专利名称：基于大区域不均匀温度分布的脆性材料的热应力切割方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种脆性材料特别是平板显示器玻璃及太阳能电池基板玻璃的热应 力切割方法以及装置。
背景技术：
最近以来在玻璃切割中，使用基于激光照射的热应力切割法，以代替过去数世纪 一直使用的基于金刚石钻头的机械方法。根据该方法能消除机械方法固有的缺点，即产生微裂纹导致的玻璃强度的降低、 切割时的玻璃屑的产生导致的污染、适用板厚存在下限值等。其结果，根据热应力切割法不需要进行作为机械切割的后序工序即研磨、清洁，即 可得到表面粗糙度在Iym以下的镜面，产品外形尺寸精度在士 25 μ m以上。再有，还可以 用于玻璃板厚度薄到0. Imm的厚度，可以用于今后的平板显示器玻璃、太阳能电池基板玻
卜.ο该方法的原理如下所述。向玻璃局部性地照射激光，进行不会产生裂纹、熔融、气 化等程度的加热。此时玻璃加热部虽然要膨胀，但因来自周边玻璃的反作用而不能充分地 膨胀，并以照射点中心产生压缩应力。在周边的非加热区域，也被来自加热部的膨胀按压而 相对于周边产生变形，其结果产生压缩应力。这样的压缩应力是沿半径方向的应力。在物 体上存在压缩应力的情况下，在其正交方向上产生按泊松比相关的拉伸应力。在这里该方 向为切线方向。该情况表示在图2中。该图2用于表示以原点为中心的高斯分布在温度上升时的半径方向应力分量σχ 与切线方向应力分量ο ,根据场所变化的情况。前者始终为压缩应力(在该图2中为负 值)，后者在加热中心部为压缩应力，而在远离该中心时变化为拉伸应力(该图2正值)。 以该图2所示的应力分布为基础，针对一般的温度分布也可以处理成该应力分布的线性组 合。该情况下，在玻璃板上的各点上一定在正交方向产生压缩应力和拉伸应力。这些应力中与直接切割有关的是拉伸应力。当该应力超过作为材料固有值的破坏 韧性值时，到处产生破坏而不能进行控制。在如本发明的热应力切割的情况下，由于拉伸应 力选定为该值以下，因而不会产生破坏。但是，在拉伸应力存在位置上有龟裂的情况下，在其前端应力扩大，若该力超出材 料的破坏韧性值，则龟裂会扩大。即，产生作为加工的被控制了的切割。通过扫描激光照射 点，可以使龟裂延长。在该热应力切割中，由于切割面与结晶的裂开面类似，因而不会产生 微裂纹、玻璃屑，可以消除上述的机械方法的缺点，作为玻璃的加工方法来说具有非常优良 的特性。该热应力切割有图14所示的两种情况。图14(a)所示的是进行加热2和冷却3的 结果，仅在工件1的表面层(例如深度100 μ m)产生龟裂4的情况，一般被称为表面划痕。 5表示划痕方向。
另一方面，图14(b)所示的是工件的整个厚度上产生龟裂的情况，一般被称为全 切割。5表示切割方向，6表示切割预定线。该图所示的全切割的情况下不进行冷却。显然 进行冷却对拉伸应力的形成有利，但这是由于找不到大量地波及工件内部的冷却方法。两 者各有优缺点。前者是在划痕后需要切断工序，这是最大的缺点。该工序在后者中是不需 要的，但在该后者技术中存在针对大型工件切割速度降低，或在工件端部附近降低切割位 置精度等所谓尺寸效果的缺点。该对玻璃照射激光的表面划痕技术由Kondratenko Vladimir S.倾注精力进行开 发，并申请了专利文献1的日本专利。该专利还申请了专利文献2及专利文献3的欧州专 利以及美国专利。该发明人选择了 CO2激光作为激光。同样，利用(X)2激光来进行表面划痕的技术，申请有基于分束器将圆对称激光束转 换为在直线上排列的多个射束点列的技术的专利文献4的日本专利。针对以上的表面划痕专利，为了除去上述缺点而希望进行图14(b)所示的全切割 方式技术的开发，并申请有向掺杂稀土类元素的玻璃上照射半导体激光的技术的专利文献 5的日本专利。热应力切割成为全切割方式或止于表面划痕，是根据工件加热止于表面现象或体 量现象(基于非专利文献1的激光)的差，由热应力仅在表面层产生或遍及工件的全部厚 度产生的差异来决定。如上所述，两者各有优缺点，从而根据目的分别使用即可。本专利可 以同时适用于两个技术，并且是能进一步提高脆性材料热应力切割的性能的改良专利。