TWI716126B

TWI716126B - 雷射半切加工方法及其裝置

Info

Publication number: TWI716126B
Application number: TW108135159A
Authority: TW
Inventors: 胡平浩; 林茂吉; 李閔凱
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2019-09-27
Filing date: 2019-09-27
Publication date: 2021-01-11
Also published as: TW202112477A

Abstract

一種雷射半切加工方法，包含使用雷射光束調變系統調變雷射光束，其中雷射光束調變系統包含多個透鏡，且這些透鏡包含具正屈折力的第一透鏡、第二透鏡以及具負屈折力的凹錐形透鏡。藉由凹錐形透鏡調變雷射光束，使通過凹錐形透鏡的雷射光束遠離光軸且形成光環。藉由第一透鏡對光環進行第一次聚焦。藉由第二透鏡對光環進行第二次聚焦而形成貝塞爾光束，且貝塞爾光束的景深外形成一中心低能量區域。用經過調變的雷射光束對加工物的待改質區域進行加工。

Description

雷射半切加工方法及其裝置

本發明係關於一種雷射半切加工方法及其裝置，特別是一種使用凹錐形透鏡的雷射半切加工方法以及可執行所述方法的雷射半切加工裝置。

LAMC雷射切割技術(Laser assisted machining cutting)已經廣泛地應用於厚玻璃曲面切割、手機面板切割以及雷射鑽孔(TGV)等製程中。以雷射切割技術進行半切製程的應用多見於面板切割。具體來說，利用雷射光束轟擊面板的厚玻璃以進行改質以使厚玻璃可以很容易地被裁切移除，並且注意不要破壞到厚玻璃下方的電極。

對玻璃進行改質的雷射光束分成高斯(Gaussian)光束以及貝塞爾(Bessel)光束。其中，以高斯光束進行半切製程時，由於光束在軸向方向上的能量衰減速度太快，因此單次轟擊只能對玻璃的較淺深度部分進行改質，因此若要完成厚玻璃在整個厚度方向上的全面改質，需要用高斯光束多次轟擊厚玻璃高達10~20次以上，導致加工成本過高。相對地，貝塞爾光束在軸向方向上的能量衰減速較慢，因此可以只需要單次或數次轟擊就能完成厚玻璃改質。

然而，貝塞爾光束在軸向方向上的能量分布型態呈現近高斯分布，因此在光束後半部分的能量衰減速度過慢，導致光束在進行玻璃的改質時會使厚玻璃下方的電極受到熱損傷。

鑒於以上的問題，本發明揭露一種雷射半切加工方法，有助於解決目前貝塞爾光束在進行面板玻璃改質時會使電極受到熱損傷的問題。本發明更進一步揭露應用前述方法的雷射半切加工裝置。

本發明所揭露的雷射半切加工方法包含：提供一雷射光調變系統，包含多個透鏡，且這些透鏡包含具正屈折力的一第一透鏡、一第二透鏡以及具負屈折力的一凹錐形透鏡。藉由凹錐形透鏡調變雷射光束，使通過凹錐形透鏡的雷射光束遠離一光軸且形成一光環。藉由第一透鏡對光環進行第一次聚焦。藉由第二透鏡對光環進行第二次聚焦而形成一貝塞爾光束，其中貝塞爾光束的景深外形成一中心低能量區域。用經過調變的雷射光束對一加工物的一待改質區域進行加工。

本發明所揭露的雷射半切加工裝置包含一雷射發光器以及一雷射光束調變系統。雷射光束調變系統包含多個透鏡，且這些透鏡的其中之一為具負屈折力的一凹錐形透鏡。

根據本發明所揭露的雷射半切加工裝置以及雷射半切加工方法，使用包含凹錐形透鏡的雷射光束調變系統將雷射光束調變成貝塞爾光束。此外，透過凹錐形透鏡與額外光學透鏡的搭配，雷射光束調變系統能讓形成的貝塞爾光束具有特殊的軸向光強度分布，其中貝塞爾光束中心的光強度由加工區域至中心低能量區域會快速地遞減至趨近於零。藉此，有助於防止貝塞爾光束於半切製程中損害到非改質區域。

