CN109789511A - 通过多光束飞秒激光来切割材料的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用激光切割介质或半导体材料的方法。根据本发明，该方法包括以下步骤：包括至少一个N个飞秒激光脉冲的脉冲串的激光束(100)的发射；将激光束(100)空间分成具有第一能量的第一分离光束(101)以及分别地，具有第二能量的第二分离光束(102)；材料的第一区域(31)中的第一分离光束(101)的能量的空间集中，以及分别地，材料的第二区域(32)中的第二分离光束(102)的能量的空间集中，第一区域(31)和第二区域(32)以距离dx分开并交错；并对在第一区域(31)和第二区域(32)之间的距离(dx)进行调节，以便引发在第一区域(31)和第二区域(32)之间取向的直的微裂(45)。

Description

通过多光束飞秒激光来切割材料的方法和装置

技术领域

本发明一般涉及用于激光处理介质或半导体材料的方法和设备的领域。

更具体地说，涉及一种用于切割透明介质或半导体材料的方法，该介质或半导体材料的厚度在十分之几毫米到几毫米之间。

它特别涉及一种快速切割方法，其形成清洁的切割边缘，而没有碎裂并且没有材料损失。

背景技术

例如玻璃、石英或蓝宝石的透明介电无机材料或者例如硅或锗的半导体材料越来越多地用于电子设备的平板显示器、光学、光电子或制表工业中。这些材料的机加工，以及特别是精密切割，带来了特定的技术和工业的困难。切割技术必须满足高切割速度的工业要求，同时最小化材料中残余应力的出现，同时确保良好的切割质量，即清洁的切割边缘，而没有碎裂并且没有微裂引发，使得可以避免例如抛光或精密研磨之类的后处理步骤。

在可变的长度和厚度上，不仅需要直线切割而且需要曲线切割。

存在用于切割透明材料的不同技术。机械技术基于对涂有金刚石磨粒的工具例如金刚石锯的使用，或者在通过机械强度的应用而获得的部分分开之前借助于金刚石或回火钢辊的预切割。另一种切割技术在于应用数千个棒的加压水射流，以在整个厚度上侵蚀玻璃，其中水可以填充有磨料颗粒。

最近，已经开发出不同的激光切割技术。

没通过断裂引发的激光切割在于通过激光烧蚀在可劈开(cleavable)材料的表面中产生凹口，以便引发断裂。

玻璃、蓝宝石或透明陶瓷的熔融切割是通过将材料激光加热至熔融状态然后借助于加压气体(氮气或空气)通过切口喷射熔融的材料而获得的。在远红外线发射的激光，例如CO₂激光，从表面产生吸收和加热，热量通过从材料的表面到中心的传导而扩散。相反，在近红外发射的激光，例如盘或光纤YAG激光，直接引起体积吸收。熔融切割通常在远高于玻璃转变温度Tg的温度下进行，在该温度Tg下，材料仅具有非常低的粘度。这种高温会导致对大面积的热影响，这有利于沿着切割轨迹的微裂和碎裂的出现。因此，在熔融切割之后通常需要抛光或研磨后处理步骤。

划线(scribe)和破裂方法在于通过在待切割材料的表面处的激光烧蚀产生凹槽，然后应用机械强度以分开两个部分。破裂沿着由凹槽限定的轨迹发生。凹槽深度为10至20微米(μm)的量级。切割速度很重要，至少10mm/s。然而，该方法生成烧蚀灰尘并且切割平面的偏转可能出现在背面附近。

文献EP 2476505_A1描述了基于将超短脉冲激光束分离和聚焦成彼此接触的两个激光点的激光加工方法和系统，以便在材料中形成椭圆点并沿连接这两点的轴生成断裂。

文献US2015/0158120A1描述了一种用于对半导体或玻璃类型的材料钻孔的技术，其包括进行第一空间地塑形的激光脉冲的发射以在材料中生成等离子体通道，并且对空间地叠加到等离子通道的第二电磁波进行发射，从而加热材料并产生钻孔。

借助于短脉冲或超短脉冲进行的全激光烧蚀切割允许在没有任何机械辅助的情况下获得玻璃的自发分开。在本文件中，通过短脉冲和超短脉冲来理解，该短脉冲是持续时间包括在1纳秒(ns)和1微秒(μs)之间的脉冲，并且该超短脉冲是持续时间包括在10飞秒(fs)和1纳秒(1ns)之间的脉冲。

全激光烧蚀切割技术适用于不同的切割轨迹和图案：直线或曲线，其遵循闭合的几何图形、小曲率半径、倒角。由于透明材料的使用，可以通过聚焦到激光束入射的上表面引发烧蚀来应用该方法，就像用于非透明材料的情况一样，但也可以通过聚焦到底部表面并向上移动到上表面来引发烧蚀(“自下而上”技术)。然而，完全激光烧蚀切割对于厚材料来说是比上文提到的其他方法更慢的方法，因为这样导致大量材料的去除。而且，通过激光烧蚀产生的切割边缘通常是粗糙的。最后，该方法在材料中生成大量的灰尘和宽的凹口。在某些条件下可能会出现碎裂。

通过受控断裂传播进行激光切割是基于YAG或CO₂激光的使用以在玻璃板边缘生成凹口，然后应用功率激光束同时在玻璃板和激光束之间产生相对运动。对于CO₂激光在表面吸收激光束或对于YAG激光在体积吸收激光束。激光束生成的高温梯度通过在激光束后的快速冷却而增加。这种高热梯度会引起瞬态拉伸应力，使得导致对来自引发凹口的断裂的引发。然后，该裂缝将沿着激光束的轨迹传播。切割部分在没有机械辅助的情况下释放，并且对于直线轨迹展示出出色的切割质量：直、平滑和无缺陷边缘。尽管有这些众多优点，但受控的断裂传播还存在诸如切割不确定性和由于切割路径偏差和大量断裂部分引起的不准确性之类的缺点。此外，切割具有小曲率半径(<1mm)的微小部分或弯曲轨迹几乎是不可能的。最后，切割速度受到断裂传播的限制(几十mm/s)。

