(57)【要約】  本発明は、ワークピースを用意し、外表面の領域で複数の自由電子を生成し、ワークピース上にレーザエネルギーを照射することにより第１の領域に隣接するワークピースの部分を加工する方法、及びこの方法を実施するための装置である。
2015533654.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外表面を有するワークピースを用意し、
前記外表面の第１の領域で複数の自由電子を生成し、
前記ワークピース上にレーザエネルギーを照射することにより、前記第１の領域に隣接する前記ワークピースの部分を加工する、
方法。
【請求項２】
外表面を有するワークピースを用意し、
前記外表面の第１の領域で欠損を生成し、
前記ワークピース上にレーザエネルギーを照射することにより、前記第１の領域に隣接する前記ワークピースの部分を加工する、
方法。
【請求項３】
前記ワークピースはセラミックである、請求項１の方法。
【請求項４】
前記ワークピースは半導体である、請求項１の方法。
【請求項５】
前記ワークピースは金属又は金属合金である、請求項１の方法。
【請求項６】
前記ワークピースはガラスである、請求項１の方法。
【請求項７】
前記ガラスは非強化ガラスである、請求項６の方法。
【請求項８】
前記ガラスは強化ガラスである、請求項６の方法。
【請求項９】
前記外表面前記第１の領域には、６９ＭＰａよりも大きな圧縮応力が作用している、請求項１の方法。
【請求項１０】
前記圧縮応力は１００ＭＰａよりも大きい、請求項９の方法。
【請求項１１】
前記圧縮応力は５００ＭＰａよりも大きい、請求項１０の方法。
【請求項１２】
前記圧縮応力は７００ＭＰａよりも大きい、請求項１１の方法。
【請求項１３】
前記圧縮応力は１ＧＰａよりも大きい、請求項１２の方法。
【請求項１４】
ワークピースは、前記外表面の前記第１の領域から前記ワークピースの内部に延びる圧縮応力領域を含み、前記圧縮応力領域の厚さは２０μｍよりも大きい、請求項１の方法。
【請求項１５】
前記圧縮応力領域の厚さは４０μｍよりも大きい、請求項１４の方法。
【請求項１６】
前記圧縮応力領域の厚さは５０μｍよりも大きい、請求項１５の方法。
【請求項１９】
前記圧縮応力領域の厚さは１００μｍよりも大きい、請求項１６の方法。
【請求項２０】
前記生成の際に、前記外表面の前記第１の領域の少なくとも一部の組成を変える、請求項１の方法。
【請求項２１】
前記生成の際に、前記外表面の前記第１の領域の少なくとも一部の表面形態を変える、請求項１の方法。
【請求項２２】
前記表面形態を変える際に、前記外表面の前記第１の領域の少なくとも一部の内部に１以上のクラックを形成する、請求項２１の方法。
【請求項２３】
前記表面形態を変える際に、前記外表面の前記第１の領域の少なくとも一部の表面粗さを変える、請求項２２の方法。
【請求項２４】
前記表面粗さを変える際に、前記外表面の前記第１の領域の少なくとも一部の表面粗さを増やす、請求項２３の方法。
【請求項２５】
前記表面形態を変える際に、前記外表面の前記第１の領域の少なくとも一部を化学的にエッチングする、請求項２４の方法。
【請求項２６】
前記表面形態を変える際に、前記外表面の前記第１の領域の少なくとも一部をスパッタエッチングする、請求項２３の方法。
【請求項２７】
前記表面形態を変える際に、前記外表面の前記第１の領域の少なくとも一部を機械的に研磨する、請求項２３の方法。
【請求項２８】
前記表面形態を変える際に、前記外表面の前記第１の領域にエネルギービームを照射する、請求項２３の方法。
【請求項２９】
前記エネルギービームは電子ビームである、請求項２８の方法。
【請求項３０】
前記エネルギービームはレーザビームである、請求項２９の方法。
【請求項３１】
さらに、前記レーザビームが前記外表面の前記第１の領域で前記ワークピースに入射するように前記レーザビームを前記ワークピース上に照射する、請求項３２の方法。
【請求項３２】
さらに、前記レーザビームが前記外表面の第２の領域で前記ワークピースに入射し、その後前記ワークピース中を伝搬して前記第１の領域に入射するように前記レーザビームを前記ワークピース上に照射する、請求項３０の方法。
【請求項３３】
前記ワークピースの前記部分を加工する際に、さらに、前記ワークピースの複数の部分から材料を除去して前記ワークピース内に複数の特徴部を形成し、前記特徴部は、前記ワークピースの前記部分の間の材料によって互いに離間されている、請求項１の方法。
【請求項３４】
前記レーザエネルギーを照射する際に、前記ワークピースが少なくとも実質的に透明となる波長を有する少なくとも１つのレーザパルスを前記ワークピースに照射する、請求項１の方法。
【請求項３５】
前記少なくとも１つのレーザパルスは、１０フェムト秒（ｆｓ）から５００ナノ秒（ｎｓ）の範囲のパルス持続時間を有する、請求項３４の方法。
【請求項３６】
前記少なくとも１つのレーザパルスは、１ピコ秒（ｐｓ）から１００ナノ秒（ｎｓ）の範囲のパルス持続時間を有する、請求項３５の方法。
【請求項３７】
前記少なくとも１つのレーザパルスは、１ナノ秒（ｎｓ）から５０ｎｓの範囲のパルス持続時間を有する、請求項３６の方法。
【請求項３８】
前記少なくとも１つのレーザパルスは、２０ナノ秒（ｎｓ）未満のパルス持続時間を有する、請求項３６の方法。
【請求項３９】
前記少なくとも１つのレーザパルスは、約１０ナノ秒（ｎｓ）のパルス持続時間を有する、請求項３６の方法。
【請求項４０】
さらに、
前記第１の領域から離間した前記外部の第２の領域で複数の自由電子を生成するか又は欠損を生成し、
前記ワークピース上にレーザエネルギーを照射することにより、前記第２の領域に隣接する前記ワークピースの一部を加工する、
請求項１の方法。
【請求項４１】
さらに、先行する請求項のいずれかで述べた前記第１の領域の生成方法と同じ方法又は異なる方法で前記第２の領域を生成する、請求項４０の方法。
