JP2020073446A - レーザカット複合ガラス物品 - Google Patents
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Abstract
【課題】多層複合フュージョンドローガラス基板を切断及び分離することにより、複数の異なるタイプのガラス物品を提供する。【解決手段】フュージョン形成複合ガラスシートと、レーザ切断及び分離方法との組合せにより、第1の表面と、第2の表面と、前記第1の表面と前記第2の表面との間に少なくとも250マイクロメートル延在する複数の欠陥線を有する少なくとも1つの縁部からなるガラス複合体を含み、前記各欠陥線の直径は、約5マイクロメートル以下であり、コア層とクラッド層とを有するガラス物品。【選択図】図13
Description
本出願は、2013年12月17日出願の米国仮特許出願第61/917226号及び2014年7月11日出願の米国仮特許出願第62/023322号の利益、並びに2014年10月31日出願の米国特許出願第14/530244号の利益を主張し、これらの出願の開示全体は、参照により本出願に援用される。
本開示は、レーザカット複合ガラス物品及び切断方法に関する。
材料のレーザ加工の分野は、切断、穿孔、フライス削り、溶接、溶融等を伴う広範な用途、及び複数の異なるタイプの材料を包含する。これらの用途のうち特に関心が高いのは、多層複合フュージョンドローガラス基板といった異なる複数のタイプの基板の切断又は分離である。
プロセス開発及びコストの観点から、複合ガラス基板の切断及び分離の改善のための多数の契機が存在する。市場において現在実施されているものよりも迅速、清潔、安価、高再現性及び高信頼性のガラス分離方法を得ることに多大な関心がある。複数の技術の選択肢のうち、レーザ分離が異なる複数のアプローチを用いて良好に実証されている。上記技術は:1)所望の1つ又は複数のパーツの境界とその鋳型と間の材料の実際の除去;2)所望のプロファイルの周縁に沿った割れ開始点によって材料を弱化させるか、又は割れの始点を形成するための、材料の体積内での欠陥の生成と、これに続く副次的破断ステップ;及び3)熱応力分離による初期割れの伝播を含む。これらのレーザ切断プロセスは、精度、良好な縁部仕上げ、並びに競合技術(機械的スクライビング及び破断、高圧水噴射及び超音波フライス削り等)に比べて低い残留応力といった、コスト面及び技術面での本質的利点を実証している。
それにもかかわらず、多層複合フュージョンドローガラス基板を切断及び分離するための改良されたプロセスが依然として必要とされている。
本出願は、仕上げされた縁部を有する切断複合ガラス物品の製造、及び1つ又は複数のレーザを用いて上記物品を切断する方法に関する。
一実施形態では、フュージョン形成ガラス複合体加工物をレーザ加工する方法は、ビーム伝播方向に沿って配向され、上記フュージョン形成ガラス複合体加工物に向けられたレーザビーム焦線に、パルスレーザビームを集束させるステップを含み、上記レーザビーム焦線は、加工物内での誘起吸収を生成し、この誘起吸収は、加工物内においてレーザビーム焦線に沿った欠陥線を形成する。本方法はまた、加工物及びレーザビームを輪郭に沿って互いに対して並進移動させることにより、加工物内に複数の欠陥線を形成するステップも含み、上記欠陥線は、0.5マイクロメートル〜20マイクロメートルの距離だけ離間している。レーザビーム焦線の長さは0.01mm〜約100mmとすることができる。より好ましくは、焦線の長さは約0.1mm〜約10mmとすることができる。更に好ましくは、レーザビーム焦線の長さは約0.1mm〜約1mmである。パルスレーザビームの材料における測定された平均レーザエネルギは、材料1mmあたり40μJ超とすることができる。別の実施形態では、ガラス物品を上述の方法によって作製する。
別の実施形態では、ガラス物品は、第1の表面と、第2の表面と、第1の表面と第2の表面との間に少なくとも250マイクロメートル延在する複数の欠陥線を有する少なくとも1つの縁部とを有する、ガラス複合体を含む。各欠陥線の直径は、約5マイクロメートル以下である。ガラス複合体は、フュージョン形成ガラス複合体とすることができる。隣接する欠陥線の間隔は0.1マイクロメートル〜20マイクロメートルとすることができる。ガラス物品は3つの層:熱膨張係数CTE1、厚さTH1の第1の組成物を含む最外層;第1の組成物とは異なる熱膨張係数CTE2の第2の組成物を含む、最外層と最外層との間に位置する内部層を含むことができ、CTE1はCTE2よりも大きくてよい。最外ガラス層は圧縮応力下にあってよく、内部層は引張応力下にあってよく、TH1に対するTH2の比は4〜20とすることができる。ガラス物品は、内部層の中央張力が5メガパスカル(MPa)超であってよく、欠陥線は縁部の厚さ全体に延在してよい。縁部の表面粗度Raは約0.5マイクロメートル未満とすることができ、縁部は、約75マイクロメートル以下の深さの表面下損傷を有してよい。
フュージョン形成複合ガラスシートと、以下に記載するレーザ切断方法との組合せにより、優れた縁部強度、4点曲げ強度、並びに無視できる程度の破片及び縁部に対する最小の損傷しか有しない(これによって強度が維持される)表面仕上げを有する、複合ガラス物品が得られる。
本開示は:
フュージョン形成ガラス複合体加工物をレーザ加工する方法において:
ビーム伝播方向に沿って配向され、上記フュージョン形成ガラス複合体加工物に向けられたレーザビーム焦線に、パルスレーザビームを集束させるステップであって、上記レーザビーム焦線は、加工物内での誘起吸収を生成し、この誘起吸収は、加工物内においてレーザビーム焦線に沿った欠陥線を形成する、ステップ;並びに
加工物及びレーザビームを輪郭に沿って互いに対して並進移動させることにより、加工物内に複数の欠陥線を形成するステップであって、上記欠陥線は、0.5マイクロメートル〜20マイクロメートルの距離だけ離間している、ステップ
を有してなる方法に及ぶ。
フュージョン形成ガラス複合体加工物をレーザ加工する方法において:
ビーム伝播方向に沿って配向され、上記フュージョン形成ガラス複合体加工物に向けられたレーザビーム焦線に、パルスレーザビームを集束させるステップであって、上記レーザビーム焦線は、加工物内での誘起吸収を生成し、この誘起吸収は、加工物内においてレーザビーム焦線に沿った欠陥線を形成する、ステップ;並びに
加工物及びレーザビームを輪郭に沿って互いに対して並進移動させることにより、加工物内に複数の欠陥線を形成するステップであって、上記欠陥線は、0.5マイクロメートル〜20マイクロメートルの距離だけ離間している、ステップ
を有してなる方法に及ぶ。
本開示は:
第1の表面と、第2の表面と、第1の表面と第2の表面との間に少なくとも250マイクロメートル延在する複数の欠陥線を有する少なくとも1つの縁部とを備える、ガラス物品であって、各欠陥線の直径は、約5マイクロメートル以下である、ガラス物品に及ぶ。
第1の表面と、第2の表面と、第1の表面と第2の表面との間に少なくとも250マイクロメートル延在する複数の欠陥線を有する少なくとも1つの縁部とを備える、ガラス物品であって、各欠陥線の直径は、約5マイクロメートル以下である、ガラス物品に及ぶ。
以上は、同様の参照符号は異なる複数の図を通して同一のパーツを示す添付の図面において図示されている例示的実施形態に関する、以下のより詳細な説明から、明らかになるであろう。これらの図は必ずしも正確な縮尺ではなく、例示的実施形態を図示するにあたって強調が施されている。
これより、例示的実施形態を説明する。
本明細書に記載の実施形態は、透明材料の薄型基板、特に目的に合わせて加工された複合フュージョンドローガラスシートの任意の形状を切断及び分離するための方法に関する。材料は好ましくは、選択されたレーザ波長に対して実質的に透過性(即ち材料の深さ1mm当たりの吸収率が約10%未満、好ましくは約1%未満)とするべきである。このレーザ法は、パネルからのパーツの手動分離、又は所望のプロファイルの熱応力印加による完全にレーザによる分離に適合させることができる。自動分離方法は、超短パルスレーザの利用を伴い、完全に自動化された分離のためにCO2レーザを続けて使用してよい。
切断の目標は、複合ガラスの薄型基板からの、内部の孔又はスロットを有する及び有しない任意の形状の物品の精密な切断及び分離を提供することである。このプロセスは、破片が無視できる程度であり、欠陥が最小であり、分離されたパーツに対する表面下損傷が小さい状態で、制御可能な様式でパーツを分離する。分離されたパーツの縁部における欠陥が最小であり、かつ表面下損傷が小さいことにより、分離されたパーツの強度が維持され、外部からの衝撃時のバーツの破損が防止される。このレーザ法は、選択されたレーザ波長に対して透過性の材料に対して好適である。この切断方法の実証は、シート厚0.7mm〜1.2mmの複合体シートを用いて実施したが、本開示の方法を用いていずれの厚さの複合体シートをしてよいと考えられる。
切断プロセスによって引き起こされる微小割れ及び材料の改質を含む、切断表面に対して略垂直に配向される表面下損傷は、ガラス又はその他の脆性材料の縁部強度に関する懸案事項である。
本明細書において使用される場合、表面下損傷は、本開示によるレーザ加工を受けた基板又は材料から分離されたパーツの周縁表面における構造的不完全部分の最大サイズ(例えば長さ、幅、直径)を表す。構造的不完全部分は上記周縁表面から延在するため、表面下損傷は、本開示によるレーザ加工による損傷が発生する周縁表面からの最大深さとも考えられる。本明細書において、分離されたパーツの周縁表面は、分離されたパーツの縁部又は縁部表面を表し得る。構造的不完全部分は割れ又は空所であってよく、基板又は材料から分離されたパーツの破砕又は破損を促進する機械的弱点を表す。表面下損傷のサイズを最小化することにより、本発明は、分離されたパーツの構造的完全性及び機械的強度を改善する。
表面下損傷の深さは、共焦点顕微鏡を用いて切断表面を見ることによって測定でき、この顕微鏡は、数nmの光学的解像度を有する。表面反射は無視されるが、材料内の割れは調べられ、これらの割れは明るい線として現れる。「スパーク」がなくなるまでこの顕微鏡の焦点を材料に合わせ、規則的な間隔で画像を収集する。割れを発見し、ガラスの深さを通してこれらをトレースし、表面下損傷の最大深さ(典型的にはマイクロメートルで測定される)を決定することによって、これらの画像を手動で処理する。典型的には数千もの微小割れが存在するため、典型的には最も大きい微小割れのみを測定する。このプロセスを、1つの切断縁部の約5箇所に対して繰り返す。微小割れは切断表面に対して概ね垂直であるが、切断表面に対して完全に垂直であるいずれの割れは、この方法では検出できない。
本明細書に記載の方法を用いると、表面下損傷は最小化され、縁部の近傍の小さな領域に限定される。表面下損傷は、縁部の表面に対する深さが100μm以下、又は75μm以下、又は60μm以下、又は50μm以下に限定され得、切断はごく少量の破片しか生成し得ない。本開示による、レーザを用いた透明材料の切断は、本明細書では穿孔又はレーザ穿孔又はレーザ加工と呼ぶ場合もある。
このレーザ法の基本となるステップは、断層線を生成することであり、この断層線は、パーツの所望の形状の境界を形成し、割れの伝播、従って成形されたパーツを取り囲む基板マトリクスからの該パーツの分離及び取り外しのために、耐性が最も低い経路を確立する。断層線は、レーザによって形成された、間隔が小さい一連の複数の欠陥線(本明細書では穿通孔、孔又は損傷トラックとも呼ばれる)からなる。このレーザ分離法は、元々の基板からの所望の形状のガラスパーツの手動又は機械的分離、部分的分離又は完全な分離を可能とするよう調整及び構成できる。
第1のステップでは、加工対象の材料(例えば物体又は加工物)に、超短パルスレーザビームを照射し、この超短パルスレーザビームは、基板を貫通する高アスペクト比線状焦点(本明細書ではレーザビーム焦線と呼ぶ)に集光される。この高エネルギ密度レーザ照射の容積内において、非線形効果によって材料が改質される。非線形吸収を誘起するためには、臨界閾値を超える光学的強度が必要となることに留意することが重要である。上記臨界強度閾値未満では、材料はレーザ照射に対して透過性となり、その元々の状態のままとなる。ある所望の線又は経路に亘ってレーザで走査することによって、本発明者らは、一連の複数の欠陥線からなる断層線(数マイクロメートル幅)を生成する。断層線は、後続の加工ステップにおいて分離されるパーツの周縁又は形状を画定する。
レーザ源の選択は、フュージョン形成ガラス複合体加工物を含む透明材料における非線形吸収を誘起する能力に基づく。非線形吸収は、多光子吸収(MPA)を含む。MPAは、材料を比較的低いエネルギ状態(通常グランド状態)からより高いエネルギ状態(励起状態)へと励起するための、同一の又は異なる周波数の多数の(2つ以上の)光子の同時吸収である。励起状態は、励起された電子的状態又はイオン化状態であってよい。材料の高エネルギ状態と低エネルギ状態との間のエネルギ差は、上記2つ以上の光子のエネルギの合計に等しい。MPAは、一般には線形吸収よりも数段弱い大きさの非線形プロセスである。これは、MPAの強度が光の強度の二乗以上の力に依存し、これによってMPAが非線形光学プロセスとなる点で、線形吸収とは異なる。通常の光強度では、MPAは無視できる。本明細書に記載のレーザビーム焦線を含むレーザ源(特にパルスレーザ源)の集束領域等における光強度(エネルギ密度)が極めて高い(臨界閾値超である)場合、MPAは目に見えるものとなり、光源のエネルギ密度が十分に高い領域内の材料において測定可能な効果をもたらす。集束領域内においても、エネルギ密度は、イオン化が得られる程度に十分に高いものとなり得る。
原子レベルにおいて、個々の原子のイオン化は、別個のエネルギ要件を有する。ガラス中に一般に使用される複数の元素(例えばSi、Na、K)は、イオン化エネルギが比較的低い(〜5eV)。MPAという現象を用いない場合、〜5eVにおける線形イオン化を生成するには約248nmの波長が必要となる。MPAを用いる場合、エネルギに関して〜5eVだけ分離した状態間のイオン化又は励起は、248nmより長い波長を用いて達成できる。例えば、波長532nmの光子は〜2.33eVのエネルギを有するため、波長532nmの2つの光子は、例えば2光子吸収(TPA)において、エネルギに関して〜4.66eVだけ分離した状態間の遷移を誘起できる。従って、レーザビームのエネルギ密度が、必要な励起エネルギの半分のエネルギを有するレーザ波長の非線形TPAを誘起するできる程度に十分に高い、材料の領域において、原子及び結合を選択的に励起又はイオン化できる。
