CN102574722B - 薄玻璃的激光划线和折断的方法 - Google Patents

Abstract

一种在玻璃基板内形成裂口的方法，所述方法包括在玻璃基板内沿划痕线形成缺损。可将激光束斑导向缺损，并使之沿着划痕线行进。可将冷却射流导向缺损，使得玻璃基板表面自最高温度冷却。然后，可使冷却斑随着束斑沿划痕线行进，在玻璃基板内形成裂口。

Description

薄玻璃的激光划线和折断的方法

相关申请的交叉参考

本申请要求2009年8月31日提交的美国专利申请第12/550592号的优先权。

技术领域

本说明书一般涉及分离玻璃的方法，更具体地涉及薄玻璃基板的激光划线和折断分离的方法。

背景技术

薄玻璃基板在消费电子设备中具有许多应用。例如，这种玻璃基板可作为盖板，用于结合在移动电话、显示设备(如电视机和计算机显示器)及其它各种电子设备中的LCD和LED显示器。这种设备中使用的盖板可这样形成：用各种激光切割技术，将大玻璃基板裁切或分离成许多较小的玻璃基板。

例如，厚度约大于0.7mm的薄玻璃基板可通过划线-折断技术分离，即用激光形成部分穿过玻璃厚度的裂口(vent)，然后对玻璃基板施加机械力，将玻璃基板分成多片。这种划线-折断技术的优点是加工速度快，边缘特性好，如成品玻璃片的边缘质量和边缘直度，并且在划线过程中不会产生玻璃碎屑。

在典型的激光划线-折断工艺中，利用激光沿着分离线加热玻璃基板。然后，通过水射流对受热的玻璃基板进行急冷，所述水射流沿着分离线位于激光束后缘(trailing edge)后面并与之隔开。急冷产生垂直于分离线的拉伸应力。当对玻璃基板内引入的缺损施加拉伸应力时，裂口产生并沿分离线方向扩展。随后，可沿裂口对玻璃基板进行机械分离。

虽然这种技术对于厚度约为0.7mm或更厚的玻璃基板有效，但这种技术不易应用于厚度约小于0.7mm的玻璃基板，因为常常在急冷时就发生不可逆的整体分离(即裂口基本上在玻璃的整个厚度上扩展，导致玻璃分离)。与划线折断工艺相比，这种不受控制的分离一般导致较差的边缘特性。不仅如此，基板沿分离线的整体分离妨碍在单块玻璃基板内另外形成交叉裂口。

因此，需要分离薄玻璃基板的替代方法。

发明内容

根据一个实施方式，一种在玻璃基板内形成裂口的方法包括在玻璃基板内沿划痕线形成缺损。可将激光束斑(beam spot)导向缺损，并沿划痕线行进。可将冷却射流导向缺损，使得玻璃基板表面从最高温度冷却。此后，可使冷却斑(cooling spot)随着束斑沿划痕线行进，在玻璃基板内形成裂口。

在另一个实施方式中，一种在玻璃基板内形成裂口的方法包括在玻璃基板内沿划痕线形成缺损。然后，将具有椭圆形束斑的激光束导向缺损，并使椭圆形束斑沿划痕线行进。可将冷却射流导向缺损上，使得冷却射流的冷却斑位于椭圆形束斑内。冷却斑可随椭圆形束斑沿划痕线行进，在玻璃基板内形成裂口，所述裂口没有在玻璃基板的整个厚度上延伸。

在另一个实施方式中，一种将玻璃基板分离成多片玻璃的方法可包括在玻璃基板的第一表面上形成第一缺损。沿着划痕线打开自第一缺损延伸的第一裂口，使得第一裂口仅在玻璃基板的部分厚度上延伸。此后，可在玻璃基板的第二表面上形成第二缺损。沿划痕线打开自第二缺损延伸的第二裂口。第二裂口在玻璃基板的部分厚度上延伸。第一裂口和第二裂口可这样打开：将具有椭圆形束斑的激光束导向缺损，使椭圆形束斑沿划痕线行进，使冷却射流沿划痕线喷射，使冷却射流随着椭圆形束斑在划痕线上沿玻璃基板表面行进，在玻璃基板内形成裂口。冷却射流的冷却斑至少可周期性地位于椭圆形束斑内。然后，可沿第一裂口和第二裂口对玻璃基板进行机械分离。

在以下的详细描述中给出了本发明方法的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的本发明而被认识。

应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都只描述了本发明的各种实施方式，用来提供理解要求专利权的主题的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对各种实施方式的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图以图示形式说明了本文所述的各种实施方式，并与说明书一起用来说明要求专利权的主题的原理和操作。

附图说明

图1示意性地呈现了根据在本文所显示和描述的玻璃基板内形成裂口的方法的至少一个实施方式，入射到玻璃基板上的激光束的椭圆形束斑和冷却射流的冷却斑的透视图；

图2示意性地呈现了根据在本文所述的玻璃基板内形成裂口的方法的至少一个实施方式，图1所示激光束、冷却射流和玻璃基板的截面图；

图3示意性地呈现了根据在本文所显示和描述的玻璃基板内形成裂口的方法的至少一个实施方式，椭圆形束斑与冷却斑的相对定位；

图4示意性地呈现了根据在本文所显示和描述的玻璃基板内形成裂口的方法的至少一个实施方式，在椭圆形束斑扫描时，椭圆形束斑与冷却斑的相对定位；

图5A和5B示意性地呈现了根据本文所显示和描述的至少一个实施方式，将玻璃基板分离成多块玻璃片的方法；

图6以图形方式呈现了玻璃基板的厚度与沿玻璃基板厚度的热扩散时间之间的关系；

图7以图形方式呈现了三块具有三种不同厚度的玻璃基板的冷却斑距玻璃基板表面最高温度处的位移与玻璃基板表面上温度变化之间的关系；以及

图8以图形方式呈现了根据本文所显示和描述的一个实施方式，当椭圆形束斑从左到右横穿基板并且椭圆形束斑前缘靠近原点时，玻璃基板内的瞬时温度分布。

具体实施方式

下面将详细参考在玻璃基板的部分厚度上形成裂口的方法的多个实施方式，它们的例子示于附图中。只要有可能，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或类似的部件。在玻璃基板内形成裂口的方法的一个实施方式示意性地示于图1。所述方法一般包括将激光源的椭圆形束斑沿划痕线导向玻璃基板，将冷却射流的冷却斑导向基板，使得冷却斑在椭圆形束斑内位于椭圆形束斑中心与后缘之间。然后，使冷却斑和椭圆形束斑沿划痕线行进，从而形成在玻璃基板的部分厚度上延伸的裂口。本文将更详细地描述在玻璃基板内形成裂口以及将玻璃基板分离成多块玻璃片的方法的多个实施方式。

参考图1和2，它们示意性地呈现了用来形成在玻璃基板100的部分厚度上延伸的受控裂纹或裂口108的示例性系统。该系统一般包含用来沿划痕线104(即所需的分离线)加热玻璃基板100的激光源150和用来引导冷却射流105沿划痕线104急冷玻璃基板100的被加热表面的喷嘴160。玻璃基板所产生的温度变化导致拉伸应力在垂直于划痕线104的方向上沿划痕线104形成，从而形成在玻璃基板100的部分厚度上延伸的裂口108。

在本文所述的实施方式中，玻璃基板100具有第一表面130、第二表面132和约小于0.6mm、更优选约小于0.5mm的厚度h。玻璃基板可用各种玻璃组合物形成，所述玻璃组合物包括但不限于硼硅酸盐玻璃或铝硅酸盐玻璃，包括经过离子交换的硼硅酸盐玻璃和铝硅酸盐玻璃。

激光源150可用于发射光束，所述光束具有适合为玻璃基板100提供热能的波长，使得激光能量被沿着玻璃厚度h强烈吸收，从而加热玻璃基板表面。例如，激光源150一般发射具有红外范围内的波长的光束101。合适的激光源包括波长约为5-6μm的CO激光器、波长约为2.6-3.0μm的HF激光器或波长约为2.9μm的铒YAG激光器。在本文所述的实施方式中，激光源是产生波长约为9.4-10.6μm的红外光束的CO₂激光器。CO₂激光源可以是以准连续波模式工作的RF激发激光器。在一个实施方式中，激光源150用来产生TEM₀₀模式的输出光束，使得激光源150的光束101具有高斯强度分布。或者，激光源可用来产生TEM₀₁模式的输出光束，使得输出光束具有“D”或平坦模式的强度分布。激光源的输出功率可约为10W至大于200W，具体取决于所需的划线速度和被划线的玻璃的组成。

为避免过度加热玻璃基板100的表面(会导致玻璃基板表面的玻璃烧蚀或蒸发，或者产生弱化切割边缘的残留应力)，用各种光学元件(未示出)使激光源发射的光束101成形，使得光束101在玻璃基板100的表面上具有椭圆形束斑102。例如，在一个实施方式中，将一对柱面透镜(未示出)设置在激光源150所发射的光束101的路径上。或者，将用来使光束成形为椭圆形束斑的柱面透镜和/或其它光学元件与激光源150连成一体。柱面透镜使光束101成形，使得入射到玻璃基板表面上的束斑一般为椭圆形状，如图1所示。

参考图3，椭圆形束斑102一般具有长度为a的短轴124和长度为b的长轴125。短轴124延伸通过椭圆形束斑的中点，如图3所示。在一个实施方式中，短轴124的长度a大于或等于在冷却射流接触玻璃基板表面的地方形成的冷却斑106的直径。例如，若冷却斑(即冷却射流的横截面，位于冷却射流入射到玻璃基板表面上的地方)具有2mm的直径，则短轴的长度a至少为2mm。

长轴125一般具有位于椭圆形束斑的前缘120与后缘122之间的长度b，如图3所示。在本文所述的实施方式中，使激光源150的光束101成形，使得长度b≤3·v·τ，其中v是椭圆形束斑和冷却射流沿划痕线行进的速率，τ是热通过玻璃基板厚度的扩散时间，这将在下文更详细地描述。

在一个实施方式中(未示出)，将扫描设备如多边形扫描镜或扫描检流计反射镜置于激光源150与玻璃基板100之间的光路中，使得激光源的光束101可沿着划痕线104来回扫描。例如，用扫描设备在划痕线104上扫描光束101，以利于将玻璃基板100的表面130加热到不会过度加热玻璃基板的最高温度。扫描设备用来在基板表面上的约10-200mm的长度范围内扫描束斑。

参考图2和3，冷却射流105一般包含从喷嘴160射出并被导向玻璃基板100的表面的加压流体流。加压流体可包括液体，例如水、乙醇、液氮和/或化学冷却剂。或者，冷却射流105可包括压缩气体，例如压缩空气、压缩氮气、压缩氦气或类似的压缩气体。冷却射流还可包含液体与压缩气体的混合物。在本文所述的实施方式中，冷却射流是去离子水。

冷却射流105从喷嘴端部的孔(未示出)中射出。在冷却射流入射到玻璃基板表面上的地方形成的冷却斑106具有直径D_j，该直径大于喷嘴160的孔的孔径。以划线方向100为基准，喷嘴160位于激光源150后面。在本文所述的实施方式中，喷嘴160相对于玻璃基板100的表面130按一定的角度取向，使得冷却射流105相对于玻璃基板表面以小于90度的角度α入射到玻璃基板表面上。

参考图1和2，形成在玻璃基板100的部分厚度h上延伸的裂口的方法包括首先在玻璃基板100的表面130中引入缺损112，形成裂口引发点。缺损一般位于玻璃基板表面上，使得缺损沿着划痕线104定位，玻璃板可在后面沿划痕线104分离。在一个实施方式中，缺损直接位于图1所示的玻璃基板边缘附近。或者，缺损可偏离玻璃基板边缘。缺损112可通过机械方法形成，如利用机械划线或激光烧蚀。

形成缺损之后，将来自激光源150的光束101导向玻璃基板100的表面，使得光束入射到划痕线104上。开始的时候，将光束导向基板，使得缺损112位于光束101的椭圆形束斑102内，椭圆形束斑102的长轴125基本上与划痕线104在一条直线上。当激光源150的光束位于玻璃基板100的表面130上时，光束为玻璃基板提供辐射热能，从而沿划痕线104加热玻璃基板。玻璃表面被加热到的最高温度T_最高一般低于玻璃的应变点T_g，以免在加热过程中发生应力松弛和在用冷却射流急冷之后形成不利的残留应力。玻璃基板的温度可通过调节多个参数控制，所述参数包括例如激光源的功率和激光束在玻璃基板表面上沿划痕线行进的划线速度v。开始将光束101置于划痕线104上之后，使椭圆形束斑102在划痕线104上以划线速度v沿玻璃基板100的表面130行进，由此沿划痕线104加热玻璃基板表面。通过相对于基板移动激光源150来使椭圆形束斑在表面上行进。或者，可通过相对于激光源150和水射流160移动基板来使椭圆形束斑行进。不管在哪种实施方式中，划线方向110(即裂口扩展方向)均如图1和2所示。

为了在玻璃基板的表面130中形成裂口108，利用喷嘴160射出的冷却射流105对被加热的玻璃基板表面进行冷却或急冷。急冷引起的温度变化导致拉伸应力在玻璃基板表面中沿垂直于划痕线104的方向形成。这些拉伸应力自缺损112引发裂口108，并使裂口108在划痕线104上沿玻璃基板表面扩展。在本文所述的实施方式中，裂口108延伸到基板表面以下的深度d处，该深度d小于玻璃基板厚度h的一半。在一个实施方式中，深度d小于玻璃基板厚度h的四分之一。为了沿着玻璃基板表面引发和扩展裂口108，必须通过加热并随后冷却玻璃基板表面来超越温度阈值变化ΔT_TH，以便产生足以引发和扩展裂口的拉伸应力。

更具体地，用激光源150加热玻璃基板和用冷却射流105急冷被加热的玻璃基板表面在玻璃基板表面内产生了垂直于划痕线104的拉伸应力。若拉伸应力超过形成玻璃基板100的材料的阈值拉伸应力σ_TH，则在玻璃基板内形成裂纹或裂口108。形成和扩展裂口108的阈值拉伸应力σ_TH可写作：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{TH}}\≅\frac{1}{2}\·\mathrm{CTE}\·E\·\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{TH}}---\left(1\right),$

其中CTE是玻璃基板的热膨胀系数，E是玻璃基板的杨氏模量，ΔT_TH是裂口形成和扩展的温度阈值变化。可改写方程式(1)，以定义在玻璃基板中形成和扩展裂口的温度变化ΔT_TH：

${\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{TH}}\≥\frac{2{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{TH}}}{\mathrm{CTE}\·E}---\left(2\right).$

因此，为了促进裂口的形成和扩展，玻璃在急冷之后的温度变化应等于或大于ΔT_TH，以便产生足够大的拉伸应力，从而引发和扩展裂口。

参考方程式(2)，形成和扩展裂口的温度阈值变化ΔT_TH随玻璃基板的热膨胀系数的倒数改变。因此，用CTE较低的玻璃组合物形成的玻璃基板，如硼硅酸盐玻璃，与铝硅酸盐玻璃相比需要较大的温降(temperature drop)，以利于裂口的形成和扩展，所述铝硅酸盐玻璃具有较大的热膨胀系数，因而不需要这么大的温降。

例如，某些硼硅酸盐玻璃的CTE约为32×10^-7/℃，杨氏模量为75GPa，阈值拉伸应力为50MPa。利用方程式(2)，在这种硼硅酸盐玻璃中有利于裂口形成和扩展的最小温降是430℃。相比之下，某些铝硅酸盐玻璃的CTE约为91×10^-7/℃，杨氏模量为73GPa，阈值拉伸应力为50MPa。在这种铝硅酸盐玻璃中有利于裂口形成和扩展的最小温降是150℃。

另一个考虑因素是玻璃基板的厚度和相应的通过玻璃的热扩散速率。例如，裂口在玻璃基板表面下延伸的深度d取决于玻璃基板的热扩散长度l。热扩散长度l是热在指定时间t内扩散到玻璃基板中的距离，可用数学式描述为：

$l=2\sqrt{D\·t}=2\sqrt{\frac{\mathrm{\κ}\·t}{\mathrm{\ρ}\·C_p}}---\left(3\right),$

其中D是玻璃基板的热扩散率，κ是玻璃基板的热导率，ρ是玻璃基板的密度，t是时间，C_p是玻璃基板的热容。裂口的深度d一般小于或等于热扩散长度l。例如，当热扩散长度l约为玻璃基板厚度h的一半时，玻璃基板中心处和热扩散前锋前面的压缩应力抵消了急冷引起的拉伸应力，从而抑制裂口沿基板整个厚度h扩展。

为了计算热扩散通过玻璃基板整个厚度h所需的时间τ，可重新整理方程式(3)如下：

$\mathrm{\τ}=\frac{\mathrm{\ρ}\·C_p}{4\mathrm{\κ}}{h}^2---\left(4\right).$

图6以log-log作为标度，以图形方式呈现了方程式4，表明通过玻璃基板厚度的热扩散时间是玻璃基板厚度的平方的函数。如图6所示，热扩散时间τ随着玻璃基板厚度的减小而快速减少。例如，对于厚0.63mm的玻璃基板，热扩散时间大致为0.2秒。可是，当玻璃厚度减半(即基板的厚度为0.3mm)时，热扩散时间仅为0.045秒。热这么快地扩散通过玻璃基板导致玻璃基板同时经由玻璃基板的两个表面快速散失热量。更具体地，当玻璃厚度减小时，表面热对流损失增大，玻璃冷却得更快。玻璃体内的表面对流温降与玻璃基板的表面积/体积之比成正比。当玻璃仅从一个表面散失热量时(例如当玻璃较厚时)，对流散失引起的温降与1/h成正比。可是，当玻璃从上下表面同时散失热量时(例如，当玻璃较薄时)，表面对流引起的温降是2/h。图7以图形方式呈现了这种快速热散失效应。

图7以图形方式呈现了三块具有三种不同厚度的玻璃基板的冷却斑距玻璃基板表面最高温度处的位移与玻璃基板表面上温度变化之间的关系。x轴表示与玻璃基板表面上最高温度T_最高处的距离，原点是最高温度。y轴表示三块厚度为I、II和III的玻璃基板在用冷却射流急冷之前的表面温度变化，其中I＜II＜III。如图7所示，随着玻璃基板的厚度减小和热从玻璃基板的两个表面散失，冷却斑必须移到离玻璃基板表面上最高温度T_最高处更近的地方，以达到或超过温度阈值变化ΔT_TH，从而在玻璃基板表面内引发和扩展裂口。

因此，对于厚度约小于0.6mm的玻璃基板，由于热从玻璃基板的两个表面快速散失，必须控制急冷过程，更具体地说是控制冷却射流和冷却斑在玻璃基板表面上相对于椭圆形束斑的位置，以利于形成在玻璃基板的部分厚度上延伸的裂口，特别是对于热膨胀系数低的玻璃基板，如硼硅酸盐玻璃。

为了达到或超过裂口形成和扩展所需的温度阈值变化ΔT_TH，玻璃基板被加热到的温度必须尽可能高。但是，如上文所指出，玻璃基板可被加热到的最高温度受到玻璃应变温度的限制。此外，对于厚度约小于0.6mm的玻璃基板，在加热到最高温度之后，沿着玻璃基板厚度的快速热扩散导致玻璃基板表面温度迅速下降。因此，为了达到或超过温度阈值变化ΔT_TH，从而在玻璃基板表面内引发和扩展裂口，应调节冷却射流的位置(因而也就调整了冷却斑的位置)，以便从等于或接近于用激光源加热玻璃表面所得到的最高温度的温度对玻璃基板进行急冷。

现在参考图3和8，图8以图形方式呈现了在玻璃基板中，随着离椭圆形束斑102的前缘120的距离的增大，椭圆形束斑周围的瞬时温度分布。温度分布是沿椭圆形束斑长轴的方向绘制的。束斑前缘(L_E)位于两轴的原点，使得光束长度沿着x轴延伸。因此，应当理解，x轴是离开前缘的距离。玻璃基板表面的对应温度表示在y轴上。图中标出了玻璃基板表面上最高温度T_最高的位置以及急冷后的温度变化ΔT。虚线表示玻璃基板在未急冷情况下的温度弥散。激光源加热给玻璃基板表面带来的最高温度出现在椭圆形束斑内位于椭圆形束斑中心(C_B)与椭圆形束斑后缘(E_T)之间的一个点上。当在最高温度处或其附近急冷玻璃基板表面时，所产生的温度变化ΔT足以超过温度阈值变化ΔT_TH，从而能够引发和扩展裂口。因此，通过设置冷却射流，使冷却射流入射到玻璃基板表面上的椭圆形束斑中心与椭圆形束斑后缘之间的位置，并且冷却斑位于最高温度处或其附近(即冷却斑与椭圆形束斑不共中心)，急冷后的温度变化ΔT超过温度阈值变化ΔT_TH，使得裂口在玻璃基板表面内形成并扩展。

参考图1-3，在本文所述的一个实施方式中，喷嘴160的取向使冷却斑106位于玻璃基板100的表面130上的划痕线104之上和椭圆形束斑102之内。更具体地，喷嘴160的取向使冷却斑在椭圆形束斑内位于椭圆形束斑中心与椭圆形束斑后缘122之间，使得冷却斑与所述后缘隔开距离z，如图3所示。在此位置，冷却斑106位于玻璃基板表面上由于激光加热而形成的最高温度处或其附近。相应地，因为冷却射流在最高温度处或其附近对玻璃基板进行急冷，所产生的温度变化ΔT(假定玻璃表面被加热到刚好低于应变温度T_g)超过温度阈值变化ΔT_TH，从而有利于裂口108的形成，所述裂口108从缺损112开始扩展。此外，因为玻璃表面在最高温度处或其附近受到急冷，急冷发生在温度沿玻璃基板的整个厚度达到平衡之前。因此，裂口的形成限于急冷之前热量在基板中扩散的深度l，从而抑制了裂口在玻璃基板的差不多整个厚度上的形成，并抑制了不受控、不可逆的开裂的发生。

参考图1和2，在冷却射流105和冷却斑106相对于椭圆形束斑102恰当取向之后，冷却射流和激光源在划痕线104上沿着玻璃基板100的表面130，顺着划线方向110行进。随着玻璃基板表面被加热到最高温度并在该最高温度处或其附近被急冷，裂口108自缺损112开始，沿着划痕线104扩展。冷却射流和激光源相对于基板表面以划线速度v行进，该速度也是裂口沿划痕线104扩展的最小速度。如上所述，划线速度v一般这样选择，即既要避免过度加热玻璃基板表面，又要将玻璃基板表面加热到刚好低于玻璃的应变温度。形成裂口108之后，在裂口一侧或两侧向玻璃基板100施加弯折力矩，从而沿裂口将玻璃基板机械分离。

现在参考图1-2和4，在另一个实施方式中，随着激光源150和冷却射流105在玻璃基板100的表面130的上方沿划线方向110行进，激光源150的光束101在扫面方向111上沿划痕线104扫描，如图4中的示意图所示。如上文所述，用设置在光束的光路中的扫描设备扫描光束。图4显示了束斑在扫描方向111上扫描时的四个束斑位置(102A-102D)。具体而言，图4显示了光束在划线方向110上向前扫描时的束斑位置。束斑可具有椭圆形状，但由于扫描动作，束斑可大致呈现为矩形，如矩形103所示，并且束斑可在扫描和/或划线方向上具有基本上均匀的强度分布。光束可以至少0.5m/s、更优选至少1.0m/s的速度扫描。光束沿划痕线扫描的长度随玻璃基板的尺寸变化。一般地，光束沿划痕线扫描的长度约大于10mm。冷却射流和激光源彼此相对设置，使得当激光源的光束沿划痕线来回扫描时，冷却射流的冷却斑106位于玻璃基板表面上由于激光束加热而使玻璃基板表面的温度达到最高(T_最高)的位置或其附近。

如上文所述，当冷却斑106位于基板被激光源加热到最高温度的位置或其附近时，使用前述扫描技术有利于在玻璃基板的部分厚度上形成裂口。扫描技术允许使用更高功率的激光源，同时通过缩短椭圆形束斑沿划痕线入射到玻璃表面的任何指定位点的时间来降低表面烧蚀的可能性。形成裂口108之后，可在裂口一侧或两侧向玻璃基板100施加弯折力矩，从而沿裂口将玻璃基板机械分离。

上文所述的方法可用来在厚度约小于0.6mm的玻璃基板中形成一个或多个裂口，从而有利于利用划线-折断技术将这种玻璃基板分离成多块较小的玻璃片。例如，图5A和5B以图形方式呈现了一种利用本文所述的形成裂口的方法将玻璃基板分离成多块玻璃片的方法。

参考图5A和5B，所示的玻璃基板100包含彼此相对的上表面或第一表面130和下表面或第二表面132。通过首先在第一表面130上将第一缺损134引入玻璃基板100的表面中，将玻璃基板100分离成多块玻璃片。在一个实施方式中，第一缺损134位于玻璃基板100的第一表面130上，使得第一缺损134直接靠近基板边缘，如图5A所示。或者，第一缺损134可偏离基板边缘，朝向玻璃基板100的内部。可用机械划线工具如金刚石或碳化物笔尖或砂轮，或者通过激光烧蚀，在玻璃基板100的表面内形成第一缺损134。

在玻璃基板100的第一表面130上形成第一缺损134之后，利用上文所述的形成裂口的技术之一，沿着划痕线在玻璃基板100中打开经第一缺损134延伸的裂口136。例如，在一个实施方式中，将CO₂激光器的椭圆形束斑导向第一缺损134，使得椭圆形束斑的长轴基本上与划痕线对齐。然后，将冷却射流导向玻璃基板，使得冷却射流的冷却斑在椭圆形束斑内位于束斑中心点与束斑后缘之间。因此，应当理解，椭圆形束斑和冷却斑彼此不共中心。对冷却斑在椭圆形束斑内的位置加以选择，使得冷却斑在椭圆形束斑内位于或者尽可能靠近玻璃基板表面因激光加热而达到最高温度的位点。

然后，如上文所述，将椭圆形束斑和冷却斑沿划痕线导向玻璃基板表面，从而在玻璃基板内打开第一裂口136，使其在玻璃基板的部分厚度上延伸。一般地，玻璃基板100中的第一裂口136延伸的距离小于玻璃基板厚度h的四分之一。在图5A所示的实施方式中，第一裂口136一般在玻璃基板100的相对边缘之间延伸。但是，应当理解，第一裂口136也可在玻璃基板100的相邻边缘之间延伸，通过使第一缺损134和划痕线适当取向可实现此结果。

在玻璃基板100中形成第一裂口136之后，在玻璃基板100的下表面或第二表面132中形成第二裂口140。在一个实施方式中，为了在玻璃基板100的第二表面中形成第二裂口140，将玻璃基板翻面，使第一表面130和第二表面132的位置倒过来(即第二表面132成为上表面，第一表面130成为下表面)。在一个实施方式中，给玻璃基板翻面通过手工进行，如由技师或操作员进行。或者，可使用一种或多种机械抓握设备如真空吸盘或类似的设备将玻璃基板翻面，所述设备附着在玻璃基板表面上，帮助人们将玻璃基板调整到所需位置。

在本文所述的实施方式中，旋转玻璃基板，以实现第一裂口和第二裂口之间的所需取向。例如，在图5B所示的实施方式中，第一缺损134与第二裂口140的取向彼此相差90°。但是，应当理解，第一裂口136和第二裂口140相互间可具有任何角度取向。

一旦玻璃基板的第二表面132实现恰当的取向，在第二表面132上向玻璃基板100的表面内引入第二缺损138。如上文结合第一缺损134所述，第二缺损138位于玻璃基板100的第二表面132上，使得第二缺损138直接靠近基板边缘，如图5B所示。

在玻璃基板100的第二表面132上形成第二缺损138之后，利用上文所述的形成裂口的技术之一，在玻璃基板100中沿划痕线打开经第二缺损138延伸的第二裂口140。第二裂口140以与第一裂口136基本上相同的方式在玻璃基板100的表面中形成。第二裂口140一般在玻璃基板100的相对边缘之间延伸。但是，应当理解，第二裂口140可在玻璃基板100的相邻边缘之间延伸，通过使第二缺损138和划痕线适当取向可实现此结果。在一个实施方式中，第一裂口136和第二裂口140彼此不平行。或者，第二裂口140不位于与玻璃基板的表面之一平行并且还包含第一裂口136的平面内。

虽然本文所述的分离玻璃基板的方法的实施方式说在形成第一裂口和第二裂口之间将玻璃基板翻面，但应当理解，在其它的实施方式中，玻璃基板可保持静止，只要在玻璃基板的相对两侧形成第一裂口和第二裂口即可。例如，第一裂口136可通过从玻璃基板100上方将激光束和冷却射流导向玻璃基板而在玻璃基板内形成，而第二裂口140可通过从玻璃基板100下方将激光束和冷却射流导向玻璃基板而在玻璃基板内形成。

一旦在玻璃基板100中形成第一裂口136和第二裂口，在每个裂口周围施加弯折力矩，从而沿裂口将玻璃基板机械分离成多块玻璃片。例如，一旦通过在第一裂口136周围向玻璃基板100施加弯折力矩而沿第一裂口136将玻璃基板分离，通过在第二裂口140周围施加弯折力矩而将所得的玻璃片进一步分离成更小的玻璃片。通过这种方式，可将玻璃基板100分成至少四块独立的玻璃片。

虽然在本文所显示和描述的实施方式中，在玻璃基板的第一表面和第二表面上各向玻璃基板内引入单个裂口，从而将玻璃基板分成四块独立的玻璃片，但应当理解，可在玻璃基板的第一表面和第二表面上各自引入多个玻璃裂口，从而将玻璃基板分成四块以上的玻璃片。

实施例

下面将结合具体实施例进一步描述上文所述的形成部分穿过玻璃基板的裂口的方法。在每个实施例中，在玻璃基板的部分厚度上延伸的裂口是在厚度约小于0.6mm的玻璃基板中形成的。

实施例1

将波长为10.6μm、功率为38W的CO₂激光器的束斑导向厚308μm的硼硅酸盐玻璃板(CTE＝32×10^-7/℃)的表面上。束斑的短轴a＝2mm，长轴b＝24mm。束斑开始位于玻璃基板表面内的缺损上，沿划痕线对齐，使得束斑长轴与划痕线在一条直线上。利用喷嘴的75μm孔将去离子水的冷却射流以8sccm(标准毫升/分钟)的速率导向基板。冷却射流相对于基板表面的入射角为85°，在玻璃基板表面上形成直径约为2mm的冷却斑。冷却斑位于CO₂激光器的椭圆形束斑内，距后缘约5mm。椭圆形束斑和冷却射流以4m/min的速率沿划痕线行进，在玻璃基板表面内形成深度为71μm的裂口。

实施例2

将波长为10.6μm、功率约为100W的CO₂激光器的束斑导向厚300μm的硼硅酸盐玻璃板(CTE＝32×10^-7/℃)的表面上。束斑的短轴a＝2mm，长轴b＝24mm。束斑开始位于玻璃基板表面内的缺损上，沿划痕线对齐，使得束斑长轴与划痕线在一条直线上。利用喷嘴的75μm孔将包含去离子水的冷却射流以8sccm的速率导向基板。冷却射流相对于基板表面的入射角为85°，在玻璃基板表面上形成直径约为2mm的冷却斑。冷却斑位于CO₂激光器的椭圆形束斑内，距后缘约5mm。椭圆形束斑和冷却射流以150mm/s的速率沿划痕线行进，在玻璃基板表面内形成深度为62μm的裂口。

实施例3

将波长为10.6μm、功率为92W的CO₂激光器的束斑导向厚300μm的碱金属铝硅酸盐玻璃板(CTE＝91×10^-7/℃)的表面上。束斑的短轴a＝2mm，长轴b＝24mm。束斑开始位于玻璃基板表面内的缺损上，沿划痕线对齐，使得束斑长轴与划痕线在一条直线上。利用喷嘴的75μm孔将包含去离子水的冷却射流以8sccm的速率导向基板。冷却射流相对于基板表面的入射角为85°，在玻璃基板表面上形成直径约为2mm的冷却斑。冷却斑位于CO₂激光器的椭圆形束斑内，距后缘约5mm。椭圆形束斑和冷却射流以200mm/s的速率沿划痕线行进，在玻璃基板表面内形成深度为57μm的裂口。

实施例4

将波长为10.6μm、功率为92W的CO₂激光器的束斑导向厚550μm、中心张力为15MPa、经离子交换强化的碱金属铝硅酸盐玻璃板(CTE＝91×10^-7/℃)的表面上。束斑的短轴a＝2mm，长轴b＝24mm。束斑开始位于玻璃基板表面内的缺损上，沿划痕线对齐，使得束斑长轴与划痕线在一条直线上。利用喷嘴的75μm孔将包含去离子水的冷却射流以8sccm的速率导向基板。冷却射流相对于基板表面的入射角为85°，在玻璃基板表面上形成直径约为2mm的冷却斑。冷却斑位于CO₂激光器的椭圆形束斑内，距后缘约5mm。椭圆形束斑和冷却射流以220mm/s的速率沿划痕线行进，在玻璃基板表面内形成深度为90μm的裂口。

现在应当理解，本文所述的方法可用于分离CTE较低的薄玻璃基板(即厚度约小于0.6mm的玻璃基板)，如用硼硅酸盐玻璃制成的玻璃基板，以及CTE较高的玻璃基板，如由包括经离子交换强化的铝硅酸盐玻璃在内的铝硅酸盐玻璃形成的基板。对于低CTE玻璃基板，本文所述的方法能够通过以下方式形成裂口：急冷之后提供合适的温度差，从而沿划痕线引起拉伸应力。对于高CTE玻璃基板，本文所述的方法通过在急冷前减少玻璃基板的热散失而提高玻璃基板中形成裂口的速度。

对本领域的技术人员显而易见的是，在不偏离要求专利权的主题的精神和范围的前提下，可对本文所述的实施方式作出各种改进和改变。因此，本说明书意在涵盖对本文所述的各种实施方式的改进和改变形式，只要这些改进和改变形式落在所附权利要求及其等同内容的范围之内。

Claims (16)

1.一种在玻璃基板内形成裂口的方法，所述方法包括：

在所述玻璃基板内沿划痕线形成缺损；

将激光束斑导向所述缺损，并使所述束斑沿划痕线行进，其中

所述椭圆形束斑的长轴具有长度b，使得b≤3·v·τ，其中v是所述激光束和冷却射流在玻璃基板表面上方行进的划线速度，τ是热量通过玻璃基板的扩散时间；以及

所述椭圆形束斑的短轴的长度大于或等于所述冷却射流接触玻璃基板表面处的冷却射流直径；以及

将冷却射流导向所述缺损，使所述冷却射流随着所述束斑沿划痕线行进，在玻璃基板内形成裂口，其中所述冷却射流的冷却斑位于玻璃基板表面上，使得所述表面自最高温度冷却，使得玻璃基板表面发生的温度变化ΔT满足以下方程式：

$\mathrm{\ΔT}\≥\frac{2{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{th}}}{\mathrm{CTE}\·E},$

其中：

σ_th是形成裂口的阈值拉伸应力；

CTE是玻璃基板的热膨胀系数；以及

E是玻璃基板的杨氏模量。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述束斑是椭圆形的，其长轴基本上与划痕线对齐，所述冷却斑位于所述束斑内。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述冷却斑与所述椭圆形束斑的后缘隔开。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述冷却斑位于所述椭圆形束斑中心与所述椭圆形束斑后缘之间。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述椭圆形束斑沿划痕线行进时，所述束斑沿着划痕线扫描。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，相对于玻璃基板表面以一定角度将所述冷却射流导向玻璃基板表面。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述玻璃基板的厚度约小于0.6mm。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述玻璃基板选自下组：硼硅酸盐玻璃和铝硅酸盐玻璃。

9.一种在玻璃基板内形成裂口的方法，所述方法包括：

在所述玻璃基板内沿划痕线形成缺损；

将具有椭圆形束斑的激光束导向所述缺损，并使所述椭圆形束斑沿划痕线行进,其中所述椭圆形束斑的长轴基本上与划痕线对齐，且：

所述椭圆形束斑的长轴具有长度b，使得b≤3·v·τ，其中v是所述激光束和所述冷却射流沿划痕线行进的划线速度，τ是热量通过玻璃基板的扩散时间；以及

所述椭圆形束斑的短轴的长度大于或等于玻璃基板上的冷却斑直径；以及

将冷却射流导向所述缺损，使得所述冷却射流的冷却斑在所述椭圆形束斑内，并使所述冷却射流随着所述椭圆形束斑沿划痕线行进，在玻璃基板内形成裂口，其中所述裂口在玻璃基板的部分厚度上延伸，并且所述冷却斑在所述椭圆形束斑内定位，使得玻璃基板表面因冷却而发生的温度变化ΔT满足以下方程式：

$\mathrm{\ΔT}\≥\frac{2{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{th}}}{\mathrm{CTE}\·E},$

其中：

σ_th是形成裂口的阈值拉伸应力；

CTE是玻璃基板的热膨胀系数；以及

E是玻璃基板的杨氏模量。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述椭圆形束斑的长轴基本上与划痕线对齐，所述冷却斑在所述椭圆形束斑内位于所述椭圆形束斑中心与所述椭圆形束斑后缘之间。

11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述玻璃基板的厚度约小于0.6mm。

12.一种将玻璃基板分离成多块玻璃片的方法，所述方法包括：

在所述玻璃基板的第一表面上形成第一缺损；

沿着划痕线打开自所述第一缺损延伸的第一裂口，其中所述第一裂口在所述玻璃基板的部分厚度上延伸；

在所述玻璃基板的第二表面上形成第二缺损；

沿着划痕线打开自所述第二缺损延伸的第二裂口，其中所述第二裂口在所述玻璃基板的部分厚度上延伸；以及

沿着所述第一裂口和所述第二裂口将所述玻璃基板机械分离，其中所述第一裂口和所述第二裂口通过以下步骤打开：

将具有椭圆形束斑的激光束导向缺损并使所述椭圆形束斑沿着划痕线行进,其中所述椭圆形束斑的长轴基本上与划痕线对齐，且：

所述椭圆形束斑的长轴具有长度b，使得b≤3·v·τ，其中v是所述激光束和所述冷却射流沿划痕线行进的划线速度，τ是热量通过玻璃基板的扩散时间；以及

所述椭圆形束斑的短轴的长度大于或等于玻璃基板上的冷却斑直径；以及

沿划痕线引导冷却射流，使所述冷却射流随着所述椭圆形束斑在划痕线上沿所述玻璃基板表面行进，在玻璃基板内形成裂口，其中所述冷却射流的冷却斑的定位使得玻璃基板表面自最高温度冷却，使得玻璃基板表面发生的温度变化ΔT满足以下方程式：

$\mathrm{\ΔT}\≥\frac{2{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{th}}}{\mathrm{CTE}\·E},$

其中：

σ_th是形成裂口的阈值拉伸应力；

CTE是玻璃基板的热膨胀系数；以及

E是玻璃基板的杨氏模量。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，当所述椭圆形束斑和所述冷却射流在划痕线上沿着玻璃基板表面行进时，所述冷却斑在所述椭圆形束斑内静止地位于椭圆形束斑中心与椭圆形束斑后缘之间。

14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，当椭圆形束斑沿着划痕线行进时，所述椭圆形束斑在玻璃基板表面上沿着划痕线扫描。

15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第一裂口和所述第二裂口相互垂直。

16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第一缺损与所述玻璃基板的第一边缘隔开，所述第二缺损与所述玻璃基板的第二边缘隔开。