(57)【要約】  化学強化ガラス基板(１１０)からガラス品(１７２)を割断する方法はレーザ源(１０６)からパルスレーザビーム(１０８)を発生させる工程を含む。パルスレーザビーム(１０８)は約１０００フェムト秒より短いパルス持続時間及び化学強化ガラス基板(１１０)がパルスレーザビーム(１０８)に対して実質的に透明であるような出力波長を有することができる。パルスレーザビーム(１０８)は化学強化ガラス基板(１１０)の内部伸張領域(１２４)と同じ水平面に配されるビームウエスト(１０９)を形成するように集束させることができる。ビームウエスト(１０９)は割断線(１１６)に沿う第１のパスにおいて平行移動させることができ、ビームウエスト(１０９)は化学強化ガラス基板のエッジ(１１１)を横切る。ビームウエスト(１０９)は次いで割断線(１１６)に沿う第２のパスにおいて、第２のパス中にクラック(１１９)がエッジ(１１３)から割断線(１１６)に沿い、平行移動するビームウエスト(１０９)に先行して伝搬するように、平行移動させることができる。
2013503105.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学強化ガラス基板からガラス品を割断する方法において、
レーザ源からパルスレーザビームを発生させる工程であって、前記パルスレーザビームは、約１０００フェムト秒より短いパルス持続時間及び、前記化学強化ガラス基板が前記パルスレーザビームに対して実質的に透明であるような、出力波長を有するものである工程、
前記パルスレーザビームを、ビームウエストを形成するために集束させる工程、
前記パルスレーザビームの前記ビームウエストを、前記ビームウエストが前記化学強化ガラス基板の内部伸張領域と同じ水平面に配されるように、位置決めする工程、
前記ビームウエストを割断線に沿う第１のパスにおいて平行移動させる工程であって、前記ビームウエストは前記化学強化ガラス基板のエッジを横切るものである工程、
及び
前記ビームウエストを前記割断線に沿う第２のパスにおいて平行移動させる工程であって、前記ビームウエストは前記化学強化ガラス基板の前記エッジを横切り、前記第２のパス中にクラックが前記化学強化ガラス基板の前記エッジから前記割断線に沿い、前記平行移動しているビームウエストに先行して伝搬するものである工程、
を有してなることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記平行移動している集束ビームウエストが前記第１のパス中に前記化学強化ガラス基板の前記内部伸張領域内に欠陥線を形成し、
前記欠陥線の径が、前記クラックが制御可能な態様で前記第２のパス中に前記欠陥線に沿って伝搬するような径である、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記割断線が曲線を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
内部伸張領域が第１の表面圧縮層と第２の圧縮層の間に配されている基板から物品を分離させる方法において、前記方法が、
割断線に沿って前記基板の前記内部伸張領域内に内部圧縮領域を形成する工程であって、前記割断線は前記基板のエッジに始まり、前記内部圧縮領域の前記形成が前記内部圧縮領域の上方及び下方にそれぞれ配される第１の内部伸張層及び第２の内部伸張層を発生させるものである工程、及び
前記形成された前記内部圧縮領域を、前記第１の内部伸張層及び前記第２の内部伸張層の張力が高められ、クラックが前記基板の前記エッジに始まり、前記内部伸張領域に沿って伝搬するように、加熱する工程、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項５】
前記基板の前記内部伸張領域内に前記内部圧縮領域を形成する前記工程が、
レーザ源からパルスレーザビームを発生させる工程、
ビームウエストを形成するために前記パルスレーザビームを集束させる工程、
前記パルスレーザビームの前記ビームウエストを、前記ビームウエストが前記基板の前記内部伸張領域と同じ水平面に配されるように、位置決めする工程、及び
前記割断線に沿う第１のパスにおいて前記ビームウエストを平行移動させる工程であって、前記ビームウエストは前記基板の前記エッジを横切るものである工程、
をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記形成された前記内部圧縮領域を加熱する前記工程が、前記割断線に沿う第２のパスにおいて前記ビームウエストを平行移動させる工程であって、前記第２のパス中に、前記ビームウエストは前記基板の前記エッジを横切り、前記クラックが前記基板の前記エッジから前記割断線に沿い、前記平行移動しているビームウエストに先行して伝搬するものである工程、をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記パルスレーザビームが、約１０００フェムト秒より短いパルス持続時間及び、前記基板が前記パルスレーザビームに対して実質的に透明であるような、出力波長を有することを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記割断線が曲線を含み、
前記第１のパス及び前記第２のパスにおける前記平行移動しているビームウエストの速度が約０.１ｍｍ/秒から約５ｍｍ/秒の範囲内にある、ことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項９】
化学強化ガラス基板からガラス品を割断する方法において、
レーザ源からパルスレーザビームを発生させる工程であって、前記パルスレーザビームは、前記化学強化ガラス基板が前記パルスレーザビームに対して実質的に透明であるような、出力波長を有するものである工程、
