TWI653200B - 玻璃的三維形成 - Google Patents

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Abstract

一種製作具有非平坦部分之一玻璃物件的方法，該方法包含以下步驟：(i)利用一雷射沿一輪廓穿孔一玻璃胚料且於該玻璃胚料中形成多個穿孔；(ii)沿含有穿孔的至少一個區域彎曲該玻璃胚料，以使得該玻璃為彎曲的，從而形成具有該非平坦部分之一玻璃物件。

Description

玻璃的三維形成 【相關申請案】
本申請案主張以下申請案之優先權：2014年1月14日申請的美國專利申請案第14/154,525號、2014年7月15日申請的美國臨時申請案第62/024724號、2014年7月15日申請的美國臨時申請案第62/024,581號，以及2013年12月17日申請的名稱為「PROCESSING 3D SHAPED TRANSPARENT BRITTLE SUBSTRATE」之美國申請案第61/917127號。此等申請案之全部教示內容以引用方式併入本文。
本揭示內容總體上係關於玻璃片的3D(三維)形成，或且更特定而言，係關於藉由使用雷射誘導穿孔來形成或彎曲玻璃片。3D形狀為非平坦形狀，其中玻璃形狀之表面上的至少一個區域不為平面，諸如為例如彎曲形狀或波狀形狀。
時常地公告並發佈具有併入其中的某種形式的三維(3D)玻璃部件之新產品。一些實例包括彎曲LCD TV螢幕、 彎曲智慧型電話，以及可撓性或具有彎曲形狀之可佩帶機件(例如，手腕電話、手錶)。此等類型裝置中之其他設計元件為後蓋，其已自傳統的平坦玻璃蓋板轉變為具有不同樣式的三維彎曲表面。此等革新對由玻璃製成的此等3D部件之製造程序帶來新的挑戰，需要該等部件始終為抗刮擦及抗衝擊的。
可生產具有大於10mm之曲率半徑的3D(亦即，不為平坦的)玻璃片或物件，但所使用的製程相對緩慢。對形成具有擁有小曲率半徑(例如約2mm)之部件的3D碟形玻璃片或物件更加成為挑戰。現今為完成此點，將玻璃加熱至極高溫且隨後彎曲，但是，為達成良好的小彎曲半徑，例如2mm轉角半徑，溫度過高且引入表面缺陷。表面缺陷可促進玻璃中之裂紋傳播，而裂紋傳播係於表面缺陷位點處起始。例如使用習知熱形成來模製的玻璃部件可於玻璃材料中具有變形。此種部件不足以用於許多行動裝置用途。此亦降低模製製程之產率，因為許多模製玻璃部件不可使用。
並不承認本文引用的任何參考文獻構成先前技術。申請人明確地保留對質疑任何引用文件之準確性及切合性的權力。
本揭示內容之至少一個實施例係關於一種製作具有非平坦部分之玻璃物件的方法，該方法包含以下步驟：(i)利用雷射沿輪廓穿孔玻璃胚料且於玻璃胚料中形成多個穿孔； (ii)沿含有穿孔之區域彎曲玻璃胚料以形成三維形狀，以使得該玻璃為彎曲的。
本揭示內容之一個實施例係關於一種製作具有非平坦部分之玻璃物件的方法，該方法包含以下步驟：(i)利用雷射沿輪廓穿孔玻璃胚料且於玻璃胚料中形成多個穿孔，該等穿孔之直徑小於5μm且具有比該直徑長至少20倍的長度；(ii)沿含有穿孔之區域彎曲玻璃胚料以形成三維形狀，以使得該玻璃為彎曲的。
根據一些示範性實施例，彎曲之步驟包含以下步驟：加熱具有穿孔之玻璃胚料及/或對胚料之至少穿孔區域施加真空。
根據一些示範性實施例，穿孔之直徑小於2μm，且在一些實施例中小於1.5μm，且具有比該直徑長至少50倍的長度。例如，穿孔長度可為至少200μm長(例如，200μm至1.2mm)。
根據一些示範性實施例，經穿孔之區域含有每mm2至少10個穿孔，例如每mm2至少20個、至少30個、至少40個、至少50個或至少100個穿孔。
根據一些示範性實施例，穿孔步驟係利用雷射線焦點來執行，且玻璃為0.1mm至5mm厚。
根據一些示範性實施例，該彎曲之步驟包含以下步驟：彎曲玻璃胚料至5mm或更小(例如，2mm或更小)之曲率半徑。
製作玻璃片的一種示範性方法包含以下步驟：(i)利用雷射線焦點穿孔玻璃片以產生至少一個穿孔分離輪廓，以用於至少一個玻璃胚料之產生；(ii)利用雷射線焦點沿另一輪廓穿孔玻璃片，以形成彎曲區域穿孔；(iv)沿穿孔分離輪廓將至少一個玻璃胚料自玻璃片分離，進而產生至少一個單一化胚料；(v)沿含有彎曲區域穿孔之區域彎曲玻璃胚料。
本揭示內容之一個實施例係關於一種製作具有非平坦部分之至少一個玻璃物件的方法，該方法包含以下步驟：(i)利用雷射線焦點穿孔玻璃片以產生至少一個穿孔分離輪廓，以用於至少一個玻璃胚料之產生；(ii)利用雷射線焦點沿另一輪廓穿孔玻璃片，以形成彎曲區域穿孔；(iv)沿穿孔分離輪廓將至少一個玻璃胚料自玻璃片分離，進而產生至少一個單一化玻璃胚料；以及(v)沿含有彎曲區域穿孔之區域彎曲玻璃胚料。
本揭示內容之一個實施例係關於一種製作具有非平坦部分之玻璃物件的方法，該方法包含以下步驟：(i)利用雷射線焦點穿孔玻璃片以產生複數個個穿孔分離輪廓，以用於複數個個玻璃胚料之產生；(ii)利用雷射線焦點沿其他輪廓穿孔玻璃片，以形成複數個彎曲區域穿孔； (iii)沿穿孔分離輪廓將該等玻璃胚料自玻璃片分離且彼此分離，進而產生複數個單一化玻璃胚料，其各自含有彎曲區域穿孔；(iv)置放單一化胚料，且沿含有彎曲區域穿孔之區域彎曲玻璃胚料，以使得玻璃為彎曲的。
根據一些實施例，包含彎曲表面或至少一個非平坦表面之玻璃物件具有於該彎曲表面或該至少一個非平坦表面內延伸至少200微米的複數個缺陷線或穿孔，該等缺陷線或穿孔各自具有小於或等於約5微米之直徑。根據一些實施例，相鄰缺陷線或穿孔之間的距離在7微米與50微米之間。根據一些實施例，玻璃物件具有至多達小於或等於約100微米之深度的表面下破壞。根據一些實施例，玻璃物件具有在約10微米與約5mm之間(例如，200微米至2mm)的厚度。
其他特徵及優點將在以下的詳述中闡述，且在部分程度上，熟習此項技術者將根據該描述而容易明白該等特徵及優點，或藉由實踐本書面描述及其申請專利範圍以及隨附圖式所述的實施例來認識該等特徵及優點。
應理解，前述的一般描述及以下詳述僅僅為示範，且意欲提供用於理解申請專利範圍之性質及特徵的概述及框架。
隨附圖式係納入來提供對本說明書的進一步理解，且併入本說明書中並構成本說明書之一部分。圖式例示一或多個實施例，且與說明書一起用於解釋各種實施例之原理及操作。
1‧‧‧平面基板/基板
1a‧‧‧表面/平面
1b‧‧‧表面/平面/反向(遠程)表面/反向表面
2‧‧‧脈衝雷射束/雷射束/雷射輻射
2a‧‧‧雷射輻射/部分/射束叢
2aZ‧‧‧中心射束
2aR‧‧‧邊緣射線
2b‧‧‧雷射束焦線/焦線/線
2c‧‧‧區段/誘導吸收
3‧‧‧雷射
6‧‧‧光學總成
7‧‧‧球面切斷雙凸透鏡/透鏡/非像差校正球形鏡頭
8‧‧‧圓形孔徑/孔徑
9‧‧‧旋轉三稜鏡
10‧‧‧旋轉三稜鏡/元件
11‧‧‧平凸透鏡/透鏡/元件/聚焦元件/聚焦透鏡
12‧‧‧准直透鏡/正透鏡
20A‧‧‧玻璃胚料
110‧‧‧疵點線/輪廓
120‧‧‧缺陷線
130‧‧‧基板材料
140‧‧‧超短脈衝雷射射束
500‧‧‧爆發
500A‧‧‧脈衝
710‧‧‧未聚焦雷射束
720‧‧‧透明基板/基板/材料
730‧‧‧球形透鏡
740‧‧‧焦點
750‧‧‧旋轉三稜鏡透鏡
760‧‧‧圓柱體
1000‧‧‧預形成切割玻璃片/穿孔玻璃片/玻璃片/片材/預形成片材
1000A‧‧‧步驟
1200‧‧‧線/穿孔輪廓/穿孔分離輪廓/釋放線
1200A‧‧‧穿孔
1200B‧‧‧部件輪廓線
1300‧‧‧模/模主體
1400‧‧‧輪廓
1400A‧‧‧穿孔/玻璃穿孔/彎曲區域穿孔/雷射穿孔
1400B‧‧‧轉角
2000‧‧‧預切割或預處理區域(部件)/部件預形成件/區域
2000A‧‧‧玻璃胚料/單一化胚料/玻璃物件/部件/單一化玻璃胚料/玻璃部件/部件/預形成件
L‧‧‧長度/焦線長度
D‧‧‧平均直徑/平均尺寸
Tp‧‧‧脈衝至脈衝區隔/持續時間/時間區隔/區隔
Tb‧‧‧時間區隔/時間/脈衝持續時間
Z1‧‧‧距離
Z1a‧‧‧距離
Z2‧‧‧距離
br‧‧‧寬度
d‧‧‧厚度/深度
dr‧‧‧圓環直徑
