(57)【要約】【課題】レーザビームによる材料改質を利用した、シート状基板の改善された機械加工方法を提供する。【解決手段】基板１を複数の部分に分離するための、シート状基板１のレーザベースの機械加工の方法が定義され、この方法では、基板１を機械加工するためのレーザのレーザビームＳＲが基板へと向けられ、このとき光学配置１０、１２がレーザの光線路内に位置付けられており、ビームＳＲの方向に沿って見て延在するレーザビーム焦線２ｂ、２ｃが、光学配置１０、１２のビーム出力側で、基板へと向けられたレーザビームから形成され、基板１は、誘起吸収がビームＳＲの方向に見てレーザビーム焦線の延在部分に沿って基板１内部の基板１の材料内に生成されるように、材料改質がこの延在部分に沿って基板１の材料内で起こるように、レーザビーム焦線に対して位置付けられている。【選択図】図６
2019034343.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルスレーザビームを、ビーム伝搬方向に沿って見て０．１ｍｍから１００ｍｍの間の範囲内の長さを有するレーザビーム焦線へと集束させるステップ、および、
前記レーザビーム焦線を、材料内へ、該材料の表面に対してある入射角度で向けるステップであって、当該レーザビーム焦線は前記材料内に誘起吸収を生じさせ、当該誘起吸収は前記レーザビーム焦線に沿って前記材料内に材料改質を作り出す、ステップ、
を有し、
前記パルスレーザビームはバーストパルスレーザビームであり、各バーストパルスは複数のパルスを含むものである、方法。
【請求項２】
前記材料および前記レーザビームを互いに対して並進させ、それにより、前記材料を少なくとも２つの片に分離させるように間隔を空けた複数の材料改質を、前記材料内に生じさせるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記材料で測定された前記レーザビームの平均レーザエネルギーは４００μＪ未満であることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記複数のパルスの各々が１０ピコ秒超から１００ピコ秒未満の間の範囲にあるパルス持続時間を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記レーザビームのパルス繰返し周波数が１０ｋＨｚから１０００ｋＨｚの間の範囲内であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記レーザビーム焦線の前記入射角度は、前記材料の前記表面に対して４５°以下であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記レーザビーム焦線の前記入射角度は、前記材料の前記表面に対して垂直であり、前記レーザビーム焦線は前記材料内に完全に含有され、当該材料のいずれの表面へも延在しないことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記パルスレーザビームは、前記材料が実質的に透明であるように選択された波長を有することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記レーザビーム焦線は、０．５μｍから５μｍの間の範囲内の平均スポット径を有することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記集束させるステップは、少なくとも１つのアキシコンを含む光学配置によって行われることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記光学配置は、１つのアキシコンと１つの集束レンズを含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記集束させるステップは、環状放射によって照射される少なくとも１つのレンズ部品によって行われることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
系において、
パルスレーザと、
前記レーザのビーム路内に位置付けされた光学アセンブリと、
を備え、
該光学アセンブリが、レーザビームを該光学アセンブリのビーム発生側で、ビーム伝搬方向に沿って見て０．１ｍｍと１００ｍｍの間の範囲内の長さを有するレーザビーム焦線へと変形するように構成されており、該光学アセンブリが、前記レーザビーム焦線を発生させるように構成された球面収差を有する集束光学素子を含み、前記レーザビーム焦線が前記材料内に誘起吸収を生じさせるように適合されており、前記誘起吸収が前記レーザビーム焦線に沿って前記材料内に材料改質を作り出すものであり、
前記レーザは、前記レーザビームとしてバーストパルスレーザビームを生成するよう適合されたバーストパルスレーザであり、各バーストパルスは複数のパルスを含むことを特徴とする、系。
【請求項１４】
前記レーザがＣＯ２レーザであることを特徴とする、請求項１３に記載の系。
【請求項１５】
前記パルスのパルス持続時間は１０ピコ秒超から１００ピコ秒未満の間の範囲にあり、前記レーザビームのパルス繰返し周波数は１０ｋＨｚから１０００ｋＨｚの間の範囲内であることを特徴とする、請求項１３または１４に記載の系。
【請求項１６】
前記光学アセンブリが、前記レーザの前記ビーム路内で前記集束光学素子の前に位置付けられた環状開口を含み、前記環状開口は、前記レーザビームの中心の外側の周辺光線のみが前記集束光学素子に入射するよう、前記レーザビームの前記中心の１以上の光線を遮断し、それによって、ビーム方向に沿って見て単一の前記レーザビーム焦線のみが前記パルスレーザビームの各パルスに対して生成されるよう、構成されていることを特徴とする、請求項１３から１５のいずれか一項に記載の系。
【請求項１７】
前記集束光学要素は、１つの球面カット凸レンズであることを特徴とする請求項１３から１６のいずれか一項に記載の系。
【請求項１８】
前記光学アセンブリが、１つのアキシコンと１つの集束レンズを含むことを特徴とする請求項１３から１７のいずれか一項に記載の系。
【請求項１９】
前記光学アセンブリが、環状のレーザビームによって照射される少なくとも１つの光学部品を含むことを特徴とする請求項１３から１７のいずれか一項に記載の系。
【請求項２０】
ガラス材料を切断することにより、所望の形状のガラス物品を製造する方法であって、
パルスレーザビームを、ビーム伝搬方向に沿って見て０．１ｍｍから１００ｍｍの間の範囲内の長さを有するレーザビーム焦線へと集束させ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パルスレーザビームであり、各バーストパルスは複数のパルスを含むものであるステップ、
前記レーザビーム焦線を、前記ガラス材料内へ、該ガラス材料の表面に対してある入射角度で向けるステップであって、当該レーザビーム焦線は前記ガラス材料内に誘起吸収を生じさせ、当該誘起吸収は前記レーザビーム焦線に沿って前記ガラス材料内に材料改質を作り出す、ステップ、
前記ガラス材料および前記パルスレーザビームを互いに対して並進させ、それにより、前記ガラス材料を少なくとも２つの片に分離させるように間隔を空けた複数の材料改質を、前記ガラス材料内に生じさせるステップ、および
前記複数の材料改質に沿って亀裂を生じさせて、所望の分離面を生成するステップ、
を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は、その内容が引用されその全体が参照することにより本書に組み込まれる、２０１３年１月１５日に出願された米国仮特許出願第６１／７５２，４８９号の優先権の利益を米国特許法第１１９条の下で主張し、かつ２０１３年１月１５日に出願された欧州特許出願第１３１５１２９６号の優先権を米国特許法第１１９条または第３６５条の下で主張するものである。
【技術分野】
【０００２】
本開示は一般に、好適にはシート状基板のレーザベースの機械加工方法に関し、さらに対応する装置と、例えば半導体ウエハ、ガラス部材、・・・などの（特に脆性材料の）シート状基板を複数の部分に分離する（ウエハまたはガラス部材を個々に分離する）ための、方法および装置の使用とに関する。以下で詳細にさらに説明するが、本事例における作業は、その材料が実質的に透明な波長を有するレーザ、一般にはパルスレーザを用いて行われる。
【背景技術】
【０００３】
このような材料を、レーザを用いて分断する装置および方法は、従来技術から既に公知である。１つには（例えば、特許文献１）、その波長またはパワーによって材料に強く吸収される、あるいは最初の相互作用の後に材料を強く吸収性にして（例えば電荷担体の発生による加熱；誘起吸収）その後材料をアブレーションすることができる、レーザを使用することができる。この方法は多くの材料の事例で不利な点、すなわち、例えばアブレーションでの粒子形成に起因する不純物、熱注入のために切断エッジが微小亀裂を有し得る、切断エッジが溶融した縁を有し得る、切断間隙が材料の厚さに亘って均一ではない（異なる深さで異なる幅を有する。例えばくさび状の切断ノッチ）といった不利な点を有する。材料を蒸発または液化させる必要があるため、高い平均レーザパワーを提供する必要がある。
【０００４】
他方では、特に向きを有するレーザ誘起亀裂形成に基づいて機能する、脆性材料を分断するためのレーザによる方法が知られている。例えばJenoptikによる方法では、最初にレーザを用いて表面上のある跡を強く加熱し、その後すぐにこの跡を非常に急速に（例えばウォータージェットを用いて）冷却するので、これにより得られた熱応力が亀裂の形成につながり、この亀裂形成を、材料を分断するために材料の厚さを通じて伝搬させる（機械的応力）ことができる。
【０００５】
さらに、焦点を材料の内部に生成することができるよう、その材料がほとんど透明な波長でレーザを使用する方法がある。レーザの強度は、照射された基板の材料内のこの内部焦点の位置で内部損傷が起きるほど高いものでなければならない。
【０００６】
最後に述べた方法には、誘起された亀裂形成が特定の深さまたは表面上で点の形で起こるため、材料の全厚さの分断は、さらに機械的および／または熱的に誘起される亀裂伝搬によって行うしかないという不利な点がある。亀裂は不規則に広がる傾向があるため、分離面は通常非常に粗く、再加工しなければならないことが多い。さらに、同じプロセスを異なる深さで何度も適用する必要がある。これが、その対応する要因によってプロセスの速度を遅らせる。
