(57)【要約】      （修正有）【課題】ガラス等の透明材料を、調節可能なレーザビーム線焦点を使って加工するためのシステムおよび方法を提供する。【解決手段】透明材料を加工するためのシステムは、パルスレーザビームを発するように動作可能なレーザ源と、パルスレーザビームの光路内に配置された光学アセンブリ６’とを含む。光学アセンブリ６’は、パルスレーザビームを、調節可能な長さおよび調節可能な直径を有するレーザビーム焦線に変換するように構成される。レーザビーム焦線のうちの少なくとも一部は、前記透明材料の体積内に、レーザビーム焦線が前記レーザビーム焦線に沿って材料改質を起こさせるように位置付けられるように動作可能である。レーザビーム焦線の長さおよびレーザビーム焦線の直径の少なくとも一方を調節することによって、透明材料をレーザ加工する方法もまた開示される。【選択図】図６Ｃ
2020182977.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明材料を加工するためのシステムにおいて、
パルスレーザビームを発するように動作可能なレーザ源と、
前記パルスレーザビームの光路内に配置され、前記パルスレーザビームを、調節可能な長さおよび調節可能な直径を有するレーザビーム焦線へと変換するように構成された光学アセンブリであって、前記レーザビーム焦線の少なくとも一部は、前記透明材料の体積内に、前記レーザビーム焦線が前記透明材料内で誘導多光子吸収を発生させるように位置付けられるように動作可能であり、前記誘導多光子吸収が、前記透明材料内で前記レーザビーム焦線に沿って材料改質を生じさせるような光学アセンブリと、
を含み、
前記透明材料が、２つ以上のガラスシートの積層体であって、該２つ以上のガラスシートの各々の間にエアギャップを有すること、および、
前記レーザビーム焦線が、ベッセルビーム焦線であることを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記光学アセンブリがアキシコンを含むことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記アキシコンは透過型であり、
（ｉ）前記光学アセンブリは、前記パルスレーザビームの前記光路内の、前記アキシコンと前記透明材料との間に位置付けられた可変ズームアセンブリをさらに含み
（ｉｉ）前記光学アセンブリは、第一の焦点距離を有する第一のレンズ要素と、第二の焦点距離を有する第二のレンズ要素と、をさらに含み、
前記第一のレンズ要素および前記第二のレンズ要素は、前記パルスレーザビームの光路内の前記アキシコンの後に、前記第一のレンズ要素が前記アキシコンおよび前記第二のレンズ要素との間に位置付けられるように配置され、
前記第一の焦点距離および前記第二の焦点距離は、前記レーザビーム焦線が少なくとも部分的に前記透明材料の前記体積の中に配置されるようになっており、
前記レーザビーム焦線の前記調節可能な長さおよび前記調節可能な直径は、前記第一のレンズ要素の前記第一の焦点距離および前記第二のレンズ要素の前記第二の焦点距離のうちの少なくとも一方を変化させることによって調節される
ことを特徴とする、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
（ｉ）前記アキシコンは入射面および射出面を含み、前記射出面は、前記入射面に対してある角度を有し、前記レーザビーム焦線の前記調節可能な長さおよび前記調節可能な直径が、前記アキシコンの前記射出面の前記角度を変えることによって調節され、または
（ｉｉ）前記アキシコンは入射面および射出面を含み、前記射出面は、前記入射面に対してある角度を有し、前記レーザビーム焦線の前記調節可能な長さおよび前記調節可能な直径が、前記アキシコンの前記射出面の前記角度を変えることによって調節され、前記光学アセンブリは、複数のアキシコンを含み、個々のアキシコンの各々が前記射出面上の異なる角度を含むアキシコンアセンブリをさらに含み、前記アキシコンの前記射出面の前記角度は、前記複数のアキシコンのうちの所望の個々のアキシコンを前記パルスレーザビームの前記光路内に選択的に位置付けることによって変えられる
ことを特徴とする、請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
（ｉ）前記レーザビーム焦線の前記調節可能な長さは、前記アキシコンの入射面における前記パルスレーザビームの直径を調節することによって調節され、または
（ｉｉ）前記レーザビーム焦線の前記調節可能な長さは、前記アキシコンの入射面における前記パルスレーザビームの直径を調節することによって調節され、前記光学アセンブリは、第三の焦点距離を有する第三のレンズと、第四の焦点距離を有する第四のレンズと、をさらに含み、前記第三の焦点距離および前記第四の焦点距離のうちの少なくとも一方が、前記アキシコンの前記入射面における前記パルスレーザビームの前記直径を調節するために調節され、または、
（ｉｉｉ）前記レーザビーム焦線の前記調節可能な長さは、前記アキシコンの入射面における前記パルスレーザビームの直径を調節することによって調節され、前記光学アセンブリは、前記アキシコンの前記入射面において、前記パルスレーザビームの前記直径を調節するように動作可能な可変ズームアセンブリをさらに含む
ことを特徴とする、請求項２に記載のシステム。
【請求項６】
前記光学アセンブリは、
前記パルスレーザビームの前記光路内に位置付けられた反射型アキシコンと、
前記反射型アキシコンから、調節可能な距離Ｄだけ軸方向に離間されたリング状反射アセンブリであって、角度のついた反射面を含み、前記パルスレーザビームは前記反射型アキシコンにより角度のついた反射面へと反射され、前記パルスレーザビームが前記角度のついた反射面により反射されるようなリング状反射アセンブリと、
前記パルスレーザビームの前記光路内の、前記リング状反射アセンブリの後に位置付けられたレンズ要素であって、前記パルスレーザビームを集光して前記レーザビーム焦線を形成するレンズ要素と、
を含み、
前記パルスレーザビームは、前記反射型アキシコンの前に収束または発散する
ことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
（ｉ）前記レーザビーム焦線の前記調節可能な直径または前記焦線の前記調節可能な長さは、前記調節可能な距離Ｄを変えることによって調節され、または
（ｉｉ）前記光学アセンブリは、前記パルスレーザビームの前記光路内の、前記反射型アキシコンの前に位置付けられた第二のレンズ要素をさらに含み、
前記第二のレンズ要素は、前記パルスレーザビームを前記反射型アキシコンの前に収束または発散させ、
前記第二のレンズ要素の焦点距離を調節することによって、前記レーザビーム焦線の前記調節可能な長さおよび前記調節可能な直径が調節される
ことを特徴とする、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記光学アセンブリは、
前記パルスレーザビームの前記光路内に位置付けられ、前記パルスレーザビームの発散または収束を生じさせるように構成された第一のレンズ要素と、
前記パルスレーザビームの前記光路内の、前記第一のレンズ要素の後に位置付けられた第一の透過型アキシコンであって、前記パルスレーザビームが角度のついた射出面において前記第一の透過型アキシコンから出るようになっている第一の透過型アキシコンと、
前記パルスレーザビームの前記光路内の、前記第一の透過型アキシコンの後に位置付けられた第二の透過型アキシコンであって、前記パルスレーザビームが前記第二の透過型アキシコンの角度のついた入射面において前記第二の透過型アキシコンに入射するようになっており、前記第一の透過型アキシコンの前記角度のついた射出面の偏向角度が、前記第二の透過型アキシコンの前記角度のついた入射面の偏向角度と実質的に等しいような第二の透過型アキシコンと、
前記パルスレーザビームの前記光路内の、前記第二の透過型アキシコンの後に位置付けられた第二のレンズ要素であって、前記第二のレンズ要素が前記パルスレーザビームを集光して、前記レーザビーム焦線を形成するような焦点距離を有する第二のレンズ要素と、
を含むことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
透明材料を加工する方法において、
パルスレーザビームを集光して、ビーム伝播方向に沿ってレーザビーム焦線を形成するステップであって、前記レーザビーム焦線は長さおよび直径を有するステップと、
前記レーザビーム焦線の前記長さおよび前記レーザビーム焦線の前記直径のうちの少なくとも一方を調節するステップと、
前記レーザビーム焦線を前記透明材料の中へと、前記レーザビーム焦線の少なくとも一部が前記材料の体積内にあるように方向付けられるステップであって、前記レーザビーム焦線は、前記透明材料内に誘導多光子吸収を発生させ、前記誘導多光子吸収が、前記透明材料内で前記レーザビーム焦線に沿って材料改質を起こさせるステップと、
を含み、
前記透明材料が、２つ以上のガラスシートの積層体であって、該２つ以上のガラスシートの各々の間にエアギャップを有すること、および、
前記レーザビーム焦線が、ベッセルビーム焦線であることを特徴とする方法。
【請求項１０】
（ｉ）前記レーザビーム焦線の前記長さおよび前記レーザビーム焦線の前記直径は連続的に調節可能であり、または（ｉｉ）前記レーザビーム焦線の前記長さは、前記透明材料の厚さと等しいか、それより大きく、または（ｉｉｉ）前記レーザビーム焦線の前記長さは、前記レーザビーム焦線の前記直径に影響を与えずに調節可能であることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
（ｉ）前記レーザビーム焦線の前記直径が０．５μｍ〜５μｍの範囲内であり、および／または（ｉｉ）前記レーザビーム焦線の前記長さは、０．１ｍｍ〜１００ｍｍの範囲内であることを特徴とする、請求項９または１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記パルスレーザビームが、前記パルスレーザビームの光路内に配置された光学アセンブリを経て、該光学アセンブリの射出側において集光され、前記光学アセンブリは、前記レーザビーム焦線を生成するように構成された球面収差を有する第一の集光光学要素であって、アキシコンである第一の集光光学要素と、前記第一の集光光学要素から離間された第二の集光光学要素であって、コリメートレンズである第二の集光光学要素と、前記第二の集光光学要素から離間された第三の集光光学要素であって、平凸レンズである第三の集光光学要素と、を含む、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本願は、米国特許法第１１９条に基づき、２０１４年７月１４日に出願された米国仮特許出願第６２／０２４１２２号の優先権の利益を主張するものであり、本願はその内容に依拠し、その全体を参照によって本明細書に援用する。
【技術分野】
【０００２】
近年、精密微細機械加工と、最先端機器の小型化、軽量化、および材料費削減に対する顧客の需要を満たすためのその工程改良が進められたことにより、タッチスクリーン、タブレット、スマートフォン、およびＴＶ用のフラットパネルディスプレイ関連のハイテク業界は急成長を遂げている。超高速産業用レーザは、高精密微細機械加工を必要とする分野にとって重要なツールとなりつつある。
【背景技術】
【０００３】
ガラス切断には様々な方法が知られている。従来のレーザガラス切断工程において、ガラスの分離はレーザによる罫書きまたはさん孔およびそれに続く機械的な力または熱応力により誘導される亀裂伝播に依存する。ほとんどすべての現在のレーザ切断方式には、１つまたは複数の欠点がある。例えば、ガウスレーザビームを使用するレーザ工程によるガラス切断には、レーザビームの細い集束から、ガラス基板内に所望のダメージ線を形成するために多数のパルスが必要となる。このようなレーザ切断工程は、時間がかかり、したがってスループットが限定される可能性がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本明細書で開示される実施形態は、透明材料（ガラス、サファイヤ等）に、その材料の穴明け、切断、分離、さん孔、またはその他の加工を行うための小さい（数マイクロメートル以下）の「穴」を形成する方法とシステムに関する。より詳しくは超短（すなわち、１０−１０〜１０−１５秒）パルスレーザビーム（波長は例えば１０６４、５３２、３５５、または２６６ナノメートル）が、透明材料の表面またはその中の焦点領域内に欠陥を作るのに必要な閾値を超えるエネルギー密度を有する線焦点に集光される。線焦点の長さおよび直径は、透明材料の種類と厚さに応じて調節される。工程を繰り返すことにより、所定の経路に沿って整列された一連のレーザ誘導欠陥を生成できる。レーザ誘導特徴を相互に十分に近付けることによって、透明材料中に制御された機械的脆弱領域を作ることができ、透明材料は、一連のレーザ誘導欠陥により画定される経路に沿って、（直ちに、または後に追加の機械的または熱による分離ステップと共に）精密に破断または分離できる。化学的強化ガラス等の内部応力の高い材料の場合、この材料は、レーザ誘導欠陥により画定される経路に沿って直ちに破断し、分離してもよい。ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）ディスプレイ分野のために製造されるガラス等の低応力材料の場合、追加の分離ステップが必要な場合がある。したがって、超短線焦点レーザパルスの後に、任意選択により、例えば、二酸化炭素（ＣＯ２）レーザまたはその他の熱応力源により透明材料または部品が基板から完全に自動的に分離されるようにしてもよい。
【０００５】
