JP6273231B2

JP6273231B2 - 精密レーザ罫書き

Info

Publication number: JP6273231B2
Application number: JP2015107338A
Authority: JP
Inventors: エイアブラーモフアナトリー; ウーチー; ヂョウナイユエ
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 2009-03-20
Filing date: 2015-05-27
Publication date: 2018-01-31
Anticipated expiration: 2030-03-19
Also published as: US9302346B2; CN102686354A; JP2012521339A; CN102686354B; KR20120004456A; US20120000894A1; TW201043588A; WO2010108061A3; TWI490176B; KR20170082649A; WO2010108061A2; JP2015221745A

Description

関連出願の説明

本出願は、２００９年３月２０日に出願された、米国仮特許出願第６１／１６１９８０号の優先権の利益を主張するものである。

本発明はレーザ切断技術に関する。特に、本発明はガラスシートなどの無機シート材料の、レーザ加熱を使用した切断に関する。本発明は、とりわけＬＣＤガラス基板の精密罫書きに有用である。

１枚の無機材料の分割は、例えば、線鋸、帯鋸などの機械的設備およびプロセスにより達成することができる。ガラス材料では、機械的罫書き（すなわち、表面上への罫書き線の形成）の後に屈曲させて割ることで分割することが可能である。機械的罫書きでは、摩擦を介してバルクすなわち表面材料の一部を取り除くことが必要であり、これが粒子の形成に繋がる。この粒子は、切断対象の材料の表面を汚染したり、あるいはこれに損傷を与えたりさえする可能性がある。さらに、機械的な罫書きおよび切断により生成されるガラスシートのエッジ品質は、例えばＬＣＤパネル製造などの用途に要求される厳しい要件を満たしていないことが多い。

機械的罫書きに代わる切断および罫書き技術として、レーザ罫書きが報告されている。約１０．６μｍの波長を有するＣＯ₂レーザを吸収性のガラス材料に対して照射すると、その露出領域の温度を上昇させることができる。補助的に冷却材を使用して、または使用しなくても、その照射の吸収による温度勾配が生じさせる引張応力が、ガラスシートの直接の分割に、あるいは、機械的曲げの助けを借りてガラスシートを分割させることが可能な欠陥（「割れ目」）ラインの形成に繋がり得る。

レーザ罫書きプロセスに関連する、速度、レーザ出力、プロセスウインドウ、残留応力などのパラメータは、ガラスの熱特性やレーザビームの性質―ビーム形状、サイズ、さらにその強度プロファイル、を含む、多くの要因に依存する。

大型のＬＣＤパネルの製造、および多くの他のガラス基板を使用している製品の製造においては、ガラスの基板サイズがある世代から次世代へと益々大型になっていったとしても、ガラス基板のエッジが切断したままの状態で高品質であること、そして高速および高効率で製造可能であることが非常に望ましい。このことが、伝統的な機械的罫書き技術およびレーザ罫書き技術に対して同様に、大きな課題を提示した。

すなわち、精密なガラス切断技術が必要とされている。本発明は、従来のレーザ罫書き技術を改善するものとして、この要望および他の要望に応えるものである。

本発明のいくつかの態様がここで開示される。これらの態様は、互いに重複するかもしれないし、あるいは重複しないかもしれないことを理解されたい。すなわち、１つの態様の一部は別の態様の範囲内となるかもしれないし、逆もまた同様である。

各態様は多くの実施形態によって示され、これがさらに、１以上の具体的な実施形態を含むことがある。これらの実施形態は、互いに重複するかもしれないし、あるいは重複しないかもしれないことを理解されたい。すなわち、１つの実施形態の一部またはその具体的な実施形態は、別の実施形態またはその具体的な実施形態の範囲内となるかもしれないし、範囲内とならないかもしれないし、逆もまた同様である。

本発明の第１の態様によれば、シートを分割するプロセスが提供され、このプロセスは、
（Ｉ）細長いレーザビームを提供するステップであって、この細長いレーザビームが、シートの表面に遮られる位置で幅Ｗ（ＬＢ）および長さＬ（ＬＢ）を有し、さらにこの細長いレーザビームの、幅に沿ったエネルギー分布がＳモード、かつ長さに沿ったエネルギー分布がフラットトップモードのプロファイルである、該ステップ、
（ＩＩ）シートの罫書き線に沿ってこのシートの表面の一部をレーザビームに露出し、この露出された領域の温度を上昇させるステップであって、露出領域全体の、幅がＷ（ＥＡ）、長さがＬ（ＥＡ）であって、Ｗ（ＥＡ）≒Ｗ（ＬＢ）（特定の実施形態においては、Ｗ（ＥＡ）／Ｗ（ＬＢ）≦１．４；特定の他の実施形態ではＷ（ＥＡ）／Ｗ（ＬＢ）≦１．３、特定の他の実施形態ではＷ（ＥＡ）／Ｗ（ＬＢ）≦１．２、特定の他の実施形態ではＷ（ＥＡ）／Ｗ（ＬＢ）≦１．１、特定の他の実施形態ではＷ（ＥＡ）／Ｗ（ＬＢ）≦１．０５）であり、さらにこの罫書き線が、露出領域内にありかつＬ（ＬＢ）に本質的に平行である、該ステップ、および、
（ＩＩＩ）シートを、罫書き線に沿って実質的に直線的に分割するステップ、
を含む。

本発明の第１の態様によるプロセスの第１の実施形態において、ステップ（Ｉ）で提供されるレーザビームは、約１０．６μｍの波長で動作するＣＯ₂レーザなどの、ＩＲレーザビームである。ＬＣＤガラス基板用のアルミノケイ酸塩ガラス材料など、多くの無機ガラス材料はＣＯ₂レーザを吸収することができる。

本発明の第１の態様によるプロセスの第２の実施形態において、ステップ（ＩＩ）は、
（ＩＩ−１）レーザビームを、シートの表面上の露出領域内の罫書き線に沿って、Ｌ（ＬＢ）に本質的に平行な方向に移動させるステップ、
を含む。

