TW201524651A - 使用超快雷射與光束光學元件的透明材料切割 - Google Patents

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Abstract

一種用於材料的雷射鑽孔之系統包括經配置產生脈衝雷射光束的脈衝雷射，脈衝雷射光束具有小於或等於約850nm的波長，所選的波長使得材料在該波長下係實質透明的。該系統進一步包括定位於雷射光束路徑中的光學組件，光學組件經配置而將雷射光束轉換為沿著光束傳播方向定向的雷射光束焦線，該雷射光束焦線在光學組件的光束顯現側上。

Description

使用超快雷射與光束光學元件的透明材料切割 【相關申請案】
本申請案主張於2013年12月17日提出申請的美國臨時專利申請案第61/917,140號及2014年7月10日提出申請的美國臨時專利申請案第62/022,888號以及2014年10月31日提出申請的美國專利申請案第14/529,801號之優先權權益。本申請案之參考整體上結合此等美國專利申請案之揭露。
本發明係關於使用超快雷射與光束光學元件的透明材料切割。
近年來，精密微機械加工及為達到消費者的要求而減少尺寸、重量與尖端裝置的材料成本之其處理發展的改良導致用於觸控螢幕、平板、智慧型手機與電視的平板顯示之高科技工業的快速發展，使得超快工業雷射成為用於所需高精度應用的重要工具。
有各式習知方法用於切割玻璃。在傳統雷射玻璃切割過程中，玻璃的分割仰賴雷射劃線或以由機械力或熱應力 產生的裂縫擴張分割之穿孔。幾乎所有現今的雷射切割技術展示一或多個缺點：(1)現今技術受限於其能力而於載體上因長脈衝雷射(奈秒尺度或更長)相關的大熱影響區(HAZ)以執行由薄玻璃切割成狀的自由成形，(2)現今技術產生熱應力，其中由於震波與非受控材料移除，熱應力常導致雷射照射區域附近的表面破裂，及(3)該製程產生延伸進入材料主體數十微米(或更多)的次表面損害，其產生可能成為破裂源的缺陷部位。
因此，最小化或減少上述問題之改良雷射鑽孔材料的製程係有需要的，比如最小化或減少上述問題的一或多個的玻璃。
以下實施例係關於用於鑽孔與切割用途的方法與設備，以在透明材料(如玻璃、藍寶石等)中產生小(微米與更小)「孔」或缺陷線。
更特定言之，根據某些實施例，具有小於1000nm波長的脈衝雷射光束聚焦為雷射光束焦線，焦線被導入材料中，其中雷射光束焦線產生誘發吸收於該材料中，誘發吸收產生沿著材料內雷射光束焦線之具有小於約300nm的直徑之缺陷線。例如，具有高斯分佈的超短(如10-10至10-15秒)脈衝光束(波長小於1000奈米(nm))經成型並聚焦而於材料主體中產生線性聚焦區域。產生的能量密度係高於用於材料改變、產生該區域中的「缺陷線」或「孔」的閾值。藉由分隔靠在一起的這些特徵，材料可沿著穿孔線(機械地或熱力 地)分離。在某些實施例中，脈衝雷射光束的波長係小於或等於850nm，在某些實施例中小於或等於800nm，在某些實施例中小於620nm，而在某些實施例中不大於552nm。
例如，根據某些實施例，具有小於或等於約800nm波長(±50nm、±20nm較佳、±2nm尤佳)的脈衝雷射光束，如由鈦：藍寶石雷射產生的雷射光束，小於或等於約775nm(倍頻摻鉺光纖雷射)、小於或等於約600nm(以玫紅為基的染料雷射)及在某些實施例中小於或等於約532nm(如532nm±20nm，±2nm尤佳)，經聚焦為雷射光束焦線，且焦線被導入材料，其中雷射光束焦線產生誘發吸收於該材料中，誘發吸收產生沿著材料內雷射光束焦線之具有小於或等於約300nm的直徑之缺陷線。例如，具有高斯分佈的超短(如10-10至10-15秒)脈衝光束(小於或等於約800nm、775nm、600nm、532nm、355nm或266nm)經成型並聚焦而於材料主體中產生線性聚焦區域。產生的能量密度係高於用於材料改變、產生該區域中的「缺陷線」或「孔」的閾值。藉由分隔靠在一起的這些特徵，材料可沿著穿孔線(機械地或熱力地)分離。
在一個實施例中，雷射穿孔材料的方法包括將脈衝雷射光束聚焦為沿著光束傳播方向定向的雷射光束焦線，雷射光束具有小於或等於約850nm的波長，波長經選擇而使得材料在此波長下係實質透明的。該方法亦包括將雷射光束焦線導入材料中，雷射光束焦線產生誘發吸收於該材料中，誘發吸收產生沿著材料內雷射光束焦線之具有小於或等於約300nm的直徑之缺陷線。
誘發吸收可以產生高達一深度的次表面損害，該深度係於材料內小於或等於約100μm(如小於75μm)，及Ra表面粗糙度小於或等於約0.5μm。表面的粗糙度可以被特徵化，例如，藉由Ra表面粗糙度統計(取樣表面高度的絕對值之粗糙度算術平均)。
在某些實施例中，該方法進一步包括將材料與雷射光束移動為彼此相對，從而在材料內鑽孔複數個缺陷線，該等缺陷線分隔開以便將材料分成至少兩塊。在特定實施例中，雷射係脈衝叢發雷射(pulse burst laser)且雷射叢發的重複率(即叢發重複率)可以係在約10kHz至2000kHz之間的範圍中，如100kHz、200kHz、300kHz、400kHz、500kHz、1000kHz或1500kHz。在某些實施例中，雷射光束具有小於或等於約775nm、小於或等於約600nm或小於或等於約532nm的波長。在某些實施例中，雷射的脈衝叢發內的個別脈衝之脈衝期間可以係在約5皮秒(picosecond)至100皮秒間的範圍中，如10、20、30、40、50、60、75、80、90或100皮秒，或以上之間。
脈衝雷射可以經配置發射脈衝，該脈衝產生於每叢發至少兩脈衝的叢發中，鄰近脈衝由約1nsec至50nsec間(15至30nsec的範圍尤佳)範圍中的期間分隔，該等脈衝具有約1kHz至500kHz間範圍(且200kHz較佳)的叢發重複頻率。在某些實施例中，脈衝叢發內的個別脈衝可以藉由約20nsec的期間分隔。
在特定實施例中，雷射光束焦線可以具有約0.1mm 至20mm間範圍的長度L，在某些介於10mm至20mm間的實施例中，例如約0.1mm至8mm間範圍的長度。雷射光束焦線可以具有約0.1μm至5μm間範圍的平均點直徑。