SR‧‧‧圓形輻射
δ‧‧‧平均直徑
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，而重點是關注對所例示的實施例。
第1圖例示大玻璃片10，其含有複數個預切割或預處理區域20，根據一實施例，其各自將相應於單一玻璃物件；第2圖例示包括彎曲區域穿孔之單一化玻璃胚料之一實施例；第3A及3B圖例示位於模主體上的穿孔/單一化玻璃胚料實施例之兩個視圖；以及第4A及4B圖例示形成自單一化及穿孔/單一化玻璃胚料的彎曲玻璃物件之兩個視圖。
第5A-5C圖為改質玻璃之具有相等間隔缺陷線的疵點線之圖解。第5A圖為產生穿過樣本之疵點線的雷射之圖解。第5B圖為在分離之後具有缺陷線之邊緣之圖解。第5C圖為分離邊緣之照片。
第6A及6B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7A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7B-1至7B-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可能性之圖解。
第8圖為用於雷射處理之光學總成之第二實施例的 圖解。
第9A及9B圖為用於雷射處理之光學總成之第三實施例的圖解。
第10圖為用於雷射處理之光學總成之第四實施例的示意圖。
第11A-11C圖例示用於材料之雷射處理的不同雷射強度區間(regime)。第7A圖例示未聚焦雷射束，第7B圖例示利用球形透鏡之聚集雷射束，且第7C圖例示利用旋轉三稜鏡或繞射夫瑞奈(Fresnel)透鏡之聚集雷射束。
第12A-12B圖描繪皮秒雷射之隨時間變化的雷射發射。每一發射係藉由可含有一或多個子脈衝之脈衝「爆發」來表徵。例示相應於脈衝持續時間之時間、脈衝之間的區隔及爆發之間的區隔。
示例性實施例之描述如下。
正在開發例如用於諸如手機之手持式產品的具有3D表面之蓋玻璃。然而，自薄LCD玻璃形成曲率半徑較小的3D部件例如變得愈加困難。10mm之曲率半徑相對容易利用例如薄LCD玻璃來達成。然而，具有低於10mm，諸如5mm或1或2mm之較小彎曲半徑的3D碟形部件例如更難以利用現存方法來產生，因為在用於達成良好的小(例如2mm)轉角半徑之現存方法中，玻璃典型地過熱，從而出現表面缺陷。可甚至需要真空及壓力來迫使玻璃進入此等極小(tight)特徵之模中。另外，為按比例擴大製造規模及容量，典型地使用 大的成型薄玻璃片來達成成本有效性，且在部件陣列上產生緊密轉角半徑可甚至更具挑戰性。本文揭示的實施例方法可有助於具有擁有小曲率半徑之3D表面的玻璃部件之製造，如進一步結合第1至4B圖所述。
本申請案提供用於精確形成任意形狀之模製3D薄透明脆性基板、尤其是強化或非強化玻璃的製程。在一個實施例中，玻璃為Gorilla®玻璃(全碼號，可購自Corning,Inc.)。實施例方法亦允許將一或多個3D部件或具有3D表面之部件切割至其最終大小且取出，而無需製程後精整步驟。該方法可應用於強化(例如，化學離子交換)或未強化(原始玻璃)的3D部件。
工件、部件或物件可包括例如用於電話的具有彎曲表面之玻璃蓋，或汽車玻璃。所開發的雷射方法充分適合於對所選雷射波長為大體上透明(亦即，每mm材料深度吸收小於約50%，及小於10%，例如小於約1%)的材料。
主要原理是於玻璃中穿孔孔洞，其使用雷射焦線，例如經由以下案中所述的製程且藉由其中所述之系統來產生缺陷：2013年12月17日申請的名稱為「PROCESSING 3D SHAPED TRANSPARENT BRITTLE SUBSTRATE」之共同待決的專利申請案第61/917127號，該案以引用方式併入本文。雷射產生用於在薄玻璃片中產生孔洞或狹長破壞區域(缺陷線)之焦線，因此形成穿孔區域。玻璃在彼等穿孔區域中弱化，從而有利地允許複雜形狀及/或彎曲區域於熱形成條件下之形成。因為正常形成製程將現存玻璃厚度用作給定操作參數， 所以如本文所述的玻璃片之穿孔產生3D表面，該3D表面對易於成形或形成而言為充分適合的。結合使用穿孔區域的形成有利地引起熱形成產品細部之改良，如極小彎曲半徑及其他所需特徵細部之改良。此方法亦允許形成薄玻璃片之大陣列，以利用真空形成技術來達成極精細的形成細部。利用穿孔區域形成玻璃片或胚料同樣亦可藉由其他方法達成。例如，在約500℃與約650℃之間的溫度下，玻璃之黏度產生塑性相，該塑性相允許凹陷彎曲(sag-bending)成所要形狀。特定溫度取決於玻璃組成物。將穿孔玻璃加熱至塑性相，且使其於自身重量下凹陷至受熱模表面以達所需形狀，且隨後使其逐漸冷卻(例如，冷卻至約150℃或200℃)，此時，可將其移動出加熱區域並且使其冷卻至室溫。
根據一些實施例，在步驟1000A中穿孔大的預形成切割玻璃片1000，以形成來產生穿孔1200A或1400A。更確切言之，將玻璃置於雷射束下方，且藉由沿所要線或輪廓使雷射進行描跡(移動雷射焦線)來於玻璃上產生如本文所述的缺陷線。隨後例如藉由加熱模製或真空形成、沿穿孔區域或線(例如，具有穿孔1400A之區域)來彎曲穿孔玻璃片1000至所要形狀，從而形成3D形狀。彎曲半徑可為相對大的，或可為小的，例如1mm至20mm，且在一些實施例中為1mm至10mm，或不大於5mm，例如1mm至5mm，或2mm或更小。根據一些實施例，玻璃之厚度小於3mm，例如2mm(例如，1mm或更小)。根據一些實施例，彎曲玻璃包含一曲率(亦稱為彎曲度(bow)或彎度(bend))，該曲率大於玻璃片自身之厚 度。根據一些實施例，彎曲玻璃具有小於3mm，例如小於2mm或小於1mm之厚度。在一些實施例中，位於將要彎曲(或經彎曲)的區域中的穿孔之間的示範性間距(離距)在5-50μm之間，或在7μm與50μm之間(亦即，比切割間距稍寬一些，以防止分離且只是充當有利於可彎曲性而不形成顯著表面缺陷之弱點)。根據本文所述的示範性實施例，此等穿孔之直徑為2μm更小，且具有比該直徑長至少20倍的長度，其中玻璃之至少一些區域具有每mm2至少10個穿孔。
根據一些實施例，穿孔之直徑小於2μm(例如，直徑小於1.5μm)，且具有比該直徑長至少50倍的長度。例如，穿孔1400A具有至少200μm長的長度。根據一些實施例，經穿孔的至少一些區域含有每mm2至少25個穿孔。根據一些實施例，經穿孔的至少一些區域含有每mm2至少50個穿孔。根據一些實施例，穿孔係利用形成雷射線焦點之雷射束來形成。根據一些實施例，穿孔係藉由貝色束來形成。根據一些實施例，雷射為脈衝雷射，其具有10W-10W(例如，25W-60W)之雷射功率，雷射產生每次爆發至少2-25個脈衝的爆發脈衝，且穿孔(缺陷線)之間的距離為7-100微米(例如，10-50微米或15-50微米)。
根據一些實施例，形成3D玻璃物件之方法包括以下步驟：(i)形成玻璃片1000； (ii)利用雷射焦線沿線或穿孔輪廓1200穿孔玻璃片10以產生穿孔1200A，以用於產生玻璃胚料2000A(參見第1B圖)；(iii)利用雷射線焦點(參見第2圖)沿輪廓1400穿孔玻璃片1000以形成穿孔1400A。穿孔1400A位於將為彎曲點之處，且可置於玻璃內之不同深度處。高密度穿孔區域可位於或接近轉角，或需要小(sharp)曲率半徑或輪廓或高度之變化的其他區域；(iv)單一化(或分離)玻璃部件--亦即，將玻璃胚料20A彼此分離及/或與玻璃片1000之其他區域分離。此可藉由沿穿孔分離輪廓1200施加應力來進行。此應力可為例如熱應力或機械應力(且係例如藉由壓力或真空拉力產生)。熱應力可例如藉由利用來自CO2雷射之光沿穿孔分離輪廓1200加熱玻璃片10來產生；(v)將單一化胚料2000A置於模1300上，以使得穿孔14A位於其中玻璃胚料2000A將彎曲或曲彎(curved)的區域上(例如，參見第3圖)；(vi)例如藉由加熱玻璃及/或藉由習知真空形成技術來於玻璃胚料2000A中形成3D(彎曲)輪廓，或使原來平坦的玻璃胚料2000A形成為3D形式。玻璃穿孔1400A允許相對容易的精確3D形成，而不產生顯著的表面缺陷，從而有利地產生具有對彎曲區域中之裂紋形成比習知製得的3D玻璃物件更好的抵抗力。