【請求項４２】
前記生成の際に、前記外表面の前記第１の領域をドナー体に隣接して配置し、
前記ドナー体からドナー材料を除去し、
前記除去したドナー材料を前記ワークピースに導入する、
請求項１の方法。
【請求項４３】
前記ドナー体に前記エネルギービームを照射する際に、前記エネルギービームを前記ワークピースに透過させた後に前記ドナー体に照射する、請求項４２の方法。
【請求項４４】
前記ドナー体が前記外表面の前記第１の領域に当接する、請求項４２の方法。
【請求項４５】
外表面を有するワークピースを用意し、
前記外表面の第１の領域を粗くし、
前記ワークピース上にレーザエネルギーを照射することにより前記第１の領域に隣接する前記ワークピースの部分を加工する、
方法。
【請求項４６】
外表面を有するワークピースを用意し、
前記外表面の一部に改善領域を形成し、
前記ワークピース上にレーザエネルギーを照射することにより前記第１の領域に隣接する前記ワークピースの部分を加工し、
前記改善領域は、前記ワークピースの前記部分により前記レーザエネルギーの非線形吸収を促進するように構成されている、
方法。
【請求項４７】
請求項１に記載された方法により形成されたワークピースを備えた製造物。
【請求項４８】
前記請求項のいずれかに記載されたワークピースを支持するように構成されたワークピース支持システムと、
前記ワークピース支持システムによって支持されるワークピース上にレーザエネルギーのビームを照射するように構成されたレーザシステムと、
前記レーザシステム及び前記ワークピース支持システムの少なくとも一方に連結されたコントローラと、
を備え、前記コントローラは、
前記請求項のいずれかに記載された方法を行うように前記レーザシステム及び前記ワークピース支持システムの前記少なくとも一方を制御するための命令を実行するように構成されたプロセッサと、
前記命令を格納するように構成されたメモリと、
を備えた、
装置。
【請求項４９】
前記請求項のいずれかに記載されたワークピースを支持するように構成されたワークピース支持システムと、
改善領域を形成するように構成された加工前改善システムと、
前記ワークピース支持システムによって支持されるワークピース上にレーザエネルギーのビームを照射するように構成されたレーザシステムと、
前記レーザシステム及び前記ワークピース支持システムの少なくとも一方に連結されたコントローラと、
を備え、前記コントローラは、
前記請求項のいずれかに記載された方法を行うように前記レーザシステム、前記加工前改善システム、及び前記ワークピース支持システムの前記少なくとも１つを制御するための命令を実行するように構成されたプロセッサと、
前記命令を格納するように構成されたメモリと、
を備えた、
装置。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、２０１２年９月２５日に提出された米国特許仮出願第６１／７０５，５５９号及び２０１２年９月２４日に提出された米国仮出願第６１／７０５，０３８号の利益を主張する米国通常出願である。これらの米国仮出願はその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【背景】
【０００２】
本発明の実施形態は、概して、ワークピースを加工するための方法及び装置に関するものであり、特にレーザでワークピースを確実かつ一貫して加工するための方法に関するものである。
【０００３】
レーザを使って非線形吸収プロセスにより透明な材料を加工する際には、材料の初期段階の加工が不揃いになるときがある。この初期段階の加工の不揃いにより、切断プロファイルが粗くなったり、加工された特徴部に向かって材料の中心が突出したり、特徴部がデブリで詰まったり、加工時にワークピースに割れが生じてしまったりすることもある。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１Ａ】図１Ａは、次に続くワークピースの加工を容易にするために加工された部分を含む外表面を有するワークピースの上面図を示すものである。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａに示されるワークピースのIB−IB線に沿った断面図を示すものである。
【図２】図２から図４は、加工前改善プロセスの例示的な実施形態を示すものである。
【図３】図２から図４は、加工前改善プロセスの例示的な実施形態を示すものである。
【図４】図２から図４は、加工前改善プロセスの例示的な実施形態を示すものである。
【図５】図５から図８は、図３に示されるような加工前改善プロセスを行った後に図１Ａ及び図１Ｂに示されるワークピース内に特徴部を加工する方法の一実施形態を示すものである。
【図６】図５から図８は、図３に示されるような加工前改善プロセスを行った後に図１Ａ及び図１Ｂに示されるワークピース内に特徴部を加工する方法の一実施形態を示すものである。
【図７】図５から図８は、図３に示されるような加工前改善プロセスを行った後に図１Ａ及び図１Ｂに示されるワークピース内に特徴部を加工する方法の一実施形態を示すものである。
【図８】図５から図８は、図３に示されるような加工前改善プロセスを行った後に図１Ａ及び図１Ｂに示されるワークピース内に特徴部を加工する方法の一実施形態を示すものである。
【図９】図９は、ある実施形態において、ワークピースの外表面の加工されている特徴部と加工された領域との間の空間的な関係を例示的に示すものである。
【図１０】図１０は、一実施形態において、ワークピースを加工する例示的な装置を示すものである。
【図示された実施形態の詳細な説明】
【０００５】
