CN116600934A - 高能玻璃切割 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于分开至少部分透明的材料(1)的方法，其中，将呈单激光脉冲的形式和/或呈包括多个子激光脉冲形式的超短激光脉冲聚焦到所述材料(1)中，使得产生的和在光束传播方向上拉长的改性区(602)进入到所述材料(1)中并且穿透所述材料的至少一个表面(14)，其中，由此将材料改性部(3)引入到所述材料(1)中，其中，将多个材料改性部(3)沿着分开线(2)引入到所述材料(1)中，并且其中，随后借助分开步骤沿着所述分开线(2)使所述材料(1)分开，并且其中，所述单激光脉冲的脉冲能量或所述子激光脉冲的脉冲能量的总和在500μJ至50mJ的范围内。

Description

高能玻璃切割
技术领域
本发明涉及一种用于分开至少部分透明的材料的方法。
背景技术
近年来，具有非常短的脉冲长度、尤其是具有小于纳秒的脉冲长度且具有高平均功率、尤其是在千瓦范围内的高平均功率的激光器的发展导致一种新型的材料加工。短的脉冲长度和高的脉冲峰值功率或者说几百微焦的高的脉冲能量可以导致脉冲能量在材料中的非线性吸收，使得也可以为所使用的激光波长加工实际上透明或者说基本上透明的材料。
在US10421683中描述了一种分开方法，该分开方法基于将激光脉冲引入到材料中。依照现有技术的方法成问题的是，特别是就材料厚度大于1mm的较厚的材料、尤其是玻璃或层系统而言，难以实现或无法实现良好的可分开性。“良好的可分开性”通常被理解为，材料能够沿着预给定的分开线可靠地被分开。
发明内容
从已知的现有技术出发，本发明的任务是提供一种改进的方法。
该任务通过具有权利要求1的特征的用于分开至少部分透明的材料的方法来解决。有利的扩展方案由属权利要求、说明书和附图得出。
相应地，提出一种用于分开至少部分透明的材料的方法，其中，将呈单激光脉冲的形式和/或呈包括多个子激光脉冲的脉冲串的形式的超短激光脉冲聚焦到材料中，使得产生的并且在光束传播方向上拉长的改性区进入到所述材料中并且穿透所述材料的至少一个表面，其中，由此将材料改性部引入到所述材料中，其中，将多个材料改性部沿着分开线引入到所述材料中，并且其中，随后借助分开步骤沿着分开线使所述材料分开。根据本发明，单激光脉冲的脉冲能量或子激光脉冲的脉冲能量的总和在500μJ至50mJ的范围内。
所述材料可以是金属或半导体或绝缘体或它们的组合。尤其地，它也可以是玻璃、玻璃陶瓷、聚合物或半导体晶片，例如硅晶片。该材料也可以是玻璃基底和/或堆叠式基底系统和/或硅晶片。优选，该材料的厚度LM大于1mm。
该材料在此对于激光器的波长是部分透明的，其中，“部分透明”意味着，通常所述波长的入射光的50％或更多透射穿过该材料。
超短脉冲激光器在此提供超短激光脉冲。在此，“超短”可以意味着，脉冲长度例如在500皮秒至1飞秒之间、尤其是在100皮秒至10飞秒之间。超短脉冲激光器也能够提供由多个超短激光脉冲组成的脉冲串(所谓的Bursts)，其中，每个脉冲串都包括多个子激光脉冲的发出。在此，子激光脉冲的时间间隔的大小能够在10皮秒至500纳秒之间、尤其是在10纳秒至80纳秒之间。在50飞秒至5皮秒之间的范围内振幅显著变化的、在时间上成形的脉冲也被视为超短激光脉冲。在下文中，重复使用术语“脉冲”或“激光脉冲”。在这种情况下，在时间上成形的激光脉冲也包括在内，即使这没有被分别明确解释。由超短脉冲激光器发出的超短激光脉冲相应地形成激光束。
激光束被如此聚焦到材料中，使得激光束在光束传播方向上具有拉长的聚焦区。这能够意味着，激光束在光束传播方向上的聚焦区大于激光束垂直于光束传播方向的延伸尺度。更下面给出聚焦区的延伸尺度的一般定义。
而拉长的改性区描述激光束的、强度高于材料的加工阈值的区域，使得在激光器的改性区内能进行材料加工。激光器的改性区的和聚焦区的几何形状在此在尺度上与激光强度的尺度相互关联。
拉长的改性区能够穿透至少一个表面。这能够意味着，材料的表面与拉长的改性区相交。尤其地，由此，激光束在这个表面上的强度大于在未被“拉长的改性区”穿透的表面上的强度。尤其地，由此可能的是，激光束将脉冲能量发射到材料的体积中。
拉长的改性区也能够穿透多于一个的表面。尤其地，由此拉长的改性区也能够穿透对置的两个表面，使得在这两个表面之间存在由激光器引起的、近似均匀的强度分布。
一个激光脉冲或多个激光脉冲被材料至少部分地吸收，使得该材料局部升温或者说过渡到暂时的等离子体形式的状态中。所述吸收在此能够基于线性的或非线性的吸收。被加工的区域的大小在此由光束几何形状来决定，尤其是由激光束的改性区和光束截面来决定。尤其地，通过在光束传播方向上拉长的改性区能够产生材料改性部，该材料改性部例如能够达到材料的整个厚度。
跨越整个材料厚度的这样的材料改性部能够例如直接利用唯一的脉冲或子激光脉冲的唯一的激光器脉冲串来产生。因此，通过激光器的局部作用将材料改性部引入到材料中。
在此，材料改性部通常可以是材料的结构、尤其是晶体结构和/或无定形结构和/或力学结构的改性。例如，无定形材料的所引入的材料改性部能够在于：该材料通过局部加热仅在这个区域中获得改变的网络结构。例如，通过改性能够改变网络结构的键角和长度。材料改性部尤其能够是局部的密度变化，该局部的密度变化也能够包括没有材料的区域，该局部的密度变化也能够取决于所选择的材料。
根据特定的材料特性和激光器的具体设置，诸如脉冲能量、脉冲持续时间和重复率，还能够产生其他类型的材料改性部。例如，激光器能够利用第一设置来提供一种激光束，该激光束在材料中引起各向同性的折射率变化。但是，该激光器也能够利用另一设置来提供一种激光束，该激光束在材料中引起双折射的折射率变化，使得该材料在局部具有双折射特性。
