(57)【要約】ガラス基板に割れ目を形成する方法は、ガラス基板のスクライブライン上に傷を形成するステップを含む。レーザのビームスポットを、この傷上に導きかつスクライブラインに沿って前進させてもよい。冷却ジェットを、ガラス基板の表面が最高温度から冷却されるように、この傷上に導いてもよい。その後、冷却スポットをビームスポットと共にスクライブラインに沿って前進させ、ガラス基板に割れ目を形成してもよい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス基板に割れ目を形成する方法において、
前記ガラス基板のスクライブライン上に傷を形成するステップ、
前記傷上にレーザのビームスポットを導き、かつ該ビームスポットを前記スクライブラインに沿って前進させるステップ、および、
前記傷上に冷却ジェットを導きかつ該冷却ジェットを前記ビームスポットと共に前記スクライブラインに沿って前進させて、該ガラス基板に前記割れ目を形成するステップであって、このとき該冷却ジェットの冷却スポットが、前記ガラス基板の表面上に、該表面を最高温度から冷却するよう位置付けられるステップ、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記ビームスポットが、前記スクライブラインと実質的に位置合わせされる主軸を有した、楕円形のものであり、かつ前記冷却スポットが該ビームスポット内に位置付けられることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記冷却スポットが、前記楕円ビームスポットの後端エッジから間隔を空けて離れていることを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記冷却スポットが、前記楕円ビームスポットの中心と前記楕円ビームスポットの後端エッジとの間に位置付けられることを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項５】
前記楕円ビームスポットの前記主軸の長さｂがｂ≦３・υ・τとなるものであり、ここでυは、前記ビームスポットおよび冷却ジェットを前記ガラス基板の表面上で前進させるスクライブ速度であり、かつτは前記ガラス基板中での熱拡散時間であり、さらに、
前記楕円ビームスポットの短軸の長さが、前記冷却ジェットが前記ガラス基板の前記表面と接触する位置での該冷却ジェットの直径以上であることを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項６】
前記ビームスポットを前記スクライブラインに沿って前進させるときに、該ビームスポットを該スクライブラインに沿って走査させることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記冷却スポットを、冷却による前記ガラス基板の表面の温度変化ΔＴが、式、
【数１】
2013503106.tif 000007
を満たすように位置付け、ここで、
σthが、前記割れ目を形成するための引張応力閾値であり、
ＣＴＥが、前記ガラス基板の熱膨張係数であり、さらに、
Ｅが、前記ガラス基板のヤング率であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記冷却ジェットが、前記ガラス基板の表面上に、該ガラス基板の該表面に対して傾斜して導かれることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記ガラス基板の厚さが約０．６ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記ガラス基板が、ホウケイ酸ガラス基板およびアルミノケイ酸ガラス基板からなる群より選択されることを特徴とする請求項１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、２００９年８月３１日に出願された、米国特許出願第１２／５５０５９２号の優先権の利益を主張するものである。
【技術分野】
【０００２】