以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者瞭解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。

請參照圖1，為根據本發明一實施例之雷射半切加工裝置的示意圖。根據本發明的一實施例，雷射半切加工裝置1包含一雷射發光器10、一光束縮擴單元20以及一雷射光束調變系統30。

雷射發光器10可發出一雷射光束100。在本實施例中，雷射光束100的波長範圍為400~1100奈米，且脈衝頻率範圍為1Hz~100MHz。此外，雷射發光器10所產生之雷射光束100的脈衝寬度小於等於100皮秒(ps)。在一實施例中，雷射光束100為飛秒雷射。

光束縮擴單元20用於調整雷射光束100的光束直徑。通過光束縮擴單元20的雷射光束100進入雷射光束調變系統30中。雷射光束調變系統30將雷射光束100調變，以使雷射光束100在軸向方向A上的光強度(即雷射光束100軸心的光強度)符合使用需求。

以下說明雷射光束調變系統30的元件組成。請一併參照圖2，為圖1之雷射半切加工裝置1的雷射光束調變系統30的示意圖。根據本發明的一實施例，雷射光束調變系統30包含多片透鏡，且這些透鏡包含一凹錐形透鏡310 (negative axicon)、一第一透鏡320以及一第二透鏡330。

凹錐形透鏡310具有負屈折力，並且具有一平面入光面311以及一內凹錐形面312。平面入光面311朝向光束縮擴單元20，且內凹錐形面312朝向第一透鏡320。在本實施例中，凹錐形透鏡310由Bk7材質製成，具有約1.5的折射率，並且內凹錐形面312的錐角為160度。圖2繪示的凹錐形透鏡310之形狀並非用以限制本發明。

第一透鏡320與第二透鏡330皆具有正屈折力，第一透鏡320與第二透鏡330之組合係一無焦點系統（Afocal system）也稱為遠焦系統或焦外系統，是指對光束沒有淨發散或淨聚焦的光學系統，也就是說光學系統的等效焦距為無限大，亦即第一透鏡320與第二透鏡330的等效焦距在無窮遠處。第一透鏡320設置於凹錐形透鏡310與第二透鏡330之間，且凹錐形透鏡310的內凹錐形面312朝向第一透鏡320。在本實施例中，第一透鏡320與第二透鏡330各自具有100公釐(mm)的焦距以及約1.5的折射率，並且第一透鏡320與第二透鏡330各自的中心厚度約為2.0公釐~3.0公釐。

雷射光束調變系統30中的透鏡總數量並不以上述為限。在部分實施例中，雷射光束調變系統30除了凹錐形透鏡310之外，又額外包含一單片透鏡。

根據本發明的一實施例，第一透鏡320與第二透鏡330各自的至少一表面於近光軸處為凸面。如圖2所示，第一透鏡320與第二透鏡330皆為雙凸透鏡，意即兩片透鏡各自的物側表面以及像側表面於近光軸處皆為凸面。在部分實施例中，第一透鏡320與第二透鏡330各自的其中一個表面於近光軸處為凸面，且另一個表面於近光軸處為凹面或平面，且兩者皆具有正屈折力。

當雷射光束100通過凹錐形透鏡310時，雷射光束100先被凹錐形透鏡310初步調變。進一步來說，通過凹錐形透鏡310的雷射光束100遠離光軸L而在凹錐形透鏡310的物側端(凹錐形透鏡310與光束縮擴單元20之間)形成貝塞爾虛像，且貝塞爾虛像延伸形成光環。

被調變的雷射光束100通過第一透鏡320，以藉由第一透鏡320對光環進行第一次聚焦。接著，雷射光束100通過第一透鏡320，以藉由第二透鏡330進一步進行第二次聚焦，最終於第二透鏡330的像側端完成調變而形成貝塞爾光束101。

