JP2012527400A - 脆性材料シートの分割方法 - Google Patents

Abstract

約１ｍｍ以下の厚さを有する脆性材料シートを分割する方法が開示される。一旦最初のひびすなわちクラックが生成されると、シートの表面近傍で略吸収されるレーザビームを用いて全厚クラックを脆性材料のある範囲に亘って伝播させ、分割シートを生成することができる。いくつかの実施形態では、シートを分割するためにレーザビームをシート表面上に１回のみ通過させることを必要とする。他の実施形態では、複数回の通過を用いてもよい。分割シートをさらに加工し、分割シート上に薄膜材料を堆積させて電子装置としてもよい。

Description

関連出願の説明

本出願は、２００９年５月２１日に出願された米国特許出願第１２／４６９，７９４号の利益を主張するものである。本文書の内容および本書において言及される刊行物、特許、および特許文献の全開示が参照により組み込まれる。

本発明は脆性材料のシートを分割する方法に関し、特に、薄い脆性材料シートの全厚(full body)切断に関する。

従来の、レーザを用いて切断されたガラスの強度中央値は高い値となり得、典型的には４００ＭＰａを超える。これに対し、機械的に切断されたエッジの強度中央値は、おおよそ１００ＭＰａ以下である。しかしながら、ワイブル係数すなわち「形状因子」ｍは、レーザ切断サンプルでは小さい値となる。従来のレーザ罫書き後に、罫書きおよび曲げによる方法を用いてシートを分割し調製したサンプルの典型的な形状因子は約３であり、最小エッジ強度は約１００ＭＰａである。

形状因子が小さいことは、エッジ強度の分布がいくらか幅広いことを意味する。こういった性能は、最小エッジ強度が信頼性の理由から重要であるような用途では問題となる。

一実施の形態において、脆性材料の薄いシートを分割する方法が開示され、この方法は、第１面とこれに対向する第２面とを備えかつこの第１面と第２面との間の厚さが約１ｍｍ以下である、脆性材料シートに、第１面および第２面に交差する全厚クラックを形成するステップ、全厚クラックをレーザビームで照射するステップ、全厚クラックを既定経路に沿って伝播させさらに脆性材料シートを少なくとも２つの脆性材料分割シートに分割するよう、レーザビームを既定経路に沿って第１面上に通過させるステップ、を含み、さらに、全厚クラックは、脆性材料シートを強制流体冷却することなく伝播されることを特徴とする。このレーザビームは、好適には約９μｍから１１μｍの間の波長を含み、例えば、名目上の波長が１０．６μｍであるＣＯ₂レーザでもよい。いくつかの実施形態において、脆性材料シートと接触する周囲雰囲気の熱伝導率は約０．０２４Ｗ／ｍ／Ｋより大きい。例えば、この周囲雰囲気は高濃度の高熱伝導率気体を含んでもよい。

ビームが第１面と交差する位置のビームフットプリントの、既定経路に平行な方向の長さは、好適には、脆性材料の第１面上をビームが通過する速度に（ρｃ_pｄ²）／４κを乗じたものよりも大きく、ここでρは板ガラスの密度、ｃ_pは板ガラスの比熱、κは板ガラスの熱伝導率、そしてｄは板ガラスの厚さである。

いくつかの実施形態においては、レーザビームを通過させるステップ中、既定経路に垂直な張力を外部から加えてもよい。例えば、薄いガラスシートなどの脆性材料をいくつかのスプール上に巻き付け、さらにスプール間の距離を、スプール間の脆性材料の長さを増加させることなく増加させて（あるいはスプール間の脆性材料の長さの増加をスプール間の距離の増加よりも短いものとして）張力を加えてもよい。ただし、２つのスプールを使用する必要はなく、単なる実例である。

いくつかの実施形態において、レーザビームを通過させるステップは、ビームフットプリントを既定経路に沿って１回のみ通過させるものを含む。他の実施形態において、レーザビームを脆性材料の表面上に通過させるステップは、既定経路上を複数回繰り返し通過させるものを含む。この場合、脆性材料シートを分割シートに分割する全厚クラックは、複数回の通過が実行された後にのみ既定経路に沿って伝播される。概して長方形（例えば、丸みを帯びた角を有する長方形）の形状など、閉じた形を分割するには複数回の通過を使用すると効果的である。

一旦脆性材料シートが分割シートに分割されると、分割シートの少なくとも１つをさらに加工し、少なくとも２つの分割シートのうち少なくとも一方の上に、誘電体または半導体材料を堆積させてもよい。例えば、分割シートの１つが、既知の堆積技術（例えば、蒸着、スパッタリングなど）によりその上に堆積された１以上の薄膜トランジスタを含んでもよい。

