用于在透明材料內執行激光成絲的系統技術方案

本發明專利技術涉及用于在透明材料內執行激光成絲的系統。描述了用于在透明材料中形成連續的激光細絲的系統和方法。對超快激光脈沖的突發進行聚焦，使得在被處理的材料外部形成束腰，而沒有形成外部等離子體溝道，同時在材料內的延伸區域內形成足夠的能量密度以支持形成連續細絲，而沒有導致材料內的光學破壞。根據該方法形成的細絲可以呈現直到并超過10mm的長度。在一些實施方式中，有像差光學聚焦元件用于產生外部束腰，同時在材料內產生入射光束的分布式聚焦。各種系統被描述為便于在透明基板內形成細絲陣列，以用于分割/分離和/或標記。細絲的光學監測可以用于提供反饋以便于處理的主動控制。

【技術實現步驟摘要】
用于在透明材料內執行激光成絲的系統
本專利技術為透明材料內的激光成絲(laserfilamentation)領域。
技術介紹
本公開涉及用于材料的激光處理的系統和方法。更具體地說，本公開涉及用于分離和/或分割含有根據所述材料生成的無源或有源電子或電器件的晶片、基板和面板的系統和方法。在當前制造中，晶片或玻璃面板的分離(singulation)、分切(dicing)、劃線(scribing)、分割(cleaving)、切割(cutting)和切面(facet)處理是用于(作為一些示例)LED、LED裝置(諸如照明組件)和照明裝置(諸如LED顯示器)的關鍵處理步驟，其通常依賴于金剛石或常規的燒蝕或破壞(隱形的)激光劃線和切割，其速度高達30cm/sec。在金剛石切割處理中，在執行金剛石切割之后，機械輥施加應力以使分割樣品的裂紋蔓延。該處理產生質量差的邊緣、微裂紋、寬切口寬度和大量碎屑，這些在產品的壽命、效率、質量和可靠性方面是主要缺點，同時還招致額外的清潔和拋光步驟。用于使金剛石劃線器運行的去離子水的成本大于擁有劃線器的成本，并且該技術并不有利于環境，這是因為水被污染并需要凈化，這進一步添加了生產成本。已針對分離、分切、劃線、分割、切割和切面處理研發了激光燒蝕加工，以克服關于金剛石切割的一些局限。不幸的是，已知的激光處理方法尤其在透明材料中具有諸如低處理速度、產生裂紋、燒蝕碎屑的污染和中等大小的切口寬度這樣的缺點。此外，在激光相互作用中的熱傳遞能夠導致大的附帶熱損壞區域(即熱影響區)。可通過選擇具有由介質強烈吸收的波長的激光(例如，深UV激子激光或遠紅外CO2激光)改進激光燒蝕處理。然而，由于該物理燒蝕處理中固有的侵入性相互作用，導致不能消除前述缺點。根據采用的具體變通(work-around)技術，通過在特定LED應用中的UV處理的缺陷充分證明了這一點，其中損壞已經促使業界關注常規劃線和折斷以及隨后的蝕刻，以去除燒蝕劃線或金剛石劃線工具留下的損壞區。另選地，通過減小激光脈沖的持續時間，在透明介質的表面也可改進激光燒蝕。這對于穿透處理介質內的激光尤其有利。當聚焦到透明材料上或內時，高激光強度引起非線性吸收效果，以提供可被控制以將合適的激光能量準確地投入由聚焦體積(focalvolume)限定的小體積的材料中的動態不透明性。短持續時間的脈沖提供優于長持續時間激光脈沖的多個其它優點，諸如消除等離子體產生并因此消除等離子體反射，從而在該激光脈沖的短得多的時間級別中通過小分量的熱擴散和其它熱傳遞效果減小附帶損壞。因此，飛秒和皮秒激光燒蝕在不透明和透明材料二者的加工中提供顯著的優點。然而，通常，用幾十至幾百飛秒那么短的脈沖對透明材料加工還與針對易碎材料特別成問題的在激光形成的切口、孔或溝槽附近形成粗糙表面、慢生產量和微裂紋相關聯，所述易碎材類似為氧化鋁(Al2O3)、玻璃、摻雜的電介質和光學晶體。此外，燒蝕碎屑將污染附近的樣品以及周圍的裝置和表面。近來，在日本已經討論了利用纖維激光方法的多道飛秒切割。