脆性材料的热应力割断方法

专利名称：脆性材料的热应力割断方法
技术领域：
本发明涉及一种利用热应力高速地割断平板显示器用玻璃等脆性 材料的脆性材料热应力割断方法。下面，作为脆性材料，以玻璃为例 进行说明，但本发明除了玻璃外，也可一般地适用于石英、陶瓷、半 导体等脆性材料。
背景技术：
用于液晶显示器、等离子显示器等平板显示器的玻璃的割断，现 在是以金刚石刀具进行，存在着需要进行割断后的清洗工序、产生微 裂紋等问题。
另外，因为机动车用的玻璃部件多为曲线加工，所以，现在是机 械性地进行直线切断，然后实施研磨。因此，对仅是玻璃割断即可的 激光加工的期待很大。
玻璃以往一直是以使用金刚石刀片等超硬刀头的机械性的方法割 断。此方法对于玻璃的适用，也是在过去长达一个世纪以上的期间内 使用的方法。
然而，这样的机械性的方法存在以下所述的那样的缺点。第一， 在割断时产生被称为碎玻璃的小碎片，使工件表面变脏。第二，在割 断面附近产生微裂紋，存在工件以其为起点产生破裂的危险。第三，
即便最小也存在数百nm左右的割断余量，在工件尺寸无止境微小化 的现在，此割断余量的存在已是不可忽视的。除此以外，还存在加工 速度的局限、作为消耗品的工具成本等产业上不可忽视的缺点。
窗玻璃的割断等在使用现有技术时没有问题，但在用于液晶显示 器、等离子显示器等的精密玻璃割断的情况下，为了应对微裂紋，需 要研磨割断面，然后进行清洗等后序工序。
4另 一方面，最近被认为有前途的激光割断法具有以下所述那样的 优点，有除去金刚石刀片法的缺点的可能性。第一，质量损失为零(不 产生碎玻璃)，不需要清洗等后序工序。第二，由于在割断面附近不 产生微裂紋等破坏缺陷，能够获得高强度断面，所以，不需要研磨等
后序工序。第三，能够获得面粗糙度ljun以下的镜面。第四，产品外 形尺寸精度为士25nm以上。第五，能够处理的玻璃板厚没有下限值， 能够在今后玻璃板厚单调地变薄的液晶电视用玻璃中使用。
下面，说明激光割断法的原理。如果对玻璃照射高能量密度的co2 激光光束，则一般在照射光点产生激光光束的吸收，急剧加热的结果 是呈放射状地产生裂紋，不能仅在行进方向进行割断。根据此激光割 断方法，不需要在机械割断的情况下作为后序工序所需要的研磨、清 洗就能够获得面粗糙度ljim以下的镜面，产品外形尺寸精度在士25ftm 以上。进而，对玻璃板厚薄到0.05mm也能够使用，能够使用于今后 的液晶显示器用玻璃、等离子显示器用玻璃、手机等便携式显示器用 玻璃等。
激光割断方法的原理如下。在玻璃中仅发生局部地加热，进行不 发生气化、熔融、裂紋的程度的激光光线照射。此时玻璃加热部虽然 要产生热膨胀，但受到来自周边玻璃的反作用，不能产生充分的膨胀， 在此加热区域中产生压缩应力。即使在周边的非加热区域中，也被来 自加热部的膨胀推压，进而相对于周边产生变形，其结果，产生压缩 应力。这样的压缩应力是以加热中心点为原点的径向的压缩应力，在 加热发生后大体上按音速传播到玻璃板整个区域。但是，在物体存在 压缩应力的情况下，在其正交方向产生与泊松比成比例的拉伸应力。 在这里，其方向为切线方向。将此状态表示在图l中。
图1表示存在将中心设置在原点的高斯分布的温度上升的情况 的、径向应力成分c^和切线方向应力成分Oy的变化。径向应力成分trx
始终都为压缩应力(在图1中为负值)，而切线方向应力成分Oy虽然
在加热中心(距离r=0)为压缩应力，但如果离开加热中心，则向拉 伸应力(在图1中为正值)变化。在这些应力中，与割断相关的应力为拉伸应力。当拉伸应力超过 作为材料固有值的破坏韧性值时，破坏随处发生，不能控制。在激光 割断方法的情况下，由于将拉伸应力预先选定在此破坏韧性值以下， 所以不发生这样的破坏。