【０００７】
本書で引用されるいずれの参照も、従来技術を構成すると承認されたものではない。出願人は、引用されたいずれの文献の正確さおよび適切性にも、意義を申し立てる権利を明確に有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２０１１０００７６８（Ａ１）号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って本発明の目的は、シート状基板、特に脆性材料を、著しい粒子形成がなく、著しい溶融エッジを含まず、エッジでの亀裂形成を最小とし、著しい切断間隙（すなわち材料損失）を含まず、可能な限り最も真っ直ぐな切断エッジで、かつ高速のプロセスで、機械加工することができる、特に完全に分断することができる、方法（および対応する装置）を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本開示の一実施の形態は方法に関し、この方法は、パルスレーザビームを、ビーム伝搬方向に沿って見て０．１ｍｍから１００ｍｍの間の範囲内の長さを有するレーザビーム焦線へと集束させるステップ、および、レーザビーム焦線に沿って材料内に材料改質を作り出す誘起吸収を材料内に生じさせる、レーザビーム焦線を、材料内へと、この材料の表面に対してある入射角度で向けるステップを含む。
【００１１】
本開示のさらなる実施形態は系に関し、この系は、パルスレーザと、レーザのビーム路内に位置付けされた光学アセンブリとを含み、光学アセンブリは、レーザビームをこの光学アセンブリのビーム発生側で、ビーム伝搬方向に沿って見て０．１ｍｍから１００ｍｍの間の範囲内の長さを有するレーザビーム焦線へと変形するように構成されており、この光学アセンブリは、レーザビーム焦線を発生させるように構成された球面収差を有する、集束光学素子を含み、このレーザビーム焦線は、材料内に誘起吸収を生じさせるように適合されており、誘起吸収は、レーザビーム焦線に沿って材料内に材料改質を作り出す。
【００１２】
本開示の別の実施形態は、少なくとも１つの表面を有するガラス物品に関し、この少なくとも１つの表面は複数の材料改質をこの表面に沿って含み、この材料改質の夫々の長さは０．１ｍｍから１００ｍｍの間の範囲内であり、かつ材料改質の夫々の平均直径は０．５μｍから５μｍの間の範囲内である。本開示のさらに別の実施形態は、少なくとも１つの表面を有するガラス物品に関し、この少なくとも１つの表面は複数の材料改質をこの表面に沿って含み、この材料改質の夫々の、直接隣接する材料改質の平均距離ａと材料改質を作り出したレーザビーム焦線の平均直径δとの比率Ｖ３＝ａ／δは、およそ２．０に等しい。
【００１３】
さらなる特徴および利点は以下の詳細な説明の中に明記され、ある程度は、その説明から当業者には容易に明らかになるであろうし、あるいは書かれた説明およびその請求項、並びに添付の図面で説明したように実施形態を実施することにより認識されるであろう。
【００１４】
前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、単なる例示であり、請求項の本質および特徴を理解するための概要または構成を提供することを意図したものであることを理解されたい。
【００１５】
添付の図面はさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書に組み込まれかつその一部を構成する。図面は１以上の実施形態を示し、そしてその説明とともに、種々の実施形態の原理および動作を説明する役割を果たす。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】種々の材料に対する、熱拡散定数αと、材料内の直線範囲（スケールの長さ、ここではｄで示される）と、例えばレーザのパルス持続時間などの持続時間τとの間の関係を示した図
【図２】焦線の位置付けの原理、すなわちレーザの波長に対して透明な材料を焦線に沿った誘起吸収に基づいて機械加工する原理を示した図
【図３ａ】本書で説明される実施形態において使用され得る第１の光学配置を示した図
【図３ｂ】基板に対するレーザビーム焦線の異なった位置付けによる、種々の考えられる基板の機械加工のやり方を示した図
【図４】本書で説明される実施形態において使用され得る第２の光学配置を示した図
【図５ａ】本書で説明される実施形態において使用され得る第３の光学配置を示した図
【図５ｂ】本書で説明される実施形態において使用され得る第３の光学配置を示した図
【図６】本書で説明される実施形態において使用され得る第４の光学配置を示した図
【図７】図３ａの第１の使用可能な光学配置（この光学配置の代わりに、図７に示されている光学配置６を図４、５、および６に示されているさらなる光学配置の１つで置き換えることで、図示の配置の範囲内でこれらの配置を使用することも可能である）の例で方法を実行するためのセットアップを示した図
【図８】焦線の生成を詳細に示した図
【図９】本書で説明するように機械加工されるガラスシートの表面の顕微鏡図（基板平面の平面図）
【発明を実施するための形態】
【００１７】
種々の実施形態を、以下の例によってさらに明らかにする。
【００１８】
本開示の一実施の形態は、パルスレーザビームを、ビーム伝搬方向に沿って見て０．１ｍｍから１００ｍｍの間の範囲内の長さを有するレーザビーム焦線へと集束させるステップ、および、レーザビーム焦線に沿って材料内に材料改質を作り出す誘起吸収を材料内に生じさせる、レーザビーム焦線を、材料内へと、この材料の表面に対してある入射角度で向けるステップを含む方法に関する。この方法は、材料およびレーザビームを互いに対して並進させ、それにより、材料を少なくとも２つの片に分離させるように間隔を空けた複数の材料改質を、材料内に生じさせるステップをさらに含み得る。材料で測定されたレーザビームの平均レーザエネルギーは、例えば約２５０μＪ未満など、約４００μＪ未満でもよい。パルス持続時間は、約１０ピコ秒超から約１００ピコ秒未満の間の範囲内でもよいし、あるいは１０ピコ秒未満でもよい。パルス繰返し周波数は、１０ｋＨｚから１００ｋＨｚの間の範囲内など１０ｋＨｚから１０００ｋＨｚの間の範囲内でもよいし、あるいは１０ｋＨｚ未満でもよい。この材料は、ガラス、サファイア、または半導体ウエハなどでもよい。材料改質は亀裂形成でもよい。レーザビーム焦線の入射角度は、材料の表面に対して垂直など、材料の表面に対して約４５°以下でもよい。レーザビーム焦線は、材料内に完全に含有された、材料のいずれの表面へも延在しない状態でもよい。材料改質は材料内で、材料の２つの対向する表面のうちの一方から２つの対向する表面のうちの他方まで材料の厚さ全体に亘って延在するなど、材料内で材料の２つの対向する表面のうちの少なくとも一方まで延在するものでもよい。特に各レーザパルスに対して、材料改質は材料内で、材料の２つの対向する表面のうちの一方から２つの対向する表面のうちの他方まで材料の厚さ全体に亘って延在してもよい。パルスレーザビームの波長は、材料がこの波長で実質的に透明であるように選択され得る。この波長は約１．８μｍ未満でもよい。レーザビーム焦線の平均スポット径は、０．５μｍから５μｍの間の範囲内でもよい。
【００１９】
本開示のさらなる実施形態は、パルスレーザと、レーザのビーム路内に位置付けされた光学アセンブリとを含む系に関し、光学アセンブリは、レーザビームをこの光学アセンブリのビーム発生側で、ビーム伝搬方向に沿って見て０．１ｍｍから１００ｍｍの間の範囲内の長さを有するレーザビーム焦線へと変形するように構成されており、この光学アセンブリは、レーザビーム焦線を発生させるように構成された球面収差を有する、集束光学素子を含み、このレーザビーム焦線は、材料内に誘起吸収を生じさせるように適合されており、誘起吸収は、レーザビーム焦線に沿って材料内に材料改質を作り出す。この系に対するレーザエネルギー、パルス持続時間、パルス繰返し周波数、波長、焦線直径、材料、および材料改質は、方法に対して上述したものと同様とし得る。光学アセンブリは、レーザのビーム路内で集束光学素子の前に位置付けされた、環状開口を含んでもよく、この環状開口は、レーザビームの中心の１以上の光線を遮断し、この中心の外側の周辺光線のみが集束光学素子に入射しそれによりビーム方向に沿って見て単一のレーザビーム焦線のみがパルスレーザビームの各パルスに対して生成されるように、構成される。集束光学素子は、アキシコンなどの非球形の自由表面を有する円錐プリズムなど、球状に切断された凸レンズでもよい。光学アセンブリは第２の光学素子をさらに含んでもよく、レーザビーム焦線が第２の光学素子のビーム発生側で第２の光学素子からある距離を隔てて発生するように、これらの２つの光学素子は位置付けおよび位置合わせされる。
【００２０】
本開示の別の実施形態は、少なくとも１つの表面を有するガラス物品に関し、この少なくとも１つの表面は、複数の材料改質をこの表面に沿って含み、この材料改質の夫々の長さは０．１ｍｍから１００ｍｍの間の範囲内であり、かつ材料改質の夫々の平均直径は０．５μｍから５μｍの間の範囲内である。本開示のさらに別の実施形態は、少なくとも１つの表面を有するガラス物品に関し、この少なくとも１つの表面は、複数の材料改質をこの表面に沿って含み、この材料改質の夫々の、直接隣接する材料改質の平均距離ａと材料改質を作り出したレーザビーム焦線の平均直径δとの比率Ｖ３＝ａ／δは、およそ２．０に等しい。
【００２１】
本開示を以下で、最初に大まかに説明し、次いでいくつかの例示的な実施形態に基づいて詳細に説明する。個々の例示的な実施形態において互いに組み合わせて示されている特徴は、全てが実現される必要はない。特に、個々の特徴は省略することも可能であるし、または同じ例示的な実施形態あるいは他の例示的な実施形態に示されている他の特徴と、何らかの他のやり方で組み合わせてもよい。ある例示的な実施形態の個々の特徴が、既にそれ自体で従来技術の有利な発展を示すことも可能である。
【００２２】
基板を分離して個々の部分にする機構を最初に以下で説明する。
【００２３】
この分離方法は、このために適したレーザ光学系（以下、光学配置とも称される）を用いてレーザパルスごとにレーザ焦線（焦点とは異なる）を生じさせる。焦線は、レーザと基板材料との間の相互作用のゾーンを決定する。分離する材料に焦線が及ぶと焦線沿いに亀裂ゾーンを生じさせる材料との相互作用が起こるように、レーザパラメータは選択され得る。ここでの重要なレーザパラメータは、レーザの波長、レーザのパルス持続時間、レーザのパルスエネルギー、さらに場合によってはレーザの偏光である。