該方法需要進行多道工序，并且因此導致低處理生產量。如上所述，雖然激光處理在克服與金剛石切割相關聯的多個局限方面是成功的，但是新材料復合物已經提供了不能被激光劃線的晶片和面板。此外，裝置的大小和晶片上的切塊變得更小并更靠近彼此，這限制了金剛石和常規基于激光的劃線二者的用途。例如，30μm是可行的劃線寬度，而15μm對于這些常規方法來說具有挑戰性。此外，因為金剛石劃線使用機械力來給基板劃線，所以薄樣品非常難以劃線。由于在基于晶片的裝置的制造中使用越來越奇異和復雜的材料堆疊件，所以先前應用的激光劃線技術將由于堆疊件的不透明性而不再起作用。
技術實現思路
描述了用于在透明材料中形成連續激光細絲的系統和方法。對超快激光脈沖的突發進行聚焦，使得在正被處理的材料的外部形成束腰，從而主焦點沒有形成在材料內，同時在材料內的延伸區域內形成足夠的能量密度以支持形成連續細絲，而沒有導致材料內的光學破壞。根據該方法形成的細絲可以呈現直到并超過10mm的長度，當在橫截面中沿長軸觀察時，與非錐形輪廓和改性區的長度1:1對應(因為，細絲是改性的媒介，所以改性區追蹤1：1的細絲的范圍)。在一些實施方式中，未校正或有像差光學聚焦元件用于產生外部束腰，同時在材料內產生入射光束的分布式聚焦。各種系統被描述為便于在透明基板內形成細絲陣列，以便分割/分離和/或標記。細絲的光學監測可以用于提供反饋以便于處理的主動控制。因此，在第一方面，提供一種對透明材料進行激光處理的方法，該方法包括：提供激光束，該激光束激光脈沖的突發；相對于透明材料對激光束進行外部地聚焦，以在透明材料的外部的位置處形成束腰，同時避免形成外部等離子體溝道；其中，對激光脈沖進行聚焦使得在透明材料內維持足夠的能量密度，以在沒有引起光學破壞的情況下在所述透明材料中形成連續激光細絲。在另一方面，提供一種處理透明材料的方法，該方法包括如下步驟：提供激光束，所述激光束具有多個突發，并且所述突發中的每個包括多個脈沖；在所述透明材料外部產生所述激光束的初始束腰；產生分布在所述透明材料內的弱聚焦激光束；以及在所述透明材料中產生空間延伸且空間均質的細絲。在另一方面，提供一種處理透明材料的方法，所述透明材料具有形成在材料表面內或材料表面上的金屬層，所述激光束是細絲形成激光束，該方法包括如下步驟：在所述透明材料內形成所述連續激光細絲之前：通過將所述細絲形成激光束的功率減少為低于閾值，提供包括激光脈沖的突發的低功率激光束，以便在所述透明材料內形成細絲，同時維持足夠能量以燒蝕所述金屬層；以及在一個或更多個位置處以所述低功率激光束照射所述金屬層，使得所述金屬層被所述激光束局部燒蝕，從而在所述金屬層內產生一個或更多個燒蝕標記。在另一方面，提供一種其中形成有連續激光細絲的透明材料，所述連續激光細絲具有超過大約1mm的長度。在另一方面，提供一種透明基板，所述透明基板呈現超過大約50MPa的分割后或分離后斷裂強度。在另一方面，提供一種用于對透明材料進行激光處理的系統，所述系統包括：激光源，所述激光源被構造成提供激光束，所述激光束包括激光脈沖的突發；一個或更多個聚焦元件，所述一個或更多個聚焦元件被構造成相對于所述透明材料對所述激光束進行外部地聚焦，以在所述透明材料外部的位置處形成束腰，同時避免外部等離子體溝道和內部等離子體中心的形成，其中，所述激光束和所述一個或更多個聚焦元件被構造成在所述透明材料內產生足夠的能量密度，以在其中形成連續激光細絲，而沒有導致光學破壞；用于改變所述激光束以及所述透明材料之間的相對位置的裝置；以及控制和處理單元，所述控制和處理單元操作地連接到用于改變所述激光束和所述透明材料之間的所述相對位置的所述裝置，其中，所述控制和處理單元被構造成控制所述激光束和所述透明材料之間的所述相對位置，以便在所述透明材料內形成連續的激光細絲的陣列。