TWI656936B - 雷射切割材料的方法以及包括藍寶石的物品 - Google Patents

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Abstract

一種雷射處理一材料而形成一分離的部件之方法。該方法包括：聚焦一脈衝雷射束至一雷射束焦點線中，沿著該雷射束行進方向看，該雷射束焦點線係導引進入該材料，該雷射束焦點線產生一引致的吸收於該材料內，該引致的吸收沿著該材料內的該雷射束焦點線產生一孔或裂紋線；以及從該複數個孔之上的該材料的一遠端邊緣導引一散焦的二氧化碳(CO2)雷射至該材料的一近側邊緣。

Description

雷射切割材料的方法以及包括藍寶石的物品 【相關申請案】
本申請案主張2013年12月17日申請之美國先行申請案第61/917082號的權益，以及2014年7月10日申請之美國先行申請案第62/022890號的權益，以及2014年10月31日申請之美國申請案第14/529976號的權益；其全部揭示內容在本文以引用之方式併入。
本發明係關於一種使用雷射處理技術從基板分離任意形狀的部件之方法。
材料的雷射處理範圍涵蓋各種各樣的應用與不同類型的材料，包括切割、鑽孔、銑削、焊接、熔化等。在這些應用中，特別令人感興趣的是從不同類型的基板材料切割或分離部件，例如從藍寶石分離出任意形狀。藍寶石具有極高的硬度與韌性、使藍寶石非常抗刮磨的特性，且藍寶石對於150nm與5500nm之間的波長的光也是高度透明的。
藍寶石使用於多種應用中，這些應用仰賴藍寶石獨 特且卓越的電性、機械、熱學、與光學特性的組合。這些應用包括紅外光學元件(例如，科學儀器、高耐久性的窗、條碼掃描器、手錶晶體、與移動軸承)以及非常薄的電子晶圓，非常薄的電子晶圓係使用作為特殊目的的固態電子元件(大多為積體電路)的絕緣基板。藍寶石也使用於半導體工業中作為非導電基板，以用於基於氮化鎵(GaN)的裝置的生長。具體地，藍寶石具有低導電性，但是較高的熱導率。因此，藍寶石提供良好的電絕緣性，而同時協助導離所有操作的積體電路中產生的顯著熱量。最近，藍寶石已經提供作為智慧型手機的照相窗口、螢幕蓋、與消費性電子產品的觸控應用之替代材料。
因為藍寶石很硬，從這種基板材料製造出部件的一個主要挑戰為切割處理。通常，切割可藉由先使用金剛石尖部的刀片刻劃圖案於基板中來達成。在此之後，刻劃的輪廓受到機械力，使裂紋向基板中並且沿著追蹤的輪廓行進，來完全分離部件，或者在圓形金剛石刀片第二次通過之後才刻劃，以切割通過基板。金剛石刀片具有小但有限的寬度，且分離處理保留了「切割道」(通常大於大約40μm)於兩個要被分離的部件之間，以考量到金剛石刀片的寬度。為了保持從基板分離的部件的邊緣的品質並且也避免基板的災難性與不受控制的破裂，金剛石尖部的刀片必須以低速操作，這會拖長了分離處理。另外，因為磨損，刀片上的金剛石尖部會磨損並且必須經常更換-每個晶圓要更換一個刀片之多，這會減慢製造處理並且增加了成本。最後，機械刻劃處理會導 致裂紋，裂紋會損壞基板與降低良率(一般的良率主張要大約70%)。
關於藍寶石切割與處理的另一個挑戰係關於分離的部件的形狀。由於藍寶石的結晶性質，分裂與分離優先發生在對準於一個晶體平面的直線中。但是，此相同的特色使藍寶石難以切割，且難以分離具有較複雜形狀的藍寶石部件。例如，當從方形基板分離出圓形形狀時，取決於引致的應力與對準於圓形形狀的晶體，裂紋行進可能從預定的圓形路徑偏離，並且反而沿著遵循一個結構性晶體平面的阻力最小路徑發生。
從製程開發與成本的角度來看，有很多機會來改良藍寶石基板的分離與切割。最感興趣的是擁有較快、較清潔、較便宜、較可重複、且較可靠的藍寶石分離方法，相較於今日的市場目前正實行的方法來說。在幾種替代技術中，使用不同的方式來試驗且驗證雷射分離。該等技術的範圍包括：1)實際移除所欲部件(或多個部件)的邊界與其周圍的基板基質之間的材料；2)在次要的斷開步驟之後，利用沿著所欲形狀輪廓的周界之破裂起始點來產生缺陷於塊狀材料內，以弱化該塊狀材料或使其作為破裂的種子；以及3)藉由熱應力分離來使起始的裂紋行進。這些雷射切割處理已經證明有潛在的經濟與技術優勢，例如準確性、優良的邊緣光潔度、與低的殘餘應力，相較於競爭的技術(機械刻劃與斷開、高壓水噴射、與超聲波銑削等)來說。
然而，對於切割與分離任意形狀的藍寶石之改良處 理仍有持續的需求。
本文揭示的實施例係關於用於從藍寶石與其他基板材料切割與分離任意形狀的一種雷射處理。所研發的雷射方法可針對下述做修改：從基板手動分離部件，或者藉由熱應力所欲的輪廓進行完全的雷射分離。該方法包括使用超短的脈衝雷射建立裂紋線於基板中，該裂紋線與想要從基板分離的部件的形狀一致。該裂紋線界定較佳的裂紋行進路徑，促進具有所欲形狀的部件的分離，同時避免其他方向中錯誤的裂紋行進與損傷。超短的雷射脈衝可選擇性地接續於CO2雷射或熱應力的其他來源之後，以實現從基板全自動地分離部件。
在一實施例中，雷射切割材料來形成分離的部件之方法包括：聚焦一脈衝雷射束至一雷射束焦點線中；導引該雷射束焦點線進入該材料，該雷射束焦點線產生一引致的吸收於該材料內，該引致的吸收沿著該材料內的該雷射束焦點線產生一孔或缺陷線；相對於彼此而橫移該材料或該雷射束，藉此利用該雷射形成複數條缺陷線於該材料中；以及導引一IR雷射束於該複數個孔或缺陷線之上。該雷射束焦點線可沿著一雷射束行進方向而定向。該材料可為藍寶石。
該脈衝雷射束的脈衝持續時間可在大於大約1微微秒與小於大約100微微秒之間的範圍中，或者在大於大約5微微秒與小於大約20微微秒之間的範圍中。該脈衝雷射束的重複率可在1kHz與2MHz之間的範圍中，或者在10kHz與 650kHz之間的範圍中。該脈衝雷射束可具有在該材料處測得的平均雷射功率為每毫米厚度的材料大於40μJ。該等脈衝可產生於至少兩個脈衝的脈衝串中。該脈衝串內的脈衝可由1奈秒與50奈秒之間的範圍的持續時間所分隔，或10奈秒與30奈秒之間的範圍，或15奈秒與25奈秒之間的範圍。多個脈衝串可施加至材料，其中每個脈衝串包括兩個或更多個脈衝，且該脈衝串的重複頻率係在大約1kHz與大約2000kHz之間的範圍。
該脈衝雷射束可具有一波長係選擇成使得該材料對於此波長實質上為透明的。該雷射束焦點線可具有一長度在大約0.1mm與大約100mm之間的範圍，或者在大約0.1mm與大約10mm之間的範圍。該雷射束焦點線可具有一平均光點直徑係在大約0.1μm與大約5μm之間的範圍。
該方法可進一步包括從該材料的一近側邊緣導引該IR雷射至該部件的一正切邊緣，或者從該材料的一遠端邊緣導引該IR雷射至該部件的一正切邊緣，以從該材料分離該部件。導引該IR雷射束也可包括導引一CO2雷射束。該IR雷射束可散焦至大約2mm與大約20mm之間的範圍的光點尺寸。該IR雷射束可從該材料的一遠端邊緣導引至該材料的一近側邊緣。
一種物品包括一邊緣，該邊緣具有一系列的缺陷線，其中每一缺陷線延伸至少250μm，該等缺陷線的直徑小於5μm，該邊緣具有一表面粗糙度Ra<0.5μm，且一玻璃邊緣的表面下損傷為<100μm。該玻璃邊緣的該表面下損傷也 可為<75μm。該等缺陷線可延伸通過該物品的該整個厚度。該等缺陷線之間的一距離可大於0.5μm且小於或等於大約15μm，且該物品可小於1.5mm厚。該物品可包括藍寶石。該物品也可為一圓形盤或包括一玻璃基板，其中一藍寶石層附接於該玻璃基板。該玻璃基板可為100微米至1毫米厚，且該藍寶石層可為1微米至600微米厚。
在又另一實施例中，一種雷射切割一材料的方法包括：(i)聚焦一脈衝雷射束至一雷射束焦點線中；(ii)導引該雷射束焦點線進入該材料，該雷射束焦點線產生一引致的吸收於該材料內，該引致的吸收沿著該材料內的該雷射束焦點線產生一缺陷線；(iii)重複執行(i)與(ii)以形成一裂紋線於該材料內，該裂紋線包括複數條缺陷線；以及(iv)導引一IR雷射束於該裂紋線之上。該裂紋線可為直線的、彎曲的或圓形的。導引該IR雷射束可沿著該裂紋線使該材料斷裂。
這些實施例具有許多優點，包括利用減少的雷射功率、減少的表面下缺陷、增加的處理清潔性、產生不同尺寸的複雜輪廓與形狀、以及消除處理步驟，來完全分離被切割的部件。
