用于切割叠层结构的系统和方法
【专利说明】用于切割叠层结构的系统和方法
[0001 ] 根据35U.S.C.119，本申请要求2014年7月14日提出的美国临时申请N0.62/024，035的优先权的权益，其全部内容在此被引入作为参考。
【背景技术】
[0002]将多层材料粘合在一起形成叠层结构从而提供一种更加坚固的产品并具有比类似的非叠层产品更加改进的功能。制作者可以在不同层使用一定数量的不同材料来设计叠层结构的光学、机械、热和电性能。例如，各种材料，如玻璃、陶瓷、PTFE、聚合物、薄膜晶体管、电极材料、蓝宝石等可以用来形成单独的片层。如下所述，单独片层可以添加或者浸渍其它材料从而增强该层的材料性能。一旦单独片层或多个片层被聚集在一起，就会在热、压力和/或粘合剂的共同作用下熔合形成复合结构。
[0003]玻璃叠层具有多种用途。例如，一层塑料材料可以设置在两层玻璃基板之间来形成汽车挡风玻璃。汽车挡风玻璃通常是将硬塑料薄膜放置在两层玻璃之间叠层制成。玻璃叠层通常用在家庭或楼房结构中。建筑玻璃叠层，例如，可被用于提供外部和内部窗户，内部隔断、或其它类型的透明建筑结构。必须记得建筑玻璃叠层和汽车玻璃叠层要设计得非常安全。因此，这些应用场合都使用强化和钢化的夹层玻璃。
[0004]钢化玻璃的一个例子是康宁公司生产的所谓大猩猩玻璃。(大猩猩玻璃是钢化玻璃的一个注册商标，其具有超硬特性)。在大猩猩玻璃的工艺中，玻璃材料被浸入熔融的碱性盐浴中，通过离子交换来生产碱性硅酸铝玻璃板。该合成玻璃板在玻璃表面具有残余压应力，其增加了玻璃的硬度。残余应力防止材料中裂纹的形成和传播。因此，此类玻璃非常适合用于建筑玻璃、汽车玻璃和其它叠层的应用。
[0005]除了可以抵抗破坏，钢化玻璃材料例如大猩猩玻璃还能被制成又轻又薄的玻璃片。因此，这类材料还可以用于电子装置，例如手机、便携媒体播放机、手提电脑显示器和电视机屏幕的护罩玻璃。蓝宝石是另一种可以用于上述目的的材料。(本领域技术人员可知，蓝宝石是氧化铝的一种晶体形式。)可以通过融合第一玻璃片和第二玻璃片，或者通过融合第一蓝宝石片和第二蓝宝石片来形成护罩玻璃，从而形成硬化和坚固的玻璃叠层结构。
[0006]另一种通常用于电子设备用途中的复合结构是显示玻璃。之所以命名为显示玻璃是因为它包括光学装置和电子学装置，用于将可视图像显示在电子设备屏幕上。一个显示玻璃结构的例子是薄膜晶体管(TFT)显示矩阵。通常，TFT显示矩阵包括两层非常纯净的玻璃以及夹于二者之间的一层扭曲向列型液晶。该液晶材料被设置在两层刚性透明塑料之间，该“三明治”可以包括用于结构稳定性的间隔元件。上层玻璃的下方可以包括一个彩色障板(mask)，其具有红、绿、和蓝(RGB)元素，为每个像素单元提供颜色。上层玻璃的上方可以覆盖一层偏光片材料。第二玻璃片的内部主要表面(即面对液晶材料的表面)通常包括电子器件-由水平和竖直命令行互联而成的TFT矩阵。这些TFT由透明半导体材料和电极组成，互联结构是由透明半导体材料例如氧化铟锡(ΙΤ0)构成。第二玻璃片的另一侧还可以包括一偏光层材料。因此，显示玻璃是一种更加复杂的结构，必须非常小心的进行加工。
[0007]玻璃基板还可用于支撑微机电系统(MEMS)装置和纳米机电系统(NEMS)装置。MEMS和NEMS装置可以包括微处理器、微传感器和/或微致动器元件。这些元件可用半导体和其它薄膜材料制造。因此，这些装置可以使用与制造电子装置相同或相似的半导体装置制备技术来制造。这些MEMS/NEMS基板经常布置在玻璃基板上且可以包括附加(如，绝缘)层来形成复合叠层结构。就像显示玻璃的应用，MEMS/NEMS装置非常敏感且很容易被震动或其它类似应力破坏。
