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KR20190070340A - 유리 기판에서 홀 및 슬롯의 생성 - Google Patents

유리 기판에서 홀 및 슬롯의 생성 Download PDF

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KR20190070340A
KR20190070340A KR1020197013413A KR20197013413A KR20190070340A KR 20190070340 A KR20190070340 A KR 20190070340A KR 1020197013413 A KR1020197013413 A KR 1020197013413A KR 20197013413 A KR20197013413 A KR 20197013413A KR 20190070340 A KR20190070340 A KR 20190070340A
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KR
South Korea
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laser beam
glass
ion exchange
laser
glass substrate
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KR1020197013413A
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Inventor
크리스토퍼 앨런 윌랜드
Original Assignee
코닝 인코포레이티드
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Publication date
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Abstract

본 발명은 이온 교환 유리 기판에서 내부 윤곽을 절단 및 분리하는 방법에 관한 것이다. 방법은 제1 펄스 레이저 빔을 레이저 빔 초점 라인에 초점 조정시키는 단계; 내부 유리 부분을 정의하는 폐쇄 내부 윤곽 (24)을 따른 복수의 위치에 있는 이온 교환 유리 기판에 상기 레이저 빔 초점 라인을 지향시키는 단계, 여기서 상기 레이저 빔 초점 라인이 상기 복수의 위치의 각 위치에 있는 이온 교환 유리 기판의 두께를 통해 연장된 결함 라인을 생성하도록 상기 레이저 빔 초점 라인은 상기 이온 교환 유리 기판 내에서 유도 흡수를 발생시킴; 및 또 다른 초점 조정된 레이저 빔을 상기 내부 유리 부분의 적어도 일 부분 (26)에 지향시키고, 상기 내부 유리 부분의 적어도 일 부분을 적어도 절제하는 단계;를 수반한다.

Description

유리 기판에서 홀 및 슬롯의 생성
본 출원은 35 U.S.C.§ 119 하에, 2016년 10월 13일 자로 출원된 미국 가출원 제62/407,900호의 우선권 주장 출원이고, 상기 가출원의 내용은 여기에서 전체적으로 참조로 병합된다.
본 발명은 유리 기판에서의 홀 및 슬롯의 생성에 관한 것이다.
유리와 같은 투명 재료의 얇은 기판에서 홀 및 슬롯의 절단은 홀 또는 슬롯의 윤곽을 따라 재료를 절제하는데 사용되는 초점 조정된 레이저 빔에 의해 달성될 수 있으며, 이 경우에 다수의 패스 (passes)는 내부 플러그가 더 이상 외부 기판 부분에 부착되지 않을 때까지 재료 층층 (layer after layer)을 제거하기 위해 사용된다. 그러한 공정의 문제점은 윤곽의 에지를 따른 많은 표면 아래 손상 (> 100 μm)으로 부품의 표면을 오염시킬 상당한 절제 잔해를 발생시킨다는 것이다.
그러므로, 홀 및 슬롯을 절단하는 개선된 공정이 필요하다.
여기에 기재된 실시예는 투명 재료, 특히 유리의 얇은 기판에서 내부 윤곽을 절단 및 분리하는 공정에 관한 것이다.
일 실시예에서, 유리 제품을 형성하는 방법은:
I. 제1 펄스 레이저 빔을 레이저 빔 초점 라인에 초점 조정시키는 단계;
II. 내부 유리 부분을 정의하는 폐쇄 내부 윤곽을 따른 복수의 위치에 있는 이온 교환 유리 기판에 상기 레이저 빔 초점 라인을 지향시키는 단계, 여기서 상기 레이저 빔 초점 라인이 상기 복수의 위치의 각 위치에 있는 이온 교환 유리 기판의 두께를 통해 연장된 결함 라인을 생성하도록 상기 레이저 빔 초점 라인은 상기 이온 교환 유리 기판 내에서 유도 흡수를 발생시킴;
III. 또 다른 초점 조정된 레이저 빔을 상기 내부 유리 부분의 적어도 일 부분에 지향시키고, 상기 내부 유리 부분의 적어도 일 부분을 적어도 절제하는 단계;를 포함한다.
몇몇 실시예에 따라서, 상기 이온 교환 유리 기판은 화학적으로 강화된 유리 기판이다. 몇몇 실시예에 따라서, 상기 이온 교환 유리 기판은 디스플레이 유리 위에 적어도 부분적으로 위치된다. 몇몇 실시예에 따라서, 상기 초점 라인은 상기 디스플레이 유리 내에서 유도 흡수를 발생시키지 않는다. 몇몇 실시예에 따라서, 상기 이온 교환 유리 기판은 디스플레이 유리 위에 적어도 부분적으로, 그리고 적어도 하나의 전자 구성요소 위에 적어도 부분적으로 위치되고, 상기 방법은 커버 유리 또는 전자 구성요소 손상 없이, 이온 교환 유리 기판으로부터 내부 유리 부분를 제거하는 단계를 더욱 포함한다.
적어도 몇몇 실시예에서, 상기 이온 교환 유리 기판은 소비자 전자 디바이스에 장착된 커버 유리이다. 몇몇 실시예에서, 상기 이온 교환 유리 기판은 소비자 전자 디바이스의 전자 구성요소 위에 위치된다. 몇몇 실시예에서, 상기 이온 교환 유리 기판은 소비자 전자 디바이스의 전자 구성요소 위에 위치되고, 상기 제1 펄스 레이저 빔은 이온 교환 유리 기판에 투명하지만 전자 구성요소에 투명하지 않은 파장을 가진다. 상기 이온 교환 유리 기판은 소비자 전자 디바이스의 전자 구성요소 위에 위치되고, 제1 펄스 레이저 빔은 이온 교환 유리 기판에 투명하지만 전자 구성요소에 투명하지 않은 파장을 가진다. 몇몇 실시예에서, 상기 소비자 전자 디바이스는 디스플레이 디바이스이거나, 디스플레이 디바이스를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 상기 이온 교환 유리 기판은 디스플레이 디바이스의 전자 구성요소 위에 위치된다. 몇몇 실시예에서, 상기 이온 교환 유리 기판은 디스플레이 디바이스의 전자 구성요소 위에 위치되고, 상기 제1 펄스 레이저 빔은 이온 교환 유리 기판에 투명하지만 전자 구성요소에 투명하지 않은 파장을 가진다. 상기 이온 교환 유리 기판은 디스플레이 디바이스의 전자 구성요소 위에 위치되고, 상기 제1 펄스 레이저 빔은 이온 교환 유리 기판에 투명하지만 전자 구성요소에 투명하지 않은 파장을 가진다.
특허 또는 출원 파일은 색상이 입혀진 적어도 하나의 도면을 포함한다. 색상 도면(들)이 있는 이 특허 또는 특허 출원 공보물의 사본은 요청에 따라 특허청에 의해 제공되고 필요한 수수료가 지불될 것이다.
전술한 내용은, 동일한 도면 부호가 상이한 도면 전반에 걸쳐 동일한 부분을 지칭하는, 수반된 도면에 예시된 바와 같은, 본 발명의 예제 실시예의 다음의 보다 더 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 도면은 반드시 일정한 축척이 아니며, 대신에 본 발명의 실시예를 예시할 때 강조한다.
도 1은 대표적인 소비자 디바이스에서 활용된 시작 유리 시트의 절단될 수 있는 대표적인 부분의 예시이다. 대표적인 부분은 외부 윤곽 및 내부 윤곽 둘 다를 가질 수 있다. 외부 윤곽은 부가적인 절단 또는 "방출 라인"을 부가하여 시작 (모, mother) 시트로부터 쉽게 방출될 수 있다.
도 2a 및 도 2b는, 레이저 빔 초점 라인의 위치 설정, 즉, 초점 라인을 따라 유도 흡수로 인한 레이저 파장에 대해 투명한 재료의 가공의 예시이다.
도 3a는 레이저 드릴링을 위한 광학 어셈블리 (optical assembly)의 예시이다.
도 3b-1 내지 3b-4는, 기판에 대해 레이저 빔 초점 라인을 다르게 위치시켜 기판을 가공하는 다양한 방식의 예시이다.
도 4는 레이저 드릴링을 위한 제2 광학 어셈블리의 예시이다.
도 5a 및 5b는 레이저 드릴링을 위한 제3 광학 어셈블리의 예시이다.
도 6은 레이저 드릴링을 위한 제4 광학 어셈블리의 개략적인 예시이다.
도 7a-7c는, 재료의 레이저 가공을 위한 상이한 레짐 (regimes)의 예시이다. 도 7a는, 초점 조정되지 않는 (unfocused) 레이저 빔을 예시하고, 도 7b는 구면 렌즈 (spherical lens)로 집중된 레이저 빔 (condensed laser beam)을 예시하며, 및 도 7c는 액시콘 (axicon) 또는 회절 프레넬 렌즈 (diffractive Fresnel lens)로 집중된 레이저 빔을 예시한다.
도 8a는, 3 펄스를 가진 각 대표적인 펄스 버스트로, 시간에 대하여 대표적인 펄스 버스트 내의 레이저 펄스의 상대 세기를 개략적으로 예시한다.
도 8b는, 5 펄스를 포함한 각 대표적인 펄스 버스트로, 시간에 대하여 대표적인 펄스 버스트 내의 레이저 펄스의 상대 세기를 개략적으로 예시한다.
도 8c는 내부 윤곽을 정의하고 이 윤곽 내부의 재료를 제거하기 위해 투사된 경로 (paths traced out) 및 상이한 레이저 단계에 대한 설명을 나타낸다.
도 9는 윤곽 내부의 재료의 제거를 위해 CO2 레이저 단계의 설명을 나타낸다.
도 10은 홀 형성의 예제 (현미경 이미지)이다.
도 11a-11c는 변형 유리의 균등한 간격의 결함 라인 또는 손상 트랙을 갖는 단층 라인 (fault line) (또는 천공 라인)의 예시이다.
예제 실시예의 설명은 다음과 같다.
투명 재료, 특히 유리의 얇은 기판에서 내부 윤곽을 절단 및 분리하는 공정이 여기에 개시된다. 유리는 예를 들어, 소비자 전자 디바이스에 장착된 이온 교환 유리 시트일 수 있다. 그러한 소비자 전자 디바이스의 예제는 셀 폰 (예를 들어, "스마트" 폰) 또는 태블릿이다. 방법은 기판에 천공 또는 홀을 형성하기 위해 초-단 펄스 레이저를 이용하는 것을 수반한다. 이하에 기재된 레이저 공정은 낮은 표면-아래 손상 (<75um), 및 우수한 표면 거칠기 (Ra<0.5um)를 가지면서, 단일 패스로 다양한 유리의 전체 몸체 절단을 발생시킨다. 표면-아래 손상 (SSD)은 유리 부분의 절단 에지에 수직한 균열 또는 "금 (checks)"의 정도로 정의된다. 이러한 균열이 유리 부분으로 연장되는 거리의 크기는 유리 에지 강도를 개선시키기 위해 사용되는 그라인딩 및 폴리싱 동작에서 필요할 수 있는 추후 재료 제거량을 결정할 수 있다. SSD는 공 초점 현미경 (confocal microscope)을 사용하여 균열로부터 광의 산란을 관찰하고 균열이 주어진 절단 에지에 걸쳐 유리 몸체로 연장되는 최대 거리를 결정함으로써 측정될 수 있다.
일 실시예는 유리와 같은 재료에서 내부 윤곽을 절단 및 분리하는 방법에 관한 것으로서, 분리 공정에 의해 손상됨 없이, 상기에서 언급된 천공 공정에 의해 발생된 고품질 에지를 노출시키는 분리 공정을 포함한다. 일 부분 (22)이 기판으로부터 절단될 때, 도 1에 (파선으로) 도시된 바와 같이, 이는 내부 윤곽으로 구성될 수 있다. 경우에 따라, 응력이 높은 재료 및 내부 윤곽이 충분히 크면, 내부 부분은 스스로 분리되어 떨어질 수 있다. 그러나, 작은 홀 및 슬롯 (예를 들어, 10 mm 홀, 폭의 슬롯 <몇 mm, 예를 들어: ≤ mm, 또는 ≤2 mm, 또는 심지어≤1 mm)의 경우에, 심지어 응력이 있는 재료의 경우에도, 내부 부분이 떨어지지 않을 것이다. 홀 (22)은 일반적으로 단면이 원형 또는 실질적으로 원형 특징으로 정의된다. 이와 달리, 슬롯 (22)은 일반적으로, 길이 대 폭이 4:1보다 크고 (>4:1), 통상적으로 25:1, 예를 들어 1.5 mm x 15 mm, 또는 3 mm x 15 mm, 또는 1 mm x 10 mm, 또는 1.5 mm 바이 7 mm 등의 종횡비 (예를 들어, 단면 또는 상부 또는 하부에서 관측했을 때)를 가진 특징과 같은 고도의 타원형 특징을 가진다. 슬롯은 둥근 모서리를 가질 수 있거나, 모서리는 날카로운 (90도) 특색을 이룰 수 있다.
