将分离线引入透明脆性破裂材料中的方法和设备及通过该方法生产的具有分离线的元件技术

本发明专利技术所基于的目的是制备一种用于分离过程的脆性破裂透明基板，并产生已制备的分离线，沿着该分离线可以分离元件而无需高的断开力，并且不会伴随有在所产生的边缘上生成贝壳状裂口的风险。为此，本发明专利技术提出了一种用于制备工件(2)的方法，该方法包括：提供工件(2)，该工件对脉冲激光束(4)的光是透明的；使用光学系统(6)将激光束(4)分成至少两个分光束(41、42)，并且将两个分光束(41、42)引导到工件(2)上以便相对于照射表面(21)的法线以不同的角度地入射在工件(2)上，并且两个分光束在工件(2)的内部叠加，分光束(41、42)相互干涉从而在工件(2)内部形成沿着分光束(41、42)的重叠区域(43)依次排列的一系列强度最大值(45)，并且其中强度最大值(45)处的强度足够高以改变工件(2)的材料，从而形成材料改变部(8)的链状周期性图案(9)；以及使工件(2)和分光束(41、42)相对于彼此移动，以产生沿着限定分离线(11)的路径的材料改变部(8)的多个链状周期性图案(9)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】将分离线引入透明脆性破裂材料中的方法和设备及通过该方法生产的具有分离线的元件
本专利技术总体上涉及通过沿着指定线分离工件来进行工件的材料加工。
技术介绍
为了沿着预期的线分离玻璃板，经常应用刻划和断开工艺。首先沿着线刻划玻璃，然后通过沿着该线施加弯曲载荷来断开玻璃。然而，这里存在的问题是，特别是在玻璃或玻璃面板相当厚的情况下，沿着线断开而产生的边缘表面可能不会沿着该线延伸且可能不会垂直于玻璃表面。WO2012/006736A2公开了一种使用一个或一组超短激光脉冲(脉冲长度短于100ps)通过利用自聚焦的非线性效应沿着基板的预期分离线产生间隔开的细线(Filamenten)来制备待分离的基板的方法。WO2017/009379A1描述了对该方法的进一步改进，其中产生了倾斜延伸至基板的表面的改变部。从EP2931467B1中已知将环境气氛作为进一步的工艺参数包括在内，以防止由于亚临界裂纹的增长而导致的过早自裂。此外，DE102015116848A1描述了通过使用透镜的球面像差来制造细线从而引入限定强度区，其中，超短脉冲激光的高斯光束被转换为强度沿着光轴分布不均匀的线聚焦部。尽管这些文献中描述的方法产生了在材料的厚度方向上具有较低断开应力的不等量的材料改变部，但是不利的是将材料改变部的长度限制为通常不大于约3mm。此外，不均匀的强度分布对玻璃面板的相对于线聚焦部的所需的高位置精度具有不利影响：即使玻璃面板的厚度比线聚焦部的长度小得多，面板和光学元件之间也必须保持大约50μm的间隔。r>EP2754524B1和DE102013223637A1描述了通过使用合适的光学元件(优选使用至少一个轴锥镜)生成贝塞尔-高斯光束(即，将高斯光束转换为具有高斯包络的贝塞尔光束)来产生细线的方法。以这种方式产生的材料改变部沿着光轴大致均匀地分布，因此与上述方法相比需要明显更高的断开应力。这些明显更高的断开应力具有不利的影响，这是因为，尽管所产生的改变部具有明显更长的长度(达至15mm到20mm)，但由于发生了亚临界裂纹的增长，因此沿着预穿孔线进行的后续分离过程通常不会成功。从WO2018/011618A1、DE102014116957A1、US2018/0005922A1以及来自JuozasDudutis等人的文章“Modificationofglassusinganaxicongeneratednon-symmetricalBessel-Gaussianbeam(使用轴锥镜生成的非对称贝塞尔-高斯光束对玻璃进行改变)”(Proc.SPIE(国际光学工程学会公议记录)10091，《微电子和光电制造中的激光应用》，2017年2月20日)中还已知了使用轴锥镜来生成贝塞尔式环形光束。从一般的现有技术中还已知用于同时生成多个聚焦部的光学系统，该光学系统由透镜与衍射光学元件(DOE)的组合组成。这种设置的缺点在于，聚焦部的数量被限制在几个数量级，它们的相互间隔不是恒定的而且对于此处追寻的目的而言明显太大(通常>100μm)。
技术实现思路
鉴于上述分离方法，本专利技术基于以下目的：用于制备一种用于分离过程的大厚度的脆性破裂透明基板，并用于产生已制备的分离线，沿着该分离线可以分离基板而无需高的折断力，并且不会伴随有在如此产生的边缘上生成贝壳状裂口的风险。该目的通过独立权利要求的主题来实现，在从属权利要求中示出了有利的实施例和改进方案。本专利技术的关键构思是通过使用超短脉冲激光引入的光学材料改变部来为后续的分离过程做准备，以适当的光束成形方式使得所生成的材料改变部允许以受控的方式并且以较低的断开应力σB进行断开。该分离过程可以比根据本专利技术的材料改变过程晚得多。一旦已经引入了特殊图案的材料改变部，本专利技术允许容易地断开甚至较厚的玻璃或玻璃陶瓷元件。