用于借助激光輻射剝除對激光輻射透明的脆硬材料的方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于借助于激光輻射剝除、比如鉆孔、切割、刻刮對激光輻射透明的脆硬材料的方法以及裝置，其中該材料在材料的上側(cè)與下側(cè)之間具有給定厚度的空間體積，并且該材料具有大于或等于該材料的厚度的所定義的光學(xué)侵入深度，其中激光輻射以激光輻射的軸與上側(cè)的面法線之間的所定義的入射角入射，并且入射到材料的上側(cè)上的激光輻射被稱為初級激光輻射，其中初級激光輻射在材料的下側(cè)處至少部分被反射，使得在材料的體積中通過反射生成次級激光輻射，其中通過吸收初級和次級激光輻射的相干疊加在材料的體積中生成電子密度，所述電子密度具有電子密度的對材料具有不同作用的至少兩個等級，其中給電子密度的這些等級分配初級激光輻射的強(qiáng)度的材料特定的閾值，其方式是，由材料特性的改變和/或裂縫形式的機(jī)械損傷來表征初級激光輻射的強(qiáng)度的第一閾值的達(dá)到，并且由材料的以剝落和/或剝除形式的機(jī)械剝除來表征第二閾值的達(dá)到。
【背景技術(shù)】
[0002]這樣的方法尤其是應(yīng)用于顯示器技術(shù)，其中必須加工薄玻璃襯底、一種脆硬物料。恰好工業(yè)顯示器技術(shù)占領(lǐng)著越來越大的市場空間，并且傾向于越來越輕的具有靈敏的觸摸屏的設(shè)備，并且因此還傾向于更薄的玻璃板以用于例如智能電話和平板計(jì)算機(jī)。
[0003]薄玻璃襯底在可以實(shí)現(xiàn)較厚玻璃的耐久性和機(jī)械穩(wěn)定性時恰好提供針對顯示器的優(yōu)點(diǎn)。所述薄玻璃板幾乎被用在全部平板顯示器(FDP)中。
[0004]常規(guī)的用于加工這樣的薄玻璃板的方法是用所定義的刀片進(jìn)行銑削，或者其基于向物料或材料中有針對性引入的裂縫形成的機(jī)械作用(刻刮和折斷)。在使用激光輻射情況下的多種公知方法變型同樣所基于的是，利用刻刮和然后折斷的原理的機(jī)械作用，其方式是，用激光輻射的作用代替刻刮，并且物料/材料在激光輻射的作用以后被折斷。常規(guī)機(jī)械加工(切割、鉆孔)對于薄玻璃板而言與大的物料厚度相比顯著更困難。也就是說，在機(jī)械刻刮的情況下引入微裂縫或者甚至拆出小部分、所謂的碎肩(Chip)，使得打磨或蝕刻作為后續(xù)加工工藝變得需要。
[0005]對這樣的如開頭描述的用于剝除脆硬材料的方法以及裝置的要求是實(shí)現(xiàn)大的剝除速率，而在材料中不出現(xiàn)損傷，使得通過該剝除進(jìn)而在加工以后不將否則利用根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的方法可能出現(xiàn)的附加的應(yīng)力或附加的裂縫弓丨入到材料中。
[0006]本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這些裂縫表現(xiàn)為至少三種不同的表現(xiàn)形式:
第一類裂縫:損傷、裂縫形成/碎肩出現(xiàn)在物料的背側(cè)。第一類裂縫在前側(cè)一一激光輻射入射之處一一還未發(fā)生損傷并且也還未進(jìn)行剝除時就已經(jīng)出現(xiàn)。
[0007]第二類裂縫:裂縫或損傷--亦稱尖狀物--以入射邊緣為出發(fā)點(diǎn)，該入射邊緣是從工件的表面的未改變的部分到所形成的剝除凹陷的側(cè)向剝除側(cè)壁中的過渡部。