本揭示案延伸至：一種雷射切割一材料的方法包括：聚焦一脈衝雷射束至一雷射束焦點線中；導引該雷射束焦點線進入該材料，該雷射束焦點線產生一引致的吸收於該材料內，該引致的吸收沿著該材料內的該雷射束焦點線產生一缺陷線； 相對於彼此而橫移該材料或該雷射，藉此利用該雷射形成複數條缺陷線於該材料中；以及導引一IR雷射束於該複數條缺陷線之上。
本揭示案延伸至：一種包括藍寶石的物品，該物品包括一邊緣，該邊緣具有一系列的缺陷線，其中每一缺陷線延伸至少250μm，該等缺陷線的直徑小於5μm，該邊緣具有一表面粗糙度Ra<0.5μm，且該邊緣的該表面下損傷為<100μm。
本揭示案延伸至：一種雷射切割一材料的方法包括：(i)聚焦一脈衝雷射束至一雷射束焦點線中；(ii)導引該雷射束焦點線進入該材料，該雷射束焦點線產生一引致的吸收於該材料內，該引致的吸收沿著該材料內的該雷射束焦點線產生一缺陷線；(iii)重複執行(i)與(ii)，以形成一裂紋線於該材料內，該裂紋線包括複數條缺陷線；以及(iv)導引一IR雷射束於該裂紋線之上。
1‧‧‧基板
1a、1b‧‧‧表面
2‧‧‧脈衝雷射束
2a‧‧‧雷射束部分(光束紮)
2aR‧‧‧外部周界範圍中的光束
2aZ‧‧‧中心光束
2b‧‧‧雷射束焦點線
2c‧‧‧區段
3‧‧‧雷射
6‧‧‧光學組件
7‧‧‧雙凸透鏡
8‧‧‧孔
9‧‧‧旋轉三棱鏡
10‧‧‧旋轉三棱鏡
11‧‧‧平凸透鏡
12‧‧‧準直透鏡
110‧‧‧裂紋線
120‧‧‧垂直缺陷線
130‧‧‧基板材料
140‧‧‧超短脈衝雷射
500‧‧‧脈衝串
500A‧‧‧脈衝
710‧‧‧散焦的雷射束
720‧‧‧基板
730‧‧‧球面透鏡
740‧‧‧焦點
750‧‧‧旋轉三棱鏡透鏡
760‧‧‧圓柱體
br‧‧‧寬度
d‧‧‧厚度
dr‧‧‧圓形直徑
f'‧‧‧焦距
l‧‧‧焦點線的長度
SR‧‧‧圓形輻射
z1、z2、Z1a、Z1b‧‧‧距離
前面的敘述從以下範例實施例的更具體敘述將變成顯而易見的，如同所附圖式例示的，其中類似的元件符號在不同的視圖中表示相同的部件。圖式不需要依尺寸繪製，而重點反而放在例示實施例。
第1A圖至第1C圖為：第1A圖：產生裂紋線通過樣品的雷射的例示圖；第1B圖：在分離之後，具有缺陷線的 邊緣的例示圖；第1C圖：已分離的邊緣的照片。
第2A圖與第2B圖為雷射束焦點線的定位的例示圖，亦即，因為沿著焦點線的引致吸收，處理對於雷射波長來說為透明的材料。
第3A圖為用於雷射鑽孔的光學組件的例示圖。
第3B-1圖至第3B-4圖為藉由相對於基板不同地定位雷射束焦點線來處理基板之各種可能性的例示圖。
第4圖為用於雷射鑽孔的第二光學組件的例示圖。
第5A圖與第5B圖為用於雷射鑽孔的第三光學組件的例示圖。
第6圖為用於雷射鑽孔的第四光學組件的示意例示圖。
第7A圖至第7C圖為用於雷射處理材料的不同方案的例示圖。第7A圖：未聚焦的雷射束；第7B圖：利用球面透鏡聚縮的雷射束；第7C圖：利用旋轉三棱鏡或繞射菲涅爾(Fresnel)透鏡聚縮的雷射束。
第8A圖繪示雷射發射作為時間的函數，針對微微秒雷射。每一發射藉由脈衝式「脈衝串」來特徵化，脈衝串可包括一或更多個子脈衝。例示出：對應於脈衝持續時間的時間、脈衝之間的分隔、與脈衝串之間的分隔。
第8B圖為照片，顯示0.55mm厚的藍寶石基板的直切條的邊緣影像。
第9圖為照片，顯示從0.55mm厚的樣品分離的藍寶石鈕釦件。某些鈕釦件係手動分離，其他則利用CO2雷射 的輔助來部分分離，且某些則利用CO2雷射來完全分離。
第10A圖與第10B圖為裂紋線穿孔序列的例示圖，包括利用微微秒雷射產生的圓形與釋放線(第10A圖)，以及隨後的CO2雷射追蹤(第10B圖)來從原本的板材釋放出鈕釦件。
範例實施例的敘述如下。
所揭示的實施例提供用於從基板準確地切割與分離出任意形狀的雷射處理，基板包括藍寶石。含藍寶石的基板可為純的藍寶石、藍寶石與一或更多個其他材料的合成物、藍寶石混合物、藍寶石塗覆的材料、與具有藍寶石整合於其中的材料。在一實施例中，含藍寶石的基板為附接、接合、層疊、或塗覆有藍寶石層於其上的玻璃。本文中引用藍寶石、藍寶石基板、與類似者係理解為大體上擴展至含藍寶石的基板。該處理以可控制的方式來分離部件，僅有可忽略的碎片、最小的缺陷、與對於邊緣的低表面下損傷，以維持部件的強度。雷射切割方法非常適於對於所選擇的雷射波長為透明之材料。該材料應該較佳地對於所選擇的雷射波長為實質上透明的(亦即，每μm的材料深度的吸收小於大約10%，且較佳地小於大約1%)。使用兩面拋光之0.55mm厚的C軸切割藍寶石片，來驗證該方法。
該處理的基本步驟為使用超短的雷射脈衝來產生裂紋線，裂紋線描繪分離的部件的所欲形狀。裂紋線建立最小阻力路徑，用於裂紋行進以及因此用於從其基板基質分離與 脫離該形狀。該雷射分離方法可微調且配置來促成從原始的基板手動分離、部分分離、或完全分離出藍寶石形狀。
根據下述的雷射方法，在單次通過中，雷射可用於產生高度受控的完全穿孔線通過基板或材料，具有極小(<75μm，通常<50μm)的表面下損傷與碎片產生。這不同於一般使用點聚焦的雷射來熔化材料，其中通常需要多次通過來完全穿透玻璃厚度，大量的碎片從該熔化處理形成，且發生更廣泛的表面下損傷(>100μm)與邊緣碎裂。
當在此使用時，表面下損傷指的是：從受到根據本揭示案的雷射處理之基板或材料分離的部件的周界表面中的結構缺陷的最大尺寸(例如，長度、寬度、直徑)。因為結構缺陷延伸自周界表面，表面下損傷也可視為從周界表面的最大深度，其中該周界表面發生來自根據本揭示案的雷射處理之損傷。已分離的部件的周界表面在本文可稱為已分離的部件的邊緣或邊緣表面。結構缺陷可為裂紋或空隙並且代表力學的弱點，會促進從基板或材料分離的部件的破碎或失效。藉由最小化表面下損傷的尺寸，本方法改良了已分離部件的結構完整性與力學強度。表面下損傷可限制至100μm或更小的深度級數，或者75μm或更小的深度，或者60μm或更小的深度，或者50μm或更小的深度，且該切割可僅產生少的碎片。
因此，使用一或更多個高能量脈衝或高能量脈衝的一或更多個脈衝串，可以產生精微的(亦即，直徑<0.5μm且>100nm)、伸長的缺陷線(在此也稱為穿孔或損傷線跡)於 透明材料中。穿孔代表由雷射修改的基板材料的區域。雷射引致的修改使基板材料的結構分裂並且構成力學弱點的位置。結構分裂包括壓實、熔化、材料錯位、重新排列、與鍵結斷裂。穿孔延伸至基板材料的內部並且具有與雷射的橫剖面形狀(通常為圓形)一致的橫剖面形狀。穿孔的平均直徑可在0.1μm至50μm的範圍，或者在1μm至20μm的範圍，或者在2μm至10μm的範圍，或者在0.1μm至5μm的範圍。在某些實施例中，穿孔為「通孔」，「通孔」為從基板材料的頂部延伸至底部的孔或開放通道。在某些實施例中，穿孔可不為連續的開放通道，並且可包括藉由雷射從基板材料錯位的固體材料的部分。錯位的材料阻擋或部分阻擋穿孔所界定的空間。一或更多個開放通道(未阻擋區域)可分散於錯位的材料的部分之間。開放通道的直徑可為<1000nm，或<500nm，或<400nm，或<300nm，或在10nm至750nm的範圍，或在100nm至500nm的範圍。本文揭示的實施例中的孔周圍的材料之分裂或修改的區域(例如，壓實、熔化、或其他改變方式)較佳地具有<50μm的直徑(例如，<10μm)。
個別的穿孔可用幾百千赫的速度產生(每秒幾十萬個的穿孔，舉例來說)。因此，利用雷射源與材料之間的相對運動，穿孔可放置成彼此相鄰(空間分隔從次微米變化至數微米，如同所需的)。選擇此空間分隔，以促進切割。
在第一步驟中，藍寶石基板(或具有藍寶石層在其上的玻璃基板)係利用超短脈衝雷射束來照射，超短脈衝雷射束係聚縮至高縱橫比的聚焦線中，穿過基板的厚度或穿過 玻璃與位於玻璃上的藍寶石層之厚度。當玻璃基板具有藍寶石層附接於其上時，玻璃基板可為100μm至1mm厚，舉例來說，且藍寶石的厚度範圍從薄塗層至較厚的600μm層，且藍寶石層厚度大於600μm則預期會變成過度易碎的。在使用超短脈衝雷射束所產生的高能量密度的這種體積內，材料透過非線性效應而修改。非線性效應提供從雷射束轉移能量至基板的機制，以促成垂直缺陷線的形成。重要的是注意到，沒有這種高的光強度，不會引發非線性吸收。低於非線性效應的強度臨界值時，材料對於雷射照射來說為透明的，並且維持在其原始狀態。藉由掃描雷射於所欲的線或路徑之上，可產生窄裂紋線(數微米寬，由複數條垂直的缺陷線形成)，窄裂紋線界定要從基板分離的部件的周界或形狀。
