專利名稱：以高速對玻璃板進行激光劃刻并產生低的殘余應力的制作方法
技術領域：
本發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：
玻璃的切割通常使用機械工具來實現；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，并通過溫度梯度產生拉伸應力。CO2激光器用于玻璃 切割的應用在以下文獻中進行了討論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 I (Method andapparatus for cutting through a flat workpiece made of brittle material, especially glass) ”(，159專利)；以及共同轉讓的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)。共同轉讓的’ 220和’ 875專利的內容都通過參考全文結 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產生的冷卻區域。用激光束加熱玻 璃并緊接著用冷卻劑將其驟冷，而產生熱梯度和相應的應力場，從而使開口擴展。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。根據這種途徑，當玻璃板的厚度 為0. 7毫米，即顯示器基板的典型厚度時，該束的長軸長度應當不超過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，使用通過掃描技術產 生的U形束進行劃刻。在以上專利中描述了各種劃刻速度，從’ 284專利的實施例中低的6毫米/秒(mm/ s)至’ 159專利中復合束結構的1000毫米/秒。值得注意的是，這些參考文獻都沒有提到 因為激光劃刻在玻璃板中產生殘余應力的問題。因此，這些參考文獻完全沒有提及殘余應 力增大的問題，根據本發明，已經發現這個問題伴隨劃刻速度增大而出現。
當玻璃板將被用作顯示器件中的基板的時候，殘余應力成為特別顯著的問題。許 多顯示器器件，如TFT-IXD平板和有機發光二極管(OLED)平板，是直接在玻璃基板上制造 的。為了增大生產率和降低成本，典型的平板制造工藝能在單獨一個基板或基板子片上同 時產生多個平板。在這種工藝的不同點處，沿著切割刻將該基板機械分割成各部分。這種機械切割改變了玻璃中的應力分布，具體來說，當采用真空技術使玻璃變平 坦時，出現平板內應力分布。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 作使板內殘余應力在切割刻處消除。這種應力消除效果一般來說導致玻璃子片的真空平化 形狀發生改變，顯示器制造者將這種現象稱為“變形”。雖然由于應力消除造成的形狀改變的量通常非常小，但是考慮到用于現代顯示器 中的像素結構，從較大的玻璃板機械切割出獨立平板產生的變形可能大到足以導致出現相 當多的缺陷(拒收)的顯示器。因此，顯示器制造者非常關心這種變形問題，關于允許變形 的規定可能低至等于或小于2微米。進行機械切割時產生的變形的量取決于板中的殘余應力，較低的殘余應力水平產 生較小的變形。如以上討論的，涉及激光劃刻的現有技術都沒有提及在劃刻過程中向玻璃 板中引入殘余應力。因此，現有技術也沒有述及隨后在平板制造過程中對玻璃板進行機械 切割時因為這種殘余應力導致的變形。除了變形問題以外，如以下討論的，殘余應力對于通過將經過激光劃刻的玻璃板 分割成兩個子片時產生的邊緣的品質也很重要。根據本發明，高的殘余應力水平與具有較 低強度和較差品質(如裂片和微裂紋)的邊緣相關。還已經發現，玻璃邊緣附近的高殘余應 力可能導致邊緣品質逐步變差，稱為碎屑化或分層，有時候在劃刻之后會表現出這種現象， 或者可能因為外部沖擊而誘發這種現象。同樣，現有技術對激光劃刻的這些問題也保持沉 默。用于進行激光劃刻的現有技術的第三個問題涉及進行劃刻的玻璃的CTE。現有的 激光劃刻技術已經使用具有較高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產生較高的拉伸應力，在其他情況相同的時候，意味著更容易以較高的速度 對這種玻璃進行激光劃刻。LCD工業使用的更為現代的玻璃的較低的CTE在采用常規激光 劃刻技術時導致低得多的劃刻速度。考慮到這些各種問題，在本領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，同時不會產生過大的殘 余應力。發明概述根據一個方面，本發明提供一種對玻璃板(112)進行劃刻的方法，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 任何截頂的情況下沿束長度在玻璃板(112)表面(114)上的束強度降低至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)上產生最高溫度，該最高溫度小于或等于玻璃應變點， 即優選的最低可能溫度。