專利名稱：分離脆性材料板的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是針對(duì)分離脆性材料板的方法，特別是整體切割脆性薄板的方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的激光切割玻璃可以具有很高的中位強(qiáng)度(median strength)，一般優(yōu)于400 兆帕(MPa)。作為對(duì)比，機(jī)械切割的邊緣的中位強(qiáng)度大約在100兆帕或更小。然而，對(duì)于激光切割的樣本，其韋伯模量(Weibull modulus)或“形狀因子”(shape faCtor)m值較低。 對(duì)于由傳統(tǒng)的激光刻痕，并用刻痕和彎曲方法來分離板材的方法制備的樣品，其典型的形狀因子大約為3，最低的邊緣強(qiáng)度約為100兆帕。較低的形狀因子意味著相當(dāng)寬的邊緣強(qiáng)度的分布。這種性能表現(xiàn)會(huì)對(duì)出于可靠性的原因而強(qiáng)調(diào)最低邊緣強(qiáng)度的應(yīng)用帶來問題。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)實(shí)施方式中，披露了一種分離脆性材料薄板的方法，該方法包括在一片具有第一表面、與其相反的第二表面、且第一表面和第二表面之間的厚度約小于或等于Imm 之脆性材料板內(nèi)形成一個(gè)整體裂隙(full body crack)，整體裂隙與第一表面和第二表面相交，用激光束照射該整體裂隙，將激光束在第一表面上沿預(yù)先確定的路徑移動(dòng)，使得整體裂隙沿預(yù)設(shè)的路徑延伸，并將該脆性材料板分離成至少兩片脆性材料的子板，而且整體裂隙的延伸過程中并未對(duì)該脆性材料板使用強(qiáng)制流體冷卻。較佳的激光束包含波長為9-11 微米，例如，一個(gè)標(biāo)稱波長為10. 6微米的CO2激光器。在一些實(shí)施方式中，與脆性材料板接觸的環(huán)境大氣的熱導(dǎo)率要約大于0. 024W/m/K。例如，環(huán)境大氣中可能包含高濃度的高熱導(dǎo)性氣體。激光束與第一表面相交并與預(yù)設(shè)的路徑平行的光束足跡的優(yōu)選長度要大于激光束在脆性材料第一表面移動(dòng)的速度與(Pcpd2)/4K的乘積，其中P是玻璃板的密度，CpS 玻璃板的比熱，κ是玻璃板的熱導(dǎo)率，d為玻璃板的厚度。在一些實(shí)施方式中，當(dāng)激光束移動(dòng)時(shí)，可以在垂直于預(yù)定的路徑的方向上施加一外部張力。例如，脆性材料，如薄玻璃板，可以被卷在幾個(gè)卷筒上，通過增加卷筒間的距離而不增加在卷筒間的脆性材料的長度(或脆性材料在卷筒間長度的增加小于卷筒間距離的增加)來施加張力。不過，這只是一個(gè)說明性的例子，并不是必須要使用兩個(gè)卷筒。在一些實(shí)施方式中，激光束的移動(dòng)方式包含光束足跡只沿預(yù)設(shè)的路徑通過一次。 而在另一些實(shí)施方式中，激光束的在脆性材料的表面上移動(dòng)方式包含多次重復(fù)地通過預(yù)設(shè)的路徑。在這種情況下，只有在激光束多次重復(fù)通過后，將脆性材料板材分離成子板材的整
4體裂隙沿預(yù)定路徑上的延伸才會(huì)發(fā)生。使用多次重復(fù)通過的方式在分離封閉的圖形，如通常為長方形(例如，帶有圓角的長方形)時(shí)很有效。一旦脆性材料板被分離成子板，其中至少一片子板可以通過在前述之至少兩片子板中的至少一片上沉積電介質(zhì)或半導(dǎo)體材料的方式的得到進(jìn)一步加工。例如，可以用已知的沉積技術(shù)(蒸發(fā)，濺射等)將一個(gè)或多個(gè)薄膜晶體管沉積在子板中一片之上。在另一個(gè)實(shí)施方式中，披露了一種分離玻璃板的方法。該方法包括，在厚度約小于或等于Imm的玻璃板的表面上形成一個(gè)初始裂紋(initial flaw)，用一個(gè)包含波長在9至 11微米之間的激光束照射該初始裂縫，在玻璃板的表面沿著預(yù)定的路徑在起點(diǎn)和終點(diǎn)間用多次循環(huán)的方式移動(dòng)激光束，在無強(qiáng)制流體冷卻(forced fluid cooling)下加熱預(yù)定的路徑，只有經(jīng)過多次循環(huán)后，整體裂隙才會(huì)沿預(yù)定路徑延伸，從而將玻璃板分成至少兩片子板。