１つの実施形態において、透明材料を加工するシステムは、パルスレーザビームを発するように動作するレーザ源と、パルスレーザビームの光路内に配置された光学アセンブリとを含む。光学アセンブリは、パルスレーザビームを、調節可能な長さおよび調節可能な直径を有するレーザビーム焦線へと変換するように構成される。レーザビーム焦線の少なくとも一部は、透明材料の体積内に、レーザビーム焦線が透明材料内に誘導多光子吸収を発生させるように位置付けられるように動作可能である。誘導多光子吸収は、透明材料内でレーザビーム焦線に沿って材料改質を生じさせる。
【０００６】
他の実施形態において、透明材料の加工方法は、パルスレーザビームを集光して、ビーム伝播方向に沿ってレーザビーム焦線を形成するステップを含み、レーザビーム焦線は長さおよび直径を有する。方法は、レーザビーム焦線の長さおよびレーザビーム焦線の直径のうちの少なくとも一方を調節するステップと、レーザビーム焦線を透明材料内に、レーザビーム焦線のうちの少なくとも一部が材料の体積内にあるように方向付けるステップと、をさらに含む。レーザビーム焦線は、透明材料内で誘導多光子吸収を生成する。誘導多光子吸収は、材料内でレーザビーム焦線に沿って材料改質を生じさせる。
【０００７】
上記のことは、添付の図面に示されている例示的実施形態に関する以下のより詳しい説明から明らかとなり、異なる図面を通じて、同様の参照記号は同じ部品を示している。図面は必ずしも正しい縮尺によらず、その代わりに、代表的な実施形態を例示することに重点が置かれている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】３層、すなわちレーザエネルギーに面する薄い材料Ａ、改質界面、および厚い材料Ｂの積層体の概略図であり、改質界面は、レーザエネルギーが積層体のうち、改質界面のレーザビームから離れた面の上の部分と相互作用しないように遮断する。
【図２Ａ】レーザビーム焦線の位置決め、すなわち、焦線に沿った誘導吸収により、レーザ波長に対して透過性を有する材料のレーザ加工の概略図である。
【図２Ｂ】レーザビーム焦線の位置決め、すなわち、焦線に沿った誘導吸収により、レーザ波長に対して透過性を有する材料のレーザ加工の概略図である。
【図３Ａ】レーザ加工のための光学アセンブリの概略図である。
【図３Ｂ−１】透明材料内に、基板に対してある位置にレーザビーム焦線を形成することによって、基板を加工する可能性を示す。
【図３Ｂ−２】透明材料内に、基板に対して異なる位置にレーザビーム焦線を形成することによって、基板を加工する別の可能性を示す。
【図３Ｂ−３】透明材料内に、基板に対して異なる位置にレーザビーム焦線を形成することによって、基板を加工する別の可能性を示す。
【図３Ｂ−４】透明材料内に、基板に対して異なる位置にレーザビーム焦線を形成することによって、基板を加工する別の可能性を示す。
【図４】レーザ加工のための第二の光学アセンブリの概略図である。
【図５Ａ】レーザ加工のための第三の光学アセンブリの概略図である。
【図５Ｂ】レーザ加工のための第三の光学アセンブリの概略図である。
【図６Ａ】レーザ加工のための第四の光学アセンブリの概略図である。
【図６Ｂ】レーザ加工のためのアキシコンの概略図である。
【図６Ｃ】レーザ加工のための第五の光学アセンブリの概略図である。
【図６Ｄ】レーザ加工のための第六の光学アセンブリの概略図である。
【図６Ｅ】レーザ加工のための第七の光学アセンブリの概略図である。
【図６Ｆ】レーザ加工のための第八の光学アセンブリの概略図である。
【図６Ｇ】レーザ加工のための第九の光学アセンブリの概略図である。
【図７】ピコ秒レーザの、時間に関するレーザ発光のグラフである。各発光は、１または複数のサブパルスを含んでいてもよいパルス「バースト」により特徴付けられる。バーストの周波数は、典型的には約１００ｋＨｚ（１０μｓｅｃ）のレーザ繰返し数である。サブパルス間の時間ははるかに短く、例えば約２０ナノ秒（ｎｓｅｃ）である。
【図８】ガラス−空気−ガラス複合構造に入射する集光ガウスビームおよびベッセルビームの比較である。
【図９】アブレーションまたは汚染を低減しながら、複数のシートを切断する場合の、透明保護層を有する積層の概略図である。
【図１０】エアギャップと、封入型デバイスの切断の概略図である。
【図１１】レーザさん孔後、エッチングまたはレーザさん孔およびＣＯ２レーザリリースによるインタポーザまたは窓の切削を示す概略図である。
【図１２】透明導電層（例えば、インジウム−スズ−酸化物（ＩＴＯ））で被覆されたエレクトロクロミックガラス等の成形品の切断の概略図である。
【図１３】積層体中のいくつかの層を他の層に損傷を与えずに精密切断する概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本明細書に記載されている実施形態は、透明材料の内部の、またはそれを貫通する高精度の切込みを光学的に生成するための方法とシステムに関する。切断工程によるサブサーフェスダメージは、深さ６０マイクロメートル以下のオーダに限定でき、切込みにより生成されるデブリはわずかにすぎない。本開示によるレーザでの透明材料の切断はまた、本明細書において、穴明けもしくはレーザ穴明けまたはレーザ加工も指すことができる。材料がレーザ波長に対して実質的に透過性を有するとは、この波長において材料の深さ１ｍｍにつき吸収が約１０％未満、好ましくは約１％未満の場合である。
【００１０】
一般に、レーザビームは、ガラス等のバルク材料の内部に位置付けられるレーザビーム焦線に変換されて、材料内にダメージ線が形成される。すると、材料はこれらのダメージ線に沿って分離されてもよい。レーザビーム焦線はまた、半導体装置アセンブリのインタポーザの穴等、材料内に穴を形成するためにも利用してよい。レーザ線焦点の長さおよび直径を調節するためのシステムおよび方法が本明細書に記載されている。レーザ線焦点の長さおよび／または直径は、材料の種類の違いのほか、材料の厚さの違いに応じて調節されてもよい。
【００１１】
後述の方法によれば、シングルパスで、レーザは、材料を貫通する高度に制御されたフルラインさん孔を形成するために使用でき、サブサーフェスダメージおよびデブリはほとんど生成されない（＜７５μｍ、しばしば＜５０μｍ）。これは、材料のアブレーションを行うためのスポット焦点レーザの典型的な使用と対照的であり、ガラスの厚さ全体をさん孔するためにマルチパスがしばしば必要となる場合、アブレーション工程では大量のデブリが形成され、より甚大なサブサーフィスダメージ（＞１００μｍ）とエッヂチッピングが発生する。
【００１２】
それゆえ、１つの高エネルギーバーストパルスを使って透明材料に顕微鏡レベルの（すなわち、直径＜０．５μｍ〜＞１００ｎｍ）長い「穴」（また、さん孔または欠陥線とも呼ばれる）を形成することが可能である。本明細書に記載されている例示的実施形態によれば、典型的なさん孔の直径は＞１００ｎｍ〜５マイクロメートル未満、例えば０．２〜２マイクロメートル、０．２〜１マイクロメートル、またはそれらの間であり、その長さは５０マイクロメートル以上（例えば、０．１ｍｍ〜１００ｍｍ、１５０マイクロメートル〜２ｍｍ、または１５０マイクロメートル〜５ｍｍ、または１５０マイクロメートル〜１０ｍｍ）である。これらのさん孔、欠陥領域、ダメージトラック、または欠陥線は一般に、１〜２５マイクロメートル離間され、いくつかの実施形態において、１〜１５マイクロメートル（例えば、２〜１２マイクロメートル、５〜１０マイクロメートル）離間されるが、いくつかの実施形態においては１５〜２５マイクロメートル離間される。これらの個々のさん孔は、数百キロヘルツ（例えば、１秒に数十万個のさん孔）の速度で形成できる。それゆえ、レーザ源と材料との間の相対的運動により、これらのさん孔は相互に隣接して設置できる（空間的分離は、希望に応じてサブマイクロメートルから数マイクロメートルの間）。この空間分離は、切断しやすくなるように選択される。いくつかの実施形態において、欠陥線は「貫通穴」であり、これは透明材料の上から下まで延びる穴または開口通路である。いくつかの実施形態において、欠陥線は連続した通路でなくてもよく、中実材料（例えば、ガラス）の一部または断面により塞がれ、または部分的に塞がれていてもよい。本明細書の定義により、欠陥線の内径は開口通路または空洞の内径である。例えば、本明細書に記載されている実施形態において、欠陥線の内径は＜５００ｎｍ、例えば≦４００ｎｍ、または≦３００ｎｍである。本明細書で開示されている実施形態において、穴を取り囲む材料の崩壊または改質領域（例えば、圧縮され、溶解し、またはそれ以外に変化している）の直径は、好ましくは、＜５０μｍ（例えば、＜１０μｍ）である。
【００１３】
さらに、透明材料の積層体の微細機械加工および選択的切断は、適切なレーザ源と波長およびビーム送達光学系を選択することと、ビーム遮断要素を所望の層の境界に配置することを通じて、切断深さを精密に制御して実現される。ビーム遮断要素は、材料の層であっても界面であってもよい。ビーム遮断要素は、本明細書において、レーザビーム遮断要素、遮断要素等と呼ぶ場合がある。ビーム遮断要素の実施形態は、本明細書において、ビーム遮断層、レーザビーム遮断層、遮断層、ビーム遮断界面、レーザビーム遮断界面、遮断界面等と呼ぶことがある。
【００１４】
ビーム遮断要素は、入射レーザビームを反射し、吸収し、散乱させ、焦点をぼかし、またはそれ以外にこれに干渉して、レーザビームが積層体の中の下層に損傷を与えるか、またはそれ以外に改質するのを阻止または防止する。１つの実施形態において、ビーム遮断要素は、レーザ穴明けが行われる透明材料の層の下にある。本明細書で使用するかぎり、ビーム遮断要素が透明材料の下にあるというのは、ビーム遮断要素が、レーザビームがビーム遮断要素に到達する前に透明材料を必ず通過するように配置されている場合のことである。ビーム遮断要素は、レーザ穴明けが行われる透明材料の下にあり、直接それに隣接していてもよい。積層された材料は、ある層を挿入するか、または界面を改質して、積層体の異なる層間で光学特性が対照的となるようにすることにより、高い選択性で微細加工または切断することができる。積層体内の材料間の界面を関心対象のレーザ波長に対してより高い反射性、吸収性、および／または散乱性を有するようにすることにより、切断加工を積層体の一部分または層に限定することができる。
【００１５】
レーザの波長は、レーザ加工を行う（レーザによる穴明け、切断、アブレーション、損傷、またはその他の大きな改質を行う）予定の積層体内の材料がレーザの波長に対して透過性を有するように選択される。１つの実施形態において、レーザにより加工される材料がレーザの波長に対して透過性を有するというのは、それが材料の厚さ１ｍｍあたり、そのレーザ波長の強度の１０％未満しか吸収しない場合である。他の実施形態において、レーザにより加工される材料がレーザの波長に対して透過性を有するというのは、それが材料の厚さ１ｍｍあたり、そのレーザ波長の強度の５％未満しか吸収しない場合である。また別において、レーザにより加工される材料がレーザの波長に対して透過性を有するというのは、それが材料の厚さ１ｍｍあたり、そのレーザ波長の強度の２％未満しか吸収しない場合である。さらにまた別の実施形態において、レーザにより加工される材料がレーザの波長に対して透過性を有するというのは、それが材料の厚さ１ｍｍあたり、そのレーザ波長の強度の１％未満しか吸収しない場合である。
【００１６】
レーザ源の選択はさらに、透明材料内の多光子吸収（ｍｕｌｔｉ−ｐｈｏｔｏｎ  ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）（ＭＰＡ）を誘導する能力にも基づいて行われる。ＭＰＡとは、同じまたは異なる周波数の複数の光子を同時に吸収して、材料をより低いエネルギー状態（通常、グラウンド状態）からより高いエネルギー状態（励起状態）へと励起させることである。励起状態は、励起された電子状態またはイオン化状態であってもよい。材料の高エネルギー状態と低エネルギー状態との間のエネルギーの差は、２つまたはそれ以上の光子のエネルギーの合計と等しい。ＭＰＡは、線形吸収より数倍弱い非線形プロセスである。２光子吸収の場合、その線形吸収の違いは、吸収強度が光強度の二乗に依存する点であり、それゆえ、非線形光学プロセスとなる。通常の光強度では、ＭＰＡは無視できる。光強度（エネルギー密度）が、レーザ源（特に、パルスレーザ源）の焦点領域内のようにきわめて高いと、ＭＰＡは認識可能となり、材料内の、光源のエネルギー密度が十分に高い領域で測定可能な効果が生じる。焦点領域では、エネルギー密度は十分に高い可能性があり、それによってイオン化、分子結合の切断、および材料の蒸発が起こる。
【００１７】
原子レベルでは、個々の原子のイオン化に必要なエネルギーが異なる。ガラスにおいて一般的に使用されるいくつかの元素（例えば、Ｓｉ、Ｎａ、Ｋ）のイオン化エネルギーは比較的低い（約５ｅＶ）。ＭＰＡの現象がなければ、約５ｅＶで線形のイオン化を起こすのに必要な波長は約２４８ｎｍであろう。ＭＰＡがあると、約５ｅＶのエネルギーで分離される状態間のイオン化または励起は、２４８ｎｍより長い波長で実現できる。例えば、波長５３２ｎｍの光子のエネルギーは約２．３３ｅＶであるため、波長５３２ｎｍの２つの光子は、例えば２光子吸収（ｔｗｏ−ｐｈｏｔｏｎ  ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）（ＴＰＡ）において約４．６６ｅＶのエネルギーで分離される状態間の遷移を誘導しうる。
【００１８】
