專利名稱：玻璃板的激光分割的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及玻璃板的激光分割，例如在制造顯示器件例如薄膜晶體管液晶顯示器 (TFT-LCD)中用作基板的玻璃板，更具體地，涉及在單一步驟中總體分割玻璃板(即，不需 要進行預分割刻劃)。
背景技術：
玻璃的切割通常采用機械工具進行。通常，首先對玻璃進行刻劃，例如使用刻劃工 具(如，鋒利的碳化物輪)，在玻璃中產(chǎn)生刻痕或中等(median)裂縫，同時也在玻璃的切 割邊緣存在明顯損傷。但是，現(xiàn)有的備選方法是使用波長為10. 6微米的C02激光輻照來加 熱玻璃，通過溫度梯度產(chǎn)生拉伸應力來形成刻痕，這種方法的損傷較小。在激光刻劃期間， 在玻璃靠近其中一條邊緣的表面上形成初始小裂痕，然后形成中等裂縫(也稱作局部裂 口 ，或簡稱為裂口 )。然后，所述裂口通過橫移玻璃表面的成束激光、然后通過冷卻噴嘴產(chǎn)生 的冷卻區(qū)而擴展。通過用激光束加熱玻璃、然后立刻用冷卻劑使玻璃驟冷的方式，產(chǎn)生熱梯 度和相應的應力場，應力場是造成裂口擴展的原因。當形成刻痕后，在玻璃上施加彎曲應力 或剪切應力，使裂口在玻璃板的厚度上完全擴展。但是，在另一種情況中，分割玻璃板的方 法是兩步驟法，包括產(chǎn)生刻痕，然后在玻璃上施加應力(如，彎曲應力)，使裂口擴展并且分 割玻璃板，這種方法有時稱作"刻劃和突然折斷"。在某些方法中，可使用第二激光束在玻璃 上施加熱應力，來完成分割過程。 使用激光分割玻璃板的常規(guī)技術中存在的問題涉及玻璃在最初刻劃時的熱膨 脹系數(shù)(CTE)。常規(guī)激光刻劃技術已經(jīng)用于相對高CTE的玻璃，如康寧公司(Corning Incorporated)的Code 1737 LCD玻璃，其CTE(0-300°C )大于37X10—7°C。近期的玻璃， 如康寧的EAGLE加,和EAGLE XG 玻璃，具有較低CTE。較高CTE的玻璃例如Code 1737玻 璃在加熱期間轉換成較高拉伸應力，在其他各事項都相等的情況下，這意味著更容易以較 高速度對這類玻璃進行激光刻劃。由LCD工業(yè)采用的更現(xiàn)代的較低CTE的玻璃基板，在采 用常規(guī)激光刻劃技術時產(chǎn)生低得多的刻劃速度，進一步延長了這種兩步驟法。最后，兩步驟 法要實現(xiàn)良好的邊緣質(zhì)量可能會遇到一些困難。 提供分割玻璃板的單步驟法，以較快的周期時間、最小的殘余應力得到清潔邊緣 (對玻璃損傷最小)將是有益的。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，揭示一種分割玻璃板的方法，該方法包括a)以速 度S在玻璃板表面上平移具有峰值強度I ,的拉長的單激光束，所述光束的特征是未截短長
3度L。，其中L。等于沿光束長度在沒有任何截短條件下玻璃板表面上的光束強度下降至 的1/e2的位點之間的最大距離；(b)在玻璃板表面上在激光束的一前一后平移冷卻劑區(qū)， 因而將玻璃板分割成子片；其中(i) S小于約200毫米/秒；(ii) L。大于或等于100毫米； 和(iii)選擇1^和L。，使激光束以速度S在玻璃板表面上平移，在玻璃板表面產(chǎn)生最高溫 度，該溫度至少比玻璃的應變點低約150°C ;其中玻璃板在激光束單次橫移后被分割。
在上述對本發(fā)明各方面的概要描述中使用的標號和符號僅為方便于讀者，不應理 解為對本發(fā)明范圍的限制。 一般而言，應理解前面的一般性描述和以下的詳細描述都只是 對本發(fā)明的示例，用來提供理解本發(fā)明的性質(zhì)和特性的總體評述或框架。
在以下的詳細描述中提出了本發(fā)明的附加特征和優(yōu)點，對于本領域的技術人員而 言，由所述內(nèi)容或通過按照本文所述實施本發(fā)明而了解，其中的部分特性和優(yōu)點將是顯而 易見的。包括的附圖提供了對本發(fā)明的進一步的理解，附圖被結合在本說明書中并構成說 明書的一部分。應理解，在本說明書和附圖中揭示的本發(fā)明的各種特征可以以任意和所有 的組合使用。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施方式，激光分割玻璃板的系統(tǒng)的透視圖。 圖2是裂口深度隨不同的激光橫移速度變化的圖，顯示在指定的一組條件下，裂
口深度在小于一特定閾值速度時的顯著增加。 圖3顯示按照本發(fā)明的實施方式，應力相對于分開的玻璃板分割邊緣的距離繪制 的圖。
具體實施例方式
激光刻劃和分割通常采用在10. 6微米波長下操作的二氧化碳激光進行。在此波 長，氧化物玻璃的吸收超過105-106m—、這使得C02輻射的有效穿透深度小于1-10微米。因 此，在使用C02激光的單步驟激光分割過程中形成完全裂口 (延伸通過玻璃板的整個厚度 的裂縫)主要依賴于對玻璃表面下熱量的導熱性，這是一個相對較慢的過程。因此，玻璃的 高表面吸收和導熱性是決定過程窗口 (process window)和限制分割速度的兩個基本因素。
為達到要求的拉伸應力以形成裂口，激光束的能量密度應高到足以在玻璃表面提 供所需的溫差。但是，如果能量密度太高，則曝光期間遞送至玻璃表面沿分割線的各點上的 能量可能引起玻璃燒蝕或蒸發(fā)。這樣高的能量密度還可能在分開的子片邊緣以及與邊緣相 鄰的玻璃區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生高水平的殘余應力。另一方面，如果曝光時間短(在分割速度高時)， 遞送至玻璃的能量可能不足以加熱表面下的玻璃和產(chǎn)生延伸通過玻璃板整個厚度的裂口 (完全分離)。 根據(jù)本發(fā)明的實施方式，采用以較高速度、低殘余應力、包括以低熱膨脹系數(shù)的玻 璃構成的玻璃板從而完全分割玻璃板(完全分離)的方案解決了上述挑戰(zhàn)。該解決方案包 括使用未截短長度L。大于或等于200毫米的拉長的單光束。在實施本發(fā)明中使用的光束 因為其長度較長，所以其長軸與短軸的比值一般較大，如大于130，優(yōu)選大于200，最優(yōu)選大 于300。 這種類型的光束導致在分割玻璃期間在玻璃表面上的停留時間延長，對顯示器型的0. 7毫米厚度的玻璃板，能夠形成以最高約200毫米/秒的刻劃速度完全延伸通過玻璃 板厚度的裂口。此外，可以選擇激光束的構形和能量分布模型，以保持能量密度在相對較低 水平，能夠進行一致的分割過程，而不會在玻璃表面產(chǎn)生高于進行分割的玻璃的應變點的 過熱。具體地，對顯示器型玻璃(例如，熱膨脹系數(shù)約為30X10—7°C_35X10—7t:的玻璃)， 玻璃的溫度不能達到該玻璃應變點以下超過約150-20(TC的溫度。這是該方法的一個明確 的優(yōu)點，原因是可以采用相對較高的分割速度而不會產(chǎn)生高水平的殘余應力，并且不再需 要第二處理步驟，而僅在玻璃上產(chǎn)生刻痕時會需要第二步驟。此外，發(fā)現(xiàn)在分割期間產(chǎn)生的 拉伸應力可以通過調(diào)節(jié)冷卻區(qū)的相對位置以及光束的拖尾邊緣而達到最大。這能夠使沿玻 璃表面的溫差增大同時保持玻璃表面的最高溫度能夠充分低于玻璃的應變點。應當注意， 厚度小于0. 7毫米的玻璃板可以更快地分割，如以大于約200毫米/秒、甚至大于約500毫 米/秒的速度分割。 根據(jù)一些實施方式，完全激光分割采用不對稱激光束進行，例如，只在一端截短的 光束。較好地，光束的尺寸(長度)和能量密度可以改變以適應不同的玻璃類型和/或處 理條件(如，激光束的橫移速度)，但是需要時在實施本發(fā)明中可以使用固定尺寸和能量密 度的光束，例如可與用于單一類型和厚度的玻璃的專業(yè)玻璃板分割裝置結合。為了能以指 定速度產(chǎn)生激光裂口并擴展，玻璃表面上各點應經(jīng)歷由以下參數(shù)決定的同樣的熱歷程激 光能量以及激光束中的能量密度分布；加熱速度；加熱期間達到的玻璃表面最高溫度；以 及驟冷效率和驟冷區(qū)位置。概括地，本發(fā)明的分割方法平衡了系統(tǒng)的過程參數(shù)，使一個參數(shù) 的變化可以通過改變一個或多個其他參數(shù)來補償，以保持玻璃表面上沿分割線的各點具有 基本上相同的所需熱歷程。 對任何指定類型的玻璃和分割速度，通過滿足以下條件本發(fā)明達到了相對高速 度、低殘余應力的完全分割 (1)在分割線的每一點上加熱和隨后冷卻產(chǎn)生的瞬時熱應力超過了玻璃的斷裂應 力，使得當存在的裂痕一旦開始裂口 ，裂口就能夠沿分割線穩(wěn)定擴展； (2)玻璃表面上沿分割線的各點在激光輻射下曝光足以產(chǎn)生延伸通過玻璃板的整 個厚度的裂口。但是，選擇曝光持續(xù)的時間以及激光束的能量密度，使得不會引起玻璃表 面過熱，因此進行該過程而不會引發(fā)顯著量的殘余應力。已經(jīng)顯示該方法能夠良好運行， 其中，在加熱期間玻璃上的任何一點的溫度都不超過約510°C，并優(yōu)選在約460-51(TC之間 (特別是在EAGLE，頓和EAGLE XG 玻璃的分割過程中)；禾口 (3)對激光束拖尾邊緣處的驟冷區(qū)位置進行選擇，使得對于指定的玻璃表面最高 溫度，熱應力梯度最大。 通過圖1可以最好地理解這些原理的應用。如圖1所示，激光分割方法包括用激 光器16發(fā)出的激光束14加熱玻璃板12的表面10，然后由噴嘴22發(fā)射冷卻劑20產(chǎn)生驟冷 區(qū)或冷卻區(qū)18。光束14在表面10上的跡線(footprint) 23的尺寸受到限制。在激光分割 期間，中等裂縫(或裂口)26沿分割線28形成，擴展通過玻璃板的整個厚度。如上面討論 的，要產(chǎn)生裂口，首先要在玻璃表面形成小的初始裂痕，然后該裂痕通過激光束和驟冷區(qū)轉 變?yōu)榱芽诓U展，延伸通過玻璃板的整個厚度。冷卻區(qū)設置在光束邊界外部一定距離處。
玻璃板分割可按照分割過程中在玻璃中產(chǎn)生的拉伸應力o進行描述。拉伸應力 與a承E承AT成比例，其中，a是玻璃的線性熱膨脹系數(shù)(CTE) ， E是玻璃的彈性模量，AT是玻璃表面上在位于激光束下的表面部分與位于冷卻噴嘴下的部分之間的溫差的測量值。
為產(chǎn)生裂口，產(chǎn)生的拉伸應力必須大于玻璃的分子鍵。玻璃的CTE和彈性模量越低，產(chǎn)生的拉伸應力也越低，因此，對于指定的一組條件，激光和冷卻區(qū)的橫移速度越低。對指定aAE乘積，通過加熱玻璃至較高溫度可以提高拉伸應力o。但是，玻璃過熱至接近其應變點或者高于其應變點會引起玻璃燒蝕并伴隨在玻璃中形成不可逆的高殘余應力，使子片的邊緣質(zhì)量變差，降低其強度，并使該分割過程不能一致運行。 為解決這些問題，進行了許多研究工作，其中，對額定厚度為0. 7毫米的玻璃板測量了隨激光橫移速度變化的裂口深度。這些數(shù)據(jù)示于圖2，證明通過將橫移速度減慢至遠低于常規(guī)激光刻劃方法中通常采用的水平可以獲得玻璃板的完全分割。在常規(guī)方法中假定裂口深度是橫移速度S的線性變量。但是，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，裂口深度是橫移速度的非線性變量，即，裂口深度一般與激光束橫移速度成反比，并且也取決于激光束的停留時間。即，由圖2清楚可知，所有其他事項保持恒定時，橫移速度減小(光束的停留時間增加)可以獲得在低于某一較低閾值的裂口深度的顯著提高。如圖2所示，區(qū)域30和32表示進行玻璃板激光刻劃的現(xiàn)有技術的系統(tǒng)，區(qū)域30表示早期方法，具有的裂口深度在約100微米左右，區(qū)域
32表示較深的裂口，深度在約12S-300微米左右。對顯示器型玻璃，該閾值約為200毫米/秒，如區(qū)域34所示，采用本發(fā)明的方法可以形成700微米的裂口深度，而用于顯示應用的典型玻璃板的整個厚度為0. 7毫米。同時，橫移速度降低使得能夠降低激光能量，進一步保護玻璃免于受到激光的損傷(如，燃燒)。因此，采用本發(fā)明方法可以降低玻璃表面的能量密度，例如，降低至約0. 7-1. 5瓦/毫米2，而常規(guī)激光刻劃方法中通常為2-7瓦/毫米2。還發(fā)現(xiàn)，在分割范圍(即區(qū)域34)，該分割方法明顯對過程變化更敏感，例如，玻璃板形成條件導致的玻璃板內(nèi)的局部應力的較小變化。即，在分割過程中的操作、支撐、在玻璃中引發(fā)的張力和振動。人們相信這種敏感性是造成圖2的區(qū)域34中數(shù)據(jù)展開的原因。
—般而言，橫移速度提高，導致裂口深度減小并使玻璃板不能可靠地分成兩個子片?，F(xiàn)有激光刻劃和折斷技術的主要缺陷一直是由較短的激光束(即，在玻璃表面上的跡線較小的激光束)提供的受限制的曝光時間(或停留時間)。當刻劃速度接近或超過500毫米/秒時，曝光時間越來越短(如，對光束長度小于50-60毫米的光束，曝光時間約為100-120毫秒)。如上面討論的，根據(jù)本發(fā)明的實施方式，使用未截短長度L。大于或等于200毫米的拉長光束，在單步驟中進行分割。這能夠使熱量以本文所述的橫移速度在深度方向傳遞進玻璃中而不會使玻璃表面過熱。然后可以使這種光束形成的裂口深度延伸完全通過玻璃的厚度。雖然對實施本發(fā)明中使用的激光束的長度沒有理論限制，但是根據(jù)成本和其他實際考慮因素，L。通常約為200毫米，盡管需要時可以使用較長的光束。如果不需要高分割速度，則可以使用約100毫米的光束長度。 激光束通常由(A激光器產(chǎn)生，但是在需要時可以使用其他類型的激光器。為達到大于或等于200毫米的L。值，通常使光束通過擴束器，然后使用柱面光學部件拉長。為本發(fā)明的目的，對未截短光束的L。值可采用IS011146標準的光束長度的1/V定義來確定。即，激光束的邊界定義為光束強度下降至其峰值I^的1/V處的位置。根據(jù)該定義，約86%的總光束能量被傳輸通過該限定的邊界。 在一個實驗中，根據(jù)本發(fā)明的方法，對額定厚度為0. 7毫米的康寧EagleXGTM玻璃板進行分割，測量在分離的玻璃板邊緣處隨距邊緣的距離變化的應力。使用在玻璃板上的未截短拉長跡線約為200毫米的C02激光器，玻璃板表面的能量密度約為1. 0瓦/毫米2，以150毫米/秒的速度分割玻璃板。數(shù)據(jù)如圖3中所示，表明在激光分割之后，在玻璃邊緣附近留下的殘余應力都不超過玻璃中的背景應力，該背景應力小于約15psi。
按照本發(fā)明的實施方式進行玻璃板分割，顯示形成的邊緣表面優(yōu)于刻劃和折斷邊緣，事實上不存在鋸齒形，并且邊緣表面垂直于玻璃板的主表面(如主表面io)，在垂線的0. 3度之內(nèi)。 如上面討論的，按照本發(fā)明，刻劃期間玻璃表面的最高溫度Ti^呆持充分低于該玻璃的應變點1^，，即玻璃的粘度為1013，&*8(10145泊)時的溫度。較好地，Ti^《T頓-1S0，更優(yōu)選，T最高《T應變-加0，在一些情況中，T最高《T應變-"0，其中，T最高和T頓以t:表示?？梢圆捎酶鞣N方法測量玻璃的溫度，優(yōu)選的方法是通過使用熱成像(熱視覺)照相機。 通過控制Ti^吏該溫度顯著低于應變點，可減小分割后的玻璃中的殘余應力量。
較好地，在玻璃板制成的子片中，峰值殘余應力小于或等于100psi，最優(yōu)選小于或等于
50psi。分開的玻璃板中的峰值殘余應力宜采用雙折射技術進行測定。 由前面所述顯示，采用未截短的光束實施本發(fā)明，而不是使用在一端截短的光束，
即其拖尾端最靠近(鄰近)冷卻劑區(qū)?？梢允褂脼榇四康膶ｉT構建的護罩進行截短?；?br> 者，用于向玻璃板施加冷卻劑的噴嘴組件的一部分的設置位置能截取并因此截短光束的拖
尾部分。 應注意到，根據(jù)本發(fā)明光束阻斷的程度優(yōu)選不超過光束總長度的約20%。依據(jù)要求的橫移速度，還對光束阻斷的程度進行優(yōu)選。此外，當使用冷卻噴嘴組件進行光束阻斷時，對要求的冷卻劑區(qū)在光束內(nèi)的位置進行選擇，導致不同程度的光束截短，同時使光束的后緣至冷卻區(qū)的前緣的距離保持恒定。 在一些實施方式中，在激光束橫移期間，通過在玻璃板上被激光束撞擊的表面誘發(fā)小的張力，例如通過彎曲玻璃板，來改進玻璃板的分割。 雖然描述并說明了本發(fā)明的具體實施方式
，但是應理解，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍下可以進行修改。例如，雖然按照使用在10. 6微米下操作的C02激光器對0. 7毫米厚度的LCD玻璃進行分割討論和說明了本發(fā)明，但是本發(fā)明可以應用于其他類型的玻璃，并且在需要時可以采用在不同波長操作的其他類型的激光器。 由本文揭示的內(nèi)容，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍下所做的各種其他修改對于本
領域的技術人員而言將是顯而易見的。下面的權利要求書的目的是覆蓋本文中提出的具體
實施方式以及這類修改、變化和等同項。 因此，本發(fā)明的非約束性實施方式包括 Cl. —種分割玻璃板的方法，該方法包括 (a)以速度S在玻璃板表面上平移具有峰值強度1^的拉長的單激光束，所述光束的特征是未截短長度L。，其中L。等于沿光束長度在沒有任何截短條件下玻璃板表面上的光束強度下降至1 的1/e2的位點之間的最大距離；禾口 (b)在玻璃板表面上在激光束的一前一后平移冷卻劑區(qū)，因而將玻璃板分割成子片； 其中
(i)) S小于約200毫米/秒;
(i i) L。大于或等于100毫米；禾口 (iii)選擇I峰和L。，使激光束以速度S在玻璃板表面上平移，在玻璃板表面產(chǎn)生最高溫度，該溫度至少比玻璃的應變點低約150°C ;禾口
其中玻璃板在激光束單次橫移后被分割。 C2.按照CI所述的方法，其中，在激光束與玻璃板表面接觸之前，光束的一部分被截短，所述部分靠近冷卻劑區(qū)。 C3.如C2所述的方法，其中，光束被截短部分的長度小于或等于0. 2*L。。 C4.如Cl-C3中任一項所述的方法，其中，由該玻璃板制備的子片中的峰值殘余應
力小于或等于100psi。 C5.如Cl-C3中任一項所述的方法，其中，由該玻璃板制備的子片中的峰值殘余應力小于或等于50psi。 C6.如Cl-C5中任一項所述的方法，其中，激光束在玻璃板表面的能量密度小于約1. 5瓦/米2。 C7.如C1-C6中任一項所述的方法，其中，玻璃板表面的最高溫度約為460-51(TC。
C8.如Cl-C7中任一項所述的方法，所述方法還包括在平移激光束期間彎曲玻璃板。 C9.如Cl-C8中任一項所述的方法，其中，玻璃板的邊緣與表面垂線的夾角在0. 3度之內(nèi)。 CIO.如Cl-C9中任一項所述的方法，其中，玻璃板的熱膨脹系數(shù)約為30X 10—7°C至35X10—7°C。
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權利要求
一種分割玻璃板的方法，該方法包括(a)以速度S在玻璃板表面上平移具有峰值強度I峰的拉長的單激光束，所述光束的特征是未截短長度L0，其中L0等于沿光束長度在沒有任何截短條件下玻璃板表面上的光束強度下降至I峰的1/e2的位點之間的最大距離；和(b)在玻璃板表面上在激光束的一前一后平移冷卻劑區(qū)，因而將玻璃板分割成子片；其中(i)S小于約200毫米/秒；(ii)L0大于或等于100毫米；和(iii)選擇I峰和L0，使激光束以速度S在玻璃板表面上平移，在玻璃板表面產(chǎn)生最高溫度，該溫度至少比玻璃的應變點低約150℃；和其中玻璃板在激光束單次橫移后被分割。
2. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，在激光束與玻璃板表面接觸之前，光束的一 部分被截短，所述部分靠近冷卻劑區(qū)。
3. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，由該玻璃板制備的子片中的峰值殘余應力 小于或等于50psi。
4. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，玻璃板表面的最高溫度約為460-510°C。
5. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，玻璃板邊緣與表面垂線的夾角在0. 3度之內(nèi)。
全文摘要
提出一種利用激光分割玻璃板的方法，該方法使用拉長的、優(yōu)選是不對稱截短的激光束。該方法能夠以最高約200毫米/秒的速度、以低水平殘余應力(如小于或等于100psi，優(yōu)選小于50psi的殘余應力)對適合用于現(xiàn)代顯示領域的玻璃板進行分割。能以更快的速度對高熱膨脹系數(shù)(如，大于約35x10-7/℃)的玻璃進行分割。這樣低水平的殘余應力在制造顯示板(如LCD板)期間轉化為低水平變形以及改善的分割邊緣性能(幾何結構，強度，無缺陷等)。該方法可以用于各種類型的玻璃，包括高熱膨脹系數(shù)的玻璃和不同厚度的玻璃板。
文檔編號C03B33/09GK101712529SQ20091020499
公開日2010年5月26日 申請日期2009年9月29日 優(yōu)先權日2008年9月29日
發(fā)明者A·A·阿布拉莫夫, M·W·凱默爾, N·周, Y·孫 申請人:康寧股份有限公司