(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非回折パルスレーザビームをレーザビーム焦線内に集束させるステップ；
前記レーザビーム焦線を材料内へ、前記材料に対して第１の入射角度で方向付けるステップであって、前記レーザビーム焦線は、前記材料内で誘発吸収を生成し、前記誘発吸収は、前記材料内で前記レーザビーム焦線に沿って欠陥ラインを生じさせるステップ；
前記材料および前記レーザビームを互いに対して平行移動させ、それにより、前記材料内で前記第１の角度にある第１の平面に沿って複数の欠陥ラインを形成するステップ；
前記レーザビーム焦線を前記材料へ、前記材料に対して第２の入射角度で方向付けるステップであって、前記レーザビーム焦線は、前記材料内で誘発吸収を生成し、前記誘発吸収は、前記材料内で前記レーザビーム焦線に沿って欠陥ラインを生じさせるステップ；および
前記材料または前記レーザビームを互いに対して平行移動させ、それにより、前記材料内で前記第２の角度にある第２の平面に沿って複数の欠陥ラインを形成し、前記第２の平面は前記第１の平面と交差しているステップ
を有してなり、
前記第２の入射角度は前記第１の入射角度とは異なることを特徴とする、レーザ加工方法。
【請求項２】
前記材料が前記第１の平面および前記第２の平面に沿って分離して、面取り済エッジを画成することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
赤外線（ＩＲ）レーザビームを、前記材料内で前記第１の角度にある前記第１の平面に沿った前記複数の欠陥ラインにわたって方向付けること；および
前記赤外線レーザビームを、前記材料内で前記第２の角度にある前記第２の平面に沿った前記複数の欠陥ラインにわたって方向付けること
によって熱応力を生じることによって、前記第１の平面および前記第２の平面に沿って前記材料を分離するステップをさらに有することを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記材料にイオン交換プロセスを行うことによって、前記材料を前記第１の平面、および前記第２の平面に沿って分離するステップをさらに有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記パルスレーザビームのパルス持続期間が約１ピコ秒超〜約１００ピコ秒未満の範囲にあることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記レーザビーム焦線の平均スポット直径が約０．１μｍ〜約５μｍの範囲にあることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記パルスレーザビームが、前記材料がその波長において実質的に透明であるように選択される波長を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記レーザビーム焦線の長さが約０．１ｍｍ〜約１ｍｍの範囲にあることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
第１の複数の欠陥ラインおよび第２の複数の欠陥ラインを有する少なくとも１つの面取り済エッジを含むガラス物品であって、
前記第１の複数の欠陥ラインおよび前記第２の複数の欠陥ラインはそれぞれ、少なくとも２５０μｍ延在するとともに約５μｍ以下の直径を有し、
前記第１の複数の欠陥ラインが、前記ガラス物品の平面に対し第１の角度を有する第１の面に沿って延在し、
前記第２の複数の欠陥ラインが、前記ガラス物品の平面に対し第２の角度を有する第２の面に沿って延在し、
前記第２の角度が前記第１の角度とは異なることを特徴とする、ガラス物品。
【請求項１０】
前記面取り済エッジの、ある深さまでの表面下損傷が、約７５μｍ以下であることを特徴とする、請求項９に記載のガラス物品。
【請求項１１】
前記非回折パルスレーザビームをレーザビーム焦線内に集束させるステップが、非球形の自由表面を備える第１の光学素子を含む光学アセンブリを通して前記非回折パルスレーザビームを方向づけていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１の光学素子が、円錐プリズムまたはアキシコンを有することを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記光学アセンブリが、凸表面を備える集束レンズを有することを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記非回折パルスレーザビームが、ベッセルビーム、Ａｉｒｙビーム、ＷｅｂｅｒビームおよびＭａｔｈｉｅｕビームから選択されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記誘発吸収が、多光子吸収であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、２０１３年１２月１７日出願の米国仮特許出願第６１／９１７，２１３号の利益、ならびに２０１４年７月１０日出願の米国仮特許出願第６２／０２２，８８５号の利益、および２０１４年１０月３１日出願の米国特許出願第１４／５３０４１０号の利益を主張し、これらの開示全体を本願明細書に援用する。
【技術分野】
【０００２】
本開示は、エッジ面取り加工方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
いくつかの分野を述べると、建築、自動車、コンシューマー・エレクトロニクスにおける適用例のためにガラスパネルが切削されるあらゆる場合において、注意を要する可能性が極めて高いエッジがある。エッジ形状があるときに、ガラスを切削しかつ分離するための多くの異なる方法がある。ガラスは、電磁放射線（レーザ、放電、ジャイロトロンなど）および多くの他の方法を使用して、機械的に切削され得る（ＣＮＣ機械加工、アブレイシブウォータージェット、スクライビングよび破断など）。より伝統的かつ一般的な方法（スクライブおよび破断またはＣＮＣ機械加工）は、異なるタイプおよびサイズの欠陥を含むエッジを生成する。エッジは、表面に対して完全に垂直ではないと知ることも普通のことである。欠陥を排除して強度が改善された、より平らな表面をエッジに与えるために、エッジは、通常研削される。研削プロセスは、エッジ材料の研磨除去を含み、これにより、エッジ材料に対し、所望の仕上げ加工を行うことができ、かつまたその形状に付形を施すことができる（ブルノーズ、面取り、鉛筆形状など）。研削ステップおよび研磨ステップを可能にするために、所望の最終寸法よりも大きい部分を切削する必要がある。
【０００４】
欠陥を排除することによって、エッジ強度を増すことがよく知られかつ理解されているが、付形がエッジ強度に対して影響を与えることに関しては同意が得られていない。主に、付形が、エッジの衝撃に対する損傷抵抗を高めかつ取り扱いやすくするのに役立つことはよく知られているため、混乱が生じる。エッジの付形は、実際には、撓み力（または曲げ力）に対する抵抗によって規定されるようにはエッジ強度を決定しないが、欠陥のサイズおよび分布は、大きな影響を与える。しかしながら、付形されたエッジは、横断面がより小さくされかつ欠陥が含まれることによって、衝撃抵抗を改善するのに役立つ。例えば、両面に対して垂直である直線的な面を有するエッジは、これらの直角の角部に応力が溜まり、エッジが別の物体により衝撃を受けると、欠けたり破損したりする。応力が溜まっているために、欠陥のサイズはかなり大きくなることがあり、そのエッジの強度をかなり弱める。他方で、その形状がより滑らかであることに起因して、丸みを帯びた「ブルノーズ」形状のエッジは、応力があまり溜まらず、かつ横断面が小さく、それにより、欠陥のサイズを小さくしかつエッジの体積部への欠陥の侵入を少なくするのに役立つ。それゆえ、衝撃を受けた後には、付形されたエッジは、平坦なエッジよりも高い「曲げ」強度を有するであろう。
【０００５】
上述の理由のために、平坦でかつ表面に対して垂直なエッジとは対照的に、付形されたエッジを有することが望ましいことが多い。これらの機械的な切削およびエッジ付形方法の１つの重要な態様は、機械の保守の程度である。切削および研削の双方に関し、古くて磨り減った切削ヘッドまたは研削ロールは、損傷を生じることがあり、これは、裸眼ではその差を見ることができなくても、エッジの強度に著しい影響を及ぼし得る。機械的な切削および研削方法を用いる他の問題は、それらが非常に労働集約的であり、かつ所望の最終仕上げ加工までに多くの研削および研磨ステップを必要とすることであり、これらステップは、多くのデブリを生成し、かつ表面への損傷の導入を避けるために、クリーニングステップを必要とする。
【０００６】
プロセス開発およびコストの観点から、ガラス基板のエッジの切削および面取り加工を改善する多くの機会がある。付形されたエッジを生成するために、現在市場で実施されている方法よりも速く、清浄で、安く、より繰返し可能、かつより信頼性の高い方法が重要である。いくつかの代替的な技術の中で、レーザおよび他の熱源が試みられており、かつ付形されたエッジを生成することが実証されている。
【０００７】
概して、アブレイティブレーザ技術は、材料除去速度が低いことに起因して、低速となりがちであり、かつまた多くのデブリを生成し、および残留応力および微小クラックを生じる、熱の影響を受ける多くのゾーンを生成する。同じ理由から、エッジの溶融および再付形も、処理済みの領域を剥離し得る多くの変形および溜まった熱応力の問題を抱えている。最後に、熱剥離技術またはクラック伝播技術に関し、直面する主な問題のうちの１つは、剥離が連続的ではないということである。
【０００８】
表面下損傷、またはいずれかの切削プロセスに起因する小さな微小クラックおよび材料部分的変更（ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ）は、ガラスまたは他の脆性材料のエッジ強度に対し、懸念を与える。機械的かつアブレイティブなレーザ加工は、表面下損傷に関して特に問題となる。これらの加工で切削されたエッジは、一般に、表面下損傷層を除去するために切削後多数回の研削や研磨を必要とし、それにより、エッジ強度を、コンシューマー・エレクトロニクスなどの適用例に必要とされる性能レベルまで高めている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本明細書で説明する実施形態によれば、レーザを使用して、任意の形状のガラス基板のエッジを面取り加工および／またはベベリング加工するプロセスが提示されている。一実施形態は、超短パルスレーザを使用して、所望の面取り形状でエッジを切削し、それに続けて、任意選択的に、完全に自動的に分離するために、ＣＯ２レーザを利用し得ることを含む。別の実施形態は、超短パルスおよび／またはＣＯ２レーザの異なる組合せによる、鋭いエッジ角部の熱応力剥離を含む。別の実施形態は、超短パルスレーザを使用し、それに続けて、ＣＯ２レーザを使用して面取り加工のみを行うような、任意の切削方法によって、ガラス基板を切削することを含む。
【００１０】
一実施形態では、材料をレーザ加工する方法は、パルスレーザビームをレーザビーム焦線内に集束させるステップ、およびレーザビーム焦線を材料内へ、材料に対して第１の入射角度で方向付けるステップであって、レーザビーム焦線は、材料内で誘発吸収を生成し、誘発吸収は、材料内でレーザビーム焦線に沿って欠陥ラインを生じさせるステップを含む。方法はまた、材料およびレーザビームを互いに対して平行移動させ、それにより、材料内で第１の角度にある第１の平面に沿って複数の欠陥ラインを形成するステップ、およびレーザビーム焦線を材料内へ、材料に対して第２の入射角度で方向付けるステップであって、レーザビーム焦線は、材料内で誘発吸収を生成し、誘発吸収は、材料内でレーザビーム焦線に沿って欠陥ラインを生じさせるステップを含む。方法は、さらに、材料またはレーザビームを互いに対して平行移動させ、それにより、材料内で第２の角度にある第２の平面に沿って複数の欠陥ラインを形成し、第２の平面は第１の平面と交差しているステップを含む。
【００１１】
別の実施形態によれば、材料をレーザ加工する方法は、パルスレーザビームをレーザビーム焦線内に集束させるステップ、および材料内でＮ個の平面のそれぞれに沿って複数の欠陥ラインを形成するステップを含む。方法はまた、レーザビーム焦線を材料内へ、材料に対して対応する入射角度で方向付けるステップであって、レーザビーム焦線は、材料内で誘発吸収を生成し、誘発吸収は、材料内でレーザビーム焦線に沿って欠陥ラインを生じさせるステップを含む。方法は、さらに、材料およびレーザビームを互いに対して平行移動させ、それにより、Ｎ個の平面の対応する平面に沿って複数の欠陥ラインを形成するステップを含む。
【００１２】
さらに別の実施形態によれば、工作物をレーザ加工する方法は、パルスレーザビームを、工作物に対してある入射角度で工作物に向けられたレーザビーム焦線内に集束させるステップであって、その入射角度は工作物のエッジと交差し、レーザビーム焦線は、工作物内で誘発吸収を生成し、および誘発吸収は、工作物内でレーザビーム焦線に沿って欠陥ラインを生じさせるステップを含む。方法はまた、工作物およびレーザビームを互いに対して平行移動させ、それにより、工作物内でその角度にある平面に沿って複数の欠陥ラインを形成するステップ、および工作物にイオン交換プロセスを行うことによって、平面に沿って工作物を分離するステップを含む。
【００１３】
さらに別の実施形態では、材料をレーザ加工する方法は、パルスレーザビームを、材料内に向けられたレーザビーム焦線内に集束させるステップであって、レーザビーム焦線は、材料内で誘発吸収を生成し、および誘発吸収は、材料内でレーザビーム焦線に沿って欠陥ラインを生じさせるステップを含む。方法はまた、材料およびレーザビームを互いに対して輪郭に沿って平行移動させ、それにより、分離される部分を描くように、材料内で輪郭に沿って複数の欠陥ラインを形成するステップ、および材料からその部分を分離するステップを含む。方法は、さらに、第１の面取り済エッジを画成する第１の条片を剥離するために、集束赤外線レーザを、その部分の第１の表面にあるエッジに隣接したラインに沿った部分に方向付けるステップ、および第２の面取り済エッジを画成する第２の条片を剥離するために、集束赤外線レーザを、その部分の第２の表面にあるエッジに隣接したラインに沿った部分に方向付けるステップを含む。
