(57)【要約】  基板積層体をレーザ加工するための方法は、黒色マトリクス層を有する上記基板積層体の透明被加工物内に欠陥を形成するステップを含む。上記欠陥を形成する上記ステップは、パルスレーザビームの一部分を上記透明被加工物内へと向けるステップを含む。上記パルスレーザビームは、波長λ、スポットサイズｗ０、及び2021529717.tif 000053より大きなレイリー範囲ＺＲを含み、ここでＦＤは、１０以上の値を有する無次元発散係数である。上記基板積層体の上記透明被加工物内へと向けられた上記パルスレーザビームは、上記透明被加工物内に配置されたパルスレーザビーム焦線を形成し、上記パルスレーザビーム焦線の中心は、上記黒色マトリクス層の縁部から、上記基板積層体の合計厚さの約２０％以下である距離だけオフセットされ、上記透明被加工物内で誘起吸収を生成する。
2021529717.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板積層体をレーザ加工するための方法であって、
前記方法は：
前記基板積層体の透明被加工物内に欠陥を形成するステップであって、前記基板積層体は黒色マトリクス層を更に含む、ステップ
を含み、
前記欠陥を形成する前記ステップは：
パルスレーザビームの一部分を前記透明被加工物内へと向けるステップ
を含み、
前記パルスレーザビームは、波長λ、スポットサイズｗ０、及び
2021529717.tif 000052
より大きなレイリー範囲ＺＲを含み、ここでＦＤは、１０以上の値を有する無次元発散係数であり、
前記基板積層体の前記透明被加工物内へと向けられた前記パルスレーザビームは、前記透明被加工物内に配置されたパルスレーザビーム焦線を形成し、前記パルスレーザビーム焦線の中心は、前記黒色マトリクス層の縁部から、前記基板積層体の合計厚さの約２０％以下である距離だけオフセットされ、
前記パルスレーザビーム焦線は、前記透明被加工物内で誘起吸収を生成し、
前記パルスレーザビーム焦線は、前記基板積層体の前記合計厚さの約１．２倍以下である有効線長を備える、方法。
【請求項２】
前記有効線長は、前記基板積層体の前記合計厚さの約１．１倍以下である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記パルスレーザビーム焦線の断面縁部は、前記黒色マトリクス層の前記縁部から、前記基板積層体の前記合計厚さの約１５％以下である距離だけオフセットされる、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記パルスレーザビームはビーム経路に沿って配向され、また非球面光学素子を通り、かつ集束用光学系を通って、ビーム源によって出力され、
前記パルスレーザビームは、前記透明被加工物内へと向けられた前記パルスレーザビームの開口数が０．０５〜０．４となるような、前記集束用光学系における入射ビーム直径を備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記非球面光学素子は、屈折アキシコン、反射アキシコン、負アキシコン、空間光変調器、回折光学系、又は立方体状の光学素子を含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記ビーム源は、１回のパルスバーストあたり２個以上のサブパルスを有するパルスバーストを生成し、
パルスバーストエネルギは、１回のパルスバーストあたり約２５μＪ〜約７５０μＪである、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記基板積層体及び前記パルスレーザビームを、輪郭線に沿って、互いに対して並進移動させることにより、前記輪郭線に沿って、前記基板積層体の前記透明被加工物内に、複数の欠陥を含む輪郭をレーザ形成するステップ；及び
赤外線レーザビームを、前記輪郭に沿って又は前記輪郭の付近において、前記基板積層体の前記透明被加工物上に向けることによって、前記透明被加工物を前記輪郭に沿って分割するステップ
を更に含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記基板積層体は２つの前記透明被加工物を備え、
前記黒色マトリクス層は、前記２つの透明被加工物の間に配置される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記透明被加工物は、ビーム伝播方向において、２０％／ｍｍ未満の、線形吸収及び散乱の合計損失を有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
隣接する前記欠陥の間の間隔は約２５μｍ以下である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
ガラス物品であって、
前記ガラス物品は：
周囲を画定する縁部を有するガラス基板；
前記ガラス基板上に配置された黒色マトリクス層；及び
前記ガラス基板の前記縁部上に形成された複数の垂直細溝
を備え、
前記複数の垂直細溝は、約５０マイクロメートル以下の間隔を有し、前記ガラス基板の厚さの少なくとも５０％を通って延在し、
前記黒色マトリクス層は、前記ガラス基板の前記縁部から、前記ガラス物品の合計厚さの約２０％以下である距離だけオフセットされる、ガラス物品。
【請求項１２】
前記複数の垂直細溝は、前記ガラス物品の厚さの１００％を通って延在する、請求項１１に記載のガラス物品。
【請求項１３】
前記黒色マトリクス層と前記ガラス基板の前記縁部との間の前記距離は、前記ガラス物品の前記合計厚さの約１５％以下である、請求項１１又は１２に記載のガラス物品。
【発明の詳細な説明】
【優先権】
【０００１】
本出願は、２０１８年６月２２日出願の米国仮特許出願第６２／６８８７１１号の優先権の利益を主張するものであり、上記仮特許出願の内容は依拠され、その全体が参照により本出願に援用される。
【技術分野】
【０００２】
本明細書は一般に、透明被加工物をレーザ加工するため、より詳細には、黒色マトリクス層を含む基板積層体内に配置された透明被加工物をレーザ加工するための、装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
材料のレーザ加工の領域は、様々なタイプの材料の切断、穿孔、フライス加工、溶接、溶融等を伴う広範な用途を包含する。これらのプロセスのうち特に関心の対象となるのは、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）用のガラス、サファイア若しくは溶融シリカ、又は電子デバイス用のディスプレイ材料といった基板の製造において利用され得るプロセスにおける、様々なタイプの透明材料の切断又は分割である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
プロセス開発及びコストの観点から、ガラス基板の切断及び分割を改善する多くの機会が存在する。現在市場において実施されているものよりも迅速であり、清潔であり、安価であり、再現性が高く、信頼性が高い、黒色マトリクス層等の事前塗布済みコーティングを有する可能性があるガラス基板の分割方法を得ることが、大きな関心を集めている。従って、ガラス基板を分割するための代替的な改良された方法に対して需要が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
ある実施形態によると、基板積層体をレーザ加工するための方法は、上記基板積層体の透明被加工物内に欠陥を形成するステップであって、上記基板積層体は黒色マトリクス層を更に含む、ステップを含む。上記欠陥を形成する上記ステップは、パルスレーザビームの一部分を上記透明被加工物内へと向けるステップを含み、上記パルスレーザビームは、波長λ、スポットサイズｗ０、及び
2021529717.tif 000003
【０００６】
より大きなレイリー範囲ＺＲを含み、ここでＦＤは、１０以上の値を有する無次元発散係数である。上記基板積層体の上記透明被加工物内へと向けられた上記パルスレーザビームは、上記透明被加工物内に配置されたパルスレーザビーム焦線を形成し、上記パルスレーザビーム焦線の中心は、上記黒色マトリクス層の縁部から、上記基板積層体の合計厚さの約２０％以下である距離だけオフセットされる。上記パルスレーザビーム焦線は、上記透明被加工物内で誘起吸収を生成する。上記パルスレーザビーム焦線は、上記基板積層体の上記合計厚さの約１．２倍以下である有効線長を備える。
【０００７】
いくつかの実施形態では、基板積層体をレーザ加工するための方法は、上記基板積層体の透明被加工物内に欠陥を形成するステップであって、上記基板積層体は黒色マトリクス層を更に備える、ステップを含む。上記欠陥を形成する上記ステップは、ビーム経路に沿って配向され、かつビーム源が非球面光学素子を通して出力したパルスレーザビームを、集束用光学系を通して上記基板積層体内へと向けることにより、上記基板積層体の上記透明被加工物内へと向けられた上記パルスレーザビームが、上記透明被加工物内に配置されたパルスレーザビーム焦線を形成するステップを含み、ここで上記パルスレーザビーム焦線の中心は、上記黒色マトリクス層の縁部から、上記基板積層体の合計厚さの約２０％以下である距離だけオフセットされる。上記パルスレーザビーム焦線は、上記透明被加工物内で誘起吸収を生成する。上記透明被加工物内へと向けられる上記パルスレーザビームは、０．０５〜０．４の開口数を有する。
【０００８】
いくつかの実施形態では、ガラス物品は、周囲を画定する縁部を有するガラス基板、上記ガラス基板上に配置された黒色マトリクス層、及び上記ガラス基板の上記縁部上に形成された複数の垂直細溝を含む。上記複数の垂直細溝は、約５０マイクロメートル以下の間隔を有し、上記ガラス基板の厚さの少なくとも５０％を通って延在し、また上記黒色マトリクス層は、上記ガラス基板の上記縁部から、上記ガラス物品の合計厚さの約２０％以下である距離だけオフセットされる。
【０００９】
本明細書に記載のプロセス及びシステムの追加の特徴及び利点を、以下の「発明を実施するための形態」に記載するが、その一部は、「発明を実施するための形態」から、又は「発明を実施するための形態」、特許請求の範囲及び添付の図面を含む本出願に記載の実施形態を実践することによって、当業者には容易に明らかになるだろう。
【００１０】
上述の「発明の概要」及び以下の「発明を実施するための形態」の両方は、様々な実施形態を説明するものであり、請求対象の主題の性質及び特徴を理解するための概観又は枠組み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。添付の図面は、これらの様々な実施形態の更なる理解を提供するために含まれており、また本明細書に組み込まれて本明細書の一部を構成する。これらの図面は、本明細書に記載の上記様々な実施形態を図示し、本記載と併せて、請求対象の主題の原理及び動作を説明する役割を果たす。
【００１１】
図面に記載の実施形態は説明的及び例示的な性質のものであり、特許請求の範囲によって定義される主題を限定することを意図したものではない。これらの説明的な実施形態に関する以下の「発明を実施するための形態」は、以下の図面と併せて読んだ場合に理解できるものであり、これらの図面では、同様の構造は同様の参照番号で示される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本明細書に図示及び記載されている１つ以上の実施形態による、間に黒色マトリクス層が位置決めされた透明被加工物内の欠陥の輪郭の形成の概略図
【図２】本明細書に図示及び記載されている１つ以上の実施形態による、間に透明被加工物及び黒色マトリクス層が配置された基板積層体を照射するパルスレーザビーム焦線の概略図
【図３】本明細書に図示及び記載されている１つ以上の実施形態による、レーザ加工のための光学アセンブリの概略図
【図４Ａ】本明細書に図示及び記載されている１つ以上の実施形態による、黒色マトリクス層に対する第１の損傷ソースの概略図
【図４Ｂ】本明細書に図示及び記載されている１つ以上の実施形態による、黒色マトリクス層に対する第２の損傷ソースの概略図
【図５Ａ】本明細書に図示及び記載されている１つ以上の実施形態による、黒色マトリクス層に対する損傷をもたらす非制御下のパルスレーザビーム焦線の概略図
【図５Ｂ】本明細書に図示及び記載されている１つ以上の実施形態による、パルスレーザビーム焦線の長さの減少の概略図
【図５Ｃ】本明細書に図示及び記載されている１つ以上の実施形態による、パルスレーザビーム焦線に関する開口数の減少の概略図
【図５Ｄ】本明細書に図示及び記載されている１つ以上の実施形態による、パルスレーザビーム焦線の長さの減少と、パルスレーザビーム焦線に関する開口数の減少との組み合わせ概略図
【図５Ｅ】本明細書に図示及び記載されている１つ以上の実施形態による、パルスレーザビーム焦線からオフセットされた黒色マトリクス層の概略図
【図６】本明細書に図示及び記載されている１つ以上の実施形態による、線長の関数としての、測定された最大黒色マトリクス層損傷のグラフ
【図７Ａ】本明細書に図示及び記載されている１つ以上の実施形態による、黒色マトリクス層の上方（左）及び下方（右）のパルスレーザビーム焦線に集束する光線が、黒色マトリクス層とどのように相互作用するかの概略図
【図７Ｂ】本明細書に図示及び記載されている１つ以上の実施形態による、パルスレーザビーム焦線の頂部の光線が黒色マトリクス層とどのように相互作用するかの概略図
【図８Ａ】本明細書に図示及び記載されている１つ以上の実施形態によるアパーチャの、右半円上の光線のみが上記アパーチャを通過できる場合の上面概略図
【図８Ｂ】本明細書に図示及び記載されている１つ以上の実施形態によるアパーチャの、左半円上の光線のみが上記アパーチャを通過できる場合の上面概略図
【図８Ｃ】本明細書に図示及び記載されている１つ以上の実施形態による、図８Ａに示されているアパーチャを通過した後に得られる光線パターンの概略図
【図８Ｄ】本明細書に図示及び記載されている１つ以上の実施形態による、図８Ｂに示されているアパーチャを通過した後に得られる光線パターンの概略図
【図９】本明細書に図示及び記載されている１つ以上の実施形態による、修正済みアパーチャの上面概略図
【図１０】本明細書に図示及び記載されている１つ以上の実施形態による、パルスレーザビーム焦線に沿った複数の位置に対する入力光線のマッピングの概略図
【図１１】本明細書に図示及び記載されている１つ以上の実施形態による、トップハット型、ガウシアン‐ベッセル型、及び切頭ガウシアン‐ベッセル型を含む異なるエネルギ分布のグラフ
【図１２】本明細書に図示及び記載されている１つ以上の実施形態による、２つの異なる開口数（ＮＡ）値に関する、線長の関数としての黒色マトリクス損傷の実験データのグラフ
【図１３】本明細書に図示及び記載されている１つ以上の実施形態による、ガウシアンビームを表す曲線のグラフ
【図１４Ａ】本明細書に図示及び記載されている１つ以上の実施形態による、時間に対するある例示的なパルスバースト内のレーザパルスの相対強度のグラフ
【図１４Ｂ】本明細書に図示及び記載されている１つ以上の実施形態による、別の例示的なパルスバースト内の、時間に対するレーザパルスの相対強度のグラフ
【図１５】本明細書に図示及び記載されている１つ以上の実施形態に従って形成されるガラス物品の概略図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
光は、消費者向け電子機器ディスプレイの動作において重要な役割を果たし、また光を、ガラスの縁部を介して（即ち縁部照明式）又はディスプレイの背面から（即ち背面照明式）、ディスプレイに結合した後でフィルタリングすることにより、ディスプレイのアクティブなエリアに所望の表示を生成できる。しかしながら、ディスプレイに結合された光は、アクティブなエリアの外から、望ましくないエリア内へと伝播し続ける。光は緩和されない限り、ディスプレイの縁部といったディスプレイの望ましくない場所から外向きに伝播して、集中を乱す望ましくない美的外観を生成する。現在、製造業者は、光を捕捉して光が逃げるのを防止するベゼルを、ディスプレイの縁部を巡るように配置することによって、この望ましくない光を除去している。しかしながら、最新のディスプレイはベゼルから離れている。従って、望ましくない光をブロックする新規の方法が必要とされている。
【００１４】
ディスプレイは、材料の積層体（例えば基板積層体）を備えてよく、例えば２片のディスプレイガラス（例えば透明被加工物）を互いに接着して、最終的なディスプレイを形成できる。これらの基板積層体は更に、中間層、例えば黒色マトリクス層等の吸収層を備えてよく、これは、ベゼルを用いずに望ましくない光を緩和する方法を提供する。本明細書中で使用される場合、「黒色マトリクス（ｂｌａｃｋ  ｍａｔｒｉｘ）」は、光をブロックする、吸収する、又は基板積層体の望ましくないエリアに到達しないよう阻害する、基板積層体の材料層、例えば中間層を指す。これらの望ましくないエリアとしては、基板積層体の縁部、基板積層体のピクセル間エリア、及び／又は基板積層体内に配置された薄膜トランジスタが挙げられる。いくつかの実施形態では、黒色マトリクス層は、光のうちの約５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、９２％、９４％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％、９９．５％等を、ブロックする、吸収する、又は基板積層体の望ましくないエリアに到達しないよう阻害する。
