特許 6571085 超高速レーザおよびビーム光学系を用いた透明材料の切断

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6571085

(24)【登録日】2019年8月16日

(45)【発行日】2019年9月4日

(54)【発明の名称】超高速レーザおよびビーム光学系を用いた透明材料の切断

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/382 20140101AFI20190826BHJP

   B23K 26/55 20140101ALI20190826BHJP

   B23K 26/064 20140101ALI20190826BHJP

   B28D 5/00 20060101ALI20190826BHJP

   C03B 33/09 20060101ALI20190826BHJP

【ＦＩ】

   B23K26/382

   B23K26/55

   B23K26/064 A

   B28D5/00 Z

   C03B33/09

【請求項の数】13

【全頁数】30

(21)【出願番号】特願2016-539263(P2016-539263)

(86)(22)【出願日】2014年12月15日

(65)【公表番号】特表2017-502844(P2017-502844A)

(43)【公表日】2017年1月26日

(86)【国際出願番号】US2014070275

(87)【国際公開番号】WO2015095014

(87)【国際公開日】20150625

【審査請求日】2017年12月8日

(31)【優先権主張番号】61/917,140

(32)【優先日】2013年12月17日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】62/022,888

(32)【優先日】2014年7月10日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】14/529,801

(32)【優先日】2014年10月31日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】397068274

【氏名又は名称】コーニング インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100073184

【弁理士】

【氏名又は名称】柳田 征史

(74)【代理人】

【識別番号】100090468

【弁理士】

【氏名又は名称】佐久間 剛

(72)【発明者】

【氏名】マリヤノヴィッチ，サシャ

(72)【発明者】

【氏名】ピエヒ，ギャレット アンドリュー

(72)【発明者】

【氏名】ツダ，セルジオ

(72)【発明者】

【氏名】ワグナー，ロバート スティーヴン

【審査官】 黒石 孝志

(56)【参考文献】

【文献】 特表２０１３−５３６０８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１２／０７０４９０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１０−４２４２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１３０６９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１３／１５３１９５（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２６／００ − ２６／７０

Ｂ２８Ｄ ５／００

Ｃ０３Ｂ ３３／０９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

材料にレーザ孔あけする方法であって、
約８５０ｎｍ以下の波長を有するパルスレーザビームを、ビーム伝搬方向に沿って配向されたレーザビーム焦線に集光する工程であって、当該レーザビーム焦線は、前記ビーム伝搬方向に沿って伸びる０．１ｍｍから１００ｍｍの間の範囲の長さと０．１μｍから５μｍの間の範囲の平均スポット径を有するものである、工程と、
前記レーザビーム焦線を前記材料内へと向ける工程であって、前記レーザビーム焦線が、前記材料内において誘起吸収を生じ、該誘起吸収が、前記材料内において前記レーザビーム焦線に沿って約３００ｎｍ以下の直径を有する欠陥線を生成するものである工程と
を有してなり、
前記パルスレーザビームは、１０Ｗ−１５０Ｗのレーザ出力を有し、パルスバースト当り少なくとも２パルスのパルスバーストを生成することを特徴とする方法。

【請求項2】

材料にレーザ孔あけするシステムであって、
約８５０ｎｍ以下の波長を有するパルスレーザビームを生じるよう構成されたパルスレーザと、
前記レーザのビーム経路上に配置された光学アセンブリであって、該光学アセンブリのビーム発生側において前記レーザビームをビーム伝搬方向に沿って配向し、当該ビーム伝搬方向に沿って伸びる０．１ｍｍから１００ｍｍの間の範囲の長さと０．１μｍから５μｍの間の範囲の平均スポット径を有する、レーザビーム焦線に変換するよう構成され、該光学アセンブリが、前記レーザビーム焦線を生じるよう構成された球面収差を有する集光光学素子を含み、前記レーザビーム焦線が、前記材料内において誘起吸収を生じるよう構成され、該誘起吸収が、前記材料内において前記レーザビーム焦線に沿って約３００ｎｍ以下の直径を有する欠陥線を生成する、光学アセンブリと
を備え、
前記パルスレーザビームは、１０Ｗ-１５Ｗのレーザ出力を有し、パルスバースト当り少なくとも２パルスのパルスバーストを生成する、システム。

【請求項3】

前記誘起吸収が、前記材料内において、約７５μｍ以下の深さまでの表面下損傷を生じる、請求項２記載のシステム。

【請求項4】

前記材料および前記レーザビームを互いに相対的に平行移動させることにより、前記材料内に、該材料を少なくとも２つの部分に分離するよう離間された複数の前記欠陥線を孔あけする工程を更に含む、請求項２または３に記載のシステム。

【請求項5】

前記レーザビームのパルス持続時間が約１ピコ秒より大きく且つ約１００ピコ秒未満の範囲内である、請求項２〜４のいずれか一項記載のシステム。

【請求項6】

前記光学アセンブリが、前記レーザのビーム経路上の前記集光光学素子の前に配置された環状開口部を含み、該環状開口部が、前記レーザビームの中心の１以上の光線を遮断するよう構成されており、前記レーザビームの中心の外側の周辺光線のみが前記集光光学素子に入射することにより、ビーム方向に沿って見たときに、前記パルスレーザビームの各パルスにつき単一のレーザビーム焦線のみが生じる、請求項２〜５のいずれか一項記載のシステム。

【請求項7】

前記集光光学素子が、非球面の自由表面を有する円錐プリズムである、請求項２〜５のいずれか一項記載のシステム。

【請求項8】

前記光学アセンブリがデフォーカス光学素子を更に含み、該デフォーカス光学素子が、該デフォーカス光学素子のビーム発生側における該デフォーカス光学素子から或る距離に、前記レーザビーム焦線が生じるよう配置および位置合わせされた、請求項２〜７いずれか一項記載のシステム。

【請求項9】

前記欠陥線を生成する前記工程が、０．２μｍ未満の内径を有する前記欠陥線を生成することを含む、請求項２〜８のいずれか一項記載のシステム。

【請求項10】

前記誘起吸収が、前記材料内において、約７５μｍ以下の深さまでの表面下損傷を生じる、請求項１記載の方法。

【請求項11】

前記材料および前記レーザビームを互いに相対的に平行移動させることにより、前記材料内に、該材料を少なくとも２つの部分に分離するよう離間された複数の前記欠陥線を孔あけする工程を更に含む、請求項１または１０に記載の方法。

【請求項12】

前記レーザビームのパルス持続時間が約１ピコ秒より大きく且つ約１００ピコ秒未満の範囲内である、請求項１，１０，１１のいずれか一項記載の方法。

【請求項13】

前記欠陥線を生成する前記工程が、０．２μｍ未満の内径を有する前記欠陥線を生成することを含む、請求項１，１０，１１，１２のいずれか一項記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【関連出願】

【0001】

本願は、合衆国法典第３５巻第１２０条に基づき、２０１４年７月１０日に出願された米国仮特許出願第６２／０２２８８８号および２０１３年１２月１７日に出願された米国仮特許出願第６１／９１７，１４０号による優先権を主張する２０１４年１０月３１日に出願された米国特許出願第１４／５２９８０１号による優先権を主張するものである。これらの特許出願の教示全体を参照して本明細書に組み込む。

【技術分野】

【0002】

本願は、超高速レーザを用いた透明材料の切断、およびビーム光学系に関する。

【背景技術】

【0003】

近年、最先端のデバイスのサイズ、重量、および材料コストを低減するという顧客の要求を満たすための精密微細加工およびそのプロセス開発の改善は、タッチスクリーン、タブレット、スマートホン、およびＴＶ用のフラットパネルディスプウレイの分野のハイテク産業を速いペースで発展させ、高度な精密さが必要な用途にとって、超高速工業用レーザが重要なツールとなっている。

【0004】

ガラスを切断するための様々な方法が知られている。従来のレーザガラス切断処理においては、ガラスの分離は、機械的な力または熱応力によって生じるクラック伝搬による分離を伴う、レーザによる罫書きまたは穿孔に依拠する。現行のレーザ切断技術のほぼ全ては、以下の１以上の短所を示すものである。（１）（ナノ秒台またはそれより長い）長いパルスレーザと関連づけられた大きな熱影響部（ＨＡＺ）に起因して、担体上の薄いガラスの自由形状切断を行う能力が限られている。（２）衝撃波および制御されていない材料除去に起因して、レーザ照射領域付近の表面のクラックをしばしば生じる熱応力を生じる。（３）処理により、材料の本体内へと数十マイクロメートル（またはそれ以上）延びる表面下損傷が生じ、クラック源となり得る欠陥部位が生じる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

従って、上述の問題の１以上を抑制または解消する、例えばガラス等の材料の改善されたレーザ孔あけ処理の必要性がある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

以下の実施形態は、透明材料（例えば、ガラス、サファイア等）に、孔あけおよび切断の目的で、小さい（マクロメートルおよびそれより小さい）「孔」または欠陥線を生成する方法および装置に関する。

【0007】

より具体的には、一部の実施形態によれば、１０００ｎｍ未満の波長を有するパルスレーザビームがレーザビーム焦線へと集光され、焦線は材料内へと向けられ、レーザビーム焦線は材料内において誘起吸収を生じ、誘起吸収は、材料内においてレーザビーム焦線に沿って約３００ｎｍ以下の直径を有する欠陥線を生成する。例えば、材料の本体内に直線状の焦点領域を生じるために、超短（例えば、１０^−１０〜１０^−１５秒）パルスビームが（ガウス分布を有する１０００ナノメートル（ｎｍ）未満の波長）、成形されて集光される。得られるエネルギー密度は材料変性の閾値より高く、その領域内に「欠陥線」または「孔」を生成する。これらの特徴を密に離間させることにより、材料が穿孔線に沿って（機械的または熱的に）分離され得る。一部の実施形態では、パルスレーザビームの波長は８５０ｎｍ以下であり、一部の実施形態では８００ｎｍ以下であり、一部の実施形態では６２０ｎｍ未満であり、一部の実施形態では５５２ｎｍ以下である。

