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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen chemisch vorgespannter Glassubstrate. Insbesondere betrifft die Erfindung das Vorspannen und Vereinzeln von chemisch vorgespannten Glassubstraten für Displays und Touchfelder.
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Hintergrund der Erfindung
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Vorspannungsprozesse für Gläser sind bekannt. Industriell vielfältig angewendet werden thermische Vorspannprozesse, bei welchen der gesamte Glasgegenstand erhitzt und dann die Glasoberfläche durch Anblasen mit kalter Luft schnell abgeschreckt wird. Dadurch erstarrt die Oberfläche sofort, während das Glasinnere sich weiter zusammenzieht. So entsteht im Inneren eine Zugspannung und entsprechend an der Oberfläche eine Druckspannung. Thermische Vorspannprozesse eignen sich allerdings in der Regel nur für Gläser mit einer Dicke von über 1 mm und führen für viele Anwendungen wie beispielsweise Displays und Touchscreens von mobilen Geräten nicht zur gewünschten Festigkeit des Glases und Kratzfestigkeit der Oberfläche.
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Für viele Anwendungen werden daher chemische Vorspannprozesse bevorzugt.
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Dabei werden im Substrat vorhandene Ionen wie beispielsweise Natrumionen durch größere Ionen, beispielsweise Kaliumionen, ausgetauscht und an der Oberfläche des Substrates wird so eine Druckspannung erzeugt, mittels derer sich die Festigkeit des Glases erheblich erhöhen lässt.
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Nachteilig ist, dass sich stark chemisch vorgespannte Substrate in der Regel durch spannungsinduzierte Trennverfahren, wie beispielsweise mechanisches Anritzen oder Anritzen eines Lasers und anschließendes Brechen, nicht kontrolliert trennen lassen, da es in der Regel zu einem unkontrollierten Bruch kommt.
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Schwach chemisch vorgespannte Gläser, bei denen die Druckspannung im Oberflächenbereich geringer ist, lassen sich zwar vielfach noch spannungsinduziert brechen. Diese Gläser weisen jedoch meist nicht die gewünschten Eigenschaften hinsichtlich Kratz- und Bruchfestigkeit auf.
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Weiter ist es zwar denkbar, chemisch vorgespannte Substrate mittels nicht spannungsinduzierter Verfahren zu trennen, wie beispielsweise über Laserablation über die komplette Dicke des Substrates hinweg. Dies ist aber äußerst aufwändig und für die Praxis daher in der Regel untauglich.
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Zumindest stark chemisch vorgespannte Substrate werden daher in der Praxis meist vor dem chemischen Vorspannen vereinzelt. Dies ist insbesondere dann äußerst nachteilig, wenn auf das Substrat elektronische Bauelemente, beispielsweise zur Ausbildung eines Displays- und oder Touchfeldes, aufgebracht werden sollen. Diese, zumeist in Dünnschichttechnik aufgebrachten elektronischen Bauteile, können sodann nämlich nur auf die bereits vereinzelten Substratbestandteile aufgebracht werden, was aufgrund deren geringer Größe einen hohen Handlingaufwand bedeutet und daher unwirtschaftlich ist.
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Dies hat zur Folge, dass in der Praxis zur Herstellung von Displays, beispielsweise für Smartphones, häufig zwei Schichten verwendet werden: Ein Coverglas ist stark chemisch vorgespannt und dient als Kratzschutz. Unter dem Coverglas ist ein weiteres Substrat angeordnet, auf dem die elektronischen Bauteile zur Ausbildung des Touchfeldes aufgebracht sind und welches nicht vorgehärtet ist.
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Die Offenlegungsschrift
JP 2011-251879 schlägt vor, chemisch vorgehärtete Gläser zunächst mit einem Anfangsriss an einer spezifischen Position der Oberfläche zu versehen und diese sodann entlang des Anfangsrisses auf eine Temperatur von maximal 200°C unterhalb der Glasübergangstemperatur zu erwärmen, um ein mechanisches Spannungsfeld thermisch zu induzieren und das Glas so zu zerteilen. Auch diese Vorgehensweise scheint insbesondere zur Herstellung von Displays und Touches nicht gut praktikabel.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein praktikables Verfahren bereitzustellen, mit welchem auf einfache Weise chemisch vorgespannte Gläser kontrolliert getrennt werden können.