本明細書は、一般にガラスを分離する方法に関し、より具体的には、薄型ガラス基板をレーザスクライブおよびブレイクにより分離する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
薄型ガラス基板は、消費者向け電子機器において様々な用途がある。例えばこのようなガラス基板は、携帯電話に、テレビやコンピュータモニタなどのディスプレイ装置に、また種々の他の電子機器に組み込まれる、ＬＣＤおよびＬＥＤディスプレイ用のカバーシートとして使用することができる。こういった装置に使用されるカバーシートは、大型のガラス基板を種々のレーザ切断技術を用いて複数のより小さいガラス基板に区分すなわち分離することにより、形成することがある。
【０００４】
例えば、約０．７ｍｍを超える厚さを有する薄型ガラス基板の分離には、レーザを使用してガラスの厚さの一部に亘る割れ目を形成し、その後ガラス基板に機械的な力を加えてこのガラス基板を多数の片に分離する、スクライブ・アンド・ブレイク技術を用いることができる。このスクライブ・アンド・ブレイク技術の利点は、処理速度が高速であるということ、そしてエッジの品質や真直度など完成したガラス片のエッジ属性が優れていると同時に、スクライブ工程中にガラスの切り屑を生じさせないことである。
【０００５】
典型的なレーザスクライブ・アンド・ブレイクプロセスでは、レーザを使用してガラス基板を分離ラインに沿って加熱する。加熱されたガラス基板をその後ウォータージェットで急冷するが、このときウォータージェットは分離ラインに沿ってレーザビームの後端エッジの後ろに、この後端エッジから間隔を空けて位置付けられる。この急冷により、分離ラインに垂直な引張応力が生成される。ガラス基板に設けられた傷にこの引張応力が加わると、割れ目が生成され、そしてこの割れ目が分離ラインの方向に伝播する。その後、ガラス基板を割れ目に沿って機械的に分離することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この技術は約０．７ｍｍ以上の厚さを有するガラス基板には効果的であるが、約０．７ｍｍ未満の厚さのガラス基板には、急冷時に不可逆的な全体分離を生じさせてしまう（すなわち、割れ目がガラスの厚さを実質的に貫通して、ガラスを分離させるように伝播する）ことが多いため、この技術を直ちに適用することはできないであろう。この無制御の分離は一般に、スクライブ・アンド・ブレイクプロセスに比べて品質の劣るエッジ特性に繋がる。さらに、分離ラインに沿って基板全体を分離させてしまうと、単一のガラス基板に、交差する割れ目を追加で形成することはできない。
【０００７】
したがって、薄型ガラス基板を分離するための他の方法を求める要望がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一実施の形態によれば、ガラス基板に割れ目を形成する方法は、ガラス基板のスクライブライン上に傷を形成するステップを含む。レーザのビームスポットを、この傷上に導きかつスクライブラインに沿って前進させてもよい。冷却ジェットを、ガラス基板の表面が最高温度から冷却されるように、この傷上に導いてもよい。その後、冷却スポットをビームスポットと共にスクライブラインに沿って前進させ、ガラス基板に割れ目を形成してもよい。
【０００９】
別の実施形態において、ガラス基板に割れ目を形成する方法は、ガラス基板のスクライブライン上に傷を形成するステップを含む。次いで、楕円ビームスポットを有するレーザビームをこの傷上に導き、かつこの楕円ビームスポットをスクライブラインに沿って前進させる。冷却ジェットを、冷却ジェットの冷却スポットが楕円ビームスポット内となるように、この傷上に導いてもよい。冷却スポットを楕円ビームスポットと共にスクライブラインに沿って前進させ、ガラス基板の厚さを貫通しないで延在する割れ目をガラス基板に形成してもよい。
【００１０】