스마트 폰의 커버 유리와 같은 유리 부분에서 홀 또는 슬롯과 같은 내부 윤곽을 분리시키는 문제점은 윤곽이 잘 관통되고 균열이 그 주위를 전파한다 하더라도, 재료의 내부 플러그가 압축 압력을 받고 플러그를 감싸는 재료에 의해 제 위치에서 고정될 수 있다는 것이다. 이는, 해결할 부분이 상기 플러그가 떨어져 나가도록 하는 자동 방출 공정임을 의미한다.
본 출원은 일반적으로 소비자 전자 디바이스의 일부를 구성하는 유리 기판으로부터 임의 형상의 정밀 절단 및 분리를 위한 레이저 방법 및 장치에 관한 것으로, 이 경우에 유리 기판은 밑에 있는 (underlying) 구성요소 중 하나 이상 위에 위치된다. 정밀 절단은 디바이스의 밑에 있는 구성요소에 열 손상이 최소로 되는 (또는 대수롭지 않은) 제어 가능한 방식으로 수행된다. 개발된 레이저 방법은 맑고 깨끗한 표면 품질을 유지하고 레이저 초점 주위의 고 세기 구역에 의해 생성된 표면 손상을 감소시키는 선형 레짐에서 레이저 파장에 대한 유리의 재료 투명성에 의존한다. 이러한 공정의 핵심 조장자 중 하나는 초-단 펄스 레이저에 의해 생성된 결함의 고 종횡비이다. 절단될 재료의 상부 표면으로부터 하부 표면으로 연장되는 단층 라인의 생성을 허용한다. 원칙적으로, 이러한 결함은 단일 레이저 펄스에 의해 생성될 수 있으며, 필요한 경우 추가 펄스가 사용되어 영향을 받는 구역 (깊이 및 폭)의 연장을 증가시킬 수 있다.
초점 라인을 발생시키는 단 펄스 피코초 레이저 및 광학기기를 사용하여, 폐쇄 윤곽은 유리 시트에 천공된다. 천공은 직경이 수 미크론보다 작고, 천공의 통상적인 간격은 1-15 μm이며, 천공은 유리 시트를 완전하게 통과한다.
유리 재료를 절제하기에 충분히 높은 출력 밀도의 초점 조정된 레이저 빔 (예를 들어, CO2 레이저 빔)은 그 후에 천공된 윤곽의 내부 주위에 투사되어, 내부 유리 재료의 제거 (즉, 유리 플러그의 제거)를 용이하게 하는 트렌치 (예를 들어, 200-800 미크론의 폭)를 생성한다. 레이저의 하나 이상의 패스가 사용될 수 있다. 이러한 공정은 밑에 있는 구성요소에 열적 손상을 최소화할 수 있도록 제시간에 전개될 수 있다.
투명 재료를 절단 및 분리하는 방법은 본질적으로 초-단 펄스 레이저로 가공될 재료에 단층 라인을 생성하는 것을 기본으로 한다. 재료 속성 (흡수, CTE, 응력, 조성물 등) 및 결정된 재료를 가공하기 위해 선택된 레이저 파라미터에 따라 달라진다.
그러나, 결함 라인이 형성된 후에 유리가 자체 분리를 시작하기에 충분한 내부 응력을 가지더라도, 절단 윤곽의 기하학적 구조는 내부 유리 부분 (플러그)이 외부 유리 부분에 대해 이동되는 것을 방지할 수 있다. 이는 단순한 홀 또는 슬롯 (22)과 같은 유리 기판 내의 대부분의 폐쇄 또는 내부 윤곽에 대한 경우이다. 에지와의 밀접한 접촉 때문에, 구멍의 내부 부분은 제자리에 남아있을 것이다 - 균열이 천공된 결함들 사이에서 전파될 수는 있지만, 상기 부분이 모 시트에서 떨어지도록 하는 공간은 존재하지 않는다.
결함 또는 천공 라인의 형성
제1 공정 단계의 경우, 그 결함 라인을 생성하기 위한 여러 방법이 존재한다. 초점 라인을 형성하는 광학 방법은 고 세기의 선형 영역을 형성하기 위해 도넛 형상의 레이저 빔 및 구면 렌즈, 액시콘 렌즈, 회절 요소, 또는 다른 방법을 사용하여 다수의 형태를 취할 수 있다. 기판 재료의 파손을 생성하기에 충분한 광학 세기가 도달하는 한, 레이저 (피코초, 펨토초 등) 및 파장 (IR, 녹색, UV 등)의 유형도 변화될 수 있다. 이 파장은 예를 들어 1064 nm, 532 nm, 355 nm 또는 266 나노미터일 수 있다.
초-단 펄스 레이저는 다양한 유리 조성물의 몸체를 완전히 관통하기 위해 초점 라인을 발생시키는 광학기기와 조합하여 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 개별 펄스의 펄스 지속시간은 약 1 피코초 초과 내지 약 100 피코초 미만, 예컨대 약 5 피코초 초과 내지 약 20 피코초 미만의 범위에 있으며, 개별 펄스의 반복률은, 약 10 kHz 내지 650 kHz의 범위와 같은, 약 1 kHz 내지 4 MHz의 범위에 있을 수 있다.
전술한 개별 펄스 반복률에서 단일 펄스 동작에 부가하여, 상기 펄스는, 약 1 nsec 내지 약 50 nsec의 범위, 예를 들어, 10-50 nsec, 또는 약 20 nsec와 같은, 약 10 내지 약 30 nsec의 범위에 있는 펄스 버스트 내의 개별 펄스들 사이에 지속시간에 의해 분리된 2 펄스 이상 (예를 들어, 3 펄스, 4, 펄스, 5 펄스, 10 펄스, 15 펄스, 20 펄스, 또는 그 초과)의 버스트에서 생성될 수 있고, 및 버스트 반복 주파수는 약 1 kHz 내지 약 200 kHz의 범위에 있을 수 있다 (펄스 버스트의 버스팅 또는 생성은, 펄스의 방출이 균일하고 안정된 스트림이 아니라 오히려 펄스의 촘촘한 클러스터인 레이저 동작의 유형이다). 펄스 버스트 레이저 빔은, 재료가 이 파장에서 실질적으로 투명하도록 선택된 파장을 가질 수 있다. 재료에서 측정된 버스트 당 평균 레이저 출력은, 재료의 mm 두께당 40 microJoules를 초과, 예를 들어, 40 microJoules/mm 내지 2500 microJoules/mm, 또는 200 내지 800 microJoules/mm일 수 있다. 예를 들어, 0.5mm-0.7 mm 두께의 이온 교환 유리인 경우, 100-400 μJ/mm의 대표적인 범위로 주어진 150 - 300 (예를 들어, 200 μJ) 펄스 버스트를 사용하여 유리를 관통할 수 있다. 유리는 레이저 빔에 대해 이동되어 (또는 레이저 빔이 유리에 대해 병진 이동되어) 임의의 원하는 부분의 형상을 투사하는 천공 라인을 생성한다.
레이저는, 예를 들어, 직경이 대략 1 미크론인 내부 개구를 갖는, 유리의 전체 깊이를 관통하는 홀-같은 결함 존 (또는 손상 트랙, 또는 결함 라인)을 생성한다. 이들 천공, 결함 영역, 손상 트랙, 또는 결함 라인은 일반적으로 1 내지 15 미크론 (예를 들어, 2-12 미크론, 또는 3-10 미크론)으로 이격된다. 결함 라인은 예를 들어, 유리 시트의 두께를 통해 연장되고, 및 유리 시트의 주요 (평평한) 표면에 직교한다.
일 실시예에서, 초-단 (~10 psec) 버스트 펄스 레이저는 일관성이 있고 제어 가능하며, 반복 가능한 방식으로 이러한 고 종횡비 수직 결함 라인을 생성하는데 사용된다. 이러한 수직 결함 라인의 생성을 가능하게 하는 광학 장비의 세부 사항은 2013년 1월 15일 자로 출원된 미국 특허 출원 제61/752,489호에 및 이하에 기술된다. 이 개념의 본질은 광학 렌즈 어셈블리에 액시콘 렌즈 요소를 사용하여 초-단 (피코초 또는 펨토초 지속시간) 베셀 빔 (Bessel beams)을 사용하여 고 종횡비의 테이퍼-없는 마이크로채널 (taper-free microchannel)의 영역을 생성하는 것이다. 다시 말하면, 액시콘은 레이저 빔을 원통형 형상 및 고 종횡비 (장 길이 및 소 직경)의 영역으로 집중시킨다. 집중된 레이저 빔으로 생성된 고 세기로 인해, 레이저 전자기장과 재료의 비선형 상호 작용이 발생하고 레이저 에너지가 기판으로 전달된다. 그러나, 레이저 세기가 비선형 임계치 이하이기 때문에, 레이저 에너지 세기가 높지 않은 구역 (예를 들어, 중앙 수렴 라인을 둘러싸거나, 또는 임의의 밑에 있는 재료가 레이저 에너지를 분산시키는 유리 아래에 위치된 임의의 영역 아래를 둘러싼 유리 체적 또는 유리 표면)에서 어떤 일도 유리에서 일어나지 않았음을 인식하는 것은 중요하다. 이로써, 여기에 개시된 실시예 중 적어도 몇몇에 따르면, 베셀 빔(들)의 레이저 세기는 베셀 빔(들)에 의해 가공되는 유리 기판 부분 바로 아래에 위치한 전자기기 (및/또는 소비자 전자 디바이스의 다른 구성 요소)의 선형 또는 비-선형 손상 (또는 절제 (ablation)) 임계치보다 낮다. 이는, 예를 들어, 베셀 빔(들)의 파장(들)에서 광의 80%를 흡수하는 페인트된 표면을 포함하는 전기 구성요소 또는 그들의 하우징을 가짐으로써 달성될 수 있다. 도 2a 및 2b로 돌아와서, 재료를 레이저 드릴링하는 방법은, 펄스 레이저 빔 (2)을 빔 전파 방향을 따라 관측된 레이저 빔 초점 라인 (2b)으로 초점 조정하는 단계를 포함한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 레이저 (3) (도시되지 않음)는, 광학 어셈블리 (6)에 입사되는 2a로 지칭되는 광학 어셈블리 (6)의 빔 입사 측면에서, 레이저 빔 (2)을 방출한다. 광학 어셈블리 (6)는 입사된 레이저 빔을, 빔 방향을 따라 정의된 확장 범위 (초점 라인의 길이 l)에 걸쳐 출력 측면 상의 넓은 범위에 걸친 레이저 빔 초점 라인 (2b)으로 전환시킨다. 가공될 평면 기판 (1)은, 레이저 빔 (2)의 레이저 빔 초점 라인 (2b)을 적어도 부분적으로 중첩시키는 광학 어셈블리 뒤의 빔 경로에 위치된다. 참조부호 1a는 광학 어셈블리 (6) 또는 레이저와 각각 대면하는 평면 기판의 표면을 지명하며, 참조 부호 1b는 보통 평행하게 이격된 기판 (1)의 뒷 표면을 지명한다. 기판 두께 (평면 (1a 및 1b), 즉, 기판 평면에 수직으로 측정됨)는 d로 표시된다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 기판 (1)은, 길이 방향의 빔 축에 수직으로, 이로써 광학 어셈블리 (6) (기판은 도면의 평면에 수직)에 의해 생성되고 빔 방향을 따라 관측된 동일한 초점 라인 (2b) 뒤에 정렬되고, 이는 빔 방향으로 관측된 초점 라인 (2b)이 기판의 표면 (1a) 앞에 시작하여 기판의 표면 (1b) 앞에 정지하는 방식으로, 즉 여전히 기판 내에 있는 방식으로 초점 라인 (2b)에 대해 위치된다. 기판 (1)과 레이저 빔 초점 라인 (2b)의 중첩 구역에서, 즉, 초점 라인 (2b)에 의해 덮인 기판 재료에서, 넓은 범위에 걸친 레이저 빔 초점 라인 (2b)은, 이로써, (레이저 빔 초점 라인 (2b)을 따라 적합한 레이저 세기가, 길이 (l)의 섹션, 즉, 길이 (l)의 라인 초점 상에 레이저 빔 (2)의 초점 조정으로 인해 보장되는 경우에서) 길이 방향의 빔 방향을 따라 관측된 넓은 범위에 걸친 섹션 (2c)을 발생시키고, 상기 길이 방향의 빔 방향을 따라 유도 흡수는 기판 재료에서 발생되어, 기판 재료에서 섹션 (2c)을 따라 결함 라인 또는 균열 형성을 유도한다. 균열 형성은 국부적일 뿐만 아니라, 유도 흡수의 넓은 범위에 걸친 섹션 (2c)의 전체 길이에 걸쳐 일어난다. 섹션 (2c)의 길이 (즉, 결국, 레이저 빔 초점 라인 (2b)과 기판 (1)의 중첩의 길이)는, 참조번호 L로 표시된다. 유도 흡수의 섹션 (또는 균열 형성을 겪는 기판 (1) 재료 내의 섹션)의 평균 직경 또는 평균 넓이는 참조부호 D로 표시된다. 이 평균 넓이 (D)는, 기본적으로 레이저 빔 초점 라인 (2b)의 평균 직경 (o), 즉, 약 0.1 ㎛ 내지 약 5 ㎛의 범위에 있는 평균 스폿 직경에 대응한다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 레이저 빔 (2)의 파장 (A)에 대해 투명한 기판 재료는, 초점 라인 (2b)을 따른 유도 흡수로 인해 가열된다. 도 2b는, 예열된 (warming) 재료가 결국 확장하여서 대응하는 유도된 장력이, 표면 (1a)에서 가장 높은 장력으로, 미세-균열 형성을 초래하는 것을 나타낸다.