以下、本発明の実施形態の例が示されている添付図面を参照しつつ本発明の実施形態をより完全に説明する。しかしながら、これらの実施形態を多くの異なる形態で実施してもよく、これらの実施形態を本明細書で述べた実施形態に限定して解釈すべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が完全かつすべてを含むものであって、本発明の範囲を当業者に十分に伝えるように提供されるものである。図面においては、理解しやすいように、層や領域、構成要素などのサイズや相対的なサイズが誇張されている場合がある。特に示している場合を除き、値の範囲が記載されているときは、その範囲は、その範囲の上限と下限の間にあるサブレンジだけではなく、その上限及び下限を含むものである。
【０００６】
図１Ａ及び図１Ｂを参照すると、ワークピース１００は、第１の主表面領域１０２と、第１の主表面領域１０２とは反対側の第２の主表面領域１０４と、第１の主表面領域１０２から第２の主表面領域１０４に延びる１以上の側面領域とを有する外表面を含んでいる。図示された実施形態においては、第１の主表面領域１０２と第２の主表面領域１０４とはともに実質的に平坦であり、互いに平行である。したがって、第１の主表面領域１０２から第２の主表面領域１０４までの距離をワークピース１００の厚さｔとして定義することができる。一実施形態においては、ワークピース１００の厚さは、２００μｍから１０ｍｍまでの範囲にある。しかしながら、他の実施形態においては、ワークピース１００の厚さは、２００μｍよりも薄くてもよいし、１０ｍｍよりも厚くてもよい。さらに他の実施形態においては、第１の主表面領域１０２と第２の主表面領域１０４とが実質的に平坦でなくてもよく、あるいは互いに平行でなくてもよく、あるいは実質的に平坦でも互いに平行でなくてもよい。
【０００７】
一般的に、ワークピース１００は、コランダム、セラミック、半導体、金属又は金属合金、ガラス、ガラスセラミックなどなど、又はこれらの組み合わせのような硬質光学材料から構成されている。ワークピース１００を構成し得るセラミック材料の例としては、アルミナ、ベリリア、ジルコニアなど、又はこれらの組み合わせが挙げられる。ワークピース１００を構成し得る半導体材料の例としては、IV族元素又は化合物半導体（例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコン−ゲルマニウム、シリコンカーバイドなど、又はこれらの組み合わせ）、III−Ｖ族化合物半導体、II−Ｖ族化合物半導体、Ｉ−VII族化合物半導体、IV−VI族化合物半導体、半導体酸化物など、又はこれらの組み合わせが挙げられる。ワークピース１００を構成し得る金属及び金属合金の例としては、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼など、又はこれらの合金、又は他のこれらの組み合わせが挙げられる。ワークピース１００を構成し得るガラスの例としては、ソーダ石灰ガラス、硼珪酸ガラス、アルミノ珪酸ガラス、アルミノ硼珪酸ガラス、アルミノ珪酸ナトリウムガラス、アルミノ珪酸カルシウムガラス、リン酸ガラス、フッ化物ガラス、カルコゲナイドガラス、バルク金属ガラスなど、又はこれらの組み合わせが挙げられる。
【０００８】
一実施形態においては、ワークピース１００は、強化されていなかったり、熱的に強化されていたり、化学的に強化されていたり、類似のことがなされていたりするガラス（例えば、ソーダ石灰ガラス、硼珪酸ガラス、アルミノ珪酸ガラス、アルミノ硼珪酸ガラス、アルミノ珪酸ナトリウムガラス、アルミノ珪酸カルシウムガラスなど）からなる板、シート、基板などである。ガラスワークピースが強化されている場合には、第１の主表面領域１０２と第２の主表面領域１０４のそれぞれには圧縮応力が作用し、ガラスのシートの内部の領域は、第１の主表面領域１０２及び第２の主表面領域１０４での表面圧縮応力を補償するために引っ張られているとなる。このように、強化ガラスシートは、第１の主表面領域１０２から第２の主表面領域１０４に延びて引っ張り領域１０８ｃのような中央の引っ張り領域（すなわち、ガラスが引っ張り状態にある領域）により分離される圧縮領域１０８ａ及び１０８ｂのような１対の圧縮領域（すなわち、ガラスが圧縮状態にある領域）を含むものとして特徴付けることができる。圧縮領域１０８ａ又は１０８ｂの厚さは、「層の深さ」（ＤＯＬ）として知られる。
【０００９】
一般的に、第１の主表面領域１０２及び第２の主表面領域１０４のそれぞれにおける表面圧縮応力は、６９ＭＰａから１ＧＰａの範囲となり得る。しかしながら、他の実施形態において、第１の主表面領域１０２又は第２の主表面領域１０４のいずれかにおける表面圧縮応力は、６９ＭＰａより小さくてもよいし、あるいは１ＧＰａよりも大きくてもよい。一般的に、ＤＯＬは２０μｍから１００μｍの範囲になり得る。しかしながら、他の実施形態において、ＤＯＬは、２０μｍよりも小さくてもよいし、あるいは１００μｍよりも大きくてもよい。引っ張り領域内のシートの最大引っ張り応力は、以下の式により決定することができる。
【数１】
2015533654.tif 000003
ここで、ＣＳは上述した第１の主表面領域１０２及び第２の主表面領域１０４での表面圧縮応力であり、ｔはガラスシートの厚さ（ミリメートル（ｍｍ）で表現される）であり、ＤＯＬは圧縮領域の層の深さ（ｍｍで表現される）であり、ＣＴはガラスシート内の最大中央引っ張り応力（ＭＰａで表現される）である。
【００１０】
本発明の実施形態により加工可能なワークピース１００について例示的に述べたが、次に、ワークピース１００の加工の実施形態の例を説明する。これらの方法を行う際に、（例えば、レーザエネルギーをワークピース１００上に照射することにより）ワークピース１００を確実に繰り返しレーザ加工して非貫通孔、開口部、スロット、クラックなど（本明細書において総称して「特徴部」という）のような特徴部を形成することができる。しかしながら、一般的に、ワークピース１００が少なくとも実質的に透明となるような波長のレーザ光を用いてワークピース１００をレーザ加工することができる。このように、レーザ光とワークピース１００の材料とのレーザ加工中の相互作用は、典型的には、ワークピース材料によるレーザエネルギーの非線形吸収を伴うものとして特徴付けられる。