MPAにより、励起された原子又は結合の、隣接する原子又は結合からの局所的再構成及び分離をもたらすことができる。結合又は構成において得られるこのような改質により、MPAが起こる材料の領域からの、物質の非熱的融除及び除去をもたらすことができる。この物質の除去は構造的欠陥(例えば欠陥線、損傷線又は「穿通孔」)を生成し、これは材料を機械的に弱化し、機械的又は熱的応力の印加時に割れ又は破砕を発生し易くする。穿通孔の配置を制御することによって、割れが発生する輪郭又は経路を正確に画定でき、材料の正確な微小機械加工を達成できる。一連の穿通孔によって画定された輪郭は、断層線と考えることができ、これは材料中の構造的に弱い領域に対応する。一実施形態では、微小機械加工は、レーザで加工された材料からのパーツの分離を含み、ここで上記パーツは、レーザが誘起したMPA効果によって形成された複数の穿通孔の閉じた輪郭によって決定された、正確に画定された形状又は周縁を有する。本明細書において使用される場合、用語「閉じた輪郭(closed contour)」は、レーザの線で形成された穿通孔経路を指し、ここでこの経路はいくつかの場所でそれ自体と交差する。内部輪郭は、得られる形状が材料の外側部分によって完全に取り囲まれている場所に形成される経路である。
好ましいレーザは、パルスモード又はバーストモードで動作できる超短パルスレーザ(パルス持続時間が数十ピコ秒以下のレベル)である。パルスモードでは、公称では同一の一連の複数の単一パルスがレーザから放出されて加工物に向けられる。パルスモードでは、レーザの繰り返し数は、パルス間の時間的間隔によって決定される。バーストモードでは、パルスのバーストがレーザから放出され、ここで各バーストは(同一の又は異なる振幅の)2つ以上のパルスを含む。バーストモードでは、1つのバースト内のパルスは(バーストに関するパルス繰り返し数を画定する)第1の時間間隔によって分離され、バーストは(バースト繰り返し数を画定する)第2の時間間隔によって分離され、第2の時間間隔は典型的には第1の時間間隔よりも遥かに長い。(パルスモードの文脈であるかバーストモードの文脈であるかにかかわらず)本明細書において使用される場合、時間間隔は、パルス又はバーストの対応する部分間(例えば前縁部‐前縁部間、ピーク‐ピーク間、又は後縁部‐後縁部間)の時間差を指す。パルス及びバースト繰り返し数はレーザの設計によって制御され、典型的には、例えばレーザの動作条件を調整することにより、限度内で調整できる。典型的なパルス及びバースト繰り返し数は、kHz〜MHz範囲内である。
(パルスモードにおける、又はバーストモードのバースト内のパルスに関する)レーザパルス持続時間は、10‐10秒以下、又は10‐11秒以下、又は10‐12秒以下、又は10‐13秒以下であってよい。本明細書に記載の例示的実施形態では、レーザパルス持続時間は10‐15秒超である。
穿通孔は離間していてよく、またレーザ及び/又は基板若しくは積層体の運動の制御によって、レーザに対する基板又は積層体の速度を制御することにより、穿通孔を正確に位置決めできる。例として、100kHzの一連のパルス(又はパルスのバースト)に曝露される、200mm/秒で移動する薄型透明基板において、個々のパルスは2マイクロメートル離間し、これによって2マイクロメートル離間した一連の穿通孔が生成されることになる。この欠陥線(穿通孔)間隔は、一連の穿通孔によって画定される輪郭に沿った機械的又は熱的分離を可能とすることができるよう十分に近い。断層線の方向に沿った隣接する欠陥線の間の距離は、例えば0.25μm〜50μm、又は0.50μm〜20μm、又は0.50μm〜15μm、又は0.50μm〜10μm、又は0.50μm〜3.0μm、又は3.0μm〜10μmとすることができる。
垂直な欠陥を有する断層線が生成されると、以下によって分離を発生させることができる:1)断層線上又は断層線の周りでの手動又は機械的応力;応力又は圧力は、断層線の両側を離れるように引っ張る張力を生成し、まだ一体として結合している領域を破断することになる;2)熱源を使用して、断層線の周りに応力領域を生成することにより、垂直な欠陥線に張力を印加し、部分的な又は完全な自己分離を誘起する。いずれの場合においても、分離は、レーザ走査速度、レーザ強度、レンズのパラメータ、パルス幅、繰り返し数等といったプロセスパラメータのうちの複数に左右される。
フュージョン形成ガラス複合体シートは、多層フュージョンドローシステムで作製できる。図1に示すように、複合体は、コア層の各表面上の少なくとも1つの外側クラッド層からなる。本明細書ではクラッド層を外側層又は最外層とも呼び、また本明細書ではコア層を内部層とも呼ぶ。一実施形態では、ガラス複合体は、中間から高い熱膨張係数(CTE)ガラスであるコア層を有し、その一方で外側層は低CTEガラスである。これらのシートは、コア層とクラッド層との間の組成上の差異に基づく、自然に予備応力が印加された中央コアを有する。このような複合体シートは、損傷することなく、使用可能な複数のパーツに切断及び分離するのが困難である場合が多い。更に、分離したパーツ内に内部開口部(例えばスロット又は孔)を形成するのが困難である場合がある。
本開示は、図1に示すタイプの、目的に合わせて加工されたコア及びクラッド領域を有するもの等の複合ガラスシートからの、(本明細書では物品とも呼ばれる)パーツの分離に関する。コア及びクラッドガラスの代表的な組成物は、以下の通りである:クラッド層は、約60モル%〜約66モル%のSiO2;約7モル%〜約10モル%のAl2O3;約14モル%〜約18モル%のB2O3;及び約9モル%〜約16モル%のアルカリ土類酸化物を含むガラス組成物であり、ここで上記アルカリ土類酸化物は少なくともCaOを含み、CaOは上記ガラス組成物中に、約3モル%〜約12モル%の濃度で存在し;上記ガラス組成物は、アルカリ金属及びアルカリ金属を含有する化合物を実質的に含まない。ある具体的なクラッドガラス組成物を表1に示す。
代表的なコアガラス組成物は:約60モル%〜約75モル%のSiO2;約2モル%〜約11モル%のAl2O3;0モル%〜約11モル%のB2O3;0モル%〜約1モル%のNa2O;約1モル%〜約18モル%のK2O;0モル%〜約7モル%のMgO;0モル%〜約9モル%のCaO;約1モル%〜約8モル%のSrO;0モル%〜約4モル%のBaO;及び約3モル%〜約16モル%のR’Oを含み、ここでR’Oは、組成物中のMgO、CaO、SrO及びBaOの合計モル%を含む。ある具体的なコアガラス組成物を表2に示す。
図1に示すフュージョン形成ガラス複合体シートのレーザ穿孔及び分離は、以下に記載の方法を用いて達成される。
このレーザ切断法は、線形強度方式又は低いレーザ強度におけるレーザの波長に対する材料の透過性によるものであり、これは、レーザ焦点周辺の高強度領域によって生成される高い表面品質及び低減された表面下損傷の維持を可能とする。本明細書に記載の方法を用いると、加工物の縁部は例えば、約75マイクロメートル以下の深さまでの表面下損傷を有し得る。本プロセスを可能にする重要な要素のうちの1つは、超短パルスレーザが生成する欠陥の高いアスペクト比である。これにより、切断される材料の上面から底面へと延在する欠陥線を生成できる。原理的には、欠陥線は単一のパルス、又は複数のパルスの単一のバーストによって生成でき、必要に応じて、欠陥線を形成するため又は影響を受ける領域の範囲(例えば深さ及び幅)を増大させるために、追加のパルス又はバーストを使用できる。
透明材料を切断及び分離するための方法は、本質的には、超短パルスレーザを用いて加工される材料内に断層線を生成することに基づくものであり、上記断層線は、材料から分離されるパーツの所望の周縁を画定するために配設される一連の欠陥線からなる。材料の特性(吸収率、CTE、応力、組成等)及び材料の加工のために選択されるレーザパラメータに応じて、自己分離を誘起するために断層線の生成だけで十分とすることができる。この場合、張力/屈曲力、加熱又はCO2レーザといった副次的な分離プロセスは不要となる。
場合によっては、一連の穿通孔又は欠陥線で画定された輪郭に沿って生成された断層線は、パーツを自発的に分離させるには不十分であり、副次的なステップが必要となる場合がある。これが望ましい場合は、例えば第2のレーザを用いて熱応力を生成し、パーツを分離できる。本発明者らは、フュージョン形成ガラス複合体の場合に、機械的力の印加によって、又はCO2レーザを用いて熱応力を生成することによって、断層線を生成し、パーツの分離を実行することによって、分離を達成できることを発見した。別の選択肢は、CO2レーザによって分離を単に開始させ、手動で分離を完了することである。任意のCO2レーザによる分離は、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た、10.6マイクロメートルで放出を行うデフォーカスcwレーザを用いて達成される。焦点変更(即ちある程度のデフォーカス)を用いてスポットサイズを変更することによって、誘起される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と同等の最小の回折限界スポットサイズよりも大きいスポットサイズを生成するレーザビームを含む。例えばCO2レーザに関して、例えば約7mm、2mm及び20mmのデフォーカススポットサイズを使用でき、上記CO2レーザの回折限界スポットサイズは、放出波長が10.6マイクロメートルの場合、遥かに小さくなる。
欠陥線を生成するための方法は複数存在する。線状焦点を形成するための光学的方法はドーナツ状レーザビーム及び球面レンズ、アキシコンレンズ、回折素子を使用する複数の形態、又は高強度の線形領域を形成するための他の方法を取ることができる。非線形光学的効果によって基板材料又はフュージョン形成ガラス複合体加工物中の集束領域の基板又は加工物材料の破壊を生成するために十分な光学的強度に到達しさえすれば、レーザのタイプ(ピコ秒、フェムト秒等)及び波長のタイプ(IR、緑色、UV等)も変更できる。
本出願では、高アスペクト比の垂直な欠陥線を、一貫した、制御可能かつ反復可能な方法で生成するために、超短パルスレーザを使用する。この垂直な欠陥線の生成を可能とする光学的設定の詳細については以下に記載され、また2013年1月15日出願の米国特許出願第61/752489号明細書に記載されている。上記特許出願の内容全体は、それが出願において完全に記載されているかのように、参照により本出願に援用される。このコンセプトの本質は、超短(ピコ秒又はフェムト秒の持続時間の)ベッセルビームを使用して高アスペクト比かつ傾斜のない微小チャネルを生成するために、光学レンズ組立体中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、上記アキシコンは、レーザビームを、基板材料中の円筒形かつ高アスペクト比(長さが長く直径が小さい)の高強度領域に集光させる。集光されたレーザビームによって生成された高強度により、レーザ及び基板材料の電磁場の非線形相互作用が発生し、レーザエネルギが基板に伝達されて複数の欠陥の形成が発生し、これらが断層線の構成要素となる。しかしながら、レーザエネルギ強度が高くない材料の領域(例えば中央収束線を取り囲む基板のガラス容積)において、材料はレーザに対して透過性であり、レーザから材料へとエネルギを伝達する機序が存在しないことを理解することが重要である。結果として、レーザ強度が非線形閾値未満であれば、ガラス又は加工物には何も起こらない。
図2A及び2Bに移ると、材料をレーザ加工する方法は、パルスレーザビーム2を、ビーム伝播方向に沿って配向されたレーザビーム焦線2bに集束させるステップを含む。レーザビーム焦線2bは、例えばベッセルビーム、エアリービーム、ウェーバービーム及びマチュービーム(即ち非回折ビーム)といった複数の方法で生成でき、これらのビームの場のプロファイルは典型的には、ガウス関数よりも横断方向(即ち伝播の方向)においてよりゆっくりと減衰する特別な関数によって与えられる。図3Aに示すように、レーザ3(図示せず)はレーザビーム2を放出し、このレーザビーム2は、光学組立体6に入射する部分2aを有する。光学組立体6は入射したレーザビームの方向を、ビーム方向(焦線の長さl)に沿った所定の広がり範囲に亘って、出力側のレーザビーム焦線2bへと変化させる。平面状の基板1は、レーザビーム2のレーザビーム焦線2bと少なくとも部分的に重なるように、ビーム経路内に位置決めされる。従ってレーザビーム焦線は基板へと向けられる。参照符号1aは、平面状の基板の、光学組立体6又はレーザそれぞれに対面する表面を指し、参照符号1bは、基板1の反対側の(遠方の)表面を指す。基板又は加工物の厚さ(この実施形態では平面1a及び1bに対して、即ち基板平面に対して垂直に測定される)は、dで標識する。基板又は加工物は材料と呼ぶ場合もあり、例えばレーザビーム2の波長に対して略透過性のガラス物品である場合がある。
図2Aに示すように、基板1(又はフュージョン形成ガラス複合体加工物)は、長手方向ビーム軸に対して略垂直に、及びこれに伴って、光学組立体6が生成した同一の焦線2bの後側に整列される(基板は図の平面に対して垂直である)。焦線がビーム方向に沿って配向又は整列されると、基板は焦線2bに対して、焦線2bが基板の表面1aの前で始まり、基板の表面1bの前で止まる、即ち焦線2bが基板内で終端し、表面1bを超えないように、位置決めされる。レーザビーム焦線2bと基板1の重複領域において、即ち焦線2bで被覆された基板材料において、レーザビーム焦線2bは、(レーザビーム焦線2bに沿った好適なレーザ強度(この強度は、長さlのセクション、即ち長さlの線状焦点上にレーザビーム2が集束することを保証する)を想定した場合に)(長手方向のビーム方向に沿って整列された)セクション2cを生成し、上記セクション2cに沿って、非線形誘起吸収が基板材料中で生成される。非線形誘起吸収は、セクション2cに沿った基板材料中での欠陥線の形成を引き起こす。
欠陥線は、略透明な材料中の、微小な(例えば直径が>100nmかつ<0.5マイクロメートルの)細長い「孔」(本明細書では穿通孔又は損傷トラックとも呼ばれる)であり、これは、1つ若しくは複数の高エネルギパルス、又は高エネルギパルスの1つ若しくは複数のバーストを用いて生成される。穿通孔は、レーザによって改質された基板材料の領域を表す。レーザが誘起する改質は、基板材料の構造を崩壊させ、機械的に弱い部位を構成する。構造的崩壊は、圧縮、溶融、材料の脱落、再構成及び結合切断を含む。穿通孔は基板材料内へと延在し、レーザの断面形状(通常は円形)と一致する断面形状を有する。穿通孔の平均直径は、0.1μm〜50μm、又は1μm〜20μm、又は2μm〜10μm、又は0.1μm〜5μmであってよい。いくつかの実施形態では、穿通孔は「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又は開放チャネルである。いくつかの実施形態では、穿通孔は連続した開放チャネルでなくてよく、レーザによって材料から脱落した固体材料のセクションを含んでよい。脱落した材料は、穿通孔が画定する空間を塞ぐか、又は部分的に塞ぐ。脱落した材料のセクション間に、1つ又は複数の開放チャネル(非閉塞領域)が散乱していてよい。開放チャネルの直径は<1000nm、又は<500nm、又は<400nm、又は<300nm、又は10nm〜750nm、又は100nm〜500nmであってよい。本明細書に開示の実施形態において、上記孔を取り囲む、材料の崩壊した又は改質された(例えば圧縮された、溶融された又はその他の方法で変化した)領域は、好ましくは<50μm(例えば<10μm)の直径を有する。
