TWI653113B - 剖面端部不加工鏡面切斷法 - Google Patents

Abstract

本發明係一種剖面端部不加工鏡面切斷法，係以將在深度方向以垂直方式排列之微細的複數雷射光束焦點設時間差，使其從深處依序發生，非透過性地變性以達到光吸收，藉由此等相互作用使龜裂長度增大，並且藉由使焦點位置在切斷深度方向高速移動，不對切斷剖面之端部進行加工，而藉由增長切斷深度，獲得鏡面剖面與高抗斷強度之方式，以產業可利用之雷射切斷。藉此解決透明脆性材料之切斷，在切斷後，因應力集中在剖面端部所生成之微細裂紋上，而發生產品之抗斷強度減弱，剖面留下加工污痕等問題。

Description

剖面端部不加工鏡面切斷法

本發明係一種剖面端部不加工鏡面切斷法，尤指一種在透明脆性材料之切斷中，不對剖面端部直接加工，以切斷後剖面形成鏡面狀態，實現高破壞強度為目的之精密切斷加工者。

雖然雷射有效扮演著將玻璃等透明脆性材料切斷成自由形狀之角色，然而，因為切斷後發生微細裂紋，所以有容易破損，需要實施後處理製程之缺點。過去習知之鹼玻璃等，因為在碳酸氣體雷射中具有吸收帶，所以可藉由雷射光對玻璃之吸收及溫度上昇而發生的熱應力進行龜裂斷裂，而將剖面加工成鏡面。但是此種方法無法對強化玻璃、無鹼玻璃、藍寶石等透明體實施加工。因而，係採用將原本對透明體不吸收之脈衝雷射進行強烈聚光，藉由使透明玻璃之光學特性變性引起熱吸收，使物質溫度急遽上昇，而使物質蒸發，藉由進行熱破壞等實施加工的方法。但是，由於此種方法僅在小焦點部之高強度聚光部分產生變性，因此切斷時係採取對玻璃剖面之邊緣部分進行加工，或是藉由對內部伴隨大加工痕之照射而容易切斷的加工法。因而，切斷後會在剖面邊緣部分殘留微細裂紋，成為遇應力集中而斷裂的原因。此外，即使表面及背面不直接加工，來自內部之自然龜裂進行不一，加工後仍然成為微細裂紋之發生源。

使通過透明玻璃之雷射光超過某種強度聚光時，因非線性光學效應使玻璃變性而產生光之吸收，進一步增強光時熱 吸收更為活絡，而使物質溫度急速上昇。結果，材料因強烈的熱應力作用而斷裂。更加提高強度時，因高電場導致污損破壞。即使是比較弱之光，為了容易切斷，將表面或背面同時加工切斷時，剖面邊緣部仍會發生微細裂紋而強度降低。為了避免此種情況，需要僅將剖面內部藉由熱應力以不明顯之加工痕自然斷裂，並利用鏡面將平坦之裂紋誘導於表面及背面而切斷，避免人為性端面裂紋。因而，需要使雷射發生熱應力斷裂部僅可在表面、背面方向細長形成。將其以1條雷射光束實現情況下，在透明體內部聚光時，需要以與符合透鏡系統之焦點深度匹配的長度使熱應力斷裂發生。增長破壞部分時，係以長焦點距離之透鏡聚光，不過，因為此種情況下聚光點直徑變大，所以需要之雷射輸出亦非常大，因而加工痕也變大，從該加工痕引起微細裂紋之發生。

如圖1所示，觀察對透明體剖面照射之雷射光束的形態差異時，照射於表面或背面情況下，在剖面端部發生裂紋，因此應力作用時，就會發生微細裂紋而造成破壞。照射中心部時，切斷端面不產生裂紋者時，需要長焦點距離之光學系統與高輸出雷射，結果發生大的加工痕殘留，從此種加工痕加工後會發生裂紋而造成斷裂。考慮透明體因變性之光的吸收，為了連接小焦點從深處向淺處依序進行加工，將透明體以一定深度加工，其製程結束後，將深度稍變淺再加工，如此反覆加工，在深度方向發生深之加工痕而切斷的方法。該方法因為係隔開時間進行深度方向之加工，所以在各個深度之加工痕喪失同時相互作用，而僅單純地堆積微小加工痕，無法引起鏡面狀之自然龜裂。

利用透明體特性以及光線會傳播至深部特性之雷射細絲的方法，並非僅透鏡單純聚光，而係藉由利用透明材料本身發生的非線性效應，在細絲上形成光線以進行加工。因為該方法 取決於透明體材料之光學特性，所以細絲之形成取決於透明體材料的性質。此外，為了從深度淺之部分向深的部分形成，因為有從近端消耗之光的透過與吸收加熱的差異，所以有發生細絲之部分並非依然有助於均勻加工，且為了生成細絲需要複雜之光學系統與高輸出的雷射等方面之困難。

