TW201536460A - 顯示玻璃成分的雷射切割 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於用於切割及分離透明材料之薄基板的雷射切割技術，例如，係關於主要用於生產薄膜電晶體(TFT)器件之顯示玻璃成分之切割。所描述之雷射製程可用於(例如以>1m/sec之速度)進行直切以切割鋒利的半徑外角(<1mm)且產生任意彎曲之形狀，包括形成內孔及狹縫。一種用於雷射處理鹼土鋁硼矽酸鹽玻璃複合工件之方法包括將脈衝雷射光束聚焦在焦線中。焦線經導向至玻璃複合工件中，從而在材料中產生誘發吸收。工件及雷射光束相對於彼此平移以沿等高線形成複數個缺陷線(defect line)，相鄰缺陷線具有0.1微米至20微米之間隔。

Description

顯示玻璃成分的雷射切割 【相關申請案】
本申請案根據專利法規定主張2014年10月31日申請之美國申請案第14/529520號之優先權權益，該美國申請案主張2014年7月11日申請之美國臨時申請案第62/023471號，及2014年7月10日申請之美國臨時申請案第62/022885號，及2013年12月17日申請之美國臨時申請案第61/917208號，及2013年12月17日申請之美國臨時申請案第61/917213號之權益。以上申請案之全部教示以引用之方式併入本文中。
本發明係關於顯示玻璃成分的雷射切割。
材料之雷射處理之領域涵蓋涉及切割、鑽孔、研磨、焊接、熔接等範圍廣泛之應用及不同類型之材料。在此等應用之中，特別受關注之應用為切割或分離不同類型之基板，例如在分離薄膜電晶體(TFT)玻璃成分之製程上。
從製程開發及成本角度而言，存在許多改良玻璃基板之切割及分離之機會。非常受關注的是比目前在當今市場中實踐之玻璃分離方法更快、更潔淨、更便宜、更可重複及 更可靠之玻璃分離方法。在若干替代技術之中，已使用不同途徑嘗試及證實雷射分離。該等技術包括：1)實際移除所要部件(或多個部件)及其矩陣之邊界之間的材料；2)在二次斷裂步驟之前在材料之主體中產生缺陷以弱化主體或沿所要輪廓之周邊植入裂紋起始點；3)藉由熱應力分離傳播起始裂紋。此等雷射切割製程已證實相較於相競爭之技術(機械刻畫及斷裂、高壓水噴射及超音波研磨等)的潛在經濟及技術優點，諸如精度、良好邊緣精整及低殘餘應力。
本申請案描述用於切割及分離透明材料之薄基板之雷射切割技術，且更具體而言，係關於主要用於生產薄膜電晶體(TFT)器件之顯示玻璃成分之切割。所描述之雷射製程可用於以達>1m/sec之速度進行直切以切割鋒利的半徑外角(<1mm)且產生任意彎曲之形狀，包括形成內孔及狹縫。
本申請案亦描述以下方法：切割玻璃且隨後使用各種方法處理各部件以將經切割玻璃部件之邊緣強度及邊緣衝擊強度兩者提升到遠高於僅使用切割製程可達成之位準。本文中所描述之方法亦可在單一道次中切割此等玻璃之堆疊，從而改良製程時間及機器利用率。
在一個實施例中，用於雷射處理鹼土鋁硼矽酸鹽玻璃複合工件之方法包括將脈衝雷射光束聚焦至雷射光束焦線中，該雷射光束焦線沿光束傳播方向定向。雷射光束焦線亦經導向至玻璃複合工件中，雷射光束焦線在材料內產生誘發吸收，且誘發吸收在工件內沿雷射光束焦線產生缺陷線或損 傷痕跡。該方法亦包括使工件及雷射光束沿等高線相對於彼此平移，從而在工件內沿等高線雷射形成複數個缺陷線，其中相鄰缺陷線之間的間發性介於0.1微米與20微米之間。其他實施例包括藉由該方法製備之玻璃製品。
在工件內沿等高線雷射形成複數個缺陷線可促進沿由等高線界定之表面分離工件以形成經分離表面。誘發吸收可產生小於或等於約0.5微米之經切割及分離邊緣之Ra表面粗糙度。誘發吸收亦可在經分離表面上產生顆粒，該等顆粒之平均直徑小於3微米。
可定製所開發之雷射方法以用於來自面板之部件之手動或機械分離或藉由熱壓所要輪廓進行之完全雷射分離。方法涉及利用超短脈衝雷射且之後可利用CO2雷射以產生熱應力(該熱應力有時與高壓氣流耦合)，以形成全自動分離。
1‧‧‧基板
1a‧‧‧平面
1b‧‧‧平面
2‧‧‧雷射光束
2a‧‧‧部分
2aR‧‧‧邊緣射線
2aZ‧‧‧中心光束
2b‧‧‧雷射光束焦線
2c‧‧‧延伸區段
3‧‧‧雷射
6‧‧‧光學總成
7‧‧‧雙凸透鏡
8‧‧‧圓形孔徑
9‧‧‧旋轉三稜鏡
10‧‧‧旋轉三稜鏡
11‧‧‧平凸透鏡
12‧‧‧準直透鏡
110‧‧‧斷層線
120‧‧‧缺陷線
130‧‧‧工件
140‧‧‧雷射光束
500‧‧‧猝發
500A‧‧‧脈衝
710‧‧‧雷射光束
720‧‧‧透明基板
730‧‧‧球形透鏡
740‧‧‧焦點
750‧‧‧旋轉三稜鏡透鏡
760‧‧‧圓柱
1162‧‧‧拉製塔
1164‧‧‧玻璃片
1165‧‧‧拉製運動
1166‧‧‧玻璃珠粒
1168‧‧‧刻痕線
1168'‧‧‧雷射切割線
1170‧‧‧刻痕片
1170'‧‧‧矩形片
1172‧‧‧廢玻璃
1200A‧‧‧製程
1200B‧‧‧替代方法
1671a‧‧‧爐
1671b‧‧‧爐
1671c‧‧‧爐
1674‧‧‧雷射光束
1676‧‧‧水平雷射光束平移
1680‧‧‧熱源
1682‧‧‧垂直平移
1771‧‧‧爐
1771a‧‧‧階段
1771b‧‧‧階段
1771c‧‧‧階段
br‧‧‧圓寬度
d‧‧‧錐度
dr‧‧‧圓直徑
f‧‧‧聚焦長度
f'‧‧‧聚焦長度
ps‧‧‧脈衝猝發
sp‧‧‧隔距
SR‧‧‧圓形輻射
Td‧‧‧脈衝持續時間
Tp‧‧‧時間間隔
Z1‧‧‧距離
Z1a‧‧‧距離
Z1b‧‧‧距離
Z2‧‧‧距離
前述內容將自對在隨附圖式中所圖示之示例性實施例之以下更特定描述顯而易見，在所述隨附圖式中，相同元件符號貫穿不同視圖代表相同部件。圖式不必按比例繪製，相反，重點放在圖示示例性實施例上。
第1A圖至第1C圖為具有改質玻璃之等距缺陷線或損傷痕跡的斷層線(或穿孔線)的圖式。
第2A圖及第2B圖為定位雷射光束焦線(亦即，處理歸因於沿焦線之誘發吸收而對雷射波長透明之材料)的圖式。
第3A圖為根據一個實施例用於雷射處理之光學總 成的圖式。
第3B-1圖至第3B-4圖為藉由相對於基板不同地定位雷射光束焦線來處理基板之各種方式的圖式。
第4圖為用於雷射處理之光學總成之第二實施例的圖式。
第5A圖及第5B圖為用於雷射處理之光學總成之第三實施例的圖式。
第6圖為用於雷射處理之光學總成之第四實施例的示意性圖式。
第7圖為用於雷射處理材料之不同雷射強度體系的圖式。第7A圖圖示未聚焦之雷射光束，第7B圖圖示具有球面透鏡之聚集雷射光束，且第7C圖圖示具有旋轉三稜鏡或繞射菲涅耳(Fresnel)透鏡之聚集雷射光束。
第8A圖示意性圖示在示例性脈衝猝發內之雷射脈衝對時間之相對強度，每一示例性脈衝猝發具有3個脈衝。
第8B圖示意性圖示在示例性脈衝猝發內雷射脈衝對時間之相對強度，每一示例性脈衝猝發含有5個脈衝。
第8C圖圖示0.024mm及0.134mm厚之薄膜電晶體(TFT)玻璃之直切帶的切割邊緣影像。
第9圖為0.600mm厚之Eagle XG®玻璃之直切帶的邊緣影像。
第10圖圖示原子電離能。
第11圖圖示使用機械或CO2雷射刻痕之用於連續熔融玻璃製造製程的現存玻璃切割方法。
第12A圖圖示在玻璃拉製機上對玻璃進行基於雷射的切割的方法，其中使用位準雷射切割自拉製機分離玻璃板或片。
第12B圖圖示在玻璃拉製機上對玻璃進行基於雷射的切割的方法，其中雷射用於切穿玻璃片之區域且自拉製機移除玻璃之高品質區段。
第13圖圖示藉由切割拉製機中較高之珠粒及水平切割拉製機中較低之片來在拉製機上對玻璃進行的基於雷射之切割。
第14圖圖示藉由水平切割以自拉製機移除玻璃，隨後分離縱切以移除玻璃邊緣珠粒而在拉製機上對玻璃進行基於雷射的切割。
第15圖圖示從拉製機基於雷射切割掉玻璃以自片移除邊角或廢棄玻璃。
第16圖圖示使用多級爐將玻璃片保持在接近退火點之溫度下來在拉製機上切割之基於雷射之製程。
第17圖圖示多級爐，該多級爐經配置以將所規定之溫度冷卻剖面賦予在拉製機上經切割之玻璃片。
對示例性實施例之描述如下。
本申請案提供用於精密切割及分離玻璃成分(諸如，鹼土鋁硼矽酸鹽玻璃成分玻璃，例如，諸如Eagle XG®、Corning LotusTM等之TFT(薄膜電晶體)玻璃成分)之製程，該等成分構成玻璃基板之成品部件。鹼土鋁硼矽酸鹽玻璃成 分可經調配以適於用作用於電子器件(諸如薄膜電晶體)之應用的基板。此情況意謂鹼土鋁硼矽酸鹽玻璃組成物玻璃成分通常具有與矽之熱膨脹係數類似之熱膨脹係數(CTE)(不大於5ppm/℃，較佳地小於4ppm/℃，例如，大約3ppm/℃或2.5-3.5ppm/℃)且在玻璃內具有較低位準之鹼金屬。較低位準之鹼土金屬或痕量(亦即，0至2%，較佳地<1重量%，例如<0.5重量%)對於在TFT應用中使用之玻璃較佳，因為在一些情況下，鹼性摻雜劑可自玻璃浸濾出來且污染矽製程，且該情況為非所欲的。雷射切割製程以具有可忽略碎片及最少缺陷及對邊緣之最低亞表面損傷的可控方式分離玻璃部件，從而保留該部件的強度。所開發雷射方法很好地適用於對所選雷射波長透明之材料。該波長可為(例如)1064奈米、532奈米、355奈米或266奈米。工件或TFT玻璃成分應較佳地對所選雷射波長實質上透明(亦即，每毫米材料深度之吸收少於約10%，且較佳地小於約1%)。已使用厚度範圍為0.025mm至0.7mm之Eagle XG®成分進行對本方法之說明。注意，倒角方法(在2013年12月17日申請之美國專利申請案第61/917,213號中加以描述，該美國專利申請案以引用之方式併入本文中)可在已藉由本文中所描述之方法自較大片分離或切出Corning Eagle XG®玻璃後經應用於該玻璃。
下文描述之製程基本步驟為形成垂直斷層線，該斷層線描繪所要成型物輪廓且建立用於裂紋傳播及因此用於成型物自其基板矩陣分離及拆卸的最小阻力之路徑。雷射分離方法可經調節及配置以使得玻璃成型物自原始基板的手動或 機械分離、部分分離或完全分離成為可能。
在第一步驟中，使用超短脈衝(脈衝寬度小於100psec)雷射光束(波長等於或小於1064mm)輻射待處理物體，該雷射光束經聚集成高縱橫比線焦點，該高縱橫比線焦點穿透基板之厚度。在此高能量密度容積內，經由非線性效應改質材料。重要的是，注意在沒有該高光學強度的情況下，不觸發非線性吸收。低於該強度臨限值，材料對雷射輻射是透明的且仍處於其初始狀態下。藉由沿所要線路或路徑掃掠雷射，形成窄缺陷線或等高線或路徑(幾微米寬)且界定在下一步驟中待分離之周邊或形狀。
