CN106170365A - 使用激光束焦线对片状衬底进行基于激光的加工的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

定义了一种对片状衬底(1)进行基于激光的加工以将衬底(1)分成多个部分的方法，其中用于加工衬底(1)的激光器的激光束(SR)被引导到衬底(1)上，其中利用被定位在激光器的光线路径中的光学装置(10，12)，沿着光束(SR)的方向所见，延伸的激光束焦线(2b，2c)从被引导到光学装置上的激光束中被形成在光学装置(10，12)的光束输出端上，相对于激光束焦线定位衬底(1)以使得沿着在光束(SR)的方向中所见的激光束焦线的延伸部分在衬底(1)的内部中的衬底(1)的材料中产生诱发吸收，从而使得材料改性沿着此延伸部分在衬底(1)的材料中发生。

Description

使用激光束焦线对片状衬底进行基于激光的加工的方法和 设备
相关申请交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119要求2013年1月15日提交的美国临时申请S/N 61/752,489的优先权并且根据35U.S.C.§119要求2013年1月15日提交的欧洲申请No.EP 13 151296的优先权，基于其内容并通过引用将其内容整体结合于此。
背景技术
本公开一般涉及优选片状衬底的基于激光的加工的方法且涉及相应的设备且涉及使用方法和设备以用于将诸如例如半导体晶片、玻璃元件...(特别具有脆性材料)之类的片状衬底分成多个部分(单独地分离晶片或玻璃元件)。如下面进一步详细地描述的，在这种情况下，工作是使用具有材料对其基本上透明的波长的激光(一般脉冲激光)来执行的。
从现有技术中已经知道借助于激光切断这样的材料的设备和方法。一方面(例如DE 10 2011 000 768 A1)，有可能使用激光，借助它们的波长或它们的功率，这些激光被材料强烈地吸收或者在第一相互作用之后使得材料为强烈吸收性的(利用例如电荷载流子的生成加热；诱发吸收)，并且随后可消融该材料。此方法在很多材料的情况中具有缺点：例如归因于消融中的颗粒形成的杂质；切割边缘由于热输入可具有微裂缝；切割边缘可具有融化边缘；切割间隙在材料的厚度上不是均匀的(在不同深度处具有不同宽度；例如楔形的切割缺口)。由于材料必须被汽化或液化，因而必须提供高的平均激光功率。
另一方面，存在用于切断脆性材料的已知的激光方法，这些激光方法基于特定定向的、激光诱发的裂缝形成而运行。例如，存在来自Jenoptik的一种方法，其中表面上的迹线首先被激光强烈地加热，并且紧接着这之后，如此迅速地冷却此迹线(例如通过水射流的方式)以使藉此实现的热应力导致裂缝形成，该裂缝形成可通过材料的厚度进行传播(机械应力)以切断该材料。
还存在其中使用材料在其波长下很大程度上透明的激光以使得可在材料的内部中产生焦点的方法。激光的强度必须如此高以至于内部损坏在被照射的衬底的材料中的此内部焦点处产生。
最后提到的方法具有诱发的裂缝形成以特定深度处或表面上的点的形式发生并且因此材料的全部厚度仅通过附加的机械地和/或热地诱发的裂缝传播的方式被切断的缺点。由于裂缝往往不均衡地传播，因而分离表面通常是非常粗糙的并且常常必须被重做。此外，必须在不同深度处多次施加相同的过程。这进而通过相应的多次使过程的速度慢下来。
没有承认本文中所引用的任何参考文献构成现有技术。申请人明确地保留质疑任何引用的文件的准确性和相关性的权利。
发明内容
本发明的目标因此是提供一种方法(及相应的设备)，利用该方法，可在尤其是完全地切断且没有显著的颗粒形成、没有显著的融化边缘、在边缘处具有最小的裂缝形成、没有显著的切割间隙(也就是说材料损失)、具有尽可能直的(straightest-possible)切割边缘以及具有高的过程速度的情况下加工片状衬底，尤其具有脆性材料的片状衬底。
本公开的一个实施例涉及一种方法，该方法包括：沿着光束传播方向观察，将脉冲激光束聚焦成激光束焦线，该激光束焦线具有在0.1mm和100mm之间的范围内的长度；以及以关于材料的表面的入射角将激光束焦线引导到材料中，该激光束焦线在材料内生成诱发吸收，该诱发吸收在材料内沿着激光束焦线产生材料改性。
本公开的附加实施例涉及一种系统，该系统包括：激光脉冲器以及定位在激光器的光束路径中的光学组件，配置成在该光学组件的光束出现端上，沿着光束传播方向观察，将激光束变换成激光束焦线，该激光束焦线具有0.1mm和100mm之间的范围内的长度，该光学组件包括具有球面像差的聚焦光学元件，配置成生成激光束焦线，所述激光束焦线被适配成在材料内生成诱发吸收，该诱发吸收在材料内沿着激光束焦线产生材料改性。
本公开的另一个实施例涉及包括至少一个表面的玻璃制品，该玻璃制品沿着该表面具有多个材料改性，每一个材料改性具有在0.1mm和100mm之间的范围内的长度以及在0.5μm和5μm之间的范围内的平均直径。本公开的又一个实施例涉及包括至少一个表面的玻璃制品，该玻璃制品沿着该表面具有多个材料改性，每一个材料改性具有近似等于2.0的直接相邻的材料改性的平均距离a与创造材料改性的激光束焦线的平均直径δ的比率V3＝a/δ。
在以下的详细描述中陈述了附加特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言根据所作描述就容易理解，或者通过实施详细描述、权利要求书以及附图所述的实施例而被认识。
应当理解的是，以上一般描述和以下详细描述两者仅为示例性的，并且它们旨在提供用于理解权利要求书的本质和特性的概观或框架。
所包括的附图用于提供进一步的理解，且被结合到本说明书中并构成其一部分。附图示出一个或多个实施例，并与说明书一起用来解释各实施例的原理和操作。
附图说明
图1示出了对于各种材料的热扩散常数α、材料中的线性广度(extent)(标度长度，在这里由d所指示)以及持续时间τ(诸如例如激光脉冲持续时间)之间的关系。
图2示出了基于沿着焦线的诱发吸收的焦线的定位的原理，也就是说对激光波长透明的材料的加工的原理。
图3a示出了可被用在本文中所描述的实施例中的第一光学装置。
图3b示出了通过激光束焦线相对于衬底的不同定位来加工衬底的各种可能方式。
图4示出了可被用在本文中所描述的实施例中的第二光学装置。
图5a和5b示出了可被用在本文中所描述的实施例中的第三光学装置。
图6示出了可被用在本文中所描述的实施例中的第四光学装置。
图7示出了用于在来自图3a的第一可用的光学装置的示例中执行方法的设置(代替此光学装置，在图4、5和6中所示的进一步的光学装置也可被用在所示的装置的范围内，在图7中所示的光学装置6被这些装置中的一个替换)。
图8详细地示出了焦线的产生。
图9示出了如本文中所描述地加工的玻璃板的表面的显微图(衬底的平面的平面视图)。
具体实施方式
各实施例通过以下示例将更为清楚。
本公开的一个实施例涉及一种方法，该方法包括：沿着光束传播方向观察，将脉冲激光束聚焦成激光束焦线，该激光束焦线具有0.1mm和100mm之间的范围内的长度；以及以关于材料的表面的入射角将激光束焦线引导到材料中，该激光束焦线在材料内生成诱发吸收，该诱发吸收在材料内沿着激光束焦线产生材料改性。该方法可进一步包括相对于彼此平移材料和激光束，藉此在材料内产生多个材料改性，这些材料改性被间隔开以便将材料分成至少两块。激光束可具有在材料处测得的小于约400μJ(诸如小于约250μJ)的平均激光能量。脉冲持续时间可以在大于约10皮秒且小于约100皮秒之间的范围内，或者小于10皮秒。脉冲重复频率可以在10kHz和1000kHz之间的范围内(诸如在10kHz和100kHz之间的范围内)，或者小于10kHz。材料可以是玻璃、蓝宝石、半导体晶片或类似物。材料改性可以是裂缝形成。激光束焦线的入射角关于材料的表面可以小于或等于约45度，诸如垂直于材料的表面。激光束焦线可被完全地包含在材料内，其中激光束焦线没有延伸到材料的任一表面。材料改性可在该材料内延伸到该材料的两个相对表面中的至少一个，诸如在该材料的整个厚度上，在该材料内从该材料的两个相对表面中的一个延伸到该两个相对表面中的另一个。具体地，对于每个激光脉冲，材料改性可在该材料的整个厚度上，在该材料内从该材料的两个相对表面中的一个延伸到该两个相对表面中的另一个。脉冲激光束可具有被选择成使得该材料在此波长下基本上透明的波长。波长可以小于约1.8μm。激光束焦线可具有在0.5μm和5μm之间的范围内的平均光斑直径。