別の実施形態において、ガラスシートを分割する方法が説明され、この方法は、約１ｍｍ以下の厚さを有するガラスシートの表面に最初のひびを形成するステップ、この最初のひびを、９μｍから１１μｍの間の波長を有するレーザビームで照射するステップ、レーザビームをガラスシートの表面上に、開始点から終了点まで既定経路に沿って複数周期通過させ、強制流体冷却を用いることなく既定経路を加熱するステップであって、このとき全厚クラックが複数周期の後にのみ既定経路に沿って伝播し、さらにガラスシートが少なくとも２つの分割シートに分割されるステップ、を含む。いくつかの事例では、レーザビームは周期と周期との間で停止される。好適には、レーザビームはガラスシートの表面でデフォーカスされる。この既定経路は曲線を含んでもよく、そしていくつかの実施形態では、既定経路は閉じた経路である。一旦ガラスシートが分割シートに分割されると、少なくとも２つの分割シートのうち少なくとも一方の上に、誘電体または半導体材料を堆積させてもよい。

多少なりとも限定する意味を含まずに添付の図面を参照して与えられる以下の説明のための記述の中で、本発明はより容易に理解されるであろうし、他の目的、特徴、詳細および利点がより明確に明らかになるであろう。全てのこの追加されるシステム、方法、特徴、および利点は、本記述の中に含まれ、本発明の範囲内であり、かつ添付の請求項によって保護されると意図されている。

本発明の一実施の形態により分割される脆性材料シートを示す斜視図 図１で示したように分割し得る薄膜層を含むガラスシートの側面図 レーザ分割されているガラスシートの断面図であって、レーザでの加熱が進行した結果シート内に出現する応力を示す図 レーザ分割されているガラスシートの断面図であって、レーザでの加熱が進行した結果シート内に出現する応力を示す図 レーザ分割されているガラスシートの断面図であって、レーザでの加熱が進行した結果シート内に出現する応力を示す図 機械的に分割したサンプル、レーザ加熱経路を強制流体冷却してレーザ分割したサンプル、およびレーザ加熱経路を強制流体冷却せずにレーザ分割したサンプル―これら３つのサンプル群に対する損傷強度のワイブル分布をプロットした図 極薄ガラスシート用の、スプールからスプールへの搬送系を示す斜視図であって、スプール間で搬送されているガラスシートが本発明の実施形態により分割される状態を示した図 ガラスシートを示す上面図であって、全厚クラックが出現しさらに既定経路に沿って伝播するまでこの経路に沿ってレーザビームを迅速走査させ、これにより最初の（マザー）シートから形状が切断され、さらに分割されることを示した図 ガラスシートを示す上面図であって、全厚クラックが出現しさらに既定経路に沿って伝播するまでこの経路に沿ってレーザビームを迅速走査させ、これにより最初の（マザー）シートから形状が切断され、さらに分割されることを示した図 ガラスシートを示す上面図であって、全厚クラックが出現しさらに既定経路に沿って伝播するまでこの経路に沿ってレーザビームを迅速走査させ、これにより最初の（マザー）シートから形状が切断され、さらに分割されることを示した図 例示的なダウンドローガラスシート成形プロセスの部分断面斜視図であって、このプロセスにより生成された薄いガラスリボンのエッジ部分が本発明の一実施の形態により除去される様子を示す図 レーザ分割により除去される球根状エッジ部分を示す、図６のリボンの断面図 ガラスなどの脆性材料の親シートから切断された分割シートであって、その上に１以上の薄膜材料層を堆積して含んでいる分割シートを示す上面図

以下の詳細な説明においては、限定ではなく説明のため、具体的詳細を開示する実施形態例を明記して本発明の完全な理解を提供する。しかしながら、本開示の利益を得ている通常の当業者には、本発明をここで開示される具体的詳細とは異なる他の実施形態で実施し得ることは明らかであろう。さらに、周知の装置、方法、および材料に関する説明は、本発明の説明を不明瞭にしないよう省略することがある。最後に、適用できる限り、同じ参照番号は同様の要素を示す。

本書において全厚切断とは、脆性材料を割って分割された個体とするように、材料の厚さを通して延びかつ材料のある範囲に亘って延在するクラックを、脆性材料のシート（例えば、薄いガラスシート）内に形成することを称する。

本書において強制流体冷却とは、ノズルを通過した空気や水などの制限された流体の流れを基板上に向け基板を冷却することで、脆性材料を冷却することを称する。例えば、加熱されたガラスを急冷するために、加圧水または加圧空気の噴射をレーザビームの裏側の板ガラスの規定領域へと向けてもよい。強制流体冷却は、環境による冷却、すなわち周囲雰囲気と接触することによる一般的な基板の冷却とは区別される。