特 别是在表面划痕中，其做了技术改良以可将玻璃板厚为5mm左右的太阳能电池用玻璃作为 其对象。专利文献1 ^ > F 7 r > ^ V. S. (Kondratenko Vladimir S.)，脆性非金属材料 的分断方法，日本国专利第3027768号专利文献 2 :Kondratenko Vladimir S. , Method of splitting non-metallic materials, EP0633867B1专利文献 3 :Kondratenko Vladimir S. , Method of splitting non-metallic materials, USP5609284专利文献4 :寺本勉，切断装置，日本国专利第3792639号专利文献5:三浦宏，轻部规夫，脆性材料的割断方法以及装置，日本国专利第 4179314 号非专利文献 1 :Vladimir V. Fedorov et al. 3. 77-5. 05 μ m Tunable Solid-State Lasers Based on Fe2+-Doped ZnSe Crystals Operating at Low and Room Temperatures, IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 42, No.9, pp 906-917, September(2006).基于激光照射等的热应力切割的特征在于相比机械方法为一种高品质加工法。但 该加工法也有缺点。其第一缺点为加工点温度相比常温为高温。机械方法在常温下进行， 与之对应地热应力切割必须加热到常温以上。特别是在对大型工件全切割时，为了增大切 割速度需要增大热应力。为此需要进一步提高加热温度。另一方面，因为玻璃有变性点温 度、融点，特别是在玻璃表面上有膜时为了防止工件损伤需要降低加热温度，这是在热应力 切割中最大的问题。特别地，作为表面划痕的缺点不能适用于厚板玻璃中。现在，该技术应用在平板显示器玻璃切割中，这时的玻璃板厚通常为0. 7mm。(X)2激光照射到玻璃表面时，由深度为 3. 7μπι的表面层吸收99%的入射能量。因此，划痕深度通常限定为200 μ m左右。板厚为 0. 7mm时，若有200 μ m的划痕深度即可进行后续的机械切断。但是板厚为5mm左右时，在该 划痕深度下不能进行机械切断。用现在的划痕技术不能进行太阳能电池玻璃的激光切割。
发明内容
为了解决这些问题，在本发明中没有把工件加热限定于工件上的一点，而是分布 在大区域中。这样一来，可以通过在加热全部区域中面积分在加热区域的各点产生的热应 力，以显著增加产生的热应力。但是，工件全部区域均勻加热时不产生热应力。为了除去工 件内的残留应力，通常把工件放入加热炉内进行逐渐加热或逐渐冷却加工。为了产生热应 力需要不均勻温度分布。该分布形成原理上既可以通过加热实现，也可以通过冷却实现，但 实际上执行加热的方法更容易。并且两者并用时也有效果。通过这种分布型加热，我们可 以做到用切割速度300mm/秒全切割方式切割板厚为0. 7mm的大型无碱玻璃时的加热温度 为50°C的较低温度。该方法对降低加工点的加热温度有效果。但是因为温度分布平缓扩大，并且没有 切割位置的确定因子，所以产生精度降低的缺点。为防止该缺点，在平缓的温度分布中重叠 尖锐的峰并作为切割位置确定因子来使用即可。但是一般地，温度分布和原子间结合分离 中使用的应力分布不一致。实际上对工件切割产生影响的是后者，这不仅依赖于温度分布 还依赖于工件的整体结构。因此，仅仅使温度分布与切割预定线相一致，不能实现较高的切 割位置精度。可以通过如下方法提高该精度通过理论或实验可以准确预测两者间的偏差 的情况下用偏移技术；该预测较为困难的情况下通过负反馈控制，或根据需要进行正反馈 控制。并且为了解决厚板的问题，在本发明中利用了龟裂前端的应力放大现象。在板厚 5mm的玻璃上有深度200 μ m的表面划痕的情况下，龟裂不能一下子向上下方向前进。