用于借助于激光輻射剝除脆硬材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于借助于激光輻射剝除、即例如切割、刻刮、鉆孔脆硬材料的方法，其中通過剝除來在材料中形成剝除凹陷，所述剝除凹陷具有剝除凹陷的側(cè)壁的側(cè)壁角W，其中側(cè)壁角w被定義成剝除凹陷的側(cè)壁上的表面法線與材料的未被剝除的表面上的表面法線之間的角度。
【背景技術(shù)】
[0002]這樣的方法尤其是應(yīng)用于顯示器技術(shù)，其中必須處理薄玻璃襯底、一種脆硬物料。恰好工業(yè)顯示器技術(shù)占領(lǐng)著越來越大的市場空間，并且傾向于越來越輕的設(shè)備，并且因此還傾向于更薄的玻璃板以用于例如智能電話和平板計算機。
[0003]薄玻璃襯底在可以實現(xiàn)較厚玻璃的耐久性和機械穩(wěn)定性時恰好提供針對顯示器的優(yōu)點。所述薄玻璃板幾乎被用在全部平板顯示器(FDP)中。
[0004]常規(guī)的用于加工這樣的薄玻璃板的方法是用所定義的刀片進行銑削，或者基于向物料中有針對性引入的裂縫形成的機械作用(刻刮和折斷)。在使用激光輻射情況下的多種公知方法變型同樣所基于的是，利用刻刮和然后折斷的原理的機械作用，其方式是，用激光輻射的作用代替刻刮，并且物料在激光輻射的作用以后被折斷。常規(guī)機械加工(切割、鉆孔)對于薄玻璃板而言與大的物料厚度相比顯著更困難。也就是說，在機械刻刮的情況下引入微裂縫或者甚至拆出小部分、所謂的碎肩(Chip)，使得打磨或蝕刻作為后續(xù)加工工藝變得需要。
[0005]JP 2000 302 488A描述了一種用于借助于激光輻射或超聲波加工在玻璃材料中生成具有復(fù)雜橫截面形狀的非常細的孔的方法。鉆孔直徑可以利用鉆孔深度來調(diào)整；鉆孔的該輪廓確定亦稱尖細部。該方法利用激光鉆孔和打磨的組合。在完成具有主要非圓柱形壁的鉆孔以后，選擇鉆孔的包含所期望的尖細部的部分，并且材料的其余部分與鉆孔的其余部分一起通過打磨被除去。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所基于的任務(wù)是，提供一種在使用激光輻射情況下的方法，利用該方法可以在同時無損地剝除/切割的情況下實現(xiàn)大的剝除速率和大的剝除深度，使得通過激光輻射的作用在剝除/切割時加工大的材料深度，并且在加工以后不將附加的應(yīng)力或附加的裂縫引入到脆硬物料中。
[0007]該任務(wù)通過具有權(quán)利要求1的特征的方法來解決。對根據(jù)本發(fā)明的方法重要的是，小地調(diào)整激光輻射在剝除凹陷的入口處的射束半徑，使得側(cè)壁角w幾乎達到90角度并且可實現(xiàn)的剝除深度至少為針對以下較大射束半徑情況的2倍，在該較大射束半徑的情況下側(cè)壁角小于材料特定的極限角wmax。
[0008]在此，該極限角被定義為如下角度:該角度根據(jù)實驗結(jié)果在激光輻射的多個脈沖以后出現(xiàn)并且超過該角度不能進行繼續(xù)的剝除。
[0009]根據(jù)本發(fā)明，激光輻射的所使用的射束半徑對于關(guān)于側(cè)壁角w超過極限角wmax而言具有重大意義。與之相反，在現(xiàn)有技術(shù)中出發(fā)點是，所吸收的強度的變化對于側(cè)壁角是重要的。通過選擇射束半徑，已經(jīng)確定最大要實現(xiàn)的側(cè)壁角、即極限角，該極限角于是還依賴于材料特性(例如吸收度)并且因此在此被稱為“材料特定的極限角wmax”。
[0010]合適地小的射束半徑的值可以通過如下方式來確定:漸漸地縮小射束半徑，直到出現(xiàn)側(cè)壁角w從小于或等于材料特定的極限角wmax的值w ( wmax到側(cè)壁角w的接近90角度大的值的門限式變換。
[0011]應(yīng)當(dāng)注意，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，利用激光輻射僅僅實現(xiàn)小的剝除深度。出現(xiàn)了與入射脈沖的數(shù)目不再有關(guān)的剝除深度。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的方法所教導(dǎo)的是，對于激光輻射在剝除凹陷的入口處的足夠小的射束半徑，側(cè)壁角w門限式地明顯超過極限角wmax，并且可實現(xiàn)的剝除深度門限式地明顯增加，并且側(cè)壁角幾乎具有90角度。
[0013]因此，該方法還教導(dǎo)，當(dāng)激光輻射的射束半徑被調(diào)整為足夠小時，具有較小射束半徑的側(cè)壁角的弱增長門限式地變換為明顯增長。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員以實驗方式確定射束半徑，利用該射束半徑實現(xiàn)以下結(jié)果:出現(xiàn)所謂的鉆孔停止、即極限角，在該極限角的情況下不進行繼續(xù)的剝除。