高強度雷射束所引致的非線性效應包括透明材料中的多光子吸收(MPA,multi-photon absorption)。MPA為多個(二或更多個)相同或不同頻率的光子的同時吸收，以將材料從較低的能量狀態(通常為基態)激發至較高的能量狀態(激發狀態)。激發狀態可為激發的電子狀態或離子化狀態。材料的較高與較低能量狀態之間的能量差等於該二或更多個光子的能量的總和。MPA為非線性處理，通常比線性吸收較弱數個數量級。MPA與線性吸收不同的是，MPA的強度取決於光強度的平方或更高的功率，因此使MPA為非線性的光學處理。在普通的光強度時，MPA可忽略不計。若光強度(能量密度)非常高(例如，在雷射源(具體地，脈衝雷射源)的焦點的區域中)，則MPA變得明顯並且導致在光源的 能量密度足夠高的區域內的材料有可量測的效應。在焦點區域內，能量密度可足夠高而導致離子化。
在原子層級上，個別原子的離子化具有離散的能量要求。玻璃中常用的數個元素(例如，矽、鈉、鉀)具有較低的離子化能量(~5eV)。沒有MPA的現象時，將需要大約248nm的波長來產生~5eV時的線性離子化。有MPA時，由~5eV的能量分離的狀態之間的離子化或激發可用長於248nm的波長來完成。例如，具有532nm波長的光子具有~2.33eV的能量，所以在雙光子吸收(TPA,two-photon absorption)中，具有532nm的波長的兩個光子可以引致由~4.66eV的能量分離的狀態之間的躍遷，舉例來說。因此，在雷射束的能量密度足夠高來引致雷射波長的非線性TPA(具有所需的激發能量的一半)之材料的區域中，原子與鍵結可選擇性地激發或離子化，舉例來說。
MPA可導致激發的原子或鍵結從相鄰的原子或鍵結局部重新配置與分離。鍵結或配置中產生的修改可導致物質從有發生MPA的材料區域非熱溶化與移除。物質的此移除會產生結構缺陷(例如，缺陷線、損傷線、或「穿孔」)，力學上弱化該材料，並且使該材料在被施加機械或熱應力時更容易裂開或破裂。藉由控制穿孔的放置，裂紋所沿著發生的輪廓或路徑可被準確界定，且可完成對該材料的準確微機械加工。由一系列的穿孔界定的輪廓可視為裂紋線，並且對應於該材料中結構弱化的區域。在一實施例中，微機械加工包括從雷射處理的材料分離部件，其中該部件具有準確界定的 形狀或周界係透過雷射引致的MPA效應所形成的穿孔的封閉輪廓來決定。當在此使用時，用語「封閉的輪廓」指的是由雷射線所形成的穿孔路徑，其中該路徑在某個位置與自身相交。內部輪廓係所產生的形狀完全被材料的外部包圍所形成之路徑。
一旦產生具有垂直缺陷的裂紋線，分離可透過下述發生：1)裂紋線上或周圍的人工或機械應力；該應力或壓力應該產生張力來拉開裂紋線的兩側，並且斷開仍然結合在一起的區域；2)使用熱源來產生應力區域於裂紋線的周圍，以使垂直缺陷線處於張力中並且引致部分或完全的自我分離。在這兩種實例中，分離取決於處理參數，例如雷射掃描速度、雷射功率、透鏡的參數、脈衝寬度、重複率等。
本申請案提供用於以可控制的方式從藍寶石或其他基板準確切割與分離出任意形狀之雷射方法與設備，具有可忽略的碎片並且對於所分離部件的邊緣之最小損傷。對於所分離部件的邊緣之損傷係先前技術的切割處理的共同特徵，並且導致所分離的部件的弱化。本方法避免邊緣的損傷，以保持分離的部件的強度。
所研發的雷射方法仰賴基板材料對於線性功率方案(低雷射強度)中的雷射波長的透明性。透明性減少或防止對於基板表面的損傷，以及使表面下損傷遠離聚焦雷射束所界定的高強度的區域。此處理的一個特徵為由超短脈衝雷射產生的缺陷線(在此也稱為穿孔或損傷線跡)的高縱橫比。此處理允許產生的缺陷線從基板材料的頂表面延伸至底表 面。缺陷線可由單個脈衝或脈衝的單個脈衝串來產生，且若需要的話，可使用額外的脈衝或脈衝串，以增加受影響的區域的範圍(例如，深度與寬度)。
如同第1A圖至第1C圖例示的，切割與分離藍寶石的該方法實質上基於：利用超短脈衝雷射140在基板材料130中產生裂紋線110，裂紋線110由複數條垂直缺陷線120形成。取決於材料特性(吸收、CTE、應力、組成等)與選擇來處理材料130的雷射參數，單單裂紋線110的產生就可足以以致自我分離。在這種情況中，不需要次要的分離處理，例如張力/彎曲力、加熱、或CO2雷射。
在某些情況中，所產生的裂紋線不足以自發地分離部件，且會需要次要的步驟。若需要次要的步驟，可使用第二雷射來產生熱應力，以分離部件，舉例來說。在藍寶石的情況中，在產生裂紋線之後，藉由施加機械力或藉由使用熱源(例如，紅外線雷射(例如CO2雷射))來產生熱應力並且使部件從基板分離，就可達成分離。另一種選擇為使CO2雷射僅開始該分離，且之後手動完成該分離。例如，利用散焦的cw雷射(以10.6μm發射並且藉由控制其工作週期來調整功率)，可達成該選擇性的CO2雷射分離。焦點改變(亦即，散焦的程度並且包括聚焦光點的大小)係用來藉由改變光點大小而改變引致的熱應力。散焦的雷射束包括那些產生光點大小係大於最小、繞射受限的光點大小之雷射束，以雷射波長的大小的級數來說。例如，用於CO2雷射，可使用散焦光點大小為大約7mm、2mm、與20mm，舉例來說，CO2 雷射的繞射受限的光點大小係遠小於給定的發射波長10.6μm。沿著裂紋線110的方向之相鄰的缺陷線120之間的距離可例如在0.25μm至50μm的範圍，或在0.50μm至大約20μm的範圍，或在0.50μm至大約15μm的範圍，或在0.50μm至10μm的範圍，或在0.50μm至3.0μm的範圍，或在3.0μm至10μm的範圍。
有數種方法來產生缺陷線。形成焦點線的光學方法可採取多種形式：使用環形雷射束與球面透鏡、旋轉三棱鏡透鏡、繞射元件、或者用以形成高強度的線性區域之其他方法。雷射的種類(微微秒、毫微微秒等)與波長(IR、綠光、UV等)也可改變，只要在聚焦的區域中有達到足夠的光強度，以透過非線性光學效應來產生基板材料的鑿擊(例如，藍寶石或具有藍寶石層在其上的玻璃)。藍寶石層可接合至玻璃基板上，舉例來說。玻璃基板可包括高性能玻璃，例如Corning公司的Eagle X6®，或便宜的玻璃，例如鈉鈣玻璃，舉例來說。
在本申請案中，超短脈衝雷射係用於以一致的、可控制的、與可重複的方式產生高縱橫比的垂直缺陷線。促成產生此垂直缺陷線的光學架構的細節係敘述於下，以及2013年1月15日申請的美國申請案第61/752,489號中，其全部內容以引用之方式併入，猶如在本文完全闡述。此概念的本質為使用光學透鏡組件中的旋轉三棱鏡透鏡元件，以產生高縱橫比、使用超短(微微秒或毫微微秒的持續時間)Bessel光束的無漸細微通道之區域。換句話說，旋轉三棱鏡聚縮雷射 束至基板材料中的高縱橫比(長的長度與小的直徑)與圓柱形的高強度區域。因為利用聚縮的雷射束產生高強度，發生雷射的電磁場與基板材料的非線性交互作用，且雷射能量被轉移至基板以造成缺陷的形成，缺陷變成構成裂紋線。但是，重要的是瞭解到，在雷射能量強度不高的材料區域中(例如，基板表面，圍繞中心會聚線的基板體積)，該材料對於該雷射為透明的，並且沒有用於從雷射轉移能量至材料的機制。因此，當雷射強度低於非線性臨界值時，基板什麼事都沒發生。
轉看第2A圖與第2B圖，雷射鑽孔材料的方法包括：聚焦脈衝雷射束2至雷射束焦點線2b中(沿著雷射束的行進方向看)。雷射束焦線2b可藉由多種方式來產生，例如，Bessel光束、Airy光束、Weber光束、與Mathieu光束(亦即，非繞射光束)，這些光束的場分佈一般由特殊函數給定，該等特殊函數在橫向方向(亦即，行進方向)中比高斯函數衰減得更慢。如同第3A圖所示，雷射3(未圖示)發射雷射束2，雷射束2具有部分2a入射至光學組件6。光學組件6將入射的雷射束轉變為沿著光束方向的限定擴張範圍之上的輸出側上的雷射束焦點線2b(焦點線的長度l)。平面基板1定位於雷射束路徑中，以至少部分重疊於雷射束2的雷射束焦點線2b。元件符號1a表示平面基板之分別面向光學組件6或雷射的表面，且元件符號1b表示基板1的相反表面。基板或材料厚度(在本實施例中，垂直於平面1a與1b(亦即，基板平面)而量測)以d標示。