【００２４】
レーザ光の材料との相互作用のために、好適には以下が提供されるべきである。
【００２５】
１）レーザの波長１は、材料がこの波長で実質的に透明であるように選択されることが好ましい（具体的には例えば、材料深さ１ｍｍ当たりの吸収＜＜１０％→γ＜＜１／ｃｍ；γはランベルト・ベール吸収係数）。
【００２６】
２）レーザのパルス持続時間は、相互作用のゾーンから外側へ著しい熱輸送（熱拡散）が相互作用の時間内に起こり得ないように選択されることが好ましい（具体的には例えば、τ＜＜ｄ2／α、ｄ：焦点直径、τ：レーザパルス持続時間、α：材料の熱拡散定数）。
【００２７】
３）レーザのパルスエネルギーは、相互作用のゾーンすなわち焦線での強度が誘起吸収を生じさせ、この誘起吸収が焦線に沿った材料の局所加熱につながり、これがさらに材料に導入された熱応力の結果として焦線に沿った亀裂形成につながるように、選択されることが好ましい。
【００２８】
４）レーザの偏光は、表面での相互作用（反射性）と誘起吸収の際の材料内での相互作用の種類との両方に影響を与える。誘起吸収は、熱励起の後に、または多光子吸収および内部の光イオン化によって、または直接の電界イオン化（光の電界強度が電子結合を直接破壊する）によって、誘起された自由電荷担体（典型的には電子）によって起こり得る。電荷担体発生の種類は、例えばいわゆるケルディッシュパラメータによって評価することができるが、これはこの方法の適用に全く影響しない。特定の材料（例えば複屈折材料）の場合に、レーザ光のさらなる吸収／透過が偏光に依存することがただ重要になり得、結果として適切な光学素子（位相板）を用いた偏光をユーザが選択して、例えば単にヒューリスティックなやり方で各材料を分離するのを助けるべきである。従って、材料が光学的に等方性ではなく例えば複屈折である場合、材料内のレーザ光の伝搬も偏光に影響される。従って偏光および偏光ベクトルの向きは、所望であれば、１つの焦線のみが形成されて２つ（普通の光線および異常な光線）は形成されないように選択され得る。光学的等方性材料の場合には、これは全く影響しない。
【００２９】
５）さらに強度は、好適には著しいアブレーションまたは著しい溶融が生じることなく、好適には固体物の微細構造に亀裂形成のみが生じるように、パルス持続時間、パルスエネルギー、および焦線直径に基づいて選択されるべきである。ガラスまたは透明結晶などの典型的な材料では、この要求をサブナノ秒範囲のパルスレーザで、すなわち特に例えば１０から１００ピコ秒の間のパルス持続時間で、最も容易に満たすことができる。これに関してさらに図１を参照すると、１μｍ前後のスケールの長さに亘って（０．５から５．０μｍ、図の中心参照）、例えばガラスなどの弱い熱導体では、熱伝導はサブマイクロ秒範囲で作用し（２つの線の間の範囲参照）、一方結晶および半導体などの優れた熱導体では、熱伝導は既にナノ秒範囲内で効果を有する。
【００３０】
材料内で亀裂形成が起こるための、さらに亀裂形成を基板の平面に鉛直に延在させるための、不可欠な作用は、材料の構造強度（ＭＰａでの圧縮強度）を超える機械的応力である。機械的応力はここでは、レーザエネルギーによる急速で不均質な加熱（熱的に誘起された応力）によって得られる。亀裂形成は当然のことながら、焦線に対する基板の適切な位置付けを前提とすると（以下参照）、変形が最も大きい場所であるため基板の表面で始まる。これは表面の上方の半空間に、力を吸収できる材料が存在していないためである。この主張は、硬化または強化された表面を有する材料でも、急に加熱される材料の焦線に沿った直径に比較してこの硬化層または強化層の厚さが大きなものである限り当てはまる。これに関しては図２をさらに参照し、以下でさらに説明する。
【００３１】
相互作用の種類は、フルエンス（ｃｍ2当たりのジュールでのエネルギー密度）とレーザパルス持続時間とによって、好適には１．）表面または容積内で著しい溶融が起こらないように、および２．）表面上で粒子形成を伴う著しいアブレーションが起こらないように、選択された焦線直径に対して設定され得る。実質的に透明な材料において、いくつかの種類の誘起吸収が知られている。すなわち、
ａ）低バンドギャップの半導体およびアイソレータでは、例えば（材料内の不純物の跡に起因する、またはレーザ機械加工前の温度で既に熱的に励起された電荷担体に起因する）低い残存吸収に基づき、最初のわずかなレーザパルス持続時間内での急速な加熱がさらなる電荷担体の熱励起につながり、これがさらに吸収の増加につながって、結果として焦線でのレーザ吸収の累積増加につながる。
【００３２】
ｂ）アイソレータでは、光の強度が十分に高い場合、光吸収は材料の原子との非線形光学的相互作用に基づいてイオン化につながり、結果としてさらに自由電荷担体の発生に、さらに結果的にレーザ光の線形吸収の増加につながる。
【００３３】
所望の分離面の形状の生成（基板表面上の線に沿った、レーザビームと基板との間の相対的な運動）を以下で説明する。
【００３４】
各レーザパルスに対し、個々の（基板表面に垂直な方向に見て）連続した亀裂ゾーンを、材料との相互作用によって材料内に焦線に沿って生じさせる。材料の完全な分断のために、各レーザパルスに対する一連のこれらの亀裂ゾーンは所望の分離線に沿って非常に近接して設定されるため、これらの亀裂が横方向につながって材料に所望の亀裂表面／輪郭が生成される。このために、レーザは特定の繰返し率でパルス発振される。スポットサイズと間隔は、表面でこれらのレーザスポットのラインに沿って、向きを有する所望の亀裂形成が生じるように選択される。所望の分離面に沿った個々の亀裂ゾーンの間隔は、レーザパルスからレーザパルスまでの時間周期内の、材料に対する焦線の動きから得られる。これに関しては図９をさらに参照し、以下でさらに説明する。
【００３５】
材料に所望の分離面を生じさせるために、基板の平面に平行に（および場合によってはこれに対してさらに垂直に）動かすことができる光学配置で、パルスレーザ光を固定された材料上で動かしてもよく、あるいは所望の分離線が形成されるように、固定された光学配置を通過するように材料自体を可動ホルダで動かしてもよい。材料の表面に対する焦線の向きは、表面に対して垂直であってもまたは９０°−βの角度であっても、固定値として選択することができ、あるいは枢動可能な光学配置（以下簡単のため光学系とも称する）によって、および／または枢動可能なレーザのビーム路によって、所望の分離線に沿って変化させることができる。
【００３６】
つまり所望の分離線を形成するために、焦線を最大５つの別々に可動の軸、すなわち材料内への焦線の浸透点を決定する２つの空間軸（ｘ，ｙ）、材料内への浸透点からの焦線の向きを決定する２つの角度のある軸（θ,φ）、および焦線が表面の浸透点から材料内へどのくらいの深さまで達するかを決定するさらなる空間軸（ｚ´、ｘ，ｙに直角である必要はない）で、材料に通過させてもよい。デカルト座標系（ｘ，ｙ，ｚ）の配置のために、例えば以下で説明する図５ａおよび６も参照されたい。基板表面上のレーザビームが垂直入射（β＝０°）である場合、ｚ＝ｚ´である。
【００３７】
ここでは一般に、光学系およびレーザのパラメータによって決定される制限が存在する。すなわち、θおよびφの角度の配向は、材料内におけるレーザ光の屈折によって許容される範囲（材料内の全反射の角度未満）でのみ行うことができ、またレーザ焦線の浸透の深さは、ある長さの焦線を単に形成する、利用可能なレーザパルスエネルギーとこれに従って選択されるレーザ光学系とによって制限され、この焦線はこの利用手可能なレーザパルスエネルギーで亀裂ゾーンを生じさせ得る。
【００３８】
焦線を全ての５つの軸で動かすための１つの考えられる構成は、例えば、駆動軸テーブル上で材料を座標ｘ，ｙで動かし、同時にガルバノスキャナおよび非テレセントリックＦシータレンズによって焦線をレンズの視野内でレンズの中心に対し座標ｘ´,ｙ´で動かし、さらに角度θ、φだけ傾けるものを含み得る。座標ｘおよびｘ´とｙおよびｙ´は、焦線を材料表面上の所望の衝突点に向けるように計算され得る。ガルバノスキャナおよびＦシータレンズは、軸テーブルのｘ，ｙ平面に直角なｚ軸にさらに固定され、材料の垂直方向の焦線の位置（材料内の焦線の深さ）を決定する。
【００３９】
基板を複数の部分に分離する最後のステップを以下で説明する（分離すなわち個別分離）。
【００４０】
生成された亀裂表面／輪郭に沿った材料の分離は、材料の内部応力によって、あるいは例えば機械的に導入される力（張力）または熱的に導入される力（不規則な加熱／冷却）によって起こる。アブレーションされる材料の量はそれほど著しくないことが好ましいため、一般的に最初は材料に連続した間隙ではなく、妨害物の多い破面エリア（微小亀裂）のみが存在する。この破面エリアはそれ自体の中で噛み合った状態であり、かついくつかの状況下ではブリッジによって接続されたままである。続いて導入される力は、材料を分離面に沿って分離することができるように、横方向の亀裂の成長（基板平面に平行に起こる）によって、残存しているブリッジを分離させるまた噛合いを解消する、効果を有する。
【００４１】
方法および装置のさらなる実施形態を以下で説明する。
【００４２】
一実施の形態において、好適にはシート状基板１特にウエハまたはガラス部材の、この基板を複数の部分に分離するためのレーザベースの機械加工の方法であって、この方法では、基板１を機械加工するためのレーザ３のレーザビーム２ａ、２ｂが基板へと向けられ、光学配置６がレーザ３の光線路内に位置付けられており、ビームの方向に沿って見て延在するレーザビーム焦線２ｂが、光学配置６のビーム出力側で、この光学配置へと向けられたレーザビーム２ａから形成され、さらに、誘起吸収がビームの方向に見てレーザビーム焦線２ｂの延在部分２ｃに沿って基板１の材料内に生じるように、基板１はレーザビーム焦線２ｂに対して位置付けられており、誘起された亀裂形成がこの延在部分２ｃに沿って基板の材料内で起こるという効果を有することを特徴とする。
【００４３】
いくつかの実施形態において基板１は、材料内すなわち基板１の内部の、誘起吸収の延在部分２ｃが、２つの対向する基板表面１ａ、１ｂのうちの少なくとも一方まで延在するように、レーザビーム焦線２ｂに対して位置付けられる。
【００４４】
