专利名称：激光切割方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种激光切割方法与装置，尤其是涉及ー种由加工件底部上升至顶部加工形成连续改质界面，对被加工物进行非破坏性加工，适用于非直线形激光切割，并且可以有效降低激光切割加工时间的激光切割方法与装置。
背景技术：
传统玻璃切割采用轮刀切割，但是针对各产业急速发展，尤其针对触控面板相关产业而言，对于玻璃強度的要求越来越高，而这也造成传统轮刀玻璃切割面临困难，例如康宁(Gorilla glass)所生产的强化玻璃強度太强(> 120Kgf@l. 1mm)，比一般強化玻璃(例如Soda Lime強化玻璃)大六倍，当使用传统轮刀进行强化玻璃切割吋，会有轮刀磨损过严重的问题，因此急需寻找其他替代方案。由于激光玻璃切割属于非接触式切割方法，不会有轮刀磨损的问题，能解决传统轮刀磨损过严重的问题，近年来逐渐被广泛应用于高强度玻璃切割。目前一般业界常见的激光切割方法为使用C02激光切割玻璃，但是其切割方式大部分仅能进行直线加工裂片，而难以对玻璃加工出非直线形图案，例如，圆形、弧形或不规则任意曲线组合。此外，使用短脉冲激光，虽然可以直接对玻璃进行破坏性加工，而直接加工出非直线形图案，但却面临到所耗费时间太久的问题。针对已知专利而言，如中国台湾专利公告1270431「激光加工方法」，其提供ー种切断加工物的方法，其技术特征在于聚焦于加工物的内部，通过改变加工区的材料特性，使折射率改变，使加工物容易切断，并可防止切断时产生碎屑，但是由于该案聚焦于加工物的内部，因此适用于直线切割，难以进行圆形、弧形或不规则任意曲线组合的非直线形切割。其次，如美国专利7605344「Laser beam machining method, laser beammachining apparatus,and laser beam machining product」，其提供一种激光光线カロエ方法，利用多光子吸收，直接在加工物内部进行破坏性加工而产生空洞，因而更容易切断目标物，其技术特征在于利用多光子吸收(mult1-photo absorption),在加工物内部形成微小空洞(cavity),其加工区融熔再固化(melted和re-solidified),使其状态改变或结晶结构改变(单晶化、多晶化、amorphous),其光斑间距(pitch)为I 7um,但是该案所提供的加工方法，必须采用超短脉冲激光，激光光源成本昂贵。其次，如中国专利CN101663125「镭射加工方法及切割方法以及具有多层基板的结构体的分割方法」，其ー边形成空洞一边扫描镭射时，由于形成加工面，因而其后可以以较小的弯曲应カ切割加工物。该案所提供的方法适用于两块基板面对面配置的情况，可用于液晶面板的玻璃基板分割，其技术特征在于对于加工物为透明波长的超短脉冲激光(< 1OOps)进行聚光，从表面向加工物的背面照射，于加工物底部进行破坏性加工而产生孔洞，使聚光后的激光光线腰位置与加工物的背面间隔开。该通道内的物质被镭射分解并从加工物的背面排出，从而在上述通道中形成空洞。但是该案所提供的加工方法，必须采用超短脉冲激光，激光光源成本昂贵，且耗费的加工时间长。