在一些優選的實施方式中，在接觸玻璃板(112)的表面(114)之前，對束最接近冷 卻劑區域(15)的部分(23)進行截頂(例如最多截去Ltl的20% )。優選只對最接近冷卻 劑區域的那部分束進行截頂。聯系這些實施方式，如果未截頂，優選將冷卻劑區域(15)定 位于該束中將接觸玻璃板(112)表面(114)的那部分之內。根據第二方面，本發明提供一種運行激光劃刻系統的方法，其中通過跟隨具有中 心點的冷卻劑區域(15)在玻璃板(112)的表面(114)上平移截頂的激光束(13)，在該玻璃 板中形成開口(115)，所述方法包括對以下參數進行選擇激光束的截頂量(τ)和/或冷 卻劑區域(15)的中心點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 數進行控制(i)開口(115)的深度，和(ii)由板(112)生產的子片中的殘余應力。根據第三方面，本發明提供一種運行激光劃刻系統的方法，其中通過跟隨具有外 邊緣的冷卻劑區域(15)在玻璃板(112)的表面(114)上平移截頂的激光束(13)，在該玻璃 板中形成開口(115)，所述對激光束的截頂操作產生最接近冷卻劑區域(15)的截頂邊緣， 所述方法包括(a)改變激光束的截頂量(τ )，以配合或實現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，由該板生產的子片中的殘余應力 的變化，以及由該板生產的子片的邊緣性質的變化；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域(15)的那部分外 邊緣。在以上本發明各方面的概述中使用的附圖標記和符號只是為了方便讀者，并非意 圖限制本發明的范圍，也不應理解為限制本發明的范圍。更一般來說，應該理解，以上一般 說明和以下詳細說明都只是本發明的示例，意圖提供用于理解本發明性質和特征的概覽或 框架。在以下詳細說明中提出了本發明的其他特點和優點，對于本領域普通技術人員而 言，通過本發明的說明，這些特點和優點的一部分將是顯而易見的，或者可以通過如本文所 述實施本發明而了解。包括附圖以提供對本發明的進一步的理解，附圖結合在說明書中并 構成說明書的一部分。應該理解，本說明書和附圖中揭示的本發明的各特點可以以任何和 全部的組合方式使用。附圖簡要描述圖IA和IB是現有技術劃刻系統的示意圖。圖IC是本發明一種實施方式的示意 圖。這些附圖中的附圖標記17表示劃刻方向。圖2是對于以雙模方式運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計算的熱歷程(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。附圖標記50表示最大溫度極限，附圖標記60表示驟冷區 域。圖3是圖IC的計算的瞬時熱應力與參數τ和D的變化關系的圖。圖4是開口深度與參數τ的變化關系的圖。縱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)。三角形數據點是 測量值，根據這些值擬合曲線。圖5是對以下束的計算的曝光時間(不進行驟冷)與劃刻速度的變化關系的圖， 在該圖中，60毫米束為曲線20，以及對于根據本發明的長度大于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。縱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 現的最大劃刻速度的位置，在該圖中用附圖標記26表示。圖6是利用本發明的代表性束(正方形數據點)和參比(對比)束(圓形數據 點)產生的測量的峰值玻璃表面溫度的圖。縱軸表示以。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于較高的劃刻速度。圖7是利用代表性的本發明束(正方形數據點)和參比(對比)束(圓形數據 點)在激光劃刻過程中產生的測量的峰值殘余應力的圖。縱軸表示以PSi為單位的峰值殘 余應力，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于較高的劃 刻速度。圖8是對于康寧公司的EAGLE 2000 ^ (菱形數據點)和EAGLE XG (正方形數據 點)LCD玻璃，在不產生過大的殘余應力條件下實現的劃刻速度與激光器功率的變化關系 的圖。縱軸表示以毫米/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是現有技術劃刻系統的示意圖。