本書において開示される方法は、ガラス、ガラスセラミック、セラミック、または他の類似の材料（例えば、半導体ウエハー）などの、種々の薄い脆性材料に適用し得るが、１つの重要な使用目的は、ディスプレイ用途に利用されるガラス基板の切断である。この分類には、限定するものではないが、テレビディスプレイ、コンピュータディスプレイ、携帯電話のディスプレイなどが含まれる。そのため、説明される方法を他の材料に適用し得るという理解の下、以下の説明は薄いガラスシートに関連付けて述べる。

ガラスシートのレーザ切断における従来のプロセスでは、シートを実質的に横断して延在しているがシートの厚さを貫通していない最初のひびをガラス内に生成するように、ガラスシートの既定の切断経路に沿って最初に罫書き線が形成される。この罫書き線は、堅いスクライバやホイールなどの機械的器具を使用して作ってもよい。次いで、ガラスに曲げモーメントを加えて罫書き線沿いに引張応力を誘導し、シートの厚さを通って伝播するクラック（「ベントクラック（vent crack）」または「ベント（vent）」）を生成する。別の手法では、罫書き線をレーザビームで生成してもよい。この場合も、曲げモーメントを加えてシートを分割する。さらに別の手法では、レーザビームを最初のひび（シートエッジ上の刻み目など）上に通過させてひびの位置にクラックを誘導し、その後レーザビームをガラスシート表面上に切断経路に沿って通過させ、このクラックを、ガラス本体を通してかつシートのある範囲に亘って伝播させる。通過しているレーザビームの直後には、典型的には水であるが、冷却流体の細い噴射が続き、加熱されたガラスを急冷して応力を増加させ、クラックをガラス本体に貫通させてシートをいくつかの個別のガラスパネルに分割する。

レーザを用いて切断されたガラス基板のエッジ強度は、時に「形状因子」と称されるワイブル係数ｍの対応するばらつきに伴い、幅広く変化し得る。破壊解析によれば、従来の方法に従って分割された低強度のガラス基板サンプルの切断されたエッジには、ツイストハックル（twist hackle）が大きく存在していることがわかる。ツイストハックルは、クラックが材料を通って伝播している間にねじり応力（ねじれ）が材料に加えられた時に生じる。ガラスをレーザ分割する際に、レーザによるガラスの加熱が不均等になると、切断されたエッジの表面上にツイストハックルが生成されることがある。ツイストハックルは、ガラス基板の厚さを通して温度のバランスを取ることにより排除することが可能であり、こうすると、切断されたシートの強度中央値の他、最小エッジ強度や形状因子を著しく増加させることができる。

ディスプレイ用途での使用に適しているシリカベースのガラス基板は、約９μｍから約１１μｍまでの波長範囲の光を強く吸収し、またこのような光のガラス基板内の浸透深さは、約数波長以下（例えば、２０〜３０μｍ以下）に通常限定される。しかしながら、様々なガラスが様々な波長のものを強く吸収し得ることから、強い吸収のために必要な波長範囲はこの範囲外にも変化し得ることに留意されたい。ＣＯ₂レーザは波長１０．６μｍで発光し、十分に９〜１１μｍの範囲内である。すなわち、ＣＯ₂レーザが放射するビームはシリカベースのガラスに強く吸収されるため、このビームを表面加熱器と見なすことができる。ＣＯ₂レーザなど強く吸収されるレーザビームで照射された大半のガラス基板の内部加熱は、表面からの熱伝導によってのみ得ることができる。１次元熱伝導モデルにおいて、シートの厚さを通して温度を平衡させるのに必要な時間τ_depthは以下の方程式を用いて推定することができる。

τ_depth≒（ρｃ_p／４κ）ｄ² １）
ここで、ρはガラスの密度、ｃ_pはガラスの比熱、κはガラスの熱伝導率、そしてｄはガラスの厚さである。

上記の方程式１）から明らかであるが、τ_depthはガラス厚の２乗に比例して増加する。一例として、厚さ０．６３ｍｍのガラス基板に対し、τ_depthは約０．２秒である。同じガラスで厚さが０．２ｍｍの場合には、τ_depthは約１０倍減って０．０２秒に減少する。すなわち、ガラスシートがより薄くなると、短時間で、かつ急冷流体の適用に頼ることなく、シート内で高応力を得ることができる。所与の表面積に対するシート本体のガラスの容積が低いため、薄いシートからの熱損失は厚いシートよりも高くなる。

