高能玻璃切割的制作方法

本发明涉及一种用于分开至少部分透明的材料的方法。

背景技术：

1、近年来，具有非常短的脉冲长度、尤其是具有小于纳秒的脉冲长度且具有高平均功率、尤其是在千瓦范围内的高平均功率的激光器的发展导致一种新型的材料加工。短的脉冲长度和高的脉冲峰值功率或者说几百微焦的高的脉冲能量可以导致脉冲能量在材料中的非线性吸收，使得也可以为所使用的激光波长加工实际上透明或者说基本上透明的材料。

2、在us10421683中描述了一种分开方法，该分开方法基于将激光脉冲引入到材料中。依照现有技术的方法成问题的是，特别是就材料厚度大于1mm的较厚的材料、尤其是玻璃或层系统而言，难以实现或无法实现良好的可分开性。“良好的可分开性”通常被理解为，材料能够沿着预给定的分开线可靠地被分开。

技术实现思路

1、从已知的现有技术出发，本发明的任务是提供一种改进的方法。

2、该任务通过具有权利要求1的特征的用于分开至少部分透明的材料的方法来解决。有利的扩展方案由属权利要求、说明书和附图得出。

3、相应地，提出一种用于分开至少部分透明的材料的方法，其中，将呈单激光脉冲的形式和/或呈包括多个子激光脉冲的脉冲串的形式的超短激光脉冲聚焦到材料中，使得产生的并且在光束传播方向上拉长的改性区进入到所述材料中并且穿透所述材料的至少一个表面，其中，由此将材料改性部引入到所述材料中，其中，将多个材料改性部沿着分开线引入到所述材料中，并且其中，随后借助分开步骤沿着分开线使所述材料分开。根据本发明，单激光脉冲的脉冲能量或子激光脉冲的脉冲能量的总和在500μj至50mj的范围内。

4、所述材料可以是金属或半导体或绝缘体或它们的组合。尤其地，它也可以是玻璃、玻璃陶瓷、聚合物或半导体晶片，例如硅晶片。该材料也可以是玻璃基底和/或堆叠式基底系统和/或硅晶片。优选，该材料的厚度lm大于1mm。

5、该材料在此对于激光器的波长是部分透明的，其中，“部分透明”意味着，通常所述波长的入射光的50％或更多透射穿过该材料。

6、超短脉冲激光器在此提供超短激光脉冲。在此，“超短”可以意味着，脉冲长度例如在500皮秒至1飞秒之间、尤其是在100皮秒至10飞秒之间。超短脉冲激光器也能够提供由多个超短激光脉冲组成的脉冲串(所谓的bursts)，其中，每个脉冲串都包括多个子激光脉冲的发出。在此，子激光脉冲的时间间隔的大小能够在10皮秒至500纳秒之间、尤其是在10纳秒至80纳秒之间。在50飞秒至5皮秒之间的范围内振幅显著变化的、在时间上成形的脉冲也被视为超短激光脉冲。在下文中，重复使用术语“脉冲”或“激光脉冲”。在这种情况下，在时间上成形的激光脉冲也包括在内，即使这没有被分别明确解释。由超短脉冲激光器发出的超短激光脉冲相应地形成激光束。

7、激光束被如此聚焦到材料中，使得激光束在光束传播方向上具有拉长的聚焦区。这能够意味着，激光束在光束传播方向上的聚焦区大于激光束垂直于光束传播方向的延伸尺度。更下面给出聚焦区的延伸尺度的一般定义。

8、而拉长的改性区描述激光束的、强度高于材料的加工阈值的区域，使得在激光器的改性区内能进行材料加工。激光器的改性区的和聚焦区的几何形状在此在尺度上与激光强度的尺度相互关联。

9、拉长的改性区能够穿透至少一个表面。这能够意味着，材料的表面与拉长的改性区相交。尤其地，由此，激光束在这个表面上的强度大于在未被“拉长的改性区”穿透的表面上的强度。尤其地，由此可能的是，激光束将脉冲能量发射到材料的体积中。

10、拉长的改性区也能够穿透多于一个的表面。尤其地，由此拉长的改性区也能够穿透对置的两个表面，使得在这两个表面之间存在由激光器引起的、近似均匀的强度分布。

11、一个激光脉冲或多个激光脉冲被材料至少部分地吸收，使得该材料局部升温或者说过渡到暂时的等离子体形式的状态中。所述吸收在此能够基于线性的或非线性的吸收。被加工的区域的大小在此由光束几何形状来决定，尤其是由激光束的改性区和光束截面来决定。尤其地，通过在光束传播方向上拉长的改性区能够产生材料改性部，该材料改性部例如能够达到材料的整个厚度。

