TWI647044B - 雷射處理可離子交換玻璃工件之方法及玻璃物件 - Google Patents

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Abstract

本發明之雷射切割製程利用一短脈衝雷射與光學元件之組合，其產生一焦線來對具有一定範圍之可離子交換玻璃組成物之主體進行完全穿孔。該玻璃相對於該雷射束移動來產生穿孔線，該等穿孔線描出任何所要部件之形狀。該玻璃可在離子交換前切割，或可在離子交換後切割。該雷射產生穿透該玻璃之完全深度的孔洞狀缺陷區帶，其直徑為大致1微米。此等穿孔或缺陷區域通常間隔分開1至15微米。

Description

雷射處理可離子交換玻璃工件之方法及玻璃物件 【相關申請案】
本申請案根據專利法主張2014年10月31日申請的美國申請案序列號第14/529697號之優先權權益，該案主張2013年12月17日申請的美國臨時申請案第61/917,128號及2014年7月11日申請之美國臨時申請案第62/023251號之權益。此等申請案之全部教示內容以引用方式併入本文。
本發明係關於可離子交換玻璃基板之雷射切割。
對離子交換或化學強化玻璃已知的是其抵抗由刮擦及表面衝擊引起的破壞之能力。由於手持式電子裝置之市場激增，此等玻璃組成物已在近年來受到很多關注，該等手持式電子裝置係呈平板PC、智慧型電話及各種交互式觸控允用電子設備形式。對Corning而言，此玻璃家族係採用Corning® Gorilla®玻璃之商標名。
然而，可離子交換玻璃組成物之切割可由於許多原因而提出挑戰。首先，若在離子交換(IOX)之後切割，則玻璃可處於高程度之張力下，在藉由切割製程切割誘導的裂痕之 傳播未受充分控制或誘導超出切割邊緣之過多二級破壞的情況下，該張力使玻璃易於破碎成片段。其次，離子交換法自身可為可變的，且因此產生其內應力中心張力(CT)之位準在批量與批量間改變的部件。此意指：調節來在特定位準之中心張力下達成對裂痕或玻璃分離之控制的切割製程可在切割一個批次之離子交換部件時成功，而對另一批次之離子交換部件而言失敗。
第三，對一些應用而言，於離子交換之前切割玻璃可為合乎需要的。在此狀況下，離子交換前玻璃將於切割之前具有極小的內應力，且切割及分離製程必須順從與此材料一起工作。
此雷射切割製程利用短脈衝雷射與光學元件之組合，其產生焦線來對具有一定範圍之可離子交換玻璃組成物之主體進行完全穿孔。玻璃相對於雷射束移動來產生穿孔線，該等穿孔線描出任何所要部件之形狀。玻璃可在離子交換前切割，或可在離子交換後切割。雷射產生穿透玻璃之完全深度的孔洞狀缺陷區帶，直徑為大致1微米。此等穿孔或缺陷區域、破壞徑跡通常間隔分開1至20微米(例如，1至15微米)。
除單一玻璃片以外，製程亦可用於切割玻璃堆疊，且可利用單一雷射道次來完全穿孔玻璃堆疊至多幾mm之總高度。構成玻璃堆疊之片材另外可藉由各種位置中之氣隙分 離；雷射製程仍在單一道次中完全穿孔此種堆疊之上玻璃層及下玻璃層兩者。
一旦玻璃穿孔，若玻璃具有足夠內應力(例如，正如利用許多離子交換強化玻璃的狀況)，則裂紋將沿穿孔線傳播且玻璃片將分離成所要部件。若玻璃為低應力，則可施加機械應力來分離部件，或使用沿或接近穿孔線之後一道次CO2雷射來產生熱應力，該熱應力將沿相同預規劃穿孔線來分離玻璃。
結果為：具有高品質邊緣之可離子交換切割玻璃塊--跨於切割邊緣之完全寬度的均勻表面紋理、<0.5微米之表面粗糙度，及小於100微米，例如小於75微米、小於50微米、小於30微米或甚至20微米或更低之表面下破壞。
玻璃部件將通常在藉由上述製程切割時具有>100百萬帕(MPa)之邊緣強度。但若需要，玻璃部件則可經受以下製程來進一步增強邊緣強度或可靠性：於氫氟酸(HF)中之酸蝕刻，以便鈍化或移除缺陷邊緣及小程度之表面下破壞，且升高邊緣強度。
研磨及拋光，以便移除相對小量之表面下破壞且升高邊緣強度及/或形成斜角或倒角邊緣。
對IOX前部件而言，部件可經歷離子交換以增加壓縮應力，因此增強邊緣強度。
此雷射製程可切割IOX前或IOX後的可離子交換玻璃。
若不需要後一CO2雷射分離步驟，則製程可利用來切割IOX後(離子交換後)玻璃，其中中心張力(CT)位準例如在24至104百萬帕(MPa)之範圍變化。
製程可達成原切割(as-cut)邊緣之極緊密或充分受控的強度分佈，從而得到較高製造產率及在處置及裝運期間的更大可靠性。
此雷射製程亦於玻璃之頂部/底部側面上達成幾乎對稱強度--此在利用其他切割方法的情況下極難以進行。此製程避免對切割後玻璃片之頂表面/底表面描跡的需要。
製程在可離子交換玻璃之切割邊緣中導致例如低達25微米之表面下破壞，從而大大減少稍後研磨及拋光所需的時間或步驟數量。
雷射製程可有利地與切割後處理組合來達成最終部件可靠性所需的異常高的邊緣強度(>500MPa)。
雷射製程可甚至在顯著的飛行高度變化情況下切割玻璃--系統不需要精確地控制光學元件至玻璃距離。此允許適應常常存在於大玻璃片中之翹曲得以，而無需測繪(mapping)此片材翹曲之量值，該測繪進一步需要昂貴的設備及較長製程時間來執行翹曲量測。
雷射製程可切割極高中心張力材料，諸如中心張力在100MPa以上之玻璃，其不能利用其他方法以高產率來可靠地切割。
雷射製程可利用雷射參數之一般設定來切割寬CT範圍，從而適應IOX製程可變性，且避免對在供應至切割製程之片材上的昂貴及時間密集型應力量測的需要。
藉由切割堆疊，雷射製程可增加機器吞吐量，從而降低成本。
本文所述的雷射製程可切割穿過氣隙--其不遭受於間隙中之射束擴張及散焦。
在一個實施例中，雷射處理可離子交換玻璃工件之方法包括以下步驟：將脈衝雷射束聚焦成沿脈衝雷射束之射束傳播方向定向的雷射束焦線。將雷射束焦線導向至可離子交換玻璃工件中，該雷射束焦線於該材料內產生誘導吸收，且該誘導吸收於該工件內產生沿該雷射束焦線之缺陷線或破壞徑跡。該方法進一步包括以下步驟：將該工件及該雷射束相對於彼此沿輪廓平移，進而於該工件內沿該輪廓雷射形成複數個缺陷線，其中相鄰缺陷線之間的週期性在0.5微米與20微米之間。
在另一實施例中，根據以上所述的方法製造玻璃物件。
在另一實施例中，玻璃物件包括可離子交換玻璃，且該玻璃物件具有至少一個邊緣，該邊緣具有延伸至少250微米之複數個缺陷線，該等缺陷線各自具有小於或等於約5微米之直徑。複數個缺陷線之相鄰缺陷線之間隔(或缺陷線之間的距離或週期性)可在0.1微米與20微米之間。該距離可進一步為小於或等於約7微米。
1‧‧‧基板/平面基板
1a‧‧‧平面/表面
1b‧‧‧平面/表面/反向表面
2‧‧‧脈衝雷射束/雷射束
2a‧‧‧部分/射束叢
2b‧‧‧雷射束焦線/焦線/線
2c‧‧‧擴延區段/區段/誘導吸收
2aR‧‧‧射束叢之外周邊範圍中之射束
2aZ‧‧‧靠近射束叢之中心的射束叢/中心射束
3‧‧‧雷射
6‧‧‧光學總成
7‧‧‧球面切斷雙凸透鏡/透鏡/非像差校正球形透鏡
8‧‧‧圓形孔徑/孔徑
9‧‧‧旋轉三稜鏡
10‧‧‧旋轉三稜鏡光學元件
11‧‧‧透鏡/平凸透鏡/聚焦透鏡
12‧‧‧準直透鏡/透鏡
21‧‧‧雷射束
22‧‧‧產生線焦點之光學元件
23‧‧‧線焦點
24‧‧‧玻璃
710‧‧‧爆發
720‧‧‧脈衝
br‧‧‧圓環寬度
D‧‧‧斑點直徑
d‧‧‧厚度/深度
dr‧‧‧圓環直徑
l‧‧‧長度
L‧‧‧長度
Z1‧‧‧距離
Z1a‧‧‧距離
Z1b‧‧‧距離
Z2‧‧‧距離
SR‧‧‧圓形轉變/圓形輻射
Tb‧‧‧時間區隔/時間
Tp‧‧‧持續時間/時間區隔/脈衝至脈衝區隔
x‧‧‧軸
y‧‧‧軸
z‧‧‧軸
前述內容將自示例性實施例之以下更特定描述而明顯，該等示例性實施例如例示於隨附圖式中，其中相同參考符號在整個不同視圖中指代相同部分。圖式未必按比例繪製，而重點是關注對示範性實施例的例示。
第1圖為鑽孔方法之示意圖，該鑽孔方法使用雷射束之線焦點來在一塊玻璃中產生破壞徑跡或孔洞。
第2A及2B圖為雷射束焦線之定位之圖解，亦即，由於沿焦線的誘導吸收而對雷射波長透明的材料之處理。
第3A圖為根據一個實施例之用於雷射處理之光學總成的圖解。
第3B-1至3B-4圖為藉由將雷射束焦線相對於基板進行不同定位來處理基板之各種方式之圖解。
第4圖為用於雷射處理之光學總成之第二實施例的圖解。
第5A及5B圖為用於雷射處理之光學總成之第三實施例的圖解。
第6圖為用於雷射處理之光學總成之第四實施例的示意圖。
第7A至7C圖示意地例示示範性皮秒雷射之雷射發射(示範性脈衝爆發內之雷射脈衝之強度)對時間。