現在のところ、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）ＴＶ基板用、携帯電話ディスプレイ基板用、および他の携帯型機器用の、典型的なガラス厚は約１ｍｍ未満であり、典型的には約０．７ｍｍである。しかしながら、産業動向は０．５ｍｍ以下の薄いガラス基板に向かっている。ガラス基板の厚さｄが減少すると、ガラスの厚さに亘って温度のバランスを取る（平衡させる）ために必要な時間は著しく削減される。

強く吸収されるレーザビームからのエネルギーの大部分は、ほとんどのケイ酸塩ガラスにおいてその表面で吸収されるため、ビームの出力が高すぎる場合、あるいは表面上でのビームの滞留時間が長すぎる場合、表面層はそのガラス材料の歪点または軟化点まで容易に加熱され得る。ガラス内に高応力が生成されることによってガラスが分割されるため、ガラス基板が軟化点を超えて加熱されると、ガラス内の応力が解放されることによりその後の切断速度が遅くなることがある。過熱を防ぐため、材料の厚さを通して熱伝導のバランスを取るようにレーザビームを形作ることができる。例えば、ビームを細長い形状に形作ってもよく、このとき、シリンドリカルレンズ（光軸が交差した、凸と凹のシリンドリカルレンズ、または凸と凸のシリンドリカルレンズの組合せ）を使用してもよいし、あるいは、基板の延長された範囲を、円形ビームの形状変更を要さずに効果的に照射する、光学式スキャナまたは回転ミラーを用いた走査技術を使用してもよい。

図１は、強制流体冷却を使用していない、レーザ１４により生成された細長いレーザビーム１２を用いたガラスシート１０のレーザ切断を概略的に示したものである。このガラスシートは第１面９と第２面１３を含む。このビームは、ガラスシート１０の第１面９上に、切断方向１８に沿って配向された主軸とこの主軸に垂直な短軸とを有する「フットプリント」１６を照射する。このときフットプリントの境界は、ビーム強度がピーク強度の１／ｅ²の値に減少した位置で画成される。フットプリント１６の主軸および短軸の長さは、夫々ｂおよびａで表す。ガラスシート上のビームフットプリントの長さｂは、ビームの通過速度ｖ（「フットプリント」すなわちビームがぶつかる部分の速度）にτ_depthを乗じたものよりも大きい。レーザの切断経路は点線２０で示し、またビームは左に移動するように図示されている。

図２Ａ〜２Ｃは、レーザ切断経路に沿ったガラスの小さいストリップの応力プロファイルを示したものであり、その幅は、細長い（例えば、楕円形）ビームの短軸の長さａの約２倍である。レーザがガラス上を通過しているそれぞれ異なった時点での、ガラスの厚さを通しての応力プロファイルが図示されている。図２Ａは、レーザビーム１２が照射表面を加熱し始めて表面上を通過する瞬間の、ガラス内に存在している応力場を表現したものである。この図は、照射されたガラス表面の近くに圧縮応力が出現し（内側を指す矢印で示されている）、そしてこの表面のさらに下方に引張応力が出現する（外側を指す矢印で示されている―矢印をつなぐ直線の長さは応力の相対的大きさを示す）ことを示している。このことは、ガラスが局所的に温まるとガラスは膨張するが、この位置を包囲しているより冷たいガラスに制約されることを考慮すると容易に理解できる。すなわち、圧縮応力は加熱された部分の範囲内に出現する。レーザがガラス表面の切断線に沿って横切る時間はｂ／ｖで規定され、ここで、前と同様、ｖはガラス基板に対するレーザビームの通過速度である。

図２Ｂに示した次の瞬間、照射表面からの熱がガラスの厚さを通して伝導され、ガラスの外表面（照射表面およびその対向する表面の両方）では圧縮の応力プロファイルとなり、そしてガラスシートの中心部分では引張の応力プロファイルとなる。

最後に、図２Ｃは、レーザビームがこのガラスストリップから移動して離れた直後の、ガラスの同じ領域を表現したものである。ガラス表面での熱損失により、ガラスの外表面では引張の応力プロファイルとなり、そしてガラスの中心領域内では圧縮の応力プロファイルとなる。この加熱領域と残りのガラス基板との間に十分な温度差が与えられると、図２Ｃの応力プロファイルによりクラックが伝播してシートが分割される。

図１Ａに戻るが、レーザビームが既定経路２０に沿って通過すると、全厚クラック１７がシート１０を横断して伝播し、シート１０は分割シート１０ａおよび１０ｂに分割される。図１Ｂで描かれているように、シート１０は例えば金属酸化物層（例えば、酸化インジウムスズ―ＩＴＯ）などの薄膜層１１を随意的に含んでもよく、このとき脆性材料のシートを分割シートに分割する全厚クラックが、さらに薄膜層をも分割する。この膜層１１は複数の層を含んでもよい。１以上の薄膜層が、例えば、薄膜トランジスタのような薄膜デバイスを含んでもよい。あるいは、薄膜層は、バリア層またはパッシベーション層でもよい。