尤其地，在高脉冲能量的情况下能够发生所谓的微爆炸，在所述微爆炸的情况下，高激发的、于是气态的材料从聚焦区被压入到周围的材料中并且产生不那么密实的区域或空的核心以及周围的经压缩的材料。经加热的区域的大小在此由光束几何形状、尤其是由激光束的改性区和光束截面来决定。
与材料改性部不同地，材料改性区域在此包括激光脉冲的作用的效应例如根据拉应力和压应力可测的整个区域。这尤其是以下区域：在该区域中，在空间上从材料改性部为起点观察，材料又过渡到该材料的未处理的区域的初始状态中。
由于通过局部的脉冲作用产生的温度梯度，在加热时和/或冷却以及形成材料改性部期间能够在材料改性区域中出现应力，所述应力促进裂纹的形成。尤其地，在材料改性区域中能够产生拉应力和压应力，所述拉应力和压应力例如径向地或直辐射地(orthoradial)走向。因此，材料改性部优选伴随着有效的裂纹的形成，即材料的有针对性的损坏。
根据所选择的脉冲能量，材料改性部能够在材料的表面处产生料渣。所述料渣在此是用于材料改性部的品质的量度，并且进而也是用于材料的可分开性的量度。
料渣在此是在材料的表面处的材料积聚，所述材料积聚出现在引入用于产生材料改性部的激光脉冲的位置周围。尤其地，“表面”意味着，相对于光束传播方向地，它可以是材料的上侧面和下侧面。料渣是对材料加热的结果，该材料在引入激光脉冲时从材料的体积中出来。然而，在此，体积的一部分也能够由于蒸发等而损失，使得从材料中出来的材料体积与在材料改性部周围沉积在料渣中的材料体积不必精确一致。
材料改性部沿着希望的分开线被引入到材料中。在此，分开线描述以下的线，应当沿着所述线将材料分开或将材料的部分切下。
通过沿着分开线被引入到材料中的材料改性部，材料近似被穿出孔线(perforieren)，使得通过分开线来限定材料中的一类额定断裂部位。然而，穿出孔线通常不会导致材料的自主分开。相反，沿着分开线的材料改性部例如用于材料弱化，使得在施加接着的分开步骤时(例如通过施加热应力和/或通过施加机械应力、优选拉应力或弯曲应力和/或通过借助至少一种湿化学溶液的蚀刻)，材料沿着分开线分开。
单激光脉冲的脉冲能量或子激光脉冲的脉冲能量的总和在500μJ至50mJ的范围内。由此实现了：特别地就(例如具有大于1mm的材料厚度的)厚的材料而言实现了良好的可分开性。
分开步骤可包括沿着分开线施加热应力和/或施加机械应力、优选拉应力或弯曲应力和/或借助至少一种湿化学溶液的蚀刻。
热应力能够例如通过沿着分开线加热材料来实现。例如，分开线能够借助连续波CO2激光器来加热，使得在材料改性区域中的材料相对于未处理的或者说未加热的材料不同地膨胀。由材料改性部促进的裂纹由此经历裂纹生长，使得能够形成连续且不钩住的分开面，材料的部分通过该分开面彼此分开。
拉应力或弯曲应力能够例如通过将机械载荷施加到由分开线分开的材料部分来产生。例如，如果分别远离分开线地指向的、方向相反的至少两个力在各一力作用点作用到材料平面中的、由分开线分开的材料部分，则能够施加拉应力。如果这些力彼此不平行地或者说反平行地取向，则这能够有助于产生弯曲应力。一旦拉应力或弯曲应力大于材料沿着分开线的结合力，则该材料沿着分开线被分开。
材料也能够通过利用湿化学溶液的蚀刻来分开，其中，刻蚀过程优选蚀刻在材料改性部处、即有针对性的材料弱化部处的材料。通过优选刻蚀由材料改性部弱化的材料部分，这导致材料沿着分开线的分开。
这具有这种优点：针对相应的材料可以选择理想的分开方法，使得材料的分开带来分开边缘的高品质。
激光脉冲能够具有在0.3μm至1.5μm之间的波长，和/或，单激光脉冲的和/或子激光脉冲的脉冲长度能够为0.01ps至50ps、优选优选0.3ps至15ps，和/或，在激光器输出端处激光的平均功率能够在150W至15kW之间
这具有这种优点：能够在大的参数范围内优化用于相应材料的方法。尤其地，这提高了找到可用于材料的激光器波长的概率，在该激光器波长的情况下该材料是部分透明的。
由激光脉冲形成的激光束和材料能够以进给而相对于彼此能移动，以便将所述多个材料改性部沿着分开线引入到材料中，其中，该激光束和该材料能够优选以一个角度相对于彼此取向、尤其是倾斜和/或旋转。
“相对于彼此能移动”意味着，既可以是激光束相对于位置固定的材料平移，也可以是材料能够相对于激光束移动，还可以是，既发生材料的运动也发生激光束的运动。
由此，尤其能够将激光束的焦点放置在材料的不同位置处，以便引入材料改性部。除了沿着X、Y和Z轴的平移运动之外，旋转运动尤其也是可能的，尤其是材料围绕光束传播方向的旋转。这能够包括围绕所有欧拉角的旋转。
由此可以沿着分开线定向激光束。
在一个优选的实施方式中，拉长的改性区在光束传播方向上比材料厚度LM长，尤其是比1.5×LM长或比2×(200μm)+LM长。
通过使拉长的改性区比材料厚度长，材料改性部能够跨越整个材料厚度地被引入。尤其地，也能够实现大的焦点位置公差，使得能够忽略材料厚度的波动或材料的不平整性，尤其是在具有超过一平方米的尺寸的大型玻璃基底的情况下。然而，应注意，用于引入材料改性部的所需的脉冲能量随着聚焦区的长度而线性增加。
在改性区中，垂直于光束传播方向的光束截面的最大直径能够在1μm至50μm之间、优选在2μm至4μm之间。
由此，尤其能够产生具有大的横向延伸尺度的材料改性部，使得改善了材料的可分开性。
由激光脉冲形成的激光束至少在拉长的聚焦区中能够是准非衍射光束或至少两个准非衍射光束的相干叠加。
非衍射光束满足亥姆霍兹方程：
并且具有横向和纵向相关性的呈以下形式的清晰可分离性：