【００１１】
図１Ａ及び図１Ｂを参照すると、ワークピース１００に対するその後のレーザ加工を容易にするように構成された加工前改善プロセスがまずワークピース１００に対して行われる。一実施形態においては、この加工前改善プロセスは、レーザ加工プロセスを初期化する際にワークピース１００に照射されるレーザエネルギーの非線形吸収の均一性を向上することによって、ワークピース１００に対するその後のレーザ加工を容易にするものである。１回以上の加工前改善プロセスを行う際に、ワークピース１００の外表面の一部に改善領域１０６が形成される。改善領域１０６が第１の主表面領域１０２の一部のみを占めているように示されているが、改善領域１０６が第１の主表面領域１０２のすべてを占めてもよく、さらにいずれかの側面領域だけでなく第２の主表面領域１０４の全部又は一部を占めていてもよいことは理解できよう。図１Ａ及び図１Ｂは１つの改善領域１０６のみを示しているが、任意の数の別個の改善領域１０６を設けてもよいことは理解できよう。
【００１２】
加工前改善プロセスでは、ワークピース１００の外表面のある領域に（例えば、外面の改善領域１０６に）自由電子を生成してもよいし、外表面の改善領域１０６内に欠損を生成してもよいし、改善領域１０６内の外表面の少なくとも一部の組成を変えてもよいし、改善領域１０６内の外表面の少なくとも一部の表面形態を変えてもよいし、これと類似のことを行ってもよいし、あるいはこれらを組み合わせて行ってもよい。行うべき特定の加工前改善プロセスの選択とこの選択された加工前改善プロセスの特性は、改善領域１０６内の材料及びその後に所望の特徴部を形成するために使用されるレーザ加工プロセスの特性に依存することは理解できよう。
【００１３】
一実施形態においては、ワークピース１００の外表面又は内部１０８に陰イオン（原子又は分子）を導入することにより上述した加工前改善プロセスのいずれかの１つ以上を行ってもよい。例えばイオン注入、（例えば、液体や気体からの）拡散など、又はこれらの組み合わせをはじめとする任意の好適な方法によりこれらのイオンを導入することができる。
【００１４】
一実施形態においては、ワークピース１００の外表面内に１以上のクラックを形成したり、ワークピース１００の外表面の少なくとも一部を化学的にエッチングしたり、ワークピース１００の外表面の少なくとも一部をスパッタエッチングしたり、ワークピース１００の外表面の少なくとも一部を機械的に研磨したり、これと類似のことを行ったり、あるいはこれらを組み合わせて行ったりすることにより、ワークピース１００の表面形態を変えてもよい。例えば、改善領域１０６の内部又はその近傍で（例えば、カッティングブレードやスクライビングブレードを用いて）ワークピース１００の外表面に機械的に衝撃を与えたり、改善領域１０６の内部又はその近傍で熱的に誘起された引っ張り応力及び／又は圧縮応力を生成したり、ワークピース１００に曲げモーメントや他の物理的な応力を印加したり、改善領域１０６内又はその近傍にレーザ誘起による光学的絶縁破壊の領域を生成したり、これと類似のことを行ったり、あるいはこれらを組み合わせて行ったりすることにより、１以上のクラックを形成してもよい。他の例においては、化学エッチングは、使用される特定のエッチャントが改善領域１０６を形成する材料や表面形態の所望の変化に依存し得るウェットエッチングプロセス、ドライエッチングプロセスなど、又はこれらの組み合わせを伴うものであってもよい。ワークピース１００が非強化ガラス又は強化ガラスからなる実施形態においては、エッチャントは、フッ化水素酸、ＨＮＡ（フッ化水素酸／硝酸／酢酸）など、又はこれらの組み合わせを含み得る。他の例においては、スパッタエッチングは、（不活性又は反応性のいずれか）加速イオンとワークピース１００との間で運動量移動を伴う任意のエッチングプロセスであってもよい。他の例においては、機械的研磨は、スカッフィング、スクラッチング、摩耗、表面損傷（marring）、擦り落とし（rubbing away）、ブラスト処理（例えば、湿式ブラスト処理、ビードブラスト処理、ドライアイスブラスト処理、ブリストルブラスト処理（bristle blasting）など、又はこれらの組み合わせ）など、又はこれらの組み合わせを伴うものであってもよい。
【００１５】
他の実施形態においては、エネルギービームを外表面の少なくとも一部に照射することによりワークピース１００の外表面の少なくとも一部の表面形態を変えてもよい。この実施形態により照射可能なエネルギービームの例としては、電子ビーム、イオンビーム、レーザビームなど、又はこれらの組み合わせが挙げられる。
【００１６】
適用される特定のプロセスによっては、ワークピース１００の外表面の少なくとも一部の表面形態を変える際に、ワークピース１００の外表面の少なくとも一部の表面粗さを所望の程度に上げてもよい。その後のレーザ加工を容易にするのために必要とされる粗さもワークピース１００を構成する材料、加工される特定の特徴部、レーザ加工プロセスの特性など、又はこれらの組み合わせに依存していることは理解できよう。例えば、ワークピースが非強化ソーダ石灰ガラスからなる実施形態においては、改善領域１０６の表面粗さＲａ（avg）の値が２．０μｍから９．０μｍの範囲にあることが好ましいか、あるいは表面粗さＲｑ（rms）の値が４．０μｍから１１．０μｍの範囲にあることが好ましい。もちろん、改善領域１０６に対するＲａの値及びＲｑの値は、必要に応じてそれぞれ９．００μｍや１１．００μｍよりも高くてもよい。本発明者等による実験の結果によれば、改善領域１０６の表面粗さが高くなればなるほどレーザ加工された特徴部の品質が高くなる傾向があることが示された。一般的に、レーザ加工された比較的高品質の特徴部では、そのレーザ加工による特徴部を囲むワークピース１００の外表面における表面チップ（surface chip）が、レーザ加工による比較的低品質の特徴部よりも相対的に少なくて小さいか、あるいは少ないか小さくなる（例えば、平均のサイズが４０μｍ未満、３０μｍ未満、又は２０μｍ未満）。