在其他實施例中，一種用於材料雷射鑽孔的系統包括脈衝雷射，脈衝雷射經配置而產生具有小於或等於約850nm波長的脈衝雷射光束，所選的波長使得材料在該波長下係實質透明的。該系統進一步包括定位於雷射光束路徑中的光學組件，光學組件經配置而將雷射光束轉換為沿著光束傳播方向定向的雷射光束焦線，該雷射光束焦線在光學組件的光束顯現側上，光學組件包括具有球面像差的聚焦光學元件，聚焦光學元件經配置而產生雷射光束焦線。雷射光束焦線經調整而產生誘發吸收於材料中，誘發吸收產生沿著材料內雷射光束焦線之具有小於或等於約300nm的直徑之缺陷線。
在某些實施例中，雷射光束具有小於或等於約775nm、小於或等於約600nm或小於或等於約532nm的波長。誘發吸收可以產生高達一深度的次表面損害，該深度小於或等於該材料內的約75μm，如小於或等於40μm，Ra表面粗糙度小於或等於約0.8μm，RMS表面粗糙度小於或等於約0.9μm。光學組件可以包括環形孔，環形孔定位於聚焦光學元件前的雷射光束路徑中，環形孔經配置阻擋雷射光束中心中的一或多個光線，使得只有該中心外的邊緣光線入射在聚焦光學元件上，及從而只有產生單一雷射光束焦線以用於脈衝雷射光束的各個脈衝，觀察該單一雷射光束焦線係沿著該光束方向。聚焦光學元件可以係球面切割凸透鏡。或者，聚焦 光學元件可以係圓錐形菱鏡，圓錐形菱鏡具有非球面的自由表面，如旋轉三稜鏡(axicon)。
在某些實施例中，光學組件可以進一步包括散焦光學元件，光學元件經定位與對準使得雷射光束焦線產生於距離聚焦光學元件一距離處的散焦光學元件的光束顯現側上。或者，光學組件可以進一步包括第二散焦光學元件，第二光學元件經定位與對準使得雷射光束焦線產生於距離第二聚焦光學元件一距離處的第二散焦光學元件的光束顯現側上。脈衝雷射可以經配置而發射產生於至少兩脈衝(如至少3脈衝、至少4脈衝、至少5脈衝、至少10脈衝、至少15脈衝、至少20脈衝或更多)的叢發中之脈衝。叢發裡面的脈衝由約1nsec至50nsec間範圍中(例如10至30nsec，如約20nsec)的期間分隔開，且叢發重複頻率可以在約1kHz至2MHz間的範圍中，如約100kHz、200kHz、300kHz、400kHz、500kHz、1MHz或1.5MHz的叢發重複頻率。(叢發或產生脈衝叢發係一種雷射操作，其中脈衝不係以均勻與穩定流發射，而是以緊密叢集的脈衝發射。)玻璃相對於雷射光束移動(或雷射光束相對於玻璃移動)而產生描繪出任何所需部分形狀的穿孔線。脈衝叢發雷射光束可以具有一波長，該波長經選擇而使得材料在該波長係實質透明的。帶有約1mm長度的焦線與532nm皮秒雷射產生在玻璃組合物處量測到的20kHz叢發重複率(約100微焦耳/叢發)的約2W或更多的輸出功率，焦線區域中的光學強度足夠高到以在玻璃組合物中產生非線性吸收。在材料處量測到的每叢發平均雷射功率可以係大於40 每mm材料厚度的微焦耳，例如介於40微焦耳/mm至2500微焦耳/mm之間，或介於500至2250微焦耳/mm之間。例如，對於0.4mm厚度的代碼2320玻璃(可自紐約州康寧市的康寧公司取得(Corning Incorporated,Corning,NY))，可使用100μJ的脈衝叢發以切割與分離玻璃，其給出了250μJ/mm的示範範圍。雷射光束焦線可以具有介於0.1mm至20mm間範圍中的長度，即平均點直徑的範圍介於0.1μm至5μm之間。
在另一個實施例中，一種雷射鑽孔材料的方法包括將脈衝雷射光束聚焦為沿著光束傳播方向定向的雷射光束焦線，該雷射光束具有小於850nm的波長。該方法亦包括將雷射光束焦線導入材料中，雷射光束焦線產生誘發吸收於該材料中，誘發吸收產生沿著材料內雷射光束焦線之具有小於約0.5μm的內直徑之缺陷線。在某些實施例中，產生缺陷線包括產生具有小於0.4μm的內直徑之缺陷線。在某些實施例中，產生缺陷線進一步包括產生具有0.3μm或0.2μm的內直徑之缺陷線。
這些實施例具有諸多優點，如由於雷射波長小於或等於約850nm且小於或等於532nm較佳，而有較少次表面損害，相較於先前技術的雷射鑽孔方法，這些實施例產生較少表面碎片、較少附著碎片及較少熱反應。雖然薄玻璃的雷射切割因低輸出功率與脈衝能量而展示慢處理速度，但是薄玻璃的雷射切割具有在切割區域附近無破裂產生、自由成型及藉由調整焦距而可控制切割厚度的優點。對於平板顯示，在玻璃基板中避免邊緣破裂與剩餘邊緣應力係重要的，因為此 等基板幾乎總是從邊緣破裂，即便係當應力施於中心時。結合特定光束傳遞之超快雷射的高峰值功率可以藉由在沒有可量測熱效應下使用冷切割來避免這些問題。藉由超快雷射的雷射切割基本上不會在玻璃中產生殘留應力。
1‧‧‧基板
1a‧‧‧基板的表面
1b‧‧‧基板的表面
2‧‧‧雷射光束
2a‧‧‧光束包
2b‧‧‧雷射光束焦線
2c‧‧‧誘發吸收
2aR‧‧‧邊緣光線
2aZ‧‧‧中央光束
6‧‧‧光學組件
7‧‧‧透鏡
8‧‧‧孔
9‧‧‧旋轉三稜鏡
10‧‧‧旋轉三稜鏡
11‧‧‧透鏡
d‧‧‧厚度
D‧‧‧平均範圍
L‧‧‧長度
SR‧‧‧圓形輻射
br‧‧‧圓周寬度
dr‧‧‧圓周直徑
z1a‧‧‧距離
z1b‧‧‧距離
z1‧‧‧距離
z2‧‧‧距離
710‧‧‧叢發
720‧‧‧脈衝
以上所述將在以下更多示範實施例的具體描述中得以彰顯，如所附圖式中所示，相同的參考符號代表不同視角的相同部件。圖示不一定按照比例尺，而是將重點放在所示的實施例上。
第1圖係游離能作為對於若干原子的原子數目之函數的圖表。
第2A圖與第2B圖係雷射光束焦線定位的示圖，即對於雷射波長透明之材料的處理。
第3A圖係根據一個實施例用於雷射鑽孔光學組件的示圖。
第3B(1)-3B(4)圖藉由將雷射光束焦線相對於基板作不同定位以處理基板的各種可能之示圖。
第4圖係根據某些實施例用於雷射鑽孔的第二光學組件的示圖。
第5A圖與第5B圖係根據某些實施例用於雷射鑽孔的第三光學組件的示圖。
第6圖係根據某些實施例用於雷射鑽孔的第四光學組件的示圖。
第7A圖係雷射發射作為用於皮秒雷射的時間之函 數的圖表。各個發射由可含有一或多個脈衝的脈衝「叢發」所特徵化。
第7B圖概要繪示示範脈衝叢發內雷射脈衝的相對強度vs.時間，各示範脈衝叢發具有3脈衝；第7C圖概要繪示示範脈衝叢發內雷射脈衝的相對強度vs.時間，各示範脈衝叢發含有5脈衝。
第8圖係康寧2320 Gorilla®玻璃樣本在真空夾具上的照片。
第9圖係失敗機率作為康寧2320 Gorilla®玻璃的函數之圖表，圖示了以壓縮中雷射(LIC)以及以張力中雷射(LIT)作應力測試之結果。
第10圖圖示各式切割表面在20x放大倍率的若干照片。
