减轻低表面质量制造技术

公开了用于激光加工的方法和设备。方法包括提供对工件(212A，212B)透明的激光束(214)。提供了表面质量优于工件表面的盖(302)，该盖与工件表面(213B)间隔开。在盖(302)和工件表面(213B)之间提供了流体(306)并使流体与盖和工件表面接触。引导激光束(214)穿过盖(302)和流体(306)，并引导至工件(212A，212B)。设备包括盖(302)，该盖与工件表面(213B)间隔开并具有比工件表面(213B)更好的表面质量，用于在盖(302)和工件表面(213B)之间引入流体并使流体与盖和工件表面接触的流体分配器，以及引导激光束(214)穿过盖(302)和流体(306)到达工件(212A，212B)的激光系统。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】减轻低表面质量
本公开总体上涉及使用激光辐射加工材料。本专利技术尤其涉及对具有低表面质量的工件进行激光加工。
技术介绍
激光材料加工越来越多地用于对各种材料进行切割，钻孔，打标和划线，包括玻璃、陶瓷、硅和蓝宝石等脆性材料。传统的机械加工会产生不希望有的缺陷，例如微裂纹，当加工的脆性材料受到应力时微裂纹可能会传播，从而降解和削弱加工的脆性材料。使用聚焦的激光辐射束对脆性材料进行激光加工会产生精确的切口和孔，这些切口和孔具有高质量的边缘和壁，同时最大程度地减少了此类不希望有的缺陷的形成。科学研究和制造的进步正在导致对越来越多的脆性材料进行激光加工，同时要求提高激光加工的速度和精度。透明的脆性材料通过非线性吸收激光辐射，与脉冲激光辐射的聚焦光束相互作用。脉冲激光辐射可包括一系列单独的脉冲或脉冲的快速突发。每个单独的脉冲或脉冲突发都会在光束的焦点处在透明的脆性材料工件中产生缺陷。通过平移聚焦光束从工件上切下物品而沿着工件中的切割线产生一排缺陷。通常，该排缺陷只会削弱沿着切割线的材料。为了将物品与工件的其余部分完全分开，需要在切割线上施加应力的额外步骤。施加机械应力或热应力通常会导致沿切割线分离。已经使用具有被材料吸收的波长和相对较高的平均功率的激光束证明了精确和受控的分离。吸收的激光功率会在切割线上产生一个热梯度，从而导致裂纹在由脉冲激光辐射产生的离散缺陷之间传播，从而沿切割线形成连续的断口。例如，高度聚焦的超短激光脉冲束会在玻璃工件中产生自导的“细丝”。为了产生细丝，由于折射率的非线性成分，在材料中具有足够高强度的脉冲激光辐射的聚焦束变得进一步聚焦。非线性自聚焦和高强度激光束之间的正反馈会产生等离子体。等离子体内较低的折射率和/或等离子体对聚焦光束的散射会导致散焦。聚焦和散焦之间的平衡使细丝内的等离子体得以维持，该细丝在玻璃工件中传播，其直径远小于脉冲激光辐射聚焦束的衍射极限直径。这种细丝的传播会以空隙、微裂纹或其他材料变形的形式在工件上产生长而细的缺陷。通过沿切割线平移聚焦的超短脉冲激光束会产生一行缺陷。然后，通过沿切割线平移CO2激光束，可以使用波长约为10微米(μm)的二氧化碳(CO2)激光来分离玻璃。在美国专利第9,102,007号和美国专利第9,296,066号中描述了这样的激光切割工艺，各个专利与本申请共同拥有，并且出于各种目的通过引用将每个专利的完整公开内容并入本文。专利技术概述激光材料加工需要精确定位和严格控制的激光束焦点。材料属性中相对较小的差异(例如正常的材料不均匀性)可能会导致失去焦点控制。非平面材料表面可能会由于折射而使激光束散焦，从而降低预期焦点处的激光束强度。可以将光束强度降低到低于预期材料加工的阈值。本领域技术人员使用“表面质量”作为这些变化的量度。“表面质量”有两个贡献：小规模的表面结构，称为“表面粗糙度”或“表面光洁度”；大型结构，称为“表面不规则度”或“表面平整度”。具有高空间频率的小规模表面结构会导致光学损耗。通常，这些是散射损耗，这会降低激光束通过表面后到达加工位置的光功率。该“表面粗糙度”或“表面光洁度”可通过Ra(与表面平均平面的平均偏差)或RRMS(在规定表面积上的平均最大峰谷偏差)来量化。具有低空间频率的大规模表面结构会引起波前畸变。举例来说，这种波前畸变防止了透射过表面的聚焦激光束形成清晰的焦点。当表面接触另一个已知的平坦表面时，可以通过对单色测试光束的干涉条纹计数来量化该“表面不规则度”或“表面平整度”。因此，以测试束的波长λ的倍数来测量与理想平坦表面的偏差。当激光束被引导通过具有低表面质量的工件的表面从而导致失去聚焦控制时，现有的解决方案无法对工件进行激光加工。