CN105531074A - 用于激光切割透明和半透明基底的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本申请是针对用于用激光束处理透明或半透明材料从而使得单片材料确定性分开为两个或更多片的方法和装置。

Description

用于激光切割透明和半透明基底的方法和装置

背景技术

透明和半透明基底现在用于大量应用中。例如，大部分消费型电子设备（诸如蜂窝电话、“智能”电话、平板电脑等）包括玻璃、蓝宝石和/或玻璃状基底以保护显示设备、相机等。另外，集成触屏技术显示器的电子设备变得常见。此外，透明和半透明基底（诸如各种玻璃）常常用于微电子封装、太阳能电池制造、航空航天应用、医疗设备、制造系统等中。因此，玻璃基底现在以多种尺寸和形状来制造，其中形成有任何种类的几何特征。

现在，存在用来制造玻璃基底的许多过程。例如，机械钻孔、切割、喷砂和表面抛光在某种程度上都是用来制造玻璃基底中的各种特征的过程。虽然这些机械过程在过去已经证明稍微有用，但是已证实许多缺点。例如，在机械处理中使用消耗品材料。因此，处理成本取决于消耗品材料的成本而稍微不同。此外，这些消耗品的消耗和丢弃还可能是环境上不良或有问题的。另外，机械处理可能是劳动密集的、耗时的过程，该过程可以不能为许多应用提供必要的精确度和准确度。

然而，越来越多地使用激光来处理玻璃或类似的透明/半透明基底。与机械过程不同，基于激光的处理技术并不需要使用消耗品材料。此外，高品质激光过程与机械过程相比需要较少的后处理程序（即，抛光等）。因此，基于激光的处理提供胜过可比的机械过程的吞吐量和精确度优点。

现在，CO₂激光处理是熟知的基于激光的玻璃切割过程，更通常用于沿直线和具有非常大的曲率半径的曲线（具有大于几厘米的曲率半径的曲线）来切割玻璃。此过程通常使用CO₂激光来局部地加热玻璃和拖尾冷却气体喷射来冷却玻璃，从而产生在由玻璃基底与CO₂激光束/气体喷射之间的相对运动确定的适当方向上传播的裂缝。通常，CO₂激光处理是用于相对大的玻璃片的粗糙但快速的直线切割。虽然已经证明CO₂激光处理稍微有用，但是已证实许多缺点。例如，已经证明通过CO₂激光过程切割复杂形状、小孔（小于约200mm）和曲线（具有小于约200mm的曲率半径的曲线）是有问题的。

因此，开发出替代的基于激光的玻璃切割系统。例如，已经使用脉冲激光系统来创建所谓的“隐形冲切”切割过程。这些基于脉冲激光的切割过程使用脉冲激光源来创建子表面修改特征（裂纹、熔区、折射率改变），所述特征用来沿预期线性路径引导裂开的裂缝。这种技术的非常常见的应用是用于建立在例如晶体硅（集成电路）和蓝宝石（发光二极管）晶圆基底上的微电子和微光学设备的冲切。已经开发出类似的基于激光的切割过程来切割高应力、热和/或化学增强的玻璃（例如，康宁公司制造的“大猩猩玻璃”、旭硝子制造的“升龙玻璃”、肖特制造的“Xensation”等）。虽然各种基于脉冲激光的切割过程在过去已被证明稍微成功，但是已证实许多缺点。例如，这些先前技术的基于激光的切割过程和系统很大程度上无法沿具有小曲率半径（例如，小于约100mm的曲率半径）的弯曲路径高效且有效地切割或分开玻璃。

鉴于以上所述，不断需要用于沿任何种类的所需形状有效且高效地切割透明和半透明基底的方法和装置。

发明内容

本申请是针对用于以激光束处理透明或半透明材料从而使得单片材料确定性分开为两个或更多片的方法和装置。虽然在此包括的描述论述切割玻璃基底，但是本领域技术人员将了解，可以使用本文描述的方法和设备以任何种类的形状来切割任何种类的透明和半透明基底。示例性基底材料包括而不限于玻璃、增强玻璃、基于二氧化硅的材料、陶瓷聚合物、聚合材料和化合物、硅材料、锗材料、半导体材料和基底、蓝宝石、水晶等。此外，本文描述的过程和设备可以用于直线切割也可以用于曲线切割。

更具体来说，在一个实施例中，本申请披露通过将透明基底放置在工作表面上并且从脉冲激光系统输出至少一个脉冲激光信号的增强透明基底的方法。另外，可以调整激光信号的功率分布以形成配置成在透明基底内形成微裂缝的切割信号。随后，将切割信号引导至透明基底，这在透明基底内形成多个微裂缝。在透明基底的第一表面与第二表面之间形成微裂缝，其中多个微裂缝在透明基底内形成所需形状的切割线。随后，对透明基底施加破断力以沿所需切割线分开透明基底。