其他如中国台湾专利公告1250060「利用激光的加工对象物切断方法、预定切断线形成方法及预定切断线形成装置」、日本专利JP2007130675「Laser scribing method」、日本专利 JP2009190069「Machining method and device for transparent substrate bylaser」、中国台湾专利公告1330170「加工脆硬材料的方法」，都提出激光切割相关技术。针对已公开文献，如刊物「Proc. of SPIEJ于2000年10月25日公开文献「Lasercutting of glass」(作者 Christoph Hermanns)，其中第 219 226 页揭露，其使用 C02 激光切割玻璃，井指出当激光切割深度< IOOum时(Micro crack)，搭配冷却后所造成的应カ变化进行裂片，可达到很快的切割速度，并有较佳的边缘品质。然而，利用全切的方式(Fullbody crack)虽然不用裂片，但需耗费较长加工时间，并且产生较大的裂纹，品质很差。其次，如干1j物「JournalOf Laser Applications」于 2008 年 10 月 10 日公开文献I I'nermal stress analysis on laser scribing ot glass」(作者Koji Yamamoto,NoboruHasaka and Hideki Morita and Etsuji Ohmura)，其中第 193 200 页揭露利用 C02 激光光源照射产生热应力，并搭配冷却水喷射，进行裂片切割，并分析激光光源与冷却源距离不同，所造成裂纹边缘的改变。其次，如干1j物「Opticsand Lasers in Engineering」于 2OO9 年 O3 月 25 日公开又献「Cutting glass substrates with dual-laser beams」、作者 Junke Jiao andXinbing Wang)，其中第860 864页揭露以低功率密度的离焦C02激光照射玻璃材料，不会使玻璃融化或蒸发，但可以产生急速升降的热应力。并利用聚焦C02激光由产生热应カ变化的地方，使玻璃随着激光划过地方产生裂纹。其次，如刊物「机械エ业杂志」于2009年02月13日公开文献「PD玻璃基板激光切割技术概況」(作者林于中、蔡伟仑)，其中第43 55页揭露比较十几家公司不同激光切割玻璃技术，可看出目前大部分激光玻璃切割技木，仍然以C02激光(短脉冲激光成本较高)搭配预刻裂痕及冷却系统，进行裂片切割为主，有速度快及断面平整等优点。综合上述现有专 利及公开文献可知，激光切割技术虽然已被应用于不同技术产业，但由于绝大部分激光切割方法及架构都是采用C02激光，需搭配预刻裂痕，难以应用在非直线加工，而若是对被加工物进行破坏性加工，所耗费的时间相对较久。另外激光光线聚焦于被加工物内部时，会导致难以进行圆形、弧形或不规则任意曲线组合的非直线形切割，部分现有专利虽然可将聚焦位置设定于加工件底面，但仍是以全切方式由加工件的顶面向下加工至加工件底面，仍属于破坏性加工。此外，少部分激光切割虽然使用短脉冲激光，可以进行非直线形切割，但是仍属于破坏性加工，而且极为耗时，例如，以5W UV激光切割厚度为0. 7mm的玻璃，加工长度为50mm吋，必须以100mm/S的速度加工四百次，才能将玻璃切断，其耗费的加工时间至少需要二百秒。因此，如何能有一种适用于非直线形激光切割，并且可以有效降低激光切割加工时间的方法与架构，是激光切割相关技术领域人士急需要解决的重要课题。
发明内容
有鉴于现有技术的缺失，本发明的目的在于提出一种激光切割方法与装置，其由加工件底部上升至顶部加工形成连续改质界面，对被加工物进行非破坏性加工，适用于非直线形激光切割，并且可以有效降低激光切割加工时间。
