빔 및 초점 링의 강도 분포 I_A(r,θ)의 4개의 시뮬레이션된 이미지(A~D)를 나타내고, 여기서 도 7의 초점 링은 더 큰 위상 전하로 인해 도 5의 것보다 실질적으로 더 크다.
도 8은 도 4c와 유사하며, 각도 γ = 0 ° 및 m = 13이며 위상 요소의 중앙 부분이 불투명한, 위상 디바이스의 위상 요소의 위상 분포 φ_PE(r,θ)의 예시를 나타낸다.
도 9는 도 5 및 7과 유사하며, 도 1a의 빔-형성 시스템과 도 6의 위상 분포 φ_PD(r,θ)를 이용하여 빔-형성 시스템을 위한 18mm, 19mm, 20mm 및 21.5mm의 각각의 거리(df)에서 그 안에 환형 볼텍스 빔 및 초점 링의 강도 분포 I_A(r,θ)의 4개의 시뮬레이션된 이미지(A~D)를 나타낸다.
도 10a는 마이크로-홀-형성 시스템의 화살표 AR의 방향으로 유리-기반 물체의 바디를 통해 지향되는 본원에 개시된 빔-형성 시스템에 의해 형성된 환형 볼텍스 빔의 확대된 개략도이다.
도 10b는 삭마에 의해 환형 마이크로-홀을 형성하는 데 환형 볼텍스 빔이 어떻게 사용되는지를 나타내는 유리-기반 물체의 바디의 조사된 부분의 확대된 x-z 뷰이다.
도 10c는 도 10b와 유사하며, 환형 볼텍스 빔에 의한 조사는 환형 홀이 유리-기반 기판의 바디를 통해 연장되고 바디의 중앙 부분의 제거를 통해 실질적으로 원통형의 관통 마이크로-홀의 형상을 야기하도록 수행되는 예시를 나타낸다.
도 10d는 도 10a와 유사하고, 도 10c의 실질적으로 원통형의 관통 마이크로-홀을 나타낸다.
도 10e 및 10f는 도 10c 및 10d와 유사하며, 관통 홀과 동심인 물체의 전면 표면에 환형 리세스를 만드는 데 보조 초점 링이 사용되는 구현예를 나타낸다.
도 10g 및 10h는 도 10e과 유사하며, 관통 마이크로-홀 대신 환형 마이크로-홀이 형성되는 예시의 구현예를 나타내며, 환형 마이크로-홀과 환형 리세스는 상이한 상대적인 깊이를 가질 수 있다.
도 11a 및 11b는 도 10a 및 10d와 유사하며, 유리-기반 물체 각각에 마이크로-홀을 형성하기 위해 적층된 구조로 다중 유리-기반 물체가 처리될 수 있는 구현예를 나타낸다.
도 12a 및 12b는 도 10a 및 10d와 유사하며, 유리-기반 물체의 바디에 환형 수정 영역을 형성하는데 환형 볼텍스 빔으로부터의 조사가 사용되는 구현예를 나타낸다.
도 12c는 유리-기반 물체의 바디에 형성된 환형 수정 영역의 확대된 x-z 단면도이다.
도 12d는 도 12b와 유사하며 환형 수정 영역을 제거하기 위해 에칭 공정을 수행하는 단계를 나타낸다.
도 12e는 도 12c와 유사하며 환형 수정 영역의 에칭 제거로 인해 중앙 부분과 함께 환형 수정 영역의 형성된 제거로서 결과적인 관통 마이크로-홀을 나타낸다.
도 12f는 환형 수정 영역을 형성하기 위해 환형 볼텍스 빔으로 조사하고 이후 환형 수정 영역을 에칭하는 두-단계 방법에 의해 형성된 결과적인 관통 마이크로-홀을 나타내는 유리-기반 물체의 사시도이다.
도 12g 및 12h는 도 12c 및 12d와 유사하며 주 및 보조 초점 링이 동심의 환형 수정 영역을 형성하는 예시를 나타내며, 여기서 외측 환형 수정 영역은 보조 초점 링에 의해 형성되고 물체의 후방 표면에 도달하지 않으므로 에칭 공정이 중앙 관통 마이크로-홀을 둘러싸는 환형 리세스를 형성하기 위해 사용될 수 있다.
도 13은 유리-기반 물체에 형성된 마이크로-홀의 확대된 삽입 배열을 나타내는 예시의 유리-기반 물품의 사시도이다.
도 14는 액시콘 각도(γ)의 다양한 값에 대한 초점 링의 면적(A_FR (㎛²)) 대 위상 전하(m)의 플롯이며, 초점 링의 크기를 변화시키고 이에 따라 환형 볼텍스 빔에 의해 형성된 마이크로-홀의 크기를 변화시키는 데 액시콘 각도(γ)와 위상 전하(m)가 어떻게 사용될 수 있는지를 나타낸다.

이제 본 개시의 다양한 구현예를 상세히 참조하며, 그 예시는 첨부 도면에 나타낸다. 가능하면 동일하거나 유사한 참조 번호 및 기호가 도면 전체에 걸쳐 사용되어 동일하거나 유사한 부분을 지칭한다. 도면이 반드시 축척에 맞춰진 것은 아니며, 당업자는 도면이 본 개시의 주요 측면을 예시하기 위해 단순화된 경우를 인식할 것이다.

아래에 설명된 청구범위는 이 상세한 설명에 통합되고 그 일부를 구성한다.

좌표(예를 들어, 극좌표(r,θ) 및 직각 좌표)는 참조를 위해 일부 도면에 도시되어 있으며 방향 또는 배향에 대해 제한하려는 의도가 아니다. 극좌표(r,θ)는 당업계에서 통상적인 바와 같이 (x,y) 평면에 존재한다.

"하류" 및 "상류"라는 용어는 광의 진행 방향에 대한 구성요소 또는 물체 A 및 B의 상대적 위치를 설명하는 데 사용되며, 여기서 B가 A의 하류에 있다는 것은 광이 A에서 B의 방향으로 이동한다는 것을 의미하며, B에 입사되기 전 A에 입사되는 것을 의미한다.

"유리-기반(glass-based)"이라는 용어는 본원에서 유리, 유리 세라믹(비정질상 및 결정질상 포함) 및 결정질 재료로 전체적으로 또는 부분적으로 제조된 임의의 물체를 포함하는 것으로 사용된다.

본원에 기재된 시스템 및 방법을 사용하여 형성된 최종 유리-기반 물체는 유리-기반 제품 또는 유리-기반 물품을 구성한다.

"P는 Q를 포함한다"라는 어구 및 본원에서 사용되는 유사한 어구는 "P는 Q로 이루어진다"를 특별한 경우로 포함하는 것을 의미한다.

약어 "㎛"는 10^-6미터(m)인 "미크론(micron)" 또는 마이크로미터(micrometer)를 의미한다.

약어 "nm"는 10^-9미터인 "나노미터(nanometer)"를 의미한다.

두음문자 "TW"는 "테라와트(terrawatts)" 또는 10¹²와트를 나타낸다.

빔-형성 시스템

도 1a는 아래에 기재된 바와 같이 마이크로 홀을 형성하기에 적합한 환형 볼텍스 빔을 형성하는 빔-형성 시스템(10B)의 예시의 개략도이다. 빔-형성 시스템(10B)은 광축(AX)을 따라 배열된 레이저 소스(20)를 포함한다. 레이저 소스(20)는 광축(AX)을 따라 가우스 강도 분포(I_G(r,θ))를 갖는 레이저 빔(22G)을 방출한다. 따라서, 레이저 빔(22G)은 이하 "가우스 빔(Gaussian beam)"(22G)으로 지칭된다. 예시적인 레이저 소스는 1030nm의 파장(λ)에서 작동한다. 예시적인 레이저 소스는 짧은(예컨대, 펨토초(femtosecond) 내지 피코초(picosecond)) 광 펄스(LP)를 방출하는 Yb-기반 다이오드 펌핑 레이저(Yb-based diode-pumped laser)이다(아래에 소개되고 논의되는 도 3c의 확대도 참조). 이러한 레이저 소스의 예시는 Light Conversion of Vilnius, Lithuania로부터 입수 가능한 PHAROS 레이저이다. 다른 예시에서, 레이저 소스(20)는 800nm 또는 1064nm의 파장(λ), 또는 펄스 레이저가 작동하는 다른 유사한 파장에서 작동할 수 있다. 하나의 실시예에서, 레이저 소스(20)는 200펨토초(fs) 내지 20피코초(ps) 범위의 펄스 폭을 갖는 광 펄스(LP)를 생성할 수 있다.

도 1a의 예시적인 빔-형성 시스템(10B)은 또한 광축(AX)을 따라 그리고 레이저 소스(20)의 하류에 배치된 액시콘 렌즈(30)를 포함한다. 액시콘 렌즈(30)는 대향 표면(32, 34)을 갖고, 표면(34)은 광축(AX) 상의 정점(AP)과 함께 회전 대칭 원뿔 형상을 갖는다. 도 1b는 예시의 액시콘 렌즈(30)의 확대도이다. 액시콘 렌즈(30)는 본원에서 액시콘 각도로 지칭되는 각도(γ)로 규정된다. 액시콘 렌즈(30)는 평면 표면(34)을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 일반적으로 이 표면이 평면일 필요는 없다. 하나의 실시예에서, 액시콘 렌즈(30)는 용융 실리카(fused silica)로 형성되고, 표면(32, 34)이 정밀 표면이 되도록 당업계에 공지된 정밀 렌즈-형성 기술을 사용하여 성형된다. 하나의 실시예에서, 액시콘 각도(γ)는 0.10° ≤ γ ≤ 20° 범위에 있을 수 있다.

빔-형성 시스템(10B)은 또한 각각의 초점 길이(f1, f2)를 갖는 제1 및 제2 이격된 포지티브 렌즈(L1, L2, positive lens)를 포함한다. 하나의 실시예에서 f1 = f2 = f이고, 렌즈(L2)는 렌즈(L1)의 초점(F1)에서 거리(2f) 만큼 떨어져 있다. 위상 요소(50, phase element)는 제1 렌즈(L1)와 제2 렌즈(L2) 사이의 광축(AX)을 따라, 예를 들어, 렌즈(L2)로부터 거리(f)에 배치되어 제2 렌즈(L2)가 위상 요소(50)에 대해 푸리에 렌즈(Fourier lens)를 구성한다. 렌즈(L1 및 L2)는 액시콘 렌즈(30)에 대해 푸리에 배열로 서로 거리(f1 + f2)에 놓일 수 있다. 액시콘 렌즈(30), 렌즈 요소(L1 및 L2), 및 위상 요소(50)는 예시적인 광학 시스템을 구성한다. 액시콘 렌즈(30) 및 위상 요소(50)는 위상 디바이스(60)의 예시를 구성한다. 위상 디바이스(60)에 대한 다른 구성은 아래에서 논의된다.

