激光光束加工透明脆性材料的方法和实施这种方法的装置与流程

1.本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种用于切割脆性衬底的脉冲扫描激光器。


背景技术：

2.脉冲激光器广泛地用于半导体工业，用于刻划薄的，至多1mm的，由硅、锗、砷化镓和其它半导体制成的衬底以及陶瓷和玻璃衬底。现有技术描述了形成劈裂(cleave)线的各种方法，范围从在激光刻划期间的v形凹槽到材料在其顶面或底面上烧蚀(ablation)或熔化(us20190169062a1)。然而，在该操作之后，需要对激光处理的材料施加机械力，或者通过加热(或局部冷却)材料来产生热变形波。这些动作中的任何一个都不总是具有有利的结果
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没有碎裂、微裂纹和缺陷的劈裂。
3.飞秒和皮秒激光器被用于制备用于劈裂的衬底，包括由玻璃制成的厚衬底。现有技术(us10233112b2)描述了一种使用皮秒激光器对用作智能手机和显示屏幕的薄玻璃衬底进行穿孔的方法，该方法通过对玻璃进行穿孔并且随后用第二激光器
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高功率co2激光器
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加热穿孔线以引起玻璃破裂和劈裂。该方法不适用于厚玻璃。同时，附加的高功率激光器的使用使工艺变得复杂。这种切割问题在加工厚的橱窗玻璃、层压和强化的车窗、具有保护涂层的玻璃和钢化玻璃期间出现。
4.现有技术教导了一种方法，该方法通过由于在玻璃中存在的非线性效应而产生作为激光光束自聚焦的结果的细丝网格(轨迹)来切割玻璃。在光束成丝期间，在衬底的主体中产生几百微米长的中空轨迹(ru2013102422a或国际公开wo2012006736a2以及us9757815b2)，从而使得能够产生包括靠近背面的一系列轨迹，以制备用于劈裂的衬底。该成丝方法也对厚玻璃的切割施加了限制：由于光学器件的几何形状(这需要具有短焦距的微透镜或能够确保长焦距和玻璃主体内的干涉图样
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贝塞尔光束的专用光学器件)，它不能应用于厚度为6mm或更大的玻璃。为了消除近表面区域中的击穿，激光光束腰必须形成得更深到衬底的主体中。考虑到轨迹阵列不连续的事实，在其形成期间施用了某些基本限制：在聚焦和自聚焦期间，必须不存在来自附近不规则物和细丝的任何边界干扰。关于玻璃厚度的限制也适用：需要沿着衬底表面进行多道次扫描，以便用彼此远离的细丝(由于它们形成的条件)填充衬底主体，这对细丝网格的阵列的对准精度施加了限制。轮廓精度应当为至少为4微米。该方法要求使用复杂和高精度的系统来追踪移动轨道(trajectory)和轨道重复性；在多道次切割期间，这会对切割质量产生不利影响，并且在使用成丝方法切割之后在玻璃衬底不可避免地最终拆分期间可能会导致碎裂。所有这些都使得在不施加机械力的情况下不可能劈裂材料，并且对该方法的工业适用性施加限制。