第1圖為預形成片材之圖解，該預形成片材根據實施例方法來雷射穿孔，以促進具有小曲率半徑之玻璃部件之 模製。更確切言之，第1圖例示預形成片材、在此狀況下為大玻璃片1000之俯視圖，該預形成片材含有相應於預切割或預處理區域(部件)2000之複數個多個部件，其各自相應於單一玻璃物件2000A。片材1000根據實施例方法來雷射穿孔(產生缺陷線)，以促進具有小曲率半徑之玻璃部件之模製。詳言之，釋放線12根據以上揭示的方法來雷射穿孔，以促進個別部件預形成件2000單一化成個別部件2000A。在第1圖之示範性實施例中，玻璃片1000含有十二個區域2000，該等區域由穿孔1200A圍繞。部件輪廓線1200B亦經雷射穿孔，以便在玻璃部件20模製成具有3D彎曲表面之前或之後，促進部件自單一化預形成件之後續移除。應注意，在一些實施例中，模製發生在整個完整的預形成片材1000上。
第2圖為自第1圖中所例示之片材分離的單一化預形成件之圖解。更確切言之，第2圖例示單一化玻璃胚料2000A，其包括彎曲區域穿孔14A。第2圖中亦例示部件之轉角1400B，其經雷射穿孔多次以促進對具有小曲率半徑之轉角的模製，如下文結合第3A圖至第4B圖之轉角剖視圖進一步所述。第2圖中未展示其他雷射穿孔，該等雷射穿孔促進於玻璃部件2000A之表面上模製進一步3D曲率，如下文結合第4A圖及第4B圖之側剖視圖進一步所述。
第3A-3B圖分別為在形成具有藉由雷射穿孔實現的半徑之3D表面之前及之後，第2圖之單一化預形成件之側剖視圖。第3A圖例示模1300，其具有3D彎曲表面，該3D彎曲表面限定欲施加於單一化預形成件中部件(部件2000A)之 表面的3D曲率。預形成件2000A包括雷射穿孔1400A，其有助於預形成件2000A之彎曲，同時誘導較少或不誘導表面缺陷。第3B圖例示相同模1300及模製之後的預形成件20A，且可見：穿孔1400A消退玻璃中之彎曲應力。此等雷射穿孔可減少或消除對施加於預形成件來完成模製之真空或壓力的需要。
第3A-B圖為在形成具有藉由雷射穿孔(缺陷線)實現的半徑之3D表面之前及之後，第2圖之單一化預形成件之側剖視圖。
更確切言之，第3A及3B圖例示位於模主體1300上的穿孔/單一化玻璃胚料2000A之兩個視圖。穿孔14A位於玻璃胚料2000A將受彎曲之區域上。注意，含有高密度之穿孔1400A的玻璃區域位於模中高度及斜率發生變化的區域附近。此等較高密度穿孔區域可例如相應於物件轉角，但可相應於最終玻璃物件中之其他特徵。
第4A及4B圖為在形成具有藉由多個雷射穿孔(缺陷線)實現的小轉角半徑之表面之前及之後，第2圖之單一化預形成件之轉角剖視圖。更確切言之，第4A及4B圖例示形成自位於模主體1300上之單一化及穿孔/單一化玻璃胚料2000A的彎曲玻璃物件之兩個視圖。穿孔/單一化玻璃胚料20A於模1300上彎曲，其中緻密穿孔區域含有穿孔1400A且直接位於模中具有高度及/或斜率之相應變化的區域上。更確切言之，第4A-4B圖為分別在形成具有藉由多個雷射穿孔1400A實現的小轉角半徑之表面之前及之後，第2圖之單一 化預形成件之轉角剖視圖。如第4A-4B圖所例示，例如可藉由多個穿孔實現尤其小的表面曲率半徑，諸如5mm或2mm或更小。多個或較高密度穿孔導致模製期間的應力消退，減少對模製期間的真空或壓力施加的需要，且減少表面缺陷。
根據至少一些實施例，藉由本文所述的方法形成的玻璃物件包含彎曲表面或至少一個非平坦表面，該物件具有於該彎曲表面或該至少一個非平坦內延伸至少200微米(例如250微米或250微米以上)的複數個缺陷線或穿孔，該等缺陷線各自具有小於或等於約5微米之直徑。根據一些實施例，相鄰缺陷線之間隔在7微米與50微米之間。根據一些實施例，圍繞該等缺陷線之玻璃具有至多達小於或等於約100微米之深度的表面下破壞。根據一些實施例，玻璃物件具有在約10微米與約5mm之間的厚度。
根據以下所述的一些實施例，雷射可用於產生穿過材料(例如，在單一道次中)的高度受控的完全或部分穿孔，同時表面下破壞及碎屑產生極少(<75μm，常常<50μm)。表面下損壞可限於大約深度100μm或更小，或深度75μm或更小，或深度60μm或更小，或深度50μm或更小，且切口可僅產生小量碎屑。與斑點聚焦雷射用於燒蝕材料之典型用途對比，此方法可用於材料穿孔(例如玻璃穿孔)，該典型用途中，常常需要多道次來完全穿孔玻璃厚度，自燒蝕製程形成大量碎屑，且發生更廣闊的表面下損壞(>100μm)及邊緣碎裂。
因此，利用本文所述的方法，可能在透明材料中使用一或多個高能量脈衝或高能量脈衝之一或多次爆發來產生 微觀(亦即，直徑<2μm且>100nm，且在一些實施例中直徑<0.5μm且>100nm)狹長缺陷線(本文中亦稱為穿孔、孔洞或破壞徑跡)。缺陷線或穿孔或疵點線表示基板材料的藉由雷射改質之區域。雷射誘導改質擾動基板材料之結構，且構成具有機械脆弱性之位點。結構擾動包括壓緊、熔融、材料之變位、重排及鍵切斷。穿孔延伸至基板材料之內部中，且具有與雷射之橫截面形狀(通常圓形)一致的橫截面形狀。穿孔之平均直徑可在0.1μm至50μm範圍內，或在1μm至20μm範圍內，或在2μm至10μm範圍內，或在0.1μm至5μm範圍內。在一些實施例中，穿孔為「貫通孔」，其為自基板材料之頂部延伸至底部的孔洞或敞開通道。在一些實施例中，穿孔可不為連續敞開通道，且可包括藉由雷射自基板材料變位的固體材料之區段。變位材料阻斷或部分地阻斷藉由穿孔限定的空間。一或多個敞開通道(未阻斷區域)可分散於變位材料之區段之間。敞開通道之直徑可為<1000nm，或<500nm，或<400nm，或<300nm，或在10nm至750nm範圍內，或在100nm至500nm範圍內。在本文揭示的實施例中，材料的圍繞孔洞之擾動或改質區域(例如，壓緊、熔融或以其他方式變化)較佳具有<50μm(例如，<10μm)之直徑。
個別穿孔可以數百千赫之速率(例如每秒數十萬個穿孔)來產生。因此，利用雷射源與材料之間的相對運動，此等穿孔可以視需要自次微米變化至甚至數十微米之空間離距設置成彼此鄰近。相鄰缺陷線之間沿疵點線之方向的距離可例如在0.25μm至50μm範圍內，或在0.50μm至約20μm 範圍內，或在0.50μm至約15μm範圍內，或在0.50μm至10μm範圍內，或在0.50μm至3.0μm範圍內，或在3.0μm至10μm範圍內。空間離距經選擇以便促進玻璃沿穿孔輪廓之弱化，或切割。
除基板材料於線性強度區間中之透明性之外，對雷射源之選擇進一步係根據在透明材料中誘導多光子吸收(MPA)之能力來預示。MPA為多個具有相同或不同頻率之光子之同時吸收，以便將材料自較低能量狀態(通常為基態)激發至較高能量狀態(激發狀態)。激發狀態可為激發電子狀態或離子化狀態。材料之較高能量狀態與較低能量狀態之間的能量差可等於兩個或兩個以上光子之能量的總和。MPA為非線性過程，其通常比線性吸收弱若干個數量級。其不同於線性吸收之處在於：MPA之強度取決於光強度之平方或更高冪，因此使得其為非線性光學過程。在普通光強度下，MPA可忽略不計。若光強度(能量密度)極高，諸如在雷射源之焦點之區域中(尤其為脈衝雷射源)，MPA變得可觀且導致材料中的其中光源之能量密度充分高的區域內之可量測效應。在焦點區域內，能量密度可充分高以引起離子化。
在原子能階下，個別原子之離子化具有分立的能量需求。常用於玻璃中之若干元素(例如，Si、Na、K)具有相對低的離子化能量(約5eV)。在無MPA之現象的情況下，在約5eV下產生線性離子化將需要約248nm之波長。在MPA下，能量區隔約5eV之狀態之間的離子化或激發可利用比248nm長的波長來完成。例如，具有532nm之波長的光子具有約2.33 eV之能量，因此，例如在雙光子吸收(TPA)中，兩個具有波長532nm之光子可誘導能量區隔約4.66eV之狀態之間的躍遷。因此，在材料的其中雷射束之能量密度充分高以便誘導雷射波長之非線性TPA的區域中，原子及鍵可選擇性地受激發或離子化，該雷射波長例如具有所需激發能量的一半。