[0008]第二類的裂縫或損傷在一一與第三類裂縫相比一一大的深度上延伸到材料的體積中。這些以入射邊緣為出發(fā)點(diǎn)的材料改變/損傷也可以在體積中變得可見或產(chǎn)生(其于是也被稱為“細(xì)絲”;物理原因是克爾效應(yīng)和自聚焦)或者甚至到達(dá)工件的背側(cè)或背向激光輻射的表面。如果從被剝除的表面出發(fā)的第二類裂縫到達(dá)工件或材料的下側(cè)或背向激光輻射的表面，則其一一在不注意的分析中一一常常不再與第一類裂縫相區(qū)分。
[0009]第三類裂縫:精細(xì)的沒那么深地侵入的裂縫的形成附加于第二類裂縫或第二類損傷一一沿著被剝除的表面(切割邊緣)一一出現(xiàn)；其不限于接近入射邊緣的區(qū)域，并且出現(xiàn)在激光輻射在剝除凹陷中入射到被剝除的表面(剝除側(cè)壁)、即剝除側(cè)壁上之處。第三類裂縫從被剝除的表面伸展到材料中。第三類裂縫與第一類裂縫相比以較少的深度侵入到材料中。剝除凹陷的粗糙表面與入射邊緣相比具有擁有更小曲率半徑的粗糙度。剝除凹陷的粗糙表面的聚焦作用與入射邊緣的聚焦作用相比顯著更強(qiáng)。也就是說，可被分配給粗糙表面的局部粗糙度和小曲率半徑的焦距與入射邊緣的相比之下大曲率半徑的焦距相比顯著更小。
[0010]JP 2005 230 863A描述了用于借助于激光輻射加工透明材料的方法和裝置。在激光輻射入射要加工的物料中時，應(yīng)當(dāng)避免反射，為此整個工件應(yīng)當(dāng)被浸入液體中。
[0011]在W0 2006 045 130A1中描述了用于分割玻璃板的方法和裝置。要切割的材料利用反射玻璃板形狀配合地來存放(hinterlegen)，以便實(shí)現(xiàn)或增強(qiáng)反射。由于要切割的玻璃和所使用的固體板的下側(cè)的不同的表面粗糙度而產(chǎn)生氣隙，使得盡管如此仍然出現(xiàn)顯著的反射。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明所基于的任務(wù)是，提供一種方法和一種裝置，利用所述方法和所述裝置避免了對激光輻射透明的脆硬材料的諸如切割、刻刮和鉆孔之類的背側(cè)損傷、即物料背側(cè)上的損傷、裂縫形成和/或起肩、也就是說如前述的第一類裂縫。
[0013]該任務(wù)利用根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法和根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置來解決。
[0014]重要的是，為了加工脆硬材料，該脆硬材料在下側(cè)形狀配合地被另外的材料存放。在此，下側(cè)是要加工的材料或物料的與激光輻射入射到的表面相對的面。
[0015]前述措施尤其適于利用超短脈沖激光輻射加工所謂的脆硬薄材料、例如玻璃，該材料亦稱“寬帶隙”材料?！皩拵丁辈牧嫌纱笥趌eV的價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的帶隙來表征。超短脈沖激光輻射是指具有小于500ps (皮秒)范圍內(nèi)的脈沖時長的激光輻射。對激光輻射透明的具有大于或等于材料厚度的所定義的光學(xué)侵入深度的材料的吸收具有與激光輻射的強(qiáng)度有關(guān)的兩個物理上不同的區(qū)域，所述區(qū)域用術(shù)語“線性吸收”和“非線性吸收”來表示。