CN102686354B - 精密激光刻痕 - Google Patents

Abstract

用于激光刻痕片材材料的方法和装置。使用在宽度方向上具有S模式的强度剖面以及在长度方向上具有平顶模式剖面的细长激光束来实现高精度刻痕。本发明可被用于对LCD显示屏的大尺寸玻璃基底进行刻痕。

Description

精密激光刻痕

本申请要求于2009年3月20日提交的第61/161980号美国临时申请的优先权权益。

技术领域

本发明涉及激光切割技术。具体地，本发明涉及通过使用激光加热来切割无机片材材料，例如玻璃片材。本发明尤其用于LCD玻璃基底的精密刻痕(scoring)。

背景技术

可通过机械设备和方法(例如，绳锯、带锯等)来完成一片无机材料的分割。对于玻璃材料，分割可通过机械刻痕(即，在表面上形成一条划线)随后进行弯曲和分割来实现。机械刻痕要求经由摩擦移除一部分大块材料或表面材料，这会引起颗粒的形成。所述颗粒可污染或者甚至损坏遭受切割的材料的表面。此外，通过机械刻痕或切割所生产的玻璃片材的边缘质量通常不满足应用需求(例如LCD板的生产)的严格要求。

已有报道称激光刻痕是代替机械刻痕的一种替代切割和刻痕技术。当将具有约10.6μm波长的CO₂激光辐射至吸收玻璃材料时，所述CO₂激光可使得暴露区域的温度升高。在冷却剂或没有冷却剂的协助下，由于吸收辐射产生的热梯度所造成的拉伸应力可导致玻璃片材的直接分割，或者导致缺陷线(“裂口”)的形成，在机械弯曲的协助下，可沿着所述缺陷线(“裂口”)分割玻璃片材。

激光刻痕方法参数(例如，速度、激光功率、工艺窗口、残余应力等)依赖于多种因素，包括玻璃的热特性以及激光束性质——光束形状、尺寸，以及还有其强度剖面(intensityprofile)。

在大尺寸LCD板和使用玻璃基底的许多其他产品的生产中，正如玻璃基底的尺寸变得越来越大，非常期望切割的玻璃基底具有高的边缘质量，并且可以高速且高效地生产。这对常规的机械刻痕技术和激光刻痕技术等都提出了很大挑战。

因此，需要一种精密的玻璃切割技术。作为现有激光刻痕技术的一种改进，本发明符合所述需要和其他需要。

发明内容

本文公开了本发明的多个方面。应理解，所述方面可彼此重叠或者可彼此不重叠。因而，一个方面的一部分可落入另一方面的范围，反之亦然。

每一方面通过多个实施方案示出，所述实施方案因此可包括一个或多个特定实施方案。应理解，所述实施方案可彼此重叠或者可彼此不重叠。因而，一个实施方案的一部分或者其特定实施方案可落入另一实施方案或者其特定实施方案的范围内，或者可不落入另一实施方案或者其特定实施方案的范围内，反之亦然。

本发明的第一方面提供了一种用于分割片材的方法，包括如下步骤：

(I)提供一个细长激光束，所述细长激光束具有宽度W(LB)和长度L(LB)、沿着所述宽度为S模式的能量分布以及沿着所述长度为平顶模式(flat-top-mode)剖面的能量分布，其中所述细长激光束被所述片材的表面所截获；

(II)沿着一划线将所述片材的表面的一部分暴露至所述激光束，并且使得所暴露区域的温度升高，其中总暴露面积具有宽度W(EA)、长度L(EA)，W(EA)≈W(LB)(在某些实施方案中，W(EA)/W(LB)≤1.4；在某些其他实施方案中，W(EA)/W(LB)≤1.3；在某些其他实施方案中，W(EA)/W(LB)≤1.2；在某些其他实施方案中，W(EA)/W(LB)≤1.1；在某些其他实施方案中，W(EA)/W(LB)≤1.05)，以及所述划线位于所述暴露区域内，并且基本平行于L(LB)；以及

(III)大体上线性地沿着所述划线分割所述片材。

在本发明的第一方面的该方法的第一实施方案中，在步骤(I)中，所提供的激光束是IR激光束，例如在约10.6μm波长下运行的CO₂激光。CO₂激光可被许多无机玻璃材料(例如，用于LCD玻璃基底的铝硅酸盐玻璃材料)所吸收。

在本发明的第一方面的该方法的第二实施方案中，步骤(II)包括如下步骤(II-1)：

(II-1)沿着所述片材的表面上的暴露区域中的划线，在基本平行于L(LB)的方向上平移所述激光束。

在本发明的第一方面的该过程的第二实施方案的某些特定实施方案中概要地描述了上文所述，在步骤(II-1)中所述激光束的平移速度为至少300mm/s。在某些其他实施方案中，在步骤(II-1)中，所述激光束的平移速度为至少750mm/s。