MPA可引起局部重新組態，及激發原子或鍵與相鄰原子或鍵之分離。鍵合或組態之所得改質可引起非熱燒蝕，及來自材料的其中發生MPA之區域之物質的移除。物質之此移除產生結構缺陷(上文提及的缺陷線、破壞線或穿孔)，該等結構缺陷機械地弱化材料且使其更易於在施加機械或熱應力之後受開裂或斷裂的影響。藉由控制穿孔之設置，沿之發生開裂的輪廓或路徑可得以精確限定，且可完成材料之精確微機械加工。藉由一系列穿孔限定的輪廓可視為疵點線，且相應於材料中具有結構脆弱性之區域。疵點線限定用於彎曲，或用於將部件自材料分離且控制分離部件之形狀的較佳輪廓。在一個實施例中，微機械加工包括部件自藉由雷射處理的材料之分離，其中部件具有精確限定的形狀或藉由疵點線決定的周邊，該疵點線限定經由雷射所誘導的MPA效應來形成的穿孔之閉合輪廓。在一個實施例中，藉由雷射處理的玻璃穿孔部件彎曲至極小半徑(例如，1mm至5mm)，其中部件具有精確限定的形狀或藉由疵點線決定的周邊，該疵點線限定經由雷射所誘導的MPA效應來形成的穿孔之閉合輪廓。如本文所使用，術語閉合輪廓係指藉由雷射線形成的穿孔路徑，其中路徑自身在一些位置處相交。內輪廓為在所得形狀 完全由材料之外部部分圍繞之處所形成的路徑。
較佳雷射為超短脈衝雷射(脈衝持續時間為大約100皮秒或更短)且可以脈衝模式或爆發模式來操作。在脈衝模式中，一系列標稱上相同的單一脈衝自雷射發射且導向至工件。在脈衝模式中，雷射之重複率藉由脈衝之間的時間間隔來決定。在爆發模式中，脈衝之爆發自雷射發射，其中每一爆發包括兩個或兩個以上脈衝(具有相等或不同振幅)。在爆發模式中，爆發內之脈衝藉由第一時間間隔(其限定爆發之脈衝重複率)區隔，且爆發藉由第二時間間隔(其限定爆發重複率)區隔，其中第二時間間隔典型地比第一時間間隔長的多。如本文所使用(無論在脈衝模式之情形抑或爆發模式之情形)，時間間隔係指脈衝或爆發之相應部分(例如，前緣至前緣、峰至峰或後緣至後緣)之間的時間差。脈衝及爆發重複率係藉由雷射之設計控制，且可典型地藉由調整雷射之操作條件在極限內做調整。典型脈衝及爆發重複率出於kHz至MHz範圍。
雷射脈衝持續時間(脈衝模式，或對爆發模式中一爆發內之脈衝而言)可為10-10s或更小，或10-11s或更小，或10-12s或更小，或10-13s或更小。在本文所述的示範性實施例中，雷射脈衝持續時間大於10-15。
實施例製程之一個特徵為藉由超短脈衝雷射產生的缺陷線之高縱橫比。高縱橫比允許自基板材料之頂表面延伸至底表面的缺陷線之產生。本發明方法亦允許延伸至基板材料內之受控深度的缺陷線之形成。可藉由單一脈衝或脈衝之單一爆發產生缺陷線，且若需要，其他脈衝或爆發可用於增 加受影響區域之延伸範圍(例如，深度及寬度)。
線焦點之產生可藉由將高斯雷射束髮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，其可維持單一微米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。
如第5A-5C圖所例示，穿孔玻璃片之方法之示範性實施例係基於利用超短脈衝雷射射束140，於基板材料130(例如，玻璃片1000)中產生形成有複數個垂直缺陷線120(例如，相應於穿孔1200A)之疵點線或示範性輪廓110(例如，1200)。
第5B圖例示在沿藉由多個垂直缺陷線120限定的輪廓或疵點線110分離工件之後的工件之邊緣。產生缺陷線之誘導吸收可於分離邊緣或表面上產生粒子，該等粒子具有小於1微米(例如，0.1微米或較小)之平均粒子直徑，從而得到極為清潔之製程。第5C圖為展示使用第5A圖所例示且下文進一步描述的雷射製程而與較大玻璃片分離的示範性部件(例如，單一化玻璃胚料2000A)之邊緣。
玻璃片中產生的疵點線可彼此不同--例如，缺陷線120(或孔洞)可在希望分離玻璃之輪廓中間隔較近，且在玻璃將受彎曲時，但其中希望避免自發分離之區域中間隔較遠。缺陷線或穿孔之間的確切間距或離距將藉由玻璃組成物決定，但將典型地在本文所述的範圍內，例如約1μm至約25 μm。
根據一些示範性實施例，將受彎曲或曲彎之區域具有每mm2 10個或10個以上孔洞(穿孔)或缺陷線，例如每mm2 10-100個孔洞、缺陷線或穿孔1400A。根據一些示範性實施例，將受彎曲之區域具有於將受曲彎或彎曲之區域中至少10個且較佳20個或20個以上的孔洞或缺陷線，例如每個區域25個或25個以上的孔洞、缺陷線或穿孔1400A(例如，25-500個孔洞、疵點線或穿孔，或50-100個，或50-200個孔洞、疵點線或穿孔)。大數量的孔洞有助於彎曲。例如，需要彎曲之玻璃塊之小轉角可含有20-50個或50個以上的孔洞或穿孔。孔洞或穿孔之數量將取決於將受彎曲或曲彎的玻璃區域之大小。在一些示範性實施例中，穿孔或孔洞分離7至100微米(亦即，間距可為7-100微米，例如15至100微米，25至100微米，或25至50微米)，且孔洞、疵點線或穿孔1400A之直徑小於5微米，且在一些實施例中，直徑為3微米或更小，在一些示範性實施例中直徑為2微米或更小)(例如，0.2μm、0.3μm、0.4μm、0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、1μm、1.2μm、1.5μm或介於其之間)。在一些示範性實施例，此等區域中之穿孔之數量可為例如每mm2區域10至50個或10至30個。較佳地，疵點線或穿孔藉由脈衝爆發所產生的雷射束形成，其中雷射功率為10W至100w(例如，25W至60W)，且爆發含有至少2個脈衝(例如，2-25個脈衝)。
在一些狀況下，所產生疵點線不足以使部件自發地自基板材料分離，且可需要第二步驟來分離玻璃(亦即，將部 件自較大片材單一化)。例如，若需要，第二雷射可用於產生熱應力來將玻璃部件彼此分離。例如，在0.55mm厚Gorilla®2319玻璃藉由Corning NY之Corning Incorporated生產的狀況下，可在例如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)來產生缺陷線之後達成玻璃分離，該熱源產生熱應力及迫使部件沿疵點線自基板材料之分離。另一選擇為使用紅外雷射來起始分離，且隨後手動地完成玻璃部件分離。可選紅外雷射分離可利用在10.6微米下發射且功率藉由控制其工作循環來調整之聚焦連續波(cw)雷射來達成。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、繞射受限斑點大小之斑點大小的彼等雷射束。例如，可對CO2雷射使用2mm至20mm，或2mm至12mm，或約7mm，或約2mm及或約20mm之散焦斑點大小(1/e2直徑)，例如，其繞射受限斑點大小在給定10.6微米之發射波長情況下小得多。
存在若干產生缺陷線之方法。形成焦線或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。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(例如，非線性吸收、多光子吸收)、於聚焦之區域中產生基板或工件材料之擊穿(breakdown)以產生基板材料之擊穿即可。
在本申請案中，超短脈衝雷射係用於以一致、可控制及可重複方式產生高縱橫比垂直缺陷線。允許產生此垂直缺陷線之光學設置之細節描述於以下，且描述於2014年1月14日申請的美國專利申請案第14/154,525號中，該案之全部內容以引用方式併入，如同其完全闡述於本文中一般。此概念之本質係於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)貝色束來產生具有高縱橫比無錐度(taper-free)微通道之區域。換言之，旋轉三稜鏡將雷射束聚集至基板材料中具有圓柱形及高縱橫比(長的長度及小的直徑)之高強度區域中。由於利用聚集雷射束產生的高強度，雷射之電磁場與基板材料之非線性相互作用發生，且雷射能量轉移至基板，以便實現變為疵點線之成分的缺陷之形成。然而，重要的是實現：在基板的其中雷射能量強度不高之區域(例如，基板表面、基板的圍繞中心會聚線之體積)中，基板對雷射為透明的，且不存在用於將能量自雷射轉移至基板的機構。因此，當雷射強度低於非線性閾值時，基板不發生變化。
