TWI632014B - 雷射處理貯存脆性材料的方法及裝置 - Google Patents

Abstract

本申請案揭示在材料上，使用例如超快速雷射之雷射的機械作用，形成邊緣倒角以及穿透孔洞與狹縫之方法與裝置。成形的材料具有預定且高受控的幾何形狀及/或表面形態。再者，本申請案揭示使用例如超快速雷射之雷射的機械作用而用於預防晶粒再沉積於材料上的方法與裝置。流體用於洗去在雷射加工處理程序過程中產生的晶粒。所述流體可為非中性狀態，具有添加的一或多化合物鹽或是使得所述流體中的所述晶粒凝聚的條件，使得所述晶粒可被沉積以避免再貼附至所述機械處理的基板。

Description

雷射處理貯存脆性材料的方法及裝置

相關申請案之交叉參考

本申請案主張2013年2月23日申請的美國臨時專利申請案案號61/768,467且標題為「具有可控表面及整體性質的脆性材料之成形」之優先權，該案全文併入本申請案作為參考。

本發明是關於材料處理。更特別地，本發明是關於用於成形脆性材料的系統與方法。

成形是材料修飾製程，通常涉及對材料(特別是脆性材料，例如玻璃、藍寶石或矽)使用化學製程及/或機械力，。通常經過處理而形成產物的其他一般材料範例包含但不限於無定形固體材料、晶體材料、半導體材料、晶體陶瓷、聚合物與樹脂。

用於成形脆性材料的典型技術包含機械鋸開製程、切割裂片、直接雷射加工、雷射熱擊分裂、 機械研磨、機械拋光、研磨液體侵蝕、流磨、化學蝕刻或機械、雷射、液體與化學步驟之組合。雖然這些技術的淨結果彼此稍有不同，但是它們皆具有成形表面或整體性質控制不足的缺點。

脆性材料用於消費者、工業與醫藥商品之多重商業市場。當處理和製造具有脆性材料的產品時，需要考量一些方面。

在材料切割/處理速度方面，商業市場中使用多重優值(multiple figure of merit(FOM))，用於量化有效的脆性材料成形速度。例如，可藉由將材料的總長度除以總切割時間，計算線性切割速度，其產生量測單位為公尺每秒(m/s)的有效的切割速度。依實際的材料種類、材料厚度與所欲之表面特性，所述有效的切割速度的單位也可為毫米每秒(mm/s)。

生產節拍(Takt time)，週期時間，是另一個FOM範例，用於量化對於脆性材料有效的成形速度，其為從初始脆性材料基板產生一單位的脆性材料成形部分所需要的時間。生產線的所述生產節拍通常被定義為產生一單位所需要的秒數或分鐘數。所述生產節拍計算可包含所述線性切割速度作為變數。所述生產節拍也可包含生產完成單位所需要的其他步驟作為所述計算中的變數，例如研磨、拋光、蝕刻、退火、化學浴或離子交換處理。

在材料性質方面，脆性材料可具有當施加應力於所述材料時，在破裂之前缺少塑性變形的特性。當提供應力時，脆性材料破裂，而沒有明顯的變形(應變力)。由於一些脆性材料可為非常堅硬，例如 鑽石、藍寶石或強化玻璃，因此這個性質並非排除強度。

在製造方面，由於使用典型的方法時，這些材料傾向於碎片及/或爆裂，因此具可控表面性質之脆性材料的成形(例如，切割、鑽孔或碾碎)特別具挑戰性。這些缺陷通常為「脆性斷裂」的結果，其為沿著最小阻抗的路徑蔓延穿過應力材料的裂縫。脆性材料的內生性微應力及/或傳統成形工具所施加的隨機局部應力在成形邊緣上加上未受控的表面形狀及/或表面形態。此未受控的邊緣品質可起因於沿著脆性材料中的穿晶路徑蔓延的裂縫，該路徑是隨著材料中每一個微粒內的晶格方位。同樣地，所述未受控的邊緣品質可起因於沿著脆性材料中的晶粒間路徑蔓延的裂縫，該晶粒間路徑是穿過所述材料中個別晶粒之間的晶粒邊界。用傳統技術控制脆性材料的切割邊緣品質之限制係取決於所述材料中的晶粒尺寸及/或所述晶粒結構允許的差排移動。

成形脆性材料的典型方法無法控制成形的表面形狀及/或表面形態，這是由於它們施力(例如機械及/或熱)常造成裂縫沿著所述脆性材料的高剪應力之天然結晶平面蔓延。在整體脆性材料基板內的缺陷可為晶體成長過程、雜質或隨機晶粒圖案的結果。 同樣地，在所述脆性材料基板表面的缺陷可起因於晶體成長過程、雜質、隨機晶粒圖案或基板形成過程，例如熔化、汲取、融合、切片、重疊或加工。以典型方法產生的未受控裂縫蔓延可藉由成形工具造成。機械成形工具可具有顯微隨機形狀、硬度及/或應用 力。熱成形工具可在所述脆性材料中產生顯微隨機熱分布。

第1A圖說明使用典型工具102(例如機械鑽石刀)之切割脆性材料101(此後稱為「材料」101)的原料的典型方法100。當所述典型工具102用於所述材料101時，產生切割/破裂/斷裂線104。藉由將所述材料101分離為二或更多片而形成第一部分106與第二部分108。當所述典型工具102應用於切割所述材料101時，所述材料101(例如脆性材料)形成粗糙表面110。

第1B圖說明使用用於切割脆性材料的典型方法與裝置而製成的三個粗糙表面112、114與116。所述三個粗糙表面112、114與116分別具有使用所述典型工具102所形成的所述脆性材料101之大、中與小粗糙狀況。當所述缺陷118的尺寸(在任何方向的長度)大於關鍵缺陷的尺寸，例如等於或大於10~20微米時，以預定量的衝擊力，所述脆性材料101可斷裂或變得容易破裂。

雖然脆性材料表面成形的典型方法與裝置已經允許成形為預定的形狀，但是這些典型方法與裝置將不受控的表面性質加在所得到的表面中，如第1B圖所示。因此，在所述典型製程與方法中，需要多重處理的製造流程，藉此所成形的表面後續被加工而達到所欲之表面性質，這是耗時且需要較高的製造成本的。例如，包括薄玻璃的電顯示面板通常沿著成形表面具有未受控尺寸的微裂縫與碎片，以及通常經由在所述典型方法中細微緊拋光表面的多重步驟來 移除這些特徵。拋光、研磨、重疊、蝕刻、磨砂、退火及/或化學浴為部分的後續步驟，用於所述典型方法中成形後的邊緣處理製程。

根據一些實施方式，本發明係關於材料成形的方法與系統。在一些實施方式中，所述方法與系統包含導引一或多個工具至部份的脆性材料，造成所述材料分為二或更多個部分，其中成形的表面具有預定且高受控的幾何形狀及/或表面形態。所述一或多個工具可包括傳送至所述材料而不需要物理接觸的能量，例如來自雷射光束或聲束的能量。在一些實施方式中，材料的一或多個分離部分包括片段的或微粒材料，並且可更包括廢料碎片。

在一些實施方式中，本發明係關於成形脆性材料的裝置。這些裝置包括工具或工具的組合，用於將脆性材料分為二或更多個部分，其中成形的邊緣具有預定且高受控的幾何形狀及/或表面形態。所述一或多個工具包括傳送至所述材料而不需要物理接觸的能量，例如來自雷射光束或聲束的能量。在一些實施方式中，材料的一或多個分離部分包括片段的或微粒材料，並且可更包括廢料碎片。

在一些實施方式中，本發明係關於製程產生的材料的分離部分。在一些實施方式中，所述製程包含：(a)提供脆性材料的原料(stock)以及(b)施加一或多個雷射光束至所述脆性材料的一部分，造成所述材料分離為二或更多部分，其是以可精準控制分離部分的至少其中之一的邊緣之幾何形狀及/或表面形態的方式而行。在一些實施方式 中，材料的一或更多的分離部分包括片段的或微粒材料，並且可進一步包括廢料碎片。

在一範例實施方式中，本發明係關於脆性材料成形的方法與系統。所述方法與系統包含導引一或更多個雷射光束至脆性材料的一部分，造成所述材料分離為二或更多個部分，其中由雷射光束暴露而產生的至少一部分表面具有預定且高受控的幾何形狀及/或表面形態。在一些實施方式，材料的一或多個分離部分包括片段的或微粒材料，並且可進一步包括廢料碎片。

在另一範例實施方式中，本發明係關於成形脆性材料的裝置。這些裝置包括一或更多雷射以及雷射光束導引機制，用於脆性材料的一部分暴露至所述雷射光，造成所述脆性材料分離為二或更多部分，其中由所述雷射暴露所產生之至少一所得的部分表面具有預定且高受控的幾何形狀及/或表面形態。可理解所述雷射光束導引機制可包含改變所述雷射光束的路徑，改變工作物件的位置或方位，或全部組合。在一些實施方式中，材料的一或更多個分離部分包括片段的或微粒材料，並且可進一步包括廢料碎片。