第8圖展示藉由本揭示內容中所述的雷射製程形成的特徵之掃描電子顯微照片。間距為此等特徵之間的分離距離。
第9圖展示可購自Corning Incorporated之IOX前2320號(離子交換前)玻璃之切割邊緣的電子顯微照片。
第10圖展示Gorilla®玻璃之離子交換前樣本與離子交換後樣本之間的內應力位準及應力變化線之示例性比較。
第11圖為具有101MPa之中心張力(CT)的400微米厚2320號玻璃之單道次雷射切割邊緣之影像。
第12圖展示CT為約100MPa之化學強化0.4mm厚2320之4點彎曲邊緣強度的韋伯繪圖。
第13圖展示CT為約50MPa之化學強化0.7mm厚2320之4點彎曲邊緣強度的韋伯繪圖。
第14圖為展示飛行高度變化對4點彎曲邊緣強度之影響的圖表。
第15圖為例示改良邊緣強度之圖表，該改良邊緣強度為對利用根據本發明之製程切割的0.7mm厚2320號玻璃(45MPa中心張力(CT))進行酸蝕刻之結果。
第16圖為利用本揭示內容中所述的雷射製程切割的0.7mm厚2320玻璃之邊緣強度之圖表。
第17圖為0.55mm厚2320號玻璃之4堆疊片在材利用單一雷射道次情況下的切割片之邊緣影像。
示例性實施例之描述如下。
本文所述的是將雷射切割技術應用於可離子交換玻璃組成物之切割。如本文所提及，「由可離子交換玻璃組成物製得的工件」或「可離子交換玻璃」為由可離子交換但尚未離子交換 之玻璃，或由原來為可離子交換的且為已離子交換之玻璃(亦即，IOX玻璃，以及IOX前(離子交換前)玻璃)所製得的工件或玻璃。玻璃為例如鋁矽酸鹽玻璃，其經化學強化或能夠經由離子交換(IOX)製程來化學強化。此等玻璃典型地包括在強化之前及強化之後約10mol%或更大之總鹼金屬氧化物(例如，Li2O、Na2O及K2O)含量。
此雷射製程允許在極寬範圍位準之中心張力(CT)下切割可離子交換玻璃，包括IOX前玻璃(極低張力，例如，<20MPa或甚至5MPa)，及市場上具有最高中心張力之玻璃(>100百萬帕(MPa))。應注意的是，離子交換製程使玻璃變化，以使得具有CT<20MPa之組成上均勻的可離子交換玻璃藉由離子交換製程強化，從而形成「層化」結構，其中層係位於接近處於壓縮應力下之表面。此等壓縮應力層之生成係因為在接近玻璃之暴露表面處，離子交換製程藉由例如用來自鹽浴之較大鉀(K)離子置換原來在玻璃中之較小鈉(Na)離子而化學上改質玻璃。此等外壓縮區域或層隨後迫使離子交換後玻璃之內部或中心處於拉伸應力下。對比而言，離子交換前玻璃不含有具有不同應力或化學組成物之此等層。在此等玻璃之所有者中，所述雷射製程可用於例如以1m/sec或更大之速度製得筆直切口(cut)，以便切割出小半徑(sharp radius)外轉角(<1mm)，並且產生任意彎曲形狀，包括形成內部孔洞及狹槽。可離子交換玻璃組成物應較佳對所選雷射波長為大體上透明的(亦即，每mm材料深度之吸收小於約10%，且較佳小於約1%)。此波長可例如為1064、532、355或266奈米。除 適應此寬範圍之玻璃內應力之適應性之外，該製程亦明顯對玻璃中心張力位準之引入變化不敏感，完全無需改變雷射處理條件。另外，本申請案描述切割玻璃且接著利用各種方法來後續處理部件之方法，以便提升切割玻璃部件之邊緣強度至遠高於利用單獨切割製程可達成之位準。本文所述的方法亦可切割以單一道次切割此等玻璃之堆疊，從而改良處理時間及機器利用率。
雷射及光學系統
出於切割透明基板、尤其玻璃之目的，開發一種方法，其使用皮秒雷射(例如，1064nm皮秒脈衝爆發雷射)與線焦點射束形成光學元件組合來於基板中產生破壞線。此方法於以下詳述且相似光學系統描述於2013年1月15日申請的美國專利申請案第61/752,489號中，該案以引用方式併入本文。線焦點允許於介質中產生高縱橫比缺陷線，其係藉由超短脈衝雷射(其以小於100psec之脈衝寬度來產生例如多個脈衝之爆發)來產生。其允許產生疵點線(本文亦稱為缺陷線)，其可自待切割材料之頂表面延伸至底表面。在一些實施例中，個別脈衝之脈衝持續時間可在大於約1皮秒與小於約100皮秒之間，諸如大於約5皮秒與小於約20皮秒之間的範圍內，且個別脈衝之重複率可在約1kHz與4MHz之間的範圍內，諸如介於約10kHz與650kHz之間的範圍內。
除在上述重複率下之單一脈衝操作之外，該等脈衝可以兩個脈衝或兩個以上脈衝(諸如，例如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20個以 上脈衝)之爆發來產生，該等脈衝藉由爆發內之個別脈衝之間持續時間來區隔，該持續時間在約1nsec與約50nsec之間的範圍內，例如，10nsec至30nsec，諸如約20nsec，且爆發重複頻率可在約1kHz與約200kHz之間的範圍內。
爆發或產生脈衝爆發為一類雷射操作，其中脈衝之發射不以均勻及穩定流來執行，而是以緊密脈衝叢來執行。每一脈衝爆發包括至少兩個緊密間隔脈衝。當單一爆發之脈衝擊打基本上玻璃上之同一位置時，即於材料中形成缺陷線或孔洞。亦即，單一爆發內之多個雷射脈衝相應於玻璃中之單一缺陷線或孔洞位置。當然，因為玻璃平移(例如藉由恆定地移動臺階)或射束相對於玻璃移動，所以爆發內之個別脈衝無法恰好處於玻璃上之同一空間位置處。然而，脈衝係完全在彼此1μm內--亦即，其擊打玻璃之基本上同一位置。例如，其可以間隔sp來擊打玻璃，其中相對彼此而言，0<sp500nm。例如，當玻璃位置由20個脈衝之爆發來碰撞時，爆發內之個別脈衝相對彼此在250nm內擊打玻璃。因此，在一些實施例中，1nm<sp<250nm。在一些實施例中，1nm<sp<100nm。
該脈衝爆發雷射束可具有一波長，該波長經選擇以使得該材料在此波長下為大體上透明的。在該材料處量測的平均雷射功率可為每mm厚度之材料大於40微焦耳，例如介於40微焦耳/mm與2000微焦耳/mm之間，或介於175微焦耳/mm與1500微焦耳/mm，或例如介於40微焦耳/mm與1000微焦耳/mm之間，或介於200微焦耳/mm與900微焦耳/mm 之間。例如，對0.4mm至0.7mm厚Corning 2320號玻璃而言，可使用200μJ脈衝爆發來切割及分離玻璃，從而得到280至500μJ/mm之示範性範圍。將玻璃相對於雷射束移動(或將雷射束相對於玻璃平移)，以便產生描出任何所要部件之形狀的穿孔線或輪廓。
如本文所定義，缺陷線之直徑或內徑為玻璃或工件中敞開通道或氣孔之內徑。例如，在本文所述的一些實施例中，缺陷線之內徑為<500nm，例如400nm或300nm。此外，缺陷線之內徑可與例如雷射束焦線之斑點直徑一樣大。因此，孔洞或缺陷線(本文亦稱為破壞徑跡)各自可具有介於0.1微米與100微米之間，例如1.5至3.5微米，或0.25至5微米或(例如，0.2至0.75微米)之直徑。該雷射束焦線可具有在約0.1mm與約10mm之間，或介於約0.5mm與約5mm之間的範圍內之長度，諸如約1mm、約2mm、約3mm、約4mm、約5mm、約6mm、約7mm、約8mm或約9mm，或在約0.1mm與約1mm之間的範圍內之長度，且平均斑點直徑在約0.1微米與約5微米之間的範圍內。此等穿孔、缺陷區域、破壞徑跡或缺陷線通常間隔分開1至15微米(例如，3至12微米，或更佳5至10微米)。例如，對非離子交換(NIX)玻璃為3至5微米，或對IOX玻璃為5至8微米。
線焦點之產生可藉由將高斯雷射束發送至旋轉三稜鏡透鏡中來執行，在該狀況下，產生稱為高斯-貝色束之射束剖面(beam profile)。此種射束比高斯射束更加緩慢地繞射(例如，與幾十微米或更小相對，其可維持單一微斑點大小於數 百微米或毫米之範圍)。因此，與材料強烈相互作用之焦點深度或長度可比在僅使用高斯射束時大得多。亦可使用其他形式或緩慢繞射或非繞射射束，諸如艾瑞射束。缺陷線例如延伸穿過玻璃片之厚度，且大體上正交於(1度之內)玻璃片之主要(平坦)表面。
第1圖示意地例示該概念之一個實施例，其中旋轉三稜鏡光學元件及其他透鏡係用於將光線聚焦成一圖案，該圖案已具有平行於系統之光軸之線性形狀。元件符號21代表雷射束，元件符號22代表產生線焦點之光學元件，元件符號23代表線焦點，而元件符號24代表玻璃。基板經定位以便其處於線焦點內。在此示範性實施例中，利用約1mm程度(長度)之線焦點及在約100kHz之重複率(在材料處量測的約200微焦耳/脈衝)下產生約20W或更高的輸出功率之皮秒雷射，線區域中之光學強度易於足夠高來於該材料中產生非線性吸收。脈衝爆發雷射束可具有在材料處量測的每mm厚度材料大於40微焦耳之每次脈衝爆發的平均雷射能量。對可離子交換玻璃之切割而言，所使用的平均雷射脈衝爆發能量可高達每mm厚度材料2000μJ，例如40至100μJ/mm，以175至1500μJ/mm較佳，且200至900μJ/mm更佳，且250至600μJ/mm甚至更佳。此「平均雷射能量」亦可稱為平均每次脈衝爆發的線性能量密度，或每次雷射脈衝爆發每mm厚度材料之平均能量。產生的所破壞、燒蝕、汽化或以其他方式改質材料之區域大致遵循高強度之直線區域。隨後將基板相對 於光學射束移動，且於材料中產生一系列破壞徑跡或線，以實現沿所要路徑或輪廓對其進行穿孔。
