CN102574232A - 切割基板的方法和用于切割的设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种通过引入热机械张力来切割基板的方法。本发明还涉及通过指定的切割方法来精确制造基板形状。本发明还涉及一种用于执行根据本发明的方法的设备。
Description
技术领域
本发明涉及一种通过引入热机械张力来切割基板的方法。本发明还涉及通过特定的切割方法来精确制造基板形状。本发明还涉及一种用于执行根据本发明的方法的设备。
背景技术
对诸如玻璃这类受到塑性断裂的材料进行精确且受控的切割对于很多工业工艺和产品而言是必须的。
传统的切割方法一般需要去除一些材料来进行分离，例如锯切或传统的激光切割，其导致相邻基板表面污染以及使得边缘不是整齐的切口，即，显示出次级结构而偏离理想的切口表面。这些标准切割工艺中的一些涉及目前在大规模玻璃制造中使用的机械研磨操作，例如通过金刚石涂层砂轮或钻头来切割。这类技术对得到的边缘的规则性/质量予以折衷，并且释放出对基板表面产生负面影响的碎片颗粒，从而经常需要额外的清洗或抛光步骤。这些标准切割工艺多数还会沿着切口引入微小的裂缝，这些裂缝可能会成为微观断裂的起始点，并且当施加机械应力时致使基板被毁。
新近的切割方法使用激光束沿着基板上的路径进行加热，随后由冷却系统使用液态或气态介质或其混合物而产生限定的断裂。然而，这些技术具有下列缺点：所需设备成本高；必须保护人员免受直接的激光暴露，又必须保护其免受反射的激光暴露；对于不同的材料诸如不同的玻璃类型而言，对激光束波长的光学响应不同。而且，激光切割只适合于有限的材料厚度范围，而太薄或太厚的基板目前绝大多数都是采用标准工艺加工。
发明内容
鉴于以上原因，本发明的目的是要提供一种在无需去除部分基板的情况下切割材料的方法；进一步地，旨在有效地加工薄的和厚的基板，并且使得能够在基板上切割出笔直的和随机形状的切口。另一个目的是要避免切割工艺期间中所释放的任何碎片材料沉积。进一步地，旨在于切口区域中得到干净平整的表面，并且防止沿着切口边沿形成微小的断裂。本发明的又一个目的是要提供一种价格低廉的用于切割材料的方法。本发明的再一个目的是要提供一种容易执行并且允许在不同厚度的材料中都能够得到规则的切口的方法。
所有这些目的通过一种切割基板的方法而得以实现，所述方法包括下列步骤：
a)提供待切割的基板，
b)借助于连接到AC电压源的一个或多个电极，通过以在1kHz～10GHz范围内的频率对所述基板的限定区域施加AC电压和电流，来对所述基板施加电能和热能，从而加热所述限定区域，
c)冷却所述限定区域，
d)其中，在步骤b)期间，通过下列方式使所述限定区域沿着基板表面上的路径移动：
i)通过使所述电极相对于所述基板移动；
ii)通过使所述基板相对于所述电极移动，或者
iii)通过使所述电极和所述基板两者彼此相对移动，
并且其中，所述路径不是沿着所述基板的边缘，而是完全或者部分地横过所述基板。
在一个实施例中，所述基板用作对置电极，以建立闭合电路。
在一个实施例中，在待切割的基板的相对侧上设置有对置电极，以建立闭合电路。
在一个实施例中，对置电极接地。
在一个实施例中，步骤b)本身表现为在所述电极和所述限定区域之间的电弧形式，其中，优选地，将所述电弧用于切割基板。
一般而言，电流需要闭合环路才能流动。如本文中所使用的，术语“电路”意指具有为流过的电流提供返回路径的闭合环路的电气网络。在这类实施例中，基板充当该环路的一部分。因此，离开AC(高压高频)电源的电流流过电极、形成在电极和基板之间的电弧以及基板本身而回到电源。在这类实施例中，基板因此充当对置电极和返回路径。通过使AC电源以接地为基准，可以进一步简化设置。这允许省去从基板回到电源的专门的导电路径(例如电线等)。因此可以仅仅将基板设置在与接地相关的任何部件上。
特别地，对于厚的材料而言，只用一个电极有时候会导致基板内部加热不对称和不均匀，这会使切割随着厚度增大而更加困难。为了确保电流均等地流过基板的整个厚度，在一些实施例中，使用对置电极来提供到接地的专门返回路径。这样，经由基板流回电源的电流被极大地减小。在不希望受任何理论限制的情况下，这样可以增进切割的两个积极效果：(1)可以在基板的两侧形成电弧，使得能够从两侧通过外部的热对基板加热；以及(2)基板内部的电场被增大，因为其可以接近于达到E＝(施加电压)/(基板厚度)。通过介电损耗而进一步增大了内部加热。
此外，电极的对准允许在一定程度上分别控制通过基板的电流和加热的路径。
在一个实施例中，对基板的加热通过调节所述AC电压和/或电流的频率和/或幅度，和/或电极到基板的距离而加以控制。
在不希望受任何理论限制的情况下，基板内部由于介电损耗现象而消耗的功率为：
pin＝εrε0tanδωE2
这限定了用户可控制的用于切割的参数：(1)提高频率ω增大了加热，从而允许更快加热，因而可以更快地切割或者切割更厚的材料。其还提供方案以补偿不利于切割的介电参数，诸如例如低的介电损耗切线和较低的εr。(2)提高电压幅度同样也增大了介电损耗，因而改善了切割行为。
因为通过电弧从外部加热也会起到切割的作用，所以更改其强度可以影响切割。电弧取决于所施加的电压、流过的电流、频率、电极到基板的距离。依据基板材料，可以改变这些参数以限定最佳切割条件。
在一个实施例中，为了执行步骤b)，将所述电极设置在所述基板的一侧或两侧上、距所述基板0mm～100mm的距离处。
