專利名稱：以高速對玻璃板進(jìn)行激光劃刻并產(chǎn)生低的殘余應(yīng)力的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及玻璃板的激光劃刻，例如用作在顯示器器件(如薄膜晶體管液晶顯示 器，TFT-IXD)制造中的基板的玻璃板。
背景技術(shù)：
玻璃的切割通常使用機(jī)械工具來實(shí)現(xiàn)；但是，存在另一種方法，該方法使用波長為 10. 6微米的CO2激光輻射來加熱玻璃，并通過溫度梯度產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。CO2激光器用于玻璃 切割的應(yīng)用在以下文獻(xiàn)中進(jìn)行了討論Aondratenko，美國專利第5609284號，題為“分割非 金屬材料的方法(Method of splitting non-metallicmaterials) ”(，284專利)；共同轉(zhuǎn)讓 的Allaire等人的美國專利第5776220號，題為“用于斷開脆性材料的方法和設(shè)備(Method and apparatus for breakingbrittle materials) ” C 220 ^^'J ) ；Ostendarp ^A ^H 專利第5984159號，題為“用于切開由脆性材料、尤其是玻璃制造的平坦工件的方法和設(shè) I (Method andapparatus for cutting through a flat workpiece made of brittle material, especially glass) ”(，159專利)；以及共同轉(zhuǎn)讓的Allaire等人的美國專利第 6327875號，題為“控制激光劃刻中的中間裂紋深度(Control of median creackdepth in laser scoring)，，(’ 875專利)。共同轉(zhuǎn)讓的’ 220和’ 875專利的內(nèi)容都通過參考全文結(jié) 合于此。如圖9中所示，在激光劃刻的過程中，在玻璃板112的主表面114中產(chǎn)生中間裂紋 115(也稱為部分開口(partial vent)，或簡稱開口)。為了形成開口，在玻璃板上靠近其一 個邊緣處形成小的起始裂縫111，然后通過以下方法將該裂縫轉(zhuǎn)化成開口 傳播激光121形 成激光束113穿過玻璃表面，隨后穿過用冷卻噴嘴119產(chǎn)生的冷卻區(qū)域。用激光束加熱玻 璃并緊接著用冷卻劑將其驟冷，而產(chǎn)生熱梯度和相應(yīng)的應(yīng)力場，從而使開口擴(kuò)展。在以上提到的專利中利用了具有不同形狀和尺寸的激光束。’284專利中描述的劃 刻束具有短的橢圓形狀，該束的長軸比材料厚度小10倍。根據(jù)這種途徑，當(dāng)玻璃板的厚度 為0. 7毫米，即顯示器基板的典型厚度時，該束的長軸長度應(yīng)當(dāng)不超過7毫米。在’ 220專 利中，劃刻束具有伸長的橢圓形狀，其長軸優(yōu)選大于40毫米。在’ 875專利中，該束的一端 截頂或兩端都截頂，因此該束的總長度縮小20-40%。在’ 159專利中，使用通過掃描技術(shù)產(chǎn) 生的U形束進(jìn)行劃刻。在以上專利中描述了各種劃刻速度，從’ 284專利的實(shí)施例中低的6毫米/秒(mm/ s)至’ 159專利中復(fù)合束結(jié)構(gòu)的1000毫米/秒。值得注意的是，這些參考文獻(xiàn)都沒有提到 因?yàn)榧す鈩澘淘诓ＡО逯挟a(chǎn)生殘余應(yīng)力的問題。因此，這些參考文獻(xiàn)完全沒有提及殘余應(yīng) 力增大的問題，根據(jù)本發(fā)明，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這個問題伴隨劃刻速度增大而出現(xiàn)。
當(dāng)玻璃板將被用作顯示器件中的基板的時候，殘余應(yīng)力成為特別顯著的問題。許 多顯示器器件，如TFT-IXD平板和有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)平板，是直接在玻璃基板上制造 的。為了增大生產(chǎn)率和降低成本，典型的平板制造工藝能在單獨(dú)一個基板或基板子片上同 時產(chǎn)生多個平板。在這種工藝的不同點(diǎn)處，沿著切割刻將該基板機(jī)械分割成各部分。這種機(jī)械切割改變了玻璃中的應(yīng)力分布，具體來說，當(dāng)采用真空技術(shù)使玻璃變平 坦時，出現(xiàn)平板內(nèi)應(yīng)力分布。甚至更具體來說，由于在切割邊緣處不存在牽引，所以切割操 作使板內(nèi)殘余應(yīng)力在切割刻處消除。這種應(yīng)力消除效果一般來說導(dǎo)致玻璃子片的真空平化 形狀發(fā)生改變，顯示器制造者將這種現(xiàn)象稱為“變形”。雖然由于應(yīng)力消除造成的形狀改變的量通常非常小，但是考慮到用于現(xiàn)代顯示器 中的像素結(jié)構(gòu)，從較大的玻璃板機(jī)械切割出獨(dú)立平板產(chǎn)生的變形可能大到足以導(dǎo)致出現(xiàn)相 當(dāng)多的缺陷(拒收)的顯示器。因此，顯示器制造者非常關(guān)心這種變形問題，關(guān)于允許變形 的規(guī)定可能低至等于或小于2微米。進(jìn)行機(jī)械切割時產(chǎn)生的變形的量取決于板中的殘余應(yīng)力，較低的殘余應(yīng)力水平產(chǎn) 生較小的變形。