【0008】

例えば、一部の実施形態によれば、例えばＴｉ：サファイアレーザによって生じるレーザビーム等の約８００ｎｍ以下（±５０ｎｍ、好ましくは±２０ｎｍ、より好ましくは±２ｎｍ）、約７７５ｎｍ以下（周波数を２倍にしたＥｒ添加ファイバレーザ）、約６００ｎｍ以下（ローダミン系染料レーザ）、および一部の実施形態では約５３２ｎｍ以下（例えば、５３２ｎｍ±２０ｎｍ、より好ましくは±２ｎｍ）の波長を有するパルスレーザビームが、レーザビーム焦線へと集光され、焦線が材料内へと向けられ、レーザビーム焦線が材料内において誘起吸収を生じ、誘起吸収が材料内においてレーザビーム焦線に沿って約３００ｎｍ以下の直径を有する欠陥線を生成する。例えば、材料の本体内に直線状の焦点領域を生じるために、ガウス分布を有する超短（例えば、１０^−１０〜１０^−１５秒）パルスビーム（約８００ｎｍ以下、７７５ｎｍ、６００ｎｍ、５３２ｎｍ、３５５ｎｍ、または２６６ｎｍ）が、成形されて集光される。得られるエネルギー密度は材料変性の閾値より高く、その領域内に「欠陥線」または「孔」を生じる。これらの特徴を密に離間させることにより、材料が穿孔線にそって（機械的または熱的に）分離され得る。

【0009】

一実施形態において、材料にレーザ孔あけする方法は、約８５０ｎｍ以下の波長を有するパルスレーザビームを、ビーム伝搬方向に沿って配向されたレーザビーム焦線に集光する工程を含み、この波長は、この波長において材料が略透明であるよう選択される。また、本方法は、レーザビーム焦線を材料内へと向ける工程であって、レーザビーム焦線が材料内において誘起吸収を生じ、誘起吸収が材料内においてレーザビーム焦線に沿って約３００ｎｍ以下の直径を有する欠陥線を生成する、工程も含む。

【0010】

誘起吸収は、材料内に約１００μｍ以下（例えば未満７５μｍ）の深さまでの表面下損傷と、約０．５μｍ以下のＲａ表面粗さとを生じ得る。表面の粗さは、例えば、Ｒａ表面粗さ統計値（サンプリングされた表面の高さの絶対値の粗さの算術的平均）によって特徴づけられ得る。

【0011】

一部の実施形態では、本方法は、材料およびレーザビームを互いに相対的に平行移動させることにより、材料内に、材料を少なくとも２つの部分に分離するよう離間された複数の欠陥線を孔あけする工程を更に含む。特定の実施形態において、レーザはパルスバーストレーザであり、レーザバーストの繰り返し率（即ち、バースト繰り返し率）は約１０ｋＨｚ〜２０００ｋＨｚの範囲内（例えば１００ｋＨｚ、２００ｋＨｚ、３００ｋＨｚ、４００ｋＨｚ、５００ｋＨｚ、１０００ｋＨｚ、または１５００ｋＨｚ等）であり得る。一部の実施形態では、レーザビームは、約７７５ｎｍ以下、約６００ｎｍ以下、または約５３２ｎｍ以下の波長を有する。一部の実施形態では、レーザのパルスバースト内の個々のパルスのパルス持続時間は、約５ピコ秒〜約１００ピコ秒の範囲内（例えば１０、２０、３０、４０、５０、６０、７５、８０、９０、１００ピコ秒、またはそれらの間）であり得る。

【0012】

パルスレーザは、隣接するパルスが約１ナノ秒〜約５０ナノ秒の範囲内（より好ましくは１５〜３０ナノ秒の範囲内）の持続時間だけ分離された少なくとも２パルス／バーストのバーストとして生じるパルスを発するよう構成され得るものであり、バースト繰り返し周波数は約１ｋＨｚ〜約５００ｋＨｚの範囲内（好ましくは２００ｋＨｚ）である。一部の実施形態では、パルスバースト内の個々のパルスは、約２０ナノ秒の持続時間だけ分離され得る。

【0013】

特定の実施形態において、レーザビーム焦線は、約０．１ｍｍ〜約２０ｍｍの範囲内（一部の実施形態では１０ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内、例えば約０．１ｍｍ〜約８ｍｍの範囲内の長さ）の長さＬを有し得る。レーザビーム焦線は、約０．１μｍ〜約５μｍの範囲内の平均スポット径を有し得る。

【0014】

別の実施形態では、材料にレーザ孔あけするシステムは、約８５０ｎｍ以下の波長を有するパルスレーザビームを生じるよう構成されたパルスレーザを含み、この波長は、この波長において材料が略透明であるよう選択される。本システムは、レーザのビーム経路上に配置された光学アセンブリであって、光学アセンブリのビーム発生側において、レーザビームを、ビーム伝搬方向に沿って配向されたレーザビーム焦線に変換するよう構成され、光学アセンブリが、レーザビーム焦線を生じるよう構成された球面収差を有する集光光学素子を含む、光学アセンブリを更に含む。レーザビーム焦線は、材料内において、誘起吸収を生じるよう構成され得るものであり、誘起吸収は、材料内においてレーザビーム焦線に沿って約３００ｎｍ以下の直径を有する欠陥線を生成する。

【0015】

一部の実施形態では、レーザビームは、約７７５ｎｍ以下、約６００ｎｍ以下、または約５３２ｎｍ以下の波長を有する。誘起吸収は、材料内に約７５μｍ以下（例えば約４０μｍ以下等）の深さまでの表面下損傷と、約０．８μｍ以下のＲａ表面粗さおよび約０．９μｍ以下のＲＭＳ表面粗さとを生じ得る。光学アセンブリは、レーザのビーム経路上の集光光学素子の前に配置された環状開口部であって、該環状開口部が、レーザビームの中心の１以上の光線を遮断するよう構成されており、レーザビームの中心の外側の周辺光線のみが集光光学素子に入射することにより、パルスレーザビームの各パルスにつき、ビーム方向に沿って配向された単一のレーザビーム焦線のみが生じる、環状開口部を含み得る。集光光学素子は、球面にカットされた凸レンズであり得る。或いは、集光光学素子は、非球面の自由表面を有する円錐プリズム（例えばアキシコン等）であり得る。

【0016】

一部の実施形態では、光学アセンブリは、デフォーカス光学素子を更に含んでもよく、デフォーカス光学素子は、デフォーカス光学素子のビーム発生側におけるデフォーカス光学素子から或る距離に、レーザビーム焦線が生じるよう配置および位置合わせされる。或いは、光学アセンブリは、第２の集光光学素子を更に含んでもよく、２つの集光光学素子は、第２の集光光学素子のビーム発生側における第２の集光光学素子から或る距離に、レーザビーム焦線が生じるよう配置および位置合わせされる。パルスレーザは、少なくとも２つのパルス（例えば、少なくとも３つのパルス、少なくとも４つのパルス、少なくとも５つのパルス、少なくとも１０個のパルス、少なくとも１５個のパルス、少なくとも２０個のパルス、またはそれ以上等）のバーストとして生成されるパルスを発するよう構成され得る。バースト内のパルスは、約１ナノ秒〜約５０ナノ秒の範囲内（例えば１０〜３０ナノ秒、例えば約２０ナノ秒等）の持続時間だけ分離され、バースト繰り返し周波数は、約１ｋＨｚ〜約２ＭＨｚの範囲内（例えば、約１００ｋＨｚ、約２００ｋＨｚ、約３００ｋＨｚ、約４００ｋＨｚ、約５００ｋＨｚ、約１ＭＨｚ、または約１．５ＭＨｚ等のバースト繰り返し周波数）であり得る。（バースト、またはパルスバーストの生成とは、パルスの発光が均一且つ安定した流れではなく、パルスの密集したクラスタである、１つのタイプのレーザ動作である。）ガラスはレーザビームに対して相対移動され（またはレーザビームがガラスに対して相対的に平行移動され）、任意の所望の部品の形状をトレースする穿孔線を生成する。パルスバーストレーザビームは、その波長において材料が略透明であるよう選択された波長を有し得る。焦線の長さが約１ｍｍであり、５３２ｎｍのピコ秒レーザが、ガラス組成物において測定された約２Ｗ以上の出力を２０ｋＨｚのバースト繰り返し率で生じる場合（約１００μＪ／バースト）、焦線領域における光学強度は、ガラス組成物内において非線形吸収を生じるのに十分に高いものとなる。材料において測定された平均レーザ出力／バーストは、材料の厚さ１ｍｍ当たり４０μＪより大きい（例えば４０μＪ／ｍｍ〜２５００μＪ／ｍｍ、または５００〜２２５０μＪ／ｍｍ）ものであり得る。例えば、厚さ０．４ｍｍの製品コード２３２０ガラス（米国ニューヨーク州コーニングに所在するコーニング社から入手可能）についてはガラスを切断および分離するために、１００μＪのパルスバーストが用いられ得る（これは、２５０μＪ／ｍｍの例示的な範囲を与える）。レーザビーム焦線は、０．１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内の長さと、０．１μｍ〜５μｍの範囲内の平均スポット径とを有し得る。

【0017】

別の実施形態において、材料にレーザ孔あけする方法は、８５０ｎｍ未満の波長を有するパルスレーザビームを、ビーム伝搬方向に沿って配向されたレーザビーム焦線へと集光する工程を含む。本方法は、レーザビーム焦線を材料内へと向ける工程であって、レーザビーム焦線が材料内において誘起吸収を生じ、誘起吸収が、材料内においてレーザビーム焦線に沿って０．５μｍ未満の内径を有する欠陥線を生成する、工程も含む。一部の実施形態では、欠陥線を生成する工程は、０．４μｍ未満の内径を有する欠陥線を生成することを含む。一部の実施形態では、欠陥線を生成する工程は、０．３μｍ未満または０．２μｍ未満の内径を有する欠陥線を生成することを更に含む。

【0018】

これらの実施形態は、従来技術のレーザ孔あけ方法と比較して、例えば、約８５０ｎｍ以下、好ましくは約５３２ｎｍ以下のレーザ波長に起因するより少ない表面下損傷、より少ない表面デブリ、より少ない付着デブリ、およびより低い熱的相互作用等の多くの長所を有する。薄いガラスのレーザ溶発切断は、低い出力およびパルスエネルギーに起因して遅い処理速度を示すが、溶発領域付近でクラックが生じないこと、自由形状の成形、および焦点距離を調節することによる制御可能な切断厚さを含む長所を有する。フラットパネルディスプレイにとっては、そのようなガラス基体は、たとえ応力が中心に加えられても、ほぼ常にエッジから壊れるので、ガラス基体中においてエッジのクラックおよび残存エッジ応力が回避されることが重要である。超高速レーザの高いピーク出力を、調整されたビーム送出と組み合わせて、コールドアブレーション切断を用いることにより、測定可能な熱作用を生じずに、これらの問題を回避できる。超高速レーザによるレーザ切断は、本質的に、ガラス内に残存応力を生じない。