초점 라인 (2b)을 발생시키도록 적용될 수 있는 구체적인 (concrete) 광학 어셈블리 (6), 이뿐 아니라, 이들 광학 어셈블리가 적용될 수 있는 구체적인 광학 장비가 이하에서 기술된다. 모든 어셈블리 또는 장비는, 전술된 설명을 기반으로 하므로, 동일한 구성요소 또는 특징 또는 기능이 동일한 것에 대해 동일한 참조부호가 사용된다. 그러므로, 이하에서 차이점만 기술된다.
분리를 결과적으로 초래하는 분할 면 (parting face)이 (파괴 강도, 기하학적 정밀도, 거칠기 및 재-기계가공 요건의 회피와 관련하여) 고품질이거나, 고품질이여야 하기 때문에, 분할 라인 (5)을 따라 기판 표면 상에 위치될 개별 초점 라인은, 후술하는 광학 어셈블리 (이하, 광학 어셈블리는 대안적으로 레이저 광학기기라고도 지칭됨)를 사용하여 발생되어야 한다. 거칠기는 특히 초점 라인의 스폿 크기 또는 스폿 직경에 기인한다. (기판 (1)의 재료와 상호작용하는) 레이저 (3)의 주어진 파장 (A)의 경우에서, 예를 들어, 0.5 ㎛ 내지 2 ㎛의 저 스폿 크기를 달성하기 위해서, 소정의 요건이 보통 레이저 광학기기 (6)의 개구수 (numerical aperture)에 대해 부과되어야 한다. 이들 요건은 이하에 기재된 레이저 광학기기 (6)에 의해 충족된다.
요구된 개구수를 달성하기 위해, 광학 기기는, 한편으로는, 공지된 아베 (Abbe) 공식에 따라, 주어진 초점 길이에 대해 요구되는 개구 (opening)를 처리해야 한다 (N.A. = n sin (theta), 여기서 n은 가공될 유리의 굴절률이고, theta는 개구 각도의 반이고; 및 theta = arctan (D/2f)이고; D는 조리개이고 f는 초점 길이이다). 다른 한편으로, 레이저 빔은 통상적으로 레이저와 초점 조정 광학기기 사이에 확대된 망원경을 사용하여 빔 확대로 달성되는, 요구된 조리개까지 광학기기를 조명해야 한다.
초점 라인을 따라 균일한 상호작용의 목적을 위해 스폿 크기는 너무 강하게 변하지 않아야 한다. 이는, 예를 들어, 빔 개구 및 그에 따른 개구수의 백분율이 약간만 변하도록, 작은 원형 구역에서만 초점 조정 광학기구를 조명하여 (이하 실시예를 참조) 보장될 수 있다.
도 3a에 따르면 (레이저 복사 (2)의 레이저 빔 번들 내에 중심 빔의 수준에서 기판 평면에 수직인 섹션; 여기에서, 역시, 레이저 빔 (2)의 중심은 기판 평면에 바람직하게 수직으로 입사, 즉, 각도는, 유도 흡수 (2c)의 넓은 범위에 걸친 섹션 또는 초점 라인 (2b)이 기판 법선과 평행하도록, 약 0°임), 레이저 (3)에 의해 방출된 레이저 복사 (2a)는, 우선, 사용된 레이저 복사에 대해 완전히 불투명한 원형 조리개 (8) 상으로 지향된다. 조리개 (8)는, 길이 방향의 빔 축에 수직으로 배향되고 및 도시된 빔 번들 (2a)의 중심 빔에 대해 중심에 둔다. 조리개 (8)의 직경은, 빔 번들 (2a)의 중심 근처의 빔 번들 또는 중심 빔 (여기서는 2aZ로 표기됨)이 상기 조리개를 타격하고 및 그에 의해 완전히 흡수되는 방식으로 선택된다. 빔 번들 (2a)의 외부 둘레 범위 (여기에서 2aR로 표시된, 주변 광선 (marginal rays))에서의 빔만이 빔 직경에 비해 감소된 조리개 크기로 인해 흡수되지 않지만, 조리개 (8)를 측방향으로 통과하며, 및 여기에서 구형으로 절단된, 양면-볼록 렌즈 (7)로서 설계된, 광학 어셈블리 (6)의 초점 조정 광학 요소의 주변 구역 (marginal areas)을 타격한다.
중심 빔 상에 중심을 둔 렌즈 (7)는 보통, 구형 절단 렌즈의 형태로 비-교정된, 양면-볼록 초점 조정 렌즈로서 의도적으로 설계된다. 달리 말하면, 그러한 렌즈의 구면 수차는 의도적으로 사용된다. 대안적으로, 이상적인 초점을 형성하지는 않지만, 정의된 길이의 뚜렷하고, 가늘고 긴 초점 라인을 형성하는, 이상적으로 교정된 시스템으로부터 벗어난 비구면 또는 다중-렌즈 시스템 (즉, 단일 초점을 가지지 않는 렌즈 또는 시스템)은 또한 사용될 수 있다. 이로써, 렌즈의 존은, 렌즈 중심으로부터의 거리를 조건으로, 초점 라인 (2b)을 따라 초점 조정된다. 빔 방향을 걸친 조리개 (8)의 직경은 빔 번들의 직경 (1/e2로의 감소에 대한 확장에 의해 정의된 빔 번들 직경) (세기)의 대략 90%이고, 광학 어셈블리 (6)의 렌즈의 직경의 대략 75%이다. 이로써, 중심에서 빔 번들을 차단하여 발생된 비-수차-교정된 구면 렌즈 (7)의 초점 라인 (2b)은 사용된다. 도 3a는 중심 빔을 통한 일 평면에서 섹션을 도시하고, 도시된 빔이 초점 라인 (2b) 주변으로 회전될 때 완전한 3-차원 번들은 보일 수 있다.
이러한 초점 라인의 하나의 단점은, 초점 라인을 따른, 이로써 재료에서의 원하는 깊이를 따른 조건 (스폿 크기, 레이저 세기)이 변화되고, 그러므로 원하는 유형의 상호작용 (균열 형성까지 열-소성 변형, 유도 흡수, 용융 없음)이 초점 라인의 일부에서만 아마 선택될 수 있다는 점이다. 이는 결국 아마 입사 레이저 광의 일부만이 원하는 방식으로 흡수됨을 의미한다. 이러한 방식으로, 공정의 효율 (원하는 분리 속도에 대해 요구된 평균 레이저 출력)은 한편으로 손상되고, 다른 한편으로는 레이저 광이 원치 않는 보다 깊은 장소 (기판 또는 기판 유지 고정물에 부착된 부분 또는 층)으로 전달될 수 있고, 원치 않는 방식 (가열, 확산, 흡수, 원치 않는 변형)으로 상호작용할 수 있다.
도 3b-1-4는 레이저 빔 초점 라인 (2b)이 기판 (1)에 대해 광학 어셈블리 (6)를 적합하게 위치 설정하고 및/또는 정렬하여 뿐만 아니라 광학 어셈블리 (6)의 파라미터를 적합하게 선택하여 상이하게 위치될 수 있음을 (도 3a에서의 광학 어셈블리뿐만 아니라 기본적으로 임의의 다른 적용 가능한 광학 어셈블리 (6)에 대해서도) 도시한다: 도 3b-1에서 도시된 바와 같이, 초점 라인 (2b)의 길이 (l)는, 그가 기판 두께 (d) (여기서 팩터 2 만큼)를 초과하는 방식으로 조정될 수 있다. 기판 (1)이 초점 라인 (2b)의 중심에 위치되는 경우 (길이 방향의 빔 방향으로 관측됨), 유도 흡수 (2bc)의 넓은 범위에 걸친 섹션은 전체 기판 두께에 걸쳐 발생된다.
도 3b-2에 도시된 경우에서, 기판 두께 (d)와 실질적으로 동일한 길이 (l)를 가진 초점 라인 (2b)이 발생된다. 기판 (1)이, 라인 (2b)이 기판 앞, 즉 기판 외부의 지점에서 시작하는 방식으로 라인 (2b)에 대해 위치되기 때문에, (여기에서 기판 표면으로부터 정의된 기판 깊이까지 연장되지만, 반대 표면 (1b)까지는 연장되지 않는) 유도 흡수의 넓은 범위에 걸친 섹션 (2c)의 길이 (L)는, 초점 라인 (2b)의 길이 (l)보다 작다. 도 3b-3은, 기판 (1) (빔 방향을 따라 관측됨)이 초점 라인 (2b)의 시작 점 앞에 부분적으로 위치되어, 여기서 라인 (2b)의 길이 (l)에도 l > L으로 적용되는 (L = 기판 (1)에서 유도 흡수의 넓은 범위에 걸친 섹션 (2c)) 경우를 도시한다. 초점 라인은, 이로써, 기판 내에서 시작되고, 기판을 넘어서까지 반대 표면 (1b)에 걸쳐 연장된다. 도 3b-4는 마지막으로, 발생된 초점 라인 길이 (l)가 기판 두께 (d)보다 작아 - 입사 방향으로 관측된 초점 라인에 대한 기판의 중심 위치 설정의 경우 - 초점 라인이 기판 내에 표면 (1a) 근처에서 시작하고 및 기판 내에 표면 (1b) 근처에서 끝나는 (예를 들어, l = 0.75·d) 경우를 도시한다.
적어도 하나의 표면 (1a, 1b)이 초점 라인에 의해 덮여지는 방식으로, 즉 유도 흡수의 섹션 (2c)이 적어도 하나의 표면 상에서 시작되는 방식으로 초점 라인 (2b) 위치 설정을 실현시키는 것이 특히 유리하다. 이러한 방식으로, 표면에서 페더링 (feathering) 및 원치 않는 미립자화 (particulation)를 피하면서 사실상 이상적인 절단을 달성하는 것이 가능하다.
도 4는 또 다른 적용 가능한 광학 어셈블리 (6)를 도시한다. 기본 구성은 도 3a에 기재된 것을 따르고, 차이점들만이 하기에 기재된다. 도시된 광학 어셈블리는 정의된 길이 (l)의 초점 라인이 형성되는 방식으로 형상화된, 초점 라인 (2b)을 발생시키기 위해 비-구형 자유 표면을 갖는 광학기기의 사용을 기반으로 한다. 이 목적을 위해, 비구면은 광학 어셈블리 (6)의 광학 요소로서 사용될 수 있다. 도 4에서, 예를 들어, 액시콘으로 종종 지칭되기도 하는, 소위 원추형 프리즘 (conical prism)이 사용된다. 액시콘은, 광학 축을 따라 라인 상에 스폿 소스를 형성하는 (또는 레이저 빔을 링으로 변환시키는) 특수, 원뿔형 절단 렌즈이다. 그러한 액시콘의 레이아웃은, 주로 당업자에게 공지되어 있고; 본 예제에서 콘 각 (cone angle)은 10°이다. 여기서 참조부호 9로 표시된 액시콘의 정점 (apex)은, 입사 방향으로 향하게 되고 및 빔 중심에 중심을 둔다. 액시콘 (9)의 초점 라인 (2b)이 그 내부에서 이미 시작되기 때문에, (여기서 주 빔 축에 수직으로 정렬된) 기판 (1)은 액시콘 (9) 바로 뒤에 있는 빔 경로에 위치될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 초점 라인 (2b)의 범위 내에서 떠남 없이 액시콘의 광학 특성으로 인해 빔 방향을 따라 기판 (1)을 이동시키는 것도 가능하다. 그러므로, 기판 (1)의 재료에서 유도 흡수의 넓은 범위에 걸친 섹션 (2c)은 전체 기판 두께 (d)에 걸쳐 연장된다.