本公开的附加实施例涉及一种系统，该系统包括：激光脉冲器以及定位在激光器的光束路径中的光学组件，配置成在该光学组件的光束出现端上，沿着光束传播方向观察，将激光束变换成激光束焦线，该激光束焦线具有0.1mm和100mm之间的范围内的长度，该光学组件包括具有球面像差的聚焦光学元件，配置成生成激光束焦线，所述激光束焦线被适配成在材料内生成诱发吸收，该诱发吸收在材料内沿着激光束焦线产生材料改性。对于该系统的激光能量、脉冲持续时间、脉冲重复频率、波长、焦线直径、材料和材料改性可以是如以上对于该方法所描述的。该光学组件可包括在聚焦光学元件之前被定位在激光器的光束路径中的环形孔径，该环形孔径被配置成阻挡掉在激光束中心的一个或多个光线以使得仅中心以外的边缘光线入射在聚焦光学元件上，并且藉此沿着光束方向观察，对于脉冲激光束的每个脉冲仅产生单个激光束焦线。该聚焦光学元件可以是球面切割凸透镜，诸如具有非球面自由表面的锥形棱镜，诸如轴棱锥。该光学组件可进一步包括第二光学元件，定位并对准这两个光学元件以使得在距第二光学元件一距离处在第二光学元件的光束出现端上生成激光束焦线。
本公开的另一个实施例涉及包括至少一个表面的玻璃制品，该玻璃制品沿着该表面具有多个材料改性，每一个材料改性具有在0.1mm和100mm之间的范围内的长度以及在0.5μm和5μm之间的范围内的平均直径。本公开的又一个实施例涉及包括至少一个表面的玻璃制品，该玻璃制品沿着该表面具有多个材料改性，每一个材料改性具有近似等于2.0的直接相邻的材料改性的平均距离a与创造材料改性的激光束焦线的平均直径δ的比率V3＝a/δ。
下面首先一般地描述本公开，随后在几个示例性实施例的基础上详细地描述本公开。不必都要实现在各个示例性实施例中与彼此组合地示出的特征。具体地，各个特征还可被省略或者以某种其它方式与同一示例性实施例或者其它示例性实施例的所实处的其它特征进行结合。还有可能的是一个示例性实施例的各个特征已经在它们自己身上中显示了现有技术的有利发展。
下面首先描述将衬底分成各个部分的机制。
分离方法借助于为此适合的激光光学器件(在下文中也被称为光学装置)针对每个激光脉冲产生激光焦线(有别于焦点)。焦线确定了激光和衬底的材料之间的交互区域。如果焦线落在要被分离的材料中，则可选择激光参数以使得沿着焦线产生裂缝区域的与材料的相互作用得以发生。这里重要的激光参数是激光的波长、激光的脉冲持续时间、激光的脉冲能量以及可能地还有激光的偏振。
对于激光与材料的相互作用，应当优选提供下列：
1)优选选择激光的波长1以使得材料在此波长下是基本上透明的(具体地例如：对于每毫米的材料深度，吸收<<10％＝>γ<<1/cm；γ:Lambert-Beer吸收系数)。
2)优选选择激光的脉冲持续时间以使得没有离开相互作用区域的大量的热传输(热扩散)能够在相互作用的时间期间发生(具体地例如：τ<<d2/α，d：焦点直径，τ：激光脉冲持续时间，α：材料的热扩散常数)。
3)优选选择激光的脉冲能量以使得相互作用区域中(也就是说焦线中)的强度产生诱发吸收，其导致沿着焦线的材料的局部加热，作为被引入到该材料中的热应力的结果，这又导致沿着焦线的裂缝形成。
4)激光的偏振影响在表面处的相互作用(反射率)以及在诱发吸收中的该材料内的相互作用的类型两者。诱发吸收可通过在热激励之后的诱发的、自由的电荷载流子(典型地电子)、或者通过多光子吸收和内部光化电离、或者通过直接的场致电离(光的场强直接打破电子键合)而发生。可例如通过所谓的Keldysh参数来评估电荷载流子的生成的类型，然而，该Keldysh参数对于该方法的应用不发挥任何作用。在特定材料(例如双折射材料)的情况中，可能仅重要的是激光的进一步吸收/透射取决于偏振，并且因此通过适当的光学器件(相位板)的偏振应当由用户进行选择以例如简单地以启发式有益于分离相应的材料。因此，如果材料不是光学各向同性的而例如是双折射的，则激光在该材料中的传播同样受偏振影响。因此，可选择偏振和偏振矢量的取向以使得根据需要仅形成一条焦线而不是两条(寻常光线和非常光线)。在光学各向同性材料的情况中，这不发挥任何作用。
5)此外，应当在脉冲持续时间、脉冲能量和焦线直径的基础上选择强度以使得优选不存在显著的消融或显著的融化，而优选仅存在固体的微结构中的裂缝形成。对于诸如玻璃或透明晶体之类的典型材料，可利用亚纳秒范围内的脉冲激光(也就是说具体地利用例如10和100ps之间的脉冲持续时间)最容易地满足此要求。在这方面，同样参见图1：在大约一微米(0.5到5.0微米，参见图像的中心)的标度长度上，对于诸如例如玻璃之类的不良热导体，热传导作用到(act into)亚微秒范围中(见两条线之间的范围)，而对于诸如晶体和半导体之类的良好热导体，热传导在纳秒内已经是有效的。
对于材料中的裂缝形成发生并且使之垂直地延伸至衬底的平面的重要过程是超过材料的结构强度(以MPa计的压缩强度)的机械应力。机械应力在这里是通过经由激光能量的迅速、不同质加热(热诱发的应力)而实现的。预先假设相对于焦线适当定位衬底(见下文)，裂缝形成当然在衬底的表面处开始，因为那是变形最大的地方。对于此的原因是在表面上的半空间中，不存在能够吸收力的材料。此论点同样适用于具有硬化或增韧表面的材料，只要硬化层或增韧层的厚度相比于沿着焦线突然加热的材料的直径是大的。在这方面，同样参见图2，下面进一步描述。
可通过积分通量(以焦耳/cm2计的能量密度)和具有选择的焦线直径的激光脉冲持续时间来设置相互作用的类型以使得优选1.)没有显著的融化在表面处或在体积中发生以及2.)没有具有颗粒形成的显著的消融在表面处发生。在基本上透明的材料中，已知几种类型的诱发吸收：
a)在具有低带隙的半导体和绝缘体中，基于例如低残余吸收(归因于材料中的杂质的迹线或者归因于电荷载流子已经在激光加工之前在温度下热激发)，在第一部分的激光脉冲持续时间内的迅速升温将导致进一步的电荷载流子的热激发，这进而导致增加的吸收并因此导致焦线中的激光吸收中的累积增加。
b)在绝缘体中，如果存在足够高的光强度，则光吸收基于与材料的原子的非线性光学相互作用而导致电离，并且因此又导致自由电荷载流子的生成，并且因此导致激光的增加的线性吸收。
下面描述期望的分离表面的几何结构的产生(沿着衬底表面上的线在激光束和衬底之间的相对运动)。
与材料的相互作用针对每个激光脉冲沿着焦线在材料中产生单独的、连续的(在垂直于衬底表面的方向中所见)裂缝区域。对于材料的完整切断，对于每个激光脉冲的一系列的这些裂缝区域被设置成沿着期望的分离线如此紧密地在一起以使得裂缝的横向连接产生材料中的期望的裂缝表面/轮廓。为此，以特定重复率使激光脉动。选择光斑尺寸和间距以使得期望的、定向的裂缝形成沿着激光光斑的线发生在表面处。沿着期望的分离表面的各个裂缝区域的间距是从在从激光脉冲到激光脉冲的时间周期内焦线相对于材料的运动中获得的。在这方面，同样参见图9，下面进一步描述。
为了在材料中产生期望的分离表面，可由可平行于衬底的平面移动(并且可能地还垂直于衬底的平面移动)的光学装置在固定的材料之上移动脉冲激光，或者利用可移动的保持器使材料本身移动经过固定的光学装置以使得形成期望的分离线。焦线相对于材料的表面的取向(不管垂直的还是在关于表面的90°-β的角度处)可被选择为固定值或者通过可枢转的(pivotable)光学装置(为简单起见在下文中也被称为光学器件)和/或沿着期望的分离线的激光的可枢转的光束路径而进行改变。
总之，为了形成期望的分离线，可以多达五个可单独地移动的轴来使焦线通过材料：两个空间轴(x，y)，其固定焦线进入到材料中的穿透点，两个角轴(θ(theta)，(phi))，其固定焦线从到材料中的穿透点的取向，以及进一步空间轴(z’，不一定正交于x，y)，其固定焦线从表面处的穿透点到达材料中多深。下面所描述的，对于在笛卡尔坐标系(x,y,z)中的几何结构，还参见例如图5a和6。在激光束垂直入射在衬底表面上(β＝0°)的情况中，则z＝z’。