【００１５】
本明細書では用語「黒色マトリクス」を使用するが、請求対象の主題の精神及び範囲から逸脱することなく、黒色マトリクス層を他のタイプのコーティング層（例えばポリマーコーティング、有機コーティング、暗色又は吸収性コーティング等）で置換してもよい。黒色マトリクスの効果を最大化するために、黒色マトリクス層はディスプレイの縁部付近に延在する必要がある。黒色マトリクス層の縁部がディスプレイの縁部から離れるほど、望ましくない光が多く逃げることができる。よって、黒色マトリクスをディスプレイの縁部又はその付近に位置決めすることが望ましい。
【００１６】
製造中、ディスプレイを形成するガラスシートは、母材シートと呼ばれるガラスの大型のシートであってよい。これらの母材シートは、ガラスの利用率を最大化するように配設された多数のディスプレイパネルを内包でき、これにより、複数の母材シートを、個々のパネルが単片化されるまで並列に加工できる。母材シートから個々のディスプレイパネルへの単片化は、機械的なスコーリング及び分割、レーザ加工等といった複数の方法で達成できる。母材シートの利用率を最大化して自由な（長方形でない）形状を形成するために、複数のディスプレイシートを互いに近づけて形成する必要があるため、レーザ加工の改良に対する需要が増している。
【００１７】
いくつかの実施形態では、基板積層体をレーザ加工するステップは、パルスレーザビームを、黒色マトリクス層に隣接して位置決めされたパルスレーザビーム焦線へと集束させるステップを含む。即ち、基板積層体全体を通る欠陥を、基板積層体の透明被加工物上に堆積させた黒色マトリクス層から、ある距離だけオフセットできる。他の実施形態では、基板積層体をレーザ加工するステップは、パルスレーザビームを、基板積層体内に基板積層体全体を通る欠陥生成するパルスレーザビーム焦線へと、透明被加工物上に堆積させた黒色マトリクス層を通して集束させるステップを含む。いずれの例においても、黒色マトリクス層を含む基板積層体をレーザ加工する際、黒色マトリクス層への損傷を防止するのは困難となり得る。黒色マトリクスへの損傷は、最終的なディスプレイの性能に悪影響を及ぼし得る。例えばディスプレイからの光が、黒色マトリクス層の縁部の周囲から漏れ出す可能性がある。黒色マトリクス層の損傷により、ディスプレイパネルの単片化の後に、これらのディスプレイパネルを、例えば機械的研削及び研磨による縁部仕上げに供する必要がある。従って本明細書では、ガラスシートであってよい１つ以上の透明被加工物と１つの黒色マトリクス層とを有する基板積層体を、上記黒色マトリクス層に対する望ましくない影響を最小限に抑えながらレーザ加工するための、方法及びシステムを記載する。
【００１８】
これより、ガラス被加工物等の１つ以上の透明被加工物と黒色マトリクス層とを含む基板積層体をレーザ加工するためのプロセスの実施形態について詳細に言及する。上記基板積層体の例は添付の図面に図示されている。可能な限り、図面全体を通して、同一又は同様の部分を指すために同一の参照番号を使用する。
【００１９】
本明細書中で使用される場合、句「輪郭線（ｃｏｎｔｏｕｒ  ｌｉｎｅ）」は、透明被加工物の表面上の所望の分割線（例えば直線、曲線等）を指し、透明被加工物は、適当な加工条件への曝露時に、上記分割線に沿って複数の部分に分割されることになる。更に、本明細書中で使用される場合、句「輪郭（ｃｏｎｔｏｕｒ）」は、輪郭線に沿って様々な技法を用いて透明被加工物内に導入された複数の欠陥を指す。更に、本明細書中で使用される場合、「欠陥（ｄｅｆｅｃｔ）」は、上記透明被加工物内の、（バルク材料に対して）改変された材料の領域、空所、擦過傷、傷、孔、又は他の変形を含んでよく、これらにより、更なる加工によって、例えば赤外線レーザ加工、機械的応力又は他の分割プロセスによって、透明母材シートから複数の透明物品を形成するための、輪郭線及び閉じた輪郭線に沿った透明母材シートの材料の分割（例えば輪郭及び閉じた輪郭の分割）を実施できる。欠陥は、ガラスの深さ全体を貫通してよい。本明細書で開示される欠陥は、「孔（ｈｏｌｅ）」又は「孔状（ｈｏｌｅ‐ｌｉｋｅ）」として記載される場合もあるが、一般には空所でなくてよく、本明細書に記載のレーザ加工によって改変された被加工物の部分であることを理解されたい。これらの欠陥は、本明細書中の様々な実施形態において、上記被加工物内の線状欠陥、穿孔又は微小穿孔と呼ばれる場合がある。
【００２０】
動作時、最初に透明被加工物内に輪郭を形成し、その後例えば赤外線レーザ（例えばＣＯ２  レーザ、ＣＯレーザ等）を用いて、透明被加工物の表面を上記輪郭において加熱することにより、透明被加工物内に熱応力等の応力を生成することによって、透明被加工物を複数の部分に分割できる。上記応力は最終的に、輪郭に沿った透明被加工物の分割につながる。更に、透明被加工物が強化されている（例えばイオン交換されている）実施形態等のいくつかの実施形態では、透明被加工物のタイプ、厚さ、及び構造に応じて、後続の分割ステップ、又は自発的な破壊が、透明被加工物内に存在する応力によって発生する場合がある。例えば、透明被加工物の強化後に透明被加工物内に応力が存在する場合があり、これは、更なる加熱又は機械的分割ステップを伴わずに、輪郭に沿った透明被加工物の自発的な分割を引き起こす可能性がある。
【００２１】
分割後、修飾箇所（例えば欠陥）が、透明被加工物を輪郭に沿って２つ以上の部分に分割したときに形成される分割後表面によって画定される縁部上の垂直細溝として存在する場合がある。いくつかの実施形態では、垂直細溝は、約５０マイクロメートル以下の間隔を有し、基板積層体の厚さの少なくとも５０％を通って延在する。いくつかの実施形態では、垂直細溝は基板積層体の厚さの１００％を通って延在する。更に、透明被加工物の縁部と黒色マトリクス層との間の距離（例えば図５Ｅに示されている距離１１９）は、基板積層体の合計厚さの約２０％以下である。いくつかの実施形態では、距離１１９は、基板積層体の合計厚さの約１５％以下である。いくつかの実施形態では、距離１１９は、基板積層体の合計厚さの約１０％以下である。開口数（「ＮＡ」）及び焦線の長さについては本明細書中で更に詳細に説明するが、これらは、黒色マトリクス層がわずかしか又は全く損傷しないように維持しながら、レーザビームの中心を黒色マトリクス層の縁部からオフセットできる距離１１９（図５Ｅ）に、影響を及ぼす。
【００２２】
更に、黒色マトリクス層に対する望ましくない影響を低減するために、透明被加工物内へと向けられるパルスレーザビームは、約０．０５〜約０．４である開口数、並びに／又は黒色マトリクス層に対する損傷を低減するために指定された位置及び長さの線長を有するパルスレーザビーム焦線を有する。本明細書に記載の実施形態は、黒色マトリクス層を備える透明被加工物内に輪郭を形成するために有用となり得る。
【００２３】
本明細書中で使用される場合、句「透明被加工物（ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ  ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ）」は、透明なガラス又はガラスセラミックから形成された被加工物を意味し、本明細書中で使用される場合、用語「透明（ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ）」は、材料が、指定されたパルスレーザ波長に関して材料深さ１ｍｍあたり約２０％未満の光吸収率、例えば材料深さ１ｍｍあたり約１０％未満の光吸収率、又は例えば指定されたパルスレーザ波長に関して材料深さ１ｍｍあたり約１％未満の光吸収率を有することを意味する。１つ以上の実施形態によると、透明被加工物の厚さは約５０マイクロメートル（μｍ）〜約１０ｍｍ（例えば約１００μｍ〜約５ｍｍ、約０．５ｍｍ〜約３ｍｍ、又は約１００μｍ〜約２ｍｍ）、例えば１００μｍ、２５０μｍ、３００μｍ、５００μｍ、７００μｍ、１ｍｍ、１．２ｍｍ、１．５ｍｍ、２ｍｍ、５ｍｍ、７ｍｍ等であってよい。
【００２４】
１つ以上の実施形態によると、本開示は被加工物を加工するための方法を提供する。本明細書中で使用される場合、「レーザ加工（ｌａｓｅｒ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）」は、透明被加工物内に輪郭を形成するステップ、透明被加工物を分割するステップ、又はこれらの組み合わせを含んでよい。透明被加工物は、ボロシリケートガラス、ソーダライムガラス、アルミノシリケートガラス、アルカリアルミノシリケートガラス、アルカリ土類アルミノシリケートガラス、アルカリ土類ボロアルミノシリケートガラス、溶融シリカ、又はサファイア、ケイ素、ガリウムヒ素若しくはこれらの組み合わせといった結晶質材料等の、ガラス組成物から形成された、ガラス被加工物を含んでよい。いくつかの実施形態では、ガラスをイオン交換してよく、これによりガラス組成物は、上記透明被加工物のレーザ加工前又は後に、機械的強化のためのイオン交換を受けることができる。例えば上記透明被加工物は、イオン交換済み又はイオン交換性ガラス、例えばＣｏｒｎｉｎｇ  Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ（ニューヨーク州コーニング）から入手可能なＣｏｒｎｉｎｇ  Ｇｏｒｉｌｌａ（登録商標）ガラス（例えばコード２３１８、コード２３１９及びコード２３２０）を含んでよい。更にこれらのイオン交換済みガラスは、約６ｐｐｍ／℃〜約１０ｐｐｍ／℃の熱膨張係数（ＣＴＥ）を有してよい。いくつかの実施形態では、上記透明被加工物のガラス組成物は、約１．０モル％超のホウ素、及び／又は限定するものではないがＢ２Ｏ３を含むホウ素含有化合物を含んでよい。別の実施形態では、上記透明被加工物を形成するガラス組成物は、約１．０モル％以下の、ホウ素及び／又はホウ素含有化合物の酸化物を含む。更に上記透明被加工物は、レーザの波長に対して透明である他の成分、例えばサファイア又はセレン化亜鉛等の結晶を含んでよい。
【００２５】
いくつかの透明被加工物を、ディスプレイ及び／又はＴＦＴ（薄膜トランジスタ）基板として利用してよい。ディスプレイ又はＴＦＴの用途に好適なこのようなガラス又はガラス組成物のいくつかの例は、Ｃｏｒｎｉｎｇ  Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ（ニューヨーク州コーニング）から入手可能なＥＡＧＬＥ  ＸＧ（登録商標）、ＣＯＮＴＥＧＯ、及びＣＯＲＮＩＮＧ  ＬＯＴＵＳ（商標）である。アルカリ土類ボロアルミノシリケートガラス組成物は、ＴＦＴ用基板を含むがこれに限定されない、電子工学用途のための基板としての使用に好適となるように配合できる。ＴＦＴと組み合わせて使用されるガラス組成物は典型的には、ケイ素と同様のＣＴＥ（例えば５×１０−６／Ｋ未満、又は更には４×１０−６／Ｋ未満、例えばおよそ３×１０−６／Ｋ、又は約２．５×１０−６／Ｋ〜約３．５×１０−６／Ｋ）を有し、またガラス内に低レベルのアルカリを有する。ＴＦＴ用途において低レベルのアルカリ（例えば約０重量％〜２重量％、例えば１重量％未満、例えば０．５重量％未満といった微量）しか使用できないが、これは、いくつかの条件下において、アルカリドーパントがガラスから漏出してＴＦＴを汚染する又は「害する（ｐｏｉｓｏｎ）」、場合によってはＴＦＴを動作不能にするためである。実施形態によると、本明細書に記載のレーザ切断プロセスを用いて、無視できる程度のデブリ、最小の欠陥、及び縁部に対する小さな表面下損傷しか伴わずに、被加工物の完全性及び強度を保持して、透明被加工物を制御下で分割できる。
【００２６】
例えばここで図１及び２を参照すると、本明細書に記載の方法による加工を受ける基板積層体１６０が概略図で示されている。基板積層体１６０は、縁部１６３ａを有する黒色マトリクス層１６３と、１つ以上の透明被加工物１６１、例えば第１の透明被加工物１６１ａ及び第２の透明被加工物１６１ｂとを備える。図示されているように、黒色マトリクス層１６３は分散され、第１の透明被加工物１６１ａ及び第２の透明被加工物１６１ｂに接着される。第１の透明被加工物１６１ａ及び第２の透明被加工物１６１ｂはそれぞれ、外向き表面１６４ａ、１６４ｂ及び内向き表面１６６ａ、１６６ｂを備える。各外向き表面１６４ａ、１６４ｂは黒色マトリクス層１６３から外側を向いており、各内向き表面１６６ａ、１６６ｂは黒色マトリクス層１６３の方を向いてこれに接触する。本明細書中で使用される場合、「標的面（ｔａｒｇｅｔ  ｓｕｒｆａｃｅ）」は、パルスレーザビーム１１２の光学系に最も近接した、基板積層体１６０の表面を指すために使用される。例えば図１及び２に示す実施形態では、外向き表面１６４ａ又は１６４ｂが標的面となってよい。図示されていないが、いくつかの実施形態では、基板積層体１６０は、更なる層、例えば更なる透明被加工物、黒色マトリクス層、及び／又は他の材料層を備えてよい。
【００２７】
黒色マトリクス層１６３は、厚さが約５ｎｍ〜約１００マイクロメートルであってよく、また例えばクロムを含んでよい。酸化クロム接着層を、クロム金属層と、第１の透明被加工物１６１ａ及び第２の透明被加工物１６１ｂとの間に堆積させてよい。いくつかの実施形態では、黒色マトリクス層１６３の材料はポリマー材料であってよい。消費者向け電子ディスプレイでは、光源は、ガラスの縁部を介してディスプレイに結合されていてよく（即ち縁部照明式）、又はディスプレイの背面に直接結合されていてよい（即ち背面照明式）。いずれの場合においても、光はガラス内へと向けられ、フィルタリングされて所望の表示を生成する。黒色マトリクス層１６３、又は面取り縁部が存在しない場合、ディスプレイ内へと向けられた光は、アクティブなエリアの外側に、望ましくないエリア内へと伝播する場合がある。動作時、黒色マトリクス層１６３が損傷した場合、光はディスプレイのアクティブなエリアから漏れる場合があり、これは視聴者にとって集中を乱すものとなり得る。
【００２８】
図１及び２に戻ると、基板積層体１６０の第１の透明被加工物１６１ａ及び第２の透明被加工物１６１ｂ（例えば１つ以上の透明被加工物１６１）内での輪郭１７０の形成が図示されている。図１及び２は第１の透明被加工物１６１ａ及び第２の透明被加工物１６１ｂを図示しているが、１つ以上の透明被加工物１６１は、いずれの個数の透明被加工物１６１を含んでよいことを理解されたい。動作時、パルスレーザビーム１１２が基板積層体１６０に対して並進移動方向１０１に並進移動するように、パルスレーザビーム１１２及び基板積層体１６０を互いに対して並進移動させることによって、輪郭１７０を形成してよい。図１は、ビーム経路１１１に沿って伝播するパルスレーザビーム１１２であって、パルスレーザビーム１１２を外向き表面１６４ａ（例えば標的面）を通して１つ以上の透明被加工物１６１内へと向けることができるように配向された、パルスレーザビーム１１２を示す。パルスレーザビーム１１２は、第１の透明被加工物１６１ａの外向き表面１６４ａ上に投射されたビームスポット１１４を形成する。本明細書中で使用される場合、「ビームスポット（ｂｅａｍ  ｓｐｏｔ）」１１４は、構成部品との接点、例えば空気と透明被加工物（例えば第１の透明被加工物１６１Ａ）との境界面における、レーザビーム（例えばパルスレーザビーム１１２）の断面を指す。
【００２９】
いくつかの実施形態では、非球面光学素子１２０（図３）、例えばアキシコン１２２並びに１つ以上のレンズ（例えば以下で説明され図３で図示されているような第１のレンズ１３０及び第２のレンズ１３２）を用いて、レーザビーム１１２を１つ以上の透明被加工物１６１内のパルスレーザビーム焦線１１３に集束させることができる。いくつかの実施形態では、以下で更に詳細に定義するように、パルスレーザビーム焦線１１３は準非回折ビームの一部分であってよい。
【００３０】
引き続き図１及び２を参照すると、輪郭１７０は輪郭線１６５に沿って延在し、この輪郭線１６５は、透明被加工物の表面（例えば外向き表面１６４ａ）に沿った所望の分割線を描き、上記分割線に沿って、第１の透明被加工物１６１ａ等の透明被加工物を２つ以上の部分に分割できる。輪郭１７０は複数の欠陥１７２を含み、これらは１つ以上の透明被加工物１６１内へ、例えば外向き表面１６４ａ（例えば標的面）から１つ以上の透明被加工物１６１内へと延在して、１つ以上の透明被加工物１６１の分割のための経路を確立する。
【００３１】
パルスレーザビーム１１２を、１つ以上の透明被加工物１６１に向ける（例えば１つ以上の透明被加工物１６１の厚さの少なくとも一部分を貫通する高アスペクト比の線状焦点へと集光する）ことができる。これによってパルスレーザビーム焦線１１３が形成される。更に、ビームスポット１１４は、パルスレーザビーム焦線１１３の例示的な断面であり、パルスレーザビーム焦線１１３を１つ以上の透明被加工物１６１に照射する（ビームスポット１１４を形成する）と、パルスレーザビーム焦線１１３は、１つ以上の透明被加工物１６１の少なくとも一部分を貫通する。
【００３２】
動作時、パルスレーザビーム１１２を基板積層体１６０に対して（例えば並進移動方向１０１に）並進移動させることによって、１つ以上の透明被加工物１６１内に輪郭１７０の複数の欠陥１７２を形成できる。パルスレーザビーム１１２を１つ以上の透明被加工物１６１内へと向ける、又は局在化することにより、１つ以上の透明被加工物１６１内に誘起吸収を生成し、また輪郭線１６５に沿った複数の離間した場所に、１つ以上の透明被加工物１６１内の化学結合を破壊するために十分なエネルギを投入して、輪郭１７０の欠陥１７２を形成する。１つ以上の実施形態によると、基板積層体１６０の運動（例えば基板積層体１６０及び／若しくはビーム源１１０と連結された１つ以上の並進移動ステージ１９０（図３）の運動）、パルスレーザビーム１１２の運動（例えばパルスレーザビーム焦線１１３の運動）、又は第１の透明被加工物１６１ａ及び第２の透明被加工物１６１ｂとパルスレーザビーム焦線１１３との両方の運動によって、パルスレーザビーム１１２を、基板積層体１６０を横断するように並進移動させることができる。パルスレーザビーム焦線１１３を第１の透明被加工物１６１ａ及び第２の透明被加工物１６１ｂに対して並進移動させることによって、複数の欠陥１７２を第１の透明被加工物１６１ａ及び第２の透明被加工物１６１ｂ内に形成できる。
