邊緣斜切方法
【專利摘要】本文描述了采用激光對任意形狀的玻璃或其他基材的邊緣進行斜切和/或斜角化的方法。揭示了在玻璃基材上產(chǎn)生斜切的三種通用方法。第一種方法涉及采用超短脈沖激光將邊緣切割成所需斜切形狀。用超短激光處理之后可任選地跟有CO2激光進行完全自動分離。第二種方法基于鋒利邊緣角的熱應力剝離，并且已經(jīng)證實與超短脈沖和/或CO2激光的不同組合可用于此。第三種方法依賴通過離子交換誘發(fā)的應力來實現(xiàn)材料沿著斷層線的分離，所述斷層線通過超短激光產(chǎn)生，以形成所需形狀的斜切邊緣。
【專利說明】邊緣斜切方法
[0001] 相關(guān)申請
[0002] 本申請要求2013年12月17日提交的美國臨時申請第61/917,213號以及2014年7月 10日提交的美國臨時申請第62/022,885號和2014年10月31日提交的美國申請第14/530410 號的優(yōu)先權(quán)，其全文通過引用結(jié)合入本文。 技術(shù)背景
[0003] 在玻璃面板被切割應用于建筑、車輛、消費者電子產(chǎn)品（這里僅舉例而言）的所有 情況下，會存在邊緣，這會是非常有可能需要進行關(guān)注的。由于存在邊緣形狀，存在許多不 同的方法來切割和分離玻璃。玻璃可以進行機械切割(CNC機械加工、磨料水射流、劃線和破 裂等），采用電磁輻射進行切割(激光、放電、陀螺振子等）以及許多其他方法。較為常規(guī)和常 用的方法(劃線和破裂或者CNC機械加工)產(chǎn)生的邊緣存在不同類型和尺寸的缺陷。邊緣并 非完美垂直于表面也是常見的。為了消除缺陷并使得邊緣是具有改善強度的更為平滑的表 面，通常對它們進行研磨。研磨過程涉及邊緣材料的研磨去除，這會使其具有所需的精整以 及對其形狀進行成形(外圓角、斜面、鉛筆狀等）。為了實現(xiàn)研磨和拋光步驟，必須將部件切 割得比最終所需尺寸要大。
[0004] 雖然消除缺陷會增加邊緣強度是眾所周知和廣泛理解的，但是對于形狀對邊緣強 度的影響還沒有達成一致。干擾主要在于，眾所周知的是，形狀有助于增加邊緣沖擊和處理 的抗破壞性。事實在于，邊緣形狀實際上并不決定邊緣強度(這是由對撓曲力(或彎曲力）的 抗性所限定的），但是缺陷尺寸和分布確實具有大的影響。但是，具有形狀的邊緣確實有助 于通過產(chǎn)生較小的橫截面和含有缺陷來改善抗沖擊性。例如，具有同時垂直于兩個表面的 直面的邊緣在這些直角拐角處積累應力，當其受到另一物體沖擊時，會發(fā)生碎裂和破裂。由 于積累的應力，缺陷尺寸會非常大，這會顯著降低邊緣強度。另一方面，由于其較為光滑的 形狀，圓角"外圓角"形狀的邊緣會具有較低的應力積累和較小的橫截面，這有助于降低尺 寸和缺陷滲透進入邊緣的體積中。因此，在沖擊之后，具有形狀的邊緣應該比平坦邊緣具有 更高的"彎曲"強度。
[0005] 出于上文所述，通常希望使得邊緣具有形狀，而不是平坦和垂直于表面。這些機械 切割和邊緣成形方法的一個重要方面是機械的維護度。對于切割和研磨這兩者而言，用舊 和磨損的切割頭或研磨輥會產(chǎn)生損壞，這會顯著影響邊緣的強度，即使裸眼無法看出來差 異。機械切割和研磨方法的其他問題在于，它們是非常勞動密集型的，并且需要許多研磨和 拋光步驟直至最終所需的精整，這產(chǎn)生大量碎片且需要清潔步驟以避免引入表面損壞。
[0006] 從工藝發(fā)展和成本觀點來看，對于玻璃基材的切割和斜切邊緣存在許多機會。得 到相比于如今市場中實際使用的方法更為快速、干凈、廉價、可重復且可靠的方法是非常令 人感興趣的。在數(shù)種替代技術(shù)中，已經(jīng)嘗試激光和其他熱源，并證實產(chǎn)生了具有形狀的邊 緣。
[0007] 通常來說，由于低的材料去除速率，燒蝕激光技術(shù)傾向于是緩慢的，并且它們還產(chǎn) 生大量碎片和熱影響區(qū)，這導致殘留應力和微裂紋。出于相同原因，邊緣的熔化和再成形也 有受到大量變形和會剝離該加工區(qū)域的熱應力積累的麻煩。最后，對于熱剝離或裂紋擴展 技術(shù)，遭遇到的一個主要問題在于剝離是不連續(xù)的。
[0008] 由于任意切割過程所引起的表面下?lián)p壞或者小的微裂紋和材料改性，對于玻璃或 者其他脆性材料的邊緣強度是一項考量。對于表面下?lián)p壞而言，機械和燒蝕激光工藝是特 別成問題的。這些工藝的邊緣切割通常需要大量切割后研磨和拋光以去除表面下的破損 層，從而使得邊緣強度增加至諸如消費者電子產(chǎn)品之類的應用所需的性能水平。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 根據(jù)本文所述的一些實施方式，提出了采用激光對任意形狀的玻璃基材的邊緣進 行斜切和/或斜角化的方法。一個實施方式涉及采用超短脈沖激光將邊緣切割成所需的斜 切形狀，之后可任選地跟有C0 2激光從而完全自動化分離。另一個實施方式涉及采用超短脈 沖和/或C02激光的不同組合，對鋒利邊緣拐角進行熱應力剝離。另一個實施方式包括用任 意切割方法(例如采用超短脈沖激光)來切割玻璃基材，之后通過使用C0 2激光來單獨進行 斜切。
[0010] 在一個實施方式中，對材料進行激光加工的方法包括:將脈沖激光束聚焦成激光 束焦線，以及將激光束焦線以相對于材料的第一入射角導向到材料中，激光束焦線在材料 內(nèi)產(chǎn)生感應吸收，感應吸收沿著激光束焦線在材料內(nèi)產(chǎn)生缺陷線。該方法還包括使得材料 和激光束相對于彼此位移，從而沿著材料內(nèi)呈第一角度的第一平面形成多條缺陷線，以及 將激光束焦線以相對于材料的第二入射角導向到材料中，激光束焦線在材料內(nèi)產(chǎn)生感應吸 收，感應吸收沿著激光束焦線在材料內(nèi)產(chǎn)生缺陷線。該方法還包括使得材料或激光束相對 比彼此位移，從而沿著材料內(nèi)呈第二角度的第二平面形成多條缺陷線，第二平面與第一平 面相交。
[0011] 根據(jù)另一個實施方式，對材料進行激光加工的方法包括:將脈沖激光束聚焦成激 光束焦線，以及沿著材料內(nèi)的N平面中的每一個形成多條缺陷線。該方法還包括將激光束焦 線以相對于材料的對應入射角導向到材料中，激光束焦線在材料內(nèi)產(chǎn)生感應吸收，感應吸 收沿著激光束焦線在材料內(nèi)產(chǎn)生缺陷線。該方法還包括使得材料和激光束相對于彼此位 移，從而沿著N平面的對應平面形成多條缺陷線。
[0012] 根據(jù)另一個實施方式，對工件進行激光加工的方法包括:將脈沖激光束聚焦成激 光束焦線以相對于工件的入射角導入到工件中，該角度與工件的邊緣相交，激光束焦線在 工件內(nèi)產(chǎn)生感應吸收，感應吸收沿著激光束焦線在工件內(nèi)產(chǎn)生缺陷線。該方法還包括使得 工件和激光束相對于彼此位移，從而沿著工件內(nèi)呈角度的平面形成多條缺陷線，以及通過 對工件施加離子交換過程使得工件沿著平面分離。
[0013] 在另一個實施方式中，對材料進行激光加工的方法包括:將脈沖激光束聚焦成激 光束焦線導向到材料中，激光束焦線在材料內(nèi)產(chǎn)生感應吸收，以及感應吸收沿著激光束焦 線在材料內(nèi)產(chǎn)生缺陷線。該方法還包括使得材料和激光束相對于彼此沿著輪廓位移，從而 沿著輪廓在材料內(nèi)形成多條缺陷線，來對待分離的部件進行印痕(trace )，以及從材料分離 部件。該方法還包括將聚焦紅外激光沿著與部件的第一表面的邊緣相鄰的線導向到部件 內(nèi)，從而剝離限定了第一斜切邊緣的第一條帶，以及將聚焦紅外激光沿著與部件的第二表 面的邊緣相鄰的線導向到部件內(nèi)，從而剝離限定了第二斜切邊緣的第二條帶。
[0014] 本文延伸至：
[0015] 一種激光加工的方法，該方法包括：
[0016] 將脈沖激光束聚焦成激光束焦線；
[0017] 將激光束焦線以相對于材料的第一入射角導向到材料中，激光束焦線在材料內(nèi)產(chǎn) 生感應吸收，感應吸收沿著激光束焦線在材料內(nèi)產(chǎn)生缺陷線；
[0018] 使得材料和激光束相對于彼此位移，從而沿著材料內(nèi)呈第一角度的第一平面形成 多條缺陷線；
[0019] 將激光束焦線以相對于材料的第二入射角導向到材料中，激光束焦線在材料內(nèi)產(chǎn) 生感應吸收，感應吸收沿著激光束焦線在材料內(nèi)產(chǎn)生缺陷線；以及
[0020] 使得材料或激光束相對比彼此位移，從而沿著材料內(nèi)呈第二角度的第二平面形成 多條缺陷線，第二平面與第一平面相交。
[0021] 本文延伸至：
[0022] -種對材料進行激光加工的方法，該方法包括：
[0023] 將脈沖激光束聚焦成激光束焦線；
[0024] 沿著材料內(nèi)的N平面中的每一個形成多條缺陷線，形成多條缺陷線包括：
[0025] (a)將激光束焦線以相對于對應于N平面中的每一個的材料的入射角導向到材料 中，激光束焦線在材料內(nèi)產(chǎn)生感應吸收，感應吸收沿著激光束焦線在材料內(nèi)產(chǎn)生缺陷線；
[0026] (b)使得材料和激光束相對于彼此位移，從而沿著N平面的中的一個形成所述多條 缺陷線；
[0027] (c)對于N平面中的每一個重復(a)和(b)。
[0028] 本文延伸至：
[0029] -種對工件進行激光加工的方法，該方法包括：
[0030] 將脈沖激光束聚焦成激光束焦線；
[0031 ]將激光束焦線以相對于工件的入射角導向到工件中，入射角與工件的邊緣相交， 激光束焦線在工件內(nèi)產(chǎn)生感應吸收，感應吸收沿著激光束焦線在工件內(nèi)產(chǎn)生缺陷線；
[0032] 使得工件和激光束相對于彼此位移，從而沿著工件內(nèi)呈角度的平面形成多條缺陷 線；以及
[0033] 通過使得工件經(jīng)受離子交換過程來沿著平面分離工件。
[0034] 本文延伸至：
[0035] -種對材料進行激光加工的方法，該方法包括：
[0036] 將脈沖激光束聚焦成激光束焦線；
[0037] 將激光束焦線導向到材料中，激光束焦線在材料內(nèi)產(chǎn)生感應吸收，感應吸收沿著 激光束焦線在材料內(nèi)產(chǎn)生缺陷線；
[0038] 使得材料和激光束相對于彼此沿著輪廓位移，從而沿著輪廓在材料內(nèi)形成多條缺 陷線，輪廓描繪了待從材料分離的部件的周界；
[0039]從材料分離部件；
[0040]將聚焦紅外激光沿著與部件的第一表面處的邊緣相鄰的線導向到分離部件內(nèi)，從 而剝離限定了分離部件的第一斜切邊緣的第一條帶；以及
[0041]將聚焦紅外激光沿著與部件的第二表面處的邊緣相鄰的線導向到分離部件內(nèi)，從 而剝離限定了分離部件的第二斜切邊緣的第二條帶。
[0042] 本文延伸至：
[0043] 玻璃制品，所述玻璃制品包括至少一個斜切邊緣，所述至少一個斜切邊緣具有多 條延伸至少250M1的缺陷線，所述缺陷線分別具有小于或等于約5mi的直徑。
