顯示器玻璃組合物的激光切割的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于切割和分離透明材料的薄基材的激光切割技術(shù)，例如切割主要用于生產(chǎn)薄膜晶體管(TFT)裝置的顯示器玻璃組合物。所述激光方法可用于例如以>1米/秒的速度來制備直線切割，用于切割尖銳半徑的外部角(<1毫米)，和用于形成任意彎曲的形狀，其包括形成內(nèi)部孔和狹縫。激光加工堿土硼鋁硅酸鹽玻璃復(fù)合材料工件的方法包括將脈沖激光束聚焦成聚焦線。將聚焦線引導(dǎo)進入玻璃復(fù)合材料工件，這在材料之內(nèi)產(chǎn)生誘導(dǎo)吸收。使得工件和激光束沿著輪廓相對于彼此平移來形成多個缺陷線，且相鄰缺陷線的間隔是0.1微米?20微米。
【專利說明】顯示器玻璃組合物的激光切割
[0001] 相關(guān)申請
[0002] 本申請根據(jù)35 U.S.C.§120要求2014年10月31日提交的美國專利申請?zhí)?4/ 529520的優(yōu)先權(quán)，其要求2014年7月11日提交的美國臨時專利申請?zhí)?2/02347U2014年7月 10日提交的美國臨時專利申請?zhí)?2/022885、2013年12月17日提交的美國臨時專利申請?zhí)?61/917208W及2013年12月17日提交的美國臨時專利申請?zhí)?1/917213的優(yōu)先權(quán)。W上各文 的全部內(nèi)容通過引用納入本文。
[000；3]背景
[0004] 材料的激光加工領(lǐng)域包括各種應(yīng)用和不同種類的材料，該應(yīng)用設(shè)及切割、鉆孔、研 磨、焊接、烙融等。在運些應(yīng)用中，特別感興趣的一種應(yīng)用是切割或分離不同類型的基材，例 如分離薄膜晶體管(TFT)玻璃組合物的工藝。
[0005] 從工藝開發(fā)和成本角度看，有許多機會來改善玻璃基材的切割和分離。提供比當 今市場中所實施的更快、更干凈、更便宜、更可重復(fù)和更可靠的玻璃分離方法是非常有意義 的。在幾種替代技術(shù)中，已使用不同方法嘗試和驗證了激光分離。所述技術(shù)包括：1)實際地 除去在所需的零件(或多個零件)的邊界之間的材料和其基質(zhì);2)在材料的本體之內(nèi)形成缺 陷，W沿著所需輪廓的周界弱化材料或為材料接種裂紋引發(fā)點，然后進行輔助的破碎步驟； 和3)通過熱應(yīng)力分離使得初始裂紋擴展。與競爭性技術(shù)(機械劃割和破裂，高壓水噴射和超 聲研磨等)相比，運些激光切割過程證明了潛在的經(jīng)濟和技術(shù)優(yōu)勢，例如精確性、良好的邊 緣精磨和低殘留應(yīng)力。
[0006] 概述
[0007]本申請描述了用于切割和分離透明材料的薄基材的激光切割技術(shù)，且具體來說， 切割主要用于生產(chǎn)薄膜晶體管(TFT)裝置的顯示器玻璃組合物。所述激光方法可用于W最 高達〉1米/秒的速度來制備直線切割，用于切割尖銳的半徑外部角(<1毫米），和用于形成任 意彎曲的形狀，其包括形成內(nèi)部孔和狹縫。
[000引本發(fā)明還描述切割玻璃且隨后后續(xù)地使用各種方法加工零件的方法，從而將切割 的玻璃零件的邊緣強度和邊緣沖擊強度升高到比僅用切割過程所可能實現(xiàn)的水平更高得 多的水平。本文所述的方法還可在單一通過(pass)中，切割運些玻璃的堆疊件，運改善了加 工時間和機械利用率。
[0009] 在一種實施方式中，激光加工堿±棚侶娃酸鹽玻璃復(fù)合材料工件的方法包括將脈 沖激光束聚焦成沿著束傳播方向取向的激光束聚焦線。還將激光束聚焦線引導(dǎo)進入玻璃復(fù) 合材料工件，所述激光束聚焦線在材料之內(nèi)產(chǎn)生誘導(dǎo)吸收，且所述誘導(dǎo)吸收在工件之內(nèi)沿 著激光束聚焦線形成缺陷線或損壞痕跡。所述方法還包括使得工件和激光束沿著輪廓相對 于彼此平移，由此在工件之內(nèi)沿著輪廓激光形成多個缺陷線，其中相鄰缺陷線之間的周期 性是0.1微米-20微米。其它實施方式包括用運種方法制備的玻璃制品。
[0010] 在工件之內(nèi)沿著輪廓激光形成多個缺陷線可促進沿著由輪廓限定的表面分離工 件，從而形成分離的表面。誘導(dǎo)吸收可產(chǎn)生小于或等于約0.5微米的切割和分離邊緣的Ra表 面粗糖度。誘導(dǎo)吸收還可在分離的表面上產(chǎn)生具有小于3微米平均直徑的顆粒。
[0011] 開發(fā)的激光方法可定制用于從面板手動或機械分離零件，或者通過對所需的輪廓 施加熱應(yīng)力來進行完全激光分離。所述方法設(shè)及利用超短脈沖激光，且可隨后使用C〇2激光 來形成熱應(yīng)力，有時與高壓空氣流結(jié)合，用于完全自動化分離。
[0012] 附圖簡要說明
[0013] 根據(jù)下文對如在附圖中所示的示例實施方式的更具體的描述，上述內(nèi)容將變得顯 而易見，在附圖中在全部不同的視圖中相同的附圖標記表示相同的部分。附圖不必按比例 繪制，相反重點是顯示示例性實施方式。
[0014] 圖1A-1C顯示改性的玻璃的開裂線（或穿孔線），其具有等間距間隔的缺陷線或損 壞痕跡。
[0015] 圖2A和2B顯示設(shè)置激光束聚焦線，即因沿著聚焦線的誘導(dǎo)吸收而導(dǎo)致的對于激光 波長而言是透明的材料的加工。
[0016] 圖3A顯示根據(jù)一種實施方式的用于激光加工的光學(xué)組裝件。
[0017] 圖3B-1到3B-4顯示通過相對于基材不同地設(shè)置激光束聚焦線來加工基材的各種 方式。
[0018] 圖4顯示用于激光加工的光學(xué)組裝件的第二實施方式。
[0019] 圖5A和5B顯示用于激光加工的光學(xué)組裝件的第Ξ實施方式。
[0020] 圖6示意性地顯示用于激光加工的光學(xué)組裝件的第四實施方式。
[0021] 圖7顯示用于材料的激光加工的不同激光強度狀況。圖7A顯示未聚焦的激光束，圖 7B顯示使用球形透鏡濃縮的激光束，且圖7C顯示用軸棱錐或衍射菲涅耳(Fresnel)透鏡濃 縮的激光束。
[0022] 圖8A顯示示例性脈沖群之內(nèi)的激光脈沖的相對強度隨時間變化的示意圖，其中各 示例性脈沖群含3個脈沖。
[0023] 圖8B顯示示例性脈沖群之內(nèi)的激光脈沖的相對強度隨時間變化的示意圖，其中各 示例性脈沖群含5個脈沖。
[0024] 圖8C顯示直線切割的0.024mm和0.134mm厚的薄膜晶體管(TFT)玻璃帶材的切割邊 緣圖象。
[002引圖9是直線切割的0.600mm厚EagleXGK'玻璃帶材的邊緣圖象。
[00%]圖10顯示原子離子化能。
[0027]圖11顯示用于連續(xù)烙合玻璃制造法的現(xiàn)有玻璃切割方法，其使用機械或C〇2激光 劃割。
[00%]圖12A顯示在玻璃拉制時(on the glass化aw)的基于激光的玻璃切割方法，其中 使用水平激光切割從拉制分離玻璃板或玻璃片。
[0029] 圖12B顯示在玻璃拉制時的基于激光的玻璃切割方法，其中使用激光來切穿玻璃 片的區(qū)域，并從拉制移除玻璃的高質(zhì)量部分。
[0030] 圖13顯示通過在拉制高處切割球邊(bead),并在拉制下部水平地切割片，來基于 激光的在拉制時切割玻璃。
[0031] 圖14顯示通過水平地切割W從拉制除去玻璃，然后使用獨立的垂直切割來除去玻 璃邊緣球邊，來基于激光在拉制時切割玻璃。
[0032] 圖15顯示對離開拉制的玻璃進行基于激光的切割，W從片除去裁剪的或廢棄的玻 璃。
[0033] 圖16顯示在拉制時的基于激光的切割工藝，其使用多階段爐子將玻璃片保持在接 近玻璃退火點的溫度下。
[0034] 圖17顯示多階段爐子，其構(gòu)造成賦予在拉制上進行切割的玻璃片W規(guī)定的溫度冷 卻分布。
[0035] 具體描述
[0036] 下面將描述示例實施方式。
[0037] 本發(fā)明提供用于將玻璃組合物例如堿±棚侶娃酸鹽玻璃組合物玻璃如TFT(薄膜 晶體管)玻璃組合物(例如，EagleXG"，康寧LoUis?等)精確切割和分離成將構(gòu)成由玻璃基 材制成的成品零件的東西的方法。堿±棚侶娃酸鹽玻璃組合物可制造成適于用作電子裝置 如薄膜晶體管的應(yīng)用的基材。運意味著堿上棚侶娃酸鹽玻璃組合物玻璃組合物的熱膨脹系 數(shù)(CTE)常常與娃的熱膨脹系數(shù)相似(不大于5ppm/°C，優(yōu)選地小于4ppm/°C，例如約：3ppm/ °C，或2.5-3.5ppm/°C)，且在玻璃之內(nèi)具有較低水平的堿金屬。較低水平的堿金屬或痕量 (即，0-2%，優(yōu)選地<1重量％，例如<0.5重量％，）對于用于TFT應(yīng)用的玻璃是優(yōu)選的，因為在 有些情況下，堿金屬滲雜劑可從玻璃滲出，并污染娃工藝，運是不理想的。所述激光切割方 法W可控方式分離零件，且具有可忽略的碎片、極少的缺陷和對邊緣的較低的表面下?lián)p壞， 從而保持零件強度。開發(fā)的激光方法非常適用于對選定的激光波長透明的材料。運個波長 可為例如，1064，532，355或266納米。工件或TFT玻璃組合物應(yīng)優(yōu)選地對選定的激光波長是 基本上透明的（即，吸收小于約10%和優(yōu)選地小于約1%/毫米的材料深度）。適于厚度為 0.025mm-0.7mm的EagleXG?組合物來演示所述方法。應(yīng)指出通過本文所述的方法從更大 的片分離或切割出玻璃W后，可將倒角方法(如2013年12月17日提交的美國專利申請?zhí)?1/ 917,213所述，該文的全部內(nèi)容通過引用納入本文)應(yīng)用于康寧化gle XG?玻璃。
[0038] 如下所述的加工基礎(chǔ)步驟是形成垂直開裂線，其描繪所需形狀，且形成用于裂紋 擴展的具有最低阻力的路徑，并因此對從基材基質(zhì)分離和拆分所述形狀具有最低阻力?？?調(diào)節(jié)和構(gòu)造激光分離方法來實現(xiàn)從原始的基材手動或機械分離、部分分離或完全分離玻璃 形狀。
[0039] 在所述第一步中，用超短脈沖（脈沖寬度小于100皮秒)激光束（波長小于或等于 1064nm)福照待加工的物體，該激光束濃縮成高長徑比的線性聚焦，其穿透基材的厚度。在 運個高能量密度體積之內(nèi)，通過非線性效應(yīng)來改性材料。需特別指出的是，沒有運種高光學(xué) 強度，就不能引發(fā)非線性吸收。在低于運個強度闊值的情況下，材料對激光福射是透明的， 且仍然處于其原始狀態(tài)。通過在所需的線或路徑上掃描激光，我們形成狹窄的缺陷線或輪 廓或路徑(幾微米寬），并限定待在下一步中分離的周界或形狀。
[0040] 激光源可在基本上透明的材料例如玻璃復(fù)合材料工件中形成多光子吸收(MPA)。 MPA是同時吸收兩個或多個相同或不同頻率的光子，從而將分子從一個態(tài)(通常是基態(tài))激 發(fā)到更高能量態(tài)(離子化）。設(shè)及的分子的較低和較高態(tài)之間的能量差等于所述兩個光子的 能量之和。MPA也稱作誘導(dǎo)吸收，其可為二級或Ξ級(或更高級數(shù)）的過程，例如其比線性吸 收弱幾個量級。其與線性吸收的不同之處在于例如二級誘導(dǎo)吸收的強度可與光強度的平方 成正比，因此其是非線性光學(xué)過程。
[0041 ] -旦形成具有垂直缺陷或穿孔的線或輪廓，可通過下述來進行分離：1)在穿孔開 裂線上或周圍手動或機械施加應(yīng)力；該應(yīng)力或壓力應(yīng)形成張力，其將穿孔開裂線的兩側(cè)牽 拉開，并斷開仍然連接在一起的區(qū)域;2)使用熱源來繞著開裂線形成應(yīng)力區(qū)域，從而使垂直 缺陷或穿孔開裂線處于張力中，并誘導(dǎo)部分地或全部的分離。在兩種情況下，分離都取決于 多種加工參數(shù)，例如激光掃描速度、激光功率、透鏡參數(shù)、脈沖寬度、重復(fù)率等。
[0042] 運種激光切割方法利用超短脈沖激光W及光學(xué)器件，所述光學(xué)器件產(chǎn)生聚焦線W 完全穿孔玻璃組合物的主體范圍。在一些實施方式中，單個脈沖的脈沖持續(xù)時間是大于約1 皮秒-小于約100皮秒，例如大于約5皮秒且小于約20皮秒，且單個脈沖的重復(fù)率 (repetition rate)可為約 1 曲Z-4MHZ,例如約 10曲Z-650曲Z。