【００３３】
ここで図３を参照すると、準非回折レーザビームであるパルスレーザビーム１１２を生成して、非球面光学素子１２０（例えばアキシコン１２２）を用いて基板積層体１６０にレーザビーム焦線１１３を形成するための、光学アセンブリ１００が概略図で示されている。光学アセンブリ１００は、パルスレーザビーム１１２を出力するビーム源１１０と、第１のレンズ１３０及び第２のレンズ１３２とを含む。しかしながら、本明細書に記載のレーザ加工の方法は、レーザビームを基板積層体１６０内へと向けるよう構成された他の光学アセンブリを用いて実施してもよい。
【００３４】
基板積層体１６０は、ビーム源１１０が出力したパルスレーザビーム１１２が、例えば非球面光学素子１２０、並びにそれに続いて第１のレンズ１３０及び第２のレンズ１３２の両方を通過した後で、基板積層体１６０に照射されるように、位置決めされる。光軸１０２は、ビーム源１１０がパルスレーザビーム１１２を出力したときに、パルスレーザビーム１１２のビーム経路１１１が光軸１０２に沿って延在するように、ビーム源１１０と１つ以上の透明被加工物１６１との間に延在する。本明細書中で使用される場合、「上流（ｕｐｓｔｒｅａｍ）」及び「下流（ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ）」は、ビーム源１１０に対する、ビーム経路１１１に沿った２つの場所又は構成部品の相対位置を指す。例えば、パルスレーザビーム１１２が、第２の構成部品を通過する前に第１の構成部品を通過する場合、第１の構成部品は第２の構成部品から上流にある。更に、パルスレーザビーム１１２が、第１の構成部品を通過する前に第２の構成部品を通過する場合、第１の構成部品は第２の構成部品から下流にある。
【００３５】
引き続き図３を参照すると、ビーム源１１０は、パルスレーザビーム１１２を出力するよう構成された、いずれの既知の又はまだ開発されていないビーム源１１０を含んでよい。動作時、輪郭１７０の欠陥１７２（図１）は、１つ以上の透明被加工物１６１と、ビーム源１１０が出力したパルスレーザビーム１１２との相互作用によって形成される。いくつかの実施形態では、ビーム源１１０は、例えば１０６４ｎｍ、１０３０ｎｍ、５３２ｎｍ、５３０ｎｍ、３５５ｎｍ、３４３ｎｍ、２６６ｎｍ、又は２１５ｎｍの波長を有するパルスレーザビーム１１２を出力してよい。更に、基板積層体１６０の１つ以上の透明被加工物１６１中に欠陥１７２を形成するために使用されるパルスレーザビーム１１２は、選択されたパルスレーザ波長に対して透過性を有する材料に十分に好適なものであってよい。
【００３６】
欠陥１７２の形成に好適なレーザ波長は、１つ以上の透明被加工物１６１による線形吸収と散乱とを合わせた損失が十分に小さい波長である。実施形態では、該波長における、１つ以上の透明被加工物１６１による線形吸収と散乱とを合わせた損失は、２０％／ｍｍ未満、又は１５％／ｍｍ未満、又は１０％／ｍｍ未満、又は５％／ｍｍ未満、又は１％／ｍｍ未満であり、ここで寸法「／ｍｍ」は、パルスレーザビーム１１２のビーム伝播方向（例えばＺ方向）における１つ以上の透明被加工物１６１内の距離１ミリメートルあたりを意味する。多くのガラス被加工物に関する代表的な波長としては、Ｎｄ３＋（例えば１０６４ｎｍ付近の基本波長並びに５３２ｎｍ、３５５ｎｍ及び２６６ｎｍ付近の高次高調波長を有するＮｄ３＋：ＹＡＧ又はＮｄ３＋：ＹＶＯ４）の基本波長及び高調波長が挙げられる。所与の基板材料に関して線形吸収と散乱とを合わせた損失の要件を満たす、スペクトルの紫外部分、可視部分及び赤外部分の他の波長も、使用できる。
【００３７】
動作時、ビーム源１１０が出力したパルスレーザビーム１１２は、１つ以上の透明被加工物１６１内に多光子吸収（ｍｕｌｔｉ‐ｐｈｏｔｏｎ  ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ：ＭＰＡ）を生成できる。ＭＰＡは、分子をある状態（通常はグランド状態）からより高いエネルギの電子的状態（即ちイオン化）に励起する、同一の又は異なる周波数の２つ以上の光子の同時吸収である。これに関与する分子の低エネルギ状態と高エネルギ状態との間のエネルギの差は、関与する光子のエネルギの合計に等しい。誘起吸収とも呼ばれるＭＰＡは、２次又は３次（又はより高次）プロセスであってよく、これは例えば、線形吸収よりも数桁弱い。これは、２次誘起吸収の強度が光強度の２乗に比例し得、従って非線形光学プロセスであるという点で、線形吸収とは異なる。
【００３８】
輪郭１７０（図１）を形成する穿孔ステップは、ビーム源１１０（例えば超短パルスレーザ）を、非球面光学素子１２０、第１のレンズ１３０、及び第２のレンズ１３２等の光学部品と組み合わせて利用して、基板積層体１６０上に（例えば第１の透明被加工物１６１ａの外向き表面１６４ａ上に）ビームスポット１１４を投射し、パルスレーザビーム焦線１１３を生成できる。パルスレーザビーム焦線１１３は、以下で定義されるような非軸対称ガウス‐ベッセルビーム又はベッセルビーム等の準非回折ビームを含み、１つ以上の透明被加工物１６１を完全に穿孔して、１つ以上の透明被加工物１６１内に欠陥１７２を形成でき、これらの欠陥１７２は輪郭１７０を形成できる。いくつかの実施形態では、個々のパルスのパルス持続時間は、約１フェムト秒〜約２００ピコ秒、例えば１ピコ秒〜約１００ピコ秒、約５ピコ秒〜約２０ピコ秒等であり、また個々のパルスの繰り返し数は、約１ｋＨｚ〜４ＭＨｚ、例えば約１０ｋＨｚ〜約３ＭＨｚ、又は約１０ｋＨｚ〜約６５０ｋＨｚであってよい。
【００３９】
本明細書に記載されているように、パルスレーザビーム焦線１１３の線長、及びパルスレーザビーム１１２の開口数は、基板積層体１６０のレーザ加工中の黒色マトリクス層１６３への損傷の量に影響を及ぼす。線長及び開口数のそれぞれを調整して所望の線長及び開口数を達成するための方法は、複数利用可能である。アキシコン１２２を用いて準非回折ビームを形成する場合、パルスレーザビーム焦線１１３の線長は、アキシコン１２２に入射するパルスレーザビーム１１２の直径に比例するため、この直径を調整することで線長を直接調整できる。いくつかの実施形態では、入力されるパルスレーザビーム１１２の直径ｄは、ビーム源１１０と基板積層体１６０との間にビーム経路１１１に沿って位置決めされた望遠レンズ（図示せず）を用いて調整できる。パルスレーザビーム１１２は、パルスレーザビーム１１２の直径を調整する前又は後に、アキシコン１２２等の非球面光学素子１２０を通過してよい。いくつかの実施形態では、非球面光学素子１２０は、パルスレーザビーム１１２が基板積層体１６０に衝突する前の、ビーム経路１１１内の集束用光学部品として機能してよい。
【００４０】
ここで図４Ａ〜４Ｂを参照すると、黒色マトリクス層１６３に対する損傷のソースが図示されている。黒色マトリクス層１６３（又は他の中間層）に対する損傷は、２つのソースに起因し得る。第１のソースは、図４Ａに示すように黒色マトリクス層１６３の上にあるパルスレーザビーム焦線１１３の一部分へと集束する、パルスレーザビーム１１２の光線１１７（エネルギ）からのものである。黒色マトリクス層１６３に対する損傷の第２のソースは、図４Ｂに示すように黒色マトリクス層１６３の下にあるパルスレーザビーム焦線１１３の一部分へと集束する、パルスレーザビーム１１２からの光線１１７（エネルギ）から生じ得る。損傷エリア１１５は、パルスレーザビーム１１２からの光線１１７が黒色マトリクス層１６３と交差するエリア１１５として定義される。黒色マトリクス層１６３に対する損傷のソースが発見されると、本明細書中で更に詳細に説明されるように、パルスレーザビーム焦線１１３の線長、開口数、ビーム経路１１１に沿った１つ以上のアパーチャの構造、又はこれらの組み合わせを制御することによって、黒色マトリクス層１６３に対する損傷エリア１１５を減少させる又は防止することができるかどうかが判断される。
【００４１】
一般に、準非回折ビーム長、又はパルスレーザビーム焦線長Ｌは、屈折率が１であるか又は１に非常に近い真空中又は空気中（例えば空気の場合、ｎ＝１．０００３）で評価される。しかしながら、光線１１７が通過する媒体が１に近くない屈折率を有する場合、パルスレーザビーム焦線が延在する領域は、ｔ＊（ｎ−１）だけ効果的に延長され、ここでｎは媒体の屈折率であり、ｔは媒体の厚さである。従って、有効焦線長Ｌ’は、空気（又は真空）中で測定されたパルスレーザビーム焦線長ＬにΣｉ（ｔｉ＊（ｎｉ−１））を加えたものとして定義でき、この合計は、パルスレーザビーム焦線が延在する各媒体ｉに関して実施される。例えば、パルスレーザビーム焦線の空気中での長さＬが１ｍｍであるものの、屈折率ｎ＝１．５、厚さ０．５ｍｍのガラスを通って延在するように配置されている場合、有効焦線長Ｌ’は、１．０ｍｍ＋０．５＊（１．５−１）＝１．２５ｍｍとなる。
【００４２】
図５Ａ〜５Ｅを参照すると、これらの図は、パルスレーザビーム焦線１１３の有効焦線長Ｌ’、開口数、及びこれらの組み合わせの、黒色マトリクス層１６３に対して引き起こされる損傷の量に対する影響を示す。図５Ａは、有効焦線長Ｌ’及びパルスレーザビーム１１２の開口数がいずれも制御されていない図を示す。上述のように、ガラスシートの利用率を最大化するためには、レーザ加工を黒色マトリクス層１６３の極めて近くで行う必要がある。典型的には、黒色マトリクス層１６３を、目的とする切断位置の側に向かって横方向に変位させる。反対側、又は黒色マトリクス１６３に隣接する中間層（例えば１つ以上の透明被加工物１６１の間の、黒色マトリクス１６３を含まない部分）は、１つ以上の透明被加工物１６１を接着する樹脂を含んでよい。いくつかの実施形態では、基板積層体１６０の黒色マトリクス１６３に隣接する中間層の部分は、様々な位置に空隙を有してよい。別の実施形態によると、接着剤等の延性層を、１つ以上の透明被加工物１６１の間に配置してよい。しかしながら、本明細書に記載のパルスレーザプロセスは依然として、このような積層体の上側及び下側両方のガラス層に、単回のパスで完全に穿孔する。
【００４３】
図５Ａ〜５Ｅに示すように、黒色マトリクス層１６３はパルスレーザビーム焦線１１３の右側に位置し、目的とする切断位置はこれに隣接する（即ち、目的とする切断位置はパルスレーザビーム焦線１１３と同一位置にある）。図５Ａ及び５Ｂを見ると、パルスレーザビーム焦線１１３ａの有効焦線長Ｌ’ａは、最初に図５Ａに示されているものから、図５Ｂに示されているパルスレーザビーム焦線１１３ｂの有効焦線長Ｌ’ｂへと削減される。パルスレーザビーム焦線１１３ａの有効焦線長Ｌ’ａを削減することにより、パルスレーザビーム１１２によって送達されるエネルギが凝縮される。例えば図５Ａに示すように、パルスレーザビーム１１２からの光線１１７ａ（即ちエネルギ）は、基板積層体１６０の外向き表面１６４ａ（例えば図１に示されている標的面）の上にあるパルスレーザビーム焦線１１３ａの一部分と、基板積層体１６０の下にあるパルスレーザビーム焦線１１３ａの一部分とを生成する。図５Ｂでは、パルスレーザビーム１１２からの光線１１７ｂ（即ちエネルギ）は、有効焦線長Ｌ’ｂが基板積層体１６０の厚さＴｂに等しいパルスレーザビーム焦線１１３ｂを生成する。いくつかの実施形態では、パルスレーザビーム焦線１１３ｂは、基板積層体１６０の厚さに、基板積層体１６０の各側の小さな追加の許容誤差Ｘ（図示せず）を足したものに等しい。図５Ａ及び５Ｂを見ると、有効焦線長をＬ’ａからＬ’ｂに削減することによって、光線１１７ａが黒色マトリクスに衝突するエリア１１５ａが、光線１１７ｂが黒色マトリクスに衝突するエリア１１５ｂへと削減されることが示されている。いくつかの実施形態では、この削減は、ビーム源１１０と基板積層体１６０との間のビーム経路１１１（図３）内に位置決めされた集束用光学系、例えば第２のレンズ１３２に入射する、パルスレーザビームの直径の直径を調整することによって、達成される。しかしながらこれは、パルスレーザビーム焦線１１３の線長Ｌ（及びこれに続いて有効焦線長さＬ’）を制御するための、本明細書に記載される１つの方法でしかない。
【００４４】
いくつかの実施形態では、有効焦線長Ｌ’は、基板積層体１６０の厚さより約２０％以下だけ大きくなり得る。例えば基板積層体１６０が１ｍｍである場合、有効焦線長Ｌ’は約１．２ｍｍ以下となり得る。他の実施形態では、有効焦線長Ｌ’は、基板積層体１６０の厚さより約１５％以下だけ、又は約１０％以下だけ大きくなり得る。いくつかの実施形態では、パルスレーザビーム焦線１１３の有効焦線長Ｌ’は、基板積層体１６０の厚さＴのおおよそ中点に平らに位置決めされるように構成される。いくつかの実施形態では、有効焦線長Ｌ’は、基板積層体１６０の厚さＴの変動、及び／又はレーザ加工設備に関連する許容誤差を考慮に入れるために、基板積層体１６０の厚さを越えて延在してよい。更に他の実施形態では、有効焦線長Ｌ’は、基板積層体１６０の厚さの約１０％未満より大きくてよく、又は有効焦線長は、基板積層体１６０の厚さ未満であってよい。
【００４５】
ここで図５Ｃを参照すると、有効焦線長Ｌ’を維持しながら開口数を調整することの効果が図示されている。固定された有効焦線長Ｌ’に関して、開口数、即ちパルスレーザビーム１１２から入射する光線１１７ｃ（即ちエネルギ）の角度を減少させることによっても、黒色マトリクス層１６３の損傷エリア１１５ｃを削減できることが発見された。即ち、パルスレーザビーム１１２から入射した光線１１７ｃは、１１５ｃよりも大きな損傷エリア１１５ａを生成する入射光線１１７ａ（図５Ａに図示）に比べて、黒色マトリクス層１６３の小さなエリア１１５ｃと交差する／を通過する。いくつかの実施形態では、（図５Ａ及び５Ｂに示されている光線１１７ａ及び１１７ｂが示す円錐頂角に比べて）パルスレーザビーム１１２からの光線１１７ｃのコーン角を低減することにより、光の円錐が衝突する黒色マトリクス層１６３の領域は小さくなり、これによって、黒色マトリクス層１６３が被る可能性がある損傷エリア１１５が最小化される。
【００４６】
ここで図５Ｄを参照すると、削減された有効焦線長Ｌ’ｄと削減された開口数とを組み合わせることによって、黒色マトリクス層１６３に対する望ましくない影響、即ち損傷を、更に低減できる。図５Ａに示されている損傷エリア１１５ａと図５Ｄの損傷エリア１１５ｄとを比較すると、パルスレーザビーム焦線１１３ｄの有効焦線長Ｌ’の削減と、開口数、即ちパルスレーザビーム１１２から入射する光線１１７ｄの角度の削減とを組み合わせることで、図５Ｄに示すように、黒色マトリクス層１６３の損傷エリア１１５ｄが減少することを観察できる。しかしながら、パルスレーザビーム１１２が１つ以上の透明被加工物１６１内に欠陥を効果的に形成するためには、開口数は、１０６４ｎｍの波長に関して約０．０１超でなければならない。いくつかの実施形態では、開口数はパルスレーザビーム１１２の波長の関数である。開口数と波長との間の関係は、式
2021529717.tif 000004
【００４７】
で表現でき、ここでｄはパルスレーザビーム焦線１１３の直径（又はスポットサイズ）（例えば準非回折ビーム）であり、λは波長であり、ＮＡは開口数であり、ｋは定数である。この定数は、理想的なガウシアン‐ベッセル型ビームに関して約０．７６である。しかしながら、ｋの正確な値は準非回折ビームの様々な変形例に関して異なるものとなり、ただし全体的に１に近い。従って、波長の比例的変化は全体的にＮＡの比例的変化に直接対応する。また、式：
2021529717.tif 000005
【００４８】
で表現される、ガウシアン‐ベッセル型ビームのスポット直径に関する更に正確な式を用いてもよいことに留意されたい。ここでｄは準非回折ビーム（又は焦線）の直径であり、λは波長であり、ＮＡは開口数である。
【００４９】
いくつかの実施形態では、１０６４ｎｍの波長に関する開口数は、約０．１〜約０．５であってよい。任意に、開口数は、約０．１５〜約０．４、又は約０．２〜約０．４、又は約０．２〜約０．３５、又は０．１〜約０．２である。任意に、約１０６４ｎｍの波長に関して、開口数は約０．３７、０．２７５、又は０．２２である。上述のように、開口数は、例えば波長が１０６４ｎｍから５３２ｎｍに変化すると半分に減少し得る。他の波長としては、３５５ｎｍ、若しくは２６６ｎｍ、又は１０６４ｎｍレーザの他の一般的な高調波が挙げられる。所望の値を達成できるように開口数を構成することについて、以下で更に詳細に記載する。
【００５０】
ここで図５Ｅを参照すると、いくつかの実施形態では、黒色マトリクス層１６３の縁部１６３ａは、（パルスレーザビーム焦線１１３ｅと同一位置として図示された）目的とする切断位置（これはパルスレーザビーム焦線の中心と呼ぶこともできる）からオフセットされる。このオフセットは、黒色マトリクス層１６３の損傷エリア１１５ｅを削減又は排除できる。というのは、パルスレーザビーム焦線１１３ｅの中心が黒色マトリクス層１６３の縁部１６３ａから距離１１９だけオフセットされるためである。即ちいくつかの実施形態では、パルスレーザビーム焦線１１３ｅを形成するパルスレーザビーム１１２の部分は、黒色マトリクス層１６３に衝突しない。パルスレーザビーム焦線１１３ｅの中心の、黒色マトリクス層１６３の縁部１６３ａからのオフセットを画定する距離１１９は、レーザ切断プロセスであって、パルスレーザビーム焦線１１３が、基板積層体１６０の合計厚さＴｅのＸ％以内の有効焦線長Ｌｅ’と、低いＮＡとを含み、これにより、黒色マトリクス層１６３に対する損傷を最小限に抑えながら、パルスレーザビーム１１２が依然として透明被加工物内に非線形光学的効果（例えば多光子吸収）を誘発する、レーザ切断プロセスを実装することによって、制御及び削減できる。既に簡単に述べたように、ＮＡ及び有効焦線長Ｌ’は、レーザビームの中心が黒色マトリクス層１６３の縁部１６３ａからオフセットされ得る距離１１９に影響を及ぼす。