特定の実施形態では、材料内すなわち基板１の内部の、誘起吸収の延在部分２ｃが、２つの対向する基板表面の一方１ａから２つの対向する基板表面の他方１ｂまで、すなわち基板１の全層厚さｄに亘って延在するように、基板１はレーザビーム焦線２ｂに対して位置付けられる、あるいは、材料内すなわち基板１の内部の、誘起吸収の延在部分２ｃが、２つの対向する基板表面の一方１ａから基板１内へと延在するが２つの対向する基板表面の他方１ｂまでではなく、すなわち基板１の全層厚さｄに亘ってではなく、好適にはこの層厚さの８０％から９８％に亘り、好適には８５から９５％に亘り、特に好適には９０％に亘り延在するように、基板１はレーザビーム焦線２ｂに対して位置付けられる。
【００４５】
いくつかの実施形態において誘起吸収は、基板１の微細構造において、基板１の材料のアブレーションおよび溶融なしで亀裂形成が起こるように生成される。
【００４６】
特定の実施形態では、レーザビーム焦線２ｂの範囲ｌ、および／または材料内すなわち基板１の内部の誘起吸収の部分２ｃの範囲は、いずれもビームの縦方向に見て０．１ｍｍから１００ｍｍの間、好適には０．３ｍｍから１０ｍｍの間であり、および／または、２つの対向する基板表面１ａ、１ｂに垂直に測定される基板１の層厚さｄは、３０μｍから３０００μｍの間、好適には１００μｍから１０００μｍの間であり、および／または、レーザビーム焦線２ｂのこの範囲ｌと基板１のこの層厚さｄとの比率Ｖ１＝ｌ／ｄは、１０から０．５の間、好適には５から２の間であり、および／または、ビームの縦方向に見て、材料内すなわち基板１の内部の誘起吸収の部分２ｃの範囲Ｌと、ビームの縦方向を横切る方向に見て、材料内すなわち基板１の内部の誘起吸収の部分２ｃの平均範囲Ｄとの比率Ｖ２＝Ｌ／Ｄは、５から５０００の間、好適には５０から５００の間である。
【００４７】
いくつかの実施形態において、レーザビーム焦線２ｂすなわちスポット径の平均直径δは、０．５μｍから５μｍの間、好適には１μｍから３μｍの間、好適には２μｍであり、および／または、レーザ３のパルス持続時間τは、基板１の材料との相互作用の時間内で、この材料の熱拡散がごく僅かであるように、好適には熱拡散が起こらないように選択され、このため好適にはτ、δ、および基板１の材料の熱拡散定数αはτ＜＜δ2／αに従って設定されおよび／または好適にはτは１０ナノ秒未満、好適には１００ピコ秒未満となるように選択され、および／または、レーザ３のパルス繰返し率は、１０ｋＨｚから１０００ｋＨｚの間、好適には１００ｋＨｚであり、および／または、レーザ３はシングルパルスレーザとして、あるいはバーストパルスレーザとして操作され、および／または、レーザ３のビーム出力側で直接測定された平均レーザパワーは、１０ワットから１００ワットの間、好適には３０ワットから５０ワットの間である。
【００４８】
特定の実施形態において、レーザ３の波長λは、基板１の材料がこの波長に対して透明または実質的に透明であるように選択される。実質的に透明であるとは、基板１の材料においてビームの方向に沿って起こるレーザビームの強度の減少が、浸透深さ１ミリメートル当たり１０％以下であることを意味すると理解される。レーザは、基板１が可視波長範囲で透明である特にガラスまたは結晶である場合には、好適には波長λが１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザ、または波長λが１０３０ｎｍのＹ：ＹＡＧレーザであり、あるいは赤外波長範囲で透明である特に半導体基板１である場合には、好適には波長λが１．５μｍから１．８μｍの間のＥｒ：ＹＡＧレーザである。
【００４９】
いくつかの実施形態において、レーザビーム２ａ、２ｂは基板１へと垂直に向けられ、従って、レーザビーム焦線２ｂの延在部分２ｃに沿った誘起吸収が基板の平面に垂直に起こるように基板１はレーザビーム焦線２ｂに対して位置付けられる、または、レーザビーム２ａ、２ｂは基板１へと、基板１の平面の法線に対して０°を超える角度βで向けられ、従って、レーザビーム焦線２ｂの延在部分２ｃに沿った誘起吸収が基板の平面に対して９０°−βの角度で起こるように基板１はレーザビーム焦線２ｂに対して位置付けられ、このとき好適にはβ≦４５°、好適にはβ≦３０°である。
【００５０】
特定の実施形態では、複数の部分を得るために、基板１を分断する線５に沿って、レーザビーム２ａ、２ｂを基板１の表面１ａ、４に対して動かして、基板１内部の誘起吸収の延在部分２ｃをこの線５に沿って複数（２ｃ−１、２ｃ−２、・・・）生じさせる。ここで好適には、直接隣接する誘起吸収の延在部分２ｃの、すなわちすぐ次に生成された延在部分との、平均間隔ａと、レーザビーム焦線２ｂすなわちスポット径の、平均直径δとの比率Ｖ３＝ａ／δは、０．５から３．０の間であり、好適には１．０から２．０の間である。
【００５１】
いくつかの実施形態では、基板１内部で誘起吸収の延在部分２ｃを複数（２ｃ−１、２ｃ−２、・・・）生成している間および／または生成した後に、基板１に機械的な力を与える、および／または基板１に熱応力を導入する。特に、基板を複数の各部分に分離するために誘起吸収の延在部分２ｃの直接隣接しているもの（２ｃ−１、２ｃ−２）の間に亀裂形成をもたらすよう、基板を不規則に加熱し再び冷却する。この熱応力は好適には、ＣＯ2レーザで基板１を線５に沿って照射することによって導入される。
【００５２】
いくつかの実施形態において、好適にはシート状基板１の、この基板を複数の部分に分離するための、レーザベースの機械加工のための装置であって、基板１を機械加工するためのレーザ３のレーザビーム２ａ、２ｂを、基板へと向けることができるこの装置は、レーザ３の光線路内に位置付けられた光学配置６であって、ビームの方向に沿って見て延在するレーザビーム焦線２ｂを、光学配置６のビーム出力側で、この光学配置へと向けられるレーザビーム２ａから形成することができる、光学装置６と、誘起吸収がビームの方向に見てレーザビーム焦線２ｂの延在部分２ｃに沿って基板１の材料内で起こり、誘起された亀裂形成がこの延在部分２ｃに沿って基板の材料内にもたらされるという効果を有するように、レーザビーム焦線２ｂに対して位置付けることができる、あるいは位置付けられた、基板１と、で特徴付けられる。
【００５３】
特定の実施形態において光学配置６は、球面収差を有する集束光学素子、好適には球状に研磨された凸レンズ７を含み、光学配置６の隔壁８、好適には環状の隔壁が、レーザ３の光線路内で好適には集束光学素子７の前に位置付けられて、レーザビーム２ａの中心に位置する、隔壁に衝突する光線の束２ａＺが遮断され得、その結果この中心の外側にある周縁光線２ａＲのみがこの集束光学素子に衝突するという効果を有する。
【００５４】
いくつかの実施形態において光学配置６は、ビームの方向に見て画成された範囲ｌすなわち画成された長さを有するレーザビーム焦線２ｂを形成するように成形された、非球形の自由表面を有する光学素子を含み、この非球形の自由表面を有する光学素子は円錐プリズムまたはアキシコン９であることが好ましい。
【００５５】
特定の実施形態において光学配置６は、レーザ３の光線路内に、延在するレーザビーム焦線２ｂを形成するように成形された、好適には円錐プリズムまたはアキシコン１０である非球形の自由表面を有する第１の光学素子を最初に備え、さらにこの第１の光学素子のビーム出力側の第１の光学素子から距離ｚ１の位置に、第２の集束光学素子、特に凸レンズ１１を備え、これらの２つの光学素子は好適には、延在するレーザビーム焦線２ｂが第２の光学素子のビーム出力側の第２の光学素子から距離ｚ２の位置に生成されるように、第１の光学素子がこれに衝突したレーザ放射を第２の光学素子へと環状に（ＳＲ）投影するよう、位置付けおよび位置合わせされている。
【００５６】
いくつかの実施形態では、特に平凸コリメートレンズ１２である第３の集束光学素子が、レーザ３の光線路内の第１の光学素子と第２の光学素子との間に位置付けられ、この第３の光学素子は好適には、第１の光学素子によって環状に（ＳＲ）形成されたレーザ放射が、画成された平均リング直径ｄｒで第３の光学素子へと及び、さらに第３の光学素子がレーザ放射をこのリング直径ｄｒと画成されたリング幅ｂｒとで第２の光学素子の方へ環状に投影するよう、位置付けおよび位置合わせされている。
【００５７】
上述した方法または装置は、ガラス、特に石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、サファイアガラス、またはソーダ石灰ガラス、結晶Ａｌ2Ｏ3の、ＳｉＯ2・ｎＨ2Ｏ（オパール）の、または半導体材料、特にＳｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮの、ナトリウム含有ガラス、硬化ガラス、または非硬化ガラス、の基板を分離するために、および／または、単一層基板、または多層基板、特にガラス−ガラス複合体、ガラス−膜複合体、ガラス−膜−ガラス複合体、またはガラス−空気−ガラス複合体、を分離するために、および／または、コーティング基板、特に金属コーティングのサファイアウエハ、金属層または金属酸化物層を備えたシリコンウエハ、あるいはＩＴＯまたはＡｌＺｎＯでコーティングされた基板、を分離するために、および／または、単一層基板または多層基板を完全に分断する、または多層基板の全ての層ではないが１以上の層を分断するために、使用することができる。
【００５８】
上述した光学配置を用いて生成されたレーザビーム焦線は、上記および下記において簡単のために代わりにレーザビームの焦線とも称される。基板は、亀裂形成（基板平面に垂直に延在するように作られた焦線に沿った誘起吸収）によって、基板平面から見て複数の部分に、分離または個々に分離される。亀裂形成は結果として、基板平面に垂直に基板内へと、すなわち基板の内部へと起こる（縦の亀裂形成）。既に説明したように、個々の基板の部分を互いから分離することができるように、一般に複数の個々のレーザビーム焦線を基板表面上の線に沿って基板内へと導入する必要がある。このために、基板をレーザビームに対して、または光学配置に対して、基板平面に平行に動かしてもよいし、あるいは逆に光学配置を、固定して配置された基板に対して基板平面に平行に動かしてもよい。
【００５９】
少なくとも１つの従属する方法または装置の請求項の特徴が有利にさらに実現される。これに関して、いくつかの従属請求項の特徴は、いかなる所望の組合せでも実現され得る。
【００６０】
