CN101513692A - 激光切割脆性材料的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光切割脆性材料的方法，其包括步骤：提供一第一激光束；利用一空间过滤器将第一激光束过滤整形成一具预定能量密度轮廓的第二激光束；将第二激光束调制整形成具长条形光斑形状的一第三激光束，该第三激光束具有一前导端及一拖曳端，该第三激光束的能量密度轮廓线在该前导端的平均斜率小于在拖曳端的平均斜率；利用第三激光束加热一脆性材料；以及在脆性材料上施加一冷却流体，以使该脆性材料沿该第三激光束的移动方向产生裂纹成长。本发明还提供执行前述激光切割脆性材料的方法之装置。

Description

激光切割脆性材料的方法及装置
技术领域
本发明涉及切割与分离技术，尤其是一种使用激光来切割、劈裂及/或分离非金属或脆性材料之方法及装置。
背景技术
激光热应力切割脆性材料的方法一般以配合脆性材料强烈吸收特性的激光来加热脆性材料表面以在脆性材料表面形成切割裂痕，例如，在脆性材料为玻璃的情形下一般使用波长约为10.6微米的二氧化碳激光，在脆性材料为硅的情形下一般使用波长约为1.06微米或更短的钇铝石榴石(Yttrium Aluminum Garnet，YAG)激光。然后以冷却流体冷却，进而在该脆性材料表面因急剧变化之温度差产生热应力，使具有初始裂纹的脆性材料边缘产生裂纹，并沿该切割裂痕成长。
然而，如何达到稳定而快速的切裂品质，则应该考虑以下三大要素：稳定的加热能量来源、稳定的冷却能量提供以及稳定的机构运动平台，来共同创造稳定的热应力控制机制。
因此，本发明针对稳定的加热能量来源做一实质的改善，以获取稳定而快速的切割品质。
发明内容
下面将以实施例说明一种激光切割脆性材料的方法及装置，可获取稳定而快速的切割品质。
一种激光切割脆性材料的方法，用以切割一脆性材料，其包括步骤：
提供一第一激光束；
利用一空间过滤器(Spatial filter)将第一激光束过滤整形成一具预定能量密度轮廓的第二激光束；
将第二激光束调制整形成具长条形光斑形状的一第三激光束，该第三激光束具有一前导端(Leading edge)及一拖曳端(Trailing edge)，该第三激光束的能量密度轮廓线在该前导端的平均斜率小于在该拖曳端的平均斜率；
利用第三激光束加热一脆性材料；以及
在该脆性材料上施加一冷却流体，以使该脆性材料沿该第三激光束的移动方向产生裂纹成长。
以及，一种激光切割脆性材料的装置，其包括：
一个激光产生器，用以产生一第一激光束；
一空间过滤器，用以将第一激光束过滤整形成一具预定能量密度轮廓的第二激光束；
一光学调制元件，用以将第二激光束调制整形成具长条形光斑形状的一第三激光束以加热一脆性材料，该第三激光束具有一前导端及一拖曳端，该第三激光束的能量密度轮廓线在该前导端的平均斜率小于在该拖曳端的平均斜率；以及
一冷却装置，用以向脆性材料施加一冷却流体，以使该脆性材料沿该第三激光束的移动方向产生裂纹成长。
相对于现有技术，所述激光切割脆性材料的方法及装置，其经由过滤及调制作用将激光束整形成具长条形光斑形状，使得最终加热脆性材料的第三激光束之能量密度轮廓线在该前导端的平均斜率小于在该拖曳端的平均斜率。也即，该第三激光束之能量密度分布在前导端为平缓变化，可进行预热功能；能量密度分布在拖曳端为急剧下滑，可让冷却作用产生最大温差。因此，经由改善加热能量来源，最终可获取稳定而快速的切割品质。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种用于产生具长条形光斑形状的激光束之激光切割装置的结构配置示意图。
图2是采用图1所示激光切割装置产生的具长条形光斑形状之激光束切割脆性材料之一状态示意图。
图3是沿图2剖线III-III之剖面示意图。
图4是本发明实施例提供的切割速度与切割深度关系示意图。
图5为局部形成有切割裂痕的脆性材料的照片。
图6是图5所示脆性材料裂片后其端面形态照片。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例作进一步的详细说明。