但是，在存在拉伸应力的位置具有龟裂的情况下，在此龟裂前端 会产生应力扩大，如果此扩大了的应力超过材料的破坏韧性值，则龟 裂扩大。即，将产生龟裂从龟裂前端向加热中心发展这样的被控制的 割断。因此，通过使激光照射点先行扫描，能够使龟裂延长下去。在 此激光割断方法中，由于割断面类似于晶体的劈开面，所以，既不产 生微裂紋也不产生碎玻璃，能够除去上述机械方法的缺点，产生作为 玻璃的加工方法优良的特性。
作为此玻璃的激光割断方法，例如美国USP5609384已被公知。 在此专利中公开了如下的情况不是仅由产生在加热区域周边的拉伸 应力实现割断，而是还对拉伸应力的最大点附近进行冷却，此时因玻 璃的收缩而被增大的拉伸应力起到强化割断的作用。
图2表示基于美国USP5609384的激光割断方法的原理。作为加
热用激光光线，使用C02激光光线。C02激光光线在光束光点1的能
量的99%，在玻璃板6的深3.7nm的玻璃表面层中被吸收，不透过玻 璃板6的整个厚度。这是因为，C02激光波长中的玻璃的吸收系数显 著地大。其结果，加热仅在玻璃板6的表面层中发生，在此加热区域 中产生压缩应力4。另一方面，在作为从此加热区域错开的位置的冷 却点3进行冷却。此时产生拉伸应力2，从此冷却点3向后方产生以 初龟裂8为出发点的表面划线5。此划线5的深度即使因玻璃板6中 的热传导而变深，通常也是100jim左右。但是，玻璃板6，其脆性强， 与此划线一致地施加弯曲应力，容易机械性地割断。将通过施加此弯 曲应力进行割断的处理称为断裂。激光光束在扫描方向7的方向扫描。 此方法如果与作为现有方法的机械性方法相比则具有许多优点，逐渐 在平板显示器装置的生产中得到了应用。
图3为日本专利第3792639号公开的激光割断方法的原理，是使图2所示的激光光束1的形状成为由5点光束形成的激光光束的线状 排列9的图。另外，使由激光光束的线状排列9形成的加热区域H与 冷却点3间的距离G成为不是固定的，而是可变的。通过选择已实验 性地探索的最佳距离G，进一步改善了割断特性。
激光光束线状排列9的生成如图4所示，从激光振荡器射出并入 射到分束器14内的激光光束B，通过无反射面11而进入到分束器14 内。此后，由部分反射面13反射，成为射出光bl和反射光。反射光 由全反射面IO反射，其反射光由部分反射面13同样地变成射出光b2 和反射光。反复进行此过程4次后，射出光b5成为第5束光束，透过 无反射面。这样，1束入射激光光束B变换成5束射出光束bl、 b2、 b3、 b4、 b5。通过使用由这样的线状排列9形成的激光光束，进一步 改善了玻璃割断特性。
但是，在玻璃的热应力割断的实用化中，已要求加工速度超过现 有技术。在加工质量方面，已没有问题地大大超过了现有技术。在加 工速度的高速化中，虽然基本处理过程的处理时间的缩短也很重要， 但作为基本过程的割断速度的高速化应该比什么都更重要。如果在使 其它条件一定的状态下不变而仅增大激光扫描速度，则由于单位时间 内的照射能量下降，所以产生的热应力变弱，割断力变弱了。即使激 光输出低，但如果使激光光束光点微小化，则也可以使能量密度不下 降，局部的加热温度不下降。虽然按这样的考虑进行了实验，但即使 局部温度上升，割断速度也未能增大。实际上，产生热应力依存于施 加在加热区域内的能量全量，而不依存于能量密度。
因此，尝试了在使激光光束截面积相同的状态下按相同比例增大 激光输出和扫描速度双方。在此情况下，投入到玻璃的单位面积上的 激光能量相同，即使使速度增大，热应力和割断力也都不下降。就此 意义来说，虽然能够增大割断速度，但由于玻璃的加热温度上升，所 以，如果考虑平板显示器装置的耐久性，则不是可以采用的方法