如以上討論的，涉及激光劃刻的現(xiàn)有技術(shù)都沒有提及在劃刻過程中向玻璃 板中引入殘余應(yīng)力。因此，現(xiàn)有技術(shù)也沒有述及隨后在平板制造過程中對玻璃板進(jìn)行機(jī)械 切割時因?yàn)檫@種殘余應(yīng)力導(dǎo)致的變形。除了變形問題以外，如以下討論的，殘余應(yīng)力對于通過將經(jīng)過激光劃刻的玻璃板 分割成兩個子片時產(chǎn)生的邊緣的品質(zhì)也很重要。根據(jù)本發(fā)明，高的殘余應(yīng)力水平與具有較 低強(qiáng)度和較差品質(zhì)(如裂片和微裂紋)的邊緣相關(guān)。還已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，玻璃邊緣附近的高殘余應(yīng) 力可能導(dǎo)致邊緣品質(zhì)逐步變差，稱為碎屑化或分層，有時候在劃刻之后會表現(xiàn)出這種現(xiàn)象， 或者可能因?yàn)橥獠繘_擊而誘發(fā)這種現(xiàn)象。同樣，現(xiàn)有技術(shù)對激光劃刻的這些問題也保持沉 默。用于進(jìn)行激光劃刻的現(xiàn)有技術(shù)的第三個問題涉及進(jìn)行劃刻的玻璃的CTE。現(xiàn)有的 激光劃刻技術(shù)已經(jīng)使用具有較高CTE的玻璃，例如康寧公司(Corninglncorporated)的編 號1737LCD的玻璃，其CTE(0-300°C )大于37X10_7°C。時間更近的玻璃，例如康寧公司的 EAGLE 2000 .和EAGLE XG 玻璃，具有較低的CTE。在加熱過程中，例如編號1737的玻璃 的較高的CTE產(chǎn)生較高的拉伸應(yīng)力，在其他情況相同的時候，意味著更容易以較高的速度 對這種玻璃進(jìn)行激光劃刻。LCD工業(yè)使用的更為現(xiàn)代的玻璃的較低的CTE在采用常規(guī)激光 劃刻技術(shù)時導(dǎo)致低得多的劃刻速度?？紤]到這些各種問題，在本領(lǐng)域中需要這樣一種方法，該方法能提供對具有較低 CTE(即，CTE小于37X10_7°C (0-300°C))的玻璃的高速激光劃刻，同時不會產(chǎn)生過大的殘 余應(yīng)力。發(fā)明概述根據(jù)一個方面，本發(fā)明提供一種對玻璃板(112)進(jìn)行劃刻的方法，該方法包括(a)在玻璃板(112)的表面(114)上以速度S平移(參見圖IC中的箭頭17)具有 峰值強(qiáng)度I 的伸長的激光束，所述激光束的特征是具有未截頂長度Ltl，其中Ltl等于在沒有 任何截頂?shù)那闆r下沿束長度在玻璃板(112)表面(114)上的束強(qiáng)度降低至I·的Ι/e2時的 位置之間的最大距離；和(b)在玻璃板(112)的表面(114)上跟隨(in tandem with)激光束平移冷卻劑區(qū)域(15)；其中(i) S大于500毫米/秒；(ii)L0大于或等于200毫米；和(iii)對I峰和Ltl進(jìn)行選擇，使得激光束在玻璃板(112)的表面(114)上以速度S 平移，在玻璃板(112)的表面(114)上產(chǎn)生最高溫度，該最高溫度小于或等于玻璃應(yīng)變點(diǎn)， 即優(yōu)選的最低可能溫度。在一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，在接觸玻璃板(112)的表面(114)之前，對束最接近冷 卻劑區(qū)域(15)的部分(23)進(jìn)行截頂(例如最多截去Ltl的20% )。優(yōu)選只對最接近冷卻 劑區(qū)域的那部分束進(jìn)行截頂。聯(lián)系這些實(shí)施方式，如果未截頂，優(yōu)選將冷卻劑區(qū)域(15)定 位于該束中將接觸玻璃板(112)表面(114)的那部分之內(nèi)。根據(jù)第二方面，本發(fā)明提供一種運(yùn)行激光劃刻系統(tǒng)的方法，其中通過跟隨具有中 心點(diǎn)的冷卻劑區(qū)域(15)在玻璃板(112)的表面(114)上平移截頂?shù)募す馐?13)，在該玻璃 板中形成開口(115)，所述方法包括對以下參數(shù)進(jìn)行選擇激光束的截頂量(τ)和/或冷 卻劑區(qū)域(15)的中心點(diǎn)與截頂之前激光束最近端之間的距離(D)，從而對以下至少一個參 數(shù)進(jìn)行控制(i)開口(115)的深度，和(ii)由板(112)生產(chǎn)的子片中的殘余應(yīng)力。根據(jù)第三方面，本發(fā)明提供一種運(yùn)行激光劃刻系統(tǒng)的方法，其中通過跟隨具有外 邊緣的冷卻劑區(qū)域(15)在玻璃板(112)的表面(114)上平移截頂?shù)募す馐?13)，在該玻璃 板中形成開口(115)，所述對激光束的截頂操作產(chǎn)生最接近冷卻劑區(qū)域(15)的截頂邊緣， 所述方法包括(a)改變激光束的截頂量(τ )，以配合或?qū)崿F(xiàn)以下一種或多種變化劃刻速度的 變化，開口深度的變化，玻璃組成的變化，板厚度的變化，由該板生產(chǎn)的子片中的殘余應(yīng)力 的變化，以及由該板生產(chǎn)的子片的邊緣性質(zhì)的變化；和(b)隨著激光束的截頂量(τ )的變化，使以下⑴和(ii)之間的間距(L)保持恒 定，⑴激光束的截頂邊緣，( )最靠近激光束的截頂邊緣的冷卻劑區(qū)域(15)的那部分外 邊緣。