透明體藉由高強度雷射光使物性引起變化，藉此透明體吸收光，因而焦點部分之溫度急速上昇並產生破壞反應，因為表面及背面與內部比較係以低強度加工，所以用強雷射光加工其附近時，因為表面及背面先反應導致在其附近的內部無法加工。因而，為了盡可能地擴大加工剖面深度，須在內部較寬的範圍形成加工部，如此又需要對各照射點實施適當的輸出調整。

換言之，使用雷射控制剖面聚光位置而進行加工時，對雷射波長透過之透明體材料的加工，除了雷射光的聚光焦點位置之外，還需要藉由依材料剖面深度調整強度，實施表面、背面或內部加工。藉由如此操作，可避免因剖面邊緣因切斷發生微細裂紋而使強度降低、加工時因產生之塵埃飛散妨礙精密加工、造成貼在加工品下面之膠帶損傷、加工品剖面加工痕顯著變大等，導致表面凹凸明顯。掃瞄一個雷射光時，改變深度調整輸出固然容易，但是在使2個以上脈衝相互干擾，且同時進行照射時則必須考量前述因素。

如上述，因為透明體之加工僅在光強度高之焦點部分進行加工，所以需要在發生光強度吸收之剖面內部藉由控制形成良好之切斷表面形態。當焦點較短且產生較小的焦點時，局部溫度升高可進行較整齊之加工，不過因為加工區域狹窄，所以無法進行達到斷裂之加工。包含表面及背面之加工也會有發生塵埃及保持膠帶破損等問題。形成可斷裂之大加工痕時，係使用長焦 點之光學系統，不過此時因為焦點光點大，若要讓焦點光點變大，需要較大的雷射能量以形成破壞。而且，導致破壞之剖面汙損，裂紋也大。因此，最理想的方式就是採用雷射照射法，藉以在切斷方向產生平滑的剖面。但是，細絲化產生必須具備能穩定產生細絲的條件，以及隨著較長的細絲，以致細絲產生能力和吸收損耗之間不易取得平衡。因而，需要一種可在分散之焦點中進行最佳照射的系統。

先前技術文獻 專利文獻

[專利文獻1]特開2008-264843號公報

[專利文獻2]特開2015-110248號公報

[專利文獻3]特開2013-022627號公報

[專利文獻4]特開2011-159827號公報

[專利文獻5]特開2009-190069號公報

[專利文獻6]特開2014-212282號公報

[專利文獻7]特開2014-117707號公報

[專利文獻8]特開2012-240082號公報

[專利文獻9]特開2012-186287號公報

[專利文獻10]特開2015-129076號公報

[專利文獻11]特開2015-099922號公報

[專利文獻12]特開2009-037808號公報

[專利文獻13]特開2015-050226號公報

[專利文獻14]特開2015-030040號公報

[專利文獻15]特開2015-030039號公報

[專利文獻16]特開2007-229758號公報

非專利文獻

[非專利文獻1] Measurement Science and Technology, 12(2001)1784-1794, Laser-induced breakdown and damage in bulk transparent materials induced by tightly focused femtosecond laser pulse.

本發明所欲解決之問題點係目前工業界尚未創造出一種雷射加工方法，可在不產生任何污損的條件下，對強化玻璃、無鹼玻璃及藍寶石等透明脆性材料的剖面邊緣不直接進行加工，而且還能在不損壞用來支撐玻璃的下層膠帶的前提下，以自然切斷方面讓剖面呈鏡面狀。

本發明之主要目的在於提供一種剖面端部不加工鏡面切斷法，包括：首先，使用一雷射切斷由玻璃、藍寶石或陶瓷所構成的一透明脆性材料時，在該透明脆性材料切斷面內複數雷射光束進行方向，以一雷射脈寬度之少許時間差連結複數焦點。其次，該些焦點部位透過一變性方式，使一透明體材料變化成一吸收體，藉以吸收光線，使得每一焦點位置產生熱應力破壞，並且避免每一焦點的入射光彼此影響，而形成複數破壞點。再者，藉由細微的該些破壞點以及該些破壞點之間所產生的應力之交互作用，以產生連續、細長且細微的熱破壞力來進行鏡面狀加工。