基板内部的热分布可以通过使用不同的电极到基板的距离加以控制。因为电弧取决于电极距离，所以通过电弧对基板进行的加热在两侧将会不同，这而后会通过基板内部的纵向温度分布而反映出来。
在一个实施例中，步骤b)通过施加这样的电压来执行，即该电压的幅度在10V～107V、优选在100V～106V、更优选在100V～105V范围内，且其频率在1kHz～10GHz、优选在10kHz～1GHz、更优选在100kHz～100MHz范围内。
在一个实施例中，电弧的特性通过改变电极和基板周围的气氛加以控制，例如使用压力在10-5～103bar、优选在10-3～10bar范围内的氮、氩或六氟化硫。
更改周围气氛的组成和压力允许控制电弧的形状和温度以及电弧接触的区域的形状和大小。
在一个实施例中，在步骤c)中，根据下列方法中的任何方法冷却所述限定区域：
i)被动地通过与周围环境进行的热传导和/或热对流，
ii)将基板附接到能够高效地吸收热的元件，可选地其作为有源热泵而进行工作，例如珀耳帖(Peltier)元件，
iii)通过在所述限定区域附近或者直接对所述限定区域施加气体、液体、气体和液体的混合物、或者气体和固体的混合物而进行主动冷却。
在不希望受任何理论限制的情况下，本发明人假设切割是由于通过沿着切割路径的热梯度而导致的。先前被加热的区域冷却下来时产生的机械张力会再次分别导致破裂和切割。通过加强对这些预加热区域的冷却，会增强这些热梯度，从而也会增强导致产生机械张力的裂纹。在最简单的情况下，只通过从预加热区域热传导到基板的其余体部来进行冷却。然而，可以使用更加复杂的方案：(1)通过将大的储热器附接到基板来提高通过被动冷却的散热，以及(2)使用例如热泵或使用添加到基板的冷却剂(例如气体或液流)来进行主动冷却。通过局部地应用这些冷却辅助方法，可以更加准确地限定基板内部的分离区域。
在一个实施例中，所述方法进一步包括下列步骤：
a2)在步骤b)之前，冷却所述限定区域。
为了改进切割性能(如通过切割速度、切割准确度来加以衡量的)，可以采用预冷却步骤a2)，其具有两个主要作用：(1)使材料的脆性增加，因而增加其破裂的趋势，以及(2)能够使可达到的最大热梯度增大。再者，在不希望受任何理论限制的情况下，所相信的是，这是由于基板内部的最大T通常受T＜＜Tmelting限制的事实而导致的，因为通常不再有切割发生。在较低的T下开始工艺因而允许较高的梯度。
在一个实施例中，在步骤a2)中，根据如上所述的方法i)-iii)中的任何方法冷却所述限定区域。
在一个实施例中，使所述冷却，优选地使所述主动冷却，随着所述限定区域的移动，而沿着所述基板上的相同路径移动。
在一个实施例中，经由位于距所述电极固定距离处的一个或多个喷嘴来应用所述主动冷却，并且其中，通过下列方式实现所述冷却在所述基板上的移动：
i)通过使所述喷嘴相对于所述基板移动，
ii)通过使所述基板相对于所述喷嘴移动，或者
iii)通过使所述喷嘴和所述基板两者彼此相对移动。
在一个实施例中，基板内部的张力在步骤b)之前沿着打算要执行切割的路径而引入或者减小。这样的沿着路径引入或减小张力在本文中有时也被称为“多通路工艺(multiple pass process)”。
此多通路工艺允许引入用于切割的优先路径，这对于已经具有高内部张力的基板而言尤其重要，这样可以补偿该内部张力。
在一个实施例中，所述AC电压源是高压-高频器件，其能够产生幅度在10V～107V、优选在100V～106V、更优选在100V～105V范围内，且频率在1kHz～10GHz、优选在10kHz～1GHz、更优选在100kHz～100MHz范围内的AC电压。
在一个实施例中，所述高压-高频器件从诸如特斯拉变压器、回扫变压器的谐振变压器、高功率射频发生器和基于半导体的高频固态斩波器中选择。
在一个实施例中，所述高压-高频器件连接到由任何导电性材料制成的一个或多个电极，所述导电性材料优选地具有如贵金属一样的高熔点、低电阻率，所述贵金属例如为钯、铂或金。
为了可靠的切割性能，用于电压施加的电极必须是稳定的。最好是耐氧化的高熔点T材料。作为示例，诸如Pt、Pd的贵金属具有这样的特性。
在一个实施例中，所述电极的长度在1～300mm、优选在2～100mm、更优选在3～50mm范围内，且其平均直径在0.1～20mm、优选在0.2～10mm、更优选在0.4～4mm范围内。
为了减小漏电流且因而减小功率损耗，应当使电极尽可能地短。另一方面，较长的电极可以较好地被握持，并且可以提供与热区较好的热分离。因此，主要依据所使用的功率和频率，对实际的电极长度和厚度加以折衷考虑。
在一个实施例中，所述电极具有曲率在1μm～5mm、优选在10μm～1mm、更优选在20μm～0.5mm范围内的尖头。
在不希望受任何理论限制的情况下，发明人观察到具有尖锐的电极头可以较好地限定电弧产生的位置。因此这对于可靠的操作而言很重要。
在一个实施例中，所述基板由下列材料制成：电绝缘材料，诸如玻璃，例如硬化玻璃、经离子处理的玻璃、淬火玻璃、熔融石英、石英、金刚石、氧化铝、蓝宝石、氮化铝、氧化锆、尖晶石、陶瓷；半导电材料，诸如硅，包括掺杂的硅和晶体硅、锗；化合物半导体，诸如砷化镓和磷化铟。
在一个实施例中，所述基板在一侧或者两侧附着有由诸如铟锡氧化物(ITO)的导电性材料或者诸如金属氧化物的非导电性材料的附加层。
在一个实施例中，根据基板的电学特性和物理特性，比如相对介电常数、导电性、热膨胀系数、厚度，来调整电压和功率。