在以上本發(fā)明各方面的概述中使用的附圖標(biāo)記和符號只是為了方便讀者，并非意 圖限制本發(fā)明的范圍，也不應(yīng)理解為限制本發(fā)明的范圍。更一般來說，應(yīng)該理解，以上一般 說明和以下詳細(xì)說明都只是本發(fā)明的示例，意圖提供用于理解本發(fā)明性質(zhì)和特征的概覽或 框架。在以下詳細(xì)說明中提出了本發(fā)明的其他特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而 言，通過本發(fā)明的說明，這些特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)的一部分將是顯而易見的，或者可以通過如本文所 述實(shí)施本發(fā)明而了解。包括附圖以提供對本發(fā)明的進(jìn)一步的理解，附圖結(jié)合在說明書中并 構(gòu)成說明書的一部分。應(yīng)該理解，本說明書和附圖中揭示的本發(fā)明的各特點(diǎn)可以以任何和 全部的組合方式使用。附圖簡要描述圖IA和IB是現(xiàn)有技術(shù)劃刻系統(tǒng)的示意圖。圖IC是本發(fā)明一種實(shí)施方式的示意 圖。這些附圖中的附圖標(biāo)記17表示劃刻方向。圖2是對于以雙模方式運(yùn)行的激光器的激光器功率和劃刻速度的各種組合，在玻璃表面上在沿劃刻線的各點(diǎn)計(jì)算的熱歷程(history)的圖。激光束長度為230毫米。表1 列出對于該圖中顯示的各曲刻的激光器功率和速度。該圖中的縱軸顯示以。C為單位的溫 度，橫軸顯示以秒為單位的時間。附圖標(biāo)記50表示最大溫度極限，附圖標(biāo)記60表示驟冷區(qū) 域。圖3是圖IC的計(jì)算的瞬時熱應(yīng)力與參數(shù)τ和D的變化關(guān)系的圖。圖4是開口深度與參數(shù)τ的變化關(guān)系的圖?？v軸表示以微米為單位的開口深度， 橫軸表示以毫米為單位的束阻斷程度(degree of beam blockage, τ)。三角形數(shù)據(jù)點(diǎn)是 測量值，根據(jù)這些值擬合曲線。圖5是對以下束的計(jì)算的曝光時間(不進(jìn)行驟冷)與劃刻速度的變化關(guān)系的圖， 在該圖中，60毫米束為曲線20，以及對于根據(jù)本發(fā)明的長度大于200毫米的束，具體來說是 250毫米束為曲線22，300毫米束為曲線24?？v軸表示以秒為單位的曝光時間，橫軸表示以 毫米/秒為單位的劃刻速度。60毫米曲線中的缺口(虛線部分)表示用60毫米束可以實(shí) 現(xiàn)的最大劃刻速度的位置，在該圖中用附圖標(biāo)記26表示。圖6是利用本發(fā)明的代表性束(正方形數(shù)據(jù)點(diǎn))和參比(對比)束(圓形數(shù)據(jù) 點(diǎn))產(chǎn)生的測量的峰值玻璃表面溫度的圖?？v軸表示以。C為單位的峰值玻璃表面溫度，橫 軸表示以％為單位的激光器功率。在該圖中，較高的激光器功率對應(yīng)于較高的劃刻速度。圖7是利用代表性的本發(fā)明束(正方形數(shù)據(jù)點(diǎn))和參比(對比)束(圓形數(shù)據(jù) 點(diǎn))在激光劃刻過程中產(chǎn)生的測量的峰值殘余應(yīng)力的圖。縱軸表示以PSi為單位的峰值殘 余應(yīng)力，橫軸表示以％為單位的激光器功率。在該圖中，較高的激光器功率對應(yīng)于較高的劃 刻速度。圖8是對于康寧公司的EAGLE 2000 ^ (菱形數(shù)據(jù)點(diǎn))和EAGLE XG (正方形數(shù)據(jù) 點(diǎn))LCD玻璃，在不產(chǎn)生過大的殘余應(yīng)力條件下實(shí)現(xiàn)的劃刻速度與激光器功率的變化關(guān)系 的圖?？v軸表示以毫米/秒為單位的劃刻速度，橫軸表示以％為單位的激光器功率。圖9是現(xiàn)有技術(shù)劃刻系統(tǒng)的示意圖。
發(fā)明詳述及其優(yōu)選實(shí)施方式A.以高速劃刻玻璃板的挑戰(zhàn)激光劃刻通常使用波長為10. 6微米的二氧化碳激光器進(jìn)行。在這種波長下，氧化 物玻璃的吸收可能超過IO5-IO6LzU使得CO2輻射的有效穿透深度小于1-10微米。成功地 進(jìn)行劃刻所要求的典型開口深度必須在玻璃厚度的10-20%范圍內(nèi)，對于LCD制造中使用 的典型基板(即基板厚度為0. 7毫米)而言對應(yīng)于70-140微米。這意味著在激光劃刻過 程中開口的形成主要依賴于玻璃表面下方加熱的熱導(dǎo)率，這是一個比較緩慢的過程。因此， 高的表面吸收和玻璃的熱導(dǎo)率是基本確定工藝窗口和限制劃刻速度的兩個基礎(chǔ)因素。為了達(dá)到要求的拉伸應(yīng)力以形成開口，激光束的功率密度必須高到足以在玻璃的 表面上提供足夠的溫度差異(參見以下)。但是，如果功率密度太高，則在曝光過程中傳遞 至玻璃表面上沿劃刻線的各點(diǎn)的能量可能導(dǎo)致玻璃燒蝕或蒸發(fā)。這種高功率密度還可能導(dǎo) 致在分開的子片邊緣處以及在與其相鄰的區(qū)域中產(chǎn)生高的殘余應(yīng)力水平。另一方面，如果 曝光時間比較短(當(dāng)劃刻速度較高時)，則傳遞至玻璃的能量可能不足以加熱表面下方的 玻璃，也不足以形成深的開口。從理論上說，可以通過在冷卻之前使用幾個束預(yù)熱玻璃，或者通過沿劃刻線用單束進(jìn)行多次掃描，解決這個問題。但是，這兩種方法都要求復(fù)雜的光學(xué)和控制方案。B.