위상 디바이스(60)는 전체 위상 분포 φ_PD(r,θ)를 갖는 반면, 위상 요소(50)는 위상 분포 φ_PE(r,θ)를 갖는다. 하나의 실시예에서, 위상 요소(50)는 위상 플레이트를 포함한다. 위상 요소(50)는 또한 예시에서 반사적이고 광축(AX)을 접는 능동 위상 요소(active phase element)(예컨대, 공간 광 변조기(SLM, spatial light modulator) 또는 변형 거울(deformable mirror))를 포함할 수 있다. 예시에서, 위상 요소(50)는 아래에서 소개되고 논의되며, 도 2b의 예시에 도시된 바와 같이, 위상 플레이트 및 능동 위상 요소, 또는 SLM, 둘 모두를 포함할 수 있다. 회절 광학 요소(DOE, diffractive optical elements) 형태의 적합한 위상 플레이트는 이스라엘 네스 지오나 소재의 HOLO/OR Ltd.로부터 입수할 수 있다.

빔-형성 시스템(10B)은 렌즈(L2)로부터 거리(df)에 위치된 초점 평면(FP)을 갖는다. 도 1c는 초점 평면(FP)의 확대도이고, 환형 볼텍스 빔(22A)의 개략적인 단면도를 포함한다. 볼텍스 빔은 거리(df)에 위치한 초점 평면(FP) 주위에서 시작하여 형성된다. 볼텍스 빔(22A)의 피크 강도(peak intensity)는 거리(df) 이후의 일부 축방향 거리에서 발생하지만 볼텍스 빔의 초점 깊이(DOF) 내에서 발생한다. 유리 물체(100)에 마이크로-홀을 천공하기 위한 환형 볼텍스 빔(22A)에 대한 이상적인 또는 "최상의" 평면은 피크 빔 강도가 물체 내에 떨어지도록 하는 DOF 내의 평면이다. 이 거리는 최소값(df_a)에서 최대값(df_b)의 범위에 있을 수 있다. 시스템(10B)에 대한 초점 평면(FP)의 위치는 초점 깊이(DOF)의 가까운 단부(df_a)에 상응하도록 예시 및 편의에 의해 선택되지만, 초점 깊이의 중간 또는 가장 먼 단부(df_b)에서를 포함하여, 초점 깊이 내의 임의의 위치에 있도록 선택될 수도 있음이 강조된다.

환형 볼텍스 빔(22A)은 초점 평면(FP)에서의 거동이 종래의 회절 빔과 상이한 실질적으로 비-회절 빔이다. 도 1c 및 다른 곳의 환형 볼텍스 빔(22A)의 묘사는 개략적이고, 환형 볼텍스 빔에 대한 초점 깊이(DOF)의 개념을 포함하여 본원에 개시된 장치 및 방법의 예시 및 설명의 용이성을 위해 의도적으로 지나치게 단순화되었다.

다시 도 1a를 참조하면, 빔-형성 시스템(10B)의 일반적인 동작에서, 가우스 빔(22G)은 액시콘 렌즈(32)를 통과하여, 가우스 레이저 빔을 중공 빔(22H, hollow beam)으로 변환한다. 중공 빔(22H)은 선택 직경을 갖도록 중공 빔(22H)을 재형성하는 제1 렌즈(L1)로 이동한다. 재형성된 중공 빔(22H)은 이후 위상 요소(50)에 입사하고, 이는 위상-변경 중공 빔(22H')을 형성하기 위해 중공 빔(22H)에 선택 위상을 부여한다. 이후 위상-변경 중공 빔(22H')은 초점 평면(FP)에서 강도 분포 IA(r, θ)를 갖는 환형 볼텍스 빔(22A)을 형성하기 위해 제2 렌즈(L2)에 의해 집속된다(focused). 강도 분포 IA(r,θ)의 이상적인 예시가 도 1d에 나타난다. 강도 분포 IA(r, θ)는 일련의 동심 링을 포함하고, 가장 안쪽의 강도 링이 가장 밝으며, 도 1d에 도시된 바와 같이, 본원에서 초점 링(FR)으로 지칭된다. (주(main)) 초점 링(FR)에 바로 인접한 보조 초점 링(FR')도 도시된다. 보조 초점 링(FR')은 통상적으로 (주) 초점 링(FR)보다 실질적으로 더 적은 강도를 갖지만, 일부 구현예에서 보조 초점 링(FR')은 아래 설명된 바와 같이, 유리-기반 물체(100)에 특징부(features)를 형성하기에 충분한 강도를 갖도록 만들어질 수 있다.

환형 초점 링(FR)은 외경(D2) 및 내경(D1), 및 환형 폭(WA)을 갖는다. 하나의 실시예에서, 외경(D2)는 5㎛ 내지 60㎛의 범위일 수 있지만, 환형 폭(WA)은 2㎛ 내지 9㎛의 범위일 수 있다.

환형 초점 링(FR)은 초점 깊이(DOF) 내에서 크기가 약간 변할 수 있다. 일반적으로, 볼텍스 빔과 같은 비-회절 빔의 초점 깊이(DOF)는 빔의 최대 강도가 최대 강도 값의 특정 강도 임계값 또는 강도 임계 백분율 이상으로 유지되는 영역에 의해 규정된다. 예를 들어, 환형 볼텍스 빔(22A)의 초점 깊이(DOF)는 최대 빔 강도가 환형 볼텍스 빔의 최대 강도의 25% 아래로 떨어지지 않는 축방향 영역으로서 규정될 수 있다. 대안으로서, 아래에 논의된 바와 같이, 초점 깊이는 최대 강도가 물체(100)의 재료 삭마 또는 재료 수정에 요구되는 임계 강도 아래로 떨어지지 않는 축방향 영역으로서 규정될 수 있다.

도 2a는 도 1a와 유사하며, 빔-형성 시스템(10B)의 예시를 나타내고, 여기서 위상 디바이스(60)는 위상 요소(50)만을 포함하며, 즉 위상 요소의 상류에 존재하는 별도의 액시콘 렌즈(30)가 없다. 하나의 실시예에서, 액시콘 렌즈(30)는 입력 가우스 빔(22G)으로부터 확장된 가우스 빔(22GE)을 형성하는 빔 확장기(40, beam expander)로 교체될 수 있다. 위상 요소(50)는 렌즈(L2)의 전방 초점 평면(FF2)에 위치되는 반면 시스템(10B)의 초점 평면(FP)은 렌즈(L2)의 후방 초점 평면(FB2)에 위치된다.

도 2a의 구현예에서, 위상 요소(50)는 위상 플레이트, 능동 위상 요소 또는 능동 위상 요소와 위상 플레이트의 결합을 포함할 수 있으며, 여기서 위상 요소는 아래에서 설명되는 바와 같이 위상 요소(50)를 빠져나가는 빔이 위상 변조된 중공 빔(22H')이 되도록 액시콘 빔-형성 특성(즉, 액시콘 각도(γ))으로 인코딩된다(encoded). 중공 빔(22H)이 위상 요소(50)에 입사되도록 위상 요소(50)의 상류에 배치된 액시콘 렌즈(30)를 가진 이점이 아래에서 논의된다. 하나의 실시예에서, 빔 차단기(BB, beam blocker)는 위상 디바이스(60)의 바로 하류에 배열되어, 위상 디바이스(60)의 중앙의 특이성 또는 위상 변조의 결함으로 인해 위상-인코딩된 중공 빔(22H')의 중앙 부분에 존재할 수 있는 임의의 미광(stray light)을 차단하는 것을 도울 수 있다.

도 2b는 능동 위상 요소(APE) 및 위상 플레이트(PP)를 포함하는 예시적인 위상 요소(50)를 나타내는 확대 개략도이다. 위에서 언급한 바와 같이, 능동 위상 요소는 SLM을 포함할 수 있다. 광학 축(AX)을 접고 위상 요소(50)를 예시의 용이함을 위해 비교적 컴팩트(compact)하게 유지하기 위해 편의상 접는 거울(FM)이 도시되어 있다. 능동 위상 요소(APE)는 당업계에 공지된 바와 같이 능동 위상 요소의 동작을 제어하도록(예컨대, 내부에 광 변조 요소를 구성하도록, 도시되지 않음) 구성된 APE 제어기(56)에 작동 가능하게 연결된다. 도 2b의 위상 요소(50)는 위상 요소의 특정 구성에 따라 하나 이상의 추가 광학 구성요소(예를 들어, 렌즈 등)를 포함할 수 있다. 도 2b의 구현예에서, 확장된 가우스 빔(22GE)은 중공 빔(22H)을 규정하는 능동 위상 요소(APE)에 입사된다. 이 중공 빔은 이후 환형 볼텍스 빔(22A)을 형성하는 위상 플레이트(PP)로 지향된다. 하나의 실시예에서, 렌즈(L1, L2)는 도 1a와 관련하여 논의된 바와 같이 능동 위상 요소(APE) 또는 위상 플레이트(PP)를 갖는 푸리에 배열로 위상 플레이트(PP)의 대향 측면에 존재할 수 있다. 중공 빔을 규정하는 액시콘 특성으로 인코딩된 단일 위상 플레이트(PP) 또는 능동 위상 요소(APE)와 같은 위상 요소(50)의 다른 구성이 이용될 수 있다.

도 2a의 빔-형성 시스템(10B)의 작동 방법은 도 1a의 것과 유사하다. 위에서 언급된 바와 같이, 입력 가우스 빔(22G)은 확장된 가우스 빔(22GE)을 형성하기 위해 빔 확장기(40)에 의해 확장될 수 있다. 확장된 가우스 빔(22GE)은 위상 디바이스(60)에 입사된다. 확장된 가우스 빔(22GE)은 이후 위상-변조된 중공 빔(22H')으로 변환된다. 이후 위상-변조된 중공 빔(22H')은 환형 볼텍스 빔(22A)을 형성하기 위해 도 1a의 구현예와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이 렌즈(L2)에 의해 초점 평면(FP)(렌즈(L2)의 후방 초점 평면(FB2)에 의해 정의됨)에 집속된다. 도 1A를 참조하여 한다.

예시적인 유리-기반 물체 및 지지 스테이지

도 3a는 아래에서 더 자세히 설명된 바와 같이, 물체에 마이크로-홀 형성하는 것을 예상하여, 빔-형성 시스템(10B)으로부터 마이크로-홀 형성 시스템을 형성하기 위해 초점 평면(FP)에 배치될 수 있는 예시적인 유리-기반 물체("물체")(100)의 사시도이다. 하나의 실시예에서, 물체(100)는 전방 표면(102), 후방 표면(104), 측면(106)을 규정하는 바디(101)를 갖는다. 바디(101)는 두께(TH)를 갖는다. 하나의 실시예에서, 물체(100)는 나타낸 바와 같이 평면이므로 두께(TH)는 실질적으로 일정하다. 하나의 실시예에서, 두께(TH)는 0.3mm 내지 2mm의 범위일 수 있다. 물체(100)는 평면일 필요는 없고 본원에서 설명된 시스템 및 방법을 사용하여 마이크로-홀을 형성할 수 있는 임의의 합리적인 형상 및/또는 크기 및/또는 두께를 가질 수 있음에 유의한다.