如同第2A圖所示，基板1(或層疊有藍寶石基板材料在其上的玻璃)實質上對準垂直於縱向光束軸，且因此在光學組件6產生的相同焦點線2b的後面(基板垂直於圖式的平面)。沿著光束方向觀看，基板相對於焦點線2b的定位係以此種方式：焦點線2b開始於基板的表面1a之前並且停止於基板的表面1b之前，亦即，靜止的焦點線2b終止於基板內並且不超出表面1b。在雷射束焦點線2b與基板1的重疊區域中(亦即，焦點線2b所覆蓋的基板材料中)，雷射束焦點線2b產生(假設沿著雷射束焦點線2b有合適的雷射強度，其強度藉由長度l的區段(亦即，長度l的焦點線)上的雷射束2的聚焦而確保)區段2c(沿著縱向光束方向對準)，沿著區段2c產生引致的吸收於基板材料中。引致的吸收導致缺陷線沿著區段2c形成於基板材料中。缺陷線的形成並非僅是局部的，但是延伸於引致吸收的區段2c的整個長度之上。區段2c的長度(其對應於雷射束焦點線2b與基板1的重疊的長度)以元件符號L標示。引致吸收的區段2c的平均直徑或範圍(或者基板1的材料中進行缺陷線的形成之區段)以元件符號D標示。此平均範圍D基本上對應於雷射束焦點線2b的平均直徑δ，亦即，大約0.1μm與大約5μm之間的範圍的平均光點直徑。
如同第2A圖所示，基板材料(該基板材料對於雷射束2的波長λ為透明的)受到加熱，因為沿著焦點線2b所引致的吸收(例如，雙光子吸收、多光子吸收)，該引致的吸收係產生自與焦點線2b內的高強度雷射束相關的非線性效 應。第2B圖例示加熱的基板材料最終將膨脹，使得對應引致的張力導致微裂紋的形成，其中該張力在表面1a處為最高。
下面敘述代表性的光學組件6(光學組件6可應用來產生焦點線2b)以及代表性的光學架構，其中可應用這些光學組件。所有組件或架構都基於上面的敘述，使得相同的元件符號係用於相同的元件或特徵，或那些功能相同的元件或特徵。因此，下面僅敘述不同之處。
為了確保分離所沿著發生之分離部件的表面的高品質(關於斷裂強度、幾何準確度、粗糙度、與避免再機械加工的要求)，將使用下述的光學組件(在下文中，光學組件替代地也稱為雷射光學系統)來產生定位於沿著分離線的基板表面上的個別焦點線。分離表面(分離部件的周界表面)的粗糙度主要由焦點線的光點大小或光點直徑來決定。表面的粗糙度可例如藉由ASME B46.1標準所定義的Ra表面粗糙度參數來特徵化。如同ASME B46.1中所述，Ra為評估長度內記錄的、偏離平均線之表面輪廓高度偏離的絕對值的算術平均值。在替代的用語中，Ra為表面的個別特徵(峰值與谷值)相對於平均的一組絕對高度偏離的平均值。
為了在雷射3(交互作用於基板1的材料)的給定波長λ的情況中達到例如0.5μm至2μm的小光點尺寸，某些要求通常必須施加於雷射光學系統6的數值孔徑。這些要求藉由下述的雷射光學系統6而達到。為了達到要求的數值孔徑，該光學系統一方面必須根據已知的Abbé公式(NA=n sin(θ)；n：要處理的折射係數；θ：孔的角度的一半；且θ=arctan (DL/2f)，DL：孔直徑，f：焦距)來設置給定焦距的所需開孔。另一方面，雷射束必須照射該光學系統高達所需的孔徑，這通常藉由使用雷射與聚焦光學系統之間的增寬望遠鏡來使光束增寬而達成。
為了沿著焦點線的均勻交互作用的目的，光點尺寸不應該變化太強烈。這可例如藉由僅在小的圓形區域中照射聚焦光學系統來確保(見下面的實施例)，使得光束開孔以及因此數值孔徑的比例僅變化非常輕微。
根據第3A圖(垂直於雷射輻射2的雷射束紮中的中心光束的位準處的基板平面之區段；在這裡，同樣的，雷射束2為垂直入射至基板平面(在進入光學組件6之前)，亦即，入射角θ為0°，使得焦點線2b或引致吸收的區段2c係平行於基板法線)，雷射3發射的雷射輻射2a首先被導引至圓形孔8，圓形孔8對於所用的雷射輻射為完全不透明的。孔8係定向為垂直於縱向光束軸並且定中於所繪的光束紮2a的中心光束上。孔8的直徑係以此種方式選擇：光束紮2a的中心附近的光束紮或中心光束(此處標示為2aZ)撞擊該孔並且由該孔完全吸收。光束紮2a的外部周界範圍中的光束(邊緣光線，此處標示為2aR)不被吸收(因為相較於光束直徑減小的孔尺寸)，但是橫向通過孔8並且撞擊光學組件6的聚焦光學元件的邊緣區域，光學組件6的聚焦光學元件在此實施例中係設計為球面切割的雙凸透鏡7。
透鏡7定中於中心光束上並且以一般的球面切割透鏡的形式設計為非校正的雙凸聚焦透鏡。此種透鏡的球面像 差會是有利的。作為替代例，偏離自理想校正系統的非球面或多透鏡系統(不會形成理想的焦點，但是形成分明的、限定長度的伸長焦點線)也可使用(亦即，不具有單一焦點的透鏡或系統)。透鏡的區域因此沿著焦點線2b聚焦，受制於離透鏡中心的距離。孔8之橫越光束方向的直徑大約為光束紮的直徑的90%(由將光束強度減少至峰值強度的1/e2所需的距離來界定)且大約為光學組件6的透鏡7的直徑的75%。因此使用藉由阻斷中心中的光束紮所產生的非像差校正球面透鏡7的焦點線2b。第3A圖例示通過中心光束的一平面中的區段，且當繪示的光束繞著焦點線2b旋轉時，可看見完整的三維光束紮。
由第3A圖所示的系統與透鏡7形成的這種類型的焦點線的一個可能缺點為該等狀況(光點尺寸、雷射強度)會沿著焦點線而變化(並且因此沿著材料中的所欲深度而變化)，且因此所欲類型的交互作用(無熔化、引致的吸收、熱塑性變形至形成裂紋)可能僅發生在焦點線的選擇區段中。這又意味著，可能僅有一部分的入射雷射光以所欲的方式由基板材料吸收。以此方式，可能削弱處理的效率(所欲的分離速度的所需平均雷射功率)，且雷射光也會傳送進非所欲的區域(黏著於基板的部件或層或基板固持設備)並且以非所欲的方式交互作用於該等區域(例如，加熱、擴散、吸收、非所欲的修改)。
第3B-1-4圖顯示(不僅針對第3A圖中的光學組件，但也針對任何其他適用的光學組件6)：可藉由相對於基板1 適當地定位及/或對準光學組件6以及藉由適當地選擇光學組件6的參數，來控制雷射束焦點線2b的位置。如同第3B-1圖所示，焦點線2b的長度l可以以此種方式調整：長度l超過基板厚度d(在此為因數2)。若基板1放置(在縱向光束方向中觀看)定中於焦點線2b，則引致吸收的區段2c係產生於整個基板厚度之上。雷射束焦點線2b可具有長度l在大約0.1mm與大約100mm之間的範圍，或在大約0.1mm與大約10mm之間的範圍，或在大約0.1mm與大約1mm之間的範圍，舉例來說。各種實施例可配置成具有長度l為大約0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.7mm、1mm、2mm、3mm或5mm，舉例來說。
在第3B-2圖所示的情況中，產生長度l的焦點線2b，長度l或多或少對應於基板厚度d。因為基板1相對於線2b以此種方式定位：線2b開始於基板外部的一點處，所以引致吸收的區段2c的長度L(區段2c在此從基板表面延伸至界定的基板深度，但是不到相反表面1b)係小於焦點線2b的長度l。第3B-3圖繪示其中基板1(沿著光束方向觀看)定位於焦點線2b的起點之上的情況，使得如同在第3B-2圖中，線2b的長度l大於基板1中的引致吸收的區段2c的長度L。焦點線因此開始於基板內，並且延伸超出相反(遠端)表面1b。第3B-4圖繪示其中焦點線長度l小於基板厚度d的情況，使得-在基板相對於焦點線為中心定位的情況中(在入射方向中觀看)-焦點線開始於基板內的表面1a附近並且終止於基板內的表面1b附近(例如，l=0.75．d)。
特別有利的是以此種方式來定位焦點線2b：表面1a、1b的至少一者係被焦點線覆蓋，使得引致吸收的區段2c開始於基板的至少一表面處。以此方式，可以達到實質上理想的切割，同時避免表面處的溶化、羽化與微粒。
第4圖繪示另一種可適用的光學組件6。基本結構係遵循第3A圖所述的該光學組件，使得下面僅敘述不同處。繪示的光學組件係基於使用具有非球面自由表面的光學系統，以產生焦點線2b，焦點線2b係以此種方式塑形：形成限定長度為l的焦點線。為了這個目的，可使用非球面作為光學組件6的光學元件。在第4圖中，例如，使用所謂的錐形棱鏡，也常常稱為旋轉三棱鏡。旋轉三棱鏡為特殊的圓錐形切割透鏡，形成光點源於沿著光軸的線上(或轉換雷射束成為環形)。此種旋轉三棱鏡的佈局大體上為本領域中熟習技藝者所熟知；範例中的錐角為10°。此處用元件符號9來標示旋轉三棱鏡的頂點，旋轉三棱鏡的頂點朝向入射方向並且定中於光束中心上。因為旋轉三棱鏡9產生的焦點線2b開始於旋轉三棱鏡的內部，基板1(在此對準垂直於主光束軸)可定位在光束路徑中、直接在旋轉三棱鏡9正後方。如同第4圖所示，因為旋轉三棱鏡的光學特性，也可沿著光束方向平移基板1，同時維持在焦點線2b的範圍內。基板1材料中引致吸收的區段2c因此延伸於整個基板深度d之上。