【００１４】
本開示は：
パルスレーザビームをレーザビーム焦線内に集束させるステップ；
レーザビーム焦線を材料内へ、材料に対して第１の入射角度で方向付けるステップであって、レーザビーム焦線は、材料内で誘発吸収を生成し、誘発吸収は、材料内でレーザビーム焦線に沿って欠陥ラインを生じさせるステップ；
材料およびレーザビームを互いに対して平行移動させ、それにより、材料内で第１の角度にある第１の平面に沿って複数の欠陥ラインを形成するステップ；
レーザビーム焦線を材料内へ、材料に対して第２の入射角度で方向付けるステップであって、レーザビーム焦線は、材料内で誘発吸収を生成し、誘発吸収は、材料内でレーザビーム焦線に沿って欠陥ラインを生じさせるステップ；および
材料またはレーザビームを互いに対して平行移動させ、それにより、材料内で第２の角度にある第２の平面に沿って複数の欠陥ラインを形成し、第２の平面は第１の平面と交差しているステップ
を有してなる、レーザ加工方法に及ぶ。
【００１５】
本開示は：
パルスレーザビームをレーザビーム焦線内に集束させるステップ；および
材料内でＮ個の平面のそれぞれに沿って複数の欠陥ラインを形成するステップであって、複数の欠陥ラインの形成は：
（ａ）レーザビーム焦線を材料内へ、材料に対して、Ｎ個の平面のうちの１つに対応する入射角度で、方向付けるステップであって、レーザビーム焦線は、材料内で誘発吸収を生成し、誘発吸収は、材料内でレーザビーム焦線に沿って欠陥ラインを生じさせるステップ；
（ｂ）材料およびレーザビームを互いに対して平行移動させ、それにより、Ｎ個の平面のうちの１つに沿って複数の欠陥ラインを形成するステップ；および
（ｃ）Ｎ個の平面のそれぞれに対して（ａ）および（ｂ）を繰り返すステップ
を含む、ステップ
を有してなる、材料をレーザ加工する方法に及ぶ。
【００１６】
本開示は：
パルスレーザビームをレーザビーム焦線内に集束させるステップ；
レーザビーム焦線を工作物へ、工作物に対してある入射角度で方向付けるステップであって、その入射角度は工作物のエッジと交差し、レーザビーム焦線は工作物内で誘発吸収を生成し、誘発吸収は、工作物内でレーザビーム焦線に沿って欠陥ラインを生じさせるステップ；
工作物およびレーザビームを互いに対して平行移動させ、それにより、工作物内でその角度にある平面に沿って複数の欠陥ラインを形成するステップ；および
工作物にイオン交換プロセスを行うことによって、平面に沿って工作物を分離するステップ
を有してなる、工作物をレーザ加工する方法に及ぶ。
【００１７】
本開示は：
パルスレーザビームをレーザビーム焦線内に集束させるステップ；
レーザビーム焦線を材料内へ方向付けるステップであって、レーザビーム焦線は、材料内で誘発吸収を生成し、誘発吸収は、材料内でレーザビーム焦線に沿って欠陥ラインを生じさせるステップ；
材料およびレーザビームを互いに対して輪郭に沿って平行移動させ、それにより、材料内に、輪郭に沿って複数の欠陥ラインを形成し、輪郭は、材料から分離される部分の周囲を描いているステップ；
材料からその部分を分離するステップ；
分離された部分の第１の面取り済エッジを規定する第１の条片を剥離するために、集束赤外線レーザを分離された部分内へ、この部分の第１の表面にあるエッジに隣接するラインに沿って、方向付けるステップ；および
分離された部分の第２の面取り済エッジを規定する第２の条片を剥離するために、集束赤外線レーザを分離された部分内へ、この部分の第２の表面にあるエッジに隣接するラインに沿って、方向付けるステップ
を有してなる、材料をレーザ加工する方法に及ぶ。
【００１８】
本開示は：
少なくとも２５０μＭ延在する複数の欠陥ラインを有する少なくとも１つの面取り済エッジを含むガラス物品であって、欠陥ラインの直径は、約５μＭ以下である、ガラス物品に及ぶ。
【００１９】
上記は、添付図面に示されるような、開示の例示的な実施形態のより詳細な以下の説明から明らかとなり、添付図面では、同様の参照符号は、異なる図面を通して同じ部分を指す。図面は、必ずしも縮尺通りではなく、その代わりに、本開示の説明対象の実施形態を強調している。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１Ａ】部分的に変更が加えられた（ｍｏｄｉｆｉｅｄ）ガラスの、等間隔の欠陥ラインを備える傷跡ラインの図である。
【図１Ｂ】部分的に変更が加えられた（ｍｏｄｉｆｉｅｄ）ガラスの、等間隔の欠陥ラインを備える傷跡ラインの図である。
【図１Ｃ】部分的に変更が加えられた（ｍｏｄｉｆｉｅｄ）ガラスの、等間隔の欠陥ラインを備える傷跡ラインの図である。
【図２Ａ】レーザビーム焦線の位置決めを示す図、すなわち、焦線に沿った誘発吸収に起因して、レーザの波長に対して透明な材料の加工を説明する図である。
【図２Ｂ】レーザビーム焦線の位置決めを示す図、すなわち、焦線に沿った誘発吸収に起因して、レーザの波長に対して透明な材料の加工を説明する図である。
【図３Ａ】レーザ穴あけ用の光学アセンブリの図である。
【図３Ｂ−１】基板に対してレーザビーム焦線を異なって位置決めすることによって、基板を加工するための可能性の図である。
【図３Ｂ−２】基板に対してレーザビーム焦線を異なって位置決めすることによって、基板を加工するための別の可能性の図である。
【図３Ｂ−３】基板に対してレーザビーム焦線を異なって位置決めすることによって、基板を加工するための別の可能性の図である。
【図３Ｂ−４】基板に対してレーザビーム焦線を異なって位置決めすることによって、基板を加工するための皿に別の可能性の図である。
【図４】レーザ穴あけ用の第２の光学アセンブリの図である。
【図５Ａ】レーザ穴あけ用の第３の光学アセンブリの図である。
【図５Ｂ】レーザ穴あけ用の第３の光学アセンブリの図である。
【図６】レーザ穴あけ用の第４の光学アセンブリの概略的な図である。
【図７Ａ】よりロバストなエッジを形成する−面取り面および犠牲エッジを生じるための、本出願に説明されている様々な方法のフローチャートである。
【図７Ｂ】欠陥ラインを備える面取り済エッジを生じるプロセスを示す。
【図７Ｃ】予め決められた平面に沿って欠陥ラインを生成する、角度を付けられた集束超短レーザを使用する、ガラスエッジのレーザ面取り加工を示す。上の図は、３つの欠陥ラインの平面を使用する例を、下の像の２つのみを使用する例と比較して、示す。
【図８Ａ】ピコ秒レーザに対する時間に応じたレーザ放出を示す。各放出は、１つ以上の副パルスを含み得るパルス「バースト」によって特徴付けられる。パルス持続期間に対応する時間、パルス間の分離、およびバースト間の分離が示されている。
【図８Ｂ】ピコ秒レーザに対する時間に応じたレーザ放出を示す。各放出は、１つ以上の副パルスを含み得るパルス「バースト」によって特徴付けられる。パルス持続期間に対応する時間、パルス間の分離、およびバースト間の分離が示されている。
【図９】ガラスによって高度に吸収される、集束レーザによって生じた熱勾配の図である。クラッキングラインは、歪みゾーンと軟化ゾーンとの間にある。
【図１０】熱剥離によるエッジの面取り加工を示す。
【図１１Ａ】欠陥ラインおよびその後に熱剥離を使用する、エッジの面取り加工プロセスの図を示す。第１に、ピコ秒レーザが、ある角度で集束され、および欠陥ラインが、角度を付けられた平面に形成される。その後、集束ＣＯ２レーザが、横方向のオフセットを制御して、欠陥ラインに隣り合わせて走査される。その角部からガラス条片が剥離され、および面取り面を形成する。
【図１１Ｂ】エッジの側面図に示すように、図１１Ａに示すプロセスによって形成されたガラス条片が、必ずしも、欠陥ラインの平面に沿って全体的に剥離しないことを示す。
【図１２】集束ＣＯ２レーザのみを使用する、剥離速度によるエッジの面取り面の変化の図である。他の全てのＣＯ２レーザのパラメータは、同じままである。
【図１３】切削部分が切り離された後に残る欠陥ラインを、犠牲領域として機能する用に使用して、切削部分のエッジに対する衝撃に起因するクラックの伝播を抑制することを示す。
【図１４Ａ】内部欠陥ラインがイオン交換されて十分な応力が加えられて、穿孔されたエッジが除去されて所望のエッジ面取り面を形成された、切削部分の図である。
【図１４Ｂ】図１４Ａに示す図と同様であるが、欠陥ラインの平面を２つのみ備える、面取りされた角部を切り離すためのイオン交換（ＩＯＸ）の使用である。
【図１４Ｃ】多くの角度（４つ以上の欠陥ラインの平面）を備える面取り面の図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
例示的な実施形態の説明を続ける。
【００２２】
本明細書で説明する実施形態は、レーザを使用して、任意の形状のガラス基板および他の実質的に透明な材料のエッジを面取り加工および／またはベベリング加工するプロセスに関する。本開示の中で、材料は、レーザの波長に対して、この波長での材料深さ１ｍｍ当たりの吸収量が約１０％未満、好ましくは約１％未満であるとき、実質的に透明である。第１の実施形態は、超短パルスレーザを使用して、エッジを、所望の面取り形状で切削することを含み、これに続けて、任意選択的に、完全に自動的に分離するために、赤外線（例えば、ＣＯ２）レーザを利用し得る。第２の実施形態は、超短パルスおよび／またはＣＯ２レーザの異なる組合せによる鋭いエッジ角部の熱応力剥離を含む。別の実施形態は、超短パルスレーザの利用に続き、ＣＯ２レーザを使用した面取り加工のみを行い、異なる組合せの超短パルスおよび／またはＣＯ２レーザと連携する、任意の切削方法によるガラス基板の切削を含む。
【００２３】
第１の方法では、プロセスの基本的なステップは、交差している平面上に、所望のエッジ形状の輪郭を描き、かつクラック伝播のための最小抵抗経路を確立することにより、その基板マトリクスからその形状を分離しかつ取り外すための傷跡ライン（ｆａｕｌｔ  ｌｉｎｅ）を生じさせることである。この方法は、本質的に、付形されたエッジを生じる一方、主基板からその部分を切削する。レーザ分離方法は、元の基板からの、付形されたエッジの手動的な分離、部分的な分離、または自己分離を可能にするように調整および構成され得る。これらの傷跡ラインを生成するための根底にある原理は、下記におよび２０１３年１月１５日出願の米国仮特許出願第６１／７５２，４８９号明細書に詳細に説明されており、その内容全体を、本明細書で十分説明したかのように、本願明細書に援用する。
【００２４】
第１のステップでは、加工されるべき物体は、基板の厚さを透過する、高アスペクト比の線焦点に集光される超短パルスレーザビームで照射される。この高エネルギー密度の体積内では、材料は、非線形効果によって部分的に変更される。この高い光強度が無いと、非線形吸収はトリガされないことに留意することが重要である。この強度閾値未満では、材料は、レーザ放射に対して透明であり、かつその初期状態のままである。
【００２５】
レーザ光源の選択は、透明材料内で多光子吸収（ＭＰＡ）を誘発する能力を前提とする。ＭＰＡは、同一周波数または異なる周波数の複数の光子を同時に吸収して、材料を、低いエネルギー状態（通常基底状態）から高いエネルギー状態（励起状態）へ励起させることである。励起状態は、励起された電子状態またはイオン化状態とし得る。材料の高いエネルギー状態と低いエネルギー状態との間のエネルギー差は、２つ以上の光子のエネルギーの和と等しい。ＭＰＡは、線形吸収よりも概して数桁弱い非線形プロセスである。これは、線形吸収とは、ＭＰＡの強さが光強度の二乗またはそれよりも高次に依存する点で異なるため、それを非線形光学的プロセスにする。通常の光強度では、ＭＰＡは無視できる程度である。レーザ光源（特にパルスレーザ光源）の焦点の領域におけるなど、光強度（エネルギー密度）が極めて高い場合、ＭＰＡは相当となり、かつ光源のエネルギー密度が十分に高い領域内にある材料において測定可能な効果を生じる。焦点領域内では、エネルギー密度は、イオン化を生じるのに十分に高いとし得る。
【００２６】
原子レベルでは、個々の原子のイオン化は、個別のエネルギー要件を有する。ガラスにおいてよく使用されるいくつかの元素（例えば、Ｓｉ、Ｎａ、Ｋ）は、比較的低いイオン化エネルギー（約５ｅＶ）を有する。ＭＰＡの現象が無ければ、約２４８ｎｍの波長では、約５ｅＶにおいて線電離（ｌｉｎｅａｒ  ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ）を生じることが求められる。ＭＰＡがある場合、イオン化、またはエネルギーが約５ｅＶだけ分離された状態間での励起は、２４８ｎｍよりも長い波長を用いて達成され得る。例えば、波長が５３２ｎｍである光子のエネルギーは、約２．３３ｅＶであるため、波長５３２ｎｍの２つの光子は、例えば、２光子吸収（ＴＰＡ）において、エネルギーが約４．６６ｅＶだけ分離された状態間の遷移を引き起こし得る。それゆえ、原子および結合は、例えば、必要とされる励起エネルギーの半分のレーザの波長の非線形ＴＰＡを引き起こす、レーザビームのエネルギー密度が十分に高い材料の領域において、選択的に励起またはイオン化され得る。
【００２７】
ＭＰＡは、隣接する原子または結合からの励起された原子または結合の局所再構成および分離を引き起こし得る。結合または構成において結果として生じる部分的変更は、非熱アブレーション、およびＭＰＡが生じる材料の領域からの物質の移動（ｒｅｍｏｖａｌ）を生じ得る。この物質の移動は、構造的な欠陥（例えば欠陥ライン、損傷ライン、または「穿孔」）を生じ、これらは、材料を機械的に弱くし、かつ機械的または熱応力を加えるときに、クラッキングや破砕の影響をより受けやすくする。穿孔の配置を制御することによって、クラッキングが生じる輪郭または経路を、精密に規定することができ、および材料の精密なマイクロマシニングを達成できる。一連の穿孔によって規定された輪郭は、傷跡ラインであるとみなし得、かつ材料において構造的な脆弱性のある領域に対応する。一実施形態では、マイクロマシニングには、材料から、レーザによって加工された部分を分離することを含み、この部分は、レーザによって引き起こされたＭＰＡ効果によって形成された複数の穿孔の閉鎖輪郭によって決定された、精密に規定された形状または周囲を有する部分を有している。本明細書では、用語閉鎖輪郭は、レーザ線によって形成された、ある箇所でそれ自体が交わる穿孔の経路を指す。内部輪郭は、結果として得られる形状が材料の外側部分によって全体的に取り囲まれる箇所に形成された経路である。
【００２８】
レーザは超短パルスレーザ（約数十ピコ秒以下のパルス持続期間）であり、かつパルスモードまたはバーストモードで動作し得る。パルスモードでは、一連の名目上同一の単一パルスがレーザから放出され、かつ工作物に向けられる。パルスモードでは、レーザの繰り返し率は、パルス間の時間間隔によって決定される。バーストモードでは、複数のパルスの複数のバーストがレーザから放出され、各バーストは、（振幅が等しいまたは異なる）２つ以上のパルスを含む。バーストモードでは、バースト内の複数のパルスは、第１の時間間隔（バーストのパルス繰り返し率を規定する）だけ分離しており、かつ複数のバーストは、一般に第１の時間間隔よりも遥かに長い第２の時間間隔（バースト繰り返し率を規定する）だけ分離している。本明細書では（パルスモードまたはバーストモードの状況にあるかどうかに関わらず）、時間間隔は、パルスまたはバーストの対応する部分間（例えば前縁−前縁、山−山、または後縁−後縁）の時差を指す。パルスおよびバーストの繰り返し率は、レーザの設計によって制御され、かつ一般に、レーザの動作条件を調整することによって、制限範囲内で調整され得る。典型的なパルスおよびバーストの繰り返し率は、ｋＨｚ〜ＭＨｚ範囲内にある。
【００２９】
レーザパルス持続期間（パルスモードにおいて、またはバーストモードにあるバースト内の複数のパルスに関し）は、１０−１０秒以下、または１０−１１秒以下、または１０−１２秒以下、または１０−１３秒以下である。例示的な本明細書で説明する実施形態では、レーザパルス持続期間は、１０−１５超である。
【００３０】
穿孔は、離間しており、かつレーザおよび／または基板またはスタックの動作を制御することによりレーザに対して基板またはスタックの速度を制御することによって、正確に位置決めされ得る。一例として、１００ｋＨｚの一連のパルス（または複数のパルスのバースト）に曝される２００ｍｍ／秒で移動する薄い透明基板では、個々のパルスは、２マイクロメートル離間して、２マイクロメートルだけ離れた一連の穿孔を生じる。この欠陥ライン（穿孔）の間隔は、十分なほど近く、それにより、一連の穿孔によって規定された輪郭に沿った機械的または熱的な分離を可能にする。
【００３１】
図１Ａ〜１Ｃは、基板材料（例えば、サファイアまたはガラス）を切削しかつ分離する方法が、本質的に、超短パルスレーザ１４０を用いて、基板材料１３０中に複数の垂直方向の欠陥ライン１２０で形成された傷跡ライン１１０を生じさせることに基づき得ることを示す。材料特性（吸収、ＣＴＥ、応力、組成など）、および材料１３０の加工のために選択されたレーザのパラメータに依存して、傷跡ライン１１０を生じさせることだけで、自己分離を引き起こすのに十分であるとし得る。この場合、張力／曲げ力、加熱、またはＣＯ２レーザなどの二次的な分離プロセスは必要ではない。傷跡ライン１１０の方向に沿った、隣接する欠陥ライン１２０間の距離は、例えば、０．２５μｍ〜５０μｍの範囲、または０．５０μｍ〜約２０μｍの範囲、または０．５０μｍ〜約１５μｍの範囲、または０．５０μｍ〜１０μｍの範囲、または０．５０μｍ〜３．０μｍの範囲または３．０μｍ〜１０μｍの範囲にあるとし得る。
【００３２】
特定の経路または輪郭にわたってレーザを走査することによって、一連の穿孔が形成され（数マイクロメートル幅）、これは、基板から分離される部分の周囲または形状を規定する。一連の穿孔はまた、本明細書では、傷跡ラインとも呼ばれる。使用される特定のレーザ方法（下記で説明する）は、一回の走査（ｐａｓｓ）で、材料を貫通する穿孔を、高度に制御して形成し、発生する表面下損傷およびデブリが極端に小さい（＜７５μｍ、多くの場合＜５０μｍ）という利点を有する。これは、材料をアブレーションする典型的なスポット焦点のレーザの使用とは対照的であり、スポット焦点のレーザの使用では、ガラスの厚さ部分を完全に穿孔するために複数回の走査が必要とされることが多く、アブレーションプロセスから大量のデブリが形成され、かつより大きな表面下損傷（＞１００μｍ）およびエッジの欠けが生じる。本明細書では、表面下損傷は、本開示によるレーザ加工を受ける基板または材料から分離される部分の周囲面における最大サイズ（例えば長さ、幅、直径）の構造の不完全性を指す。構造の不完全性は、周囲面から延びるので、表面下損傷もまた、本開示によるレーザ加工によって損傷が生じる、周囲面からの最大深さとみなされ得る。本明細書では、分離される部分の周囲面は、分離される部分のエッジまたはエッジ表面と称し得る。構造の不完全性は、クラックまたはボイドとしてもよく、および基板や材料から分離される部分の破砕または故障を促す機械的に弱い点を表している。本方法は、表面下損傷のサイズを最小にすることによって、分離される部分の構造的完全性および機械的強度を改善する。
【００３３】
場合によっては、形成された傷跡ラインは、自然発生的に基板からその部分を分離するのには十分ではなく、および二次的なステップを必要とし得る。そのように望まれる場合、第２のレーザを使用して熱応力を生じ、それを分離し得る。分離は、傷跡ラインを形成した後に、例えば、機械的な力を加えることによって、または熱源（例えば赤外線レーザ、例えばＣＯ２レーザ）を使用することによって、熱応力を生じさせて、強制的に基板からその部分を分離させるようにして、達成され得る。別のオプションは、ＣＯ２レーザだけで分離を開始させ、かつ手動で分離を終了させることである。任意選択的なＣＯ２レーザの分離は、例えば、１０．６μｍで放出しかつそのデューティサイクルを制御することによって出力が調整されるデフォーカスｃｗレーザによって、達成される。焦点の変化（すなわち、焦点スポットサイズまでに至るデフォーカスの程度）を使用して、スポットサイズを変更することによって、誘発熱応力を変化させる。デフォーカスレーザビームは、レーザの波長のサイズ程度の、最小の、回折限界のスポットサイズよりも大きいスポットサイズを生じるレーザビームを含む。例えば、約２〜１２ｍｍ、または７ｍｍ、２ｍｍおよび２０ｍｍのデフォーカススポットサイズ（１／ｅ２直径）をＣＯ２レーザに使用でき、例えば、その回折限界のスポットサイズは、放出波長が１０．６μｍであることを条件に、遥かに小さい。ｃｗレーザの出力密度は、比較的低強度のビームをもたらすように制御または選択されて、レーザスポットが基板材料の表面を加熱して、アブレーションを用いずに、および欠陥ラインを含む平面から実質的に逸脱するクラックの形成を引き起こすことなく、熱応力を生じるようにする。欠陥ラインから逸脱するクラックの長さは、２０μｍ未満、または５μｍ未満、または１μｍ未満である。
【００３４】
欠陥ラインを生じさせるには、いくつかの方法がある。線焦点を形成する光学的な方法は、ドーナツ形状のレーザビーム、および球面レンズ、アキシコンレンズ、回折素子、または高強度の線形領域を形成するための他の方法を使用する、複数の形態を取り得る。レーザのタイプ（ピコ秒、フェムト秒など）および波長（ＩＲ、緑色、ＵＶなど）はまた、焦点領域において、非線形の光学的効果による基板材料の破壊を生じるために十分な光強度に達する限り、様々とし得る。基板材料は、ガラス、ガラス積層品、ガラス複合材、サファイア、ガラス−サファイアスタック、およびレーザの波長に対して実質的に透明である他の材料を含む。サファイア層は、例えば、ガラス基板上に結合され得る。ガラス基板は、ＣｏｒｎｉｎｇのＥａｇｌｅ  Ｘ６（登録商標）などの高性能のガラス、または、例えばソーダ石灰ガラスなどの安価なガラスを含み得る。
【００３５】
本適用例では、超短パルスレーザを使用して、一貫性があり、制御可能でかつ繰返し可能な方法で、高アスペクト比の垂直方向の欠陥ラインを生じさせる。この垂直方向の欠陥ラインを生じさせることができる光学的な設定の詳細を、以下説明し、および同様に上記で参照した２０１３年１月１５日出願の米国仮特許出願第６１／７５２，４８９号明細書に説明されており、およびこの内容全体を、本明細書で十分に説明されたかのように、参照することにより援用する。この概念の本質は、超短（持続期間がピコ秒またはフェムト秒の）ベッセルビームを使用して、高アスペクト比の、テーパのないマイクロチャネルの領域を生じるために、光学レンズアセンブリにアキシコンレンズ素子を使用することである。換言すると、アキシコンは、レーザビームを、基板材料内のシリンダー形状でかつ高アスペクト比（長さが長く、および直径が小さい）の高強度の領域に集光させる。集光されたレーザビームによって生じた高強度に起因して、レーザの電磁場と基板材料との非線形の相互作用が発生し、かつレーザエネルギーが基板に伝達されて、傷跡ラインの構成要素になる欠陥の形成を生じさせる。しかしながら、レーザエネルギー強度が高くない材料の領域（例えば、基板表面、中心収束線を取り囲む基板の体積）においては、材料はレーザに対して透明であり、かつエネルギーをレーザから材料へ伝達させるための機構がないことを実現することが重要である。その結果、レーザの強度が非線形の閾値未満であるとき、基板には何も起こらない。
【００３６】
上述の通り、１つ以上の高エネルギーのパルス、または高エネルギーのパルスの１つ以上のバーストを使用して、透明材料に、微視的な（例えば、直径＜０．５μｍおよび＞１００ｎｍまたは直径＜２μｍおよび＞１００ｎｍ）細長い欠陥ライン（本明細書では穿孔または損傷跡）を生じることが可能である。穿孔は、レーザによって部分的に変更された基板材料の領域を表す。レーザで誘起された部分的変更は、基板材料の構造を破壊し、かつ機械的に弱い部位を構成する。構造的な破壊は、圧縮、溶融、材料の除去、再配置、および結合切断を含む。穿孔は、基板材料の内部まで延在し、かつレーザの断面形状と一致する断面形状を有する（全体的に円形）。穿孔の平均直径は、０．１μｍ〜５０μｍの範囲、または１μｍ〜２０μｍの範囲、または２μｍ〜１０μｍの範囲、または０．１μｍ〜５μｍの範囲にあるとし得る。いくつかの実施形態では、穿孔は「貫通孔」であり、これは、基板材料の上部から底部まで延在する孔または開放チャネルである。いくつかの実施形態では、穿孔は、連続的な開放チャネルでなくてもよいし、およびレーザによって基板材料から除去された中実材料の複数のセクションを含んでもよい。除去された材料は、穿孔によって画成された空間を塞ぐかまたは部分的に塞ぐ。１つ以上の開放チャネル（塞がれていない領域）は、除去された材料の複数のセクション間に分散され得る。開放チャネルの直径は、＜１０００ｎｍ、または＜５００ｎｍ、または＜４００ｎｍ、または＜３００ｎｍ、または１０ｎｍ〜７５０ｎｍの範囲、または１００ｎｍ〜５００ｎｍの範囲にあるとし得る。本明細書で開示する実施形態の孔を取り囲む材料中の破壊されたまたは部分的に変更が加えられた領域（例えば、圧縮、溶融、または他の方法で変化された）は、好ましくは、直径＜５０μｍ（例えば、＜１０μｍ）である。
【００３７】
個々の穿孔は、数百キロヘルツの速度で形成され得る（例えば、１秒当たり数十万個の穿孔）。それゆえ、レーザ光源と材料との間の相対運動によって、これらの穿孔を、互いに隣接して配置させることができる（空間分離は、マイクロメートル未満から数マイクロメートル、またはさらには所望の場合には数十マイクロメートルまで変化する）。この空間分離は、切削を容易にするために選択される。
【００３８】
図２Ａおよび図２Ｂを参照して説明すると、材料のレーザ穴あけの方法は、ビーム伝播方向に沿って見て、パルスレーザビーム２の焦点を、レーザビーム焦線２ｂ内に合わせるステップを含む。レーザビーム焦線２ｂは、例えば、場のプロファイルが、一般に、横方向（すなわち、伝播方向）においてガウス関数よりもゆっくりと減衰する特殊関数によって与えられる、ベッセルビーム、Ａｉｒｙビーム、ＷｅｂｅｒビームおよびＭａｔｈｉｅｕビーム（すなわち、非回折ビーム）などのいくつかの方法によって生じ得る。図３Ａに示すように、レーザ３（図示せず）は、２ａと称する、光学アセンブリ６のビーム入射側において、光学アセンブリ６に入射するレーザビーム２を放出する。光学アセンブリ６は、入射レーザビームを、ビーム方向に沿った規定された拡大範囲（焦線の長さｌ）にわたって、射出側でのレーザビーム焦線２ｂに変える。加工される平面的な基板１は、光学アセンブリがレーザビーム２のレーザビーム焦線２ｂに少なくとも部分的に重なり合った後で、ビーム経路に位置決めされる。参照符号１ａは、光学アセンブリ６またはレーザにそれぞれ面する平面的な基板の表面を示し、および参照符号１ｂは、基板１の反対側の面（光学アセンブリ６またはレーザから遠い、または離れた面）を示す。基板の厚さ（平面１ａおよび１ｂ、すなわち、基板の平面に垂直な方向に測定された）には、ｄを付す。
【００３９】