发明内容
本发明是为了解决上述这样的问题的发明，目的是提供一种不用 使玻璃的加热温度上升就能够飞跃性地使割断速度增大的脆性材料的 高速热应力割断方法。
本发明的脆性材料的高速热应力割断方法，为了消除上述的缺点， 使激光光束形状成为在扫描方向细长的形状以实现最佳化，与此长度 成比例地使激光输出和扫描速度增大。在此情况下，由于玻璃的单位 面积的激光能量和照射时间相同，所以，加热温度也不变化，即使使 扫描速度增大，割断性能也不会下降。根据此方法，能够期待实现与 激光光束的扫描方向的长度成比例的割断速度。
在此情况下，不仅只是单纯地进行激光光束形状的最佳化，而且 还通过实现其最佳化形状内的激光光线强度的最佳化，能够使割断性 能进一步提高。
本发明的脆性材料的高速热应力割断方法是，由从激光振荡器射 出的激光光束照射来对脆性材料进行加热，依靠热应力割断上述脆性
材料；其中将进行加热的激光光束由相对于光束扫描方向排列在同
一线上的多个组构成，使与各个组对应的激光光线强度变化来控制上 述激光光束的光强度分布。由此，通过实现激光光线强度分布的最佳 化，能够使割断速度大幅度地提高。
相对于光束扫描方向排列在同一线上的多个组激光光束可以由分 别来自多个独立的激光振荡器的射出光束产生。
另外，可由使从一个激光振荡器射出的激光光束入射到分束器内 而产生的多束射出光形成多个组激光光束。
将多个激光光束组至少分类为主要担当初期加热及升温的组、和 主要担当温度维持的组，在各个组中具有最适合于加热的激光光线强度。
多个激光振荡器分别具有测定激光输出的大小的功率表，能够由 反馈控制使输出稳定化地进行控制。
另外，通过对从在由激光光束照射加热的脆性材料的加热位置到 光束扫描线上的后方位置喷射水、空气等冷却介质，能够促进脆性材料的热应力割断。
进而，通过与由激光光束照射加热的脆性材料的光束扫描线一致 地施加弯曲应力，能够促进脆性材料的热应力割断。


图1为用于说明激光割断方法的热应力产生原理的、表示在存在 将中心设置在原点的高斯分布的温度上升的情况下的径向应力成分CFx 和切线方向应力成分CTy的变化的特性图。
图2为对由现有的使用C02激光的玻璃表面划线进行的割断进行 说明的概念性的透视图。
图3为对现有的代表性的激光割断方法进行说明的脆性构件的俯视图。
图4为用于形成在图3的激光割断方法中使用的激光光束形状的 分束器的概念性的透视图。
图5为用于说明本发明的动作原理的激光光线强度及玻璃的温度 分布的概念性的特性图。
图6为表示用于说明本发明实施例中的玻璃的激光高速热应力割 断方法的整体构成的概念图。
图7为用于说明本发明实施例的激光光线强度及玻璃温度分布的 概念性的特性图。
具体实施例方式
下面，参照附图详细说明本发明的原理及实施例。 在由激光光线照射来加热玻璃、割断玻璃的激光玻璃划线技术中， 在使割断速度增大而高速地进行割断的情况下，当然使加热所需要的 激光器输出增大，以及为了确保加热时间而使加热光束的扫描方向的 长度变长，但仅凭这两点的变更难以获得对割断有效的加热。这是因 为，如果成为高速扫描，则在由加热光束对玻璃进行加热时加热前头 部分的温度上升慢，按对割断有效的温度进行加热的时间不足。
9为了解决这一问题，与进行低速时的处理之际相比，只要使作为 加热前头部分的主要用于进行初期加热、升温的激光光束区域的激光 光线强度进一步上升即可，在本发明中，是通过使对其进行加热的激 光器输出的前后方向的激光光线强度可变来进行的。因此，通过由相 对于光束扫描方向排列在同一线上的多个组构成进行加热的激光光 束，并使与各个组对应的激光光线强度变化来进行。例如，在本发明 中，使用两个激光振荡器，将这两个激光振荡器分别用作初期加热用
的激光振荡器和温度维持用的激光振荡器；该初期加热用的激光振荡 器用于加热前头部分，主要进行初期加热、升温；该温度维持用的激 光振荡器主要用于维持从中间到后半部分的温度，使热渗透到玻璃内 部。
图5为用于说明本发明的玻璃的高速热应力割断方法的原理的概 念图。在图5A中，曲线15表示激光光线强度。在使具有此激光光线 强度15的激光光束照射在静止玻璃上的同时，在图5A中使其向左方 移动。玻璃温度为室温，但由激光光线照射进行加热。在图5A中， 由曲线16表示的是玻璃表面温度分布，是从室温起的加热温度部分。 此说明叙述了激光光束在静止玻璃上扫描的情况，但激光光束静止， 玻璃在图5A中向右方移动时也相同。总之，只要玻璃与激光光束的 位置相对地移动即可。
如果室温的玻璃受到激光光线照射，则加热慢慢地进行，玻璃表 面温度开始上升。另一方面，从激光光线向玻璃移动的热能通过在玻 璃中的热传导和从表面的热辐射而失去。如果具有补充此部分的输入 热量，则玻璃温度能够维持一定值。此状态由激光光线强度分布15 和玻璃表面温度分布16表示。如图5A所示，为了尽可能地使玻璃表 面温度分布16取一定值，在室温玻璃的初期加热时期需要激光光线强 度15有大的值，需要有由激光光线强度分布15所示的初期峰值。在 此后的玻璃一定温度时期，所需的激光光线强度分布15也可下降。如 果不久激光光线强度变为零，则玻璃表面温度也开始下降，返回到室 温。在此位置，通常进行冷却，玻璃表面温度下降到室温以下。此时
10产生的拉伸热应力成为玻璃割断的原动力。
将在此条件下使扫描速度增大的情况表示在图5B中。此时，由 于单位时间的输入能量下降，所以，玻璃表面温度分布16如图5B所 示，温度的上升慢。加热后的维持温度也与输入热能下降相应地下降， 但与初期的加热时期相比，其影响之处较小。因此，为了在高速扫描 时也实现与低速扫描时同样的加热，激光光线强度分布中的初期加热 中的初期峰值需要如图5C的由曲线17所示的那样取大的值。这样， 通过使激光光线强度分布17中的初期峰值成为大的值，玻璃表面温度 分布如由曲线18所示的那样，成为与低速扫描时不变的玻璃表面温度 分布。
实施例1
图6为表示用于将实施例1中的玻璃的激光高速热应力割断方法 实施的激光割断装置的整体构成的概念图，图7A 7C为表示本发明 实施例1中的激光光束形状的概念图。图6为由两个激光振荡器21、 22产生多个照射激光光束23、 24的实施例。作为激光振荡器，使用 对玻璃等脆性材料产生不透过的激光光线的激光振荡器，例如COr激 光振荡器、CO激光振荡器等。在两个激光振荡器21、 22中，将由激 光振荡器21产生的激光光束23作为主要担当初期加热、升温的初期 加热来使用，是上述的光束前头部分；将由激光振荡器22产生的激光 光束24作为主要是维持温度、使热渗透到玻璃内部的维持温度用来使 用，是从上述的中间到后半部分的激光光束。
将激光光束23及激光光束24的激光光线强度分布由曲线19及 20表示。这两个激光光束23、 24以在被照射在玻璃25上时相对于扫 描方向在同 一线上前后不相互重叠的方式排列，使激光光束23的激光 光线强度分布19充当图5A~5C、图7A~7C中所示的加热前头部， 使激光光束24的激光光线强度分布20充当图5A~5C、图7A ~ 7C 中所示的温度维持部。加热前头部相当于图5A~5C中的激光光线强 度分布15、 17的初期峰值。
