CN118055826A - 用于切割基材或制备供劈开的基材的方法和装置 - Google Patents

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亚当·柯林斯
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Abstract

本申请涉及一种用于切割基材(200)或制备供劈开的基材(200)的方法(100)。所述方法(100)包括：用激光束的多个脉冲辐照所述基材(200)，所述脉冲的脉冲持续时间小于1纳秒，并且横截面空间轮廓是伸长的，并且其中所述多个脉冲的通量被控制为小于所述基材(200)的单发损伤阈值通量；在所述激光束与所述基材(200)之间提供(104)相对移动，使得所述多个脉冲沿切割路径(408)布置；以及控制(106)所述相对移动，使得每个所述脉冲沿所述切割路径(408)与所述脉冲中的至少另一个脉冲在空间上重叠。还公开了一种装置(600)，所述装置(600)具有被配置为用于执行所述方法的激光系统。

Description

用于切割基材或制备供劈开的基材的方法和装置
技术领域
本申请涉及一种用于切割基材或制备供劈开的基材的方法和装置。该方法可以构成切割基材的方法的一部分，并且类似地，该装置可以构成激光切割装置的一部分。该基材可以是脆性材料，诸如，玻璃或陶瓷。脆性材料可以包括本身就具有脆性的材料，或者通过另一种工艺(例如，施加低温或应力)呈现出脆性状态的材料。该基材可以是薄材料，例如，厚度小于200微米。
背景技术
切割薄基材(例如，玻璃或陶瓷)在许多领域(包括用于触摸屏显示器和光伏应用)中是重要的。用于这些应用的已知薄玻璃切割技术包括使用CO2激光切割、烧蚀/腐蚀技术以及划线和折断(scribe and break)技术。然而，这些技术通常都存在加工速度低、边缘质量差的问题。
激光烧蚀是指在暴露于激光能量束后，物质从表面喷射出来。要发生激光烧蚀，施加在材料上的激光能量必须超过能量阈值。单位面积的阈值能量称为阈值通量，且以Jcm-2为单位进行测量。
激光能量以横截面空间轮廓(spatial profile)分布。通常情况下，这种轮廓呈高斯分布，因此，光束中心的强度最大，而光束边缘的强度最小。虽然激光束中心处的施加通量可以超过烧蚀阈值，但暴露在激光束边缘处的通量下的材料通常小于阈值通量。此外，由于激光束在材料中传播时被吸收，因此，在材料表面以下的某个深度，衰减后的激光通量也不足以将物质从表面射出。因此，光束边缘和表面以下未发生烧蚀的深度处的能量有可能对材料造成不必要的损伤。这种损伤可以包括存在微裂纹、其他缺陷导致的残余应力、不同的再凝固相以及表面化学(surface chemistries)。烧蚀阈值通量越大，这种损伤对材料以及激光切割、钻孔和划线工艺的有效性的影响就越大。
为了减小这种损伤的规模，惯例使用接近烧蚀阈值通量的激光通量来开发工艺，特别是使用以小余量(margin)略微超过阈值通量的工艺参数，从而使过剩能量和相关损伤保持在最低限度。
即使使用刚刚超过烧蚀阈值的工艺，一些材料也会受到严重损伤。这种损伤在薄介质材料中表现为脆性增加，在金属或聚合物材料中表现为热影响区增大，在陶瓷中表现为相变，或者在半导体中表现为不同的掺杂轮廓区域。所有这些影响都会导致性能下降。
WO2012006736(A2)公开了一种为劈开步骤做准备而对透明基材进行内部加工的方法。用聚焦的激光束辐照基材，激光束由下述脉冲组成：这些脉冲具有经过选择以在基材内产生丝状物(filament)的能量和脉冲持续时间。基材相对于激光束平移，以受到辐照并且在一个或多个附加位置处产生额外的丝状物。产生的丝状物形成阵列，限定了一条用于劈开基材的内部划线路径。这种丝状物技术的目的之一是确定光束焦点的位置，以在基材内产生丝状物，从而使基材的至少一个表面基本上不会被烧蚀。但这种技术的缺点是，只适用于透明材料，以便在该材料内产生丝状物。丝状物技术对于较薄的基材也不太有效，而且需要复杂的高性能光学器件。
本申请的目的在于提供使用激光烧蚀技术切割基材或制备供劈开的基材的改进方法和装置。更具体而言，提供适用于高效切割薄基材(例如，包括玻璃和陶瓷)的方法和装置，使得切割边缘质量较高，和/或能够减少加工过程中产生的微粒，和/或适用于可扩展的(scalable)制造平台。
发明内容
在第一方面，本申请提供了一种用于切割基材或制备供劈开的基材的方法，所述方法包括以下步骤中的任意一个或多个步骤：
用激光束的多个脉冲辐照所述基材，所述脉冲的脉冲持续时间小于1纳秒，并且横截面空间轮廓是伸长的，并且其中所述多个脉冲的通量优选地被控制为小于所述基材的单发损伤阈值通量(single shot damage threshold fluence)；
在所述激光束与所述基材之间提供相对移动，使得所述多个脉冲沿切割路径布置；以及
控制所述相对移动，使得每个所述脉冲沿所述切割路径与所述脉冲中的至少另一个脉冲在空间上重叠。
通过使用伸长的光束形状和空间重叠脉冲以及超短的亚纳秒脉冲持续时间，发明人发现了一种新的减小通量激光烧蚀技术。当激光脉冲的通量被控制为小于基材的单发损伤阈值通量时，本方法可以使材料烧蚀损伤显著减少。考虑到已知的加工技术，通过本申请的方法所获得的新的低能量烧蚀机制(ablation regime)是一个意想不到的结果。本申请的工艺可以使玻璃和陶瓷材料等基材实现精密结构化，而不会产生明显的热诱导微裂纹。发明人发现，通过以减小的通量操作，施加在材料上的热能受到限制，进而减少了材料在冷却时产生的热应力。因此，为切割基材或制备供劈开的基材提供了改进的材料加工。