[0043] 除了在上述單個脈沖重復(fù)率下的單一脈沖操作W外，脈沖可2個脈沖或更多（例 如，3脈沖，4脈沖，5脈沖，10脈沖，15脈沖，20脈沖，或更多）的脈沖群的形式來產(chǎn)生，且脈沖 群之內(nèi)的單個脈沖之間相隔約1納秒-約50納秒，例如10-30納秒例如約20納秒的持續(xù)時間， 且脈沖群重復(fù)頻率可為約Ik化-約200k化。（發(fā)射脈沖群或產(chǎn)生脈沖群是一種激光操作，其 中脈沖發(fā)射不是均勻和穩(wěn)定的流，而是脈沖的緊密簇的形式。）脈沖群激光束可具有選定的 波長，從而材料在該波長下是基本上透明的。在材料處測量的平均激光功率/脈沖群可為大 于40微焦耳/毫米材料厚度，例如是40微焦耳/毫米-2500微焦耳/毫米，或是500-2250微焦 耳/毫米。例如，對于〇.lmm-〇.2mm厚的康寧EagleXG"玻璃，可使用200微焦耳脈沖群來切 割和分離玻璃，其示例性范圍是1000-2000微焦耳/毫米。例如，對于0.5-0.7mm厚的康寧 EagleX〇e玻璃，可使用400-700微焦耳脈沖群來切割和分離玻璃，其對應(yīng)的示例性范圍是 570微焦耳/毫米(400微焦耳/0.7mm)-1400微焦耳/毫米(700微焦耳/0.5mm)。
[0044] 相對于激光束移動玻璃(或相對于玻璃平移激光束形成穿孔線，其描繪出任何 所需零件的形狀。激光形成孔狀缺陷區(qū)域(或損壞痕跡，或缺陷線），其穿透玻璃的全部深 度，且內(nèi)部開口的直徑是約1微米。運些穿孔、缺陷區(qū)域、損壞痕跡或缺陷線通常相隔1-15微 米(例如，3-12微米，或更優(yōu)選地，5-10微米）。
[0045] 如本文所定義，缺陷線的直徑或內(nèi)部直徑是玻璃或工件中開口通道或空氣孔的內(nèi) 部直徑。例如，在本文所述的一些實施方式中，缺陷的內(nèi)部直徑是巧OOnm，例如《400nm，或 《300nm。此外，例如缺陷線的內(nèi)部直徑可與激光束聚焦線的光斑直徑一樣大。激光束聚焦 線的平均光斑直徑可為約0.1微米-約5微米，例如1.5-3.5微米。在沿著開裂線或輪廓分離 工件或玻璃零件W后，仍可能看見在切割的和分離的表面上的缺陷線，且例如其寬度可與 缺陷線的內(nèi)部直徑相當。因此，用本文所述的實施方式方法制備的玻璃制品的切割表面上 的缺陷線寬度的寬度可為例如約0.1微米-約5微米。
[0046] 越過單一玻璃片，還可將所述方法用于切割玻璃的堆疊件，且可使用單一激光通 過對總高度最高達幾毫米的玻璃堆疊件完全穿孔。玻璃堆疊件額外地可在各種位置處具有 空氣間隙;在單一通過中，激光過程仍然對運種堆疊件的上部和下部玻璃層完全穿孔。
[0047] 一旦對玻璃進行穿孔，如果玻璃具有充分的內(nèi)部應(yīng)力，裂紋將沿著穿孔線擴展，且 玻璃片將分離成所需的零件。因為TFT玻璃組合物是具有較低熱膨脹系數(shù)(CTE<4ppm/°C)和 較低內(nèi)部應(yīng)力（例如，< 1 OMPa，例如巧MPa W防止當用作顯示器時的崎變或雙折射)的玻璃， 通常施加額外的機械分離力來分離玻璃零件，例如使用沿著穿孔線或穿孔線附近的后續(xù)的 C〇2激光通過來形成熱應(yīng)力，其沿著相同的預(yù)編程的穿孔線分離玻璃。
[0048] 最后，因為在加工和運輸過程中所需的高水平的可靠性，圓化或倒角的邊緣是TFT 顯示器玻璃片的典型要求。用運種技術(shù)形成的剛切割(as-cut)的邊緣可提供所需的高水平 的可靠性。此外，如果需要額外的邊緣成形，本文所述的激光切割方法實現(xiàn)邊緣倒角，其可 額外地增加邊緣可靠性的水平(能從應(yīng)力事件和邊緣沖擊事件存活的能力）。最后，不管是 矩形的、剛切割的邊緣或倒角邊緣可額外地進行精細拋光或接觸拋光，從而甚至進一步改 善邊緣強度，邊緣沖擊強度或總體邊緣可靠性?？赏ㄟ^下述來實現(xiàn)切割玻璃：（a)在烙合玻 璃生產(chǎn)線拉制（即，在線)上，例如在運種生產(chǎn)線拉制的底部處，或(b)離線-即，不是在拉制 上，且隨后可進行邊緣倒角或拋光。
[0049] 本發(fā)明描述用于W可控方式從透明基材精確切割和分離出任意形狀的激光方法 和設(shè)備，具體來說，切割TFT玻璃組合物例如化gleXG⑥，康寧Lo化S?等的激光方法和設(shè)備， 其具有可忽略的碎片和對零件邊緣的極少損壞，其保留邊緣強度、邊緣沖擊強度和實現(xiàn)高 水平的玻璃邊緣可靠性。開發(fā)的激光方法依賴于對在線性狀況中或較低激光強度下的激光 波長的材料透明度，其實現(xiàn)保持干凈和原好的表面質(zhì)量，且依賴于減少的表面下?lián)p壞，該表 面下?lián)p壞由圍繞著激光聚焦的高強度區(qū)域形成。實現(xiàn)運個過程的關(guān)鍵因素之一是用超短脈 沖激光形成的缺陷或缺陷線的高長徑比。它使得形成從待切割材料的頂部表面延伸到底部 表面的開裂線。原則上，運個缺陷可由單一脈沖來形成，且如有需要，可使用額外的脈沖來 增加受影響區(qū)域(深度和寬度)的范圍。
[0050] 激光束聚焦線可具有約0.1 mm-約10mm,或約0.5mm-約5mm,例如約1 mm,約2mm,約 3mm,約4mm,約5mm,約6mm,約7mm,約8mm,或約9mm的長度，或約0.1mm-約1mm的長度，并具有 約0.1微米-約5微米的平均光斑直徑?？谆蛉毕菥€各自可具有0.1微米-10微米，例如0.25-5 微米(例如，0.2-0.75微米)的直徑。
[0051] 產(chǎn)生線狀聚焦可通過使Gaussian激光束輸送進入軸棱錐透鏡來進行，在運種情況 下，形成具有稱作Gauss-Bessel束的束輪廓。與Gaussian束相比，運種束衍射得慢得多（例 如，與Gaussian束的幾十微米或更小的范圍不同，其可在幾百微米或毫米的范圍中保持單 一微米光斑尺寸）。因此，與僅使用Gaussian束相比，與材料的強烈相互作用的焦深或長度 將大得多。還可使用其它形式的或緩慢衍射的或非衍射的束，例如Airy束。
[0052] 如圖1A-1C所示，用于切割和分離透明材料，具體來說TFT玻璃組合物的方法主要 基于使用超短脈沖激光140,在待加工的材料或工件130中形成開裂線110,其由多個垂直缺 陷線120形成。例如，缺陷線120延伸穿過玻璃片的厚度，且垂直于玻璃板的主要（平坦)表 面。本文中，"開裂線"也稱作"輪廓(contours)"。雖然開裂線或輪廓可為線性的，例如圖1A 所示的開裂線110,但開裂線或輪廓還可為非線性的，其具有曲率。例如，可通過兩維地而不 是一維地相對于彼此平移工件130或激光束140,來產(chǎn)生彎曲的開裂線或輪廓。取決于材料 性質(zhì)(吸收，CTE，應(yīng)力，組成等)和選定用于加工材料130的激光參數(shù)，只形成開裂線110可足 W誘導(dǎo)自發(fā)分離。在運種情況下，無需輔助的分離過程，例如張力/彎曲力，或通過例如C〇2 激光形成的熱應(yīng)力。如圖1A所示，多個缺陷線可限定輪廓。具有缺陷線的分離邊緣或表面通 過輪廓來限定。形成缺陷線的誘導(dǎo)吸收可在分離邊緣或表面上形成顆粒，且平均直徑小于3 微米，運得到非常干凈的切割過程。
[0053] 在一些實施方式中，形成的開裂線不足W自發(fā)地分離材料，且可能需要輔助的步 驟。雖然可將穿孔的玻璃零件設(shè)置在例如烘箱的腔室中，W形成玻璃零件的本體加熱或冷 卻，從而形成熱應(yīng)力來沿著缺陷線分離零件，但運種過程可較緩慢，且可需要較大的烘箱或 腔室來容納許多物品（ads)或較大的件或穿孔的玻璃。如需要運樣，例如可使用第二激光 來形成熱應(yīng)力W分離零件。在TFT玻璃組合物的情況下，可通過下述來實現(xiàn)分離:在形成開 裂線之后，施加機械力或使用熱源(例如紅外激光，例如C〇2激光）來形成熱應(yīng)力，并迫使材 料分離。另一種選擇是只用C〇2激光來啟動分離，然后手動地完成分離。例如，使用在10.6微 米下發(fā)射的散焦連續(xù)波(CW)激光和使用通過控制其占空度調(diào)節(jié)的功率，來實現(xiàn)任選的C〇2 激光分離。使用聚焦變化(即，散焦的程度最高達且包括聚焦的光斑尺寸），來改變通過改變 光斑尺寸誘導(dǎo)的熱應(yīng)力。散焦激光束包括產(chǎn)生下述光斑尺寸的激光束:該光斑尺寸大于在 激光波長尺寸量級上的最小、衍射限制的光斑尺寸。例如，可將1 -20mm，例如1 -12mm，3-8mm， 或約7mm，2mm，和20mm的0)2激光光斑尺寸用于C〇2激光，例如其具有C〇2 10.6微米波長激光。 還可使用發(fā)射波長也被玻璃吸收的其它激光，例如波長發(fā)射為9-11微米范圍的激光。在運 種情況下，可使用功率水平是100-400瓦的C〇2激光，且可W50-500毫米/秒的速度沿著或鄰 近缺陷線掃描束，其形成充足的熱應(yīng)力來誘導(dǎo)分離。在具體范圍之內(nèi)選擇的確切的功率水 平、光斑尺寸和掃描速度可取決于所用的材料、材料厚度、材料熱膨脹系數(shù)(CTE)、材料的彈 性模量，因為所有運些因素影響用具體的能量沉積速率在給定的空間位置處賦予的熱應(yīng)力 的量。如果光斑尺寸過?。矗?lt;lmm)或C〇2激光功率過高（M00W)，或者掃描速度過慢(小于 10毫米/秒），可能過度加熱玻璃，運在玻璃中形成燒蝕、烙融或熱產(chǎn)生的裂紋，運是不利的， 因為它們將降低分離的零件的邊緣強度。優(yōu)選地，0)2激光束掃描速度巧0毫米/秒，從而誘 導(dǎo)有效的和可靠的零件分離。但是，如果用C〇2激光形成的光斑尺寸過大(〉20mm)，或者激光 功率過低(<l〇W，或者在一些情況下，<30W)，或者掃描速度過高(〉500毫米/秒），則發(fā)生不充 足的加熱，運導(dǎo)致過低的熱應(yīng)力W至于不能誘導(dǎo)可靠的零件分離。
[0054] 例如，在一些實施方式中，可使用200瓦的C〇2激光功率，約6mm的在玻璃表面處的 光斑直徑和250毫米/秒的掃描速度來誘導(dǎo)已經(jīng)用如上所述的皮秒(psec)激光穿孔的0.7mm 厚康寧Eag 1 e沒永?玻璃的零件分離。例如，與較薄的Eag 1 e XG巧基材相比，較厚的康寧 EagleX狂?玻璃基材可能需要更多的C〇2激光熱能/單位時間來進行分離，或者與具有更低 CTE的玻璃相比，具有更低CTE的玻璃需要更多的C〇2激光熱能來分離。在C〇2光斑通過給定位 置之后，沿著穿孔線的分離將非?？?小于1秒)地進行，例如在100毫秒之內(nèi)，在50毫秒之 內(nèi)，或在25毫秒之內(nèi)。
[0055] 例如在一些實施方式中，沿著開裂線110方向的相鄰缺陷線120之間的距離或周期 性可為大于0.1微米且小于或等于約20微米。例如，在一些實施方式中，相鄰缺陷線120之間 的周期性可為0.5-15微米，或3-10微米，或0.5微米-3.0微米。例如，在一些實施方式中，相 鄰缺陷線120之間的周期性可為0.5微米-1.0微米。
[0056] 存在幾種方法來形成缺陷線。形成線狀聚焦的光學(xué)方法可具有多種形式，使用圓 環(huán)狀激光束和球形透鏡，軸棱錐透鏡，衍射元件，或其它方法來形成高強度的線性區(qū)域。激 光的類型（皮秒，飛秒等)和波長(IR，綠色，UV等)也可改變，只要在聚焦的區(qū)域中達到足夠 的光學(xué)強度來形成基材材料的分解，從而通過非線性光學(xué)效應(yīng)來形成基材材料或玻璃工件 的分解。優(yōu)選地，激光是脈沖群激光，其通過調(diào)節(jié)在給定脈沖群之內(nèi)的脈沖數(shù)目，來實現(xiàn)控 制隨時間的能量沉積。
[0057] 在本發(fā)明中，使用超短脈沖激光W-致的、可控的和可重復(fù)的方式來形成高長徑 比的垂直缺陷線。實現(xiàn)形成運種垂直缺陷線的光學(xué)裝置的細節(jié)如下所述，且還參見2013年1 月15日提交的美國專利申請?zhí)?1/752,489, W上各文的全部內(nèi)容通過引用納入本文。運個 概念的本質(zhì)是使用光學(xué)器件來在透明零件之內(nèi)形成高強度激光束的線狀聚焦。運個概念的 一種解釋是在光學(xué)透鏡組裝件中使用軸棱錐透鏡元件，從而使用超短(皮秒或飛秒持續(xù)時 間）Bessel束來形成高長徑比的、不逐漸減小的微通道區(qū)域。換句話說，軸棱錐將激光束濃 縮成圓筒形狀和高長徑比(較長的長度和較小的直徑)的高強度區(qū)域。因為使用濃縮的激光 束形成高強度，出現(xiàn)激光的電磁場和基材材料的非線性相互作用，并將激光能量轉(zhuǎn)移到基 材，從而形成缺陷，所述缺陷變成開裂線的成分。但是，應(yīng)特別指出的是，在激光能量強度不 高的材料區(qū)域中（例如環(huán)繞中央?yún)R聚線的基材玻璃體積），材料對激光是透明的，且不存在 將能量從激光轉(zhuǎn)移到材料的機理。結(jié)果，當激光強度低于非線性闊值時，玻璃或工件沒有發(fā) 生任何事情。
