使用非轴对称束斑对透明工件进行激光加工的设备和方法技术

一种用于对透明工件进行激光加工的方法包括：形成包含缺陷的轮廓线，这通过下述进行：引导由光束源输出的脉冲激光束通过非球面光学元件，所述非球面光学元件在径向方向上偏离光束路径定位，以及将脉冲激光束引导到透明工件中，使得被引导到透明工件中的脉冲激光束的部分在透明工件中产生诱导吸收，该诱导吸收在透明工件中产生缺陷。被引导到透明工件中的脉冲激光束的部分包括波长λ、有效光斑尺寸Wo,有效，以及非轴对称光束截面，其具有在x方向上的最小瑞利范围ZRx,最小，以及在y方向上的最小瑞利范围ZRy,最小。此外，ZRx,最小与ZRy,最小中的较小者大于式(I)，其中FD是包含10或更大数值的无量纲的发散系数。

Equipment and Method for Laser Machining of Transparent Workpiece Using Non-Axisymmetric Beam Spot

A method for laser processing of transparent workpieces includes: forming contour lines containing defects, which are carried out by guiding a pulsed laser beam output by a beam source through an aspheric optical element that deviates from the beam path positioning in the radial direction, and guiding a pulsed laser beam into a transparent workpiece so as to be guided into a transparent workpiece. The part of the pulsed laser beam produces induced absorption in the transparent workpiece, which produces defects in the transparent workpiece. The part of the pulsed laser beam guided to the transparent workpiece includes wavelength lambda, effective spot size Wo, effective, and non-axisymmetric beam cross section. It has the minimum Rayleigh range ZRx in the X direction, the smallest Rayleigh range ZRy in the Y direction and the smallest Rayleigh range ZRy in the Y direction. In addition, ZRx, minimum and ZRy, the smaller of the smallest is greater than Formula (I), where FD is a dimensionless divergence coefficient containing 10 or larger values.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用非轴对称束斑对透明工件进行激光加工的设备和方法本申请依据35U.S.C.§119要求于2016年9月30日提交的系列号为62/402,337的美国临时申请的优先权权益，本文以该申请的内容为基础并通过引用将其全文纳入本文。
本说明书一般涉及用于对透明工件进行激光加工的设备和方法，更具体地，涉及在透明工件中形成用于分离透明工件的轮廓线。
技术介绍