在不希望受任何理论限制的情况下，基板中的热消耗为
pin＝εrε0tanδωE2
温度的增加与pin成正比：dT＝(pin/ρc)dt。
最佳切割条件常常需要限定的热引入条件dT/dt。因此，为了适合(1)材料特性(例如ε、tanδ、ρ、c)、(2)速度(与dt成反比)和(3)几何参数(例如厚度)，通常必须相应地设定电压和频率。因为工艺期间基板上的电压降也取决于它的T，其由于切割工艺的限定而必定会发生改变，所以可能需要使用特定阻抗的电压源。
在一个实施例中，使用具有变压器驱动电路的谐振变压器作为AC电压源，并且基板是闭合电路的一部分，且影响闭合电路的谐振频率，使得变压器驱动电路的频率根据基板的物理特性，诸如它的尺寸和电介质特性而被调整。
一般而言，谐振变压器通过在其谐振频率下或其谐振频率附近驱动次级变压器线圈来工作。将基板放在该次级线圈的两端之间将改变它的谐振频率，且因此改变驱动它所需的频率。谐振频率的改变取决于基板的电介质特性和几何特性，并且可能要求对驱动器进行相应的调整用于最佳操作。
在一个实施例中，使用通过固定频率驱动的谐振变压器作为AC电压源，所述固定频率被设定为匹配如上所述的电路的谐振。
电路驱动谐振变压器可以按照这样的方式而被设计，即，用以拾取变压器的本征频率或谐振频率。这将允许电源自动调谐，即使例如基板的材料或几何参数改变也是如此。
在一个实施例中，使用利用偏离谐振频率的频率驱动的谐振变压器作为AC电压源，以便控制电弧的特性以及基板内部的介电损耗。
如果进行切割所处的条件将不会明显改变，则可以使用固定频率的电压源。这也允许通过频率选择来控制电弧行为，以及对基板的聚焦和加热进行控制。
在一个实施例中，在步骤b)期间，所述限定区域内的基板材料不被熔化，并且不会从所述限定区域去除或被抛出。
在一个实施例中，在步骤b)期间，所述限定区域内的基板材料熔化和/或从所述限定区域被去除。
在一个实施例中，所述路径为直线、曲线、成角度的线、闭合线或者前述各项的任何组合，所述路径限定了所述基板被切割的地方。
在一个实施例中，基板的分离，优选地沿着所述路径，通过对基板施加机械压应力或张力来加以控制。
在不希望受任何理论限制的情况下，本发明人相信，通过限定地引入张力导致基板破裂/分离，从而可以进行切割。使这些张力与从外部引入的其他张力重叠，以旨在更好地控制切割路径。这可以例如通过按压或牵拉基板以对其边沿施加力来完成。
在一个实施例中，在步骤b)之前，将第一断裂前驱体(precursor)，比如第一人工裂纹，引入基板中，并且在所述第一断裂前驱体处开始步骤b)。
在一个实施例中，在步骤b)之前，将第二断裂前驱体，比如第二人工裂纹，引入基板中，并且执行步骤b)，使得分离路径在例如第二人工裂纹的所述第二断裂前驱体上通过而结束。
为了给切口的最后部分提供引导，可以在切口的最后部分中引入人工断裂前驱体。例如使用比基板本身坚硬的锋利元件来机械地划割基板，可以得到这种断裂前驱体。
在一个实施例中，所述限定区域沿着基板表面上的所述路径的移动和所述冷却在所述基板上的移动以0.01mm/s～10000mm/s范围内的速度进行。
在一个实施例中，所述限定区域沿着基板表面上的所述路径的移动在基板分离的开始部分和最后部分中减速，以便提高这些部分的分离质量。
在一个实施例中，调整功率和/或电压和/或频率，以便补偿在切口的开始和最后部分中减小的速度，例如，维持恒速/功率比。
机械应力条件在基板的主体部和它的边缘区域之间是不同的，在切割期间尤其如此。为了补偿切割期间的这些变化，会需要改变速度和切割功率。示例是速度和功率在切口的开始部分斜升并且这两个参数在接近切割路径的末端时斜降。
本发明的上述目的也可以由用于执行根据本发明的方法的设备来实现，所述设备包括：
a)AC电压源，其能够以1kHz～10GHz范围内的频率施加10V～107V范围内的电压，
b)第一电极，其连接到所述AC电压源，
c)保持装置，其保持待切割的基板，并将所述基板的一侧暴露于所述第一个电极，
d)可选地，冷却装置，其被布置在距所述电极固定距离处，用于冷却基板，
e)用于使电极和基板彼此相对移动的装置，如果所述冷却装置存在，则所述电极可选地与冷却装置相结合，
f)控制装置，其控制a)、和e)，并且如果存在d)，则还控制d)，
g)可选地，对置电极，其被设置在基板的相对的一侧上，
h)可选地，冷却喷嘴，其被设置在基板的相对的一侧上。
应予以注意的是，a)-c)和e-f)是强制的，而d)、g)和h)是可选的，并且独立地存在于一些实施例中。
在一个实施例中，所述AC电压源包括驱动功率级的频率发生器、连接到所述功率级的作为特斯拉发生器的谐振变压器的初级线圈、连接到所述第一电极的所述谐振变压器的次级线圈、以及控制/设定谐振变压器的功率输出的反馈机构。
在一个实施例中，根据本发明的设备进一步包括数控装置和监控相机，其中，所述数控装置能够移动由所述保持装置保持的电极和/或基板。
在一个实施例中，所述控制装置还通过所述监控相机和所述数控装置控制如上限定的方法的性能。
一般而言，在将热梯度引入所述基板时，待切割的基板会顺应其而分离。
应予以注意的是，通过根据本发明的方法而得到的切口可以是与基板的表面相垂直的。然而，在其他实施例中，切口也可以成非90°的角度，例如＞90°，诸如95°、100°、105°等，或者＜90°，诸如80°、70°、65°等。在基板的侧面和基板的顶表面或底表面之间形成的这些角度全都包括在本发明内。