第11A-11D圖係代表Zygo掃描(總共蒐集用於各狀況的5掃描)的螢幕截圖。第11B圖圖示ST2強度部分狀況的Zygo掃描之螢幕截圖。
第12A-12C圖係比較以532nm製程取得的邊緣截面圖與以1064nm製程取得的參考邊緣截面圖(第12B圖)之SEM顯微照片。
第13A-13B圖係比較以1064nm製程製成的參考邊緣(第13A圖)與以532nm製程製成的邊緣(第13B圖)之SEM顯微照片。
第14A-14B圖係失敗機率為用於康寧2320 Gorilla®玻璃的函數之圖表，圖示了對於以1064nm製程(第14A圖) 分離邊緣以及對於以532nm製程(第14B圖)分離邊緣之以壓縮中雷射(LIC)與以張力中雷射(LIT)作應力測試之結果。
以下描述示範實施例。
本發明揭露用於以低次表面損害及低碎片在透明材料中光學產生高精度切穿的方法或製程及設備。此外，藉由正確的光學元件選擇，選擇性地切割堆疊透明材料的個別層係可能的。
藉由選擇適當的雷射源、波長以及光束傳送元件達成以最小次表面損害與表面碎片作微加工與切割薄玻璃。雷射源由超快雷射系統組成，雷射系統提供次奈秒期間的脈衝以及於透明材料主體內照射「線性」聚焦區域的光束傳送。沿著「線性」聚焦區域的能量密度必須大於在於該區域中分離材料所需的能量。如此需要使用高能脈衝雷射源。
此外，波長的選擇係重要的。具有較強分子鍵結的材料將展示使用較短波長(即小於1000nm，如850nm、820nm、800nm、775nm、600nm、532nm、355nm或266nm)的「較佳」分離。再者，較短波長聚焦較緊密，而於聚焦區域中產生較高體積能量密度。
因此，使用單一高能量叢發脈衝於透明材料中產生精微(即直徑<0.5μm且>100nm)長形「孔(亦稱為穿孔或缺陷線)」係可能的。此等個別穿孔可以依幾百千赫茲(例如每秒幾百千穿孔)的速率產生。因此，隨著源與材料間的 相對運動，此等穿孔可以互相鄰近置放(空間的分隔依所需而從次微米至幾微米變化)。此空間分隔(螺距)經選擇以利切割。
在某些實施例中，缺陷線係「穿孔」，係從透明材料頂部延伸至底部的孔或開口通道。在某些實施例中，缺陷線可不係連續通道，且可被固體材料(如玻璃)的部分或段阻擋或部分阻擋。如此處所界定，缺陷線的內直徑係開口通道或氣孔的內直徑。例如，在本說明書所述的實施例中，缺陷線的內直徑係<500nm，例如400nm、或300nm、或200nm。環繞本說明書所揭露實施例中的孔之破裂或改變的區域(如壓實、融化或他種改變)最好具有<50μm的直徑(如<0.10μm)。
雷射源的選擇係基於在透明材料中產生多光子吸收(MPA)的能力。MPA係相同或不同頻率的兩個或兩個以上光子的同時吸收以將分子從一個能態激發(通常係基態)到更高的電子能態(離子化)。相關分子的下能態與上能態間的能差係等於兩個光子能量的總和。MPA亦稱為誘發吸收，係三級過程，比線性吸收弱幾個級別的幅度。MPA與線性吸收不同，誘發吸收的強度取決於光密度的平方，所以MPA係非線性光學過程。
因此，雷射需要產生足夠的脈衝能量、以將MPA在透明材料中激發過一興趣長度。對於此應用，雷射能夠對於各脈衝輸出約50μJ或更高能量的532nm(或更短波長)光脈衝係必要的。光學元件經選擇而產生雷射光束焦線於透明材 料主體內，如以下及於2013年1月15日提出的美國申請案61/752,489中所述，其全部內容經合併參考而幾乎於此處完全闡述。脈衝能接著成型並聚焦為產生約100μJ/mm最小能量/長度的線性聚焦區域。在該聚焦區域內(如約0.5mm)，能量密度夠高而產生游離化。532nm波長的光子具有約2.3eV的能量。在原子級別，個別原子的游離化具有如第1圖所示的離散能量需求。共同用於玻璃的若干元素(如Si、Na、K)具有相當低的游離能(約5eV)。在沒有MPA的現象下，約248nm的波長會在5eV產生線性游離化。在有MPA的情況下，此些鍵結在聚焦區域中選擇性地被游離化，使得與鄰近分子分離。分子鍵結中的此「斷裂(disruption)」可能產生非熱消融(non-thermal ablation)而將材料從該區域移除(穿孔及從而產生缺陷線)。可以用具有高能皮秒脈衝(時間間隔接近-以奈秒量測)的單一「叢發」達成。該等「叢發」可以高叢發重複率(如數百kHz)重複。可以藉由控制基板的相對速度而分隔該等穿孔、孔或缺陷線(於本說明書中此三個術語交換使用)。例如，穿孔一般間隔約0.5至15微米(例如，2-12微米或5-10微米)。舉例而言，在以200mm/sec移動而暴露於100kHz級數脈衝的薄透明材料中，穿孔會間隔2微米。此間隔螺距足以允許用於機械或熱分離。注意到產生的碎片沉積於鄰近約50微米長度「切割」的區域，且當雷射波長係532nm時，該碎片輕微附著於表面。碎片的粒子尺寸通常係小於約500nm。
缺陷線的內直徑(開口氣孔直徑)(通常小於300nm) 與以下所述的阿貝折射限制(Abbé diffraction limit)一致。
回到第2A與2B圖，雷射鑽孔材料的方法包括將脈衝雷射光束2聚焦為雷射光束焦線2b，雷射光束焦線2b沿著光束傳播方向定向。如第3圖所示，雷射3(未圖示出)發射雷射光束2在光學組件6的光束入射側(稱為2a)，雷射光束2入射於光學組件6上。光學組件6將入射雷射光束轉為廣雷射光束焦線2b於輸出側上沿著光束方向的一界定擴大範圍(焦線的長度l)。欲處理的平坦基板1定位於光學組件後的光束路徑中，光束路徑至少部分重疊雷射光束2的雷射光束焦線2b。參考編號1a代表分別面向光學組件6或雷射的平坦基板之表面，參考編號1b代表通常以平行間隔的基板1之背表面。基板厚度(對平面1a與1b垂直量測，即基板平面)以d表示。
如第2A圖所示，基板1垂直對齊縱向光束軸且因此由光學組件6產生的相同焦線2b之後(基板與繪圖平面垂直)以及沿著光束方向定向，其以在光束方向上觀察的焦線2b在基板的表面1a前開始並在基板的表面1b前停止(即仍然在基板內)的這種方式而相對於焦線2b定位。在雷射光束焦線2b與基板1重疊區域中，即由焦線2b覆蓋的基板材料中，廣雷射光束焦線2b因此產生(在沿著雷射光束焦線2b的合適雷射強度由於雷射光束2在長度l的區段上的聚焦(即長度l的線聚焦)而確保的情況下)沿著縱向光束方向觀察的廣區段2c，誘發吸收沿著區段2c產生於基板材料中而沿著區段2c誘發缺陷線或破裂成型於基板材料中。破裂成型不只係 局部的，而是在誘發吸收的廣區段2c的整個長度上。區段2c(即終究係雷射光束焦線2b與基板1重疊之長度)的長度以參考編號L標示。誘發吸收區段(或基板1材料中經受破裂成型區段)的平均直徑或平均範圍以參考編號D標示。此平均範圍D基本上對應雷射光束焦線2b的平均直徑δ，即，介於約0.1μm至5μm間範圍的平均點直徑。
