JP2011509911A - レーザ罫書き後に流体を除去する装置および方法 - Google Patents

Abstract

レーザ罫書き中に基板（５０）の表面を乾燥させるための装置である。レーザ罫書きプロセス中、細い冷却用液体ジェット（１００）がレーザビーム（２００）を追跡し、部分的な亀裂を生成して伝搬させる。罫書きの精度とプロセス全体の安定性は、このビームと流体流の位置合わせの確度に依存する。一態様において、この装置は、少なくとも１つのノズル開口（３２０）と連通している少なくとも１つの内部チャンバ（３１０）を備えた導管（３００）を有する。導管は、加圧ガスをチャンバ内に導入するため加圧ガス源と連通されるように構成されている。加圧ガスは、基板表面から冷却用流体を除去するために用いられるガスカーテン（１１０）を形成する。

Description

関連出願の説明

本出願は、その内容が引用されその全体を参照することにより本明細書に組み込まれる、２００８年１月１５日に出願された米国特許出願第１２／００８８９２号の優先権の利益を主張するものである。

本発明の分野は、一般にガラス基板のレーザ罫書きに関し、より具体的には、レーザ罫書き後に冷却用流体を除去する装置および方法に関する。

ＬＣＤガラスの製造では、ガラス基板の切断は欠かせないものになっている。機械的なスクライブ・ブレーク法による従来型のガラスの分割では、エッジに沿ってマイクロクラックが生じ、エッジに追加の処理が施されなければマクロクラックに伸展する可能性がある。レーザを使用して基板表面に罫書きを行うと、マイクロクラックを防ぐ助けとなり、このレーザ罫書きによるエッジの品質は著しく向上する。レーザで切断された脆性材料のエッジ強度は、従来の方法で得られる強度よりも最大３０％高いと計算されている。さらに、レーザで切断された材料の曲げ強度は、最大１００％まで改善することができる。

作動中、熱誘導レーザ分割は粒子を発生させない非接触の方法であり、またガラスに対するレーザ配向の柔軟性により事実上任意の切断線を生成することができる。典型的には、ガラスの表面部分は赤外スペクトル領域で動作するＣＯ₂レーザによって加熱される。レーザビームはガラスに対して移動し、そしてレーザに曝されたガラス表面は最適な距離からその後冷却される。一態様では、「加熱された」切断線に沿った局所表面をすぐに冷やすように冷却剤が施される。

冷却プロセス中に生じる引張応力がガラス表面上の最初のひびを伝搬し、部分的な亀裂（partial vent）を形成する。様々な種類の冷却剤の使用が可能であるが、罫書きするガラスがＬＣＤ基板のような極めて低い膨張率を有するものである場合には、冷却剤は一般に水または水のエアゾールである。この態様において、水のほとんどはレーザビームによって発生した熱によりプロセス中に蒸発する。しかしながら、いくつかの用途ではいくらかの冷却剤が基板上の罫書き線近傍の領域に残存してしまい、表面を確実に乾燥させ清潔に保つためにこの残存している冷却剤を除去しなければならない。

所望されているのは、概して冷却剤ジェットを干渉したりまたはガラスに撓みや振動を生じさせたりしない、非接触性の装置である。さらに、ガラス表面の相対運動が高速であるときに、非常に効果的に冷却剤を包含および除去できる装置が望まれている。

本発明は、シート材料のレーザ罫書き用の装置および方法に関する。本発明のプロセスの特定の実施形態では、急冷液をその表面から除去する工程を含む。一実施の形態では、レーザ罫書きプロセス中、細い冷却用の液体ジェットがレーザビームを追跡し、部分的な亀裂を生成して伝搬させる。一般に、罫書きの精度とプロセス全体の安定性は、レーザビームと液体ジェットの位置合わせの確度に依存する。ガラス表面から流体を除去する際には、冷却用液体ジェットの位置や安定性に影響を与えないようにするべきであると意図される。

本発明の第１の態様によれば、シート材料を分割するためのレーザ罫書きプロセスが提供され、
レーザビームをシート材料の表面上に線に沿って照射する工程、
レーザビームの後に、このレーザビームと実質的に同じ経路に沿って、急冷液流を表面上に送出する工程、および、
この液流を部分的に包囲する湾曲したガスカーテンを表面に向けることによって、急冷液を表面から除去する工程、
を含む。