技术实现要素：

5.本发明提出一种用于沿着在衬底的主体中由于材料的激光诱导的击穿而形成的实际连续的应力边缘(stressed edge)劈裂衬底的脆性材料的方法，该衬底对激光光束透明且不太吸收激光光束。使用切割具有厚度为20mm或更厚的
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至多为30mm的厚玻璃的实施
例，可以容易地说明该方法的效果。这种劈裂的、基本上连续的应力边缘由微空腔组成。后者是由于诱导击穿而形成的，该诱导击穿又是由聚焦在衬底主体中的激光光束引起的。激光光束以一定的角度冲击主体的表面，同时其沿着该表面渐进地移动。在渐进移动的同时，光束在其渐进移动的相同的平面内连续且快速地振荡。这确保了光束对整个衬底截面的连续扫描。该方法对光束在衬底截面中从衬底的顶面还是底面移动的方向不敏感。重要的是，聚焦的激光光束循环地穿透衬底主体的整个厚度，这一点在考虑到光学系统的透镜的曾经选择的长焦距(150-350mm)时尤其重要，该长焦距在形成应力边缘以用于在其完成时劈裂衬底的整个过程中保持不变。
6.技术效果是在没有不可控制的碎裂和微裂纹的情况下，衬底的直的、曲线的或成角度的劈裂边缘的质量更好，应力的劈裂边缘的形成速率高，这意味着激光切割更快，这是由于没有：
[0007]-光学系统的重新配置以在激光光束扫描衬底主体的整个深度期间聚焦激光光束，
[0008]-过程中断以重新配置衬底主体内的应力边缘的层的形成深度，与光束从衬底的顶面还是底面移动的方向无关，
[0009]-并且由于在扫描系统沿着衬底长度的渐进连续移动期间衬底材料的主体中存在最大可能数量的光诱导击穿空腔，其通常改进了由使用所提出的方法劈裂的衬底制成的产品的强度性能。
[0010]
光束和衬底相对于彼此的位移不仅限于线性或曲线路径。本发明的范围包括光束和衬底相对于彼此的旋转位移，该旋转位移与线性位移相结合在衬底中产生孔。此外，如上述所公开的，本发明的系统可以产生成角度的或弯曲的边缘。如果处理过的衬底没有完全拆分，铥(tm)激光器，优选但不是必需的，tm光纤激光器可以被用于提供最终的“触碰”以导致切割的衬底件与相应的光滑的边缘分离。
[0011]
所提出的发明的其他优点和区别性特征将从以下参照附图对其要素的详细描述中变得显而易见。
附图说明
[0012]
唯一的附图是在衬底主体中形成应力的劈裂边缘的过程的示意图，其中激光光束以一定角度定位，该图为正视图。
具体实施方式
[0013]
所要求保护的本发明的要素反映在以下特征和细节中。
[0014]
本发明的一般细节由附图示出，并涉及具有发明性的方法和实施其的装置(100)。为了在由对激光光束透明的材料制成的衬底(2)中提供应力边缘(1)，在光束的成角度的扫描过程期间，具有固定焦距的聚焦的激光光束入射到其上。当光束和衬底(2)相对于彼此线性移动时，通过在材料的照射期间材料的局部光诱导击穿，在衬底主体中形成空腔的轨迹。当光束以上述公开的方式照射衬底时，发生以下情况：
[0015]-以光束(3)沿从衬底的一个表面到相对表面的方向的单道次，在材料的主体中形成基本上线性的窄间隔空腔链(4)(每次脉冲至少一个空腔)，并且
[0016]-在光束的另一(连续的)道次期间，光束和衬底的相对的渐进的纵向移动导致下一个窄间隔空腔链的形成。
[0017]
渐进的纵向移动和光束在该移动平面中的成角度的循环扫描的最终结果是内部气泡应力边缘(1)形式的光诱导空腔的基本上连续的轨迹，在光束沿着衬底(2)的整个长度纵向移动的过程完成时，衬底沿着该轨迹被劈裂而没有碎裂缺陷。
[0018]
实现上述公开的发明性方法的装置构造有脉冲激光源(5)。后者可以选自固态激光器或光纤激光器。发射的激光光束在准直器(6)中被准直，并且然后其冲击光束偏转系统或扫描器(7)。扫描器(7)确保光束从顶面到相对表面或相反地穿过衬底的厚度的循环扫描，因为方向
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正向或反向
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是不重要的。光学聚焦系统(8)确保光束聚焦，并且具有在整个加工过程中不改变的设定。在此过程期间，激光光束到表面上的入射角度在90
°
至大约40.5
°
之间变化，具体取决于劈裂相对于衬底的表面的法线所需的形状。例如，在形成直的劈裂时，该角度可以略小于60
°
。如果劈裂是倾斜的或成斜角的，则需要至多45
°
的较小的入射角度。注意，随着入射角度的增加，光损失也由于在较高角度下的偏转而增加。已经确定，切口相对于衬底表面形成的角度应当优选地限制在45-90
°
的范围内。由光束空间定向系统(9)沿着空间轴线xyz相对于衬底表面设定所需的角度。由致动器(10)确保光束(3)沿着衬底(2)的表面的纵向渐进移动，该致动器负责光束在固定衬底上沿着轴线x的单向渐进移动，并且在形成应力边缘的区域之前具有提前量(a lead)。注意，与图中所示相比，扫描器(7)和光学聚焦系统(8)也可以相对于工件表面以另外的角度定位。
[0019]
重要的是注意，在一个平面内扫描并且是至少单轴的偏转系统(7)，可以基于电流扫描器(galvano scanner)和多面体(polygon)实现用于光束(3)在相对于衬底(2)的横向方向上的高速扫描，多面体是优选的解决方案，因为多面体确保了光诱导击穿空腔的均匀分布。
[0020]
值得注意的是，应力边缘(至多30mm厚)基本上形成在厚衬底的整个主体上，其中光诱导击穿空腔之间的距离在微米范围内，其由空腔的尺寸及在横向成角度的方向上和纵向方向上的扫描速率确定。
[0021]
值得注意的是，光诱导击穿是通过脉冲飞秒或皮秒或纳秒聚焦的激光光束源实现的，其具有足够的脉冲能量用于光诱导击穿材料，其波长在紫外至红外波的范围内，但条件是它们在被加工材料中的弱吸收。
[0022]
重要的是，对激光光束透明的材料可以包含一个或多个层，并且可以选自玻璃、石英、半导体、电介质、聚合物材料、晶体、蓝宝石和/或类金刚石膜。在工程中，选择由透明材料制成的衬底以用于制造信息显示装置
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平板屏幕或电视屏幕，或用于切割窗玻璃、镜子、层压车窗玻璃、装甲(armoured)窗玻璃或透明陶瓷。
[0023]
本发明在使用ylpp-50-10-100-r皮秒光纤镱激光器(ire-polys，https://www.ipgphotonics.com/ru_)切割4至20mm厚的玻璃(包括层压玻璃)中已经成功地进行了测试。
[0024]
脉冲长度为10-20ps；脉冲能量为至多100μj；并且脉冲重复率为至多2mhz。已经使用基于电流扫描器的扫描系统切割了20mm厚的玻璃；光束入射角度为40.5度；偏转角度为
±
4.5度；基于f-theta透镜的聚焦系统的焦距为260mm；玻璃表面的反射系数在4.6至5.2％的范围内；并且纵向移动的速率为至多40mm/s。然而，也可以由本领域技术人员选择尤其是
关于波长、脉冲能量、脉冲重复率和/或脉冲持续时间的上述设置的其它配置或修改，例如美国专利9,296,066或10,399,184中所描述的那样。
[0025]
激光光束和衬底可以相对于彼此旋转以在衬底中钻孔。此外，所公开的系统可以产生弯曲的边缘。如果处理过的衬底没有完全劈裂，则可以使用铥(tm)激光器，优选地但不是必需地，tm光纤激光器可以被用于提供最终的“触碰”以导致切割的衬底件与相应的光滑的边缘分离。
[0026]
对于本工程领域的技术人员应当显而易见的是，本发明不限于上述的实施方式选项，并且可以在本发明的权利要求的范围内对其进行修改。如有必要，说明书中所示的区别性特征以及其它区别性特征也可以彼此分开使用。