如第2A圖所示，對於雷射光束2的波長λ透明的基板材料因為沿著焦線2b的誘發吸收而加熱。第2B圖概括加溫材料最後延展使得相應誘發的張力造成微破裂形成，張力最高在表面1a。
可以用於產生焦線2b的具體光學組件6以及該等光學組件可以使用的具體光學設定描述於下。所有組件或設定基於以上描述使得相同參考編號用於相同元件或特徵或在其功能上等效的東西。因此以下只描述差異。
因為最後導致分離的分割面係或必須係高品質的(關於破裂強度、幾何精度、粗糙度以及避免重新加工的需要)，欲沿著分割線5定位於基板表面上的個別焦線應使用以下所述的光學組件(光學組件之後抑或稱為雷射光學元件)產生。粗糙度特別係因為焦線的點尺寸或點直徑。為了在給定的雷射3之波長λ情況下達成如0.5μm至2μm的低點尺寸(與基板1之材料交互作用)，通常必須將特定需求加諸於雷射光學元件6的數值孔徑上。此等需求由下述雷射光學元件6達成。
為了達到所需數值孔徑，一方面，光學元件必須根 據已知的阿貝公式(Abbé formulae，N.A.=n sin(theta)，n：欲處理玻璃之折射率，theta：半孔徑角度；及theta=arctan(D/2f)；D：孔徑，f：焦距)處理用於給定焦距的所需開口。另一方面，雷射光束必須視所需孔徑照射光學元件，其通常藉由使用雷射與聚焦光學元件間的放大望遠鏡的光束放大方法達成。
因為係沿著焦線的均勻交互作用之用途，點尺寸不應變化太劇烈。例如，如此可以藉由只在小、圓形區域中照射光學元件確保，使得光束開口以及因此數值孔徑的比率只有稍微變化。
根據第3A圖(區段與基板平面垂直於雷射輻射2的雷射光束包(laser beam bundle)中的中央光束的位準處；此處，雷射光束2亦垂直入射基板平面，即角度β係0°，使得焦線2b或誘發吸收2c的廣區段平行於基板法線)，雷射3發射的雷射輻射2a首先被導向圓形孔8上，圓形孔8對於所用的雷射輻射係完全不透明的。孔8垂直於縱向光束軸而定向且在所繪示的光束包2a的中央光束上之中心。孔8的直徑以靠近光束包2a中心或中央光束(此處以2aZ標示)的光束包打中孔並被孔完全吸收的這種方式作選擇。由於孔尺寸相較於光束直徑減少，只有在光束包2a外周範圍(邊緣光線，此處以2aR標示)中的光束沒有被吸收，而是側向通過孔8並打中光學組件6的聚焦光學元件之邊緣區域，其於此處被設計為球面切割的雙凸透鏡7。
位於中央光束中心的透鏡7故意設計為普通球面切 割透鏡型的非校正雙凸面聚焦透鏡。換句話說，故意使用此透鏡的球面像差。或是，亦可以使用從理想校正系統偏離的非球面或多透鏡系統(即不具有單一焦點的透鏡或系統)，非球面或多透鏡系統不形成理想焦點但形成獨特的界定長度之長形焦線。因此透鏡的區域沿著焦線2b聚焦，受限於距離透鏡中心的距離。跨光束方向的孔8的直徑大約係光束包直徑的90%(由降低到1/e範圍界定的光束包直徑)且係光學組件6的透鏡直徑之75%。因此使用非像差校正球面透鏡7的焦線2b，在中心阻斷光束包產生該焦線2b。第3A圖圖示通過中央光束的一個平面中的區段，當所繪示光束繞著焦線2b旋轉時，可以看見完整三維光束。
此焦線的一個缺點係沿著焦線的條件(點尺寸、雷射強度)與因此沿著材料中所需深度的條件改變，以及因此所需類型的交互作用(無融化、誘發吸收、熱塑性變形到破裂形成)可能只在焦線的部分被選擇。如此接著表示可能只有入射雷射光的部分係以所需方法被吸收。在此方法中，一方面製程的效率(所需分離速度的所需平均雷射功率)減少，而另一方面雷射光可能被傳送到不需要的更深的地方(附著於基板或基板夾具的部分或層)且在那裡以不良方式交互作用(加熱、擴散、吸收、多餘的變化)。
第3B(1)-3B(4)圖圖示(不只係對於第3A圖中的光學組件，而且主要是對於任何其他可應用的光學組件6)雷射光束焦線2b可以藉由適當定位與(或)相對於基板1對準光學組件6以及藉由適當選擇光學組件6的參數而有不同定 位：如第3B-(1)圖描述，焦線2b的長度l可以用其長度超過基板厚度d(特此係因素2)的方式來調整。例如，雷射光束焦線2b可以具有約0.1mm至100mm間範圍或約0.1mm至10mm間範圍中的長度l。例如，各式實施例可以經配置而具有約0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.7mm、1mm、2mm、3mm或5mm的長度l。如果基板1置放(在縱向光束方向觀察)於焦線2b中心，誘發吸收2c的廣區段產生於整個基板厚度上。
在第3B-(2)圖所示的實例中，產生長度l的焦線2b或多或少對應於基板範圍d。因為基板1以線2b在之前的一點(即在基板外)開始的方式而相對於線2作定位，所以誘發吸收2c(誘發吸收2c於此處從基板表面延伸到界定的基板深度，但沒有到背表面1b)範圍區段的長度L小於焦線2b的長度l。第3B-(3)圖示基板1(沿著光束方向觀察)於焦線2b的起始點之前部分定位的實例，使得這裡也適用於線2b的長度l，l>L(L=基板1中誘發吸收2c區段的範圍)。焦線因此開始於基板內並延伸過背表面1b而超過基板。第3B-(4)圖最後圖示產生的焦線長度l小於基板厚度d的實例(在基板相對於入射方向上觀察的焦線作中央定位的實例中)，使得焦線靠近基板內的表面1a開始並在基板內的表面1b終止(l=0.75．d)。
特別有利的是，實現了焦線以至少一個表面1a、1b由焦線覆蓋的方式定位，即誘發吸收2c的區段至少於一個表面上開始。依此方法，可能達成避免在表面處脫落 (ablation)、羽化(feathering)與顆粒化(particulation)的實質理想切割。