在另一个实施例中，本申请披露形成从增强玻璃基底制成的设备主体的方法。更具体来说，本申请披露将至少一个增强玻璃透明基底放置在工作表面上并且从脉冲激光系统输出至少一个脉冲激光信号。调整激光信号的功率分布以形成配置成在增强玻璃基底内形成微裂缝的至少一个切割信号。随后，将切割信号引导至增强玻璃基底，这通过切割信号在增强玻璃基底内形成多个微裂缝，微裂缝在增强玻璃基底内形成限定设备主体和废弃区的至少一个切割线。此外，在一个实施例中，在增强玻璃基底的第一表面与第二表面之间形成微裂缝。此外，可以通过激光系统在增强玻璃基底的废弃区内形成至少一个分开特征结构。随后，对增强玻璃基底施加至少一个分开力以将设备主体从废弃区分开。

此外，本申请披露切割增强透明基底的方法，其包括以下步骤：将透明基底放置在工作表面上并且从脉冲激光系统输出至少一个脉冲激光信号。调整激光信号的功率分布以形成配置成在透明基底内形成微裂缝的至少一个切割信号。此外，调整切割信号的偏振以形成具有长轴和短轴的椭圆形切割信号。将切割信号引导至透明基底，这导致通过切割信号在透明基底内形成多个微裂缝。在透明基底的第一表面与第二表面之间形成微裂缝。多个微裂缝在透明基底内形成所需形状的切割线。另外，可以移置切割信号穿过基底以在基底内形成设备主体，从而在基底内形成设备主体，其中切割信号的行进方向垂直于切割信号的长轴。随后，对透明基底施加至少一个分开力以沿所需切割线分开透明基底。