轉而參看第2A及2B圖，雷射處理諸如可離子交換玻璃工件之材料的方法包括以下步驟：將脈衝雷射束2聚焦成沿射束傳播方向定向之雷射束焦線2b。如第3A圖所示，雷射3(未圖示)發射雷射束2，其具有入射至光學總成6之部分2a。光學總成6將入射雷射束轉變成輸出側上沿射束方向(焦線之長度l)的在所限定擴張範圍內的擴延雷射束焦線2b。平面基板1定位於射束路徑中以至少部分地重疊雷射束2之雷射束焦線2b。雷射束焦線因此導向至材料中。參考符號1a指定平面基板的分別面向光學總成6或雷射之表面，且參考符號1b指定基板1之反向表面。基板或工件厚度(在此實施例中係垂直於平面1a及1b，亦即垂直於基板平面來量測)係以d來標記。
如第2A圖所描繪，將基板1(或玻璃複合物工件)垂直於縱向射束軸對準，且因此處於藉由光學總成6產生的同一焦線2b後方(基板係垂直於圖式之平面)。在焦線沿射束方向定向或對準的情況下，基板相對於焦線2b以如下方式定位：焦線2b在基板之表面1a前方開始且在基板之表面1b前方停止，亦即焦線2b仍終止於基板內且不延伸超出表面1b。在雷射束焦線2b與基板1之重疊區域中，亦即在藉由焦線2b覆蓋的基板材料中，擴延雷射束焦線2b產生(假定沿雷射束焦線2b之適合雷射強度，該強度藉由將雷射束2聚焦於長度l之區段上，亦即聚焦於長度l之線焦點上來確保)擴延區段2c (沿縱向射束方向對準)，誘導吸收係沿該擴延區段2c產生於基板材料中。誘導吸收於基板材料中沿區段2c產生缺陷線。缺陷線為在大體上透明材料、基板或工件中藉由使用多個雷射脈衝之單一高能量脈衝爆發產生的微觀(例如，直徑>100nm且<0.5微米)狹長「孔洞」(亦稱為穿孔或缺陷線)。個別穿孔可例如以數百千赫之速率(每秒數十萬個穿孔)來產生。利用來源與材料之間的相對運動，此等穿孔可設置成彼此鄰近(空間離距視需要自次微米變化至許多微米)。此空間離距(間距)可經選擇來促進材料或工件之分離。在一些實施例中，缺陷線為「貫通孔」，其為自大體上透明材料之頂部延伸至底部的孔洞或敞開通道。缺陷線形成不僅為局部的，而且在誘導吸收之擴延區段2c之整個長度上。區段2c之長度(其相應於雷射束焦線2b與基板1重疊之長度)係以參考符號L來標記。誘導吸收之區段2c(或基板1之材料中經歷缺陷線形成之區段)的平均直徑或範圍係以參考符號D來標記。此平均範圍D基本上相應於雷射束焦線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斑點直徑。貝色束之斑點直徑D可寫為D=(2.4048 λ)/(2 π B)，其中λ為雷射束波長且B隨旋轉三稜鏡角度變化。
如第2A圖所示，基板材料(其對雷射束2之波長λ為透明的)歸因於沿焦線2b之誘導吸收而受熱，該誘導吸收係由與焦線2b內雷射束之高強度相關聯的非線性效應而產生。第2B圖例示的是：受熱基板材料將最終膨脹，以便相應誘導的張力導致微裂紋形成，其中該張力在表面1a處為最高。
以下描述可應用來產生焦線2b之代表性光學總成6，以及其中可應用此等光學總成之代表性光學設置。所有總成或設置基於以上描述，以便相同參考符號用於相同組件或特徵或其功能等同的彼等組件。因此，以下僅描述差異。
為確保分離部件的沿之發生分離的表面之高品質(就破裂強度、幾何精確度、粗糙度及避免重新加工需求而言)，定位於基板表面上沿分離之線的個別焦線應使用以下所述之光學總成來產生(在下文中，光學總成亦替代地稱為雷射光學元件)。分離表面(或切割邊緣)之粗糙度尤其係由於焦線之斑點大小或斑點直徑而引起。表面之粗糙度可例如藉由Ra表面粗糙度統計學(樣本表面之高度的絕對值之粗糙度算數平均值，其包括由焦線之斑點直徑引起的凸緣之高度)來表徵。為在雷射3(與基板1之材料相互作用)之給定波長λ的狀況下達成例如0.5微米至2微米之小斑點大小，通常必須對雷射光學元件6之數值孔徑強加某些要求。此等要求由以下所述之雷射光學元件6來滿足。
為達成所需數值孔徑，一方面，光學元件必須根據已知的阿貝公式(N.A.=n sin(θ)，n：待處理玻璃或複合物工件之折射率；θ：孔徑角之一半；且θ=arctan(D/2f)；D：孔徑，f：焦距)、針對給定焦距來安置所需開口。另一方面，雷射束必須照射光學元件直至達到所需孔徑，其係典型地藉助於在雷射與聚焦光學元件之間使用增寬伸縮鏡(widening telescope)進行射束增寬而達成。
出於沿焦線均勻相互作用之目的，斑點大小不應改變過於強烈。此可例如藉由以下來確保(參見以下實施例)：僅在小的圓形區域中照射聚焦光學元件，以便射束開口及因此數值孔徑之百分比僅輕微改變。
根據第3A圖(於雷射輻射2之雷射束叢中的中心射束之位準處垂直於基板平面之截面；亦在此，雷射束2以使得焦線較佳為約0°之入射角入射至基板平面--亦即，以便焦線2b或誘導吸收之擴延區段2c平行於基板法線)，藉由雷射3發射的雷射輻射2a首先導向至圓形孔徑8上，該圓形孔徑8對所使用之雷射輻射完全不透明。孔徑8經定向垂直於縱向射束軸，且定中心於所描繪射束叢2a之中心射束上。孔徑8之直徑以如下方式加以選擇：靠近射束叢2a之中心的射束叢或中心射束(此處以2aZ來標記)碰撞該孔徑且完全地由其吸收。僅射束叢2a之外周邊範圍中之射束(邊緣射線，此處以2aR來標記)不被吸收，此歸因於相較於射束直徑而言減小的孔徑，而其側向地通過孔徑8且碰撞光學總成6之聚焦光學元件之邊緣區域，在此實施例中，該光學總成6係設計為球面切斷雙凸透鏡7。
透鏡7定中心於中心射束上，且係設計為呈普通球面切斷透鏡形式之非校正雙凸面聚焦透鏡。此種透鏡之球形像差可為有利的。作為替換物，亦可使用偏離理想校正系統之非球體或多透鏡系統(亦即，不具有單一焦點之透鏡或系統)，其不形成理想焦點但形成具有限定長度之相異、狹長焦線。透鏡之區帶因此沿焦線2b聚焦，其受離透鏡中心之距離 的影響。孔徑8跨於射束方向之直徑為射束叢之直徑(藉由射束之強度降低至峰值強度之1/e2所需的距離來定義)的大致90%，且為光學總成6之透鏡之直徑的大致75%。因此使用的是藉由阻斷在中心之射束叢而產生的非像差校正球形鏡頭7之焦線2b。第3A圖展示在穿過中心射束之一個平面中的截面，且當所描繪射束繞焦線2b旋轉時可看見完整的三維叢。此種類型的焦線之一個潛在缺點在於：條件(斑點大小、雷射強度)可沿焦線(且因此沿材料中之所要深度)改變，且因此所要類型的相互作用(無熔融、誘導吸收、熱塑性變形直至裂紋形成)可能僅在焦線之所選部分中發生。此繼而意指：可能入射雷射光之僅一部分以所要方式由基板材料吸收。以此方式，製程之效率(所要分離速度之所需平均雷射功率)可受損，且雷射光亦可透射至非所要之區域(黏附至基板或基板固持夾具之部件或層)中且與其以不合需要的方式(例如，加熱、擴散、吸收、非所需改質)相互作用。
第3B-1-4圖展示(不僅對於第3A圖中之光學總成而言，而且基本上對於任何其他可應用之光學總成6而言)：雷射束焦線2b之位置可藉由將光學總成6相對於基板1適合地定位及/或對準以及藉由適合地選擇光學總成6之參數來控制。如第3B-1圖所例示，焦線2b之長度l可以如下方式調整：其超過基板或玻璃工件厚度d(此處係超過2倍)。若基板1中心地置放於焦線2b(在縱向射束方向上觀察)，那麼誘導吸收之擴延區段2c係於整個基板厚度上產生。雷射束焦線2b可例如具有在約0.01mm與約100mm之間的範圍內之長度 l。雷射束焦線2b可例如具有在約0.1mm與約100mm之間的範圍內或在約0.1mm與約10mm之間的範圍內之長度l。各種實施例可配置來具有例如約0.1mm、0.5mm至5mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.7mm、1mm、1.2mm、1.5mm、2mm、3mm、4mm或5mm之長度l。
在第3B-2圖中所示的狀況下，產生具有長度l之焦線2b，其或多或少地相應於基板厚度d。因為基板1相對於線2b以如下方式定位：線2b在基板外部之一點處開始，所以誘導吸收之擴延區段2c之長度L(此處其自基板表面延伸至限定基板深度，而不延伸至反向表面1b)小於焦線2b之長度l。第3B-3圖展示以下狀況，其中基板1(沿垂直於射束方向之方向觀察時)定位於焦線2b之起始點上方，以便如在第3B-2圖中，線2b之長度l大於基板1中誘導吸收之區段2c之長度L。因此，焦線在基板內開始且延伸超出反向表面1b。第3B-4圖展示以下狀況：焦線長度l小於基板厚度d，以便--在入射方向上觀察到基板相對於焦線之中心定位時--焦線在基板內接近表面1a處開始且在基板內接近表面1b處結束(例如，l=0.75．d)。
尤其有利的是：將焦線2b以如下方式定位：藉由焦線覆蓋表面1a、1b之至少一個，以便誘導吸收之區段2c至少在基板之一個表面上開始。以此方式，可能達成事實上理想的切口或破壞徑跡之形成，同時避免在表面處的燒蝕、羽化(feathering)及微粒化。
第4圖描繪另一可應用光學總成6。基本構造遵循第3A圖中所述之構造，因此以下僅描述差異。所描繪光學總成係基於使用具有非球形自由表面之光學元件，以便產生焦線2b，該焦線2b係以形成具有限定長度l之焦線的方式成形。為達此目的，非球體可用作光學總成6之光學元件。在第4圖中，例如使用所謂的錐形稜鏡，亦常稱為旋轉三稜鏡。旋轉三稜鏡為一種特殊的錐形切斷透鏡，其在沿光軸之線上形成斑點源(或將雷射束轉變成環)。此種旋轉三稜鏡之佈局通常為熟習此項技術者所知；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。此處以參考符號9來標記的旋轉三稜鏡之頂點朝向入射方向導向且定中心於射束中心。因為藉由旋轉三稜鏡9產生的焦線2b在其內部內開始，所以基板1(此處垂直於主射束軸對準)可定位於射束路徑中、處於旋轉三稜鏡9之直接後方。如第4圖所示，亦可能由於旋轉三稜鏡之光學特徵而使基板1沿射束方向移位，同時保持於焦線2b之範圍內。基板1之材料中的誘導吸收之區段2c因此在整個基板深度d上延伸。
然而，所描繪佈局遭受以下限制：因為藉由旋轉三稜鏡9形成的焦線2b之區域在旋轉三稜鏡9內開始，所以在其中旋轉三稜鏡9與基板或玻璃複合物工件材料之間存在離距之情形下，雷射能量之顯著部分不聚焦於位於材料內的焦線2b之誘導吸收之區段2c中。此外，焦線2b之長度l經由旋轉三稜鏡9之折射率及圓錐角而與射束直徑相關。此為在相對薄材料(若干毫米)的狀況下總焦線比基板或玻璃複合物 工件厚度長得多的原因，因而得到更多雷射能量不聚焦於材料中之效果。
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的光學總成6。第5A圖描繪此種光學總成6，其中具有設計來形成擴延雷射束焦線2b之非球形自由表面的第一光學元件係定位於雷射3之射束路徑中。在第5A圖所示的狀況下，此第一光學元件為具有5°之圓錐角的旋轉三稜鏡10，其垂直於射束方向定位且定中心於雷射束3。旋轉三稜鏡之頂點朝向射束方向定向。此處為平凸透鏡11之第二聚焦光學元件(其曲率朝向旋轉三稜鏡定向)係定位於射束方向上、離旋轉三稜鏡10距離z1處。在此狀況下大致為300mm之距離z1係以如下方式來選擇：藉由旋轉三稜鏡10形成的雷射輻射圓形地入射於透鏡11之外徑向部分上。透鏡11將圓形輻射聚焦於距離z2(在此狀況下離透鏡11為大致20mm)處之輸出側上的具有限定長度(在此狀況下為1.5mm)之焦線2b上。在此實施例中，透鏡11之有效焦距為25mm。雷射束藉由旋轉三稜鏡10之圓形轉變係以參考符號SR來標記。
第5B圖詳細地描繪根據第5A圖的在玻璃工件或基板1之材料中焦線2b或誘導吸收2c之形成。元件10、11之光學特徵以及其定位係以如下方式選擇：焦線2b於射束方向上之長度l與基板1之厚度d恰好相等。因此，需要基板1沿射束方向之確切定位，以便將焦線2b恰好定位於基板1之兩個表面1a與1b之間，如第5B圖所示。
因此有利的是，焦線在離雷射光學元件之某一距離處形成的情況，及雷射輻射之較大部分聚焦至焦線之所要末端的情況。如所述，此可藉由僅圓形地(環形地)照射主要聚焦元件11(透鏡)之特定外徑向區域來達成，從而一方面用以實現所需數值孔徑及因此所需斑點大小，然而另一方面，在斑點(如基本上圓形斑點)之中心的極短距離上形成所需焦線2b之後，擴散圓環之強度減小。以此方式，缺陷線形成在所需基板深度的短距離內停止。旋轉三稜鏡10及聚焦透鏡11之組合符合此項要求。旋轉三稜鏡以兩種不同的方式來作用：歸因於旋轉三稜鏡10，將通常為圓形的雷射斑點以環之形式發送至聚焦透鏡11，且旋轉三稜鏡10之非球面性具有如下效應：形成超出透鏡之焦平面的焦線替代在焦平面中形成焦點。焦線2b之長度l可經由旋轉三稜鏡上之射束直徑來調整。另一方面，沿焦線之數值孔徑可經由距離z1旋轉三稜鏡-透鏡及經由旋轉三稜鏡之圓錐角來調整。以此方式，整個雷射能量可集中於焦線中。
若缺陷線形成意欲持續至基板之背側，則圓形(環形)照射仍具有以下優點：(1)最佳在如下意義上使用雷射功率：大多數雷射光保持集中於焦線之所需長度中；以及(2)可能沿焦線達成均勻斑點大小--及因此部件與基板沿焦線之均勻分離--此係歸因於圓形照射區帶連同藉助於其他光學功能設定的所要像差。
替代第5A圖中所描繪的平凸透鏡，亦可能使用聚焦彎月面透鏡或另一較高校正聚焦透鏡(非球體、多透鏡系統)。
為使用第5A圖所描繪的旋轉三稜鏡及透鏡之組合來產生極短焦線2b，有必要選擇入射於旋轉三稜鏡上的極小射束直徑之雷射束。其具有以下實際缺點：射束於旋轉三稜鏡之頂點上的定中心必須極為精確，且所得者對雷射之方向變化(射束漂移穩定性)極為敏感。此外，緊密準直雷射束極為發散，亦即，歸因於光偏轉，射束叢在短距離上變得模糊。
如第6圖所示，兩種效應均可藉由在光學總成6中包括另一透鏡，即包括準直透鏡12來避免。附加正透鏡12用於極緊密地調整聚焦透鏡11之圓形照射。準直透鏡12之焦距f'係以如下方式來選擇：所要圓環直徑dr由旋轉三稜鏡至準直透鏡12之距離z1a產生，該距離z1a等於f'。環之所要寬度br可經由距離z1b(準直透鏡12至聚焦透鏡11)來調整。作為純幾何學之問題，圓形照射之小寬度導致短焦線。在距離f'處可達成最小值。
因此，第6圖中所描繪的光學總成6係基於第5A圖中所描繪的光學總成，因此以下僅描述差異。此處亦設計為平凸透鏡(其曲率朝向射束方向)之準直透鏡12另外置放於介於一側上的旋轉三稜鏡10(其頂點朝向射束方向)與另一側上的平凸透鏡11之間的射束路徑之中心處。準直透鏡12與旋轉三稜鏡10之距離稱為z1a，聚焦透鏡11與準直透鏡12之距離稱為z1b，且焦線2b與聚焦透鏡11之距離稱為z2(始 終在射束方向上觀察)。如第6圖所示，藉由旋轉三稜鏡10形成的圓形輻射SR沿距離z1b調整至所需圓環寬度br，以在聚焦透鏡11處達到至少大致恆定圓環直徑dr，該圓形輻射SR發散地且在圓環直徑dr下入射於準直透鏡12上。在所示的狀況下，意欲產生極短焦線2b，以便在透鏡12處大致4mm之圓環寬度br由於透鏡12之聚焦性質而減小至在透鏡11處的大致0.5mm(該實例中圓環直徑dr為22mm)。
在所描繪實例中，可能使用2mm之典型雷射束直徑、具有焦距f=25mm之聚焦透鏡11、具有焦距f‘=150mm之準直透鏡且選擇距離Z1a=Z1b=140mm及Z2=15mm來達成小於0.5mm的焦線l之長度。
例如，出於切割Gorilla玻璃組成物之目的，開發一種製程，其使用皮秒脈衝雷射(例如，1064nm皮秒脈衝雷射，其產生多個脈衝之爆發)與線焦點射束形成光學元件組合來於玻璃組成物中產生破壞線(缺陷線)。厚度至多0.7mm之玻璃組成物經定位以便其處於藉由光學元件產生的焦線之區域內。利用長度約1mm之焦線及在於玻璃組成物處量測的200kHz之重複率(約120微焦耳/爆發)下產生約24W或24W以上之輸出功率的皮秒雷射的情況下，焦線區域中之光學強度可易於為足夠高的，以便在該玻璃組成物中產生非線性吸收。脈衝雷射束可具有在材料處量測的每mm厚度材料大於40微焦耳之平均雷射爆發能量。所使用的平均雷射脈衝爆發能量可高達每mm厚度材料2000μJ，例如40至1500μJ/mm，以175至1500μJ/mm較佳，且200至900μJ/mm甚至更佳， 因為能量密度足夠強以製得穿過玻璃之貫通破壞徑跡，同時最小化正交於穿孔線或切割邊緣之微裂痕之程度。在一些示範性實施例中，雷射爆發能量為250至600μJ/mm。每mm的此「平均脈衝爆發雷射能量」亦可稱為平均每次爆發的線性能量密度，或每次雷射脈衝每mm厚度材料之平均能量。產生的所破壞、燒蝕、汽化或以其他方式改質玻璃組成物內之材料之區域大致遵循藉由雷射束焦線產生的高光學強度之線性區域。