12、跨越整个材料厚度的这样的材料改性部能够例如直接利用唯一的脉冲或子激光脉冲的唯一的激光器脉冲串来产生。因此，通过激光器的局部作用将材料改性部引入到材料中。

13、在此，材料改性部通常可以是材料的结构、尤其是晶体结构和/或无定形结构和/或力学结构的改性。例如，无定形材料的所引入的材料改性部能够在于：该材料通过局部加热仅在这个区域中获得改变的网络结构。例如，通过改性能够改变网络结构的键角和长度。材料改性部尤其能够是局部的密度变化，该局部的密度变化也能够包括没有材料的区域，该局部的密度变化也能够取决于所选择的材料。

14、根据特定的材料特性和激光器的具体设置，诸如脉冲能量、脉冲持续时间和重复率，还能够产生其他类型的材料改性部。例如，激光器能够利用第一设置来提供一种激光束，该激光束在材料中引起各向同性的折射率变化。但是，该激光器也能够利用另一设置来提供一种激光束，该激光束在材料中引起双折射的折射率变化，使得该材料在局部具有双折射特性。

15、尤其地，在高脉冲能量的情况下能够发生所谓的微爆炸，在所述微爆炸的情况下，高激发的、于是气态的材料从聚焦区被压入到周围的材料中并且产生不那么密实的区域或空的核心以及周围的经压缩的材料。经加热的区域的大小在此由光束几何形状、尤其是由激光束的改性区和光束截面来决定。

16、与材料改性部不同地，材料改性区域在此包括激光脉冲的作用的效应例如根据拉应力和压应力可测的整个区域。这尤其是以下区域：在该区域中，在空间上从材料改性部为起点观察，材料又过渡到该材料的未处理的区域的初始状态中。

17、由于通过局部的脉冲作用产生的温度梯度，在加热时和/或冷却以及形成材料改性部期间能够在材料改性区域中出现应力，所述应力促进裂纹的形成。尤其地，在材料改性区域中能够产生拉应力和压应力，所述拉应力和压应力例如径向地或直辐射地(orthoradial)走向。因此，材料改性部优选伴随着有效的裂纹的形成，即材料的有针对性的损坏。

18、根据所选择的脉冲能量，材料改性部能够在材料的表面处产生料渣。所述料渣在此是用于材料改性部的品质的量度，并且进而也是用于材料的可分开性的量度。

19、料渣在此是在材料的表面处的材料积聚，所述材料积聚出现在引入用于产生材料改性部的激光脉冲的位置周围。尤其地，“表面”意味着，相对于光束传播方向地，它可以是材料的上侧面和下侧面。料渣是对材料加热的结果，该材料在引入激光脉冲时从材料的体积中出来。然而，在此，体积的一部分也能够由于蒸发等而损失，使得从材料中出来的材料体积与在材料改性部周围沉积在料渣中的材料体积不必精确一致。

20、材料改性部沿着希望的分开线被引入到材料中。在此，分开线描述以下的线，应当沿着所述线将材料分开或将材料的部分切下。

21、通过沿着分开线被引入到材料中的材料改性部，材料近似被穿出孔线(perforieren)，使得通过分开线来限定材料中的一类额定断裂部位。然而，穿出孔线通常不会导致材料的自主分开。相反，沿着分开线的材料改性部例如用于材料弱化，使得在施加接着的分开步骤时(例如通过施加热应力和/或通过施加机械应力、优选拉应力或弯曲应力和/或通过借助至少一种湿化学溶液的蚀刻)，材料沿着分开线分开。

22、单激光脉冲的脉冲能量或子激光脉冲的脉冲能量的总和在500μj至50mj的范围内。由此实现了：特别地就(例如具有大于1mm的材料厚度的)厚的材料而言实现了良好的可分开性。

23、分开步骤可包括沿着分开线施加热应力和/或施加机械应力、优选拉应力或弯曲应力和/或借助至少一种湿化学溶液的蚀刻。

24、热应力能够例如通过沿着分开线加热材料来实现。例如，分开线能够借助连续波co2激光器来加热，使得在材料改性区域中的材料相对于未处理的或者说未加热的材料不同地膨胀。由材料改性部促进的裂纹由此经历裂纹生长，使得能够形成连续且不钩住的分开面，材料的部分通过该分开面彼此分开。

25、拉应力或弯曲应力能够例如通过将机械载荷施加到由分开线分开的材料部分来产生。例如，如果分别远离分开线地指向的、方向相反的至少两个力在各一力作用点作用到材料平面中的、由分开线分开的材料部分，则能够施加拉应力。如果这些力彼此不平行地或者说反平行地取向，则这能够有助于产生弯曲应力。一旦拉应力或弯曲应力大于材料沿着分开线的结合力，则该材料沿着分开线被分开。