上に概略を記述した本発明の第１の態様によるプロセスの第２の実施形態における、特定の具体的な実施形態において、ステップ（ＩＩ−１）でのレーザビームの移動速度は、少なくとも３００ｍｍ／秒である。特定の他の実施形態において、ステップ（ＩＩ−１）でのレーザビームの移動速度は、少なくとも７５０ｍｍ／秒である。

本発明の第１の態様によるプロセスの第３の実施形態において、ステップ（Ｉ）において提供されたレーザビームのアスペクト比は少なくとも３０であり、特定の他の実施形態では少なくとも４０、特定の他の実施形態では少なくとも５０、特定の他の実施形態では少なくとも８０、特定の他の実施形態では少なくとも１００、特定の実施形態では少なくとも２００、特定の実施形態では最大で４００、特定の他の実施形態では最大で３００である。

本発明の第１の態様によるプロセスの第４の実施形態において、ステップ（Ｉ）において提供されたレーザビームの幅は、０．５ｍｍから３ｍｍまでの範囲内である。

本発明の第１の態様によるプロセスの第５の実施形態において、シートは本質的に、無機ガラス材料、ガラスセラミック材料、またはセラミック材料から成るものである。第５の実施形態における特定の具体的な実施形態において、シートは本質的に無機ガラス材料から成るものである。第５の実施形態における特定の具体的な実施形態において、分割されたガラスシートの罫書き線沿いのエッジの、全体のうねりは、５０μｍ以下である。

本発明の第１の態様によるプロセスの第７の実施形態において、Ｌ（ＥＡ）≧２０００ｍｍ、特定の具体的な実施形態ではＬ（ＥＡ）≧２４００ｍｍ、特定の具体的な実施形態ではＬ（ＥＡ）≧２８００ｍｍ、特定の他の具体的な実施形態ではＬ（ＥＡ）≧３０００ｍｍである。

本発明の第１の態様によるプロセスの第８の実施形態において、このプロセスは、ステップ（ＩＩ）とステップ（ＩＩＩ）の間に、
（ＩＩａ）少なくとも露出領域の一部を、露出直後に、流体により冷却するステップ、
をさらに含む。

上に概略を記述した本発明の第１の態様によるプロセスの第８の実施形態における、特定の具体的な実施形態において、ステップ（ＩＩａ）は、露出領域全体の一部がレーザビームに露出されている間に実行される。

本発明の第１の態様によるプロセスの第９の実施形態において、このプロセスは、ステップ（ＩＩ）とステップ（ＩＩＩ）の間に、
（ＩＩｂ）ガラスシートを罫書き線に沿って曲げるステップ、
をさらに含む。

本発明の第１の態様によるプロセスの第１０の実施形態において、ステップ（Ｉ）は、
（Ｉ−１）円形レーザビームを提供するステップであって、この円形レーザビームが直径Ｄ（ＣＬＢ）を有し、かつこのビームの任意の直径に沿ったエネルギー分布がＳモードである、該ステップ、および、
（Ｉ−２）円形レーザビームを光学アセンブリに通過させることによって、円形レーザビームから細長いレーザビームへと変形させるステップであって、この光学アセンブリが、Ｗ（ＬＢ）に沿ったＳモードのエネルギー強度分布を維持しながらＬ（ＬＢ）に沿ったエネルギー強度分布をＳモードからフラットトップモードのプロファイルに変換させるよう適合されたものである、該ステップ、
を含む。

本発明の第１の態様によるプロセスの第１０の実施形態における特定の具体的な実施形態において、ステップ（Ｉ−２）での光学アセンブリは、Ｗ（ＬＢ）＜Ｄ（ＣＬＢ）となるように選択され、特定の実施形態ではＷ（ＬＢ）≦０．８Ｄ（ＣＬＢ）、特定の実施形態ではＷ（ＬＢ）≦０．６Ｄ（ＣＬＢ）、特定の実施形態ではＷ（ＬＢ）≦０．５Ｄ（ＣＬＢ）、特定の実施形態ではＷ（ＬＢ）≦０．４Ｄ（ＣＬＢ）、特定の実施形態ではＷ（ＬＢ）≦０．３Ｄ（ＣＬＢ）、特定の実施形態ではＷ（ＬＢ）≦０．２Ｄ（ＣＬＢ）、特定の他の実施形態ではＷ（ＬＢ）≦０．１Ｄ（ＣＬＢ）、特定の他の実施形態ではＷ（ＬＢ）≦０．０５Ｄ（ＣＬＢ）、特定の他の実施形態ではＷ（ＬＢ）≦０．０３Ｄ（ＣＬＢ）となるように選択される。

本発明の第１の態様によるプロセスの第１０の実施形態における特定の具体的な実施形態において、ステップ（Ｉ−２）での光学アセンブリは、円形レーザビームの寸法をＷ（ＬＢ）方向において減少させるよう動作する第１レンズ（集中性のシリンドリカルレンズなど）、および、（ａ）ビームの寸法をＬ（ＬＢ）方向において増加させかつ（ｂ）Ｌ（ＬＢ）方向におけるエネルギー分布のプロファイルをＳモードからフラットトップモードに変換させるよう動作する第２レンズ（発散性の変形シリンドリカルレンズなど）、を含む。

本発明の第１の態様によるプロセスの第１０の実施形態における特定の具体的な実施形態において、ステップ（Ｉ−２）での光学アセンブリは単一のレンズを含み、このレンズは、（ｉ）円形レーザビームの寸法をＷ（ＬＢ）方向において減少させ、かつ（ｉｉ）円形レーザビームの寸法をＬ（ＬＢ）方向において増加させるとともにこのビームのＬ（ＬＢ）方向におけるエネルギー分布をＳモードからフラットトップモードに変換させるよう動作する。

