TW201946882A - 透明氧化物玻璃的雷射誘導分離 - Google Patents

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Abstract

一種切割包含一透明氧化物玻璃之玻璃板之方法包括將一雷射束自一中紅外(mid-IR)雷射源引導至該玻璃板之一主表面上。調諧該雷射束之一波長，從而調節該雷射束在該玻璃板中之一吸收深度。使用該雷射束切割該玻璃板。

Description

透明氧化物玻璃的雷射誘導分離
本申請主張根據專利法於2018年5月7日提出申請之美國臨時申請第62/667,878號之優先權益，本申請依賴該申請之內容且該申請之內容之全文皆以引用方式併入本文中。
本發明係關於玻璃之雷射切割，且尤其用於透明氧化物玻璃之雷射誘導分離之方法及裝置。
用雷射切割玻璃通常包括對玻璃進行局部加熱，從而在玻璃中產生熱應力。通常使用CO2 及CO雷射，其在玻璃材料中具有相對高之吸收。在紅外範圍內，氧化物玻璃之吸收相對較高；然而，大部分輻射僅在距玻璃表面幾個μm處被吸收。因此，初始裂紋可能很淺且需要額外處理來完全分離玻璃區段。
玻璃板局部加熱之效果可以藉由將雷射波長調諧至特定玻璃材料之吸收波段或者藉由多光子吸收(例如，雙光子吸收)、產生色心等來達成。在實際應用中使用之大多數氧化物玻璃需要在可見光波長範圍(400-750 nm)內係透明的，此大大限制了可用於玻璃加工之雷射波長之範圍。
業內需要用於透明氧化物玻璃之雷射誘導分離之其他方法及裝置。
本揭示內容涉及使用中紅外(mid-IR)雷射在玻璃表面上及玻璃厚度內產生用於雷射誘導玻璃分離製程之合意溫度曲線。調諧中紅外雷射波長以達成雷射輻射穿透玻璃厚度合意之深度之能力為分離製程提供靈活性。端視玻璃之厚度，控制中紅外範圍內之波長給予改變玻璃中加熱區深度之機會，例如自約30 μm至約30 cm。此控制玻璃中加熱區深度之能力可以為不同之雷射分離製程提供不同之加熱曲線。
中紅外波長範圍(2.5-3.0 μm)之中紅外雷射之功率高達幾十瓦，此可以增加加工可見透明氧化物玻璃之機會。此歸因於除了少數例外，大多數氧化物玻璃在O-H基本吸收波段之2.6-2.9 μm處具有強吸收峰。O-H基本吸收波段具有尖銳之吸收曲線，從而允許藉由在相對窄之波長範圍內選擇雷射波長來調諧玻璃之透射。
根據第一態樣，一種切割包含透明氧化物玻璃之玻璃板之方法，該方法包括：將雷射束自中紅外(mid-IR)雷射源引導至玻璃板之主表面上；調諧雷射束之波長以調節雷射束在玻璃板中之吸收深度；以及使用雷射束切割玻璃板。
根據第二態樣，提供態樣1之方法，進一步包括沿著預定切割路徑移動雷射束，在切割玻璃板之步驟期間，沿著切割路徑切割玻璃板。
根據第三態樣，提供態樣1或2之方法，其中調諧雷射束波長之步驟包括調諧玻璃板之羥基吸收波段內之波長。
根據第四態樣，提供上述任一態樣之方法，其中調諧雷射束波長之步驟包括將波長調諧至2.6 μm與2.9 μm之間。
根據第五態樣，提供上述任一態樣之方法，其中使用雷射束切割玻璃板之步驟包括將玻璃板分成多個玻璃板。
根據第六態樣，提供上述任一態樣之方法，其中使用雷射束切割玻璃板之步驟包括僅在形成裂紋之玻璃板之厚度上部分切割。
根據第七態樣，提供上述任一態樣之方法，進一步包括在玻璃板之主表面上佈置透明蓋基板，蓋基板之透射百分比大於玻璃板在中紅外波長範圍內之透射百分比；以及引導雷射束穿過蓋玻璃板。