前記パルスレーザビームを、ビームウエストを形成するために集束させる工程、
前記パルスレーザビームの前記ビームウエストを、前記ビームウエストが前記化学強化ガラス基板の内部伸張領域と同じ水平面に配されるように、位置決めする工程、
前記ビームウエストを、曲線を含む、割断線に沿う第１のパスにおいて平行移動させる工程であって、前記ビームウエストは前記化学強化ガラス基板のエッジを横切り、前記第１のパス中の前記平行移動しているビームウエストの速度は約０.１ｍｍ/秒から約５ｍｍ/秒の範囲内にある工程、及び
前記ビームウエストを前記割断線に沿う第２のパスにおいて平行移動させる工程であって、前記ビームウエストは前記化学強化ガラス基板の前記エッジを横切り、前記第２のパス中の前記平行移動しているビームウエストの速度は、前記第２のパス中にクラックが前記化学強化ガラス基板の前記エッジから前記割断線に沿い前記平行移動しているビームウエストの後を追って伝搬するように約０.１ｍｍ/秒から約５ｍｍ/秒の範囲内にある工程、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
前記パルスレーザビームが約１０００フェムト秒より短いパルス持続時間を有することを特徴とする請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は、米国特許法第１１９条ｅ項の下に、２００９年８月２８日に出願された米国仮特許出願第６１/２３７７２６号の優先権の恩典を主張する。
【技術分野】
【０００２】
本明細書は、全般にはガラス基板からガラス品を割断するための方法に関し、さらに詳しくは化学強化ガラス基板からガラス品をレーザ割断するための方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
薄い化学強化ガラス基板には、優れた強度及び耐損傷性のため、民生エレクトロニクスにおいて広範な用途がある。例えば、そのようなガラス基板は、携帯電話、テレビジョン及びコンピュータモニタのようなディスプレイデバイス、及び様々なその他のエレクトロニクス装置に組み込まれたＬＣＤディスプレイ及びＬＥＤディスプレイのための、カバーガラスとして用いることができる。民生エレクトロニクス装置に用いられるそのような基板は様々な割断手法を用いて大寸ガラス基板を複数の小寸ガラス基板に分割または分離することによって形成することができる。
【０００４】
化学強化ガラスは、圧縮下にある表面及び伸張下にある内部領域を有する。中央張力の平方に比例する弾性エネルギーがこの中央伸張領域に蓄えられる。一例として、化学強化ガラスには、７５０ＭＰａをこえる表面圧縮応力及び４０μｍをこえる圧縮層深さが存在し得る。
【０００５】
高表面圧縮応力及び深表面圧縮層は、耐かき傷／損傷性に有益であるが、従来のスクライブ-ベンドプロセスにおけるようなガラスの機械的スクライビングを困難にする。さらに、蓄えられた弾性エネルギーが十分に高ければ、表面圧縮層が突き通されたときに、ガラスは爆発的な態様で破砕するであろう。他の場合には、弾性エネルギーの解放は所望の割断線から逸れるような破断を生じさせ、よってガラス基板を損傷させ得る。
【０００６】
さらに、レーザアブレーションによりガラスを割断または分離するプロセスは、ガラス除去率が非常に低いため、比較的低速である。この手法の別の問題は、ほとんど常に弱化欠陥が残る、劣悪なエッジ仕上げ品質である。このタイプのプロセスには大量の屑が発生する傾向がある。レーザアブレーションプロセスにはさらにレーザスクライビングまたは欠陥生成に続く機械的割折り工程も必要である。
【０００７】
スクライブ-ベンドプロセス及びレーザアブレーションプロセスは、非化学強化ガラスの直線に沿う分離においては極めて申し分なくはたらくことができるが、一層複雑な形状の割断を含む作業においては限界がある。さらに、化学強化ガラスの割断における問題は他の通常のガラスシートの割断に対するより遙かに大きくなり得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、化学強化ガラス基板を割断するための別の方法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一実施形態において、化学強化ガラス基板からガラス品を割断する方法はレーザ源からパルスレーザビームを発生させる工程を含む。パルスレーザビームは、約１０００フェムト秒より短いパルス持続時間及び、化学強化ガラス基板がパルスレーザビームに対して実質的に透明であるような、出力波長を有することができる。パルスレーザビームは化学強化ガラス基板の内部伸張領域と同じ水平面に配置されるビームウエストを形成するために集束させることができる。ビームウエストは割断線に沿う第１のパスにおいて平行移動させることができ、ビームウエストは化学強化ガラス基板のエッジを横切る。ビームウエストは次いでビームウエストが化学強化ガラス基板のエッジを横切るような割断線に沿う第２のパスにおいて平行移動させることができ、クラックが、第２のパス中に、平行移動されているビームウエストに先行して割断線に沿い、化学強化ガラス基板のエッジから伝搬する。
【００１０】
別の実施形態において、第１の表面圧縮層と第２の表面圧縮層の間に内部伸張領域が配置されている基板から物品を分離する方法は、基板のエッジに始まる割断線に沿って基板の内部伸張領域内に内部圧縮領域を形成する工程を含む。内部圧縮領域の形成は内部圧縮領域の上方及び下方にそれぞれ配置される第１の内部伸張層及び第２の内部伸張層を発生させる。本方法はさらに、形成された内部圧縮領域を、第１の内部伸張層及び第２の内部伸張層の張力が高められ、クラックが基板のエッジから始まり、内部伸張領域に沿って伝搬するように、加熱する工程を含む。
【００１１】