【００５１】
例えば、基板の合計厚さＴｅが１ｍｍであり、パルスレーザビーム焦線１１３の有効焦線長Ｌｅ’が１．２ｍｍである（即ち有効焦線長Ｌｅ’が合計厚さＴｅより２０％大きい）場合、パルスレーザビーム焦線の中心は、黒色マトリクス層１６３の縁部１６３ａから、基板積層体の合計厚さＴｅの２０％以下の距離だけオフセットされ得る。別の例として、基板積層体１６０の合計厚さＴｅが１ｍｍであり、パルスレーザビーム焦線１１３の有効焦線長Ｌｅ’が１．１５ｍｍである（即ち有効焦線長Ｌｅ’が合計厚さＴｅより１５％大きい）場合、パルスレーザビーム焦線１１３の中心は、黒色マトリクス層１６３の縁部１６３ａから、基板積層体１６０の合計厚さＴｅの１５％以下の距離だけオフセットされ得る。更に別の例として、基板積層体１６０の合計厚さＴｅが１ｍｍであり、パルスレーザビーム焦線１１３の有効焦線長Ｌｅ’が１．１ｍｍである（即ち有効焦線長Ｌｅ’が合計厚さＴｅより１０％大きい）場合、パルスレーザビーム焦線１１３の中心は、黒色マトリクス層１６３の縁部１６３ａから、基板積層体１６０の合計厚さＴｅの１０％以下の距離だけオフセットされ得る。いくつかの実施形態では、ＮＡによって、パルスレーザビーム焦線１１３の中心が黒色マトリクス層１６３の縁部１６３ａからオフセットされ得る距離を更に削減できる。その結果、パルスレーザビーム焦線１１３を黒色マトリクス層１６３の縁部１６３ａから距離１１９だけオフセットさせることによって、黒色マトリクス層１６３の損傷エリア１１５ｅの量を更に削減できる。
【００５２】
いくつかの実施形態では、焦点オフセットが、黒色マトリクス層１６３の損傷エリア１１５の最小化の因子となることが発見された別の考慮事項である。本明細書中で使用される場合、「焦点オフセット（ｆｏｃｕｓ  ｏｆｆｓｅｔ）」は、パルスレーザビーム焦線の線長Ｌの中心から黒色マトリクス層１６３までの垂直距離を指す。本明細書中で使用される場合、「垂直（ｖｅｒｔｉｃａｌ）」はＺ軸を指し、これはビーム伝播方向に配向されている。例えば、基板積層体１６０が以下の構造：０．５ｍｍ  ＥａｇｌｅＸＧ（ＥＸＧ）／黒色マトリクス層１６３（ＢＭ）／０．５ＥＸＧを有し、またパルスレーザビーム焦線１１３の線長Ｌが１．１ｍｍである場合、焦点オフセットがゼロであることにより、黒色マトリクス層１６３の上の線長Ｌが０．５５ｍｍとなり、黒色マトリクス層１６３の下の線長Ｌが０．５５ｍｍとなり、その後、屈折による線長の増大が存在する場合にはそれを考慮する。同一の構造で焦点オフセットを＋０．１ｍｍとした場合、黒色マトリクス層１６３の上の線長Ｌは０．６５ｍｍとなり、黒色マトリクス層１６３の下の線長Ｌは０．４５ｍｍとなる。上述の例等のいくつかの実施形態では、パルスレーザビーム焦線１１３の線長Ｌは、基板積層体１６０の厚さ全体を通過しなくてよい。即ち、パルスレーザビーム焦線１１３は基板積層体１６０の厚さ全体を通って延在しない。このような例では、パルスレーザビーム焦線１１３は、基板積層体１６０の厚さの一部分を通って延在する。
【００５３】
図６を参照すると、黒色マトリクス層１６３に対する損傷の、実験で測定された量が、パルスレーザビーム焦線長の関数としてグラフで示されている。線長が減少すると、黒色マトリクス層１６３の最大損傷は減少する。更に、垂直な点線は、１．０ｍｍの基板積層体１６０を切断するための理論上の最小線長を表し、ここで、ガラス（ｎ＝１．５）の存在によってパルスレーザビーム焦線長が１．５倍だけ効果的に延長されるため、線長がガラスの厚さより短くなり得ることに再び留意されたい。
【００５４】
図７Ａを参照すると、黒色マトリクス層１６３の上（左の図）及び下（右の図）においてパルスレーザビーム焦線１１３へと集束する光線１１７が、黒色マトリクス層１６３とどのように相互作用するかが、概略図で示されている。図示されている光線１１７はそれぞれ２つの光線しか示していないが、これらの光線１１７は、パルスレーザビーム焦線１１３を形成するために、パルスレーザビーム１１２のビーム経路内の集束用光学系、例えば第２のレンズ１３２（図３）によって集束させられた、光の円錐全体を表す。透明被加工物（図示せず）の標的面、及びそれに続いて黒色マトリクス層１６３に入射する、光線１１７の角度は、焦点距離と、入力されるビームの直径の半分とによって決定され、これは開口数と呼ばれる。図７Ｂは、パルスレーザビーム焦線１１３の上部の単一の光線が黒色マトリクス層１６３とどのように相互作用するかを、更に簡略化して概略図で示している。これより、黒色マトリクス層１６３に対する望ましくない影響を削減するように開口数及び線長を構成するための必須の変数を説明する。
【００５５】
開口数（ＮＡ）は、式（１）によって、集束用レンズに入射するビーム直径（ｄ）、及びレンズの焦点距離（ｆ）に関連付けられる。
【００５６】
【数１】
2021529717.tif 000006
【００５７】
三角法を用いると、径方向位置（ｒ）とＺ位置（ｚ）との比は、式（２）に示すように、ビーム直径と焦点距離との比に等しくなる：
【００５８】
【数２】
2021529717.tif 000007
【００５９】
式（２）を再構成すると：
【００６０】
【数３】
2021529717.tif 000008
【００６１】
が得られる。
【００６２】
線状焦点自体のエネルギ密度はＺの関数である。ビーム伝播方向に沿った準非回折ビームのエネルギ分布は多数の形態を取ることができるが、最も一般的なもののひとつがガウシアン‐ベッセル型分布である。モデル化が簡単であるため、正規化されたトップハット関数（大きさ＝１）を使用する。他の分布の影響については後に記載する。このようなトップハット型エネルギ分布の光軸１０２に沿ったエネルギ密度Ｅ（ｚ）は、以下のように表現できる：
【００６３】
【数４】
2021529717.tif 000009
【００６４】
ここで、ｚｓｔａｒｔ及びｚｅｎｄは、線状焦点の始点及び終点である。線長はｚｓｔａｒｔとｚｅｎｄとの差として定義される。
【００６５】
各Ｚ位置においてパルスレーザビーム焦線を形成する光線は、該光線が黒色マトリクス層１６３を遮断する半径に線形にマッピングされる。よって、パルスレーザビーム焦線の所与のＺ位置からのエネルギはその後、黒色マトリクス層１６３を遮断し、そしてこのエネルギは、半径ｒの円の周を巡るように分布することになる。この周は、上述の式（３）を用いて：
【００６６】
【数５】
2021529717.tif 000010
【００６７】
のように記述できる。
【００６８】
よって、黒色マトリクス材料の平面内において、パルスレーザビーム焦線位置から半径ｒの環に衝突するエネルギＥ（ｒ）は：
【００６９】
【数６】
2021529717.tif 000011
【００７０】
として表現できる。
【００７１】
ＢＭの上及び下の両方のパルスレーザビーム焦線の部分からの寄与を含めることに注意しなければならない。モデル化における利便性のために、黒色マトリクス層１６３の位置を、Ｚ＝０であるものと仮定する。この式から、黒色マトリクス平面内のエネルギ密度がビームのＮＡの関数であることは明らかである。また、エネルギ密度は、１／ｒに従って低下する傾向を有することも観察でき、ここでｒはパルスレーザビーム焦線からの径方向距離である。最後に、半径がｒの所与の環のエネルギＥ（ｒ）の総量は、焦線の長さ及びエネルギ分布によって決定でき、分布Ｅ（ｚ）／ｚとして符号化される。
【００７２】
他の実施形態では、パルスレーザビーム焦線長を制御するために、ビネッティングと呼ばれる方法を実装してよい。図３の光学系において、アキシコン１２２は、光軸１０２から特定の距離において入力されたビームの光線を、焦線内の特定のＺ軸交点へとマッピングする。虹彩絞り又はレンズ絞り等のアパーチャを用いることにより、比較的大きな半径でアキシコン１２２に当たる光線を遮断しながら、最も内側の光線を通過させることができる。図１０に示されている系では、アキシコン１２２に当たる径方向外側の光線Ａは、パルスレーザビーム焦線１１３の後端、即ち遠位端にマッピングされ、最も内側の光線Ｃは、パルスレーザビーム焦線１１３の前端、即ち光学系に最も近い部分にマッピングされる。図１０では、入力された複数の光線の、パルスレーザビーム焦線の複数の位置に対するマッピングが図示されている。アパーチャ１２７を用いて、入射する光のうちの半分（即ち光線Ｄ及びＥ）をブロックすることにより、内側の光線Ｃ及び外側の光線Ａの伝播経路を示す。しかしながら、改変済みアパーチャは、入射する光線の他の部分をブロック又は制限することによって、パルスレーザビーム焦線１１３を変化させるように動作し得る。例えばいくつかの実施形態では、虹彩絞り等のアパーチャ１２７を導入して、最も外側の光線をビネッティングすることにより、焦線の後端を効果的に切除できる。これにより、黒色マトリクス層１６３に衝突してその損傷エリア１１５を増大させるおそれのある、基板積層体１６０の下に集束する光線１１７の光エネルギが削減される。ビネッティングのためのアパーチャ１２７のサイズを調整することによって、パルスレーザビーム焦線１１３の線長Ｌを変更できる。しかしながらビネッティングによって、一部のエネルギがブロックされるため、系内のエネルギの量が低下する場合がある。従って、これを補償するために、より高出力のレーザビーム源１１０を使用してよい。
【００７３】
ここで図８Ａ〜９を参照すると、黒色マトリクス層１６３に対する損傷は、ビーム源１１０から基板積層体１６０まで延在する光学アセンブリ１００（図３に図示）のビーム経路１１１内の、アキシコン１２２から上流に、改変済みアパーチャ１２３（図９に図示）を導入することによって、削減できる。本明細書中で使用される場合、「上流（ｕｐｓｔｒｅａｍ）」及び「下流（ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ）」は、ビーム源１１０に対する、ビーム経路１１１に沿った２つの場所又は構成部品の相対位置を指す。いくつかの実施形態では、改変済みアパーチャ１２３、及び集束用光学系、例えば第２のレンズ１３２は、ビーム経路１１１内の単一の光学部品として形成される。図８Ａ〜８Ｂを参照すると、例示的な改変済みアパーチャ１２３（図９）の２つの半体１２１、１２１’が図示されている。更に、改変済みアパーチャ１２３のうちの開いたアパーチャ部分を通過する、パルスレーザビーム１１２からの光線１１７の、黒色マトリクス層１６３に対する効果の概略図が、図８Ｃ及び８Ｄそれぞれに示されている。図８Ａは、改変済みアパーチャ１２３の第１の半体１２１の上面図を示し、この場合、改変済みアパーチャ１２３の第１の半体１２１に入射した光線１１７は、内側開放部分１３１を通過しつつ、外側閉鎖部分１３５によってブロックされ、従って光線１１７は、図８Ｃに示すように、黒色マトリクス層１６３を回避するか、又は黒色マトリクス層１６３に最小限しか衝突しない。
【００７４】
図８Ｂは、改変済みアパーチャ１２３の第２の半体１２１’の上面図を示し、この場合、改変済みアパーチャ１２３の第２の半体１２１’に入射した光線１１７’は、外側開放部分１３３を通過しつつ、内側閉鎖部分１３７によってブロックされ、従って光線１１７’は、図８Ｄに示すように、黒色マトリクス層１６３を回避するか、又は黒色マトリクス層１６３に最小限しか衝突しない。効果的には、改変済みアパーチャ１２３は、入射するビームを空間的に改変し、これにより、基板積層体１６０の第１の透明被加工物１６１ａ上に集束する光線１１７は、黒色マトリクス層１６３に最も近い改変済みアパーチャ１２３の第１の半体１２１からしか入射せず、また基板積層体１６０の第２の透明被加工物１６１ｂ上に集束する光線１１７’は、改変済みアパーチャ１２３の第２の半体１２１’からしか入射しない。ここで、改変済みアパーチャ１２３の２つの半体１２１、１２１’は、黒色マトリクス層１６３に衝突することになる光線１１７を除去する。これにより、黒色マトリクス層１６３に対する損傷が最小限に抑えられる。一例として半円状のアパーチャを提供しているが、パルスレーザビームからの光線１１７の一部分を選択的にブロックする、及び通過させるために、改変済みアパーチャ１２３において他の形状を実装してもよい。従って動作時、基板積層体１６０の１つ以上の透明被加工物１６１内に輪郭１７０を形成するステップは、ビーム経路１１１に沿って配向され、かつビーム源１１０によって出力された、パルスレーザビーム１１２を、改変済みアパーチャ１２３を用いて修正するステップを含み、ここで上記改変済みアパーチャ１２３は、黒色マトリクス層１６３と光学的に整列した状態において、パルスレーザビーム１１２の一部分をブロックする。本明細書中で使用される場合、ビーム経路１１１に沿って伝播するパルスレーザビーム１１２が、介在する構成部品によってブロック又は吸収されない場合に、ある構成部品に衝突するとき、この構成部品はパルスレーザビーム１１２と「光学的に整列して（ｉｎ  ｏｐｔｉｃａｌ  ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）」いる。
【００７５】
ここで図９を参照すると、図８Ａ〜８Ｂを参照して図示及び説明した改変済みアパーチャ１２３の第１の半体１２１及び第２の半体１２１’の組み合わせから得られる、改変済みアパーチャ１２３が図示されている。改変済みアパーチャ１２３は、内環１２３ａ及び外環１２３ｂを含んでよい。内環１２３ａは、パルスレーザビーム１１２からの光線１１７を通過させるための内側開放部分１３１と、パルスレーザビーム１１２からの光線１１７をブロックするための内側閉鎖部分１３７とを備え、従って、内環１２３ａを通過した光線１１７は、黒色マトリクス層１６３に衝突することなく、又は黒色マトリクス層１６３に最小限しか衝突せずに、基板積層体１６０に衝突する。更に、外環１２３ｂは、パルスレーザビーム１１２からの光線１１７を通過させるための外側開放部分１３３と、パルスレーザビーム１１２からの光線１１７をブロックするための外側閉鎖部分１３５とを備え、従って、外環１２３ｂを通過した光線１１７は、黒色マトリクス層１６３ではなく基板積層体１６０に衝突する。
【００７６】
いくつかの実施形態では、改変済みアパーチャ１２３は、外側の光線及び反対側の内側の光線の一部分、例えば半分を切り縮めることによって、パルスレーザビーム１１２を成形してよい。内環１２３ａを通過する光線１１７を用いて、第１の透明被加工物１６１ａ、例えば基板積層体１６０の上側のガラス片の中に、欠陥１７２を形成できる。更に、光線１１７がパルスレーザビーム焦線１１３に沿って集束した後、これらは、中間層のコーティングされていない部分（即ち中間層の、黒色マトリクス材料でコーティングされていない部分）を通過し続け、黒色マトリクス層１６３を通過しない。これと対照的に、外環１２３ｂを通過する光線１１７’を用いて、第２の透明被加工物１６１ｂ、例えば基板積層体１６０内の下側のガラス片内に、欠陥１７２を形成できる。外環１２３ｂを通過した光線１１７’が、パルスレーザビーム焦線１１３に沿って集束した後、これらの光線１１７’は、黒色マトリクス層１６３に最小限しか衝突し得ないか、又は衝突しない。というのは、これらの光線１１７の全て又は大半が、黒色マトリクス層１６３の下のパルスレーザビーム焦線１１３へと集束するためである。ただしこれは、黒色マトリクス層１６３に対する損傷の所望の最小化を達成するためにビームを成形する、１つの方法に過ぎない。光線１１７の一部分をブロックしたり通過させたりすることによって、黒色マトリクス層１６３に対する損傷を低減するために、改変済みアパーチャを他の構成で構成してもよい。
【００７７】
ガウス形状のビームを放出するレーザを、図３に示す光学系の入力として使用すると、この光学系は、ガウシアン‐ベッセル型ビームとして知られる準非回折ビームを生成する。光伝播方向に沿った距離の関数としての、このビームのピーク断面強度を、図１１に示す。図１１は、トップハット型、ガウシアン‐ベッセル型、及び切頭ガウシアン‐ベッセル型を含む様々なエネルギ分布のグラフを示す。図示されているように、トップハット型分布は、切断に使用されないために黒色マトリクス層１６３を損傷させる可能性があるエネルギの量を削減する。この分布の損傷性部分は１．３ｍｍ超において観察できる。より一般に知られているガウシアン‐ベッセル型ビームとは対照的に、いくつかの実施形態では、光軸１０２に沿った距離の関数として測定されるトップハット型エネルギ分布を生成するもの等の、カスタム設計の光学系をビーム経路１１１に実装してよい。トップハット型エネルギ分布は、線状焦点エネルギを、光軸１０２に沿った更に小さな領域に閉じ込め、これは事実上、基板積層体１６０の上／下に集束するパルスレーザビーム１１２の光線１１７中のエネルギが少ないことを意味する。従来のガウシアン‐ベッセル型ビームを切り縮めることによっても、黒色マトリクス層１６３に対する損傷が低減されるが、これは片側のみであり、従ってトップハット型エネルギ分布ほど好ましいものではない。トップハット型エネルギ分布は、基板積層体１６０の厚さ全体を通って延在してよいが、任意に、空気中で測定した場合に基板積層体１６０の上下２００マイクロメートル以下を通って延在してよい。上述のように、基板積層体１６０の上／下に集束するエネルギ、及び関連する光線１１７は、レーザ切断プロセスに利益をもたらすものではなく、むしろこれらの光線は、輪郭１７０から更に増加した径方向距離において、黒色マトリクス層１６３を損傷する役割を果たす。標準的なガウシアン‐ベッセル型ビームはビームの後端にエネルギを有し、これは、切断プロセスに利益をもたらすことなく、黒色マトリクス層１６３に対する損傷をもたらす可能性がある。また、このトップハット型エネルギ分布を生成する光学系を用いると、ビネッティング法を用いたパルスレーザビーム焦線長の削減に比べて、喪失するエネルギの量が削減される。しかしながら、このようなトップハット型エネルギ分布を生成する光学系は、作製が比較的複雑になる場合があり、また特定の線長に対してカスタマイズされる場合があり、これにより、異なる複数の基板積層体１６０の厚さを切断することが望まれる場合に、柔軟性が低くなる。