根據本發明的一實施例，凹錐形透鏡310與第一透鏡320之間於光軸L上的第一空氣間距D1小於第一透鏡320的焦距f1 (D1>f1)。第一透鏡320與第二透鏡330於光軸L上的第二空氣間距D2等於第一透鏡320的焦距f1與第二透鏡330的焦距f2之總和(D2=f1+f2)，此處又稱為無焦點系統。

當滿足上述條件(D2=f1+f2)時，第一透鏡320與第二透鏡330可以形成克普勒(Keplerian)式縮束系統，以使貝塞爾光束101的光斑尺寸產生一定程度的比例變化(第二透鏡330的焦距f2除以第一透鏡320的焦距f1)。若貝塞爾光束101光斑尺寸在10微米(μm)以上，應用在雷射加工時會造成後續加工物表面產生嚴重剝落(chipping)，因此會縮小光斑尺寸。

雷射光束100通過凹錐形透鏡310後，形成發散光環且為虛像Bessel光束之延伸，虛像Bessel光束的成像位置在於凹錐形透鏡310與光束縮擴單元20之間，克普勒式縮束系統能讓虛像貝塞爾光束成為實像貝塞爾光束101，以具備足夠的中心能量能應用於雷射加工製程。

如圖2所示，貝塞爾光束101的軸向光強度分布依序包含一初端區域Ra、一加工區域Rb以及一中心低能量區域Rc。初端區域Ra較加工區域Rb與中心低能量區域Rc更靠近第二透鏡330，且加工區域Rb介於初端區域Ra以及中心低能量區域Rc之間。詳細來說，雷射光束100通過凹錐形透鏡310之後會產生遠離光軸L的離軸光線100a、100b，並且離軸光線100a、100b藉由第一透鏡320、第二透鏡330匯聚後形成光線交匯區域，而此光線交匯區域即為加工區域Rb。於加工區域Rb前後兩端的區域則分別為初端區域Ra以及中心低能量區域Rc(亦為發散光環區域）。離軸光線100a、100b在初端區域Ra尚未交匯，且在中心低能量區域Rc彼此分開而形成光環。加工區域Rb也是貝塞爾光束101的景深範圍，換言之，加工區域Rb的軸向寬度等於景深，且中心低能量區域Rc位於貝塞爾光束101的景深外。

前述貝塞爾光束101的軸向光強度分布，是指貝塞爾光束101的中心在軸向方向A上的光強度分布。前述貝塞爾光束101之軸向光強度中的加工區域Rb，是指光束中心於所述區域的光強度足以提供適當能量，而能在半切製程中對一加工物進行改質。以加工物為玻璃作例子說明，以5皮秒脈衝時間、波長1000奈米至1070奈米的雷射光束進行改質時，照射強度約略要達到10 ¹⁰~10 ¹¹瓦/平方公釐(W/mm ²)才足以產生明顯改質現象。

接著說明經過雷射光束調變系統30調變的雷射光束以及未經調變的雷射光束，兩者在光強度分布的差異。請一併參照圖3和圖4。圖3為未調變之雷射光束中心在軸向方向上的光強度示意圖。圖4為經調變之雷射光束中心在軸向方向上的光強度示意圖。

圖3表示傳統貝塞爾光束中心在軸向方向上的光強度分布。此處採用凸錐形透鏡(positive axicon)，貝塞爾光束的波長為1064奈米，光斑尺寸為2.3微米(μm)，景深為100微米，衰減程度為1%@120微米，即在深度120微米處剩下1%軸向能量(以峰值能量為100%)。換言之，在待改質物的深處或景深外，仍然有一定雷射能量，可能會傷及目標區域以外的元件。如圖3所示，貝塞爾光束的波峰落在初端區域與加工區域之間(波峰位置在0.25公釐)，較圖4波峰位置提早(波峰位置約4.0公釐)，亦即光線交匯區域靠近凸錐形透鏡。初端區域、加工區域至末端區域的光強度呈現類似高斯分布(Gaussian-like distribution)，並且加工區域的光強度大於末端區域的光強度。其中，由於加工區域至末端區域的光強度遞減速率太慢，以致於加工區域可能延伸到半切製程中不希望改質的非改質區域中。