上記の説明から、厚いガラスシート（すなわち約１ｍｍ超）を切断する際には、ガラス内に十分な応力を生成してガラスを割るために、ガラスの迅速な冷却（急冷）を必要とすることが明らかになる。しかしながら、ガラスの厚さｄが十分に薄いとき、すなわち約１ｍｍ以下であるときには、レーザビームがシート上を通過する際にレーザが描く経路に沿って強制冷却することなく、全厚の分割（シートの全厚さを通して割ること）が達成可能である。

円柱状ドラムへと巻回された薄いガラス基板を、本書において開示される方法に従って切断することもできる。図４に示した図において、ガラスは第１ドラムすなわちスプール２２から第２スプール２４へと巻き付けられる。分割プロセス中、切断線（既定経路）２０に垂直な若干の張力（矢印２６）が、外部から薄いガラスシートに加えられる。すなわち、この張力はガラスを加熱および／または冷却することにより生じる張力とは区別される。例えばこの張力は、スプール２２、２４を離れさせることにより加えてもよい。この加えられた張力は、熱的に出現する応力（すなわち、レーザによる加熱の結果として生じるもの）とは区別される。最初のひびを形成するために非接触レーザ罫書きを使用してレーザ切断を所望の長さで実行し、続いて強制冷却なしのＣＯ₂レーザ切断で、全厚クラックをガラスシートに亘って伝播させることができる。加えられる張力は、二重の目的に役立つ。第１に、加えられる張力はレーザ切断速度の増加を助ける。加えられる張力を、全厚クラックの伝播が所望の切断方向に維持されるよう使用することもでき、これはクラックの伝播が、加えられた引張応力と常に垂直であるためである。

上記の例では、ガラスの温度を歪点より低く保ちながら効率的にレーザ加熱するために、静的な光学系で生成した細長いレーザビームを使用した。ガラス基板の温度を歪点より低く保ちながら加熱を達成するために、光学式スキャナや回転する光学ミラーを使用することもさらに可能である。これは、切断経路に沿った長さに亘ってビームが迅速走査するものである。光学式スキャナに基づく加熱技術では、さらに以下で説明するような任意の所望の形状／曲線に沿った切断が可能になる。

上記では、強制冷却せずにガラス基板のエッジからレーザ切断するものについて説明してきた。この技術を、エッジ以外の位置から開始してガラス基板を切断するものに使用することも可能である。強制流体冷却を使用しないレーザ切断により生成される応力は、水が非常に効率的な冷却媒体であることから、強制冷却を用いて得ることができる応力よりも小さいと考えられる。エッジ外からの切断では、切断の最初に恐らく水噴射が必要になるであろう。一旦クラックが伝播されると水噴射を停止させ、これ以降の切断はＣＯ₂レーザが生成した応力のみで達成される。

ガラス基板を切断経路に沿ってより高い温度まで予熱することで、さらに別の切断速度改善が達成可能となる。ガラス基板を予熱すると、全厚クラックを伝播させる間に切断用レーザが供給する必要のある加熱量が減少する。例えばガラスシートは、炎またはレーザ（切断用レーザまたは別のレーザ）を使用して、既定の切断経路に沿って局所的に予熱することができる。

これまでの説明は、実質的に真っ直ぐな切断線に沿ったガラスシートの分割に関するものであったが、本発明の実施形態は、湾曲したおよび／または閉じた経路に沿った薄いガラスシートの分割にも同様に適用できることにさらに留意されたい。

図５Ａ〜５Ｃは、ガルバノメータベースのスキャナを使用した、レーザによるガラス基板の形状切断を示したものである。本実施形態によれば、形作られた部分の周囲を辿る既定経路２０に沿って、デフォーカスされたレーザビームを迅速に走査させる（矢印で示す）。図５Ａ〜５Ｃは、限定するものではないが、荒く切断された親ガラス基板１０から、概して長方形（例えば、丸みを帯びた角を有するもの）の部分を切断する３つの手法を表現したものである。他の形状や湾曲した経路も可能である。図５Ａでは、ガラス基板１０のエッジ上の最初の傷が機械的に生成される、あるいはいくつかの実施形態では、集束したＣＯ₂レーザビームなどの集束レーザビームで削られる。ビームを典型的には、最初にガラス基板から少し離れた開始位置２８に位置付け、その後エッジの傷上を、そして既定のビーム経路２０に沿って迅速に走査させる。４つの角を回ると（終了位置３０で）レーザを停止させ（消し）、そしてスキャナを再び開始位置２８に位置付けてビームを再びオンにし、この周期を同じ経路に沿って繰り返す。走査が繰返し行われている間、そして複数の走査の後、全厚クラックが最初にひびの入った基板エッジで生成される。前進するクラックの前方部分はレーザビームの経路に沿って急速に伝播し、その後既に全厚クラックが形成された部分にぶつかるとクラックの前方部分は停止する。こうして成形された切断部が得られ、親シート１０が２つの分割シート１０ａおよび１０ｂに分割される。