도 3b는 이동식 지지 스테이지(200, movable support stage)에 의해 지지되는 물체(100)의 개략적인 측면도이다. 물체(100)는 이동식 지지 스테이지의 상부 표면(202)에 존재하는 것으로 나타낸다. 이동식 지지 스테이지(200)는 지지 스테이지의 움직임 및 그에 따라 지지되는 물체(100)의 움직임을 제어하도록 구성된 스테이지 제어기(210)에 작동 가능하게 연결될 수 있다.

도 3c는 이동식 지지 스테이지(200)와 함께, 도 1a 또는 2a의 빔-형성 시스템(10B)을 활용하는 마이크로-홀-형성 시스템(10M)의 개략도이다. 마이크로-홀-형성 시스템(10M)은 수직 구성으로 배열된 예시로서 나타내고 수평 배향으로 물체(100)가 그 위에 지지되는 이동식 지지 스테이지(200)를 포함한다. 마이크로-홀-형성 시스템(10M)의 수평 배향도 사용될 수 있다.

마이크로-홀 형성 시스템(10M)은 광학 시스템(80) 및 스테이지 제어기(210)에 작동 가능하게 연결된 주 제어기(90)를 포함한다. 주 제어기(90)는 마이크로-홀 형성 시스템(10M)의 전체 동작을 제어하도록 구성된다. 위상 디바이스(60)가 능동 위상 요소(APE)를 포함하는 예시에서, 주 제어기(90)는 APE 제어기(도 2b)에 연결될 수 있고 능동 위상 요소를 구성하기 위한 명령을 APE 제어기에 제공할 수 있다. 주 제어기(90)는 아래에서 더 자세히 논의된 마이크로-홀 형성 방법을 포함하는, 본원에 개시된 방법을 수행하기 위해 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체(예컨대, 컴퓨터 소프트웨어 또는 펌웨어)에 구현된 명령을 수행하도록 구성된 컴퓨터, 마이크로-컴퓨터, 마이크로-컨트롤러 등을 포함할 수 있다.

3d는 도 1c와 유사하고 환형 볼텍스 빔(22A)이 물체의 바디(101)를 통과하면서 마이크로-홀 형성 시스템(10M) 내에 작동 가능하게 배치된 물체(100)의 축상 부분을 도시한다. 물체를 지지하는 이동식 지지 스테이지(200)는 표현의 편의상 생략된다. 도 3d는 물체(100)의 두께(TH)가 환형 볼텍스 빔(22A)의 초점 깊이(DOF)보다 작은 예시를 도시하거나, 달리 말하면, 물체(100)가 초점 깊이(DOF) 내에 완전히 존재하는 예시를 도시한다.

빔 형성 시뮬레이션 및 실험 결과

위상 요소(60)의 위상 분포 φ_PD(r,θ)는 다음과 같이 표현될 수 있다:

φ_PD(r, θ) = φ₁(r, θ) + φ₂(r, θ) = -k·r·sin(γ) + m·θ [수식 1]

여기서 φ₁(r,θ)은 제1 위상 항이고 = -k·r·sin(γ)과 같고 φ₂(r,θ)는 m·θ와 같은 제2 위상 항이며, 여기서 k는 진공에서의 파동 벡터(wave vector)이고, r은 방사형 극좌표이고, θ는 극각좌표이며, γ는 전술한 액시콘 각도이고, m은 베셀 차수(Bessel order) 또는 위상 전하(topological charge)이며, 이는 정수이며 예시에서 3 ≤ m ≤ 20 범위에 있을 수 있다. 수식 1의 제1 위상 항 φ₁(r,θ)는 중공 빔(22H)을 생성하는 액시콘 렌즈(30)와 관련된 위상 분포이며, 반면 제2 위상 항 φ₂(r,θ)는 환형 볼텍스 빔에 볼텍스 속성을 부여하는 방위각 위상 분포이다.

도 1a에 도시된 것과 같은 하나의 실시예에서, 액시콘 렌즈(30)는 수식 1에서 제1 위상 항 φ₁(r,θ)를 규정하는 데 사용되는 반면 위상 요소(50)는 수식 1에서 단지 제2 위상 항 φ₂(r,θ)을 규정하는 위상 분포 φ_PE(r,θ)를 가질 수 있다. 다른 예시에서, 위상 디바이스(60)는 액시콘 렌즈(30)를 포함하지 않으며, 이 경우 수식 1의 제1 및 제2 위상 항 φ₁(r,θ) 및 φ₂(r,θ)가 모두 위상 요소(50)로(즉, 규정됨) 통합되므로, φ_PD(r,θ) = φ_PE(r,θ)이다. 이 경우, 액시콘 각도(γ)는 별도의 액시콘 요소(30)로부터 온 것이 아니라 대신에 액시콘 렌즈의 기능을 복제하는 위상 영역 또는 특징부(51)를 갖는 위상 요소(50)에 통합(위상 인코딩됨)되는 것으로 이해된다. 즉, 본 구현예의 액시콘 각도(γ)는 유효 액시콘 각도로 생각할 수 있다.

액시콘 렌즈(30)는 단순한 원추형 구성을 갖기 때문에, 일부 구현예에서 볼텍스-형성(즉, 베셀 빔 특징부)을 위상 요소(50)로 분류하면서, 도 1a의 빔 성형 시스템(10B)의 구현예를 사용하는 것이 바람직하고, 액시콘 렌즈를 사용하여 중공 빔(22H)을 규정하는 것이 바람직할 수 있다. 이는 위상 디바이스(60)의 위상 요소 부분을 형성하는 것을 더 쉽게 만들 수 있다.

빔-형성 시스템(10B)의 작동 및 환형 볼텍스 빔(22A)의 형성에 대한 시뮬레이션은 마이크로-홀 제작 실험을 가이드하기 위해 사용하는 컴퓨터 모델링을 사용하여 수행되었다. 푸리에-변환-기반 빔 전파 시뮬레이션은 대략적인 빔 직경을 결정하기 위한 가이드로서 레이트레이싱 소프트웨어(raytracing software)(Zemax LLC, Kirkland, Washington의 OpticsStudio® 렌즈 설계 소프트웨어)와 함께, 수학 기반 소프트웨어(Python Software Foundation의 Python^TM 소프트웨어 및 Mathworks, Inc., Natick, Massachussetts의 MATLAB® 소프트웨어)를 사용하여 수행되었다.

도 4a는 액시콘 렌즈(30)에 의해 입력 가우스 빔(22G)으로부터 형성되고 위상 요소(50)에 입사되는 중공 빔(22H)의 예시적인 시뮬레이션된 강도 프로파일 I_H(r,θ)를 나타낸다. 액시콘 렌즈(30)는 액시콘 각도 γ = 20°를 갖는다. 렌즈(L1 및 L2)는 동일한 초점 길이(f)를 갖고 위상 요소(50)에 대해 푸리에 구성을 규정하기 위해 거리(2f)만큼 이격되었다.

도 4b는 도 1a의 빔-형성 시스템(10B)의 예시적인 구성을 사용하여 환형 볼텍스 빔(22A)의 예시를 형성하는데 사용되는 위상 요소(50)에 대한 예시적인 위상 분포 φ_PE(r,θ)이다. 위상 분포 φ_PE(r,θ)는 회색조로 표시되며, π 위상은 흰색으로, a - π 위상은 검은색으로 표시되며, 회색의 그라데이션(gradations)은 중간 위상 값을 나타낸다. 액시콘 각도는 γ = 20 °이지만 위상 전하 m = 3이다.

도 4c는 도 4b와 유사하며 중공 빔(22H)이 위상 요소(50)의 중앙 부분을 통과하지 않기 때문에 위상 분포의 중앙 부분(52)이 불투명한(십자형 해치로 도시된) 예시를 나타낸다.

도 4d는 액시콘 각도 γ = 20°인 액시콘 렌즈와 m=3(및 인코딩된 액시콘 각도 없음, 즉, γ = 0°)의 위상 전하를 가진 도 4b의 위상 플레이트에 의해 규정된 위상 디바이스의 회색조 위상 분포 φ_D(r,θ)이다. 상류의 액시콘 렌즈가 없기 때문에 도 2a의 빔 형성 시스템(10B)의 단일 위상 요소(50)로 인코딩될 필요가 있는 동일한 위상 분포이다.

도 4e는 도 4d의 위상 디바이스(60)의 위상 분포 φ_PD(r,θ)를 사용하여 df = 20mm의 거리에서 초점 평면(FP)에 형성된 환형 볼텍스 빔(22A)의 위상 분포 φ_A(r,θ)의 위상 등고선 플롯(phase contour plot)이다. 도 4e의 위상 등고선은 2개의 분포 성분, 즉 액시콘 렌즈(30)에 의해 규정된 동일한 간격의 동심 링 및 위상 요소(50)의 위상 전하(m)에 의해 결정되는 다중 나선 볼텍스(multiple spiral vortices)를 명확하게 나타낸다.

도 5는 도 3b의 위상 분포 φ_E(r,θ)를 사용하여 빔-형성 시스템(10B)에 대해 18mm, 19mm, 20mm 및 21.5mm의 각각의 거리(df)에서 계산된 동심-링 강도 프로파일 I_A(r,θ)에 의해 규정된 환형 초점 링(FR)의 4개의 시뮬레이션된 이미지(A ~ D)를 나타낸다. 초점 링(FR)(도 1d 참조)의 직경(D2)은 각각 16㎛, 17㎛, 및 18㎛로 측정된다. 이것은 거리 Δdf = 3.5mm에 걸쳐 약 10%의 초점 링(FR)의 직경(D2)의 변화이다. 거리(Δdf)는 빔-형성 시스템(10B)의 예시적인 구성의 초점 깊이(DOF)의 하나의 측정으로 간주될 수 있으며, 여기서 직경(D2)은 예컨대 7.5% 또는 5%와 같이, 10% 또는 일부 다른 선택 백분율 허용 오차만큼 변하지 않는다.

일부 경우, 환형 볼텍스 빔(22A)에 의해 형성된 초점 링(FR)의 직경(D2)을 조정하는 것이 바람직할 수 있다. 예시에서, 이것은 초점 렌즈(L2)를 초점 길이가 다른 다른 초점 렌즈(L2)로 교체하거나, 또는 위상 요소(50)의 위상 분포 φ_PE(r,θ)를 변경하여 수행될 수 있다. 초점 렌즈(L2)를 교체할 때, 제1 렌즈(L1)를 변경하고 새로운 제2 렌즈(L2) 또는 두 렌즈(L1 및 L2)를 모두 재배치하는 데 필요할 수 있다. 위상 요소(50)를 변경할 때, 일반적으로 빔-형성 시스템(10B)에서 다른 구성요소를 재구성(예컨대, 재배치)할 필요가 없다.