第4圖繪示另一個可應用光學組件6。基本構造遵循第3A圖中所述的實施例，使得以下只述及差異處。所繪示光學組件係基於使用光學元件與非球面自由表面以產生焦線2b，其以形成界定長度l的焦線而成型。用於此用途，可以使用飛球面作為光學組件6的光學元件。在第4圖中，例如，使用所謂的圓錐形菱鏡，也常被稱為旋轉三稜鏡。旋轉三稜鏡係特殊的圓錐形切割透鏡，其在沿著光學軸的線上形成點源(或將雷射光束轉換為環)。此旋轉三稜鏡之設計對於本領域具有通常知識者係一般習知的；在示範例中圓錐角度係10°。於此以參考編號9標示的旋轉三稜鏡之頂點指向入射方向並置於光束中心的中心。當旋轉三稜鏡9的焦線2b已經於其內部開始時，基板1(此處垂直對齊於主要光束軸)可以定位於正好在旋轉三稜鏡9後方的光束路徑中。如第4圖所示，由於旋轉三稜鏡沒有離開焦線2b範圍的光學特性，沿著光束方向轉換基板1亦係可能的。因此基板1材料中誘發吸收2c的廣區段延伸過整個基板深度d。
然而，所繪示設計受以下限制：當旋轉三稜鏡9的焦線已經於透鏡內開始時，在透鏡與材料之間的限定距離之情況下，雷射能的主要部分未聚焦於焦線2b的部分2c，焦線2b的部分2c位於材料內。此外，焦線2b的長度l係與用於旋轉三稜鏡9的可用折射率與圓錐角度之光束直徑有關，這也就是為甚麼，在相當薄材料(幾毫米)的情況中，總焦線 太長而有雷射能再次沒有特別聚焦於材料中的效應。
這係改良光學組件6同時包括旋轉三菱竟與聚焦透鏡的原因。第5A圖繪示該光學組件6，其中具有非球面自由表面的第一光學元件(沿著光束方向觀察)定位於雷射3的光束路徑中，其中具有非球面自由表面的第一光學元件經設計而形成廣雷射光束焦線2b。在第5A圖所示的實例中，該第一光學元件係具有5°圓錐角度的旋轉三稜鏡10，旋轉三稜鏡10垂直於光束方向而定位且置於雷射光束3的中心上。旋轉三稜鏡的頂點往光束方向定向。第二聚焦光學元件，此處為平凸透鏡11(其曲率往旋轉三稜鏡定向)定位於距離旋轉三稜鏡10距離z1處的光束方向上。距離z1(在此實例中大約300mm)以此方式選擇：由旋轉三稜鏡10圓形形成的雷射輻射入射於透鏡11的邊緣區域上。透鏡11將圓形輻射聚焦在界定長度(在此實例中係1.5mm)的焦線2b上距離z2(在此實例中係距離透鏡11約20mm)處的輸出側上。此處透鏡11的有效焦距係25mm。藉由旋轉三稜鏡10的雷射光束之圓形轉換係以參考編號SR標示。
第5B圖根據第5A圖詳盡地繪示基板1材料中焦線2b或誘發吸收2c的形成。元件10、11的光學特性以及其定位係以下述方式選擇：光束方向上焦線2b的範圍l確切等同於基板1的厚度d。因此，如第5B圖所示，為了將焦線2b確切定位於基板1的兩表面1a與1b之間，需要沿著光束方向確切地定位基板1。
如果焦線在距離雷射光學元件的特定距離處形成以 及如果雷射輻射的較大部分聚焦到焦線的所需末端，因此是有利的。如所述，如此可以藉由只在所需區域上以圓形照射主要聚焦元件11(透鏡)來達成，其中，一方面，用於實現所需數值孔徑及所需點尺寸，然而，另一方面，當基本上為圓的點形成時，在所需焦線2b在點的中心的很短距離上之後，擴散的圓周減弱強度。如此，破裂的形成於所需基板深度的一短距離內停止。旋轉三稜鏡10與聚焦透鏡11的結合達到此要求。旋轉三稜鏡以兩種不同的方式作用：由於旋轉三稜鏡10，通常係圓形的雷射點以環的形式被送到聚焦透鏡11，以及旋轉三稜鏡10的非球面具有焦線在透鏡的焦平面之外形成而不是在焦平面中的焦點形成之效果。焦線2b的長度l可以經由旋轉三稜鏡上的光束直徑調整。在另一方面，沿著焦線的數值孔徑可以經由旋轉三稜鏡-透鏡的距離z1以及經由旋轉三稜鏡的圓錐角度調整。如此，全部雷射能可以聚集於焦線中。
如果破裂(即缺陷線)形成應該延續到基板的顯現側，則圓形照射仍具有以下優點：一方面，當雷射光的大部分仍聚集在焦線的所需長度中時，以最佳的方式使用雷射功率，另一方面，由於圓形照射區域藉由其他光學功能構件與所需像差組相連，達成沿著焦線的均勻點尺寸(以及因此沿著焦線的均勻分離過程)係可能的。例如，缺陷線120延伸通過玻璃片的厚度且在本說明書所述示範實施例中與玻璃面的主要(平坦)表面正交。
代替第5A圖中所繪示的平凸透鏡，亦可能使用聚 焦凹凸透鏡或其他更高度校正的聚焦透鏡(非球面、多透鏡系統)。
為了使用第5A圖中所示的旋轉三稜鏡與透鏡之組合產生很短的焦線2b，選擇很小的入射在旋轉三稜鏡上的雷射光束的光束直徑將係必要的。如此具有實用上的缺點：光束集中在旋轉三稜鏡的頂點上必須相當精準以及因此結果對於雷射的方向變化(光束偏移穩定度)非常敏感。此外，緊密校準的雷射光束係相當發散的，即，由於光偏向，光束包在短距離上變得模糊。
如第6圖中所示，可以藉由插入另一透鏡來避免兩個效果，校準透鏡12：這進一步來說，正透鏡12用於將聚焦透鏡11的圓形照射非常緊密地調整。校準透鏡12的焦距f'以下述方法作選擇：所需圓周直徑dr來自於旋轉三稜鏡至校準透鏡12的距離z1a，等同於f'。環的所需寬度br可以經由距離z1b(校準透鏡12至聚焦透鏡11)調整。就純幾何來看，圓形照射的小寬度導致短焦線。最小值可以在距離f'處。
第6圖中所繪示的光學組件6係基於第5A圖中繪示的光學組件6，使得以下只述及其差異。校準透鏡12，此處亦設計為平凸透鏡(具有往光束方向的曲率)被額外置於旋轉三稜鏡10(於一側上，其頂點往光束方向)與平凸透鏡11(於另一側上)間光束路徑的中心。距離旋轉三稜鏡10之校準透鏡12的距離被稱為z1a，距離校準透鏡12之聚焦透鏡11的距離係z1b，以及距離聚焦透鏡11之產生的焦線2b的距離係z2(通常在光束方向上觀察)。如第6圖中所示，對 於聚焦透鏡11處一至少大約常數圓周直徑dr，由旋轉三稜鏡10形成的圓形輻射SR被調整為沿著距離z1b所需的圓周寬度br，其中圓形輻射SR發散入射且在校準透鏡12上的圓周直徑dr下。在所示實例中，應該產生很短的焦線2b使得由於透鏡12的聚焦性質，透鏡12處約4mm的圓周寬度br被縮減為透鏡11處約0.5mm(在示範例中，圓周直徑dr係22mm)。
在所示示範例中，使用典型2mm的雷射光束直徑、具有焦距f=25mm的聚焦透鏡11與具有焦距f'=150mm的校準透鏡以及選擇Z1a=Z1b=140mm與Z2=15mm來達成小於0.5mm的焦線l的長度係可能的。
注意，如第7A-7C圖所示，根據至少某些實施例，此皮秒雷射的典型操作產生脈衝720的「叢發」710(在本說明書中亦被稱為脈衝叢發)。各「叢發」710可包含非常短期間(如~10psec)的多個脈衝720(如如第7A-7B圖所示的至少2脈衝、至少3脈衝，如第7C圖所示的至少4脈衝、至少5脈衝，至少10脈衝、至少15脈衝、至少20脈衝或更多)。叢發內的各脈衝720以介於約1nsec至50nsec間範圍的期間之時間與鄰近脈衝分隔，如約20nsec(50MHz)，時間常由雷射腔設計所決定。對於約100kHz的雷射叢發重複率，各「叢發」710間的時間會更長，通常約10μsec。亦即，脈衝叢發係脈衝的「穴(pocket)」，且叢發與另一個叢發由比各叢發內個別鄰近脈衝的分隔更長的期間所分隔。確切的時序(timings)、脈衝期間，與叢發重複率可以依據雷射設計而改變，但高強度的短脈衝(即，小於約15psec)已經顯示用 此技術而運作良好。