如本文描述的用于激光切割透明和半透明基底的方法和装置的其他特征和优点将从考虑以下详细描述而变得更加显而易见。

附图说明

用于激光切割透明和半透明基底的方法和装置的各个实施例将通过附图来更详细解释，其中：

图1示出经历本申请中披露的激光切割方法的透明基底的透视图；

图2示出在使用图1中所示的激光系统处理之后其中形成有若干微裂缝的透明或半透明基底的横截面图；

图3示出在使用图1中所示的激光系统处理期间其中形成有一个微裂缝的透明或半透明基底的横截面图；

图4示出在使用图1中所示的激光系统处理之后其中形成有一个微裂缝的透明或半透明基底的横截面图；

图5示出在使用图1中所示的激光系统处理之后其中形成有统一尺寸的多个微裂缝的透明或半透明基底的横截面图；

图6示出在使用图1中所示的激光系统处理之后其中形成有不统一尺寸的多个微裂缝的透明或半透明基底的横截面图；

图7示出图1中所示的激光系统的输出信号的功率分布（激光功率/脉冲宽度）的图表；

图8示出使用输出具有图7中所示的功率分布的激光信号的图1中所示的激光系统所形成的透明或半透明基底的微裂缝和表面碎片的图像；

图9示出图1中所示的激光系统的输出信号的功率分布（激光功率/脉冲宽度）的另一个实施例的图表；

图10示出使用输出具有图9中所示的功率分布的激光信号的图1中所示的激光系统所形成的透明或半透明基底的微裂缝和表面碎片的图像；

图11示出图1中所示的激光系统的输出信号的功率分布（激光功率/脉冲宽度）的另一个实施例的图表；

图12示出使用输出具有图11中所示的功率分布的激光信号的图1中所示的激光系统所形成的透明或半透明基底的微裂缝和表面碎片的图像；

图13示出由具有定制的脉冲包络的图1中所示的激光系统输出的激光信号的实施例的图表；

图14示出由具有另一个定制的脉冲包络的图1中所示的激光系统输出的激光信号的实施例的图表；

图15示出通过使用图1中所示的激光系统控制微裂缝的定向上的偏振向量定向所形成的透明或半透明基底的微裂缝和表面碎片的图像；

图16示出用于使用图1中所示的激光系统形成具有透明或半透明基底的设备主体的自动分裂过程的实施例的透视图；

图17示出用于使用图1中所示的激光系统形成具有透明或半透明基底的设备主体的自动分裂过程的实施例的透视图，其中在基底上形成切割线和自动分裂特征结构；

图18示出用于使用图1中所示的激光系统形成具有透明或半透明基底的设备主体的自动分裂过程的实施例的透视图，其中设备主体与基底的废弃区分开；

图19示出使用本文中描述的方法和装置分开形成在透明或半透明基底中的特征结构或设备的示例性方法的透视图，其中使用图1中所示的激光系统在基底内形成设备主体和废弃区；

图20示出使用本文中描述的方法和装置的形成在基底上的废弃区中的分开特征结构的形成的透视图，其中使用图1中所示的激光系统在基底内形成分开特征结构；

图21示出使用本文中描述的方法和装置形成在基底上的设备主体的分开过程的透视图；

图22示出使用本申请中描述的自动分裂过程和激光切割过程形成的设备主体的透视图；

图23示出使用本文中描述的方法和装置分开形成在透明或半透明基底中的特征结构或设备的示例性方法的透视图，其中使用图1中所示的激光系统在基底内形成设备主体和废弃区；

图24示出使用本文中描述的方法和装置的形成在基底上的废弃区中的分开特征结构的形成的透视图，其中使用图1中所示的激光系统在基底内形成分开特征结构；

图25示出使用本文中描述的方法和装置形成在基底上的设备主体的分开过程的透视图；以及

图26示出使用本申请中描述的自动分裂过程和激光切割过程形成的设备主体的透视图。

具体实施方式

图1示出经历本申请中披露的激光切割方法的透明基底的透视图。在所示实施例中，基于激光的玻璃切割系统10包括配置成支撑和放置经历处理的至少一个玻璃基底12的至少一个工作表面14。在一个实施例中，工作表面14包括能够沿X轴、Y轴和/或Z轴精确地移动玻璃基底12或者可绕X轴、Y轴和/或Z轴旋转的可移动工作表面。可选地，工作表面14可以是静止的。另外，基于激光的玻璃切割系统10包括配置成将至少一个激光信号18输出到至少一个光学套件20的至少一个激光系统16。在一个实施例中，激光系统16包括配置成在约50nm至约550m的波长下输出激光信号18的高功率混合光纤激光。例如，激光系统16可以包括由光谱物理公司制造的Quasar^TM激光，该激光被配置成输出具有约0.1W或更大的输出功率并且具有约355nm的波长的激光信号18。更具体来说，在一个实施例中，Quasar^TM激光被配置成输出在约355nm的波长下具有约0.34W的输出功率的激光信号18。本领域技术人员将了解，本发明可以使用任何种类的激光系统。在一个实施例中，激光系统16被配置成输出具有在约0.1W或更大之间的输出功率的激光信号18。例如，在一个实施例中，激光信号18具有约1W的输出功率。在另一个实施例中，输出功率为约5W。在又一个实施例中，输出功率为约10至20W。在又一个实施例中，输出功率为约35W。可选地，输出功率可以大于约35W。在另一个实施例中，激光信号18具有约150nm至约1600nm的波长。可选地，激光信号18可以具有约320nm至约380nm的波长。另外，激光系统16可以被配置成输出脉冲输出激光信号18。例如，在一个实施例中，激光系统16具有约1kHz至约250kHz的重复率。可选地，激光系统16可以被配置成输出连续波激光信号18。

再次参照图1，至少一个光学套件20从激光系统16接收激光信号18。在一个实施例中，光学套件20中包括至少一个光学设备。示例性光学设备包括而不限于透镜、镜、衍射光学元件、光学过滤器、偏振镜、偏振旋转器、偏振调整器、普克尔电池、液晶设备、光栅、光束分离器、光束成形器、光束收集器、光圈、快门、衰减器、Q开关、半导体可饱和吸收镜（SESAM）、光学支架、线性电机、单轴或多轴光学扫描器、平场聚焦物镜、远心平场聚焦物镜、万向支架、台架、检测器、摄像机等。在一个实施例中，光学套件20被配置成接收至少一个激光信号18，并调节或者以其他方式修改输入的激光信号18以产生引导至基底12上的至少一个切割信号22，由此在基底12上或内形成至少一个切割线24。在所示实施例中，至少一个切割信号22穿过自由空间传递到基底12。可选地，切割信号22可以穿过至少一个封闭的传递路径或铰接的光束检测器系统传递到基底12。在又一个实施例中，切割信号22穿过一个或多个光纤设备传递到基底12。在所示实施例中，光学套件20包括与激光系统16分开的至少一个分开元件。可选地，激光系统16和光学套件20可以共同地位于单个壳体内。另外，在一个实施例中，工作表面14、激光系统16和光学套件20中的至少一个可以被配置成可沿任何种类的轴移动。例如，工作表面14、激光系统16和光学套件20中的至少一个可以被配置成沿X轴、Y轴和/或Z轴移动，或者可绕X轴、Y轴和/或Z轴旋转。因此，工作表面14、激光系统16和光学套件20中的至少一个可以被放置在至少一个用户可控的或计算机控制的可移动台、吊架、桌、θ台、线性电机、压电式致动器等上或者包括至少一个用户可控的或计算机控制的可移动台、吊架、桌、θ台、线性电机、压电式致动器等。

图2示出经历本文披露的激光切割方法的基底的更详细透视图。如图所示，玻璃基底30包括第一表面32和至少一个第二表面34。在所示实施例中，第一表面32与第二表面34相反。可选地，第一表面32与第二表面34不需要相反。内孔36位于第一表面32与第二表面34之间。在一个实施例中，内孔36具有约0.05mm至约10.00mm的横向尺寸38，然而本领域技术人员将了解，内孔36可以具有任何横向尺寸。在一个实施例中，基底30由基于玻璃或二氧化硅的材料制成。在另一个实施例中，基底30包括增强玻璃材料。在又一个实施例中，基底由陶瓷制成。可选地，基底30可以由一种或多种聚合物制成。在另一个实施例中，基底30可以由多种材料制成。另外，基底30可以包括单片式主体，或者替代地，可以包括层压结构。

再次参照图2，可以在基底30的内孔36中形成一系列微裂缝（40、42、44）。裂缝在性质上是“微的”，取决于所使用的过程参数，其具有几微米直到几十微米的范围中的尺寸。这些微裂缝可以被创建成在整个玻璃内具有适当的密度和均匀性以便充分地弱化玻璃，并且通过创建最小阻力的路径，从而使得能够精确引导在最终破断过程期间传播的裂缝。