【附圖說明】
[0044] 通過本文示例性實施方式更為具體的描述使得前述內(nèi)容是更為清楚的，在所示附 圖中，對于所有不同視圖，相似附圖標記表示相同部件。附圖不一定是成比例的，進行了突 出強調(diào)來顯示本文的實施方式。
[0045]圖1A-1C顯示具有改性玻璃的等間距缺陷線的斷層線。
[0046]圖2A和2B顯示激光束焦線的定位，即對激光波長透明的材料由于沿著焦線的感應 吸收的加工。
[0047]圖3A所示是用于激光鉆孔的光學組件。
[0048]圖3B-1至3B-4所示是通過將激光束焦線相對于基材的不同定位來對基材進行加 工的各種可能性。
[0049] 圖4所示是用于激光鉆孔的第二光學組件。
[0050] 圖5A和5B所示是用于激光鉆孔的第三光學組件。
[0051]圖6是用于激光鉆孔的第四光學組件的示意圖。
[0052]圖7A是本申請所述用于形成更為牢靠邊緣(產(chǎn)生斜切和犧牲邊緣）的各種方法的 流程圖。
[0053]圖7B顯示用缺陷線產(chǎn)生斜切邊緣的過程。
[0054]圖7C顯示采用沿著預定平面產(chǎn)生缺陷線的聚焦和呈角度的超短激光來對玻璃邊 緣進行激光斜切。上圖顯示采用3個缺陷線平面的例子，相比較而言，下圖經(jīng)使用2個。
[0055]圖8A和8B顯示對于皮秒激光，激光發(fā)射與時間的關(guān)系。每次發(fā)射表征為脈沖"群"， 其可以含有一個或多個子脈沖。顯示對應于脈沖持續(xù)時間、脈沖之間的分隔以及群之間的 分隔的時間。
[0056]圖9顯示被玻璃高度吸收的聚焦激光所產(chǎn)生的熱梯度。裂紋線在應變區(qū)和軟化區(qū) 之間。
[0057]圖10顯示通過熱剝離的邊緣斜切。
[0058]圖11A顯示采用缺陷線然后使用熱剝離的邊緣斜切工藝。首先，以一定的角度聚焦 皮秒激光，以及在呈角度的平面上產(chǎn)生缺陷線。然后以受控的橫向偏移，使得聚焦c〇2激光 貼近缺陷線進行掃描。從該角剝離玻璃的條帶，并形成斜切。
[0059] 圖11B顯示，通過圖11A所示工藝形成的玻璃的條帶不需要完全沿著缺陷線平面進 行剝離(如邊緣的側(cè)視圖所示）。
[0060] 圖12顯示僅采用聚焦C02激光的邊緣斜切的剝離速度的變化。其他C02激光參數(shù)都 保持相同。
[0061] 圖13顯示使用在切割部件之后得以保留的缺陷線，釋放作為犧牲區(qū)域，捕獲由于 對部件邊緣的沖擊所引起的裂紋擴展。
[0062]圖14A顯示切割部件，內(nèi)缺陷線進行離子交換，這增加了足夠的應力來去除打孔邊 緣并形成所需的邊緣斜切。
[0063]圖14B使用離子交換（I0X)來釋放斜切角，類似于圖14A所示，但是僅有兩個缺陷線 平面。
[0064]圖14C顯示具有多種角度的斜切(超過3個缺陷線平面）。
【具體實施方式】
[0065]以下描述了示例性實施方式。
[0066] 本文所述的實施方式涉及采用激光對任意形狀的玻璃基材和其他基本透明材料 的邊緣進行斜切和/或斜角化的方法。在本文內(nèi)容中，材料對于激光波長是基本透明指的是 在該波長處，吸收率小于約10% (優(yōu)選小于1%)每mm材料深度。第一個實施方式涉及采用超 短脈沖激光將邊緣切割成所需的斜切形狀，之后可任選地跟有紅外（例如C0 2)激光從而完 全自動化分離。第二個實施方式涉及采用超短脈沖和/或C02激光的不同組合，對鋒利邊緣 角進行熱應力剝離。另一個實施方式包括用任意切割方法(例如采用超短脈沖激光)來切割 玻璃基材，之后通過使用C0 2激光與超短脈沖和/或C02激光的不同組合來單獨進行斜切。
[0067] 在第一個方法中，加工基礎步驟是在相交平面上產(chǎn)生斷層線，其描繪出所需邊緣 形狀并建立路徑，所述路徑至少對于裂紋擴展具有抗性，因而對于形狀從其基材基質(zhì)的分 離和分開具有抗性。該方法基本產(chǎn)生了具有形狀的邊緣，同時從主基材切割出部件?？梢詫?激光分離方法調(diào)節(jié)和配置成實現(xiàn)具有形狀的邊緣從原始基材發(fā)生手動分離、部分分離或者 自分離。產(chǎn)生這些斷層線的基本原理詳細見下文以及2013年1月15日提交的美國申請第61/ 752，489號，其全文通過引用結(jié)合入本文。
[0068] 在第一個步驟中，待加工的物體用超短脈沖激光束輻射，所述超短脈沖激光束濃 縮成高縱橫比線聚焦，其滲透通過基材的厚度。在該高能密度體積內(nèi)，材料經(jīng)由非線性效應 發(fā)生改性。重要的是要注意到，在沒有該高光學強度的情況下，不會引發(fā)非線性吸收。低于 該強度閾值，材料對于激光輻射是透明的，并且保持其初始狀態(tài)。
[0069] 激光源的選擇是在透明材料中誘發(fā)多光子吸收(MPA)能力的基礎。MPA是相同或不 同頻率的多光子的同時吸收，從而將材料從較低能態(tài)(通常是基態(tài))激發(fā)到較高能態(tài)(激發(fā) 態(tài)）。激發(fā)態(tài)可以是電子激發(fā)態(tài)或者電離態(tài)。材料的較高能態(tài)與較低能態(tài)之間的能量差等于 兩個或更多個光子的能量總和。MPA是非線性過程，通常比線性吸收弱數(shù)個數(shù)量級。其不同 于線性吸收之處在于，MPA的強度取決于光強度功率的平方或者更高情況，從而使其是非線 性光學過程。在普通光強度情況下，MPA是可忽略的。如果光強度(能量密度)極高，例如在激 光源(特別是脈沖激光源）的聚焦區(qū)域中，MPA變得可感知并在材料中的光源能量密度足夠 高的區(qū)域中導致可測量的效應。在聚焦區(qū)域內(nèi)，能量密度可能變得足夠高，導致離子化。
[0070] 在原子水平，單個原子的離子化具有離散能量要求。玻璃中常用的數(shù)種元素（例 如，Si、Na、K)具有較低電離能（約5eV)。在無 MPA現(xiàn)象的情況下，會需要約248nm的波長以產(chǎn) 生約5eV的線性離子化。在MPA的情況下，能態(tài)的離子化或激發(fā)之間的約5eV的能量間隔可以 用長于248nm的波長實現(xiàn)。例如，波長為532nm的光子具有約2.33eV的能量，所以兩個波長為 532nm的光子會在例如雙光子吸收(TPA)中誘發(fā)約4.66eV的能態(tài)間隔之間的轉(zhuǎn)變。因此，可 以在材料的區(qū)域中（其中，激光束的能量密度足夠高，誘發(fā)具有例如一半所需激發(fā)能的激光 波長的非線性TPA)對原子和鍵進行選擇性激發(fā)或離子化。
[0071] MPA會導致激發(fā)原子或鍵的局部再構(gòu)造以及與相鄰原子或鍵發(fā)生分離。所得到的 鍵或構(gòu)造的改性會導致非熱燒蝕以及從發(fā)生MPA的材料區(qū)域去除物質(zhì)。該物質(zhì)去除產(chǎn)生結(jié) 構(gòu)缺陷(例如，缺陷線、損壞線或"打孔"），其使得材料機械弱化并使其在施加了機械或熱應 力之后更易于發(fā)生開裂或破裂。通過控制打孔的布置，可以精確地限定沿其發(fā)生開裂的輪 廓或路徑，并可以實現(xiàn)對材料的精確微機械加工。由一系列打孔限定的輪廓可以視為斷層 線并對應于材料中結(jié)構(gòu)弱化的區(qū)域。在一個實施方式中，微機械加工包括從被激光加工的 材料分離部件，其中，部件具有精確限定的形狀或周界，其是由打孔的閉合輪廓決定的，所 述打孔的閉合輪廓是由通過激光誘發(fā)的MPA效應形成的。如本文所用術(shù)語閉合輪廓指的是 由激光線形成的打孔路徑，其中路徑與其自身在相同位置相交。內(nèi)輪廓是形成的路徑，其 中，所得到的形狀完全被材料的外部分包圍。
[0072] 激光是超短脈沖激光(脈沖持續(xù)時間約為數(shù)十皮秒或更短），并且可以以脈沖模式 或者群模式操作。在脈沖模式中，從激光發(fā)射出一系列標稱一致性單個脈沖，并被導向到工 件。在脈沖模式中，激光的重復頻率由脈沖之間的時間間隔所決定。在群模式中，從激光發(fā) 射出脈沖群，其中，每個群包括兩個或更多個(相同或不同振幅的）脈沖。在群模式中，群內(nèi) 的脈沖被第一時間間隔分隔開(其限定了群的脈沖重復頻率），以及群被第二時間間隔分隔 開(其限定了群重復頻率），其中，第二時間間隔通常遠長于第一時間間隔。如本文所用(無 論是脈沖模式還是群模式的內(nèi)容中），時間間隔指的是脈沖或群的對應部分之間的時間差 (例如，前緣_前緣、峰-峰或尾緣-尾緣）。脈沖和群的重復頻率受到激光設計的控制，并且通 ?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)激光的運行模式在限制內(nèi)進行調(diào)節(jié)。典型的脈沖和群重復頻率是kHz至MHz 范圍。
[0073] (在脈沖模式或者群模式的群內(nèi)脈沖的）激光脈沖持續(xù)時間可以是1(T1()S或更短， 或者10_ns或更短，或者10_ 12s或更短，或者10_13s或更短。在本文所述的示例性實施方式中， 激光脈沖持續(xù)時間大于1 〇_15。
[0074] 打孔可以分隔開并且經(jīng)由控制激光和/或基材或堆疊的運動通過控制基材或堆疊 相對于激光的速度來精確定位。例如，在薄透明基材以200mm/s移動暴露于100kHz系列脈沖 (或脈沖群）的情況下，單個脈沖會間隔2微米，產(chǎn)生間隔為2微米的一系列打孔。該缺陷線 (打孔)間隔足夠緊密，以實現(xiàn)沿著由打孔系列限定的輪廓進行機械或熱分離。
[0075]圖1A-1C顯示切割和分離基材材料(例如，藍寶石或玻璃）的方法可以是基本基于 如下:在基材材料130中用超短脈沖激光140形成多條垂直缺陷線120,產(chǎn)生斷層線110。取決 于材料性質(zhì)（吸收率、CTE、應力、組成等）以及對于加工材料130所選擇的激光參數(shù)，產(chǎn)生斷 層線110單獨就足以誘發(fā)自分離。在該情況下，不需要二次分離過程，例如，拉伸/彎曲作用 力、加熱或C0 2激光。沿著斷層線110方向的相鄰缺陷線120之間的距離可以是例如，0.25-50um，或者 0.50um 至約 20um，或者 0.50 至約 15um，或者 0.50-10um，或者 0.50-3.0um，或者 3.0-10um〇
