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CN110167891A - 用于对片状玻璃基材进行基于激光的机械加工的基材处理工位 - Google Patents

用于对片状玻璃基材进行基于激光的机械加工的基材处理工位 Download PDF

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CN110167891A
CN110167891A CN201780065972.0A CN201780065972A CN110167891A CN 110167891 A CN110167891 A CN 110167891A CN 201780065972 A CN201780065972 A CN 201780065972A CN 110167891 A CN110167891 A CN 110167891A
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laser
glass sheet
gantry assembly
glass
processing
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CN201780065972.0A
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M·克莱恩
A·R·尼伯
F·斯佩斯
M·沃尔佛特
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Corning Inc
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Abstract

一种玻璃片处理设备包括第一台架组件，其在横向机器方向上在玻璃片上延伸。所述第一台架组件包括沿着第一台架组件的长度移动的处理头，以及包括激光器，所述激光器包括定位在激光器的光束路径中的光学装备，从而提供在光学装备的光束输出侧上形成的激光束焦线。第二台架组件在横向机器方向上在玻璃片上延伸。第二台架组件包括沿着第二台架组件的长度移动的处理头。

Description

用于对片状玻璃基材进行基于激光的机械加工的基材处理 工位
本申请依据35U.S.C.§119要求于2016年10月24日提交的系列号为 62/411,938的美国临时申请的优先权权益，本文以该申请的内容为基础并将其通过 引用全文纳入本文。
技术领域
本公开涉及对片状基材进行机械加工的方法和设备，更具体地，涉及对片状 玻璃基材进行基于激光的机械加工的基材处理工位。
背景技术
用于断开玻璃片的各种方法和设备是已知的。一种示例性的方法采用激光， 其借助于被玻璃材料强烈吸收的波长和功率，或者在第一次相互作用后使材料具有 强的吸收，可接着烧蚀材料。另一种方法是特定定向的激光诱导裂纹形成，其中激 光首先强烈加热表面上的迹线，随后立即迅速冷却该迹线(例如通过水射流)，使 得由此获得的热应力造成裂纹形成，该裂纹可以扩展通过材料的厚度(受机械应 力)，以断开材料。
在一些已知的切割工艺中，可以使用包含X/Y(有时也被称为2D)定位台的 玻璃切割设备。例如，托架可以用于在各处理位置之间运输玻璃片。玻璃切割设备 的X/Y定位台上可以装有托架以及玻璃片。托架随后通过线性致动器在水平面中 以X和Y方向移动，同时静止的处理头(包括激光器)将激光束引导到玻璃片上 以进行切割操作。
虽然上述工艺可以适于切割玻璃片，但是在托架上处理各个玻璃片可能是耗 时的，并且不那么适合用于较大产量的操作。来自切割操作的废料通常保留在托架 上，从而要引入需从托架移除废料的另一步骤。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种方法(及对应的装置)，可利用其对片 状基材(尤其是脆性材料)进行机械加工(尤其是完全断开)而不会有显著的颗粒 形成，不会有显著的熔化边缘，使边缘处的裂纹形成最小化，没有显著的切割缺口 (即材料损失)，具有尽可能最直的切割边缘以及具有高的工艺速度。
在一个实施方式中，玻璃片处理设备包括第一台架组件，其在横向机器方向 上在玻璃片上延伸。所述第一台架组件包括沿着第一台架组件的长度移动的处理 头，以及包括激光器，所述激光器包括定位在激光器的光束路径中的光学配置，从 而提供在光学配置的光束输出侧上形成的激光束焦线。第二台架组件在横向机器方 向上在玻璃片上延伸。第二台架组件包括沿着第二台架组件的长度移动的处理头。
在另一个实施方式中，提供了一种用于对片状基材进行基于激光的机械加工 的方法，其中用于对基材进行机械加工的激光器的激光束被引导到基材上，从而将 基材分成多个部分。所述方法包括：使用第一台架组件来处理片状基材，所述第一 台架组件在横向机器方向上在片状基材上延伸。所述第一台架组件包括沿着第一台 架组件的长度移动的处理头，以及包括激光器，所述激光器包括定位在激光器的光 束路径中的光学配置，从而提供在光学配置的光束输出侧上形成的激光束焦线。使 用第二台架组件来处理片状基材，所述第二台架组件在横向机器方向上在片状基材 上延伸。第二台架组件包括沿着第二台架组件的长度移动的处理头。
在另一个实施方式中，玻璃片处理设备包括在横向机器方向上在玻璃片上延 伸的台架组件。台架组件包括多个处理头，它们在横向机器方向上沿着台架组件的 长度移动。第一处理头包括将玻璃片分离成多个部分的激光器，该激光器包括定位 在激光器的光束路径中的光学配置，从而提供在光学配置的光束输出侧上形成的激 光束焦线。
在以下的详细描述中给出了其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领 域的技术人员而言是容易理解的，或通过实施书面说明书和其权利要求书以及附图 中所述实施方式而被认识。
应理解，上文的一般性描述和下文的具体实施方式都仅仅是示例性的，并且 旨在提供理解权利要求书的性质和特点的总体评述或框架。