因此，需要开发一种用于切割透明介质无机或半导体材料，特别是玻璃、石英或蓝宝石板的技术，这使得可以沿着直线轨迹获得具有尖锐和光滑边缘的切割口，其遵循引导线限定平面切割表面或遵循曲线轨迹，该曲线轨迹遵循限定圆柱形或圆锥形切割表面并具有高切割速度的引导线。

发明内容

为了弥补现有技术的上述缺点，本发明提出了一种用于激光切割介质或半导体材料的方法。

更特别地，根据本发明，提出了一种包括以下步骤的方法：

-发射包括在材料的透明度的光谱带中的波长的激光束，所述激光束包括至少一个N个激光脉冲的脉冲串(pulse burst)，其中N是高于或等于2的自然整数，所述激光脉冲具有飞秒持续时间，一个脉冲串的所述N个激光脉冲以包括在几百纳秒和一皮秒之间的时间间隔而在时间上彼此分开；

-将所述激光束空间地分离成具有沿第一光轴分布的第一能量的第一分离光束，以及分别地，具有沿区别于所述第一光轴的第二光轴分布的第二能量的第二分离光束，所述第二光轴优选平行于所述第一光轴，所述第一能量和所述第二能量高于材料修改(modification)阈值；

-将所述第一分离光束的所述能量空间地集中在所述材料的第一区域中，并且分别地，将所述第二分离光束的所述能量空间地集中在所述材料的第二区域中，所述第一区域和所述第二区域彼此分开并间隔开距离dx，以便在所述第一区域和所述第二区域中产生局部的修改；以及

-调节在所述第一区域和所述第二区域之间的低于距离阈值的所述距离(dx)，其包括在1微米至约10微米之间，以便引发沿着在所述第一区域和所述第二区域之间延伸的确定的微裂方向取向的直线微裂。

根据本发明的用于激光切割介质或半导体材料的方法的其他非限制性和有利的特征，单独地或根据任何技术上可能的组合，其内容如下：

所述脉冲具有包括在10到900飞秒之间的持续时间，在所述脉冲串中的飞秒脉冲的数量N小于或等于20，所述激光源具有被包括在1kHz至1GHz之间的速率，所述激光束的所述波长被包括在250nm和2.2μm之间，所述第一能量和所述第二能量低于1mJ且高于1nJ；

由所述激光源发射的具有高斯空间分布的所述激光束，所述第一分离光束和所述第二分离光束空间地塑形，以便每个都具有贝塞尔(Bessel)光束空间分布；

所述第一分离光束的所述贝塞尔光束空间分布沿着所述第一区域中的所述第一分离光束的所述光轴被横向和/或纵向修改，和/或分别地，所述第二分离光束的所述贝塞尔光束空间分布沿所述第二区域中的所述第二分离光束的所述光轴被横向和/或纵向修改；

-空间地分离所述激光束的步骤适于生成多个M个空间分离光束，所述M个分离光束优选地平行于轴Z，并且所述M个分离光束限定切割表面的部分，其中M是大于或等于3的自然整数，两两而言(taken two-by-two)，所述多个M个空间分离的光束相对于彼此具有横向偏移，并且其中

-能量的空间集中的所述步骤包括将所述多个M个分离光束的所述能量空间地集中在所述材料的多个M个分开区域中，所述M个分开区域被布置在由引导线生成的表面上，所述表面是平面的、圆柱形或圆锥形，每个分离光束具有高于材料修改阈值的能量，以便在所述材料的所述多个M个分开区域中引发多个局部修改；以及

-调节在所述多个M个分开区域当中的任何两个区域之间的低于距离阈值的所述距离(dx)，其被包括在1微米和约10微米之间，以便引发取向的直线微裂，所述微裂沿着在所述多个M个分开区域中的所述任意两个区域之间延伸的微裂方向取向；

-所述方法进一步包括在所述分离光束和所述材料之间的相对位移的步骤。

有利地，所述方法进一步包括应用另一激光束的附加步骤，所述另外的激光束相对于所述微裂横向偏移小于一毫米的距离，所述其他激光束具有低于所述材料烧蚀阈值的激光束，以便导致热应力而无需额外的所述介质或半导体材料的微裂。

本发明还提出了一种用于激光切割介质或半导体材料的装置，其包括激光源，其适于发射被包括在所述材料的透明度的光谱带中的波长的激光束。

更具体地，根据本发明，提出了一种装置，其中所述激光源适于发射包括至少一个N个激光脉冲的脉冲串的所述激光束，其中N是高于或等于2的自然整数，所述激光脉冲具有飞秒持续时间，一个脉冲串的所述N个激光脉冲以几百纳秒和一皮秒之间的时间间隔而在时间上彼此分开，并且所述装置进一步包括光学空间分离设备，其被布置，以便接收所述激光束并沿第一光轴生成第一分离光束，并且沿区别于所述第一光轴的第二光轴生成至少一个第二分离光束，所述第二光轴优选平行于所述第一光轴，所述第一分离光束具有第一能量，并且分别地，所述第二分离光束具有第二能量，所述第一能量和第二能量适于允许彼此分开地对非受控微裂的引发，并且光学空间能量集中设备被布置，以便在将所述第一分离光束的所述第一能量空间地集中在所述材料的第一区域中，并且分别地，将所述第二分离光束的所述第二能量空间地集中在所述材料的第二区域中。所述第一区域和所述第二区域彼此分开并且间隔距离dx；在所述第一区域中的所述第一光束的所述光轴与所述第二区域中的所述第二光束的所述光轴之间的所述距离(dx)低于距离阈值，所述距离阈值低于几十微米，以便引发取向的直线微裂，所述微裂沿着在所述第一区域和所述第二区域之间延伸的确定的微裂方向来取向。

根据本发明的用于激光切割介质或半导体材料的装置的其他非限制性和有利的特征，单独地或根据任何技术上可能的组合，其内容如下：

所述第一分离光束在所述第一区域中具有等于D的横向空间范围，所述第二分离光束在所述第二区域中具有等于D的横向空间范围，其中D小于或等于2微米，并且其中所述距离dx大于或等于1微米且小于或等于约10微米；

-所述设备进一步包括用于在一方面所述固体材料与另一方面所述第一分离光束以及所述第二分离光束之间的相对位移的系统；

所述激光源被配置为输送脉冲，所述脉冲具有被包括在10到900飞秒之间的持续时间、包括在250nm和2.2μm之间的波长和在1kHz到10GHz的速率，并且优选1GHz至10Ghz的速率，其中所述脉冲串中的飞秒脉冲的所述数量N小于或等于20；