그러나, 도시된 레이아웃은, 다음과 같은 제한 사항을 조건으로 한다: 액시콘 (9)의 초점 라인이 렌즈 내에서 이미 시작되기 때문에, 레이저 에너지의 상당 부분은, 렌즈와 재료 사이의 유한 거리의 경우에, 재료 내에 위치된 초점 라인 (2b)의 부분 (2c)에 초점 조정되지 않는다. 더욱이, 초점 라인 (2b)의 길이 (l)는, 액시콘 (9)의 이용 가능한 굴절률 및 콘 각에 대한 빔 직경과 관련되고, 그래서, 상대적으로 얇은 재료 (수 밀리미터)의 경우, 전체 초점 라인은 너무 길어서, 레이저 에너지가 재료에 명확하게 다시 초점 조정되지 않는 효과를 가진다.
이는, 액시콘 및 초점 조정 렌즈 (focusing lens) 둘 다를 포함하는 향상된 광학 어셈블리 (6)에 대한 이유이다. 도 5a는 그러한 광학 어셈블리 (6)를 도시하며, 여기서 넓은 범위에 걸친 레이저 빔 초점 라인 (2b)을 형성하도록 설계된 비-구형 자유 표면을 갖는 제1 광학 요소 (빔 방향을 따라 관측됨)는 레이저 (3)의 빔 경로 내에 위치된다. 도 5a에 도시된 경우에서, 이 제1 광학 요소는, 5°의 콘 각을 갖는 액시콘 (10)이고, 이는 빔 방향에 수직하게 위치되고 및 레이저 빔 (3) 상에 중심을 둔다. 액시콘의 정점은 빔 방향으로 배향된다. 제2, 초점 조정 광학 요소, 여기서 평면-볼록 렌즈 (11) (이의 곡률은 액시콘을 향해 배향됨)는, 액시콘 (10)으로부터의 거리 (z1)에서 빔 방향으로 위치된다. 이 경우에서 대략 300 mm인, 거리 (z1)는, 액시콘 (10)에 의해 형성된 레이저 복사가 렌즈 (11)의 주변 구역 상에 원형으로 입사하는 (즉, 렌즈 (11) 상에 원형 또는 환형 방식으로 입사되는) 방식으로 선택된다. 렌즈 (11)는 이 경우 1.5 mm인, 정의된 길이의 초점 라인 (2b) 상에, 거리 (z2): 이 경우에 렌즈 (11)로부터 대략 20 mm에서 출력 측면 상에 원형 복사를 초점 조정한다. 렌즈 (11)의 유효 초점 길이는 여기에서 25 mm이다. 액시콘 (10)에 의한 레이저 빔의 원형 변환은 참조부호 SR로 표시된다.
도 5b는, 도 5a에 따른 기판 (1)의 재료에서 초점 라인 (2b) 또는 유도 흡수 (2c)의 형성을 상세하게 도시한다. 양 요소 (10, 11)의 광학 특성뿐만 아니라 이들의 위치 설정은, 빔 방향에서 초점 라인 (2b)의 길이 (l)가 기판 (1)의 두께 (d)와 정확히 일치하는 방식으로 선택된다. 결과적으로, 도 5b에 도시된 바와 같이, 빔 방향을 따른 기판 (1)의 정확한 위치 설정은, 기판 (1)의 두 표면들 (1a 및 1b) 사이에서 정확히 초점 라인 (2b)을 위치시키기 위해 요구된다.
그러므로, 초점 라인이 레이저 광학기기로부터 소정의 거리에서 형성되는 경우 및 레이저 복사의 대부분이 초점 라인의 원하는 말단까지 초점 조정되는 경우에 유리하다. 기재된 바와 같이, 이는, 한편으로는, 요구된 개구 수 및 이로써 요구된 스폿 크기를 실현하는 역할을 하며, 및, 그러나, 다른 한편으로는, 기본적으로 원형 스폿이 형성됨에 따라, 확산의 원이, 스폿의 중심에서 매우 짧은 거리에 걸쳐 요구된 초점 라인 (2b) 뒤에 세기가 감소하는, 요구된 존 상에 주로 초점조정 요소 (11) (렌즈)를 원형으로만 조명함으로써 달성될 수 있다. 이러한 방식으로, 균열 형성은 요구된 기판 깊이에서 짧은 거리 내에서 정지된다. 액시콘 (10) 및 초점 조정 렌즈 (11)의 조합은 이러한 요건을 충족시킨다. 액시콘은 두 가지 상이한 방식으로 작동한다: 액시콘 (10)으로 인해, 보통 둥근 레이저 스폿이 링의 형태로 초점 조정 렌즈 (11)에 보내지며, 및 액시콘 (10)의 비구면성 (asphericity)은, 초점 라인이 초점 평면에서 초점 대신에 렌즈의 초점 평면을 넘어 형성되는 효과를 가진다. 초점 라인 (2b)의 길이 (l)는, 액시콘에 대한 빔 직경을 통해 조정될 수 있다. 다른 한편으로는, 초점 라인을 따른 개구 수는, 거리 (z1) 액시콘-렌즈를 통해 및 액시콘의 콘 각을 통해 조정될 수 있다. 이러한 방식으로, 전체 레이저 에너지는 초점 라인에 집중될 수 있다.
균열 형성 (즉, 결함 라인)이 기판의 출현 측면으로 계속되도록 여겨진다면, 원형 조명은 여전히, 한편으로는 대부분의 레이저 광이 초점 라인의 요구된 길이에서 집중되어 유지되기 때문에, 가장 가능성 있는 방식으로 레이저 출력이 사용되고, 다른 한편으로는 다른 광학 기능에 의해 설정된 원하는 수차와 함께 원형으로 조명된 존으로 인하여, 초점 라인을 따라 균일한 스폿 크기를 달성하는 것이 가능하고 - 및 이로써 초점 라인을 따라 기판으로부터 부분의 균일한 분리 공정을 달성하는 것이 가능한 장점을 가진다.
도 5a에 도시된 평면-볼록 렌즈 대신에, 초점 조정 메니스커스 렌즈 (meniscus lens) 또는 또 다른 고도로 교정된 초점 조정 렌즈 (비구면, 다중-렌즈 시스템)를 사용하는 것이 또한 가능하다.
도 5a에 도시된 액시콘 및 렌즈의 조합을 사용하여 매우 짧은 초점 라인 (2b)을 발생시키기 위해, 액시콘에 입사되는 (또는 입사된) 레이저 빔의 매우 작은 빔 직경을 선택하는 것이 필요할 것이다. 이는 액시콘의 정점으로 빔의 중심 맞춤이 매우 정확해야 하며, 및 그러므로 그 결과가 레이저의 방향 변화 (빔 드리프트 안정도 (beam drift stability))에 매우 민감한 실질적인 단점을 가진다. 더욱이, 촘촘히 시준된 레이저 빔은 매우 발산적인데, 즉, 광 편향으로 인해 빔 번들은 짧은 거리에 걸쳐 흐릿해진다.
도 6에 도시된 바와 같이, 두 영향은, 또 다른 렌즈인 시준 렌즈 (12)를 삽입하여 회피될 수 있다: 이러한 추가적인 정 렌즈 (positive lens) (12)는, 초점 조정 렌즈 (11)의 원형 조명을 매우 촘촘히 조정하는 역할을 한다. 시준 렌즈 (12)의 초점 길이 (f')는, f'와 동일한, 원하는 원형 직경 (dr)이 액시콘으로부터 시준 렌즈 (12)까지의 거리 (z1a)에 기인하는 방식으로 선택된다. 링의 원하는 폭 (br)은, (시준 렌즈 (12)로부터 초점 조정 렌즈 (11)까지의) 거리 (z1b)를 통해 조정될 수 있다. 순수 기하학의 문제로서, 작은 폭의 원형 조명은, 짧은 초점 라인을 초래한다. 최소치는 거리 (f')에서 달성될 수 있다.
이로써, 도 6에 도시된 광학 어셈블리 (6)는, 도 5a에 도시된 것에 기반한 것이기 때문에, 이하 차이점만이 기재된다. (빔 방향을 향하여 곡률을 갖는) 평면-볼록 렌즈로서 여기에 또한 설계된, 시준 렌즈 (12)는, 일 측면 상에, (빔 방향을 향하여 정점을 갖는) 액시콘 (10)과, 다른 측면 상에, 평면-볼록 렌즈 (11) 사이에 빔 경로에서 중심으로 부가적으로 위치된다. 액시콘 (10)으로부터 시준 렌즈 (12)의 거리는 z1a로, 시준 렌즈 (12)로부터 초점 조정 렌즈 (11)의 거리는 z1b로, 및 초점 조정 렌즈 (11)로부터 발생된 초점 라인 (2b)의 거리는 z2 (항상 빔 방향으로 관측됨)로 지칭된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 시준 렌즈 (12)에 대한 원형 직경 (dr) 아래로 분기적으로 입사되는 (입사된), 액시콘 (10)에 의해 형성된 원형 복사 (SR)는, 초점 조정 렌즈 (11)에서 적어도 대략 일정한 원형 직경 (dr)에 대해 거리 (z1b)를 따라 요구된 원형 폭 (br)으로 조정된다. 도시된 경우에서, 매우 짧은 초점 라인 (2b)은, 렌즈 (12)에서 대략 4 mm의 원형 폭 (br)이 렌즈 (12)의 초점 조정 속성으로 인해 (원형 직경 (dr)은 본 예제에서 22 mm임) 렌즈 (11)에서 대략 0.5 mm로 감소되도록 발생되는 것으로 여겨진다.
도시된 예제에서, 2 mm의 통상적인 레이저 빔 직경, 초점 길이 (f) = 25 mm를 갖는 초점 조정 렌즈 (11), 및 초점 길이 (f') = 150 mm를 갖는 시준 렌즈를 사용하여, 0.5 mm 미만의 초점 라인 (l)의 길이를 달성하는 것이 가능하다. 더욱이 Z1a = Z1b = 140 mm 및 Z2 = 15 mm이 적용된다.
도 7a-7c는, 상이한 레이저 세기 레짐에서 레이저-부재 상호작용 (laser-matter interaction)을 예시한다. 도 7a에 도시된, 제1 경우에서, 초점 조정되지 않는 레이저 빔 (710)은, 기판에 임의의 변형을 도입함 없이 투명 기판 (720)을 통과한다. 이러한 특정 경우에서, 비선형 효과는 레이저 에너지 밀도 (또는 빔에 의해 조명되는 단위 면적당 레이저 에너지)가 비선형 효과를 유도하는데 필요한 임계치 이하이기 때문에 존재하지 않는다. 에너지 밀도가 높을수록, 전자기장의 세기는 높아진다. 그러므로, 도 7b에 도시된 바와 같이, 레이저 빔이 구면 렌즈 (730)에 의해 더 작은 스폿 크기로 초점 조정되는 경우, 도 7b에 도시된 바와 같이, 조명된 구역은 감소되고, 및 에너지 밀도는 증가하여, 재료를 변형시킬 비선형 효과를 촉발시켜 그 조건이 만족되는 볼륨에서 오직 단층 라인의 형성을 허용한다. 이러한 방식으로, 초점 조정된 레이저 (focused laser)의 빔 허리 (beam waist)가 기판의 표면에 위치되면, 표면의 변형은 일어날 것이다. 이와 달리, 초점 조정된 레이저의 빔 허리가 기판의 표면 아래에 위치되면, 에너지 밀도가 비선형 광학 효과의 임계치 아래에 있을 때 표면에서 아무 일도 일어나지 않는다. 그러나, 기판 (720)의 벌크에 위치된 초점 (740)에서, 레이저 세기는 다-광자 비-선형 효과를 유발할 정도로 충분히 높아서, 이로써 재료에 손상을 유도한다. 마지막으로, 도 7c에 도시된 바와 같은, 액시콘의 경우에서, 도 7c에 도시된 바와 같이, 액시콘 렌즈 (750), 또는 대안적으로 프레넬 액시콘 (Fresnel axicon)의 회절 패턴은, 베셀-형상 세기 분포 (고 세기의 실린더형 (760))를 발생시키는 간섭을 생성하고, 및 오직 그 볼륨에서 충분히 높은 세기가 재료 (720)에 대한 변형 및 비선형 흡수를 생성한다. 베셀-형상 세기 분포가 재료에 대한 변형 및 비선형 흡수를 생성하기에 충분히 높은, 실린더형 (760)의 직경은 또한, 여기서 언급된 바와 같은, 레이저 빔 초점 라인의 스폿 직경이다. 베셀 빔의 스폿 직경 (D)은 D = (2.4048A)/ (2rrB)로 표시될 수 있는데, 여기서 A는 레이저 빔 파장이고 및 B는 액시콘 각도의 함수이다.