为达到上述目的，本发明提出一种激光切割方法，用以切割一加工件，该加工件具有相対的一底面与ー顶面，于该底面与该顶面之间平行ー轴向形成该加工件的厚度，该激光切割方法包含由ー激光光源发出ー激光光线射向该加工件；由一透镜将该激光光线聚焦于该加工件的该底面；由该激光光线于该加工件的该底面形成一第一改质轨迹；平行于该轴向至少改变一次该激光光线的照射位置，使该激光光线于该加工件形成至少ー变焦聚焦点，该至少一变焦聚焦点的投影位置落于该第一改质轨迹；以及由该激光光线以该至少ー变焦聚焦点为基准，于该加工件形成一至少ー变焦改质轨迹，该变焦改质轨迹的投影位置与该第一改质轨迹重叠，于该第一改质轨迹与该变焦改质轨迹之间的该加工件形成ー连续改质界面。为达到上述目的，本发明更提出一种激光切割装置，其包含ー激光光源，用以发出ー激光光线；一透镜；以及—双焦点光路系统，设置于该激光光源与该透镜之间，该双焦点光路系统包括一分光镜，提供该激光光源所发出的激光光线射入，并将该激光光线分光为ー第一激光光线以及一第二激光光线；一调控发散角镜组，提供该第一激光光线射入，并改变该第一激光光线的发散角度；一合光镜，用以将经由该调控发散角镜组改变发散角度的该第一激光光线，以及该第二激光光线整合为一道激光光线后，再射向一加工件的顶面。为使贵审查委员对于本发明的结构目的和功效有更进ー步的了解与认同，兹配合图示详细说明如后。
图1是用以执行本发明的激光切割方法的一激光切割装置的架构示意图；图2是本发明的激光切割方法的流程图；图3是本发明的激光切割方法于加工件形成不同改质轨迹的示意图；图4是加工件由连续改质界面断裂的示意图；图5及图6是用以执行本发明的激光切割方法的不同激光切割装置的架构示意图；图7至图10是本发明的激光切割方法于加工件形成多个焦点位置所搭配的不同装置实施例的架构示意图。主要元件符号说明10、50、60、70、80、90-激光切割装置11、51、61、71、81、91_ 激光光源12、62-折射镜13、53、63、73、93A 93C-透镜20-加工件
20A-第一部分加工件20B-第二部分加工件2ト底面22-顶面30-激光切割方法流程31 35-步骤40-裂片机52-双焦点光路系统521、92A 92C-分光镜522-调控发散角镜组523-合光镜64-折射元件72-多光束分光绕射光学元件(DOE)74-扫描镜82-渐进 式多焦点镜片A-轴向Dl-距离L-激光光线L1-第一激光光线L2-第二激光光线L3、L4、L5、L6、L7A、L7B、L7C-激光光线Pト聚焦点P2-变焦聚焦点P3、P4_ 焦点Tl-第一改质轨迹T2-变焦改质轨迹t-厚度
具体实施例方式以下将參照随附的附图来描述本发明为达成目的所使用的技术手段与功效，而以下附图所列举的实施例仅为辅助说明，以利贵审查委员了解，但本案的技术手段并不限于所列举附图。请參阅图1所不一激光切割装置10,其包括ー激光光源11、一折射镜12、一透镜13，激光光源11用以发射ー激光光线L，激光光线L射向折射镜12后，折射朝向井通过透镜13，激光光线L的波长小于lOOOOOnm，激光光线L的能量密度(f luence)大于100J/cm2，透镜13为一高数值口径(NA)的透镜，其数值口径位于0. 001 I之间。激光切割装置10用以切割一加工件20，加工件20可为石英玻璃、硼硅玻璃或各种强化玻璃等材料，加工件20具有相対的一底面21与ー顶面22，于底面21与顶面22之间平行于ー轴向A形成该加工件20的厚度t，当加工件20的底面21设置于一 X轴与Y轴构成的平面吋，该轴向A为Z轴。激光光线L的聚焦景深(D印th of Focus)小于加工件20的厚度t。请參阅图1至图4所示，说明通过图1的激光切割装置10对加工件20进行激光切割的方法流程30，其包括步骤31 :由激光光源11发出ー激光光线L，激光光线L射向折射镜12后，折射朝向透镜13并通过透镜13，以平行于轴向A的方向射向加工件20的顶面22。