注意，此種皮秒雷射之典型操作產生脈衝爆發或多個脈衝之「爆發(burst)」。此描繪於第7A至7C圖中。每一「爆發」可含有持續時間極短(約10psec)之多個脈衝(諸如至少2個脈衝、至少3個脈衝、至少4個脈衝、至少5個脈衝或5個以上的脈衝)。更確切言之，如第7B及7C圖中所例示，根據本文所述的實施例，皮秒雷射產生脈衝720之「爆發」710，本文中亦稱為「脈衝爆發(pulse burst)」，每一「爆發」710含有持續時間Td極短之多個脈衝720(諸如2個脈衝、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20個以上的脈衝)，該持續時間Td至多100psec(例如，0.1psec、5psec、10psec、15psec、18psec、20psec、22psec、25psec、30psec、50psec、75psec或介於其之間)。單一爆發710內之此等個別脈衝720亦可稱為「子脈衝」，其簡單地表示該等脈衝係出現在脈衝之單一爆發內。脈衝爆發內之每一雷射脈衝720之能量或強度可不等於脈衝爆發內的其他脈衝之能量或強度，且脈衝爆發710內之多個脈衝之 強度分佈常常遵循由雷射設計所決定的在時間上之指數衰變。較佳地，本文所述的示範性實施例之脈衝爆發710內之每一脈衝720藉由1nsec與50nsec(例如10至50ns，或10至50nsec，或10至30nsec之持續時間Tp而在時間上與該爆發中之後續脈衝區隔，其中時間常常由雷射共振腔設計來決定。對於給定雷射而言，脈衝爆發710內之每一脈衝之間的時間區隔Tp(脈衝至脈衝區隔)為相對均勻的(±10%)。例如，在一些實施例中，每一個別脈衝在時間上與後續脈衝區隔大致20nsec(50MHz)。例如，對產生約20nsec之脈衝區隔Tp之雷射而言，爆發內之脈衝至脈衝區隔Tp維持於約±10%內或為約±2nsec。每一「爆發」之間的時間(亦即，爆發之間的時間區隔Tb)將更加長(例如，0.25微秒Tb 1000微秒，例如1至10微秒，或3至8微秒)。例如，在本文所述的雷射之一些示範性實施例中，對約200kHz之雷射重複率或頻率而言，其為約5微秒。雷射重複率亦在本文中稱為爆發重複頻率，且定義為爆發中之第一脈衝與後一爆發中之第一脈衝之間的時間。在其他實施例中，爆發重複頻率在約1kHz與約4MHz之間的範圍內。更佳地，雷射重複率可例如在約10kHz與650kHz之間的範圍內。每一爆發中之第一脈衝與後一爆發中之第一脈衝之間的時間Tb可為0.25微秒(4MHz重複率)至1000微秒(1kHz爆發重複率)，例如0.5微秒(2MHz爆發重複率)至40微秒(25kHz爆發重複率)，或2微秒(500kHz爆發重複率)至20微秒(50kHz爆發重複率)。確切時序、脈衝持續時間 及重複率可取決於雷射設計而改變，但高強度之短脈衝(Td<20psec且較佳Td 15psec)已證實為工作尤其良好的。
改質材料之所需能量可就爆發能量--爆發內所含的能量(每一脈衝爆發710含有一系列脈衝720)而言，或就單一雷射脈衝內所含的能量(許多個單一雷射脈衝可構成一爆發)而言來描述。對於此等應用而言，每次脈衝爆發之能量可為25μJ至750μJ，更佳50至500μJ，或50至250μJ。在一些實施例中，每次脈衝爆發之能量為100至250μJ。爆發內的個別脈衝之能量可較小，且確切的個別雷射脈衝能量將取決於爆發710內的脈衝720之數量及雷射脈衝隨時間的衰變速率(例如指數衰變速率)，如第7B及7C圖所示。例如，對恆定能量/爆發而言，若脈衝爆發含有10個別雷射脈衝720，則每一個別雷射脈衝720將含有比同一脈衝爆發710僅具有2個個別雷射脈衝的情況更小的能量。
使用能夠產生此等脈衝爆發之雷射有利於切割或改質例如玻璃之透明材料。與使用藉由雷射之重複率而在時間上間隔分開的單一脈衝相對比，使用爆發710內的脈衝之快速序列來傳播雷射能量的脈衝爆發序列允許獲得相較於利用單一脈衝雷射的情況而言與材料相互作用的高強度之較大時間標度。雖然單一脈衝可在時間上延展，因為此已完成，但是脈衝內之強度必須粗略地下降為脈衝寬度上之強度。因此，若10psec單一脈衝延展為10nsec脈衝，則強度下降大約三個數量級。此種減小可減小其中非線性吸收不再為重要的點之光學強度，且光材料相互作用不再強烈到足以允許切 割。對比而言，利用脈衝爆發雷射，每一子脈衝720(或爆發710內之脈衝720)之脈衝期間的強度可保持極高--例如在時間上間隔分開大致10nsec的三個10psec脈衝720仍允許每一脈衝內之強度比在單一10psec脈衝之強度高大致三倍，而使得雷射與材料相互作用在現在為大三個數量級的時間標度上相互作用。因此，對爆發內的多個脈衝720之此種調整允許以如下方式來操縱雷射-材料相互作用之時間標度：該方式可有助於與預存在電漿羽流(plume)的更大或更小光相互作用、與已藉由初始或先前雷射脈衝預激發的原子及分子的更大或更小光-材料相互作用，以及材料內的可促進微裂紋之受控生長的更大或更小加熱效應。爆發能量改質材料之所需量將取決於基板材料組成物及用於與基板相互作用的線焦點之長度。相互作用區域愈長，傳播出的能量愈多，且將需要的爆發能量愈高。
形成線焦點之光學方法可採取多種形式，其使用圈餅形雷射束及球形透鏡、旋轉三稜鏡透鏡、繞射元件或形成高強度之線性區域的其他方法(參見參考文獻1)。亦可改變雷射之類型(皮秒、飛秒等等)及波長(IR、綠色、UV等等)，只要達到足夠的光學強度來經由非線性光學效應產生基板或玻璃材料工件之擊穿(breakdown)即可。基本要素在於：產生此長線焦點，與傳統高斯類雷射束對比，其允許利用單一雷射爆發於材料中產生極長破壞徑跡或孔洞，該高斯類雷射束發散太快以使得僅可產生極短破壞徑跡，且因此必須在不同焦點位置進行多次掃描，以便充分地穿孔基板。
孔洞或破壞徑跡形成
此等孔洞或破壞徑跡通常採取孔洞之形式，其內部尺寸為約0.1至2微米，例如約0.5至1.5微米。較佳地，孔洞之尺寸極小(幾微米或更小)。例如，在一些實施例中，孔洞具有約0.2至0.7微米，或0.3至0.6微米之內部尺寸。
第8圖展示此等特徵之掃描電子顯微照片影像。孔洞可穿孔材料之整個厚度，但可或可不為貫通材料之深度的連續開口。第9圖展示穿孔一塊700微米厚Corning 2320號玻璃之整個厚度的此等徑跡之實例。利用單一道次之雷射束，在200mm/sec下跨於基板製得切口。影像展示：穿孔橫貫玻璃之完全厚度。穿孔或破壞徑跡經由劈開邊緣之側面來觀察。穿過材料之徑跡未必為貫通孔--玻璃常常存在堵塞孔洞之區域，但該等區域通常大小較小，例如大約數微米。
亦可能穿孔堆疊玻璃片。在此狀況下，焦線長度需要比堆疊高度更長。
孔洞或缺陷線(或破壞徑跡，或穿孔)之間的側向間隔(間距或週期性)係藉由雷射之脈衝速率及藉由在基板於聚焦雷射束下方平移時該基板之平移速度來決定。通常形成一整體孔洞僅需要單一皮秒雷射脈衝爆發，但需要時可使用多個脈衝。為以不同間距來形成孔洞，雷射可受觸發來以更長或更短間隔發射。相鄰缺陷線之間的週期性可為0.1至20微米。例如，介於0.5微米與20微米之間，例如，週期性介於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5微米與8微米之間，或介於0.5微米與3.0微米之間。甚 至更佳地，相鄰缺陷線之間的週期性(或間距或側向間隔)可例如介於約3微米與約12微米之間。例如，在需要切割非強化(IOX前)可離子交換玻璃之一些實施例中，較佳的是：相鄰缺陷線之間的距離(間距距離)介於3微米與5微米之間。對比而言，在一些實施例中，若彼等相同玻璃經離子交換至40MPa以上的中心張力(CT)位準，則相鄰缺陷線之間的較佳距離介於5微米與8微米之間。此點為可理解的，因為在IOX後材料中，應力更大且破壞徑跡之穿孔將產生較大裂紋，從而可在以比IOX前材料的狀況下更大間距來製得的缺陷線之間進行傳播。另一方面，為防止切割邊緣中可減小所得部件之邊緣強度的過多表面下損壞，通常合乎需要的是使缺陷線之間的間距盡可能大，同時仍允許材料易於分離。因此，需要較大間距，只要材料仍將分離即可，因為較大間距意指更小能量積存於材料中之每個區域，從而對最終部件邊緣造成的破壞較小。
然而，在IOX前玻璃的狀況下，缺陷線之間距常常必須較小，以便允許裂紋接合於穿孔之間，從而提供以盡可能小的所施加外部應力來分離部件之機會。若使用二次分離步驟，諸如使用CO2雷射，則此點為尤其重要的。在缺陷線之間製得的裂紋網路愈全面，誘導分離所需的CO2能量愈小。此允許跨於穿孔輪廓之較快CO2雷射橫向速度，及因此較快的製造製程。
