专利名称：切割基板的方法和用于切割的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通过引入热机械张力来切割基板的方法。本发明还涉及通过特定的切割方法来精确制造基板形状。本发明还涉及一种用于执行根据本发明的方法的设备。
背景技术：
对诸如玻璃这类受到塑性断裂的材料进行精确且受控的切割对于很多工业工艺和产品而言是必须的。传统的切割方法一般需要去除一些材料来进行分离，例如锯切或传统的激光切割，其导致相邻基板表面污染以及使得边缘不是整齐的切口，即，显示出次级结构而偏离理想的切口表面。这些标准切割工艺中的一些涉及目前在大规模玻璃制造中使用的机械研磨操作，例如通过金刚石涂层砂轮或钻头来切割。这类技术对得到的边缘的规则性/质量予以折衷，并且释放出对基板表面产生负面影响的碎片颗粒，从而经常需要额外的清洗或抛光步骤。这些标准切割工艺多数还会沿着切口引入微小的裂缝，这些裂缝可能会成为微观断裂的起始点，并且当施加机械应力时致使基板被毁。新近的切割方法使用激光束沿着基板上的路径进行加热，随后由冷却系统使用液态或气态介质或其混合物而产生限定的断裂。然而，这些技术具有下列缺点所需设备成本高；必须保护人员免受直接的激光暴露，又必须保护其免受反射的激光暴露；对于不同的材料诸如不同的玻璃类型而言，对激光束波长的光学响应不同。而且，激光切割只适合于有限的材料厚度范围，而太薄或太厚的基板目前绝大多数都是采用标准工艺加工。
发明内容
鉴于以上原因，本发明的目的是要提供一种在无需去除部分基板的情况下切割材料的方法；进一步地，旨在有效地加工薄的和厚的基板，并且使得能够在基板上切割出笔直的和随机形状的切口。另一个目的是要避免切割工艺期间中所释放的任何碎片材料沉积。 进一步地，旨在于切口区域中得到干净平整的表面，并且防止沿着切口边沿形成微小的断裂。本发明的又一个目的是要提供一种价格低廉的用于切割材料的方法。本发明的再一个目的是要提供一种容易执行并且允许在不同厚度的材料中都能够得到规则的切口的方法。所有这些目的通过一种切割基板的方法而得以实现，所述方法包括下列步骤a)提供待切割的基板，b)借助于连接到AC电压源的一个或多个电极，通过以在IkHz IOGHz范围内的频率对所述基板的限定区域施加AC电压和电流，来对所述基板施加电能和热能，从而加热所述限定区域，c)冷却所述限定区域，d)其中，在步骤b)期间，通过下列方式使所述限定区域沿着基板表面上的路径移动i)通过使所述电极相对于所述基板移动；
ii)通过使所述基板相对于所述电极移动，或者iii)通过使所述电极和所述基板两者彼此相对移动，并且其中，所述路径不是沿着所述基板的边缘，而是完全或者部分地横过所述基板。在一个实施例中，所述基板用作对置电极，以建立闭合电路。在一个实施例中，在待切割的基板的相对侧上设置有对置电极，以建立闭合电路。在一个实施例中，对置电极接地。在一个实施例中，步骤b)本身表现为在所述电极和所述限定区域之间的电弧形式，其中，优选地，将所述电弧用于切割基板。一般而言，电流需要闭合环路才能流动。如本文中所使用的，术语“电路”意指具有为流过的电流提供返回路径的闭合环路的电气网络。在这类实施例中，基板充当该环路的一部分。因此，离开AC(高压高频)电源的电流流过电极、形成在电极和基板之间的电弧以及基板本身而回到电源。在这类实施例中，基板因此充当对置电极和返回路径。通过使 AC电源以接地为基准，可以进一步简化设置。这允许省去从基板回到电源的专门的导电路径(例如电线等)。因此可以仅仅将基板设置在与接地相关的任何部件上。特别地，对于厚的材料而言，只用一个电极有时候会导致基板内部加热不对称和不均勻，这会使切割随着厚度增大而更加困难。为了确保电流均等地流过基板的整个厚度， 在一些实施例中，使用对置电极来提供到接地的专门返回路径。这样，经由基板流回电源的电流被极大地减小。在不希望受任何理论限制的情况下，这样可以增进切割的两个积极效果(1)可以在基板的两侧形成电弧，使得能够从两侧通过外部的热对基板加热；以及(2) 基板内部的电场被增大，因为其可以接近于达到E=(施加电压)/(基板厚度)。通过介电损耗而进一步增大了内部加热。此外，电极的对准允许在一定程度上分别控制通过基板的电流和加热的路径。在一个实施例中，对基板的加热通过调节所述AC电压和/或电流的频率和/或幅度，和/或电极到基板的距离而加以控制。