但是， 仅在玻璃的端部附近的限定的区域中向板厚方向执行机械切断后，使机械切断沿着划痕线 前进，玻璃的全长上执行机械切断即可。机械切断一旦形成则在此之后就比较容易继续切 断，但是最初的开始比较困难。所以在上述的玻璃端部的区域中需要使划痕的深度设定为 几乎接近整个板厚的数值，而不是200 μ m。根据本发明，可以实现热应力切割所具有的高质量，还可以使加热温度充分降低 至不损伤玻璃自身和表面上的膜的较低值，且还可以充分提高位置精度。并且，可以使对象 板厚增大到太阳能电池玻璃的5mm或者该厚度以上。基于激光的玻璃切割，虽然在加工质 量上具有很多技术上的优点，但是还没能替换过去几个世纪一直使用至今的基于金刚石钻 头的机械方式。本发明用于改变这种情况。通过本发明实现的玻璃的热应力切割具有以下的优点。1)相比以往的方法可以大幅提高切割的速度。2)不需要切割后的研磨、清洁等后序工序。3)在切割面附近不产生微裂纹，工件的材料强度的值较高。4)在切割面上没有玻璃屑的附着，变得清洁。5)可以切割厚板玻璃。
6)切割位置精度高。7)切割面相对于玻璃表面充分垂直。8)切割面为镜面，表面粗糙度良好。9)可以用来自一个方向的激光束照射实现重叠玻璃的选择性切割，而不需要玻璃 板的反转等操作。10)可以实现切割的自动化。
图1是表示基于大区域不均勻温度分布的热应力切割原理的示意图。图2是基于高斯型温度分布而的热应力分布图。图3表示用于产生热应力的较低温度下的大区域不均勻加热分布的一例。图4表示在大区域不均勻加热分布的一例中产生的应力强度因子分布图。图5表示激光光斑扫描的应力强度因子分布。图6表示在大区域不均勻加热上重叠扫描激光光斑时的应力强度因子分布。图7表示高斯激光束通过DOE转换为直线束。图8表示沿轮廓进行热应力切割时的直线束方向的旋转控制。图9表示沿轮廓进行热应力切割时的直线束长度和方向的控制。图10表示热应力切割工件侧端附近时实际的切割位置与目标位置之间的偏差。图11表示厚度为0. 7mm的无碱玻璃板的红外线透过率特性。图12表示在工件的大量切割中全切割方向与深度很深的划痕方向正交的例。图13是表示容易进行厚板玻璃的机械切断的理想划痕深度分布的示意图。图14是表示玻璃上进行激光照射时的表面划痕(a)和全切割(b)的示意图。
具体实施例方式图1示出本发明的实施方式的示意图。作为本发明的实施方式的基本结构，将工 件上的大区域中温度比工件的热损伤温度低的静止或移动的不均勻温度分布与作为切割 位置确定因子的微小区域中所集中的静止或移动的温度分布重叠，仅在该微小区域附近使 张开型应力强度因子K1的值大于材料的破坏韧性值Kk的值，且在该切割位置确定因子的 温度分布上根据需要设定偏移量，或者进行负反馈控制或根据情况进行正反馈控制，以使 切割位置和目标位置一致，该脆性材料的热应力切割方法的特征在于，为形成切割位置确 定因子，使用通过衍射光栅型光学元件对激光进行转换而得到的直线束。本发明的实施方式涉及的一种脆性材料的热应力切割装置，用于实现上述脆性材 料的热应力切割方法，将工件上的大区域中温度比工件的热损伤温度低的静止或移动的不 均勻温度分布与作为切割位置确定因子的微小区域中所集中的静止或移动的温度分布重 叠，仅在该微小区域附近使张开型应力强度因子K1的值大于材料的破坏韧性值Kk的值，且 在该切割位置确定因子的温度分布上根据需要设定偏移量，或者进行负反馈控制或根据情 况进行正反馈控制，以使切割位置和目标位置一致，上述脆性材料的热应力切割装置的特 征在于，为形成切割位置确定因子，具有光束产生机构，输出通过衍射光栅型光学元件对激 光进行转换而得到的直线束。