여기에 기재된 그러한 피코초 레이저의 통상적인 동작이, 펄스 (500A)의 "버스트" (500)를 생성하는 점을 유의한다 (예를 들어, 도 8a 및 8b 참조). 각 "버스트" (여기서 또한 "펄스 버스트" (500)로도 지칭됨)는, 매우 짧은 지속기간의 다수의 개별 펄스 (500A) (예를 들면, 적어도 2 펄스, 적어도 3 펄스, 적어도 4 펄스, 적어도 5 펄스, 적어도 10 펄스, 적어도 15 펄스, 적어도 20 펄스, 또는 그 초과)를 포함한다. 즉, 펄스 버스트는 펄스의 "포켓 (pocket)"이며, 버스트는, 각 버스트 내에서 개별적으로 인접한 펄스의 분리보다 더 긴 지속시간에 의해 서로 분리된다. 펄스 (500A)는 100 psec까지 (예를 들어, 0.1 psec, 5 psec, 10 psec, 15 psec, 18 psec, 20 psec, 22 psec, 25 psec, 30 psec, 50 psec, 75 psec, 또는 이들 사이)의 펄스 지속시간 (Td)를 가진다. 버스트 내에 각 개별 펄스 (500A)의 에너지 또는 세기는, 버스트 내에 다른 펄스의 것과 같지 않을 수 있으며, 버스트 (500) 내에 다수의 펄스의 세기 분포는, 종종 레이저 설계에 의해 지배되는 시간에서 지수적 감쇠 (exponential decay)를 따른다. 바람직하게는, 여기에 기재된 대표적인 실시예의 버스트 (500) 내에 각 펄스 (500A)는 1 nsec 내지 50 nsec (예를 들어, 레이저 캐비티 설계에 의해 종종 지배되는 시간인, 10-50 nsec, 또는 10-30 nsec)의 지속 시간 (Tp)에 의해 버스트의 후속 펄스로부터 시간에서 분리된다. 주어진 레이저에 대해, 버스트 (500) 내에 인접한 펄스들 사이에 시간 분리 (time separation) (Tp) (펄스-대-펄스 분리)은 비교적 균일하다 (± 10%). 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 버스트 내에 각 펄스는, 후속 펄스로부터 대략 20 nsec (50 MHz)만큼 시간 분리된다. 예를 들어, 약 20 nsec의 펄스 분리 (Tp)를 생성하는 레이저의 경우, 버스트 내에 펄스 대 펄스 분리 (Tp)는 약 ±10%, 또는 약 ±2 nsec 내에서 유지된다. 펄스들의 각 "버스트" 사이의 시간 (즉, 버스트들 사이에 시간 분리 (Tb))은 훨씬 길어질 것이다 (예를 들어, 0.25 = Tb = 1000 마이크로초, 예를 들어 1-10 마이크로초, 또는 3-8 마이크로초). 여기에 기재된 레이저의 대표적인 실시예 몇몇에서, 시간 분리 (Tb)는 약 200 kHz의 주파수 또는 펄스 버스트 반복률을 갖는 레이저에 대해 약 5 마이크로초이다. 레이저 버스트 반복률은 버스트에서 첫 번째 펄스와 후속 버스트의 첫 번째 펄스 사이에 시간 (Tb)과 관련된다 (레이저 버스트 반복률 = 1/Tb). 몇몇 실시예에서, 레이저 버스트 반복 주파수는 약 1 kHz 내지 약 4 MHz의 범위에 있을 수 있다. 보다 바람직하게, 레이저 버스트 반복률은 예를 들어, 약 10 kHz 내지 650 kHz의 범위에 있을 수 있다. 각 버스트에서 첫 번째 펄스와 후속 버스트의 첫 번째 펄스 사이의 시간 (Tb)은 0.25 마이크로초 (4 MHz 버스트 반복률) 내지 1000 마이크로초 (1 kHz 버스트 반복률), 예를 들어 0.5 마이크로초 (2 MHz 버스트 반복률) 내지 40 마이크로초 (25 kHz 버스트 반복률), 또는 2 마이크로초 (500 kHz 버스트 반복률) 내지 20 마이크로초 (50 kHz 버스트 반복률)일 수 있다. 정확한 타이밍, 펄스 지속시간, 및 버스트 반복률은, 레이저 설계에 의존하여 변할 수 있지만, 고 세기의 짧은 펄스 (Td<20 psec, 및 바람직하게는 Td≤15 psec)는 특히 잘 동작하는 것으로 나타났다.
재료를 변형시키는데 필요한 에너지는, 버스트 에너지 - 버스트 내에 포함된 에너지 (각 버스트 (500)는 일련의 펄스 (500A)를 포함함)의 관점에서, 또는 단일 레이저 펄스 (이의 다수는 버스트를 포함할 수 있음) 내에 포함된 에너지의 관점에서 기재될 수 있다. 이들 적용의 경우, 버스트 당 에너지는 25-750 μJ, 보다 바람직하게 50-500 μJ, 또는 50-250 μJ일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 버스트 당 에너지는 100-250 μJ이다. 펄스 버스트 내에 개별 펄스의 에너지는 작을 것이고, 도 8a 및 8b에 도시되 바와 같이 정확한 개별 레이저 펄스 에너지는, 펄스 버스트 (500) 내에 펄스 (500A)의 수 및 시간에 따른 레이저 펄스의 감쇠율 (예를 들어, 지수 감쇄율)에 의존할 것이다. 예를 들어, 일정한 에너지/버스트의 경우, 펄스 버스트가 10개의 개별 레이저 펄스 (500A)를 포함한다면, 그 후 각 개별 레이저 펄스 (500A)는, 동일한 펄스 버스트 (500)가 단지 2개의 개별 레이저 펄스를 갖는 경우보다 적은 에너지를 포함할 것이다.
그러한 펄스 버스트를 발생시킬 수 있는 레이저의 사용은, 투명 재료, 예를 들어, 유리를 절단 또는 변형시키는데 유리하다. 단일-펄스 레이저의 반복률에 의해 시간에서 이격된 단일 펄스의 사용과는 달리, 버스트 (500) 내에 빠른 시퀀스의 펄스에 걸쳐 레이저 에너지를 확산시키는 펄스 버스트 시퀀스의 사용은, 단일-펄스 레이저로 가능한 것보다 재료와의 고 세기 상호작용의 보다 큰 시간척도 (timescales)에 접근을 허용한다. 단일-펄스가 시간에서 확장될 수 있는 반면, 이렇게 하면 펄스 내에 세기는 펄스 폭에 대해 대략 1만큼 떨어져야 한다. 따라서, 10 psec 단일 펄스가 10 nsec 펄스로 확장되면, 세기는 거의 10의 3승배 (three orders of magnitude) 만큼 떨어진다. 그러한 감소는, 비-선형 흡수가 더 이상 의미 있지 않으며, 및 가벼운 재료 상호작용이 더 이상 절단을 허용할 정도로 충분히 강하지 않은 지점에 대해 광학 세기를 감소시킬 수 있다. 이와 달리, 펄스 버스트 레이저를 사용하여, 버스트 (500) 내에 각 펄스 (500A) 동안의 세기가 매우 높게 유지될 수 있고 - 예를 들어, 대략 10 nsec 만큼 시간으로 이격된 3개의 10 psec 펄스 (500A)는 여전히, 단일 10 psec 펄스의 것보다 대략 3배 높게 각 펄스 내의 세기를 허용하고, 반면에, 레이저는 현재 10의 3승배 더 큰 시간척도에 걸쳐 재료와 상호작용하기 위해 허용된다. 이로써, 버스트 내에 다수의 펄스 (500A)의 이러한 조정은, 기존의 플라즈마 플룸 (plasma plume)과의 다소의 광 상호작용, 초기 또는 사전의 레이저 펄스에 의해 미리-여기된 원자 및 분자와의 다소의 광-재료 상호작용, 및 미세균열의 제어된 성장을 촉진할 수 있는 재료 내에서 다소의 가열 효과를 용이하게 할 수 있는 방식으로 레이저-재료 상호작용의 시간-척도의 조작을 허용한다. 재료를 변형시키기 위해 요구되는 버스트 에너지의 양은, 기판과 상호작용하기 위해 사용된 초점 라인의 길이 및 기판 재료 조성물에 의존할 것이다. 상호작용 영역이 길수록, 보다 많은 에너지가 퍼지고, 및 보다 높은 버스트 에너지가 요구될 것이다. 정확한 타이밍, 펄스 지속시간, 및 버스트 반복률은, 레이저 설계에 의존하여 변화할 수 있지만, 고 세기의 짧은 펄스 (<15 psec, 또는 ≤10 psec)는 이 기술로 잘 작동하는 것으로 나타난다. 결함 라인 또는 홀은, 펄스의 단일 버스트가 유리 상의 동일 위치에 본질적으로 부딪칠 때 재료에 형성된다. 즉, 단일 버스트 내에 다수의 레이저 펄스는, 유리 내에 단일 결함 라인 또는 홀 위치에 대응한다. 물론, 유리가 (예를 들어, 일정하게 이동하는 스테이지에 의해) 병진 이동되기 때문에 (또는 빔이 유리에 대해 이동되기 때문에), 버스트 내에 개별 펄스는 정확히 유리 상의 동일 공간 위치에 있을 수 없다. 이들은 서로 1 μm 이내에 알맞게 있다 - 즉, 이들은 본질적으로 동일 위치에서 유리에 부딪친다. 예를 들어, 이들은 서로 간격 (sp), 여기서 0<sp≤500 nm에서 유리에 부딪칠 수 있다. 예를 들어, 유리 위치가 20 펄스의 버스트로 타격을 받을 때, 버스트 내에 개별 펄스는 서로 250 nm 내에서 유리에 부딪친다. 이로써, 몇몇 실시예에서, 1 nm<sp<250 nm이다. 몇몇 실시예에서, 1 nm<sp<100 nm이다.
다중-광자 효과 또는 다중-광자 흡수 (multi-photon absorption, MPA)는 하나의 상태 (보통 기저 상태)로부터 보다 높은 에너지 전자 상태 (이온화)로 분자를 여기시키기 위해, 동일하거나 상이한 주파수의 두 개 이상의 광자를 동시에 흡수하는 것이다. 수반된 분자의 하부 상태와 상부 상태 사이의 에너지 차이는 두 개의 광자의 에너지의 합과 같을 수 있다. 유도 흡수라고도 불리는 MPA는, 예를 들어 선형 흡수보다 10의 몇 승배 (several orders of magnitude)가 더 약한, 2-차 (order) 또는 3-차 공정 또는 보다 높은 차원 공정일 수 있다. MPA는, 유도 흡수의 강도가, 예를 들어, 광 세기 자체에 비례함 대신, 광 세기의 제곱 또는 세제곱 (또는 더 높은 거듭 제곱식 (power law))에 비례할 수 있다는 점에서 선형 흡수와 상이하다. 이로써, MPA는 비선형 광학 공정이다.
결함 라인들 (손상 트랙들) 사이에 측 방향 간격 (피치)은, 기판이 초점 조정된 레이저 빔 아래로 병진 이동됨에 따라 레이저의 펄스 속도에 의해 결정된다. 오직 단일 피코초 레이저 펄스 버스트가 보통 전체 홀을 형성하는데 필요하지만, 원한다면 다수의 버스트가 사용될 수 있다. 상이한 피치로 손상 트랙 (결함 라인)을 형성하기 위해, 레이저는 보다 길거나 또는 보다 짧은 간격으로 발사하도록 작동될 수 있다. 절단 동작의 경우, 레이저 작동 (laser triggering)은 일반적으로 빔 아래에 가공물의 스테이지 구동 이동과 동기화되므로, 레이저 펄스 버스트는, 예를 들어, 매 1 미크론 또는 매 5 미크론과 같이, 고정된 간격으로 작동된다. 단층 라인의 방향을 따라 인접한 천공들 또는 결함 라인들 사이에, 거리 또는 주기성은, 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 0.1 미크론보다 크고 약 20 미크론 이하일 수 있다. 예를 들어, 인접한 천공 또는 결함 라인들 사이의 간격 또는 주기성은 0.5 내지 15 미크론, 또는 3 내지 10 미크론, 또는 0.5 미크론 내지 3.0 미크론이다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 주기성은 2 미크론 내지 8 미크론일 수 있다.
라인 초점의 대략 원통형 볼륨 내에서 소정의 볼륨 펄스 에너지 밀도 (μJ/μm3)를 갖는 펄스 버스트 레이저를 사용하는 것이 유리에 천공 윤곽을 생성하는 것이 바람직하다는 것을 발견했다. 이는, 손상 트랙이 형성되도록 보장하기 위해 예를 들어 펄스 버스트 레이저를, 바람직하게는 버스트 당 적어도 2 펄스로 활용하고 약 0.005 μJ/μm3 이상, 그러나 0.100 μJ/μm3 미만, 유리를 너무 손상시키지 않기 위해서는 예를 들어 0.005 μJ/μm3-0.100 μJ/μm3의 알칼리 토금속 보로-알루미노실리케이트 유리 (알칼리가 적거나 없음) 내에서 볼륨 에너지 밀도를 제공함으로써 달성될 수 있다.