更特定言之，在這些實施例中，脈衝720通常具有高達100psec的脈衝期間Td(例如，0.1psec、5psec、10psec、15psec、18psec、20psec、22psec、25psec、30psec、50psec、75psec，或以上各者之間)。叢發內的各個別脈衝720的能量或強度可不等於叢發內其他脈衝的能量或強度，且叢發710內的多個脈衝的強度分佈常遵循於雷射設計決定的時間中指數衰減。本發明說所述的示範實施例的叢發710內的各脈衝720在時間上最好與叢發中接續的脈衝以約1nsec至50nsec的期間Tp(如10-50nsec或10-30nsec，此時間常由雷射腔社計決定)分隔。對於給定的雷射，叢發710內的鄰近脈衝(脈衝對脈衝分隔)間的時間間隔Tp係相對均勻的(±10%)。例如，在某些實施例中，叢發內的各脈衝在時間上與接續的脈衝以約20nsec(50MHz)分隔。例如，對於產生約20nsec脈衝分隔Tp的雷射，叢發內的脈衝對脈衝分隔Tp維持在約±10%內，或係約±2nsec。脈衝的各「叢發」間的時間(即叢發間的時間間隔Tb)會更長(如0.25Tb 1000微秒，如1-10微秒或3-8微秒)。在本說明書所述的雷射示範實施例的部分中，對於具有約200kHz的叢發重複率或頻率之雷射，時間間隔Tb係約5微秒。雷射叢發重複率定義為叢發中第一脈衝與接續叢發中第一脈衝之間的時間。在某些實施例中，叢發重複頻率可係介於約1kHz至4MHz的範圍中。例如，雷射叢發率更好可以係介於約10kHz至650kHz的範圍中。各叢發中的第一脈衝至接續叢發中的第一脈衝間的時間Tb可係0.25微秒 (4MHz叢發重複率)至1000微秒(1kHz叢發重複率)，如0.5微秒(2MHz叢發重複率)至40微秒(25kHz叢發重複率)，或2微秒(500kHz叢發重複率)至20微秒(50kHz叢發重複率)。確切的時序、脈衝期間，與叢發重複率可以依據雷射設計而改變，但高強度的短脈衝(Td<20psec且Td 15psec較佳)已顯示運作特別良好。
改變材料所需的能量可以依據叢發能量-包含於叢發內的能量(各叢發710包含一系列的脈衝720)或依據包含於單一雷射脈衝(其中許多包含叢發)內的能量所述。對於這些應用，每叢發的能量可以係從25-750μJ(50-500μJ更佳)，或50-250μJ。在某些實施例中，每叢發的能量係100-250μJ。脈衝叢發內的個別脈衝之能量會更少，且確切的個別雷射脈衝能量會取決於脈衝叢發710內的脈衝710數量與隨著時間之雷射脈衝的衰減率(如指數衰減率)，如第7B與7C圖所示。例如，對於常數能量/叢發，如果脈衝叢發包含10個別雷射脈衝720，相較於如果相同脈衝叢發710只具有2個別雷射脈衝，則前者各個別雷射脈衝720會含有更少的能量。
能夠產生該等脈衝叢發的雷射使用對於切割或改變透明材料係有利的，如玻璃。相對於以單一脈衝雷射的重複率之時間間隔使用單一脈衝，使用將雷射能量散佈於叢發710內的快速脈衝序列之脈衝叢發序列，比起使用單一脈衝雷射其可能允許達到與材料高強度交互作用的更大時間尺度。雖然單一脈衝可以延長時間，但當這麼做時，脈衝內的強度必 然會下降大約超過一個脈衝寬度。因此，如果10psec單一脈衝延長到10nsec脈衝，強度大約降三個級別的幅度。如此減少可能將光學強度減少到非線性吸收不再顯著且光材料交互作用不再強到足以允許切割的點。相對地，以脈衝叢發雷射，在從發710內的各脈衝720期間，強度可以維持相當高-例如，以時間約10nsec作間隔的三個10psec脈衝720仍各脈衝內的強度約高於單一10psec脈衝的強度三倍，同時允許雷射與材料交互作用超過三個級別幅度大的時間尺度。叢發內多個脈衝720的如此調整因此允許有下列方式的雷射-材料交互作用時間尺度的操作，可以促成與預先存在的電漿捲流(plasma plume)較多或較少的光交互作用、可以促成與起始或預先雷射脈衝已預先激發的原子及分子較多或較少的光材料交互作用，以及可以促成材料內較多或較少的加熱效應，該材料可以促進微破裂(microcracks)的受控成長。改變材料所需的叢發能量之量將取決於基板材料組成及用於與基板交互作用的焦線之長度。越長的交互作用區域，越多能量被散佈，而會需要越高的叢發能量。確切的時序、脈衝期間與叢發重複率可以依據雷射設計而改變，但高強度的短脈衝(<15psec或10psec)已顯示用此技術運作良好。當雷射脈衝的單一叢發打在玻璃上實質相同的地方時，缺陷線或孔形成於材料中。即是，單一叢發內的多個雷射脈衝對應到玻璃中的單一缺陷線或孔位置。當然，因為玻璃移動(例如藉由不斷移動的台，或光束相對於玻璃移動)叢發內的個別脈衝無法在玻璃上確切相同的空間位置。然而，彼此在1μm內是良好的，即，脈 衝打在實質相同位置處的玻璃。例如，脈衝可打在彼此間隔sp處的玻璃，其中0<sp500nm。例如，當以20脈衝的叢發打在玻璃位置時，叢發內的個別脈衝打在玻璃彼此250nm內。因此，在某些實施例中，1nm<sp<250nm。在某些實施例中，1nm<sp<100nm。
雷射光束具有小於或等於約850nm的波長，波長經選擇使得材料在該波長係實質透明的(即，吸收小於約10%，小於約每毫米材料深度之1%較佳)，雷射光束具有在大於約每毫米材料厚度50μJ的材料處量測的平均雷射能量，及脈衝具有大於約1皮秒並小於約100皮秒間範圍的期間，以及脈衝叢發重複率在約1kHZ至2MHz間的範圍中。該方法接著包括將雷射光束焦線導入材料中，雷射光束焦線產生誘發吸收於該材料中，誘發吸收產生沿著材料內雷射光束焦線之缺陷線，並產生高達一深度的次表面損害，該深度係於材料內小於或等於約100μm，例如小於或等於材料內約75μm，且在某些實施例中50μm，例如，40μm。