26、材料也能够通过利用湿化学溶液的蚀刻来分开，其中，刻蚀过程优选蚀刻在材料改性部处、即有针对性的材料弱化部处的材料。通过优选刻蚀由材料改性部弱化的材料部分，这导致材料沿着分开线的分开。

27、这具有这种优点：针对相应的材料可以选择理想的分开方法，使得材料的分开带来分开边缘的高品质。

28、激光脉冲能够具有在0.3μm至1.5μm之间的波长，和/或，单激光脉冲的和/或子激光脉冲的脉冲长度能够为0.01ps至50ps、优选优选0.3ps至15ps，和/或，在激光器输出端处激光的平均功率能够在150w至15kw之间

29、这具有这种优点：能够在大的参数范围内优化用于相应材料的方法。尤其地，这提高了找到可用于材料的激光器波长的概率，在该激光器波长的情况下该材料是部分透明的。

30、由激光脉冲形成的激光束和材料能够以进给而相对于彼此能移动，以便将所述多个材料改性部沿着分开线引入到材料中，其中，该激光束和该材料能够优选以一个角度相对于彼此取向、尤其是倾斜和/或旋转。

31、“相对于彼此能移动”意味着，既可以是激光束相对于位置固定的材料平移，也可以是材料能够相对于激光束移动，还可以是，既发生材料的运动也发生激光束的运动。

32、由此，尤其能够将激光束的焦点放置在材料的不同位置处，以便引入材料改性部。除了沿着x、y和z轴的平移运动之外，旋转运动尤其也是可能的，尤其是材料围绕光束传播方向的旋转。这能够包括围绕所有欧拉角的旋转。

33、由此可以沿着分开线定向激光束。

34、在一个优选的实施方式中，拉长的改性区在光束传播方向上比材料厚度lm长，尤其是比1.5×lm长或比2×(200μm)+lm长。

35、通过使拉长的改性区比材料厚度长，材料改性部能够跨越整个材料厚度地被引入。尤其地，也能够实现大的焦点位置公差，使得能够忽略材料厚度的波动或材料的不平整性，尤其是在具有超过一平方米的尺寸的大型玻璃基底的情况下。然而，应注意，用于引入材料改性部的所需的脉冲能量随着聚焦区的长度而线性增加。

36、在改性区中，垂直于光束传播方向的光束截面的最大直径能够在1μm至50μm之间、优选在2μm至4μm之间。

37、由此，尤其能够产生具有大的横向延伸尺度的材料改性部，使得改善了材料的可分开性。

38、由激光脉冲形成的激光束至少在拉长的聚焦区中能够是准非衍射光束或至少两个准非衍射光束的相干叠加。

39、非衍射光束满足亥姆霍兹方程：

40、

41、并且具有横向和纵向相关性的呈以下形式的清晰可分离性：

42、u(x，y，z)＝ut(x，y)exp(ikzz)。

43、在此，k＝ω/c是波矢量且具有其横向和纵向分量k2＝kz2+kt2，并且，ut(x，y)是仅取决于横向坐标x，y的任意复值函数。u(x，y，z)中的在光束传播方向上的z相关性导致纯相位调制，使得该解的对应强度i是传播不变的或者说非衍射的：

44、i(x，y，z)＝|u(x，y，z)|2＝i(x，y)

45、这种方案提供了在不同坐标系中的不同解决方案类别，例如椭圆柱坐标系中的马蒂厄光束或者圆柱坐标系中的贝塞尔光束。

46、在实验方面，大量的非衍射光束可以以良好的近似、即准非衍射光束来实现。与理论构造相反，它们仅导致有限的功率。同样有限的是这些准非衍射光束的传播不变性的长度l。

47、基于用于激光束表征的标准iso111461-3，光束直径是通过所谓的二次矩来确定的。在此，激光束的功率或零阶矩被定义为：

48、p＝∫dx dy i(x，y)。

49、一阶空间矩说明强度分布的重心并且被定义为：

50、

51、

52、基于以上等式，能够计算横向强度分布的二阶空间矩：

53、

54、

55、

56、利用如此完全定义的、激光束的二阶空间矩，能够确定光束直径或者说聚焦区在主轴上的尺寸。所述主轴在此是横向光束轮廓的最小和最大延伸尺度的、始终彼此正交地走向的方向，即垂直于光束传播方向的强度分布。于是，如下得到激光束的聚焦区d：