하나의 실시예에서, 초점 링(FR)의 직경(D2)은 위상 요소(50)의 위상 분포 φ_PE(r,θ)를 규정하는데 사용되는 위상 전하(m)의 값을 증가시킴으로써 증가될 수 있다. 도 6은 액시콘 각도 γ = 20° 및 위상 전하 m = 13을 갖는 위상 장치(60)의 위상 분포 φ_PD(r,θ)의 플롯이다. 위상 전하의 이러한 변화는 m = 3인 위의 예시와 비교했을 때 약 3배의 초점 링(FR)의 직경(D2)을 증가시킨다.

도 7은 동심-링 강도 프로파일에 의해 규정되고 도 2a의 빔-형성 시스템(10)(즉, 액시콘 렌즈(30) 없음)에서 도 6의 위상 분포 φ_PD(r,θ)를 사용하여 시뮬레이션하기 위해 각각 18mm, 19mm, 20mm 및 21.5mm의 거리(df)에서 계산된 환형 초점 링(FR)의 4개의 시뮬레이션된 이미지(A~D)를 나타낸다. 초점 링(FR)의 직경(D2)은 각각 54㎛, 56㎛, 58㎛ 및 61㎛로 측정된다. 이것은 거리 Δdf = 3.5mm에 걸쳐 약 10%의 초점 링(FR)의 직경(D2)의 변화이다. 거리(Δdf)는 빔-형성 시스템(10B)의 예시적인 구성의 초점 깊이(DOF)의 한 측정으로 간주될 수 있으며, 여기서 직경(D2)은 예컨대 7.5% 또는 5%와 같이, 10% 또는 일부 다른 선택 백분율 허용 오차만큼 변하지 않는다.

다른 빔-형성 시스템 파라미터 또는 구성요소를 조정하지 않고 위상 요소(50)의 위상 분포 φ_PE(r,θ)를 변경함으로써 초점 링(FR)의 직경을 변경하는 능력은 예측 여부에 관계없이 변경 사항이 발생할 경우 시스템이 대응할 수 있도록 하는 어느 정도의 유연성이 있는 유연한 제조 시스템에 유리하다. 그 결과, 단일 마이크로-홀-형성 시스템(10M)으로 다양한 물체(10)기 처리될 수 있다.

도 8은 도 1a의 빔-형성 시스템에서 사용하기 위한 예시적인 위상 요소(50)의 위상 분포 φ_PE(r,θ)의 예시적인 플롯이며, 여기서 액시콘 각도 γ = 0이고 위상 전하 m = 13이므로 위상 분포는 위상 전하(m)에 의해서만 규정된다. 도 4c와 같이, 위상 요소(50)에 입사되고 상류 액시콘 렌즈(30)에 의해 형성된 중공 빔(22H)이 중앙 부분을 통과하지 않기 때문에 위상 분포 φ_PE(r,θ)의 중앙(축상) 부분(52)은 필요하지 않고 불투명하게(크로스 해치(cross-hatch)로 나타냄) 만들어질 수 있다는 것을 유의한다. 이것은 위상 요소의 중앙 부분(52)을 제조하는 것은 통상적으로 나머지 외부 부분(54)(예컨대, 10미크론 정도)에 비해 상대적으로 높은 공간 주파수(예를 들어, 1미크론 정도)를 갖는 위상 특징부(51)를 형성하는 것을 필요로 하기 때문에 위상 요소(50)의 유리한 특징이다. 고해상도 위상 특징부(51, high-resolution phase features)를 형성할 필요가 없기 때문에 위상 요소(52)를 형성하는 데 사용되는 제조 공정에 대한 시간과 비용이 절약된다. 또한, 위상 요소(50)의 중앙(52)에서의 특이성은 임의의 제조 공정이 정확히 원하는 위상을 재생할 수 있는 것을 방지할 것이다.

도 9는 동심-링 강도 프로파일에 의해 규정되고 도 1a의 빔 형성 시스템에서 도 8의 위상 분포 φ_PE(r,θ)를 사용하여 시뮬레이션하기 위해 각각 18mm, 19mm, 20mm 및 21.5mm의 거리(df)에서 계산된 환형 초점 링(FR)의 4개의 시뮬레이션된 이미지(A~D)를 나타낸다. 초점 링(FR)의 직경(D2)은 각각 53㎛, 55㎛, 58㎛ 및 60㎛로 측정된다. 이것은 거리 Δdf = 3.5mm에 걸쳐 약 10%의 초점 링(FR)의 직경(D2)의 변화이다. 거리(Δdf)는 빔-형성 시스템(10B)의 예시적인 구성의 초점 깊이(DOF)의 하나의 측정으로 간주될 수 있으며, 여기서 최소 직경(D2_MIN)은 10% 이상 또는 다음과 같은 다른 선택 백분율, 예컨대 위에 명시된 백분율 범위 중 하나의 허용 오차만큼 변하지 않는다.

도 7의 시뮬레이션된 이미지 A 내지 D는 상류 액시콘 렌즈(30)와 함께 도 8의 위상 요소의 결합을 사용하여 도 1a의 빔 형성 시스템(10B)의 구성을 이용하여 중공 빔(22H)을 형성하며, 반면 도 9의 시뮬레이션된 이미지 A 내지 D는 도 2의 빔 형성 시스템(10B)의 구성을 이용하여 액시콘 각도(γ)와 위상 전하(m) 모두를 인코딩하는 단일 위상 요소(50)를 사용하여 형성되었다.

마이크로-홀 형성

본 개시의 관점은 물체(100)에 하나 이상의 마이크로-홀(220)을 형성하도록(도 3c의 확대도 참고) 환형 볼텍스 빔(22A)을 형성하고 환형 볼텍스 빔을 사용하기 위해 도 3c의 마이크로-홀-형성 시스템(10M)을 사용하는 것에 관한 것이다. 두 가지 주요 예시적인 방법, 즉 한-단계 방법 및 두-단계 방법이 개시된다.

한-단계 방법

도 10a는 마이크로-홀-형성 시스템(10M)의 화살표(AR)의 방향으로 물체(100)의 바디(101)를 통해 지향되는 본원에 개시된 빔 형성 시스템(10B)에 의해 형성된 환형 볼텍스 빔(22A)의 확대 개략도이다. 물체(100)는 이동식 스테이지(200)를 이용하여 이미지 평면(IP)에 배치된다(도 3c 참조). 선택된 재료로 만들어진 물체(100)에 대한 레이저 소스(110)에 대한 예시적인 레이저 출력량은 아래에서 논의된다. 레이저 소스(110)의 레이저 파워는 환형 볼텍스 빔(22A)의 파워 밀도(예컨대, 110TW/cm²의 피크 강도)가 물체의 재료를 삭마하기 충분하도록 선택된다.

삭마 공정(ablation process)은 도 10b의 확대 x-z 단면도에 도시된 바와 같이, 초기에 닫힌 단부의 환형 마이크로-홀(220A)을 형성한다. 환형 마이크로-홀(220)은 물체(100)의 바디(101)에 원통형 중앙 부분(108)을 규정한다. 하나의 실시예에서, 마이크로-홀 형성 공정은 물체(100)의 전방 표면(102)으로부터 측정된 깊이(DH)("마이크로-홀 깊이")를 가진 환형 마이크로-홀(220A)의 형성과 함께 여기서 정지한다. 마이크로-홀(외측) 직경은 DM이고 환형 볼텍스 빔의 직경(D2)과 실질적으로 동일하다.

이러한 한-단계 마이크로-홀-형성 공정은 환형 마이크로-홀의 어레이를 형성하기 위해 물체(100)의 다른 위치에서(예컨대, 이동식 스테이지(200)의 제어된 움직임에 의해) 반복될 수 있다(도 13 참고). 마이크로-홀 깊이(DH)는 환형 볼텍스 빔(22A)의 파워 밀도 및 환형 볼텍스 빔(22A)이 물체(100)를 조사하는 시간의 양(t_E)(노출시간)에 기초하여 선택될 수 있다. 환형 볼텍스 빔(22A)의 노출 시간(t_E)과 파워 밀도가 조심스럽게 제어되기 때문에(예컨대, 물체(100)에 입사된 광 펄스(LP)를 제어함으로써), 마이크로-홀 깊이(DH)는 예컨대, 미크론 이내로 또한 조심스럽게 제어될 수 있다.

다른 예시에서, 환형 볼텍스 빔(22A)은 샘플(10)을 계속 조사하여 바디(101)의 조사된 부분이 계속 삭마되어, 성장 화살표(AG)에 의해 예시된 바와 같이, 환형 홀(220)이 물체(100)의 후방 표면(104)을 향해 깊어지도록 합니다(즉, 마이크로-홀 깊이(DH)가 증가한다). 이 공정은 도 10c에 도시된 바와 같이, 환형 마이크로-홀(220A)이 후방 표면(104)에 도달할 때까지 계속된다. 이 시점에서, 원통형 중앙 부분(108)은 바디(101)의 인접한 부분으로부터 분리된다. 분리된 원통형 부분(108)은 스스로 떨어지거나(예컨대, 이동식 스테이지(200)로부터 물체(100)를 들어올릴 때) 또는 제거된다(예컨대, 원통형 부분을 빠져나오는 진공의 적용에 의해).

도 10d는 도 10a와 유사하며, 한-단계 마이크로-홀 형성 공정에 기초하여 물체(100)에 관통 마이크로 홀(220T)로서 형성된 결과적인 마이크로-홀(220)을 나타낸다. 여기서, 마이크로-홀 깊이(DH)는 관통 마이크로-홀(220T)이 형성된 위치에서의 물체 두께(TH)와 동일하다. 하나의 실시예에서, 관통 마이크로 홀(220T)은 실질적으로 원통 형상을 갖는다.

도 10e 및 10f는 도 10c 및 도 10d와 유사하며 보조 초점 링(FR')이 물체(100)의 전방 표면(102)에 환형 리세스(221)를 생성하고 관통 마이크로-홀(220T)과 동심이 되도록 사용되는 실시예를 예시한다. 환형 리세스(221)는 파편 수집을 위한 위치로 작용할 수 있고 또한 표면 질감을 생성할 수 있다.

도 10g는 도 10e와 유사하며 관통 마이크로-홀(220T) 대신 환형 마이크로-홀(220A)이 형성된 예시적인 구현예를 나타낸다. 이 구현예에서, 환형 리세스(221)는 환형 마이크로-홀(220A)과 동심이다. 도 10h는 도 10g와 유사하며 환형 마이크로-홀(220A) 및 환형 리세스(221)가 실질적으로 동일한 크기를 갖는 것을 포함하여, 다양한 상이한 상대 크기를 가질 수 있음을 도시한다.