[005引轉(zhuǎn)向圖2A和2B，激光加工材料的方法包含將脈沖激光束2聚焦成沿著束傳播方向 取向的激光束聚焦線化。如圖3A所示，激光器3(未顯示)發(fā)射激光束2,其具有入射到光學(xué)組 裝件6的部分2a。在輸出側(cè)上，沿著束方向在限定的膨脹范圍上(聚焦線的長度1)，光學(xué)組裝 件則尋入射激光束轉(zhuǎn)變成延伸的(extensive)激光束聚焦線化。平坦基材1設(shè)置在束路徑中， 從而至少部分地與激光束2的激光束聚焦線化重疊。因此，將激光束聚焦線引導(dǎo)進入基材。 分別地，附圖標記la表示朝向光學(xué)組裝件6或激光的平坦基材的表面，附圖標記化表示基材 1的逆向表面?；幕蚬ぜ穸?在該實施方式中，垂直于平面la和Ib，即垂直于基材平面測 量)具有用d標記的維度。例如，基材或工件還可表示一種材料，且可為對激光束2的波長是 基本上透明的玻璃制品。
[0059] 如圖2A所示，基材1(或玻璃復(fù)合材料工件)垂直于縱向束軸對齊，因此在由光學(xué)組 裝件6產(chǎn)生的相同的聚焦線化后面(基材垂直于附圖平面）。聚焦線沿著束方向取向或?qū)R， 相對于聚焦線2b設(shè)置基材使得聚焦線2b從基材的表面la之前開始并在基材的表面lb之前 結(jié)束，即聚焦線化在基材之內(nèi)終止且不延伸超出表面lb。在激光束聚焦線化與基材1的重疊 區(qū)域中，即在被聚焦線化覆蓋的基材材料中，延伸的激光束聚焦線化產(chǎn)生(假設(shè)沿著激光束 聚焦線化形成合適的激光強度，該強度通過激光束2在長度1部分上的聚焦即長度1的線狀 聚焦來確保)延伸部分2c(沿著縱向束方向?qū)R），且沿著延續(xù)部分2c在基材材料中產(chǎn)生誘 導(dǎo)吸收。誘導(dǎo)吸收沿著部分2c在基材材料中形成缺陷線。缺陷線是在基本上透明材料、基材 或工件中的微觀的（例如直徑>100皿且<0.5微米)細長"孔"（也稱作穿孔或缺陷線），其通過 使用多個激光脈沖的單一高能脈沖群來產(chǎn)生。例如，單個穿孔可W幾百千赫（幾十萬個孔 眼/秒）的速率來形成。借助源與材料之間的相對移動，可將運些穿孔鄰近彼此設(shè)置(空間間 距根據(jù)需要從亞微米變化到許多微米）?？蛇x定運種空間間距(節(jié)距），W促進材料或工件的 分離。在一些實施方式中，缺陷線是"通孔"，其是基本上從透明材料的頂部延伸到底部的孔 或開口通道。缺陷線形成不是局部的，而是在誘導(dǎo)吸收的延伸部分2c的全部長度上。部分2c 的長度(其對應(yīng)于激光束聚焦線化與基材1重疊的長度）用附圖標記L標記。誘導(dǎo)吸收2c的部 分(或基材1材料中經(jīng)歷形成缺陷線的部分)的平均直徑或范圍或附圖標記D標記。運種平均 范圍D基本上對應(yīng)于激光束聚焦線2b的平均直徑δ，即約0.1微米-約5微米的平均光斑直徑。
[0060] 如圖2Α所示，因為沿著聚焦線化的誘導(dǎo)吸收，加熱基材材料(對激光束2的波長λ是 透明的），其源自與聚焦線化之內(nèi)的激光束的高強度相關(guān)的非線性效應(yīng)。圖2Β顯示加熱的基 材材料最終發(fā)生膨脹，從而相應(yīng)的誘導(dǎo)張力導(dǎo)致形成微觀裂紋，且在表面la處張力最大。
[0061] 基于在透明材料中形成多光子吸收(MPA)的能力來預(yù)測激光源的選擇。MPA是同時 吸收兩個或更多個相同或不同頻率的光子，從而將分子從一個態(tài)(通常是基態(tài))激發(fā)到更高 能量電子態(tài)(離子化）。設(shè)及的分子的較低和較高態(tài)之間的能量差可等于所述兩個光子的能 量之和。MPA也稱作誘導(dǎo)吸收，其可為二級或Ξ級過程或更高級數(shù)的過程，例如其比線性吸 收弱幾個量級。MPA與線性吸收不同之處在于例如誘導(dǎo)吸收的強度可與光強度的平方或立 方成正比（或更高的幕次關(guān)系(power law))，而不是與光強度本身成正比。因此，MPA是一種 非線性光學(xué)過程。
[0062] 下面描述了可用來產(chǎn)生聚焦線化的代表性光學(xué)組裝件6, W及其中可應(yīng)用運些光 學(xué)組裝件的代表性光學(xué)裝置。所有組裝件或裝置基于上述，從而相同的附圖標記用于相同 的組件或特征或功能上等同的那些。因此，下面只描述不同之處。
[0063] 為了確保沿著分離零件進行分離的分離零件表面的高質(zhì)量(設(shè)及破碎強度、幾何 精確性、粗糖度和避免再次加工的要求），在基材表面上沿著分離線設(shè)置的單個聚焦線應(yīng)使 用如下所述的光學(xué)組裝件來產(chǎn)生（下文中，光學(xué)組裝件也可稱作激光光學(xué)器件）。分離表面 (或切割表面)的粗糖度特別地來自聚焦線的光斑尺寸或光斑直徑。分離(切割)表面的粗糖 度可為例如0.25-1微米，且可通過例如Ra表面粗糖度統(tǒng)計(取樣表面高度絕對值的算術(shù)平 均值，其包括由聚焦線的光斑直徑導(dǎo)致的凸起的高度)來表征。在激光3(與基材1材料相互 作用）的給定波長λ的情況下，為了獲得例如0.5微米-2微米的較小的光斑尺寸，通常必須對 激光光學(xué)器件6的數(shù)值孔徑施加某些要求。運些要求通過如下所述的激光光學(xué)器件6來滿 足。
[0064] 另一方面，為了獲得所需的數(shù)值孔徑，光學(xué)器件必需設(shè)置成需要用于給定焦距的 開口，根據(jù)已知的Abb自公式(Ν.Α. =nsin(目），η:待加工的玻璃或復(fù)合材料工件的折射率，目： 孔徑角的一半;且e = arctan(D/2f);D:孔徑，f:焦距）。另一方面，激光束必須照射最高達所 需的孔徑的光學(xué)器件，運通常通過在激光和聚焦光學(xué)器件之間使用寬化望遠鏡的束擴展來 實現(xiàn)。
[0065] 為了沿著聚焦線的均勻的相互作用，光斑尺寸變化不應(yīng)太大。例如，運可通過下述 來確保(參見下文的實施方式）：只在較小的圓形區(qū)域照射聚焦光學(xué)器件，從而束開口和因 此數(shù)值孔徑的百分比只稍微發(fā)生變化。
[0066] 根據(jù)圖3A(垂直于基材平面且在激光福射2的激光束簇中的中央束處的截面;運 里，激光束2也垂直地入射到基材平面，即聚焦線的入射角是約0%從而聚焦線2b或誘導(dǎo)吸 收2c的延伸部分平行于基材法向），由激光器3發(fā)射的激光福射2a首先引導(dǎo)至圓形光圈 (aperture)8上，其對所用的激光福射是完全不透明的。使光圈8取向成垂直于縱向束軸并 在所示束簇2a的中央束上居中。選定光圈8的直徑，使得靠近束簇2a的中屯、的束簇或中央束 (運里用2aZ標記)撞擊光圈，并被其完全吸收。因為與束直徑相比光圈尺寸下降，所W只有 在束簇2a外周范圍的束(邊際射線，運里用2a財示記)沒有被吸收，而是從側(cè)邊通過光圈8并 撞擊光學(xué)組裝件6的聚焦光學(xué)元件的邊際區(qū)域，在該實施方式中，所述光學(xué)組裝件6的聚焦 光學(xué)元件設(shè)計成球形切割的、雙凸透鏡7。
[0067] 如圖3A所示，激光束聚焦線2b不是激光束的單一焦點，而是用于激光束中不同射 線的一系列焦點。所述系列焦點形成具有限定長度(在圖3A中顯示為激光束聚焦線2b的長 度1)的細長聚焦線。透鏡7在中央束上居中，且設(shè)計成常用球形切割透鏡形式的非校準的雙 凸聚焦透鏡。運種透鏡的球形偏差可為優(yōu)選的。作為替代，還可使用偏離理想的校準系統(tǒng)的 非球形或多透鏡系統(tǒng)，其不形成理想的焦點而是形成具有限定長度的不同的細長聚焦線 (即，沒有單一焦點的透鏡或系統(tǒng)）。透鏡的區(qū)域因此沿著聚焦線化聚焦，受制于與透鏡中屯、 的距離。越過束方向的光圈8的直徑約為束簇直徑的90% (由束強度降低到最大強度的1/e 所需的距離來限定)且約為光學(xué)組裝件6的透鏡直徑的75%。因此，使用通過在中央阻斷束 簇而產(chǎn)生的非像差(aberration)校準球形透鏡7的聚焦線化。圖3A顯示通過中央束的平面 中的截面，且當所示的束繞著聚焦線化旋轉(zhuǎn)時，可看見完整的Ξ維簇。
[0068] 運類聚焦線的一個潛在不足在于條件(光斑尺寸、激光強度)可沿聚焦線變化(并 沿著材料中所需的深度變化），因此所需類型的相互作用(無烙融、誘導(dǎo)吸收、直至裂紋形成 的熱塑性變形)可能只在聚焦線的選定部分中發(fā)生。運進而意味著可能只有一部分的入射 激光由基材材料W所需的方式吸收。運樣，可能會降低該工藝的效率(用于所需分離速度的 所需的平均激光功率），且激光還可能會傳輸進入不需要的區(qū)域(粘合到基材的零件或?qū)踊?者固定基材的固定件），并W不利的方式(例如，加熱、擴散、吸收、不想要的改性)與它們相 互作用。
[0069] 圖3B-1到圖3B-4表明（不僅用于圖3A中的光學(xué)組裝件，而且基本上用于任何其它 可應(yīng)用的光學(xué)組裝件6)可通過下述來控制激光束聚焦線化的位置:合適地相對于基材1設(shè) 置和/或?qū)R光學(xué)組裝件6W及合適地選定光學(xué)組裝件6的參數(shù)。如圖3B-1所示，可調(diào)節(jié)聚焦 線2b的長度1，使得它超出基材厚度d(運里是2倍）。如果將基材1設(shè)置成(沿縱向束方向觀 察）居中于聚焦線化，那么在全部基材厚度上產(chǎn)生誘導(dǎo)吸收2c的延續(xù)部分。例如，激光束聚 焦線化的長度1可為約0.01mm-約100mm或約0.1mm-約10mm。例如，各種實施方式可構(gòu)造成具 有約 0.1mm, 0.2mm, 0.3mm, 0.4mm, 0.5mm 至 5mm,例女日，0.5mm, 0.7mm, 1mm, 2mm, 3mm, 4mm,或 5mm 的長度1。
[0070] 在圖3B-2所示的情況中，產(chǎn)生長度1的聚焦線化，其或多或少對應(yīng)于基材厚度d。因 為W線化在基材W外的點處開始的方式來相對于線化設(shè)置基材1，誘導(dǎo)吸收2c的延伸部分 (其從基片表面延伸到限定的基材深度但沒有到達逆向表面化）的長度L小于聚焦線化的長 度1。圖3B-3顯示其中基材1(沿著垂直于束方向的方向觀察)設(shè)置在聚焦線化的起始點上方 的情況，從而類似于圖3B-2,線化的長度1大于基材1中誘導(dǎo)吸收2c的部分的長度L。因此，聚 焦線在基材之內(nèi)開始，并延伸超出逆向表面化。圖3B-4顯示其中聚焦線長度1小于基材厚度 d的情況，從而-在相對于聚焦線居中地設(shè)置基材且沿入射方向觀察的情況下-聚焦線在表 面la附近從基材之內(nèi)開始并在表面化附近在基材之內(nèi)結(jié)束(例如1 = 0.75 · d)。
[0071] W下述方式來設(shè)置聚焦線化是特別優(yōu)選的：表面la, lb中的至少一個被聚焦線覆 蓋，從而誘導(dǎo)吸收2c的部分從基材的至少一個表面上開始。運樣，能獲得實質(zhì)上理想的切 害d，同時避免在表面處燒蝕、羽化和顆?；?br>[0072] 圖4顯示另一可用的光學(xué)組裝件6?；A(chǔ)構(gòu)造與圖3A所示相同，所W下面只描述不 同之處。所示的光學(xué)組裝件基于使用非球形自由表面的光學(xué)器件，從而產(chǎn)生聚焦線化，其成 形為形成具有限定長度1的聚焦線。為此，可將非球面用作光學(xué)組裝件6的光學(xué)元件。例如， 在圖4中使用了所謂的錐形棱柱，其也稱作軸棱錐。軸棱錐是特殊的、錐形切割的透鏡，其在 沿著光學(xué)軸的線上形成光斑源(或者將激光束轉(zhuǎn)換成環(huán)）。運種軸棱錐的布置是本技術(shù)領(lǐng)域 所公知的；在實施例中的錐角是10°。還可利用其它范圍的軸棱錐錐角。運里用附圖標記9標 記的軸棱錐的頂點朝向入射方向，并在束中央上居中。因為由軸棱錐9產(chǎn)生的聚焦線化在其 內(nèi)部之內(nèi)開始，可將基材1(運里與主束軸垂直對齊)設(shè)置在束路徑中且直接在軸棱錐9后 面。如圖4所示，因為軸棱錐的光學(xué)特征，還可沿著束方向移動基材1，同時仍然在聚焦線化 的范圍之內(nèi)。因此，在基材1的材料中的誘導(dǎo)吸收2c的部分在全部基材深度d上延伸。