また別の実施形態において、化学強化ガラス基板からガラス品を割断する方法は、化学強化ガラス基板がパルスレーザビームに対して実質的に透明であるような出力波長を有するパルスレーザビームをレーザ源から発生させる工程を含む。パルスレーザビームは化学強化ガラス基板の内部伸張領域と同じ水平面に配されるビームウエストを形成するために集束させることができる。ビームウエストは曲線を含む割断線に沿う第１のパスにおいて平行移動させることができる。ビームウエストは化学強化ガラス基板のエッジを横切り、第１のパス中に平行移動されるビームウエストの速度は約０.１ｍｍ/秒から約５ｍｍ/秒の範囲内にある。ビームウエストは次いでビームウエストが化学強化ガラス基板のエッジを横切るような割断線に沿う第２のパスにおいて平行移動させることができ、第２のパス中に平行移動されるビームウエストの速度は約０.１ｍｍ/秒から約５ｍｍ／秒の範囲内にある。クラックは、第２のパス中に割断線に沿い、平行移動されているビームウエストを後を追って化学強化ガラス基板のエッジから伝搬する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、１つ以上の実施形態にしたがう、レーザ割断システムの一例を簡略に示す。
【図２】図２は、１つ以上の実施形態にしたがう、化学強化ガラス基板の内部伸張領域内に欠陥線を形成する集束パルスレーザビームを簡略に示す。
【図３】図３は、１つ以上の実施形態にしたがう、集束レンズによって集束されたパルスレーザビームを簡略に示す。
【図４】図４は化学強化ガラス基板の圧縮層及び内部伸張領域を簡略に示す。
【図５】図５は化学強化ガラス基板内の圧縮応力及び張力を図式的に示す。
【図６Ａ】図６Ａは、１つ以上の実施形態にしたがう、割断線に沿う第１のパスにおいて化学強化ガラス基板を通って平行移動されているパルスレーザビームのビームウエストを簡略に示す。
【図６Ｂ】図６Ｂは、１つ以上の実施形態にしたがう、割断線に沿う第１のパスにおいて化学強化ガラス基板を通って平行移動されているパルスレーザビームのビームウエストを簡略に示す。
【図６Ｃ】図６Ｃは、１つ以上の実施形態にしたがう、割断線に沿う第１のパスにおいて化学強化ガラス基板を通って平行移動されているパルスレーザビームのビームウエストを簡略に示す。
【図７Ａ】図７Ａは、１つ以上の実施形態にしたがう、割断線に沿う第２のパスにおいて化学強化ガラス基板を通って平行移動されているパルスレーザビームのビームウエストを簡略に示す。
【図７Ｂ】図７Ｂは、１つ以上の実施形態にしたがう、割断線に沿う第２のパスにおいて化学強化ガラス基板を通って平行移動されているパルスレーザビームのビームウエストを簡略に示す。
【図７Ｃ】図７Ｃは、１つ以上の実施形態にしたがう、割断線に沿う第２のパスにおいて化学強化ガラス基板を通って平行移動されているパルスレーザビームのビームウエストを簡略に示す。
【図８Ａ】図８Ａは、１つ以上の実施形態にしたがう、レーザビームの第１のパス中のガラス基板の側面図を簡略に示す。
【図８Ｂ】図８Ｂは、１つ以上の実施形態にしたがう、レーザビームの第１のパス後のガラス基板の側面図を簡略に示す。
【図８Ｃ】図８Ｃは、１つ以上の実施形態にしたがう、レーザビームの第２のパス後のガラス基板の側面図を簡略に示す。
【図９】図９は、１つ以上の実施形態にしたがう、湾曲割断線を有する化学強化ガラス基板を簡略に示す。
【図１０】図１０は、１つ以上の実施形態にしたがう、ダイシングされた化学強化ガラス基板を簡略に示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
化学強化ガラス基板を割断するための、それらの例が添付図面に示される、様々な実施形態をここで詳細に参照する。可能であれば必ず、図面を通して同じ参照数字が同じかまたは同様の要素を指して用いられる。
【００１４】
本明細書に説明されるように、化学強化ガラス基板からガラス品を割断するための方法は、全般に、ガラス基板の内部伸張領域内にパルスレーザビームのビームウエストを集束させる工程を含む。ガラス基板は、例えば、イオン交換プロセス、あるいはガラス基板に表面圧縮層をつくることができるその他のプロセスによって強化することができる。ビームウエストは、第１のパスにおいて割断線に沿って平行移動させ、第１のパス中にガラス基板のエッジを横切らせ、次いで、ビームウエストがガラス基板のエッジを横切るような第２のパスにおいて割断線にそって平行移動させることができる。クラックが平行移動ビームウエストに先行してガラス基板のエッジから伝搬して、ガラス基板からガラス品を分離させる。本態様において、本明細書に説明される実施形態は、化学強化を受けたガラス基板から直線、曲線及び／または任意のエッジを有するガラス品を、清浄で制御された態様で完全に分離させることができる。以下にガラス品を割断するための方法の様々な実施形態がさらに詳細に説明される。
【００１５】
図１及び２を参照すれば、パルスレーザビーム１０８を化学強化ガラス基板１１０のバルク内に集束させることによってガラス基板１１０からガラス品(例えば長方形ガラス品１７０及び１７２)を割断するためのシステムの一例が示される。システム１００は、一般に、ＵＶから近赤外までのスペクトル内の波長を中心とする広いスペクトルを有するパルスレーザビーム１０８を放射するように動作できるレーザ源１０６，パルスレーザビーム１０８をガラス基板１１０に向け、集束させる、ミラー１５４及び集束レンズ１０４，及びｘ軸，ｙ軸及びｚ軸に沿って基板１１０を平行移動させるための３軸制御アセンブリ１５６を備えることができる。レーザ源１０６は超短パルスレーザビーム１０８を発生するように動作させることができる。限定ではなく例として、レーザ源１０６は、１ｋＨｚにおいて約５０フェムト秒の半値全幅(ＦＷＨＭ)持続時間、約１Ｗのパワー及び約６ｍｍのレーザビーム直径を有する、パルスレーザビームを放射することができる。
【００１６】