U(x，y，z)＝Ut(x，y)exp(ikzz)。
在此，k＝ω/c是波矢量且具有其横向和纵向分量k2＝kz 2+kt 2，并且，Ut(x，y)是仅取决于横向坐标x，y的任意复值函数。U(x，y，z)中的在光束传播方向上的z相关性导致纯相位调制，使得该解的对应强度I是传播不变的或者说非衍射的：
I(x，y，z)＝|U(x，y，z)|2＝I(x，y)
这种方案提供了在不同坐标系中的不同解决方案类别，例如椭圆柱坐标系中的马蒂厄光束或者圆柱坐标系中的贝塞尔光束。
在实验方面，大量的非衍射光束可以以良好的近似、即准非衍射光束来实现。与理论构造相反，它们仅导致有限的功率。同样有限的是这些准非衍射光束的传播不变性的长度L。
基于用于激光束表征的标准ISO111461-3，光束直径是通过所谓的二次矩来确定的。在此，激光束的功率或零阶矩被定义为：
P＝∫dx dy I(x，y)。
一阶空间矩说明强度分布的重心并且被定义为：
基于以上等式，能够计算横向强度分布的二阶空间矩：
利用如此完全定义的、激光束的二阶空间矩，能够确定光束直径或者说聚焦区在主轴上的尺寸。所述主轴在此是横向光束轮廓的最小和最大延伸尺度的、始终彼此正交地走向的方向，即垂直于光束传播方向的强度分布。于是，如下得到激光束的聚焦区d：
其中，
尤其地，通过值dx和dy得出横向聚焦区的长主轴和短主轴。
因此，高斯光束的聚焦区是通过光束的二次矩确定的。尤其地，由此得到横向聚焦区的尺寸dGF x，y和聚焦区的纵向延伸尺度，瑞利长度zR。瑞利长度zR由zR＝π(dGF x，y)2/4λ给出。它描述了从强度最大值的位置出发沿着光束传播方向的距离，在该位置处聚焦区的面积以系数2增大。在对称高斯光束的情况下，对于聚焦区适用dGF 0＝dGF x＝dGF y。
此外，作为在准非衍射射线dND 0情况下的横向焦点直径，我们将局部的强度最大值的横向尺寸定位为在一强度最大值和以其为出发点下降到25％的强度之间的最短距离的两倍。
准非衍射光束的聚焦区同样是通过二次矩来确定的。尤其地，聚焦区由横向聚焦区的尺寸dND x，y和聚焦区的纵向延伸尺度(即所谓的特征长度L)产生。准非衍射射线的特征长度L通过沿着光束传播方向从局部强度最大值出发下降到50％的强度来定义。尤其地，聚焦区的尺寸如上所示地针对总激光功率被归一化，并且因此与通过光束所传输的最大功率无关。
恰好当对于dND x，y≈dGF x，y、即相似的横向尺寸，特征长度L显著超过对应高斯焦点的瑞利长度时，例如当L＞10zR时，才存在准非衍射光束。
作为准非衍射光束的子集，已知准贝塞尔光束或类贝塞尔光束(这里也称为贝塞尔光束)。在此，在光轴附近的横向场分布Ut(x，y)以良好的近似服从n阶第一类贝塞尔函数。此类别光束的另一个子集形成贝塞尔-高斯光束，所述贝塞尔-高斯光束由于其易于生成而广泛使用。借助经准直的高斯光束以折射、衍射或反射实施方案照明轴棱镜允许形成贝塞尔-高斯光束。在光轴附近的对应的横向场分布在此以良好的近似服从被高斯分布包围的0阶第一类贝塞尔函数。
相应地，使用准非衍射光束、尤其是贝塞尔光束来加工材料能够是有利的，因为以此能够实现大的焦点位置公差。
用于加工材料的典型的贝塞尔-高斯光束具有例如尺寸为dND x，y＝2.5μm的横向聚焦区，然而特征长度能够为50μm。然而，对于具有尺寸为dGF x，y＝2.5μm的横向聚焦区的高斯光束，在空气中的瑞利长度在λ＝1μm时仅为zR≈5μm。但在与材料加工相关的情况下，L＞＞10zR能够适用。
准非衍射辐射的相干叠加尤其是通过至少两个准非衍射光束的叠加产生的。由此可以生成另外的光束轮廓并且因而生成材料改性部的形状。
激光束能够具有垂直于光束传播方向的非径向对称的光束截面，其中，光束截面或者说光束截面的包络线优选椭圆形地成形。
在此，“非径向对称”例如意味着，横向聚焦区在一个方向上被拉伸。然而，“非径向对称的聚焦区”也能够意味着，聚焦区例如是十字形的或三角形的或N边形的，例如五边形的。此外，非径向对称的聚焦区能够包括旋转对称的和镜像对称的光束截面。
例如，能够存在垂直于传播方向的椭圆形的聚焦区，其中，椭圆具有长轴dx和短轴dy。因此，当比值dx/dy大于1时、尤其是dx/dy＝1.5时，存在椭圆形的聚焦区。具体存在的光束的椭圆形的聚焦区能够相应于理想的数学椭圆。然而，准非衍射光束的当前的具体的聚焦区也能够仅具有长主轴和短主轴的上述比值，但具有不同的轮廓——例如近似的数学椭圆、哑铃形状或者由数学上理想的椭圆包围的其他对称的或不对称的轮廓，
尤其地，通过准非衍射光束能够产生椭圆形的准非衍射光束。椭圆形的准非衍射光束在此具有特殊的特性，所述特性由对光束强度的分析得出。例如，椭圆形的准非衍射光束具有主最大值，该主最大值与光束的中心重合。光束的中心在此由主轴彼此相交的位置给定。尤其地，椭圆形的准非衍射光束能够由多个强度最大值的叠加产生，其中，在这种情况下仅仅所参与的强度最大值的包络线是椭圆形的。尤其地，各个强度最大值不必具有椭圆形的强度轮廓。
由亥姆霍兹方程的解得出的最接近主最大值的次最大值在此具有超过17％的相对强度。因此，视在主最大值中的所传输的激光能量而定，在次最大值中引导的激光能量也可多到使得能进行材料加工。此外，最接近的次最大值总是位于一条直线上，该直线垂直于长主轴或者说平行于短主轴并且穿过主最大值走向。
尤其地，光束截面的轮廓具有带有不同曲率半径的位置。例如，在椭圆形的光束截面中，在短的半轴与椭圆相交部位处的曲率半径是特别大的，而在长的半轴与椭圆相交的部位处的曲率半径是特别小的。例如，在小曲率半径的点处、例如在峰和角处，对于材料应力存在松弛的可能性，使得在那里出现诱导式的裂纹形成现象。通过在材料改性部之间的受控的裂纹扩展，可改善材料沿着分开线的可分开性。
