CN105682848A - 用于处理激光透明的衬底以便随后分离所述衬底的方法 - Google Patents
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Abstract
提出一种用于处理激光透明的衬底(1)的方法,其用于随后沿分离区域(2)分离所述衬底(1),所述方法具有以下方法步骤:a)在衬底位置(3)处在激光射线(4)的如此调节的射线参数(zr,w0,l0,λ)下照射衬底内部,使得在所述激光射线(4)中形成在射线方向(11)上棒形的或梨形缩细的体积区域(5),在所述体积区域中超出用于产生改性的阈积分通量(φS),以便在所述衬底内部在所述衬底位置(3)处产生改性区域(8);b)在至少一个另外的衬底位置(3′)处实施步骤a.以便形成包括所述改性区域(8)的分离区域(2)。
Description
技术领域
本发明涉及用于处理激光透明的衬底以便随后分离该衬底的方法。
背景技术
这种方法例如由EP2258512A1已知。在现有技术中,衬底被局部熔化,从而在衬底内部产生在结构上被弱化的区域。通过在被弱化区域上的机械效应折断并且因此分离该衬底。
WO2011/025908A1公开一种用于以激光射线切割在经化学硬化的玻璃的方法,所述激光射线的波长对于经化学硬化的玻璃是透明的。激光射线在此聚焦在经化学硬化的玻璃的内拉伸区域中。
由WO2012/006736A2已知用于衬底的预备裂缝的方法,其中,以激光射线如此照射衬底,使得通过激光射线的自聚焦产生丝(Filamente),随后可以沿着丝使衬底分裂。
最后,EP1494271A1公开一种借助激光射线分割衬底的方法。激光射线在衬底内部聚焦在一个点上,该点用作用于分割衬底的初始点。
在已知的用于分离衬底的方法中,经常不能够实现切割边沿或分离面的所要求的品质或质量。在切割边沿或分离面的区域中尤其出现所谓的“空隙(Voids)”,也就是说,衬底材料中的小的裂纹和/或空腔,其可以是衬底中的损坏区并且例如是所不希望的继续延伸的裂纹的初始点。此外,在分离衬底时、尤其在分离在化学预张紧的玻璃时,借助材料去除方法得到不利地长的加工时间以及部分地也得到切割边沿或分离面的不令人满意的品质。因此,通过这种方法典型地得到具有大于4°锥形角(Taperwinkel)的切割边沿。此外,具有大于40μm的层厚(英文“DepthOfLayer”或DOL)的预张紧的玻璃的纯机械分离通常是不可能的。
发明内容
所述方法基于如下任务,说明一种用于处理激光透明的衬底以便随后分离该衬底的方法,其克服现有技术的缺点。尤其应改善拆分的衬底部分的切割边沿的或分离面的品质。
所述任务通过一种用于处理激光透明衬底以便随后沿分离区域分离衬底的方法来解决,所述方法具有以下方法步骤:
a)在衬底位置处在激光射线的如此调节的射线参数下照射衬底内部,使得在所述激光射线中形成在射线方向上棒形的或梨形缩细的体积区域,在所述体积区域中超出用于产生改性的阈积分通量(Schwellfluenz)(φS),以便在所述衬底内部在所述衬底位置处产生改性区域;
b)在至少一个另外的衬底位置处实施步骤a.)以便形成包括所述改性区域的分离区域。在此,所述改性可以既由键合变化和密度变化又由瞬态效应——如增大的电子密度或增高的温度组成。
通过根据本发明的方法,此外得到以下优点。在衬底中产生的改性区域共同构成一个分离区域,沿该分离区域,衬底在处理步骤之后可以通过简单的方式分离为一个或多个衬底部分。通过以下方式——根据本发明如此调节射线参数,使得在激光射线中形成在射线方向上棒形的或梨形缩细的体积区域,在该体积区域中超出用于产生改性的阈积分通量——在衬底或在分离区域中不产生空隙(裂纹或空腔),而是产生均匀地且统一改性的分离区域,该分离区域在分离过程之后引起在衬底部分处的高表面品质的平滑的且洁净的分离面。通过根据本发明的在激光射线中的棒形的或梨形缩细的体积区域,在衬底中产生改性区域,在该改性区域中可以积聚用于稍后分离所需的力。