JP7090594B2 - レーザ加工するための装置および方法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照

本出願は、その内容全体が参照により依拠され、および本願明細書に組み込まれる、２０１６年７月２９日に出願された米国仮出願第６２／３６８，５７１号の米国特許法第１１９条の下での優先権の恩典を主張する。

本発明は、一般に、被加工物をレーザ加工するための装置および方法に関する。

材料のレーザ加工の分野は、異なる種類の材料の切断、穴開け、フライス加工、溶接、溶融等を含む幅広い用途を包含している。これらのプロセスの中で、特に対象となるものは、薄膜トランジスタ（ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＴＦＴ）用のガラス、サファイアまたは溶融シリカ、または、電子装置用のディスプレイ材料等の材料の製造に利用される可能性のあるプロセスにおける、異なる種類の透明基板の切断または分離である。

プロセス開発やコストの視点から、ガラス基板の切断および分離には、改良のための多くの機会が存在する。現在、市場で実施されていることよりも速く、よりクリーンで、より安価で、より繰り返し可能であり、およびより信頼性が高い、ガラス基板を分離する方法を有することが重要である。したがって、ガラス基板を分離するための代替的な改良方法に対するニーズが存在する。

一つの実施形態によれば、被加工物は、被加工物内に輪郭線を形成する工程と、その輪郭線に沿って、または輪郭線の近傍で被加工物に赤外レーザビームを向けて、その輪郭線に沿って被加工物を分離する工程とを含んでもよい方法によってレーザ加工することができる。輪郭線は、被加工物内の欠陥を含んでいてもよい。いくつかの実施形態における被加工物は、透明な被加工物であってもよい。赤外レーザビームは、赤外レーザビームからの累積エネルギの、輪郭線上への直接的な分布よりも大きな分布が、その輪郭線に隣接する領域内に配置されるようなビームプロファイルを有していてもよい。いくつかの実施形態では、赤外レーザビームは、環状ビームプロファイルを有していてもよい。

別の実施形態では、透明な被加工物は、パルスレーザビームの焦点を、透明な被加工物へ方向付けられたパルスレーザビーム焦線に合わせる工程と、その透明な被加工物とパルスレーザビームの焦線を互いに対して移動させ、それによって、透明な被加工物内の輪郭線に沿って複数の欠陥線をレーザ形成する工程と、輪郭線に沿って、または輪郭線の近傍で、赤外レーザビームを透明な被加工物上に向けて、その透明な被加工物をその輪郭線に沿って分離する工程とを含むことができる方法によってレーザ加工してもよい。パルスレーザビーム焦線は、透明な被加工物内に欠陥線を生じさせる可能性がある。隣接する欠陥線間の間隔は、５マイクロメートルと１５マイクロメートルの間である可能性がある。赤外レーザビームは、赤外レーザビームからの累積エネルギの、輪郭線上への直接的な分布よりも大きな分布が、輪郭線の両側のその輪郭線に隣接する領域内に配置されるようなビームプロファイルを有していてもよい。

本願明細書に記載されているプロセスおよびシステムのさらなる特徴および利点は、以下の詳細な説明に記載されており、また、当業者には、その説明からある程度容易に明らかになるであろうし、または、以下の詳細な説明、クレームならびに添付図面を含む、本願明細書に記載されている実施形態を実施することによって認識されるであろう。

上述の概要および以下の詳細な説明は、さまざまな実施形態について説明していること、およびクレームされた内容の本質および特性を理解するための要旨または枠組みを提供することが意図されていることを理解すべきである。添付図面は、さまざまな実施形態のさらなる理解を実現できるように包含されており、およびこの明細書に組み込まれて、明細書の一部を構成している。それらの図面は、本願明細書に記載されているさまざまな実施形態を例示し、およびその説明とともに、クレームされた内容の原理および動作を説明するのに役に立つものである。

本願明細書に記載されている一つ以上の実施形態による、透明な被加工物内に形成された輪郭線を横切る環状の赤外レーザビームスポットを概略的に示す図である。 本願明細書に記載されている一つ以上の実施形態による、環状の赤外レーザビームの実施形態の断面出力分布を示すグラフである。 本願明細書に記載されている一つ以上の実施形態による、環状の赤外レーザビームプロファイルを形成するのに用いられる光学アセンブリを概略的に示す図である。 本願明細書に記載されている一つ以上の実施形態による、従来のガウス赤外レーザビームプロファイルの場合の適当な出力に応じた赤外レーザビームのビーム径を示すグラフである。 本願明細書に記載されている一つ以上の実施形態による、環状の赤外レーザビームプロファイルの場合の適当な出力に応じた赤外レーザビームのビーム径を示すグラフである。 本願明細書に記載されている一つ以上の実施形態による、分離の時点での、分離された透明な被加工物の側部の画像を示し、および輪郭線でガウス赤外レーザビームを用いた従来のレーザ処理による過剰な加熱によって引き起こされたクラックを示す図である。 本願明細書に記載されている一つ以上の実施形態による、欠陥線の輪郭線の形成を概略的に示す図である。 本願明細書に記載されている一つ以上の実施形態による、透明な被加工物の加工中の、パルスレーザビーム焦線の位置決めを概略的に示す図である。 本願明細書に記載されている一つ以上の実施形態による、パルスレーザ加工用の光学アセンブリを概略的に示す図である。 本願明細書に記載されている一つ以上の実施形態による、透明な被加工物と関連付けたパルスレーザビーム焦線の第一の実施形態を概略的に示す図である。 本願明細書に記載されている一つ以上の実施形態による、透明な被加工物と関連付けたパルスレーザビーム焦線の第二の実施形態を概略的に示す図である。 本願明細書に記載されている一つ以上の実施形態による、透明な被加工物と関連付けたパルスレーザビーム焦線の第三の実施形態を概略的に示す図である。 本願明細書に記載されている一つ以上の実施形態による、透明な被加工物と関連付けたパルスレーザビーム焦線の第四の実施形態を概略的に示す図である。 本願明細書に記載されている一つ以上の実施形態による、パルスレーザ加工用の光学アセンブリの別の実施形態を概略的に示す図である。 本願明細書に記載されている一つ以上の実施形態による、パルスレーザ加工用の光学アセンブリの別の実施形態を概略的に示す図である。 本願明細書に記載されている一つ以上の実施形態による、透明な被加工物における図１０Ａのパルスレーザの詳細図を概略的に示す図である。 本願明細書に記載されている一つ以上の実施形態による、パルスレーザ加工用の光学アセンブリの別の実施形態を概略的に示す図である。 本願明細書に記載されている一つ以上の実施形態による、焦点が合っていないパルスレーザビームの場合の強度領域を概略的に示す図である。 本願明細書に記載されている一つ以上の実施形態による、球面レンズを用いた集束パルスレーザビームの場合の強度領域を概略的に示す図である。 本願明細書に記載されている一つ以上の実施形態による、アキシコンレンズまたは回折フレネルレンズを用いた集束パルスレーザビームの場合の強度領域を概略的に示す図である。 本願明細書に記載されている一つ以上の実施形態による、各例示的なパルスバーストが７つのパルスを有している場合の、例示的なパルスバースト内のレーザパルスの相対強度対時間を示すグラフである。 本願明細書に記載されている一つ以上の実施形態による、各例示的なパルスバーストが９つのパルスを含んでいる場合の、例示的なパルスバースト内のレーザパルスの相対強度対時間を示すグラフである。

次に、実施例が添付図面に図示されている、ガラス被加工物等の透明な被加工物をレーザ加工するプロセスの実施形態について詳細に説明する。同じ部材または類似の部材を指すために、図面全体を通して、可能な限り同じ参照数字を用いるものとする。本願明細書に記載されている一つ以上の実施形態によれば、透明な被加工物は、分離して二つ以上の部分になるようにレーザ加工することができる。一般的に、そのプロセスは、少なくとも、透明な被加工物内の欠陥を含む輪郭線を形成する第一のステップと、その輪郭線において、または、輪郭線の近傍で、その透明な被加工物を赤外レーザビームにさらすことによって、その透明な被加工物を輪郭線に沿って分離する第二のステップとを包含する。一つの実施形態によれば、透明な被加工物内に一続きの欠陥線を形成し、それによって、輪郭線を画定するのに、パルスレーザビームを用いてもよい。それらの欠陥線は、本願明細書においては、透明な被加工物内の穿孔またはナノ穿孔と呼んでもよい。そして、赤外レーザは、輪郭線に隣接する透明な被加工物の領域を加熱して、その透明な被加工物を輪郭線で分離するのに用いることができる。輪郭線に沿って分離することは、赤外レーザビームからの加熱によって生じたその異なる部分において、透明な被加工物の温度の違いによって生じた、その透明な被加工物における機械的応力によって引き起こすことができる。本願明細書においては、透明な被加工物を分離する方法および装置のさまざまな実施形態は、添付図面に関連して具体的に記載されている。

「透明な被加工物」という表現は、本願明細書で用いる場合、透明なガラスまたはガラスセラミックから形成された被加工物を意味し、「透明な」という用語は、本願明細書で用いる場合、その材料が、４０％よりも大きい、４００から７００ｎｍの波長範囲にわたる平均的な透過性を呈することを意味する。いくつかの実施形態において、被加工物は、４０％よりも大きい、４００から７００ｎｍの波長範囲にわたる平均的な透過性を呈する可能性がある。いくつかの実施形態によれば、被加工物の少なくとも一部、例えば、分離される部分は、約５×１０^－６／Ｋ未満、例えば、約４×１０^－６／Ｋ、または、約３．５×１０^－６／Ｋ未満の熱膨張率を有する。例えば、被加工物は、約３．２×１０^－６／Ｋの熱膨張率を有していてもよい。透明な被加工物は、約５０マイクロメートルから約１０ｍｍ（例えば、約１００マイクロメートルから約５ｍｍ、または、約０．５ｍｍから約３ｍｍ）の厚さを有していてもよい。

「輪郭線」という表現は、本願明細書で用いられる場合、被加工物の表面での意図する分離のライン（例えば、線、曲線等）を意味し、透明な被加工物は、適切な処理条件にさらされたときに、そのラインに沿って複数の部分に分離される。輪郭線は、一般に、さまざまな方法を用いて透明な被加工物に導入された一つ以上の欠陥から成る。「欠陥」は、本願明細書で用いられる場合、（塊状材料に対して）修正した材料の領域、空隙、スクラッチ、きず、穴、または、追加的な熱処理により、例えば、赤外レーザ処理による分離を可能にする透明な被加工物内のその他の変形を含んでもよい。

透明な被加工物、例えば、ガラス基板等は、まず、その被加工物の表面に輪郭線を形成し、その後、その輪郭線上で被加工物の表面を加熱して、被加工物内に熱応力を生じさせることによって、複数の部分に分離することができる。その応力は、最終的に、輪郭線に沿った被加工物の自発的な分離をもたらす。被加工物の表面の加熱は、例えば、赤外レーザを用いて実行することができる。具体的には、輪郭線に沿った分離を引き起こすための従来の赤外レーザ加工は、その輪郭線を画定する欠陥に直接向けられた最大熱強度を生じさせるプロファイルを有する輪郭線に入射するように方向付けられた赤外レーザビームを用いる。例えば、従来は、ガウスビームプロファイルを用いて、輪郭線に直接中心を合わせることができる。このような従来のプロセスでは、レーザエネルギおよび熱の最大強度は、輪郭線にある。しかし、（分離を引き起こすのに十分なエネルギを有する）輪郭線上にピーク強度を有する赤外レーザビームを用いると、分離された透明な被加工物のエッジへの損傷を引き起こす可能性があることが分かっており、この場合、輪郭線は、分離前に存在している。例えば、比較的高出力の分離用の赤外レーザを要するいくつかのガラス組成物の場合、ヒートクラックが、分離された透明な被加工物のエッジに対して概して直角な（すなわち、その輪郭線が示す分離の意図したラインに対して概して直角な）方向において、その分離されたエッジから伝播する可能性があり、そのことは、分離された透明な被加工物のエッジを弱める可能性がある。