非径向对称的光束截面的长轴能够垂直于光束传播方向地沿着分开线和/或沿着进给方向定向。
典型地，裂纹的形成沿着非径向对称的光束截面的首要方向(Vorzugsrichtung)发生，例如，裂纹扩展主要发生在光束截面的较长延伸尺度的方向上，该裂纹扩展与光束截面的轮廓在所述首要方向上的外部轮廓边缘处的较小的半径相关联。
尤其地，能够通过旋转非径向对称的光束截面和/或材料来促进有针对性的裂纹引导，使得通过转动非径向对称的光束截面的首要方向总是沿着分开线定向。
如果在激光束和材料之间的进给方向例如垂直于沿着其发生优选的裂纹扩展的轴取向，则相邻的材料改性部的裂纹的相遇是不可能的。反之，如果进给方向平行于优选的裂纹扩展的轴取向，则可能的是，相邻的材料改性部的相遇并且合并。通过转动光束截面和/或工件，即使在弧形的分开线的情况下也能够确保在分开线的整个长度上的有针对性的裂纹引导。由此可以实现沿着任意成形的分开线分开材料。
非径向对称的光束截面的长轴能够具有消失或不消失的强度，优选在不消失的强度的情况下具有小于0.9的干涉对比度。
在此，椭圆形的准非衍射光束能够沿着长主轴具有不消失的强度，尤其是具有为Imax-Imin/(Imax+Imin)<0.9的干涉对比度，使得光束沿着长主轴到处传输激光能量.
Imax在此是沿着长主轴的最大光束强度，而Imin是最小光束强度。如果Imin＝0，则沿着长主轴出现完全干涉并且得到为1的干涉对比度。如果Imin>0，则沿着长主轴仅出现部分干涉或不出现干涉，使得干涉对比度<1。
如果例如沿着长主轴的干涉对比度小于0.9，则沿着长主轴不出现完全干涉，而是仅出现部分干涉，该部分干涉不会导致在强度最小值Imin的位置处的激光强度的完全消失。如果准非衍射光束是利用双折射元件、例如石英角位移器(Quartz Angle Displacer)或石英光束位移器(Quartz Beam Displacer)或其组合产生的，则是这种情况。
然而，椭圆形的准非衍射光束也能够沿着长主轴具有消失的强度和为1的干涉对比度，使得光束沿着长主轴不会到处传输激光能量。例如，如果准非衍射光束是利用改性的轴棱镜产生的，则是这种情况。
由激光脉冲形成的激光束能够以加工角射到材料表面上，该加工角优选不是直角，其中，该加工角对于小于2mm的材料厚度是小于20°的并且对于大于2mm的材料厚度是小于10°、尤其是小于5°的。
由于激光束以一个角度射到材料表面上，激光束在进入材料中时发生折射。与此相应地，材料改性部不是垂直于表面、而是以折射角引入的，该折射角是根据斯涅尔折射定律确定的。由此实现了：材料不具有成形为直角的边沿。例如，能够产生倾斜边沿，材料能够沿着所述倾斜边沿又被组合并且例如被接合。例如，这样能够实现材料的横向彼此接合。
尤其地，材料中的改性区的、仍实现良好的可分开性的加工角取决于材料厚度。
单激光脉冲和/或脉冲串能够由激光器系统通过在位置方面受控的脉冲触发来触发，其中，位置优选通过由激光脉冲形成的激光束在材料上的位置给定。
在位置方面受控的脉冲触发能够通过探测器来实现，该探测器读取材料或者说进给设备的位置或进给矢量和激光束的位置。
由此能够实现，沿着分开线以相同的间距将材料改性部引入到材料中。由此尤其能够避免材料改性部重叠，在激光脉冲速率恒定且进给速度变化的情况下可能发生材料改性部重叠。
附图说明
本发明的另外的优选实施方式通过对附图的以下描述来详尽阐述。在此示出：
图1A、1B、1C是用于执行该方法的示意图；
图2A、2B是材料改性部的显微镜图像和截面，带有料渣；
图3A、3B、3C、3D、3E、3F是准非衍射光束的光束截面的示意图；
图4A、4B、4C、4D是对准非衍射光束的光束截面的分析；
图5是组合式椭圆形准非衍射光束的示意图；
图6A、6B、6C是用于执行该方法的另一个示意图；
图7A、7B、7C、7D是椭圆形光束截面和材料改性部及其在分开线处的取向的示意图；
图8A、8B是用于执行该方法的设备的示意图；
图9A、9B是用于执行该方法的示意图；以及
图10是根据该方法产生的材料改性部的显微镜照片。
具体实施方式
下面，参照附图描述优选的实施例。在此，在不同附图中的相同、相似或起相同作用的元件设有相同的附图标记，并且部分地省去了对这些元件的重复描述以避免冗余。
在图1中，示意性呈现出这里所描述的、用于分开至少部分透明的材料1的分开方法。
为了分开材料1，将超短脉冲激光器6(参见例如图8A)的激光脉冲聚焦到材料1中。激光脉冲以激光束60传播，所述激光脉冲至少部分地在激光束60的改性区602中由材料1吸收，以便以这种方式将材料改性部3引入到材料1中。在此，阴影平面示出分开线2下方的、沿着其分开材料1的平面。理想情况下，这个平面相应于之后的分开面20。
通过激光脉冲在材料1中的线性的和/或非线性的吸收，能够产生材料改性部3。例如，能够由此改变材料1的一般结构或材料的密度，以便以这种方式形成材料改性部3。
然而，也可能的是，由于吸收激光脉冲而产生所谓的微爆炸，在所述微爆炸的情况下，在激光束的改性区602中材料1突然蒸发。高激发的、于是呈气态的材料1由于高压而挤入到周围的材料1中，使得材料1在冲击前沿处被压缩。由此，在改性区602的区域中产生不那么密实或空的核心(孔隙，英语“Void”)，该核心由经压缩的材料包围。尤其地，微爆炸也能够使来自改性区602的材料的一部分向外渗透，其沉积在材料1的表面上并且形成料渣300。