包括的附图提供了进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一 部分。附图例示了一个或多个实施方式，并与说明书一起用来解释各个实施方式的 原理和操作。
附图说明
图1根据本文所示和所述的一个或多个实施方式，例示了适用于片状基材的 基于激光的机械加工的玻璃片处理设备的平面示意图；
图2例示了图1的玻璃片处理设备的侧截面图；
图3根据本文示出和所述的一个或多个实施方式，例示了与图1的玻璃片处 理设备一起使用的玻璃保持式传送带的一部分；
图4例示了玻璃保持式传送带沿着图3的线4-4的另一视图；
图5例示了图3的玻璃保持式传送带的另一视图；
图6例示了图3的玻璃保持式传送带的另一视图；
图7是根据本文示出和所述的一个或多个实施方式的移除了玻璃保持式传送 带的图1的玻璃片处理设备的截面图；
图8根据本文所示和所述的一个或多个实施方式，例示了与图1的玻璃片处 理设备一起使用的激光器的光学配置；
图9示出了使用图1的玻璃片处理设备进行机械加工的基材表面；
图10根据本文所示和所述的一个或多个实施方式，例示了与图1的玻璃片处 理设备一起使用的激光器的另一个光学配置；
图11根据本文所示和所述的一个或多个实施方式，例示了与图1的玻璃片处 理设备一起使用的多台架组件；
图12根据本文所示和所述的一个或多个实施方式，例示了包含多个处理头的 台架组件；
图13是根据本文所示和所述的一个或多个实施方式的用于图1的玻璃片处理 设备的分束配置的示意图；
图14根据本文所示和所述的一个或多个实施方式，例示了与图1的玻璃片处 理设备一起使用的玻璃废物处理设备；
图15是根据本文所示和所述的一个或多个实施方式的玻璃切割过程的示意 图；
图16是图15的玻璃切割过程的另一个示意图；以及
图17根据本文所示和所述的一个或多个实施方式，例示了与图1的玻璃片处 理设备一起使用的玻璃废物处理设备。
具体实施方式
本文所述的实施方式一般涉及适于与片状玻璃基材的基于激光的机械加工一 起使用的玻璃片传递设备。玻璃片传递设备可以是玻璃片处理设备的部分，所述玻 璃片处理设备一般包括以下中的一种或多种：用于将玻璃片装载到玻璃片处理设备 中的玻璃片装载工位；用于将玻璃片定位在横向机器方向上的玻璃片定中心工位； 使用切割工具(例如激光)切割玻璃片的玻璃片处理工位；从不期望的碎片中取出 所需部分的玻璃卸载工位；以及对剩下的玻璃碎片进行处理以减小不期望的碎片的 尺寸并将破碎的碎片沉积在保持位置中的玻璃废物处置工位。
参考图1，该图根据一个或多个实施方式示出了一种玻璃片处理设备10。玻 璃片处理设备10包括玻璃片装载工位12、玻璃片定中心工位14、玻璃片处理工位 16和玻璃废物处置工位18。玻璃片装载工位12具有倾斜台的构造，其具有进料端 20和出料端22。玻璃片装载工位12可以包括台支承主体24，其包括传送带28的 阵列26，这些传送带28一起限定了支承表面以在其上支承玻璃片44。传送带28 可以在横向机器方向(箭头30所示)上间隔任何距离，该距离适于在使用期间运 输玻璃片，但禁止相邻带28之间的接触。
台支承主体24可以具有装载构造和传递构造。在装载构造中，可以利用致动 器(例如气动装置、电动机等)来降低台支承主体24的进料端20(例如，更接近 底板或其他进料装置)，在降低的地方，可以容易地将玻璃片装载到由传送带28 限定的支承表面上。通过使传送带28以预定的速度在机器方向(由箭头32所示) 上移动，可以使用传送带28将玻璃片拉到台支承主体24上。一旦玻璃片14在台 支承主体24上，则可以升高进料端20，使得进料端20与出料端22基本上在相同 的高度处，并且支承表面基本是水平的，以利用传送带28将玻璃片从玻璃片装载 工位12供给到玻璃片定中心工位14。在一些实施方式中，进料端20在整个玻璃 片进料过程中可以保持基本水平，并且可以不下降及升高。
在例示的实施方式中，玻璃片定中心工位12可以包括位于玻璃片44的一个 侧边缘42处的第一侧位调整机构40以及位于玻璃片44的相对侧边缘47处的第二 侧位调整机构46。第一侧位调整机构40和第二侧位调整机构46包括围绕(train about)端部驱动辊50和52以及中心带定位辊54的调整带48。中心带定位辊54 向着从上游端部驱动辊20出发的驱动路径P的中心线向内定位，这形成了第一侧 位调整区域40和第二侧位调整区域46的锥形区域56。锥形区域56减小了驱动路 径P的可用宽度，这可以在玻璃片44刚好被玻璃保持式传送带60接收以用于激 光处理之前将玻璃片44的横向机械位置调整到所需位置。
玻璃保持式传送带60可以运载玻璃片44通过玻璃片处理工位16。玻璃片处 理工位16可以是多台架型的，其包括至少两个台架组件64和66，它们基本上彼 此平行，并在横向机器方向上延伸。台架组件64和66可以由控制器控制，以在机 器方向32上沿着玻璃片处理工位16独立移动。台架组件64和66的移动可以通过 从玻璃片44机械加工出的部件的尺寸和数目决定。如下文将更详细描述的，每个 台架组件64和66可以包括一个或多个处理头68和70，它们可在横向机器方向30 上线性移动，并且每个处理头包括可用于使玻璃片44的部分与另一部分断开的相 应的激光切割装置。台架组件64和66在机器方向30上的线性移动，以及处理头 68和70在横向机器方向32上的线性移动允许根据终端产品的需要，将玻璃片44 切割成各种复杂和不复杂的形状。另外，处理头68和70可以一起起作用而在多阶 段切割过程中切断玻璃片44。
