KR20220050214A - 가열을 통한 응력 감소에 의해 지원되는 취성 재료에 홀을 형성하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

가열을 통한 응력 감소에 의해 지원되는 취성 재료에 홀을 형성하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

취성 기판을 만드는 방법은: (i) 기판의 가열된 구역을 형성하기 위해 500 ℃보다 높지만, 1500 ℃보다 낮은 온도(Tp)로 적어도 깊이 (d)로 기판의 적어도 일부를 가열하는 단계; 및 (ii) 취성 기판에 적어도 하나의 홀을 형성하기 위해 IR 레이저로부터 방출된 레이저 빔으로 취성 기판의 가열된 구역의 적어도 일부를 조사하는 단계;를 포함한다.

Description

가열을 통한 응력 감소에 의해 지원되는 취성 재료에 홀을 형성하기 위한 방법 및 장치
본 출원은 35 U.S.C § 119 하에, 2019년 8월 30일에 제출된 미국 가출원 번호 제62/894335호, 및 2019년 8월 30일에 제출된 미국 가출원 번호 제62/894132호의 우선권을 주장하며, 그 전체가 참조로 본원에 병합된다.
본 개시는 일반적으로 유리, 유리 기판 내에서의 홀(hole)의 레이저 형성 방법, 및 홀 형성 장치에 대한 것이다.
취성 재료(brittle materials) 또는 취성 재료로 만들어진 기판(예컨대, 상당한 소성 변형 없이 응력 파단 또는 균열이 생기는 유리, 유리-세라믹 또는 세라믹 기판)에서의 공지된 레이저 어블레이션(laser ablation)-기반 홀 형성 방법은 홀 주위 및 홀의 내부 벽에서 또는 벽 근처의 구역에서의 홀 형성 동안 또는 홀 형성 직후 균열 형성의 문제를 갖는다. 에칭(etching)에 의해 처리되지 않고 제거되면, 균열이 기판의 강도를 감소시키고 결국 기판 파손을 유발할 수 있다. 에칭은 시간 소모적이며 그러한 홀을 포함하는 최종 기판에 비용을 추가한다.
여기에 인용된 모든 참조가 선행 기술을 구성한다는 것을 인정하지 않는다. 출원인은 인용된 문서의 정확성과 적절성에 대해 이의를 제기할 권리를 명시적으로 보유한다.
본 개시의 한 구현예는 깊이 d(㎛)를 갖는 적어도 하나의 홀을 갖는 취성 기판을 만드는 방법에 관한 것으로, 이 방법은 다음 단계를 포함한다:
(i) 500 ℃ 초과 및 1500 ℃ 미만의 온도(Tp)까지 적어도 깊이 (d)까지 기판의 적어도 일부를 가열하여, 기판의 가열된 구역을 형성하는 단계; 및
(ii) 기판에 적어도 하나의 홀을 형성하기 위해 IR 레이저로부터 방출된 레이저 빔으로 기판의 가열된 구역의 적어도 일부를 조사하는 단계.
몇몇 구현예에 따르면, 취성 기판은 유리, 유리-세라믹 또는 세라믹 기판이다.
일부 구현예에 따르면, 방법은 가열된 기판과 레이저 빔이 서로에 대해 이동하는 동안 가열된 기판을 지지하는 단계를 더 포함한다.
일부 구현예에 따르면, 온도(Tp)는 500 ℃ 초과 및 1000 ℃ 미만, 예 를 들어 500 ℃ 내지 900 ℃ 또는 600 ℃ 내지 900 ℃이다. 일 구현예에 따르면 온도(Tp)는 적어도 10 ℃ 만큼 기판 재료의 연화점(softening point) 온도보다 낮다. 일 구현예에 따르면 온도(Tp)는 10 ℃ 내지 50 ℃ 만큼 기판 재료의 연화점 온도보다 낮다.
일 구현예에 따르면, 레이저 빔은 적어도 5kW/㎠의 Pd=P0/S로 규정된 출력 밀도(Pd)(W/cm2)를 가지며, 여기서, P0 및 S는 각각 기판 표면 상의 레이저 빔의 출력 및 빔 단면적이다.
본 개시의 한 구현예는 깊이 d(㎛)를 갖는 적어도 하나의 홀을 갖는 취성 기판을 제조하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 다음 단계를 포함한다:
(i) 기판의 가열된 구역을 형성하기 위해, 온도(Tp)가 어닐링점(annealing point) 온도보다 높고 연화점 온도보다 낮도록 온도(Tp)로 적어도 깊이 (d)까지 기판의 적어도 일부를 가열하는 단계;
(ii) 기판에 적어도 하나의 홀을 형성하기 위해 IR 레이저로부터 방출된 레이저 빔으로 기판의 가열된 구역의 적어도 일부를 조사하는 단계.
일 구현예에 따르면 500 ℃ < Tp ≤ 900 ℃이다. 일 구현예에 따르면 Tp, 온도(Tp)는 적어도 10 ℃만큼 기판 재료의 연화점 온도보다 낮다.
일 구현예에 따르면, 적어도 하나의 홀을 갖는 취성 기판의 제조 방법은 다음 단계를 포함한다:
(i) 온도(Tp)가 기판 재료의 어닐링점 온도보다 높고 연화점 온도보다 낮도록 온도(Tp)까지 적어도 깊이 (d)까지 취성 기판의 적어도 일부를 가열하여, 기판의 가열된 구역을 형성하는 단계;
(ii) 취성 기판에 적어도 하나의 홀을 형성하기 위해 IR 레이저로부터 방출된 레이저 빔으로 기판의 가열된 구역의 적어도 일부를 조사하는 단계. 일부 구현예에 따르면, 취성 기판은 유리-세라믹 기판 또는 세라믹 기판이다.
일 구현예에 따르면, 가열 단계는 기판의 적어도 일부분을 온도(Tp)로 가열하는 단계를 포함하며, 여기서 온도(Tp)는 적어도 10 ℃만큼 기판의 어닐링점 온도보다 크고 적어도 10 ℃만큼 연화점 온도 미만이다. 일 구현예에 따르면, 가열 단계는 기판의 적어도 일부를 온도(Tp)로 가열하는 단계를 포함하며, 여기서 온도(Tp)는 10 ℃ 내지 20 ℃만큼 기판의 어닐링점 온도보다 크고, 및/또는 10 ℃ 내지 20 ℃만큼 연화점 온도 미만이다. 일 구현예에 따르면, 가열 단계는 전체 기판을 평균 온도(Tp)로 가열하는 단계를 포함하고, 여기서 온도(Tp)는 적어도 10 ℃만큼 기판의 어닐링점 온도보다 높고 적어도 10 ℃만큼 연화점 온도보다 낮다.
일부 구현예에 따르면, 가열 단계는 디포커싱된 펄스 레이저 빔(defocused pulsed laser beam)을 제공하는 펄스 레이저에 의해 또는 CW(연속 파장) 레이저 빔을 제공하는 CW 레이저에 의해 평균 온도(Tp)로 기판의 일부분을 가열하는 단계를 포함한다.
일부 구현예에 따르면, 30 ㎛ ≤ d ≤ 5000 ㎛이다. 일부 구현예에 따르면, 50 ㎛ ≤ d ≤ 1000 ㎛이다. 일부 구현예에 따르면, 50 ㎛ ≤ d ≤ 750 ㎛이다. 일부 구현예에 따르면, 100 ㎛ ≤ d ≤ 750 ㎛, 또는 일부 구현예에 따르면 200 ㎛ ≤ d ≤ 750 ㎛, 또는 300 ㎛ ≤ d ≤ 750 ㎛이다.
일부 구현예에 따르면, 레이저 빔은 직경(D)가 ≤0.5 mm인 기판 표면 상의 스폿(spot) 크기로 적어도 하나의 포커싱 구성요소(예컨대, 렌즈)에 의해 집중되고, 레이저 빔은 조사 시간(t) 동안 CO2 또는 CO 레이저로부터 방출되고, 여기서 조사 시간(t)은 약 0.1 ms 내지 약 500 ms이다. 일부 구현예에 따르면, d≤0.25 mm, 또는 d≤0.1 mm, 또는 d≤0.05 mm이다. 일부 구현예에 따르면, d≤0.25mm이고 조사 시간(t)은 약 0.1 ms 내지 약 250 ms이다. 일부 구현예에 따르면, 조사 시간은 0.1 ms ≤ t ≤ 25 ms, 예를 들어 0.1 ms ≤ t ≤ 5 ms, 또는 0.1 ms ≤ t ≤ 2.5 ms 범위이다.
적어도 일부 구현예에 따르면, 제2 (즉, 추가) 레이저 빔은 기판의 지정된 부분의 국부적 가열을 제공하기 위해 활용된다.
일부 구현예에 따르면, 개별 구역 가열 레이저가 기판의 지정된 부분의 국부적 가열을 제공하도록 활용되는 경우, 개별 구역 가열 레이저는 예를 들어, 폭의 100 ㎛ 내지 약 12000 ㎛ 사이, 일부 구현예에 따라, 500 ㎛ 내지 약 12000 ㎛ 사이 또는 1000 ㎛ 내지 12000 ㎛ 사이의 기판의 구역(또는 영역)을 예열한다. 일부 구현예에 따라, 개별 구역 가열 레이저는 홀 형성 이전 및 홀 형성 도중 기판을 가열하기 위해, 기판 상에 디포커싱된 레이저 빔을 제공하도록 광학 구성요소(예컨대, 디포커싱 렌즈)와 함께 사용된다.