ある特定の態様において、基板内部の誘起吸収の延在部分は、基板の表面から基板内の画成された深さまで（またはさらにこれを超えて）延在する。誘起吸収の延在部分は、この場合、基板の一方の表面から他方の表面までの全深さを含み得る。さらに、基板の内部のみに（基板の両表面を含まずに）誘起吸収の延在部分を縦に生じさせることも可能である。
【００６１】
有利に実現され得るさらなる特徴は、さらに以下で説明する図３ｂにおいて見ることができる。誘起吸収の延在部分（すなわち、例えば基板の平面に垂直に導入される亀裂の長さ）は、結果として、基板内部のある点から誘起吸収の延在部分に沿って基板の後表面まで延在するものでもよいし、あるいは例えば基板の前表面から基板内部のある点まで延在するものでもどちらでもよい。層厚さｄはこの場合、シート状基板の２つの対向する基板表面に垂直に夫々測定される（レーザ放射が基板表面の法線に対してある角度β＞０°で斜めに向けられる場合、すなわち斜め入射の場合であっても）。
【００６２】
本書では、各事例において述べられる範囲制限は、示された上限値および下限値を含む。
【００６３】
誘起吸収は、既に説明した、以下で例の範囲内でさらに説明するレーザパラメータと、光学配置のパラメータと、装置の個々の要素の配置の幾何学的パラメータとの設定を用いて有利に生成される。原理上は、パラメータの特徴の、いかなる所望の組合せもここでは可能である。例えば、τ＜＜δ2／αは、ここではτがδ2／αの１％未満であること、好適には１％未満であることを意味する。例えばパルス持続時間τは、１０ピコ秒（あるいはこれ未満）、１０から１００ピコ秒の間、または１００ピコ秒超でもよい。Ｓｉ基板を分離するために、好適には波長が１．５から１．８μｍの間のＥｒ：ＹＡＧレーザが使用される。半導体基板に対しては、一般に、光子エネルギーが半導体のバンドギャップ未満であるように選択された波長を有するレーザが使用されることが好ましい。
【００６４】
レーザビームを基板へと向けるための有利な放射方向（これが次いで基板平面に対するレーザビーム焦線の向きも画成する）は、レーザビーム２ａ、２ｂが基板１に垂直に向けられるものを含み、従ってこのとき、レーザビーム焦線２ｂの延在部分２ｃに沿った誘起吸収が基板の平面に垂直に起こるように基板１はレーザビーム焦線２ｂに対して位置付けられ、あるいは、レーザビーム２ａ、２ｂが基板１へと、基板１の平面の法線に対して０°を超える角度βで向けられるものを含み、従ってこのとき、レーザビーム焦線２ｂの延在部分２ｃに沿った誘起吸収が基板の平面に対して９０°−βの角度で起こるように基板１はレーザビーム焦線２ｂに対して位置付けられ、このとき好適にはβ≦４５°、好適にはβ≦３０°である。
【００６５】
基板を複数の部分に最終的に分離する、すなわち個々に分離するために場合によってはさらに必要となる、追加の方法ステップを以下で説明する。既に述べたように、光学配置（レーザと共に）に対して基板を動かす、あるいは基板に対して光学配置（レーザと共に）を動かす。亀裂形成はこの場合（上述の誘起された亀裂形成とは対照的に）、横切る亀裂、すなわち基板の平面内の方向の、横方向の亀裂形成（基板が分離される線の経路に対応する）を意味すると理解されるべきである。
【００６６】
レーザビーム焦線を生成しかつ位置付けるための光学配置の種々の考えられる構成の形を特に説明した、装置のさらなる発展を以下で説明する。これに関して、以下の例示的な実施形態と図３ａ、４、５ａ、５ｂ、６、７、および８も参照されたい。凸レンズは特に平凸レンズでもよい。
【００６７】
本発明による主な用途（他のものはさらに以下で説明する）は上述されている。
【００６８】
従来技術から公知の方法および装置と比較した、一連の著しい利点を以下で説明する。
【００６９】
第一に、本発明によれば、著しく粒子を形成することなく、著しくエッジを溶解させることなく、エッジでの亀裂形成を最小とし、いかなる著しい切断間隙も含まず（結果として基板材料の損失なく）、さらに真っ直ぐに切断されたエッジで、切断の形成が行われる。この場合切断の形成は、（基板平面に対して見て）垂直に、または基板の法線に対してユーザの所望の角度βで設定することができる。
【００７０】
特に、それほど高い平均レーザパワーは必要ではなく、それでも比較的速い分離速度を達成することができる。これに関して、各レーザパルス（または各バーストパルス）に対してレーザビーム焦線を生成する（広がりのないあるいは単に極局所的な広がりの、単なる焦点ではない）ことは不可欠である。以下でさらに詳細に提示するレーザ光学系を、この目的のために使用する。従って、焦線はレーザと基板との間の相互作用のゾーンを決定する。焦線の少なくとも（深さ方向に見て）一部が分離される基板材料に及ぶ場合、焦線全体に沿って（または、基板に及ぶレーザビーム焦線の延在部分全体に沿って）亀裂ゾーンを生成する材料との相互作用が起こるようにレーザパラメータは選択され得る。選択可能なレーザパラメータは、例えば、レーザの波長、レーザのパルス持続時間、レーザのパルスエネルギー、さらに場合によってはレーザの偏光である。
【００７１】
例えば機械的に罫書きして分割するものに比べてこの方法が有するさらなる利点は、粒子が形成されない（または少なくとも最小である）ことだけではなく、機械的な罫書き線に比べて高アスペクト比（深さに対する幅）を達成できることである。機械的に罫書きして分割する場合には、材料内への破断線は大部分が制御できない亀裂の成長によって生成されるが、本発明によれば基板の法線に対して非常に正確に設定可能な角度βで分離が行われる。結果として本発明によれば、切断方向の方向依存性はなく、斜めの切断が容易に可能である。
【００７２】
さらに、レーザを基板材料の表面上または内部で点集束させることによって点（集束）欠陥を生じさせ、この点焦点を材料の異なる深さで設定した後に続いて分割するものに比べて、本書で説明される実施形態は特に大幅に高いアスペクト比での切断が達成可能であるという利点を有する。向きを有する亀裂形成がほとんどないために特により厚い基板の場合に生じる、こういった既知の方法の問題は結果的に回避される。機械加工の速度も、特により厚い基板の場合（この場合、基板平面内の画成された位置で、基板の上方側から下側へと基板の異なる深さで複数の損傷点を設定する必要がある）何倍も増加する。
【００７３】
表面でのアブレーション、表面でのバリの形成、および粒子形成が回避される（粒子形成は、特に、基板表面から延在する誘起吸収および亀裂形成が基板の内部に向かうように、基板に対して焦線の位置が設定される場合）。この場合、最初の（望ましい）損傷は結果として直接表面で起こり、さらに画成されたやり方で、誘起吸収により基板の深さの方へと亀裂形成ゾーンに沿って続いていく。
【００７４】
種々の材料、特にガラスシート、サファイアシート、半導体ウエハ、・・・を機械加工することができる。これに関して、対応する材料の個々の層および積層体（複数の個々の基板の層のスタック）の両方を機械加工することができる。この場合焦線は、層のスタックの内部であっても画成された層のみが分離されるように、位置付けおよび位置合わせすることができる。種々のサンドイッチ構造の層のスタック、すなわち、ガラス−空気−ガラス複合体、ガラス−膜−ガラス複合体、ガラス−ガラス複合体が機械加工され得る。結果として、スタック内部であっても個々の層の選択的な切断が可能であり、中間層（例えば、膜または接着膜）の分断も同様である。
【００７５】
既にコーティングされた材料（例えばＡＲコーティング、ＴＣＯコーティング）や、あるいは片面に不透明プリントが施された基板も、機械加工および分離可能である。
【００７６】
基板内の亀裂形成によって制限される形状はなく、自由な形の切断が可能である。結果として、事実上任意の所望の自由な形の切断を透明媒体に導入することができる（切断方向は方向依存性がない）。結果として、法線に基づいて例えば最大でβ＝３０°またはβ＝４５°までの角度の調節角度で、斜めの切断を基板に導入することができる。
【００７７】
事実上いかなる切断間隙も含まずに切断可能であり、すなわち一般に１から１０μｍの間の範囲内の材料損傷のみが生成される。特にそれにより、材料または表面積に対して切断損失は生成されない。これは特に半導体ウエハを切断する場合に有利であり、というのも切断間隙の損失はウエハの能動的に使用できる表面積を減少させることになるためである。本書で説明する焦線切断の方法は、結果として増加した表面積収率を生み出す。材料損失がないと、特に宝石（例えばダイヤモンド）を切断する場合にも有利であり、すなわち本書で説明される用途の範囲は好適にはシート状基板の切断または分離であるが、シート状ではない基板またはワークピースも機械加工可能である。
【００７８】
本書で説明する方法は、特に製造プロセスのインラインオペレーションで使用することもできる。これは、ロール・トゥ・ロール法によって進められる製造プロセスの場合に特に有利に行われる。
【００７９】
シングルパルスレーザの他、バーストパルスを発生させるレーザも使用することができる。原理上は、連続波動作でのレーザの使用も考えられる。
【００８０】
以下の具体的な適用範囲が例として生じる。
【００８１】
１．完全にまたは部分的にサファイアウエハを切断する可能性を有する、サファイアＬＥＤの分離。この事例では、本書で説明される方法で金属層を同じく同時に分断することができ、これは単一ステップで行われる。
【００８２】
２．半導体ウエハを、テープを損傷せずに個々に分離することができる。このために焦線は、表面を始点としかつ（レーザから離れる方に向いている、基板の後表面上の）貼られた膜の前で止まるように、基板材料の内部へ部分的にのみ置かれ、例えば材料の約１０％は分離されない。焦線が膜の前で「止まる」ため、結果として膜は傷がないままである。その後、半導体ウエハを機械的な力（または熱的な力、ＣＯ2レーザを用いる以下の例参照）によって、残りの１０％に亘って分離することができる。
【００８３】
３．コーティング材料の切断。ここでの例は、ブラッグ反射器（ＤＢＲ）あるいは金属コーティングされたサファイアウエハである。活性金属または金属酸化物の層が既に塗布された処理済みのシリコンウエハを、本発明に従って切断することも可能である。他の例は、例えばタッチスクリーンまたはスマートウインドウを製造するために必要とされる基板をコーティングしたＩＴＯまたはＡｌＺｎＯの機械加工である。非常に伸びた焦線（その直径と比較して）であるため、焦線の一部は金属層（または別の層）を取り除き、一方焦線の残りの部分は透明材料に浸透してこれを切断する。これは特に、対応してコーティングされた基板をワンステップのプロセスで、すなわちコーティングと基板とを１つの動作で分離するプロセスで、分離できるという利点も有する。