但是，所繪的佈局受制於以下限制：因為旋轉三棱鏡9形成的焦點線2b的區域開始於旋轉三棱鏡9內，在旋轉三棱鏡9與基板材料之間有分隔的情況中，雷射能量的顯著 部分並未聚焦至焦點線2b的引致吸收的區段2c(區段2c位於材料內)。此外，焦點線2b的長度l係透過旋轉三棱鏡9的折射係數與錐角而相關於光束直徑。這就是為什麼在較薄的材料(數毫米)的情況中，總焦點線遠遠較長於基板厚度，造成的結果為多數雷射能量並未聚焦至材料中。
因為這個原因，可能需要使用光學組件6係包括旋轉三棱鏡與聚焦透鏡兩者。第5A圖繪示此種光學組件6，其中具有非球面自由表面係設計來形成雷射束焦點線2b之第一光學元件(沿著光束方向觀看)係定位於雷射3的光束路徑中。在第5A圖所示的情況中，此第一光學元件為具有5°的錐角的旋轉三棱鏡10，旋轉三棱鏡10定位成垂直於光束方向且定中於雷射束3上。旋轉三棱鏡的頂點係定向成朝向光束方向。第二、聚焦光學元件(在此為平凸透鏡11，平凸透鏡11的彎曲係定向成朝向旋轉三棱鏡)係定位於光束方向中、離旋轉三棱鏡10距離z1處。距離z1(在此實例中大約300mm)係以此種方式選擇：旋轉三棱鏡10形成的雷射輻射係圓形地入射於透鏡11的外部徑向部分上。透鏡11聚焦圓形輻射於限定長度(在此實例中為1.5mm)的焦點線2b上的距離Z2處(在此實例中離透鏡11大約20mm)的輸出側上。在此實施例中，透鏡11的有效焦距為25mm。由旋轉三棱鏡10所促成的雷射束的圓形轉換係用元件符號SR標示。
第5B圖詳細繪示根據第5A圖的基板1的材料中的引致吸收2c或焦點線2b的形成。元件10、11兩者的光學特性以及它們的定位係以此種方式選擇：焦點線2b在光束方向 中的長度l係準確地等於基板1的厚度d。因此，需要基板1沿著光束方向的準確定位，以將焦點線2b準確地定位在基板1的兩個表面1a與1b之間，如同第5B圖所示。
因此，這是有利的，若焦點線形成於離雷射光學系統某個距離處，且若雷射輻射的較大部分係聚焦至焦點線的所欲末端。如同所述的，這可如此達成：藉由在特定的外部徑向區域之上僅圓形地(環狀地)照射主要聚焦元件11(透鏡)，這一方面用於實現所需的數值孔徑以及因此所需的光點尺寸，且另一方面，但是，在所需的焦點線2b超過光點中心中的很短距離之後，擴散的圓形在強度上減弱，因為基本的圓形光點已經形成。以此方式，缺陷線的形成係停止於所需的基板深度中的短距離內。旋轉三棱鏡10與聚焦透鏡11的組合滿足此要求。旋轉三棱鏡作用成兩種不同的方式：因為旋轉三棱鏡10，通常為圓形的雷射光點係以環形的形式傳送至聚焦透鏡11，且旋轉三棱鏡10的非球面係具有效果使焦點線形成超出透鏡的焦點平面，而非焦點平面中的焦點。焦點線2b的長度l可透過旋轉三棱鏡上的光束直徑進行調整。另一方面，沿著焦點線的數值孔徑可透過距離Z1(旋轉三棱鏡至透鏡的分隔)且透過旋轉三棱鏡的錐角進行調整。以此方式，全部雷射能量可集中在焦點線上。
若缺陷線的形成係打算持續至基板的背側，圓形(環形)照射仍然具有以下優點：(1)最佳地使用雷射功率，因為大多數的雷射光維持集中在焦點線的所需長度中，以及(2)可達成沿著焦點線的均勻光點尺寸-以及因此沿著焦點線 部件與基板的均勻分隔-因為圓形照射區域結合於藉由其他光學功能所設定的所欲像差。
取代第5A圖所示的平凸透鏡，也可使用聚焦彎月形透鏡或另一種更高校正的聚焦透鏡(非球面、多透鏡系統)。
為了使用第5A圖所示的旋轉三棱鏡與透鏡的組合來產生非常短的焦點線2b，將需要選擇非常小的光束直徑的雷射束入射在旋轉三棱鏡上。這具有實際的缺點：將光束定中於旋轉三棱鏡的頂點上必須非常準確而且該結果會對雷射的方向變化(光束漂移穩定性)非常敏感。此外，緊密準直的雷射束會非常發散，亦即，因為光偏向，光束紮經過短距離就變成模糊的。
如同第6圖所示，藉由包括另一種透鏡(準直透鏡12)於光學組件6中，可以避免兩種效應。額外的正透鏡12用於非常緊密地調整聚焦透鏡11的圓形照射。準直透鏡12的焦距f'係以此種方式選擇：所欲的圓形直徑dr係產生自從旋轉三棱鏡至準直透鏡12的距離Z1a，距離Z1a等於f'。透過距離Z1b(準直透鏡12至聚焦透鏡11)可調整環形的所欲寬度br。因為純幾何學的原因，圓形照射的小寬度導致短的焦點線。在距離f'處可達到最短。
第6圖所繪的光學組件6因此係基於第5A圖所繪的光學組件，使得下面僅敘述不同處。準直透鏡12(在此也設計成平凸透鏡(其彎曲係朝向波束方向))係額外放置於在一側的旋轉三棱鏡10(旋轉三棱鏡10的頂點朝向波束方向)與在另一側的平凸透鏡11之間的光束路徑的中心。準直 透鏡12離旋轉三棱鏡10的距離係稱為Z1a，聚焦透鏡11離準直透鏡12的距離為Z1b，且焦點線2b離聚焦透鏡11的距離為Z2(都在光束方向中觀看)。如同第6圖所示，旋轉三棱鏡10所形成的圓形輻射SR(輻射SR發散地入射且小於準直透鏡12上的圓形直徑dr)係調整至沿著距離Z1b所需的圓形寬度br，以用於聚焦透鏡11處的至少大約恆定的圓形直徑dr。在所示的實例中，打算產生很短的焦點線2b，使得透鏡12處大約4mm的圓形寬度br係減少至透鏡11處的大約0.5mm，因為透鏡12的聚焦特性(在此範例中，圓形直徑dr為22mm)。
在繪示的範例中，使用2mm的一般雷射光束直徑、焦距f=25mm的聚焦透鏡11、焦距f'=150mm的準直透鏡、以及選擇距離Z1a=Z1b=140mm且Z2=15mm，可以達成小於0.5mm之焦點線的長度l。
第7A圖至第7C圖例示在不同的雷射強度方案時的雷射與物質的交互作用。在第一種實例中，繪示在第7A圖中，散焦的雷射束710穿過透明基板720，而不會對基板720引致任何修改。在此特定實例中，非線性效應不存在，因為雷射能量密度(或每單位面積由光束照射的雷射能量)低於引致非線性效應所需的臨界值。能量密度越高，電磁場的強度越高。因此，如同第7B圖中所示，當雷射束由球面透鏡730聚焦至較小的光點尺寸，如同第7B圖中所示，照射的區域係減小，且能量密度增加，引發非線性效應，非線性效應將改變材料，以允許裂紋線僅在條件滿足的體積中形成。以 此方式，若聚焦雷射的光束腰部係定位在基板的表面處，將發生表面的修改。相反的，若聚焦雷射的光束腰部係定位在基板的表面之下，當能量密度低於非線性光學效應的臨界值時，表面處沒有發生任何反應。但在焦點740處(位於塊狀基板720中)，雷射強度足夠高來引發多光子非線性效應，因此對材料引致損傷。最後，如同第7C圖所示的旋轉三棱鏡的實例中，如同第7C圖所示，旋轉三棱鏡透鏡750(或者替代地，Fresnel旋轉三棱鏡)的繞射圖案產生干涉，這產生Bessel形狀的強度分佈(高強度的圓柱體760)，且僅在該體積中的強度足夠高來產生非線性吸收與對材料720修改。
雷射與光學系統
為了切割藍寶石的目的，研發一種處理，該處理使用1064nm的微微秒雷射結合於焦點線光束形成光學系統來產生缺陷線於基板中。具有0.55mm厚的藍寶石基板係定位成使得藍寶石基板在光學系統產生的焦點線的區域內。利用長度大約1mm的焦點線，以及以200kHz的重複率(在材料處測得)產生大約24W或更高的輸出功率(在脈衝模式中大約120μJ/脈衝或在脈衝串模式中大約120μJ/脈衝串)的微微秒雷射，焦點線區域中的光強度可容易地足夠高來產生非線性吸收於藍寶石或含有藍寶石的基板材料中。藍寶石基板內的損傷、溶化、蒸發、或其他受修改材料的區域係大約遵循高強度的線性區域產生。
超短(脈衝持續時間的級數為數十微微秒或更短)雷射可操作在脈衝模式或脈衝串模式中。在脈衝模式中，一 系列名義上相同的單脈衝從雷射發射並且導引至基板。在脈衝模式中，雷射的重複率由脈衝之間的時間間隔來決定。在脈衝串模式中，脈衝的脈衝串從雷射發射，其中每個脈衝串包括二或更多個脈衝(相同或不同的振幅)。在脈衝串模式中，脈衝串內的脈衝由第一時間間隔(第一時間間隔界定脈衝串的脈衝重複率)分隔，且脈衝串由第二時間間隔(第二時間間隔界定脈衝串重複率)分隔，其中第二時間間隔通常遠遠較長於第一時間間隔。當在此使用時(不論是脈衝模式或脈衝串模式的上下文中)，時間間隔指的是脈衝或脈衝串的對應部分之間的時間差(例如，前邊緣至前邊緣、峰值至峰值、或後邊緣至後邊緣)。脈衝與脈衝串重複率由雷射的設計來控制，且通常可藉由調整雷射的操作狀況來在一定限度內調整。一般的脈衝與脈衝串重複率都在kHz至MHz的範圍中。雷射脈衝的持續時間(在脈衝模式中或脈衝串模式中的脈衝串內的脈衝)可為10-10秒或更小，或10-11秒或更小，或10-12秒或更小，或10-13秒或更小。在本文所述的範例實施例中，雷射脈衝持續時間大於10-15。