図２Ａに示すように、基板１は、ビーム縦軸に対して実質的に垂直方向に位置合わせされるため、光学アセンブリ６によって生じた同じ焦線２ｂの後ろ側にあり（基板は、図面の平面に対して垂直方向にある）、かつビーム方向に沿って見ると、ビーム方向において見る焦線２ｂが、基板の面１ａの前で開始し、かつ基板の面１ｂの前で、すなわち、まだ基板内にある状態で停止するように、焦線２ｂに対して位置決めされている。それゆえ、レーザビーム焦線２ｂと基板１とが重なり合っている領域では、すなわち、焦線２ｂによって覆われた基板材料内では、レーザビーム焦線２ｂは、ビーム縦方向と位置合わせされたセクション２ｃを生成し（長さｌのセクション上、すなわち、線焦点の長さｌ上でのレーザビーム２の焦点合わせによって強度が保証されている、レーザビーム焦線２ｂに沿った、レーザの強度が適切である場合には）、ビーム縦方向に沿って、非線形の誘発吸収が基板材料内において発生する。そのような線焦点は、いくつかの方法、例えば、場のプロファイルが、一般に、横方向（すなわち伝播方向）においてガウス関数よりもゆっくりと減衰する特殊関数によって与えられる、ベッセルビーム、Ａｉｒｙビーム、ＷｅｂｅｒビームおよびＭａｔｈｉｅｕビーム（すなわち、非回折ビーム）で生成され得る。非線形の誘発吸収は、基板材料でのセクション２ｃに沿った欠陥ラインの形成を誘発する。欠陥ラインの形成は、誘発吸収セクション２ｃの局所にだけでなく、全長にも延在する。セクション２ｃの長さ（これは、レーザビーム焦線２ｂと基板１の重なり合う長さに対応する）には、参照符号Ｌを付す。平均直径または誘発吸収セクション（または欠陥ラインの形成を行う基板１の材料内の複数のセクション）の範囲には、参照符号Ｄを付す。平均的な範囲Ｄは、基本的に、レーザビーム焦線２ｂの平均直径δ、すなわち、約０．１μｍ〜約５μｍの範囲にある平均スポット直径に対応する。
【００４０】
図２Ａに示すように、基板材料（レーザビーム２の波長λに対して透明である）は、焦線２ｂに沿った誘発吸収に起因して、加熱される。図２Ｂは、加熱された基板材料が最終的に膨張して、対応して誘発された張力によって、微小クラックが発生し、張力は、面１ａにおいて最大であることを示す。
【００４１】
焦線２ｂを生成するために適用され得る代表的な光学アセンブリ６、ならびにこれらの光学アセンブリが適用され得る光学系について、以下説明する。全てのアセンブリまたは系は、上記の説明に基づいているため、同一の構成要素または特徴、または機能が等しいものに、同一の参照符号を使用する。それゆえ、違いのみを下記で説明する。
【００４２】
分離が発生する、分離される部分の表面を確実に高品質にするために（破壊強度、幾何学的精度、粗さおよび再機械加工の必要性の回避に関して）、分離ライン（傷跡ライン）に沿って基板表面に位置決めされた個々の焦線は、下記で説明する光学アセンブリを使用して生成される必要がある（以下、代替的に、光学アセンブリは、レーザオプティクスとも呼ばれる）。分離される表面（分離される部分の周囲面）の粗さの結果は、主に、焦線のスポットサイズまたはスポット直径によって決定される。表面の粗さは、例えば、ＡＳＭＥ  Ｂ４６．１規格によって定義されたＲａ表面粗さパラメータによって、特徴付けることができる。ＡＳＭＥ  Ｂ４６．１に説明されているように、Ｒａは、評価長さ内で記録される、平均線からの表面形状の高さの逸脱の、絶対値の算術平均である。代替用語では、Ｒａは、平均に対する表面の個々の特徴（山および谷）の１組の絶対高さの逸脱の平均である。
【００４３】
基板１の材料と相互作用するレーザ３の所与の波長λに対して、例えば、０．５μｍ〜２μｍの小さなスポットサイズを達成するために、通常、レーザオプティクス６の開口数にいくつかの条件を課す必要がある。これらの条件は、下記で説明するレーザオプティクス６によって満たされる。必要な開口数を達成するために、オプティクスは、一方では、公知のＡｂｂｅ式（開口数＝ｎ  ｓｉｎ（θ）、ｎ：加工されるべきガラスの屈折率、θ：開口角度の半分；およびθ＝ａｒｃｔａｎ（ＤＬ／２ｆ）；ＤＬ：開口直径、ｆ：焦点距離）に従って、所与の焦点距離に関して必要なオープニング（ｏｐｅｎｉｎｇ）を処理する必要がある。他方で、レーザビームは、必要な開口までオプティクスを照明する必要があり、これは、一般にレーザオプティクスと集束オプティクスとの間に拡大望遠鏡を使用してビームを広げることによって達成される。
【００４４】
スポットサイズは、焦線に沿って均一に相互作用させるために、大きく変わりすぎてはいけない。これは、例えば、小さな円形領域においてのみ集束オプティクスを照明することによって、保証され得るため（下記の実施形態を参照）、ビームのオープニング、従って開口数の割合が、わずかにしか変わらない。
【００４５】
図３Ａ（レーザ光線２のレーザビーム束の中心ビームのレベルでの基板の平面に垂直な断面；ここでも、レーザビーム２は、基板の平面に対して垂直方向から入射する（光学アセンブリ６に入る前に）、すなわち、角度θは０°であるため、焦線２ｂまたは誘発吸収セクション２ｃは、基板の法線に平行である）によれば、レーザ３が放射したレーザ光線２ａは、最初は、使用されるレーザ光線に対して完全に不透明である円形の開口８上へと向けられる。開口８は、ビーム縦軸に対して垂直に向けられていて、かつ図示のビーム束２ａの中心ビームの中心に置かれる。開口８の直径は、ビーム束２ａの中心付近のビーム束または中心ビーム（ここでは、２ａＺを付す）が開口に当たりかつ開口によって完全に吸収されるように、選択される。ビーム束２ａの外側周囲の領域にあるビームのみ（周辺光線、ここでは２ａＲを付す）が、ビーム直径と比較して開口サイズが小さいことに起因して吸収されず、開口８の横方向を通過して、光学アセンブリ６の、この実施形態では球面に切削された両凸レンズ７として設計される焦点光学素子の周辺領域に当たる。
【００４６】
中心ビームの中心に置かれるレンズ７は、共通の、球面に切削されたレンズの形態にある、非補正両凸集束レンズとして意図的に設計される。この設計の実施形態では、そのようなレンズの球面収差が意図的に使用される。代替例として、理想的な焦点を形成しないが、長さが規定された、異なる細長い焦線を形成する、理想的に補正されたレンズ系から逸脱する非球面（ａｓｐｈｅｒｅｓ）またはマルチ−レンズ系も、使用され得る（すなわち、単一焦点を有していないレンズまたはレンズ系）。それゆえ、焦線２ｂに沿って焦点を合わせるレンズのゾーンは、レンズの中心からの距離の影響を受ける。ビーム方向を横切る開口８の直径は、ビーム束の直径の約９０％であり（ビーム束の直径は、１／ｅ２までの減少の広がり範囲によって規定される）、かつ光学アセンブリ６のレンズ７の直径の約７５％である。それゆえ、ビーム束の中心を遮ることによって生成される、非収差補正球面レンズ７の焦線２ｂが、使用される。図３Ａは、中心ビームを通る一平面での断面を示し、図示のビームが焦線２ｂの周りで回転するときに、完全な三次元のビーム束を見ることができる。
【００４７】
図３Ａに示すレンズ７およびレンズ系によって形成されるこのタイプの焦線に考えられる１つの欠点は、焦線に沿った、それゆえ材料の所望の深さに沿った条件（スポットサイズ、レーザの強度）が変化すること、それゆえ、所望のタイプの相互作用（クラックが形成されるまでの溶融、誘発吸収、熱可塑性の変形がないこと）が、焦線の選択された部分だけに発生し得る可能性があることである。このことは、入射レーザ光のおそらく一部のみが所望の方法で吸収されることを意味する。このように、一方で、プロセスの効率（所望の分離速度に対して必要な平均的なレーザ出力）が損なわれ、および他方で、レーザ光が、望まれないより深い箇所（基板に接着する部分または層、または基板保持取付具）まで透過し、かつそこで、望ましくない方法で相互作用する（加熱、拡散、吸収、望ましくない部分的変更）。
【００４８】
図３Ｂ−１〜４は、基板１に対して光学アセンブリ６を好適に位置決めするおよび／または位置合わせすることによって、ならびに光学アセンブリ６のパラメータを好適に選択することによって、レーザビーム焦線２ｂを異なって位置決めし得ることを、（図３Ａの光学アセンブリに関してだけでなく、基本的に、任意の他の適用可能な光学アセンブリ６に関しても）示す。図３Ｂ−１に要約するように、焦線２ｂの長さｌは、基板厚さｄを超えるように（ここでは２倍に）調整され得る。基板１が焦線２ｂの中心に配置されるとき（ビーム縦方向から見て）、誘発吸収セクション２ｃは、基板の全厚にわたって生成される。レーザビーム焦線２ｂの長さｌは、例えば、約０．１ｍｍ〜約１００ｍｍの範囲、または約０．１ｍｍ〜約１０ｍｍの範囲、または約０．１ｍｍ〜約１ｍｍの範囲にあるとし得る。様々な実施形態が、例えば約０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、０．５ｍｍ、０．７ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍまたは５ｍｍの長さｌを有するように構成され得る。
【００４９】
図３Ｂ−２に示す場合では、焦線２ｂの長さｌは、基板の範囲ｄに多かれ少なかれ対応するように生成される。基板１は、焦線２ｂに対して、焦線２ｂが基板の手前側、すなわち基板の外側にある点から開始するように位置決めされるため、誘発吸収セクション２ｃの長さＬ（これは、ここでは、基板表面から、規定された基板深さまで延在するが、裏面１ｂまでは延在しない）は、焦線２ｂの長さｌより短くなる。図３Ｂ−３は、基板１（ビーム方向に沿って見る）が、焦線２ｂの開始点よりも上側に位置決めされるため、図３Ｂ−２におけるように、線２ｂの長さｌが、基板１にある誘発吸収セクション２ｃの長さＬよりも長い場合を示す。それゆえ、焦線は、基板内で開始し、かつ裏面（離れた面）１ｂを横切って、基板を越えるまで延在する。図３Ｂ−４は、焦線長さｌが基板厚さｄよりも短いため、−入射方向において見て、焦線に対して基板を中心に位置決めする場合−焦線は、基板内の面１ａ付近から開始し、かつ基板内の面１ｂ付近で終了する場合を示す（ｌ＝０．７５・ｄ）。
【００５０】
少なくとも一方の面１ａ、１ｂが焦線によって覆われるように、すなわち、誘発吸収セクション２ｃが少なくとも一方の面上で開始するように、焦線の位置決めを実現することが特に好ましい。このようにして、表面でのアブレーション、フェザリング（ｆｅａｔｈｅｒｉｎｇ）および粒子化（ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｉｏｎ）を回避する、実質的に理想的な穴あけまたは切削を達成することが可能である。
【００５１】
図４は、別の適用可能な光学アセンブリ６を示す。基本的な構造は、図３Ａで説明したものに従うため、下記では、違いのみを説明する。図示の光学アセンブリは、規定の長さｌの焦線が形成されるように付形される焦線２ｂを生成するために、非球形の自由表面を備えるオプティクスを使用することに基づく。このために、光学アセンブリ６の光学素子として、非球面を使用し得る。図４では、例えば、アキシコンとも呼ばれることが多い、いわゆる円錐プリズムを使用する。アキシコンは、光軸に沿った線上に点光源を形成する（またはレーザビームをリングへと変える）、特別な、円錐状に切削されたレンズである。そのようなアキシコンのレイアウトは、主に、当業者に知られている；この例の円錐角は、１０°である。ここで参照符号９を付すアキシコンの頂点は、入射方向の方に向けられ、およびビーム中心に中心が合わされている。アキシコン９の焦線２ｂが既にアキシコンの内部で開始しているため、基板１（ここでは、主ビーム軸に対して垂直方向に位置合わせされている）は、アキシコン９のすぐ後ろのビーム経路に位置決めされ得る。図４に示すように、アキシコンの光学特性に起因して、焦線２ｂの範囲内に留まりながらも、ビーム方向に沿って基板１をシフトすることも可能である。それゆえ、基板１の材料内にある誘発吸収セクション２ｃは、基板の深さｄ全体にわたって延在する。
【００５２】
しかしながら、図示のレイアウトは、以下の制約を受ける：アキシコン９によって形成された焦線２ｂの領域は、アキシコン９で開始するため、アキシコン９と加工される材料との間が分離している状況では、レーザエネルギーのかなりの部分は、材料内に配置される焦線２ｂの誘発吸収セクション２ｃに対して焦点を合わせられない。さらに、焦線２ｂの長さｌは、アキシコン９の屈折率および円錐角に関するビーム直径に関係する。これは、比較的薄い材料の場合（数ミリメートル）、焦線の全体長は、基板の厚さよりも遥かに長く、レーザエネルギーがここでも材料に特に焦点を合わせられないという影響があるためである。
【００５３】
このために、アキシコンおよび集束レンズの双方を含む光学アセンブリ６を使用することが望ましいとし得る。図５Ａは、レーザビーム焦線２ｂを形成するように設計された非球形の自由表面を備える第１の光学素子（ビーム方向に沿って見る）がレーザ３のビーム経路に位置決めされている、そのような光学アセンブリ６を示す。図５Ａに示す場合には、この第１の光学素子は、円錐角が５°のアキシコン１０であり、このアキシコンは、ビーム方向に対して垂直方向に位置決めされ、かつレーザビーム３に中心合わせされている。アキシコンの頂点は、ビーム方向の方に向けられている。第２の集束光学素子、ここでは平凸レンズ１１（その湾曲は、アキシコンの方に位置決めされている）が、アキシコン１０から距離Ｚ１で、ビーム方向に向けられている。距離Ｚ１（この場合、約３００ｍｍ）は、アキシコン１０によって形成されたレーザ光線がレンズ１１の外側半径部分に円形に入射するように、選択される。レンズ１１は円形放射を、射出側の距離Ｚ２、この場合レンズ１１から約２０ｍｍのところに、この場合１．５ｍｍの規定された長さの焦線２ｂ上に焦点を結ぶ。レンズ１１の実効焦点距離は、この実施形態では２５ｍｍである。アキシコン１０によるレーザビームの円形への変換には、参照符号ＳＲを付す。
【００５４】
図５Ｂは、図５Ａによる基板１の材料における焦線２ｂまたは誘発吸収２ｃの形成を詳細に示す。両素子１０、１１の光学特性ならびにそれらの位置決めは、ビーム方向における焦線２ｂの広がり範囲ｌが基板１の厚さｄと正確に一致しているように、選択される。従って、ビーム方向に沿った基板１の正確な位置決めは、図５Ｂに示すように、基板１の２つの面１ａと１ｂとの間に焦線２ｂを正確に位置決めするために必要である。
【００５５】