[0014]典型的剝除凹陷具有底面和側(cè)向的剝除側(cè)壁。在利用激光輻射進行剝除的情況下，在剝除凹陷上的表面法線與材料的未被剝除的表面上的表面法線之間出現(xiàn)被稱為側(cè)壁角w的角度，該角度通常達到亦稱極限角wmax的最大值wmax。即使通過作用多個脈沖或者通過多次經(jīng)過材料的某位置，該側(cè)壁角w也不能變得大于極限角wmax。極限角wmax可以以實驗方式確定并且采取通常70度的材料特定值。根據(jù)目前的現(xiàn)有技術(shù)，剝除凹陷的更大深度僅能通過擴大剝除凹陷的寬度來實現(xiàn)。為此，例如可以并排布置彼此相繼的經(jīng)過的多個軌跡。在經(jīng)過的情況下，軌跡通過激光光軸的偏移被移位。也可以擴大激光束的直徑。
[0015]如前面提到的那樣，在機械加工薄玻璃板時出現(xiàn)裂縫。但是這樣的裂縫在利用激光輻射加工玻璃板時也能觀察到。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這些裂縫表現(xiàn)為至少三種不同的表現(xiàn)形式:
第一類裂縫:損傷、裂縫形成/碎肩出現(xiàn)在物料的背側(cè)。第一類裂縫在前側(cè)一一激光輻射入射之處一一還未發(fā)生損傷并且也還未進行剝除時就已經(jīng)出現(xiàn)。
[0016]第二類裂縫:裂縫或損傷--亦稱尖狀物--以入射邊緣為出發(fā)點，該入射邊緣是從工件的表面的未改變的部分到所形成的剝除凹陷的側(cè)向剝除側(cè)壁中的過渡部。
[0017]第二類的裂縫或損傷在一一與第三類裂縫相比一一大的深度上延伸到物料的體積中。這些以入射邊緣為出發(fā)點的材料改變/損傷也可以在體積中變得可見或產(chǎn)生(其于是也被稱為“細絲”;物理原因是克爾效應(yīng)和自聚焦)或者甚至到達工件的背側(cè)或背向激光輻射的表面。
[0018]第三類裂縫:精細的沒那么深地侵入的裂縫的形成附加于第二類裂縫或第二類損傷一一沿著被剝除的表面(切割邊緣)一一出現(xiàn)；其不限于接近入射邊緣的區(qū)域，并且出現(xiàn)在激光輻射在剝除凹陷中入射到被剝除的表面(剝除側(cè)壁)、即剝除側(cè)壁上之處。第三類裂縫從被剝除的表面伸展到物料中。第三類裂縫與第一類裂縫相比以較少的深度侵入到物料中。剝除凹陷的粗糙表面與入射邊緣相比具有擁有更小曲率半徑的粗糙度。剝除凹陷的粗糙表面的聚焦作用與入射邊緣的聚焦作用相比顯著更強。
【附圖說明】
[0019]本發(fā)明的另外的細節(jié)和特征從下面根據(jù)附圖對實施例的描述中得出。在附圖中: 圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的用于生成剝除凹陷的方法實施的模擬結(jié)果；
圖2示意性地示出了玻璃中利用激光輻射生成的剝除凹陷的橫截面；
圖3示出了如圖2中所示的剝除的被投影的強度、被吸收的強度和門限強度的圖形；圖4示意性地示出了圖2的具有對第二類和第三類的不同裂縫形成/損傷的表征的剝除凹陷；
圖5示出了模擬的剝除凹陷，其示出所形成的第二類和第三類裂縫的伸展；
圖6示出了用于闡述具有粗糙剝除側(cè)壁的剝除凹陷的產(chǎn)生的示意性簡圖；以及圖7示出了通過入射激光輻射在剝除側(cè)壁處的衍射而產(chǎn)生的衍射圖案。
【具體實施方式】
[0020]在圖2的圖示中示意性地示出了 V形剝除凹陷1，該剝除凹陷I形成在具有厚度X的薄玻璃材料2中。該剝除凹陷I具有剝除側(cè)壁3，該剝除側(cè)壁3從材料的表面5處的入射邊緣4出發(fā)。
[0021]兩個矢量箭頭首先說明了剝除凹陷上的用附圖標(biāo)記6表示的表面法線，并且其次說明了玻璃材料2的未被剝除的表面的表面法線7的方向。兩個表面法線6和7之間的角度表示材料2中的剝除凹陷I的側(cè)壁的側(cè)壁角W。
[0022]如圖3所示，前面提到的極限角wmax可以通過在材料中被吸收的強度的曲線I和剝除的門限強度的曲線2的交點來確定，如這在該圖形中示出。如果被吸收的強度小于剝除的門限強度，則不再能夠進行進一步的剝除:當(dāng)剝除凹陷的側(cè)壁在深度d相遇時，出現(xiàn)所謂的鉆孔停止。當(dāng)剝除凹陷的側(cè)壁角w的最大值為小的并且因此剝除凹陷的側(cè)壁在較小的深度d就已經(jīng)相遇時，鉆孔停止在小深度的情況下出現(xiàn)，這如圖2所示。
[0023]在圖3的圖形中，被投影的強度由曲線8 (實線)來示出，被吸收的強度由曲線9(不連續(xù)的線)來示出，并且如圖2中所示的剝除的門限強度由曲線10 (點劃線)來示出。
[0024]通常，不能超過側(cè)壁角w的極限角wmax或者切割邊緣/剝除邊緣的斜度。極限角wmax具有通常為70角度的材料特定的值，并且可以以實驗方式來確定。
[0025]剝除凹陷的小直徑在剝除凹陷的邊緣處造成縮小的吸收并且