所述光学空间能量集中设备被配置为沿着在所述第一区域中的所述第一光轴生成所述第一分离光束的多个聚焦点，并且分别地，沿着在所述第二区域中的所述第二光轴生成所述第二分离光束的另外多个聚焦点；

所述光学空间分离设备和/或所述光学空间能量集中设备被配置，以便沿着所述第一光轴以及分别地沿着所述第二光轴，生成贝塞尔光束空间强度分布；

所述光学空间分离设备和/或所述光学空间能量集中设备包括空间相位和/或幅度调制器或者相位和/或幅度掩模，其被配置为在所述第一区域中横向于所述第一光轴修改所述第一分离光束的空间强度分布，并且分别地，在所述第二区域中横向于所述第二光轴修改所述第二分离光束的空间强度分布；

所述光学空间能量集中设备包括另一相位和/或幅度掩模，其被配置为在沿着在所述第一区域中的所述第一分离光束的所述光轴修改所述第一分离光束的空间强度分布，并且分别地，沿着在所述第二区域中的所述第二分离光束的所述光轴修改所述第二分离光束的空间强度分布；

所述介质材料选自具有被包括在100微米和几毫米之间的厚度的玻璃，所述激光波长被包括在250nm和2.2μm之间，所述第一能量和第二能量低于1mJ且高于1nJ。

附图说明

通过非限制性示例给出的以下关于附图的描述将允许对本发明的内容在于什么以及如何实现它有较好的理解。

在附图中：

图1示出了用于根据示例性实施例的使用多个激光束切割介质或半导体材料的方法的框图；

图2示意性地示出了用于在单飞秒激光脉冲模式(图2A)和飞秒脉冲的脉冲串(图2B)中生成的脉冲的选择；

图3A示意性地示出了被配置为生成冲击从而在样品中产生微裂的激光；

图3B示意性地示出了激光束的相互作用区域中的横向空间强度分布和生成的微裂的示例；

图4A示意性地示出了被配置成将激光束分离成两个同时光束的激光；

图4B示出了两个激光束的相互作用区域中的横向空间强度分布和取向微裂的生成；

图5示意性地示出了根据一个实施例的使用多个飞秒激光束的切割装置；

图6A示出了由单个飞秒激光脉冲在材料中引起的效应，图6B示出了脉冲的脉冲串的影响，该脉冲的脉冲串具有与图6A中使用的单个脉冲相同的总能量；

图7示出了借助于本公开的方法和装置产生的取向断裂的引发的示例；

图8示出了多焦光学系统的使用以将激光束聚焦到多个点；

图9示出了生成具有贝塞尔横向空间分布的光束的轴棱镜光学系统的示例；

图10示出了环形光束的使用以生成具有贝塞尔横向空间分布的光束；

图11示出了用以修改贝塞尔空间分布的轴棱镜和光学系统的组合的示例；

图12示出了使用具有顶角ALPHA和直径D的光束的轴棱镜的示例；

图13示出了使用另一个具有顶角2*ALPHA和直径2*D的光束的轴棱镜的另一个示例；

图14说明了沉积能量的横向空间位置的控制；

图15示出了通过具有空间成型(shaping)和/或脉冲串脉冲模式的不同类型的激光束在钠钙质(sodiocalcic)玻璃表面处制造的迹线的显微镜图像的示例；

图16示意性地示出了组合光学系统和相位掩模以生成双贝塞尔光束的另一实施例；

图17示出了用于空间地分离贝塞尔光束的相位掩模的示例；

图18示出了用于空间地分离贝塞尔光束的相位掩模的另一示例。

具体实施方式

方法和装置

在本申请和附图中，相同的附图标记表示同等或相似的元件。

图1示出了用于使用多个激光束切割介质或半导体材料的方法的空间方面的框图。

样品3被布置在样品架上。样品3由透明介电材料例如回火的或非玻璃制成，或由半导体材料制成。样品3是具有大致均匀厚度的板的形式，该厚度包括在十分之几毫米和几毫米之间，优选在100微米和一毫米之间。

该系统包括激光源1，其生成包括飞秒脉冲的光束100，如关于图1所描述的。更确切地说，激光源1生成由飞秒脉冲组成的激光束100，所述飞秒脉冲即持续时间小于1皮秒的脉冲。激光1的速率限定了两个脉冲之间的持续时间。激光源1的速率通常在1kHz和10MHz之间。因此，连续发射的两个脉冲之间的持续时间在约1毫秒(ms)和10微秒(μs)之间变化。激光源生成具有通常在0.5W和500W之间的高功率的激光束100。

例如半透明板的分离板21将光束100分离成第一激光束101和第二激光束102。镜子22沿着平行于第一激光束101的光轴的并且位于距第一激光束101的光轴的距离dx的光轴，来反射第二激光束102。该系统允许将第一激光束101应用在样品的第一相互作用区域31中，并且同时将第二激光束102应用在样品的第二相互作用区域32中。举例来说，样品架在平台上移动地平移安装，以便允许样品3相对于固定的激光束101、102移位。

以亚微米准确度调节样品的在第一区域31中的第一光束101的光轴与在第二区域32中的第二光束102的光轴之间的间隔，其表示为dx。

图1的装置很容易概括为包括两个以上光束的多光束的生成。为此目的，本领域技术人员很容易将通过在激光束的光路上串联布置的多个分离板来替换分离板21，以便生成空间地彼此分离的多个激光束。有利地，每个分离光束与另一个相邻的分离光束分开相同的间隔dx。该系统使得可以将同时应用到样本的相邻区域的飞秒激光束的数量增加。该系统特别适用于沿着限定平面切割表面的引导线的直线切割。对于沿着限定圆柱形或圆锥形切割表面的引导线的曲线切割，可以使用分离成两个光束的激光束。特别有利地，分离光束的取向与待切割样品和切割装置之间的相对运动相组合，以沿平面XY中的期望轨迹生成切割口。因此获得切割表面的曲率半径包括在约1mm和无限之间。作为替代方案，通过构造，多光束分布在曲线的预定部位上，这允许达到包括在1mm和无限之间的切割表面的曲率半径。

