利用单束辐射划刻和分离易碎材料的方法和装置.pdf

公开了一种用于使用单束激光束划刻和分离易碎材料——尤其是玻璃板或基板的方法和装置。由入射在玻璃基板上的光束产生的辐射区，通过入射在辐射区上的冷却剂射流被有效地形成为两个部分。该辐射区被分成：前部，该前部产生部分穿过基板厚度的裂口裂纹；和后部，该后部穿过基板的余下部分从而分离该基板。

1.  一种分离易碎材料的方法，包括：
提供易碎材料的薄板；
在所述薄板上形成狭长的辐射区；
在所述薄板上形成与所述辐射区相交的冷却区，以形成所述辐射区的划刻部分和分离部分；以及
在所述薄板与相交的辐射和冷却区之间产生相对运动以划刻和分离所述薄板。

2.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述形成狭长的辐射区的步骤包括用激光束照射所述薄板。

3.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述划刻部分和所述分离部分具有不相等的长度。

4.  如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述形成冷却区的步骤包括掩蔽所述激光束的一部分。

5.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述形成冷却区的步骤包括将冷却液冲击到所述薄板上。

6.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述易碎材料是玻璃或玻璃陶瓷。

7.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述划刻部分和所述分离部分具有相等的长度。

8.  一种分离易碎材料的方法，包括：
提供易碎材料的薄板；
利用狭长的激光束照射所述薄板的表面，以在所述薄板上形成狭长的辐射区；
在所述薄板上形成与所述辐射区交迭的冷却区；以及
在所述易碎材料的薄板与交迭的辐射和冷却区之间产生相对运动以划刻和分离所述薄板。

9.  如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述形成冷却区的步骤包括将所述辐射区划分成划刻部分和分离部分。

10.  如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述划刻部分和所述分离部分具有不相等的长度。

11.  如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述形成冷却区的步骤包括掩蔽所述激光束的一部分。

12.  如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述形成冷却区的步骤包括将冷却液冲击到所述薄板上。

13.  如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述易碎材料是玻璃或玻璃陶瓷。

14.  如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述划刻部分和所述分离部分具有相等的长度。

15.  一种用于划刻和分离易碎材料的装置，包括：
激光源；
至少一个光学系统，该光学系统用于将所述激光源发射的激光束变形成狭长光束，并将所述狭长光束引导到所述易碎材料的表面上，从而在所述材料上形成辐射区；
喷嘴，该喷嘴用于引导冷却剂流以冲击到所述易碎材料的表面上，冲击的冷却剂与相对于所述辐射区的行进方向的所述辐射区的前部和后部之间的辐射区相交；
传输设备，该传输设备用于在所述易碎材料与相交的辐射区和冲击冷却剂之间产生相对运动，从而在所述辐射区和所述冲击冷却剂的单程期间划刻和分离所述易碎材料。

16.  如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述狭长光束具有等于或大于100mm的长度。

17.  如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述狭长光束具有等于或大于300mm的长度。

18.  如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述冷却剂冲击在所述辐射区的中点处。

19.  如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述冷却剂冲击在比所述辐射区的另一端更近的所述辐射区的一端处。