这样的图案可以这样来实现：将超短脉冲激光的激光束分成两个分光束，使该两个分光束在待处理的元件的内部的相互作用区域中相互干涉，从而产生沿着照射方向(即，从元件表面上的分离线发出并延伸到元件的内部)有规律地间隔开的强度最大值。确定激光的强度，使得在强度最大值处出现材料改变部，但是优选在强度最大值之间的最小值处或较弱的强度处不发生材料改变。最大值之间的距离由激光的波长确定并且因此是规则的。因此，本专利技术由此提供了一种用于制备待分离或断开的工件的方法，该方法包括：提供工件，该工件优选地由脆性硬质材料制成，且该工件对脉冲激光束的光是透明的；使用光学系统将激光束分成至少两个分光束，并且将两个分光束引导到工件上以便相对于照射表面的法线以不同的角度入射在工件上，并且以便在工件的内部叠加从而使得分光束相互干涉以在工件的内部形成沿着分光束的重叠区域依次排列的一系列强度最大值，并且其中在强度最大值处的强度足够高以改变工件的材料，从而形成材料改变部的链状周期性图案；以及使工件和分光束相对于彼此移动，从而沿着限定分离线的路径产生材料改变部的多个链状周期性图案。用于执行制备待分离的工件的方法的相应的设备因此包括：-激光器，该激光器用于生成脉冲激光束；-光学系统，该光学系统用于将所述激光束分成至少两个分光束并将这些分光束引导到待被加工的工件上；和-定位装置，该定位装置用于将工件和激光束相对于彼此放置和对准，以使得两个分光束相对于照射表面的法线以不同的角度地入射在工件上，并且两个分光束在工件的内部叠加以使得分光束相互干涉从而在工件的内部形成沿着分光束的重叠区域依次排列的一系列强度最大值，其中激光器能够操作以生成能量足够高的脉冲，使得激光脉冲的脉冲能量足以改变工件的材料，从而产生材料改变部的链状周期性图案；并且其中-定位装置适于使激光束及其两个分光束以及工件相对于彼此移动，从而沿着限定分离线的路径生成材料改变部的多个链状周期性图案。用于执行根据本专利技术的方法的设备的中心元件是光学系统，该光学系统用于将入射的激光束分成两个分光束。优选地，所谓的轴锥镜用于该光学系统。轴锥镜是将入射的“平行”光束转换成环形光束(将平面波转换成围绕光轴同心布置的环形强度分布)的锥形透镜。沿着光轴获得线性强度分布，而不是焦点(Fokuspunktes)。轴锥镜产生的光束波形(Strahlprofil)是局部受限制的贝塞尔状光束，该局部受限制的贝塞尔状光束是由沿着光轴的干涉而产生的。在本专利技术中，使局部受限的贝塞尔状光束与另一分光束发生干涉。在示例性实施例中，该另一分光束通常是沿着光轴传播的中心光束。在最简单的实施例中，使用了截头轴锥镜，即，其具有中心面不是锥尖端，并且其使得入射的激光束被分成环形的第一分光束和沿着光轴在中心传播的中心光束，在下文中将其称为第二分光束。这两个分光束在沿着光轴的细长区中发生干涉。在这些细长的干涉区的强度最大值处产生了待加工材料的期望改变部。干涉区的位置和间隔可以特别地通过选择所使用的轴锥镜的特定形状来改变。因此，根据本专利技术的设备的各种实施例在用于光学系统的轴锥镜的具体实施例中是不同的。在第一实施例中，光学系统包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于制备待分离的工件(2)的方法，包括：/n-提供工件(2)，该工件(2)对脉冲激光束(4)的光是透明的；/n-使用光学系统(6)将所述激光束(4)分成至少两个分光束(41、42)，并且将两个分光束(41、42)引导到所述工件(2)上，以便相对于照射表面(21)的法线以不同的角度入射在所述工件(2)上并且以便在所述工件(2)的内部叠加，从而使得所述分光束(41、42)相互干涉以在所述工件(2)的内部形成沿着所述分光束(41、42)的重叠区域(43)依次排列的一系列强度最大值(45)，并且其中在所述强度最大值(45)处的强度足够高以改变所述工件(2)的材料，从而形成材料改变部(8)的链状周期性图案(9)；以及/n-使所述工件(2)和所述分光束(41、42)相对于彼此移动，从而沿着限定分离线(11)的路径产生材料改变部(8)的多个链状周期性图案(9)。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180215 DE 102018103456.3;20181023 DE 102018126381.一种用于制备待分离的工件(2)的方法，包括：
-提供工件(2)，该工件(2)对脉冲激光束(4)的光是透明的；
-使用光学系统(6)将所述激光束(4)分成至少两个分光束(41、42)，并且将两个分光束(41、42)引导到所述工件(2)上，以便相对于照射表面(21)的法线以不同的角度入射在所述工件(2)上并且以便在所述工件(2)的内部叠加，从而使得所述分光束(41、42)相互干涉以在所述工件(2)的内部形成沿着所述分光束(41、42)的重叠区域(43)依次排列的一系列强度最大值(45)，并且其中在所述强度最大值(45)处的强度足够高以改变所述工件(2)的材料，从而形成材料改变部(8)的链状周期性图案(9)；以及
-使所述工件(2)和所述分光束(41、42)相对于彼此移动，从而沿着限定分离线(11)的路径产生材料改变部(8)的多个链状周期性图案(9)。