参见图1至图3，本发明实施例提供的激光切割脆性材料的方法可采用如图1所示的激光切割装置10来产生具长条形光斑形状的激光束116，以对脆性材料20，如玻璃、陶瓷、玻璃硅晶圆或发光二极管晶圆等进行切割。本实施例中，激光切割装置10包括一个激光产生器11、一个光学偏转元件12、一个空间过滤器13、一个光学调制元件15以及一个冷却装置17。该激光切割脆性材料的方法可包括以下步骤：
首先，提供一第一激光束112；该第一激光束112可由激光产生器11产生，其可为高斯光束、非高斯光束或其混合。其中，高斯光束可为TEM00模激光束；非高斯光束可为TEM01模激光束或TEM10模激光束等。第一激光束11的波长通常需与脆性材料20的吸收波长相匹配，因此其种类的选择则视脆性材料20的材质而定；例如，当脆性材料20的材质为玻璃时可选用波长约为10.6微米的二氧化碳激光束，当脆性材料的材质为硅时则可选用波长约为1.06微米的钇铝石榴石激光束。
接着，利用空间过滤器(Spatial filter)13将第一激光束112过滤整形成一具预定能量密度轮廓的第二激光束114。具体的，由激光产生器11产生的第一激光束112经由光学偏转元件12，例如反射镜(Mirror)导引并入射至空间过滤器13，再由空间过滤器13对该入射的第一激光束112进行过滤整形，使得过滤整形后的第二激光束114具有预定的能量密度轮廓。其中，所采用的空间过滤器13主要由一个透镜对以及一个针孔(pinhole)孔径光阑组成，其可通过对针孔孔径光阑上的针孔位置设置，将第一激光束112过滤整形成具有预定的能量密度轮廓之第二激光束114。例如，将该针孔孔径光阑的针孔设置在其周边位置而非中央部位，可防止过滤整形后形成的第二激光束114的中央部分的能量起伏过大，从而可使得第二激光束114具有合适的能量密度轮廓。另外，经空间过滤器13过滤整形后所形成的第二激光束114的光斑形状可为圆形、方形(square)或条形，该光斑形状可由针孔的位置决定。
然后，将该第二激光束114调制整形成一具长条形光斑形状的第三激光束116。如图2及图3所示，第三激光束116的光斑形状近似为长条形的椭圆状，其具有一前导端1162及一拖曳端1164。第三激光束116的能量密度(power intensity)轮廓线1160在前导端1162的平均斜率小于在拖曳端1164的平均斜率；也即第三激光束116的能量密度分布在前导端1162为平缓变化而在拖曳端1164则为急剧下滑。因此，当第三激光束116加热脆性材料20以及在脆性材料20上距离第三激光束116的拖曳端1164预定距离的位置施加冷却流体118以形成切割裂痕22的过程中，第三激光束116的前导端1162(也即B1点的右侧部分)执行预热功能，其拖曳端1164(也即B2点的左侧部分)则可让冷却作用产生最大温差以利于初始裂纹(initialcrack)21沿第三激光束116的移动方向(也即切割裂痕22的延伸方向)成长。其中，冷却流体118由冷却装置17提供，其可为喷射的气液混合物(are-liquid mist)。
该第三激光束116可经由光学调制元件15对第二激光束114调制整形后获得；为使第三激光束116的能量密度(power intensity)轮廓线1160在前导端1162的平均斜率小于在拖曳端1164的平均斜率，可经由设计软件优化光学调制元件15的光学参数来实现。当然，并不限于优化光学参数之方法，也可通过调整第二激光束114与光学调制元件15的夹角大小(0~+90°)来调整第三激光束116入射至脆性材料20上的角度，从而可调制第三激光束116的前导端1162与拖曳端1164的能量密度分布，以使得第三激光束116的能量密度轮廓线1160在前导端1162的平均斜率小于在拖曳端1164的平均斜率。在第三激光束116加热脆性材料20的过程中，第三激光束116的能量密度轮廓通常保持不变。其中，光学调制元件15可选用球柱状透镜、非球面元件等折射式元件；可以理解的是，光学调制元件15也可采用衍射式元件或折衍混合式元件，只要其能将第二激光束114调制整形成具有前述能量密度轮廓的第三激光束116均可。