[0008]以上列举的叠层装置不是穷举。本领域技术人员公知许多RF部件也可以通过叠层结构例如玻璃、陶瓷、PTFE材料、导电材料等制造。就像上述许多应用一样(例如，显示玻璃、MEMS/NEMS、护罩玻璃等)，这些装置用更大的包括许多单独部件的薄板来制造。因此，大的薄板必须被切割、分离和/或单片化来获得单独的叠层产品。
[0009]近年来，工艺开发中的精细微加工及其改进满足了用户对于减小领先设备的尺寸、重量和材料费用等方面的需求，其导致了触屏的平板显示、平板电脑、智能手机和电视等高技术工业的快速度增长，其中超快工业激光成为高精度应用领域的重要工具。
[0010]有许多使用机械方法来切割叠层结构的传统方法，例如切割刀片、等离子流等。由于许多叠层部件的敏感性，机械切割方法经常会导致损坏产品。因此，这些机械方法是不合适的并且浪费材料。此外，刀片切割方法导致产生大量的碎肩。因此，许多生产者使用激光切割技术来分离和单片化大的叠层板或产品。在传统激光切割工艺中，叠层工件的分离依赖于激光划片或者激光打孔，其伴随着机械力或热应力诱发的裂纹扩展而带来的分离。几乎所有的现有激光切割技术都表现出一个或多个缺陷，包括:
[0011 ] (1)由于与用于切割的长激光脉冲(纳秒级或更长)相关的大的热影响区(HAZ)的缘故，在载体上进行自由形状切割薄玻璃的能力受到限制，
[0012](2)由于冲击波的产生和无法控制的材料移除的缘故，热应力经常导致激光照射区附近的玻璃表面产生开裂，
[0013](3)在玻璃中产生子表面损伤，其在玻璃表面的下方延伸数百微米(或更多)，导致缺损部位，裂纹从此处开始扩展，和
[0014](4)难以控制切割深度(例如，几十微米以内)。
[0015]因此需要一种没有上述缺陷的用于切割叠层结构的系统和方法。
【发明内容】
[0016]本发明的目的是提供一种可以克服上述缺陷的用于切割叠层结构的系统和方法。本发明的系统和方法被设计为可以在载体上执行薄玻璃的自由形状切割，而不会受到与长激光脉冲相关的大的热影响区(HAZ)的限制。而且，本发明避免了由于冲击波的产生和无法控制的材料移除而经常导致激光照射区附近的玻璃表面产生开裂的热应力的产生。此外，本发明从基本上防止了玻璃中的子表面损伤的产生，其在玻璃表面的下方延伸数百微米(或更多)。因此，从基本上防止了不受控制的和随机的缺损部位，这些缺损部位通常导致破损的裂纹传播。本发明的系统和方法可以很容易的将每个单独的切割深度控制在几十微米以内。
[0017]一个实施例是用于加工叠层结构的系统，该叠层结构具有多个片层。该系统包括用于提供多个激光脉冲串发射的激光组件，每个激光脉冲串发射具有预定的激光特性。光学组件被耦合到该激光组件。该光学组件用于将每个激光脉冲串发射聚焦到预定焦线。该光学组件是可调的从而使得每个预定焦线以预定焦线参数为特征且相对于光学组件设置在预定的位置上。工件夹具用于夹持该叠层结构，该工件夹具或者光学组件用于提供在叠层结构和光学组件之间的相对运动。控制器被耦合到激光组件、光学组件或者工件夹具。该控制器被设计为可以动态选择预定激光特性和用于每个激光脉冲串发射的预定焦线参数，从而使得在叠层结构中的预定位置处形成了预定尺寸的缺陷。该控制器进一步被设计为可以选择相对运动从而使得多个激光脉冲串发射形成与叠层结构中的三维缺陷图案相对应的多个所述缺陷，每个所述缺陷基本上由诱发的吸收所生成。