雷射源可在實質上透明之材料(諸如，玻璃複合工件)中產生多光子吸收(multi-photon absorption；MPA)。MPA是為了將分子自一種狀態(通常為基態)激發至較高能量電子態(電離)的對具有相同或不同頻率之兩個或多個光子的同步吸收。分子之所涉及之較低與較高狀態之間的能量差等於兩個光子之能量之和。MPA(亦稱為誘發吸收)可為二階或三階製程(或更高階)，例如，比線性吸收弱若干數量級。MPA與線性吸收之區別在於：例如，二階誘發吸收之強度可與光強度之平方成比例，且因此MPA為非線性光學製程。
一旦以垂直缺陷或穿孔形成線條或等高線，則可經由以下各者發生分離：1)在穿孔斷層線上或周圍之手動或機械應力；該應力或壓力應產生將穿孔斷層線之兩個側拉開之張力且使仍接合在一起之區域斷裂；2)使用熱源在斷層線周圍產 生應力區以將垂直缺陷或穿孔斷層線置於張力下，從而誘發部分或完全分離。在兩種情況下，分離取決於若干製程參數，諸如，雷射掃掠速度、雷射功率、透鏡參數、脈衝寬度、重複率等。
該雷射切割製程利用超短脈衝雷射結合產生焦線之光學器件，以完全穿孔具有一系列玻璃成分之主體。在一些實施例中，各個脈衝之脈衝持續時間在大於約1皮秒且小於約100皮秒之間的範圍內，諸如，大於約5皮秒且小於約20皮秒；且各個脈衝之重複率可在約1kHz與4MHz之間的範圍內，諸如，在介於約10kHz與650kHz之間的範圍內。
除在上述各個脈衝重複率下之單一脈衝操作外，可能以具有兩個脈衝或多個脈衝(諸如，3個脈衝、4個脈衝、5個脈衝、10個脈衝、15個脈衝、20個脈衝或更多個脈衝)之猝發產生脈衝，該等兩個脈衝或多個脈衝間隔猝發內各個脈衝之間的持續時間，該持續時間在介於約1nsec與約50nsec之間的範圍內，例如，10nsec至30nsec，諸如約20nsec，且猝發重複頻率可在介於約1kHz與約200kHz之間的範圍內。(猝發或產生脈衝猝發為一種雷射操作，在該雷射操作中，脈衝發射不在均勻且穩定流中而是在脈衝之密集叢集中。)脈衝猝發雷射光束可具有經選擇以使得材料實質上在該波長下為透明的波長。在材料處量測之每猝發平均雷射功率可大於每毫米材料厚度40微焦，例如，介於40微焦/毫米與2500微焦/毫米之間或介於500微焦/毫米與2250微焦/毫米之間。例如，針對0.1mm至0.2mm厚之Corning Eagle XG® 玻璃，可使用200μJ之脈衝猝發來切割及分離玻璃，該情況提供1000至2000μJ/mm之示例性範圍。例如，針對0.5mm至0.7mm厚之Corning Eagle XG®玻璃，可使用400μJ至700μJ之脈衝猝發來切割及分離玻璃，該情況對應於570μJ/mm(400μJ/0.7mm)至1400μJ/mm(700μJ/0.5mm)之示例性範圍。
相對於雷射光束移動玻璃(或相對於玻璃平移雷射光束)以產生穿孔線，該等穿孔線勾畫任何所要部件之形狀。雷射產生穿透玻璃之整個深度之類孔缺陷區(或損傷痕跡或缺陷線)，其中內部開口之直徑為約1微米。該等穿孔、缺陷區域、損傷痕跡或缺陷線之間隔通常為1至15微米(例如，3至12微米或更佳地5至10微米)。
如本文中所界定，缺陷線之直徑或內徑為在玻璃或工件中的開放通道或氣孔之內徑。例如，在本文中所描述之一些實施例中，缺陷線之內徑為<500nm，例如≦400nm或≦300nm。此外，例如，缺陷線之內徑可與雷射光束焦線之光斑直徑一樣大。雷射光束焦線可具有在介於約0.1微米與約5微米之間的範圍中(例如1.5微米至3.5微米)之平均光斑直徑。例如，一旦沿斷層線或等高線分離工件或玻璃部件，潛在地仍可查看在經切割及分離表面上之缺陷線，且該等缺陷線具有與缺陷線之內徑相當之寬度。因此，在藉由本文中所描述之實施例方法製備之玻璃製品之經切割表面上之缺陷線之寬度可具有(例如)介於約0.1微米與約5微米之間的寬度。
除玻璃單片外，製程亦可用於切割玻璃堆疊且可使 用單一雷射道次完全貫穿高達數毫米總高之玻璃堆疊。玻璃堆疊另外可具有在各個位置的氣隙；雷射製程仍將在單一道次中完全貫穿該堆疊之上玻璃層及下玻璃層兩者。
一旦貫穿玻璃，若玻璃具有充足內部應力，則裂紋將沿穿孔線傳播且玻璃片將分離為所要部件。由於TFT玻璃成分為具有低熱膨脹係數(CTE<4ppm/℃)及低內部應力(例如，<10MPa，例如<5MPa以當用作顯示器時阻止失真或雙折射)之玻璃，故通常施加額外機械分離力以分離玻璃部件，例如，沿著或緊挨穿孔線之後續CO2雷射道次用於產生熱應力，該熱應力將沿相同預程式化穿孔線分離玻璃。
最終，歸因於在處理及運輸期間所需之高位準可靠性，圓形或倒角邊緣為用於TFT顯示玻璃片之典型要求。藉由該技術產生之切割狀態(as-cut)邊緣可提供所需高位準之可靠性。另外，當需要額外邊緣成型時，本文中所描述之雷射切割方法使得邊緣倒角成為可能，該邊緣倒角可另外增加邊緣可靠性(捱過應力事件及邊緣衝擊事件之能力)之位準。最終，可另外精拋光或觸摸拋光矩形切割狀態邊緣或倒角邊緣以更進一步改良邊緣強度、邊緣衝擊強度或整體邊緣可靠性。可在以下兩者中之任一者上達成玻璃切割：(a)在熔融玻璃製造線拉製機上(亦即，在線)，例如在該製造線之拉製機之底面上，或(b)離線，即不在拉伸機上，且隨後可進行邊緣倒角或拋光。
本申請案描述從透明基板精密切割及分離任意成型物之雷射方法及裝置，更具體而言係關於以具有可忽略碎片 及對部件邊緣之最小損傷的可控方式切割TFT玻璃成分，諸如Eagle XG®、Corning LotusTM等，該方式保留邊緣強度、邊緣衝擊強度且使得高位準之玻璃邊緣可靠性成為可能。所開發之雷射方法依賴於材料對線性體系中之雷射波長之透明度或低雷射強度(該低雷射強度允許維持潔淨原始表面品質)且依賴於由雷射焦點周圍之高強度區域產生之降低亞表面損傷。該製程之關鍵成功因素中之一者為由超短脈衝雷射形成之高縱橫比之缺陷或缺陷線。該缺陷或缺陷線允許形成自待切割材料之頂面延伸至底面之斷層線。原則上，可由單一脈衝形成該缺陷或若需要，額外脈衝可用於增加受影響區域之延伸(深度及寬度)。
雷射光束焦線可具有在約0.1mm與約10mm之間或約0.5mm與約5mm之間的範圍內(諸如，約1mm、約2mm、約3mm、約4mm、約5mm、約6mm、約7mm、約8mm或約9mm)之長度或在約0.1mm與約1mm之間的範圍內之長度及在約0.1微米與約5微米之間的範圍內之平均光斑直徑。孔或缺陷線可各自具有約0.1微米與10微米之間(例如，0.25微米至5微米(例如，0.2微米至0.75微米))之直徑。
可藉由發送高斯(Gaussian)雷射光束至旋轉三稜鏡透鏡來執行線焦點之產生，在該情況下形成已知為高斯-貝色(Gauss-Bessel)光束之光束剖面。該光束繞射比高斯光束慢得多(例如，可維持數百微米或毫米而不是數十微米或更小範圍內之單一微米光斑大小)。因此，焦點之深度或與材料 之劇烈相互作用之長度可比僅使用高斯光束時大得多。亦可使用其他形式或緩慢繞射或非繞射光束，諸如Airy光束。
如第1A圖至第1C圖中所圖示，用於切割及分離透明材料(及更具體而言TFT玻璃成分)之方法基本上基於使用超短脈衝雷射140在待處理材料或工件130中形成由複數個垂直缺陷線120形成之斷層線110。缺陷線120延伸(例如)穿過玻璃片之厚度且與玻璃片之主(平坦)表面垂直。「斷層線」在本文中亦經稱為「等高線」。儘管斷層線或等高線可為線性的，如在第1A圖中所圖示之斷層線110，但斷層線或等高線亦可為非線性的，具有彎曲度。例如，可藉由在兩個維度而不是一個維度上使工件130或雷射光束140相對於彼此平移來產生彎曲斷層線或等高線。視選擇用於處理材料130之材料性質(吸收、CTE、應力、成分等)及雷射參數而定，僅斷層線110之產生可能足以誘發自分離。在該情況下，無需二次分離製程(諸如，例如藉由CO2雷射產生之張力/彎曲力或熱應力)。如第1A圖中所圖示，複數個缺陷線可界定等高線。藉由等高線界定具有缺陷線之經分離邊緣或表面。形成缺陷線之誘發吸收可在經分離邊緣或表面上產生平均直徑小於3微米之顆粒，從而導致非常潔淨之切割製程。
在一些情況下，所形成之斷層線不足以自發分離材料且二次步驟可能為必要的。儘管經穿孔玻璃可經置放在腔室(諸如，烘箱)中以整體加熱或冷卻玻璃部件，以產生熱應力來沿缺陷線分離部件，該製程可能緩慢且可需要大烘箱或腔室以容納許多物品或大件或經穿孔玻璃。若需要，例如， 第二雷射可用於產生熱應力以分離部件。在TFT玻璃成分之情況下，可在形成斷層線後藉由施加機械力或藉由使用熱源(例如，紅外雷射，例如CO2雷射)來產生熱應力及迫使材料分離而達成分離。另一選項為使CO2雷射僅開始分離且隨後手動完成分離。例如使用在10.6微米下發射之散焦連續波(cw)雷射及使用藉由控制該雷射之工作循環來調節之功率來達成可選CO2雷射分離。焦點變化(亦即，散焦及包括聚焦光斑大小的程度)用於藉由改變光斑大小來改變誘發熱應力。散焦雷射光束包括以下雷射光束：產生大於近似於雷射波長之大小之最小繞射限制光斑大小之光斑大小。例如，1mm至20mm(例如，1mm至12mm、3mm至8mm或約7mm、2mm及20mm)之CO2雷射光斑大小可用於CO2雷射，例如CO2 10.6μm波長雷射。例如，亦可使用其他雷射(該等雷射之發射波長亦由玻璃吸收)，諸如，具有在9微米至11微米範圍內發射之波長的雷射。在該等情況下，可使用具有介於100瓦特與400瓦特之間的功率位準之CO2雷射，且可能以50mm/sec至500mm/sec之速度沿著或鄰近缺陷線掃掠光束，此舉產生充足熱應力以誘發分離。在特定範圍內選擇之精確功率位準、光斑大小及掃掠速度可視材料使用、材料厚度、熱膨脹係數(CTE)及彈性模數而定，因為所有此等因素影響藉由特定比率之能量沉積在給定空間位置上賦予之熱應力之量。若光斑大小過小(亦即，<1mm)，或CO2雷射功率過高(>400W)，或掃掠速度過低(低於10mm/sec)，則玻璃可經過度加熱，從而在玻璃中產生消融，熔融或熱生成 之裂紋，因為該等情況將降低經分離部件之邊緣強度，故該等情況為非所欲的。較佳地，CO2雷射光束掃掠速度為>50mm/sec以誘發有效且可靠之部件分離。然而，若藉由CO2雷射產生之光斑大小過大(>20mm)，或雷射功率過低(<10W或在一些情況下<30W)，或掃掠速度過高(>500mm/sec)，發生非充分加熱，該非充分加熱導致過低熱應力以誘發可靠部件分離。