图3中的能量密度轮廓线1160所围绕的区域为第三激光束116加热脆性材料20时在脆性材料20中产生的热影响区域，该热影响区域的轮廓由第三激光束116的能量密度轮廓决定且与第三激光束116的能量密度轮廓相一致。从图3中的温度轮廓线可以得知，B3点的温度为常温，B1点右侧部分所对应的区域之温度变化较为平滑，表明第三激光束116在前导端1162的能量密度分布为平缓变化；B2点左侧部分所对应的区域之温度变化为急剧下滑，表明第三激光束116在拖曳端1164的能量密度分布为急剧下降；B1B2段对应第三激光束116之可产生最大热应力的加工范围。
图4为采用本实施例提供的激光切割脆性材料的方法，以固定的激光功率190瓦特(Watt)搭配不同的切割速度进行玻璃切割所得到的切割速度与切割深度关系图。图4中示出切割深度随着切割速度增加而递减，切割速度为300500毫米/秒(mm/sec)可得到125-80微米(μm)的切割深度。
图5示出采用本实施例提供的激光切割脆性材料的方法切割玻璃所形成的切割裂痕22(如图5中的圆圈圈住的部分裂痕)。另外，图5中的位于圆圈之外的部分裂痕为初始裂纹21，图5中的黑色部分为背景色。
图6为图5中的玻璃沿切割裂痕22裂片后其端面形态照片图，玻璃的厚度T为0.55毫米，玻璃的切割深度S为120微米。从图6中可以得知，玻璃的切割端面(图6中厚度方向上的括弧部分)及裂片端面(图6中厚度方向上的无括弧部分)均平滑而无裂纹(Crack)，玻璃的角落部分垂直度佳(90°+5°)且无裂纹及破片(Chipping)现象。
另外，本领域技术人员还可于本发明精神内做其它变化，如变更第一激光束112的种类、光学调制元件15的结构等以用于本发明等设计，只要其不偏离本发明的技术效果均可。这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种激光切割脆性材料的方法，其包括步骤：
提供一第一激光束；
利用一空间过滤器将该第一激光束过滤整形成一具预定能量密度轮廓的第二激光束；
将该第二激光束调制整形成具长条形光斑形状的一第三激光束，该第三激光束具有一前导端及一拖曳端，该第三激光束的能量密度轮廓线在该前导端的平均斜率小于在该拖曳端的平均斜率；
利用该第三激光束加热一脆性材料；以及
在该脆性材料上施加一冷却流体，以使该脆性材料沿该第三激光束的移动方向产生裂纹成长。
2.如权利要求1所述的激光切割脆性材料的方法，其特征在于该第二激光束的光斑形状为圆形、方形或条形。
3.如权利要求1所述的激光切割脆性材料的方法，其特征在于该空间过滤器包括一个透镜对以及一个针孔孔径光阑。
4.如权利要求1所述的激光切割脆性材料的方法，其特征在于该第三激光束是经由一光学调制元件调制整形该第二激光束后形成，该光学调制元件选自折射式元件、衍射式元件及折衍混合式元件之一。
5.如权利要求1所述的激光切割脆性材料的方法，其特征在于在该第三激光束加热该脆性材料的过程中，该第三激光束的能量密度轮廓保持不变。
6.如权利要求1所述的激光切割脆性材料的方法，其特征在于该第一激光束的波长与该脆性材料的吸收波长相匹配。
7.如权利要求1所述的激光切割脆性材料的方法，其特征在于该冷却流体为气液混合物。
8.一种激光切割脆性材料的装置，其包括：
一个激光产生器，用以产生一第一激光束；
一空间过滤器，用以将该第一激光束过滤整形成一具预定能量密度轮廓的第二激光束；
一光学调制元件，用以将该第二激光束调制整形成具长条形光斑形状的一第三激光束以加热一脆性材料，该第三激光束具有一前导端及一拖曳端，该第三激光束的能量密度轮廓线在该前导端的平均斜率小于在该拖曳端的平均斜率；以及
一冷却装置，用以向脆性材料施加一冷却流体，以使该脆性材料沿该第三激光束的移动方向产生裂纹成长。
9.如权利要求8所述的激光切割脆性材料的装置，其特征在于该空间过滤器包括一个透镜对以及一个针孔孔径光阑。
10.如权利要求8所述的激光切割脆性材料的装置，其特征在于该光学调制元件选自折射式元件、衍射式元件及折衍混合式元件之一。
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