在不希望受任何理论限制的情况下，基板内部由于介电损耗现象而消耗的功率为pin = ε r ε 0tan δ ω E2这限定了用户可控制的用于切割的参数(1)提高频率ω增大了加热，从而允许更快加热，因而可以更快地切割或者切割更厚的材料。其还提供方案以补偿不利于切割的介电参数，诸如例如低的介电损耗切线和较低的、。(2)提高电压幅度同样也增大了介电损耗，因而改善了切割行为。因为通过电弧从外部加热也会起到切割的作用，所以更改其强度可以影响切割。 电弧取决于所施加的电压、流过的电流、频率、电极到基板的距离。依据基板材料，可以改变这些参数以限定最佳切割条件。在一个实施例中，为了执行步骤b)，将所述电极设置在所述基板的一侧或两侧上、 距所述基板Omm IOOmm的距离处。基板内部的热分布可以通过使用不同的电极到基板的距离加以控制。因为电弧取决于电极距离，所以通过电弧对基板进行的加热在两侧将会不同，这而后会通过基板内部的纵向温度分布而反映出来。在一个实施例中，步骤b)通过施加这样的电压来执行，即该电压的幅度在IOV 107v、优选在100V 106V、更优选在100V IO5V范围内，且其频率在IkHz IOGHz、优选在IOkHz IGHz、更优选在IOOkHz IOOMHz范围内。在一个实施例中，电弧的特性通过改变电极和基板周围的气氛加以控制，例如使用压力在10_5 103bar、优选在10_3 IObar范围内的氮、氩或六氟化硫。更改周围气氛的组成和压力允许控制电弧的形状和温度以及电弧接触的区域的形状和大小。在一个实施例中，在步骤C)中，根据下列方法中的任何方法冷却所述限定区域i)被动地通过与周围环境进行的热传导和/或热对流，ii)将基板附接到能够高效地吸收热的元件，可选地其作为有源热泵而进行工作， 例如珀耳帖(Peltier)元件，iii)通过在所述限定区域附近或者直接对所述限定区域施加气体、液体、气体和液体的混合物、或者气体和固体的混合物而进行主动冷却。在不希望受任何理论限制的情况下，本发明人假设切割是由于通过沿着切割路径的热梯度而导致的。先前被加热的区域冷却下来时产生的机械张力会再次分别导致破裂和切割。通过加强对这些预加热区域的冷却，会增强这些热梯度，从而也会增强导致产生机械张力的裂纹。在最简单的情况下，只通过从预加热区域热传导到基板的其余体部来进行冷却。然而，可以使用更加复杂的方案(1)通过将大的储热器附接到基板来提高通过被动冷却的散热，以及(2)使用例如热泵或使用添加到基板的冷却剂(例如气体或液流)来进行主动冷却。通过局部地应用这些冷却辅助方法，可以更加准确地限定基板内部的分离区域。在一个实施例中，所述方法进一步包括下列步骤a2)在步骤b)之前，冷却所述限定区域。为了改进切割性能(如通过切割速度、切割准确度来加以衡量的)，可以采用预冷却步骤a2)，其具有两个主要作用(1)使材料的脆性增加，因而增加其破裂的趋势，以及 (2)能够使可达到的最大热梯度增大。再者，在不希望受任何理论限制的情况下，所相信的是，这是由于基板内部的最大T通常受T << Tmelting限制的事实而导致的，因为通常不再有切割发生。在较低的T下开始工艺因而允许较高的梯度。在一个实施例中，在步骤a2)中，根据如上所述的方法i)_iii)中的任何方法冷却所述限定区域。在一个实施例中，使所述冷却，优选地使所述主动冷却，随着所述限定区域的移动，而沿着所述基板上的相同路径移动。在一个实施例中，经由位于距所述电极固定距离处的一个或多个喷嘴来应用所述主动冷却，并且其中，通过下列方式实现所述冷却在所述基板上的移动i)通过使所述喷嘴相对于所述基板移动，ii)通过使所述基板相对于所述喷嘴移动，或者iii)通过使所述喷嘴和所述基板两者彼此相对移动。在一个实施例中，基板内部的张力在步骤b)之前沿着打算要执行切割的路径而引入或者减小。这样的沿着路径引入或减小张力在本文中有时也被称为“多通路工艺(multiple pass process)，，。此多通路工艺允许引入用于切割的优先路径，这对于已经具有高内部张力的基板而言尤其重要，这样可以补偿该内部张力。在一个实施例中，所述AC电压源是高压-高频器件，其能够产生幅度在IOV 107v、优选在100V 106V、更优选在100V IO5V范围内，且频率在IkHz IOGHz、优选在 IOkHz IGHz、更优选在IOOkHz IOOMHz范围内的AC电压。在一个实施例中，所述高压-高频器件从诸如特斯拉变压器、回扫变压器的谐振变压器、高功率射频发生器和基于半导体的高频固态斩波器中选择。在一个实施例中，所述高压-高频器件连接到由任何导电性材料制成的一个或多个电极，所述导电性材料优选地具有如贵金属一样的高熔点、低电阻率，所述贵金属例如为钯、钼或金。为了可靠的切割性能，用于电压施加的电极必须是稳定的。最好是耐氧化的高熔点T材料。作为示例，诸如Pt、Pd的贵金属具有这样的特性。在一个实施例中，所述电极的长度在1 300mm、优选在2 100mm、更优选在3 50mm范围内，且其平均直径在0. 1 20mm、优选在0. 2 10mm、更优选在0.4 4mm范围内。为了减小漏电流且因而减小功率损耗，应当使电极尽可能地短。另一方面，较长的电极可以较好地被握持，并且可以提供与热区较好的热分离。因此，主要依据所使用的功率和频率，对实际的电极长度和厚度加以折衷考虑。在一个实施例中，所述电极具有曲率在Ιμπι 5mm、优选在10 μ m 1mm、更优选在20μπι 0. 5mm范围内的尖头。在不希望受任何理论限制的情况下，发明人观察到具有尖锐的电极头可以较好地限定电弧产生的位置。因此这对于可靠的操作而言很重要。在一个实施例中，所述基板由下列材料制成电绝缘材料，诸如玻璃，例如硬化玻璃、经离子处理的玻璃、淬火玻璃、熔融石英、石英、金刚石、氧化铝、蓝宝石、氮化铝、氧化锆、尖晶石、陶瓷；半导电材料，诸如硅，包括掺杂的硅和晶体硅、锗；化合物半导体，诸如砷化镓和磷化铟。在一个实施例中，所述基板在一侧或者两侧附着有由诸如铟锡氧化物(ITO)的导电性材料或者诸如金属氧化物的非导电性材料的附加层。在一个实施例中，根据基板的电学特性和物理特性，比如相对介电常数、导电性、 热膨胀系数、厚度，来调整电压和功率。在不希望受任何理论限制的情况下，基板中的热消耗为
权利要求
1.一种切割基板的方法，所述方法包括步骤a)提供待切割的基板，b)借助于连接到AC电压源的一个或多个电极，通过以在IkHz IOGHz范围内的频率对所述基板的限定区域施加AC电压和电流，来对所述基板施加电能和热能，从而加热所述限定区域，c)冷却所述限定区域，d)其中，在步骤b)期间，通过下列方式使所述限定区域沿着基板表面上的路径移动i)通过使所述电极相对于所述基板移动； )通过使所述基板相对于所述电极移动，或者iii)通过使所述电极和所述基板两者相对于彼此移动，并且其中，所述路径不是沿着所述基板的边缘，而是完全或者部分地横过所述基板。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述基板用作对置电极，以建立闭合电路。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在与待切割的所述基板的相对的一侧设置有对置电极，以建立闭合电路。
4.根据权利要求1-3中任何一项所述的方法，其中，对置电极接地。
5.根据权利要求1-4中任何一项所述的方法，其中，步骤b)本身表现为在所述电极和所述限定区域之间的电弧形式，其中，优选地，将所述电弧用于切割所述基板。
6.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，通过调节所述AC电压和/或电流的频率和/或幅度，和/或所述电极到所述基板的距离来控制对所述基板的加热。
7.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，为了执行步骤b)，将所述电极设置在所述基板的一侧或两侧上、距所述基板Omm IOOmm的距离处。
8.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，通过施加幅度在IOV 107V、优选在100V 106V、更优选在100V IO5V范围内，且频率在IkHz IOGHz、优选在IOkHz 1GHz、更优选在IOOkHz IOOMHz范围内的电压来执行步骤b)。
9.根据权利要求5-8中任何一项所述的方法，其中，通过改变电极和基板周围的气氛来控制电弧的特性，例如，使用压力在10_5 103bar、优选在10_3 IObar范围内的氮、氩或六氟化硫来改变。