这些改性产生材料改性部3。在材料改性部3的周围形成材料改性区域30。在材料改性区域30中，随着观察离材料改性部3越来越远的材料，材料从以材料改性部3存在的状态逐渐又过渡到其原始状态。该原始状态能够例如是材料的未加工状态，该未加工状态例如存在于材料1中的相邻点中。然而，在这里，材料1的、在引入材料改性部3之前所处的状态也理解为“原始状态”。
激光脉冲能够具有在0.3μm至1.5μm之间的波长，和/或，激光脉冲的脉冲长度能够为0.01ps至50ps、优选0.3ps至15ps，和/或，激光的平均功率能够为150W至15kW。激光能量能够以单激光脉冲的形式被引入到材料中，其中，单激光脉冲的重复率为1kHz至2MHz。但是，激光能量也能够以包括多个子激光脉冲的脉冲串的形式被引入到材料中，其中，脉冲串的子激光脉冲的重复频率能够在2MHz至100GHz之间、尤其是在12.5MHz至100MHz之间，此外其中，一个脉冲串优选能够包括2至20个子激光脉冲和/或一个脉冲串的子激光脉冲的脉冲能量的总和的大小能够在500μJ至50mJ之间。
例如，能够利用具有1μm的波长、1ps的脉冲持续时间和1000W的平均功率的激光来产生材料改性部3。激光脉冲能够以单个脉冲的形式被引入到材料1中，其中，激光的重复率例如为100kHz。
在材料改性部3和材料改性区域30中能够产生局部应力，所述局部应力会促进裂纹的形成。例如，材料1由于局部加热而能够具有另一密度、例如较低的密度并且由此能够在材料改性区域30中构建压应力。然而，在经加热的区域中也可能存在较高的密度并且因此能够在材料改性区域30中构建拉应力。如果拉应力和/或压应力变得过大、例如大于未处理的材料的抗拉强度或抗压强度，则可能自发出现裂纹。
如在图1中示出的，将多个材料改性部3引入到材料1中。绕每个材料改性部3都形成有材料改性区域30。材料改性部3的放置在此沿着希望的分开线2进行。分开线2是假想的线，材料1应当沿着该假想的线被分开。
通过沿着分开线2被引入到材料1中的材料改性部3，材料1近似被穿出孔线，使得通过分开线2来限定材料1中的一类额定断裂部位。然而，穿出孔线通常不会导致材料1的自主断开。更确切地说，沿着分开线2的材料改性部3例如用于有针对性的材料弱化和/或有针对性地引入裂纹32，所述裂纹沿着分开线2引起材料弱化。
在借助激光束6将材料改性部3引入到材料1之后，能够例如在接着的分开步骤中，通过对通过分开线2彼此分开的材料半部10和12施加拉力FZ使材料1在物理上分开。尤其也可能的是，通过对材料半部10、12施加弯曲应力来分开材料1(未示出)。
在图1B中示出一个类似的方法，其中，材料半部在一个分开步骤中不是利用机械力、而是通过施加热应力来分开。
在引入材料改性部3之后，能够在这些材料改性部3上产生热梯度620。为了引入热梯度620，能够使用例如连续波CO2激光器62。
为了产生热梯度620，连续波CO2激光器62的焦点能够被放置在例如表面14下方几微米处，使得材料1的分开低损伤地进行并且形成光滑的断裂边沿或者说分开面20。然而，该焦点也能够以距表面的其他间距定位。一般而言，连续波CO2激光辐射的大部分已经在材料的表面下几纳米被吸收，使得至少不存在对连续波CO2激光器62的焦点的定位的强的依赖性。
由于主要在材料的上表面14附近处吸收，在那里的温度高于在下表面处的温度。由此产生热梯度T(z)。由于材料1的热膨胀关于温度在一级近似中是线性的，材料1在上表面14处比在下表面处更剧烈地膨胀。由此产生沿着Z轴的不同强度的材料应力。
不同的材料应力贯穿所引入的额材料改性部3。材料应力在那里会松弛，这导致裂纹的形成。裂纹的形成发生在相邻的不同材料改性部3之间。即，形成裂纹，该裂纹最终将材料1分开成两个材料半部10和12。
在图1C中示出另一个类似的方法，其中，材料半部10、12在分开步骤中借助湿化学反应来分开。为了这个目的，将用材料改性部3穿出孔线的材料1放入到化学浴11中。化学浴11在此包含溶液，该溶液能够剥蚀和蚀刻材料1。尤其地，蚀刻过程发生在先前引入的材料改性部3中，因为在那里材料弱化是特别大的并且在材料改性部3的位置处的物理和/或化学特性的变化特别有利地允许反应进行。在某种程度上，材料改性部3能够用作刻蚀反应的催化剂。该反应在图1C中示意性地通过在化学浴11中形成的反应气泡110来简示。
一旦材料1被蚀刻透，材料1就被分开成两个材料半部10、12。如果材料1在化学浴11之后而仍未被分开(例如因为化学浴11仅仅蚀刻掉材料改性部3)，则材料1已经进一步沿着分开线2有针对性地被损坏，使得例如通过施加拉应力或弯曲应力能够将材料1分开成材料半部10、12。
在图2A中示出经加工的材料1的表面的显微镜图像。已经沿着分开线2将圆形的材料改性部3以dM＝5μm的间距引入到材料1中。材料改性部3具有孔状通道的形式，其中，孔状通道的外周侧面的材料由于在引入材料改性部3时的微爆炸已被压缩。在材料改性部3的或者说孔状通道的圆形开口周围，在材料1的表面上产生圆形的料渣300。这些料渣300具有外直径dA。料渣300的外直径在这里为3μm。
在图2B中示出穿过图2A的厚度的截面。可以清楚地看出，料渣超过材料1的表面具有50nm至200nm的高度。料渣300的直径和高度在此由激光束的脉冲能量和光束截面预给定。尤其可以看出：材料改性部3开始于上表面14。这是拉长的改性区602穿透表面14造成的结果，因而尤其是存在共同的切割面。
在图3A中示出准非衍射激光束的强度走向和光束截面4。尤其地，准非衍射光束是贝塞尔-高斯光束。在x-y平面中的光束截面4中，贝塞尔-高斯光束具有径向对称性，使得激光束的强度仅取决于距光轴的间距。尤其地，横向光束直径dND x，y的大小在0.25μm至10μm之间。