それゆえ、例えば、原子とボンドは、材料の中で、レーザビームのエネルギー密度が十分に高く、必要な励起エネルギーの半分のレーザ波長の非線形ＴＰＡを誘導する領域において、選択的に励起またはイオン化できる。ＭＰＡの結果として、励起された原子またはボンドを局所的に再構成し、隣接する原子またはボンドから分離することができる。それにより、結合または構成が変化し、材料の中でＭＰＡが発生した領域の熱を用いないアブレーションおよび物質の除去が可能となる。この物質の除去により、構造的欠陥（例えば、欠陥線または「さん孔」）が作られ、これは材料を機械的に脆弱化し、機械的または熱的応力が加えられた時に、より亀裂または破砕が生じやすくなる。さん孔の位置を制御することにより、それに沿って亀裂が生じる輪郭または経路を正確に限定することができ、材料の精密な微細加工を実現できる。一連のさん孔により画定される輪郭は切断線とみなされてもよく、材料の中の構造的に脆弱な領域に対応する。１つの実施形態において、微細加工は、レーザにより加工される材料から一部を分離することを含み、その部分は、レーザにより誘導されるＭＰＡ効果を通じて形成されるさん孔の閉鎖した輪郭によって決定される、正確に画定された形状または周辺を有する。本明細書で使用されるかぎり、閉鎖した輪郭という用語は、レーザラインにより形成されるさん孔経路であって、その経路がある位置でそれ自身と交差するものを指す。内側輪郭とは、形成された経路であって、結果として得られる形状が材料の外側部分により完全に取り囲まれるものである。
【００１９】
さん孔は、時間的に相互の間隔が短い高エネルギーで持続時間の短いパルスの１つの「バースト」で実現できる。レーザパルスの持続時間は１０−１０秒以下、または１０−１１秒以下、または１０−１２秒以下、または１０−１３秒以下であってもよい。これらの「バースト」は、高い繰返し数（例えば、ｋＨｚまたはＭＨｚ）で繰り返されてもよい。さん孔は、基板または積層体のレーザに関する速度を、レーザおよび／または基板もしくは積層体の動きの制御を通じて制御することにより、離間され、正確に位置決めされてもよい。
【００２０】
一例として、２００ｍｍ／秒で移動し、１００ｋＨｚの連続パルスを受ける薄い透明基板の場合、個々のパルスを２マイクロメートル離間させることにより、２マイクロメートル分離されたさん孔の連続が形成される。この欠陥（さん孔）の間隔は、そのさん孔の連続により画定される輪郭に沿って機械的に、または熱により分離するのに十分な近さである。
【００２１】
熱分離
場合によっては、さん孔または欠陥線の連続により画定される輪郭に沿って形成される切断線は、その部分を内発的に分離させるには不十分であり、二次的なステップが必要となる場合がある。それが望まれる場合、例えば、第二のレーザを使って、それを分離するための熱応力を発生させることができる。サファイヤの場合、切断線を形成した後、機械力を加え、または熱源（例えば赤外レーザ、例えばＣＯ２レーザまたはＣＯレーザ）を使って熱応力を発生させ、ある部品を基板から強制的に分離することにより、分離を実現できる。任意選択による熱分離は、例えば、１０．６μｍで発光し、そのデューティサイクルの制御によりパワーが調節される、デフォーカスされたＣＯ２レーザ連続波（ｃｗ）レーザで実現できる。焦点変更（すなわち、集光スポットサイズまでの、それを含むデフォーカスの範囲）を使用して、スポットサイズを変化させることによって、誘導される熱応力を変化させる。デフォーカスされたレーザビームは、レーザ波長の大きさのオーダでの、最小限の回折限界スポットサイズより大きいスポットサイズを生じさせるレーザビームを含む。例えば、約７ｍｍ、２ｍｍ、および２０ｍｍのスポットサイズをＣＯ２レーザに使用でき、その発光波長は１０．６μｍではるかに小さい。切断線１１０の方向に沿った隣接する欠陥線１２０間の距離は例えば、０．５μｍより大きく、いくつかの実施形態においては約１５または２０μｍ以下とすることができる。他の選択肢は、ＣＯ２レーザで分離を開始するだけで、分離の終了は手で、すなわち、機械的な力をかけて、レーザによりさん孔された輪郭に沿って部品を強制的に分離することによって行う、というものである。
【００２２】
エッチング
例えばガラス層を有する被加工物を分離するために、例えば酸エッチングを使用できる。穴を金属充填および電気接続に有益な大きさまで広げるために、部分を酸エッチングできる。例えば、１つの実施形態において、使用される酸は体積で１０％  ＨＦ／１５％  ＨＮＯ３とすることができる。部品を例えば温度２４〜２５℃で５３分間エッチングすることにより、約１００μｍの材料を除去できる。部品をこの酸浴槽に浸漬させることができ、４０ｋＨｚと８０ｋＨｚの周波数の組合せでの超音波撹拌を用いて、流体の浸透と穴内での流体交換を促進できる。それに加えて、超音波フィールド内でその部品を手で撹拌することにより、超音波フィールドからの定在波パターンがその部品に「ホットスポット」またはキャビテーション関連の損傷を生じさせないようにすることができる。酸の組成とエッチング速度は、その部品を低速で、例えばわずか１．９ｕｍ／分の材料除去速度でエッチングするように意図的に設計できる。例えば約２μｍ／分未満のエッチング速度では、酸が狭い穴に十分に行き渡り、撹拌により新鮮な流体と交換し、当初の非常に狭い穴から溶解した材料を除去することができる。
【００２３】
図１に示される実施形態において、多層積層体内の切込み深さの正確な制御は、ビーム遮断界面（「改質界面」という）を含めることによって実現される。ビーム遮断界面は、レーザ放射が多層積層体のうち、遮断界面の位置を超える部分と相互作用しないようにする。多層積層体を使用するものとして実施形態が図示され、本明細書に記載されているが、実施形態はこれらに限定されないと理解するべきである。本明細書に記載されているレーザビームの線焦点の属性を利用したレーザ切断工程は、ガラス基板等、１層の材料に適用されてよい。
【００２４】
１つの実施形態において、ビーム遮断要素は、積層体のうち、２光子吸収による改質が起こる層の真下に位置付けられる。このような構成が図１に示されており、ここでは、ビーム遮断要素は材料Ａの真下に位置付けられた改質界面であり、材料Ａは、本明細書で説明されている２光子吸収メカニズムを通じたさん孔の形成が起こる材料である。本明細書で使用されるかぎり、他の位置の下またはそれより低い位置に言及するとき、上の、または最も上の位置は多層積層体の表面であり、その上にレーザビームが最初に入射することを前提としている。例えば、図１において、材料Ａの、レーザ源に最も近い表面は上面であり、ビーム遮断要素を材料Ａの下に配置することは、レーザビームが材料Ａを通過してから、ビーム遮断要素と相互作用することを意味する。
【００２５】
遮断要素は、切断対象の材料とは異なる光学特性を有する。例えば、ビーム遮断要素は、デフォーカス要素、散乱要素、半透過要素、または反射要素であってもよい。デフォーカス要素は、レーザ光がデフォーカス要素の上または下にレーザビーム焦線を形成しないようにする材料を含む界面または層である。デフォーカス要素は、光ビームの波面を散乱させ、または攪乱する反射率不均一性を有する材料または界面で構成されてもよい。半透明要素は、光を透過できるが、それがレーザビームを散乱または減衰して、エネルギー密度を十分に下げ、レーザビームの焦線が、透明要素の、レーザビームから離れた側にある積層体の部分において形成されるのを防止する状態になった後に限定されるような材料の界面または層である。１つの実施形態において、半透明要素は、レーザビームの光線の少なくとも１０％を散乱させ、または偏向させる。
【００２６】
より具体的には、遮断要素の反射率、吸収率、デフォーカス、減衰、および／または散乱を利用して、レーザ放射に対するバリアまたは障害物を作ることができる。レーザビーム遮断要素は、いくつかの手段により製作できる。積層体系全体の光学特性が問題とならない場合、１つまたは複数の薄膜を積層体の中の所望の２層間にビーム遮断層として堆積させることができ、この１つまたは複数の薄膜は、その真上の層より多くのレーザ放射を吸収し、散乱させ、デフォーカスし、減衰させ、反射し、および／または散逸させることによって、その薄膜の下の層がレーザ源から過剰なエネルギー密度を受けないようにする。積層体系全体の光学特性が問題となる場合、ビーム遮断要素は、ノッチフィルタとして実施できる。これは、以下のようないくつかの方法で行うことができる：
・遮断層または界面に（例えば、薄膜成長、薄膜パターニング、または表面パターニングを介して）構造を作り、特定の波長または波長範囲での入射レーザ放射の回折が発生するようにすること
・遮断層または界面に（例えば、薄膜成長、薄膜パターニング、または表面パターニングを介して）構造を作り、入射レーザ放射の散乱が発生しないようにすること（例えば、テクスチャード表面）
・遮断層または界面に（例えば、薄膜成長、薄膜パターニング、または表面パターニングを介して）構造を作り、レーザ放射の減衰された位相シフトが起こるようにすること
・遮断層または界面に薄膜積層体を介して分散ブラッグリフレクタを作りレーザ放射だけを反射すること。
【００２７】
遮断要素によるレーザビームの吸収、反射、散乱、減衰、デフォーカス等は必ずしも完全であるとはかぎらない。遮断要素が使用された場合のレーザビームに対する効果は、集光されたレーザビームのエネルギー密度または強度を、積層体の中の、遮断要素により保護される（その下にある）層の切断、アブレーション、さん孔等に必要な閾値より低いレベルまで低下させるのに十分であるべきである。１つの実施形態において、遮断要素は、集光されたレーザビームのエネルギー密度または強度を、２光子吸収を誘導するのに必要な閾値より低いレベルまで低下させる。遮断層または遮断界面は、レーザビームを吸収し、反射し、または散乱させるように構成されていてもよく、吸収、反射または散乱は、キャリア（またはその他の下層）へと透過されるレーザビームのエネルギー密度または強度を、キャリアまたは下層内で非線形吸収を誘導するのに必要なレベルより低いレベルまで低下させるのに十分である。
【００２８】
図２Ａおよび２Ｂを参照すると、材料をレーザで穴明けする方法は、ビーム伝播方向に沿って見た時にパルスレーザビーム２をレーザビーム焦線２ｂに集光するステップを含む。レーザビーム焦線２ｂは、高いエネルギー密度の領域である。図３に示されているように、レーザ３（図示せず）はレーザビーム２を発し、その部分２ａは光学アセンブリ６に入射する。光学アセンブリ６は、入射レーザビームを射出側で、ビーム方向に沿った限定的な延長範囲（焦線の長さｌ）にわたり、延長レーザビーム焦線２ｂに変換する。
【００２９】
本開示の実施形態は、非回折ビーム（ｎｏｎ−ｄｉｆｆｒａｃｔｉｎｇ  ｂｅａｍｓ）（「ＮＤＢ」）を利用してレーザビーム焦線２ｂを形成する。典型的に、レーザ加工はガウスレーザビームを使用している。ガウス強度分布を有するレーザビームの細い焦点のレイリー範囲ＺＲは次式で表される。
【００３０】
【数１】
2020182977.tif 000003
【００３１】
レイリー範囲は、ビームのスポットサイズｗ０が波長η０で屈折率η０の材料において√２ずつ増加する距離を表す。この限定は、回折により与えられる。式（１）中、レイリー範囲はスポットサイズに直接関係するため、細い焦点（すなわち、小さいスポットサイズ）を有するビームは長いレイリー範囲を持ちえないという結論が導かれる点に留意されたい。このようなビームは、この小さいスポットサイズを非常に短い距離しか保持しない。これはまた、このようなビームが焦点領域の深さを変えることによって材料を穴明けするために使用された場合、焦点のどちら側においても、スポットが急速に拡大するのに光学的歪みのない大きな領域が必要となり、これがビームの焦点特性を限定し得ることを意味する。このような短いレイリー範囲はまた、厚いサンプルを切断するために複数のパルスを必要とする。
【００３２】
しかしながら、本開示の実施形態は、上述の光学的ガウスビームの代わりにＮＤＢを使用する。非回折ビームは、かなりの距離にわたって伝播してから、回折の影響により不可避的にビーム焦点が限定され得る。無限ＮＤＢは回折の影響を受けないが、物理的に実現可能なＮＤＢの物理的範囲は限定される。ビームの中心ローブをかなり小さい半径にし、それゆえ高強度ビームを発生させることができる。ＮＤＢにはいくつかの種類があり、これにはベッセルビーム、エアリビーム、Ｗｅｂｅｒビーム、およびＭａｔｈｉｅｕビームが含まれるがこれらに限定されず、そのフィールド分布は典型的に、ガウス関数より横方向にゆっくりと減衰する特殊関数により表される。
【００３３】
理解すべき点として、上述のＮＤＢは本明細書において、ベッセルビームに関して説明されているが、実施形態はそれに限定されない。ベッセルビームの中心スポットサイズは、次式
【００３４】
【数２】
2020182977.tif 000004
【００３５】
で表され、式中、ＮＡは光軸と角度βをなす平面波の円錐により決まる開口数である（図６Ｂ参照）。ベッセルビームとガウスビームの主な違いは、レイリー範囲が次式
【００３６】
【数３】
2020182977.tif 000005
【００３７】
で表されることであり、式中、Ｄはあるアパーチャまたは光学要素により与えられるビームの有限範囲である。したがって、アパーチャサイズＤは、中心スポットの大きさにより与えられる限界を超えてレイリー範囲を増大させるために使用できることが示される。ベッセルビームを生成する実用的な方法は、図６Ｂに示されるように、ガウスビームをアキシコンまたは、半径方向の直線位相要素を有する光学要素に通すことである。
【００３８】
一般に、線焦点（すなわち、レーザビーム焦線）を形成する光学的方法は、例えば、これらに限定されないが、ドーナツ型のレーザビームと球面レンズ、アキシコンレンズ、回折要素、または高強度の線形領域を形成するその他の方法を使用する様々な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、およびその他）と波長（ＩＲ、可視、ＵＶ、およびその他）もまた、基板材料に破壊部を作るのに十分な光学強度が到達するかぎり、変えてもよい。
【００３９】