本発明の第２の態様によれば、ガラスシートをこのガラスシート表面内の本質的に直線状の罫書き線に沿って分割するための装置が提供され、この装置は、
（Ａ）円形レーザビームを生成するよう適合されたレーザ発生器であって、この円形レーザビームが直径Ｄ（ＣＬＢ）を有するものであり、かつこのビームの任意の直径に沿ったエネルギー分布がＳモードである、レーザ発生器、および、
（Ｂ）円形レーザビームを細長いレーザビームへと変形させるよう適合された光学アセンブリであって、この細長いレーザビームが、ガラスシートの表面に遮られる位置で幅Ｗ（ＬＢ）および長さＬ（ＬＢ）を有するものであり、さらにこの細長いレーザビームの、Ｗ（ＬＢ）方向に沿ったエネルギー分布がＳモードであり、かつＬ（ＬＢ）方向に沿ったエネルギー分布がフラットトップモードである、光学アセンブリ、
を含む。

本発明の第２の態様による装置の第１の実施形態において、この装置は、
（Ｃ）シート表面の細長いレーザビームに露出される領域に、冷却流体流を送出するよう適合されたノズル、
をさらに含む。

本発明の第２の態様による装置の第２の実施形態において、この装置は、
（Ｄ）ガラスシートを罫書き線に沿って屈曲させ、かつ分割する機器、
をさらに含む。

本発明の第２の態様による装置の第３の実施形態において、光学アセンブリ（Ｂ）は、円形レーザビームの寸法をＷ（ＬＢ）方向において減少させるよう適合された第１レンズ、および、（ａ）ビームの寸法をＬ（ＬＢ）方向において増加させかつ（ｂ）Ｌ（ＬＢ）方向におけるエネルギー分布のプロファイルをＳモードからフラットトップモードに変換させるよう適合された第２レンズ、を含む。

本発明の第２の態様による装置の第３の実施形態における特定の具体的な実施形態において、第１レンズは集中性のシリンドリカルレンズであり、かつ第２レンズは発散性の変形シリンドリカルレンズである。

本発明の第２の態様による装置の第４の実施形態において、光学アセンブリ（Ｂ）は単一のレンズを含み、このレンズは、（ｉ）円形レーザビームの寸法をＷ（ＬＢ）方向において減少させ、かつ（ｉｉ）このレーザビームの寸法をＬ（ＬＢ）方向において増加させるとともにこのレーザビームのＬ（ＬＢ）方向におけるエネルギー分布をＳモードからフラットトップモードに変換させるよう適合されたものである。

本発明の１以上の態様の１以上の実施形態は、以下のような利点を有している。第１に、レーザビームの幅Ｗ（ＬＢ）に沿ったそのエネルギー分布のプロファイルにより、非常に精密な罫書きを達成することができる。第２に、切断幅が少なくとも２０００ｍｍであるような大型のガラスシートであっても、または２８００ｍｍ超などの２４００ｍｍ以上のもの、あるいは３０００ｍｍを超えるものでさえも、精密なレベルを実現することができる。第３に、本発明を使用すると、例えばフュージョンダウンドローガラス製造プロセスの延伸領域の下部などで、罫書き方向に垂直な方向へとガラスが地面に対して相対的に動いている間に、少なくとも７５０ｍｍ／秒での高速切断を達成することができる。

本発明のさらなる特徴および利点は以下の詳細な説明の中で明らかにされ、ある程度は、その説明から当業者には容易に明らかになるであろうし、あるいは書かれた説明およびその請求項の他、添付の図面の中で説明されたように本発明を実施することにより認識されるであろう。

前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、単に本発明の例示であり、請求される本発明の本質および特徴を理解するための概要または構想を提供することを意図したものであることを理解されたい。

添付の図面は本発明のさらなる理解を提供するために含まれ、本書に組み込まれその一部を構成する。

添付の図面は以下の通りである。

本発明の一実施の形態によるレーザ罫書きシステムの配置を概略的に示す図本発明の一実施形態により動作する、平面的なガラス表面に遮られている位置でのレーザビームの形状および寸法を概略的に示す図軸ｙに沿ったガウスビームのエネルギー強度プロファイルを概略的に示す図軸ｘに沿ったＤモードでのエネルギー強度プロファイルを概略的に示す図軸ｘに沿ったフラットトップモードでのエネルギー強度プロファイルを概略的に示す図本発明の一実施の形態によるビームの変形に関し、光学アセンブリの動作原理を示す図

他に指示されていなければ、本明細書および請求項において用いられている、含有物の重量パーセント、寸法、および特定の物理的性質に関する値などを表している全ての数字は、全ての事例において「約」という用語により修飾されていると理解されたい。また、本明細書および請求項において使用されている正確な数値は、本発明のさらなる実施形態を形成することも理解されたい。実施例において開示される数値の確度を確実にする努力は行ってきた。しかしながら、いかなる測定値も、その夫々の測定技術において見られる標準偏差から生じる一定の誤差を本質的に含んでいる可能性がある。

本発明の説明および請求において、本書では、単数形の使用は「少なくとも１つ」を意味し、明確に反対の指示がなければ「唯一」に限定されるべきではない。すなわち、例えば「レンズ」は、文脈が明らかに他に指示していなければ、２以上のこのレンズを有する実施形態を含む。

本開示において、「レーザ罫書き」および「レーザ切断」は同じ意味で使用されるが、これらは、材料をレーザビームに露出し、さらに罫書き線に沿った機械的曲げなどの機械的補助を伴って、または伴うことなく、ガラスシートなどのバルク材料を分割するプロセスを意味する。

ガラスシートのエッジ全体のうねりは、（ｉ）ガラスシートが地面に対して本質的に静止した状態で維持されている間にガラスシートにレーザ罫書きし、かつ（ｉｉ）ガラスシートを罫書き線に沿って機械的に曲げ分割した後に測定される。