[0076]通過使得激光掃描過特定路徑或輪廓，產(chǎn)生一系列打孔(數(shù)微米寬），其限定了待 從基材分離的部分的周界或形狀。本文中，一系列穿孔也可稱作斷層線。（下文所述的)所使 用的特定激光方法的優(yōu)勢在于，在單次通過中，其產(chǎn)生通過材料的高度受控的打孔，具有極 小(〈75WH，通常〈50WH)的表面下?lián)p傷和碎片產(chǎn)生。這不同于對材料進行燒蝕所通常使用的 斑聚焦激光，其中，通常需要多次通過來完全打穿玻璃厚度，由于燒蝕過程產(chǎn)生大量碎片， 并且發(fā)生更為廣泛的表面下?lián)p壞(>l〇〇wii)和邊緣碎片。如本文所用，表面下?lián)p壞指的是根 據(jù)本文經(jīng)受激光加工從基材或材料分離的部分的周界表面中的結(jié)構(gòu)不完美性的最大尺寸 (例如，長度、寬度、直徑）。由于從周界表面延伸的結(jié)構(gòu)不完美性，表面下?lián)p壞還可被稱作來 自根據(jù)本文的激光加工所發(fā)生的損壞距離周界表面的最大深度。分開部分的周界表面在本 文中可稱作分開部分的邊緣或邊緣表面。結(jié)構(gòu)不完美性可以是裂紋或空穴，并且表示機械 弱化點，其促進了從基材或材料分離部分的破裂或失效。通過使得表面下?lián)p壞最小化，本發(fā) 明的方法改善了分離部分的結(jié)構(gòu)完整性和機械強度。
[0077] 在一些情況下，產(chǎn)生的斷層線不足以從基材自發(fā)地分離部件，可能需要第二步驟。 如果希望的話，可以使用第二激光來產(chǎn)生熱應力從而使其發(fā)生分離。可以在產(chǎn)生斷層線之 后實現(xiàn)分離，例如通過施加機械作用力或者通過使用熱源（例如，紅外激光，如C0 2激光)產(chǎn) 生熱應力并迫使部件與基材發(fā)生分離。另一個選項是僅使用C02激光來引發(fā)分離，然后手動 完成分離。例如，采用以10.6um發(fā)射且功率通過控制其負載循環(huán)進行調(diào)節(jié)的失焦cw激光，實 現(xiàn)了任選的C0 2激光分離。聚焦變化（即，失焦程度和包括聚焦斑尺寸）用于通過改變斑尺寸 來改變誘發(fā)的熱應力。失焦激光束包括如下那些激光束，其產(chǎn)生大于最小衍射限的斑尺寸 (約為激光波長尺寸）的斑尺寸。例如，約為2-12mm(或者7mm、2mm和20mm)的失焦斑尺寸（1/ e2直徑)可用于C02激光，例如，在給定發(fā)射波長為10.6um的情況下，其衍射限斑尺寸要小得 多。對cw激光的功率密度進行控制或選擇，以提供較低強度束，使得激光斑加熱基材材料的 表面從而產(chǎn)生熱應力而不發(fā)生燒蝕也不誘發(fā)形成裂紋，所述裂紋明顯偏離含缺陷線的平 面。偏離缺陷線的裂紋長度小于20um，或者小于5um，或者小于lum〇
[0078] 產(chǎn)生缺陷線有數(shù)種方法。形成線聚焦的光學方法可以具有多種形式，采用圓環(huán)形 激光束和球形透鏡、錐棱鏡透鏡、衍射元件，或者其他方法來形成高強度的線性區(qū)域。激光 的類型（皮秒、飛秒等）以及波長（IR、綠色、UV等）也可以發(fā)生變化，只要在聚焦區(qū)域中抵達 了足夠的光學強度，通過非線性光學效應產(chǎn)生基材材料的開裂即可?；牟牧习úＡА⒉?璃層疊體、玻璃復合物、藍寶石、玻璃-藍寶石堆疊，以及其他對于激光波長基本透明的材 料。例如，可以將藍寶石層粘結(jié)到玻璃基材上。玻璃基材可以包括高性能玻璃，例如康寧公 司（Corning)的EagleX6?，或者廉價玻璃，例如鈉鈣玻璃。
[0079] 在本申請中，使用超短脈沖激光，以一致、可控和可重復的方式產(chǎn)生高縱橫比垂直 缺陷線。能夠產(chǎn)生該垂直缺陷線的光學設定的細節(jié)見下文以及2013年1月15日提交的美國 申請第61/752,489號所述(其在上文也進行了引用），其全文通過引用結(jié)合入本文。該概念 的基礎在于，在光學透鏡組件中使用錐棱鏡透鏡元件，采用超短(皮秒或飛秒持續(xù)時間）貝 塞爾束，產(chǎn)生高縱橫比、無錐角微通道區(qū)域。換言之，錐棱鏡將激光束在基材材料中濃縮成 圓柱形狀和高縱橫比（長的長度和小的直徑)的高強度區(qū)域。由于濃縮激光束所產(chǎn)生的高強 度，發(fā)生激光的電磁場與基材材料的非線性相互作用，激光能被傳輸?shù)交?，實現(xiàn)形成缺 陷，所述缺陷變得構(gòu)成斷層線。但是，重要的是，認識到在激光能量強度不夠高的材料區(qū)域 中（例如，基材表面，圍繞中心會聚線的基材體積），材料對于激光是透明的，以及沒有機制 使得能量從激光轉(zhuǎn)移到材料。作為結(jié)果，當激光強度低于非線性閾值時，對于基材沒有發(fā)生 情況。
[0080] 如上文所述，可以采用一個或多個高能脈沖或者一個或多個高能脈沖的群，在透 明材料中產(chǎn)生微觀(例如，直徑〈0.5mi以及>100nm，或者直徑<2wii以及>100nm)拉伸的缺陷 線(本文也稱作打孔或損壞軌跡）。打孔表示基材材料被激光改性的區(qū)域。激光誘發(fā)的改性 破壞了基材材料的結(jié)構(gòu)并構(gòu)成機械弱化位點。結(jié)構(gòu)破壞包括壓縮、熔化、材料的移走、重新 排列和鍵裂開。打孔延伸進入基材材料的內(nèi)部，并且具有與激光的橫截面形狀一致的橫截 面形狀(大致圓形）。打孔的平均直徑可以是0.1-50咖，或者l-20um，或者2-10um，或者0.1-5um。在一些實施方式中，打孔是"通孔"，這是從基材材料的頂部延伸到底部的孔或開放通 道。在一些實施方式中，打孔可能不是連續(xù)開放的通道并且可能包含通過激光從基材材料 移除的固體材料部分。移除的材料阻擋或者部分阻擋了由打孔限定的空間?？赡茉谝瞥?材料部分之間分散有一個或多個開放通道(未阻擋區(qū)域）。開放通道的直徑可〈lOOOnm，或者 <500nm，或者<400nm，或者<300nm，或者10-750nm或者100-500nm。在本文所揭示的實施方式 中，圍繞孔的材料的被破壞或被改性區(qū)域(例如，壓縮、熔化或者其他方式發(fā)生改變)的直徑 優(yōu)選〈50iim(例如，〈lOym)。
[0081]可以以數(shù)百千赫的速率(例如每秒幾十萬個穿孔)產(chǎn)生單個穿孔。因而，由于激光 源和材料之間的相對運動，這些穿孔會相互相鄰放置（空間間隔變化是按照需要的亞微米 至數(shù)微米，或者如果需要的話甚至數(shù)十微米）。選擇這種空間間隔從而有助于切割。
[0082]轉(zhuǎn)到圖2A和2B，對材料進行激光鉆孔的方法包括:將脈沖激光束2聚焦成激光束焦 線2b，沿著束擴展方向觀察。激光束焦線2b可以通過數(shù)種方式產(chǎn)生，例如，貝塞爾束、艾里 束、韋伯束和馬修束（即，非衍射束），其場分布通常由特殊函數(shù)給出，其在橫向方向（即，傳 播方向）比高斯函數(shù)衰減的更慢。如圖3A所示，（未示出的）激光3在光學組件6的入射側(cè)(稱 作2a)發(fā)射激光束2,其入射到光學組件6上。光學組件6將入射的激光束在輸出側(cè)上轉(zhuǎn)變成 激光束焦線2b，其是在限定膨脹范圍上沿著束方向（焦線的長度1)。將待加工的平面基材1 放在光學組件之后的束路徑中，至少部分重疊激光束2的激光束焦線2b。分別地，標記la表 示平坦基材朝向光學組件6或者激光的表面，以及標記lb表示基材1的相反表面(遠離或者 相對于光學組件6或激光較遠的表面）。基材厚度(垂直于平面la和lb測量，即，垂直于基材 平面測量)標記為d。
[0083] 如圖2A所示，基材1與束縱軸基本垂直對準，從而在由光學組件6產(chǎn)生的相同焦線 2b的后面(基材垂直于附圖平面），以及沿著束方向觀察，其相對于焦線2b布置成以束方向 觀察，焦線2b在基材的表面la之前開始，并且在基材的表面lb之前停止，即仍然在基材內(nèi)。 在激光束焦線2b與基材1的重疊區(qū)域中，即，被焦線2b覆蓋的基材材料中，（沿著激光束焦線 2b合適的激光強度，該強度通過將激光束2聚焦到長度1的區(qū)段上，即長度1的線聚焦，得以 確保的情況下)激光束焦線2b產(chǎn)生與束縱向方向?qū)实膮^(qū)段2c，沿著該區(qū)段2c，在基材材料 中產(chǎn)生感應的非線性吸收。此類線聚焦可以通過數(shù)種方式產(chǎn)生，例如，貝塞爾束、艾里束、韋 伯束和馬修束（即，非衍射束），其場分布通常由特殊函數(shù)給出，其在橫向方向（即，傳播方 向）比高斯函數(shù)衰減的更慢。誘發(fā)的非線性吸收在基材材料中沿著區(qū)段2c誘發(fā)形成缺陷線。 缺陷線的形成不僅是局部的，而是在感應吸收的區(qū)段2c的整個長度上延伸。區(qū)段2c的長度 (其對應于激光束焦線2b與基材1重疊的長度)標記為參照L。感應吸收的區(qū)段(或者基材1的 材料中發(fā)生形成缺陷線的區(qū)段）的平均直徑或程度標記為參照D。平均程度D基本上對應于 激光束焦線2b的平均直徑8,也就是說，約為0.1-5微米的平均斑直徑。
[0084] 如圖2A所示，由于沿著焦線2b的感應吸收，加熱了基材材料(其對于激光束2的波 長入是透明的）。圖2B顯示被加熱的基材材料會最終膨脹使得對應的感應拉伸導致形成微裂 紋，拉伸在表面la處最高。
[0085]下面描述(可用于產(chǎn)生焦線2b)的代表性光學組件6以及（可以將這些光學組件用 于其中的）光學系統(tǒng)。所有這些組件或系統(tǒng)是基于上文的描述，從而對于相同的組件或特征 或者功能相同的那些使用相同標記。因此，下面僅描述不同的地方。
[0086] 為了確保分離部件沿著進行分離的表面的高質(zhì)量(關(guān)于破裂強度、幾何形貌精確 度、粗糙度以及避免再次進行機械加工的需求而言），應該采用下文所述的光學組件產(chǎn)生沿 著分離線（斷層線)置于基材表面上的單條焦線（下文，也替代性地將光學組件稱作激光光 學件）。分離表面(或者分離部分的周界表面)的粗糙度結(jié)果主要由焦線的斑尺寸或斑直徑 決定。表面的粗糙度可以通過例如由ASME B46.1標準定義的Ra表面粗糙度參數(shù)進行表征。 如ASMEB46.1所述，Ra是表面輪廓高度與中線的偏差的絕對值的算術(shù)平均，記錄在估值長度 內(nèi)。換言之，Ra是表面的單個特征(峰和谷)相對于中值的一組絕對高度偏差的平均值。
[0087] 為了實現(xiàn)小的斑尺寸(例如在與基材1的材料相互作用的激光3的給定波長A的情 況下，0.5-2微米），通常必須對激光光學件6的數(shù)值孔徑施加某些要求。下文所述的激光光 學件6符合這些要求。為了實現(xiàn)所需的數(shù)值孔徑，一方面，對于給定的焦距長度，光學件必須 根據(jù)已知的阿貝公式(N.A.=n sin(0)，n:待加工的玻璃的折射率；0:孔徑半角；以及0 = arCtan(DL/2f);DL:孔徑，f:焦距長度)布置所需的開口。另一方面，激光束必須將光學件照 亮至所需的孔徑，這通常是通過采用在激光和聚焦光學件之間的加寬望遠鏡的束加寬的方 式實現(xiàn)的。
[0088]出于沿著焦線均勻相互作用的目的，斑尺寸不應該變化過于強烈。例如，這可以通 過僅在小的圓形區(qū)域中照射聚焦光學件，從而使得束開口略微變化進而使得數(shù)值孔徑的百 分比僅略微變化，得以保證(參見下文實施方式）。