步骤32 由透镜13将激光光线L聚焦于加工件20的底面21，如第一、三图所示的聚焦点Pl。步骤33 由激光光线L于加工件20的底面21形成一第一改质轨迹Tl (如图3所示)，第一改质轨迹Tl的形式是依实际所需切割的形状而设计，可为圆形、弧形或不规则任意曲线组合组合的非直线形，例如图3所示于加工件20底面21形成一直线与圆弧构成的第一改质轨迹Tl。步骤34 :当完成步骤33于加工件20底面21形成第一改质轨迹Tl后，再以平行于轴向A的方向，改变激光光线L的照射位置，使激光光线L于加工件20形成一变焦聚焦点P2，变焦聚焦点P2平行于轴向A的投影位置落于第一改质轨迹；如图1所示，变焦聚焦点P2位于加工件20内部，变焦聚焦点P2的水平高度高于聚焦点P1，且变焦聚焦点P2距离聚焦点Pl —距离D1，可通过调整激光光源11与调整加工件20的相对位置，达到改变激光光线L照射位置及聚焦位置的目的，例如，将加工件20固定，则调高激光光线L于轴向A的照射位置以得到变焦聚焦点P2。步骤35 :驱动激光光线L以变焦聚焦点P2为基准，于加工件20形成ー变焦改质轨迹T2，变焦改质轨迹T2的投影位置与第一改质轨迹Tl重叠，于第一改质轨迹Tl与变焦改质轨迹T2之间的加工件20内部形成ー连续改质界面，如图3所示，第一改质轨迹Tl与变焦改质轨迹T2形成ニ层式改质轨迹。必须说明的是，由于激光光线L照射具有一范围，因此可以依加工件20的厚度而 调整激光光线L的照射位置的激光重复率，例如设定激光重复率等于或小于50%，使连续改质界面可以涵盖加工件20的底面21及顶面22。当加工件20厚度t较薄时，通过本实施例的第一改质轨迹Tl与变焦改质轨迹T2所形成的连续改质界面即可以涵盖加工件20的底面21及顶面22，若是加工件20厚度t较厚时，只要再改变激光光线L的照射位置，使激光光线L于加工件20形成其他的变焦聚焦点即可，例如，可改变激光光线L于加工件20形成高度不同的第一变焦聚焦点以及ー第二变焦聚焦点，第一变焦聚焦点位于加工件20内部,第二变焦聚焦点位于加工件20的顶面22。以图1所示装置架构，说明本发明所提出的激光切割方法，激光光线L波长为355nm，脉冲宽度小于30ns，搭配数值口径为0. 28的透镜13，以频率40KHz，速度200mm/s，聚焦景深0. 035mm,能量密度800J/cm2，加工件20为厚度0. 7mm的強化玻璃，首先聚焦于加エ件20底面21，激光光线L以前述200mm/s的速度于加工件20底面21形成第一次改质轨迹，而后平行于轴向A向上调整激光光线L的照射位置五次，毎次移动距离为133 u m,速度降低以400mm/s的速度于加工件20内部形成五次改质轨迹，总共加工六次所形成的连续改质界面即可以涵盖加工件20的底面21及顶面22，由于加工件20于连续改质界面的强度降低，因此可利用如图1所示的一裂片机40辅助进行裂片，如图4所示，加工件20可由连续改质界面的位置断裂，形成第一部分加工件20A以及ー第二部分加工件20B。请參阅图5所不的激光切割装置50,其包括ー激光光源51、一透镜53以及ー裂片机40,于激光光源51与透镜53之间设有一双焦点光路系统52,双焦点光路系统52包括一分光镜521、一调控发散角镜组522以及ー合光镜523,分光镜521提供激光光源51所发出的激光光线L射入，并将激光光线L分光为一第一激光光线LI以及一第二激光光线L2,调控发散角镜组522提供第一激光光线LI射入，并改变第一激光光线LI的发散角度，合光镜523用以将经由调控发散角镜组522改变发散角度的第一激光光线LI，以及第ニ激光光线L2整合为一道激光光线L3后，再透过透镜53射向加工件20的顶面22，本激光切割装置50的特点在干，利用双焦点光路系统52将原本単一焦点加工方式转为两个焦点加工方式，可提高制程效率，如图5所示，可同时于加工件20的底面21及内部形成焦点P3、P4。