这里存在由光学器件和激光参数所指示的一般限制：以θ和计的角度的取向仅可进行到材料中的激光的折射允许的程度(小于材料中的全反射的角度)，并且激光焦线的穿透深度受可用的激光脉冲能量以及相应地选择的激光光学器件限制，该激光光学器件仅形成可利用可用的激光脉冲能量产生裂缝区域的一定长度的焦线。
用于在所有五个轴上移动焦线的一个可能配置可例如包括在坐标x，y中在驱动轴台上移动材料，同时通过检流计扫描仪和非远心F-θ透镜，焦线在坐标x’，y’中关于透镜的中心在透镜的场中移动并且倾斜角度θ，可计算坐标x和x’和y和y’以使得焦线被定向在材料的表面的期望的碰撞点处。检流计扫描仪和F-θ透镜也被固定在z轴上，该z轴正交于轴台的x，y平面并且决定垂直于材料的焦线的位置(焦线在材料中的深度)。
下面描述将衬底分成多个部分的最后步骤(分离或单独的分离)。
材料沿着所产生的裂缝表面/轮廓的分离通过材料的内应力或者通过所引入的力(例如机械地(张力)或热地(不均匀的加热/冷却))而发生。由于优选没有融化显著量的材料，因而一般最初在材料中不存在连续的间隙，而仅存在高度扰乱的断裂表面区域(微裂缝)，该断裂表面区域在本身内是网状的并且在某些情况下仍由桥进行连接。后续引入的力具有通过横向裂缝生长(平行于衬底的平面而发生)的方式分离剩余的桥并克服啮合(meshing)的效果以使得可沿着分离表面分离材料。
下面描述方法和设备的附加实施例。
在一个实施例中，一种对优选片状衬底(1)(尤其晶片或玻璃元件)进行基于激光的加工以将衬底分成多个部分的方法，其中用于加工衬底(1)的激光器(3)的激光束(2a、2b)被引导到衬底(1)上，该方法的特征在于：利用被定位在激光器(3)的光线路径中的光学装置(6)，沿着光束的方向所见，延伸的激光束焦线(2b)从被引导到光学装置(6)上的激光束(2a)中被形成在光学装置(6)的光束输出端上，相对于激光束焦线(2b)定位衬底(1)以使得在光束的方向中所见，沿着激光束焦线(2b)的延伸部分(2c)在衬底(1)的材料中产生诱发吸收，从而具有诱发的裂缝形成沿着此延伸部分(2c)在衬底的材料中发生的效果。
在某些实施例中，相对于激光束焦线(2b)定位衬底(1)以使得在材料中(也就是说在衬底(1)的内部中)的诱发吸收的延伸部分(2c)延伸直到两个相对衬底表面(1a、1b)中的至少一个。
在特定实施例中，相对于激光束焦线(2b)定位衬底(1)，以使得在材料中(也就是说在衬底(1)的内部中)的诱发吸收的延伸部分(2c)从两个相对的衬底表面中的一个(1a)延伸直到该两个相对的衬底表面中的另一个(1b)(也就是说在衬底(1)的整个层厚度d上)，或者相对于激光束焦线(2b)定位衬底(1)，以使得在材料中(也就是说在衬底(1)的内部中)的诱发吸收的延伸部分(2c)从两个相对衬底表面中的一个(1a)延伸但没有直到该两个相对衬底表面中的另一个(1b)，也就是说没有在衬底(1)的整个层厚度d上，优选在此层厚度的80％到98％上延伸，优选在此层厚度的85到95％上，尤其优选在90％上延伸。
在某些实施例中，产生诱发吸收以使得裂缝形成在衬底(1)的微结构中发生而没有消融且没有衬底(1)的材料的融化。
在特定实施例中，在每个情况中在光束的纵向方向中所见，激光束焦线(2b)的延伸l和/或在材料中(也就是说在衬底(1)的内部中)的诱发吸收的部分(2c)的延伸是在0.1mm和100mm之间，优选在0.3mm和10mm之间，和/或垂直于两个相对衬底表面(1a，1b)所测得的，衬底(1)的层厚度d是在30μm和3000μm之间，优选在100μm和1000μm之间，和/或激光束焦线(2b)的此延伸1和衬底(1)的此层厚度d的比率V1＝l/d是在10和0.5之间，优选在5和2之间，和/或在光束的纵向方向中所见，在材料中(也就是说在衬底(1)的内部中)的诱发吸收的部分(2c)的延伸L和在光束的纵向方向的横断上所见，在材料中(也就是说在衬底(1)的内部中)的诱发吸收的部分(2c)的平均广度(extent)D的比率V2＝L/D是在5和5000之间，优选在50和500之间。
在某些实施例中，激光束焦线(2b)的平均直径δ(也就是说光斑直径)是在0.5μm和5μm之间，优选在1μm和3μm之间，优选为2μm，和/或选择激光器(3)的脉冲持续时间τ以使得在衬底(1)的材料的相互作用的时间内在此材料中的热扩散是可以忽略的，优选没有热扩散发生，为此优选根据τ<<δ2/α设置τ、δ和衬底(1)的材料的热扩散常数α和/或优选τ被选择成小于10ns，优选小于100ps，和/或激光器(3)的脉冲重复率是在10kHz和1000kHz之间，优选为100kHz，和/或激光器(3)是作为单脉冲激光器或作为脉冲串激光器操作的，和/或在激光器(3)的光束的输出端上直接测得的平均激光功率是在10瓦特和100瓦特之间，优选在30瓦特和50瓦特之间。
在特定实施例中，选择激光器(3)的波长λ以使得衬底(1)的材料对此波长透明或者基本上透明，后者被理解为意味着针对每毫米的穿透深度在衬底(1)的材料中沿着光束的方向发生的激光束的强度的减少为10％或更少，具体地对于作为衬底(1)的在可见光波长范围内是透明的玻璃或晶体而言，该激光器优选是具有1064nm的波长λ的Nd:YAG激光器或具有1030nm的波长λ的Y:YAG激光器，或者，具体地对于在红外波长范围内是透明的半导体衬底(1)而言，该激光器优选是具有1.5μm和1.8μm之间的波长λ的Er:YAG激光器。
在某些实施例中，激光束(2a，2b)被垂直地引导到衬底(1)上，因此相对于激光束焦线(2b)定位衬底(1)以使得沿着激光束焦线(2b)的延伸部分(2c)的诱发吸收垂直于衬底的平面而发生，或者激光束(2a，2b)以相对于衬底(1)的平面的法线大于0°的角度β被引导到衬底(1)上，因此相对于激光束焦线(2b)定位衬底(1)以使得沿着激光束焦线(2b)的延伸部分(2c)的诱发吸收以关于衬底的平面的角度90°-β而发生，其中优选β≤45°，优选β≤30°。
在特定实施例中，沿着线(5)相对于衬底(1)的表面(1a，4)移动激光束(2a，2b)，沿着该线(5)，衬底(1)要被切断以获得多个部分，沿着此线(5)产生衬底(1)的内部中的多个(2c-1，2c-2，…)诱发吸收的延伸部分(2c)，其中优选诱发吸收的直接相邻延伸部分(2c)(也就是说直接一个接一个地产生的部分)的平均间距a和激光束焦线(2b)的平均直径δ(也就是说光斑直径)的比率V3＝a/δ是在0.5和3.0之间，优选在1.0和2.0之间。
在某些实施例中，在衬底(1)的内部中的多个(2c-1，2c-2，…)诱发吸收的延伸部分(2c)的产生期间和/或之后，机械力被施加在衬底(1)上和/或热应力被引入到衬底(1)中(尤其衬底被不均衡地加热并再次冷却)以分别在直接相邻的(2c-1，2c-2)诱发吸收的延伸部分(2c)之间带来裂缝形成以用于将衬底分成多个部分，优选通过沿着线(5)利用CO2激光器照射衬底(1)来引入热应力。
在某些实施例中，一种对优选片状衬底(1)进行基于激光的加工以将衬底分成多个部分的设备，利用该设备用于加工衬底(1)的激光器(3)的激光束(2a、2b)可被引导到衬底(1)上，该设备的特征在于：光学装置(6)被定位在激光器(3)的光线路径中并且利用该光学装置(6)，沿着光束的方向所见，延伸的激光束焦线(2b)可从被引导到光学装置(6)上的激光束(2a)中被形成在光学装置(6)的光束输出端上，相对于激光束焦线(2b)能够定位或定位衬底(1)以使得诱发吸收沿着在光束的方向中所见的激光束焦线(2b)的延伸部分(2c)在衬底(1)的材料中发生，从而具有沿着此延伸部分(2c)在衬底的材料中带来诱发的裂缝形成的效果。
在特定实施例中，光学装置(6)包括具有球面像差的聚焦光学元件，优选球面磨口(spherically ground)凸透镜(7)，光学装置(6)的光圈(diaphragm)(8)(优选环形光圈)优选在激光器(3)的光线路径中被定位在此聚焦光学元件(7)之前，从而具有可阻挡掉撞击到光圈上的位于激光束(2a)的中心处的光线束(2aZ)以使得仅位于此中心外面的外围光线(2aR)撞击到此聚焦光学元件上的效果。