それゆえ、焦線がレーザオプティクスからある距離で形成されると、およびレーザ光線のより広い部分が、焦線の所望の端部にまで焦点が合わせられると、好都合である。上述の通り、これは、主集束素子１１（レンズ）を、求められるゾーンに、円形（環状）のみで照明することによって、達成されることができ、これは、一方では、必要な開口数、それゆえ必要なスポットサイズを実現するのに役立つが、他方で、基本的に円形スポットのようなスポットの中心において非常に短い距離にわたる必要な焦線２ｂが形成された後、円の拡散により強度が弱まる。このようにして、欠陥ラインの形成は、必要な基板深さにおいて短い距離内で停止される。アキシコン１０と集束レンズ１１との組合せは、この要件に適合する。アキシコンは、２つの異なる方法で作用する：アキシコン１０に起因して、通常丸いレーザスポットは、リングの形状で集束レンズ１１に送られ、およびアキシコン１０の非球面は、焦点面内に焦点を形成するのではなく、レンズの焦点面を通り過ぎて焦線を形成するという効果を有する。焦線２ｂの長さｌは、アキシコン上のビーム直径によって調整され得る。他方で、焦線に沿った開口数は、距離Ｚ１（アキシコン−レンズの分離距離）によって、およびアキシコンの円錐角によって、調整され得る。このようにして、レーザエネルギー全体を焦線に集中させ得る。
【００５６】
欠陥ラインの形成が、基板の背面まで続くと予想される場合、円形（環状）の照明は、依然として、下記の利点を有する。（１）レーザ光のほとんどが必要な長さの焦線に集中した状態にあるという点で、レーザ出力が最適に使用されること、および（２）他の光機能によって設定された所望の収差と共に円形に照明されたゾーンに起因して、焦線に沿って均一なスポットサイズ−それゆえ、焦線に沿って均一な分離プロセス−を達成することが可能であること。
【００５７】
図５Ａに示す平凸レンズの代わりに、集束メニスカスレンズまたは別の高次補正集束レンズ（非球面、マルチ−レンズ系）を使用することも可能である。
【００５８】
図５Ａに示すアキシコンとレンズとの組合せを使用して非常に短い焦線２ｂを生成するために、アキシコンに入射するレーザビームのビーム直径を非常に小さく選択する必要がある。このためには、アキシコンの頂点上へのビームの中心合わせが非常に正確である必要があり、それゆえ、結果は、レーザの方向の変化に非常に敏感である（ビームドリフト安定性）という、実用面で短所を有する。さらに、しっかりとコリメートされたレーザビームは非常に発散性であり、すなわち、光の偏向に起因して、ビーム束が、短い距離にわたってぼやける。
【００５９】
図６を参照して説明すると、これらの影響は双方とも、光学アセンブリ６に別のレンズ、コリメーティングレンズ１２を挿入することによって、回避できる。追加的な正レンズ１２は、集束レンズ１１の円形照明を非常にしっかりと調整する働きをする。コリメーティングレンズ１２の焦点距離ｆ’は、所望の円形の直径ｄｒが、アキシコンからコリメーティングレンズ１２までの距離Ｚ１ａから生じ、それがｆ’に等しいように、選択される。リングの所望の幅ｂｒは、距離Ｚ１ｂ（コリメーティングレンズ１２から集束レンズ１１まで）によって調整できる。純粋に幾何学的形状の問題として、円形照明の幅が細いことによって、焦線は短くなる。距離ｆ’において最短が達成され得る。
【００６０】
それゆえ、図６に示す光学アセンブリ６は、図５Ａに示すものに基づくため、下記では違いのみを説明する。コリメーティングレンズ１２は、ここでも平凸レンズ（その湾曲がビーム方向の方に向けられている）として設計され、さらに、一方の側ではアキシコン１０（その頂点がビーム方向の方に向けられている）と、他方の側では平凸レンズ１１との間のビーム経路の中心に配置される。アキシコン１０からのコリメーティングレンズ１２の距離は、Ｚ１ａと称し、コリメーティングレンズ１２からの集束レンズ１１の距離は、Ｚ１ｂと称し、および集束レンズ１１からの焦線２ｂの距離は、Ｚ２と称する（常に、ビーム方向において見る）。図６に示すように、アキシコン１０によって形成された、コリメーティングレンズ１２に発散して入射しかつコリメーティングレンズ１２上で円形の直径ｄｒ内にある円形放射ＳＲは、集束レンズ１１における少なくともほぼ一定の円形の直径ｄｒに向かって、距離Ｚ１ｂに沿って所望の幅ｂｒの円に調整される。図示の場合には、レンズ１２において約４ｍｍの円の幅ｂｒが、レンズ１２の集束特性に起因して（円形の直径ｄｒは、この例では２２ｍｍである）、レンズ１１において約０．５ｍｍまで小さくされるように、非常に短い焦線２ｂが生成されるようにする。
【００６１】
図示の例では、典型的なレーザビーム直径２ｍｍ、焦点距離ｆ＝２５ｍｍの集束レンズ１１、および焦点距離ｆ’＝１５０ｍｍのコリメーティングレンズを使用し、かつＺ１ａ＝Ｚ１ｂ＝１４０ｍｍおよびＺ２＝１５ｍｍを選択して、０．５ｍｍ未満の焦線の長さｌを達成することが可能である。
【００６２】
ひとたび傷跡ラインが生じたら、分離が、以下のことによって、発生し得る：１）傷跡ライン上へのまたはその周囲での手動のまたは機械的な応力；応力または圧力は、傷跡ラインの両側を引き離して、依然として結合されている領域を破壊する張力を生じる必要がある；２）熱源を使用して、傷跡ラインの周りに熱応力ゾーンを生じさせて、欠陥ラインを張力下におき、かつ傷跡ラインに沿って部分的なまたは完全な分離を引き起こすこと；および３）イオン交換プロセスを使用して、傷跡ラインの周りの領域に応力を導入すること。さらに、エッジへの衝撃に起因する損傷を制御する「犠牲」領域を有するエッジであるが、非面取りエッジまたは不完全な面取り済エッジのいずれかに対するピコ秒レーザ加工の使用を、以下説明する。
【００６３】
第２の方法は、既存のエッジを利用して、集束（一般にＣＯ２）レーザを、エッジの面と基板の面とが交わる箇所の非常に接近させて適用することによって、面取り面を生じる。レーザビームは、基板材料によって多く吸収されて、材料の溶融温度から下がってその材料の歪みを生じる温度点までの間にわたる温度勾配を生じさせる必要がある。この熱勾配は、非常に薄い材料条片の分離または剥離に至る応力プロファイルを生成する。薄い材料条片はバルク材料からカールして剥がれ、および歪みゾーンと軟化ゾーンとの間に規定された領域の深さによって決定される寸法を有する。この方法は、先の方法と組み合わせられて、傷跡ラインによって決まる平面において薄い材料条片を剥がし得る。この実施形態では、熱勾配は、傷跡ラインの近傍に生成される。熱勾配と傷跡ラインとの組合せは、これ以外の方法で、純粋な熱的手段を使用することにより得られるものよりも良好な、面取り面のエッジ形状および表面性状の制御を行い得る。
【００６４】
図７Ａは、本出願で説明するプロセスの概要を与える。
【００６５】
１つの方法は、短パルスレーザを使用して所望の形状の部分およびエッジを形成するために、上述のような傷跡ラインを生じる非線形の誘発吸収に依存する。プロセスは、線形状態（レーザの強度が低い）にあるレーザの波長に対する材料の透明性に依存し、このプロセスは、レーザ焦点の周りの高強度の領域によって生じた表面下損傷を減少させて、表面およびエッジに高い品質をもたらす。このプロセスの成功への鍵の１つは、超短パルスレーザによって生じる欠陥ラインが高アスペクト比を示すことである。これにより、切削および面取りされる材料の上面から底面まで延在し得、長くて深い欠陥ラインを備える傷跡ラインの生成を可能にする。原理上は、各欠陥ライン（穿孔）は、単一パルスによって生じることができ、および所望の場合には、追加的なパルスを使用して、影響を受ける領域の広がり範囲（深さおよび幅）を増すことができる。
【００６６】
図１Ａ〜１Ｃに示すものと同じ原理を使用して、平らなエッジを備えるガラス基板を分離するために、面取り済エッジを生成するプロセスは、図７Ｂに示すように部分的に変更され得る。面取り済エッジを分離しかつそれを形づくるために、所望のエッジ形状の境界と交わりかつそれら境界を規定する、３つの別々の欠陥ラインの平面を、材料中に形成し得る。図７Ｃに示すように、交差している欠陥ラインの平面を２つのみ使用することによって、異なる形状を作ることができるが、エッジの内部の平らな部分は、欠陥ラインが全くない状態で、破断または分離される必要があるかもしれない（例えば機械的または熱的手段によって）。
【００６７】
レーザおよび光学系：
ガラスまたは他の透明な脆性材料を切削するために、線焦点ビーム形成オプティクスと組み合わせて、１０６４ｎｍのピコ秒レーザを使用して、基板に欠陥ラインを生じさせるためのプロセスが開発された。サンプル、０．７ｍｍ厚さのＣｏｒｎｉｎｇ（登録商標）Ｇｏｒｉｌｌａ（登録商標）Ｇｌａｓｓ  ｃｏｄｅ  ２３２０基板が、線焦点内にあるように、位置決めされた。約１ｍｍの広がりの線焦点、および２００ｋＨｚの繰り返し率（約１５０μＪ／パルス）で約＞３０Ｗの出力を生じるピコ秒レーザでは、線領域における光強度は、容易に、材料に非線形吸収を生じさせるのに十分に高くなり得る。損傷した、アブレーションされた、蒸発された、または他の方法で部分的変更された材料の領域が、高強度の線形領域にほぼ追従して、形成された。
【００６８】
そのようなピコ秒レーザの典型的な動作によって、パルスの「バースト」を生じることに留意されたい。各「バースト」は、非常に短い持続期間（約１０ピコ秒）の複数の副パルスを含み得る。各副パルスは、約２０ナノ秒（５０ＭＨｚ）だけ時間的に隔たりがあり、この時間は、レーザ空洞設計によって管理されていることが多い。各「バースト」間の時間は、約２００ｋＨｚのレーザ繰り返し率では、遥かに長く、約５μ秒であることが多い。正確なタイミング、パルス持続期間、および繰り返し率は、レーザ設計に依存して変化し得る。しかし、高強度の短いパルス（＜１５ピコ秒）は、この技術でうまくいくことが示されている。
【００６９】
より具体的には、図８Ａおよび図８Ｂに示すように、本明細書で説明する選択した実施形態によれば、ピコ秒レーザは、「バーストパルス」とも呼ばれることがある、パルス５００Ａの「バースト」５００を生じる。バースティングは、パルスの放出が、均一で安定した流れになく、むしろ、パルスが密な集団状態にある、レーザ動作のタイプである［参照文献を参照］。各「バースト」５００は、１００ピコ秒（例えば、０．１ピコ秒、５ピコ秒、１０ピコ秒、１５ピコ秒、１８ピコ秒、２０ピコ秒、２２ピコ秒、２５ピコ秒、３０ピコ秒、５０ピコ秒、７５ピコ秒、またはそれらの間）までの非常に短い持続期間Ｔｄの複数のパルス５００Ａ（２パルス、３パルス、４パルス、５パルス、１０、１５、２０、またはそれを上回るなど）を含み得る。パルス持続期間は、一般的に、約１ピコ秒〜約１０００ピコ秒の範囲、または約１ピコ秒〜約１００ピコ秒の範囲、または約２ピコ秒〜約５０ピコ秒の範囲、または約５ピコ秒〜約２０ピコ秒の範囲にある。単一のバースト５００内のこれらの個々のパルス５００Ａはまた、「副パルス」と呼ばれ、これは、これらパルスが、複数のパルスの単一のバースト内で生じることを単に示している。バースト内の各レーザパルス５００Ａのエネルギーまたは強度は、バースト内の他のパルスと等しくなくてもよく、およびバースト５００内の複数のパルスの強度分布は、レーザ設計によって管理され、時間的指数関数的な減衰に従い得る。好ましくは、本明細書で説明する例示的な実施形態のバースト５００内の各パルス５００Ａは、バースト内の後続のパルスから、１ナノ秒〜５０ナノ秒（例えば１０〜５０ナノ秒、または１０〜４０ナノ秒、または１０〜３０ナノ秒）の持続期間Ｔｐだけ時間的な隔たりがあり、この時間は、レーザ空洞設計によって管理されることが多い。所与のレーザに関し、バースト５００内の各パルス間の時間的な隔たりＴｐ（パルス対パルス分離時間）は、比較的均一である（±１０％）。例えば、いくつかの実施形態では、各パルスは、後続のパルスから、約２０ナノ秒（５０ＭＨｚパルスの繰り返し周波数）だけ時間的な隔たりがある。例えば、約２０ナノ秒のパルス対パルス分離時間Ｔｐを生じるレーザでは、バースト内のパルス対パルス分離時間Ｔｐは、約±１０％内に、または約±２ナノ秒に維持される。各「バースト」間の時間（すなわち、バースト間の時間的な隔たりＴｂ）は、遥かに長い（例えば、０．２５≦Ｔｂ≦１０００マイクロ秒、例えば１〜１０マイクロ秒、または３〜８マイクロ秒）。例えば本明細書で説明するレーザの例示的な実施形態のいくつかにおいて、レーザの繰り返し率では約５マイクロ秒である、または周波数が約２００ｋＨｚである。レーザ繰り返し率はまた、本明細書では、バースト繰り返し周波数またはバースト繰り返し率とも呼ばれ、およびバースト内の第１のパルスから後続のバーストの第１のパルスまでの時間と定義される。他の実施形態では、バースト繰り返し周波数は、約１ｋＨｚ〜約４ＭＨｚの範囲、または約１ｋＨｚ〜約２ＭＨｚの範囲、または約１ｋＨｚ〜約６５０ｋＨｚの範囲、または約１０ｋＨｚ〜約６５０ｋＨｚの範囲にある。各バーストの第１のパルスから後続のバーストの第１のパルスまでの時間Ｔｂは、０．２５マイクロ秒（４ＭＨｚのバースト繰り返し率）から１０００マイクロ秒（１ｋＨｚのバースト繰り返し率）まで、例えば０．５マイクロ秒（２ＭＨｚのバースト繰り返し率）から４０マイクロ秒（２５ｋＨｚのバースト繰り返し率）まで、または２マイクロ秒（５００ｋＨｚのバースト繰り返し率）から２０マイクロ秒（５０ｋＨｚのバースト繰り返し率）までとし得る。正確なタイミング、パルス持続期間、および繰り返し率は、レーザ設計およびユーザが制御できる動作パラメータに依存して変化し得る。高強度の短いパルス（Ｔｄ＜２０ピコ秒および好ましくはＴｄ≦１５ピコ秒）は、うまくいくことが示されている。
【００７０】
材料に部分的な変更を加えるために必要なエネルギーを、バーストエネルギー−バースト内に含まれるエネルギーの観点で（各バースト５００は、一連のパルス５００Ａを含む）、または単一のレーザパルス内に含まれるエネルギーの観点で（単一のレーザパルスの多くは、バーストを含み得る）、説明し得る。これらの適用例では、１バースト当たり（切削される材料の１ミリメートル当たり）のエネルギーは、１０〜２５００μＪ、または２０〜１５００μＪ、または２５〜７５０μＪ、または４０〜２５００μＪ、または１００〜１５００μＪ、または２００〜１２５０μＪ、または２５０〜１５００μＪ、または２５０〜７５０μＪとし得る。バースト内の個々のパルスのエネルギーは少なく、および正確な個々のレーザパルスエネルギーは、バースト５００内のパルス５００Ａの数、および図８Ａおよび図８Ｂに示すように、時間によるレーザパルスの減衰率（例えば、指数関数的な減衰率）に依存する。例えば、一定のエネルギー／バーストでは、パルスバーストが１０個の個々のレーザパルス５００Ａを含む場合、各個々のレーザパルス５００Ａは、同じバーストパルス５００が２個のレーザパルスしか含まない場合よりも少ないエネルギーを含む。