一方面，公开了用于对具有工件表面的工件进行激光加工的方法。该方法包括提供具有使工件透明的波长的激光束。提供盖，该盖与工件表面间隔开。盖具有位于工件表面近侧的表面和位于工件表面远侧的表面，其中该远侧表面的表面质量优于工件表面的表面质量。在近侧表面和工件表面之间提供流体并使流体与近侧表面和工件表面接触。激光束被引导穿过盖，穿过流体，并穿过工件表面。在一个方面，激光加工设备包括盖、流体分配器和激光系统。盖可以与工件表面间隔开，并且包括位于工件表面近侧的表面和位于工件表面远侧的表面。远侧表面的表面质量优于工件表面的表面质量。流体分配器构造成在近侧表面与工件表面之间引入流体并使流体与近侧表面和工件表面接触。激光系统被配置为将激光束引导穿过盖，穿过流体并且穿过工件表面，并且激光束具有使工件透明的波长。附图说明图1A是具有低表面质量的激光加工后的工件的照片。图1B是根据本专利技术实施方案的具有低表面质量的激光加工后的工件的照片。图2A是加工具有高表面质量的工件的激光设备的示意图。图2B是图2A的部分的放大示意图。图2C是加工具有低表面质量的工件的激光设备的示意图。图3是根据实施方案的加工具有低表面质量的工件的激光设备的示意图。图4是根据实施方案的加工具有低表面质量的工件的激光设备的示意图。图5是根据实施方案的加工具有低表面质量的工件的激光设备的示意图。图6是根据实施方案的加工具有低表面质量的工件的激光设备的示意图。图7是根据实施方案的激光加工方法。专利技术详述在此描述的方法和设备在激光系统和工件表面之间放置盖和流体，其中盖包括具有比工件表面的表面质量更好的表面质量的远侧表面。本文所述的实施方案减少了由于折射通过具有低表面质量的表面而引起的射线散射，从而增加了对激光束焦点在工件内部或外部的位置和大小的控制。当会聚的激光辐射束必须穿过表面质量较低的表面时，它们可以形成具有预期强度分布的焦点。在例如工件固有地包括低表面质量(例如，拉制玻璃或未抛光玻璃)，其他加工步骤降低了工件表面的表面质量(例如，半导体器件的微制造)以及在需要严格控制激光焦点的任何激光过程情况下，本文所述的方法和设备可能是有利的。在本文中，“焦点”是指紧密的焦点和细长的焦点，它们均用于激光材料加工中。通过聚焦光学器件可形成紧密的焦点，聚焦光学器件具有较短的焦距，从而使激光束的像差最小。可以通过故意引起激光束像差的聚焦光学器件来形成细长的焦点。举例来说，可以通过填充具有球差的聚焦透镜的透明光圈来产生细长的焦点。可替代地，非球面聚焦透镜可被配置为形成沿光轴具有均匀强度分布的细长焦点，如美国专利申请15/352,385(美国专利公开号2018/0133837)所述，该专利申请与本申请共同拥有。细长的焦点在激光切割方面具有优势，因为聚焦的激光辐射被分配以有利于产生延伸到工件整个厚度的长缺陷。现在转向附图，其中，相同的特征由相同的附图标记表示。图1A是具有低表面质量的表面102的工件的侧面剖视图的照片100。照片100描绘了激光加工和分离之后的切割边缘。图1A中的工件是康宁公司(Corning，Inc.)生产的拉制玻璃，商标名为Glass。测得的图1A中的玻璃的尺寸约为1.1mm厚(从顶部到底部，如照片10本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.对具有工件表面的工件进行激光加工的方法，该方法包括：/n提供激光束，其中所述激光束具有使工件透明的波长；/n提供与工件表面间隔开的盖，其中该盖具有位于所述工件表面近侧的表面和位于所述工件表面远侧的表面，并且其中所述盖的远侧表面的表面质量优于所述工件表面的表面质量；/n在所述盖的近侧表面与所述工件表面之间提供流体并使流体与所述盖的近侧表面与所述工件表面接触；以及/n引导所述激光束穿过所述盖，穿过所述流体，并且穿过所述工件表面。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180822 US 16/109,2461.对具有工件表面的工件进行激光加工的方法，该方法包括：
提供激光束，其中所述激光束具有使工件透明的波长；
提供与工件表面间隔开的盖，其中该盖具有位于所述工件表面近侧的表面和位于所述工件表面远侧的表面，并且其中所述盖的远侧表面的表面质量优于所述工件表面的表面质量；
在所述盖的近侧表面与所述工件表面之间提供流体并使流体与所述盖的近侧表面与所述工件表面接触；以及
引导所述激光束穿过所述盖，穿过所述流体，并且穿过所述工件表面。