例如，在一些實施例中，可使用200瓦特之CO2雷射功率以誘發針對0.7mm厚之Corning Eagle XG®玻璃之部件分離，其中玻璃表面上之光斑直徑為約6mm及掃掠速度為250mm/sec，已使用上述皮秒雷射將該Corning Eagle XG®玻璃穿孔。例如，較厚Corning Eagle XG®玻璃基板可能比較薄Eagle XG®基板每單位時間需要更多CO2雷射熱量來分離，或具有較低CTE之玻璃可能比具有較低CTE之玻璃需要更多分離CO2雷射熱量。CO2光斑經過給定位置後，很快(小於1秒，例如，100毫秒之內、50毫秒之內或25毫秒之內)將發生沿穿孔線之分離。
例如，在一些實施例中，沿斷層線110之方向相鄰缺陷線120之間的距離或間發性可大於0.1微米且小於或等於約20微米。例如，在一些實施例中，相鄰缺陷線120之間的間發性可介於0.5微米與15微米之間，或介於3微米與10微米之間或介於0.5微米與3.0微米之間。例如，在一些實施例中，相鄰缺陷線120之間的間發性可介於0.5微米與1.0微米之間。
存在形成缺陷線之若干方法。形成線焦點之光學方法可採取多種形式，使用環形雷射光束及球形透鏡、旋轉三稜鏡透鏡、繞射元件或形成高強度線性區域之其他方法。亦可改變雷射之類型(皮秒、飛秒等)及波長之類型(IR、綠色、UV等)，只要達到足夠光學強度以經由非線性光學效應在產生基板材料或玻璃工件之分解之焦點區域中產生基板材料之分解。較佳地，雷射為脈衝猝發雷射，該脈衝猝發雷射允許藉由調整給定猝發內之脈衝數目來控制隨著時間之能量沉積。
在本申請案中，超短脈衝雷射用於以一致、可控且可重複之方式形成高縱橫比垂直缺陷線。在下文及在2013年1月15日申請之美國申請案第61/752,489中描述使得該垂直缺陷線之形成成為可能之光學設備之細節，該美國申請案之全部內容以引用之方式併入，就如同詳細描述了一般。該概念之實質為使用光學器件在透明部件中形成高強度雷射光束之線焦點。該概念之一個版本為在光學透鏡總成中使用旋轉三稜鏡透鏡元件以使用超短(皮秒或飛秒持續時間)貝色光束形成高縱橫比無縮小變化微通道區域。換言之，旋轉三稜鏡將雷射光束聚集至具有圓柱形狀及高縱橫比(大長度及小直徑)之高強度區域中。歸因於由經聚集雷射光束產生之高強度，發生了雷射及基板材料之電磁場之非線性相互作用，且雷射能量經傳遞至基板以影響變成斷層線之組成部分之缺陷的形成。然而，重要的是認識到，在雷射能量強度不高的材料區域(例如，圍繞中心聚合線之基板之玻璃體積)中， 材料對於雷射是透明的，且不存在用於將能量自雷射傳遞至材料之機制。因此，當雷射強度低於非線性臨限值時，玻璃或工件無任何變化。
轉向第2A圖及第2B圖，用於雷射處理材料之方法包括將脈衝雷射光束2聚焦至沿光束傳播方向定向之雷射光束焦線2b。如在第3A圖中所圖示，雷射3(未圖示)發射雷射光束2，該雷射光束具有入射至光學總成6之部分2a。光學總成6沿光束方向(焦線之長度l)在界定延伸範圍內在輸出側將入射雷射光束變成延伸雷射光束焦線2b。平面基板1經定位在光束路徑中以至少部分地與雷射光束2之雷射光束焦線2b重疊。該雷射光束焦線因此經導向至基板。元件符號1a代表分別面向光學總成6或雷射之平面基板之表面，且元件符號1b代表基板1之相反表面。基板或工件厚度(在該實施例中，垂直於平面1a及平面1b(亦即，垂直於基板平面)進行量測)具有標記為d之維度。例如，基板或工件亦可稱為材料且可為對雷射光束2之波長實質上透明的玻璃製品。
如第2A圖所圖示，基板1(或玻璃複合工件)垂直於縱向光束軸線且因此在藉由光學總成6產生之相同焦線2b之後對準(基板垂直於圖式之平面)。沿光束方向定向或對準焦線，以以下方式相對於焦線2b定位基板：焦線2b在基板之表面1a前開始且在基板之表面1b前結束，亦即，焦線2b仍在基板內終止且不延伸超出表面1b。在雷射光束焦線2b與基板1之重疊區域中，亦即，在藉由焦線2b覆蓋之基板材料中，延伸雷射光束焦線2b產生(假定沿雷射光束焦線2b 之適合雷射強度，藉由將雷射光束2聚焦在長度l之一區段(亦即，長度l之線焦)上來確保該強度)延伸區段2c(沿縱向光束方向對準)，沿該延伸區段在基板材料中產生誘發吸收。誘發吸收沿區段2c在基板材料中產生缺陷線形成。缺陷線為藉由使用具有多個雷射脈衝之單一高能量猝發產生的在實質上透明材料、基板或工件中的微型(例如，直徑>100nm且<0.5微米)細長「孔」(亦稱為穿孔或缺陷線)。例如，可能以數百千赫(每秒數十萬次穿孔)之速率產生個別穿孔。使用源與材料之間的相對運動，此等穿孔可經置放為彼此相鄰(如所需自次微米變化成許多微米之空間間隔)。該空間間隔(間距)可經選擇以促進材料或工件之分離。在一些實施例中，缺陷線為「通孔」，該通孔為自實質上透明材料之頂部延伸至底部之孔或開放通道。缺陷線形成不僅是局部的而是在誘發吸收之延伸區段2c之整個長度上。區段2c之長度(該長度對應於與基板1重疊之雷射光束焦線2b之長度)用元件符號L標記。誘發吸收區段2c(或經歷缺陷線形成之基板1之材料中之區段)之平均直徑或範圍用元件符號D標記。平均範圍D基本上對應於雷射光束焦線2b之平均直徑δ，亦即，在約0.1微米與約5微米之間的範圍內之平均光斑直徑。
如第2A圖所圖示，歸因於沿焦線2b之誘發吸收，基板材料(該材料對雷射光束2之波長λ透明)經加熱，該誘發吸收起因於與焦線2b內之雷射光束之高強度相關聯的非線性效應。第2B圖圖示經加熱基板材料將最終膨脹以使得對應之誘發張力引起微裂紋形成，其中該張力為表面1a上之最 高張力。
雷射源之選擇基於在透明材料中產生多光子吸收(MPA)之能力來斷定。MPA是為了將分子自一種狀態(通常為基態)激發至較高能量電子態(電離)的對具有相同或不同頻率之兩個或多個光子的同步吸收。分子之所涉及之較低與較高狀態之間的能量差可等於兩個光子之能量之和。MPA(亦稱為誘發吸收)可為二階或三階製程或更高階製程，例如，比線性吸收弱若干數量級之製程。MPA與線性吸收之區別在於：誘發吸收之強度可與光強度之平方或立方(或更高冪次)成比例，例如，而不與光強度自身成比例。因此，MPA為非線性光學製程。
下文描述代表性光學總成6(該光學總成可應用於產生焦線2b)以及代表性光學設備(該等光學總成可應用在該光學設備中)。所有總成或設備基於上文之描述以使得相同元件符號用於相同組件或特徵結構或等同於該等組件或特徵結構的功能之彼等組件或特徵。因此，下文僅描述差異。
為確保經分離部件之表面(沿該表面發生分離)之高品質(關於斷裂強度、幾何精度、粗糙度及再加工要求之避免)，應使用下文描述之光學總成(在下文中，該光學總成亦可替代地稱為雷射光學器件)產生沿分離線定位在基板表面上之個別焦線。經分離表面(或經切割邊緣)之粗糙度尤其起因於焦線之光斑大小或光斑直徑。經分離(切割)表面之粗糙度(例如，該粗糙度可為0.25微米至1微米)可能(例如)以Ra表面粗糙度統計數值(採樣表面之高度之絕對 值之粗糙度算數平均數，該該等高度包括起因於焦線之光斑直徑之凸塊之高度)為特徵。為達成(例如)0.5微米至2微米之較小光斑大小，在雷射3(與基板1之材料相互作用)之給定波長λ之情況下，通常必須對雷射光學器件6之數值孔徑強加某些要求。藉由下文描述之雷射光學器件6滿足此等要求。
為達成所需數值孔徑，一方面，根據已知Abbé公式(N.A.=n sin(θ)，n為待處理玻璃或複合工件之折射率，θ為孔徑角之一半且θ=反正切(D/2f)；D為孔徑，f為聚焦長度)，光學器件必須針對給定聚焦長度處理所需開口。另一方面，雷射光束必須照射光學器件直至達到所需孔徑，通常藉助於使用雷射與聚焦光學器件之間的擴寬望遠鏡之光束擴寬達成此舉。
出於沿焦線均勻相互作用之目的，光斑大小不應變化過大。例如，可藉由僅在較小圓形區域中照射聚焦光學器件來確保此情況(參見下文實施例)以使得光束開口及(因此)數值孔徑之百分數僅輕微變化。
根據第3A圖(與在雷射輻射2之雷射光束組中之中心光束之水平面處的基板平面垂直之區段；此處亦指，雷射光束2垂直入射至基板平面，亦即，焦線之入射角為約0°，以使得焦線2b或誘發吸收之延伸區段2c與基板法線平行)，由雷射3發射之雷射輻射2a首先經導向至圓形孔徑8，該圓形孔徑對於使用之雷射輻射完全不透明。孔徑8經定向為垂直縱向光束軸線且以所圖示之光束組2a之中心光束為中心。 以如下方式選擇孔徑8之直徑：接近光束組2a之中心或中心光束(此處經標記為2aZ)之光束組撞擊孔徑且完全由該孔徑吸收。僅光束組2a之外周邊範圍內之光束(邊緣射線，此處經標記為2aR)歸因於與光束直徑相比減小之孔徑大小而未經吸收，但橫向穿過孔徑8且撞擊光學總成6之聚焦光學元件之邊緣區域，在該實施例中，該光學總成經設計為球形切割之雙凸透鏡7。
如第3A圖中所圖示，雷射光束焦線2b不僅為雷射光束之單一焦點而且為雷射光束中不同射線之一系列焦點。該系列焦點形成界定長度之細長焦線，該界定長度在第3A圖中圖示為雷射光束焦線2b之長度l。透鏡7以中心光束為中心且經設計為呈普通球形切割透鏡形式之非校正雙凸聚焦透鏡。此透鏡之球面像差可為有利的。作為替代，亦可使用與理想校正系統有偏差之非球形或多透鏡系統(亦即，不具有單一焦點之透鏡或系統)，該非球形或多透鏡系統不形成理想焦點但形成界定長度之獨特細長焦線。透鏡之區域因此沿焦線2b聚焦，受制於與透鏡中心之距離。孔徑8橫穿光束方向之直徑為光束組之直徑之約90%(由光束之強度降低至峰值強度之1/e所需之距離界定)及光學總成6之透鏡之直徑之約75%。因此使用藉由遮擋中心之光束組產生之非像差校正球形透鏡7之焦線2b。第3A圖圖示在穿過中心光束的一個平面中的區段，且當所圖示光束圍繞焦線2b旋轉時可見完整三維光束組。
此類焦線之一個潛在缺點為條件(光斑大小、雷射 強度)可隨焦線(且因此隨材料中所要深度)變化且因此該所要類型之相互作用(直至裂紋形成無熔融、誘發吸收、熱塑變形)可能僅發生在焦線之經選擇部分中。此情況又意謂可能由基板材料以所要方式吸收僅部分入射雷射光。以此方式，製程之效率(針對所要分離速度之所需平均雷射功率)可能受損，且雷射光亦可傳輸至非所欲區域(黏著至基板或基板固持夾具之部件或層)並以非所欲方式(例如，加熱、漫射、吸收、非所欲改質)與該等區域相互作用。