別の実施形態において、ガラス基板を複数片に分離する方法は、ガラス基板の第１表面上に第１傷を形成するステップを含み得る。第１傷から延在するスクライブラインに沿って、第１割れ目を生じさせてもよく、このとき第１割れ目はガラス基板の厚さの一部のみに亘って延在する。その後、ガラス基板の第２表面上に第２傷を形成してもよい。第２割れ目を、第２傷から延在するスクライブラインに沿って生じさせてもよい。第２割れ目はガラス基板の厚さの一部に亘って延在するものでもよい。第１割れ目および第２割れ目は、楕円ビームスポットを有するレーザビームを傷上に導きかつこの楕円ビームスポットをスクライブラインに沿って前進させ、さらに冷却ジェットをスクライブラインに沿って導きかつこの冷却ジェットを楕円ビームスポットと共にガラス基板の表面に沿ってスクライブライン上で前進させて、ガラス基板に割れ目を形成することによって、生じさせてもよい。冷却ジェットの冷却スポットを、少なくとも定期的に楕円ビームスポット内に位置付けてもよい。ガラス基板をその後、第１割れ目および第２割れ目に沿って機械的に分離してもよい。
【００１１】
本方法のさらなる特徴および利点は以下の詳細な説明の中に明記され、ある程度は、その説明から当業者には容易に明らかになるであろうし、あるいは、以下の詳細な説明、請求項、さらに添付の図面を含め、本書において説明された実施形態を実施することにより認識されるであろう。
【００１２】
前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、種々の実施形態を説明したものであること、そして請求される主題の本質および特徴を理解するための概要または構成を提供することが意図されているものであることを理解されたい。添付の図面は、種々の実施形態のさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書に組み込まれかつその一部を構成する。図面は本書で説明する種々の実施形態を示し、そしてその記述とともに、請求される主題の原理および動作の説明に役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本書において図示および説明する、ガラス基板に割れ目を形成する方法の少なくとも１つの実施形態による、ガラス基板上に入射するレーザビームの楕円ビームスポットと冷却ジェットの冷却スポットとを示す概略斜視図
【図２】本書において説明するガラス基板に割れ目を形成する方法の少なくとも１つの実施形態による、図１のレーザビームと、冷却ジェットと、そしてガラス基板とを示す概略断面図
【図３】本書において図示および説明する、ガラス基板に割れ目を形成する方法の少なくとも１つの実施形態による、楕円ビームスポットと冷却スポットとの相対的な位置付けを示す概略図
【図４】本書において図示および説明する、ガラス基板に割れ目を形成する方法の少なくとも１つの実施形態による、楕円ビームスポットが走査されるときの楕円ビームスポットと冷却スポットとの相対的な位置付けを示す概略図
【図５Ａ】本書において図示および説明する少なくとも１つの実施形態による、ガラス基板を複数片に分離する方法を概略的に示す図
【図５Ｂ】本書において図示および説明する少なくとも１つの実施形態による、ガラス基板を複数片に分離する方法を概略的に示す図
【図６】ガラス基板の厚さとガラス基板の厚さを通る熱拡散時間との間の関係を示すグラフ
【図７】３つの厚さの異なるガラス基板に対する、ガラス基板表面の最高温度位置からの冷却スポットの配置とガラス基板表面の温度変化との間の関係を示すグラフ
【図８】本書において図示および説明する一実施の形態による、楕円ビームスポットを基板上に左から右へと横切らせるときのガラス基板における瞬間の温度分布を、楕円ビームスポットの先端エッジを略原点として示したグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１４】
ここで、ガラス基板の厚さの一部に亘って割れ目を形成する方法の種々の実施形態を詳細に参照し、そのいくつかの例を添付の図面に示す。可能な限り、図面を通じて、同じまたは同様の部品の参照には同じ参照数字を使用する。ガラス基板に割れ目を形成する方法の一実施の形態が図１に概略的に描かれている。この方法は、概して、レーザ光源の楕円ビームスポットをガラス基板上のスクライブライン沿いに導くステップ、および、冷却ジェットの冷却スポットを、冷却スポットが楕円ビームスポット内の中心と後端エッジとの間に位置するように、この基板上に導くステップを含む。次いで、冷却スポットおよび楕円ビームスポットをスクライブラインに沿って前進させ、これによりガラス基板の厚さの一部に亘って延在する割れ目を形成する。ガラス基板に割れ目を形成する方法の種々の実施形態の他、ガラス基板を複数片に分離する方法について、本書においてより詳細に説明する。