於本發明之剖面端部不加工鏡面切斷法中，更包括：將每一雷射光束加以切斷，並依據照射深度，將每一切斷後的該些雷射光束調整至適當的強度，藉以讓雷射光產生多個焦點；根據彼此最近的焦點間距來設置時間差以進行集光，而該時間差必須大於一脈衝寬度；由深至淺依序將集光點慢慢錯開，並以一壓電元件等高速振盪元件作為一光學系統，讓一群焦點朝該雷射行進方向振動；以及除了讓透明體朝切斷方向移動外，同時 讓深度方向以垂直方式排列的焦點，更朝深度方向以及加工方向擴展，藉以在較深的範圍內產生細小的龜裂，如此即可對表面和背面直接進行加工，並且在剖面端部留下加工記號，或是透過內部加工點，自然產生龜裂，接著再利用正確的龜裂深度來進行切斷。

本發明係以雷射光束進行切斷，讓多條光線集光成為較小的焦點，並且預留一些延遲時間，利用光線依序對透明體剖面切斷深度以直線排列方式，讓透明體發生變異，並且吸收光線，以便讓溫度上升，接著藉由光學系統的振動，讓破壞動作朝剖面方向行進，藉以擴大剖面範圍，並藉由破壞力形成一個理想的剖面。

本發明所採用的透明體雷射切斷方法，其優點在於，不需要使用超高強度的雷射，即可對內面局部部位進行長距離加工，或是能讓光線以細絲狀方式通過透明體內部，而且不需要進行剖面邊緣加工，即可留下較深的加工記號，不但如此，加工剖面不易產生微裂，並且還能維持高破壞強度，以形成理想的剖面。

1‧‧‧雷射光束

2‧‧‧波長板

3‧‧‧偏振器

4‧‧‧變焦光學系統

5‧‧‧偏振器

6‧‧‧反射鏡

7‧‧‧反射鏡

8‧‧‧第2脈衝

9‧‧‧第1脈衝

10‧‧‧入射透鏡支架

11‧‧‧入射透鏡

12‧‧‧射出透鏡

13‧‧‧高速振動器

14‧‧‧支撐環

15‧‧‧支撐環

16‧‧‧延遲調整元件

17‧‧‧振動元件驅動器

18‧‧‧對物透鏡

19‧‧‧雙光束分割結合器

20‧‧‧脆性透明材料

21‧‧‧載台

23‧‧‧載台

22‧‧‧雷射

24‧‧‧圖案加工工件

為便 貴審查委員能對本發明目的、技術特徵及其功效，做更進一步之認識與瞭解，茲舉實施例配合圖式，詳細說明如下：圖1係習知透明體加工方法示意圖；圖2係本發明較佳實施例之雙光束透明體加工方法示意圖；圖3係本發明用以將雷射光束分割為二光束之透明體切斷裝置架構示意圖；圖4係不同雷射光強度與透過率之關係圖； 圖5係應用本發明進行透明體加工時，不同材料深度與使用之能量關係圖；圖6係本發明雙光束振動加工方法較佳實施例之示意圖；圖7係本發明較佳實施例系統架構示意圖；圖8係藉本發明對不同材質進行剖面加工之結果示意圖；圖9係使用不同破壞強度進行剖面加工之結果示意圖；及圖10係將本發明應用於產業之系統架構示意圖。

請參閱圖2所示，本發明方法係在2個以上可在雷射內部產生變性之雷射焦點光(數1000000W/cm²)的數個焦點中，藉由在透明體內部實現附加時間差進行照射，避免相互干擾，使透明體內部從背面至表面之距離的任意點分別獨立且同時藉由光吸收而變性，藉由包含焦點間發生細長龜裂而有效導向自然斷裂者。

圖3係顯示依據本發明之使用分割為二光束之透明體切斷裝置的說明圖。另外，使用2個以上的分割光束時，亦可將同樣方法擴張。具有直線偏光之雷射光束(1)藉由半波長板(2)之旋轉而在任意之偏光方向旋轉。旋轉後之光藉由偏振器(3)在透過方向與反射方向分割成依偏光方向之比。通過之光藉由變焦光學系統(4)來調整光束之平行度。另一方面，反射後之光藉由反射鏡(6)、(7)反射，並藉由偏振器(5)結合成一條光束。此時，透過光束將以脈衝寬度大於反射光束的時間作為延遲時間，形成脈衝(8)及脈衝(9)而結合於相同光軸。光通過入射透鏡(11)及反射透鏡(12)而到達對物透鏡(18)。此時使入射透鏡(11)稍微移動，並使藉由對物透鏡(18)產生之雷射光束焦點位置稍微移動。該移動係藉由高速振動入射透鏡與射反射鏡之距離的壓電元件等的振動元件(13)來 進行。壓電元件在支架(10)上軸對稱而配置，並使其高速振動。