根據第八態樣，提供態樣7之方法，其中蓋基板具有至少80%之中紅外波長範圍透射百分比。
根據第九態樣，提供態樣7或8之方法，其中蓋玻璃板包括乾熔融二氧化矽。
根據第十態樣，提供上述任一態樣之方法，其中中紅外雷射源包括鉻摻雜之ZnSe或ZnS雷射。
根據第十一態樣，一種切割包含透明氧化物玻璃之玻璃板之方法，該方法包括：在玻璃板之寬表面上佈置包含透明蓋基板之蓋玻璃板，該蓋基板具有大於玻璃板之中紅外(Mid-IR)波長範圍透射百分比之中紅外波長透射百分比；將來自中紅外雷射源之雷射束穿過蓋玻璃板引導至玻璃板之主表面上；以及使用穿過蓋玻璃但不切割蓋玻璃之雷射束切割玻璃板。
根據第十二態樣，提供態樣11之方法，進一步包括沿著預定切割路徑移動雷射束，在將玻璃板分離成多個玻璃板之步驟期間，沿著切割路徑切割玻璃板。
根據第十三態樣，提供態樣10或11之方法，其中玻璃板之厚度小於約8 mm。
根據第十四態樣，提供態樣10-13中任一態樣之方法，進一步包括將雷射束之波長調諧至2 μm與3 μm之間，以便調節雷射束在玻璃板中之吸收深度。
根據第十五態樣，提供態樣14之方法，其中調諧雷射束波長之步驟包括將波長調諧至2.6 μm與2.9 μm之間。
根據第十六態樣，提供態樣10-15中任一態樣之方法，其中使用雷射束切割玻璃板之步驟包括將玻璃板分成多個玻璃板。
根據第十七態樣，提供態樣10-16中任一態樣之方法，其中使用雷射束切割玻璃板之步驟包括僅在玻璃板之厚度上部分切割。
根據第十八態樣，提供態樣10-17中任一態樣之方法，其中蓋基板具有至少80%之中紅外波長範圍透射百分比。
根據第十九態樣，提供態樣18之方法，其中蓋玻璃板包括中紅外透明材料。
根據第二十態樣，提供態樣10-19中任一態樣之方法，其中中紅外雷射源包括鉻摻雜ZnSe或ZnS雷射。
根據第二十一態樣，提供態樣10-20中任一態樣之方法，包括在玻璃板之羥基吸收波段內調諧雷射束之波長。
其他特徵及優點將在隨後之詳細描述中闡述，並且熟習此項技術者根據描述將容易地部分明瞭該等特徵及優點，或者藉由實踐本發明來認識到，如書面描述及附圖中所例示以及如所附申請專利範圍中所定義。應理解，上文之一般描述及下文之詳細描述僅僅係本發明之實例，並且意欲提供理解所主張之本發明之性質及特徵之概述或框架。
附圖包括在內以提供對本發明原理之進一步理解，並且併入並構成本說明書之一部分。附圖圖解說明了一或多個實施例，並且與描述一起用於藉由實例來解釋本發明之原理及操作。應理解，本說明書及附圖中揭示之本發明之各個特徵可以任何及所有之組合使用。
在以下詳細描述中，出於解釋而非限制之目的，闡述了揭示特定細節之實例性實施例，以提供對本揭示內容之各種原理之透徹理解。然而，受益於本揭示內容之熟習此項技術者將明瞭，本揭示內容可以在背離本文揭示之具體細節之其他實施例中實踐。此外，可以省略對眾所周知之器件、方法及材料之描述，以免模糊對本揭示內容之各種原理之描述。最後，在適用之情況下，相同之參考數字係指相同之元件。
範圍在本文可以表示為自「約」一個特定值及/或至「約」另一個特定值。當表示該範圍時，另一個實施例包括自一個特定值及/或至另一個特定值。類似地，當值藉由使用先行詞「約」表示為近似值時，將理解特定值形成另一個實施例。亦應理解，每個範圍之終點相對於另一個終點係顯著的，並且獨立於另一個終點。
本文使用之方向術語(例如上、下、右、左、前、後、頂、底)僅參照所繪製之附圖，且不欲暗指絕對取向。