내부 윤곽 공정
도 1은 해결될 문제점을 예시한다. 일부 (22)는 소비자 디바이스 (1000)의 일 부분을 형성하는 유리 시트 (20)로부터 절단되어야 한다. 그러나, 내부 홀 또는 슬롯(들) (22s)은 "제자리에 고정되어 (locked in place)" 제거하기 어렵다. 유리가 높은 응력을 받고 홀 또는 슬롯의 외부 직경에서의 천공 간의 균열 전파를 받는다 하더라도, 재료가 너무 강성이고 압축력에 의해 유지될 것이기 때문에, 내부 유리는 방출되지 않을 것이다.
도 8c는 이 문제를 해결하고, 0.7 mm 두께의 코드 5318 유리 (이온 교환) 중에서 홀을 1.5mm 직경으로 분리하고 또한 슬롯을 생성하는데 성공적으로 사용된 공정을 예시한다. 단계 1 - 제1 윤곽 (24)의 천공은 절단될 윤곽 (예를 들어, 홀, 슬롯)의 원하는 형상을 정의하는 피코초 펄스 버스트 공정을 사용하여 유리 시트 (20)에서 이루어진다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서 150 μJ -260 μJ 펄스가 재료를 천공하고 손상 트랙 또는 결함 라인을 6-10μm 피치로 생성하기 위해 활용되었다. 정확한 재료에 의존하여, 1-15 미크론, 3-10 미크론 또는 3-7 미크론과 같은 다른 손상 트랙 간격이 또한 사용될 수 있다. 상기에서 기술된 것과 같은 이온-교환 가능한 유리의 경우, 3-7 미크론 피치가 잘 작동되지만, 다른 유리의 경우, 1-3 미크론과 같이 더 작은 피치가 바람직할 수 있다. 여기에서 기재된 실시예에서, 통상적인 펄스 버스트 레이저 출력은 10 W-150 와트이고, 25-60 와트의 레이저 출력은 많은 유리에 대해 충분하다 (최적이다). 일 대표적인 실시예에서, 유리는 0.7 mm 이온 교환 유리 기판이고, 피코초 레이저는 200kHz, 48W (240 μJ 펄스 에너지) 레이저이며, 피치 (결함 라인 간격)는 약 8 μm이고, 초점 라인의 길이는 2.2 mm이다.
단계 2 - 두 개의 유리 부분이 물리적으로 구별되기 때문에, 유리 (플러그)의 중심 부분이 다양한 방식으로 제거될 수 있다. 주요 목적은 디바이스 (1000)의 밑에 있는 구성요소에 대한 열적 손상을 제한하는 것이다. 이는 레이저가 유리 기판 (20)에 의해 매우 흡수되도록 (예를 들어, 1/e 흡수 깊이 <10 미크론) 충분한 파장을 선택함으로써 레이저 가공을 통해 이행될 수 있다. 이는 열 손상을 제한하기에 충분히 짧은 레이저 펄스 지속시간 (<50 나노초)을 선택하여 이행할 수도 있다. 이러한 예제에서, 고도로 초점이 조정된 CO2 레이저 (28)는 스폿에 초점 조정을 하고 상술된 천공 윤곽의 내부에 다소 위치된 대략적인 경로를 투사함으로써, 홀 내부의 재료를 절제하는데 사용된다 (예를 들어, 윤곽 내부에서 약 (50 내지 300 미크론, 예를 들어, 100μm, 150 또는 200 미크론)).
레이저 (28)에 의한 유리 가공은 홀 또는 슬롯 내부의 유리 재료를 물리적으로 용융하고, 절제 및 제거할 것이다. 예를 들어, 유리가 Corning Incorporated로부터 구입 가능한 코드 2320의 0.7mm 두께의 이온 교환 유리 또는 5318 (0.8mm 두께)인 경우, 약 100 μm 직경의 초점 조정된 스폿 크기를 갖는 약 14 와트의 CO2 레이저 출력이 사용될 수 있고, CO2 레이저는 약 0.35 m/min의 속도로 경로 주위를 병진 이동되어, 유리 플러그를 둘러싸는 환형 트렌치 내의 재료를 완전히 제거하기 위해 5-15 패스를 실행하고, 패스의 수는 유리의 두께 및 홀 또는 슬롯의 정확한 기하학적인 구조에 의존한다. 밑에 있는 구성요소에 대한 열적 손상을 줄이기 위한 주요 목적 때문에, 희생 프록시 (sacrificial proxies) 또는 반복 접근법을 사용하여 주어진 유리에 대해 정확한 패스 수가 최적화되어야 한다. 일반적으로, 이러한 공정 단계에서, 유리 재료가 고 세기로 절제되도록 충분히 높은 세기를 달성하면, CO2 빔은 "초점 조정화"로서 정의될 수있다. 예를 들어, 초점 조정된 스폿의 출력 밀도는 상술된 조건으로 달성될 수 있는 약 1750 W/mm2 일 수 있거나, 표면에 걸친 레이저 빔의 원하는 횡단 속도에 의존하여 500 W/mm2 내지 5000 W/mm2일 수 있다.
도 9는 CO2 절제법을 예시하기 위해 상기의 이 공정의 측면도를 도시한다.
샘플 결과:
도 10은 통상적인 핸드헬드 폰용 커버 유리에 대한 공정 결과를 도시한다. 홀의 기하학적인 구조는 약 5.0 mm였다. 보다 구체적으로, 도 10은 화학적으로 강화된 (이 실시예에서는 이온 교환된) 커버 유리 상에서 베셀 빔 (레이저 빔 초점 라인으로 형성된 펄스 제1 레이저 빔)을 사용한 후 홀 형성을 도시한 유리의 상부 뷰의 현미경 이미지를 도시한다. 레이저 빔 초점 라인 (이 실시예에서는 베셀 빔에 의해 형성된 초점 라인)은 내부 유리 부분을 정의하는 폐쇄된 내부 윤곽을 "투사하고 (traced)", 유리 내에 유도 흡수를 발생시켜, 다수의 천공 (나노-크기의 천공)을 형성하여 폐쇄된 내부 윤곽을 생성한다. (도 10에 도시된 희미한 원은 CO2 레이저 손상 외부이며, 상기 손상은 폐쇄된 내부 윤곽을 정의하는 5mm 직경 원이고 - 즉, 이는 절제된 유리 영역을 둘러싸는 유리의 외부 영역이다) 그 후에 내부 윤곽 내에 위치된 내부 유리 부분의 적어도 일 부분은 레이저 (28)의 초점 조정된 (CO2) 레이저 빔을 사용하여 절제되었다. 예를 들어, 이 절제된 부분은 고체 중심 유리 플러그를 둘러싸는 환형 영역일 수 있다. 유리 플러그는 플러그에 진공 흡입을 가하거나, 또는 심지어 유리 플러그의 표면에 접착 테이프를 적용하고 그 후에 둘러싼 유리에서 플러그를 들어냄으로써 쉽게 제거된다.
나노천공 윤곽의 기능은 절제 공정에 의해 야기되는 손상을 포함하는 것이다. 나노천공은 내부 플러그에 형성된 균열을 정지, 편향, 또는 저지시키고, 커버 유리의 외부 영역으로 전파되는 것을 방지할 것이다.
도 11a-11c에 도시된 바와 같이, 투명 재료, 및 보다 구체적으로는 화학적으로 강화된 (예를 들어, 이온 교환된) 유리 조성물을 절단 및 분리하는 방법은 초-단 펄스 레이저 (140)로 가공될 재료 또는 가공물 (130)에 복수의 수직 결함 라인 (120)으로 형성된 단층 라인 (110)을 생성하는 것에 기본적으로 기초한다. 결함 라인 (120)은 예를 들어 유리 시트의 두께를 통해 연장되고, 유리 시트의 주요 (평평한) 표면에 직각이다. "단층 라인"은 또한 여기에서 "윤곽"으로도 지칭된다. 단층 라인 또는 윤곽 (또는 그 부분)은 도 11a에 도시된 단층 라인 (110)과 같이 선형일 수 있지만, 단층 라인 또는 윤곽은 또한 곡률을 가진 비선형일 수 있다. 만곡된 단층 라인 또는 윤곽은, 예를 들어, 1차원 대신에 2차원으로 다른 것에 대해 가공물 (130) 또는 레이저 빔 (140)을 병진 이동시켜 생성될 수 있다. 도 11a에 도시된 바와 같이, 복수의 결함 라인은 윤곽을 정의할 수 있다. 결함 라인을 갖는 분리된 에지 또는 표면은 윤곽에 의해 정의된다. 결함 라인을 생성하는 유도 흡수는, 3 미크론 미만의 평균 직경으로 분리된 에지 또는 표면 상에 입자를 생성할 수 있어서, 매우 깨끗한 절단 공정을 초래한다. 단층 라인 (110)의 방향을 따라 인접한 결함 라인들 (120) 사이에, 거리 또는 주기성은, 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 0.1 미크론보다 크고 약 20 미크론 이하일 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 인접한 결함 라인들 (120) 사이의 주기성은 0.5 내지 15 미크론, 또는 3 내지 10 미크론, 또는 0.5 미크론 내지 3.0 미크론일 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 인접한 결함 라인들 (120) 사이의 주기성은 0.5 미크론 내지 1.0 미크론일 수 있다.
결함 라인을 생성하는 몇 가지 방법이 있다. 라인 초점을 형성하는 광학적 방법은, 고 세기의 선형 영역을 형성하기 위해, 도넛 형상의 레이저 빔 및 구면 렌즈, 액시콘 렌즈, 회절 요소, 또는 다른 방법을 사용하여, 다수의 형태를 취할 수 있다. 비선형 광학 효과를 통해, 기판 재료 또는 유리 가공물의 파손을 생성하도록 초점 영역에서 기판 재료의 파손을 생성하기에 충분한 광학 세기가 도달하는 한, 레이저 (피코초, 펨토초 등) 및 파장 (IR, 녹색, UV 등)의 유형은 또한 변화될 수 있다. 바람직하게, 레이저는 주어진 버스트 내의 펄스의 수를 조정하여 시간에 따른 에너지 침착의 제어를 허용하는 펄스 버스트 레이저이다.
본 출원에서, 초-단 펄스 레이저는, 일관성 있고, 제어 가능하며 및 반복 가능한 방식으로, 고 종횡비의 수직 결함 라인을 생성하는데 사용된다. 이러한 수직 결함 라인의 생성을 가능하게 하는 광학 장비의 세부 세항은 여기에 전체적으로 설명된 것처럼 참조로 전체 내용이 병합된, 2013년 1월 15일 자로 출원된 미국 출원 제61/752,489호에 및 이하에서 기재된다. 이 개념의 본질은, 광학기기를 사용하여 투명한 부분 내에 고 세기 레이저 빔의 라인 초점을 생성하기 위한 것이다. 이 개념의 하나의 버전은, 초-단 (피코초 또는 펨토초 지속기간) 베셀 빔을 사용하여 고 종횡비의, 테이퍼-없는 마이크로채널의 영역을 생성하도록 광학 렌즈 어셈블리에서 액시콘 렌즈 요소를 사용하기 위한 것이다. 다시 말하면, 액시콘은 레이저 빔을 원통형 형상 및 고 종횡비 (장 길이 및 소 직경)의 고 세기 영역으로 집중시킨다. 집중된 레이저 빔으로 생성된 고 세기로 인해, 레이저 전자기장과 기판 재료의 비선형 상호 작용이 발생하고 레이저 에너지가 기판으로 전달되어 단층 라인을 구성하는 결함 형성을 달성한다. 그러나, 레이저 에너지 세기가 높지 않은 재료의 구역 (예를 들어, 중심 수렴 라인을 둘러싸는 기판의 유리 볼륨)에서, 재료는 레이저에 투명하고 및 레이저로부터 재료로 에너지를 전달하기 위한 메커니즘이 없다는 것을 인식하는 것이 중요한다. 그 결과, 레이저 세기가 비선형 임계치 이하에 있을 때, 유리 또는 가공물에는 어떠한 변화도 없다.
상기의 기술된 방법은 향상된 레이저 가공 능력 및 비용 절감 및 그에 따른 제조 비용 절감으로 이어질 수 있는 다음의 이점을 제공한다. 절단 공정은 다음을 제공한다:
1) 절단되는 내부 윤곽의 완전한 분리: 상술된 방법은 유리 부분이 화학적인 강화를 겪기 전에, 용융 인발 공정 (fusion draw process) 또는 다른 유리 형성 공정에 의해 생성된 바와 같이, 이온-교환 가능한 유리 (예를 들면, Gorilla® 유리, Corning 유리 코드 2318, 2319, 2320 등)에서 깨끗하고 제어되는 방식으로 홀 및 슬롯을 완전하게 분리/절단할 수 있다.