さらに、輪郭線の加熱の後の自発的な分離は、透明な被加工物の材料の熱膨張率（ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ：ＣＴＥ）に関連しており、比較的高いＣＴＥを有する材料は、比較的低いＣＴＥの場合よりも、加熱時の自発的な分離に適している。透明な被加工物が、比較的低いＣＴＥを有する材料から形成されている場合、輪郭線に沿った自発的な分離は、その透明な被加工物に与えられる熱エネルギを増加させることによって容易にすることができる。しかし、ある条件下では（例えば、材料のＣＴＥが極端に低い場合）、従来の手段により、被加工物に損傷（例えば、溶融）を与えることなく、透明な被加工物に与えられる熱エネルギを増加させることは不可能であり、被加工物を実行不可能の状態にする可能性がある。

例えば、従来の赤外レーザ加工のいくつかの実施形態において、スポットサイズが小さすぎる（例えば、１ｍｍ未満の）場合、または、ＣＯ_２レーザ出力が高すぎる（例えば、４００Ｗよりも大きい）場合、透明な被加工物は、輪郭線で過熱されて、透明な被加工物中に、アブレーション、溶融、および／または熱生成クラックを生じ、これらは、分離された部材のエッジ強度を低下させるため好ましくない。このようなパラメータは、ガウスビームプロファイルによる、特に、透明な基板上への、例えば、比較的低いＣＴＥ（例えば、約４×１０^－６／Ｋ）を有するガラスへの従来の処理時には不可避である可能性があり、これらの高強度レーザパラメータは、ガウスレーザプロファイルが用いられる場合、透明な被加工物の分離を引き起こすのに必要である可能性がある。したがって、従来の手段により、好ましくない影響、例えば、アブレーション、溶融および／または熱生成クラックを引き起こすことなく、低ＣＴＥのガラス被加工物を分離するのは困難であり、または、不可避でさえある可能性がある。

従来の赤外レーザ加工に関する上述した不備は、赤外レーザビームからの累積エネルギの、輪郭線上への直接的な分布よりも大きい、輪郭線に隣接する領域内に配置される分布を有する赤外レーザビームプロファイルを用いることによって克服することができる。すなわち、赤外レーザビームは、輪郭線上に直接伝達されるエネルギよりも多くのエネルギを、その輪郭線に隣接する領域上に伝達することができる。「累積エネルギ」は、本願明細書で用いる場合、赤外レーザビームが被加工物に対して移動される際に、そのレーザビームによって被加工物の特定の領域上に伝達されたすべてのエネルギを指す。例えば、一つの実施形態において、赤外レーザ分離は、環状のレーザビームプロファイルを用いてもよい。環状のレーザビームは、中心を輪郭線に合わせることができるが、その輪郭線上に直接投射されるエネルギよりも多くの量のエネルギを、輪郭線に隣接する領域上に投射することができる。このようなビームプロファイルを用いて、輪郭線における過熱によるヒートクラックおよび／または溶融を引き起こすことなく、全体的により多くの量の熱エネルギを透明な被加工物に印加することができる。

次に、例として図１を参照すると、本願明細書に記載されている方法による分離を受けているときの透明な被加工物１３０、例えば、ガラス被加工物またはガラスセラミック被加工物が概略的に図示されている。最初に、透明な被加工物が、その周辺で、二つ以上の部分に分離される意図した分離のラインを描くために、輪郭線１１０が、透明な被加工物１３０の表面に形成される。輪郭線１１０は、透明な被加工物１３０内の一連の欠陥によって描くことができる。輪郭線１１０は、図１に実質的に直線状に描かれているが、限定されることなく、曲線、パターン、規則的な幾何学形状、不規則な形状等を含む他の構成が意図されることおよび可能であることを理解すべきである。本願明細書に記述されているように、輪郭線１１０は、輪郭線１１０に沿った透明な被加工物１３０の自発的な分離を引き起こすようにさらに作用される可能性がある欠陥を含む。実施形態によれば、輪郭線１１０の欠陥は、レーザ加工、機械的加工またはこれらの組合せを含む多くの方法によって形成することができる。例えば、輪郭線１１０は、レーザスクライビングまたは機械的スコアリングによって形成してもよい。一つの実施形態においては、シリコンカーバイドホイールまたはスクライビングツールまたはダイアモンドチップ型スクライビングツールを、輪郭線１１０およびその中に含まれる欠陥を形成するのに用いてもよい。別の実施形態では、レーザ加工技術を、透明な被加工物１３０内の輪郭線１１０の欠陥を形成するのに用いてもよい。例えば、実施形態においては、２０１５年１２月１７日に公開され、および参照によって、その全体が本願明細書に組み込まれる、米国特許出願公開第２０１５／０３６０９９１号明細書に開示されているような「穿孔した」輪郭線を形成するための方法および装置を、透明な被加工物１３０内に輪郭線１１０を形成するのに用いてもよい。

米国特許出願公開第２０１５／０３６０９９１号明細書に記載されている方法によれば、輪郭線１１０は、被加工物１３０の表面に延び、および分離される被加工物の所望の形状を描き、およびクラック伝播の経路を確立し、したがって、形状被加工物の輪郭線１１０に沿った別個の部分への分離を確立する、本願明細書において「欠陥線」と呼ぶライン状欠陥から成っていてもよい。輪郭線１１０を形成するために、加工すべき透明な被加工物１３０には、透明な被加工物１３０の厚さの少なくとも一部を貫通する高アスペクト比の線焦点に集光される１０６４ｎｍ以下の波長で超短パルス（すなわち、１００ピコ秒未満のパルス幅を有する）レーザビームを照射することができる。高エネルギ密度のこの容積内で、輪郭線１１０に沿った透明な被加工物１３０の材料は、非線形効果を介して（例えば、二つの光子吸収により）改質され、具体的には、透明な被加工物１３０内に欠陥を生成する。所望のラインまたは経路上にレーザを走査することにより、輪郭線１１０を画定する狭小な欠陥線（例えば、数マイクロメートル幅）を形成することができる。この輪郭線１１０は、後の加熱工程において、透明な被加工物１３０から分離される外周または形状を画定することができる。

さらに図１を参照すると、透明な被加工物１３０内への輪郭線１１０の形成に続いて、赤外レーザビーム等の熱源を、輪郭線１１０に沿って透明な被加工物１３０を分離するのに用いることができる。実施形態によれば、熱源は、熱応力を生成し、それによって、輪郭線１１０において、透明な被加工物１３０を分離するのに用いることができる。実施形態において、赤外レーザは、自発的な分離を起こすのに用いることができ、その後、その分離を機械的に仕上げてもよい。

赤外レーザビーム、例えば、二酸化炭素（「ＣＯ_２レーザ」）、一酸化炭素レーザ（「ＣＯレーザ」）、固体レーザ、レーザダイオード、またはこれらの組合せによって生成されるレーザビームは、輪郭線１１０において、または、輪郭線の近傍で、透明な被加工物１３０の温度を急速に上昇させる制御された熱源である。この急速な加熱は、輪郭線１１０上で透明な被加工物１３０内に、または、輪郭線に隣接する被加工物内に圧縮応力をためる可能性がある。加熱されたガラス表面の面積は、透明な被加工物１３０の全体の表面積と比較して相対的に小さいため、その加熱された領域は、比較的急速に冷える。その結果として生じる温度勾配は、輪郭線１１０に沿って、および透明な被加工物１３０の厚さを介してクラックを伝播させるのに十分な引張応力を透明な被加工物１３０内に誘起して、輪郭線１１０に沿った透明な被加工物１３０の完全な分離をもたらす。理論に束縛されるものではないが、引張応力は、高い局所温度を有する被加工物の部分におけるガラスの膨張（すなわち、変化した密度）によって引き起こされる可能性があると思われる。

さらに図１を参照すると、本願明細書に記載されている実施形態において、（透明な被加工物１３０上に投射されるビームスポット２１０を有する）赤外レーザビームは、透明な被加工物１３０上に向けられた後、処理方向２１２において、輪郭線１１０に沿って透明な被加工物１３０に対して移動させることができる。描かれている「ビームスポット２１０」は、赤外レーザビームが接触している被加工物１３０の領域であるため、ビームスポット２１０は、場合により、同義の「赤外レーザビーム２１」と呼んでもよいことを理解すべきである。輪郭線１１０の分離した部分１４２は、赤外レーザビームで輪郭線１１０を加熱し（例えば、ビームスポット２１０を横断させ）、それによって、輪郭線１１０に沿って、およびその厚さを貫通してクラックを伝播させて、自発的な分離を起こさせることによって形成される。輪郭線１１０の分離した部分１４２は、ビームスポット２１０が処理方向２１２に移動する際に、そのビームスポットの後を追う。一つ以上の実施形態によれば、赤外レーザビームは、透明な被加工物１３０の動き、赤外レーザビームの動き（すなわち、ビームスポット２１０の動き）、または、透明な被加工物１３０および赤外レーザビームの両方の動きによって、透明な被加工物１３０を横切って移動させることができる。透明な被加工物１３０に対して赤外レーザビームスポット２１０を移動させることにより、透明な被加工物１３０を、欠陥を含む輪郭線１１０に沿って分離することができる。

本願明細書に記載されている実施形態によれば、赤外レーザビームスポット２１０は、輪郭線１１０に、または、輪郭線の近傍に投射して、輪郭線１１０に直接伝達される量よりも多くの量のエネルギを、輪郭線１１０の両側に隣接する、透明な被加工物１３０の領域上に伝達させることができる。輪郭線１１０に「隣接する」領域は、輪郭線１１０の両側の、透明な被加工物１３０の任意の領域（すなわち、欠陥から成るラインを含まない任意の領域）を含む。輪郭線１１０の両側での透明な被加工物１３０の加熱は、熱応力を生成して、輪郭線１１０に沿った透明な被加工物１３０の自発的な分離を容易にする。しかし、輪郭線１１０に沿った自発的な分離を容易にするために透明な被加工物１３０に与えられるエネルギの総量は、赤外レーザビーム２１０が最大強度で輪郭線１１０に直接集束する場合（例えば、ガウスビームプロファイル）と同じである可能性があるが、最大強度で輪郭線１１０上で直接加熱するのではなく、輪郭線１１０の両側で透明な被加工物を加熱することは、より大きな領域にわたって熱エネルギの総量を拡張し、それによって、過熱による、輪郭線１１０に対して横方向のクラックの形成を軽減し、また、輪郭線１１０に隣接する、または、輪郭線における透明な被加工物１３０の材料の溶融を少なくし、または緩和する。実際には、最大強度で輪郭線１１０上を直接加熱するのではなく、最大強度で輪郭線１１０の両側で透明な被加工物１３０を加熱することは、好ましくない横方向のクラックの形成および／または溶融を伴うことなく、透明な被加工物１３０に導入される熱エネルギのより大きな総量を実質的に可能にし、それによって、比較的低いＣＴＥを有する材料から形成された透明な被加工物１３０のレーザ分離が可能になる。

いくつかの実施形態において、自発的な分離を容易にするのに用いられる赤外レーザビーム２１０は、輪郭線１１０上に直接伝達される量よりも多くの量のエネルギを、輪郭線１１０に隣接する領域上に伝達させるために、環状のビームプロファイル、例えば、図１に示す円形の対称的な環状ビームプロファイルを備えていてもよい。図２は、ビーム径に応じた環状ビームのエネルギ分布を示すグラフである。環状ビームプロファイルは、本願明細書で用いられる場合、一般的に、そのビームの中心から離れて最大強度を有し、およびその最大強度に対して、その中心において強度トラフを有する任意のレーザビームプロファイルを指す。トラフは、例えば、図２の実施例のビームプロファイルに示す、ビームの中心におけるエネルギの完全な不足を含んでもよい（すなわち、そのビームの強度は、その中心において０である）。例えば、実施形態において、環状ビームプロファイルを有するレーザビームのビームスポットは、図１および図２に示すように、内径２１６および外径２１４を有している。内径２１６は、内径２１６と外径２１４との間の領域よりも強度が概して低い、ビームスポットの中心領域を画定している。

本願明細書において、輪郭線１１０の両側で、透明な被加工物１３０を加熱することを容易にするための、輪郭線１１０に対して円形対称である環状ビーム２１０の利用に関して説明してきたが、そのビームが、最大強度がビームの中心と同心でないプロファイルを有する限り、他のビームの構成が意図されおよび可能であることを理解すべきである。例えば、環状ビームプロファイルは、楕円形状にすることができるであろう。