更具體地，如同第8A圖所示，根據本文所述的選定實施例，微微秒雷射產生脈衝500A的「脈衝串」500，有時也稱為「脈衝串脈衝」。脈衝串是一種雷射操作，其中脈衝的發射並非均勻且穩定的串流，而是脈衝的緊密叢集。每個「脈衝串」500可包括多個脈衝500A(例如，2個脈衝、3個脈衝、4個脈衝、5個脈衝、10個、15個、20個或更多)係具有非常短的持續時間Td，最高達100微微秒(例如，0.1 微微秒、5微微秒、10微微秒、15微微秒、18微微秒、20微微秒、22微微秒、25微微秒、30微微秒、50微微秒、75微微秒，或其間)。脈衝持續時間一般在大約1微微秒至大約1000微微秒的範圍，或在大約1微微秒至大約100微微秒的範圍，或在大約2微微秒至大約50微微秒的範圍，或在大約5微微秒至大約20微微秒的範圍。單一脈衝串500內的這些個別脈衝500A也可稱為「子脈衝」，這簡單地表示了事實上這些個別脈衝500A發生在脈衝的單一脈衝串內。脈衝串內的每一雷射脈衝500A的能量或強度可能不等於脈衝串內的其他脈衝的能量或強度，且脈衝串500內的多個脈衝的強度分佈在時間方面會遵循指數衰減，由雷射設計所決定。較佳地，本文所述的範例實施例的脈衝串500內的每一脈衝500A係與該脈衝串中隨後的脈衝在時間上分隔1奈秒至50奈秒的持續時間Tp(例如，10-50奈秒、或10-40奈秒、或10-30奈秒)，該時間通常由雷射空腔設計所決定。針對給定的雷射，脈衝串500內的每一脈衝之間的時間分隔Tp(脈衝至脈衝的分隔)係較均勻的(±10%)。例如，在某些實施例中，每一脈衝在時間上分隔於隨後的脈衝大約20奈秒(50MHz的脈衝重複頻率)。例如，針對產生大約20奈秒之脈衝至脈衝的分隔Tp之雷射，脈衝串內之脈衝至脈衝的分隔Tp係維持在大約±10%內，或大約±2奈秒。每一「脈衝串」之間的時間(亦即，「脈衝串」之間的時間分隔Tb)將遠遠較長(例如，0.25微秒Tb 1000微秒，例如，1-10微秒，或3-8微秒)。例如，在本文所述的雷射的某些範例實施例中，對於大約200kHz 的雷射重複率或頻率來說，Tb為大約5微秒。雷射重複率在此也稱為脈衝串重複頻率或脈衝串重複率，且係定義為脈衝串中的第一脈衝與隨後的脈衝串中的第一脈衝之間的時間。在其他實施例中，脈衝串重複頻率係在大約1kHz與大約4MHz之間的範圍，或在大約1kHz與大約2MHz之間的範圍，或在大約1kHz與大約650kHz之間的範圍，或在大約10kHz與大約650kHz之間的範圍。每一脈衝串中的第一脈衝與隨後的脈衝串中的第一脈衝之間的時間Tb可為0.25微秒(4MHz的脈衝串重複率)至1000微秒(1kHz的脈衝串重複率)，例如0.5微秒(2MHz的脈衝串重複率)至40微秒(25kHz的脈衝串重複率)，或2微秒(500kHz的脈衝串重複率)至20微秒(50kHz的脈衝串重複率)。確切的時序、脈衝持續時間、與重複率可根據雷射的設計與使用者可控制的操作參數而變化。高強度的短脈衝(Td<20微微秒，且較佳地Td≦15微微秒)係已證明作用良好。
修改材料所需要的能量可用脈衝串能量來描述-一脈衝串內包括的能量(每一脈衝串500包括一系列脈衝500A)，或者用單一雷射脈衝內包括的能量來描述(許多雷射脈衝可包括脈衝串)。針對這些應用，每脈衝串的能量(要切割的材料的每毫米)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。脈衝串內的個別脈衝的能量將較少，且確切的個別雷射脈衝的能量將取決於脈衝串500內的脈衝500A的數量以及雷射脈衝隨時間的衰減率(例如， 指數衰減率)，如同第8A圖所示。例如，針對恆定的能量/脈衝串，若脈衝式脈衝串包括10個個別的雷射脈衝500A，則每一個別的雷射脈衝500A將包括較少的能量，相較於若相同的脈衝式脈衝串500僅具有2個個別的雷射脈衝的情況來說。
使用可以產生此種脈衝式脈衝串的雷射對於切割或修改透明材料來說是有利的，例如玻璃。不同於使用時間上由單脈衝雷射的重複率所分隔的單脈衝，使用脈衝串脈衝序列(其透過脈衝串500內的快速序列的脈衝來散佈雷射能量)允許取用較大時間尺度的高強度來交互作用於材料，相較於單脈衝雷射所可能達到的來說。雖然單脈衝可在時間上展開，能量守恆指出，當如此做時，脈衝內的強度在脈衝寬度之上必須大致下降一。因此，若10微微秒的單脈衝展開至10奈秒的脈衝時，該強度會下降大約三個數量級。此種減少會減少光強度至非線性吸收不再顯著的地步，且光與材料的交互作用不再足夠強來允許切割。相反的，利用脈衝串脈衝雷射，脈衝串500內的每一脈衝或子脈衝500A期間的強度可保持非常高-例如脈衝持續時間Td為10微微秒的三個脈衝500A(時間上由大約10奈秒的分隔Tp所分隔)仍允許每一脈衝內的強度大約三倍高於單一10微微秒的脈衝的強度，同時允許雷射以大於三個數量級的時間尺度來交互作用於材料。脈衝串內的多個脈衝500A的這種調整因此允許操控雷射與材料的交互作用的時間尺度，這種方式可促進：與預先存在的電漿羽流之較多或較少的光的交互作用、與已經由最初 或先前的雷射脈衝預先激發的原子與分子之較多或較少的光與材料的交互作用、以及材料內較多或較少的加熱效應(這可促進缺陷線(穿孔)的受控生長)。修改材料所需的脈衝串能量的數量將取決於基板材料的組成與用於交互作用於基板的焦點線的長度。交互作用的區域越長，散佈的能量越多，且將需要較高的脈衝串能量。)
當單一脈衝串的脈衝撞擊玻璃上的實質上相同位置時，缺陷線或孔形成於該材料中。亦即，單一脈衝串內的多個雷射脈衝可產生單一缺陷線或孔位置於玻璃中。當然，若玻璃橫移(例如，藉由不斷移動的臺)或光束相對於玻璃移動，脈衝串內的個別脈衝無法撞擊在玻璃上完全相同的空間位置處。但是，該等個別脈衝彼此框在1μm內-亦即，該等個別脈衝撞擊玻璃於實質上相同位置處。例如，該等個別脈衝可以以彼此相隔的間隔sp來撞擊玻璃，其中0<sp500nm。例如，當用20個脈衝的脈衝串撞擊玻璃位置時，脈衝串內的個別脈衝在彼此250nm內撞擊玻璃。因此，在某些實施方式中，1nm<sp<250nm。在某些實施方式中，1nm<sp<100nm。
穿孔形成
若基板具有足夠的應力(例如，具有離子交換的玻璃)，則部件將自發地沿著雷射處理所追蹤的裂紋線從基板分離。但是，若基板本質上沒有大的應力，則微微秒雷射將僅形成缺陷線於基板中。這些缺陷線一般採取孔的形式，具有內部尺寸(直徑)大約0.5-1.5μm的範圍。
孔或缺陷線可或可不穿過材料的整個厚度，並且可為或可不為貫穿材料的深度的連續開孔。第8B圖繪示延伸通過一片550μm厚的藍寶石基板的整個厚度之缺陷線的範例。通過切割邊緣的側面來觀察缺陷線。通過材料的缺陷線不需要是通孔-可能有堵塞該孔的材料區域，但是它們一般都是小的尺寸，微米的量級。注意到，分離部件時，斷裂沿著缺陷線發生，以提供部件具有周界表面(邊緣)係得自缺陷線的特徵。分離之前，缺陷線為大體上圓柱形的形狀。當分離部件時，缺陷線斷裂且缺陷線的殘跡明顯可見於已分離部件的周界表面的輪廓中。在理想的模型中，缺陷線在分離時斷開成兩半，使得已分離部件的周界表面包括對應於半個圓柱形的鋸齒狀。實際上，分離可能從理想模型偏離，且周界表面的鋸齒狀會是原始缺陷線的形狀的任意部分。無關於特定形式，周界表面的特徵將稱為缺陷線，以指出該等特徵的存在的起源。
第9圖繪示從相同基板切割出的小圓盤的範例，具有6mm與10mm的直徑。某些圓盤係機械性分離，某些圓盤係使用CO2雷射分離，且某些圓盤係藉由CO2雷射分離並且機械性從基板釋放。
如同上述，也可穿孔於材料的堆疊片。在這種情況中，焦點線的長度需要長於堆疊高度。
