CN107922237B - 显示器玻璃组合物的激光切割和加工 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于对透明材料的薄基材进行切割和分离的激光切割技术，例如，对主要用于生产薄膜晶体管(TFT)器件的显示器玻璃组合物进行切割。所描述的激光加工可以用来制造笔直切割，例如以大于>0.25m/s的速度来切割锋利半径外角(<1mm)，以及产生任意曲线形状，包括形成内孔和缝。对碱土硼铝硅酸盐玻璃复合工件进行激光加工的方法包括：将脉冲激光束聚焦成焦线。脉冲激光产生5‑20个脉冲每个脉冲群的脉冲群，以及脉冲群能量为300‑600微焦耳/脉冲群。焦线被导入玻璃复合工件中，在材料中产生感应吸收。工件和激光束相对于彼此位移，沿着轮廓形成多条缺陷线，相邻缺陷线的间距为5‑15微米。

Description

显示器玻璃组合物的激光切割和加工
相关申请
本申请根据35 U.S.C.§119，要求2015年3月24日提交的美国临时申请第62/137443号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。
技术背景
材料的激光加工领域包括宽范围的各种应用，涉及切割、钻孔、研磨、焊接、熔化等，以及不同类型的材料。在这些应用中，特别感兴趣的一种是对不同类型的基材进行切割或分离，例如，对薄膜晶体管(TFT)或显示器玻璃组合物进行分离的工艺。
从工艺发展和成本观点来看，对于玻璃基材的切割和分离存在许多改善机会。相比于如今市场中实际使用更为快速、干净、廉价、可重复性更好且更为可靠的方法是非常令人感兴趣的。
发明内容
本申请描述了用于对透明材料的薄基材进行切割和分离的激光切割技术，更具体地，对主要用于生产薄膜晶体管(TFT)器件的显示器玻璃组合物进行切割。所描述的激光加工可以用来制造笔直切割，以最高至大于>1m/s来切割锋利半径外角(<1mm)，以及产生任意曲线形状，包括形成内孔和缝。例如，示例性实施方式可用于形成具有其中可以插入心轴的内孔的圆形玻璃存储碟片。
本申请还描述了切割玻璃的方法，然后用各种方法来对部件进行后续加工，从而将切割玻璃部件的边缘强度和边缘冲击强度都提升到远高于单独切割工艺所能实现的水平。本文所述的方法还可在单次通过中对这些玻璃的堆叠进行切割，改善加工时间和机器利用率。
在一个实施方式中，对碱土硼铝硅酸盐玻璃复合工件进行激光加工的方法包括：将脉冲激光束聚焦成激光束焦线，其取向沿着束传播方向。激光束焦线还被导向进入玻璃复合工件中，激光束焦线在材料内产生感应吸收，感应吸收沿着工件内的激光束焦线产生缺陷线或者损坏轨迹。该方法还包括使得工件和激光束相互沿着轮廓位移，以及激光沿着轮廓在工件内形成多条缺陷线，其中，相邻缺陷线之间的间距(周期性)是5-15微米。脉冲激光产生5-20个脉冲每个脉冲群的脉冲群，以及脉冲群能量为300-600微焦耳/脉冲。
在工件内沿着轮廓形成所述多条缺陷线的激光可有助于工件沿着由轮廓限定的表面分离，从而形成分离的表面。感应吸收可以产生小于或等于约0.5微米的经切割和分离边缘的Ra表面粗糙度。感应吸收还可在经分离的表面上产生平均直径小于3微米的颗粒。
根据一些实施方式，玻璃制品包括碱土硼铝硅酸盐玻璃复合物，其包括具有多条延伸至少250微米的缺陷线的至少一个边缘，缺陷线分别具有小于或等于约1微米的直径，间隔为5微米和15微米。根据一些实施方式，所述至少一个边缘具有最高至小于或等于约100微米深度的表面下损坏和/或小于或等于约0.5微米的Ra表面粗糙度。在一些实施方式中，该玻璃制品的厚度为0.5-7mm。所开发的激光方法可以进行调节用于通过对所需轮廓进行热加压使得部件从面板发生手动或机械分离或者完全激光分离。该方法涉及使用超短脉冲激光，然后可以接上CO2激光以产生热应力，有时连接高压空气流用于完全自动化分离。
附图说明
通过示例性实施方式更为具体的描述使得前述内容是更为清楚的，在所示附图中，对于所有不同视图，相似附图标记表示相同部件。附图不一定是成比例的，相反地，进行了突出强调来显示示例性实施方式。
图1A-1C显示具有等间距缺陷线或损坏轨迹的改性玻璃的断层线(穿孔线)。
图2A和2B显示激光束焦线的定位，即对激光波长透明的材料由于沿着焦线的感应吸收的加工。
图3A所示是根据一个实施方式的用于激光加工的光学组件。
图3B-1至3B-4所示是通过将激光束焦线相对于基材的不同定位来对基材进行加工的各种方式。
图4所示是用于激光加工的光学组件的第二个实施方式。
图5A和5B所示是用于激光加工的光学组件的第三个实施方式。
图6是用于激光加工的光学组件的第四个实施方式的示意图。
图7A-7C显示对于材料激光加工的不同激光强度状态。图7A显示未聚焦激光束，图7B显示具有球形透镜的浓缩激光束，以及图7C显示具有锥棱镜或衍射菲涅尔透镜的浓缩激光束。
图8A示意性显示了示例性脉冲群内的激光脉冲的相对强度与时间的关系，每个示例性脉冲群具有7个脉冲。
图8B示意性显示了示例性脉冲群内的激光脉冲的相对强度与时间的关系，每个示例性脉冲群含有9个脉冲。
图8C显示0.024mm和0.134mm厚度的薄膜晶体管(TFT)玻璃的笔直切割带的切割边缘图像。
图9A是0.6mm厚的Eagle
Figure BDA0001479275730000031
玻璃的笔直切割带的边缘图像。
图9B和9C显示低碱性碱土硼铝硅酸盐玻璃或者不含碱性碱土硼铝硅酸盐玻璃中产生的损坏轨迹。更具体来说，图9B显示0.5mm厚的Eagle
Figure BDA0001479275730000032
玻璃片中的损坏轨迹(俯视图)，以及图9C显示相同玻璃中的损坏轨迹(底视图)。
图9D是图9B和9C所示的0.5mm厚的Eagle
Figure BDA0001479275730000033
玻璃的切割带的边缘图像。
图9E显示对于不同能量水平/脉冲群，显示器玻璃的破裂强度与群能量的关系。
图9F显示一个实施方式的显示器玻璃的破裂强度与穿孔节距的关系。
图9G显示根据本文所述一个实施方式，速度增加与CO2束直径的关系。
图10显示原子电离能。
图11显示采用机械或CO2激光划线的用于连续熔合玻璃制造工艺的现有玻璃切割方法。
图12A显示在玻璃拉制线上对玻璃进行基于激光的切割的方法，其中，采用水平激光切割从拉制线分离玻璃板或玻璃片。
图12B显示在玻璃拉制线上对玻璃进行基于激光的切割的方法，其中，使用激光切割贯穿玻璃片的面积，并从拉制线去除玻璃的质量区段。
图13显示在拉制线上对玻璃进行基于激光的切割，其在拉制线的高处切割珠以及在拉制线的较下方水平切割片材。
图14显示在拉制线上对玻璃进行基于激光的切割，其通过水平切割从拉制线去除玻璃，之后分开的纵向切割以去除玻璃边缘珠。
图15显示使用基于激光的切割从拉制线切割玻璃，从片材去除废弃或废料玻璃。
图16显示采用多阶段炉将玻璃片保持在接近其退火点的温度，在拉制线上进行基于激光的切割工艺。
图17显示多阶段炉，其构造成向在拉制线上进行切割的玻璃片赋予规定的温度冷却分布。
具体实施方式
以下描述了示例性实施方式。
本申请提供了对玻璃组合物(例如，碱土硼铝硅酸盐玻璃组合物，例如，显示器和/或TFT(薄膜晶体管)玻璃组合物，其会构成玻璃基材的最终部分)进行精确切割和分离的工艺。此类玻璃或玻璃组合物的一些例子是购自纽约州康宁市康宁有限公司(CorningIncorporated,Corning NY)的Eagle
Figure BDA0001479275730000041
Contego、Corning LotusTM和Corning LotusNXTTM。碱土硼铝硅酸盐玻璃组合物可以配制成适合作为电子器件应用(例如薄膜晶体管)的基材。这意味着TFT玻璃组合物通常具有类似于硅的热膨胀系数(CTE)(优选不超过5ppm/℃，优选小于4ppm/℃，例如，约为3ppm/℃或者2.5-3.5ppm/℃)，并且在玻璃内具有低碱性水平。对用于TFT应用的玻璃，低的碱性水平是优选的(即，0-2％的痕量，优选<1重量％，例如，<0.5重量％)，因为在某些情况下，碱性掺杂剂会从玻璃滤出并污染硅工艺，这是不合乎希望的。激光切割工艺以可控方式分离玻璃部件，具有可忽略不计的碎片且对于边缘具有最小化的缺陷和低表面损坏，保留了部件强度。所开发的激光方法非常适用于对于选定激光波长是透明的材料。该波长可以是例如，1064、532、355或266纳米。工件或TFT玻璃组合物应该优选对于选定的激光波长是基本透明的(即，每mm的材料深度的吸收小于约10％，且优选小于约1％)。例如，通过使用厚度为0.025-0.7mm的Eagle
Figure BDA0001479275730000042
组合物，对方法进行了证实。
下文所述的工艺基础步骤是产生垂直断层线，其描绘出所需形状并建立了对于裂纹扩展具有最小抗性的路径，因此形状从其基材基质的分离和分开具有最小抗性。可以将激光分离方法调节和配置成实现玻璃形状从原始基材发生手动或机械分离、部分分离或者完全分离。
在第一个步骤中，待加工的物体用超短脉冲(脉冲宽度小于100皮秒)激光束辐射(波长小于或等于1064nm)，所述超短脉冲激光束浓缩成高纵横比线聚焦，其渗透通过基材的厚度。在该高能密度体积内，材料经由非线性效应发生改性。重要的是要注意到，在没有该高光学强度的情况下，不引发非线性吸收。低于该强度阈值，材料对于激光辐射是透明的，并且保持其初始状态。通过使得激光扫描过所需的线或路径，产生窄的缺陷线或轮廓或路径(数微米宽)，并限定了在下个步骤中待分离的周界或形状。
激光源可以在基本透明的材料(例如，玻璃复合工件)中产生多光子吸收(MPA)。MPA是相同或不同频率的两个或更多个光子的同时吸收，从而将分子从一个状态(通常是基态)激发到较高能电子态(电离)。所涉及的分子的较低能态与较高能态之间的能量差等于所述两个光子的能量总和。MPA，也称作感应吸收，会是二阶或三阶加工(或者更高阶)，例如，比线性吸收弱数个数量级。其与线性吸收的不同之处在于，例如二阶感应吸收的强度会与光强度的平方成比例，因此其是非线性光学过程。
一旦产生了具有垂直缺陷或穿孔的线或轮廓，可以通过如下方式进行分离：1)在穿孔断层线上或其附近的手动或机械应力；应力或压力应该产生拉伸，其将穿孔断层线的两侧拉开并使得仍然粘结在一起的区域破裂；2)使用热源，在断层线附近产生应力区，使得垂直缺陷线或者穿孔断层线处于拉伸，诱发部分或完全分离。在两种情况下，分离都取决于数个工艺参数，例如，激光扫描速度、激光功率、透镜的参数、脉冲宽度、重复频率等。
该激光切割过程使用超短脉冲激光结合产生焦线的光学件，从而使得各种玻璃组合物的主体发生完全穿孔。在一些实施方式中，单个脉冲的脉冲持续时间范围是大于约1皮秒至小于约100皮秒，例如大于约5皮秒至小于约20皮秒，以及单个脉冲的重复频率可以约为1kHz至4MHz，例如约为10-650kHz。
此外，除了以前述单个脉冲重复频率运行的单次脉冲操作之外，可以以两个或更多个脉冲(例如，3个脉冲、4个脉冲、5个脉冲、10个脉冲、15个脉冲、20个脉冲或者更多个脉冲)的脉冲群来产生脉冲，它们被脉冲群中的单个脉冲之间的时间段所分隔开，该时间段约为1-50纳秒，例如10-30纳秒，例如约20纳秒，以及脉冲群重复频率可以约为1-200kHz。脉冲群的爆裂或产生是这样一类激光操作，其中，脉冲的发射不是均匀且稳定流，而是紧密的脉冲簇。可以选择脉冲群激光束的波长，使得材料在该波长是基本透明的。在材料处测得的平均激光功率/群可以大于40微焦耳每mm材料厚度，例如40-2500微焦耳/mm或者500-2250微焦耳/mm。例如，对于0.5-0.7mm厚度的Corning Eagle
Figure BDA0001479275730000061
玻璃，可以使用300-600μJ脉冲群来切割和分离玻璃，其对应于428-1200μJ/mm的示例性范围(例如，对于0.7mm的Eagle
Figure BDA0001479275730000062
玻璃为300μJ/0.7mm，以及对于0.5mm的Eagle
Figure BDA0001479275730000063
玻璃为600μJ/0.5mm)。
玻璃相对于激光束移动(或者激光束相对于玻璃位移)，产生描绘出任意所需部件的形状的穿孔线。激光产生孔状缺陷区(或损坏轨迹或缺陷线)，其渗透玻璃的整个深度，内开口的直径约为1微米。在显示器或者TFT类型玻璃中，这些穿孔、缺陷区域、损坏轨迹或者缺陷线通常相互间隔不小于5微米间距，且不大于20微米间距，优选为5-15微米间距。例如，对于TFT/显示器玻璃为5-12微米、7-15微米或者7-12微米。
本文所定义的缺陷线的直径或者内直径是玻璃或工件中的开放通道或者空气孔的内直径。例如，在本文所述的一些实施方式中，缺陷线的内直径<500nm，例如，≤400nm或者≤300nm。此外，例如缺陷线的内直径可以大到如同激光束焦线的斑直径。激光束焦线的平均斑直径可以约为0.1-10微米，优选0.1-5微米，例如1.5-3.5微米。一旦沿着断层线或轮廓分离了工件或玻璃部件，切割和分离表面上的缺陷线仍然是潜在可见的，并且可以具有与例如缺陷线的内直径相当的宽度。因此，通过本文所述实施方式方法制备的玻璃制品的切割表面上的缺陷线的宽度可以是例如约为0.1-5微米的宽度。