發明詳述及其優選實施方式A.以高速劃刻玻璃板的挑戰激光劃刻通常使用波長為10. 6微米的二氧化碳激光器進行。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，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率是基本確定工藝窗口和限制劃刻速度的兩個基礎因素。為了達到要求的拉伸應力以形成開口，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的能量可能導致玻璃燒蝕或蒸發。這種高功率密度還可能導 致在分開的子片邊緣處以及在與其相鄰的區域中產生高的殘余應力水平。另一方面，如果 曝光時間比較短(當劃刻速度較高時)，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熱玻璃，或者通過沿劃刻線用單束進行多次掃描，解決這個問題。但是，這兩種方法都要求復雜的光學和控制方案。B.伸長的束的應用根據本發明，利用一種比較簡單的方案解決了以上挑戰，吃驚地發現該方案能有 效地以高速對玻璃板(包括由具有低的熱膨脹系數的玻璃構成的玻璃板)進行劃刻，產生 低的殘余應力水平。該方案涉及使用單獨一個伸長的束，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，用于實施本發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，優選大于200，最優選大于300。這種類型的束導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，可以對束的結構以及激光器 的功率分布模式進行選擇，將功率密度保持在較低的水平，使得能夠進行一致的劃刻過程， 而不會使玻璃表面發生過熱超過進行劃刻的玻璃的應變點。這顯示該方法的一項明顯的優 點，因為這意味著可以利用高的劃刻速度而不會產生高的殘余應力水平。另外，已經發現 (參見以下)，可以通過調節冷卻區和束拖尾邊緣的相對位置，使劃刻過程中產生的拉伸應 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 在玻璃應變點以下。根據一些優選的實施方式，激光劃刻使用非對稱的激光束進行，例如僅在一端截 頂的束。較好地，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，可以在實施本發明時使用具有固定的尺寸 和功率密度的束，例如，聯系用于單獨一種類型和厚度的玻璃的專門劃刻站。C.用伸長的束進行激光劃刻 為了以給定的速度形成并擴大激光開口，玻璃表面上各點應當經歷由以下參數確 定的相同的熱歷程激光器功率和激光束之內功率密度的分布；加熱速度；在加熱過程中 達到的最大玻璃表面溫度；以及驟冷效率和驟冷區位置。一般來說，本發明的劃刻方法在 系統工藝參數之間取得平衡，使得一個參數的變化能通過一個或多個其他參數的變化來補 償，從而使得玻璃表面上沿劃刻線的各點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，本發明通過符合以下條件實現了高速劃刻 以及低的殘余應力(1)通過加熱并隨后冷卻劃刻線各點產生的瞬時熱應力超過使從已有的裂縫開始 形成的開口穩定擴展的玻璃的斷裂應力；(2)使玻璃表面上沿劃刻線的各點經歷激光曝光，足以形成較深的開口，但是另一 方面，對激光曝光的持續時間和激光束的功率密度進行選擇，使玻璃表面不至于過熱，從而 使得該過程在進行時不會引起顯著量的殘余應力；和(3)對該束拖尾邊緣之內驟冷區的位置進行選擇，使得對于給定的最大玻璃表面 溫度，將熱應力梯度最大化。通過考慮

圖1能最好地理解這些原理的應用，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說明本發明的一種實施方式。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，然后是驟冷區或冷卻區域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將其轉化成開口，并進行擴展。根據’ 284和’ 220專利，冷卻區域位 于束邊界外側一定距離處(參見圖IA和1B)。雖然圖IA和IB的結構能實現劃刻，但是它們根據玻璃類型局限在20-500毫米/ 秒的速度。使用相同結構試圖增大劃刻速度的嘗試都導致玻璃過熱，根據本發明已經發現， 因為施加的較高的功率密度導致的玻璃過熱會產生高的殘余應力水平。而且，殘余應力效 應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的實施方式的方法通過利用明顯更長的激光束，并且依據本發明的最優選 實施方式，通過截去該束的一端，在玻璃板的表面上產生非對稱的束足跡(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。從機械工程角度考慮，劃刻過程可以用 在劃刻過程中在玻璃中產生的拉伸應力σ來描述。該拉伸應力與α *Ε* Δ T成正比，其中 α是玻璃的線性熱膨脹系數(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，則產生的拉伸應力越低，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力σ。