57、

58、

59、其中，

60、

61、尤其地，通过值dx和dy得出横向聚焦区的长主轴和短主轴。

62、因此，高斯光束的聚焦区是通过光束的二次矩确定的。尤其地，由此得到横向聚焦区的尺寸dgfx，y和聚焦区的纵向延伸尺度，瑞利长度zr。瑞利长度zr由zr＝π(dgfx，y)2/4λ给出。它描述了从强度最大值的位置出发沿着光束传播方向的距离，在该位置处聚焦区的面积以系数2增大。在对称高斯光束的情况下，对于聚焦区适用dgf0＝dgfx＝dgfy。

63、此外，作为在准非衍射射线dnd0情况下的横向焦点直径，我们将局部的强度最大值的横向尺寸定位为在一强度最大值和以其为出发点下降到25％的强度之间的最短距离的两倍。

64、准非衍射光束的聚焦区同样是通过二次矩来确定的。尤其地，聚焦区由横向聚焦区的尺寸dndx，y和聚焦区的纵向延伸尺度(即所谓的特征长度l)产生。准非衍射射线的特征长度l通过沿着光束传播方向从局部强度最大值出发下降到50％的强度来定义。尤其地，聚焦区的尺寸如上所示地针对总激光功率被归一化，并且因此与通过光束所传输的最大功率无关。

65、恰好当对于dndx，y≈dgfx，y、即相似的横向尺寸，特征长度l显著超过对应高斯焦点的瑞利长度时，例如当l＞10zr时，才存在准非衍射光束。

66、作为准非衍射光束的子集，已知准贝塞尔光束或类贝塞尔光束(这里也称为贝塞尔光束)。在此，在光轴附近的横向场分布ut(x，y)以良好的近似服从n阶第一类贝塞尔函数。此类别光束的另一个子集形成贝塞尔-高斯光束，所述贝塞尔-高斯光束由于其易于生成而广泛使用。借助经准直的高斯光束以折射、衍射或反射实施方案照明轴棱镜允许形成贝塞尔-高斯光束。在光轴附近的对应的横向场分布在此以良好的近似服从被高斯分布包围的0阶第一类贝塞尔函数。

67、相应地，使用准非衍射光束、尤其是贝塞尔光束来加工材料能够是有利的，因为以此能够实现大的焦点位置公差。

68、用于加工材料的典型的贝塞尔-高斯光束具有例如尺寸为dndx，y＝2.5μm的横向聚焦区，然而特征长度能够为50μm。然而，对于具有尺寸为dgfx，y＝2.5μm的横向聚焦区的高斯光束，在空气中的瑞利长度在λ＝1μm时仅为zr≈5μm。但在与材料加工相关的情况下，l＞＞10zr能够适用。

69、准非衍射辐射的相干叠加尤其是通过至少两个准非衍射光束的叠加产生的。由此可以生成另外的光束轮廓并且因而生成材料改性部的形状。

70、激光束能够具有垂直于光束传播方向的非径向对称的光束截面，其中，光束截面或者说光束截面的包络线优选椭圆形地成形。

71、在此，“非径向对称”例如意味着，横向聚焦区在一个方向上被拉伸。然而，“非径向对称的聚焦区”也能够意味着，聚焦区例如是十字形的或三角形的或n边形的，例如五边形的。此外，非径向对称的聚焦区能够包括旋转对称的和镜像对称的光束截面。

72、例如，能够存在垂直于传播方向的椭圆形的聚焦区，其中，椭圆具有长轴dx和短轴dy。因此，当比值dx/dy大于1时、尤其是dx/dy＝1.5时，存在椭圆形的聚焦区。具体存在的光束的椭圆形的聚焦区能够相应于理想的数学椭圆。然而，准非衍射光束的当前的具体的聚焦区也能够仅具有长主轴和短主轴的上述比值，但具有不同的轮廓——例如近似的数学椭圆、哑铃形状或者由数学上理想的椭圆包围的其他对称的或不对称的轮廓，

73、尤其地，通过准非衍射光束能够产生椭圆形的准非衍射光束。椭圆形的准非衍射光束在此具有特殊的特性，所述特性由对光束强度的分析得出。例如，椭圆形的准非衍射光束具有主最大值，该主最大值与光束的中心重合。光束的中心在此由主轴彼此相交的位置给定。尤其地，椭圆形的准非衍射光束能够由多个强度最大值的叠加产生，其中，在这种情况下仅仅所参与的强度最大值的包络线是椭圆形的。尤其地，各个强度最大值不必具有椭圆形的强度轮廓。