除非另有明確說明，否則本文闡述之任何方法皆決不欲解釋為要求其步驟以特定順序實施。因此，若方法項實際上沒有列舉其步驟遵循之順序，或者在申請專利範圍或描述中沒有另外明確說明該等步驟將限於特定順序，則在任一方面決不欲推斷出順序。此適用於任何可能之非明示解釋基礎，包括：關於步驟安排或操作流程之邏輯問題；源自語法組織或標點符號之簡單含義；說明書中描述之實施例之數量或類型。
除非上下文另有明確指示，否則如本文所用之單數形式「一個(a、an)」及「該」包括複數個指示物。因此，例如，除非上下文另外明確指示，否則對「組件」之提及包括具有兩個或更多個該等組件之態樣，。
術語「光」應廣泛理解為意指任一類型之電磁輻射，包括(但不限於)紫外、近紫外、紅外、近紅外及中紅外。
術語「透明」用於指固體材料，其中至少80% (例如，90%或更多、95%或更多等)之穿透該材料之在特定波長範圍(例如可見光譜、中紅外光譜等)內之輻射透過該材料，而非由該材料吸收或散射。
術語「氧化物玻璃」係指由氧多面體組成之玻璃網狀結構。網狀結構形成劑實例包括SiO2 、GeO2 、P2 O5 及As2 O5 。
目前，透明氧化物玻璃之雷射誘導切割包括結合冷卻使用CO2 或CO雷射玻璃表面加熱(由於氧化物玻璃中之吸收)，或者結合多路徑或多程方法使用近紅外或可見光範圍雷射(由於透明氧化物玻璃在近紅外或可見雷射波長範圍內之低吸收)。對於CO2 及CO雷射，吸收發生在透明氧化物玻璃表面之1-5 μm範圍內，其餘體積藉由熱傳導加熱。為了補償1-5 μm之淺吸收深度，尤其在雷射切割速度高(例如，約1 m/s或更高)之情況下，可以產生細長光束來增加熱擴散深度，隨後用水霧或氣體冷卻玻璃之加熱區域。即使在CO2 或CO雷射誘導切割方法中，透明氧化物玻璃中產生之裂紋仍可能很淺，例如約50-60 μm，並且玻璃之其餘部分可能仍然完好無損，如第1圖所示。藉由沿著切割線C彎曲玻璃，可以進一步誘導分離，此可能導致額外之碎片及碎屑、不完美之表面切割及降低最終之邊緣強度。使用近紅外雷射可以提高分離結果。然而，對於使用近紅外雷射(在約800 nm與1600 nm之間)之低吸收玻璃外殼，限制條件包括切割速度慢或高雷射功率以補償低吸收。在該等情況下，該製程可導致玻璃板分離而不彎曲或以其他方式機械斷裂，此可稱為僅使用雷射切割製程之「全身分離」。
本文描述之實施例概言之係關於使用中紅外(mid-IR)雷射對玻璃進行處理，以在玻璃表面上及玻璃厚度內產生用於雷射誘導玻璃分離製程之合意溫度曲線。特別地，氧化物玻璃具有一定之水含量，並且氧化物玻璃組合物之O-H鍵之基本振動端視玻璃組成在2.7 μm-2.9 μm波長範圍內。中紅外雷射可以在2 μm-3 μm範圍內調諧，輸出功率達到約50瓦或甚至更高。藉由逐漸調諧在吸收峰附近0.1 μm-1 μm內之雷射波長，可以將玻璃材料中之吸收自玻璃厚度之百分之幾降至幾乎100%，從而能夠局部加熱玻璃。
如上所述，可用之透明玻璃在許多高功率雷射可用之波長下具有非常小之吸收，例如在約800 nm與1600 nm之間之近紅外(near-infrared; NIR)波段，或在約400 nm與800 nm之間之可見光波段(例如，基於Nd之二次諧波雷射)，或在約340 nm與約380 nm之間操作之UV波段。例如，鹼土鋁矽酸鹽玻璃及鋁矽酸鈉玻璃(例如，可自Corning Incorporated購得之諸如Eagle®玻璃、EagleXG™玻璃、1317玻璃及Gorilla™玻璃之玻璃)通常具有如第2A圖所示之透射光譜，且鈉鈣玻璃(例如窗戶玻璃)通常具有如第2B圖所示之透射光譜。如自第2A圖及第2B圖可以明顯看出，鹼土鋁矽酸鹽及鈉鈣玻璃在355 nm之透射率大於約85% (例如，由在355 nm操作之基於Nd之三次諧波雷射提供)，此不足以將甚至少量之玻璃(使用UV雷射)加熱至接近工作點(約104 泊)之溫度，除非使用具有幾百瓦可用輸出功率之雷射。