본 개시의 한 구현예는 적어도 d(㎛)의 깊이를 갖는 적어도 하나의 홀을 갖는 취성 기판을 만드는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은:
(i) 기판의 적어도 하나의 가열된 구역을 형성하기 위해, 기판의 적어도 일부를 어닐링점보다 높고 연화점보다 낮은 온도(Tp)로 적어도 깊이 (d)까지 가열하는 단계(가열된 구역은 전체 기판 또는 기판의 일부만을 포함할 수 있다);
(ii) 기판에 적어도 하나의 홀을 형성하기 위해 IR 레이저로부터 방출된 레이저 빔으로 기판의 가열된 구역의 적어도 일부를 조사하는 단계;를 포함하고,
여기서 레이저 빔은 광학 시스템에 의해 집중된 후 기판으로 전달되고; 상기 가열 단계는 기판에 홀을 형성하는 동안 홀 주위에 응력 완화 및/또는 과도(transient) 및 잔류 응력의 감소를 제공한다.
바람직하게는 가열 단계는 기판의 홀 형성 이전과 기판의 홀 형성 동안, 그리고 기판의 차후 냉각 동안 홀 위치 주위의 응력 완화 및/또는 과도 및 잔류 응력을 제공한다.
적어도 일부 구현예에 따르면, 기판의 일부의 국부적 가열을 제공하기 위해 제2 레이저 빔이 활용된다.
다른 구현예는 적어도 하나의 기판 표면을 갖는 취성 기판에 d(㎛)의 깊이를 갖는 홀을 형성하기 위한 장치에 관한 것으로, 상기 장치는:
홀 형성 이전에 기판을 예열하도록 구성된 가열기;
레이저 빔을 제공할 수 있는 레이저;
레이저 빔을 기판으로 집중시키도록 구성된 적어도 하나의 광학 구성요소, 기판에 홀을 형성하기 충분한 조사 시간(t) 동안 예열된 기판이 집중된 레이저 빔으로 조사되도록 렌즈는 집중된 레이저 빔을 형성함;을 포함한다.
일부 구현예에 따르면, 장치는 상기 적어도 하나의 기판 표면 상에 잔해(debris)의 증착(deposition)을 방지하는 가열된 가스 유동에 의해 홀 형성 동안 발생된 잔해로부터 상기 적어도 하나의 기판 표면이 보호되도록 구성된다.
일부 구현예들에 따르면, 장치는 기판 표면 중 적어도 하나에서 또는 그에 인접하여 가열된 가스 유동을 제공하도록 구성된 구성요소를 더 포함하여, 기판 표면 상의 잔해의 증착을 방지하거나 최소화한다.
예를 들어, 일 구현예는 취성 기판에 d(㎛)의 깊이를 갖는 홀을 형성하기 위한 장치에 관한 것으로, 상기 장치는:
(i) 홀 형성 전에 기판을 예열하기 위한 가열기, 상기 가열기는 적외선 비간섭성 가열기 또는 적외선 개별(구역) 가열 레이저를 포함함;
(ii) 펄스 레이저 빔을 방출하도록 구성된 레이저;
(iii) 펄스 레이저 빔을 기판으로 집중시키도록 구성된 적어도 하나의 광학 구성요소, 여기서 기판은, 단일 펄스에 의해 또는 다중 펄스에 의해, 조사 시간(t)(msec) 동안 동일한 위치(즉, 500 ℃ 초과 및 1500 ℃ 미만, 예컨대 600 ℃ 초과 및 1000 ℃ 미만)에서 펄스 레이저 빔으로 조사되고, 펄스 레이저 빔은 기판에 홀을 형성함;를 포함하고,
장치는 적어도 하나의 기판 표면 상에 입자의 증착을 방지하기 위해 가열된 가스 유동을 사용함으로써 홀 형성 동안 발생된 잔해로부터 적어도 하나의 기판 표면이 보호되도록 구성된다.
일부 구현예에 따르면, 장치는 기판의 표면을 가로질러 레이저 빔을 스캔하도록 구성된 레이저 빔 스캐너(laser beam scanner)를 더 포함한다.
일부 구현예에 따르면, 장치는 홀 형성 동안 예열된 기판을 지지하도록 구성된 스테이지(stage)를 포함한다. 일부 구현예에 따르면, 스테이지는 가열된 기판과 레이저 빔이 서로에 대해 이동하는 동안 가열된 기판을 지지할 수 있다. 일부 구현예에 따르면, 스테이지는 X-Y 방향으로 이동 가능하도록 구성된다.
예를 들어, 일 구현예는 취성 기판에 d(㎛)의 깊이를 갖는 홀을 형성하기 위한 장치에 관한 것으로, 상기 장치는:
홀 형성 이전에 기판을 예열하도록 구성된 가열기;
레이저 빔을 제공할 수 있는 레이저;
기판으로 레이저 빔을 집중시키도록 구성된 적어도 하나의 광학 구성요소, 단일 또는 다중 레이저 펄스에 의해 조사 시간(t)(msec) 동안 집중된 레이저 빔으로 예열된 기판이 조사되도록 상기 적어도 하나의 광학 구성요소는 집중된 레이저 빔을 형성하고, 집중된 레이저 빔은 취성 기판에 홀을 형성할 수 있으며, 장치는 기판 표면이 기판 표면 상에 잔해의 증착을 방지하는 가열된 가스 유동을 통해 홀 형성 동안 발생된 잔해로부터 보호되도록 구성됨;를 포함한다.
또 다른 구현예는 취성 기판에 d(㎛) 이상의 깊이를 갖는 홀을 형성하기 위한 장치에 관한 것으로, 상기 기판은 다중 표면을 가지며, 상기 장치는:
홀 형성 이전에 기판을 예열하기 위한 가열기; 및
예열된 기판 상으로 레이저 빔을 집중시키도록 구성된 적어도 하나의 렌즈;를 포함하고,
여기서 취성 기판은 단일 또는 다중 펄스에 의해 조사 시간(t)(msec) 동안 레이저 빔으로 조사되고, 상기 레이저 빔은 상기 취성 기판에 홀을 형성하고,
여기서 기판 표면은 기판 표면 상에 잔해의 증착을 방지하기 위해 가열된 가스 유동을 통해 홀 형성 동안 발생된 잔해로부터 보호된다.
일부 구현예에 따르면, 기판을 예열하기 위한 가열기는 노(furnace)이다. 일부 구현예에 따르면 기판을 예열하기 위한 가열기는 IR (적외선) 레이저이다.
일부 구현예에 따르면, 가열기는 적외선 비간섭성 가열기, 또는 적외선 개별 구역 가열 레이저를 포함하거나, 펄스 레이저 빔을 방출하도록 구성된 레이저를 포함한다. 개별 구역 가열 레이저가 활용되는 경우, 개별 구역 가열 레이저 는, 예를 들어, 폭이 100 ㎛ 내지 약 12000 ㎛ 사이인, 폭이 500 ㎛ 내지 약 1200 ㎛ 사이인, 또는 폭이 1000 ㎛ 내지 12000 ㎛ 사이인, 또는 폭(또는 직경)이 1000 ㎛ 내지 약 10000 ㎛ 사이인 기판의 구역을 예열할 수 있다.
일부 구현예에 따르면, 홀은 깊이 (d)를 갖고, 10 ㎛ ≤ d를 갖는다. 일부 구현예에 따르면, 홀은 깊이 (d)를 가지며, 10 ㎛ ≤ d ≤ 5000 ㎛이다. 일부 구현예에 따르면, 30 ㎛ ≤ d ≤ 5000 ㎛이다.
일부 구현예에 따르면, 홀 직경은 ≤ 1000 ㎛이고 일부 구현예에서는 ≤ 500 ㎛, 또는 ≤ 250 ㎛, 또는 ≤ 100 ㎛, 또는 ≤ 50 ㎛이다. 일부 구현예에 따르면, 홀 직경은 약 30 ㎛ 내지 500 ㎛, 예를 들어 30 ㎛ 내지 100 ㎛이다. 일부 구현예에 따르면, 홀 직경은 입구 홀 직경이다. 일부 구현예에 따르면, 입구 홀 직경은 입사 레이저 빔이 (포커싱 구성요소(들)에 의해) 기판의 표면 상에 집중되는 위치에서의 홀의 직경이다(그리고 기판 표면 상에 직경(D)을 가진 기판 표면 상에 스폿을 형성한다).
본원에 개시된 방법 및 장치의 구현예는 공통적인 어블레이션-기반 레이저 홀 형성 방법과 관련된 드릴링 공정 동안의 균열 형성 문제를 바람직하게 해결한다. 또한, 본원에 개시된 방법 및 장치의 구현예는 형성된 홀 및 홀에 인접하고 이를 둘러싸는 영역의 품질을 바람직하게 개선하여, 기판 강도를 유지할 수 있게 한다. 더욱이, 방법 및 장치의 구현예는 바람직하게는 후-드릴링(post-drilling) 처리 공정 시간의 감소, 예를 들어 에칭 기간의 감소(필요하다면), 또는 심지어 에칭의 필요성의 완전한 제거를 초래한다. 방법 및 장치의 구현예는 빠르고 높은 처리량의 레이저 홀 형성 공정을 가능하게 하면서, 저렴한 CO2 레이저를 활용할 수 있다.
본원에 설명된 구현예는 다중 홀을 포함하는 패널 구성요소를 제조할 때 비용 및 제조 시간을 바람직하게 감소시킨다.
부가적인 특색 및 장점은 하기의 상세한 설명에서 서술될 것이고, 부분적으로 하기 상세한 설명으로부터 기술분야의 당업자에게 명백하거나, 또는 하기 상세한 설명, 청구범위뿐만 아니라 첨부된 도면을 포함하는, 여기에 기재된 구현예를 실행시켜 용이하게 인지될 것이다.
전술한 일반적인 설명과 다음의 상세한 설명은 모두 단지 예시일 뿐이며, 청구범위의 본질 및 특징을 이해하기 위한 개요 또는 틀거리를 제공하도록 의도된 것으로 이해될 것이다.
수반되는 도면은 또 다른 이해를 제공하기 위해 포함되고, 본 명세서에 혼입되며, 본 명세서의 일부를 구성한다. 도면은 본 개시의 다양한 구현 예를 예시하고, 상세한 설명과 함께 본 개시의 원리 및 작동을 설명하는 역할을 한다.
도 1은 일 구현예에 따른 취성 기판에 레이저 홀 형성을 위한 장치의 개략적 인 단면도이다.