[0073] 但是，所示的布局受到下述限制：因為由軸棱錐9形成的聚焦線化的區(qū)域在軸棱錐 9之內(nèi)開始，當在軸棱錐9和基材或玻璃復(fù)合材料工件材料之間存在間隔時，顯著部分的激 光能量沒有聚焦進入位于材料之內(nèi)的聚焦線化的誘導(dǎo)吸收2c的部分。此外，通過軸棱錐9的 折射率和錐角，使聚焦線化的長度1與束直徑相關(guān)。運是在較薄材料(在運種情況下幾個毫 米)的情況下，總聚焦線比基材或玻璃復(fù)合材料工件厚度長得多的原因，其具有使大多數(shù)的 激光能量不聚焦進入材料的影響。
[0074] 為此，可能需要使用同時包含軸棱錐和聚焦透鏡的光學(xué)組裝件6。圖5A顯示運種光 學(xué)組裝件6,其中將含設(shè)計成形成延伸激光束聚焦線化的非球形自由表面的第一光學(xué)元件 設(shè)置在激光3的束路徑中。在圖5A所示的情況中，運個第一光學(xué)元件是錐角為5°的軸棱錐 10,其垂直于束方向設(shè)置并在激光束3上居中。軸棱錐的頂點朝著束方向取向。第二聚焦光 學(xué)元件(運里是平面-凸透鏡11(其彎曲部分朝向軸棱錐取向））沿束方向設(shè)置，并與軸棱錐 10相距距離zl。在運種情況下，距離zl是約300mm，其W下述方式來選定:使由軸棱錐10形成 的激光福射在透鏡11的外部徑向部分上W圓形的方式入射。在限定長度(在運種情況下是 1.5mm)的聚焦線化上，透鏡11在距離z2(在運種情況下，與透鏡11相距約20mm)處在輸出側(cè) 上聚焦該圓形福射。在該實施方式中，透鏡11的有效焦距是25毫米。通過軸棱錐10對激光束 進行的圓形變換用附圖標記S財示記。
[0075] 圖5B詳細顯示根據(jù)圖5A在基材1材料中形成聚焦線2b或誘導(dǎo)吸收2c。W下述方式 選定兩元件1〇，11的光學(xué)特征W及它們的設(shè)置:在束方向上的聚焦線化的長度1與基材1的 厚度d精確地相同。結(jié)果，需要沿著束方向精確地設(shè)置基材1，從而聚焦線化的位置精確地在 基材1的兩個表面la和化之間，如圖5B所示。
[0076] 因此，如果在離開激光光學(xué)器件一定距離形成聚焦線，W及如果將更大部分的激 光福射聚焦到所需的聚焦線端部，將是優(yōu)選的。如本文所述，運可通過下述來實現(xiàn):僅僅在 特定的外部徑向區(qū)域上W圓形(環(huán)形）的方式照射主要聚焦元件11(透鏡），運一方面用于獲 得所要求的數(shù)值孔徑和因此獲得所要求的光斑尺寸，然而另一方面，在所需的聚焦線化之 后，在光斑中屯、中非常短的距離上，擴散的圓的強度下降，因為形成基本上圓形的光斑。通 過運樣的方式，在所要求的基材深度的較短距離之內(nèi)停止缺陷線形成。軸棱錐10和聚焦透 鏡11的組合滿足運個要求。軸棱錐W兩種不同方式起作用：因為軸棱錐10, W環(huán)的形式將通 常為圓形的激光光斑發(fā)射到聚焦透鏡11，且軸棱錐10的非球形具有下述效果:超過透鏡的 焦平面形成聚焦線，而不是在焦平面內(nèi)的焦點上形成聚焦線?？赏ㄟ^軸棱錐上的束直徑來 調(diào)節(jié)聚焦線化的長度1。另一方面，可通過軸棱錐-透鏡距離Z1和通過軸棱錐的錐角，來調(diào)節(jié) 沿著聚焦線的數(shù)值孔徑。運樣，可在聚焦線中濃縮全部激光能量。
[0077] 如果希望缺陷線的形成繼續(xù)到基材背面，圓形(環(huán)形）照射仍然具有下述優(yōu)勢：（1) 最佳地使用激光功率，因為大多數(shù)的激光仍然在聚焦線的所要求的長度中濃縮和(2)能獲 得沿著聚焦線的均勻的光斑尺寸-和因此獲得沿著聚焦線的零件與基材的均勻分離-運是 由環(huán)形照明的區(qū)域W及通過其它光學(xué)作用設(shè)定的所需色差帶來的。
[0078] 與圖5A所示的平面-凸透鏡不同，還可使用聚焦半月形透鏡或另外的較高程度校 準的聚焦透鏡(非球形的、多透鏡系統(tǒng)）。
[0079] 為了使用圖5A所示的軸棱錐和透鏡的組合來產(chǎn)生非常短的聚焦線化，必需選定非 常小的在軸棱錐上入射的激光束的束直徑。運具有實際的不足:將束居中到軸棱錐的頂點 上必須非常精確，結(jié)果對激光的方向變化(束漂移穩(wěn)定性)非常敏感。此外，嚴格準直的激光 束是非常分散的，即因為光曉曲，束簇在短距離上變得模糊。
[0080] 如圖6所示，通過在光學(xué)組裝件6中包括另一透鏡(準直透鏡12)，可避免運兩種效 應(yīng)。額外的正像(positive)透鏡12用于非常緊密地調(diào)節(jié)聚焦透鏡11的圓形照射。W下述方 式選定準直透鏡12的焦距f'：所需的圓形直徑化來自軸棱錐與準直透鏡12的距離zla，其等 于f'?？赏ㄟ^距離Z化(準直透鏡12到聚焦透鏡11)來調(diào)節(jié)環(huán)的所需寬度br。作為純幾何學(xué)的 問題，較小的圓形照射的寬度導(dǎo)致較短的聚焦線。在距離f'處可獲得極小值。
[0081] 因此，在圖6中描述的光學(xué)組裝件6基于圖5A所示的光學(xué)組裝件，因此下文只描述 不同之處。準直透鏡12在本文中也設(shè)計成平面-凸透鏡(其彎曲部分朝向束方向），將其額外 地居中設(shè)置在一側(cè)上的軸棱錐1〇(其頂點朝向束方向）和在另一側(cè)上的平面-凸透鏡11之間 的束路徑上。將準直透鏡12與軸棱錐10的距離稱作zla，聚焦透鏡11與準直透鏡12的距離稱 作Z化，和將聚焦線化與聚焦透鏡11的距離稱作z2(總是沿束方向觀察）。如圖6所示，由軸棱 錐10形成的圓形福射SR在準直透鏡12上發(fā)散地入射并具有圓直徑化，可沿著距離Z化將其 調(diào)節(jié)到所要求的圓形寬度br，使得至少在聚焦透鏡11處形成近似恒定的圓直徑化。在所示 的情況中，預(yù)期產(chǎn)生非常短的聚焦線2b，從而因為透鏡12的聚焦性質(zhì)（在該實施例中，圓直 徑化是22mm)，將透鏡12處約4mm的圓寬度br降低到透鏡11處的約0.5mm。
[0082] 在所示實施例中，使用2mm的典型激光束直徑、焦距f = 25mm的聚焦透鏡11、焦距f ' =150mm的準直透鏡，和選定距離Zla = Z化=140mm和Z2 = 15mm，能獲得小于0.5mm的聚焦 線長度1。
[0083] 圖7A-7C顯示在不同激光強度狀況下的激光-物質(zhì)相互作用。在第一種情況下，如 圖7A所示，未聚焦的激光束710穿過透明基材720且沒有對所述透明基材720帶來任何改性。 在運種特別的情況下，不存在非線性效應(yīng)，因為激光能量密度(或激光能量/用激光束照射 的單位面積)低于誘導(dǎo)非線性效應(yīng)所需的闊值。能量密度越高，電磁場的強度越高。因此，如 圖7B所示，當用球形透鏡730將激光束聚焦到更小的光斑尺寸(如圖7B所示)時，照射的區(qū)域 減小，且能量密度增加，運引發(fā)非線性效應(yīng)，所述非線性效應(yīng)改性材料W允許只在滿足條件 的體積中形成開裂線。運樣，如果聚焦的激光的束腰部設(shè)置在基材表面，那么將發(fā)生表面的 改性。相反，如果聚焦的激光的束腰部設(shè)置在基材表面W下，當能量密度低于非線性光學(xué)效 應(yīng)闊值時，在表面處不發(fā)生任何事情。但是在設(shè)置于基材720本體中的焦點740處，激光強度 高到足W引發(fā)多光子非線性效應(yīng)，由此誘導(dǎo)對材料的破壞。最終，如圖7C所示，在軸棱錐的 情況下(如圖7C所示），軸棱錐750或替代的菲涅耳軸棱錐的衍射圖案形成干設(shè)，所述干設(shè)產(chǎn) 生Bessel狀的強度分布(高強度圓筒760)，且只有在運個體積中強度高到足W形成非線性 吸收和對材料720的改性。其中Bessel狀的強度分布高到足W形成非線性吸收和對材料的 改性的圓筒760的直徑，也是激光束聚焦線的光斑直徑，如本文所述。Bessel束的光斑直徑D 可表達成D = (2.4048λ) /(2地），其中λ是激光束波長，B是軸棱錐角的函數(shù)。
[0084] 激光和光學(xué)系統(tǒng)
[0085] 為了切割一些堿±棚侶娃酸鹽玻璃組合物，可使用產(chǎn)生多個脈沖的脈沖群的皮秒 脈沖激光器(例如，l〇64nm，或53化m皮秒脈沖激光及形成線狀聚焦束的光學(xué)器件，來在 玻璃組合物中形成損壞線(缺陷線）。設(shè)置最高達0.7毫米厚的玻璃組合物，從而它在由光學(xué) 器件產(chǎn)生的聚焦線的區(qū)域之內(nèi)。使用長度為約1mm的聚焦線，和產(chǎn)生在玻璃組合物處測量的 200曲Z脈沖群重復(fù)率下大于或等于約24W(約120微焦耳/脈沖群)輸出功率的1064皿皮秒激 光，聚焦線區(qū)域中的光學(xué)強度高到足W在玻璃組合物中形成非線性吸收。在材料處測量的 脈沖激光束的平均激光脈沖群能量可大于40微焦耳/毫米材料厚度。所用的平均激光脈沖 群能量可高至2500微焦耳/毫米材料厚度，例如40-2500微焦耳/毫米，且優(yōu)選地是500-2250 微焦耳/毫米，甚至更優(yōu)選地是550-2100微焦耳/毫米，因為能量密度強到足W透過玻璃制 備穿透的損壞痕跡，同時使得垂直于穿孔線或切割邊緣的微裂紋化的程度最小化。在一些 示例性實施方式中，激光脈沖群能量是40-1000微焦耳/毫米。運種每毫米的"平均脈沖群激 光能量"還可稱作平均、每脈沖群、線性能量密度或每激光脈沖群的平均能量/毫米材料厚 度。在玻璃組合物之內(nèi)形成損壞的、燒蝕的、蒸發(fā)的或W其它方式改變的材料的區(qū)域，其近 似遵循用激光束聚焦線形成的高光學(xué)強度的線性區(qū)域。
[0086] 應(yīng)指出，本文所述的運種皮秒激光的典型操作形成脈沖500A的"脈沖群"500。（例 如參見圖8A和8B)。每一個"脈沖群"（本文中也稱作"脈沖群"500)包含具有非常短的持續(xù)時 間的多個單獨脈沖500A(例如至少2脈沖，至少3脈沖，至少4脈沖，至少5脈沖，至少10脈沖， 至少15脈沖，至少20脈沖，或更多脈沖）。即，脈沖群是脈沖"包(pocket)"，且脈沖群相互之 間通過比每一脈沖群之內(nèi)的單獨的相鄰脈沖之間更長的持續(xù)時間來分離。脈沖500A具有最 高達100皮秒的脈沖持續(xù)時間Td(例如，0.1皮秒，5皮秒，10皮秒，15皮秒，18皮秒，20皮秒，22 皮秒，25皮秒，30皮秒，50皮秒，75皮秒，或在它們之間）。脈沖群之內(nèi)每一單個脈沖500A的能 量或強度可與該脈沖群之內(nèi)的其它脈沖的能量或強度不相同，且脈沖群500之內(nèi)多個脈沖 的強度分布常常遵循隨時間的指數(shù)衰減，其由激光設(shè)計控制。優(yōu)選地，在本文所述的示例性 實施方式中的脈沖群500之內(nèi)的每一脈沖500A在時間上與所述脈沖群中的后續(xù)脈沖相隔1 納秒-50納秒的持續(xù)時間Τρ (例如10-50納秒，或10-30納秒，且時間常常由激光腔設(shè)計來控 制）。對于給定激光，脈沖群500之內(nèi)相鄰脈沖之間的時間間隔Τρ(脈沖到脈沖間隔）是較均 勻的（± 10% )。例如，在一些實施方式中，脈沖群之內(nèi)的每一脈沖在時間上與后續(xù)的脈沖相 隔約20納秒(50MHz)。例如，對于產(chǎn)生約20納秒脈沖間隔Τρ的激光，將脈沖群之內(nèi)的脈沖到 脈沖間隔Τρ保持在約±10%之內(nèi)，或是約±2納秒。脈沖的每一"脈沖群"之間的時間（即，脈 沖群之間的時間間隔Tb)將大得多（例如，0.25《Tb《 1000微秒，例如1-10微秒，或3-8微秒）。 在本文所述的激光的一些示例性實施方式中，對于具有約200曲Z的脈沖群重復(fù)率或重復(fù)頻 率的激光，時間間隔Tb是約5微秒。激光脈沖群重復(fù)率與脈沖群中第一脈沖到后續(xù)脈沖群中 第一脈沖之間的時間Tb相關(guān)(激光脈沖群重復(fù)率=1/Tb)。在一些實施方式中，激光脈沖群重 復(fù)頻率可為約1曲Z-約4MHz。更優(yōu)選地，激光脈沖群重復(fù)率可為例如約10曲Z-650曲Z。在每 一脈沖群中的第一脈沖到后續(xù)脈沖群中第一脈沖之間的時間Tb可為0.25微秒(4MHz脈沖群 重復(fù)率)-1000微秒（1曲Z脈沖群重復(fù)率），例如0.5微秒(2MHz脈沖群重復(fù)率)-40微秒(2化化 脈沖群重復(fù)率），或2微秒(500kHz脈沖群重復(fù)率)-20微秒(50曲Z脈沖群重復(fù)率）。確切的時 機、脈沖持續(xù)時間和脈沖群重復(fù)率可根據(jù)激光設(shè)計而改變，但已顯示具有高強度的較短脈 沖(Td<20皮秒，優(yōu)選地Td《15皮秒)特別良好地湊效。