個々の穿通孔は、例えば数百キロヘルツ(1秒あたり数十万個の穿通孔)の速さで生成できる。レーザ源と材料との間の相対運動により、穿通孔を互いに隣接して配置できる(所望に応じて空間的間隔を1マイクロメートル未満から数マイクロメートル、又は数十マイクロメートルにまで変更できる)。この空間的間隔(ピッチ)は、材料又は加工物の分離を促進できるように選択できる。いくつかの実施形態では、欠陥線は「貫通孔」であり、これは略透明な材料の上部から底部まで延在する孔又は開放チャネルである。欠陥線の形成は局所的なものだけではなく、誘起吸収のセクション2cの全長に亘って延在する。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との重複の長さに対応する)は、参照符号Lで標識される。誘起吸収セクション2c(又は欠陥線の形成が実行される基板1の材料のセクション)の平均直径又は範囲は、参照符号Dで標識される。この平均範囲Dは基本的には、レーザビーム焦線2bの平均直径δ、即ち約0.1マイクロメートル〜約5マイクロメートルの平均スポット直径に対応する。ベッセルビームのスポット直径Dは、D=(2.4048λ)/(2πB)と記述でき、ここでλはレーザビームの波長であり、Bはアキシコン角度の関数である。
図2Aに示すように、(レーザビーム2の波長λに対して透過性の)基板材料は、焦線2b内のレーザビームの高い強度に関連する非線形効果(例えば2光子吸収、多光子吸収)に起因する、焦線2bに沿った誘起吸収により、加熱される。図2Bは、加熱された基板材料が最終的に膨張することにより、対応する誘起張力が微小割れの形成を引き起こし、上記張力は表面1aにおいて最高となることを図示している。
焦線2bを生成するために適用できる代表的な光学組立体6、及びこれらの光学組立体を適用できる代表的な光学的設定について、以下に記載する。全ての組立体又は設定はこれまでの記載に基づくものであり、従って、同一の構成部品若しくは特徴部分又は機能が同一の構成部品若しくは特徴部分に関しては同一の参照符号を用いる。従って差異のみを以下に記載する。
分離されたパーツ(分離はこれに沿って発生する)の表面の(破断強度、幾何学的精度、粗度及び再機械加工の必要の回避に関する)高い品質を保証するために、基板表面上に分離の線に沿って位置決めされた個々の断層線を、以下に記載の光学組立体(以下、この光学組立体は代替的にレーザ光学部品とも呼ばれる)を用いて生成する必要がある。分離された表面(又は切断縁部)の粗度は主に、断層線のスポットサイズ又はスポット直径によって決定される。表面の粗度は例えば、ASME B46.1規格によって定義されたRa表面粗度パラメータによって特徴決定できる。ASME B46.1に記載されているように、Raは、評価長さ内で記録された、中心線からの表面プロファイルの高さ偏差の絶対値の算術平均である。別の言い方をすると、Raは、中心に対する表面の個々の特徴部分(山及び谷)の絶対高さ偏差の組の平均である。
例えば(基板1の材料と相互作用する)レーザ3の所定の波長λの場合に0.5マイクロメートル〜2マイクロメートルという小さいスポットサイズを達成するために、通常、レーザ光学部品6の開口数に対して特定の要件を課す必要がある。これらの要件は、以下に記載のレーザ光学部品6によって満たされる。
必要な開口数を達成するために、上記光学部品は、公知のアッベの式(開口数=nsinθ、n:加工されるガラス又は複合体加工物の屈折率、θ:開口角度の1/2;及びθ=arctan(DL/2f);DL:開口の直径、f:焦点距離)に従って、所定の焦点距離に関して必要な開口を配置しなければならない。その一方でレーザビームは上記光学部品を、上記必要な開口まで照明しなければならず、これは典型的には、レーザと集束用光学部品との間の拡大用望遠鏡を用いたビームの拡大によって達成される。
焦線に沿った均一な相互作用のために、スポットサイズは、あまり強く変化させ過ぎてはならない。これは例えば、ビーム開口、及びそれに伴って開口数のパーセンテージが僅かしか変化しないように、集束用光学部品を小さな円形領域においてのみ照明することによって保証できる。
図3A(レーザ照射2のレーザビーム束の中央のビームの高さの、基板平面に対して垂直なセクション;ここではまた、レーザビーム2は基板平面に垂直に入射し、即ち入射角θは0°であり、これにより焦線2b又は誘起吸収のセクション2cが基板の法線に対して平行となる)によると、レーザ3によって放出されたレーザ照射2aはまず、使用されるレーザ放射に対して完全に不透過性の円形開口8に向けられる。開口8は長手方向ビーム軸に対して垂直に配向され、図示されているビーム束2aの中央ビームに対してセンタリングされる。開口8の直径は、ビーム束2aの中央付近のビーム束又は中央ビーム(ここでは2aZで標識される)が開口に当たり、開口によって完全に吸収されるように選択される。開口サイズがビーム直径に比べて削減されているため、ビーム束2aの外側周縁範囲のビーム(辺縁光線、ここでは2aRで標識される)のみが吸収されず、開口8を横断方向に通過し、光学組立体6の集束用光学素子の辺縁領域に当たり、上記光学素子は、この実施形態では球面に切削された両凸面レンズ7として設計される。
図3Aに示すように、レーザビーム焦線2bは、レーザビームのための単一の焦点であるだけでなく、レーザビーム中の異なる複数の光線のための一連の焦点である。上記一連の焦点は、レーザビーム焦線2bの長さlとして図3Aに示す所定の長さの伸長した焦線を形成する。
レンズ7は中央ビームに対してセンタリングされ、一般的な球面に切削されたレンズの形状の、非補正両凸面レンズとして設計される。このようなレンズの球面収差は有利となり得る。代替例として、理想的な焦点を形成しないものの、所定の長さの明確な伸長した焦線を形成する、理想的に補正された系から逸脱した非球面レンズ又は多レンズ系(即ち単一の焦点を有しないレンズ又は系)も使用できる。このように焦線2bに沿って集束するレンズの領域は、レンズの中央から離間している。ビーム方向に広がる開口8の直径は、(ビームの強度をピーク強度の1/e2に低減させるために必要な距離によって定義される)ビーム束の直径のおよそ90%及び光学組立体6のレンズ7の直径のおよそ75%である。ビーム束を中央においてブロックする非収差補正球面レンズ7の焦線2bは、このように使用される。図3Aは、中央ビームを通る1つの平面内のセクションを示し、図示されているビームが焦線2bの周りで回転する際、完全な3次元の束を確認できる。
レンズ7及び図3Aに示す系が形成するこのタイプの焦線の、1つの潜在的な欠点は、条件(スポットサイズ、レーザ強度)が焦線に沿って(及びこれに伴って材料の所望の深さに沿って)変化し得、従って所望のタイプの相互作用(非溶融、誘起吸収、割れ形成までの熱可塑性変形)が、焦線の選択された部分にしか発生できない場合がある点である。これは即ち、基板材料は入射レーザ光の一部しか所望の様式で吸収しない場合があることを意味する。このようにして、プロセスの効率(所望の分離速度に対して必要な平均レーザ出力)が損なわれる場合があり、レーザ光は望ましくない領域(基板又は基板保持構造に付着したパーツ又は層)にも伝達され得、上記領域と望ましくない様式で相互作用し得る(例えば加熱、拡散、吸収、不必要な改質)。
図3B‐1〜4は、(図3Aの光学組立体に関してのみならず、他のいずれの応用可能な光学組立体6に関して)光学組立体6を基板1に対して好適に位置決めする及び/又は整列させることによって、並びに光学組立体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の位置を制御できることを示す。図3B‐1に示すように、焦線2bの長さlは、これが基板厚さdを超える(ここでは2倍となる)ように調整できる。(長手方向ビーム方向に見て)基板1が焦線2bに対して中央に配置されると、誘起吸収のセクション2cが基板の厚さ全体に亘って生成される。レーザビーム焦線2bは、例えば約0.01mm〜約100mm、又は約0.1mm〜約10mm、又は約0.1mm〜約1mmの長さlを有することができる。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又は5mmの長さlを有するように構成できる。
図3B‐2に示されている場合においては、基板厚さdにある程度対応する長さlの焦線2bが生成される。基板1は線2bに対して、線2bが基板の外側の点において始まり、また誘起吸収の領域2cの(ここでは基板表面から所定の基板深さまで延在するものの、反対側の表面1bまでは延在しない)長さLが、焦線2bの長さlより小さくなるように位置決めされる。図3B‐3は、(ビーム方向に対して垂直な方向に沿って見て)基板1が焦線2bの始点の上側に位置決めされ、これにより図3B‐2のように、線2bの長さlが基板1の誘起吸収のセクション2cの長さLより大きくなるような場合を示している。従って焦線は基板内で始まり、反対側の(遠方の)表面1bを超えて延在する。図3B‐4は、焦線の長さlが基板厚さdより小さくなり、これによって、入射方向に見て焦線に対して基板が中央に位置決めされている場合、焦線が基板内の表面1aの近傍で始まって基板内の表面1bの近傍で終わる(例えばl=0.75・d)ような場合を示している。
表面1a、1bのうちの少なくとも一方が焦線によって被覆され、誘起吸収のセクション2cが基板の少なくとも1つの表面上で始まるように、焦線2bを位置決めすると、特に有利である。このようにして、表面における融除、フェザリング及び微粒化を回避しながら殆ど理想的な切断を達成できる。
図4は、適用可能な別の光学組立体6を示す。基本的な構成は図3Aにおいて記載したものと同様であるため、差異のみを以下に記載する。図示されている光学組立体は、焦線2bを生成するための、所定の長さlの焦線が形成されるように成形された非球面自由表面を有する光学部品の使用に基づくものである。この目的のために、光学組立体6の光学素子として非球面レンズを使用できる。図4では、例えば、アキシコンと呼ばれることも多い、所謂円錐プリズムが使用される。アキシコンは、光軸に沿った線上にスポット源を形成する(又はレーザビームをリングに変形させる)、円錐形に切削された特別なレンズである。このようなアキシコンの設計は当業者には一般的に知られており、本例での円錐角は10°である。ここでは参照符号9で標識されたアキシコンの頂点は、入射方向へと向けられており、ビームの中央に対してセンタリングされる。アキシコン9によって生成された焦線2bはアキシコン9の内部で始まるため、基板1(ここではビーム主軸に対して垂直に整列されている)を、アキシコン9のすぐ後側のビーム経路内に位置決めできる。図4に示すように、アキシコンの光学特性によって、基板1を、焦線2bの範囲内にあるまま、ビーム方向に沿って変移させることもできる。従って、基板1の材料内の誘起吸収のセクション2cは、基板深さd全体に亘って延在する。
しかしながら、図示した設計は以下の制約を受ける:アキシコン9が形成する焦線2bの領域はアキシコン9内で始まるため、アキシコン9と基板又はガラス複合体加工物材料との間が離間している状況では、レーザエネルギのかなりの部分が、材料内に位置する焦線2bの誘起吸収のセクション2cへと集束しない。更に、焦線2bの長さlは、アキシコン9の屈折率及び円錐角により、ビーム直径に関連する。これが、比較的薄い材料(数ミリメートル)の場合に焦線全体が基板又はガラス複合体加工物の厚さより遥かに長くなる原因であり、これによりレーザエネルギの大半が材料に集束しない。
このため、アキシコン及び集束用レンズの両方を含む光学組立体6を用いることが望ましい場合がある。図5Aはこのような光学組立体6を示し、これは、レーザビーム焦線2bを形成するよう設計された非球面自由表面を有する第1の光学素子がレーザ3のビーム経路内に位置決めされる。図5Aに示されている場合では、この第1の素子は、円錐角5°のアキシコン10であり、これはビーム方向に対して垂直に位置決めされ、レーザビーム3に対してセンタリングされる。アキシコンの頂点はビーム方向に向かって配向される。ここでは平凸レンズ11(その湾曲面はアキシコンに向かって配向される)である第2の集束用光学素子は、ビーム方向においてアキシコン10から距離Z1に位置決めされる。距離Z1はこの場合はおよそ300mmであり、これは、アキシコン10が形成するレーザ照射がレンズ11の外径部分に円形に入射するように選択される。レーザは出力側に、この場合は1.5mmの所定の長さの焦線2b上において、この場合はレンズ11からおよそ20mmである距離Z2に円形照射を集束させる。レンズ11の有効焦点距離は、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変形は、参照符号SRで標識される。
図5Bは、図5Aによる基板1の材料中の焦線2b又は誘起吸収のセクション2cの形成を詳細に示す。両素子10、11の光学特性及びこれらの位置決めは、ビーム方向の焦線2bの長さlが基板1の厚さdと完全に一致するように選択される。その結果、図5Bに示すように、焦線2bが基板1の2つの表面1aと1bとの間に正確に位置決めされるような、ビーム方向に沿った基板1の正確な位置決めが必要となる。
従って、焦線がレーザ光学部品からある一定の距離に形成され、またレーザ照射の大半が焦線の所望の端部に集束すれば有利である。上述のように、これは、一次集束用素子11(レンズ)を、特定の外径領域全体に亘って円形(環状)にのみ照明することによって達成でき、これは必要な開口数、及びこれに伴って必要なスポットサイズを実現する役割を果たすが、その一方で、スポットの中央の極めて短い距離に亘る必要な焦線2bが、基本的に円形のスポットとして形成された後で、拡散の円の強度が減少する。このようにして、欠陥線の形成は、必要な基板深さの短い距離内で停止される。アキシコン10と集束用レンズ11との組合せがこの要件を満たす。アキシコンは2つの異なる様式で作用する。即ちアキシコン10により、通常は丸みを帯びたレーザスポットがリングの形状で集束用レンズ11に送られ、またアキシコン10の非球面性は、焦面内の焦点の代わりにレンズの焦面を超えて焦線を形成する効果を有する。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できる。一方、焦線に沿った開口数は、距離Z1(アキシコン‐レンズ間の分離)によって、及びアキシコンの円錐角によって調整できる。このようにして、レーザエネルギ全体を焦線に集中させることができる。