可以控制所述多个脉冲的通量，使其低于所使用的激光脉冲和所切割的特定基材的相应的单发损伤阈值。因此，“相应的单发损伤阈值”指的是与执行所述方法的脉冲持续时间波长和基材相同的单个激光脉冲的损伤阈值。
所述多个脉冲的通量可以分别小于所述基材的单发损伤阈值通量的70％。这已被证明可提供有利的切割边缘质量。优选地，所述多个脉冲的通量可以分别小于所述基材的单发损伤阈值通量的50％，优选地，小于30％。
所述多个脉冲的通量可以被控制，以使萌生的微裂纹的深度最多只能延伸到所述基材厚度的一部分。优选地，所述通量可以被控制，以最小化所述萌生的微裂纹终止的深度。通过减少微裂纹的萌生，使用了低通量机制，在这种机制下，激光能量反而有助于材料的去除。这样可以提高切割边缘的质量。
由所述激光辐照所造成的切割深度可能取决于所述激光束的多个脉冲的通量。所述通量与切割深度之间的相依性可以有一个通量范围(例如，第一范围)，在所述第一范围内，所述切割深度随着通量的减小而减小。
所述通量与切割深度之间的相依性可以有一个通量范围(例如，第二范围)，在所述第二范围内，所述切割深度随通量的减小而增加。所述第二通量范围的通量可以低于第一通量范围的通量。所述多个脉冲的通量可以被控制为在所述第二通量范围内或小于所述第二通量范围。
所述通量与切割深度之间的相依性可以有一个通量范围(例如，第三范围)，在所述第三范围内，所述切割深度随着通量的减小而减小。所述第三通量范围的通量可以低于所述第二(和第一)通量范围的通量。所述多个脉冲的通量可以被控制为在所述第三通量范围内。
通过控制所述通量，使其处于或低于所述第二通量范围，或者优选地处于所述第三通量范围内，可以提高切割质量。在一些实施例中，可以对所述通量进行控制，使其等于或略低于所述第三通量范围的上边界的通量。这样可以进一步提高边缘质量。
所述伸长的横截面空间轮廓可以呈椭圆形。这可能需要更简单的光学器件来制作。也可以使用其他伸长的形状。
所述多个脉冲中每个脉冲的伸长的形状可以具有长轴线(major axis)和垂直的短轴线(minor axis)，所述长轴线横跨所述伸长的形状的长度大于所述短轴线。所述多个脉冲可以相对于所述基材定向，使得每个脉冲的伸长的横截面的长轴线在所述激光束与基材之间相对移动的方向上与所述切割路径的长度对齐。换句话说，所述脉冲的伸长的形状的最长长度与所述激光脉冲入射的切割路径或扫描方向对齐。这可能有助于增加脉冲之间的重叠。
所述切割路径可以包括曲线(即非直线)部分。所述多个脉冲的定向可以随着沿所述曲线部分内所述切割路径的定位而变化。这可能是使所述伸长的横截面空间轮廓的长轴线与所述切割路径保持对齐。这可能有助于产生曲率半径小、切割形状复杂的曲线切割路径。
包含所述多个激光脉冲中的每个脉冲的伸长的横截面空间轮廓的最小矩形边界框的长宽比可以大于2，优选地，大于3，并且进一步优选地，在2至4的范围内。
脉冲之间的重叠度可以很高。重叠度的百分比(参数“O”，定义见本文其他章节)可以等于90％。优选地，所述重叠度可以大于95％，优选地，大于98％。这样可以使所述切割路径上的每个点都暴露于更多的激光脉冲下。所述重叠度的百分比可以通过相邻激光脉冲上对应点之间的距离在每个激光脉冲在所述切割路径上的空间长度中所占的比例来限定。
在所述激光束与所述基材之间提供所述相对移动可以包括只沿所述切割路径移动一次所述激光束，以切割基材或制备供劈开的基材。这可以提高切割边缘的质量，因为不需要在多次通过(multiple passes)之间进行对齐。这可能特别适用于较薄的材料。然而，在一些实施例中也可以使用多次通过。
第二方面提供了一种切割基材的方法，包括所述第一方面的方法(或本文中任何地方描述或请求保护的方法)。
可以通过所述激光沿所述切割路径辐照而对所述基材进行部分切割。所述切割方法还可以包括对所述基材施加应力，使所述基材沿所述切割路径被劈开或单体化(singulate)。这样就可以稍后将所述基材分割成不同的部分。
可以通过所述激光辐照(例如，通过用于切割的相同激光)施加所述应力。
可以机械地施加所述应力。可以通过使所述基材弯曲来施加所述应力。可以通过驱动刚性构件抵靠所述基材的局部区域来施加所述应力。
可以通过使所述基材中产生机械共振来施加所述应力。
可以通过热学方式施加所述应力。
可以通过在所述基材内引发相变来施加所述应力。
可以通过上述任何一种或多种方式来施加所述应力。
可以通过所述激光辐照完全切割所述基材(例如，完全穿过其厚度)。在这种情况下，无需单独劈开。
第三方面提供了一种适用于切割基材或制备供劈开的基材的装置，包括：
激光系统，被配置为用于：
用激光束的多个脉冲辐照所述基材，所述脉冲的脉冲持续时间小于1纳秒，并且横截面空间轮廓是伸长的，并且其中所述多个脉冲的通量优选地被控制为小于所述基材的单发损伤阈值通量；
在所述激光束与所述基材之间提供相对移动，使得所述多个脉冲沿切割路径布置；
控制所述相对移动，使得每个所述脉冲沿所述切割路径与所述脉冲中的至少另一个脉冲在空间上重叠。
所述第三方面的装置可以被配置为执行所述第一方面的方法(或本文中任何地方描述或请求保护的任何方法)。
所述激光系统可以包括光束旋转设备，所述光束旋转设备被布置成使所述激光束脉冲旋转。所述光束旋转设备可以包括道威棱镜(dove prism)。所述道威棱镜可以安装在可旋转的安装件上，并且可以沿所述激光光束路径围绕轴线旋转。所述道威棱镜可以进一步被布置成使所述光束成形为椭圆形光束。