도 2는 취성 기판에 레이저 홀 형성을 위한 다른 구현예 장치의 개략적인 단면도이다.
도 3은 취성 기판에 레이저 홀 형성을 위한 장치의 제3 구현예의 개략도이다.
도 4a는 비교 방법에 의해 상온에서 유리 기판에 형성된 레이저 드릴링된 홀의 비교 실시예를 나타내고, 홀 주위에 "아크(arc)" 균열의 형성을 나타낸다.
도 4b는 도 4a에 상응하지만, 기판을 통해 전파되는 균열이 있는 레이저 드릴링된 홀의 비교 실시예를 나타낸다.
도 4c는 본원에 설명된 방법의 일 구현예를 활용하여, 유리 기판이 어닐링점보다 높은 온도까지 가열된 후 유리 기판에 홀이 형성되었을 때, "아크" 크랙이 형성되지 않은 예시적인 드릴링된 홀을 나타낸다.
도 5a는 비교 방법에 의해 상온에서 다른 유리 기판에 형성된 레이저 드릴링된 홀의 비교 실시예를 나타내고, 또한 홀 주위에 "아크(arc)" 균열의 형성을 나타낸다.
도 5b는 본원에 설명된 방법의 구현예들 중 하나를 활용하여, 유리 기판이 어닐링점보다 높은 온도까지 가열된 후 유리 기판에 형성된 예시적인 레이저 드릴링된 홀을 나타낸다.
도 6은 본원에 설명된 방법의 구현예들 중 하나를 활용하여, 유리-세라믹 기판이 어닐링점보다 높은 온도까지 가열된 후 유리-세라믹에 만들어진 레이저 드릴링된 홀의 실시예를 나타낸다.
얇은(즉, < 5 mm 두께) 취성 기판(예컨대, 유리-세라믹 기판, 세라믹 기판, 또는 예를 들어 산화물 기반 유리와 같은 유리 기판)의 강도는 기판 표면의 결함 및 흠으로 인해 이론상 강도보다 훨씬 낮을 수 있다. 이러한 결함 및 흠은 홀을 포함하지 않는 기판 재료에 비해 10 - 100배 응력을 집중시킬 수 있다. 이는 재료의 파손 임계값을 낮추고, 기판 파단으로 이어진다. 일단 집중되면, 응력은 원자 결합을 깨뜨릴 수 있는 수준에 도달하고 기판에서 파손은 시작된다. 취성 재료에 레이저 지원에 의해 홀을 형성하는 동안, 응력이 기판 재료(표면 및 홀에 직접 인접한 구역 포함)에 집중되어, 취성 재료의 바람직하지 않은 균열을 유발할 수 있다. 취성 재료는 현저한 소성 변형 없이 응력 하에서 파단되거나 균열이 생기는 재료이다. 취성 재료는, 예를 들어, 유리, 유리-세라믹, 또는 세라믹일 수 있다. 따라서, 홀 형성 동안 기판 재료의 응력을 최소화하는 것이 중요하다.
출원인은 놀랍게도 온도(Tp)가 1500 ℃ 미만이지만 500 ℃를 초과하도록 온도(Tp)로 기판을 가열하면 홀 형성 동안(예컨대, 레이저 드릴링 및/또는 어블레이션(ablation)를 통해) 상당하고 빠른 과도 응력 완화가 발생하고 이러한 응력 완화는 특히 이러한 홀 형성 동안 취성 기판의 홀 주위의 균열 형성을 억제한다는 것을 발견했다. 본원에 설명된 방법 및 장치의 일부 구현예는 취성 재료로 만들어진 기판에 홀을 형성하는 펄스 레이저 빔을 활용하는 반면, 기판은 600 ℃를 넘지만 1000 ℃ 미만으로(예컨대, 600 ℃ 내지 850 ℃ 미만) 가열된다.
홀 형성 전에 기판 가열(예열)하고, 홀 형성 동안 기판 가열하고, 바람직하게는 홀 형성 이후 적어도 1 내지 30분 동안 기판을 가열하거나 또는 기판의 온도를 500 ℃를 넘지만 1500 ℃ 미만으로(또는 예를 들어 600 ℃ 초과 1000 ℃ 미만의 온도(Tp)로) 유지하는 것은 취성 기판의 홀 주위의 균형 형성을 억제한다. 선택된 온도(Tp)는 취성 기판의 특정 조성에 기초하여 표시된 범위(즉, 500 ℃ 초과 및 1500 ℃ 미만) 내에서 선택된다.
예를 들어, 예열된 기판의 온도는 ≥ 600 ℃, ≥ 650 ℃, ≥ 700 ℃, ≥750 ℃, ≥ 800 ℃, ≥ 820 ℃, 또는 ≥ 840 ℃일 수 있다. 일부 구현예에 따르면, 예열된 기판의 온도는 예를 들어 500℃ 내지 1500℃, 500 ℃ 내지 1200 ℃ 또는 500 ℃ 내지 1000 ℃, 또는 600 ℃ 내지 900 ℃, 또는 600 ℃ 내지 845 ℃, 625 ℃ 내지 850 ℃, 625 ℃ 내지 830 ℃일 수 있다.
또한, 기판의 온도는 기판 재료의 연화점 온도보다 10 ℃ 내지 50 ℃ 낮은 것이 바람직하며, 이는 온도 범위 내에서는 낮은 온도보다 응력 완화가 더 빨리 일어나기 때문이다.
출원인은 놀랍게도, 기판의 연화점 온도보다 낮게(예컨대, 연화점 온도보다 10 ℃ 내지 50 ℃, 또는 10 ℃ 내지 30 ℃, 또는 10 ℃ 내지 15 ℃ 미만) 기판을 가열하는 것은 홀 형성 동안(예컨대, 드릴링 및/또는 어블레이션을 통해) 상당하고 빠른 과도 응력 완화를 야기하고 이러한 응력 완화는 특히 이러한 홀 형성 동안 취성 기판의 홀 주위의 균열 형성을 억제한다는 것을 발견했다. 본원에 설명된 방법의 일부 구현예는 취성 재료로 만들어진 기판에 홀을 형성하는 펄스 레이저 빔을 활용하는 반면, 기판은 유리 어닐링점보다 높지만(바람직하게는 예를 들어, 어닐링점 온도보다 적어도 10 ℃, 적어도 15 ℃, 적어도 20 ℃, 적어도 25 ℃, 적어도 30 ℃, 적어도 35 ℃, 적어도 40 ℃, 또는 적어도 50 ℃까지 높게), 기판 재료(예컨대, 유리)의 연화점 온도 미만(바람직하게 적어도 10-15 ℃ 미만)으로 가열된다. 취성 기판이 레이저 지원에 의해 홀을 형성하는 동안 어닐링점 온도보다 적어도 10 ℃ 높지만 연화점 온도보다 적어도 10 ℃ 낮은 온도에 있을 때, 홀 형성 동안 또는 직후에 현저한 균열 형성이 관찰되지 않았다.
본원에 규정된 바와 같이, 기판 재료의 연화점 온도(본원에서 연화 온도로도 지칭됨)는 107.6 포아즈(Poise)의 재료 점도에 상응하는 온도이다. 본원에 규정된 바와 같이, 재료의 어닐링점 온도(본원에서 어닐링 온도로도 지칭됨)는 1013.4 포아즈의 재료 점도에 상응하는 온도이다. 상이한 기판은 상이한 어닐링점 온도 및/또는 상이한 연화점 온도를 가질 수 있으며, 이는 기판 재료의 특정 조성에 의존한다는 점에 유의한다.
따라서, 출원인은 놀랍게도, 취성 기판을 어닐링 온도로 또는 그보다 더 크게 그리고 연화점 온도보다 낮게 가열하는 것은 홀 형성 동안(예컨대, 레이저 드릴링 및/또는 어블레이션을 통해) 상당하고 빠른 과도 응력 완화를 야기하고 이러한 응력 완화는 특히 이러한 홀 형성 동안 취성 기판의 홀 중위의 균열 형성을 억제한다는 것을 발견했다. 홀 형성 이전 기판을 가열(예열)하고, 홀 형성 동안 기판을 가열하고, 바람직하게는 기판의 온도가 연화점 온도와 어닐링 온도 이상의 사이에 있도록 적어도 1 내지 30분 동안 기판을 가열하거나 또는 기판의 온도를 유지시키는 것은 취성(예컨대, 유리) 기판의 홀 주위에 균열 형성을 억제한다. 상이한 기판 재료는 기판 재료의 특정 조성에 의존하는 상이한 어닐링점 온도 및/또는 상이한 연화점 온도를 가질 수 있음을 유의한다.
유사하게, 연화점 온도 미만으로 기판을 가열하는 것은(예컨대, 기판 재료의 연화점 온도보다 50 ℃ 내지 10 ℃ 낮고, 바람직하게는 연화점 온도보다 30 ℃ 내지 10 ℃ 낮음) 홀 형성 동안 상당하고 빠른 과도 응력 완화(예컨대, 레이저 드릴링 및/또는 어블레이션을 통해)를 야기하고 이러한 응력 완화는 취성 기판의 홀 주위에 균열 형성을 억제한다.
홀 형성 전 기판의 가열(예열), 홀 형성 동안 기판 가열, 바람직하게는 기판의 온도가 연화점 온도와 어닐링 온도 이상의 사이에 있도록 홀 형성 후 적어도 1 내지 25분 동안 기판을 가열하거나 또는 기판 온도를 유지하는 것은 취성(예컨대, 유리) 기판의 홀 주위의 균열 형성을 억제한다.
보다 구체적으로, 예열은 홀 형성 전에 기판 재료의 고유 응력을 감소시킨다. 이후, 홀 형성 동안, 과도 응력은 기판 재료로 유도되지만, 과도 응력은 홀 형성 동안 기판의 예열 및/또는 가열에 의해 크게 감소된다. 홀 형성 동안 기판의 예열 및/또는 가열 없이, 과도 응력(들)은 홀 주위에 균열(예컨대, 아크 균열(arc cracking))을 야기할 것이다.