欠陥線の形成が基板の裏側まで続くよう構成する場合、円形(環状)照明は、(1)レーザ光の大半が焦線の必要な長さに集中したままとなるという意味でレーザ出力が最適に使用されるという点、並びに(2)円形に照明された領域と、他の光学機能を用いた所望の収差設定とを併せることで、焦線に沿った均一なスポットサイズ、及びこれに伴って焦線に沿った基板からのパーツの均一な分離を達成できるという点で、依然として有利である。
図5Aに示す平凸レンズの代わりに、集束用メニスカスレンズ又は別のより高度に補正された集束用レンズ(非球面、多レンズ系)も使用できる。
図5Aに示すアキシコン及びレンズの組合せを用いて、極めて短い焦線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極めて小さいビーム直径を選択する必要がある。これは、アキシコンの頂点に対するビームのセンタリングを極めて正確なものとする必要がある点、及び結果がレーザの方向の変動に対して極めて敏感である点(ビームドリフト安定性)という、実用上の欠点を有する。更に精密にコリメートされたレーザビームは発散性が高く、即ち光の偏向によってビーム束が短い距離に亘ってぼやけてしまう。
図6に示すように、これら両方の効果は、光学組立体6に別のレンズ、即ちコリメートレンズ12を含めることによって回避できる。追加の正レンズ12は、集束用レンズ11の円形照明を極めて精密に調整する役割を果たす。コリメートレンズ12の焦点距離f’は、アキシコンからコリメートレンズ12までの距離Z1a(これはf’に等しい)から所望の円の直径drが得られるように選択される。リングの所望の幅brは、距離Z1b(コリメートレンズ12から集束用レンズ11まで)によって調整できる。完全に幾何学的な問題として、円形照明の幅が小さいと、焦線が短くなる。距離f’において最小値を達成できる。
従って図6に示す光学組立体6は、図5Aに示す光学組立体6に基づき、従って差異についてのみ以下に記載する。ここでも(湾曲面がビーム方向に向けられた)平凸レンズとして設計されたコリメートレンズ12は更に、(頂点がビーム方向に向けられた)アキシコン10と平凸レンズ11との間のビーム経路内の中央に配置される。アキシコン10からのコリメートレンズ12の距離はZ1aで表され、(常にビーム方向に見た)コリメートレンズ12からの集束用レンズ11の距離はZ2で表される。図6に示すように、アキシコン10で形成される円形照射SRは、コリメートレンズ12に円の直径drに発散して入射し、これは、集束用レンズ11において少なくともおよそ一定の円の直径drのために、距離Z1bに沿った必要な円の幅brに調整される。図示されている場合では、レンズ12におけるおよそ4mmの円の幅brが、レンズ12の集束特性によって、レンズ11においておよそ0.5mmへと削減されるように、極めて短い焦線2bを生成することが意図されている(この例では円の直径drが22mmである)。
図示されている例では、典型的なレーザビーム直径2mm、焦点距離f=25mmを有する集束用レンズ11、焦点距離f’=150mmを有するコリメートレンズを用い、距離Z1a=Z1b=140mm及びZ2=15mmを選択して、0.5mm未満の焦線の長さlを達成できる。
図7A〜7Cは、異なる複数のレーザ強度方式におけるレーザ‐物質間の相互作用を示す。図7Aに示す第1の場合では、集束していないレーザビーム710は、透明基板720にいずれの改質も導入することなく、透明基板720を通過する。この特定の場合では、レーザエネルギ密度(又はビームが照明する単位面積あたりのレーザエネルギ)が非線形効果を誘起するために必要な閾値未満であるため、非線形効果が存在しない。エネルギ密度が高くなるほど、電磁場の強度が高くなる。従って図7Bに示すように、レーザビームが球面レンズ730によってより小さなスポットサイズに集束されるとき、図7Bに示すように、照明されている面積が削減され、エネルギ密度が上昇して、このような条件を満たす容積内においてのみ焦線の形成を可能とするように材料を改質する非線形効果がトリガされる。このようにして、集束したレーザのビームウエストが基板の表面に位置決めされた場合に、表面の改質が発生することになる。対照的に、集束したレーザのビームウエストが基板の表面の下側に位置決めされた場合には、エネルギ密度が非線形光学効果の閾値未満であれば表面には何も起こらない。しかしながら、基板720の体積内に位置決めされた焦点740において、レーザ強度は、多光子非線形効果をトリガすることによって材料に損傷を誘起できる程度に十分に高い。最終的には、図7Cに示すように、図7Cに示すアキシコンの場合、アキシコンレンズ750あるいはフレネルアキシコンの回折パターンは、ベッセル型強度分布(高強度の円筒760)を生成する干渉を生成し、また非線形吸収及び材料への改質を生成するために十分に高い強度が、上記容積内にのみ存在する。ベッセル型強度分布が、非線形吸収及び材料への改質を生成するために十分に高くなっている、円筒760の直径は、本明細書において記載されているように、レーザビーム焦線のスポット直径でもある。ベッセルビームのスポット直径Dは、D=(2.4048λ)/(2πB)として表すことができ、ここでλはレーザビームの波長であり、Bはアキシコン角度の関数である。
レーザ及び光学系
フュージョン形成ガラス複合体加工物を切断するために、1064nmピコ秒レーザを、ガラス複合体中に欠陥線を生成するための光学部品を形成する線状焦点ビームと組み合わせて使用する、プロセスが開発された。厚さが最高0.7mmのガラス複合体は、それが光学部品によって生成される焦線の領域内となるように位置決めされた。長さ約1mmの焦線と、ガラス複合体加工物において測定した場合に繰り返し数200kHz(パルスモードで約120μJ、又はバーストモードで約120μJ)において約24W以上の出力を生成するピコ秒レーザとを用いると、焦線領域における光学的強度を容易に、ガラス複合体加工物において非線形吸収を生成できる程度に十分に高くすることができる。パルスレーザビームは、複合体材料において測定した場合に、材料の厚さ1mmあたり40μJ超の平均レーザエネルギを有することができる。この「平均レーザエネルギ」は、パルスあたりの平均線形エネルギ密度、又は材料の厚さ1mmあたりのレーザパルスあたりの平均エネルギと呼ぶこともできる。ガラス加工物中の、損傷、融除、気化又はその他の改質を受けた材料の領域は、高強度の線形領域に概ね続いて生成された。
フュージョン形成ガラス複合体加工物を切断するために、1064nmピコ秒レーザを、ガラス複合体中に欠陥線を生成するための光学部品を形成する線状焦点ビームと組み合わせて使用する、プロセスが開発された。厚さが最高0.7mmのガラス複合体は、それが光学部品によって生成される焦線の領域内となるように位置決めされた。長さ約1mmの焦線と、ガラス複合体加工物において測定した場合に繰り返し数200kHz(パルスモードで約120μJ、又はバーストモードで約120μJ)において約24W以上の出力を生成するピコ秒レーザとを用いると、焦線領域における光学的強度を容易に、ガラス複合体加工物において非線形吸収を生成できる程度に十分に高くすることができる。パルスレーザビームは、複合体材料において測定した場合に、材料の厚さ1mmあたり40μJ超の平均レーザエネルギを有することができる。この「平均レーザエネルギ」は、パルスあたりの平均線形エネルギ密度、又は材料の厚さ1mmあたりのレーザパルスあたりの平均エネルギと呼ぶこともできる。ガラス加工物中の、損傷、融除、気化又はその他の改質を受けた材料の領域は、高強度の線形領域に概ね続いて生成された。
パルスモード又はバーストモードにおいて、超短(パルス持続時間が数十ピコ秒以下の)レーザを動作させることができる。パルスモードでは、公称では同一の一連の複数の単一パルスがレーザから放出されて基板に向けられる。パルスモードでは、レーザの繰り返し数は、パルス間の時間的間隔によって決定される。バーストモードでは、パルスのバーストがレーザから放出され、ここで各バーストは(同一の又は異なる振幅の)2つ以上のパルスを含む。バーストモードでは、1つのバースト内のパルスは(バーストに関するパルス繰り返し数を画定する)第1の時間間隔によって分離され、バーストは(バースト繰り返し数を画定する)第2の時間間隔によって分離され、第2の時間間隔は典型的には第1の時間間隔よりも遥かに長い。(パルスモードの文脈であるかバーストモードの文脈であるかにかかわらず)本明細書において使用される場合、時間間隔は、パルス又はバーストの対応する部分間(例えば前縁部‐前縁部間、ピーク‐ピーク間、又は後縁部‐後縁部間)の時間差を指す。パルス及びバースト繰り返し数はレーザの設計によって制御され、典型的には、例えばレーザの動作条件を調整することにより、限度内で調整できる。典型的なパルス及びバースト繰り返し数は、kHz〜MHz範囲内である。(パルスモードにおける、又はバーストモードのバースト内のパルスに関する)レーザパルス持続時間は、10‐10秒以下、又は10‐11秒以下、又は10‐12秒以下、又は10‐13秒以下であってよい。本明細書に記載の例示的実施形態では、レーザパルス持続時間は10‐15秒超である。
より具体的には、図8Aに示すように、本明細書に記載されている選択された実施形態によると、ピコ秒レーザはパルス500Aの「バースト」500を生成し、これは場合によっては「バーストパルス」とも呼ばれる。バースト生成は、パルスの生成が均一で安定したストリームでなく、パルスの密集であるような、レーザ動作のタイプである。各「バースト」500は、最高100psec(例えば0.1psec、5psec、10psec、15psec、18psec、20psec、22psec、25psec、30psec、50psec、75psec又はこれらの数値の間)という極めて短い持続時間Tdの複数のパルス500A(例えば2パルス、3パルス、4パルス、5パルス、10、15、20又はそれ以上)を含有してよい。パルス持続時間は一般に、約1psec〜約1000psec、又は約1psec〜約100psec、又は約2psec〜約50psec、又は約5psec〜約20psecである。単一のバースト500内のこれら個々のパルス500Aは、「サブパルス」とも呼ぶことができ、これは単に、これらがパルスの単一のバースト内で発生するという事実を示す。上記バースト内の各レーザパルス500Aのエネルギ又は強度は、バースト内の他のパルスのエネルギ又は強度と等しくなくてよく、バースト500内の複数のパルスの強度分布は、レーザの設計によって支配されている、時間による急激な減衰に追随できる。好ましくは、本明細書に記載の例示的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、1nsec〜50nsec(例えば10〜50nsec、又は10〜40nsec、又は10〜30nsec)の期間Tpだけ時間的に離れており、上記時間はレーザキャビティの設計によって支配されることが多い。ある所定のレーザに関して、バースト500内の各パルス間の時間間隔Tp(パルス‐パルス間間隔)Tp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、およそ20nsec(50MHzパルス繰り返し周波数)だけ時間的に離れている。例えば、約20nsecのパルス‐パルス間間隔Tpを生成するレーザに関して、あるバースト内のパルス‐パルス間間隔Tpは約±10%内に維持され、又は約±2nsecである。各「バースト」間の時間(即ちバースト間の時間間隔Tb)は遥かに長くなる(例えば0.25≦Tb≦1000マイクロ秒、例えば1〜10マイクロ秒又は3〜8マイクロ秒)。例えば、本明細書に記載のレーザの例示的実施形態のうちのいくつかでは、これは約200kHzのレーザ繰り返し数又は周波数に関して約5マイクロ秒となる。レーザ繰り返し数はまた、本明細書ではバースト繰り返し周波数又はバースト繰り返し数とも呼ばれ、これはあるバーストの第1のパルスと、後続のバーストの第1のパルスとの間の時間として定義される。他の実施形態では、バースト繰り返し周波数は、約1kHz〜約4MHz、又は約1kHz〜約2MHz、又は約1kHz〜約650kHz、又は約10kHz〜約650kHzである。各バーストの第1のパルスと後続のバーストの第1のパルスとの間の時間Tbは、0.25マイクロ秒(4MHzのバースト繰り返し数)〜1000マイクロ秒(1kHzのバースト繰り返し数)、例えば0.5マイクロ秒(2MHzのバースト繰り返し数)〜40マイクロ秒(25kHzのバースト繰り返し数)、又は2マイクロ秒(500kHzのバースト繰り返し数)〜20マイクロ秒(50kHzバーストの繰り返し数)であってよい。正確なタイミング、パルス持続時間及び繰り返し数は、レーザの設計及びユーザが制御可能な動作パラメータに応じて変化できる。高強度の短いパルス(Td<20psec及び好ましくはTd≦15psec)は、動作が良好であることが示されている。
材料を改質するために必要なエネルギについて、バーストエネルギ、即ちあるバースト内に含まれるエネルギ(各バースト500は一連の複数のパルス500Aを含む)に関して、又は単一のレーザパルス内に含まれるエネルギ(その多くはあるバーストを構成する)に関して説明できる。これらの応用に関して、(切断される材料1ミリメートルあたりの)バーストあたりのエネルギは、10〜2500μJ、又は20〜1500μJ、又は25〜750μJ、又は40〜2500μJ、又は100〜1500μJ、又は200〜1250μJ、又は250〜1500μJ、又は250〜750μJとすることができる。バースト内の個々のパルスのエネルギはより小さくなり、正確な個々のレーザパルスエネルギは、バースト500内のパルス500Aの数、及び図8Aに示すような時間によるレーザパルスの減衰率(例えば急激な減衰率)に左右されることになる。例えば一定のエネルギ/バーストのために、あるパルスバーストが10個の個々のレーザパルス500Aを含む場合、個々のレーザパルス500Aはそれぞれ、同一のバーストパルス500が2つの個々のレーザパルスしか有しない場合よりも小さいエネルギを含むことになる。