図５Ｂは走査方法の別の実施形態であり、ここでは図５Ａで示したような角位置からではなく、長方形部分の側部から走査が開始される。この開始位置以外は、図５Ａに関連して説明したものと同じようにこのプロセスは行われる。

図５Ｃは、ガラス基板を加熱する閉ループ走査を含む、さらに別の実施形態である。ここでの開始および終了位置は走査経路上の同一場所である。閉ループ走査方法における利点は走査が連続的なことである。すなわち、レーザは走査が進行中である限り作動したままであり、また最初の機械的な傷は走査ビーム経路内に位置している。この傷はエッジ外に位置しているため、最初の全厚クラックを生成する際にはより多くの張力を必要とする。この傷の場所で最初の全厚クラックを生成するために必要な張力は、その傷の場所を強制冷却することにより誘導可能であり、このときその後の走査プロセスおよび既定経路周りのクラック伝播は、強制冷却を必要とすることなく行われる。

本書において開示された実施形態による、レーザを用いた全厚切断技術の可能性のある用途の１つは、ダウンドロープロセスにより成形されたガラスのエッジビードの除去である。ダウンドロープロセスでは、溶融ガラスを成形本体に供給し、そして成形本体から溶融ガラスが降下することによりガラスリボンが成形される。溶融ガラスの降下は重力によるものでもよいし、あるいは別に加えられる牽引力と重力との組合せによるものでもよい。ダウンドロープロセスとしては、中空の成形本体の下部に形成されたスロットから溶融ガラスが降下する、周知のスロットドロープロセスや、成形本体の両側面上を溶融ガラスが流れ、融合し、そして成形本体の下部から降下する、フュージョン成形プロセスが挙げられる。

図６に描かれている、ガラスシートを成形するための典型的なフュージョンドロープロセスでは、上部にトラフ３６を有する、導管すなわち成形本体３４へと溶融ガラス３２が流れ入る。トラフは開いた状態であるため、溶融ガラスはトラフの壁から溢れ出て、成形本体の両外側面上を分離流の形で流れ得る。成形本体は外側成形面３８、４０を含み、分離流はこれらの上を流れる。成形面３８、４０は成形本体の下部すなわち底部４２で交わり、連続した薄いガラスリボン４４を成形するために再結合（融合）する。力の中でも特に表面張力により、リボンは底部のすぐ下で粘性状態にあるときに内側へ引っ張られ、これによりリボンの幅は減少すなわち弱化されて、さらにエッジ４６は球根状形状に肉厚化される（ガラスリボンの断面図を示す図７を参照）。リボンが降下すると、リボンは粘弾性状態に、そして最終的には弾性状態に転移する。肉厚化されたエッジすなわちビードは、リボンから切断された完成したガラスシートに厚さの変動を生じさせ得るため、シートから除去される。牽引ローラ４８を用いてリボンを底部から牽引する延伸プロセス中にビードをリボンから除去すると、プロセス効率を達成することができる。図６に示したように、既に弾性状態まで冷却されたリボン４４の球根状エッジ部分より内側寄りの位置に、レーザ１４が発光するレーザビーム１２を向け、前述の実施形態に従ってエッジ部分をリボンの残部から分割するようにする。ただし、リボンの温度は室温よりも大幅に高い（摂氏数百度）。リボンからの熱損失を十分なものとするため、周囲雰囲気５０の熱伝導率を増加させて周囲雰囲気の熱伝導を向上させることができる。例えば、雰囲気中のヘリウムの割合を増加させてもよい。ヘリウムの熱伝導率は０．１４２Ｗ／ｍ／Ｋであり、これは空気の熱伝導率の約０．０２４Ｗ／ｍ／Ｋよりも著しく高い。すなわち、いくつかの実施形態では、ガラスと接触する周囲雰囲気を約０．０２４Ｗ／ｍ／Ｋよりも大きいものとし、好適には約０．１Ｗ／ｍ／Ｋよりも大きいものとする。リボンの表面から熱を取り除きかつガラスの切断に必要な張力を生成するために、実際には、雰囲気に含まれる例えばヘリウム、または１以上の他の高熱伝導率の気体を、単独でまたは組み合わせて、最大１００％まで増加させてもよい。