【００１５】
図１および２を参照すると、ガラス基板１００の厚さの一部に亘って延在する制御された亀裂すなわち割れ目１０８を形成するための、例示的なシステムが概略的に描かれている。このシステムは、概して、ガラス基板１００をスクライブライン１０４（すなわち、所望の分離ライン）に沿って加熱するためのレーザ光源１５０と、ガラス基板１００の加熱表面を急冷する冷却ジェット１０５をスクライブライン１０４沿いに導くためのノズル１６０とを備えている。ガラス基板に生じる温度変化により、スクライブライン１０４に沿ってスクライブライン１０４に垂直な方向に引張応力が発現し、これによりガラス基板１００の厚さの一部に亘って延在する割れ目１０８が形成される。
【００１６】
本書で説明する実施形態において、ガラス基板１００は第１表面１３０と第２表面１３２とを有し、そしてその厚さｈは、約０．６ｍｍ未満、より好適には約０．５ｍｍ未満である。このガラス基板は種々のガラス組成から形成されたものとすることができ、例えば限定するものではないが、ホウケイ酸ガラスまたはアルミノケイ酸ガラスなどを挙げることができ、これらにはイオン交換されたホウケイ酸ガラスおよびアルミノケイ酸ガラスが含まれる。
【００１７】
レーザ光源１５０は、レーザエネルギーがガラスの厚さｈを通じて強く吸収されるような、ガラス基板１００に熱エネルギーを与えるのに適した波長を有するビームを放射するように動作させることができ、こうしてガラス基板の表面は加熱される。例えば、レーザ光源１５０は一般に、赤外領域の波長を有するビーム１０１を放射する。適切なレーザ光源としては、波長約５μｍから約６μｍのＣＯレーザ、波長約２．６μｍから約３．０μｍのＨＦレーザ、または波長約２．９μｍのエルビウムＹＡＧレーザが挙げられる。本書で説明する実施形態において、レーザ光源は約９．４μｍから約１０．６μｍの波長を有する赤外光ビームを生成するＣＯ2レーザである。このＣＯ2レーザ光源は、準連続波モードで動作されるＲＦ励起レーザ光源でもよい。一実施の形態において、レーザ光源１５０は、レーザ光源１５０のビーム１０１がガウシアン強度分布を有するよう、ＴＥＭ00モードの出力ビームを生成するように動作される。あるいは、出力ビームが「Ｄ」モードすなわちフラットモードの強度分布を有するよう、ＴＥＭ01モードの出力ビームを生成するようにレーザ光源を動作させてもよい。レーザ光源の出力は、所望のスクライブ速度およびスクライブされるガラスの組成に応じて、約１０ワットから２００ワット超までとし得る。
【００１８】
ガラス基板１００の表面の過熱（これが、ガラス基板の表面からのガラスのアブレーションまたは蒸発や、あるいは切断エッジを脆くするような残留応力に繋がり得る）を防ぐよう、レーザ光源が放射するビーム１０１を、ビーム１０１がガラス基板１００の表面上で楕円ビームスポット１０２を有するように、種々の光学素子（図示なし）を用いて成形する。例えば、一実施の形態において、一対のシリンドリカルレンズ（図示なし）を、レーザ光源１５０から放射されるビーム１０１の経路内に配置する。あるいは、ビームを成形して楕円ビームスポットを形成するために使用されるシリンドリカルレンズおよび／または他の光学素子を、レーザ光源１５０と一体化させる。これらのシリンドリカルレンズは、ガラス基板の表面に入射するビームスポットの形状が図１に描いたように概して楕円形となるようにビーム１０１を成形する。
【００１９】
図３を参照すると、楕円ビームスポット１０２は概して、長さａの短軸１２４と長さｂの主軸１２５とを有する。短軸１２４は、図３に示したように、楕円ビームスポットの中心点を横切って延在している。一実施の形態において、短軸１２４の長さａは、冷却ジェットがガラス基板の表面と接する位置に形成される冷却スポット１０６の直径以上である。例えば、冷却スポット（すなわち、冷却ジェットがガラス基板の表面に入射する位置での冷却ジェットの断面）の直径が２ｍｍである場合には、短軸の長さａは少なくとも２ｍｍである。