[0018]另一个实施例包括一种方法，该方法包括提供具有多个片层的叠层结构的步骤，多个片层的第一部分在第一光波长处是透明的，多个片层的至少一个第二部分在至少一个第二光波长处是透明的。第一激光束和至少一个第二激光束被分别选择性地向着叠层结构引导，第一激光束以第一波长为特征，至少一个第二激光束以至少一个第二波长为特征。第一激光束被选择性地聚焦在多个第一预定焦线处，同时相对于第一激光束移动该叠层结构从而在第一部分中由诱发的吸收形成第一三维缺陷图案。至少一个第二激光束被选择性地聚焦在多个第二预定焦线处，同时相对于至少一个第二激光束移动该叠层结构从而在至少一个第二部分中由诱发的吸收形成至少一个第二三维缺陷图案。该第一三维缺陷图案和该至少一个第二三维缺陷图案在叠层结构中形成复合缺陷图案。
[0019]另一个实施例包括一种加工叠层结构的方法，该叠层结构包括多个片层。该方法包括提供一种系统，其包括用于提供多个激光脉冲串发射的激光组件，其中每个激光脉冲串发射都具有激光特性。该系统还包括耦合到激光组件的光学组件，该光学组件用于将每个激光脉冲串发射聚焦到预定焦线。该光学组件是可调整的，从而每个预定焦线以焦线参数为特征并相对于光学组件被设置在预定位置。为每个激光脉冲串发射选择该激光特性和焦线参数，从而在叠层结构内的预定位置处形成具有预定尺寸的缺陷。在叠层结构和光学组件之间实现相对运动，选择该相对运动使得多个激光脉冲发射形成与叠层结构内的多维缺陷图案相对应的多个所述缺陷，每个所述缺陷基本上由诱发的吸收所生成。
[0020]其余的特征和优点将在以下描述中详细说明，本领域技术人员能够根据说明或者实行此处描述的实施例而理解或认识一部分，包括下述详细说明、权利要求以及附图。
[0021 ]可以理解的是之前的总体说明和之后的详细说明都是仅仅是示例性的，目的是提供一种概述或者构架来理解权利要求的性质和特征。附图同样用来提供进一步理解，并被包含或构成说明书的一部分。附图展示了一个或多个实施例，与文字说明一起用来解释不同实施例的原理或者运作。
【附图说明】
[0022]图1是根据本发明一个实施例的用于切割叠层结构的系统的框图。
[0023]图2是根据本发明一个实施例的光学系统的截面图。
[0024]图3是根据本发明第二实施例的光学系统的截面图。
[0025]图4A-4B是根据本发明第三实施例的光学系统的截面图。
[0026]图5是根据本发明第四实施例的光学系统的截面图。
[0027]图6是用于图示本发明一个实施例的激光脉冲串发射框架结构的示意图。
[0028]图7是用于图示本发明一个实施例的切割叠层结构的方法的图。
[0029]图8A-8F是用于图示本发明另一实施例的切割叠层结构的系统和方法的详细示意图。
[0030]图9A-9C是用于图示图8A-8F的各个加工步骤的截面图。
[0031]图10是由本发明的系统和方法执行切割的各种类型的片层的截面图。
[0032]图11是由本发明的系统和方法执行切割的其它类型的片层的截面图。
[0033]图12是由本发明的系统和方法执行切割的某种玻璃片层的截面图。
[0034]图13A-13D包括由本发明的系统和方法执行切割的其它类型片层的各种图解视图。
[0035]图14A-14B包括由本发明的系统和方法执行切割的其它类型的三维玻璃片层的各种图解视图。
【具体实施方式】
[0036]现在为附图中显示的优选实施例和示例制定附图标记。在所有附图中，尽可能用相同附图标记来指示相同或相似的部件。图1示出了用于切割叠层结构的系统的一个实施例，其通过参考数字10来进行标记。
[0037]如此处描述和图1中所示，公开了根据本发明的用于切割叠层结构的系统10的框图。该系统10包括连