Ｉ．一般的なレーザ罫書き
ガラスの罫書きにおけるＣＯ₂レーザの使用について論じているものとしては、とりわけ： Kondratenkoの「非金属材料を分割する方法（Method of splitting non-metallic materials）」と題する米国特許第５，６０９，２８４号明細書（´２８４特許）；同一出願人によるAllaire他の「脆弱材料を破断する方法および装置（Method and apparatus for breaking brittle materials）」と題する米国特許第５，７７６，２２０号明細書（´２２０特許）；Ostendarp他の「脆弱材料、特にガラスから作製された平坦なワークピースを切断する方法および装置（Method and apparatus for cutting through a flat workpiece made of brittle material, especially glass）」と題する米国特許第５，９８４，１５９号明細書（´１５９特許）；および、同一出願人によるAllaire他の「レーザ罫書きにおけるメディアンクラックの深さ制御（Control of median crack depth in laser scoring）」と題する米国特許第６，３２７，８７５号明細書（´８７５特許）；同時係属の同一出願人による「平坦なプロファイルのビームによるレーザ罫書き（LASER SCORING WITH FLAT PROFILE BEAM）」と題する、２００７年９月２８日に出願された米国特許出願第１１／９０４，６９７号明細書（以下、「´６９７特許」とする）が挙げられる。同一出願人による´２２０特許、´８７５特許、´６９７特許の内容は、その全体が参照により本書に組み込まれる。

図１に示すように、レーザ罫書き中、メディアンクラック１１５（不完全な割れ目（partial vent）、または単に割れ目（vent）としても知られる）がガラスシート１１２の主表面１１４に生成される。この割れ目を生成するために、ガラスの１つのエッジ近傍のガラス表面上に小さい最初の傷１１１を形成し、次いで、ビーム１１３を形成するレーザ光１２１を、ガラス表面を横断するように伝播させ、これに続くように冷却ノズル１１９から供給される冷却流体により冷却領域を生成させて、この傷を割れ目に変形させる。ガラスをレーザビームで加熱した後すぐに冷却剤で急冷すると、温度勾配とそれに応じた応力場が生成され、これが割れ目を伝播させる働きをする。

種々の形状およびサイズを有するレーザビームが、上で参照した特許において採用されている。

レーザ罫書きは典型的には、波長１０．６μｍで動作する炭酸ガスレーザを用いて行われる。この波長での酸化物ガラスの吸収は１０⁵〜１０⁶ｌ／ｍを超え得、これによりＣＯ₂放射の有効浸透深さは１〜１０μｍ未満である。罫書きの成功のために望ましい割れ目深さはガラス厚の１０〜２０％の範囲内であり、これは厚さ０．７ｍｍの基板では７０〜１４０μｍに相当する。このことは、レーザ罫書き中の割れ目の形成は主にガラス表面より下での熱伝導性に依存することを意味し、これは比較的遅いプロセスである。そのため、ガラスの表面吸収の高さと熱伝導性が、プロセスウインドウを決定しかつ罫書き速度を制限する２つの重要な因子である。

割れ目を形成するのに必要な引張応力に到達するためには、ビームの出力密度は、ガラス表面で十分な温度差を実現できる程度に高いものでなければならない。しかしながら、出力密度が高すぎると、露出中に罫書き線に沿ってガラス表面上の各点に送出されるエネルギーが、ガラスのアブレーションすなわち蒸発を引き起こす可能性がある。さらに、このような高い出力密度では、分離された分割片のエッジとそのエッジに隣接している領域内との両方に、高レベルの残留応力を生じさせることにもなり得る。一方、露出時間が短い場合（罫書き速度が速いとき）には、ガラスに送出されるエネルギーが、表面より下方のガラスを加熱して深い割れ目を生成するには不十分であるかもしれない。

本書において使用される「Ｓモード」とは、所与の方向に沿ったレーザビームのエネルギー強度分布が実質的にガウス分布であるものを意味する。図３は、軸ｙに沿ったＳモード分布を示している。例示的なＳモードは、円形ＣＯ₂レーザビームの断面の任意の直径に沿ったＴＥＭ００モードであろう。

本書において使用される「フラットトップモード」とは、所与の方向に沿ったレーザビームのエネルギー強度分布が、実質的に非ガウス分布であり、かつ比較的平坦な上部（flat top）を呈しているものを意味する。ＤモードはＴＥＭ００モードおよびＴＥＭ０１＊モードを種々の比率で組み合わせたものであるが、これは例示的なフラットトップモードである。同時係属の同一出願人による「平坦なプロファイルのビームによるレーザ罫書き（LASER SCORING WITH FLAT PROFILE BEAM）」と題する、２００７年９月２８日に出願された米国特許出願第１１／９０４，６９７号明細書（以下、「´６９７特許」）では、レーザビームのフラットトップモードのモードが複数開示されており、その関連部分の全体が参照により本書に組み込まれる。例えば、この特許参考文献の中で開示されている１つの例示的なフラットトップモードは、以下の数学的表現で近似可能なプロファイルを有したものである。

ここで、Ｉは座標（ｘ、ｙ）を有する位置でのレーザビームのエネルギー強度、ω_xはビーム幅パラメータ、ω_yはビーム長パラメータ、そしてＡおよびＢは定数であってレーザビームの形状およびエネルギー密度を決定する。特定の実施形態において、Ａ／Ｂ＝１／２である。

上で述べたように、レーザ罫書きについては既に文献の中で報告されている。ビームのエネルギー分布プロファイルとビーム形状は、レーザ罫書きプロセスに重大な影響を与え得る。従来のレーザ罫書きプロセスでは、本質的にガウスビームであるＴＥＭ００モードのエネルギー分布プロファイルを有しているレーザビームが使用されていた。上記の´６９７特許では、Ｄモードおよび他のフラットトップモードのレーザビームは、歪み点温度を超えることなくガラスを加熱することにおいて、Ｓモードと比較するとより効果的であり得、さらにこれらのモードでは、ガラス内に過剰な残留応力を生成させることなくより高速の罫書き速度を達成することができると教示されている。幅広でより均一な強度プロファイルのため、フラットトップモードの強度分布によれば、ビーム内の平均出力密度が低下した、結果として、出力変動の観点からプロセスウインドウが拡大した、レーザ罫書きが可能となる。そのため、移動している細長いビームの長さに沿ったフラットトップモード分布が望ましい。