如图2中所示，在基底20的内孔36内在第二表面34附近形成一系列远微裂缝40。类似地，在基底20的内孔36内形成一系列中间微裂缝42。如图所示，在基底20的内孔36内在第二表面32附近形成一系列近微裂缝44。在所示实施例中，在内孔36内形成三（3）个系列的微裂缝40、42、44。本领域技术人员将了解，在基底３0的内孔36内可以形成任何数量的微裂缝。可选地，可以在第一表面32、第二表面34或二者上类似地形成微裂缝。在内孔36内制成的微裂缝的间距、形状、频率和尺寸可以通过调整激光系统16和光学套件20（参见图1）中的至少一个的功率、光束尺寸、焦点尺寸等来改变。例如，光学套件20可以被配置成具有适用于产生光会聚或将光成像到约0.5μm至约50μm的尺寸的若干光圈。因此，微裂缝40、42、44可以具有约1μm至约300μm的横向尺寸。本领域技术人员将了解，较大的微裂缝（例如，具有约100μm或更大的横向尺寸）可以使得能够更快地实现整个基底切割过程，然而，处理后的玻璃切割边缘变化将增加，这通常被认为是较低品质结果。因此，可能需要大量的额外且非所需的后处理。在一个实施例中，微裂缝40、42、44将具有约10μm至约25μm的横向尺寸。

如图2中所示，微裂缝40、42、44基本上共线地形成在基底30的第一表面32上，由此形成任何种类的所需形状、宽度、长度等的切割或分裂线46。在另一个实施例中，微裂缝40、42、44并不共线地布置，由此允许比可实现在共线堆叠架构内高的封装密度。控制切割玻璃的形状的能力由贯穿目标基底材料30的内孔36创建的一系列微裂缝40、42、44通过聚焦的激光能量的精确放置来提供。本领域技术人员将了解，含有足以形成微裂缝40、42、44的能量的切割光束22（参见图1）的分布通常可以是圆形的。在替代实施例中，切割光束22（参见图1）的分布可以形成为任何种类的形状，诸如椭圆形等。微裂缝40、42、44可以被确定大小并且放置在基底30的内孔36内的任何地方，从而使得可以用最小的努力并且以最大的品质沿预定切割线46分开基底30。较高品质通常意味着分裂边缘的最小表面粗糙度和实际分开的边缘与预期分开线46的最小偏离（“漂移”）。

图3和4示出在基底50的内孔52内形成微裂缝的过程。如图3中所示，内孔52位于第一表面54与第二表面56之间。先前在基底50的第二表面56附近形成远微裂缝58。脉冲切割光束60聚焦在内孔52内的所需中间位置62处。因此，通过对于激光系统的输出（例如，由图1中所示的激光系统16输出的光束18）的每个循环发出的总能量创建个别的微裂缝64，所述循环在某个确定性PRF（脉冲重复频率）下重复。例如，在具有100kHz的循环PRF的10W输出平均功率下操作的q开关的脉冲激光意味着10W/100kHz=100μJ能量的能量输出。此能量可以在每秒100,000次的速率下沉积。通常，此能量主要含在单个光脉冲中；且因此，称为激光的“脉冲能量”。一种表征激光脉冲能量和激光平均功率如何影响材料处理任务的方式如下：脉冲能量的量确定可以由激光在材料中实现的材料修改（消融、微裂缝等）的程度；平均功率确定可以如何快速地进行此修改。例如，如果单个100Μj激光脉冲可以创建所需的微裂缝尺寸，则发出此脉冲能量的1W激光在每秒一万的速率下进行，且因此可以每秒创建一万微裂缝；类似地，发出此相同脉冲能量的20W激光可以每秒创建两万这些特征。

图5示出在经历本文描述的激光切割过程之后的基底的横截面图。如图所示，基底70包括位于第一表面74与第二表面76之间的内孔72。已经在基底70的内孔72中形成一系列微裂缝，所述微裂缝由至少一个远微裂缝80、至少一个中部微裂缝82、至少一个中间微裂缝84以及至少一个近微裂缝86构成。如图所示，微裂缝80、82、84、86具有基本上相同的尺寸和形状。相比之下，图6示出具有远微裂缝80’和近微裂缝86’的基底70’的横截面图，远微裂缝80’和近微裂缝86’分别位于第二表面76’和第一表面74’附近，具有与中部微裂缝82’和中间微裂缝84’不同的形状和/或尺寸。因此，本领域技术人员将了解，形成在基底内的任何微裂缝的尺寸和形状可以根据需要改变。

再次参照图1和2，在激光切割过程之后，可以通过各种热和/或机械装置实现激光处理后的基底12的最终分开。在一些情况下，分开可能由于激光处理本身产生的材料内的某些应力分布和/或差异而自发地发生。示例性分开过程包括但不限于热循环、超声波处理、机械冲孔/分裂、压缩气体或真空分开。所选的分开过程对激光处理后的基底12选择性地施加足够的力以引起分开。以最高密度和均匀性布置在基底30内的微裂缝40、42、44（参见图2）将导致在激光处理完成时需要最少力（接近零）来切割基底30。在一些情况下，通过材料内优选布置的微裂缝的非常高密度，分开可以通过稍微振动和/或加速（诸如可以在材料的日常处理期间产生的振动和/或加速）来引起。