レーザパワーとレンズ焦点距離（これは線焦点の長さ、およびしたがってパワー密度を決定する）は、切断および穴明けのために、切断の場合にさん孔（ダメージトラック）間に意図的に亀裂を生じさせるか、またはおそらくは、穴明けの場合にマイクロクラックを抑制しようと努めながら、確実に基板を完全に貫通するパラメータである。したがって、基板内に形成される線焦点の寸法を正確に制御するべきである。
【００４０】
本開示の実施形態は、線焦点の直径と長さの両方を調節し、シングルレーザマシンによる、薄い材料と厚い材料の切断と、亀裂が入りやすい材料と材料改質に対する光学閾値が非常に高い材料の機械加工を可能にするシステムおよび方法に関する。それによって、１つのシステムを異なる基板の切断と穴明けに迅速に適応させることができ、その結果、製造効率が改善され、設備稼働率が向上する。
【００４１】
再び図２Ａおよび２Ｂを参照すると、層１は多層積層体の中の層であり、そこでレーザ加工による内部改質と２光子吸収が起こる。層１はより大型の被加工物の構成要素であり、これは典型的には、基板またはキャリアを含み、その上に多層積層体が形成される。層１は、多層積層体のうち、その中に穴、切込み、またはその他の特徴が、本明細書に記載されているように２光子吸収により支援されるアブレーションまたは改質を通じて形成される予定の層である。層１は、ビーム経路内に位置付けられ、少なくとも部分的にレーザビーム２のレーザビーム焦線２ｂと重複する。参照番号１ａは、層１のうち、それぞれ光学アセンブリ６またはレーザに面する（最も近い、またはそれに近接する）面を示し、参照番号１ｂは、層１の反対の面（光学アセンブリ６またはレーザから遠い、または最も遠い面）を示す。層１の厚さ（平面１ａおよび１ｂに対して、すなわち基板平面に対して垂直に測定）は、ｄで示す。
【００４２】
図２Ａが示すように、層１は、縦のビーム軸に対して垂直に、それゆえ光学アセンブリ６により生成される同じ焦線２ｂの背後に整列される（基板は図の平面に対して垂直）。ビーム方向に沿って見たとき、層１は、焦線２ｂに対して、焦線２ｂが（ビームの方向に見たときに）層１の表面１ａより前で始まり、層１の表面１ｂより前で停止するように、すなわち焦線２ｂが層１の中で終わり、表面１ｂより外に出ないように位置付けられる。レーザビーム焦線２ｂが層１と重複する領域、すなわち、層１のうち、焦線２ｂが重複する部分において、延長レーザビーム焦線２ｂが層１内に非線形吸収を発生させる。（レーザビーム焦線２ｂに沿った適当なレーザ強度を前提とし、この強度はレーザビーム２を長さｌの部分に適正に集光する（すなわち、長さｌの線焦点）ことによって確保され、これが延長区間２ｃ（縦のビーム方向に沿って整列される）を画定し、それに沿って、層１内で誘導非線形吸収が生成される。）誘導非線形吸収により、層１内で、区間２ｃに沿って欠陥線または亀裂が形成される。欠陥または亀裂の形成は局所的にとどまらず、むしろ誘導吸収の延長区間２ｃの長さ全体にわたっていてもよい。区間２ｃの長さ（これは、レーザビーム焦線２ｂが層１と重複する部分の長さに対応する）は、参照記号Ｌで示す。誘導吸収の区間２ｃ（すなわち、層１の材料のうち、欠陥線または亀裂が形成される区間）の平均直径または範囲は、参照記号Ｄで示す。この平均範囲Ｄは、レーザビーム焦線２ｂの平均直径δ、すなわち約０．１μｍ〜約５μｍの範囲内の平均スポット径に対応し得る。
【００４３】
図２Ａが示すように、層１（これはレーザビーム２の波長λに対して透過性を有する）は、焦線２ｂに沿った誘導吸収により局所的に加熱される。誘導吸収は、焦線２ｂ内のレーザビームの高い強度（エネルギー密度）に関連する非線形効果から生じる。図２Ｂは、加熱された層１がそのうちに膨張し、誘導された、それに対応する張力によってマイクロクラックが生じ、この張力は表面１ａにおいて最終的には最大となる。
【００４４】
焦線２ｂを生成するために利用可能な代表的な光学アセンブリ６および、これらの光学アセンブリを利用できる代表的な光学装置について以下に説明する。すべてのアセンブリまたは装置が上述の説明に基づいているため、同じ構成要素もしくは特徴またはその機能において同等のものについては、同じ参照番号を使用する。したがって、以下には相違点だけを説明する。
【００４５】
さん孔の連続により画定される輪郭に沿って亀裂を生じた後の分離面の高い品質（破壊強度、幾何学的精度、粗さ、および再機械加工回避の必要性に関する）を保証するために、亀裂の輪郭を画定するさん孔の形成に使用される個々の焦線は、後述の光学アセンブリを使って生成するべきである（以下、光学アセンブリを代替的にレーザ光学系とも呼ぶ）。分離された面の粗さは、主として焦線のスポットサイズまたはスポット径により決まる。表面粗さは、例えば、Ｒａ表面粗さ統計（サンプリングされた面の高さの絶対値の算術平均粗さ）によって特徴付けられ得る。例えば、レーザ３の所与の波長λの場合に０．５μｍ〜２μｍの小さいスポットサイズを実現するために（層１の材料と相互作用）通常、レーザアセンブリ６の開口数に特定の要求事項を設けなければならない。
【００４６】
必要な開口数を実現するために、光学系は、一方で、既知のアッベ式（Ｎ．Ａ．＝ｎ  ｓｉｎ（シータ）、ｎ：加工対象材料の屈折率、θ：開口角度の半分、およびシータ＝ａｒｃｔａｎ（Ｄ／２ｆ）、Ｄ：開口、ｆ：焦点距離）に従って、所与の焦点距離について必要な開口をなくさなければならない。他方で、レーザビームは、光学系を必要な開口まで照明しなければならず、これは典型的には、レーザと集光光学系との間で拡大テレスコープを使ってビームを拡大することにより実現される。
【００４７】
スポットサイズは、焦線に沿って均一な相互作用を得るために、あまり大きく変化するべきではない。これは例えば、集光光学系を小さい円形の領域でのみ照明し、ビームの開口およびそれゆえ、開口数のパーセンテージがわずかにしか変化しないようにすることで確実にできる（以下の実施形態参照）。
【００４８】
図３Ａは、線焦点を生成する１つの方法を示す。  図３Ａによれば（レーザ放射２のレーザビームバンドルの中の中心ビームのレベルにおいて基板平面に垂直な断面であり、ここでは、レーザビーム２は層１に垂直に入射し、すなわち、入射角βは０°であり、焦線２ｂまたは延長誘導吸収区間２ｃは基板の法線に平行である）、レーザ３により発せられるレーザ放射２ａはまず、使用されるレーザ放射に対して完全に不透過性の関係である開口８に向けられる。開口８は、縦のビーム軸に垂直の向きであり、その中心は図のビームバンドル２ａの中心ビーム上にある。開口８の直径は、ビームバンドル２ａまたは中心ビーム（ここでは、２ａＺで示される）の中心付近のビームバンドルが開口にあたり、それによって完全に遮断されるように選択される。ビームバンドル２ａの外側の範囲にあるビーム（周辺光線、ここでは２ａＲで示される）だけは、ビーム径と比較して開口サイズが小さいために遮断されず、開口８の横を通過し、光学アセンブリ６の集光光学系の要素の周辺領域に当たり、それは、この実施形態において、球面カット両凸レンズ７として設計されている。
【００４９】
レンズ７は、中心が中心ビーム上にあり、一般的な球面カットレンズの形態の無補正両凸集光レンズとして設計される。このようなレンズの球面収差は、有利であるかもしれない。代替案として、理想的に補正されたシステムから外れた、理想的な焦点を形成しないが、所定の長さの明確な長い焦線を形成する非球面またはマルチレンズシステムも使用できる（すなわち、単独の焦点を持たないレンズまたはシステム）。それゆえ、レンズの領域は、レンズ中心からの距離に応じて、焦線２ｂに沿って集光する。開口８のビーム方向への直径は、ビームバンドルの直径（ビームの強度がピーク強度の１／ｅまで低下するのに必要な距離により定義される）の約９０％、および光学アセンブリ６のレンズの直径の約７５％である。それゆえ、非収差補正球面レンズ７の、中心のビームバンドルを遮断することにより得られる焦線２ｂが使用される。図３Ａは、中心ビームを通る１つの平面内の断面を示しており、図のビームを焦線２ｂの周囲で回転させると、完全な３次元のバンドルが見える。
【００５０】
この種の焦線の１つの考えられる欠点は、条件（スポットサイズ、レーザ強度）が焦線に沿って（およびそれゆえ、材料中の所望の深さに沿って）変化するかもしれず、したがって、所望の種類の相互作用（溶解しない、誘導吸収、亀裂形成までの熱塑性変形）が焦線のうちの選択された部分でしか起こらない可能性がある、という点である。これは、今度は、入射レーザ光の、おそらくは一部しか、所望の方法で加工されるべき材料により吸収されないことを意味する。このようにして、工程の効率（所望の分離速度に必要な平均レーザパワー）が損なわれるかもしれず、レーザ光はまた、所望しない領域（基板または基板保持固定具に接着された部分または層）に透過され、それらと望ましくない方法で相互作用する（例えば、加熱、拡散、吸収、不要な改質）かもしれない。
【００５１】
図３Ｂ−１〜４は（図３Ａの光学アセンブリについてだけではなく、他のあらゆる適用可能な光学アセンブリ６にも関して）、レーザビーム焦線２ｂの位置が、光学アセンブリ６を層１に対して適切に位置付け、および／または整列させることによって、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可能であることを示している。図３Ｂが示すように、焦線２ｂの長さｌは、それが層の厚さｄより大きくなるように（ここでは２倍）調節できる。層１が（縦ビーム方向に見たときに）焦線２ｂの中央に設置された場合、誘導吸収の延長区間２ｃは基板厚さ全体に生成される。
【００５２】
図３Ｂ−２に示される場合において、長さｌの焦線２ｂが生成され、これは事実上、層の厚さｄに対応する。層１は線２ｂに対して、線２ｂが加工対象材料の外の点で始まるように位置付けられているため、延長誘導吸収区間２ｃの長さＬ（ここでは、基板表面から所定の基板深さまで延びるが、反対の面１ｂまでは至らない）は、焦線２ｂの長さｌより短い。図３Ｂ−３は、層１が（ビームの方向に沿って見たときに）、焦線２ｂの開始点の上に位置付けられている場合を示しており、それによって、図３Ｂ−２のように、線２ｂの長さｌは層１の中の誘導吸収区間２ｃの長Ｌより長い。焦線はそれゆえ、層１の中から始まり、反対側の面１ｂから外に出る。図３Ｂ−４は、焦線の長さｌが層の厚さｄより短い場合を示しており、それによって、入射の方向に見たときに基板を焦線に対して中央に位置付けた場合、焦線が層１の中の表面１ａの付近から始まり、層１の中の表面１ｂの付近で終わる（例えば、ｌ＝０．７５・ｄ）。レーザビームの焦線２ｂの長さｌは、例えば約０．１ｍｍ〜約１００ｍｍの範囲、または約０．１ｍｍ〜約１０ｍｍの範囲とすることができる。長さｌが例えば約０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、０．５ｍｍ、０．７ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、または５ｍｍとなるように、各種の実施形態を構成できる。
【００５３】
焦線２ｂを、表面１ａ、１ｂの少なくとも一方が焦線によってカバーされるように位置付けて、誘導非線形吸収区間２ｃが加工対象の層または材料の少なくとも一方の表面からから始まるようにすることが特に有利である。このようにすると、事実上理想的な切込みを実現しながら、表面のアブレーション、毛羽立ち、および微粒子生成を避けることが可能となる。
【００５４】
図４は、他の適用可能な光学アセンブリ６を示している。基本的構成は図３Ａに示されているものと同様であり、相違点だけを以下に説明する。図の光学アセンブリは、非球面の自由面を有する光学系を使用することにより、所定の長さｌの焦線が形成されるような形状の焦線２ｂを生成することに基づく。この目的のために、非球面を光学アセンブリ６の光学要素として使用できる。図４では、例えば、しばしばアキシコンとも呼ばれる、いわゆる円錐プリズムが使用される。アキシコンとは、円錐形にカットされたレンズであり、これは光軸に沿った線上にスポット光源を形成する（または、レーザビームをリング状に変形させる）。このようなアキシコンのレイアウトは基本的に当業者の間で知られており、この例における円錐の角度は１０°である。ここで参照番号９により示されるアキシコンの頂点は入射方向に向かい、中心がビームの中心にある。アキシコン９により生成される焦線２ｂはその内部から始まるため、層１（ここでは、主要ビーム軸に垂直に整列される）は、ビーム経路内でアキシコン９のすぐ背後に位置付けることができる。図４が示すように、アキシコンの光学特性により、層１をビーム方向に沿って移動させ、その一方で、焦線２ｂの範囲内にとどまることができる。したがって層１の材料内の延長誘導吸収区間２ｃは、深さｄ全体に及ぶ。
【００５５】
しかしながら、図のレイアウトには以下の制限がある。すなわち、アキシコン９により形成される焦線２ｂの範囲はアキシコン９の中から始まるため、アキシコン９と加工対象材料との間に分離がある状況では、レーザエネルギーの大部分が材料内の焦線２ｂの誘導吸収区間２ｃの中に集束されない。さらに、焦線２ｂの長さｌは、アキシコン９の屈折率と円錐の角度を通じて、ビーム径に関係する。そのため、比較的薄い材料（数ミリメートル）の場合、焦線全体は、加工対象の材料の厚さよりはるかに長く、これは、レーザエネルギーのほとんどが材料の中に集束されないという影響を有する。
【００５６】