在某些情況下，激光束在循環(huán)的間歇中會(huì)關(guān)閉。優(yōu)選激光束在玻璃板的表面散焦。預(yù)定的路徑可以包括曲線，在一些實(shí)施方式中，可以是閉合的路徑。一旦玻璃板被分離成子板， 電介質(zhì)或半導(dǎo)體材料就可以沉積在所述至少兩片子板的至少一片上。通過下面的解釋性說明，本發(fā)明將會(huì)變得容易理解，其他的目的，特征，細(xì)節(jié)和優(yōu)點(diǎn)也將會(huì)變得更加明顯；本解釋性說明不以任何方式來暗示對(duì)本發(fā)明的限制，并配以附圖以資參考。其目的是使所有包含在本說明書中之其他的系統(tǒng)，方法，特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)都被包括在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，并通過附帶權(quán)利要求書加以保護(hù)。


圖IA是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例被分離的脆性材料板的透視圖。圖IB是包括薄膜層的玻璃板的側(cè)視圖，該玻璃板可以如圖IA中描述進(jìn)行分離。圖2A-2C是玻璃板接受激光分離時(shí)的橫截面圖，并標(biāo)示出了由于激光加熱的進(jìn)行在板中所引起的應(yīng)力。圖3是3組試樣破壞強(qiáng)度的Weibull分布圖-所述三組試樣分別為采用機(jī)械分離方式的試樣，采用對(duì)激光加熱路徑強(qiáng)制流體冷卻的激光分離方式的試樣和激光加熱路徑無強(qiáng)制流體冷卻的激光分離方式的試樣。圖4是超薄玻璃板卷筒至卷筒(spool-to-spool)傳輸系統(tǒng)的透視圖，在卷筒之間的傳輸?shù)牟ＡО逡辣景l(fā)明實(shí)施例的方式分離。圖5A-5C是玻璃板的俯視圖，采用將激光束沿預(yù)定的路徑快速掃描，直至出現(xiàn)整體裂隙并沿預(yù)定路徑延伸，進(jìn)而分離成形體的方式將成形體從初始(母)片切割下來。圖6是示范性下拉法玻璃板形成過程的部分截面圖，采用本發(fā)明實(shí)施例的方式來去除在該過程形成的玻璃薄帶之邊緣部分。圖7是圖6中薄帶的截面圖，呈示出被激光分離的球莖狀的邊緣部分。圖8是從脆性材料(如玻璃)母板上切割下來的子板的俯視圖，其中子板包含一層或多層在其上沉積的薄膜材料。
具體實(shí)施例方式在下列具體實(shí)施方式
中，為了解釋的目的而非限制地揭示了實(shí)施例的具體細(xì)節(jié)， 以提供對(duì)本發(fā)明的徹底理解。不過，對(duì)于一個(gè)具有本行業(yè)技能的普通技術(shù)人員來講，很顯然，借助于本說明書，本發(fā)明可能可以在偏離在此所揭示的具體細(xì)節(jié)的實(shí)施例中得以實(shí)施。 此外，在不會(huì)對(duì)本發(fā)明的說明產(chǎn)生阻礙時(shí)，本說明書可能會(huì)忽略對(duì)于熟知的設(shè)備，方法和材料的描述。最后，只要在適用的情況下，相似的編號(hào)表示相似的單元。作為在本說明書中使用，整體切割(full body cutting)是指在脆性材料板(例如玻璃板)上形成一個(gè)延伸通過材料的整個(gè)厚度，并跨越材料的某一維度的裂隙，使得材料分裂為單獨(dú)的部分。作為在本說明書中使用，強(qiáng)制流體冷卻是指利用被約束的流體，如空氣或水，通過噴嘴指向并冷卻基材的方式來冷卻脆性材料。例如，高壓水或空氣噴射流可以在激光束之后指向玻璃板上預(yù)設(shè)的區(qū)域，以驟冷(quench)被加熱的玻璃。強(qiáng)制流體冷卻應(yīng)區(qū)別于通過與環(huán)境大氣相接觸來冷卻基材的環(huán)境冷卻(ambient cooling)或一般冷卻(general cooling)0雖然在此揭示的方法可以應(yīng)用在各種薄的脆性材料，如玻璃，玻璃陶瓷，陶瓷或其它相似的材料(如，半導(dǎo)體晶片)，但一個(gè)突出的應(yīng)用是切割使用在顯示器應(yīng)用中的玻璃基板。此類別包括，但不僅限于，電視顯示器，電腦顯示器，移動(dòng)電話顯示器，等等。據(jù)此，下面的說明將以玻璃薄板為背景進(jìn)行，但應(yīng)該理解在此揭示的方法可以被使用在其它材料上。