(57)【要約】      （修正有）【課題】多層複合フュージョンドローガラス基板を切断及び分離することにより、複数の異なるタイプのガラス物品を提供する。【解決手段】フュージョン形成複合ガラスシートと、レーザ切断及び分離方法との組合せにより、第１の表面と、第２の表面と、前記第１の表面と前記第２の表面との間に少なくとも２５０マイクロメートル延在する複数の欠陥線を有する少なくとも１つの縁部からなるガラス複合体を含み、前記各欠陥線の直径は、約５マイクロメートル以下であり、コア層とクラッド層とを有するガラス物品。【選択図】図１３
2020073446.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス物品であって、
前記ガラス物品は、第１の表面と、第２の表面と、前記第１の表面と前記第２の表面との間に少なくとも２５０マイクロメートル延在する複数の欠陥線を有する少なくとも１つの縁部とを有する、ガラス複合体を含み、
前記各欠陥線の直径は、約５マイクロメートル以下であり、
前記ガラス物品が、コア層とクラッド層とを有し、
前記コア層が、約６０モル％〜約７５モル％のＳｉＯ２；約２モル％〜約１１モル％のＡｌ２Ｏ３；０モル％〜約１１モル％のＢ２Ｏ３；０モル％〜約１モル％のＮａ２Ｏ；約１モル％〜約１８モル％のＫ２Ｏ；０モル％〜約７モル％のＭｇＯ；０モル％〜約９モル％のＣａＯ；約１モル％〜約８モル％のＳｒＯ；０モル％〜約４モル％のＢａＯ；及び約３モル％〜約１６モル％のＲ’Ｏを含み、ここでＲ’Ｏは、組成物中のＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ及びＢａＯの合計モル％を含み、
前記クラッド層が、約６０モル％〜約６６モル％のＳｉＯ２；約７モル％〜約１０モル％のＡｌ２Ｏ３；約１４モル％〜約１８モル％のＢ２Ｏ３；及び約９モル％〜約１６モル％のアルカリ土類酸化物を含み、ここで上記アルカリ土類酸化物は少なくともＣａＯを含む、ガラス物品。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、２０１３年１２月１７日出願の米国仮特許出願第６１／９１７２２６号及び２０１４年７月１１日出願の米国仮特許出願第６２／０２３３２２号の利益、並びに２０１４年１０月３１日出願の米国特許出願第１４／５３０２４４号の利益を主張し、これらの出願の開示全体は、参照により本出願に援用される。
【技術分野】
【０００２】
本開示は、レーザカット複合ガラス物品及び切断方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
材料のレーザ加工の分野は、切断、穿孔、フライス削り、溶接、溶融等を伴う広範な用途、及び複数の異なるタイプの材料を包含する。これらの用途のうち特に関心が高いのは、多層複合フュージョンドローガラス基板といった異なる複数のタイプの基板の切断又は分離である。
【０００４】
プロセス開発及びコストの観点から、複合ガラス基板の切断及び分離の改善のための多数の契機が存在する。市場において現在実施されているものよりも迅速、清潔、安価、高再現性及び高信頼性のガラス分離方法を得ることに多大な関心がある。複数の技術の選択肢のうち、レーザ分離が異なる複数のアプローチを用いて良好に実証されている。上記技術は：１）所望の１つ又は複数のパーツの境界とその鋳型と間の材料の実際の除去；２）所望のプロファイルの周縁に沿った割れ開始点によって材料を弱化させるか、又は割れの始点を形成するための、材料の体積内での欠陥の生成と、これに続く副次的破断ステップ；及び３）熱応力分離による初期割れの伝播を含む。これらのレーザ切断プロセスは、精度、良好な縁部仕上げ、並びに競合技術（機械的スクライビング及び破断、高圧水噴射及び超音波フライス削り等）に比べて低い残留応力といった、コスト面及び技術面での本質的利点を実証している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
それにもかかわらず、多層複合フュージョンドローガラス基板を切断及び分離するための改良されたプロセスが依然として必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本出願は、仕上げされた縁部を有する切断複合ガラス物品の製造、及び１つ又は複数のレーザを用いて上記物品を切断する方法に関する。
【０００７】
一実施形態では、フュージョン形成ガラス複合体加工物をレーザ加工する方法は、ビーム伝播方向に沿って配向され、上記フュージョン形成ガラス複合体加工物に向けられたレーザビーム焦線に、パルスレーザビームを集束させるステップを含み、上記レーザビーム焦線は、加工物内での誘起吸収を生成し、この誘起吸収は、加工物内においてレーザビーム焦線に沿った欠陥線を形成する。本方法はまた、加工物及びレーザビームを輪郭に沿って互いに対して並進移動させることにより、加工物内に複数の欠陥線を形成するステップも含み、上記欠陥線は、０．５マイクロメートル〜２０マイクロメートルの距離だけ離間している。レーザビーム焦線の長さは０．０１ｍｍ〜約１００ｍｍとすることができる。より好ましくは、焦線の長さは約０．１ｍｍ〜約１０ｍｍとすることができる。更に好ましくは、レーザビーム焦線の長さは約０．１ｍｍ〜約１ｍｍである。パルスレーザビームの材料における測定された平均レーザエネルギは、材料１ｍｍあたり４０μＪ超とすることができる。別の実施形態では、ガラス物品を上述の方法によって作製する。
【０００８】
別の実施形態では、ガラス物品は、第１の表面と、第２の表面と、第１の表面と第２の表面との間に少なくとも２５０マイクロメートル延在する複数の欠陥線を有する少なくとも１つの縁部とを有する、ガラス複合体を含む。各欠陥線の直径は、約５マイクロメートル以下である。ガラス複合体は、フュージョン形成ガラス複合体とすることができる。隣接する欠陥線の間隔は０．１マイクロメートル〜２０マイクロメートルとすることができる。ガラス物品は３つの層：熱膨張係数ＣＴＥ１、厚さＴＨ１の第１の組成物を含む最外層；第１の組成物とは異なる熱膨張係数ＣＴＥ２の第２の組成物を含む、最外層と最外層との間に位置する内部層を含むことができ、ＣＴＥ１はＣＴＥ２よりも大きくてよい。最外ガラス層は圧縮応力下にあってよく、内部層は引張応力下にあってよく、ＴＨ１に対するＴＨ２の比は４〜２０とすることができる。ガラス物品は、内部層の中央張力が５メガパスカル（ＭＰａ）超であってよく、欠陥線は縁部の厚さ全体に延在してよい。縁部の表面粗度Ｒａは約０．５マイクロメートル未満とすることができ、縁部は、約７５マイクロメートル以下の深さの表面下損傷を有してよい。
【０００９】
フュージョン形成複合ガラスシートと、以下に記載するレーザ切断方法との組合せにより、優れた縁部強度、４点曲げ強度、並びに無視できる程度の破片及び縁部に対する最小の損傷しか有しない（これによって強度が維持される）表面仕上げを有する、複合ガラス物品が得られる。
【００１０】
本開示は：
フュージョン形成ガラス複合体加工物をレーザ加工する方法において：
ビーム伝播方向に沿って配向され、上記フュージョン形成ガラス複合体加工物に向けられたレーザビーム焦線に、パルスレーザビームを集束させるステップであって、上記レーザビーム焦線は、加工物内での誘起吸収を生成し、この誘起吸収は、加工物内においてレーザビーム焦線に沿った欠陥線を形成する、ステップ；並びに
加工物及びレーザビームを輪郭に沿って互いに対して並進移動させることにより、加工物内に複数の欠陥線を形成するステップであって、上記欠陥線は、０．５マイクロメートル〜２０マイクロメートルの距離だけ離間している、ステップ
を有してなる方法に及ぶ。
【００１１】
本開示は：
第１の表面と、第２の表面と、第１の表面と第２の表面との間に少なくとも２５０マイクロメートル延在する複数の欠陥線を有する少なくとも１つの縁部とを備える、ガラス物品であって、各欠陥線の直径は、約５マイクロメートル以下である、ガラス物品に及ぶ。
【００１２】
以上は、同様の参照符号は異なる複数の図を通して同一のパーツを示す添付の図面において図示されている例示的実施形態に関する、以下のより詳細な説明から、明らかになるであろう。これらの図は必ずしも正確な縮尺ではなく、例示的実施形態を図示するにあたって強調が施されている。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】複合ガラスシートを示す図
【図２Ａ】レーザビーム焦線の位置決めを示す図
【図２Ｂ】レーザビーム焦線に沿った誘起非線形吸収の領域内の欠陥線の形成を示す図
【図３Ａ】一実施形態によるレーザ加工のための光学組立体を示す図
【図３Ｂ１】基板又は加工物に対してレーザビーム焦線を様々に位置決めすることによって基板を加工するある選択肢を示す図
【図３Ｂ２】基板又は加工物に対してレーザビーム焦線を様々に位置決めすることによって基板を加工する別の選択肢を示す図
【図３Ｂ３】基板又は加工物に対してレーザビーム焦線を様々に位置決めすることによって基板を加工するさらに別の選択肢を示す図
【図３Ｂ４】基板又は加工物に対してレーザビーム焦線を様々に位置決めすることによって基板を加工するさらなる選択肢を示す図
【図４】レーザ加工のための光学組立体の第２の実施形態を示す図
【図５Ａ】レーザ加工のための光学組立体の第３の実施形態を示す図
【図５Ｂ】レーザ加工のための光学組立体の第３の実施形態を示す図
【図６】レーザ加工のための光学組立体の第４の実施形態を示す図
【図７】材料のレーザ加工のためのレーザ強度に関する異なる複数の方式を示す図。図７Ａは集束されていないレーザビームを示し、図７Ｂは球面レンズを用いて集光されたレーザビームを示し、図７Ｃはアキシコン又は回折フレネルレンズを用いて集光されたレーザビームを示す。
【図８Ａ】ピコ秒レーザに関するレーザ放出を時間の関数として示す図。各放出は、１つ又は複数のサブパルスを含み得るパルス「バースト」を特徴とする。パルス持続時間、パルス間の間隔、及びバースト間の間隔に対応する時間が図示されている。
【図８Ｂ】０．７ｍｍ厚のＣｏｒｎｉｎｇ２３２０ＮＩＯＸ（ｎｏｔ  ｉｏｎ  ｅｘｃｈａｎｇｅｄ：イオン交換されていない）の、直線状に切断されたストリップの縁部画像
【図９】本開示に従って切断されたフュージョン形成ガラス複合体の縁部画像
【図１０】抜き出される予定の物品を有する複合ガラスシートを示す図
【図１１】分離した孔及びスロットを有する複合ガラス物品を示す図
【図１２】本開示に従って切断されたフュージョン形成ガラス複合体の縁部強度の、酸エッチング前及び後の縁部強度結果を示すグラフ
【図１３】等間隔に離間した改質したガラスによる、欠陥線の図
【図１４】機械的又はＣＯ２レーザスコーリングを用いた、連続溶融ガラス製造プロセスのための既存のガラス切断アプローチを示す図
【図１５】１５Ａはガラスドロー上でガラスをレーザで切断する方法を示す図であり、ここでは水平レーザカットを用いてガラスプレートをドローから分離する。１５Ｂはガラスドロー上でガラスをレーザで切断する方法を示す図であり、ここではレーザを用いてガラスシートの高品質領域を切断し、ガラスの高品質セクションをドローから除去する。
【図１６】ドローの上部にあるビードを切断し、ドローの比較的下部にあるシートを水平に切断することによる、ドロー上でガラスをレーザで切断する方法を示す図
【図１７】水平な切断によってドローからガラスを除去した後、別個の垂直な切断によってガラスビードを除去することによる、ドロー上でガラスをレーザで切断する方法を示す図
【図１８】トリム部分又は廃棄部分のガラスをシートから除去するために、ドローからのガラスのレーザによる切断を使用する様子の図
【図１９】ガラスシートをそのアニール点付近の温度に保持する多段炉を用いた、ドロー上でのレーザによる切断プロセスを示す図
【図２０】ドロー上で切断されたガラスシートに対して、所定の温度冷却プロファイルを適用するよう構成された、多段炉を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
これより、例示的実施形態を説明する。
【００１５】
本明細書に記載の実施形態は、透明材料の薄型基板、特に目的に合わせて加工された複合フュージョンドローガラスシートの任意の形状を切断及び分離するための方法に関する。材料は好ましくは、選択されたレーザ波長に対して実質的に透過性（即ち材料の深さ１ｍｍ当たりの吸収率が約１０％未満、好ましくは約１％未満）とするべきである。このレーザ法は、パネルからのパーツの手動分離、又は所望のプロファイルの熱応力印加による完全にレーザによる分離に適合させることができる。自動分離方法は、超短パルスレーザの利用を伴い、完全に自動化された分離のためにＣＯ２レーザを続けて使用してよい。
【００１６】
切断の目標は、複合ガラスの薄型基板からの、内部の孔又はスロットを有する及び有しない任意の形状の物品の精密な切断及び分離を提供することである。このプロセスは、破片が無視できる程度であり、欠陥が最小であり、分離されたパーツに対する表面下損傷が小さい状態で、制御可能な様式でパーツを分離する。分離されたパーツの縁部における欠陥が最小であり、かつ表面下損傷が小さいことにより、分離されたパーツの強度が維持され、外部からの衝撃時のバーツの破損が防止される。このレーザ法は、選択されたレーザ波長に対して透過性の材料に対して好適である。この切断方法の実証は、シート厚０．７ｍｍ〜１．２ｍｍの複合体シートを用いて実施したが、本開示の方法を用いていずれの厚さの複合体シートをしてよいと考えられる。
【００１７】
切断プロセスによって引き起こされる微小割れ及び材料の改質を含む、切断表面に対して略垂直に配向される表面下損傷は、ガラス又はその他の脆性材料の縁部強度に関する懸案事項である。
【００１８】
本明細書において使用される場合、表面下損傷は、本開示によるレーザ加工を受けた基板又は材料から分離されたパーツの周縁表面における構造的不完全部分の最大サイズ（例えば長さ、幅、直径）を表す。構造的不完全部分は上記周縁表面から延在するため、表面下損傷は、本開示によるレーザ加工による損傷が発生する周縁表面からの最大深さとも考えられる。本明細書において、分離されたパーツの周縁表面は、分離されたパーツの縁部又は縁部表面を表し得る。構造的不完全部分は割れ又は空所であってよく、基板又は材料から分離されたパーツの破砕又は破損を促進する機械的弱点を表す。表面下損傷のサイズを最小化することにより、本発明は、分離されたパーツの構造的完全性及び機械的強度を改善する。