但是，將玻璃過熱至接近或 超過其應變點會導致玻璃燒蝕，并在玻璃中產生不可逆轉的高的殘余應力，從而使玻璃邊 緣的品質變差，降低其強度，并使劃刻過程的進行變得不一致。為了要解決這些問題進行了研究，其中在玻璃表面沿劃刻線的各點處計算了溫度 隨時間的變化(熱歷程)的關系。在理想情況中，在劃刻過程中，玻璃表面沿劃刻線的各點 應當在相同的時間內經歷相同的溫度變化。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計算的玻璃性質與康寧公司的EAGLE 2000 玻璃的性質相當。該圖還顯示 進行冷卻過程的區域(驟冷區域)。該圖中的水平虛線表示用于進行這些計算的玻璃的應變點，即666°C。根據本發 明，該溫度表示劃刻過程中不應超過的上限，以避免在玻璃中產生過大的殘余應力。一般來 說，假定玻璃表面的加熱以及隨后的驟冷產生足夠的拉伸應力來擴大開口，則優選較低的 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力最小。圖2的計算結果顯示了能成功地使用而不會產生過大殘余應力的劃刻參數的組 合，以及使得玻璃過熱(例如加熱玻璃使T > 6660C )的組合(參見附圖標記100和110)。 計算的結果還顯示了可用于以降低的玻璃表面溫度進行該過程而仍然實現足以形成開口 的瞬時拉伸應力水平的激光器功率和激光曝光時間的組合(參見附圖標記70、80和90)。 如以下所示，這些計算的結果通過實驗驗證。通過調節激光器功率、與束的加速和減速相關的劃刻速度的變化而驗證的其他計 算和實驗(結果未顯示)可以進行配合，從而將玻璃的表面溫度保持在能成功地實現劃刻 同時不對開口深度和殘余應力產生明顯影響的工藝范圍。更具體來說，在這些計算和實驗 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，使得玻璃上對應于這些 劃刻速度變化的點的熱歷程基本上類似于劃刻速度恒定時的熱歷程。這樣，因為激光器和 開口引起的玻璃溫度在玻璃長度上是基本均勻的，當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力。 但是，劃刻過程中產生的熱應力必須足夠高以形成開口。進行了一系列實驗來解決這些矛 盾的考慮因素。這些實驗顯示，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 冷卻劑點相對于束的位置來增大熱應力。通過計算圖IC中瞬時熱應力隨參數τ和D的變 化，也證明了這一點。這些計算的結果示于圖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，瞬時熱應力具有最大值。從定性方面考慮，這些計算的結果與實驗觀察 的結果從性質上是一致的。調節τ (和D)提供了一種有效的途徑，能夠實現足夠的拉伸應力以形成開口，同 時不會產生過大的殘余應力水平。而且，τ也會影響開口深度，對于較大的截斷(較大的 τ值)，深度較小。一般來說，已經發現開口深度是τ的非線性函數，換言之，是圖IC中的 長度b的非線性函數。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， 已經發現該范圍能成功地對0. 7毫米的LCD玻璃進行劃刻。應該注意，圖4中顯示的非線 性行為不同于’ 284、，220和’ 875專利中描述的內容，這些專利中預測開口深度與b具有線 性依賴關系(參見圖IA和1B)。一般來說，增大劃刻速度導致開口深度減小，使得隨后將玻璃板分割成兩個子片 的操作變得不太可靠。現有激光劃刻技術的一個主要缺點是短激光束提供有限的曝光(或 停留)時間。當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，對于現有技術的束長度(60毫米，參見附圖標記 20)以及本發明的代表性的束長度(250毫米和300毫米，分別參見附圖標記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有技術的束長度可以實現的最大劃刻速 度(參見附圖標記26)。通過一系列的計算和實驗，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生嚴重的 殘余應力問題。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 處成功地進行分割。如以上討論的，根據本發明，使用未截定長度Ltl大于或等于200毫米的伸長的束 來進行劃刻。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 發明實施中使用的激光束的長度沒有理論限制，但是根據成本和其他實際考慮因素，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激光器產生激光束，但是需要時可使用其他類型的激光器。