在根据本发明的方法中,在此为了产生分离区域,基本不需要在激光射线传播方向上的焦点位置移位。另一方面,通过在棒形的或梨形缩细的体积区域中的激光射线可以引入相对高的能量到衬底中,从而能够实现减慢的冷却并且因此在衬底中出现随之而来的更小的温度梯度。以这种方式也可以利用瞬态效应来分离。在此能够实现两种边界情况:在这两个边界情况之一中可以实现永久改性,在另一边界情况中实现暂时改性。在第二种情况下,这通过更高的热输入、例如通过暂时改性区域的更大的重叠来实现。在这种情况下,暂时改性区域的体积更大,暂时改性区域冷却更慢,从而可以恢复改性。根据本发明,衬底的内部通过改性区域如此预处理,使得其随后可以简单地、也就是说通过例如微小的手动操作力耗费来分离。仅仅在分离的情况下调节(唯一的)贯通的、将衬底分离成一个或多个衬底部分的裂纹。根据本发明,不仅预张紧的而且未预张紧的衬底或玻璃可以以0°锥形角和相对高的加工速度来分离。该方法此外能够实现:分离具有在50μm至5mm、尤其0.3mm至1.1mm的范围中的材料厚度的透明衬底材料(例如在化学上预张紧的以及未预张紧的衬底)。通过根据本发明的方法,基本上可以实现任意的切割轮廓或切割几何形状。
棒形的或梨形缩细的体积区域的纵向延伸典型地显著大于其横向延伸,其中,棒形的或梨形的体积区域的纵向延展方向(在一定程度上棒纵向或梨纵向)与激光射线的射线方向(或者激光射线轴向方向)通常重叠或互相平行地定向。待处理的或待分离的衬底典型地片形地、也即平坦地构造,其中,激光射线的射线方向通常与片形衬底的衬底表面正交地入射或定向。棒形的或梨形缩细的体积区域表示通过相同积分通量的或射线强度的等照度线(isophote)、也即通过封闭的面限界的体积。棒形的或梨形的体积区域典型地包围激光射线的焦点。
通过在根据本发明调节的射线参数下照射衬底,或者通过激光射线的基本上棒形的或梨形缩细的体积区域对衬底材料的作用,在衬底中通过能量的吸收产生改性区域,改性区域具有基本上相应于所述体积区域的形状(同样在射线方向上缩细的棒形或梨形)。因此,改性区域分别基本上沿激光射线的射线轴线延伸并且在入射区域(激光射线在其中入射到衬底中的区域)中具有比在激光射线的传播方向上随后的下面的部分区域中更大的横向延伸。改性区域的在一端棒形或梨形扩宽的形状的原因是,在形成改性区域期间在入射区域中已经吸收激光射线的能量,使得在改性区域的在激光射线的传播方向上紧随的在下面的部分区域中提供更少的能量并且基于阈行为(Schwellverhalten)将所述能量存储在更小的区域中。用于产生改性的阈值基本上与被处理衬底材料相关。对于用于产生改性的阈积分通量的典型值是大约10J/cm2。改性区域的横向延伸或者说宽度(在进给方向上的宽度)典型地是在8μm至10μm之间并且其纵向延伸或者说长度通常是大约几百μm。
基本上波长1064nm、1030nm、800nm、515nm以及343nm的红外辐射、可见光辐射和UV辐射可以用作用于产生棒形的或梨形缩细的体积区域的辐射。显而易见,也可以使用具有位于这些值之间的波长的辐射。在此,可以应用具有焦距f=3mm和f=100mm、尤其f=10mm至56mm的光学器件。对于根据本发明的方法在焦点处典型地使用1010W/cm2至1017W/cm2、尤其1013至1014W/cm2的辐射强度。
在一种优选的方法变型方案中,如此调节射线参数,使得体积区域的衬底表面侧端部的最大横向延伸与体积区域的最大纵向延伸的比例是在1/2至1/150之间、尤其在1/10至1/70之间。通过这种方式,在沿分离区域分离衬底之后得到在互相分离的衬底部分处的特别高质量的分离面。尤其可以实现具有镜面平滑表面的分离面。衬底表面侧端部尤其理解为棒形的或梨形的体积区域的末端区域。