在另一範例實施方式中，本發明係關於由方法所產生的脆性材料之分離部分。所述方法包含：(a)提供脆性材料的原料以及(b)施加一或更多雷射光束至部分的所述脆性材料，造成所述材料分離為二或更多部分，其是以可精準地控制至少一分離部分之表面的幾何形狀及/或表面形態的方式而行。在一些實施方式中，材料的一或更多個分離部分包括片段的或微粒材料，並且可進一步包括廢料碎片。

本發明的更多方面提供於此處。在一些實施方式中，液體輔助的材料處理裝置包括雷射、材料支架，以及提供流體與所述材料支架上的材料接觸之流體清理系統。在一些實施方式中，所述流體清理系統包括儲存器。 在其他實施方式中，所述流體包括鹽。在一些其他實施方式中，所述鹽包括NaCl。在一些實施方式中，所述鹽包括二價鹽。在其他實施方式中，所述二價鹽包括CaCl₂、MgCl₂或其組合物。在一些其他實施方式中，所述流體包括非中性流體。在一些實施方式中，所述非中性流體包括低於4的pH值。在其他實施方式中，所述非中性流體包括大於7.2的pH值。在一些其他實施方式中，所述流體具有低於8的界面電位(zeta-potential)。在一些實施方式中，所述流體促使由所述材料產生的顆粒之凝聚。

在另一方面，處理材料的方法包括將材料放置在支架上，施加雷射光束至所述材料，以及使用流體來移除由於施加所述雷射光束而在所述材料產生的顆粒。在一些實施方式中，所述方法包括凝集所述流體中的所述顆粒，因而避免所述顆粒再貼附至所述材料。在其他實施方式中，所述方法包括降低界面電位。在一些其他實施方式中，所述方法包括加入鹽。在一些其他實施方式中，所述鹽包括CaCl₂、MgCl₂、NaCl、或其組合物。在一些實施方式中，所述鹽包括二價鹽。在一些其他實施方式中，所述流體包括非中性流體。在一些實施方式中，所述非中性流體具有低於5的pH值。在其他實施方式中，所述顆粒包括奈米顆粒、微米顆粒或其組合物。在一些實施方式中，所述顆粒包括矽酸膠。在一些實施方式中，所述方法包括從所述材料的遠側往所述材料的近側掃描雷射光束。

在另一方面，在脆性材料上形成穿透特徵(through-feature)的方法包括在脆性材料上施加雷射光束，在所述脆性材料上形成斜面穿孔，控制所述脆性材料的幾何形狀及/或表面形態。在一些實施方式中，所述雷射光束包括超快速雷射脈衝。在其他實施方式中，所述雷射光束包括飛秒(femtosecond)雷射脈衝。在一些其他實施方式中，所述斜面穿孔包括錐坑(countersink)結構。在一些實施方式中，所述斜面穿孔包括有角的倒角(angled chamfer)。在一些實施方式中，所述斜面穿孔包括圓角(round corner)。在一些其他實施方式中，所述脆性材料包括多層結構。在一些實施方式中，所述方法包括施加雷射脈衝至所述多層材料的一層。在其他實施方式中，所述脆性材料包括玻璃。在一些其他實施方式中，所述脆性材料包括消費者電子保護玻璃。

在另一方面，在脆性材料上形成邊緣倒角或斜面的方法包括在脆性材料上施加雷射光束，以及在所述脆性材料上形成倒角或斜面。在一些實施方式中，所述雷射光束包括脈衝期間小於約100毫微秒(nanosecond)的雷射脈衝。在一些實施方式中，所述雷射光束包括脈衝期間小於約100微微秒(picosecond)的雷射脈衝。在一些實施方式中，所述雷射光束包括脈衝期間小於約1000飛秒(femtosecond)的雷射脈衝。在一些實施方式中，所述方法包括施加雷射脈衝至所述多層材料的一層。在其他實施方式中，所述脆性材料包括玻璃。在一些其他實施方式中，所述脆性材料包括消費者電子保護玻璃。

在另一方面，在脆性材料上形成邊緣倒角的方法包括在脆性材料上施加雷射光束、在所述脆性材料上形 成邊緣倒角，以及控制所述脆性材料的幾何形狀或表面形態。在一些實施方式中，所述雷射光束包括微微秒或飛秒等級的超快速雷射脈衝。在其他實施方式中，所述雷射光束包括飛秒雷射脈衝。在一些其他實施方式中，所述倒角包括與所述脆性材料的本體有夾角之平坦表面。在一些實施方式中，所述倒角包括平坦表面，其與所述脆性材料的本體具有至少10度的夾角。在其他實施方式中，所述邊緣倒角包括圓角。在一些實施方式中，所述脆性材料包括多層結構。在一些實施方式中，所述方法更包括施加雷射脈衝至所述多層材料的一層。在其他實施方式中，所述脆性材料包括玻璃。在一些實施方式中，所述脆性材料包括藍寶石。在其他實施方式中，所述脆性材料包括消費者電子保護玻璃。

在閱讀以下實施方式之詳細說明之後，可明白本發明的其他特徵與優點。

100‧‧‧典型方法

101‧‧‧切割脆性材料

102‧‧‧典型工具

104‧‧‧切割/破裂/斷裂線

106、108‧‧‧部分

110、112、114、116‧‧‧粗糙表面

118、401、405‧‧‧缺陷

200、603、1200‧‧‧裝置

201、402、404、406、501、601、701、801、811、1002、1102、1202、1302、1408、1502、1506‧‧‧脆性材料基板

202‧‧‧使用工具

204‧‧‧來源

206‧‧‧傳送模組

208‧‧‧固定裝置

302、304、306、310、312、1402‧‧‧形狀

410、403、405‧‧‧孔洞圖案

402A、402B、402C、402D、404A、404B、404C、404D、406A、406B、406C、406D‧‧‧個別孔洞

502、602‧‧‧工具路線圖案

503、703‧‧‧新脆性材料裝置部分

504、604、704、704A‧‧‧應力釋放線

506‧‧‧連續線

508‧‧‧切割點/孔洞

510、512、514、516、607、608、609、610、611、612、613、614、615、616、617、704A、705、706、707、708、709、710、711、712‧‧‧犧牲部分