本発明の第２の態様によれば、この装置は、少なくとも１つのノズル開口と流体連通している少なくとも１つの内部チャンバを備えた導管を含む。この導管は、加圧ガスを内部チャンバに導入するため加圧ガス源と連通されるように構成されている。一態様において、この導管は、第１端部および第２端部を、この第１および第２端部の間に位置する中間部分の各末端と接続させて備えてもよい。別の態様において、第１端部、第２端部、および中間部分それぞれが互いに対して同軸上に位置しないように導管を形作ることができる。

本発明の好適な実施形態のこれらおよびその他の特徴は、添付の図面を参照してなされる詳細な説明の中でより明らかになるであろう。

本発明による、基板の表面を乾燥させるための装置の一実施の形態を部分的に透視して示す斜視図 複数の内部チャンバ、複数のノズル開口、および出口角を示す、図１の乾燥用装置の前面を切り欠いた正面図 約９０°の出口角を示す、図１の乾燥用装置の前面を切り欠いた正面図 装置の中間部分の内部チャンバを示す、図１の乾燥用装置の左側を切り欠いた正面図 図１の乾燥用装置の上面図 装置から基板に向かって放出されているガスカーテンを示す、図１の乾燥用装置の一実施形態の斜視図 レーザビームおよび液体ジェットに対して配置された、図１の装置の上面図 短くされた細長いノズル開口を示す、図１の乾燥用装置の前面を切り欠いた正面図 図３の装置が基板から約４ｍｍ離れているときの基板上の静圧等高線を示す概略図 図３の装置が基板から約１０ｍｍ離れているときの基板上の静圧等高線を示す概略図 図３の装置が基板から約２０ｍｍ離れているときの基板上の静圧等高線を示す概略図 図８の装置が基板から約２０ｍｍ離れているときの基板上の静圧等高線を示す概略図

本発明は、以下の詳細な説明、実施例、図面および請求項、そしてこれらの前後の説明を参照することによって、より容易に理解することができる。しかしながら、本発明の装置、システム、および／または方法を開示および説明する前に、本発明は、他に特に規定がなければ当然変化し得るものとして、開示された具体的な装置、システム、および／または方法に限られるものではないことを理解されたい。また、本明細書で用いられる専門用語は、特定の態様を説明するためだけのものであり、限定することを意図するものではないことも理解されたい。

本発明の以下の説明は、本発明の有効な教示として、現在知られている最良の実施形態で与えられる。このため関連技術の当業者は、本明細書で説明する本発明の種々の態様に対し、本発明の有益な結果を享受しながら様々な変化を加えることが可能であることを認識かつ理解するであろう。また、本発明の望ましい利益のいくつかは、本発明の特性のいくつかを選択することによって他の特性を用いることなく得ることができることも明らかであろう。したがって、本発明の様々な変更や改作が可能であり、特定の状況では望ましくさえあり得るものであり、さらにこのような変更や改作が本発明の一部であることを当業者は認識するであろう。すなわち、以下の説明は本発明の原理の実例として提供されるものであり、それを制限するものではない。

本明細書を通じて、文脈から明らかに他に指示されていなければ、単数形は複数の指示対象を含む。すなわち、例えば「ノズル開口」への言及は、文脈から他に指示されていなければ、２以上のこのノズル開口を含むことがある。

本明細書では、範囲が、「約」ある特定の値から、および／または「約」別の特定の値まで、と表現されることがある。範囲がこのように表現されているとき、ある特定の値からおよび／または他の特定の値まで、は別の態様に含まれる。同様に、値が先行詞「約」を用いて近似値で表現されているとき、その特定の値は別の態様を形成することを理解されたい。さらに、各範囲の端点は、他方の端点との関連でも重要であるし、かつ他方の端点とは関係なく重要でもあることを理解されたい。

本明細書で「随意的な」または「随意的に」という用語が用いられるときには、続いて説明される事象や状況が起こってもよいし起こらなくてもよいことを意味し、説明には、前記事象や状況が起こる事例とこれが起こらない事例とが含まれる。