こ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、例えばガラスを切断又は改質するために有利である。単一パルスレーザの繰り返し数によって時間的に離れている複数の単一パルスの使用とは対照的に、レーザエネルギをバースト500内のパルスの迅速なシーケンス全体に亘って広げるバーストパルスシーケンスの使用により、単一パルスレーザを用いて可能な材料との高強度相互作用のタイムスケールを長くすることができる。単一パルスを時間的に拡大できる一方で、これが実施されると、エネルギの保存のために、パルス内強度をパルス幅に亘っておおよそ1だけ落とすことが要求される。従って、10psecの単一パルスが10nsecパルスに拡大される場合、強度はおおよそ3桁下がる。このような低減により、非線形吸収がもはや重要でなくなり、かつ光‐材料間相互作用が切断を可能とすることができるほどには強くなくなる点まで、光の強度を低下させることができる。対照的に、バーストパルスレーザを用いると、バースト500内の各パルス又はサブパルス500A中の強度は極めて高いままとすることができ、例えば、およそ10nsecの間隔Tpだけ時間的に離れている、パルス持続時間Tdが10psecの3つのパルス500Aは、各パルス内の強度を依然として単一の10psecパルスの強度のおおよそ3倍とすることができ、その一方でレーザを、3桁大きいタイムスケールに亘って材料と相互作用させることができる。従って、あるバースト内の複数のパルス500Aをこのように調整することにより、既存のプラズマプルームとの光のより強い又は弱い相互作用、初期又は過去のレーザパルスによって事前に励起された原子及び分子とのより強い又は弱い光‐材料間相互作用、及び欠陥線(穿通孔)の制御された成長を促進できる材料内のより強い又は弱い加熱効果を促進できるような方法で、レーザ‐材料間相互作用のタイムスケールを操作できる。材料を改質するために必要なバーストエネルギの量は、基板材料の組成、及び基板との相互作用に使用される線状焦点に左右されることになる。相互作用範囲が長いほど、エネルギはより広がり、また必要となるバーストエネルギが高くなる。
複数のパルスの単一のバーストがガラス上の略同一の位置に当たる場合、欠陥線又は孔が材料内に形成される。即ち単一のバースト内の複数のレーザパルスは、ガラス内に、単一の欠陥線又は孔位置を生成できる。当然のことながら、ガラスが(例えば連続移動ステージによって)並進移動するか、又はビームがガラスに対して移動する場合、バースト内の個々のパルスは、ガラス上の正確に同一の空間的位置にあることはできない。しかしながら、これらは互いに1μmの範囲内にあり、即ちこれらは基本的に同一の位置でガラスに当たる。例えばこれらは、互いから間隔sp(ここで0<sp≦500nm)でガラスに当たることができる。例えば20個のパルスのバーストがあるガラス位置に当たる場合、このバースト内の個々のパルスは、互いに250nmの範囲内でガラスに当たる。従って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。
孔又は損傷トラックの形成:
(例えばイオン交換ガラスを用いて)基板が十分な応力を有する場合、パーツは、レーザプロセスによってトレースされた穿通損傷の経路(断層線)に沿って自発的に分離することになる。しかしながら、基板に固有の応力が高くない場合、ピコ秒レーザは単に、複合体加工物中に欠陥線(損傷トラック)を形成するだけである。これらの欠陥線は概ね、〜0.5〜1.5マイクロメートルの内側寸法(直径)を有する孔の形態を取る。
(例えばイオン交換ガラスを用いて)基板が十分な応力を有する場合、パーツは、レーザプロセスによってトレースされた穿通損傷の経路(断層線)に沿って自発的に分離することになる。しかしながら、基板に固有の応力が高くない場合、ピコ秒レーザは単に、複合体加工物中に欠陥線(損傷トラック)を形成するだけである。これらの欠陥線は概ね、〜0.5〜1.5マイクロメートルの内側寸法(直径)を有する孔の形態を取る。
欠陥線は、材料の厚さ全体を穿通してもしなくてもよく、また材料の深さ全体に亘る連続した開口部であってもなくてもよい。図8Bは、700マイクロメートル厚の2320NIOX基板の加工物の厚さ全体を穿通する欠陥線の例を示す。図9に示すフュージョン形成ガラス複合体において、同様の効果が見られる。欠陥線は、へき開縁部の側部を通して観察される。材料を通る欠陥線は、貫通孔である必要はない。孔を塞ぐガラスの領域が存在してよいが、上記領域は一般にサイズが小さく、例えば数マイクロメートルである。パーツの分離時、欠陥線に沿って破砕が発生し、欠陥線に由来する特徴部分を有する周縁表面(縁部)を有するパーツが提供されることに留意されたい。分離前、欠陥線は一般に円筒形である。パーツを分離すると、欠陥線は破砕され、欠陥線の残りが、分離されたパーツの周縁表面の輪郭に残る。理想的なモデルでは、欠陥線は分離時に半分だけへき開し、これによって、分離されたパーツの周縁表面が、円筒の半分に相当するセレーションを含む。実際には、分離は理想的なモデルから外れる場合もあり、周縁表面のセレーションは、元の欠陥線の形状の任意の画分となり得る。特定の形状とは無関係に、周縁表面の特徴部分を欠陥線と呼ぶものとし、これは欠陥線の起源を示す。
積層されたガラスのシートを含む加工物を穿通することもできる。この場合、欠陥線の長さは、積層体の高さよりも長い必要がある。
集束したレーザビームの下で基板が並進移動するため、孔(欠陥線、穿通孔)の間の横断方向間隔(ピッチ)は、レーザのパルス数によって決定される。完全な孔を形成するためには通常、単一のピコ秒レーザパルス又はバーストしか必要でないが、必要に応じて複数のパルス又はバーストを使用してよい。異なるピッチの複数の孔を形成するために、レーザを、より長い又は短い間隔で点灯するようにトリガできる。切断動作に関して、レーザのトリガは一般に、ビームの下での、ステージによって駆動される加工物の運動と同期されるため、レーザパルスは1マイクロメートル毎又は5マイクロメートル毎といった固定間隔でトリガされる。断層線の方向に沿った、隣接する欠陥線の間の距離又は周期は、いくつかの実施形態では例えば0.1マイクロメートル超かつ約20マイクロメートル以下とすることができる。より好ましくは、上記間隔は0.5マイクロメートル〜3.0マイクロメートルである。更に好ましくは、上記間隔は0.5マイクロメートル〜1.0マイクロメートルである。隣接する欠陥線の間の正確な間隔は、基板内の応力レベルを考慮して、穿通孔から穿通孔への割れの伝播を促進する、材料の特性によって決定される。しかしながら、基板の切断とは対照的に、材料を穿通するためだけに同一の方法を用いることもできる。本明細書に記載の方法では、孔又は欠陥線を、より大きな間隔(例えば7マイクロメートル以上のピッチ)で離すことができる。
レーザ出力及びレンズ焦点距離(これは焦線の長さ、及びこれに伴って出力密度を決定する)は、ガラスを完全に貫通することと、表面及び表面下損傷が小さいこととを保証するために、特に重要なパラメータである。
一般に、利用可能なレーザ出力が高いほど、上述のプロセスを用いて材料をより迅速に切断できる。本明細書で開示される1つ又は複数のプロセスは、切断速度0.25m/sec以上でガラスを切断する。切断速度は、複数の欠陥線の孔を生成しながら基板材料(例えばガラス)の表面に対してレーザビームが移動する速さである。製造のための資本投資を最小化するため、及び設備利用率を最適化するために、例えば400mm/sec、500mm/sec、750mm/sec、1m/sec、1.2m/sec、1.5m/sec若しくは2m/sec、又は更に3.4m/sec〜4m/secといった高い切断速度が望ましいことが多い。レーザ出力は、レーザのバーストエネルギとバースト繰り返し周波数(数)との積に等しい。一般に、高い切断速度でガラス材料を切断するために、欠陥線は典型的には1〜25μmだけ離間し、いくつかの実施形態ではこの間隔は好ましくは3μm以上、例えば3〜12μm、又は例えば5〜10μmである。
例えば、300mm/secの直線切断速度を達成するために、3μmの孔ピッチは、少なくとも100kHzのバースト繰り返し数を有するパルスバーストレーザに対応する。600mm/secの切断速度に関して、3μmのピッチは、少なくとも200kHzのバースト繰り返し数を有するバーストパルスレーザに対応する。200kHzにおいて少なくとも40μJ/バーストを生成し、切断速度600mm/sで切断を行う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。切断速度が高くなると、これに伴って高いレーザ出力が必要となる。
例えば3μmピッチ及び40μJ/バーストにおいて0.4m/secの切断速度には、少なくとも5Wのレーザが必要となり、3μmピッチ及び40μJ/バーストにおいて0.5m/secの切断速度には、少なくとも6Wのレーザが必要となる。従って好ましくは、パルスバーストpsレーザのレーザ出力は6W以上、より好ましくは少なくとも8W以上、及び更に好ましくは少なくとも10W以上である。例えば、4μmピッチ(欠陥線の間隔、又は損傷トラックの間隔)及び100μJ/バーストにおいて0.4m/secの切断速度を達成するためには、少なくとも10Wのレーザが必要であり、4μmピッチ及び100μJ/バーストにおいて0.5m/secの切断速度を達成するためには、少なくとも12Wのレーザが必要である。例えば、3μmピッチ及び40μJ/バーストにおいて1m/secの切断速度を達成するためには、少なくとも13Wのレーザが必要である。また例えば、4μmピッチ及び400μJ/バーストにおいて1m/secの切断速度は、少なくとも100Wのレーザが必要となる。
欠陥線(損傷トラック)間の最適なピッチ及び正確なバーストエネルギは材料に左右され、経験的に決定できる。しかしながら、レーザパルスエネルギが上昇する、又は損傷トラックをより小さいピッチで作製するのは、常に基板材料の分離をより良好なものとする、又は縁部品質を改善する条件ではないことに留意されたい。欠陥線(損傷トラック)間の小さ過ぎる(例えば<0.1マイクロメートル、又はいくつかの例示的実施形態では<1μm、又は他の実施形態では<2μmの)ピッチは、場合により、近隣の後続の欠陥線(損傷トラック)の形成を阻害し得、また穿通された輪郭を巡る材料の分離を阻害し得る。ピッチが小さ過ぎる場合、ガラス内の望ましくない微小割れの増大も引き起こされ得る。長過ぎる(例えば>50μm、及びいくつかのガラスでは>25μm又は>20μmでさえある)ピッチは、「非制御下の微小割れ」を引き起こし得る。即ちこの場合、意図した輪郭に沿った欠陥線から欠陥線への伝播の代わりに、微小割れが異なる経路に沿って伝播し、意図した輪郭とは離れた異なる(望ましくない)方向のガラスの割れを引き起こす。これは最終的には、分離されたパーツの強度を低下させ得る。というのは残留する微小割れは、ガラスを弱化させるきずを構成するためである。欠陥線を形成するための高過ぎる(例えば>2500μJ/バースト、及びいくつかの実施形態では>500μJ/バーストの)バーストエネルギは、既に形成された欠陥線の「治癒(healing)」又は再溶融を引き起こし得、これはガラスの分離を阻害し得る。従って、バーストエネルギが<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、高過ぎるバーストエネルギの使用は微小割れの形成を引き起こし得、これは極めて大きく、分離後のパーツの縁部強度を低減し得る構造的不完全性を生成する。低過ぎる(例えば<40μJ/バーストの)バーストエネルギは、ガラス内に目に見える欠陥線を形成できず、従って特に高い分離力が必要となり得、又は穿通された輪郭に沿った分離を完全に不可能としてしまい得る。
このプロセスが可能な典型的な切断速度の例は、例えば0.25m/sec以上である。いくつかの実施形態では、切断速度は少なくとも300mm/secである。いくつかの実施形態では、切断速度は少なくとも400m/sec、例えば500mm/sec〜2000 mm/sec以上である。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、0.5μm〜13μm、例えば0.5〜3μmの周期で欠陥線を生成する。いくつかの実施形態では、パルスレーザは10W〜100Wのレーザ出力を有し、材料及び/又はレーザビームは互いに対して、少なくとも0.25m/sec;例えば0.25/msec〜0.35m/sec、又は0.4m/sec〜5m/secの速度で並進移動する。好ましくは、パルスレーザビームの各パルスバーストは、加工物において測定した場合に、加工物の厚さ1mmあたり40μJ/バースト超の平均レーザエネルギを有する。好ましくは、パルスレーザビームの各パルスバーストは、加工物において測定した場合に、加工物の厚さ1mmあたり2500μJ/バースト未満、及び好ましくは加工物の厚さ1mmあたり約2000μJ/バースト未満、及びいくつかの実施形態では加工物の厚さ1mmあたり1500μJ/バースト未満、例えば加工物の厚さ1mmあたり500μJ/バースト以下の平均レーザエネルギを有する。
本発明者らは、アルカリ含有量が低いか又はゼロのアルカリ土類ボロアルミノシリケートガラスを穿通するためには、遥かに高い(5〜10倍高い)容積パルスエネルギ密度(μJ/μm3)が必要となることを発見した。これは例えば、好ましくは少なくとも1バーストあたり2パルスを有するパルスバーストレーザを利用し、約0.05μJ/μm3以上、例えば少なくとも0.1μJ/μm3、例えば0.1〜0.5μJ/μm3の、上記アルカリ土類ボロアルミノシリケートガラス中の容積エネルギ密度を提供することによって、達成できる。
従って、レーザが、1バーストあたり少なくとも2パルスを有するパルスバーストを生成することが好ましい。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、1バーストあたり少なくとも2パルス(例えば1バーストあたり2〜25パルス)を有するパルスバーストを生成する。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、1バーストあたり少なくとも2〜25パルスを有するパルスバーストを生成し、このレーザバーストが生成する隣接する欠陥線間の周期又は距離は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、1バーストあたり少なくとも2パルスを有するパルスバーストを生成し、加工物及びレーザビームは互いに対して、少なくとも0.25m/secの速度で並進移動する。いくつかの実施形態では、加工物及び/又はレーザビームは互いに対して、少なくとも0.4m/secの速度で並進移動する。