水之存在在透明氧化物玻璃於光譜之中紅外波長範圍(2.5 μm-3.0 μm)內之吸收特徵中起重要作用。此歸因於O-H鍵之基本振動在2.7 μm至2.9 μm波段。參考第3圖，例如，示出了幾種玻璃之近紅外及中紅外範圍之透射光譜。在第3圖之實例中，線A係乾二氧化矽玻璃，線B係Gorilla 5™玻璃，線C係EagleXG™玻璃，線D係鈉鈣玻璃，且線E係Iris™玻璃，可自Corning Incorporated購得。玻璃之羥基波段具有稍微不同之形狀及峰位置，尖銳之肩部自約2.7 μm之波長開始。可以看出，在玻璃質二氧化矽中，自2.7 μm開始有一個尖銳之OH吸收波段。在鹼性矽酸鹽中，此吸收波段移動至2.9 μm。該等透射率百分比迅速降低之尖銳肩部有助於在吸收峰周圍之相對窄之波長範圍0.1 μm至1 μm內調諧中紅外雷射，以達成含水玻璃之吸收及吸收深度之大變化。「透射百分比」係指透過玻璃板而非被反射/散射或吸收之入射光之百分比。
現在參考第4圖，示意性地圖解說明使用中紅外雷射之實例性玻璃加工裝置10，用於雷射分離由氧化物玻璃形成之玻璃板12。玻璃加工裝置10包括用於產生加工光束16之加工光源14。加工光束16自光源14引導至具有主表面18之玻璃板12。主表面18係玻璃板12藉由直接在其上引導加工光束16而開始分離之表面。玻璃板12係透明的。加工光束16可以由光學系統20引導至玻璃板12。在一個實施例中，由光源14產生之加工光束16係在2 μm-3 μm範圍內操作之中紅外雷射。作為一個實例，中紅外雷射可以係基於由er或Tm光纖雷射泵送之CR2+ :ZnSe及CR2+ :ZnS增益材料之高功率CW可調諧雷射。雷射之輸出功率值可以係約30 W至約100 W。
在一些實施例中，光學系統20可以包括掃描儀22，用於將光束16引導至玻璃板12之選定區域。掃描儀22能夠在玻璃板主表面18上書寫各種圖案。如第4圖所圖解說明，藉由固定光束16之位置並使用電動平臺操縱玻璃板12，可以達成類似之結果。例如，定位機構24，例如X-Y平臺，可以用於將玻璃板12定位在相對於加工光束16之期望位置。若需要，定位機構24亦可以包括用於控制束斑26尺寸之Z軸平臺。可以提供合適之控制器28來操作定位機構24亦及視情況地加工光源14。
簡要參考第5圖，圖解說明光束16引導至玻璃板12之主表面18上。藉由元件30圖解說明玻璃材料之加熱體積。不同之加熱曲線(深度及溫度)可以藉由改變雷射波長、雷射傳播速度等來達成。
再次參考第3圖，一些玻璃，例如在中紅外波長範圍內具有很少或沒有水含量及較高透射百分比(例如，至少約30%，例如至少約40%，例如至少約50%，例如至少約60%，例如至少約70%，例如至少約80%，例如至少約90%)之乾二氧化矽玻璃，可以在雷射誘導分離製程期間用作蓋玻璃基板。乾蓋玻璃在中紅外範圍內比所切割之濕玻璃板(即工件玻璃板)具有更高之透射率。術語「濕」係指在玻璃網狀結構中具有至少約100 ppm OH基團(例如約100-1000 ppm OH基團)之玻璃，且「乾」係指在玻璃網狀結構中具有不大於約5 ppm OH基團之玻璃。例如，蓋玻璃板可視為乾的，而所切割之工件玻璃板可視為濕的。