홀 형성 후 홀을 둘러싸는 구역에는 기판 재료(예컨대, 유리)의 잔류 응력이 여전히 존재하므로, 기판, 또는 홀 주위의 구역을 (i) 연화점 온도보다 100 ℃ 이상(바람직하게는 50 ℃ 이상, 바람직하게는 10 ℃ 내지 30 ℃, 가장 바람직하게는 10 ℃ 내지 15 ℃) 미만으로 (및/또는 연화점 온도 미만 및 어닐링점 온도 초과) 유지하는 것은 추가 균열 형성을 막는 것을 돕는다.
다양한 구현예가 하기 구현예에 의해 더 명확해질 것이다.
실시예 1.
도 1은 취성 재료로 만들어진 예열된 기판(190)에 레이저를 이용하여, d(㎛) 이상의 깊이로 홀을 형성하는 홀 형성 장치(100)의 일 구현예를 개략적으로 보여준다. 기판(190)은, 예를 들어, 유리 기판, 유리 세라믹 기판, 또는 세라믹 기판일 수 있다. 기판(190)은, 예를 들어, 약 0.01 mm(10 ㎛)와 약 5 mm(5000 ㎛) 사이, 또는 0.03 mm(30 ㎛)와 약 5 mm(5000 ㎛) 사이의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 기판 두께는 약 0.5 mm(500 ㎛) 내지 약 2 또는 3 mm(2000 ㎛ 또는 3000 ㎛)일 수 있다.
더 구체적으로, 이 구현예는 레이저 빔(113)이 기판(들)(190)에 홀을 형성하는 데 활용되기 전에, 열원(125), 예를 들어 가열기(들)(125') 또는 노(furnace)(125")를 활용하여 요구되는 처리 온도(Tp)로 하나 이상의 유리 또는 유리-세라믹 기판(190)을 예열한다. 이 구현예에서, 열원(125)은 전체 기판(190)을 적어도 깊이 (d)로 온도(Tp)로 가열한다. 깊이 (d)는 예를 들어 10 ㎛ 이상일 수 있다. 일부 구현예에 따르면, 10 ㎛ ≤ d ≤ 5000 ㎛이다. 일부 구현예에 따르면, 30 ㎛ ≤ d ≤ 5000 ㎛이다.
온도(Tp)는 바람직하게는 기판 재료의 연화점 온도 미만(예컨대, 10 ℃ - 15 ℃ 만큼)이고, 바람직하게는 어닐링점 온도(예컨대, 적어도 10 ℃ - 15 ℃ 만큼)보다 높다. 예를 들어, 온도(Tp)는 기판(190)의 유리 어닐링점보다 높을 수 있지만(적어도 10 - 15 ℃ 만큼), 유리 연화점 온도보다 낮을 수 있다(적어도 10 - 15 ℃ 만큼). 예를 들어, 온도(Tp)는 상이한 유리 조성에 대해 ≥ 600℃, ≥ 650℃, ≥ 700 ℃, ≥ 750 ℃, ≥ 800 ℃, ≥ 820 ℃, 또는 ≥ 840 ℃일 수 있다. 온도(Tp)는 예를 들어, 1500 ℃ ≥ Tp ≥ 500 ℃, 또는 1200 ℃ ≥ Tp ≥ 500 ℃, 또는 1000 ℃ ≥ Tp ≥ 500 ℃, 또는 900 ℃ ≥ Tp ≥ 600 ℃, 또는 845 ℃ ≥ Tp ≥ 600 ℃일 수 있다.
IR(적외선) 가열기(125'), 예를 들어 노 또는 다른 가열기를 사용하여 전체 기판을 가열하면 전체 기판(190)의 충분하게 균일한 가열(예컨대, 전체 가열된 구역에 대해, 적어도 20 ℃ 이내의 온도 균일도, 바람직하게는 10 ℃ 이내)이 가능하다. 온도 제어 유닛(127)은, 예를 들어, 기판(190)의 온도를 측정하고 원하는 온도(Tp)에 도달하기 위해 기판을 위한 적절한 양만큼 열원(125)의 온도(예컨대, IR 가열기(125))를 조절하기 위해 활용될 수 있다. 노가 IR 가열기(125)로 활용되는 경우, 온도 제어 유닛(127)은 노의 내부 온도를 모니터하고(monitor), 적절하게 온도를 조정할 수 있다.
그러나, 일부 구현예에서, 기판(190)의 적어도 하나의 부분(190A)은 홀 형성 전에 가열(예열)된다.
전체 기판(기판의 적어도 하나의 부분)이 온도(Tp)로 예열된 후, 기판의 가열된 부분 또는 구역의 홀이 하나 이상의 레이저 빔(113)에 의해 형성된다. 보다 구체적으로, 도 1 에 나타낸 홀 형성 장치(100)는 적어도 하나의 레이저(110), 포커싱(focusing) 광학 구성요소, 및 스테이지(160)를 포함하는 광학 시스템(115)을 포함한다. 레이저(110)는 예를 들어, CO2 레이저일 수 있다. 이 구현예에서, 레이저(110)는 펄스 레이저이고, 바람직하게는 버스트 펄스 레이저(burst pulse laser)이다. 레이저(110)는 레이저 빔(113)을 광학 시스템(115)으로 제공한다. 본원에 설명된 구현예에서, 레이저(110)는 IR(적외선) 레이저이고, 약 5 ㎛와 약 11 ㎛ 사이의 레이저 파장을 갖는다. 레이저 빔(113)의 파장은, 예를 들어, 5 ㎛ 내지 10.6 ㎛, 5 ㎛ 내지 9.6 ㎛, 또는 9.2 ㎛ 내지 9.8 ㎛ 범위일 수 있다. 일부 구현예에서, 레이저 빔(113)의 파장은 예를 들어, 5 ㎛, 9.2 ㎛, 9.6 ㎛, 10.6 ㎛, 또는 그 사이일 수 있다. 도 1의 구현예에서, 레이저 빔(113)은 기판의 표면을 가로질러 레이저 빔 스캐너(135)를 통해 스캔되므로, 레이저 빔(113)은 기판(190)에 다수의 홀(198)을 형성하기 위해 원하는 위치로 이동된다. 스캐너 제어기(145)는 레이저(예컨대, 레이저 제어기(147)를 통해) 및 스캐너(135)에 작동 가능하게 연결되고, 레이저(110) 및 레이저 빔 스캐너(135)를 작동하게 연결하여, 레이저 펄스는 원하는(미리 결정된) 홀 위치(196)에서 레이저 빔(113)에 의해 전달된다.
광학 시스템(115)의 포커싱 광학 구성요소(예컨대, 렌즈(150))는 기판(190)으로 미리 결정된 위치에서(즉, 조사 위치(196)에서) 레이저 빔(113) 을 집중시키는 역할을 한다. 스테이지(160)는 기판(190)을 지지하는 역할을 한다. 스테이지(160)는 X-Y 방향으로 이동될 수 있는 스테이지일 수 있다. 전술한 바와 같이, 기판(190)은 예를 들어, 유리 기판일 수 있다.
전술한 구성을 가진 제1 홀 형성 장치(100)를 이용하여 기판(190)에 홀을 형성하고자 하는 경우, 먼저 기판(190)을 스테이지(160) 위에 올려놓는다. 예를 들어, 기판(190)은 서로 대향하는 제1 표면(192) 및 제2 표면(194)을 갖는다. 기판(190)은 제2 표면(194)이 스테이지(160) 측 상에 있도록 스테이지(160) 상에 놓인다.
스테이지(160)는 유리, 유리-세라믹 또는 세라믹 기판(190)을 스테이지(160) 상의 요구되는 위치에 고정하기 위한 하나 이상의 구성요소를 가질 수 있다. 예를 들어, 스테이지(160)는 기판(190)이 스테이지(160) 상에 흡착되어 고정되는 흡착 메커니즘(suction mechanism)을 가질 수 있다. 전술한 구성을 갖는 스테이지(160)를 이용함으로써, 공정 중의 기판(190)의 위치 어긋남을 억제할 수 있다. 스테이지(160)는 기판에 대한 진공 흡입 또는 기계적 클램핑/지지 메커니즘으로 결합된 에어-베어링(air-bearing) 기능을 갖는 것이 바람직하며, 이는 홀 제조 공정 동안 스테이지와 기판 표면 사이에 에어 갭(air-gap)을 가능하게 한다.
다음으로, 레이저 빔(113)은 레이저(110)로부터 광학 시스템(115)으로 전달된다. 전술한 바와 같이, 광학 시스템(115)은 적어도 하나의 포커싱 렌즈(150)를 포함한다. 광학 시스템(115)은 레이저에 의해 제공되는 레이저 빔을 성형하고, 레이저 빔은 원하는 형상을 갖는 집중된 레이저 빔(113)으로서 포커싱 렌즈(150)를 빠져나간다. 포커싱 렌즈에서 나온 집중된 레이저 빔(113)은 특정 시간 기간(즉, 조사 시간(t)) 동안 기판(190)의 조사 위치(196)로 전달된다.
기판(190)이 예열된 후(즉, 기판 재료의 어닐링 온도보다 높지만 연화 온도보다 낮은 온도로 기판(190)을 가열하는 단계 후), 집중된 레이저 빔(133)은 조사 위치(196)에서 기판을 조사한다. 그 다음, 집중된 레이저 빔(133)은 조사 위치(196) 및 그 아래에서 기판 재료를 제거하여(ablate), 이들 영역에 존재하는 기판 재료를 제거한다. 전술한 작업에 따라, 예열된 기판(190)의 조사 위치(196)에 홀(198)이 형성된다.
도 1에 예시된 바와 같이, 기판(190)에 형성된 홀(198)은 관통 홀(through-hole)일 수 있다. 대안으로, 홀(198)은 비-관통 홀일 수 있다. 전술한 바와 같이, 기판(190)은 유리 기판, 유리 세라믹 기판 또는 세라믹 기판일 수 있다.