图1还示出了两个同时脉冲之间的间隔dx相对于在样品3与激光束101和102之间的相对位移方向MXY的取向。分离板21的位置和取向和/或镜子22的位置和取向的分别调节，使得可以分别调节第一相互作用区域31的位置和第一光束101在样品3上的入射角，和/或第二相互作用区域32的位置和第二光束102在样品3上的入射角。有利地，第二光束102的光轴平行于第一光束101的光轴。在连续脉冲的发射之间应用的位移MXY的方向例如平行于在第一激光束101和第二激光束102之间的间隔dx或二者不平行。位移在XY平面内进行。在一个变型中，在平面XY中在光束的光轴和垂直于样品3的表面的轴之间引入角度，并且在连续脉冲的发射之间应用的位移适于产生略微圆锥形的切割表面，其相对于样品3的表面具有小于或等于10度的顶角。略微圆锥形的切割表面允许切割部分相对于材料板容易且通常自发地解离。

在两个受影响区域之间的脉冲持续时间和空间间隔dx的特定条件下，该系统惊人地使得可以生成取向的微裂，该微裂沿着在样品的第一区域31和第二区域32之间延伸的预定方向来取向。而且，该配置提供了不在材料中生成材料烧蚀或微泡的优点。如此获得的切割表面具有包括在0.2μm至5μm之间的表面粗糙度。因此，切割方法允许避免额外的抛光或精密研磨步骤。

从本公开得出，由相同的引发分离光束撞击的两个相邻区域之间的间隔dx的调节因此对于取向的直线微裂45的生成是关键的，该微裂45沿预定方向在这两个相邻区域之间延伸而取向。

图2示出了用于根据本公开的使用多个激光束切割介质或半导体材料的方法的时间方面。

图2示出了本公开的特定方面。图2A示出了作为时间函数的单脉冲模式中选择和放大的飞秒激光脉冲序列110的能量。在该单脉冲模式中，借助于脉冲选择器(或脉冲拾取器)选择两个连续脉冲110之间的时间间隔T0，使得这些脉冲可以在光学放大器系统中被放大。时间间隔T0通过关系frep＝1/T0与激光的速率或重复频率(frep)相关。通常，frep可以从几百kHz到几个MHz单位变化。重复频率通常非常低于激光源1的注入器的频率(fosc)。

特别有利地，使用图2B中所示的飞秒脉冲序列，通常称为脉冲串模式。图2B示意性地示出了由三个飞秒脉冲111、112、113组成的脉冲串。如已知的，激光源1的脉冲选择器可以被配置为选择飞秒脉冲111、112、113的脉冲串120。这里，脉冲的脉冲串120的飞秒脉冲111、112、113的总能量Ep等于重复频率下的放大单脉冲110的能量。脉冲串的脉冲率例如由所使用的激光源的速率(fosc＝1/Tosc)限定。通常，fosc由激光系统的注入器固定(例如，在图2B的示例中为40MHz的量级)。重要的数据元素是脉冲串中的脉冲数(称为“PBB”)。脉冲串的两个脉冲之间的间隔T1可以从900纳秒变化到1皮秒。间隔值不能通过激光源1的特定配置获得，而是可以通过使用双折射晶体的光学设备获得，否则已知这些光学设备在激光源1外部。

根据本公开，脉冲串模式与光束空间分离相组合以生成取向的直线微裂，该微裂在彼此相距dx的两个相互作用区域之间延伸。激光束的空间分离和飞秒脉冲的时间分离成飞秒脉冲的脉冲串的组合具有的效果使得最大化由飞秒脉冲作出的能量沉积的定位(localization)。飞秒脉冲的使用允许获得材料中可用能量的最大吸收。然而，飞秒脉冲比皮秒脉冲引起的空间局部吸收更少。然而，脉冲串的使用允许沉积的能量的重新定位。沉积能量的这种浓度允许微裂，然后对材料进行直接切割。此外，空间分离和时间分离使得可以控制材料中非线性光学效应的生成。

图3示出了单个飞秒激光束100直接应用到样品上即没有光束的空间分离的效果。图3A示出了沿着与正交参考系XYZ的轴Z对准的光轴而引导的激光束100。透镜4将激光束100聚焦在样品3的区域30中。激光束100具有调节的能量，以允许微裂的生成。图3B示意性地示出了平面XY中且在激光束100的相互作用区域30中的空间强度分布。这里假设激光束100的强度分布具有围绕光轴的旋转对称性。沿轴X的强度曲线200具有例如高斯型的分布。在平面XY中，强度由以相互作用区域30为中心的同心环示意性地表示。激光束100在样品中的吸收生成微裂40，例如在此为4个，其从激光束的光轴Z径向取向并且可以围绕轴Z随机取向。通常很难以预定的方式对微裂40的方向进行取向。

图4示出了第一激光束101和第二激光束102同时应用在样品上的效果。图4A示出了沿平行于轴Z的光轴指向的第一飞秒激光束101和沿平行于正交参考系XYZ的轴Z的另一光轴指向的第二飞秒激光束102。透镜4将第一激光束101聚焦在第一区域31中，并且将第二激光束102聚焦在样品3的第二区域32中。第一区域31和第二区域32彼此横向间隔开间隔dx。分别示出了作为轴X的函数的第一区域31中的第一光束的强度的曲线201，以及作为轴X的函数的第二区域32中的第二光束的强度的曲线202。区域31与区域32分开。换句话说，在样本内部的聚焦区域中的第一飞秒激光束101和第二激光束102之间没有空间重叠。令人惊讶的是，观察到第一激光束101和第二激光束102的吸收通常在第一区域31和第二区域32之间产生至少一个取向的微裂45。

不受理论束缚的情况下，双光束或者更通常地多光束的使用可以控制材料中引起的应力，从而对微裂纹或微裂进行取向。

一方面，间隔dx被调节到足够大，使得光束的吸收条件不会因相邻光束的吸收而过度改变。另一方面，为了使断裂引发的取向效果有效，dx一定不能太大。作为非限制性示例，对于区域31和32的尺寸均小于2μm，间隔dx选择在1μm和10μm之间。