参考图2，玻璃保持式传送带60在连续环路中的下游驱动辊76与上游驱动辊 78之间延伸，所述连续环路限定了传送部分80和返回部分82，所述传送部分80 将玻璃片44向下游传送，所述返回部分82向着上游驱动辊78行进。如图2所例 示的，玻璃保持式传送带60在传送部分80处保持相对较紧致，以为玻璃片44提 供基本上平坦的支承表面。这与返回部分82形成了对比，返回部分82保持相对松 弛，这允许在玻璃保持式传送带60的返回部分82向着上游驱动辊78行进时，返 回部分82落在闲置的支承辊84上。在紧邻下游驱动辊76的闲置支承辊84a和84b 之间可以提供张力辊86以保持一致的张力，从而使玻璃保持式传送带60离开传送 部分80而围绕下游驱动辊76进入到返回部分82中。下游驱动辊76和上游驱动辊78各自可以连接到电动机，从而以连续的方式驱动玻璃保持式传送带60。在一些 实施方式中，可以仅使下游驱动辊76受电动机驱动。
参考图3，该图示出了一部分的玻璃保持式传送带60，其包括传送带区段90， 这些传送带区段90相互连接以提供连续的玻璃保持式传送带60。传送带区段90a 和90b可以沿着结合线92连接，所述结合线92允许传送带区段90a与90b之间相 对于彼此铰接式(例如旋转式)移动。简要参考图4，传送带区段90a可以包括互 锁元件94a，其为整体形成的环元件形式，该环元件从基本为平面的支承部分96a 向外延伸并形成了环部分98a，并且通过向着传送带区段90a的下侧102a延伸回 来而具有开口100a。同样地，传送带区段90b可以包括互锁元件94b，其为整体形 成的环元件形式，该环元件从基本为平面的支承部分96b向外延伸并形成了环部分 98b，并且通过向着传送带区段90b的下侧102b延伸回来而具有开口100b。互锁 元件94a和94b可以并排排列的形式接合，使得它们的开口100a和100b对齐，并 且尺寸调整到接收通过它们的连接杆104，这允许传送带区段90a和90b在箭头95 的方向上移动，同时禁止传送带区段90a和90b分离。如图5所示，相邻传送带区 段90的多个互锁元件94并排定位成一排，以便以可旋转的方式接收连接杆104。 每个传送带区段90可以以相同的方式连接，从而提供具有较高的铰接程度的玻璃 保持式传送带60，并且能够移除/更换玻璃保持式传送带的部分。
参考图6，由于互锁元件94a和94b之间的互相连接以及它们的尺寸原因，因 此沿着每条结合线92提供有一系列真空开口110。真空开口110通过玻璃保持式 传送带60的厚度，并且依循空气流动路径通过互锁元件94a与94b之间的互相连 接处，以使得在玻璃保持式传送带60下方产生的负压通过真空开口110吸取空气。 在一些实施方式中，可以产生高达280毫巴或更高的负压。该负压可以用于将玻璃 片44抵向玻璃保持式传送带60来保持，并且当玻璃片44在机器方向32上行进时， 抑制玻璃片44移动。
玻璃保持式传送带60可以由适于接触高品质玻璃片44的任何材料形成。例 如，由于聚甲醛C(POM C)适于接触玻璃片44以及在激光切割过程期间的耐热 性，因此可以使用聚甲醛C。POM C(不添加有颜色的成分)的天然颜色是白色， 这降低了对激光的任何干扰并且可减少由玻璃片44产生的部件上的工艺残余物的 量。POM C也可适于各种激光工艺。
参考图7，该图例示了玻璃片处理设备10的截面图，为了清楚起见，移除了 玻璃保持式传送带60。玻璃保持式传送带受真空支承设备200支承。当玻璃保持 式传送带60进行传送时，真空支承设备200将玻璃保持式传送带60支承在传送支 承表面206上。传送支承表面206由多个工作台支承部分208提供，所述多个工作 台支承部分208在机械纵向方向和机械侧向方向上均一起对齐，以限定基本为平面 的工作台组件210，该工作台组件210包含基本上水平布置的传送支承表面206。 各个工作台支承部分208可以作为板来形成，在例示的实施方式中，其为矩形，但 是也可以为任何合适的形状，它们经过成形而以并排布置的形式配合在一起。
可以使用高度调整间隔组件212在垂直和水平上对齐各工作台支承部分208。 高度调整间隔组件212可以包括定位在各个工作台支承部分208与真空室底板214 之间的间隔元件216。各间隔元件216可以具有基本上相同的高度，以使各工作台 支承部分208垂直对齐，从而提供基本为平面的传送支承表面206。高度调整间隔 组件212还可以提供真空室体积218，其位于真空室底板214与工作台组件210之 间。
当玻璃保持式传送带60相对于工作台支承组件210移动时，在使用每个工作 台支承部分208来支承玻璃保持式传送带60的同时，每个工作台支承部分208还 有助于沿着玻璃保持式传送带60的长度施加负压。特别地，工作台支承部分208 包括通过工作台支承部分208厚度的真空开口220。在一些实施方式中，每个工作 台支承部分208的真空开口220可以成排及成列对齐，以提供在传送支承表面206 的区域上分布的真空开口220的阵列。真空开口220提供了通过工作台支撑部分 208的连通通道，用于将负压从真空室体积218施加到玻璃保持式传送带60。
将玻璃片44确定地保持在玻璃保持式传送带60上可允许玻璃片44的处理得 到改进，例如在机器方向上以相对较高的传送带加速和减速(例如至少约2m/s2， 如至少约5m/s2)期间，维持玻璃片44在玻璃保持式传送带60上的位置，以及允 许玻璃片44在玻璃保持式传送带60上的传递速率相对较快(例如至少约1m/s) 并具有相对较低的间隔时间(例如约3至7秒)。
再次参考图1，如上所述，玻璃片处理工位16可以是多台架型的，其包括至 少两个台架组件64和66，它们基本上彼此平行，并在横向机器方向上在玻璃片44 的侧边缘42与48之间延伸。可以使用线性电动机115和117，使台架组件64和 66沿着玻璃片处理工位16，在沿着轨道组件122的机器方向32上独立移动。每个 台架组件64和66可以包括一个或多个处理头68和70，它们可在沿着由台架组件 64和66提供的轨道组件126和136的横向机器方向30上线性移动，并且每个处 理头包括可用于使玻璃片44的部分与另一部分断开的相应的激光切割装置。
可以将玻璃片44转移到玻璃片处理工位16的玻璃保持式传送带60上，以利 用处理头68和70的激光对玻璃片44进行激光处理(例如切割)。一般来说，激 光处理可以使对激光透明的玻璃片44(在本文中有时也称为“透明材料”)穿孔， 并且穿孔可以引起或促进在穿孔处切割透明材料。激光处理可以用于分离玻璃片 44的各部分以形成所需的形状。下面描述将基材分离成各个部分的一般机构。