第四方面提供了一种激光切割装置，包括所述第三方面的装置。
所述激光系统可以被布置成部分地切割所述基材的厚度，并且所述激光切割装置可以进一步被布置成对所述基材施加应力，以沿着所述切割路径劈开所述基材。
所述激光系统可以被布置成沿所述切割路径完全切割所述基材的厚度。
技术人员会明白的是，除了相互排斥的情况外，针对上述任何一个方面所描述的特征都可以应用于任何其他方面。
附图说明
现在仅以举例的方式，参照附图来描述本发明的实施例：
图1显示了根据一个实施例的切割基材或制备供劈开/单体化的基材的方法；
图2显示了通过图1所示方法加工后的基材的切割边缘。
图3a显示了图1所示方法中使用的激光脉冲的切割深度作为激光功率的函数的图示；
图3b显示了图1所示方法中使用的激光脉冲的切割深度作为和图3a对应的激光通量的函数的图示；
图4显示了在图3所示各种激光功率下基材的切割边缘的视图；
图5显示了图1所示方法中使用的激光脉冲的空间轮廓；
图6显示了用激光脉冲沿具有曲线部分的切割路径辐照基材的平面图；
图7显示了图1所示方法中使用的激光脉冲的空间重叠；
图8显示了切割基材的方法，其中包括图1所示的方法；
图9显示了根据一个实施例的装置的示意图；
图10和图11分别显示了基材的标准切割边缘与使用本申请方法切割的基材的比较；
图12显示了使用本申请方法切割的基材的特写视图；
图13显示了使用本申请方法切割的基材的切割边缘的另一个视图。
具体实施方式
图1和图2示出了根据本申请的一个实施例的方法100。此方法涉及基材200的加工。此方法适用于切割基材200，或制备供劈开或单体化成单独的部分(例如，通过划线)的基材200。图2显示了基材200切割后的横截面，以显示形成的切割边缘。此方法可以用于完全切割基材的厚度，使其分离成单独的部分，或者可以用于部分地切割基材的厚度，使其为单体化/劈开做好准备，以完成切割。
方法200总体包括使用指向基材200表面的激光束来加工基材200。基材200优选地具有脆性，并且可以是，例如，玻璃或陶瓷。如果基材尚未变脆，则可以(暂时或永久)使其变脆。这可以通过冷却或经由施加应力来实现。在一些实施例中，激光束辐照基材时，基材可能不具有脆性，但可以使其变脆，以便在随后的劈开步骤中将其分割成单独的部分。此方法适用于切割薄基材，例如，厚度(T)小于200微米，或优选地，小于100微米。然而，也可以使用其他基材材料和厚度。
方法100包括用激光束的多个脉冲辐照102基材200。这些脉冲是皮秒级或更低数量级的超短激光脉冲(即持续时间小于1纳秒)。在一些实施例中，可以使用持续时间更短的脉冲，诸如，小于皮秒的脉冲(例如，飞秒级或更低数量级)。激光脉冲具有伸长的光束轮廓。也就是说，它们在基材平面上的横截面空间轮廓是伸长的。在一些实施例中，光束的形状优选的是椭圆形，这将在后文中进行描述。
方法100还包括在激光束与基材200之间提供104相对移动。这使得多个脉冲沿着在基材的表面上延伸的切割路径布置。切割路径限定了一条切割线，基材沿着这条线被切割，或者沿着这条线将被劈开成单独的部分。可以使用检流计平台(galvanometer stage)或类似装置提供相对移动，以横跨保持静止不动的基材200的表面来扫描激光束。在其他实施例中，基材可以在激光束固定的情况下移动，或者将两种方法结合使用。
控制106相对移动，使得来自激光束的脉冲沿切割路径在空间上重叠。具体而言，每个脉冲都沿切割路径与至少另一个脉冲在空间上重叠。因此，方法100在表面上应用连续的伸长的(例如，椭圆形)脉冲，使得当激光束在表面上扫描时，切割路径上的每个点都会暴露于多个脉冲。在不同的实施例中，重叠的程度可能会有所不同，这将在后文中进行描述。激光脉冲相对于基材对齐，使得其伸长的形状的最长轴线与切割路径对齐。这样，再结合使用伸长的脉冲，就可以在脉冲之间实现更大程度的空间重叠。
对辐照基材的多个脉冲的激光通量进行控制，使其小于基材的单发损伤阈值通量。控制多个脉冲的通量，使其低于所使用的激光脉冲和所切割的特定基材的相应的单发损伤阈值。因此，“相应的单发损伤阈值”指的是在上述步骤102中与对基材进行辐照所用的脉冲持续时间和波长相同的单个激光脉冲的损伤阈值，此损伤阈值适用于通过方法100加工的相同基材。
激光烧蚀阈值是去除材料所需的最小能量。这种去除可以是烧蚀，即激光将足够的能量注入材料中，使材料解离(disassociate)；或者是热去除，即材料基本上被熔化和汽化；或者是两者的结合。损伤阈值与烧蚀阈值相关，但又有所不同。损伤阈值是导致材料外观发生不良变化所需的最小激光能量。基材的损伤阈值通常低于烧蚀阈值，有时甚至远低于烧蚀阈值。在本申请中，单发损伤阈值被定义为可观察到基材上永久性损伤的基材辐照通量阈值。根据已知方法，可通过适当控制激光功率来控制通量。
使用以下关系式可以确定损伤阈值：
其中，以及/>分别为施加通量和损伤阈值通量，ω0为高斯形状光束在焦点处的光束腰半径，Ep为激光能量，以及D为在基材表面形成的凹陷(crater)的测得直径。为了确定损伤阈值，在基材的平面样本上用聚焦激光束(具有相应的波长和脉冲持续时间)以不同的脉冲能量(即不同的施加通量)烧蚀一系列凹陷。使用光学显微镜测量每个凹陷的直径。通过绘制凹陷直径的平方与施加通量的自然对数的关系图示，外推数据(例如，使用最佳拟合直线)，找出D＝0时的施加通量，从而确定损伤阈值通量。这可以通过取截距(intercept)的负值的指数除以最佳拟合线的斜率来完成。D＝0时的通量与损伤阈值相对应，损伤阈值被定义为可观察到基材上任何永久性损伤的通量值。
