用于借助于激光辐射剥除脆硬材料的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于借助于激光辐射剥除、即例如切割、刻刮、钻孔脆硬材料的方法，其中通过剥除来在材料中形成剥除凹陷，所述剥除凹陷具有剥除凹陷的侧壁的侧壁角W，其中侧壁角w被定义成剥除凹陷的侧壁上的表面法线与材料的未被剥除的表面上的表面法线之间的角度。
【背景技术】
[0002]这样的方法尤其是应用于显示器技术，其中必须处理薄玻璃衬底、一种脆硬物料。恰好工业显示器技术占领着越来越大的市场空间，并且倾向于越来越轻的设备，并且因此还倾向于更薄的玻璃板以用于例如智能电话和平板计算机。
[0003]薄玻璃衬底在可以实现较厚玻璃的耐久性和机械稳定性时恰好提供针对显示器的优点。所述薄玻璃板几乎被用在全部平板显示器(FDP)中。
[0004]常规的用于加工这样的薄玻璃板的方法是用所定义的刀片进行铣削，或者基于向物料中有针对性引入的裂缝形成的机械作用(刻刮和折断)。在使用激光辐射情况下的多种公知方法变型同样所基于的是，利用刻刮和然后折断的原理的机械作用，其方式是，用激光辐射的作用代替刻刮，并且物料在激光辐射的作用以后被折断。常规机械加工(切割、钻孔)对于薄玻璃板而言与大的物料厚度相比显著更困难。也就是说，在机械刻刮的情况下引入微裂缝或者甚至拆出小部分、所谓的碎肩(Chip)，使得打磨或蚀刻作为后续加工工艺变得需要。
[0005]JP 2000 302 488A描述了一种用于借助于激光辐射或超声波加工在玻璃材料中生成具有复杂横截面形状的非常细的孔的方法。钻孔直径可以利用钻孔深度来调整；钻孔的该轮廓确定亦称尖细部。该方法利用激光钻孔和打磨的组合。在完成具有主要非圆柱形壁的钻孔以后，选择钻孔的包含所期望的尖细部的部分，并且材料的其余部分与钻孔的其余部分一起通过打磨被除去。
【发明内容】
[0006]本发明所基于的任务是，提供一种在使用激光辐射情况下的方法，利用该方法可以在同时无损地剥除/切割的情况下实现大的剥除速率和大的剥除深度，使得通过激光辐射的作用在剥除/切割时加工大的材料深度，并且在加工以后不将附加的应力或附加的裂缝引入到脆硬物料中。
[0007]该任务通过具有权利要求1的特征的方法来解决。对根据本发明的方法重要的是，小地调整激光辐射在剥除凹陷的入口处的射束半径，使得侧壁角w几乎达到90角度并且可实现的剥除深度至少为针对以下较大射束半径情况的2倍，在该较大射束半径的情况下侧壁角小于材料特定的极限角wmax。
[0008]在此，该极限角被定义为如下角度:该角度根据实验结果在激光辐射的多个脉冲以后出现并且超过该角度不能进行继续的剥除。
[0009]根据本发明，激光辐射的所使用的射束半径对于关于侧壁角w超过极限角wmax而言具有重大意义。与之相反，在现有技术中出发点是，所吸收的强度的变化对于侧壁角是重要的。通过选择射束半径，已经确定最大要实现的侧壁角、即极限角，该极限角于是还依赖于材料特性(例如吸收度)并且因此在此被称为“材料特定的极限角wmax”。
[0010]合适地小的射束半径的值可以通过如下方式来确定:渐渐地缩小射束半径，直到出现侧壁角w从小于或等于材料特定的极限角wmax的值w ( wmax到侧壁角w的接近90角度大的值的门限式变换。
[0011]应当注意，根据现有技术，利用激光辐射仅仅实现小的剥除深度。出现了与入射脉冲的数目不再有关的剥除深度。
[0012]根据本发明的方法所教导的是，对于激光辐射在剥除凹陷的入口处的足够小的射束半径，侧壁角w门限式地明显超过极限角wmax，并且可实现的剥除深度门限式地明显增加，并且侧壁角几乎具有90角度。
[0013]因此，该方法还教导，当激光辐射的射束半径被调整为足够小时，具有较小射束半径的侧壁角的弱增长门限式地变换为明显增长。因此，本领域技术人员以实验方式确定射束半径，利用该射束半径实现以下结果:出现所谓的钻孔停止、即极限角，在该极限角的情况下不进行继续的剥除。