除了单片玻璃之外，该工艺还可用于切割玻璃堆叠，并且可以以单次激光通过完全穿孔总高度高至数个mm的玻璃堆叠。玻璃堆叠还可额外地在各个位置具有空气间隙；激光加工仍然会在单次通过中，对该堆叠的上层玻璃层和下层玻璃层都完全穿孔。
一旦对玻璃进行了穿孔，如果玻璃具有足够的内应力，裂纹会沿着穿孔线扩展，并且玻璃片会分离成所需部件。由于TFT玻璃组合物是具有低的热膨胀系数(CTE<4ppm/℃)和低的内应力(例如，<10MPa，如<5MPa以防止当用作显示器时发生变形或双折射)的玻璃，通常施加额外的机械分离作用力来使得玻璃部件分开，例如，使用沿着穿孔线或靠近穿孔线的后续CO2激光通过来产生热应力，这会使得玻璃沿着相同的预定程序的穿孔线发生分离。
最后，由于在加工和运输过程中所需的高可靠性水平，对于TFT显示器玻璃片通常要求圆角化或斜切边缘。通过该技术产生的刚经过切割的边缘会提供所需的高可靠性水平。此外，如果需要额外的边缘形状，本文所述的激光切割方法允许进行边缘斜切，这可能额外地增加边缘可靠性水平(经受住应力事件和边缘撞击事件的能力)。最后，成直角的刚切割边缘或者斜切边缘可以进行额外精细抛光或者触摸抛光，从而甚至进一步改善边缘强度、边缘撞击强度或者整体边缘可靠性。可以通过如下方式实现玻璃切割：(a)在熔合玻璃制造拉制线上进行(即，在线式)，例如，在此类制造线的拉制底部；或者(b)离线式，即不是在拉制线上，并且可以接上边缘斜切或抛光。
本申请描述了用于从透明基材精确地切割和分离出任意形状的激光方法和设备，更具体地，描述了以可控方式对TFT玻璃组合物(例如，Eagle
Figure BDA0001479275730000071
Corning LotusTM、Contego和Corning Lotus NXTTM等)进行切割，具有可忽略不计的碎片和对于部件边缘具有最小化损坏，这保留了边缘强度、边缘撞击强度和实现了高水平的玻璃边缘可靠性。所开发的激光方法依靠材料对于线性区域中激光波长的透过性或者低的激光强度，这实现了维持清洁和原始表面质量，并且依靠绕着激光聚焦的高强度区域所产生的表面下损伤的减少。实现该过程的一个关键在于通过超短脉冲激光所产生的缺陷或缺陷线的高纵横比。这能够产生断层线，其从待切割材料的顶表面延伸到底表面。原则上来说，可以通过单个脉冲形成该缺陷，以及如果需要的话，可以使用额外的脉冲来增加受影响区域的延长(深度和宽度)。在一些实施方式中，激光方法可用于形成具有其中可以插入心轴的内孔的圆形玻璃存储碟片。如下文所述，CO2激光可用于使得经切割的玻璃从该内孔脱出。出乎意料地发现，本文所述的激光方法可用于产生任意形状，例如但不限于圆形等，其中，起点和终点沿着圆周相遇但是没有形成毛口(burr)。如本领域已知的那样，用于曲线形状的常规激光分离方法在激光分离技术的起点和在激光分离技术的终点(通常与起点是相同或基本相同的位置)产生大量熔融材料。该毛口对最终产品的质量产生负面影响或者必须经受额外研磨或抛光技术以去除毛口。但是，出乎意料地发现根据本公开的示例性激光方法不产生此类毛口。
激光束焦线的长度可以约为0.1-10mm，或者约为0.5-5mm，例如，约1mm、约2mm、约3mm、约4mm、约5mm、约6mm、约7mm、约8mm、或者约9mm，或者长度约为0.1-2mm或者约0.1-1mm，以及平均斑直径约为0.1-5微米。孔或缺陷线的直径可以分别是0.1-10微米，例如，0.25-5微米(例如，0.2-0.75微米)。
可以通过将高斯激光束输送到锥棱镜透镜来进行线聚焦的产生，在该情况下，产生已知称为高斯-贝塞尔束的束曲线。这种束的衍射比高斯束要慢得多(例如，单个微米斑尺寸可以维持数百微米或毫米的范围，而不是数十微米或更小)。因此，焦距的深度或者与材料强烈相互作用的长度可以远大于仅使用高斯束的情况。也可使用其他形式或者缓慢衍射或不衍射束，例如艾里束(Airy beam)。
如图1A-1C所示，对透明材料进行切割或分离的方法，更具体来说，对TFT玻璃组合物进行切割和分离的方法本质上是基于通过超短脉冲激光140在待加工的材料或工件130中产生由多条垂直缺陷线120形成的断层线110。例如，缺陷线120延伸通过玻璃片的厚度，并且与玻璃片的主表面(平坦表面)正交。在本文中，“断层线”也被称作“轮廓”。虽然断层线或轮廓可以是线性的，如同图1A所示的断层线110，但是断层线或轮廓也可以是非线性的，具有曲率。例如，弯曲的断层线或轮廓可以通过使得工件130或激光束140相对于彼此以两个维度位移而不是以一个维度位移来产生。取决于材料性质(吸收率、CTE、应力、组成等)以及对于加工材料130所选择的激光参数，产生断层线110单独就足以诱发自分离。在该情况下，不需要二次分离过程，例如，拉伸/弯曲作用力或者通过例如CO2激光产生的热应力。如图1A所示，多条缺陷线可以限定轮廓。具有缺陷线的分离边缘或表面受到轮廓的限定。感应吸收产生缺陷线，可以在分离边缘或表面上产生颗粒，平均直径小于3微米，导致非常干净的切割过程。
在一些情况下，产生的断层线110不足以使材料自发分离，可能需要第二步骤。虽然可以将经打孔的玻璃部件放在诸如烘箱之类的室内以产生玻璃部件的块体加热或冷却，从而产生使得部件沿着缺陷线分离的热应力，但是该过程会是缓慢的，并且可能需要大型烘箱或者室，以装纳许多物品或者大片的经打孔玻璃。如果希望的话，可以使用例如第二激光来产生热应力从而使其发生分离。在TFT或显示器玻璃组合物的情况下，可以在产生断层线之后通过如下方式实现分离：通过施加机械作用力或者通过使用热源(例如，红外激光，如CO2激光)产生热应力并迫使材料分离。另一个选项是仅使用CO2激光来引发分离，然后手动完成分离。例如，采用以10.6微米发射且功率通过控制其负载循环进行调节的失焦连续波(cw)激光，实现了任选的CO2激光分离。聚焦变化(即，失焦程度和包括聚焦斑尺寸)用于通过改变斑尺寸来改变诱发的热应力。失焦激光束包括如下那些激光束，其产生大于最小衍射限的斑尺寸(约为激光波长尺寸)的斑尺寸。例如，可以采用斑尺寸为1-20mm(例如，1-12mm、3-8mm)的CO2激光，例如，CO2 10.6μm波长激光可以形成在经打孔的玻璃上具有这些斑尺寸的束。CO2激光斑直径的一些例子如下：2mm、5mm、7mm、10mm和20mm。也可以使用发射波长也被玻璃吸收的其他激光，例如发射波长为9-11微米范围的激光。在此类情况下，可以使用功率水平为100-400瓦的CO2激光，以及束可以以50-500mm/s的速度沿着缺陷线或者与其相邻进行扫描，这产生足以诱发分离的热应力。确切的功率水平、斑尺寸和扫描速度在特定范围内的选择可取决于所使用的材料，其厚度、热膨胀系数(CTE)、弹性模量，因为所有这些因素都影响在给定空间位置上由特定能量沉积速率赋予的热应力量。如果斑尺寸太小(即，<1mm)或者CO2激光功率过高(>400W)或者扫描速度太慢(小于10mm/s)，则玻璃可能过热，产生烧蚀、熔化或者在玻璃中产生热裂纹，这是不合乎希望的，因为他们会降低分离部件的边缘强度。优选地，CO2激光束扫描速度>50mm/s，从而诱发足够且可靠的部件分离。但是，如果CO2激光产生的斑尺寸太大(>20mm)或者激光功率过低(<10W，或者在一些情况下<30W)，或者扫描速度太高(>500mm/s)，存在加热不足，这导致对于在碱土硼铝硅酸盐玻璃组合物(显示器和/或TFT玻璃)中诱发可靠部件分离过低的热应力。
例如，在一些实施方式中，对于0.7mm厚的Corning Eagle
Figure BDA0001479275730000091
玻璃(其已经用上文所述的皮秒激光进行穿孔)，可以使用功率为200瓦的CO2激光，玻璃表面处的斑直径约为6mm，扫描速度为250mm/s，以诱发部件分离。例如，相比于较薄的Eagle
Figure BDA0001479275730000092
基材，较厚的Corning Eagle
Figure BDA0001479275730000093
玻璃基材可能需要更多的每单位时间的CO2激光热能来进行分离，或者，相比于具有较低CTE的玻璃，具有较低CTE的玻璃可能需要更多的CO2激光热能来进行分离。在CO2斑通过给定位置之后，沿着穿孔线的分离会发生得非常快速(小于1秒)，例如100毫秒内，50毫秒内，或者25毫秒内。
对于一些玻璃，沿着断层线110的方向的相邻缺陷线120之间的距离或周期性可以是大于0.1微米且小于或等于约20微米。例如，在一些玻璃中，相邻缺陷线120之间的周期性可以是0.5-15微米，或者3-10微米，或者0.5-3.0微米。例如，在一些玻璃中，相邻缺陷线120之间的周期性可以是0.5-1.0微米。但是，对于本文所揭示的碱土硼铝硅酸盐玻璃组合物，特别是对于那些厚0.5mm的较大厚度，相邻缺陷线120之间的周期性应该优选>5微米，甚至更优选为5-15微米。
产生缺陷线有数种方法。形成线聚焦的光学方法可以具有多种形式，采用圆环形激光束和球形透镜、锥棱镜透镜、衍射元件，或者其他方法来形成高强度的线性区域。激光的类型(皮秒、飞秒等)以及波长(IR、绿色、UV等)也可以发生变化，只要在聚焦区域中抵达了足够的光学强度以产生基材材料的破裂，通过非线性光学效应产生基材材料或玻璃工件的破裂即可。优选地，激光是脉冲群激光，其能够通过调节给定群内的脉冲数量来控制随时间的能量沉积。
在本申请中，使用超短脉冲激光，以一致、可控和可重复的方式产生高纵横比垂直缺陷线。该概念的本质在于使用光学件在透明部件内产生高强度激光束的线聚焦。该概念的一种形式是在光学透镜组件中使用锥棱镜透镜元件，采用超短(皮秒或飞秒持续时间)贝塞尔束，产生高纵横比、无锥角微通道区域。换言之，锥棱镜将激光束浓缩成圆柱形状和高纵横比(长的长度和小的直径)的高强度区域。由于浓缩激光束所产生的高强度，发生激光的电磁场与基材材料的非线性相互作用，以及激光能被传输到基材，实现形成缺陷，所述缺陷变得构成断层线。但是，重要的是，认识到在激光能量强度不够高的材料区域中(例如，围绕中心会聚线的基材玻璃体积)，材料对于激光是透明的，以及没有机制使得能量从激光转移到材料。作为结果，当激光强度低于非线性阈值时，对于玻璃或工件没有发生情况。
转到图2A和2B，对材料进行激光加工的方法包括：将脉冲激光束2聚焦成激光束焦线2b，其取向沿着束扩展方向。如图3A所示，(未示出的)激光器3发射激光束2，其具有入射到光学组件6的2a部分。光学组件6将入射的激光束在输出侧上转变成延长的激光束焦线2b，其是在限定膨胀范围上沿着束方向(焦线的长度l)。将平面基材1放在束路径中，至少部分重叠激光束2的激光束焦线2b。激光束焦线从而被导向到基材中。附图标记1a表示平坦基材分别朝向光学组件6或者激光的表面，以及附图标记1b表示基材1的相反表面。基材或工件厚度(在该实施方式中，垂直于平面1a和1b测量，即，垂直于基材平面测量)尺寸标记为d。基材或工件也可被称作材料，并且可以是例如对于激光束2的波长基本透明的玻璃制品。
如图2A所示，基材1(或者玻璃复合工件)与束纵轴垂直对准，从而在由光学组件6产生的相同焦线2b的后面(基材垂直于附图平面)。焦线取向成沿着束方向或者与束方向对准，基材相对于焦线2b放置的方式使得焦线2b在基材的表面1a之前开始并在基材的表面1b之前停止，即，焦线2b仍然在基材内终止并且没有超过表面1b。在激光束焦线2b与基材1的重叠区域中，即，被焦线2b覆盖的基材材料中，(假定沿着激光束焦线2b合适的激光强度，该强度通过将激光束2聚焦到长度l的区段上，即长度l的线聚焦，得以确保)广泛的激光束焦线2b产生(沿着束纵向方向对准的)广泛的区段2c，沿着该广泛的区段2c，在基材材料中产生感应吸收。感应吸收在基材材料中沿着区段2c产生形成缺陷线。缺陷线是基本透明的材料、基材或工件中，由于使用多激光脉冲的单次高能脉冲群所产生的显微镜级别(例如，直径>100nm且<0.5微米)的拉长的“孔”(也称作穿孔或缺陷线)。例如，可以以数百千赫的速率(每秒几十万个穿孔)产生单个穿孔。由于源和材料之间的相对运动，这些穿孔会相互相邻放置(空间间隔变化是按照需要的亚微米至数微米)。可以对该空间分隔(节距)进行选择，以有助于材料或工件的分离。在一些实施方式中，缺陷线是“通孔”，这是从基本透明材料的顶部延伸到底部的孔或开放通道。缺陷线的形成不仅是局部的，而是在感应吸收的延长区段2c的整个长度上。区段2c的长度(其对应于激光束焦线2b与基材1重叠的长度)标记为附图标记L。感应吸收2c的区段(或者基材1的材料中发生形成缺陷线的区段)的平均直径或程度标记为附图标记D。该平均程度D基本上对应于激光束焦线2b的平均直径δ，也就是说，约为0.1-5微米的平均斑直径。
如图2A所示，由于与焦线2b内的激光束的高强度相关的非线性效应所引起的沿着焦线2b的感应吸收，(对于激光束2的波长λ是透明的)基材材料被加热。图2B显示被加热的基材材料会最终膨胀使得对应的感应拉伸导致形成微裂纹，拉伸在表面1a处最高。