【００１９】
表面下損傷の深さは、共焦点顕微鏡を用いて切断表面を見ることによって測定でき、この顕微鏡は、数ｎｍの光学的解像度を有する。表面反射は無視されるが、材料内の割れは調べられ、これらの割れは明るい線として現れる。「スパーク」がなくなるまでこの顕微鏡の焦点を材料に合わせ、規則的な間隔で画像を収集する。割れを発見し、ガラスの深さを通してこれらをトレースし、表面下損傷の最大深さ（典型的にはマイクロメートルで測定される）を決定することによって、これらの画像を手動で処理する。典型的には数千もの微小割れが存在するため、典型的には最も大きい微小割れのみを測定する。このプロセスを、１つの切断縁部の約５箇所に対して繰り返す。微小割れは切断表面に対して概ね垂直であるが、切断表面に対して完全に垂直であるいずれの割れは、この方法では検出できない。
【００２０】
本明細書に記載の方法を用いると、表面下損傷は最小化され、縁部の近傍の小さな領域に限定される。表面下損傷は、縁部の表面に対する深さが１００μｍ以下、又は７５μｍ以下、又は６０μｍ以下、又は５０μｍ以下に限定され得、切断はごく少量の破片しか生成し得ない。本開示による、レーザを用いた透明材料の切断は、本明細書では穿孔又はレーザ穿孔又はレーザ加工と呼ぶ場合もある。
【００２１】
このレーザ法の基本となるステップは、断層線を生成することであり、この断層線は、パーツの所望の形状の境界を形成し、割れの伝播、従って成形されたパーツを取り囲む基板マトリクスからの該パーツの分離及び取り外しのために、耐性が最も低い経路を確立する。断層線は、レーザによって形成された、間隔が小さい一連の複数の欠陥線（本明細書では穿通孔、孔又は損傷トラックとも呼ばれる）からなる。このレーザ分離法は、元々の基板からの所望の形状のガラスパーツの手動又は機械的分離、部分的分離又は完全な分離を可能とするよう調整及び構成できる。
【００２２】
第１のステップでは、加工対象の材料（例えば物体又は加工物）に、超短パルスレーザビームを照射し、この超短パルスレーザビームは、基板を貫通する高アスペクト比線状焦点（本明細書ではレーザビーム焦線と呼ぶ）に集光される。この高エネルギ密度レーザ照射の容積内において、非線形効果によって材料が改質される。非線形吸収を誘起するためには、臨界閾値を超える光学的強度が必要となることに留意することが重要である。上記臨界強度閾値未満では、材料はレーザ照射に対して透過性となり、その元々の状態のままとなる。ある所望の線又は経路に亘ってレーザで走査することによって、本発明者らは、一連の複数の欠陥線からなる断層線（数マイクロメートル幅）を生成する。断層線は、後続の加工ステップにおいて分離されるパーツの周縁又は形状を画定する。
【００２３】
レーザ源の選択は、フュージョン形成ガラス複合体加工物を含む透明材料における非線形吸収を誘起する能力に基づく。非線形吸収は、多光子吸収（ＭＰＡ）を含む。ＭＰＡは、材料を比較的低いエネルギ状態（通常グランド状態）からより高いエネルギ状態（励起状態）へと励起するための、同一の又は異なる周波数の多数の（２つ以上の）光子の同時吸収である。励起状態は、励起された電子的状態又はイオン化状態であってよい。材料の高エネルギ状態と低エネルギ状態との間のエネルギ差は、上記２つ以上の光子のエネルギの合計に等しい。ＭＰＡは、一般には線形吸収よりも数段弱い大きさの非線形プロセスである。これは、ＭＰＡの強度が光の強度の二乗以上の力に依存し、これによってＭＰＡが非線形光学プロセスとなる点で、線形吸収とは異なる。通常の光強度では、ＭＰＡは無視できる。本明細書に記載のレーザビーム焦線を含むレーザ源（特にパルスレーザ源）の集束領域等における光強度（エネルギ密度）が極めて高い（臨界閾値超である）場合、ＭＰＡは目に見えるものとなり、光源のエネルギ密度が十分に高い領域内の材料において測定可能な効果をもたらす。集束領域内においても、エネルギ密度は、イオン化が得られる程度に十分に高いものとなり得る。
【００２４】
原子レベルにおいて、個々の原子のイオン化は、別個のエネルギ要件を有する。ガラス中に一般に使用される複数の元素（例えばＳｉ、Ｎａ、Ｋ）は、イオン化エネルギが比較的低い（〜５ｅＶ）。ＭＰＡという現象を用いない場合、〜５ｅＶにおける線形イオン化を生成するには約２４８ｎｍの波長が必要となる。ＭＰＡを用いる場合、エネルギに関して〜５ｅＶだけ分離した状態間のイオン化又は励起は、２４８ｎｍより長い波長を用いて達成できる。例えば、波長５３２ｎｍの光子は〜２．３３ｅＶのエネルギを有するため、波長５３２ｎｍの２つの光子は、例えば２光子吸収（ＴＰＡ）において、エネルギに関して〜４．６６ｅＶだけ分離した状態間の遷移を誘起できる。従って、レーザビームのエネルギ密度が、必要な励起エネルギの半分のエネルギを有するレーザ波長の非線形ＴＰＡを誘起するできる程度に十分に高い、材料の領域において、原子及び結合を選択的に励起又はイオン化できる。
【００２５】
ＭＰＡにより、励起された原子又は結合の、隣接する原子又は結合からの局所的再構成及び分離をもたらすことができる。結合又は構成において得られるこのような改質により、ＭＰＡが起こる材料の領域からの、物質の非熱的融除及び除去をもたらすことができる。この物質の除去は構造的欠陥（例えば欠陥線、損傷線又は「穿通孔」）を生成し、これは材料を機械的に弱化し、機械的又は熱的応力の印加時に割れ又は破砕を発生し易くする。穿通孔の配置を制御することによって、割れが発生する輪郭又は経路を正確に画定でき、材料の正確な微小機械加工を達成できる。一連の穿通孔によって画定された輪郭は、断層線と考えることができ、これは材料中の構造的に弱い領域に対応する。一実施形態では、微小機械加工は、レーザで加工された材料からのパーツの分離を含み、ここで上記パーツは、レーザが誘起したＭＰＡ効果によって形成された複数の穿通孔の閉じた輪郭によって決定された、正確に画定された形状又は周縁を有する。本明細書において使用される場合、用語「閉じた輪郭（ｃｌｏｓｅｄ  ｃｏｎｔｏｕｒ）」は、レーザの線で形成された穿通孔経路を指し、ここでこの経路はいくつかの場所でそれ自体と交差する。内部輪郭は、得られる形状が材料の外側部分によって完全に取り囲まれている場所に形成される経路である。
【００２６】
好ましいレーザは、パルスモード又はバーストモードで動作できる超短パルスレーザ（パルス持続時間が数十ピコ秒以下のレベル）である。パルスモードでは、公称では同一の一連の複数の単一パルスがレーザから放出されて加工物に向けられる。パルスモードでは、レーザの繰り返し数は、パルス間の時間的間隔によって決定される。バーストモードでは、パルスのバーストがレーザから放出され、ここで各バーストは（同一の又は異なる振幅の）２つ以上のパルスを含む。バーストモードでは、１つのバースト内のパルスは（バーストに関するパルス繰り返し数を画定する）第１の時間間隔によって分離され、バーストは（バースト繰り返し数を画定する）第２の時間間隔によって分離され、第２の時間間隔は典型的には第１の時間間隔よりも遥かに長い。（パルスモードの文脈であるかバーストモードの文脈であるかにかかわらず）本明細書において使用される場合、時間間隔は、パルス又はバーストの対応する部分間（例えば前縁部‐前縁部間、ピーク‐ピーク間、又は後縁部‐後縁部間）の時間差を指す。パルス及びバースト繰り返し数はレーザの設計によって制御され、典型的には、例えばレーザの動作条件を調整することにより、限度内で調整できる。典型的なパルス及びバースト繰り返し数は、ｋＨｚ〜ＭＨｚ範囲内である。
【００２７】
（パルスモードにおける、又はバーストモードのバースト内のパルスに関する）レーザパルス持続時間は、１０‐１０秒以下、又は１０‐１１秒以下、又は１０‐１２秒以下、又は１０‐１３秒以下であってよい。本明細書に記載の例示的実施形態では、レーザパルス持続時間は１０‐１５秒超である。
【００２８】
穿通孔は離間していてよく、またレーザ及び／又は基板若しくは積層体の運動の制御によって、レーザに対する基板又は積層体の速度を制御することにより、穿通孔を正確に位置決めできる。例として、１００ｋＨｚの一連のパルス（又はパルスのバースト）に曝露される、２００ｍｍ／秒で移動する薄型透明基板において、個々のパルスは２マイクロメートル離間し、これによって２マイクロメートル離間した一連の穿通孔が生成されることになる。この欠陥線（穿通孔）間隔は、一連の穿通孔によって画定される輪郭に沿った機械的又は熱的分離を可能とすることができるよう十分に近い。断層線の方向に沿った隣接する欠陥線の間の距離は、例えば０．２５μｍ〜５０μｍ、又は０．５０μｍ〜２０μｍ、又は０．５０μｍ〜１５μｍ、又は０．５０μｍ〜１０μｍ、又は０．５０μｍ〜３．０μｍ、又は３．０μｍ〜１０μｍとすることができる。
【００２９】
垂直な欠陥を有する断層線が生成されると、以下によって分離を発生させることができる：１）断層線上又は断層線の周りでの手動又は機械的応力；応力又は圧力は、断層線の両側を離れるように引っ張る張力を生成し、まだ一体として結合している領域を破断することになる；２）熱源を使用して、断層線の周りに応力領域を生成することにより、垂直な欠陥線に張力を印加し、部分的な又は完全な自己分離を誘起する。いずれの場合においても、分離は、レーザ走査速度、レーザ強度、レンズのパラメータ、パルス幅、繰り返し数等といったプロセスパラメータのうちの複数に左右される。
【００３０】
フュージョン形成ガラス複合体シートは、多層フュージョンドローシステムで作製できる。図１に示すように、複合体は、コア層の各表面上の少なくとも１つの外側クラッド層からなる。本明細書ではクラッド層を外側層又は最外層とも呼び、また本明細書ではコア層を内部層とも呼ぶ。一実施形態では、ガラス複合体は、中間から高い熱膨張係数（ＣＴＥ）ガラスであるコア層を有し、その一方で外側層は低ＣＴＥガラスである。これらのシートは、コア層とクラッド層との間の組成上の差異に基づく、自然に予備応力が印加された中央コアを有する。このような複合体シートは、損傷することなく、使用可能な複数のパーツに切断及び分離するのが困難である場合が多い。更に、分離したパーツ内に内部開口部（例えばスロット又は孔）を形成するのが困難である場合がある。
【００３１】
本開示は、図１に示すタイプの、目的に合わせて加工されたコア及びクラッド領域を有するもの等の複合ガラスシートからの、（本明細書では物品とも呼ばれる）パーツの分離に関する。コア及びクラッドガラスの代表的な組成物は、以下の通りである：クラッド層は、約６０モル％〜約６６モル％のＳｉＯ２；約７モル％〜約１０モル％のＡｌ２Ｏ３；約１４モル％〜約１８モル％のＢ２Ｏ３；及び約９モル％〜約１６モル％のアルカリ土類酸化物を含むガラス組成物であり、ここで上記アルカリ土類酸化物は少なくともＣａＯを含み、ＣａＯは上記ガラス組成物中に、約３モル％〜約１２モル％の濃度で存在し；上記ガラス組成物は、アルカリ金属及びアルカリ金属を含有する化合物を実質的に含まない。ある具体的なクラッドガラス組成物を表１に示す。
【００３２】
【表１】
2020073446.tif 000003
【００３３】
代表的なコアガラス組成物は：約６０モル％〜約７５モル％のＳｉＯ２；約２モル％〜約１１モル％のＡｌ２Ｏ３；０モル％〜約１１モル％のＢ２Ｏ３；０モル％〜約１モル％のＮａ２Ｏ；約１モル％〜約１８モル％のＫ２Ｏ；０モル％〜約７モル％のＭｇＯ；０モル％〜約９モル％のＣａＯ；約１モル％〜約８モル％のＳｒＯ；０モル％〜約４モル％のＢａＯ；及び約３モル％〜約１６モル％のＲ’Ｏを含み、ここでＲ’Ｏは、組成物中のＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ及びＢａＯの合計モル％を含む。ある具体的なコアガラス組成物を表２に示す。
【００３４】
【表２】
2020073446.tif 000004
【００３５】
図１に示すフュージョン形成ガラス複合体シートのレーザ穿孔及び分離は、以下に記載の方法を用いて達成される。
【００３６】
このレーザ切断法は、線形強度方式又は低いレーザ強度におけるレーザの波長に対する材料の透過性によるものであり、これは、レーザ焦点周辺の高強度領域によって生成される高い表面品質及び低減された表面下損傷の維持を可能とする。本明細書に記載の方法を用いると、加工物の縁部は例えば、約７５マイクロメートル以下の深さまでの表面下損傷を有し得る。本プロセスを可能にする重要な要素のうちの１つは、超短パルスレーザが生成する欠陥の高いアスペクト比である。これにより、切断される材料の上面から底面へと延在する欠陥線を生成できる。原理的には、欠陥線は単一のパルス、又は複数のパルスの単一のバーストによって生成でき、必要に応じて、欠陥線を形成するため又は影響を受ける領域の範囲（例えば深さ及び幅）を増大させるために、追加のパルス又はバーストを使用できる。
【００３７】
透明材料を切断及び分離するための方法は、本質的には、超短パルスレーザを用いて加工される材料内に断層線を生成することに基づくものであり、上記断層線は、材料から分離されるパーツの所望の周縁を画定するために配設される一連の欠陥線からなる。材料の特性（吸収率、ＣＴＥ、応力、組成等）及び材料の加工のために選択されるレーザパラメータに応じて、自己分離を誘起するために断層線の生成だけで十分とすることができる。この場合、張力／屈曲力、加熱又はＣＯ２レーザといった副次的な分離プロセスは不要となる。
【００３８】