【００２０】
主軸１２５は概して、図３に示したように、楕円ビームスポットの先端エッジ１２０と後端エッジ１２２との間の長さｂを有する。本書で説明する実施形態において、レーザ光源１５０のビーム１０１は長さｂ≦３・υ・τとなるように成形され、ここでυは楕円ビームスポットおよび冷却ジェットがスクライブラインに沿って前進する際の速さであり、かつτはガラス基板の厚さを通じての熱拡散時間であり、これについては本書においてより詳細に説明する。
【００２１】
一実施の形態（図示なし）においては、レーザ光源のビーム１０１をスクライブライン１０４に沿って前後に走査し得るよう、ポリゴン走査ミラーまたは走査用ガルバノメータミラーなどの走査装置をレーザ光源１５０とガラス基板１００との間の光路内に位置付けてもよい。例えば、この走査装置を動作させて、ガラス基板１００を過熱することなく最高温度までこの基板表面１３０を加熱するのを助けるようにビーム１０１をスクライブライン１０４上に走査させることができる。この走査装置は、基板表面上で約１０ｍｍから約２００ｍｍまでの長さに亘ってビームスポットを走査させるように動作可能なものである。
【００２２】
図２および３を参照すると、冷却ジェット１０５は一般に、ノズル１６０から放射されかつガラス基板１００の表面上に導かれる、加圧流体流を含む。加圧流体は、例えば水、エタノール、液体窒素、および／または化学冷却剤などの液体を含むものでもよい。あるいは、冷却ジェット１０５は、例えば圧縮空気、圧縮窒素、圧縮ヘリウム、または類似の圧縮気体など、圧縮気体を含むものでもよい。さらに冷却ジェットは、液体と圧縮気体との混合物を含むものでもよい。本書で説明する実施形態において、冷却ジェットは脱イオン水である。
【００２３】
冷却ジェット１０５はノズル端部のオリフィス（図示なし）から放射される。冷却ジェットがガラス基板の表面に入射する位置に形成される冷却スポット１０６の直径Ｄjは、ノズル１６０内のオリフィスよりも大きい。ノズル１６０は、スクライブ方向１１０に対し、レーザ光源１５０の後ろに位置付けられる。本書で説明する実施形態において、ノズル１６０は、冷却ジェット１０５が角度αでガラス基板の表面に入射するように基板１００の表面１３０に対して傾斜して配向され、この角度αはガラス基板の表面に対し９０度未満である。
【００２４】
図１および２を参照すると、ガラス基板１００の厚さｈの一部に亘って延在する割れ目を形成する方法は、割れ目の開始点を形成するためにガラス基板１００の表面１３０に傷１１２を生じさせるステップを最初に含む。この傷は、一般に、ガラス基板の表面上のスクライブライン１０４沿いに位置するように設けられ、ガラス基板は続いてこのスクライブライン１０４に沿って分離され得る。一実施の形態において、この傷は、図１に示したように、ガラス基板のエッジに直接隣接して位置付けられる。あるいは、この傷を、ガラス基板のエッジからずらしてもよい。傷１１２は、機械的スクライブなどを用いて機械的に形成してもよいし、あるいはレーザアブレーションを用いて形成してもよい。
【００２５】
傷が形成された後、レーザ光源１５０からのビーム１０１がガラス基板１００の表面上に、ビームがスクライブライン１０４に入射するように導かれる。ビームは最初、傷１１２がビーム１０１の楕円ビームスポット１０２内に位置し、かつ楕円ビームスポット１０２の主軸１２５がスクライブライン１０４と実質的に同一線上になるように、基板上に導かれる。レーザ光源１５０のビームがガラス基板１００の表面１３０上に位置付けられると、ビームがガラス基板に放射熱エネルギーを与え、これによりガラス基板がスクライブライン１０４に沿って加熱される。ガラスの表面は最高温度Ｔmaxまで加熱されるが、この最高温度Ｔmaxは一般に、加熱中の応力緩和と冷却ジェットによる急冷の後に生じる望ましくない残留応力の発現とを回避するよう、ガラスの歪点Ｔg未満とされる。ガラス基板の温度は種々のパラメータを調節することにより制御し得、このパラメータとしては、例えば、レーザ光源の出力や、レーザのビームをガラス基板の表面にスクライブラインに沿って前進させる際のスクライブ速度υなどが挙げられる。ビーム１０１を最初にスクライブライン１０４上に位置付けた後、楕円ビームスポット１０２をガラス基板１００の表面１３０に沿ってスクライブライン１０４上をスクライブ速度υで前進させ、こうしてガラス基板の表面をスクライブライン１０４に沿って加熱する。楕円ビームスポットは、レーザ光源１５０を基板に対して動かすことにより、その表面上で前進させる。あるいは、基板をレーザ光源１５０およびノズル１６０に対して移動させることにより、楕円ビームスポットを前進させてもよい。いずれの実施形態でも、スクライブ方向１１０（すなわち、割れ目の伝播方向）は、図１および２で示したような方向である。
【００２６】
ガラス基板の表面１３０に割れ目１０８を形成するために、ガラス基板の加熱された表面を、ノズル１６０から放射された冷却ジェット１０５で冷却すなわち急冷する。急冷による温度変化により、引張応力がガラス基板表面内に、スクライブライン１０４に垂直な方向に発現する。この引張応力により、割れ目１０８が傷１１２から始まり、さらにガラス基板の表面に沿ってスクライブライン１０４上を伝播する。本書で説明する実施形態において、割れ目１０８は基板表面下に深さｄまで延び、この深さｄはガラス基板の厚さｈの半分未満である。一実施の形態において、深さｄはガラス基板の厚さｈの４分の１未満である。割れ目１０８をガラス基板の表面に沿って開始させかつ伝播させるためには、割れ目を開始および伝播させるのに十分な引張応力を生み出すよう、ガラス基板表面の加熱および続く冷却を、温度変化閾値ΔＴTHを上回るようなものとしなければならない。
【００２７】
より具体的には、レーザ光源１５０でガラス基板を加熱し、さらに冷却ジェット１０５でガラス基板の加熱された表面を急冷することにより、ガラス基板の表面内に、スクライブライン１０４に垂直な引張応力が生成される。引張応力が、ガラス基板１００を形成している材料の引張応力閾値σTHを上回る場合には、亀裂すなわち割れ目１０８がガラス基板に生じる。割れ目１０８を形成および伝播させるための引張応力閾値σTHは、
【数１】
2013503106.tif 000003
【００２８】
と書くことができ、ここでＣＴＥはガラス基板の熱膨張係数、Ｅはガラス基板のヤング率、そしてΔＴTHは割れ目の形成および伝播のための温度変化閾値である。方程式（１）は、ガラス基板に割れ目を形成および伝播させる温度変化ΔＴTHを画成するために、以下のように書き換えることができる。
【数２】
2013503106.tif 000004
【００２９】
したがって、割れ目の形成および伝播を助けるためには、割れ目を開始および伝播させるのに十分な大きさの引張応力を生成するよう、急冷後のガラスの温度変化をΔＴTH以上とするべきである。
【００３０】
方程式（２）を参照すると、割れ目を形成および伝播させるための温度変化閾値ΔＴTHは、ガラス基板の熱膨張係数に反比例して変化する。したがって、ホウケイ酸ガラスのような比較的ＣＴＥが低いガラス組成で形成されたガラス基板では、熱膨張係数が相対的により高いアルミノケイ酸ガラスと比較すると、割れ目の形成および伝播を助けるために相対的により大きい温度降下が必要となり、すなわちアルミノケイ酸ガラスではこれほど大きい温度降下は要求されない。
【００３１】
例えば、特定のホウケイ酸ガラスのＣＴＥはおおよそ３２×１０-7／℃であり、ヤング率は７２ＧＰａ、そして引張応力閾値は５０ＭＰａである。方程式（２）を利用すると、このホウケイ酸ガラスにおいて割れ目の形成および伝播を助けるための最小の温度降下は４３０℃である。一方、特定のアルミノケイ酸ガラスのＣＴＥはおおよそ９１×１０-7／℃であり、ヤング率は７３ＧＰａ、そして引張応力閾値は５０ＭＰａである。このアルミノケイ酸ガラスにおいて割れ目の形成および伝播を助けるための最小の温度降下は１５０℃である。
【００３２】
さらに検討すべき事項は、ガラス基板の厚さと、これに対応するガラスを通じての熱拡散の速さである。例えば、割れ目がガラス基板の表面下に延びる深さｄは、ガラス基板の熱拡散距離ｌに依存する。熱拡散距離ｌとは、所与の時間ｔを通じて熱がガラス基板内に拡散する距離を示し、そして以下のように数学的に記述することができる。