【００７８】
準非回折ビームに関するトップハット型エネルギ分布の生成は、ガウシアンビームのエネルギを、同等のエネルギを有するビームの各環状リングに分配されるエネルギプロファイルへと分配する、光学系又は一連の光学系で、アキシコンを置き換えることによって達成できる。図３に示したものと同等の光学系は最終的に、所与の半径の環を、ビームの各環状リングに同等のエネルギを分配することによって、焦線内の一意の軸方向（焦点）位置へとマッピングするため、最終的なパルスレーザビーム焦線は、その長さに沿って均一なエネルギ密度を有することになる。しかしながら、このような「トップハット型（ｔｏｐ  ｈａｔ）」エネルギプロファイル生成用光学系は、他の表面プロファイルを同様に有してよい。「トップハット型」エネルギプロファイルを有する準非回折ビームを生成するための光学的マッピング戦略及び光学的設計は、国際出願ＰＣＴ／ＵＳ１７／４９０３０号明細書「Ｌａｓｅｒ  Ｃｕｔｔｉｎｇ  ｏｆ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ｗｉｔｈ  Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  Ｍａｐｐｉｎｇ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ」に更に詳細に記載されており、上記文献は参照により本出願に援用される。
【００７９】
図１２は、２つの異なるＮＡ値に関して、線長の関数としての、横方向（Ｘ‐Ｙ平面、図１）における黒色マトリクス層１６３への損傷の実験による測定のグラフを示す（Ａは比較的高いＮＡ：〜０．３７であり、Ｂは比較的低いＮＡ：〜０．２８である）。パルスレーザビーム焦線内の合計レーザエネルギは、この実験では一定に保持されていたが、図示されている損傷の勾配、及び大きさの絶対値は、いずれも明らかに異なっている。パルスレーザビーム焦線長が比較的長い場合、黒色マトリクスの損傷の横方向の範囲が広くなる。ＮＡが小さい場合、黒色マトリクスの損傷の横方向の範囲は、より大きなＮＡの場合よりも小さくなる。黒色マトリクスの損傷の横方向の範囲を最小限に抑えるためには、ガラス積層体全体を通るようにナノ穿孔を施すのにちょうど十分な長さの線長を用いるものの、ガラスを損傷するために十分な大きさのエネルギ密度を有するパルスレーザビーム焦線直径を依然として提供しながらも可能な限り小さなＮＡを用いることが求められることは、明らかである。
【００８０】
用語「ベッセルビーム」及び「ガウシアン‐ベッセル型ビーム」は、本文献中で一般的に使用されているが、これらは準非回折ビームの単なる具体例であり、使用される光学系に応じて、レーザ切断システムで採用される実際の光ビームを正確に説明したものとならない場合がある。従って、準非回折ビームを定義する特性とは何か、及びその長さを定義するものは何かを考えることが有用となる。
【００８１】
再び図１及び２を参照すると、１つ以上の透明被加工物１６１内に欠陥１７２を形成するために使用されるパルスレーザビーム１１２は、強度分布Ｉ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を更に有し、ここで、これらの図面に図示されているように、Ｚはパルスレーザビーム１１２のビーム伝播方向がそれに沿う軸であり、Ｘ及びＹは上記伝播の方向に対して垂直な方向である。Ｘ方向及びＹ方向は断面方向と呼ばれる場合もあり、Ｘ‐Ｙ平面は断面平面と呼ばれる場合がある。断面平面におけるパルスレーザビーム１１２の強度分布を、断面強度分布と呼ぶことができる。例示的な断面が図１０に示されており、この図について以下で更に詳細に説明する。
【００８２】
ビームスポット１１４又は他の断面におけるパルスレーザビーム１１２は、準非回折ビーム、例えば図３に示す光学アセンブリ１００に関して以下で更に詳細に説明するように、非球面光学素子１２０を通してパルスレーザビーム１１２を伝播させること（例えばビーム源１１０を用いてガウシアンビーム等のパルスレーザビーム１１２を出力すること）により、以下で数学的に定義される低いビーム発散を有するビームを含むことができる。ビーム発散は、ビーム伝播方向（即ちビーム源１１０から１つ以上の透明被加工物１６１へのＺ方向）におけるビーム断面の拡大率を指す。本明細書中で使用される場合、句「ビーム断面（ｂｅａｍ  ｃｒｏｓｓ  ｓｅｃｔｉｏｎ）」は、パルスレーザビーム１１２のビーム伝播方向に対して垂直な平面に沿った、例えばＸ‐Ｙ平面に沿った、パルスレーザビーム１１２の断面を指す。本明細書で議論されるビーム断面の一例は、１つ以上の透明被加工物１６１上に投射されたパルスレーザビーム１１２のビームスポット１１４である。例示的な準非回折ビームとしては、ガウシアン‐ベッセルビーム及びベッセルビームが挙げられる。
【００８３】
回折は、パルスレーザビーム１１２の発散につながる１つの因子である。他の因子としては、パルスレーザビーム１１２を形成する光学系によって引き起こされる集束若しくはデフォーカス、又は界面における屈折及び散乱が挙げられる。輪郭１７０の欠陥１７２を形成するためのパルスレーザビーム１１２は、ビームスポット１１４を有することができ、その発散は小さく、また回折は弱い。パルスレーザビーム１１２の発散はレイリー範囲ＺＲによって特性決定され、これは、パルスレーザビーム１１２の強度分布の分散σ２及びビーム伝播係数Ｍ２に関連する。以下の議論では、式は直交座標系を用いて提示される。他の座標系に関する対応する式は、当業者に公知の数学的技法を用いて得ることができる。ビーム発散に関する更なる情報は、Ａ．Ｅ．  Ｓｉｅｇｍａｎ「Ｎｅｗ  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ  ｉｎ  Ｌａｓｅｒ  Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ」（ＳＰＩＥ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  Ｓｅｒｉｅｓ  Ｖｏｌ．  １２２４，  ｐ．  ２  （１９９０））、並びにＲ．  Ｂｏｒｇｈｉ及びＭ．  Ｓａｎｔａｒｓｉｅｒｏ「Ｍ２  ｆａｃｔｏｒ  ｏｆ  Ｂｅｓｓｅｌ‐Ｇａｕｓｓ  ｂｅａｍｓ」（Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  Ｖｏｌ．  ２２（５），  ２６２  （１９９７））に見出すことができ、これらの開示はその全体が参照により本出願に援用される。更なる情報は、国際規格ＩＳＯ  １１１４６‐１：２００５（Ｅ）「Ｌａｓｅｒｓ  ａｎｄ  ｌａｓｅｒ‐ｒｅｌａｔｅｄ  ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ  ‐  Ｔｅｓｔ  ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  ｌａｓｅｒ  ｂｅａｍ  ｗｉｄｔｈｓ，  ｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅ  ａｎｇｌｅｓ  ａｎｄ  ｂｅａｍ  ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ  ｒａｔｉｏｓ  ‐  Ｐａｒｔ  １：  Ｓｔｉｇｍａｔｉｃ  ａｎｄ  ｓｉｍｐｌｅ  ａｓｔｉｇｍａｔｉｃ  ｂｅａｍｓ」、ＩＳＯ  １１１４６‐２：２００５（Ｅ）「Ｌａｓｅｒｓ  ａｎｄ  ｌａｓｅｒ‐ｒｅｌａｔｅｄ  ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ  ‐  Ｔｅｓｔ  ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  ｌａｓｅｒ  ｂｅａｍ  ｗｉｄｔｈｓ，  ｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅ  ａｎｇｌｅｓ  ａｎｄ  ｂｅａｍ  ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ  ｒａｔｉｏｓ  ‐  Ｐａｒｔ  ２：  Ｇｅｎｅｒａｌ  ａｓｔｉｇｍａｔｉｃ  ｂｅａｍｓ」、及びＩＳＯ  １１１４６‐３：２００４（Ｅ）「Ｌａｓｅｒｓ  ａｎｄ  ｌａｓｅｒ‐ｒｅｌａｔｅｄ  ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ  ‐  Ｔｅｓｔ  ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  ｌａｓｅｒ  ｂｅａｍ  ｗｉｄｔｈｓ，  ｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅ  ａｎｇｌｅｓ  ａｎｄ  ｂｅａｍ  ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ  ｒａｔｉｏｓ  ‐  Ｐａｒｔ  ３：  Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ  ａｎｄ  ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ  ｌａｓｅｒ  ｂｅａｍ  ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ，  ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｄｅｔａｉｌｓ  ｏｆ  ｔｅｓｔ  ｍｅｔｈｏｄｓ」にも見出すことができ、これらの開示はその全体が参照により本出願に援用される。
【００８４】
時間平均強度プロファイルＩ（ｘ，ｙ，ｚ）を有するパルスレーザビーム１１２の強度プロファイルの重心の空間座標は、以下の式で与えられる：
【００８５】
【数７】
2021529717.tif 000012
【００８６】
【数８】
2021529717.tif 000013
【００８７】
これらはウィグナー分布の最初の瞬間としても知られており、ＩＳＯ  １１１４６‐２：２００５（Ｅ）の第３．５節に記載されている。その測定については、ＩＳＯ  １１１４６‐２：２００５（Ｅ）の第７節に記載されている。
【００８８】
分散は、ビーム伝播方向における位置ｚの関数としての、パルスレーザビーム１１２の強度分布の断面（Ｘ‐Ｙ）平面における幅の測定値である。任意のレーザビームに関して、Ｘ方向の分散はＹ方向の分散とは異なり得る。σｘ２（ｚ）及びσｙ２（ｚ）をそれぞれＸ方向及びＹ方向の分散とする。特に関心の対象となるのは、近接場及び遠距離場の極限における分散である。σ０ｘ２（ｚ）及びσ０ｙ２（ｚ）をそれぞれ、近接場の極限におけるＸ方向及びＹ方向の分散とし、σ∞ｘ２（ｚ）及びσ∞ｙ２（ｚ）をそれぞれ、遠距離場の極限におけるＸ方向及びＹ方向の分散とする。時間平均強度プロファイルＩ（ｘ，ｙ，ｚ）を有するレーザビームに関して、フーリエ変換
2021529717.tif 000014
【００８９】
（ここでνｘ及びνｙはそれぞれＸ方向及びＹ方向の空間周波数である）を用いると、Ｘ方向及びＹ方向の近接場及び遠距離場分散は、以下の式によって与えられる：
【００９０】
【数９】
2021529717.tif 000015
【００９１】
【数１０】
2021529717.tif 000016
【００９２】
【数１１】
2021529717.tif 000017
【００９３】
【数１２】
2021529717.tif 000018
【００９４】
分散量σ０ｘ２（ｚ）、σ０ｙ２（ｚ）、σ∞ｘ２（ｚ）及びσ∞ｙ２（ｚ）は、ウィグナー分布の対角要素としても知られている（ＩＳＯ  １１１４６‐２：２００５（Ｅ）を参照）。これらの分散は、ＩＳＯ  １１１４６‐２：２００５（Ｅ）の第７節に記載の測定技法を用いて、実験用レーザビームに関して定量化できる。簡潔に述べると、この測定は、線形不飽和ピクセル化検出器を用いて、分散及び重心座標を定義する積分方程式の無限積分領域を近似する有限空間領域にわたって、Ｉ（ｘ，ｙ）を測定する。測定領域の適切な範囲、バックグラウンドの減算、及び検出器のピクセル分解能は、ＩＳＯ  １１１４６‐２：２００５（Ｅ）の第７節に記載されている反復測定手順の収束によって決定される。式７〜１２によって与えられる以上の式の数値は、ピクセル化検出器によって測定される一連の複数の強度値から数値的に計算される。
【００９５】
式３〜式６で使用されているｘ，ｙ座標系の原点は、レーザビームの重心であることにも留意されたい。
【００９６】
任意の光ビームに関する横方向振幅プロファイル
2021529717.tif 000019
【００９７】
（ここで
2021529717.tif 000020
【００９８】
である）
と、任意の光ビームに関する空間周波数分布
2021529717.tif 000021
【００９９】
（ここで
2021529717.tif 000022
【０１００】
である）
との間のフーリエ変換関係により、以下を示すことができる：
【０１０１】
【数１３】
2021529717.tif 000023
【０１０２】
【数１４】
2021529717.tif 000024
【０１０３】
式（１３）及び（１４）において、σ０ｘ２（ｚ０ｘ）及びσ０ｙ２（ｚ０ｙ）はσ０ｘ２（ｚ）及びσ０ｙ２（ｚ）の最小値であり、これらはそれぞれｘ方向及びｙ方向におけるウエスト位置ｚ０ｘ及びｚ０ｙにおいて発生し、またλはパルスレーザビーム１１２の波長である。式（１３）及び（１４）は、σｘ２（ｚ）及びσｙ２（ｚ）が、パルスレーザビーム１１２のウエスト位置（例えばパルスレーザビーム焦線１１３のウエスト部分）に関連付けられた最小値から各方向に、ｚの２次式として増加することを示している。更に、軸対称なビームスポット１１４を含み、従って軸対称な強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）を有する、本明細書に記載の実施形態では、σｘ２（ｚ）＝σｙ２（ｚ）であり、また非軸対称なビームスポット１１４を含み、従って非軸対称な強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）を有する、いくつかの実施形態では、σｘ２（ｚ）≠σｙ２（ｚ）、即ちσｘ２（ｚ）＜σｙ２（ｚ）又はσｘ２（ｚ）＞σｙ２（ｚ）である。
【０１０４】
式（１３）及び（１４）は、ビーム伝播係数Ｍ２に関して書き換えることができ、ここでｘ方向及びｙ方向に関して別個のビーム伝播係数Ｍ２ｘ及びＭ２ｙが以下のように定義される
【０１０５】
【数１５】
2021529717.tif 000025
【０１０６】
【数１６】
2021529717.tif 000026
【０１０７】
式（１５）及び（１６）の再編成及び式（１３）及び（１４）への代入により：
【０１０８】
【数１７】
2021529717.tif 000027
【０１０９】
【数１８】
2021529717.tif 000028
【０１１０】
が得られ、これらは：
【０１１１】
【数１９】
2021529717.tif 000029
【０１１２】
【数２０】
2021529717.tif 000030
【０１１３】
として書き換えることができ、ここでｘ方向及びｙ方向それぞれのレイリー範囲ＺＲｘ及びＺＲｙは、以下によって与えられる：
【０１１４】
【数２１】
2021529717.tif 000031
【０１１５】
【数２２】
2021529717.tif 000032
【０１１６】
上記レイリー範囲は、レーザビームの分散が（ビームのウエストの位置における分散に対して）２倍になる、（ＩＳＯ  １１１４６‐１：２００５（Ｅ）の第３．１２節で定義されるようなビームのウエストの位置に対する）距離に対応し、レーザビームの断面積の発散の尺度となる。更に、軸対称なビームスポット１１４を含み、従って軸対称な強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）を有する、本明細書に記載の実施形態では、ＺＲｘ＝ＺＲｙであり、また非軸対称なビームスポット１１４を含み、従って非軸対称な強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）を有する、本明細書に記載の実施形態では、ＺＲｘ≠ＺＲｙ、即ちＺＲｘ＜ＺＲｙ又はＺＲｘ＞ＺＲｙである。上記レイリー範囲はまた、光強度がビームのウエスト位置（最大強度位置）において観察される値の１／２まで減少する、ビーム軸に沿った距離としても観察できる。大きなレイリー範囲を有するレーザビームは発散が少なく、ビーム伝播方向における距離と共に、レイリー範囲が小さいレーザビームよりもゆっくりと拡散される。本文書中に記載されている焦線又は準非回折ビームの「長さ（ｌｅｎｇｔｈ）」を定義するために、長さは、ビームのウエスト位置の両側で測定できる、光強度が半分になる２つの点の間の、ビーム軸に沿った距離と表現できる。