要實現 等于或大于200毫米的Ltl值，通常要將該束通過射束擴展器，然后使用圓柱形光學結構使 該束伸長。對于本發明的目的，使用ISO 11146標準的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度降低至其峰值I·的Ι/e2的位置。根據這個定義，大約有86%的總束能量傳遞通過定義的邊界。如以上討論的，根據本發明，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變點，即，玻璃粘度為1013_5Pa*s(1014_5泊)時的溫度。優選 大 彡T應變_30，更優選T最大彡T應變_60，最優選T最大彡T應變-100，其中T最大和T應變的單位都是。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應變-200)。可以通過不同方式測量玻璃溫度，優選方式是利用熱成像(熱視) 照相機。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力的量。優選 由玻璃板形成的子片中的峰值殘余應力小于或等于300psi，最優選小于或等于lOOpsi。在 一些情況中，可以容忍峰值殘余應力超過300psi，例如應力最高為500psi。具體來說，如果 玻璃板不會經歷明顯的附加邊緣應力，則這種較高的應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，因為板的尺寸較大，甚至當邊緣處具有高的峰值時 也是如此。優選采用雙折射技術測量經過劃刻和分割的板中的峰值殘余應力。由以上內容很明顯知道，可以使用未截頂束實施本發明，但是優選使用在一端截 頂的束，即其拖尾端最鄰近(最接近)冷卻劑區的束。可以使用為此目的特別構造的屏蔽 物進行截頂。或者，可以對用于施加冷卻劑的一部分噴嘴組件進行定位，以截斷并由此對束 的拖尾部分進行截頂。后一種途徑如圖IC所示，其中通過噴嘴19的外殼截斷未截頂束21， 變成玻璃表面的截頂束13。應當理解，不同于’ 875專利中描述的情況，優選根據本發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，優選根據所需的劃刻速度對束的阻斷程 度進行選擇。而且，使用冷卻噴嘴組件進行束的阻斷時，對冷卻劑區在束內的所需位置的選 擇導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域的前邊緣 的距離L保持恒定(參見圖1C)，對于這種結構，L不依賴于τ。在使用屏蔽物而非噴嘴組 件進行截頂的系統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行限制，通過以下實施例進一步說明本發明。D.實驗結果使用圓形偏振的CO2激光束獲得實驗數據，該圓形偏振的CO2激光束通過可變的射 束擴展器，然后利用圓柱形光學結構轉化成伸長的束。該光學系統允許沿劃刻方向調節束 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 拖尾邊緣內側的玻璃板。如圖IC中所示，使用噴嘴主體對束進行截頂。圖6比較了用本發明的束(正方形數據點)和用參比束(圓形數據點)產生的玻 璃峰值表面溫度。具體來說，本發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。在這些實驗中使用的玻璃為康寧公司的EAGLE 2000 玻璃。使用熱視照相機測量 該玻璃的表面溫度。在該圖中，較高的激光器功率對應于較高的劃刻速度。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明的束，表面溫度保持低于玻璃應變點，甚至 當相對激光器功率超過60%時也是如此。從劃刻速度角度來看，該實驗和相關實驗證明，當 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，而當使用本發明的束時，即使當劃刻速度接近1000毫米/秒時，最大玻璃溫 度也將保持低于600°C。因此本發明允許以較高的速度進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，因為過熱除了其他問題之外還會導致分開 的子片中存在過高的殘余應力水平。這種影響如圖7中所示，該圖示出用參比束(圓形數 據點)和用上述本發明束(正方形數據點)進行劃刻得到的分開的子片中測量的峰值殘余 應力。該圖中還顯示了劃刻速度。可以看出，當劃刻速度超過500毫米/秒時，參比束得到 的應力水平遠高于500psi水平，而對于本發明的束，即使在劃刻速度等于1000毫米/秒的 條件下，得到的應力水平也遠低于這個水平。圖8說明本發明的激光束能夠對具有低CTE的玻璃基板進行劃刻。使用的激光束 與用于產生圖6和7的正方形數據點的激光束相同。