【００１７】
ワークピースが強化ガラス又は非強化ガラスからなる実施形態においては、加工前改善プロセス中に改善領域１０６を形成するためにレーザビームを使用する場合には、所望の一貫した表面粗さを有するように改善領域１０６を形成することができる。レーザビームが１０12Ｗ／ｃｍ2を超える強度のレーザエネルギーでワークピース１００の外表面上のスポットを照射するようにレーザビームのパラメータを選択及び制御することができる。一般的に、必要に応じて、改善領域１０６内の表面粗さを均一にするために、波長、パルス持続時間、パルス繰り返し率、パワー、スポットサイズ、スキャン速度などのレーザビームのパラメータを選択及び制御することができる。レーザビームの波長は、１００ｎｍから３０００ｎｍの範囲内（例えば、３５５ｎｍ、５３２ｎｍ、１０６４ｎｍなど、又はこれらの組み合わせ）にあり得る。レーザビームのパルス持続時間は、１ｎｓ（又は約１ｎｓ未満）であり得る。一実施形態においては、レーザビームのパルス持続時間は、１００ｐｓ未満であり得る。他の実施形態においては、レーザビームのパルス持続時間が１０ｐｓから１５ｐｓの範囲にあり得る。レーザビームのパルス繰り返し率は、３０ｋＨｚから１ＭＨｚの範囲にあり得る。一実施形態においては、レーザビームのパルス繰り返し率は、３０ｋＨｚから５００ｋＨｚの範囲にあり得る。さらに他の実施形態においては、レーザビームのパルス繰り返し率は２００ｋＨｚであり得る。レーザビームのスポットサイズは、３μｍから５０μｍの範囲にあり得る。一実施形態においては、レーザビームのスポットサイズが７μｍであり得る。パルス繰り返し率及びスポットサイズに応じて、レーザビームの平均パワーは０．５Ｗから７５Ｗの範囲にあり得る。一実施形態においては、レーザビームの平均パワーは２Ｗであり得る。平均パワー及びスポットサイズに応じて、レーザビームのスキャン速度は１００ｍｍ／ｓから５０００ｍｍ／ｓの範囲にあり得る。一実施形態においては、レーザビームのスキャン速度は１４０ｍｍ／ｓであり得る。スポットサイズの約５０％から約７０％の範囲のピッチでレーザビームをワークピースの外表面に照射するように上述したレーザビームパラメータのうちの１つ以上のパラメータを選択及び制御することができる。
【００１８】
加工前改善プロセスを行う様々な実施形態について例示的に述べてきたが、次に、例示的な加工前改善プロセスについて図２及び図４を参照して説明する。
【００１９】
図２を参照すると、一実施形態によれば、矢印２０２により示される方向に沿ってレーザシステム（図示せず）からレーザビーム２００をワークピース１００の外表面上に照射することにより、加工前改善プロセスを行うことができる。図示された実施形態においては、レーザビーム２００が改善領域１０６で第１の主表面領域１０２に当たるようにワークピース１００がレーザシステム（図示せず）に対して方向付けられる。レーザビーム２００により照射されるワークピース表面の表面粗さを変える（例えば増やす）のに十分なピーク強度を有するレーザエネルギーでレーザビーム２００が第１の主表面領域１０２の一部のスポットに照射されるように、第１の主表面領域１０２又はその上方に（例えば、ワークピース１００の外側に位置するように）位置するビームウェスト２０４でレーザビーム２００を集束させてもよい。これにより、改善領域１０６内に粗面２０４が生成される。この粗面が確実に所望の表面粗さを有するように加工前改善プロセスのパラメータを制御することができる。一実施形態においては、スポットを改善領域１０６内でワークピース１００の外表面に沿って移動させるために、レーザビーム２００をスキャンしてもよく、これに加えて／あるいはワークピース１００を平行移動してもよい。
【００２０】
実施形態の一例においては、非強化ソーダ石灰ガラスの一片をワークピースとし、緑色光の１０ｎｓパルスのレーザ２００を第１の主表面１０２に照射することにより上述した加工前改善プロセスを行った。得られた粗面の表面粗さの値は、８．５μｍ（Ｒａ）と１０．６μｍ（Ｒｑ）であった
【００２１】
図３を参照すると、図２に関して例示的に述べたように、他の実施形態に係る加工前改善プロセスを行うことができる。しかしながら、図３に示される実施形態においては、レーザビーム２００がまず第１の主表面領域１０２に当たった後に、ワークピース１００を透過するように（例えば、矢印２０２により示される方向に沿って）レーザビーム２００をワークピース１００上に照射してもよい。図示された実施形態においては、レーザビーム２００により照射されるワークピース表面の表面粗さを変える（例えば増やす）のに十分なピーク強度を有するレーザエネルギーでレーザビーム２００が第２の主表面領域１０４の一部のスポットに照射されるように、第２の主表面領域１０４又はその下方に（例えば、ワークピース１００の外側に位置するように）位置するビームウェスト２０４でレーザビーム２００を集束する。これにより、第２の主表面領域１０４に位置する改善領域１０６内に粗面２０４が生成される。
【００２２】
図４を参照すると、図３に関して述べたのと同様の方法で他の実施形態に係る加工前改善プロセスを行うことができる。しかしながら、図４に示される実施形態では、（例えば、ドナー体４００のドナー面４０２が第２の主表面領域１０４に当接するように）ドナー体４００を第２の主表面領域１０４に隣接して配置してもよい。しかしながら、他の実施形態においては、ドナー面４０２が第２の主表面領域１０４から（例えば、１ｍｍの距離だけ）離間するようにドナー体４００を第２の主表面領域１０４に隣接して配置してもよい。一実施形態においては、ドナー体４００は金属体であり、アルミニウムなどの金属、アルミニウム合金のような金属合金、ステンレス鋼など、又はこれらの組み合わせを含み得る。