例えば、厚さ0.7mmの非イオン交換Corningコード2319又はコード2320Gorilla(登録商標)ガラスを切断するために、約150〜250μJ/バーストのパルスバーストエネルギ及び2〜15のバーストパルス数を伴う3〜7μmのピッチ、また好ましくは3〜5μmのピッチ及び2〜5のバーストパルス数(1バーストあたりのパルスの数)が、良好に作用できることが観察されている。
1m/secの切断速度において、EagleXG(登録商標)ガラスの切断は典型的には、15〜84Wのレーザ出力の利用が必要となり、30〜45Wで十分である場合が多い。一般に、広範なガラス及び他の透明材料に亘って、出願人らは、0.2〜1m/secの切断速度を達成するために10W〜100Wのレーザ出力が好ましく、多くのガラスに関しては25〜60Wのレーザ出力で十分である(又はこれが最適である)ことを発見した。0.4m/sec〜5m/secの切断速度に関して、レーザ出力は好ましくは、40〜750μJ/バーストのバーストエネルギ、(切断される材料に応じて)1バーストあたり2〜25パルス、及び3〜15μm又は3〜10μmの欠陥線間隔(ピッチ)を伴う10W〜150Wとするべきである。これらの切断速度のためには、ピコ秒パルスバーストレーザの使用が好ましい。というのは、上記ピコ秒パルスバーストレーザは高い出力と、必要な1バーストあたりのパルス数とを生成するためである。従っていくつかの例示的実施形態によると、パルスレーザは10W〜100W、例えば25W〜60Wの出力を生成し、また1バーストあたり少なくとも2〜25パルスのパルスバーストを生成し、欠陥線間の間隔は2〜15μmとなる。そしてレーザビーム及び/又は加工物は互いに対して、少なくとも0.25m/sec、いくつかの実施形態では少なくとも0.4m/sec、例えば0.5m/sec〜5m/sec以上の速度で並進移動する。
プレートの切断及び分離形状
図10に示すような大型の複合ガラスシートから、孔又はスロットを有する又は有しない物品を形成することが強く望まれている。図11は、機能性ボタン用の又はスピーカー若しくはマイクロフォンを配置するための孔及びスロットを有する、例示的な分離された複合体物品を示す。
図10に示すような大型の複合ガラスシートから、孔又はスロットを有する又は有しない物品を形成することが強く望まれている。図11は、機能性ボタン用の又はスピーカー若しくはマイクロフォンを配置するための孔及びスロットを有する、例示的な分離された複合体物品を示す。
ピコ秒レーザ単独で、又はピコ秒レーザと、それに続くCO2レーザとの組合せによって、断層線をトレースすることにより、周縁及び/又は内側の孔若しくはスロットを切り離した。デフォーカスCO2レーザがトレースする切り離し線及び経路の導入は、以下のような問題を回避できるよう、注意深く計画される:
開始/停止位置の一致の回避。一般に可動ステージのゆっくりした加速/減速は、後にパーツを割る、又は粉砕さえすることになる点状の応力源を生成するために十分となり得る。
開始/停止位置の一致の回避。一般に可動ステージのゆっくりした加速/減速は、後にパーツを割る、又は粉砕さえすることになる点状の応力源を生成するために十分となり得る。
トレースされた輪郭上のいずれのスポット上での、デフォーカスCO2レーザを停止又は「パーキング(parking)」‐大半の場合これは表面を溶融させ、及び/又は微小割れを生成し得る。CO2レーザの経路は、切り離される輪郭の外側で開始及び終了するよう計画しなければならない。
例示的なピコ秒レーザ条件は:波長1064nm、1バーストあたり4パルス、出力レベル100%、繰り返し数200kHzであった。例示的なCO2レーザ条件は:波長10.6μm、20m/minにおいて2回のレーザ通過、焦点28.5mm、出力100%、繰り返し数20kHzにおいて17マイクロ秒のパルスであった。
酸エッチングによる、抜き出された物品の更なる加工により、レーザカットされたままのシートに比べて、極めて高い縁部強度を有する物品をもたらすことができる。いくつかの例では、切断されたままのシートは、特定の用途に対しては十分に強いものであり得るが、一般には多くの用途のために、より高い縁部強度を有することが望まれる。
続いてパーツ(物品)を、標準的な酸エッチング処理(例えば1.5M HF及び0.9M H2SO4の溶液)に供し、レーザ切断法によって誘起された表面欠陥を削減、又は完全に除去した。そして図12に示すワイブルプロットに、縁部強度データを、「切断されたままの」例と比較してプロットした。図12に見られるように、処理したままの物品はここでは650メガパスカル(MPa)もの、有意に高い強度値を達成できる。
図13A〜13Cは、等間隔に離間した改質したガラスによる、欠陥線の例を示す。
ドローした直後のガラスの切断
連続的フュージョンガラス製造プロセスに関して、機械的スコーリング及び破断は慣用のガラス切断アプローチである。このプロセスは迅速であり、直線状の切断に関しては1m/sを達成できるものの、輪郭ガラス形状の切断に関しては大きな制約がある。というのは、上記プロセスは、低い速度、ガラス縁部の欠け、切断縁部の高い粗度等により、このような用途に関して極めて困難なものとなるためである。これらの用途は、表面下損傷(SSD)を削減するための複数の摩砕及び研磨ステップ、並びに洗浄ステップを必要とし、これらのステップは、必要資本量の上昇及び収率の低さによるコストの上昇によってプロセスにコストを追加するだけでなく、単に技術的要件を満たすこともできない。
連続的フュージョンガラス製造プロセスに関して、機械的スコーリング及び破断は慣用のガラス切断アプローチである。このプロセスは迅速であり、直線状の切断に関しては1m/sを達成できるものの、輪郭ガラス形状の切断に関しては大きな制約がある。というのは、上記プロセスは、低い速度、ガラス縁部の欠け、切断縁部の高い粗度等により、このような用途に関して極めて困難なものとなるためである。これらの用途は、表面下損傷(SSD)を削減するための複数の摩砕及び研磨ステップ、並びに洗浄ステップを必要とし、これらのステップは、必要資本量の上昇及び収率の低さによるコストの上昇によってプロセスにコストを追加するだけでなく、単に技術的要件を満たすこともできない。
より最近には、ディスプレイ用ガラス組成物の切断のために、二酸化炭素(CO2)レーザ源によるスコーリング及び破断アプローチが開発されている。この技術は、機械的な(又はレーザによる)割れの開始と、これに続くCO2レーザによる割れの伝播とによるものである。波長10.6マイクロメートルのCO2レーザ照射を高精度の熱源として用い、これに続く冷却剤噴射により、熱衝撃を生成して、CO2レーザが横断する直線に沿って割れを伝播させることが、極めてよく行われる。このアプローチの難点は、特に輪郭に沿った上述のような割れを良好に制御して伝播させることができないことである。機械的な又はレーザによるスコーリング及び破断技術のいずれによる直線状の切断は、いくつかの用途に関しては良好に作用できたものの、精度が高く、清浄で可撓性のガラス切断用解決策に関して、更に高い要求が必要とされた。
機械的な、及びCO2レーザによるスコーリングが困難である一例は、液晶ディスプレイ(LCD)ガラスフュージョンプロセスである。LCDフュージョンプロセスでは、高いドロータワーから出た、薄く平坦なガラスの連続したリボンが形成される。この薄型ガラスは、厚さ0.050mm〜2mm、幅24インチ(60.96cm)〜150インチ(381cm)で形成される。このガラスのリボンを、ガラス窓のスコーリング又は切断と同様に、機械的スコーリングホイールでスコーリングする。その後このスコーリングされたガラスのリボンを機械的に屈曲及び破断して、ドロータワーの底部において、幅24インチ(60.96cm)〜150インチ(381cm)、高さ24インチ(60.96cm)〜150インチ(381cm)のシートを完成させる。このシートは、シートの左右の側部に、極めて粗度が高いセクションを有する。機械的スコーリングは、ガラスシートの品質領域においてしか実施できず、ガラスシートの比較的厚いビード形成セクションにおいては実施できない。そして、ロボットがガラスシートを把持し、これを屈曲させ、ガラスのリボンからスコーリングされたシートを破断する。この破断動作は、リボンからドロータワーへの高振幅振動を引き起こし、これは完成品のシートにおける平坦性の変動の形成を引き起こす。これはまた、振動によって微小割れがドローまで延在するため、限界を生じる。ガラスを機械的にスコーリング及び破断することによって、箔のように極めて軽いガラスチップが生成されるが、これらのガラスチップは、サイズが10〜200マイクロメートル、厚さが3〜20マイクロメートルである。これらのガラスチップはドロータワーまで浮遊してシートの表面に付着し、クラムシェルガラスチップと呼ばれるこれらの粒子のうちのいくつかは、リボンガラス表面に恒久的に付着し、ガラスの不合格セクションをもたらす。
続いてこのガラスシートを、リボン領域から副次的切断領域へと移動させ、ここでガラスシートを、垂直ビードスコーリング機と呼ばれる別の機械の上に配置し、そしてガラスのビード形成セクション又は非品質領域を機械的にスコーリングした後、上記ビード形成セクションを機械的に破断して母材シートから離す。ここでもまた、小さなクラムシェルガラスチップがシートから欠陥領域へと飛び、ガラスの不合格セクションをもたらす。
続いて場合によっては、全てのシートを木箱に詰めて、仕上げ場所へと搬送する。ここでもクラムシェルガラスチップがガラス縁部から表面へと移動し、ガラスの不合格セクションをもたらす。この木枠からガラスを降ろして仕上げラインに配置し、ここでシートを機械的に又はCO2レーザでスコーリングし、機械的に破断して、僅かに小さいガラスのシートとするが、このスコーリングプロセスは、精密スコーリング機よりも大幅に精度が高い。ここでも比較的多くのクラムシェルガラスチップがガラス表面へと飛び、これらのガラスシートの不合格セクションをもたらす。
次にシートを縁部グラインダへと移動させ、上記縁部グラインダは、薄型ガラスシートを最終的な長さ及び幅まで大まかに、及び微細に摩砕する。そしてシートを、4つの角を摩砕する別のグラインダへと移動させる。次にシートはインライン洗浄器へと移動し、上記インライン洗浄器は、表面から、クラムシェル粒子以外の殆どの自由な粒子を洗浄する。
本明細書に開示されているレーザガラス切断技術は、極めて正確に、極めて迅速に、そしてガラスチップを生成することなく、薄型ガラスを含むガラスを切断する。IRIS技術は、極めて小さい孔(例えば<1マイクロメートル)及び小さなピッチ間隔(例えば1マイクロメートル)で、ガラスを穿通できる。またガラスを、極めて高速(例えば1〜2メートル/sec)で穿通できる。試験したケースにおいては、ガラス縁部上にはチップは全く観察されなかった。このレーザプロセスは、より大きなガラスのシートを穿通して、上記シートから、携帯電話サイズ(70mm×150mm)形状等の小型ガラス物品を分離できる。薄型ガラスのこの穿通及び分離プロセスは、400nm未満のRa表面粗度を有し、及び深さが60マイクロメートル以下に制限された表面下微小割れを有する縁部を残す。この縁部品質は、ガラスの研削シートの品質に近い。この特性により、薄型ガラスシートを作製するフュージョンドロープロセスにおいて、高温のガラスをレーザカットできる。
図14は、連続フュージョンガラス製造プロセスのための既存のガラス切断アプローチを示す。この既存のプロセスでは、ガラスシート1464は、ドロータワー1462から下へと流れる。ガラスシート1464の、暗い影を付けた部分は、温度が高いことを表す。例えばフュージョンドロー機においてガラスのシートを形成すると、高温かつ軟質のガラスシートが、ローラ等の把持機構によって引き出され、上記把持機構はガラスシートの2つの外側縁部上に刻印を形成する。刻印を施された縁部は「ビード」と呼ばれ、これらの縁部はガラスシートの全長に延在する。これらのビード形成領域は、ガラスシートの中央セクションに比べて、歪んで平坦でなくなっていることが多いため、ビード(又はビード形成領域)の除去を行った後、ガラスを最終デバイスの作製に利用する。ドロー運動1465によって示されているように、ガラスシートは、ローラホイールを用いて下向きにドローされ、これはガラスシート1464の縁部に沿ってガラスビード1466を生成する。機械的な又はCO2レーザによるスコーリングを、スコーリング線1468に沿って適用し、ガラスシート1464からのスコーリングされたシート1470の破断を促進する。
本明細書に記載の方法は、オンライン及びオフライン両方のガラス切断の需要に対する、ディスプレイガラス組成物のためのガラス切断用解決策を提供する。オンラインでは、ガラスシートがドローから出ると、特にドロー底部(Bottom of Draw:BOD)として知られる領域において、これらの方法をガラスシートの切断及びビード除去両方のために適用でき、上記BODでは、ガラスシートはその形成温度から冷却され始める。本明細書に記載の方法は、ガラスシートの厚さ全体を通した全本体(全厚)穿通孔を提供できる。一連の全厚穿通孔は断層線を形成でき、これは、断層線に沿ったシートの分離時に、ガラスシートの極めて正確で制御可能な切断を形成できる。
図15A〜15Bは、図2〜6と併せて本明細書に記載したもののようなレーザ光学系を利用した、本明細書に記載の方法による、ドロー上でレーザによってガラスを切断する2つの方法を示す。レーザ切断プロセス1500Aによると、一連の欠陥線からなるレーザ切断線1468’を、ドロータワー1462によって形成されたガラスシート1464に適用する。プロセス1500Aでは、レーザ(図示せず)は、ガラスシート1464の厚さ全体を通るように切断するよう構成される。レーザ切断線1468’は、ドロー上の新規に形成されたガラスシート1464の幅全体に亘って延在し、ガラスリボンを振動させることなく、又はいずれのガラスチップ若しくは粒子を生成することなく、ビード1466を切断することを含む。
図15Bは、ドロー上でレーザによってガラスを切断する代替的な方法1500Bを示し、ここではレーザを用いて、ガラスシートの品質領域を通るように切断し、ガラスの大きな長方形シート1470’を除去する。廃棄されるガラス1472が、ドロー領域の底部1472においてガラスシートから除去される。他の実施形態では、除去されたガラスシート1470’を長方形とする必要はないことを認識されたい。ガラスシート1470’は正方形若しくは円形とすることができ、又は必要な他のいずれの形状を有することができる。