圖4所示，雷射光透過透明體時，當光能低時幾乎全部光透過。提高雷射強度時，玻璃穿透度會急遽下降。藉由超過此種強度，可能使透明體吸收光而過熱。但是，須注意破壞狀況依照射之位置(深度)而異。比方說當雷射光進行照射時，若照射深的部分會破壞背面，若照射淺的部分會破壞表面。比方說當雷射光進行照射時，若要照射較深的部位，背面就會被破壞，照射較淺的部位則表面會受到破壞，原因在於內面的破壞強度高於表面或背面，換句話說必須根據深度位置，設定適合的照射強度。

舉例來說，對圖5所示之強化玻璃，根據其所需要的內部破壞熱能閥值將光束分割為2條，並根據光束熱能的分配比率來分割雷射光束以進行照射，圖5係使用2條分割光束時之說明圖。

將聚光雷射光束聚光於透明體，使剖面之深位置吸收光線。其次，接著透過延遲時間大於脈衝寬度的其他入射雷射光束集光於較深的位置。首先在深部產生一吸收體，藉以避免在下一個脈衝通過之光路上產生吸收體，而使第2雷射脈衝聚光。2個聚光點依使用之對物透鏡的倍率而異，兩者距離約為20~50微米，兩者大致同時照射，藉以在剖面方向產生單一焦點時無法獲得之長龜裂。此時，若要對表面附近的內部進行照射時，即使表面的集光強度較弱仍要進行加工，就必須讓雷射靠近表面，但太靠近表面則會影響內部加工，因此只能對表面加工。此外，背面也是一樣，若將焦點配置於背面附近，則只能對表面加工而非內部。因此，如圖5所示，照射時必須考量雷射強度相對於各種深度之上限值。

圖6中圖式顯示分割成2條光束而照射時，使2連焦點位置高速移動同時進行加工之情況。藉由使搭載了加工物之載台 移動同時使光束在透明體的深度方向振動，可在厚度方向擴大更寬廣平整之破壞面，藉由該操作實現朝向表面及背面自然割斷的狀況。

脆性透明材料應為精密加工者，而選擇強化玻璃、無鹼玻璃、藍寶石進行試驗，在進行剖面之表面狀態的粗度及鏡面狀態如何的檢查同時，藉由從外部施力實施破壞強度試驗。

圖7係本發明裝置之實施例的說明圖，雙光束分割結合器(19)如圖3所示。雷射光束(1)通過雙光束分割結合器(19)後，第1脈衝(8)藉由對物透鏡(18)到達透明體深部進行加工。然後，第2脈衝(9)到達更淺部分進行透明體(20)之加工。該光束藉由雙光束分割結合器內部之振動器而在深度方向上下移動。加工時則利用移動工作台(21)的方式來進行。載台以精密方式製作而成，對於透明材料厚度具有將深度方向的變動範圍限制在10微米以下的效果。

圖8顯示實施例之結果。使用10ps、100 Micro J之脈衝雷射與25kHz的壓電振動元件之加工試驗，在試驗強化玻璃時，即使使用1000倍之放大顯微鏡剖面無加工痕，仍無法觀察表面構造而成為鏡面狀態。無鹼玻璃因為需要提高溫度，所以會有少許加工痕殘留。在試驗藍寶石時，由於其耐熱性較高，又兼具高強度，因此需要較好的熱傳導度及高溫，雖然會出現部分加工記號，但是仍以鏡面所佔的比率較高。在試驗藍寶石時，從正上方觀看加工物時，因為表面未被切斷而係自然裂開者，雖有裂溝卻無達到切斷程度之間隙，也不發生塵埃。此外，熱能也完全被消耗於內部加工，因此貼附於加工物上的支撐膠帶雖然造成光線強度衰減，但是膠帶並未因為雷射光而燒毀。

用與實施例1同樣之試驗條件，對寬度70mm、長度 180mm、厚度550微米、強化深度90微米之強化玻璃進行加工後，再執行3點破壞試驗。圖9所示係針對切斷後的強化玻璃材料進行破壞強度測試後的測試結果，由圖9可知，針對破壞強度較低的一組進行剖面邊緣加工，對於破壞強度較高的一組則不進行剖面邊緣加工，因此瞭解顯示的數值高。

強化玻璃係以雷射進行切斷加工，不過，因為切斷後之產品的破壞強度低，所以在加工後需要各種機械加工及化學處理，不但製程複雜，且既費時又昂貴。使用本方法時，如圖10所示，藉由使載台(23)搭載透明脆性材料材料(24)，無須增加包含曲面之自由形狀的加工，因此有產業上之優點。