図１に示すように、赤外レーザビーム２１０は、等しい量の熱エネルギが、輪郭線１１０の各側方に投射されるように、その中心を輪郭線１１０に合わせることができる。このような実施形態では、赤外レーザビーム２１０は、輪郭線１１０上に直接伝達される量よりも多くの量の熱エネルギを、輪郭線１１０の両側の隣接する領域上に伝達するであろう。図１の赤外レーザビーム２１０は、本質的に概略的であり、および図２に示すビームプロファイル等の環状ビームプロファイルの一つの表現であることを理解すべきである。

本願明細書に記載されているように、環状プロファイルを有する赤外レーザビーム２１０は、内径２１６および外径２１４を備えていてもよい。実施形態によれば、内径２１６は、ビームの中心からの距離の二倍（すなわち、半径の２倍）として定義され、その場合、ビームエネルギの８６％は、その距離の外側にある。同様に、外径２１４は、ビームの中心からの距離の二倍（すなわち、半径の２倍）として定義され、その場合、ビームエネルギの８６％は、その距離の内側にある。したがって、内径２１６と外径２１４との間の領域の外側には、ある程度のビームエネルギが存在する。実施形態によれば、外径２１４は、約０．５ｍｍから約２０ｍｍ、例えば、約１ｍｍから約１０ｍｍ、約２ｍｍから約８ｍｍ、または、約３ｍｍから約６ｍｍとすることができる。内径２１６は、約０．０１ｍｍから約１０ｍｍ、約０．１ｍｍから約１０ｍｍ、または、約０．７ｍｍから約３ｍｍとすることができる。例えば、内径２１６は、外径２１４の約５％から約９５％、例えば、外径２１４の約１０％から約５０％、約２０％から約４５％、または、約３０％から約４０％とすることができる。いくつかの実施形態によれば、赤外レーザビーム２１０からの最大出力（および透明な被加工物１３０内の最大温度）は、内径２１６の約半分にほぼ等しい、輪郭線１１０からの距離にある可能性がある。

一つの実施形態によれば、環状ビームプロファイルは、図３に示す光学アセンブリによって生成することができる。例えば、ＣＯ_２レーザ３３０等から入射するガウスビーム３０２は、アキシコンレンズ３１０を介し、その後、第一の平凸レンズ３１２および第二の平凸レンズ３１４を介して方向付けることができる。一つ以上の実施形態によれば、ガウスビーム３０２は、（その１／ｅ^２の直径に従って）約８ｍｍから約１０ｍｍの直径を有し、アキシコンレンズ３１０は、約１．２°、例えば、約０．５°から約５°、または、約１°から約１．５°、さらには約０．５°から約５°の角度（ビームがアキシコンレンズに入射したときの平坦面に対して測定した角度）を有する円錐面を有していてもよい。アキシコンレンズ３１０は、入射するガウスビーム３０２を、同様に第一の平凸レンズ３１２および第二の平凸レンズ３１４を介して方向付けられるベッセルビームに整形する。第一の平凸レンズ３１２と第二の平凸レンズ３１４は、ベッセルビームをコリメートして、そのベッセルビームの環状スポットの直径を調節する。実施形態において、第一の平凸レンズ３１２は、約５０ｍｍから約２００ｍｍ（例えば、約５０ｍｍから約１５０ｍｍ、または、約７５ｍｍから約１００ｍｍ）の焦点距離を有することができ、また、第二の平凸レンズ３１４は、第一の平凸レンズの焦点距離よりも小さい、例えば、約２５ｍｍから約５０ｍｍの焦点距離を有することができる。その結果として生じる環状の赤外レーザビーム３１６は、輪郭線１１０に沿って、透明な被加工物１３０上に投射される。

図３は、環状レーザビームを生成するための一つの光学アセンブリを概略的に示しているが、環状レーザビームを生成するための他の光学アセンブリが意図され、および可能であり、したがって、本願明細書に記載されている分離プロセスは、図３に示す光学アセンブリに限定されないことを理解すべきである。

輪郭線１１０から離れて、その最大出力を投射する赤外レーザビームを用いる分離プロセスは、過剰な局所加熱による、分離される面およびエッジへの損傷を引き起こすことなく、より多くの総出力が、透明な被加工物に与えられることを可能にする。追加的な出力は、より多くの熱応力を透明な被加工物内に生じさせる可能性があり、そのことは、被加工物を損傷させることなく、低ＣＴＥ材料の分離、より厚い被加工物、および／または被加工物の積層を可能にする。

また、本願明細書に記載されている実施形態は、透明な被加工物を分離する際のより速い処理速度も可能にする。例えば、赤外レーザビームと、透明な被加工物は、少なくとも約１ｍｍ／ｓ、少なくとも約５ｍｍ／ｓ、少なくとも約１０ｍｍ／ｓ、少なくとも約１００ｍｍ／ｓ、少なくとも約１ｍ／ｓ、少なくとも約２ｍｍ／ｓ、少なくとも約５ｍ／ｓ、さらには、少なくとも約１０ｍ／ｓ（例えば、約１ｍｍ／ｓから約１０ｍ／ｓ、または、約１０ｍｍ／ｓから約２ｍ／ｓ）の速度で、互いに対して移動させることができる。一般に、より速い処理速度は、熱応力を実現して、自発的な分離を容易にするために、より多くの量のレーザ出力を要する。上述したように、従来の分離方法において、より大きなレーザ出力は、透明な被加工物に損傷を与える可能性がある。しかし、本願明細書に記載されている実施形態における輪郭線から離れて分布するエネルギ濃度の場合、過熱を避けることができ、そのことは、透明な被加工物内での好ましくない損傷を低減し、またはなくすことができる。

実施形態において、本願明細書に記載されている、赤外レーザビーム加工によって透明な被加工物を分離するプロセスは、所定の処理速度に対して用いられる出力に関するより大きなウィンドウを可能にする。例えば、図４Ａのデータは、透明な被加工物上に投射されるガウス赤外レーザビームを、２００ｍｍ／ｓの速度で用いる従来の分離方法を示し、その場合、ビーム径（すなわち、１／ｅ^２の直径）は、分離のために十分なビーム出力の関数としてグラフで示されている。図４Ｂは、２００ｍｍ／ｓの速度で透明な被加工物上に投射される、本願明細書に記載されている環状の赤外レーザビームを示し、その場合、外側のビーム径は、適切なビーム出力の関数としてグラフで示されている。図４Ａおよび図４Ｂを見て分かるように、従来のプロセスのガウスビームではなく、環状ビームを用いる、透明な被加工物を分離する（すなわち、図５に示す横方向のクラック等の、透明な被加工物への損傷を引き起こすことなく、自発的な分離を引き起こす）のに適している赤外ビーム出力範囲は、より広い。したがって、所定の処理速度の場合、赤外レーザビームの出力は、環状ビームプロファイルを用いて、より幅広く変化させて、処理時のより大きな柔軟性を可能にすることができる。実施形態によれば、赤外レーザビームは、約２０Ｗから約１０００Ｗ、例えば、約５０Ｗから約３００Ｗ、または、約７５Ｗから約２００Ｗの出力と、図４Ｂに示すような外径に対する出力のサブレンジとを有していてもよい。

次に、図１および図３を参照すると、透明な被加工物１３０を分離するための一つの実施形態は、ガラスの被加工物１３０の表面に輪郭線１１０を形成する最初の工程を含む。輪郭線１１０は、分離に関する意図したラインを画定し、および一般に、例えば、加熱等によってさらに影響された場合に、輪郭線１１０に沿った、透明な被加工物１３０の自発的な分離を引き起こす欠陥を含む。輪郭線１１０の形成の後に続く第二の工程では、赤外レーザからの環状レーザビーム２１０が、その輪郭線に沿って、ガラス被加工物１３０の表面に向けられる。実施形態において、環状レーザビーム２１０は、例えば、ＣＯ_２レーザの初期ガウス整形ビームを、図３に示すようなアキシコンレンズ３１０、第一の平凸レンズ３１２および第二の平凸レンズ３１４を介して方向付けて、そのガウス整形ビームの、図１に示すような環状プロファイルと、図２に示すような環状エネルギ分布とを有するビームスポットを有するベッセルビームへの整形を容易にすることによって形成することができる。図１に示す分離プロセスの実施形態では、結果として生じる環状レーザビーム２１０は、概して円形対称である（すなわち、環帯またはリング）プロファイルを有している。

環状レーザビーム２１０は、輪郭線１１０が、環状レーザビーム２１０を概して二等分するように、透明な被加工物１３０の表面に位置決めされる。すなわち、環状レーザビーム２１０は、輪郭線１１０が、環状レーザビーム２１０の直径に沿って位置するように、透明な被加工物１３０の表面に位置決めされる。そして、環状レーザビーム２１０は、環状レーザビーム２１０を被加工物１３０に対して移動させ、被加工物１３０を環状レーザビーム２１０に対して移動させ、または、環状レーザビーム２１０と被加工物１３０を互いに対して移動させることによって、輪郭線１１０の上を通過する。

本願明細書において上述したように、環状レーザビーム２１０は、輪郭線１１０に沿って、熱エネルギを透明な被加工物１３０に与える。本願明細書に記載されている実施形態において、透明な被加工物１３０に与えられる熱エネルギの最大量は、輪郭線１１０上には向けられず、横方向にずれ、および輪郭線１１０から離間されている、透明な被加工物１３０の領域内に向けられ、そのことが、透明な被加工物１３０に対する意図しない損傷、例えば、溶融および／または横方向のクラックを軽減する。環状レーザビーム２１０が輪郭線１１０を通過する際に環状レーザビーム２１０は、透明な被加工物１３０の材料を温めて、その材料の膨張を引き起こす。このことは、加熱された領域内での圧縮応力の発生をもたらすとともに、引張応力が、環状レーザビーム２１０の前および後の輪郭線１１０に沿って発生する。これらの応力は、輪郭線１１０を、より具体的には、輪郭線１１０の欠陥を、透明な被加工物１３０の厚さを貫通して、および輪郭線１１０に沿って自発的に伝播させて、輪郭線１１０に沿った透明な被加工物１３０の自発的な分離をもたらす。

一つ以上の実施形態によれば、本開示は、透明な被加工物、例えば、アルカリ土類ボロアルミノシリケートガラス組成物、サファイア、溶融シリカ、または、これらの組合せから形成されたガラス被加工物等の正確な切断および／または分離のためのプロセスを提供する。このような透明な被加工物は、ディスプレイ基板および／またはＴＦＴ（薄膜トランジスタ）基板として利用することができる。ディスプレイまたはＴＦＴ用途に適している、このようなガラスまたはガラス組成物のいくつかの実例は、米国ニューヨーク州コーニングのＣｏｒｎｉｎｇ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄから入手可能なＥＡＧＬＥ ＸＧ（登録商標）、ＣＯＮＴＥＧＯおよびＣＯＲＮＩＮＧ ＬＯＴＵＳ（商標）である。アルカリ土類ボロアルミノシリケートガラス組成物は、限定するものではないが、ＴＦＴ用基板を含む電子的用途のための基板としての使用に適するように処方することができる。ＴＦＴとともに使用されるガラス組成物は、典型的には、シリコンの熱膨張率（ＣＴＥ）と同様の熱膨張率（例えば、５×１０^－６／Ｋ未満、または、４×１０^－６／Ｋ未満、例えば、約３×１０^－６／Ｋ、または、約２．５×１０^－６／Ｋから約３．５×１０^－６／Ｋ）を有し、および低レベルのアルカリをガラス中に有している。アルカリドーパントは、ある条件下では、ガラスから滲出してＴＦＴを汚損し、または汚染して、そのＴＦＴを動作不能にする可能性があるため、低レベルのアルカリ（例えば、０重量％から２重量％の微量、例えば、１重量％未満、例えば、０．５重量％未満）をＴＦＴ用途に用いることができる。実施形態によれば、本願明細書に記載されているレーザ切断プロセスは、無視できるデブリ、最小限の欠陥、およびエッジに対する低表面下損傷で制御された方式で透明な被加工物を分離するのに用いることができ、被加工物の完全性および強度を保つことができる。