在图3B中示出纵向光束截面4，即在光束传播方向上的光束截面4。光束截面4具有拉长的聚焦区，该拉长的聚焦区的大小约为3mm。因此，聚焦区在传播方向上明显大于光束截面4，使得存在拉长的聚焦区600。
在图3C中，类似于图3A地示出非衍射光束，该非衍射光束具有非径向对称的光束截面4。尤其地，光束截面4看起来是在y方向上被拉伸的，近似椭圆形。
在图3D中示出贝塞尔光束的纵向聚焦区600，该纵向聚焦区又具有约为3μm的延伸尺度。与此相应地，贝塞尔光束也具有在光束传播方向上拉长的聚焦区。
在图3E中示出不同准非衍射光束的相干叠加。通过叠加多个准非衍射光束能够产生无法利用单个激光束实现的光束轮廓。在x-y平面中的强度最大值的图示说明了相对于总强度的经圆整的强度分布。
在图3F中示出具有不同激光功率、但具有相同高斯-贝塞尔形的光束截面的两个激光束的在z方向上的强度走向。两个光束轮廓具有相同的特征长度L，因为特征长度是通过激光强度下降到强度最大值的50％来定义的。然而，材料本身具有确定的强度阈值IS，从该强度阈值起能够加工该材料。改性区602的长度在此定义了一个长度，在该长度上激光束的强度高于材料的强度阈值IS。由此，对于大的激光功率，产生激光束的大的改性区602，而对于小的激光功率，激光束具有小的改性区602。激光束的改性区602因此随着所传输的激光功率而定大小。
在图4中示出对来自图3C、D的光束截面4的详细分析。在图4A中示出激光束60的横向强度分布，其中，从亥姆霍兹方程的解中得出主最大值和次最大值。
在图4B中示出来自图4A的强度分布的所谓的等强度线，其中，在激光束的相对强度为25％、50％、75％处绘制线。能清楚地看到，强度分布的主最大值41具有近似椭圆形的形状，其中，沿着x轴的延伸尺度明显大于沿着y轴的延伸尺度。尤其地，具有明显较低的相对强度的肾状的两个次最大值43相邻于主最大值。
在图4C中示出来自图4A的强度分布的沿着x轴通过主最大值的中心的截面。在主最大值41的中心，强度分布具有其最大值，其中，相对强度在这里根据定义为100％。强度分布沿着正负x方向下降，直到在约0.003mm处达到相对强度分布中的最小值，然而该最小值与0％不同。因此，在激光束60的主最大值41和次最大值43之间也传输激光能量。
在图4D中示出来自图4A的强度分布的沿着y轴通过主最大值41的中心的截面。在此可以再一次在中心找到强度最大值，然而沿着y方向的强度下降明显是更快的，使得在约0.002mm处达到强度最小值。在此，强度最小值精确地为零，因为在这里对于激光束60存在完全干涉。尤其地，在y轴上的较大的值处可再次找到次最大值43，所述次最大值例如高于25％的相对强度值。而在来自图4C的x轴截面中，不是这种情况。因此，椭圆形的光束截面4的特性沿着不同的传播方向而不同。
尤其地，在图4C和4B中示出，测量从主最大值的中心直至相对强度下降到50％的长半轴a。类似地，测量从主最大值的中心直至相对强度下降到50％的短半轴b的长度。在此，长半轴和短半轴彼此垂直。
在图5中示出，椭圆形的准非衍射光束能够由多个强度最大值叠加产生，其中，在这种情况下，仅仅所参与的强度最大值的包络线是椭圆形的。尤其地，各个强度最大值不必具有椭圆形的强度轮廓。
在当前情况下，光束截面除了显著的主最大值41之外还具有肾状的两个次最大值43。在次最大值中，传输高达主最大值41的激光能量的17％的能量。如果激光脉冲能量足够高，则在次最大值43中所传输的激光脉冲能量也足以引起材料改性部3。由此，能够通过选择激光脉冲能量来影响改性区602的几何形状。
例如，能够将激光脉冲能量选择成，使得在25％等强度线之上的区域就已经能够引入材料改性部。在此，主最大值41以及两个次最大值43分别形成例如重叠的材料改性区域30，使得总体上产生椭圆形的材料改性部3，该椭圆形的材料改性部的长轴在y方向上延伸。因此，可预期沿着y方向形成裂纹。
尤其地，基于这一点也产生椭圆形的材料改性部3，该椭圆形的材料改性部的长轴类似地沿着y轴取向。
图6A、6B示出，能够将拉长的改性区602以不同的方式引入到材料1中。在图6A中，拉长的改性区602具有比材料的厚度更大的长度。尤其地，拉长的改性区602大于1.5×LM。由此，可能的是，将改性区602定位成，使得改性区602穿透上表面14和下表面。由此尤其可能的是，在整个材料厚度LM上引入材料改性部3。这导致在随后的分开过程中所需的较小的分开力并且因此导致分开面20的较低的粗糙度。
在图6B中示出，材料1能够由不同的层1‘、1“、1“‘构成。在此，每个层都具有自己的材料厚度，其中，总材料厚度LM是各个层的厚度的总和。尤其地，每个层也能够具有各自的折射率，然而每个层对于激光的波长都是部分透明的。这里，拉长的改性区602也大于整个材料厚度。
在图6C中示出，也能够将拉长的改性区602如此引入到材料1中，使得只有一个材料表面14被拉长的改性区602穿透。在当前情况下，上表面14被穿透。然而，也可能的是，通过激光束6将其他类型的材料改性部3引入到材料1中。
在图7A中示出在材料1中的椭圆形的材料改性部3。材料改性部3通过激光器6的激光束60被引入到材料1中。在此，材料改性部3的形状通过激光束60的光束截面4、尤其是其改性区602被预给定。绕着材料改性部3的、在激光脉冲的时间存在激光束60对材料1的直接作用的区域，形成材料改性区域30，该材料改性区域在形状上相应于所引入的材料改性部3或者说激光束6的光束截面4。
与此相应地，在材料改性部3本身中以及在材料改性区域30中都可出现材料应力，所述材料应力促进裂纹的形成。例如，在椭圆形的材料改性部3的情况下，能够促进在椭圆的以下部位处形成裂纹：在所述部位处边界线的曲率半径是特别小的。通过小的曲率半径确保了：由材料改性部3引入到玻璃1中的应力在许多不同的方向上能够特别快速地下降。因此，与材料应力仅在少量方向上可松弛的位置相比，在所述部位处以更高的概率实现材料应力的松弛。由此，在材料1中，材料改性部3的具有小的曲率半径的部位是特别不稳定的。