该方法的一种变型方案也是优选的,其中,如此调节射线参数,使得所产生的改性区域具有大于3μm的宽度。以这种方式实现了:改性区域的体积相对大。现在可能的是,积聚对于分离所需的力。还可以通过相对大的体积使得所储存的能量可用于瞬态效应。
在另一种优选的方法变型方案中,如此调节作为射线参数的瑞利长度zr、激光射线中的脉冲能量E、激光射线的脉冲持续时间τ以及波长λ,使得根据
其中:knl作为修正因子;φS作为用于在衬底材料中产生改性的阈积分通量,所产生的改性区域分别具有相应于大于3μm的宽度的长度l(Zr)。在此,瑞利长度zr通过与波长λ和最小射线半径w0相关。因此以类似的方式可以有利地达到改性区域的相对大的体积。相应地,可以积聚对于分离所需的力并且使得所储存的能量可用于瞬态效应。
在另一种优选的方法变型方案中,为了在所述另外的衬底位置处照射所述衬底内部,使所述激光射线相对于所述衬底分别尤其平行地移动最小激光射线半径的0.01倍至5倍、尤其0.3倍至2倍。以这种方式,在永久改性的边界情况下,互相排列多个、尤其软管形构造的改性区域,而各个改性区域在其产生时没有不利地彼此影响。通过选择相应的平行移动来阻止相邻布置的改性区域的相交。相邻的改性区域之间的距离在7μm的焦点直径的情况下例如可以是8μm至20μm。
优选地,在从一个衬底位置到另外的衬底位置的相对移动期间中断所述衬底的所述照射。替代地,在相邻衬底位置之间相对移动期间,可以连续地或至少以减小的强度运行激光射线。
特别优选地,用于在相邻的衬底位置之间移动所述激光射线的速度(移动速度)与所述激光射线的脉冲率的比例位于0.1μm至50μm之间、尤其1μm至20μm之间。以这种方式,既可以产生均匀且清晰的分离面,而在此不引起空隙或其他损害区,此外又可以避免基于热积聚的负的热学效应。
在另一种优选的方法变型方案中,当衬底厚度d0与所述最小射线半径w0的比例位于大约30和大约800之间、尤其大约30和大约100之间的范围中时,在所述衬底内部产生多个在所述射线方向上相叠地布置的改性区域。以这种方式,也可以依照根据本发明的方法分离以下衬底:所述衬底的厚度显著大于单个改性区域的长度。为了相叠地布置改性区域,可以相应地在射线方向上、也即在激光射线的传播方向上改变激光射线的焦点位置。
在以上方法变型方案的方法扩展中,分别借助一个另外的激光射线产生相叠地布置的改性区域。通过衬底的这种同步的或并行的处理,可以在分离相对厚的衬底时加速根据本发明的方法流程。对此,例如可以使用双焦点光学器件。引起衬底部分分离的裂纹可以因此同时沿相叠地布置的改性区域延伸,其中,尤其可以应用瞬态效应。
还优选该方法的一种变型方案,其中,借助在所述衬底位置处分别引入的激光脉冲产生所述改性区域。通过在衬底上初始相对弱的作用或入射(通过相对弱的第一脉冲),可以在相同位置上更好地吸收另外的(相对较弱的)脉冲。以这种方式,可以进一步避免空隙的产生和由此造成的不希望的裂纹扩散,其中,总共可以存储更多能量。为了在激光射线中产生棒形的或梨形缩细的体积区域,可以选择或调节在1μJ至5mJ(典型100μJ至500μJ)或者10fs至50ps、典型地700fs至20ps的范围中的脉冲能量和脉冲持续时间作为另外的射线参数。在一种方法变型方案中,也可以将激光脉冲在空间上互相分离地引入到衬底中。这种优选在5μs–1ms的间隔中进行。
也优选以上方法变型方案的一种方法扩展,其中,所述激光脉冲以在时间上的1ps至100ns的脉冲间隔彼此相继。以这种方式,实现到衬底材料中的更温和或更保护性的能量输入。更高效地进行能量吸收,并且可以在衬底材料中存储更多能量。彼此相继的激光脉冲构成所谓的脉冲群(脉冲组)。为了产生脉冲群,典型地将具有高能量的(主)脉冲分为具有较低能量而相同峰值功率的多个脉冲。
在一种优选的方法变型方案中,在所述衬底内部中与至少一个衬底表面间隔开直至所述衬底厚度d0的15%地构造所述体积区域。以这种方式,改性区域不是完全从一个衬底表面直至相对置的其他衬底表面地产生,而是直接邻接衬底表面的区域保持不被处理。