도 11a 및 11b는 도 10a 및 도 11d와 유사하며 다수의 물체(100)가 각각의 물체에 마이크로-홀(220)을 형성하기 위해 적층된 구성으로 처리될 수 있는 구현예를 나타낸다. 도 11a에 나타낸 예시에서, 인덱스 매칭 유체(225, index-matching fluid)는 2개의 예시적인 적층된 물체(100)의 대면하는 표면들 사이에 배치되어 결국 적층에서 가장 아래의 물체로 들어갈 때 환형 볼텍스 빔(22A)의 강도를 감소시킬 수 있는 반사를 감소시킬 수 있다.

방법의 적층 구현예는 처리된 물체(100)의 처리량을 증가시키기 위해 사용될 수 있다. 적층 구현예는 예컨대, 2mm 내지 40mm의 매우 큰(긴) 초점 깊이(DOF)로 인해 가능해진다. 이것은 환형 볼텍스 빔(22A)이 다수의 적층된 물체(100) 위에 비교적 균일한 마이크로-홀(220)을 형성하는 것을 허용한다. 예를 들어, 2.5mm의 초점 깊이(DOF)에 대해, 적층 구현예는 각각 0.6mm의 두께를 갖는 평면 시트 형태의 물체(100)의 4개 층을 수용할 수 있다. 이는 0.6mm 두께(TH)의 단일 평면 시트를 처리하는 것과 비교하여 처리량이 4배 증가하는 결과를 가져온다.

두-단계 방법

도 12a 내지 도 12e는 마이크로-홀(220)을 형성하기 위한 예시적인 2단계 방법을 나타낸다. 도 12a는 도 10a와 유사하며 마이크로-홀 형성 시스템(10M)의 환형 볼텍스 빔(22A)이 화살표(AR) 방향으로 물체(100)를 조사하는 두-단계 공정의 첫 번째 단계를 나타낸다. 이 구현예에서, 환형 볼텍스 빔(22A)의 파워 밀도는 물체(100)를 구성하는 재료를 삭마하는데 필요한 것보다 작다.

도 12b 및 도 12c의 확대 x-y 단면도를 참고하면, 도 10a의 환형 볼텍스 빔(22A)에 의한 물체(100)의 조사는 물체의 바디(101) 내에 환형 수정된 영역(111)을 형성한다. 환형 수정된 영역(111)은 또한 한-단계 구현예에서 환형 마이크로-홀(220A)에 의해 규정된 것과 유사한 중앙 부분(108)을 규정하며, 여기서 중앙 부분(108)은 수정되지 않은 채로 남아 있다. 환형 수정된 영역(111)에서 바디(101)의 재료는 원래 형태에 비해 재료를 약화시키는 구조적 변화를 겪는다. 구조적 변화는 공극과 균열의 형성뿐만 아니라 재료의 일반적인 치밀화(densification)를 포함할 수 있다. 이러한 유형의 구조적 변화는 환형 수정된 영역(111)을 중앙 부분(108)을 포함하는 둘러싸는 비수정된 영역보다 더 에칭하기 쉽게 만든다. 환형 수정된 영역(111)은 환형 볼텍스 빔(22A)의 직경(D2)과 실질적으로 동일한 직경을 갖는 환형 형상을 갖는다는 점에 유의한다.

도 12d는 수정된 영역(111)을 갖는 물체(100)가 환형 수정된 영역의 재료를 제거하기 위해 에칭 공정(250)을 받는 두-단계 공정의 두 번째 단계를 나타낸다. 하나의 실시예에서, 에칭 공정(250)은 산 에칭(acid etch)을 포함한다. 하나의 실시예에서, 산 에칭 공정은 환형 수정된 영역(111)의 재료를 제거하기 위해 산 욕조(acid bath)(용액)에 도 12a의 조사된 물체(100)를 침지시키는 단계를 포함한다. 위에서 언급한 바와 같이, 환형 수정된 영역(111)은 물체(10)의 바디(101)의 비-수정된 영역보다 훨씬 빠르게 에칭된다. 하나의 실시예에서, 에칭 공정은 에칭 속도를 증가시키기 위해 초음파(예컨대, 초음파 욕조(ultrasonic bath)) 및 열(히터를 통해)의 사용을 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 에칭제(etchant)로 사용되는 산 용액은 다음의 산 중 적어도 하나를 포함한다: HF, HCl. 또한 실시예에서, 산 용액은 또한 HNO₃, H₂SO₄와 같은 다른 산을 포함할 수 있다.

단일 단계 방법에서와 같이, 적층 구현예는 두-단계 방법에서 사용될 수 있다. 하나의 실시예에서, 환형 수정된 영역(111)은 적층 구성으로 형성되고 에칭 공정(250)도 적층 구성으로 수행된다. 다른 예시에서, 적층은 단일 물체(100)로 분리될 수 있고 이후 에칭 공정(250)은 각각의 물체에 대해 개별적으로 수행될 수 있다.

도 12e는 도 12c와 유사하며 중앙 부분(108)이 제거될 때 관통 마이크로-홀(220T)의 형성을 나타낸다. 관통 마이크로-홀(220T)은 물체(100)의 두께(TH)와 동일한 폭(DM) 및 깊이(DH)를 갖는다. 도 12f는 결과적인 관통 마이크로-홀(220T)을 나타내는 물체(100)의 입면도이다.

도 12g 및 12h는 도 12c 및 도 12d와 유사하며 주 및 보조 초점 링(FR, FR')이 동심의 환형 수정된 영역을 형성하는 예시를 나타내고, 여기서 외측 환형 수정된 영역(111)은 보조 초점 링에 의해 형성되고 물체(100)의 후방 표면(104)에 도달하지 않는다. 에칭 공정(250)은 외측 환형 수정된 영역에 작용하여 전술한 환형 리세스(221)를 형성하므로 결과 물체(100)가 도 10f에 나타낸 것과 실질적으로 동일하다.

마이크로-홀 어레이

도 13은 마이크로-홀(220)의 어레이(222)가 형성된 물체(100)의 하나의 실시예를 나타내는 사시도이다. 마이크로-홀(220)은 환형 마이크로-홀(220A) 또는 관통 마이크로-홀(220T)일 수 있다. 예시의 마이크로-홀(220)은 10㎛ 내지 500㎛ 범위의 직경(DM)을 가질 수 있다. 인접한 마이크로-홀(220) 사이의 간격은 마이크로 홀 직경(DM)의 몇 분의 일만큼 작을 수 있다. 하나의 실시예에서, 직경이 10㎛이고 중앙-대-중앙 간격이 20㎛인 마이크로-홀(220)에 대해, 제곱 밀리미터당 약 2500개의 마이크로-홀의 홀 밀도를 허용한다.

마이크로-홀 형성 예시

마이크로-홀 형성에 대한 실험은 본원에 개시되고 앞서 상세하게 설명된 바와 같이 도 2a의 빔 형성 시스템(10B)을 사용하여 선택된 유형의 유리 물체(100)에 대해 수행되었다. 레이저 소스(110)는 0.5와트(W)와 6W 사이에서 조정 가능한 파워, 펄스 주파수(즉, 3kHz와 200kHz 사이에서 조정 가능한 광 펄스(LP)의 주파수), 0.256피코초(ps) 및 10ps 사이에서 조정 가능한 펄스 폭, 1030nm의 작동 파장(λ)을 가진 초고속 펄스 레이저이다. 위상 디바이스(60)는 액시콘 각도(γ)와 위상 전하(m)를 통합(인코딩)한 SLM에 의해 규정되었다. 액시콘 렌즈(30)는 위상 디바이스(60)를 형성하는 데 사용되지 않기 때문에, 빔 차단기(BB)는 도 2a의 빔-형성 시스템(10B)의 예시의 구현예의 옵션으로 나타낸 바와 같이, 펄스-인코딩된 중공 빔(22H')의 중앙 부분에서 0차 회절(zero-order diffraction) 및 미광을 차단하기 위해 SLM의 바로 하류에 놓인다.

위상 디바이스(60)를 형성하기 위해 SLM과 같은 능동 위상 요소를 사용하는 이점은 빔-형성 시스템 내의 다른 광학 구성요소를 교체할 필요 없이 액시콘 각도(γ)와 위상 전하의 여러 조합을 테스트함으로써 다른 실험을 수행할 수 있다는 것이다.

한 실험에서, 물체(100)는 능동-매트릭스 평판 디스플레이(active-matrix flat panel displays)에 사용되는 유형의 알칼리 토류 보로-알루미노실리케이트(alkaline earth boro-aluminosilicate) 퓨전 인발된 유리 시트이다. 유리 시트는 0.7mm의 두께(TH)를 갖는다. 유리 시트는 상이한 파워량을 갖는 환형 볼텍스 빔(22A)으로 조사되었다. 조사된 유리 시트를 분석한 결과 1500밀리와트(milliwatts)에서 6000밀리와트 범위의 레이저 파워와 0.01°의 액시콘 각도(γ) 및 m = 5의 위상 전하로 프로그래밍된 SLM 기반 위상 디바이스(60)가 전술한 두-단계 공정에 따라 마이크로-홀(220)을 형성하기 위해 에칭에 적합한 환형 수정된 영역(111)을 형성하였음을 발견했다.

유리 시트의 재료 수정을 달성하기 위한 기본 레이저 및 위상 디바이스 파라미터가 일단 결정되면, 도 1a의 예시적인 빔 형성 시스템(10B)이 조립된다. 빔 형성 시스템(10B)의 위상 디바이스(60)는 9.5°의 액시콘 각도(γ)를 갖는 정밀 액시콘 렌즈(30)와 위상 요소(50)로서 위상 플레이트를 사용하여 형성되었으며, 위상 플레이트는 0°의 액시콘 각도(γ)(상류의 액시콘 렌즈의 사용으로 인해) 및 위상 전하 m = 3을 갖는다. 제1 및 제2 렌즈(L1 및 L2)는 각각 f = 52mm의 초점 길이를 갖는다. 레이저 소스(110)는 환형 수정된 영역(111)을 형성하기에 충분한 파워를 제공하도록 설정되므로 마이크로 홀(220)이 전술한 두-단계 공정을 사용하여 형성될 수 있다. 초점 링(FR)은 70mm의 초점 거리(df)에서 약 25㎛의 직경(D2)을 갖는다. 초점 깊이(DOF)는 약 40mm로 예측되었다. 초점 링(FR)의 피크 강도는 df = 70mm에 있었지만, 유사한 직경과 강도 프로파일이 이 위치에서 ±20mm에서 발견되었다. 이 거리 내에서, 초점 링(FR)의 직경(D2)은 단지 1.4㎛만 변경되었지만 강도는 33% 변경되었다. 초점 깊이(DOF)는 초점 링의 직경(D2)과 초점 링의 강도가 주어진 마이크로-홀 형성 적용에 대해 얼마나 변할 수 있는지에 따라, 40mm보다 작거나 크다고 말할 수 있다.