第3B-1圖至第3B-4圖圖示(不僅針對第3A圖中之光學總成，而且基本上亦針對任何其他適用光學總成6)：可藉由相對於基板1適當定位及/或對準光學總成6以及藉由適當選擇光學總成6之參數來控制雷射光束焦線2b之位置。如第3B-1圖圖示，可能以以下方式調整焦線2b之長度l：該長度超過基板厚度d(此處為超出2倍)。若基板1經居中置放(在縱向光束方向上查看)在焦線2b上，則在整個基板厚度上產生誘發吸收之延伸區段2c。雷射光束焦線2b可具有(例如)在約0.01mm與約100mm之間的範圍內或約0.1mm與約10mm之間的範圍內之長度。各種實施例可經配置以具有(例如)約0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm至5mm，例如0.5mm、0.7mm、1mm、2mm、3mm、4mm或5mm之長度l。
在第3B-2圖中所圖示之情況下，或多或少對應於基板厚度d產生長度l之焦線2b。由於以以下方式相對於線2b定位基板1：線2b開始於基板外部之一點，誘發吸收之延伸 區段2c(該延伸區段在此處自基板表面延伸至經界定之基板深度，但不延伸至相反表面1b)之長度L小於焦線2b之長度l。第3B-3圖圖示以下情況：基板1(沿垂直於光束方向之方向查看)經定位在焦線2b之起點之上，以使得，如在第3B-2圖中，線2b之長度l大於基板1中誘發吸收之區段2c之長度L。焦線因此開始於基板中且延伸至超出相反表面1b。第3B-4圖圖示以下情況：焦線長度l小於基板厚度d，以使得在入射方向查看基板，相對於焦線居中定位之情況下，焦線開始於基板內接近表面1a處且結束於基板內接近表面1b處(例如，l=0.75*d)。
尤其有利的是以以下方式定位焦線2b：由焦線覆蓋表面1a、表面1b中之至少一者，以使得誘發吸收區段2c至少開始於基板之一個表面上。以此方式，有可能達成幾乎理想的切割，同時避免表面處之消融、毛化及顆粒化。
第4圖圖示另一適用光學總成6。基本構造遵循在第3A圖中所描述之構造，因此下文僅描述差異。所圖示之光學總成基於具有非球形自由表面之光學器件之使用以便產生焦線2b，以形成經界定長度l之焦線之方式成型該焦線2b。出於此目的，非球體可用作光學總成6之光學元件。在第4圖中，例如，使用所謂之錐形稜鏡(通常亦稱為旋轉三稜鏡)。旋轉三稜鏡為球形圓錐切割透鏡，該透鏡在沿光學軸線之線上形成光斑源(或將雷射光束轉換為環)。該旋轉三稜鏡之佈局大體上為熟習此項技術者所熟知；實例中之圓錐角為10°。亦可利用其他範圍之旋轉三稜鏡圓錐角。此處使用元件 符號9標記之旋轉三稜鏡之頂點指向入射方向且以光束中心為中心。由於藉由旋轉三稜鏡9產生之焦線2b開始於旋轉三稜鏡內部中，基板1(此處垂直對準主光束軸線)可經定位在旋轉三稜鏡9正後方光束路徑中。如第4圖圖示，亦可能歸因於旋轉三稜鏡之光學特性，在保持在焦線2b之範圍內之情況下沿光束方向偏移基板1。基板1之材料中之誘發吸收區段2c因此延伸整個基板深度d。
然而，所圖示之佈局受以下限制：由於由旋轉三稜鏡9形成之焦線2b之區域開始於旋轉三稜鏡9內，在旋轉三稜鏡9與基板或玻璃複合工件材料之間存在間隔之情況下，雷射能量之顯著部分不聚焦在焦線2b之誘發吸收區段2c中，該區段位於材料中。此外，焦線2b之長度l經由旋轉三稜鏡9之折射率及圓錐角與光束直徑相關。此情況為以下情況之原因：在材料相對薄(數毫米)之情況下，整個焦線遠遠長於基板或玻璃複合工件之厚度，從而具有多數雷射能量不聚焦到材料中之效應。
出於此原因，可能需要使用包括旋轉三稜鏡及聚焦透鏡兩者之光學總成6。第5A圖圖示如下光學總成6，其中經設計以形成延伸雷射光束焦線2b之具有非球形自由表面之第一光學元件經定位在雷射3之光束路徑中。在第5A圖中所圖示之情況中，第一光學元件為圓錐角為5°之旋轉三稜鏡10，該旋轉三稜鏡垂直於光束方向定位且以雷射光束3為中心。旋轉三稜鏡之頂點朝向光束方向定向。第二聚焦光學元件(此處為平凸透鏡11(該平凸透鏡之彎曲朝向旋轉三稜鏡 定向))定位在光束方向上與旋轉三稜鏡10距離z1處。以以下方式選擇距離z1(在此情況下大約為300mm)：由旋轉三稜鏡10形成之雷射輻射以圓形方式入射至透鏡11之外徑向部分。透鏡11將輸出側上之圓形輻射以距離z2(在此情況下距透鏡11約20mm)聚焦在具有經界定長度(在此情況下，該長度為1.5mm)之焦線2b上。在此實施例中，透鏡11之有效聚焦長度為25mm。使用元件符號SR標記藉由旋轉三稜鏡10對雷射光束之圓形轉換。
第5B圖詳細圖示根據第5A圖之基板1之材料中的焦線2b或誘發吸收2c之形成。以以下方式選擇元件10、元件11兩者之光學特性以及該等元件之定位：焦線2b在光束方向上之長度l與基板1之厚度d完全相同。因此，需要基板1沿光束方向之精確定位以便將焦線2b精確定位在基板1之兩個表面1a與1b之間，如第5B圖所圖示。
因此有利的是，焦線經形成為距雷射光學器件一定距離，且雷射輻射之較大部分經聚焦至焦線之所要端部。如所述，可藉由僅以圓形(環形)方式在特定外徑向區域上照射主要聚焦元件11(透鏡)來達成此情況，此舉一方面用於實現所需數值孔徑及因此實現所需光斑大小，然而另一方面，在於光斑(如基本上圓形之光斑)之中心形成距離非常短之所需焦線2b後，散射圈之強度減小。以此方式，在所需基板深度中短距離內停止缺陷線形成。旋轉三稜鏡10及聚焦透鏡11之組合符合該要求。旋轉三稜鏡以兩種不同方式起作用：歸因於旋轉三稜鏡10，通常圓形之雷射光斑以環之形式 經發送至聚焦透鏡11，且旋轉三稜鏡10之非球面性具有以下效應：焦線經形成超出透鏡之聚焦平面而不是聚焦平面中之焦點。可經由旋轉三稜鏡上之光束直徑調整焦線2b之長度l。另一方面，可經由距離z1旋轉三稜鏡透鏡及經由旋轉三稜鏡之圓錐角調整沿焦線之數值孔徑。以此方式，全部雷射能量可經集中在焦線上。
若缺陷線形成意在繼續至基板之背側圓形(環形)照射仍然具有以下優點：(1)雷射功率最佳地以多數雷射光保持集中在焦線之所需長度中之意義使用；及(2)歸因於以圓形方式照射之區域連同藉助於其他光學功能設置的所要像差，有可能達成沿焦線之均勻光斑大小，且因此達成部件沿焦線自基板之均勻分離。
代替第5A圖中所圖示之平凸透鏡，亦可能使用聚焦彎月形透鏡或另一較好校正之聚焦透鏡(非球面、多透鏡系統)。
為使用旋轉三稜鏡及第5A圖中所圖示之透鏡之組合產生非常短之焦線2b，將需要選擇入射至旋轉三稜鏡上之雷射光束之非常小之光束直徑。此舉具有以下實際缺點：將光束集中在旋轉三稜鏡之頂點必須非常精確且結果對雷射之方向變化(光束漂移穩定性)非常敏感。此外，嚴密準直之雷射光束非常分散，亦即，歸因於光偏轉，光束組在短距離內變得模糊。
如第6圖中所圖示，可藉由在光學總成6中包括另一透鏡(準直透鏡12)來避免兩種效應。額外正透鏡12用於 非常嚴密地調整聚焦透鏡11之圓形照射。以以下方式選擇準直透鏡12之聚焦長度f'：所要圓直徑dr起因於旋轉三稜鏡至準直透鏡12之距離z1，該距離z1等於f'。可經由距離z1b(準直透鏡12至聚焦透鏡11)調整環之所要寬度br。就純幾何而言，圓形照射之小寬度引起短焦線。可達成距離f'之最小值。
在第6圖中所圖示之光學總成6因此基於在第5A圖中所圖示之該光學總成，因此下文僅描述差異。準直透鏡12(此處亦經設計為平凸透鏡(其彎曲朝向光束方向))經另外居中置放在一側上的旋轉三稜鏡10(該旋轉三稜鏡之頂點朝向光束方向)與另一側上的平凸透鏡11之間的光束路徑中。準直透鏡12與旋轉三稜鏡10之距離被稱為z1a，聚焦透鏡11與準直透鏡12之距離被稱為z1b，且聚焦線2b與聚焦透鏡11之距離被稱為z2(總是在光束方向上查看)。如第6圖中所圖示，針對在聚焦透鏡11上之至少大體恆定之圓直徑dr，由旋轉三稜鏡10形成之圓形輻射SR(該圓形輻射分散入射且在準直透鏡12上之圓形直徑dr內)經調整至沿距離z1b之所需圓寬度br。在所圖示之情況下，歸因於透鏡12之聚焦性質，意欲產生非常短之焦線2b以使得在透鏡12上約4mm之圓寬度br減少至在透鏡11上約0.5mm(在實例中，圓直徑dr為22mm)。
在所圖示實例中，使用2mm之典型雷射光束直徑具有25mm之聚焦長度f之聚焦透鏡11、具有150mm之聚焦長度f'之準直透鏡且選擇140mm之距離Z1a及距離Z1b以 及15mm之距離Z2達成小於0.5mm之焦線長度l。
第7A圖至第7C圖圖示在不同雷射強度體系下之雷射物質相互作用。在第7A圖中所圖示之第一種情況下，非聚焦雷射光束710在不引入任何改質至基板之情況下穿過透明基板720。在該特定情況下，不呈現非線性效應，因為雷射能量密度(或藉由光束照射之每單位區域雷射能量)低於誘發非線性效應所需之臨限值。能量密度越高，電磁場之強度越高。因此，如第7B圖中所圖示，當藉由球形透鏡730將雷射光束聚焦至較小光斑大小時，如第7B圖中所圖示，經照射區域減小且能量強度增加，從而觸發非線性效應，該非線性效應將改質材料以僅在滿足彼條件之體積下允許斷層線之形成。以此方式，若聚焦雷射之光束腰定位在基板之表面上，則將發生表面改質。相反，若聚焦雷射之光束腰定位在基板之表面下，則當能量密度低於非線性光學效應之臨限值時，表面無任何變化。但在定位於基板720之主體中之焦點740處，雷射強度足夠高以觸發多光子非線性效應，因此誘發對材料之損傷。最終，如第7C圖中所圖示，在旋轉三稜鏡之情況下，如第7C圖中所圖示，旋轉三稜鏡透鏡750或替代地菲涅爾旋轉三稜鏡之繞射模式產生干擾，該干擾產生貝色狀強度分佈(具有高強度之圓柱760)且僅在彼體積下，強度足夠高以產生對材料720之非線性吸收及改質。圓柱760之直徑(其中，貝色狀強度分佈足夠高以產生對材料之非線性吸收及改質)亦為雷射光束焦線之光斑直徑(如本文中所稱)。貝色光束之光斑直徑D可表達為D=(2.4048λ)/(2πB)，其中λ 為雷射光束波長且B為旋轉三稜鏡角之函數。雷射及光學系統