优选,从以下组中选出衬底材料,所述组包括:透明陶瓷、半导体、(薄)层系统或由之前提及的衬底材料组成的复合材料以及金属、聚合物、透明导体、玻璃、石英晶体、金刚石、和蓝宝石。这种衬底材料典型地是激光透明的。
最后优选一种方法变型方案,其中,通过机械方法或化学方法沿包括所述改性区域的分离区域分离所述衬底。作为机械分离方法,例如可以用手或借助相应的抓取机(Greifmaschine)将衬底分离成两个或更多个衬底部分。通过衬底内部的(预)处理,可以特别简单地、也即仅仅借助微小的力耗费分离衬底。在分离时出现唯一的贯通的、将衬底分离成一个或多个衬底部分的裂纹并且在相应的衬底部分处产生分离面。在利用瞬态效应的情况下,在巧妙选择参数的情况下分离材料而不需要另外的再处理。
本发明的主题的另外的优点和有利的构型由说明书、权利要求和附图得出。同样地,先前提及的和还要进一步列出的特征可以单独地或多个任意组合地应用。所示出的和所描述的实施方式不应理解为穷举,而是相反地说具有用于本发明的描述的示例性特点。附图强烈示意性地示出根据本发明的主题并且不应理解为按比例的。
附图说明
图1以透视性视图示出衬底,根据本发明借助激光射线引入改性区域到衬底中;
图2示出在空气中传播的激光射线的示意性横截面,在横截面的内部形成哑铃形体积区域(左),以及示出衬底的示意性横截面,在横截面的衬底内部产生了改性区域(右);
图3示出衬底的示意性横截面,在横截面的衬底内部在激光射线的传播方向上形成相叠地布置的改性区域;以及
图4示出一图形,其对于不同射线能量示出改性区域的长度与激光射线的瑞利长度之间的关系。
在附图的以下描述中,对于相同的或功能相同的部件使用相同的附图标记。
具体实施方式
参考图1和2,在下面描述用于处理激光透明衬底1、例如在化学上被硬化的玻璃以便接着沿分离区域2分离衬底1的方法。
根据第一方法步骤,在第一衬底位置3处在激光射线4的如此调节的射线参数下照射衬底内部,使得在激光射线4中形成在射线方向11上棒形的或梨形缩细的体积区域5,所述体积区域具有超出用于产生改性的阈值的积分通量或辐射强度(参考图2,右)。在此,在脉冲持续时间确定的情况下,辐射强度相应于激光射线的积分通量。尤其如此调节激光射线4的射线参数,使得体积区域5的衬底表面侧端部6的最大横向延伸A1与体积区域5的最大纵向延伸A2的比例是大约1/40,从而在所述衬底内部中与至少一个衬底表面7间隔开直至所述衬底厚度d0的15%地构造所述体积区域5。激光射线4的积分通量在此例如被调节到160J/cm2上。
在图2中在左边示出的状态适用于在空气中传播的激光射线4。在此产生哑铃形的体积区域5′,即通过相同辐射强度的封闭面(所谓的等照度线)限界的区域。哑铃形的体积区域5′同样在其衬底表面侧端部6处具有最大横向延伸A1和最大纵向延伸A2。在图2中(左)还示出在所聚焦的激光射线4中的、分别相同的积分通量或辐射强度的在体积区域5的内部布置的其他面。
通过在激光射线4中或者在衬底内部以超出用于产生改性的阈值的积分通量或辐射强度构造棒形的或梨形缩细的体积区域5,辐射能量在通过激光射线4的射线焦散面限界的区域中被引入或存储到衬底内部。这又导致,在衬底内部通过在相应衬底位置3处的吸收产生基本上相应于体积区域的形状的改性区域8(同样对比图2,右)。改性区域8如同体积区域5那样基本上沿激光射线4的射线轴线9延伸并且在入射区域10中、即在激光射线4在其中入射到衬底1中的区域中相比于在射线方向11上(在激光射线4的传播方向11上)与此连接的在下面的部分区域12中具有更大的横向延伸B1。改性区域8因此同样具有棒形的或梨形的在一端(在图2上部中)增厚的且在另一端(在图2下部中)缩细的、具有最大纵向延伸B2的形状。