材料的激光加工领域涵盖各种应用，这些应用涉及不同类型的材料的切割、钻取、研磨、焊接、熔化等。在这些工艺中，特别受到关注的是在可以用于生产薄膜晶体管(TFT)的材料(例如玻璃、蓝宝石或熔凝二氧化硅)或电子装置的显示器材料的工艺中切割或分离不同类型的透明基材。从工艺开发和成本角度看，在切割和分离玻璃基材上有许多改进机会。与目前在市场上实施的方法相比，具有更快、更清洁、更便宜、可重复性更高且更可靠的分离玻璃基材的方法是受大极大关注的。因此，需要用于分离玻璃基材的替代性的改进方法。
技术实现思路
根据一个实施方式，一种用于对透明工件进行激光加工的方法包括：在透明工件中形成轮廓线，所述轮廓线包含透明工件中的缺陷。形成轮廓线包括：引导脉冲激光束，该脉冲激光束沿着光束路径取向并且由光束源输出，通过在径向方向上偏离光束路径定位的非球面光学元件，并且进入到透明工件中，使得被引导到透明工件中的脉冲激光束的部分在透明工件中产生诱导吸收。诱导吸收在透明工件中产生了缺陷，被引导到透明工件中的脉冲激光束的部分包括波长λ、有效光斑尺寸Wo,有效，以及非轴对称光束截面，其包含在截面的x方向上的最小瑞利范围ZRx,最小，以及在截面的y方向上的最小瑞利范围ZRy,最小。此外，ZRx,最小与ZRy,最小中的较小者大于其中FD是包含10或更大数值的无量纲的发散系数。在另一个实施方式中，一种用于对透明工件进行激光加工的方法包括：在透明工件中形成轮廓线，所述轮廓线包含透明工件中的缺陷。形成轮廓线包括：引导脉冲激光束，该脉冲激光束沿着光束路径取向并且由光束源输出，通过非球面光学元件以及超过挡光元件，并且进入到透明工件中，使得被引导到透明工件中的脉冲激光束的部分在透明工件中产生诱导吸收，其中所述非球面光学元件和挡光元件各自定位在光束源与透明工件之间。诱导吸收在透明工件中产生了缺陷，被引导到透明工件中的脉冲激光束的部分包括波长λ、有效光斑尺寸Wo,有效，以及非轴对称截面，其包含在截面的x方向上的最小瑞利范围ZRx,最小，以及在截面的y方向上的最小瑞利范围ZRy,最小。此外，ZRx,最小与ZRy,最小中的较小者大于其中FD是包含10或更大数值的无量纲的发散系数。在另一个实施方式中，一种用于对透明工件进行激光加工的方法包括：在透明工件中形成轮廓线，所述轮廓线包含透明工件中的缺陷。形成轮廓线包括：引导脉冲激光束，所述脉冲激光束沿着光束路径取向，并且由光束源输出且通过非球面光学元件；利用定位在光束源与透明工件之间的消相干(decohering)光学元件使脉冲激光束的第一光束部分与脉冲激光束的第二光束部分消相干；以及将脉冲激光束的第一光束部分和第二光束部分引导到透明工件中，使得被引导到透明工件中的脉冲激光束的第一光束部分和第二光束部分在透明工件中产生诱导吸收。诱导吸收在透明工件中产生了缺陷，被引导到透明工件中的第一光束部分与第二光束部分的组合包括波长λ、有效光斑尺寸Wo,有效，以及非轴对称截面，其包含在截面的x方向上的最小瑞利范围ZRx,最小，以及在截面的y方向上的最小瑞利范围ZRy,最小，其中，ZRx,最小与ZRy,最小中的较小者大于其中FD是包含10或更大数值的无量纲的发散系数。在另一个实施方式中，一种加工方法包括将脉冲激光束定位在透明工件中，所述脉冲激光束在z方向上传输并且包含(i)波长λ；(ii)有效光斑尺寸Wo,有效；(iii)足以超过透明工件的损伤阈值的脉冲能和脉冲持续时间；(iv)第一部分和第二部分，所述第一部分相对于第二部分不相干；和(v)非轴对称光束截面，其在x方向上具有最小瑞利范围ZRx,最小，并且在y方向上具有最小瑞利范围ZRy,最小。此外，ZRx,最小与ZRy,最小中的较小者大于其中FD是包含10或更大数值的无量纲的发散系数。该公开还包括以下条款：1、一种用于对透明工件(例如玻璃基材)进行激光加工的方法，所述方法包括：提供透明工件，将激光束引导到工件上，由此在透明工件中形成轮廓线，透明工件可沿着该轮廓线分离，其中，所述激光束是由激光束源发射的脉冲激光束，其中，将脉冲激光束定位在透明工件中，所述脉冲激光束在z方向上沿着光束路径传输，所述脉冲激光束具有：波长λ；非轴对称光束截面；最大光束强度；有效光斑尺寸Wo,有效，所述有效光斑尺寸定义为在从光束传输路径出发的任意方向z上，光束强度下降到最大光束强度的1/e2处的最短径向距离；足以超过透明工件的损伤阈值的脉冲能和脉冲持续时间，由此在透明工件中形成轮廓线，所述轮廓线包含透明工件中的缺陷；其中，非轴对称光束截面在x方向上具有最小瑞利范围ZRx,最小，并且在y方向上具有最小瑞利范围ZRy,最小，其中，ZRx,最小与ZRy,最小中的较小者大于其中FD是具有10或更大数值的无量纲的发散系数，并且其中，在x和y方向上的最小瑞利范围中的较小者是光束的光学强度衰减到最大光束强度的一半处的沿着光束路径的距离。2、根据条款1所述的方法，其中，所述激光束具有足以超过透明工件的损伤阈值的脉冲能和脉冲持续时间，以由此形成轮廓线，所述轮廓线包含透明工件中的缺陷，优选地，所述方法还包括：使透明工件和脉冲激光束沿着轮廓线相对于彼此平移，由此激光在透明工件中形成沿着轮廓线的多个缺陷。3、如条款1或2所述的加工方法，其中，所述非轴对称光束截面具有最大光斑尺寸参数Wo,最大、最小光斑尺寸参数Wo,最小，以及纵横比并且所述纵横比大于1.1、1.3或2.0，或者在1.2至15.0的范围内，在1.5至3.0的范围内。4、根据前述条款中任一项所述的方法，其中，所述激光束包含第一部分和第二部分，所述第一部分相对于所述第二部分不相干。5、根据前述条款中任一项所述的方法，其中，激光束被引导通过非球面光学元件，以使激光束在透明工件中产生诱导吸收，优选地，其中，所述非球面光学元件在径向方向上偏离光束路径定位。6、如条款5所述的方法，其中：所述非球面光学元件在径向方向上偏离光束路径偏离距离；并且所述偏离距离是在脉冲激光束与非球面光学元件之间的接触位置处脉冲激光束的截面直径约10％至约75％的的距离。7、如前述条款2-20中任一项所述的方法，其中，无量纲的发散系数FD包含约10至约2000的数值，优选地，其中，无量纲的发散系数FD包含约50至约1500的数值，更优选地，其中，无量纲的发散系数FD包含约100至约1000的数值。8、如前述条款3-22中任一项所述的方法，其中，所述缺陷包含中心缺陷区域和至少一个径向臂，所述至少一个径向臂沿着被引导到透明工件中的脉冲激光束的非轴对称光束截面的长轴从中心缺陷区域向外延伸。9、根据前述条款中任一项所述的方法，其还包括：使用定位在光束源与透明工件之间的消相干光学元件使激光束的第一光束部分与激光束的第二光束部分消相干，优选地，其中，所述消相干光学元件定位在非球面本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于对透明工件进行激光加工的方法，所述方法包括：在透明工件中形成轮廓线，所述轮廓线包含透明工件中的缺陷，其中，形成轮廓线包括：引导脉冲激光束，该脉冲激光束沿着光束路径取向并且由光束源输出，通过在径向方向上偏离光束路径定位的非球面光学元件，并且进入到透明工件中，使得被引导到透明工件中的脉冲激光束的部分在透明工件中产生诱导吸收，所述诱导吸收在透明工件中产生缺陷，并且被引导到透明工件中的脉冲激光束的部分包括：波长λ；有效光斑尺寸Wo,有效；和非轴对称光束截面，其包含在截面的x方向上的最小瑞利范围ZRx,最小，以及在截面的y方向上的最小瑞利范围ZRy,最小，其中，ZRx,最小与ZRy,最小中的较小者大于