【0019】

上記は、添付の図面に示されている例示的な複数の実施形態の以下のより具体的な説明から明らかとなり、図面中、類似の参照文字は、複数の異なる図面を通して同じ部分を参照する。図面は必ずしも縮尺通りではなく、むしろ、実施形態を説明する際に強調され得る。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】幾つかの原子の原子番号の関数としての電離エネルギーのグラフ

【図2A】レーザビーム焦線の配置、即ち、レーザ波長に対して透明な材料の加工を示す図

【図2B】レーザビーム焦線の配置、即ち、レーザ波長に対して透明な材料の加工を示す図

【図3A】一実施形態によるレーザ孔あけのための光学アセンブリを示す図

【図3B-1】基体に対するレーザビーム焦線の異なる配置による基体の加工の様々な可能性を示す図

【図3B-2】基体に対するレーザビーム焦線の異なる配置による基体の加工の様々な可能性を示す図

【図3B-3】基体に対するレーザビーム焦線の異なる配置による基体の加工の様々な可能性を示す図

【図3B-4】基体に対するレーザビーム焦線の異なる配置による基体の加工の様々な可能性を示す図

【図4】一部の実施形態によるレーザ孔あけのための第２の光学アセンブリを示す図

【図5A】一部の実施形態によるレーザ孔あけのための第３の光学アセンブリを示す図

【図5B】一部の実施形態によるレーザ孔あけのための第３の光学アセンブリを示す図

【図6】一部の実施形態によるレーザ孔あけのための第４の光学アセンブリの模式図

【図7A】１以上のパルスを含み得るパルス「バースト」によって各発光が特徴づけられる、ピコ秒レーザの時間の関数としてのレーザ発光のグラフ

【図7B】各例示的なパルスバーストが３つのパルスを有する例示的なパルスバースト内のレーザパルスの時間に対する相対強度を模式的に示す

【図7C】各例示的なパルスバーストが５つのパルスを有する例示的なパルスバースト内のレーザパルスの時間に対する相対強度を模式的に示す

【図8】真空固定具上のコーニング社の２３２０Ｇｏｒｉｌｌａ（登録商標）ガラスのサンプルの写真

【図9】コーニング社の２３２０「Ｇｏｒｉｌｌａ」ガラスについての、圧縮下レーザ（laser-in-compression：ＬＩＣ）および張力下レーザ（laser-in-tension：ＬＩＴ）を用いた応力試験の結果を示す、応力の関数としての破損確率のグラフ

【図10】様々な切断面の倍率２０倍の複数の写真

【図11-1】図１１Ａおよび図１１Ｂは、代表的なＺｙｇｏによる走査のスクリーンショット（各条件につき合計５回の走査を収集した）を示し、図１１Ｂは、ＳＴ２強度部分条件のＺｙｇｏによる走査のスクリーンショットを示す

【図11-2】図１１Ｃおよび図１１Ｄは、代表的なＺｙｇｏによる走査のスクリーンショット（各条件につき合計５回の走査を収集した）を示す

【図12】図１２Ａ〜図１２Ｃは、５３２ｎｍの処理を用いて得られたエッジの断面を、１０６４ｎｍの処理を用いて得られた基準エッジの断面（図１２Ｂ）と比較したＳＥＭ顕微鏡写真である

【図13】１０６４ｎｍの処理を用いて設けられた基準エッジ（図１３Ａ）と、５３２ｎｍの処理を用いて設けられたエッジ（図１３Ｂ）とを比較したＳＥＭ顕微鏡写真

【図14A】コーニング社の２３２０「Ｇｏｒｉｌｌａ」ガラスについての、１０６４ｎｍの処理を用いて分離されたエッジに関する、圧縮下レーザ（laser-in-compression：ＬＩＣ）および張力下レーザ（laser-in-tension：ＬＩＴ）を用いた応力試験の結果を示す、応力の関数としての破損確率のグラフ

【図14B】コーニング社の２３２０「Ｇｏｒｉｌｌａ」ガラスについての、５３２ｎｍの処理を用いて分離されたエッジに関する、圧縮下レーザ（laser-in-compression：ＬＩＣ）および張力下レーザ（laser-in-tension：ＬＩＴ）を用いた応力試験の結果を示す、応力の関数としての破損確率のグラフ

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、例示的な実施形態を説明する。

【0022】

本明細書において開示するのは、透明材料内に高度に精密な切通し部を光学的に生成するための、表面下損傷が低くデブリの発生が低い方法または処理、および装置である。更に、光学系を思慮深く選択することにより、積み重ねられた透明材料の個々の層を選択的に切断することも可能である。

【0023】

ビーム送出光学系と併せて、適切なレーザ源および波長を選択することによって、表面下損傷および表面デブリを抑制した、薄いガラスの微細加工および切断が達成される。レーザ源は、透明材料の本体内の「直線状の」焦点領域を照射するビーム送出と併せた、１ナノ秒より短い持続時間のパルスを供給する超高速レーザシステムで構成される。「直線状の」焦点領域に沿ったエネルギー密度は、そのゾーン内の材料を分離するのに必要なエネルギーより大きい必要がある。これには、高エネルギーパルスレーザ源の使用が必要である。

【0024】

更に、波長の選択が重要である。分子結合が強い材料ほど、より短い波長（即ち、１０００ｎｍ未満、例えば８５０ｎｍ、８２０ｎｍ、８００ｎｍ、７７５ｎｍ、６００ｎｍ、５３２ｎｍ、３５５ｎｍ、または２６６ｎｍ等）を用いた際に、より「良好な」分離を示す。また、より短い波長が密に集光されるほど、焦点領域内の体積エネルギー密度が高くなる。

【0025】

従って、単一の高エネルギーバーストパルスを用いて、透明材料内に顕微鏡的な（即ち、直径が＜０．５μｍ且つ＞１００ｎｍの）細長い「孔」（本明細書においては穿孔または欠陥線とも称する）を生成することが可能である。これらの個々の穿孔は、数百キロヘルツ（例えば１秒当たり数十万個の穿孔）の速度で生成できる。従って、レーザ源と材料とを相対移動させることにより、これらの穿孔を互いに隣接させて配置できる（空間的分離は所望に応じて１マイクロメートル未満から数マイクロメートルまで様々である）。この空間的分離（ピッチ）は、切断を容易にするよう選択される。

【0026】

一部の実施形態では、欠陥線は、透明材料の上部から底部まで延びる孔または開いたチャネルである“貫通孔”である。一部の実施形態では、欠陥線は連続したチャネルでなくてもよく、固体材料（例えば、ガラス）の部分によって塞がれていても、または部分的に塞がれていてもよい。本明細書において定義する欠陥線の内径とは、開いたチャネルまたは気孔の内径である。例えば、本明細書に記載される実施形態において、欠陥線の内径は＜５００ｎｍ（例えば≦４００ｎｍ、≦３００ｎｍ、または≦２００ｎｍ）である。本明細書において開示される実施形態において、孔の周囲の材料の破壊または変性された（例えば、圧縮、溶融、または別様で変化させられた）領域は、＜５０μｍ（例えば、＜０．１０μｍ）の直径を有するのが好ましい。

【0027】

レーザ源の選択は、透明材料内において多光子吸収（ＭＰＡ）を生じる能力に基づいて予測される。ＭＰＡは、１つの状態（通常は接地状態）からより高いエネルギーの電子状態（電離）へと分子を励起するための、同一または異なる周波数の２以上の光子の同時吸収である。これに関与する、分子のより低い状態とより高い状態との間のエネルギー差は、２つの光子のエネルギーの合計に等しい。ＭＰＡは誘起吸収とも称され、線形吸収より数桁弱い三次のプロセスである。これは、誘起吸収の強度が光の強度の二乗に依存するという点で、線形吸収とは異なり、従って、これは非線形の光学プロセスである。

【0028】

従って、レーザは、透明材料内において対象の長さにわたってＭＰＡを刺激するのに十分なパルスエネルギーを発生する必要がある。この用途には、各パルスにつき約５０μＪ以上のエネルギーの５３２ｎｍ（またはより短い波長）の光パルスを発生できるレーザが必要である。光学素子は、以下で説明すると共に、２０１３年１月１５日に出願された米国特許出願第６１／７５２，４８９号明細書に記載されているように（その内容の全体を参照して、本明細書において完全に述べられているかのごとく、本明細書に組み込む）、透明材料の本体内においてレーザビーム焦線を生じるよう選択される。次に、パルスエネルギーは成形されて、直線状の焦点領域へと集光され、約１００μＪ／ｍｍの最小エネルギー／長さを生じる。焦点領域内（例えば、約０．５ｍｍ）におけるエネルギー密度は、電離を生じるのに十分高い。５３２ｎｍの波長における光子は、約２．３ｅＶのエネルギーを有する。原子レベルでは、図１に示されるように、個々の原子の電離は個別のエネルギー要件を有する。ガラスで一般的に用いられている幾つかの元素（例えば、Ｓｉ、Ｎａ、Ｋ）は、比較的低い電離エネルギー（約５ｅＶ）を有する。ＭＰＡの現象が生じないと、５ｅＶで線形電離を生じるには約２４８ｎｍの波長が必要となる。ＭＰＡが生じると、これらの結合は焦点領域において選択的に電離され、隣接する分子から分離される。この分子結合における「分裂」は、その領域から材料を除去する（穿孔することにより欠陥線を生成する）非熱的溶発を生じ得る。これは、（ナノ秒単位で測定される時間的に密に離間された）高エネルギーのピコ秒パルスの単一の「バースト」を用いて達成され得る。これらの「バースト」は、高いバースト繰り返し率（例えば、数百ｋＨｚ）で繰り返され得る。穿孔、孔、または欠陥線（本明細書においては、これらの３つの用語を区別せずに用いる）は、基体の相対速度を制御することによって離間できる。例えば、穿孔は、一般的に、０．５〜１５マイクロメートル（例えば、２〜１２マイクロメートル、または５〜１０マイクロメートル）離間される。一例として、２００ｍｍ／秒で移動して１００ｋＨｚの一続きのパルスに露出される薄い透明基体においては、穿孔は２マイクロメートル離間される。この離間ピッチは、機械的または熱的分離を可能にするのに十分である。なお、レーザ波長が５３２ｎｍである場合には、生じるデブリは、約５０マイクロメートルの長さの「切断」に対して局所的な領域に堆積し、デブリは表面に軽く付着する。デブリの粒子サイズは典型的には約５００ｎｍ未満である。