【０１１７】
上述の式は、レーザビームを説明する強度プロファイルＩ（ｘ，ｙ，ｚ）を用いることにより、（ガウシアンビームだけではない）いずれのレーザビームに適用できる。ガウシアンビームのＴＥＭ００モードでは、強度プロファイルは：
【０１１８】
【数２３】
2021529717.tif 000033
【０１１９】
によって与えられ、ここでｗ０は、（ビーム強度がビームのウエスト位置ｚ０における該ビームのピークビーム強度の１／ｅ２まで低下する半径として定義される）半径である。式（２３）及び上述の式から、ＴＥＭ００ガウシアンビームに関して以下の結果が得られる：
【０１２０】
【数２４】
2021529717.tif 000034
【０１２１】
【数２５】
2021529717.tif 000035
【０１２２】
【数２６】
2021529717.tif 000036
【０１２３】
【数２７】
2021529717.tif 000037
【０１２４】
【数２８】
2021529717.tif 000038
【０１２５】
【数２９】
2021529717.tif 000039
【０１２６】
【数３０】
2021529717.tif 000040
【０１２７】
ここでＺＲ＝ＺＲｘ＝ＺＲｙである。ガウシアンビームに関して、Ｍ２＝Ｍｘ２＝Ｍｙ２＝１であることに更に留意されたい。
【０１２８】
ビーム断面は、形状及び寸法によって特性決定される。ビーム断面の寸法は、ビームのスポットサイズによって特性決定される。ガウシアンビームに関して、スポットサイズは多くの場合、式（２３）でｗ０として表されるように、ビームの強度がその最大値の１／ｅ２まで低下する径方向範囲として定義される。ガウシアンビームの最大強度は、強度分布の中央（ｘ＝０及びｙ＝０（直交座標系）又はｒ＝０（円柱座標系））において発生し、スポットサイズの決定に使用される径方向範囲は、この中央に対して測定される。
【０１２９】
軸対称の（即ちビーム伝播軸Ｚに関して回転対称の）断面を有するビームは、ＩＳＯ  １１１４６‐１：２００５（Ｅ）の第３．１２節に明記されているように、ビームのウエスト位置において測定される単一の寸法又はスポットサイズによって特性決定できる。ガウシアンビームに関して、式（２３）は、スポットサイズがｗ０に等しいことを示しており、これは式（２４）から、２σ０ｘ又は２σ０ｙに対応する。円形断面等の軸対称断面を有する軸対称ビームに関して、σ０ｘ＝σ０ｙである。従って軸対称ビームに関して、断面寸法は単一のスポットサイズパラメータを用いて特性決定でき、ここでｗ０ｘ＝２σ０である。スポットサイズは、軸対称ビームと違ってσ０ｘ≠σ０ｙである非軸対称ビーム断面に関しても同様に定義できる。よって、ビームのスポットサイズが非軸対称である場合、非軸対称ビームの断面寸法を、それぞれｘ方向及びｙ方向のｗ０ｘ及びｗ０ｙという２つのスポットサイズパラメータを用いて特性決定することが必要となり、ここで：
【０１３０】
【数３１】
2021529717.tif 000041
【０１３１】
【数３２】
2021529717.tif 000042
【０１３２】
である。
【０１３３】
更に、非軸対称ビームに関して、軸対称性（即ち任意の回転角度での対称性）が欠如していることは、σ０ｘ及びσ０ｙの計算結果がＸ軸及びＹ軸の配向の選択に左右されることを意味する。ＩＳＯ  １１１４６‐１：２００５（Ｅ）はこれらの基準軸を力密度分布の主軸と呼んでおり（第３．３〜３．５節）、以下の議論において、Ｘ及びＹ軸はこれらの主軸と整列されていると仮定する。更に、断面平面においてＸ軸及びＹ軸が回転する角度φ（例えばＸ軸及びＹ軸それぞれに関する基準位置に対する、Ｘ軸及びＹ軸の角度）を用いて、非軸対称ビームに関するスポットサイズパラメータの最小値（ｗ０，ｍｉｎ）及び最大値（ｗ０，ｍａｘ）：
【０１３４】
【数３３】
2021529717.tif 000043
【０１３５】
【数３４】
2021529717.tif 000044
【０１３６】
を定義してよく、ここで２σ０，ｍｉｎ＝２σ０ｘ（φｍｉｎ，ｘ）＝２σ０ｙ（φｍｉｎ，ｙ）、かつ２σ０，ｍａｘ＝２σ０ｘ（φｍａｘ，ｘ）＝２σ０ｙ（φｍａｘ，ｙ）である。ビーム断面の軸対称性の強さは、アスペクト比によって定量化でき、ここでアスペクト比は、ｗ０，ｍｉｎに対するｗ０，ｍａｘの比として定義される。非軸対称ビーム断面のアスペクト比は１．０であり、楕円形及び他の非軸対称ビーム断面のアスペクト比は、１．０超、例えば１．１超、１．２超、１．３超、１．４超、１．５超、１．６超、１．７超、１．８超、１．９超、２．０超、３．０超、５．０超、１０．０超等である。
【０１３７】
ビーム伝播方向（例えば１つ以上の透明被加工物１６１の深さ寸法）における欠陥１７２の均一性を促進するために、発散が小さいパルスレーザビーム１１２を使用してよい。１つ以上の実施形態では、発散が小さいパルスレーザビーム１１２を、欠陥１７２の形成に利用してよい。上述のように、発散はレイリー範囲によって特性決定できる。非軸対称ビームに関して、主軸Ｘ及びＹに関するレイリー範囲は、Ｘ軸及びＹ軸それぞれに関する式（２１）及び（２２）によって定義され、ここでいずれの実際のビームに関して、Ｍｘ２＞１及びＭｙ２＞１であることを示すことができ、またσ０ｘ２及びσ０ｙ２は、レーザビームの強度分布によって決定される。対称ビームに関して、レイリー範囲はＸ方向及びＹ方向において同一であり、式（２８）又は式（２９）によって表される。発散が小さいことは、レイリー範囲の値が大きいこと、及びレーザビームの回折が弱いことと相関する。
【０１３８】
ガウス強度プロファイルを有するビームは、欠陥１７２を形成するためのレーザ加工には比較的好ましくない場合がある。というのは、利用可能なレーザパルスエネルギによってガラス等の材料を修正できるように、十分に小さいスポットサイズ（例えば約１〜５μｍ又は約１〜１０μｍといった、数マイクロメートル範囲のスポットサイズ）に収束させた場合、上記ビームは強く回折して、短い伝播距離にわたって強く発散するためである。低発散を達成するために、パルスレーザビーム１１２の強度分布を制御又は最適化することにより、回折を低減することが望ましい。パルスレーザビームは、非回折性又は弱回折性とすることができる。弱回折レーザビームとしては、準非回折レーザビームが挙げられる。代表的な弱回折レーザビームとしては、ベッセルビーム、ガウス‐ベッセル、エアリービーム、ウェーバービーム、及びマシュービームが挙げられる。
【０１３９】
非軸対称ビームに関して、レイリー範囲ＺＲｘ及びＺＲｙは等しくない。式（２１）及び（２２）は、ＺＲｘ及びＺＲｙがそれぞれσ０ｘ及びσ０ｙに依存することを示しており、また上述のように、σ０ｘ及びσ０ｙの値は、Ｘ軸及びＹ軸の配向に左右される。従ってＺＲｘ及びＺＲｙの値は変動することになり、これらはそれぞれ、上記主軸に対応する最小値及び最大値を有することになり、ＺＲｘの最小値はＺＲｘ，ｍｉｎとして表され、ＺＲｙの最小値はＺＲｙ，ｍｉｎとして表される。任意のビームに関して、プロファイルＺＲｘ，ｍｉｎ及びＺＲｙ，ｍｉｎは：
【０１４０】
【数３５】
2021529717.tif 000045
【０１４１】
及び
【０１４２】
【数３６】
2021529717.tif 000046
【０１４３】
によって与えられることを示すことができる。
【０１４４】
図１３を参照すると、ガウシアンビームに関して、この曲線はｚ０ｘに関して対称であると予想されるが、全てのビームが必ずしもそうである必要はない。（以下のプロットに示すように）非対称である場合、ＺＲｘ，ｍｉｎ及びＺＲｘ，ｍａｘが存在し、これらはいずれも、ｚ０ｘでの最小値から、σ０ｘ，ｍｉｎが√２倍増加したｚ値まで測定される。ＺＲｘ，ｍｉｎはこれら２つの値の明らかに小さい方であり、ＺＲｘ，ｍａｘは大きい方である。垂直なｙ軸についても同一の分析を実施できる。
【０１４５】
レーザビームの発散は、最小のレイリー範囲を有する方向において比較的短い距離にわたって発生するため、欠陥１７２の形成に使用されるパルスレーザビーム１１２の強度分布を制御することにより、ＺＲｘ及びＺＲｙの最小値（又は軸対称ビームについてはＺＲの値）を可能な限り大きくすることができる。ＺＲｘの最小値ＺＲｘ，ｍｉｎ及びＺＲｙの最小値ＺＲｙ，ｍｉｎは、非軸対称ビームに関しては異なるため、損傷領域の形成時にＺＲｘ，ｍｉｎ及びＺＲｙ，ｍｉｎのうちの小さい方を可能な限り大きくする強度分布を有するパルスレーザビーム１１２を使用してよい。
【０１４６】
異なる実施形態では、ＺＲｘ，ｍｉｎ及びＺＲｙ，ｍｉｎのうちの小さい方（又は軸対称ビームについてはＺＲの値）は、５０μｍ以上、１００μｍ以上、２００μｍ以上、３００μｍ以上、５００μｍ以上、１ｍｍ以上、２ｍｍ以上、３ｍｍ以上、５ｍｍ以上、５０μｍ〜１０ｍｍ、１００μｍ〜５ｍｍ、２００μｍ〜４ｍｍ、３００μｍ〜２ｍｍ等である。
【０１４７】
本明細書で明記したＺＲｘ，ｍｉｎ及びＺＲｙ，ｍｉｎのうちの小さい方の値及び範囲（又は軸対称ビームについてはＺＲの値）は、式（３３）で定義されたスポットサイズパラメータｗ０，ｍｉｎの調整によって、上記被加工物がそれに対して透明となるような様々な波長に関して達成できる。異なる実施形態では、スポットサイズパラメータｗ０，ｍｉｎは、０．２５μｍ以上、０．５０μｍ以上、０．７５μｍ以上、１．０μｍ以上、２．０μｍ以上、３．０μｍ以上、５．０μｍ以上、０．２５μｍ〜１０μｍ、０．２５μｍ〜５．０μｍ、０．２５μｍ〜２．５μｍ、０．５０μｍ〜１０μｍ、０．５０μｍ〜５．０μｍ、０．５０μｍ〜２．５μｍ、０．７５μｍ〜１０μｍ、０．７５μｍ〜５．０μｍ、０．７５μｍ〜２．５μｍ等である。
【０１４８】
非回折又は準非回折ビームは一般に、半径に対して非単調減少するもの等の、複雑な強度プロファイルを有する。ガウシアンビームと同様に、有効スポットサイズＷｏ，ｅｆｆは、非軸対称ビームに関して、最大強度の径方向位置（ｒ＝０）からの、強度が最大強度の１／ｅ２まで低下するいずれの方向における最短径方向距離として定義できる。更に、軸対称ビームに関して、Ｗｏ，ｅｆｆは、最大強度の径方向位置（ｒ＝０）からの、最大強度の１／ｅ２まで低下する径方向距離である。非軸対称ビームに関する有効スポットサイズＷｏ，ｅｆｆ、又は軸対称ビームに関するスポットサイズＷｏに基づくレイリー範囲に関する基準は、非軸対称ビームに関する式（３７）及び軸対称ビームに関する式（３８）を用いて、損傷領域の形成のための非回折又は準非回折ビームとして：
【０１４９】
【数３７】
2021529717.tif 000047
【０１５０】
【数３８】
2021529717.tif 000048
【０１５１】
のように具体化でき、ここでＦＤは、少なくとも１０、少なくとも５０、少なくとも１００、少なくとも２５０、少なくとも５００、少なくとも１０００、１０〜２０００、５０〜１５００、１００〜１０００の値を有する無次元発散係数である。式（３７）を式（２８）又は（２９）と比較することにより、非回折又は準非回折ビームに関して、有効ビームサイズが２倍になる距離、即ち式（３７）中の「ＺＲｘ，ｍｉｎ、ＺＲｙ，ｍｉｎのうちの小さい方」が、仮に典型的なガウシアンビームを使用する場合に予想される距離のＦＤ倍となることを確認できる。無次元発散係数ＦＤは、レーザビームが準非回折性であるかどうかを決定するための基準を提供する。本明細書中で使用される場合、「パルスレーザビーム１１２（ｐｕｌｓｅｄ  ｌａｓｅｒ  ｂｅａｍ  １１２）」は、該レーザビームが、ＦＤの値≧１０において式（３７）又は式（３８）を満たす場合に、準非回折性とみなされる。ＦＤの値が増加するに従って、パルスレーザビーム１１２は、更に完璧に近い非回折状態に近づく。更に、式（３８）は式（３７）を単に簡略化したものであるため、式（３８）は、軸対称パルスレーザビーム１１２及び非軸対称パルスレーザビーム１１２の両方に関する無次元発散係数ＦＤを数学的に記述していることを理解されたい。
【０１５２】
これより、ＦＤを決定する基準を概説する。第１に、光軸１０２に沿った一連の位置に関してビーム強度Ｉ（ｘ，ｙ）プロファイルを測定する。これは、この測定が、ビーム強度がｚの関数として最大に達し、かつ該ｚ位置の両側においてこの最大レベルの半分未満まで降下するような領域を包含するように、好適なｚ位置の範囲にわたって実施しなければならない。第２に、ビームのレイリー範囲を測定する。上の図から、ビームが最大強度からピーク強度の半分まで降下するためにかかるｚ距離を測定する。第３に、ビームのＷｏ，ｅｆｆを計算する。これは、ビームのウエストのｚ位置（ｚ軸上の最大強度位置）において測定されたビームプロファイル（画像）を用いて評価しなければならない。ビームプロファイルの長軸及び短軸の両方に関して、Ｗｏ、即ちビーム強度がそのピークの１／ｅ２まで降下するための径方向距離を測定する。Ｗｏ，ｅｆｆはこれらのうちの小さい方である。第４に、測定されたレイリー範囲を、Ｗｏ，ｅｆｆのみによって予測されたレイリー範囲と比較する。ＦＤ＝ＺＲｘ，ｍｉｎ／（πＷ２ｏ，ｅｆｆ／λ）を評価する。これが＞１０である場合、準非回折ビームが得られている。
【０１５３】
図１４Ａ及び１４Ｂも参照すると、上述の個々のパルス繰り返し数における単一パルスの動作に加えて、パルスを、２個以上のサブパルス５００Ａ（例えば１回のパルスバーストあたり、３個のサブパルス、４個のサブパルス、５個のサブパルス、１０個のサブパルス、１５個のサブパルス、２０個のサブパルス、又はより多数のパルス、例えば１回のパルスバースト５００あたり１〜３０個のサブパルス、又は１回のパルスバースト５００あたり５〜２０個のサブパルス）のパルスバースト５００で生成してよい。理論による制限を意図するものではないが、パルスバーストは、単一パルスでの操作を用いた場合には容易にアクセスできないタイムスケールにおいて、材料との光エネルギ的相互作用（即ち１つ以上の透明被加工物１６１の材料中のＭＰＡ）を生成する、サブパルスの短く迅速なグループ分けである。これもまた理論による制限を意図するものではないが、パルスバースト内のエネルギ（即ちパルスバーストエネルギ）は保存される。ある実例として、１００μＪ／パルスバーストのエネルギ及び２個のサブパルスを有するパルスバーストに関して、１００μＪ／パルスバーストのエネルギは上記２個のサブパルスの間で、サブパルス１個あたり５０μＪの平均エネルギに分割され、１００μＪ／パルスバーストのエネルギ及び１０個のサブパルスを有するパルスバーストに関して、１００μＪ／パルスバーストのエネルギは上記１０個のサブパルスの間で、サブパルス１個あたり１０μＪの平均エネルギに分割される。更に、あるパルスバーストの複数のサブパルス間のエネルギ分布は、均一である必要はない。実際にいくつかの例では、あるパルスバーストの複数のサブパルス間のエネルギ分布は、指数関数的減衰の形式を取り、該パルスバーストの第１のサブパルスが最も高いエネルギを含有し、該パルスバーストの第２のサブパルスがわずかに低いエネルギを含有し、該パルスバーストの第３のサブパルスが更に低いエネルギを含有し、それ以降も同様となる。しかしながら、個々のパルスバースト内での他のエネルギ分布も可能であり、各サブパルスの正確なエネルギを調整することによって、１つ以上の透明被加工物１６１に対して様々な量の修正を実行できる。
【０１５４】
これもまた理論による制限を意図するものではないが、輪郭１７０の欠陥１７２を、少なくとも２個のサブパルスを有するパルスバーストを用いて形成する場合、輪郭１７０に沿って１つ以上の透明被加工物１６１を分割するために必要な力（即ち最大破壊耐性）は、同一の透明被加工物１６１ａ、１６１ｂ中に単一パルスレーザを用いて形成された、隣接する欠陥１７２間の間隔が同一である輪郭１７０の最大破壊耐性に比べて低下する。例えば、単一のパルスを用いて形成された輪郭１７０の最大破壊耐性は、２個以上のサブパルスを有するパルスバーストを用いて形成された輪郭１７０の最大破壊耐性の少なくとも２倍大きくなる。更に、単一のパルスを用いて形成された輪郭１７０と、２個のサブパルスを有するパルスバーストを用いて形成された輪郭１７０との間の、最大破壊耐性の差は、２個のサブパルスを有するパルスバーストを用いて形成された輪郭１７０と、３個のサブパルスを有するパルスバーストを用いて形成された輪郭１７０との間の、最大破壊耐性の差より大きい。よって、パルスバーストを用いて、単一パルスレーザを用いて形成された輪郭１７０よりも容易に分割される輪郭１７０を形成できる。
【０１５５】
図１４Ａ及び１４Ｂを参照すると、パルスバースト５００内のサブパルス５００Ａは、約１ｎｓｅｃ〜約５０ｎｓｅｃ、例えば約１０ｎｓｅｃ〜約３０ｎｓｅｃ、例えば約２０ｎｓｅｃの持続時間によって隔てられていてよい。他の実施形態では、パルスバースト５００内のサブパルス５００Ａは、最高１００ｐｓｅｃ（例えば、０．１ｐｓｅｃ、５ｐｓｅｃ、１０ｐｓｅｃ、１５ｐｓｅｃ、１８ｐｓｅｃ、２０ｐｓｅｃ、２２ｐｓｅｃ、２５ｐｓｅｃ、３０ｐｓｅｃ、５０ｐｓｅｃ、７５ｐｓｅｃ、又はこれらの間のいずれの範囲）の持続時間によって隔てられていてよい。所与のレーザに関して、パルスバースト５００内の隣接するサブパルス５００Ａの間の時間間隔Ｔｐ（図１６Ｂ）は、比較的均一（例えば互いの約１０％以内）であってよい。例えばいくつかの実施形態では、パルスバースト５００内の各サブパルス５００Ａは、後続のサブパルスからおよそ２０ｎｓｅｃ（５０ＭＨｚ）だけ時間的に隔てられている。更に、各パルスバースト５００間の時間は、約０．２５マイクロ秒〜約１０００マイクロ秒、例えば約１マイクロ秒〜約１０マイクロ秒、又は約３マイクロ秒〜約８マイクロ秒であってよい。