如在本文中所使用的术语“……被施加到所述限定区域附近”，意指将所述蒸汽施加到所述限定区域周围的区域，该区域是受在步骤b)提供的热所影响的区域。在一个实施例中，所述区域的大小在0.001cm2～100cm2、优选在0.1cm2～10cm2、更优选在0.1cm2～1cm2范围内。然而，该术语也意图包括将所述蒸汽直接施加到限定区域。
如在本文中所使用的术语“所述限定区域附近”也意指“受热影响的区域”并且与之同义使用。
如在本文中所使用的术语“特斯拉变压器”和“特斯拉发生器”全篇可互换使用。
在根据本发明的实施例中，使用连接到AC电压源的电极对基板施加电压，从而使电流流至所述基板。一般而言，电流在基板上的限定点进入基板，该点在本文中有时也被称为“限定区域”，意指基板上的所述电流进入该基板的区域。在一个实施例中，用以将电压和电流施加到所述基板上的限定区域的电极被设置在距基板0mm～100mm范围内的距离处。如果电极被设置在距基板0mm处，这就意味着该电极与所述基板接触。如果电极被设置在距所述基板＞0mm的距离处，这就意味着该电极不直接接触基板。为了使电流流动，将形成电弧。本领域技术人员需要确定必要参数，这些参数是产生电弧形成以便使电流开始从电极在限定区域处流入基板所必需的。
一般而言，在根据本发明的实施例中，施加到基板的电流将导致在限定区域处对基板局部地加热。应予以注意的是，通常执行这种加热不会导致在基板的限定区域内发生材料熔化，而且也不会将材料从限定区域去除或被抛出。基板的局部熔化大多数都是起反作用的，这是因为它将会妨碍切口形成。
在优选实施例中，通过前面提到的对基板施加电流，更具体地，以1kHz～10GHz范围内的频率施加电流，来实现在步骤b)中进行的加热。因此，在这些实施例中，介电损耗可以有助于对基板加热，从而提高电弧带来的效果。
根据本发明的实施例，沿着基板移动基板上的限定区域。这意味着，基板上施加电压的位置，因此也即是电流流入基板的位置，不是固定的而是移动的。这样的移动一般通过下列方式其中之一来实现：(i)通过电极相对于基板移动，(ii)通过基板相对于电极移动，或者(iii)通过电极和基板两者彼此相对移动。一般而言，相对移动沿着基板表面上的路径进行。该路径于是也决定基板被切割成的形状。根据本发明，这一路径不是沿着基板的一个边缘，而是完全或者至少部分地横穿基板。这一路径可以是直线、曲线、成角度的线，或者其也可以是闭合线，后者例如是将要从基板内部切取一块基板的情况。
根据本发明，限定区域中的材料虽然被加热，但通常不会被熔化，更不必说从基板去除或被抛出。将要发生的任何熔化都将会妨碍切口的精度和/或质量。
在根据本发明的实施例中，通过离开进入区域的热对流和/或热交换而被动地进行步骤c)，即冷却被加热的限定区域。在其他实施例中，主要通过主动冷却进行冷却。这样的主动冷却可以通过应用诸如空气、氮气、氩气这样的气流、诸如二氯甲烷、氯仿这样的液流、或者气体和液体的混合流、例如气雾剂、或者气体和固体的混合流、例如二氧化碳干冰来实现。
优选地，冷却也具有局部特性，即，冷却沿着基板上与移动限定区域的路径相同的路径而进行。这可以例如通过将电极和诸如冷却喷嘴的冷却装置设置成彼此相距固定距离，并且使冷却装置以这样的固定距离尾随在电极后面来实现。然而，本发明人也设想了如下的实施例，其中，冷却装置沿着路径在电极前面。在该实施例中，限定区域将会被先冷却而后加热，并且有效地颠倒步骤b)和c)的次序，其中，首先冷却限定区域，然后通过对其施加电压和电流进行加热。也可能存在这样的实施例，其中，不但在加热冷却步骤之前有冷却步骤，而且在加热之后有进一步的冷却步骤。所有这些情形都是本发明人设想到的，并且包含在本发明内。
一般而言，对基板施加电压和电流的电极被设置在基板的一侧。在一些实施例中，可以有第二电极，即对置电极，其被设置在基板的另一侧。这样的第二电极为第一电极提供电流返回路径。
限定区域的移动以0.01mm/s～10000mm/s范围内的速度进行。如以上所概述的，这样的移动是通过电极相对于基板或基板相对于电极的移动或者两者彼此相对的移动来实现的。因此，电极和基板之间的相对速度也应当在0.01mm/s～10000mm/s的范围内，并且所述移动的路径可以具有范围从0(角)直到无限(直线)的曲率半径，包括任何可能的圆形轮廓。
一般而言，所施加的电压在102V～107V范围内，并且具有在1kHz～10GHz范围内的频率。这样施加的高频导致(1)基板内部的介电损耗和(2)通常通过电弧表现的电流，电弧进而对基板的限定区域处的基板加热。
在不希望受任何理论限制的情况下，本发明人相信，正在进入基板的热在基板中产生机械张力，因而使限定区域的路径顺应受控制的破裂或受控制的分离。如上所述，该效果可以进一步通过额外的冷却而产生张力的温度梯度的增强来进一步提高；这样的冷却可以在局部加热之前或者之后进行，也可以前后都进行。
还可以通过附加的机械手段进一步支持受控制的破裂和分离，例如，通过诸如合适的牵拉或夹持装置，又或者通过超声波装置这样的合适的装置引入的机械应力。
在根据本发明的实施例中，电极/冷却装置相对于基板的相对运动可以借助于本地或远程操作的数控装置进行。用于执行根据本发明的方法的整个设置可以使用连接到用于控制基板和/或电极移动的数控装置的适当的计算机系统、诸如配备有合适的输入/输出接口的个人计算机、或者单机控制装置又或者上述各项的组合来加以控制。如以上进一步概述的，用于冷却的装置优选地与电极一起相对于基板移动。例如，这通过将用于冷却的装置保持在距电极固定距离处、一般在0.1mm～100mm范围内来实现。
根据本发明的适合的有用高压-高频器件诸如为诸如特斯拉变压器、回扫变压器、高功率射频发生器、和基于半导体的高频固态斩波器。
本发明还设想了一种用于执行根据本发明的方法的设备。这种设备包括：
a)AC电压源，其能够施加以1kHz～10GHz范围内的频率的102V～107V范围内的电压，
b)第一电极，其连接到所述AC电压源，
c)保持装置，其保持待切割的基板并将所述基板的一侧暴露于所述第一电极，
d)可选地，冷却装置，其被布置在距所述电极固定距离处，用于冷却基板，
e)用于使与冷却装置相联接的电极和基板彼此相对移动的装置，
f)控制装置，其控制a)、d)和e)，
g)可选地，对置电极，其被设置在基板的相对的一侧上，
h)可选地，冷却喷嘴，其被设置在基板的相对的一侧上。
如果冷却喷嘴或者对置电极被设置在基板的“相对的一侧”，则这一般是相对于第一电极被设置的一侧而言的。
本发明人发现，通过使用由高频电压源提供的电能局部地加热材料，可以引入热张力，从而导致材料的受控制的分离。他们进一步观察到，通过沿着限定的路径进行这种加热，可以按限定的方式切割材料。
在本发明的实施例中，可以通过将连接到高频高压源的电极邻近于待切割的区域设置，将电和/或热功率局部地引入基板中。然后可以通过使电极相对于基板移动，且由此移动电流进入基板的位置来引入限定的切口。该移动可以通过使电极本身移动或者使基板相对于电极移动，又或者使两者都移动来进行。加热主要通过(1)基板内部的介电损耗和(2)从形成在电极和基板之间的电弧的热传递来进行。由于高频现象，诸如电容电流流过非导电性基板，所以可以只用一个电极引入热而将基板直接或间接地连接到地，或者使用直接或间接地(例如经由电容器)连接到地的另一个电极。所述电极可以按这样的方式设置，使得电流流动，并且因此使得基板内的加热遵循由用户确定的优选路径。在一个实施例中，所施加的电压的幅度在10V～107V、优选在100V～106V、更优选在100V～105V范围内。同样在一个实施例中，电压源是高频电压发生器，具有在1kHz～10GHz、优选在10kHz～1GHz、更优选在100kHz～100MHz范围内的频率。在一个实施例中，所施加的电压的频率在1kHz～10GHz、优选在10kHz～1GHz、更优选在100kHz～100MHz范围内。这些参数可以被调整为使得平均电流在10-9A～103A、更优选10-7A～102A、更优选在10-5A～1A的范围内。
例如可以使用特斯拉变压器或者能够匹配上述规格的任何其他高频-高压电源来产生这样的高电压和高频率。这样的电源在输出电压、频率、电流、阻抗方面是可调谐的。电极和基板之间的工作距离影响热点(hot spot)的几何形状，从而控制基板的加热区域的空间热分布曲线。在一个实施例中，电极和基板的表面之间的距离在0mm(接触)～10cm、优选在0mm～10mm、更优选在0.05mm～5mm范围内。
改变电极相对于表面的相对速度，可以调谐进入基板从而对基板加热的热能和电能的量。电极和表面彼此相对移动的速度一般为0.01mm/s～10000mm/s、优选为0.1mm/s～100mm/s、更优选为1mm/s～10mm/s。
在根据本发明的方法和设备中，根据本发明的电极可以采用任何形状，但优选地具有指向基板的表面的带尖头的形状。这样的电极可以由各种材料制成；发现具有高熔点的贵金属工作得特别好，例如铂和钯。
可以使用特斯拉变压器作为高频-高压电源。初级线圈可以达到100匝、优选包括1～10匝、更优选包括1～2匝，其可以采用直径在5mm～1000mm、优选在10mm～100mm、更优选在10mm～60mm范围内的平面形状或者螺旋状加以实现。这样的线匝可以由固态导电材料(例如铜、铝、贵金属)获得，可以采用线/带的形式或者采用沉积层的形式。次级线圈可以由直径在0.01mm～10mm、优选在0.05mm～5mm、更优选在0.1mm～1mm范围内的导线获得，并且具有在10～105匝、优选在50～104匝、更优选在60～1000匝范围内的匝数。可以将这样的次级绕组相对于初级绕组设置在不同的但通常同心的位置：在初级绕组之上、之内或者正好靠近它。
所使用的一个示例性设置由高频特斯拉变压器构成，其中初级线圈为1～2匝，使用印刷电路板构图而实现为平面形状，且直径大约为20mm。次级绕组为100～300匝，由直径在0.1mm～0.5mm范围内的铜线获得，并且被设置在初级线圈内部。使用铂和钯作为电极，其形状为直径为0.5mm～2mm的带尖头的杆。用于驱动初级线圈所需要的功率电子装置基于半导体，诸如用于低功率应用(达到50W)的单片MOS栅驱动器，例如IXYS的IXDD414，以及用于高功率应用的高频高功率MOSFET(例如，高达500W的DE275X2-102N06A、IXZ 2210N50L)。系统在2～20MHz下操作，并且用于初级线圈的电源电压为5V～30V。使用这些参数成功地切割具有在0.1mm～2mm范围内的厚度的不同的基板，例如玻璃基板(参见图4、5、6a和6b)。
还观察到，使用额外的冷却装置在加热之前和/或之后以限定的量级在限定的时间冷却被加热的区域，可以进一步控制热张力的形成以及随后的材料分离。这种改进的可能的实施例包括对待切割基板预冷却、通过施加气流(例如空气、氮气、氩气)、液体(例如二氯甲烷、氯仿)、气体和液体的混合物(气雾剂)或者气体和固体的混合物(例如二氧化碳干冰)来进行冷却。作为示例，就上述特斯拉变压器参数而言，使用例如直径为1mm的喷嘴成功地执行附加的冷却步骤，该喷嘴被设置在相对于电极10mm距离处，并且以距基板表面1mm距离喷射相对压力为1bar的～10℃的空气。
玻璃的诸如厚度、热膨胀系数这样的特性对切割工艺期间的玻璃的行为具有主要影响；因此，较厚的玻璃或者热膨胀系数低的玻璃将致使切割工艺需要较多的电流和/或较低的速度来增大被传递的能量的量。
本发明可以应用于不同的均质或者异质的材料，包括：玻璃(硼硅玻璃、浮法玻璃、碱石灰和其他形式，例如还有硬化玻璃、经离子处理或等离子体处理的玻璃、淬火玻璃)、硅石、熔融石英、蓝宝石、特殊的玻璃材料(硬化玻璃、经离子处理的或者淬火的)。同样，具有不平坦的或者不规则的表面的基板也顺应本发明的方法。然而，为了改进这些条件下的结果，可以以这样的方式调整设置，以便使电极跟随基板表面，并且与基板表面具有限定的距离，例如恒定距离。基板材料的厚度一般在0.01mm～5mm、优选在0.1mm～2mm范围内变化。在一个实施例中，基板的一侧或者两侧上附着有由诸如铟锡氧化物(ITO)的导电性材料或者诸如金属氧化物的非导电性材料构成的附加层。
使基板和电极彼此相对沿着线性的、即一维路径移动，将生成直线切口或分离。应用本发明的方法同时以遵循基板上所要求的形状的方式控制电极位置/移动，可以得到具有复杂形状的基板。在测试的配置中，容易地获得复杂的形状，包括具有倒圆的边缘以及波纹线切口的矩形(参见图1)。
为了得到精确切割的基板，可以通过数控机电装置来控制电极和基板之间的相对运动。在可能的配置中，通过定位机使电极在基板上方移动，或者替代地，移动基板同时将电极保持在固定位置；也可以采用这两种方式的组合。为了在适当的短时间内控制和调整电气参数和机械参数(一般将校正干预时间控制在100ms以下)，可以实现反馈回路。这样，基于电流、电压和/或温度的测量值，可以实时地调节电压发生器参数、冷却系统、基板电极距离和/或速度，以维持规律的工艺。
这样的设置可以借助于连接到用于控制基板和/或电极移动的数控装置的合适的计算机系统、诸如配置有合适的输入/输出接口的PC、或者单机控制装置、又或者它们的组合来加以控制。
由于切割工艺的开始会是关键性的，所以可以引入引导(seeding)裂纹(或人工奇点)，以通过确定切口的准确开始位置而使工艺更精确。在切口从材料的边沿开始的情况下，这样的奇点可以被设置在基板的边缘，或者在基板本身内。基板内部的这种引导裂纹在基板内闭合切口、即不横穿外部边界的情况下很重要。在样品内设置的多个奇点可以用于预定义的复杂的分离路径。
此外，对附图进行参照，给出这些附图作为示例性实施例。
附图说明
具体如下：
图1示出了指向材料(5)的表面的电极(1)的示例性实施例。这样的电极(1)连接到可以接地或不可以接地的发生器(6)。发生器(6)施加/产生电压时，在材料的表面和电极之间形成电弧(2)。冷却系统(3)被设置在距吹送冷却介质的电极固定距离处，冷却介质可以呈现气态、液态或气雾形式。电极(冷却喷嘴跟随在其后)和材料的表面在将要得到的切口的方向(4)上彼此相对移动，以使待切割的表面暴露到电极。可选的对置电极(7)会在待切割基板的相对的一侧进行跟随。虚线表示期望出现缺口的区域。
图2示出了所发明的设备的电气部分的可能实施例：高频发生器(8)驱动连接到特斯拉发生器的初级线圈(10)的功率级(9)。次级线圈(11)连接到将要靠近基板设置的电极(1)，可能存在接地的对置电极(7)。可选的反馈(12)调谐由发生器产生的频率。
图3示出了所发明的设备的自动操作的可能配置，其包括基板(5)、连接到电压源(6)的电极(1)、移动电极(13)或基板(14)的数控装置、在可见光、红外线或紫外线范围内工作的监控/反馈相机(15)、控制装置(16)。
图4示出了由D263T玻璃(厚度：0.7mm)制成的显微镜载物片：其为2.5A、3.85mm/s、1bar冷空气、500um样品-电极距离。
图5示出了在切割工艺期间在玻璃样品和电极之间形成电弧。吹送冷空气的喷嘴跟随在电极后面1cm距离，以控制温度分布曲线并且避免随机裂纹发生。
图6a和图6b示出了硬化玻璃(厚度：0.7mm)：其为2.5A、3.85mm/s、1bar冷空气、500um样品-电极距离。
具体实施方式
此外，对下列示例进行参照，给出这些示例是例示而非限制本发明。
示例
示例1
为了将D263T玻璃显微镜载物片切割成波纹形状，使用代码语言来对电极和空气喷嘴所遵循的路径进行了编程。使用计算机和数控机电装置之间的接口来传送电极和空气喷嘴必须遵循的路径。
显微镜载物片玻璃厚度为0.7mm，为了得到切口所施加的参数为：电极和空气喷嘴的速度为3.85mm/s并且在此情况下电流为2.5A，从喷嘴喷出的冷空气为1bar压强，并且电极和玻璃样品之间的距离为0.5mm。图4中可以看见最后得到的切口。
示例2
为了切割硬化玻璃，使用代码语言来对电极和空气喷嘴所遵循的路径进行了编程。使用计算机和数控机电装置之间的接口来传送电极和空气喷嘴必须遵循的路径。
硬化玻璃厚度为0.7mm，为了得到切口所施加的参数为：电极和空气喷嘴的速度为3.85mm/s并且在此情况下电流为2.5A，从喷嘴喷出的冷空气为1bar压强，并且电极和玻璃样品之间的距离为0.5mm。可以在图6a和图6b中观察最后得到的切口。
说明书、权利要求书和/或附图中所公开的本发明的特征，既可以是单独地，也可以是其任一组合，并且可以是以各种形式实现本发明的材料。
Claims (39)
1.一种切割基板的方法，所述方法包括步骤：
a)提供待切割的基板，
b)借助于连接到AC电压源的一个或多个电极，通过以在1kHz～10GHz范围内的频率对所述基板的限定区域施加AC电压和电流，来对所述基板施加电能和热能，从而加热所述限定区域，
c)冷却所述限定区域，
d)其中，在步骤b)期间，通过下列方式使所述限定区域沿着基板表面上的路径移动：
i)通过使所述电极相对于所述基板移动；
ii)通过使所述基板相对于所述电极移动，或者
iii)通过使所述电极和所述基板两者相对于彼此移动，
并且其中，所述路径不是沿着所述基板的边缘，而是完全或者部分地横过所述基板。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述基板用作对置电极，以建立闭合电路。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在与待切割的所述基板的相对的一侧设置有对置电极，以建立闭合电路。
4.根据权利要求1-3中任何一项所述的方法，其中，对置电极接地。
5.根据权利要求1-4中任何一项所述的方法，其中，步骤b)本身表现为在所述电极和所述限定区域之间的电弧形式，其中，优选地，将所述电弧用于切割所述基板。
6.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，通过调节所述AC电压和/或电流的频率和/或幅度，和/或所述电极到所述基板的距离来控制对所述基板的加热。
7.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，为了执行步骤b)，将所述电极设置在所述基板的一侧或两侧上、距所述基板0mm～100mm的距离处。
8.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，通过施加幅度在10V～107V、优选在100V～106V、更优选在100V～105V范围内，且频率在1kHz～10GHz、优选在10kHz～1GHz、更优选在100kHz～100MHz范围内的电压来执行步骤b)。
9.根据权利要求5-8中任何一项所述的方法，其中，通过改变电极和基板周围的气氛来控制电弧的特性，例如，使用压力在10-5～103bar、优选在10-3～10bar范围内的氮、氩或六氟化硫来改变。
10.根据权利要求1-9中任何一项所述的方法，其中，在步骤c)中，根据下列方法中的任何方法来冷却所述限定区域：
i)被动地通过与周围环境进行热传导和/或热对流，
ii)通过将基板附接到能够高效地吸收热的元件，其可选地作为有源热泵工作，例如珀耳帖元件，
iii)通过在所述限定区域附近或者直接对所述限定区域施加气体、液体、气体和液体的混合物、或者气体和固体的混合物进行主动冷却。
11.根据权利要求1-10中任何一项所述的方法，其中，所述方法进一步包括下列步骤：
a2)在步骤b)之前，冷却所述限定区域。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，在步骤a2)中，根据如权利要求10所述的方法中的任何方法来冷却所述限定区域。
13.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，使所述冷却，优选地使所述主动冷却，随着所述限定区域的移动而沿着所述基板上的相同路径移动。
14.根据权利要求4-11中任何一项所述的方法，其中，经由位于距所述电极固定距离处的一个或多个喷嘴应用所述主动冷却，并且其中，通过下列方式实现在所述基板上所述冷却的移动：
i)通过使所述喷嘴相对于所述基板移动，
ii)通过使所述基板相对于所述喷嘴移动，或者
iii)通过使所述喷嘴和所述基板两者彼此相对移动。
15.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，在步骤b)之前，所述基板内部的张力沿着打算要执行切割的路径被引入或者减小。
16.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，所述AC电压源是高压-高频器件，其能够产生幅度在10V～107V、优选在100V～106V、更优选在100V～105V范围内、且频率在1kHz～10GHz、优选在10kHz～1GHz、更优选在100kHz～100MHz范围内的AC电压。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述高压-高频器件选自诸如特斯拉变压器、回扫变压器的谐振变压器、高功率射频发生器和基于半导体的高频固态斩波器。
18.根据权利要求16-17中任何一项所述的方法，其中，所述高压-高频器件连接到由任何导电性材料制成的一个或多个电极，所述导电性材料优选地具有如贵金属一样的高熔点、低电阻率，例如钯、铂或金。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述电极的长度在1～300mm、优选在2～100mm、更优选在3～50mm范围内、且平均直径在0.1～20mm、优选在0.2～10mm、更优选在0.4～4mm范围内。