在某些实施例中，光学装置(6)包括具有非球面自由表面的光学元件，该光学元件被设计形状以用于形成在光束的方向中所见的具有定义的广度l(也就是说定义的长度)的激光束焦线(2b)，具有非球面自由表面的光学元件优选是椎体棱镜或轴棱锥(axicon)(9)。
在特定实施例中，光学装置(6)在激光器(3)的光线路径中首先包括被设计形状以用于延伸的激光束焦线(2b)的形成的具有非球面自由表面的第一光学元件(优选椎体棱镜或轴棱锥(10))，并且，在此第一光学元件的光束输出端上且在距此第一光学元件的距离z1处，包括第二、聚焦光学元件，具体地凸透镜(11)，优选定向并对准这两个光学元件以使得第一光学元件将撞击在其上的激光辐射环形地(SR)投射到第二光学元件上，以使得在距第二光学元件距离z2处在第二光学元件的光束输出端上产生延伸的激光束焦线(2b)。
在某些实施例中，具体地为平凸准直透镜(12)的第三、聚焦光学元件在激光器(3)的光线路径中被定位在第一和第二光学元件之间，优选定位并对准该第三光学元件以使得由第一光学元件环形地(SR)形成的激光辐射以所定义的平均环直径dr落到第三光学元件上并且第三光学元件以此环直径dr并以所定义的环宽度br将激光辐射环形地投射到第二光学元件上。
上述方法或设备可被用于分离玻璃的衬底，具体地石英、硼硅酸盐、蓝宝石或钠钙玻璃、含钠玻璃、硬化玻璃或未硬化玻璃的衬底、晶体(crystalline)Al2O3的衬底、SiO2·nH2O(蛋白石)的衬底或者半导体材料(具体地Si、GaAs、GaN)的衬底、分离单层或多层衬底(具体地玻璃-玻璃复合、玻璃-膜复合、玻璃-膜-玻璃复合或玻璃-空气-玻璃复合)、分离涂覆衬底，具体地金属涂覆的蓝宝石晶片、提供有金属或金属氧化物层的硅晶片或涂覆有ITO或AlZnO的衬底，和/或完全地切断单层或多层衬底或切断多层衬底的多个层中的一层或多层但不是所有层。
借助于上述光学装置所产生的激光束焦线为了简单起见在上下文中替代地也被称为激光束的焦线。在衬底的平面中所见，通过裂缝形成(使沿着焦线的诱发吸收垂直于衬底的平面延伸)将衬底分成或单独地分成多个部分。裂缝形成因此垂直于衬底的平面而发生并进入到衬底中或进入到衬底的内部中(纵向的裂缝形成)。如已描述的，通常必须将多个单独的激光束焦线沿着衬底表面上的线引入到衬底中以便可将衬底的各个部分与彼此分开。为此目的，可使衬底相对于激光束或相对于光学装置而平行于衬底的平面移动或者相反地，可相对于固定地布置的衬底平行于衬底的平面移动光学装置。
从属方法或设备权利要求中的至少一个的特征被有利地另外实现。在这方面，还可以任何期望的组合来实现许多从属权利要求的特征。
在一个特定方面，在衬底的内部中的诱发吸收的延伸部分从衬底的表面延伸到衬底的所定义的深度(或者甚至超过)。诱发吸收的延伸部分在此情况中可包括从一个表面到另一个表面的该衬底的整个深度。仅在衬底的内部中(没有包括衬底的表面)产生诱发吸收的纵向延伸部分同样是可能的。
在下面进一步描述的图3b中可见可被有利地实现的进一步特征。诱发吸收的延伸部分(也就是说例如垂直于衬底的平面所引入的裂缝长度)可因此沿着诱发吸收的延伸部分从衬底的内部中的点延伸到衬底的后表面或者例如从衬底的前表面延伸到衬底的内部中的点。在此情况中，垂直于片状衬底的两个相对的衬底表面而相应地测量层厚度d(甚至在其中以关于衬底表面的法线的角度β>0°倾斜地引导激光辐射的情况中，也就是说在倾斜入射的情况中)。
如本文中所使用的，在每种情况中所提到的范围限值包括所指示的上限值和下限值。
诱发吸收借助于已经描述的激光参数(下面还在示例的范围内进行解释)、光学装置的参数以及设备的各个元件的布置的几何参数的设置而有利地产生。原则上，参数的特征的任何期望的组合在这里都是可能的。例如，τ<<δ2/α在这里意味着τ小于δ2/α的1％，优选小于δ2/α的1％。例如，脉冲持续时间τ可以是10ps(或者低于该值)、在10和100ps之间或者高于100ps。为了分离Si衬底，优选使用具有1.5和1.8μm之间的波长的Er:YAG激光器。对于半导体衬底，优选使用通常具有被选择成使得光子能量小于半导体的带隙的波长的激光器。
对于将激光束引导到衬底上的有利的辐射方向(其随后也定义激光束焦线相对于衬底的平面的取向)包括：将激光束(2a，2b)垂直地引导到衬底(1)上，因此相对于激光焦线(2b)定位衬底(1)以使得沿着激光焦线(2b(的延伸部分(2c)的诱发吸收垂直于衬底的平面而发生，或者相对于衬底(1)的平面的法线以大于0°的角度将激光束(2a，2b)引导到衬底(1)上，因此相对于激光束焦线(2b)定位衬底(1)以使得沿着激光束焦线(2b)的延伸部分(2c)的诱发吸收以到衬底的平面为角度90°-β而发生，其中优选β≤45°，优选β≤30°。
下面描述对于衬底到其多个部分的最后分离或单独分离可能同样必要的附加方法步骤。如已经提到的，相对于光学装置(连同激光器)移动衬底或者相对于衬底移动光学装置(连同激光器)。在这种情况中(通过与上述诱发裂缝形成对比)裂缝形成应当被理解为意味着横向裂缝，也就是说在位于衬底的平面中的方向中的横向裂缝形成(对应于沿其分离衬底的线的路径)。
下面描述了设备的进一步发展，该设备的进一步发展具体描述了用于产生和定位激光束焦线的光学装置的各种可能的配置形式。在这方面，还参见下面的示例性实施例和图3a、4、5a、5b、6、7和8。凸透镜可具体是平凸透镜。
以上描述了根据本发明的主要用途(下面还描述其它用途)。
下面描述与从现有技术中已知的方法和设备进行比较的一系列显著的优势。
首先，根据本发明，切割的形成在没有显著的颗粒形成、没有显著的融化边缘、在边缘处具有最小的裂缝形成、没有任何显著的切割间隙(从而没有衬底的材料的损失)并且具有直的切割边缘的情况下发生。在这种情况中，可垂直地(相对于衬底的平面所见)或者以相对于衬底的法线由用户所期望的角度β设置切割的形成。
尤其，非常高的平均激光功率不是必要的，但虽然如此仍可实现相对较高的分离速度。在这方面，对于每个激光脉冲(或每个脉冲串)产生激光束焦线(并且不是没有广度或者仅非常局部的广度的仅一焦点)是必需的。下面进一步详细呈现的激光光学器件被用于此目的。焦线因此确定激光和衬底之间的交互区域。如果焦线至少作为其一部分(在深度方向中所见)落入要被分离的衬底材料中，则可选择激光参数以使得沿着整个焦线(或沿着落入衬底中的激光束焦线的整个延伸部分)产生裂缝区域的与材料的交互发生。例如，可选择的激光参数是激光的波长、激光的脉冲持续时间、激光的脉冲能量以及可能地还有激光的偏振。
与例如机械刻划(scoring)和破坏(breaking)相比较，该方法具有的进一步优势不仅是不存在的(或至少最小的)颗粒形成而且通过与机械刻划线对比，可实现较高的纵横比(宽度比深度)。当在机械刻划和破坏的情况中时，通过很大程度上不可控制的裂缝生长来产生进入到材料中的破裂线，根据本发明，以关于衬底的法线的可非常精确地设置的角度β的分离发生。因此，根据本发明，不存在切割方向的方向性依赖，并且倾斜切割可能很容易。
而且，与通过将激光点聚焦到表面上或者到衬底材料的内部中来产生点(聚焦的)缺陷以及在材料的不同深度处设置这样的点聚焦之后的后续破坏进行比较，本文中所描述的实施例尤其具有可实现切割的高得多的纵横比的优点。因此避免了由于几乎没有定向的裂缝形成，尤其在较厚的衬底的情况中而出现的这样的已知方法的问题。加工速度同样以倍数增加，尤其是在较厚的衬底的情况中(在较厚的衬底的情况中，有必要在从衬底的上侧到下侧的衬底的不同深度处在衬底的平面中的所定义位置处设置多个损坏点)。
避免了表面处的消融、表面处的毛刺(flash)形成和颗粒形成(如果焦线相对于衬底的位置被设置成使得来自衬底的表面的延伸的诱发吸收和裂缝形成进入到衬底的内部中，则后者尤其是)。在此情况中，第一(想要的)损坏在表面处直接发生并且通过诱发吸收以所定义的方式沿着裂缝形成区域继续到衬底的深度中。