在本发明的第一方面的该方法的第三实施方案中，在步骤(I)中，所提供的激光束具有至少为30的纵横比，在某些其他实施方案中至少为40，在某些其他实施方案中至少为50，在某些其他实施方案中至少为80，在某些其他实施方案中至少为100，在某些实施方案中至少为200，在某些实施方案至多为400，在某些其他实施方案中至多为300。

在本发明的第一方面的该方法的第四实施方案中，在步骤(I)中，所提供的激光束具有的宽度在0.5mm至3mm的范围内。

在本发明的第一方面的该方法的第五实施方案中，所述片材基本上由无机玻璃材料、玻璃陶瓷材料或陶瓷材料构成。在第五实施方案的某些特定实施方案中，所述片材基本上由无机玻璃材料构成。在第五实施方案的某些特定实施方案中，沿着所述划线所分割的玻璃片材的边缘具有不大于50μm的总波度。

在本发明的第一方面的该方法的第七实施方案中，L(EA)≥2000mm；在某些特定实施方案中，L(EA)≥2400mm；在某些特定实施方案中，L(EA)≥2800mm；在某些其他特定实施方案中，L(EA)≥3000mm。

在本发明的第一方面的该方法的第八方面中，该方法进一步包括步骤(II)和步骤(III)之间的如下步骤(IIa)：

(IIa)在暴露之后立即通过流体来冷却所述暴露区域的至少一部分。

在本发明的第一方面的该方法的第八方面的某些特定实施方案中概要地描述了上文所述，当总暴露区域的一部分被暴露至所述激光束时，执行步骤(IIa)。

在本发明的第一方面的该方法的第九方面中，该方法进一步包括步骤(II)和步骤(III)之间的如下步骤(IIb)：

(IIb)沿着所述划线弯曲所述玻璃片材。

在本发明的第一方面的该方法的第十方面中，步骤(I)包括如下步骤(I-1)和(I-2)：

(I-1)提供一个圆形激光束，所述激光束具有直径D(CLB)以及沿其任何直径具有S模式的能量分布；以及

(I-2)通过使所述圆形激光束穿过一光学组件来将所述圆形激光束转换为所述细长激光束，所述光学组件适于将沿着L(LB)的能量强度分布从S模式转变为平顶模式剖面，同时将沿着W(LB)的能量强度分布保持为S模式。

在本发明的第一方面的该方法的第十实施方案的某些特定实施方案中，在步骤(I-2)中，所述光学组件被选定为使得W(LB)≤D(CLB)；在某些实施方案中，W(LB)≤0.8D(CLB)；在某些实施方案中，W(LB)≤0.6D(CLB)；在某些实施方案中，W(LB)≤0.5D(CLB)；在某些实施方案中，W(LB)≤0.4D(CLB)；在某些实施方案中，W(LB)≤0.3D(CLB)；在某些实施方案中，W(LB)≤0.2D(CLB)；在某些其他实施方案中，W(LB)≤0.1D(CLB)；在某些其他实施方案中，W(LB)≤0.05D(CLB)；在某些其他实施方案中，W(LB)≤0.03D(CLB)。

在本发明的第一方面的该方法的第十实施方案的某些特定实施方案中，在步骤(I-2)中，所述光学组件包括：第一透镜(例如，聚焦柱面透镜)，运行以减小所述圆形激光束在W(LB)方向上的尺度；以及，第二透镜(例如，改型的发散柱面透镜)，运行用于(a)增大所述光束在L(LB)方向上的尺度，(b)将L(LB)方向上的能量分布剖面从S模式转变为平顶模式。

在本发明的第一方面的该方法的第十实施方案的某些特定实施方案，在步骤(I-2)中，所述光学组件包括单个透镜，该单个透镜运行用于(i)减小所述圆形激光束在W(LB)方向上的尺度；(ii)增大所述圆形激光束在L(LB)方向上的尺度，并且将L(LB)方向上的能量分布从S模式转变为平顶模式。

本发明的第二方面提供了一种用于沿着所述玻璃片材的表面中基本线性的划线来分割玻璃片材的装置，包括：

(A)一个激光发生器，适于生成具有直径D(CLB)以及沿其任何直径具有S模式的能量分布的圆形激光束；以及

(B)一个光学组件，适于将所述圆形激光束转换为细长激光束，所述细长激光束具有宽度W(LB)和长度L(LB)、沿着W(LB)方向为S模式的能量分布以及沿着L(LB)方向为平顶模式的能量分布，其中所述细长激光束被所述玻璃片材的表面所截获。