圖8中的菱形數據點是康寧公司的 EAGLE 2000 :玻璃的數據點，正方形數據點是康寧公司的EAGLE XG 玻璃的數據點。如該 圖中所示，本發明的激光束能在對應于遠高于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玻璃組成的基板進行劃刻。而且，得到 的子片具有低的殘余應力水平，即，應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。通過以上實驗數據說明，使用伸長的激光束并結合對該束的拖尾邊緣進行部分阻 斷，能夠有效地對玻璃板進行劃刻。具體來說，這種組合方式使得能夠對驟冷位置進行選 擇，從而使開口深度最大化，并使劃刻過程中產生的熱應力梯度最大化，而不會增大最大玻 璃表面溫度。這種技術能采用高的劃刻速度，例如速度等于或大于750-1000毫米/秒，而 不增加殘余應力，甚至對具有低CTE的玻璃基板也是如此。雖然已經描述和說明了本發明的具體實施方式
，但是應該理解，可以在不偏離本 發明精神和范圍的條件下進行修改。例如，雖然本發明討論和說明了使用在10. 6微米運行 的CO2激光器對厚度為0. 7毫米的LCD玻璃進行劃刻，但是需要時，本發明可以應用于其他 類型的玻璃，可以使用不同波長的其他類型的激光器操作。在不偏離本發明范圍和精神的許多其他修改對于了解本文揭示內容的本領域普 通技術人員而言是顯而易見的。以下權利要求意在涵蓋本文提出的具體實施方式
以及這些 修改、變化和等同。表 權利要求
一種對玻璃板進行劃刻的方法，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的情況下沿束長度在玻璃板表面上的束強度降低至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，在玻璃板表面上產生小于或等于玻璃應變點的最大溫度。
2.如權利要求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 行截頂，所述部分是最接近冷卻劑區域的部分。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，如果未截頂，將所述冷卻劑區域定位于束中 將接觸玻璃板表面的那部分之內。
4.如權利要求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.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述冷卻劑區域通過噴嘴組件產生，該組件 的至少一部分截斷該激光束從而對其進行截頂。
6.如權利要求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 系式τ最大< T應變_100，其中Tia是玻璃的應變點，和Tia的單位都是。C。
8.如權利要求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力 小于或等于500psi。
9.如權利要求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力 小于或等于IOOpsi。
10.一種運行激光劃刻系統的方法，其中通過跟隨具有中心點的冷卻劑區域在玻璃板 表面上平移截頂的激光束從而在該板中形成開口，所述方法包括對激光束的截頂量和/或 冷卻劑區域中心點與截頂之前激光束最近端之間的距離進行選擇，從而控制至少一個以下 參數(i)開口的深度，和(ii)由該板形成的子片中的殘余應力。
11.一種運行激光劃刻系統的方法，其中通過跟隨具有外邊緣的冷卻劑區域在玻璃板 表面上平移截頂的激光束從而在該板中形成開口，所述對激光束的截頂操作產生最接近冷 卻劑區域的截頂邊緣，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力的改 變，以及由該板形成的子片的邊緣性質的改變；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
提出了實驗數據，這些數據顯示，用現有技術對玻璃板(112)進行激光劃刻時，隨著劃刻速度的增大，會在分開的板中產生不可接受的殘余應力水平。揭示了解決這個問題的方法，這些方法利用伸長的、優選是非對稱截頂的激光束(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)進行劃刻，同時產生低的殘余應力水平，例如殘余應力水平小于或等于500psi。在制造顯示器平板(如LCD平板)的過程中，這種低的殘余應力水平轉化成低的變形水平，并且改進分開的邊緣的性質。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 優先權日2007年11月20日
發明者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