パルスレーザビーム１０８を受け取り、ビームのコリメーション及び光パワーを調節するために、レンズ／光減衰器アセンブリ１５０をシステム１００に組み込むことができる。ガラス基板１１０への不要な露光及びレーザ損傷を防止するため、必要に応じて、ビームシャッター１５２を用いてパルスレーザビーム１０８を遮断することもできる。ビームシャッター１５２を通過した後、パルスレーザビーム１０８は集束レンズ１０４に向けられる。集束レンズ１０４はパルスレーザビーム１０８を集束させて、ガラス基板１１０の表面下に配置される小径ビームウエストまたはスポットにするように構成することができる(例えば、図２においてビームウエスト１０９は第１の表面１１５の下に配置される)。一実施形態において、集束レンズ１０４は、(例えば、割断プロセスのパラメータに依存して１０倍、２０倍または５０倍の)大開口数(例えば、０.２６＜ＮＡ＜０.４２)近赤外対物レンズとすることができる。
【００１７】
図１に示されるように、ガラス基板１１０は、ガラス基板１１０をｘ軸，ｙ軸及びｚ軸に沿って平行移動させるように構成された、３軸制御アセンブリ１５６によって支持される。別の実施形態において、ガラス基板１１０は静止したままで、パルスレーザビームが平行移動し得ることは理解されるであろう。例えば、パルスレーザビームがｘ軸，ｙ軸及びｚ軸に沿って平行移動されるように、ミラー１５４及び集束レンズ１０４をガラス基板１１０に対して平行移動させるために構成することができる。３軸制御アセンブリ１５６はガラス基板１１０を３次元において移動させるために制御信号１５７によりコンピュータコントローラ１５８で制御することができる。
【００１８】
ガラス基板１１０の割断はモニタ１６０に接続されたカメラ１６２によってモニタすることができる。カメラ１６２及びモニタ１６０は対物レンズの物焦点(すなわち、図２のビームウエスト１０９)をガラス基板１１０の表面に配するために用いることもできる。ビームウエスト１０９はガラス基板のエッジ(例えば図２の第１のエッジ１１１)の近くに配置することができる。対物レンズの焦点の相対位置が見いだされると、ガラス基板１１０をｚ軸に沿って平行移動させて、ビームウエスト１０９をガラス基板１１０の内部伸張領域内に配置することができる(図２を見よ)。
【００１９】
次に図２を参照すれば、第１の表面１１５(例えば上面)、第２の表面１１２(例えば底面)、第１のエッジ１１１及び第２のエッジ１１３を有する化学強化ガラス基板１１０からガラス品(例えば長方形ガラス品１７０または１７２)を割断するために、本明細書に説明される実施形態を用いることができる。実施形態は、例えば約０.５０ｍｍから２.００ｍｍの範囲内の厚さのような、様々な厚さの化学強化ガラス基板を割断するために用いることができる。ガラス基板１１０は、化学強化ホウケイ酸ガラスまたは化学強化アルミノケイ酸ガラスを含むがこれらには限定されない、様々なガラス組成で形成することができる。本明細書に説明される方法は、比較的高い熱膨張係数を有するガラス基板を割断するために用いることができる。ガラスの弾性率、熱伝導度及び厚さのようなその他のガラス基板特性も考慮されるべきである。一般に、熱膨張係数が高く、弾性率が低いガラス基板に本明細書に説明される方法を用いると、クラックの伝搬が一層容易になる。
【００２０】
図４はイオン交換プロセスによって化学的に強化されたガラス基板１１０を簡略に示す。ガラス基板１１０は２つの表面圧縮層１２２ａ及び１２２ｂと内部伸張領域１２４を有する。表面圧縮層１２２ａ及び１２２ｂはガラス基板１１０に強度を与える圧縮応力状態に保たれる。内部伸張領域１２４は表面圧縮層１２２ａ及び１２２ｂ内の圧縮応力を、力が相互に釣り合い、ガラス基板が割れないように、補償するために張力の下にある。図５はガラス基板１１０の一例の応力プロファイルを図式的に示す。上で示したように、ガラス基板１１０は、深さ１２８で示されるようなイオン交換層深さ(ＤＯＬ)を有する、２つの表面圧縮層１２２ａ及び１２２ｂを有する。図の線１２５ａ，１２５ｂ及び１２５ｃはガラス基板の異なる領域の応力プロファイルを示す。線１２６はゼロ応力を表す。図５に示されるように、例示ガラス基板１１０の表面圧縮層１２２ａ及び１２２ｂ内の応力プロファイルはかなりの(例えば、ガラス基板１１０の表面近くで約７５０ＭＰａの)圧縮応力の下にある。内部伸張領域の中心張力は圧縮表面応力が高くなるにつれて、応答して高く(例えば約５０ＭＰａに)なる。一般に、中心張力の大きさはガラス破砕に大きく影響し、表面圧縮応力及びＤＯＬの大きさはガラスの強度を決定する。
【００２１】
以下でさらに詳細に説明されるように、本明細書に説明される実施形態は、初めに化学強化ガラス基板１１０のバルク内に欠陥線(例えば欠陥線１１７の始点)を形成することによって、ガラス基板１１０からガラス品を割断することができる。図２を再び参照すれば、欠陥線１１７は、第１の表面１１５と第２の表面１１２の間でガラス基板１１０内にあるポイントまたはビームウエスト１０９に集束される、パルスレーザビーム１０８を用いてガラス基板１１０を照射することによって形成することができる。ガラス基板１１０はパルスレーザビーム１０８の波長において透明であるから、ガラス基板１１０を損傷させずにレーザ焦点をガラス基板１１０の表面の下に結ばせることが可能である。
【００２２】
材料がレーザビーム波長に対して透明である場合、材料への改変はほとんどまたは全く考えられないが、レーザ強度が十分に高ければ、吸収性非線形光学効果が誘起され得る。レーザ強度が閾値より高ければ、ガラス基板の材料はビームウエストにおいて多光子イオン化として知られる非線形効果により改変され得る。多光子イオン化は、電子をイオン化して光絶縁破壊及びプラズマ形成に至らせる、パルスレーザビームによって発生される高強度電磁場に対するガラス材料の応答に依存する。ビームウエストを割断線に沿って平行移動させるかまたは走査することにより、光絶縁破壊及びプラズマ形成の結果として細い欠陥線が形成され、ガラス基板から割断されるべきガラス品の外周または形状を定めることができる。