606‧‧‧箭號

702‧‧‧輪廓

703‧‧‧圖案

800‧‧‧分離固定裝置

802‧‧‧加熱器

804‧‧‧夾鉗

808‧‧‧冷卻工具

810、816‧‧‧內部

806‧‧‧分割圖案

812、814‧‧‧外部

901‧‧‧整合工作單元

902、904、1308‧‧‧整合雷射光束工具

906‧‧‧堅硬平台

1000、1100‧‧‧方法

1004‧‧‧穿透特徵

1006‧‧‧剩餘基板

1008‧‧‧移除材料

1204、1314‧‧‧貯存器

1206、1316‧‧‧固定卡盤

1208‧‧‧廢棄部分

1300、1400‧‧‧材料成形方法

1304‧‧‧前側

1306‧‧‧背側

1310‧‧‧脫落

1312、1508‧‧‧殘骸

1318‧‧‧液體/流體

1404、1404A、1406、1406A、1410、1412、1420‧‧‧區段

1410A、1410B‧‧‧點

1410C、1410D‧‧‧掃描路徑

1410E、1410F

1412A‧‧‧右側部分

1412C‧‧‧左側部分

1416‧‧‧光柵寬度

1420A‧‧‧右底角

1420B‧‧‧中心

1420C‧‧‧左頂角

1422A‧‧‧底部成形圖案

1422B‧‧‧中心成形圖案

1430‧‧‧框

1500‧‧‧穿透孔洞成形方法

1504‧‧‧穿透孔洞

1504A‧‧‧穿透孔洞陣列

1600‧‧‧系統

1602‧‧‧電腦

1604‧‧‧掃描控制器

1606‧‧‧移動控制器

1608‧‧‧工作台

1610‧‧‧光學控制元件

1700‧‧‧切割脆形材料方法

以範例與參考附圖來描述實施方式，而非用於限制本發明的內容。在本申請案的圖式中，相同的元件符號係指相同的元件。

第1A圖係說明使用典型工具切割脆性材料原料的典型方法。

第1B圖係說明使用切割脆性材料的典型方法與裝置所形成的三個粗糙邊緣。

第2圖為根據本發明的一些實施例中用於施加工具至脆性材料基板的裝置。

第3圖為根據本發明的一些實施例中藉由施加工具至脆性材料基板而產生的六個邊緣幾何形狀的輪廓圖。

第4圖為根據本發明的一些實施例中方法與裝置在所述脆性材料形成的空隙圖案之橫切面圖式。

第5圖為根據本發明的一些實施例中包含應力釋放線的工具路徑圖案的俯視圖。

第6圖為根據本發明的一些實施例中包含應力釋放線的另一工具路徑圖案的俯視圖。

第7圖為根據本發明的一些實施例中工具路徑圖案之俯視圖。

第8A圖係說明本發明的一些實施例中溫度不連續分離固定裝置。

第8B圖係說明本發明的一些實施例中使用所述溫度不連續分離固定裝置過程中，在脆性材料基板中所得的溫度圖案。

第9圖係說明本發明的一些實施例中用於切割脆性材料的裝置。

第10圖說明將脆性材料成形為具有封裝的穿透特徵的脆性材料部分之方法，該穿透特徵類似具有圓角的矩形輪廓。

第11圖係說明本發明的一些實施例之成形方法。

第12圖係說明本發明的一些實施例之用於成形材料的裝置。

第13圖係說明本發明的一些實施例之使用所述裝置的材料成形方法。

第13A圖為根據本發明的一些實施例之封裝的穿透特徵形成方法之流程圖。

第14A圖至第14C圖係說明具有預定路徑與圖案之材料成 形方法1400。

第15圖係說明封裝的穿孔成形方法，其可用於成形層狀的脆性材料。

第16圖係說明用於成形脆性材料的系統。

第17圖係為根據本發明的一些實施例中使用雷射光束之成形脆性材料方法的流程圖。

請參考本發明的實施例之詳細說明以及附隨的圖式。雖然本發明已描述如以下之實施例，但可理解本發明並非受限於這些實施例與範例。相對地，本發明涵蓋替代方案、修飾與均等物，其皆可包含於本發明之申請專利案為所定義的精神與範圍內。再者，在以下本發明的詳細說明中，提供許多特定的詳細說明，已更完全說明本發明。然而，對於本領域中具有通常技藝之人士而言，在得到本申請案之揭示內容後，可實現本發明而不需要這些特定細節。在其他範例中，已知的方法與程序、元件與製程不再詳細說明，以免不必要地模糊本發明。當然，在發展任何實際實施中，必須有許多針對實施的決定，以達到發展者的特定目標，例如符合應用與商業相關規範，以及這 些具體目標會因實施方式而異，也因發展者而異。再者，可理解此發展努力可為複雜且費時，但在本發明的貢獻下，而不是具該領域中一般技藝者在本發明教示下所能進行之工程慣例。

在以下說明中，根據本發明的一些實施例，揭示用於成形具有可控表面與整體性質的脆性材料之方法與裝置。本發明可將脆性材料(例如玻璃、藍寶石或矽)成形為精確形狀，同時控制成形的表面性質，例如粗糙度、微裂縫、錐形或斜角，其影響脆性材料的結構與表面特性，例如電子顯示面板的彎曲強度與觸感使用者體驗。

相較於典型的成形技術，本發明的使用之一是在相當短的時間內，成形具有可控表面性質的脆性材料。

在一些實施例中，本發明可將脆性材料成形為預定形狀，同時保持對於成形表面性質的高程度控制。因此，可從整體製造流程減少或排除後續修整製程。本發明可用於產生具有非常多樣的幾何型態選擇之單一化產品。 除此之外，本文所揭露之系統與方法可用於於產品中製造細微準確性的特徵。特徵範例包含狹縫、孔、洞、凹槽、刻痕、蝕刻等。

在本發明的一些實施例中，所述方法可藉由減 少或排除用於產生所需輪廓及/或表面型態的一些或全部額外步驟而實質減少生產節拍。

在本發明的一些實施例中，所述方法與裝置藉由內部脆性材料應力或缺陷的調整或藉由插置可引導裂縫蔓延的人為應力或缺陷，而預先定義裂縫蔓延路徑，而可防止不受控的裂縫蔓延。所述調整機制可包含對於局部晶格結構的一些或全部改變，以產生局部化的應力平面、材料的不連續密度及/或能量吸收性質的變化。

在本發明的一些實施例中，所述方法與裝置藉由施用成形工具以補償固有晶粒路徑的方式，而可防止不受控的裂縫蔓延。所述方式可包含從所述工具傳送至所述脆性材料的能量之局部化調整、所述工具的局部化轉化以補償所述脆性材料之固有粒度，以及/或從所述工具至所述脆性材料的能量之選擇性置換，例如產生導引能量束的脈衝。

在本發明的一些實施例中，所述方法與裝置可產生滿足完成產品或完成產品的完成元件之形狀與型態需求的成形的表面幾何形狀及/或表面型態。

在一些實施例中，本發明用於成形脆性材料(例如，玻璃或藍寶石)的薄面板，以用於電子顯示器中。

在一些實施例中，本發明係用於製造具有功能表面性質的脆性材料部分，例如用於控制所述表面的光學性質、所述表面的觸感性質以及/或所述表面的化學反應性。產生成形脆性材料表面的功能性質包括給予具有奈米、微米或更大等級之週期性的週期性結構。所述週期性結構可為多個子結構的一重疊結構，例如於微米等級結構的頂部結合奈米等級結構。

在一些實施例中，特別是當脆性材料部分與其他材料結合為完成產品(例如手持的消費者電子裝置)時，本發明的方法形成脆性材料的功能表面性質，增強裝置外觀以及增強所得脆性材料部分的結構完整性。

在一些實施例中，本發明改變/操作/控制成形表面的光學性質。所述光學性質包含光的反射、穿透、繞射及/或表面的光散射性質。藉由改變這些光學性質，本發明的方法可給予成形表面之實質不同的視覺效能。相較於原來的脆性材料表面，所述成形表面的視覺效能可被修飾為更亮或更暗、有光澤或無光澤、以及/或具有色彩(顏色)變化。所述成形表面的受控制光學性質依表面視角而具有不同的光學反應。

在一些實施例中，本發明控制所述成形表面的 觸感性質，包含操作所述表面的摩擦係數，以及/或增加表面的外形。藉由改變這些觸感性質，本發明可給予人類觸感覺得平滑的表面性質，因而形成所述脆性材料之成形部分更讓使用者喜歡握持與或攜帶接近身體，例如在臂帶固定的皮套中。針對機械性隔離中的成形的脆性材料部分與其他材料組合為完成產品(例如手持消費者電子裝置)時，成形的脆性材料部分的增進觸覺性特性是可辨別的。藉由改變切割脆性材料表面的觸感性質，本發明可給予使得所產生裝置較容易被握持的表面性質。

本申請案揭示的脆性材料可包含以下一或更多種材料類型：玻璃、藍寶石、單晶或單結晶、多結晶、陶瓷、鎢、氧化物、合金、複合式金屬/非金屬複合物或其任何組合物。再者，本申請案揭示的脆性材料可包含上述材料之摻雜的、染色的或色彩修飾的版本。再者，本申請案揭示的脆性材料可包含具有經設計之應力變化圖之回火的或強化的玻璃。所述脆性材料可包括Corning^®的Gorilla^®或Eagle玻璃(例如，Eagle XG^®)、旭硝子公司的Dragontrail^®、Lotus、Willos或Xensation。所述脆性材料亦可包含在回火或強化製程步驟之前，以本發明的方法之一成形這些玻璃類型的其中一種。所述回火或強化製程步 驟可包括加熱所述玻璃，或將所述玻璃進行離子交換處理。所述脆性材料可為在所述回火或強化製程步驟之後，以本發明的方法之一成形這些玻璃類型的其中一種。

本申請案說明書中描述的脆性材料可包括層狀材料。一或更多層的脆性材料可具有能夠彼此區分層狀區域之不同的機械或化學性質。在一些實施例中，藉由脆性材料強化製程，可產生或賦能所述層狀區域具有不同的機械或化學性質。例如，所述層狀脆性材料可包括已經進行離子交換處理的玻璃。所述離子交換製程形成不同壓縮應力或拉伸應力的層。

在一些實施例中，本申請案所描述的脆性材料包括堆疊二或更多脆性材料或是堆疊具有一或更多脆性塑膠(聚合物)或金屬材料的脆性材料之層狀材料。此種脆性材料用於電子顯示次組合中，其中在顯示操作中，這些層可具有不同的功能。例如，所述脆性材料可包括材料堆疊，其包含一或更多活性層、過濾層以及覆蓋層。這些層的一或更多層可為可見光能穿透者。

再者，本發明可切割具有內含物、應力平面、不連續性或無法被典型方法與裝置(例如，鑽石刀)成形的其他內在性質的脆性材料。相較於典型成形製程，本發明 具有許多優點特徵。可藉由量測表面微裂縫、散裂及/或碎片的尺寸而量化與量測，相較於使用典型方法所成形的表面，使用本發明成所成形的脆性材料表面具有較平滑的成形表面。相較於使用典型方法所成形的脆性材料，使用本發明實施例所成形的所述脆性材料具有較強的彎曲強度。

在一些實施例中，本發明係用於製造整合於消費者電子裝置中之脆性材料的部分，所述消費者電子裝置例如智慧型手機、平板電腦、個人數位助理、筆記型電腦、觸控螢幕、桌上型電腦螢幕、電視組、可攜式音樂撥放器、電腦滑鼠、觸控感應移動控制器以及這些電子裝置中任一者的保護蓋。在一些實施例中，被整合於消費者電子裝置中的脆性材料部分包含顯示螢幕、觸控螢幕、多觸控螢幕、顯示背板、顯示發光層、發光二極體(LED)基板、有機發光二極體(OLED)基板，以及/或透明傳導層。所述層可包括主動或被動基質格式。