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Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, es auf einfache Weise zu ermöglichen, dass unter Beibehaltung eines wirtschaftlichen Fertigungsprozesses das Trennen des Substrates nach dem Vorspannen erfolgen kann.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung wird bereits durch ein Verfahren zum Herstellen chemisch vorgespannter Glassubstrate, sowie durch ein chemisch vorgespanntes Glassubstrat nach einem der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen chemisch vorgespannter Glassubstrate.
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Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf chemisch vorgespannte Substrate, die an der Oberfläche des Substrates eine Druckspannung von mindestens 600 MPa, vorzugsweise mindestens 800 MPa aufweisen, wobei die Eindringtiefe der Schicht mit höherer Druckspannung mindestens 30 µm, vorzugsweise mindestens 40 µm beträgt.
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Im Fall von mehrstufig chemisch vorgespannten Substraten kann die Druckspannung an der Oberfläche auch geringer sein. Diese beträgt bei zumindest zweistufig vorgespannten Substraten in der Regel mindestens 500 MPa, wobei allerdings die Eindringtiefe der Schicht mit höherer Druckspannung höher ist, nämlich mindestens 50 µm, vorzugsweise mindestens 100 µm.
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Weiter betrifft die Erfindung vorzugsweise Glassubstrate mit einer Dicke von weniger als einem mm.
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Die Erfindung sieht vor, zunächst ein chemisch vorgespanntes Glassubstrat bereitzustellen. Die Vereinzelung des Glassubstrates, also das Trennen des Substrates in mehrere Teile, erfolgt nach dem chemischen Vorspannen.
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Gemäß der Erfindung wird das chemisch vorgespannte Glassubstrat entlang zumindest einer Linie auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur Tg erwärmt. Entlang dieser Linie wird sodann das Glassubstrat getrennt.
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Vorzugsweise wird das Glassubstrat lokal entlang der Linie auf eine Temperatur oberhalb der oberen Kühltemperatur (annealing temperature) erwärmt. Unter der oberen Kühltemperatur wird hierbei die Temperatur verstanden, bei welcher das Glas eine Viskosität von 1013 dPas aufweist und bei welchem das Glas schnell relaxiert.
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Die Erfinder haben herausgefunden, dass es durch ein lokales Erwärmen möglich ist, die durch den chemischen Vorspannprozess erzeugte Vorspannung lokal dauerhaft derart abzubauen, dass es sodann möglich ist, mittels konventioneller, insbesondere spannungsinduzierter Trennverfahren zu trennen, wie beispielsweise mechanischem Anritzen (scribing) oder Trennen mittels eines Lasers (Laser scribing).
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Das lokale Erwärmen macht sich dabei zu Nutze, dass insbesondere oberhalb des annealing points die Glasstruktur sehr schnell relaxieren kann, so dass sich die durch den Ionenaustausch eingebrachten Spannungen lokal abbauen.
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Es versteht sich, dass im Sinne der Erfindung, nicht unbedingt erforderlich ist, dass sich die Erwärmung gleichmäßig entlang einer ununterbrochenen Linie erstreckt, wie es bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist.
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Denkbar, insbesondere bei der Verwendung eines Lasers, ist auch, dass das Substrat punktförmig durch eine Kette nacheinander angeordneter Punkte, die entlang der Linie verlaufen, erwärmt wird. Hierbei sollte aber, trotz der so inhomogenen Erwärmung entlang der Linie, zumindest im oberflächennahen Bereich bzw. in dem Bereich, in welchem sich die vorgespannte Schicht erstreckt, zumindest die Glasübergangstemperatur erreicht werden.
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Um dem Substratmaterial hinreichend Zeit zu geben zu relaxieren wird vorzugsweise das Glassubstrat entlang der spätesten Trennlinie für einen Zeitraum von mindestens 0,5 Sekunden, vorzugsweise mindestens einer Sekunde, auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur erwärmt.
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Die Erwärmung kann beispielsweise herbeigeführt werden, indem das Substrat relativ zu einer Wärmequelle, beispielsweise entlang eines Laserstrahls, bewegt wird.
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Weiter ist denkbar, eine oder mehrere Linien zeitgleich zu erwärmen, beispielsweise mittels aufgefächerter Laserstrahlung.
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Zur thermischen Erwärmung kann beispielsweise ein CO2-Laser verwendet werden. Insbesondere Laserstrahlung lässt sich gut fokussieren und ist hinsichtlich der Oberflächentemperatur gut zu kontrollieren.
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Die Temperatur kann, wie es bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist, mittels eines Pyrometers kontrolliert und/oder geregelt werden kann.
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Vorzugsweise wird das Glassubstrat vor dem Trennen abgekühlt, insbesondere auf eine Temperatur von weniger als 300°C, vorzugsweise von weniger als 100°C.
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Die Erfindung macht sich also den Effekt zu Nutze, dass durch eine Erwärmung oberhalb der Glasübergangstemperatur eine Neuordnung des Glasnetzwerkes erfolgt und dadurch die Druckspannung, welche durch die Einbringung größerer Ionen in das vorhandene Glasgitter eingebracht worden ist, dauerhaft reduziert wird. Somit ist eine komplette zeitliche Entkopplung der beiden Verfahrensschritte lokales Erwärmen und Trennen möglich, während bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Trennen mit einem thermisch induzierten Spannungsfeld, das Trennen direkt in Verbindung mit dem Einbringen des Temperaturfeldes erfolgen muss.
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Insbesondere bei der Verwendung eines Lasers zum Erwärmen, welcher gut kontrollierbar und fokussierbar ist, kann auch das lokale Abkühlen kontrolliert durchgeführt werden, so dass entstehende Spannungen durch das lokale Erwärmen und Abkühlen so gering wie möglich gehalten werden.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung, wird das Glassubstrat von beiden Seiten her lokal erwärmt. Vorzugsweise findet die lokale Erwärmung im Wesentlichen von beiden Seiten zeitgleich statt. Hierunter wird verstanden, dass auf den erwärmten gegenüberliegenden Seiten des Substrates ein maximaler Temperaturunterschied von 150°C, vorzugsweise von 100°C vorhanden ist. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere bei der Verwendung von Lasern, die bei vielen Glassorten bereits im oberflächennahen Bereich absorbiert werden, wie beispielsweise CO2-Lasern, eine gleichzeitige Erwärmung von beiden Seiten her in der Regel nötig ist, um Schädigungen des Substrates zu vermeiden. Überraschender Weise hat sich bei der Verwendung von CO2-Lasern gezeigt, dass es in der Praxis kaum möglich ist, das Substrat zunächst entlang einer Linie auf einer Seite, dann entlang einer gegenüberliegenden Linie auf der anderen Seite zu erwärmen, ohne dass es zu entsprechenden Schädigungen kommt.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung wird das Substrat im noch teilweise erwärmten Zustand getrennt. Hierbei liegt die Temperatur entlang der Trennlinie schon unterhalb der Glasübergangstemperatur. Die thermisch eingebrachte Energie kann aber für einen folgenden thermischen Trennschritt, beispielsweise für Laserritzen oder thermisches Sprengen, genutzt werden.
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Die Erfindung bezieht sich vorzugsweise auf ebene Substrate oder Substrate mit nur geringer Wölbung. Es ist aber auch denkbar, beispielsweise runde Substrate wie Rohre zu trennen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt das lokale Erwärmen mittels elektromagnetischer Strahlung, deren Eindringtiefe mindestens ein Viertel, vorzugsweise mindestens die Hälfte, besonders bevorzugt mindestens die gesamte Dicke des Substrats beträgt.
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Es wird also eine Wellenlänge verwendet, für die das Substrat teildurchlässig ist, aber noch hinreichend viel Strahlung absorbiert, dass dieses erwärmt werden kann. Unter der Eindringtiefe eine Abschwächung der Strahlungsintensität auf 1/e verstanden.
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Über elektromagnetische Strahlung mit hoher Eindringtiefe ist es möglich, das Substrat über seine Gesamtdicke hinweg homogen zu erwärmen. So ist es denkbar, dass thermisch erzeugte Spannungen im Substrat gering gehalten werden. Weiter ist es denkbar, dass auf ein Erwärmen von beiden Seiten her verzichtet werden kann, da durch die hohe Eindringtiefe sichergestellt wird, dass auch die der Quelle elektromagnetischer Strahlung gegenüberliegende Seite über die Glasübergangstemperatur erwärmt wird. So können zum Beispiel kurzwellige Infrarotstrahlung oder auch Laserstrahlung mit einer Wellenlänge im Bereich der Absorptionskante des Substrates eingesetzt werden.
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Das Trennen des Glassubstrates erfolgt vorzugsweise spannungsinduziert, insbesondere mechanisch durch Ritzen (scribing) oder mittels Lasertrennen (Laser scribing).
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung werden vor dem Trennen elektronische Bauteile auf das Substrat aufgebracht, welche insbesondere zur Ausbildung eines Displays und/oder eines Touchfeldes dienen.