圖4表示圖2中貝塞爾光束101中心在軸向方向上的光強度分布。加工區域Rb的光強度大於初端區域Ra與中心低能量區域Rc的光強度。如此一來，能藉由加工區域Rb對加工物進行改質(3.7公釐~4.2公釐之間係景深)。請併參照圖5，為繪示貝塞爾光束在加工區域Rb的徑向光強度示意圖，其中，貝塞爾光束101中心處為徑向位置0公釐附近的區域，在貝塞爾光束101中心處的光強度足以對加工物進行改質。

加工區域Rb具有緩升區段Rb-1與急降區段Rb-2。緩升區段Rb-1的光強度遞升速率大於初端區域Ra的光強度遞升速率，且緩升區段Rb-1的光強度遞升速率小於急降區段Rb-2的光強度遞減速率。在圖4中，緩升區段Rb-1的光強度遞升速率約為每公釐增加1x10 ¹¹~1.8x10 ¹¹瓦/平方公釐，急降區段Rb-2的光強度遞減速率約為每公釐減少1.9 x10 ¹¹~3.0x10 ¹¹瓦/平方公釐。於圖4中繪示的光強度曲線之中，緩升區段Rb-1的斜率絕對值小於急降區段Rb-2的斜率絕對值，換言之，急降區段Rb-2的光強度快速遞減至零能量或弱能量。藉由雷射光束調變系統30對雷射光束100進行修飾，有助於讓加工區域Rb的光強度在接近中心低能量區域Rc的位置處快速遞減，以防止貝塞爾光束101於半切製程中損害到非改質區域。請併參照圖6，為繪示貝塞爾光束在中心低能量區域Rc的徑向光強度示意圖，其中在貝塞爾光束101中心處的光強度遞減至趨近於零，中心能量接近零(徑向位置0公釐附近)，兩側光強度具有雙峰形狀(徑向位置±0.05998公釐附近)，故為發散光環或退化光環。

根據本發明的一實施例，如圖4、6，在中心低能量區域Rc中，貝塞爾光束101中心的光強度線性衰減至零形成零能量區(亦稱為退化光環)。然而，中心低能量區域Rc的光強度為零之條件並非用於限制本發明。在部分實施例中，中心低能量區域Rc的光強度可趨近於零，或是光強度衰減至不會損害到非改質區域的強度亦可。在一實施例中，貝塞爾光束101中心的光強度於中心低能量區域Rc小於10 ⁹瓦/平方公釐。更具體而言，中心低能量區域Rc的光強度可以是加工區域Rb的光強度最大值P的1.0%以下。在一實施例中，景深大於100微米(加工區域Rb的軸向寬度)，衰減程度為1%@50微米，即在深度50微米處剩下1%軸向能量(以峰值能量為100%)。在一實施例中，景深大於300微米，急降區段Rb-2的衰減速率為20微米內衰減為0.01倍軸向能量，等同強度：深度=100:1的衰減速率。

此外，根據本發明的一實施例，急降區段Rb-2的光強度遞減速率為緩升區段Rb-1的光強度遞升速率之2.5~3倍。更具體來說，在圖4的光強度曲線當中，若急降區段Rb-2所具有的任一點切線斜率大小為m1，緩升區段Rb-1所具有的任一點切線斜率大小為m2，則滿足條件：2.5 x m2 ≦ |m1| ≦ 3 x m2。

圖7為使用圖1之雷射半切加工裝置1對面板進行半切製程的示意圖。面板2作為加工物，其包含一厚玻璃層21以及一電極層22。厚玻璃層21具有一待改質區域H0，其為面板2在雷射半切加工製程中預期進行改質的部分，並且待改質區域H0具有一改質深度H。電極層22以及待改質區域H0以外的厚玻璃層21為面板2在雷射半切加工製程中的非改質區域。當雷射半切加工製程完成後，待改質區域H0會被改質，並且非改質區域不會被改質。