【００２３】
多光子吸収は非線形過程であるから、その効果の大きさは印加レーザパルス光強度にしたがって急速に変化する。強度により、集束レンズによって与えられるビームウエストを通る光パルスによって送られる、瞬間エネルギー束が得られる。パルス幅が狭くなるほど、また集束レーザビームの面積が小さくなるほど、強度が高くなる。
【００２４】
図１〜３を参照すれば、レーザ源１０６，集束レンズ１０４及びガラス基板１１０のパラメータは、欠陥線１１７を可能な限り小さい面積に制限するように整合されるべきである。ガラス基板１１０内のエネルギー密度が高くなるほど、パルスレーザビーム１０８によって発生される電磁場の強度が高くなる。エネルギー密度は集束レンズ１０４によって制御することができる。例えば、細いビームウエスト１０９を与える緊密な集束により、高エネルギー密度、したがって高強度を得ることができる。レーザパルス強度Ｉパルスは、式(１)：
【数１】
2013503105.tif 000003
【００２５】
で表すことができる。ここでＰパワーは平均レーザパワー、Ｔはレーザパルス間隔、ｔパルスはＦＷＨＭパルス持続時間、[面積]は集束レーザビームのビームウエストにおいて測定した面積である。半径ｒは式(２)：
【数２】
2013503105.tif 000004
【００２６】
と表すことができる。ここでλは波長、ｆは焦点距離、Ｄはパルスレーザビーム１０９の原直径である。
【００２７】
レーザ源１０６及び集束レンズ１０４は割断作業に理想的な強度を達成するように整合させることができる。レーザ強度が非線形効果を生じるに十分ではない(例えば、ビームウエストが太すぎる結果、エネルギー密度が低い)場合、欠陥線は全くつくられ得ない。逆に、レーザ強度が高すぎる場合には、ガラス基板への損傷がおこり得る。例えば、焦点深さが大きく、エネルギー密度が高いと、ビームウエストがガラス基板のバルク内に配置されていても、ガラス基板の表面に損傷が生じ得る。
【００２８】
本明細書に説明される実施形態は、超短パルスレーザビームを発生するように動作することができるレーザ源を用いて、化学強化ガラス基板を成功裏に割断するためにガラス基板内に多光子吸収を開始するに必要な高強度場を提供する。化学強化ガラス基板の機械的特性により、(例えば１０Ｗ以上の)高パワー連続波レーザまたは、ピコ秒からマイクロ秒の範囲のパルス幅のような、広パルス幅で動作しているレーザは、化学強化ガラス基板内の圧縮応力及び張力のため、ガラスを破砕して細片にすることができるマイクロクラックをガラス内に誘起する(線形応答下における材料吸収または誘起非線形光学効果による)熱影響部を形成し得る。熱影響部は、材料とレーザ光の間の相互作用によって生じる熱発生により変性するかまたは影響を受ける、基板のバルク内の領域として定義される。
【００２９】
限定ではなく例として、レーザ源は５０フェムト秒のパルス幅及び０.７Ｗの出力パワーを有するパルスレーザビームを発生するように動作させることができる。５０倍の対物レンズを用いて照射面積を２.６４×１０１４ｃｍ２とすることができる。これらのパラメータの下で動作しているレーザ源はほぼ５.３×１０１７Ｗ/ｃｍ２の計算強度を発生することができる。例として、石英ガラスの固有絶縁破壊におけるパルス当たりの強度は、ほぼ１.６７×１０１２Ｗ/ｃｍ２である。したがって、上記のパラメータの下で動作するレーザ源は非線形光学効果を誘起し、欠陥線を形成するような強度を印加することができる。同様に、他のパラメータは上の例と同じとして、０.８５Ｗで動作するレーザ源はほぼ６.４３×１０１７Ｗ/ｃｍ２の強度を発生することができる。さらに、上記のパワーレベル及びパルス幅を１０倍，２０倍及び５０倍の対物レンズとともに用いて２.１２×１０１７Ｗ/ｃｍ２より高い強度レベルを達成することができる。
【００３０】
パルスレーザビームのパルス幅を広くすると、ガラス基板に与えられる強度のレベルが下がる。例えば、５０倍の対物レンズとともに０.７Ｗで動作する５０ピコ秒レーザが発生できる強度は５.３０×１０１２Ｗ/ｃｍ２に過ぎず、これでは化学強化ガラス内に非線形光学効果を誘起するに十分にはなり得ない。ピコ秒範囲ないしさらに広いパルス幅で動作するレーザ源を用いてガラス基板の完全な分離を可能にする欠陥線を形成するには、さらに小さいビームウエスト径またはスポット径(すなわちさらに倍率が高い対物レンズ)及びさらに高いパワーが必要になり得る。
【００３１】
化学強化ガラス基板内の熱影響部の過熱はガラスを砕けさせるかまたは所望の割断線から逸れるクラックを生じさせ得る。ガラス基板の材料によって強く吸収される連続波レーザと同様に、材料がレーザから吸収したエネルギーを放出するにかかる(数１０ピコ秒から数マイクロ秒の)時間より長いパルスレーザビームを放射するレーザは、ガラス基板内に熱影響部を形成し得る。熱影響部の存在は、高繰返し数のパルスを(５０フェムト秒もの短いパルスであっても)送ることによっても、パルスの累積効果のため誘起され得る。
【００３２】
本開示の実施形態は、約１０００フェムト秒より短い、超短パルス持続時間を有するパルスレーザビームを用いることによって、熱影響部の形成を、また表面圧縮層のクラック発生(及びガラス基板への損傷)も、防止するかまたは最小限に抑える。この超短パルス持続時間のため、レーザ源の動作パワーは比較的低くなり得る。例えば、ガラス基板からのガラス品の分離は１Ｗより低いパワーで動作しているフェムト秒レーザを用いて達成することができる。
【００３３】
本明細書に説明される実施形態によって与えられるレーザ光パルスは非常に短い時間スケールで生じ、レーザ光に対する材料の透明性が誘起熱効果を最小限に抑えるから、超短パルスは、マイクロクラック発生及び破砕をおこさずに材料と相互作用する。超短パルス持続時間は、熱がガラス基板内を伝搬してガラス基板の破砕をおこさせ得るマイクロクラックを発生することがないように、ガラス基板に迅速にエネルギーを送り込むことでレーザ光の印加を制御する。熱影響部の発生を防止するかまたは最小限に抑えるため、レーザ光パルスはガラス基板の加熱されている領域がレーザ光パルスを受けた後に緩和するための時間を有するような周波数で印加することができる。例えば、約５０フェムト秒及び１ｋＨｚで動作しているフェムト秒レーザにより、熱影響部が別のレーザ光パルスを受ける前に緩和し得る、低いデューティサイクルを得ることができる。
【００３４】
レーザ源は、非線形多光子効果を起発させることができるフェムト秒範囲内の、ＵＶ，可視、赤外または近赤外のレーザ光パルスを提供できる、いずれかの超短パルスレーザとすることができる。レーザ源の例にはＴｉ-サファイアレーザ、ファイバレーザ及びＮｄ:ＹＶＯ４レーザがあるが、これらには限定されない。レーザ源によって放射されるレーザビームの出力波長は、例えば４００ｎｍ〜１５００ｎｍの範囲の、ガラス基板によるレーザ光吸収を無視できるような波長とすることができる。
【００３５】
次に上述したパルスレーザビームを用いて化学強化ガラス基板からガラス品を割断する方法が詳細に説明される。割断線１１６に沿ってガラス基板１１０を割断する(図２を見よ)ため、ビームウエスト１０９が、図６Ａ〜６Ｃに示されるように割断線１１６に沿う第１のパスにおいてガラス基板の内部伸張領域を通して平行移動される。ビームウエスト１０９は次いで、図７Ａ〜７Ｃに示されるように割断線１１６に沿う第２のパスにおいてガラス基板を通して平行移動される。図６Ａを参照すれば、約３０フェムト秒から約１０００フェムト秒の間のパルス持続時間を有するパルスレーザビーム１０８が集束レンズ１０４によって集束されてビームウエスト１０９を形成することができる。上述したように、３軸制御アセンブリ１５６(図１)を用いて、ガラス基板１１０の内部伸張領域(すなわち中央領域)と同じ水平面にビームウエスト１０９を位置決めすることができる。ビームウエスト１０９の位置をガラス基板１１０の中央と合せることによって、レーザ強度が多光子効果を起発させるに十分になり、ガラス基板１１０の内部伸張領域に損傷を誘起するであろう。
【００３６】
図示される実施形態において、ガラス基板１１０は矢印１１８で示される方向に平行移動される。別の実施形態においては、ガラス基板１１０ではなく、(例えば、図１に示されるミラー１５４及び／または集束レンズ１０４を平行移動させることによって)パルスレーザビーム１０８を平行移動させることができる。化学強化ガラス基板１１０内の高応力のため、また高い熱膨張係数のため、ガラス基板１１０の平行移動速度は６０ｍｍ/秒もの高さに、ないしはさらに高く、することができる。これより遅い平行移動速度を用いることもできる。
【００３７】
ビームウエスト１０９は、ガラス基板１１０が平行移動される間、ガラス基板１１０の内部伸張領域に入り込む。図１及び２を全般に参照しながら図６Ｂを参照すれば、ガラス基板１１０は第１の表面１１５と第２の表面１１２の間でパルスレーザビーム１０８のビームウエストによって照射される。ガラス基板１１０を３軸制御アセンブリを用いて平行移動させることにより、割断線１１６に沿う細い欠陥線１１７を形成することができる。割断線１１６にしたがってガラス基板１１０を平行移動させるように３軸制御アセンブリ１５６を制御するためにコンピュータコントローラ１５８をプログラムすることができる。ガラス基板１１０は、図６Ｃに示されるようにビームウエスト１０９がガラス基板１１０の第２のエッジ１１３を出るまで、平行移動し続けることができる。この時点で、割断線１１６にしたがう欠陥線１１７がガラス基板１１０の内部伸張領域内に存在している。第１のパス中、表面１１５及び１１２はいずれも無傷のままであり、中央に形成された欠陥線１１７以外の変性部分はガラス基板１１０内に実質的に全く存在しない。
【００３８】
図７Ａ〜７Ｃを参照すれば、欠陥線１１７の形成後に、図６Ａ〜６Ｃに示される第１のパスと同じパスをビームウエストが再トレースする(すなわち割断線１１６及び欠陥線１１７に沿って走行する)ように、矢印１１８に示される方向とは逆方向にガラス基板１１０を平行移動させることができる。第２のパス中、パルスレーザビーム１０８は第１のパス中と同じパラメータ(例えば、パルス持続時間、パワー、周波数、等)で動作することができる。図７Ａに示されるように、ビームウエスト１０９はガラス基板１１０の第２のエッジ１１３を横切る。図７Ｂ及び７Ｃはガラス基板１１０が平行移動されるにつれてビームウエストに先行して伝搬するクラック１１９を示す。欠陥線１１７／切断線１１６に沿うクラック伝搬を開始させるため、ビームウエスト１０９は、第１のパス及び第２のパスの間のいずれにおいても、少なくとも１度ガラス基板１１０のエッジを横切るべきである。ビームウエストが平行移動されるがエッジを横切らなければ、欠陥線はガラス基板の内部には形成されるが、クラック発生がおこることはなく、ガラス基板は分割できない。
【００３９】
上述したように、制御不能なクラック伝搬及びガラス基板の破砕を防止するため、欠陥線１１７は可能な限り細く形成すべきである。圧縮層に延び込むような位置及び径を有する欠陥線は、クラックを欠陥線から制御不能な態様で逸れさせる。逆に、圧縮層(例えば圧縮層１２２ａ及び１２２ｂ)には延び込まないが、代わりに内部伸張領域１２４内に収まる、比較的細い欠陥線１１７は、制御された態様で割断線にしたがうクラック１１９を誘導する(図８Ｃを見よ)。上述したように、欠陥線の径はレーザ強度及び、ガラス基板の内部伸張領域内にパルスレーザビームを集束させるために用いられる、対物倍率によって決定することができる。ガラス基板の厚さは、どれだけ太い欠陥線をガラス基板の分離に用い得るかを規定することができる。例えば、０.９５ｍｍ厚のガラス基板は、１０倍または２０倍の対物レンズが用いられると第１のパスまたは第２のパス中に破砕するかまたはひびが入り得るが、５０倍の対物レンズが用いられるとガラス基板を有効に分割することができる。しかし、より厚いガラス基板を有効に分割するには、１０倍または２０倍の対物レンズを(異なるレーザ強度も)用いることができる。