激光源的选择是在透明材料中产生多光子吸收(MPA)能力的基础。MPA是相同或不同频率的两个或更多个光子的同时吸收，从而将分子从一个状态(通常是基态)激发到较高能电子态(电离)。所涉及的分子的较低能态与较高能态之间的能量差会等于所述两个光子的能量总和。MPA，也称作感应吸收，会是二阶或三阶加工(或者更高阶)，例如，比线性吸收弱数个数量级。MPA与线性吸收的不同之处在于，例如，感应吸收的强度会与光强度的平方或三次方(或更高幂级)成比例，而不是与光强度本身成比例。因此，MPA是非线性光学过程。
下面描述(可用于产生焦线2b)的代表性光学组件6以及(可以将这些光学组件用于其中的)代表性光学设备。所有这些组件或设备是基于上文的描述，从而对于相同的组件或特征或者功能相同的那些使用相同标记。因此，下面仅描述不同的地方。
为了确保分离部件沿着进行分离的表面的高质量(关于破裂强度、几何形貌精确度、粗糙度以及避免再次进行机械加工的需求而言)，应该采用下文所述的光学组件产生沿着分离线置于基材表面上的单条焦线(下文，也替代性地将光学组件称作激光光学件)。具体地，分离表面(或者切割边缘)的粗糙度由焦线的斑尺寸或斑直径产生。分离(切割)表面的粗糙度可以是例如0.25-1微米，其可以通过例如Ra表面粗糙度统计表征(取样表面的高度的绝对值的粗糙度算术平均值，其包括由于焦线的斑直径导致的凸块高度)。为了实现小的斑尺寸(例如在与基材1的材料相互作用的激光3的给定波长λ的情况下，0.5-2微米)，通常必须对激光光学件6的数值孔径施加某些要求。下文所述的激光光学件6符合这些要求。
为了实现所需的数值孔径，一方面，对于给定的焦距长度，光学件必须根据已知的阿贝公式(N.A.＝n sin(θ)，n：待加工的玻璃或复合工件的折射率；θ：孔径半角；以及θ＝arctan(D/2f)；D：孔径，f：焦距长度)布置所需的开口。另一方面，激光束必须将光学件照亮至所需的孔径，这通常是通过采用在激光和聚焦光学件之间的加宽望远镜的束加宽的方式实现的。
出于沿着焦线均匀相互作用的目的，斑尺寸不应该变化过于强烈。例如，这可以通过仅在小的圆形区域中照射聚焦光学件，从而使得束开口略微变化进而使得数值孔径的百分比仅略微变化，得以确保(参见下文实施方式)。
根据图3A(垂直于在激光辐射2的激光束群中的中心束的水平的基材平面的区段；此处，也是激光束2垂直入射到基材平面，即，焦线的入射角约为0°，从而使得焦线2b或者感应吸收的广泛区段2c平行于基材法线)，激光器3发射的激光辐射2a首先被导向到圆形孔径8上，其对于所使用的激光辐射是完全不透明的。孔径8取向垂直于束纵轴，并且处于所示的束群2a的中心束上。对孔径8的直径进行选择，使得靠近束群2a的中心的束群或者中心束(此处标记为2aZ)撞击孔径，并被其完全吸收。由于相比于束直径降低的孔径尺寸，导致仅绕着束群2a的外周界中的束(边缘射线，此处标记为2aR)没有被吸收，而是横向地通过孔径8并撞击光学组件6的聚焦光学元件的边缘区域，这在该实施方式中，设计成球形切割双凸透镜7。
如图3A所示，激光束焦线2b不仅仅是激光束的单个焦点，而是激光束中不同射线的一系列焦点。该一系列的焦点形成限定长度的拉长焦线，如图3A所示为激光束焦线2b的长度l。透镜7处于中心束的中心，并且设计成常用球形切割透镜形式的非修正双凸聚焦透镜。该透镜的球形光行差(spherical aberration)可能是有利的。作为替代，也可以使用与理想修正系统发生偏差的非球形或者多透镜系统，其没有形成理想的焦点，而是形成限定长度的不同的拉伸的焦线(即，透镜或系统不具有单个焦点)。因而，透镜的区域沿着焦线2b聚焦，受制于来自透镜中心的距离。孔径8在束方向上的直径近似为束群直径的90％(定义为束的强度降低至峰值强度的1/e所需的距离)以及是光学组件6的透镜的直径的约75％。从而使用通过在中心将束群阻挡掉所产生的非光行差修正球形透镜7的焦线2b。图3A显示贯穿中心束的一个平面中的区段，当所示的束绕着焦线2b转动时，可以看到完整的三维束群。
这种类型焦线的一个潜在缺点在于，状态(斑尺寸、激光强度)可能沿着焦线变化(以及进而沿着所需的材料中的深度变化)，因而可能仅在选定的焦线部分中产生所需类型的相互作用(不发生熔化、感应吸收、裂纹形成的热塑性变形)。这进而意味着可能仅有部分入射激光光线被基材材料以所需的方式吸收。以这种方式，可能削弱(对于所需的分离速度需要平均激光功率的)加工效率，并且激光光线还可能传输到不合乎希望的区域(与基材附着的部件或层或者基材保持固定器)且与它们以不合乎希望的方式发生相互作用(例如，加热、扩散、吸收、不合乎希望的改性)。
图3B-1至图3B-4显示(不仅是对于图3A中的光学组件，而是基本上还对于任意其他可适用的光学组件6而言)，可以通过使得光学组件6相对于基材1合适地定位和/或对准以及通过合适地选择光学组件6的参数，来对激光束焦线2b的位置进行控制。如图3B-1所示，可以对焦线2b的长度l进行如下方式的调节，使其超过基材厚度d(此处超过的系数为2)。如果(以束纵向方向观察)将基材1放在焦线2b的中心，则在整个基材厚度上产生感应吸收的延长区段2c。激光束焦线2b的长度l可以是例如约为0.01-100mm，或者例如约为0.1-10mm。各种实施方式可以构造成长度l是例如约为0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm-5mm、例如0.5mm、0.7mm、1mm、2mm、3mm、4mm或5mm。
在图3B-2所示的情况中，产生长度l的焦线2b，其差不多对应于基材厚度d。由于基材1相对于线2b放置的方式使得线2b的起始点在基材外部，所以感应吸收的广泛区段2c(其在这里是从基材表面延伸到限定的基材深度，而没有到达相反表面1b)的长度L小于焦线2b的长度l。图3B-3显示如下情况，其中，(沿着垂直于束方向观察的)基材1放置在焦线2b的起始点的上面，从而如图3B-2的情况，线2b的长度l大于基材1中感应吸收的区段2c的长度L。因而，焦线在基材内开始并延伸超过相反表面1b。图3B-4显示如下情况，其中，焦线长度l小于基材厚度d，从而在以入射方向观察使得基材相对于焦线中心放置的情况下，焦线在基材内靠近表面1a开始，并在基材内靠近表面1b终止(例如，l＝0.75d)。
特别有利的是将焦线2b以如下方式放置，使得表面1a、1b中的至少一个被焦线覆盖，从而感应吸收的区段2c至少是在基材的一个表面上开始。以这种方式，可以实现实际上理想的切割，同时避免表面的烧蚀、起毛和颗粒化。
图4显示另一种可适用的光学组件6。基本构造符合图3A所述的那种情况，从而下面仅对差异进行描述。所示的光学组件基于使用具有非球形自由表面的光学件，从而产生焦线2b，其形状使得形成具有限定长度l的焦线。出于该目的，可以将非球面用作光学组件6的光学元件。例如，在图4中，使用了所谓的锥形棱镜，通常也称作锥棱镜。锥棱镜是特殊的锥形切割棱镜，其在沿着光轴的线上形成斑源(或者将激光束转变成环)。此类锥棱镜的设计是本领域技术人员周知的；例子中的锥角是10°。也可以采用其他锥棱镜锥角范围。这里标记为附图标记9的锥棱镜的顶点导向入射方向并且处于束中心处。由于锥棱镜9产生的焦线2b开始于其内部，基材1(此处与主束轴垂直对准)可以放置在束路径中，直接位于锥棱镜9的后面。如图4所示，由于锥棱镜的光学特性，还可以沿着束方向偏移基材1，同时仍然在焦线2b的范围内。因此，在基材1的材料中的感应吸收的区段2c延伸超过整个基材深度d。
但是，所示的设计具有如下限制：由于通过锥棱镜9形成的焦线2b的区域在锥棱镜9内开始，显著部分的激光能没有被聚焦到焦线2b的感应吸收的区段2c中，该区段位于材料内，在该情况下，在锥棱镜9与基材或玻璃复合工件材料之间存在分隔。此外，焦线2b的长度l与束直径经由折射率和锥棱镜9的锥角相关联。这是在较薄材料(数毫米)的情况下，总焦线远长于基材或玻璃复合工件厚度的原因：具有许多激光能没有被聚焦到材料中的影响。
出于该原因，可能希望使用同时包括锥棱镜和聚焦透镜的光学组件6。图5A显示该光学组件6，其中，设计成形成延长的激光束焦线2b的具有非球形自由表面的第一光学元件被放置在激光3的束路径中。在图5A所示的情况中，该第一光学元件是具有5°锥角的锥棱镜10，其放置成垂直于束方向并且位于激光束3的中心。锥棱镜的顶点取向朝向束方向。第二聚焦光学元件(此处为平-凸透镜11，其曲率取向朝向锥棱镜)放置在束方向中，距离锥棱镜10的距离为z1。对距离z1进行选择(在该情况下约为300mm)，使得通过锥棱镜10形成的激光辐射圆环状入射到透镜11的外半径部分上。透镜11将圆环辐射聚焦到距离为z2的输出侧上，在该情况下，距离透镜11约为20mm，具有限定长度的焦线2b，在该情况下为1.5mm。该实施方式中，透镜11的有效焦距为25mm。经由锥棱镜10的激光束的圆形转变标记为附图标记SR。
图5B具体显示根据图5A，在基材1的材料中形成焦线2b或者感应吸收2c。对两个元件10、11的光学特性以及它们的位置进行选择，使得束方向中焦线2b的长度l与基材1的厚度d完全一致。因此，要求基材1沿着束方向的精确定位，从而将焦线2b精确地放在基材1的两个表面1a和1b之间，如图5B所示。
因此，如果焦线形成在距离激光光学件一定距离，以及如果较大部分的激光辐射调焦至焦线的所需端的话，则是有利的。如所述，这可以通过如下方式实现：仅在特定外半径区域以圆环状(环状)照射主聚焦元件11(透镜)，这在一方面，起到了实现所需的数值孔径进而实现所需的斑尺寸的作用，但是，在另一方面，在非常短距离上的斑中心处的所需的焦线2b之后，漫射环减小了强度，因为形成了基本圆环形斑。以这种方式，在所要求的基材深度的短距离内，停止了缺陷线的形成。锥棱镜10和聚焦透镜11的组合符合该要求。锥棱镜以两种不同方式起作用：由于锥棱镜10，将通常圆形激光斑以环形式输送到聚焦透镜11，以及锥棱镜10的非球面性具有形成超过透镜焦平面的焦线而不是形成在焦平面内的焦点的作用。可以通过锥棱镜上的束直径来调节焦线2b的长度l。另一方面，可以通过锥棱镜-透镜的距离z1以及锥棱镜的锥角，来调节沿着焦线的数值孔径。以这种方式，可以将全部的激光能集中到焦线中。
如果缺陷线的形成旨在持续到基材的背侧，则圆环形(环形)照射仍然具有如下优势：(1)使用的激光功率优化，在该意义上，大部分的激光仍然集中在所需的焦线长度中，以及(2)可以实现沿着焦线的均匀斑尺寸，因而实现沿着焦线的部件与基材的均匀分开，这是由于圆环状照射区结合由于其他光学功能的方式设定的所需光行差所导致的。
作为图5A所示的平-凸透镜的替代，也可以使用聚焦弯月形透镜或者另一较高修正的聚焦透镜(非球形、多透镜系统)。
为了采用图5A所示的锥棱镜和透镜的组合产生非常短的焦线2b，会需要选择非常小的激光束的束直径入射到锥棱镜上。这具有如下实际上的缺点：将束中心化至锥棱镜的顶点上必须非常精确，并且结果对于激光的方向变化非常敏感(束漂移稳定性)。此外，严格准直的激光束是非常发散的(divergent)，即由于光偏转，束群在短距离内变得模糊。
如图6所示，通过在光学组件6中包括另一个透镜(准直透镜12)可以避免这两种影响。额外的正透镜12的作用是非常严格地调节聚焦透镜11的圆形照射。对准直透镜12的焦距f’进行选择，使得由于从锥棱镜到准直透镜12的距离z1a导致的所需的圆形直径dr等于f’。可以通过(准直透镜12到聚焦透镜11的)距离z1b来调节所需的环宽度br。作为纯几何学问题，小的圆环照射宽度导致短的焦线。可以在距离f’实现最小值。
因而，图6所示的光学组件6是基于图5A所示的那种情况，从而下面仅对差异进行描述。将准直透镜12(此处也设计成平-凸透镜，其曲率朝向束方向)额外地放置在束路径的中心，在(位于一侧的)锥棱镜10(其顶点朝向束方向)和(位于另一侧的)平-凸透镜11之间。准直透镜12与锥棱镜10的距离称作z1a，聚焦透镜11与准直透镜12的距离称作z1b，以及焦线2b与聚焦棱镜11的距离称作z2(总是以束方向观察)。如图6所示，由锥棱镜10形成的圆形辐射SR(其发散入射并在准直透镜12上具有圆形直径dr)被调节至沿着距离z1b所需的圆形宽度br，至少在聚焦透镜11处具有近似恒定的圆形直径dr。在所示的情况下，旨在产生非常短的焦线2b，从而透镜12处近似4mm的圆形宽度br减少至透镜11处近似0.5mm，这是由于透镜12的聚焦性质(在该例子中，圆形直径dr是22mm)。
在所示的例子中，可以通过如下方式实现小于0.5mm的焦线1的长度：采用2mm的典型激光束直径，焦距f＝25mm的聚焦透镜11，焦距f’＝150mm的准直透镜，以及选择距离Z1a＝Z1b＝140mm且Z2＝15mm。