如果扫描/切割方向被认为是3维空间中的Y轴，并且穿过材料的激光束传播的方向被认为是垂直的Z轴，则应了解最大化在Y和Z轴中微裂缝的程度将具有最高吞吐量的优点，因为这将允许最高的扫描速度。还应了解，微裂缝沿垂直的X轴的任何变化将趋向于增加切割边缘粗糙度。

对于发出具有纳秒时间尺度制度的持续时间的脉冲的激光而言，历史上难以将微裂缝定位成非常靠近表面而不会碰巧损坏这些表面（碎片、破断、裂开等）。鉴于此原因，在本申请的背景中详述的先前技术脉冲激光系统故意地将脉冲激光能量的焦点定位在被处理的基底的核芯内，将基底的第一和第二表面与入射的激光能量隔离开。将微裂缝定位在基底的第一和/或第二表面附近的先前尝试通常导致产生大的（即，大于约40μm）不良表面碎片。脉冲能量的减少可能稍微减少碎片尺寸；然而，将基本上减少所得的微裂缝的Z和Y程度。另外，也将减少激光切割过程的吞吐量。另外，所得的碎片尺寸可能仍不能为一些应用接受。例如，图7用图表示出用于切割玻璃基底的典型先前技术脉冲激光的功率对时间输出。图8示出当这种类型的脉冲激光输出用于在第一表面紧密附近产生微裂缝时所得的玻璃表面损坏/碎片。如图所示，基底90具有第一横向尺寸的若干第一微裂缝92和具有第二横向尺寸的若干第二微裂缝94，所述第二横向尺寸比第一微裂缝92的横向尺寸大几个量级。

图8中展示的表面碎片的尺寸为约50μm，并且沿扫描光束路径可以是随机的。图中描绘的3条线中的每一个具有激光束相对于基底表面的稍微不同的聚焦位置。图8示出当在材料表面附近产生强热梯度（由用于处理诸如玻璃的易碎透明材料的典型纳秒脉冲激光源引起）时的典型结果。

相比之下，本申请中描述的装置和方法使用在基底上引导以实现最佳结果的能量的新颖功率分布（功率对时间），特别是当在基底表面附近形成微裂缝时。更具体来说，本申请中使用的替代技术允许通过激光的每个循环产生基本上多于单个激光脉冲。例如，如果激光系统的循环频率是约100kHz，则对于每10μs循环间隔激光可以发出基本上多于1个光脉冲。此外，这种技术允许定制的功率包络的数字编程——即，激光发出功率对时间的时间间隔可以高灵活性来定制。图9示出由分开约55ns的5个脉冲构成并且包含在约250ns的时间窗口内的此定制的功率包络——如由快速光电二极管功率检测器检测并且显示在高速示波器上。图10示出使用图9中所示的定制的功率包络的基底的光学显微镜图像中明显的玻璃碎片的减少。更具体来说，基底90’具有第一横向尺寸的若干第一微裂缝92’和具有第二横向尺寸的若干第二微裂缝94’，所述第二横向尺寸比第一微裂缝92’的横向尺寸稍大。如图所示，图10中所示的第二微裂缝94’比图8中所示的第二微裂缝94小几个量级。由5个脉冲的群组在250ns定制窗口中产生的玻璃碎片的程度比图7中所示的具有单个脉冲的程度相比更好。碎片尺寸被减少约50%至约25μm。另外，碎片的尺寸更一致。

图11和12示出使用定制的功率包络的激光切割玻璃过程的结果。图11示出能够发出定制的功率输出包络的激光系统的输出。更具体来说，图11用图表示出在可变脉冲功率的情况下功率对时间。图12示出使用图11中所示的定制的功率包络的处理后的玻璃基底的光学显微镜图像。如图所示，配置成输出具有图11中所示的定制的输出功率包络的信号的激光系统提供比图7和8中所示的先前技术激光系统显著少的不良碎片。

图7-12展示定制特定时间窗内的激光能量输出与常规的单脉冲过程相比可以如何提供表面碎片的可论证的激烈改进。本领域技术人员将了解，提供最佳结果的功率定制的包络的特定分布在某种程度上可以取决于基底的光学和热性质以及各种其他过程参数，包括但不限于激光照射的波长、功率定制的包络内可用的总能量、朝向基底投影的焦点尺寸的尺寸、投影的焦点相对于基底的位置以及所发出的能量的PRF（或激光循环时间）。图12示出与图8和10中所示的表面碎片相比时碎片的最佳减少。更具体来说，基底90’’具有第一横向尺寸的若干第一微裂缝92’’和具有第二横向尺寸的若干第二微裂缝94’’，所述第二横向尺寸比第一微裂缝92’’的横向尺寸稍大。如图所示，图12中所示的第二微裂缝94’’比图8和10中所示的微裂缝94’小几个量级。