【0029】

欠陥線の内径（開いた気孔の直径）（典型的には約３００ｎｍ未満）は、後述するアッベの回折限界と一致する。

【0030】

図２Ａおよび図２Ｂに移ると、材料にレーザで孔をあける方法は、パルスレーザビーム２を、ビーム伝搬方向に沿って配向されたレーザビーム焦線２ｂ内に集光することを含む。図３に示されているように、レーザ３（図示せず）は、光学アセンブリ６の、光学アセンブリ６に入射する２ａで参照されるビーム入射側において、レーザビーム２を発する。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定められた範囲（焦線の長さｌ）にわたる出力側の広範囲のレーザビーム焦線２ｂ内に向ける。加工される平面状の基体１は、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る光学アセンブリの後のビーム経路内に配置される。参照符号１ａは、光学アセンブリ６またはレーザ側を向いた平面状の基体の表面を示し、参照符号１ｂは、基体１の通常は平行に離間されている反対側の表面を示す。（平面１ａおよび１ｂに対して垂直、即ち、基体平面に対して垂直に測定された）基体の厚さは、ｄでラベリングされている。

【0031】

図２Ａに示されているように、基体１は、ビームの縦軸に対して略垂直に位置合わせされ、従って、光学アセンブリ６によって生じる同焦線２ｂの後方に位置合わせされ（基体は図面の平面に対して垂直である）、ビーム方向に沿って配向されており、ビーム方向に見たときに焦線２ｂが基体の表面１ａより前で開始し基体の表面１ｂより前で止まるよう、即ち、依然として基体内にあるよう、焦線２ｂに対して配置される。このレーザビーム焦線２ｂが基体１と重なる領域内、即ち、焦線２ｂによってカバーされる基体材料内では、（長さｌの部分、即ち、長さｌの線焦点上にレーザビーム２を集光することによって確保される、レーザビーム焦線２ｂに沿った適切なレーザ強度である場合、）広範囲のレーザビーム焦線２ｂは、ビームの縦方向に沿って見たときに広範囲の部分２ｃを生じ、これに沿って基体材料内で誘起吸収が生じ、誘起吸収は、基体材料内において部分２ｃに沿って欠陥線またはクラックを形成させる。クラックの形成は局所的のみならず、誘起吸収の広範囲の部分２ｃの全長にわたる。部分２ｃの長さ（即ち、レーザビーム焦線２ｂが基体１と重なる長さ）は、参照符号Ｌでラベリングされている。誘起吸収の部分の平均直径または平均範囲（または基体１の材料内のクラックの形成を受ける部分）は、参照符号Ｄでラベリングされている。この平均範囲Ｄは、基本的に、レーザビーム焦線２ｂの約０．１μｍ〜約５μｍの範囲内の平均直径δ、即ち平均スポット径に対応する。

【0032】

図２Ａに示されているように、レーザビーム２の波長λに対して透明な基体材料は、焦線２ｂに沿った誘起吸収により加熱される。図２Ｂは、加熱された材料が最終的に膨張し、それに対応して生じた、表面１ａにおいて最も高い張力が、微細クラックの形成につながるという概要を示す。

【0033】

焦線２ｂを生じるために適用され得る具体的な光学アセンブリ６、および、これらの光学アセンブリが適用され得る具体的な光学設定を以下に説明する。全てのアセンブリまたは設定は、上記説明に基づくものであり、機能が等しい同一の構成要素または特徴には同一の参照符号が用いられる。従って、以下では違いのみを説明する。

【0034】

最終的に分離を生じる分離面は、（破壊強度、幾何学的精密さ、粗さ、および再加工の必要性の回避に関して）高品質である、または高品質でなければならないので、分離線５に沿って基体表面に配置された個々の焦線は、以下に述べる光学アセンブリを用いて生成されるべきである（以下、光学アセンブリをレーザ光学系とも称する）。粗さは、特に、焦線のスポットサイズまたはスポット径から生じる。例えば、レーザ３の所与の波長λの場合において、０．５μｍ〜２μｍの低いスポット径を達成するには（基体１の材料との相互作用）、通常、レーザ光学系６の開口数に対して特定の要件が課されなければならない。これらの要件は、以下に説明するレーザ光学系６によって満たされる。

【0035】

必要な開口数を達成するために、光学系は、一方で、公知のアッベ式（Ｎ．Ａ．＝ｎ ｓｉｎ（θ）（ここで、ｎは加工されるガラスの屈折率であり、θは開口角の半分であり、θ＝ａｒｃｔａｎ（Ｄ／２ｆ）であり、Ｄは開口であり、ｆは焦点距離である））に従った、所与の焦点距離に必要な開口を設けなければならない。他方で、レーザビームは、光学系を必要な開口まで照射しなければならず、これは、典型的にはレーザと集光光学系との間で拡大望遠鏡を用いてビームを広げることによって達成される。

【0036】

スポット径は、焦線に沿った均一な相互作用の目的で、過剰に強く変化すべきでない。これは、例えば、ビーム開口、およびそれに従って開口数の割合の変化が僅かになるよう、小さい円形領域のみにおいて集光光学系を照射することによって確実にすることができる（以下の実施形態を参照）。

【0037】

図３Ａによれば（レーザ放射２のレーザビーム光束における中心ビームの位置において基体平面に対して垂直な部分、ここでもレーザビーム２は基体平面に垂直に入射し、即ち角度βは０°であり、焦線２ｂまたは誘起吸収の広範囲の部分２ｃは基体の垂線に対して平行となる）、レーザ３によって発せられたレーザ放射２ａは、まず、用いられるレーザ放射に対して完全に不透明な円形の開口部８に向けられる。開口部８はビームの縦軸に対して垂直に配向され、図示されているビーム光束２ａの中心ビームに中心合わせされる。開口部８の直径は、ビーム光束２ａの中心付近のビーム光束、即ち中心ビーム（ここでは２ａＺでラベリングされている）が開口部に当たって、開口部によって完全に吸収されるように選択される。ビーム光束２ａの外周範囲内のビーム（ここでは２ａＲでラベリングされている周辺光線）のみは、ビーム径と比べて小さい開口部サイズに起因して吸収されないが、開口部８を横方向に通過して、光学アセンブリ６の、ここでは球面にカットされた両凸レンズ７として設計されている集光光学要素の周辺領域に当たる。

【0038】

中心ビームに中心合わせされたレンズ７は、一般的な球面にカットされたレンズの形態である補正されていない両凸集光レンズとして意図的に設計されている。換言すれば、このようなレンズの球面収差が意図的に用いられている。その代わりに、理想的な焦点を形成せず、定められた長さのはっきりと細長い焦線を形成する、理想的に補正された系から逸脱した非球面レンズ系または多レンズ系（即ち、単一の焦点を持たないレンズまたは系）も用いることができる。従って、レンズの各ゾーンは、レンズの中心からの距離の影響を受け、焦線２ｂに沿って集光される。ビーム方向を横断する開口部８の直径は、ビーム光束の直径（１／ｅまでの減少に対する範囲によって定められるビーム光束径）の約９０％であり、光学アセンブリ６のレンズの直径の約７５％である。従って、中心のビーム光束を遮断することによって生じる、収差補正されていない球面レンズ７の焦線２ｂが用いられる。図３Ａは、中心ビームを通る１つの平面における断面を示しており、図示されているビームが焦線２ｂ周りに回転されると、完全な三次元光束を見ることができる。

【0039】

この焦線の１つの短所は、焦線に沿って（従って、材料内の所望の深さに沿って）条件（スポット径、レーザ強度）が変化することであり、従って、所望のタイプの相互作用（溶融を生じず、誘起吸収、クラック形成までの熱可塑的変形）は、焦線の一部のみに選択され得ることである。これは、ひいては、所望の方法で吸収されるのは入射レーザ光の一部のみである可能性があることを意味する。このようにして、一方では処理の効率（所望の分離速度に必要な平均レーザ出力）が損なわれ、他方ではレーザ光が望ましくないより深い位置（基体または基体保持具に付着した部分または層）へと伝達されて、そこで望ましくない方法で相互作用（加熱、拡散、吸収、望ましくない変性）し得る。

【0040】

図３Ｂ−１〜図３Ｂ−４は、（図３Ａの光学アセンブリについてだけではなく、基本的には他の任意の適用可能な光学アセンブリ６についても）レーザビーム焦線２ｂは、光学アセンブリ６を基体１に対して適切に配置および／または位置合わせすると共に、光学アセンブリ６のパラメータを適切に選択することによって異なる配置ができることを示している。図３Ｂ−１に概要を示すように、焦線２ｂの長さｌは、基体の厚さｄを超える（ここでは２倍となる）よう調節され得る。レーザビーム焦線２ｂは、例えば約０．１ｍｍ〜約１００ｍｍの範囲内、または約０．１ｍｍ〜約１０ｍｍの範囲内の長さｌを有し得る。様々な実施形態は、例えば約０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、０．５ｍｍ、０．７ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、または５ｍｍの長さｌを有するよう構成され得る。基体１が（ビームの縦方向に見て）焦線２ｂに対して中心合わせして配置される場合には、誘起吸収の広範囲の部分２ｃは基体の厚さ全体にわたって生じる。

【0041】

図３Ｂ−２に示されているケースでは、多かれ少なかれ基体の範囲ｄに対応する長さｌの焦線２ｂが生じる。基体１は線２ｂに対して、線２ｂが基体の前、即ち外側の点で開始するよう配置されるので、誘起吸収の広範囲の部分２ｃの長さＬ（ここでは基体表面から定められた基体深さまで延びているが、反対側の表面１ｂまでは延びていない）は、焦線２ｂの長さｌより小さい。図３Ｂ−３は、（ビーム方向に沿って見たときに）基体１が焦線２ｂの開始点より前に部分的に配置されているケースを示しており、ここでも、線２ｂの長さｌがｌ＞Ｌ（Ｌは、基体１内の誘起吸収の部分２ｃの範囲）に当てはまる。従って、焦線は基体内で開始し、基体を越えて反対側の表面１ｂまで延びる。最後に、図３Ｂ−４は、生成された焦線の長さｌが基体の厚さｄよりも小さいケースを示しており、入射方向に見たときに基体が焦線に対して中心合わせされて配置されるケースにおいては、焦線は基体内の表面１ａ付近で開始して、基体内の表面１ｂ付近で終わる（ｌ＝０．７５・ｄ）。

【0042】

少なくとも一つの表面１ａ、１ｂが焦線によってカバーされるよう、即ち、誘起吸収の部分２ｃが基体の少なくとも一方の表面上で開始するよう、焦線２ｂの配置を実現するのが特に有利である。このようにして、表面における溶発、毛羽立ち、および粒子発生を回避した、実質的に理想的な切断を達成することが可能になる。