對切割操作而言，雷射觸發通常係與射束下方之工件之臺階驅動運動同步，因此雷射脈衝係以固定間隔來觸 發，該固定間隔諸如，例如每1微米一次或每5微米一次。在一些實施例中，相鄰缺陷線之間沿疵點線之方向的距離或週期性可例如為大於0.1微米且小於或等於約20微米。更佳地，在一些實施例中，間隔介於1微米與15.0微米之間。甚至更佳地，間隔可介於3微米與8微米之間。在給定基板中之應力位準的情況下，確切間隔藉由有助於穿孔孔洞至穿孔孔洞的裂紋傳播之材料性質決定。然而，與切割基板對比，亦可能使用相同方法來僅穿孔材料。在本文所述的方法中，孔洞或缺陷線可藉由較大間隔(例如，7微米間距或更大)來分離。
雷射功率及透鏡焦距(其決定焦線長度及因此功率密度)為確保對玻璃之完全穿透及低微裂痕的尤其重要的參數。
一般而言，可利用雷射功率愈高，可利用以上製程愈快地切割材料。切割速度(cut speed)(或切割速度(cutting speed))為雷射束相對於透明材料(例如，玻璃)之表面移動同時產生多個孔洞或改質區域的速率。為最小化製造之資金投資，常常需要高切割速度，諸如至少250mm/sec、至少300mm/sec、至少350mm/sec、400mm/sec、500mm/sec、1m/sec、1.2m/sec、1.5m/sec或2m/sec，或甚至3.4m/sec至4m/sec。雷射功率等於爆發能量乘以雷射之爆發重複頻率(速率)。一般而言，為以高切割速度來切割此等玻璃材料，破壞徑跡間隔分開1至25微米、較佳3微米或更大--例如，在一些實施例中，間隔為3至12微米，例如，5至10微米。
例如，為達成300mm/sec之線性切割速度，3微米孔洞間距相應於具有至少100kHz重複率之爆發脈衝雷射。為達600mm/sec切割速度，3微米孔洞間距相應於具有至少200kHz爆發重複率之爆發脈衝雷射。對以200kHz產生至少40μJ/爆發之脈衝爆發雷射而言，此相當於8瓦特之雷射功率。因此，較高切割速度需要同等較高的雷射功率。
例如，在3μm間距及40μJ/爆發下的0.4m/sec切割速度將需要至少5瓦特雷射，在3μm間距及40μJ/爆發下的0.5m/sec切割速度將需要至少6瓦特雷射。因此，較佳地，脈衝爆發ps雷射之雷射功率為6瓦特或更高，更佳為至少8瓦特或更高，且甚至更佳為至少10W或更高。例如，在4μm間距及100μJ/爆發下的0.4m/sec切割速度將需要至少10瓦特雷射，在4μm間距及100μJ/爆發下的0.5m/sec切割速度將需要至少12瓦特雷射。例如，在3μm間距及40μJ/爆發下的1m/sec切割速度將需要至少13瓦特雷射。此外，在4μm間距及400μJ/爆發下的1m/sec切割速度將需要至少100瓦特雷射。然而，應注意，升高雷射脈衝能量或以較近間距來製得破壞徑跡不為始終使基板材料較好分離或具有改良邊緣品質之條件。破壞徑跡之間的間距過於緻密(例如<3μm，或<2μm)可實際上抑制附近後續破壞徑跡之形成，且常常可抑制圍繞穿孔輪廓之材料之分離，且亦可導致玻璃內增加的非所需微裂痕。間距過長(>20μm)可導致「不受控制的微裂痕」--亦即，其中替代孔洞至孔洞之傳播，微裂痕沿不同路徑傳播，且在不同(非所需)方向上引起玻璃開裂。此將最終 降低分離玻璃部件之強度，因為殘餘微裂紋將充當弱化玻璃之瑕疵。爆發能量過高(例如>2500μJ/爆發)可引起相鄰破壞徑跡之已形成微裂紋之「癒合」或再熔融，從而將抑制玻璃之分離。此外，使用過高的爆發能量可引起極大的微裂紋之形成，且產生減小部件於分離之後的邊緣強度之瑕疵。爆發能量過低(<40μJ/爆發)可導致無可觀破壞徑跡形成於玻璃內，且因此造成極高分離強度或完全不能沿穿孔輪廓分離。因此，破壞徑跡之間的最佳間距及確切爆發能量為材料依賴性的。
藉由此製程允許的典型示範性切割速率(速度)為例如300mm/sec或更高。在本文所述的一些實施例中，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，(爆發脈衝)ps雷射產生具有介於0.5微米與13微米之間、例如介於0.5微米與10微米之間且在一些實施例中3至7微米的週期性之缺陷線。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/或雷射束相對於彼此以至少0.25至0.35m/sec或0.4m/sec至5m/sec之速率平移。較佳地，脈衝雷射束之每一脈衝爆發具有在工件處量測的每次爆發每mm厚度工件大於40微焦耳之平均雷射能量。較佳地，脈衝雷射束之每一脈衝爆發具有在工件處量測的每次爆發每mm厚度工件小於2000微焦耳，且較佳每次爆發每mm小於約1000微焦耳，且在一些實施例中每次爆發每mm厚度工件小於7500微焦耳之平均雷射能量。
例如，對切割0.7mm厚非離子交換Corning 2319號或2320號Gorilla玻璃而言，觀察到：在脈衝爆發能量為約150至250μJ/爆發，且每次脈衝爆發在2至15個範圍變化的許多個脈衝，更佳每次爆發在2至10個範圍變化的多個脈衝的情況下，3至7微米之間距可為工作良好的，對IOX前玻璃而言3至5微米之間距較佳，且對IOX後玻璃而言5至8微米之間距較佳。
在1m/sec切割速度下，此種2319號或2320號Gorilla®玻璃之切割典型地需要15至84瓦特之雷射功率，20至45瓦特常常為足夠的。一般而言，在各種玻璃及其他透明材料之中，申請人已發現：需要介於10W與100W之間的雷射功率來達成0.2至1m/sec之切割速度，對許多玻璃而言，25至60瓦特之雷射功率為足夠的(且最佳)。對0.4m至5m/sec之切割速度而言，雷射功率應較佳為10W至150W，爆發能量為40至750μJ/爆發，每脈衝2至25次爆發(取決於所切割之材料)，且3至15μm或3至10μm之孔洞離距(或間距)。對此等切割速度而言，使用皮秒脈衝爆發雷射為較佳的，因為其產生高功率及每次爆發所需數量之脈衝。因此，根據一些示範性實施例，脈衝雷射產生10至100W之功率，例如25W至60瓦特，且產生每次爆發至少2至25個脈衝之脈衝爆發，且缺陷線之間的距離為2至10微米；且雷射束及工件相對於彼此以至少0.4m/sec，例如0.5m/sec至5m/sec或更快的速率來平移。
在圍繞穿透缺陷線之孔洞之微裂紋朝向下一最近孔洞定向的情況下，此在以下意義上有助於玻璃切割：在切割之方向自一個孔洞至下一最近孔洞之裂紋傳播另外藉由沿切割線之微裂紋而增強。在此等狀況下，孔洞或缺陷線之間的較大間距(例如，3至50微米，諸如3至20微米)對完全玻璃分離為較佳的。或者，在不形成微裂紋或微裂紋不朝向相鄰缺陷線定向的情況下，孔洞(或缺陷線)之間的較小間距(例如0.1至3微米)對完全玻璃分離為較佳的。
分離
若基板具有足夠應力(例如，利用離子交換玻璃)，則部件將自發地沿藉由雷射製程描出的穿孔破壞路徑開裂且分離。第9圖展示此等玻璃之非離子交換樣本與離子交換樣本之應力變化線之間的差別。此種玻璃片中之內應力之位準可藉由以下近似得出：
其中CT為以百萬帕(MPa)計的中心張力，DOL為離子交換區域之層深度，CS為離子交換層中之壓縮應力(以MPa為單位)，且所使用之厚度為玻璃片之厚度。此描述強化玻璃材料，諸如已離子交換至在20至110MPa範圍變化的中心張力位準之Corning 2318、2319、2320號。一般而言，玻璃之中心張力愈高，其在皮秒雷射製程之後愈容易分離。
然而，若基板內不存在足夠的應力，則皮秒雷射將簡單地於試件中形成破壞徑跡，且基板將保持完整。在此狀況下，可施加機械彎曲力來沿穿孔線分離試件。或，常常更 佳地，可藉由使用如CO2雷射之熱源來施加熱應力。CO2雷射射束(藉由CO2雷射沿或接近藉由ps雷射形成的穿孔線在後一道次中提供)藉由玻璃吸收，且在跨於穿孔線描跡時，其產生局部化熱應力，從而將引起玻璃沿穿孔分離。