次表面損害的深度可以藉由使用共焦顯微鏡觀察切割表面來量測，顯微鏡具有幾nm的光學解析度。表面反射被忽略，而破裂在進入材料下被找到，破裂以亮線顯現。接著進入材料以固定的間距蒐集影像直到沒有更多「火花(sparks)」。接著藉由搜尋破裂並通過玻璃的深度以達到次表面損害的最大深度(通常以微米(μm)量測)追蹤破裂來手動處理影像。通常有數以千記的破裂，所以通常只追蹤最大的一些破裂。通常在切割邊緣的約5位置上重複此步驟。 任何與玻璃邊緣直接垂直的破裂不會被此方法偵測到。
在某些實施例中，該方法進一步包括將材料與雷射光束移動為彼此相對，從而在材料內鑽複數個缺陷線，該等缺陷線分隔開以便將材料分成至少兩塊。對於切割操作，雷射觸發一般與光束下材料的台驅動運動同步，所以雷射脈衝叢發於固定間距觸發，如每1μm、或每5μm。鄰近穿孔或鄰近缺陷線間的確切間隔係由促成從穿孔(即缺陷線)到穿孔破裂延伸的材料性質所決定，視基板中的應力程度而定。然而，相對於切割基板，亦可能使用相同方法只穿孔材料，如產生用於將電子訊號從這部分傳導到另一部分的孔，從而產生稱為插入物(interposer)的元件。在插入物的實例中，缺陷線一般由比所需用於切割大更多的距離分割，而不是約10μm或更少的螺距，缺陷線間的間隔可以係幾百微米。缺陷線的確切位置不必係固定間距，該位置僅係由雷射觸發開始的時間決定，且可在該部分內的任何位置。
本說明書所述的製程之實施例可以以0.25m/sec或更快的切割速度切割玻璃。切割速度(cut speed)(或cutting speed)係雷射光束相對於透明材料(如玻璃)的表面移動(同時產生多個孔或改變區域)的速率。為了最小化用於製造的資本投資以及最佳化設備使用速率，高切割速度，如400mm/sec、500mm/sec、750mm/sec、1m/sec、1.2m/sec、1.5m/sec或2m/sec，或甚至3m/sec至4m/sec，通常係需要的。雷射功率等於叢發能量乘以雷射的叢發重複頻率(率)。一般來說，為了在高切割速度切割該玻璃材料，損害軌跡通常係由1-25 微米分隔，在某些實施例中，間隔係2微米或更大較佳，例如2-12微米，或例如3-10微米。
例如，為了達到300mm/sec的線性切割速度，3微米孔螺距對應於具有至少100kHz叢發重複率的脈衝叢發雷射。對於600mm/sec切割速度，3微米孔螺距對應於具有至少200kHz叢發重複率的叢發脈衝雷射。以200kHz產生至少40μJ/叢發及以600mm/s切割速度切割的脈衝叢發雷射必須具有至少8瓦(Watts)的雷射功率。因此更高的切割速度需要又更高的雷射功率。
例如，以3μm螺距與40μJ/叢發的0.4m/sec切割速度會需要至少5瓦的雷射功率供應，以3μm螺距與40μJ/叢發的0.5m/sec切割速度會需要至少6瓦的雷射供應。因此，脈衝叢發皮秒雷射的雷射功率係6瓦或更高為較佳，至少8瓦或更高尤佳，及至少10W或更高為更佳。例如，為了達到以4μm螺距(缺陷線配速，或於損害軌跡間隔之間)與100μJ/叢發的0.4m/sec切割速度會需要至少10瓦的雷射，以及為了達到以4μm螺距與100μJ/叢發的0.5m/sec切割速度會需要至少12瓦的雷射。例如，為了達到以3μm螺距與40μJ/叢發的1m/sec切割速度會需要至少13瓦的雷射。又例如，為了達到以4μm螺距與400μJ/叢發的1m/sec切割速度會需要至少100瓦雷射。損害軌跡間的最佳螺距與確切叢發能量係與材料相關的，並可以憑經驗決定。然而，應該注意的是，提高雷射脈衝能量或使損害軌跡的螺距變得更近不係總是使基板材料分割更好或具有改善邊緣品質的條件。損害軌跡間太密的螺 距(如<0.1微米，在某些示範實施例中<1μm，或在某些示範例中<2μm)有時可以抑制附近接續損害軌跡的形成，且常可以抑制穿孔輪廓附近材料的分離，而亦可導致玻璃內不必要增加微破裂。太長的螺距(>50μm，及在某些玻璃中>25μm，或甚至>20μm)可導致「非受控的微破裂」-即，其中不係沿著不同路徑從孔到孔微破裂擴散，而是導致玻璃在不同(不需要的)方向上破裂。如此可能最終降低分離玻璃部分的強度，因為多餘的微破裂會成為弱化玻璃的瑕疵。用於形成各損害軌跡之太高的叢發能量(如>2500μJ/叢發，及在某些實施例中>500μJ/叢發)可能導致鄰近損害軌跡已經形成的微破裂之「復原(healing)」或重新融化，而會抑制玻璃的分離。因此，叢發能量最好<2500μJ/叢發，如500μJ/叢發。再者，使用太高的叢發能量可能導致非常大的微破裂形成以及產生在分離後減少部分的邊緣強度之瑕疵。太低的叢發能量(<40μJ/叢發)可能導致沒有明顯的損害軌跡於玻璃形成，而因此產生很高的分離強度或完全無法沿著穿孔輪廓分離。
此製程允許的典型示範切割速率(速度)係如0.250m/sec及更高。在某些實施例中，切割速率係至少300mm/sec。在本說明書所述的某些實施例中，切割速率係至少400mm/sec，如500mm/sec至2000mm/sec，或更高。在某些實施例中，皮秒雷射使用脈衝叢發以0.5微米至13微米之間(如0.5至3微米)的週期產生缺陷線。在某些實施例中，脈衝雷射具有10W-100W且材料與(或)雷射光束以至少0.25m/sec的速率(如0.25至0.35m/sec或0.4/sec至5m/sec 的速率)互相相對移動。脈衝雷射光束的各脈衝叢發較佳地具有在工作件處量測大於每叢發毫米工作件厚度40微焦耳之平均雷射能量。脈衝雷射光束的各脈衝叢發較佳地具有在工作件處量測小於每叢發每毫米工作件厚度2500微焦耳之平均雷射能量，及較佳地小於約每叢發每毫米2000微焦耳，及在某些實施例中，小於每叢發每毫米工作件厚度1500微焦耳，例如不超過每叢發每毫米工作件厚度500微焦耳。
因此，雷射最好產生具有至少每叢發2脈衝的脈衝叢發。例如，在某些實施例中，脈衝雷射具有10W-150W(如10-100W)的雷射功率及產生具有至少每叢發2脈衝(如每叢發2至25脈衝)的脈衝叢發。在某些實施例中，脈衝雷射具有25W至60W的功率，及產生至少每叢發2至25脈衝的脈衝叢發，及由雷射叢發產生的鄰近缺陷線之間的距離或週期係2-10微米。在某些實施例中，脈衝雷射具有10W至100W的雷射功率，產生具有至少每叢發2脈衝的脈衝叢發，及工作件與雷射光束以至少0.25m/sec的速率互相相對移動。在某些實施例中，工作件與(或)雷射光束以至少0.4m/sec的速率互相相對移動。