另一方面，第一激光束101的能量和第二激光束102的能量之和在此等于图3的激光束100的能量。图4B示意性地示出了激光束101、102在平面XY中和相互作用区域31、32中的空间强度分布。

在低于材料的显著内部修改(modification)所需的能量的能量下生成取向的微裂45。对于每种待切割的材料，根据每种材料存在最佳的能量域。通过材料修改阈值，该域在能量方面受到较低限制。对肉眼或使用光学显微镜(融合、气泡产生，也称为空隙)，该阈值低于光学可见的损坏阈值。另一方面，可以使用诸如偏振或相差显微镜之类的仪器来观察该较低能量阈值。能量域的上限由对肉眼或使用光学显微镜光学可见的损伤的阈值来固定。

图5示意性地示出了根据另一实施例的用于激光切割透明材料的装置的示例。

切割装置包括：激光源1、包括镜子M1、M2、M3的光学系统、分束器11、另一个分束器12和聚焦透镜4。

激光源1生成由飞秒脉冲组成的激光束100，例如关于图1所描述的。

作为非限制性示例，来自光源1的激光束100是线性偏振的。平面镜10将激光束100反射到分束器11。分束器11空间地将激光束100分离成沿第一光轴指向的第一光束101和沿第二光轴指向的第二光束102。优选地，在分束器11的出口处，第一光束101的能量等于第二光束102的能量。镜子M1和M2分别将第一光束101和第二光束102朝向另一个光束分离器12反射。光束分离器12重新组合第一光束101和第二光束102，同时在第一光轴和第二光轴之间保持表示为GAMMA的角度偏移。镜子M3将第一光束101和第二光束102朝向例如显微镜透镜的光学系统4反射。光学系统4将第一光束101聚焦在样品3的第一区域31中，并且将第二光束102同时地聚焦在样品3的第二区域32中。

因此，图5的系统生成两个飞秒脉冲，其在样本3的第一区域31和第二区域32上同时输送。第一区域31和第二区域32空间地彼此分开。优选地，区域31和32具有与在横向于光轴的平面中直径小于2μm的类似于盘的形状。

镜子M1和/或镜子M2的取向允许借助于角度gamma调节相对于第二区域32的位置的第一区域31的位置。

配置图5的系统，以便允许在样品的第一区域31中的第一光束101的光轴与第二区域32中的第二光束102的光轴之间的表示为dx的间隔的准确亚微米调节。

图6A示出了由单脉冲飞秒激光束沿着光束的光轴(Z)引入到材料中的温度(在横坐标中)以及作为相对于该Z轴的径向距离R(在纵坐标中)的函数的映射。在图6A中，激光束具有1μJ的能量、500kHz的速率和2μs的时间间隔。

图6B示出了由激光束在脉冲串模式中引起的温度升高的映射，其包括沿横坐标的光轴(Z)的五个飞秒脉冲，以及作为相对于该Z轴的径向距离R(纵坐标)的函数。在图6B中，激光束具有1μJ的总能量、两个脉冲之间的约为25ns的持续时间T1、500kHz的速率或两个脉冲的脉冲串之间的2μs的时间间隔。在图6B中观察到，与图6A相比，通过五个脉冲的脉冲串的沉积的能量的更强定位对应于由相同总能量的放大的单飞秒脉冲的沉积的能量。图6A-6B示出了复合效应，根据该复合效应，脉冲串模式将脉冲110的强度暂时分布成较低强度的若干脉冲111、112、113，这允许减少非线性效应，同时将能量沉积空间地集中在比单脉冲较小的圆柱体积(直径～2微米)。

图7是光学显微镜图像，其显示借助于关于图1描述的系统在钠钙质玻璃板的表面处获得的迹线的示例。激光源具有高斯能量分布。该系统生成双激光束，并且分离光束之间的间隔是dx＝3.6μm。在该示例中，激光束的总能量是2.5微焦耳(μJ)。脉冲以脉冲串模式来生成，脉冲的脉冲串包含相隔25ns的4个飞秒脉冲。线性位移的速度是90mm/s，并且激光速率是5kHz，两次双重冲击之间的距离d则是d＝18μm。在图7中观察到沿着轴线X在线性位移方向上产生的直线微裂45的引发的对准。

本公开的方法在高激光速率(>200kHz)下可操作，这允许将切割速度提高到每秒几米，因为它不会受到材料中热积聚现象的不利影响。为此目的，激光束相对于样品移位，以便避免两个连续脉冲(或脉冲串)之间的空间重叠，以获得在10kHz的100mm/s、在100kHz的1m/s或在1MHz的10m/s的量级的切割速度。

图8示出了与空间光束分离和脉冲串模式组合使用的本公开的实施例的特定方面。根据该特定方面，使用光学聚焦系统64，其被配置成在纵向光轴60上具有多个焦点。为此目的，光学聚焦系统64使用例如非球面透镜，其在光轴60上具有比在边缘上更大的曲率半径。光学聚焦系统64接收激光束101并在沿光轴60纵向延伸的区域80上生成多个焦点。这种光学聚焦系统64允许作为材料的厚度的函数适应激光束的聚焦区域，该材料的厚度可能超过一毫米，例如2mm。

图9至图18示出了与空间光束分离和脉冲串模式组合使用的本公开的实施例的另一特定方面。根据该其他特定方面，一种光学设备，其被配置为生成具有横向于激光束的纵向光轴的贝塞尔光束强度分布的光束。

在第一示例性实施例中，如图9所示，称为轴棱镜的光学元件74用于形成贝塞尔光束。轴棱镜具有角度ALPHA和顶角THETA。轴棱镜74的顶点布置在具有高斯分布的激光束100的光轴上。轴棱镜因此形成贝塞尔光束80，其在光轴70的横向平面中包括最大强度的中心区域81，以及作为到光轴70的径向距离的函数的减小的强度的若干同心环82、83。该贝塞尔光束沿光轴70在长度L上延伸。