在本发明的第二方面的该装置的第一实施方案中，所述装置进一步包括：

(C)一个喷嘴，用于将冷却流体流传送至待暴露至所述细长激光束的所述片材的表面区域。

在本发明的第二方面的该装置的第二实施方案中，所述装置进一步包括：

(D)一个用于沿着所述划线弯曲和分割所述玻璃片材的设备。

在本发明的第二方面的该装置的第三实施方案中，所述光学组件(B)包括：第一透镜，适于减小所述圆形激光束在W(LB)方向上的尺度；以及，第二透镜，适于(a)增大所述光束在L(LB)方向上的尺度，(b)在L(LB)方向上将能量分布剖面从S模式转变为平顶模式。

在本发明的第二方面的该装置的第三实施方案的某些特定实施方案中，所述第一透镜是聚光柱面透镜，以及所述第二透镜是改型的发散柱面透镜。

在本发明的第二方面的该装置的第四实施方案中，所述光学组件(B)包括单个透镜，该单个透镜适于(i)减小所述圆形激光束在W(LB)方向上的尺度；以及(ii)增大所述激光束在L(LB)方向上的尺度，并且将所述激光束在L(LB)方向上的能量分布从S模式转变为平顶模式。

本发明的一个或多个方面的一个或多个实施方案具有如下优势。首先，由于沿着宽度W(LB)的激光束的能量分布剖面，可实现非常精密的刻痕。其次，可实现精度的水平，甚至对于具有如下大尺寸的玻璃片材：具有的切割宽度为至少2000mm，甚至2400mm或者以上，例如2800mm以上，或者甚至3000mm以上。再者，可通过使用本发明可实现至少750mm/s的高速切割，同时所述玻璃在垂直于刻痕方向的方向上相对于地面移动，例如在向下牵引熔融玻璃制造过程(fusiondown-drawglassmakingprocess)的牵引区域的底部处。

本发明的其他特征和优势将在随后的具体描述中陈述，本领域技术人员可容易地从说明书中理解部分特征和优势，或者通过实践在此所写的说明书和权利要求以及附图中所描述的本发明来认识本发明的特征和优势。

应理解，前述总体描述和下列具体描述仅是本发明的示例，并且旨在提供概述或框架以理解本发明所声明的性质和特征。

随附的附图旨在提供对本发明的进一步理解，并且被纳入本说明书且构成本说明书的一部分。

附图说明

在随附的图中：

图1是示意性示出本发明的一个实施方案的激光刻痕系统的装备的示图；

图2是示意性示出本发明的一个实施方案的激光束的形状和尺度的示图，其中所述激光束被平面玻璃表面所截获；

图3是示意性示出沿轴线y的高斯光束(Gaussianbeam)的能量强度剖面的示图。

图4是示意性示出沿轴线x的D模式的能量强度剖面的示图。

图5是示意性示出沿轴线x的平顶模式的能量强度剖面的示图。

图6是示出本发明的一个实施方案的用于光束改型的光学组件的运行原理的示图。

具体实施方式

除非另有指示，应理解，所有数字——例如在说明书和权利要求中使用的那些表达组分的重量百分数、尺寸和某些物理性质的值——在所有示例中通过术语“约”被修改。还应理解，在说明书和权利要求中使用的精确数值形成本发明的附加实施方案。已做出努力来确保实施例中所公开的数值的精度。然而，任何所测得的数值可固有地包含由于其各自测量技术中所发现的标准偏差而产生的某些误差。

如本文所使用的，在描述和声明本发明时，不定冠词“一”或“一个”的使用意在表示“至少一个”，并且不应限制为“仅有一个”，除非明确地有相反指示。因而，例如，“一透镜”包括具有两个或更多个所述透镜的实施方案，除非上下文中清楚地另有指示。

在本公开内容中，“激光刻痕”和“激光切割”可交换使用，意在表示在具有或没有机械协助——例如沿划线的机械弯曲——的情况下，用于通过将大块材料(例如，玻璃片材)暴露至激光束来分割所述材料的方法。

在如下操作之后测量玻璃片材的边缘的总波度：(i)当玻璃片材被保持为相对于地面基本上静止时，所述玻璃片材被激光刻痕；以及(ii)通过沿着所述划线的机械弯曲来分割所述玻璃片材。

I.激光刻痕概述

在下述文献中描述了用于玻璃刻痕的CO₂激光的使用，尤其是：Kondratenko的标题为“Methodofsplittingnon-metallicmaterials”的第5,609,284号美国专利(’284专利)；共同转让的Allaire等人的标题为“Methodandapparatusforbreakingbrittlematerials”的第5,776,220号美国专利(’220专利)；Ostendarp等人的标题为“Methodandapparatusforcuttingthroughaflatworkpiecemadeofbrittlematerial，especiallyglass”的第5,984,159号美国专利(’159专利)；以及，共同转让的Allaire等人的标题为“Controlofmediancrackdepthinlaserscoring”的第6,327,875号美国专利(’875专利)；于2007年9月28日提交的标题为“LASERSCORINGWITHFLATPROFILEBEAM”的第11/904,697号共同未决的、共同转让的美国专利申请(下文为’697专利)。共同转让的’220、’875、’697专利的内容以全文引用的方式纳入本文。

如图1中所示，在激光刻痕期间，中间裂缝115(还称为局部裂口，或者简单地称为裂口)在玻璃片材112的主表面114中产生。为了产生所述裂口，小初始裂纹111在玻璃表面上的一个边缘附近形成，然后该小初始裂纹111通过如下过程转变为裂口：使形成光束113的激光121传播穿过玻璃的表面，之后通过由冷却喷嘴119供应的冷却流体产生冷却区域。通过激光束对玻璃的加热，以及随之立即通过冷却剂对其淬火产生了热梯度以及对应的应力场，这造成所述裂口的扩展。

在上面提及的专利中采用具有各种形状和尺寸的激光束。

激光刻痕通常使用在10.6μm波长处运行的二氧化碳激光。在所述波长处，氧化玻璃的吸收可超过10⁵-10⁶1/m，其使得CO₂辐射的有效渗透深度小于1-10μm。对于成功刻痕，期望的裂口深度在玻璃厚度的10％-20％的范围内，对于具有0.7mm厚度的基底，期望的裂口深度对应于70-140μm。这意味着，在激光刻痕期间，裂口的形成主要依赖于玻璃表面下方的热的热传导率，这是一个相对慢的过程。因而，玻璃的高的表面吸收和热传导率是确定工艺窗口且限制刻痕速度的两个重要因素。

为了达到所要求的张应力以形成一裂口，该光束的功率密度需要足够高以在玻璃的表面处提供充分的温差。然而，如果该功率密度太高，在暴露期间沿着所述划线传递至玻璃表面上的每一点的能量可引起玻璃烧蚀或蒸发。在单独子片的边缘处或者在邻近其的区域内，所述高功率密度还可导致高水平的残余应力。另一方面，如果暴露时间短(当刻痕速度高时)，传递至玻璃的能量可能不足以加热表面下方的玻璃来产生深的裂口。

如本文所使用的，“S模式”意为沿着给定方向的激光束的能量强度分布是大体高斯的。图3示出了沿着y轴线的S模式分布。一个示例性S模式将是沿着横截面的任何直径的圆形CO₂激光束的TEM00模式。

如本文所使用的，“平顶模式”意为沿着给定方向的激光束的能量强度分布是大体非高斯的，并且呈现相对平坦的顶部。D模式(其是TEM00模式和TEM01*模式以各种比例的组合)是一示例性平顶模式。在于2007年9月28日提交的标题为“LASERSCORINGWITHFLATPROTILEBEAM”的共同未决、共同转让的第11/904,697号美国专利申请(下文为’697专利)公开了多种激光束平顶模式，其相关部分在此通过全文引用的方式纳入本文。例如，本专利参考中所公开的一个示例性平顶模式具有可由下列数学表达式近似的剖面：

$I=A[e^{-2(\frac{x^2}{{\mathrm{\ω}}_x^2}+\frac{y^2}{{\mathrm{\ω}}_y^2})}+B(\frac{x^2}{{\mathrm{\ω}}_x^2}+\frac{y^2}{{\mathrm{\ω}}_y^2})e^{-2(\frac{x^2}{{\mathrm{\ω}}_x^2}+\frac{y^2}{{\mathrm{\ω}}_y^2})}]$

其中，I是坐标(x，y)位置处的激光束能量强度；ω_x是光束宽度参数；ω_y是光束长度参数；以及，A和B是确定所述激光束的形状和能量密度的常数。在一特定实施方案中，A/B等于1/2。

如上面所提及的，先前在文献中已报道过激光刻痕。光束能量分布剖面和光束形状对激光刻痕工艺具有相当大的影响。在常规激光刻痕过程中，使用了具有TEM00模式的能量分布剖面的激光束，其本质上是高斯光束。上面提及的’697专利教导了：当相比于S模式时，具有D模式和其他平顶模式的激光束在加热玻璃而不超出其应变温度点方面可更有效，并且允许实现更高的刻痕速度且不在玻璃中生成过多的残余应力。由于宽且更均匀的强度剖面，平顶模式的强度分布使得能够使用采用光束内较低的平均功率密度进行激光刻痕，结果，使得按照功率变化的更宽的工艺窗口成为可能。因而，期望的是沿着平移的细长光束的长度的平顶模式分布。