上述したように、いくつかの実施形態によれば、上記輪郭線は、例えば、米国特許公開第２０１５／０３６０９９１号明細書に記載されているように、透明な被加工物とパルスレーザビームとの相互作用によって生じた欠陥線（本願明細書においては、穿孔と呼ぶ場合もある）を備えていてもよい。パルスレーザを利用して、透明な被加工物内に欠陥を形成するこの方法は、選択されたパルスレーザ波長に対して透明である材料に良く適している可能性がある。このパルスレーザ波長は、例えば、１０６４ｎｍ、５３２ｎｍ、３５５ｎｍまたは２６６ｎｍとすることができる。欠陥から成る輪郭線を形成する方法の実証は、例えば、０．０２５ｍｍから０．７ｍｍの範囲の厚さのＥＡＧＬＥ ＸＧ組成物を用いて既に行われている。

パルスレーザビームは、ガラス被加工物等の実質的に透明な材料中で多光子吸収（ｍｕｌｔｉ－ｐｈｏｔｏｎ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ：ＭＰＡ）を生じる可能性がある。ＭＰＡは、一つの状態（通常、基底状態）から、より高いエネルギ電子状態（すなわち、イオン化）に分子を励起させる同一または異なる周波数の二つ以上の光子の同時吸収である。関連するより低いおよびより高い状態の分子間のエネルギの差異は、関連する光子のエネルギの合計に等しい。誘起吸収とも呼ばれるＭＰＡは、例えば、線吸収よりも数桁弱い、二次または三次（または、より高次）の過程である可能性がある。それは、二次誘起吸収の強度は、例えば、光強度の二乗に比例していてもよく、したがって、それは非線形の光学過程であるという点で線吸収とは異なる。

輪郭線を形成する穿孔工程は、焦線を生成して、例えば、さまざまなガラス組成物から形成された透明な被加工物を十分に穿設する光学系とともに、超短パルスレーザを用いてもよい。いくつかの実施形態において、個々のパルスのパルス持続時間は、約１ピコ秒から約１００ピコ秒、例えば、約５ピコ秒から約２０ピコ秒の範囲であり、また、個々のパルスの繰り返し率は、約１ｋＨｚから４ＭＨｚの範囲内、例えば、約１０ｋＨｚから約３ＭＨｚ、または、約１０ｋＨｚから約６５０ｋＨｚの範囲内とすることができる。

上述した個々のパルスの繰り返し率での単一のパルス動作に加えて、それらのパルスは、二つ以上のパルス（例えば、パルスバースト当たり３つのパルス、４つのパルス、５つのパルス、１０のパルス、１５のパルス、２０のパルス、またはそれ以上、例えば、パルスバースト当たり１～３０のパルス、または、パルスバースト当たり５～２０のパルス）から成るバーストで生成してもよい。バースト内のパルスは、約１ナノ秒から約５０ナノ秒、例えば、約１０ナノ秒から約３０ナノ秒の範囲内にある、例えば、約２０ナノ秒の持続時間によって分けてもよい。バーストの繰り返し率は、約１ｋＨｚから約２ＭＨｚ、例えば、約１ｋＨｚから約２００ｋＨｚの範囲とすることができる。バースト化またはパルスバーストの生成は、パルスの放射が、均一で安定したストリームではなく、パルスの密集クラスタである、ある種のレーザ動作である。パルスバーストレーザビームは、その透明な被加工物の材料が、その波長で実質的に透明であるように影響されるその透明な被加工物の材料に基づいて選択された波長を有していてもよい。材料で測定したバースト当たりの平均レーザ出力は、材料の厚さの１ｍｍ当たり少なくとも約４０μＪである可能性がある。例えば、実施形態において、バースト当たりの平均レーザ出力は、約４０μＪ／ｍｍから約２５００μＪ／ｍｍ、または、約５００μＪ／ｍｍから約２２５０μＪ／ｍｍである可能性がある。特定の実施例において、０．５ｍｍから０．７ｍｍ厚のＣｏｒｎｉｎｇ社の「ＥＡＧＬＥ ＸＧ」という透明な被加工物の場合、約３００μＪから約６００μＪのパルスバーストが、その被加工物を切断および／または分離することができ、そのことは、約４２８μＪ／ｍｍから約１２００μＪ／ｍｍ（すなわち、０．７ｍｍの「ＥＡＧＬＥ ＸＧ」ガラスの場合、３００μＪ／０．７ｍｍおよび０．５ｍｍの「ＥＡＧＬＥ ＸＧ」ガラスの場合、６００μＪ／０．５ｍｍ）の実施例の範囲に相当する。

透明な被加工物は、欠陥を伴う所望の部分の形状をなぞって描き出す輪郭線を形成するように、パルスレーザビームに対して移動させることができる（または、パルスレーザビームをガラスに対して移動させてもよい）。パルスレーザは、ガラスの深さ全体を貫通してもよい、本願明細書では欠陥線と呼ぶ穴状の欠陥ゾーンを形成することができる。本願明細書に開示されている欠陥は、「穴」または「穴状」と記載されている場合があるが、一般に空隙でなくてもよく、本願明細書に記載されているようなレーザ加工によって改質されている被加工物の部分であることを理解すべきである。ディスプレイまたはＴＦＴタイプのガラスにおいて、これらの欠陥線は、一般に、約５マイクロメートルから約２０マイクロメートルの距離だけ互いに離間されている可能性がある。例えば、ＴＦＴ／ディスプレイガラス組成物の場合、欠陥線間の適切な間隔は、約１マイクロメートルから約３０マイクロメートル、例えば、約５マイクロメートルから約１５マイクロメートル、約５マイクロメートルから約１２マイクロメートル、約７マイクロメートルから約１５マイクロメートル、または、約７マイクロメートルから約１２マイクロメートルとすることができる。

本願明細書において定義されているように、欠陥線の内径は、透明な被加工物内に欠陥線を画定する改質された領域の内径である。例えば、本願明細書に記載されているいくつかの実施形態において、欠陥線の内径は、約１マイクロメートル以下、例えば、約５００ｎｍ以下、約４００ｎｍ以下、または、約３００ｎｍ以下とすることができる。実施形態において、欠陥線の内径は、レーザビーム焦線のスポット径と同程度の大きさである可能性がある。実施形態において、パルスレーザビーム焦線は、約０．１マイクロメートルから約３０マイクロメートル、例えば、約０．１マイクロメートルから約１０マイクロメートル、または、約０．１マイクロメートルから約５マイクロメートル、例えば、約１．５マイクロメートルから約３．５マイクロメートルの範囲の平均スポット径を有することができる。一旦、被加工物が輪郭線に沿って分離されると、欠陥線は、依然として、その分離された表面で目に見える可能性があり、および欠陥線の内径に相当する幅を有している可能性がある。したがって、本願明細書に記載されている実施形態によって作製された被加工物の切断面上の欠陥線の幅は、約０．１マイクロメートルから約５マイクロメートルの幅を有する可能性がある。

単一の透明な被加工物の穿孔以外に、上記プロセスは、透明な被加工物の積層物、例えば、ガラスのシートの積層物を穿孔するのにも用いることができ、および単一のレーザ通過で、数ｍｍの全高までガラス積層物を完全に穿孔してもよい。ガラス積層物はさらに、さまざまな位置にエアギャップを有していてもよい。別の実施形態によれば、接着剤等の延性層を、ガラス積層物の間に設けてもよい。しかし、パルスレーザプロセスは、依然として、単一の通過において、そのような積層物の上方および下方のガラス層の両方を完全に穿孔するであろう。

理論に束縛されるものではないが、記載されている穿孔プロセスのイネーブラーのうちの一つは、超短パルスレーザによって形成される欠陥線の高アスペクト比であると思われる。この高アスペクト比は、いくつかの実施形態において、切断される被加工物の上面から底面まで延びている輪郭線の形成を可能にする。この欠陥線は、原理的に、単一のパルスによって形成することができ、また、必要であれば、影響を受ける領域のエクステンション（深さおよび幅）を増加させるのに用いてもよい。

実施形態において、パルスレーザビーム焦線は、約０．１ｍｍから約１０ｍｍ、または、約０．５ｍｍから約５ｍｍ、例えば、約１ｍｍ、約２ｍｍ、約３ｍｍ、約４ｍｍ、約５ｍｍ、約６ｍｍ、約７ｍｍ、約８ｍｍまたは約９ｍｍの範囲の長さを、または、約０．１ｍｍから約２ｍｍ、または、約０．１ｍｍから約１ｍｍの範囲の長さを有していてもよい。実施形態において、パルスレーザビーム焦線は、約０．１マイクロメートルから約５マイクロメートルの範囲の平均スポット径を有していてもよい。欠陥線は、それぞれ、約０．１マイクロメートルから約３０マイクロメートル、例えば、約０．２５マイクロメートルから約５マイクロメートル（例えば、約０．２５マイクロメートルから約０．７５マイクロメートル）の直径を有していてもよい。

焦線の生成は、ガウスレーザビームをアキシコンレンズに送り込むことによって実行することができ、その場合、ガウス・ベッセルビームとして知られているビームプロファイルが形成される。このようなビームは、ガウスビームよりもかなり遅く回折する（例えば、そのビームは、数十マイクロメートル以下の場合と対照的に、数百マイクロメートルまたはミリメートルの範囲に対して、単一のマイクロメートル径のスポットサイズを維持してもよい）。そのため、焦点深度または材料との強度相互作用の長さは、ガウスビームのみを用いた場合よりもかなり大きくなる可能性がある。また、遅く回折するビームまたは非回折ビームという他の形態、例えば、エアリビームを用いてもよい。

図６に示すように、複数の欠陥線１２０を備える輪郭線１１０は、処理方向１６０に移動する超短パルスレーザビーム１４０によって、透明な被加工物１３０を加工することによって形成することができる。欠陥線１２０は、例えば、透明な被加工物１３０の厚みを貫通して延びていてもよく、また、透明な被加工物１３０の（平坦な）主面に対して直角になっていてもよい。輪郭線は、図６に示す輪郭線１１０のように直線状であってもよいが、それらの輪郭線は、非直線状（すなわち、曲線を有する）であってもよい。湾曲した輪郭線は、例えば、透明な被加工物１３０またはパルスレーザビーム１４０のいずれかを、一次元の代わりに二次元で他方に対して移動させることによって生成することができる。いくつかの透明な被加工物においては、透明な被加工物を加工するために選択される材料特性（例えば、吸収率、ＣＴＥ、応力、組成等）およびパルスレーザのパラメータのみで、自己分離を引き起こす可能性があるが、本願明細書に記載されている実施形態では、（例えば、赤外レーザを用いた）熱処理が、輪郭線１１０の形成の後に続いて、輪郭線１１０において、透明な被加工物１３０を分離するのに用いられる。図６に示すように、複数の欠陥線１２０は、輪郭線１１０を画定することができる。

いくつかの透明な被加工物の場合、輪郭線１１０の方向に沿った隣接する欠陥線１２０の間の距離、または周期性は、少なくとも約０．１マイクロメートルまたは１マイクロメートル、および約２０マイクロメートルまたは３０マイクロメートル以下とすることができる。例えば、いくつかの透明な被加工物において、隣接する欠陥線１２０の間の周期性は、約０．５マイクロメートルから約１５マイクロメートル、または、約３マイクロメートルから約１０マイクロメートル、または、約０．５マイクロメートルから約３．０マイクロメートルとすることができる。例えば、いくつかの透明な被加工物において、隣接する欠陥線１２０の間の周期性は、約０．５マイクロメートルから約１．０マイクロメートルとすることができる。しかし、アルカリ土類ボロアルミノシリケートガラス複合物、特に、それらが０．５ｍｍ以上の厚さの場合、隣接する欠陥線１２０の間の周期性は、少なくとも約１マイクロメートル、例えば、少なくとも約５マイクロメートル、または、約１マイクロメートルから約１５マイクロメートルとすることができる。