在一些實施例中，本發明係用於脆性材料部分製成切口，基板(其他部分將被成形)，特徵部分自切口周邊內移除之切口，以及/或具有可在脆性材料共同平面內被賦能的多種微觀功能之切口。在一些實施例中，所述部分的額外成形包括產生邊緣倒角，以改善脆性材料元件的功 能效能。所述特徵部分與賦能的功能可包括視覺顯示、聽覺轉移通道、攝影記錄埠、聲音記錄埠、機械按鈕、機械開關、周圍光偵測器、攝影閃光發射器、天線、電子連接器、光纖連接器、觸控螢幕按鈕、觸控螢幕開關、機械性夾具、公司標誌標示、裝飾設計、流體傳送通道、無線射頻波或微波傳送通道，以及/或熱傳感器。

在一些實施例中，本發明係用於成形厚度(此尺寸是由實質平行於工具路徑或圖案之方向的平面所定義)小於500微米的脆性材料，同時控制成形的邊緣性質。由於典型方法在大的裂縫、散裂、碎片或內部缺失的形式產生附帶損害，因此脆性材料薄片成形為個別部分通常是非常困難的。在一些實施例中，本發明係用於成形厚度小於300微米的脆性材料，同時控制成形的表面性質。

在一些實施例中，本發明的系統包含成形工具、工具傳送元件、成形方法軟體、電腦可讀取的指令或儲存/保留在機械記憶體中的模板、脆性材料處理裝置、控制系統功能及/或監視系統效能的電子裝置、控制系統功能、監視系統效能及/或提供系統操作遙測的軟體，以及/或系統效能確認衡量。

在一些實施例中，本發明的系統包含可使脆性 材料的一部分自該材料的第一較大部分分離、可從較小部分的周圍內移除脆性材料的較小片段，以及可修飾邊緣以產生倒角、斜角、磨圓或方的成形邊緣的工具。

在一些實施例中，使用本發明方法與裝置而形成之所述成形的表面品質具有以下特徵：(1)在所述成形邊緣上的微裂縫之尺寸小於約15微米或貫穿小於約15微米至材料塊材中；(2)所述成形表面上的碎片、裂片或毛邊之尺寸小於20微米或貫穿小於約20微米至材料塊材中；(3)所述成形表面的表面對人類手指觸摸而言為平滑的；(4)所述成形表面具有小於約15微米的成形的表面邊緣均方根(RMS)粗糙度；(5)所述成形表面具有經設計以使散射所致光損最小化之粗糙度；(6)所述成形表面具有斜角、或倒角的側壁形狀；(7)所述成形表面具有錐形側壁；(8)所述成形表面使得在成形之後，使用三點或四點彎曲強度測試量測，成形部分禁得起大於約60Mpa(megapascal)之彎曲強度；(9)具有成形表面的脆性材料使得在成形後以及成形後強化之後，三點或四點彎曲強度測試量測，成形部分禁得起大於約400MPa的彎曲強度；以及(10)具有所述成形表面的脆性材料呈現出小於約50微米深至材料中的極性化的光量測應力場。所述性質為舉例的特徵。熟知此技藝的 人士理解在本發明的範圍內仍有其他特徵。

本發明的系統可以任意工具路徑實施成形圖案，例如彎曲、直線、銳角、鈍角或獨立的任意切割特徵。 當描繪所述任意工具路徑時，所述成形圖案可為連續或不連續。所述成形圖案可穿過先前工具路徑周圍內側或外側的工具路徑。經由軟體或外部機械指令，可編程所述成形圖案。藉由掃描所述工具與轉化所述脆性材料基板，可賦能所述工具路徑及/或圖案。

在一些實施例中，本發明使用包括來自飛秒雷射源之選擇性可變的輸出作為部分的成形製程之工具。在一些實施例中，本發明使用包括來自飛秒雷射的突波模式輸出之工具，其中個別的飛秒雷射脈衝被分組為持續10至1000奈秒的短突波，以及個別脈衝之間的時間間隔約為1至100奈秒。在一些實施例中，本發明使用突波模式格式中飛秒雷射脈衝的成形突波，其中在整體突波內的每一個個別脈衝之振幅具有特定值。在一些實施例中，本發明使用飛秒至微微秒等級的暫時成形脈衝。在一些實施例中，本發明使用包括雙重光源(例如，飛秒雷射以及較長脈衝或連續波(CW雷射))的工具。在一些實施例中，本發明使用包括飛秒雷射與聲音傳感器之工具。

在一些實施例中，本發明的方法包括提供待成形之脆性材料原料、沿著可編程的工具路徑，導引第一能量源至所述脆性材料，以得到顯微缺陷區，以及隨著與所述第一能量源實質相同的路徑或所述路徑的一至少部分，導引第二能量源至所述脆性材料，造成脆性材料的原始部分的受控制分離而分離為脆性材料的兩個新部分，其中所述一或多個新部分之成形表面性質具有預定且高可控的幾何形狀及/或表面形態。

在以下描述中，根據本發明的一些實施方式，進一步詳細說明用於成形具有可控表面與整體性質的脆性材料之裝置與方法。

第2圖為根據本發明的一些實施方式說明用於使用工具202至脆性材料基板201之裝置200。所述工具係由來源204產生，且藉由傳送模組206而被導引至所述基板201。該基板是由一固定裝置208予以定位。

第3圖為根據本發明的一些實施方式使用所述工具202至脆性材料基板201而形成的邊緣幾何形狀之輪廓圖。形狀302為具有彎曲點的任意彎曲輪廓。形狀304為具有例示精準錐角的一致錐形。形狀306為零錐形邊緣，所述零錐形邊緣是垂直於脆性材料201頂部及/或底部 邊緣。熟知此技藝的人士理解可使用本發明的方法與裝置形成任何其他形狀，例如磨圓的彎曲以及具有尖銳邊緣的三角形。可使用本申請案揭示的方法與裝置形成更多形狀。例如形狀308是具有精準倒角與深度的倒角邊緣。形狀310是具有精準曲率半徑的圓凸倒角邊緣。形狀312為具有精準曲率半徑的圓凹倒角邊緣。

第4圖為根據本發明的一些實施方式的方法與裝置形成在脆性材料上的孔洞圖案之橫切面示意圖。在一些實施例中，第一能量源(例如飛秒脈衝雷射光束)形成一連串的孔洞圖案401、403與405。在第一脆性材料402中，所述孔洞圖案具有缺陷區域401，其含有垂直堆疊且為從一孔洞到下一個孔洞之間為階梯側向偏移的個別孔洞402A、403B、402C與402D。在一些實施例中，第一飛秒脈衝雷射光束切除靠近脆性材料底側的脆性材料，形成孔洞402A。接著，第二飛秒脈衝雷射光束切除脆性材料，並且形成孔洞402B。第三與第四飛秒脈衝雷射光束切除脆性材料，並且形成孔洞402C與402D。可用任何順序產生孔洞402A至402D。例如，第一飛秒脈衝雷射光束產生孔洞402D。第二飛秒脈衝雷射光束產生孔洞402C。第三飛秒脈衝雷射光束產生孔洞402B。同樣地，在一些其他實施例 中，第一飛秒脈衝雷射光束產生孔洞402B，以及第二飛秒脈衝雷射光束產生孔洞402D。

在第二脆性材料404中，所述孔洞圖案具有缺陷區域403，其具有垂直堆疊但無彼此側向偏移的個別孔洞404A-404D。在第三脆性材料406中，孔洞圖案包含缺陷區域405，其具有斜對角堆疊且無彼此側向偏移的個別孔洞406A-406D。在一些實施例中，從一孔洞到下一個孔洞之間，孔洞的一些部分彼此重疊。熟知此技藝的人士理解可產生任何角度、任何順序、任何形狀與任何圖案的孔洞。

本發明的一些實施例揭示用於成形脆性材料的例示方法與裝置。

在一些實施例中，成形脆性材料的方法包括提供待成形的脆性材料原料、沿著編程的工具路徑導引第一雷射光束至所述脆性材料以形成顯微缺陷區域、隨著與所述第一雷射光束實質相同或相同的工具路徑導引第二雷射光束至所述脆性材料，以及造成脆性材料的原始部分的受控制分離而分離為為脆性材料的兩個新部分。在一些實施例中，所述第二雷射光束產生的孔洞圖案與所述第一雷射光束產生的孔洞圖案的至少一部分重疊。使用本發明的方 法，所述一或多個新部分的成形表面性質具有預定幾何形狀及/或表面形態。

在一些實施例中，成形脆性材料的方法包括提供待成形的脆性材料原料、沿著編程的工具路徑導引第一飛秒脈衝雷射光束至所述脆性材料以形成顯微缺陷區域、隨著與第一雷射光束實質相同的工具路徑或至少部分的所述路徑導引第二常脈衝或CW雷射光束(連續波雷射光束)至所述脆性材料，以及造成所述脆性材料的受控制分離為脆性材料的兩個新部分。所述一或更多個新部分之成形表面性質具有預定的可控制幾何形狀及/或表面形態。

在此實施例中，所述第一雷射光束跟隨的所述工具路徑包含描繪所欲成形裝置輪廓的圖案以及定義好的應力釋放路徑或線。使用所述第一雷射光束在與所述圖案之裝置輪廓部分相鄰的預定位置處定位所述應力釋放線，以促使沿著所述裝置輪廓傳播分離線。當在例如顯示面板角落之小半徑特徵周圍傳播分離線時，這些應力釋放線特別有用，其中所述脆性材料基板的固有應應力易於針對材料分離產生不受控制的路徑。