玻璃片处理设备10的分离方法利用适合该方法的激光光学器件(下文中也称 为光学配置)针对每个激光脉冲产生了激光焦线(不同于焦点)。焦线决定了激光 与玻璃片44的材料之间的相互作用区。如果焦线落在待分离的材料中，则可以对 激光参数进行选择以发生与材料的相互作用，该相互作用产生了沿着焦线的裂纹 区。重要的激光参数是激光波长、激光的脉冲持续时间、激光的脉冲能，还可以是 激光的偏振。可以为激光与材料的相互作用提供以下各项：
1)可以对激光的波长进行选择，使得玻璃片44的材料在该波长下基本上是透 明的(具体地，例如每毫米材料深度的吸收度<<10％＝>γ<<1/cm；γ：朗伯-比尔 (Lambert-Beer)吸收系数)。
2)可以对激光的脉冲持续时间进行选择，使得在相互作用的时间内，在相互 作用区之外不发生显著的热传输(热扩散)(具体地，例如：τ<<d2/α，d：聚焦直 径，τ：激光脉冲持续时间，α：材料的热扩散常数)。
3)可对激光的脉冲能进行选择，使得相互作用区中(即，焦线中)的强度产 生诱导吸收，该诱导吸收使得沿着焦线局部加热玻璃片44的材料，进而由于引入 到材料中的热应力而沿着焦线形成裂纹。
4)激光的偏振影响玻璃片44的表面处的相互作用(反射率)以及诱导吸收时 材料中的相互作用类型。诱导吸收可以通过诱导的游离载流子(通常是电子)在热 激发之后发生，或者通过多光子吸收和内部光离子化，或者通过直接场电离(光的 场强直接破坏电子成键)发生。可以例如通过所谓的凯尔迪什(Keldysh)参数估 计载流子的产生类型。在某些材料(例如双折射材料)的情况中，可能非常重要的 是，激光的进一步吸收/传输取决于偏振，因此，使用者应选择通过合适的光学器 件(相位板)进行的偏振，以使其有利于分离相应的材料，例如以试探性的方式来 选择。因此，如果材料不是光学各向同性的，但是例如是双折射的，则激光在材料 中的传输还受偏振影响。因此，可以对偏振和偏振矢量的取向进行选择，使得根据 需要仅形成一条焦线而不是两条(寻常光线和非常光线)。在光学各向同性材料的 情形中，其不起任何作用。
5)此外，需基于脉冲持续时间、脉冲能和焦线直径来选择强度，使得优选不 存在显著的烧蚀或显著的熔化，而是优选地仅在实心主体的微结构中形成裂纹。对 于通常的材料，例如玻璃或透明晶体，利用在亚纳秒范围内的脉冲激光(也就是说， 尤其是具有例如10ps至100ps之间的脉冲持续时间)可以最容易地满足该要求。
使材料中发生裂纹形成的过程，以及使裂纹垂直于玻璃片44的平面延伸的是 超过材料的结构强度(压缩强度，单位为MPa)的机械应力。此处的机械应力通 过激光能的快速、不均匀的加热(热诱导应力)获得。在玻璃片44相对于焦线适 当定位的前提下，在玻璃片44的表面处开始裂纹形成，因为表面处是变形最严重 的地方。这样做的原因在于，在表面上方的半空间中，不存在可吸收力的材料。这 一论据同样适于具有硬化或增韧表面的材料，只要硬化或增韧层的厚度比沿着焦线 突然受热的材料的直径大即可。
相互作用的类型可通过积分通量(能量密度，单位为焦尔/cm2)以及具有选定 的焦线直径的激光脉冲持续时间来设置，使得在一些实施方式中，1.)在表面处或 体积中不发生显著的熔化和2.)在表面处不发生显著的烧蚀而形成颗粒。在基本透 明的材料中，已知多种诱导吸收类型：
a)在带隙低的半导体和隔离器中，基于例如低的残余吸收(由于材料中的痕 量杂质或由于在激光机械加工之前在某温度下载流子已经受到热激发)，在激光脉 冲持续时间的第一部分内迅速加热将导致另外的载流子发生热激发，这进而导致吸 收增加并因此使焦线中的激光吸收累积增加。
b)在隔离器中，如果光的强度足够高，则基于与材料原子的非线性光学相互 作用，光子吸收导致电离，进而因此使得产生游离的载流子，以及因此使得激光的 线性吸收增加。
下面描述所需的分离表面的几何结构的产生(使处理头68和70中的一者的 激光束与玻璃保持式传送带60的基材之间沿着基材表面上的线相对移动)。
对于每个激光脉冲，与玻璃片44的相互作用沿着焦线在材料中产生了单独、 连续的(在垂直于基材表面的方向上观察)裂纹区。为了使材料完全断开，将一系 列这些针对每个激光脉冲的裂纹区沿着所需的分离线靠在一起，使得裂纹的侧向连 接在材料中产生了所需的裂纹表面/轮廓。为此，以特定的重复率对激光进行脉冲。 对光斑尺寸和间距进行选择，使得沿着激光光斑的线在表面处发生所需的定向裂纹 形成。各个裂纹区沿着所需的分离表面的间距根据从激光脉冲到激光脉冲的时间段 内，焦线相对于材料的移动来获得。
为了在玻璃片44的材料中产生所需的分离表面，通过可平行于玻璃片44的 平面移动的光学装备使脉冲激光在材料上方移动，以形成所需的分离线。焦线相对 于玻璃片44的表面的取向——无论其是垂直于表面的还是与表面成角度的——可 以选择为固定值，或者通过可枢转的光学装备(为简便起见，下文中也称为光学器 件)和/或通过激光器沿着所需分离线的可枢转光束路径进行改变。
总之，为了形成所需的分离线，可以使焦线在最多达五个可单独移动的轴中 通过材料：两个空间轴(x,y)用于将焦线穿透点固定到材料中，两个角度轴用于固定焦线从穿透点到材料中的方向，以及另一个空间轴(z’，不一定与x,y 正交)固定了焦线从表面处的穿透点到达材料中的深度。
这里一般存在限制，这些限制由光学器件和激光参数决定：θ和的角度取向 可以仅发生在材料中激光的折射允许的范围内(小于材料中的全反射角)，并且激 光焦线的穿透深度受可用的激光脉冲能和相应选择的激光光学器件限制，其仅形成 可以利用可用激光脉冲能产生裂纹区的焦线长度。
通过材料的内应力或通过例如机械(张力)或热(不均匀加热/冷却)所引入 的力，沿着所产生的裂纹表面/轮廓发生材料的分离。由于可能没有烧蚀显著量的 材料，因此在材料中一般最初没有连续的间隙，而是仅有高度紊乱的断裂表面区域 (微裂纹)，其在自身内是搭接(meshed)的，在一些情况下仍然通过桥连接。 随后引入的力具有使剩余的桥分离以及通过侧向裂纹生长(平行于基材平面发生) 克服搭接的作用，使得可沿着分离表面分离材料。