【0043】

図４は、別の適用可能な光学アセンブリ６を示す。基本的な構成は図３Ａに記載されているものに従うため、以下では違いのみを説明する。図示されている光学アセンブリは、定められた長さｌの焦線が形成されるような形状の、焦線２ｂを生じるための非球面の自由表面を有する光学系の使用に基づく。この目的で、光学アセンブリ６の光学要素として非球面が用いられ得る。図４では、例えば、しばしばアキシコンとも称される、いわゆる円錐プリズムが用いられる。アキシコンは、円錐状にカットされた特殊なレンズであり、光軸に沿った線上にスポット源を構成する（または、レーザビームをリング状に変換する）。そのようなアキシコンのレイアウトは、一般的に当業者に知られており、この例では円錐角は１０°である。ここでは参照符号９でラベリングされているアキシコンの頂点は、入射方向に向けられ、ビームの中心と中心合わせされている。アキシコン９の焦線２ｂは、その内部で既に開始するので、基体１（ここではビーム主軸に対して垂直に位置合わせされている）は、ビーム経路上のアキシコン９の直後に配置され得る。図４に示されているように、アキシコンの光学特性により、基体１を、焦線２ｂの範囲から離脱せずにビーム方向に沿ってシフトさせることも可能である。従って、基体１の材料内の誘起吸収の広範囲の部分２ｃは、基体の深さｄ全体にわたって延びる。

【0044】

しかし、図示されているレイアウトは以下の制約を受ける。アキシコン９の焦線２ｂはレンズ内で既に開始するので、レンズと材料との間の距離が有限である場合に、レーザエネルギーのかなりの部分が、材料の内部に位置する焦線２ｂの部分２ｃへと集光されない。更に、焦線２ｂの長さｌは、アキシコン９の利用可能な屈折率および円錐角に対するビーム径に関係し、これが、比較的薄い材料（数ミリメートル）の場合には、合計の焦線が長過ぎて、ここでもレーザエネルギーが材料内に特定的に集光されないという効果を有する理由である。

【0045】

これが、アキシコンおよび集光レンズの両方を含む強化された光学アセンブリ６の理由である。図５Ａはそのような光学アセンブリ６を示しており、（ビーム方向に沿って見たときに、）広範囲のレーザビーム焦線２ｂを形成するよう設計された非球面の自由な表面を有する第１の光学要素が、レーザ３のビーム経路上に配置されている。図５Ａに示されているケースでは、この第１の光学要素は、５°の円錐角を有するアキシコン１０であり、ビーム方向に対して垂直に配置され、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に向けて配向されている。ここでは平凸レンズ１１である第２の集光光学要素（その曲率はアキシコンに向けて配向されている）が、ビーム方向にアキシコン１０から距離ｚ１に配置されている。このケースでは約３００ｍｍである距離Ｚ１は、アキシコン１０によって円形に形成されるレーザ放射が、レンズ１１の周辺領域に入射するように選択される。レンズ１１は、この円形放射を、出力側の距離ｚ２（このケースではレンズ１１から約２０ｍｍ）にある定められた長さ（このケースでは１．５ｍｍ）の焦線２ｂ上に集光する。ここでは、レンズ１１の実効焦点距離は２５ｍｍである。アキシコン１０によるレーザビームの円形変形は、参照符号ＳＲでラベリングされている。

【0046】

図５Ｂは、図５Ａに従った基体１の材料内における焦線２ｂまたは誘起吸収２ｃの形成を詳細に示す。両方の要素１０、１１の光学特性およびそれらの配置は、ビーム方向における焦線２ｂの範囲ｌが、基体１の厚さｄと正確に同一となるよう選択される。その結果、図５Ｂに示されているように、基体１の２つの表面１ａおよび１ｂ間に焦線２ｂを正確に配置するために、基体１のビーム方向に沿った正確な配置が必要となる。

【0047】

従って、焦線がレーザ光学系から特定の距離に形成され、レーザ放射のより大きい部分が焦線の所望の端部まで集光されれば、有利である。上述のように、これは、主たる集光要素１１（レンズ）を必要なゾーンにおいて円形にのみ照射することによって達成でき、これは、一方では、必要な開口数、およびそれに従って必要なスポット径を実現するよう働き、他方では、しかし、スポットの中心における非常に短い距離にわたる必要な焦線２ｂが基本的に円形のスポットとして形成された後には、拡散の円の強度が弱まる。このようにして、クラックの形成は、必要な基体の深さ内の短い距離以内で止まる。アキシコン１０と集光レンズ１１との組合せはこの要件を満たすものである。アキシコンには、２つの異なる作用がある。即ち、アキシコン１０により、通常は丸いレーザスポットがリングの形状で集光レンズ１１に送られ、アキシコン１０の非球面性により、レンズの焦点面内の焦点ではなく、焦点面を越えた焦線が形成され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径によって調節できる。他方、焦線に沿った開口数は、アキシコン−レンズ間の距離ｚ１およびアキシコンの円錐角によって調節できる。このようにして、全レーザエネルギーを焦線に集中させることができる。

【0048】

クラック（即ち欠陥線）の形成が、基体の発生側まで連続することが想定される場合には、円形の照射は依然として、一方では、大部分のレーザ光が焦線の必要な長さに集中されたままになるという意味で、レーザ出力が可能な限り最良の方法で用いられ、他方では、他の光学関数を用いて設定された所望の収差と併せて、円形に照射されたゾーンにより、焦線に沿って均一なスポット径を達成することが可能になり、従って、焦線に沿った均一な分離処理が可能になるという長所を有する。欠陥線１２０は、例えば、ガラス板の厚さを通して延び、本明細書に記載される例示的な実施形態では、ガラス板の主要な（平坦な）表面に対して垂直である。

【0049】

図５Ａに示されている平凸レンズの代わりに、集光メニスカスレンズ、または他のより高度に補正された集光レンズ（非球面、多レンズ系）を用いることも可能である。

【0050】

図５Ａに示されているアキシコンとレンズとの組合せを用いて非常に短い焦線２ｂを生じるために、アキシコンに入射するレーザビームの非常に小さいビーム径を選択することが必要となる。これは、アキシコンの頂点に対するビームの中心合わせを非常に正確に行わなければならず、従って、その結果はレーザの方向的なばらつきの影響を非常に受けやすい（ビームドリフト安定性）という、実用上の短所を有する。更に、厳密にコリメートされたレーザビームは非常に発散する、即ち、光の偏向に起因して、ビーム光束が短い距離でぼやける。

【0051】

図６に示されているように、別のレンズ、即ちコリメートレンズ１２を挿入することにより、両方の影響を回避することができ、この更なる正レンズ１２は、集光レンズ１１の円形照射を非常に厳密に調節する役割をする。コリメートレンズ１２の焦点距離ｆ’は、ｆ’と等しいアキシコンからコリメートレンズ１２までの距離ｚ１ａによって、所望の円の直径ｄｒが生じるよう選択される。リングの所望の幅ｂｒは、（コリメートレンズ１２から集光レンズ１１までの）距離ｚ１ｂによって調節できる。純粋な幾何学の問題として、円形照射の幅が小さいと、焦線は短くなる。最小値は、距離ｆ’において達成され得る。

【0052】

従って、図６に示されている光学アセンブリ６は、図５Ａに示されているものに基づくものであり、以下では違いのみを説明する。ここでは（ビーム方向に向いた曲率を有する）平凸レンズとして設計されているコリメートレンズ１２が、一方の側の（頂点をビーム方向に向けた）アキシコン１０と他方の側の平凸レンズ１１との間のビーム経路に中心合わせして、更に配置される。アキシコン１０からコリメートレンズ１２までの距離は参照符号ｚ１ａで示されており、コリメートレンズ１２から集光レンズ１１までの距離はｚ１ｂで示されており、集光レンズ１１から、生じた焦線２ｂまでの距離はｚ２で示されている（常にビーム方向に見た場合）。図６に示されているように、アキシコン１０によって形成される、コリメートレンズ１２に円の直径ｄｒで発散して入射する円形放射ＳＲは、集光レンズ１１において少なくともほぼ一定の円の直径ｄｒとするために、距離ｚ１ｂに沿って必要な円の線幅ｂｒに合わせて調節される。図示されているケースでは、非常に短い焦線２ｂが生じることが想定されており、レンズ１２における約４ｍｍの円の線幅ｂｒ（この例では円の直径ｄｒは２２ｍｍ）が、レンズ１２の集光特性によって、レンズ１１において約０．５ｍｍまで縮小される。

【0053】

図示されている例では、２ｍｍの典型的なレーザビーム径、焦点距離ｆ＝２５ｍｍを有する集光レンズ１１、および焦点距離ｆ’＝１５０ｍｍを有するコリメートレンズを用い、Ｚ１ａ＝Ｚ１ｂ＝１４０ｍｍおよびＺ２＝１５ｍｍを選択することによって、０．５ｍｍ未満の焦線の長さｌを達成することが可能である。

【0054】

なお、図７Ａ〜図７Ｃに示されているように、少なくとも一部の実施形態によれば、そのようなピコ秒レーザの典型的な動作は、パルス７２０の「バースト」７１０（本明細書においてはパルスバーストとも称する）を生成する。各「バースト」７１０は、非常に短い持続時間（例えば、約１０ピコ秒）の複数のパルス７２０（例えば、少なくとも２つのパルス、図７Ａ〜図７Ｂに示されているように少なくとも３つのパルス、少なくとも４つのパルス、図７Ｃに示されているように少なくとも５つのパルス、少なくとも１０個のパルス、少なくとも１５個のパルス、少なくとも２０個のパルス、またはそれ以上等）を含み得る。バースト内の各パルス７２０は、約１ナノ秒〜約５０ナノ秒の範囲内（例えば約２０ナノ秒（５０ＭＨｚ）等）の持続時間だけ、隣接するパルスから時間的に分離され、この時間はしばしばレーザキャビティの設計によって支配される。各「バースト」７１０間の時間はそれより遙かに長く、約１００ｋＨｚのレーザバースト繰り返し率については、しばしば約１０μ秒である。即ち、パルスバーストはパルスの「ポケット」であり、バーストは、各バースト内の個々の隣接するパルスの分離より長い持続時間だけ互いに分離される。正確なタイミング、パルス持続時間、およびバースト繰り返し率は、レーザ設計に応じて様々であり得るが、この技術では、高い強度の短いパルス（即ち、約１５ピコ秒未満）が良好に働くことが示されている。