74、由亥姆霍兹方程的解得出的最接近主最大值的次最大值在此具有超过17％的相对强度。因此，视在主最大值中的所传输的激光能量而定，在次最大值中引导的激光能量也可多到使得能进行材料加工。此外，最接近的次最大值总是位于一条直线上，该直线垂直于长主轴或者说平行于短主轴并且穿过主最大值走向。

75、尤其地，光束截面的轮廓具有带有不同曲率半径的位置。例如，在椭圆形的光束截面中，在短的半轴与椭圆相交部位处的曲率半径是特别大的，而在长的半轴与椭圆相交的部位处的曲率半径是特别小的。例如，在小曲率半径的点处、例如在峰和角处，对于材料应力存在松弛的可能性，使得在那里出现诱导式的裂纹形成现象。通过在材料改性部之间的受控的裂纹扩展，可改善材料沿着分开线的可分开性。

76、非径向对称的光束截面的长轴能够垂直于光束传播方向地沿着分开线和/或沿着进给方向定向。

77、典型地，裂纹的形成沿着非径向对称的光束截面的首要方向(vorzugsrichtung)发生，例如，裂纹扩展主要发生在光束截面的较长延伸尺度的方向上，该裂纹扩展与光束截面的轮廓在所述首要方向上的外部轮廓边缘处的较小的半径相关联。

78、尤其地，能够通过旋转非径向对称的光束截面和/或材料来促进有针对性的裂纹引导，使得通过转动非径向对称的光束截面的首要方向总是沿着分开线定向。

79、如果在激光束和材料之间的进给方向例如垂直于沿着其发生优选的裂纹扩展的轴取向，则相邻的材料改性部的裂纹的相遇是不可能的。反之，如果进给方向平行于优选的裂纹扩展的轴取向，则可能的是，相邻的材料改性部的相遇并且合并。通过转动光束截面和/或工件，即使在弧形的分开线的情况下也能够确保在分开线的整个长度上的有针对性的裂纹引导。由此可以实现沿着任意成形的分开线分开材料。

80、非径向对称的光束截面的长轴能够具有消失或不消失的强度，优选在不消失的强度的情况下具有小于0.9的干涉对比度。

81、在此，椭圆形的准非衍射光束能够沿着长主轴具有不消失的强度，尤其是具有为imax-imin/(imax+imin)<0.9的干涉对比度，使得光束沿着长主轴到处传输激光能量.

82、imax在此是沿着长主轴的最大光束强度，而imin是最小光束强度。如果imin＝0，则沿着长主轴出现完全干涉并且得到为1的干涉对比度。如果imin>0，则沿着长主轴仅出现部分干涉或不出现干涉，使得干涉对比度<1。

83、如果例如沿着长主轴的干涉对比度小于0.9，则沿着长主轴不出现完全干涉，而是仅出现部分干涉，该部分干涉不会导致在强度最小值imin的位置处的激光强度的完全消失。如果准非衍射光束是利用双折射元件、例如石英角位移器(quartz angle displacer)或石英光束位移器(quartz beam displacer)或其组合产生的，则是这种情况。

84、然而，椭圆形的准非衍射光束也能够沿着长主轴具有消失的强度和为1的干涉对比度，使得光束沿着长主轴不会到处传输激光能量。例如，如果准非衍射光束是利用改性的轴棱镜产生的，则是这种情况。

85、由激光脉冲形成的激光束能够以加工角射到材料表面上，该加工角优选不是直角，其中，该加工角对于小于2mm的材料厚度是小于20°的并且对于大于2mm的材料厚度是小于10°、尤其是小于5°的。

86、由于激光束以一个角度射到材料表面上，激光束在进入材料中时发生折射。与此相应地，材料改性部不是垂直于表面、而是以折射角引入的，该折射角是根据斯涅尔折射定律确定的。由此实现了：材料不具有成形为直角的边沿。例如，能够产生倾斜边沿，材料能够沿着所述倾斜边沿又被组合并且例如被接合。例如，这样能够实现材料的横向彼此接合。

87、尤其地，材料中的改性区的、仍实现良好的可分开性的加工角取决于材料厚度。

88、单激光脉冲和/或脉冲串能够由激光器系统通过在位置方面受控的脉冲触发来触发，其中，位置优选通过由激光脉冲形成的激光束在材料上的位置给定。

89、在位置方面受控的脉冲触发能够通过探测器来实现，该探测器读取材料或者说进给设备的位置或进给矢量和激光束的位置。

90、由此能够实现，沿着分开线以相同的间距将材料改性部引入到材料中。由此尤其能够避免材料改性部重叠，在激光脉冲速率恒定且进给速度变化的情况下可能发生材料改性部重叠。