参考图8，一种对玻璃片44进行基于激光的机械加工以将基材分离成多个部 分的方法，其中用于对玻璃片44进行机械加工的激光器103的激光束102a、102b 被引导到玻璃片44上，所述方法的特征在于：利用定位在激光器103的光线路径 中的光学装备106，通过将激光束102a引导到光学装备106上而在光学装备106 的光束输出侧上形成延伸的激光束焦线102b(沿着光束方向观察)，玻璃片44相 对于激光束焦线102b定位，使得沿着激光束焦线102b的延伸部分102c在玻璃片 44的材料中产生诱导吸收(在光束方向上观察)，并且具有沿着该延伸部分102c 在基材的材料中发生诱导裂纹形成的作用。
在一些实施方式中，玻璃片44相对于激光束焦线102b定位，使得材料中(即， 玻璃片44的内部中)的诱导吸收的延伸部分102c一直延伸到所述两个相对的基材 表面101a、101b中的至少一者。
在某些实施方式中，相对于激光束焦线102b来定位玻璃片44，使得材料中 (即，玻璃片44的内部中)的诱导吸收的延伸部分102c从所述两个相对的基材表 面中的一个表面101a一直延伸到所述两个相对的基材表面中的另一个表面101b， 也就是说，在玻璃片44的整个层厚度d内延伸，或者由于玻璃片44相对于激光束 焦线102b定位，使得材料中(即，玻璃片44的内部中)的诱导吸收的延伸部分 102c从所述两个相对的基材表面中的一个表面101a延伸到玻璃片44中，但不一 直延伸到所述两个相对的基材表面中的另一个表面101b，也就是说，不在玻璃片 44的整个层厚度d内延伸，优选地，在该层厚度的80％至98％、优选85％至95％， 特别优选90％内延伸。
在一些实施方式中，产生诱导吸收，使得在不烧蚀且不熔化玻璃片44的材料 的情况下，在玻璃片44的微结构中发生裂纹形成。
在某些实施方式中，激光束焦线102b的范围和/或诱导吸收的部分102c在玻 璃片44中(即，玻璃片44的内部中)的范围(在每种情况中沿着光束的纵向方向 观察)在0.1mm至100mm之间，优选在0.3mm至10mm之间，并且/或者玻璃 片44的层厚度d(垂直于所述两个相对的基材表面101a、101b测量)在30μm至 3000μm之间，优选在100μm至1000μm之间。在一些实施方式中，激光束焦线 102b的平均直径δ(即，光斑直径)在0.5μm至5μm之间，优选在1μm至3μm 之间，优选为2μm，并且/或者，对激光器103的脉冲持续时间τ进行选择，使得 在与玻璃片44的材料相互作用的时间内，在该材料中的热扩散可忽略不计，优选不 发生热扩散，为此，优选根据τ<<δ2/α设置τ、δ和玻璃片44的材料的热扩散常数α， 并且/或者优选地，τ小于10ns，优选小于100ps，并且/或者激光器103的脉冲重复 率在10kHz至1000kHz之间，优选为100kHz，并且/或者，激光器103以单脉冲 激光或脉冲串脉冲激光来操作，并且/或者，在激光器103的光束输出侧上直接测 得的平均激光功率在10瓦特至100瓦特之间，优选在30瓦特至50瓦特之间。
在某些实施方式中，对激光器103的波长λ进行选择，使得玻璃片44的材料对 该波长是透明的或基本透明的，所述基本透明应理解成意为：对于每毫米的穿透深 度，沿着光束方向在玻璃片44的材料中发生的激光束的强度减小为10％或更小，对 于特别是将可见波长范围内是透明的玻璃或晶体作为玻璃片44，所述激光优选是波 长λ为1064nm的Nd:YAG激光，或波长λ为1030nm的Y:YAG激光，或者，对于 特别是在红外波长范围内透明的半导体基材，所述激光优选是波长λ在1.5μm至 1.8μm之间的Er:YAG激光。
在一些实施方式中，将激光束102a、102b垂直引导到玻璃片44上，因此， 使玻璃片44相对于激光束焦线102b定位，使得垂直于基材平面发生沿着激光束焦 线102b的延伸部分102c的诱导吸收，或者，将激光束102a、102b以相对于玻璃 片44的平面法线成大于0°的角度β引导到玻璃片44上，因此，使玻璃片44相对于 激光束焦线102b定位，使得以与基材平面成90°-β的角发生沿着激光束焦线102b 的延伸部分102c的诱导吸收，其中优选地β≤45°，优选β≤30°。
参考图9，在某些实施方式中，使激光束102a、102b沿着线105相对于玻璃 片44的表面101a移动，玻璃片44将沿着所述线105断开而获得多个部分，沿着 该线105在玻璃片44的内部中产生多个诱导吸收的延伸部分102c(该多个延伸部 分为102c-1、102c-2……)，其中优选地，诱导吸收的直接相邻的各延伸部分(即 一个接着一个直接产生的各部分)102c的平均间距a与激光束焦线102b的平均直 径(即，光斑直径)δ的比值在0.5至3.0之间，优选在1.0至2.0之间。
在一些实施方式中，在玻璃片44的内部中产生多个诱导吸收的延伸部分102c(102c-1、102c-2、……)期间和/或之后，在玻璃片44上施加机械力和/或将热应 力引入到玻璃片44中，尤其是使基材受到不均匀的加热并再次冷却，以发生裂纹 形成而用于在诱导吸收的直接相邻的延伸部分102c(102c-1、102c-2)之间相应地 将基材分离成多个部分，优选通过用CO2激光沿着线105照射玻璃片44来引入热 应力。
参考图10，一种对玻璃片44进行基于激光的机械加工以将基材分离成多个部 分的装置，利用该装置，可将对玻璃片44进行机械加工的激光器103的激光束 102a、102b引导到玻璃片44上，所述装置的特征在于：定位在激光器103的光线 路径中的光学装备106，利用该光学装备106，通过将激光束102a引导到光学装备 106上，可在光学装备106的光束输出侧上形成延伸的激光束焦线102b(沿着光束 方向观察)，玻璃片44能够相对于激光束焦线102b定位，或者玻璃片44相对于 激光束焦线102b定位，使得沿着激光束焦线102b的延伸部分102c在玻璃片44 的材料中产生诱导吸收(在光束方向上观察)，并且具有沿着该延伸部分102c在 基材的材料中发生诱导裂纹形成的作用。