图7A-7C显示不同激光强度区域的激光-物质相互作用。在如图7A所示的第一种情况下，未聚焦激光束710通过透明基材720，没有对其引发任何改性。在该特定情况下，不存在非线性效应，因为激光能量密度(或者被束照射的每单位面积的激光能量)低于引发非线性效应所需的阈值。能量密度越高，电磁场强度越高。因此，如图7B所示，当通过球形透镜730将激光束聚焦成较小斑尺寸时，如图7B所示，照射面积下降并且能量密度增加，引发的非线性效应会改性材料以实现仅在满足条件的体积中形成断层线。以这种方式，如果聚焦激光的束腰位于基材表面处，则会发生表面改性。相反地，如果聚焦激光束的束腰位于低于基材表面处，则当能量密度低于非线性光学效应的阈值时，在表面处什么也没有发生。但是在焦距740(其位于基材720的块体内)，激光强度足够高至引发多光子非线性效应，从而导致对材料的损坏。最后，在如图7C所示的锥棱镜的情况下，如图7C所示，锥棱镜透镜750(或者菲涅耳锥棱镜)的衍射图案产生干涉，其产生贝塞尔形的强度分布(高强度的圆柱体760)，并且仅在该体积中，强度足够高至产生非线性吸收以及材料720的改性。(其中贝塞尔形强度分布足够高至产生非线性吸收和材料改性的)圆柱体760的直径也是激光束焦线的斑直径，如本文所称的那样。贝塞尔束的斑直径D可以写作D＝(2.4048λ)/(2πB)，其中，λ是激光束波长，以及B锥形角的函数。
激光和光学系统
根据一些示例性实施方式，出于切割碱土硼铝硅酸盐玻璃组合物的目的，可以使用皮秒脉冲激光(例如，1064nm或532nm皮秒脉冲激光，其产多个脉冲的群)结合形成线聚焦束的光学件，从而在玻璃组合物中产生损坏线(缺陷线)。但是，注意的是也可以采用其他脉冲激光。
例如，放置具有最高至0.7mm厚度的显示器/TFT玻璃组合物，从而其处在光学件产生的焦线的区域内。对于长度约1mm的焦线，以200kHz的脉冲群重复频率产生大于或等于约24W的输出功率的1064nm皮秒激光(大于或等于约120微焦/脉冲群)，在玻璃组合物处测得，焦线区域中的光学强度足够高到在玻璃组合物中产生非线性吸收。脉冲激光束在材料处测得的平均激光脉冲群能可以大于40微焦每mm材料厚度。对于一些玻璃，所使用的平均激光脉冲群能可以高至2500μJ每mm的材料厚度，例如40-2500μJ/mm，对于显示器/TFT类型玻璃优选400-1300μJ/mm(甚至更优选550-1000μJ/mm)，因为能量密度足够强，制造贯穿玻璃的完全损坏轨迹，同时使得垂直于穿孔线或切割边缘的微开裂的程度最小化。该每mm的“平均脉冲群激光能”也可称作平均、每脉冲群、线性能量密度，或者平均能量每激光脉冲群每mm材料厚度。近似随着由激光束焦线产生的高光学强度的线性区域，在玻璃组合物中产生损坏、烧蚀、蒸发或者其他方式改性的材料区域。
注意到的是，本文所述的此类皮秒激光的典型操作产生脉冲500A的“群”500。(参见例如，图8A和8B)。每个“群”(本文也称作“脉冲群”500)含有非常短持续时间的多个单个脉冲500A(例如，至少5个脉冲、至少7个脉冲、至少8个脉冲、至少9个脉冲、至少10个脉冲、至少15个脉冲、至少20个脉冲或更多个脉冲)。也就是说，脉冲群是脉冲的“袋子”，相比于每个群内单个相邻脉冲的间隔，群相互之间间隔较长时间段。申请人发现，为了对显示器玻璃/TFT玻璃组合物进行切割或打孔，每个群的脉冲数量应该优选为5-20。脉冲500A具有最高至100皮秒的脉冲持续时间Td(例如，0.1皮秒、5皮秒、10皮秒、15皮秒、18皮秒、20皮秒、22皮秒、25皮秒、30皮秒、50皮秒、75皮秒或者之间的情况)。脉冲群内的每个单个脉冲500A的能量或强度可能不等于脉冲群内的其他脉冲的能量或强度，并且脉冲群500内的多个脉冲的强度分布通常符合由激光设计所管理的随时间的指数衰减。优选地，本文所述的示例性实施方式的群500中的每个脉冲500A与群内的后续脉冲的时间间隔的时间段Tp为1-50ns(例如，10-50ns，或者10-30ns)，时间通常由激光腔设计所管理。对于给定激光，群500内的相邻脉冲的时间间隔Tp(脉冲-脉冲间隔)较为均匀(±10％)。例如，在一些实施方式中，群内的每个脉冲与后续脉冲的时间间隔近似为20ns(50MHz)。例如，对于产生约20毫微秒的脉冲间隔Tp的激光，群内的脉冲-脉冲间隔Tp维持在约为±10％内，或者约为±2毫微秒。每个脉冲“群”之间的时间(即，群之间的时间间隔Tb)会长得多(例如，0.25≤Tb≤1000微秒，例如1-10微秒，或3-8微秒)。在本文所述的激光的一些示例性实施方式中，对于约为200kHz的激光重复频率或者频率，时间间隔Tb约为5微秒。激光群重复频率与群内的第一个脉冲和后续群内的第一个脉冲之间的时间Tb相关(激光群重复频率＝1/Tb)。在一些实施方式中，激光群重复频率可以约为1kHz至4MHz。更优选地，激光群重复频率可以是例如约为10-650kHz。每个群中的第一个脉冲与后续群中的第一个脉冲之间的时间Tb可以是0.25微秒(4MHz群重复频率)至1000微秒(1kHz群重复频率)，例如0.5微秒(2MHz群重复频率)至40微秒(25kHz群重复频率)，或者2微秒(500kHz群重复频率)至20微秒(50kHz群重复频率)。确切的时间选择、脉冲持续时间和重复频率可以取决于激光设计发生变化，但是显示高强度的短脉冲(Td<20微微秒，优选Td≤15微微秒)工作特别好。
对材料进行改性所需的能量可以描述为群能量(群内所含的能量，每个群500含有一系列的脉冲500A)或者描述为单个激光脉冲中所含的能量(许多个它们可构成群)。每个群的能量可以是25-750μJ，以及对于许多非显示器/非TFT玻璃组合物，可以是50-500μJ或50-250μJ。在一些非显示器、非TFT玻璃中，每个群的能量是100-250μJ。但是，对于显示器或者TFT玻璃组合物，每个群的能量应该较高，例如，300-500μJ或者400-600μJ，这取决于具体的显示器/TFT玻璃组合物。脉冲群内单个脉冲的能量会较小，单个激光脉冲的确切能量会取决于群500内的脉冲500A数量以及激光脉冲随时间的衰减速率(例如，指数衰减速率)，如图8A和8B所示。例如，对于恒定的能量/群，如果脉冲群含有10个单个激光脉冲500A，则每个单个激光脉冲500A会含有较少的能量，相比于如果仅具有2个单个激光脉冲的相同脉冲群500而言。
对于切割或改性透明材料(例如玻璃)，使用能够产生此类脉冲群的激光是有利的。不同于使用通过单脉冲激光的重复频率在时间上间隔开的单个脉冲，使用在群500内的脉冲的快速序列上使得激光能铺展开的脉冲群序列实现了与材料的较大时间跨度的高强度相互作用，相比于单脉冲激光可能的情况而言。虽然单脉冲可以在时间上膨胀，但是如果这样的话，脉冲内的强度必然在脉冲宽度上粗略地下降。因此，如果10微微秒的单脉冲膨胀到10毫微秒脉冲的话，强度粗略地下降3个数量级。该下降会使得光学强度降低至非线性吸收不再显著的点，并且光材料相互作用不再强到足以实现切割。相反地，利用脉冲群激光，群500内的每个脉冲500A期间的强度仍然可以是非常高的，例如时间间隔约为10毫微秒的3个10微微秒脉冲500A仍然实现每个脉冲中的强度近似高于3倍的单个10微微秒脉冲，同时激光能够与材料在现如今大3个数量级的时间规格上与材料相互作用。此外，例如，对于时间间隔约10ns的10个10皮秒脉冲500A，其仍然实现了每个脉冲内的强度近似10倍高于单个10ps脉冲，同时激光能够在现如今大数个数量级的时间规格上与材料相互作用。因而，这种群内的多脉冲500A的调节实现了激光-材料相互作用的时间规格的操纵，其方式可以有助于更大或更小的光与预先存在的等离子体羽毛状物的相互作用，更大或更小的光-材料相互作用(与通过初始或先前的激光脉冲预激发的原子和分子)，以及材料内更大或更小的加热效应(可促进微裂纹的受控生长)。对材料进行改性所需的群能量大小会取决于基材材料组成和用于与基材相互作用的线聚焦的长度。相互作用区域越长，展开的能量越多，则会需要的群能量也越高。确切的时间选择、脉冲持续时间和群重复频率可以取决于激光设计发生变化，但是显示高强度的短脉冲(<15微微秒，或者≤10微微秒)对于该技术工作良好。当单个脉冲群撞击玻璃上基本相同位置时，在材料中形成缺陷线或者孔。也就是说，单个群内的多个激光脉冲对应玻璃中的单条缺陷线或者孔位置。当然，由于玻璃是位移的(例如，恒定移动阶段)或者束相对于玻璃移动，群内的单独脉冲无法处于玻璃上完全相同的空间位置。但是，它们很好地相互在1μm之内，即，它们基本上撞击玻璃的相同位置。例如，它们可以以相互之间的间距sp撞击玻璃，其中，0<sp≤500nm。例如，当玻璃位置被20个脉冲的群撞击时，群内的单个脉冲撞击玻璃相互之间处于250nm之内。因此，在一些实施方式中，1nm<sp<250nm。在一些实施方式中，1nm<sp<100nm。
孔或损坏轨迹的形成
如果玻璃基材具有足够的应力(例如，离子交换玻璃)，则部件会自发性地开裂并沿着通过激光加工描绘出的穿孔损坏路径分离。但是，如果基材本身没有许多应力的话(如TFT或显示器玻璃那样，例如，Corning Eagle
Figure BDA0001479275730000201
或者Lotus、Corning Lotus NXTTM或者Contego组合物)，则皮秒激光会简单地在工件中形成损坏轨迹。这些损坏轨迹通常是孔形式，内尺寸约为0.1-1.5微米或者0.2-2微米(例如，在一些实施方式中，0.2-0.7微米或者0.3-0.6微米)。优选地，孔尺寸(即，宽度或直径)非常小(数个微米或更小)。
孔或缺陷线可以刺穿材料的整个厚度，可以是穿过整个材料深度的连续开口或者可以不是这种情况。图9A显示刺穿600微米厚的Eagle
Figure BDA0001479275730000202
基材工件的整个厚度的此类轨迹或缺陷线的例子。通过劈开边缘的侧面，观察穿孔或损坏轨迹。穿透材料的轨迹不一定是通孔。经常存在玻璃堵塞住孔的区域，但是它们通常是小尺寸的，例如约为微米级。
还可以对堆叠的玻璃片进行穿孔。在该情况下，焦线长度需要长于堆叠高度。
孔或缺陷线之间的横向间距(节距)由基材在聚焦激光束下位移时的激光的脉冲频率所决定。通常，仅需要单次皮秒激光群来形成完整孔，但是如果需要的话，可以使用多个脉冲群。为了以不同节距形成孔，激光可以触发成以较长或较短的时间间隔射击。对于切割操作，激光触发通常与束下方的工件的阶段驱动运动同步，从而激光脉冲群以固定间隔触发，例如每1微米，或者每5微米，或者每7-15微米。对于一些玻璃实施方式，沿着断层线的方向的相邻穿孔或缺陷线之间的距离或周期性可以是例如大于0.1微米且小于或等于约20微米。例如，对于一些玻璃，相邻穿孔或缺陷线之间的间距或周期性可以低至0.5微米或者0.5-3.0微米。例如，在一些实施方式中，周期性可以是0.5-1.0微米。对于显示器或者TFT类型玻璃，其通常是5-15微米。
相邻穿孔或缺陷线之间的确切间距由材料性质所决定，其有助于裂纹从穿孔的孔扩展到穿孔的孔，产生基材中的应力水平。但是，不同于切割基材，也可以使用相同的方法仅对材料进行穿孔。在本文所述的方法中，孔或缺陷线(或者损坏轨迹或者穿孔)可以分隔开更大的间距(例如，5微米节距或者7微米或更大的节距)。
激光功率和透镜焦距(其决定了焦线长度进而决定了功率密度)对于确保玻璃的完全穿透和低微开裂是特别重要的参数。
通常来说，可用的激光功率越高，以上述工艺可以对材料进行切割越快。本文所揭示的工艺可以以0.25m/s或更快的切割速度来对玻璃进行切割。切割速度(或者切割的速度)是激光束相对于透明材料(例如玻璃)的表面移动同时产生多个孔或者改性区域的速率。高的切割速度(例如，400mm/s，500mm/s，750mm/s，1m/s，1.2m/s，1.5m/s或者2m/s，或者甚至3.4-4m/s)通常是合乎希望的，从而使得制造的基建投资最小化并优化装备利用率。激光功率等于激光的群能量乘以群重复频率(速率)。通常来说，为了以高切割速度切割玻璃材料，损坏轨迹间隔通常是1-25微米，在一些实施方式中，损坏轨迹之间的间隔(即，节距)优选3微米或更大，例如，3-12微米，或者例如5-10微米。对于显示器或者TFT玻璃，损坏轨迹应该间隔大于5微米，例如5-15微米。对于显示器或TFT玻璃的一些玻璃组合物，损坏轨迹间隔7-15微米、或者7-12微米、或者9-15微米。
例如，在一些非显示器玻璃中，为了实现300mm/s的线性切割速度，3微米孔节距对应于具有至少100kHz群重复频率的脉冲群激光。对于600mm/s切割速度，3微米节距对应于具有至少200kHz重复频率的群-脉冲激光。以200kHz产生至少40uJ/群以及以600mm/s的切割速度进行切割的脉冲群激光需要具有至少8瓦的激光功率。更高的切割速度需要甚至更高的激光功率。群脉冲重复频率的增加也会得到速度和激光功率。
例如，在显示器/TFT玻璃的情况下，5微米节距的100kHz激光会以最大500mm/s进行切割；当采用7微米节距时，最大速度为700mm/s；10微米节距时，最大速度为1000mm/s；12微米节距时，最大速度为1200mm/s；以及15微米节距时，最大速度为1500mm/s。对于相同的激光重复频率，300μJ/群需要30W的平均功率；对于400μJ/需要40W的平均功率；对于500μJ/需要50W的平均功率；以及对于600μJ/需要60W的平均功率。