然而，所述宽度和沿着光束宽度的强度分布确定玻璃表面上的暴露区域的宽度、玻璃表面达到的温度、温度梯度剖面，并因此确定热应力剖面。激光刻痕期间的热应力剖面对边缘质量具有极大的影响：波度、强度、残余应力等。应相信，沿着激光束的宽度，由于能量分布较窄，S模式能量强度分布产生比平顶模式更具期望的温度梯度，因此产生更具期望的应力剖面。因而，沿着激光束的宽度的S模式将产生玻璃片材沿着刻痕边缘的较低波度。

本发明可被用于各种材料的精确切割和刻痕，尽管下面将参考其中待被切割或刻痕的片材材料基本由无机玻璃材料构成的实施方案来示出。然而，本领域普通技术人员应理解，在本发明的教导下，加以必要的修改，本发明的方法和装置能适于其他片材材料的精密切割，所述片材材料为例如有机聚合物片材和有机聚合物膜、金属片材和金属膜、包括具有不同成分和/或性质的多片材料的层压材料等。

II.片材材料

本发明可被有效地应用至大尺寸玻璃片材，例如具有如下切割宽度的LCD玻璃片材，所述切割宽度为至少2000mm、2400mm、2500mm、2800mm或者甚至至少3000mm。由于长度方向上的光束的平顶模式，其中可以以高速实现所述切割。由于光束宽度方向上的光束的S模式，所述切割可以以高精度完成，例如沿着切割宽度具有至多为50μm的总波度，如下面所讨论的。

本发明对于切割具有薄厚度(例如至多为2mm的平均厚度)的玻璃片材是尤其有利的，在某些实施方案中至多为1.5mm，在某些实施方案中至多为1.0mm，在某些实施方案中至多为0.8mm，在某些其他实施方案中至多为0.5mm。

III.激光发生器

如在前所提及的，通过采用在波长为约10.6μm处运行的CO₂激光所执行的激光刻痕是有利的。在所述波长处的辐射可被多种玻璃材料所吸收，例如作为典型的许多当前LCD玻璃基底的铝硅酸盐玻璃材料。

在市场上可购买到的商业CO₂激光发生器具有的功率从几百瓦特到高达几十千瓦。许多市售的激光发生器提供具有圆形光束形状且沿其任何直径具有高斯能量分布剖面的激光束。所述圆形高斯光束可被改型以用在本发明的某些实施方案中，从而实现高刻痕速度、高刻痕精度和高刻痕边缘质量。

IV.激光束的形状和能量分布

如本文所讨论的，激光束的特性和尺度是待被刻痕的片材的表面所截获的光束的特性和尺度。应理解，激光束在其传播路径上的不同空间位置处可具有不同的形状、特性和尺度。

细长激光束对本发明是尤其有利的。图2示意性示出了具有长度L(LB)和宽度W(LB)的细长椭圆形光束，其可被用在本发明的某些实施方案中。高度期望，在截获激光束的玻璃片材表面的各种位置处光束的尺度L(LB)和W(LB)保持基本恒定。为此，高度期望玻璃片材的表面基本上保持为平的，即，在光束的长度方向上(x轴线)和光束的宽度方向上(y轴线)具有可忽略的曲率。在刻痕表面上的大体一致的激光束形状和尺度使得大体一致的激光能量能够传递至暴露表面的各部分，因此沿着划线能够具有一致的温度梯度，而一致的温度梯度是具有高刻痕边缘质量的一致、成功的刻痕所要求的。

图3示意性示出了根据本发明的一个实施方案的沿着激光束的宽度(y轴线)的高斯能量分布剖面。所述剖面呈现出沿着宽度的最大强度I_max(W)和宽度W(LB)。在本公开文本中，光束宽度W(LB)被定义为从具有I_max(W)·e^-2强度的光束的一侧上的一点至具有I_max(W)·e^-2强度的相对侧上的一点的宽度方向上的线性距离，其中e是欧拉无理数(Euler’sirrationalnumber)。

对于具有高边缘质量的玻璃片材的成功刻痕所期望的是窄光束。因此，在本发明的某些实施方案中，期望的是，被暴露表面所截获的激光束具有0.5mm至3mm的光束宽度W(LB)，在某些实施方案中从0.5mm至2.5mm，在某些实施方案中从0.8mm至2.0mm。所述窄光束以需要的有限宽度传递集中的激光能量，所述有限宽度需要用于在玻璃表面上产生窄且一致的裂口。

图4示意性示出了根据本发明的一个实施方案的沿着激光束的长度(x轴线)的D模式能量分布剖面。所述剖面呈现沿着长度的最大强度I_max(L)和强度L(LB)。在本公开文本中，光束长度L(LB)被定义为从具有I_max(L)·e^-2强度的一个末端上的一点至具有I_max(L)·e^-2强度的相对末端上的一点的长度方向上的线性距离。

同样，图5示意性示出了根据本发明的另一实施方案的沿着激光束的长度(x轴线)的平顶模式的分布剖面。

尤其期望具有长度为60mm至300mm的细长激光束——在某些实施方案中从60mm至200mm，在某些实施方案中从75mm至150mm——实现至少300mm/s刻痕速度的高速激光刻痕，在某些实施方案中至少500mm/s，在某些实施方案中至少600mm/s，在某些实施方案中至少750mm/s。对于以相对于地面在垂直于划线的方向上移动的玻璃片材(即使在激光曝光过程期间，激光束可相对于片材和/或划线在垂直于划线的方向上大体保持静止)，高度期望激光刻痕速度为至少750mm/s，这尤其是为了使刻痕方法对上游和下游方法步骤的影响最小化。可实现高达1000mm/s的刻痕速度，在某些实施方案中1200mm/s，在某些其他实施方案中1400mm/s。

激光束的纵横比被定义为光束长度L(LB)与光束宽度W(LB)的比率。对于玻璃片材的高速激光刻痕，期望的是至少为30的纵横比，在某些其他实施方案中至少为40，在某些其他实施方案中至少为50，在某些其他实施方案中至少为80，在某些其他实施方案中至少为100，在某些实施方案中至少为200，在某些实施方案中至多为400，在某些实施方案中至多为300。

V.用于光束改型的光学组件

商业CO₂激光通常提供沿其任何直径具有高斯能量分布剖面的圆形激光束。该光束可通过光束扩展器或其他光学器件在邻近于激光源的位置处被改型，从而获得具有用于本发明的直径D(CLB)的圆形激光束。

然后所述具有直径D(CLB)的圆形激光束进一步被光学组件所改型，以具有期望的光束尺寸和能量分布剖面。在某些实施方案中，光学组件提供如下两个功能，其中：(i)扩展光束长度，同时将长度方向上的强度分布从S模式修改为平顶模式；以及(ii)在将强度剖面保持为S模式的同时，在传递至待被刻痕的玻璃片材表面的光束的宽度方向上聚焦光束。可通过在光束的长度方向上具有发散面的第一改型柱面透镜来执行所述第一功能。可通过在光束的宽度方向上具有聚焦面的第二柱面透镜来执行所述第二功能。如果所述第二透镜的发散面是完全柱面的，则光束将在保持S模式分布剖面的同时发散。通过将所述第二透镜的发散面改型为合适剖面，可获得在光束的长度方向上具有平顶模式强度分布的发散输出光束。

图6示意性示出了本发明的一个实施方案的光学组件的运行原理。该图中示出的是圆形激光束穿过第一透镜LS1和第二透镜LS2。沿着线xx示出的是垂直于轴线x的透镜的横截面，沿着线yy示出的是垂直于轴线y的透镜的横截面，以及，沿着线zz示出的是垂直于轴线z(即，激光束的传播方向)的光束的横截面。因此，透镜LS1具有改型的柱面、发散面，该发散面增大光束长度L(LB)，并且将长度方向上的强度分布从S模式改变为平顶模式。透镜LS2——柱面透镜——仅在宽度方向上聚焦激光束，从而在保持宽度方向上的S模式的强度分布的同时获得窄光束。应理解，透镜LS2可在或者可不在宽度方向上(y轴线)将光束剖面从一个S模式改变为另一S模式。例如，在一个实施方案中，透镜LS2在宽度方向上使光束的高斯剖面变窄，以获得待被传递至玻璃表面的具有更窄高斯剖面的输出光束。

还可能的是，使得单个透镜既执行上述的功能(i)，又执行功能(ii)。

所述透镜可由适于激光束的波长的材料制成。对于CO₂激光，折射透镜可由锗、硒化锌等制成。反射透镜或光栅也可被用于本发明。

在本文的教导下，光学领域的普通技术人员可设计和制造带有合适表面剖面、尺度、材料选择的透镜，并且将它们组装进适合本发明需要的模块。

VI.激光束的运动和暴露

在刻痕过程中，仅有一部分玻璃片材的表面被暴露至激光束。所暴露表面具有长度L(EA)和宽度W(EA)。如果全部激光束位于所述片材的表面内，暴露区域是完全平坦且完全垂直于激光传播方向的，并且相对于激光束保持完全静止，则L(EA)＝L(LB)以及W(EA)＝L(LB)。

如上述所讨论的，在对切割速度、切割精度和边缘质量没有显著不利影响情况下，完全平面的暴露表面在某一程度上的偏差是允许的。因而，可容许片材的特定量的弯曲以及激光传播方向上的片材运动。