[0089] 根據(jù)圖3A(垂直于在激光輻射2的激光束群中的中心束的水平的基材平面的區(qū)段； 此處，也是激光束2 (在進入光學組件6之前)垂直入射到基材平面，即，角0是0°，使得焦線2b 或者感應吸收的區(qū)段2c平行于基材法線），激光3發(fā)射的激光輻射2a首先被導向到圓形孔徑 8上，其對于所使用的激光輻射是完全不透明的?？讖?取向垂直于束縱軸，并且處于所示的 束群2a的中心束上。對孔徑8的直徑進行選擇，使得靠近束群2a的中心的束群或者中心束 (此處標記為2aZ)撞擊孔徑，并被其完全吸收。由于相比于束直徑降低的孔徑尺寸，導致僅 繞著束群2a的外周界中的束(邊緣射線，此處標記為2aR)沒有被吸收，而是橫向地通過孔徑 8并撞擊光學組件6的聚焦光學元件的邊緣區(qū)域，這在該實施方式中，設計成球形切割雙凸 透鏡7。
[0090] 透鏡7處于中心束的中心，并且故意設計成常用球形切割透鏡形式的非修正雙凸 聚焦透鏡。在該設計實施方式中，故意使用此類透鏡的球形光行差。作為替代，也可以使用 與理想修正系統(tǒng)發(fā)生偏差的非球形或者多透鏡系統(tǒng)，其沒有形成理想的焦點，而是形成限 定長度的不同的拉伸的焦線（即，透鏡或系統(tǒng)不具有單個焦點）。因而，透鏡的區(qū)域沿著焦線 2b聚焦，受制于來自透鏡中心的距離?？讖?在束方向上的直徑近似為束群直徑的90% (束 群直徑定義為程度降低至1/e2)以及是光學組件6的透鏡7的直徑的約75%。從而使用通過 在中心將束群阻擋掉所產(chǎn)生的非光行差修正球形透鏡7的焦線2b。圖3A顯示貫穿中心束的 一個平面中的區(qū)段，以及當所示的束繞著焦線2b轉(zhuǎn)動時，可以看到完整的三維束群。
[0091]通過如圖3A所示的透鏡7和系統(tǒng)所形成的這種類型焦線的一個潛在缺點在于，狀 態(tài)(斑尺寸、激光強度)可能沿著焦線變化（以及進而沿著所需的材料中的深度變化），因而 可能僅在選定的焦線部分中產(chǎn)生所需類型的相互作用(不發(fā)生熔化、感應吸收、裂紋形成的 熱塑性變形）。這進而意味著可能僅有部分入射激光光線被以所需的方式吸收。以這種方 式，一方面削弱了（對于所需的分離速度需要平均激光功率的）加工效率，并且另一方面激 光光線可能傳輸?shù)讲缓虾跸Ｍ母顓^(qū)域(與基材附著的部件或?qū)踊蛘呋谋３止潭ㄆ鳎?且與它們以不合乎希望的方式發(fā)生相互作用(加熱、擴散、吸收、不合乎希望的改性）。
[0092] 圖3B-1-4顯示（不僅是對于圖3A中的光學組件，而是基本上還對于任意其他可適 用的光學組件6而言），可以通過使得光學組件6相對于基材1合適地定位和/或?qū)室约巴?過合適地選擇光學組件6的參數(shù)，來對激光束焦線2b的進行不同定位。如圖3B-1所示，可以 對焦線2b的長度1進行如下方式的調(diào)節(jié)，使其超過基材厚度d(此處超過的系數(shù)為2)。如果 (以束縱向方向）將基材1放在焦線2b的中心，則在整個基材厚度上產(chǎn)生感應吸收的區(qū)段2c。 激光束焦線2b的長度1可以是例如約為0. l-100mm，或者約為0. l-10mm，或者約為0.1-lmm。 各種實施方式可以構(gòu)造成長度1是例如約為〇. lmm、〇. 2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.7mm、1mm、 2mm、3mm、4mm或5mm〇
[0093]在圖3B-2所示的情況中，產(chǎn)生長度1的焦線2b，其差不多對應于基材程度d。由于基 材1相對于線2放置的方式使得線2b的起始點在基材之前，即基材外部，所以感應吸收的區(qū) 段2c(其在這里是從基材表面延伸到限定的基材深度，但是沒有到達相反表面lb)的長度L 小于焦線2b的長度1。圖3B-3顯示如下情況，其中，（沿著束方向觀察的)基材1放置在焦線2b 的起始點的上面，從而如圖3B-2的情況，線2b的長度1大于基材1中感應吸收區(qū)段2c的長度 L。因而，焦線在基材內(nèi)開始并延伸超過相反(遠端）表面lb，越過基材。圖3B-4顯示如下情 況，其中，焦線長度1小于基材厚度d，從而在以入射方向觀察使得基材相對于焦線中心放置 的情況下，焦線在基材內(nèi)靠近表面la開始，并在基材內(nèi)靠近表面lb終止(1 = 0.75d)。
[0094]特別有利的是實現(xiàn)焦線的如下方式放置，使得表面la、lb中的至少一個被焦線覆 蓋，即感應吸收的區(qū)段2c至少是在一個表面上開始。以這種方式，可以實現(xiàn)實際上理想的鉆 孔或切割，避免表面的燒蝕、起毛和顆?；?。
[0095]圖4顯示另一種可適用的光學組件6?；緲?gòu)造符合圖3A所述的那種情況，從而下 面僅對差異進行描述。所示的光學組件基于使用具有非球形自由表面的光學件，從而產(chǎn)生 焦線2b，其形狀使得形成具有限定長度1的焦線。出于該目的，可以將非球面用作光學組件6 的光學元件。例如，在圖4中，使用了所謂的錐形棱鏡，通常也稱作錐棱鏡。錐棱鏡是特殊的 錐形切割棱鏡，其在沿著光軸的線上形成斑源(或者將激光束轉(zhuǎn)變成環(huán)）。此類錐棱鏡的設 計是本領域技術(shù)人員周知的；例子中的錐角是10°。這里標記為附圖標記9的錐棱鏡的頂點 導向入射方向并且處于束中心處。由于錐棱鏡9的焦線2b已經(jīng)開始于其內(nèi)部，基材1(此處與 主束軸垂直對準)可以放置在束路徑中，直接位于錐棱鏡9的后面。如圖4所示，由于錐棱鏡 的光學特性，還可以沿著束方向偏移基材1，同時仍然在焦線2b的范圍內(nèi)。因此，在基材1的 材料中的感應吸收2c的區(qū)段延伸超過整個基材深度d。
[0096]但是，所示的設計具有如下限制：由于通過錐棱鏡9形成的焦線2b的區(qū)域以錐棱鏡 9開始，顯著部分的激光能沒有被聚焦到焦線2b的感應吸收區(qū)段2c中，該區(qū)段位于材料內(nèi)， 在該情況下，在錐棱鏡9與待加工的材料之間存在分隔。此外，焦線2b的長度1與束直徑經(jīng)由 折射率和錐棱鏡9的錐角相關(guān)聯(lián)。這是在較薄材料(數(shù)毫米)的情況下，總焦線遠長于基材厚 度的原因：激光能同樣沒有被具體聚焦到材料中的影響。
[0097]出于該原因，可能希望使用同時包括錐棱鏡和聚焦透鏡的光學組件6。圖5A顯示該 光學組件6,其中，設計成形成激光束焦線2b的具有非球形自由表面的第一光學元件（以束 方向觀察)被放置在激光3的束路徑中。在圖5A所示的情況中，該第一光學元件是具有5°錐 角的錐棱鏡10,其放置成垂直于束方向并且位于激光束3的中心。錐棱鏡的頂點取向朝向束 方向。第二聚焦光學元件(此處為平-凸透鏡11，其曲率取向朝向錐棱鏡)放置在束方向中， 距離錐棱鏡10的距離為Z1。對距離Z1進行選擇(在該情況下約為300mm)，使得通過錐棱鏡10 形成的激光輻射圓環(huán)狀入射到透鏡11的外半徑部分上。透鏡11將圓環(huán)輻射聚焦到距離為Z2 的輸出側(cè)上，在該情況下，距離透鏡11約為20mm，具有限定長度的焦線2b，在該情況下為 1.5mm。該實施方式中，透鏡11的有效焦距為25mm。經(jīng)由錐棱鏡10的激光束的圓形轉(zhuǎn)變標記 為附圖標記SR。
[0098]圖5B具體顯示根據(jù)圖5A，在基材1的材料中形成焦線2b或者感應吸收2c。對兩個元 件1〇、11的光學特性以及它們的位置進行選擇，使得束方向中焦線2b的程度1與基材1的厚 度d完全一致。因此，要求基材1沿著束方向的精確定位，從而將焦線2b精確地放在基材1的 兩個表面la和lb之間，如圖5B所示。
[0099]因此，如果焦線形成在距離激光光學件的一定距離，以及如果較大部分的激光輻 射調(diào)焦至焦線的所需端的話，則是有利的。如所述，這可以通過如下方式實現(xiàn):僅在所需區(qū) 域以圓環(huán)狀(環(huán)狀)照射主聚焦元件11(透鏡），這在一方面，起到了實現(xiàn)所需的數(shù)值孔徑進 而實現(xiàn)所需的斑尺寸的作用，但是，在另一方面，在非常短距離上的斑中心處的所需的焦線 2b之后，漫射環(huán)減小了強度，因為形成了基本圓環(huán)形斑。以這種方式，在所要求的基材深度 的短距離內(nèi)，停止了缺陷線的形成。錐棱鏡10和聚焦透鏡11的組合符合該要求。錐棱鏡以兩 種不同方式起作用：由于錐棱鏡10,將通常圓形激光斑以環(huán)形式輸送到聚焦透鏡11，以及錐 棱鏡10的非球面性具有形成超過透鏡焦平面的焦線而不是形成在焦平面內(nèi)的焦點的作用。 可以通過錐棱鏡上的束直徑來調(diào)節(jié)焦線2b的長度1。另一方面，可以通過錐棱鏡-透鏡分離 的距離Z1以及錐棱鏡的錐角，來調(diào)節(jié)沿著焦線的數(shù)值孔徑。以這種方式，可以將全部的激光 能集中到焦線中。
[0100] 如果缺陷線的形成旨在持續(xù)到基材的背側(cè)，則圓環(huán)形(環(huán)形）照射仍然具有如下優(yōu) 勢：（1)使用的激光功率優(yōu)化，在該意義上，大部分的激光仍然集中在所需的焦線長度中，以 及(2)可以實現(xiàn)沿著焦線的均勻斑尺寸，因而實現(xiàn)沿著焦線的均勻分開過程，這是由于圓環(huán) 狀照射區(qū)結(jié)合由于其他光學功能的方式設定的所需光行差所導致的。
[0101] 作為圖5A所示的平-凸透鏡的替代，也可以使用聚焦彎月形透鏡或者另一較高修 正的聚焦透鏡(非球形、多透鏡系統(tǒng)）。
[0102] 為了采用圖5A所示的錐棱鏡和透鏡的組合產(chǎn)生非常短的焦線2b，會需要選擇非常 小的激光束的束直徑入射到錐棱鏡上。這具有如下實踐上的缺點：將束中心化至錐棱鏡的 頂點上必須非常精確，因此結(jié)果對于激光的方向變化非常敏感(束漂移穩(wěn)定性）。此外，嚴格 準直的激光束是非常發(fā)散的(divergent)，即由于光偏轉(zhuǎn)，束群在短距離內(nèi)變得模糊。
[0103] 參見圖6,通過在光學組件6中插入另一個透鏡，準直透鏡12,可以避免這兩種影 響。額外的正透鏡12的作用是非常嚴格地調(diào)節(jié)聚焦透鏡11的圓形照射。對準直透鏡12的焦 距f'進行選擇，使得由于從錐棱鏡到準直透鏡12的距離Zla導致的所需的圓形直徑dr等于 f'?？梢酝ㄟ^(準直透鏡12到聚焦透鏡11的)距離Zlb來調(diào)節(jié)所需的環(huán)寬度br。作為純幾何學 問題，小的圓環(huán)照射寬度導致短的焦線?？梢栽诰嚯xf'實現(xiàn)最小值。