第5圖為根據本發明的一些實施例說明包含應力釋放線504的工具路線圖案502之俯視圖。所述脆性材 料501先暴露至所述第一雷射光束，其先跟隨所述裝置輪廓工具路徑502，而後跟隨所述應力釋放工具路徑504。在一些實施例中，所述工具路徑502是連續線506。在其他實施例中，所述工具路徑502構成空間上彼此相隔很遠的切割點/孔洞508。

在一些實施例中，在所述第一雷射光束已經描繪完整圖案以定義較佳應力破裂路徑504之後，所述脆性材料501而後暴露至跟隨所述裝置輪廓工具路徑502之所述第二雷射光束。在暴露至所述第二雷射光束下，所述脆性材料501分為至少五個新部分，包括新脆性材料裝置部分503以及四個犧牲部分510、512、514與516。所述裝置部分503的成形表面性質具有預定且高度可控制的幾何形狀及/或表面形態。

第6圖為根據本發明的一些實施例說明包含應力釋放線604的另一工具路徑圖案602的俯視圖。例如飛秒脈衝雷射光束之第一雷射光束依箭號606所指之方向，隨著裝置輪廓工具路徑圖案602而被應用於脆性材料601上。接著，所述第一雷射光束應用於所述應力釋放線604。 箭號606顯示第一雷射光束工具路徑的方向。接著，例如第二長脈衝(例如，微微秒雷射光束)或CW雷射光束之第 二雷射光束僅隨著所述工具路徑602之裝置輪廓而應用於脆性材料601。在使用所述第二雷射光束之後，所述脆性材料601分為多個新部分，包括新脆性材料裝置部分603以及多個犧牲部分607-617，其中所述裝置部分603的成形邊緣品質具有預定且高度可控制的幾何形狀及/或表面形態。

在一些實施例中，所述方法包含從所述脆性材料的較大部分內/周圍移除部分的脆性材料。所述第一雷射光束跟隨的所述工具路徑包括描繪欲自所述脆性材料的較大部分移除的內部之輪廓的圖案以及定義好的應力釋放路徑或線。在所述圖案的輪廓部分相鄰及/或內部的預定位置，使用所述第一雷射光束而定位所述應力釋放線，以增進一分離線沿著該輪廓蔓延。當在例如顯示面板特徵的內角之小半徑特徵內蔓延分離線時，這些應力釋放線是有用的，其中所述脆性材料的固有應力易於針對材料分離產生不受控制的路徑。

第7圖為根據本發明的一些實施例之工具路徑圖案之俯視圖。所述工具路徑包含在所述圖案的輪廓部分702內的應力釋放線704與704A。所述脆性材料701先暴露至所述第一雷射光束，其先隨著所述輪廓工具路徑702， 而後隨著所述應力釋放工具路徑704與704A。這些工具路徑可為連續，或其可為空間上彼此遙遠相隔。在所述第一雷射光束描繪完整圖案以定義預定應力破裂路徑之後，所述脆性材料701而後暴露至所述第二雷射光束，其較佳僅隨著所述裝置輪廓工具路徑702。在使用所述第二雷射光束之後，所述脆性材料701分為多個新部分，包括新脆性材料裝置部分703以及犧牲部分705-711(包含704A)，其中所述裝置部分703的成形邊緣性質具有預定且高度可控制的幾何形狀及/或表面形態。

在一些實施例中，藉由在所述輪廓702的內部與應力釋放線704產生「引導孔洞」704A而進行應用所述第一雷射光束至所述輪廓工具路徑702與所述應力釋放工具路徑704，以促使從脆性材料的較大部分清楚分離脆性材料的犧牲部分。熟知此技藝的人士理解可用任何順序形成所述圖案703、704A、705-712。

在一些實施例中，所述第一及/或第二雷射光束聚焦至所述脆性材料基板內的預定平面或是所述脆性材料的表面，以選擇性暴露所述脆性材料之平面。可使用高數值孔徑(高-NA)透鏡形成快速會聚光束，以達到所述選擇性暴露。在一些實施例中，所述透鏡的所述數值孔徑(NA)係 大於0.1。在其他實施例中，所述透鏡的所述數值孔徑(NA)係大於0.3。在一些其他實施例中，所述透鏡的所述數值孔徑(NA)係大於0.5。在其他實施例中，所述透鏡的所述數值孔徑(NA)係大於0.7。

在一些實施例中，藉由一或更多個光束成形光學元件而成形所述第一及/或第二雷射光束，以於所述脆性材料基板內的特定平面或在所述脆性材料的平面上，提供預定雷射光束波前。舉例而言，第一雷射光束波前可被最佳化以於脆性材料內提供一延伸之輪廓應力缺陷。這可藉由在所述高-NA透鏡與所述脆性材料基板之間增加透明板，以故意地將球面像差施加至所述雷射光束路徑中而達到。這種光束成形的形式可達到更長的有效聚焦深度，因而產生具有延伸縱向維度的應力缺陷。

在一些實施例中，所述第一雷射光束所依循的所述工具路徑係重複二或更多次，其中每一次工具路徑的重複皆改變聚焦平面。每一次重複的聚焦平面變化可被用於形成孔洞的堆疊陣列，例如上述於第4圖所示者。在垂直堆疊中的每一個孔洞層是形成在一個聚焦平面中。每一個聚焦平面可包含許多並列的個別孔洞，以依隨如第7圖的所述脆性材料部份輪廓702、應力釋放線704或引導孔 洞704所定義的圖案。在一些實施例中，工具路徑的每一次聚焦平面重複可以微觀的量被側向偏移，因此可形成第4圖所示的階梯狀缺陷區域401。在其他實施例中，所述工具路徑的每一次聚焦平面重複可具有零側向偏移，因而可形成第4圖所示的在一直線上的垂直缺陷區域403。在一些其他實施例中，所述工具路徑的每一次聚焦平面重複皆可被偏移，但沿著對角平面，因而可形成第4圖所示的在一直線上的傾斜缺陷區域405。

在一些實施例中，藉由雷射光束的主動空間光束相過濾器而提供聚焦平面的改變。所述相過濾器包括二維(2D)液晶空間光調變器或2D可變形鏡組合。經由電腦控制，所述相過濾器係可編程的，其中在穿過所述脆性材料中的重複工具路徑的重複之間以最小延遲調整聚焦平面。

所述主動空間光束相過濾器可被編程以提供非完全二次的(quadratic)的空間相位至所述雷射光束。反而，所述相過濾器可被編程以模擬高NA加透明板之波前優化方案，或是延伸所得應力缺陷之縱向維度的另一波前優化方案。所述優化方案可基於來自雷射材料處理監視感應器的回饋而用於自身校正所產生的空間過濾函數。

在一些實施例中，所述方法包含移除所述成形 材料的較大部分內之部分的成形脆性材料。此方法包括調整脆性材料的成形部分之溫度，以產生兩個部分之間溫度不連續。在一些實施例中，脆性材料的內部冷卻或冷凍，以誘導熱材料收縮，同時外部材料維持固定溫度或甚至被加熱。脆性材料的內部之材料收縮可造成內部與外部的清楚分離，使得可在所述兩部分之間發生具有最小的摩擦阻力或其他表面力的分離。

第8A圖係根據本發明的一些實施例說明溫度不連續之分離固定裝置800。藉由加熱器802以夾鉗804固抵所述脆性材料801，成形脆性材料801的外部被加熱或維持在環境溫度。由冷卻工具808快速冷卻脆性材料801的內部810，其是在部分分割圖案806內，所述冷卻工具808例如為由液態氮冷卻的銅柱。所述內部810的快速冷卻造成內部脆性材料部分810的機械收縮，因而所述內部脆性材料部分810以在所述兩個部分之間最小的摩擦力或其他表面力自脆性材料的外部812清楚分離。

第8B圖為根據本發明的一些實施例說明在使用第8A圖的溫度不連續之分離固定裝置800過程中在脆性材料基板811中所得的溫度圖案。所述溫度圖案的外部814被維持在環境溫度。在一些其他實施例中，所述溫度 圖案814被加熱而高於環境溫度。溫度圖案的內部816被實質冷卻而低於外部的溫度，以藉由所述內部816之機械/物理收縮而誘導所述兩部分的分離。

在一些實施例中，在所述脆性材料基板811被暴露至單一雷射光束之後，在所述脆性材料內產生應力缺陷，可實施所述溫度不連續之分離步驟。所述雷射光束產生的應力缺陷提供釋放由溫度不連續產生之應力的路徑。 此配置使得脆性材料基板同時分為脆性材料之兩個或更多個部分並且可分離所述部分，同時避免所產生部分之間的摩擦力或其他表面力。

在一些實施例中，在所述脆性材料基板暴露至在所述脆性材料內產生應力缺陷之第一飛秒雷射光束與將原始脆性材料基板811分割為脆性材料之兩個或更多部分之第二連續波或較長的脈衝雷射光束之後，可實施所述溫度不連續的分離步驟。在一些實施例中，由於第二雷射暴露而將脆性材料分為兩個或更多個不同新部分並不包含這些部分之彼此分離，這是由於新部分之間有強摩擦力或其他表面力。在這些實施例中，在所述脆性材料基板暴露至第二雷射光束之後，可進行所述溫度不連續的分離步驟，以將所述脆性材料的新部分彼此分離。