図16は、ドロー上でレーザによってガラスを切断する、更に別の代替的な方法を示す。図16では、垂直なレーザ切断線1468’を、ドロー経路内の比較的高い位置にあるガラスビード1466に隣接するように適用する。そしてドロー経路内の比較的低い位置において、水平なレーザ切断線1468’を適用し、ガラスシート1470’を切断してドローから除去する。
図17は、ドロー上でレーザによってガラスを切断する、更なる代替的な方法を示す。図17では、水平なレーザ切断線1468’をドローに対して、ガラスシート1464の幅全体に亘って適用し、レーザ切断シート1470’をドローから除去する。これに続いて、垂直なレーザ切断線1468’を切断したシート1470’に適用し、ドローの底部において上記切断したシートからビードを除去する。
図18は、シート1470’からのトリム部分又は廃棄されるガラス1472をドローから除去するための、本明細書に記載のレーザ法の使用を示す。仕上げ領域では、水平及び垂直両方のレーザ切断線1468’を適用し、レーザ切断されたガラスシート1470’から、廃棄されるガラス1472の水平及び垂直な片を除去する。
ガラス応力もまた、いくつかの用途、特に高い応力を有するガラスシート又は積層ガラスシートを用いる用途に関して特に問題となり得る。このような状況における従来の方法でのシートの切断は、重大な難点を示す。例えば、フュージョンドロープロセス中のLCDガラスシートのドロー中に、相当な量の応力が誘起される。シートとビードとの境界における応力は、シートとビードとの間の厚さの差分、及び関連する冷却速度の差により、ガラスの冷却中に更に大きくなる。応力レベルは、フュージョンドロー積層シートの場合に有意に大きくなり得(>300MPa)、ここでは粘度と、隣接するシート層間のCTEの差とにより、外層の圧縮応力が極めて高くなる。この高圧縮応力層の特性は、積層ガラスシートのガラス強度を有意に向上させることができる。しかしながら、従来の方法によるガラスシートの切断は、応力レベルが高いシートにおいては困難となり得る。
従来技術において理解されているように、フュージョンドロープロセスで作製したLCDガラスシートは、ガラスがその軟化点を超える温度からその歪み点を大幅に下回る温度まで冷却されるにつれて誘起される高い応力を有する。この応力はまた、厚さ及びサーマルマスの差により、ガラスビード境界において有意に高くなる。積層ガラスシートの場合に関して応力は更に高く(>300MPa)、ここでは複数のガラス層のCTE及び粘度の不一致により、強化ガラス用途に必要な高い圧縮応力を誘起できる。このような高いレベルの応力により、ガラスシートを、このガラスの歪み点より大幅に低い温度(<300℃)で切断するのは、極めて困難となる。
ガラスシートの厚さを通した単回の穿通を伴うレーザ技術を用いてシートを切断し、上記シートからビードを分離するための、複数の方法及び異なる複数の実施形態を開示する。本明細書で開示する方法により、ドローにおけるシートのレーザによる切断と、ビードの分離とが可能となり、これによりフュージョンドロープロセスの製造効率が向上する。更にいくつかの実施形態では、単層シート及び積層シートを高温(ガラスのアニール点付近)で切断でき、誘起される応力を大幅に小さくすることができる。高温でシートを切断し、このシートを規定の温度プロファイルによって後加工できることにより、シートを、ガラスの圧縮が少なく、残留応力が少なく、分離仕上げステップのコストを削減できる可能性を有し、歪み点がより高いガラスを加工できる特性を有し、またガラスがアニーリング温度に更に長く留まることによって製造スループットを増大させることができるものとすることができる。
図19は、(切断されることになる)ガラスシートの部分1470’をそのアニール点付近の温度に保持するよう設計された多段炉1971を用いる、例示的プロセスを示す。ドローの下部において、(切断されることになる)ガラスシート1470’を、ガラスのアニール温度付近に保持された炉1971aに導入する。アニール点付近の高温において応力レベルが低下していることにより、シートの切断が補助される。シート1464はまず、ガラスに複数の欠陥線を生成するための水平なレーザビームの並進移動1976を受けるドローにおいて、レーザビーム1974によって水平に切断される。
続いてガラスシート1470’を、これもまたガラスのアニール温度に保持された炉1971bへと並進移動させる。ガラスビード1466は、ビード1466に隣接するガラスシート1470’に対してレーザスコーリングを行うための垂直な並進移動1978を受けるよう構成されたレーザビーム1974を用いて、分離される。水平及び垂直切断ステップは、レーザによる損傷の輪郭に沿って引張応力及び屈曲応力を印加することによって、ドローからガラスを分離し、また必要な場合は切断されたガラスシート1470’からガラスビードを分離することを含むことができる。上記応力は、例えばロボット工学を用いて印加できる。
ガラスビードの除去に続いて、切断されたガラスシート1470’を第3の炉1971cへと並進移動させ、上記第3の炉1971cでは、熱源1980が、ガラスプレート1470’の切断縁部に熱を送達するための垂直な並進移動1982を受ける。熱は、切断された垂直な縁部を平滑化して角を落とすために印加され、また図19には図示されていないが、平滑化して角を落とすために、熱をプレート1470’の水平な切断縁部にも印加できる。熱源はガス炎、CO2レーザ等を含むことができる。
ガラスシート1464は積層シートとすることができ、この場合シートは複数の層からなり、各層は異なる材料特性(CTE等)を有する。このような積層シートは、二重アイソパイプドロータワーを用いて形成でき、上記二重アイソパイプドロータワーでは、各アイソパイプを用いて、積層体の異なる層のためのガラスを提供する。積層体の複数のガラス層間のCTEの差により、ガラスシートが軟化点を超える温度から歪み点を大幅に下回る温度まで冷却されるにつれて、かなりの量の応力が導入される。例えば、内部層と表面層との間のCTEの差が60×10‐7/℃を超え、かつ積層体全体の厚さに対する内部層の厚さの比が0.8〜1であることにより、400MPa超の圧縮応力を積層シートの表面に誘起できる(例えばTandonらによる米国特許出願第20110318555号明細書参照;上記特許出願は全体として、参照により本出願に援用される)。
ガラスシート1464が積層体である場合、炉1971a及び1971bを、上記積層体の2つの層のアニール温度の間の温度に上記積層体を保持するよう構成できる。高い表面圧縮応力が必要とされる用途(例えば高強度用途のための積層ガラス)に関して、アニール温度における時間を設けることにより、応力の大きさが削減され、レーザビーム1974を用いた切断が促進される。これらの場合には、切断後の冷却中にガラスをクエンチすることにより、仕上げ済みのガラスシートにおいて、依然として高い応力を達成できる。
図20は、漸進的に低温となった段2071a、2071b及び2071cを有する多段炉2071を通してシートを物理的に横断させることにより、シート1470’をガラスの歪み点より大幅に低い温度まで冷却するプロセスを示す。一連の炉は、規定の温度プロファイルを適用することにより、残留応力及び形成後の圧縮を最小化し、ガラスシートの属性を改善し、またガラスの特性を適合させる。他の実施形態では、時間可変温度プロファイルを有する単段炉を用いて、同様に制御された冷却プロファイルが達成されることを理解されたい。
他の実施形態では、ガラスのアニール点を超える温度において、欠陥線の間に一定の間隔を設けて、ドロー中のガラスにレーザ穿通孔を作製する。これはこのドロー位置におけるガラス強度に対して有意な影響を有しない。しかしながらこれにより、ガラスシートは自発的に分離できるようになるか、又はドローの下流位置にCTE応力が発現している場合(例えば積層ガラスに関して)には僅かな外的介入のみによって分離できるようになる。自発的な分離、又は小さな外的介入による分離は、ガラスビーズの除去のため及びガラスの回収のために有用となり得る。
高温でシートを切断し、このシートを規定の温度プロファイルによって後加工できることにより、ここでもまたシートを、ガラスの圧縮が少なく、残留応力が少ないものとすることができる。またこのような特性により、分離仕上げステップのコストを削減でき、歪み点がより高いガラスを加工できるようになり、ガラスがアニーリング温度に更に長く留まることによって製造スループットを増大させることができる。
厚さ全体に亘る切断に沿ったガラスの分離は、2つの欠陥線の間のピッチによって制御される。多くのディスプレイガラス組成物を切断するための典型的なピッチの例は、約1〜5マイクロメートル(例えば2〜5マイクロメートル)である。しかしながら、最大8マイクロメートル(5〜8マイクロメートル)のピッチも、良好な品質の切断をもたらすことが示されている。ピッチを制御できることは、これによって切断速度が決定されるという理由でも重要であり、上記切断速度は、レーザパルス周波数又はバースト繰り返し数、あるバースト内のパルスの数、並びにパルスあたりの及び/又はバーストあたりの平均エネルギによっても影響される。
ある欠陥線の周辺の微量割れが、隣接する欠陥線に向かって配向されていると、ガラスの切断が促進される。というのは、この微小割れが断層線と整列され、分離の方向をガイドするためである。このような場合、完全なガラスの分離のためには、比較的大きい欠陥線間のピッチ(例えば3〜50マイクロメートル(例えば3〜20マイクロメートル))で十分であり得、従って加工が簡略化される(分離を実施するために必要な欠陥線が少なくなるため)。あるいは、微小割れが形成されない、又は微小割れが隣接する欠陥線に向かって配向されないようないくつかのガラスタイプでは、きれいな分離のために、孔(又は欠陥線)の間に比較的小さいピッチ(0.1〜3マイクロメートル、例えば1〜3マイクロメートル)が必要となり得る。
本明細書において挙げられている全ての特許、公開出願及び参考文献の関連する教示は、その全体が参照により本出願に援用される。
本明細書では複数の例示的実施形態について記載したが、添付の請求項が包含する本発明の範囲から逸脱することなく、上記例示的実施形態において形態及び細部の様々な変更を実施してよいことは、当業者には理解されるだろう。
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
実施形態1
フュージョン形成ガラス複合体加工物をレーザ加工する方法において、
ビーム伝播方向に沿って配向され、上記フュージョン形成ガラス複合体加工物に向けられたレーザビーム焦線に、パルスレーザビームを集束させるステップであって、上記レーザビーム焦線は、加工物内での誘起吸収を生成し、この誘起吸収は、加工物内においてレーザビーム焦線に沿った欠陥線を形成する、ステップ;並びに
加工物及びレーザビームを輪郭に沿って互いに対して並進移動させることにより、加工物内に複数の欠陥線を形成するステップであって、上記欠陥線は、0.5マイクロメートル〜20マイクロメートルの距離だけ離間している、ステップ
を有してなる、方法。
フュージョン形成ガラス複合体加工物をレーザ加工する方法において、
ビーム伝播方向に沿って配向され、上記フュージョン形成ガラス複合体加工物に向けられたレーザビーム焦線に、パルスレーザビームを集束させるステップであって、上記レーザビーム焦線は、加工物内での誘起吸収を生成し、この誘起吸収は、加工物内においてレーザビーム焦線に沿った欠陥線を形成する、ステップ;並びに
加工物及びレーザビームを輪郭に沿って互いに対して並進移動させることにより、加工物内に複数の欠陥線を形成するステップであって、上記欠陥線は、0.5マイクロメートル〜20マイクロメートルの距離だけ離間している、ステップ
を有してなる、方法。
実施形態2
実施形態1の方法によって調製された、ガラス物品。
実施形態1の方法によって調製された、ガラス物品。
実施形態3
上記欠陥線は、1マイクロメートル〜7マイクロメートルの距離だけ離間している、実施形態1の方法又は実施形態2に記載の物品。
上記欠陥線は、1マイクロメートル〜7マイクロメートルの距離だけ離間している、実施形態1の方法又は実施形態2に記載の物品。
実施形態4
上記欠陥線は、少なくとも250マイクロメートル延在している、実施形態1〜3のいずれか1つに記載の方法又は物品。
上記欠陥線は、少なくとも250マイクロメートル延在している、実施形態1〜3のいずれか1つに記載の方法又は物品。
実施形態5
上記フュージョン形成ガラス複合体加工物は、異なる熱膨張率を有するクラッド層及びコア層を、合計3層以上備える、実施形態1〜4のいずれか1つに記載の方法又は物品。
上記フュージョン形成ガラス複合体加工物は、異なる熱膨張率を有するクラッド層及びコア層を、合計3層以上備える、実施形態1〜4のいずれか1つに記載の方法又は物品。
実施形態6
上記加工物を輪郭に沿って分離するステップを更に含む、実施形態1〜5のいずれか1つに記載の方法又は物品。
上記加工物を輪郭に沿って分離するステップを更に含む、実施形態1〜5のいずれか1つに記載の方法又は物品。
実施形態7
上記加工物を輪郭に沿って分離するステップは、二酸化炭素レーザを、上記輪郭に沿って又は上記輪郭付近において上記加工物に向け、上記輪郭に沿った上記加工物の分離を促進するステップを含む、実施形態6に記載の方法又は物品。
上記加工物を輪郭に沿って分離するステップは、二酸化炭素レーザを、上記輪郭に沿って又は上記輪郭付近において上記加工物に向け、上記輪郭に沿った上記加工物の分離を促進するステップを含む、実施形態6に記載の方法又は物品。
実施形態8
繰り返し数は約1kHz〜4MHzである、実施形態1〜7のいずれか1つに記載の方法又は物品。
繰り返し数は約1kHz〜4MHzである、実施形態1〜7のいずれか1つに記載の方法又は物品。
実施形態9
上記パルスレーザビームの上記繰り返し数は、約10kHz〜650kHzである、実施形態8に記載の方法又は物品。
上記パルスレーザビームの上記繰り返し数は、約10kHz〜650kHzである、実施形態8に記載の方法又は物品。
実施形態10
上記パルスレーザビームのパルス持続時間は、約1ピコ秒超かつ約100ピコ秒未満である、実施形態1〜9のいずれか1つに記載の方法又は物品。
上記パルスレーザビームのパルス持続時間は、約1ピコ秒超かつ約100ピコ秒未満である、実施形態1〜9のいずれか1つに記載の方法又は物品。
実施形態11
上記パルス持続時間は、約5ピコ秒超かつ約20ピコ秒未満である、実施形態1〜10のいずれか1つに記載の方法又は物品。
上記パルス持続時間は、約5ピコ秒超かつ約20ピコ秒未満である、実施形態1〜10のいずれか1つに記載の方法又は物品。
実施形態12
上記パルスレーザビームの、材料において測定された平均レーザエネルギは、材料の厚さ1mmあたり40μJ超である、実施形態1〜11のいずれか1つに記載の方法又は物品。