さまざまな実施形態によれば、パルスレーザビームを用いて加工することによって、穿孔された輪郭線を形成するためのいくつかの方法がある。焦線を形成するという光学的方法は、ドーナツ状のレーザビームおよび球状レンズ、アキシコンレンズ、屈折素子、または、高強度の線形領域を形成するためのその他の方法を用いる多くの形態をとることができる。レーザの種類（ピコ秒、フェムト秒等）および波長（赤外、グリーン、ＵＶ等）も、非線形の光学効果を介した透明な被加工物への焦点の領域内で被加工物材料の破壊を生じるように、十分な光学強度に達する限り、変動させてもよい。一つ以上の実施形態によれば、レーザは、所定のバースト内のパルスの数を調節することにより、エネルギ分の経時的な制御を可能にするパルスバーストレーザであってもよい。

本実施形態においては、超短パルスレーザを、安定した、制御可能で繰り返し可能な方法で高アスペクト比の垂直欠陥線を形成するのに用いることができる。一つ以上の実施形態によれば、透明な被加工物内に、高強度のレーザビームの線焦点を形成するのに、光学的方法が用いられる。一つの実施形態においては、超短（ピコ秒またはフェムト秒の持続時間）ベッセルビームを用いて、高アスペクト比で無テーパの欠陥線から成る領域を形成するために、光学レンズアセンブリ内で、アキシコンレンズ素子が用いられる。換言すると、アキシコンは、レーザビームを、円筒形状および高アスペクト比（長さが長くかつ小径）から成る高強度領域内に集光する。集光されたレーザビームによって生成された高強度により、レーザの電磁界と被加工物材料との非線形相互作用が生じる可能性があり、および、レーザエネルギを被加工物に伝達して、輪郭線の構成要素になる欠陥の形成を行うことができる。しかし、レーザエネルギ強度が高くない材料の領域（例えば、中心収束線を取り囲む被加工物のガラス容積）内で、透明な被加工物の材料は、レーザによって大きな影響を及ぼされず、レーザから材料へエネルギを伝達するメカニズムが存在しないことを実現することが重要である。その結果として、レーザ強度が非線形閾値以下である場合には、焦点ゾーンでは、被加工物に対しては、直接的に何も起こらない。

次に、図７を参照すると、穿孔された輪郭線を形成する方法は、パルスレーザビーム２の焦点を、レーザ装置３から、ビーム伝播方向に沿って方向付けられたレーザビーム焦線２ｂに合わせることを含んでもよい。図７に示すように、レーザ（図示せず）は、光学アセンブリ６に入射する部分２ａを有するレーザビーム２を放射する。光学アセンブリ６は、入射レーザビームを、ビーム方向に沿った所定の拡張範囲（長さｌの焦線）にわたる出力側で、広範囲のレーザビーム焦線２ｂに変える。平坦な被加工物１は、パルスレーザビーム２のレーザビーム焦線２ｂに少なくとも一部が重なるように、ビーム経路内に位置決めされる。その結果、レーザビーム焦線は被加工物１に方向付けられる。参照数字１ａは、光学アセンブリ６またはレーザそれぞれに対向している、平坦な被加工物１の表面を示し、参照数字１ｂは、被加工物１の裏面を示す。被加工物１は、平坦面１ａおよび１ｂに対して、すなわち、被加工物面に対して垂直に測定した深さｄを有している。

図７に示すように、被加工物１は、長手方向のビーム軸に対して直角に位置合わせされ、すなわち、光学アセンブリ６によって生成された同じ焦線２ｂの後にある（被加工物１は、図の面に対して直角になっている）。焦線２ｂは、ビーム方向に沿って向けられ、または、位置合わせされ、被加工物１は、焦線２ｂが、被加工物１の表面１ａの前で始まり、被加工物１の表面１ｂの前で停止するように、焦線２ｂに対して位置決めされる（すなわち、焦線２ｂは、被加工物１内で終端し、表面１ｂを越えて延びてはいない）。レーザビーム焦線２ｂと被加工物１の重なり合った領域内（すなわち、焦線２ｂによってカバーされた被加工物材料内）では、広範なレーザビーム焦線２ｂは、（長さｌのセクション、すなわち、長さｌの線焦点上にパルスレーザビーム２を集束させることによって確保される、レーザビーム焦線２ｂに沿った適切なレーザ強度を仮定すると）（長手方向のビーム方向に沿って位置合わせされた）広範なセクション２ｃを生成し、このセクションに沿って、被加工物材料内で誘起吸収が生じる。誘起吸収は、セクション２ｃに沿って、被加工物材料内に欠陥線の形成をもたらす。欠陥線は、多数のレーザパルスから成る単一の高エネルギバーストを用いることによって生成することができる、被加工部内の（例えば、約１００ｎｍから約０．５マイクロメートルの内径を有する）微細な細長い欠陥である。これらの一連の欠陥線は、輪郭線に沿って、透明な被加工物内に穿孔パターンを形成する。例えば、個々の欠陥線は、数百キロヘルツの速さで（すなわち、毎秒、数十万の欠陥線）形成することができる。これらの欠陥線は、焦線２ｂと透明な被加工物１との間の相対運動によって、互いに隣接して配置することができる（要望通りにサブマイクロメートルから数十、数百マイクロメートルまで変動する空間的分離）。この空間的分離（ピッチ）は、赤外レーザ等の熱源を用いて、被加工物の分離を容易にするように選択することができる。いくつかの実施形態において、欠陥線は、上面１ａから底面１ｂまで延びている欠陥である「貫通欠陥」である。欠陥線の形成は、局所的だけではなく、誘起吸収の広範なセクション２ｃの全長に及んでいる。（レーザビーム焦線２ｂと被加工物１との重なり合いの長さに相当する）セクション２ｃの長さは、参照数字Ｌで表記されている。誘起吸収のセクション２ｃにおける欠陥領域の内径（すなわち、欠陥）は、参照記号Ｄで表記されている。この内径Ｄは、基本的には、レーザビーム焦線２ｂの平均直径δ、すなわち、約０．１マイクロメートルから約５マイクロメートルの範囲の平均スポット径に相当する。

焦線２ｂを生成するのに適用できる代表的な光学アセンブリ６ならびにそれらの光学アセンブリを適用できる代表的な光学的配置について以下で説明する。すべてのアセンブリまたは配置は、同一の構成要素または形状構成、または、それらの機能が等しいものに対して、同一の参照記号が用いられるように、上記の説明に基づいている。そのため、以下では、違いのみを説明する。

図８Ａによれば、光学アセンブリ６に入射する、レーザ装置３によって放射されたレーザビームの部分２ａは、まず、使用するレーザ光線の波長を通さない円形開口８に向けられる。開口８は、長手方向のビーム軸に対して直角に向けられ、およびその中心は、図示されているビーム部分２ａの中心部分に合わせられている。開口８の直径は、ビーム部分２ａの中心（すなわち、中心ビーム部分、ここでは、符号２ａＺで表記されている）近傍のレーザ光線が開口に当たって、それによって完全に吸収されるように選択される。ビーム部分２ａの外周範囲のビーム（すなわち、周辺光線、ここでは、符号２ａＲで表記されている）のみが、ビーム径と比較して低減された開口サイズにより、円形開口８によって吸収されず、開口８を横方向に通過して、光学アセンブリ６の集束レンズ７の周縁領域に当たり、その集束レンズは、この実施形態では、球状にカットされた両凸レンズとして示されている。

図８Ａに示すように、レーザビーム焦線２ｂは、レーザビームの単一の焦点のみならず、そのレーザビーム中の異なる光線の一連の焦点であってもよい。一連の焦点は、レーザビーム焦線２ｂの長さｌとして図８Ａに示す所定の長さの細長い焦線を構成している。レンズ７は、その中心を中心ビームと合わせることができ、および通常の球状カットレンズの形態の非補正の両凸集束レンズとして示すことができる。代替例として、理想的な焦点を形成しないが、所定の長さから成る別個の細長い焦線を形成する、理想的に補正されたシステムから逸脱する非球面またはマルチレンズシステム（すなわち、単一の焦点を有していないレンズまたはシステム）を用いてもよい。したがって、レンズのゾーンは、レンズ中心からの距離を条件として、焦線２ｂに沿って集束する。ビーム方向を横切る開口８の直径は、（ビームの強度が、ピーク強度の１／ｅ^２まで低下するのに必要な距離によって決まる）ビーム部分２ａの直径の約９０％および光学アセンブリ６のレンズ７の直径の約７５％とすることができる。したがって、中心のビーム束を遮断することによって生成される、非収差補正球面レンズの焦線２ｂが用いられる。図８Ａは、中心ビームを通る一つの平面内の断面を示し、図示されているビームが、焦線２ｂの周りで回転された場合、完全な三次元の光束が図を見て分かる。

図８Ｂ‐１から図８Ｂ‐４は、（図８Ａにおける光学アセンブリの場合だけではなく、他の何らかの適用可能な光学アセンブリ６の場合も）レーザビーム焦線２ｂの位置は、被加工物１に対して、光学アセンブリ６を適切に位置決めしおよび／または光学アセンブリを位置合わせすることにより、および光学アセンブリ６のパラメータを適切に選択することによって制御できることを示している。図８Ｂ‐１が示すように、焦線２ｂの長さｌは、被加工物の深さｄを（ここでは、２倍）越えるように調節することができる。被加工物１を（長手方向のビーム方向で見て）焦線２ｂに対して中心に配置した場合、誘起吸収２ｃの広範なセクションを、被加工物の厚み全体にわたって生成することができる。レーザビーム焦線２ｂは、約０．０１ｍｍから約１００ｍｍの範囲、または、約０．１ｍｍから約１０ｍｍの範囲の長さｌを有していてもよい。約０．１ｍｍ、約０．２ｍｍ、約０．３ｍｍ、約０．４ｍｍ、約０．５ｍｍ、約０．７ｍｍ、約１ｍｍ、約２ｍｍ、約３ｍｍ、約４ｍｍ、または、約５ｍｍ、例えば、約０．５ｍｍから約５ｍｍの長さｌを有する焦線２ｂを有するように、さまざまな実施形態を構成することができる。

図８Ｂ‐２に示すケースでは、概して被加工物の深さｄに相当する、長さｌの焦線２ｂが生成されている。被加工物１は、焦線２ｂが、被加工物１の外側の箇所で始まるように、焦線２ｂに対して位置決めされるため、誘起吸収２ｃの広範なセクションの長さｌ（被加工物の表面から所定の被加工物の深さまで延びているが、裏面１ｂまでは延びていない）は、焦線２ｂの長さｌよりも小さい。図８Ｂ‐３は、被加工物１が（ビーム方向に直角な方向に沿って見て）、図８Ｂ‐２の場合と同様に、焦線２ｂの長さｌが被加工物１内の誘起吸収２ｃのセクションの長さｌよりも大きくなるように、焦線２ｂの開始点の上に位置決めされるケースを示している。したがって、その焦線は、その被加工物内で始まり、裏面１ｂを越えて延びている。図８Ｂ‐４は、焦線の長さｌが、入射の方向で見た焦線に対する被加工物の中心位置決めのケースにおいて、焦線２ｂが、被加工物１内の表面１ａの近傍で始まり、被加工物内の面１ｂの近傍で終わるように、被加工物の深さｄよりも小さくなっているケースを示している（例えば、ｌ＝０．７５・ｄ）。

誘起吸収のセクション２ｃが、少なくとも被加工物の一方の面上で始まるように、面１ａ、１ｂの少なくとも一方が焦線によって覆われる（例えば、図８Ｂ‐２または図８Ｂ‐３の設定）ように、焦線２ｂを位置決めすることが特に有利である可能性がある。このようにして、表面におけるアブレーション、フェザリングおよび微粒子化を避けながら、事実上、理想的な切断を実現することが可能である。