因此，优选ps激光的脉冲群的激光功率至少是10W或更高。损坏轨迹之间的最佳节距和确切群能量是依赖于材料的并且可以通过经验确定。但是，应注意的是，提升激光脉冲能量或者以更靠近的节距制造损坏轨迹并不总是使得基材材料更好地分离或者具有改进的边缘质量的情况。损坏轨迹之间过于致密的节距(例如，<0.1微米，在一些示例性实施方式中<1μm，或者在一些实施方式中<2μm)有时会抑制邻近后续损坏轨迹的形成，并且通常会抑制材料绕着穿孔轮廓的分离，以及还可能导致玻璃中不合乎希望的微开裂增加。过长的节距(>50μm，以及在一些玻璃中>25μm或者甚至>20μm)可能导致“不受控的微开裂”，即作为从孔到孔的扩展的替代，微裂纹沿着不同路径扩展，并导致玻璃以不同(不合乎希望)的方向开裂。这可能最终导致分离的玻璃部件的强度降低，因为残留的微裂纹会起到使得玻璃弱化的瑕疵的作用。用于形成每个损坏轨迹的过高的群能量(例如，>2500μJ/群，以及在一些实施方式中>600μJ/群)会导致相邻损坏轨迹的已经形成的微裂纹的“愈合”或再熔化，这会抑制玻璃的分离。因此，优选群能量<2500uJ/群，例如，≤600uJ/群。此外，使用过高的群能量会导致形成极大的微裂纹，并产生降低分离后部件的边缘强度的瑕疵。过低的群能量(<40μJ/群)可能导致在玻璃中没有形成可见的损坏轨迹，因而导致非常高的分离强度或者完全无法沿着穿孔轮廓进行分离。
例如，对于切割0.7mm厚的非离子交换康宁编号2319或编号2320Gorilla玻璃，观察到3-5微米的节距工作良好，脉冲群能量约为150-250μJ/群，以及群脉冲数量t(每个群的脉冲数量)优选小于5(例如，3或4)。
但是，观察到相比于诸如具有高碱性含量的康宁
Figure BDA0001479275730000221
玻璃的情况，为了对低碱性或者不含碱性的碱土硼硅酸盐玻璃(即，显示器或TFT玻璃)进行打孔或切割，需要高得多的体积脉冲能量密度(uJ/um3)(5-10倍)。对于激光机器，为了在这些含低碱性或者不含碱性玻璃中产生损坏轨迹，在每个激光脉冲群中需要高数量的脉冲和更高的脉冲能量。例如，在一些实施方式中，皮秒激光运行在100KHz，这实现了高能量脉冲和大量脉冲。这优选通过以如下方式对此类低碱性或者不含碱性的碱土硼硅酸盐玻璃进行打孔或切割来实现：采用每个群具有至少5个、更优选具有至少7个或更多个脉冲(以及甚至优选至少8个脉冲/群)的脉冲群激光，并且在(具有低碱性或者不含碱性的)碱土硼铝硅酸盐玻璃中提供约为0.05μJ/μm3或更高(例如，至少0.1μJ/μm3，例如0.1-0.5μJ/μm3)的体积能量密度。
为了对具有低碱性或者不含碱性的碱土硼铝硅酸盐玻璃(即，显示器或TFT玻璃)进行打孔或切割，甚至更优选激光产生具有至少9个脉冲/群的脉冲群，以实现玻璃沿着预定轮廓的容易分离，在除了沿着预定轮廓之外的方向具有低的玻璃开裂发生率或者不具有玻璃开裂发生率，并且得到具有低表面粗糙度的边缘。例如，在一些实施方式中，脉冲激光的激光功率为10-150W(例如，10-100W)，并且产生每个群至少5个脉冲、优选至少9个脉冲的脉冲群(例如，10-20个脉冲/群)。在一些实施方式中，脉冲激光的功率为25-65W(例如，或者25-60W)，并且产生每个群至少10-20个脉冲的脉冲群，以及由激光群产生的相邻缺陷线之间的周期性或者间距为5-10微米或者5-15微米。在一些实施方式中，脉冲激光的功率为10-100W，产生每个群至少9个脉冲的脉冲群，以及工件和激光束相对于彼此位移的速率至少为0.25m/s。在一些实施方式中，工件和/或激光束相对于彼此位移的速率至少为0.3m/s、或者至少为0.35m/s、或者至少为0.4m/s。
以1m/s的切割速度，切割Eagle
Figure BDA0001479275730000231
玻璃(购自纽约州康宁市康宁有限公司)，通常需要使用15-84瓦特的激光功率，30-45W通常是足够的。证实以2.7m/s切割Eagle
Figure BDA0001479275730000232
玻璃(500μm厚度)采用65瓦特群脉冲激光，约220μJ/群，8.8μm节距。然后将玻璃机械分离。
通常来说，对于各种玻璃组合物和其他透明材料，申请人发现优选需要10-100W的激光功率实现0.2-1m/s的切割速度，对于许多玻璃而言，25-60W的激光功率是足够(且最佳)的。在TFT/显示器类型玻璃的情况下，对于0.4-5m/s的切割速度，激光功率应该优选为10-150W，群能量为300-600μJ/群，5-20脉冲每群(取决于切割的材料)，以及孔间隔(或缺陷线之间的节距)为5-15μm，以及对于一些玻璃组合物为7-12μm。对于这些切割速度，使用皮秒脉冲群激光会是优选的，因为他们产生了高的功率和所需的每个群的脉冲数量。因此，根据一些示例性实施方式，脉冲激光产生10-100W的功率(例如25-60瓦特)，以及产生至少5-20个脉冲/群的脉冲群，并且缺陷线之间的距离为5-15微米；以及激光束和/或工件相对于彼此以至少0.25m/s的速率(在一些实施方式中，至少0.4m/s，例如，0.5-5m/s或更快)的速率移动。
更具体来说，为了对于显示器或TFT玻璃(例如，Eagle XG或Contego玻璃)产生损坏轨迹，如图9B-9C所示，应该使用正确的协同群能量、脉冲数量/群以及缺陷节距。用于其他类型玻璃的范围不适用于显示器或TFT玻璃，或者得到无法令人满意(缓慢)的切割速度。更具体来说，图9B显示在购自康宁有限公司的0.5mm Eagle XG玻璃中通过超短激光脉冲产生的穿孔(表面俯视图，激光入射侧)。该附图显示在受到引发裂纹的热影响中间的穿孔将孔连接起来易于分离。图9C是相同基材的底表面的图像，显示与顶表面相同的特性。对于图9B和9C的示例性实施方式，激光群中的总能量为450μJ。该能量分布在群内的多个脉冲之间。前两个脉冲是充满能量的，(具有足够的功率)沿着从玻璃表面开始的损坏轨迹产生等离子体，后续脉冲与等离子体相互作用，使得损坏轨迹延长通过块体但是还绕着穿孔产生热影响区。图9D是图9B和9C所示的0.5mm厚的Eagle
Figure BDA0001479275730000241
玻璃的切割带的边缘(侧视)图像，其在CO2束处理之后完全分离。
随时间形成绕着焦区的热影响区和连接缺陷的裂纹，因为来自连续脉冲的能量在焦体积中和焦体积附近累积，产生结构变化。激光脉冲列在玻璃块体内的焦点处构成点状热源。大量的脉冲转变为绕着焦点的较高温度，产生更大的热影响区。随着该加热区的冷却，在玻璃的表面处诱发拉伸应力形式的残留应力。该应力进而与来自下个群的损坏区相互所用，这促进了连接了穿孔的断裂。发现了使得激光切割工艺用于显示器/TFT玻璃且降低使玻璃沿着损坏轨迹分离所需的作用力的条件范围。该作用力也被称作破裂抗性(或者破裂作用力)，这是使得玻璃手动分开所需的作用力量；其可以通过4点弯曲测试测得，单位为MPa。低于20MPa且优选低于15MPa的破裂抗性实现了采用CO2束以大于250mm/s的速度使得显示器或者TFT玻璃分离。如果破裂抗性较大，则CO2分离速度成比例减缓。通过如下规定范围内的如下三个参数的操作来获得显示器或TFT玻璃的该目标破裂抗性，然后在这些规定范围内对具体显示器或TFT玻璃组合物进行优化。
1.脉冲群能量
出于对显示器或TFT玻璃进行切割或分离的目的，申请人发现脉冲群能量应该是300-600μJ/群。在该范围外的工作情况会导致其他玻璃(而非显示器或TFT玻璃)的成功分离。对于一些显示器类型玻璃类型，理想的范围是300-500μJ，对于其他显示器类型玻璃，是400-600μJ。看上去400-500μJ的脉冲群能量对于所有的显示器类型玻璃都工作良好。线聚焦内的能量密度应该对具体的显示器或TFT玻璃进行优化，例如，对于Eagle XG和Contego这两种玻璃，脉冲群能量的理想范围都是300-500μJ，以及线聚焦是1.0-1.4mm(线聚焦长度由光学件构造确定)。
申请人发现，当能量密度太低时(低于300μJ)，则没有按照需要形成穿孔和热损耗，以及不会容易地实现孔之间的断裂，导致显示器玻璃中的破裂抗性(本文也称作破裂强度)增加。如果能量密度过高(>600μJ，以及对于许多显示器玻璃>500μJ)，则热损坏太大，导致连接了穿孔的裂纹发生偏离而不是沿着所需路径形成，以及显示器(或TFT)玻璃的破裂抗性(破裂强度)会急剧增加。图9E显示对于不同能量水平/脉冲，显示器玻璃的破裂强度与群能量的关系。该附图显示当脉冲群能量接近300μJ时，破裂强度(破裂抗性)急剧增加。还显示当脉冲群能量约为400μJ时，该显示器玻璃具有较低的破裂抗性。
2.脉冲/群
申请人还发现，每个群具有5-22个(例如，5-20)个脉冲数量对于显示器和/或TFT玻璃的低破裂抗性或者理想破裂抗性也是重要的。对于一些显示器玻璃，每个群的脉冲数量是5-15，对于其他显示器玻璃，这是9-20或者10-20每群。在该特定范围外操作分离许多玻璃(例如，Gorilla玻璃)，但是无法导致典型显示器或TFT玻璃的良好或高效分离。对于Contego和Eagle XG玻璃这两者，需要大量的脉冲/群。例如，为了对Eagle XG玻璃成功进行打孔和/或切割，每个群的脉冲数量是7-20，优选9-20，甚至更优选10-20。对于Contego玻璃，范围甚至更小；为了使得Contego玻璃成功打孔和/或切割，每个群的脉冲数量是15-20。作为对比，2-4个脉冲/群足以对经过强化和未经过强化的Gorilla玻璃进行打孔和分离，但是对于这两种显示器玻璃(Contego和EagleXG)，4个脉冲不足以产生所需的损坏轨迹和热影响区。为了实现显示器玻璃的高效切割(具有最小量的表面下破损和/或不合乎希望的裂纹扩展)，应该采用本文所述的该所需的脉冲数量/群(基于TFT/显示器玻璃组合物，5或7或10或15个脉冲/群)，群能量为300-600μJ以及优选400-500μJ。
3.穿孔之间的节距或距离
穿孔之间的节距或距离是另一个重要参数。对于显示器或者TFT类型玻璃，穿孔之间的节距或距离应该优选为5-15微米。例如，对于Eagle XG，最低破裂抗性的理想节距是5-15微米。当节距落在该范围之外时，破裂抗性快速增加。对于Contego类型玻璃，理想节距是7-11微米。Contego类型玻璃的破裂抗性(破裂强度)增加到该范围之外使得难以对玻璃进行切割或分离。节距小于5微米的Eagle XG类型玻璃的激光加工导致裂纹偏离断层线并形成导致较高玻璃破裂抗性的多条互连裂纹。例如，图9F显示对于显示器玻璃的一个实施方式，随着节距从10微米变化到约4微米，破裂强度快速增加。更具体来说，破裂强度快速增加(玻璃变得更难以分离)，并且当穿孔节距是4微米时，破裂强度至少增大了3倍(相比于10微米)。对于Contego类型玻璃中>15微米的穿孔节距，裂纹没有发生孔-孔相连。注意到的是，如上文所述，对于显示器或者TFT玻璃，选择所述范围(5-15微米)的节距的同时应该同时还满意对于脉冲群内的能量密度和脉冲数量这两者的要求。
因此，根据一些实施方式，对显示器或者TFT玻璃工件(本文也称作碱土硼铝硅酸盐玻璃复合工件)进行激光加工的方法包括：
将脉冲激光束聚焦成激光束焦线，其取向沿着束传播方向并且被导向到碱土硼铝硅酸盐玻璃复合工件中，激光束焦线在材料中产生感应吸收，以及感应吸收在工件中产生沿着激光束焦线的缺陷线；以及
使得碱土硼铝硅酸盐玻璃复合工件和激光束相对于彼此沿着轮廓位移，从而激光在工件内沿着轮廓形成多条缺陷线，其中，相邻缺陷线之间的周期性是5-15微米，群能量是300-500微焦耳，以及每个群的脉冲数量是9-20且优选是10-20。
根据一些实施方式，相邻缺陷线之间的周期性是5-15微米，群能量是300-500微焦耳，以及每个群的脉冲数量是9-20。根据其他实施方式，相邻缺陷线之间的周期性是7-12微米，群能量是400-600微焦耳，以及每个群的脉冲数量是5-15。
下表1显示用于对Eagle XG和Contego玻璃进行成功打孔被在孔之间产生裂纹所使用的脉冲激光的示例性条件。工艺中的第二个步骤是使用CO2激光作为热源沿着由脉冲激光束所产生的穿孔扫描，以使得玻璃完全分离。
表1：用于成功分离显示器/TFT玻璃的方法实施方式中所使用的示例性激光参数
Figure BDA0001479275730000271
切割和分离低碱性玻璃或不含碱性玻璃
如图8C和9A所示，发现了实现具有线性切割或更复杂形状的宽范围基材厚度的玻璃(例如，Eagle
Figure BDA0001479275730000272
)分离的不同条件。图8C的图像显示0.024mm厚的Eagle
Figure BDA0001479275730000273
玻璃片的切割边缘(俯视图像)和0.0134mm厚的Eagle
Figure BDA0001479275730000274
玻璃片的切割边缘(底部图像)。Eagle
Figure BDA0001479275730000275
是设计用作薄膜晶体管(TFT)基材的玻璃组合物，因此具有约3ppm每摄氏度的适当热膨胀系数(CTE)，这使得其近似匹配硅的热膨胀系数。该激光工艺还可用于切割和分离类似的TFT玻璃组合物，即具有与Eagle
Figure BDA0001479275730000276