この理由により、アキシコンと集光レンズの両方を含む光学アセンブリ６を使用することが望ましいかもしれない。図５Ａは、そのような光学アセンブリ６を示しており、長いレーザビーム焦線２ｂを形成するように設計された非球面の自由表面を持つ第一の光学要素が（ビーム方向に沿って見た場合）レーザ３のビーム径内に位置付けられている。図５Ａに示される場合において、この第一の光学要素は、円錐の角度が５°のアキシコン１０であり、これはビームの方向に垂直に位置付けられ、その中心がレーザビームにある。アキシコンの頂点は、ビームの方向に向けられる。第二の集光光学要素は、ここでは平凸レンズ１１（その湾曲はアキシコンに向かう）であり、ビームの方向に、アキシコン１０から距離ｚ１に位置付けられる。距離ｚ１は、この場合、約３００ｍｍであり、アキシコン１０により形成されるレーザ放射がレンズ１１の外側半径部分に円形に入射するように選択される。レンズ１１は、射出側で、円形放射を、この場合はレンズ１１から約２０ｍｍである距離ｚ２の位置において、この場合は１．５ｍｍである所定の長さの焦線２ｂ上に集光する。レンズ１１の有効焦点距離は、この実施形態においては２５ｍｍである。アキシコン１０によるレーザビームの円形の変形は、参照記号ＳＲで示す。
【００５７】
図５Ｂは、図５Ａによる層１の材料の中の焦線２ｂまたは誘導吸収２ｃの形成を詳しく示している。両方の要素１０、１１の光学特性とそれらの位置は、ビーム方向への焦線２ｂの長さｌが層１の厚さｄと全く同じになるように選択される。その結果、図５Ｂに示されるように、焦線２ｂを層１の２つの表面１ａおよび１ｂの間に正確に位置付けるためには、層１をビーム方向に沿って正確に位置付けるべきである。
【００５８】
したがって、焦線がレーザ光学系からある距離の位置に形成される場合、およびレーザ放射のより大きい部分が焦線の所望の端まで合焦される場合が有利である。前述のように、これは、主要集光要素１１（レンズ）のみを特定の外側の半径方向領域にわたり円形に（環状に）照明することによって実現でき、これは、一方で、必要な開口数、およびそれゆえ必要なスポットサイズを実現する役割を果たすが、他方では、拡散の円の強度は、必要な焦線２ｂの後に、スポットの中心の非常に短い距離で減少し、これは、基本的に円形のスポットが形成されるからである。このようにして、亀裂の形成は、必要な基板深さの短い距離内で止まる。アキシコン１０と集光レンズ１１との組合せがこの要求事項を満たす。アキシコンは２つの異なる方法で機能し、すなわち、アキシコン１０によって、通常は円形のレーザスポットがリング状で集光レンズ１１に送られ、アキシコン１０の非球面性は、焦線が焦点面内の焦点でなく、レンズの焦点面を越えて形成される効果を有する。焦線２ｂの長さｌは、アキシコン上のビーム径を通じて調節できる。これに対して、焦線に沿った開口数は、アキシコンとレンズの距離ｚ１およびアキシコンの円錐の角度を通じて調節できる。このようにして、レーザエネルギー全体を焦線に集中させることができる。
【００５９】
亀裂形成が層または加工対象材料の裏側まで続くようにする場合、円形（環状）の照明には依然として、（１）レーザパワーが、レーザ光のほとんどが焦線の必要な長さに集中されたままとなるという点で最適に使用され、（２）円形の被照明領域と、他の光学機能により設定される所望の収差との組合せにより、焦線に沿って均一なスポットサイズ、それゆえ、焦線により形成されるさん孔に沿った均一な分離プロセスを実現できる、という利点がある。
【００６０】
図５Ａに示される平凸レンズの代わりに、集光用のメニスカスレンズまたはその他のより補正力の高い集光レンズ（非球面、マルチレンズシステム）を使用することも可能である。
【００６１】
図５Ａに示されるアキシコンとレンズの組合せを使って、非常に短い焦線２ｂを生成するためには、アキシコンに入射するレーザビームについて、非常に小さいビーム径を必要とし得る。これには、ビームの中心をアキシコンの頂点に極めて正確に置かなければならず、またその結果、レーザの方向のばらつきによる影響を非常に受けやすくなる（ビームドリフト安定性）という実践上の欠点がある。さらに、細くコリメートされたレーザビームは非常に発散的であり、すなわち、光の偏向によってビームバンドルが短い距離でぼやける。
【００６２】
図６Ａに示されるように、どちらの影響も、他のレンズであるコリメートレンズ１２を光学アセンブ６に含めることにより回避できる。追加のコリメートレンズ１２は、集光レンズ１１の円形照明を非常に細かく調節する役割を果たす。コリメートレンズ１２の焦点距離はｆ’、所望の円の直径ｄｒが、ｆ’と等しいアキシコンからコリメートレンズ１２までの距離ｚ１ａから得られるように選択される。リングの所望の幅ｂｒは、距離ｚ１ｂ（コリメートレンズ１２から集光レンズ１１）を通じて調節できる。純粋に幾何学の問題として、円形照明の幅が小さいと、焦線が短くなる。最小値は、距離ｆ’で得ることができる。
【００６３】
図６Ａに示される光学アセンブリ６はそれゆえ、図５Ａに示されているものに基づいているため、相違点だけを以下に説明する。コリメートレンズ１２はここでは平凸レンズとして設計され（その湾曲はビーム方向に向かう）、さらに、片側でアキシコン１０（その頂点はビームの方向に向かう）と、もう一方の側で平凸レンズ１１との間のビーム経路内の中央に設置される。アキシコン１０からコリメートレンズ１２の距離はｚ１ａで、コリメートレンズ１２から集光レンズ１１の距離はｚ１ｂ、および集光レンズ１１から焦線２ｂまでの距離はｚ２で示される（常にビーム方向に見る）。図６Ａに示されているように、アキシコン１０により形成され、発散的に、円の直径ｄｒでコリメートレンズ１２に入射する円形放射ＳＲは、集光レンズ１１において少なくとも略一定の円の直径ｄｒについて、距離ｚ１ｂに沿って必要な円の幅ｂｒに合わせて調節される。図のケースでは、非常に短い焦線２ｂが生成されるように意図され、それによってコリメートレンズ１２における約４ｍｍの円の幅は、コリメートレンズ１２の集光特性により、レンズ１１において約０．５ｍｍまで減少する（この例では円の直径ｄｒは２ｍｍ）。
【００６４】
図の例において、典型的な２ｍｍのレーザビーム径、焦点距離ｆ＝２５ｍｍの集光レンズ１１、焦点距離ｆ’＝１５０ｍｍのコリメートレンズを使用し、距離Ｚ１ａ＝Ｚ１ｂ＝１４０ｍｍ、およびＺ２＝１５ｍｍとなるように選択することにより、０．５ｍｍ未満という焦線の長さｌを実現することが可能である。
【００６５】
ここで、図６Ｂを参照して、アキシコン１０により形成されるＮＤＢの特性を説明する。図６Ｂは、透過型アキシコン１０の平坦な入射面に当たるガウスレーザビーム２を概略的に示している。アキシコン１０の射出面は、図のようにレーザビーム２を偏向させる。アキシコンの先端から距離ｚにある平面内の典型的なエネルギー分布は、次式
Ｉ（ｒ，ｚ）＝Ｉｏ（Ｒｚ）Ｒｚ２πｋ（ｓｉｎ（β）／ｃｏｓ２（β））Ｊｏ２（ｋｒｓｉｎ（β））      式（４．１）
Ｒｚ＝ｚ＊ｔａｎ（β）      式（４．２）
で表される。
ここで、βはアキシコン１０により作られる光線角度であり、これは角度のついた射出面およびアキシコン１０の屈折率により提供されるアキシコンの円錐の角度の関数である。Ｉｏ（Ｒｚ）は、ガウス分布と仮定される、アキシコン１０を照明するレーザビーム２の放射照度分布であり、ｋは波数ベクトルｋ＝２π／λであり、Ｊｏは１次ベッセル関数を示す。
【００６６】
最も硬い材料に最も強力なダメージトラックまたは穴を形成するためには、線焦点の直径は、できるだけ小さくするべきである。上述の式に基づき、アキシコン１０の頂点からのある距離ｚにおけるあらゆる平面内の放射照度分布の半値全幅（ｆｕｌｌ  ｗｉｄｔｈ  ｈａｌｆ  ｍａｘｉｍｕｍ）（ＦＷＨＭ）は、次式
ＦＷＨＭ＝２．５２λ／（２πｓｉｎ（β））      式（４．３）
で表される。
【００６７】
式（４．３）からわかるように、線焦点の直径は、図６Ｂに示されるように、１つの形状システムパラメータであるアパーチャ角度βに関係する。
【００６８】
式（４．１）から、線焦点の中心において、ピークパワーは、次式
Ｉ＿ｐｅａｋ（ｚ）＝Ｉｏ（Ｒｚ）Ｒｚ２πｋ（ｓｉｎ（β）／ｃｏｓ２（β））      式（４．４）
で表される。
【００６９】
式（４．４）からわかるように、ピークパワーは瞳放射照度分布の関数Ｉｏ（Ｒｚ）およびアパーチャ角度βの関数である。
【００７０】
軸上の光強度がどこでその最大強度の約半分まで減衰するかを調査するとき、線焦点の長さ（または光軸に沿った範囲）は、次式
Ｌ〜０．８＊Ｒｚ／ｓｉｎ（β）      式（４．５）
により近似できる。
それゆえ、集光線の長さは、入射ビームサイズ（Ｒｚ）とアパーチャ角度βの両方の関数である。
【００７１】
レーザ切断機において、切断対象の材料は厚さにばらつきがあることがある。例えば、このようなレーザ機器は、厚さが０．１〜２．０ｍｍの間で変化するガラスを切断するために使用されてもよい。したがって、厚い材料（すなわち、ガラス）の穴明けと切断を確実に可能にするために、線焦点の有益部分を、例えば少なくとも２．０ｍｍに、例えば瞳放射照度分布をより大きい面積に広げることによって設定するべきである。しかしながら、そうすることによって、線焦点内のピークパワー密度が低下するが、それは、Ｉｏ（Ｒｚ）の最大値が減少するからである。ピークパワー密度を材料改質エネルギー密度閾値より大きく保つために、アパーチャ角度βを大きくするべきであり、これは、線焦点のＦＷＨＭが減少することを意味する。
【００７２】
したがって、光学系の選択が決まっているシステムにおいては、パラメータを最も困難なケースに合わせて調節するべきである。より薄い基板（例えば厚さ１００μｍのディスプレイガラス）を切断する場合、厚い材料（例えばイオン交換ガラスの積層体）を切断できるように長い線焦点が設定されると、レーザエネルギーの多くが無駄になる場合がある。同様に、非常に薄く硬い材料（例えばサファイヤ）を切断するために、光学系が非常に短く、小さい直径の線焦点（高エネルギー密度）を生成するように設定されると、この光学システムはそれより厚い材料（例えば、厚いソーダ石灰ガラスまたはイオン交換可能ガラス基板）にはうまく動作しなくなることがある。
【００７３】
少なくともこれらの理由により、放射照度分布Ｉｏ（Ｒｚ）および／またはアパーチャ角度βを調節可能にすることが望ましいかもしれない。両方のパラメータを、以下の戦略に適用することが望ましい。すなわち、各々のガラス厚さと材料に関して：
・入射放射照度分布を、所望の線焦点長さが実現されるように調節し、
・アパーチャ角度を、エネルギー密度をその材料の改質にとって最適に保ちながら、レーザビームのＦＷＨＭ（または直径）が線焦点に設定されるように調節する。
【００７４】
線焦点２ｂのＦＷＨＭ（または直径）をできるだけ狭く設定することが望ましいかもしれず、それによって最小限のレーザパワーで材料内にダメージトラックを形成し、したがって最大のプロセスマージンを提供できる。しかしながら、場合により、線焦点の直径をより大きくして、ダメージトラック周辺のマイクロクラックの量を減らすことが望ましいかもしれない。例えば、より大きい直径のスポットは、マイクロクラックが、エッチ非対称性を生じうるために望ましくない場合に、後に酸エッチングされる穴の穴明けにおいて有益である。線焦点の直径に対する上側限定条件は、レーザ源について利用可能な所与の最大のレーザパルスエネルギーを考え、材料の改質とダメージトラックの形成を可能にするために十分なエネルギー密度が依然として到達しなければならない、というものである。
【００７５】
線焦点２ｂの長さに関しては、それを材料の厚さと少なくとも等しく、ただし好ましくはそれより大きくすることが望ましく、これは、屈折に関するスネルの法則により、材料の屈折率（例えば、ガラスの場合はｎ〜１．５）によって材料そのものの中の線焦点２ｂの有効長さが増大するという事実による。焦線が長くなると、焦点裕度が大きくなり、また、基板の様々な厚さに対応できる。焦線の長さに対する上側限定条件は、同じく、レーザ源について利用可能な所与の最大のレーザパルスエネルギーを考え、基板の厚さ全体にわたって材料の改質とダメージトラックの形成を可能にするために十分なエネルギー密度が依然として到達しなければならない、というものである。
【００７６】
図６Ｃおよび６Ｅ〜６Ｇは、レーザビーム焦線２ｂ（すなわち、線焦点）の長さおよびＦＷＨＭ（すなわち、直径）の調節を可能にする、非限定的な光学システムを示している。図６Ｃは、レーザビーム焦線２ｂを使って材料（図示せず）を切断するためのシステムを示している。システムは、レーザ源３（図示せず）と、ガウス分布レーザビーム２を、焦線２ｂを有するベッセル分布レーザビームに変換するように構成された光学アセンブリ６’と、を含む。光学アセンブリ６’は、レーザビーム２の光路１の中に配置され、透過型（すなわち、反射要素として機能する）アキシコン１０と、第一の焦点距離Ｆ１を有する第一のレンズ要素５と、第二の焦点距離Ｆ２を有する第二のレンズ要素１１（すなわち、集光レンズ要素）と、を含む。
【００７７】
透過型アキシコン１０は線焦点２ｂ’を形成し、これは、アキシコン１０により形成された線焦点２ｂ’を材料に当てられる線焦点２ｂにリレイし、拡大するテレスコープの役割を果たす第一のレンズ要素５および第二のレンズ要素１１によって結像される。第一のレンズ要素５および第二のレンズ要素１１により画定されるテレスコープの倍率はＭ＝Ｆ２／Ｆ１で表され、これは、２つのレンズ要素の一方または両方を交換して異なる倍率Ｍを実現することにより、変わる。線焦点２ｂの長さは倍率の二乗で増減し、あるｚ−平面内の線焦点の直径は倍率と共に線形に増減する。
【００７８】
第一および／または第二のレンズ５、１１の焦点距離を変えることは、ある用途においては、線焦点の長さおよび幅の両方が一緒に増減するため、最適でないかもしれない。Ｍが第一および第二の焦点距離により提供される倍率であるとすると、
ＦＷＨＭ１＝ＦＷＨＭ０＊Ｍ      式（５．１）
Ｌｅｎｇｔｈ１＝Ｌｅｎｇｔｈ０＊Ｍ２      式（５．２）
となる。
【００７９】