在另一个示例性实施例中，如图10B所示，形成环形激光束10。传统的基于透镜的光学系统4接收环形激光束100，并通过光学干涉在光轴附近形成长度L的贝塞尔-高斯型光束(所述“贝塞尔”)。图10A示出了环形激光束100在横向于透镜4上游的光轴的平面中的强度分布。图10C示出了聚焦区域中贝塞尔光束80的强度分布，其在横坐标中作为沿光轴的距离的函数，并且在纵坐标中作为到光轴的径向距离的函数。在图10C中可以观察到纵向延伸但横向于光轴70集中的能量的空间分布。贝塞尔光束的中心边缘可以足够强以通过非线性吸收产生对辐射透明的介质材料中的内部修改。如此产生的修改是细长的并且是圆形对称的。

根据图11所示的另一示例性实施例，通过组合轴棱镜74和形成望远镜的基于透镜的光学系统75、76来调节贝塞尔光束的长度。轴棱镜74形成长度L的贝塞尔光束80。基于透镜的光学系统75、76沿光轴70形成长度为l的贝塞尔光束的图像180。这种光学设备很简单并且允许优化贝塞尔光束的长度并因此优化能量沉积的体积。在实践中，贝塞尔光束80在空气中产生，并且贝塞尔光束180通过放大率低于1的望远镜75、76投射到例如玻璃的材料的厚度中；这允许减小长度l并增加贝塞尔光束180的强度。通过修改轴棱镜74的顶角和由透镜75、76形成的望远镜的放大率，如此获得的贝塞尔光束180的长度l可从0.2到2.0mm调节。贝塞尔光束180允许获得细长的体积内修改以在整个厚度上均匀地影响玻璃。

图12A示出了贝塞尔光束形成光学设备的示例。在该示例中，轴棱镜呈现锐角ALPHA。透镜75具有焦距f1，并且物镜76具有焦距f2。在该示例中，透镜75被布置在距轴棱镜的距离d1处，使得d1≈L。物镜76具有焦距f2并且被布置在距透镜75的距离d2处，使得d2≈f1+f2。如此成像的贝塞尔光束180的长度l等于l＝L/M，其中M是放大因子，这里M＝f1/f2。对于f2＝200mm和具有f2＝10mm的物镜x20，在折射率n＝1.5(或空气中的0.6mm)的材料的质量中获得长度l＝0.9mm。入射光束的直径被记为D。由设备生成的辐射穿过光轴的角度被记为BETA。

图12B示出了借助于图12A的设备获得的成像光束180的空间强度分布，其在横坐标中作为沿着轴Z的距离的函数，并且分别地，在纵坐标中作为相对于光轴70的径向距离R的函数。

图13A示出了贝塞尔光束形成光学设备的另一示例，其中轴棱镜的角度已被修改以调节成像的贝塞尔光束的长度。在该示例中，轴棱镜呈现等于2*ALPHA的角度。入射光束的直径在此为2*D。因此获得角度BETA，其具有在值BETA MIN和另一个值BETA MAX之间的值。类似于图12B，图13B示出了采用图13A的设备获得的成像的光束180的强度分布，其在横坐标中作为沿着轴Z的距离的函数，并且分别地，在纵坐标中作为径向距离R相对于光轴70的函数。在图13B中可以观察到与图12B相比横向于光轴更集中的空间分布。

在图12B和13B所示的模拟示例中，飞秒脉冲具有10μJ的能量，并且焦距是f1＝200mm，f2＝10mm。在图12A的设备的情况下：ALPHA＝1度，D＝3.6mm。在图13A-13B的情况下：ALPHA＝2度，D＝7.2mm。

图14给出了图12B和13B中呈现的图像的截面图，其用于可视化图14A中的横向振幅(或径向沿图14中限定的X轴)，以及分别地，通过飞秒脉冲的脉冲串沉积的能量密度F(以J/cm²计)的图14B中的纵向振幅(沿轴Z)。

与图12B中获得的贝塞尔光束183相比，图13B中获得的贝塞尔光束184相对于光轴看起来径向更窄。另一方面，两个光束的纵向范围和能量密度在图14B中类似。

图15显示了在不同光束成型条件下获得的不同显微镜图像。

在图15中所见的所有情况中，飞秒脉冲(脉冲持续时间在200和800fs之间)具有60μJ的能量并且使用相同的材料(钠钙质玻璃)。相对于样品的相对位移速度和激光速率导致在两个连续脉冲之间的10μm的间隔。图15中所示的三种可视化技术分别对应于：

行1)：传统的光学显微镜。该技术允许可视化材料的裂纹、缺陷和有色中心。

行2)：相差显微镜。该技术允许可视化与折射率的修改相关联的材料的修改(采用光学显微镜不可见)。

行3)：交叉偏光显微镜。该技术允许可视化在修改的区域周围引起的应力分布。

可视化不同的示例性实施例：

列a)：标准贝塞尔光束。该光束根据图9所示的设备来获得，其角度BETA＝6.7°。

列b)：脉冲串模式中的标准贝塞尔光束，每个脉冲串4个脉冲，脉冲串中的每个脉冲与相同脉冲串的另一个脉冲分开25ns的时间间隔。

列c)：根据图13中所示的设备获得的窄贝塞尔光束，其具有BETA＝13°的角度，并且处于与情况b相同的脉冲串模式。

在情况a)和b)中，光学显微镜显示非常少的可观察到的修改，只有情况c)使得出现微裂，因此在这种情况下能量定位是足够的。相差显微镜显示，情况a)既没有在材料中生成指数的改变。另一方面，脉冲串模式的使用使得可以充分地定位能量以获得指数的强烈变化。在情况c)中，断裂的存在使光散射并且防止获得清晰的(sharp)图像。交叉偏振显微镜既不显示情况a)中的修改，也证实了在情况b)中受光束影响的区域周围局部引起的应力的存在，以及在情况c)中引起的断裂周围的较宽区域。

因此，对于光束的空间分离、脉冲串模式和贝塞尔光束空间成型的最佳调节使得可以限定允许断裂引发的能量沉积的条件，同时最小化引起的应力区域。

图16示出了空间分离设备的另一个实施例。该设备使用有源或无源衍射光学元件90和轴棱镜74。衍射光学元件90允许直接生成至少两个或几个光点。衍射光学元件90包括例如相位掩模，使得可以获得激光束100的空间分离。衍射光学元件90被放置在轴棱镜74的上游。轴棱镜74使得可以生成贝塞尔光束。因此，图16的系统允许生成两个贝塞尔光束101、102，它们彼此分开间隔dx并且彼此平行地延伸。有利地，相位掩模被放置在旋转台上，该旋转台允许相位掩模作为预定的切割轨迹的函数而自动取向。相位掩模90的取向使得可以改变分离光束101、102的取向，并因此确定材料中微裂的取向。因此，微裂在期望的切割方向上对准。该有源设备允许沿着弯曲轨迹(具有包括在1mm和无限之间的曲率半径)而切割非晶和晶体或双折射的材料。