図９は、光学アセンブリ６の別の実施形態を示す。基本的な構造は、図８Ａに記載されているものに追随するため、違いのみを以下で説明する。図９に図示されている光学アセンブリは、所定の長さｌの焦線が形成されるように造形されている、焦線２ｂを生成するための非球面状自由面を有する光学系を用いる。この目的のために、非球面を、光学アセンブリ６の光学素子として用いてもよい。図９では、例えば、アキシコンとも呼ばれるいわゆる円錐状プリズムが用いられる。アキシコンは、光軸に沿ったライン上にスポット源を形成する（または、レーザビームをリングに変換する）円錐状にカットされたレンズである。この実施例におけるアキシコンの円錐角は、約１０°である。しかし、他の範囲のアキシコンの円錐角も用いてもよいことを理解すべきである。アキシコン９の頂点は、入射方向に向かって方向付けられ、およびその中心がビームの中心と合わされている。アキシコン９によって生じる焦線２ｂは、そのアキシコンの内部で始まるため、被加工物１（ここでは、主ビーム軸に直角に位置合わせされている）は、アキシコン９の直後のビーム経路内に位置決めすることができる。図９が示すように、焦線２ｂの範囲内に留まりながら、アキシコンの光学特性により、被加工物１をビーム方向に沿ってシフトさせることも可能である。そのため、被加工物１の材料内の誘起吸収のセクション２ｃは、被加工物の深さｄの全体にわたって延びている。しかし、図示されている配置は、次の制限を受ける可能性があり、すなわち、アキシコン９と被加工物との間に間隔が存在する状況では、アキシコン９によって形成された焦線２ｂの領域はアキシコン９内で始まるため、レーザエネルギのかなりの部分は、材料内に位置している、焦線２ｂの誘起吸収のセクション２ｃ内に集束されない。さらに、焦線２ｂの長さｌは、屈折率およびアキシコン９の円錐角によってビーム径に関連している。このことが、比較的薄い（例えば、数ミリメートル）材料の場合、焦線全体は、被加工物の厚さよりもかなり長く、レーザエネルギの大半が、材料の厚さ内に収束しないという効果を有する理由である。

このため、アキシコンおよび集束レンズの両方を含む光学アセンブリ６を用いることが望ましい可能性がある。図１０Ａは、広範なレーザビーム焦線２ｂを形成するように設計された、非球面自由面を有する第一の光学素子が、レーザ装置３からのビーム経路内に配置されるこのような光学アセンブリ６を示す。図１０Ａに示すケースでは、この第一の光学素子は、ビーム方向に対して直角に位置決めされ、およびその中心が、レーザ装置３からのビームに合わされた、５°の円錐角を有するアキシコン１０である。アキシコン１０の頂点は、そのビーム方向に向けられている。第二の集束光学素子、ここでは平凸レンズ１１（その湾曲は、そのアキシコンに向けられている）は、アキシコン１０からの距離ｚ１において、ビーム方向に配置されている。距離ｚ１は、約３００ｍｍとすることができ、およびアキシコン１０によって形成されるレーザ光線が、レンズ１１の外側径方向部分に円形に入射するように選択される。レンズ１１は、その円形放射を、所定の長さ、この場合、１．５ｍｍの焦線２ｂ上で、距離Ｚ２、この場合、レンズ１１から約２０ｍｍにおいて出力側に集束させる。レンズ１１の有効焦点距離は、この実施形態では、２５ｍｍである。アキシコン１０によるレーザビームの円形変換は、参照記号ＳＲで表記されている。

図１０Ｂは、図１０Ａの光学アセンブリ６による、被加工物１の材料内での焦線２ｂまたは誘起吸収２ｃの形成を示す。両素子１０、１１の光学特性ならびにそれらの位置決めは、ビーム方向における焦線２ｂの長さｌが、被加工物１の深さｄと同じになるように選択される。いくつかの実施形態においては、図１０Ｂに示すように、被加工物１の二つの面１ａおよび１ｂ間に焦線２ｂを正確に位置決めするために、ビーム方向に沿った被加工物１の正確な位置決めが必要である。

別の実施形態では、図１０Ａに示す平凸レンズの代わりに、集束メニスカスレンズまたは別の高次補正集束レンズ（例えば、非球面、マルチレンズ系）を用いることも可能である。

図１０Ａに示すアキシコンとレンズの組合せを用いて、比較的短い焦線２ｂを生成するためには、そのアキシコンに入射する、非常に小さなビーム径のレーザビームを選択することが必要である。このことには、ビームの中心をアキシコンの頂点に合わせることは、非常に精密でなければならず、およびその結果として、ビームドリフト安定性等のレーザの方向変動に対して非常に敏感であるという実用上の欠点がある。さらに、緊密にコリメートされたレーザビームは、高度に発散性である可能性があり、すなわち、そのビーム束は、光の偏向により、短い距離にわたって不鮮明になる可能性がある。

図１１に示すように、どちらの影響も、光学アセンブリ６内に、別のレンズ、コリメーティングレンズ１２を含むことによって避けることができる。追加的なコリメーティングレンズ１２は、集束レンズ１１の円形照射を緊密に調節するように作用する。コリメーティングレンズ１２の焦点距離ｆ´は、所望の円形の直径ｄｒが、ｆ´に等しい、アキシコンからコリメーティングレンズ１２までの距離ｚ１ａから生じるように選択される。リングの所望の幅ｄｒは、コリメーティングレンズ１２と集束レンズ１１との間の距離ｚ１ｂによって調節することができる。純粋な幾何学の問題として、円形照射の小さな幅は、短い焦線をもたらす。距離ｆ´において、極小値を実現できる。

したがって、図１１に示す光学アセンブリ６は、図１０Ａに示すものに基づいているため、以下においては、違いのみを説明する。ここでもまた、ビーム方向を向いている湾曲を有する平凸レンズとして設計されたコリメーティングレンズ１２は、一方の側のアキシコン１０（その頂点は、ビーム方向に向いている）と、他方の側の平凸レンズ１１との間のビーム経路の中央に配置される。アキシコン１０からコリメーティングレンズ１２の間の距離は、ｚ１ａと呼び、コリメーティングレンズ１２から集束レンズ１１の間の距離は、ｚ１ｂと呼ぶものとし、集束レンズ１１から焦線２ｂの距離は、ｚ２である。図１１に示すように、コリメーティングレンズ１２に発散的に入射し、およびコリメーティングレンズの円形の直径ｄｒの下にある、アキシコン１０によって形成される円形照射ＳＲは、集束レンズ１１において、ほぼ一定の円形の直径ｄｒに対して、距離ｚ１ｂに沿って所望の円形の幅ｂｒに調節される。図示されているケースでは、非常に短い焦線２ｂは、レンズ１２における約４ｍｍの円形の幅ｂｒが、レンズ１２の集束特性により、レンズ１１において約０．５ｍｍまで縮小されるように生成されることが意図されている（実施例では、円形の直径ｄｒは、２２ｍｍである）。

図示されている実施例においては、２ｍｍという典型的なレーザビーム径、焦点距離ｆ＝２５ｍｍの集束レンズ１１、焦点距離ｆ´＝１５０ｍｍのコリメーティングレンズを用いて、および距離Ｚ１ａ＝Ｚ１ｂ＝１４０ｍｍおよびＺ２＝１５ｍｍを選定して、０．５ｍｍ未満の焦線の長さｌを実現することが可能である。

図１２Ａから図１２Ｃは、異なるレーザ強度領域におけるレーザ物質相互作用を示す。図１２Ａに示す第一のケースでは、未集束のパルスレーザビーム７１０は、被加工物７２０に何らかの改質を生じさせることなく、透明な被加工物７２０を通過する。この特定のケースでは、レーザエネルギ密度（または、ビームによって照射される単位面積当たりのレーザエネルギ）が、非線形効果を誘起するのに必要な閾値以下であるため、非線形効果は存在しない。エネルギ密度が高ければ高いほど、電磁界の強度が高くなる。そのため、図１２Ｂに示すように、レーザビームが、球面レンズ７３０によって、より小さなスポットサイズに集束された場合、照射される面積が低減され、およびエネルギ密度が増加して、透明な材料を改質して当該条件が満たされる容積内でのみの欠陥ラインの形成を可能にする非線形効果を開始する。このようにして、集束したレーザのビームウェストが、被加工物の表面に位置決めされた場合、その表面の改質が起きることになる。対照的に、集束したレーザのビームウェストが、被加工物の表面の下に位置決めされた場合、エネルギ密度が、非線形光学効果の閾値以下である場合には、その表面では何も起こらない。しかし、焦点７４０が、被加工物７２０の容積内に位置決めされた場合、レーザ強度は、多光子非線形効果を開始させるのに十分に高くなり、その材料への損傷を誘起する。別の実施形態では、図１２Ｃに示すように、アキシコンのケースでは、アキシコンレンズ７５０、または別法として、フレネルアキシコンの屈折パターンは、ベッセル状強度分布を生じ（すなわち、高強度シリンダ７６０）、およびその容積内にのみ、非線形吸収および材料７２０の改質をもたらすのに十分な強度がある干渉を発生させる。ベッセル状強度分布が、材料に対して非線形吸収および改質をもたらすのに十分であるシリンダ７６０の直径は、レーザビーム焦線のスポット径でもある。ベッセルビームのスポット径Ｄは、Ｄ＝（２．４０４８λ）／（２πＢ）で表すことができ、ただし、λは、レーザビーム波長であり、また、Ｂは、アキシコン角度の関数である。

いくつかの例示的な実施形態においては、アルカリ土類ボロアルミノシリケートガラス複合物を切断するという目的のために、多数のパルスから成るバーストを生成するピコ秒パルスレーザ（例えば、１０６４ｎｍまたは５３２ｎｍのピコ秒パルスレーザ）は、線焦点ビーム形成光学系とともに、そのガラス複合物内の欠陥線に用いることができる。しかし、他のパルスレーザを、本願明細書に記載されている穿孔プロセスで用いてもよいことに留意する。

例えば、厚さが最大で０．７ｍｍのディスプレイ／ＴＦＴガラス複合物は、それが光学系によって生成された焦線の領域内にあるように位置決めすることができる。長さが約１ｍｍの焦線の場合、透明な被加工物において測定した、２００ｋＨｚ（約１２０μＪ／バースト以上）のバースト繰り返し率で、約２４Ｗ以上の出力を生成する１０６４ｎｍのピコ秒レーザの場合、焦線領域内の光強度は、ガラス複合物内に非線形吸収をもたらすのに十分である可能性がある。パルスレーザビームは、被加工物の厚さに関して４０μＪ／ｍｍ超の、その材料で測定した平均レーザバーストエネルギを有していてもよい。いくつかのガラスの場合、エネルギ密度は、穿孔ラインまたは切断エッジに直交する微小亀裂生成の広がりを最小限にしながら、被加工物中の欠陥線の完全なダメージトラックを形成するのに十分であるため、用いる平均レーザバーストエネルギは、その材料の厚さに関して２５００μＪ／ｍｍ程度の大きさ、例えば、約４０μＪ／ｍｍから約２５００μＪ／ｍｍ、約４００μＪ／ｍｍから約１３００μＪ／ｍｍ、または、約５５０μＪ／ｍｍから約１０００μＪ／ｍｍとすることができる。この１ｍｍ当たりの「平均パルスバーストレーザエネルギ」は、バースト当たりの平均線形エネルギ密度、または、材料の厚さの１ｍｍ当たりの、レーザパルスバースト当たりの平均エネルギと呼ぶこともできる。レーザビーム焦線によってもたらされた高い光強度の線形領域にほぼ追従する、ガラス複合物内の損傷した、除去された、蒸発した、または別様に改質された材料の領域を形成することができる。