【００８４】
４．非常に薄い材料（例えば、厚さ３００μｍ未満、１００μｍ未満、またはさらには５０μｍ未満のガラスの基板）の切断に特に有利である。こういった材料は従来の機械的な方法では、非常に苦労して機械加工することしかできない。実際に機械的な方法の場合には、基板を使用不可にする可能性のある、または時間のかかる苦労する再加工作業を必要とする、エッジ、損傷、亀裂、または剥離が生じる。これに対し、薄い材料の場合に本書で説明される切断は、特に再加工を必要としないようにエッジの損傷および亀裂を回避する、切断速度が非常に速い（＞１ｍ／ｓ）、高収率である、および単一ステップでプロセスを実行する、という利点を提供する。
【００８５】
５．本書で説明される方法は、特に、連続作動するガラス牽引プロセスで製造される薄膜ガラスの製造においても、膜のエッジを整えるために使用され得る。
【００８６】
図２は、本発明による機械加工方法の基本的な手順を示したものである。ここでは図示されていないレーザ３（図７参照）により放出され、かつ光学配置６のビーム入力側では参照符号２ａで示されているレーザビーム２が、光学配置６へと向けられる（以下のこれの例示的な実施形態参照）。光学配置６は、放射されて入ってくるレーザビームから、ビームの方向に沿って画成された範囲に亘って延在するレーザビーム焦線２ｂ（焦線の長さｌ）を、ビーム出力側で形成する。ここではシート状基板１である機械加工される基板１は、光線路内の光学配置の後に位置付けされ、基板１の少なくとも一部分はレーザ放射２のレーザビーム焦線２ｂと一致する。参照符号１ａはシート状基板の、光学配置６またはレーザの方に向いている表面を示し、また参照符号１ｂは、この第１の表面から離れかつ通常この表面に平行である、基板１の後表面１ｂを示す。基板の厚さ（表面１ａおよび１ｂに垂直な、すなわち基板平面に関連付けて測定される）を、ここでは参照符号ｄで示す。
【００８７】
図２ａが示すように、ここでは基板１はビームの縦軸に対して、かつ結果として光学配置６によって生成された焦線２ｂに対して、垂直に、光学配置６の下流の空間において位置合わせされ（基板は図面の平面に垂直である）、また基板１は、ビームの方向に見て焦線２ｂが基板の表面１ａの前から始まりかつ基板の表面１ｂの前で終わる、すなわち依然基板の内部であるように、ビームの方向に沿って見て焦線２ｂに対して位置付けられる。結果として（レーザビーム２を長さｌの部分に集束させることによって、すなわち長さｌの線集束によって確保される、レーザビーム焦線２ｂに沿った適切なレーザ強度で）、延在するレーザビーム焦線２ｂは、レーザビーム焦線２ｂの基板１と一致する領域に、すなわち焦線２ｂが通過した基板の材料内に、ビームの縦方向に沿って見て延在部分２ｃを生み出し、この延在部分２ｃに沿って基板の材料に誘起吸収が生じ、この誘起吸収が、部分２ｃに沿って基板の材料に亀裂形成を誘起する。この場合亀裂形成は、局所的のみではなく、誘起吸収の延在部分２ｃの長さ全体に亘って起こる。この部分２ｃの長さ（すなわち結局は、レーザビーム焦線２ｂの基板１と一致する長さ）に、ここでは参照符号Ｌが与えられる。誘起吸収の部分（または、基板１の材料内の亀裂形成が施される領域）の平均直径または平均範囲を、ここでは参照符号Ｄで示す。この平均範囲Ｄは、ここでは実質的にレーザビーム焦線２ｂの平均直径δに相当する。
【００８８】
図２ａが示すように、結果的に、レーザビーム２の波長λに対して透明である基板材料を、焦線２ｂに沿って誘起吸収により加熱する。図２ｂは、対応して誘起される応力が微小亀裂の形成につながるように、加熱された材料が最終的にどのように拡大するかを示し、またこの応力が表面１ａで最も大きくなることを示している。
【００８９】
焦線２ｂを生じさせるために使用され得る実際の光学配置６と、さらにこれらの光学配置が使用され得る実際の光学セットアップ（図７）とを以下で説明する。すべての配置およびセットアップは、ここでは上で示した説明に基づいたものであり、そのため各事例において、その機能において同一のまたは対応する構成要素または特徴に対し、同一の参照符号を使用する。従って、相違点のみを夫々以下で説明する。
【００９０】
最終的に分離につながる分離面は（破断強度、幾何学的精度、粗さ、および再加工要求の回避に関して）高品質なものであるため、あるいは高品質なものになるように意図されているため、基板の表面上に分離線５に沿って位置付けられる個々の焦線は、以下の光学配置で説明するように生成されるはずである（光学配置は代わりに、以下でレーザ光学系とも称される）。ここでの粗さは、特に焦線のスポットサイズまたはスポット径に起因する。レーザ３の所与の波長λ（基板１の材料との相互作用）で、例えば０．５μｍから２μｍの小さいスポットサイズを達成可能にするために、レーザ光学系６の開口数に一般に特定の要件を課す必要がある。これらの要件は、以下で説明するレーザ光学系６で満たされる。
【００９１】
所望の開口数を得るために、一方において光学系は、アッベにより与えられる既知の公式（開口数＝ｎｓｉｎ（θ）、ｎ：機械加工されるガラスの屈折率、θ：開口角の半分、およびθ＝ａｒｃｔａｎ（Ｄ／２ｆ）、Ｄ：口径、ｆ：焦点距離）に従って所与の焦点距離で必要な口径を有していなければならない。他方では、レーザビームは必要とされる口径まで光学系を照らさなければならないが、これはレーザと集束光学系との間で拡大望遠鏡を用いたビームの拡大によって典型的には達成される。
【００９２】
スポットサイズは同時に、焦線に沿った均一な相互作用のために、あまり大きく変化しないものであるべきである。これは例えば（以下の例示的な実施形態参照）、集束光学系を細い環状領域で単に照らすことによって、当然のことながらこのときビーム口径および結果として開口数は少量のパーセントしか変化しないので、確実にすることができる。
【００９３】
図３ａによれば（レーザ放射２のレーザ光線の束の中心光線のレベルでの、基板の平面に垂直な断面。ここでも、焦線２ｂまたは誘起吸収の延在部分２ｃが基板の法線に平行になるように、レーザビーム２の放射は基板の平面に垂直に、すなわち角度βが０°で行われる）、レーザ３によって放出されたレーザ放射２ａは最初に、使用されるレーザ放射に対して完全に不透明な円形の隔壁８へと向けられる。隔壁８はこの場合、ビームの縦軸に垂直に配向され、また図示の光線２ａの束の中心光線上を中心とする。光線２ａの束の中心近くの光線の束または中心光線が（ここでは２ａＺで示す）、隔壁に衝突して隔壁に完全に吸収されるように、隔壁８の直径は選択される。光線２ａの束の外側周縁領域の光線のみが（周縁光線、ここでは２ａＲで示す）、ビーム径に比べて隔壁サイズが小さいために吸収されずに隔壁８の横を通り過ぎ、ここでは球状に研磨された両凸レンズ７として形成された光学配置６の集束光学素子の周縁領域に衝突する。
【００９４】
レンズ７は、中心光線を中心とし、ここでは補正されていない通常の球状に研磨されたレンズの形の両凸集束レンズとして意図的に形成される。言い換えれば、このレンズの球面収差を意図的に利用する。代わりに、理想的に補正された系から逸脱した、具体的には理想的な焦点ではなく画成された長さの明確な細長い焦線を形成する、非球面レンズまたはマルチレンズシステムも使用することができる（すなわち具体的には、もはや単一の焦点を有するものではないレンズまたは系）。結果的にレンズのこの区域は、具体的にはレンズの中心からの距離に基づいて焦線２ｂに沿って集束する。ここではビームの方向を横断する隔壁８の直径は、光線の束の直径（光線の束の直径は、１／ｅに減衰するまでの範囲によって画成される）のおよそ９０％であり、また光学配置６のレンズの直径の約７５％である。結果として、中央の光線の束を遮断することによって生成された、収差補正されていない球面レンズ７の焦線２ｂが本書では使用される。図示は中心光線を通る平面における断面であり、すなわち図示の光線を焦線２ｂに関して回転させると完全な３次元の束が得られる。
【００９５】
この焦線の不利な点は、条件（スポットサイズ、レーザの強度）が焦線に沿って、結果として材料内の求められる深さに沿って、変化することであり、結果として望ましい種類の相互作用（著しくない、溶融、誘起吸収、亀裂形成に至る熱可塑性変形）は、おそらく焦線の一部分の範囲内でしか設定することができない。これは逆に、放射されてきたレーザ光の一部のみが所望のやり方で吸収される可能性があることを意味する。結果として、一方ではこの方法の効率（所望の分離速度に必要な平均レーザパワー）は損なわれ、他方ではある状況下でレーザ光は望ましくないより深い位置（基板または基板ホルダに付着している、部分または層）に伝送され、そこで望ましくないやり方で相互作用する（加熱、分散、吸収、望ましくない改質）。
【００９６】
図３ｂは（図３ａの光学配置に対してだけではなく、原理上は使用され得る全ての他の光学配置６に対しても）、基板１に対して光学配置６を適切に位置付けおよび／または位置合わせすることによって、また光学配置６のパラメータを適切に選択することによって、レーザビーム焦線２ｂが種々位置付けされ得ることを示している。すなわち図３ｂの第１のラインが図示しているように、焦線２ｂの長さｌは、これが基板厚さｄを超えるように（ここでは２倍）設定され得る。結果として、基板１がビームの縦方向に見て焦線２ｂに対して中心に置かれる場合、誘起吸収の延在部分２ｃは、基板の全厚さｄに亘って生成される。
【００９７】
図３ｂの第２のラインに示されている事例では、基板の範囲ｄに略相当する長さｌの焦線２ｂが生成される。基板１は線２ｂに対して、線２ｂが基板の前すなわち外側の点を始点とするように位置付けされるため、誘起吸収の延在部分２ｃ（ここでは基板の表面から基板の画成された深さまで延在するが、後表面１ｂまでは延在しない）の長さＬは、ここでは焦線２ｂの長さｌ未満である。図３ｂの第３のラインは、基板１がビーム方向に沿って見て焦線２ｂの始まる前に部分的に位置付けられている事例を示しており、そのためここでも線２ｂの長さｌに対してｌ＞Ｌが当てはまる（Ｌは基板１内の誘起吸収の部分２ｃの範囲）。焦線は結果として基板の内部を始点とし、後表面１ｂを超えて基板の外側まで延在する。図３ｂの第４のラインは最後に、生成される焦線の長さｌが基板厚さｄ未満である事例を示し、そのため−照射の方向に見て焦線に対し基板を中心に位置付けることで−焦線はここでは基板内部の表面１ａ付近を始点とし、基板内部の表面１ｂ付近で終わる（ｌ＝０．７５・ｄ）。