[0104]因而，圖6所示的光學組件6基于圖5A所示的那種情況，從而下面僅對差異進行描 述。將準直透鏡12(此處也設計成平-凸透鏡，其曲率朝向束方向）額外地放置在束路徑的中 心，在(位于一側(cè)的)錐棱鏡1〇(其頂點朝向束方向）和(位于另一側(cè)的)平-凸透鏡11之間。準 直透鏡12與錐棱鏡10的距離稱作Zla，聚焦透鏡11與準直透鏡12的距離稱作Zlb，以及焦線 2b與聚焦棱鏡11的距離稱作Z2(總是以束方向觀察）。如圖6所示，由錐棱鏡10形成的圓形輻 射SR(其發(fā)散入射并在準直透鏡12上具有圓形直徑dr)被調(diào)節(jié)至沿著距離Zlb所需的圓形寬 度br，至少在聚焦透鏡11處具有近似恒定的圓形直徑dr。在所示的情況下，旨在產(chǎn)生非常短 的焦線2b，從而透鏡12處近似4mm的圓形寬度br減少至透鏡11處近似0.5mm，這是由于透鏡 12的聚焦性質(zhì)(在該例子中，圓形直徑dr是22mm)。
[0105] 在所示的例子中，可以通過如下方式實現(xiàn)小于0.5mm的焦線1的長度:采用2mm的典 型激光束直徑，焦距f = 25mm的聚焦透鏡11，以及焦距f'=150mm的準直透鏡，以及選擇距離 Zla = Zlb = 140mm 且 Z2 = 15mm 〇
[0106] -旦產(chǎn)生了斷層線，可以通過如下方式發(fā)生分離：1)在斷層線上或者斷層線附近 的手動或機械應力；應力或壓力應該產(chǎn)生拉伸，將斷層線的兩側(cè)拉開使得仍然粘結(jié)在一起 的區(qū)域破裂;2)使用熱源在斷層線周圍產(chǎn)生熱應力區(qū)，使得缺陷線處于張力并沿著斷層線 誘發(fā)部分或整體分離；以及3)使用離子交換過程在斷層線周圍的區(qū)域中引入應力。此外，下 面描述了對于非斜切邊緣或者不完全斜切邊緣(但是具有由于邊緣沖擊引起的受控損失的 "犧牲"區(qū)域)使用皮秒激光加工。
[0107] 第二種方法利用了已有邊緣通過施加非常靠近邊緣表面和基材之間的相交的聚 焦(通常C02)激光來產(chǎn)生斜切?；牟牧媳仨毟叨任占す馐?，以產(chǎn)生跨越材料的熔化溫度 到其應變點的溫度梯度。該熱梯度產(chǎn)生應力曲線，其導致非常薄的材料條的分離或剝離。薄 的材料條從材料本體卷曲和剝離，尺寸由應變區(qū)和軟化區(qū)之間所限定的區(qū)域深度所決定。 這種方法可以結(jié)合之前的方法，從被斷層線規(guī)定的平面剝離薄的材料條。在該實施方式中， 在斷層線附近建立熱梯度。熱梯度與斷層線的組合可產(chǎn)生斜切邊緣形狀和表面織構(gòu)的更好 控制，相比于單純使用熱方式所可能會產(chǎn)生的其他情況而言。
[0108] 圖7A給出了本申請所述的工藝總覽。
[0109] -種方法依賴于采用短脈沖激光誘發(fā)的非線性吸收來產(chǎn)生上文所述的斷層線，用 于形成所需的部件和邊緣形狀。工藝依賴于材料在線性狀態(tài)中對于激光波長的透明（低激 光強度），這提供了高的表面和邊緣質(zhì)量，具有減少的表面下?lián)p壞，通過繞著激光聚焦的高 強度區(qū)域產(chǎn)生。實現(xiàn)該過程的一個關(guān)鍵在于通過超短脈沖激光所產(chǎn)生的缺陷線的高縱橫 比。這能夠產(chǎn)生斷層線(長且陡峭缺陷線），其可以從待切割和斜切材料的頂表面延伸到底 表面。原則上來說，可以通過單個脈沖形成每條缺陷線（打孔），以及如果需要的話，可以使 用額外的脈沖來增加受影響區(qū)域的程度(深度和寬度）。
[0110] 使用圖1A-1C所示的分離具有平坦邊緣的玻璃基材的相同原理，生產(chǎn)斜切邊緣的 工藝可以如圖7B所示進行改性。為了分離并形成斜切邊緣，可以在材料中形成三個分開的 缺陷線平面，其相交并限定了所需的邊緣形狀的邊界。如圖7C所示，可以使用僅僅兩個相交 缺陷線平面來形成不同形狀，但是可能需要在沒有任何缺陷線的情況下對邊緣的內(nèi)部平坦 部分進行破裂或分離(例如，通過機械或者熱方式）。
[0111] 激光和光學系統(tǒng)：
[0112] 出于切割玻璃或者其他透明脆性材料的目的，建立了使用1064nm皮秒激光結(jié)合形 成線聚焦束的光學件的工藝，在基材中產(chǎn)生缺陷線。將〇 . 7 m m厚度的樣品 Corning? Gorilk?玻璃編號2320基材放置成使其處于線聚焦內(nèi)。對于程度約1mm的線聚 焦，以及以200kHz的重復頻率產(chǎn)生大于或等于約30W的輸出功率的皮秒激光(約為150uJ/脈 沖），則線區(qū)域中的光學強度可以容易地足夠高至在材料中產(chǎn)生非線性吸收。近似隨著高強 度的線性區(qū)域，產(chǎn)生損壞、燒蝕、蒸發(fā)或者其他方式改性的材料區(qū)域。
[0113] 注意到該皮秒激光的典型操作產(chǎn)生脈沖的"群"。每個"群"可含有非常短持續(xù)時間 的多個子脈沖(約10皮秒）。每個子脈沖的時間間隔約為20毫微秒(50MHz)，時間通常由激光 腔設計控制。每個"群"之間的時間可以長得多，通常約為5us，對于約200kHz的激光重復頻 率而言。確切的時間間隔、脈沖持續(xù)時間和重復頻率可取決于激光設計發(fā)生變化。但是已經(jīng) 顯示高強度的短脈沖(〈15皮秒)與該技術(shù)工作良好。
[0114] 更具體來說，如圖8A和8B所示，根據(jù)本文所述選定的實施方式，皮秒激光產(chǎn)生脈沖 500A的"群"500,有時也稱作"群脈沖"。群是這樣一類激光操作，其中，脈沖的發(fā)射不是以均 勻且穩(wěn)定流的方式進行，而是以緊密脈沖群的方式進行(參見參考文獻）。每個"群"500在高 至100微微秒的非常短的持續(xù)時間Td內(nèi)（例如，0.1微微秒、5微微秒、10微微秒、15微微秒、18 微微秒、20微微秒、22微微秒、25微微秒、30微微秒、50微微秒、75微微秒或其間范圍)含有多 個脈沖500A(例如，2個脈沖、3個脈沖、4個脈沖、5個脈沖、10個脈沖、15個脈沖、20個脈沖或 者更多）。脈沖持續(xù)時間通常約為1-1000微微秒，或者約為1-100微微秒，或者約為2-50微微 秒，或者約為5-20微微秒。這些單個群500內(nèi)的這些單獨的脈沖500A也可被稱作"子脈沖"， 這不過是表示它們存在于單個脈沖群內(nèi)這個事實。脈沖群內(nèi)的每個激光脈沖500A的能量或 強度可能不等于脈沖群內(nèi)的其他脈沖的能量或強度，并且脈沖群500內(nèi)的多個脈沖的強度 分布可符合由激光設計所管理的隨時間的指數(shù)衰減。優(yōu)選地，本文所述的示例性實施方式 的脈沖群500中的每個脈沖500A與群內(nèi)的后續(xù)脈沖的時間間隔的持續(xù)時間T P為1-50毫微秒 (例如，10-50ns，或者10-40或10-30毫微秒），時間通常由激光腔設計所管理。對于給定激 光，脈沖群500內(nèi)的每個脈沖的時間間隔T P (脈沖-脈沖間隔)較為均勻（± 10 % )。例如，在一 些實施方式中，每個脈沖與后續(xù)脈沖的時間間隔近似為20毫微秒(50MHz脈沖重復頻率）。例 如，對于產(chǎn)生約20毫微秒的脈沖-脈沖間隔T P的激光，群內(nèi)的脈沖-脈沖間隔TP維持在約為± 10%，或者約為±2毫微秒。每個"群"之間的時間（即，群之間的時間間隔T b)會長得多（例 如，0.25< K1000微秒，例如1 -10微秒，或3-8微秒）。例如，在本文所述的激光的一些示例 性實施方式中，對于約為200kHz的激光重復頻率或者頻率，其約為5微秒。本文中，激光重復 頻率也稱作群重復頻率或者脈沖群重復頻率，定義為群中的第一個脈沖與后續(xù)群中的第一 個脈沖之間的時間。在其他實施方式中，群重復頻率約為1kHz至4MHz，或者約1kHz至2MHz， 或者約l-650kHz，或者約為10-650kHz。每個群中的第一個脈沖與后續(xù)群中的第一個脈沖之 間的時間T b可以是0.25微秒(4MHz群重復頻率)至1000微秒（1kHz群重復頻率），例如0.5微 秒(2MHz群重復頻率)至40微秒(25kHz群重復頻率），或者2微秒(500kHz群重復頻率)至20微 秒(50kHz群重復頻率）。確切的時間間隔、脈沖持續(xù)時間和重復頻率可取決于激光設計以及 用戶可控的操作參數(shù)發(fā)生變化。顯示高強度的短脈沖(Td〈20微微秒以及優(yōu)選Td<15微微秒） 工作良好。
[0115] 對材料進行改性所需的能量可以描述為群能量(群內(nèi)所含的能量，每個群500含有 一系列的脈沖500A)或者描述為單個激光脈沖中所含的能量(許多個它們可構(gòu)成群）。對于 這些應用，每個群的能量(每毫米待切割的材料）可以是10-2500uJ，或者20-1500uJ，或者 25-750uJ，或者 40-2500uJ，或者 100-1500uJ，或者 200-1250uJ，或者 250-1500uJ，或者 250-750uJ。群內(nèi)單個脈沖的能量會較小，單個激光脈沖的確切能量會取決于群500內(nèi)的脈沖 500A數(shù)量以及激光脈沖隨時間的衰減速率(例如，指數(shù)衰減速率），如圖8A和8B所示。例如， 對于恒定的能量/群，如果脈沖群含有10個單個激光脈沖500A，則每個激光脈沖500A會含有 較少的能量，相比于如果僅具有2個單個激光脈沖的相同脈沖群500而言。
[0116] 對于切割或改性透明材料（例如玻璃），使用能夠產(chǎn)生此類脈沖群的激光是有利 的。不同于使用通過單脈沖激光的重復頻率在時間上間隔開的單個脈沖，使用在群500內(nèi)的 脈沖的快速序列上使得激光能鋪展開的脈沖群序列實現(xiàn)了與材料的較大時間跨度的高強 度相互作用，相比于單脈沖激光可能的情況而言。雖然單脈沖可以在時間上膨脹，但是能量 守恒意味著如果這樣的話，脈沖內(nèi)的強度必然在脈沖寬度上粗略地下降。因此，如果10微微 秒的單脈沖膨脹到10毫微秒脈沖的話，強度粗略地下降3個數(shù)量級。該下降會使得光學強度 降低至非線性吸收不再顯著的點，并且光-材料相互作用不再強到足以實現(xiàn)切割。相反地， 利用脈沖群激光，每個脈沖或者群500內(nèi)的子脈沖500A期間的強度仍然可以是非常高的，例 如時間間隔T P約為10毫微秒的3個脈沖持續(xù)時間Td為10微微秒的脈沖500A仍然實現(xiàn)每個脈 沖中的強度近似高于3倍的單個10微微秒脈沖，同時激光能夠與材料在大3個數(shù)量級的時間 規(guī)格上與材料相互作用。因而，這種群內(nèi)的多脈沖500A的調(diào)節(jié)實現(xiàn)了激光-材料相互作用的 時間規(guī)格的操縱，其方式可以有助于更大或更小的光與預先存在的等離子體羽毛狀物，更 大或更小的光_材料相互作用（與通過初始或先前的激光脈沖預激發(fā)的原子和分子），以及 材料內(nèi)更大或更小的加熱效應(可促進缺陷線(打孔)的受控生長）。對材料進行改性所需的 群能量大小會取決于基材材料組成和用于與基材相互作用的行焦距的長度。相互作用區(qū)域 越長，展開的能量約多，則會需要的群能量也越高。