在一些實施例中，所述方法包括提供待成形之脆性材料原料、沿著編程的工具導引第一能量工具源至所述脆性材料以提供微觀的缺陷區域、跟隨與所述第一能量工具源部分相同的工具路徑而導引第二能量工具源至所述脆性材料，造成脆性材料的原始部分的受控制分離為脆性材料的多個新部分，以及導引第三能量工具源至所述分離部分的其中之一的至少一邊緣，以進一步修飾邊緣幾何及/或表面型態，其中所述一或多個新部分的成形表面性質具有預定且可控制的幾何形狀及/或表面形態。

在一些實施例中，所述第三能量工具源是用於沿著脆性材料的新部分之一的周圍形成倒角。所述脆性材料的周圍包括成形圖案的內部或外部周圍中任一或兩者。 形成所述脆性材料的周圍之倒角幾何可進一步改善脆性材料之新部分的功能特性，例如當使用多點撓曲強度測試評估時所述脆性材料部分的彎曲強度。所述倒角或斜面可為有角度或平滑圓狀。

在一些實施例中，所述第一、第二及/或第三能量工具源包括飛秒脈衝雷射光束。在一些實施例中，所述第一、第二及/或第三能量工具源包括微微秒脈衝雷射光束。在一些實施例中，所述第一、第二及/或第三能量工具 源包括奈秒脈衝雷射光束。在一些實施例中，所述第一、第二及/或第三能量工具源包括連續波(CW)雷射光束，例如來自二氧化碳(CO₂)雷射源。

在一些實施例中，對該脆性材料施用該第三能量工具源是藉由接合犧牲基板至周圍邊緣的一部分以增強所述周圍邊緣的部分之局部化的機械應力而進行。

在一些實施例中，使用所述第三能量工具源至所述脆性材料之後接以進行熱衝擊步驟，產生所需要/預定的周圍邊緣輪廓，例如倒角輪廓。所述熱衝擊步驟可包括將脆性材料或脆性材料的周圍片段置於熱流體浴中。所述熱流體浴可提供功能特徵給脆性材料部分，例如增加的彎曲強度，此為脆性材料與流體之間離子交換處理的結果。

在一些實施例中，所述第三能量工具源是用於沿著脆性材料的新部分之一的周圍產生暫時的薄熔化區域。所述脆性材料的周圍包括所述成形圖案的內部及/或外部周圍。所述薄熔化區域是暫時的且立即接著進行再固體化作用。熔化與固化的順序在脆性材料中產生自身修復效果，微裂縫及/或其他缺陷係藉此而得以被填充或自材料周圍清除。脆性材料部分的的周邊所產生的自身修復效果改善脆性材料的新部分之功能特性，例如可使用多點撓曲強 度測試而評估的所述脆性材料之彎曲強度。

在一些實施例中，藉由熱源(例如火把、雷射、具體成形的電阻式加熱元件或是電弧電極對)誘發所述薄熔化區域產生步驟。所述熱源用於加熱脆性材料周圍之薄層至恰高於所述脆性材料的熔點溫度(例如高於0.1℃)。所述熱源的使用被精準控制，因而僅僅熔化最接近脆性材料邊緣的一非常薄區域。此熱處理可誘導熔化的脆性材料回流填入邊緣中的任何分離缺陷中，以產生實質更平滑的輪廓。脆性材料的微觀性質(例如撓曲彎曲強度)可與脆性材料邊緣性質(幾何性及/或表面粗糙度方面)有關。因此，使用熱源所產生之脆性材料的回流可實質改善脆性材料部分的微觀性能。

在一些實施例中，在使用熱源改善邊緣輪廓之前、過程中及/或之後，脆性材料的溫度整個上升至接近軟化溫度之一溫度，或是至脆性材料固有之熔化溫度。藉由增加整個脆性材料的溫度至接近軟化溫度，以及而後對脆性材料部分的邊緣實施熱處理，所述製程避免在脆性材料周圍附近之熱衝擊，所述熱衝擊可造成有害的副作用。

在一些實施例中，熱源用於成形脆性材料的周圍，以移除脆性材料的薄條，因而移除尖銳邊緣且產生倒 角狀幾何形狀。藉由局部化的熱應力，此效果可呈現為包括尖銳邊緣的脆性材料的消失或脆性材料薄條從脆性部分脫離，其可被轉移至其他用途上。在此實施例中，關於傳送光、產生光學影像與機械強化所述脆性材料部分的方面，所述尖銳邊緣的移除具有改善脆性材料性能的微觀效應。整合脆性材料部分與上述處理的裝置可改善脆性材料的表面本質。

在一些實施例中，藉由熱源，例如火把、雷射、具體成形的電阻式加熱元件或是電弧電極對，誘發所述薄條移除步驟。所述熱源是用於移除恰高於該脆性材料熔化溫度(例如高於0.1℃)的脆性材料周圍之薄層。所述熱源的使用被精準控制，因而僅剝除最接近脆性材料邊緣的非常薄區域。脆性材料的微觀性質(例如撓曲彎曲強度)係與脆性材料邊緣性質(幾何性及/或表面粗糙度方面)直接相關。因此，因使用熱源所產生之所述脆性材料薄條的移除可實質改善脆性材料部分的微觀性能。

第9圖係根據本發明的一些實施例說明用於成形脆性材料的裝置。所述裝置包含整合工作單元901，其整合雷射光束工具902與904的運作、雷射工具至脆性材料工作件的傳送、脆性材料原料的進料、精準定位所述脆 性材料、所述脆性材料與雷射光束工具使用的同步化移動以及輔助功能，例如品質檢查或工作區域清潔。所述整合工作單元901可在堅硬平台906內包含上述功能，用於成形脆性材料部分的預定且高度可控制的幾何形狀及/或表面形態之處理穩定性與一致性。

可藉由電腦數值控制(CNC)裝置控制本文所述的工作單元901，以協調工作單元901進行的各種功能。 所述控制系統可包含中央處理單元(CPU)、軟體操作系統(OS)以及數位與類比電子元件的組合，以傳送與接收指令並與工作單元硬體進行通訊。所述控制系統可被實質自動操作，以接受脆性材料原料且產生脆性材料部分，其中所述成形表面具有預定且可控制的幾何形狀及/或表面形態。

在一些實施例中，所述工作單元控制系統耦合至通訊網路。在其他實施例中，所述工作單元控制系統包含網路瀏覽伺服器。在一些其他實施例中，所述工作單元控制系統包含組成功能元件及/或脆性材料處理效果的遠端遙測方法。

本發明可用於製造在脆性材料中具有任意輪廓之封裝的穿透特徵。

第10圖係根據本發明的一些實施例說明方法 1000。所述方法1000可成形具有封裝的穿透特徵1004之脆性材料1002，所述穿透特徵1004具有矩形輪廓與圓角。 在一些實施例中，藉由機器處理所述特徵輪廓的周圍且移除內材料部分1008，而從所述基板1002移除材料1008以形成封裝的穿透特徵1004與剩餘基板1006。在此方式中，相較於機器處理/處理所述特徵輪廓中的所有材料，所述機器處理方法相對快速。在一些實施例中，所述基板1002包括飛秒波長可穿透的材料。

第11圖係根據本發明的一些實施例說明成形方法1100。所述方法1100可用於成形脆性材料1102成為具有角度倒角/斜面1110的封裝穿透特徵1106。在一些實施例中，所述成形程序將所述脆性材料1102成形為保留部分1104、大廢棄部分1112以及多個小殘骸部分1114。熟知此技藝的人士理解可使用本文所揭示的方法與裝置形成任何形狀。

第12圖係根據本發明的一些實施例說明用於成形材料的裝置1200。所述裝置1200(工作單元)包括固定且定位脆性材料1202至所述裝置的固定卡盤1206。所述卡盤包括貯存器1204，接收脆性材料1202的所述廢棄部分1208。所述貯存器可包含用於輔助成形程序的氣體或液 體。

第13圖係根據本發明的一些實施例說明使用裝置1200的材料成形方法1300。在一些實施例中，以工具路徑成形脆性材料1302，工具路徑初始成形所述材料之背側1306，並且漸漸逐步向其前側1304成形所述材料。 所述脆性材料1302被固定在具有填充液體溶液的貯存器1314之卡盤1316上。雷射光束1308(例如第2圖中的工具200或任何其他雷射裝置產生的)先被導引至所述脆性材料的背側1306，並且經由脫落1310產生雷射加工。所述貯存器1314中的液體/流體1318輔助從脆性材料1302移除殘骸1312。而後所述雷射光束1308被向上轉換至階梯圖案中的前側1304。所述貯存器中的液體1318可經由毛細作用/力而被拉至機械處理的切口/刻痕中。在所述切口內的液體1318的存在可進一步輔助殘骸1312的移除。