【００７１】
そのようなパルスバーストを生成できるレーザの使用は、透明材料、例えばガラスの切削または部分的変更に好都合である。単一パルスレーザの繰り返し率だけ時間的に隔たりのある、単一パルスの使用とは対照的に、バースト５００内の立て続けのパルスにわたってレーザエネルギーを広げるバーストパルスシーケンスの使用は、単一パルスレーザで可能であるものよりも長い、材料との高強度の相互作用の時間スケールへのアクセスを可能にする。単一パルスは、時間が延ばされ得るが、エネルギーの保存は、これが行われるとき、パルス幅にわたって、エネルギーがほぼ同一であるとして、パルス内の強度が減少する必要があることを示す。従って、１０ピコ秒の単一パルスが、１０ナノ秒のパルスに延びる場合、強度が約３桁減少する。そのような減少は、非線形吸収がもはや著しくなくかつ光−材料の相互作用がもはや切削を可能にするほど十分に強くない点まで、光強度が減少し得る。対照的に、バーストパルスレーザを用いて、各パルスの最中またはバースト５００内の副パルス５００Ａの最中の強度は、非常に高いままとし得る−例えば約１０ナノ秒の分離時間Ｔｐだけ時間的に隔たりがある、パルス持続期間Ｔｄが１０ピコ秒の３個のパルス５００Ａが、依然として、単一の１０ピコ秒のパルスよりも約３倍高い、各パルス内の強度を可能にする一方、レーザは、３桁大きい時間スケールにわたって、材料との相互作用を可能にされる。それゆえ、バースト内の複数のパルス５００Ａのこの調整は、既存のプラズマプルームとの多少の光の相互作用、最初のまたは前のレーザパルスによって予め励起されている原子および分子との多少の光−材料の相互作用、および欠陥ライン（穿孔）の成長の制御を促し得る材料内での多少の加熱効果を容易にし得るように、レーザ−材料の相互作用の時間スケールの操作を可能にする。材料に部分的な変更を加えるために必要なバーストエネルギー量は、基板材料の組成、および基板と相互作用するために使用される線焦点の長さに依存する。相互作用する領域が長いほど、よりエネルギーは広がり、かつ必要とされるバーストエネルギーはより高くなる。
【００７２】
複数のパルスの単一のバーストが実質的にガラス上の同じ個所に当たるときに、材料に欠陥ラインまたは孔が形成される。すなわち、単一のバースト内の複数のレーザパルスが、ガラスに単一の欠陥ラインまたは孔の個所を生じ得る。当然ながら、ガラスが平行移動される場合（例えば、絶えず移動するステージによって）、またはビームがガラスに対して移動される場合、バースト内の個々のパルスは、ガラス上の正確に同じ空間的位置にすることはできない。しかしながら、それらパルスは、互いに十分に１μｍ内にある−すなわち、それらパルスは、実質的に同じ位置でガラスに当たる。例えば、それらパルスは、互いに０＜ｓｐ≦５００ｎｍの間隔ｓｐでガラスに当たり得る。例えば、ガラスの位置が２０パルスのバーストで当たられる場合、バーストの個々のパルスは、互いに２５０ｎｍ以内でガラスに当たる。それゆえ、いくつかの実施形態では、１ｎｍ＜ｓｐ＜２５０ｎｍである。いくつかの実施形態では、１ｎｍ＜ｓｐ＜１００ｎｍである。
【００７３】
孔または損傷跡の形成：
基板が、十分な応力（例えばイオン交換ガラスを用いて）を有する場合、その部分は、レーザ加工によって描かれた傷跡ラインに沿って自然発生的に分離する。しかしながら、基板に固有の応力が多くない場合、ピコ秒レーザは、単に、基板に欠陥ラインを形成する。これらの欠陥ラインは、内部寸法（直径）約０．５〜１．５μｍの孔の形態を取り得る。
【００７４】
孔または欠陥ラインは、材料の厚さ全体を穿孔してもまたは穿孔しなくてもよく、および材料深さ全体にわたる連続的な開口部であってもまたはそうでなくてもよい。図１Ｃは、１枚の７００μｍ厚さの非強化Ｇｏｒｉｌｌａ（登録商標）Ｇｌａｓｓ基板の厚さ全体を穿孔した跡の例を示す。切断されたエッジの側面を通る穿孔または損傷跡が観察される。材料を通るこれら跡は、必ずしも貫通孔ではなく−孔を塞ぐガラスの領域とし得るが、全体的にサイズが小さい。
【００７５】
傷跡ラインにおいて分離すると、欠陥ラインに沿って破砕が生じて、欠陥ラインから由来した特徴を備える表面を有する部分またはエッジを生じることに留意されたい。分離前、欠陥ラインは、全体的にシリンダー形状である。分離すると、欠陥ラインは破砕しおよび欠陥ラインの残部は、分離される部分またはエッジの表面の輪郭になることが明らかである。理想的なモデルでは、欠陥ラインは、分離すると半分に切断されるため、分離される部分またはエッジの表面は、ハーフシリンダーに対応する鋸歯状の刻みを含む。実際、分離は、理想的なモデルから逸脱してもよく、および表面の鋸歯状の刻みは、元の欠陥ラインの形状の任意の一部とし得る。特定の形態に関わらず、分離される表面の特徴は、欠陥ライン群と呼ばれ、それらの存在の起源を示す。
【００７６】
欠陥ライン間の横方向の間隔（ピッチ）は、基板が集束レーザビームの下側で平行移動されるとき、レーザのパルス繰り返し数によって決定される。所望の場合は複数のパルスまたはバーストを使用してもよいが、単一のピコ秒レーザパルスまたはバーストのみが、必然的に、孔全体を形成する。異なるピッチで欠陥ラインを形成するために、レーザは、より長いまたはより短い間隔で発射するようにトリガされ得る。切削動作では、レーザのトリガリングは、一般的に、ビームの真下にある部分のステージ駆動運動と同期されるため、レーザパルスは、固定間隔、例えば１μｍ毎、または５μｍ毎にトリガされる。隣接する欠陥ライン間の正確な間隔は、基板における応力レベルを前提として、穿孔から穿孔へのクラック伝播を促す材料特性によって決定される。基板の切削の代わりに、材料を穿孔することのみに同じ方法を使用することも可能である。この場合、欠陥ラインは、より大きな間隔（例えば５μｍピッチ以上）によって分離され得る。
【００７７】
レーザ出力およびレンズ焦点距離（焦線の長さ、従って出力密度を決定する）は、ガラスの完全貫通および低表面損傷および低表面下損傷を保証するために、特に重要である。
【００７８】
概して、利用可能なレーザ出力が高いほど、材料が上述のプロセスで切削され得る速度は高速になる。本明細書で開示する１つまたは複数のプロセスは、０．２５ｍ／秒、またはそれよりも高速の切削速度でガラスを切削できる。切削速度（ｃｕｔ  ｓｐｅｅｄ、またはｃｕｔｔｉｎｇ  ｓｐｅｅｄ）は、複数の欠陥ライン用の孔を形成しながら、レーザビームが基板材料（例えば、ガラス）の表面に対して移動する速度である。例えば４００ｍｍ／秒、５００ｍｍ／秒、７５０ｍｍ／秒、１ｍ／秒、１．２ｍ／秒、１．５ｍ／秒、または２ｍ／秒、またはさらには３．４ｍ／秒〜４ｍ／秒などの高速の切削速度が、しばしば、製造のための資本投資を最小限にするため、および設備利用率を最適にするために、望ましい。レーザ出力は、レーザのバースト繰り返し周波数（繰り返し率）で乗じたバーストエネルギーに等しい。概して、高速の切削速度でガラス材料を切削するために、欠陥ラインは、一般に、１〜２５μｍだけ離間しており、いくつかの実施形態では、間隔は、好ましくは３μｍ以上−例えば３〜１２μｍ、または例えば５〜１０μｍである。
【００７９】
例えば、３００ｍｍ／秒の線形切削速度を達成するために、３μｍの孔のピッチは、少なくとも１００ｋＨｚのバースト繰り返し率のパルスバーストレーザに対応する。６００ｍｍ／秒の切削速度では、３μｍのピッチは、少なくとも２００ｋＨｚのバースト繰り返し率のバースト−パルスレーザに対応する。２００ｋＨｚで少なくとも４０μＪ／バーストを生じかつ６００ｍｍ／秒の切削速度で切削するパルスバーストレーザは、少なくとも８ワットのレーザ出力を有する必要がある。従って、より高速の切削速度は、より高いレーザ出力を必要とする。
【００８０】
例えば、３μｍのピッチおよび４０μＪ／バーストで０．４ｍ／秒の切削速度は、少なくとも５Ｗのレーザを必要とし、３μｍのピッチおよび４０μＪ／バーストで０．５ｍ／秒の切削速度は、少なくとも６Ｗのレーザを必要とする。それゆえ、好ましくは、パルスバーストのｐｓレーザのレーザ出力は、６Ｗ以上であり、一層好ましくは少なくとも８Ｗ以上であり、およびさらに一層好ましくは少なくとも１０Ｗ以上である。例えば、４μｍのピッチ（欠陥ラインの間隔、または損傷跡の間隔）および１００μＪ／バーストで０．４ｍ／秒の切削速度を達成するために、少なくとも１０Ｗのレーザを必要とし、および４μｍピッチおよび１００μＪ／バーストで０．５ｍ／秒の切削速度を達成するために、少なくとも１２Ｗのレーザを必要とする。例えば、３μｍピッチおよび４０μＪ／バーストで１ｍ／秒の切削速度を達成するために、少なくとも１３Ｗのレーザを必要とする。また、例えば、４μｍピッチおよび４００μＪ／バーストで１ｍ／秒の切削速度は、少なくとも１００Ｗのレーザを必要とする。
【００８１】
欠陥ライン（損傷跡）間の最適なピッチ、および正確なバーストエネルギーは、材料依存し、かつ経験的に決定され得る。しかしながら、レーザパルスエネルギーの上昇、またはより近いピッチでの損傷跡の作製は、常に基板材料を良好に分離するかまたはエッジ品質を改善する条件ではないことに留意する必要がある。欠陥ライン（損傷跡）間のピッチが小さすぎること（例えば＜０．１マイクロメートル、またはいくつかの例示的な実施形態では＜１μｍ、または他の実施形態では＜２μｍ）は、近くにある後続の欠陥ライン（損傷跡）の形成を阻止することがあり、および穿孔された輪郭の周囲の材料の分離を阻止することが多い。ガラス内での望まれない微小クラッキングの増加はまた、ピッチが小さすぎる場合の結果とし得る。ピッチが大きすぎると（例えば＞５０μｍ、およびいくつかのガラスでは＞２５μｍまたはさらには＞２０μｍ）、「制御されない微小クラッキング」を生じ得る−すなわち、意図した輪郭に沿って欠陥ラインから欠陥ラインへ伝播する代わりに、微小クラックは、異なる経路に沿って伝播し、およびガラスが、意図した輪郭から離れた、異なる（望ましくない）方向でクラックする原因となる。残留微小クラックは、ガラスを弱くする傷を構成するため、これは、最終的には、分離された部分の強度を低下させ得る。欠陥ラインを形成するための、高すぎるバーストエネルギー（例えば、＞２５００μＪ／バースト、およびいくつかの実施形態では＞５００μＪ／バースト）は、以前形成された欠陥ラインを「修復」または再溶融する原因となり得ることがあり、これにより、ガラスの分離を阻止し得る。従って、バーストエネルギーが＜２５００μＪ／バースト、例えば、≦５００μＪ／バーストであることが好ましい。また、高すぎるバーストエネルギーを使用すると、極めて大きい微小クラックを形成し、かつ分離後にその部分のエッジ強度を低下させ得る構造の不完全性を生じさせ得る。低すぎるバーストエネルギー（例えば＜４０μＪ／バースト）は、ガラス内に目立つ欠陥ラインを形成させず、それゆえ、特に高い分離力を必要とするか、または穿孔された輪郭に沿って完全には分離できないようにする。
【００８２】
このプロセスで可能にされた典型的な例示的な切削率（速度）は、例えば、０．２５ｍ／秒またはそれよりも高速である。いくつかの実施形態では、切削率は、少なくとも３００ｍｍ／秒である。いくつかの実施形態では、切削率は、少なくとも４００ｍｍ／秒、例えば、５００ｍｍ／秒〜２０００ｍｍ／秒、またはそれよりも高速である。いくつかの実施形態では、ピコ秒（ｐｓ）レーザは、パルスバーストを利用して、周期性が０．５μｍ〜１３μｍ、例えば０．５〜３μｍの欠陥ラインを生じさせる。いくつかの実施形態では、パルスレーザのレーザ出力は、１０Ｗ〜１００Ｗであり、および材料および／またはレーザビームは、少なくとも０．２５ｍ／秒の率で；例えば、０．２５ｍ／秒〜０．３５ｍ／秒、または０．４ｍ／秒〜５ｍ／秒の率で、互いに対して平行移動される。好ましくは、パルスレーザビームの各パルスバーストは、工作物で測定された平均的なレーザエネルギーが、工作物の厚さ１ｍｍ当たり、４０μＪ毎バーストを上回る。好ましくは、パルスレーザビームの各パルスバーストの、工作物で測定された平均的なレーザエネルギーは、工作物の厚さ１ｍｍ当たり、２５００μＪ毎バースト未満、および好ましくは工作物の厚さ１ｍｍ当たり、約２０００μＪ毎バースト未満、およびいくつかの実施形態では工作物の厚さ１ｍｍ当たり、１５００μＪ毎バースト未満；例えば、工作物の厚さ１ｍｍ当たり、５００μＪ毎バースト以下である。
【００８３】
本発明人らは、アルカリ含量が低いまたはアルカリを含まないアルカリ土類ボロアルミノシリケートガラスを穿孔するためには、遥かに高い（５〜１０倍高い）体積パルスエネルギー密度（μＪ／μｍ３）が必要とされることを発見した。これは、例えば、好ましくは少なくとも２パルス毎バーストのパルスバーストレーザを使用すること、および（アルカリ含量が低いまたはアルカリを含まない）アルカリ土類ボロアルミノシリケートガラス内に、約０．０５μＪ／μｍ３またはそれよりも高い、例えば、少なくとも０．１μＪ／μｍ３、例えば０．１〜０．５μＪ／μｍ３の体積エネルギー密度を提供することによって、達成され得る。
【００８４】
従って、レーザが、少なくとも２パルス毎バーストのパルスバーストを生じることが好ましい。例えば、いくつかの実施形態では、パルスレーザは、１０Ｗ〜１５０Ｗ（例えば、１０Ｗ〜１００Ｗ）の出力を有し、かつ少なくとも２パルス毎バースト（例えば、２〜２５パルス毎バースト）のパルスバーストを生じる。いくつかの実施形態では、パルスレーザは、２５Ｗ〜６０Ｗの出力を有し、かつ少なくとも２〜２５パルス毎バーストのパルスバーストを生じ、およびレーザバーストによって生じた周期性、または隣接する欠陥ライン間の距離は、２〜１０μｍである。いくつかの実施形態では、パルスレーザは、１０Ｗ〜１００Ｗの出力を有し、少なくとも２パルス毎バーストのパルスバーストを生じ、および工作物およびレーザビームは、少なくとも０．２５ｍ／秒の率で互いに対して平行移動される。いくつかの実施形態では、工作物および／またはレーザビームは、少なくとも０．４ｍ／秒の率で互いに対して平行移動される。
【００８５】