使用本方法時，可實現平整之剖面。透明脆性材料具有熔點高、耐壓縮應力之特性。雷射加工中，因為藉由將雷射光聚光在小焦點可獲得高電場強度，所以材料比較容易破壞，不過，因為係破壞剖面所以會髒污。反之，以雷射急速加熱及急速冷卻之熱應力破壞容易被應力場支配，因此顯示如鏡面狀態之平整破壞。因為在每1平方公分數1000000MW程度之輸出密度中，會發生熱應力破壞，所以藉由透鏡選定2點達到此種輸出密度之區域，藉由同時照射，使2點相互作用之龜裂發生，即可有效實現平整之切斷。

使用本方法時，可實現可維持高強度之切斷材料。由於脆性材料之破壞以剖面端部之微細裂紋為破壞起點，因此在切斷中，不進行剖面，特別是剖面端面部之加工，而係設法進行協助沿著自然應力場之破壞的加工。因而，為了自然地誘導裂紋，發生剖面邊緣部分為終端之自然破壞的方式，加工範圍就必須涵蓋邊緣附近。但是，為了提高聚光強度而使用短焦點透鏡時，各剖面僅一部分可加工，所以係藉由生成數個焦點部同時加工，或 是使一個焦點部分高速移動，或是藉由同時利用這2個效果，在儘量寬之範圍進行加工。藉此，若僅一部分加工形成大的破壞時無法切斷，反之，藉由堆積平整之微細破壞來實現平穩的加工。高速振動係擴大2kHz~30kHz程度之壓電元件的振動，並重複實施10微米~30微米程度之振動。

使用本方法時，可避免加工時產生粉塵。因為表面加工時會發生塵埃，所以切斷作業後需要進行洗淨。若要避免粉塵則應捨棄表面切割。藉由本發明同時照射數個點，實現不發生塵埃之龜裂，藉由僅切斷內部減少加工痕，可防止塵埃之發生或是塵埃從切斷部飛散，所以可運用在無塵室等之加工。

使用本方法進行加工時，保持材料之下面膠帶不致破損。藉由以焦點距離短之透鏡系統聚光，係以內部之加工雷射強度進行加工，不過，膠帶面因為能量通過加工部而減低，所以雷射強度極端降低，可選擇膠帶不致被加工之條件。

使用本方法可對厚材料進行加工。過去厚材料需要將強力之雷射光以長焦點對物透鏡聚光，不過，焦點部會變大且形成加工污痕。因此，係依據本發明藉由在剖面方向配置數個焦點位置，或是使一個焦點高速移動，即可在容易斷裂狀態下切斷，所以可對厚材料進行加工。

按，以上所述，僅係本發明之若干較佳實施例，惟，本發明所主張之權利範圍，並不侷限於此，按凡熟悉該項技藝之人士，依據本發明所揭露之技術內容，可輕易思及之等效變化，均應屬不脫離本發明之保護範疇。

Claims (2)

1. 一種剖面端部不加工鏡面切斷法，包括：使用一雷射切斷由玻璃、藍寶石或陶瓷所構成的一透明脆性材料時，在該透明脆性材料切斷面內複數雷射光束進行方向，以一雷射脈寬度之少許時間差連結複數焦點；該些焦點部位透過一變性方式，使該透明脆性材料變化成一吸收體，藉以吸收光線，使得每一焦點位置產生熱應力破壞，並且避免每一焦點的入射光彼此影響，而形成複數破壞點；藉由細微的該些破壞點以及該些破壞點之間所產生的一應力之交互作用，以產生連續、細長且細微的一熱破壞力來進行一鏡面狀加工；以及將每一雷射光束加以切斷，並依據照射深度，將每一切斷後的該些雷射光束調整至一適當強度，藉以讓雷射光產生該些焦點。
2. 如申請專利範圍第1項所述之剖面端部不加工鏡面切斷法，更包括：根據彼此最近的該些焦點間距來設置時間差以進行一集光，而該時間差必須大於該雷射脈寬度；由深至淺依序將一集光點慢慢錯開，並以一壓電元件高速振盪元件作為一光學系統，讓該些焦點朝該雷射行進方向振動；以及除了讓該透明脆性材料朝切斷方向移動外，同時讓深度方向以垂直方式排列的該些焦點，更朝深度方向以及加工方向擴展，藉以在較深的範圍內產生細小的龜裂，如此即可對表面和背面直接進行加工，並且在剖面端部留下加工記號，或是透過內部加工點，自然產生龜裂，接著再利用正確的龜裂深度來進行切斷。