在另一方面，所述系統進一步包括：用于改變所述激光束和所述透明材料之間的相對取向的裝置；以及控制和處理單元進一步操作地連接到用于改變所述激光束和所述透明材料之間的所述相對取向的所述裝置。在另一方面，所述系統進一步包括：控制和處理單元，所述控制和處理單元用于控制所述激光源。在另一方面，所本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于對透明材料進行激光處理的系統，所述系統包括：激光源，所述激光源被構造成提供激光束，所述激光束包括激光脈沖的突發；一個或更多個聚焦元件，所述一個或更多個聚焦元件被構造成相對于所述透明材料對所述激光束進行外部地聚焦，以在所述透明材料的外部的位置處形成束腰，同時避免形成外部等離子體溝道，并且所述激光束和所述一個或更多個聚焦元件在所述透明材料內產生足夠的能量密度，以在沒有引起所述透明材料的光學破壞的情況下在所述透明材料中形成連續的激光細絲。

【技術特征摘要】
2013.08.02 US 61/861,8801.一種用于對透明材料進行激光處理的系統，所述系統包括：激光源，所述激光源被構造成提供激光束，所述激光束包括激光脈沖的突發；一個或更多個聚焦元件，所述一個或更多個聚焦元件被構造成相對于所述透明材料對所述激光束進行外部地聚焦，以在所述透明材料的外部的位置處形成束腰，同時避免形成外部等離子體溝道，并且所述激光束和所述一個或更多個聚焦元件在所述透明材料內產生足夠的能量密度，以在沒有引起所述透明材料的光學破壞的情況下在所述透明材料中形成連續激光細絲。2.根據權利要求1所述的用于對透明材料進行激光處理的系統，所述系統進一步包括：電動機構，所述電動機構用于改變所述激光束和所述透明材料之間的相對位置；以及控制和處理單元，所述控制和處理單元操作地連接到用于改變所述激光束和所述透明材料之間的所述相對位置的裝置。3.根據權利要求2所述的用于對透明材料進行激光處理的系統，所述系統進一步包括：所述控制和處理單元被構造成控制所述激光束和所述透明材料之間的所述相對位置，以便在所述透明材料內形成連續激光細絲的陣列。4.根據權利要求1所述的系統，其中，所述一個或更多個聚焦元件包括一個或更多個有像差光學元件。5.根據權利要求4所述的系統，其中，所述一個或更多個有像差光學元件包括被構造成產生有像差激光束的正常場校正掃描透鏡和校正窗。6.根據權利要求1所述的系統，所述系統進一步包括：所述激光束具有在所述透明材料上的入射光斑直徑以及在所述透明材料內的連續激光細絲直徑；臨界比率，所述臨界比率被定義為在所述透明材料上的所述激光束的所述入射光斑直徑與在所述透明材料內的所述連續激光細絲直徑的比率；所述激光被聚焦使得所述臨界比率在1到1000之間。7.根據權利要求1所述的系統，所述系統進一步包括：用于改變所述激光束和所述透明材料之間的相對取向的裝置；以及控制和處理單元進一步操作地連接到用于改變所述激光束和所述透明材料之間的所述相對取向的所述裝置。8.根據權利要求1所述的系統，所述系統進一步包括：控制和處理單元，所述控制和處理單元用于控制所述激光源。9.根據權利要求8所述的系統，所述系統進一步包括：所述控制和處理單元改變所述激光源的脈沖波長。10.根據權利要求8所述的系統，所述系統進一步包括：所述控制和處理單元改變所述激光源的突發內的脈沖-脈沖分離。11.根據權利要求8所述的系統，所述系統進一步包括：所述控制和處理單元改變所述激光源的突發內的單個脈沖的脈沖能量。12.根據權利要求8所述的系統，所述系統進一步包括：所述控制和處理單元改變所...

【專利技術屬性】
技術研發人員：S·A·侯賽尼，羅正恩，G·阿爾貝羅，
申請(專利權)人：羅芬新納技術公司，
類型：發明
國別省市：美國;US