ここで、ＦＷＨＭ０はアキシコン１０の直後に形成される線焦点の直径の半値全幅を示し、ＦＷＨＭ１は第二のレンズ要素１１の後に形成される線焦点の直径の半値全幅を示す。同様に、ＬＥＮＧＴＨ０はアキシコン１０の直後に形成される線焦点の長さ、すなわち光軸に沿った空間範囲を示し、ＬＥＮＧＴＨ１は第二のレンズ要素１１の後に形成された線焦点の長さを示す。得られる線焦点２ｂが、長さおよび幅の寸法がＬｅｎｇｔｈ１×ＦＷＨＭ１の円柱の形態をとるとすると、その円柱の内部のパワー（またはエネルギー）密度は１／物体の体積として増減し、体積＝（ｐｉ／４）＊ｄｉａｍｅｔｅｒ２＊ｌｅｎｇｔｈである。これは、パワー密度が、
ＰｏｗｅｒＤｅｎｓｉｔｙ１＝ＰｏｗｅｒＤｅｎｓｉｔｙ０／Ｍ４      式（５．３）
として増減することを意味する。
【００８０】
それゆえ、線焦点の直径は、第一および第二のレンズ５、１１により提供されるテレスコープの倍率と共に線形に増大し、線焦点２ｂの長さは、倍率の二乗として増大し、パワーまたはエネルギー密度は倍率の４乗分の１で増減する。これは、Ｆ２には焦点距離の短いレンズが使用されると、焦点の直径が小さくなり、長さがはるかに短くなり、パワー密度が急速に増大することを意味する。
【００８１】
いくつかの実施形態において、角度が調節可能なアキシコン１０は、第三の自由度として提供され、線焦点２ｂの長さおよび直径の両方を調節できるシステムが実現される。上述の当初のアキシコン１０の角度をＡ倍するとする。次に、小さい角度（すなわち、（ｓｉｎ（α）≒α）とすると、以下が真となる。
ＦＷＨＭ２＝ＦＷＨＭ１／Ａ      式（６．１）および
Ｌｅｎｇｔｈ２＝Ｌｅｎｇｔｈ１／Ａ      式（６．２）
ここで、倍率Ａによってアキシコンの角度がより大きくなると、線焦点２ｂのＦＷＨＭ（すなわち直径）は小さくなり、線焦点２ｂの長さも小さくなる。一般に、あるシステムの線焦点２ｂの所望のＦＷＨＭと長さを実現するためには、ＡおよびＭを、
Ｍ／Ａ＝ＦＷＨＭ２／ＦＷＨＭ０      式（６．３）および
Ｍ２／Ａ＝Ｌｅｎｇｔｈ２／Ｌｅｎｇｔｈ０      式（６．４）
となるように計算することができる。
【００８２】
したがって、第一のレンズ要素５、第二のレンズ要素１１、およびアキシコン１０の光学要素を交換して、線焦点２ｂの所望の直径と長さを実現してもよい。いくつかの実施形態において、これらの光学要素を光学アセンブリ６’から取り外し、所望の光学特性を有するものと置き換えてもよい。しかしながら、これには、他の構成に切り換える際に光学アセンブリ６’をアラインメントしなおす必要がある。いくつかの実施形態において、複数の光学要素が回転ホイール（フィルタホイールと類似）またはスライダの上に設置されて、ビーム経路内にある所望の光学要素が選択的に選ばれる。例えば、アキシコンが着脱可能／調節可能な要素として選択される場合、１つの基板上で複数のアキシコンが製造されてもよい。ここで、図６Ｄを参照すると、１つの基板内に異なる角度の複数の個々のアキシコン１０Ａ〜１０Ｄを含むアキシコンアセンブリ６００が概略的に示されている。いくつかのアキシコンが提供されてもよい。所望の個々のアキシコン１０Ａ〜１０Ｄは、手動またはモータ制御のいずれでも、レーザビーム２の光路内に並進されてよい。
【００８３】
限定としてではなく、例として、透過性材料内に複数の個々のアキシコン１０Ａ〜１０Ｄを形成するために、ダイヤモンド切削を使用してもよい。ダイヤモンド切削により、アラインメントのために機械的に参照される物理的部品の外部特徴に関して、特に光学面に、非常に精密な（約１μｍ）の特徴を製造できる。基板は、長方形の形状であってもよく、それゆえ、異なるアキシコンを選択するのに、横方向に並進できる。これらのレーザ切断システムで使用される波長（通常１０６４ｎｍ）に関して、ダイヤモンド切削に適合する、適当な透過性光学材料はＺｎＳｅである。また、ダイヤモンド切削は、物体を相互に設置する精度がきわめて高いため、基板に、溝または円錐状の穴等の機械的な再位置決めのための特徴を含めることができる。理解すべき点として、同様のレンズ要素アセンブリが、焦点距離の異なる様々な第一および第二のレンズ要素を選択するために製造され、利用されてもよい（すなわち、第一のレンズアセンブリおよび／または第二のレンズアセンブリ）。
【００８４】
いくつかの実施形態において、入射レーザビーム２は、図６Ｅに示されている光学アセンブリ６’’の中であるように、光路中でＮ倍に拡大されてからアキシコン１０に入る。図６Ｅに示されている光学アセンブリ６’’は、図６Ｃに示される実施形態と同様に、アキシコン１０と、第一のレンズ要素５と、第二のレンズ１１とを含む。図６Ｅに示される例示的な光学アセンブリ６’’において、第三の焦点距離を有する第三のレンズ要素１３と、第四の焦点距離を有する第四のレンズ要素１５を含むテレスコープアセンブリが提供される。図６Ｃに関して上述したように、第三のレンズ要素１３および第四のレンズ要素１５の焦点距離は、例えばレンズ要素を交換することによって調節可能である。
【００８５】
式（４．３）および（４．５）によりレーザビーム２を拡大することによって影響を受けるのは線焦点２ｂの長さだけであり、すなわち、直径は変化しない。したがって、アキシコン１０の前に位置付けられたテレスコープにより、線焦点２ｂの長さだけを変え、直径を変えないままにすることができる。
【００８６】
第一から第四のレンズ等の光学要素を交換することは、産業環境で動作するレーザ切断システムには望ましくないことがある。いくつかの実施形態において、その代わりに、倍率Ｎを提供する第三および第四のレンズ要素１３、１５および／または第一および第二のレンズ要素５、１１を、１つまたは複数の可変ズームアセンブリとして構成してもよい。このような可変ズームアセンブリにより、レーザビーム焦線の長さを連続的に調節でき、これはアキシコンまたはレンズ要素を交換することにより得られる段階的なものと対照的である。このような可変ズームアセンブリは、手動でも電動でもよく、後者の場合、システムのプログラムされた調節が可能となり、これは製造に関する要求事項と適合しうる。
【００８７】
レーザビーム線焦点２ｂを使用して材料を分離するための別の光学アセンブリ４が図６Ｆに概略的に示されている。一般に、この例示的な光学アセンブリ４は、反射型アキシコン１９と、反射型アキシコン１９と同じ角度を有する傾斜反射面を持つリング状反射アセンブリ１８を利用する。第一のレンズ要素１７は、反射型アキシコン１９の前に、レーザビーム２を収束（または発散）させる。反射型アキシコン１９およびリング状反射アセンブリ１８は、コリメート光のリングを生成する。第二のレンズ要素１１は円形放射ＳＲを集光して、レーザビーム線焦点２ｂを生成する。円形放射の半径ｈは、矢印Ａで示されるように反射型アキシコン１９をリング状反射アセンブリ１８に対して並進させることにより（またはその逆により）、連続的に変化させることができる。第二のレンズ要素１１の焦点距離は、光線を第二のレンズ要素１１から略距離Ｆ２の位置に集光させるため、このリング半径の変化により、今度は最終的なアパーチャ角度βが変化し、その結果、式（４．５）により、レーザビーム線焦点２ｂの長さが変わる。反射型アキシコン１９を右に移動させることによってリング半径ｈが大きくなると、焦線の長さが短くなる。しかしながら、レーザビーム焦線２ｂの直径も、式（４．３）により変化する。リング半径ｈが大きいほど、焦線の直径は小さくなる。
【００８８】
図６Ｇは、連続的に調節可能なリング状のコリメート光ＳＲを生成するための、別の光学アセンブリ４’を概略的に示す。例示的光学センブリ４’は、第一の透過型アキシコン２０の前の第一のレンズ要素１７と、第二の透過型アキシコン２１と、第二の透過型アキシコン２１の前の第二のレンズ要素１１と、を含む。第一のレンズ要素１７は、レーザビーム２を小さく収束し（または、いくつかの実施形態においては発散させ）、これがシステム内に球面収差を生じさせ、線焦点を形成する。
【００８９】
レーザビーム２は、第一の透過型アキシコン２０からその角度のついた射出面において出る。第二の透過型アキシコン２１は、レーザビームをその角度のついた入射面で受け、リング状のコリメート光ＳＲを生成する。第一の透過型アキシコン２０の偏向角度は、第二の透過型アキシコン２１の偏向角度と実質的に等しい。次に、第二のレンズ要素１１は光を集光してレーザビーム線焦点２ｂを生成する。リング半径ｈの調節は、第一および第二の透過型アキシコン２０、２１間の調節可能な距離Ｄを変化させることによって実現されてもよい。この移動により、レーザビーム線焦点２ｂの長さおよび直径が調節される。
【００９０】
図７に示されるように、このようなピコ秒レーザの典型的な動作は、パルス７２０の「バースト」７１０を生じさせる点に留意されたい。各「バースト」７１０は、非常に短い持続時間（約１０ｐｓｅｃ）の複数のパルス７２０（例えば、２パルス、図７に示されるように３パルス、４パルス、５パルス、１０パルス、１５パルス、２０パルス、２５パルス、またはそれ以上）を含んでいてもよい。各パルス７２０（本明細書においてはサブパルスとも呼ぶ）は、約１ｎｓｅｃ〜約５０ｎｓｅｃ、例えば１０〜３０ｎｓｅｃ、例えば約２０ｎｓｅｃ（５０ＭＨｚ）の範囲の持続時間により時間的に分離され、時間はしばしば、レーザキャビティの設計によって決まる。各「バースト」７１０間の時間はそれよりはるかに長く約１００ｋＨｚのレーザ繰返し数ではしばしば約１０μｓｅｃである。いくつかの実施形態において、バースト繰返し周波数は、約１ｋＨｚ〜約２００ｋＨｚの範囲内である。正確なタイミング、パルス持続時間、および繰返し数は、レーザの設計によって異なっていてもよいが、この技術では高強度の短パルス（すなわち、約１５ｐｓｅｃ未満）がうまく動作することが証明されている。（バースティング、またはパルスバーストの生成は、パルスの発生が均一で着実なストリームにより行われず、パルスの緊密な塊であるような種類のレーザ動作である）。
【００９１】
材料において測定されるバーストあたりの平均レーザパワーは、材料の厚さ１ｍｍあたり４０マイクロジュールより大きい、例えば４０マイクロジュール／ｍｍ〜２５００マイクロジュール／ｍｍの間、または５５０〜２２５０マイクロジュール／ｍｍの間とすることができる。例えば、厚さ０．１ｍｍ〜０．２ｍｍのＣｏｒｎｉｎｇ  Ｅａｇｌｅ  ＸＧ（登録商標）ガラスの場合、２０μＪのパルスバーストを使用してもよく、これによって１０００〜２０００μＪ／ｍｍの例示的範囲が得られる。例えば、厚さ０．５〜０．７ｍｍのＣｏｒｎｉｎｇ  Ｅａｇｌｅ  ＸＧ（登録商標）ガラスの場合、ガラスのさん孔に４００〜７００μＪのパルスバーストを使用してもよく、これは、ある例示的事例に対応し、いくつかのアルカリ土類アルミノホウケイ酸ガラス組成物をさん孔するために、複数のパルスの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ピコ秒パルスレーザ）と線焦点ビーム形成光学系を組み合わせて使用することにより、ガラス組成物の中にダメージ線（欠陥線）を生成してもよい。１つの実施形態において、最大厚さが０．７ｍｍのガラス組成物を、それが光学系により生成される焦線の領域内にあるように位置付けた。長さ約１ｍｍの焦線と、ガラスで測定した時に２００ｋＨｚのバースト繰返し数で約２４Ｗ以上の出力パワー（約１２０マイクロジュール／バースト）を生成する１０６４ｎｍピコ秒レーザで、焦線領域内の光学強度は、ガラス内に非線形吸収を発生させるのに十分に高い。このパルスレーザビームの、材料で測定した時の平均レーザバーストエネルギーは、材料の厚さ１ｍｍあたり４０マイクロジュールより大きくすることができる。使用される平均レーザバーストエネルギーは、透明材料の厚さ１ｍｍあたり２５００μＪと高くすることができ、例えば４０〜２５００μＪ／ｍｍであり、５００〜２２５０μＪ／ｍｍが好ましく、５５０〜２１００μＪ／ｍｍがさらに好ましいが、それは、このエネルギー密度が、ガラスを貫通する完全なダメージトラックを作りながら、さん孔による線または切断縁辺に垂直なマイクロクラックの範囲をなるべく小さくできるからである。いくつかの例示的実施形態において、レーザバーストエネルギーは４０〜１０００μＪ／ｍｍである。この１ｍｍあたりの「平均パルスバーストレーザエネルギー」は、材料の厚さ１ｍｍあたりの、平均、バーストあたり、線形エネルギー密度、またはレーザパルスバーストあたり平均エネルギーということもできる。ガラス組成物の中に作られた、損傷を受け、蒸発し、またはそれ以外に改質された材料の領域は、レーザビーム焦線により作られた高光学強度の線形領域に略追従する。
【００９２】
図８は、ガラス−空気−ガラス複合構造に入射する集光ガウスビームとベッセルビームとの間の比較を示す。集光ガススビームは、第一のガラス層に入射すると発散し、あまり深く掘り進まず、または、ガラス内に掘り進んで自己集光が起こった場合、ビームは第一のガラス層から出て屈折し、第二のガラス層の中には掘り進まない。これに対して、ベッセルビームは、線焦点の範囲全体にわたり、両方のガラス層の中に掘り進む（より具体的には、それに損傷を与え、それをさん孔し、切断する）。ベッセルビームで切断されるガラス−空気−ガラス複合材料の例が、図８の挿入写真に示されており、これは露出した切断端面の側面図を示す。上下のガラス片は、厚さ０．４ｍｍの２３２０，ＣＴ１０１である。２つのガラス層の間の例示的なエアギャップは、約４００μｍである。切込みは、２００ｍｍ／秒のレーザのシングルパスで作られ、そのため、２片のガラスは、それらが＞４００μｍ離れていたものの、同時に切断された。
【００９３】
本明細書に記載されている実施形態のいくつかにおいて、エアギャップは５０μｍ〜５ｍｍの間であり、例えば５０μｍ〜２ｍｍの間、または２００μｍ〜２ｍｍの間である。
【００９４】