【００２３】
レーザビーム２００がまず第１の主表面領域１０２に当たった後に、ワークピース１００を透過し、第２の主表面領域１０４を透過してドナー体４００に当たるように（例えば、矢印２０２により示される方向に沿って）レーザビーム２００をワークピース１００上に照射してもよい。ドナー体４００からドナー材料（例えば、電子、原子、分子、粒子など）をアブレートしたり、気化したり、イオン化したり、沸騰させたり、噴出させたり、解放したり、あるいは除去したりするのに十分なレーザフルエンス及び／又はピーク強度を有するレーザエネルギーでレーザビーム２００がドナー体４００の一部のスポットに照射されるように、第２の主表面領域１０４又はその下方に（例えば、ワークピース１００の外側に位置するように）位置するビームウェスト２０４でレーザビーム２００を集束してもよい。一実施形態においては、除去されたドナー材料がワークピース１００の外表面の第２の主表面領域１０４で改善領域１０６に衝突したり、打ち込まれたり、拡散されたり、あるいは導入されたりするように、ドナー材料の除去が実現される。第２の主表面領域１０４でドナー材料を改善領域１０６に導入する際に、上述した加工前改善プロセスのうちの１つ以上のプロセス又はすべてのプロセス（例えば、改善領域１０６で自由電子を生成したり、改善領域１０６内で欠損を生成したり、改善領域１０６内で外表面の少なくとも一部の組成を変えたり、改善領域１０６内で外表面の少なくとも一部の表面形態を変えたりするなど）を行ってもよい。
【００２４】
上述した実施形態のうち１以上の実施形態に係る加工前改善プロセスを行った後、改善領域１０６に隣接するワークピース１００の内部１０８の一部を加工する（例えば、クラックを入れる、除去するなど、又はこれらの組み合わせ）ようにレーザエネルギーをワークピース１００上に照射することにより（例えば、レーザ加工プロセスで）ワークピース１００を加工してもよい。一実施形態においては、ワークピース１００の内部１０８の一部が除去されて、貫通孔や非貫通孔など、又はこれらの組み合わせが形成される。
【００２５】
一実施形態においては、ワークピース１００のレーザ加工において、レーザエネルギーを（例えば、１以上のレーザパルスからなるビームの形態で）ワークピース１００上に照射することができる。ビーム内のレーザエネルギーは、ワークピース１００が少なくとも実質的に透明となる波長を有し得る。１以上のパルスを照射して、ワークピース１００によりレーザエネルギーの非線形吸収を促進するのに十分なレーザフルエンス及び／又はピーク強度を有するレーザエネルギーで、加工前改善プロセス中に形成された改善領域１０６のスポットを照射することができる。一実施形態においては、非線形吸収には、ワークピース１００によるレーザエネルギーのアバランシェ効果による吸収が含まれる。一実施形態においては、レーザ加工中にワークピース１００に照射された１以上のレーザパルスのパルス持続時間は１０ｆｓから５００ｎｓの範囲で、少なくとも１つの波長は１００ｎｍから３０００ｎｍの範囲にあり得る。一般的に、レーザ加工中にワークピース１００に照射される１以上のレーザパルスのパルス持続時間は、加工前改善プロセス中に照射されるレーザビームの少なくとも１つのレーザパルスのパルス持続時間と同一であるか、あるいは異なっている。同様に、レーザ加工中にワークピース１００に照射される１以上のレーザパルスの波長は、加工前改善プロセス中に照射されるレーザビームの少なくとも１つのレーザパルスの波長と同一であるか、あるいは異なっている。ある特定の実施形態においては、レーザ加工中にワークピース１００に照射される１以上のレーザパルスは、１０ｎｓのパルス持続時間と緑色光の波長（例えば、約５２３ｎｍ、５３２ｎｍ、５４３ｎｍなど、又はこれらの組み合わせ）を有し得る。一実施形態においては、複数のパルスを有するビームとしてレーザ加工プロセス中にワークピース１００上にレーザエネルギーが照射され、それらのパルスのうちの少なくとも１つのパルス持続時間は、他のパルスのうちの少なくとも１つのパルス持続時間と同一であるか、あるいは異なっていてもよい。
【００２６】
ワークピース１００をレーザ加工する様々な実施形態について例示的に述べてきたが、次に、ワークピース１００の例示的なレーザ加工方法について図５から図８を参照して説明する。
【００２７】
図５を参照すると、図３に関して述べた加工前改善プロセスが既になされたワークピース１００を用意し、レーザエネルギーを（例えば、少なくとも１つのレーザパルスからなるビーム５００の形態で）レーザシステム（図示せず）から矢印５０２により示される方向に沿ってワークピース１００上に照射し得る。図示された実施形態においては、ビーム５００がまず第１の主表面領域１０２に当たった後、ワークピース１００を透過するようにワークピース１００がレーザシステムに対して方向付けられる。図示された実施形態においては、改善領域１０６でのワークピース１００によるレーザエネルギーの非線形吸収を促進するのに十分なレーザフルエンス及び／又はピーク強度を有するレーザエネルギーでビーム５００が改善領域１０６（図３参照）のスポットに照射されるように、第２の主表面領域１０４又はその下方に（例えば、ワークピース１００の外側に位置するように）位置するビームウェスト５０４でレーザビーム５００が集束される。
【００２８】