X-Y 평면에서 기판(190)의 표면을 가로질러 레이저 빔 스캐너(135)를 통해 포커싱된 레이저 빔을 스캔하고 동일한 동작을 수행함으로써, 복수의 홀(198)이 기판(190)에 형성될 수 있다. 대안으로, 스캐너를 사용하는 대신, 복수의 홀(198)은 X-Y 평면에서 스테이지(160)를 이동시키고 동일한 동작을 수행함으로써 기판(190)에 형성될 수 있다. X-Y 평면에 있도록 구성된 스테이지(160)는 또한 예를 들어 후술하는 실시예 2에서 활용된다.
몇몇 구현예에 따르면, 적어도 하나의 홀을 갖는 취성 기판(예컨대, 유리, 또는 유리-세라믹 기판)을 제조하는 방법은 다음의 두 단계를 포함한다:
(I) 기판(190)의 적어도 일부를 온도(Tp)까지 적어도 깊이 (d)까지 가열(예컨대, 예열)하는 단계. 일부 구현예에서, 기판은 유리-세라믹 기판이고 온도(Tp)는 기판(190)의 가열 구역을 형성하기 위해 500 ℃ 초과 1500℃ 미만이다. 몇몇 구현예에 따르면, 기판은 유리 또는 유리-세라믹 기판이고, 온도(Tp)는 500 ℃와 1200 ℃ 사이이다. 일부 구현예에 따르면, 기판은 유리 기판 또는 유리-세라믹 기판이고, 온도(Tp)는 600 ℃ 내지 1200 ℃, 또는 500 ℃ 내지 1000 ℃, 또는 500 ℃ 내지 1000 ℃, 또는 600 ℃ 내지 1000 ℃, 또는 600 ℃ 내지 900 ℃이다. 가열된 구역은 기판의 작은 부분 위에 있거나, 또는 전체 기판에 걸쳐 연장될 수 있다.
(II) IR 레이저(110)로부터 방출된 집중된 레이저 빔으로 기판(190)의 가열된 구역의 적어도 일부를 조사하여 예열된 기판(190)에 적어도 하나의 홀(198)을 형성하는 단계, 여기서 가열된 구역을 조사하는 레이저 빔은 광학 시스템에 의해 집중된 후 기판으로 전달된다.
일부 구현예에 따르면, 적어도 하나의 홀을 갖는 취성 기판(예컨대, 유리 기판)의 제조 방법은 다음의 두 단계를 포함한다:
(I) 기판(190)의 가열된 구역을 형성하기 위해 유리 연화점 아래의 온도(Tp)까지 적어도 깊이 (d)까지 기판(190)의 적어도 일부를 가열(예컨대, 예열)하는 단계. 가열된 구역은 기판의 작은 부분 위에 있거나, 또는 전체 기판에 걸쳐 연장될 수 있다. 도 1의 구현예에서, 전체 기판은 IR 소스에 의해 가열되고;
(II) IR 레이저(110)로부터 방출된 집중된 레이저 빔으로 기판(190)의 가열된 구역의 적어도 일부를 조사하여 예열된 기판(190)에 적어도 하나의 홀(198)을 형성하는 단계, 여기서 레이저 빔은 광학 시스템에 의해 집중된 후 기판으로 전달된다.
일부 구현예에 따르면, 온도(Tp)는 기판의 연화점 온도보다 100 ℃ 내지 10 ℃ 낮다. 일부 구현예에 따르면, 온도(Tp)는 기판의 연화점 온도보다 50 ℃ 내지 10 ℃ 낮다. 일부 구현예에 따르면, 온도(Tp)는 기판의 연화점 온도보다 30 ℃ 내지 10 ℃ 낮다. 일부 구현예들에 따르면, 온도(Tp)는 기판의 연화점 온도보다 15 ℃ 내지 10 ℃ 낮다. 몇몇 구현예에 따르면, 기판은 유리 기판이고 온도(Tp)는 기판의 연화점 온도보다 10℃ 낮은 온도와 기판의 어닐링 온도보다 10℃ 높은 온도 사이이다.
본원에 기재된 구현예에 따르면, 적어도 하나의 홀을 갖는 취성 기판(예컨대, 유리 기판)의 제조 방법은 다음 단계를 포함한다:
(I) 기판(190)의 적어도 일부를 유리 어닐링점 온도보다 높지만 유리 연화점 온도보다 낮은 온도(Tp)까지 적어도 깊이 (d)까지 가열(예컨대, 예열)하여 기판(190)의 가열된 구역을 형성하는 단계. 가열된 구역은 기판의 작은 부분 위에 있거나, 전체 기판에 걸쳐 연장될 수 있다. (도 1의 구현예에서, 전체 기판은 IR 소스(source)에 의해 가열된다.)
(II) IR 레이저(110)로부터 방출된 집중된 레이저 빔으로 기판(190)의 가열된 구역의 적어도 일부를 조사하여 예열된 기판(190)에 적어도 하나의 홀(198)을 형성하는 단계, 여기서 레이저 빔은 광학 시스템에 의해 집중된 후 기판으로 전달된다.
가열 단계는 응력 완화, 즉, 기판의 홀의 형성 전에 그리고 홀의 형성 동안 홀 위치(즉, 조사 위치(196))에서 및/또는 그 주위에 기판 재료의 과도 및/또는 잔류 응력의 감소를 제공한다. 홀(198)의 형성 직후 기판에 존재하는 잔류 응력을 추가로 최소화하기 위해 기판 재료의 어닐링점 온도 이상에서 기판이 유지되어(예컨대, 1-30분, 1-25분, 바람직하게는 5-20분 동안), 기판 재료 내에(예컨대, 유리 내에) 균열 형성을 감소하거나 제거하는 것이 바람직하다. 결과적인 홀(198)은 기판의 두께와 동일하거나(관통 홀의 경우) 기판 두께보다 작은("블라인드(blind)" 홀의 경우) 깊이 (d)를 갖는다. 홀 깊이 (d)는 예를 들어, 30 ㎛ 내지 5000 ㎛ (5 mm), 예를 들어 30 ㎛ 내지 3000 ㎛(3 mm)일 수 있다.
집중된 레이저 빔(133)은 기판 표면 상의 스폿을 조사하므로, 기판 표면 상의 레이저 빔 스폿은 바람직하게 ≤ 0.5 mm의 스폿 직경(D)을 갖는다. 예를 들어, 일부 구현예에서, 가열된 기판은 조사 시간 t(ms) 동안 CO2 또는 CO 레이저로부터 방출된 레이저 빔으로 조사되어, 기판에 홀(198)을 형성하고, 여기서 조사 시간(t)은 약 0.1 ms 내지 약 500 ms의 범위이다.
예를 들어, 레이저 빔(113)은 광학 시스템을 향하는 기판 표면 상에 스폿(원하는 스폿 크기를 가진)으로 광학 시스템의 포커싱 광학 구성요소에 의해 집중되어, 기판의 표면 상에 빔 직경(스폿 직경)(D)은 ≤0.5 mm를 충족시킨다; 여기서, 레이저 빔(113)은 조사 시간(t) 동안 CO2 또는 CO 레이저(110)로부터 방출되고, 조사 시간(t)은 약 0.1 ms 내지 약 500 ms이다.
일부 구현예에 따르면, 스폿 직경(D)은 D ≤ 0.25mm이다. 일부 구현예에 따르면 D ≤ 0.1 mm, 예를 들어 D ≤ 0.05 mm이다. 일부 구현예에 따르면, D ≤ 0.25mm이고, 조사 시간(t)(기판의 동일한 지점/위치에서)은 0.1 ms 내지 250 ms 범위에 있다. 일부 구현예에 따르면, 조사 시간(t)(기판의 동일한 지점에서)은 0.1 내지 25 ms 또는 0.1 내지 2.5 ms 범위이다.
구현예들에 따르면, 홀(들)(198)을 형성하기 위해, 집중된 레이저 빔(133)은 Pd =P0/S로 규정되는 출력 밀도(Pd)(W/cm2)를 가지며,
여기서 P0 및 S는 각각 기판 표면 상의 집중된 레이저 빔(133)의 출력 및 빔 단면적이다. 일부 구현예에서 Pd≥0.7 kW/cm2 이다. 바람직하게는, 출력 밀도는 더 높고, 예컨대, Pd ≥ 1kW/cm2이며, 보다 바람직하게 는 Pd ≥ 5kW/cm2, (예를 들어, 5kW/cm2 - 5000kW/cm2)이다. 본원에 설명된 높은 출력 밀도는 우수한 어블레이션 결과를 가져오고, 양질의 홀을 제공한다. 전술한 바와 같이, 기판 가열 단계는 레이저 빔 조사에 의해 기판(190)에 홀(198)을 형성하는 동안 홀 주위에 과도 및 잔류 응력 완화(즉, 응력 감소)를 제공하여, 균열 최소화 또는 제거를 초래한다. 또한, 레이저 지원에 의한(laser-assisted) 홀 형성 전에 기판(190)을 재가열하고 홀 형성 직후 일정 기간(예컨대, 1분 내지 20분, 또는 5분 내지 20분) 동안 기판을 가열된 상태로 유지하는 것은 또한 바람직하지 않은 균열 형성을 최소화하거나 제거한다.
이 예시적인 구현예는 바람직하게는 10.6 ㎛의 파장에서, 바람직하게는 버스트 모드(burst mode)에서 포커싱된 CO2 레이저 조사에 의해 유도된, 유리(또는 유리-세라믹) 기판에 예를 들어 테이퍼진(tapered) 관통 홀을 만들기 위한 레이저 어블레이션 공정을 활용한다. 그러나, 약 5000 nm보다 긴 임의의 레이저 파장은 공정에 사용될 수 있다. 레이저 빔(113)은 목표 홀 직경(예컨대, 입구 홀 직경(Din), 출구 홀 직경(Dout) 또는 평균 홀 직경(Din + Dout)/2)을 형성하기 위해 요구되는 스폿 직경(D)을 가진 빔 스폿을 형성하는 집중된 레이저 빔(133)을 형성하기 위해 광학 시스템(115)에 의해 포커싱된다.