【０１５６】
本明細書に記載のビーム源１１０の例示的な実施形態のうちのいくつかでは、時間間隔Ｔｂ（図１４Ｂ）は、バースト繰り返し数が約２００ｋＨｚであるパルスレーザビーム１１２を出力するビーム源１１０に関して、約５マイクロ秒である。レーザバースト繰り返し数は、あるバースト内の最初のパルスから、次のバースト内の最初のパルスまでの時間Ｔｂに関連する（レーザバースト繰り返し数＝１／Ｔｂ）。いくつかの実施形態では、レーザバースト繰り返し数は約１ｋＨｚ〜約４ＭＨｚであってよい。実施形態では、レーザバースト繰り返し数は例えば約１０ｋＨｚ〜６５０ｋＨｚであってよい。各バースト内の最初のパルスから、次のバースト内の最初のパルスまでの時間Ｔｂは、約０．２５マイクロ秒（４ＭＨｚのバースト繰り返し数）〜約１０００マイクロ秒（１ｋＨｚのバースト繰り返し数）、例えば約０．５マイクロ秒（２ＭＨｚのバースト繰り返し数）〜約４０マイクロ秒（２５ｋＨｚのバースト繰り返し数）、又は約２マイクロ秒（５００ｋＨｚのバースト繰り返し数）〜約２０マイクロ秒（５０ｋＨｚのバースト繰り返し数）であってよい。正確なタイミング、パルス持続時間、及びバースト繰り返し数は、レーザの設計に応じて変動し得るが、高強度の短パルス（Ｔｄ＜２０ｐｓｅｃ、及びいくつかの実施形態では、Ｔｄ≦１５ｐｓｅｃ）が特に良好に動作することが分かっている。
【０１５７】
バースト繰り返し数は、約１ｋＨｚ〜約２ＭＨｚ、例えば約１ｋＨｚ〜約２００ｋＨｚであってよい。バースト形成又はパルスバースト５００の生成は、サブパルス５００Ａの放出が均一かつ安定した流れにならず、パルスバースト５００の密集したクラスタとなるような、レーザ動作の１タイプである。パルスバーストレーザビームは、１つ以上の透明被加工物１６１の材料に基づいて、１つ以上の透明被加工物１６１の材料が該波長において略透明となるように動作するよう選択された、波長を有してよい。材料において測定されるバーストあたりの平均レーザ出力は、材料の厚さ１ｍｍあたり少なくとも約４０μＪであってよい。例えば実施形態では、バーストあたりの平均レーザ出力は、約４０μＪ／ｍｍ〜約２５００μＪ／ｍｍ、又は約５００μＪ／ｍｍ〜約２２５０μＪ／ｍｍであってよい。ある具体例では、厚さ０．５ｍｍ〜０．７ｍｍのＣｏｒｎｉｎｇ  ＥＡＧＬＥ  ＸＧ透明被加工物に関して、約３００μＪ〜約６００μＪのパルスバーストが被加工物を切断及び／又は分割でき、これは約４２８μＪ／ｍｍ〜約１２００μＪ／ｍｍ（即ち０．７ｍｍのＥＡＧＬＥ  ＸＧガラスに関して３００μＪ／０．７ｍｍ、及び０．５ｍｍのＥＡＧＬＥ  ＸＧガラスに関して６００μＪ／０．５ｍｍ）という例示的な範囲に対応する。
【０１５８】
１つ以上の透明被加工物１６１の修正に必要なエネルギは、パルスエネルギであり、これは、パルスバーストエネルギ（即ちあるパルスバースト５００内に内包されたエネルギ（ここで各パルスバースト５００は一連のサブパルス５００Ａを内包する））に関して、又は単一のレーザパルス内に内包されるエネルギに関して、記述できる。パルスエネルギ（例えばパルスバーストエネルギ、又は単一のレーザパルスのエネルギ）は、約２５μＪ〜約７５０μＪ、例えば約５０μＪ〜約５００μＪ、又は約５０μＪ〜約２５０μＪであってよい。いくつかのガラス組成物に関して、パルスエネルギ（例えばパルスバーストエネルギ）は約１００μＪ〜約２５０μＪであってよい。しかしながら、ディスプレイ又はＴＦＴ用ガラス組成物に関して、パルスエネルギ（例えばパルスバーストエネルギ）はより高くなり得る（例えば、１つ以上の透明被加工物１６１の具体的なガラス組成に応じて、約３００μＪ〜約５００μＪ、又は約４００μＪ〜約６００μＪ）。理論による制限を意図するものではないが、パルスバーストを生成できるパルスレーザビーム１１２の使用は、例えばガラスである透明材料の切断又は修正に有利である。単一パルスレーザの繰り返し数によって時間的に隔てられた単一パルスの使用とは対照的に、バースト内の複数のサブパルスの迅速なシーケンスにわたってパルスエネルギを拡散するバーストシーケンスの使用により、材料との高強度の相互作用のタイムスケールを、単一パルスレーザによって可能なものよりも大きくすることができる。
【０１５９】
再び図３を参照すると、非球面光学素子１２０は、ビーム源１１０と基板積層体１６０との間において、ビーム経路１１１内に位置決めされる。動作時、パルスレーザビーム１１２、例えば入射してくるガウシアンビームを、非球面光学素子１２０を通して伝播させることにより、非球面光学素子１２０を越えて伝播するパルスレーザビーム１１２の部分が上述のように準非回折性となるように、欠陥形成用レーザビーム１１２を変化させることができる。非球面光学素子１２０は、非球面形状を備えるいずれの光学素子を含んでよい。いくつかの実施形態では、非球面光学素子１２０は、アキシコン１２２、例えば負屈折アキシコン１２２、正屈折アキシコン１２２、反射アキシコン１２２、回折アキシコン１２２、プログラマブル空間光変調器アキシコン１２２（例えば位相アキシコン１２２）等の、円錐波面生成光学素子を含んでよい。
【０１６０】
いくつかの実施形態では、非球面光学素子１２０は少なくとも１つの非球面表面を備え、その形状は数学的に：ｚ’＝（ｃｒ２／１）＋（１−（１＋ｋ）（ｃ２ｒ２））１／２＋（ａ１ｒ＋ａ２ｒ２＋ａ３ｒ３＋ａ４ｒ４＋ａ５ｒ５＋ａ６ｒ６＋ａ７ｒ７＋ａ８ｒ８＋ａ９ｒ９＋ａ１０ｒ１０＋ａ１１ｒ１１＋ａ１２ｒ１２のように記述され、ここでｚ’は上記非球面表面の表面サグであり、ｒは、径方向における（例えばＸ方向又はＹ方向における）、上記非球面表面と光軸１０２の距離であり、ｃは上記非球面表面の表面曲率（即ちｃｉ＝１／Ｒｉ（ここでＲは上記非球面表面の表面半径である））であり、ｋは円錐定数であり、係数ａｉは、上記非球面表面を記述する１次〜１２次非球面係数又はより高次の非球面係数（多項式非球面）である。例示的な一実施形態では、非球面光学素子１２０の少なくとも１つの非球面表面は、それぞれ：−０．０８５２７４７８８；０．０６５７４８８４５；０．０７７５７４９９５；−０．０５４１４８６３６；０．０２２０７７０２１；−０．００５４９８７４７２；０．０００６６８２９５５である係数ａ１〜ａ７を含み、また非球面係数ａ８〜ａ１２は０である。この実施形態では、少なくとも１つの非球面表面は、円錐定数ｋ＝０を有する。しかしながら、ａ１の係数は非ゼロ値を有するため、これは非ゼロ値の円錐定数ｋを有することと同等である。従って、非ゼロの円錐定数ｋ、非ゼロの係数ａ１、又は非ゼロのｋと非ゼロの係数ａ１との組み合わせを指定することによって、同等の表面を記述できる。更にいくつかの実施形態では、少なくとも１つの非球面表面は、非ゼロ値を有する少なくとも１つの高次非球面係数ａ２〜ａ１２（即ちａ２、ａ３、…ａ１２のうちの少なくとも１つ≠０）によって記述又は定義される。例示的な一実施形態では、非球面光学素子１２０は、立方体状の光学素子等の３次非球面光学素子を含み、これは非ゼロの係数ａ３を備える。
【０１６１】
いくつかの実施形態では、非球面光学素子１２０が（図３に示すような）アキシコン１２２からなる場合、アキシコン１２２は、約１．２°、例えば約０．５°〜約５°、又は約１°〜約１．５°、又は約０．５°〜約２０°でさえある角度を有するレーザ出力表面１２６（例えば円錐表面）を備え、上記角度は、パルスレーザビーム１１２がアキシコン１２２に入るレーザ入力表面１２４（例えば平坦表面）に対して測定される。更に、レーザ出力表面１２６は、円錐の頂点で終端する。更に、非球面光学素子１２０は、レーザ入力表面１２４からレーザ出力表面１２６まで延在して円錐の頂点で終端する、中心線軸１２５を含む。他の実施形態では、非球面光学素子１２０はワキシコン、空間光変調器等の空間位相変調器、又は光回折格子からなってよい。動作時、非球面光学素子１２０は、入射するパルスレーザビーム１１２（例えば入射するガウシアンビーム）を準非回折ビームに成形し、続いてこれは、第１のレンズ１３０及び第２のレンズ１３２を通るように方向決定される。
【０１６２】
引き続き図３を参照すると、第１のレンズ１３０は第２のレンズ１３２の上流に位置決めされ、第１のレンズ１３０と第２のレンズ１３２との間のコリメート空間１３４内において、パルスレーザビーム１１２をコリメートしてよい。更に第２のレンズ１３２はパルスレーザビーム１１２を１つ以上の透明被加工物１６１内へと集束させてよく、これは撮像平面１０４に位置決めしてよい。いくつかの実施形態では、第１のレンズ１３０及び第２のレンズ１３２はそれぞれ平凸レンズからなる。第１のレンズ１３０及び第２のレンズ１３２がそれぞれ平凸レンズからなる場合、第１のレンズ１３０及び第２のレンズ１３２の曲率はそれぞれ、コリメート空間１３４に向かって配向してよい。他の実施形態では、第１のレンズ１３０は他のコリメートレンズからなってよく、また第２のレンズ１３２は、メニスカスレンズ、非球面レンズ、又は別の高次補正集束レンズからなってよい。
【０１６３】
再び図１〜１４Ｂを参照すると、基板積層体１６０をレーザ加工する方法が図示及び説明されている。基板積層体１６０は、１つ以上の透明被加工物１６１、及び黒色マトリクス層１６３を含んでよい。上記方法は、欠陥１７２を含む輪郭１７０を、１つ以上の透明被加工物１６１内に（例えば第１の透明被加工物１６１ａ、第２の透明被加工物１６１ｂ、又は図１に示すように第１の透明被加工物１６１ａ及び第２の透明被加工物１６１ｂの両方の中に）形成するステップを含んでよい。更に上記方法は、ビーム経路１１１に沿って配向され、かつビーム源１１０によって出力された、パルスレーザビーム１１２を、非球面光学素子１２０及び集束用光学素子を通るように方向決定するステップを含んでよい。上記集束用光学系は例えば、第２のレンズ１３２を含んでよい。パルスレーザビームは、パルスレーザビーム１１２の一部分が１つ以上の透明被加工物１６１のうちの少なくとも１つの中で誘起吸収を生成するように、基板積層体１６０内へと向けることができる。いくつかの実施形態では、上記誘起吸収は、黒色マトリクス層の縁部からある距離だけオフセットされ、ここで上記距離は、基板積層体１６０の合計厚さの２０％以下である。いくつかの実施形態では、この距離は、１５％以下、又は１０％以下でさえあってよい。
【０１６４】
例えば、パルスレーザビーム１１２を使用する実施形態では、パルスレーザビーム１１２は、１つ以上の透明被加工物１６１の損傷閾値を超えるために十分なパルスエネルギ及びパルス持続時間を備えてよい。いくつかの実施形態では、パルスレーザビーム１１２を１つ以上の透明被加工物１６１内へと向ける上記ステップは、ビーム源１１０が出力したパルスレーザビーム１１２を、ビーム伝播方向（例えばビーム源１１０から１つ以上の透明被加工物１６１までのＺ軸）に沿って配向されたパルスレーザビーム焦線１１３へと集束させるステップを含む。１つ以上の透明被加工物１６１を、パルスレーザビーム１１２のパルスレーザビーム焦線１１３に少なくとも部分的に重なるように、ビーム経路１１１内に位置決めする。このようにしてパルスレーザビーム焦線１１３は、１つ以上の透明被加工物１６１内へと向けられる。パルスレーザビーム１１２、例えばパルスレーザビーム焦線１１３は、１つ以上の透明被加工物１６１内で誘起吸収を生成することにより、１つ以上の透明被加工物１６１内に欠陥１７２を生成する。いくつかの実施形態では、個々の欠陥１７２を、数百キロヘルツ（即ち１秒あたり数十万個の欠陥１７２）の速度で生成できる。
【０１６５】
いくつかの実施形態では、非球面光学素子１２０は、パルスレーザビーム１１２をパルスレーザビーム焦線１１３へと集束させることができる。動作時、パルスレーザビーム焦線１１３の位置は、パルスレーザビーム１１２を１つ以上の透明被加工物１６１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り、並びに光学アセンブリ１００のパラメータを好適に選択することにより、制御できる。例えばパルスレーザビーム焦線１１３の位置を、Ｚ軸に沿って、及びＺ軸に関して、制御できる。更に、パルスレーザビーム焦線１１３は、約０．１ｍｍ〜約１００ｍｍ又は約０．１ｍｍ〜約１０ｍｍの長さを有してよい。様々な実施形態は、長さｌが約０．１ｍｍ、約０．２ｍｍ、約０．３ｍｍ、約０．４ｍｍ、約０．５ｍｍ、約０．７ｍｍ、約１ｍｍ、約２ｍｍ、約３ｍｍ、約４ｍｍ、又は約５ｍｍ、例えば約０．５ｍｍ〜約５ｍｍのパルスレーザビーム焦線１１３を有するように構成してよい。
【０１６６】
図１〜１４Ｂを併せて参照すると、輪郭線１６５に沿って欠陥１７２を含む輪郭１７０を形成する方法は、基板積層体１６０をパルスレーザビーム１１２に対して並進移動させる（又はパルスレーザビーム１１２を基板積層体１６０に対して並進移動させてもよい）ことによって、１つ以上の透明被加工物１６１のうちの少なくとも１つに輪郭１７０を形成するステップを含んでよい。
【０１６７】
図１５を参照すると、本明細書で開示されている方法のうちの１つ以上によって形成されたガラス物品が図示されている。このガラス物品２６０は、第１の透明被加工物２６１ａと第２の透明被加工物２６１ｂとの間に配置された黒色マトリクス層２６３を含む。図示されているように、黒色マトリクス層２６３の縁部は、第１の透明被加工物２６１ａ及び第２の透明被加工物２６１ｂの離間した縁部２６５から、距離２１９だけオフセットされる。距離２１９は、少なくとも図５Ｅで図示及び説明した、黒色マトリクス層１６３の縁部１６３ａからのパルスレーザビーム焦線１３１ｅのオフセット１１９に対応する。第１の透明被加工物２６１ａ及び第２の透明被加工物２６１ｂの離間した縁部２６５と、黒色マトリクス層との間の距離は、基板積層体の合計厚さの約２０％以下である。いくつかの実施形態では、距離２１９は、基板積層体の合計厚さの約１５％以下である。いくつかの実施形態では、距離２１９は、基板積層体の合計厚さの約１０％以下である。
【０１６８】
引き続き図１５を参照すると、第１の透明被加工物２６１ａ及び第２の透明被加工物２６１ｂの離間した縁部２６５は、複数の垂直細溝２７２を含む。複数の垂直細溝２７２は、約０．１μｍ〜約５００μｍ、例えば約１μｍ〜約２００μｍ、約２μｍ〜約１００μｍ、約５μｍ〜約２０μｍ等の間隔２７３だけ、互いから離間してよい。例えば、複数の垂直細溝２７２それぞれの間の好適な間隔は、ＴＦＴ／ディスプレイガラス組成物に関して、約０．１μｍ〜約５０μｍ、例えば約５μｍ〜約１５μｍ、約５μｍ〜約１２μｍ、約７μｍ〜約１５μｍ、又は約７μｍ〜約１２μｍであってよい。いくつかの実施形態では、隣接する複数の垂直細溝２７２それぞれの間の間隔は、約５０μｍ以下、４５μｍ以下、４０μｍ以下、３５μｍ以下、３０μｍ以下、２５μｍ以下、２０μｍ以下、１５μｍ以下、１０μｍ以下等であってよい。複数の垂直細溝２７２は、基板積層体１６０をパルスレーザビーム１１２に対して並進移動させる際に、欠陥１７２（図１）の結果として形成され得る。
【０１６９】
いくつかの実施形態では、欠陥１７２も同様に、約０．１μｍ〜約５００μｍ、例えば約１μｍ〜約２００μｍ、約２μｍ〜約１００μｍ、約５μｍ〜約２０μｍ等の、輪郭１７０に沿った距離だけ、互いから離間してよい。例えば、欠陥１７２の間の好適な間隔は、ＴＦＴ／ディスプレイガラス組成物に関して、約０．１μｍ〜約５０μｍ、例えば約５μｍ〜約１５μｍ、約５μｍ〜約１２μｍ、約７μｍ〜約１５μｍ、又は約７μｍ〜約１２μｍであってよい。いくつかの実施形態では、隣接する欠陥１７２の間の間隔は、約５０μｍ以下、４５μｍ以下、４０μｍ以下、３５μｍ以下、３０μｍ以下、２５μｍ以下、２０μｍ以下、１５μｍ以下、１０μｍ以下等であってよい。更に、パルスレーザビーム１１２に対する基板積層体１６０の並進移動は、１つ以上の並進移動ステージ１９０を用いて１つ以上の透明被加工物１６１及び／又はビーム源１１０を移動させることによって実施してよい。
【０１７０】
図１５に示されている例示的なガラス物品２６０は、第１の透明被加工物２６１ａ及び第２の透明被加工物２６１ｂを含むが、他の実施形態は透明被加工物及び黒色マトリクス層のみを含んでもよいことを理解されたい。更に、いくつかの実施形態では、２つ以上の透明被加工物及び１つ以上の黒色マトリクス層が存在してもよい。
【０１７１】
以上の説明に鑑みて、（例えばガラス物品を形成するために）基板積層体をレーザ加工するための方法は、上記基板積層体の透明被加工物内に欠陥を形成するステップであって、上記基板積層体は黒色マトリクス層を更に含む、ステップを含むことを理解されたい。上記欠陥を形成する上記ステップは、パルスレーザビームの一部分を上記透明被加工物内へと向けるステップを含む。上記パルスレーザビームは、波長λ、スポットサイズｗ０、及び
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【０１７２】
より大きなレイリー範囲ＺＲを含み、ここでＦＤは、１０以上の値を有する無次元発散係数である。上記基板積層体の上記透明被加工物内へと向けられた上記パルスレーザビームは、パルスレーザビーム焦線を含み、また、上記黒色マトリクス層の縁部からある距離において、上記透明被加工物内に誘起吸収を生成する。上記距離は、上記基板積層体の合計厚さの約２０％以下である。
【０１７３】