レーザエネルギーの非線形吸収を促進する際に、ワークピース１００の外表面で改善領域１０６に隣接するワークピース１００の部分をレーザ加工（例えば、クラックを形成したり、除去したりなど、又はこれらの組み合わせ）してもよい。しかしながら、図示の例では、改善領域１０６に隣接するワークピース１００の部分が除去されて前段階特徴部５０４が形成される。一実施形態においては、前段階特徴部５０４が確実に所望の形状を有するようにスポットを改善領域１０６内でワークピース１００の外表面に沿って移動させるために、ビーム５００をスキャンしてもよく、これに加えて／あるいはワークピース１００を平行移動してもよい。
【００２９】
前段階特徴部５０４を形成した後、ビームウェスト５０４を矢印５０６により示される方向に沿って前段階特徴部５０４の形成時に生成された新しいワークピース表面又はその下方に位置するまで移動して、新しいワークピース表面をレーザ加工するようにレーザシステムを制御してもよい。ビームウェストを移動して新しいワークピース表面をレーザ加工するプロセスを必要に応じて繰り返して非貫通孔（例えば、図６に示されるようにワークピース１００内に任意の深さｄだけ延びる非貫通孔６００）、貫通孔（例えば、図７に示されるようにワークピース１００の厚さを完全に貫通する貫通孔７００）など、又はこれらの組み合わせを形成してもよい。
【００３０】
図８に示されるように、ワークピース１００内に最終的に形成された特徴部（例えば、非貫通孔６００や貫通孔７００）は、改善領域１０６内でワークピース１００の外表面（例えば第２の主表面部１０４）と共通領域を有する開口を有していてもよい。一実施形態においては、この開口の面積は、（図示されたような）改善領域１０６の面積よりも小さいか、あるいは改善領域１０６の面積と等しくてもよい（又は実質的に等しくてもよい）。図８は、ワークピース１００がレーザ加工されてワークピース１００の外表面の改善領域１０６と共通領域を有する特徴部が１つだけ形成されているように示されているが、（例えば、図９に示されるように）複数の別個の特徴部が改善領域１０６と共通領域を有していてもよいことは理解できよう。
【００３１】
図８及び図９は、円形の改善領域１０６と共通領域を有する特徴開口部を示しているが、特徴開口部が任意の形状（例えば、楕円形、不規則形状、三角形、矩形など）をしていてもよいことは理解できよう。さらに、特徴部は、比較的小さい寸法を有し、好ましくない加工後デブリや他の未加工材料により詰まることがないようにしてもよい。
【００３２】
図５から図９は、改善領域１０６がワークピース１００の第２の主表面領域１０４に形成されているレーザ加工プロセスの実施形態を示しているが、第１の主表面領域１０２に改善領域１０６が形成されたワークピースに対して上述したレーザ加工プロセスを行うことができることは理解できよう。そのような実施形態においては、（例えば、第１の主表面領域１０２が第２の主表面領域の下方に位置するように）ワークピース１００を単に裏返して、ビーム５００が改善領域１０６に照射される前にワークピース１００中を透過するようにすることができる。さらに、米国特許出願第１３／７７９，１８３号で例示的に述べられるようなレーザ加工プロセスをワークピース１００に対して行ってもよいことも理解できよう。
【００３３】
特徴部６００又は７００のような１以上の特徴部を形成する際に、ワークピースを対象物として特徴付けることができる。ワークピース１００が強化ガラス片である場合、その対象物を電話や音楽プレーヤ、ビデオプレーヤなどの携帯型通信娯楽デバイスのようなディスプレイやタッチスクリーン用途のための保護カバープレート及び情報関連端末（ＩＴ）デバイス（例えば、携帯型コンピュータ、ラップトップコンピュータなど）のためのディスプレイスクリーン、その他の用途に用いることができるが、これに限られるものではない。
【００３４】
任意の所望の装置を用いて上記で例示的に説明した対象物を形成することができることは理解できよう。図１０は、図１Ａ〜図９に関して例示的に述べたプロセスを行うように構成された装置の一実施形態を模式的に示すものである。
【００３５】
図１０を参照すると、装置１０００のような装置は、ワークピース１００のようなワークピースを加工することができる。装置１００は、ワークピース支持システム１００２及びレーザシステム１００４を含んでいてもよい。
【００３６】
一般的に、ワークピース支持システム１００２は、第１の主表面領域１０２がレーザシステム１００４に向くようにワークピース１００を支持するように構成されている。例示的に図示されているように、ワークピース支持システム１００２は、ワークピース１００を支持するように構成されたチャック１００６のようなチャックと、チャック１００６（例えば、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向、Θ方向など、又はこれらの組み合わせ）を移動するように構成された１以上の可動ステージ（図示せず）とを含み得る。図示されているように、（例えば、第２の主表面領域１０４がチャック１００６から離れた位置となるように）チャック１００６とワークピース１００との間にサポートフレーム１００８を配置してもよい。第２の主表面領域１０４がチャック１００６からどれくらい近くに位置しているかによっては、チャック１００６が上述したドナー体４００として機能し得る。他の実施形態においては、ワークピース１００の第２の主表面領域１０４がチャック１００６に接触するようにサポートフレーム１００８をなくすことができる。そのような実施形態においては、チャック１００６は上述したドナー体４００として機能し得る。
【００３７】