しかしながら、ビームの幅およびその幅に沿った強度分布によって、ガラス表面上での露出領域の幅、そしてガラス表面の達する温度、温度勾配プロファイル、すなわち熱応力プロファイルが決定される。レーザ罫書き中の熱応力プロファイルは、エッジ品質、すなわち、うねり、強度、残留応力などに大きな影響を与える。レーザビームの幅に沿った方向では、エネルギー分布が狭いため、フラットトップモードよりＳモードのエネルギー強度分布の方が、より望ましい温度勾配、すなわちより望ましい応力プロファイルをもたらすと考えられる。そのため、レーザビームの幅に沿ったＳモードが、罫書きエッジ沿いのガラスシートのうねりを低減させることになる。

本発明は、種々の材料の精密な切断および罫書きに使用することができるが、以下では、切断または罫書きされるシート材料が本質的に無機ガラス材料から成る場合の実施形態に関して説明する。しかしながら通常の当業者は、本発明の教示の観点から、有機ポリマーシートおよびフィルム、金属シートおよびフィルム、異なる組成および／または性質を有する材料からなる複数のシートを含むラミネート材料など、他のシート材料の精密切断に、本発明のプロセスおよび装置を必要な変更を加えて適合させることができることを理解できる。

ＩＩ．シート材料
本発明は、大型のガラスシートに効果的に適用し得るものであり、例えば、切断幅が少なくとも２０００ｍｍ、２４００ｍｍ、２５００ｍｍ、または２８００ｍｍのＬＣＤガラスシート、あるいは少なくとも３０００ｍｍのものにさえ適用することができる。ビームが長さ方向においてフラットトップモードであることから、特に切断に関し、高速での実行が可能である。このビームはビーム幅方向においてＳモードであるため、例えば切断幅に沿った全体のうねりが最大で５０μｍであるような、高精度の切断が実行可能であり、これについては以下で論じる。

本発明は、例えば、平均厚さが最大で２ｍｍ、特定の実施形態では最大で１．５ｍｍ、特定の実施形態では最大で１．０ｍｍ、特定の実施形態では最大で０．８ｍｍ、特定の他の実施形態では最大で０．５ｍｍなど、厚さの薄いガラスシートの切断に特に有利である。

ＩＩＩ．レーザ発生器
上で述べたように、レーザ罫書きは、約１０．６μｍの波長で動作するＣＯ₂レーザを採用することにより有利に行われる。この波長の放射は、現在の多くのＬＣＤガラス基板において典型的なアルミノケイ酸塩ガラス材料など、多くのガラス材料が吸収し得るものである。

数百ワットから数十キロワットまでの出力を有するＣＯ₂レーザ発生器であれば、市販のものを購入することができる。多くの市販のレーザ発生器が発するレーザビームは円形のビーム形状を有し、かつその任意の直径に沿ってガウス型のエネルギー分布プロファイルを有している。この円形のガウスビームを変形させて本発明の特定の実施形態で使用し、高速、高精度、および高エッジ品質の罫書きを達成することができる。

ＩＶ．レーザビームの形状およびエネルギー分布
本書において説明されるレーザビームの特性および寸法は、罫書き対象のシートの表面によって遮られている位置でのビームに関するものである。レーザビームは、その伝播路における他の空間的位置で、様々な形状、特性、および寸法を有し得ることを理解されたい。

細長いレーザビームは本発明にとって特に有利である。図２は、本発明の特定の実施形態において使用可能な、長さＬ（ＬＢ）および幅Ｗ（ＬＢ）を有する細長い楕円形ビームを概略的に示したものである。ビームの寸法Ｌ（ＬＢ）およびＷ（ＬＢ）は、レーザビームを遮るガラスシート表面の様々な位置で、本質的に一定のままであることが非常に望ましい。このためには、ガラス基板の表面が本質的に平坦さを維持していること、すなわち、ビームの長さ方向（ｘ軸）およびビームの幅方向（ｙ軸）の両方向において、ガラス基板表面の曲率が極僅かであることが非常に望ましい。罫書き表面上でのレーザビームの形状および寸法が実質的に一貫性のあるものであれば、露出表面の各部分へのレーザエネルギーの送出を実質的に一貫性のあるものとすること、すなわち罫書き線に沿った温度勾配を一貫性のあるものとすることが可能になり、これは、高い罫書きエッジ品質を有する一貫性のある罫書きの成功のために必要なことである。

図３は、本発明の一実施の形態によるレーザビームの、幅（ｙ軸）に沿ったガウス型のエネルギー分布プロファイルを概略的に示したものである。このプロファイルは、その幅の間の最大強度Ｉmax（Ｗ）と幅Ｗ（ＬＢ）とを示している。本開示において、ビーム幅Ｗ（ＬＢ）は、このビームのうち強度Ｉmax（Ｗ）・ｅ^-2を有する一側部の点から、その対向する側の強度Ｉmax（Ｗ）・ｅ^-2を有する点までの、幅方向における直線距離で定義される。ここでｅはオイラーの無理数である。

ガラスシートの罫書きを成功させて高いエッジ品質を得るには、狭ビームが望ましい。すなわち、本発明の特定の実施形態において、露出表面により遮断されたレーザビームのビーム幅Ｗ（ＬＢ）は、０．５ｍｍから３ｍｍであることが望ましく、特定の実施形態では０．５ｍｍから２．５ｍｍ、特定の実施形態では０．８ｍｍから２．０ｍｍであることが望ましい。このような狭ビームは、ガラス表面上に狭くかつ一貫性のある割れ目を生成するのに必要とされる、限られた幅の集中したレーザエネルギーを送出する。

図４は、本発明の一実施の形態によるレーザビームの、長さ（ｘ軸）に沿ったＤモードのエネルギー分布プロファイルを概略的に示したものである。このプロファイルは、その長さの間の最大強度Ｉmax（Ｌ）と長さＬ（ＬＢ）とを示している。本開示において、ビーム長Ｌ（ＬＢ）は、このビームのうち強度Ｉmax（Ｌ）・ｅ^-2を有する一端部の点から、その対向する端部の強度Ｉmax（Ｌ）・ｅ^-2を有する点までの、長さ方向における直線距離で定義される。