孔(穿孔、缺陷線)之間的橫向間隔(間距)係由雷射的脈衝速率來決定，因為基板在聚焦的雷射光束之下橫移。通常僅需要單個微微秒雷射脈衝或脈衝串來形成完整的 孔，但是可使用多個脈衝或脈衝串，若需要的話。為了以不同的間距形成孔，可用或長或短的時間間隔觸發該雷射發射。針對切割操作，雷射觸發通常同步於光束之下的基板的臺驅動運動，所以係以固定的間隔觸發雷射脈衝，例如每1μm，或每5μm。相鄰穿孔之間的實際間隔係由促進裂紋從穿孔行進至穿孔的材料特性來決定(在給定之基板中的應力位準)。但是，不同於切割基板，也可使用相同的方法，以僅穿孔於材料。在本文所述的方法中，孔可由較大的間距(例如7μm或更大的間距)分隔。
雷射功率與透鏡焦距(透鏡焦距決定焦點線長度，且因此決定功率密度)係特別重要的參數，以確保基板的完全穿透以及低的表面與表面下損傷。
通常，可用的雷射功率越高，利用上述處理來切割材料會越快。本文所揭示的處理可以以0.25m/sec的切割速度切割玻璃。切削速度(或切割速度)係雷射束相對於基板材料(例如，玻璃)的表面移動，同時產生多個缺陷線孔之速率。通常需要高切割速度，像是例如，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，以最少化製造的資本投資，且最佳化設備的利用率。雷射功率等於脈衝串能量乘以雷射的脈衝串重複頻率(速率)。通常，為了以高切割速度切割玻璃材料，缺陷線通常相隔1-25μm，在某些實施例中，該間隔較佳地為3μm或更大-例如3-12μm，或者例如5-10μm。
例如，為了達成300mm/sec的線性切割速度，3μm的孔間距係對應於具有至少100kHz的脈衝串重複率的脈衝式脈衝串雷射。針對600mm/sec的切割速度，3μm的間距係對應於具有至少200kHz的脈衝串重複率的脈衝串脈衝雷射。以200kHz產生至少40μJ/脈衝串並且以600mm/sec的切割速度切割之脈衝式脈衝串雷射需要具有至少8瓦特的雷射功率。較高的切割速度需要對應較高的雷射功率。
例如，3μm的間距與40μJ/脈衝串之下0.4m/sec的切割速度會需要至少5W的雷射，3μm的間距與40μJ/脈衝串之下0.5m/sec的切割速度會需要至少6W的雷射。因此，較佳地，脈衝式脈衝串微微秒(ps)雷射的雷射功率為6W或更高，更佳地為至少8W或更高，且甚至更佳地為至少10W或更高。例如，為了達成4μm的間距(缺陷線間距，或損傷線跡間距)與100μJ/脈衝串之下0.4m/sec的切割速度，會需要至少10W的雷射，且為了達成4μm的間距與100μJ/脈衝串之下0.5m/sec的切割速度，會需要至少12W的雷射。例如，為了達成3μm的間距與40μJ/脈衝串之下1m/sec的切割速度，會需要至少13W的雷射。另外，例如，4μm的間距與400μJ/脈衝串之下1m/sec的切割速度會需要至少100W的雷射。
缺陷線(損傷線跡)之間的最佳間距與實際的脈衝串能量係材料相關的並且可憑經驗決定。但是，應注意到，提高雷射脈衝能量或使損傷線跡有較近的間距並不是會一定使基板材料分離得更好或具有改良的邊緣品質之條件。缺陷 線(損傷線跡)之間的的間距太小(例如<0.1微米，或在某些範例實施例中<1μm，或在其他實施例中<2μm)有時會抑制附近的隨後的缺陷線(損傷線跡)的形成，並且通常會抑制穿孔輪廓周圍的材料的分離。若間距太小，也會導致玻璃內非所欲的微裂紋的增加。太長的間距(例如>50μm，且在某些玻璃中>25μm或甚至>20μm)會導致「不受控制的微裂紋」-亦即，取代沿著預定的輪廓從缺陷線行進至缺陷線，微裂紋沿著不同的路徑行進，並且使玻璃在不同的(非所欲的)方向中裂離開預期的輪廓。這最終會降低分離的部件的強度，因為殘留的微裂紋構成會弱化玻璃的缺陷。用於形成缺陷線的脈衝串能量太高(例如，>2500μJ/脈衝串，且在某些實施例中>500μJ/脈衝串)會導致「癒合」或重新熔化先前形成缺陷線，這會抑制玻璃的分離。因此，較佳地，脈衝串能量為<2500μJ/脈衝串，例如，500μJ/脈衝串。此外，使用太高的脈衝串能量會導致形成微裂紋，該等微裂紋非常大，並且產生結構缺陷係會降低分離之後的部件的邊緣強度。太低的脈衝串能量(例如，<40μJ/脈衝串)會導致玻璃內沒有明顯形成的缺陷線，並且因此可能需要特別高的分離力或者導致完全無法沿著穿孔輪廓分離。
此處理所促成的一般範例切割速率(速度)例如為0.25m/sec且更高。在某些實施例中，切割速率為至少300mm/sec。在某些實施例中，切割速率為至少400mm/sec，例如500mm/sec至2000mm/sec，或更高。在某些實施例中，微微秒(ps,picosecond)雷射使用脈衝式脈衝串來產生缺陷 線，缺陷線具有0.5μm與13μm之間的週期性，例如，0.5與3μm之間。在某些實施例中，脈衝雷射具有10W-100W的雷射功率，且材料及/或雷射束相對於彼此以至少0.25m/sec的速率橫移；例如，以0.25m/sec至0.35m/sec的速率，或0.4m/sec至5m/sec的速率。較佳地，脈衝雷射束的每一脈衝式脈衝串具有在工件處測得的平均雷射能量係大於每mm的工件厚度每脈衝串40μJ。較佳地，脈衝雷射束的每一脈衝式脈衝串具有在工件處測得的平均雷射能量係遠遠小於每mm的工件厚度每脈衝串2500μJ，且較佳地係小於每mm的工件厚度大約每脈衝串2000μJ，且在某些實施例中小於每mm的工件厚度每脈衝串1500μJ；例如，每mm的工件厚度不超過每脈衝串500μJ。
我們發現，需要遠遠較高的(5至10倍較高的)體積脈衝能量密度(μJ/μm3)，來對具有低或沒有鹼含量的鹼土硼鋁矽酸鹽玻璃穿孔。這可如此達成：例如，藉由使用脈衝式脈衝串雷射(較佳地，每脈衝串具有至少2個脈衝)並且提供鹼土硼鋁矽酸鹽玻璃(具有低或沒有鹼含量)內的體積能量密度為大約0.05μJ/μm3，或更高，例如至少0.1μJ/μm3，例如0.1-0.5μJ/μm3。
因此，較佳的，雷射產生的脈衝式脈衝串係每脈衝串具有至少2個脈衝。例如，在某些實施例中，脈衝雷射具有10W-150W(例如，10W-100W)的功率，並且產生的脈衝式脈衝串係每脈衝串具有至少2個脈衝(例如，每脈衝串2-25個脈衝)。在某些實施例中，脈衝雷射具有25W-60W 的功率，並且產生的脈衝式脈衝串係每脈衝串具有至少2-25個脈衝，且雷射脈衝串產生的相鄰缺陷線之間的週期性或距離為2-10μm。在某些實施例中，脈衝雷射具有10W-100W的功率、產生的脈衝式脈衝串係每脈衝串具有至少2個脈衝，且工件與雷射束以至少0.25m/sec的速率相對於彼此橫移。在某些實施例中，工件及/或雷射束以至少0.4m/sec的速率相對於彼此橫移。
例如，針對切割0.7mm厚之非離子交換的康寧(Corning)代碼2319或代碼2320 Gorilla®玻璃，已經觀察到，3-7μm的間距可工作良好，具有脈衝式脈衝串能量為大約150-250μJ/每脈衝串，且脈衝串的脈衝數量為2-15個的範圍，且較佳地具有3-5μm的間距，且脈衝串的脈衝數量(每脈衝串的脈衝數量)為2-5。
在1m/sec的切割速度時，Eagle XG®玻璃的切割通常需要使用15-84W的雷射功率，其中30-45W通常就足夠。通常，在各種玻璃與其他透明材料之中，申請人發現，10W與100W之間的雷射功率係較佳來達成0.2-1m/sec的切割速度，其中25-60W的雷射功率對於許多玻璃來說就足夠(或最佳)。針對0.4m/sec至5m/sec的切割速度，雷射功率較佳地應為10W-150W，具有40-750μJ/脈衝串之脈衝串能量，每脈衝串2-25個脈衝(取決於切割的材料)，以及缺陷線分隔(間距)為3至15μm，或者3-10μm。對於這些切割速度，使用微微秒脈衝式脈衝串雷射會是較佳的，因為微微秒脈衝式脈衝串雷射產生高功率以及每脈衝串所需的脈衝數 量。因此，根據某些範例實施例，脈衝雷射產生10W-100W的功率，例如25W至60W，並且產生脈衝式脈衝串係每脈衝串至少2-25個脈衝，且缺陷線之間的距離為2-15μm；且雷射束及/或工件以至少0.25m/sec的速率相對於彼此橫移，在某些實施例中至少為0.4m/sec，例如0.5m/sec至5m/sec，或者更快。
切割與分離板材的形狀
如同第9圖所示，發現允許藍寶石部件從藍寶石基板分離的不同狀況。第一方法為僅使用微微秒雷射，來產生通孔並且形成遵循所欲形狀的裂紋線(在此實例中，為具有6與10mm的直徑的圓)。在此步驟之後，藉由使用斷開鉗，手動彎曲該部件，或者可產生張力使該分離沿著裂紋線開始與行進的任何方法，可完成機械分離。為了產生550μm厚的藍寶石中的通孔並且從板材機械性分離圓盤，發現以下的光學系統與雷射參數有良好的效果：