[0117] 當單個脈沖群撞擊玻璃上基本相同位置時，在材料中形成缺陷線或者孔。也就是 說，單個群內(nèi)的多個激光脈沖可在玻璃中產(chǎn)生單條缺陷線或者孔位置。當然，如果玻璃發(fā)生 移動（例如，恒定移動階段)或者束相對于玻璃移動，群內(nèi)的單獨脈沖無法處于玻璃上完全 相同的空間位置。但是，它們很好地相互在lMi之內(nèi)，即，它們基本上撞擊玻璃的相同位置。 例如，它們可以以相互之間的間距sp撞擊玻璃，其中，0〈sp<500nm。例如，當玻璃位置被20 個脈沖的群撞擊時，群內(nèi)的單個脈沖撞擊玻璃相互之間處于250nm之內(nèi)。因此，在一些實施 方式中，111111〈8口〈25〇111]1。在一些實施方式中，lnm〈sp〈100nm〇
[0118]孔或損壞軌跡的形成：
[0119]如果基材具有足夠的應力（例如，離子交換玻璃），則部件會自發(fā)性地沿著通過激 光加工描繪出的斷層線分離。但是，如果基材并非固有很多應力的話，則皮秒激光會僅在基 材中形成缺陷線。這些缺陷線可以是內(nèi)尺寸(直徑)約為0.5-1.5um的孔的形式。
[0120]孔或缺陷線可以刺穿或者不刺穿材料的整個厚度，以及可以是穿過整個材料深度 的連續(xù)開口或者可以不是這種情況。圖1C顯示刺穿700um厚的未強化的Gorilla?玻璃基材 片的整個厚度的此類軌跡的例子。通過劈開邊緣的側(cè)面，觀察穿孔或損壞軌跡。穿過材料的 軌跡不一定是通孔，可能存在玻璃堵塞住孔的區(qū)域，但是它們通常是小尺寸的。
[0121] 注意的是，在斷層線處分離之后，沿著缺陷線發(fā)生破裂，以提供具有表面的部件或 邊緣，其具有源自缺陷線的特征。在分離之前，缺陷線的形狀通常是圓柱形。在分離之后，缺 陷線破裂并且缺陷線的剩余部分在分離部件或邊緣的表面的輪廓中是明顯的。在理想模型 中，在分離之后缺陷線對半劈開，從而分離部件或邊緣的表面包括對應于半圓柱形的鋸齒 狀。在實踐中，分離可能與理想模型具有偏差，以及表面的鋸齒狀可能是初始缺陷線的形狀 的任意部分。不考慮特定形式，分離表面的特征會被稱作缺陷線，以表明它們存在的來源。
[0122] 缺陷線之間的橫向間距(節(jié)距）由基材在聚焦激光束下位移時的激光的脈沖頻率 所決定。僅需要單次皮秒激光脈沖或群來形成完整孔，但是如果需要的話，可以使用多個脈 沖或群。為了以不同節(jié)距形成缺陷線，激光可以觸發(fā)成以較長或較短的時間間隔射擊。對于 切割操作，激光觸發(fā)通常與束下方的部件的階段驅(qū)動運動同步，從而激光脈沖以固定時間 間隔觸發(fā)，例如每lum，或者每5um。相鄰缺陷線之間的確切間距由材料性質(zhì)所決定，其有助 于裂紋從穿孔擴展到穿孔，產(chǎn)生基材中的應力水平。作為切割基材的替代，也可以使用相同 的方法僅對材料進行打孔。在此情況下，缺陷線的間隔可以是較大間距(例如，5um節(jié)距或更 大)。
[0123] 激光功率和透鏡焦距(其決定了焦線長度進而決定了功率密度)對于確保玻璃的 完全穿透和低微表面和表面下?lián)p壞是特別重要的。
[0124] 通常來說，可用的激光功率越高，以上述工藝可以對材料進行切割越快。本文所揭 示的工藝可以以〇.25m/s或更快的切割速度來對玻璃進行切割。切割速度(或者切割的速 度)是激光束相對于基材材料(例如玻璃）的表面移動同時產(chǎn)生多個缺陷線孔的速率。高的 切割速度(例如，400mm/s，500mm/s，750mm/s，lm/s，1 ? 2m/s，1 ? 5m/s或者2m/s，或者甚至3.4-4m/s)通常是合乎希望的，從而使得制造的基建投資最小化并優(yōu)化裝備利用率。激光功率等 于激光的群能量乘以群重復頻率(速率）。通常來說，為了以高切割速度切割玻璃材料，缺陷 線間隔通常為l-25um，在一些實施方式中，間距優(yōu)選是3um或更大，例如3-12um，或者例如5-10um〇
[0125] 例如，為了實現(xiàn)300mm/s的線性切割速度，3um孔節(jié)距對應于具有至少100kHz群重 復頻率的脈沖群激光。對于600mm/s切割速度，3um節(jié)距對應于具有至少200 kHz群重復頻率 的群-脈沖激光。以200kHz產(chǎn)生至少40uJ/群以及以600mm/s的切割速度進行切割的脈沖群 激光需要具有至少8瓦的激光功率。因此，更高的切割速度需要更高的激光功率。
[0126] 例如，以3mi節(jié)距和40yJ/群的0 ? 4m/s切割速度會要求至少5W激光，以3圓節(jié)距和40 yj/群的〇. 5m/s切割速度會要求至少6W激光。因此，優(yōu)選脈沖群ps激光的激光功率大于或等 于6W，更優(yōu)選至少8W或更高，以及甚至更優(yōu)選至少10W或更高。例如，為了實現(xiàn)4mi節(jié)距(缺陷 線間隔或損壞軌跡間隔）和1〇〇幻/群的〇.4m/s切割速度會要求至少10W激光，以及為了實現(xiàn) 4wii節(jié)距和100yJ/群的0.5m/s切割速度會要求至少12W激光。例如，為了實現(xiàn)3wii節(jié)距和40y J/群的lm/s切割速度會要求至少13W激光。此外，例如，以4mi節(jié)距和400yJ/群的lm/s切割速 度會要求至少100W激光。
[0127] 缺陷線（損壞軌跡)之間的最佳節(jié)距和確切群能量是依賴于材料的并且可以通過 經(jīng)驗確定。但是，應注意的是，提升激光脈沖能量或者以更靠近的節(jié)距制造損壞軌跡并不總 是使得材料更好地分離或者具有改進的邊緣質(zhì)量的情況。缺陷線(損壞軌跡)之間過小的節(jié) 距(例如，〈0.1微米或者在一些示例性實施方式中，<1M1或者在其他實施方式中<2wii)有時 會抑制后續(xù)鄰近缺陷線(損壞軌跡）的形成，并且通常會抑制打孔輪廓附近的材料的分離。 如果節(jié)距太小的話，還可能發(fā)生玻璃中不合乎希望的微開裂的增加。過長的節(jié)距(例如，>50 Mi以及在一些玻璃中>25wii或者甚至>20wii)可能導致"不受控的微開裂"，即作為沿著預期 輪廓的從缺陷線到缺陷線的擴展的替代，微裂紋沿著不同路徑擴展，并導致玻璃以不同于 預期輪廓的（不合乎希望）的方向開裂。這可能最終導致分離部件的強度降低，因為殘留的 微裂紋構(gòu)成了使得玻璃弱化的瑕疵。過高的形成缺陷線的群能量(例如，>2500uJ/群以及在 一些實施方式中>500uJ/群)會導致先前形成的缺陷線的"愈合"或再熔化，這可能抑制玻璃 的分離。因此，優(yōu)選群能量<2500uJ/群，例如，<500uJ/群。此外，使用過高的群能量會導致 形成極大的微裂紋，并產(chǎn)生會降低分離后部件的邊緣強度的結(jié)構(gòu)不完美性。過低的群能量 (例如，<40iiJ/群)可能導致在玻璃中沒有形成可見的缺陷線，因而可能必須要特別高的分 離作用力或者導致完全無法沿著打孔輪廓進行分離。
[0128] 該工藝所能達到的典型示例性切割速率(速度)是例如0.25m/s和更高。在一些實 施方式中，切割速率至少為300mm/s。在一些實施方式中，切割速率至少400mm/s，例如，500-2000mm/s或更高。在一些實施方式中，皮秒(ps)激光采用脈沖群來產(chǎn)生缺陷線，其周期性為 0? 5-13um，例如0 ? 5-3um。在一些實施方式中，脈沖激光的激光功率為10-100W，以及材料和/ 或激光束相對于彼此以至少〇. 25m/s的速率移動；例如，速率為0.25-0.35m/s或0.4-5m/s。 優(yōu)選地，脈沖激光束的每個脈沖群在工件處測得的平均激光能量大于40uJ每個群每mm工件 厚度。優(yōu)選地，脈沖激光束的每個脈沖群在工件處測得的平均激光功率小于2500uJ每個群 每mm工件厚度，以及優(yōu)選小于約2000uJ每個群每mm工件厚度，以及在一些實施方式中，小于 1500uJ每個群每mm工件厚度，例如不超過500uJ每個群每mm工件厚度。
[0129] 我們發(fā)現(xiàn)為了打孔具有低堿性含量或者沒有堿性含量的堿土硼鋁硅酸鹽玻璃，需 要高得多的體積脈沖能量密度(uj/um3) (5-10倍）。這可以通過例如采用脈沖群激光(優(yōu)選 具有至少2個脈沖/群)并且在堿土硼鋁硅酸鹽玻璃中提供約為0.05uJ/um 3或更高(例如，至 少0. luj/um3，例如，0.1-0.5yJ/wii3)的體積能量密度來實現(xiàn)。
[0130] 因此，優(yōu)選激光產(chǎn)生每個群具有至少2個脈沖的脈沖群。例如，在一些實施方式中， 脈沖激光的功率為10_150W(例如，10-100W)，并且產(chǎn)生每個群至少2個脈沖的脈沖群(例如， 2-25個脈沖/群）。在一些實施方式中，脈沖激光的功率為25-60W，并且每個群至少2個脈沖 的脈沖群，以及由激光群產(chǎn)生的相鄰缺陷線之間的周期性或者間距為2-lOum。在一些實施 方式中，脈沖激光的功率為10-100W，產(chǎn)生每個群至少2個脈沖的脈沖群，以及工件和激光束 相對于彼此位移的速率至少為〇.25m/s。在一些實施方式中，工件和/或激光束相對于彼此 位移的速率至少為〇. 4m/s。
[0131] 例如，為了切割0.7mm厚的非離子交換康寧公司編號2319或者編號232〇G〇rilla? 玻璃，觀察到3-7um的節(jié)距可以良好工作，脈沖群能量約為150-250uJ/群，以及群脈沖數(shù)量 為2-15,以及優(yōu)選地，節(jié)距為3-5um和群脈沖數(shù)量(每個群的脈沖數(shù)量)為2-5。
[0132] 以lm/s的切割速度，切割EagleXGk玻璃，通常需要使用15-84W的激光功率，30-45W通常是足夠的。通常來說，對于各種玻璃和其他透明材料，
【申請人】發(fā)現(xiàn)10-100W的激光功 率來實現(xiàn)0.2-lm/s的切割速度是優(yōu)選的，對于許多玻璃而言，25-60W的激光功率是足夠(或 最佳)的。對于〇.4-5m/s的切割速度，激光功率應該優(yōu)選為10-150W，群能量為40-750yJ/群， 2-25群每脈沖(取決于切割的材料），以及缺陷線間距(或節(jié)距）為3-15wii或3-IOmi。對于這 些切割速度，使用皮秒脈沖群激光會是優(yōu)選的，因為他們產(chǎn)生了高的功率和所需的每個群 的脈沖數(shù)量。因此，根據(jù)一些示例性實施方式，脈沖激光產(chǎn)生10-100W的功率(例如25-60W)， 以及產(chǎn)生至少2-25個脈沖/群的脈沖群，并且缺陷線之間的距離為2-15um;以及激光束和/ 或工件相對于彼此以至少〇. 25m/s的相對速度(在一些實施方式中，至少0.4m/s，例如，0.5-5m/s或更快）的速率移動。
[0133] 斜切邊緣的切割和分離：
[0134] 斜切方法1:
[0135] 發(fā)現(xiàn)采用未強化Gorillai)玻璃(具體是康寧編號2320)，能夠?qū)崿F(xiàn)斜切邊緣的分離 的不同條件。第一種方法是使用皮秒激光產(chǎn)生缺陷線，從而形成具有與所需形狀(在該情況 下，斜切邊緣)一致的斷層線。在該步驟之后，可以通過使用斷裂鑷，手動彎曲部件，或者沿 著斷層線引發(fā)和擴展分離(產(chǎn)生張力）的任意方法，來實現(xiàn)機械分離。為了通過700um厚的未 強化Gorilla?玻璃中的缺陷線產(chǎn)生斜切邊緣并機械地分離部件，發(fā)現(xiàn)如下光學和激光參數(shù) 得到最佳結(jié)果：
[0136] 皮秒激光（lOMnm)
[0137] 到達錐棱鏡透鏡的輸入束直徑，約2mm
[0138] 錐角=l〇度
[0139] 初始校準透鏡焦距=125mm
[0140] 最終物鏡焦距=40mm
[0141] Z處的聚焦設定= 0.7mm(即，對于玻璃厚度處于中心的線聚焦設定）
[0142] 100 %完全功率的激光功率(約40瓦特）
[0143] 激光的群重復頻率= 200kHz
[0144] 每個群的能量=200uJ (40W/200kHz)
[0145] 節(jié)距= 5um
[0146] 3個脈沖/群
[0147] 每個缺陷線單次通過
[0148] 實現(xiàn)分離的替代方法是使用較為失焦的C02激光束(約2mm斑直徑），其是在皮秒激 光步驟之后，在皮秒激光完成所需輪廓的描繪之后。C0 2激光誘發(fā)的熱應力足以沿著所需輪 廓引發(fā)和擴展分離或者對邊緣進行成形。對于該情況，發(fā)現(xiàn)如下光學和激光參數(shù)具有最佳 結(jié)果：
[0149] 皮秒激光（1064nm)
[0150] 到達錐棱鏡透鏡的輸入束直徑，約2mm
[0151] 錐角=1〇度
[0152] 初始校準透鏡焦距=125mm
[0153] 最終物鏡焦距= 40mm
[0154] Z處的聚焦設定= 0.7mm(即，對于玻璃厚度處于中心的線聚焦設定）
[0155] 75%完全功率的激光功率(約30瓦特）
[0156] 激光的群重復頻率= 200kHz
[0157] 3個脈沖/群
[0158] 每個群的能量=150uJ (30W/200kHz)
[0159] 節(jié)距= 5um
[0160] 單次通過
[0161] C02 激光
[0162] 激光是200W完全功率激光
[0163] 激光位移速度：10m/分鐘
[0164] 激光功率=1〇〇%
[0165] 脈沖持續(xù)時間17us
[0166] 激光調(diào)制頻率20kHz
[0167] 激光負載循環(huán)= 17/50us = 34%負載(約68瓦特輸出）
[0168] 激光束失焦(相對于玻璃的入射表面）=20_
[0169] 斜切方法2:
[0170] 方法 2A:
[0171] 第二種斜切方法利用了已有邊緣通過施加非常靠近邊緣表面和基材之間的相交 的高度聚焦C02激光來產(chǎn)生斜切。不同于上文所述的C0 2激光條件，在該情況下，聚焦C02束在 基材表面的尺寸約為l〇〇um直徑，這使得束能夠?qū)⒉ＡЬ植考訜嶂帘确椒?中所述的失焦束 高得多的溫度?；牟牧媳仨毟叨任占す?，以產(chǎn)生跨越材料的熔化溫度到材料應變點的 溫度范圍的劇烈溫度梯度。熱梯度產(chǎn)生應力曲線，其誘發(fā)非常薄的材料條的分離或剝離，其 從材料塊體發(fā)生分離或剝離。薄條的尺寸由具有應變點和軟化點之間的溫度的材料區(qū)域的 深度所決定。
[0172] 這種方法可以結(jié)合之前的方法，從被斷層線規(guī)定的平面進行剝離。換言之，如上文 所述，可以使用皮秒激光來形成斷層線（其具有與邊緣的所需形狀或輪廓一致的形狀），以 及可以在斷層線中或者斷層線附近建立熱梯度，以促進薄的材料條的釋放。在該實施方式 中，通過皮秒激光產(chǎn)生的斷層線引導了薄的材料條進行分離或剝離的方向，并且可以實現(xiàn) 更好的邊緣形狀或輪廓的控制。
[0173]如圖9所示，第二種方法依賴于基材的激光波長吸收(例如，10.6um的C02)。通過材 料吸收激光導致建立起了熱梯度，其包括至少從材料的應變點至少延伸到材料的軟化點的 溫度。如圖10所示，當產(chǎn)生此類熱梯度時，分離自基材塊體的玻璃條形成卷曲剝離。如圖9所 示，當激光靠近邊緣緊密聚焦時(例如，距離邊緣〈100M1)，從右角落剝離卷曲的玻璃條并形 成大致凹陷的斜切，如圖10所示。為了對2個角進行斜切，可以翻轉(zhuǎn)樣品，并且可以在第二個 角上重復工藝。如圖10所示，邊緣的平坦部分的缺陷線顯示織構(gòu)，其與圖1C所示的通過通孔 打孔形成的平坦邊緣的情況一致。圖12顯示，通過改變斜切速度(定義為C0 2束掃描速度）， 可以改變斜切邊緣的特性:斜切角、平坦面的寬度(A)或高度/寬度(B/C)。通過改變C0 2激光 掃描速度，激光能沉積到材料上的速率發(fā)生變化，以及熱梯度的特性(例如，空間程度、溫度 范圍）發(fā)生變化。通過更快速地移動激光，斷層線變得更淺，剝離的材料條變得更窄和更淺。 在圖12所示的例子中，斜切速度從3m/分鐘變化為10m/分鐘。C0 2激光的峰值功率為200W，設 定為30kHz的重復頻率與2.9us的脈沖寬度，這產(chǎn)生C02輸出功率約為18W的約9%負載循環(huán)。
[0174] 剝離的C02激光條件
[0175] 激光是200W完全功率激光
[0176] 激光位移速度:3m/分鐘(50mm/s)
[0177] 激光功率=1〇〇%
[0178] 脈沖持續(xù)時間2.9us
[0179] 激光調(diào)制頻率30kHz
[0180] 激光負載循環(huán)= 2.9/33us = 9%負載(約18W輸出）
[0181] 激光束失焦=0.7mm
[0182] 方法 2B:
[0183] 在該例子中，將斜切方法1的皮秒打孔部分與斜切方法2A的熱剝離結(jié)合，產(chǎn)生受控 剝離，分離由缺陷線平面引導。如圖11A和11B所示，發(fā)生右角落的剝離。但是，可能沒有沿著 缺陷平面發(fā)生完整剝離和脫離，因為在軟化區(qū)中的熱梯度提供可能影響脫離路徑的第二驅(qū) 動作用力。取決于缺陷平面和裂紋線之間的相對位置（由熱梯度限定），可能沿著斷層線或 多或少的發(fā)生分離。圖11B顯示一部分的剝離路徑偏離由缺陷線限定的路徑的例子。偏移最 主要是沿著邊緣平坦部分。但是，通過缺陷線特性與C0 2激光適當加熱的適當組合，應該可 以在缺陷線平面分離角落。
[0184] 犧牲邊緣：
[0185] 即使剝離的玻璃沒有完全符合缺陷線平面，玻璃內(nèi)殘留缺陷線的存在也會是有利 的，因為其可以捕獲當邊緣沖擊時形成的裂紋擴展。在該情況下，殘留的內(nèi)部缺陷平面可用 作損失捕獲位置，實現(xiàn)產(chǎn)生在殘留的內(nèi)部缺陷線的表面?zhèn)壬系幕牟牧蠀^(qū)域的"犧牲"邊緣 部分。事實上，產(chǎn)生犧牲邊緣，所述犧牲邊緣包括在分離邊緣的內(nèi)側(cè)上的殘留內(nèi)部缺陷線 (或者一組殘留內(nèi)部缺陷線，其相交在真實邊緣內(nèi)側(cè)形成更為復雜的內(nèi)部斜角），這可能是 改善斜切部分可靠性的方法，而無需部件的外側(cè)邊緣上的物理斜切特征并且無需機械研磨 和拋光來產(chǎn)生該特征。這類犧牲邊緣的一些選項如圖13所示。由于上文所述的皮秒激光過 程以單次通過產(chǎn)生此類缺陷線，并且速度高至lm/s，這非常容易且以成本節(jié)約的方式產(chǎn)生 額外的"損壞停止"線。當經(jīng)受應力(例如，沖擊力)時，玻璃會沿著犧牲邊緣分離并防止來自 沖擊的裂紋擴展進入部件內(nèi)部從而使得部件的余下部分是完好的。
[0186] 斜切方法3:
[0187] 最后，通過缺陷線形成的外側(cè)玻璃邊緣片的分離不需要通過施加 C02激光或者施 加機械作用力完成。在許多情況下，將從玻璃基材分尚的玻璃部件輸送到尚子交換過程進 行化學強化。離子交換自身可產(chǎn)生足夠的應力來促進部件的切線區(qū)域或斜切角的剝離或分 離。將新的離子引入到玻璃表面中會產(chǎn)生足夠的應力來引起外側(cè)角片的剝離或分離。此外， 用于離子交換過程的高溫鹽浴可提供熱應力，其足以誘發(fā)沿著斷層線的剝離或分離，以提 供斜切或者其他形狀邊緣。在任意情況下，最終結(jié)果是邊緣更緊密地符合內(nèi)部缺陷線，以形 成所需的斜切形狀(參見圖14)。
[0188] 作為補充或替代，在酸溶液(例如，1.5M HF和0.9M H2S〇4的溶液）中對部件進行蝕 刻可以產(chǎn)生足夠的應力引起外側(cè)角落片發(fā)生剝離或分離。
[0189] 本文所述的斜切方法還可用于C〇rning?EagleXG?玻璃(不同之處在于方法包 括離子交換），如題為"Laser Cutting of Display Glass Compositions(顯示器玻璃組合 物的激光切割)"的申請所述(美國臨時專利申請序列號62/023471)。
[0190] 上文所述的方法提供了以下益處:位移增強激光加工能力和成本節(jié)約，從而更低 成本制造。在本實施方式中，切割和斜切過程提供了如下內(nèi)容：
[0191] 斜切或完全切割具有斜切邊緣的部件:所揭示的方法能夠以干凈且受控的方式完 全分離/切割Gorilla?玻璃和其他類型的透明玻璃(強化或未強化）。采用數(shù)種方法證實了 完全分離和/或邊緣斜切。對于斜切方法1，將部件切割成尺寸或者從玻璃基質(zhì)分離，具有斜 切邊緣，原則上來說，不再需要其他后加工。對于斜切方法2,部件已經(jīng)切割成尺寸，具有預 先存在的平坦邊緣，以及激光被用于斜切邊緣。
[0192] 減少的表面下缺陷：對于斜切方法1，由于激光和材料之間的超短脈沖相互作用， 幾乎沒有熱相互作用，因而使得會導致不合乎希望的應力和裂紋的熱影響區(qū)最小化。此外， 將激光束濃縮到玻璃中的光學件產(chǎn)生缺陷線，其通常在部件的表面上是2-5微米直徑。在分 離之后，表面下?lián)p壞可以低至<30wii。這對于部件的邊緣強度具有重要影響，并且減少了對 邊緣進行進一步研磨和拋光的需求，因為這些表面下?lián)p壞會生長并發(fā)展成微裂紋，當部件 經(jīng)受拉伸應力時，使得邊緣強度弱化。
[0193] 工藝清潔度:斜切方法1能夠以干凈且受控的方式斜切玻璃。使用常規(guī)燒蝕過程來 進行斜切是非常成問題的，因為它們產(chǎn)生大量碎片。此類燒蝕產(chǎn)生的碎片是有問題的，因為 其難以去除，甚至是使用各種清潔和清洗方案的情況下。任何粘附的微粒會造成后續(xù)工藝 (其中，對玻璃進行涂覆或金屬化以產(chǎn)生薄膜晶體管等）的缺陷。所揭示方法的激光脈沖以 及所誘發(fā)的與材料的相互作用的特性避免了該問題，因為它們進行的時間規(guī)格非常短，并 且對于激光輻射透明的材料使得誘發(fā)的熱效應最小化。由于在物體內(nèi)產(chǎn)生缺陷線，事實上 消除了在切割步驟期間的碎片和粘附顆粒的存在。如果存在由于產(chǎn)生缺陷線所導致的任意 微粒，它們會被良好地容納直至部件分離。