相似CTE的那些(例如，CTE为2-5ppm/℃)以及其他组成和CTE的其他玻璃。
一些示例性组合物是不含碱性玻璃，其具有高的退火点和高的杨氏模量，使得玻璃具有在TFT制造期间的优异尺寸稳定性(即，低压缩)，降低了TFT工艺期间的可变性。具有高退火点的玻璃能够防止由于玻璃制造后的热加工期间的压缩/收缩导致的面板变形。此外，本文的一些实施方式具有高蚀刻速率，实现了以经济的方式使背板变薄，以及具有不同寻常的高液相线粘度，从而降低或消除了较冷成形心轴上发生失透的可能性。作为其组成的具体细节的结果，示例性玻璃熔化成高质量，具有非常低水平的气体内含物，对于贵金属、难熔材料和氧化锡电极材料的腐蚀最小化。
在一个实施方式中，基本不含碱性的玻璃可以具有高退火点。在一些实施方式中，退火点大于约785℃、790℃、795℃或800℃。不希望受限于任何特定操作理论，相信此类高退火点导致对于待用作低温多晶硅工艺中的背板基材的示例性玻璃的低松弛速率，进而导致相对少量压缩。
在另一个实施方式中，示例性玻璃在粘度约为35000泊时的温度(T35k)小于或等于约1340℃、1335℃、1330℃、1325℃、1320℃、1315℃、1310℃、1300℃或1290℃。在具体实施方式中，玻璃在粘度约为35000泊时(T35k)小于约1310℃。在其他实施方式中，示例性玻璃在粘度约为35000泊时的温度(T35k)小于约1340℃、1335℃、1330℃、1325℃、1320℃、1315℃、1310℃、1300℃或1290℃。在各种实施方式中，玻璃制品的T35k约为1275℃至约1340℃，或者约为1280℃至约1315℃。
玻璃的液相线温度(T液相线)是晶体相可与玻璃平衡共存的温度，在该温度以上则不能共存。在各个实施方式中，玻璃制品的T液相线约为1180℃至约1290℃，或者约为1190℃至约1280℃。在另一个实施方式中，对应于玻璃的液相线温度的粘度大于或等于约150000泊。在一些实施方式中，对应于玻璃的液相线温度的粘度大于或等于约175000泊、200000泊、225000泊或250000泊。
在另一个实施方式中，示例性玻璃可以提供T35k–T液相线>0.25T35k–225℃。这确保了在熔合法的成形心轴上失透的趋势最小化。
在一个或多个实施方式中，以氧化物的摩尔百分比计，基本不含碱性玻璃包含：SiO2 60-80；Al2O3 5-20；B2O3 0-10；MgO 0-20；CaO 0-20；SrO 0-20；BaO 0-20；ZnO 0-20；其中，Al2O3、MgO、CaO、SrO、BaO表示各氧化物组分的摩尔百分比。
在一些实施方式中，以氧化物的摩尔百分比计，基本不含碱性玻璃包含：SiO2 65-75；Al2O3 10-15；B2O3 0-3.5；MgO 0-7.5；CaO 4-10；SrO 0-5；BaO 1-5；ZnO 0-5；其中，1.0≤(MgO+CaO+SrO+BaO)/Al2O3<2以及0<MgO/(MgO+Ca+SrO+BaO)<0.5。
在某些实施方式中，以氧化物的摩尔百分比计，基本不含碱性玻璃包含：SiO2 67-72；Al2O3 11-14；B2O3 0-3；MgO 3-6；CaO 4-8；SrO 0-2；BaO 2-5；ZnO 0-1；其中，1.0≤(MgO+CaO+SrO+BaO)/Al2O3<1.6以及0.20<MgO/(MgO+Ca+SrO+BaO)<0.40。
在其他实施方式中，玻璃包括大于或等于约785℃的退火点；大于或等于约81GPa的杨氏模量；小于或等于约1750℃的T200P；小于或等于约1340℃的T35kP；以及通过原子力显微镜测得的小于0.5nm的平均表面粗糙度。该玻璃可以包括小于或等于约2.7g/cc的密度以及比模量小于约34。在其他实施方式中，比模量是30-34。在其他实施方式中，(MgO+CaO+SrO+BaO)/Al2O3约为1.0-1.6。在一些实施方式中，T200P小于或等于约1700℃。在一些实施方式中，T35kP小于或等于约1310℃。以氧化物的摩尔百分比计，该玻璃还可包含：SiO2 60-80、Al2O3 5-20、B2O3 0-10、MgO 0-20、CaO 0-20、SrO 0-20、BaO 0-20和ZnO 0-20。
在一些实施方式中，玻璃包含的(MgO+CaO+SrO+BaO)/Al2O3是约为1.0-1.6的范围内，T(退火)>785℃，密度<2.7g/cc，T(200P)<1750℃，T(35kP)<1340℃，杨氏模量>81GPa。以氧化物的摩尔百分比计，该玻璃还可包含：SiO2 60-80、Al2O3 5-20、B2O3 0-10、MgO 0-20、CaO 0-20、SrO 0-20、BaO 0-20和ZnO 0-20。
在其他实施方式中，玻璃包含的(MgO+CaO+SrO+BaO)/Al2O3是约为1.0-1.6的范围内，T(退火)>785℃，密度<2.7g/cc，T(200P)<1750℃，T(35kP)>1270℃，杨氏模量>81GPa。以氧化物的摩尔百分比计，该玻璃还可包含：SiO2 60-80、Al2O3 5-20、B2O3 0-10、MgO 0-20、CaO 0-20、SrO 0-20、BaO 0-20和ZnO 0-20。
第一种方法是使用皮秒(脉冲群)激光产生缺陷线或孔，以及根据所需形状形成多条损坏轨迹的断层线，之后进行机械分离。在形成了缺陷线或孔之后，可以通过如下方式手动完成玻璃的机械分离：使用破裂钳，用手或者专门工具使部件弯曲，或者产生足够拉伸引发和扩展沿着穿孔断层线的分离的任意方法。
另一种方法采用皮秒(脉冲群)激光产生缺陷线或孔，以及形成符合所需形状的多个孔(或多条损坏轨迹)的断层线。在该步骤之后，进行热分离步骤，优选通过CO2激光进行，其中，沿着损坏轨迹的断层线扫描CO2束。在一些实施方式中，激光方法可用于形成具有在存储碟片的操作过程中其中可以插入心轴的内孔的圆形玻璃存储碟片。CO2激光可用于从该内孔释放切割的玻璃。出乎意料地发现，本文所述的激光方法可用于产生任意形状，例如但不限于圆形等，其中，起点和终点沿着圆周相遇但是没有形成毛口(burr)。如本领域已知的那样，用于曲线形状的常规激光分离方法在激光分离技术的起点和在激光分离技术的终点(通常与起点是相同或基本相同的位置)产生大量熔融材料。该毛口对最终产品的质量产生负面影响或者必须经受额外研磨或抛光技术以去除毛口。但是，出乎意料地发现根据本公开的示例性激光方法不产生此类毛口。
CO2激光束是受控热源，其使得目标玻璃表面的温度快速增加。该快速加热在玻璃表面层中累积起压缩应力。由于经加热的玻璃表面相比于玻璃基材的总表面积较小，其快速冷却并且该温度梯度诱发的拉伸应力足够高，使得已有的裂纹扩展通过玻璃并沿着切割方向(即，沿着穿孔)扩展，导致玻璃的完全分离。可以沿着切割片(例如，存储碟片等)的周界或圆周和/或沿着内孔或其他几何形状的内圆周/周界使用这种玻璃完全分离技术。图9G显示速度的增加与CO2束直径的关系。更具体来说，该附图显示对于CO2束直径(高斯束分布)的四种示例性实施方式，破裂强度与分离速度(切割速度)的关系。该附图还显示随着破裂强度的增加，分离或切割速度下降(即，随着分离玻璃所需的作用力大小的下降，分离速度增加)。该附图还显示，对于高斯激光束类型，玻璃的分离速度随着CO2束直径变小而增加。注意到的是，如果CO2束的直径变得太小，则玻璃会受到热损坏。可以采用多CO2束形状和束强度分布来完成该受控加热。在表1的实施方式中，激光强度分布是高斯状的，对于EagleXG玻璃的圆形斑是6mm直径，对于Contego玻璃的圆形斑是7mm直径。对于这种束形状(圆形)和强度分布(高斯)，对于表1的实施方式而言，对于Eagle
Figure BDA0001479275730000301
的最佳玻璃分离速度(切割速度)是300mm/s，对于Contego则是250mm/s。在一些实施方式中，CO2激光的功率是100-400W。
采用不同形状的激光束也可以获得具有圆形CO2激光束的类似分离速度值。例如，可以采用“顶帽(top hat)”激光束、均匀强度分布作为CO2激光热源(即，矩形代替高斯形状激光束强度分布)。由于顶帽激光束的峰值强度是高斯激光束峰值强度的一半，激光束直径可以进一步降低而不对玻璃造成过度加热。激光束直径的减小增加了分离速度。此外，顶帽分布增加了热梯度，因此在玻璃中诱发了热应力而没有对玻璃造成过度加热。这还实现了分离速度的增加。可以采用如下一种技术实现“顶帽”束CO2激光分布：衍射激光束造型器、非球面透镜，或者采用方形或圆形孔径(以激光功率作为代价)。顶帽CO2束分布对于Eagle
Figure BDA0001479275730000311
玻璃实现了>300mm/s的玻璃分离速度，以及对于Contego玻璃实现了大于250mm/s的玻璃分离速度。CO2激光的功率是例如100-400W(例如，200-400W)。
在另一个方面，使用检流计结合CO2激光来对经过激光打孔的(即，矩形而非高斯形状激光束分布)的Eagle
Figure BDA0001479275730000312
和Contego玻璃进行分离。在这些实施方式中，CO2激光束垂直于损坏轨迹光栅化处理(rastered)，同时沿着穿孔线移动。在实验中使用束直径为2mm的激光束。垂直光栅化处理的大小(即，跨过断层线)是4mm。相对于采用6mm直径高斯CO2激光束所实现的切割(分离速度)，观察到切割速度增加约20％。CO2激光的功率是例如100-400W(例如，200-400W)。
可以采用椭圆形激光加热源(例如，CO2激光，其束斑沿着切割方向的长轴的轴长是20mm，短轴设定为6mm)来实现更快速的分离速度。例如，对于6mm x 8mm的椭圆形束(沿着损坏轨迹对齐)，采用功率为226W的CO2激光，得到500mm/s的分离速度。
在分离之前的缺陷线的直径或者内直径是玻璃材料或工件中的开放通道或者空气孔的内直径。一旦将工件分离，缺陷线仍然会是可见的，例如如图8C所示。经分离的工件上可见的单条缺陷线的宽度可以采用例如显微镜进行测量，以及宽度会与缺陷线在分离之前的内直径相当。例如，如果缺陷线直径是0.1-5微米，则在分离的表面上，在切割之后的单条缺陷线的对应宽度会是约为0.1-5微米。
Eagle
Figure BDA0001479275730000313
玻璃和来自低碱性或不含碱性玻璃家族的类似组合物对于激光诱发的分离方法存在挑战，这是由于它们的强分子键和原子键需要高脉冲能发生“破裂”所导致的。图10显示原子电离能。相比于常用于典型碱性玻璃组合物(例如，康宁
Figure BDA0001479275730000314
玻璃)的情况，Na、Ca、K和类似元素的减少去除了低电离元素，留下了成比例更多的需要多光子吸收发生电离的元素(当暴露于透明区域的激光波长时)。该实施方式提供了以足够激光能来均匀辐射小圆柱体体积材料的方式，使得原子和分子键分离，得到低碎片和低表面破损。
显示器玻璃组合物与Gorilla玻璃组合物之间的差异：
-Eagle
Figure BDA0001479275730000315
和其他显示器玻璃：
低CTE，约为3ppm/℃
不含碱性物质(或者仅为痕量)
低热扩散率
-康宁
Figure BDA0001479275730000321
和其他可离子交换玻璃：
CTE通常约为7-9ppm/℃
在组成中具有大量碱性物质(如钠)(使其能够进行离子交换)
较高的热扩散率。
当用运行在非透明区域的激光(例如，10.6微米的CO2)对此类玻璃进行专门切割时，TFT玻璃组合物的低热膨胀和低热扩散率产生难以进行热管理的问题，这是由于需要产生和管理用于热裂纹扩展的应力。例如，TFT玻璃对于10.6微米波长是不透明的，此类激光的能量被高的玻璃层(而不是玻璃内部较为下方)吸收。但是，发现产生穿孔线简化了热管理问题，这是由于减少了使得开始开裂、裂纹扩展和裂纹导向所需的激光能量，以及在用皮秒脉冲激光对玻璃进行打孔之后使用IR激光(例如10.6微米激光)来加热玻璃导致缺陷线之间快速、高效和受控的裂纹扩展，从而导致碱土硼铝硅酸盐玻璃的快速和高效切割。
显示器玻璃类型中存在组成差异，这导致需要对这些玻璃的激光参数进行额外精细调节。例如，对于Eagle
Figure BDA0001479275730000322
(本文也称作EXG)，其相比于天然高破损抗性玻璃(例如，Contego)具有宽范围的功率值、节距值和脉冲数量。这两种玻璃都具有3-4ppm/℃的低CTE。这两种玻璃的组成如表2所示。
表2
Figure BDA0001479275730000323
Figure BDA0001479275730000331
因此，本文所述的方法提供了一种有效地在板材或片材中切割任意形状的不含碱性玻璃且连续的方式(如连续熔合玻璃制造工艺所要求的那样，称作“拉制线上(on-the-draw)”)。例如，证实小厚度(例如，康宁
Figure BDA0001479275730000332
玻璃，约100-200微米或者100-150微米)的皮秒激光穿孔的速度是200-300mm/s，脉冲间距为1-20微米(更大的速度也是可以的)。