同様に、図５は、本発明の別の実施の形態によるレーザビームの、長さ（ｘ軸）に沿ったフラットトップモードの分布プロファイルを概略的に示したものである。

長さが６０ｍｍから３００ｍｍ、特定の実施形態では６０ｍｍから２００ｍｍ、特定の実施形態では７５ｍｍから１５０ｍｍの細長いレーザビームが、罫書き速度が少なくとも３００ｍｍ／秒、特定の実施形態では少なくとも５００ｍｍ／秒、特定の実施形態では少なくとも６００ｍｍ／秒、特定の実施形態では少なくとも７５０ｍｍ／秒の、高速のレーザ罫書きの達成のために特に望ましい。罫書き線に垂直な方向へと地面に対して相対的に移動しているガラスシートにとっては（レーザ露出プロセス中レーザビームは、罫書き線に垂直な方向において、シートおよび／または罫書き線に対して相対的に、実質的に静止したままであるかもしれないが）、とりわけ、罫書きプロセスが上流工程および下流工程のステップに与える影響を最小限に抑えるため、レーザ罫書き速度を少なくとも７５０ｍｍ／秒とすることが非常に望ましい。１０００ｍｍ／秒、特定の実施形態では１２００ｍｍ／秒、特定の他の実施形態では１４００ｍｍ／秒もの速さの罫書き速度が既に達成されている。

レーザビームのアスペクト比を、ビーム幅Ｗ（ＬＢ）に対するビーム長Ｌ（ＬＢ）の比率で定義する。ガラスシートへの高速のレーザ罫書きのためには、アスペクト比が少なくとも３０、特定の他の実施形態では少なくとも４０、特定の他の実施形態では少なくとも５０、特定の他の実施形態では少なくとも８０、特定の他の実施形態では少なくとも１００、特定の実施形態では少なくとも２００、特定の実施形態では最大で４００、特定の実施形態では最大で３００であることが望ましい。

Ｖ．ビーム変形用光学アセンブリ
市販のＣＯ₂レーザは、典型的には、その任意の直径に沿ってガウス型のエネルギー分布プロファイルを有する、円形のレーザビームを提供する。このビームを、レーザ源に近接した位置で、ビーム拡大器や他の光学部品を用いて変形させ、本発明で使用する直径Ｄ（ＣＬＢ）の円形レーザビームを得ることができる。

その後、直径Ｄ（ＣＬＢ）の円形レーザビームを、所望のビームサイズおよびエネルギー分布プロファイルを有するよう、光学アセンブリによってさらに変形させる。特定の実施形態において、この光学アセンブリは、とりわけ以下の２つの機能を提供する。すなわち：（ｉ）長さ方向における強度分布をＳモードからフラットトップモードへと変形させながら、ビームを長さ方向に拡大させる；そして（ｉｉ）Ｓモードの強度プロファイルを維持したまま、罫書き対象のガラスシート表面へと送出されるビームをその幅方向において集中させる。第１の機能は、ビームを長さ方向に発散させる表面を有する、第１の変形シリンドリカルレンズによって実行することができる。第２の機能は、ビームを幅方向に集中させる表面を有する、第２のシリンドリカルレンズによって実行することができる。第２レンズの発散面が完全な円筒状であれば、ビームはＳモードの分布プロファイルを維持したまま発散することになる。第２レンズの発散面を適切な形状に変形させると、ビームの長さ方向においてフラットトップモードの強度分布を有する、発散する出力ビームが得られる。

図６は、本発明の一実施形態の光学アセンブリの、動作原理を概略的に示したものである。この図では、第１レンズＬＳ１および第２レンズＬＳ２を通過した円形レーザビームが示されている。線ｘｘに沿って示されているのは、軸ｘに垂直なレンズ断面であり、線ｙｙに沿って示されているのは、軸ｙに垂直なレンズ断面であり、そして線ｚｚに沿って示されているのは、軸ｚ（すなわち、レーザビームの伝播方向）に垂直なビーム断面である。すなわち、レンズＬＳ１は、ビーム長Ｌ（ＬＢ）を増加させ、かつ長さ方向において強度分布をＳモードからフラットトップモードへと変化させる、変形された円筒状発散面を有する。レンズＬＳ２はシリンドリカルレンズであるが、単にレーザビームを幅方向において集中させ、幅方向でのＳモードの強度分布を維持したまま狭ビームを得るものである。レンズＬＳ２は、幅方向（ｙ軸）のビームプロファイルを、あるＳモードから別のＳモードに変化させるものでもよいし、変化させないものでもよいことを理解されたい。例えば、一実施の形態において、レンズＬＳ２はビームの幅方向におけるガウスプロファイルを狭めることによって、ガラス表面に送出するための、より狭いガウスプロファイルを有する出力ビームを得る。

上述の機能（ｉ）および（ｉｉ）の両方を実行する、単一のレンズを作ることも可能である。

レンズを作製する際には、レーザビームの波長に適した材料で作ってもよい。ＣＯ₂レーザに対しては、屈折レンズをゲルマニウムやＺｎＳｅなどで作製してもよい。反射レンズまたは光回折格子を本発明にさらに用いてもよい。

光学の当業者は、本書における教示に鑑みて、適切な表面形状、寸法、材料選択によりレンズを設計および作製し、さらに本発明の要求に合ったモジュールにこのレンズを組み立てることができる。

ＶＩ．レーザビームの動きおよび露出
罫書きプロセス中にはガラスシートの表面の一部のみがレーザビームに露出される。この露出面の長さはＬ（ＥＡ）、幅はＷ（ＥＡ）である。レーザビーム全体がシート表面の範囲内に位置し、露出領域が完全に平坦でありかつ完全にレーザの伝播方向に垂直であり、さらに露出領域がレーザビームに対して相対的に完全に静止した状態を維持している場合には、Ｌ（ＥＡ）＝Ｌ（ＬＢ）かつＷ（ＥＡ）＝Ｌ（ＬＢ）である。