통상적으로, 스폿 직경(D)은 ≤ 0.5 mm(즉, ≤ 500 ㎛)로 설정된다. 그러나, 본원에 설명된 구현예들 중 일부에 따르면, 기판의 입사 표면에서 레이저 빔(113)의 스폿 직경(D)은 예를 들어 ≤0.25 mm(≤250 ㎛), ≤0.10 mm(≤100 ㎛), 또는 심지어 ≤ 0.05 mm(≤ 50㎛)일 수 있다. 일부 구현예에서, 20 ㎛ ≤ D ≤ 100 ㎛이다. 일부 구현예에서 20 ㎛ ≤ D ≤ 40 ㎛이다. 일부 구현예에서 30 ㎛ ≤ D ≤ 40 ㎛이다. 이것은 약 5 kW 내지 약 500 kW/cm2 또는 그 이상(예컨대, 약 50 kW/cm2 내지 약 500 kW/cm2, 또는 50 kW/cm2 내지 1000 kW/cm2, 또는 50 kW/cm2 내지 약 5000 kW/cm2)의 높은 출력 밀도, 펄스의 높은 피크 출력(약 400 W 까지) 및 약 0.1 ms 내지 약 5 ms의 버스트, 바람직하게 약 0.1 ms 내지 약 2.5 ms 버스트 내의 펄스 버스트 개별 펄스 지속시간 및 약 0.1 ms 내지 약 500 ms, 바람직하게 약 0.1 ms 내지 약 250 ms, 약 0.1 내지 약 25 ms, 또는 약 0.1 내지 약 2.5 ms 내의 각 단일 펄스 당 조사 시간으로 펄스의 제한된 수의 펄스(N)(예컨대, 약 1-100의 N)를 가능하게 한다. 버스트 지속 시간은 예를 들어 0.1 ms 내지 2000 ms(예컨대, 0.1 ms - 100 ms), 및 버스트 사이의 개별 펄스 사이의 기간은 예를 들어 5 ms, 10 ms, 20 ms, 또는 그 사이(예컨대, 25 % 내지 50 % 사용율(duty cycle))일 수 있다. 그러나, 전술한 바와 같이, 유리 두께에 따라, 여러 개의 단일 펄스가 펄스들 사이에서 연장된 간격으로(예컨대, ≥ 500 ms(≥ 0.5 s), ≥ 1000 ms(≥ 1 s), ≥2000 ms(≥2 s)) 발생될 때, 단일 펄스 작동 모드에서 작동하는 레이저를 활용할 수 있다.
전술한 효과에 따라, 원하는 깊이 (d)의 홀(198)은 균열의 발생이 제거되거나, 억제되거나, 또는 크게 감소된 상태에서 형성될 수 있다.
더욱이, 제1 제조 방법에서, 출력 밀도(Pd)(W/cm2)가 높지만, 가열에 의해 유도된 응력 완화로 인해 균열의 발생이 억제 또는 크게 감소될 수 있다.
이 구현예에서, 다수의 홀을 만들기 위해, 레이저 빔 스캐너(135)를 이용하여 홀의 위치 및 패턴을 제어하였다.
실시예 2.
도 2는 취성 재료로 만들어진 예열된 기판에 레이저로 깊이 (d)의 홀을 형성하는 홀 형성 장치(100)의 다른 구현예를 개략적으로 도시한다. 홀 깊이 (d)는 기판 두께와 같거나, 기판 두께보다 작을 수 있다.
전술한 바와 같이, 기판(190)은 예를 들어, 유리 기판 또는 유리 세라믹 기판일 수 있다. 기판은 예를 들어, 약 0.03 mm(30 ㎛) 내지 약 5 mm(5000 ㎛), 예를 들어 약 0.5 mm(500 ㎛) 내지 약 2 mm 또는 3 mm(2000 ㎛ 또는 3000 ㎛)의 두께를 가질 수 있다.
보다 구체적으로, 이 구현예는 미래의 홀 주변의 국부 예열을 활용한다. 국부 구역 예열은 예를 들어 원하는 홀 위치(들)에서 및 그 주위에서 기판의 레이저 조사(및 그에 따른 가열)를 사용함으로써 달성될 수 있다. 이러한 국소 구역 예열은 예를 들어 CO2 레이저에 의해 제공되는 디포커싱된(defocused), 제2 빔에 의해 구역을 조사함으로써 달성될 수 있다. 홀 위치 및 그 주위에서 기판의 국부 구역 예열은 홀 형성 공정 이전 및 도중에 홀 위치 주위의 응력 완화를 가능하게 한다. 기판의 경우, 기판 온도는 홀 형성 후 적어도 1 내지 30분, 예를 들어 1 내지 20분, 또는 5-25분(예컨대, 3분, 5분, 10분, 15분, 20분, 25분, 30분, 또는 그 사이) 동안 어닐링점 온도 초과 연화점 온도 미만(즉, 어닐링 범위 내)으로 유지되는 것이 바람직하다. 어닐링 범위 내의 온도가 높을수록, 기판의 유리 재료 내 응력 완화/응력 감소가 더 빨라진다.
도 2는 홀 형성을 위한 적어도 2개의 레이저 - 하나의 레이저(110)(제1 레이저(110)는 바람직하게는 버스트 모드에서 작동하는 펄스 레이저임), 국부 구역 예열을 위한 다른 레이저(110')(레이저(110')는 바람직하게는 긴-펄스 레이저(long-pulse laser) 또는 CW(연속파) 레이저임)를 활용하는 홀 형성 장치(100)를 예시한다. 즉, 이 예시적인 구현예에서, 제1 레이저(110)는 홀 형성에 활용되는(예컨대, 유리 드릴링, 또는 기판 재료 어블레이션) 제1 레이저 빔(113)을 제공한다. 제2 레이저(110')는 국부 구역 예열을 위해 사용되는 제2 레이저 빔(113')을 제공한다, 즉, 기판(190) 상에 가열된 구역(200)을 생성한다. 이 구현예에서, 각각의 레이저 빔의 위치는 서로에 대해 고정되고, 기판을 지지하는 스테이지(160)는 레이저 빔에 대해 X-Y 방향(화살표로 표시됨)으로 이동한다. 이 구현예에서, 광학 시스템(115)은 하나 이상의 홀(들)(198)을 형성하기 위해 기판(190) 상에 포커싱되는 집중된 레이저 빔(133)으로 레이저 빔(113)을 변환한다. 광학 시스템(115')은 예를 들어 하나 이상의 디포커싱 구성요소(150')를 통해 국부 구역 가열 또는 예열을 위해 기판(190) 상에 디포커싱된 레이저 빔(133')을 제공한다. 또한, 본 구현예에서는 레이저 빔(113)을 포커싱 렌즈(150)로 포커싱하기 전에 레이저 빔(113)을 연장시키기 위해 빔 확장기/시준기(150A, expander/collimator)가 레이저와 포커싱 렌즈(150) 사이에 사용되었다. 유사하게, 빔 확장기(150A')는 디포커싱 렌즈(들)(150')로 처리하기 전에 레이저 빔(113')을 연장하기 위해 레이저와 포커싱 렌즈(150') 사이에 사용되었다. 제2 레이저(110')의 레이저 빔 스폿 크기 및 빔 강도 프로파일은 예열 지속 시간(sec)과 함께 제어되어 과열 또는 과소 가열 없이, 홀 형성 전에 요구되는 기판 온도에 도달하기 위해 조사 위치(196)에서 및/또는 그 주위에서 기판 구역에 걸쳐 바람직하게 균일한 가열을 가능하게 한다. 빔 스폿 직경은 포커싱/디포커싱 광학기(optics)에 의해 제어될 수 있고, 평탄한 빔 강도 분포는 플랫-탑 강도 프로파일러(flat-top intensity profiler)(본원에서 또한 플랫 탑 빔 셰이퍼(flat top beam shaper)로도 지칭됨)에 의해 제공될 수 있다. 이러한 플랫 탑 강도 프로파일러는 상업적으로 이용 가능하며, 예를 들어 Edmund Scientific of Barrington, NJ, USA로부터 얻을 수 있다. 이러한 플랫 탑 강도 프로파일러는 변환 가우스 빔 프로파일을 플랫 탑 또는 균일 강도 빔 프로파일로 변환할 수 있다. 제1 레이저 빔(113) 및 제2 레이저 빔(113')의 활성화는 드릴링 전에 기판의 요구되는 온도를 달성할 수 있도록 이들 사이의 특정 지연과 동기화된다. 이 구현예에서, 기판 모션은 X-Y 모션 스테이지(160)에 결합된 모션 제어기(145')에 의해 활성화되어 원하는 홀 패턴에 따라 다중 홀의 형성(예컨대, 레이저 드릴링)을 가능하게 한다.
실시예 3.
도 3은 취성 재료로 만들어진 예열된 기판에서 레이저로 깊이 (d)의 홀을 형성하는 홀 형성 장치(100)의 다른 구현예를 개략적으로 나타내며, 여기서 (d)는 기판 두께와 동일하거나 기판 두께보다 작다. 제3 실시예는 2개의 레이저(110, 110')를 활용한다는 - 하나는 홀 형성(레이저(110))용이고, 다른 하나는 국부 구역 예열(레이저(110'))용 - 점에서 제2 실시예와 유사하다. 즉, 제2 레이저(110')는 기판 상에 가열된 구역(200)을 생성하고, 레이저(110)는 예열된 영역(200)에 홀(들)(198)을 형성하는 레이저 빔을 제공한다.
그러나, 이 구현예는 2개의 스캐너(135, 135')에 의해 동기화된 2개의 레이저(및 2개의 레이저 빔)를 사용하며, 이는 기판을 이동시키지 않고 기판 상의 홀의 위치 및 상응하는 패턴의 위치에 대한 제어를 가능하게 한다.