出於切割一些鹼土鋁硼矽酸鹽玻璃成分之目的，結合線焦光束成形光學器件產生多個脈衝之猝發的皮秒脈衝雷射(例如，1064nm或532nm皮秒脈衝雷射)可用於在玻璃成分中產生損傷線(缺陷線)。具有達0.7mm厚度之玻璃成分經定位以使得該成分在藉由光學器件產生之焦線之區域內。使用長度為約1mm之焦線及以200kHz之猝發重複率(約120微焦/猝發)產生約24W或更多(在玻璃成分處量測)輸出功率之1064nm皮秒雷射，焦線區域中之光學強度足夠高以在玻璃成分中產生非線性吸收。脈衝雷射光束可具有在材料處量測之每毫米材料厚度大於40微焦之平均雷射猝發能量。使用之平均雷射猝發能量可高達每毫米材料厚度2500μJ，例如，40μJ/mm至2500μJ/mm，較佳地500μJ/mm至2250μJ/mm及更佳地550μJ/mm至2100μJ/mm，因為能量密度足夠強以使深入損傷痕跡穿過玻璃，同時最小化與經穿孔線或經切割邊緣正交之微裂紋之程度。在一些示例性實施例中，雷射猝發能量為40μJ/mm至1000μJ/mm。此每毫米之「平均脈衝猝發雷射能量」亦稱為平均每猝發線性能量密度或每毫米材料厚度每雷射脈衝猝發之平均能量。大致在由雷射光束焦線產生高光學強度線性區域後在玻璃成分內產生損傷、消融、汽化或以其他方式改質之材料區域。
注意，本文中所描述之此皮秒雷射之典型操作產生具有脈衝500A之「猝發」500。(例如，參見第8A圖及第 8B圖)。每一「猝發」(本文中亦稱為「脈衝猝發」500)含有非常短持續時間之多個個別脈衝500A(諸如至少2個脈衝、至少3個脈衝、至少4個脈衝、至少5個脈衝、至少10個脈衝、至少15個脈衝、至少20個脈衝或更多)。亦即，脈衝猝發為脈衝之「袋(pocket)」，且該等脈衝彼此間隔比每一脈衝內之個別相鄰脈衝之間隔更長的持續時間。脈衝500A具有達100psec(例如，0.1psec、5psec、10psec、15psec、18psec、20psec、22psec、25psec、30psec、50psec、75psec或該等數值之間)之脈衝持續時間Td。在猝發內每一個別脈衝500A之能量或強度可不等於猝發內其他脈衝之能量或強度，且猝發500內多個脈衝之強度分佈通常遵循由雷射設計決定之時間指數衰變。較佳地，本文中所描述之示例性實施例之猝發500內之每一脈衝500A與猝發中之後續脈衝在時間上間隔1nsec至50nsec(例如，10nsec至50nsec或10nsec至30nsec，該時間通常由雷射腔設計覺得)之持續時間Tp。對於給定雷射，在猝發500內之相鄰脈衝之間的時間間隔Tp(脈衝間間隔)相對均勻(+/-10%)。例如，在一些實施例中，猝發內之每一脈衝與後續脈衝在時間上間隔約20nsec(50MHz)。例如，對於產生約20nsec之脈衝間隔Tp之雷射，猝發內之脈衝間間隔Tp經維持在約+/-10%或約+/-2nsec內。每一「猝發」脈衝之間的時間(亦即，猝發之間的時間間隔Tb)將長得多(例如，0.25≦Tb≦1000微秒，例如，1微秒至10微秒或3微秒至8微秒)。在本文中所描述之雷射之一些示例性實施例中，具有約200kHz之猝發重複率或 頻率之雷射的時間間隔Tb為約5微秒。雷射猝發重複率與猝發中之第一脈衝與後續猝發中之第一脈衝之間的時間Tb相關(雷射猝發重複率=1/Tb)。在一些實施例中，雷射猝發重複頻率可能在約1kHz與約4MHz之間的範圍內。更佳地，雷射猝發重複率可為(例如)在10kHz與650kHz之間的範圍內。每一猝發中之第一脈衝與後續猝發中之第一脈衝之間的時間Tb可為0.25微秒(4MHz猝發重複率)至1000微秒(1kHz猝發重複率)，例如，0.5微秒(2MHz猝發重複率)至40微秒(25kHz猝發重複率)或2微秒(500kHz猝發重複率)至20微秒(50kHz猝發重複率)。精確定時、脈衝持續時間及猝發重複率可視雷射設計而不同，但已展示高強度之短脈衝(Td<20psec及較佳地Td≦15psec)作用尤其有效。
可能就猝發能量(該能量含在猝發內(每猝發500含有一系列脈衝500A)或就含在單一雷射脈衝(許多雷射脈衝可組成猝發)內之能量描述改質材料所需之能量。針對此等應用，每猝發能量可為25μJ至750μJ，更佳地50μJ至500μJ或50μJ至250μJ。在一些實施例中，每猝發能量為100μJ至250μJ。脈衝猝發內之個別脈衝之能量將更小，且精確之個別雷射脈衝能量將視脈衝猝發500內之脈衝500A之數目及第8A圖及第8B圖中所示之雷射脈衝隨時間之衰變率(例如，指數衰變率)而定。例如，針對恆定能量/猝發，若脈衝猝發含有10個個別雷射脈衝500A，則每一個別雷射脈衝500A將含有比同一脈衝猝發500僅具有2個個別雷射脈衝之情況下更低之能量。
使用能產生此類脈衝猝發之雷射有利於切割或改質透明材料，例如玻璃。與使用在時間上以單一脈衝雷射之重複率間隔開的單一脈衝相比，使用在猝發500內一連串脈衝上擴散雷射能量之脈衝猝發順序允許獲得比與單一脈衝雷射之高強度相互作用可能的時間尺度(timescale)更大的與材料之高強度相互作用之時間尺度。雖然單一脈衝在時間上可擴展，但在此過程中，脈衝內之強度必須大致下降為超過脈衝寬度。因此，若10psec之單一脈衝經擴展至10nsec之脈衝，強度將大致下降三個數量級。該下降可將光學強度降低至非線性吸收不再顯著且光材料相互作用不再足夠強大以允許切割之程度。相反，使用脈衝猝發雷射，猝發500內每一脈衝500A期間之強度可保持非常高，例如，在時間上間隔開大約10nsec之三個10psec脈衝500A仍允許每一脈衝內之強度比單一10psec脈衝之強度高大約三倍，同時允許雷射在現已增大三倍數量級之時間尺度內與材料相互作用。猝發內多個脈衝500A之此調整因此允許以以下方式操控雷射材料相互作用之時間尺度：該方式可促進與已有電漿羽之或多或少之光相互作用、與已由初始或先前雷射脈衝激發之原子及分子之或多或少之光材料相互作用及材料內可促進微裂紋之受控生長之或多或少之加熱效應。用於改質材料所需之猝發能量之量將視基板材料成分及用於與基板相互作用之線焦點之長度而定。相互作用區域越長，傳播之能量越多且將需要更高猝發能量。精確定時、脈衝持續時間及猝發重複率可視雷射設計而不同，但已顯示高強度之短脈衝(<15psec或≦ 10psec)與此技術很好地匹配。當單一猝發之脈衝撞擊玻璃上基本上同一位置時，在材料中形成缺陷線或孔。亦即，單一猝發內多個雷射脈衝對應於玻璃中之單一缺陷線或孔位置。當然，由於玻璃經平移(例如，藉由持續移動台)(或相對於玻璃移動光束)，猝發內之個別脈衝不能精確定位於玻璃上同一空間位置。然而，該等脈衝彼此間隔1μm之內，亦即，該等脈衝在基本上同一位置上撞擊玻璃。例如，該等脈衝可能以0<sp500之彼此隔距sp撞擊玻璃。例如，當以20個脈衝之一猝發撞擊玻璃位置時，猝發內個別脈衝距彼此250nm內撞擊玻璃。因此，在一些實施例中，1nm<sp<250nm。在一些實施例中，1nm<sp<100nm。
孔或損壞痕跡形成：
若基板具有充足應力(例如，就離子交換玻璃而言)，則部件將沿著經穿孔損傷之路徑自發地裂開及分離，該路徑由雷射製程勾畫。然而，若不存在大量基板固有應力(Corning Eagle XG®即是如此)，則皮秒雷射將僅在工件中形成損傷痕跡。此等損傷痕跡大體上採取孔之形式，該等孔具有約0.1微米至1.5微米或0.2微米至2微米(例如，在一些實施例中，0.2微米至0.7微米或0.3微米至0.6微米)之內部尺寸。較佳地，孔之尺寸非常小(一微米或更小)。
孔或缺陷線可在材料之整個厚度穿孔，且可或不可為貫穿材料之深度之連續開口。第9圖圖示在600微米厚Eagle XG®基板之工件之整個厚度穿孔的該等痕跡或缺陷線之實例。穿過開裂之邊緣之側面觀察穿孔或損傷痕跡。穿過 材料之痕跡不一定為通孔。通常存在塞住孔之玻璃區域，但該等區域之大小大體上較小，例如，為微米級。
亦可能使堆疊玻璃片穿孔。在此情況下，焦線長度需要長於堆疊高度。
孔或缺陷線之間的側向隔距(間距)由基板在聚焦之雷射光束下平移時雷射之脈衝速率決定。通常需要僅單一皮秒雷射脈衝猝發來形成整個孔，但若需要，可使用多個猝發。為以不同間距形成孔，雷射可經觸發來以更長或更短之間隙放射。對於切割操作，雷射觸發大體上與光束下工件之台驅動運動同步，因此以固定隔距(例如，每1微米或每5微米)觸發雷射脈衝猝發。例如，沿斷層線之方向的相鄰穿孔或缺陷線之間的距離或間發性可大於0.1微米且在一些實施例中小於或等於約20微米。例如，相鄰穿孔或缺陷線之間的隔距或間發性可介於0.5微米與15微米之間，或介於3微米與10微米之間或介於0.5微米與3.0微米之間。例如，在一些實施例中，間發性可介於0.5微米與1.0微米之間。
相鄰穿孔或缺陷線之間的精確隔距由材料性質決定，該等材料性質促進自經穿孔之孔至經穿孔之孔的裂紋傳播(在給定基板中之應力位準之情況下)。然而，與切割基板相反，亦可能使用相同方法來僅使材料穿孔。在本文中所描述之方法中，孔或缺陷線(或損傷痕跡或穿孔)可間隔較大隔距(例如，7微米間距或更大)。
雷射功率及透鏡聚焦長度(該長度決定焦線長度及因此決定功率密度)為確保玻璃之完全穿透及低微裂紋的尤 其重要之參數。
一般而言，可用雷射功率越高，使用上文製程切割材料越快。本文中所揭示之製程可以0.25m/sec或更快之切割速度切割玻璃。切割速度(cut speed或cutting speed)為雷射光束相對於透明材料(例如玻璃)之表面移動同時形成多個孔或改質區域之速率。通常需要高切割速度(諸如，400mm/sec、500mm/sec、750mm/sec、1m/sec、1.2m/sec、1.5m/sec或2m/sec或甚至3.4m/sec至4m/sec)以最小化製造資金投入及最佳化設備利用率。雷射功率等於猝發能量乘以雷射之猝發重複頻率(率)。一般而言，為以高切割速度切割該等玻璃材料，損傷痕跡通常間隔開1微米至25微米，在一些實施例中，該隔距較佳為3微米或更大，例如3微米至12微米或例如5微米至10微米。
例如，為達成300mm/sec之線性切割速度，3微米孔間距對應於具有至少100kHz猝發重複率之脈衝猝發雷射。針對600mm/sec之切割速度，3微米間距對應於具有至少200kHz猝發重複率之猝發脈衝雷射。以200kHz產生至少40μJ/猝發且以600mm/s之切割速度切割的脈衝猝發雷射需要具有至少8瓦特之雷射功率。因此，較高切割速度需要甚至更高之雷射功率。