20.  如权利要求14所述的装置，其特征在于，还包括用于掩蔽所述激光束的一部分的掩模。

利用单束辐射划刻和分离易碎材料的方法和装置
相关申请的交叉引用
此申请与2007年5月15日提交的题为“利用单束辐射划刻和分离易碎材料的方法和装置(Method and Apparatus for Scoring and Separating a BrittleMaterial with a Single Beam of Radiation)”的美国专利申请No.11/803428关联，该申请的内容结合于此。
背景技术
技术领域
本发明涉及用于分离易碎材料的方法和装置，更具体地涉及仅使用单束辐射划刻和分离玻璃基板的方法。
技术背景
通常通过机械装置切割或分离玻璃板，通过机械装置沿预定路径划刻玻璃，然后对板的一个或两个部分施加机械弯曲力以分离该板。在该划刻步骤期间，形成了中间裂纹(裂口)，该裂纹仅穿过板厚度的一部分。
在另一常规方法中，在板中放置初始瑕疵。然后将激光引导至该瑕疵处，从而加热该玻璃并使该瑕疵沿预定路径延伸。Kondratenko的美国专利No.5,692,284描述了一种工艺，其中光斑具有短椭圆形状，其中该光斑的最长的轴小于20mm。所报告的划刻速度低，且根据玻璃类型在约10-120mm/秒之间的范围中变化。Allaire等人的美国专利5,776,220示教了显著更长的椭圆光斑，其最长的轴大于40mm。Hoekstra等人的美国专利6,211,488公开了在划刻光束之前使用多束激光束来提高划刻速度。美国专利6,800,831中示教了基于使用若干光束来提高划刻速度的类似手段。
分离步骤涉及通过如上所述施加给裂口裂纹的弯曲矩、或通过使用激光加热划刻线以产生张应力来加深裂口裂纹。例如，美国专利6,541,730描述了使用在划刻束之后传播的圆形或椭圆形的第二激光束。
现有技术一般涉及若干步骤和或若干激光束来完成划刻和分离功能。这样的多个步骤、多光束方法增加了成本，而且使划刻和分离工艺的光学实现变得复杂。需要的是在不需要增加来自多个辐射源的复杂化的情况下的多光束划刻和分离易碎材料(例如玻璃基板)的单步骤的非接触式方法。
发明内容
本发明使利用单程的辐射光束且仅使用单个辐射源实现易碎材料薄板的划刻和分离成为可能。
根据本发明的实施例，公开了一种分离易碎材料的薄板的方法，该方法包括：提供易碎材料的薄板；在该薄板上形成狭长辐射区；在该薄板上形成与辐射区相交的冷却区，以形成辐射区的划刻部分和分离部分；以及在该薄板与相交的辐射区和冷却区之间产生相对运动以划刻和分离该薄板。有利地，辐射区和冷却区在易碎材料的表面上单次通过的过程中，易碎材料的薄板被划刻和分离，辐射区和冷却区在划刻和分离期间优选具有恒定的空间关系。优选该易碎材料是玻璃薄板或基板。
在另一实施例中，描述了一种分离易碎材料的方法，该方法包括：提供易碎材料的薄板；利用狭长的激光束照射该薄板的表面以在该薄板上形成狭长的辐射区；在该薄板上形成与辐射区交迭的冷却区；以及在易碎材料薄板与交迭的辐射和冷却区之间产生相对运动以划刻和分离该薄板。
在另一实施例中，描述了一种用于划刻和分离易碎材料的装置，该装置包括：激光源；至少一个光学系统，该光学系统用于将激光源发射的激光束变形成狭长光束，并将该狭长光束引导至易碎材料表面上，以在该材料上形成单个辐射区；喷嘴，该喷嘴用于引导冷却剂流体使其冲击到易碎材料的表面上，冲击的冷却剂与辐射区相交，以产生相对于辐射区行进方向的辐射区的前部和后部；以及传输设备，该传输设备用于在易碎材料与相交的辐射区和冲击的冷却剂之间产生相对运动，从而在辐射区和冲击的冷却剂的单程期间划刻和分离该易碎材料。
实施本发明能降低分离诸如玻璃板之类的易碎材料所需的复杂程度、通过将划刻功能与分离功能组合在划刻/分离光束的单程中减少了分离易碎材料所需的时间、通过提供划刻功能与分离功能的精确对齐(即光束的划刻部分与光束的分离部分之间的对齐)改善了划刻与分离工艺的效率、以及通过排除对机械划刻材料的需要和随之出现的碎片改善了分离后的材料的边缘质量。
可在线下使用本发明的实施例以单独地切割易碎材料的薄板，或在线上使用，诸如在用于制造玻璃板的制造操作中使用。例如，可将本发明的实施例作为诸如熔融下拉玻璃板工艺之类的玻璃成形操作的一部分来安装，以从移动的玻璃带中去除(分离)各个玻璃板，从而代替了现有的机械划刻和分裂操作。
应当理解的是，以上一般描述和以下详细描述两者给出本发明的实施例，并且它们旨在提供用于理解所要求保护的本发明的本质和特性的概观或框架。所包括的附图用于提供对本发明的进一步理解，且被结合到本说明书中并构成其一部分。附图示出本发明的示例性实施例，并与本描述一起用于说明本发明的原理和操作。