轉而參看第6A及6B圖，雷射處理材料之方法包括以下步驟：沿射束傳播方向定向觀察，將脈衝雷射束2聚焦成雷射束焦線2b。雷射束焦線2b可藉由若干方式產生，例如，貝色束、艾瑞射束、韋伯射束及馬修射束(亦即，非繞射射束)，其場分佈(field profile)典型地藉由在橫向方向(亦即傳播之方向)上比高斯函數更慢衰變的特殊函數來給出。如第7A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雷射束焦線2b。平面基板1(待處理材料)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。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(遠端)表面。基板厚度(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6A圖所描繪，將基板1(或玻璃片1000)大體上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)。沿射束方向定向觀察，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，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)，其限定區段2c(沿縱向射束方向對準)，誘導非線性吸收係沿該區段2c產生於基板材料中。誘導吸收於基板材料中沿區段2c誘導缺陷線。缺陷線形成不僅為局部的，而且在誘導吸收之區段2c之整個長度上延伸。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之形成的區段)之平均直徑或平均尺寸(範圍(例如長度或其他相關線性尺寸))係以參考符號D來標記。此 平均尺寸D基本上相應於雷射束焦線2b之平均直徑δ，亦即，在介於約0.1微米與約5微米之間的範圍內之平均斑點直徑。
如第6A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。此波長可例如為1064、532、355或266奈米。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(例如，雙光子吸收、多光子吸收)而產生。第6B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缺陷線形成，其中該張力在表面1a處為最高，且需要時達到分離所需的所要量的微裂痕。
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穿孔或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穿孔、分離或脫離之線(疵點線)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)。在分離的狀況下，分離表面(或切割邊緣)之粗糙度主要地由焦線之斑點大小或斑點直徑來決定。切割(分離)表面之粗糙度可例如藉由Ra表面粗糙度參數來表徵，該參數係藉由ASME B46.1標準來定義。如ASME B46.1所述，Ra為為自平均線的表面外形高度偏差之絕對值的算數平均值，其係於評估長度內進行記錄。在替代選擇中，Ra為表面之個別特徵(峰值及谷值)相對於平均值之 一組絕對高度偏差的平均值。
為針對與基板1之材料相互作用的雷射3之給定波長λ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的雷射光學元件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：待處理玻璃或工件之折射率；θ：孔徑角之一半；且θ=arctan(DL/2f)；DL：孔徑直徑，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7A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垂直地入射至基板平面(進入光學總成6之前)，亦即入射角θ為0°，以便焦線2b或誘導吸收之區段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。
如第7A圖中所例示，雷射束焦線2b不僅為用於雷射束之單一焦點，而且為用於雷射束中不同射線之一系列焦點。該系列焦點形成具有限定長度之狹長焦線，該長度在第7A圖展示為雷射束焦線2b之長度l。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7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7A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。
藉由第7A圖中所示的透鏡7及系統形成的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(例如，玻璃片1000)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7B-1-4圖展示(不僅對於第7A圖中之光學總成而言，而且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7B-1圖所例示，焦線2b之長度l可以如下方式調整：其超過基板厚度d(此處係超過2倍)。若基板1(例如，玻璃片1000)中心地置放於焦線2b(在縱向射束方向上觀察)，那麼誘導吸收之區段2c係於整個基板厚度上產生。例如，雷射束焦線2b可具有在約0.01mm與約100mm之間的範圍內，或在約0.1mm與約10mm之間的範圍內，或在約0.1mm與約1mm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、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.7mm、1mm、2mm、3mm或5mm之長度l。
在第7B-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(遠程)表面1b)小於焦線2b之長度1。第7B-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7B-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8圖描繪另一可應用光學總成6。基本構造遵循第7A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8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°。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8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與基板材料或工件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9A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9A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9B圖詳細地描繪根據第9A圖的基板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9B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 鏡離距)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)最佳以如下意義來使用雷射功率：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9A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9A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10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10圖中所描繪的光學總成6係基於第9A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10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1之長度。