例如，3μm間距及40μJ/猝發下之0.4m/sec切割速度將需要至少5瓦特雷射，3μm間距及40μJ/猝發下之0.5m/sec之切割速度將需要至少6瓦特雷射。因此，較佳地，脈衝猝發ps雷射之雷射功率為6瓦特或更高，更佳地至少8瓦 特或更高，且甚至更佳地至少10W或更高。例如，為達成4μm間距(缺陷線隔距或損傷痕跡之間的隔距)及100μJ/猝發下之0.4m/sec之切割速度，將需要至少10瓦特雷射，且為達成4μm間距及100μJ/猝發下之0.5m/sec之切割速度，將需要至少12瓦特雷射。例如，為達成3μm間距及40μJ/猝發下之1m/sec切割速度，將需要至少13瓦特雷射。亦例如，4μm間距及400μJ/猝發下之1m/sec切割速度將需要至少100瓦特雷射。損傷痕跡之間的最佳間距與精確猝發能量取決於材料且可根據經驗決定。然而，應注意，升高雷射脈衝能量或以較近間距形成損傷痕跡並非總是使基板材料更好地分離或具有改良之邊緣性質之條件。損傷痕跡之間的過密集間距(例如<0.1微米，在一些示例性實施例中<1μm，或在一些實施例中<2μm)有時可抑制鄰近之後續損傷痕跡之形成且通常可抑制經穿孔等高線周圍材料之分離，且亦可導致玻璃內之非所欲微裂紋增加。過長之間距(>50μm，且在一些玻璃中>25μm或甚至>20μm)可導致「失控微裂紋」，亦即，微裂紋沿著不同路徑傳播而非孔至孔傳播且引起玻璃在不同(非所欲)方向上裂開。此舉可最終降低經分離玻璃部件之強度，因為剩餘微裂紋將起到弱化玻璃之裂縫的作用。用於形成每一損傷痕跡之猝發能量(例如，>2500μJ/猝發，且在一些實施例中>500μJ/猝發)過高可引起相鄰損傷痕跡之已形成微裂紋「癒合」或再熔，此舉將抑制玻璃分離。因此，較佳的是，猝發能量為<2500μJ/猝發，例如≦500μJ/猝發。又，使用過高之猝發能量可引起極大之微裂紋之形成且形成降低分離後 部件之邊緣強度之裂縫。猝發能量過低(<40μJ/猝發)可導致未在玻璃中形成可感知損傷痕跡，且因此形成非常高之分離強度或完全不能沿經穿孔等高線分離。
由於該製程而成為可能之典型示例性切割速率(速度)為(例如)0.25m/sec及更高。在一些實施例中，切割速率為至少300mm/sec。在本文中所描述之一些實施例中，切割速率為至少400mm/sec，例如，500mm/sec至2000mm/sec或更高。在一些實施例中，皮秒(ps)雷射利用脈衝猝發產生間發性在0.5微米與13微米之間(例如，0.5微米與3微米之間)的缺陷線。在一些實施例中，脈衝雷射具有10W至100W之雷射功率，且材料及/或雷射光束相對於彼此以至少0.25m/sec(例如，0.25m/sec至0.35m/sec或0.4m/sec至5m/sec之速率)之速率平移。較佳地，脈衝雷射光束之每一脈衝猝發具有在工件處量測之大於40微焦每猝發每毫米工件厚度之平均雷射能量。較佳地，脈衝雷射光束之每一脈衝猝發具有在工件處量測之小於2500微焦每猝發每毫米工件厚度及較佳地小於約2000微焦每猝發每毫米，且在一些實施例中小於1500微焦每猝發每毫米工件厚度，例如不大於500微焦每猝發每毫米工件厚度之平均雷射能量。
已發現，與諸如Corning Gorilla®之玻璃相比，使具有含鹼金屬量低或不含鹼金屬之玻璃的鹼土鋁硼矽酸鹽玻璃需要高得多(高5至10倍)的體積脈衝能量密度(μj/μm3)。例如，可藉由利用脈衝猝發雷射(較佳地每猝發具有至少2個脈衝)及在鹼土鋁硼矽酸鹽玻璃(具有低鹼金屬含量或不 含鹼金屬)中提供約0.05μJ/μm3或更高(例如，至少0.1μJ/μm3，例如0.1μJ/μm3至0.5μJ/μm3)之體積能量密度來達成此情況。
因此，較佳地，雷射產生每猝發具有至少2個脈衝之脈衝猝發。例如，在一些實施例中，脈衝雷射具有10W至150W(例如，10W至100W)之雷射功率且產生每猝發具有至少2個脈衝(例如每猝發2至25個脈衝)之脈衝猝發。在一些實施例中，脈衝雷射具有25W至60W之功率，且產生每猝發至少2至25個脈衝之脈衝猝發，且由雷射猝發產生之相鄰缺陷線之間的間發性或距離為2微米至10微米。在一些實施例中，脈衝雷射具有10W至100W之雷射功率，產生每猝發至少2個脈衝之脈衝猝發，且工件及雷射光束相對於彼此以至少0.25m/sec之速率平移。在一些實施例中，工件及/或雷射光束相對於彼此以至少0.4m/sec之速率平移。
例如，對於切割0.7mm厚之非離子交換Corning代碼2319或代碼2320 Gorilla玻璃，經觀察，3微米至7微米之間距可具有良好作用，其中脈衝猝發能量為約150μJ/猝發至250μJ/猝發，且猝發脈衝數目範圍為2至15，且較佳地，間距為3微米至5微米且猝發脈衝數目(每猝發之脈衝數目)為2至5。
以1m/sec之切割速度，Eagle XG®玻璃之切割通常需要利用15瓦特至84瓦特之雷射功率，通常30瓦特至45瓦特即足夠。一般而言，對於各種玻璃及其他透明材料，申請人發現，10W與100W之間的雷射功率對於達成0.2m/sec 至1m/sec之切割速度較佳，對於許多玻璃而言，25瓦特至60瓦特之雷射功率即足夠(且最佳)。針對0.4m/sec至5m/sec之切割速度，雷射功率應較佳地為10W至150W，猝發能量為40μJ/猝發至750μJ/猝發，每脈衝2至25個猝發(視所切割之材料而定)且孔間隔(或間距)為3μm至15μm或3μm至10μm。使用皮秒脈衝猝發雷射對於該等切割速度將是較佳的，因為該等雷射產生高功率及所需之每猝發脈衝數目。因此，根據一些示例性實施例，脈衝雷射產生10W至100W之功率，例如25W至60瓦特，且產生每猝發至少2至25個脈衝之脈衝猝發，且缺陷線之間的距離為2微米至15微米；且雷射光束及/或工件相對於彼此以至少0.25m/sec(在一些實施例中，至少0.4m/sec，例如，0.5m/sec至5m/sec或更快)之速率平移。
切割及分離低鹼金屬或無鹼金屬玻璃
如第8C圖及第9圖中所圖示，針對範圍廣泛之基板厚度發現使得具有線性切口或更複雜形狀之玻璃(例如Eagle XG®)之分離成為可能之不同條件。第8C圖中之影像圖示Eagle XG®玻璃之0.024mm厚之片材之切割邊緣(頂部影像)及Eagle XG®玻璃之0.134mm厚之片材之切割邊緣(頂部影像)。Eagle XG®為經設計用作薄膜電晶體(TFT)基板之玻璃成分，且因此具有約每℃百萬分之3之適當熱膨脹係數(CTE)，該熱膨脹係數允許其自身與矽之熱膨脹係數大致匹配。該雷射製程亦可用於切割及分離類似玻璃成分，亦即，具有與Eagle XG®類似之CTE(例如，2ppm/℃至5ppm/℃ 之CTE)之彼等玻璃成分以及具有其他成分及CTE之其他玻璃。第一種方法為使用皮秒(脈衝猝發)雷射形成缺陷線或孔及形成斷層線或缺陷線，該斷層線或缺陷線遵循機械分離所遵循之所要形狀。形成缺陷線或孔後，可藉由以下方式手動完成機械分離：使用斷裂鉗、使用手或專用工具或產生足夠張力之任何方法彎曲部件，該張力沿經穿孔斷層線起始及傳播分離。另一方法利用皮秒(脈衝猝發)雷射形成缺陷線或孔且形成斷層線或缺陷線，該斷層線或缺陷線遵循熱分離步驟(較佳地由CO2雷射執行)所遵循之所要形狀。
分離前缺陷線之直徑或內徑為在玻璃材料或工件中開放通道或氣孔之內徑。一旦分離該工件，缺陷線仍可為可見的，例如，如第8C圖中所圖示。例如，可使用顯微鏡量測在經分離工件上可見之個別缺陷線之寬度，且該等寬度可與分離前缺陷線之內徑相當。例如，若缺陷線直徑介於0.1微米與5微米之間，則在切割後經分離之表面上之個別缺陷線之對應寬度可在介於約0.1微米與5微米之間的範圍內。
下文提出用於製造周邊切割及在達700μm厚之材料中產生通孔之示例性皮秒及CO2雷射參數。表1列舉針對各種玻璃厚度之雷射參數。
Eagle XG®玻璃及來自低鹼金屬或無鹼金屬玻璃種類之類似成分對先前雷射分離方法發起挑戰，原因在於該等玻璃的強力分子及原子鍵需要高脈衝能量來「斷裂」。第10圖圖示原子電離能量。與常用於典型鹼金屬玻璃成分(諸如Corning Gorilla®玻璃)中之元素相比，Na、Ca、K及類似元素之降低移除低電離元素，餘下比例更大的需要多光子吸收來電離(當暴露在透明體系中之雷射波長下時)之元素。該一或多個實施例提供以下手段：使用足夠的雷射能量均勻地輻射小圓柱體積之材料以解離原子及分子鍵，從而導致較少碎片及較低次表面損傷。
顯示玻璃成分與Gorilla玻璃成分之間的差異：
- Eagle XG®及顯示玻璃：
i CTE較低，為約3ppm/℃
ii 不含鹼金屬(或僅含微量)
iii 低熱擴散率
- Corning Gorilla®及其他可離子交換玻璃：
i CTE大體上為約7ppm/℃至9ppm/℃
ii 成分中具有大量鹼金屬，如鈉(允許離子交換)
iii 較高熱擴散率。
歸因於需要產生及管理用於熱裂紋傳播之應力，當使用在非透明體系(例如，10.6微米之CO2)下操作的雷射專門切割該等玻璃時，TFT玻璃成分之低熱膨脹及低熱擴散率產生較難熱管理問題。例如，TFT玻璃對10.6微米之波長不透明，且該雷射之能量由高層之玻璃(未遠離玻璃內部)吸收。然而，發現藉由減少開始、傳播及導引裂紋所需之雷射能量之量，一或多個穿孔線之產生簡化了熱管理問題，且在使用皮秒脈衝雷射穿孔玻璃後，使用IR雷射(諸如，10.6微米雷射之CO2)加熱玻璃有利地導致缺陷線之間的快速有效及受控之裂紋傳播，及因此導致鹼土鋁硼矽酸鹽玻璃之快速有效切割。
本文中所描述之方法因此提供用於以板或片以及以連續方式(如連續方式玻璃製造製程(稱為「拉製機上(On-the-Draw)」)所需)以任意形狀切割非鹼金屬玻璃之有效手段。已證實具有較小(例如，Corning Willow®玻璃)厚度(約100微米至200微米或100微米至150微米)之皮秒雷射穿孔，例如速度為200mm/sec至300mm/sec且脈衝隔距為1微米至20微米(且速度可能更高)。
在拉製機上切割玻璃
機械刻痕&斷裂為用於連續方式玻璃製造製程之傳統玻璃切割方法。儘管達成用於直切之1m/s之快速，但當涉及切割等高線玻璃形狀時，該製程高度受限，因為歸因於較慢速度、玻璃邊緣碎屑及切割邊緣之高粗糙度等，該製程對 於該等應用變得非常具有挑戰。該等應用需要以便減少次表面損傷(SSD)的多個研磨及拋光步驟，以及清洗步驟，此舉不僅歸因於較高資金需求增加了製程成本且歸因於較低生產量使成本更高，而且該等應用亦完全不能滿足技術要求。
已嘗試二氧化碳(CO2)雷射刻痕及斷裂方法來切割顯示玻璃成分。該技術依賴於CO2熱誘發雷射裂紋傳播之前之機械裂紋起始。最通常地，將10.6微米之波長下CO2雷射輻射用作精密熱源，隨後為冷卻劑噴射以產生熱衝擊及沿著直線傳播裂紋。該方法中之難點在於控制該等裂紋(尤其圍繞等高線)之方向及傳播速度。儘管藉由機械或CO2雷射刻痕及斷裂技術之直切可能對一些應用效果良好，但仍需要高精度、潔淨且可撓(亦即，不僅僅是沿直線切割)之玻璃切割解決方案。