例えば、０．７ｍｍ厚さの非イオン交換Ｃｏｒｎｉｎｇ  ｃｏｄｅ  ２３１９またはｃｏｄｅ  ２３２０  Ｇｏｒｉｌｌａ（登録商標）ガラスを切削するために、３〜７μｍのピッチが、約１５０〜２５０μＪ／バーストのパルスバーストエネルギー、および２〜１５に及ぶバーストパルス数で、および好ましくは３〜５μｍのピッチおよびバーストパルス数（１バースト当たりのパルスの数）２〜５で、うまくいき得ることが観察された。
【００８６】
１ｍ／秒の切削速度では、Ｅａｇｌｅ  ＸＧ（登録商標）ガラスの切削は、一般に、１５〜８４Ｗのレーザ出力を利用する必要があり、しばしば３０〜４５Ｗで十分である。概して、様々なガラスおよび他の透明材を通じて、本出願人らは、０．２〜１ｍ／秒の切削速度を達成するためには１０Ｗ〜１００Ｗのレーザ出力が好ましく、多くのガラスに対しては２５〜６０Ｗのレーザ出力で十分である（または最適である）ことを発見した。切削速度０．４ｍ／秒〜５ｍ／秒では、レーザ出力は、好ましくは１０Ｗ〜１５０Ｗである必要があり、バーストエネルギーは４０〜７５０μＪ／バースト、２〜２５パルス毎バースト（切削される材料に依存して）、および欠陥ラインの分離（ピッチ）は３〜１５μｍ、または３〜１０μｍである。ピコ秒パルスバーストレーザは、高出力およびバースト当たりに必要な数のパルスを生成するため、これらの切削速度ではピコ秒パルスバーストレーザの使用が好ましい。それゆえ、いくつかの例示的な実施形態によれば、パルスレーザは、１０Ｗ〜１００Ｗ、例えば２５Ｗ〜６０Ｗの出力を生じ、および少なくとも２〜２５パルス毎バーストのパルスバーストを生じ、および欠陥ライン間の距離は２〜１５μｍである；およびレーザビームおよび／または工作物は、少なくとも０．２５ｍ／秒、いくつかの実施形態では少なくとも０．４ｍ／秒、例えば０．５ｍ／秒〜５ｍ／秒、またはそれよりも速い率で、互いに対して平行移動される。
【００８７】
面取り済エッジの切削および分離：
面取り方法１：
非強化のＧｏｒｉｌｌａ（登録商標）Ｇｌａｓｓ、具体的にはＣｏｒｎｉｎｇ  ｃｏｄｅ２３２０を使用して、面取り済エッジの分離を可能にする、異なる条件を見出した。第１の方法は、ピコ秒レーザを使用して欠陥ラインを生じ、所望の形状（この場合面取り済エッジ）と一致する傷跡ラインを形成することである。このステップの後、破壊プライヤーを使用して、この部分を手動で曲げることによって、または傷跡ラインに沿った分離を開始しかつそれを伝播させる張力を生じる任意の方法によって、機械的な分離を成し遂げることができる。７００μｍ厚さの非強化のＧｏｒｉｌｌａ（登録商標）Ｇｌａｓｓに、欠陥ラインのある面取り済エッジを生じさせ、かつ各部分を機械的に分離するために、結果的に、以下のオプティクスおよびレーザパラメータが最善であると判った：
ピコ秒レーザ（１０６４ｎｍ）
アキシコンレンズに対する入射ビーム直径  約２ｍｍ
アキシコン角度＝１０度
初期のコリメーティングレンズ焦点距離＝１２５ｍｍ
最終的な対物レンズの焦点距離＝４０ｍｍ
焦点はＺ＝０．７ｍｍにあるように設定される（すなわち、線焦点は、ガラス厚さに対して中心となるように設定される）
全出力の１００％のレーザ出力（約４０ワット）
レーザのバースト繰り返し率＝２００ｋＨｚ
エネルギー毎バースト＝２００μＪ（４０Ｗ／２００ｋＨｚ）
ピッチ＝５μｍ
３パルス／バースト
欠陥ライン当たり一回の走査
分離を達成する代替的な方法は、所望の輪郭を描くピコ秒レーザが終了した後に、ピコ秒レーザステップに続いて、比較的デフォーカスされたＣＯ２レーザビーム（約２ｍｍのスポット直径）を使用することである。ＣＯ２レーザによって誘発された熱応力は、所望の輪郭に沿ってエッジの分離または付形を開始させて伝播させるのには十分である。この場合には、結果的に、以下のオプティクスおよびレーザパラメータが最善であると判った：
ピコ秒レーザ（１０６４ｎｍ）
アキシコンレンズに対する入射ビーム直径  約２ｍｍ
アキシコン角度＝１０度
初期のコリメーティングレンズ焦点距離＝１２５ｍｍ
最終的な対物レンズ焦点距離＝４０ｍｍ
焦点はＺ＝０．７ｍｍに設定される（すなわち、線焦点は、ガラス厚さに対して中心になるように設定される）
全出力の７５％のレーザ出力（約３０ワット）
レーザのバースト繰り返し率＝２００ｋＨｚ
３パルス／バースト
エネルギー毎バースト＝１５０μＪ（３０Ｗ／２００ｋＨｚ）
ピッチ＝５μｍ
一回の走査
ＣＯ２レーザ
レーザは、２００Ｗ全出力レーザである
レーザ平行移動速度：１０ｍ／分
レーザ出力＝１００％
パルス持続期間  １７μ秒
レーザ変調周波数  ２０ｋＨｚ
レーザデューティサイクル＝１７／５０μ秒＝３４％デューティ（約６８ワットの出力）
レーザビームのデフォーカス（ガラスの入射面に対して）＝２０ｍｍ
【００８８】
面取り方法２：
方法２Ａ：
第２の面取り加工方法は、既存のエッジを利用して、高度に集束されたＣＯ２レーザを、エッジの面と基板の面とが交差している箇所の非常に近くに適用することによって、面取り面を生じさせる。上述のＣＯ２レーザの条件とは対照的に、この場合、基板表面での集束ＣＯ２ビームのサイズは直径約１００μｍであり、このサイズは、ビームが、方法１で説明したデフォーカスビームよりも遥かに高い温度まで、ガラスを局所的に加熱できるようにする。レーザは、基板材料によって多く吸収されて、材料の溶融温度から下がって材料の歪みの温度点までの温度範囲にわたって、激しい熱勾配を生じさせる必要がある。熱勾配は、非常に薄い材料条片が材料のバルクからカールして剥がれる、非常に薄い材料条片の分離または剥離を誘発する応力プロファイルを生成する。薄い条片の寸法は、歪み点と軟化点との間の温度を有する材料の領域の深さによって決定される。
【００８９】
この方法は、先の方法と組み合わせて、傷跡ラインによって決められる平面でそれぞれ剥離することができる。換言すると、ピコ秒レーザは、上述したように、エッジの所望の形状または輪郭と一致する形状を有する傷跡ラインを形成するために使用されることができ、および熱勾配は、薄い材料条片の切り離しを促すために、傷跡ライン内におよびその周りに確立され得る。この実施形態では、ピコ秒レーザによって生じた傷跡ラインは、薄い材料条片のカールまたは剥離の方向を誘導し、かつエッジの形状または輪郭のより細かい制御を達成し得る。
【００９０】
図９に示すように、第２の方法は、レーザの波長（例えば、１０．６μｍでのＣＯ２）を基板によって吸収することに依存する。材料によるレーザの吸収は、材料の少なくとも歪み点から材料の少なくとも軟化点まで及ぶ温度を含む熱勾配の確立を生じる。図１０に示すように、そのような熱勾配が生じると、ガラス条片は基板のバルクから分離して、カールした剥離片を形成する。図９に示すように、レーザがエッジ付近に超接近して焦点を合わされると（例えばエッジから＜１００μｍ以内）、カールしたガラスの条片は、直角の角部から剥離して、図１０に示すように全体的に凹状である面取り面を形成する。両角部を面取りするために、サンプルは裏返しにされ、およびプロセスが第２の角部で繰り返され得る。図１０に示すように、エッジの平らな部分の欠陥ラインは、貫通孔の穿孔によって形成された平らなエッジに関して図１Ｃに示すものと一致する性状を示す。図１２は、面取り加工速度（ＣＯ２ビーム走査速度と定義される）を変更することによって、面取り済エッジの特徴：面取り角度、平面の幅（Ａ）または高さ／幅（Ｂ／Ｃ）を変更することが可能であることを示す。ＣＯ２レーザ走査速度を変更することによって、材料へのレーザエネルギーの堆積率が変化し、かつ熱勾配の特徴（例えば空間的な広がり、温度範囲）が変更される。レーザをより高速に動かすことによって、傷跡ラインは浅くなり、および剥離する材料条片は、細くかつ浅くなる。面取り加工速度は、図１２に示す例において３ｍ／分〜１０ｍ／分で変動した。ＣＯ２レーザは、最大出力が２００Ｗであり、かつパルス幅２．９μ秒で３０ｋＨｚの繰り返し率に設定され、これにより、約９％のデューティサイクルで管理される約１８ＷのＣＯ２出力を生じた。
【００９１】
剥離用のＣＯ２レーザ条件
レーザは、２００Ｗ全出力レーザである
レーザ平行移動速度：３ｍ／分（５０ｍｍ／秒）
レーザ出力＝１００％
パルス持続期間  ２．９μ秒
レーザ変調周波数  ３０ｋＨｚ
レーザデューティサイクル＝２．９／３３μ秒＝９％デューティ（約１８Ｗの出力）
レーザビームのデフォーカス＝０．７ｍｍ
【００９２】
方法２Ｂ：
この例では、面取り方法１のピコ秒の穿孔部分は、面取り方法２Ａの熱剥離と組み合わせられて、分離を欠陥ラインの平面によって誘導して、制御された剥離が行われた。図１１Ａおよび図１１Ｂに示すように、直角の角部の剥離が発生する。しかしながら、軟化ゾーンにおける熱勾配が、切り離し経路に影響を及ぼし得る二次的な駆動力をもたらすため、剥離および切り離しは、欠陥平面に沿って全く発生しないかもしれない。欠陥平面と熱勾配によって規定されたクラッキングラインとの間の相対的な位置に依存して、分離は、多かれ少なかれ、傷跡ラインに沿って発生し得る。図１１Ｂは、剥離経路の一部分が、欠陥ラインによって規定された経路から逸脱する例を示す。逸脱は、エッジの平らな部分に沿って最も目立つ。しかしながら、欠陥ラインの特徴の適切な組合せおよびＣＯ２レーザによる適切な加熱によって、欠陥ラインの平面において角部を分離することが可能である必要がある。
【００９３】
犠牲エッジ：
剥離したガラスが欠陥ラインの平面に全く従わない場合でも、ガラス内に残留欠陥ラインが存在することは、エッジに衝撃が与えられると形成されるクラックの伝播を抑え得るため、有益とし得る。この場合、残留内部欠陥ラインの平面を、損傷進行停止箇所としての機能を果たすように使用して、事実上、残留内部欠陥ラインの表面側にある基板材料の領域の「犠牲」エッジ部を生じさせる。実際、分離されるエッジの内側に残留内部欠陥ライン（または真のエッジの内側のより複雑な内部ベベルを形成するために交差する１組の残留内部欠陥ライン）を含む犠牲エッジの生成は、面取り済部分の外側エッジ上に物理的に面取りの特徴を付けることを必要とせずに、およびその面取りを特徴付けるために必要な機械的な研削および研磨を用いずに、面取り済部分の信頼性を高める方法とし得る。このタイプの犠牲エッジのためのいくつかのオプションを図１３に示す。上述のピコ秒レーザ加工は、一回の走査でおよび１ｍ／秒までの速度で各欠陥ラインを形成するので、さらなる「損傷停止」ラインを形成することは非常に容易かつコスト効果的である。ガラスは、応力、例えば衝撃力を受けると、犠牲エッジに沿って分離して、衝撃で生じたクラックがその部分の内部に伝播しないようにするため、その部分の残りの部分を無傷なままにする。
【００９４】
面取り方法３：
最後に、欠陥ラインによって形成された外側ガラスエッジ片の分離は、ＣＯ２レーザの適用または機械的な力の適用によって行われる必要はない。多くの場合、ガラス基板から分離されるガラス部分は、イオン交換プロセスでの化学的強化のために送られる。イオン交換自体が、そのガラス部分の面取り領域または角部における剥離または分離を促すのに十分な応力を生じ得る。ガラス表面に新しいイオンを導入することによって、外側角部片を剥離または分離させるのに十分な応力を生じ得る。さらに、イオン交換プロセスにおいて使用される高温の塩浴は、傷跡ラインに沿って剥離または分離を引き起こすのに十分な熱応力をもたらして、面取り済または他の方法で付形済のエッジをもたらし得る。いずれの場合にも、最終的な結果は、内部欠陥ラインにより接近して追従して、所望の面取り面形状を形成するエッジである（図１４参照）。
【００９５】
それに加えてまたはその代わりに、酸性溶液（例えば、１．５Ｍ  ＨＦおよび０．９Ｍ  Ｈ２ＳＯ４の溶液）中でのその部分をエッチングすることによって、十分な応力を生させて、外側角部片を剥離または分離させることができる。
【００９６】
表題Ｌａｓｅｒ  Ｃｕｔｔｉｎｇ  ｏｆ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｇｌａｓｓ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓの出願（米国仮特許出願第６２／０２３４７１号明細書）に説明されているように、本明細書で説明する面取り方法はまた、Ｃｏｒｎｉｎｇ（登録商標）Ｅａｇｌｅ  ＸＧ（登録商標）（イオン交換を含む方法を除いて）ガラスに適用され得る。
【００９７】
上述の方法は、以下の利点をもたらし、これら利点は、レーザ加工性能を高め、かつコストを削減し、それゆえ製造コストを削減することにつながる。現在の実施形態では、切削および面取り加工プロセスは以下のことを提供する：
面取り済エッジを備える部分を面取り加工するかまたは完全に切削する：開示の方法は、Ｇｏｒｉｌｌａ（登録商標）Ｇｌａｓｓおよび他のタイプの透明ガラス（強化または非強化）を、清浄でかつ制御された方法で完全に分離／切削できる。完全な分離および／またはエッジ面取り加工は、いくつかの方法を使用して実証された。面取り方法１では、部分は、面取り済エッジを備えるガラスマトリクスから、あるサイズに切削されるか、または分離され、原理上は、別の後加工は必要としない。面取り方法２では、部分は、既に、既存の平らなエッジを備える、あるサイズに切削されており、およびレーザは、エッジを面取りするために使用される。
【００９８】
表面下の欠陥の減少：面取り方法１では、レーザと材料との間の超短パルスの相互作用に起因して、熱相互作用がほとんどなく、それゆえ、望まれない応力および微小クラッキングを生じ得る、熱の影響を受けるゾーンが最小となる。さらに、レーザビームをガラス内に集束させるオプティクスが、一般にその部分の表面に直径が２〜５マイクロメートルの欠陥ラインを生じさせる。分離後、表面下損傷は、＜３０μｍ程度と小さくし得る。これは、部分のエッジ強度に大きな影響を与え、かつ、この部分が引張応力を受けてエッジの強度が弱められたとき、これらの表面下損傷が微小クラック中へと成長して進展し得るため、エッジをさらに研削および研磨する必要性を低減させる。
【００９９】