第11A-11C圖例示在不同雷射強度區間的雷射-物質相互作用。在第11A圖中所示的第一狀況下，未聚焦雷射束710穿過透明基板720，而不引入對其的任何改質。在此特定狀況下，不存在非線性效應，因為雷射能量密度(或每單位射束照射面積之雷射能量)低於誘導非線性效應所必需的閾 值。能量密度愈高，電磁場之強度愈高。因此，如第11B圖所示，當雷射束藉由球形透鏡730聚焦成較小斑點大小時，照射面積減小且能量密度增加，從而觸發非線性效應，該非線性效應將改質材料以允許僅在其中滿足條件之體積中形成疵點線。以此方式，若聚焦雷射之射束腰部定位於基板之表面，則將發生表面之改質。對比而言，若聚焦雷射之射束腰部定位於基板之表面下方，則當能量密度低於非線性光學效應之閾值時，表面處不發生變化。但在定位於基板720之塊體中的焦點740處，雷射強度足夠高以觸發多個光子非線性效應，因此誘導對材料之破壞。
最終，在旋轉三稜鏡的狀況下，如第11C圖所示，旋轉三稜鏡透鏡750或替代地夫瑞奈旋轉三稜鏡之繞射圖案產生干涉，從而產生貝色狀強度分佈(具有高強度之圓柱體760)，且僅在彼體積中，強度足夠高以產生非線性吸收及對材料720之改質。其中貝色狀強度分佈足夠高以產生非線性吸收及對材料之改質的圓柱體760之直徑亦為雷射束焦線之斑點直徑，如本文所提及。貝色束之斑點直徑D可表示為D=(2.4048λ)/(2πB)，其中λ為雷射束波長且B隨旋轉三稜鏡角度變化。所計算或量測斑點直徑可為平均值，且本文所述的實施例中之平均斑點直徑可例如在約0.1微米與約5微米之間的範圍內。
雷射及光學系統：
在代表性示範說明中，出於自3D模製Gorilla®玻璃部件或其他3D工件切割且取出部件之目的，一個實施例使用 1064nm皮秒脈衝雷射與線焦點射束形成光學元件組合來於Gorilla®玻璃基板中產生破壞線(本文中亦稱為缺陷線、破壞徑跡或疵點線)。
如第12A及12B圖中所例示，根據本文所述的所選實施例，皮秒雷射產生脈衝500A之「爆發」500，有時亦稱為「爆發脈衝」。爆發為一類雷射操作，其中脈衝之發射不呈均勻及穩定流，而是緊密脈衝叢。每一「爆發」500可含有極短持續時間Td極短之多個脈衝500A(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)。脈衝持續時間通常在約1psec至約1000psec範圍內，或在約1psec至約100psec範圍內，或在約2psec至約50psec範圍內，或在約5psec至約20psec範圍內。單一爆發500內之此等個別脈衝500A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。爆發內之每一雷射脈衝500A之能量或強度可不等於爆發內之其他脈衝之能量或強度，且爆發500之多個脈衝之強度分佈可遵循由雷射設計所決定的時間之指數衰變。較佳地，本文所述的示範性實施例之爆發500內之每一脈衝500A藉由1nsec與50nsec(例如10-50nsec，或10-40nsec，或10-30nsec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，爆發500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脈衝重複頻率)。例如，對產生約20nsec之脈衝至脈衝區隔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1-10微秒，或3-8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或爆發重複率，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，或在約1kHz與約2MHz之間的範圍內，或在約1kHz與約650kHz之間的範圍內，或在約10kHz與約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爆發重複率)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)。確切時間、脈衝持續時間及重複率可取決於雷射設計及使用者可控制的操作參數而改變。已證實高強度之短脈衝(Td<20psec且較佳Td 15psec)工作良好。
改質材料之所需能量可就爆發能量--爆發內所含的能量(每一爆發500含有一系列脈衝500A)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爆發)而 言來描述。對此等應用而言，每次爆發之能量(每毫米待切割材料)可為10-2500μJ，或20-1500μJ，或25-750μJ，或40-2500μJ，或100-1500μJ，或200-1250μJ，或250-1500μJ，或250-750μJ。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500內的脈衝500A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12A及12B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500A，則每一個別雷射脈衝500A將含有比同一爆發脈衝500僅具有2個個別雷射脈衝的情況更小的能量。
能夠產生此等脈衝爆發之雷射之使用對切割、穿孔或改質透明材料、例如玻璃(例如玻璃片1000)為有利的。與使用藉由單一脈衝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500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可能情況而言，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，因為能量之保存表明此已完成，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，在爆發500內之每一子脈衝或子脈衝500A期間的強度可保持極高--例如在時間上間隔分開大致10nsec之區隔Tp的具有脈衝持續時間Td 10nsec之三個脈衝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500A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缺陷線(穿孔)之受控生長的更大或更小加熱效應。改質材料所需的爆發能量之量將取決要求基板材料組成物及用要求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。