在某些实施方式中，光学装备106包含具有球面像差的聚焦光学元件(优选 球面凸透镜107)，在激光器103的光线路径中且定位在该聚焦光学元件107之前 的光学装备106的光阑108(例如环状光阑)，其可阻挡撞击到光阑上的激光束102a 的中心处的光线束(102aZ)，使得仅在该中心之外的外周光线(102aR)撞击到 该聚焦光学元件上。
在一些实施方式中，光学装备106包含具有非球面自由表面的光学元件，所 述表面被成形用于形成具有限定范围(即，限定的长度)的激光束焦线102b(在 光束方向上观察)，具有非球面自由表面的光学元件优选为锥形棱镜或轴棱锥。
在某些实施方式中，光学装备106在激光器103的光线路径中首先包括具 有非球面自由表面的第一光学元件，所述表面被成形用于形成延伸的激光束焦线 102b，所述第一光学元件优选为锥形棱镜或轴棱锥，以及在该第一光学元件的光束 输出侧上包括第二聚焦光学元件，尤其是凸透镜，对这两个光学元件进行定位并对 齐，使得第一光学元件将撞击在其上的激光辐射环状投射到第二光学元件上，以在 第二光学元件的光束输出侧上产生延伸的激光束焦线。
在一些实施方式中，在激光器103的光线路径中，在第一光学元件与第二 光学元件之间定位有第三聚焦光学元件，其特别是平凸准直透镜，优选对所述第三 光学元件进行定位和对齐，使得通过第一光学元件环状形成的激光辐射落到具有限 定的平均环直径的第三光学元件上，并且第三光学元件利用该环直径和限定的环宽 度将激光辐射环状投射到第二光学元件上。
上述方法或装置可用于分离玻璃基材(例如厚度为约0.7mm或更小的玻 璃基材)，尤其是石英、硼硅酸盐、蓝宝石或钠钙玻璃、含钠玻璃、硬化玻璃或未 硬化玻璃的基材；晶状Al2O3基材；SiO2·nH2O(猫眼石)基材或半导体材料(特 别是Si、GaAs、GaN)基材，可用于分离单层或多层基材，尤其是玻璃-玻璃复合 物、玻璃-膜复合物、玻璃-膜-玻璃复合物或玻璃-空气-玻璃复合物，可用于分离 涂覆基材，尤其是涂覆有金属的蓝宝石晶片、具有金属或金属氧化物层的硅晶片、 或者涂覆有ITO或AlZnO的基材，并且/或者可用于使单层或多层基材完全断开或 使多层基材中的一层或多层但非全部的层断开。
为了简便起见，在上下文中，通过上文所述的光学装备形成的激光束焦线 还替代性地被称为激光束的焦线。通过裂纹形成(沿着垂直于基材平面延伸的焦线 进行诱导吸收)，玻璃片44被分离或单独分离成多个部分，在玻璃片44的平面中 观察。结果，裂纹形成垂直于玻璃片44的平面发生而进入到玻璃片44中或进入到 基材的内部中(纵向裂纹形成)。如已经描述的，一般而言，为了使玻璃片44的 各个部分可彼此分离，将多个单独的激光束焦线沿着基材表面上的某条线引入到玻 璃片44中。为此，可以使玻璃片44相对于激光束或相对于光学装备而平行于玻璃 片44的平面移动，或者相反，可以使光学装备相对于玻璃片44而平行于玻璃片 44的平面移动。
实施例
适于例如断开平坦玻璃的是商购的皮秒激光器103，其具有以下参数：波长为1064nm，脉冲持续时间为10皮秒，脉冲重复率为100kHz，平均功率(在激光之 后直接测量)为最高达50W。激光束的初始光束直径(在峰值强度的13％处测得， 即高斯光线束的1/e2直径)为约2mm，光束质量为至少M2<1.2(根据DIN/ISO 11146确定)。利用扩束光学器件(商购的开普勒(Kepler)光束望远镜)，光束 直径增加10倍至约20-22mm(21、23、24和25是光束偏转镜)。利用直径为9mm 的所谓的环状光阑8，割掉光线束的内部部分，从而形成环状光束。利用该环状光 束，照射例如焦距为28mm的平凸透镜(半径为13mm的石英玻璃)。透镜的强的(所需的)球面像差具有产生焦线的作用。
参考图11，该图例示了第一台架组件64和第二台架组件66。台架组件64和 66中的一者或两者可以包括激光切割组件123、125，其适用于切断玻璃片44，例 如，如上所述的玻璃片44。第一台架组件64包括可滑动连接到轨道组件122的基 底组件120，所述轨道组件122在玻璃片处理工位16旁边延伸。轨道组件122允 许第一台架组件64在机器方向30上线性移动。处理头支承组件124受基底组件 120支承。处理头支承组件124提供轨道组件126，其允许利用线性致动器使处理 头68在横向机器方向32上线性移动。因此，利用机器方向的轨道组件122和横向 机器方向的轨道组件126，可实现在X-Y平面中的任意位置定位处理头68和相关 的激光切割组件123。
第二台架组件66包括可滑动连接到轨道组件122的基底组件130(为了说明， 移除了基底组件的基底板)，所述轨道组件122在玻璃片处理工位16旁边延伸。 轨道组件122允许第二台架组件66在机器方向30上线性移动。处理头支承组件 134受基底组件130支承。处理头支承组件134提供轨道组件136，其允许利用线 性致动器使处理头70在横向机器方向32上线性移动。因此，利用机器方向的轨道 组件132和横向机器方向的轨道组件136，可实现在X-Y平面中的任意位置定位处 理头70和相关的激光切割组件125。
虽然图11例示的台架组件实施方式包括单个处理头(每个台架组件具有一个 处理头)，但是在一些实施方式中，台架组件140可以包括不止一个处理头142、 144和146，它们全部在相同的台架组件140上，如图12所示。如上所述，任何一 个或多个处理头142、144和146可以包含用于使玻璃片44断开的激光切割组件。 虽然任何一个或多个处理头142、144和146可以包含激光切割组件，但是它们也 可以包括其他工具以用于除基材分离之外的工艺，例如用于模头和涂层的喷洒器， 清洁喷嘴以及其他处理工具。附加的处理头142、144和146可以便于从相同的玻 璃片14或多个玻璃片14机械加工出另外的部分。各部分可以基本相同，或者它们 可以不同。所述多个处理头142、144、146可以利用其自己的线性致动器，从而便 于独立地控制处理头142、144、146。激光束分裂可以用于同时向不同处理头的光 学器件提供激光束。
简要参考图13，例如，分束装置300可以位于激光源302的激光束路径中。 分束装置300可以包括适于将激光源302所提供的初始激光束304分裂成两个单独 的激光束306a和306b的光学装备。可以将各激光束306a和306b输送给相应的处 理头和激光切割组件，例如处理头68和70以及激光切割组件123和125。在一些 实施方式中，激光源302可以利用改变激光束304的能量分布的光学装备312，所 述激光束304可用于使玻璃片穿孔并且可被分成多个激光束306a和306b。在一些 实施方式中，光学装备312可以包括逆向反射锥面镜对(waxicon)光学装备，使 用其来改变激光束304的能量分布。这种光学装备可降低与多个激光源产生单独的 激光束306a和306b相关的成本和复杂性。
例如，参考图14，与图1的玻璃片处理设备10一起使用的基材处理工位320 的示意图包括多台架处理设备322。多台架处理设备322包括第一台架组件324和 第二台架组件326，其中第一台架组件324和第二台架组件326均在横向机器方向 30上在玻璃片44上延伸。如上所述，第一台架组件324可以具有与其操作性连接 的线性电动机328，以实现第一台架组件324在机器方向32上的移动。同样地， 第二台架组件326也可以包含与其操作性连接的线性电动机330，以实现第二台架 组件326在机器方向上的移动。控制器332可以包括控制第一台架组件324和第二 台架组件326以协作的方式同时移动或以其他方式移动的逻辑。
第一台架组件324可以包括多个处理头334、336和338。每个处理头334、 336和338可以具有与其操作性连接的线性电动机340、342和344，以实现使处理 头334、336和338沿着第一台架组件324的长度在横向机器方向30上移动。同样 地，第二台架组件326可以包括多个处理头348、350和352。每个处理头348、350 和352可以具有与其操作性连接的线性电动机354、356和358，以实现使处理头 348、350和352沿着第二台架组件226的长度在横向机器方向上移动。控制器332 可以包括控制处理头334、336、338、348、350和352以协作的方式同时移动或以 其他方式移动的逻辑。
这种多台架处理设备可以允许对单个玻璃片44的各部分同时进行机械加工， 或者以相同或不同的工艺对多个玻璃片44同时进行机械加工。例如，多个台架组 件324和326具有它们相关的多个处理头334、336、338、348、350和352，其可 允许在分割模式的工艺中同时或以其他方式机械加工多个离散部分，这可减少与从 玻璃片机械分离出多个部分相关的切割时间。在一些实施方式中，激光切割组件各 自可被构造用于提供多个激光束，这些激光束可用于形成所需部分的形状。可以机 械加工最高至5000mm×5000mm(例如约100mm×100mm至约5000mm×5000 mm之间)并且厚度在约25μm至约10mm之间的玻璃片。
现在参考图15，该图例示了玻璃片切割过程，其中玻璃片44的外部部分360 和362与玻璃片44的内部部分364分离。在该实例中，外部部分360和362可以 被认为是碎片，而内部部分364可以是通过断开玻璃片44而形成的品质部分，最 终形成了三个断开的部分360、362和364。由上文所述的激光切割组件和相关的 处理头中的一种提供的激光束366可以在与玻璃片44间隔开的位置处引发切割操 作，并且利用如上所述的负压将玻璃片平坦地保持在玻璃保持式传送带60上。由 于激光束366在与玻璃片44间隔的某一位置处引发了切割路径(用虚线C表示)， 因此，激光束366先被引导到传送带的上表面368上，再被引导到玻璃片44上， 并且是依循着切割路径C来引导。
参考图16，当激光切割组件向着玻璃片44移动时，激光切割组件提供了直接 撞击玻璃保持式传送带60的一连串激光束366。如上所述，玻璃保持式传送带60 可以由POM C形成，所述POM C适于接触玻璃片44并且具有耐热性，该耐热性 可在激光切割过程期间减少玻璃保持式传送带60的改变。例如，激光束366—— 例如在上述实施例中所述的由激光提供的激光束——可以在玻璃保持式传送带60 中形成凹陷372，该凹陷372的深度d不超过约300微米，且宽度w不超过约300 微米。这种装备可允许将玻璃保持式传送带60反复地重新用于多个玻璃片44而无 需更换部分的玻璃保持式传送带60。
再次参考图1，玻璃片处理设备10可以包括玻璃卸载工位150，在此处，可 以从玻璃保持式传送带60取出由玻璃片44形成的所需的玻璃部分。可以手动或自 动地(例如通过机器人)取出玻璃部分，从而将玻璃碎片留在玻璃保持式传送带 60上。随后，玻璃保持式传送带60上的玻璃碎片被传送到玻璃废物处置工位18。
参考图17，玻璃废物处置工位18包括玻璃废物处理设备152，其可将玻璃废 物进一步破坏成更小尺寸以使其沉积到保持位置154(例如贮藏仓)中。玻璃废物 处理设备152包括第一玻璃破碎组件155和第二玻璃破碎组件156。第一玻璃破碎 组件155包括第一破碎辊158和第二破碎辊160，它们接收来自玻璃保持式传送带 60的玻璃废物162。在例示的实施例中，第一破碎辊158包括一对刀片164和166， 它们在横向机器方向破碎时接合第二破碎辊160并使玻璃废物162破碎(例如，每 180度的旋转)。可以提供刷辊176以抑制第一玻璃破碎组件155对玻璃废物162 的冲击，还抑制或防止带表面免受破碎玻璃颗粒的影响。可以提供另一个刷辊178 以清洁玻璃保持式传送带60的表面。随后，破碎的玻璃废物168可以沿着斜坡构 造170向下滑向第二玻璃破碎组件156。第二玻璃破碎组件156可以包括第一破碎辊172和第二破碎辊174。第一破碎辊172和第二破碎辊174可以包括锯状齿，其 使破碎的玻璃废物168在机器方向上进一步破碎。破碎的玻璃废物168接着可以沉 积在保持位置154中。
在部分分离期间和之后，就保持平坦度和稳定性而言，处理玻璃状基材可能 是困难且复杂的。上述玻璃片处理设备可提供玻璃保持式传送带，其通过对基材施 加不影响切割过程或基材品质的真空力，可将基材保持在其上。玻璃片处理工位使 用玻璃保持式传送带，其可用于将多个玻璃片运载到激光切割设备，从而以重复的 方式(即，一个接着一个)进行多次切割和断开操作，并且对玻璃保持式传送带的 表面具有最小的微米大小的影响。可以提供玻璃片装载工位，其包括可倾斜的台支 承主体，由于基材还未被分离，因此其可通过相对较小的单独的各个带将基材传递 给玻璃保持式传送带。可以提供玻璃片定中心工位，其可将基材对齐到XY取向以 进行适当的处理定位。可以提供玻璃废物处理工位，其可进一步降低从部分中移除 的废物的尺寸。
除非另有表述，否则都不旨在将本文所述的任意方法理解为需要使其步骤以 具体顺序进行。因此，如果方法权利要求实际上没有陈述为其步骤遵循一定的顺序， 或者其没有在权利要求书或说明书中以任意其他方式具体表示步骤限于具体的顺 序，则都不旨在暗示该任意特定顺序。
对本领域的技术人员而言，显而易见的是可以对本发明进行各种修改和变动 而不偏离本发明的范围或精神。因为本领域的技术人员可以想到所述实施方式的融 合了本发明精神和实质的各种改良组合、子项组合和变化，应认为本发明包括所附 权利要求书范围内的全部内容及其等同内容。

Claims (21)

1.一种玻璃片处理设备，其包括：
第一台架组件，其在横向机器方向上在玻璃片上延伸，第一台架组件包括沿着第一台架组件的长度移动的处理头，以及包括激光器，所述激光器包括定位在激光器的光束路径中的光学装备，从而提供在光学装备的光束输出侧上形成的激光束焦线；和
第二台架组件，其在横向机器方向上在玻璃片上延伸，所述第二台架组件包括沿着第二台架组件的长度移动的处理头。
2.如权利要求1所述的玻璃片处理设备，其还包括操作性连接到第一台架组件的第一线性致动器，其使第一台架组件在机器方向上移动。
3.如权利要求2所述的玻璃片处理设备，其还包括操作性连接到第二台架组件的第二线性致动器，其使第二台架组件在机器方向上移动。
4.如权利要求1-3中任一项所述的玻璃片处理设备，其中，第二台架组件的处理头包括与第一台架组件的处理头的激光器不同的处理工具。
5.如权利要求1-4中任一项所述的玻璃片处理设备，其中，第二台架组件的处理头包括激光器，所述激光器包含定位在激光器的光束路径中的光学装备，从而提供在光学装备的光束输出侧上形成的激光束焦线。
6.根据前述权利要求中任一项所述的玻璃片处理设备，其还包括控制器，所述控制器控制第一台架组件和第二台架组件的处理头的移动。
7.如权利要求1-6中任一项所述的玻璃片处理设备，其中，第一台架组件包括多个处理头，其中第一台架组件的每个处理头在横向机器方向上沿着第一台架组件的长度移动。
8.如权利要求1-6中任一项所述的玻璃片处理设备，其中，第二台架组件包括多个处理头，其中第二台架组件的每个处理头在横向机器方向上沿着第二台架组件的长度移动。
9.如权利要求1-8中任一项所述的玻璃片处理设备，其还包括运载激光器附近的玻璃片的玻璃保持式传送带，以使激光束焦线定位在玻璃片上，并且玻璃片位于玻璃保持式传送带上。
10.一种用于对片状基材进行基于激光的机械加工的方法，以将基材分成多个部分，其中用于对基材进行机械加工的激光器的激光束被引导到基材上，所述方法包括：
使用在横向机器方向上在片状基材上延伸的第一台架组件来处理片状基材，所述第一台架组件包括沿着第一台架组件的长度移动的处理头，以及包括激光器，所述激光器包括定位在激光器的光束路径中的光学装备，从而提供在光学装备的光束输出侧上形成的激光束焦线；以及
使用在横向机器方向上在片状基材上延伸的第二台架组件来处理片状基材，所述第二台架组件包括沿着第二台架组件的长度移动的处理头。
11.如权利要求10所述的方法，其还包括：使用操作性连接到第一台架组件的第一线性致动器，使第一台架组件在机器方向上移动。
12.如权利要求10或11所述的方法，其还包括：使用操作性连接到第二台架组件的第二线性致动器，使第二台架组件在机器方向上移动。
13.如权利要求10-12中任一项所述的方法，其中，第二台架组件的处理头包括与第一台架组件的处理头的激光器不同的处理工具。
14.如权利要求10-12中任一项所述的方法，其中，第二台架组件的处理头包括激光器，所述激光器包含定位在激光器的光束路径中的光学装备，从而提供在光学装备的光束输出侧上形成的激光束焦线。
15.如权利要求10-14中任一项所述的方法，其还包括使用控制器来控制第一台架组件和第二台架组件的处理头的移动。
16.如权利要求10-14中任一项所述的方法，其中，第一台架组件包括多个处理头，第一台架组件的每个处理头在横向机器方向上沿着第一台架组件的长度移动。
17.如权利要求10-16中任一项所述的方法，其中，第二台架组件包括多个处理头，第二台架组件的每个处理头在横向机器方向上沿着第二台架组件的长度移动。
18.如权利要求10-17中任一项所述的方法，还包括：
使用逆向反射锥面镜对光学装备来改变激光器所提供的激光束的能量分布；以及
对激光束进行分裂以提供多个激光束，将所述多个激光束提供给第一台架组件和第二台架组件中的至少一者的多个处理头。
19.如权利要求10-18中任一项所述的方法，其还包括运载激光器附近的片状基材的玻璃保持式传送带，以使激光束焦线定位在片状基材上，并且片状基材位于玻璃保持式传送带上。
20.一种玻璃片处理设备，其包括在横向机器方向上在玻璃片上延伸的台架组件，所述台架组件包括在横向机器方向上沿着台架组件的长度移动的多个处理头，其中第一处理头包括将玻璃片分离成多个部分的激光器，所述激光器包括定位在激光器的光束路径中的光学装备，从而提供在光学装备的光束输出侧上形成的激光束焦线。
21.如权利要求20所述的玻璃片处理设备，其中，使用线性致动器使多个处理头沿着台架组件的长度移动。
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