在一个实施例中，含有发出的激光能量的包络（在某个激光循环频率下重复）可以包含在2与100个光脉冲之间，每个脉冲具有＞.0005纳秒（下文ns）或者更多并小于500ns的FWHM（全宽度半最大）时间宽度，所述脉冲的功率最大值在时间上分开大于约1ns并且不大于约1000ns的时间，并且包含在具有约1ns与1000ns之间的时间尺寸的定制包络内。激光循环频率可以在约1Hz与约10000kHz之间。本领域技术人员将了解，在一些实施例中，相邻脉冲之间的功率可能并不恢复到约零的值；而是相邻脉冲之间的功率可能仅减少基本上接近于先前脉冲的最大值的约50%的百分比。在此状况下，还可以认为发出能量可以被定制为一个或多个脉冲，每个脉冲并不平滑地且单调地升高并且随后降到功率的最大值并且从功率的最大值下降；而是包络中的一个或多个脉冲被调制以使得存在至少两个功率最大值，每个最大值分开约1ns与约1000ns之间的某个时间长度，其中功率减少基本上接近于先前最大值的约50%的量。图13和14用图表示出以上描述的定制的脉冲包络的参数。

可选地，入射激光束的偏振可以变化或改变，以便就例如分裂的侧壁表面粗糙度、切割边缘与预期切割线的偏离等而言，产生最高处理吞吐量和最高结果品质。本领域技术人员将了解，如果微裂缝可以被定向成使得它们沿预期切割方向（与激光束与目标材料之间的相对运动相同的方向）延伸到较大程度并且沿垂直方向延伸到较少程度，则实现微裂缝的优选定向的能力将允许较高的处理速度和较少的边缘变化。如果激光偏振（入射激光脉冲的电场向量的定向）是线性的并且基本上垂直于预期切割方向并且基本上平行于基底表面定向，则可以实现此定向。作为更一般性的陈述，当照射的激光能量使得椭圆形偏振（定义为对激光照射的电场具有长轴和短轴分量）定向成使得偏振椭圆的长轴基本上垂直于切割方向并且基本上平行于材料表面时，实现所需的微裂缝定向。作为用于理想微裂缝定向的唯一且理想的情景，椭圆形偏振的短轴将具有近似零的值；且因此光束近似地线性偏振，其中偏振垂直于预期切割方向并且平行于材料表面定向。图15展示控制在微裂缝的定向上偏振向量定向的效果。本领域技术人员将了解，其他参数可能影响微裂缝的定向。例如，可以使用具有某个椭圆形的激光束来引起微裂缝的定向的偏好。这些参数可以与本文描述的偏振控制互补使用。

如图6中所示，可以通过沿预期切割的方向定向微裂缝来实现若干优点。例如，可以在对于给定激光循环时间或PRF的较高速率下将在激光输出的每个循环产生的微裂缝放置成彼此紧密相邻，这有利于在激光处理之后容易分开。另外，切割边缘将具有与预期切割路径的较少量的偏离，因为应力集中器较少延伸远离预期切割方向。此外，具有理想的微裂缝定向的完成的产品切割与非理想定向相比有可能具有较大的抗冲击力、弯曲强度等，因为应力传播路径较少延伸到零件主体中。可选地，激光系统可以被配置成输出具有圆形偏振（椭圆形偏振的特别状况，其具有等于1的椭圆率）的光学信号，这在一些应用中可能趋向于使得微裂缝的定向相对于预期切割路径均匀。另外，本领域技术人员将了解，市场中存在某些能够基于输入信号（诸如用户控制的模拟或数字电压或电流信号）快速且精确地调整激光束的偏振状态（定向、椭圆率等）的光学部件，从而允许沿例如弯曲、圆形、椭圆形等的切割线的整个周边维持优选的偏振状态和定向（且因此维持优选的微裂缝定向）。对于具有圆形对称（诸如圆形和椭圆形）的预期切割路径应进一步了解，可能优选地通过使用激光束的两个不同且分开的扫描（或者材料的类似平移）来交错微裂缝，每个扫描是以(1)基本上平行于材料表面并且(2)彼此垂直的偏振定向来执行。也就是说，可以使用两步骤过程，其中沿相同的弯曲路径但是以偏振定向在两个步骤之间旋转近似90度来形成微裂缝。

图16-18示出用于处理玻璃、透明和/或半透明基底的激光自动分裂过程的实施例。图16示出透明基底102。在一个实施例中，基底102包括玻璃基底。在另一个实施例中，基底102包括增强玻璃基底。可选地，基底102可以包括一种或多种二氧化硅材料、陶瓷、蓝宝石、聚合物、气凝胶、半导体材料、透明材料、半透明材料等。