例示的な遮断層は、ポリエチレンプラスチックシート（例えばＶｉｓｑｕｅｅｎ）を含む。透明層は、図９に示されるように、透明ビニル（例えば、Ｐｅｎｓｔｉｃｋ）を含む。留意すべき点として、他の合焦レーザ法と異なり、ブロックまたは停止層の効果を得るために、正確な焦点を精密に制御する必要はなく、また、遮断層の材料が特に耐久性にすぐれ、または高価である必要はない。多くの用途において、層はレーザ光とわずかに相互作用すれば、レーザ光を遮断し、線焦点が発生しないようにすることができる。Ｖｉｓｑｕｅｅｎはピコ秒レーザと線焦点での切断を防止するという事実は例に過ぎず、他の合焦されたピコ秒レーザビームは最も確実にＶｉｓｑｕｅｅｎの中へと掘り進み、このような材料の中に他のレーザ方式で掘り進むことを防止したい場合、レーザの焦点をＶｉｓｑｕｅｅｎの付近とならないように高精度に設定しなければならないであろう。
【００９５】
図１０は、アブレーションまたは汚染を低減させながら、複数のシートを切断する場合のための透明保護層との積層を示す。ディスプレイ用ガラスシートの積層体の同時切断は非常に有利である。ビニル等の透明ポリマをガラスシート間に設置することができる。透明ポリマ層は保護層であり、相互に密接に接触するガラス面への損傷を防止する役割を果たす。このような層によって、切断工程を進めることができるが、ガラスシートが相互に擦れ合うのを防止し、さらに、切削デブリ（この工程では小さいが）がガラス面を汚染するのも防止する。保護層はまた、基板またはガラスシート上に蒸着により堆積された誘電層から構成できる。
【００９６】
図１１は、エアギャップと、封入型デバイスの切断を示す。この線焦点工程は、かなりの、肉眼で見えるエアギャップが存在していても、積層されたガラスシートを同時に切断できる。これは図８に示されるような他のレーザ方法では不可能である。多くの装置には、ＯＬＥＤ（有機発光ダイオード）等のガラス封止が必要となる。２つのガラス層を同時に切断できることは、それによって信頼性の高い、効率的なデバイスセグメント化工程を提供するため、非常に有利である。セグメント化される、とは、複数の他の構成要素を含んでいてもよい、より大型の材料シートから１つの構成要素を分離できることを意味する。本明細書に記載されている方法によりセグメント化、切取り、または生産が可能なその他の構成要素は、例えばＯＬＥＤ（有機発光ダイオード）構成要素、ＤＬＰ（デジタルライトプロセッサ）構成要素、ＬＣＤ（液晶表示）セル、半導体装置用基板である。
【００９７】
図１２は、透明導電層（例えば、ＩＴＯ）で被覆されたエレクトロクロミックガラス等の成形品の切断を示している。既にインジウム−スズ−酸化物（ＩＴＯ）等の透明導電層を有するガラスの切断は、エレクトロクロミックガラスの用途にとって、またタッチパネル装置にとっても非常に価値がある。このレーザ工程は、このような層を、透明導電層になるべく損傷を与えず、デブリをほとんど発生させずに切断できる。さん孔による穴が極端に小さいこと（＜５μｍ）は、ＩＴＯがほとんど切断工程により影響を受けないことを意味しており、これに対して、他の切断方法はそれよりはるかに大きい表面への損傷とデブリを発生させる。
【００９８】
図１３は、図１にも示されている、積層体内のいくつかの層を、他の層に損傷を与えずに精密切断する方法を示しており、その概念が複数の層（すなわち、３層以上）にも拡張されている。図１３の実施形態において、遮断要素はデフォーカス層である。
【００９９】
その他の例
一般に、利用可能なレーザパワーが高いほど、上述の工程で材料を切断できる速度は速い。本明細書において開示されている工程は、０．２５ｍ／秒またはそれ以上の切断速度でガラスを切断できる。切断速度（または切断スピード）とは、複数の穴または改質領域を作りながら、レーザビームが透明材料（例えばガラス）の表面に対して移動する速度である。例えば４００ｍｍ／秒、５００ｍｍ／秒、７５０ｍｍ／秒、１ｍ／秒、１．２ｍ／秒、１．５ｍ／秒、または２ｍ／秒、さらには３．４ｍ／秒、５ｍ／秒、５ｍ／秒、７ｍ／秒、または１０ｍ／秒という高い切断速度は、製造に対する資本投資を最小化し、設備稼働率を最適化するためにしばしば必要とされる。レーザパワーは、レーザのバーストエネルギーにバースト繰返し周波数（数）を乗じたものと等しい。一般に、このようなガラス材料を高い切断速度で切断するために、ダメージトラックは典型的に、１〜２５マイクロメートルだけ離間され、いくつかの実施形態では、間隔は好ましくは３マイクロメートル以上、例えば３〜１２マイクロメートル、または例えば５〜１０マイクロメートル、または１０〜２０マイクロメートルである。
【０１００】
例えば、３００ｍｍ／秒の線形切断速度を実現するために、３マイクロメートルの穴ピッチは、少なくとも１００ｋＨｚのバースト繰返し数のパルスバーストレーザに対応する。６００ｍｍ／秒の切断速度の場合、３マイクロメートルのピッチは少なくとも２００ｋＨｚのバースト繰返し数のバーストパルスレーザに対応する。２００ｋＨｚで少なくとも４０μＪ／バーストを生成し、６００ｍｍ／ｓの切断スビードで切断するパルスバーストレーザは、少なくとも８ワットのレーザパワーを有する必要がある。したがって、切断速度が高いと、はるかに高いレーザパワーが必要となる。
【０１０１】
例えば、３μｍのピッチおよび４０μＪ／バーストでの０．４ｍ／秒の切断速度には、少なくとも５ワットのレーザが必要となり、３μｍのピッチおよび４０μＪ／バーストでの０．５ｍ／秒の切断速度には、少なくとも６ワットのレーザが必要であろう。それゆえ、好ましくは、パルスバーストｐｓレーザのレーザパワーは６ワットまたはそれ以上、より好ましくは少なくとも８ワットまたはそれ以上、さらにより好ましくは少なくとも１０Ｗまたはそれ以上である。例えば、４μｍのピッチ（欠陥線間隔、またはダメージトラック間隔）および１００μＪ／バーストでの０．４ｍ／秒の切断速度を実現するためには、少なくとも１０ワットのレーザが必要であり、４μｍのピッチおよび１００μＪ／バーストでの０．５ｍ／秒の切断速度を実現するためには、少なくとも１２ワットのレーザが必要であろう。例えば、３μｍのピッチおよび４０μＪ／バーストでの１ｍ／秒の切断速度を実現するためには、少なくとも１３ワットのレーザが必要であろう。また、例えば、４μｍのピッチおよび４００μＪ／バーストでの１ｍ／秒の切断速度には、少なくとも１００ワットのレーザが必要であろう。ダメージトラック間の最適なピッチと正確なバーストエネルギーは材料に依存し、経験的に決定できる。しかしながら、レーザパルスエネルギーを高めるか、より近いピッチでのダメージトラックを作ることは、常に基板材料の分離をよりよく、または高い縁辺品質で行うことが条件にはならないことに注意すべきである。ダメージトラック間のピッチが密すぎる（例えば、＜０．１マイクロメートル、いくつかの実施形態においては＜１μｍ、またはいくつかの実施形態においては＜２μｍ）と、時として、付近に後続のダメージトラックを形成することができなくなり可能性があり、しばしば、さん孔による輪郭の周囲で材料を分離できなくなる可能性があり、また、その結果、ガラス内の不要なマイクロクロックが増えることがある。ピッチが長すぎると（＞５０μｍ、ガラスによっては＞２５μｍ）、「制御不能なマイクロクラック」が生じるかもしれず、すなわち、穴から穴に伝播する代わりに、マイクロクラックが異なる経路に沿って伝播し、ガラスに異なる（望ましくない）方向の亀裂が入る原因となる。これは、最終的に、分離されたガラス部品の強度を低下させ、それは、残留するマイクロクラックが、ガラスを脆弱化させる欠陥の役割を果たすからである。各ダメージトラックを形成するために使用されるバーストエネルギーが高すぎると（例えば、＞２５００μＪ／バースト、いくつかの実施形態においては＞５００μＪ／バースト）、隣接するダメージトラックの、既に形成されたマイクロクラックの「修復」または再溶解が起こり、それがガラスの分離を阻止する。したがって、バーストエネルギーは＜２５００μＪ／バースト、例えば≦５００μＪ／バーストであることが好ましい。また、使用するバーストエネルギーが高すぎると、きわめて大きいマイクロクラックを形成し、分離後の部品の縁辺強度を低下させる欠陥を生じさせる可能性がある。バーストエネルギーが低すぎると（＜４０μＪ／バースト）、ガラス内に認識可能なダメージトラックが形成されず、したがってさん孔による輪郭に沿って、分離強度が非常に高くなるか、分離が完全に不能となる。
【０１０２】
この工程により可能となる典型的な例示的切断速度（スピード）は、例えば０．２５ｍ／秒以上である。いくつかの実施形態において、切断速度は少なくとも３００ｍｍ／秒である。本明細書に記載されているいくつかの実施形態において、切断速度は少なくとも４００ｍｍ／秒、例えば５００ｍｍ／秒〜２０００ｍｍ／秒、またはそれより速い。いくつかの実施形態において、ピコ秒（ｐｓ）レーザはパルスバーストを使って、０．５マイクロメートル〜１３マイクロメートル、例えば０．５〜３マイクロメートルの間の周期で欠陥線を生成する。いくつかの実施形態において、パルスレーザのレーザパワーは１０Ｗ〜１００Ｗであり、材料および／またはレーザビームは相互に対して少なくとも０．２５ｍ／秒の速度、例えば０．２５〜０．３５ｍ／秒、または０．４ｍ／秒〜５ｍ／秒の速度で並進される。好ましくは、パルスレーザビームの各パルスバーストの平均レーザエネルギーは、被加工物で測定して、被加工物の厚さ１ｍｍにつき１バーストあたり４０マイクロジュールより大きい。好ましくは、パルスレーザビームの各パルスバーストの平均レーザエネルギーは、被加工物で測定して、被加工物の厚さ１ｍｍにつきバーストあたり２５００マイクロジュール、好ましくは１ｍｍにつきバーストあたり約２０００マイクロジュール未満、いくつかの実施形態においては、被加工物の厚さ１ｍｍにつきバーストあたり１５００マイクロジュール未満、例えば被加工物の厚さ１ｍｍにつきバーストあたり５００マイクロジュールを超えない。
【０１０３】
低または無アルカリガラスを有するアルカリ土類アルミノホウケイ酸ガラスをさん孔するためには、Ｃｏｒｎｉｎｇ  Ｇｏｒｉｌｌａ（登録商標）に関するそれと比較して、はるかに高い（５〜１０倍高い）容量パルスエネルギー密度（μｊ／μｍ３）が必要であることがわかった。これは、例えば、好ましくは少なくともバーストあたり２パルスのパルスバーストレーザを利用し、アルカリ土類アルミノホウケイ酸ガラス（低または無アルカリ）内に約０．０５μＪ／μｍ３またはそれ以上、例えば少なくとも０．１μＪ／μｍ３、例えば０．１〜０．５μＪ／μｍ３の容量パルスエネルギー密度を提供することによって実現できる。
【０１０４】
したがって、レーザが少なくともバーストあたり２パルスでパルスバーストを生成することが好ましい。例えば、いくつかの実施形態において、パルスレーザは１０Ｗ〜１５０Ｗ（例えば、１０〜１００Ｗ）のレーザパワーを有し、少なくともバーストあたり２パルス（例えば、バーストあたり２〜２５パルス）でパルスバーストを生成する。いくつかの実施形態において、パルスレーザは２５Ｗ〜６０Ｗのパワーを有し、少なくともバーストあたり２〜２５パルスのパルスバーストを生成し、そのレーザバーストにより生成される隣接する欠陥線間の周期または距離は、２〜１０マイクロメートルである。いくつかの実施形態において、パルスレーザは１０Ｗ〜１００Ｗのレーザパワーを有し、少なくともバーストあたり２パルスのパルスバーストを生成し、被加工物とレーザビームは、相互に対して少なくとも０．２５ｍ／秒の速度で並進される。いくつかの実施形態において、被加工物および／またはレーザビームは、相互に対して少なくとも０．４ｍ／秒の速度で並進される。
【０１０５】
例えば、厚さ０．７ｍｍの非イオン交換Ｃｏｒｎｉｎｇコード２３１９またはコード２３２０  Ｇｏｒｉｌｌａガラスを切断するためには、パルスバーストエネルギー約１５０〜２５０μＪ／バースト、およびバーストパルス数２〜１５で３〜７マイクロメートルのピッチがうまく動作できることが観察され、好ましくは、ピッチ３〜５マイクロメートル、およびバーストパルス数（バーストあたりパルス数）２〜５である。
【０１０６】
１ｍ／秒の切断速度で、Ｅａｇｌｅ  ＸＧ（登録商標）ガラスの切断には典型的に、１５〜８４ワットのレーザパワーの利用が必要であり、多くの場合、３０〜４５ワットで十分である。一般に、様々なガラスとその他の透明基板を通じて、出願人は、０．２〜１ｍ／秒の切断速度を実現するために、１０〜１００Ｗのレーザパワーが好ましいことを発見し、多くのガラスについて、２５〜６０ワットのレーザパワーが十分（かつ最適）である。０．４ｍ〜５ｍ／秒の切断速度について、レーザパワーは好ましくは１０Ｗ〜１５０Ｗであるべきであり、バーストエネルギーは４０〜７５０μＪ／バースト、バーストあたり２〜２５パルス（切断される材料に応じて）、および穴分離（すなわちピッチ）は３〜１５μｍ、または３〜１０μｍである。これらの接続速度には、ピコ秒パルスバーストレーザの使用が、これらによって高いパワーと必要なバーストあたりパルス数が提供されるため、好ましいであろう。それゆえ、いくつかの例示的実施形態によれば、パルスレーザは１０〜１００Ｗのパワー、例えば２５Ｗ〜６０ワットを生成し、バーストあたり少なくとも２〜２５パルスのパルスバーストを生成し、欠陥線間の距離は２〜１５マイクロメートルであり、レーザビームおよび／または被加工物は相互に対して、少なくとも０．２５ｍ／秒、いくつかの実施形態においては少なくとも０．４ｍ／秒、例えば０．５ｍ／秒〜５ｍ／秒、またはそれ以上の速度で並進される。
【０１０７】
ここで、本明細書に記載されている実施形態は、レーザビーム焦線を当てることにより、ガラス基板等の基板を分離するシステムおよび方法を提供すると理解するべきである。本明細書に記載されているシステムによって、材料の種類の違いおよび材料の厚さの違いに対応して、レーザビーム焦線の長さおよび／または直径を高速で調節できる。
【０１０８】
本明細書では例示的な実施形態を説明したが、当業者であれは、付属の特許請求の範囲で画定される範囲から逸脱することなく、形態および詳細における様々な変更が可能であることがわかるであろう。
【０１０９】