附图简述
图1是根据本发明的实施例的用于分离玻璃板或基板的装置的简图。
图2是当激光器发射的激光束入射在基板表面上时激光在玻璃基板的表面上呈现的“辐射区”的俯视图。
图3是激光束入射在玻璃基板表面上的图1的区域的特写立体图。
图4A和4B描述冷却剂的射流与入射激光束交迭的两个实施例：辐射区被大致平分的情况，和光束的前沿短于后沿的情况。
图5A和5B描述玻璃基板的截面图，示出裂口裂纹通过激光辐射区的前部后仅部分穿过玻璃基板，而裂口裂纹通过辐射区的后部后完全穿过玻璃的厚度。
图6是根据本发明的另一实施例的俯视图，其中掩蔽了单束激光束以产生被冲击的冷却剂所产生的冷却区分开的两个狭长辐射区。
详细描述
在以下详细描述中，为了说明而非限制的目的，陈述公开具体细节的示例实施例以提供对本发明的透彻理解。然而，对受益于本公开的本领域技术人员而言将显而易见的是：本发明可在背离在此公开的具体细节的其他实施例中实践。此外，关于已知器件、方法及材料的描述可被省略，以便于不混淆本发明的描述。最后在适用的情况下，相同的附图标记指的是相同的元件。
参考图1，示出了根据本发明的实施例的用于切割易碎材料的装置10。该易碎材料可以是例如玻璃、陶瓷或玻璃陶瓷制品。为进一步讨论起见，下文假定并描述玻璃基板，尤其是适用于液晶显示器制造的玻璃板。然而，应当注意的是，本发明可应用于其它制品的划刻和分离。
装置10包括用于照射玻璃基板(玻璃板)14的光传输系统12和冷却液传输系统，该冷却液传输系统包括冷却剂喷嘴16、冷却剂源18和将冷却剂传递给喷嘴16所必需的相关管道20。光传输系统12包括辐射源22、圆偏振器24、光束扩展器26以及光束成形系统28。
光传输系统12还包括用于重新引导来自辐射源22的辐射光束32的光学元件，诸如反射镜34、36以及38。辐射源22优选是激光器，该激光器发射具有适合于在光束入射到玻璃基板上的位置处加热该玻璃基板的波长和功率。在一个实施例中，激光器22是工作于10.6μm波长处且功率大于或等于100瓦的CO₂激光器。
激光器22发射的激光束32在截面上(即垂直于光束纵轴的光束截面)通常基本为圆形。光传输系统12可用于使激光束32变形，以使该光束在入射到玻璃基板14上时具有显著狭长的形状，从而在该基板上产生狭长的脚印或“辐射区”40。该辐射区的边界被确定为光束强度已经降至其峰值的1/e²的位置。光束32通过圆偏振器24，然后通过光束扩展器26被扩展。经扩展的激光光束然后通过光束成形系统28，以在基板表面上形成光束产生的狭长辐射区40。例如，光束成形系统28可包括一个或多个圆柱透镜。然而，应当理解的是，可使用能使激光器22发射的光束成形以在基板14上产生狭长辐射区的任何光学元件。图2中示出了辐射区40的简图。优选辐射区40的长轴显著长于其短轴44。例如，在某些实施例中，长轴42至少比短轴44长约10倍。在某些优选实施例中，辐射区40的长轴42的长度至少为约100mm，但可能至少为约200mm甚至大于300mm，而短轴44通常小于约2mm，而且可能短至1.5mm甚至1mm或更短。然后，辐射区40的长度和宽度取决于期望划刻/分离速度(光束平移速度)、玻璃板厚度、激光功率等，而且辐射区的长度和宽度可按照需要而不同。
如图3可以最好看出，冷却剂喷嘴16将冷却液的射流46喷到玻璃基板14的表面47上。在某些实施例中，喷嘴16具有数百微米(例如200-300μm)量级的内径，并将具有通常约300-400μm直径的基本准直的冷却剂射流射在玻璃表面上。然而，与辐射区40一样，喷嘴16的直径从而冷却剂射流46的直径对于具体的工艺条件需要可不同。在某些实施例中，玻璃基板刚好被冷却剂冲击的区域(冷却区)优选具有比辐射区的短轴更短的直径。然而，在某些其它实施例中，根据诸如速度、玻璃厚度、激光功率等等之类的工艺条件，冷却区的直径可大于辐射区40的短轴。实际上，冷却剂射流的(横截面)形状可不只是圆形，而可以例如具有扇形，以使冷却区在玻璃板的表面上形成直线而不是圆形光斑。例如，可将线状冷却区定向成垂直于辐射区40的长轴。其它形状会是有好处的。