10.根据权利要求1-9中任何一项所述的方法，其中，在步骤C)中，根据下列方法中的任何方法来冷却所述限定区域i)被动地通过与周围环境进行热传导和/或热对流， )通过将基板附接到能够高效地吸收热的元件，其可选地作为有源热泵工作，例如珀耳帖元件，iii)通过在所述限定区域附近或者直接对所述限定区域施加气体、液体、气体和液体的混合物、或者气体和固体的混合物进行主动冷却。
11.根据权利要求1-10中任何一项所述的方法，其中，所述方法进一步包括下列步骤a2)在步骤b)之前，冷却所述限定区域。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，在步骤a2)中，根据如权利要求10所述的方法中的任何方法来冷却所述限定区域。
13.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，使所述冷却，优选地使所述主动冷却，随着所述限定区域的移动而沿着所述基板上的相同路径移动。
14.根据权利要求4-11中任何一项所述的方法，其中，经由位于距所述电极固定距离处的一个或多个喷嘴应用所述主动冷却，并且其中，通过下列方式实现在所述基板上所述冷却的移动i)通过使所述喷嘴相对于所述基板移动， )通过使所述基板相对于所述喷嘴移动，或者iii)通过使所述喷嘴和所述基板两者彼此相对移动。
15.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，在步骤b)之前，所述基板内部的张力沿着打算要执行切割的路径被弓I入或者减小。
16.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，所述AC电压源是高压-高频器件，其能够产生幅度在IOV 107V、优选在100V 106V、更优选在100V IO5V范围内、且频率在IkHz IOGHz、优选在IOkHz IGHz、更优选在IOOkHz IOOMHz范围内的AC电压。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述高压-高频器件选自诸如特斯拉变压器、 回扫变压器的谐振变压器、高功率射频发生器和基于半导体的高频固态斩波器。
18.根据权利要求16-17中任何一项所述的方法，其中，所述高压-高频器件连接到由任何导电性材料制成的一个或多个电极，所述导电性材料优选地具有如贵金属一样的高熔点、低电阻率，例如钯、钼或金。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述电极的长度在1 300mm、优选在2 100mm、更优选在3 50mm范围内、且平均直径在0. 1 20mm、优选在0. 2 10mm、更优选在0. 4 4mm范围内。
20.根据权利要求18-19中任何一项所述的方法，其中，所述电极具有曲率在Iym 5mm、优选在ΙΟμπι 1mm、更优选在20 μ m 0. 5mm范围内的尖头。
21.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，所述基板由下列材料制成电绝缘材料，诸如玻璃，例如硬化玻璃、经离子处理的玻璃、淬火玻璃、熔融石英、石英、金刚石、 氧化铝、蓝宝石、氮化铝、氧化锆、尖晶石、陶瓷；电半导电材料，诸如硅，包括掺杂的硅和晶体硅、锗；化合物半导体，诸如砷化镓和磷化铟。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述基板在一侧或者两侧附着有由诸如铟锡氧化物(ITO)的导电性材料或者诸如金属氧化物的非导电性材料构成的附加层。
23.根据权利要求16-22中任何一项所述的方法，其中，根据基板的电学特性和物理特性，比如相对介电常数、导电性、热膨胀系数、厚度，来调整所述电压和功率。
24.根据权利要求2-23中任何一项所述的方法，其中，使用具有变压器驱动电路的谐振变压器作为AC电压源，并且基板是闭合电路的一部分、且影响闭合电路的谐振频率，使得变压器驱动电路的频率根据基板的物理特性，诸如它的尺寸和介电特性而受调整。
25.根据权利要求M所述的方法，其中，使用通过固定频率驱动的谐振变压器作为AC 电压源，所述固定频率被设定为与在权利要求M中所述的电路的谐振相匹配。