上で論じたように、切断速度、切断精度、およびエッジ品質に重大な悪影響がなければ、露出表面が完全な平面からずれることは、ある程度まで許容できる。このため、一定量のシート撓みやレーザ伝播方向のシートの動きは許容することができる。

特定の実施形態においては、レーザビームを罫書き対象のシートの表面に対して罫書き線に沿って動かしてもよく、このときシート表面の露出領域は、レーザの移動中にレーザビームが及んだ全ての領域となる。すなわち、レーザビームが罫書きプロセス中にシートの一方のエッジから他方のエッジへと移動する場合、露出領域の長さＬ（ＥＡ）はシート幅に等しくなる。本発明の特定の実施形態において、レーザビームはガラスシート表面上の露出領域内で移動させることが望ましい。高品質のエッジを有する一貫性のある高精度の罫書きを成功させるためには、露出領域の幅Ｗ（ＥＡ）がレーザビームの幅Ｗ（ＬＢ）と略等しくなるよう、すなわちＷ（ＥＡ）≒Ｗ（ＬＢ）となるよう、その移動方向が、本質的に直線的かつレーザビームの長さ方向に平行であることが望ましい。本開示において「Ｗ（ＥＡ）≒Ｗ（ＬＢ）」は、比率Ｗ（ＥＡ）／Ｗ（ＬＢ）が最大で１．５であることを意味する。特定の実施形態においては、Ｗ（ＥＡ）／Ｗ（ＬＢ）≦１．４；特定の他の実施形態ではＷ（ＥＡ）／Ｗ（ＬＢ）≦１．３、特定の他の実施形態ではＷ（ＥＡ）／Ｗ（ＬＢ）≦１．２、特定の他の実施形態ではＷ（ＥＡ）／Ｗ（ＬＢ）≦１．１、特定の他の実施形態ではＷ（ＥＡ）／Ｗ（ＬＢ）≦１．０５である。

罫書き対象のガラスシート表面に対するレーザビームの移動速度を、罫書き速度と定義する。本発明の特定の実施形態においては、例えばガラスシートが延伸工程から外れて仕上げ用の静止段階に置かれているときなど、ガラスシートの地面に対する相対速度が本質的にゼロであるときに、罫書き速度を少なくとも３００ｍｍ／秒とすることで罫書きを成功させることができる。特定の他の実施形態においては、例えばガラスが製造ライン内で（例えば、フュージョンダウンドロープロセスの延伸部の下部で）動いているときなど、地面に対するガラスの相対速度がゼロでないときに、罫書き速度を少なくとも７５０ｍｍ／秒とすることで罫書きを成功させることができる。

高速の罫書き速度は、とりわけ、レーザビームの長さが長いこと、高アスペクト比、およびレーザビームの長さ方向および幅方向の両方におけるレーザ強度分布を正確に制御することにより可能となる。

ガラスシートのレーザ罫書きは、ガラスシートの１つのエッジ上またはその近傍の、小さい傷から開始されることが望ましい。傷は、エッジでのホイールによる機械的スクライブ、レーザパルスの利用、または他の方法で生成可能であり、この傷が、レーザビームにより生成される割れ目ラインの開始点としての役割を果たす。

割れ目の形成の成功には、多くの実施形態において単一経路のレーザの露出で十分であるが、特定の実施形態では、より深い割れ目を得るため、あるいは、以下に詳細に説明するような追加の曲げを施すことなく直接ガラスシートを分割させるため、複数経路のレーザの露出を同じ罫書き線に沿って実行することが望ましい。複数の経路は、ガラスシートが実質的に地面に対して相対的に静止したままである場合など、経路を正確に繰り返し得る場合に有利に用いることができる。

ＶＩＩ．冷却流体および冷却プロセス
上で論じたように、特定の実施形態においては、常に必要というわけではないが、レーザ露出直後に冷却流体を露出領域に送出することが望ましい。冷却は、制御された精密罫書きに必要な、レーザによる割れ目の形成に有用である。

冷却流体は、ガス、液体、またはこれらの混合物やこれらを組み合わせたものとすることができる。冷却流体はガラスの表面を汚染することがないことが望ましく、これはＬＣＤガラス基板にとって特に重要である。すなわち、冷却流体は、冷気噴射、冷窒素ガス噴射、水噴射などとしてもよい。冷却すると、罫書き線に沿った割れ目が、ガラスシート表面の露出領域内で所望の深さを有して形成される。

ガラス表面に冷却流体を送出するために、レーザビームを追跡するノズルを使用してもよい。

ＶＩＩＩ．曲げ
上で述べたように、冷却を伴ってまたは冷却を伴わないでレーザ露出すると、ガラスシートが罫書き線に沿って破断または分割されて２つの分離されたガラス片が形成され得る。しかしながら、これは常に望ましいわけではないし、特に複数経路のレーザ露出を正確に実行できない場合には必ず可能なことでもない。罫書き線に沿った割れ目では、曲げモーメントを加えることによってガラスシートの分割を達成することができる。

ＩＸ．分割
本発明によって達成可能な高品質のガラスシート分割エッジは、全体のうねりが小さいことを特徴とする。罫書きエッジが少なくとも２０００ｍｍ、さらには少なくとも２５００ｍｍ、さらには少なくとも２８００ｍｍ、さらには少なくとも３０００ｍｍのガラスシートでさえ、本発明が達成し得る全体のうねりは、最大で５０μｍ、特定の実施形態では最大で４０μｍである。これは１つには、レーザビームが幅方向においてＳモードの強度プロファイルであり、かつ長さ方向においてフラットトップモードの強度プロファイルであることに起因すると考えられる。大型のガラスシートにとって、罫書きエッジの一端から他端までの全体のうねりを最大で５０μｍとすることは、大きな技術的課題である。本発明は、ビームプロファイルを選択することで達成される精密さにより、この厳しい要求を満たすことができると考えられる。