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
【０１１０】
実施形態１
透明材料を加工するためのシステムにおいて、
パルスレーザビームを発するように動作可能なレーザ源と、
前記パルスレーザビームの光路内に配置され、前記パルスレーザビームを、調節可能な長さおよび調節可能な直径を有するレーザビーム焦線へと変換するように構成された光学アセンブリであって、前記レーザビーム焦線の少なくとも一部は、前記透明材料の体積内に、前記レーザビーム焦線が前記透明材料内で誘導多光子吸収を発生させるように位置付けられるように動作可能であり、前記多光子誘導吸収が、前記透明材料内で前記レーザビーム焦線に沿って材料改質を生じさせるような光学アセンブリと、
を含むことを特徴とするシステム。
【０１１１】
実施形態２
前記光学アセンブリがアキシコンを含むことを特徴とする、実施形態１に記載のシステム。
【０１１２】
実施形態３
前記アキシコンが透過型であり、前記光学アセンブリは、前記パルスレーザビームの前記光路内の、前記アキシコンと前記透明材料との間に位置付けられた可変ズームアセンブリをさらに含むことを特徴とする、実施形態２に記載のシステム。
【０１１３】
実施形態４
前記アキシコンは透過型であり、
前記光学アセンブリは、第一の焦点距離を有する第一のレンズ要素と、第二の焦点距離を有する第二のレンズ要素と、をさらに含み、
前記第一のレンズ要素および前記第二のレンズ要素は、前記パルスレーザビームの光路内の前記アキシコンの後に、前記第一のレンズ要素が前記アキシコンと前記第二のレンズ要素との間に位置付けられるように配置され、
前記第一の焦点距離および前記第二の焦点距離は、前記レーザビーム焦線が少なくとも部分的に前記透明材料の前記体積の中に配置されるようになっており、
前記レーザビーム焦線の前記調節可能な長さおよび前記調節可能な直径は、前記第一のレンズ要素の前記第一の焦点距離および前記第二のレンズ要素の前記第二の焦点距離のうちの少なくとも一方を変化させることによって調節される
ことを特徴とする、実施形態２に記載のシステム。
【０１１４】
実施形態５
前記光学アセンブリは、複数の第一のレンズ要素を含み、各第一のレンズ要素が異なる第一の焦点距離を有する第一のレンズアセンブリと、複数の第二のレンズ要素を含み、各第二のレンズ要素が異なる第二の焦点距離を有する第二レンズアセンブリと、をさらに含み、
前記第一のレンズ要素の前記第一の焦点距離は、前記複数の第一のレンズ要素のうちの所望の第一のレンズ要素を前記パルスレーザビームの前記光路内に選択的に位置付けることによって調節され、
前記第二のレンズ要素の前記第二の焦点距離は、前記複数の第二のレンズ要素のうちの所望の第二のレンズ要素を前記パルスレーザビームの前記光路内に選択的に位置付けることによって調節される
ことを特徴とする、実施形態４に記載のシステム。
【０１１５】
実施形態６
前記アキシコンは入射面および射出面を含み、
前記射出面は、前記入射面に対してある角度を有し、
前記レーザビーム焦線の前記調節可能な長さおよび前記調節可能な直径が、前記アキシコンの前記射出面の前記角度を変えることによって調節される
ことを特徴とする、実施形態２に記載のシステム。
【０１１６】
実施形態７
前記光学アセンブリは、複数のアキシコンを含み、個々のアキシコンの各々が前記射出面上の異なる角度を含むアキシコンアセンブリをさらに含み、
前記アキシコンの前記射出面の前記角度は、前記複数のアキシコンのうちの所望の個々のアキシコンを前記パルスレーザビームの前記光路内に選択的に位置付けることによって変えられる
ことを特徴とする、実施形態６に記載のシステム。
【０１１７】
実施形態８
前記光学センブリが、第一の焦点距離を有する第一のレンズ要素と、第二の焦点距離を有する第二のレンズ要素と、をさらに含み、
前記第一のレンズ要素および前記第二のレンズ要素は、前記アキシコンの後の前記パルスレーザビームの光路内に、前記第一のレンズ要素が前記アキシコンと前記第二のレンズ要素との間に位置付けられるように配置され、
前記レーザビーム焦線の前記調節可能な長さおよび前記調節可能な直径は、前記第一の焦点距離および／または前記第二の焦点距離を変えることによってさらに調節される
ことを特徴とする、実施形態７に記載のシステム。
【０１１８】
実施形態９
前記レーザビーム焦線の前記調節可能な長さは、前記アキシコンの入射面における前記パルスレーザビームの直径を調節することによって調節されることを特徴とする、実施形態２に記載のシステム。
【０１１９】
実施形態１０
前記光学アセンブリは、第三の焦点距離を有する第三のレンズと、第四の焦点距離を有する第四のレンズと、をさらに含み、
前記第三の焦点距離および前記第四の焦点距離のうちの少なくとも一方が、前記アキシコンの前記入射面における前記パルスレーザビームの前記直径を調節するために調節される
ことを特徴とする、実施形態９に記載のシステム。
【０１２０】
実施形態１１
前記光学センブリは、前記アキシコンの前記入射面において、前記パルスレーザビームの前記直径を調節するように動作可能な可変ズームアセンブリをさらに含むことを特徴とする、実施形態９に記載のシステム。
【０１２１】
実施形態１２
前記光学アセンブリは、
前記パルスレーザビームの前記光路内に位置付けられた反射型アキシコンと、
前記反射型アキシコンから、調節可能な距離Ｄだけ軸方向に離間されたリング状反射アセンブリであって、角度のついた反射面を含み、前記パルスレーザビームは前記反射型アキシコンにより角度のついた反射面へと反射され、前記パルスレーザビームが前記角度のついた反射面により反射されるようなリング状反射アセンブリと、
前記パルスレーザビームの前記光路内の、前記リング状反射アセンブリの後に位置付けられたレンズ要素であって、前記パルスレーザビームを集光して前記レーザビーム焦線を形成するレンズ要素と、
を含み、
前記パルスレーザビームは、前記反射型アキシコンの前に収束または発散する
ことを特徴とする、実施形態１に記載のシステム。
【０１２２】
実施形態１３
前記レーザビーム焦線の前記調節可能な直径または前記焦線の前記調節可能な長さは、前記調節可能な距離Ｄを変えることによって調節されることを特徴とする、実施形態１２に記載のシステム。
【０１２３】
実施形態１４
前記光学アセンブリは、前記パルスレーザビームの前記光路内の、前記反射型アキシコンの前に位置付けられた第二レンズ要素をさらに含み、
前記第二のレンズ要素は、前記パルスレーザビームを前記反射型アキシコンの前に収束または発散させ、
前記第二のレンズ要素の焦点距離を調節することによって、前記レーザビーム焦線の前記調節可能な長さおよび前記調節可能な直径が調節される
ことを特徴とする、実施形態１２に記載のシステム。
【０１２４】
実施形態１５
前記光学アセンブリは、
前記パルスレーザビームの前記光路内に位置付けられ、前記パルスレーザビームの発散または収束を生じさせるように構成された第一のレンズ要素と、
前記パルスレーザビームの前記光路内の、前記第一のレンズ要素の後に位置付けられた第一の透過型アキシコンであって、前記パルスレーザビームが角度のついた射出面において前記第一の透過型アキシコンから出るようになっている第一の透過型アキシコンと、
前記パルスレーザビームの前記光路内の、前記第一の透過型アキシコンの後に位置付けられた第二の透過型アキシコンであって、前記パルスレーザビームが前記第二の透過型アキシコンの角度のついた入射面において前記第二の透過型アキシコンに入射するようになっており、前記第一の透過型アキシコンの前記角度のついた射出面の偏向角度が、前記第二の透過型アキシコンの前記角度のついた入射面の偏向角度と実質的に等しいような第二の透過型アキシコンと、
前記パルスレーザビームの前記光路内の、前記第二の透過型アキシコンの後に位置付けられた第二のレンズ要素であって、前記第二のレンズ要素が前記パルスレーザビームを集光して、前記レーザビーム焦線を形成するような焦点距離を有する第二のレンズ要素と、
を含むことを特徴とする、実施形態１に記載のシステム。
【０１２５】
実施形態１６
前記レーザビーム焦線の前記調節可能な長さは、前記第一のレンズ要素の焦点距離を変えることによって調節され、
前記レーザビーム焦線の前記調節可能な直径は、前記第一の透過型アキシコンと前記第二の透過型アキシコンとの間の距離Ｄを変えることによって調節される
ことを特徴とする、実施形態１５に記載のシステム。
【０１２６】
実施形態１７
透明材料を加工する方法において、
パルスレーザビームを集光して、ビーム伝播方向に沿ってレーザビーム焦線を形成するステップであって、前記レーザビーム焦線は長さと直径を有するステップと、
前記レーザビーム焦線の前記長さおよび前記レーザビーム焦線の前記直径のうちの少なくとも一方を調節するステップと、
前記レーザビーム焦線を前記透明材料の中へと、前記レーザビーム焦線の少なくとも一部が前記材料の体積内にあるように方向付けられるステップであって、前記レーザビーム焦線は、前記透明材料内に誘導多光子吸収を発生させ、前記多光子誘導吸収が、前記透明材料内で前記レーザビーム焦線に沿って材料改質を起こさせるステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【０１２７】
実施形態１８
前記レーザビーム焦線の前記長さおよび前記レーザビーム焦線の前記直径は連続的に調節可能であることを特徴とする、実施形態１７に記載の方法。
【０１２８】
実施形態１９
前記レーザビーム焦線の前記長さは、前記透明材料の厚さと等しいか、それより大きいことを特徴とする、実施形態１７に記載の方法。
【０１２９】
実施形態２０
前記レーザビーム焦線の前記長さは、前記レーザビーム焦線の前記直径に影響を与えずに調節可能であることを特徴とする、実施形態１７に記載の方法。
【０１３０】
実施形態２１
前記レーザビーム焦線の前記直径が０．５μｍ〜５μｍの範囲内であることを特徴とする、実施形態１７に記載の方法。
【０１３１】
実施形態２２
前記レーザビーム焦線の前記長さは、０．１ｍｍ〜１００ｍｍの範囲内であることを特徴とする、実施形態１７に記載の方法。
【０１３２】
実施形態２３
前記透明材料はガラス基板であることを特徴とする、実施形態１７、２１、または２２の何れか１項に記載の方法。
【０１３３】
実施形態２４
前記パルスレーザビームは、バーストあたり２〜２５パルスのバーストパルスレーザビームであることを特徴とする、実施形態１〜１６の何れか１項に記載のシステムまたは実施形態１７〜２３の何れか１項に記載の方法。
【０１３４】
実施形態２５
前記レーザビーム焦線がベッセルビーム焦線であることを特徴とする、実施形態１〜１６もしくは２４の何れか１項に記載のシステムまたは実施形態１７〜２３もしくは２４の何れか１項に記載の方法。
【０１３５】
実施形態２６
前記レーザ源は前記光学アセンブリと共に、以下のビーム、すなわちエアリビーム、Ｗｅｂｅｒビーム、Ｍａｔｈｉｅｕビームのうちの１つを生成することを特徴とする、実施形態１〜１６の何れか１項に記載のシステム。
【０１３６】
実施形態２７
前記レーザ源は前記光学アセンブリと共に、パルスバーストあたり少なくとも２パルスのパルスバーストを生成することを特徴とする、実施形態１〜１６の何れか１項に記載のシステム。
【０１３７】
実施形態２８
前記レーザ源は１０Ｗ〜１５０Ｗのレーザパワーを有し、パルスバーストあたり少なくとも２パルスのパルスバーストを生成することを特徴とする、実施形態１〜１６の何れか１項に記載のシステム。
【０１３８】
実施形態２９
前記レーザ源は１０Ｗ〜１００Ｗのレーザパワーを有し、パルスバーストあたり２〜２５パルスのパルスバーストを生成することを特徴とする、実施形態２８に記載のシステム。
【０１３９】
実施形態３０
前記レーザ源は２５Ｗ〜６０Ｗのレーザパワーを有し、パルスバーストあたり２〜２５パルスのパルスバーストを生成することを特徴とする、実施形態２８に記載のシステム。
【０１４０】
実施形態３１
前記前記パルスレーザビームを、１０Ｗ〜１００Ｗのパワーを有するレーザで生成するステップであって、前記パルスレーザビームは、バーストあたり２〜２５パルスのパルスバーストを有するステップと、前記レーザビーム焦線を前記透明材料の中へと方向付けて、欠陥線を形成し、隣接する欠陥線間の分離が２〜１０マイクロメートルとなるように形成するステップと、を含むことを特徴とする、実施形態１７〜２３の何れか１項に記載の方法。
【０１４１】
実施形態３２
前記レーザ源は２５Ｗ〜６０Ｗのレーザパワーを有することを特徴とする、実施形態３１に記載の方法。
【図１】
2020182977.tif 000006
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ−１】
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【図３Ｂ−２】
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【図３Ｂ−３】
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【図３Ｂ−４】
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【図４】
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【図５Ａ】
2020182977.tif 000015
【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図６Ｇ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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