伸長的束的應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明，利用一種比較簡單的方案解決了以上挑戰(zhàn)，吃驚地發(fā)現(xiàn)該方案能有 效地以高速對玻璃板(包括由具有低的熱膨脹系數(shù)的玻璃構(gòu)成的玻璃板)進(jìn)行劃刻，產(chǎn)生 低的殘余應(yīng)力水平。該方案涉及使用單獨(dú)一個伸長的束，該束具有大于或等于200毫米的 未截頂長度Ltl(參見以下)。由于其長度較長，用于實(shí)施本發(fā)明的該束一般具有較大的長軸 與短軸之比，例如該比值大于130，優(yōu)選大于200，最優(yōu)選大于300。這種類型的束導(dǎo)致在劃刻過程中延長在玻璃表面上的停留時間，使得能夠在甚至 超過1000毫米/秒的劃刻速度條件下形成深的開口。而且，可以對束的結(jié)構(gòu)以及激光器 的功率分布模式進(jìn)行選擇，將功率密度保持在較低的水平，使得能夠進(jìn)行一致的劃刻過程， 而不會使玻璃表面發(fā)生過熱超過進(jìn)行劃刻的玻璃的應(yīng)變點(diǎn)。這顯示該方法的一項(xiàng)明顯的優(yōu) 點(diǎn)，因?yàn)檫@意味著可以利用高的劃刻速度而不會產(chǎn)生高的殘余應(yīng)力水平。另外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn) (參見以下)，可以通過調(diào)節(jié)冷卻區(qū)和束拖尾邊緣的相對位置，使劃刻過程中產(chǎn)生的拉伸應(yīng) 力最大化。這樣就使得能夠增大沿玻璃表面的溫度差異，同時將玻璃表面的最高溫度保持 在玻璃應(yīng)變點(diǎn)以下。根據(jù)一些優(yōu)選的實(shí)施方式，激光劃刻使用非對稱的激光束進(jìn)行，例如僅在一端截 頂?shù)氖］^好地，該束具有可以變化的尺寸(長度)和功率密度，從而適合不同的玻璃類型 和/或工藝條件(如劃刻速度)，但是在需要時，可以在實(shí)施本發(fā)明時使用具有固定的尺寸 和功率密度的束，例如，聯(lián)系用于單獨(dú)一種類型和厚度的玻璃的專門劃刻站。C.用伸長的束進(jìn)行激光劃刻 為了以給定的速度形成并擴(kuò)大激光開口，玻璃表面上各點(diǎn)應(yīng)當(dāng)經(jīng)歷由以下參數(shù)確 定的相同的熱歷程激光器功率和激光束之內(nèi)功率密度的分布；加熱速度；在加熱過程中 達(dá)到的最大玻璃表面溫度；以及驟冷效率和驟冷區(qū)位置。一般來說，本發(fā)明的劃刻方法在 系統(tǒng)工藝參數(shù)之間取得平衡，使得一個參數(shù)的變化能通過一個或多個其他參數(shù)的變化來補(bǔ) 償，從而使得玻璃表面上沿劃刻線的各點(diǎn)基本上保持所需的相同熱歷程。對于任何給定類型的玻璃和劃刻速度，本發(fā)明通過符合以下條件實(shí)現(xiàn)了高速劃刻 以及低的殘余應(yīng)力(1)通過加熱并隨后冷卻劃刻線各點(diǎn)產(chǎn)生的瞬時熱應(yīng)力超過使從已有的裂縫開始 形成的開口穩(wěn)定擴(kuò)展的玻璃的斷裂應(yīng)力；(2)使玻璃表面上沿劃刻線的各點(diǎn)經(jīng)歷激光曝光，足以形成較深的開口，但是另一 方面，對激光曝光的持續(xù)時間和激光束的功率密度進(jìn)行選擇，使玻璃表面不至于過熱，從而 使得該過程在進(jìn)行時不會引起顯著量的殘余應(yīng)力；和(3)對該束拖尾邊緣之內(nèi)驟冷區(qū)的位置進(jìn)行選擇，使得對于給定的最大玻璃表面 溫度，將熱應(yīng)力梯度最大化。通過考慮

圖1能最好地理解這些原理的應(yīng)用，圖1示意說明以下專利的方法，圖IA 說明’ 284專利的方法，圖IB說明’ 220專利的方法，圖IC說明本發(fā)明的一種實(shí)施方式。如圖IA和IB中所示，’ 284和’ 220專利中描述的激光劃刻方法包括用限定尺寸 的激光束113加熱玻璃表面，然后是驟冷區(qū)或冷卻區(qū)域15。在激光劃刻的過程中，形成中間 裂紋(或部分開口)。如以上討論的，要形成開口，首先在玻璃表面上形成小的起始裂縫，然后通過激光束和驟冷區(qū)將其轉(zhuǎn)化成開口，并進(jìn)行擴(kuò)展。根據(jù)’ 284和’ 220專利，冷卻區(qū)域位 于束邊界外側(cè)一定距離處(參見圖IA和1B)。雖然圖IA和IB的結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)劃刻，但是它們根據(jù)玻璃類型局限在20-500毫米/ 秒的速度。使用相同結(jié)構(gòu)試圖增大劃刻速度的嘗試都導(dǎo)致玻璃過熱，根據(jù)本發(fā)明已經(jīng)發(fā)現(xiàn)， 因?yàn)槭┘拥妮^高的功率密度導(dǎo)致的玻璃過熱會產(chǎn)生高的殘余應(yīng)力水平。而且，殘余應(yīng)力效 應(yīng)在較高的劃刻速度條件下變得更加明顯，尤其是在低熱膨脹玻璃的情況中。圖IC的實(shí)施方式的方法通過利用明顯更長的激光束，并且依據(jù)本發(fā)明的最優(yōu)選 實(shí)施方式，通過截去該束的一端，在玻璃板的表面上產(chǎn)生非對稱的束足跡(FOOTPRINT)，從 而克服了這些問題。通過以下考慮可以理解這種方法的基礎(chǔ)。