하나의 실시예에서, 초점 깊이(DOF)는 환형 볼텍스 빔의 전파 방향으로 증분 단계에서 실제 환형 볼텍스 빔(22A)의 일련의 이미지를 수집하여 다른 축방향 위치에서 빔 강도 프로파일을 얻고 이후 전파 방향에서 빔 강도 프로파일을 얻기 위해 이미지를 함께 연결함으로써 결정될 수 있다. 가장 높은 강도(예컨대, 선택 강도 임계값 이상)를 갖는 빔 강도 프로파일의 부분은 초점 깊이(DOF)를 규정한다.

초점 깊이(DOF)는 또한 물체의 플라즈마 형성을 모니터링하면서 환형 볼텍스 빔(22A)으로 물체(100)를 조사하고 빔-형성 시스템의 초점 평면(FP)에 대한 물체의 위치를 변경하기 위해 물체(또는 빔 형성 시스템(10B))를 축방향으로 이동시킴으로써 평가될 수 있다. 플라즈마의 형성은 마이크로 홀 형성의 지표이므로, 초점 깊이(DOF)는 플라즈마 형성이 발생하는 거리 또는 플라즈마 형성이 발생하는 거리와 동등한 거리로서 규정될 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 초점 깊이(DOF)는 입력 빔 직경, 액시콘 각도(γ) 및 렌즈(L1) 및/또는 렌즈(L2)의 초점 길이 중 적어도 하나를 변경함으로써 조정될 수 있다.

예시의 빔 형성 시스템(10B)에 대해 추가 시뮬레이션이 수행되었으며, 여기서 위상 전하가 m = 3에서 m = 6으로 증가되었지만, 25㎛에서 초점 링(FR)의 직경(D2)을 유지하도록 50% 축소를 제공하기 위해 광학 시스템(80)의 렌즈(L1 및 L2)는 f1 = 52mm 및 f2 = 26mm의 각각의 초점 길이를 갖는다. 그 결과 초점 깊이(DOF)는 10mm(m = 3의 경우 4배 감소)인 반면 초점 링(FR)의 강도는 4배 증가했다.

마이크로-홀을 형성하기 위해 얼마나 많은 레이저 노출이 필요한지를 결정하기 위해, 6000mW, 1ps, 3kHz 가우스 레이저 빔을 사용하여 0.7 mm 두께의 두께(TH)를 갖는 Gorilla®Glass(Corning, Inc., Corning, Inc.로부터 입수가능)의 샘플에서 실험을 수행하였다. 레이저 손상은 1000샷(shots)(333ms) 내지 50,000샷(16.67s) 범위에 노출되었을 때 발생하는 것으로 나타났다.

다른 실험에서, 길이 25mm x 폭 25mm의 두께 TH = 0.7mm인 알칼리 토류 보로-알루미노실리케이트 퓨전-인발된(fusion-drawn) 유리 시트 샘플을 3kHz 및 200kHz의 주파수, 1500mW ~ 5500mW 범위의 레이저 파워, 30s ~ 120s의 노출 시간, 256fs ~ 10ps의 펄스 폭과 같은 다양한 레이저 파라미터를 갖는 레이저 빔에 노출시켰다. 조사된 유리 시트는 10% HF, 15% 질산, 75% 물(부피 기준)의 산 용액으로 에칭되었다. 90분의 정적 에칭 후, 관통 마이크로 홀이 형성되었다. 초음파 보조로 30분 더 에칭한 후, 60s 및 120s 레이저 노출 시간을 사용하여 직경 50㎛의 관통 마이크로-홀이 형성되었다.

위에서 설명한 에칭 용액에 대한 공칭 에칭 속도(nominal etch rate)는 1.6㎛/min에서 측정되었으며, 120분 동안 192㎛의 예상 에칭을 야기한다. 이 에칭 속도는 약 0.5mm의 최종 두께로 두께 방향에서 관찰되었다. 표면 홀 직경은 약 170㎛이고, 관통 홀 직경은, 에칭 중 홀 영역의 폐기물의 임피던스impedence)로 인해 공칭 에칭 속도보다 낮은, 약 75㎛이다.

도 14는 액시콘 각도(γ)의 상이한 값, 즉 γ = 0.10°, 0.25° 및 0.75°에 대한 위상 전하(m) 대 초점 링(FR)의 측정된 영역 A_FS(㎛²)의 플롯이다. 액시콘 각도(γ)의 상대적으로 작은 범위는 예시적인 빔 형성 시스템(10B)을 구성하는데 사용된 광학 구성요소의 제한 때문이다. 액시콘 각도(γ)의 작은 값에도 불구하고, 도 14의 플롯은 초점 링(FR)의 크기와 환형 볼텍스 빔 파라미터(γ 및 m) 사이의 관계를 보여주며, 더 높은 위상 전하(m)와 가장 큰 초점 링 구역을 생성하는 낮은 액시콘 각도(γ)를 보여준다. 이러한 관계는 초점 링(FR)의 원하는 크기를 규정하고 따라서 환형 볼텍스 빔(22A)을 사용하여 형성된 마이크로-홀(220)에 대한 원하는 크기를 규정하는 데 사용될 수 있다.

장점

본원에 개시된 시스템 및 방법에는 여러 가지 장점이 있다. 이는 예컨대 2mm 내지 40mm의 상대적으로 큰 초점 깊이(DOF)를 포함하므로, 유리-기반 물체에서 최대 약 2mm 깊이의 마이크로-홀을 형성하기 위해 빔 재집속할(refocusing) 필요가 없다. 또한, 상대적으로 두꺼운 물체가 처리될 수 있고, 일부 예시에서, 다수의 물체가 적층될 수 있고 이후 적층 구성으로 처리될 수 있다.

다른 장점은 이용 가능한 레이저 파워의 양과 초점 링의 파워 밀도에 따라 한-단계 공정 또는 두-단계 공정을 사용할 수 있다는 것이다. 물체의 바디에 수정된 영역을 형성한 이후 물체를 에칭하여 마이크로-홀(들)을 형성하면 조사된 물체 바디의 환형 섹션만 제거하면 된다. 수정된 영역의 우선적인 에칭 특성은 에칭 공정을 사용하여 마이크로 홀을 형성하는 종래의 방법에 비하여 에칭 단계를 상대적으로 빠르게 만든다(예컨대, 10배 - 1000배 더 빠름).

또 다른 장점은 초점 링의 크기를 변경하는 것이 위상 요소를 교체함으로써 달성될 수 있다는 것이며, 이는 하나의 실시예에서 하나의 위상 플레이트를 다른 것으로 교체하는 것을 포함할 수 있고, 다른 예시에서는 능동 위상 요소를 재프로그래밍하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 유연성은 빔 형성 시스템에 대한 변경이 신속하게 이루어질 수 있기 때문에 제조에 특히 바람직하다.

첨부된 청구범위에 규정된 바와 같은 본 개시의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고 본원에 기재된 바와 같은 본 개시의 바람직한 구현예에 대한 다양한 수정이 이루어질 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 개시는 첨부된 청구범위 및 그에 상응하는 범위 내에 있는 수정 및 변형을 포함한다.