參考第6圖，圖解說明基板堆疊50，其包括位於工件玻璃板60之相對表面56及58處之蓋玻璃板52及54，從而將工件玻璃板60夾在其間，用於雷射誘導分離操作。蓋玻璃板52及54可以具有比工件玻璃板60更高之透射百分比，使得加工光束16至少穿過位於加工光源14與工件玻璃板60之間之蓋玻璃板12。中紅外雷射波長可以在中紅外波長範圍內調諧，以在工件玻璃板60中達成合意吸收深度之預定吸收。在加工光束16沿著切割路徑平移之後，可以在工件玻璃板60中發生全身分離，從而形成多個玻璃板。蓋玻璃板52及54與工件玻璃板60接觸可以抑制切割過程中產生之玻璃顆粒沉澱至玻璃表面56及58上。雖然示出了蓋玻璃板52及54，但其他合適之材料可以包括氟化或聚醯胺聚合物膜。蓋基板可以放置在工件玻璃板60之一或兩個表面56及58上。其他蓋玻璃實例可以包括硫系玻璃、ZnSe、Ge或其他中紅外透明材料，主要係基於非氧化物之材料。
本文描述之實施例通常允許使用中紅外雷射進行透明氧化物玻璃之雷射誘導分離。中紅外雷射可以可調諧方式施加表面及/或體積熱處理。雷射輻射之吸收(或穿透)深度可以精確地調節至約2.0 μm與約3.0 μm之間、例如約2.6 μm與約2.9 μm之間之期望波長。由透明氧化物玻璃中之中紅外雷射產生之應力曲線可以明顯不同於由其他類型之雷射(例如CO2 雷射、納秒脈衝雷射及超快雷射加工)提供之曲線。應力曲線亦可以取決於玻璃板之厚度。玻璃板可以具有任何合適之厚度，例如大於或小於約0.7 mm。此外，玻璃板可視為撓性及超薄的，例如不大於約0.3 mm，例如在約50 μm與0.3 mm之間。由於定價及有效之雷射-物質相互作用，中紅外雷射可以比其他雷射類型及非雷射製程更便宜。
應該強調的是，本發明之上述實施例、尤其任何「較佳」實施例，僅僅係實施方案之可能實例，僅僅係為了清楚理解本發明之各種原理而闡述的。在基本不脫離本發明之精神及各種原理之情況下，可以對本發明之上述實施例進行許多變化及修改。所有該等修改及變化皆欲包括在本揭示內容及所附申請專利範圍之範圍內。
10‧‧‧實例性玻璃加工裝置
12‧‧‧玻璃板
14‧‧‧加工光源
16‧‧‧加工光束
18‧‧‧主表面
20‧‧‧光學系統
22‧‧‧掃描儀
24‧‧‧定位機構
26‧‧‧束斑
28‧‧‧控制器
30‧‧‧元件
50‧‧‧基板堆疊
52‧‧‧蓋玻璃板
54‧‧‧蓋玻璃板
56‧‧‧相對表面
58‧‧‧相對表面
60‧‧‧工件玻璃板
A‧‧‧線
B‧‧‧線
C‧‧‧線
D‧‧‧線
E‧‧‧線
第1圖係根據本文所示及所述之一或多個實施例之具有由CO或CO2 雷射形成之切割線之玻璃板之示意性側視圖；
第2A圖圖解說明鹼土鋁矽酸鹽玻璃及鋁矽酸鈉玻璃之透射光譜；
第2B圖圖解說明鈉鈣玻璃之透射光譜；
第3圖圖解說明幾種玻璃在近紅外及中紅外範圍內之透射光譜；
第4圖示意性圖解說明根據本文所示及所述之一或多個實施例之利用中紅外雷射雷射分離玻璃板之玻璃加工裝置；
第5圖示意性圖解說明根據本文所示及所述之一或多個實施例之雷射誘導玻璃分離製程；及
第6圖示意性圖解說明根據本文所示及所述之一或多個實施例之另一種使用蓋基板之雷射誘導玻璃分離製程。
國內寄存資訊 (請依寄存機構、日期、號碼順序註記)
無