优选冷却剂射流46包括水，但可以是不污染或损伤玻璃基板的表面47的任何合适的冷却液。根据本发明，冷却液射流46被传递到玻璃基板14的表面上以形成与辐射区40相交或交迭的冷却区52，从而有效地将辐射区分成两个部分，冷却区之前的前部48和冷却区之后的后部50，其中前部和后部均相对于箭头54所示的光束的传播方向，而且前部和后部被冷却区52分开。通过术语“冷却区之前”表示在图4A和4B中的冷却区52左侧的虚切线之前，如附连至该虚线的箭头所示。同样，“冷却区之后”指的是在图4A和4B中的冷却区52右侧的虚切线之后或右边，如附连至该虚线的箭头所示。如图4A所示，冷却区52可在辐射区的中点处或其附近与辐射区40交迭，或如图4B所示，冷却区52可比辐射区的另一端更接近辐射区40的一端，如优化划刻和/或分离工艺所必需的那样。
为划刻和分离基板14，装置10还可包括用于使玻璃基板14与入射到基板上的光束32(即辐射区40)相对运动的装置。这可通过相对于光束32移动基板14、或相对于基板移动光束32(从而辐射区40)来实现。对于大基板，例如，具有对应于超过数平方米的表面积47的尺寸的基板，最好让光束移动。这一点对于非常大的薄基板而言尤其如此。例如，用于制造光学显示器的基板的厚度可小于1mm、通常小于约0.7mm，而面积可大于10平方米。移动如此大的非常薄的玻璃板会是不现实的。在让玻璃板移动并不实际的情况下，可将光学系统12安装在诸如xy线性平台或台架系统等合适的平台上，从而让光束32和冷却剂46横越玻璃基板14。应当注意的是，辐射区40和冷却区52一致地移动，从而冷却剂区与辐射区之间的空间关系保持基本恒定。如果光学系统12过大，即使此手段也是不实际的。替代地，在划刻和分离工艺期间，可将多个光学部件以及玻璃基板14保持静止，并将激光束32引导至相对于玻璃基板14平移且基本平行于玻璃基板14的“浮动头”以将光束引导到基板上。例如，浮动头56可包括光束成形系统28和反射镜38。在此实例中，仅需要移动浮动头以重引导光束并使光束横越基板。用于移动基板或光学系统12或仅浮动头56的方法是本领域众所周知的，因此将不进一步进行描述。
随着辐射区40横越基板14的表面47，辐射区加热玻璃基板14。使冷却射流46以与辐射区40相交的方式冲击到表面47上这一操作产生了交迭的冷却区52，从而有效地将辐射区40分割成两个部分48和50。如图4A所示，随着辐射区40以箭头54所示方向横越时，辐射区40的前部48执行划刻功能，而辐射区40的后部50执行分离功能。随着辐射区40的前部48沿划刻路径59横越(图3)，基板被加热。冷却剂射流46迅速地冷却或淬火基板的被加热部分(经由冷却区52)，从而形成从基板的入射表面47(激光束32入射的表面)延伸至玻璃板14主题中的部分深度的裂口裂纹60，如图5A所示。即，裂口裂纹60仅部分穿越基板的厚度。紧随辐射区前部的辐射区后部50然后重新加热基板的经过淬火部分，使裂口裂纹延伸穿过基板，如图5B所示，从而沿线5分离基板(图3)。
例如，通过使冷却剂射流46相对于辐射区40入射在基板14上的位置52重新定位，可控制分离速度(例如光束在基板表面上的横越速率)。例如，冷却区52可定位成更靠近或更远离辐射区40的任何特定末端(即偏离中点放置)，以优化划刻和/或分离操作。
在图6所示的根据本发明的另一实施例中，可掩蔽激光束32的一部分，从而从单束光束产生两个共线的狭长辐射区64、66。共线表示各个辐射区的长轴(最长轴)位于单一直线上。例如，可通过将适当形状的障碍物(掩模-未示出)放置在光束32的路径上实现光束32的掩蔽。然后可将冷却剂射流46引导到玻璃基板14上，以在辐射区64、66之间光束32的被掩蔽部分68中产生冷却区52。类似于前一实施例，放置掩蔽区，随后在掩蔽部分中放置冷却区52，这样可以控制光束和冷却剂所产生的热梯度，从而控制初始划刻裂口裂纹的深度。与前一实施例中一样，光束32和冷却射流46一致地移动，从而使辐射区与冷却区之间不发生相对运动。
应该强调本发明的上述各实施例、尤其任何“优选”实施例仅是实现的可能示例，仅为清楚理解本发明的原理而阐述。可对本发明的上述各实施例作出许多变体和修改，而不完全背离本发明的精神和原理。所有这些修改和变体旨在被包括在本公开的范围内，且本发明受所附权利要求书保护。