場合によっては、一連の穿通孔又は欠陥線で画定された輪郭に沿って生成された断層線は、パーツを自発的に分離させるには不十分であり、副次的なステップが必要となる場合がある。これが望ましい場合は、例えば第２のレーザを用いて熱応力を生成し、パーツを分離できる。本発明者らは、フュージョン形成ガラス複合体の場合に、機械的力の印加によって、又はＣＯ２レーザを用いて熱応力を生成することによって、断層線を生成し、パーツの分離を実行することによって、分離を達成できることを発見した。別の選択肢は、ＣＯ２レーザによって分離を単に開始させ、手動で分離を完了することである。任意のＣＯ２レーザによる分離は、デューティサイクルを制御することによって出力が調整された、１０．６マイクロメートルで放出を行うデフォーカスｃｗレーザを用いて達成される。焦点変更（即ちある程度のデフォーカス）を用いてスポットサイズを変更することによって、誘起される熱応力を変化させる。デフォーカスレーザビームは、レーザの波長のサイズと同等の最小の回折限界スポットサイズよりも大きいスポットサイズを生成するレーザビームを含む。例えばＣＯ２レーザに関して、例えば約７ｍｍ、２ｍｍ及び２０ｍｍのデフォーカススポットサイズを使用でき、上記ＣＯ２レーザの回折限界スポットサイズは、放出波長が１０．６マイクロメートルの場合、遥かに小さくなる。
【００３９】
欠陥線を生成するための方法は複数存在する。線状焦点を形成するための光学的方法はドーナツ状レーザビーム及び球面レンズ、アキシコンレンズ、回折素子を使用する複数の形態、又は高強度の線形領域を形成するための他の方法を取ることができる。非線形光学的効果によって基板材料又はフュージョン形成ガラス複合体加工物中の集束領域の基板又は加工物材料の破壊を生成するために十分な光学的強度に到達しさえすれば、レーザのタイプ（ピコ秒、フェムト秒等）及び波長のタイプ（ＩＲ、緑色、ＵＶ等）も変更できる。
【００４０】
本出願では、高アスペクト比の垂直な欠陥線を、一貫した、制御可能かつ反復可能な方法で生成するために、超短パルスレーザを使用する。この垂直な欠陥線の生成を可能とする光学的設定の詳細については以下に記載され、また２０１３年１月１５日出願の米国特許出願第６１／７５２４８９号明細書に記載されている。上記特許出願の内容全体は、それが出願において完全に記載されているかのように、参照により本出願に援用される。このコンセプトの本質は、超短（ピコ秒又はフェムト秒の持続時間の）ベッセルビームを使用して高アスペクト比かつ傾斜のない微小チャネルを生成するために、光学レンズ組立体中にアキシコンレンズ素子を使用することである。換言すると、上記アキシコンは、レーザビームを、基板材料中の円筒形かつ高アスペクト比（長さが長く直径が小さい）の高強度領域に集光させる。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、レーザ及び基板材料の電磁場の非線形相互作用が発生し、レーザエネルギが基板に伝達されて複数の欠陥の形成が発生し、これらが断層線の構成要素となる。しかしながら、レーザエネルギ強度が高くない材料の領域（例えば中央収束線を取り囲む基板のガラス容積）において、材料はレーザに対して透過性であり、レーザから材料へとエネルギを伝達する機序が存在しないことを理解することが重要である。結果として、レーザ強度が非線形閾値未満であれば、ガラス又は加工物には何も起こらない。
【００４１】
図２Ａ及び２Ｂに移ると、材料をレーザ加工する方法は、パルスレーザビーム２を、ビーム伝播方向に沿って配向されたレーザビーム焦線２ｂに集束させるステップを含む。レーザビーム焦線２ｂは、例えばベッセルビーム、エアリービーム、ウェーバービーム及びマチュービーム（即ち非回折ビーム）といった複数の方法で生成でき、これらのビームの場のプロファイルは典型的には、ガウス関数よりも横断方向（即ち伝播の方向）においてよりゆっくりと減衰する特別な関数によって与えられる。図３Ａに示すように、レーザ３（図示せず）はレーザビーム２を放出し、このレーザビーム２は、光学組立体６に入射する部分２ａを有する。光学組立体６は入射したレーザビームの方向を、ビーム方向（焦線の長さｌ）に沿った所定の広がり範囲に亘って、出力側のレーザビーム焦線２ｂへと変化させる。平面状の基板１は、レーザビーム２のレーザビーム焦線２ｂと少なくとも部分的に重なるように、ビーム経路内に位置決めされる。従ってレーザビーム焦線は基板へと向けられる。参照符号１ａは、平面状の基板の、光学組立体６又はレーザそれぞれに対面する表面を指し、参照符号１ｂは、基板１の反対側の（遠方の）表面を指す。基板又は加工物の厚さ（この実施形態では平面１ａ及び１ｂに対して、即ち基板平面に対して垂直に測定される）は、ｄで標識する。基板又は加工物は材料と呼ぶ場合もあり、例えばレーザビーム２の波長に対して略透過性のガラス物品である場合がある。
【００４２】
図２Ａに示すように、基板１（又はフュージョン形成ガラス複合体加工物）は、長手方向ビーム軸に対して略垂直に、及びこれに伴って、光学組立体６が生成した同一の焦線２ｂの後側に整列される（基板は図の平面に対して垂直である）。焦線がビーム方向に沿って配向又は整列されると、基板は焦線２ｂに対して、焦線２ｂが基板の表面１ａの前で始まり、基板の表面１ｂの前で止まる、即ち焦線２ｂが基板内で終端し、表面１ｂを超えないように、位置決めされる。レーザビーム焦線２ｂと基板１の重複領域において、即ち焦線２ｂで被覆された基板材料において、レーザビーム焦線２ｂは、（レーザビーム焦線２ｂに沿った好適なレーザ強度（この強度は、長さｌのセクション、即ち長さｌの線状焦点上にレーザビーム２が集束することを保証する）を想定した場合に）（長手方向のビーム方向に沿って整列された）セクション２ｃを生成し、上記セクション２ｃに沿って、非線形誘起吸収が基板材料中で生成される。非線形誘起吸収は、セクション２ｃに沿った基板材料中での欠陥線の形成を引き起こす。
【００４３】
欠陥線は、略透明な材料中の、微小な（例えば直径が＞１００ｎｍかつ＜０．５マイクロメートルの）細長い「孔」（本明細書では穿通孔又は損傷トラックとも呼ばれる）であり、これは、１つ若しくは複数の高エネルギパルス、又は高エネルギパルスの１つ若しくは複数のバーストを用いて生成される。穿通孔は、レーザによって改質された基板材料の領域を表す。レーザが誘起する改質は、基板材料の構造を崩壊させ、機械的に弱い部位を構成する。構造的崩壊は、圧縮、溶融、材料の脱落、再構成及び結合切断を含む。穿通孔は基板材料内へと延在し、レーザの断面形状（通常は円形）と一致する断面形状を有する。穿通孔の平均直径は、０．１μｍ〜５０μｍ、又は１μｍ〜２０μｍ、又は２μｍ〜１０μｍ、又は０．１μｍ〜５μｍであってよい。いくつかの実施形態では、穿通孔は「貫通孔」であり、これは基板材料の上部から底部まで延在する孔又は開放チャネルである。いくつかの実施形態では、穿通孔は連続した開放チャネルでなくてよく、レーザによって材料から脱落した固体材料のセクションを含んでよい。脱落した材料は、穿通孔が画定する空間を塞ぐか、又は部分的に塞ぐ。脱落した材料のセクション間に、１つ又は複数の開放チャネル（非閉塞領域）が散乱していてよい。開放チャネルの直径は＜１０００ｎｍ、又は＜５００ｎｍ、又は＜４００ｎｍ、又は＜３００ｎｍ、又は１０ｎｍ〜７５０ｎｍ、又は１００ｎｍ〜５００ｎｍであってよい。本明細書に開示の実施形態において、上記孔を取り囲む、材料の崩壊した又は改質された（例えば圧縮された、溶融された又はその他の方法で変化した）領域は、好ましくは＜５０μｍ（例えば＜１０μｍ）の直径を有する。
【００４４】
個々の穿通孔は、例えば数百キロヘルツ（１秒あたり数十万個の穿通孔）の速さで生成できる。レーザ源と材料との間の相対運動により、穿通孔を互いに隣接して配置できる（所望に応じて空間的間隔を１マイクロメートル未満から数マイクロメートル、又は数十マイクロメートルにまで変更できる）。この空間的間隔（ピッチ）は、材料又は加工物の分離を促進できるように選択できる。いくつかの実施形態では、欠陥線は「貫通孔」であり、これは略透明な材料の上部から底部まで延在する孔又は開放チャネルである。欠陥線の形成は局所的なものだけではなく、誘起吸収のセクション２ｃの全長に亘って延在する。セクション２ｃの長さ（これはレーザビーム焦線２ｂと基板１との重複の長さに対応する）は、参照符号Ｌで標識される。誘起吸収セクション２ｃ（又は欠陥線の形成が実行される基板１の材料のセクション）の平均直径又は範囲は、参照符号Ｄで標識される。この平均範囲Ｄは基本的には、レーザビーム焦線２ｂの平均直径δ、即ち約０．１マイクロメートル〜約５マイクロメートルの平均スポット直径に対応する。ベッセルビームのスポット直径Ｄは、Ｄ＝（２．４０４８λ）／（２πＢ）と記述でき、ここでλはレーザビームの波長であり、Ｂはアキシコン角度の関数である。
【００４５】
図２Ａに示すように、（レーザビーム２の波長λに対して透過性の）基板材料は、焦線２ｂ内のレーザビームの高い強度に関連する非線形効果（例えば２光子吸収、多光子吸収）に起因する、焦線２ｂに沿った誘起吸収により、加熱される。図２Ｂは、加熱された基板材料が最終的に膨張することにより、対応する誘起張力が微小割れの形成を引き起こし、上記張力は表面１ａにおいて最高となることを図示している。
【００４６】
焦線２ｂを生成するために適用できる代表的な光学組立体６、及びこれらの光学組立体を適用できる代表的な光学的設定について、以下に記載する。全ての組立体又は設定はこれまでの記載に基づくものであり、従って、同一の構成部品若しくは特徴部分又は機能が同一の構成部品若しくは特徴部分に関しては同一の参照符号を用いる。従って差異のみを以下に記載する。
【００４７】
分離されたパーツ（分離はこれに沿って発生する）の表面の（破断強度、幾何学的精度、粗度及び再機械加工の必要の回避に関する）高い品質を保証するために、基板表面上に分離の線に沿って位置決めされた個々の断層線を、以下に記載の光学組立体（以下、この光学組立体は代替的にレーザ光学部品とも呼ばれる）を用いて生成する必要がある。分離された表面（又は切断縁部）の粗度は主に、断層線のスポットサイズ又はスポット直径によって決定される。表面の粗度は例えば、ＡＳＭＥ  Ｂ４６．１規格によって定義されたＲａ表面粗度パラメータによって特徴決定できる。ＡＳＭＥ  Ｂ４６．１に記載されているように、Ｒａは、評価長さ内で記録された、中心線からの表面プロファイルの高さ偏差の絶対値の算術平均である。別の言い方をすると、Ｒａは、中心に対する表面の個々の特徴部分（山及び谷）の絶対高さ偏差の組の平均である。
【００４８】
例えば（基板１の材料と相互作用する）レーザ３の所定の波長λの場合に０．５マイクロメートル〜２マイクロメートルという小さいスポットサイズを達成するために、通常、レーザ光学部品６の開口数に対して特定の要件を課す必要がある。これらの要件は、以下に記載のレーザ光学部品６によって満たされる。
【００４９】
必要な開口数を達成するために、上記光学部品は、公知のアッベの式（開口数＝ｎｓｉｎθ、ｎ：加工されるガラス又は複合体加工物の屈折率、θ：開口角度の１／２；及びθ＝ａｒｃｔａｎ（ＤＬ／２ｆ）；ＤＬ：開口の直径、ｆ：焦点距離）に従って、所定の焦点距離に関して必要な開口を配置しなければならない。その一方でレーザビームは上記光学部品を、上記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、レーザと集束用光学部品との間の拡大用望遠鏡を用いたビームの拡大によって達成される。
【００５０】
焦線に沿った均一な相互作用のために、スポットサイズは、あまり強く変化させ過ぎてはならない。これは例えば、ビーム開口、及びそれに伴って開口数のパーセンテージが僅かしか変化しないように、集束用光学部品を小さな円形領域においてのみ照明することによって保証できる。
【００５１】
図３Ａ（レーザ照射２のレーザビーム束の中央のビームの高さの、基板平面に対して垂直なセクション；ここではまた、レーザビーム２は基板平面に垂直に入射し、即ち入射角θは０°であり、これにより焦線２ｂ又は誘起吸収のセクション２ｃが基板の法線に対して平行となる）によると、レーザ３によって放出されたレーザ照射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円形開口８に向けられる。開口８は長手方向ビーム軸に対して垂直に配向され、図示されているビーム束２ａの中央ビームに対してセンタリングされる。開口８の直径は、ビーム束２ａの中央付近のビーム束又は中央ビーム（ここでは２ａＺで標識される）が開口に当たり、開口によって完全に吸収されるように選択される。開口サイズがビーム直径に比べて削減されているため、ビーム束２ａの外側周縁範囲のビーム（辺縁光線、ここでは２ａＲで標識される）のみが吸収されず、開口８を横断方向に通過し、光学組立体６の集束用光学素子の辺縁領域に当たり、上記光学素子は、この実施形態では球面に切削された両凸面レンズ７として設計される。
【００５２】
図３Ａに示すように、レーザビーム焦線２ｂは、レーザビームのための単一の焦点であるだけでなく、レーザビーム中の異なる複数の光線のための一連の焦点である。上記一連の焦点は、レーザビーム焦線２ｂの長さｌとして図３Ａに示す所定の長さの伸長した焦線を形成する。
【００５３】
レンズ７は中央ビームに対してセンタリングされ、一般的な球面に切削されたレンズの形状の、非補正両凸面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となり得る。代替例として、理想的な焦点を形成しないものの、所定の長さの明確な伸長した焦線を形成する、理想的に補正された系から逸脱した非球面レンズ又は多レンズ系（即ち単一の焦点を有しないレンズ又は系）も使用できる。このように焦線２ｂに沿って集束するレンズの領域は、レンズの中央から離間している。ビーム方向に広がる開口８の直径は、（ビームの強度をピーク強度の１／ｅ２に低減させるために必要な距離によって定義される）ビーム束の直径のおよそ９０％及び光学組立体６のレンズ７の直径のおよそ７５％である。ビーム束を中央においてブロックする非収差補正球面レンズ７の焦線２ｂは、このように使用される。図３Ａは、中央ビームを通る１つの平面内のセクションを示し、図示されているビームが焦線２ｂの周りで回転する際、完全な３次元の束を確認できる。
【００５４】
レンズ７及び図３Ａに示す系が形成するこのタイプの焦線の、１つの潜在的な欠点は、条件（スポットサイズ、レーザ強度）が焦線に沿って（及びこれに伴って材料の所望の深さに沿って）変化し得、従って所望のタイプの相互作用（非溶融、誘起吸収、割れ形成までの熱可塑性変形）が、焦線の選択された部分にしか発生できない場合がある点である。これは即ち、基板材料は入射レーザ光の一部しか所望の様式で吸収しない場合があることを意味する。このようにして、プロセスの効率（所望の分離速度に対して必要な平均レーザ出力）が損なわれる場合があり、レーザ光は望ましくない領域（基板又は基板保持構造に付着したパーツ又は層）にも伝達され得、上記領域と望ましくない様式で相互作用し得る（例えば加熱、拡散、吸収、不必要な改質）。