2.根据权利要求1所述的方法，其中，引导激光束包括聚焦激光束并在工件中形成缺陷。


3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述流体的折射率与所述工件的折射率匹配。


4.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述流体的折射率在所述工件的折射率与所述盖的折射率之间。


5.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述盖的远侧表面具有比所述工件表面的表面粗糙度低的表面粗糙度。


6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述盖的远侧表面具有小于20埃的表面粗糙度。


7.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述盖的远侧表面具有比所述工件表面的表面不规则度小的表面不规则度。


8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述激光束具有波长λ，并且其中，所述盖的所述远侧表面的表面不规则度小于λ/4。


9.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述盖的近侧表面平行于所述工件表面。


10.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述激光束的光轴垂直入射到所述工件表面上。


11.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，所述激光束的光轴以非法线角入射到所述工件表面上。


12.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述盖的近侧表面和远侧表面是平行的。


13.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，所述盖的近侧表面和远侧表面相互倾斜。


14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述盖的近侧表面平行于所述工件表面，并且其中引导所述激光束包括使所述激光束聚焦以形成在所述工件中缺陷并且使所述缺陷倾斜于所述工件表面。


15.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述盖的远侧表面具有凸形形状。


16.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述盖由玻璃制成。


17.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述流体是油。


18.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述盖是箔，并且所述流体是粘合剂，所述粘合剂的折射率与所述工件的折射率匹配。


19.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，引导激光束包括将激光束聚焦在工件内部的位置处。


20.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，引导激光束还包括：引导激光束穿过工件的第二表面；以及将激光束聚焦在工件外部的位置。


21.根据任一前述权利要求所述的方法，还包括在相对于所述激光束移动所述工件的同时重复引导所述激光束，并且在所述盖的近侧表面与所述工件表面之间添加流体。


22.根据任一前述权利要求所述的方法，还包括在引导激光束之后去除流体。


23.激光加工设备，包括：
与工件表面间隔开的盖，所述盖具有位于所述工件表面近侧的表面和位于工件表...

【专利技术属性】
技术研发人员：U·埃佩尔特，L·穆勒尔斯，A·S·李，
申请(专利权)人：相干慕尼黑有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE