TWI490176B - 分離玻璃板材的製程與設備 - Google Patents

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Description

分離玻璃板材的製程與設備
本發明關於雷射切割技術。特定言之，本發明關於藉由使用雷射加熱來切割無機板材材料，例如玻璃板材。本發明特別可使用在LCD玻璃基板的精密刻劃。
可藉由機械設備及製程(例如線鋸、帶鋸、或其類似物)來達成分離無機材料之片段。對於玻璃材料而言，可藉由機械刻劃(意即，在表面上形成一刻劃線)後藉由彎曲及分離實現分離動作。機械刻劃需要透過摩擦移除整塊或表面材料的一部分，導致粒子形成。此等粒子可能污染或甚至損壞經受切割之材料的表面。再者，藉由機械刻劃及切割產生之玻璃板材的邊緣品質通常不能符合高科技應用的嚴苛需求，例如LCD面板的生產。
據報雷射刻劃已是取代機械刻劃的替代切割及刻劃技術。當具有約10.6μm之波長的CO2 雷射輻射至一吸收玻璃材料時，可致使暴露區域的溫度升高。在具有或不具冷卻劑的協助下，自吸收輻射之熱梯度所造成的伸張應力可能導致玻璃板材的直接分離，或是缺陷(裂口，vent)線的形成，其中玻璃板材可沿著該缺陷線藉由機械彎曲的協助來分離。
諸如速率、雷射功率、製程範圍(process window)、殘餘應力等的雷射刻劃製程參數取決於許多因子，包括玻璃的熱特性及雷射束性質(射束形狀、尺寸及其強度分布)。
在利用玻璃基板材之大尺寸LCD面板及許多其他產品的生產中，高度期望經切割的玻璃板材能具有高邊緣品質，並可利用高速率及效率來生產，甚至當玻璃基板的尺寸自一個世代到下一個世代變得越來越大時。對傳統機械及相似雷射刻劃技術而言，此期望造成顯著的挑戰。
因此，存有精密玻璃切割技術的需要。作為一對現存雷射刻劃技術的改良，本發明解決了此需要及其他需要。
本文中揭示本發明之多種態樣。應了解該等態樣可彼此重疊或不彼此重疊。因此，一態樣的一部分將會落入另一態樣的範疇中，且反之亦然。
藉由一些實施例例示各個態樣，其中依序可包括一或多個特定實施例。應了解該等實施例可彼此重疊或不彼此重疊。因此，一實施例的一部分或特定實施例本身，可落入或不落入另一實施例或特定實施例的範圍中，且反之亦然。
根據本發明之第一態樣，提供一種用於分離一板材的製程，包含以下步驟：
(I)提供一具有寬度W(LB)及長度L(LB)的一長雷射束，其中該長雷射束由該板材的表面所攔截，一沿著寬度呈S-模式的能量分布，及一沿著長度具有一平頂模式輪廓的能量分布；
(II)沿著一刻劃線將該板材之表面的一部分暴露至該雷射束，並致使該暴露區域的溫度升高，其中該總暴露區域具有寬度W(EA)，長度L(EA)，W(EA)W(LB)(在一些實施例中，W(EA)/W(LB)1.4，在一些其他實施例中，W(EA)/W(LB)1.3，在一些其他實施例中，W(EA)/W(LB)1.2，在一些其他實施例中，W(EA)/W(LB)1.1，在一些其他實施例中，W(EA)/W(LB)1.05)，且該刻劃線是位在該暴露區域內並實質上平行L(LB)；及
(III)沿著該刻劃線實質上線性地分離該板材。
在根據本發明之第一態樣之製程的第一實施例中，在步驟(I)中，所提供的雷射束為IR雷射束，例如在約10.6μm之波長下操作的CO2 雷射。CO2 雷射可藉由多種無機玻璃材料吸收，例如用於LCD玻璃基板的鋁矽酸鹽玻璃材料。
在根據本發明之第一態樣之製程的第二實施例中，步驟(II)包含以下步驟(II-1)：
(II-1)在實質上平行L(LB)的方向上沿著該板材之表面上之該暴露區域中的一刻劃線來平移該雷射束。
在根據上文總括性描述本發明之第一態樣之製程之第二實施例的一些特定實施例中，在步驟(II-1)中，該雷射束的平移速率為至少300mm/s。在一些其他實施例中，在步驟(II-1)中，該雷射束的平移速率為至少為750mm/s。
在根據本發明之第一態樣之製程的第三實施例中，在步驟(I)中，所提供之該雷射束具有至少30的長寬比，在一些實施例中至少為40，在一些實施例中至少為50，在一些實施例中至少為80，在一些實施例中至少為100，在一些實施例中至少為200，在一些實施例中至多為400，在一些實施例中至多為300。
在根據本發明之第一態樣之製程的第四實施例中，在步驟(I)中，所提供之該雷射束具有在0.5mm至3mm之範圍內的寬度。
在根據本發明之第一態樣之製程的第五實施例中，該板材實質上由一無機玻璃材料、玻璃陶瓷材料或陶瓷材料構成。在第五實施例之一些特定實施例中，該板材實質上由一無機玻璃材料構成。在第五實施例之一些特定實施例中，該等分離玻璃板材的邊緣沿著該刻劃線具有不大於50μm的總波紋度。
在根據本發明之第一態樣之製程的第七實施例中，L(EA)≧2000mm，在一些特定實施例中，L(EA)≧2400mm，在一些特定實施例中，L(EA)≧2800mm，在一些其他特定實施例中，L(EA)≧3000mm。
在根據本發明之第一態樣之製程的第八實施例中，該製程進一步在步驟(II)及步驟(III)之間包含以下步驟(IIa)：
(IIa)在暴露之後立即藉由一流體冷卻該暴露區域的至少一部分。
在根據上文總括性描述本發明之第一態樣之製程之第八實施例的一些特定實施例中，步驟(IIa)是當該總暴露區域的一部分被暴露至該雷射束時執行。
在根據本發明之第一態樣之製程的第九實施例中，該製程進一步在步驟(II)及步驟(III)之間包含以下步驟(IIb)：
(IIb)沿著該刻劃線彎曲該玻璃板材。
在根據本發明之第一態樣之製程的第十實施例中，步驟(I)包含以下步驟(I-1)及(I-2)：
(I-1)提供一具有直徑D(CLB)之圓形雷射束，及沿著該圓形雷射束之直徑的任何一方向呈S-模式的一能量分布；及
(I-2)藉由將該圓形雷射束通過一光學組件，將該圓形雷射束轉變為該長雷射束，其中該光學組件適於將沿著L(LB)之能量強度分布自S-模式轉換成一平頂模式輪廓，同時維持沿著寬度W(LB)之能量強度分布呈一S-模式。
在根據本發明之第一態樣之製程之第十實施例的一些特定實施例中，在步驟(I-2)中，該光學組件經選定使得W(LB)＜D(CLB)，在一些實施例中，W(LB)≦0.8D(CLB)，在一些實施例中，W(LB)≦0.6D(CLB)，在一些實施例中，W(LB)≦0.5D(CLB)，在一些實施例中，W(LB)≦0.4D(CLB)，在一些實施例中，W(LB)≦0.3D(CLB)，在一些實施例中，W(LB)≦0.2D(CLB)，在一些其他實施例中，W(LB)≦0.1D(CLB)，在一些其他實施例中，W(LB)≦0.05D(CLB)，在一些其他實施例中，W(LB)≦0.03D(CLB)。
在根據本發明之第一態樣之製程之第十實施例的一些特定實施例中，在步驟(I-2)中，該光學組件包含一第一透鏡(例如一聚焦柱狀透鏡)，操作該第一透鏡以執行以下步驟：在W(LB)的方向減少該圓形雷射束的尺寸；及一第二透鏡(例如一發散修飾柱狀透鏡)，操作該第二透鏡以執行以下步驟(a)在L(LB)的方向增加該射束的尺寸，及(b)在L(LB)的方向將能量分布輪廓自S-模式轉換成平頂模式。
在根據本發明之第一態樣之製程之第十實施例的一些特定實施例中，在步驟(I-2)中，該光學組件包含一單一透鏡，操作該單一透鏡以執行以下步驟：(i)在W(LB)的方向減少該圓形雷射束的尺寸，及(ii)在L(LB)的方向增加該圓形雷射束的尺寸並將該圓形雷射束自S-模式轉換成平頂模式。
根據本發明之第二態樣，提供一種用於沿著一實質上線性之刻劃線在一玻璃板材之表面上分離一玻璃板材的設備，包含：
(A)一雷射產生器，其適於產生一具有直徑D(CLB)之圓形雷射束，及一沿著該圓形雷射束之直徑的任何方向呈S-模式之能量分布；及
(B)一光學組件，其適於將圓形雷射束轉變成一具有寬度W(LB)及長度L(LB)之長雷射束，其中該長雷射束由該玻璃板材之表面所攔截，一沿著W(LB)之方向呈S-模式的能量分布，及一沿著L(LB)之方向呈平頂模式的能量分布。
在根據本發明之第二態樣之設備的一第一實施例中，該設備進一步包含：
(C)一噴嘴，其適於將一冷卻流體流傳遞至待被暴露至該長雷射束之該板材之表面的區域。
在根據本發明之第二態樣之設備的一第二實施例中，該設備進一步包含：
(D)一裝置，用於沿著該刻劃線彎曲並分離該玻璃板材。
在根據本發明之第二態樣之設備的一第三實施例中，該光學組件(B)包含一第一透鏡，該第一透鏡適於(a)在W(LB)的方向減少該圓形雷射束的尺寸；及一第二透鏡，該第二透鏡適於(a)在L(LB)的方向增加該射束的尺寸，及(b)在L(LB)的方向將該能量分布輪廓自S-模式轉換成平頂模式。
在根據本發明之第二態樣之設備之第三實施例的一些特定實施例中，該第一透鏡為一聚焦柱狀透鏡，且該第二透鏡為一發散修飾柱狀透鏡。
在本發明之第二態樣之設備的一第四實施例中，該光學組件(B)包含一單一透鏡，該單一透鏡適於(i)在W(LB)的方向減少該圓形雷射束的尺寸，及(ii)在L(LB)的方向增加該雷射束的尺寸，並在該雷射束之L(LB)之方向將該能量分布自S-模式轉換成平頂模式。
本發明之一或多個態樣的一或多個實施例具有下列優點。首先，由於該雷射束沿著該寬度W(LB)的能量分布輪廓，可達成非常精密的刻劃。其次，甚至對於具有至少2000mm，甚至2400mm或高於例如2800mm，或甚至高於3000mm之切刻寬度的大尺寸玻璃板材而言，也可達成此程度的精密。第三，可藉由使用本發明實現至少750mm/sec的高切割速率，同時該玻璃是以垂直於刻劃方向相對於地面的方向移動，例如在一熔融下拉玻璃製造製程的底部。
本發明及本發明的其他目的、特性、細節及優點將在下文的範例性描述中及參照所附圖式更容易地被理解，其中範例性描述不意欲包含任何的限制。意欲將所有此等其他的系統、方法、特徵及優點包括在此描述中、本發明的範疇中、以及由所附之申請專利範圍所保護。
應了解上文之實質描述及下文之實施方式僅為本發明的範例，並意欲提供一概述或架構以了解本發明之申請專利範圍的本質及特性。
所包括之伴隨圖式將提供本發明更進一步的了解，且併入並建構為本說明書的一部分。
除非有另外指定，應了解在本說明書及申請專利範圍中使用的所有數字(例如，成份的重量百分比、尺寸、及特定物理性質的數值)在所有例子中將藉由術語「約」來做調整。亦應了解在本發明書及申請專利範圍中所使用之精密數值形成本發明之其他實施例。已盡可能確保在範例中所揭示之數值的精密性。然而，任何的測量數值可由於建立在個別量測技術中之標準偏差而先天包含一些誤差。
在本文之實施方式及申請專利範圍中所使用的不定冠詞「一(a)」、「一(an)」表示「至少一個」，且除非有明確的相反指示，不應限制為「只有一個」。因此，例如「一透鏡(a lens)」包括具有二或多個透鏡的實施例，除非文中有清楚的其他指示。
在本發明揭示中，「雷射刻劃」及「雷射切割」可交換使用，表示在具有或不具有機械協助下(例如沿著一刻劃線的機械彎曲)，藉由將材料暴露至雷射束以分離一整塊材料(例如玻璃板材)的製程。
玻璃板材之邊緣的總波紋度是在以下步驟之後量測：(i)玻璃板材經雷射刻劃，同時該玻璃板材相對於地面保持實質靜止，及(ii)該玻璃板材沿著刻劃線藉由機械彎曲來分離。
I.一般的雷射刻劃
用於玻璃刻劃之CO2 雷射的使用特別討論於：Kondratenko之美國專利號5,609,284、篇名為「分離非金屬材料的方法(Method of splitting non-metallic materials)」(’284專利)；共同讓渡給Allaire等人之美國專利號5,776220，篇名為「破壞易碎材料的方法及設備(Method and apparatus for breaking brittle materials)」(‘220專利)；Ostendarp等人之美國專利號5,984,159，篇名為「用於切割穿過一由易碎材料(特別是玻璃)製成之平工作件的方法及設備(Method and apparatus for cutting through a flat workpiece made of brittle material,especially glass)」(‘159專利)；共同讓渡給Allaire等人之美國專利號6,327,875，篇名為「雷射刻劃中之中央裂縫深度的控制(Control of median crack depth in laser scoring)」(‘875專利)；同時懸而未決、共同讓渡之美國專利申請號11/904,697，申請於2007年9月28日，篇名為「具有平坦輪廓射束的雷射刻劃(LASER SCORING WITH FLAT PROFILE BEAM)」(此後稱作‘697專利)。共同讓渡之’220、’875、’697專利之內容係全文併入本文參考。
如第1圖所示，在雷射刻劃期間，在玻璃板材112之主要表面114中產生一中央裂縫115(亦稱作一部分裂口，或簡單地說，一裂口)。為了產生該裂口，一微小初始瑕疵(flaw)111在靠近玻璃表面之其中一個邊緣處形成在玻璃表面上，隨後，藉由傳播形成橫跨玻璃表面之射束113的雷射光121，接著藉由冷卻噴嘴119供應之冷卻流體所形成的一冷卻區域，使該微小初始瑕疵111轉變成裂口。以雷射束加熱玻璃並且之後立即以一冷卻劑淬冷該玻璃，將產生一熱梯度及一相應應力場，其可造成裂口的擴張。
在上述所提及的專利已採用具有多種形狀與尺寸的雷射束。
一般使用在10.6μm之波長下操作之二氧化碳雷射來實行雷射刻劃。在此波長處，氧化玻璃的吸收可超過105 -106 l/m，其造成CO2 輻射的有效穿透深度小於1-10μm。成功刻劃的期望裂口深度為玻璃厚度之10-20%之範圍內，對於具有0.7毫米之基板而言，該裂口深度對應至70-140μm。此表示在雷射刻劃期間裂口的形成主要取決於玻璃表面下方之熱的熱傳導性，其為一相對緩慢的製程。因此，高表面吸收及玻璃之熱傳導性為判定製程範圍及限制刻劃速率的兩個重要因子。
為了達成所需之伸張應力以形成一裂口，射束的功率密度必須高到足以在玻璃表面提供一足夠的溫差。然而，若功率密度過高，在暴露期間沿著刻劃線傳遞至玻璃表面上之各點的能量可能造成玻璃的燒蝕或蒸發。此高功率密度也可能在個別子片段的邊緣以及鄰近其的區域造成高程度的殘餘應力。另一方面，若暴露時間短(當刻劃速率高時)，傳遞至玻璃的能量可能不足以在表面下方加熱玻璃且不足以產生一深裂口。
如本文中所使用，「S-模式」表示沿著一給定方向之雷射束的能量強度分布實質上為高斯(Gaussian)分布。第3圖圖示沿著y軸之S-模式分布。一範例S-模式將為沿著截面任何直徑方向之一圓形CO2 雷射束的TEM00-模式。
如本文中所使用之「平頂模式(flat-top-mode)」表示沿著一給定方向之雷射束的能量強度分布實質上為非高斯分布並展現一相對的平坦的頂部。D-模式(在多個部分處為TEM00-模式與TEM01*-模式之組合)為一範例平頂模式。同時另案在審、共同讓渡，篇名為「具有平坦輪廓射束之雷射刻劃(LASER SCORING WITH FLAT PROFILE BEAM)」(此後稱作‘697專利)申請於2007年9月28日之美國專利申請號11/904,697揭露複數個雷射束平頂模式，其相關部分係全文併入本文參考。例如，在此參考專利中所揭露的一範例平頂模式具有可大致用下述數學式表示之輪廓：
其中，I 為具有(x,y)座標之位置處的雷射束強度，ωx 為射束寬度參數，ωy 為射束長度參數，以及A 與B 為判定雷射束之形狀與能量密度的常數。在一特定實施例中，A/B 等於1/2。
如先前所提及，雷射刻劃已報導於先前文獻中。射束能量分布輪廓及射束形狀可在雷射刻劃製程具有實質的影響。在習知雷射刻劃製程中，使用具有呈TEM00-模式之能量分布輪廓的雷射束，其實質上為一高斯射束。當相較於S-模式時，上述提及之’697專利所教示之具有D-模式及其他平頂模式的雷射束在加熱玻璃而不超過其應變溫度點方面更為有效，並允許達到較高刻劃速率而不在玻璃中產生過量殘餘應力。因為寬且較均勻的強度輪廓，平頂模式強度分布使具有低平均功率密度之射束的雷射刻劃為可行，且因而在功率變化上有較寬的製程範圍。因此，沿著一平移長射束之長度方向的平頂模式分布是期望的。
然而，沿著射束之寬度的寬度及強度分布決定玻璃表面上之暴露區域的寬度、以及玻璃表面達到的溫度、溫度梯度輪廓、且從而是熱應力輪廓。在雷射刻劃期間的熱應力輪廓在下列之邊緣品質上具有顯著的影響：波紋度、殘餘應力、及其類似物。據信，由於較窄的能量分布，沿著雷射束之寬度之S-模式能量強度分布比平頂模式導致較為期望的溫度梯度，從而導致一較為期望的應力輪廓。因此，沿著雷射束之寬度的S-模式將沿著刻劃邊緣導致較低的玻璃板材波紋度。
儘管下文例示之實施例是關於實質上由無機玻璃材料構成之待被切刻或刻劃的板材材料，可使用本發明來精密切割及刻劃多種材料。然而，熟習此技藝者可鑑於本發明之教示了解，本發明之製程及設備可適用在其他板材材料(例如，有機聚合物板材及薄膜、金屬板材及薄膜、包含具有不同組成及(或)性質之多個材料板材的層疊材料、及其類似物)的精密切割。
II.板材材料
本發明可有效地應用在大尺寸玻璃板材上，例如具有至少2000mm、2400mm、2500mm、2800mm、甚至至少3000mm之切割寬度的LCD玻璃板材。因為長度方向中之射束為平頂模式，特別可在高速下完成切割。如下文所述，由於射束在射束寬度之方向為S-模式，可完成高精密性的切割，例如沿著切割寬度具有一至多50μm的總波紋度。
本發明有利於切割具有薄厚度的玻璃板材，例如至多2mm之平均厚度，在一些實施例中至多1.5mm，在一些實施例中至多1.0mm，在一些實施例中至多0.8mm，在一些實施例中至多0.5mm。
III.雷射產生器
如先前所述，藉由在約10.6μm之波長下實行CO2 雷射操作來實行雷射刻劃是有利的。在此波長下的輻射可藉由一些玻璃材料吸收，例如現時為許多LCD玻璃基板之典型的鋁矽酸鹽玻璃材料。
可在市場上購買具有自數百瓦至數十千瓦之商用CO2 雷射產生器。許多可購買之雷射產生器提供具有圓形射束形狀及沿著其直徑方向為高斯能量分布輪廓的雷射束。此圓形高斯射束可經調整而使用於本發明之一些實施例中，以達成高刻劃速率、高刻劃精密性及高刻劃邊緣品質。
I V.雷射束之形狀及能量分布
如本文所述，雷射束之特性及尺寸為被待刻劃之板材的表面所攔截之射束的特性及尺寸。應了解雷射束可在其傳播路徑中的其他空間位置具有不同形狀、特性及尺寸。
一長雷射束是特別有利於本發明。第2圖示意性例示可使用在本發明實施例中之一具有長度L(LB)及寬度W(LB)的長橢圓射束。高度地期望射束的尺寸L(LB)及W(LB)可在玻璃板材攔截雷射束之表面上的多個位置能實質上保持恆定。為此，高度地期望玻璃基板的表面實質上保持平坦，意即，在射束之長度方向(x軸)及射束之寬度方向(y軸)中具有可忽略的曲度。在刻劃表面上實質上一致的雷射束形狀及尺寸使傳遞至暴露表面之部分能為一致的雷射能量，從而延著該刻劃線有一致的溫度梯度，其為具有高刻劃邊緣品質之一致、成功的刻劃所需。
第3圖示意性例示根據本發明實施例沿著雷射束之寬度(y軸)的高斯能量分布輪廓。此輪廓展現一沿著該寬度的最大強度I max (W)及寬度W(LB)。在本揭示中，射束寬度W(LB)界定為自射束具有強度I max (W)e-2 之一側上之一點至另一側具有強度I max (W)e-2 之另一點的線性距離，其中e為Euler’s無理數。
為成功的刻劃具有高邊緣品質的玻璃板材，期望一窄射束。因此，在本發明的一些實施例中，期望藉由暴露表面所攔截之雷射束具有自0.5mm至3mm的射束寬度，在一些實施例中自0.5mm至2.5mm，在一些實施例中自0.8mm至2.0mm。此窄射束在限制寬度中傳遞集中之雷射能量，其中該限制寬度為在玻璃表面上產生窄且一致之裂口所需。
第4圖根據本發明實施例示意性例示沿著雷射束之長度(x軸)的D-模式能量分布輪廓。此輪廓展現沿著該長度的一最大強度I max (L)及一長度L(LB)。在本揭示中，射束長度L(LB)界定為自射束具有強度為I max (L)‧e-2 之一端上之一點至相對端具有強度為I max (L)‧e-2 之一點的線性距離。
相似地，第5圖根據本發明另一實施例示意姓例示沿著雷射束之長度(x軸)的平頂模式分布輪廓。
特別期望具有自60mm至300mm(在一些實施例中自60mm至200mm，在一些實施例中自75mm至150mm)之長度的一長雷射束，以達成在至少300mm/sec(在一些實施例中至少500mm/sec，在一些實施例中至少600mm/sec，在一些實施例中至少750mm/sec)之刻劃速率的高速雷射刻劃。為了使玻璃板材在相對於地面並垂直刻劃線的方向上移動(儘管在垂直刻劃線之方向的雷射暴露製程期間，雷射束可相對於基板及(或)刻劃線保持實質上靜止)，高度期望雷射刻劃速率至少為750mm/sec，以特別使刻劃製程在上游及下游製程步驟上的影響最小化。刻劃速率已達到1000mm/sec般高，在一些實施例中為1200mm/sec，在一些其他實施例中為1400mm/sec。
雷射束的長寬比是界定為射束長度L(LB)與射束寬度W(LB)的比例。對於玻璃板材之高速雷射刻劃而言，期望長寬比至少為30，在一些其他實施例中至少為40，在一些其他實施例中至少為50，在一些其他實施例中至少為80，在一些其他實施例中至少為100，在一些實施例中至少為200，在一些實施例中至多為400，在一些實施例中至多為300。
V.用於調整射束之光學組件
商用CO2 雷射通常提供沿著圓形雷射束之任何直徑方向皆具有高斯能量分布輪廓的圓形雷射束。該射束可在鄰近具有擴束器或其他光學裝置之射束源的位置處調整，以獲得用於本發明之具有直徑D(CLB)的圓形雷射束。
隨後，進一步藉由一光學組件來調整具有直徑D(CLB)的圓形雷射束，以擁有期望的射束尺寸與能量分布輪廓。在一些實施例中，光學組件提供下列兩項功能，特別是：(i)在長度方向擴展射束，同時在長度方向將強度分布自S-模式調整成平頂模式；及(ii)在射束傳遞至待被刻劃之玻璃板材之表面的寬度方向聚焦該射束，同時將強度輪廓保持在S-模式。可藉由一第一、經調整為柱狀、在射束之長度方向具有發散表面之透鏡來實行該第一功能。可藉由一在射束之寬度方向具有聚焦表面之第二柱狀透鏡實行第二功能。若第二透鏡之發散表面是完美的柱狀，射束將發散同時保持S-模式分布輪廓。藉由將第二透鏡之發散表面調整成一適當輪廓，可獲得一在射束之長度方向上具有平頂模式強度分布的發散輸出射束。
第6圖示意性例示本發明之一實施例之光學組件的操作原則。在此圖所示的是通過第一透鏡LS1及第二透鏡LS2之圓形雷射束。沿著線xx所示的是垂直x軸之該等透鏡的截面，沿著線yy所示的是垂直y軸之該等透鏡的截面，沿著線zz所示的是垂直z軸之該等射束的截面(意即，雷射束的傳播方向)。因此，透鏡LS1具有增加射束長度L(LB)之經調整的柱狀、發散表面，並在長度方向將強度分布自S-模式改變成平頂模式。透鏡LS2(為柱狀透鏡)僅在寬度方向聚焦雷射束以獲得一窄射束，同時在寬度方向保持S-模式。應了解透鏡LS2可在寬度方向將射束輪廓自S-模式改變至另一S-模式，或不在寬度方向上改變射束輪廓。例如，在一實施例中，透鏡LS2在寬度方向上窄化射束的高斯輪廓，以獲得一具有較窄高斯輪廓之待被傳遞至玻璃表面的輸出射束。
製造一可實行上述功能(i)及(ii)的單一透鏡亦為可能的。
可以適合雷射束之波長的材料製造該等透鏡。對於CO2 雷射而言，可由鍺、ZnSe、及類似物製造折射透鏡。反射透鏡或光柵也可用於本發明。
熟習光學領域者可鑒於本文之教示設計及製造具有適當表面輪廓、尺寸、材料選擇的透鏡，並將該等透鏡組裝成適合於本發明之模組。
VI.雷射束的移動及暴露
在刻劃製程期間，只有玻璃板材的一部分表面是暴露至雷射束。暴露表面具有一長度L(EA)及一寬度W(EA)。若完整的雷射束經定位至板材的表面中、該暴露區為完美的平坦並完美的與雷射傳播方向垂直且相對於該雷射束保持完美的靜止，L(EA)=L(LB)且W(EA)=W(LB)。
如上所述，暴露表面與完美平面之有一定程度的偏移而不會在切刻速率、切割精密性及邊緣品質上有顯著的不利影響是可允許的。因此，可容忍板材在雷射擴張方向上一定量的彎曲與移動。
在一些實施例中，雷射束可相對於待被刻劃之板材的表面沿著刻劃線移動，其中板材之表面的暴露區域為雷射束在雷射行進期間已覆蓋的總區域。因此，若雷射束在刻劃期間自板材的一邊緣行進至另一邊緣，暴露區域具有相等於板材之寬度的長度L(EA)。在本發明的一些實施例中，期望雷射束在玻璃板材之表面上之暴露區域中平移。為達成成功、一致、具有高邊緣品質之精密刻劃，期望平移方向實質上為線性並平行該雷射束的長度方向，使得暴露區域W(EA)的寬度近似於雷射束W(LB)的寬度，亦即W(EA)W(LB)。在本揭示中，“W(EA)W(LB)”表示W(EA)/W(LB)的比例至多為1.5。在一些實施例中，W(EA)/W(LB)1.4；在一些其他實施例中，W(EA)/W(LB)1.3，在一些其他實施例中，W(EA)/W(LB)1.2，在一些其他實施例中，W(EA)/W(LB)1.1，在一些其他實施例中，W(EA)/W(LB)1.05。
雷射束相對於待被刻劃之玻璃板材的平移速率係界定為刻劃速率，在本發明的一些實施例中，當玻璃板材相對於地面的速度實質上為零時(例如當玻璃板材被放置在靜止平台上以用於拉出(off-the-draw)加工時)，可在至少300mm/sec的刻劃速率下達成成功的刻劃。在一些其他實施例中，當玻璃板材相對於地面的速度實質上是非零時(例如當玻璃板材在生產線中移動時，亦即，在熔融下拉製程中之牽引過程的底部)，可在至少750mm/second的刻劃速率下達成成功的刻劃。
特別藉由以下條件使高刻劃速率為可能的：長長度的雷射束、高長寬比、及在雷射束之長度及寬度方向中之雷射強度分布的精密控制。
期望從玻璃板材之一邊緣上或靠近玻璃板材之一邊緣上的一小瑕疵開始進行玻璃板材的雷射刻劃。該瑕疵(可在邊緣處藉由磨輪、雷射脈衝或其他方法的機械劃線產生)充當裂口線的初始點，其中該裂口線待藉由雷射束產生。
儘管在許多實施例中，單一行程(single-pass)之雷射暴露便足以成功的形成一裂口，在一些實施例中，期望沿著相同刻劃線執行多次掃描之雷射暴露，以獲得一較深的裂口或獲得一直接分離的玻璃板材而不需如下文之詳細描述進一步彎曲。可有利地使用多次掃描，其中該掃描可精密地重複，例如其中該玻璃板材是相對於地面保持實質上靜止。
VII.冷卻流體及冷卻製程
如上所述，在一些實施例中(並非總是需要)，期望在雷射暴露之後立即將冷卻流體傳遞至暴露區域。冷卻有利於形成需要受控、精密之刻劃的雷射裂口。
冷卻流體可為氣體、液體、或其混合物、或其組合物。期望冷卻流體不會汙染玻璃表面，此對於LCD玻璃基板是特別重要的。因此，冷卻流體可為冷空氣噴流、冷N2 噴流、水噴流、或其類似物。在冷卻之後，在玻璃板材表面之暴露區域中，沿著刻劃線形成具有期望深度的裂口。
VIII.彎曲
如上文所提及，在雷射暴露之後，無論有沒有冷卻，玻璃板材可沿著刻劃線斷開或分離以形成兩個個別的玻璃片段。然而，此舉並非總是期望的及可能的，特別是當雷射暴露的多次掃描不能精密地執行時。藉由沿著刻劃線的裂口，玻璃板材可藉由施加一彎曲力矩來達成分離。
IX.分離
藉由一低總波紋度來特徵化可由本發明達成玻璃板材之高品質的分離邊緣。對於具有至少2000mm之刻劃邊緣的玻璃板材而言，甚至至少2500mm，甚至至少2800mm，甚至至少3000mm，本發明可達成至多50μm的總波紋度，在一些實施例中，至多40μm。據信此舉可部分歸因於雷射束之寬度方向上之S-模式強度輪廓及長度方向的平頂模式強度輪廓。對於大尺寸玻璃板材而言，自刻劃邊緣之一端到另一端的總波紋度至多50μm是一顯著的技術挑戰。據信本發明藉由選擇射束輪廓而達成之精密性可達成此嚴苛的需要。
在不悖離本發明之範疇及精神下對本發明可做出多種潤飾及變化，對於熟習此技藝者為顯而易見的。因此，本發明意欲涵蓋在隨附申請專利範圍及其等效物範疇中所提供對本發明之調整及變化。
111．．．瑕疵
112．．．玻璃板材
113．．．射束
114．．．表面
115．．．裂縫
119．．．冷卻噴嘴
121．．．雷射光
L(LB)．．．長度
W(LB)．．．寬度
LS1．．．第一透鏡
LS2．．．第二透鏡
第1圖示出根據本發明實施例之雷射刻劃系統之裝置的示意圖。
第2圖示出根據本發明實施例藉由平面玻璃表面操作攔截之雷射束之形狀與尺寸的示意圖。
第3圖示出高斯射束沿著y軸之能量強度輪廓的示意圖。
第4圖示出以D-模式沿著x軸之能量強度輪廓的示意圖。
第5圖示出以平頂模式沿著x軸之能量強度輪廓的示意圖。
第6圖示出根據本發明實施例用於調節射束之光學組件的操作原則。
111．．．瑕疵
112．．．玻璃板材
113．．．射束
114．．．表面
115．．．裂縫
119．．．冷卻噴嘴
121．．．雷射光

Claims (23)

  1. 一種用於分離一板材的製程，其至少包含以下步驟：(I)提供一具有寬度W(LB)及長度L(LB)的一長雷射束，其中該長雷射束由該板材的表面所攔截，一沿著寬度呈S-模式的能量分布，及一沿著長度具有一平頂模式輪廓的能量分布；(II)沿著一刻劃線將該板材之表面的一部分暴露至該雷射束，並致使該暴露區域的溫度升高，其中該總暴露區域具有寬度W(EA)，長度L(EA)，W(EA)W(LB)，且該刻劃線是位在該暴露區域內並實質上平行L(LB)；及(III)沿著該刻劃線實質上線性地分離該板材。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之製程，其中在步驟(I)中所提供的雷射束為CO2 雷射。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之製程，其中步驟(II)至少包含以下步驟：(II-1)在實質上平行L(LB)的方向上沿著該板材之表面上之該暴露區域中的一刻劃線來平移該雷射束。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之製程，其中在步驟(II-1)中，該雷射束的平移速率為至少為750mm/s。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之製程，其中在步驟(I)中，所提供之該雷射束具有至少30的長寬比。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之製程，其中在步驟(I)中，所提供之該雷射束具有在0.5mm至3mm之範圍內的寬度。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之製程，其中該板材實質上由一無機玻璃材料、玻璃陶瓷材料或陶瓷材料構成。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之製程，其中在步驟(III)中，沿著該刻劃線之該等分離玻璃板材的邊緣具有不大於50μm的總波紋度。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之製程，其中L(EA)≧2000mm。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之製程，進一步在步驟(II)及步驟(III)之間包含以下步驟(IIa)：(IIa)在暴露之後立即藉由一流體冷卻該暴露區域的至少一部分。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之製程，進一步在步驟(II)及步驟(III)之間包含以下步驟(IIb)： (IIb)沿著該刻劃線彎曲該玻璃板材。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之製程，其中步驟(I)包含以下步驟：(I-1)提供一具有直徑D(CLB)之圓形雷射束，及沿著該圓形雷射束之直徑的任何一方向呈S-模式的一能量分布；及(I-2)藉由將該圓形雷射束通過一光學組件，將該圓形雷射束轉變為該長雷射束，其中該光學組件適於將沿著L(LB)之能量強度分布自S-模式轉換成一平頂模式輪廓，同時維持沿著寬度W(LB)之能量強度分布呈一S-模式。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之製程，其中在步驟(I-2)中，該光學組件經選定使得W(LB)<D(CLB)。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之製程，其中在步驟(I-2)中，該光學組件包含一第一透鏡，操作該第一透鏡以執行以下步驟：(a)在L(LB)的方向延長該圓形雷射的尺寸，及(b)在L(LB)的方向將能量分布輪廓自S-模式轉換成平頂模式；及一第二透鏡，操作該第二透鏡以執行以下步驟：在W(LB)的方向減少該圓形雷射束的尺寸。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之製程，其中在步驟(I-2)中，該第一透鏡為一發散修飾柱狀透鏡，且該第二透鏡為一聚焦柱狀透鏡。
  16. 如申請專利範圍第12項所述之製程，其中在步驟(I-2)中，該光學組件包含一單一透鏡，操作該單一透鏡以執行以下步驟：(i)在W(LB)的方向減少該圓形雷射束的尺寸，及(ii)在L(LB)的方向增加該圓形雷射束的尺寸並將該圓形雷射束的能量分布自S-模式轉換成平頂模式。
  17. 如申請專利範圍第12項所述之製程，其中在步驟(I-1)中，該圓形雷射束係自一CO2 雷射產生器發射。
  18. 一種在一玻璃板材之表面中沿著一實質上線性之刻劃線分離一玻璃板材的設備，其包含：(A)一雷射產生器，其適於產生一具有直徑D(CLB)之圓形雷射束，及一沿著該圓形雷射束之直徑的任何方向呈S-模式之能量分布；及(B)一光學組件，其適於將圓形雷射束轉變成一具有寬度W(LB)及長度L(LB)之長雷射束，其中該長雷射束由該玻璃板材之表面所欄截，一沿著W(LB)之方向呈S-模式的能量分布，及一沿著L(LB)之方向呈平頂模式的能量分布。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之設備，進一步包含：(C)一噴嘴，其適於將一冷卻流體流傳遞至待被暴露至該長雷射束之該板材之表面的區域。
  20. 如申請專利範圍第18項所述之設備，進一步包含：(D)一裝置，用於沿著該刻劃線彎曲並分離該玻璃板材。
  21. 如申請專利範圍第18項或第19項所述之設備，其中該光學組件(B)包含一第一透鏡，該第一透鏡適於(a)在L(LB)的方向增加該圓形雷射束的尺寸，及(b)在L(LB)的方向將該能量分布輪廓自S-模式轉換至平頂模式；及一第二透鏡，該第二透鏡適於在W(LB)的方向減少該圓形雷射束的尺寸。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之設備，其中該第一透鏡為一發散修飾柱狀透鏡，且該第二透鏡為一聚焦柱狀透鏡。
  23. 如申請專利範圍第18-20項中任一項所述之設備，其中該光學組件(B)包含一單一透鏡，該單一透鏡適於：(i)在W(LB)的方向減少該圓形雷射束的尺寸，及(ii)在L(LB)的方向增加該圓形雷射束的尺寸，並在L(LB) 的方向將該能量分布自S-模式轉換成平頂模式。
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