在傳統(tǒng)的激光玻璃板切割過程中，首先在玻璃板上沿預(yù)定的切割路徑形成一個(gè)刻痕以形成基本延伸跨越玻璃板，但沒有在厚度方向上穿透該板的初始裂隙。該劃痕可以由機(jī)械設(shè)備，如硬劃片，或劃輪來產(chǎn)生。然后在玻璃上施加一個(gè)彎曲力矩來誘導(dǎo)沿刻痕的拉伸應(yīng)力，以產(chǎn)生貫穿板厚度的“開口裂隙”(vent crack)或“開口”(vent)。在另一種方式中， 刻痕是由激光束所產(chǎn)生；同樣，施加一個(gè)彎曲力矩來分離板。還有另一種方式，激光束沿初始裂紋(如板邊緣的一個(gè)缺口)移動(dòng)來在裂紋處誘發(fā)裂隙，然后在玻璃板的表面上沿切割路徑使裂隙延伸貫穿玻璃板體內(nèi)并跨越板的某個(gè)維度。一束很細(xì)的冷卻液噴射流(通常為水)緊隨著移動(dòng)的激光束來驟冷被加熱的玻璃和增加應(yīng)力，進(jìn)而驅(qū)使裂隙貫穿玻璃板的主體，將板分割成幾片單獨(dú)的玻璃片。使用激光切割的玻璃基板的邊緣強(qiáng)度可能差別很大，韋伯模量(Weibull modulus)!!!，有時(shí)亦稱形狀因子，也會(huì)相應(yīng)的變化。斷裂分析(Fracture analysis)表明了扭梳紋(twist hackle)大量存在于由傳統(tǒng)方法分離的低強(qiáng)度玻璃基板的切割邊緣處。在裂隙延伸通過材料的過程中，當(dāng)扭轉(zhuǎn)應(yīng)力(扭轉(zhuǎn))施加在材料上時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生扭梳紋。在激光分離玻璃的過程中，當(dāng)激光對(duì)玻璃的加熱不均勻時(shí)，在切割邊緣的表面上，會(huì)產(chǎn)生扭梳紋。依靠平衡在玻璃基板厚度方向上的溫度，可以消除扭梳紋，以此可以明顯提高切割板的中位強(qiáng)度，以及最低邊緣強(qiáng)度和形狀因子。適合在顯示器應(yīng)用上使用的氧化硅基的玻璃基板對(duì)波長約為9微米至11微米之間的光線有很強(qiáng)的吸收，這類光線在玻璃基板上的穿透深度通常不超過波長的幾倍(例如，20-30微米或更小)。不過，值得注意的是，不同的玻璃可能對(duì)不同的波長有強(qiáng)吸收，所以達(dá)到強(qiáng)吸收的波長范圍可能會(huì)超出前述的范圍。一個(gè)CO2激光器發(fā)射的光線的波長為 10. 6微米，在9-11微米的范圍內(nèi)。所以，CO2激光器發(fā)射的光束會(huì)被氧化硅基的玻璃強(qiáng)烈吸收，可以被認(rèn)為其是一個(gè)表面加熱裝置。而對(duì)受到強(qiáng)吸收激光束，如C02激光器照射的氧化硅基玻璃內(nèi)部的加熱，只能通過從表層的熱傳導(dǎo)來完成。在一維熱傳導(dǎo)模型中，溫度通過板厚度平衡所需的時(shí)間，τ ，可以用下式來估算
權(quán)利要求
1.一種分離脆性材料(10)薄板的方法，該方法包括在脆性材料(10)板上生成一個(gè)整體裂隙(17)，該脆性材料包括第一表面(9)，相反的第二表面(13)，并且在所述第一表面和第二表面之間的厚度小于或等于1mm，所述整體裂隙與所述第一和第二表面相交；用激光束(12)照射所述整體裂隙；將所述激光束在第一表面(9)上沿預(yù)定的路徑00)移動(dòng)，以使得所述整體裂隙沿預(yù)定路徑延伸，并將所述脆性材料板分成至少兩個(gè)脆性材料子板(10a，IOb)；所述整體裂隙的延伸不借助于對(duì)該脆性材料板的強(qiáng)制流體冷卻。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光束(12)的波長在9微米至11微米之間。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，與脆性材料板接觸的環(huán)境大氣的熱導(dǎo)率要大于 0. OMW/m/K。
4.如權(quán)利要求1-3中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述激光束在第一表面(9)上與預(yù)設(shè)的路徑O0)平行的光束的長度要大于激光束移動(dòng)的速度與(P cpd2)/4K的乘積，其中P是脆性材料板的密度，CpS脆性材料板的比熱，κ是脆性材料板的熱導(dǎo)率，d為脆性材料板的厚度。