[0014]典型的剥除凹陷具有底面和侧向的剥除侧壁。在利用激光辐射进行剥除的情况下，在剥除凹陷上的表面法线与材料的未被剥除的表面上的表面法线之间出现被称为侧壁角w的角度，该角度通常达到亦称极限角wmax的最大值wmax。即使通过作用多个脉冲或者通过多次经过材料的某位置，该侧壁角w也不能变得大于极限角wmax。极限角wmax可以以实验方式确定并且采取通常70度的材料特定值。根据目前的现有技术，剥除凹陷的更大深度仅能通过扩大剥除凹陷的宽度来实现。为此，例如可以并排布置彼此相继的经过的多个轨迹。在经过的情况下，轨迹通过激光光轴的偏移被移位。也可以扩大激光束的直径。
[0015]如前面提到的那样，在机械加工薄玻璃板时出现裂缝。但是这样的裂缝在利用激光辐射加工玻璃板时也能观察到。本发明人已经发现，这些裂缝表现为至少三种不同的表现形式:
第一类裂缝:损伤、裂缝形成/碎肩出现在物料的背侧。第一类裂缝在前侧一一激光辐射入射之处一一还未发生损伤并且也还未进行剥除时就已经出现。
[0016]第二类裂缝:裂缝或损伤--亦称尖状物--以入射边缘为出发点，该入射边缘是从工件的表面的未改变的部分到所形成的剥除凹陷的侧向剥除侧壁中的过渡部。
[0017]第二类的裂缝或损伤在一一与第三类裂缝相比一一大的深度上延伸到物料的体积中。这些以入射边缘为出发点的材料改变/损伤也可以在体积中变得可见或产生(其于是也被称为“细丝”;物理原因是克尔效应和自聚焦)或者甚至到达工件的背侧或背向激光辐射的表面。
[0018]第三类裂缝:精细的没那么深地侵入的裂缝的形成附加于第二类裂缝或第二类损伤一一沿着被剥除的表面(切割边缘)一一出现；其不限于接近入射边缘的区域，并且出现在激光辐射在剥除凹陷中入射到被剥除的表面(剥除侧壁)、即剥除侧壁上之处。第三类裂缝从被剥除的表面伸展到物料中。第三类裂缝与第一类裂缝相比以较少的深度侵入到物料中。剥除凹陷的粗糙表面与入射边缘相比具有拥有更小曲率半径的粗糙度。剥除凹陷的粗糙表面的聚焦作用与入射边缘的聚焦作用相比显著更强。
【附图说明】
[0019]本发明的另外的细节和特征从下面根据附图对实施例的描述中得出。在附图中: 图1示意性地示出了根据本发明的用于生成剥除凹陷的方法实施的模拟结果；
图2示意性地示出了玻璃中利用激光辐射生成的剥除凹陷的横截面；
图3示出了如图2中所示的剥除的被投影的强度、被吸收的强度和门限强度的图形；图4示意性地示出了图2的具有对第二类和第三类的不同裂缝形成/损伤的表征的剥除凹陷；
图5示出了模拟的剥除凹陷，其示出所形成的第二类和第三类裂缝的伸展；
图6示出了用于阐述具有粗糙剥除侧壁的剥除凹陷的产生的示意性简图；以及图7示出了通过入射激光辐射在剥除侧壁处的衍射而产生的衍射图案。
【具体实施方式】
[0020]在图2的图示中示意性地示出了 V形剥除凹陷1，该剥除凹陷I形成在具有厚度X的薄玻璃材料2中。该剥除凹陷I具有剥除侧壁3，该剥除侧壁3从材料的表面5处的入射边缘4出发。
[0021]两个矢量箭头首先说明了剥除凹陷上的用附图标记6表示的表面法线，并且其次说明了玻璃材料2的未被剥除的表面的表面法线7的方向。两个表面法线6和7之间的角度表示材料2中的剥除凹陷I的侧壁的侧壁角W。
[0022]如图3所示，前面提到的极限角wmax可以通过在材料中被吸收的强度的曲线I和剥除的门限强度的曲线2的交点来确定，如这在该图形中示出。如果被吸收的强度小于剥除的门限强度，则不再能够进行进一步的剥除:当剥除凹陷的侧壁在深度d相遇时，出现所谓的钻孔停止。当剥除凹陷的侧壁角w的最大值为小的并且因此剥除凹陷的侧壁在较小的深度d就已经相遇时，钻孔停止在小深度的情况下出现，这如图2所示。
[0023]在图3的图形中，被投影的强度由曲线8 (实线)来示出，被吸收的强度由曲线9(不连续的线)来示出，并且如图2中所示的剥除的门限强度由曲线10 (点划线)来示出。
[0024]通常，不能超过侧壁角w的极限角wmax或者切割边缘/剥除边缘的斜度。极限角wmax具有通常为70角度的材料特定的值，并且可以以实验方式来确定。
[0025]剥除凹陷的小直径在剥除凹陷的边缘处造成缩小的吸收并且