從機(jī)械工程角度考慮，劃刻過程可以用 在劃刻過程中在玻璃中產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力σ來描述。該拉伸應(yīng)力與α *Ε* Δ T成正比，其中 α是玻璃的線性熱膨脹系數(shù)(CTE)，E是玻璃的彈性模量，△ T是玻璃表面上位于激光束下 方的表面部分與位于冷卻噴嘴下方的部分之間的溫度差。要形成開口，產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力必須大于玻璃的分子鍵。玻璃的CTE和彈性模量越 低，則產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力越低，因此，對于給定的條件組合，劃刻速度越低。對于給定的α*Ε 乘積，可以通過將玻璃加熱至較高的溫度從而增大拉伸應(yīng)力σ。但是，將玻璃過熱至接近或 超過其應(yīng)變點(diǎn)會導(dǎo)致玻璃燒蝕，并在玻璃中產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的高的殘余應(yīng)力，從而使玻璃邊 緣的品質(zhì)變差，降低其強(qiáng)度，并使劃刻過程的進(jìn)行變得不一致。為了要解決這些問題進(jìn)行了研究，其中在玻璃表面沿劃刻線的各點(diǎn)處計(jì)算了溫度 隨時間的變化(熱歷程)的關(guān)系。在理想情況中，在劃刻過程中，玻璃表面沿劃刻線的各點(diǎn) 應(yīng)當(dāng)在相同的時間內(nèi)經(jīng)歷相同的溫度變化。圖2顯示使用長度為230毫米的束對激光器功 率和速度的不同組合計(jì)算的熱歷程。表1列出這些附圖中顯示的各曲線的功率水平和速 度。用于圖2計(jì)算的玻璃性質(zhì)與康寧公司的EAGLE 2000 玻璃的性質(zhì)相當(dāng)。該圖還顯示 進(jìn)行冷卻過程的區(qū)域(驟冷區(qū)域)。該圖中的水平虛線表示用于進(jìn)行這些計(jì)算的玻璃的應(yīng)變點(diǎn)，即666°C。根據(jù)本發(fā) 明，該溫度表示劃刻過程中不應(yīng)超過的上限，以避免在玻璃中產(chǎn)生過大的殘余應(yīng)力。一般來 說，假定玻璃表面的加熱以及隨后的驟冷產(chǎn)生足夠的拉伸應(yīng)力來擴(kuò)大開口，則優(yōu)選較低的 最大玻璃溫度，而非較高的最大溫度。這樣可以使完成的邊緣和玻璃板中的殘余應(yīng)力最小。圖2的計(jì)算結(jié)果顯示了能成功地使用而不會產(chǎn)生過大殘余應(yīng)力的劃刻參數(shù)的組 合，以及使得玻璃過熱(例如加熱玻璃使T > 6660C )的組合(參見附圖標(biāo)記100和110)。 計(jì)算的結(jié)果還顯示了可用于以降低的玻璃表面溫度進(jìn)行該過程而仍然實(shí)現(xiàn)足以形成開口 的瞬時拉伸應(yīng)力水平的激光器功率和激光曝光時間的組合(參見附圖標(biāo)記70、80和90)。 如以下所示，這些計(jì)算的結(jié)果通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過調(diào)節(jié)激光器功率、與束的加速和減速相關(guān)的劃刻速度的變化而驗(yàn)證的其他計(jì) 算和實(shí)驗(yàn)(結(jié)果未顯示)可以進(jìn)行配合，從而將玻璃的表面溫度保持在能成功地實(shí)現(xiàn)劃刻 同時不對開口深度和殘余應(yīng)力產(chǎn)生明顯影響的工藝范圍。更具體來說，在這些計(jì)算和實(shí)驗(yàn) 中，在加速過程中激光器功率增大，在減速過程中激光器功率減小，使得玻璃上對應(yīng)于這些 劃刻速度變化的點(diǎn)的熱歷程基本上類似于劃刻速度恒定時的熱歷程。這樣，因?yàn)榧す馄骱?開口引起的玻璃溫度在玻璃長度上是基本均勻的，當(dāng)在開口處將玻璃板分割成兩個子片時，得到的分開的邊緣也是基本均勻的。如上所述，使劃刻過程中的玻璃表面溫度最小化有助于減小玻璃中的殘余應(yīng)力。 但是，劃刻過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力必須足夠高以形成開口。進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)來解決這些矛 盾的考慮因素。這些實(shí)驗(yàn)顯示，對于激光束下方的表面部分的給定最大溫度，可以通過改變 冷卻劑點(diǎn)相對于束的位置來增大熱應(yīng)力。通過計(jì)算圖IC中瞬時熱應(yīng)力隨參數(shù)τ和D的變 化，也證明了這一點(diǎn)。這些計(jì)算的結(jié)果示于圖3中。在該圖中可以看出，對于各距離D( S卩，冷卻劑點(diǎn)中 心至未阻斷束的邊緣的距離；參見圖1C)，τ值(S卩，束的阻斷長度；參見圖1C)存在一個 范圍，在該范圍中，瞬時熱應(yīng)力具有最大值。從定性方面考慮，這些計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀察 的結(jié)果從性質(zhì)上是一致的。調(diào)節(jié)τ (和D)提供了一種有效的途徑，能夠?qū)崿F(xiàn)足夠的拉伸應(yīng)力以形成開口，同 時不會產(chǎn)生過大的殘余應(yīng)力水平。而且，τ也會影響開口深度，對于較大的截?cái)?較大的 τ值)，深度較小。