上記パルスレーザビームの、材料において測定された平均レーザエネルギは、材料の厚さ1mmあたり40μJ超である、実施形態1〜11のいずれか1つに記載の方法又は物品。
実施形態13
上記パルスレーザビームはある波長を有し、上記材料はこの波長において略透過性である、実施形態1〜12のいずれか1つに記載の方法又は物品。
上記パルスレーザビームはある波長を有し、上記材料はこの波長において略透過性である、実施形態1〜12のいずれか1つに記載の方法又は物品。
実施形態14
上記レーザビーム焦線の長さは約0.1mm〜約10mmである、実施形態1〜13のいずれか1つに記載の方法又は物品。
上記レーザビーム焦線の長さは約0.1mm〜約10mmである、実施形態1〜13のいずれか1つに記載の方法又は物品。
実施形態15
上記レーザビーム焦線の平均スポット直径は約0.1マイクロメートル〜約5マイクロメートルである、実施形態1〜14のいずれか1つに記載の方法又は物品。
上記レーザビーム焦線の平均スポット直径は約0.1マイクロメートル〜約5マイクロメートルである、実施形態1〜14のいずれか1つに記載の方法又は物品。
実施形態16
上記フュージョン形成ガラス複合体加工物の中央張力は5メガパスカル(MPa)超である、実施形態1〜15のいずれ1つに記載かの方法又は物品。
上記フュージョン形成ガラス複合体加工物の中央張力は5メガパスカル(MPa)超である、実施形態1〜15のいずれ1つに記載かの方法又は物品。
実施形態17
上記パルスは、約1nsec〜約50nsecの持続時間によって隔てられた少なくとも2つのパルスのバーストにおいて生成され、バースト繰り返し周波数は約1kHz〜約650kHzである、実施形態1〜16のいずれかの方法又は物品。
上記パルスは、約1nsec〜約50nsecの持続時間によって隔てられた少なくとも2つのパルスのバーストにおいて生成され、バースト繰り返し周波数は約1kHz〜約650kHzである、実施形態1〜16のいずれかの方法又は物品。
実施形態18
上記少なくとも2つのパルスは、約20nsecの持続時間によって隔てられている、実施形態17に記載の方法又は物品。
上記少なくとも2つのパルスは、約20nsecの持続時間によって隔てられている、実施形態17に記載の方法又は物品。
実施形態19
上記フュージョン形成ガラス複合体加工物は、ガラスシートの形態であり、
上記パルスレーザビームを集束させるステップと、上記加工物及び上記レーザビームを上記輪郭に沿って互いに対して並進移動させるステップとは、オンラインドロー時の上記ガラスシートを用いて実施される、実施形態1〜18のいずれか1つに記載の方法又は物品。
上記フュージョン形成ガラス複合体加工物は、ガラスシートの形態であり、
上記パルスレーザビームを集束させるステップと、上記加工物及び上記レーザビームを上記輪郭に沿って互いに対して並進移動させるステップとは、オンラインドロー時の上記ガラスシートを用いて実施される、実施形態1〜18のいずれか1つに記載の方法又は物品。
実施形態20
上記集束させるステップ及び上記並進移動させるステップは、上記ガラスシートのアニール温度付近の温度において、上記ガラスシートを用いて実施される、実施形態19に記載の方法又は物品。
上記集束させるステップ及び上記並進移動させるステップは、上記ガラスシートのアニール温度付近の温度において、上記ガラスシートを用いて実施される、実施形態19に記載の方法又は物品。
実施形態21
上記ガラスシートは、少なくとも2つの異なるアニール温度を有する少なくとも2つの層を備え、
上記集束させるステップ及び上記並進移動させるステップは、上記少なくとも2つの異なるアニール温度の間の温度において、上記ガラスシートを用いて実施される、実施形態19に記載の方法又は物品。
上記ガラスシートは、少なくとも2つの異なるアニール温度を有する少なくとも2つの層を備え、
上記集束させるステップ及び上記並進移動させるステップは、上記少なくとも2つの異なるアニール温度の間の温度において、上記ガラスシートを用いて実施される、実施形態19に記載の方法又は物品。
実施形態22
上記ガラスシートは少なくとも2つの層を備え、
上記集束させるステップ及び上記並進移動させるステップは、上記ガラスシートのアニール温度を超える温度において、上記ガラスシートを用いて実施される、実施形態19に記載の方法又は物品。
上記ガラスシートは少なくとも2つの層を備え、
上記集束させるステップ及び上記並進移動させるステップは、上記ガラスシートのアニール温度を超える温度において、上記ガラスシートを用いて実施される、実施形態19に記載の方法又は物品。
実施形態23
上記ガラスシートをドローから上記輪郭に沿って分離するステップと、分離した上記ガラスシートに上記輪郭に沿って熱源を適用し、上記分離したガラスシートを上記輪郭に沿って平滑化する又は角を落とすステップとを更に含む、実施形態19〜22のいずれか1つに記載の方法又は物品。
上記ガラスシートをドローから上記輪郭に沿って分離するステップと、分離した上記ガラスシートに上記輪郭に沿って熱源を適用し、上記分離したガラスシートを上記輪郭に沿って平滑化する又は角を落とすステップとを更に含む、実施形態19〜22のいずれか1つに記載の方法又は物品。
実施形態24
上記集束させるステップ及び上記並進移動させるステップは、ドローの頂部又は頂部付近において実施される、実施形態19〜22のいずれか1つに記載の方法又は物品。
上記集束させるステップ及び上記並進移動させるステップは、ドローの頂部又は頂部付近において実施される、実施形態19〜22のいずれか1つに記載の方法又は物品。
実施形態25
上記集束させるステップ及び上記並進移動させるステップは、ドローの底部又は底部付近において実施される、実施形態19〜22のいずれか1つに記載の方法又は物品。
上記集束させるステップ及び上記並進移動させるステップは、ドローの底部又は底部付近において実施される、実施形態19〜22のいずれか1つに記載の方法又は物品。
実施形態26
熱源、引張応力又は屈曲応力のうちの少なくとも1つを、上記輪郭の領域においてガラスシートに適用して、上記輪郭に沿ったドローからのガラスシートの分離を促進するステップを更に含む、実施形態19〜22のいずれか1つに記載の方法又は物品。
熱源、引張応力又は屈曲応力のうちの少なくとも1つを、上記輪郭の領域においてガラスシートに適用して、上記輪郭に沿ったドローからのガラスシートの分離を促進するステップを更に含む、実施形態19〜22のいずれか1つに記載の方法又は物品。
実施形態27
上記輪郭はガラスシートのビードに隣接し、
上記輪郭に沿って複数の欠陥線をレーザ形成するステップは、上記ガラスシートからの上記ビードの分離を促進する、実施形態19〜22のいずれか1つに記載の方法又は物品。
上記輪郭はガラスシートのビードに隣接し、
上記輪郭に沿って複数の欠陥線をレーザ形成するステップは、上記ガラスシートからの上記ビードの分離を促進する、実施形態19〜22のいずれか1つに記載の方法又は物品。
実施形態28
上記ガラスシートを上記ドローから上記輪郭に沿って分離するステップと、分離した上記ガラスシートに上記輪郭に沿って熱源を適用し、上記分離したガラスシートを上記輪郭に沿って平滑化する又は角を落とすステップとを更に含む、実施形態19〜22のいずれか1つに記載の方法又は物品。
上記ガラスシートを上記ドローから上記輪郭に沿って分離するステップと、分離した上記ガラスシートに上記輪郭に沿って熱源を適用し、上記分離したガラスシートを上記輪郭に沿って平滑化する又は角を落とすステップとを更に含む、実施形態19〜22のいずれか1つに記載の方法又は物品。
実施形態29
ガラス物品であって、
上記ガラス物品は、第1の表面と、第2の表面と、上記第1の表面と上記第2の表面との間に少なくとも250マイクロメートル延在する複数の欠陥線を有する少なくとも1つの縁部とを有する、ガラス複合体を含み、
上記各欠陥線の直径は、約5マイクロメートル以下である、ガラス物品。
ガラス物品であって、
上記ガラス物品は、第1の表面と、第2の表面と、上記第1の表面と上記第2の表面との間に少なくとも250マイクロメートル延在する複数の欠陥線を有する少なくとも1つの縁部とを有する、ガラス複合体を含み、
上記各欠陥線の直径は、約5マイクロメートル以下である、ガラス物品。
実施形態30
上記少なくとも1つの縁部のRa表面粗度は約0.5マイクロメートル未満である、実施形態29に記載のガラス物品。
上記少なくとも1つの縁部のRa表面粗度は約0.5マイクロメートル未満である、実施形態29に記載のガラス物品。
実施形態31
上記少なくとも1つの縁部は、深さ約75マイクロメートル以下までの表面下損傷を有する、実施形態29又は30に記載のガラス物品。
上記少なくとも1つの縁部は、深さ約75マイクロメートル以下までの表面下損傷を有する、実施形態29又は30に記載のガラス物品。
実施形態32
上記ガラス物品は3つの層を備え、最外層は、熱膨張率CTE1及び厚さTH1を有する第1の組成物からなり;また最外層と最外層との間に内部層が位置し、上記内部層は、熱膨張率CTE2及び厚さTH2を有する、第1の組成物とは異なる第2の組成物からなり、CTE1はCTE2より大きい、実施形態29〜31のいずれか1つに記載のガラス物品。
上記ガラス物品は3つの層を備え、最外層は、熱膨張率CTE1及び厚さTH1を有する第1の組成物からなり;また最外層と最外層との間に内部層が位置し、上記内部層は、熱膨張率CTE2及び厚さTH2を有する、第1の組成物とは異なる第2の組成物からなり、CTE1はCTE2より大きい、実施形態29〜31のいずれか1つに記載のガラス物品。
実施形態33
上記最外ガラス層は圧縮応力下にあり、上記内部層は引張応力下にあり、TH1に対するTH2の比は4〜20である、実施形態32に記載のガラス物品。
上記最外ガラス層は圧縮応力下にあり、上記内部層は引張応力下にあり、TH1に対するTH2の比は4〜20である、実施形態32に記載のガラス物品。
実施形態34
上記ガラス物品は、上記内部層の中央張力が5MPa超である、実施形態29〜31のいずれか1つに記載のガラス物品。
上記ガラス物品は、上記内部層の中央張力が5MPa超である、実施形態29〜31のいずれか1つに記載のガラス物品。
実施形態35
上記欠陥線は、上記少なくとも1つの縁部の厚さ全体に延在する、実施形態29〜31のいずれか1つに記載のガラス物品。
上記欠陥線は、上記少なくとも1つの縁部の厚さ全体に延在する、実施形態29〜31のいずれか1つに記載のガラス物品。
実施形態36
上記少なくとも1つの縁部のRa表面粗度は約0.5マイクロメートル未満である、実施形態29〜31のいずれか1つに記載のガラス物品。
上記少なくとも1つの縁部のRa表面粗度は約0.5マイクロメートル未満である、実施形態29〜31のいずれか1つに記載のガラス物品。
実施形態37
上記少なくとも1つの縁部は、深さ約75マイクロメートル以下までの表面下損傷を有する、実施形態29〜31のいずれか1つに記載のガラス物品。
上記少なくとも1つの縁部は、深さ約75マイクロメートル以下までの表面下損傷を有する、実施形態29〜31のいずれか1つに記載のガラス物品。
1 基板
1a 基板の表面
1b 基板の反対側の表面
2 パルスレーザビーム
2a レーザ照射、ビーム束
2aR 辺縁光線
2aZ 中央ビーム
2b レーザビーム焦線
2c 誘起吸収のセクション
3 レーザ
6 光学組立体
7 両凸面レンズ
8 円形開口
9 アキシコン
10 アキシコン
11 平凸レンズ
12 コリメートレンズ
500 バースト
500A パルス
710 集束していないレーザビーム
720 透明基板
730 球面レンズ
740 焦点
750 アキシコンレンズ
760 円筒
1462 ドロータワー
1464 ガラスシート
1465 ドロー運動
1466 ガラスビード
1468’ レーザ切断線
1470’ 除去されるガラスシート
1472 ドロー領域の底部
1472 廃棄されるガラス
1971 多段炉
1971a 炉
1971b 炉
1971c 炉
1974 レーザビーム
1976 水平なレーザビームの並進移動
1978 垂直なレーザビームの並進移動
1980 熱源
1982 垂直な熱源の並進移動
2071 炉
2071a 炉2071の段
2071b 炉2071の段
2071c 炉2071の段
1a 基板の表面
1b 基板の反対側の表面
2 パルスレーザビーム
2a レーザ照射、ビーム束
2aR 辺縁光線
2aZ 中央ビーム
2b レーザビーム焦線
2c 誘起吸収のセクション
3 レーザ
6 光学組立体
7 両凸面レンズ
8 円形開口
9 アキシコン
10 アキシコン
11 平凸レンズ
12 コリメートレンズ
500 バースト
500A パルス
710 集束していないレーザビーム
720 透明基板
730 球面レンズ
740 焦点
750 アキシコンレンズ
760 円筒
1462 ドロータワー
1464 ガラスシート
1465 ドロー運動
1466 ガラスビード
1468’ レーザ切断線
1470’ 除去されるガラスシート
1472 ドロー領域の底部
1472 廃棄されるガラス
1971 多段炉
1971a 炉
1971b 炉
1971c 炉
1974 レーザビーム
1976 水平なレーザビームの並進移動
1978 垂直なレーザビームの並進移動
1980 熱源
1982 垂直な熱源の並進移動
2071 炉
2071a 炉2071の段
2071b 炉2071の段
2071c 炉2071の段
Claims (1)
- ガラス物品であって、
前記ガラス物品は、第1の表面と、第2の表面と、前記第1の表面と前記第2の表面との間に少なくとも250マイクロメートル延在する複数の欠陥線を有する少なくとも1つの縁部とを有する、ガラス複合体を含み、
前記各欠陥線の直径は、約5マイクロメートル以下であり、
前記ガラス物品が、コア層とクラッド層とを有し、
前記コア層が、約60モル%〜約75モル%のSiO2;約2モル%〜約11モル%のAl2O3;0モル%〜約11モル%のB2O3;0モル%〜約1モル%のNa2O;約1モル%〜約18モル%のK2O;0モル%〜約7モル%のMgO;0モル%〜約9モル%のCaO;約1モル%〜約8モル%のSrO;0モル%〜約4モル%のBaO;及び約3モル%〜約16モル%のR’Oを含み、ここでR’Oは、組成物中のMgO、CaO、SrO及びBaOの合計モル%を含み、
前記クラッド層が、約60モル%〜約66モル%のSiO2;約7モル%〜約10モル%のAl2O3;約14モル%〜約18モル%のB2O3;及び約9モル%〜約16モル%のアルカリ土類酸化物を含み、ここで上記アルカリ土類酸化物は少なくともCaOを含む、ガラス物品。
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