위에서 설명한 실시예 1-3에 상응하는 홀 형성 실험을 위해 10.6 ㎛의 파장에서 작동되는 Coherent Diamond J2 및/또는 Coherent Diamond E400 레이저를 사용했다. Coherent Diamond J2 레이저는 주로 홀 형성(홀 드릴링 및/또는 기판 재료 어블레이션)을 위한 레이저(110)로 사용되었으며, 통상적인 주파수 100 Hz 및 사용률(duty cycle) 25%의 버스트 모드에서 작동했다. 다른 주파수(≤200 kHz) 및 사용률(≤60 %)도 테스트 및 사용되었다. 버스트의 펄스 수(N)는 1 내지 100 또는 그 이상까지 변화한다. E400 레이저는 조사 위치(196)에 상응하는 구역에서 또는 그 인접한 구역에서 기판의 예열에 주로 사용되었지만, 더 두꺼운 기판(예컨대, 1 mm 내지 3 mm 두께 기판)에 홀(즉, 레이저(110))을 형성하는 데도 사용되었다. 기판 두께는 30 ㎛ 내지 3 mm까지 범위에서 변화되었다(그러나 최대 5 mm 두께를 갖는 기판에서 본원에 기재된 방법(들)에 의한 홀 형성도 수행될 수 있음). 광학 시스템(115)의 레이저 빔 처리 광학 구성요소(예컨대, 포커싱 렌즈(들)(150), 또는 필요하다면 디포커싱 렌즈(들))는 레이저 빔 시준 또는 연장을 위한 다수의 ZnSe 구면 및 비구면 렌즈를 포함하였다. 상이한 초점 거리를 가진 단일 구면 렌즈를 사용하거나, 네거티브 메니스커스(negative meniscus) 렌즈와 비구면 렌즈로 구성된 다중 렌즈 광학 시스템(115)을 사용하여, 기판 표면 상의 상이한 빔 스폿 직경을 달성하여, 유사한 초점 거리에서 더 작은 스폿 크기를 달성하게 한다. 또한, 빔 연장기/시준기(150A)는 레이저 빔 웨이스트(laser beam waist) 위치를 제어하고 빔 스폿 크기를 미세 조정하기 위해 레이저와 포커싱 렌즈(150) 사이에 사용되었다. 대안으로, 하나 이상의 반사 광학 구성요소를 포함하는 광학 시스템(115)은 또한 레이저 빔 변환, 성형, 및/또는 빔 크기 제어를 위해 사용될 수 있다. 예열 레이저 빔의 고른(즉, 균일한) 강도 분포를 가능하게 하기 위해 플랫 탑 빔 셰이퍼(flat-top beam shaper)가 가우스 레이저 빔 프로파일(Gaussian laser beam profile)을 플랫 탑 프로파일로 변환하는 데 사용되었다.
도 4a는 비교 방법에 의해 상온에서 유리 기판에 형성된 레이저 드릴링된 홀을 비교 실시예로 예시하고, 홀 주위에 "아크" 균열의 형성을 예시한다. 도 4b는 도 4a에 상응하는 레이저 드릴링된 홀의 비교 실시예를 예시하고, 기판을 통해 전파하는 도 4a에 나타낸 "아크" 균열에서 또는 그 부근에서 발생하는 후속 균열을 보여준다.
도 4c는 홀을 둘러싸는 "아크" 균열 형성이 없는 예시적인 레이저 형성 홀(198)을 예시한다. 이 홀은 유리 기판(190)이 본원에 설명된 방법의 구현예들 중 하나를 활용하여, 어닐링점 위의 온도(Tp)까지 가열된 후에 유리 기판에 형성되었다.
도 4a 및 도 4c에 나타낸 기판에 대한 유리 조성은 서로 동일하다. 홀의 형성은 동일한 레이저, 동일한 출력, 빔 스폿 및 펄스 지속 시간으로 수행되었다. 유일한 차이점은 도 4c에 나타낸 기판(190)이 유리 재료의 어닐링점보다 높은 온도(Tp)로 예열되었다는 것이다. 도 4c에 나타낸 구현예에서 온도(Tp)는 820 ℃이다.
도 5a는 비교 방법에 의해 상온에서 다른 유리 기판에 형성된 레이저 드릴링된 홀의 비교 실시예를 예시하고 있으며, 또한 홀 주위에 "아크" 균열이 형성되는 것을 예시한다. 도 5b는 본원에 설명된 방법의 구현예들 중 하나를 활용하여, 유리 기판이 어닐링점보다 높은 온도까지 가열된 후 유리 기판에 형성된 예시적인 레이저 드릴링된 홀을 예시한다. 도 5b에서 알 수 있는 바와 같이, 예열이 활용되었을 때, 홀을 둘러싸는 "아크" 균열 형성이 없다. 도 4b에 나타낸 것과 유사한 후속 균열은 홀 형성 후에 기판을 통해 전파되는 것으로 관찰되지 않았다.
도 5a 및 도 5b에 나타낸 기판에 대한 유리 조성은 서로 동일하다. 홀의 형성은 동일한 레이저, 동일한 출력, 빔 스폿 및 펄스 지속 시간으로 수행되었다. 유일한 차이점은 도 5b에 나타낸 기판(190)이 유리 기판 재료의 어닐링점보다 높은 온도(Tp)로 예열되었다는 것이다. 도 5b에 나타낸 구현예에서 온도(Tp)는 650 ℃이다.
위에서 설명한 방법은 유리-세라믹 기판에 홀을 형성하는 데 성공적으로 활용되었다. 이러한 유리 세라믹 기판 중 일부는 두께가 단지 0.05 mm에서 0.1 mm이다. 도 6은 본원에 설명된 방법의 구현예 중 하나를 활용하여, 유리-세라믹 기판이 연화점 온도 이하이지만 ≥ 500 ℃(예를 들어, ≥ 500 ℃ 또는 ≥ 600 ℃, 또는 ≥ 650 ℃, 또는 600 ℃ 내지 900 ℃, 또는 650 내지 850 ℃, 또는 700 ℃ 내지 800 ℃)의 온도까지 가열된 후 유리 - 세라믹 기판에 레이저 형성된 홀의 실시예를 예시한다. 이 도면에서 볼 수 있듯이, 홀을 둘러싼 "아크" 균열 형성은 없다. 도 4b에 도시된 것과 유사한 후속 균열은 홀 형성 후에 이 유리-세라믹 기판을 통해 전파되는 것으로 관찰되지 않는다.
일부 구현예에 따르면, 기판(190)에 (d)(㎛) 이상의 깊이를 갖는 홀을 형성하기 위한 장치(100)는:
홀 형성 전에 기판을 온도(Tp)로 예열하기 위한 가열기(125), 가열기는: 적외선 비간섭성 가열기, 또는 적외선 개별점(또는 개별 구역) 가열 레이저를 포함함;
펄스 레이저 빔을 방출하도록 구성된 레이저(110); 및
기판으로 펄스 레이저 빔을 집중시키도록 구성된 적어도 하나의 광학 구성요소, 여기서 예열된 기판(190)이 조사 시간(t) 동안(예를 들어, 단일 레이저 펄스 또는 다중 레이저 펄스에 의해) 펄스 및 집중된 레이저 빔(133)으로 조사될 때, 펄스 레이저 빔은 기판에 홀(198)을 형성한다. 일부 구현예에 따르면, 기판의 하나 이상의 표면은 기판 표면 상에 입자의 증착을 방지하기 위해 가열된 가스 유동을 사용함으로써, 홀 형성 동안(예컨대, 레이저 드릴링 및/또는 레이저 지원에 의한 기판 재료 어블레이션 동안) 발생된 잔해로부터 보호된다. 광학 구성요소(들)은 굴절 광학 구성요소, 반사 광학 구성요소, 또는 이들의 조합일 수 있다. 일부 구현예에 따르면, 레이저는 펄스 버스트 모드에서 작동하도록 구성된다. 일부 구현예에 따르면, 적어도 하나의 광학 구성요소는 펄스 레이저 빔을 기판(190)으로 집중하도록 구성된 포커싱 렌즈(150) 또는 다중 렌즈 조립체이다.
일부 구현예에 따르면, 장치는 기판 표면 중 적어도 하나에서 또는 이에 인접하여 가열된 가스 유동을 제공하도록 구성된 구성요소를 더 포함하고, 가열된 가스는 기판 표면 상의 잔해의 증착을 방지하거나 최소화한다. 일부 예시적인 구현예에 따르면, 가열된 가스(예컨대, 가열된 공기 또는 가열된 불활성 가스)는 적어도 30 ℃, 예를 들어 30 ℃ - 100 ℃의 온도를 갖는다.
전술한 바와 같이, 구현예에 따른 유리 기판을 위한 제조 방법 및 유리, 유리 세라믹 또는 세라믹 기판에 홀(198)을 형성하기 위한 장치는 도 1 내지 3을 참조하여 설명되었다. 그러나, 위의 설명은 단지 예시이며, 다른 구현예는 다른 구성으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 본원에 설명된 방법의 구현예는 유리 기판에 비-관통 홀을 형성하는 데 활용될 수 있다.
일부 구현예에 따르면, 홀(198)은 테이퍼진 홀이므로, 홀은 광학 시스템을 향하는 기판의 측면에서 입구 홀 직경(Din) 및 출구 홀 직경(Dout)(후방 측 직경)을 가지며, 입구 홀 직경이 출구 홀 직경보다 크다. 일부 구현예에 따르면, 출구 홀 직경에 대한 입구 홀 직경의 비율(R)은 1.1보다 크다. 일부 구현예에 따르면 출구 홀 직경에 대한 입구 홀 직경의 비율(R)은 1.2보다 크거나 또는 1.3보다 크거나 1.4 이상이다. 일부 구현예에 따르면, 출구 홀 직경에 대한 입구 홀 직경의 비율(R)은 적어도 3이다. 일부 구현예에 따르면 출구 홀 직경에 대한 입구 홀 직경의 비는 1.1과 3 사이이다. 일부 구현예에 따르면, 출구 홀 직경(Dout)에 대한 입구 홀 직경(Din)의 비율(R)은 1.3 내지 3 사이, 또는 1.3 내지 2.8이다. 일부 구현예에 따르면, 출구 홀 직경(Dout)에 대한 입구 홀 직경(Din)의 비율(R)은 1.4 내지 2.6이다.