2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述分光束中的一个分光束(41)是使用轴锥镜生成的贝塞尔光束，并且其中第二个分光束(42)在第一个分光束形成线聚焦部的区域中与第一个分光束叠加。


3.根据权利要求1或2所述的方法，包括以下步骤中的至少一个：
-将所述第二个分光束(42)成形为高斯光束的形式；
-分开激光以使得两个分光束(41、42)的强度相差不超过5倍、优选相差不超过3倍。


4.一种用于执行制备待分离的工件(2)的方法的设备，所述设备包括：
-激光器(3)，该激光器(3)用于生成脉冲激光束(4)；
-光学系统(6)，该光学系统(6)用于将所述激光束(4)分成至少两个分光束并将这些分光束引导到待加工的工件(2)上；和
-定位装置(13)，该定位装置(13)用于将所述工件(2)和所述激光束(4)相对于彼此放置和对准，以使得两个分光束(41、42)相对于照射表面(21)的法线以不同的角度入射在所述工件(2)上并且两个分光束(41、42)在所述工件(2)的内部叠加，并且使得所述分光束(41、42)相互干涉从而在所述工件(2)的内部形成沿着所述分光束(41、42)的重叠区域(43)依次排列的一系列强度最大值(45)；其中
-所述激光器(3)能够操作以生成能量足够高的脉冲，使得激光脉冲的脉冲能量足以改变所述工件(2)的材料，从而产生材料改变部(8)的链状周期性图案(9)；并且其中
-所述定位装置(13)适于使所述激光束(4)及其分光束以及所述工件(2)相对于彼此移动，从而沿着限定分离线(11)的路径生成材料改变部(8)的多个链状周期性图案(9)。


5.根据权利要求4所述的设备，包括以下特征中的至少一个：
-所述光学系统(6)包括平凸轴锥镜(91)，所述平凸轴锥镜(91)的平面侧(95)面向入射的激光束，并且所述平凸轴锥镜(91)的凸面侧(96)具有截头锥的形状；
-所述光学系统(6)包括平凸轴锥镜(91)，所述平凸轴锥镜(91)的凸面侧(96)面向入射的激光束并具有截头锥的形状。


6.根据权利要求4所述的设备，其中，所述光学系统(6)适于分开激光以使得两个分光束(41、42)的强度相差不超过100倍、优选相差不超过50倍。


7.根据权利要求4所述的设备，其中，所述光学系统(6)包括平凸轴锥镜(92)，在所述平凸轴锥镜(92)的平面侧(100)上居中地布置有玻璃锥(98)，并且所述平凸轴锥镜(92)的凸面侧(99)为锥形形状。


8.根据权利要求4所述的设备，其中，所述光学系统(6)包括凹凸轴锥镜(93)，所述凹凸轴锥镜(93)的凸面侧(101)具有截头锥的形状，所述凹凸轴锥镜(93)的凹面侧(102)具有截头锥的轮廓，并且所述凹凸轴锥镜(93)设置有用于引导激光穿过该凹凸轴锥镜的中心开口(...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·奥特纳，C·库尼施，FT·雷特斯，J·U·托马斯，K·纳特曼，M·克鲁格，
申请(专利权)人：肖特股份有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE