TWI274743B - Process and apparatus for scoring a brittle material - Google Patents

Description

1274743 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於***片狀物錢其他脆性材料 特別是玻璃片雷射劃線之方法。 /， 【先前技#r】 女田身^已被使用來分離脆性材料片狀物，特別是平板玻 ¥片，其藉轉酬謂盲裂親過_如***玻璃 兩個較小之玻璃片。該延伸過玻璃片深度之局部裂縫實質

上作用為刻痕線。玻璃片沿著刻痕線之線條藉由機械方式 ***為兩個較小玻璃片。 、f 一項實施例中，小的刻痕或劃線在玻璃片一侧進行， 以及該刻痕或劃線再使用雷射局部地傳播通過玻璃片。雷 射再與玻璃片接觸於刻痕或劃線區域中以及雷射及玻璃片 相對於彼此地移動，使得雷射在所需要刻痕線路徑運行。 流動性冷卻劑流體優先地導引至雷射下游玻璃加熱表面之 點處，使得雷射加熱一個區域玻璃片後，加熱區域快速地冷 卻。在該情況下，由玻璃片以雷射加熱以及玻璃片以流動 性冷卻劑進行冷卻在玻璃片中產生應力，其促使裂縫傳播 於雷射及冷卻劑運行之方向。 該雷射劃線技術發展將使***邊緣產生良好的結果， 使其有可能使用於液晶及其他平板顯示器基板製造中，其 中邊緣***品質要求非常高。目前一些進展已顯示使用多 模雷射(例如為D-模雷射)以光束中央照射於玻璃上將有效 地減少光學功率，因而承受更均勻溫度分佈於整個光束照 射玻璃上之點。不過，多模雷射通常價格較高，需要較大維 護，以及顯著地較為魔大而大於密閉光束單模之雷射。 有需要設計雷射劃線處理過程，其能夠高速率劃線，例 如至少為300mm/秒，更優先地至少為5〇〇mm/秒，以及最優先 地至少為1000mm/秋其將簡化製造平板顯示器基板之劃線 第5 頁 1274743 及***處理過程。 【發明内容】 發射料高斯強度 璃片斯雷贱束形成細長加熱區域於玻 先uti 域之中央區域内。優 _.二二匕區域之長度至少為30mm;更優先地至少約50 =上先地至少100麵。細長加熱區域優先地並不加以截

阻隔)任何部份光束，或在部份細:閉合 路k過私中糟由將雷射打開或關閉達成。 舰Γ優先地更進一步包含沿著玻璃片上預先決定劃 與細長加熱❸綱之姆鞠，相對移 秒;以及最優先地至少為1〇〇〇_/秒。相 仅姓^藉由移動玻璃片產生，同時雷射及相目光學元件 璁H 或藉由移動雷射及/或相縣學元件同時玻 ^保持4壯的，或_組合。對於大的玻翻，優先地 ^保持為靜止的。本發明亦包含以魏液體或氣體 々部劑接觸加熱之刻痕路徑。 本發L明一項實施例包含移動連續性地發射之雷射光束 ，、其具有高斯強度分佈於繞著一個軸之圓形軌道，導引雷射 光束通過至少-個光學元件，_機卿光束執道為: /長光束執道，投射轉變光束於玻璃片上以劃出細長閉合路 徑於$璃片上，因而形成細長輻射點於玻璃片上，其具有長 度及寬度，而長度比寬度長，輻射點在點之中央部份具有^ 小強度。優先地，雷射光束藉由移動鏡子反射雷射光 以圓形軌道移動。

本發明另外一項實施例包含移動連續性地發射雷射光 束，其具有高斯強度分佈於繞著一個軸之圓形執道，導引雷 射光束通過至少一個光學元件，因而轉變圓形光束執道為W 第6 頁 1274743 細長光束執道，投射經轉變之光束於玻璃片上以劃出細長 閉合路徑於玻璃片上，因而形成細長輻射點於玻璃片上，^ 具有長度及寬度，長度比寬度長，輻射點在點之中央部份^ 有最小強度。優先地，雷射光束藉由折射雷射光束經由^走、 轉光學元件例如透鏡或稜鏡以圓形執道移動雷射光束。 本發明另外一項為揭示出對玻璃片劃出刻痕線之方法 _，遠方法包含將具有南斯強度分佈連續性地發射之雷射光 束準直，導引準直雷射光束通過小刻面光學元件以彳^到多 么卞光束，母一光束具有南斯強度分佈，投射為細長圖案之多 Φ I光束於玻璃片上以形成單一細長力u熱區域，其具有長度 及見度，長度比寬度長，以及其中細長力π熱區域在加熱區域 中央部份具有最小強度。優先地，小刻面光學元件產生多 條投射於玻璃表面上之光束。多條光束優先地包含至少六 條光束。 、 本表明另外一項為揭不出雷射劃線玻璃片之裝置，該 衣置包δ 者光學路徑發射連續性光束之雷射，光束且有 高斯強度分佈，準直器位於光學路徑上以及在雷射後面作 為將光束準直，以及積分透鏡位於光學路徑上以及在準直 器後面作為將光束***為多條光束，該光束投射於玻璃 _ 上以形成裂縫。 經由下列詳細說明及參考附圖將更容易了解本發明以 及其，目標，特性，細節以及優點變為更加清楚。任何情況 下，這些詳細說明並不會作為限制用途。 【實施方式】 列本舍明係關於使用雷射劃線技術沿著所需要分離線分 裂玻璃片之系統。雷射在局部加熱區域中沿著所需要分離 線有效地加熱玻璃片。所產生溫度梯度將在材料表面層產 生張力以及當這些應力超過材料張力強度時，材料發展出 目裂縫向下穿透材料至承受壓力之區域。 1274743 如圖1及2所示，本發明玻璃***系統中，玻璃片ίο具有 f側12及^下侧14(並未顯示出）主要表面。玻璃片1〇沿著玻 璃片一側最先刻痕或劃線在玻璃片1〇 一侧形成裂縫初始點 16:裂縫初始點ΐβ再藉由沿著預先決定刻痕路徑(所需要 分離線)如虛線22所示移動加熱區域2〇通過玻璃片1〇以形 成裂缝18。優先地，經由喷嘴26施加冷卻劑以以提昇應力 - 以及因e而提昇裂縫傳播。冷卻劑24優先地為液體，或 氣ίϋ霧土但是可為氣體。冷卻劑可為惰性氣體例如 為氦，氖，氬，氪，氤，氡，或其混合物，其經由喷嘴2β施力口於 • 玻璃片。在:些情況下，水已證實為有效的冷卻劑。、 在一項實施例中，加壓空氣之筒經由喷嘴26傳送冷卻 劑24至上側玻璃表面12上，其在投射於玻璃片表面之雷 射光束所產生來回移動加熱區域2〇(在圖1中通常以參考數 字30表示)後面。優先地，噴嘴26包含中央通道，液體冷卻 劑例，水經由通道噴出。中央通道由環狀通道圍繞著，加 壓$氣經由通道流入使液體準直以及將液體流動***以產 生喷霧。與氣體比較，喷霧通常具有較大比熱而高於氣體 以及因而提供加強冷卻。優先地液體以至少3毫升/秒之速 ' 率經由中央喷鳴喷出，以及幵i成直徑4mm之準直喷霧。 •"可加，變化，噴嘴26為超音波喷嘴，其供應適當液體冷 卻劑及空氣混合物。假如液體供應至玻璃表面，需要去除 - 過剩液體例如藉由對過剩液體施以真空抽除以防止污染玻 • 璃表面12或其他污染。當加熱區域20移動通過玻璃，裂縫 依循加熱區域之運行路徑。 在另夕 + 卜一個實施例中，噴嘴26為類似於水柱切割操作 所使用之喷嘴，其中同心圓液體柱傳送至玻璃表面。該噴 嘴具有出口通^直徑小至〇· 007英吋。優先地，喷嘴26上側 表面在0· 25英吋至〇· 75英吋範圍内以及傳送約2咖至偏 度喷灑圖案於玻璃表面上。 1274743. 表面20處玻璃片10表面之溫度直接地決定 ^ @恭路& θ射先束之铜，在表面上 獅具有細長之(修摘_或長方形） mi η熱時間，其中加熱區域具有相同速率 區域延伸、真縫用設定之雷射光束功率密度，由加熱 象至々卻點28前端邊緣具有111定的距離，苴主 ί 2〇ΐ^^ 姻軸對位移 並m所示，在本發明中加熱區域具有非常細長之形狀 =長軸b大於3Gmm，更優规大於^，以及最優先地大於 玻：二a」tff小於7函。加熱區域長軸對準於整個 玻=預先決疋劃線路徑運行方向。對於薄玻璃片（例如

Un)，r熱區域長軸b最佳長度與運行所需要速度相關 "、中長轴b應該大於雷射所需要劃線速度之⑽。因而 =要冑賴、魏度$ _ _ 域長軸應該優先地至少為50麵。 ’、ί 裂縫18優先地只部份地延伸至玻璃片1〇深度，使 縫作為刻痕線。玻璃#最終分離為較小玻璃丨再藉由在裂 縫18施加彎矩而達成。該弯矩能夠使用傳統彎折i置 未顯不出）以及技術施加，例如使用傳統機械表面劃線方法 之處理過程來***玻璃片。由於裂縫18使用雷射劃線技術 而非機械劃線形成，與過去技術比較在機械***步驟 璃碎片形成減為最小。 玻璃***操作所使用雷射光束應該能夠加熱被切割之 玻璃表面。因而，雷射輻射波長優先地為能夠被玻璃片吸 收之波長。對於該情況發生，輻射應該優先地在紅外線範 圍内，其波長超過2微米，優先地使用波長為9—丨丨微米之二 1274743 氧化碳雷射。雖然目前實驗採用二氧化碳雷射功率在2〇〇〜 500瓦範圍，人們相信甚至於能夠成功地使用較高功率， 如超過600瓦。 ’ 形成於玻璃中裂縫18向下到達加熱及冷卻區域之界面 ，即最大熱梯度區域。裂縫之深度，形狀及方向藉由熱塑性 應力分佈決定出，其因而主要決定於下列數個因素： 雷射光束功率密度； 由雷射光束產生加熱區域之尺寸及形狀； 加熱區域及材料相對位移之速率，· ® 供應至加熱區域冷卻劑之條件，品質及熱物理特性； 以及將***之材料熱物理以及機械特性，其厚度以 其表面狀態。 ’ …雷射振盪插作之雷射，其發生於由每一端反射鏡所界 疋出$振腔。穩定共振器概念能夠藉由依循通過共振腔光 線路徑看見。假如初始平行於雷射腔中心轴光線能夠來回 反射於兩個反射鏡之贴不會溢失，將勒織定低限值。 …其並不符合穩定鮮之共振腔稱為不穩定共振腔，因 為光線魏綱中心軸。-個簡單範例為凸球面鏡相對平 反射鏡。糾-個包含不同直徑凹面鏡(使得由較大反 響射鏡反射之光線由較小反射鏡邊緣附近溢失)以及數對凸 面鏡。 兩種共费X腔具有不同的優點以及不同模圖案。穩定共 ，腔集中光線沿著雷射巾心轴，其峻_姐地抽出能 1，但是並非由遠離中心軸外側區域抽離出。所產生光束 在^央具有強度尖峰，以及隨著離中心轴距離增加而強度 以南斯=地減小。低增益及連續波雷射主要為娜式。 不^定共振腔傾向擴散光線於較大體積雷射共振腔内 j如’輸出光束具有環狀分佈，尖峰強度在中心轴四週之 中。 第10 頁 1274743 雷射共振腔具有兩個不同的種類模··橫向及縱向。橫 向模本身顯現為光束斷面分佈，即為強度圖案。縱向模沿 著雷射共振腔長度對應於不同共振，其發生於雷射增益頻 帶内不同頻率或波長。在單-縱向模振盡之單一橫向模雷 射只在單一頻率下振盪;在兩個縱向模中之振盪為在兩個 分離波長下(但是通常分隔非常靠近)同時地振盪。 在雷射共振腔内電磁場形狀決定於反射鏡曲率，間距， 放電管開孔直徑，以及波長。反射鏡對準，間距或波長小的 雙化會促使雷射光束形狀(電磁場)嚴重的變化。說明，，形 • 狀”或光束空間能量分佈之一項特別的名詞已加^採用，^ 中橫向模依據出現於兩個方向光束斷面零點數以父 類。強度尖峰在中央之最低階，或細已知$ ^。。模 雷射通常優先i也作為許多工業應用。沿著一個轴具有單一 零值以及在垂直方向並無零值之橫向模為TEi)i或ΤΕΜι〇， 由指向決定。TEM〇1&TEM1〇模光束已使用於先前技術中以 均勻地傳送雷射能量至玻璃表面。 -圖3中所顯示雷射光束(光束強度丨與距離χ整個光束) 主要由環所構成。雷射光束中央因而具有較低功率強度低 於至少一些雷射光束外側區域，以及可完全地降低為零=力 攀率值，其中雷射光束為1〇〇%狐*功率分佈。該雷射^束 為雙模。即其包含超過一個模，例如為TEMgiA^iq模組 合，其中中央區域功率分佈下降低於外側區域。在光束為 雙模情況巾，絲可&含大於_狐，其餘為TEM⑽模： 不過如先前所說明，產生該光學功率分佈之所需要多模帝 射裝置遭遇穩定性不良之問題以及亦難以對準及保持、。田 a已考慮到非高斯雷射光束優先地作為雷射劃線操 與高斯雷射光束比較，整個非高斯雷射光束提供改良之功 率分佈均勻性。不過，當適當地操作具有高斯功率分 光束能夠呈現出所需要劃線功能，同時產生單模高斯分 I2?4743 田射具有經濟，穩定及低維護費用的優點。 模明’使用具有高斯功率分佈連續性發射之單 由3的代表性模功率分佈顯示於圖先 ^ 由TEMog模所構成。 欠无地先束主要 =雷射裝置及/或玻璃片，以及 製造择祚w — Γ : 各種储存於記憶體中 ^控為=，一=;==包動含反促 7?，其可軸鶴臂36移誠按裝及連 ^ 4 ^動阳34。促動器34藉由控制器控制促使雷射光東38 轨射4〇發射出以劃出繞著輛42之圓形執道，如 ίίΐ所示。輕射圖案29顯示出光束38之執道38特徵 :中案外侧區域比較，在圖案中間較為明亮區域表示， 減小強度。圓形軌道光束藉由將光束通過一個或多個光學 疋件44加以轉變使得離開光學元件44之光束兕，劃出繞著 軸42之細長或橢圓形執道，以執道線條30表示。光學^件 44可例如為圓柱形透鏡。使用兩個圓柱形透鏡沿著其縱向 轴Ϊ列為ί皮此相互垂直如圖5所示為有益的，因為軌道長度 及見度可藉由每一透鏡相對於另外一個透鏡之相對指向而 加以控制。 離開至少一個光學元件44之繞轨道運行光束38,投射 於玻璃片10上侧表面上點41處。光束產生於玻璃片1〇上 之繞執道運行點41依循玻璃片上閉合細長之路徑46(亦顯 示於圖6及7中）以形成細長加熱區域2〇於玻璃片上。細長 第12 頁 1274743. ί=_4δ _溫度最小值。圖 20圖7:苜」Φ兄，〔、依檐細長閉合路經46以產生加熱區域 鏡鶴淑度最 行光!：ίΪ:更，一步促使玻璃片1〇平移於繞軌道運 之❹99 ^使仔加熱區域2〇沿著玻璃胳循預先決定 藉由支架組件(縣顯示出)平移， 二:業Ί知、、泉性促動為方式移動。可加以變化，雷射 槿赤學兀件及/或雷射按裝裝i可藉由按裝該組件為 可移動支餘件上加以移動以在玻璃片及 权間產生相對移動。該情況能夠有益地使用 二氧化碳雷射達成，此由於與氣體流動雷射作 =日守二氧化碳雷射為較小尺寸，可靠性，卩及不存在密閉 官=雷射之難以管理氣體傳送管件。移動劃線系統之光學 、、且件而非移動玻璃片以劃出刻痕線之能力為特別重要的， 由^玻璃片例如LCD顯示板之尺寸變為增大以及較寬。如 先刚所 +說明，冷卻劑24優先地相對於加熱區域移動由喷嘴 26士沿^路徑22 一導引至後面的位置。路徑22通常為直線路徑 ，特別疋LCD顯不板情況。不過，路徑22並不必需為直線的 以及可包含曲線或其他方向變化，其依據應用情況而定。 了加以受化，雷射4〇可為靜止的，而光學元件览及44為 移動的，例如藉由按裝光學元件於移動支架上。支架再相… 對於玻璃片移動。由雷射4〇發射出之雷射絲投射至光學 =件32,其相對於玻璃片移動以及可藉由促動器財移動，使 得光束劃出繞著軸42之圓形軌道。非常不幸地，在該構造 中，當光學元件32及44所按裝之移動支架移動通過玻璃片 時，雷射40輸出小刻面及光學元件32間之光束長度39加長 第 13 頁 1274743. =射40及光學元件32㈤之力口長雷射長度增加雷射光束38 之餐散，因_由—38，投射於_上之輻射點尺寸 =改變加熱區域20。即光束長度增純及雷射絲浞發散 *而使點尺寸增加。例如藉由增加加熱區域之尺寸而增加 ^寸因而並不想要地減小加熱區域之加熱效率。為了補 貝:加之光賴|光學元件％移動藉由系統控制器以及 細軸絲元件32及44滅變錢得由繞 車2田射光束38劃出圓形執道之半徑隨著光學元件32 44=玻翻時舦變。#似光學元件％間之光束 ii 4增力ησΒ寺，即雷射40及光學元件32間之距離增加時，繞 =軸42之圓形執道的半徑減小以保持固定的點尺寸以及因 之區域。相反地，當雷射40及光學元件32間 木朵與咸ί ^ ν先者轴42之圓形執道辭徑將增加。因而， :^牛及44通過玻璃片時，加熱區域20實質上伴持 ，制器可容易地以 、= 式化以達成雷射光束38圓形執道必要的變化 測亚未齡出一> 可放置於光學元件％及44所按裝戌上 以k供支架位置資訊至系統控制 及沿著支架路徑按裝相鄰=i =、产置之方法為已知的以及為了簡化說明在此並不詳細 =====猶簡紙裝置，紅 9中可發明褒置之另外一個實施例顯示於圖 圓幵彡勤搶疋轉’促使光束38繞著軸42轉動為 元件修域鏡或適當 純射馬雜之___ 0^#_動。絲耕5G料地纟觸^ 第14 頁 1274743 ，成^在圖9實施例中，光學元件5〇按裝於適當的按 H糟由H外侧之馬達(並未顯示出）經由例如驅動 讀動。如先岫貫施例所說明，繞圓形執道運行光 優先地至少兩個光學元件導引^轉 =先束，使付其slj出細長閉合路徑46於玻璃# 1〇上如先 。本發明實施例為有益的，其中光學元件5〇能夠# 動退快於光學元件32以促動器34經由鶴臂 ^ ;因而跨越由繞執道運行光束產生之加熱區域28 =乍量7况 佈（以及因而溫度分佈）可更預期地形成。 在圖10所顯示另外一個實施例中 ，其峨== -為、、、田長但疋非連續性圖案。即由雷射4〇發出之光 折射為-組多條分離之光束38”，每 斯強;分佈，以及其中分離光束各別地分散為以出， 二=圖案通常為長方戦橢卿，如圖12所示，使$ ^•束38投射於玻璃表面12圍繞著具有週邊 ，以=週姐繞著内部區域6G。_，由先前實施 之連績性地細長加熱區域2〇藉由 二=個輕射點產生-組多個各別小的加熱區域，其中每之 光束38投射至玻翻，其t合併在—_產 =加熱區域，如圖12所示，優先地最小溫度在大:力： 元件在方光 =分光學 =在此更進一步之二 光束投射數目能夠藉由形成於積分元件上每一小刻出面各關 第15 頁 1274743 tit，㈣，但是可少至六數十個獨立光束， :埶卩二千條光束，其決定於被劃線玻翻之厚度d以及 加熱區域通過玻璃片表面之速度。 雖然本發明各種§細已在上述揭 也使用。α而，本發不受限於特定優先實施例。 ^ίί 及改變而並 綠二私!· ·明續神及細。例如，雖然所揭示一般劃 觀魏鞭進—步翻於其他脆性材 ^4t*a 。因而本發明各種改變以及變化含蓋於 下列申請專利範圍及其同等物範圍内。 、 法。下列乾例為列舉性而非限制性，其顯示出本發明之方 範例： 及500瓦間之單模二氧化碳雷射通過準直哭 準直器。準直光束再通過積分透鏡，厂 璃多條分離光束。分離光束投射於玻 璃片表面上為細長圖案，因而形成細長加埶區域 ===之f學功率大於投射於細長力:熱i域 對移動形成於加熱區域及玻璃片 ==「ir吏面之玻璃片。^二: 動方向之加熱區域長度至少為3〇刪。 【圖式簡單說明】 第二圖為第一圖玻璃片之透視圖1 冷卻継以及裂縫產生間之關係。…1不出加妬域， 第16 頁 1274743 产八^三圖為曲線圖，其顯示出多模雷射光束之 範例性強 度分佈 =四圖為曲輒翻利雜魏絲之範例性強 系統之侧 加一及“! 五著玻璃片上細長閉合路徑移動時由第 五圖^執逼雷射光束產生之加熱區域示意圖。田弟 顯示二意圖，其 徑加熱區域之溫度。、有較低，皿度餘相鄰閉合路 第八圖為曲線圖，其顯示出第五圖第 :ss:;r— :==¾束用= =學娜編_酿糊姐 ^射光束以細長_投射於玻璃片上以形成細長加熱^， 直線顯示出_第十圖之細長圖案，其中圖案為 橢圓圖顯示出依據第十圖之細長圖案，其中圖案為 附圖元件數字符號說明： 第17頁 1274743 玻璃片10;玻璃片上侧12;玻璃片侧14;裂縫初始點 16;裂縫18;加熱區域20;虛線22;冷卻劑24;喷嘴26; 冷卻點28;輻射圖案29;執道線條30;光學元件32;促動 器34;促動臂36;雷射光束38, 38’，38”；光束長度39;雷 射40;點41;轴42;光學元件44;路徑46;加熱區域内侧 部份48。

第18 頁

Claims (1)

1274743 十、申請專利範圍： 1· 一種對平坦玻璃片劃線之方法，A包含· 光東該先束具有高斯強度分佈 軌输件期將圓形光束 ，因=======上 份内具有最低溫度。 邱上，其在加触域中央部 鶴2項之方法，其中光學元件由一組多 反所其構中成移__性 二更先進二 ^ =移動’相對移動至少為一== 步包含將加 7變軌道 8· —種對平坦玻璃片劃線之方法，1包含· 妹槪編斯強度分佈 軌期糊形光東 投射轉變光束於玻璃片以劃出細長閉合路徑於玻璃片上 第19 頁 1274743 ，因而形成細長加熱區域於玻璃片上，其在加熱區域中央部 伤内具有最低溫度;以及 其中移動步驟包含折射雷射光束通過旋轉之光學元件。 9·依據申請專利範圍第8項之方法，其中旋轉之光學元件由 一組多個小刻面所構成。 ΐ〇·、^ι據申請專利範圍第8項之方法，其中至少一個光學元 件為圓柱形透鏡。 11·依據申請專利範圍第8項之方法，其中更進一步包含在 ， 3翻翻長加舰獻騰著補壯滅献劃線路 鲁 仅產生相對移動，相對移動至少為300mm/s，因而形成加熱 之劃線梭。 12.依據申請專利範圍第11項之方法，其中更進一步包含將 加熱劃線路徑與氣霧接觸。 13· —種對平坦玻璃片劃線之方法，其包含： 有高舰度分佈之連續性地魏雷縣束加以準直； Y弓準直之结射光束通過小刻面的光學元件以得一会且 夕條具有尚斯強度分佈之光束；以及 、 長條光束於玻璃片上為細細案以形成單-細 加熱&域中央部份内具有最低溫度。 13項之綠，社喊加熱區域之 其中更進-步包含在 徑產生相梅 第20 頁 1274743 之劃線路徑。 19. 依據申請專利範圍第18項之方法，其中更進一步包含將 加熱劃線路徑與氣霧接觸。 20. —種對平坦玻璃片劃線之方法，其包含： 沿著光學路徑發射出連續性地光束之雷射，光束具有高 斯強度分佈； 準直器位於光學路徑上使光束準直； 積分透鏡位於光學路徑上作為將光束***為一組多條光 - 束，其投射於玻璃片上以形成裂縫。