两个激光振荡器21、 22分别具有测定输出的功率表25、 26，以由功率表25、 26监视的测定值为基础对激光振荡器21、 22的驱动器 27、 28的驱动条件进行反馈控制，使两个激光光束19、 20的光能强 度与激光扫描速度相应分别独立地变化，由此使激光器输出稳定为所 需要的值。即，以使担当加热前头部的激光振荡器21的输出功率比担 当温度维持部的激光振荡器22的输出功率高一些地具有图7A中的初 期峰值的方式进行控制。
如果将由加热前头部激光光束19及温度维持部激光光束20构成 的激光光束组30照射在玻璃29的表面，沿切断预定线31使其在扫描 方向32上扫描，则玻璃29的表面如由表面温度分布16所示的那样4皮 加热到大致一定的温度，依靠热应力使龟裂在玻璃表面行进，形成划 线33。如果龟裂由玻璃的热传导也在玻璃29的深度方向延伸，龟裂 达到玻璃的背面，则玻璃被割断。在龟裂未到达玻璃29的背面的情况 下，通过与玻璃29的沿光束扫描线31形成的划线33 —致地施加弯曲 应力，能够割断。
另外，如图6所示，通过将水、空气等冷却介质喷射在从在由激 光光束照射加热的玻璃的加热区域向光束扫描线31上的后方离开间 隔的位置35上进行冷却，能够促进依靠热应力产生的龟裂的行进，进 一步促进划线33的形成。
图7B表示按低速扫描将实施例1实施的情况。在此情况下，加 热前头部激光光束191与温度维持部激光光束201相比，即使其能量 强度相对地不那么高，也能够实现玻璃表面温度分布16大致一定的所 希望的玻璃表面温度分布16。这样地对加热前头部激光光束强度进行 控制，能够由上述的激光器输出控制技术实现。割断的方法由于与图 7A的情况相同，所以省略说明。
图7C是按高速扫描将实施例1实施的情况，是本发明的主要使 用的情况。在此情况下，与温度维持部激光光束202相比，使前头加 热部激光光束192成为充分高的能量强度，实现玻璃表面的一定温度 分布16的维持。在此情况下，也使用上述的激光器输出控制技术。割 断的方法由于与图7A及图7B的情况相同，所以省略说明。我们根据使用激光器输出为ioow的两个co2激光振荡器的由图
6C所示的激光光线强度的方法，实现了 800mm/sec以上的割断速度， 大幅度地超过了以往由单独激光光线获得的400mm/sec的割断速度。
另外，在以上的说明中，对作为激光振荡器使用两个激光振荡器 21、22，并将来自激光振荡器21的激光光束作为初期加热用激光光束， 将由激光振荡器22产生的激光光束24用作温度维持用激光光束的情 况进行了说明，但也可分别由多个激光振荡器构成初期加热用激光振 荡器及温度维持用激光振荡器，分别由多个激光光束形成初期加热用 激光光束及温度维持用激光光束，或者将来自一个激光振荡器的激光 光束分割成多束，将已被分割的多个激光光束分配成初期加热用激光 光束和温度维持用激光光束地进行使用。
实施例2
本实施例是使用图4所示的分束器产生多个照射激光光束的实施 例。即，本实施例中的前头加热部激光光束和温度维持部激光光束双 方都可以使用图4所示的那样的分束器按多点排列构成。在此情况下， 多点排列是与图4不同地以相互不重叠的方式排列。例如，使从一个 激光振荡器射出的激光光束B入射到分束器14内而产生8束射出光 M ~b8，通过以由3束射出光bl ~ b3形成的3点的方式i殳定图7A ~ 7C中的前头加热部激光光束19、 191、 192，以由5束射出光b4 b8 形成的5点的方式设定温度维持部激光光束20、 201、 202进行加热。 按此方式， 一般能够使与前头加热部激光光束19、 191、 192对应的3 束射出光bl b3成为比与温度维持部激光光束20、 201、 202对应的 5束射出光b4 b8更高的能量密度。
其它构成及动作由于与实施例l相同，所以省略说明。