次に、図１３Ａおよび図１３Ｂを参照すると、本願明細書に記載されているこのようなピコ秒レーザの典型的な作用が、パルス５００Ａから成るバースト５００を生成することを理解すべきである。各バースト５００は、非常に短い持続時間の多数の個々のパルス５００Ａ（例えば、少なくとも二つのパルス、少なくとも５つのパルス、少なくとも七つのパルス、少なくとも八つのパルス、少なくとも九つのパルス、少なくとも十個のパルス、少なくとも１５個のパルス、少なくとも２０個のパルス、またはそれ以上のパルス）を含んでいる。すなわち、一つのバーストは、複数のパルスから成る群であり、バーストは、各バースト内の個々の隣接するパルスの分離よりも長い持続時間によって、互いに分離されている。一つ以上の実施形態によれば、ディスプレイガラス／ＴＦＴガラス複合物を切断または穿孔するために、バースト当たりのパルスの数は、約１から３０（例えば、５から２０）とすることができる。パルス５００Ａは、最高で１００ピコ秒（例えば、０．１ピコ秒、５ピコ秒、１０ピコ秒、１５ピコ秒、１８ピコ秒、２０ピコ秒、２２ピコ秒、２５ピコ秒、３０ピコ秒、５０ピコ秒、７５ピコ秒、または、これらの間の任意の範囲）のパルス持続時間Ｔ_ｄを有している。バースト内の各個々のパルス５００Ａのエネルギまたは強度は、バースト内の他のパルスのエネルギまたは強度と等しくなくてもよく、また、バースト５００内の多数のパルスの強度分布は、多くの場合、レーザ構造によって制御される経時的な指数関数的減衰に追従する。いくつかの実施形態において、本願明細書に記載されている例示的な実施形態のバースト５００内の各パルス５００Ａは、約１ナノ秒から約５０ナノ秒（例えば、約１０ナノ秒から約５０ナノ秒、または、約１０ナノ秒から約３０ナノ秒、その時間は、多くの場合、レーザキャビティ構造によって制御される）の期間Ｔ_ｐによって、バースト内の後続のパルスから経時的に分離されている。所定のレーザに対して、バースト５００内の隣接するパルス間の時間間隔Ｔ_ｐは、比較的均一（例えば、互いの約１０％以内）にすることができる。例えば、いくつかの実施形態において、一つのバースト内の各パルスは、約２０ナノ秒（５０ＭＨｚ）だけ、後続のパルスから経時的に分離されている。例えば、約２０ナノ秒のパルス間隔Ｔ_ｐを生じるレーザの場合、一つのバースト内のパルス間の間隔Ｔ_ｐは、約±１０％、または、約±２ナノ秒以内に維持される。パルスの各バースト間の時間（バースト間の時間間隔Ｔ_ｂ）は、かなり長くなる。例えば、複数のパルスから成る各バースト間の時間は、約０．２５マイクロ秒から約１０００マイクロ秒、例えば、約１マイクロ秒から約１０マイクロ秒、または、約３マイクロ秒から約８マイクロ秒とすることができる。本願明細書に記載されているレーザの例示的な実施形態のうちのいくつかでは、時間間隔Ｔ_ｂは、約２００ｋＨｚのバースト繰り返し率を有するレーザの場合、約５マイクロ秒である。レーザバースト繰り返し率は、バースト内の最初のパルスと、後続のバースト内の最初のパルスとの間の時間Ｔ_ｂに関連している（レーザバースト繰り返し率＝１／Ｔ_ｂ）。いくつかの実施形態では、レーザバースト繰り返し率は、約１ｋＨｚから約４ＭＨｚの範囲内とすることができる。いくつかの実施形態では、レーザバースト繰り返し率は、例えば、約１０ｋＨｚから６５０ｋＨｚの範囲内とすることができる。各バースト内の最初のパルスと、後続のバースト内の最初のパルスとの間の時間Ｔ_ｂは、約０．２５マイクロ秒（４ＭＨｚのバースト繰り返し率）から約１０００マイクロ秒（１ｋＨｚのバースト繰り返し率）、例えば、約０．５マイクロ秒（２ＭＨｚのバースト繰り返し率）から約４０マイクロ秒（２５ｋＨｚのバースト繰り返し率）、または、約２マイクロ秒（５００ｋＨｚのバースト繰り返し率）から約２０マイクロ秒（５０ｋＨｚのバースト繰り返し率）とすることができる。正確なタイミング、パルス持続時間およびバースト繰り返し率は、レーザ構造に依存して変化する可能性があるが、特に良好に作用するように、高強度の短いパルス（Ｔ_ｄ＜２０ピコ秒、好ましくは、Ｔ_ｄ≦１５ピコ秒）が図示されている。

材料を改質するのに必要なエネルギは、バーストエネルギ（各バースト５００が、一連のパルス５００Ａを含んでいる一つのバースト内に含まれるエネルギ）に関して、または、単一のレーザパルス（その多くは、一つのバーストから成っていてもよい）内に含まれるエネルギに関して説明することができる。バースト当たりのエネルギは、約２５μＪから約７５０μＪ、例えば、約５０μＪから約５００μＪ、または、約５０μＪから約２５０μＪとすることができる。いくつかのガラス複合物の場合、バースト当たりのエネルギは、約１００μＪから約２５０μＪとすることができる。しかし、ディスプレイまたはＴＦＴガラス複合物に対しては、バースト当たりのエネルギは、より高く（例えば、被加工物の具体的なディスプレイ／ＴＦＴガラス複合物により、約３００μＪから約５００μＪ、または、約４００μＪから約６００μＪ）してもよい。バースト内の個々のパルスのエネルギは、より少なくなり、および正確な個々のレーザパルスエネルギは、図１３Ａおよび図１３Ｂに示すように、バースト５００内のパルス５００Ａの数と、レーザパルスの減衰率（例えば、指数関数的減衰率）とに経時的に依存する。例えば、一定のエネルギ／バーストの場合、一つのパルスバーストが、１０の個々のレーザパルス５００Ａを含む場合には、各個々のレーザパルス５００Ａは、同じバースト５００が、２つの個々のレーザパルスだけを有している場合よりも少ないエネルギを含むことになる。

このようなバーストを生成することが可能なパルスレーザビームの利用は、透明な材料、例えばガラスの切断または改質に対して有利である。単一パルスレーザの繰り返し率によって時間が離間した単一のパルスの利用とは対照的に、バースト５００内のパルスの高速シーケンスに関してレーザエネルギを拡散するバーストシーケンスの利用は、単一のパルスレーザによって可能な、材料との高強度の相互作用の時間尺度よりも大きい時間尺度にアクセスすることを可能にする。単一のパルスは、経時的に拡張することができるが、そのパルス内の強度は、パルス幅にわたって大まかに低下される。そのため、１０ピコ秒の単一のパルスが、１０ナノ秒のパルスに拡張された場合、強度は、大体、三桁低減される。このような低減は、非線形吸収がもはや重要ではなく、かつ切断にとって、光－材料の相互作用がもはや十分ではないポイントまで光強度を低減する可能性がある。対照的に、パルスバーストレーザの場合は、バースト５００内の各パルス５００Ａの間の強度は、比較的高いままである可能性があり（例えば、約１０ナノ秒だけ、経時的に離間した一つの１０ピコ秒パルス５００Ａは、依然として、各パルスバースト内のエネルギを、単一の１０ピコ秒パルスのエネルギよりも約三倍高くできるようにする）、およびレーザは、三桁大きい時間尺度にわたって材料と相互に作用する。例えば、約１０ナノ秒だけ経時的に離間した１０ピコ秒のパルス５００Ａは、多くの場合、各パルスバースト内のエネルギを、単一の１０ピコ秒のパルスのエネルギよりも約十倍高くし、およびレーザは、数桁大きい時間尺度にわたって材料と相互に作用する。一つの実施形態において、材料を改質するためのバーストエネルギの所要量は、被加工物材料組成と、その被加工物と相互に作用するのに用いられる線焦点の長さとに依存する。相互作用領域が長ければ長いほど、エネルギは、より多く拡散し、より高いバーストエネルギが必要となる。正確なタイミング、パルス持続時間およびバースト繰り返し率は、レーザ構造に依存して変化することができるが、いくつかの実施形態では、高強度のパルスの短いパルス時間（例えば、約１５ピコ秒未満、または、約１０ピコ秒以下）が例示的であってもよい。複数のパルスから成る単一のバーストが、透明な被加工物上の本質的に同じ位置に当たった場合、欠陥が材料中に形成される。すなわち、単一のバースト内の多数のレーザパルスは、透明な被加工物内の単一の欠陥線に相当する。被加工物は、（例えば、常に動いているステージ、または、被加工物に対して移動されるビームによって）移動されるため、バースト内の個々のパルスは、ガラス上の正確に同じ空間的位置にすることができない。しかし、個々のパルスは、互いに１μｍ以内にすることができる（すなわち、それらのパルスは、本質的に同じ位置において、ガラスに有効に当たる）。例えば、それらのパルスは、互いに間隔ｓｐでガラスに当たることができ、ただし、０＜ｓｐ≦５００ｎｍである。例えば、２０のパルスから成るバーストがガラス位置に当たった場合、そのバースト内の個々のパルスは、互いに２５０ｎｍ以内でガラスに当たる。したがって、いくつかの実施形態においては、１ｎｍ＜ｓｐ＜２５０ｎｍである。いくつかの実施形態では、１ｎｍ＜ｓｐ＜１００ｎｍである。

一つ以上の実施形態においては、被加工物を切断または分離する目的のために、パルスバーストエネルギは、バースト当たり約１００μＪから約６００μＪ、例えば、バースト当たり約３００μＪから約６００μＪとすることができる。この範囲外で作用すると、他のガラスの好結果の分離をもたらすが、ディスプレイ（またはＴＦＴ）ガラス複合物の好結果の分離はもたらさない可能性がある。いくつかのディスプレイガラスタイプの場合、パルスバーストエネルギは、約３００μＪから約５００μＪとすることができ、または、他のディスプレイタイプのガラスの場合は、約４００μＪから約６００μＪとすることができる。４００μＪから５００μＪのパルスバーストエネルギは、多くのディスプレイタイプのガラス複合物に対してうまく作用する可能性がある。線焦点内のエネルギ密度は、特定のディスプレイまたはＴＦＴガラスのために最適化することができる。例えば、ＥＡＧＬＥ ＸＧガラスおよびＣＯＮＴＥＧＯガラスの場合はともに、パルスバーストエネルギのための適切な範囲は、約３００から約５００μＪとすることができ、また、線焦点は、約１．０ｍｍから約１．４ｍｍとすることができる（この場合、線焦点の長さは、光学的構成によって決まる）。

一つの実施形態において、比較的低いパルスレーザエネルギ密度（例えば、３００μＪ以下）は、要望通りに形成しない穿孔を形成して、赤外レーザ加工中に、欠陥間の破砕を容易に実現させず、ディスプレイガラス内での（本願明細書では、破断強さとも呼ぶ）破断抵抗の増加につながる可能性がある。パルスレーザビームのエネルギ密度が高すぎる場合（例えば、６００μＪ以上、または、５００μＪ超）、熱損傷がより大きくなって、穿孔を接続しているクラックをとどまらせて、所望の経路に沿って形成させず、およびディスプレイ（またはＴＦＴ）ガラスの破断抵抗（破断強さ）を劇的に増加させる可能性がある。

上記の説明を考慮して、赤外レーザビームによるレーザ分離の能力は、輪郭線上に直接投射されるのではなく、欠陥を含む輪郭線に隣接する領域にわたって最大強度を投射する赤外レーザビームを用いることによってさらに高めることができることを理解すべきである。一つの実施形態においては、輪郭線に隣接して、この赤外レーザの最大出力投射を実現するのに、環状のビームプロファイルを用いることができる。

本願明細書においては、範囲は、「約」一つの特定の値から、および／または「約」別の特定の値までと表されている可能性がある。このような範囲が表されている場合、別の実施形態は、一方の特定の値からを含み、および／または他方の特定の値までを含む。同様に、先行詞「約」を用いることによって、値が近似で表されている場合、その特定の値が別の実施形態を構成することは理解されるであろう。さらに、範囲のそれぞれの端点値は、他方の端点値と関連して、かつ他方の端点値と無関係に有意であることは理解されるであろう。

本願明細書で使われている方向を示す用語、例えば、上方、下方、右、左、前方、後方、上部、底部は、描かれている図面に関連してのみ成立し、絶対的な方向性を意味するような意図はない。

明示的に別様に記載されていない限り、本願明細書に記載されているどの方法も、その工程が特定の順番で実行されることも、どの装置の場合も特定の方向性が必要であることも要求されるように解釈される意図は全くない。したがって、方法クレームは、その工程が従うべき順番を実質的に列挙することはなく、または、いずれの装置クレームも、個々の構成要素に関する順番または方向性を実質的には列挙せず、または、クレームまたは説明においては、工程が、特定の順番に限定されること、または、装置の構成要素に関する特定の順番または方向性が列挙されないことは、具体的には記載されていない場合、どのような点においても、順番または方向性が推測される意図は全くない。このことは、工程の構成、動作の流れ、構成要素の順番、または、構成要素の方向性に関する論理事項と、文法構成または句読点から生じる単純な解釈と、明細書に記載されている実施形態の数または種類とを含む、どのような可能性のある解釈のための不明確な基準に対しても当て嵌まる。