本発明は、レーザ罫書き中に基板５０の表面を乾燥させる装置および方法に関する。レーザ罫書きプロセス中、細い冷却用液体ジェット１００がレーザビーム２００を追跡し、部分的な亀裂を生成して伝搬させる。罫書きの精度とプロセス全体の安定性は、このビームと流体流の位置合わせの確度に依存する。そのため、表面からの流体の除去は、冷却用液体ジェット１００の位置や安定性に影響を与えないようになされるべきである。好適な実施形態においては、基板５０を静止させて、レーザビーム２００および乾燥用装置を実質的に罫書き経路２１０に沿って移動させているが、レーザを静止させて基板を移動させることも意図される。さらに、一態様において冷却用液体ジェットから噴射されている流体は水である。しかしながら、他の冷却用流体も考えられ、例えば限定することを意図するものではないが、液体窒素、空気および水の混合物（air-water mix）、脱イオン水と混合したエチルアルコール、または二酸化炭素が挙げられる。レーザビームは基板材料に吸収されると移動経路に沿った領域の温度を高いレベルにまで加熱する。冷却用流体流は急冷媒体として作用し、レーザビームの移動経路を追跡することによりクラックを発生させその経路に沿って伝搬させる。

本発明の方法によれば、罫書き対象の基板表面に対し、湾曲したガスカーテンが向けられる。特定の実施形態において、カーテンは急冷液を少なくとも部分的に包囲することが望ましい。特定の実施形態において、ガスカーテンは急冷液流と実質的に同じ方向に移動する。他の特定の実施形態において、ガスカーテンは基板に対し実質的に静止して維持される。他の特定の実施形態において、ガスカーテンは基板表面から急冷液を実質的に完全に除去する。他の特定の実施形態において、カーテンのガスは空気を含む。

一態様において、この装置は、少なくとも１つの内部チャンバ３１０を備えた導管３００を含む。導管３００の外表面３０２の一部に設けられた少なくとも１つのノズル開口３２０がチャンバ３１０と連通している。導管は、加圧ガスをチャンバ内に導入するため加圧ガス源と連通されるように構成されている。一態様において、導管は、第１端部３３０と、第２端部３４０と、実質的に第１および第２端部の間に位置する中間部分３５０とを有する。別の態様において、導管は、第１端部３３０、第２端部３４０、および中間部分３５０が、共通の直線上にないように形作られる。したがって、一例示的態様において、導管３００は実質的にＵ字状である。別の例示的態様において、導管は実質的にＣ字状である。さらに別の例示的態様において、導管は実質的にＶ字状である。ただし、他の導管形状もまた意図される。

当然のことながら、内部チャンバが受け入れた加圧ガスの層流を、導管３００の形状に実質的に一致するガスカーテン１１０を形成する形で基板表面に向けて噴射するように構成された、１以上のノズル開口３２０を設けてもよい。「カーテン」は、ガスが薄層による仕切りを形成することを意図している。このカーテン１１０は、連続的な区域を有するものでも断続的な区域を有するものでもよく、または、実質的に連続的でもよいし、あるいは実質的に断続的でもよい。

一態様においては、複数の内部チャンバが設けられる。例えば、限定することを意図するものではないが、３つの内部チャンバ３１０を設け、この内部チャンバの少なくとも１つを導管の中間部分で画成し、この内部チャンバの少なくとも１つを第１端部で画成し、そしてこの内部チャンバの少なくとも１つを第２端部で画成してもよい。各チャンバ３１０を加圧ガス源と連通されるように構成してもよいし、あるいはチャンバを互いに連通させ、各チャンバのうち１つを加圧ガス源と連通させてもよい。別の態様において、チャンバそれぞれが加圧ガス源と連通されるように構成された場合、チャンバそれぞれの加圧ガスの流れを個別に制御することもできる。一例示的態様において、加圧ガスは空気を含むが、その他のガスも意図される。

別の態様において、この装置は少なくとも３つのノズル開口を含む。ノズル開口のうち１つは中間部分の外表面３０２に画成され、導管の中間部分に画成された内部チャンバ３１０と連通する。別のノズル開口は、導管の第１端部の外表面に画成され、導管の第１端部に画成された内部チャンバと連通する。第３のノズル開口３２０は、導管３００の第２端部の外表面に画成され、導管の第２端部に画成された内部チャンバと連通する。図示のように、一態様においては、第１、第２および第３のノズル開口が画成された外表面それぞれは実質的に同一平面上にある。