[0087] 改變材料所要求的能量可通過脈沖群能量-在脈沖群之內(nèi)包含的能量(每一脈沖 群500包含一系列脈沖500A)來描述，或通過在單一激光脈沖之內(nèi)包含的能量(其中的許多 可包含脈沖群)來描述。對于運些應(yīng)用，能量/脈沖群可為25-750微焦耳，更優(yōu)選地50-500微 焦耳，或50-250微焦耳。在一些實施方式中，能量/脈沖群是100-250微焦耳。脈沖群之內(nèi)的 單個脈沖的能量更小，且確切的單個激光脈沖能量取決于脈沖群500之內(nèi)的脈沖500A的數(shù) 目，W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 定能量/脈沖群，如果脈沖群包含10個單個激光脈沖500A，那么每個單獨激光脈沖500A的能 量將低于相同的脈沖群500只具有2個單獨激光脈沖時的能量。
[0088] 對于切割和改性透明材料例如玻璃而言，使用能產(chǎn)生運種脈沖群的激光是優(yōu)選 的。與使用在時間上通過單一脈沖激光重復(fù)率隔開的單一脈沖相反，與使用單一脈沖激光 所能形成的相比，使用在脈沖群500之內(nèi)的脈沖的快速序列上鋪展激光能量的脈沖群脈沖 序列使得實現(xiàn)在更長的時間尺度上與材料的高強度相互作用。雖然單一脈沖可在時間上擴 展，但運樣做時脈沖之內(nèi)的強度必須下降，且下降倍數(shù)大約與脈沖寬度增加倍數(shù)相同。因 此，如果將10皮秒單一脈沖擴展到10納秒脈沖，強度將下降大約3個數(shù)量級。運種下降可能 會將光學(xué)強度下降到其中非線性吸收不再顯著的程度，且光材料相互作用不再強烈到足W 實現(xiàn)切割。相反，使用脈沖群激光時，在脈沖群500之內(nèi)的每一脈沖500A中的強度可仍然非 常高-例如3個10皮秒脈沖500A在時間上通過約10納秒隔開時仍然使得每一脈沖之內(nèi)的強 度比單一 10皮秒脈沖高約3倍，同時現(xiàn)在使得激光與材料相互作用的時間尺度比之前大Ξ 個數(shù)量級。因此，在脈沖群之內(nèi)的多個脈沖500A的運種調(diào)節(jié)實現(xiàn)W下述方式操控激光-材料 相互作用的時間尺度:所述方式可促進更多或更少的與預(yù)先存在的等離子體羽流(plume) 的光相互作用，更多或更少的光-材料相互作用且材料的原子和分子已通過初始的或之前 的激光脈沖進行預(yù)激發(fā)，W及材料之內(nèi)可促進微裂紋的受控生長的更多或更少的加熱效 應(yīng)。改性材料所需的脈沖群能量的量取決于基材材料組成和用來與基材相互作用的線狀聚 焦的長度。相互作用區(qū)域越長，能量鋪開的程度越大，則需要更高的脈沖群能量。確切的時 機、脈沖持續(xù)時間和脈沖群重復(fù)率可根據(jù)激光設(shè)計而改變，但已顯示具有高強度的較短脈 沖《15皮秒，或《10皮秒)特別良好地與本技術(shù)湊效。當脈沖的單一脈沖群撞擊玻璃上基本 上相同位置時，在材料中形成缺陷線或孔。即，單一脈沖群之內(nèi)的多個激光脈沖對應(yīng)于玻璃 中的單一缺陷線或孔位置。當然，因為使玻璃進行平移(例如通過恒定的移動臺）或束相對 于玻璃移動，所W脈沖群之內(nèi)的單獨脈沖不能精確地在玻璃上相同的空間位置處。但是，它 們彼此肯定在1微米之內(nèi)-即它們在基本上相同的位置撞擊玻璃。例如，它們可在彼此相距 間隔SP處撞擊玻璃，其中0<sp《500納米。例如，當玻璃位置用20個脈沖的脈沖群撞擊時，脈 沖群之內(nèi)的單獨脈沖在彼此的250納米之內(nèi)撞擊玻璃。因此，在一些實施方式中，lnm<sp< 250nm。在一些實施方式中，lnm<spi<100nm。
[0089] 孔或損壞痕跡形成：
[0090] 如果基材具有足夠的應(yīng)力（例如，離子交換玻璃），那么零件將自發(fā)地沿著由激光 過程描繪出的穿孔損壞的路徑形成裂紋和分離。但是，如果基材中本身并沒有存在大量應(yīng) 力（如在康寧EagleXG?組合物的情況下），那么皮秒激光僅在工件中形成損壞痕跡。運些 損壞痕跡通常具有孔的形式，其所述孔的內(nèi)部尺寸是約0.1-1.5微米，或0.2微米-2微米(例 如，在一些實施方式中，0.2-0.7微米，或0.3-0.6微米）。優(yōu)選地，孔的尺寸非常小(一微米或 更?。?br>[0091] 孔或缺陷線可穿孔透過材料的全部厚度，且可為連續(xù)或不連續(xù)的在材料的全部深 度上的開口。圖9顯示穿孔600微米厚EagleXG"基材工件全部厚度的運種痕跡或缺陷線的 示例。通過解離邊緣的側(cè)面觀察孔眼或損壞痕跡。通過材料的痕跡不必然是通孔。常常存在 堵塞孔的玻璃的區(qū)域，但玻璃尺寸通常較小，例如在微米量級。
[0092] 還可對堆疊的玻璃片進行穿孔。在運種情況下，聚焦線長度需要長于堆疊件高度。
[0093] 孔或缺陷線之間的橫向間隔（節(jié)距）由當在聚焦的激光束下方平移基材時激光的 脈沖率決定。通常，只需要單一皮秒激光脈沖群來形成一個完整的孔，但如有需要，可使用 多個脈沖群。為了在不同節(jié)距形成孔，可激發(fā)激光來在更長或更短的間隔灼燒。對于切割操 作，激光激發(fā)通常與束下方的工件的平臺驅(qū)動移動同步，所W激光脈沖群W固定間隔激發(fā)， 例如每1微米或每5微米。例如在一些實施方式中，沿著開裂線方向的相鄰穿孔或缺陷線之 間的距離或周期性可為大于0.1微米且小于或等于約20微米。例如，相鄰穿孔或缺陷線之間 的間隔或周期性是0.5-15微米，或3-10微米，或0.5微米-3.0微米。例如，在一些實施方式 中，周期性可為0.5微米-1.0微米。
[0094] 在給定基材中的應(yīng)力水平下，相鄰穿孔或缺陷線之間的確切間隔由促進從穿孔到 穿孔的裂紋擴展的材料性質(zhì)決定。但是，與切割基材不同，還可使用相同的方法來只對材料 進行穿孔。在本文所述的的方法中，孔或缺陷線（或損壞痕跡，或穿孔)可相隔較大的間隔 (例如，大于或等于7微米的節(jié)距）。
[00%]激光功率和透鏡焦距(其決定聚焦線長度和因此決定功率密度)是確保完全穿透 玻璃和較低微觀裂紋化的特別重要的參數(shù)。
[0096] -般來說，可用的激光功率越高，可在使用上述方法更快地切割材料。本文所述的 方法可W0.25米/秒或更快的切割速度來切割玻璃。切割速度是激光束相對于透明材料(例 如玻璃）的表面移動的速率，同時形成多個孔或改性的區(qū)域。較高切割速度例如400毫米/ 秒，500毫米/秒，750毫米/秒，1米/秒，1.2米/秒，1.5米/秒，或2米/秒，或甚至3.4米/秒-4 米/秒常常是所需的，從而使得用于制造的資金投資最小化，且優(yōu)化設(shè)備利用率。激光功率 等于激光的脈沖群能量乘W脈沖群重復(fù)頻率(重復(fù)率）。一般來說，為了 W較高切割速度切 割運種玻璃材料，損壞痕跡(track)通常相隔1-25微米，在一些實施方式中，間隔優(yōu)選地大 于或等于3微米，例如3-12微米,或例如5-10微米。
[0097] 例如，為了獲得300毫米/秒的線性切割速度，3微米孔節(jié)距對應(yīng)于具有至少100曲Z 脈沖群重復(fù)率的脈沖群激光。對于600毫米/秒切割速度，3微米節(jié)距對應(yīng)于具有至少200曲Z 脈沖群重復(fù)率的脈沖群-脈沖激光。在200曲Z下產(chǎn)生至少40微焦耳/脈沖群并W600毫米/秒 切割速度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甚至 更局的激光功率。
[0098] 例如，在3微米節(jié)距和40微焦耳/脈沖群下的0.4米/秒的切割速度需要至少5W激 光，在3微米節(jié)距和40微焦耳/脈沖群下的0.5米/秒的切割速度將需要至少6W激光。因此，優(yōu) 選地脈沖群PS激光的激光功率是6W或更高，更優(yōu)選地至少8W或更高，和甚至更優(yōu)選地至少 10W或更高。例如，為了獲得在4微米節(jié)距(缺陷線間隔，或損壞痕跡間隔之間）和100微焦耳/ 脈沖群下的0.4米/秒的切割速度需要至少10W激光，為了獲得在4微米節(jié)距和100微焦耳/脈 沖群下的0.5米/秒的切割速度將需要至少12W激光。例如，為了獲得在3微米節(jié)距和40微焦 耳/脈沖群下的1米/秒的切割速度將需要至少13W激光。還例如，在4微米節(jié)距和400微焦耳/ 脈沖群下的1米/秒的切割速度將需要至少100W激光。
[0099] 損壞痕跡之間的最佳節(jié)距和確切的脈沖群能量是取決于材料的，且可根據(jù)經(jīng)驗決 定。但是，應(yīng)指出升高激光脈沖能量或W更密的節(jié)距制備損壞痕跡不總是使基材材料更好 地分離或具有改善的邊緣質(zhì)量的條件。損壞痕跡之間過于致密的節(jié)距(例如<0.1微米，或 在一些示例性實施方式中<1微米，或在一些實施方式中<2微米)有時會抑制附近的后續(xù) 損壞痕跡的形成，且常常會抑制繞著穿孔輪廓的材料的分離，且會導(dǎo)致在玻璃之內(nèi)的不想 要的微觀裂紋化增加。過長的節(jié)距（>50微米，W及在一些玻璃中>25微米或甚至>20微 米)可導(dǎo)致"不受控的微裂紋化"-即，其中微裂紋不是從孔到孔擴展，而是微裂紋沿著不同 路徑擴展，且導(dǎo)致玻璃沿著不同的（不希望的)方向形成裂紋。運會最終降低分離的玻璃零 件的強度，因為殘留的微裂紋用作弱化玻璃的瑕疵。用于形成每一損壞痕跡的脈沖群能量 過高(例如，> 2500微焦耳/脈沖群，和在一些實施方式中> 500微焦耳/脈沖群)可使已形成 的相鄰損壞痕跡的微觀裂紋"愈合"或再次烙融，運會抑制玻璃的分離。因此，優(yōu)選地脈沖群 能量是<2500微焦耳/脈沖群，例如，《500微焦耳/脈沖群。此外，使用過高的脈沖群能量可 導(dǎo)致形成極大的微裂紋，并形成降低分離之后的零件的邊緣強度的裂縫。過低的脈沖群能 量(例如<40微焦耳/脈沖群)可導(dǎo)致在玻璃之內(nèi)沒有可觀的損壞痕跡形成，并因此需要非 常高的分離強度或?qū)е峦耆荒苎刂┛椎妮喞蛛x。
[0100] 使用運種方法能獲得的典型的示例性切割速率(速度)是例如0.25米/秒和更高。 在一些實施方式中，切割速率是至少300毫米/秒。在本文所述的一些實施方式中，切割速率 是至少400毫米/秒，例如，500毫米/秒-2000毫米/秒，或更高。在一些實施方式中，皮秒(PS) 激光利用脈沖群來產(chǎn)生缺陷線，其周期性是0.5微米-13微米，例如0.5和3微米。在一些實施 方式中，脈沖激光的激光功率是10W-100W，材料和/或激光束W至少0.25米/秒的速率相對 于彼此平移;例如W0.25米/秒-0.35米/秒，或0.4米/秒-5米/秒的速率。優(yōu)選地，脈沖激光 束的每一脈沖群在工件處測量的平均激光能量大于40微焦耳/脈沖群/毫米工件厚度。優(yōu)選 地，脈沖激光束的每一脈沖群在工件處測量的平均激光能量大于小于2500微焦耳/脈沖群/ 毫米工件厚度，優(yōu)選地小于約2000微焦耳/脈沖群/毫米工件厚度，且在一些實施方式中，小 于1500微焦耳/脈沖群/毫米工件厚度;例如，不大于500微焦耳/脈沖群/毫米工件厚度。