【００５５】
図３Ｂ‐１〜４は、（図３Ａの光学組立体に関してのみならず、他のいずれの応用可能な光学組立体６に関して）光学組立体６を基板１に対して好適に位置決めする及び／又は整列させることによって、並びに光学組立体６のパラメータを好適に選択することによって、レーザビーム焦線２ｂの位置を制御できることを示す。図３Ｂ‐１に示すように、焦線２ｂの長さｌは、これが基板厚さｄを超える（ここでは２倍となる）ように調整できる。（長手方向ビーム方向に見て）基板１が焦線２ｂに対して中央に配置されると、誘起吸収のセクション２ｃが基板の厚さ全体に亘って生成される。レーザビーム焦線２ｂは、例えば約０．０１ｍｍ〜約１００ｍｍ、又は約０．１ｍｍ〜約１０ｍｍ、又は約０．１ｍｍ〜約１ｍｍの長さｌを有することができる。様々な実施形態は、例えば約０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、０．５ｍｍ、０．７ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ又は５ｍｍの長さｌを有するように構成できる。
【００５６】
図３Ｂ‐２に示されている場合においては、基板厚さｄにある程度対応する長さｌの焦線２ｂが生成される。基板１は線２ｂに対して、線２ｂが基板の外側の点において始まり、また誘起吸収の領域２ｃの（ここでは基板表面から所定の基板深さまで延在するものの、反対側の表面１ｂまでは延在しない）長さＬが、焦線２ｂの長さｌより小さくなるように位置決めされる。図３Ｂ‐３は、（ビーム方向に対して垂直な方向に沿って見て）基板１が焦線２ｂの始点の上側に位置決めされ、これにより図３Ｂ‐２のように、線２ｂの長さｌが基板１の誘起吸収のセクション２ｃの長さＬより大きくなるような場合を示している。従って焦線は基板内で始まり、反対側の（遠方の）表面１ｂを超えて延在する。図３Ｂ‐４は、焦線の長さｌが基板厚さｄより小さくなり、これによって、入射方向に見て焦線に対して基板が中央に位置決めされている場合、焦線が基板内の表面１ａの近傍で始まって基板内の表面１ｂの近傍で終わる（例えばｌ＝０．７５・ｄ）ような場合を示している。
【００５７】
表面１ａ、１ｂのうちの少なくとも一方が焦線によって被覆され、誘起吸収のセクション２ｃが基板の少なくとも１つの表面上で始まるように、焦線２ｂを位置決めすると、特に有利である。このようにして、表面における融除、フェザリング及び微粒化を回避しながら殆ど理想的な切断を達成できる。
【００５８】
図４は、適用可能な別の光学組立体６を示す。基本的な構成は図３Ａにおいて記載したものと同様であるため、差異のみを以下に記載する。図示されている光学組立体は、焦線２ｂを生成するための、所定の長さｌの焦線が形成されるように成形された非球面自由表面を有する光学部品の使用に基づくものである。この目的のために、光学組立体６の光学素子として非球面レンズを使用できる。図４では、例えば、アキシコンと呼ばれることも多い、所謂円錐プリズムが使用される。アキシコンは、光軸に沿った線上にスポット源を形成する（又はレーザビームをリングに変形させる）、円錐形に切削された特別なレンズである。このようなアキシコンの設計は当業者には一般的に知られており、本例での円錐角は１０°である。ここでは参照符号９で標識されたアキシコンの頂点は、入射方向へと向けられており、ビームの中央に対してセンタリングされる。アキシコン９によって生成された焦線２ｂはアキシコン９の内部で始まるため、基板１（ここではビーム主軸に対して垂直に整列されている）を、アキシコン９のすぐ後側のビーム経路内に位置決めできる。図４に示すように、アキシコンの光学特性によって、基板１を、焦線２ｂの範囲内にあるまま、ビーム方向に沿って変移させることもできる。従って、基板１の材料内の誘起吸収のセクション２ｃは、基板深さｄ全体に亘って延在する。
【００５９】
しかしながら、図示した設計は以下の制約を受ける：アキシコン９が形成する焦線２ｂの領域はアキシコン９内で始まるため、アキシコン９と基板又はガラス複合体加工物材料との間が離間している状況では、レーザエネルギのかなりの部分が、材料内に位置する焦線２ｂの誘起吸収のセクション２ｃへと集束しない。更に、焦線２ｂの長さｌは、アキシコン９の屈折率及び円錐角により、ビーム直径に関連する。これが、比較的薄い材料（数ミリメートル）の場合に焦線全体が基板又はガラス複合体加工物の厚さより遥かに長くなる原因であり、これによりレーザエネルギの大半が材料に集束しない。
【００６０】
このため、アキシコン及び集束用レンズの両方を含む光学組立体６を用いることが望ましい場合がある。図５Ａはこのような光学組立体６を示し、これは、レーザビーム焦線２ｂを形成するよう設計された非球面自由表面を有する第１の光学素子がレーザ３のビーム経路内に位置決めされる。図５Ａに示されている場合では、この第１の素子は、円錐角５°のアキシコン１０であり、これはビーム方向に対して垂直に位置決めされ、レーザビーム３に対してセンタリングされる。アキシコンの頂点はビーム方向に向かって配向される。ここでは平凸レンズ１１（その湾曲面はアキシコンに向かって配向される）である第２の集束用光学素子は、ビーム方向においてアキシコン１０から距離Ｚ１に位置決めされる。距離Ｚ１はこの場合はおよそ３００ｍｍであり、これは、アキシコン１０が形成するレーザ照射がレンズ１１の外径部分に円形に入射するように選択される。レーザは出力側に、この場合は１．５ｍｍの所定の長さの焦線２ｂ上において、この場合はレンズ１１からおよそ２０ｍｍである距離Ｚ２に円形照射を集束させる。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形は、参照符号ＳＲで標識される。
【００６１】
図５Ｂは、図５Ａによる基板１の材料中の焦線２ｂ又は誘起吸収のセクション２ｃの形成を詳細に示す。両素子１０、１１の光学特性及びこれらの位置決めは、ビーム方向の焦線２ｂの長さｌが基板１の厚さｄと完全に一致するように選択される。その結果、図５Ｂに示すように、焦線２ｂが基板１の２つの表面１ａと１ｂとの間に正確に位置決めされるような、ビーム方向に沿った基板１の正確な位置決めが必要となる。
【００６２】
従って、焦線がレーザ光学部品からある一定の距離に形成され、またレーザ照射の大半が焦線の所望の端部に集束すれば有利である。上述のように、これは、一次集束用素子１１（レンズ）を、特定の外径領域全体に亘って円形（環状）にのみ照明することによって達成でき、これは必要な開口数、及びこれに伴って必要なスポットサイズを実現する役割を果たすが、その一方で、スポットの中央の極めて短い距離に亘る必要な焦線２ｂが、基本的に円形のスポットとして形成された後で、拡散の円の強度が減少する。このようにして、欠陥線の形成は、必要な基板深さの短い距離内で停止される。アキシコン１０と集束用レンズ１１との組合せがこの要件を満たす。アキシコンは２つの異なる様式で作用する。即ちアキシコン１０により、通常は丸みを帯びたレーザスポットがリングの形状で集束用レンズ１１に送られ、またアキシコン１０の非球面性は、焦面内の焦点の代わりにレンズの焦面を超えて焦線を形成する効果を有する。焦線２ｂの長さｌは、アキシコン上のビーム直径によって調整できる。一方、焦線に沿った開口数は、距離Ｚ１（アキシコン‐レンズ間の分離）によって、及びアキシコンの円錐角によって調整できる。このようにして、レーザエネルギ全体を焦線に集中させることができる。
【００６３】
欠陥線の形成が基板の裏側まで続くよう構成する場合、円形（環状）照明は、（１）レーザ光の大半が焦線の必要な長さに集中したままとなるという意味でレーザ出力が最適に使用されるという点、並びに（２）円形に照明された領域と、他の光学機能を用いた所望の収差設定とを併せることで、焦線に沿った均一なスポットサイズ、及びこれに伴って焦線に沿った基板からのパーツの均一な分離を達成できるという点で、依然として有利である。
【００６４】
図５Ａに示す平凸レンズの代わりに、集束用メニスカスレンズ又は別のより高度に補正された集束用レンズ（非球面、多レンズ系）も使用できる。
【００６５】
図５Ａに示すアキシコン及びレンズの組合せを用いて、極めて短い焦線２ｂを生成するために、アキシコンに入射するレーザビームの極めて小さいビーム直径を選択する必要がある。これは、アキシコンの頂点に対するビームのセンタリングを極めて正確なものとする必要がある点、及び結果がレーザの方向の変動に対して極めて敏感である点（ビームドリフト安定性）という、実用上の欠点を有する。更に精密にコリメートされたレーザビームは発散性が高く、即ち光の偏向によってビーム束が短い距離に亘ってぼやけてしまう。
【００６６】
図６に示すように、これら両方の効果は、光学組立体６に別のレンズ、即ちコリメートレンズ１２を含めることによって回避できる。追加の正レンズ１２は、集束用レンズ１１の円形照明を極めて精密に調整する役割を果たす。コリメートレンズ１２の焦点距離ｆ’は、アキシコンからコリメートレンズ１２までの距離Ｚ１ａ（これはｆ’に等しい）から所望の円の直径ｄｒが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から集束用レンズ１１まで）によって調整できる。完全に幾何学的な問題として、円形照明の幅が小さいと、焦線が短くなる。距離ｆ’において最小値を達成できる。
【００６７】
従って図６に示す光学組立体６は、図５Ａに示す光学組立体６に基づき、従って差異についてのみ以下に記載する。ここでも（湾曲面がビーム方向に向けられた）平凸レンズとして設計されたコリメートレンズ１２は更に、（頂点がビーム方向に向けられた）アキシコン１０と平凸レンズ１１との間のビーム経路内の中央に配置される。アキシコン１０からのコリメートレンズ１２の距離はＺ１ａで表され、（常にビーム方向に見た）コリメートレンズ１２からの集束用レンズ１１の距離はＺ２で表される。図６に示すように、アキシコン１０で形成される円形照射ＳＲは、コリメートレンズ１２に円の直径ｄｒに発散して入射し、これは、集束用レンズ１１において少なくともおよそ一定の円の直径ｄｒのために、距離Ｚ１ｂに沿った必要な円の幅ｂｒに調整される。図示されている場合では、レンズ１２におけるおよそ４ｍｍの円の幅ｂｒが、レンズ１２の集束特性によって、レンズ１１においておよそ０．５ｍｍへと削減されるように、極めて短い焦線２ｂを生成することが意図されている（この例では円の直径ｄｒが２２ｍｍである）。
【００６８】
図示されている例では、典型的なレーザビーム直径２ｍｍ、焦点距離ｆ＝２５ｍｍを有する集束用レンズ１１、焦点距離ｆ’＝１５０ｍｍを有するコリメートレンズを用い、距離Ｚ１ａ＝Ｚ１ｂ＝１４０ｍｍ及びＺ２＝１５ｍｍを選択して、０．５ｍｍ未満の焦線の長さｌを達成できる。
【００６９】
図７Ａ〜７Ｃは、異なる複数のレーザ強度方式におけるレーザ‐物質間の相互作用を示す。図７Ａに示す第１の場合では、集束していないレーザビーム７１０は、透明基板７２０にいずれの改質も導入することなく、透明基板７２０を通過する。この特定の場合では、レーザエネルギ密度（又はビームが照明する単位面積あたりのレーザエネルギ）が非線形効果を誘起するために必要な閾値未満であるため、非線形効果が存在しない。エネルギ密度が高くなるほど、電磁場の強度が高くなる。従って図７Ｂ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るとき、図７Ｂに示すように、照明されている面積が削減され、エネルギ密度が上昇して、このような条件を満たす容積内においてのみ焦線の形成を可能とするように材料を改質する非線形効果がトリガされる。このようにして、集束したレーザのビームウエストが基板の表面に位置決めされた場合に、表面の改質が発生することになる。対照的に、集束したレーザのビームウエストが基板の表面の下側に位置決めされた場合には、エネルギ密度が非線形光学効果の閾値未満であれば表面には何も起こらない。しかしながら、基板７２０の体積内に位置決めされた焦点７４０において、レーザ強度は、多光子非線形効果をトリガすることによって材料に損傷を誘起できる程度に十分に高い。最終的には、図７Ｃに示すように、図７Ｃに示すアキシコンの場合、アキシコンレンズ７５０あるいはフレネルアキシコンの回折パターンは、ベッセル型強度分布（高強度の円筒７６０）を生成する干渉を生成し、また非線形吸収及び材料への改質を生成するために十分に高い強度が、上記容積内にのみ存在する。ベッセル型強度分布が、非線形吸収及び材料への改質を生成するために十分に高くなっている、円筒７６０の直径は、本明細書において記載されているように、レーザビーム焦線のスポット直径でもある。ベッセルビームのスポット直径Ｄは、Ｄ＝（２．４０４８λ）／（２πＢ）として表すことができ、ここでλはレーザビームの波長であり、Ｂはアキシコン角度の関数である。
【００７０】
レーザ及び光学系
フュージョン形成ガラス複合体加工物を切断するために、１０６４ｎｍピコ秒レーザを、ガラス複合体中に欠陥線を生成するための光学部品を形成する線状焦点ビームと組み合わせて使用する、プロセスが開発された。厚さが最高０．７ｍｍのガラス複合体は、それが光学部品によって生成される焦線の領域内となるように位置決めされた。長さ約１ｍｍの焦線と、ガラス複合体加工物において測定した場合に繰り返し数２００ｋＨｚ（パルスモードで約１２０μＪ、又はバーストモードで約１２０μＪ）において約２４Ｗ以上の出力を生成するピコ秒レーザとを用いると、焦線領域における光学的強度を容易に、ガラス複合体加工物において非線形吸収を生成できる程度に十分に高くすることができる。パルスレーザビームは、複合体材料において測定した場合に、材料の厚さ１ｍｍあたり４０μＪ超の平均レーザエネルギを有することができる。この「平均レーザエネルギ」は、パルスあたりの平均線形エネルギ密度、又は材料の厚さ１ｍｍあたりのレーザパルスあたりの平均エネルギと呼ぶこともできる。ガラス加工物中の、損傷、融除、気化又はその他の改質を受けた材料の領域は、高強度の線形領域に概ね続いて生成された。