Claims

대향하는 제1 및 제2 표면을 규정하는 바디를 가진 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법으로서,
a) φ_PD(r,θ) = φ₁(r,θ) + φ₂(r,θ)에 의해 규정된 위상 분포를 가진 위상 디바이스를 형성하는 단계,
여기서, φ₁(r,θ)는 -k·r·sin(γ)와 같은 제1 위상 항이고 φ₂(r,θ)는 m·θ와 같은 제2 위상 항이며, 여기서 (r,θ)는 극 방사상 각 좌표이고, γ는 0.10 °≤γ≤20 ° 범위의 액시콘 각도이며, m은 3 ≤ m ≤ 20 범위의 위상 전하이며, 여기서 m은 정수임;
b) 가우스 레이저 빔을 위상 분포(φ_PD(r,θ)), 초점 깊이(DOF), 파장(λ) 및 초점 깊이(DOF) 내에 있고 내경(D1), 외경(D2), 및 폭 WA = (D2 - D1)/2를 가진 초점 링을 가진 환형 볼텍스 빔(annular vortex beam)으로 변환하기 위해 상기 가우스 레이저 빔을 상기 위상 디바이스로 지향시키는 단계;
c) 상기 제1 표면으로 그리고 유리-기반 물체의 바디를 통해 환형 볼텍스 빔을 지향시켜, 조사된 환형 영역을 형성하기 위해 초점 깊이 내에 바디의 환형 영역을 조사하는 단계;를 포함하며,
여기서 상기 조사 단계는:
i) 상기 환형 볼텍스 빔에 의해 조사되지 않은 바디의 일부분에 비해 우선적으로 에칭하는 수정된 환형 영역으로 상기 조사된 환형 영역을 변환시키거나;
ii) 상기 조사된 환형 영역의 일부분을 삭마시켜(ablating) 상기 조사된 환형 영역의 일부분을 닫힌-단부 환형 마이크로-홀로 변환시키거나; 또는
iii) 상기 조사된 환형 영역을 삭마시켜 조사된 환형 영역을 관통 마이크로-홀로 변환시키는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 위상 디바이스는:
상기 제1 위상 항 φ₁(r,θ)를 규정하도록 구성된 액시콘 렌즈 및 제2 위상 항 φ₂(r,θ)을 규정하도록 구성된 위상 요소; 또는
상기 제1 위상 항 φ₁(r,θ)과 제2 위상 항 φ₂(r,θ)을 규정하도록 구성된 단일 위상 요소;를 포함하는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 위상 요소는 위상 플레이트 또는 능동 위상 요소를 포함하는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 능동 위상 요소는 공간 광 변조기를 포함하는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 바디의 환형 영역을 조사하는 단계는 수정된 환형 영역을 형성하고,
실질적으로 원통형 관통 마이크로-홀을 형성하기 위해 상기 수정된 환형 영역을 제거하도록 에칭 공정을 수행하는 단계를 더욱 포함하는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 에칭 공정은 HF 및 HCl 중 적어도 하나를 가진 에칭제를 사용하여 산 에칭을 수행하는 단계를 포함하는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 6에 있어서,
상기 에칭제는 HNO₃ 및 H₂SO₄중 적어도 하나를 더욱 포함하는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 에칭 공정은 초음파 및 가열 중 적어도 하나의 적용을 포함하는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 가우스 빔은 처리될 재료에 대해 투명한 파장(λ)을 가진 광학 펄스를 방출하는 다이오드 펌핑된 펄스 레이저에 의해 형성되며, 상기 광학 펄스는 200펨토초 내지 20피코초 범위의 시간 펄스 폭을 갖는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 유리-기반 물체는 유리 재료 또는 유리 세라믹 재료로 구성되는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 유리-기반 물체는 0.3mm ≤ TH ≤ 2mm 범위의 두께(TH)를 가진 평면 유리 시트로 구성되는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 환형 볼텍스 빔에 대해 유리-기반 물체를 이동시키는 단계 및 다른 마이크로-홀을 형성하는 단계를 더욱 포함하는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 12에 있어서,
이동식 스테이지 상에 상기 유리-기반 물체를 지지하는 단계 및 상기 환형 볼텍스 빔에 대해 상기 이동식 스테이지를 이동시키는 단계를 더욱 포함하는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 마이크로-홀은 10미크론 내지 500미크론의 직경을 갖는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 초점 깊이는 초점 링의 최소 외경(D2_MIN)으로부터 10%를 넘지 않는 만큼 크기가 변화하는 초점 링의 외경(D2)에 의해 측정될 때 2mm 내지 40mm 범위에 있는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 초점 링의 외경(D2)은 5미크론 내지 60미크론 범위에 있고, 상기 마이크로-홀은 초점 링의 외경(D2)과 실질적으로 같은 마이크로-홀 직경을 갖는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 초점 링의 폭(WA)은 2미크론 내지 9미크론 범위에 있는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 환형 볼텍스 빔에 대해 유리-기반 물체를 이동시키는 단계 및 다른 마이크로-홀을 형성하는 단계를 더욱 포함하는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 18에 있어서,
이동식 스테이지 상에 상기 유리-기반 물체를 지지하는 단계 및 상기 환형 볼텍스 빔에 대해 상기 이동식 스테이지를 이동시키는 단계를 더욱 포함하는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 1에 있어서,
유리-기반 물체의 적층을 형성하기 위해 유리-기반 물체를 적어도 하나의 다른 유리-기반 물체와 적층하는 단계, 및 상기 마이크로-홀을 형성하는 동안 다른 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 단계를 더욱 포함하는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
대향하는 제1 및 제2 표면을 규정하는 바디를 갖는 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법으로서,
a) 초점 깊이(DOF), 파장(λ) 및 초점 깊이(DOF) 내의 초점 링을 갖는 환형 볼텍스 빔을 형성하는 단계, 여기서 상기 초점 링은 내경(D1), 외경(D2) 및 폭 WA = (D2 - D1)/2를 가짐;
b) 상기 제1 표면으로 그리고 상기 유리-기반 물체의 바디를 통해 환형 볼텍스 빔을 지향시켜 환형 볼텍스 빔에 의해 조사되지 않은 바디의 일부분에 비해 우선적으로 에칭하는 수정된 환형 영역으로 상기 환형 영역을 변환시키기 위해 상기 바디의 환형 영역을 조사하는 단계; 및
c) 상기 수정된 환형 영역을 제거하여 마이크로-홀을 형성하기 위해 유리-기반 물체를 에칭하는 단계;를 포함하는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 21에 있어서,
상기 수정된 영역은 조사 단계에 의해 치밀화되는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 21에 있어서,
상기 외경(D2)은 5미크론 내지 60미크론 범위에 있는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 21에 있어서,
상기 폭(WA)은 2미크론 내지 9미크론 범위에 있는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 21에 있어서,
상기 초점 깊이는 초점 링의 최소 외경(D2_MIN)으로부터 10%를 넘지 않는 만큼 크기가 변화하는 초점 링의 외경(D2)에 의해 측정될 때 2mm 내지 40mm 범위에 있는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 21에 있어서,
상기 에칭 단계는 HF 및 HCl 중 적어도 하나를 사용하여 산 에칭하는 단계를 포함하는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 26에 있어서,
상기 에칭 단계는 HNO₃ 및 H₂SO₄중 적어도 하나를 더욱 포함하는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 26에 있어서,
상기 산 에칭 단계는 초음파 및 가열 중 적어도 하나를 더욱 포함하는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 21에 있어서,
상기 환형 볼텍스 빔을 형성하는 단계는:
레이저 소스로부터 가우스 빔을 형성하는 단계;
중공 빔을 형성하기 위해 액시콘 각도(γ)를 가진 액시콘 렌즈를 통해 가우스 빔을 지향시키는 단계;
위상 전하(m)에 의해 규정된 위상 영역으로 구성된 위상 요소로 상기 중공 빔을 지향시키는 단계, 여기서 상기 m은 1 ≤ m ≤ 20 범위에 있는 정수이고, 상기 중공 빔은 위상-수정된 중공 빔을 규정하기 위해 상기 위상 요소를 통해 투과되거나 또는 위상 요소로부터 반사됨; 및
상기 초점 깊이(DOF)의 중앙을 규정하는 초점 평면으로 상기 위상-수정된 중공 빔을 집속시키는 단계, 여기서 상기 유리-기반 물체는 초점 깊이(DOF) 내에 존재함;를 포함하는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 29에 있어서,
상기 액시콘 각도(γ)는 0.1°≤γ≤20° 범위에 있는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 29에 있어서,
상기 위상 전하는 3 ≤ m ≤ 15 범위에 있는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 29에 있어서,
상기 위상 요소는 불투명한 중앙 섹션을 제외하고 광학적으로 투명한 위상 플레이트를 포함하는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 29에 있어서,
상기 위상 요소는 광학적으로 반사되고 위상 영역을 구성하지 않는 중앙 섹션을 포함하는 능동 위상 요소를 포함하는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 33에 있어서,
상기 능동 위상 요소는 공간 광 변조기를 포함하는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 21에 있어서,
상기 가우스 빔은 처리될 재료에 대해 투명한 파장(λ)을 가진 광학 펄스를 방출하는 다이오드 펌핑된 펄스 레이저(diode-pumped pulse laser)에 의해 형성되며, 상기 광학 펄스는 200펨토초 내지 20피코초 범위의 시간 펄스 폭을 갖는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 21에 있어서,
상기 유리-기반 물체는 유리 재료 또는 유리 세라믹 재료로 구성되는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 21에 있어서,
상기 유리-기반 물체는 0.3mm ≤ TH ≤ 2mm 범위의 두께(TH)를 가진 평면 유리 시트로 구성되는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 21에 있어서,
상기 환형 볼텍스 빔에 대해 유리-기반 물체를 이동시키는 단계 및 다른 마이크로-홀을 형성하는 단계를 더욱 포함하는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 21에 있어서,
이동식 스테이지 상에 상기 유리-기반 물체를 지지하는 단계 및 상기 환형 볼텍스 빔에 대해 상기 이동식 스테이지를 이동시키는 단계를 더욱 포함하는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 21에 있어서,
상기 마이크로-홀은 10미크론 내지 500미크론의 직경을 갖는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
대향하는 제1 및 제2 표면을 규정하는 바디를 갖는 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법으로서,
a) 초점 깊이(DOF), 파장(λ) 및 초점 깊이(DOF) 내의 초점 링을 갖는 환형 볼텍스 빔을 형성하는 단계, 여기서 상기 초점 링은 내경(D1), 외경(D2) 및 폭 WA = (D2 - D1)/2를 가짐;
b) 상기 환형 볼텍스 빔을 상기 제1 표면으로 그리고 상기 유리-기반 물체의 바디로 지향시키고,
i) 상기 마이크로-홀을 중앙 부분을 가진 닫힌 환형 마이크로-홀의 형태로 형성하기 위해 제1 표면으로부터 바디의 환형 부분을 삭마시키지만 제2 표면에 도달하지 않거나; 또는
ii) 실질적으로 원통형의 관통 마이크로-홀과 같은 마이크로-홀을 형성하기 위해 상기 제1 표면으로부터 제2 표면으로 바디의 환형 부분을 삭마시키는 단계;를 포함하는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 41에 있어서,
상기 환형 볼텍스 빔은 110 TW/cm² 내지 4800 TW/cm² 범위의 피크 강도를 갖는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 41에 있어서,