若简要说明本实施方式，通过在工件上尽可能大的区域内设置平缓分布的静止或 者移动的较低温的不均勻加热温度分布，实现用于产生应力的加热温度的降低，并防止工 件的热损伤。另一方面，在该加热温度分布上重叠加热能量，该能量在作为切割位置确定因 子的比较微小的区域中集中并静止或者移动，且偏移设定该位置，或者进行负反馈控制或 根据需要进行正反馈控制，以提高切割位置精度。在为实现所需的热应力分布而设计所需 的不均勻温度分布时，可以使用线性弹性破坏力学的方法。作为加热用激光，可以使用通过 衍射光栅光学元件将剖面形状转换为直线束的(X)2激光、可实现全切割的Er:YAG激光、针 对各种板厚的玻璃可以选择实现全切割或者较深划痕的波长可变的1 +2: 激光。厚板 玻璃的切断通过使玻璃端部的划痕深度设置得充分深来实现。下面更为具体地说明本实施方式，如上所述，虽然具有加热区域涉及的区域越大 其加热温度也越低的优点，但另一方面切割位置精度也降低。为防止上述问题，利用了如图 1的11所示的温度分布，该温度分布是在温度分布的宽的波形的棱线上重叠波峰尖锐的波 形7。这种情况下，尖锐的棱线位置7成为切割位置确定因子。作为遍及大范围的加热区域 的积分值，即热应力值变大，与波峰的高度低无关，以不达到切割阈值并优选的是以只在尖 锐的波峰位置超过该阈值的方式设定。在该图中，用10表示了热应力充分大以至于引起原 子间结合分离的区域。在该区域中，用X表示了由〇表示的相邻原子之间原子间结合分离 的状态，其中用线段表示原子间结合。8表示全切割方式的切割，9表示龟裂前端。5为切割 方向。在这种情况下，波峰越尖锐越可以提高切割位置精度。根据线性弹性破坏力学，根据工件上龟裂前端附近的热应力场的特性产生切割。 设定除该特性之外的热应力值，使其比相邻的原子间结合力小。即使是在龟裂附近的特性 条件下产生的热应力，也可以将超出能让工件变形的值的值用于最初分离原子结合。前者 主要依赖于工件结构，越是大型工件其值越高。后者依赖于工件材料常数，与工件形状无 关。根据线性弹性破坏力学理论，当代表后者的物理量K1 (张开型应力强度因子)满足K1 > K1。(在这里Kk是材料的破坏韧性值，在通常的玻璃中为0. 73MPa/m2)时，切割以龟裂前 端的发展进行。在本发明中选择仅在所需的切割位置中满足K1 > K1。的温度分布即可。这 种情况下，设计应尽量使该条件能在低温下实现。线性弹性破坏力学理论提供了计算K1的 方法，其为公知方法，在这里省略说明。根据该实施方式，可以获得大区域不均勻加热效果，即降低加热温度，并可以避免 工件的热损伤。并且，通过在大区域加热上重叠切割位置确定因子，可以实现高切割位置精 度。其结果，可以获得热应力切割所具有的固有的高质量切割特性。实施例1作为第一实施例，介绍第一个具体的加热温度分布设计例。该例的对象是在宽度 580mm、板厚0. 7mm的无碱玻璃板的中央部上以直线状全切割方式切割的情况。这种情况 作为全切割方式，在大型工件中不可避免地由于尺寸效应而存在相当大的困难。作为图1 的平缓的波形，设定如图3所示在玻璃宽度中央部具有大约50°C的温度峰值的高斯温度分 布。为了具体实现，在玻璃板上的高度为200mm的位置上使用了与玻璃长度平行设置的电 力输入为IkW的柱状红外灯。在图3中示出了执行切割的同时测定的电力输入3分钟后的 玻璃表面温度。在这里，点灯后等待3分钟再开始切割的原因在于灯光能量的一部分被玻 璃表面吸收，由热传导达到内部以达到全切割方式所需的条件需要一定的时间。若使红外灯光经由3-4 μ m的带通滤波器照射，则照射光到达玻璃内部后直接被吸收，在点灯的同时 达到该条件而不需要等待时间。图4示出针对该温度分布用有限元法计算的玻璃宽度中央的K1值的玻璃长度方 向分布。在该图中也示出了针对无碱玻璃的K1。值。K1相比K1。大的区域为从玻璃的切割 开始端部到310mm为止的区域，若超过该点则停止全切割。在该条件的加热下，从端部到 310mm处自动进行全切割并在310mm处停止切割。若提高加热温度，则全切割的前进距离增大，若降低加热温度，则距离减小。不管 是什么情况，在如图3所示的大宽度加热中不能获得高切割位置精度。该条件下的优点是 可以使最高加热温度降低至50°C。为形成本发明中的切割位置确定因子(重叠加热)，使用了输出通过衍射光栅型 光学元件对激光进行转换而得到的直线束的光束产生机构。使用上述光束产生机构，产生 了如下单一激光光斑玻璃的吸收激光输出为100W，光斑直径为3mm，扫描速度为300mm/s。 首先仅针对该激光加热通过有限元法计算&。在实际的实验中使用了波长为976nm的LD 激光束。图5示出了激光束扫描线上的K1值计算结果在玻璃长度方向上的分布。