本発明の範囲および精神から逸脱することなく、本発明の種々の改変および変更が作製可能であることは当業者には明らかであろう。すなわち、本発明の改変および変形が添付の請求項およびその同等物の範囲内であるならば、本発明はこのような改変および変形を含むと意図される。

１１１傷
１１２ガラスシート
１１３ビーム
１１５割れ目
１１９冷却ノズル
１２１レーザ光

Claims

切断幅が２０００ｍｍ以上のガラスシートを分割するプロセスにおいて、
（Ｉ）細長いレーザビームを提供するステップであって、該細長いレーザビームが、前記シートの表面に遮られる位置で、０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下の幅Ｗ（ＬＢ）および６０ｍｍ以上３００ｍｍ以下の長さＬ（ＬＢ）を有し、前記長さＬ（ＬＢ）と前記幅（Ｗ）のアスペクト比は少なくとも３０であり、さらに該細長いレーザビームの、前記幅に沿ったエネルギー分布がＳモード、かつ前記長さに沿ったエネルギー分布がフラットトップモードのプロファイルである、該ステップ、
（ＩＩ）前記シートの罫書き線に沿って前記表面の一部を前記レーザビームに露出し該露出された領域の温度を上昇させるステップであって、前記露出領域全体の、幅がＷ（ＥＡ）、長さがＬ（ＥＡ）であって、Ｗ（ＥＡ）≒Ｗ（ＬＢ）であり、さらに前記罫書き線が、前記露出領域内にありかつＬ（ＬＢ）に本質的に平行であり、（ＩＩ−１）前記レーザビームを、前記シートの前記表面上の前記露出領域内の罫書き線に沿って、Ｌ（ＬＢ）に本質的に平行な方向に、少なくとも３００ｍｍ／秒の速度で移動させるステップを含む、該ステップ、および、
（ＩＩＩ）前記シートを、前記罫書き線に沿って実質的に直線的に分割するステップ、
を含むことを特徴とするプロセス。
ステップ（ＩＩＩ）において、分割されたガラスシートの前記罫書き線沿いのエッジの全体のうねりが５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のプロセス。
ステップ（ＩＩ）とステップ（ＩＩＩ）の間に、
（ＩＩａ）少なくとも前記露出領域の一部を、露出直後に、流体により冷却するステップ、
をさらに含むことを特徴とする請求項１または２記載のプロセス。
ステップ（Ｉ）が、
（Ｉ−１）円形レーザビームを提供するステップであって、該円形レーザビームが直径Ｄ（ＣＬＢ）を有し、かつ該ビームの任意の直径に沿ったエネルギー分布がＳモードである、該ステップ、および、
（Ｉ−２）前記円形レーザビームを光学アセンブリに通過させることによって、前記円形レーザビームから前記細長いレーザビームへと変形させるステップであって、前記光学アセンブリが、Ｗ（ＬＢ）に沿ったＳモードのエネルギー強度分布を維持しながらＬ（ＬＢ）に沿ったエネルギー強度分布をＳモードからフラットトップモードのプロファイルに変換させるよう適合されたものである、該ステップ、
を含むことを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載のプロセス。
ステップ（Ｉ−２）において、前記光学アセンブリが、（ａ）前記ビームの寸法をＬ（ＬＢ）方向に細長くしかつ（ｂ）Ｌ（ＬＢ）方向における前記エネルギー分布のプロファイルをＳモードからフラットトップモードに変換させるよう動作する第１レンズ、および、前記円形レーザビームの寸法をＷ（ＬＢ）方向において減少させるよう動作する第２レンズ、を含むことを特徴とする請求項４記載のプロセス。
ステップ（Ｉ―２）において、前記光学アセンブリが単一のレンズを含み、該レンズが、（ｉ）前記円形レーザビームの寸法をＷ（ＬＢ）方向において減少させ、かつ（ｉｉ）前記円形レーザビームの寸法をＬ（ＬＢ）方向において増加させるとともに該ビームのＬ（ＬＢ）方向における前記エネルギー分布をＳモードからフラットトップモードに変換させるよう動作するものであることを特徴とする請求項４記載のプロセス。
切断幅が２０００ｍｍ以上のガラスシートを該ガラスシート表面内の本質的に直線状の罫書き線に沿って分割するための装置であって、
（Ａ）円形レーザビームを生成するよう適合されたレーザ発生器であって、該円形レーザビームが直径Ｄ（ＣＬＢ）を有するものであり、かつ該ビームの任意の直径に沿ったエネルギー分布がＳモードである、該レーザ発生器、および、
（Ｂ）前記円形レーザビームを細長いレーザビームへと変形させるよう適合された光学アセンブリであって、前記細長いレーザビームが、前記ガラスシートの表面に遮られる位置で、０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下の幅Ｗ（ＬＢ）および６０ｍｍ以上３００ｍｍ以下の長さＬ（ＬＢ）を有し、前記長さＬ（ＬＢ）と前記幅（Ｗ）のアスペクト比は少なくとも３０であり、さらに該細長いレーザビームの、前記Ｗ（ＬＢ）方向に沿ったエネルギー分布がＳモードであり、かつ前記Ｌ（ＬＢ）方向に沿ったエネルギー分布がフラットトップモードである、該光学アセンブリ、を含み、
前記細長いレーザビームが、前記ガラスシートの表面に対して、少なくとも３００ｍｍ／秒の速度で移動することを特徴とする装置。
前記光学アセンブリ（Ｂ）が、（ａ）前記ビームの寸法をＬ（ＬＢ）方向において増加させかつ（ｂ）Ｌ（ＬＢ）方向における前記エネルギー分布のプロファイルをＳモードからフラットトップモードに変換させるよう適合された第１レンズ、および、前記円形レーザビームの寸法をＷ（ＬＢ）方向において減少させるよう適合された第２レンズ、を含むことを特徴とする請求項7記載の装置。