機械及基於CO2之刻痕兩者之難點的一個實例為液晶顯示器(LCD)玻璃熔融拉製製程。在LCD熔融拉製製程中，形成源自高拉製塔之薄平坦玻璃連續帶。該薄玻璃最通常地形成為0.050mm與2mm之間的厚度及24吋與150吋之間的寬度(60.96cm與381cm之間的寬度)。藉由與刻痕或切割玻璃窗類似之機械刻痕輪為玻璃帶刻痕。該經刻痕之玻璃隨後經機械彎曲且自帶斷裂以在拉製塔之底部形成片，該片為24吋至150吋寬(約61cm至381cm寬)、24吋至150吋高(亦即，約61cm至381cm高)。由於玻璃片藉由在其最外端上之輥輪機械夾緊及拉製，故該片將在片之右側及左側具有非常粗糙且厚之區段，該等區段稱為「珠粒」或「邊 緣珠粒」。可僅在玻璃片之品質區域而不在玻璃片之較厚珠粒狀區段執行機械刻痕。機器人將夾緊玻璃片、彎曲該玻璃片並使該經刻痕之片自玻璃帶斷裂。該斷裂動作引起沿帶向上至拉製塔中的高幅振動，此舉在最終片中形成平坦度變化。此舉亦可引起連續片形成製程之「分明界限(rubicons)」或顯著中斷，因為振動可使微裂紋向上行進至拉製機。玻璃之機械刻痕及斷裂亦可產生非常小且輕之玻璃碎片且可經由空氣承載以沉積在鄰近表面上，該等玻璃碎片之大小有時為10微米至200微米且厚度為3微米至20微米。藉由機械刻痕產生之該等玻璃碎片漂浮在拉製塔上且附接至片之表面。該等顆粒中之一些(稱為「蛤殼(clam-shell)」)玻璃碎片具有非常平坦之面，此情況允許該等面緊密附著至其他玻璃表面上且亦恆久附接至帶玻璃表面。藉由機械刻痕產生之該等附著之玻璃碎片導致玻璃片之不合格區段，因為此污染十分難以清除且將破壞LCD及TFT應用需要之玻璃上之塗佈及圖案化。
拉製後，隨後將該玻璃片自帶區域移動至二次切割區域，其中玻璃片通常經置放在稱為垂直珠粒刻痕機器之另一機器上，且玻璃之珠粒狀區段或非品質區域隨後經機械刻痕，且隨後使珠粒狀區段自母片機械斷裂。又，小型蛤殼玻璃碎片可自片飛散至缺陷區域上，導致玻璃之不合格區段。
隨後在一些情況下將所有片包裝在板條箱中且運至精整位置。又，蛤殼玻璃碎片可自玻璃之邊緣遷移至表面且導致玻璃之不合格區段。該玻璃板條箱經卸貨及經置放在精 整線上，在該精整線上，該片經機械或CO2刻痕及機械斷裂為略小之玻璃片。該離線刻痕製程比拉製機上刻痕製程精密得多。又，更多蛤殼玻璃碎片飛散至玻璃表面上，導致該等玻璃片之不合格區段。
接著該片經移動至邊緣研磨器，該研磨器將薄玻璃片粗磨及細磨為最終長度及寬度且該研磨器亦可用於產生所要邊緣剖面或斜面。隨後，將片移動至將研磨四角之另一研磨器。接著，片移動至內聯清洗器，該內聯清洗器清潔具有除蛤殼顆粒外之多數稀疏顆粒之表面。
與傳統機械刻痕及斷裂方法相比，本文中所描述之雷射玻璃切割技術有利地能夠在不產生較大或大量玻璃碎片之情況下沿著預定等高線極精確地且極快速地切割玻璃(諸如薄玻璃)。又，可以極高之速度(例如1米/秒至2米/秒)穿孔該玻璃。在試驗情況下，在玻璃之邊緣上未觀察到碎片。雷射製程可穿孔及分離小玻璃製品，如自較大玻璃片分離手機大小(70mm×150mm)的形狀。薄玻璃之該穿孔及分離製程留下具有小於400nm之粗糙度(Ra)及<60微米之次表面微裂紋的邊緣。該邊緣品質接近於磨砂玻璃之品質。鑒於此能力，可以製造薄玻璃片之熔融拉製製程雷射切割熱玻璃。因此，藉由允許在拉製線上(或之後緊隨精整線，若需要)將玻璃切割為最終形狀，本文中所描述之技術之實施例有利地提供產出改良，減少或不存在顆粒生產及提供成本改良。
第11圖圖示用於連續熔融玻璃製造製程之現有玻璃切割方法。在現有製程中，玻璃片1164自拉製塔1162向 下流。玻璃片1164之較暗陰影代表較高溫度。當(例如)在熔融拉製機器上形成玻璃片時，藉由抓持機構(諸如在玻璃片之兩個外部邊緣上形成印痕之輥輪)拉製熱軟玻璃片。印痕邊緣稱為「珠粒」且該等邊緣延伸玻璃片之整個長度。由於此等珠粒狀區域通常扭曲且與玻璃片之中心區段相比不平坦，在玻璃用於製造最終器件前完成珠粒(或珠粒狀區域)之移除。如拉製運動1165所圖示，使用沿著玻璃片1164之邊緣產生玻璃珠粒1166之輥輪向下拉製玻璃片。沿著刻痕線1168施加機械或CO2雷射刻痕，從而促進自玻璃片1164斷裂刻痕片1170。
本文中所描述之方法提供用於在線及離線玻璃切割需求兩者之用於顯示玻璃成分之玻璃切割解決方案。對於在線，該等方法可經應用於玻璃片之切割及珠粒移除兩者，因為該玻璃片來自拉製機，特定而言，已知為拉製機之底部(BOD)之區域，其中玻璃自其成形溫度開始冷卻。當(例如)在熔融拉製機器上形成玻璃片時，藉由抓持機構(諸如在玻璃片之兩個外部邊緣上形成印痕之輥輪)拉製熱軟玻璃片。印痕邊緣稱為「珠粒」且該等邊緣延伸玻璃片之整個長度。由於此等珠粒狀區域通常扭曲且與玻璃片之中心區段相比不平坦，故在玻璃用於製造最終器件前完成珠粒(或珠粒狀區域)之移除。本文中所描述之方法提供可導致穿過玻璃片之整個厚度之全主體(全厚度)穿孔之玻璃切割方案。一系列全厚度穿孔可形成斷層線，基於沿斷層線之片分離，該斷層線可在玻璃片中形成非常精確且可控之切口。
第12A圖及第12B圖圖示根據本文中所描述之方法在拉製機上進行雷射玻璃切割之兩種方法，該等方法利用雷射光學系統，諸如本文中結合第2圖至第6圖描述之雷射光學系統。根據雷射切割製程1200A，由一系列缺陷線組成之雷射切割線1168'經施加至玻璃片1164，藉由拉製塔1162形成該玻璃片。在製程1200A中，雷射(未圖示)經配置以切穿玻璃片1164之整個厚度。雷射切割線1168'跨拉製機上新形成之玻璃片1164之整個寬度延伸，包括在不振動玻璃帶或產生任何玻璃碎片或顆粒之情況下切割珠粒1166。
第12B圖圖示在拉製機上之雷射玻璃切割之替代方法1200B，其中雷射用於切穿玻璃片之品質區域且移除玻璃之大矩形片1170'。在拉製區域之底部1172自玻璃片移除廢玻璃1172。應認識到，在其他實施例中，所移除之玻璃片1170'無需為矩形。玻璃片1170'可為方形或圓形或具有任何其他所需形狀。
第13圖圖示在拉製機上之雷射玻璃切割之又一替代方法。在第13圖中，鄰近拉製路徑中相對較高之玻璃珠粒1166施加垂直雷射切割線1168'。隨後，施加拉製路徑中相對較低之水平雷射切割線1168'以切割玻璃片1170'及自拉製機移除玻璃片1170'。
第14圖圖示在拉製機上之雷射玻璃切割之進一步替代方法。在第14圖中，水平雷射切割線1168'經施加在拉製機上(跨玻璃片1164之整個寬度)以自拉製機移除雷射切割片1170'。隨後，垂直雷射切割線1168經施加至經切割片 1170'以在拉製機底部自經切割片移除珠粒。
第15圖圖示使用本文中所描述之雷射方法以自拉製機移除來自片1170'之邊角或廢玻璃1172。在精整區域中，水平及垂直雷射切割線1168'兩者經施加以自雷射切割玻璃片1170'移除廢玻璃1172之水平及垂直片材。
本文中所揭示之雷射玻璃處理技術可極精確地、極快速地且在不產生玻璃碎片之情況下切割薄玻璃。基於雷射之技術可以極小孔(例如，直徑<1微米)及短間距隔距(例如，1微米)穿孔玻璃。又，本文中所揭示之方法可用於以極高之速度(例如，1米/秒至2米/秒)穿孔玻璃。在玻璃之邊緣上未見碎片。小玻璃製品(諸如，用於手機(例如，70mm×150mm)之彼等玻璃製品)可經穿孔及自較大玻璃片移除。薄玻璃之穿孔及分離製程留下具有小於400nm之粗糙度(Ra)及<60微米之次表面微裂痕或微裂紋的邊緣。該邊緣品質接近於磨砂玻璃片之品質。鑒於該等能力，基於雷射之製程可用於以製造薄玻璃片之熔融拉製製程切割熱玻璃。
一些應用(尤其是玻璃片或層壓玻璃片具有高應力之應用)尤其亦可能關注玻璃應力。使用傳統方法在該等情況下切割片存在顯著難點。例如，在熔融拉製製程期間對LCD玻璃片之拉製期間誘發大量應力。由於片與珠粒之間的厚度差及不同之關聯冷卻速率，在玻璃冷卻期間，片與珠粒界面上之應力甚至更大。針對熔融拉製層壓玻璃之情況，應力位準可顯著地更大(>300MPa)，其中相鄰片層之間的黏度及CTE差異導致非常高之外層壓應力。此高壓應力層性質可顯 著地改良經層壓玻璃片之玻璃強度。然而，可能難以在具有高應力位準之片中藉由傳統方法切割玻璃片。
如本領域中所理解，使用熔融拉製製程製造之LCD玻璃片具有由於玻璃自高於玻璃軟化點經冷卻至遠遠低於玻璃應變點而經誘發之高應力。歸因於厚度及熱質量差異，在玻璃珠粒界面上之應力亦顯著較高。針對經層壓玻璃片之情況，應力高得多(>300MPa)，其中玻璃層之CTE及黏度之失配可誘發對於經強化之玻璃應用所需之高壓應力。該等高位準之應力使其非常難以在遠遠低於玻璃之應變點之溫度(<300℃)下切割玻璃片。
揭示方法及不同實施例以使用雷射技術切割片及自片分離珠粒，該雷射技術需要穿過玻璃片厚度之單一射孔穿孔。本文中所揭示之方法允許在拉製機處之基於雷射之玻璃切割及珠粒之分離，以改良熔融拉製製程之製造效率。此外，在一些實施例中，可以高溫(接近玻璃之退火點)切割單層片及層壓片，使誘發之應力更小。歸因於使玻璃更長久地保持在退火溫度下，在高溫下切割片及隨後經由所指定溫度剖面後處理片之能力亦可為片提供較低玻璃壓實、較低剩餘應力、消除單獨精整步驟之成本之可能性、處理具有較高應變點之玻璃之能力及增加之生產產量。
第16圖圖示使用多級爐1671之示例性製程，該多級爐經設計以將玻璃片部分1170'(待切割)保持在接近玻璃退火點之溫度下。在拉製機之較低部分處，玻璃片1170'(待切割)經引入爐1671a，該爐經保持在玻璃之退火溫度上下。 在接近退火點之高溫下之較低應力位準輔助切割片。首先藉由雷射光束1674在拉製機處水平地切割片1164，該雷射光束經歷水平雷射光束平移1676以在玻璃中產生複數個缺陷線。
玻璃片1170'隨後經平移至亦保持在玻璃之退火溫度下之爐1671b。使用雷射光束1674分離玻璃珠粒1166，該等雷射光束經配置以經歷垂直平移1674以鄰近珠粒1166雷射刻痕玻璃片1170'。水平及垂直切割步驟可包括沿雷射損傷等高線施加張力或彎曲應力以自拉製機分離玻璃且在需要時自經切割玻璃片1170'分離玻璃珠粒。例如，可使用機器人施加應力。