[0101] 已發(fā)現(xiàn)與用于例如康寧Go抽la?的玻璃的體積脈沖能量密度相比，對具有較低堿 金屬或沒有含堿金屬(a化ali)玻璃的堿±棚侶娃酸鹽玻璃進行穿孔所需的體積脈沖能量 密度(微焦耳/立方微米)高得多（更高5-10倍）。例如，運可通過下述來實現(xiàn):利用脈沖群激 光(優(yōu)選地具有至少2個脈沖/脈沖群），和在堿±棚侶娃酸鹽玻璃(具有很少堿金屬或不含 堿金屬)之內(nèi)提供大于或等于約0.05微焦耳/立方微米，例如至少0.1微焦耳/立方微米，例 如0.1-0.5微焦耳/立方微米的體積能量密度。
[0102] 因此，優(yōu)選地激光產(chǎn)生具有至少2個脈沖/脈沖群的脈沖群。例如，在一些實施方式 中，脈沖激光的激光功率是10W-150W(例如，10W-100W)，并產(chǎn)生具有至少2脈沖/脈沖群(例 如，2-25脈沖/脈沖群)的脈沖群。在一些實施方式中，脈沖激光的功率是25W-60W，并產(chǎn)生具 有至少2-25脈沖/脈沖群的脈沖群，且用激光脈沖群產(chǎn)生的相鄰缺陷線之間的周期或距離 是2-10微米。在一些實施方式中，脈沖激光的激光功率是10W-100W，其產(chǎn)生具有至少2脈沖/ 脈沖群的脈沖群，且工件和激光束W至少0.25米/秒的速率相對于彼此平移。在一些實施方 式中，工件和/或激光束W至少0.4米/秒的速率相對于彼此平移。
[0103] 例如，為了切割0.7毫米厚的非離子交換康寧代號2319或代號2320Gorilla玻璃， 觀察到3-7微米的節(jié)距可良好地湊效，且脈沖群能量是約150-250微焦耳/脈沖群，和脈沖群 脈沖數(shù)目是2-15，和優(yōu)選地節(jié)距是3-5微米和脈沖群脈沖數(shù)目（脈沖數(shù)目/脈沖群)是2-5。
[0104] 在1米/秒切割速度下，切害化agleXG?玻璃通常需要利用15-84W的激光功率，且 30-45W常常已足夠。一般來說，對于各種玻璃和其它透明材料而言，
【申請人】發(fā)現(xiàn)為了獲得 0.2-1米/秒的切割速度，10W-100W的激光功率是優(yōu)選的，且25-60W的激光功率對于許多玻 璃就足夠（且是最佳的）。對于0.4米/秒-5米/秒的切割速度，激光功率應(yīng)優(yōu)選地是10W- 150W，脈沖群能量是40-750微焦耳/脈沖群，2-25脈沖群/脈沖(取決于被切割的材料），孔間 隔（節(jié)距)是3-15微米，或3-10微米。對于運些切割速度，使用皮秒脈沖群激光將是優(yōu)選的， 因為它們產(chǎn)生高功率和所需的脈沖數(shù)目/脈沖群。因此，根據(jù)一些示例性實施方式，脈沖激 光產(chǎn)生10W-100W功率，例如25W-60W，并產(chǎn)生至少2-25脈沖/脈沖群的脈沖群，且缺陷線之間 的距離是2-15微米；W及激光束和/或工件相對于彼此W至少0.25米/秒，在一些實施方式 中至少0.4米/秒，例如0.5米/秒-5米/秒，或更快的速率平移。
[0105] 切割和分離低堿金屬或非堿金屬玻璃
[0106] 如圖8C和9所示，發(fā)現(xiàn)對于寬范圍的基材厚度，不同條件實現(xiàn)玻璃例如Eagle XG'9的分離，且具有線性切割或更復(fù)雜的形狀。圖8C中的圖象顯示EagleXG?玻璃的0.024mm厚 小塊的切割邊緣(頂部圖象），W及EagleXG?玻璃的0.134mm厚小塊的切割邊緣(底部圖 象）DEagleXG'"是設(shè)計用作薄膜晶體管(TFT)基材的玻璃組合物，并因此具有約化pm/°C的 適當?shù)臒崤蛎浵禂?shù)，運使得它近似與娃的熱膨脹系數(shù)相匹配。運個激光方法還可用于切割 和分離類似的玻璃組合物，即CTE與Eagl e XGI?相似(例如，CTE為化pm/ °C -5ppm/ °C)的那些 玻璃組合物，W及具有其它組成和CTE的其它玻璃。第一種方法是使用皮秒(脈沖群)激光來 形成缺陷線或孔，并形成遵循所需形狀的開裂線或缺陷線，然后進行機械分離。在形成缺陷 線或孔之后，可通過使用粉碎錯、用手或用專用工具彎曲零件，或者形成充足張力的任意方 法來手動實現(xiàn)機械分離，所述張力沿著穿孔的缺陷線引發(fā)和傳播分離。另一種方法利用皮 秒(脈沖群)激光來形成缺陷線或孔，并形成遵循所需形狀的開裂線或缺陷線，然后進行優(yōu) 選地使用C〇2激光的熱分離步驟。
[0107] 分離之前的缺陷線的直徑或內(nèi)部直徑是玻璃材料或工件中開口通道或空氣孔的 內(nèi)部直徑。在分離工件之后，缺陷線可仍然是可見的，例如如圖8C所示。例如，可用顯微鏡測 量在分離的工件上的可見的單獨缺陷線的寬度，且寬度可與分離之前的缺陷線的內(nèi)部直徑 相當。例如，如果缺陷線直徑是0.1微米-5微米，那么切割之后分離表面上的單獨缺陷線的 相應(yīng)寬度可為約0.1微米-5微米。
[0108] 下面提供用于制造周界切割和用于在最高達700微米厚材料中形成通孔所需的示 例性皮秒激光和C〇2激光參數(shù)。表1列出了用于各種厚度的激光參數(shù)。
[0109] 表1.用于幾種玻璃厚度的激光參數(shù)。
[0110]
[0112] EagleXG⑥玻璃和來自較低堿金屬或非堿金屬玻璃種類的相似的組合物向現(xiàn)有 的激光分離方法提出了挑戰(zhàn)，因為它們的較強的分子和原子鍵需要較高的脈沖能來"打 斷"。圖10顯示原子離子化能。與典型的堿金屬玻璃組合物(例如康寧Gorilla飯玻璃）中常用 的相比，NaXa、K和相似元素的下降移除了低離子化元素，運成比例地留下需要多光子吸收 W進行離子化的（當在透明狀況中暴露于激光波長時)更多的元素。本實施方式提供使用足 夠的激光能均勻地福照材料的較小圓筒體積來解離原子鍵和分子鍵的方式，運導(dǎo)致較少碎 片和較低表面下?lián)p壞。
[0113] 顯示器玻璃組合物和Gori 1 la玻璃組合物之間的差異：
[0114] -EagleXG'&和顯示器玻璃：
[011 引 i.CTE 更低，約為：3ppm/°C
[0116] ii .不含堿金屬(或只含痕量）
[0117] iii.低熱擴散系數(shù)
[011引-康寧GoHlla飯和其它可離子交換玻璃：
[0119] i.CTE 通常是~7-9ppm/°C
[0120] ii.組成中具有大量的堿金屬例如鋼(其可W進行離子交換）
[0121] iii.更高的熱擴散系數(shù)。
[0122] 因為需要產(chǎn)生和管理用于熱裂紋擴展的應(yīng)力，當僅僅使用在非透明狀況(如，10.6 微米下的C〇2)激光操作來切割運種玻璃時，TFT玻璃組合物的低熱膨脹和低熱擴散系數(shù)造 成困難的熱管理問題。例如，TFT玻璃對于10.6微米波長不透明，且運種激光的能量通過玻 璃的上部層吸收(不會深入到玻璃內(nèi)部太遠）。然而，我們發(fā)現(xiàn)通過減少開始、擴展和引導(dǎo)裂 紋所需的激光能量的量，形成穿孔線簡化了熱管理問題，且在用皮秒脈沖激光對玻璃進行 穿孔之后，使用例如在10.6微米下的C〇2激光的IR激光來加熱玻璃優(yōu)選地得到在缺陷線之 間的快速、有效和受控的裂紋擴展，并由此實現(xiàn)快速和有效地切割堿±棚侶娃酸鹽玻璃。
[0123] 因此，本文所述的方法提供在板或片中W任意形狀和W連續(xù)的方式(如連續(xù)的烙 合玻璃制造法所要求-稱作"拉制中（On-the-化aw)")切割非堿金屬玻璃的有效方式。已演 示了例如使用1微米-20微米的脈沖間隔，在200-300毫米/秒的速度下（且可用更大的速 度），對較小(例如，康寧Willow⑥玻璃)厚度(約100-200微米，或100-150微米)進行皮秒激 光穿孔。
[0124] 拉制中切割玻璃
[0125] 機械劃割和破碎是用于連續(xù)烙合玻璃制造法的傳統(tǒng)玻璃切割方法。雖然較快(實 現(xiàn)1米/秒的直線切割），但就切割輪廓玻璃形狀而言，此種方法受到很大限制，因為對于運 種應(yīng)用其變得極具挑戰(zhàn)性，運是由緩慢的速度、玻璃邊緣缺口化、高的切割邊緣粗糖度等造 成的。運些應(yīng)用需要多個研磨和拋光步驟來降低表面下?lián)p壞(SSD)，W及洗涂步驟，運不僅 因更高的資金要求和因較低產(chǎn)率造成的更高成本而增加工藝成本，而且簡直不能滿足技術(shù) 要求。
[01%] 人們已經(jīng)嘗試將二氧化碳（0)2)激光劃割和破裂方法用于切割顯示器玻璃組合 物。運種技術(shù)依賴于機械裂紋引發(fā)，然后進行C〇2熱誘導(dǎo)的激光裂紋擴展。最常見地，將在 10.6微米波長下的C〇2激光福射用作精確熱源，然后進行冷卻劑噴射來形成熱沖擊，并沿著 直線擴展裂紋。運種方法的困難在于控制運種裂紋的方向和擴展速度，特別是繞著輪廓的 裂紋的方向和擴展速度。雖然對于有些應(yīng)用，通過機械或C〇2激光劃割和破碎技術(shù)的直線切 割可良好地湊效，但需要高度精確的、清潔的和柔性的（即，不僅僅沿著直線切割）的玻璃切 割解決方案。
[0127]機械和C〇2基劃割的困難的示例之一是液晶顯示器化CD)玻璃烙合拉制法。在LCD 烙合拉制法中，形成薄的平坦玻璃的連續(xù)帶，其從高的拉制塔涌出。運種薄玻璃最常見地形 成為0.050mm-2mm厚，24英寸-150英寸寬（60.96cm-381cm寬）。通過機械劃割砂輪來劃割玻 璃帶，運與劃割或切割玻璃窗戶相似。然后，將運種劃割的玻璃機械彎曲并從帶破裂，從而 在拉制塔的底部形成片，所述片是例如24英寸-150英寸寬（約61cm-381cm寬）乘W24英寸- 150英寸高（即，約61cm-381cm高）。因為機械地夾持玻璃片，并在玻璃片的最外端部上用漉 進行牽拉，運種片將在片的右側(cè)和左側(cè)上具有非常粗糖和厚的部分，且將運些部分稱作"球 邊"或"邊緣球邊"。機械劃割只能在玻璃片的高質(zhì)量區(qū)域中進行，而不能在玻璃片的較厚的 球邊部分中進行。機器人將夾持玻璃片，彎曲玻璃片，并將劃割的片從玻璃帶破裂下來。運 個破裂作用導(dǎo)致高幅度振動，其在帶上并進入拉制塔，其導(dǎo)致在平坦的片中形成平坦度變 化。運還可導(dǎo)致"婉艇形式(rubicons)"或顯著地打擾連續(xù)的片形成工藝，因為振動可在拉 制中形成微裂紋。玻璃的機械劃割和破裂還可產(chǎn)生非常小和輕的玻璃碎屑，且可通過空氣 攜帶運些碎屑沉積在附近的表面上，且運些玻璃碎屑有時尺寸是10-200微米，厚度是3-20 微米。通過機械劃割形成的運些玻璃碎片在拉制塔上浮起，并附連到片的表面。運些顆粒中 的一些稱作"始-殼"玻璃碎屑，其具有非常平坦的面，運允許它們緊密地粘附到其它玻璃表 面，且會可永久地連接到帶玻璃表面。由機械劃割形成的運種粘附的玻璃碎屑導(dǎo)致玻璃片 的不合格的部分，因為運種污染非常難W洗掉，且將打擾用于LCD和TFT應(yīng)用所需的玻璃上 的涂覆和圖案化。
[0128] 在拉制之后，然后將運個玻璃片從帶區(qū)域移動到第二切割區(qū)域，其中常常將玻璃 片設(shè)置在稱作垂直球邊劃割機器的另一機器上，且隨后W機械方式劃割玻璃的球邊化部分 或低質(zhì)量區(qū)域，然后從母片機械破裂下球邊部分。同樣地，細小的始-殼玻璃碎片可從片上 飛落到缺陷的區(qū)域上，運導(dǎo)致形成玻璃的不合格的部分。
[0129] 在一些情況下，隨后將所有的片包裝進入裝貨箱，并運輸?shù)骄ノ恢?。同樣地，?殼玻璃碎片可從玻璃的邊緣遷移到表面，并導(dǎo)致形成玻璃的不合格部分。卸載運種玻璃的 裝貨箱，并設(shè)置在精磨生產(chǎn)線中，其中通過機械方式或C〇2劃割片，并機械地破裂成稍微更 小的玻璃片。運種離線(off-line)劃割過程比拉制中劃割過程精確得多。同樣地，更多的始 殼玻璃碎片飛到玻璃表面上，并導(dǎo)致形成運些玻璃的不合格部分。
[0130] 然后，將運種片移動到邊緣研磨機，其將薄玻璃片粗研磨和精細研磨成最終長度 和寬度，且還可用于產(chǎn)生所需的邊緣輪廓或斜角(bevel)。然后，將片移動到另一研磨機，其 研磨4個角。接下來，將片移動到在線洗涂機，其清潔表面上大多數(shù)的松散顆粒，但無法清潔 始殼顆粒。
[0131] 與傳統(tǒng)的機械劃割和破碎方法相比，本文所述的激光玻璃切割技術(shù)優(yōu)選地能極精 確、極快、沿著預(yù)定輪廓和在不形成較大或顯著數(shù)目玻璃碎片的情況下，切割例如薄玻璃的 玻璃。此外，可W極高的速度(例如，1 -2米/秒），對玻璃進行穿孔。在測試的情況中，在玻璃 邊緣上沒有觀察到碎片。激光過程可從較大的玻璃片穿孔和分離出較小玻璃制品，例如手 機尺寸(70mmxl50mm)形狀。薄玻璃的運種穿孔和分離過程得到表面粗糖度(Ra)小于400nm 且表面下微觀裂紋小于60微米的邊緣。運種邊緣質(zhì)量接近研磨的玻璃片的質(zhì)量。考慮到運 種能力，可在制備薄玻璃片的烙合拉制過程中對熱的玻璃進行激光切割。因此，通過在拉制 生產(chǎn)線上(或如有需要，不久之后在精磨生產(chǎn)線上)將玻璃切割成最終形狀，本文所述的技 術(shù)的實施方式優(yōu)選地提供產(chǎn)率增加、減少的或不存在的顆粒形成和成本改進。