请參阅图6所示的激光切割装置60，其包括ー激光光源61、一折射镜62、一透镜63以及ー裂片机40，激光切割装置60的特点在于透镜63与加工件20之间设有一折射元件64，折射元件64可采用石英玻璃、硼硅玻璃或各种强化玻璃等材料，激光光线L先通过折射元件64后，再射向加工件20的顶面22，本激光切割装置60的特点在于，激光光线L通过折射元件64，使在空气与折射元件64界面产生折射后光线角度变小，即可达到迅速改变激光光线L聚焦位置，可于加工件20快速形成另ー聚焦点，提高制程效率。此外，本案也可搭配不同的装置架构，于加工件形成多个焦点位置，以提高制程效率，请參阅图7至图10所 示不同实施例。请參阅图7所示的激光切割装置70，其包括ー激光光源71、一多光束分光绕射光学兀件(DOE) 72、一透镜73以及ー扫描镜74,多光束分光绕射光学兀件(D0E)72可设置为单片或多片，其透过单片或多片的多光束分光绕射光学元件(DOE) 72，将激光光源71所发出的激光光线L分成多道激光光线L4,激光光线L4透过透镜73及扫描镜74作用之后,可形成多道激光光线L5于加工件20的単一平面上形成多个聚焦点。请參阅图8所示的激光切割装置80，其主要包括ー激光光源81以及ー渐进式多焦点镜片82。请參阅图9所示，渐进式多焦点镜片82具有不同的聚焦区域821 824。由此，透过该渐进式多焦点镜片82，可将激光光源81所发出的激光光线L分成多道激光光线L6，因此可于加工件(图中未示出)形成多个焦点位置。请參阅图10所示的激光切割装置90，其主要包括ー激光光源91、多个分光镜92A 92C以及多个透镜93A 93C，透过多个分光镜92A 92C以及多个透镜93A 93C，可将激光光源91所发出的激光光线L分成多道激光光线L7A L7C，因此可于加工件(图中未示出)形成多个焦点位置。综上所述，本发明提供的激光切割方法，其由加工件底部上升至顶部加工形成连续改质界面，对加工件进行非破坏性加工，不仅适用于非直线形激光切割，并且可以有效降低激光切割加工时间，如上述以切割厚度为0. 7mm的玻璃，加工长度为50mm为例，利用本发明所提供的方法及装置进行切割，以5W UV激光于一次200mm/s搭配五次400mm/s的速度，总共加工六次，即可将玻璃切断，所耗费时间不到一秒，相较于传统以5W UV激光与IOOmm/s的速度加工四百次，至少需耗时二百秒才能将玻璃切断，本发明可将加工速度提升至少二百倍，有利于应用于产业制造加工制程，可缩短加工时间，提升制造速度。附带说明的是，本发明提供的激光切割方法，其所需的激光光线及透镜的规格必须视所切割的加工件材质及厚度不同而设定，依实验验证，若激光光线以频率40KHz，速度小于lmm/s，能量密度大于2000J/cm2切割加工件吋，容易使加工件表面受到破坏，而无法在加工面底面形成改质区，此外，若使用F值(焦距)为IOOmm的透镜，聚焦景深为0. 886mm时，也无法在厚度0. 7mm的加工件底面形成改质区。
以上所述的仅为本发明的实施例而已，当不能以之限定本发明所实施的范围。即大凡依本发明权利要求所作的均等变化与修饰，皆应仍属于本发明专利涵盖的范围内，谨请贵审查委员明鉴，并祈惠准，是所至祷。
权利要求