2) 둘러싼 유리에 열적 손상이 제한된 홀/슬롯 생성. 여기에 개시된 공정은 밑에 있는 구조 또는 구성요소를 손상시킴 없이, 소비자 전자 디바이스에서, 예를 들어, 5mm 직경 치수, 0.8 mm 두께의 커버 유리를 가진 유리 플러그를 제거하기 위해 사용된다.
3) 완전 기능성 소비자 전자 디바이스의 커버 유리에 홀 또는 슬롯을 형성하면서, 나머지 외부 커버 유리를 그대로 둔다.
상이한 크기의 복잡한 프로파일 및 형상 절단
상술된 방법은 다른 경쟁 기술의 제한적인 많은 형태 및 형상에 따라 유리 및 다른 기판의 절단/분리를 가능하게 한다. 엄격한 반경은 (<2mm) 절단되어, 작은 홀 및 슬롯의 생성을 허용할 수 있다 (예를 들어, 셀 폰 적용에서 스피커/마이크에 필요로 함). 또한, 결함 라인이 임의의 균열 전파의 위치를 강하게 제어하기 때문에, 이들 방법은 절단의 공간적 위치를 크게 제어하며, 수백 미크론만큼 작은 구조 및 특징부의 절단 및 분리를 허용한다.
이로써, 일부 실시예에 따라서, 유리 제품은 유리 시트의 면에 수직으로 적어도 250 μm 연장되는 복수의 결함 라인을 갖는 적어도 하나의 내부 윤곽 엣지를 가지며, 결함 라인 각각은 약 5 μm 이하의 직경을 갖는다. 예를 들어, 유리 제품은 유리 시트의 주요 (즉, 측면에 비해 큼) 평평한 면에 수직으로 적어도 250 μm 연장되는 복수의 결함 라인을 가진 적어도 하나의 내부 윤곽 에지를 가지며, 결함 라인 각각은 약 5 μm 이하의 직경을 가진다. 몇몇 실시예에서, 내부 윤곽 에지에 의해 정의된 내부 윤곽의 최소 치수 또는 폭은 5 mm 미만이고, 예를 들어 폭 (또는 직경)이 0.1 mm 내지 3 mm, 예를 들어 0.5 mm 내지 2 mm 일 수 있다. 몇몇 실시예에 따라서, 유리 제품은 이온-교환 후 (post-ion exchange) 유리를 포함한다. 몇몇 실시예에 따라서, 결함 라인은 적어도 하나의 내부 윤곽 에지의 전체 두께를 연장시킨다. 적어도 몇몇 실시예에 따라서, 적어도 하나의 내부 윤곽 에지는 약 5 μm 미만의 Ra 표면 거칠기를 가진다. 적어도 몇몇 실시예에 따라서, 적어도 하나의 내부 윤곽 에지는 약 75 μm 이하의 깊이까지 표면 아래 손상을 가진다. 적어도 몇몇 실시예에서, 유리 제품의 결함 라인은 에지의 전체 두께를 연장시킨다. 결함 라인 사이의 거리는 예를 들어, 약 7 μm 이하이다.
부가적인 실시예는 이하의 단락 A 내지 Z6에 기재된다:
A. 몇몇 실시예에 따라서, 유리 제품을 형성하는 방법은:
I. 제1 펄스 레이저 빔을 레이저 빔 초점 라인에 초점 조정시키는 단계;
II. 내부 유리 부분을 정의하는 폐쇄 내부 윤곽을 따른 복수의 위치에 있는 이온 교환 유리 기판에 상기 레이저 빔 초점 라인을 지향시키는 단계, 여기서 상기 레이저 빔 초점 라인이 상기 복수의 위치의 각 위치에 있는 이온 교환 유리 기판의 두께를 통해 연장된 결함 라인을 생성하도록 상기 레이저 빔 초점 라인은 상기 이온 교환 유리 기판 내에서 유도 흡수를 발생시킴;
III. 또 다른 초점 조정된 레이저 빔을 상기 내부 유리 부분의 적어도 일 부분에 지향시키고, 상기 내부 유리 부분의 적어도 일 부분을 적어도 절제하는 단계;를 포함한다.
B. A에 있어서, 상기 방법은 상기 이온 교환 유리 기판으로부터 상기 내부 유리 부분을 제거하는 단계를 더욱 포함한다.
C. A 또는 B에 있어서, 상기 또 다른 초점 조정된 레이저 빔은 상기 폐쇄 내부 윤곽의 내부 둘레에 지향된다.
D. A 내지 C 중 어느 하나에 있어서, 상기 폐쇄 내부 윤곽은 원형이다.
E. D에 있어서, 상기 방법은 상기 이온 교환 유리 기판으로부터 상기 내부 유리 부분의 유리 재료를 제거하는 단계를 더욱 포함한다.
F. A 내지 E에 있어서, 상기 이온 교환 유리 기판은 소비자 전자 디바이스에 장착된 커버 유리이다.
G. F에 있어서, 상기 이온 교환 유리 기판은 상기 소비자 전자 디바이스의 전자 구성요소 위에 위치되고, 상기 제1 펄스 레이저 빔은 상기 이온 교환 유리 기판에 투명하지만 상기 전자 구성요소에는 투명하지 않는 파장을 가진다.
H. F 또는 G에 있어서, 상기 이온 교환 유리 기판은 또 다른 유리의 상부 상에 위치된다.
I. H에 있어서, 상기 초점 라인은 다른 유리 내에서 유도 흡수를 발생시키지 않는다.
J. A에 있어서, 상기 이온 교환 유리 기판은 디스플레이 유리 위에 적어도 부분적으로 위치된다.
K. J에 있어서, 상기 초점 라인은 상기 디스플레이 유리 내에서 유도 흡수를 발생시키지 않는다.
L. A 내지 F에 있어서, 상기 이온 교환 유리 기판은 전자 구성요소 위에 적어도 부분적으로 위치되고, 상기 초점 라인은 상기 전자 구성요소를 손상시키지 않는다.
M. A 내지 L에 있어서, 상기 레이저 빔 초점 라인은 상기 전자 구성요소 내에서 유도 흡수를 발생시키지 않는다.
N. A 내지 M에 있어서, 상기 또 다른 레이저 빔은 가우시안 (Gaussian) 레이저 빔이다.
O. A 내지 F 중 어느 하나에 있어서, 상기 이온 교환 유리 기판은 또 다른 디바이스 구성요소 위에 적어도 부분적으로 위치되고, 상기 초점 조정된 제1 펄스 레이저 빔은 1.2 미크론보다 크거나, 380 nm보다 작은 파장을 가진다.
P. A 내지 F 중 어느 하나 또는 O에 있어서, 상기 이온 교환 유리 기판은 또 다른 디바이스 구성요소 위에 적어도 부분적으로 위치되고, 상기 레이저 빔 초점 라인은 상기 또 다른 디바이스 구성요소로 연장되지 않는다.
Q1. A 내지 F 중 어느 하나에 있어서,
(i) 상기 이온 교환 유리 기판은 소비자 전자 디바이스에 장착된 커버 유리이고; 그리고
(ii) 상기 이온 교환 유리 기판은 상기 소비자 전자 디바이스의 또 다른 구성요소 위에 적어도 부분적으로 위치되며; 그리고
(iii) 상기 유리를 절제하는 또 다른 초점 조정된 레이저 빔은 상기 이온 교환 유리 기판의 유리에 의해 강하게 흡수되지만 또 다른 구성요소에 의해서는 강하게 흡수되지 않는 파장을 가진다.
Q2. Q1에 있어서, 상기 이온 교환 유리 기판은 디스플레이 유리 위에 적어도 부분적으로, 그리고 적어도 하나의 전자 구성요소 위에 적어도 부분적으로 위치되고, 상기 방법은 상기 커버 유리 또는 상기 적어도 하나의 전자 구성요소를 손상시킴 없이, 상기 이온 교환 유리 기판으로부터 상기 내부 유리 부분을 제거하는 단계를 더욱 포함한다.
Q3. Q1 또는 Q2에 있어서, 상기 또 다른 초점 조정된 레이저 빔은: (a) 상기 적어도 하나의 전자 구성요소의 하우징에 불투명한 파장; (b) 50ns 이하 (≤50ns)인 단일 펄스 주파수를 가진 파장; 중 적어도 하나를 가진다.
Q4. Q3에 있어서, 상기 적어도 하나의 전자 구성요소의 하우징에 불투명한 파장은 1.2 미크론보다 크거나 380 nm보다 작다.
Q5. Q1 또는 Q2에 있어서, 상기 또 다른 초점 조정된 레이저 빔은 피코초 레이저에 의해 생성된다.
R1. A 내지 F 중 어느 하나에 있어서, 상기 단계 III은 상기 폐쇄 내부 윤곽 위에 적외선 레이저 빔을 투사시키는 단계를 포함한다.
R2. R1에 있어서, 제3 적외선 레이저 빔의 파장은 약 9 마이크로미터 내지 약 11 마이크로미터의 범위에 있다.
R3. R2에 있어서, 상기 제3 적외선 레이저 빔은 CO2 레이저 빔이다.
S. A에 있어서,
(i) 상기 이온 교환 유리 기판은 소비자 전자 디바이스에 장착된 커버 유리이고; 그리고
(ii) 상기 이온 교환 유리 기판은:
(a) 상기 소비자 전자 디바이스의 디스플레이 유리 위에 적어도 부분적으로; 그리고 (b) 상기 소비자 전자 디바이스의 전자 구성요소 위에 적어도 부분적으로 위치되고; 그리고
(c) 상기 초점 조정된 제1 펄스 레이저 빔은 파장을 가지며; 그리고
(d) 상기 전자 구성요소는 상기 파장의 광을 흡수하는 재료를 포함한 하우징을 가지고; 상기 흡수 재료는 홀 아래의 적어도 하나의 전자 구성요소 사이에 위치되어 라인 초점 파장을 흡수한다.
T. A에 있어서,
(i) 상기 이온 교환 유리 기판은 소비자 전자 디바이스에 장착된 커버 유리이고; 그리고
(ii) 상기 이온 교환 유리 기판은: (a) 상기 소비자 전자 디바이스의 디스플레이 유리 위에 적어도 부분적으로; 그리고 (b) 상기 소비자 전자 디바이스의 전자 구성요소 위에 적어도 부분적으로 위치되고; 상기 내부 유리 부분을 정의하는 폐쇄 내부 윤곽은 상기 디스플레이 유리 위에 위치되지 않고, 상기 전자 구성요소 위에 위치된다.
U. A에 있어서, 상기 이온 교환 유리 기판은 소비자 전자 디바이스에 장착된 커버 유리이고; 상기 커버 유리는 베젤 구역, 및 상기 베젤 구역 내부에 위치된 내부 유리 부분을 정의한 폐쇄 내부 윤곽을 가진다.
V. 이온 교환 재료를 레이저 드릴링하는 방법은:
빔 전파 방향을 따라 관측된 레이저 빔 초점 라인에 펄스 레이저 빔을 초점 조정시키는 단계;
제1 위치에 있는 이온 교환 재료에 상기 레이저 빔 초점 라인을 지향시키는 단계, 여기서 상기 레이저 빔 초점 라인은 상기 재료 내에서 유도 흡수를 발생시키고, 상기 유도 흡수는 상기 재료 내에서 상기 레이저 빔 초점 라인을 따라 손상 트랙을 생성함;
상기 제1 위치로부터 제1 폐쇄 윤곽을 따라 시작하여 상기 재료 및 상기 펄스 레이저 빔을 서로에 대해 병진 이동시켜, 상기 재료 내에서 상기 제1 폐쇄 윤곽을 따른 복수의 홀을 레이저 드릴링하는 단계; 및
상기 제1 폐쇄 윤곽을 따라 상기 재료의 내부 플러그의 제거를 용이하게 하기 위해, 상기 제1 폐쇄 윤곽 내에 포함된 제2 폐쇄 윤곽 주위의 재료에 초점 조정된 레이저를 지향시키는 단계;를 포함한다.