【００７１】
パルスモード又はバーストモードにおいて、超短（パルス持続時間が数十ピコ秒以下の）レーザを動作させることができる。パルスモードでは、公称では同一の一連の複数の単一パルスがレーザから放出されて基板に向けられる。パルスモードでは、レーザの繰り返し数は、パルス間の時間的間隔によって決定される。バーストモードでは、パルスのバーストがレーザから放出され、ここで各バーストは（同一の又は異なる振幅の）２つ以上のパルスを含む。バーストモードでは、１つのバースト内のパルスは（バーストに関するパルス繰り返し数を画定する）第１の時間間隔によって分離され、バーストは（バースト繰り返し数を画定する）第２の時間間隔によって分離され、第２の時間間隔は典型的には第１の時間間隔よりも遥かに長い。（パルスモードの文脈であるかバーストモードの文脈であるかにかかわらず）本明細書において使用される場合、時間間隔は、パルス又はバーストの対応する部分間（例えば前縁部‐前縁部間、ピーク‐ピーク間、又は後縁部‐後縁部間）の時間差を指す。パルス及びバースト繰り返し数はレーザの設計によって制御され、典型的には、例えばレーザの動作条件を調整することにより、限度内で調整できる。典型的なパルス及びバースト繰り返し数は、ｋＨｚ〜ＭＨｚ範囲内である。（パルスモードにおける、又はバーストモードのバースト内のパルスに関する）レーザパルス持続時間は、１０‐１０秒以下、又は１０‐１１秒以下、又は１０‐１２秒以下、又は１０‐１３秒以下であってよい。本明細書に記載の例示的実施形態では、レーザパルス持続時間は１０‐１５秒超である。
【００７２】
より具体的には、図８Ａに示すように、本明細書に記載されている選択された実施形態によると、ピコ秒レーザはパルス５００Ａの「バースト」５００を生成し、これは場合によっては「バーストパルス」とも呼ばれる。バースト生成は、パルスの生成が均一で安定したストリームでなく、パルスの密集であるような、レーザ動作のタイプである。各「バースト」５００は、最高１００ｐｓｅｃ（例えば０．１ｐｓｅｃ、５ｐｓｅｃ、１０ｐｓｅｃ、１５ｐｓｅｃ、１８ｐｓｅｃ、２０ｐｓｅｃ、２２ｐｓｅｃ、２５ｐｓｅｃ、３０ｐｓｅｃ、５０ｐｓｅｃ、７５ｐｓｅｃ又はこれらの数値の間）という極めて短い持続時間Ｔｄの複数のパルス５００Ａ（例えば２パルス、３パルス、４パルス、５パルス、１０、１５、２０又はそれ以上）を含有してよい。パルス持続時間は一般に、約１ｐｓｅｃ〜約１０００ｐｓｅｃ、又は約１ｐｓｅｃ〜約１００ｐｓｅｃ、又は約２ｐｓｅｃ〜約５０ｐｓｅｃ、又は約５ｐｓｅｃ〜約２０ｐｓｅｃである。単一のバースト５００内のこれら個々のパルス５００Ａは、「サブパルス」とも呼ぶことができ、これは単に、これらがパルスの単一のバースト内で発生するという事実を示す。上記バースト内の各レーザパルス５００Ａのエネルギ又は強度は、バースト内の他のパルスのエネルギ又は強度と等しくなくてよく、バースト５００内の複数のパルスの強度分布は、レーザの設計によって支配されている、時間による急激な減衰に追随できる。好ましくは、本明細書に記載の例示的実施形態のバースト５００内の各パルス５００Ａは、バースト内の後続のパルスから、１ｎｓｅｃ〜５０ｎｓｅｃ（例えば１０〜５０ｎｓｅｃ、又は１０〜４０ｎｓｅｃ、又は１０〜３０ｎｓｅｃ）の期間Ｔｐだけ時間的に離れており、上記時間はレーザキャビティの設計によって支配されることが多い。ある所定のレーザに関して、バースト５００内の各パルス間の時間間隔Ｔｐ（パルス‐パルス間間隔）Ｔｐは比較的均一である（±１０％）。例えばいくつかの実施形態では、各パルスは後続のパルスから、およそ２０ｎｓｅｃ（５０ＭＨｚパルス繰り返し周波数）だけ時間的に離れている。例えば、約２０ｎｓｅｃのパルス‐パルス間間隔Ｔｐを生成するレーザに関して、あるバースト内のパルス‐パルス間間隔Ｔｐは約±１０％内に維持され、又は約±２ｎｓｅｃである。各「バースト」間の時間（即ちバースト間の時間間隔Ｔｂ）は遥かに長くなる（例えば０．２５≦Ｔｂ≦１０００マイクロ秒、例えば１〜１０マイクロ秒又は３〜８マイクロ秒）。例えば、本明細書に記載のレーザの例示的実施形態のうちのいくつかでは、これは約２００ｋＨｚのレーザ繰り返し数又は周波数に関して約５マイクロ秒となる。レーザ繰り返し数はまた、本明細書ではバースト繰り返し周波数又はバースト繰り返し数とも呼ばれ、これはあるバーストの第１のパルスと、後続のバーストの第１のパルスとの間の時間として定義される。他の実施形態では、バースト繰り返し周波数は、約１ｋＨｚ〜約４ＭＨｚ、又は約１ｋＨｚ〜約２ＭＨｚ、又は約１ｋＨｚ〜約６５０ｋＨｚ、又は約１０ｋＨｚ〜約６５０ｋＨｚである。各バーストの第１のパルスと後続のバーストの第１のパルスとの間の時間Ｔｂは、０．２５マイクロ秒（４ＭＨｚのバースト繰り返し数）〜１０００マイクロ秒（１ｋＨｚのバースト繰り返し数）、例えば０．５マイクロ秒（２ＭＨｚのバースト繰り返し数）〜４０マイクロ秒（２５ｋＨｚのバースト繰り返し数）、又は２マイクロ秒（５００ｋＨｚのバースト繰り返し数）〜２０マイクロ秒（５０ｋＨｚバーストの繰り返し数）であってよい。正確なタイミング、パルス持続時間及び繰り返し数は、レーザの設計及びユーザが制御可能な動作パラメータに応じて変化できる。高強度の短いパルス（Ｔｄ＜２０ｐｓｅｃ及び好ましくはＴｄ≦１５ｐｓｅｃ）は、動作が良好であることが示されている。
【００７３】
材料を改質するために必要なエネルギについて、バーストエネルギ、即ちあるバースト内に含まれるエネルギ（各バースト５００は一連の複数のパルス５００Ａを含む）に関して、又は単一のレーザパルス内に含まれるエネルギ（その多くはあるバーストを構成する）に関して説明できる。これらの応用に関して、（切断される材料１ミリメートルあたりの）バーストあたりのエネルギは、１０〜２５００μＪ、又は２０〜１５００μＪ、又は２５〜７５０μＪ、又は４０〜２５００μＪ、又は１００〜１５００μＪ、又は２００〜１２５０μＪ、又は２５０〜１５００μＪ、又は２５０〜７５０μＪとすることができる。バースト内の個々のパルスのエネルギはより小さくなり、正確な個々のレーザパルスエネルギは、バースト５００内のパルス５００Ａの数、及び図８Ａに示すような時間によるレーザパルスの減衰率（例えば急激な減衰率）に左右されることになる。例えば一定のエネルギ／バーストのために、あるパルスバーストが１０個の個々のレーザパルス５００Ａを含む場合、個々のレーザパルス５００Ａはそれぞれ、同一のバーストパルス５００が２つの個々のレーザパルスしか有しない場合よりも小さいエネルギを含むことになる。
【００７４】
このようなパルスバーストを生成できるレーザの使用は、透明材料、例えばガラスを切断又は改質するために有利である。単一パルスレーザの繰り返し数によって時間的に離れている複数の単一パルスの使用とは対照的に、レーザエネルギをバースト５００内のパルスの迅速なシーケンス全体に亘って広げるバーストパルスシーケンスの使用により、単一パルスレーザを用いて可能な材料との高強度相互作用のタイムスケールを長くすることができる。単一パルスを時間的に拡大できる一方で、これが実施されると、エネルギの保存のために、パルス内強度をパルス幅に亘っておおよそ１だけ落とすことが要求される。従って、１０ｐｓｅｃの単一パルスが１０ｎｓｅｃパルスに拡大される場合、強度はおおよそ３桁下がる。このような低減により、非線形吸収がもはや重要でなくなり、かつ光‐材料間相互作用が切断を可能とすることができるほどには強くなくなる点まで、光の強度を低下させることができる。対照的に、バーストパルスレーザを用いると、バースト５００内の各パルス又はサブパルス５００Ａ中の強度は極めて高いままとすることができ、例えば、およそ１０ｎｓｅｃの間隔Ｔｐだけ時間的に離れている、パルス持続時間Ｔｄが１０ｐｓｅｃの３つのパルス５００Ａは、各パルス内の強度を依然として単一の１０ｐｓｅｃパルスの強度のおおよそ３倍とすることができ、その一方でレーザを、３桁大きいタイムスケールに亘って材料と相互作用させることができる。従って、あるバースト内の複数のパルス５００Ａをこのように調整することにより、既存のプラズマプルームとの光のより強い又は弱い相互作用、初期又は過去のレーザパルスによって事前に励起された原子及び分子とのより強い又は弱い光‐材料間相互作用、及び欠陥線（穿通孔）の制御された成長を促進できる材料内のより強い又は弱い加熱効果を促進できるような方法で、レーザ‐材料間相互作用のタイムスケールを操作できる。材料を改質するために必要なバーストエネルギの量は、基板材料の組成、及び基板との相互作用に使用される線状焦点に左右されることになる。相互作用範囲が長いほど、エネルギはより広がり、また必要となるバーストエネルギが高くなる。
【００７５】
複数のパルスの単一のバーストがガラス上の略同一の位置に当たる場合、欠陥線又は孔が材料内に形成される。即ち単一のバースト内の複数のレーザパルスは、ガラス内に、単一の欠陥線又は孔位置を生成できる。当然のことながら、ガラスが（例えば連続移動ステージによって）並進移動するか、又はビームがガラスに対して移動する場合、バースト内の個々のパルスは、ガラス上の正確に同一の空間的位置にあることはできない。しかしながら、これらは互いに１μｍの範囲内にあり、即ちこれらは基本的に同一の位置でガラスに当たる。例えばこれらは、互いから間隔ｓｐ（ここで０＜ｓｐ≦５００ｎｍ）でガラスに当たることができる。例えば２０個のパルスのバーストがあるガラス位置に当たる場合、このバースト内の個々のパルスは、互いに２５０ｎｍの範囲内でガラスに当たる。従っていくつかの実施形態では、１ｎｍ＜ｓｐ＜２５０ｎｍである。いくつかの実施形態では、１ｎｍ＜ｓｐ＜１００ｎｍである。
【００７６】
孔又は損傷トラックの形成：
（例えばイオン交換ガラスを用いて）基板が十分な応力を有する場合、パーツは、レーザプロセスによってトレースされた穿通損傷の経路（断層線）に沿って自発的に分離することになる。しかしながら、基板に固有の応力が高くない場合、ピコ秒レーザは単に、複合体加工物中に欠陥線（損傷トラック）を形成するだけである。これらの欠陥線は概ね、〜０．５〜１．５マイクロメートルの内側寸法（直径）を有する孔の形態を取る。
【００７７】
欠陥線は、材料の厚さ全体を穿通してもしなくてもよく、また材料の深さ全体に亘る連続した開口部であってもなくてもよい。図８Ｂは、７００マイクロメートル厚の２３２０ＮＩＯＸ基板の加工物の厚さ全体を穿通する欠陥線の例を示す。図９に示すフュージョン形成ガラス複合体において、同様の効果が見られる。欠陥線は、へき開縁部の側部を通して観察される。材料を通る欠陥線は、貫通孔である必要はない。孔を塞ぐガラスの領域が存在してよいが、上記領域は一般にサイズが小さく、例えば数マイクロメートルである。パーツの分離時、欠陥線に沿って破砕が発生し、欠陥線に由来する特徴部分を有する周縁表面（縁部）を有するパーツが提供されることに留意されたい。分離前、欠陥線は一般に円筒形である。パーツを分離すると、欠陥線は破砕され、欠陥線の残りが、分離されたパーツの周縁表面の輪郭に残る。理想的なモデルでは、欠陥線は分離時に半分だけへき開し、これによって、分離されたパーツの周縁表面が、円筒の半分に相当するセレーションを含む。実際には、分離は理想的なモデルから外れる場合もあり、周縁表面のセレーションは、元の欠陥線の形状の任意の画分となり得る。特定の形状とは無関係に、周縁表面の特徴部分を欠陥線と呼ぶものとし、これは欠陥線の起源を示す。
【００７８】
積層されたガラスのシートを含む加工物を穿通することもできる。この場合、欠陥線の長さは、積層体の高さよりも長い必要がある。
【００７９】
集束したレーザビームの下で基板が並進移動するため、孔（欠陥線、穿通孔）の間の横断方向間隔（ピッチ）は、レーザのパルス数によって決定される。完全な孔を形成するためには通常、単一のピコ秒レーザパルス又はバーストしか必要でないが、必要に応じて複数のパルス又はバーストを使用してよい。異なるピッチの複数の孔を形成するために、レーザを、より長い又は短い間隔で点灯するようにトリガできる。切断動作に関して、レーザのトリガは一般に、ビームの下での、ステージによって駆動される加工物の運動と同期されるため、レーザパルスは１マイクロメートル毎又は５マイクロメートル毎といった固定間隔でトリガされる。断層線の方向に沿った、隣接する欠陥線の間の距離又は周期は、いくつかの実施形態では例えば０．１マイクロメートル超かつ約２０マイクロメートル以下とすることができる。より好ましくは、上記間隔は０．５マイクロメートル〜３．０マイクロメートルである。更に好ましくは、上記間隔は０．５マイクロメートル〜１．０マイクロメートルである。隣接する欠陥線の間の正確な間隔は、基板内の応力レベルを考慮して、穿通孔から穿通孔への割れの伝播を促進する、材料の特性によって決定される。しかしながら、基板の切断とは対照的に、材料を穿通するためだけに同一の方法を用いることもできる。本明細書に記載の方法では、孔又は欠陥線を、より大きな間隔（例えば７マイクロメートル以上のピッチ）で離すことができる。
【００８０】
レーザ出力及びレンズ焦点距離（これは焦線の長さ、及びこれに伴って出力密度を決定する）は、ガラスを完全に貫通することと、表面及び表面下損傷が小さいこととを保証するために、特に重要なパラメータである。
【００８１】
一般に、利用可能なレーザ出力が高いほど、上述のプロセスを用いて材料をより迅速に切断できる。本明細書で開示される１つ又は複数のプロセスは、切断速度０．２５ｍ／ｓｅｃ以上でガラスを切断する。切断速度は、複数の欠陥線の孔を生成しながら基板材料（例えばガラス）の表面に対してレーザビームが移動する速さである。製造のための資本投資を最小化するため、及び設備利用率を最適化するために、例えば４００ｍｍ／ｓｅｃ、５００ｍｍ／ｓｅｃ、７５０ｍｍ／ｓｅｃ、１ｍ／ｓｅｃ、１．２ｍ／ｓｅｃ、１．５ｍ／ｓｅｃ若しくは２ｍ／ｓｅｃ、又は更に３．４ｍ／ｓｅｃ〜４ｍ／ｓｅｃといった高い切断速度が望ましいことが多い。レーザ出力は、レーザのバーストエネルギとバースト繰り返し周波数（数）との積に等しい。一般に、高い切断速度でガラス材料を切断するために、欠陥線は典型的には１〜２５μｍだけ離間し、いくつかの実施形態ではこの間隔は好ましくは３μｍ以上、例えば３〜１２μｍ、又は例えば５〜１０μｍである。