【００９８】
ここでは、表面１ａ、１ｂの少なくとも一方を焦線が通り過ぎるように、すなわち誘起吸収の部分２ｃが結果的に少なくとも一方の表面の位置で始まるように、焦線の位置付けが実現されると特に有利である。このようにして、表面でのアブレーション、バリ、および粒子形成を回避することによって、事実上理想的な切断が達成され得る。
【００９９】
図４は、使用され得るさらなる光学配置６を示している。基本的なセットアップは図３ａで説明したものに従うため、相違点のみを以下で説明する。図示の光学配置は、焦線２ｂの形成に対し、画成された長さｌの焦線が形成されるように成形された非球形の自由表面を備えた光学系を使用する発想に基づいている。このために非球面レンズが、光学配置６の光学素子として使用され得る。例えば図４では、アキシコンとも称されることが多い、いわゆる円錐プリズムが使用されている。アキシコンは、光軸に沿った線上に点光源を形成する（あるいはレーザビームを環状に変形する）、特殊な円錐状に研磨されたレンズである。このアキシコンのセットアップの原理は、当業者には公知である。ここでは、円錐角は例えば１０°である。ここでは参照符号９で示されているアキシコンは、その円錐頂点が照射方向の反対となった状態で位置合わせされており、またビームの中心に中心が置かれている。アキシコン９の焦線２ｂは既にその内部で始まるため、基板１（ここでは主光線の軸に垂直に配置される）を光線路内でアキシコン９の直後に位置付けてもよい。図４が示すように、アキシコンの光学的性質のために、基板１を焦線２ｂの領域から離れることなくビーム方向に沿って変位させることもできる。基板１の材料内の誘起吸収の延在部分２ｃは、結果として基板の全深さｄに亘って延在する。
【０１００】
しかしながら、図示のセットアップは以下の制限を有する。すなわち、アキシコン９の焦線は、レンズと材料との間の有限の作動距離を伴って既にレンズ内部で始まるため、レーザエネルギーのかなりの部分は焦線２ｂの材料内の部分２ｃに集束しない。さらに、アキシコン９の利用可能な屈折率および円錐角で、焦線２ｂの長さｌはビーム径に関連付けられ、こういった理由で比較的薄い材料（数ミリメートル）の場合、焦線は結局のところ長すぎることになり、その結果レーザエネルギーを特に材料へと集束させることができない。
【０１０１】
このため、アキシコンおよび集束レンズの両方を含むときに改善された光学配置６が得られる。図５ａはこの光学配置６を示しており、ここでは延在するレーザビーム焦線２ｂを形成するように成形された非球形の自由表面を有する、第１の光学素子が、ビーム方向に沿って見てレーザ３の光線路上に最初に位置付けられている。図示の事例においてこの第１の光学素子は、ビーム方向に垂直に位置付けされかつレーザビーム３上に中心が置かれた、５°の円錐角を有するアキシコン１０である。この事例においてアキシコンの円錐頂点は、ビーム方向の反対を指している。アキシコン１０からビーム方向に距離ｚ１の位置に、第２の集束光学素子、ここでは平凸レンズ１１（その凸面がアキシコンの方に向いている）が位置付けされている。アキシコン１０によって形成されるレーザ放射がレンズ１１の外側領域に環状に衝突するよう、距離ｚ１はここでは約３００ｍｍになるように選択される。レンズ１１は、環状に衝突した放射をビーム出力側で、ここでは１．５ｍｍの画成された長さの焦線２ｂへ、ここではレンズ１１から約２０ｍｍの距離ｚ２の位置で集束させる。ここではレンズ１１の有効焦点距離は２５ｍｍである。アキシコン１０によるレーザビームの環状変形に、ここでは参照符号ＳＲを与える。
【０１０２】
図５ｂは、図５ａによる焦線２ｂの形成と基板１の材料内の誘起吸収２ｃの形成とを詳細に示している。２つの要素１０、１１の光学的性質とここでのその位置付けは、ビーム方向における焦線２ｂの範囲ｌが基板１の厚さｄと正確に一致するようなものである。従って、図５ｂに示されているように焦線２ｂを基板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、ビーム方向に沿った基板１の正確な位置付けが必要である。
【０１０３】
結果として、レーザ光学系から特定の距離の位置に焦線が形成され、さらに焦線の望ましい端部までレーザ放射の大部分が集束されると有利である。これは説明したように、主に集束用の要素１１（レンズ）上の所望の区域が環状に単に照らされているために達成することができ、これにより一方では所望の開口数と、結果として所望のスポットサイズとが実現されるが、他方では、実質的に環状のスポットが生じるために、所望の焦線２ｂの後、拡散が極わずかな円はスポットの中央強度を極短距離で損失する。結果として、亀裂形成は短距離のうちに基板の所望の深さで止まる。アキシコン１０と集束レンズ１１との組合せは、この要件を満たす。ここではアキシコン１０は２つの働きをし、すなわち、通常円形のレーザスポットはアキシコン１０によって環状に集束レンズ１１へと送られ、またアキシコン１０の非球面性は、レンズの焦点面内の焦点の代わりに焦点面外に焦線を生じさせるという効果を有する。焦線２ｂの長さｌは、アキシコンでのビーム径によって設定され得る。焦線に沿った開口数は、アキシコンとレンズとの間の距離ｚ１とアキシコンの円錐角によって設定され得る。このように、全てのレーザエネルギーを結果として焦線に集中させることができる。
【０１０４】
亀裂形成が基板の出口側の前で止まるように意図されている場合、環状の照明はさらに以下のような利点を有し、すなわち一方では、レーザ光の大部分が所望の長さの焦線に集中されたままとなるため、レーザパワーが可能な限り使用され、他方では、環状の照射区域と共に他の光学機能によって設定される望ましい収差に起因して、焦線に沿って均一なスポットサイズを得ることができ、結果として焦線に沿って均一な分離プロセスを達成することができる。
【０１０５】
図５ａに示されている平凸レンズの代わりに、収束メニスカスレンズや、あるいは他のなんらかの高度に補正された集束レンズ（非球面レンズ、マルチレンズシステム）を使用することも可能である。
【０１０６】
図５ａに示されているアキシコンおよびレンズの組合せで非常に短い焦線２ｂを生じさせるためには、非常に小さいビーム径のレーザビームがアキシコンに入射するように選択しなければならないことになる。これは、ビームの中心を非常に正確にアキシコンの先端に合わせなければならないため、その結果、方向性のあるレーザの振動（ビームドリフトの安定性）に非常に敏感になるという実用上の不利な点を有する。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、すなわち光線の束は光の回折のために短距離で再び散乱する。
【０１０７】
さらなるレンズすなわちコリメートレンズ１２（図６）を挿入することで、両方を回避することができる。つまり、このさらなる正レンズ１２によって、集束レンズ１１の環状の照明を非常に細く設定することができる。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までの間にｆ´に等しい距離ｚ１ａが存在する場合に、所望のリング直径ｄｒが得られるように選択される。所望のリング幅ｂｒは、距離ｚ１ｂ（コリメートレンズ１２から集束レンズ１１まで）によって選択することができる。純粋に幾何学的に、短い焦線がその後小さい幅の環状の照明から生じる。最小値は同様に距離ｆ´で得られる。
【０１０８】
図６に示されている光学配置６は結果的に図５ａに示されているものに基づくため、相違点のみを以下で説明する。さらに、ここでは平凸レンズ（その凸面がビーム方向の反対を指している）として同じく形成されたコリメートレンズ１２を、一方のアキシコン１０（ここではその円錐頂点をビーム方向の反対にして配置されている）と他方の平凸レンズ１１との間の光線路内の中心にここでは導入した。アキシコン１０からコリメートレンズ１２までの距離をここではｚ１ａで示し、コリメートレンズ１２から集束レンズ１１までの距離をｚ１ｂで示し、さらに集束レンズ１１から、生成される焦線２ｂまでの距離をｚ２で示す（いずれの場合も、ビーム方向に見て）。図６が示しているように、アキシコンによって形成され、かつ発散する形でかつリング直径ｄｒでコリメートレンズ１２に入射する環状放射ＳＲは、距離ｚ１ｂに沿って少なくとも略一定のままであるリング直径ｄｒを有し、かつ集束レンズ１１の位置で所望のリング幅ｂｒに設定される。図示の事例では非常に短い焦線２ｂが生成されるように意図されており、そのためレンズ１２の位置では約４ｍｍのリング幅ｂｒは、レンズ１２の集束特性によってレンズ１１の位置では約０．５ｍｍに縮小される（ここではリング直径ｄｒは例えば２２ｍｍ）。
【０１０９】
図示の例では、レーザによる２ｍｍの典型的なビーム径、焦点距離ｆ＝２５ｍｍの集束レンズ１１、および焦点距離ｆ´＝１５０ｍｍのコリメートレンズで、０．５ｍｍ未満の焦線の長さｌを実現することができる。さらに、Ｚ１ａ＝Ｚ１ｂ＝１４０ｍｍかつＺ２＝１５ｍｍである。
【０１１０】
図７におけるセットアップにおいて図３ａの光学配置を用いた、非硬化ガラスを分断する一例を以下に示す（図３ａに示されている光学配置６の代わりに、上述した他の光学配置６も図７によるセットアップにおいて使用可能であり、このとき図示の隔壁−レンズの組合せ８、７は対応して置き換えられる）。
【０１１１】
他の着色を含まない（特に鉄含有量が少ない）ホウケイ酸ガラスまたはソーダ石灰ガラス１は、約３５０ｎｍから約２．５μｍに対して光学的に透明である。ガラスは一般に熱導体としては劣っており、そのため数ナノ秒のレーザパルス持続時間であっても、焦線２ｂから外への著しい熱拡散は全く生じない。それにも拘わらず、より短いレーザパルス持続時間が有利であり、というのも非線形効果によって所望の誘起吸収が、サブナノ秒またはピコ秒のパルスでより容易に達成され得るためである（強度が大幅に高い）。
【０１１２】