20.根据权利要求18-19中任何一项所述的方法，其中，所述电极具有曲率在1μm～5mm、优选在10μm～1mm、更优选在20μm～0.5mm范围内的尖头。
21.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，所述基板由下列材料制成：电绝缘材料，诸如玻璃，例如硬化玻璃、经离子处理的玻璃、淬火玻璃、熔融石英、石英、金刚石、氧化铝、蓝宝石、氮化铝、氧化锆、尖晶石、陶瓷；电半导电材料，诸如硅，包括掺杂的硅和晶体硅、锗；化合物半导体，诸如砷化镓和磷化铟。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述基板在一侧或者两侧附着有由诸如铟锡氧化物(ITO)的导电性材料或者诸如金属氧化物的非导电性材料构成的附加层。
23.根据权利要求16-22中任何一项所述的方法，其中，根据基板的电学特性和物理特性，比如相对介电常数、导电性、热膨胀系数、厚度，来调整所述电压和功率。
24.根据权利要求2-23中任何一项所述的方法，其中，使用具有变压器驱动电路的谐振变压器作为AC电压源，并且基板是闭合电路的一部分、且影响闭合电路的谐振频率，使得变压器驱动电路的频率根据基板的物理特性，诸如它的尺寸和介电特性而受调整。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，使用通过固定频率驱动的谐振变压器作为AC电压源，所述固定频率被设定为与在权利要求24中所述的电路的谐振相匹配。
26.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，使用利用偏离所述谐振频率的频率而驱动的谐振变压器作为AC电压源，以便控制电弧的特性、以及基板内部的介电损耗。
27.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，在步骤b)期间，所述限定区域内的基板材料不被熔化，并且不会从所述限定区域被去除或被抛出。
28.根据权利要求1-26中任何一项所述的方法，其中，在步骤b)期间，所述限定区域内的基板材料熔化和/或从所述限定区域被去除。
29.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，所述路径为直线、曲线、成角度的线、闭合线或者前述各项的任何组合，所述路径限定了所述基板在何处被切割。
30.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，优选地沿着所述路径，通过对基板施加机械压应力或张力来控制基板的分离。
31.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，在步骤b)之前，将第一断裂前驱体，比如第一人工裂纹，引入基板中，并且在所述第一断裂前驱体处开始步骤b)。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，在步骤b)之前，将第二断裂前驱体，比如第二人工裂纹，引入基板中，并且执行步骤b)，使得分离路径在所述第二断裂前驱体，例如第二人工裂纹上通过而结束。
33.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，所述限定区域沿着基板表面上的所述路径的移动和在所述基板上的所述冷却的移动以0.01mm/s～10000mm/s范围内的速度进行。
34.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，所述限定区域沿着基板表面上的所述路径的移动在基板分离的开始部分和最后部分中减速，以便提高这些部分的分离质量。
35.根据权利要求34所述的方法，其中，调整功率和/或电压和/或频率，以便补偿在切口的开始和最后部分中减小的速度，例如维持恒速/功率比。
36.一种用于执行根据前述权利要求中任何一项的方法的设备，所述设备包括：
a)AC电压源，所述AC电压源能够施加在1kHz～10GHz频率范围内、10V～107V范围内的电压，
b)第一电极，所述第一电极连接到所述AC电压源，
c)保持装置，所述保持装置保持待切割的基板，并将所述基板的一侧暴露于所述第一个电极，
d)可选地，冷却装置，所述冷却装置被布置在距所述电极固定距离处，用于冷却基板，
e)用于使电极和基板彼此相对移动的装置，如果所述冷却装置存在，则所述电极可选地与冷却装置相结合，
f)控制装置，所述控制装置控制a)、e)，并且如果存在d)，则还控制d)，
g)可选地，对置电极，所述对置电极被设置在基板的相对的一侧上，
h)可选地，冷却喷嘴，所述冷却喷嘴被设置在基板的所述相对的一侧上。
37.根据权利要求36所述的设备，其中，所述AC电压源包括驱动功率级的频率发生器、连接到所述功率级的作为特斯拉发生器的谐振变压器的初级线圈、连接到所述第一电极的所述谐振变压器的次级线圈、以及控制/设定谐振变压器的功率输出的反馈机构。
38.根据前述权利要求36-37中任何一项所述的设备，进一步包括数控装置和监控相机，其中，所述数控装置能够移动由所述保持装置保持的电极和/或基板。
39.根据权利要求38所述的设备，其中，所述控制装置还通过所述监控相机和所述数控装置来控制如权利要求1-35中任何一项所限定的方法的执行。
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