國外寄存資訊 (請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記)
無

Claims (20)

  1. 一種切割包含一透明氧化物玻璃之玻璃板之方法，該方法包括以下步驟： 將一雷射束自一中紅外(mid-IR)雷射源引導至該玻璃板之一主表面上；調諧該雷射束之一波長以調節該雷射束在該玻璃板中之一吸收深度；及使用該雷射束切割該玻璃板。
  2. 如請求項1所述之方法，進一步包括以下步驟：沿著一預定切割路徑移動該雷射束，該玻璃板在該切割該玻璃板之步驟期間沿著該切割路徑切割。
  3. 如請求項1所述之方法，其中該調諧該雷射束之該波長之步驟包括以下步驟：將該波長調諧至2.6 μm與2.9 μm之間。
  4. 如請求項1所述之方法，其中該調諧該雷射束之該波長之步驟包括以下步驟：調諧該玻璃板之羥基吸收波段內之該波長。
  5. 如請求項1所述之方法，其中該使用該雷射束切割該玻璃板之步驟包括以下步驟：將該玻璃板分成多個玻璃板。
  6. 如請求項1所述之方法，其中該使用該雷射束切割該玻璃板之步驟包括以下步驟：僅在該玻璃板之一厚度上部分切割。
  7. 如請求項1所述之方法，進一步包括以下步驟 將一透明蓋基板佈置在該玻璃板之該主表面上，該蓋基板之一透射百分比大於一中紅外波長範圍內之該玻璃板之一透射百分比；及將該雷射束引導穿過該蓋玻璃板。
  8. 如請求項7所述之方法，其中該蓋基板具有至少80%之一中紅外波長範圍透射百分比。
  9. 如請求項8所述之方法，其中該蓋玻璃板包含一中紅外透明材料。
  10. 如請求項1所述之方法，其中該中紅外雷射源包含一鉻摻雜ZnSe或ZnS雷射。
  11. 一種切割包含一透明氧化物玻璃之玻璃板之方法，該方法包括以下步驟： 將包含一透明蓋基板之一蓋玻璃板佈置在該玻璃板之一寬表面上，該蓋基板之一中紅外(Mid-IR)波長透射百分比大於該玻璃板之一中紅外波範圍透射百分比；將一雷射束自一中紅外雷射源穿過該蓋玻璃板引導至該玻璃板之一主表面上；及使用穿過該蓋玻璃但不切割該蓋玻璃之該雷射束切割該玻璃板。
  12. 如請求項11所述之方法，進一步包括以下步驟：沿著一預定切割路徑移動該雷射束，在該將該玻璃板分成多個玻璃板之步驟期間沿著該切割路徑切割該玻璃板。
  13. 如請求項11所述之方法，進一步包括以下步驟：將該雷射束之一波長調諧至2 μm與3 μm之間以調節該雷射束在該玻璃板中之一吸收深度。
  14. 如請求項13所述之方法，其中該調諧該雷射束之該波長之步驟包括以下步驟：將該波長調諧至2.6 μm與2.9 μm之間。
  15. 如請求項13所述之方法，其中該調諧該雷射束之該波長之步驟包括以下步驟：調諧該玻璃板之羥基吸收波段內之該波長。
  16. 如請求項11所述之方法，其中該使用該雷射束切割該玻璃板之步驟包括以下步驟：將該玻璃板分成多個玻璃板。
  17. 如請求項11所述之方法，其中該使用該雷射束切割該玻璃板之步驟包括以下步驟：僅在形成一裂紋之該玻璃板之一厚度上部分切割。
  18. 如請求項11所述之方法，其中該蓋基板在該中紅外波長範圍內具有至少80%之一透射百分比。
  19. 如請求項18所述之方法，其中該蓋玻璃板包含一中紅外透明材料。
  20. 如請求項11所述之方法，其中該中紅外雷射源包含一鉻摻雜ZnSe或ZnS雷射。
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