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Die Erfindung ermöglicht es, chemisch vorgespannte Substrate nach dem Aufbringen von elektronischen Schaltungen mittels Dünnschichttechnik zu vereinzeln, was die Prozessführung erheblich vereinfacht und des Weiteren auf einfachere und wirtschaftlichere Weise ermöglicht, ein Display oder Touchfeld bereitzustellen, bei dem nicht zwischen Coverglas und Substratglas für die elektronischen Bauteile unterscheiden wird, sondern bei welchen das Coverglas gleichzeitig als Substrat für die elektronischen Bauteile dient.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein chemisch vorgespanntes Glassubstrat, welches wie vorstehend beschrieben herstellbar ist.
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Dieses zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass ein chemisch stark vorgespanntes Substrat randseitig eine Bruchkante aufweist, entlang der es mittels eines spannungsinduzierenden Verfahrens gebrochen wurde.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung soll im Folgenden bezugnehmend auf die Zeichnungen 1 bis 5 anhand eines schematischen Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
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1 zeigt schematisch dargestellt ein Glassubstrat 1, welches entlang der Linien 2 in mehrere Teilstücke 1a, 1b vereinzelt werden soll.
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Wie in 2 dargestellt, wird das Substrat entlang der zwischen den Teilstücken 1a, 1b liegenden Linie 2 auf beiden Seiten gleichzeitig mittels gegenüberliegender Laser 3 erwärmt.
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Die Eindringtiefe der chemisch vorgespannten Schicht 5 ist mittels einer gestrichelten Linie angedeutet. In diesem Bereich weist das Substrat eine hohe Druckspannung auf.
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Zu erkennen ist der Bereich 4, innerhalb dessen sich das Substrat durch die Laserstrahlung, welche in diesem Ausführungsbeispiel überwiegend an der Oberfläche des Substrates absorbiert wird, auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur, vorzugsweise oberhalb der oberen Kühltemperatur, erwärmt.
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Wie nunmehr in 3 dargestellt, hat sich durch die zeitweise lokale Erwärmung über einen Zeitraum von mehr als einer Sekunde das Material im Bereich des Bereichs 4 relaxiert, und die vorgespannte Schicht 5 ist in diesem Bereich 4 zwischen den Teilstücken 1a und 1b nicht mehr vorhanden.
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Entlang der Linie 2 kann nunmehr das Substrat mittels spannungsinduzierender Trennverfahren vereinzelt werden.
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4 zeigt schematisch, wie die Prozessführung bei der Herstellung des Displays eines Mobiltelefones durch die Erfindung vereinfacht werden kann.
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Im Prozessschritt I wird ein Glassubstrat 1 bereitgestellt.
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Sodann wird das Glassubstrat 1 im Schritt II in einem Salzbad 6 chemisch vorgespannt.
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In Schritt III wird das bereits vorgespannte Substrat mit elektrischen Bauelementen zur Ausbildung eines Displays 7 versehen. Weiter kann, wie hier dargestellt, auch ein Rahmen 8, etwa als aufgesputterte Metallschicht, aufgebracht werden.
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In Schritt IV wird nunmehr zwischen den Einzelstücken entlang der Linie 2 das Substrat lokal erwärmt, um die chemische Vorspannung entlang der Trennlinien abzubauen.
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Es versteht sich, dass das Erwärmen auch vor dem Aufbringen der elektronischen Bauelemente erfolgen kann.
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Im Schritt V wird das Substrat spannungsinduziert in Teilstücke 1a, 1b vereinzelt, welche nunmehr bereits als Display ausgebildet sind.
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Es versteht sich, dass sodann noch eine weitere Nachverarbeitung, wie beispielsweise das Schleifen und Polieren von Kanten, erfolgen kann.
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5 zeigt anhand eines Flussbildes die wesentlichen Verfahrensschritte eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. Zunächst wird ein Glassubstrat bereitgestellt. Sodann wird das Glassubstrat lokal entlang einer Linie über die Glasübergangstemperatur Tg erwärmt. Anschließend wird das Substrat in einem Salzbad chemisch vorgespannt. Auf das noch nicht vereinzelte Substrat werden Leiterbahnen und Halbleiterbauelemente zur Ausbildung eines Displays aufgebracht. Sodann wird das Substrat spannungsinduziert vereinzelt, indem es entlang der Linien angeritzt und durch Brechen getrennt wird.
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Durch die Erfindung konnte ein einfaches Verfahren zum Vereinzeln von Glassubstraten bereitgestellt werden, mit welchem chemisch vorgespannte Glassubstrate nach dem Vorspannen getrennt werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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