拉制线上的玻璃切割
机械划线和破裂是用于连续熔合玻璃制造工艺的常规玻璃切割方法。虽然是快速的(实现1m/s的直线切割)，但是当该方法用于切割具有轮廓的玻璃形状时，其是高度受限的，因为由于缓慢的速度、玻璃边缘碎片、切割边缘的高粗糙度等，对于此类应用，该方法变得极具挑战性。这些应用需要多次研磨和抛光步骤从而减少表面下破损(SSD)，还需要清洗步骤，这不仅由于较高的基建要求和低产率导致的较高成本增加了工艺成本，并且通常无法满足技术要求。
二氧化碳(CO2)激光划线和破裂方法被尝试用于对显示器玻璃组合物进行切割。该技术依赖于机械裂纹引发，之后通过CO2热诱发激光裂纹扩展。最通常来说，使用波长为10.6微米的CO2激光辐射作为精确热源，之后用冷却剂喷射来产生热冲击和使得裂纹沿着直线扩展。该方法的困难之处在于控制(特别是轮廓附近)此类裂纹的方向和扩展速度。虽然通过机械或CO2激光划线和破裂技术的直线切割可良好地用于一些应用，但是需要高精度、清洁和灵活(即，不仅仅是沿着直线的切割)的玻璃切割解决方案。
基于机械的划线和基于CO2的划线这两者的困难之处的一个例子是液晶显示器(LCD)玻璃熔合拉制工艺。在LCD熔合拉制工艺中，形成了薄的平坦玻璃的连续带材，从拉制高塔流出。该薄玻璃最通常来说形成的厚度是0.05-2mm且宽度是24-150英寸(宽60.96cm和381cm)。该玻璃带通过机械划线轮进行划线，类似于对玻璃窗进行划线或切割。然后将该经过划线的玻璃从带材进行机械弯曲和破裂，从而在拉制塔的底部得到片材(其宽度为24-150英寸，约为61-381cm宽；高为24-150英寸，即约为61-381cm高)。由于通过辊在玻璃片的最外端对其进行机械夹持和牵拉，该片材在片材的右侧和左侧会具有非常粗糙且厚的区段，将这些区段称作“珠”或者“边缘珠”。仅可在玻璃片的质量区域中进行机械划线，而不能在玻璃片的较厚的珠化区段中进行。机器装置会夹持住玻璃片，使其弯曲，并从玻璃带破裂出经过划线的片材。该破裂操作导致高振幅振动沿着带材向上进入拉制塔，这导致最终片材中形成平坦度变化。这还会引起连续片材成形工艺的“鲁比克(rubicons)现象”或明显扰动，因为变化会使得微裂纹向上到达拉制处。玻璃的机械划线和破裂还会产生玻璃碎片，所述玻璃碎片非常小且轻，并且会被空气携带沉积到附近表面上，这些玻璃碎片有时尺寸为10-200微米且厚度为3-20微米。通过机械划线产生的这些玻璃碎片向上浮动到拉制塔，并附着到片材表面。这些颗粒中的一些被称作“蛤壳”玻璃碎片，具有非常平坦面，这使得它们能够与其他玻璃表面紧密粘附，并且还与带材玻璃表面永久附着。通过机械划线产生的此类粘附的玻璃碎片导致玻璃片的不合格区段，因为非常难以洗掉此类污染物，并且它们会破坏LCD和TFT应用所需的玻璃上的涂层和图案化。
在拉制之后，该玻璃片从带区域移动到第二切割区域，在其中，通常将玻璃片放在被称作垂直珠划线机器的另一个机器上，然后对玻璃的珠化区段或者非质量区域进行机械划线，然后从母片机械裂开珠区段。同样地，薄的蛤壳玻璃碎片会飞离片材落到缺陷区域上，导致玻璃的不合格区段。
然后在一些情况下，将所有的片材封装到箱子中并运输到精整位置。同样地，蛤壳玻璃碎片会从玻璃的边缘迁移到表面，并导致玻璃的不合格区段。将该箱玻璃卸载并放入精整线中，在其中，对片材进行机械划线或CO2划线，并机械破裂成略微较小的玻璃片。该离线式划线工艺要比拉制线上划线工艺精密得多。同样地，更多的蛤壳玻璃碎片飞到玻璃表面上，导致这些玻璃片的不合格区段。
接着将该片材移到边缘研磨机，其将薄玻璃片粗研磨和精研磨至最终长度和宽度，这也会被用于产生所需的边缘分布或斜角。然后，将片材移动到会对四个角进行研磨的另一个研磨机。接着，片材移动到在线式清洗器，其清洁掉了表面除了蛤壳颗粒之外的大多数松散颗粒。
不同于常规机械划线和破裂方法，本文所揭示的激光玻璃切割技术的优势是能够极为精准、极为快速地沿着预定轮廓切割玻璃(例如，薄玻璃)，并且不产生大量或者显著数量的玻璃碎片。此外，可以以极高的速度(例如，1-2米/秒)来对玻璃进行打孔。在测试情况下，在玻璃边缘上没有观察到碎片。激光工艺可以从大型玻璃片材打孔并分离出小的玻璃制品的形状(类似于手机尺寸，70mm x 150mm)。薄玻璃的这种打孔和分离工艺留下表面粗糙度(Ra)小于400nm的边缘以及<60微米的表面下微裂纹。该边缘质量接近于经研磨的玻璃片的质量。通过该能力，可以在制造薄玻璃片的熔合拉制工艺处对热玻璃进行激光切割。因此，本文所述技术的实施方式有利地提供了改善的产率、减少了颗粒产生或者不存在颗粒产生，以及通过使得玻璃能够在拉制线上(或者紧接之后在精整线上，如果需要的话)切割成最终形状改善了成本。
图11显示用于连续熔合玻璃制造工艺的现有玻璃切割方法。在现有工艺中，玻璃片1164从拉制塔1162向下流出。玻璃片1164的较暗阴影表示较高的温度。当例如在熔合拉制机器上形成玻璃片时，通过抓取机制(例如，辊)牵拉热且软的玻璃片，这在玻璃片的两个外侧边缘上形成压印。压印边缘被称作“珠”，这些边缘延伸了玻璃片的整个长度。由于这些珠化区域通常相比于玻璃片的中心区段是扭曲或者不平坦的，因此是在将玻璃用于制造最终器件之前去除珠(或珠区域)。如拉制运动1165所示，采用辊轮向下拉制玻璃片，其沿着玻璃片1164的边缘产生玻璃珠1166。沿着划线1168施加机械或CO2激光划线，促进经划线的片材1170从玻璃片1164破裂。
本文所述的方法对于在线式和离线式玻璃切割需求这两者都提供了显示器玻璃组合物的玻璃切割解决方案。对于在线式，这些方法可用于当玻璃带拉制时对其进行切割和去除珠，特别是在被称作拉制底部(BOD)的区域，在该位置，玻璃开始从其成形温度发生冷却。当例如在熔合拉制机器上形成玻璃片时，通过抓取机制(例如，辊)牵拉热且软的玻璃片，这在玻璃片的两个外侧边缘上形成压印。压印边缘被称作“珠”，这些边缘延伸了玻璃片的整个长度。由于这些珠化区域通常相比于玻璃片的中心区段是扭曲或者不平坦的，因此是在将玻璃用于制造最终器件之前去除珠(或珠区域)。本文所述的方法提供了玻璃切割解决方案，其会导致贯穿玻璃片的整个厚度的整体(整个厚度)的穿孔。一系列的整个厚度的穿孔会形成断层线，在沿着断层线进行片分离之后，会在玻璃片中形成非常精密和可控切割。
图12A-12B显示根据本文所述方法在拉制线上进行激光玻璃切割的两种方法，其采用激光光学系统，例如本文结合图2-6所述的那些。根据激光切割工艺1200A，将由一系列缺陷线构成的激光切割线1168'施用于通过拉制塔1162形成的玻璃片1164。在工艺1200A中，(未示出的)激光构造成切割通过玻璃片1164的整个厚度。激光切割线1168'延伸穿过拉制线上新形成的玻璃片1164的整个宽度，包括对珠1166进行切割，而没有使得玻璃带振动或者产生任何玻璃碎片或颗粒。
图12B显示在拉制线上进行激光玻璃切割的替代方法1200B，其中，使用激光切割通过玻璃片的质量区域，并去除大的玻璃矩形片1170'。在拉制区域的底部1172，从玻璃片去除废弃玻璃1172。应注意到的是，在其他实施方式中，去除的玻璃片1170'不一定是矩形的。玻璃片1170'可以是方形或者圆形或者具有任何其他所需形状。
图13显示在拉制线上进行激光玻璃切割的另一种替代方法。在图13中，在拉制路径的相对较高处，施加与玻璃珠1166相邻的垂直激光切割线1168'。然后，在拉制路径的相对较低处，施加水平激光切割线1168'，从拉制线切割和去除玻璃片1170'。
图14显示在拉制线上进行激光玻璃切割的另一种替代方法。在图14中，向拉制线施加水平激光切割线1168'，其穿过玻璃片1164的整个宽度，从拉制线去除激光切割的片材1170'。在这之后，施加垂直激光切割线1168以切割片材1170'，从而在拉制线的底部从经切割的片材去除珠。
图15显示使用本文所述的激光方法从来自拉制线的片材1170'去除废弃或废料玻璃1172。在精整区域中，同时施加水平和垂直激光切割线1168'，从激光切割的玻璃片1170'除去废料玻璃1172的水平片和垂直片。
本文所述的激光玻璃加工技术可以极为精准、极为快速地切割薄玻璃，并且不产生玻璃碎片。基于激光的技术可以对玻璃进行打孔，具有极小的孔(例如，直径<1微米)和短节距间隔(例如，1微米)。此外，本文所述的方法可以被用于以极高的速度(例如，1-2米/秒)来打孔玻璃。在玻璃边缘上没有看到碎片。可以从大型玻璃片打孔并取出小的玻璃制品(例如，用于手机的那些，例如，70mm x 150mm)。薄玻璃的这种打孔和分离工艺留下粗糙度小于400nmRa的边缘以及<60微米的表面下微开裂或微裂纹。该边缘质量接近于经研磨的玻璃片的质量。通过这些能力，可以在制造薄玻璃片的熔合拉制工艺处使用基于激光的工艺来切割热玻璃。
对于一些应用(特别是玻璃片或者层叠玻璃片具有高应力的应用)，玻璃应力还可能是特别的考量。在这些情况下采用常规方法切割片材存在明显困难。例如，在熔合拉制工艺期间，在拉制LCD玻璃片的过程中，诱发了显著量的应力。在玻璃冷却过程中，在片材与珠的界面处的应力甚至更大，这是因为片材与珠之间的不同厚度和相关的不同冷却速率。对于熔合拉制层叠片，应力水平会是明显较大的(>300MPa)，其中，相邻片层之间的粘度和CTE差异导致非常高的外层压缩应力。这种高压缩应力层属性会明显改善层叠玻璃片的玻璃强度。但是，对于具有高应力水平的片材，通过常规方法来切割玻璃片会是困难的。
如本领域所理解的，用熔合拉制工艺制造的LCD玻璃片具有高应力，这是当玻璃从高于其软化点冷却到远低于其应变点时诱发的。在玻璃珠界面处，应力也明显更高，这是由于厚度和热质量的不同所导致的。对于层叠玻璃片的情况，应力要高得多(>300MPa)，其中，玻璃层的CTE和粘度失配会诱发强化玻璃应用所需的高压缩应力。这些高水平的应力使得非常难以在远低于玻璃应变点的温度(<300℃)下切割玻璃片。
揭示了采用激光技术来切割片材和分离珠的方法和不同实施方式，其需要单次冲击渗透穿过玻璃片的厚度。本文所揭示的方法实现了在拉制线处对片材进行基于激光的切割和珠分离，改善了熔合拉制工艺的制造效率。此外，在一些实施方式中，可以在高温(接近玻璃的退火点)切割单层片材和层叠片材，使得诱发的应力要小得多。在高温下切割片材以及然后对片材后加工通过规定温度曲线的能力还适应于具有较低玻璃收缩、较低残留应力的片材，提供了消除分开的精整步骤的成本的可能性，能够对具有较高应变点的玻璃进行加工，以及由于玻璃在退火温度保持较长时间增加生产产出。
图16显示采用多阶段炉1671的示例性工艺，其设计成将(待切割的)玻璃片部分1170'保持在接近其退火点的温度。在拉制线的较下部分，将(待切割的)玻璃片1170'引入到保持在接近玻璃退火温度的炉1671a中。在靠近退火点的提升温度下较低应力水平有助于对片材进行切割。首先在拉制线通过激光束1674对片材1164进行水平切割，其经过水平激光束位移1676从而在玻璃中产生多条缺陷线。
然后玻璃片1170'位移到炉1671b，同样保持在玻璃的退火温度。采用激光束1674分离玻璃珠1166，其配置成经受垂直位移1674从而靠近珠1166对玻璃片1170'进行激光划线。水平和垂直切割步骤可以包括沿着激光破损的轮廓施加拉伸或弯曲应力，从拉制线分离玻璃并且如果需要的话从经切割的玻璃片1170'分离玻璃珠。例如，可以采用机器装置施加应力。
在去除了玻璃珠之后，将经过切割的玻璃片1170'位移到第三炉1671c，其中，热源1680经过垂直位移1682从而将热量传递到玻璃板1170'的切割边缘。施加热量从而使得经切割的垂直边缘光滑化和圆角化，并且虽然在图16中未示出，但是热量也可施加到板材1170'的水平切割边缘，用于使其光滑化和圆角化。热源可以包括气体火焰、CO2激光等。
玻璃片1164可以是层叠片，其中，片包括多层，每层具有不同材料属性，例如CTE等。可以通过双溢流槽拉制塔形成此类层叠片，其中，每个溢流槽用于提供层叠体的不同层的玻璃。层叠体的玻璃层之间的CTE差异导致当玻璃片从高于软化点冷却到远低于应变点时引入显著量的应力。例如，通过使得内层与表面层之间的CTE差异大于60x 10-7/C，内层厚度与层叠体总厚度之比为0.8-1，可以在层叠片表面上诱发大于400MPa的压缩应力(参见，例如美国专利申请号2011/0318555所述，其全文通过引用结合入本文)。
在玻璃片1164是层叠体的情况下，炉1671a和1671b可以配置成将层叠体保持在层叠体的两层的退火点之间的温度。对于需要高表面压缩应力的应用(用于高强度应用的层叠玻璃)，提供处于退火温度的时间会降低应力大小，有助于采用激光束1674进行切割。在这些情况下，通过在切割后冷却过程中对玻璃进行猝冷，仍然可以使得最终的玻璃片中实现高应力。
图17显示如下工艺，其中，通过使得片材1170'物理横跨过具有逐渐更冷阶段1771a、1771b和1771c的多阶段炉1771，将片材冷却到远低于玻璃应变点的温度。炉序列施加规定温度分布，使得残留应力、成形后收缩最小化，改善了玻璃片属性和调节了玻璃性质。应理解的是，在其他实施方式中，采用具有随时间变化的温度分布的单阶段炉，实现了类似的受控冷却曲线。
