用于借助激光辐射剥除对激光辐射透明的脆硬材料的方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于借助于激光辐射剥除、比如钻孔、切割、刻刮对激光辐射透明的脆硬材料的方法以及装置，其中该材料在材料的上侧与下侧之间具有给定厚度的空间体积，并且该材料具有大于或等于该材料的厚度的所定义的光学侵入深度，其中激光辐射以激光辐射的轴与上侧的面法线之间的所定义的入射角入射，并且入射到材料的上侧上的激光辐射被称为初级激光辐射，其中初级激光辐射在材料的下侧处至少部分被反射，使得在材料的体积中通过反射生成次级激光辐射，其中通过吸收初级和次级激光辐射的相干叠加在材料的体积中生成电子密度，所述电子密度具有电子密度的对材料具有不同作用的至少两个等级，其中给电子密度的这些等级分配初级激光辐射的强度的材料特定的阈值，其方式是，由材料特性的改变和/或裂缝形式的机械损伤来表征初级激光辐射的强度的第一阈值的达到，并且由材料的以剥落和/或剥除形式的机械剥除来表征第二阈值的达到。
【背景技术】
[0002]这样的方法尤其是应用于显示器技术，其中必须加工薄玻璃衬底、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具有灵敏的触摸屏的设备，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，或者其基于向物料或材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/材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]对这样的如开头描述的用于剥除脆硬材料的方法以及装置的要求是实现大的剥除速率，而在材料中不出现损伤，使得通过该剥除进而在加工以后不将否则利用根据现有技术的方法可能出现的附加的应力或附加的裂缝弓丨入到材料中。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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材料的体积中。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。如果从被剥除的表面出发的第二类裂缝到达工件或材料的下侧或背向激光辐射的表面，则其一一在不注意的分析中一一常常不再与第一类裂缝相区分。
[0009]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材料中。第三类裂缝与第一类裂缝相比以较少的深度侵入到材料中。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。也就是说，可被分配给粗糙表面的局部粗糙度和小曲率半径的焦距与入射边缘的相比之下大曲率半径的焦距相比显著更小。
[0010]JP 2005 230 863A描述了用于借助于激光辐射加工透明材料的方法和装置。在激光辐射入射要加工的物料中时，应当避免反射，为此整个工件应当被浸入液体中。
[0011]在W0 2006 045 130A1中描述了用于分割玻璃板的方法和装置。要切割的材料利用反射玻璃板形状配合地来存放(hinterlegen)，以便实现或增强反射。由于要切割的玻璃和所使用的固体板的下侧的不同的表面粗糙度而产生气隙，使得尽管如此仍然出现显著的反射。
【发明内容】
[0012]本发明所基于的任务是，提供一种方法和一种装置，利用所述方法和所述装置避免了对激光辐射透明的脆硬材料的诸如切割、刻刮和钻孔之类的背侧损伤、即物料背侧上的损伤、裂缝形成和/或起肩、也就是说如前述的第一类裂缝。
[0013]该任务利用根据权利要求1所述的方法和根据权利要求6所述的装置来解决。
[0014]重要的是，为了加工脆硬材料，该脆硬材料在下侧形状配合地被另外的材料存放。在此，下侧是要加工的材料或物料的与激光辐射入射到的表面相对的面。
[0015]前述措施尤其适于利用超短脉冲激光辐射加工所谓的脆硬薄材料、例如玻璃，该材料亦称“宽带隙”材料。“宽带隙”材料由大于leV的价带和导带之间的带隙来表征。超短脉冲激光辐射是指具有小于500ps (皮秒)范围内的脉冲时长的激光辐射。对激光辐射透明的具有大于或等于材料厚度的所定义的光学侵入深度的材料的吸收具有与激光辐射的强度有关的两个物理上不同的区域，所述区域用术语“线性吸收”和“非线性吸收”来表示。特别重要的是材料中局部存在的激光辐射的强度为了达到材料中非线性吸收的阈值行为，其中该材料对小的强度是透明的或者对于激光辐射的吸收具有小的值，并且对于激光辐射的强度的较大的值一一高于改变/裂缝和剥落/剥除的至少两个阈值一一而变为高度吸收性的。
[0016]此外已经证实，时间脉冲形状强烈影响阈值的达到并且因此强烈影响材料中的吸收。合适时间脉冲形状的发现是研究的主题而不是现有技术。对于高斯形时间脉冲形状的特殊情况并且对于10ps脉冲时长(脉冲时长大于10ps (基于强度))而言，阈值的达到由激光辐射的强度的值来表征。对于小于10ps的脉冲时长(基于积分通量)而言，阈值的达到由激光辐射的积分通量的值(涉及面积的能量项)来表征。已经证实，利用根据本发明的措施如下地避免所加工材料的背侧损伤，即要加工的脆硬物料或材料由另外的材料形状配合地存放，即在与用来将激光辐射入射到要加工的材料中的侧相对的侧上。与此相反，当脆硬材料在背侧被空气包围时，可以观察到这样的背侧损伤。这些结果可以通过以下来解释:通过合适的另外的材料，在材料的背侧处不发生反射。当折射率和吸收率的光学特性的值与要剥除的脆硬材料的光学特性的值一致时，则材料适于避免背侧损伤。与之相比，例如在空气作为背侧材料的情况下发生激光辐射的反射。通过吸收直接入射的初级激光辐射和在背侧处被反射的次级激光辐射的相干叠加，在材料的体积中生成了电子密度。
[0017]能够有利的是，通过空间地结构化脆硬材料与该另外的材料之间的界面来调整该另外的材料的光学特性。这样的结构化例如可以通过如下方式进行:在材料的背侧上生成栅格形周期结构，使得不出现被反射的辐射并且仅仅出现从材料中衍射出的辐射。在这种情况下，背侧材料应被视为如下区域:在该区域中存在结构化的幅度，并且背侧材料应被视为材料和环境(例如空气)的周期性变换。要加工的材料的背侧的结构化尽管不能影响要加工的材料的体积中的光学特性，但是反射的程度一一表面的一种特性一一不仅依赖于体积中的材料的光学特性，而且依赖于表面本身的性质(即还依赖于其几何形状)；反射程度对界面的形状的该依赖性既证明了菲涅尔定律又证明了衍射理论。
[0018]作为另外的材料，既可以优选地使用液体，又可以使用固体板。
[0019]如果使用液体一一这是特别优选的一一，则可以为了加工将脆硬材料插入到相应液体池中，使得下侧与液体接触。作为液体适合的尤其是如例如在浸没式显微镜中所使用的浸油。如果作为另外的材料使用固体板，则应当使用由可伸展或可硬化-可伸展材料制成的板，其中对于所得到的折射率而言，材料类型依赖于该材料的诸如硬化之类的制造过程的结果。
[0020]如果使用液体，则液体的组成应当被调整为，使得折射率和吸收率的光学特性的值与要剥除的脆硬材料的光学特性的值恰好一致，使得根据是否应当避免损伤或剥除而不超过第一(损伤)或第二 (剥除)强度阈值。
[0021]同时，固体板