为了计算用于确定损伤阈值通量的束腰ω0，可以使用以下关系式：
D2＝2ω0 2ln(Ep)，
其限定了光斑直径D、脉冲能量Ep以及高斯形状光束在焦点处的束腰半径ω0之间的关系。通过绘制凹陷直径的平方与脉冲能量的自然对数的关系图示，可以根据与数据拟合的直线的斜率来确定束腰(见J.M.Liu，Simple technique for measurements ofpulsed Gaussian-beam spot sizes(脉冲式高斯光束光斑尺寸测量的简单技术)，Opt.Lett.7(1982)196-198)。然后，可以利用上述关系，使用计算出的束腰和每个脉冲的已知脉冲能量来求得施加通量，从而利用关系式(A)求得损伤阈值通量。
发明人发现，用持续时间亚纳秒、伸长的、空间重叠的激光脉冲辐照基材，并以低于基材相应的单发损伤阈值的通量辐照，就找到一种减小通量的加工机制。在这种机制下加工基材时，发明人发现，玻璃和陶瓷材料等基材可以实现精密结构化。通过以减小的通量操作，发明人发现，施加在材料上的热能减少了，进而减少了材料在冷却时产生的热应力，同时仍然对材料产生了足以切割材料(或足以使材料沿切割路径被劈开)的影响。
已经发现，与现有技术方法相比，方法200可以提供多个优点。本段中描述的任何一个或多个优点都可以由各种实施例来提供。有利的是，已经发现，使用重叠的伸长的(优选的是椭圆形)脉冲可限定具有无损伤侧壁的切割路径。基材可以部分烧蚀，然后通过施加机械力而分离。因此，激光切割的部件可以保留在柔性材料中，直到需要单体化为止。已经发现，本申请中的方法可以产生极少的激光产生的碎屑(laser generated debris)。本方法具有灵活性，并且可在各部分内部切割部件。此方法功率低，并且适合如下实施方式：该实施方式使用目前市场上存在的许多高重复率激光器。本申请中的方法尤其适用于薄柔性材料的无应力切割。此方法也适用于存在无应力断裂问题的材料。此方法可以被配置为使得与切割部分相关联的明显的表面唇缘不存在。这使得各部分可以在特定应用中堆叠。最后，已经发现，与其他工艺相比，此方法可减少碎屑的产生。
在一些实施例中，多个脉冲的通量可以明显小于相应的单发损伤阈值。可以对激光脉冲进行控制，使其每个脉冲的通量都小于基材的相应的单发损伤阈值通量的70％。在其他实施例中，可以将通量控制为小于相应的单发损伤阈值的50％，优选地，小于基材的相应的单发损伤阈值通量的30％。这样可以进一步降低材料中的热效应，并且提供经改善的切割边缘质量。
图2示出了方法100对基材200的影响。图2显示了被激光束脉冲辐照后的材料的切割边缘。激光束从图2中标有L的方向指向基材的表面201。激光脉冲的施加形成了基材的第一区域或切割区域202，此区域通过激光去除材料(例如，通过烧蚀)而被切割到深度CD。在本实施例中，此区域延伸穿过基材的厚度T(即激光束所指方向上的厚度)的一部分。激光脉冲的施加可以进一步使基材中从切割区域202的边界处开始的区域204中萌生微裂纹。可以控制激光脉冲的通量，使得微裂纹延伸的深度(即区域204的深度D)减小。例如，可以控制多个脉冲的通量，使萌生的微裂纹的深度最多只能延伸到基材厚度的一部分(即未切割厚度T2的一部分)，从而留下无微裂纹区域206。优选地，可以控制通量，以最小化萌生的微裂纹终止的深度，并且进一步优选为几乎不或完全不产生微裂纹(即深度D基本上为零)。通过降低微裂纹的形成程度，可提高切割质量。如下文所述，发明人已发现，可以将通量控制在使微裂纹化被最小化或消除的水平，从而使激光脉冲的能量更多地用于烧蚀，而不是使微裂纹萌生。
在一些实施例中，微裂纹的延伸深度可以小于基材厚度T的l/10，优选地小于基材厚度T的l/15，并且更优选地小于基材厚度T的1/10。例如，基材的厚度可以是100微米，而微裂纹延伸的深度可以小于10微米，优选地小于6.7微米，甚至更优选地小于5微米。
图3a示出了切割深度(CD)与激光通量的相依性。在图3a中，激光通量表示为激光功率，而激光功率与激光通量成正比。同样的关系如图3b所示，切割深度被图示为激光通量的函数。从图3a和图3b中可以看出，切割深度取决于辐照基材的激光束的多个脉冲的通量。发明人已发现，通量与切割深度之间的相依性具有第一通量范围302，在第一通量范围302内，切割深度随着通量的减小而减小。在此范围内，激光束的烧蚀会随着通量的减小而减少，正如所预期的。存在第二通量范围304，在第二通量范围304内，切割深度随着通量的进一步减小而增加。从图3中可以看出，第二通量范围的通量低于第一通量范围的通量。在第二通量范围以下是第三通量范围306，在第三通量范围内，切割深度随着通量的减小而再次减小。在表观或预期的阈值烧蚀阈值(如线308所示)处，切割深度并没有继续减小到零，而是发现尽管通量进一步减小，切割深度却意外地再次增大。切割深度的增加一直持续到通量的第二范围304，直到在第二区域与第三区域的边界处达到峰值为止，然后随着通量的继续减小而再次下降。发明人已发现，当施加的激光通量降低到表观激光烧蚀阈值通量以下时，使用方法200可以提供意想不到的激光烧蚀机制。对于本方法中使用的超短脉冲，在第二通量范围304内烧蚀深度的增加是意料之外的。
在一些实施例中，可以控制多个增量的通量，使其值小于第一相依范围302的通量。换句话说，控制通量，使其小于切割深度增加时的通量(第一范围302的下边界)。优选地，可以控制通量，使其在第三通量范围306内。优选地，可以控制通量，使其等于或略低于第三通量范围306的上边界的通量，即在图3中标记为310的区域中。已经发现，这样可以提供最佳的边缘质量。
在图3a和图3b所示的示例中，方法100可以涉及控制伸长的激光脉冲的通量，使其等于约2.5J/cm2。在此示例中，激光重复率为5kHz，并且脉冲呈椭圆形，沿椭圆的最长轴线(L)测量为93μm，沿最短轴线(W)测量为33μm。因此，椭圆的面积可以如下计算：
面积＝π×L×W＝9641μm2
脉冲能量(EP)如下得出：激光功率/重复率＝600nW/5kHz＝120μJ。因此，通量如下得出：
在此示例中，基材的相应的单发损伤阈值为3.55J/cm2，由图3b中标有的虚线表示。从此实施例中可以看出，通量一般被控制为小于单发损伤阈值。在上面的示例中，在区域310内，通量被设置为低于损伤阈值，以提供改进的切割效果。从此示例中可以看出，通量被控制在相应的单发损伤阈值通量的70％左右。
图4示出了使用图3a中各种数值的激光通量在基材上产生的结果。图4显示了在图3中标记为A至G的各点处由激光通量所产生的基材的切割边缘的图像。因此，图4显示了切割边缘如何随着通量的减小而变化。图4中的图像显示了与图2相对应的视图，同样显示了被激光切割的形成了微裂纹和没有形成微裂纹的基材的厚度的区域。从图像A中可以看出，在较高的通量下，会出现很大程度的微裂纹，这些微裂纹延伸至整个未切割的厚度。在图像B至D中，微裂纹的深度随着切割深度而减小。在图像E与F之间，尽管激光通量减小，但仍可见切割深度有所增加。发明人已发现，这至少部分是由于激光束的能量造成了烧蚀，而不是使微裂纹萌生。图像G和H显示，随着通量进一步减小，切割深度继续减小。
现在参见图5，图5中显示了方法200中使用的激光束的空间光束轮廓400的图示。光束轮廓显示在基材表面的平面上，即穿过光束的横截面。光束轮廓呈伸长的形状，并且在本实施例中，呈椭圆形。使用成像光学器件(例如，失真棱镜对(anamorphic prism pair))可能更容易产生椭圆形。然而，也可以使用其他伸长的形状，并且在其他实施例中，光束轮廓可以大体呈矩形或卵形。
光束轮廓的伸长程度可以通过参考能够完全包围光束轮廓400的最小边界框402的长宽比(长度(L)/宽度(W))来表征。圆形或高斯光束的最小边界框为零。长宽比越大，表示伸长程度越高。在一个实施例中，包含多个激光脉冲中每个脉冲的伸长的横截面空间轮廓的最小矩形边界框402的长宽比大于2。在其他实施例中，长宽比优选地大于3。进一步优选地，长宽比可以在2至4的范围内。如下文所述，通过增加光束形状的长宽比，可以增加脉冲之间的空间重叠。
多个脉冲中每个脉冲的伸长的形状可以由长轴线406和短轴线404来表征。短轴线404垂直于长轴线406，并且长轴线406横跨伸长的形状的长度大于短轴线404。当伸长的形状为椭圆时，这些轴线可以对应于限定椭圆的惯用的短轴线和长轴线。伸长的光束轮廓相对于切割路径的定向可以使用短轴线和长轴线来限定。多个脉冲可以相对于基材定向，使得每个脉冲的伸长的横截面的长轴线406在激光束与基材之间的相对移动的方向上与切割路径的长度对齐。如上文所述，这样可以提高重叠度。
在一些实施例中，激光脉冲的伸长的轮廓的定向可以沿切割路径的长度而变化。这样，当切割路径与直线不同时，光束的长轴线可以与切割路径保持对齐。图6示出了这一点，图中显示了多个激光束脉冲400(图中只标出了其中一个)沿着切割路径406切割基材200的情况。在此示例中，切割路径408包括曲线或非直线部分412，以及两个直线部分410和414。在曲线部分412内，多个脉冲的定向随着沿切割路径408的定位而变化。改变定向是为了使伸长的横截面空间轮廓的长轴线406与切割路径408保持对齐。使用这种方法，发明人已发现，可以切割曲率半径小于5mm(诸如，曲率半径为1-2mm)的曲线路径。在直线部分410、414内，光束轮廓相对于切割路径的定向保持不变。图6应被理解为可以由方法200提供的切割路径408的一个说明性示例，通过激光束脉冲与基材之间的适当相对移动，任何形状的切割路径都是可能的。例如，可以没有直线部分，或者没有曲线部分。
在一些实施例中，在激光束与基材200之间提供104相对移动包括只沿切割路径移动激光束一次，以切割基材或制备供劈开的基材。因此，基材200只需暴露于激光束一次。这可以提高最终切割的边缘质量，因为切割路径不需要与之前激光束通过基材的表面时的路径重新对齐。这种单次通过方法(single pass method)可能特别适用于较薄的材料。在其他实施例中，可以使用激光在切割路径上多次通过的方法。
图7示出了入射到基材200的表面上的多个激光束脉冲的重叠情况。图7显示了一系列椭圆形脉冲400a-d沿切割路径408的空间横截面。从图中可以看出，连续的脉冲之间可能存在高度重叠。重叠度可以衡量入射到基材上的激光光斑与前一个激光光斑的空间重叠程度。其可以用重叠度的百分比或单位面积的命中点(shots per area，SPA)来测量。重叠度的百分比O可以用以下表达式定义：
其中，d是激光光斑直径，s是激光标记速度(即激光光斑相对于基材的移动速度)，以及Q是激光重复率(即每秒激光脉冲数)。光斑直径d是与切割路径对齐的光斑的伸长的形状的轴线的直径(如图7所示)。
单位面积的命中点(SPA)的数目由SPA＝(100/(100-重叠度的百分比))得出。发明人已经认识到，当用与激光扫描方向对齐的伸长的光束形状的长轴线扫描时，椭圆形(或其他伸长的形状)激光光斑为空间重叠脉冲提供了更大的可能性。
在一些实施例中，重叠度的百分比O可以等于90％。优选地，重叠度可以大于95％，并且优选地大于98％。这可以使切割路径上的每个点都暴露于更多的激光脉冲下。
发明人已发现，使用伸长的(优选为椭圆形)脉冲可以使脉冲沿切割路径有更大的空间重叠，例如，在用与切割路径的方向对齐的脉冲的较长(长)轴线扫描时。这样，与使用圆形激光光斑相比，单位面积上施加到基材上的激光脉冲的数目就会增加。换句话说，由于光斑之间的重叠可以增加，因此，与圆形激光脉冲相比，当光束沿切割路径扫描时，切割路径上的每个点可以接收到来自更多脉冲的光。
发明人已发现，使用伸长的脉冲(优选为椭圆形)可能会导致每个激光脉冲在基材中沿此材料的激光吸收区域中的切割路径的应力循环增加。这又为每个激光脉冲引起的每个应力循环提供了增量裂纹生长。更大的循环可能会导致因疲劳机制引起的断裂。这已被发现会导致陶瓷基材出现粒状/粒间破坏(granular/intergranular failure)，并且玻璃基材会出现微裂纹。因此，激光切割区域会产生光机械碎断(photomechanicalfragmentation)。随后施加的机械应力会导致基材沿着切割路径完全断裂和分离，这将在后文中进行描述。
发明人已发现，使用伸长的光束形状可能实现更高的重叠度，从而导致宏观尺度上更多的应力循环和更小的热应力。再结合较低的通量，切割区域的下边缘处的微裂纹化就会减少。这种效应至少在一定程度上使本申请的方法可以提供更平滑的断裂边缘。
如上文所述，方法100可以包括切割基材或制备供劈开的基材。用多个脉冲辐照基材的步骤可导致预先确定的切割深度(例如，图2中所示的切割深度CD)。在一些实施例中，基材的厚度可以被激光完全切割。换句话说，基材的整个厚度T都会被激光脉冲切割。在此实施例中，不需要单独的劈开步骤。在其他实施例中，基材可以被激光脉冲部分切割(例如，切割深度小于基材的总厚度)。在此类实施例中，可以对基材施力，以便完成切割，从而使由切割路径限定的基材的各部分分离。在一些实施例中，使基材分离成各部分所需的应力由激光脉冲施加。人们认为，由激光施加产生的应力是来自激光烧蚀过程中诱生的蒸汽反冲压力/热应力。使用这种方法，尽管切割深度仅为材料厚度的一部分，但基材仍可通过激光被完全切割。
在一些实施例中，上述方法100可以并入提供了单独的劈开步骤的切割基材的方法500中。这种方法的一个示例如图8所示，其包括图1所示的步骤102、104以及106，通过这些步骤，沿切割路径施加激光脉冲对基材进行部分切割(例如，部分穿过基材的厚度)。方法500还包括对基材施加502应力，以沿着切割路径劈开基材。应力可以作为单独工序的一部分施加，例如，可以使用激光来加工基材，然后在稍后的时间和地点使用不同的设备沿切割路径分离。因此，在一些实施例中，基材可以在使用激光加工后再提供，以由第三方完成切割。
在一个实施例中，使用在基材200的平面内施加的相等且相反的力来施加拉伸应力，例如，垂直于由激光脉冲限定的一条或多条切割路径408。可替代地或另外，也可以施加剪切应力。可以垂直于基材200的平面和在切割路径408相对两侧上施加相等且相反的力。可替代地或另外，也可以在基材200的平面内但在切割路径408的相对两侧上施加相等且相反的力。
在一系列实施例中，可以机械地施加应力。可以通过使基材200弯曲来施加应力，例如，围绕布放在基材200的平面内的轴线，例如，平行于切割路径408的轴线。
在一些实施例中，应力施加器被配置为通过驱动刚性构件抵靠基材200的局部区域来施加应力。束制布置可以被布置成束制基材200，从而使刚性构件提供的压力产生拉伸应力，驱动裂纹沿激光将基材部分切割的切割路径408扩展。
在一个实施例中，通过使基材中产生机械共振来施加应力。可以通过对基材200施加周期力(periodic force)来产生机械共振。周期力的频率可以与基材200的自然共振频率相同或与其接近。在一个实施例中，机械共振是使用周期性切换的空气喷射器而产生的。这种方法的优势在于无需使任何附加装置与基材200直接接触。可替代地或另外，也可以通过对基材施加声波来产生机械共振。可替代地或另外，也可以通过致动一个或多个电致动元件与基材接触来产生机械共振，每个电致动元件在致动时对基材施加周期力。例如，电致动元件可以包括压电器件。
在一个实施例中，应力是由激光烧蚀施加的。人们认为，激光烧蚀产生的应力是由蒸汽反冲压力/热应力引起的。
在其他实施例中，应力是通过热学方式施加的。例如，在一个实施例中，基材200安装在或附接在元件(例如，PET或金属层)上。加热器可以对元件进行加热。元件的热膨胀会对基材200施加拉伸应力。拉伸应力可能会导致裂纹沿切割路径408扩展。
在另一个实施例中，应力是使用激光通过热学方式施加的。在此类型的一个实施例中，在切割路径的每一侧上施加至少一个激光光斑。平行于切割路径408对激光光斑进行扫描。激光光斑会局部加热基材200，导致基材200膨胀。然后，基材200在激光光斑的尾迹(wake)内冷却，导致基材200收缩。在此实施例中，加热激光器可以与用于部分切割基材的激光器分开。
在另一个实施例中，应力是通过使基材内部发生相变而施加的。例如，一些基材(诸如，形状记忆合金)可以通过冷却到相变温度以下而变形。如果对冷却后的材料施加拉伸应力，它就会膨胀变形。在一个实施例中，基材可以在低于基材的相变温度的条件下，通过本文所述方法进行激光脉冲辐照来加工。然后，此方法还可以包括使用合适的夹具夹持基材，使其变形(例如，膨胀或收缩)受到束制。然后，此方法可以包括将基材加热到相变温度以上。通过收缩到其高温结构，基材将被束制变形。材料中将产生拉伸应力，可以被配置为沿着激光已划出的切割路径劈开材料。
在另一个方面，本申请提供了一种装置，例如，激光加工装置，其适用于切割基材或制备供劈开的基材。所述装置可以被配置为执行上述方法200或本文公开或请求保护的任何其他方法实施例。
图9示出了装置600的一个实施例。装置600包括激光系统，此系统总体包括激光源602、光束成形设备604、光束旋转设备606以及光束投射设备608。如图9所示，激光系统被配置为用多个激光脉冲沿切割路径408辐照基材200。如图9所示，来自激光源602的激光辐射被引导通过光束成形设备、光束旋转设备以及光束投射设备，从而投射到基材表面上。可以提供一个或多个镜子或其他光学元件，以引导激光辐射通过激光系统。图9应被理解为只是示意性说明，其他布置和光学布局也是可能的。
激光源可以是被布置成提供多个激光脉冲的激光器。例如，激光源可以包括超短脉冲激光器，诸如，钛蓝宝石激光器或带放大器的其他超快激光器。在其他实施例中，可以根据加工特定基材材料所需的激光通量的水平，使用其他合适类型的激光器。
光束成形设备604被布置成使光束成形为伸长的形状。在当前描述的实施例中，光束成形设备包括一对失真棱镜，这对失真棱镜被布置成从激光器提供的圆形光束中产生椭圆形光束轮廓。在其他实施例中，还可以使用其他类型的光束成形设备，其中可以包括被配置为提供所需的伸长的光束轮廓的光束成形光学器件。例如，可以通过本领域已知的合适的光学器件提供矩形光束轮廓。
激光系统还包括光束旋转设备606，光束旋转设备606被布置成使激光束脉冲旋转。这可以使伸长的光束轮廓的最长轴线与切割路径408对齐。在一些实施例中，光束旋转设备606可以被布置成改变光束的旋转，使最长轴线的对齐可以沿着上述切割路径的长度变化，从而切割非直线路径。在当前描述的实施例中，光束旋转设备包括道威棱镜。道威棱镜可以安装在合适的可编程平台上，从而使伸长的光束根据激光器的扫描方向旋转。在使用道威棱镜的情况下，其可以被布置成使光束旋转并且产生伸长的光束轮廓。因此，在一些实施例中，可能不需要单独的光束成形光学器件。因此，光束成形设备可以被布置成同样使光束旋转。在其他实施例中，可以使用其他光束旋转设备。
光束投射设备608被布置成将激光脉冲投射或引导到基材的表面上，使基材受到辐照，如上文所述。投射设备608可以被布置成通过相对于固定的基材移动激光束来提供激光束相对于基材的相对移动。在此实施例中，光束投射设备608包括检流计(Galvanomter)系统。然而，也可以使用其他类型的光束投射设备来引导激光束相对于基材移动。
在其他实施例中，光束投射设备608可以将固定或静止的激光束投射到基材200的表面上。在这样的实施例中，相对移动可以由基材200的移动来提供。在一些实施例中，加工装置600可以包括用于基材200的可移动式安装件。可移动式安装件可以包括被布置成提供基材200相对于激光束的受控移动的CNC平台或类似装置。在其他一些实施例中，光束投射设备608可以被布置成与基材的可移动式安装件结合来提供光束的移动。
激光系统还包括透镜610，透镜610被布置成将激光束聚焦到基材的表面上。这可以提供所需的光斑尺寸。在其他实施例中，可以根据需要提供其他聚焦或光束成形光学器件。
加工系统600还可以包括控制器(图中未示出)，其被布置成控制图9所示系统的各个部件(以及基材的可移动式安装件，如果提供的话)。控制器可以是被配置为控制装置600沿着所需的切割路径切割基材或制备供切割的基材的计算机设备。
在一些实施例中，装置600可以构成激光切割系统的一部分，此系统被布置成沿切割路径切割基材。在一个实施例中，激光系统被布置成沿着切割路径完全切割基材的厚度，如上文所述。在其他实施例中，激光系统可以被布置成仅使用激光脉冲部分地激光切割基材的厚度。在这样的实施例中，激光切割装置被进一步布置成对基材施加应力，以沿着切割路径劈开基材。在一些实施例中，应力可以由切割激光器602施加，如上文所述。在其他实施例中，激光切割装置可以包括用于施加应力的附加部件，诸如，附加激光器，或用于施加应力的机械设备，如上文所述。
示例实施方式和结果
在上述实施例的一个示例性非限制性实际实施方式中，使用放大的台式超短脉冲激光系统产生超短激光脉冲，并将其引导到厚度为100μm的硼硅酸盐玻璃基材的表面上。脉冲持续时间为500fs，激光波长为1034nm，以及激光重复率为5kHz。激光脉冲的横截面呈椭圆形，沿其最长轴线的直径为93μm(l/e2直径)。使用的长轴线与短轴线之比为3:1。激光光斑的空间重叠率为92-95％。在此示例中，激光脉冲能量是用功率计测量的。在此示例中，激光通量被控制为2.49Jcm-2。在此示例中，基材的单发激光损伤阈值为3.55Jcm-2。这是用上文定义的方法测得的。本段中的参数应被理解为只是示例性的，可以酌情修改，以便对其他基材实施此方法。
图10和图11显示了使用上述示例切割的基材切割边缘的结果对比。图10显示了由制造商提供的基材上的标准切割边缘。图11显示了使用本申请方法的切割结果。图12显示了使用切割陶瓷基材的本申请方法切割的基材的切割边缘的SEM特写图像。图13显示了玻璃基材的切割边缘的图像。从这些图中可以看出，切割边缘质量很高，后表面损伤极小。
在不脱离权利要求范围的情况下，各种修改对技术人员是显而易见的。上述实施例应被理解为只是示例性的。本发明公开内容的任何方面或实施例的任何特征均可以单独使用，或者与本发明公开内容的相同或不同方面或实施例的任何其他特征组合使用，且本发明公开内容包括本文公开的任何特征或特征的组合。