移除玻璃珠粒後，將經切割玻璃片1170'平移至第三爐1671c，其中熱源1680經歷垂直平移1682以將熱量遞送至玻璃板1170'之經切割邊緣。熱量經施加以使經切割垂直邊緣光滑圓潤，且雖然未在第16圖中圖示，但熱量亦可經施加至板1170'之水平切割邊緣，用於光滑化及圓化。熱源可包括氣火焰、CO2雷射等。
玻璃片1164可為層壓片，其中片包括多層，每一層具有不同材料性質，諸如CTE等。可藉由使用雙等壓管拉製塔形成此層壓片，其中每一等壓管用於為層壓件之不同層提供玻璃。玻璃層壓層之間的CTE差異導致由於玻璃片自高於軟化點之溫度冷卻至遠遠低於應變點而引入的大量應力。例如，可由於內層與表面層之間具有大於60 x 10-7/℃之CTE差異而在層壓片表面之表面上誘發大於400MPa之壓應力，其中內層之厚度與總層壓厚度之比的範圍介於0.8與1之間(例 如，見Tandon等人，美國專利申請案第20110318555號，該美國專利申請案之全文以引用之方式併入本文中)。
在其中玻璃片1164為層壓件之情況下，爐1671a及爐1671b可經配置以將層壓件保持在層壓件之兩層之退火溫度之間的溫度下。針對需要高表面壓應力之應用(用於高強度應用之層壓玻璃)，提供處於退火溫度之時間將將應力量級，從而促進使用雷射光束1674切割。在此等情況下，仍可藉由在切割後冷卻期間淬火玻璃而在精整之玻璃片中達成高應力。
第17圖圖示以下製程：其中，藉由實體地使片穿過多級爐1771而使片1170'冷卻至遠遠低於玻璃之應變點之溫度，該多級爐具有逐步變冷之階段1771a、1771b及1771c。該系列爐施加所規定溫度剖面以最小化剩餘應力、後形成壓實、改良玻璃片屬性及定製玻璃性質。應理解，在其他實施例中藉由使用具有隨時間變化之溫度剖面之單級爐達成類似之受控冷卻剖面。
在其他實施例中，可在拉製機中在高於玻璃之退火點之溫度下根據缺陷線之間的某一間隔對玻璃進行雷射穿孔。此舉對此拉製位置之玻璃強度無顯著影響。然而，當在拉製機上之下游位置產生CTE應力(例如，針對層壓玻璃)時，此舉可導致玻璃片自發分離或僅因不良外部擾動分離。自發分離或因不良外部擾動分離可用於移除玻璃珠粒及用於玻璃收集。
在高溫下切割片及隨後經由所規定之溫度剖面後處 理片之能力亦可允許片具有較低玻璃壓實及較低剩餘應力。歸因於使更長久地保持在退火溫度下，該能力亦可消除獨立精整步驟之成本，允許處理具有較高應變點之玻璃，且增加生產產量。
藉由兩條缺陷線之間的間距控制沿全厚度切割之玻璃分離。用於切割許多顯示玻璃成分之典型示例性間距為約1微米至5微米(例如，2微米至5微米)。然而，亦已展示達8微米(5微米至8微米)之間距提供良好品質切割。控制間距之能力亦很重要，因為該能力決定切割速度，雷射脈衝頻率或猝發重複率、猝發模式中脈衝之數目及每脈衝及/或每猝發之可用平均能量亦影響該切割速度。
圍繞經穿孔缺陷線之孔之微裂紋經定向朝向下一最近孔，在某種意義上幫助玻璃切割，因為藉由沿著切割線之微裂紋額外增強了切割方向上自一個孔至下一最近孔之裂紋傳播。在該等情況下，孔或缺陷線之間的較大間距(例如，3微米至50微米，諸如3微米至20微米)對於完全玻璃分離較佳。或者，在一些玻璃類型中，其中微裂紋未經形成或未經定向為朝向及鄰近缺陷線，孔(或缺陷線)之間的較小間距(0.1微米至3微米，例如1微米與3微米之間)對於完全玻璃分離較佳。
連續熔融玻璃製造製程及顯示器應用(諸如薄膜電晶體(TFT))需要將玻璃切割成某一形狀、尺寸及具有某一邊緣精整度。例如，在將顯示玻璃片發送至客戶之前使用精整該顯示玻璃片而具有圓角邊緣是行業標準。歸因於可靠性 原因，該情況為較佳的，因為沒有該精整度之玻璃邊緣通常在搬運期間會斷裂。本文中所描述之方法使得切割及精整顯示玻璃片而具有以下邊緣剖面、倒角成為可能，該邊緣剖面、倒角在搬運期間亦提供高可靠性，但不需要昂貴之機械研磨及拋光製程。至多，該邊緣可僅需要精細觸摸拋光以達成高可靠性行業標準。
最終，本文中所描述之方法能自0.025mm或更薄至數毫米厚之玻璃片或藉由熔融製程生產之玻璃片堆疊完全分離/切割具有各種厚度之TFT玻璃成分。諸如TFT玻璃成分之工件可具有(例如)介於約0.01mm與5mm之間的範圍內之厚度。藉由(例如)第2圖至第6圖中所描述之裝置產生之雷射光束焦線可具有涵蓋工件之厚度範圍的範圍內之長度以在必要時形成延伸穿過整個工件厚度之缺陷線。
本申請案提供可轉化成增強之雷射處理能力及成本節約及因此較低成本製造之以下權益。在當前實施例中，切割製程提供：使用降低之雷射功率切割之部件之完全分離：所揭示之實施例能自0.025mm或更薄至數毫米厚之玻璃片或藉由熔融製程生產之玻璃片堆疊完全分離/切割具有各種厚度之TFT玻璃成分。
降低之次表面缺陷：歸因於雷射與材料之間的超短脈衝相互作用，幾乎不存在熱相互反應且因此存在最小熱影響區，該區域可導致非所欲之應力及微裂紋。另外，將雷射光束聚集或聚焦在玻璃中之光學器件在部件之表面上形成缺 陷線，該等缺陷線之直徑通常為2微米至5微米。分離後，次表面缺陷小於100微米，例如，<75微米、<50微米、<30微米或甚至20微米或更小。此缺陷對部件之邊緣強度具有顯著影響，因為強度由缺陷之數目及該等缺陷在大小及深度方面之統計分佈決定。該等數目越高，部件之邊緣將會越弱。由於所揭示之實施例成為可能之製程據此提供20微米或更小之所切割邊緣之次表面損傷。
藉由任何切割製程引起的及大致垂直於經切割表面定向之之次表面損傷或小微裂紋及材料改質係玻璃或其他易碎材料之邊緣強度之考慮因素。可使用共聚焦顯微鏡查看經切割表面來量測次表面損傷之深度，該顯微鏡具有奈米級光學分辨率。當沿材料向下發現裂紋時，忽略表面反射，裂紋展示為明線。隨後顯微鏡經聚焦到材料直到不再存在「火花」-亦即，不再觀察到濺射特徵，從而以定期收集影像。隨後藉由查找裂紋及在玻璃之整個深度跟蹤該等裂紋來手動處理影像以得到次表面損傷之最大深度(通常以微米為單位進行量測)。通常存在數千微裂紋，因此通常僅量測到最大微裂紋。通常在經切割邊緣之約5個位置上重複該製程。儘管微裂紋大致垂直於經切割表面，但藉由該方法可能不會偵測到直接垂直於經切割表面之任何裂紋。
製程潔淨度：本文中所描述之方法允許以潔淨且受控之方式分離及/或切割TFT玻璃成分，諸如Eagle XG®、Corning LotusTM及其他成分。使用習知消融或熱雷射製程是極具挑戰的，因為該等製程容易觸發誘發基板微裂紋及破碎 成若干個較小片之熱影響區。所揭示方法之雷射脈衝之特性及與材料之誘發相互作用避免了所有此等問題，因為該等問題發生在非常短之時間尺度內且基板材料對雷射輻射之透明度最小化了經誘發之熱影響。由於缺陷線形成在基板內，故幾乎消除了切割步驟期間之碎片及顆粒物質之存在。若存在起因於產生之缺陷線之任何顆粒，該等顆粒將完好地經包含直到部件經分離。在藉由本文中所描述之基於雷射之方法切割及分離之表面上之顆粒可具有小於約3微米之平均直徑。
切割不同大小之複雜剖面及形狀
本雷射處理方法允許遵循許多形式及形狀切割/分離玻璃、藍寶石及其他基板及玻璃工件，此情況在其他競爭技術中受限。使用本方法可在TFT玻璃成分中切割為小半徑(例如，<2mm)，從而允許彎曲邊緣，允許彎曲邊緣及亦允許產生小孔及狹槽(諸如手機應用中之揚聲器/麥克風所需)，例如，小於約5mm。又，由於缺陷線強烈地控制任何裂紋傳播之位置，故本方法提供對切口之空間位置之良好控制，且允許切割及分離小至數百微米之結構及特徵。
製程步驟之消除
將玻璃板由來料玻璃面板製造為最終大小及形狀之製程涉及若干步驟，該等步驟涵蓋：切割面板，切割至適當大小，精整及邊緣成型，薄化部件至部件之目標厚度及拋光TFT玻璃成分。該等步驟中之任一者之消除將在處理時間及資金費用方面改良製造成本。所提出之方法可藉由(例如)以下各者減少步驟之數目，例如：
●減少碎片及邊緣缺陷之產生-清洗及乾燥站之潛在消除。
●直接將樣本切割至樣本之最終大小、形狀及厚度-消除精整線之需求。
●直接在拉製機上切割玻璃-消除精整線之需求。
在本文中引用之所有專利、公開申請案及參考文件之相關教示以引用之方式全部併入本文中。
儘管本文中已揭示示例性實施例，但熟習此項技術者將理解，在不脫離所附申請專利範圍所涵蓋之本發明之範疇之情況下，可在形式及細節上對本文進行各種改變。
110‧‧‧斷層線
120‧‧‧缺陷線
130‧‧‧工件
140‧‧‧雷射光束

Claims (10)

  1. 一種雷射處理一鹼土鋁硼矽酸鹽玻璃複合工件之方法，該方法包含以下步驟：將一脈衝雷射光束聚焦至一雷射光束焦線中，該雷射光束焦線沿該光束傳播方向定向且經導向至該鹼土鋁硼矽酸鹽玻璃複合工件中，該雷射光束焦線在該材料內產生一誘發吸收，且該誘發吸收在該工件內沿該雷射光束焦線產生一缺陷線；及使該鹼土鋁硼矽酸鹽工件及該雷射光束沿一等高線相對於彼此平移，從而在該工件內沿該等高線雷射形成複數個缺陷線，其中相鄰缺陷線之間的一間發性介於0.1微米與20微米之間。
  2. 一種由如請求項1所述之方法製備之玻璃製品。
  3. 如請求項1或2所述之方法或製品，該方法進一步包含以下步驟：沿該等高線分離該工件。
  4. 如請求項1或2所述之方法或製品，其中該工件包含複數個顯示玻璃複合基板之一堆疊。
  5. 如請求項1或2所述之方法或製品，其中該脈衝雷射具有10W至150W之一雷射功率且產生脈衝猝發，其中每脈衝猝發具有至少2個脈衝。
  6. 如請求項1或2所述之方法或製品，其中該雷射光束焦線具有介於約0.1mm與約10mm之間的一範圍中之一長度。
  7. 如請求項1至2所述之方法或製品，其中該雷射光束焦線具有介於約0.1微米與約5微米之間的一範圍中之一平均光斑直徑。
  8. 如請求項1至2所述之方法或製品，其中在該工件內沿該等高線雷射形成複數個缺陷線之步驟促進沿由該等高線界定之一表面分離該工件以形成一經分離表面，且其中該誘發吸收產生小於或等於約0.5微米之經切割及分離邊緣之一Ra表面粗糙度。
  9. 如請求項1至2中任一項所述之方法或製品，其中該鹼土鋁硼矽酸鹽玻璃複合工件呈一玻璃片之形式，且其中對在一在線拉製下之該玻璃片執行聚焦該脈衝雷射光束及使該工件及該雷射光束沿該等高線相對於彼此平移之步驟。
  10. 一種玻璃製品，該玻璃製品包含鹼土鋁硼矽酸鹽玻璃複合物，該工件包括具有延伸至少250微米之複數個缺陷線之至少一個邊緣，該等缺陷線各自具有小於或等於約5微米之一直徑。
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