별도로 언급이 없는 한, 여기에서 서술된 임의의 방법은 이의 단계들이 특정한 순서로 수행되는 것을 요구하는 것으로 해석되는 것으로 의도되지 않는다. 따라서, 방법이 이의 단계를 수반하는 순서를 사실상 열거하지 않거나, 또는 별도로 상기 단계들이 특정한 순서로 제한되는 것으로 청구범위 또는 상세한 설명에서 구체적으로 언급되지 않는 경우, 임의의 특정 순서로 추정되는 것으로 의도되지 않는다.
다양한 변형 및 변화가 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않고 만들어질 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 본 발명의 사상 및 물질을 혼입하는 개시된 구현예의 변형, 조합, 서브-조합 및 변화가 기술분야에서 당업자에게 일어날 수 있기 때문에, 본 발명은 첨부된 청구범위 및 이들의 균등물의 범주 내에 모든 것을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (35)

  1. 깊이 (d)(㎛)를 가진 적어도 하나의 홀을 가진 취성 기판을 만드는 방법으로서, 상기 방법은:
    (i) 기판의 가열된 구역을 형성하기 위해 500 ℃ 초과 및 1500 ℃ 미만의 온도(Tp)로 적어도 깊이 (d)까지 기판의 적어도 일부를 가열하는 단계; 및
    (ii) 취성 기판 내에 적어도 하나의 홀을 형성하기 위해 IR 레이저로부터 방출된 레이저 빔으로 취성 기판의 가열된 구역의 적어도 일부를 조사하는 단계;를 포함하는, 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 취성 기판은 유리, 유리-세라믹, 또는 세라믹 기판인, 방법.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    가열된 기판과 레이저 빔을 서로에 대해 이동시키는 동안 가열된 기판을 지지하는 단계를 더욱 포함하는, 방법.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    500 ℃ < Tp ≤ 900 ℃인, 방법.
  5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    레이저 빔은 Pd =P0/S로 정의되는 적어도 5kW/cm2의 출력 밀도(Pd)(W/cm2)를 가지며, 여기서 P0 및 S는 각각 기판 표면 상의 상기 레이저 빔의 출력 및 단면적인, 방법.
  6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
    가열 단계는: 온도(Tp)로 전체 기판을 가열하는 단계를 포함하고, 여기서 온도(Tp)는 기판 재료의 연화점 온도보다 적어도 10 ℃ 낮은, 방법.
  7. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    가열 단계는: 디포커싱된 펄스 레이저 빔 또는 CW 레이저 빔에 의해 상기 기판의 적어도 한 부분을 온도(Tp)로 가열하는 단계를 포함하는, 방법.
  8. 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
    레이저 빔은 포커싱 광학 구성요소에 의해 직경(D) ≤ 0.5 mm를 가진 스폿으로 기판 표면 상에 집중되며;
    레이저 빔은 각각의 조사 위치에서 조사 시간(t) 동안 CO2 또는 CO 레이저로부터 방출되며, 조사 시간(t)이 약 0.1 ms 내지 약 500 ms가 되는, 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    D ≤ 0.25 mm인, 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    D ≤ 0.1 mm인, 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    D ≤ 0.05 mm인, 방법.
  12. 청구항 8에 있어서,
    D ≤ 0.25 mm이며, 각각의 조사 위치에서 조사 시간(t)은 약 0.1 ms 내지 약 250 ms인, 방법.
  13. 청구항 8에 있어서,
    각각의 조사 위치에서 조사 시간(t)은 약 0.1 ms 내지 약 25 ms인, 방법.
  14. 청구항 8에 있어서,
    각각의 조사 위치에서 조사 시간(t)은 약 0.1 ms 내지 약 2.5 ms인, 방법.
  15. 청구항 1 내지 14 중 어느 한 항에 있어서,
    30 ㎛ ≤ d ≤ 5000 ㎛인, 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    홀 직경은 약 30 ㎛ 내지 500 ㎛인, 방법.
  17. 청구항 1 내지 16 중 어느 한 항에 있어서,
    IR 레이저는 버스트 모드에서 작동하는 펄스 레이저인, 방법.
  18. 청구항 1 내지 17 중 어느 한 항에 있어서,
    홀은 관통 홀인, 방법.
  19. 청구항 1 내지 18 중 어느 한 항에 있어서,
    홀은 테이퍼진 홀이고, 여기서 상기 홀은 입구 홀 직경과 출구 홀 직경을 가지며, 입구 홀 직경은 출구 홀 직경보다 큰, 방법.
  20. 청구항 19에 있어서,
    출구 홀 직경에 대한 입구 홀 직경의 비율은 적어도 1.1인, 방법.
  21. 청구항 20에 있어서,
    출구 홀 직경에 대한 입구 홀 직경의 비율은 1.3보다 큰, 방법.
  22. 청구항 20에 있어서,
    출구 홀 직경에 대한 입구 홀 직경의 비율은 1.4와 2.6 사이인, 방법.
  23. 청구항 1 내지 22 중 어느 한 항에 있어서,
    레이저 빔은 광학 시스템에 의해 집중된 후 기판으로 전달되고; 상기 가열 단계는 기판에서의 홀의 형성 이전 및 홀의 형성 동안 홀 위치 주위의 과도 응력 및/또는 잔류 응력의 응력 이완 또는 응력 감소를 제공하는, 방법.
  24. 적어도 하나의 기판 표면을 가진 유리, 유리 세라믹 또는 세라믹 기판에 홀을 형성하기 위한 장치는:
    사전 가열된 기판을 생성하기 위해, 홀 형성 이전 기판을 사전 가열하도록 구성된 가열기;
    레이저 빔을 제공할 수 있는 레이저; 및
    사전 가열된 기판으로 레이저에 의해 제공된 레이저 빔을 집중시키도록 구성된 적어도 하나의 광학 구성요소;를 포함하며, 상기 적어도 하나의 광학 구성요소는 집중된 레이저 빔을 형성하여 사전 가열된 기판이 기판 내에 홀을 형성하기 충분한 조사 시간(t) 동안 집중된 레이저 빔으로 조사되는, 장치.
  25. 청구항 24에 있어서,
    조사 시간은 약 0.1 ms 내지 약 250 ms인, 장치.
  26. 청구항 24 또는 25에 있어서,
    가열된 기판과 레이저 빔을 서로에 대해 이동시키는 동안 가열된 기판을 지지할 수 있는 스테이지(stage)를 더욱 포함하는, 장치.
  27. 청구항 26에 있어서,
    상기 스테이지는 이동 가능한 스테이지이고, 및/또는 상기 장치는 가열된 기판의 표면을 가로질러 레이저 빔을 스캔하도록 구성된 스캐너를 더욱 포함하는, 장치.
  28. 청구항 24 내지 27 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 상기 적어도 하나의 기판 표면이 상기 적어도 하나의 기판 표면에 잔해의 증착을 막는 가열된 가스 유동에 의해 홀 형성 동안 발생된 잔해로부터 보호되도록 구성되는, 장치.
  29. 청구항 24 내지 28 중 어느 한 항에 있어서,
    (i) 가열기는 적외선 비간섭성 가열기(infrared incoherent heater), 또는 적외선 개별 구역 가열 레이저 중 적어도 하나이고;
    (ii) 레이저는 펄스 레이저 빔을 제공할 수 있는 펄스 레이저이고;
    (iii) 사전 가열된 기판은 단일 또는 다중 레이저 펄스에 의해 조사 시간(t)(msec) 동안 집중된 레이저 빔으로 조사되는, 장치.
  30. 유리, 유리 세라믹 또는 세라믹 기판에 d(㎛) 깊이의 홀을 형성하는 장치는:
    (i) 적외선 비간섭성 가열기, 또는 적외선 개별 구역 가열 레이저를 포함하고, 홀 형성 이전 기판을 사전 가열하도록 구성된 가열기;
    (ii) 펄스 레이저 빔을 방출하도록 구성된 레이저;
    (iii) 집중된 펄스 레이저 빔을 형성하기 위해 기판으로 펄스 레이저 빔을 집중시켜 기판이 단일 펄스 또는 다중 펄스에 의해 조사 시간(t)(msec) 동안 집중된 펄스 레이저 빔으로 조사되도록 구성된 적어도 하나의 광학 구성요소, 펄스 레이저 빔은 기판에 홀을 형성함;를 포함하고,
    장치는 적어도 하나의 기판 표면 상의 입자의 증착을 막기 위해 가열된 가스 유동을 이용하여 홀 형성 동안 발생된 잔해로부터 적어도 하나의 기판 표면이 보호되도록 구성되는, 장치.
  31. 청구항 30에 있어서,
    펄스 레이저 빔을 방출하도록 구성된 레이저는 펄스 CO2 레이저인, 장치.
  32. 청구항 30 또는 31에 있어서,
    펄스 레이저 빔을 방출하도록 구성된 레이저는 펄스 버스트 모드에서 작동하도록 구성되는, 장치.
  33. 청구항 30 내지 32 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광학 구성요소는 포커싱 렌즈 또는 다중-렌즈 조립체이며, 상기 적어도 하나의 광학 구성요소는 펄스 레이저 빔을 기판으로 집중시키도록 구성되는, 장치.
  34. 청구항 30 내지 33 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열된 가스 유동은 가열된 공기 또는 가열된 불활성 가스를 활용하는, 장치.
  35. 청구항 28, 30, 및 34 중 어느 하나에 있어서,
    상기 가열된 가스는 적어도 30 ℃의 온도를 갖는, 장치.
KR1020227009769A 2019-08-30 2020-08-28 가열을 통한 응력 감소에 의해 지원되는 취성 재료에 홀을 형성하기 위한 방법 및 장치 KR20220050214A (ko)

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