一例においては、１２ワット（Ｗ）のＣＯ₂レーザを使用し、１９０μｍ厚のケイ酸塩ガラス基板を強制冷却なしで分割した。切断用レーザを使用し、ビームを焦点距離２インチ（５．０８ｃｍ）の平凸球面レンズで変更させて、最初にガラスエッジで小さなひびを開始させた。一旦最初のひびが生成されると、平凸および平凹シリンドリカルレンズをビーム経路内に挿入して細長いビームを形成し、そして得られる細長いビームフットプリントと基板との間の相対運動を最終的な切断速度４５ｍｍ／ｓまで増加させた。この切断速度で、分割後に基板に残っている残留応力は極僅かであった。

ＣＯ₂レーザを使用し、コーニング社の０．６３ｍｍ厚ＥＡＧＬＥ ＸＧ（商標）ガラスシートを強制冷却なしで分割した。６．５ワットで動作しているＣＯ₂レーザと焦点距離２インチ（５．０８ｃｍ）の平凸球面レンズとを使用し、最初のひびをシートのエッジに生成した。一旦最初のひびが形成されると、平凸および平凹シリンドリカルレンズを使用し、同じレーザを用いて細長いビームを形成した。このビームを、フットプリント長（主軸）９ｍｍおよびフットプリント幅（短軸）０．６ｍｍまで引き伸ばした。最終的な切断速度９ｍｍ／ｓを達成し、細長いビームフットプリントの１回の通過で基板を割ることに成功した。

従来の機械的に切断されたガラス（罫書きおよび曲げ技術）と本発明の実施形態を用いて切断したガラスのエッジ強度を比較するため、３つのバッチの５ｍｍ×７０ｍｍガラスストリップを厚さ０．６３ｍｍの親シートから調製した。親シートの熱膨張係数（ＣＴＥ）は約３２×１０^-7／℃であった。サンプルのうち１つのバッチは従来の機械的な罫書きおよび曲げにより調製し、１つのバッチは強制冷却を用いて調製し（切断用レーザビームの細長いフットプリントに続いて水噴射を使用）、そして最後のバッチは強制冷却せずにレーザ切断で調製した。強制冷却なしでサンプルを作るために、最初のひびを、６．５ワットで動作しているＣＯ₂レーザと焦点距離２インチ（５．０８ｃｍ）の平凸球面レンズとを使用して親ガラスに生成した。一旦最初のひびが形成されると、平凸および平凹シリンドリカルレンズを使用してビームを引き伸ばした。次いでこの細長いビームを、最初のひび上に、さらに親ガラスシートの表面上に既定の切断経路に沿って通過させた。これを強制冷却なしのサンプルに対して繰り返した。３つのサンプルの組夫々のエッジ強度を、各サンプルに４点曲げ試験を施すことにより試験した。その結果を加えられた応力（ＭＰａ）に対する損傷確率の分布（ワイブル）としてプロットし、図３に示した。

図３は、冷却水噴射を用いて切断したサンプル（バッチ２―三角で示す、中央）と、冷却水噴射なしで切断したサンプル（バッチ１―丸で示す、右寄り）の両方が、機械的に切断されたサンプル（バッチ３―四角で示す、左寄り）より強度の点で優れていることを示している。ただし、強制冷却を使用せずにレーザ切断したサンプルが呈する平均強度が約３８０ＭＰａであったのに対し、強制冷却を使用してレーザ切断したサンプルが呈する平均強度は２４０ＭＰａであった。

ＣＯ₂レーザを使用して、１インチ（２．５４ｃｍ）×０．５インチ（１．２７ｃｍ）かつ０．７ｍｍ厚のソーダ石灰ガラス基板を、強制冷却なしでレーザ切断し分割した。このソーダ石灰ガラスの熱膨張係数（ＣＴＥ）は約８０×１０^-7／℃であった。

６．５ワットで駆動しているＣＯ₂レーザと焦点距離２インチ（５．０８ｃｍ）の平凸および凹レンズとを用いて最初のひびを生成した。最初のひびが形成された後、平凹シリンドリカルレンズを使用してレーザビームを引き伸ばし、そしてこのビームを最初のひび上に、さらにガラス基板の表面上に既定の切断経路に沿って通過させ、全厚クラックをこの切断経路に沿って伝播させた。最終的な切断速度２５ｍｍ／ｓを達成し、サンプルの分割は成功した。