別の態様において、ノズル開口は、導管の概して同一平面上の表面部分に画成された細長いスリットとしてそれぞれ形成される。上述したように、各ノズル開口は加圧ガスの層流を基板表面に向けるよう構成される。一例示的態様において、ノズル開口は加圧ガスの層流を約３０°から約９０°の範囲の出口角αで基板５０の表面に向けるよう構成される。別の態様において、ノズル開口は加圧ガスの層流を約３０°から約４５°の範囲の出口角αで基板表面に向けるよう構成される。さらに別の態様において、ノズル開口は加圧ガスの層流を約７５°から約９０°の範囲の出口角で基板５０の表面に向けるよう構成される。一態様において、ノズルからの出口角αは基板表面に対する入射角度と相補的である。

出口角に加え、外表面の形状やチャンバおよびノズル開口の具体的形状は、流体除去装置の性能に大きな影響を与え得る。本発明の少なくとも２つの態様についてプロトタイプテストが完了した。一態様では、図１に示すようにノズル開口は細長スリットを備える。この開口に対し、約３０°から約９０°の範囲のいくつかの出口角でテストを行った。結果として、出口角が約７５°から約９０°の態様では、冷却用流体ジェットへの影響はごくわずかであった。一方これより小さい出口角では、洗浄効果は向上したが、冷却用流体ジェットへの干渉が増加した。予想できるであろうが、図９〜１１は、装置の位置が基板から離れるに従って基板上の静圧が減少することを示している。これらの図において、明るい部分は静圧がより高い場所を表している。図９は装置が４ｍｍの位置にあるときの静圧の等高線を示し、図１０は１０ｍｍ、そして図１１は２０ｍｍでの静圧等高線を示す。このように、基板上での静圧等高線は装置の位置が基板から離れるに従って明確ではなくなる。

別の態様として、図８に示した流体除去装置でのテストを実施した。この場合のノズル開口は、図２および３の装置よりも短い細長スリットを備えている。この形状のため、チャンバの内壁により誘導されるガス流の乱れが減少し、結果として流体除去装置から遠く離れた位置での乱流ガス流が減少する。図１２はこれについて示したものであり、この図は図８の装置を２５ｍｍ前後に位置付けたときの基板上での静圧等高線を示している。このように、図１１と図１２とを対比させると明らかであるが、この装置は図２および３の装置よりも長い範囲（すなわち、２５ｍｍ）でより効果的となるようであった。さらに、基板により近い距離（すなわち、１０ｍｍ）では、より長い細長スリットを備えている装置の方が、短い細長スリットを備えている装置よりも効果的であることも示された。

ここで図７を参照すると、冷却液源はレーザビーム２００の罫書き経路２１０を実質的に追跡する。一態様において、導管は、導管の第１および第２端部それぞれと中間部分３５０とによって形成される空洞３６０内に設置された冷却液源を少なくとも実質的に包み込む。この態様では、明らかであろうが、ガスカーテン１１０が冷却液源を部分的に包囲し、そして冷却液源が移動するときに、ガスカーテンが基板から冷却用液体を実質的に取り除き、基板をさらに濡らすのを防ぐ。一態様において、この装置は使用時に基板から約０．５ｍｍから約５０ｍｍ離れたところに位置付けられる。別の態様において、この装置は使用時に基板から約１ｍｍから約１２ｍｍ離れたところに位置付けられる。

一態様において、導管は、いくつかの十分剛性のかつ耐久性のある材料を含んでもよい。例えば、限定することを意図するものではないが、導管は、スチール、アルミニウム、真鍮、ニッケル、または他の金属合金やポリマーなどを含んでもよい。さらに別の態様では、外部の気流のいくらかをガスカーテンの方向に向けるよう、コアンダ効果の発生に有益な影響を与え得るわずかな丸みを、図１に示すように外表面に設けてもよい。有益性が示された導管の表面特性のいくつかとして、低い表面粗さ（ＡＡ粗さスケールで約３２以下）、レーザ罫書きプロセスの典型的な動作環境温度に耐える能力、および耐腐食性が挙げられる。通常の当業者には、導管に適するあるいは適さない材料の種類は明らかであろう。

本発明のいくつかの実施形態について上記詳述で開示してきたが、上述の説明および関連する図面で提示された教示を利用して、本発明の多くの改変や他の実施形態が本発明に関連して思いつくであろうことを当業者には理解されたい。すなわち、本発明はこれまでに開示された具体的な実施形態に限定されるものではなく、多くの改変および他の実施形態が添付の請求項の範囲内に含まれると意図されていることを理解されたい。さらに、本明細書および以下の請求項では具体的な用語が用いられているが、これらは単に総称的また説明的な意味で用いられているものであり、説明された発明や以下の請求項を限定するためのものではない。

１００ 冷却用液体ジェット
１１０ ガスカーテン
２００ レーザビーム
２１０ 罫書き経路
３００ 導管
３０２ 外表面
３１０ 内部チャンバ
３２０ ノズル開口
３３０ 第１端部
３４０ 第２端部
３５０ 中間部分

Claims (10)

1. シート材料を分割するためのレーザ罫書きプロセスであって、
   レーザビームを前記シート材料の表面上に線に沿って照射する工程、
   前記レーザビームの後に、該レーザビームと実質的に同じ経路に沿って、急冷液流を前記表面上に送出する工程、および、
   前記液流を部分的に包囲する湾曲したガスカーテンを前記表面に向けることによって、前記急冷液を前記表面から除去する工程、
   を含むことを特徴とするレーザ罫書きプロセス。
2. 前記湾曲したガスカーテンが、前記液流の前記表面上での所望の移動経路を実質的に変化させないことを特徴とする請求項１記載のレーザ罫書きプロセス。
3. 前記シート材料がガラスを含み、かつ前記急冷液流が水を含むことを特徴とする請求項１または２記載のレーザ罫書きプロセス。
4. 前記ガスカーテンが、実質的に前記表面を乾燥させることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載のレーザ罫書きプロセス。
5. 前記ガスカーテンが、装置によって前記表面に送出されるものであり、該装置が、
   外表面を有し、かつ少なくとも１つの内部チャンバを画成し、さらに該少なくとも１つのチャンバと連通している少なくとも１つのノズル開口を前記外表面の一部に画成している、導管であって、第１端部と、第２端部と、該第１および第２端部の実質的に間に位置する中間部分とを有し、該第１端部、第２端部、および中間部分が共通の直線上にないように形作られた導管を備え、
   前記少なくとも１つのノズル開口が、前記少なくとも１つの内部チャンバが受け入れた加圧ガスの層流を、前記導管の形状に実質的に一致するガスカーテンを形成する形で前記シート材料の表面に向けて噴射するように構成されることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載のレーザ罫書きプロセス。
6. 基板表面をレーザ罫書き中に乾燥させるための装置であって、該装置が、
   外表面を有し、かつ少なくとも１つの内部チャンバを画成し、さらに該少なくとも１つのチャンバと連通している少なくとも１つのノズル開口を前記外表面の一部に画成している、導管であって、第１端部と第２端部と実質的に該第１および第２端部の間に位置する中間部分とを有し、該第１端部、第２端部、および中間部分が共通の直線上にないように形作られた導管を備え、
   前記少なくとも１つのノズル開口が、前記少なくとも１つの内部チャンバが受け入れた加圧ガスの層流を、前記導管の形状に実質的に一致するガスカーテンを形成する形で前記基板表面に向けて噴射するように構成されることを特徴とする装置。
7. 前記導管が、概してＵ字状、Ｖ字状、またはＣ字状であることを特徴とする請求項６記載の装置。
8. 前記少なくとも１つの内部チャンバが、複数の内部チャンバを備えていることを特徴とする請求項６または７記載の装置。
9. 前記少なくとも１つの内部チャンバが少なくとも３つの内部チャンバを備え、かつ該内部チャンバの少なくとも１つが前記導管の前記中間部分で画成され、前記内部チャンバの少なくとも１つが前記導管の前記第１端部で画成され、さらに前記内部チャンバの少なくとも１つが前記導管の前記第２端部で画成されることを特徴とする請求項６から８いずれか１項記載の装置。
10. 前記少なくとも１つのノズル開口が少なくとも３つのノズル開口を備え、かつ該複数のノズル開口のうち第１ノズル開口が、前記中間部分の外表面に画成されかつ前記導管の前記中間部分に画成された前記少なくとも１つの内部チャンバと連通し、前記複数のノズル開口のうち第２ノズル開口が、前記導管の前記第１端部の外表面に画成されかつ前記導管の前記第１端部に画成された前記少なくとも１つの内部チャンバと連通し、さらに前記複数のノズル開口のうち第３ノズル開口が、前記導管の前記第２端部の外表面に画成されかつ前記導管の前記第２端部に画成された前記少なくとも１つの内部チャンバと連通していることを特徴とする請求項６から９いずれか１項記載の装置。

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