在此，裂纹32的形成优选在椭圆形的材料改性部3的长轴的方向上发生。因此可能的是：通过材料改性部3的定向来控制裂纹扩展。因此尤其可能的是：控制从一个材料改性部3到另一个材料改性部3的裂纹扩展。
在图7B中，已经将多个材料改性部3引入到材料1中。材料改性部3再一次是椭圆形的。由此，裂纹32特别优选地沿着椭圆的长轴形成在该椭圆的最小曲率半径的部位处。材料改性部3在该图中被放置成如此彼此靠近的，使得相邻的材料改性部的相应的裂纹重叠。由此可能的是，裂纹联合并且在两个相邻的材料改性部之间形成共同的裂纹。尤其地，这个状态能够通过裂纹生长来实现，例如通过施加拉力。通过这种方法例如能够将裂纹32沿着任意分开线2引入到材料1中。
在图7C中示出，材料改性部3和料渣300的长轴都沿着分开线2取向。由于材料改性部3的长轴沿着分开线2取向，这同时意味着，在引入材料改性部3时激光束60的光束截面的长轴已沿着分开线2取向。
在图7D中与此相应地示出，光束截面4的长轴平行于进给速度V地取向，使得该长轴始终平行于分开线2取向。
在图8A中示出一种用于执行该方法的结构。超短脉冲激光器6的激光束60通过光束成形光具9和可选的反射镜70被转向到材料1上。在此，材料1布置在进给设备的承放面上，其中，该承放面将材料没有吸收的激光能量、优选材料既没有反射又没有吸收的激光能量仍强地散射回该材料中。
尤其地，激光束60能够通过自由空间路径以透镜和反射镜系统被耦入到光束成形光具9中。但是，激光也能够通过具有耦入和耦出光具的空芯光纤65被耦入到光束成形光具中，如在图8B中示出的那样。
光束成形光具9能够例如是衍射光学元件或轴棱镜，该衍射光学元件或轴棱镜从高斯形的激光束60中产生非衍射激光束60。在当前示例中，激光束60被反射镜70转向到朝向材料1的方向上并且被聚焦光具72聚焦到材料1上或中。在材料1中，激光束60引起材料改性部3。光束成形光具9尤其能够转动，使得例如激光束的首要方向或者说对称轴能够适配于进给轨迹。
在此，进给设备8能够使材料1在激光束60下以进给V运动，使得激光束60沿着希望的分开线2引入材料改性部3。尤其地，在所示出的图中，进给设备8包括第一部分80，该第一部分能够使材料1沿着轴线运动。尤其地，进给设备也能够具有第二部分82，该第二部分设置为用于使激光束60围绕z轴、或者说围绕光束传播方向旋转，使得垂直于光束传播方向的光束截面的长轴始终与希望的分开线2相切，以引起沿着分开线2的裂纹扩展。
如果光束截面的长轴的定向既能够通过光束成形光具9来确定、也能够通过进给设备的第二部分82来确定，则也可能的是：要么使用光束成形光具9的定向可能性，要么使用进给设备的第二部分82的定向可能性。但是，两种可能性也能够以相互补充的方式来使用。
为了这个目的，进给设备8能够与控制设备5连接，其中，控制设备5将设备的使用者的用户指令转换为用于进给设备8的控制指令。尤其地，能够将预定义的切割图案存储在控制设备5的存储器中并且能够通过控制设备5自动控制这些过程。
控制设备5尤其也能够与激光器6连接。在此，控制设备5能够调设激光器6的激光脉冲的激光脉冲能量或者请求或触发激光脉冲或激光器脉冲串的发射。控制设备5也能够与提到的所有部件连接并且因此协调材料加工。
尤其地，因此能够实现在位置方面受控的脉冲触发，其中，例如读取进给设备8的轴编码器并且轴编码器信号能够由控制设备解释为位置说明。因此可能的是：例如，如果将所走过的路程相加的内部相加单元达到一个值并且在达到之后重置为0，则控制设备5自动地触发激光脉冲或激光器脉冲串的发射。因此，例如可以以规律的间距自动向材料1发射激光脉冲或激光器脉冲串。
通过在控制设备5中也对进给速度和进给方向并且因此对分开线2进行处理，能够自动化地发射激光脉冲或激光器脉冲串。
控制设备5也能够基于所测得的速度以及由激光器6提供的基本频率来计算间距dM或应当发射激光器脉冲串或激光脉冲的位置。
通过以在位置方面受控的方式发射激光脉冲或脉冲串，取消了分开过程的费事的编程。此外，能够简单地实施能自由选择的过程速度。
在图9中示出，如何由在光束成形光具9后方的这些子激光束将准非衍射光束引入到材料1中。在图9A中，子激光束相对于材料1的表面法线140对称地射到该材料的表面14上。因此，激光束尤其总体上以直角射到表面14上。与此相应地，拉长的改性区602平行于表面法线140地取向，即尤其不经历任何折射。当然，子激光束确实也以角度射到材料表面14上，使得这些子激光束根据斯涅尔折射定律被折射。通过材料1的折射率和子激光束的入射角能够确定出在材料1中的拉长的改性区602的长度。沿着拉长的改性区602，能够将材料改性部3引入到材料1中。
在图9B中示出一种情形，其中，子激光束不是相对于表面法线140对称地、而是以角度θ被引入到材料1中。由此，形成在材料中的拉长的改性区602，该拉长的改性区不是平行于表面法线140延伸，而是以一定的角度θ‘折射。由此可能的是，将不平行于表面法线140走向的材料改性部3引入到材料1中。因此，材料1能够例如以角度θ‘被分开。