在其他实施方式中，在拉制线中对玻璃进行激光穿孔，缺陷线之间具有一定间距，温度高于玻璃的退火点。在该拉制位置，这对于玻璃强度没有明显影响。但是，当在拉制线的下游位置建立了CTE应力时(例如，对于层叠玻璃而言)，这会导致玻璃片自发分离或者仅弱外部扰动的情况下发生自发分离。自发分离或者弱外部扰动情况下的分离对于去除玻璃珠和玻璃收集是有用的。
在高温下切割片材然后对片材后加工通过规定温度分布的能力还可以实现具有较低玻璃收缩和较低残留应力的片材。该能力还可消除分开的精整步骤的成本，允许对具有较高应变点的玻璃进行加工，以及由于玻璃在退火温度保持较长时间增加生产产出。
通过两条缺陷线之间的节距控制沿着整个厚度切割的玻璃分离。控制节距的能力也是重要的，因为这决定了切割速度，这还受到激光脉冲频率或群重复频率、群模式内的脉冲数量以及每个脉冲和/或每个群的平均可用能量的影响。
当绕着穿透缺陷线的孔的微裂纹取向朝着下一个最接近的孔时，这在某种意义上帮助了玻璃切割：通过沿着切割线的微裂纹额外地强化了以切割方向使得一个孔扩展到下一个最接近的孔。
连续熔合玻璃制造工艺和显示器应用(例如，薄膜晶体管(TFT))需要将玻璃切割成某一形状、尺寸且具有一定的边缘精整。例如，在将显示器玻璃片交付给消费者之前，将其精整成具有牛鼻(bullnose)边缘是工业标准。出于可靠性原因，这是优选的，因为没有此类精整的玻璃边缘常常在运输过程中发生破裂。本文所述的方法能够将显示器玻璃片切割和精整成具有边缘分布和斜面，这还提供了运输过程中的高可靠性，但是不需要耗费成本的机械研磨和抛光工艺。该边缘最多可能仅需要精细触摸抛光以实现高可靠性工业标准。
最后，本文所述的方法能够完全分离/切割各种厚度的TFT玻璃组合物(0.025mm或更薄至数mm厚的玻璃片)或者通过熔合工艺生产的玻璃片堆叠。工件(例如，TFT玻璃组合物)可以具有约为0.01-7mm(例如，0.5-7mm或者0.5-5mm)的厚度。通过例如图2-6所述设备产生的激光束焦线可以具有覆盖工件的厚度范围的长度，从而如果需要的话形成延伸通过整个工件厚度的缺陷线。
本申请可以提供以下益处：位移增强激光加工能力和成本节约，从而更低成本制造。在本实施方式中，切割工艺提供了如下内容：
用降低的激光功率切割部件完全分离：本文所揭示的实施方式能够完全分离/切割各种厚度的TFT玻璃组合物(0.025mm或更薄至数mm厚的玻璃片)或者例如通过熔合工艺生产的玻璃片堆叠。
减少的表面下缺陷：由于激光和材料之间的超短脉冲相互作用，几乎没有热相互作用，因而使得会导致不合乎希望的应力和微裂纹的热影响区最小化。此外，将激光束浓缩或聚焦到玻璃中的光学件产生缺陷线，其通常在部件的表面上是2-5微米直径。在分离之后，表面下缺陷小于100微米，例如，<75微米、<50微米、<30微米，或者甚至20微米或更低。这对于部件的边缘强度具有重大影响，因为强度受控于缺陷数量，以及它们在尺寸和深度方面的统计学分布。这些数字越大，则部件的边缘越弱。本文所揭示的实施方式所实现的工艺提供了小于或等于20微米的刚切割边缘的表面下损坏。
由于任意切割过程所引起的表面下损坏或者小的微裂纹和材料改性(并且其取向粗略地垂直于切割表面)，对于玻璃或者其他脆性材料的边缘强度是一项考量。可以采用共焦显微镜观察切割表面来测量表面下损坏的深度，该显微镜具有数nm的光学分辨率。忽略表面反射，虽然在材料下部分找到了裂纹，裂纹显示为亮线。然后将显微镜聚焦到材料中，直到再也没有更多的“闪光”，即没有观察到散射特征，以规则间隔收集图像。然后通过查找裂纹和追寻它们进入玻璃的深度来对图像进行人工处理，以得到表面下损坏的最大深度(通常测得为数微米)。通常存在数千条微裂纹，所以通常仅测量最大的微裂纹。对于切割边缘，该过程通常在约为5个位置进行重复。虽然微裂纹粗略地垂直于切割表面，任意直接垂直于切割表面的裂纹可能没有被该方法检测到。
加工清洁性：本文所述的方法能够对TFT玻璃组合物(例如，Eagle
Figure BDA0001479275730000401
CorningLotusTM、Corning Lotus NXTTM等)以清洁且受控的方式进行分离和/或切割。采用常规烧蚀或热激光工艺是非常具有挑战性的，因为他们倾向于引发热影响区，这诱发了微裂纹并使得基材破碎成数块较小的片。所揭示方法的激光脉冲以及所诱发的与材料的相互作用的特性避免了所有这些问题，因为它们进行的时间规格非常短，并且对于激光辐射透明的材料使得诱发的热效应最小化。由于在基材内产生缺陷线，事实上消除了在切割步骤期间的碎片和颗粒物质的存在。如果存在由于产生缺陷线所导致的任意微粒，它们会被良好地容纳直至部件分离。通过本文所述的基于激光的方法切割和分离的表面上的颗粒的平均直径会小于约3微米。
切割具有不同尺寸的复杂轮廓和形状
本文的激光加工方法能够对许多形式和形状的玻璃、蓝宝石以及其他基材和玻璃工件进行切割/分离，这对于许多竞争技术是存在限制的。可以在TFT玻璃组合物中切割小半径(例如，<2mm)，实现曲面边缘、实现弯曲边缘，并且还能够通过本文方法产小的孔和狭缝(例如，手机应用中所需的扬声器/麦克风，例如小于约5mm)。此外，由于缺陷线严格控制了任意裂纹扩展的位置，该方法对切割的空间位置具有良好控制，能够切割和分离小至数百微米的结构和特征。
省略工艺步骤
从输入玻璃面板将玻璃板制造成最终尺寸和形状的工艺涉及以下数个步骤，其包括：切割面板，切割成尺寸，精整和边缘成形，将部件薄化至它们的目标厚度，以及抛光TFT玻璃组合物。任意这些步骤的省略会改善加工时间和基建花费方面的制造成本。本发明的方法可以通过如下方式减少步骤数量，例如：
减少碎片和边缘缺陷的产生-潜在地消除清洗和干燥工作站。
将样品直接切割至其最终尺寸、形状和厚度，消除了对于精整线的需求。
直接在拉制线上切割玻璃，消除了对于精整线的需求。
本文引用的所有专利、公开申请和参考文献的全部教导都通过引用全文纳入本文。
虽然本文揭示了示例性实施方式，但本领域技术人员应理解可在不背离所附权利要求所包含的本发明精神和范围的情况下对形式和细节作出各种改变。

Claims (29)

1.一种对碱土硼铝硅酸盐玻璃复合工件进行激光加工的方法，所述方法包括：
通过锥棱镜、聚焦透镜和准直透镜的组合将脉冲激光束聚焦成激光束焦线，其取向沿着束传播方向并且被导向到碱土硼铝硅酸盐玻璃复合工件中，激光束焦线在材料中产生感应吸收，以及感应吸收在工件中产生沿着激光束焦线的缺陷线；以及
使得碱土硼铝硅酸盐玻璃复合工件与激光束相对于彼此沿着第一轮廓位移，从而激光沿着第一轮廓在工件内形成多条缺陷线，其中，相邻缺陷线之间的间距是5-15微米；以及其中，脉冲激光产生的脉冲群具有9-20个脉冲/脉冲群，脉冲群能量为400-600微焦耳/脉冲群，平均激光脉冲群能为400-1300 µJ/mm。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，脉冲群能量是400-500微焦耳/脉冲群。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，相邻缺陷线之间的间距是7-12微米。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，脉冲激光的激光功率是10-150 W。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，脉冲激光的激光功率是10-100 W。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，脉冲激光的激光功率是25-60 W。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，脉冲激光的激光功率为10-100 W，以及工件和激光束相对于彼此以至少0.25 m/s的速率位移。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，（i）脉冲激光的激光功率为10-100 W；以及（ii）工件和激光束相对于彼此以至少0.4 m/s的速率位移。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，（i）脉冲激光的激光功率为10-100 W；以及（ii）工件和激光束相对于彼此以至少1 m/s的速率位移。
10.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括沿着轮廓分离工件。
11.如权利要求10所 述的方法，其特征在于，沿着轮廓分离工件包括：（i）施加机械作用力；（ii）沿着或者靠近所述第一轮廓将二氧化碳激光束导入工件中；和/或（iii）沿着第二轮廓将二氧化碳激光束导入工件中，所述第二轮廓位于所述第一轮廓内部。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，沿着第一或第二轮廓分离工件包括：（i）将椭圆形二氧化碳激光束沿着或者靠近所述第一或第二轮廓导入工件中，其中，二氧化碳激光功率是100-400 W；或者（ii）将均匀强度束分布，即顶帽分布的二氧化碳激光束沿着或者靠近所述第一或第二轮廓导入工件中，以促进工件沿着相应轮廓的热应力诱发的分离，其中，二氧化碳激光功率是100-400 W。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，脉冲的持续时间大于1皮秒且小于100皮秒。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，脉冲的持续时间大于5皮秒且小于20皮秒。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，脉冲群的重复频率为10-650 kHz。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于：（i）激光束焦线的平均斑直径为0.1-10微米；和/或（ii）感应吸收在工件内产生的表面下损坏的深度最高至小于或等于100微米。
17.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括：在工件内沿着所述第一或第二轮廓用激光形成所述多条缺陷线，所述用激光形成所述多条缺陷线实现了工件沿着由相应轮廓限定的表面发生分离，从而形成经分离的表面，以及所述经分离的表面具有如下性质：（i）Ra表面粗糙度小于或等于0.5微米；或者（ii）包含表面颗粒，所述表面颗粒的平均直径小于3微米。
18.如权利要求1所述的方法，其特征在于，工件的厚度为0.01-7 mm。
19.一种通过权利要求1-18中任一项所述的方法制备的具有预定几何形貌的玻璃制品，所述玻璃制品包括碱土硼铝硅酸盐玻璃，并且包括具有多条延伸至少250微米的缺陷线的至少一个边缘，缺陷线分别具有小于或等于1微米的直径，间隔为5微米和15微米。
20.如权利要求19所述的玻璃制品，其特征在于，所述预定几何形貌是具有内孔的圆环。
21.如权利要求20所述的玻璃制品，其特征在于，所述内孔是圆形。
22.如权利要求19所述的玻璃制品，其特征在于，所述至少一个边缘的表面下损坏最深至小于或等于100微米的深度。
23.如权利要求19所述的玻璃制品，其特征在于，所述至少一个边缘的Ra表面粗糙度小于或等于0.5微米。
24.如权利要求19所述的玻璃制品，其厚度是0.01 mm至7 mm。
25.如权利要求19所述的玻璃制品，其特征在于，玻璃包含的(MgO + CaO + SrO +BaO)/Al2O3是1.0-1.6的范围内，以氧化物的摩尔百分比计，T(退火) > 785ºC，密度< 2.7g/cc，T(200P) < 1750ºC，T(35kP) < 1340ºC，杨氏模量> 81 GPa。
26.如权利要求25所述的玻璃制品，其特征在于，以氧化物的摩尔百分比计，玻璃还包含：SiO2 60-80、Al2O3 5-20、B2O3 0-10、MgO 0-20、CaO 0-20、SrO 0-20、BaO 0-20和ZnO 0-20。
27.如权利要求19所述的玻璃制品，其特征在于，玻璃包含的(MgO + CaO + SrO +BaO)/Al2O3是1.0-1.6的范围内，以氧化物的摩尔百分比计，T(退火) > 785ºC，密度< 2.7g/cc，T(200P) < 1750ºC，T(35kP) > 1270ºC，杨氏模量> 81 GPa。
28.如权利要求27所述的玻璃制品，其特征在于，以氧化物的摩尔百分比计，玻璃还包含：SiO2 60-80、Al2O3 5-20、B2O3 0-10、MgO 0-20、CaO 0-20、SrO 0-20、BaO 0-20和ZnO 0-20。
29.一种存储碟片，其包括如权利要求19-28中任一项所述的玻璃制品。
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