一般來說，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)開口深度是τ的非線性函數(shù)，換言之，是圖IC中的 長度b的非線性函數(shù)。圖4中顯示了這種影響，其中該圖的上半部分表示合適的τ值范圍， 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)該范圍能成功地對0. 7毫米的LCD玻璃進(jìn)行劃刻。應(yīng)該注意，圖4中顯示的非線 性行為不同于’ 284、，220和’ 875專利中描述的內(nèi)容，這些專利中預(yù)測開口深度與b具有線 性依賴關(guān)系(參見圖IA和1B)。一般來說，增大劃刻速度導(dǎo)致開口深度減小，使得隨后將玻璃板分割成兩個子片 的操作變得不太可靠?，F(xiàn)有激光劃刻技術(shù)的一個主要缺點(diǎn)是短激光束提供有限的曝光(或 停留)時間。當(dāng)劃刻速度接近或超過500毫米/時，曝光時間變得更短(例如約100-120 毫秒)。圖5中顯示了這種影響，在圖中，對于現(xiàn)有技術(shù)的束長度(60毫米，參見附圖標(biāo)記 20)以及本發(fā)明的代表性的束長度(250毫米和300毫米，分別參見附圖標(biāo)記22和24)，將 曝光時間對劃刻速度作圖。該圖中還顯示了利用現(xiàn)有技術(shù)的束長度可以實(shí)現(xiàn)的最大劃刻速 度(參見附圖標(biāo)記26)。通過一系列的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，證明這些短的曝光時間不足以將玻璃表面加熱至可靠 地形成開口所需要的溫度，除非使用高功率密度的束。但是，這種高功率密度會產(chǎn)生嚴(yán)重的 殘余應(yīng)力問題。這種曝光時間同樣太短，以至于不能形成足夠的開口深度來保證在開口線 處成功地進(jìn)行分割。如以上討論的，根據(jù)本發(fā)明，使用未截定長度Ltl大于或等于200毫米的伸長的束 來進(jìn)行劃刻。在圖IC的命名法中，LtlZb+τ。這種束在500毫米/秒的劃刻速度條件下能 提供比常規(guī)激光劃刻過程長3-5倍的曝光時間。這使得在快得多的劃刻速度條件下熱量能 夠深入地傳遞到玻璃中而不會使玻璃表面過熱。即使在等于或大于1000毫米/秒的速度 條件下，這種束形成的開口深度也能超過玻璃厚度的10 %，保證了可靠的分割。雖然對于本 發(fā)明實(shí)施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(shí)際考慮因素，Ltl通 常約等于或小于300毫米，不過需要時可使用較長的束。通常使用CO2激光器產(chǎn)生激光束，但是需要時可使用其他類型的激光器。要實(shí)現(xiàn) 等于或大于200毫米的Ltl值，通常要將該束通過射束擴(kuò)展器，然后使用圓柱形光學(xué)結(jié)構(gòu)使 該束伸長。對于本發(fā)明的目的，使用ISO 11146標(biāo)準(zhǔn)的1/e2的束長度定義確定未截定束的 Ltl值。即，將激光束的邊界定義為束強(qiáng)度降低至其峰值I·的Ι/e2的位置。根據(jù)這個定義，大約有86%的總束能量傳遞通過定義的邊界。如以上討論的，根據(jù)本發(fā)明，在劃刻過程中將玻璃表面的最大溫度保持低于 或最多等于玻璃的應(yīng)變點(diǎn)，即，玻璃粘度為1013_5Pa*s(1014_5泊)時的溫度。優(yōu)選 大 彡T應(yīng)變_30，更優(yōu)選T最大彡T應(yīng)變_60，最優(yōu)選T最大彡T應(yīng)變-100，其中T最大和T應(yīng)變的單位都是。C。 對于等于或小于500毫米/秒的較小的劃刻速度，最高玻璃溫度可以小于(Ts$-150)或者 甚至小于(T應(yīng)變-200)?？梢酝ㄟ^不同方式測量玻璃溫度，優(yōu)選方式是利用熱成像(熱視) 照相機(jī)。如以上討論的，通過以這種方式控制ΤΛλ，可以減小玻璃中的殘余應(yīng)力的量。優(yōu)選 由玻璃板形成的子片中的峰值殘余應(yīng)力小于或等于300psi，最優(yōu)選小于或等于lOOpsi。在 一些情況中，可以容忍峰值殘余應(yīng)力超過300psi，例如應(yīng)力最高為500psi。具體來說，如果 玻璃板不會經(jīng)歷明顯的附加邊緣應(yīng)力，則這種較高的應(yīng)力水平是可以接受的。同樣，在大玻 璃板的情況中，板體中的變形可能較小，因?yàn)榘宓某叽巛^大，甚至當(dāng)邊緣處具有高的峰值時 也是如此。優(yōu)選采用雙折射技術(shù)測量經(jīng)過劃刻和分割的板中的峰值殘余應(yīng)力。由以上內(nèi)容很明顯知道，可以使用未截頂束實(shí)施本發(fā)明，但是優(yōu)選使用在一端截 頂?shù)氖?，即其拖尾端最鄰?最接近)冷卻劑區(qū)的束?？梢允褂脼榇四康奶貏e構(gòu)造的屏蔽 物進(jìn)行截頂?；蛘?，可以對用于施加冷卻劑的一部分噴嘴組件進(jìn)行定位，以截?cái)嗖⒂纱藢κ?的拖尾部分進(jìn)行截頂。后一種途徑如圖IC所示，其中通過噴嘴19的外殼截?cái)辔唇仨斒?1， 變成玻璃表面的截頂束13。應(yīng)當(dāng)理解，不同于’ 875專利中描述的情況，優(yōu)選根據(jù)本發(fā)明的束的阻斷程度不超 過總束長度的約20%。同樣，也不同于’ 875專利，優(yōu)選根據(jù)所需的劃刻速度對束的阻斷程 度進(jìn)行選擇。