图17示出了相位掩模90的前视图的示例。该相位掩模90被分离成两部分。例如，相位掩模包括具有等于0的均匀相位的一半和具有等于π的均匀相位的另一半。将相位掩模的两个部分分开的线横向于激光束100的光轴70布置。图17B示出了采用如图16的设备和图17A的相位掩模获得的两个光束181、182的强度分布，其在横坐标中作为轴Z的函数，并且分别地，在纵坐标中作为相对于光轴70的径向距离R的函数。

衍射光学元件90的另一个例子在图18中以正视图示出。该衍射光学元件90可以借助于无源相位掩模或空间光调制器(SLM)类型的有源元件制成。图18B示出了采用如图16的设备和图18A的相位掩模获得的两个光束181、182的强度分布，其在横坐标中作为光轴Z的函数，并且分别地，在纵坐标中作为相对于光轴70的径向距离R的函数。

该方法允许生成一个接一个地布置的微裂，同时与所需的切割线相切。通常，分开是自发的。在分开不是立即或自发的情况下，该方法的变型在于，相对于切割轨迹在小于1毫米的距离上应用另一个激光束，该激光束相对于不希望保持的部分的侧面上的微裂横向偏移。该另一种激光束具有不同的激光特性，以便在没有微裂也没有材料的额外切割的情况下产生轻微的热应力。为此目的，另一个激光束具有低于烧蚀阈值的能量，在单脉冲模式下而不是在脉冲串模式中，并且可以以更高的速率操作。该附加步骤允许切割部分与介质或半导体材料板无接触地分开。

本公开的方法特别应用于诸如化学回火的玻璃、标准玻璃或蓝宝石之类的透明、无定形或结晶的矿物质介电材料的切割，或应用于诸如硅或锗之类的半导体材料的切割。通过透明，意味着对激光波长透明。通过矿物质，意味着非有机和非金属。待切割的材料可以是被加强/回火的(具有预应力或厚度上的可变应力剖面)或正常的(没有预应力)。以非穷举和非限制性方式提及以下材料：

-用于移动电话或电子平板电脑屏幕保护的回火的钠钙质玻璃(例如，来自康宁(Coring)的大猩猩(Gorilla)玻璃，来自旭硝子玻璃(Asahi Glass)的龙道(Dragon Trail)或来自肖特(Schott)的Xensation)或高分辨率平板显示屏。作为化学回火厚度(DOL，层深，30至50μm)、玻璃厚度及其机械强度和抗划伤性的函数，存在几种Gorilla细微差别；

-增强硼硅酸盐玻璃(来自康宁的鹰牌(Eagle))，或腐蚀变薄的回火玻璃；

-用于家用装置的回火的钠钙质玻璃(来自肖特的平板玻璃(Flat Glass)，厚度大于1毫米)；

-用于建筑和建筑学领域的钠钙质玻璃；

-用于眼科光学眼镜的硼硅酸盐玻璃；

-熔融的二氧化硅、石英、用于UV光学玻璃的氟化玻璃；

-用于平均红外光学玻璃的硫属化物玻璃；

-用作LED衬底的蓝宝石，用于智能电子中的CCD传感器的保护玻璃，用于制表中移动部分或外壳的保护玻璃，

-多层夹层玻璃，包括在两层玻璃之间取得的塑料或粘合剂膜。

更具体地，本发明能应用于：

-用于具有或没有触摸屏(移动电话、智能电话、电子平板电脑)的便携式电子设备的保护玻璃的回火的钠钙质玻璃的曲线切割；

-用于高分辨率平板显示屏(电视、显示器、计算机)的回火的钠钙质玻璃的线性切割；

-在军用地面显示系统中用作保护玻璃的回火玻璃的曲线切割；

-用于光电子器件或电子器件的CCD传感器的保护玻璃或蓝宝石的曲线切割，该保护玻璃或蓝宝石例如为便携式电话照相/视频镜头的保护玻璃；

-由硼硅酸盐玻璃或熔融的硅石制成的光学组件的曲线切割；

-30至40微米厚的超薄玻璃的切割；

-用于医疗应用的玻璃管的切割；

-用作光电子器件中蓝色LED衬底的蓝宝石的单片化；

-用于光子组件的掺杂或非掺杂的YAG晶体或金刚石的切割。

Claims (16)

1.一种激光切割介质或半导体材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

-发射处在包括在材料的透明度的光谱带中的波长的激光束(100)，所述激光束(100)包括至少一个N个激光脉冲的脉冲串，其中N是高于或等于2的自然整数，所述激光脉冲具有飞秒持续时间，一个脉冲串的所述N个激光脉冲以包括在几百纳秒和一皮秒之间的时间间隔而在时间上彼此分开；

-将所述激光束(100)空间地分离成具有沿第一光轴分布的第一能量的第一分离光束(101)，以及分别地，具有沿区别于所述第一光轴的第二光轴分布的第二能量的第二分离光束(102)，所述第一能量和所述第二能量高于材料修改阈值；

-将所述第一分离光束(101)的所述能量空间地集中在所述材料的第一区域(31)中，并且分别地，将所述第二分离光束(102)的所述能量空间地集中在所述材料的第二区域(32)中，所述第一区域(31)和所述第二区域(32)彼此分开并间隔开距离dx，以便在所述第一区域(31)和所述第二区域(32)中产生局部的修改；以及

-调节在所述第一区域(31)和所述第二区域(32)之间的低于距离阈值的所述距离(dx)，其包括在1微米至约10微米之间，以便引发取向的直线微裂(45)，所述微裂(45)沿着在所述第一区域(31)和所述第二区域(32)之间延伸的预定方向来取向。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述脉冲具有包括在10到900飞秒之间的持续时间，在所述脉冲串中的飞秒脉冲的数量N小于或等于20，所述激光源(1)具有包括在1kHz至1GHz之间的速率，所述激光束(100)的所述波长被包括在250nm和2.2μm之间，所述第一能量和所述第二能量低于1mJ且高于1nJ。