5.如權(quán)利要求1-4中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在光束移動(dòng)的過程中，在垂直于預(yù)定路徑O0)的方向上施加一個(gè)外部拉伸力。
6.如權(quán)利要求1-5中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述脆性材料板(10)為玻璃板。
7.如權(quán)利要求1-6中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述激光束的移動(dòng)方式包括沿預(yù)定路徑O0)做單次通過。
8.如權(quán)利要求1-6中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，其激光束的移動(dòng)方式包括沿預(yù)定路徑OO)進(jìn)行多次通過。
9.如權(quán)利要求1-7中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，至少一部分脆性材料板材被置于卷軸02)上。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，只有在多次通過后，所述整體裂隙才會(huì)沿預(yù)定路徑OO)延伸。
11.如權(quán)利要求1-10中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述脆性材料板材(10)包含沉積在其上的薄膜(11)。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述薄膜(11)包含氧化銦錫，即IT0。
13.如權(quán)利要求1-10中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，將電介質(zhì)或半導(dǎo)體材料沉積在所述至少兩塊脆性材料子板(10a，IOb)中至少一塊之上。
14.一種分離玻璃板材(10)的方法，該方法包括在厚度小于或等于Imm的玻璃板(10)的表面(9)上形成一個(gè)初始裂隙；用波長為9微米至11微米之間的激光束(1 照射該初始裂紋；在玻璃板表面沿預(yù)定路徑O0)在起點(diǎn)08)和停止點(diǎn)(30)之間多次循環(huán)移動(dòng)激光束來加熱預(yù)定的路徑而不使用強(qiáng)制流體冷卻；整體裂隙(17)在經(jīng)過多個(gè)激光束移動(dòng)循環(huán)后才會(huì)沿預(yù)定路徑延伸，并將玻璃板分離成至少兩個(gè)子板(10a，10b)。
15.如權(quán)利要求14所述方法，其特征在于，所述激光束(1 在各次循環(huán)之間是關(guān)停的。
16.如權(quán)利要求14或15所述方法，其特征在于，所述激光束(12)在玻璃板材表面(9) 上是散焦的。
17.如權(quán)利要求14-16中的任一項(xiàng)所述方法，其特征在于，所述預(yù)定路徑00)包括曲線。
18.如權(quán)利要求14-17中的任一項(xiàng)所述方法，其特征在于，所述預(yù)定路徑00)是一閉合路徑。
19.如權(quán)利要求14-18中的任一項(xiàng)所述方法，其特征在于，該方法還包括在其至少兩片子板中的至少一片上，沉積電介質(zhì)或半導(dǎo)體材料。
20.如權(quán)利要求14-18中的任一項(xiàng)所述方法，其特征在于，所述玻璃板包括在玻璃板被分離成為至少兩片子板(10a，IOb)之前即已在其上沉積薄膜層(11)。
全文摘要
本說明書披露了一種分離厚度約小于或等于1mm的脆性材料板的方法。一旦產(chǎn)生了初始裂紋或裂隙，使用激光束照射，可以使整體裂隙延伸跨越脆性材料的某一維度，該激光束在板的表面附近被強(qiáng)烈的吸收，以生成子板。在一些實(shí)施方式中，激光束只需要在板的表面進(jìn)行單次行程即可以分離板。而在另一些實(shí)施方式中，則需要多次通過。可通過將薄膜材料沉積到子板上的方式，將子板進(jìn)一步加工成為電子裝置。
文檔編號(hào)C03B33/09GK102458754SQ201080027736
公開日2012年5月16日 申請(qǐng)日期2010年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月21日
發(fā)明者S·M·加納, 李興華 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司