而且，使用冷卻噴嘴組件進(jìn)行束的阻斷時，對冷卻劑區(qū)在束內(nèi)的所需位置的選 擇導(dǎo)致對束的不同的截頂程度(不同的τ值)，而同時使束的后邊緣與冷卻區(qū)域的前邊緣 的距離L保持恒定(參見圖1C)，對于這種結(jié)構(gòu)，L不依賴于τ。在使用屏蔽物而非噴嘴組 件進(jìn)行截頂?shù)南到y(tǒng)中也可以采用不依賴于τ的恒定的L。并不意圖以任何方式進(jìn)行限制，通過以下實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。D.實(shí)驗(yàn)結(jié)果使用圓形偏振的CO2激光束獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，該圓形偏振的CO2激光束通過可變的射 束擴(kuò)展器，然后利用圓柱形光學(xué)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成伸長的束。該光學(xué)系統(tǒng)允許沿劃刻方向調(diào)節(jié)束 的長度，獲得等于或大于200毫米的未截頂長度Ltlt5將冷卻劑射流定位，以接觸未截頂束的 拖尾邊緣內(nèi)側(cè)的玻璃板。如圖IC中所示，使用噴嘴主體對束進(jìn)行截頂。圖6比較了用本發(fā)明的束(正方形數(shù)據(jù)點(diǎn))和用參比束(圓形數(shù)據(jù)點(diǎn))產(chǎn)生的玻 璃峰值表面溫度。具體來說，本發(fā)明的束的未截頂長度為200毫米，截頂10-15毫米，而參比 束的未截頂長度為100毫米，使用時不進(jìn)行截頂。在各情況中，距離L(參見圖1)等于3-6 毫米。在這些實(shí)驗(yàn)中使用的玻璃為康寧公司的EAGLE 2000 玻璃。使用熱視照相機(jī)測量 該玻璃的表面溫度。在該圖中，較高的激光器功率對應(yīng)于較高的劃刻速度。由該圖中可以看出，對于參比束，在超過30%的相對激光器功率條件下，表面溫度 迅速爬升超過700°C。另一方面對于代表本發(fā)明的束，表面溫度保持低于玻璃應(yīng)變點(diǎn)，甚至 當(dāng)相對激光器功率超過60%時也是如此。從劃刻速度角度來看，該實(shí)驗(yàn)和相關(guān)實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng) 劃刻速度僅僅超過450-500毫米/秒時，使用參比束容易造成玻璃表面過熱，使玻璃溫度上升超過600°C，而當(dāng)使用本發(fā)明的束時，即使當(dāng)劃刻速度接近1000毫米/秒時，最大玻璃溫 度也將保持低于600°C。因此本發(fā)明允許以較高的速度進(jìn)行激光劃刻而不會使玻璃過熱。如以上討論的，使玻璃過熱是不利的，因?yàn)檫^熱除了其他問題之外還會導(dǎo)致分開 的子片中存在過高的殘余應(yīng)力水平。這種影響如圖7中所示，該圖示出用參比束(圓形數(shù) 據(jù)點(diǎn))和用上述本發(fā)明束(正方形數(shù)據(jù)點(diǎn))進(jìn)行劃刻得到的分開的子片中測量的峰值殘余 應(yīng)力。該圖中還顯示了劃刻速度。可以看出，當(dāng)劃刻速度超過500毫米/秒時，參比束得到 的應(yīng)力水平遠(yuǎn)高于500psi水平，而對于本發(fā)明的束，即使在劃刻速度等于1000毫米/秒的 條件下，得到的應(yīng)力水平也遠(yuǎn)低于這個水平。圖8說明本發(fā)明的激光束能夠?qū)哂械虲TE的玻璃基板進(jìn)行劃刻。使用的激光束 與用于產(chǎn)生圖6和7的正方形數(shù)據(jù)點(diǎn)的激光束相同。圖8中的菱形數(shù)據(jù)點(diǎn)是康寧公司的 EAGLE 2000 :玻璃的數(shù)據(jù)點(diǎn)，正方形數(shù)據(jù)點(diǎn)是康寧公司的EAGLE XG 玻璃的數(shù)據(jù)點(diǎn)。如該 圖中所示，本發(fā)明的激光束能在對應(yīng)于遠(yuǎn)高于500毫米/秒(如750-1000毫米/秒)的速 度的激光器功率水平條件下，成功地對由這些低CTE玻璃組成的基板進(jìn)行劃刻。而且，得到 的子片具有低的殘余應(yīng)力水平，即，應(yīng)力水平通常小于或等于lOOpsi。通過玻璃彎曲，或者 通過使用不彎曲的超聲分離方法，能夠完成對以這種方式劃刻的玻璃板的斷開。通過以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明，使用伸長的激光束并結(jié)合對該束的拖尾邊緣進(jìn)行部分阻 斷，能夠有效地對玻璃板進(jìn)行劃刻。具體來說，這種組合方式使得能夠?qū)E冷位置進(jìn)行選 擇，從而使開口深度最大化，并使劃刻過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力梯度最大化，而不會增大最大玻 璃表面溫度。這種技術(shù)能采用高的劃刻速度，例如速度等于或大于750-1000毫米/秒，而 不增加殘余應(yīng)力，甚至對具有低CTE的玻璃基板也是如此。雖然已經(jīng)描述和說明了本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，但是應(yīng)該理解，可以在不偏離本 發(fā)明精神和范圍的條件下進(jìn)行修改。例如，雖然本發(fā)明討論和說明了使用在10. 6微米運(yùn)行 的CO2激光器對厚度為0. 7毫米的LCD玻璃進(jìn)行劃刻，但是需要時，本發(fā)明可以應(yīng)用于其他 類型的玻璃，可以使用不同波長的其他類型的激光器操作。在不偏離本發(fā)明范圍和精神的許多其他修改對于了解本文揭示內(nèi)容的本領(lǐng)域普 通技術(shù)人員而言是顯而易見的。以下權(quán)利要求意在涵蓋本文提出的具體實(shí)施方式