3.根据权利要求1至2中的一项所述的方法，其中由所述激光源发射的所述激光束(100)具有高斯空间分布，所述第一分离光束(181)和所述第二分离光束(182)空间地塑形，以便每个都具有贝塞尔光束空间分布。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第一分离光束(181)的所述贝塞尔光束空间分布沿着所述第一区域(31)中的所述第一分离光束的所述光轴被横向和/或纵向修改，和/或分别地，所述第二分离光束(182)的所述贝塞尔光束空间分布沿所述第二区域(32)中的所述第二分离光束的所述光轴被横向和/或纵向修改。

5.根据权利要求1至4中的一项所述的方法，其中，空间地分离所述激光束(100)的步骤适于生成多个M个空间分离的光束，其中M是高于或等于3的自然整数，两两而言，所述多个M个空间分离的光束相对于彼此具有横向偏移，并且其中

-能量的空间集中的步骤包括将所述多个M个分离光束的所述能量进行空间地集中在所述材料的多个M个分离区域中，每个分离光束具有高于材料修改阈值的能量，以便产生在所述材料的所述多个M个分开区域中的多个局部修改；以及

-调节在所述多个M个分开区域当中的任何两个区域之间的低于距离阈值的所述距离(dx)，其包括在1微米和约10微米之间，以便在所述多个M个分开区域当中的所述任意两个区域之间引发取向的直线微裂(45)。

6.根据权利要求1至5中的一项所述的方法，进一步包括在所述分离光束和所述材料之间的相对位移的步骤。

7.一种用于激光切割介质或半导体材料的装置，包括：

-激光源(1)，其适于发射处在包括在所述材料的透明度的光谱带中的波长的激光束(100)，其特征在于：

-所述激光源(1)适于发射包括至少一个N个激光脉冲的脉冲串的所述激光束(100)，其中N是高于或等于2的自然整数，所述激光脉冲具有飞秒持续时间，一个脉冲串的所述N个激光脉冲以包括在几百纳秒和一皮秒之间的时间间隔而在时间上彼此分开，

并且所述装置进一步包括：

-光学空间分离装置(11、12、21、22、90)，其被布置成接收所述激光束(100)并且沿第一光轴生成第一分离光束(101、181)并且沿区别于所述第一光轴的第二光轴生成至少一个第二分离光束(102、182)；

-具有第一能量的所述第一分离光束(101、181)以及分别地，具有第二能量的所述第二分离光束(102、182)，所述第一能量和所述第二能量都适于彼此分开地允许不受控的微裂的引发，以及

-光学空间能量集中设备(4、18、74)，其被布置成将所述第一分离光束(101、181)的所述第一能量空间地集中在所述材料(3)的第一区域(31)中，并且分别地，将所述第二分离光束(102、182)的所述第二能量空间地集中在所述材料(3)的第二区域(32)中，所述第一区域(31)和所述第二区域(32)彼此分开并且间隔开距离dx；

-在所述第一区域(31)中的所述第一光束的所述光轴与所述第二区域(32)中的所述第二光束的所述光轴之间的距离(dx)低于距离阈值，所述距离阈值低于几十微米，以便引发取向的直线微裂(45)，该微裂(45)沿着在所述第一区域(31)和所述第二区域(32)之间延伸的预定方向来取向。

8.根据权利要求7所述的装置，其中所述第一分离光束在所述第一区域(31)中具有等于D的横向空间范围，所述第二分离光束在所述第二区域(32)中具有等于D的横向空间范围，其中D小于或等于2微米，并且其中所述距离dx大于或等于1微米且小于或等于约10微米。

9.根据权利要求7至8中的一项所述的装置，进一步包括用于在一方面所述固体材料与另一方面所述第一分离光束(101、181)以及第二分离光束(102、182)之间的相对位移的系统。

10.根据权利要求7所述的装置，其中，所述激光源被配置为输送脉冲，所述脉冲具有包括在10到900飞秒之间的持续时间、包括在250nm和2.2μm之间的波长、和在1kHz到10GHz的速率，并且优选1GHz至10Ghz的速率，其中所述脉冲串中的飞秒脉冲的所述数量N小于或等于20。

11.根据权利要求7至10中的一项所述的装置，其中，所述光学空间能量集中设备被配置为沿着在所述第一区域中的所述第一光轴生成所述第一分离光束的多个聚焦点，并且分别地，沿着在所述第二区域中的所述第二光轴生成所述第二分离光束的另外的多个聚焦点。

12.根据权利要求7至11中的一项所述的装置，其中，所述光学空间分离设备和/或所述光学空间能量集中设备被配置，以便沿着所述第一光轴(181)，以及分别地，沿着所述第二光轴(182)，生成贝塞尔光束空间强度分布。

13.根据权利要求7至12中的一项所述的装置，其中，所述光学空间分离设备和/或所述光学空间能量集中设备包括空间相位和/或幅度调制器或者相位和/或幅度掩模，其被配置为在所述第一区域中横向于所述第一光轴修改所述第一分离光束的空间强度分布，并且分别地，在所述第二区域中横向于所述第二光轴修改所述第二分离光束的空间强度分布。

14.根据权利要求7至13中的一项所述的装置，其中，所述光学空间能量集中设备包括另一相位和/或幅度掩模，其被配置为在沿着在所述第一区域中的所述第一分离光束中的所述光轴修改所述第一分离光束的空间强度分布，并且分别地，沿着在所述第二区域中的所述第二分离光束的所述光轴修改所述第二分离光束的空间强度分布。

15.根据权利要求7至14中的一项所述的装置，其中所述介质材料选自具有包括在100微米和几毫米之间的厚度的玻璃，所述激光波长包括在250nm和2.2μm之间，所述第一能量和第二能量低于1mJ且高于1nJ。

16.根据权利要求1至6中的一项所述的方法，进一步包括应用另一激光束的附加步骤，所述另外的激光束相对于所述微裂横向偏移小于一毫米的距离，所述其他激光束具有低于所述材料烧蚀阈值的激光束，以便导致热应力而无需额外的介质或半导体材料的微裂。