●輸入光束直徑至旋轉三棱鏡透鏡~2mm
●旋轉三棱鏡角=10度
●初始準直透鏡的焦距=125mm
●最終物鏡焦距=30mm
●入射光束會聚角(β)=12.75度
●焦點設定在Z=0.75mm處(部件的頂表面之上大約200μm)
●雷射功率~24瓦特(全部功率的60%)
●雷射的脈衝串重複率=200kHz。
●每脈衝串的能量=120μJ(24W/200kHz)
●4個脈衝/脈衝串
●單次通過
第二種方法為在微微秒雷射之後(在微微秒雷射已經完成追蹤所欲的輪廓之後)使用散焦的CO2雷射，以完全從周圍基板基質分離部件。散焦的CO2雷射所引致的熱應力足以啟始與行進遵循所欲輪廓的分離，使所欲輪廓從平板釋放。針對此實例，發現以下的光學系統與雷射參數有良好的效果：
●微微秒雷射：
●輸入光束直徑至旋轉三棱鏡透鏡~2mm
●旋轉三棱鏡角=10度
●初始準直透鏡的焦距=125mm
●最終物鏡焦距=30mm
●入射光束會聚角(β)=12.75度
●焦點設定在Z=0.75mm處(部件的頂表面之上大約200μm)
●雷射功率~24瓦特(全部功率的60%)
●雷射的脈衝串重複率=200kHz。
●每脈衝串的能量=120μJ(24W/200kHz)，4個脈衝/脈衝串
●針對10mm的直徑為單次通過，且針對6mm的直徑為雙次通過
●CO 2 雷射：
●雷射橫移速度：250mm/s
●雷射功率=200W
●脈衝持續時間45μs(95%的工作週期)
●雷射調變頻率為20kHz
●雷射束的散焦(相對於玻璃的入射表面)為20mm
●針對10mm的直徑為單次通過，且針對6mm的直徑為雙次通過
最後，探討的最後狀況為上述兩種方法的混合，其中，在微微秒雷射已經完成追蹤所欲的輪廓之後，在微微秒雷射之後使用散焦的CO2雷射，以從周圍的基板基質部分地分離部件。CO2雷射所引致的熱應力足以啟始與沿著所欲輪廓部分地行進該分離，但是不足以使所欲輪廓從周圍的基板基質釋放。有時，處理的方便性或效率會希望延遲部件的釋放，直到稍後的步驟。針對此實例，發現最佳的效果為：上述相同的微微秒雷射狀況以及較低的CO2雷射功率或CO2雷射束的較高散焦(大於大約25mm)與較高的橫移速度，取決於所追求的分離程度。
第10A圖與第10B圖分別繪示由微微秒雷射追蹤並且曝露至CO2雷射來釋放鈕釦件的範例性穿孔。CO2雷射可為散焦的CO2雷射，並且可從基板的邊緣的遠端(或近端)橫越至基板的邊緣的近端(或遠端)。重要的是注意到，釋放線的引入與散焦的CO2雷射所追蹤的路徑為謹慎計畫過的，以避免出現問題，例如：
避免重合的開始/停止位置。通常，移動臺的緩慢加 速/減速會足以產生準時的應力源，該應力源將稍後破裂或甚至粉碎部件。
停止或「停放」散焦的CO2雷射於追蹤的輪廓之上的任何點上-大部分情況這將熔化藍寶石表面及/或產生微裂紋。CO2雷射的路徑應該規劃成在要釋放的輪廓之外開始與結束。
釋放線應規劃成允許分離不會過早使周圍瓦解碎掉並且支撐基板基質。
上述的切割處理提供以下益處：可以轉化成增強的雷射處理性能、與節省成本、以及因此降低製造成本。在目前的實施例中，該切割處理提供：
利用降低的雷射功率來完全分離要切割的部件：可用清潔與受控制的方式來完全分離或切割藍寶石。
減少的表面下損傷：因為雷射與材料之間的超短脈衝交互作用，會有很少的熱交互作用以及因此最小的熱影響區域，熱影響區域可能導致非所欲的應力與微裂紋在表面處與在表面下區域中。此外，聚縮雷射束至藍寶石或其他基板材料中的光學系統產生通常為2至5微米直徑的缺陷線於部件的表面上。在分離之後，表面下損傷係限制為離周界表面的距離為小於大約75μm。這對部件的邊緣強度有大的影響，因為強度係由缺陷的數量以及缺陷在尺寸與深度方面的統計分佈來決定。這些數量越高，則部件的邊緣會越弱。
處理清潔性：本文所述的方法允許以清潔與受控制的方式分離及/或切割藍寶石。使用傳統的溶化或熱雷射處理 會非常具有挑戰性，因為傳統的溶化或熱雷射處理往往引發熱影響區域，熱影響區域會引致微裂紋並且使基板碎裂成數個較小的碎片。所揭示的方法的雷射脈衝以及與材料的引致交互作用之特性會避免所有這些問題，因為所揭示的方法的雷射脈衝以及與材料的引致交互作用發生在很短的時間尺度中，且基板材料對於雷射輻射的透明性可最小化引致的熱效應。因為缺陷線產生在基板內，在切割步驟期間碎屑與顆粒物的存在係實質上消除。若有任何顆粒產生自所產生的缺陷線，該等顆粒係被良好容納，直到部件分離。
切割不同尺寸的複雜輪廓與形狀
本雷射處理方法允許遵循許多形式與形狀的玻璃、藍寶石、與其他基板的切割/分離，這在其他競爭技術中是一種限制。利用本方法可切割緊密的半徑(小於大約5mm)，允許彎曲的邊緣。直徑5mm與10mm的圓已經成功從較大的藍寶石基板切割出，這對於其他雷射技術來說是有挑戰性或不可能的。另外，因為缺陷線強力地控制任何裂紋行進的位置，此方法對於切割的空間位置賦予很大的控制，並且允許切割與分離小至幾百微米的結構與特徵。
處理步驟的消除
從傳入的基板(例如，玻璃平板或藍寶石片)製造部件(例如，玻璃板或任意形狀的藍寶石部件)至最終的尺寸與形狀之處理包括數個步驟，包括切割基板、切割至所欲尺寸、精整與邊緣塑形、薄化部件至其目標厚度、磨光、以及在某些實例中甚至有化學強化。消除任何這些步驟將在處 理時間與資金費用方面改良製造成本。所提出的方法可例如藉由下述來減少步驟的數量：●減少碎片與邊緣缺陷的產生-可以消除清洗與乾燥站；●直接切割樣品至其最終尺寸、形狀與厚度-消除對於精整線的需求。
切割堆疊
該處理也可以產生這些線係具有垂直的缺陷在堆疊的玻璃平板上。堆疊的高度有限制，但是藉由同時處理多個堆疊的板，可以提高生產率。堆疊的情況要求材料對於雷射波長來說為透明的，這是針對在此使用的雷射波長(1064nm)之藍寶石的情況。
所有專利、公開的申請案與本文引用的參考文獻之相關教示係以引用之方式全部併入。
雖然本文已經敘述範例實施例，本領域中熟習技藝者將瞭解到，其中可做出形式與細節的各種變化，而未偏離所附申請專利範圍所涵蓋的範圍。

Claims (12)

  1. 一種雷射切割一材料的方法，包括以下步驟：(i)聚焦一脈衝雷射束至一雷射束焦點線，該雷射束焦點線的長度在0.1mm與100mm之間的一範圍中；(ii)導引該雷射束焦點線進入該材料，該雷射束焦點線產生一引致的吸收於該材料內，該引致的吸收沿著該材料內的該雷射束焦點線產生一缺陷線；(iii)重複執行(i)與(ii)以形成一裂紋線於材料內，該裂紋線包括複數條缺陷線；及(iv)導引一IR雷射束於該裂紋線之上。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該材料為藍寶石。
  3. 如請求項1或2所述之方法，其中該脈衝雷射束的一脈衝持續時間係在大於1微微秒與小於100微微秒之間的一範圍中。
  4. 如請求項1或2所述之方法，其中該脈衝雷射束具有一波長，且該材料對於該波長實質上為透明的。
  5. 如請求項1或2所述之方法，其中該雷射束焦點線具有一平均光點直徑係在0.1μm與5μm之間的一範圍中。
  6. 如請求項1或2所述之方法，其中該材料包括一玻璃基 板，其中一藍寶石層附接於該玻璃基板。
  7. 如請求項1或2所述之方法，其中該等缺陷線之間的一距離大於0.5μm且小於或等於15μm。
  8. 一種包括藍寶石的物品，該物品包括一邊緣，該邊緣具有一系列的缺陷線，其中每一缺陷線延伸至少250μm，該等缺陷線的直徑小於5μm，該邊緣具有一表面粗糙度Ra<0.5μm，且該邊緣的該表面下損傷為<100μm。
  9. 如請求項8所述之物品，其中該邊緣的該表面下損傷為<75μm。
  10. 如請求項8或9所述之物品，其中該等缺陷線延伸通過該物品的整個厚度。
  11. 如請求項8或9所述之物品，其中該物品包括一玻璃基板，其中一藍寶石層附接於該玻璃基板。
  12. 如請求項8或9所述之物品，其中該等缺陷線之間的一距離大於0.5μm且小於或等於15μm。
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