根据另一个方法步骤,借助在激光射线4中相应地构造的体积区域5,在至少一个另外的、尤其相对激光射线4的射线方向11横向移动的衬底位置3′处实施衬底内部的照射,以便构造包括改性区域8的分离区域2。例如,根据图1在衬底内部的不同的衬底位置3、3′、3″处通过激光射线4的相对平行移动产生大量改性区域8,从而产生沿这些改性区域8延伸的分离区域2。为了在各个另外的衬底位置3、3′、3″处产生改性区域8,例如使激光射线4分别相对衬底1横向移动最小激光射线半径w0的量值,其中,在从衬底位置3向另一个衬底位置3′相对移动期间中断衬底1的借助激光射线4的照射。在激光射线1在临近的衬底位置3、3′之间的移动速度与激光射线4的脉冲率的比例是8μm的情况下,可以实现高的且安全的加工速度。激光射线4典型地以脉冲形式照射衬底1,也就是说,借助在衬底位置3、3′处分别引入的激光脉冲产生改性区域8。在此可以使用单个脉冲,其在空间上以典型地5μs–1ms的间距相互分离地作用到衬底上。替代地,也可以使用所谓的脉冲群,为了产生脉冲群,典型地将具有高能量的(主)脉冲分为具有较低能量而相同峰值功率的多个脉冲。激光脉冲以在时间上的1ps至100ns的脉冲间隔彼此相继。在如同上面所述那样在衬底内部产生了分离区域2之后,可以在最后的方法步骤中,将衬底1沿分离区域2通过机械方法、例如通过手动折断分离为两个或更多个衬底部分(根据分离区域2的轮廓变化过程)。替代地,也可以沿分离区域2借助化学方法分离衬底1。通过上述的用于预处理和分离衬底1的方法,可以特别简单地将衬底1分离为衬底部分,其中,衬底部分由此分别具有高品质的分离面。
在图3中示出借助一种方法变型方案加工的衬底1。在这种方法变型方案中,当衬底厚度d0与最小射线半径w0的比例超过大约40时,在衬底内部产生在激光射线4的射线方向11上相叠地布置的多个改性区域8。以这种方式,也可以分离衬底厚度d0显著大于单个改性区域8的长度B2的衬底1。在图3中相叠地示出仅仅两个改性区域8。然而应理解,相应于图1地,将大量这种相叠地布置的改性区域8互相并排地排列成一个分离区域2。为了相叠地布置改性区域8,可以或者在激光射线4的射线方向11上改变激光射线4的焦点位置,或者分别借助本身分配的或现有的另外的激光射线4、4′产生相叠地布置的改性区域8。
图4对于激光射线4的不同射线能量E示出改性区域8的长度B2与射线参数瑞利长度zr之间的关系。其基于用于长度B2(或l)的以下公式:
借助这个关系,可以根据射线参数、例如瑞利长度zr、在激光射线4中的脉冲能量E和波长λ以及另外的常量knl(修正因子)和φS(用于在衬底材料中产生改性的阈积分通量)确定改性区域8的长度B2。在此,瑞利长度zr通过与波长λ和最小射线半径w0相关。在图4中在此示出对于两个具有不同射线能量E的激光射线4的曲线变化过程。在第一种情况下,对于射线能量E=87μJ采用修正因子knl=1.2(四边形符号)以及在第二种情况下,对于能量E=44μJ采用因子knl=1.1(三角形符号)。通过以上射线参数zr、w0、l0、λ的匹配,尤其通过瑞利长度zr的匹配,可以根据图4中的曲线变化过程影响射线能量E应在其中被引入到衬底1中的区域、尤其改性区域8的长度B2。然而,改性区域8的长度2在给定射线能量E的情况下仅仅能够被增大直至确定的最大长度(两个曲线的高点)。
Claims (15)
1.一种用于处理激光透明的衬底(1)以便随后沿分离区域(2)分离所述衬底(1)的方法,所述方法具有以下方法步骤:
a)在衬底位置(3)处在激光射线(4)的如此调节的射线参数(zr,E,λ)下照射衬底内部,使得在所述激光射线(4)中形成在射线方向(11)上棒形的或梨形缩细的体积区域(5),在所述体积区域中超出用于产生改性的阈积分通量(φS),以便在所述衬底内部在所述衬底位置(3)处产生改性区域(8);