【００８２】
例えば、３００ｍｍ／ｓｅｃの直線切断速度を達成するために、３μｍの孔ピッチは、少なくとも１００ｋＨｚのバースト繰り返し数を有するパルスバーストレーザに対応する。６００ｍｍ／ｓｅｃの切断速度に関して、３μｍのピッチは、少なくとも２００ｋＨｚのバースト繰り返し数を有するバーストパルスレーザに対応する。２００ｋＨｚにおいて少なくとも４０μＪ／バーストを生成し、切断速度６００ｍｍ／ｓで切断を行うパルスバーストレーザは、少なくとも８ワットのレーザ出力を有する必要がある。切断速度が高くなると、これに伴って高いレーザ出力が必要となる。
【００８３】
例えば３μｍピッチ及び４０μＪ／バーストにおいて０．４ｍ／ｓｅｃの切断速度には、少なくとも５Ｗのレーザが必要となり、３μｍピッチ及び４０μＪ／バーストにおいて０．５ｍ／ｓｅｃの切断速度には、少なくとも６Ｗのレーザが必要となる。従って好ましくは、パルスバーストｐｓレーザのレーザ出力は６Ｗ以上、より好ましくは少なくとも８Ｗ以上、及び更に好ましくは少なくとも１０Ｗ以上である。例えば、４μｍピッチ（欠陥線の間隔、又は損傷トラックの間隔）及び１００μＪ／バーストにおいて０．４ｍ／ｓｅｃの切断速度を達成するためには、少なくとも１０Ｗのレーザが必要であり、４μｍピッチ及び１００μＪ／バーストにおいて０．５ｍ／ｓｅｃの切断速度を達成するためには、少なくとも１２Ｗのレーザが必要である。例えば、３μｍピッチ及び４０μＪ／バーストにおいて１ｍ／ｓｅｃの切断速度を達成するためには、少なくとも１３Ｗのレーザが必要である。また例えば、４μｍピッチ及び４００μＪ／バーストにおいて１ｍ／ｓｅｃの切断速度は、少なくとも１００Ｗのレーザが必要となる。
【００８４】
欠陥線（損傷トラック）間の最適なピッチ及び正確なバーストエネルギは材料に左右され、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が上昇する、又は損傷トラックをより小さいピッチで作製するのは、常に基板材料の分離をより良好なものとする、又は縁部品質を改善する条件ではないことに留意されたい。欠陥線（損傷トラック）間の小さ過ぎる（例えば＜０．１マイクロメートル、又はいくつかの例示的実施形態では＜１μｍ、又は他の実施形態では＜２μｍの）ピッチは、場合により、近隣の後続の欠陥線（損傷トラック）の形成を阻害し得、また穿通された輪郭を巡る材料の分離を阻害し得る。ピッチが小さ過ぎる場合、ガラス内の望ましくない微小割れの増大も引き起こされ得る。長過ぎる（例えば＞５０μｍ、及びいくつかのガラスでは＞２５μｍ又は＞２０μｍでさえある）ピッチは、「非制御下の微小割れ」を引き起こし得る。即ちこの場合、意図した輪郭に沿った欠陥線から欠陥線への伝播の代わりに、微小割れが異なる経路に沿って伝播し、意図した輪郭とは離れた異なる（望ましくない）方向のガラスの割れを引き起こす。これは最終的には、分離されたパーツの強度を低下させ得る。というのは残留する微小割れは、ガラスを弱化させるきずを構成するためである。欠陥線を形成するための高過ぎる（例えば＞２５００μＪ／バースト、及びいくつかの実施形態では＞５００μＪ／バーストの）バーストエネルギは、既に形成された欠陥線の「治癒（ｈｅａｌｉｎｇ）」又は再溶融を引き起こし得、これはガラスの分離を阻害し得る。従って、バーストエネルギが＜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、高過ぎるバーストエネルギの使用は微小割れの形成を引き起こし得、これは極めて大きく、分離後のパーツの縁部強度を低減し得る構造的不完全性を生成する。低過ぎる（例えば＜４０μＪ／バーストの）バーストエネルギは、ガラス内に目に見える欠陥線を形成できず、従って特に高い分離力が必要となり得、又は穿通された輪郭に沿った分離を完全に不可能としてしまい得る。
【００８５】
このプロセスが可能な典型的な切断速度の例は、例えば０．２５ｍ／ｓｅｃ以上である。いくつかの実施形態では、切断速度は少なくとも３００ｍｍ／ｓｅｃである。いくつかの実施形態では、切断速度は少なくとも４００ｍ／ｓｅｃ、例えば５００ｍｍ／ｓｅｃ〜２０００  ｍｍ／ｓｅｃ以上である。いくつかの実施形態では、ピコ秒（ｐｓ）レーザはパルスバーストを利用して、０．５μｍ〜１３μｍ、例えば０．５〜３μｍの周期で欠陥線を生成する。いくつかの実施形態では、パルスレーザは１０Ｗ〜１００Ｗのレーザ出力を有し、材料及び／又はレーザビームは互いに対して、少なくとも０．２５ｍ／ｓｅｃ；例えば０．２５／ｍｓｅｃ〜０．３５ｍ／ｓｅｃ、又は０．４ｍ／ｓｅｃ〜５ｍ／ｓｅｃの速度で並進移動する。好ましくは、パルスレーザビームの各パルスバーストは、加工物において測定した場合に、加工物の厚さ１ｍｍあたり４０μＪ／バースト超の平均レーザエネルギを有する。好ましくは、パルスレーザビームの各パルスバーストは、加工物において測定した場合に、加工物の厚さ１ｍｍあたり２５００μＪ／バースト未満、及び好ましくは加工物の厚さ１ｍｍあたり約２０００μＪ／バースト未満、及びいくつかの実施形態では加工物の厚さ１ｍｍあたり１５００μＪ／バースト未満、例えば加工物の厚さ１ｍｍあたり５００μＪ／バースト以下の平均レーザエネルギを有する。
【００８６】
本発明者らは、アルカリ含有量が低いか又はゼロのアルカリ土類ボロアルミノシリケートガラスを穿通するためには、遥かに高い（５〜１０倍高い）容積パルスエネルギ密度（μＪ／μｍ３）が必要となることを発見した。これは例えば、好ましくは少なくとも１バーストあたり２パルスを有するパルスバーストレーザを利用し、約０．０５μＪ／μｍ３以上、例えば少なくとも０．１μＪ／μｍ３、例えば０．１〜０．５μＪ／μｍ３の、上記アルカリ土類ボロアルミノシリケートガラス中の容積エネルギ密度を提供することによって、達成できる。
【００８７】
従って、レーザが、１バーストあたり少なくとも２パルスを有する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では、パルスレーザは１０Ｗ〜１５０Ｗ（例えば１０Ｗ〜１００Ｗ）の出力を有し、１バーストあたり少なくとも２パルス（例えば１バーストあたり２〜２５パルス）を有するパルスバーストを生成する。いくつかの実施形態では、パルスレーザは２５Ｗ〜６０Ｗの出力を有し、１バーストあたり少なくとも２〜２５パルスを有するパルスバーストを生成し、このレーザバーストが生成する隣接する欠陥線間の周期又は距離は２〜１０μｍである。いくつかの実施形態では、パルスレーザは１０Ｗ〜１００Ｗの出力を有し、１バーストあたり少なくとも２パルスを有するパルスバーストを生成し、加工物及びレーザビームは互いに対して、少なくとも０．２５ｍ／ｓｅｃの速度で並進移動する。いくつかの実施形態では、加工物及び／又はレーザビームは互いに対して、少なくとも０．４ｍ／ｓｅｃの速度で並進移動する。
【００８８】
例えば、厚さ０．７ｍｍの非イオン交換Ｃｏｒｎｉｎｇコード２３１９又はコード２３２０Ｇｏｒｉｌｌａ（登録商標）ガラスを切断するために、約１５０〜２５０μＪ／バーストのパルスバーストエネルギ及び２〜１５のバーストパルス数を伴う３〜７μｍのピッチ、また好ましくは３〜５μｍのピッチ及び２〜５のバーストパルス数（１バーストあたりのパルスの数）が、良好に作用できることが観察されている。
【００８９】
１ｍ／ｓｅｃの切断速度において、ＥａｇｌｅＸＧ（登録商標）ガラスの切断は典型的には、１５〜８４Ｗのレーザ出力の利用が必要となり、３０〜４５Ｗで十分である場合が多い。一般に、広範なガラス及び他の透明材料に亘って、出願人らは、０．２〜１ｍ／ｓｅｃの切断速度を達成するために１０Ｗ〜１００Ｗのレーザ出力が好ましく、多くのガラスに関しては２５〜６０Ｗのレーザ出力で十分である（又はこれが最適である）ことを発見した。０．４ｍ／ｓｅｃ〜５ｍ／ｓｅｃの切断速度に関して、レーザ出力は好ましくは、４０〜７５０μＪ／バーストのバーストエネルギ、（切断される材料に応じて）１バーストあたり２〜２５パルス、及び３〜１５μｍ又は３〜１０μｍの欠陥線間隔（ピッチ）を伴う１０Ｗ〜１５０Ｗとするべきである。これらの切断速度のためには、ピコ秒パルスバーストレーザの使用が好ましい。というのは、上記ピコ秒パルスバーストレーザは高い出力と、必要な１バーストあたりのパルス数とを生成するためである。従っていくつかの例示的実施形態によると、パルスレーザは１０Ｗ〜１００Ｗ、例えば２５Ｗ〜６０Ｗの出力を生成し、また１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、欠陥線間の間隔は２〜１５μｍとなる。そしてレーザビーム及び／又は加工物は互いに対して、少なくとも０．２５ｍ／ｓｅｃ、いくつかの実施形態では少なくとも０．４ｍ／ｓｅｃ、例えば０．５ｍ／ｓｅｃ〜５ｍ／ｓｅｃ以上の速度で並進移動する。
【００９０】
プレートの切断及び分離形状
図１０に示すような大型の複合ガラスシートから、孔又はスロットを有する又は有しない物品を形成することが強く望まれている。図１１は、機能性ボタン用の又はスピーカー若しくはマイクロフォンを配置するための孔及びスロットを有する、例示的な分離された複合体物品を示す。
【００９１】
ピコ秒レーザ単独で、又はピコ秒レーザと、それに続くＣＯ２レーザとの組合せによって、断層線をトレースすることにより、周縁及び／又は内側の孔若しくはスロットを切り離した。デフォーカスＣＯ２レーザがトレースする切り離し線及び経路の導入は、以下のような問題を回避できるよう、注意深く計画される：
開始／停止位置の一致の回避。一般に可動ステージのゆっくりした加速／減速は、後にパーツを割る、又は粉砕さえすることになる点状の応力源を生成するために十分となり得る。
【００９２】
トレースされた輪郭上のいずれのスポット上での、デフォーカスＣＯ２レーザを停止又は「パーキング（ｐａｒｋｉｎｇ）」‐大半の場合これは表面を溶融させ、及び／又は微小割れを生成し得る。ＣＯ２レーザの経路は、切り離される輪郭の外側で開始及び終了するよう計画しなければならない。
【００９３】
例示的なピコ秒レーザ条件は：波長１０６４ｎｍ、１バーストあたり４パルス、出力レベル１００％、繰り返し数２００ｋＨｚであった。例示的なＣＯ２レーザ条件は：波長１０．６μｍ、２０ｍ／ｍｉｎにおいて２回のレーザ通過、焦点２８．５ｍｍ、出力１００％、繰り返し数２０ｋＨｚにおいて１７マイクロ秒のパルスであった。
【００９４】
酸エッチングによる、抜き出された物品の更なる加工により、レーザカットされたままのシートに比べて、極めて高い縁部強度を有する物品をもたらすことができる。いくつかの例では、切断されたままのシートは、特定の用途に対しては十分に強いものであり得るが、一般には多くの用途のために、より高い縁部強度を有することが望まれる。
【００９５】
続いてパーツ（物品）を、標準的な酸エッチング処理（例えば１．５Ｍ  ＨＦ及び０．９Ｍ  Ｈ２ＳＯ４の溶液）に供し、レーザ切断法によって誘起された表面欠陥を削減、又は完全に除去した。そして図１２に示すワイブルプロットに、縁部強度データを、「切断されたままの」例と比較してプロットした。図１２に見られるように、処理したままの物品はここでは６５０メガパスカル（ＭＰａ）もの、有意に高い強度値を達成できる。
【００９６】
図１３Ａ〜１３Ｃは、等間隔に離間した改質したガラスによる、欠陥線の例を示す。
【００９７】
ドローした直後のガラスの切断
連続的フュージョンガラス製造プロセスに関して、機械的スコーリング及び破断は慣用のガラス切断アプローチである。このプロセスは迅速であり、直線状の切断に関しては１ｍ／ｓを達成できるものの、輪郭ガラス形状の切断に関しては大きな制約がある。というのは、上記プロセスは、低い速度、ガラス縁部の欠け、切断縁部の高い粗度等により、このような用途に関して極めて困難なものとなるためである。これらの用途は、表面下損傷（ＳＳＤ）を削減するための複数の摩砕及び研磨ステップ、並びに洗浄ステップを必要とし、これらのステップは、必要資本量の上昇及び収率の低さによるコストの上昇によってプロセスにコストを追加するだけでなく、単に技術的要件を満たすこともできない。
【００９８】
より最近には、ディスプレイ用ガラス組成物の切断のために、二酸化炭素（ＣＯ２）レーザ源によるスコーリング及び破断アプローチが開発されている。この技術は、機械的な（又はレーザによる）割れの開始と、これに続くＣＯ２レーザによる割れの伝播とによるものである。波長１０．６マイクロメートルのＣＯ２レーザ照射を高精度の熱源として用い、これに続く冷却剤噴射により、熱衝撃を生成して、ＣＯ２レーザが横断する直線に沿って割れを伝播させることが、極めてよく行われる。このアプローチの難点は、特に輪郭に沿った上述のような割れを良好に制御して伝播させることができないことである。機械的な又はレーザによるスコーリング及び破断技術のいずれによる直線状の切断は、いくつかの用途に関しては良好に作用できたものの、精度が高く、清浄で可撓性のガラス切断用解決策に関して、更に高い要求が必要とされた。
【００９９】
機械的な、及びＣＯ２レーザによるスコーリングが困難である一例は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）ガラスフュージョンプロセスである。ＬＣＤフュージョンプロセスでは、高いドロータワーから出た、薄く平坦なガラスの連続したリボンが形成される。この薄型ガラスは、厚さ０．０５０ｍｍ〜２ｍｍ、幅２４インチ（６０．９６ｃｍ）〜１５０インチ（３８１ｃｍ）で形成される。このガラスのリボンを、ガラス窓のスコーリング又は切断と同様に、機械的スコーリングホイールでスコーリングする。その後このスコーリングされたガラスのリボンを機械的に屈曲及び破断して、ドロータワーの底部において、幅２４インチ（６０．９６ｃｍ）〜１５０インチ（３８１ｃｍ）、高さ２４インチ（６０．９６ｃｍ）〜１５０インチ（３８１ｃｍ）のシートを完成させる。このシートは、シートの左右の側部に、極めて粗度が高いセクションを有する。機械的スコーリングは、ガラスシートの品質領域においてしか実施できず、ガラスシートの比較的厚いビード形成セクションにおいては実施できない。そして、ロボットがガラスシートを把持し、これを屈曲させ、ガラスのリボンからスコーリングされたシートを破断する。この破断動作は、リボンからドロータワーへの高振幅振動を引き起こし、これは完成品のシートにおける平坦性の変動の形成を引き起こす。これはまた、振動によって微小割れがドローまで延在するため、限界を生じる。ガラスを機械的にスコーリング及び破断することによって、箔のように極めて軽いガラスチップが生成されるが、これらのガラスチップは、サイズが１０〜２００マイクロメートル、厚さが３〜２０マイクロメートルである。これらのガラスチップはドロータワーまで浮遊してシートの表面に付着し、クラムシェルガラスチップと呼ばれるこれらの粒子のうちのいくつかは、リボンガラス表面に恒久的に付着し、ガラスの不合格セクションをもたらす。