可加工各种材料，尤其玻璃板、蓝宝石片、半导体晶片等。在这方面，可加工相应的材料的各个层和层压制品(多个单独的衬底层的堆叠)。在此情况中，可定位并对准焦线以使得甚至在层的堆叠的内部中，仅所定义的层被分离。可加工层的堆叠的各种夹层结构：玻璃-空气-玻璃复合、玻璃-膜-玻璃复合、玻璃-玻璃复合。因此，如是中间层的切断(例如膜或粘附膜)，甚至在堆叠内的各个层的选择性切断是可能的。
还可加工和分离已经涂覆的材料(例如AR涂覆的、TCO涂覆的)或者在一侧上非透明地印刷的衬底。
自由形式切断是可能的，其中几何结构没有受衬底中的裂缝形成所限制。因此，实际上任何期望的自由形式切割可被引入到透明介质中(切割方向不是方向依赖的)。因此，倾斜的切割可被引入到衬底中，例如具有调节的角度，基于法线，该调节的角度具有多达β＝30°或β＝45°的角度。
实际上没有任何切割间隙的切割是可能的：仅产生通常具有1和10μm之间的范围内的广度的材料损坏。尤其，没有相对于材料或表面区域的切割损失藉此生成。这尤其在切割半导体晶片时是有利的，因为切割间隙损失将减少晶片的主动可用的表面面积。本文中所描述的焦线切割的方法因此产生增加的表面面积产量(yield)。没有材料损失尤其还在切割宝石(例如钻石)时是有利的；尽管本文中所描述的使用区域优选是片状衬底的切割或分离，然而还可加工非片状衬底或工件。
还可尤其在生产过程的内嵌(in-line)操作中使用本文中所描述的方法。这在由卷对卷方法所进行的生产过程的情况中尤为有利地发生。
和生成脉冲串的激光器一样，可使用单脉冲激光器。原则上，处于连续波操作的激光器的使用也是可想到的。
下面具体的应用领域以示例的方式出现：
1.在完全地或部分地切割蓝宝石晶片的可能性下分离蓝宝石LED。在此情况中，可通过本文中所描述的方法同时同样地切断金属层，在单个步骤中这样做。
2.在没有损坏带(tape)的情况下的半导体晶片的单独的分离是可能的。为此目的，焦线仅被部分地带到衬底材料的内部中以使得其在表面处开始并且在录播(taped)膜(在面向远离激光器的衬底的后表面上)之前停止：例如，材料的约10％未被分离。该膜因此保持完整，因为焦线在该膜之前“停止”。随后可接着通过机械力(或热力，见利用CO2激光器的下面的示例)在剩余的10％之上分离半导体晶片。
3.涂覆材料的切割：在这里示例是布拉格反射器(DBR)或者金属涂覆的蓝宝石晶片。还可根据本发明切割活性金属或金属氧化物层已经被施加至的经处理的硅晶片。其它示例是ITO或AlZnO的加工，需要例如产生触摸屏或智能窗口的衬底被ITO或AlZnO涂覆。由于非常延伸的焦线(与其直径相比)，该焦线的一部分将移除金属层(或另一层)，而剩余的焦线穿透到透明材料中并切割它。这同样具有优势，尤其在于：可在一个步骤过程中分离相应地涂覆的衬底，也就是说在其中在一个操作中分离涂覆和衬底的过程中。
4.非常薄的材料(例如具有小于300μm、小于100μm或者甚至小于50μm的厚度的玻璃的衬底)的切割是尤为有利的。仅可通过常规的机械方法非常费力地加工这些材料。事实上，在机械方法的情况中，边缘、损坏、裂缝或剥落出现，其使得衬底不可用或者需要费力的重做操作。相比之下，在薄的材料的情况中，本文中所描述的切割提供尤其具有避免边缘损坏和裂缝以使得没有重做是必要的、具有非常高的切割速度(>1m/s)、具有高产量以及具有在单个步骤中执行过程的优势。
5.还可尤其在薄膜玻璃(其是通过连续不断地运行的玻璃拉制过程所产生的)的生产中使用本文中所描述的方法以用于修剪膜的边缘。
图2图解地示出了根据本发明的加工方法的基本程序。由这里未示出的激光器3(见图7)所发出并且在光学装置6的光束输入端上由参考符号2a所指示的激光束2被引导到光学装置6上(见此的下面示例性实施例)。光学装置6从光束输出端上的辐射入(radiated-in)的激光束在沿着光束的方向的定义范围的广度(焦线的长度l)上形成延伸的激光束焦线2b。要被加工的衬底1(这里片状衬底1)在光线路径中被定位在光学装置之后，其至少一部分与激光辐射2的激光束焦线2b重合。参考符号1a指示面向光学装置6或激光器的片状衬底的表面，参考符号1b指示距所述第一表面一定距离且通常平行于所述第一表面的衬底1的后表面1b。衬底厚度(垂直于表面1a和1b，也就是说关于衬底的表面所测得的)在这里由参考符号d所指示。
如图2a示出，在这里衬底1被对准成垂直于光束的纵轴并因此垂直于在光学装置6的下游空间中由光学装置6所产生的焦线2b(衬底垂直于附图的平面)并且，沿着光束的方向所见，相对于焦线2b定位衬底1以使得在光束的方向中所见，焦线2b在衬底的表面1a之前开始并且在衬底的表面1b之前结束，也就是说仍然在衬底内。因此(利用沿着激光束焦线2b的适当的激光强度，这通过使激光束2聚焦在长度l的一部分上，也就是说通过长度l的线聚焦(line focus)来确保)，沿着光束的纵向方向所见，延伸的激光束焦线2b在激光束焦线2b与衬底1的重合区域中，也就是说在被焦线2b经过的衬底的材料中产生延伸部分2c，沿着光束的纵向方向，在衬底的材料中产生诱发吸收，这在沿着部分2c的衬底的材料中引起裂缝形成。在此情况中，裂缝形成不仅局部地发生而且在诱发吸收的延伸部分2c的整个长度上发生。此部分2c的长度(也就是说最终激光束焦线2b与衬底1重合的长度)在这里利用参考符号L进行提供。诱发吸收的部分的(或者经受裂缝形成的衬底1的材料中的区域的)平均直径或平均广度在这里由参考符号D所指示。此平均广度D在这里基本上对应于激光束焦线2b的平均直径δ。
因此，如图2a示出，对激光束2的波长λ透明的衬底材料由沿着焦线2b的诱发吸收所加热。图2b图解地示出了被加热的材料最终如何扩展以使得相应地诱发的应力导致微裂缝形成，该应力在表面1a处为最大。
下面描述可被用于产生焦线2b的实际光学装置6以及这些光学装置可被用在其中的实际光学设置(图7)。所有的装置和设置在这里是基于以上所给出的描述，从而使得在每种情况中，相同的参考符号被用于在其功能上相同或对应的部件或特征。因此，下面仅分别描述不同。
由于最终导致分离的分离表面是或旨在具有高质量(关于破裂强度、几何精度、粗糙度和重做要求的避免)，因而应当如利用下面的光学装置(在下文中光学装置替代地也被称为激光光学器件)所描述地产生要沿着衬底的表面上的分离线5进行定位的各个焦线。在这里粗糙度尤其起因于焦线的光斑尺寸或光斑直径。为了利用给定波长λ的激光器3(与衬底1的材料相互作用)能够实现例如0.5μm到2μm的小光斑尺寸，通常某些要求必须被强加在激光光学器件6的数值孔径上。这些要求被下面描述的激光光学器件6所满足。
为了实现期望的数值孔径，一方面，根据由Abbé给出的已知公式(N.A.＝n sin(θ)，n：要被加工的玻璃的折射率，θ：一半孔径角；并且θ＝arctan(D/2f)；D：孔径，f：焦距)，光学器件必须具有给定焦距下的必要的孔径。另一方面，激光束必须照明光学器件直到必要的孔径，这通常通过借助于激光器和聚焦光学器件之间的扩展望远镜的光束扩展来完成。
同时，对于沿着焦线的均匀的相互作用，光斑尺寸不应改变太多。这可例如(见下面的示例性实施例)通过仅在窄的、环形区域中照射聚焦光学器件，随后当然光束孔径并因此数值孔径仅改变以百分比计算的小量来确保。
根据图3a(在激光辐射2的激光光线束中的中心光线的高度处垂直于衬底的平面的截面；这里，同样，激光束2的辐射入垂直于衬底的平面而发生，即，角度β为0°，以使得焦线2b或诱发吸收的延伸部分2c平行于衬底的法线)，由激光器3所发出的激光辐射2a首先被引导到圆形光圈8上，该圆形光圈8对所使用的激光辐射完全不透明。在此情况中，光圈8被取向成垂直于光束的纵轴并且以所示的光线束2a的中心光线为中心。选择光圈8的直径以使得靠近于光线束2a的中心的光线束或中心光线(这里由2aZ所指示)撞击在光圈上并且被光圈完全吸收。仅位于光线束2a的外周区域中的光线(外围光线，在这里由2aR所指示)由于与光束直径相比减少的光圈尺寸而未被吸收，而横向地经过光圈8并撞击在光学装置6的聚焦光学元件的外围区域上，该聚焦光学元件在这里被形成为球面磨口、双凸透镜7。