[0132] 圖11顯示用于連續(xù)的烙合玻璃制造法的現(xiàn)有玻璃切割方法。在現(xiàn)有方法中，玻璃 片1164從拉制塔1162向下流動。玻璃片1164的更深的陰影表明更高的溫度。當例如在烙合 拉制機上形成玻璃片時，通過夾持機械裝置例如漉來牽拉熱而軟的玻璃片，其在玻璃片的 兩個外部邊緣上形成印記。將有印記的邊緣稱為"球邊"，且運些邊緣延伸過玻璃片的全部 長度。因為與玻璃片的中央部分相比，運些球邊化區(qū)域常常是扭曲而不平坦的，在將玻璃用 于制備最終裝置之前，除去球邊(或球邊化區(qū)域）。如通過拉制移動1165所述，使用漉輪向下 牽拉玻璃片，其沿著玻璃片1164的邊緣形成玻璃球邊1166。沿著劃割線1168施加機械刻劃 或C〇2激光源刻劃，運促進將劃割的片1170從玻璃片1164破裂下來。
[0133] 本文所述的方法提供用于顯示器玻璃組合物的玻璃切割方案，用于在線和離線玻 璃切割需求?？稍诓Ａ瑥睦瞥鰜頃r，特別是在其中玻璃開始從其形成溫度冷卻的稱作 拉制底部(B0D)的區(qū)域處，在線地施加運些方法，用于玻璃片的切割和球邊除去。當例如在 烙合拉制機上形成玻璃片時，通過夾持機械裝置例如漉來牽拉熱而軟的玻璃片，其在玻璃 片的兩個外部邊緣上形成印記。將帶有印記的邊緣稱為"球邊"，且運些邊緣延伸過玻璃片 的全部長度。因為與玻璃片的中央部分相比，運些球邊化區(qū)域常常是扭曲而不平坦的，在將 玻璃用于制備最終裝置之前，除去球邊(或球邊化區(qū)域）。本文所述的方法提供玻璃切割方 案，其可導(dǎo)致透過玻璃片的整體厚度的全-主體(全厚度)穿孔。一系列全厚度穿孔可形成開 裂線，在沿開裂線進行片分離時，開裂線可在玻璃片中形成非常精確的和可控的切割。
[0134] 圖12A-12B顯示根據(jù)本文所述的方法在拉制中進行激光玻璃切割的兩種方法，其 使用例如結(jié)合圖2-6的本文所述的那些的激光光學(xué)系統(tǒng)。根據(jù)激光切割工藝1200A，將由一 系列缺陷線組成的激光切割線1168'施加到由拉制塔1162形成的玻璃片1164。在工藝1200A 中，將激光(未顯示)構(gòu)造成切穿玻璃片1164的整體厚度。激光切割線1168'延伸越過在拉制 時新形成的玻璃片1164的整個寬度，運包括在不振動玻璃帶或形成任何玻璃碎屑或顆粒的 情況下切割球邊1166。
[0135] 圖12B顯示在拉制時的激光玻璃切割的替代方法1200B，其中使用激光來切穿玻璃 片的高質(zhì)量區(qū)域，并移下玻璃的較大的矩形片1170'。在拉制區(qū)域的底部1172處，從玻璃片 除去廢棄玻璃1172。應(yīng)認識到在其它實施方式中，移下的玻璃片1170'無需是矩形的。玻璃 片1170'可為正方形或圓形，或具有任意其它所需形狀。
[0136] 圖13顯示在拉制中激光玻璃切割的又一替代方法。在圖13中，鄰近玻璃球邊1166 在拉制路徑中的相對上方的更高處，施加垂直激光切割線1168'。然后，在拉制路徑的相對 較低處，施加水平激光切割線1168 '來從拉制切割和除下玻璃片1170 '。
[0137] 圖14顯示在拉制中激光玻璃切割的其它替代方法。在圖14中，在拉制時跨越玻璃 片1164的全部寬度來施加激光切割線1168'，從而從拉制移下激光切割的片1170'。在運之 后，將垂直的激光切割線1168施加到切割片1170'，從而在拉制底部處從切割片除去球邊。
[0138] 圖15顯示使用本文所述的激光方法來在離開拉制的位置從片1170'除去裁剪或廢 棄玻璃1172。在精磨區(qū)域中，同時施加水平的和垂直的激光切割線1168'，W從激光切割的 玻璃片1170'除去廢棄玻璃1172的水平和垂直的片。
[0139] 本文所述的激光玻璃加工技術(shù)可極精確地、極快地和在不形成玻璃碎片的情況 下，切割薄玻璃。激光基技術(shù)可用極小的孔(例如，直徑小于1微米)和較短的節(jié)距間隔（例 如，1微米)對玻璃進行穿孔。此外，本文所述的方法還可用于W極高的速度(例如，1-2米/ 秒)對玻璃進行穿孔。在玻璃邊緣上沒有觀察到碎片?？蓮妮^大的玻璃片穿孔和移下較小的 玻璃制品，例如用于手機(例如，70mmxl50mm)的那些玻璃制品。薄玻璃的運種穿孔和分離過 程得到粗糖度小于400nm Ra且表面下微裂縫或微裂紋小于60微米的邊緣。運種邊緣質(zhì)量接 近研磨的玻璃片的質(zhì)量?？紤]到運些能力，可在制備薄玻璃片的烙合拉制過程中，將激光基 方法用于切割熱玻璃。
[0140] 對于有些應(yīng)用，玻璃應(yīng)力也可受到特別關(guān)注，特別是對于使用具有應(yīng)力的玻璃片 或?qū)訅旱牟Ａ膽?yīng)用而言。使用傳統(tǒng)方法在運種情況下切割片具有顯著的困難。例如，在 烙合拉制法中，在拉制LCD玻璃片的過程中，誘導(dǎo)顯著量的應(yīng)力。因為片和球邊之間的不同 厚度W及不同的相關(guān)冷卻速率，在玻璃冷卻過程中，在片和球邊界面處的應(yīng)力甚至更大。對 于烙合拉制層壓片的情況，應(yīng)力水平可能大得多（大于300M化），其中相鄰的片層之間的粘 度和CTE差異導(dǎo)致非常高的外層壓縮應(yīng)力。運種高壓縮應(yīng)力層性質(zhì)可顯著改善層壓玻璃片 的玻璃強度。然而，在具有高應(yīng)力水平的片中，會難W用傳統(tǒng)方法來切割玻璃片。
[0141] 如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解，使用烙合拉制法制備的LCD玻璃片具有高應(yīng)力，其 中在將玻璃從高于玻璃的軟化點的溫度冷卻到比玻璃應(yīng)變點低得多的過程中產(chǎn)生該應(yīng)力。 因為厚度和熱質(zhì)量的差異，在玻璃球邊界面處的應(yīng)力還明顯高得多。對于層壓玻璃片的情 況，應(yīng)力更高得多(大于300MPa)，其中玻璃層CTE和粘度的不匹配可誘導(dǎo)強化玻璃應(yīng)用所需 的高壓縮應(yīng)力。運些高水平的應(yīng)力使得非常難W在比玻璃(<30(TC)應(yīng)變點低得多的溫度下 切割玻璃片。
[0142] 批露方法和不同實施方式來使用激光技術(shù)切割片和從片分離球邊，其使得需要穿 過玻璃片厚度的單一激發(fā)(single shot)。本文所述的方法實現(xiàn)在拉制處基于激光切割片， 并分離球邊，從而改善烙合拉制法的制造效率。此外，在一些實施方式中，可在高溫(接近玻 璃的退火點）下切割單一層片和層壓的片，運使得誘導(dǎo)的應(yīng)力小得多。在高溫下切割片和隨 后通過預(yù)定的溫度分布后處理片的能力還可供應(yīng)具有較低玻璃密實化、較低殘留應(yīng)力的 片，消除獨立的精磨步驟成本的可能性，加工有更高應(yīng)變點玻璃的能力，和因為在退火溫度 下停留更久而帶來的增加的生產(chǎn)通量。
[0143] 圖16顯示使用多階段爐子1671的一種示例方法，該多階段爐子1671設(shè)計成將玻璃 片部分1170'（待切割的）保持在接近其退火點的溫度下。在拉制的下部部分，將玻璃片 1170'（待切割的）引入爐子1671a，其保持在約為玻璃的退火溫度下。在接近退火點的升高 的溫度下的較低的應(yīng)力水平有助于切割片。首先通過經(jīng)歷水平激光束平移1676的激光束 1674在拉制處水平地切割片1164,從而在玻璃中形成多個缺陷線。
[0144] 然后，將玻璃片1170 '平移到爐子167化，其也保持在玻璃的退火溫度下。使用激光 束1674分離玻璃球邊1166,該激光束1674構(gòu)造成經(jīng)歷垂直平移1674來對鄰近球邊1166的玻 璃片1170'進行激光劃割。水平和垂直切割步驟可包括沿著激光損壞的輪廓施加拉伸或彎 曲應(yīng)力，從而從拉制分離玻璃，且如有需要，從切割玻璃片1170 '分離玻璃球邊。例如，可使 用機器人來施加應(yīng)力。
[0145] 在除去玻璃球邊之后，將切割玻璃片1170'平移到第Ξ爐子1671c，其中熱源1680 經(jīng)歷垂直平移1682, W將熱量遞送到玻璃板1170'的切割邊緣。施加熱量來使得切割的垂直 邊緣平滑化和圓化，且雖然沒有在圖16中示出，但還可將熱量施加到板1170'的水平切割邊 緣，用于平滑和圓化。熱源可包括氣體火焰、C〇2激光等。
[0146] 玻璃片1164可為層壓片，其中片包括多個層，每一層具有不同的材料性質(zhì)，例如 CTE等。運種層壓的片可通過使用雙等壓槽(isopipe)拉制塔來形成，其中每一等壓槽用于 提供用于層壓件的不同層的玻璃。層壓件的玻璃層之間的CTE差異導(dǎo)致在將玻璃片從高于 軟化點的溫度冷卻到顯著低于變點時引入顯著量的應(yīng)力。例如，當內(nèi)部和表面層之間的CTE 差異大于60xl0^/C，且內(nèi)部層厚度與總層壓件厚度的比例是0.8-1時，可在層壓件片表面的 表面上誘導(dǎo)大于400MPa的壓縮應(yīng)力（參見，例如譚東（Tandon)等，美國專利申請?zhí)?20110318555,該文的全部內(nèi)容通過引用納入本文）。
[0147] 在其中玻璃片1164是層壓件的情況下，爐子1671a和167化可構(gòu)造成將層壓件保持 在層壓件的兩層的退火溫度之間的溫度下。對于其中需要高表面壓縮應(yīng)力的應(yīng)用中（用于 高強度應(yīng)用的層壓玻璃中），提供在退火溫度下的時間將降低應(yīng)力大小，運促進使用激光束 1674進行的切割。在運些情況中，還可通過在切割后冷卻過程中對玻璃進行澤火，在成品的 玻璃片中獲得高應(yīng)力。
[0148] 圖17顯示一種過程，其中通過使片物理地橫貫通過具有溫度逐漸降低的階段 1771a，177化和1771c的多階段爐子1771，將片1170'冷卻到遠低于玻璃退火點的溫度。所述 系列爐子施加預(yù)定的溫度分布W最小化殘留應(yīng)力，形成后密實化，改善玻璃片性能特征并 調(diào)整玻璃性質(zhì)。應(yīng)理解，在其它實施方式中，通過使用具有時間變化的溫度分布的單一階段 爐子，獲得相似的受控的冷卻分布。
[0149] 在其它實施方式中，在高于玻璃退火點的溫度下，使用在拉制時的玻璃制備激光 穿孔，在缺陷線之間存在一些間隔。在運個拉制位置，運對玻璃強度沒有顯著影響。但是，運 會導(dǎo)致當在拉制時下游位置形成CTE應(yīng)力(例如，用于層壓玻璃)時，玻璃片自發(fā)分離或僅使 用非常微弱的外部擾動來分離。自發(fā)的分離，或者使用微弱的外部擾動來分離，可用于除去 玻璃球邊和用于玻璃采集。
[0150] 在高溫下切割片且隨后通過預(yù)定的溫度分布后處理片的能力可使得片具有更低 的玻璃密實化和更低的殘留應(yīng)力。運種能力還可消除獨立的精磨步驟的成本，允許加工具 有更高應(yīng)變點的玻璃，且因為玻璃在退火溫度下停留更久而帶來的生產(chǎn)通量增加。
[0151] 通過兩個缺陷線之間的節(jié)距來控制沿著全厚度切割的玻璃分離。用于切割許多顯 示器玻璃組合物的典型示例性節(jié)距是約1-5微米(例如，2-5微米）。但是，還顯示最高達8微 米巧-8微米)的節(jié)距也提供良好的質(zhì)量切割?？刂乒?jié)距的能力也是重要的，因為其決定切割 速度，其還受到激光脈沖頻率或脈沖群重復(fù)率、脈沖群模式之內(nèi)的脈沖數(shù)目和可用的平均 能量/脈沖和/或平均能量/脈沖群的影響。
[0152] 當繞著穿孔缺陷線的孔的微裂紋朝著下一個最近的孔取向時，運有助于玻璃切 害d，因為通過沿著切割線的微裂紋額外地增強在切割方向上的從一個孔到下一個最近的孔 的裂紋擴展。在運種情況下，為了完全的玻璃分離，孔或缺陷線之間的較大節(jié)距(例如3-50 微米，例如3-20微米)是優(yōu)選的?；蛘?，在一些玻璃類型中，當沒有形成微觀紋或微裂紋沒有 朝著缺陷線取向并與缺陷線相鄰時，為了完全的玻璃分離，孔(或缺陷線）之間較小的節(jié)距 (0.1-3微米，例如1-3微米)是優(yōu)選的。