【００４０】
第１及び第２の圧縮層は圧縮応力の下にあって、内部伸張領域は張力の下にあるから、クラック１１９は、欠陥線１１７に沿う強化ガラス基板１１０の抗力によって決定される終端速度で、欠陥線１１７に沿ってビームウエストに先行して伝搬する。図７Ｃに示されるように、クラック１１９はビームウエスト１０９が第１のエッジ１１１に到達する前にガラス基板１１０を完全に伝搬し、割折り工程をさらに必要とすることはなく、ガラス基板１１０を分割する。第１のパス中に形成された弱化欠陥線１１７はクラック１１９の伝搬に対する誘導線としてはたらく。欠陥線１１７はガラス基板１１０内に形成されるから、第２のパスの割断工程中の屑の発生は実質的に最小限に抑えられる。欠陥線１１７は溶融領域となることができ、よってガラス品がガラス基板１１０から分離されるときの屑の形成を防止することができる。細いビームウエスト１０９で与えられる細い欠陥線１１７はガラス品の割断エッジの強度が保たれるように、損傷領域を限定する。本明細書に説明される方法によって割断されたガラス基板は、ラッピング、研磨及び機械仕上げの工程がさらに施されているかいないかにかかわらず、従来の、スコーリング／破断され、縁取りされて面取りされたパーツ以上になり得る、加工エッジ強度を有する。
【００４１】
次に図８Ａ〜８Ｃを参照すれば、クラック伝搬は、ガラス基板応力履歴とパルスレーザビーム応力の、さらに多光子効果に発生プラズマによって欠陥線にかかる圧力との、組合せに関係付けられ得る。応力履歴は、圧縮下にある表面層及び伸張下にあるガラス基板中央領域を生じさせるイオン交換プロセスによって定められる。室温において、圧縮応力と張力は相互に釣り合っている。しかし、パルスレーザビームが内部伸張領域内のガラス厚中心に集束されると、図８Ａに示されるように、局所温度及び局所圧力を高めるプラズマボール１３０がビームウエストの位置の周りに形成され得る。これにより、レーザパルス印加中に、ガラス基板の内部伸張領域１２４内に内部圧縮領域１３３(図８Ｂ)が生じ、また一時的な圧縮力１３１も生じる。第１のパス後、図８Ｂに示されるように、内部圧縮領域１３３の上方及び下方の層は第１の内部伸張層１３２及び第２の内部伸張層１３４の形態の張力を生じることで反応する。第１の工程中、ビームウエストの局所プラズマ温度はガラスを溶融して気泡を形成するに十分に高いが、張力と圧縮力を相互に釣り合わせることができ、よってクラックは形成されない。しかし、第２の工程中、ビームウエストがガラス基板のエッジを横切り、欠陥線にしたがって平行移動するにつれて、パルスレーザビームの印加熱により釣合いが崩れる。釣合いが崩れてしまうと、圧縮応力層に蓄積されたエネルギーが開放され、高められた速度でのクラック伝搬に移転する。クラックは本質的に(例えば６０ｍｍ/秒より速い)終端速度で、ビームウエストに先行して、迅速に伝搬し得る。図８Ｃは、クラック１１９が欠陥線１１７に沿って伝搬した、第２のパス後のガラス基板１１０の側面図を示す。
【００４２】
限定ではなく例として、約９０×１０−７/℃の熱膨張係数を有するフージョンドローアルカリアルミノケイ酸ガラス(コーニング(Corning)製品コード：２３１７)の０.９５ｍｍ厚シートを、ＫＮＯ３の溶融塩浴にガラスシートを４１０℃で数時間浸漬する工程を含む、イオン交換プロセスによって化学強化した。このイオン交換プロセスの結果、ＤＯＬが約５１μｍ、内部伸張領域の中央張力が約４６ＭＰａ、表面圧縮領域における圧縮応力が約７６９ＭＰａの化学強化ガラスシートが得られた。このガラスシートからガラス品を割断するため、ほぼ８００ｎｍを中心とするスペクトルをもつ増幅型Ｔｉ-サファイアレーザ源を、１ｋＨｚにおいて持続時間が５０フェムト秒でパワーがほぼ８５０ｍＷのパルスレーザビームを放射するように動作させた。パルスレーザビームの直径は６ｍｍであり、これを５０倍の対物集束レンズでビームウエストに集束させた。直線割断線に沿って割断するため、第１及び第２のパスのいずれの間も、ほぼ６０ｍｍ/秒の速度でガラスを平行移動させた。第２のパス中、クラックが、ガラス平行移動速度より高速で、ビームウエストに先行して伝搬した。本明細書に説明される方法を用いてガラスシートを、大きくは１０９×５４ｍｍ２，小さくは５×５ｍｍ２のガラス品に割断した。
【００４３】
図９を参照すれば、本明細書に開示される実施形態は、化学強化ガラス基板２１０から湾曲エッジを有するガラス品を分離するために湾曲割断線に沿って割断するために用いることもできる。湾曲割断線２１６は図９に示されるように単一のエッジに始発して終端することができる。さらに、複雑な任意の形状を有するガラス品を形成するため、多くの湾曲を有する割断線を本明細書に説明される実施形態によって割断することができる。クラックは、コーナー半径が７ｍｍと小さい湾曲割断線に重ねて形成された欠陥線にしたがって、クラック逸れをおこさずに、伝搬することができる。例えば、１０ｍｍのコーナーを割断するため、(レーザ源またはガラス基板の平行移動による)ビームウエスト平行移動速度は、クラック伝搬がビームウエストに先行するのではなく、ビームウエストの後を追うように、０.１ｍｍ/秒から５ｍｍ/秒の範囲内とすることができる。
【００４４】