以中心光线为中心的透镜7在这里被有意形成为以习惯性球面磨口透镜为形式的未校正的、双凸聚焦透镜。换言之，有意利用这种透镜的球面像差。作为对此的替代，还可使用偏离理想纠正系统并特别未形成理想的焦点而形成具有所定义长度的明确的、延长焦线的非球面透镜或多透镜系统(也就是说不再特别具有单个焦点的透镜或系统)。透镜的区域因此依赖于沿着焦线2b距透镜的中心的距离而特别地聚焦。这里，横断光束的方向的光圈8的直径为光线束的直径(光线束的直径由直到衰减至1/e的广度所定义)的大约90％和光学装置6的透镜的直径的约75％。因此，在本文中使用已经通过阻挡掉在中间的光线束来产生的非像差校正的球面透镜7的焦线2b。表示了通过中心光线的平面中的截面；当关于焦线2b旋转所表示的光线时获得完整的三维束。
此焦线的缺点在于条件(光斑尺寸、激光强度)沿着焦线并因此沿着材料中的期望的深度而改变，并且因此可能仅能够在焦线的一部分内设置期望类型的相互作用(没有显著的融化、诱发吸收、热-塑性变形直到裂缝形成)。这相反地意味着可能仅部分辐射入的激光以期望的方式被吸收。因此，一方面，该方法的效率(对于期望的分离速度的必要的平均激光功率)受损，另一方面，在某些情形下，激光被传输到不受期望的、更深横卧位置(粘附至衬底的部分或层，或者到衬底保持器)并且在那儿以不受期望的方式相互作用(加热、扩散、吸收、不受期望的修改)。
图3b示出了(不仅用于图3a中的光学装置，而且原则上用于可被使用的所有其它光学装置6)可通过相对于衬底1适当定位和/或对准光学装置6并且通过适当选择光学装置6的参数来不同地定位激光束焦线2b：如来自图3b的第一行图解地示出，可设置焦线2b的长度l以使得其超过衬底厚度d(这里乘上2倍)。因此，如果在光束的纵向方向中所见，相对于焦线2b居中地放置衬底1，则在整个衬底厚度d上产生诱发吸收的延伸部分2c。
在图3b中的第二行中所示的情况中，产生了近似对应于衬底d的广度的长度l的焦线2b。由于相对于线2定位衬底1以使得线2b在衬底之前(也就是说外面)的点处开始，因而诱发吸收的延伸部分2c(其在这里从衬底的表面延伸到衬底的定义的深度，但没有远到后表面1b)的长度L在这里小于焦线2b的长度l。图3b中的第三行示出了其中沿着光束的方向所见，在焦线2b的开始之前部分地定位衬底1以使得在这里，同样，l>L应用于线2b的长度l(L＝在衬底1中的诱发吸收的部分2c的广度)的情况。焦线因此在衬底的内部中开始并超过后表面1b延伸到衬底的外面。图3b中的第四行最后示出了其中所产生的焦线长度l小于衬底厚度d以使得在照射的方向中所见，利用衬底相对于焦线的中心定位，焦线在这里在衬底的内部中接近于表面1a而开始并且在衬底的内部中接近于表面1b而结束(l＝0.75·d)。
在这里尤为有利的是实现焦线定位以使得由焦线经过表面1a、1b中的至少一个；诱发吸收的部分2c因此在至少一个表面处开始。以此方式，可通过避免表面处的消融、毛刺(flash)和颗粒形成来实现几乎理想的切割。
图4示出了可使用的进一步的光学装置6。基本设置遵循图3a中所描述的，以使得下面仅描述不同。所示的光学装置是基于使用被设计形状的具有非球面自由表面的光学器件以使得定义长度l的焦线被形成用于焦线2b的形成的想法。为此目的，非球面透镜可被用作光学装置6的光学元件。例如，在图4中，使用所谓的圆锥(cone)棱镜，其常常也被称为轴棱锥。轴棱锥是在沿着光轴的线上形成点源(或者环形地变换激光束)的特定、圆锥磨口(conically ground)透镜。这种轴棱锥的设置在原则上对于本领域技术人员而言是已知的。这里，锥角是例如10°。在这里由参考符号9所指示的轴棱锥与其锥顶(cone tip)对准，该锥顶与照射的方向相反并以光束的中心为中心。由于轴棱锥9的焦线2b已经在该轴棱锥内开始，因而衬底1(其在这里被布置成垂直于主光线的轴)可在光线路径中被定位在就在轴棱锥9之后。如图4示出，因为轴棱锥的光学性质，在衬底1没有离开焦线2b的区域的情况下，衬底1沿着光束的方向的位移同样是可能的。在衬底1的材料中的诱发吸收的延伸部分2c因此在整个衬底深度d上延伸。
然而，所示的设置具有下列限制：由于轴棱锥9的焦线已经在透镜内开始，在透镜和材料之间具有有限的工作距离，因而激光能量的重要部分未被聚焦到位于材料中的焦线2b的部分2c中。此外，利用轴棱锥9的可用的折射率和锥角，焦线2b的长度l被链接到光束直径，由于这个原因，在相对薄的材料(几毫米)的情况中，焦线总共太长，作为其结果，激光能量进而不能被专门聚焦到该材料中。
由于此原因，在其包括轴棱锥和聚焦透镜两者的情况下获得改进的光学装置6。图5a示出了这样的光学装置6，其中沿着光束的方向所见，在激光器3的光线路径上首先定位了具有非球面自由表面的第一光学元件，该第一光学元件被设计形状以用于延伸的激光束焦线2b的形成。在所示的情况中，此第一光学元件是具有5°锥角的轴棱锥10，该轴棱锥10被定位成垂直于光束的方向并且以激光束3为中心。在此情况中的轴棱锥的锥顶与光束的方向相反指向。在光束的方向中被定位在距轴棱锥10距离z1处的是第二、聚焦光学元件，在这里平凸透镜11(其凸面面向轴棱锥)。在这里将距离z1选择为约300mm以使得由轴棱锥10所形成的激光辐射以环形方式撞击在透镜11的外部区域上。透镜11将在光束输出端上环形地撞击的辐射聚焦到在这里具有1.5mm的定义长度的焦线2b上，该焦线2b在距透镜11在这里约20mm的距离z2处。在这里，透镜11的有效焦距是25mm。由轴棱锥10对激光束的环形变换在这里被提供有参考符号SR。
图5b详细地示出了根据图5a的在衬底1的材料中的焦线2b和诱发吸收2c的形成。两个元件10、11的光学性质以及同样两个元件10、11的定位在这里是这样的以使得在光束的方向中的焦线2b的广度l与衬底1的厚度d精确重合。相应地，衬底1沿着光束的方向的精确定位是必要的以将焦线2b精确地定位在衬底1的两个表面1a和1b之间，如图5b中所示。
如果焦线被形成在距激光光学器件特定距离处，并且很大一部分的激光辐射被聚焦直到焦线的期望的末端，则因此是有利的。如所描述的，这可通过主要聚焦元件11(透镜)仅在所需区域上被环形地照明来实现，藉此一方面实现了所需的数值孔径，并因此实现所需的光斑尺寸，但另一方面，在所需的焦线2b之后，最小扩散圆在光斑中间中的非常短的距离之后失去强度，因为基本上环形光斑形成。因此，裂缝形成在衬底的期望深度处的短距离内停止。轴棱锥10和聚焦透镜11的组合满足此要求。这里，轴棱锥10以两种方式运行：通常圆形的激光光斑由轴棱锥10环形地发送到聚焦透镜11上并且轴棱锥10的非球面性具有代替透镜的焦平面中的焦点，焦线形成在焦平面外面的效果。可通过轴棱锥上的光束直径来设置焦线2b的长度l。进而可通过轴棱锥和透镜之间的距离z1且通过轴棱锥的锥角来设置沿着焦线的数值孔径。以此方式，整个激光能量可因此被集中在焦线中。
如果裂缝形成旨在在衬底的出口端之前停止，则环形照明仍然具有以下优势：一方面，以最佳可能方式使用激光功率，因为很大一部分的激光保持集中于焦线的期望长度中，另一方面，归因于环形照明区域连同由其它光学功能所设置的期望像差，可实现沿着焦线的均匀的光斑尺寸，并且因此可实现沿着焦线的均匀的分离过程。
代替图5a中所示的平凸透镜，还可使用聚焦弯月形透镜或者一些其它高阶校正聚焦透镜(非球面透镜、多透镜系统)。
为了利用具有轴棱锥和透镜的图5a中所示的组合来产生非常短的焦线2b，将必须选择入射在轴棱锥上的激光束的非常小的光束直径。这具有实际的缺点：光束在轴棱锥的顶端(tip)上的居中必须是非常准确的，并且因此该结果对激光的方向波动(光束漂移稳定性)非常敏感。此外，窄地准直的激光束是非常发散的，即，由于光的衍射，光线束在短的距离上再次散射。
可通过插入进一步的透镜即准直透镜12(图6)来避免这两者：此进一步的正透镜12允许非常窄地设置聚焦透镜11的环形照明。选择准直透镜12的焦距f’以使得当存在等于f’的从轴棱锥到准直透镜12的距离z1a时获得期望的环直径dr。可通过距离z1b(准直透镜12到聚焦透镜11)来选择环的期望宽度br。纯粹地在几何学上，短的焦线随后由小宽度的环形照明产生。进而在距离f’处获得最小值。