【０１００】
続いてこのガラスシートを、リボン領域から副次的切断領域へと移動させ、ここでガラスシートを、垂直ビードスコーリング機と呼ばれる別の機械の上に配置し、そしてガラスのビード形成セクション又は非品質領域を機械的にスコーリングした後、上記ビード形成セクションを機械的に破断して母材シートから離す。ここでもまた、小さなクラムシェルガラスチップがシートから欠陥領域へと飛び、ガラスの不合格セクションをもたらす。
【０１０１】
続いて場合によっては、全てのシートを木箱に詰めて、仕上げ場所へと搬送する。ここでもクラムシェルガラスチップがガラス縁部から表面へと移動し、ガラスの不合格セクションをもたらす。この木枠からガラスを降ろして仕上げラインに配置し、ここでシートを機械的に又はＣＯ２レーザでスコーリングし、機械的に破断して、僅かに小さいガラスのシートとするが、このスコーリングプロセスは、精密スコーリング機よりも大幅に精度が高い。ここでも比較的多くのクラムシェルガラスチップがガラス表面へと飛び、これらのガラスシートの不合格セクションをもたらす。
【０１０２】
次にシートを縁部グラインダへと移動させ、上記縁部グラインダは、薄型ガラスシートを最終的な長さ及び幅まで大まかに、及び微細に摩砕する。そしてシートを、４つの角を摩砕する別のグラインダへと移動させる。次にシートはインライン洗浄器へと移動し、上記インライン洗浄器は、表面から、クラムシェル粒子以外の殆どの自由な粒子を洗浄する。
【０１０３】
本明細書に開示されているレーザガラス切断技術は、極めて正確に、極めて迅速に、そしてガラスチップを生成することなく、薄型ガラスを含むガラスを切断する。ＩＲＩＳ技術は、極めて小さい孔（例えば＜１マイクロメートル）及び小さなピッチ間隔（例えば１マイクロメートル）で、ガラスを穿通できる。またガラスを、極めて高速（例えば１〜２メートル／ｓｅｃ）で穿通できる。試験したケースにおいては、ガラス縁部上にはチップは全く観察されなかった。このレーザプロセスは、より大きなガラスのシートを穿通して、上記シートから、携帯電話サイズ（７０ｍｍ×１５０ｍｍ）形状等の小型ガラス物品を分離できる。薄型ガラスのこの穿通及び分離プロセスは、４００ｎｍ未満のＲａ表面粗度を有し、及び深さが６０マイクロメートル以下に制限された表面下微小割れを有する縁部を残す。この縁部品質は、ガラスの研削シートの品質に近い。この特性により、薄型ガラスシートを作製するフュージョンドロープロセスにおいて、高温のガラスをレーザカットできる。
【０１０４】
図１４は、連続フュージョンガラス製造プロセスのための既存のガラス切断アプローチを示す。この既存のプロセスでは、ガラスシート１４６４は、ドロータワー１４６２から下へと流れる。ガラスシート１４６４の、暗い影を付けた部分は、温度が高いことを表す。例えばフュージョンドロー機においてガラスのシートを形成すると、高温かつ軟質のガラスシートが、ローラ等の把持機構によって引き出され、上記把持機構はガラスシートの２つの外側縁部上に刻印を形成する。刻印を施された縁部は「ビード」と呼ばれ、これらの縁部はガラスシートの全長に延在する。これらのビード形成領域は、ガラスシートの中央セクションに比べて、歪んで平坦でなくなっていることが多いため、ビード（又はビード形成領域）の除去を行った後、ガラスを最終デバイスの作製に利用する。ドロー運動１４６５によって示されているように、ガラスシートは、ローラホイールを用いて下向きにドローされ、これはガラスシート１４６４の縁部に沿ってガラスビード１４６６を生成する。機械的な又はＣＯ２レーザによるスコーリングを、スコーリング線１４６８に沿って適用し、ガラスシート１４６４からのスコーリングされたシート１４７０の破断を促進する。
【０１０５】
本明細書に記載の方法は、オンライン及びオフライン両方のガラス切断の需要に対する、ディスプレイガラス組成物のためのガラス切断用解決策を提供する。オンラインでは、ガラスシートがドローから出ると、特にドロー底部（Ｂｏｔｔｏｍ  ｏｆ  Ｄｒａｗ：ＢＯＤ）として知られる領域において、これらの方法をガラスシートの切断及びビード除去両方のために適用でき、上記ＢＯＤでは、ガラスシートはその形成温度から冷却され始める。本明細書に記載の方法は、ガラスシートの厚さ全体を通した全本体（全厚）穿通孔を提供できる。一連の全厚穿通孔は断層線を形成でき、これは、断層線に沿ったシートの分離時に、ガラスシートの極めて正確で制御可能な切断を形成できる。
【０１０６】
図１５Ａ〜１５Ｂは、図２〜６と併せて本明細書に記載したもののようなレーザ光学系を利用した、本明細書に記載の方法による、ドロー上でレーザによってガラスを切断する２つの方法を示す。レーザ切断プロセス１５００Ａによると、一連の欠陥線からなるレーザ切断線１４６８’を、ドロータワー１４６２によって形成されたガラスシート１４６４に適用する。プロセス１５００Ａでは、レーザ（図示せず）は、ガラスシート１４６４の厚さ全体を通るように切断するよう構成される。レーザ切断線１４６８’は、ドロー上の新規に形成されたガラスシート１４６４の幅全体に亘って延在し、ガラスリボンを振動させることなく、又はいずれのガラスチップ若しくは粒子を生成することなく、ビード１４６６を切断することを含む。
【０１０７】
図１５Ｂは、ドロー上でレーザによってガラスを切断する代替的な方法１５００Ｂを示し、ここではレーザを用いて、ガラスシートの品質領域を通るように切断し、ガラスの大きな長方形シート１４７０’を除去する。廃棄されるガラス１４７２が、ドロー領域の底部１４７２においてガラスシートから除去される。他の実施形態では、除去されたガラスシート１４７０’を長方形とする必要はないことを認識されたい。ガラスシート１４７０’は正方形若しくは円形とすることができ、又は必要な他のいずれの形状を有することができる。
【０１０８】
図１６は、ドロー上でレーザによってガラスを切断する、更に別の代替的な方法を示す。図１６では、垂直なレーザ切断線１４６８’を、ドロー経路内の比較的高い位置にあるガラスビード１４６６に隣接するように適用する。そしてドロー経路内の比較的低い位置において、水平なレーザ切断線１４６８’を適用し、ガラスシート１４７０’を切断してドローから除去する。
【０１０９】
図１７は、ドロー上でレーザによってガラスを切断する、更なる代替的な方法を示す。図１７では、水平なレーザ切断線１４６８’をドローに対して、ガラスシート１４６４の幅全体に亘って適用し、レーザ切断シート１４７０’をドローから除去する。これに続いて、垂直なレーザ切断線１４６８’を切断したシート１４７０’に適用し、ドローの底部において上記切断したシートからビードを除去する。
【０１１０】
図１８は、シート１４７０’からのトリム部分又は廃棄されるガラス１４７２をドローから除去するための、本明細書に記載のレーザ法の使用を示す。仕上げ領域では、水平及び垂直両方のレーザ切断線１４６８’を適用し、レーザ切断されたガラスシート１４７０’から、廃棄されるガラス１４７２の水平及び垂直な片を除去する。
【０１１１】
ガラス応力もまた、いくつかの用途、特に高い応力を有するガラスシート又は積層ガラスシートを用いる用途に関して特に問題となり得る。このような状況における従来の方法でのシートの切断は、重大な難点を示す。例えば、フュージョンドロープロセス中のＬＣＤガラスシートのドロー中に、相当な量の応力が誘起される。シートとビードとの境界における応力は、シートとビードとの間の厚さの差分、及び関連する冷却速度の差により、ガラスの冷却中に更に大きくなる。応力レベルは、フュージョンドロー積層シートの場合に有意に大きくなり得（＞３００ＭＰａ）、ここでは粘度と、隣接するシート層間のＣＴＥの差とにより、外層の圧縮応力が極めて高くなる。この高圧縮応力層の特性は、積層ガラスシートのガラス強度を有意に向上させることができる。しかしながら、従来の方法によるガラスシートの切断は、応力レベルが高いシートにおいては困難となり得る。
【０１１２】
従来技術において理解されているように、フュージョンドロープロセスで作製したＬＣＤガラスシートは、ガラスがその軟化点を超える温度からその歪み点を大幅に下回る温度まで冷却されるにつれて誘起される高い応力を有する。この応力はまた、厚さ及びサーマルマスの差により、ガラスビード境界において有意に高くなる。積層ガラスシートの場合に関して応力は更に高く（＞３００ＭＰａ）、ここでは複数のガラス層のＣＴＥ及び粘度の不一致により、強化ガラス用途に必要な高い圧縮応力を誘起できる。このような高いレベルの応力により、ガラスシートを、このガラスの歪み点より大幅に低い温度（＜３００℃）で切断するのは、極めて困難となる。
【０１１３】
ガラスシートの厚さを通した単回の穿通を伴うレーザ技術を用いてシートを切断し、上記シートからビードを分離するための、複数の方法及び異なる複数の実施形態を開示する。本明細書で開示する方法により、ドローにおけるシートのレーザによる切断と、ビードの分離とが可能となり、これによりフュージョンドロープロセスの製造効率が向上する。更にいくつかの実施形態では、単層シート及び積層シートを高温（ガラスのアニール点付近）で切断でき、誘起される応力を大幅に小さくすることができる。高温でシートを切断し、このシートを規定の温度プロファイルによって後加工できることにより、シートを、ガラスの圧縮が少なく、残留応力が少なく、分離仕上げステップのコストを削減できる可能性を有し、歪み点がより高いガラスを加工できる特性を有し、またガラスがアニーリング温度に更に長く留まることによって製造スループットを増大させることができるものとすることができる。
【０１１４】
図１９は、（切断されることになる）ガラスシートの部分１４７０’をそのアニール点付近の温度に保持するよう設計された多段炉１９７１を用いる、例示的プロセスを示す。ドローの下部において、（切断されることになる）ガラスシート１４７０’を、ガラスのアニール温度付近に保持された炉１９７１ａに導入する。アニール点付近の高温において応力レベルが低下していることにより、シートの切断が補助される。シート１４６４はまず、ガラスに複数の欠陥線を生成するための水平なレーザビームの並進移動１９７６を受けるドローにおいて、レーザビーム１９７４によって水平に切断される。
【０１１５】
続いてガラスシート１４７０’を、これもまたガラスのアニール温度に保持された炉１９７１ｂへと並進移動させる。ガラスビード１４６６は、ビード１４６６に隣接するガラスシート１４７０’に対してレーザスコーリングを行うための垂直な並進移動１９７８を受けるよう構成されたレーザビーム１９７４を用いて、分離される。水平及び垂直切断ステップは、レーザによる損傷の輪郭に沿って引張応力及び屈曲応力を印加することによって、ドローからガラスを分離し、また必要な場合は切断されたガラスシート１４７０’からガラスビードを分離することを含むことができる。上記応力は、例えばロボット工学を用いて印加できる。
【０１１６】
ガラスビードの除去に続いて、切断されたガラスシート１４７０’を第３の炉１９７１ｃへと並進移動させ、上記第３の炉１９７１ｃでは、熱源１９８０が、ガラスプレート１４７０’の切断縁部に熱を送達するための垂直な並進移動１９８２を受ける。熱は、切断された垂直な縁部を平滑化して角を落とすために印加され、また図１９には図示されていないが、平滑化して角を落とすために、熱をプレート１４７０’の水平な切断縁部にも印加できる。熱源はガス炎、ＣＯ２レーザ等を含むことができる。
【０１１７】
ガラスシート１４６４は積層シートとすることができ、この場合シートは複数の層からなり、各層は異なる材料特性（ＣＴＥ等）を有する。このような積層シートは、二重アイソパイプドロータワーを用いて形成でき、上記二重アイソパイプドロータワーでは、各アイソパイプを用いて、積層体の異なる層のためのガラスを提供する。積層体の複数のガラス層間のＣＴＥの差により、ガラスシートが軟化点を超える温度から歪み点を大幅に下回る温度まで冷却されるにつれて、かなりの量の応力が導入される。例えば、内部層と表面層との間のＣＴＥの差が６０×１０‐７／℃を超え、かつ積層体全体の厚さに対する内部層の厚さの比が０．８〜１であることにより、４００ＭＰａ超の圧縮応力を積層シートの表面に誘起できる（例えばＴａｎｄｏｎらによる米国特許出願第２０１１０３１８５５５号明細書参照；上記特許出願は全体として、参照により本出願に援用される）。
【０１１８】
ガラスシート１４６４が積層体である場合、炉１９７１ａ及び１９７１ｂを、上記積層体の２つの層のアニール温度の間の温度に上記積層体を保持するよう構成できる。高い表面圧縮応力が必要とされる用途（例えば高強度用途のための積層ガラス）に関して、アニール温度における時間を設けることにより、応力の大きさが削減され、レーザビーム１９７４を用いた切断が促進される。これらの場合には、切断後の冷却中にガラスをクエンチすることにより、仕上げ済みのガラスシートにおいて、依然として高い応力を達成できる。
【０１１９】
図２０は、漸進的に低温となった段２０７１ａ、２０７１ｂ及び２０７１ｃを有する多段炉２０７１を通してシートを物理的に横断させることにより、シート１４７０’をガラスの歪み点より大幅に低い温度まで冷却するプロセスを示す。一連の炉は、規定の温度プロファイルを適用することにより、残留応力及び形成後の圧縮を最小化し、ガラスシートの属性を改善し、またガラスの特性を適合させる。他の実施形態では、時間可変温度プロファイルを有する単段炉を用いて、同様に制御された冷却プロファイルが達成されることを理解されたい。