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、穿孔或孔洞。亦即，單一爆發內之多個雷射脈衝可產生玻璃中之單一缺陷線、穿孔或孔洞位置。當然，若玻璃平移(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。因此，在一些實施例中，1nm<sp<100nm。
在一個實施例中，將厚度為0.55mm之Corning玻璃2319號Gorilla®玻璃基板1000定位，以便其處於藉由光學 系統產生的焦線之區域內。利用長度約1mm程度之線焦點及在約200kHz之爆發重複率或頻率(在材料處量測的約200微焦耳/爆發)下產生約40W或更大的輸出功率之皮秒雷射，焦線區域中之光學強度(能量密度)可易於足夠高來於該基板材料中產生非線性吸收。在玻璃中產生破壞、燒蝕、汽化或以其他方式改質基板內之材料之區域，其大致遵循高強度之線性區域。
孔洞、穿孔或破壞徑跡形成：
此等破壞徑跡通常採取孔洞或穿孔之形式，其內部尺寸(例如直徑)在約0.2微米至2微米範圍內，例如0.5-1.5微米較佳地，孔洞或穿孔之尺寸極小(幾微米或更小)。缺陷線、孔洞或穿孔可或可不穿孔材料之整個厚度，且可或可不為貫通材料之深度的連續開口。第5C圖展示穿孔700微米厚Gorilla®玻璃基板(或玻璃片1000)之工件之整個厚度的此等徑跡或缺陷線之實例。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。玻璃常常存在塞堵孔洞之區域，但該等區域通常大小較小，例如大約數微米。
在基板係於聚焦雷射束下方平移時，缺陷線之間的側向間隔(間距)係藉由雷射之脈衝速率來決定。通常形成一整體孔洞僅需要單一皮秒雷射脈衝或爆發，但需要時可使用多個脈衝或爆發。為以不同間距或缺陷線離距來形成孔洞或穿孔，雷射可受觸發來以更長或更短間隔發射。
對切割操作而言，雷射觸發通常係與射束下方之基板之臺階驅動運動同步，因此雷射脈衝係以固定間隔來觸 發，該固定間隔例如每1微米、每3微米或每5微米。對切割或分離而言，在給定基板中之應力位準的情況下，相鄰缺陷線之間的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(例如，對需要玻璃的曲彎或彎曲之區域穿孔)。在此狀況下，孔洞(或破壞徑跡，或穿孔)可分離較大間隔(例如7微米間距、8微米間距、10微米間距、25微米間距、30間距、50間距或更大)。取決於所使用的玻璃(例如，未強化玻璃，用於穿孔之間距可小於7微米或甚至小於5微米。
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表面損壞及表面下損壞的尤其重要的參數。
一般而言，可利用雷射功率愈高，可利用以上製程愈快地穿孔或切割材料。本文揭示的製程可以0.25m/sec或更快的穿孔或切割速度來穿孔或切割玻璃。穿孔速度或切割速度(cut speed)(或切割速度(cutting speed)為雷射束相對於基板材料(例如，玻璃)之表面移動同時產生多個缺陷線孔洞的速率。為最小化製造之資金投資且最佳化設備利用率，常常需要高速，諸如，例如350mm/sec、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。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，為以高速穿孔或切割玻璃材料，缺陷線典型地間隔分開1-25μm，在一些實施例中， 該間隔較佳為3μm或較大，例如3-12μm，或例如5-10μm。
例如，為達成300mm/sec之線性穿孔或切割速度，3μm孔洞間距相應於具有至少100kHz爆發重複率之脈衝爆發雷射。為達600mm/sec穿孔或切割速度，3μm間距相應於具有至少200kHz爆發重複率之爆發脈衝雷射。需要在200kHz下產生至少40μJ/爆發之脈衝爆發雷射及在600mm/s切割速度下的穿孔及/或切割來獲得至少8瓦特之雷射功率。較高穿孔速度或較高切割速度因此需要較高雷射功率。
例如，在3μm間距及40μJ/爆發下的0.4m/sec穿孔或切割速度將需要至少5W雷射。類似地，在3μm間距及40μJ/爆發下的0.5m/sec穿孔或切割速度將需要至少6W雷射。因此，較佳地，脈衝爆發皮秒雷射之雷射功率為6W或更高，更佳為至少8W或更高，且甚至更佳為至少10W或更高。例如，為利用4μm間距(缺陷線間隔或破壞徑跡間隔)及100μJ/爆發來達成0.4m/sec穿孔或切割速度，將需要至少10W雷射，且為在4μm間距及100μJ/爆發下達成0.5m/sec穿孔/切割速度，將需要至少12W雷射。例如，為在3μm間距及40μJ/爆發下達成1m/秒之穿孔/切割速度，將需要至少13W雷射。此外，例如，在4μm間距及400μJ/爆發下的1m/sec穿孔/切割速度將需要至少100W雷射。
缺陷線(破壞徑跡)之間的最佳間距及確切爆發能量為材料依懶性的，且可依據經驗決定。然而，在切割或玻璃分離的狀況下，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。缺陷線(破壞徑跡)之間的過小(例如<0.1微米，或在一些示範性實施例中<1μm，或在其他實施例中<2μm)的間距有時可抑制附近後續缺陷線(破壞徑跡)之形成，且可常常抑制圍繞穿孔輪廓的材料之分離。玻璃內的非所需微裂痕之增加亦可在間距過小的情況下產生。過長(例如>50μm，且在一些玻璃中>25μm或甚至>20μm)的間距可導致「不受控微裂痕」--亦即，其中替代沿所期望輪廓自缺陷線至缺陷線之傳播，微裂紋沿不同路徑傳播，且引起玻璃在遠離所期望輪廓的不同(不合需要)方向上開裂。此可最終降低分離部件之強度，因為殘餘微裂紋構成弱化玻璃的瑕疵。用於形成缺陷線的過高(例如，>2500μJ/爆發，且在一些實施例中>500μJ/爆發)的爆發能量可引起先前形成的缺陷線之「癒合」或再熔融，從而可抑制玻璃之分離。因此，較佳的是，爆發能量<2500μJ/爆發，例如500μJ/爆發。此外，使用過高的爆發能量可引起極大的微裂紋之形成，且產生可減小部件於分離之後的邊緣強度之結構缺陷部。過低(例如<40μJ/爆發)的爆發能量可導致玻璃內無缺陷線之可觀形成，且因此可需要尤其高的分離力，或導致不能沿穿孔輪廓完全分離。
藉由此製程實現的典型示範性穿孔速度或切割速率(速度)為例如0.25m/sec及更高。在一些實施例中，穿孔速度或切割速率為至少300mm/sec。在一些實施例中，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)雷射利用脈衝來產生缺陷線，其中週期性在0.5μm與13μm之間，例如在0.5μm與3μm 之間。在一些實施例中，脈衝雷射具有10W-100W之雷射功率，且材料(例如玻璃片1000)及/或雷射束相對於彼此以至少0.25m/sec之速率平移；例如，以0.25m/sec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(例如，諸如玻璃片1000)處量測的每次爆發每mm厚度工件大於40μJ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2500μJ之平均雷射能量，且較佳小於每次爆發每mm厚度工件約2000μJ，且在一些實施例中每次爆發每mm厚度工件小於1500μJ；例如每次爆發每mm厚度工件不超過500μJ。
我們發現：穿孔具有低鹼金屬含量或無鹼金屬含量之鹼土金屬硼鋁矽酸鹽玻璃需要更高(高5至10倍)體積脈衝能量密度(μJ/μm3)。此可例如藉由以下方式達成：利用脈衝爆發雷射，較佳以每次爆發至少2個脈衝，且於鹼土金屬硼鋁矽酸鹽玻璃(具有低量鹼金屬或無鹼金屬)內提供約0.05μJ/μm3或更高，例如至少0.1μJ/μm3，例如0.1-0.5μJ/μm3之體積能量密度。