图6中所示的光学装置6因此是基于图5a中所示的光学装置，所以下面仅描述不同。另外，准直透镜12(在这里同样地被形成为平凸透镜(其凸面与光束的方向相反地指向))在这里已经被居中地引入到一方面的轴棱锥10(其在这里被布置有其锥顶与光束的方向相反)和另一方面的平凸透镜11之间的光线路径中。准直透镜12距轴棱锥10的距离在这里由z1a指示，聚焦透镜11距准直透镜12的距离由z1b指示并且所产生的焦线2b距聚焦透镜11的距离由z2指示(在每种情况中在光束的方向中所见)。如图6示出，由轴棱锥所形成并且以发散方式且具有环直径dr的情况下入射在准直透镜12上的环形辐射SR具有沿着距离z1b保持至少近似恒定的环直径dr并且在聚焦透镜11的位置处被设置为期望的环宽度br。在所示的情况中，旨在产生非常短的焦线2b以使得在透镜12的位置处的约4mm的环宽度br通过透镜12的聚焦性质被减少到透镜11的位置处的约0.5mm(在这里环直径dr例如22mm)。
在所表示的示例中，利用来自2mm的激光的典型的光束直径，利用f＝25mm焦距的聚焦透镜11以及f’＝150mm焦距的准直透镜，可实现低于0.5mm的焦线1的长度。此外，Z1a＝Z1b＝140mm并且Z2＝15mm。
下面给出在根据图7的设置中利用根据图3a的光学装置切断未硬化玻璃的示例(代替图3a中所示的光学装置6，上述其它光学装置6也可被用在根据图7的设置中，图3a中所示的光圈-透镜组合8,7被相应地替换)。
没有其它着色的硼硅酸盐或钠钙玻璃1(尤其具有低铁含量)从约350nm到约2.5μm是光学透明的。玻璃通常是不良热导体，由于这个原因，甚至几纳秒的激光脉冲持续时间不允许离开焦线2b的任何显著的热扩散。然而，甚至更短的激光脉冲持续时间是有利的，因为利用亚纳秒或皮秒脉冲，可通过非线性效应更容易地实现期望的诱发吸收(强度高得多)。
例如适合于切断平板玻璃的是可买到的皮秒激光器3，其具有下列参数：波长1064nm、10皮秒的脉冲持续时间、100kHz的脉冲重复率、多达50W的平均功率(就在激光器之后测得的)。激光束最初具有约2mm的光束直径(在峰值强度的13％处测得的，即，高斯光线束的1/e2直径)，光束质量是至少M2<1.2(根据DIN/ISO 11146所确定的)。利用光束扩展光学器件22(可买到的Kepler光束望远镜)，光束直径被增加10倍到约20-22mm(21、23、24和25是光束偏转镜)。利用9mm直径的所谓的环形光圈8，切断光线束的内部部分以使得环形光束形成。利用此环形光束，例如照明具有28mm焦距的平凸透镜(具有13mm半径的石英玻璃)。透镜7的强的(期望的)球面像差具有产生焦线的效果。在这方面，不仅参见图7而且参见图8，图8图解地示出了从通过透镜7的外围光线产生焦线2b。
焦线的理论直径δ沿着光束的轴而变化，并且因此在这里衬底厚度d小于约1mm(显示玻璃的典型厚度是0.5mm到0.7mm)的情况下对于产生同质的裂缝表面是有利的。约2μm的光斑尺寸和5μm的从光斑到光斑的间距给出一速度，在该速度下，可使焦线在0.5m/秒的衬底1(见图9)上通过5次。利用25W的衬底上的平均功率(在聚焦透镜7之后测得)，100kHz的脉冲重复率给出250μJ的脉冲能量，该脉冲能量还可在2到5个子脉冲的结构化脉冲(在仅20ns的间隔下的单脉冲的快速序列，被认为是脉冲串)中发生。
未硬化的玻璃基本上没有内部应力，由于这个原因，在没有任何外部动作的情况下，仍由未分离的桥进行互连和连接的扰动区域在这里起先仍然将这些部分保持在一起。然而，如果引入热应力，则衬底完全地分离，并且没有沿着激光破裂表面5从外部引入任何进一步的力。为此目的，具有多达250W的平均功率的CO2激光器被聚焦到约1mm的光斑尺寸上，并且以多达0.5m/s使此光斑经过分离线5。归因于所引入的激光能量(分离线5的5J/cm)的局部热应力将工件1完全地分离。
对于分离较厚的玻璃，当然必须在较长的焦线l上达到该过程(经由热冲击的诱发吸收和扰动区域的形成)的阈值强度。较高的必要的脉冲能量以及较高的平均功率输出因此跟随。利用上述光学器件设置以及在衬底上的39W的可用的最大激光功率(在通过光学器件的损失之后)，成功地实现切断约3mm厚的玻璃。在此情况中，一方面移除了环形光圈8，并且另一方面，校正了透镜7距衬底的距离(在标称焦距的方向中增加)以使得在衬底中产生较长的焦线。
下面呈现切断硬化玻璃的进一步的示例性实施例(同样地利用图3a和7中所示的设备)。
含钠玻璃被硬化，因为通过沉浸在液态钾盐的浴中在玻璃的表面处钠被交换为钾。这导致在表面处的5-50μm厚的层中的相当大的内部应力(压缩应力)，这进而导致较大的稳定性。
原则上，当切断硬化玻璃时的过程参数类似于对于具有可比较的尺寸和组成的未硬化玻璃的这些。然而，归因于内部应力，尤其归因于不受期望的裂缝生长，硬化玻璃可非常更容易破坏，该不受期望的裂缝生长没有沿着激光意在的(lasered intended)破裂表面5发生，而是进入材料中。因此，对于特定硬化玻璃的成功切断，存在较窄的参数场。具体地，平均激光功率和相关联的切割速度必须被非常精确地维持，尤其依赖于硬化层的厚度。对于具有40μm厚的硬化层并且具有0.7mm的总厚度的玻璃，例如在前述设置的情况中，获得下列参数：在100kHz的脉冲重复率下的1m/s的切割速度，并且因此10μm的光斑间距，具有14W的平均功率。
硬化玻璃的内部应力具有破裂区域5在一点时间(几秒)之后完全形成，并且衬底被分成所需部分的效果。
非常薄的硬化玻璃(<100μm)主要由增韧材料构成，即，前侧和后侧在它们的钠含量方面减少并且因此在每种情况中被硬化例如30μm，并且仅内部中的40μm是未硬化的。如果表面之一受损，则此材料非常容易地且完全地破坏。到目前为止在现有技术中对于要加工这种硬化玻璃膜尚不可能。
如果a)焦线的直径是非常小的，例如小于1μm，b)从光斑到光斑的间距是小的，例如在1和2μm之间，以及c)分离速度是足够高的以使裂缝生长不要领先激光处理(在0.2到0.5m/s下的例如200kHz的高激光脉冲重复率)，则成功地实现由本文中所描述的方法来切断此材料。
下面呈现用于切断蓝宝石玻璃和晶体蓝宝石的进一步的示例性实施例(同样地利用图3a和7中所描述的设备)。
蓝宝石晶体和蓝宝石玻璃是玻璃，它们尽管在光学上相似(透明度和折射率)，但在机械上和热上表现非常不同。例如，蓝宝石是极好的热导体，能够经受极端的机械负载并且是非常硬的且耐划伤的。然而，利用上述激光器和光学器件设置，可切断薄的(0.3mm到0.6mm)蓝宝石晶体和玻璃。由于好的机械稳定性，最小化要被分离的各部分之间的剩余的桥是尤为重要的，因为否则需要非常高的力以用于最终的分离。必须从衬底的进入表面1a到离开表面1b尽可能完整地形成扰动区域。如在较厚的玻璃的情况中，这可利用较高的脉冲能量，并因此较高的平均激光功率来实现。此外，晶体蓝宝石是双折射的。切割表面必须位于垂直于光轴(所谓的C-切割)。对于切断厚度0.45mm的晶体蓝宝石晶片，可使用下列参数：在100kHz的脉冲重复率下的30W的平均激光功率、2μm的光斑尺寸以及5μm的光斑间距，其对应于在所提到的脉冲重复率下的0.5m/s的切割速度。如在玻璃的情况中，完全分离可能需要例如利用CO2激光光斑执行对分割线5的后续加热以便热应力被用于使得扰动区域经历裂缝生长以形成完全的、连续的、非互连的分离表面。
图9最后示出了如本文中所描述的所加工的玻璃板的表面的显微图。各个焦线或诱发吸收的延伸部分2c(其在这里被提供有参考符号2c-1、2c-2…)(垂直于所表示的表面进入到衬底的深度中)通过裂缝形成沿着线5被连接在一起以形成用于衬底的各部分的分离的分离表面，沿着线5，已使激光束经过衬底的表面4。可很好地看见诱发吸收的多个单独的延伸部分，在所示出的情况中，已使得激光器的脉冲重复率匹配用于在衬底4上移动激光束的前进速率以使得直接相邻部分2c-1、2、2c-2…的平均间距与激光束焦线的平均直径δ的比率V3＝a/δ近似为2.0。
除非另外明确地说明，否则不旨在将本文中所陈述的任何方法解释为需要其步骤以特定的次序执行。因此，在方法权利要求实际上不叙述其步骤跟随的次序、或者在权利要求或具体实施方式中未以其他方式说明这些步骤限于特定次序的情况下，不打算被推断出的任何具体顺序。
本文引述的所有专利、公开申请和参考文献的教导通过参引整体纳入于此。