【０１２０】
他の実施形態では、ガラスのアニール点を超える温度において、欠陥線の間に一定の間隔を設けて、ドロー中のガラスにレーザ穿通孔を作製する。これはこのドロー位置におけるガラス強度に対して有意な影響を有しない。しかしながらこれにより、ガラスシートは自発的に分離できるようになるか、又はドローの下流位置にＣＴＥ応力が発現している場合（例えば積層ガラスに関して）には僅かな外的介入のみによって分離できるようになる。自発的な分離、又は小さな外的介入による分離は、ガラスビーズの除去のため及びガラスの回収のために有用となり得る。
【０１２１】
高温でシートを切断し、このシートを規定の温度プロファイルによって後加工できることにより、ここでもまたシートを、ガラスの圧縮が少なく、残留応力が少ないものとすることができる。またこのような特性により、分離仕上げステップのコストを削減でき、歪み点がより高いガラスを加工できるようになり、ガラスがアニーリング温度に更に長く留まることによって製造スループットを増大させることができる。
【０１２２】
厚さ全体に亘る切断に沿ったガラスの分離は、２つの欠陥線の間のピッチによって制御される。多くのディスプレイガラス組成物を切断するための典型的なピッチの例は、約１〜５マイクロメートル（例えば２〜５マイクロメートル）である。しかしながら、最大８マイクロメートル（５〜８マイクロメートル）のピッチも、良好な品質の切断をもたらすことが示されている。ピッチを制御できることは、これによって切断速度が決定されるという理由でも重要であり、上記切断速度は、レーザパルス周波数又はバースト繰り返し数、あるバースト内のパルスの数、並びにパルスあたりの及び／又はバーストあたりの平均エネルギによっても影響される。
【０１２３】
ある欠陥線の周辺の微量割れが、隣接する欠陥線に向かって配向されていると、ガラスの切断が促進される。というのは、この微小割れが断層線と整列され、分離の方向をガイドするためである。このような場合、完全なガラスの分離のためには、比較的大きい欠陥線間のピッチ（例えば３〜５０マイクロメートル（例えば３〜２０マイクロメートル））で十分であり得、従って加工が簡略化される（分離を実施するために必要な欠陥線が少なくなるため）。あるいは、微小割れが形成されない、又は微小割れが隣接する欠陥線に向かって配向されないようないくつかのガラスタイプでは、きれいな分離のために、孔（又は欠陥線）の間に比較的小さいピッチ（０．１〜３マイクロメートル、例えば１〜３マイクロメートル）が必要となり得る。
【０１２４】
本明細書において挙げられている全ての特許、公開出願及び参考文献の関連する教示は、その全体が参照により本出願に援用される。
【０１２５】
本明細書では複数の例示的実施形態について記載したが、添付の請求項が包含する本発明の範囲から逸脱することなく、上記例示的実施形態において形態及び細部の様々な変更を実施してよいことは、当業者には理解されるだろう。
【０１２６】
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
【０１２７】
実施形態１
フュージョン形成ガラス複合体加工物をレーザ加工する方法において、
ビーム伝播方向に沿って配向され、上記フュージョン形成ガラス複合体加工物に向けられたレーザビーム焦線に、パルスレーザビームを集束させるステップであって、上記レーザビーム焦線は、加工物内での誘起吸収を生成し、この誘起吸収は、加工物内においてレーザビーム焦線に沿った欠陥線を形成する、ステップ；並びに
加工物及びレーザビームを輪郭に沿って互いに対して並進移動させることにより、加工物内に複数の欠陥線を形成するステップであって、上記欠陥線は、０．５マイクロメートル〜２０マイクロメートルの距離だけ離間している、ステップ
を有してなる、方法。
【０１２８】
実施形態２
実施形態１の方法によって調製された、ガラス物品。
【０１２９】
実施形態３
上記欠陥線は、１マイクロメートル〜７マイクロメートルの距離だけ離間している、実施形態１の方法又は実施形態２に記載の物品。
【０１３０】
実施形態４
上記欠陥線は、少なくとも２５０マイクロメートル延在している、実施形態１〜３のいずれか１つに記載の方法又は物品。
【０１３１】
実施形態５
上記フュージョン形成ガラス複合体加工物は、異なる熱膨張率を有するクラッド層及びコア層を、合計３層以上備える、実施形態１〜４のいずれか１つに記載の方法又は物品。
【０１３２】
実施形態６
上記加工物を輪郭に沿って分離するステップを更に含む、実施形態１〜５のいずれか１つに記載の方法又は物品。
【０１３３】
実施形態７
上記加工物を輪郭に沿って分離するステップは、二酸化炭素レーザを、上記輪郭に沿って又は上記輪郭付近において上記加工物に向け、上記輪郭に沿った上記加工物の分離を促進するステップを含む、実施形態６に記載の方法又は物品。
【０１３４】
実施形態８
繰り返し数は約１ｋＨｚ〜４ＭＨｚである、実施形態１〜７のいずれか１つに記載の方法又は物品。
【０１３５】
実施形態９
上記パルスレーザビームの上記繰り返し数は、約１０ｋＨｚ〜６５０ｋＨｚである、実施形態８に記載の方法又は物品。
【０１３６】
実施形態１０
上記パルスレーザビームのパルス持続時間は、約１ピコ秒超かつ約１００ピコ秒未満である、実施形態１〜９のいずれか１つに記載の方法又は物品。
【０１３７】
実施形態１１
上記パルス持続時間は、約５ピコ秒超かつ約２０ピコ秒未満である、実施形態１〜１０のいずれか１つに記載の方法又は物品。
【０１３８】
実施形態１２
上記パルスレーザビームの、材料において測定された平均レーザエネルギは、材料の厚さ１ｍｍあたり４０μＪ超である、実施形態１〜１１のいずれか１つに記載の方法又は物品。
【０１３９】
実施形態１３
上記パルスレーザビームはある波長を有し、上記材料はこの波長において略透過性である、実施形態１〜１２のいずれか１つに記載の方法又は物品。
【０１４０】
実施形態１４
上記レーザビーム焦線の長さは約０．１ｍｍ〜約１０ｍｍである、実施形態１〜１３のいずれか１つに記載の方法又は物品。
【０１４１】
実施形態１５
上記レーザビーム焦線の平均スポット直径は約０．１マイクロメートル〜約５マイクロメートルである、実施形態１〜１４のいずれか１つに記載の方法又は物品。
【０１４２】
実施形態１６
上記フュージョン形成ガラス複合体加工物の中央張力は５メガパスカル（ＭＰａ）超である、実施形態１〜１５のいずれ１つに記載かの方法又は物品。
【０１４３】
実施形態１７
上記パルスは、約１ｎｓｅｃ〜約５０ｎｓｅｃの持続時間によって隔てられた少なくとも２つのパルスのバーストにおいて生成され、バースト繰り返し周波数は約１ｋＨｚ〜約６５０ｋＨｚである、実施形態１〜１６のいずれかの方法又は物品。
【０１４４】
実施形態１８
上記少なくとも２つのパルスは、約２０ｎｓｅｃの持続時間によって隔てられている、実施形態１７に記載の方法又は物品。
【０１４５】
実施形態１９
上記フュージョン形成ガラス複合体加工物は、ガラスシートの形態であり、
上記パルスレーザビームを集束させるステップと、上記加工物及び上記レーザビームを上記輪郭に沿って互いに対して並進移動させるステップとは、オンラインドロー時の上記ガラスシートを用いて実施される、実施形態１〜１８のいずれか１つに記載の方法又は物品。
【０１４６】
実施形態２０
上記集束させるステップ及び上記並進移動させるステップは、上記ガラスシートのアニール温度付近の温度において、上記ガラスシートを用いて実施される、実施形態１９に記載の方法又は物品。
【０１４７】
実施形態２１
上記ガラスシートは、少なくとも２つの異なるアニール温度を有する少なくとも２つの層を備え、
上記集束させるステップ及び上記並進移動させるステップは、上記少なくとも２つの異なるアニール温度の間の温度において、上記ガラスシートを用いて実施される、実施形態１９に記載の方法又は物品。
【０１４８】
実施形態２２
上記ガラスシートは少なくとも２つの層を備え、
上記集束させるステップ及び上記並進移動させるステップは、上記ガラスシートのアニール温度を超える温度において、上記ガラスシートを用いて実施される、実施形態１９に記載の方法又は物品。
【０１４９】
実施形態２３
上記ガラスシートをドローから上記輪郭に沿って分離するステップと、分離した上記ガラスシートに上記輪郭に沿って熱源を適用し、上記分離したガラスシートを上記輪郭に沿って平滑化する又は角を落とすステップとを更に含む、実施形態１９〜２２のいずれか１つに記載の方法又は物品。
【０１５０】
実施形態２４
上記集束させるステップ及び上記並進移動させるステップは、ドローの頂部又は頂部付近において実施される、実施形態１９〜２２のいずれか１つに記載の方法又は物品。
【０１５１】
実施形態２５
上記集束させるステップ及び上記並進移動させるステップは、ドローの底部又は底部付近において実施される、実施形態１９〜２２のいずれか１つに記載の方法又は物品。
【０１５２】
実施形態２６
熱源、引張応力又は屈曲応力のうちの少なくとも１つを、上記輪郭の領域においてガラスシートに適用して、上記輪郭に沿ったドローからのガラスシートの分離を促進するステップを更に含む、実施形態１９〜２２のいずれか１つに記載の方法又は物品。
【０１５３】
実施形態２７
上記輪郭はガラスシートのビードに隣接し、
上記輪郭に沿って複数の欠陥線をレーザ形成するステップは、上記ガラスシートからの上記ビードの分離を促進する、実施形態１９〜２２のいずれか１つに記載の方法又は物品。
【０１５４】
実施形態２８
上記ガラスシートを上記ドローから上記輪郭に沿って分離するステップと、分離した上記ガラスシートに上記輪郭に沿って熱源を適用し、上記分離したガラスシートを上記輪郭に沿って平滑化する又は角を落とすステップとを更に含む、実施形態１９〜２２のいずれか１つに記載の方法又は物品。
【０１５５】
実施形態２９
ガラス物品であって、
上記ガラス物品は、第１の表面と、第２の表面と、上記第１の表面と上記第２の表面との間に少なくとも２５０マイクロメートル延在する複数の欠陥線を有する少なくとも１つの縁部とを有する、ガラス複合体を含み、
上記各欠陥線の直径は、約５マイクロメートル以下である、ガラス物品。
【０１５６】
実施形態３０
上記少なくとも１つの縁部のＲａ表面粗度は約０．５マイクロメートル未満である、実施形態２９に記載のガラス物品。
【０１５７】
実施形態３１
上記少なくとも１つの縁部は、深さ約７５マイクロメートル以下までの表面下損傷を有する、実施形態２９又は３０に記載のガラス物品。
【０１５８】
実施形態３２
上記ガラス物品は３つの層を備え、最外層は、熱膨張率ＣＴＥ１及び厚さＴＨ１を有する第１の組成物からなり；また最外層と最外層との間に内部層が位置し、上記内部層は、熱膨張率ＣＴＥ２及び厚さＴＨ２を有する、第１の組成物とは異なる第２の組成物からなり、ＣＴＥ１はＣＴＥ２より大きい、実施形態２９〜３１のいずれか１つに記載のガラス物品。
【０１５９】
実施形態３３
上記最外ガラス層は圧縮応力下にあり、上記内部層は引張応力下にあり、ＴＨ１に対するＴＨ２の比は４〜２０である、実施形態３２に記載のガラス物品。
【０１６０】
実施形態３４
上記ガラス物品は、上記内部層の中央張力が５ＭＰａ超である、実施形態２９〜３１のいずれか１つに記載のガラス物品。
【０１６１】
実施形態３５
上記欠陥線は、上記少なくとも１つの縁部の厚さ全体に延在する、実施形態２９〜３１のいずれか１つに記載のガラス物品。
【０１６２】
実施形態３６
上記少なくとも１つの縁部のＲａ表面粗度は約０．５マイクロメートル未満である、実施形態２９〜３１のいずれか１つに記載のガラス物品。
【０１６３】
実施形態３７
上記少なくとも１つの縁部は、深さ約７５マイクロメートル以下までの表面下損傷を有する、実施形態２９〜３１のいずれか１つに記載のガラス物品。
【符号の説明】
【０１６４】
１          基板
１ａ        基板の表面
１ｂ        基板の反対側の表面
２          パルスレーザビーム
２ａ        レーザ照射、ビーム束
２ａＲ      辺縁光線
２ａＺ      中央ビーム
２ｂ        レーザビーム焦線
２ｃ        誘起吸収のセクション
３          レーザ
６          光学組立体
７          両凸面レンズ
８          円形開口
９          アキシコン
１０        アキシコン
１１        平凸レンズ
１２        コリメートレンズ
５００      バースト
５００Ａ    パルス
７１０      集束していないレーザビーム
７２０      透明基板
７３０      球面レンズ
７４０      焦点
７５０      アキシコンレンズ
７６０      円筒
１４６２    ドロータワー
１４６４    ガラスシート
１４６５    ドロー運動
１４６６    ガラスビード
１４６８’  レーザ切断線
１４７０’  除去されるガラスシート
１４７２    ドロー領域の底部
１４７２    廃棄されるガラス
１９７１    多段炉
１９７１ａ  炉
１９７１ｂ  炉
１９７１ｃ  炉
１９７４    レーザビーム
１９７６    水平なレーザビームの並進移動
１９７８    垂直なレーザビームの並進移動
１９８０    熱源
１９８２    垂直な熱源の並進移動
２０７１    炉
２０７１ａ  炉２０７１の段
２０７１ｂ  炉２０７１の段
２０７１ｃ  炉２０７１の段
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ１】
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【図３Ｂ２】
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【図３Ｂ３】
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【図３Ｂ４】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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