對於0.4m至5m/sec的切割速度，雷射功率應該較佳地係10W-150W，具有40-750μJ/叢發的叢發能量、每脈衝2-25叢發(取決於切割的材料)，及3至15μm或3-10μm的孔分離(或螺距)。使用皮秒脈衝雷射會對於該等切割速度係較佳的，因為該等切割速度產生高功率及所需每叢發的脈衝數量。因此，根據某些示範實施例，脈衝雷射產生10-100W 的功率，例如25W至60W，暨產生至少買叢發2-25脈衝的脈衝叢發及缺陷線間的距離係2-15微米；以及雷射光束與(或)工作件以至少0.25m/sec的速率互相相對移動，在某些實施例中，至少0.4m/sec，如0.5m/sec至5m/sec，或更快。
範例
第8圖中所示的康寧2320 Gorilla®(離子交換，亦稱為「全Gorilla(Full Gorilla)」(FG))的樣本，用於測試強度、次表面損害及表面粗糙度。使用以上所述532nm製程切割的樣本之邊緣強度示於第9圖中。如以下表1與表2所示，使用532nm製程切割的樣本具有約23μm的平均次表面損害，而於2013年1月15日提出的美國申請案61/752,489中所述的使用1064nm製程切割的樣本具有約74μm的平均次表面損害。
第10圖包括若干切割表面的幾張SEM顯微照片，顯示20x放大倍率的雷射共焦切割掃描。以下的表3表示表面粗糙度量測作為脈衝間隔的函數(以Zygo光學表面分析工具(Zygo optical surface profiler)量測)，表示Ra與RMS表面粗糙度看來都是隨著脈衝間隔而增加。康乃狄克州米德爾菲爾德的翟柯公司(Zygo Corporation,Middlefield,CT)。
Zygo典型的掃描示於第11A-11D圖中。第12A-12C圖圖示使用532nm製程切割樣本邊緣的照片(第12A與12C圖)及使用1064nm製程切割樣本的參考邊緣。第13A圖圖示以1064nm製程製作的特徵之較高放大倍率的照片，其中孔的直徑經量測為347nm，相較之，以532nm製程製作的孔之直徑(第13B圖)為190nm。
以下表4表示使用以上所述1064nm製程切割的樣本與使用532nm切割的樣本之間的RMS表面粗糙度與次表面損害(SSD)之比較。
注意：
1)0.55mm 2320 FG玻璃
2)0.40mm 2320 FG玻璃(2μm間隔切割-強度樣本)
第14A圖與第14B圖圖示使用1064nm製程(第14A圖)與532nm製程(第14B圖)的樣本切割的邊緣強度之比較，其表示由兩製程產生的樣本之邊緣強度係相當相似的。
本說明書所引用的全部專利、公開應用與參考的相關教示係基於其整體而結合。
雖然已於本說明書揭露了示範實施例，但是所屬領域中具有通常知識者將瞭解，在不背離所附申請專利範圍所界定的範圍下，可在形式上與細節上作各式改變。
1‧‧‧基板
1a‧‧‧基板的表面
1b‧‧‧基板的表面
2a‧‧‧光束包
2b‧‧‧雷射光束焦線
2c‧‧‧誘發吸收
2aR‧‧‧邊緣光線
2aZ‧‧‧中央光束
6‧‧‧光學組件
7‧‧‧透鏡
8‧‧‧孔
d‧‧‧厚度

Claims (15)

  1. 一種雷射鑽孔一材料的方法，包括以下步驟：將一脈衝雷射光束聚焦為沿著該光束傳播方向定向的一雷射光束焦線，該雷射光束具有小於或等於約850mm的一波長；及將該雷射光束焦線導入該材料，該雷射光束焦線產生一誘發吸收於該材料內，該誘發吸收產生具有小於或等於約300nm的一直徑之一缺陷線，該缺陷線沿著該材料內的該雷射光束焦線。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該誘發吸收產生高達一深度的次表面損害，該深度小於或等於該材料內的約75μm。
  3. 如請求項1所述之方法，進一步包括以下步驟：將該材料與該雷射光束移動為彼此相對，從而在該材料內鑽複數個缺陷線，該等缺陷線分隔開以便將該材料分成至少兩塊。
  4. 如請求項1所述之方法，其中該雷射光束的一脈衝期間係在大於約1皮秒(picosecond)及小於約100皮秒間的一範圍中。
  5. 如請求項1所述之方法，其中該雷射光束焦線具有介於約0.1mm至100mm之間的一範圍中的一長度。
  6. 如請求項1所述之方法，其中產生該缺陷線的步驟包括以下步驟：產生具有小於0.2μm的內直徑之該缺陷線。
  7. 一種用於一材料的雷射鑽孔之系統，該系統包括：一脈衝雷射，該脈衝雷射經配置而產生具有小於或等於約850nm的一波長之一脈衝雷射光束；及一光學組件，該光學組件定位於該雷射的該光束路徑中，該光學組件經配置將該雷射光束轉換為沿著一雷射傳播方向定向的一雷射光束焦線，該雷射光束焦線在該光學組件的該光束顯現側上，該光學組件包含具有球面像差的一聚焦光學元件，該聚焦光學元件經配置而產生該雷射光束焦線，該雷射光束焦線經調整而產生一誘發吸收於該材料內，該誘發吸收產生具有小於或等於約300nm的一直徑之一缺陷線，該缺陷線沿著該材料內的該雷射光束焦線。
  8. 如請求項7所述之系統，其中該誘發吸收產生高達一深度的次表面損害，該深度小於或等於該材料內的約75μm。
  9. 如請求項7所述之系統，進一步包括將該材料與該雷射光束移動為彼此相對，從而在該材料內鑽複數個缺陷線，該等缺陷線分隔開以便將該材料分成至少兩塊。
  10. 如請求項7所述之系統，其中該雷射光束的一脈衝期間係在大於約1皮秒(picosecond)及小於約100皮秒間的一範 圍中。
  11. 如請求項7所述之系統，其中該雷射光束焦線具有介於約0.1mm至100mm之間的一範圍中的一長度。
  12. 如請求項7所述之系統，其中該光學組件包括一環形孔，該環形孔定位於該聚焦光學元件前的該雷射的該光束路徑中，該環形孔經配置而阻擋該雷射光束的該中心中的一或多個光線，使得只有該中心外的邊緣光線入射在該聚焦光學元件上，及從而只有產生一單一雷射光束焦線以用於該脈衝雷射光束的各個脈衝，觀察該單一雷射光束焦線係沿著該光束方向。
  13. 如請求項7所述之系統，其中該聚焦光學元件係具有一非球面自由表面的一圓錐形菱鏡。
  14. 如請求項7、12、13所述之系統，其中該光學組件進一步包括一散焦光學元件，該光學元件定位及對準使得該雷射光束焦線產生於距離該聚焦光學元件一距離處的該散焦光學元件的該光束顯現側上。
  15. 如請求項7、12、13所述之系統，其中產生該缺陷線包括產生具有小於0.2μm的內直徑之該缺陷線。
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