[0153] 連續(xù)的烙合玻璃制造過程和顯示器應(yīng)用，例如薄膜晶體管(TFT)，需要將玻璃切割 成某些形狀、尺寸并具有一定的邊緣精磨。例如，在將玻璃片送到消費者之前，精磨顯示器 玻璃片W使其具有外圓角(bullnose)邊緣是工業(yè)標準。因為可靠性原因，運是優(yōu)選的，因為 沒有運種精磨的玻璃邊緣常常在運輸時破碎。本文所述的方法實現(xiàn)切割和精磨 (finishing)具有邊緣輪廓、倒角的顯示器玻璃片，其還提供在運輸過程中的高度可靠性， 但不需要昂貴的機械研磨和拋光過程。運種邊緣最多僅需要精細接觸拋光來獲得高可靠性 工業(yè)標準。
[0154] 最后，本文所述的方法能完全分離/切割從0.025毫米或更薄到幾毫米厚玻璃片的 各種厚度的TFT玻璃組合物，或由烙合法生產(chǎn)的玻璃片的堆疊件。例如，比如TFT玻璃組合物 的工件可具有約0.01毫米-5毫米的厚度。例如，如有需要，用如圖2-6中所述的設(shè)備產(chǎn)生的 激光束聚焦線可具有覆蓋工件厚度范圍的長度，從而形成延伸穿過整個工件厚度的缺陷 線。
[0155] 本申請?zhí)峁┫率鲆嫣帲淇赊D(zhuǎn)變成增強的激光加工能力和成本節(jié)省，并因此更低 成本制造。在現(xiàn)在的實施方式中，切割過程提供：
[0156] 使用降低的激光功率完全分離被切割的零件:本文所述的實施方式能完全分離/ 切割從0.025毫米或更薄到幾毫米厚玻璃片的各種厚度的TFT玻璃組合物，或例如由烙合法 生產(chǎn)的玻璃片的堆疊件。
[0157] 減少的表面下?lián)p壞：因為激光和材料之間的超短脈沖相互作用，存在很少的熱相 互作用，并因此存在極少的受熱影響的區(qū)域，該受熱影響的區(qū)域可導(dǎo)致不利的應(yīng)力和微裂 紋化。此外，將激光束濃縮或聚焦進入玻璃的光學(xué)器件在零件表面上形成缺陷線，所述缺陷 線直徑通常是2-5微米。分離之后，表面下缺陷小于100微米，例如<75微米，<50微米，<30微 米，或甚至20微米或更低。運對零件的邊緣強度具有很大影響，因為強度通過缺陷數(shù)目、用 尺寸和深度表示的缺陷統(tǒng)計學(xué)分布來控制。運些數(shù)目越高，零件邊緣越弱。通過本文所述的 實施方式實現(xiàn)的工藝由此提供小于或等于20微米的剛切割邊緣的表面下?lián)p壞。
[0158] 由任何切割過程導(dǎo)致的且大致垂直于切割表面的表面下?lián)p壞或小微裂紋和材料 改性是玻璃或其它脆性材料的邊緣強度的關(guān)注點。可通過使用共焦顯微鏡在切割表面上觀 察來測量表面下?lián)p壞的深度，顯微鏡的光學(xué)分辨率是幾納米。當探尋進入材料中的裂紋時， 忽略表面反射，裂紋呈現(xiàn)為明亮的線。然后，將顯微鏡聚焦進入材料直到不再存在"閃耀 良P，不再觀察到散射特征，且W規(guī)則的間隔收集圖象。然后，通過尋找裂紋并透過玻璃深度 來追蹤它們W獲得表面下?lián)p壞的最大深度(通常W微米為單位進行測量），來手動處理圖 象。通常存在數(shù)W千計的微裂紋，因此通常只測量最大的微裂紋。通常在切割邊緣的約5個 位置上重復(fù)運個過程。雖然微裂紋大致垂直于切割表面，但用運種方法可能無法檢測直接 垂直于切割表面的任何裂紋。
[0159] 工藝干凈度:本文所述的方法允許W干凈和受控的方式來分離和/或切割TFT玻璃 組合物，例如EagleXG?，康寧Lotus?和其它材料。使用常規(guī)的燒蝕或熱激光過程是非常具 有挑戰(zhàn)性的，因為它們趨向于激發(fā)受熱影響的區(qū)域，其誘導(dǎo)微裂紋，并將基材斷裂成幾個更 小的塊。本文所述的方法的激光脈沖和誘導(dǎo)的與材料的相互作用的特征避免了所有運些問 題，因為它們在非常短的時間尺度上進行，且基材材料對激光福射的透明性使得誘導(dǎo)的熱 效應(yīng)最小化。因為在基材之內(nèi)形成缺陷線，大大消除了在切割步驟中碎片和顆粒物質(zhì)的存 在。如果存在來自形成的缺陷線的任何顆粒，它們將良好地容納直到分離零件。用本文所述 的激光基方法切割和分離的表面上的顆粒可具有小于約3微米的平均直徑。
[0160] 切割不同尺寸的復(fù)雜輪廓和形狀
[0161] 本發(fā)明的激光加工方法允許切割/分離具有許多形式和形狀的玻璃、藍寶石和其 它基材和玻璃工件，運在其它競爭性技術(shù)中是個限制。使用本發(fā)明的方法可在TFT玻璃組合 物中切割緊密的半徑(例如，小于2毫米），運實現(xiàn)彎曲的邊緣、實現(xiàn)彎曲的邊緣和實現(xiàn)形成 較小的孔和狹縫(例如如手機應(yīng)用中揚聲器/麥克風(fēng)所要求的），例如小于約5毫米。此外，因 為缺陷線強力地控制任何裂紋擴展的位置，運種方法對切割的空間位置具有很強的控制， 并允許切割和分離小至幾百微米的結(jié)構(gòu)和特征。
[0162] 省略工藝步驟
[0163] 從來料玻璃面板將玻璃板制造成最終尺寸和形狀的方法設(shè)及多個步驟，其包括切 割面板、切割到所需尺寸、精磨和邊緣成形、將零件薄化到它們的目標厚度和拋光TFT玻璃 組合物。就加工時間和資金花費而言，省略運些步驟中的任一種將改善制造成本。例如，本 發(fā)明的方法可通過下述來減少步驟的數(shù)目：
[0164] ?減少的碎片和邊緣缺陷形成-潛在地消除洗涂和干燥工位。
[0165] .直接將樣品切割到其最終尺寸、形狀和厚度-無需精磨線。
[0166] .直接在拉制時切割玻璃-無需精磨線。
[0167] 本文引用的所有專利、專利申請公開和參考文獻的相關(guān)教導(dǎo)都通過引用全文納入 本文。
[0168] 雖然本文描述了示例性實施方式，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)理解在不偏離所附權(quán) 利要求所包含的范圍的情況下，可改變其中的各種形式和細節(jié)。
【主權(quán)項】
1. 一種激光加工堿土硼鋁硅酸鹽玻璃復(fù)合材料工件的方法，所述方法包括： 將脈沖激光束聚焦成沿著束傳播方向取向并引導(dǎo)進入所述堿土硼鋁硅酸鹽玻璃復(fù)合 材料工件的激光束聚焦線，所述激光束聚焦線在材料之內(nèi)產(chǎn)生誘導(dǎo)吸收，且所述誘導(dǎo)吸收 在工件之內(nèi)沿著激光束聚焦線產(chǎn)生缺陷線;和 使得所述堿土硼鋁硅酸鹽工件和激光束沿著輪廓相對于彼此平移，由此在工件之內(nèi)沿 著所述輪廓激光形成多個缺陷線，其中相鄰缺陷線之間的周期性是0.1微米-20微米。2. -種通過如權(quán)利要求1所述的方法制備的玻璃制品。3. 如權(quán)利要求1或2所述的方法或制品，其特征在于，還包括沿著所述輪廓分離所述工 件。4. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法或制品，其特征在于，沿著所述輪廓分離所述 工件包括沿著所述輪廓或在所述輪廓附近將二氧化碳(C0 2)激光束引導(dǎo)進入所述工件，以 促進沿著所述輪廓的熱應(yīng)力誘導(dǎo)的工件分離。5. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法或制品，其特征在于，所述工件包括多個顯示 器玻璃復(fù)合材料基材的堆疊件。6. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法或制品，其特征在于，所述脈沖激光具有10W-150W的激光功率，并產(chǎn)生具有至少2脈沖/脈沖群的脈沖群。7. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法或制品，其特征在于，所述脈沖激光束的脈沖 群重復(fù)率是約1kHz-約4MHz。8. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法或制品，其特征在于，所述脈沖激光束的每一 脈沖具有大于40微焦耳/毫米工件厚度的在工件處測量的平均激光脈沖群能量。9. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法或制品，其特征在于，所述脈沖激光束具有選 定的波長，從而在這個波長下所述工件是基本上透明的。10. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法或制品，其特征在于，所述激光束聚焦線具有 約0 · 1mm-約10mm的長度。11. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法或制品，其特征在于，所述激光束聚焦線具有 約0.1微米-約5微米的平均光斑直徑。12. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法或制品，其特征在于，所述誘導(dǎo)吸收在所述工 件之內(nèi)產(chǎn)生最高達小于或等于約100微米深度的表面下?lián)p壞。13. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法或制品，其特征在于，在工件之內(nèi)沿著輪廓激 光形成多個缺陷線促進沿著由所述輪廓限定的表面分離工件以形成分離的表面，以及其中 所述誘導(dǎo)吸收產(chǎn)生小于或等于約0.5微米的切割和分離邊緣的Ra表面粗糙度。14. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法或制品，其特征在于，所述工件具有約0.01毫 米-約5毫米的厚度。15. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法或制品，其特征在于，所述堿土硼鋁硅酸鹽玻 璃復(fù)合材料工件是玻璃片的形式，以及其中聚焦所述脈沖激光束和沿著輪廓使得所述工件 和激光束相對于彼此平移是在玻璃片處于在線拉制時進行。16. 如權(quán)利要求15所述的方法或制品，其特征在于，在玻璃片近似處于所述玻璃片的退 火溫度的溫度的情況下，進行聚焦和平移。17. 如權(quán)利要求15或16所述的方法或制品，其特征在于，所述玻璃片包括具有至少兩種 不同的各自退火溫度的至少兩層，以及當所述玻璃片處于所述至少兩種不同的各自退火溫 度之間的溫度的情況下，進行聚焦和平移。18. 如權(quán)利要求15-17中任一項所述的方法或制品，其特征在于，所述玻璃片包括至少 兩層，且當玻璃片在高于所述玻璃片退火溫度的溫度的情況下，進行聚焦和平移。19. 如權(quán)利要求15-18中任一項所述的方法或制品，其特征在于，還包括在輪廓的區(qū)域 中，將熱源、拉伸應(yīng)力或彎曲應(yīng)力中的至少一種施加到所述玻璃片，以促進沿著所述輪廓從 拉制分尚所述玻璃片。20. -種包含堿土硼鋁硅酸鹽玻璃復(fù)合材料的玻璃制品，其包括至少一個邊緣，所述至 少一個邊緣具有多個延伸至少250微米的缺陷線，所述缺陷線各自具有小于或等于約5微米 的直徑。21. 如權(quán)利要求20所述的玻璃制品，其特征在于，相鄰缺陷線的間隔是0.1微米-20微 米。22. 如權(quán)利要求20-21所述的玻璃制品，其特征在于，所述至少一個邊緣是分離邊緣，所 述分離邊緣具有小于或等于約0.5微米的Ra表面粗糙度。23. 如權(quán)利要求20-22所述的玻璃制品，其特征在于，所述邊緣具有最高達小于或等于 約100微米深度的表面下?lián)p壞。24. 如權(quán)利要求20-23所述的玻璃制品，其特征在于，其具有約10微米-約5毫米的厚度。25. 如權(quán)利要求1-22中任一項所述的方法，其特征在于，所述脈沖激光的激光功率是 25W-60W，并產(chǎn)生具有至少2-25脈沖/脈沖群的脈沖群，且所述缺陷線之間的周期性是2-10 微米，以及以至少0.25米/秒的速率使得所述工件或激光束相對于彼此平移。
【文檔編號】C03B33/09GK106029590SQ201480075658
【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