在该图 中示出了扫描激光束位置从玻璃端开始分别到达30、100、200、250、300、400、510mm的位置 时的K1分布和温度分布。在只通过该激光进行的加热中，在玻璃端部附近以外的地方K1低 于K1。，不产生切割。本发明的主旨是使红外灯与激光束的加热重叠，并实现图1所示的加热温度分 布。图6示出了重叠时K1值计算结果在玻璃长度方向上的分布。在该图中示出了激光束 位置与图5中的位置相同情况下的K1分布和温度分布。在这里，各点的K1值和温度变为图 4以及图5所示值之和。对于这些物理量，重叠原理成立。其结果，只需在切割预定线上K1 超过Klc;即可。图6所示的K1值在激光束的附近比Klc;大，从而切割只进行到该位置，并在 该位置停止。停止切割是因为在激光束位置中存在强压缩应力。图3所示的通过红外灯进行加热的情况下，在K1 > Klc的范围内以非常高的速度 进行切割。这是因为工件内的热应力分布的传播速度基本上接近声速。该情况下，切割面 上产生裂纹。与此相反，图6所示的使红外灯与激光束加热重叠的情况下，如上所述因为切 割龟裂不能越过激光束，所以切割速度与激光束扫描速度相同。该方法可以维持高切割质 量，因此很方便。在这里示出的是如下实施方式基于柱状红外灯的最高为50°C的热应力切割加 热，在非常低的低温加热上重叠扫描型激光光斑照射后在板厚为0. 7mm、宽度为580mm的无 碱玻璃板的中央部上以300mm/s的速度执行高质量热应力切割，可获得以往的任何技术都 达不到的效果，证明了本发明的高性能。实施例2图7所示的加热温度分布的第二结构例中，作为切割位置确定因子的光束产生机 构，利用作为直线束均化器的衍射光栅型光学元件(DOE) 14，使从激光振荡器12射出的高 斯激光束13转换为直线束15。图7是示出通过上述光束产生机构输出直线束的情况的示 意图。图中15表示通过DOE后的激光束，在预定位置中实现设计特点即直线束16。其他结 构与第一实施例中相同。作为该直线束16，标准地使用有宽度为0. 1 1mm、长度为25mm 左右的直线束。在这种情况下长度方向的分布为均勻强度分布，但是宽度方向的分布既可
8以是均勻分布也可以是高斯分布。并且，可以对强度分布进行入射激光束径、位置等调整使 其变化。相比第一实施例，在第二实施例的情况下切割位置精度进一步增大，所需的加热 温度进一步降低，并且表面划痕的情况下划痕深度进一步变深。这些是本结构例的效果。实施例3图8示出本发明的第三结构例。图8所示的作为切割位置确定因子的光束产生机 构，利用作为直线束均化器的衍射光栅型光学元件(DOE) 14，使从激光振荡器12射出的高 斯激光束13转换为直线束15。在进行作为自由曲线的轮廓切割的情况下，需要使作为切割 位置确定因子的直线束16与轮廓的切线相一致。因此需要始终对直线束16的方向进行旋 转控制。该控制可以用D0E14的旋转控制17来进行。在图8中，1为工件，6为切割预定线，21为点状激光光斑，22为短直线束，23为长 直线束，8为全切割方式切割。19表示楔型掩模，20表示楔型掩模19的移动方向。作为该结构的效果，因为直线束的长轴方向总是与轮廓线相一致，所以能提高切 割位置精度，增大产生的热应力，其结果可以提高切割速度等。实施例4图9示出本发明的第四结构例。切割曲线随机弯曲的情况下，只控制直线束的方 向是不充分的，需要缩短其长度或根据情况设为点状。这样的控制可以通过控制DOE的旋 转的同时使用楔型掩模19来进行，该楔型掩模19与DOE同时旋转并前后移动。在图中用 20表示该前后运动，通过该控制可以控制直线束16的长度成为点状激光光斑21、短直线束 22、长直线束23等所需的值。特别地，激光光斑21所示的为点状光斑，与切割曲线为锐角 的弯曲相对应。作为该结构的效果，轮廓曲线以较小曲率弯曲或者以锐角弯折的情况下，也可以 防止切割位置精度的降低和切割速度的降低。实施例5热应力切割发生在用于分离原子间结合的最大热应力位置上，而不是产生在最高 温度位置上。我们可以作为输入条件提供的是温度分布，而不是该热应力分布。后者是根 据工件结构等条件作为结果出现的分布。显然两者之间有因果关系，但是在实际的生产中 通常很难始终把握这种关系。