例如，利用在10.6微米下發射且功率藉由控制其工作循環來調整之散焦連續波(cw)雷射達成CO2雷射分離。使用焦點變化(亦即，散焦所達之程度且包括聚焦斑點大小之程度)來藉由改變斑點大小而改變誘導熱應力。散焦雷射束包括在雷射波長之大小級別產生大於最小、衍射受限斑點大小之斑點大小的彼等雷射束。例如，對CO2雷射而言，例如，利用CO2 10.6μm雷射的情況下，可使用1至20mm、例如1至12mm、3至8mm或約7mm、2mm及20mm之斑點大小。亦可使用發射波長亦藉由玻璃吸收之其他雷射，例如具有在9至11微米範圍內發射之波長的雷射。在此等狀況下，可使用功率位準介於100瓦特與400瓦特之間的CO2雷射，且射束可以50至1000mm/sec之速度沿或鄰近於缺陷線掃描，從而產生誘導分離之足夠熱應力。在指定範圍內所選的確切功率位準、斑點大小及掃描速度可取決於材料用途、其厚度、熱擴張係數(CTE)、彈性模數，因為所有此等因素均影響在給定空間位置藉由特定速率之能量積存所賦予的熱應力之量。若斑點大小過小(亦即<1mm)，或雷射功率過高(>400W)，或掃描速度過慢(小於1mm/sec)，則玻璃可過熱、於玻璃中產生燒蝕、熔融或熱產生裂紋，其均為不合需要的，因為其將減小分離部件之邊緣強度。較佳地，CO2雷射射束掃描速度為>50 mm/sec，以便誘導有效及可靠部件分離。然而，若斑點大小過大(>20mm)，或雷射功率過低(<10W，或在一些狀況下<30W)，或掃描速度過高(>1000mm/sec)，則發生不足的加熱，從而導致熱應力過低以致於無法誘導可靠的部件分離。例如，在一些實施例中，可使用80瓦特之CO2雷射功率，在玻璃表面處之斑點直徑為大致2mm，且掃描速度為233mm/sec，以便誘導IOX前0.7mm厚Corning 2318號玻璃之部件分離，該玻璃已利用上述psec雷射來穿孔。確切功率位準、斑點大小及掃描速度可取決於材料用途、其厚度、熱擴張係數(CTE)、彈性模數，因為所有此等因素均影響在給定空間位置藉由特定速率之能量積存所賦予的熱應力之量。例如，較厚的Corning 2318玻璃基板可需要每單位時間比較薄Corning 2318基板更多的CO2雷射熱能量，或具有較低CTE之玻璃可需要比具有較高CTE之玻璃更多的CO2雷射熱能量來進行分離。沿穿孔線之分離將在CO2斑點通過給定位置之後極快速地發生(小於1秒)，例如在100毫秒內、50毫秒內或25毫秒內發生。
使用產生約2.1mm之束絲長度及約10psec脈衝寬度1064nm雷射之光學遞送系統，以下示範性皮秒雷射條件可易於用以在離子交換之後穿孔此等玻璃：
以上條件將分離此等玻璃，但並不意欲表示可使用的所有可能製程條件之完全範圍。較佳地，雷射為脈衝爆發雷射，其允許藉由調整給定爆發內的脈衝之數量來隨時間控制能量積存。
以下示範性CO2雷射條件可易於用以產生熱應力，以便在利用以上所列的皮秒製程穿孔之後分離未強化(離子交換前)玻璃：
以上條件在玻璃處產生約25瓦特/mm2之雷射功率密度，其以14m/分鐘(233mm/sec)沿穿孔線平移，以便引起足夠的熱應力來達成沿穿孔完全分離。
第10圖展示Gorilla®玻璃之離子交換前樣本與離子交換後樣本之間的內應力位準及應力變化線分佈之示例性比 較。第10圖不表示用於所有離子交換程度、組成物或玻璃厚度之所有可能的張力位準，而僅為一實例。
邊緣品質
表3展示對離子交換之前及之後的一系列0.7mm厚Corning玻璃2320號部件進行的表面下破壞(SSD)量測之結果。SSD值相應於藉由雷射方法產生的缺陷及微裂紋，且隱伏於紋理化表面之下。某一邊緣區域之共焦顯微術為用於獲得表面下缺陷穿透至玻璃體積中表面以下多深的方法。藉由以下方式量測SSD：利用共焦顯微鏡觀察玻璃之暴露(切割)邊緣，並且記錄顯微鏡焦點必須向下於玻璃部件中調整多遠直至來自開裂或斷裂玻璃之光散射消失。可看到：SSD之範圍為大致60+/-15微米。對Corning玻璃2320號樣本所量測的值為相對低的，且對藉由如本文論述之此技術切割的幾乎所有玻璃而言為一致的。常常存在數千個微裂紋，因此典型地僅量測最大的微裂紋。典型地在切割邊緣之約5個位置上重複此製程。儘管微裂紋粗略地垂直於切割表面，但直接垂直於切割表面之任何裂紋可不藉由此方法來偵測。
此明顯比可利用機械記分及破裂方法(高度可變的且不受控的，SSD至多200微米)、CO2雷射方法(高度可變的且不受控的，至多200微米)、許多奈秒脈衝雷射製程(約150微米)等等達成的SSD更好。此低程度之SSD(平均58微米原切割)且重要地此一致及可靠低程度之SSD(所有值<75微米)意指稍後研磨及拋光玻璃邊緣所花費之時間量可得以最小化，且的確可避免對諸如粗磨之完整製程步驟的需要。此等 SSD值低於藉由其他雷射方法之其他切割技術產生的值，且此指向在切割之後最小化後處理之可能性，以便獲得具有最小缺陷之強固邊緣，且降低製造成本。
表4展示對同一組Gorilla®玻璃2320號之樣本所量測的表面粗糙度資料。該等值係使用光學干涉儀量測。如之前所提及，第9圖及第11圖中所示之邊緣具有極均質及表觀上光滑的紋理。此係藉由Ra統計學來定量，該Ra為表面高度與平均值之偏差的平均值之量度，其藉由以下定義
其中yi表示在表面內之不同位置處獲取的高度量測值。約400nm之平均值及始終<50nm之標準偏差指示：已產生一致的低粗糙度表面，不具有黏附的玻璃碎片，該等碎片將在分離為不一致或有誤差(erratic)的情況下存在。
邊緣強度
當使用以上條件時，切割邊緣看上去如第9圖及第11圖所示。邊緣自頂部至底部均質地紋理化，從而反映在產生破壞徑跡中雷射製程之一致性。邊緣之此視覺評估可藉由若干可量測參數來轉化或定量，該等參數諸如表面下破壞、表面粗糙度、裂斷模數(MOR)、衝擊抗力等等。注意，在第11圖的狀況下，此高CT(CT>100MPa)材料極難以利用其他方法來切割。其他方法能夠自此玻璃片切割出一些部件，但通常產率低以及極難以使切口遵循半徑輪廓。然而，藉由此線焦點皮秒雷射技術產生的全主體穿孔允許在此玻璃中穩固 地引導裂紋傳播，以使得穿孔輪廓得以由裂紋遵循。易於達成緊密半徑輪廓(r<1mm)，部件產率高，且沒有傳播進入部件之非所要區段中之裂痕。
行業中用於定量邊緣強度之試驗之一為四探針彎曲強度試驗。此試驗量測對給定加載應力而言邊緣斷裂之累積機率。其以韋伯繪圖來顯示，韋伯繪圖提供諸如B10(斷裂之機率低於10%的負載)、斜率(其為在大小及深度方面對瑕疵群體分佈之指示)之參數；且若斜率改變，則其亦可指示斷裂為不同來源或類型之缺陷之組成結果(composition)。例如，當分離玻璃樣本於支撐桿下加載並以一個表面指向上或下時，發現該等樣本之不同強度彎曲為普遍的。在機械劃線及破裂玻璃中，遭劃線之表面導致具有比相對表面之底部邊緣更多及更大缺陷之邊緣。此在韋伯繪圖中因兩條顯著相異且分離之曲線而為值得注意的，其指示一個邊緣比另一個更強固。同樣地，在雷射分離玻璃樣本中，觀察到相同行為亦為普遍的，其中雷射入射側通常比相對側更弱。
第12及13圖分別展示「原切割」化學強化0.4mm及0.7mm厚Gorilla®玻璃2320號之量測邊緣強度。第12圖之韋伯繪圖展示：具有約100MPa之CT的玻璃之邊緣強度，而第13圖展示：具有CT為約50MPa之玻璃之邊緣強度。標記為雷射張力或LIT之曲線係指其中以張力來測試自雷射進入表面產生的邊緣的狀況。彼邊緣上之任何缺陷將漸增地拉開直至斷裂。標記為雷射壓縮或LIC之其他曲線係指雷射暴露邊緣處於壓縮應力下的相對狀況。注意，頂部及底部邊緣 之強度在兩個繪圖中幾乎相同，此指示：雷射分離製程事實上對兩個側面產生相同邊緣品質，其獨立於CT位準或厚度。此特徵為所揭示雷射分離方法之最有區別之處，且通常不可利用其他雷射製程來獲得，該等其他雷射製程總是具有較弱LIT邊緣。所繪製曲線之其他主要資訊為其相似的B10值及其相對陡的及均勻的斜率，此指示：瑕疵大小為相對小的，且其群體分佈極窄(幾乎所有所產生的缺陷均具有相同大小)，而大多數分佈落入平均值之+/-30MPa內。
抵抗飛行高度變化之製程穩固性。
第14圖顯示0.7mm厚強化Gorilla®玻璃2320號(CS 793/DOL 42)(CT=54MPa)使用線焦點方法之雷射切割樣本之邊緣強度的韋伯繪圖曲線。此等曲線藉由使用同一玻璃號及厚度的不同組之部件來獲得，該等部件係於樣本之頂表面之不同相對位置處沿線焦點延伸部來切割。此等切割樣本隨後經受4點彎曲強度量測，此繪圖中顯示針對每一「高度」的量測值。極令人印象深刻之觀測結果為：對在1.1mm範圍內之「焦點」變化而言，邊緣強度(125-155MPa B10)幾乎相等。以另一方式來表達此值，其指示切割製程可具有的對例如玻璃平坦度、厚度、彎曲度、變形或振動之變化的耐受性。擴展的飛行高度處理窗允許製程無需藉由其他雷射切割技術所需的主動焦點補償而操作，該等其他雷射切割技術易受焦點或玻璃位置變化之影響。
對離子交換製程變化之穩固性
化學強化製程可具有可變性，且玻璃片僅標稱地離子交換至給定「窗」內，其中層深度(DOL)可落入值之某一範圍內。繼而，此意指藉由層引起的壓縮應力(CS)改變，且總體中心張力(CT)將改變。因此，可將片材供應至切割製程，其中CT僅表徵為處於某個標稱範圍內。理想地，需要具有寬製程窗之切割製程，以便其不需要針對每一進入的玻璃批量進行調節，從而節省量測及表徵時間、設置時間及最終產生較低成本。