在一些實施例中，所述液體1318包括非中性液體，其防止奈米粒子再沉積於脫落的脆性材料機械處理中。在用雷射脫落機械處理的脆性材料(例如，玻璃)的程序過程中，脫落的殘骸安定在所述材料/基板的表面上。這些殘骸小到足以非常具反應性，造成強烈的、嚴重的殘骸再貼附。所述脫落的雷射加工處理通常發生在接近製造程 序的終點，在表面已經被磨光後，研磨清理是不被期望的。 因此，使用非中性流體防止殘骸再貼附對於本發明是有利的特徵。在一些實施例中，所述非中性液體包括pH不等於7的溶液。在一些實施例中，所述非中性流體包括具有pH高於7的鹼性溶液之溶液，所述鹼性溶液例如具有氫氧化鈉含量的水溶液。在一些其他實施例中，所述非中性流體包括具有pH低於7的酸性液體的液體，所述酸性液體例如具有鹽酸含量的水溶液。

在一些實施例中，所述液體1318包括二價鹽，例如CaCl₂與MgCl₂，其促使矽奈米晶粒(5-500nm)及/或殘骸的凝聚，因而可避免所述殘骸再貼附至所述基板。熟知此技藝的人士理解可促使殘骸凝聚的任何其他二價鹽或任何其他化合物係在本發明的範圍內。本文所使用的「殘骸」一詞包含在以例如飛秒雷射之雷射進行脫落過程中所形成的任何顆粒。所述飛秒雷射的波長範圍可在300至2000nm。在一些實施例中，晶粒尺寸分布的頂峰在90至150nm之間。所述晶粒可為矽酸膠或當所述雷射剝除純SiO₂或以SiO₂為基礎的材料或玻璃而產生的任何其他顆粒。所述殘骸的尺寸可在25nm至500nm的範圍內。

在一些實施例中，調整所述液體以降低其界面 電位，因而發生殘骸(當所述基板接收雷射能量時所產生的顆粒)的凝聚或結塊。在其他實施例中，調整所述液體以具有/接近/靠近等電點，因而發生所述殘骸的凝聚或結塊。在一些其他實施例中，調整所述液體以降低溶液中膠體的穩定性，因而發生所述殘骸的凝聚或結塊。在一些實施例中，所述界面電位被帶至低於10mV，因而發生凝聚或結塊。 在一些其他實施例中，所述界面電位被帶至低於5或0-5mV之間，以促使凝聚或結塊。

在一些實施例中，調整所述溶液以具有在2.0至3.4之間的pH。在其他實施例中，調整所述溶液以具有在2.0至3.0之間的pH。在一些其他實施例中，調整所述溶液為酸性溶液。在一些實施例中，所述溶液包含具有pH在1.0附近的硫酸，因而所述殘骸不會再貼附至所述基板。在一些其他實施例中，所述溶液包含具有pH在2.0-3.0附近的檸檬酸，因而所述殘骸不會再貼附至所述基板。

熟知此技藝的人士理解可用於促使移除懸浮在溶液中的殘骸或顆粒之任何化合物係在本發明的範圍內，例如加入NaCl、CaCl₂、MgCl₂或任何其他鹽類。

第13A圖係根據本發明的一些實施例說明封裝穿透特徵形成方法1350的流程圖。所述方法可由步驟1351 開始。在步驟1352，將預定機械處理輪廓下載於雷射掃描裝置中。所述預定機械處理輪廓可為欲從基板切割的任何穿透特徵。在步驟1354，所述基板被放置於支架上。所述支架的背部開啟，以及例如脆性材料之基板的背表面係與液體接觸。在步驟1356，調整所述雷射光束以聚焦在所述基板的背表面上。在步驟1358，向上移動聚焦直至所述基板的頂部，以及隨著預定機械處理輪廓而重複程序。所述液體輔助機械處理以及殘骸的移除。當完成所述機械處理時，產生的廢棄物因重力而掉出。所述穿透特徵可為任何形狀或特徵，例如雙倒角邊緣。所述方法可用以形成例如45度之任何角度的倒角、任何預定深度、預定半徑的圓倒角或凹倒角。

第14A圖至第14C圖說明具有預定路徑與圖案的材料成形方法1400。所述方法1400可使用形成各種掃描圖案以成形所述基板1408的雷射光束。在一些實施例中，所述掃描圖案包含光柵掃描圖案。

在一些實施例中，所述雷射裝置保持工具固定，且相對於所述雷射裝置(工具)而轉換所述脆性材料，以形成工具路徑。在一些其他實施例中，所述雷射裝置提供掃描/ 移動所述工具以及轉換所述脆性材料的協同組合。

本文揭示的方法可用於形成大面積倒角。在一些實施例中，本發明將完整倒角分割為較小的卡盤(chuck)/區域。在一些實施例中，所述卡盤/區域為透鏡視野(FOV)尺寸的1/2。再者，在一些實施例中，每一個倒角卡盤被分為多個層，其中多個層的堆疊形成倒角之預定的3D輪廓。 在一些實施例中，雷射掃描/光束被設定以掃描具有單一雷射掃描圖案的一個卡盤之一層。每一個掃描圖案被索引至所述基板的材料周圍上之特定開始位置。後續層的索引位置以特定量偏移，使得整個圖案上任何與全部邊緣效應被平均，造成整個部分附近的平滑與不變的倒角。電腦軟體可被編程，以形成預定倒角輪廓。在一些實施例中，工作台編碼器位置被饋送至掃描控制器，因而所述工作台與掃描器在形成所述倒角過程中可移動。

第14A圖係根據本發明的一些實施例說明掃描圖案。雷射光束係施加於所述基板1408以形成消費者電子裝置的保護玻璃蓋之形狀1402。沿著所述形狀1402的輪廓，依區段進行形狀1402的形成。先在區段1404的區域1404A內，用光柵圖案掃描所述區段1404。接著，在所述區段1406 的區域1406A內，用光柵圖案掃描所述區段1406。在一些實施例中，區段1404與1406中每一者的長度為數微米(例如3-10微米)。

在一些實施例中，所述掃描區段1404與1406交錯以最小化及/或避免邊緣效應。例如，掃描區段1410具有與掃描區段1412的重疊區域。所述掃描區段1410可從點1410A開始且於1410B結束。在所述雷射光束達到點1410B之後，所述光束向下偏移且以相反方向掃描返回所述點1410A。進行類似的圖案直到已經在所述區域區段1410內進行預定的光柵圖案。在完成所述區段1410之後，用上述類似圖案形成第二區段1412。所述區段1412的開始點1412A與區段1410的至少部分區域相重疊，以最小化或避免邊緣效應。

第14B圖係根據本發明的一些實施例說明光柵圖案的掃描順序。雷射光束掃描從點1410A開始至1410B(從左側水平至右側)，形成掃描路徑1410C。接著，所述掃描點從1410E開始，垂直向下偏移部分光柵寬度至1410F(水平從右至左)，形成掃描路徑1410D。所述掃描路徑1410C與1410D彼此平行。跟隨著類似程序直到掃描整個區段1410，使得第一區域區段1410完成掃描。接著，用與區段 1410相同的程序，掃描所述區域區段1412。在一些實施例中，上述光柵寬度1416係為所述掃描路徑1410C長度的兩倍。熟知此技藝的人士理解所述掃描路徑之間的掃描長度與間隙可為任何尺寸，例如從0.5微米至5微米。光柵掃描圖案也可用於掃描曲線或任何其他形狀。

第14C圖係根據本發明的一些實施例說明掃描圖案進程。在一些實施例中，兩個移動圖案(例如，雷射光束與基板)同時發生。所述雷射光束移動且/或掃描通過框1430定義的範圍。所述基板相對於框1430移動，因而所述掃描範圍連續覆蓋基板的新部分。雷射光束與基板皆恆定地移動。光柵掃描圖案1410、1412與1420中的雷射光束以多次掃略施加於框1430內每一線段區域，以從分離的橫切輪廓移除材料的多個深度層。雖然當進行所述光柵掃描時，所述部分相對於掃描範圍移動，但是儲存在電腦中的一或多個控制演算法與可執行的電腦指令追蹤要在何處掃描所述雷射光束，因而即使所述部分在移動，實際的雷射光束應用區域在該部分保持不動。一旦完成區段(例如，線1410A)，所述掃描器導引所述雷射光束至進入掃描範圍的下一區段。

以下是雷射掃描程序的範例。如上所述，區域區段1410的部分與區域區段1412重疊(第14A圖)。所述區段1410的掃描可於右側部分1410A開始。所述第二掃描光束可施加於中心部分1410B。所述第三掃描光束可施加於區段1410的左側部分1410C。類似用於所述區段1410的掃描圖案，第二組掃描可於右側部分1412A開始，所述右側部分1412A連接至左側部分1410C。第二組掃描的第二掃描光束係施加於所述區段1412的中心1412。第二組掃描的第三掃描光束係施加於所述區段1412的左側部分1412C。當形成彎曲圖案1420時，使用類似圖案，從右底角1420A開始、中心1420B，而後左頂角1420C。藉由持續左頂角1420C的成形線與進行底部成形圖案1422A與中心成形圖案1422B，垂直成形可跟隨上述類似的圖案。可沿著預定形狀的預定輪廓線，進行類似程序。