【0055】

より具体的には、これらの実施形態において、パルス７２０は、典型的には１００ピコ秒まで（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）のパルス持続時間Ｔ_ｄを有する。バースト内の各パルス７２０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、バースト７１０複数のパルスの強度分布は、レーザ設計によって支配される時間的な指数関数的減衰にしばしば従う。好ましくは、本明細書に記載される例示的な実施形態のバースト７１０内の各パルス７２０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１０〜３０ナノ秒であり、この時間はレーザキャビティの設計によってしばしば支配される）の持続時間Ｔ_ｐだけ時間的に分離される。所与のレーザについて、バースト７１０内の隣接するパルス間の時間的分離Ｔ_ｐ（パルスとパルスとの間の分離）は比較的均一（±１０％）である。例えば、一部の実施形態では、バースト内の各パルスは、後続のパルスから約２０ナノ秒だけ時間的に分離される（５０ＭＨｚ）。例えば、約２０ナノ秒のパルス間分離Ｔ_ｐを生じるレーザでは、バースト内のパルス間分離Ｔ_ｐは約±１０％以内に維持される、または約±２ナノ秒である。パルスの各「バースト」間の時間（即ち、バースト間の時間的分離Ｔ_ｂ）は、それより遥かに長くなる（例えば０．２５≦Ｔ_ｂ≦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）。本明細書に記載されるレーザの例示的な一部の実施形態では、約２００ｋＨｚのバースト繰り返し率または周波数を有するレーザに対して、時間的分離Ｔ_ｂは５マイクロ秒前後である。レーザバースト繰り返し率は、バースト内の最初のパルスと後続のバースト内の最初のパルスとの間の時間として定められる。一部の実施形態では、バースト繰り返し周波数は、約１ｋＨｚ〜約４ＭＨｚの範囲内である。より好ましくは、レーザバースト繰り返し率は、例えば約１０ｋＨｚ〜６５０ｋＨｚの範囲内であり得る。各バースト内の最初のパルスと後続のバースト内の最初のパルスとの間の時間Ｔ_ｂは、０．２５マイクロ秒（４ＭＨｚのバースト繰り返し率）〜１０００マイクロ秒（１ｋＨｚのバースト繰り返し率）、例えば０．５マイクロ秒（２ＭＨｚのバースト繰り返し率）〜４０マイクロ秒（２５ｋＨｚのバースト繰り返し率）、または２マイクロ秒（５００ｋＨｚのバースト繰り返し率）〜２０マイクロ秒（５０ｋＨｚのバースト繰り返し率）であり得る。正確なタイミング、パルス持続時間、およびバースト繰り返し率は、レーザ設計に応じて変わり得るが、高い強度の短いパルス（Ｔ_ｄ＜２０ピコ秒、および好ましくはＴ_ｄ≦１５ピコ秒）が特に良好に働くことが示されている。

【0056】

材料を変性するのに必要なエネルギーは、バーストエネルギー、即ち（各バースト７１０が一続きのパルス７２０を含む）１つのバースト内に含まれるエネルギーに関して、または（その多くがバーストを構成し得る）単一のレーザパルスに含まれるエネルギーに関して説明できる。これらの用途では、エネルギー／バーストは２５〜７５０μＪ、より好ましくは５０〜５００μＪ、または５０〜２５０μＪであり得る。一部の実施形態では、エネルギー／バーストは１００〜２５０μＪである。パルスバースト内の個々のパルスのエネルギーはそれより低く、図７Ｂおよび図７Ｃに示されているように、正確な個々のレーザパルスエネルギーは、パルスバースト７１０内のパルス７２０の数およびレーザパルスの経時的な減衰率（例えば、指数関数的減衰率）に応じて異なる。例えば、一定のエネルギー／バーストについて、１つのパルスバーストが１０個のレーザパルス７２０を含む場合、各レーザパルス７２０は、同じパルスバースト７１０が２個のレーザパルスのみを有する場合よりも低いエネルギーを含む。

【0057】

そのようなパルスバーストを発生することができるレーザの使用は、透明材料（例えばガラス）を切断または変性するのに有利である。単一パルスレーザの繰り返し率によって時間的に離間された単一パルスの使用とは対照的に、バースト７１０内の高速パルスシーケンスにわたってレーザエネルギーを広げるパルスバーストシーケンスの使用は、単一パルスレーザで可能なものよりも大きな時間スケールでの材料との高強度の相互作用を利用することを可能にする。単一パルスを時間的に延ばすことも可能ではあるが、それを行うと、パルス内の強度はパルス幅に対しておよそ１桁低下せざるを得ない。よって、１０ピコ秒の単一パルスが１０ナノ秒のパルスまで延ばされると、強度はおよそ３桁低下する。そのような低下は、光学強度を、非線形吸収がもはや有意でない点まで下げ、光と材料との相互作用はもはや切断を可能にするのに十分に強いものではなくなる。これとは対照的に、パルスバーストレーザでは、バースト７１０内の各パルス７２０の持続時間における強度は非常に高いままとすることができ、例えば、約１０ナノ秒だけ時間的に離間された３つの１０ピコ秒のパルス７２０でも、依然として、各パルス内の強度を１０ピコ秒の単一パルスよりも約３倍高くでき、レーザは３桁大きい時間スケールにわたって材料と相互作用できる。従って、このバースト内の複数のパルス７２０の調節は、既存のプラズマプルームとのより大きいまたは小さい光の相互作用、最初または以前のレーザパルスによって既に励起されている原子および分子を有する材料とのより大きいまたは小さい光の相互作用、並びに、材料内における微小クラックの制御された成長を促進し得るより大きいまたは小さい加熱効果を容易にし得るように、レーザと材料との相互作用の時間スケールを操作することを可能にする。材料を変性するのに必要なバーストエネルギーの量は、基体材料の組成、および基体と相互作用するために用いられる線焦点の長さに依存する。相互作用領域が長いほど、エネルギーがより大きく広がり、より高いバーストエネルギーが必要となる。正確なタイミング、パルス持続時間、およびバースト繰り返し率は、レーザ設計に応じて変わり得るが、この技術では、高い強度の短いパルス（＜１５ピコ秒、または≦１０ピコ秒）が良好に働くことが示されている。単一のレーザパルスバーストがガラス上の実質的に同じ位置に当たると、材料内に欠陥線または孔が形成される。即ち、単一のバースト内の複数のレーザパルスは、ガラス内の単一の欠陥線または孔の位置に対応する。当然ながら、（例えば、一定速度で移動する台によって）ガラスは平行移動されるので、またはビームがガラスに対して相対移動されるので、バースト内の個々のパルスは、ガラス上の正確な同じ空間的位置にあることはできない。しかし、それらは互いに１μｍ以内にあり、即ち、実質的に同じ位置においてガラスに当たる。例えば、パルスは、互いから０＜ｓｐ≦５００ｎｍの間隔ｓｐでガラスに当たり得る。例えば、ガラスの或る位置に２０個のパルスのバーストが当たると、バースト内の個々のパルスは互いから２５０ｎｍ以内でガラスに当たる。従って、一部の実施形態では１ｎｍ＜ｓｐ＜２５０ｎｍである。一部の実施形態では１ｎｍ＜ｓｐ＜１００ｎｍである。

【0058】

レーザビームは約８５０ｎｍ以下の波長を有し、この波長は、レーザビームが、材料において測定された材料の厚さ１ｍｍ当たり約５０μＪより大きい平均レーザエネルギーを有し、パルスが、約１ピコ秒より大きく且つ約１００ピコ秒未満の範囲内の持続時間を有し、パルスバースト繰り返し率が約１ｋＨｚ〜約２ＭＨｚの範囲内であるとき、この波長において材料が略透明（即ち、材料の深さの１ｍｍ当たり約１０％未満、好ましくは約１％未満の吸収）であるよう選択される。本方法は、次に、レーザビーム焦線を材料内へと向ける工程であって、レーザビーム焦線が材料内において誘起吸収を生じ、誘起吸収が材料内においてレーザビーム焦線に沿って欠陥線を生成し、材料内において１００μｍ以下の深さまで（材料内において例えば約７５μｍ以下、一部の実施形態では≦５０μｍ、例えば、≦４０μｍ）の表面下損傷を生じる、工程を含む。

【0059】

表面下損傷の深さは、切断面を見るために、数ｎｍの光学解像力を有する共焦点顕微鏡を用いて測定できる。表面反射は無視し、材料内の下方へと、輝線として現れるクラックを探し出す。次に、「スパーク」が生じなくなるまで材料内へと走査を進め、一定の間隔で画像を収集する。次に、それらの画像を手作業で処理して、クラックを探し、ガラスの深さにわたってクラックをトレースすることにより、表面下損傷の最大深さ（典型的にはマイクロメートル（μｍ）単位で測定される）を得る。典型的には無数のクラックが存在するので、典型的には最大のクラックのみを追跡する。この処理を切断エッジの約５箇所について繰り返すのが典型的である。この方法では、ガラスのエッジに対してまっすぐに垂直なクラックは検出されない。

【0060】

一部の実施形態では、本方法は、材料およびレーザビームを互いに相対的に平行移動させることにより、材料内に、材料を少なくとも２つの部分に分離するよう離間された複数の欠陥線を孔あけする工程を更に含む。切断動作のために、レーザのトリガは、レーザパルスバーストが一定の間隔（例えば１μｍ毎、または５μｍ毎等）でトリガされるように、ビームの下で台によって駆動される材料の動きと同期されるのが一般的である。隣接する穿孔または欠陥線間の正確な間隔は、基体内の応力レベルを所与として、穿孔された孔（即ち欠陥線）間のクラックの伝搬を容易にする材料特性によって決定される。しかし、例えば、１つの部分から別の部分へと電気信号を伝達するための孔を生成することにより、インターポーザと称されるコンポーネントを生成するために、基体の切断ではなく、材料に穿孔するためだけに同じ方法を用いることも可能である。インターポーザのケースでは、欠陥線は、一般的に、切断に必要な距離より遙かに大きい距離だけ分離される。即ち、欠陥線間の離間は、約１０μｍ以下ではなく、数百マイクロメートルであり得る。欠陥線の正確な位置は一定の間隔である必要はなく、位置は単に、レーザの発射がいつトリガされるかによって決定され、部品内の任意の位置であり得る。