返回参照图16，至少一个设备主体106由至少一个切割线104限定。因此，在基底102上形成至少一个设备主体106和至少一个废弃区108。在一个实施例中，切割线104包括如以上在段落[0007]-[0015]中描述并且在图1-5中示出的一系列微裂缝。在一个实施例中，形成切割线104的微裂缝位于基底102的主体内。本领域技术人员将了解，形成切割线104的微裂缝可以形成在基底102内的任何地方。如以上所描述（参见[0007]-[0015]），在一个实施例中，形成切割线104的微裂缝被配置成修改基底102的内部结构。因此，可以从基底102移除或者可以不从基底102移除材料，而是在基底102的主体内形成微裂缝。如图17中所示，一旦形成切割线104，则在基底102上在切割线104上或附近的各个位置处形成一系列自动分裂特征结构110。在一个实施例中，自动分裂特征结构110被配置成在设备主体106与废弃区108之间创建稍微分开的区域。在一个实施例中，分开区域是通过在自动分裂特征结构110的形成期间将由于施加激光能量而产生的热应力引入到切割线104上或附近的区域来形成。在一个实施例中，分开区域将设备主体106从废弃区108分开。在另一个实施例中，分开区域仅将设备主体106的部分从废弃区108分开。如图18中所示，一旦形成自动分裂特征结构110，则基底102可以经历分开处理。图19-26示出使用本文描述的方法和装置分开形成在透明或半透明基底中的特征结构的两种示例性方法。如图19中所示，用以上在段落[0008]和[0009]中描述的激光系统照射主基底202。在一个实施例中，在基底202中形成包括多个微裂缝的至少一个设备轮廓切割线204，由此限定至少一个至少一个设备主体206和至少一个废弃区208。替代地，在基底202中可以形成沿预期轮廓切割线或者显著靠近预期轮廓切割线的单个连续的大裂缝或多个连续的大裂缝段，由此限定至少一个至少一个设备主体206和至少一个废弃区208。如以上所描述，切割线可以形成为任何种类的形状和尺寸（参见图2-4，以上段落[00010]-[00015]）。

如图20中所示，随后，可以通过激光系统在废弃区208内形成一个或多个补充分开特征结构210。在一个实施例中，分开特征结构定位成远离切割线204。在另一个实施例中，分开特征结构位于靠近切割线204。另外，分开特征结构210可以线性地形成、非线性地形成和/或在废弃区208内随机地形成。在一个实施例中，形成在废弃区208中的分开特征结构210中的至少一个具有比形成切割线204的微裂缝（参见图2，微裂缝40、42、44）大的横向尺寸。可选地，分开特征结构210中的至少一个可以具有比形成切割线204的微裂缝小的横向尺寸。另外，分开特征结构210可以根据需要形成为任何种类的形状和尺寸以使得能够将设备主体206从废弃区208有效分开。

随后，如图21中所示，可以使用任何种类的方法将设备主体206从废弃区208分开。例如，在一个实施例中，使得形成在废弃区208中的切割线204和分开特征结构210经受热应力，由此沿形成设备主体206的切割线204产生裂缝的所需传播以及产生废弃区208内的基底202的至少一个分开裂缝。在另一个实施例中，对废弃区208内的分开特征结构210施加机械分开力。示例性分开力包括而不限于激光引起或者以其他方式引起的热应力、振动、声波等。另外，在一些实施例中，设备主体206与废弃区208的分开在无需施加分开力的情况下发生。在所示实施例中，分开裂缝在废弃区208内可以是随机的。在另一个实施例中，废弃区内的分开特征结构不是随机的。如图22中所示，在施加分开力之后提供具有所需形状的设备主体206。

类似地，图23-26示出使用段落[00026]-[00028]中描述的分开技术形成基底内的至少一个特征结构的一种方法。如图23中所示，在基底302内形成一个或多个切割线304。在所示实施例中，切割线304形成其中形成有至少一个废弃区308的至少一个设备主体306。如图24中所示，在废弃区308内形成一个或多个分开特征结构310。随后，对如图25中所示形成在废弃区308中的切割线304和/或分开特征结构310中的至少一个施加至少一个分开力。图26示出在将废弃区308从基底302分开之后所得的设备主体306。

本文披露的实施例说明本发明的原理。可以使用在本发明的范围内的其他修改。因此，本申请中披露的设备并不限于精确地如本文所示出和描述的设备。

Claims (36)