在某些实施方案中，激光束可沿着划线相对于待被刻痕的片材的表面移动，其中片材的表面的暴露区域是在激光行进期间激光束所覆盖的总区域。因而，如果在刻痕期间激光束从片材的一个边缘行进至另一个，则暴露区域具有等于片材宽度的长度L(EA)。在本发明的某些实施方案中，期望的是激光束在玻璃片材的表面上的暴露区域内平移。为了实现具有高边缘质量的成功、一致、精密的刻痕，期望的是平移方向基本上是线性的，并且平行于激光束的长度方向，使得暴露区域W(EA)的宽度近似为激光束W(LB)的宽度，即W(EA)≈W(LB)。在本公开文本中，“W(EA)≈W(LB)”意为比例W(EA)/W(LB)至多为1.5。在某些实施方案中，W(EA)/W(LB)≤1.4；在某些其他实施方案中，W(EA)/W(LB)≤1.3；在某些其他实施方案中，W(EA)/W(LB)≤1.2；在某些其他实施方案中，W(EA)/W(LB)≤1.1；在某些其他实施方案中，W(EA)/W(LB)≤1.05。

激光束相对于待被刻痕的玻璃片材的表面的平移速度被定义为刻痕速度。在本发明的某些实施方案中，当玻璃片材相对于地面的速率基本上为零时，例如当玻璃片材被放置在用于离开牵引(off-the-draw)进行加工的固定台上时，可以以至少300mm/s的刻痕速度实现成功刻痕。在某些实施方案中，当玻璃相对于地面的速率为非零时，例如当玻璃在生产线上移动时(诸如在熔融向下牵引过程的牵引底部时)，可以以至少750mm/s的刻痕速度实现成功刻痕。

尤其通过激光束的长的长度、高的纵横比以及对激光束的长度和宽度方向上的激光强度分布的精密控制来实现高刻痕速度。

期望的是玻璃片材的激光刻痕从玻璃片材的一个边缘上或者附近的小裂纹开始。所述裂纹用作由激光束所产生的裂口线的初始点，其中该裂纹可通过轮状物在边缘处的机械划线、激光脉冲或其他方法来产生。

尽管在许多实施方案中单通道激光曝光足以成功形成裂口，但是期望的是在某些实施方案中，沿着相同的划线执行多通道的激光曝光，以获得较深的裂口，或者在不曾有下面更详细描述的进一步弯曲的情况下获得玻璃片材的直接分割。有利地可使用多个通道，其中可精确地重复所述通道，例如其中玻璃片材被保持为相对于地面大体静止。

VII.冷却流体和冷却方法

如上面所讨论的，在某些实施方案中，虽然不总是需要，但期望的是在激光曝光之后立即将冷却流体传递至暴露区域。所述冷却对于激光裂口的形成是有利的，所述激光裂口对控制、精度、刻痕是必要的。

冷却流体可以是气体、液体或其混合物或组合物。期望地，冷却流体不污染玻璃表面，这对于LCD玻璃基底尤其重要。因此，冷却流体可以是冷空气射流、冷N2射流、水射流等。一旦冷却，在玻璃片材表面的暴露区域中沿着划线形成具有期望深度的裂口。

可使用追踪激光束的喷嘴将冷却流体传递至玻璃表面。

VIII.弯曲

如上面所提及的，在激光曝光后，通过或者不通过冷却，玻璃片材可沿着划线断裂或分割，以形成两片单独的玻璃。然而，这并不总是可期望的，或者可行的，尤其当多通道激光曝光不能精确执行时。通过沿着划线的裂口，可通过应用弯曲力矩实现玻璃片材的分割。

IX.分割

本发明可实现的玻璃片材的高质量的分割边缘的特征在于低的总波度。对于具有至少2000mm，甚至至少2500mm，甚至至少2800mm，甚至至少3000mm的刻痕边缘的玻璃片材，本发明可实现至多50μm的总波度，在某些实施方案中至多40μm。可信的是，这可部分归因于激光束在宽度方向上的S模式强度剖面以及在长度方向上的平顶模式强度剖面。对于大尺寸的玻璃片材，从刻痕边缘的一端至至多50μm的另一端的总波度是一个明显的技术挑战。通过选择光束剖面所实现的精度，相信本发明可实现所述严格要求。

本领域普通技术人员应理解，在不背离本发明的范围和精神的前提下，可对本发明做出各种改型和变体。因而，本发明旨在包括所提供的落入随附权利要求和它们的等价范围内的本发明的改型和变体。

Claims (23)

1.一种用于分割片材的方法，包括如下步骤：

(I)提供一个细长激光束，所述细长激光束具有宽度W(LB)和长度L(LB)、沿所述宽度为大体高斯模式的S模式的能量分布以及沿所述长度为平顶模式剖面的能量分布，其中所述细长激光束被所述片材的表面所截获；

(II)沿着一划线将所述片材的表面的一部分暴露至所述激光束，并且使得所暴露区域的温度升高，其中总暴露面积具有宽度W(EA)、长度L(EA)，W(EA)≈W(LB)，以及所述划线位于所述暴露区域内，并且基本平行于L(LB)；以及