根据图1所示的本发明原理，实际产生的热应力切割位置不 是限定在该确定因子附近的某一个位置上，因为该位置不一定就是切割目标位置，所以为 了高精度控制需要一种位置控制技术。当温度分布和该切割产生位置间的偏差在理论上没有确定的情况下，为了补偿该 偏差可以通过起初就在温度分布上设置偏移量以实现高切断位置精度。在图10中示出了 基于有限元法计算并通过实验证明过的该偏差的一个例。在这里示出了工件宽度为500mm、 长度为1000mm、厚度为0. 7mm和宽度为2000mm、长度为2000mm、厚度为0. 7mm的2种无碱玻 璃板中在离侧端20mm位置上用直径为1. 5mm的激光束在长度方向上扫描的情况下的实际 的切割位置。除了切割开始和终端附近，产生了最大为0. 7mm的位置偏差，并且其具有高度 的可重复性。在允许0. 7mm的位置偏差的情况下可以按照原来的方法进行，但是不允许的 情况下需要位置控制。只要在各种条件下用有限元法计算并记录该偏差量，就可以设定热 应力分布的偏移量，可以实现高切割位置精度。这是本发明的第5结构例。
根据该结构，能够实现热应切割位置的进一步高精度化。在工件形状、切割位置等 条件不变即反复条件下的反复作业中，只要允许位置误差为50 μ m左右，就可以使用该方 法。该装置不需要负反馈控制部，可简化装置结构。实施例6激光束位置的负反馈控制是本发明的第六结构例。有时在生产车间很难设定上述 偏移量，所以用划痕监视器来检测实际的切割位置，在与切割位置确定因子相对应的照射 激光束位置上进行负反馈控制，或根据需要进行正反馈控制，以实现预定的切割位置精度。 该控制可以由公知的控制技术来实现。实施例7相对于以上的基于激光束位置控制的切割位置高精度化，还可以通过直线激光束 旋转角控制来实现切割位置高精度化，这是本发明的第七结构例。该方法的原理如下通过 直线激光束的旋转角控制，可以使K11 (面内剪切型应力强度因子)成为零或者很小的值，这 时可以利用最大温度位置和最大热应力位置相一致的事实。通过有限元法计算来确认了该 事实。这时也和激光束位置控制同样地具有偏移量设定和负反馈或正反馈控制2种方法。 但是因为计算偏移补偿量的方法非常复杂，在实际的生产车间中使用起来有困难，所以负 反馈或正反馈控制的方法更为现实。该方法也可以利用公知的控制技术来实现。根据上述2种负反馈或正反馈控制，不需要事先估计温度分布和切割位置间的偏 差量，可以通过自动化运转来实现切割位置的高精度化，在实际的生产中具有不可估量的 优点。实施例8作为加热用的激光，可以使用能被玻璃吸的激光束。代表性的激光是波长为 10.6μπι的CO2激光。该激光作为商用激光容易得到高输出激光，因此很方便。该激光的特 征为被玻璃吸收的吸收系数很大，以至于在深度3. 7 μ m的表面层中被吸收了 99%入射能 量，不能对玻璃进行体量(Bulk)加热。因此适用于表面划痕，但不能在全切割方式中使用。图11示出厚度为0. 7mm的无碱玻璃板的红外光透过特性(％ )。作为全切割方式 用的激光束，理想的情况是被玻璃板吸收大约50%，因此可以使用振荡波长的波长范围在 2. 75 4. 5 μ m范围内的激光束。在板厚较大的情况下使用最短波长为2. 5 μ m、板厚较小 的情况下使用最长波长为5 μ m范围内的振荡波长即可。因此，作为全切割方式用的激光可 以使用Er YAG激光(2. 94 μ m)。通过使用波长范围在3. 77 5. 05 μ m且波长可变的中红外激光，可以得到理想的 效果。该激光是用盘式激光器、光纤激光器激发的掺杂2价铁离子的结晶激光。大约 有将近50%的振荡效率，还可以高输出化。在非专利文献1中报告有该激光技术。现在，平板显示器玻璃的板厚有从现行值0. 7mm向0. Imm逐渐减小的趋势。在所 述板厚中能吸收99%的入射光能量的条件为，根据关系式IAtl = e_ax，吸收系数α的值在 65 230CHT1范围至内。与之对应并且由无碱玻璃的吸收特性所决定的波长范围充分在上 述该激光的波长共振范围内。