「一つの（ａ、ａｎ）」および「その（ｔｈｅ）」という単数形は、本願明細書において用いられる場合、その文脈が明確に別様に指示していない限り、複数の指示対象を含むものとする。したがって、例えば、「一つの」構成要素に関する言及は、その文脈が明確に別様に指示していない限り、二つ以上のそのような構成要素を有する態様を含むものとする。

クレームされた内容の趣旨および範囲から逸脱することなく、本願明細書に記載されている実施形態に対して、さまざまな変更や変形を実行できることは当業者には明らかであろう。したがって、そのような変更や変形が、添付クレームおよびそれらの等価物の範囲内にあれば、本明細書が、本願明細書に記載されているさまざまな実施形態の変更や変形をカバーしていることが意図されている。

以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。

実施形態１
被加工物をレーザ加工する方法であって、
前記被加工物内に輪郭線を形成する工程であって、該輪郭線が該被加工物内に欠陥を含む工程と、
前記輪郭線に沿って、または該輪郭線の近傍で前記被加工物に赤外レーザビームを向けて、該輪郭線に沿って該被加工物を分離する工程であって、該赤外レーザビームは、該赤外レーザビームからの累積エネルギの、該輪郭線上への直接的な分布よりも大きな分布が、該輪郭線に隣接する領域内に配置されるような環状ビームプロファイルを有する工程と、
を含む方法。

実施形態２
前記環状ビームプロファイルの外径が、約０．５ｍｍから約２０ｍｍである、実施形態１記載の方法。

実施形態３
前記環状ビームプロファイルの内径が、前記外側のビーム径の約５％から約９５％である、実施形態２に記載の方法。

実施形態４
前記赤外レーザビームからの累積エネルギの、前記輪郭線上への直接的な分布よりも大きな分布が、前記輪郭線の両側の該輪郭線に隣接する領域内に配置される、実施形態１から３のいずれかに記載の方法。

実施形態５
前記赤外レーザビームの中心は、前記輪郭線に合わせられる、実施形態１から４のいずれかに記載の方法。

実施形態６
前記赤外レーザビームは、二酸化炭素レーザ、一酸化炭素レーザ、固体レーザ、レーザダイオードまたはこれらの組合せによって生成される、実施形態１から５のいずれかに記載の方法。

実施形態７
前記被加工物は、アルカリ土類ボロアルミノシリケートガラス、サファイア、溶融シリカ、または、これらの組合せから成る、実施形態１から６のいずれかに記載の方法。

実施形態８
前記赤外レーザビームと前記被加工物は、約１ｍｍ／秒から約１０ｍ／秒の速度で、互いに対して移動される、実施形態１から７のいずれかに記載の方法。

実施形態９
前記赤外レーザビームは、約２０Ｗから約１０００Ｗの出力を有する、実施形態１から８のいずれかに記載の方法。

実施形態１０
前記被加工物は、約５×１０^－６／Ｋ以下のＣＴＥを有する、実施形態１から９のいずれかに記載の方法。

実施形態１１
被加工物は、約５０マイクロメートルから約１０ｍｍの厚さを有する、実施形態１から１０のいずれかに記載の方法。

実施形態１２
前記輪郭線を形成する工程は、
パルスレーザビームの焦点を、ビーム伝播方向に沿って向けられ、および前記被加工物内に方向付けられたパルスレーザビーム焦線に合わせる工程であって、該パルスレーザビーム焦線が、該被加工物内に誘起吸収を生成し、該誘起吸収が、該被加工物内の該パルスレーザビーム焦線に沿って欠陥線を生成する工程と、
前記被加工物と前記パルスレーザビーム焦線を、前記輪郭線に沿って互いに対して移動させて、それにより、該被加工物内の該輪郭線に沿って、複数の欠陥線をレーザ形成することであって、隣接する欠陥線の間の間隔が、１マイクロメートルから３０マイクロメートルである工程とを含み、
前記パルスレーザは、パルスバースト当たり約１パルスから、パルスバースト当たり約３０パルスを有するパルスバーストを生成し、そのパルスバーストエネルギは、パルスバースト当たり約１００μＪから約６００μＪである、実施形態１から１１のいずれかに記載の方法。

実施形態１３
前記パルスレーザビームは、パルスバースト当たり約９パルスから、パルスバースト当たり約２０パルスを有するパルスバーストを生成し、そのパルスバーストエネルギは、パルスバースト当たり約３００μＪから、パルスバースト当たり約５００μＪである、実施形態１２に記載の方法。

実施形態１４
前記隣接する欠陥線の間の間隔は、約７マイクロメートルから約１２マイクロメートルであり、
前記パルスレーザビームは、パルスバースト当たり約５パルスから、パルスバースト当たり約１５パルスを有するパルスバーストを生成し、そのパルスバーストエネルギは、パルスバースト当たり約４００μＪから、パルスバースト当たり約６００マイクロジュールである、実施形態１２に記載の方法。

実施形態１５
前記パルスバーストの前記パルスは、約１ピコ秒から約１００ピコ秒の持続時間を有する、実施形態１２から１４のいずれかに記載の方法。

実施形態１６
前記パルスバーストは、約１０ｋＨｚから約３ＭＨｚの範囲の繰り返し率を有する、実施形態１２から１５のいずれかに記載の方法。

実施形態１７
前記パルスレーザビーム焦線は、約０．１マイクロメートルから約１０マイクロメートルの範囲の平均スポット径を有する、実施形態１２から１６のいずれかに記載の方法。

実施形態１８
被加工物をレーザ加工する方法であって、
パルスレーザビームの焦点を、前記被加工物に方向付けられたパルスレーザビーム焦線に合わせる工程であって、該パルスレーザビーム焦線は、該被加工物内に欠陥線を生じさせる工程と、
前記被加工物と前記パルスレーザビーム焦線を互いに対して移動させ、それによって、前記被加工物内の輪郭線に沿って複数の欠陥線をレーザ形成する工程であって、隣接する欠陥線間の間隔が、５マイクロメートルと１５マイクロメートルの間である工程と、
前記輪郭線に沿って、または該輪郭線の近傍で、赤外レーザビームを前記被加工物上に向けて、該被加工物を該輪郭線に沿って分離する工程であって、該赤外レーザビームは、該赤外レーザビームからの累積エネルギの、該輪郭線上への直接的な分布よりも大きな分布が、該輪郭線の両側の該輪郭線に隣接する領域内に配置されるようなビームプロファイルを有する工程と、
を含む方法。

実施形態１９
前記赤外レーザビームは、環状ビームプロファイルを有し、およびその中心が前記輪郭線上にある、実施形態１８に記載の方法。

実施形態２０
前記赤外レーザビームは、二酸化炭素レーザ、一酸化炭素レーザ、固体レーザ、レーザダイオード、または、これらの組合せによって生成される、実施形態１８に記載の方法。

１、７２０ 被加工物
１ａ 上面
１ｂ 底面
２ パルスレーザビーム
２ｃ ビーム部分
２ｂ レーザビーム焦線
２ｃ 誘起吸収の広範なセクション
３ レーザ装置
６ 光学アセンブリ
７ 集束レンズ
８ 円形開口
９、１０ アキシコン
１１ 平凸レンズ
１２ コリメーティングレンズ
１１０ 輪郭線
１２０ 欠陥線
１３０ 透明な被加工物
１４０ 超短パルスレーザビーム
１６０ 処理方向
２１０ ビームスポット、環状ビーム、赤外レーザビーム
３０２ ガウスビーム
３１０、７５０ アキシコンレンズ
３１２ 第一の平凸レンズ
３１４ 第二の平凸レンズ
３１６ 環状の赤外レーザビーム
３３０ ＣＯ_２レーザビーム
５００ パルスバースト
５００Ａ パルスまたはサブパルス
７１０ 未集束のパルスレーザビーム
７３０ 球面レンズ
７４０ 焦点
７６０ 高強度シリンダ
ｄ 深さ
ＳＲ 円形変換

Claims (10)

1. 被加工物をレーザ加工する方法であって、
   前記被加工物内に輪郭線を形成する工程であって、該輪郭線が該被加工物内に欠陥を含む工程と、
   前記輪郭線に沿って、または該輪郭線の近傍で前記被加工物に赤外レーザビームを向けて、該輪郭線に沿って該被加工物を分離する工程であって、該赤外レーザビームは、該赤外レーザビームからの累積エネルギの、該輪郭線上への直接的な分布よりも大きな分布が、該輪郭線に隣接する領域内に配置されるような環状ビームプロファイルを有する工程と、
   を含む方法。
2. 前記環状ビームプロファイルの外径が、約０．５ｍｍから約２０ｍｍである、請求項１記載の方法。
3. 前記環状ビームプロファイルの内径が、前記外側のビーム径の約５％から約９５％である、請求項２に記載の方法。
4. 前記赤外レーザビームからの累積エネルギの、前記輪郭線上への直接的な分布よりも大きな分布が、前記輪郭線の両側の該輪郭線に隣接する領域内に配置される、請求項１から３のいずれかに記載の方法。
5. 前記輪郭線を形成する工程は、
   パルスレーザビームの焦点を、ビーム伝播方向に沿って向けられ、および前記被加工物内に方向付けられたパルスレーザビーム焦線に合わせる工程であって、該パルスレーザビーム焦線が、該被加工物内に誘起吸収を生成し、該誘起吸収が、該被加工物内の該パルスレーザビーム焦線に沿って欠陥線を生成する工程と、
   前記被加工物と前記パルスレーザビーム焦線を、前記輪郭線に沿って互いに対して移動させて、それにより、該被加工物内の該輪郭線に沿って、複数の欠陥線をレーザ形成する工程であって、隣接する欠陥線の間の間隔が、１マイクロメートルから３０マイクロメートルである工程とを含み、
   前記パルスレーザは、パルスバースト当たり約１パルスから、パルスバースト当たり約３０パルスを有するパルスバーストを生成し、そのパルスバーストエネルギは、パルスバースト当たり約１００μＪから約６００μＪである、請求項１から４のいずれかに記載の方法。
6. 前記パルスレーザビームは、パルスバースト当たり約９パルスから、パルスバースト当たり約２０パルスを有するパルスバーストを生成し、そのパルスバーストエネルギは、パルスバースト当たり約３００μＪから、パルスバースト当たり約５００μＪである、請求項５に記載の方法。
7. 前記隣接する欠陥線の間の間隔は、約７マイクロメートルから約１２マイクロメートルであり、
   前記パルスレーザビームは、パルスバースト当たり約５パルスから、パルスバースト当たり約１５パルスを有するパルスバーストを生成し、そのパルスバーストエネルギは、パルスバースト当たり約４００μＪから、パルスバースト当たり約６００マイクロジュールである、請求項５に記載の方法。
8. 被加工物をレーザ加工する方法であって、
   パルスレーザビームの焦点を、前記被加工物に方向付けられたパルスレーザビーム焦線に合わせる工程であって、該パルスレーザビーム焦線は、該被加工物内に欠陥線を生じさせる工程と、
   前記被加工物と前記パルスレーザビーム焦線を互いに対して移動させ、それによって、前記被加工物内の輪郭線に沿って複数の欠陥線をレーザ形成する工程であって、隣接する欠陥線間の間隔が、５マイクロメートルと１５マイクロメートルの間である工程と、
   前記輪郭線に沿って、または該輪郭線の近傍で、赤外レーザビームを前記被加工物上に向けて、該被加工物を該輪郭線に沿って分離する工程であって、該赤外レーザビームは、該赤外レーザビームからの累積エネルギの、該輪郭線上への直接的な分布よりも大きな分布が、該輪郭線の両側の該輪郭線に隣接する領域内に配置されるようなビームプロファイルを有する工程と、
   を含む方法。
9. 前記赤外レーザビームは、環状ビームプロファイルを有し、およびその中心が前記輪郭線上にある、請求項８に記載の方法。
10. 前記赤外レーザビームは、二酸化炭素レーザ、一酸化炭素レーザ、固体レーザ、レーザダイオード、または、これらの組合せによって生成される、請求項９に記載の方法。

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