第15圖係說明封裝的穿透孔洞成形方法1500，其可用於成形層狀脆性材料1502。上述的雷射裝置可用於形成一或多個具有預定特徵尺寸(例如孔洞直徑與中心至中心的間隔)之穿透孔洞1504。在一些實施例中，所述穿透孔洞配置於陣列中，其具有所得脆性材料部分1506之聲音傳 遞功能，例如智慧型手機中的揚聲器或麥克風。藉由以特定的一洞接著一洞的順序產生殘骸1508來成形所述脆性材料，以製造所述封裝的穿透孔洞陣列1504A，以控制成形步驟之間機械或化學耦合。可使用將所述脆性材料中的有害應力概況最小化的預定演算法而成形所述穿透孔洞。 在一些實施例中，所述方法可用於將所述材料切割/分離為個別部分。

第16圖說明用於成形脆性材料的系統1600。所述系統1600包括電腦1602、掃描控制器1604、移動控制器1606、工作台1608、光學控制元件1610，例如驅動操縱所述雷射光束的鏡子之電流計(galvo)。所述電腦可命令所述移動控制器1606，用於工作台1608的移動，以及命令所述掃描控制器1604以基於所述光學元件1610的配置而發射雷射光束。

第17圖為根據本發明的一些實施例說明使用單一雷射的切割脆形材料方法1700之流程圖。所述方法1700從步驟1702開始。在步驟1704中，裝置被編程用於成形具有預定邊緣形狀及/或表面形態的脆性材料。在步驟1706中，雷射光束沿著編程的工具路徑而施加於所述脆性材 料。在步驟1708中，所述脆性材料被成形為具有受控邊緣形狀及/或表面形態。在一些實施例中，經由雷射誘導的部分脆性材料崩解而在所述脆性材料上形成所述受控邊緣形狀及/或表面形態。在步驟1710中，進行所述脆性材料之預定區域的分離，其中至少一部分的所述預定區域具有預定的邊緣形狀及/或表面形態。在一些實施例中，藉由使用所述雷射完成所述分離。在一些其他實施例中，藉由使用機械力完成所述分離。所述方法1700於步驟1712停止。

本文揭示的方法與裝置提供許多優點於商業及/或工業使用，例如成形的脆性材料表面不需要額外的成形後處理程序。相對地，典型的方法與裝置需要許多成形後機械處理步驟，例如研磨、拋光、蝕刻、退火、化學浴以及離子交換處理。

再者，本文揭示的方法與裝置可在脆性材料上製造穿透孔洞特徵及/或不同的形狀，例如倒角。

本文揭示的方法與裝置可用於成形任何無定形固體材料，例如電子裝置的玻璃蓋、太陽能面板、ITO(銦錫氧化物)、鈉鈣玻璃(soda-lime glasses)、窗戶與汽車的擋風板。

在操作中，本發明的方法包括提供脆性材料原料以及施用一或多雷射光束(例如飛秒雷射光束)至部分的脆性材料，造成所述材料分離為二或更多個部分，因而精準控制所述分離部分的至少其中之一的邊緣之幾何形狀及/或表面形態。

本發明已經描述於特定實施例，包含便於了解本發明的架構原理與操作之細節。本文的特定實施例與細節並非用於限制如附申請專利範圍之範圍。對於熟知此技藝的人士而言很容易可修飾本發明的實施例而仍不脫離本發明之申請專利範圍所定義的精神與範圍。

Claims (39)

1. 一種雷射處理一貯存脆性材料的方法，該貯存脆性材料具有一前表面及一相對背表面，該方法包括：以該貯存材料的該背表面與保存在一貯存器中的一液體溶液流體接觸的方式放置該貯存脆性材料，該液體溶液具有低於10mV的一界面電位；施加一超快速雷射光束至該貯存脆性材料，該超快速雷射光束包含飛秒或微微秒雷射脈衝其中之一，該超快速雷射光束入射在該貯存脆性材料的該前表面上，該超快速雷射光束具有一焦點，該焦點位在該貯存脆性材料的該背表面上；以及將該超快速雷射光束的該焦點從該貯存脆性材料的該背表面朝向該貯存脆性材料的該前表面轉換，經聚焦的超快速雷射光束藉由消除而從該貯存脆性材料移除一材料，藉由消除而移除的該材料為一殘骸顆粒形式，該液體溶液將該殘骸顆粒凝聚在該液體溶液中，該液體溶液藉此避免藉由消除而移除的該材料再貼附至該貯存脆性材料。
2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該液體溶液包括一鹽類。
3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該鹽類係為CaCl₂、MgCl₂及NaCl其中之任一，或其組合物。
4. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該鹽類為一二價鹽。
5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該液體溶液具有一非中性pH值。
6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該液體溶液具有小於5的一pH值。
7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中藉由消除而移除的該殘骸顆粒為奈米顆粒及微米顆粒其中之一，或其組合物。
8. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中藉由消除而移除的該材料為矽酸膠。
9. 如申請專利範圍第1項所述之方法，進一步包括在重複施加及轉換步驟的同時沿著一工具路徑掃描該超快速雷射光束。
10. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該超快速雷射光束包括微微秒雷射脈衝。
11. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該超快速雷射光束包括飛秒雷射脈衝。
12. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該雷射處理在該貯存脆性材料中形成一穿透孔洞或隙縫。
13. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該穿透孔洞 或隙縫具有一倒角。
14. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該穿透孔洞或隙縫具有一圓形邊緣，該圓形具有一曲率半徑。
15. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該貯存脆性材料包括一多層結構的脆性材料。
16. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中經聚焦的超快速雷射光束被施加至該多層結構的脆性材料的一層。
17. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該貯存脆性材料係由玻璃製成。
18. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該貯存脆性材料係由一消費者電子保護玻璃製成。
19. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該貯存脆性材料係由藍寶石製成。
20. 一種雷射處理一貯存脆性材料的裝置，該貯存脆性材料具有一前表面及一相對背表面，該裝置包括：一材料固定器，用於支持該貯存脆性材料；一液體貯存器，保存一液體溶液並被放置使得該貯存脆性材料的該背表面與該液體溶液接觸，該液體溶液具有低於10mV的一界面電位；以及一產生雷射的脈衝雷射光束，所述脈衝在微微秒或飛 秒範圍中，且該雷射光束的焦點是可調整的，使得在處理過程中，該雷射光束入射在該貯存脆性材料的該前表面上，且其中該雷射光束的該焦點起初在該貯存脆性材料的該背表面上，然後該焦點朝向該貯存脆性材料的該前表面移動，以藉由消除而從該貯存脆性材料移除一材料，藉由消除而移除的該材料為一殘骸顆粒形式，該液體溶液將該殘骸顆粒凝聚在該液體溶液中，該液體溶液藉此避免藉由消除而移除的該材料再貼附至該貯存脆性材料。
21. 如申請專利範圍第20項所述之裝置，其中該液體溶液包括一鹽類。
22. 如申請專利範圍第21項所述之裝置，其中該鹽類係為CaCl₂、MgCl₂及NaCl其中之任一，或其組合物。
23. 如申請專利範圍第21項所述之裝置，其中該鹽類為一二價鹽。
24. 如申請專利範圍第20項所述之裝置，其中該液體溶液具有一非中性pH值。
25. 如申請專利範圍第20項所述之裝置，其中該液體溶液具有小於5的一pH值。
26. 如申請專利範圍第20項所述之裝置，其中藉由消除而移除的該殘骸顆粒為奈米顆粒及微米顆粒其中之一，或其組合物。
27. 如申請專利範圍第20項所述之裝置，其中藉由消除而移除的該材料為矽酸膠。
28. 如申請專利範圍第20項所述之裝置，其中該雷射光束沿著一工具路徑掃描，經聚焦的雷射光束沿著該工具路徑從該貯存脆性材料移除材料。
29. 如申請專利範圍第28項所述之裝置，其中一第二雷射光束被導引至該貯存脆性材料，該第二雷射光束延著該工具路徑並造成該貯存脆性材料的一受控制分離而分離為脆性材料的至少兩個部分。
30. 如申請專利範圍第20項所述之裝置，其中該雷射脈衝在微微秒的範圍。
31. 如申請專利範圍第20項所述之裝置，其中該雷射脈衝在飛秒的範圍。
32. 如申請專利範圍第20項所述之裝置，其中該雷射處理在該貯存脆性材料中形成一穿透孔洞或隙縫。
33. 如申請專利範圍第32項所述之裝置，其中該穿透孔洞或隙縫具有一倒角。
34. 如申請專利範圍第32項所述之裝置，其中該穿透孔洞或隙縫具有一圓形邊緣，該圓形具有一曲率半徑。
35. 如申請專利範圍第20項所述之裝置，其中該貯存脆性材料包括一多層結構的脆性材料。
36. 如申請專利範圍第35項所述之裝置，其中該雷射光束被聚焦在該多層結構的脆性材料的一層。
37. 如申請專利範圍第20項所述之裝置，其中該貯存脆性材料係由玻璃製成。
38. 如申請專利範圍第20項所述之裝置，其中該貯存脆性材料係由一消費者電子保護玻璃製成。
39. 如申請專利範圍第20項所述之裝置，其中該貯存脆性材料係由藍寶石製成。