當雷射光束100通過雷射光束調變系統30形成貝塞爾光束101，貝塞爾光束101轟擊面板2的厚玻璃層21進行改質，使得厚玻璃層21的微結構變得脆弱以便移除。參照圖7，貝塞爾光束101的軸向光強度分布之中的加工區域Rb對應於厚玻璃層21，並且中心低能量區域Rc對應於電極層22。零光強度或極弱光強度的中心低能量區域Rc可避免電極層22受到熱損傷或雷射破壞，因此電極層22的電性並不會被貝塞爾光束101破壞。

於圖7中，加工區域Rb的長度等於待改質區域H0的改質深度H(即厚玻璃層21的厚度)，因此只需要用雷射半切加工裝置1進行單次轟擊就能完成厚玻璃層21的改質。加工區域Rb的長度與改質深度H的關係並不以上述為限。在其他實施例中，加工區域Rb的長度大於待改質區域H0的改質深度H之三分之一，如此只需要很少次數的轟擊就能完成厚玻璃層21的改質。

此外，參照圖7可知，在工作介質為空氣的前提下，雷射光束調變系統30的數值孔徑NA大於0.3。如此，所產生的貝塞爾光束101之軸向光強度分布較符合業界需求。在部分實施例中，雷射光束調變系統30的數值孔徑NA為0.46、0.5、0.58或0.75。在一實施例中，雷射光束調變系統30的數值孔徑NA範圍為0.3~0.75之間。數值孔徑NA是光進出第二透鏡330時最大錐角θ的一半，或者可以表述為是從物在光軸L上一點到光闌邊緣的光線與光軸L的夾角。

綜上所述，本發明所揭露的雷射半切加工裝置以及雷射半切加工方法中，使用包含凹錐形透鏡的雷射光束調變系統將雷射光束調變成貝塞爾光束。此外，透過凹錐形透鏡與額外光學透鏡的搭配，雷射光束調變系統能讓形成的貝塞爾光束具有特殊的軸向光強度分布，其中貝塞爾光束中心的光強度由加工區域至中心低能量區域會快速地減至趨近於零。藉此，有助於防止貝塞爾光束於半切製程中損害到非改質區域。解決雷射半切製程問題(1)高斯光束進行半切，在滿足衰減速度條件時，景深太短，需層切10~20次以上。(2)以傳統Bessel 光束進行半切，在滿足景深條件時，衰減速率太慢，無法保護下層材質。本案同時達到較廣景深以及較快衰減速率。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然而這些實施例並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

1:雷射半切加工裝置 10:雷射發光器 100:雷射光束 100a、100b:離軸光束 101:貝塞爾光束 20:光束縮擴單元 30:雷射光束調變系統 310:凹錐形透鏡 311:平面入光面 312:內凹錐形面 320:第一透鏡 330:第二透鏡 2:面板 21:厚玻璃層 22:電極層 A:軸向方向 L:光軸 D1:第一空氣間距 D2:第二空氣間距 H:改質深度 H0:待改質區域 Ra:初端區域 Rb:加工區域 Rb-1:緩升區段 Rb-2:急降區段 Rc:中心低能量區域 P:光強度最大值 θ:最大錐角

圖1為根據本發明一實施例之雷射半切加工裝置的示意圖。圖2為圖1之雷射半切加工裝置的雷射光束調變系統的示意圖。圖3為未調變之雷射光束中心在軸向方向上的光強度示意圖。圖4為經調變之雷射光束中心在軸向方向上的光強度示意圖。圖5繪示貝塞爾光束在加工區域的徑向光強度示意圖。圖6繪示貝塞爾光束在中心低能量區域的徑向光強度示意圖。圖7為使用圖1之雷射半切加工裝置對面板進行半切製程的示意圖。