상기 외경(D2)은 5미크론 내지 60미크론 범위에 있는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 41에 있어서,
상기 폭(WA)은 5미크론 내지 9미크론 범위에 있는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 41에 있어서,
상기 초점 깊이는 초점 링의 최소 외경(D2_MIN)으로부터 10%를 넘지 않는 만큼 크기가 변화하는 초점 링의 외경(D2)에 의해 측정될 때 2mm 내지 40mm 범위에 있는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 41에 있어서,
상기 환형 볼텍스 빔을 형성하는 단계는:
레이저 소스로부터 가우스 빔을 형성하는 단계;
중공 빔을 형성하기 위해 액시콘 각도(γ)를 가진 액시콘 렌즈를 통해 가우스 빔을 지향시키는 단계;
위상 전하(m)에 의해 규정된 위상 영역으로 구성된 위상 요소로 상기 중공 빔을 지향시키는 단계, 여기서 상기 m은 1 ≤ m ≤ 20 범위에 있는 정수이고, 상기 중공 빔은 위상-수정된 중공 빔을 규정하기 위해 상기 위상 요소를 통해 투과되거나 또는 위상 요소로부터 반사됨; 및
상기 초점 깊이(DOF)의 중앙을 규정하는 초점 평면으로 상기 위상-수정된 중공 빔을 집속시키는 단계, 여기서 상기 유리-기반 물체는 초점 깊이(DOF) 내에 존재함;를 포함하는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 46에 있어서,
상기 액시콘 각도(γ)는 0.1°≤γ≤20° 범위에 있는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 46에 있어서,
상기 위상 전하는 3 ≤ m ≤ 15 범위에 있는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 46에 있어서,
상기 위상 요소는 불투명한 중앙 섹션을 제외하고 광학적으로 투명한 위상 플레이트를 포함하는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 46에 있어서,
상기 위상 요소는 광학적으로 반사되고 위상 영역을 구성하지 않는 중앙 섹션을 포함하는 능동 위상 요소를 포함하는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 41에 있어서,
상기 가우스 빔은 처리될 재료에 대해 투명한 파장(λ)을 가진 광학 펄스를 방출하는 다이오드 펌핑된 펄스 레이저에 의해 형성되며, 상기 광학 펄스는 200펨토초 내지 20피코초 범위의 시간 펄스 폭을 갖는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 41에 있어서,
상기 유리-기반 물체는 유리 재료 또는 유리 세라믹 재료로 구성되는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 41에 있어서,
상기 유리-기반 물체는 0.5mm ≤ TH ≤ 2mm 범위의 두께(TH)를 가진 평면 유리 시트로 구성되는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 41에 있어서,
상기 환형 볼텍스 빔에 대해 유리-기반 물체를 이동시키는 단계 및 다른 마이크로-홀을 형성하는 단계를 더욱 포함하는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
청구항 54에 있어서,
이동식 스테이지 상에 상기 유리-기반 물체를 지지하는 단계 및 상기 환형 볼텍스 빔에 대해 이동식 스테이지를 이동시키는 단계를 더욱 포함하는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
대향하는 제1 및 제2 표면을 규정하는 바디를 가진 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 시스템으로서,
a) 가우스 레이저 빔을 발생시키도록 구성된 레이저 소스;
b) 상기 가우스 레이저 빔을 수신하고 처리하도록 작동하게 배치된 광학 시스템, 상기 광학 시스템은 위상 분포 φ_PD(r,θ) = φ₁(r,θ) + φ₂(r,θ)로 구성된 위상 디바이스를 포함하며, 여기서 φ₁(r,θ)는 -k·r·sin (γ)와 동일한 제1 위상 항이고 φ₂(r,θ)는 m·θ와 동일한 제2 위상 항이며, 여기서 (r,θ)는 극 방사상 각 좌표이며, γ는 0.01 °≤ γ ≤ 20 °범위의 액시콘 각도이며, m은 3 ≤ m ≤ 20 범위의 위상 전하이며, 여기서 m은 정수임;
c) 여기서 상기 가우스 레이저 빔은 시스템 축을 따라 상기 광학 시스템을 빠져 나가는 환형 볼텍스 빔으로 상기 가우스 레이저 빔을 변환시키기 위해 거기에서 상기 광학 시스템 및 상기 위상 디바이스에 의해 처리되고, 상기 환형 볼텍스 빔은 위상 분포(φ_PD(r,θ)), 초점 깊이(DOF), 파장(λ) 및 초점 깊이(DOF) 내에 있고 내경(D1), 외경(D2), 및 폭 WA = (D2 - D1)/2를 가진 초점 링을 가짐;
d) 상기 환형 볼텍스 빔이 상기 제1 표면을 통해 그리고 상기 유리-기반 물체의 바디를 통해 이동하여, 조사된 환형 영역을 형성하기 위해 상기 초점 깊이 내에 바디의 환형 영역을 조사하도록 상기 환형 볼텍스 빔에 대해 상기 유리-기반 물체를 작동하게 지지하도록 구성된 지지 스테이지;를 포함하며,
여기서 상기 조사 단계는:
i) 상기 환형 볼텍스 빔에 의해 조사되지 않은 바디의 일부분에 비해 우선적으로 에칭하는 수정된 환형 영역으로 조사된 환형 영역을 변환시키거나;
ii) 상기 조사된 환형 영역의 일부분을 삭마시켜 조사된 환형 영역의 일부분을 닫힌 단부 환형 마이크로-홀로 변환시키거나; 또는
iii) 상기 조사된 환형 영역을 삭마시켜 조사된 환형 영역을 관통 마이크로-홀로 변환시키는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 시스템.
청구항 56에 있어서,
상기 위상 디바이스는:
상기 제1 위상 항 φ₁(r,θ)를 규정하도록 구성된 액시콘 렌즈 및 상기 제2 위상 항 φ₂(r,θ)을 규정하도록 구성된 위상 요소; 또는
상기 제1 위상 항 φ₁(r,θ)과 제2 위상 항 φ₂(r,θ)을 규정하도록 구성된 단일 위상 요소;를 포함하는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 시스템.
청구항 57에 있어서,
상기 위상 요소는 위상 플레이트 또는 능동 위상 요소를 포함하는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 시스템.
청구항 57에 있어서,
상기 광 소스는 처리될 재료에 대해 투명한 파장(λ) 및 200펨토초 내지 20피코초 범위의 시간 펄스 폭을 가진 광학 펄스를 방출하는 다이오드 펌핑된 펄스 레이저를 포함하는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 시스템.
청구항 56에 있어서,
상기 유리-기반 물체는 유리 재료 또는 유리 세라믹 재료로 구성되는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 시스템.
청구항 56에 있어서,
상기 유리-기반 물체는 0.5mm ≤ TH ≤ 2mm 범위의 두께(TH)를 가진 평면 유리 시트로 구성되는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 시스템.
청구항 56에 있어서,
상기 지지 스테이지는 이동식이므로 상기 유리-기반 물체는 유리-기반 물체에 상이한 위치에서 추가 마이크로-홀을 형성하기 위해 시스템에 대해 이동될 수 있는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 시스템.
청구항 56에 있어서,
상기 마이크로-홀은 10미크론 내지 500미크론의 직경을 갖는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 시스템.
청구항 56에 있어서,
상기 초점 깊이는 초점 링의 최소 외경(D2_MIN)으로부터 10%를 넘지 않는 만큼 크기가 변화하는 초점 링의 외경(D2)에 의해 측정될 때 2mm 내지 40mm 범위에 있는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 시스템.
청구항 56에 있어서,
상기 초점 링의 폭(WA)은 5미크론 내지 9미크론 범위에 있는, 유리-기반 물체에 마이크로-홀을 형성하는 방법.
대향하는 제1 및 제2 표면을 규정하는 바디를 가진 유리-기반 물체 상에 공정에 의해 형성된 유리-기반 제품으로서, 상기 공정은:
a) 위상 분포 φ_PD(r,θ) = φ₁(r,θ) + φ₂(r,θ)를 통해 위상 디바이스를 형성하는 단계, 여기서 φ₁(r,θ)는 -k·r·sin (γ)와 동일한 제1 위상 항이고 φ₂(r,θ)는 m·θ와 동일한 제2 위상 항이며, 여기서 (r,θ)는 극 방사상 각 좌표이며, γ는 0.1 °≤ γ ≤ 20 °범위의 액시콘 각도이며, m은 3 ≤ m ≤ 20 범위의 위상 전하이며, 여기서 m은 정수임;
b) 위상 분포(φ_PD(r,θ)), 초점 깊이(DOF), 파장(λ) 및 초점 깊이(DOF) 내에 있고 내경(D1), 외경(D2), 및 폭 WA = (D2 - D1)/2를 가진 초점 링을 가진 환형 볼텍스 빔으로 가우스 레이저 빔을 변환시키 위해 위상 디바이스로 가우스 레이저 빔을 지향시키는 단계;
c) 상기 제1 표면으로 그리고 상기 유리-기반 물체의 바디를 통해 환형 볼텍스 빔을 지향시켜, 제1 조사된 환형 영역을 형성하기 위해 초점 깊이 내에 바디의 제1 환형 영역을 조사하는 단계, 여기서 상기 조사 단계는 환형 볼텍스 빔에 의해 조사되지 않은 바디의 일부분에 비해 우선적으로 에칭하는 제1 수정된 환형 영역으로 제1 조사된 환형 영역을 변환시킴; 및
d) 상기 유리-기반 물체의 바디에 환형 마이크로-홀을 형성하기 위해 제1 수정된 환형 영역을 에칭하는 단계;를 포함하는, 유리-기반 물체 상에 공정에 의해 형성된 유리-기반 제품.
청구항 66에 있어서,
상기 조사 단계는 상기 에칭 단계가 환형 마이크로-홀을 둘러싸는 환형 리세스를 형성하도록 제1 조사된 환형 영역 외측에 있고 제1 조사된 환형 영역과 동심인 제2 조사된 환형 영역을 형성하는 단계를 포함하는, 유리-기반 물체 상에 공정에 의해 형성된 유리-기반 제품.
대향하는 제1 및 제2 표면을 규정하는 바디를 가진 유리-기반 물체 상에 공정에 의해 형성된 유리-기반 제품으로서, 상기 공정은:
a) 위상 분포 φ_PD(r,θ) = φ₁(r,θ) + φ₂(r,θ)를 통해 위상 디바이스를 형성하는 단계, 여기서 φ₁(r,θ)는 -k·r·sin (γ)와 동일한 제1 위상 항이고 φ₂(r,θ)는 m·θ와 동일한 제2 위상 항이며, 여기서 (r,θ)는 극 방사상 각 좌표이며, γ는 0.1 °≤ γ ≤ 20 °범위의 액시콘 각도이며, m은 3 ≤ m ≤ 20 범위의 위상 전하이며, 여기서 m은 정수임;
b) 위상 분포(φ_PD(r,θ)), 초점 깊이(DOF), 파장(λ) 및 초점 깊이(DOF) 내에 있고 내경(D1), 외경(D2), 및 폭 WA = (D2 - D1)/2를 가진 초점 링을 가진 환형 볼텍스 빔으로 가우스 레이저 빔을 변환시키 위해 위상 디바이스로 가우스 레이저 빔을 지향시키는 단계;
c) 상기 제1 표면으로 그리고 상기 유리-기반 물체의 바디를 통해 상기 환형 볼텍스 빔을 지향시켜, 제1 조사된 환형 영역을 형성하기 위해 초점 깊이 내에 바디의 제1 환형 영역을 조사하는 단계, 여기서 상기 조사 단계는 제1 조사된 환형 영역의 일부분을 삭마시켜 조사된 환형 영역의 일부분을 닫힌-단부 환형 마이크로-홀로 변환시킴;를 포함하는, 유리-기반 물체 상에 공정에 의해 형성된 유리-기반 제품.
청구항 68에 있어서,
상기 조사 단계는 제1 조사된 환형 영역 외측에 있고 제1 조사된 환형 영역과 동심인 제2 조사된 환형 영역을 조사하는 단계를 포함하고, 여기서 상기 제2 조사된 환형 영역의 조사 단계는 환형 마이크로-홀을 둘러싸는 환형 리세스를 형성하기 위해 제1 조사된 환형 영역의 일부분을 삭마시키는, 유리-기반 물체 상에 공정에 의해 형성된 유리-기반 제품.
대향하는 제1 및 제2 표면을 규정하는 바디를 가진 유리-기반 물체 상에 공정에 의해 형성된 유리-기반 제품으로서, 상기 공정은:
a) 위상 분포 φ_PD(r,θ) = φ₁(r,θ) + φ₂(r,θ)를 통해 위상 디바이스를 형성하는 단계, 여기서 φ₁(r,θ)는 -k·r·sin (γ)와 동일한 제1 위상 항이고 φ₂(r,θ)는 m·θ와 동일한 제2 위상 항이며, 여기서 (r,θ)는 극 방사상 각 좌표이며, γ는 0.1 °≤ γ ≤ 20 °범위의 액시콘 각도이며, m은 3 ≤ m ≤ 20 범위의 위상 전하이며, 여기서 m은 정수임;
b) 위상 분포(φ_PD(r,θ)), 초점 깊이(DOF), 파장(λ) 및 초점 깊이(DOF) 내에 있고 내경(D1), 외경(D2), 및 폭 WA = (D2 - D1)/2를 가진 초점 링을 가진 환형 볼텍스 빔으로 상기 가우스 레이저 빔을 변환시키 위해 위상 디바이스로 가우스 레이저 빔을 지향시키는 단계;
c) 상기 제1 표면으로 그리고 상기 유리-기반 물체의 바디를 통해 환형 볼텍스 빔을 지향시켜, 제1 및 제2 조사된 환형 영역을 형성하기 위해 초점 깊이 내에 바디의 제1 및 제2 동심의 환형 영역을 조사하는 단계, 여기서 상기 조사 단계는 제1 조사된 환형 영역을 삭마시켜 제1 조사된 환형 영역을 관통 마이크로-홀로 변환시키고 관통 마이크로-홀을 둘러싸는 환형 리세스로 제2 조사된 환형 영역을 변환시킴;을 포함하는, 유리-기반 물체 상에 공정에 의해 형성된 유리-기반 제품.