26.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，使用利用偏离所述谐振频率的频率而驱动的谐振变压器作为AC电压源，以便控制电弧的特性、以及基板内部的介电损耗。
27.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，在步骤b)期间，所述限定区域内的基板材料不被熔化，并且不会从所述限定区域被去除或被抛出。
28.根据权利要求116中任何一项所述的方法，其中，在步骤b)期间，所述限定区域内的基板材料熔化和/或从所述限定区域被去除。
29.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，所述路径为直线、曲线、成角度的线、闭合线或者前述各项的任何组合，所述路径限定了所述基板在何处被切割。
30.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，优选地沿着所述路径，通过对基板施加机械压应力或张力来控制基板的分离。
31.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，在步骤b)之前，将第一断裂前驱体，比如第一人工裂纹，引入基板中，并且在所述第一断裂前驱体处开始步骤b)。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，在步骤b)之前，将第二断裂前驱体，比如第二人工裂纹，引入基板中，并且执行步骤b)，使得分离路径在所述第二断裂前驱体，例如第二人工裂纹上通过而结束。
33.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，所述限定区域沿着基板表面上的所述路径的移动和在所述基板上的所述冷却的移动以0. 01mm/s 10000mm/S范围内的速度进行。
34.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，所述限定区域沿着基板表面上的所述路径的移动在基板分离的开始部分和最后部分中减速，以便提高这些部分的分离质量。
35.根据权利要求34所述的方法，其中，调整功率和/或电压和/或频率，以便补偿在切口的开始和最后部分中减小的速度，例如维持恒速/功率比。
36.一种用于执行根据前述权利要求中任何一项的方法的设备，所述设备包括a)AC电压源，所述AC电压源能够施加在IkHz IOGHz频率范围内、IOV IO7V范围内的电压，b)第一电极，所述第一电极连接到所述AC电压源，c)保持装置，所述保持装置保持待切割的基板，并将所述基板的一侧暴露于所述第一个电极，d)可选地，冷却装置，所述冷却装置被布置在距所述电极固定距离处，用于冷却基板，e)用于使电极和基板彼此相对移动的装置，如果所述冷却装置存在，则所述电极可选地与冷却装置相结合，f)控制装置，所述控制装置控制a)、e)，并且如果存在d)，则还控制d)，g)可选地，对置电极，所述对置电极被设置在基板的相对的一侧上，h)可选地，冷却喷嘴，所述冷却喷嘴被设置在基板的所述相对的一侧上。
37.根据权利要求36所述的设备，其中，所述AC电压源包括驱动功率级的频率发生器、 连接到所述功率级的作为特斯拉发生器的谐振变压器的初级线圈、连接到所述第一电极的所述谐振变压器的次级线圈、以及控制/设定谐振变压器的功率输出的反馈机构。
38.根据前述权利要求36-37中任何一项所述的设备，进一步包括数控装置和监控相机，其中，所述数控装置能够移动由所述保持装置保持的电极和/或基板。
39.根据权利要求38所述的设备，其中，所述控制装置还通过所述监控相机和所述数控装置来控制如权利要求1-35中任何一项所限定的方法的执行。
全文摘要
本发明涉及一种通过引入热机械张力来切割基板的方法。本发明还涉及通过指定的切割方法来精确制造基板形状。本发明还涉及一种用于执行根据本发明的方法的设备。
文档编号B23K9/013GK102574232SQ201080043212
公开日2012年7月11日 申请日期2010年9月29日 优先权日2009年9月29日
发明者克里斯蒂安·施密特, 恩里科·斯图拉, 米歇尔·林达 申请人:皮可钻机公司