b)在至少一个另外的衬底位置(3′)处实施步骤a.以便形成包括所述改性区域(8)的分离区域(2)。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,如此调节所述射线参数(zr,l0,λ),使得所述体积区域(5)的衬底表面侧端部(6)的最大横向延伸(A1)与所述体积区域(5)的最大纵向延伸(A2)的比例是在1/2和1/150之间、尤其在1/10至1/70之间。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,如此调节所述射线参数(zr,l0,λ),使得所产生的改性区域(8)具有大于3μm的宽度(B1)。
4.根据以上权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,如此调节作为射线参数的瑞利长度zr、所述激光射线(4)中的脉冲能量E和所述激光射线(4)的波长λ,使得根据:
其中:knl作为修正因子;φS作为用于在衬底材料中产生改性的阈积分通量,所产生的改性区域(8)分别具有相应于大于3μm的宽度(B1)的长度(l;B2)。
5.根据以上权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,为了在所述另外的衬底位置(3′)处照射所述衬底内部,使所述激光射线(4)相对于所述衬底(1)分别尤其平行地移动最小激光射线半径(w0)的0.01倍至5倍、尤其0.3倍至2倍。
6.根据以上权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,在从一个衬底位置(3)到另外的衬底位置(3′)的相对移动期间中断所述衬底(1)的所述照射。
7.根据以上权利中任一项所述的方法,其特征在于,用于在相邻的衬底位置(3,3′)之间移动所述激光射线(4)的速度与所述激光射线(4)的脉冲率的比例位于0.1μm至50μm之间、尤其1μm至12μm之间。
8.根据以上权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,当衬底厚度(d0)与所述最小射线半径(w0)的比例位于大约30和大约800之间、尤其大约30和大约100之间的范围中时,在所述衬底内部产生多个在所述射线方向(11)上相叠地布置的改性区域(8)。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,分别借助一个另外的激光射线(4,4′)产生相叠地布置的改性区域(8)。
10.根据以上权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,借助在所述衬底位置(3,3′)处分别引入的激光脉冲产生所述改性区域(8)。
11.根据权利要求10所述的方法,其特征在于,所述激光脉冲以在时间上的1ps至100ns的脉冲间隔彼此相继。
12.根据以上权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,在所述衬底内部中与至少一个衬底表面(7)间隔开直至所述衬底厚度(d0)的15%地构造所述体积区域(5)。
13.根据以上权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,从以下组中选出所述衬底材料,所述组包括:透明陶瓷、聚合物、透明导体、玻璃、石英晶体、金刚石、蓝宝石、半导体、层系统或由先前所述衬底材料组成的复合材料以及金属。
14.根据以上权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,将所述激光射线(4)的积分通量调节到1J/cm2至10kJ/cm2、尤其50J/cm2至800J/cm2的一个值上。
15.根据以上权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,通过机械方法或化学方法沿包括所述改性区域(8)的分离区域(2)分离所述衬底(1)。
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