以及這些 修改、變化和等同。表 權(quán)利要求
一種對玻璃板進(jìn)行劃刻的方法，該方法包括(a)在玻璃板的表面上以速度S平移具有峰值強(qiáng)度I峰的伸長的激光束，所述束的特征是具有未截頂長度L0，其中L0等于在沒有任何截頂?shù)那闆r下沿束長度在玻璃板表面上的束強(qiáng)度降低至I峰的1/e2的位置之間的最大距離；和(b)在玻璃板表面上跟隨激光束平移冷卻劑區(qū)域；其中(i)S大于500毫米/秒；(ii)L0大于或等于200毫米；和(iii)對I峰和L0進(jìn)行選擇，使得激光束在玻璃板表面上以速度S的平移，在玻璃板表面上產(chǎn)生小于或等于玻璃應(yīng)變點(diǎn)的最大溫度。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在接觸玻璃板的表面之前，對束的一部分進(jìn) 行截頂，所述部分是最接近冷卻劑區(qū)域的部分。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，如果未截頂，將所述冷卻劑區(qū)域定位于束中 將接觸玻璃板表面的那部分之內(nèi)。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述束的截頂部分的長度小于或等于 0. 2*L0。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述冷卻劑區(qū)域通過噴嘴組件產(chǎn)生，該組件 的至少一部分截?cái)嘣摷す馐鴱亩鴮ζ溥M(jìn)行截頂。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述劃刻操作在玻璃板中形成開口，該開口 的深度至少為玻璃板厚度的10%。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，玻璃板表面上的最大溫度滿足以下關(guān) 系式τ最大< T應(yīng)變_100，其中Tia是玻璃的應(yīng)變點(diǎn)，和Tia的單位都是。C。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，由該玻璃板形成的子片中的峰值殘余應(yīng)力 小于或等于500psi。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，由該玻璃板形成的子片中的峰值殘余應(yīng)力 小于或等于IOOpsi。
10.一種運(yùn)行激光劃刻系統(tǒng)的方法，其中通過跟隨具有中心點(diǎn)的冷卻劑區(qū)域在玻璃板 表面上平移截頂?shù)募す馐鴱亩谠摪逯行纬砷_口，所述方法包括對激光束的截頂量和/或 冷卻劑區(qū)域中心點(diǎn)與截頂之前激光束最近端之間的距離進(jìn)行選擇，從而控制至少一個以下 參數(shù)(i)開口的深度，和(ii)由該板形成的子片中的殘余應(yīng)力。
11.一種運(yùn)行激光劃刻系統(tǒng)的方法，其中通過跟隨具有外邊緣的冷卻劑區(qū)域在玻璃板 表面上平移截頂?shù)募す馐鴱亩谠摪逯行纬砷_口，所述對激光束的截頂操作產(chǎn)生最接近冷 卻劑區(qū)域的截頂邊緣，所述方法包括(a)改變激光束的截頂量，以配合或產(chǎn)生以下一種或多種效果劃刻速度的改變，開口 深度的改變，玻璃組成的改變，玻璃板厚度的改變，由該板形成的子片中的殘余應(yīng)力的改 變，以及由該板形成的子片的邊緣性質(zhì)的改變；和(b)隨著激光束截頂量的改變，使以下⑴和(ii)之間的距離保持恒定(i)激光束的截頂邊緣，和(ii)冷卻劑區(qū)域的最靠近激光束截頂邊緣的那部分外邊緣。
全文摘要
提出了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)顯示，用現(xiàn)有技術(shù)對玻璃板(112)進(jìn)行激光劃刻時，隨著劃刻速度的增大，會在分開的板中產(chǎn)生不可接受的殘余應(yīng)力水平。揭示了解決這個問題的方法，這些方法利用伸長的、優(yōu)選是非對稱截頂?shù)募す馐?13)。所述方法允許以等于或大于1000毫米/秒的速度對玻璃板(112)進(jìn)行劃刻，同時產(chǎn)生低的殘余應(yīng)力水平，例如殘余應(yīng)力水平小于或等于500psi。在制造顯示器平板(如LCD平板)的過程中，這種低的殘余應(yīng)力水平轉(zhuǎn)化成低的變形水平，并且改進(jìn)分開的邊緣的性質(zhì)。所述方法可用于各種類型的玻璃，包括具有低的熱膨脹系數(shù)的玻璃。
文檔編號C03B33/09GK101910077SQ200880125313
公開日2010年12月8日 申請日期2008年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月20日
發(fā)明者A·A·阿布拉莫夫, Y·孫, 周乃越, 徐偉 申請人:康寧股份有限公司