一般的に、レーザシステム１００４は、ビーム５００のようなビームと必要に応じてレーザビーム２００とを光路に沿って照射するように構成されている（ビーム２０２は、ビームウェスト５０４と必要に応じて２０４に関して例示的に述べたようなビームウェストを有している）。例示的に図示されているように、レーザシステム１００４は、レーザ光ビーム１０１０ａを生成するように構成されたレーザ１０１０と、ビーム１０１０ａを集束して（ビームウェスト５０４を有する）ビーム５００を生成するように構成された光学アセンブリ１０１２と、必要に応じて（ビームウェスト２０４を有する）レーザビーム２００とを含み得る。光学アセンブリ１０１２は、レンズを含んでいてもよく、矢印１０１２ａにより示される方向に沿って移動してワークピース１００に対してビームウェストの位置を（例えば、Ｚ方向に沿って）変更できるようになっていてもよい。レーザシステム１００４は、ワークピース１００及びワークピース支持システム１００２に対して横方向にビームウェストを移動するように構成されるビームステアリングシステム１０１４をさらに含んでいてもよい。一実施形態においては、ビームステアリングシステム１０１４は、ガルバノメータ、ファーストステアリングミラー、音響光学偏向器、電気光学偏向器など、又はこれらの組み合わせを含み得る。このように、ビームウェストをワークピース１００に対してスキャンするようにビームステアリングシステム１０１４を動作させることができる。レーザシステム１００４は、レーザ１０１０を１つだけと、ビームステアリングシステム１０１４を１つだけと、光学アセンブリ１０１２を１つだけ含んでいるように示されているが、一般的な機器を使ってビーム５００及びレーザビーム２００の生成、照射、又は集束ができない場合には、レーザシステム１００４が所望の数のレーザ、ビームステアリングシステム、及び光学アセンブリを含んでいてもよいことは理解できよう。
【００３８】
装置１０００は、レーザシステム１００４の構成要素のうち１つ以上の構成要素に、あるいはワークピース支持システム１００２の構成要素のうち１つ以上の構成要素に、あるいはこれらの組み合わせに通信可能に連結されたコントローラ１０１６をさらに含んでいてもよい。コントローラ１０１６は、プロセッサ１０１８とメモリ１０２０とを含んでいてもよい。プロセッサ１０１８は、メモリ１０２０に格納された命令を実行して、図１Ａから図９に関して例示的に述べた実施形態が行われるようにレーザシステム１００４、ワークピース支持システム１００２、又はこれらの組み合わせの少なくとも１つの構成要素の動作を制御するように構成されていてもよい。
【００３９】
一実施形態においては、コントローラ１０１６は、レーザシステム１００４とワークピース支持システム１００２の一方又は双方の動作を制御して改善領域１０６を形成してもよい。他の実施形態においては、コントローラ１０１６は、ワークピース支持システム１００２と加工前改善システム１０２２のうち少なくとも１つの動作を制御して改善領域１０６を形成してもよい。
【００４０】
一実施形態においては、装置１０００内に加工前改善システム１０２２のような加工前改善システムを含めてもよい。加工前改善システム１０２２は、上述した改善領域１０６を形成するように動作可能な改善領域形成デバイス１０２４を含んでいてもよい。改善領域形成デバイス１０２４は、改善領域形成デバイス１０２４を（例えば、矢印１０２４ａ及び１０２４ｂの一方又は双方に示される方向に沿って）移動するように構成されたポジショニングアセンブリ１０２６（例えば２軸ロボット）に連結されていてもよい。改善領域形成デバイス１０２４は、上述した改善領域１０６を形成することができる装置（例えば、砥石車、カッティングブレード、レーザ源、イオン源、エッチャントノズル、冷却液ノズルなど、又はこれらの組み合わせ）を含んでいてもよい。
【００４１】
一般的に、プロセッサ１０１８は、様々な制御機能を規定する演算ロジック（図示せず）を含んでいてもよく、ハードワイヤード状態機械（hardwired state machine）のような専用ハードウェアやプログラム命令を実行するプロセッサの形態及び／又は当業者が思いつくであろう異なる形態を有していてもよい。演算ロジックは、デジタル回路、アナログ回路、ソフトウェア、又はこれらの種類のハイブリッド結合を含み得る。一実施形態においては、プロセッサ１０１８は、演算ロジックに従ってメモリ１０２０に格納された命令を実行するように構成された１以上の演算処理装置を含み得るプログラマブルマイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、又は他のプロセッサを含んでいる。メモリ１０２０は、半導体、磁気、及び／又は光学の種類のうち１以上のタイプを含んでいてもよく、加えて／あるいは、揮発性及び／又は不揮発性のものであってもよい。一実施形態においては、メモリ１０２０は、演算ロジックにより実行可能な命令を格納する。これに代えて、あるいはこれに加えて、メモリ１０２０は、演算ロジックにより操作されるデータを格納し得る。ある構成においては、演算ロジック及びメモリは、装置１０００の構成要素の動作的な側面を管理及び制御するロジックを行うコントローラ／プロセッサの形態に含まれている。他の構成においては、これらは分離され得る。
【００４２】
上記は、本発明の実施形態を例示するものであって、本発明を限定するものと解釈すべきではない。本発明のいくつかの実施形態について説明してきたが、本発明の新規な教示及び効果から大きく逸脱することなく実施形態の中で多くの修正が可能であることは、当業者であれば容易に理解できるであろう。これらの点から、上記は、本発明を例示するものであって、開示された本発明の特定の実施形態に限定されるものと解釈すべきではなく、開示された実施形態の修正は、他の実施形態とともに、添付した特許請求の範囲に含まれることを意図されていることは理解できよう。本発明は、以下の特許請求の範囲に含まれる均等物とともに、以下の特許請求の範囲により規定されるものである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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