1.一种激光切割透明和半透明基底的方法，包括：

将至少一个基底放置在工作表面上；

从脉冲激光系统输出至少一个脉冲激光信号；

调整激光信号的至少一个功率分布以形成配置成在基底内形成微裂缝的至少一个切割信号；

将切割信号引导至基底；

通过切割信号在基底内形成多个微裂缝，微裂缝形成在基底的第一表面与第二表面之间，多个微裂缝在基底内形成所需形状的至少一个切割线；以及

沿至少一个所需切割线分开基底。

2.如权利要求1所述的方法，其进一步包括将增强玻璃基底放置在工作表面上。

3.如权利要求1所述的方法，其进一步包括将非增强玻璃基底放置在工作表面上。

4.如权利要求1所述的方法，其进一步包括将蓝宝石基底放置在工作表面上。

5.如权利要求1所述的方法，其进一步包括选择性地移动基底和激光系统中的至少一个，由此允许切割信号可控地穿过基底的表面。

6.如权利要求1所述的方法，其进一步包括绕X轴、Y轴和Z轴中的至少一个移动激光系统。

7.如权利要求1所述的方法，其进一步包括绕X轴、Y轴和Z轴中的至少一个旋转激光系统。

8.如权利要求1所述的方法，其进一步包括绕X轴、Y轴和Z轴中的至少一个移动放置在工作表面上的透明基底。

9.如权利要求1所述的方法，其进一步包括绕X轴、Y轴和Z轴中的至少一个旋转放置在工作表面上的透明基底。

10.如权利要求1所述的方法，其进一步包括在基底内形成一个或多个远微裂缝，远微裂缝在透明基底的第二表面附近形成，基底的第二表面放置在工作表面附近。

11.如权利要求1所述的方法，其进一步包括在基底内形成一个或多个中部微裂缝，中部微裂缝形成在基底的第一与第二表面之间透明基底内的中心处。

12.如权利要求1所述的方法，其进一步包括在基底内形成一个或多个近微裂缝，近微裂缝在透明基底的第一表面附近形成，基底的第一表面放置成远离工作表面。

13.如权利要求1所述的方法，其进一步包括：

在基底内形成一个或多个远微裂缝，远微裂缝在透明基底的第二表面附近形成，基底的第二表面放置在工作表面附近；

在基底内形成一个或多个中部微裂缝，中部微裂缝形成在基底的第一表面与第二表面之间透明基底内中心处；以及

在基底内形成一个或多个近微裂缝，近微裂缝在透明基底的第一表面附近形成，基底的第一表面放置成远离工作表面。

14.如权利要求1所述的方法，其进一步包括用具有椭圆形偏振的切割信号照射基底。

15.如权利要求14所述的方法，其进一步包括调整椭圆形偏振的切割信号的短轴以具有约零的值。

16.如权利要求14所述的方法，其进一步包括调整椭圆形偏振的切割信号的短轴和长轴中的至少一个以具有约一的值。

17.如权利要求1所述的方法，其进一步包括调整切割信号的偏振以接近于圆形偏振的信号。

18.如权利要求1所述的方法，其进一步包括调整切割信号的偏振以接近于线性偏振的信号。

19.如权利要求5所述的方法，其进一步包括：

调整切割信号的偏振以接近于线性偏振的切割信号；

可控地移动线性偏振的切割信号穿过基底，其中切割信号的行进方向垂直于切割信号的偏振；以及

在移动切割信号穿过基底的同时，可控地调整切割信号的线性偏振的定向以维持与切割方向垂直的角度上的偏振。

20.如权利要求5所述的方法，其进一步包括：

调整切割信号的偏振以接近于线性偏振的切割信号；

可控地移动线性偏振的切割信号穿过基底，其中切割信号的行进方向平行于切割信号的偏振；以及

在移动切割信号穿过基底的同时，可控地调整切割信号的线性偏振的定向以维持与切割方向平行的角度上的偏振。

21.如权利要求1所述的方法，其进一步包括对基底施加破断力以沿切割线分开基底。

22.如权利要求21所述的方法，其中破断力包括在基底中在切割线附近创建热应力。

23.如权利要求21所述的方法，其中破断力包括在基底中在切割线附近创建内部应力。

24.如权利要求21所述的方法，其中破断力包括对切割线附近的基底施加机械力。

25.如权利要求１所述的方法，其进一步包括：

在用切割信号照射基底的同时移动激光系统和基底中的至少一个，从而使得切割线可控地穿过基底；

在基底中形成具有设备形状和至少一个废弃区的至少一个设备主体；

在废弃区中形成一个或多个分开特征结构；以及

将设备主体从废弃区分开。

26.如权利要求1所述的方法，其进一步包括在基底中形成统一横向尺寸的微裂缝。

27.如权利要求1所述的方法，其进一步包括在基底中形成非统一横向尺寸的微裂缝。

28.如权利要求1所述的方法，其进一步包括在基底中形成具有约1μm至约100μm的横向尺寸的微裂缝。

29.如权利要求1所述的方法，其进一步包括在基底中形成具有约10μm至约25μm的横向尺寸的微裂缝。

30.一种在透明和半透明基底中形成设备主体的方法，包括：

将至少一个基底放置在工作表面上；

从脉冲激光系统输出至少一个脉冲激光信号；

调整激光信号的功率分布以形成配置成在基底内形成微裂缝的至少一个切割信号；

将切割信号引导至基底；

通过切割信号在基底内形成多个微裂缝，微裂缝在基底内形成限定设备主体和废弃区的至少一个切割线，微裂缝形成在基底的第一表面与第二表面之间；

通过激光系统在基底的废弃区内形成至少一个分开特征结构；以及

将设备主体从废弃区分开。

31.如权利要求30所述的方法，其进一步包括将增强玻璃基底放置在工作表面上。

32.如权利要求30所述的方法，其进一步包括将非增强玻璃基底放置在工作表面上。

33.如权利要求30所述的方法，其进一步包括将蓝宝石基底放置在工作表面上。

34.如权利要求30所述的方法，其进一步包括对工作表面施加热分开力以将设备主体从废弃区分开。

35.如权利要求30所述的方法，其进一步包括对工作表面施加机械分开力以将设备主体从废弃区分开。

36.一种切割增强透明基底的方法，包括：

将透明基底放置在工作表面上；

从脉冲激光系统输出至少一个脉冲激光信号；

调整激光信号的功率分布以形成配置成在透明基底内形成微裂缝的至少一个切割信号；

调整切割信号的偏振以形成具有长轴和短轴的椭圆形偏振的切割信号；

将切割信号引导至透明基底；

通过切割信号在透明基底内形成多个微裂缝，微裂缝形成在透明基底的第一表面与第二表面之间，多个微裂缝在透明基底内形成所需形状的至少一个切割线；

移置切割信号穿过基底以在基底内形成设备主体，从而在基底内形成设备主体，其中切割信号的行进方向垂直于切割信号的椭圆形偏振的长轴；以及

对透明基底施加至少一个破断力以沿所需切割线分开透明基底。