因此，較佳的是：雷射利用每次爆發至少2個脈衝來產生脈衝爆發。例如，在一些實施例中，脈衝雷射具有10W-150W(例如，10W-100W)之功率，且利用每次爆發至少2個脈衝(例如，每次爆發2-25個脈衝)來產生脈衝爆發。在一些實施例中，脈衝雷射具有25W-60W之功率，且利用每次爆發至少2-25個脈衝來產生脈衝爆發，且藉由雷射爆發產生 的相鄰缺陷線之間的週期性或距離為2-10μm。在一些實施例中，脈衝雷射具有10W-100W之功率，利用每次爆發至少2個脈衝來產生脈衝爆發，且工件及雷射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/或雷射束相對於彼此以至少0.4m/sec之速率平移。
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：3-7μm之間距可為工作良好的，脈衝爆發能量為約150-250μJ/爆發，且爆發脈衝數量在2-15個的範圍變化，且較佳地，間距為3-5μm，且爆發脈衝數量(每次爆發之脈衝數量)為2-5個。
在1m/sec穿孔速度(或切割速度)下，Eagle XG®玻璃或2320 Gorilla®玻璃之穿孔及/或切割典型地需要利用15-84W之雷射功率，其中30-45W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：需要在10W與100W之間的雷射功率來較佳達成0.2-1m/sec之穿孔及/或切割速度，對許多玻璃而言，25-60W之雷射功率為足夠的(或最佳)。對0.4m至5m/sec之穿孔及/或切割速度而言，雷射功率應較佳為10W-150W，爆發能量為40-750μJ/爆發，每次脈衝2-25次爆發(取決於所切割之材料)，且3至15μm或3-10μm之缺陷線離距(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10W-100W之功率，例如25W至60W，且產生每次爆發至少2-25個脈衝之脈衝爆發，且缺陷線之間的距離為 2-15μm；且雷射束及/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或更快之速率來平移。
根據本文所述的一些實施例之雷射穿孔或缺陷(孔洞)形成係於強化及未強化玻璃上執行。
用於以上所述的示範說明之雷射條件及材料穿孔速度概述如下以供參考。例如，在一些實施例中，為自玻璃基質分離單一化部件，在釋放線處手動地施加力。力在穿孔線(缺陷線)處引起破裂，且裂紋沿疵點線傳播，從而最終自玻璃基質分離形狀件(shape)。
去往旋轉三稜鏡透鏡之輸入射束直徑約2mm
旋轉三稜鏡角度=10度
初始準直透鏡焦距=125mm
最終物鏡焦距=40mm
入射光束收斂角=12.75度
焦點設定在零與10mm之間，以每一跡線200微米之步差改變。
在全功率之75%下的雷射功率(約30瓦特)
雷射之脈衝重複率=200kHz。
3個脈衝/爆發
間距=6微米
同一跡線多個道次
運動臺階速度=12m/min=200mm/s
作為對剛才描述製程之替代，已證明利用散焦CO2 雷射來輔助釋放部件(用於部件分離/單一化)之另一實施例。 散焦CO2雷射在皮秒雷射之後，因為其描跡所要輪廓(疵點線)，以便實現部件自周圍基板基質之分離。藉由散焦CO2雷射誘導的熱應力足以起始且傳播裂紋，從而引起部件沿藉由疵點線限定的所要輪廓之分離，進而自基板面板釋放成形部件。對該狀況而言，在以下光學元件及雷射參數下獲得最佳結果：
皮秒雷射
去往旋轉三稜鏡透鏡之輸入射束直徑約2mm
旋轉三稜鏡角度=10度
初始準直透鏡焦距=125mm
最終物鏡焦距=40mm
入射光束收斂角=12.75度
焦點設定在零與10mm之間，以每一跡線200微米之步差改變。
在全功率之75%下的雷射功率(約30瓦特)
雷射之脈衝重複率=200kHz。
3個脈衝/爆發
間距=6微米
同一跡線多個雷射焦線道次運動臺階速度=12m/min=200 mm/s
CO2雷射
雷射平移速度：130mm/s
雷射功率=100%
脈衝持續時間13微秒(95%工作循環)
雷射調變頻率20kHz
雷射束散焦為21mm
單一道次
除非另外明確地說明，絕不意欲將本文中所闡述的任何方法解釋為需要其步驟以特定順序進行。因此，在方法請求項實際上未敘述其步驟所遵循之順序或在申請專利範圍或說明書中未另外明確說明步驟應限於一特定順序的情況下，絕不意欲推斷任何具體順序。
熟習此項技術者將明白的是，可在不脫離本發明之精神或範疇的情況下做出各種修改及變化。因為熟習此項技術者可思及併入有本發明之精神及實質的所揭示實施例之修改、組合、子組合及變化，所以本發明應理解為包括所附申請專利範圍及其等效物的範疇內的一切事物。

Claims (15)

  1. 一種製作具有一非平坦部分之一玻璃物件的方法，該方法包含以下步驟：(i)利用一雷射沿一輪廓穿孔一玻璃胚料且於該玻璃胚料中形成多個穿孔；(ii)沿含有穿孔的至少一個區域彎曲該玻璃胚料，以使得該玻璃為彎曲的，從而形成具有該非平坦部分之一玻璃物件。
  2. 一種製作具有一非平坦部分之一玻璃物件的方法，該方法包含以下步驟：(i)利用一雷射沿一輪廓穿孔一玻璃胚料且於一玻璃胚料中之至少一個區域中形成多個穿孔，該等穿孔之直徑小於5μm且具有比該直徑長至少20倍的一長度；(ii)沿含有穿孔的該至少一個區域彎曲該玻璃胚料，以形成該非平坦部分。
  3. 如請求項2所述之方法，其中該等穿孔：(i)直徑小於2μm且具有比該直徑長至少50倍的一長度；及/或(ii)直徑小於2μm且具有長為至少200μm之該長度。
  4. 如請求項2所述之方法，其中(i)含有穿孔的該至少一個區域含有每mm2至少10個穿孔，及/或(ii)其中該穿孔步驟利用雷射線焦點來執行。
  5. 如請求項2所述之方法，其中該彎曲之步驟包含以下步驟：(i)加熱具有該等穿孔之該玻璃胚料；及/或(ii)向該胚料之至少穿孔區域施加真空。
  6. 如請求項2所述之方法，其中該玻璃胚料為0.1mm至5mm厚。
  7. 如請求項2所述之方法，其中該彎曲之步驟包含以下步驟：彎曲該玻璃胚料至1mm至10mm之一曲率半徑。
  8. 如請求項2所述之方法，其中該雷射為一脈衝雷射，該雷射具有10W-100W之雷射功率且產生每次爆發至少2個脈衝之爆發脈衝。
  9. 如請求項8所述之方法，其中該等爆發脈衝含有每次爆發2-25個脈衝。
  10. 如請求項8所述之方法，其中該脈衝雷射具有25W-60W之雷射功率，且產生每次爆發至少2-25個脈衝之爆發脈衝，且缺陷線之間的該距離為7-100微米。
  11. 如請求項2所述之製作具有非平坦部分之一玻璃物件的方法，其中該穿孔步驟包括以下步驟：雷射形成一雷射線焦點以形成一穿孔，其中每一穿孔藉由具有足夠強度之該雷射束形成，以便改質該玻璃之結構且至少一個區域每mm2具有至少10個穿孔，該方法進一步包含以下步驟：(A)穿孔具有相應於帶有該等雷射線焦點之玻璃胚料的多個區域之一玻璃片，以便產生至少一個穿孔分離輪廓，以用於產生至少一個玻璃胚料；(B)沿穿孔分離輪廓將至少一個玻璃胚料自該玻璃片分離，進而產生至少一個單一化玻璃胚料。
  12. 如請求項11所述之製作具有非平坦部分之一玻璃物件的方法，其中彎曲該玻璃物件之步驟包括以下步驟：(A)將該等單一化胚料置於一模上，以便含有該等穿孔的該至少一個區域位於該模的具有高度、厚度或斜率之一變化的區域上；(B)藉由在該模上沿含有該等穿孔之該至少一個區域彎曲該玻璃胚料，將該玻璃胚料形成為具有至少一個非平坦部分之該玻璃物件。
  13. 一種藉由如請求項2所述之方法製備的玻璃物件。
  14. 一種包含一彎曲表面或至少一個非平坦表面之玻璃物件，該物件具有於該彎曲表面或該至少一個非平坦表面內延伸至少200微米的複數個缺陷線，該等缺陷線各自具有小於或等於約5微米之直徑，其中相鄰缺陷線之一間隔在7微米與50微米之間。
  15. 如請求項14所述之玻璃物件，其中：(i)該玻璃具有至多達小於或等於約100微米之一深度的表面下破壞；及/或(ii)該玻璃具有在約10微米與約5mm之間的一厚度。
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