【0061】

本明細書に記載される処理の実施形態は、ガラスを０．２５ｍ／秒またはそれ以上の切断速度で切断できる。切断速度（または切断する速度）は、レーザビームが複数の孔を生じつつまたは領域を変性しつつ透明材料（例えばガラス）の表面に対して相対移動する速度である。製造のための設備投資を最小限にするために、および設備の稼働率を最適化するために、例えば４００ｍｍ／秒、５００ｍｍ／秒、７５０ｍｍ／秒、１ｍ／秒、１．２ｍ／秒、１．５ｍ／秒、２ｍ／秒、または３ｍ／秒〜４ｍ／秒等の高い切断速度がしばしば所望される。レーザ出力は、レーザのバーストエネルギー×バースト繰り返し周波数（率）に等しい。一般的に、そのようなガラス材料を高い切断速度で切断するために、損傷進路は典型的には１〜２５μｍ離間され、一部の実施形態では、この間隔は好ましくは２μｍ以上（例えば２〜１２μｍ、または例えば３〜１０μｍ）である。

【0062】

例えば、３００ｍｍ／秒の直線切断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を有するパルスバーストレーザに対応する。６００ｍｍ／秒の切断速度については、３μｍのピッチは、少なくとも２００ｋＨｚのバースト繰り返し率を有する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、６００ｍｍ／秒の切断速度で切断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、より高い切断速度は、より高いレーザ出力を必要とする。

【0063】

例えば、３μｍのピッチおよび４０μＪ／バーストでの０．４ｍ／秒の切断速度は、少なくとも５Ｗのレーザ出力の送出を必要とし、３μｍのピッチおよび４０μＪ／バーストでの０．５ｍ／秒の切断速度は、少なくとも６Ｗのレーザ出力の送出を必要とする。従って、パルスバーストピコ秒レーザのレーザ出力は６Ｗ以上であるのが好ましく、少なくとも８Ｗ以上であるのがより好ましく、少なくとも１０Ｗ以上であるのが更に好ましい。例えば４μｍのピッチ（欠陥線間隔または損傷進路間隔）および１００μＪ／バーストで０．４ｍ／秒の切断速度を達成するには、少なくとも１０Ｗのレーザが必要となり、４μｍのピッチおよび１００μＪ／バーストで０．５ｍ／秒の切断速度を達成するには、少なくとも１２Ｗのレーザが必要となる。例えば、３μｍのピッチおよび４０μＪ／バーストで１ｍ／秒の切断速度を達成するには、少なくとも１３Ｗのレーザが必要となる。また、例えば、４μｍのピッチおよび４００μＪ／バーストでの１ｍ／秒の切断速度は、少なくとも１００Ｗのレーザを必要とする。損傷進路間の最適なピッチおよび正確なバーストエネルギーは、材料に依存し、経験的に決定され得る。しかし、レーザパルスエネルギーを上げること、または損傷進路をより密なピッチにすることは、必ずしも、基体材料がより良好に分離されるまたは改善されたエッジ品質を有する条件ではないことに留意すべきである。損傷進路間のピッチが密過ぎると（例えば＜０．１マイクロメートル、一部の例示的な実施形態では＜１μｍ、または一部の実施形態では＜２μｍ）、隣接した後続の損傷進路の形成を阻害することがあり、穿孔された輪郭の周囲の材料の分離をしばしば阻害し得ると共に、ガラス内における望ましくない微小クラックの増加が生じ得る。ピッチが長過ぎると（例えば＞５０μｍ、および一部のガラスでは＞２５μｍまたは＞２０μｍ）、「制御されていない微小クラック」を生じ得る。即ち、微小クラックが孔から孔へと伝搬せず、異なる経路に沿って伝搬し、異なる（望ましくない）方向へのクラックをガラスに生じさせる。これは、残存する微小クラックがガラスを脆弱化する傷として作用するので、最終的に、分離されたガラスの部品の強度を低下させ得る。各損傷進路を形成するために用いられるバーストエネルギーが高過ぎると（例えば、＞２５００μＪ／バースト、および一部の実施形態では＞５００μＪ／バースト）、隣接する損傷進路の既に形成されている微小クラックの「ヒーリング」または再溶融が生じて、ガラスの分離を阻害する。従って、バーストエネルギーは＜２５００μＪ／バースト、例えば、≦５００μＪ／バーストであるのが好ましい。また、高過ぎるバーストエネルギーを用いると、非常に大きな微小クラックの形成を生じて、分離後の部品のエッジ強度を低下させる傷を生じ得る。バーストエネルギーが低過ぎると（例えば＜４０μＪ／バースト）、ガラス内に感知可能な損傷進路が形成されないことがあり得、よって、非常に高い分離力となり得るか、または、穿孔された輪郭に沿った分離が全くできなくなり得る。

【0064】

この処理によって可能になる典型的な例示的な切断速度は、例えば、０．２５０ｍ／秒以上である。一部の実施形態では、切断速度は少なくとも３００ｍｍ／秒である。本明細書に記載される一部の実施形態では、切断速度は少なくとも４００ｍｍ／秒（例えば、５００ｍｍ／秒〜２０００ｍｍ／秒、またはそれ以上）である。一部の実施形態では、ピコ秒レーザは、パルスバーストを用いて、０．５μｍ〜１３μｍ（例えば０．５〜３μｍ）の周期性を有する欠陥線を生じる。一部の実施形態では、パルスレーザは１０Ｗ〜１００Ｗのレーザ出力を有し、材料および／またはレーザビームは少なくとも０．２５ｍ／秒の速度で（例えば、０．２５〜０．３５ｍ／秒、または０．４ｍ／秒〜５ｍ／秒の速度で）互いに相対的に平行移動される。好ましくは、パルスレーザビームの各パルスバーストは、被加工物において測定された、被加工物の厚さ１ミリメートル当たり４０μＪ／バーストより大きい平均レーザエネルギーを有する。好ましくは、パルスレーザビームの各パルスバーストは、被加工物において測定された、被加工物の厚さ１ミリメートル当たり２５００μＪ／バースト未満、好ましくは被加工物の厚さ１ミリメートル当たり約２０００μＪ／バースト／ミリメートル未満、および一部の実施形態では被加工物の厚さ１ミリメートル当たり１５００μＪ／バースト未満（例えば、被加工物の厚さ１ミリメートル当たり５００μＪ／バーストを超えない）平均レーザエネルギーを有する。

【0065】

従って、レーザは少なくとも２パルス／バーストのパルスバーストを発生することが好ましい。例えば、一部の実施形態では、パルスレーザは１０Ｗ〜１５０Ｗ（例えば、１０Ｗ〜１００Ｗ）のレーザ出力を有し、少なくとも２パルス／バースト（例えば、２〜２５パルス／バースト）のパルスバーストを発生する。一部の実施形態では、パルスレーザは２５Ｗ〜６０Ｗの出力を有し、少なくとも２〜２５パルス／バーストのパルスバーストを発生し、レーザバーストによって生じる隣接する欠陥線間の距離または周期性は２〜１０μｍである。一部の実施形態では、パルスレーザは１０Ｗ〜１００Ｗのレーザ出力を有し、少なくとも２パルス／バーストのパルスバーストを発生し、被加工物とレーザビームとは少なくとも０．２５ｍ／秒の速度で互いに相対的に平行移動される。一部の実施形態では、被加工物および／またはレーザビームは、少なくとも０．４ｍ／秒の速度で互いに相対的に平行移動される。

【0066】

０．４ｍ／秒〜５ｍ／秒の切断速度では、４０〜７５０μＪ／バーストのバーストエネルギー、２〜２５パルス／バースト（切断される材料に依存する）、および３〜１５μｍまたは３〜１０μｍの孔間分離（またはピッチ）で、レーザ出力は好ましくは１０Ｗ〜１５０Ｗであるべきである。これらの切断速度には、ピコ秒パルスバーストレーザの使用が、高い出力および必要なパルス数／バーストを生じるので好ましい。従って、一部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、少なくとも２〜２５パルス／バーストのパルスバーストを生じ、欠陥線間の距離は２〜１５μｍであり、レーザビームおよび／または被加工物は、少なくとも０．２５ｍ／秒の速度、一部の実施形態では少なくとも０．４ｍ／秒（例えば０．５ｍ／秒〜５ｍ／秒、またはそれ以上）の速度で互いに相対的に平行移動される。

【実施例】

【0067】

図８に示されているコーニング社の２３２０「Ｇｏｒｉｌｌａ」（イオン交換され、「Ｆｕｌｌ Ｇｏｒｉｌｌａ」（ＦＧ）とも称される）ガラスのサンプルを、強度、表面下損傷、および表面粗さについて試験した。上述の５３２ｎｍの処理を用いて切断されたサンプルのエッジ強度が図９に示されている。以下の表１および表２に示されているように、５３２ｎｍの処理を用いて切断されたサンプルは、約２３μｍの平均表面下損傷を有し、一方、２０１３年１月１５日に出願された米国特許出願第６１／７５２，４８９号明細書に記載されている１０６４ｎｍの処理を用いて切断されたサンプルは、約７４μｍの平均表面下損傷を有した。

【0068】

【表1】

【0069】

【表2】

【0070】

図１０は、レーザ共焦点切断面走査を２０倍の拡大率で示す幾つかの切断面の幾つかのＳＥＭ顕微鏡写真を含む。以下の表３は、Ｚｙｇｏ光学表面プロファイラを用いて測定された、パルス間隔の関数としての表面粗さの測定値を示しており、Ｒａ表面粗さおよびＲＭＳ表面粗さの両方が、パルス間隔と共に増加するように見えることを示している。ザイゴ社（Zygo Corporation）は米国コネチカット州ミドルフィールドに所在。

【0071】

【表3】

【0072】

Ｚｙｇｏによる代表的な走査が図１１Ａ〜図１１Ｄに示されている。図１２Ａ〜図１２Ｃは、５３２ｎｍの処理を用いて切断されたサンプルのエッジ（図１２Ａおよび図１２Ｃ）、および１０６４ｎｍの処理を用いて切断されたサンプルの基準エッジの写真を示す。図１３Ａは、１０６４ｎｍの処理を用いて設けられた特徴のより高い拡大率の写真を示しており、５３２ｎｍの処理を用いて設けられた孔の直径（１９０ｎｍであった）（図１３Ｂ）と比較して、測定された孔の直径は３４７ｎｍであった。

【0073】

以下の表４は、１０６４ｎｍの処理を用いて切断されたサンプルと、上述の５３２ｎｍを用いて切断されたサンプルとの、ＲＭＳ表面粗さおよび表面下損傷（ＳＳＤ）の比較を示す。

【0074】

【表4】

【0075】

図１４Ａおよび図１４Ｂは、１０６４ｎｍの処理を用いて切断されたサンプル（図１４Ａ）と５３２ｎｍの処理を用いて切断されたサンプル（図１４Ｂ）とのエッジ強度の比較を示しており、これらの２通りの処理によって生成されたサンプルのエッジ強度が比較的類似していることを示している。