この例では、図５Ａの実施形態で示した走査方法を形状切断プロセスで使用する。７５μｍのコーニング社のコード０２１１ガラスを親基板として使用した。親ガラス基板は約１２０×１５０ｍｍであった。断面直径が約２ｍｍのレーザビームをＣＯ₂レーザから放射した。レーザ出力は約８０ワットであり、かつ走査速度は約１５００ｍｍ／ｓであった。

切断される形状の寸法は約１００×１２０ｍｍであり、角の半径は５ｍｍであった。レーザビームの走査が開始された後１秒未満でクラックの伝播が認められた。クラックの伝播が認められると、走査プロセスを終了させた。

全厚クラックが既定経路に沿って伝播されると、シート１０は分割され、分割シート１０ａおよび１０ｂとなる。例えば、１つの分割片を上述したような形状とし、図８に示したようなものとしてもよい。誘電体または半導体材料などの１以上の材料層５２を、従来の堆積プロセス（例えば、蒸着、共蒸着、スパッタリングなど）に従って、１つの分割シート（概して長方形の分割片など）上にその後堆積させてもよい。材料層は、例えばＩＴＯなどの薄膜や薄膜トランジスタを含み得、そして分割片は、ディスプレイ装置などの電子装置内で使用することができる。

あるいは、ガラスシートを２つの分割シートに分割する前に薄膜（または薄膜デバイス）をガラスシート上に堆積させてもよく、この場合の分割では、分割シートを含む薄膜（または薄膜デバイス）を、残りの親シートから分割する。

ガラスシートの分割についてこれまで説明してきたが、本発明の実施形態は他の脆性材料の分割にも適用することができ、この脆性材料には、例えばセラミック、ガラスセラミック、あるいは半導体材料さえも含まれる。

上述した本発明の実施形態、特に任意の「好適な」実施形態は、単に実施可能な例であって、本発明の原理を明確に理解するための単なる説明であることを強調したい。本発明の精神および種々の原理から実質的に逸脱することなく、上述の本発明の実施形態に対し多くの変形および改変を作製することができる。全てのこのような改変および変形は、本書において本開示および本発明の範囲内に含まれ、かつ以下の請求項によって保護されると意図されている。

９ 第１面
１０ ガラスシート
１０ａ、１０ｂ 分割シート
１２ レーザビーム
１３ 第２面
１７ 全厚クラック
２０ 既定経路

Claims (10)

1. 脆性材料の薄いシート（１０）を分割する方法において、
   第１面（９）と対向する第２面（１３）とを備えかつ該第１面と第２面との間の厚さが約１ｍｍ以下である脆性材料シート（１０）に、前記第１面および第２面に交差する全厚クラック（１７）を形成するステップ、
   前記全厚クラックをレーザビーム（１２）で照射するステップ、
   前記全厚クラックを既定経路（２０）に沿って伝播させさらに前記脆性材料シートを少なくとも２つの脆性材料分割シート（１０ａ、１０ｂ）に分割するよう、前記レーザビームを前記既定経路に沿って前記第１面（９）上に通過させるステップ、
   を含み、さらに、
   前記全厚クラックが、前記脆性材料シートを強制流体冷却することなく伝播されることを特徴とする方法。
2. 前記脆性材料シートと接触する周囲雰囲気の熱伝導率が、約０．０２４Ｗ／ｍ／Ｋより大きいことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記ビームの、前記第１面（９）での前記既定経路（２０）に平行な長さが、通過速度に（ρｃ_pｄ²）／４κを乗じたものよりも大きく、ここでρは前記脆性材料シートの密度、ｃ_pは前記脆性材料シートの比熱、κは前記脆性材料シートの熱伝導率、そしてｄは前記脆性材料シートの厚さであることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
4. 前記通過させるステップ中、前記既定経路（２０）に垂直な張力を外部から加えるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の方法。
5. 前記通過させるステップが、前記既定経路（２０）に沿って１回通過させるものを含むことを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の方法。
6. 前記通過させるステップが、前記既定経路（２０）上を複数回通過させるものを含むことを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の方法。
7. 前記脆性材料シート（１０）の少なくとも１部が、スプール（２２）上に配置されていることを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載の方法。
8. 前記全厚クラックが、前記複数回通過させた後にのみ、前記既定経路（２０）に沿って伝播されることを特徴とする請求項６記載の方法。
9. 前記脆性材料シート（１０）が、該脆性材料シート上に堆積された薄膜（１１）を含むものであることを特徴とする請求項１から８いずれか１項記載の方法。
10. 前記薄膜（１１）がＩＴＯを含むものであることを特徴とする請求項９記載の方法。

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