对本领域技术人员显而易见的是在不背离本发明的精神或范围的情况下可作出各种修改和变化。由于纳入本发明的精神和实质的所披露实施例的修正组合、子组合和变型对本领域内技术人员是显而易见的，因此本发明应当被解释成包括在所附权利要求书及其等效物的范围内的任何东西。

Claims (44)

1.一种方法，包括：
沿着光束传播方向观察，将脉冲激光束聚焦成激光束焦线，所述激光束焦线具有在0.1mm和100mm之间的范围内的长度；以及
以关于材料的表面的入射角将所述激光束焦线引导到所述材料中，所述激光束焦线在所述材料内生成诱发吸收，所述诱发吸收在所述材料内沿着所述激光束焦线产生材料改性。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括相对于彼此平移所述材料和所述激光束，藉此在所述材料内产生多个材料改性，所述材料改性被间隔开以便将所述材料分成至少两块。
3.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，激光束具有在所述材料处测得的小于约400μJ的平均激光能量。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述激光束具有在所述材料处测得的小于约250μJ的平均激光能量。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，脉冲持续时间是在大于约10皮秒且小于约100皮秒之间的范围内。
6.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述激光束具有小于10皮秒的脉冲持续时间。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，脉冲重复频率是在10kHz和1000kHz之间的范围内。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述脉冲重复频率是在10kHz和100kHz之间的范围内。
9.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，所述脉冲重复频率小于10kHz。
10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述材料是玻璃。
11.如权利要求1-9中任一项所述的方法，其特征在于，所述材料是蓝宝石。
12.如权利要求1-9中任一项所述的方法，其特征在于，所述材料是半导体晶片。
13.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述材料改性是裂缝形成。
14.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述激光束焦线的入射角关于所述材料的表面小于或等于约45度。
15.如权利要求1-13中任一项所述的方法，其特征在于，所述激光束焦线的入射角垂直于所述材料的表面。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述激光束焦线被完全地包含在所述材料内，并且所述激光束焦线没有延伸到所述材料的任一表面。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述材料改性在所述材料内延伸至所述材料的两个相对表面中的至少一个。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述材料改性在所述材料的整个厚度上在所述材料内从所述材料的两个相对表面中的一个延伸到所述两个相对表面中的另一个。
19.如权利要求15所述的方法，其特征在于，对于每个激光脉冲，所述材料改性在所述材料的整个厚度上在所述材料内从所述材料的两个相对表面中的一个延伸到所述两个相对表面中的另一个。
20.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述脉冲激光束具有被选择成使得所述材料在此波长下基本上透明的波长。
21.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述波长小于约1.8μm。
22.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述激光束焦线具有在0.5μm和5μm之间的范围内的平均光斑直径。
23.一种系统，包括：
脉冲激光器；以及
光学组件，定位在所述激光器的光束路径中，配置成在所述光学组件的光束出现端上，沿着光束传播方向观察，将激光束变换成激光束焦线，所述激光束焦线具有在0.1mm和100mm之间的范围内的长度，所述光学组件包括具有球面像差的聚焦光学元件，配置成生成所述激光束焦线，所述激光束焦线被适配成在材料内生成诱发吸收，所述诱发吸收在所述材料内沿着所述激光束焦线产生材料改性。
24.如权利要求23所述的系统，其特征在于，所述激光束具有在所述材料处测得的小于约400μJ的平均激光能量。
25.如权利要求24所述的系统，其特征在于，所述激光束具有在所述材料处测得的小于约250μJ的平均激光能量。
26.如权利要求23-25中任一项所述的系统，其特征在于，脉冲持续时间是在大于约10皮秒且小于约100皮秒之间的范围内。
27.如权利要求23-25中任一项所述的系统，其特征在于，所述激光束具有小于10皮秒的脉冲持续时间。
28.如权利要求23-27中任一项所述的系统，其特征在于，脉冲重复频率是在10kHz和1000kHz之间的范围内。
29.如权利要求28所述的系统，其特征在于，所述脉冲重复频率是在10kHz和100kHz之间的范围内。
30.如权利要求23-27中任一项所述的系统，其特征在于，所述脉冲重复频率小于10kHz。
31.如权利要求23-30中任一项所述的系统，其特征在于，所述光学组件包括在所述聚焦光学元件之前被定位在所述激光器的光束路径中的环形孔径，所述环形孔径被配置成阻挡掉在所述激光束中心的一个或多个光线以使得仅所述中心以外的边缘光线入射在所述聚焦光学元件上，并且藉此沿着光束方向观察，对于脉冲激光束的每个脉冲，仅产生单个激光束焦线。
32.如权利要求23-31中任一项所述的系统，其特征在于，所述聚焦光学元件是球面切割凸透镜。
33.如权利要求32所述的系统，其特征在于，所述聚焦光学元件是具有非球面自由表面的锥形棱镜。
34.如权利要求33所述的系统，其特征在于，所述锥形棱镜是轴棱锥。
35.如权利要求23-34中任一项所述的系统，其特征在于，所述光学组件进一步包括第二光学元件，定位并对准这两个光学元件以使得在距所述第二光学元件一距离处在所述第二光学元件的光束出现端上生成所述激光束焦线。
36.如权利要求23-35中任一项所述的系统，其特征在于，所述脉冲激光束具有被选择成使得所述材料在此波长下基本上透明的波长。
37.如权利要求36所述的系统，其特征在于，所述波长小于约1.8μm。
38.如权利要求23-37中任一项所述的系统，其特征在于，所述激光束焦线具有在0.5μm和5μm之间的范围内的平均光斑直径。
39.如权利要求23-38中任一项所述的系统，其特征在于，所述材料是玻璃。
40.如权利要求23-38中任一项所述的系统，其特征在于，所述材料是蓝宝石。
41.如权利要求23-38中任一项所述的系统，其特征在于，所述材料是半导体晶片。
42.如权利要求23-41中任一项所述的系统，其特征在于，所述材料改性是裂缝形成。
43.一种玻璃制品，包括至少一个表面，所述玻璃制品沿着所述表面具有多个材料改性，每一个材料改性具有在0.1mm和100mm之间的范围内的长度以及在0.5μm和5μm之间的范围内的平均直径。
44.一种玻璃制品，包括至少一个表面，所述玻璃制品沿着所述表面具有多个材料改性，每一个材料改性具有近似等于2.0的直接相邻的材料改性的平均距离a与创造所述材料改性的激光束焦线的平均直径δ的比率V3＝a/δ。
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