本明細書に説明される実施形態は化学強化ガラス基板を複数の小寸ガラス品にダイシングするために用いることもできる。図１０を参照すれば、ガラス基板３１０が垂直方向クラック３１９ａ〜３１９ｅ及び水平方向クラック３１９ｆ〜３１９ｈによっていくつかの小寸ガラス品(例えばガラス品３７０)にダイシングされている。ダイシング適用中、クラックは、直交パスの交点(例えば交点３８０)においてさえも割断線に沿って伝搬する。ダイシング適用は、大量のガラス品を迅速かつ高効率で製造することができる大量生産用途に望ましいであろう。高速クラック伝搬及び化学強化ガラス基板をダイシングできる能力のため、本明細書に説明される実施形態は化学強化ガラスパーツの大量生産に対する魅力的な解決策を提供する。さらに、タッチパネルのような、多数のディスプレイの薄膜被覆処理を、小寸ガラス品毎ではなく、一枚のガラス基板に施すことができる。
【００４５】
本明細書に説明されるシステム及び方法は、化学強化アルミノケイ酸ガラスのような、高められた圧縮力及び張力を内に有する化学強化ガラス基板からガラス品を割断するために用いることができる。本明細書に説明されるシステム及び方法の超短パルス持続時間により、ガラス基板内の照射領域が次のレーザ光パルス照射を受ける前に緩和することが可能になり、よって割断プロセス中の化学強化ガラス基板の破砕を防止することができる。本発明の実施形態により、既に化学強化されているガラス基板から適当な大きさのガラス品を割断することが可能にすることで、プロセスの効率化が可能になる。さらに、ガラス品を、複数の割断工程及びプロセスによるのではなく、直接に最終の寸法及び形状に割断することができる。
【００４６】
本明細書に説明されるシステム及び方法によって作成された加工エッジは優れたエッジ強度を保持し、集束パルスレーザビームによって形成される非常に細い割断線のため、清浄な表面品質を保持する。第２のパスの割断中、屑はほとんど全く形成されない。湾曲及び任意の形状を有する割断線を、クラック逸れをおこさせずに、欠陥線に沿って刻むことができ、大量の化学強化ガラスパーツの生産効率を高めるためにガラス基板を多数の小寸ガラス品にダイシングすることができる。
【００４７】
本発明の実施形態を説明し、定める目的のため、語句「ほぼ」、「約」及び「実質的に」は、本明細書において、いずれの量的比較、値、測定値またはその他の表現にも寄与し得る固有の不確定度を表すために用いられることに注意されたい。語句「実質的に」は、本明細書において、とりあげられている主題の基本機能に変化を生じさせずに量的表現が言明された基準から変わり得る大きさを表すためにも用いられる。
【００４８】
本明細書における、特定の仕方で「構成される」または「動作可能である」、特定の特性または機能を特定の態様で具現化するために「構成される」または「動作可能である」、本発明のコンポーネントの叙述は、目的用途の叙述とは対照的な、構造の叙述であることに注意されたい。さらに詳しくは、コンポーネントが「構成される」または「動作可能である」態様への本明細書における言及は、コンポーネントの既存の物理的状態を表し、したがって、コンポーネントの構造の特徴の限定的叙述としてとられるべきである。
【００４９】
添付される特許請求項の１つ以上において「〜を特徴とする(wherein)」が転換句として用いられていることに注意されたい。本明細書に説明される実施形態を定める目的のため、この語句は構造の一連の特徴の叙述を導入するために用いられる無制約転換句として特許請求項に導入されており、より普通に用いられる無制約前置句「含む」と同様の態様で解されるべきであることに注意されたい。
【００５０】
特許請求される主題の精神及び範囲を逸脱することなく本明細書に説明される実施形態に様々な改変及び変形がなされ得ることが当業者には明らかであろう。したがって、本明細書に説明される様々な実施形態の改変及び変形が添付される特許請求項及びそれらの等価物の範囲内に入れば、本明細書はそのような改変及び変形を包含するとされる。
【符号の説明】
【００５１】
１００    システム
１０４    集束レンズ
１０６    レーザ源
１０８    パルスレーザビーム
１０９    ビームウエスト
１１０    化学強化ガラス基板
１１１，１１３    ガラス基板のエッジ
１１２，１１５    ガラス基板表面
１１６    割断線
１１７    欠陥線
１１９    クラック
１２２ａ，１２２ｂ    表面圧縮層
１２４    内部伸張領域
１２５ａ，１２５ｂ，１２５ｃ    応力プロファイル
１２６    ゼロ応力線
１２８    イオン交換層深さ
１３２，１３４    内部伸張層
１３３    内部圧縮領域
１５０    レンズ／光減衰器アセンブリ
１５２    ビームシャッター
１５４    ミラー
１５６    ３軸制御アセンブリ
１５７    制御信号
１５８    コンピュータコントローラ
１６０    モニタ
１６２    カメラ
１７０，１７２    長方形ガラス品
【図１】
2013503105.tif 000005
【図２】
2013503105.tif 000006
【図３】
2013503105.tif 000007
【図４】
2013503105.tif 000008
【図５】
2013503105.tif 000009
【図６Ａ】
2013503105.tif 000010
【図６Ｂ】
2013503105.tif 000011
【図６Ｃ】
2013503105.tif 000012
【図７Ａ】
2013503105.tif 000013
【図７Ｂ】
2013503105.tif 000014
【図７Ｃ】
2013503105.tif 000015
【図８Ａ】
2013503105.tif 000016
【図８Ｂ】
2013503105.tif 000017
【図８Ｃ】
2013503105.tif 000018
【図９】
2013503105.tif 000019
【図１０】
2013503105.tif 000020
【国際調査報告】
2013503105.tif 000021
2013503105.tif 000022