W. V에 있어서, 상기 제2 폐쇄 윤곽은 500 μm 미만만큼 상기 제1 폐쇄 윤곽으로부터 오프셋된다.
X. V 또는 W에 있어서, 상기 제1 폐쇄 윤곽 내에 포함된 제2 폐쇄 윤곽 주위의 재료에 지향된 초점 조정된 레이저는 CO2 레이저이다.
Y. 이온 교환 재료를 레이저 드릴링하는 방법은:
빔 전파 방향을 따라 관측된 레이저 빔 초점 라인에 펄스 레이저 빔을 초점 조정시키는 단계;
제1 위치에 있는 이온 교환 재료에 상기 레이저 빔 초점 라인을 지향시키는 단계, 여기서 상기 레이저 빔 초점 라인은 상기 재료 내에서 유도 흡수를 발생시키고, 상기 유도 흡수는 상기 재료 내에서 상기 레이저 빔 초점 라인을 따라 손상 트랙을 생성함;
상기 제1 위치로부터 제1 폐쇄 윤곽을 따라 시작하여 상기 재료 및 상기 펄스 레이저 빔을 서로에 대해 병진 이동시켜, 상기 재료 내에서 상기 제1 폐쇄 윤곽을 따른 복수의 홀을 레이저 드릴링하는 단계; 및
상기 제1 폐쇄 윤곽을 따라 상기 재료의 내부 플러그의 제거를 용이하게 하기 위해, 상기 제1 폐쇄 윤곽 내에 포함된 제2 폐쇄 윤곽 주위의 재료에 초점 조정된 레이저를 지향시키는 단계;를 포함한다.
Z. Y에 있어서, 상기 재료는 약 100 μm 내지 약 8 mm의 범위에 있는 두께를 가진다.
여기에 인용된 모든 특허, 공개 출원 및 참고 문헌의 관련 교시는 그 전체가 참조로 병합된다.
대표적인 실시예가 여기에 개시되었지만, 기술 분야의 통상의 기술자가 이해하는 바와 같이, 다양한 형태의 변화 및 세부 사항은 첨부된 청구항에 의해 포함된 본 발명의 권리 범위를 벗어남 없이 이루어질 수 있다.

Claims (32)

  1. 유리 제품을 형성하는 방법에 있어서,
    (i) 제1 펄스 레이저 빔을 레이저 빔 초점 라인에 초점 조정시키는 단계;
    (ii) 내부 유리 부분을 정의하는 폐쇄 내부 윤곽을 따른 복수의 위치에 있는 이온 교환 유리 기판에 상기 레이저 빔 초점 라인을 지향시키는 단계, 여기서 상기 레이저 빔 초점 라인이 상기 복수의 위치의 각 위치에 있는 이온 교환 유리 기판의 두께를 통해 연장된 결함 라인을 생성하도록 상기 레이저 빔 초점 라인은 상기 이온 교환 유리 기판 내에서 유도 흡수를 발생시킴;
    (iii) 또 다른 초점 조정된 레이저 빔을 상기 내부 유리 부분의 적어도 일 부분에 지향시키고, 상기 내부 유리 부분의 적어도 일 부분을 적어도 절제하는 단계;를 포함하는, 유리 제품 형성 단계.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 이온 교환 유리 기판으로부터 상기 내부 유리 부분을 제거하는 단계를 더욱 포함하는, 유리 제품 형성 단계.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 또 다른 초점 조정된 레이저 빔은 상기 폐쇄 내부 윤곽의 내부 둘레에 지향되는, 유리 제품 형성 단계.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 폐쇄 내부 윤곽은 원형인, 유리 제품 형성 단계.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 이온 교환 유리 기판으로부터 상기 내부 유리 부분의 유리 재료를 제거하는 단계를 더욱 포함하는, 유리 제품 형성 단계.
  6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이온 교환 유리 기판은 소비자 전자 디바이스에 장착된 커버 유리인, 유리 제품 형성 단계.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 이온 교환 유리 기판은 상기 소비자 전자 디바이스의 전자 구성요소 위에 위치되고, 상기 제1 펄스 레이저 빔은 상기 이온 교환 유리 기판에 투명하지만 상기 전자 구성요소에는 투명하지 않는 파장을 가지는, 유리 제품 형성 단계.
  8. 청구항 6 또는 7에 있어서,
    상기 이온 교환 유리 기판은 또 다른 유리의 상부 상에 위치되는, 유리 제품 형성 단계.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 초점 라인은 다른 유리 내에서 유도 흡수를 발생시키지 않는, 유리 제품 형성 단계.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 이온 교환 유리 기판은 디스플레이 유리 위에 적어도 부분적으로 위치되는, 유리 제품 형성 단계.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 초점 라인은 상기 디스플레이 유리 내에서 유도 흡수를 발생시키지 않는, 유리 제품 형성 단계.
  12. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이온 교환 유리 기판은 전자 구성요소 위에 적어도 부분적으로 위치되고, 상기 초점 라인은 상기 전자 구성요소를 손상시키지 않는, 유리 제품 형성 단계.
  13. 청구항 1 내지 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 빔 초점 라인은 상기 전자 구성요소 내에서 유도 흡수를 발생시키지 않는, 유리 제품 형성 단계.
  14. 청구항 1 내지 13 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 또 다른 레이저 빔은 가우시안 (Gaussian) 레이저 빔인, 유리 제품 형성 단계.
  15. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이온 교환 유리 기판은 또 다른 디바이스 구성요소 위에 적어도 부분적으로 위치되고, 상기 초점 조정된 제1 펄스 레이저 빔은 1.2 미크론보다 크거나, 380 nm보다 작은 파장을 가지는, 유리 제품 형성 단계.
  16. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항 또는 15에 있어서,
    상기 이온 교환 유리 기판은 또 다른 디바이스 구성요소 위에 적어도 부분적으로 위치되고, 상기 레이저 빔 초점 라인은 상기 또 다른 디바이스 구성요소로 연장되지 않는, 유리 제품 형성 단계.
  17. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    (i) 상기 이온 교환 유리 기판은 소비자 전자 디바이스에 장착된 커버 유리이고;
    (ii) 상기 이온 교환 유리 기판은 상기 소비자 전자 디바이스의 또 다른 구성요소 위에 적어도 부분적으로 위치되며; 그리고
    (iii) 상기 유리를 절제하는 또 다른 초점 조정된 레이저 빔은 상기 이온 교환 유리 기판의 유리에 의해 강하게 흡수되지만 또 다른 구성요소에 의해서는 강하게 흡수되지 않는 파장을 가지는, 유리 제품 형성 단계.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 이온 교환 유리 기판은 디스플레이 유리 위에 적어도 부분적으로, 그리고 적어도 하나의 전자 구성요소 위에 적어도 부분적으로 위치되고,
    상기 방법은 상기 커버 유리 또는 상기 적어도 하나의 전자 구성요소를 손상시킴 없이, 상기 이온 교환 유리 기판으로부터 상기 내부 유리 부분을 제거하는 단계를 더욱 포함하는, 유리 제품 형성 단계.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 또 다른 초점 조정된 레이저 빔은:
    (a) 상기 적어도 하나의 전자 구성요소의 하우징에 불투명한 파장;
    (e) 50ns 이하 (≤50ns)인 단일 펄스 주파수를 가진 파장;
    중 적어도 하나를 가진, 유리 제품 형성 단계.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전자 구성요소의 하우징에 불투명한 파장은 1.2 미크론보다 크거나 380 nm보다 작은, 유리 제품 형성 단계.
  21. 청구항 18에 있어서,
    상기 또 다른 초점 조정된 레이저 빔은 피코초 레이저에 의해 생성되는, 유리 제품 형성 단계.
  22. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단계 III은 상기 폐쇄 내부 윤곽 위에 적외선 레이저 빔을 투사시키는 단계를 포함하는, 유리 제품 형성 단계.
  23. 청구항 22에 있어서,
    제3 적외선 레이저 빔의 파장은 약 9 마이크로미터 내지 약 11 마이크로미터의 범위에 있는, 유리 제품 형성 단계.
  24. 청구항 23에 있어서,
    상기 제3 적외선 레이저 빔은 CO2 레이저 빔인, 유리 제품 형성 단계.
  25. 청구항 1에 있어서,
    (i) 상기 이온 교환 유리 기판은 소비자 전자 디바이스에 장착된 커버 유리이고;
    (ii) 상기 이온 교환 유리 기판은:
    (a) 상기 소비자 전자 디바이스의 디스플레이 유리 위에 적어도 부분적으로; 그리고 (b) 상기 소비자 전자 디바이스의 전자 구성요소 위에 적어도 부분적으로 위치되고;
    (b) 상기 초점 조정된 제1 펄스 레이저 빔은 파장을 가지며; 그리고
    (c) 상기 전자 구성요소는 상기 파장을 흡수하는 재료를 포함한 하우징을 가지고; 상기 흡수 재료는 홀 아래의 적어도 하나의 전자 구성요소 사이에 위치되어 라인 초점 파장을 흡수하는, 유리 제품 형성 단계.
  26. 청구항 1에 있어서,
    (i) 상기 이온 교환 유리 기판은 소비자 전자 디바이스에 장착된 커버 유리이고; 그리고
    (ii) 상기 이온 교환 유리 기판은: (a) 상기 소비자 전자 디바이스의 디스플레이 유리 위에 적어도 부분적으로; 그리고 (b) 상기 소비자 전자 디바이스의 전자 구성요소 위에 적어도 부분적으로 위치되고; 상기 내부 유리 부분을 정의하는 폐쇄 내부 윤곽은 상기 디스플레이 유리 위에 위치되지 않고, 상기 전자 구성요소 위에 위치되는, 유리 제품 형성 단계.
  27. 청구항 1에 있어서,
    상기 이온 교환 유리 기판은 소비자 전자 디바이스에 장착된 커버 유리이고; 상기 커버 유리는 베젤 구역, 및 상기 베젤 구역 내부에 위치된 내부 유리 부분을 정의한 폐쇄 내부 윤곽을 가지는, 유리 제품 형성 단계.
  28. 이온 교환 재료를 레이저 드릴링하는 방법에 있어서,
    빔 전파 방향을 따라 관측된 레이저 빔 초점 라인에 펄스 레이저 빔을 초점 조정시키는 단계;
    제1 위치에 있는 이온 교환 재료에 상기 레이저 빔 초점 라인을 지향시키는 단계, 여기서 상기 레이저 빔 초점 라인은 상기 재료 내에서 유도 흡수를 발생시키고, 상기 유도 흡수는 상기 재료 내에서 상기 레이저 빔 초점 라인을 따라 손상 트랙을 생성함;
    상기 제1 위치로부터 제1 폐쇄 윤곽을 따라 시작하여 상기 재료 및 상기 펄스 레이저 빔을 서로에 대해 병진 이동시켜, 상기 재료 내에서 상기 제1 폐쇄 윤곽을 따른 복수의 홀을 레이저 드릴링하는 단계; 및
    상기 제1 폐쇄 윤곽을 따라 상기 재료의 내부 플러그 (plug)의 제거를 용이하게 하기 위해, 상기 제1 폐쇄 윤곽 내에 포함된 제2 폐쇄 윤곽 주위의 재료에 초점 조정된 레이저를 지향시키는 단계;를 포함하는, 이온 교환 재료 레이저 드릴링 방법.
  29. 청구항 28에 있어서,
    상기 제2 폐쇄 윤곽은 500 μm 미만만큼 상기 제1 폐쇄 윤곽으로부터 오프셋되는, 이온 교환 재료 레이저 드릴링 방법.
  30. 청구항 28 또는 29에 있어서,
    상기 제1 폐쇄 윤곽 내에 포함된 제2 폐쇄 윤곽 주위의 재료에 지향된 초점 조정된 레이저는 CO2 레이저인, 이온 교환 재료 레이저 드릴링 방법.
  31. 이온 교환 재료를 레이저 드릴링하는 방법에 있어서,
    빔 전파 방향을 따라 관측된 레이저 빔 초점 라인에 펄스 레이저 빔을 초점 조정시키는 단계;
    제1 위치에 있는 이온 교환 재료에 상기 레이저 빔 초점 라인을 지향시키는 단계, 여기서 상기 레이저 빔 초점 라인은 상기 재료 내에서 유도 흡수를 발생시키고, 상기 유도 흡수는 상기 재료 내에서 상기 레이저 빔 초점 라인을 따라 손상 트랙을 생성함;
    상기 제1 위치로부터 제1 폐쇄 윤곽을 따라 시작하여 상기 재료 및 상기 펄스 레이저 빔을 서로에 대해 병진 이동시켜, 상기 재료 내에서 상기 제1 폐쇄 윤곽을 따른 복수의 홀을 레이저 드릴링하는 단계; 및
    상기 제1 폐쇄 윤곽을 따라 상기 재료의 내부 플러그의 제거를 용이하게 하기 위해, 상기 제1 폐쇄 윤곽 내에 포함된 제2 폐쇄 윤곽 주위의 재료에 초점 조정된 레이저를 지향시키는 단계;를 포함하는, 이온 교환 재료 레이저 드릴링 방법.
  32. 청구항 30에 있어서,
    상기 재료는 약 100 μm 내지 약 8 mm의 범위에 있는 두께를 가지는, 이온 교환 재료 레이저 드릴링 방법.
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