表5詳細示出所執行的實驗，其中皮秒雷射製程條件保持恆定(135微焦耳、2個脈衝/爆發、8微米間距、約2mm長的焦線)，且在離子交換之後自0.4mm厚2320玻璃切割出部件。此製得貫穿玻璃部件之整個厚度的穿孔。不需要CO2製程，因為其為高中心張力玻璃，且將因此自動地分離。測試五種不同的離子交換條件(A-E)，使DOL及CS兩者改變，其組合來引起片材之中心張力自大致78.5MPa改變至103.1MPa。
自200x300mm片材切割出一系列44x60mm部件。此將自每一片材產生約18個部件，且針對每一離子交換條件切割10個片材，例外的是，最後一個條件(E)，其中僅使用6個片材。如藉由部件邊緣之成功分離及藉由玻璃片不存在破壞所量測，對所有5種條件而言產率極高，其在邊緣分離之96%至100%的範圍變化，且僅一個離子交換條件之一個片材出現破裂部件。此表明：雷射切割製程明顯對引入的玻璃離 子交換條件不敏感，且甚至對此極高CT玻璃(CT>80MPa)而言達成高產率，而利用其他切割方法來達成高產率極為困難。
較高邊緣強度-利用切割後製程
不管本文論述的雷射切割製程藉由所量測的低SSD及Ra值以及藉由韋伯繪圖而確認的效力(virtue)，對諸如消費者電子設備及LCD TV、OLED TV等等中之顯示器的應用而言，常採取的所需邊緣強度效能通常高得多(典型地>500MPa，對4點彎曲強度而言)。以下提出可增加邊緣強度來符合所需效能之方法及結果。
例如可使用酸蝕刻來分離工件。在一個實施例中，例如，所使用的酸可為以體積計10% HF/15% HNO3。或者，可利用1.5M氫氟酸/0.9M硫酸來提供所需蝕刻。此蝕刻可在室溫下，或在高溫下，在使用或不使用超音波攪動的情況下進行。第15圖展示酸蝕刻對所得部件之強度的影響。酸自玻璃之外部移除材料，從而鈍化特徵邊緣。展示四個結果--無蝕刻、2.5微米之蝕刻移除、5微米之蝕刻移除，以及10微米之蝕刻移除。可見，酸改良邊緣強度，且超過5微米之蝕刻的情況下，未獲得顯著的進一步強度。其可能是因為藉由穿孔製程產生的約1至3微米特徵大小可能為強度限制邊緣特徵，且其藉由5微米之蝕刻完全移除。然而，雖然藉由蝕刻此等邊緣產生一些極高強度部件(約1000MPa)，但一些部件之邊緣強度仍幾乎沒有改良(約200MPa)。
第16圖展示原始Gorilla®玻璃2320號之離子交換原切割部件將增加邊緣強度大致4X(B10=正好在600MPa以 下)。繪圖展示：非離子交換(NIX)玻璃(亦即，離子交換前玻璃)之原切割部件、離子交換玻璃於切割之前(IOX)之原切割部件，以及經切割且隨後在切割之後離子交換之部件。具有特定重要性的是：此邊緣與離子交換之組合產生高強度資料集，其具有極窄強度分佈(高斜率)。雖然一般而言已知離子交換提升任何切割邊緣之強度，但經由離子交換來得到雷射切割部件且達成此緊密強度分佈並非明顯。若切割邊緣具有任何顯著微裂痕，來自離子交換浴之應力將引起部件斷裂，從而導致顯著產率損失。在此狀況下，經受離子交換製程之所有(100%)部件保全，指示不存在來自雷射切割製程之大瑕疵。此外，若邊緣具有不一致特徵大小，則將不會達成此種緊密強度分佈。此為以下實情之特徵：雷射切割邊緣為一致的且遍及材料之全主體，且不會留下具有黏附玻璃或其他缺陷之區域。此表明：與離子交換組合之皮秒線焦點切割部件最終產生具有比其他可能方法更高可靠性(更多部件超過給定強度閾值)之產品。
因此，根據一些實施例，本文所述的切割製程可提供一種玻璃物件，其包含具有<20MPa之CT的離子交換前非層化玻璃，其具有至少一個邊緣，該邊緣具有自一個主表面延伸至另一主表面之複數個薄缺陷線。具有缺陷線之邊緣具有小於20微米之缺陷間隔，及在100nm RA與1000nm RA之間的表面粗糙度。例如，在一些實施例中，CT<5MPa，且表面粗糙度為300至700nm Ra。缺陷線含有開孔(敞開或部分敞開管狀結構)，其中開孔之內部(空隙)寬度小於1微米。 例如，根據一些實施例，複數個缺陷線延伸至少250微米，例如250微米至2mm，或300微米至1mm。此玻璃物件或工件可隨後經離子交換來改良物件或工件之邊緣強度，從而將其轉化成IOX(離子交換)玻璃物件。
Gorilla®之堆疊切割
最後，第17圖展示同時(單一道次)切割四個0.55mm厚2320 IOX(離子交換)玻璃塊之堆疊的結果。全主體切割一次性穿透所有四個部件，從而於所有四個試件上產生低表面粗糙度及品質邊緣。此表明：此雷射切割製程相較於單一玻璃片之切割而言增加切割吞吐量許多倍之能力。即使在切割此等材料之堆疊時，邊緣之強度以及利用IOX或其他方法後處理玻璃邊緣來使其達到極高強度位準之能力得以維持。另外，此製程能夠不僅切割穿過堆疊透明基板，而且切割穿過藉由宏觀氣隙(例如間隙>10微米或>100微米)分離的諸如玻璃片之基板，諸如可存在於組裝液晶顯示器中之彼等者。與聚焦高斯射束對比，入射於玻璃-空氣-玻璃複合物結構上之貝色束不會散焦。聚焦高斯射束將在進入第一玻璃層時發散，且將不鑽孔至大的深度，或若在鑽孔玻璃時發生自我聚焦，則射束將自第一玻璃層出射且繞射，且將不會鑽入第二玻璃層中。甚至在使用以克爾效應為基礎的自我聚焦(有時稱為「束絲形成」)來達成材料內部之較長相互作用長度的狀況下，使雷射束離開上玻璃塊並進入空氣是有問題的，因為相較於需要在玻璃中維持克爾效應自我聚焦之功率而言，空氣在空氣中需要約20倍大的功率來誘導以克爾效應為基礎的自我聚 焦。對比而言，貝色束或線焦點形成射束將鑽孔線焦點之完全範圍內之所有玻璃層。此允許基板之大的堆疊欲使用線焦點來切割，不管基板之間的間隙，只要材料及基板之間的間隙對入射雷射束為大體上透明的。
本文引用的所有專利、公開申請案及參考文獻之相關教示內容以全文引用方式併入本文。
雖然本文已描述示範性實施例，但熟習此項技術者將理解的是，在不脫離隨附申請專利範圍所涵蓋的本發明之範疇的情況下，可在該等實施例中做出各種形式變化及細節變化。
表5

Claims (15)

  1. 一種雷射處理一可離子交換玻璃工件之方法，該方法包含以下步驟：將一脈衝雷射束聚焦成沿射束傳播方向定向且導向至該可離子交換玻璃工件中之一雷射束焦線，該雷射束焦線於該工件內產生一誘導吸收，該誘導吸收於該工件內產生沿該雷射束焦線之一缺陷線；以及將該工件及該雷射束相對於彼此沿一輪廓平移，進而於該工件內沿該輪廓雷射形成複數個缺陷線，其中相鄰缺陷線之間的一空間週期性在0.5微米與20微米之間。
  2. 一種玻璃物件，其藉由如請求項1所述之方法製備。
  3. 一種玻璃物件，其包含具有<20MPa之一CT的離子交換前、非層化、可離子交換玻璃，其具有至少一個邊緣，該邊緣具有自一個主表面延伸至另一主表面之複數個薄缺陷線，該等缺陷線具有小於20微米之一間隔，且該表面具有介於100nm Ra及1000nm Ra之間的表面粗糙度。
  4. 如請求項1所述之方法，其進一步包含以下步驟：沿該輪廓分離該工件。
  5. 如請求項1所述之方法，其進一步包含以下步驟：沿著該輪廓分離該工件，而形成一分離工件，並且於一酸溶液中蝕刻該分離工件，進而自該分離工件移除材料。
  6. 如請求項1所述之方法，其中該工件包含複數個可離子交換玻璃基板之一堆疊。
  7. 如請求項1所述之方法，其中該可離子交換玻璃工件包含離子交換前玻璃。
  8. 如請求項1所述之方法，其中該脈衝雷射束具有在該工件的材料處量測的每mm厚度材料大於40微焦耳之一平均雷射能量。
  9. 如請求項1所述之方法，其中該雷射束焦線具有在0.1mm與10mm之間的一範圍內之一長度。
  10. 如請求項1所述之方法，其中該雷射束焦線具有在0.1微米與5微米之間的一範圍內之一平均斑點直徑。
  11. 如請求項1所述之方法，其中該誘導吸收於該工件內產生至多小於或等於75微米之一深度的表面下破壞。
  12. 如請求項1所述之方法，其中該誘導吸收產生小於或等於0.5微米之一Ra表面粗糙度。
  13. 一種玻璃物件，其包含離子交換前、可離子交換的玻璃，該玻璃物件具有至少一個邊緣，該邊緣具有延伸至少250微米之複數個缺陷線，該等缺陷線各自具有小於或等於5微米之一直徑。
  14. 如請求項13所述之玻璃物件，其中該玻璃具有大於600百萬帕(MPa)之一四點彎曲邊緣強度。
  15. 如請求項13所述之玻璃物件，其中該邊緣具有小於0.5微米之一Ra表面粗糙度。
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