在图10中示出材料改性部3的显微镜照片，这些材料改性部已经针对不同的脉冲能量被引入到材料1中。为此，拉长的改性区602穿透了材料1的表面14。与此相应地，所示出的材料改性部3分别开始于表面14。在脉冲能量为700μJ的情况下，产生了第一拉长的改性区602，该第一拉长的改性区比材料厚度LM短。与此相应地，材料改性部在到达下表面之前终止。为了扩大拉长的改性区602，增加了脉冲能量，如上面尤其在图3F中示出的。例如，在脉冲能量为1400μJ的情况下，已经产生了为在700μJ情况下的长度的两倍的拉长的改性区602。然而，原则上不必存在拉长的改性区的长度与脉冲能量之间的线性关系。然而也可能的是：在拉长的改性区的长度和脉冲能量之间的关系能区段式地通过线性关系来近似。与此相应地，所产生的拉长的改性区602大于1.5×LM，使得在材料1中已产生了在对置的两个材料表面之间延伸的材料改性部3。
只要适用，在实施例中呈现的所有单个特征都可以相互组合和/或交换，而不脱离本发明的范围。
附图标记列表
1 材料
10 第一材料半部
12 第二材料半部
14 表面
140 表面法线
2 分开线
20 分开面
3 材料改性部
30 材料改性区域
300 料渣
32 裂纹
4 光束截面
41 主阶
43 次阶
5 控制设备
6 激光器
60 激光束
600 聚焦区
602 改性区
62 连续波CO2激光器
620 温度梯度
65 空芯光纤
7 聚焦单元
70 反射镜
72 聚焦光具
8 进给设备
80 进给设备的第一部分
800 承放面
82 进给设备的第二部分
9 光束成形光具
11 化学浴
110 反应气泡
LM 材料厚度
dA 料渣的外直径
dM 材料改性部的间距
FZ 拉力

Claims (12)

1.一种用于分开至少部分透明的材料(1)的方法，其中，将呈单激光脉冲的形式和/或呈包括多个子激光脉冲的脉冲串的形式的超短激光脉冲聚焦到所述材料(1)中，使得产生的并且在光束传播方向上拉长的改性区(602)进入到所述材料(1)中并且穿透所述材料的至少一个表面(14)，其中，由此将材料改性部(3)引入到所述材料(1)中，
其中，将多个材料改性部(3)沿着分开线(2)引入到所述材料(1)中，
并且，随后借助分开步骤沿着所述分开线(2)使所述材料(1)分开，
其特征在于，
所述单激光脉冲的脉冲能量或所述子激光脉冲的脉冲能量的总和在500μJ至50mJ的范围内，并且，所述拉长的改性区(601)在光束传播方向上比材料厚度LM长并且比1.5×LM长或比2×(200μm)+LM长。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分开步骤包括沿着所述分开线(2)施加热应力和/或包括施加机械应力、优选拉应力或弯曲应力和/或包括借助至少一种湿化学溶液进行的蚀刻。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述材料(1)是玻璃基底和/或堆叠式基底系统和/或硅晶片，其中，所述材料(LM)的厚度优选大于1mm。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
-所述激光脉冲具有在0.3μm至1.5μm之间的波长，和/或
-所述单激光脉冲的脉冲长度和/或所述子激光脉冲的脉冲长度为0.01ps至50ps、优选0.3ps至15ps，和/或
-在激光器输出端处激光的平均功率在150W至15kW之间。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，由所述激光脉冲形成的激光束(60)和所述材料(1)是能相对于彼此以进给(V)移动的，以便将所述多个材料改性部(3)沿着所述分开线(2)引入到所述材料(1)中，其中，所述激光束(60)和所述材料(1)是能相对彼此取向、特别优选地倾斜和/或旋转的，优选是能以一个角度(θ)相对于彼此取向的。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述改性区(602)中，垂直于所述光束传播方向的光束截面(4)的最大直径在1μm至50μm之间、优选在2μm至4μm之间。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，由所述激光脉冲形成的激光束(60)至少在拉长的聚焦区(600)中是准非衍射光束。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述激光束(60)具有垂直于所述光束传播方向的非径向对称的光束截面(4)，其中，所述光束截面(4)或者说所述光束截面(4)的包络线优选椭圆形地成形。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，垂直于所述光束传播方向的非径向对称的光束截面(4)的长轴沿着所述分开线(2)和/或沿着进给方向定向。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，椭圆形的准非衍射光束的长轴具有小于0.9的不消失的干涉对比度。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，由所述激光脉冲形成的激光束(60)以加工角(θ)射到所述材料表面(14)上，所述加工角优选不是直角，其中，所述加工角(θ)对于小于2mm的材料厚度(LM)是小于20°的并且对于大于2mm的材料厚度(LM)是小于10°、优选小于5°的。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述单激光脉冲和/或脉冲串通过激光器系统(6)的在位置方面受控的脉冲触发来触发，其中，所述位置优选是通过由所述激光脉冲形成的激光束(60)在所述材料(1)上的位置给定的。
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