(III)大体线性地沿着所述划线分割所述片材。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(I)中所提供的所述激光束是CO₂激光。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中步骤(II)包括如下步骤：

(II-1)沿着所述片材的表面上的暴露区域中的划线，在基本平行于L(LB)的方向上平移所述激光束。

4.根据权利要求3所述的方法，其中在步骤(II-1)中，所述激光束的平移速度为至少750mm/s。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中在步骤(I)中，所提供的激光束具有至少为30的纵横比。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中在步骤(I)中，所提供的激光束具有的宽度在0.5mm至3mm的范围内。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述片材基本上由无机玻璃材料、玻璃陶瓷材料或陶瓷材料构成。

8.根据权利要求7所述的方法，其中在步骤(III)中，沿着所述划线所分割的玻璃片材的边缘具有不大于50μm的总波度。

9.根据权利要求7所述的方法，其中L(EA)≥2000mm。

10.根据权利要求1所述的方法，进一步包括步骤(II)和步骤(III)之间的如下步骤(IIa)：

(IIa)在暴露之后立即通过流体来冷却所述暴露区域的至少一部分。

11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括步骤(II)和步骤(III)之间的如下步骤(IIb)：

(IIb)沿着所述划线弯曲片材，其中所述片材是玻璃片材。

12.根据权利要求1或2所述的方法，其中步骤(I)包括：

(I-1)提供一个圆形激光束，所述激光束具有直径D(CLB)，以及沿其任何直径具有S模式的能量分布；以及

(I-2)通过使所述圆形激光束穿过一光学组件来将所述圆形激光束转换为所述细长激光束，所述光学组件适于将沿着L(LB)的能量强度分布从S模式转变为平顶模式剖面，同时将沿着W(LB)的能量强度分布保持为S模式。

13.根据权利要求12所述的方法，其中在步骤(I-2)中，所述光学组件被选定为使得W(LB)<D(CLB)。

14.根据权利要求12所述的方法，其中在步骤(I-2)中，所述光学组件包括：第一透镜，运行用于(a)拉长所述光束在L(LB)方向上的尺度，(b)将L(LB)方向上的能量分布剖面从S模式转变为平顶模式剖面；以及，第二透镜，运行以减小所述圆形激光束在W(LB)方向上的尺度。

15.根据权利要求14所述的方法，其中在步骤(I-2)中，所述第一透镜是改型的发散柱面透镜，以及所述第二透镜是聚焦柱面透镜。

16.根据权利要求12所述的方法，其中步骤(I-2)中，所述光学组件包括单个透镜，该透镜运行用于(i)减小所述圆形激光束在W(LB)方向上的尺度；以及，(ii)增大所述圆形激光束在L(LB)方向上的尺度，并且将L(LB)方向上的能量分布从S模式转变为平顶模式剖面。

17.根据权利要求12的方法，其中在步骤(I-1)中，所述圆形激光束是从CO₂激光发生器发射的。

18.一种用于沿着玻璃片材的表面中基本线性的划线来分割玻璃片材的装置，包括：

(A)一个激光发生器，适于生成具有直径D(CLB)以及沿其任何直径具有S模式的能量分布的圆形激光束；以及

(B)一个光学组件，适于将所述圆形激光束转换为细长激光束，所述细长激光束具有宽度W(LB)和长度L(LB)、沿着W(LB)方向为大体高斯模式的S模式的能量分布以及沿着L(LB)方向为平顶模式剖面的能量分布，其中所述细长激光束被所述玻璃片材的表面所截获。

19.根据权利要求18所述的装置，进一步包括：

(C)一个喷嘴，适于将冷却流体流传送至待被暴露至所述细长激光束的所述片材的表面区域。

20.根据权利要求18所述的装置，进一步包括：

(D)一个用于沿着所述划线弯曲和分割所述玻璃片材的设备。

21.根据权利要求18或权利要求19所述的装置，其中所述光学组件(B)包括：第一透镜，适于(a)增大所述光束在L(LB)方向上的尺度，(b)将L(LB)方向上的能量分布剖面从S模式转变为平顶模式剖面；以及，第二透镜，适于减小所述圆形激光束在W(LB)方向上的尺度。

22.一种根据权利要求21所述的装置，其中所述第一透镜是改型的发散柱面透镜，以及第二透镜是聚焦柱面透镜。

23.一种根据权利要求18或19所述的装置，其中所述光学组件(B)包括单个透镜，该单个透镜适于(i)减小所述圆形激光束在W(LB)方向上的尺度；以及，(ii)增大所述激光束在L(LB)方向上的尺度，并且将所述激光束在L(LB)方向上的能量分布从S模式转变为平顶模式剖面。