从而，即使玻璃板厚变化，也可以通过该波长共振使大部分的 光能量到达玻璃板的背面，并且不会贯通玻璃板，可以使划痕深度变为接近玻璃板厚的值。 已证明如下事实在全切割方式之间形成的交差点处的交叉加工是有难度的，但是在背面 残留有若干非切割层时可以进行交叉加工。在图12中示出了该情况。在玻璃板1上进行最初基于波长共振的激光渗透，生成没有到达背面的非常深的划痕对、241、242、243等。接 着在更短的波长方向上进行波长共振，使激光完全透过玻璃板，在与上述划痕正交的方向 上实现全切割25、251、252。在两线的交叉点由于背面还没有分离，因此可以继续进行全切 割。其中，在该说明中省略了设在玻璃板端部上的初龟裂。在该工序后沿着深划痕线执行机械切断。因为划痕深度充分深，该切断很容易进 行。在该工序中，为了不使被全切割的各片到处乱溅，在必要的工序中要把工件固定在静电 吸附板沈上。该吸附板的结构为可以独立控制各位置中的施加电压，并在所需的位置和所 需的时刻解除吸附。根据该结构，可以针对各种板厚的玻璃实现全切割，还可以实现没到达全切割程 度的非常深的划痕。该技术在通过热应力切割进行交差切割时可以实现交叉切割，在实际 用途上极其有用。实施例9在本发明的技术中可以用图14(b)所示的全切割方式切割太阳能电池玻璃，但也 可以用图14(a)所示的表面划痕来切割，下面对其进行说明。在图13的示意图中示出了 使其变为可能的在划痕线方向的表面划痕深度的变化。该图是板厚为5mm的碱玻璃的情 况，这是通常的太阳能电池玻璃的厚度。纵向对应于玻璃板厚以及表面划痕深度，横向为 划痕方向。如图所示从玻璃端部的划痕开始点在长度(在发明人的证明实验中为IOmm 20mm左右)范围内，划痕深度为3 4mm左右，其后如图13所示慢慢减小到正常的划痕深 度200μπι。在照射激光输出为70W的情况下激光扫描速度为30 53mm/s，但是为了在玻 璃端部获得深划痕，要降到20mm/s的低速才有效果。划痕深度为该分布的情况下，在该深部上限定区域后就容易在整个板厚上进行机 械切断。即使超过了该区域划痕深度浅至200 μ m，只要进行整个厚度的切断，就可以容易地 使机械切断慢慢沿着划痕方向前进。这样一来，可以使沿划痕线的划痕深度变为图13所示 的厚度，并且使5mm左右的厚板在全长上进行机械切断。作为图13所示的划痕分布的生成方法，为了增加划痕深度降低激光束扫描速度 的方法已在前面说明。在这里利用图6说明热应力产生机构上在玻璃端部划痕深度比端部 以外的位置深。图6示出在玻璃板上产生的应力强度因子K1的变化情况，该变化的方向是 针对某种条件下的激光束照射引起的玻璃加热的激光束扫描方向。激光束扫描是连续进行 的，但是在图6中同时示出了该光束到达7点时的应力强度因子分布和加热温度分布。在这 里只关心跟划痕深度有直接关系的应力强度因子的变化。从图6中观察激光束位置离端部 的距离为10mm、30mm、IOOmm的3个位置时的应力强度因子分布，可以知道无论是那种情况， 该系数在玻璃端部附近取较大值。该应力分布的增大与划痕深度的增大有直接相关。图6 是在某种加热条件下的数据，在这里示出的趋势是一般的情况。那么从现在开始说明实施例。本发明属于图14(a)所示的表面划痕。从而，在玻 璃表面上跟踪扫描有基于(X)2激光照射的加热并在其之后跟踪扫描有基于冷却液喷雾的冷 却机构。并且，在开始形成划痕的玻璃端部上设有初龟裂。这样的技术原理以及方法现在 已公知。在图14(a)中示出有激光剖面形状为小圆的情况，在划痕为直线状或者要把该深 度变深的情况下，以延长玻璃的加热时间为目的使用剖面形状为直线束的激光即可。由于从激光振荡器射出的激光通常是剖面形状为圆形的高斯束，所以在图7、图8、图9所示的方 法中说明了转换剖面形状。在这样的工序之后按照上述说明沿着划痕线执行机械切断。以上说明的是用于实现本发明的功能的若干个实施例，显然本发明的主旨可以用 其他很多种方法实现。如此，若把玻璃的热应力切割导入到平板显示器、太阳能电池的制造过程，则在提 高加工速度、加工质量、经济效应并克服现有技术的弱点时其效果是非常显著的。这些加工 现在是用金刚石切割机来进行，但是呈现出了诸如因产生玻璃屑而切割后需要进行清洁工 序或者由于微裂纹的存在以至于材料强度下降等问题。基于本发明的热应力切割可以解决 这样的问题。并且，因为加热温度充分低，不会在玻璃基板、其表面上设置的成膜上引起热 损伤。还因为热应力切割位置的精度充分高，并且可以使热影响区域充分局限在划痕宽度 范围内，因此本发明的技术不仅可以用于基板玻璃的加工还可以用于电池的加工。