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.09.30 US 62/402,3371.一种用于对透明工件进行激光加工的方法，所述方法包括：在透明工件中形成轮廓线，所述轮廓线包含透明工件中的缺陷，其中，形成轮廓线包括：引导脉冲激光束，该脉冲激光束沿着光束路径取向并且由光束源输出，通过在径向方向上偏离光束路径定位的非球面光学元件，并且进入到透明工件中，使得被引导到透明工件中的脉冲激光束的部分在透明工件中产生诱导吸收，所述诱导吸收在透明工件中产生缺陷，并且被引导到透明工件中的脉冲激光束的部分包括：波长λ；有效光斑尺寸Wo,有效；和非轴对称光束截面，其包含在截面的x方向上的最小瑞利范围ZRx,最小，以及在截面的y方向上的最小瑞利范围ZRy,最小，其中，ZRx,最小与ZRy,最小中的较小者大于其中FD是包含10或更大数值的无量纲的发散系数。2.如权利要求1所述的方法，其还包括：使透明工件和脉冲激光束沿着轮廓线相对于彼此平移，由此，激光沿着轮廓线在透明工件中形成多个缺陷。3.如权利要求2所述的方法，其还包括：沿着轮廓线或在轮廓线附近，将红外激光束引导到透明工件上，以沿着轮廓线分离透明工件。4.如权利要求1所述的方法，其中，非球面光学元件包含折射轴棱锥、反射轴棱锥、逆向反射锥面镜对、负轴棱锥、空间光调制器、衍射光学器件或立方体形状的光学元件。5.如权利要求1所述的方法，其中：所述非球面光学元件在径向方向上偏离光束路径偏离距离；并且所述偏离距离是在脉冲激光束与非球面光学元件之间的接触位置处脉冲激光束的截面直径的约10％至约75％的距离。6.如权利要求1所述的方法，其中，所述无量纲的发散系数FD包含约50至约1500的数值。7.如权利要求1所述的方法，其中，引导到透明工件中的脉冲激光束的部分的非轴对称光束截面包含具有光斑尺寸参数Wo,最大的长轴和具有光斑尺寸参数Wo,最小的短轴，其中Wo,最大比Wo,最小长，并且纵横比Wo,最大比Wo,最小大于1.3。8.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括：使道威棱镜围绕光束路径旋转，其中，所述道威棱镜沿着光束路径定位在非球面光学元件与透明工件之间，以使脉冲激光束通过道威棱镜；以及使透明工件和脉冲激光束沿着轮廓线相对于彼此平移，由此，激光沿着轮廓线在透明工件中形成多个缺陷，以使一部分轮廓线包含沿着透明工件的成像表面的曲率。9.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括：使非球面光学元件围绕光束路径旋转；以及使透明工件和脉冲激光束沿着轮廓线相对于彼此平移，由此，激光沿着轮廓线在透明工件中形成多个缺陷，以使一部分轮廓线包含沿着透明工件的成像表面的曲率。10.如权利要求1所述的方法，其中，所述光束源包含产生脉冲串的脉冲光束源，所述脉冲串具有约1个脉冲/脉冲串至约30个脉冲/脉冲串，并且脉冲串能量为约100μJ/脉冲串至约600μJ/脉冲串。11.一种用于对透明工件进行激光加工的方法，所述方法包括：在透明工件中形成轮廓线，所述轮廓线包含透明工件中的缺陷，其中，形成轮廓线包括：引导脉冲激光束，该脉冲激光束沿着光束路径取向并且由光束源输出，通过非球面光学元件以及超过挡光元件，并且进入到透明工件中，使得被引导到透明工件中的脉冲激光束的部分在透明工件中产生诱导吸收，其中所述非球面光学元件和挡光元件各自定位在光束源与透明工件之间，所述诱导吸收在透明工件中产生缺陷，并且引导到透明工件中的脉冲激光束的部分包括：波长λ；有效光斑尺寸Wo,有效；和非轴对称截面，其包含在截面的x方向上的最小瑞利范围ZRx,最小，以及在截面的y方向上的最小瑞利范围ZRy,最小，其中，ZRx,最小与ZRy,最小中的较小者大于其中FD是包含10或更大数值的无量纲的发散系数。12.如权利要求11所述的方法，所述方法还包括：使透明工件和脉冲激光束沿着轮廓线相对于彼此平移，由此，激光沿着轮廓线在透明工件中形成多个缺陷。13.如权利要求11所述的方法，其中，非球面光学元件在径向方向上偏离光束路径定位。14.如权利要求11所述的方法，其中，挡光元件定位在非球面光学元件与透明工件之间。15.如权利要求11所述的方法，其中，挡光元件定位在光...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·K·阿卡拉普，G·A·皮切，S·楚达，J·A·韦斯特，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US