プロセスの清浄度：面取り方法１は、ガラスを清浄なかつ制御された方法で面取り加工することができる。従来のアブレーションによるプロセスは多くのデブリを生成するため、面取り加工のために従来のアブレーションによるプロセスを使用することは非常に問題である。そのようなアブレーションによって生成されたデブリは、様々な清浄および洗浄プロトコルを用いても除去することが難しいため、問題である。付着した微粒子はいずれも、薄膜トランジスタなどを形成するためにガラスが被覆されるかまたは金属化される後のプロセスにおいて、欠陥の原因となり得る。開示した方法のレーザパルスおよび材料との誘発相互作用の特徴は、これらが非常に短い時間スケールで生じかつレーザ光線に対する材料透明性が誘発熱的効果を最小限にするため、この問題を回避する。欠陥ラインは物体内で形成されるため、切削ステップ中にデブリおよび付着微粒子が存在することは、事実上排除される。形成された欠陥ラインに由来する微粒子が少しでもある場合、それらは、その部分が分離されるまで、うまく封じ込められる。
【０１００】
プロセスステップの除外
入手した新しい（ｉｎｃｏｍｉｎｇ）ガラスパネルから最終的なサイズおよび形状に複数のガラスプレートを製作するプロセスは、パネルの切削、サイズまでの切削、仕上げ加工およびエッジ付形、それらの部分をそれらの標的厚さまで薄くすること、研磨、およびさらには場合によっては化学的な強化を含む、いくつかのステップを含む。これらのステップのいずれかを除去することによって、プロセス時間および資本支出の観点で製造コストを改善する。提示の方法は、例えば：
デブリおよびエッジ欠陥の生成を削減すること−洗浄および乾燥ステーションを排除する可能性があること
サンプルを直接、付形されたエッジ、形状および厚さを備えるその最終的なサイズに切削する−機械的な仕上げラインの必要性およびそれらに関連する莫大な非付加価値コストを低減または排除すること
によって、ステップ数を削減し得る。
【０１０１】
本明細書で引用した全ての特許、出願公開および参照文献の関連の教示は、それら全体を参照することにより援用する。
【０１０２】
本明細書では例示的な実施形態を説明したが、当業者には、添付の特許請求の範囲に含まれる本発明の範囲から逸脱せずに、形態および詳細における様々な変更を行ってもよいことを理解されたい。
【０１０３】
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
【０１０４】
実施形態１
パルスレーザビームをレーザビーム焦線内に集束させるステップ；
前記レーザビーム焦線を材料内へ、前記材料に対して第１の入射角度で方向付けるステップであって、前記レーザビーム焦線は、前記材料内で誘発吸収を生成し、前記誘発吸収は、前記材料内で前記レーザビーム焦線に沿って欠陥ラインを生じさせるステップ；
前記材料および前記レーザビームを互いに対して平行移動させ、それにより、前記材料内で前記第１の角度にある第１の平面に沿って複数の欠陥ラインを形成するステップ；
前記レーザビーム焦線を前記材料へ、前記材料に対して第２の入射角度で方向付けるステップであって、前記レーザビーム焦線は、前記材料内で誘発吸収を生成し、前記誘発吸収は、前記材料内で前記レーザビーム焦線に沿って欠陥ラインを生じさせるステップ；および
前記材料または前記レーザビームを互いに対して平行移動させ、それにより、前記材料内で前記第２の角度にある第２の平面に沿って複数の欠陥ラインを形成し、前記第２の平面は前記第１の平面と交差しているステップ
を含むことを特徴とする、レーザ加工方法。
【０１０５】
実施形態２
パルスレーザビームをレーザビーム焦線内に集束させるステップ；
前記材料内でＮ個の平面のそれぞれに沿って複数の欠陥ラインを形成するステップであって、前記複数の欠陥ラインの形成は：
（ａ）前記レーザビーム焦線を前記材料へ、前記材料に対して、前記Ｎ個の平面のうちの１つに対応する入射角度で、方向付けるステップであって、前記レーザビーム焦線は、前記材料内で誘発吸収を生成し、前記誘発吸収は、前記材料内で前記レーザビーム焦線に沿って欠陥ラインを生じさせるステップ；
（ｂ）前記材料および前記レーザビームを互いに対して平行移動させ、それにより、前記Ｎ個の平面のうちの前記１つの平面に沿って前記複数の欠陥ラインを形成するステップ；および
（ｃ）前記Ｎ個の平面のそれぞれに対して（ａ）および（ｂ）を繰り返すステップ
を含む、ステップ
を含むことを特徴とする、材料をレーザ加工する方法。
【０１０６】
実施形態３
パルスレーザビームをレーザビーム焦線内に集束させるステップ；
前記レーザビーム焦線を前記工作物へ、前記工作物に対してある入射角度で方向付けるステップであって、前記入射角度は、前記工作物のエッジと交差し、前記レーザビーム焦線は、前記工作物内で誘発吸収を生成し、前記誘発吸収は、前記工作物内で前記レーザビーム焦線に沿って欠陥ラインを生じさせるステップ；
前記工作物および前記レーザビームを互いに対して平行移動させ、それにより、前記工作物内で前記角度にある平面に沿って複数の欠陥ラインを形成するステップ；および
前記工作物にイオン交換プロセスを行うことによって、前記平面に沿って前記工作物を分離するステップ
を含むことを特徴とする、工作物をレーザ加工する方法。
【０１０７】
実施形態４
パルスレーザビームをレーザビーム焦線内に集束させるステップ；
前記レーザビーム焦線を材料内へ方向付けるステップであって、前記レーザビーム焦線は、前記材料内で誘発吸収を生成し、前記誘発吸収は、前記材料内で前記レーザビーム焦線に沿って欠陥ラインを生じさせるステップ；
前記材料および前記レーザビームを互いに対してある輪郭に沿って平行移動させ、それにより、前記材料内で、前記輪郭に沿って複数の欠陥ラインを形成し、前記輪郭は、前記材料から分離される部分の周囲を描いているステップ；
前記材料から前記部分を分離するステップ；
分離された部分の第１の面取り済エッジを規定する第１の条片を剥離するために、集束赤外線レーザを、前記分離された部分内へ、前記部分の第１の表面にあるエッジに隣接するラインに沿って、方向付けるステップ；および
前記分離された部分の第２の面取り済エッジを規定する第２の条片を剥離するために、前記集束赤外線レーザを、前記分離された部分内へ、前記部分の第２の表面にある前記エッジに隣接するラインに沿って、方向付けるステップ
を含むことを特徴とする、レーザ加工方法。
【０１０８】
実施形態５
前記レーザビーム焦線を前記材料へ、前記材料に対して第１の入射角度で方向付ける前記ステップは、前記材料の第１の表面に方向付けられ、および前記レーザビーム焦線を前記材料へ、前記材料に対して第２の入射角度で方向付ける前記ステップは、前記材料の第２の表面に方向付けられることを特徴とする、実施形態１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【０１０９】
実施形態６
前記材料が前記第１の平面および前記第２の平面に沿って分離して、面取り済エッジを画成することを特徴とする、実施形態１に記載の方法。
【０１１０】
実施形態７
前記第１の平面および前記第２の平面がそれぞれ、前記材料内に犠牲エッジを画成することを特徴とする、実施形態１に記載の方法。
【０１１１】
実施形態８
赤外線（ＩＲ）レーザビームを、前記材料内で前記第１の角度にある前記第１の平面に沿った前記複数の欠陥ラインにわたって方向付けること；および
前記赤外線レーザビームを、前記材料内で前記第２の角度にある前記第２の平面に沿った前記複数の欠陥ラインにわたって方向付けること
によって熱応力を生じることによって、前記第１の平面および前記第２の平面に沿って前記材料を分離するステップをさらに含むことを特徴とする、実施形態１に記載の方法。
【０１１２】
実施形態９
前記ＩＲレーザビームがＣＯ２レーザビームであることを特徴とする、実施形態４または８に記載の方法。
【０１１３】
実施形態１０
前記ＩＲレーザビームがデフォーカスされていることを特徴とする、実施形態４または８に記載の方法。
【０１１４】
実施形態１１
前記材料にイオン交換プロセスを行うことによって、前記複数の欠陥ラインに沿って前記材料を分離するステップをさらに含むことを特徴とする、実施形態１または２に記載の方法。
【０１１５】
実施形態１２
前記レーザビーム焦線を前記材料内へ、前記材料に対して第３の入射角度で方向付けるステップであって、前記レーザビーム焦線は、前記材料内で誘発吸収を生成し、前記誘発吸収は、前記材料内で前記レーザビーム焦線に沿って欠陥ラインを生じさせるステップ；および
前記材料および前記レーザビームを互いに対して平行移動させ、それにより、前記材料内で前記第３の角度にある第３の平面に沿って複数の欠陥ラインを形成するステップ；
をさらに含み、
前記第１の平面、第２の平面、および第３の平面のうちの少なくとも２つが交差していることを特徴とする、実施形態１に記載の方法。
【０１１６】
実施形態１３
前記材料が、前記第１の平面、前記第２の平面、および前記第３の平面に沿って分離して、面取り済エッジを画成することを特徴とする、実施形態１２に記載の方法。
【０１１７】
実施形態１４
前記第１の平面、前記第２の平面、および前記第３の平面がそれぞれ、前記材料内に犠牲エッジを画成することを特徴とする、実施形態１２に記載の方法。
【０１１８】
実施形態１５
赤外線レーザビームを、前記材料内で前記第１の角度にある前記第１の平面に沿った前記複数の欠陥ラインにわたって方向付けること；
前記赤外線レーザビームを、前記材料内で前記第２の角度にある前記第２の平面に沿った前記複数の欠陥ラインにわたって方向付けること；および
前記赤外線レーザビームを、前記材料内で前記第３の角度にある前記第３の平面に沿った前記複数の欠陥ラインにわたって方向付けること
によって、前記材料を前記第１の平面、前記第２の平面、および前記第３の平面に沿って分離するステップをさらに含むことを特徴とする、実施形態１２に記載の方法。
【０１１９】
実施形態１６
前記赤外線レーザビームがデフォーカスＣＯ２レーザビームであることを特徴とする、実施形態１５に記載の方法。
【０１２０】
実施形態１７
前記材料にイオン交換プロセスを行うことによって、前記材料を前記第１の平面、前記第２の平面、および前記第３の平面に沿って分離するステップをさらに含むことを特徴とする、実施形態１２に記載の方法。
【０１２１】
実施形態１８
前記第１の角度、第２の角度、および第３の角度のうちの１つの角度が、前記材料の表面に対して垂直であることを特徴とする、実施形態１２に記載の方法。
【０１２２】
実施形態１９
前記パルスレーザビームのパルス持続期間が約１ピコ秒超〜約１００ピコ秒未満の範囲にあることを特徴とする、実施形態１〜１８のいずれか１項に記載の方法。
【０１２３】
実施形態２０
前記レーザの繰り返し率が約１ｋＨｚ〜２ＭＨｚの範囲にあることを特徴とする、実施形態１〜１９のいずれか１項に記載の方法。
【０１２４】
実施形態２１
前記材料で測定された前記パルスレーザビームの平均レーザ出力が、材料の厚さ１ｍｍ当たり４０μＪを上回ることを特徴とする、実施形態１〜２０のいずれか１項に記載の方法。
【０１２５】
実施形態２２
前記パルスが、約１ナノ秒〜約５０ナノ秒の範囲の持続期間だけ分離された少なくとも２つのパルスのバーストにおいて生成され、および前記バースト繰り返し周波数が約１ｋＨｚ〜約６５０ｋＨｚの範囲にあることを特徴とする、実施形態１〜２１のいずれか１項に記載の方法。
【０１２６】
実施形態２３
前記パルスが、約２０ナノ秒の持続期間だけ分離されていることを特徴とする、実施形態１〜２２のいずれか１項に記載の方法。
【０１２７】
実施形態２４
前記レーザビーム焦線の長さが約０．１ｍｍ〜約１００ｍｍの範囲にあることを特徴とする、実施形態１〜２３のいずれか１項に記載の方法。
【０１２８】
実施形態２５
前記レーザビーム焦線の平均スポット直径が約０．１μｍ〜約５μｍの範囲にあることを特徴とする、実施形態１〜２４のいずれか１項に記載の方法。
【０１２９】
実施形態２６
前記パルスレーザビームが、ある波長を有し、および前記材料が前記波長において実質的に透明であることを特徴とする、実施形態１〜２５のいずれか１項に記載の方法。
【０１３０】
実施形態２７
前記レーザビーム焦線の長さが約０．１ｍｍ〜約１ｍｍの範囲にあることを特徴とする、実施形態１〜２６のいずれか１項に記載の方法。
【０１３１】
実施形態２８
実施形態１〜２７のいずれか１項に記載の方法によって準備されることを特徴とする、ガラス物品。
【０１３２】
実施形態２９
少なくとも２５０μｍ延在する複数の欠陥ラインを有する少なくとも１つの面取り済エッジを含み、前記欠陥ラインはそれぞれ、約５μｍ以下の直径を有することを特徴とする、ガラス物品。
【０１３３】
実施形態３０
化学的に強化されたガラスを含むことを特徴とする、実施形態２９に記載のガラス物品。
【０１３４】
実施形態３１
非強化ガラスを含むことを特徴とする、実施形態２９に記載のガラス物品。
【０１３５】
実施形態３２
前記面取り済エッジのＲａ表面粗さが約０．５μｍ未満であることを特徴とする、実施形態２９に記載のガラス物品。
【０１３６】
実施形態３３
前記面取り済エッジの、ある深さまでの表面下損傷が、約７５μｍ以下であることを特徴とする、実施形態２９に記載のガラス物品。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
0006629207.tif 000007
【図３Ｂ−１】
0006629207.tif 000008
【図３Ｂ−２】
0006629207.tif 000009
【図３Ｂ−３】
0006629207.tif 000010
【図３Ｂ−４】
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【図４】
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【図５Ａ】
0006629207.tif 000013
【図５Ｂ】
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【図６】
0006629207.tif 000015
【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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