1.一种激光切割方法，用以切割一加工件，该加工件具有相对的底面与顶面，该激光切割方法包含 由一激光光源发出一激光光线射向该加工件； 由一透镜将该激光光线聚焦于该加工件的该底面； 由该激光光线在该加工件的该底面形成一第一改质轨迹；至少改变一次该激光光线的照射位置，使该激光光线在该加工件形成至少一变焦聚焦点，该至少一变焦聚焦点的投影位置落于该第一改质轨迹； 由该激光光线以该至少一变焦聚焦点为基准，于该加工件形成一至少一变焦改质轨迹，该变焦改质轨迹的投影位置与该第一改质轨迹重叠，在该第一改质轨迹与该变焦改质轨迹之间的该加工件形成一连续改质界面。
2.如权利要求1所述的激光切割方法，其中该激光光线具有一聚焦景深(DepthofFocus)，该聚焦景深小于该加工件的该厚度。
3.如权利要求1所述的激光切割方法，其中该激光光线具有一能量密度(fluence)，该能量密度大于100J/cm2。
4.如权利要求1所述的激光切割方法，其中该透镜为一高数值口径(NA)的透镜，其数值口径位于0. 001 I之间。
5.如权利要求1所述的激光切割方法，其改变一次该激光光线的照射位置，使该激光光线于该加工件形成一第一变焦聚焦点，该第一变焦聚焦点位于该加工件的该底面与该顶面之间的该加工件内部。
6.如权利要求1所述的激光切割方法，其改变二次该激光光线的照射位置，使该激光光线于该加工件形成一第一变焦聚焦点以及一第二变焦聚焦点，该第一变焦聚焦点位于该加工件内部，该第二变焦聚焦点位于该加工件的该顶面。
7.如权利要求1所述的激光切割方法，其中该激光光线的照射位置的激光重复率等于或小于50%。
8.如权利要求1所述的激光切割方法，其中该激光光线的波长小于lOOOOOnm。
9.如权利要求1所述的激光切割方法，其中该透镜与该加工件之间设有一折射元件，该激光光线先通过该折射元件后，再射向该加工件的该顶面，以快速形成另一焦点。
10.如权利要求1所述的激光切割方法，其透过单片或多片的多光束分光绕射光学元件(DOE)，将该激光光源所发出的激光光线分成多道激光光线，再透过该透镜于该加工件的单一平面上形成多个聚焦点。
11.如权利要求1所述的激光切割方法，其透过渐进式多焦点镜片，将该激光光源所发出的激光光线于该加工件形成多个焦点位置。
12.如权利要求1所述的激光切割方法，其透过多个分光镜与多个透镜，将该激光光源所发出的激光光线于该加工件形成多个焦点位置。
13.—种激光切割装置，包含 激光光源，用以发出一激光光线； 透镜；以及 双焦点光路系统，设置于该激光光源与该透镜之间，该双焦点光路系统包括 分光镜，提供该激光光源所发出的该激光光线射入，并将该激光光线分光为一第一激光光线以及一第二激光光线； 调控发散角镜组，提供该第一激光光线射入，并改变该第一激光光线的发散角度；合光镜，用以将经由该调控发散角镜组改变发散角度的该第一激光光线，以及该第二激光光线整合为一道激光光线后，再射向一加工件的顶面。
全文摘要
本发明公开一种激光切割方法与装置，其用以切割具有相对的底面与顶面的加工件，在底面与顶面间平行于一轴向形成加工件厚度，由激光光源发出激光光线射向加工件，再由透镜将激光光线聚焦于加工件底面，再由激光光线于加工件底面形成第一改质轨迹，再平行于轴向至少改变一次激光光线的照射位置，于加工件形成至少一变焦聚焦点，变焦聚焦点的投影位置落于第一改质轨迹，再由激光光线于变焦聚焦点于加工件形成一变焦改质轨迹，变焦改质轨迹的投影位置与第一改质轨迹重叠，在第一改质轨迹与变焦改质轨迹之间形成一连续改质界面。
文档编号B23K26/06GK103030266SQ20111032815
公开日2013年4月10日 申请日期2011年10月25日 优先权日2011年10月4日
发明者李钧函, 刘松河, 林于中 申请人:财团法人工业技术研究院