按照这样的多点排列，如果图4中的部分反射面13的反射率为一 定，则在各点的激光光线强度依次下降，但通过控制部分反射面13 的反射率，也能够选择各点的能量强度。
如以上详细说明的那样，根据本发明，能够在实现热应力割断具 有的高质量的同时，与现有技术相比使割断速度大幅度地增大。例如，
13在由申请人提出的现有的玻璃划线装置中，使用最大输出100W的 C02激光振荡器，最大划线速度为400mm/sec。与此相对，在本发明 的具有200W的激光输出的装置中，能够获得最大划线速度超过 800mm/sec的速度。
总而言之，本发明的玻璃的热应力割断方法具有以下那样的特征。
(1) 能够以大幅度地提高的速度进行玻璃和其它脆性材料的热应 力割断。
(2) 在割断面近旁不产生微裂紋。
(3) 没有碎玻璃的附着，清洁。
(4) 割断位置精度高。
(5) 割断面相对于玻璃表面充分垂直。
(6) 割断面为镜面，面粗糙度良好。
因此，适合用于液晶显示器、等离子显示器等平板显示器、手机 等便携式显示器用玻璃等的玻璃割断，或石英、陶瓷、半导体等要求 高质量的脆性材料的割断。
权利要求
1.一种脆性材料的热应力割断方法，由从激光振荡器射出的激光光束照射对脆性材料进行加热，依靠热应力割断上述脆性材料，其特征在于将进行加热的激光光束由相对于光束扫描方向排列在同一线上的多个组构成，使与各个组对应的激光光线强度变化来控制上述激光光束的激光光线强度分布。
2. 根据权利要求1所述的脆性材料的热应力割断方法，其特征在 于将多个组激光光束分类为担当初期加热及升温的组、与担当温度 维持的组。
3. 根据权利要求2所述的脆性材料的热应力割断方法，其特征在 于由来自多个独立的激光振荡器的射出光束产生多个组激光光束。
4. 根据权利要求2所述的脆性材料的热应力割断方法，其特征在 于使从一个激光振荡器射出的激光光束入射到分束器内而产生多束 射出光，由上述多束射出光按多点光束配置形成多个组激光光束。
5. 根据权利要求2所述的脆性材料的热应力割断方法，其特征在 于多个组激光光束分别由独立的激光振荡器产生，将产生的多个组 激光光束的激光输出分别由功率表测定，通过反馈控制使输出能够稳 定化地进行控制。
6. —种脆性材料的热应力割断方法，由从激光振荡器射出的激光 光束照射对脆性材料进行加热，依靠热应力割断上述脆性材料，其特 征在于将进行加热的激光光束由进行初期加热的第 一激光光束及进 行温度维持的第二激光光束构成，将上述第 一激光光束的激光输出强 度设定得比第二激光光束的激光输出强度大，使上述第一激光光束及 第二激光光束在上述脆性材料的照射位置中相互不重叠地相对于光束 扫描方向依次排列在同一线上。
7. 根据权利要求1~6中的任何一项所述的脆性材料的热应力割 断方法，其特征在于对从在由激光光束照射加热的脆性材料的加热 位置到光束扫描线上的后方位置进行冷却。
8.根据权利要求1~6中的任何一项所述的脆性材料的热应力割 断方法，其特征在于与由激光光束照射加热的脆性材料的光束扫描 线一致地施加弯曲应力。
全文摘要
一种脆性材料的热应力割断方法，由从激光振荡器射出的激光光束照射对脆性材料进行加热，依靠热应力割断上述脆性材料，其中将照射在脆性材料上的激光光束由相对于光束扫描方向排列在同一线上的担当初期加热及升温的加热前头部与担当加热后的温度维持的温度维持部的多个组构成。使与各个组对应的激光光线强度变化，将整体的激光光线强度分布控制为最佳值。由此，不用使脆性材料的加热温度上升就能够使割断速度飞跃性地增大。
文档编号B28D1/32GK101559626SQ200910134039
公开日2009年10月21日 申请日期2009年4月8日 优先权日2008年4月8日
发明者田村裕 申请人:镭美科技股份有限公司