【0076】

本明細書において引用された全ての特許、公開出願、および参考文献の関連する教示を参照して、その全体を組み込む。

【0077】

本明細書に複数の例示的な実施形態を開示したが、当業者には、添付の特許請求の範囲に包含される範囲から逸脱することなく、形状および詳細に様々な変更が行われ得ることが理解されよう。

【0078】

以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。

【0079】

実施形態１
材料にレーザ孔あけする方法であって、
約８５０ｎｍ以下の波長を有するパルスレーザビームを、ビーム伝搬方向に沿って配向されたレーザビーム焦線に集光する工程と、
前記レーザビーム焦線を前記材料内へと向ける工程であって、前記レーザビーム焦線が、前記材料内において誘起吸収を生じ、該誘起吸収が、前記材料内において前記レーザビーム焦線に沿って約３００ｎｍ以下の直径を有する欠陥線を生成する、工程と
を含む方法である。

【0080】

実施形態２
前記レーザビームが約７７５ｎｍ以下の波長を有する、実施形態１記載の方法。

【0081】

実施形態３
前記レーザビームが約６００ｎｍ以下の波長を有する、実施形態２記載の方法。

【0082】

実施形態４
前記レーザビームが約５３２ｎｍ以下の波長を有する、実施形態３記載の方法。

【0083】

実施形態５
前記パルスレーザが、少なくとも２パルス／パルスバーストのパルスバーストを生成する、実施形態１記載の方法。

【0084】

実施形態６
前記パルスレーザが１０Ｗ〜１５０Ｗのレーザ出力を有し、少なくとも２パルス／パルスバーストのパルスバーストを生成する、実施形態１記載の方法。

【0085】

実施形態７
前記パルスレーザが１０Ｗ〜１００Ｗのレーザ出力を有し、少なくとも２〜２５パルス／パルスバーストのパルスバーストを生成する、実施形態６記載の方法。

【0086】

実施形態８
前記パルスレーザが２５Ｗ〜６０Ｗのレーザ出力を有し、少なくとも２〜２５パルス／パルスバーストを有するパルスバーストを生成し、前記欠陥線間の距離が０．５〜１０マイクロメートルである、実施形態６記載の方法。

【0087】

実施形態９
前記パルスレーザが１０Ｗ〜１００Ｗのレーザ出力を有し、被加工品または前記レーザビームが少なくとも０．２５ｍ／秒の速度で互いに対して相対的に平行移動される、実施形態６記載の方法。

【0088】

実施形態１０
（ｉ）前記パルスレーザが１０Ｗ〜１００Ｗのレーザ出力を有し、（ｉｉ）被加工品および前記レーザビームが少なくとも０．４ｍ／秒の速度で互いに対して相対的に平行移動される、実施形態６記載の方法。

【0089】

実施形態１１
前記誘起吸収が、材料内に約７５μｍ以下の深さまでの表面下損傷を生じる、実施形態１記載の方法。

【0090】

実施形態１２
前記誘起吸収が、材料内に約４０μｍ以下の深さまでの表面下損傷を生じる、実施形態１記載の方法。

【0091】

実施形態１３
前記誘起吸収が、約０．５μｍ以下のＲａ表面粗さを生じる、実施形態１記載の方法。

【0092】

実施形態１４
前記材料および前記レーザビームを互いに相対的に平行移動させることにより、前記材料内に、該材料を少なくとも２つの部分に分離するよう離間された複数の前記欠陥線を孔あけする工程を更に含む、実施形態１記載の方法。

【0093】

実施形態１５
パルス持続時間が約１ピコ秒より大きく且つ約１００ピコ秒未満の範囲内である、実施形態１記載の方法。

【0094】

実施形態１６
前記パルス持続時間が、約５ピコ秒より大きく且つ約２０ピコ秒未満の範囲内である、実施形態１５記載の方法。

【0095】

実施形態１７
バースト繰り返し率が約１ｋＨｚ〜２ＭＨｚの範囲内である、実施形態１記載の方法。

【0096】

実施形態１８
前記バースト繰り返し率が約１０ｋＨｚ〜６５０ｋＨｚの範囲内である、実施形態１７記載の方法。

【0097】

実施形態１９
前記パルスレーザビームが、前記材料において測定された、該材料の厚さ１ｍｍ当たり４０μＪより大きい平均レーザ出力を有する、実施形態１記載の方法。

【0098】

実施形態２０
前記パルスレーザが、約１ナノ秒〜約５０ナノ秒の範囲内の持続時間だけ分離された少なくとも２つのパルスのバーストとして生成されるパルスを発するよう構成され、バースト繰り返し周波数が、約１ｋＨｚ〜約２ＭＨｚの範囲内である、実施形態１記載の方法。

【0099】

実施形態２１
前記パルスが約２０ナノ秒の持続時間だけ分離された、実施形態２０記載の方法。

【0100】

実施形態２２
前記レーザビーム焦線が約０．１ｍｍ〜約１００ｍｍの範囲内の長さを有する、実施形態１記載の方法。

【0101】

実施形態２３
前記レーザビーム焦線が約０．１ｍｍ〜約８ｍｍの範囲内の長さを有する、実施形態２２記載の方法。

【0102】

実施形態２４
前記レーザビーム焦線が約０．１μｍ〜約５μｍの範囲内の平均スポット径を有する、実施形態１記載の方法。

【0103】

実施形態２５
材料にレーザ孔あけするシステムであって、
約８５０ｎｍ以下の波長を有するパルスレーザビームを生じるよう構成されたパルスレーザと、
前記レーザのビーム経路上に配置された光学アセンブリであって、該光学アセンブリのビーム発生側において、前記レーザビームを、ビーム伝搬方向に沿って配向されたレーザビーム焦線に変換するよう構成され、該光学アセンブリが、前記レーザビーム焦線を生じるよう構成された球面収差を有する集光光学素子を含み、前記レーザビーム焦線が、前記材料内において誘起吸収を生じるよう構成され、前記誘起吸収が、前記材料内において前記レーザビーム焦線に沿って約３００ｎｍ以下の直径を有する欠陥線を生成する、光学アセンブリと
を含むことを特徴とするシステム。

【0104】

実施形態２６
前記レーザビームが約７７５ｎｍ以下の波長を有する、実施形態２５記載のシステム。

【0105】

実施形態２７
前記レーザビームが約６００ｎｍ以下の波長を有する、実施形態２６記載のシステム。

【0106】

実施形態２８
前記レーザビームが約５３２ｎｍ以下の波長を有する、実施形態２７記載のシステム。

【0107】

実施形態２９
前記誘起吸収が、前記材料内に約７５μｍ以下の深さまでの表面下損傷を生じる、実施形態２５記載のシステム。

【0108】

実施形態３０
前記誘起吸収が、約０．５μｍ以下のＲａ表面粗さを生じる、実施形態２５記載のシステム。

【0109】

実施形態３１
前記光学アセンブリが、前記レーザのビーム経路上の前記集光光学素子の前に配置された環状開口部を含み、該環状開口部が、前記レーザビームの中心の１以上の光線を遮断するよう構成されており、前記レーザビームの中心の外側の周辺光線のみが前記集光光学素子に入射することにより、ビーム方向に沿って見たときに、前記パルスレーザビームの各パルスにつき単一のレーザビーム焦線のみが生じる、実施形態２５記載のシステム。

【0110】

実施形態３２
前記集光光学素子が、球面にカットされた凸レンズである、実施形態２５記載のシステム。

【0111】

実施形態３３
前記集光光学素子が、非球面の自由表面を有する円錐プリズムである、実施形態２５記載のシステム。

【0112】

実施形態３４
前記円錐プリズムがアキシコンである、実施形態３３記載のシステム。

【0113】

実施形態３５
前記光学アセンブリがデフォーカス光学素子を更に含み、該デフォーカス光学素子が、該デフォーカス光学素子のビーム発生側における該デフォーカス光学素子から或る距離に、前記レーザビーム焦線が生じるよう配置および位置合わせされた、実施形態２５記載のシステム。

【0114】

実施形態３６
前記光学アセンブリが第２の集光光学素子を更に含み、前記２つの集光光学素子が、該第２の集光光学素子のビーム発生側における該第２の集光光学素子から或る距離に、前記レーザビーム焦線が生じるよう配置および位置合わせされた、実施形態２５記載のシステム。

【0115】

実施形態３７
前記パルスレーザが、約１ナノ秒〜約５０ナノ秒の範囲内の持続時間だけ分離された少なくとも２つのパルスのバーストとして生成されるパルスを発するよう構成され、バースト繰り返し周波数が約１ｋＨｚ〜約２ＭＨｚの範囲内である、実施形態２５記載のシステム。

【0116】

実施形態３８
前記パルスが約２０ナノ秒の持続時間だけ分離された、実施形態３７記載のシステム。

【0117】

実施形態３９
前記レーザビーム焦線が０．１ｍｍ〜１００ｍｍの範囲内の長さを有する、実施形態２５記載のシステム。

【0118】

実施形態４０
前記レーザビーム焦線が０．１μｍ〜５μｍの範囲内の平均スポット径を有する、実施形態２５記載のシステム。

【0119】

実施形態４１
材料にレーザ孔あけする方法であって、
８５０ｎｍ未満の波長を有するパルスレーザビームを、ビーム伝搬方向に沿って配向されたレーザビーム焦線に集光する工程と、
前記レーザビーム焦線を前記材料内へと向ける工程であって、前記レーザビーム焦線が前記材料内において誘起吸収を生じ、該誘起吸収が、前記材料内において前記レーザビーム焦線に沿って０．５μｍ未満の内径を有する欠陥線を生成する、工程と、
を含むことを特徴とする方法。

【0120】

実施形態４２
前記欠陥線を生成する前記工程が、０．４μｍ未満の内径を有する前記欠陥線を生成することを含む、実施形態４１記載の方法。

【0121】

実施形態４３
前記欠陥線を生成する前記工程が、０．３μｍ未満の内径を有する前記欠陥線を生成することを含む、実施形態４２記載の方法。

【0122】

実施形態４４
前記欠陥線を生成する前記工程が、０．２μｍ未満の内径を有する前記欠陥線を生成することを含む、実施形態４３記載の方法。

【符号の説明】

【0123】

１ 基体
２ パルスレーザビーム
２ｂ レーザビーム焦線
２ｃ 誘起吸収の広範囲の部分
６ 光学アセンブリ

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3A】

【図3B-1】

【図3B-2】

【図3B-3】

【図3B-4】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11A-11B】

【図11C-11D】

【図12A-12C】

【図13A】

【図13B】

【図14A】

【図14B】