特別重要的是材料中局部存在的激光輻射的強(qiáng)度為了達(dá)到材料中非線性吸收的閾值行為，其中該材料對小的強(qiáng)度是透明的或者對于激光輻射的吸收具有小的值，并且對于激光輻射的強(qiáng)度的較大的值一一高于改變/裂縫和剝落/剝除的至少兩個閾值一一而變?yōu)楦叨任招缘摹?br>[0016]此外已經(jīng)證實(shí)，時間脈沖形狀強(qiáng)烈影響閾值的達(dá)到并且因此強(qiáng)烈影響材料中的吸收。合適時間脈沖形狀的發(fā)現(xiàn)是研究的主題而不是現(xiàn)有技術(shù)。對于高斯形時間脈沖形狀的特殊情況并且對于10ps脈沖時長(脈沖時長大于10ps (基于強(qiáng)度))而言，閾值的達(dá)到由激光輻射的強(qiáng)度的值來表征。對于小于10ps的脈沖時長(基于積分通量)而言，閾值的達(dá)到由激光輻射的積分通量的值(涉及面積的能量項(xiàng))來表征。已經(jīng)證實(shí)，利用根據(jù)本發(fā)明的措施如下地避免所加工材料的背側(cè)損傷，即要加工的脆硬物料或材料由另外的材料形狀配合地存放，即在與用來將激光輻射入射到要加工的材料中的側(cè)相對的側(cè)上。與此相反，當(dāng)脆硬材料在背側(cè)被空氣包圍時，可以觀察到這樣的背側(cè)損傷。這些結(jié)果可以通過以下來解釋:通過合適的另外的材料，在材料的背側(cè)處不發(fā)生反射。當(dāng)折射率和吸收率的光學(xué)特性的值與要剝除的脆硬材料的光學(xué)特性的值一致時，則材料適于避免背側(cè)損傷。與之相比，例如在空氣作為背側(cè)材料的情況下發(fā)生激光輻射的反射。通過吸收直接入射的初級激光輻射和在背側(cè)處被反射的次級激光輻射的相干疊加，在材料的體積中生成了電子密度。
[0017]能夠有利的是，通過空間地結(jié)構(gòu)化脆硬材料與該另外的材料之間的界面來調(diào)整該另外的材料的光學(xué)特性。這樣的結(jié)構(gòu)化例如可以通過如下方式進(jìn)行:在材料的背側(cè)上生成柵格形周期結(jié)構(gòu)，使得不出現(xiàn)被反射的輻射并且僅僅出現(xiàn)從材料中衍射出的輻射。在這種情況下，背側(cè)材料應(yīng)被視為如下區(qū)域:在該區(qū)域中存在結(jié)構(gòu)化的幅度，并且背側(cè)材料應(yīng)被視為材料和環(huán)境(例如空氣)的周期性變換。要加工的材料的背側(cè)的結(jié)構(gòu)化盡管不能影響要加工的材料的體積中的光學(xué)特性，但是反射的程度一一表面的一種特性一一不僅依賴于體積中的材料的光學(xué)特性，而且依賴于表面本身的性質(zhì)(即還依賴于其幾何形狀)；反射程度對界面的形狀的該依賴性既證明了菲涅爾定律又證明了衍射理論。
[0018]作為另外的材料，既可以優(yōu)選地使用液體，又可以使用固體板。
[0019]如果使用液體一一這是特別優(yōu)選的一一，則可以為了加工將脆硬材料插入到相應(yīng)液體池中，使得下側(cè)與液體接觸。作為液體適合的尤其是如例如在浸沒式顯微鏡中所使用的浸油。如果作為另外的材料使用固體板，則應(yīng)當(dāng)使用由可伸展或可硬化-可伸展材料制成的板，其中對于所得到的折射率而言，材料類型依賴于該材料的諸如硬化之類的制造過程的結(jié)果。
[0020]如果使用液體，則液體的組成應(yīng)當(dāng)被調(diào)整為，使得折射率和吸收率的光學(xué)特性的值與要剝除的脆硬材料的光學(xué)特性的值恰好一致，使得根據(jù)是否應(yīng)當(dāng)避免損傷或剝除而不超過第一(損傷)或第二 (剝除)強(qiáng)度閾值。
[0021]同時，固體板