更に、いくつかの実施形態では、透明被加工物及び黒色マトリクス層を含む基板積層体をレーザ加工する方法は、上記透明被加工物内に、欠陥を含む輪郭を形成するステップを含んでよい。上記輪郭を形成する上記ステップは、ビーム経路に沿って配向され、かつビーム源が出力したパルスレーザビームを、非球面光学素子及び集束用光学系を通して上記基板積層体内へと向けるステップを含む。上記透明被加工物内へと向けられた上記パルスレーザビームは、上記透明被加工物内で誘起吸収を生成する。上記誘起吸収は、透明被加工物内に欠陥を形成し、また上記パルスレーザビームは、上記透明被加工物内へと向けられる上記パルスレーザビームの一部分が約０．０５〜約０．４の開口数を有するような、集束用光学系における入射ビーム直径を有する。
【０１７４】
他の実施形態では、ビーム経路に沿って配向され、かつビーム源が出力したパルスレーザビームを、非球面光学素子を通り、改変済みアパーチャを通り、その後に集束用光学系を通るように方向決定する。更に他の実施形態では、有効焦線長Ｌ’は、基板積層体の厚さの約１０％未満より大きくてよい。これらを合わせると、本明細書に記載の方法及びシステムは、特に黒色マトリクス層を含む基板積層体のための、改良されたレーザ加工方法を提供する。上記方法及びシステムによって、黒色マトリクス層を有する基板積層体の切断が、レーザ加工中の黒色マトリクス層に対する損傷を低減し、更には排除しながら、可能となる。黒色マトリクス層に対する損傷の低減又は排除によって、母材シートの利用率を最大化し、かつ個片化後のディスプレイシートの縁部仕上げの必要を最小限に抑えながら、ディスプレイシートを互いに近接した状態で製造できるようになる。即ち、本明細書に記載のレーザ加工方法及びシステムの結果としての、黒色マトリクス層が損傷を最小限しか又は全く示さないディスプレイシートに関して、機械的研削及び／又は研磨のステップを排除できる。
【０１７５】
本明細書中で使用される場合、用語「約（ａｂｏｕｔ）」は、量、サイズ、処方、パラメータ、並びに他の量及び特性が正確でなく、また正確である必要がなく、許容誤差、変換係数、丸め、測定誤差等、及び当業者に公知の他の因子を反映して、必要に応じて概数であってよく、及び／又は大きく若しくは小さくなってよいことを意味する。ある値、又はある範囲の端点を記述する際に、用語「約」が使用されている場合、言及されている特定の値又は端点は含まれる。本明細書中の数値又は範囲の端点が「約」として記載されているかどうかに関わらず、「約」で修飾された実施形態と「約」で修飾されていない実施形態との２つの実施形態が記述される。更に、各範囲の端点は、他方の端点との関連でも、他方の端点とは独立しても、重要であることが理解されるだろう。
【０１７６】
本明細書中で使用される方向に関する用語、例えば上方（ｕｐ）、下方（ｄｏｗｎ）、右（ｒｉｇｈｔ）、左（ｌｅｆｔ）、前方（ｆｒｏｎｔ）、後方（ｂａｃｋ）、頂部（ｔｏｐ）、底部（ｂｏｔｔｏｍ）は、ここで図示されている状態の図面に関してのみ使用され、絶対的な配向を暗示することを意図したものではない。
【０１７７】
特段の記載がない限り、本明細書に記載のいずれの方法が、そのステップを特定の順序で実施すること、又はいずれの装置の特定の配向を必要とするものとして解釈されることは、全く意図されていない。従って、ある方法クレームが、そのステップが従うべき順序を実際に列挙していない場合、又はいずれの装置クレームが、個々の構成部品に関する順序若しくは配向を実際に列挙していない場合、又はステップをある特定の順序に限定するべきであることが、特許請求の範囲若しくは説明中で具体的に言明されていない場合、又は装置の構成部品に関する特定の順序又は配向が列挙されていない場合、いかなる点においても、順序又は配向が推定されることは全く意図されていない。これは：ステップの構成、動作フロー、構成部品の順序、又は構成部品の配向に関する論理の問題；文法的な編成又は句読点に由来する単純な意味；及び本明細書に記載の実施形態の数又はタイプを含む、解釈のためのいずれの可能な非明示的根拠にも当てはまる。
【０１７８】
本明細書中で使用される場合、単数形「ある（ａ、ａｎ）」及び「上記（ｔｈｅ）」は、文脈がそうでないことを明らかに指示していない限り、複数の指示対象を含む。従って例えば、「ある」構成部品に関する言及は、文脈がそうでないことを明らかに指示していない限り、２つ以上の上記構成部品を有する態様を含む。
【０１７９】
請求対象の主題の精神及び範囲から逸脱することなく、本明細書に記載の実施形態に対して様々な修正及び変形を実施できることは、当業者には理解されるだろう。よって本明細書は、本明細書に記載の様々な実施形態に対する上記修正及び変形が、添付の請求項及びその均等物の範囲内である限りにおいて、上記修正及び変形を包含することを意図している。
【０１８０】
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
【０１８１】
実施形態１
基板積層体をレーザ加工するための方法であって、
上記方法は：
上記基板積層体の透明被加工物内に欠陥を形成するステップであって、上記基板積層体は黒色マトリクス層を更に含む、ステップ
を含み、
上記欠陥を形成する上記ステップは：
パルスレーザビームの一部分を上記透明被加工物内へと向けるステップ
を含み、
上記パルスレーザビームは、波長λ、スポットサイズｗ０、及び
2021529717.tif 000050
【０１８２】
より大きなレイリー範囲ＺＲを含み、ここでＦＤは、１０以上の値を有する無次元発散係数であり、
上記基板積層体の上記透明被加工物内へと向けられた上記パルスレーザビームは、上記透明被加工物内に配置されたパルスレーザビーム焦線を形成し、上記パルスレーザビーム焦線の中心は、上記黒色マトリクス層の縁部から、上記基板積層体の合計厚さの約２０％以下である距離だけオフセットされ、
上記パルスレーザビーム焦線は、上記透明被加工物内で誘起吸収を生成し、
上記パルスレーザビーム焦線は、上記基板積層体の上記合計厚さの約１．２倍以下である有効線長を備える、方法。
【０１８３】
実施形態２
上記有効線長は、上記基板積層体の上記合計厚さの約１．１倍以下である、実施形態１に記載の方法。
【０１８４】
実施形態３
上記パルスレーザビーム焦線の断面縁部は、上記黒色マトリクス層の上記縁部から、上記基板積層体の上記合計厚さの約１５％以下である距離だけオフセットされる、実施形態１又は２に記載の方法。
【０１８５】
実施形態４
上記パルスレーザビーム焦線の上記断面縁部は、上記黒色マトリクス層の上記縁部から、上記基板積層体の上記合計厚さの１０％以下である距離だけオフセットされる、実施形態１又は２に記載の方法。
【０１８６】
実施形態５
上記パルスレーザビームはビーム経路に沿って配向され、また非球面光学素子を通り、かつ集束用光学系を通って、ビーム源によって出力され、
上記パルスレーザビームは、上記透明被加工物内へと向けられた上記パルスレーザビームの開口数が０．０５〜０．４となるような、上記集束用光学系における入射ビーム直径を備える、実施形態１〜４のいずれか１つに記載の方法。
【０１８７】
実施形態６
上記開口数は約０．３未満である、実施形態５に記載の方法。
【０１８８】
実施形態７
上記非球面光学素子は、屈折アキシコン、反射アキシコン、負アキシコン、空間光変調器、回折光学系、又は立方体状の光学素子を含む、実施形態５又は６に記載の方法。
【０１８９】
実施形態８
上記ビーム源は、１回のパルスバーストあたり２個以上のサブパルスを有するパルスバーストを生成し、
パルスバーストエネルギは、１回のパルスバーストあたり約２５μＪ〜約７５０μＪである、実施形態５〜７のいずれか１つに記載の方法。
【０１９０】
実施形態９
上記基板積層体及び上記パルスレーザビームを、輪郭線に沿って、互いに対して並進移動させることにより、上記輪郭線に沿って、上記基板積層体の上記透明被加工物内に、複数の欠陥を含む輪郭をレーザ形成するステップを更に含む、実施形態１〜８のいずれか１つに記載の方法。
【０１９１】
実施形態１０
赤外線レーザビームを、上記輪郭に沿って又は上記輪郭の付近において、上記基板積層体の上記透明被加工物上に向けることによって、上記透明被加工物を上記輪郭に沿って分割するステップを更に含む、実施形態９に記載の方法。
【０１９２】
実施形態１１
上記基板積層体は２つの上記透明被加工物を備え、
上記黒色マトリクス層は、上記２つの透明被加工物の間に配置される、実施形態１〜１０のいずれか１つに記載の方法。
【０１９３】
実施形態１２
上記透明被加工物は、ガラス、サファイア、及び溶融シリカのうちの少なくとも１つを含む、実施形態１〜１１のいずれか１つに記載の方法。
【０１９４】
実施形態１３
上記透明被加工物は、アルカリアルミノシリケートガラス材料を含む、実施形態１〜１２のいずれか１つに記載の方法。
【０１９５】
実施形態１４
上記透明被加工物は、ビーム伝播方向において、２０％／ｍｍ未満の、線形吸収及び散乱の合計損失を有する、実施形態１〜１３のいずれか１つに記載の方法。
【０１９６】
実施形態１５
上記無次元発散係数ＦＤの値は約５０〜約１５００である、実施形態１〜１４のいずれか１つに記載の方法。
【０１９７】
実施形態１６
隣接する上記欠陥の間の間隔は約２５μｍ以下である、実施形態１〜１５のいずれか１つに記載の方法。
【０１９８】
実施形態１７
基板積層体をレーザ加工するための方法であって、
上記方法は：
上記基板積層体の透明被加工物内に欠陥を形成するステップであって、上記基板積層体は黒色マトリクス層を更に備える、ステップ
を含み、
上記欠陥を形成する上記ステップは：
ビーム経路に沿って配向され、かつビーム源が非球面光学素子を通して出力したパルスレーザビームを、集束用光学系を通して上記基板積層体内へと向けることにより、上記基板積層体の上記透明被加工物内へと向けられた上記パルスレーザビームが、上記透明被加工物内に配置されたパルスレーザビーム焦線を形成するステップ
を含み、
上記パルスレーザビーム焦線の中心は、上記黒色マトリクス層の縁部から、上記基板積層体の合計厚さの約２０％以下である距離だけオフセットされ、
上記パルスレーザビーム焦線は、上記透明被加工物内で誘起吸収を生成し、
上記透明被加工物内へと向けられる上記パルスレーザビームは、０．０５〜０．４の開口数を有する、方法。
【０１９９】
実施形態１８
上記パルスレーザビーム焦線の断面縁部は、上記黒色マトリクス層の上記縁部から、上記基板積層体の上記合計厚さの約１５％以下である距離だけオフセットされる、実施形態１７に記載の方法。
【０２００】
実施形態１９
上記パルスレーザビーム焦線の上記断面縁部は、上記黒色マトリクス層の上記縁部から、上記基板積層体の上記合計厚さの約１０％以下である距離だけオフセットされる、実施形態１７に記載の方法。
【０２０１】
実施形態２０
上記パルスレーザビーム焦線は、上記基板積層体の上記合計厚さの約１．２倍以下である有効焦線長を有する、実施形態１７〜１９のいずれか１つに記載の方法。
【０２０２】
実施形態２１
上記パルスレーザビーム焦線は、上記基板積層体の上記合計厚さの約１．１倍以下である有効長を有する、実施形態１７〜２０のいずれか１つに記載の方法。
【０２０３】
実施形態２２
上記開口数は０．３未満である、実施形態２１に記載の方法。
【０２０４】
実施形態２３
上記基板積層体及び上記パルスレーザビームを、輪郭線に沿って、互いに対して並進移動させることにより、上記輪郭線に沿って、上記基板積層体の上記透明被加工物内に、複数の欠陥を含む輪郭をレーザ形成するステップを更に含む、実施形態１７〜２２のいずれか１つに記載の方法。
【０２０５】
実施形態２４
上記パルスレーザビームは、上記透明被加工物内へと向けられた上記パルスレーザビームの開口数が０．０１〜０．４となるような、上記集束用光学系における入射ビーム直径を備える、実施形態１７〜２３のいずれか１つに記載の方法。
【０２０６】
実施形態２５
上記ビーム源は、１回のパルスバーストあたり２個以上のサブパルスを有するパルスバーストを生成し、
パルスバーストエネルギは、１回のパルスバーストあたり２５μＪ〜７５０μＪである、実施形態１７〜２４のいずれか１つに記載の方法。
【０２０７】
実施形態２６
上記パルスレーザビームの、上記透明被加工物内へと向けられる部分は：
波長λ；
スポットサイズｗ０；及び
2021529717.tif 000051
【０２０８】
より大きなレイリー範囲ＺＲ
を含み、ここでＦＤは、１０以上の値を有する無次元発散係数である、実施形態１７〜２５のいずれか１つに記載の方法。
【０２０９】
実施形態２７
上記無次元発散係数ＦＤの値は約５０〜約１５００である、実施形態２６に記載の方法。
【０２１０】
実施形態２８
隣接する上記欠陥の間の間隔は約２５μｍ以下である、実施形態１７〜２７のいずれか１つに記載の方法。
【０２１１】
実施形態２９
ガラス物品であって、
上記ガラス物品は：
周囲を画定する縁部を有するガラス基板；
上記ガラス基板上に配置された黒色マトリクス層；及び
上記ガラス基板の上記縁部上に形成された複数の垂直細溝
を備え、
上記複数の垂直細溝は、約５０マイクロメートル以下の間隔を有し、上記ガラス基板の厚さの少なくとも５０％を通って延在し、
上記黒色マトリクス層は、上記ガラス基板の上記縁部から、上記ガラス物品の合計厚さの約２０％以下である距離だけオフセットされる、ガラス物品。
【０２１２】
実施形態３０
上記複数の垂直細溝は、上記ガラス物品の厚さの１００％を通って延在する、実施形態２９に記載のガラス物品。
【０２１３】
実施形態３１
上記黒色マトリクス層と上記ガラス基板の上記縁部との間の上記距離は、上記ガラス物品の上記合計厚さの約１５％以下である、実施形態２９又は３０に記載のガラス物品。
【０２１４】
実施形態３２
上記黒色マトリクス層と上記ガラス基板の上記縁部との間の上記距離は、上記ガラス物品の上記合計厚さの約１０％以下である、実施形態２９又は３０に記載のガラス物品。
【０２１５】
実施形態３３
上記複数の垂直細溝は、上記ガラス基板内で誘起吸収を生成するためにパルスレーザビーム焦線へと集束させられる準非回折ビームから形成される、実施形態２９〜３２のいずれか１つに記載のガラス物品。
【符号の説明】
【０２１６】
１００      光学アセンブリ
１０１      並進移動方向
１０２      光軸
１０４      撮像平面
１１０      ビーム源、レーザビーム源
１１１      ビーム経路
１１２      パルスレーザビーム
１１３、１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｄ、１１３ｅ      パルスレーザビーム焦線
１１４      ビームスポット
１１５、１１５ａ、１１５ｂ、１１５ｃ、１１５ｄ、１１５ｅ      損傷エリア
１１７、１１７’、１１７ａ、１１７ｂ、１１７ｃ、１１７ｄ      光線
１１９、２１９      距離
１２０      非球面光学素子
１２１      第１の半体
１２１’    第２の半体
１２２      アキシコン
１２３      改変済みアパーチャ
１２３ａ    内環
１２３ｂ    外環
１２４      レーザ入力表面
１２５      中心線軸
１２６      レーザ出力表面
１２７      アパーチャ
１３０      第１のレンズ
１３１      内側開放部分
１３２      第２のレンズ
１３３      外側開放部分
１３４      コリメート空間
１３５      外側閉鎖部分
１３７      内側閉鎖部分
１６０      基板積層体
１６１      透明被加工物
１６１ａ、２６１ａ    第１の透明被加工物
１６１ｂ、２６１ｂ    第２の透明被加工物
１６３、２６３      黒色マトリクス層
１６３ａ、２６５    縁部
１６４ａ、１６４ｂ      外向き表面
１６５      輪郭線
１６６ａ、１６６ｂ      内向き表面
１７０      輪郭
１７２      欠陥
１９０      並進移動ステージ
２６０      ガラス物品
２７２      垂直細溝
２７３      間隔
【図１】
2021529717.tif 000054
【図２】
2021529717.tif 000055
【図３】
2021529717.tif 000056
【図４Ａ】
2021529717.tif 000057
【図４Ｂ】
2021529717.tif 000058
【図５Ａ】
2021529717.tif 000059
【図５Ｂ】
2021529717.tif 000060
【図５Ｃ】
2021529717.tif 000061
【図５Ｄ】
2021529717.tif 000062
【図５Ｅ】
2021529717.tif 000063
【図６】
2021529717.tif 000064
【図７Ａ】
2021529717.tif 000065
【図７Ｂ】
2021529717.tif 000066
【図８Ａ】
2021529717.tif 000067
【図８Ｂ】
2021529717.tif 000068
【図８Ｃ】
2021529717.tif 000069
【図８Ｄ】
2021529717.tif 000070
【図９】
2021529717.tif 000071
【図１０】
2021529717.tif 000072
【図１１】
2021529717.tif 000073
【図１２】
2021529717.tif 000074
【図１３】
2021529717.tif 000075
【図１４Ａ】
2021529717.tif 000076
【図１４Ｂ】
2021529717.tif 000077
【図１５】
2021529717.tif 000078
【国際調査報告】
2021529717.tif 000079
2021529717.tif 000080