[0194] 省略工藝步驟
[0195] 從輸入玻璃面板將玻璃板制造成最終尺寸和形狀的工藝涉及以下數(shù)個步驟，其包 括:切割面板，切割成尺寸，精整和邊緣成形，將部件薄化至它們的目標厚度，拋光，以及甚 至在一些情況下進行化學強化。任意這些步驟的省略會改善加工時間和基建花費方面的制 造成本。本發(fā)明的方法可以通過如下方式減少步驟數(shù)量，例如：
[0196]減少碎片和邊緣缺陷的產(chǎn)生-潛在地消除清洗和干燥工作站
[0197] 將樣品直接切割成具有形狀邊緣、形狀和厚度的最終尺寸，減少或消除對于機械 精整線和與其相關(guān)的大量無價值的成本增加的需求。
[0198] 本文引用的所有專利、公開申請和參考文獻的全部教導都通過引用全文納入本 文。
[0199] 雖然本文描述了示例性實施方式，但本領域技術(shù)人員應理解可在不背離所附權(quán)利 要求所包含的本發(fā)明精神和范圍的情況下對形式和細節(jié)作出各種改變。
【主權(quán)項】
1. 一種激光加工的方法，該方法包括： 將脈沖激光束聚焦成激光束焦線； 將所述激光束焦線以相對于材料的第一入射角導向到所述材料中，所述激光束焦線在 所述材料內(nèi)產(chǎn)生感應吸收，所述感應吸收沿著所述激光束焦線在所述材料內(nèi)產(chǎn)生缺陷線； 使得所述材料和所述激光束相對于彼此位移，從而沿著所述材料內(nèi)呈該第一角度的第 一平面形成多條缺陷線； 將所述激光束焦線以相對于所述材料的第二入射角導向到所述材料中，所述激光束焦 線在所述材料內(nèi)產(chǎn)生感應吸收，所述感應吸收沿著所述激光束焦線在所述材料內(nèi)產(chǎn)生缺陷 線；以及 使得所述材料或所述激光束相對于彼此位移，從而沿著所述材料內(nèi)呈該第二角度的第 二平面形成多條缺陷線，所述第二平面與所述第一平面相交。2. -種對材料進行激光加工的方法，該方法包括： 將脈沖激光束聚焦成激光束焦線； 沿著所述材料內(nèi)的N平面中的每一個形成多條缺陷線，形成多條缺陷線包括： (a) 將所述激光束焦線以相對于對應于所述N平面中的一個的所述材料的入射角導向 到所述材料中，所述激光束焦線在所述材料內(nèi)產(chǎn)生感應吸收，所述感應吸收沿著所述激光 束焦線在所述材料內(nèi)產(chǎn)生缺陷線； (b) 使得所述材料和所述激光束相對于彼此位移，從而沿著所述N平面的中的一個平面 形成所述多條缺陷線； (c) 對于N平面中的每一個重復(a)和(b)。3. -種對工件進行激光加工的方法，該方法包括： 將脈沖激光束聚焦成激光束焦線； 將所述激光束焦線以相對于所述工件的入射角導向到所述工件中，所述入射角與所述 工件的邊緣相交，所述激光束焦線在所述工件內(nèi)產(chǎn)生感應吸收，所述感應吸收沿著所述激 光束焦線在所述工件內(nèi)產(chǎn)生缺陷線； 使得所述工件和所述激光束相對于彼此位移，從而沿著所述工件內(nèi)呈該角度的平面形 成多條缺陷線；以及 通過使得所述工件經(jīng)受離子交換過程來沿著所述平面分離所述工件。4. 一種激光加工的方法，該方法包括： 將脈沖激光束聚焦成激光束焦線； 將所述激光束焦線導向到材料中，所述激光束焦線在所述材料內(nèi)產(chǎn)生感應吸收，所述 感應吸收沿著所述激光束焦線在所述材料內(nèi)產(chǎn)生缺陷線； 使得所述材料和所述激光束相對于彼此沿著輪廓位移，從而沿著所述輪廓在所述材料 內(nèi)形成多條缺陷線，所述輪廓描繪了待從所述材料分離的部件的周界； 從所述材料分離所述部件； 將聚焦紅外激光沿著與所述部件的第一表面處的邊緣相鄰的線導向到分離部件內(nèi)，從 而剝離限定了所述分離部件的第一斜切邊緣的第一條帶；以及 將所述聚焦紅外激光沿著與所述部件的第二表面處的邊緣相鄰的線導向到分離部件 內(nèi)，從而剝離限定了所述分離部件的第二斜切邊緣的第二條帶。5. 如前述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，將所述激光束焦線以相對于材料 的第一入射角導向到所述材料中是導向到所述材料的第一表面，以及將所述激光束焦線以 相對于材料的第二入射角導向到所述材料中是導向到所述材料的第二表面。6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述材料沿著所述第一平面和所述第二平面 分離以限定斜切邊緣。7. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一平面和所述第二平面分別在所述材 料內(nèi)限定了犧牲邊緣。8. 如權(quán)利要求1所述的方法，所述方法還包括通過產(chǎn)生熱應力，沿著所述第一平面和所 述第二平面分離所述材料，所述熱應力是通過如下方式產(chǎn)生的： 將紅外（IR)激光束導向到沿著所述材料內(nèi)呈所述第一角度的所述第一平面的所述多 條缺陷線上；以及 將所述紅外（IR)激光束導向到沿著所述材料內(nèi)呈所述第二角度的所述第二平面的所 述多條缺陷線上。9. 如權(quán)利要求4或8所述的方法，其特征在于，所述IR激光束是C02激光束。10. 如權(quán)利要求4或8所述的方法，其特征在于，所述IR激光束是失焦的。11. 如權(quán)利要求1或2所述的方法，所述方法還包括通過向所述材料施加離子交換過程， 使得所述材料沿著所述多條缺陷線發(fā)生分離。12. 如權(quán)利要求1所述的方法，所述方法還包括： 將所述激光束焦線以相對于所述材料的第三入射角導向到所述材料中，所述激光束焦 線在所述材料內(nèi)產(chǎn)生感應吸收，所述感應吸收沿著所述激光束焦線在所述材料內(nèi)產(chǎn)生缺陷 線；以及 使得所述材料和所述激光束相對于彼此位移，從而沿著所述材料內(nèi)呈所述第三角度的 第三平面形成多條缺陷線； 其中所述第一平面、第二平面和第三平面中的至少兩個相交。13. 如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述材料沿著所述第一平面、所述第二平 面和所述第三平面分離以限定斜切邊緣。14. 如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述第一平面、所述第二平面和所述第三 平面分別在所述材料內(nèi)限定了犧牲邊緣。15. 如權(quán)利要求12所述的方法，所述方法還包括通過如下方式沿著所述第一平面、所述 第二平面和所述第三平面來分離所述材料： 將紅外激光束導向到沿著所述材料內(nèi)呈所述第一角度的所述第一平面的所述多條缺 陷線上； 將所述紅外激光束導向到沿著所述材料內(nèi)呈所述第二角度的所述第二平面的所述多 條缺陷線上；以及 將所述紅外激光束導向到沿著所述材料內(nèi)呈所述第三角度的所述第三平面的所述多 條缺陷線上。16. 如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述紅外激光束是失焦C02激光束。17. 如權(quán)利要求12所述的方法，所述方法還包括通過向所述材料施加離子交換過程，沿 著所述第一平面、所述第二平面和所述第三平面來分離所述材料。18. 如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述第一角度、第二角度和第三角度中的 一個垂直于所述材料的表面。19. 如前述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述脈沖激光束的脈沖持續(xù)時間 大于約1皮秒至小于約100皮秒。20. 如前述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述激光的重復頻率約為1kHz至 2MHz〇21. 如前述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述脈沖激光束在所述材料處測 得的平均激光能大于40微焦每mm材料厚度。22. 如前述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，在至少兩個脈沖的群內(nèi)產(chǎn)生脈 沖，間隔的持續(xù)時間約為1-50毫微秒，以及群重復頻率約為l_650kHz。23. 如前述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述脈沖間隔的持續(xù)時間約為20 毫微秒。24. 如前述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述激光束焦線的長度約為0.1-100mm〇25. 如前述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述激光束焦線的平均斑直徑約 為0·l_5um。26. 如前述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述脈沖激光束具有波長，以及 所述材料對于所述波長是基本透明的。27. 如前述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述激光束焦線的長度約為0.1-1mm 〇28. -種玻璃制品，其采用前述任一項權(quán)利要求所述的方法制備。29. -種玻璃制品，所述玻璃制品包括至少一個斜切邊緣，所述至少一個斜切邊緣具有 多條延伸至少250μπι的缺陷線，所述缺陷線分別具有小于或等于約5μπι的直徑。30. 如權(quán)利要求29所述的玻璃制品，其特征在于，所述玻璃制品包括化學強化玻璃。31. 如權(quán)利要求29所述的玻璃制品，其特征在于，所述玻璃制品包括非強化玻璃。32. 如權(quán)利要求29所述的玻璃制品，其特征在于，所述斜切邊緣的Ra表面粗糙度小于約 0.5um〇33. 如權(quán)利要求29所述的玻璃制品，其特征在于，所述斜切邊緣的表面下?lián)p壞最深至小 于或等于約75um的深度。
【文檔編號】B23K26/00GK106029285SQ201480075622
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2014年12月16日
【發(fā)明人】S·馬加諾維克, A·R·尼伯, G·A·皮切, H·席林格, S·楚達, R·S·瓦格納
【申請人】康寧股份有限公司