Claims (15)

1.一种用于切割基材或制备供劈开的基材的方法，包括：
用激光束的多个脉冲辐照所述基材，所述脉冲的脉冲持续时间小于1纳秒，并且横截面空间轮廓是伸长的，并且其中所述多个脉冲的通量被控制为小于所述基材的单发损伤阈值通量；
在所述激光束与所述基材之间提供相对移动，使得所述多个脉冲沿切割路径布置；以及
控制所述相对移动，使得每个所述脉冲沿所述切割路径与所述脉冲中的至少另一个脉冲在空间上重叠。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个脉冲的中的每一个脉冲具有小于所述基材的单发损伤阈值通量的70％的通量，并且优选地，具有小于所述基材的单发损伤阈值通量的50％的通量。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述多个脉冲的通量被控制，以使萌生的微裂纹的深度最多只能延伸到所述基材的厚度的一部分，优选地，所述通量被控制，以最小化所述萌生的微裂纹终止的深度。
4.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中：
由所述激光辐照所造成的切割深度取决于所述激光束的所述多个脉冲的通量；
所述通量与切割深度之间的相依性有第一通量范围和第二通量范围，在所述第一通量范围内，所述切割深度随着通量的减小而减小，在所述第二通量范围内，所述切割深度随通量的减小而增加，所述第二通量范围的通量低于第一通量范围的通量；以及
所述多个脉冲的通量被控制为在所述第二通量范围内或小于所述第二通量范围。
5.根据权利要求4所述的方法，其中：
所述通量与切割深度之间的相依性有第三通量范围，在所述第三通量范围内，所述切割深度随着通量的减小而减小，所述第三通量范围的通量低于所述第二通量范围的通量；以及
所述多个脉冲的通量被控制为在所述第三通量范围内。
6.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述多个脉冲中每个脉冲的伸长的形状具有长轴线和垂直的短轴线，所述长轴线横跨所述伸长的形状的长度大于所述短轴线，并且其中，所述多个脉冲相对于所述基材定向，使得每个脉冲的伸长的横截面的长轴线在所述激光束与基材之间相对移动的方向上与所述切割路径的长度对齐，并且可选地，其中：
所述切割路径包括曲线部分；以及
所述多个脉冲的定向随着沿所述曲线部分内所述切割路径的定位而变化，优选的是使所述伸长的横截面空间轮廓的长轴线与所述切割路径保持对齐。
7.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中：
包含所述多个激光脉冲中的每个脉冲的伸长的横截面空间轮廓的最小矩形边界框的长宽比大于2，优选地，大于3，并且进一步优选地，在2至4的范围内。
8.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，在所述激光束与所述基材之间提供所述相对移动包括只沿所述切割路径移动一次所述激光束，以切割所述基材或制备供劈开的基材。
9.一种切割基材的方法，包括根据前述任一项权利要求所述的方法。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，通过沿所述切割路径的所述激光烧蚀的辐照来对所述基材进行部分切割，并且所述切割方法还包括对所述基材施加应力，以使所述基材沿所述切割路径被劈开，并且可选地具备以下一项或多项特征：
通过所述激光辐照施加所述应力；
通过机械方式施加所述应力；
通过使所述基材弯曲来施加所述应力；
通过驱动刚性构件抵靠所述基材的局部区域来施加所述应力；
通过使所述基材中产生机械共振来施加所述应力；
通过热学方式施加所述应力；和/或
通过在所述基材内引发相变来施加所述应力。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，通过所述激光辐照完全切割所述基材。
12.一种适用于切割基材或制备供劈开的基材的装置，包括：
激光系统，被配置为用于：
用激光束的多个脉冲辐照所述基材，所述脉冲的脉冲持续时间小于1纳秒，并且横截面空间轮廓是伸长的，并且其中所述多个脉冲的通量被控制为小于所述基材的单发损伤阈值通量；
在所述激光束与所述基材之间提供相对移动，使得所述多个脉冲沿切割路径布置；
控制所述相对移动，使得每个所述脉冲沿所述切割路径与所述脉冲中的至少另一个脉冲在空间上重叠。
13.根据权利要求12所述的装置，被配置为用于执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法。
14.根据权利要求12或权利要求13所述的装置，其中，所述激光系统包括光束旋转设备，所述光束旋转设备被布置成使所述激光束脉冲旋转，所述光束旋转设备包括道威棱镜。
15.一种激光切割装置，所述激光切割装置包括根据权利要求12或权利要求13或权利要求14所述的装置，其中：
所述激光系统被布置成部分地切割所述基材的厚度，并且所述激光切割装置进一步被布置成对所述基材施加应力，以沿着所述切割路径劈开所述基材；或者
所述激光系统被布置成沿所述切割路径完全切割所述基材的厚度。
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