权利要求
1.一种脆性材料的热应力切割方法，将工件上的大区域中温度比工件的热损伤温度低 的静止或移动的不均勻温度分布与作为切割位置确定因子的微小区域中所集中的静止或 移动的温度分布重叠，仅在该微小区域附近使张开型应力强度因子K1的值大于材料的破坏 韧性值Kle的值，且在该切割位置确定因子的温度分布上根据需要设定偏移量，或者进行负 反馈控制或根据情况进行正反馈控制，以使切割位置和目标位置一致，上述脆性材料的热 应力切割方法的特征在于，为形成切割位置确定因子，使用通过衍射光栅型光学元件对激光进行转换而得到的直 线束。
2.根据权利要求1所述的脆性材料的热应力切割方法，其特征在于，根据切割位置的切割轮廓的形状控制直线束的方向或者长度。
3.根据权利要求1所述的脆性材料的热应力切割方法，其特征在于，根据表面划痕、深划痕、全切割等所需的切割的种类，使用CO2激光、1 2+: 激光、 EriYAG激光中的任一种作为激光。
4.根据权利要求1所述的脆性材料的热应力切割方法，其特征在于，为了固定工件，使用能够按位置分别切换施加电压的静电吸附板。
5.根据权利要求1所述的脆性材料的热应力切割方法，其特征在于，使冷却单元在移动激光束之后同速移动，并降低玻璃端部的划痕开始点附近的移动速 度，从而增大划痕深度，使该区域的后序工序的机械切断变得容易，并使开始的该切断向划 痕深度浅的其他区域前进。
6.一种脆性材料的热应力切割装置，将工件上的大区域中温度比工件的热损伤温度低 的静止或移动的不均勻温度分布与作为切割位置确定因子的微小区域中所集中的静止或 移动的温度分布重叠，仅在该微小区域附近使张开型应力强度因子K1的值大于材料的破坏 韧性值Kle的值，且在该切割位置确定因子的温度分布上根据需要设定偏移量，或者进行负 反馈控制或根据情况进行正反馈控制，以使切割位置和目标位置一致，上述脆性材料的热 应力切割装置的特征在于，为形成切割位置确定因子，具有光束产生机构，输出通过衍射光栅型光学元件对激光 进行转换而得到的直线束。
7.根据权利要求6所述的脆性材料的热应力切割装置，其特征在于，上述光束产生机构根据切割位置的切割轮廓的形状控制直线束的方向或长度。
8.根据权利要求6所述的脆性材料的热应力切割装置，其特征在于，上述光束产生机构根据表面划痕、深划痕、全切割等所需的切割的种类，使用CO2激光、 Fe2+:ZnSe激光、EriYAG激光中的任一种作为激光。
9.根据权利要求6所述的脆性材料的热应力切割装置，其特征在于，为了固定工件，上述光束产生机构使用能够按位置分别切换施加电压的静电吸附板。
10.根据权利要求6所述的脆性材料的热应力切割装置，其特征在于，上述光束产生机构使冷却单元在移动激光束之后同速移动，并降低玻璃端部的划痕开 始点附近的移动速度，从而增大划痕深度，使该区域的后序工序的机械切断变得容易，并使 开始的该切断向划痕深度浅的其他区域前进。
全文摘要
一种基于大区域不均匀温度分布的脆性材料的热应力切割方法及装置，在工件上不产生材料加热引起的热损伤，实现高切割速度以及高切割位置精度这两点，且可以切割用于太阳能电池玻璃的板厚为5mm左右的厚板。在工件上尽可能大的区域中设置平缓分布的静止或移动的较低温的不均匀加热温度分布，以降低产生应力的加热温度，并防止工件的热损伤。另一方面，在该加热温度分布上重叠作为切割位置确定因子的较小区域内所集中的静止或移动的加热能量，且偏移设定该位置，或者进行负反馈控制，并根据需要进行正反馈控制，以提高切割位置精度。
文档编号C03B33/09GK102060437SQ20101050833
公开日2011年5月18日 申请日期2010年10月8日 优先权日2009年10月6日
发明者秋山保男, 轻部光次郎, 轻部规夫 申请人:株式会社莱奥