例えば以下のパラメータ、すなわち波長１０６４ｎｍ、パルス持続時間１０ピコ秒、パルス繰返し率１００ｋＨｚ、最大５０Ｗの平均パワー（レーザの後で直接測定される）を有する、市販されているピコ秒レーザ３がフラットガラスの分断に適している。レーザビームは最初に約２ｍｍのビーム径（ピーク強度の１３％、すなわちガウシアンの光線束の１／ｅ2直径で測定される）を有し、そのビーム品質は少なくともＭ2＜１．２である（ＤＩＮ／ＩＳＯ１１１４６に従って判定される）。ビーム拡大光学系２２（市販されているケプラー（Ｋｅｐｌｅｒ）ビーム望遠鏡）で、ビーム径を約２０〜２２ｍｍまで１０倍増加させる（２１、２３、２４、および２５はビーム偏向ミラー）。直径９ｍｍのいわゆる環状隔壁８で、光線の束の内部は環状ビームが生じるように遮断される。この環状ビームで、例えば焦点距離２８ｍｍの平凸レンズ７（半径１３ｍｍの石英ガラス）が照らされる。レンズ７の強い（所望の）球面収差は、焦線を生じさせる効果を有する。これに関しは、図７だけではなく、レンズ７による周縁光線からの焦線２ｂの生成を示した図８も参照されたい。
【０１１３】
焦線の理論的直径δはビームの軸に沿って変化し、従ってここでの基板厚さｄが約１ｍｍよりも小さい場合（ディスプレイガラスの典型的な厚さは０．５ｍｍから０．７ｍｍである）、均一な亀裂表面を生じさせるのに有利である。スポットサイズ約２μｍとスポットからスポットまでの間隔５μｍとで速度０．５ｍ／ｓが与えられ、この速度で焦線を基板１上で５（図９参照）に通過させることができる。基板での平均パワー２５Ｗ（集束レンズ７の後で測定される）で、パルス繰返し率１００ｋＨｚからパルスエネルギー２５０μＪが与えられ、これは２〜５のサブパルスの構造のパルス（間隔が２０ｎｓのみの急速な連続したシングルパルス、バーストパルスとして知られている）でも起こり得る。
【０１１４】
非硬化ガラスは実質的に内部応力を含まないため、分離されていないブリッジによって未だ連結および接続されている妨害ゾーンは、何らかの外部作用がなければ、最初は基板の複数の部分を未だここでは一緒に保持している。しかしながら熱応力が導入されると、何らかのさらなる力が外的に導入されなくても、レーザ破断面５に沿って基板は完全に分離する。このために、平均パワーが最大２５０ＷのＣＯ2レーザを約１ｍｍのスポットサイズへと集束させ、このスポットを最大０．５ｍ／ｓで分離線５上に通過させる。導入されるレーザエネルギーに起因する局所的な熱応力（分離線５の１ｃｍ当たり５Ｊ）によって、ワークピース１は完全に分離する。
【０１１５】
より厚いガラスを分離するためには、当然のことながら、より長い焦線ｌに亘ってプロセスに対する強度閾値（熱衝撃による誘起吸収と妨害ゾーンの形成）に到達させなければならない。結果として、必要なパルスエネルギーがより高くなり、かつ平均パワー出力が高くなる。上述した光学セットアップと基板上で３９Ｗの利用可能な最大レーザパワー（光学系を通った損失の後）とで、厚さ約３ｍｍのガラスの分断を成功させることができる。この事例では、一方では環状隔壁８が取り除かれ、また他方ではより長い焦線が基板内で生じるように、基板からのレンズ７の距離が補正される（公称の焦点距離の方向に増加させる）。
【０１１６】
（図３ａおよび７に示されている装置と同様に）硬化ガラスを分断する、さらなる例示的な実施形態を以下に示す。
【０１１７】
ナトリウム含有ガラスは、液体カリウム塩浴内に浸漬させることによってガラス表面でナトリウムがカリウムに交換されることで硬化される。これは表面の厚さ５〜５０μｍの層においてかなりの内部応力（圧縮応力）につながり、これがさらにより大きな安定性につながる。
【０１１８】
原理上は、硬化ガラスを分断する場合のプロセスパラメータは、同等の寸法および組成の非硬化ガラスの場合と同様である。しかしながら硬化ガラスは、内部応力に起因して、具体的には、意図されているレーザ破断面５に沿わずに材料内に起こる望ましくない亀裂成長に起因して、かなり容易に破壊され得る。従って、特定の硬化ガラスの分断の成功のためには、より狭いパラメータ領域が存在する。特に平均レーザパワーおよび関連する切断速度は、特に硬化された層の厚さに基づいて非常に正確に維持されなければならない。硬化層が厚さ４０μｍであり全厚さが０．７ｍｍであるガラスでは、例えば前述のセットアップの場合、次のパラメータ、すなわち平均パワー１４Ｗで、パルク繰返し率１００ｋＨｚで切断速度１ｍ／ｓ、従ってスポット間隔１０μｍが得られる。
【０１１９】
硬化ガラスの内部応力は、破断ゾーン５が短時間（数秒）の後に完全に生じ、基板が所望の部分に分離されるという効果を有する。
【０１２０】
非常に薄い硬化ガラス（＜１００μｍ）は大部分が強化された材料から成り、すなわち前後の面ではナトリウム含有量が減少し、結果として夫々例えば３０μｍが硬化され、内部の４０μｍのみは硬化されない。この材料は、一方の表面が損傷された場合、非常に容易にかつ完全に破壊する。こういった硬化ガラス膜は、これまで従来技術では機械加工できなかった。
【０１２１】
本書で説明した方法によるこういった材料の分断は、ａ）焦線の直径が非常に小さく、例えば１μｍ未満である場合、ｂ）スポットからスポットへの間隔が小さく、例えば１から２μｍの間である場合、およびｃ）分離速度が亀裂の成長に対して十分に速く、レーザプロセスの先を行くことはない場合（例えば０．２から０．５ｍ／ｓで２００ｋＨｚの高いレーザパルス繰返し率）に成功させることができる。
【０１２２】
サファイアガラスおよび結晶サファイアを分断するための、（図３ａおよび７において説明した装置と同様の）さらなる例示的な実施形態を以下に示す。
【０１２３】
サファイア結晶およびサファイアガラスは光学的には類似している（透明性および屈折率）が、機械的および熱的に非常に異なった挙動をするガラスである。例えばサファイアは、優れた熱導体であり、極度の機械的荷重に耐えることができ、非常に硬くかつ耐引っ掻き性を有する。それにも拘わらず、上述したレーザおよび光学セットアップで、薄い（０．３ｍｍから０．６ｍｍ）サファイア結晶およびガラスを分断することができる。機械的安定性が大きいため、分離される部分間に残存するブリッジを最小限に抑えることが特に重要であり、というのもそうでなければ最終的な分離に非常に強い力が必要となるためである。妨害ゾーンは、基板の入口表面１ａから出口表面１ｂまで、できるだけ完全に形成されなければならない。より厚いガラスの場合には、これはより高いパルスエネルギーで、結果としてより高い平均レーザパワーで達成され得る。さらに、結晶サファイアは複屈折である。切断表面は光軸に垂直でなければならない（いわゆるＣ軸カット）。厚さ０．４５ｍｍの結晶サファイアウエハを分断するためには、以下のパラメータ、すなわち、パルス繰返し率１００ｋＨｚで平均レーザパワー３０Ｗ、スポットサイズ２μｍ、およびスポット間隔５μｍが使用され得、これは上記パルス繰返し率で切断速度０．５ｍ／ｓに相当する。ガラスの場合、完全な分離には、熱応力を使用して妨害ゾーンが亀裂成長を経て完全な連続した連結されていない分離面を形成するように、例えばＣＯ2レーザのスポットを用いて続いて切断線５の加熱を実行することが必要になり得る。
【０１２４】
図９は最後に、本書で説明したように機械加工されたガラスシートの表面の顕微鏡図を示したものである。個々の焦線、すなわちここでは参照符号２ｃ−１、２ｃ−２、・・・が与えられている（図示の表面に垂直な基板の深さ内への）誘起吸収の延在部分２ｃは、基板の表面４上のレーザビームを通過させた線５に沿って、基板の部分を分離させるための分離面を形成する亀裂形成によって共に結び付けられる。誘起吸収の複数の個々の延在部分は図示の事例においてよく見ることができるが、この事例では、直接隣接する部分２ｃ−１、２ｃ−２、２ｃ−３、・・・の平均間隔ａとレーザビーム焦線の平均直径δとの比率Ｖ３＝ａ／δがおよそ２．０となるように、レーザのパルス繰返し率は、表面４上でレーザビームを動かすための改良された速度に適合させた。
【０１２５】
他に明確に述べられていなければ、本書に明記されるいずれの方法も、そのステップを特定の順序で実行する必要があると解釈されることを全く意図していない。したがって、方法の請求項においてこれらのステップが行われる順序が実際に述べられていない場合、あるいは請求項または説明の中でこれらのステップが特定の順序に限定されるべきであると具体的に述べられていない場合には、いずれかの特定の順序が推測されることは全く意図されていない。
【０１２６】
本書で引用された全ての特許、公開出願、および参考事項の教示は、その全体が参照することにより組み込まれる。
【０１２７】
本発明の精神および範囲から逸脱することなく、種々の改変および変形が作製可能であることは当業者には明らかであろう。本発明の精神および本質を組み込んだ、開示された実施形態の改変、コンビネーション、サブコンビネーション、および変形が当業者には思い付き得るため、本発明は添付の請求項およびその同等物の範囲内の全てのものを含むと解釈されるべきである。
【符号の説明】
【０１２８】
１    基板
１ａ、１ｂ    表面
２ａ    レーザビーム
２ｂ    レーザビーム焦線
２ｃ    延在部分
３    レーザ
６    光学配置
７、１１    集束光学素子
８    隔壁
９、１０    アキシコン
１２    平凸コリメートレンズ
【図１】
2019034343.tif 000003
【図２】
2019034343.tif 000004
【図３ａ】
2019034343.tif 000005
【図３ｂ】
2019034343.tif 000006
【図４】
2019034343.tif 000007
【図５ａ】
2019034343.tif 000008
【図５ｂ】
2019034343.tif 000009
【図６】
2019034343.tif 000010
【図７】
2019034343.tif 000011
【図８】
2019034343.tif 000012
【図９】
2019034343.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成30年11月5日(2018.11.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの表面を有するガラス物品であって、前記少なくとも１つの表面が複数の材料改質を該表面に沿って含み、前記材料改質の夫々の長さが０．１ｍｍから１００ｍｍの間の範囲内であり、かつ前記材料改質の夫々の平均直径が０．５μｍから５μｍの間の範囲内であることを特徴とするガラス物品。
【請求項２】
少なくとも１つの表面を有するガラス物品であって、前記少なくとも１つの表面が複数の材料改質を該表面に沿って含み、前記材料改質の夫々の、直接隣接する前記材料改質の平均距離ａと前記材料改質を作り出したレーザビーム焦線の平均直径δとの比率Ｖ３＝ａ／δが、およそ２．０に等しいことを特徴とするガラス物品。