1:雷射半切加工裝置

100:雷射光束

101:貝塞爾光束

30:雷射光束調變系統

2:面板

21:厚玻璃層

22:電極層

H:改質深度

H0:待改質區域

Ra:初端區域

Rb:加工區域

Rc:中心低能量區域

θ:最大錐角

L:光軸

Claims

一種雷射半切加工方法，包含：提供一雷射光調變系統，包含多個透鏡，且該些透鏡包含具正屈折力的一第一透鏡、一第二透鏡以及具負屈折力的一凹錐形透鏡；藉由該凹錐形透鏡調變該雷射光束，使通過該凹錐形透鏡的該雷射光束遠離一光軸且形成一光環；藉由該第一透鏡，對該光環進行第一次聚焦；藉由該第二透鏡，對該光環進行第二次聚焦而形成一貝塞爾(Bessel)光束，其中該貝塞爾光束的景深外形成一中心低能量區域；以及用經過調變的該雷射光束對一加工物的一待改質區域進行加工。
如申請專利範圍第1項所述之雷射半切加工方法，其中該光環為虛像，且通過該第一透鏡與該第二透鏡後所形成的該貝塞爾光束為實像。
如申請專利範圍第1項所述之雷射半切加工方法，其中該中心低能量區域的能量係該加工區域的光強度最大值的1.0%以下。
如申請專利範圍第1項所述之雷射半切加工方法，其中該貝塞爾光束且具有一軸向光強度分布，該軸向光強度分布依序包含一初端區域、一加工區域以及該中心低能量區域，該加工區域對應該景深，該加工區域的光強度大於該初端區域與該中心低能量區域的光強度。
如申請專利範圍第4項所述之雷射半切加工方法，其中該加工區域具緩升區段與急降區段，且該緩升區段的光強度遞升速率小於該急降區段的光強度遞減速率。
如申請專利範圍第5項所述之雷射半切加工方法，其中該緩升區段的斜率絕對值小於該急降區段的斜率絕對值。
如申請專利範圍第5項所述之雷射半切加工方法，其中該緩升區段的光強度遞升速率大於該初端區域的光強度遞升速率。
如申請專利範圍第5項所述之雷射半切加工方法，其中該急降區段的光強度遞減速率為該緩升區段的光強度遞升速率之2.5~3倍。
一種雷射半切加工裝置，包含：一雷射發光器，用以發射一雷射光束；以及一雷射光束調變系統，包含：具負屈折力的一凹錐形透鏡，配置以使該雷射光束遠離一光軸且形成一光環；具正屈折力的一第一透鏡，配置以對該光環進行第一次聚焦；以及具正屈折力的一第二透鏡，該第一透鏡設置於該凹錐形透鏡與該第二透鏡之間，該第二透鏡配置以對該光環進行第二次聚焦而形成一貝塞爾光束，其中該貝塞爾光束的景深外形成一中心低能量區域。
如申請專利範圍第9項所述之雷射半切加工裝置，其中該第一透鏡與該第二透鏡各自的至少一表面於近光軸處為凸面。
如申請專利範圍第10項所述之雷射半切加工裝置，其中該凹錐形透鏡的一內凹錐形面朝向該第一透鏡，該凹錐形透鏡的一平面朝向該雷射發光器。
如申請專利範圍第9項所述之雷射半切加工裝置，其中該凹錐形透鏡與該第一透鏡之間於光軸上的一第一空氣間距小於該第一透鏡的焦距。
如申請專利範圍第9項所述之雷射半切加工裝置，其中該第一透鏡與該第二透鏡於光軸上的一第二空氣間距等於該第一透鏡的第一焦距與該第二透鏡的第二焦距之總和。
如申請專利範圍第9項所述之雷射半切加工裝置，其中該第一透鏡與該第二透鏡皆為雙凸透鏡。
如申請專利範圍第9項所述之雷射半切加工裝置，其中該雷射光束調變系統具有一數值孔徑大於0.3。