【数３】
2013503106.tif 000005
【００３３】
ここで、Ｄはガラス基板の熱拡散率、κはガラス基板の熱伝導率、ρはガラス基板の密度、ｔは時間、そしてＣpはガラス基板の熱容量である。割れ目の深さｄは、一般に熱拡散距離ｌ以下である。例えば、熱拡散距離ｌがガラス基板の厚さｈの約半分であると、ガラス基板の中心に位置しかつ熱の拡散の先端よりもさらに前方に位置する圧縮応力が、急冷により誘導される引張応力を弱めて、割れ目が基板の全厚さｈを通じて伝播するのを妨げる。
【００３４】
方程式（３）を以下のように再配置して、ガラス基板の全厚さｈを通じて熱が拡散するのに必要な時間τを計算することができる。
【数４】
2013503106.tif 000006
【００３５】
方程式４について図６の両対数目盛上にグラフで示したが、この式によりガラス基板の厚さを通じての熱拡散時間がガラス基板の厚さの２乗の関数であることが示される。図６に示したように、熱拡散時間τは、ガラス基板の厚さが減少すると急速に減少する。例えば、厚さ０．６３ｍｍのガラス基板では、熱拡散時間は略０．２秒である。しかしながら、ガラスの厚さが半分に減少すると（すなわち、基板の厚さが０．３ｍｍになると）、熱拡散時間はたった０．０４５秒となる。ガラス基板中でのこの急速な熱拡散により、ガラス基板はこのガラス基板の両側の表面から同時に急速に熱を失う。より具体的には、ガラスの厚さが減少すると、表面の対流熱損失が増加してガラスはより急速に冷却される。表面の対流によるガラス本体の温度降下は、ガラス基板の表面積対体積比に比例する。ガラスが一方の表面のみから熱を失う場合（ガラスが厚い場合など）には、対流損失による温度降下は１／ｈに比例する。しかし、ガラスが上表面と底表面との両方から熱を失う場合（ガラスが薄い場合など）には、表面の対流損失による温度降下は２／ｈに比例する。この急速な熱損失の効果について、図７にグラフで示す。
【００３６】
図７は、厚さの異なる３つのガラス基板に対する、ガラス基板の最高温度位置からの冷却スポットの配置と、ガラス基板表面の温度変化との関係をグラフで示したものである。ｘ軸は、ガラス基板表面上の最高温度Ｔmaxの位置からの距離を、最高温度位置を原点として表したものである。ｙ軸は、Ｉ＜ＩＩ＜ＩＩＩである、厚さＩ、ＩＩ、およびＩＩＩの３つのガラス基板に対する、冷却ジェット急冷前の表面温度の変化を表している。図７に示されているように、ガラス基板の厚さが減少し熱がガラス基板の両表面から失われる場合には、温度変化閾値ΔＴTHに到達させまたはこれを超えさせることでガラス基板表面で割れ目を開始かつ伝播させるためには、冷却スポットをガラス基板表面上の最高温度Ｔmax位置により近づけなければならない。
【００３７】
したがって、厚さが約０．６ｍｍ未満のガラス基板では、ガラス基板の両表面からの急速な熱損失により、特に例えばホウケイ酸ガラスなどの熱膨張率が低いガラス基板に対しては、ガラス基板の厚さの一部に亘って延在する割れ目の形成を助けるために、急冷工程と、そしてより具体的には、楕円ビームスポットに対するガラス基板表面上の冷却ジェットおよび冷却スポットの位置とを制御することが必要となる。
【００３８】
割れ目の形成および伝播のために温度変化閾値ΔＴTHに到達させまたはこれを超えさせるために、ガラス基板を最高温度まで加熱してもよい。ただし、前述したように、ガラス基板を加熱し得る最高温度はガラスの歪点温度により制限される。さらに、厚さが約０．６ｍｍ未満のガラス基板では、ガラス基板の厚さを通じての急速な熱拡散により、ガラス基板表面の温度は最高温度まで加熱された後に急速に低下する。したがって、温度変化閾値ΔＴTHに到達させまたはこれを超えさせることでガラス基板表面で割れ目を開始かつ伝播させるためには、レーザ光源でガラス表面を加熱している間に得られる最高温度の位置でのまたはその近傍での温度から、ガラス基板を急冷するように、冷却ジェットの位置（さらに冷却スポットの位置）を調節するべきである。
【００３９】
ここで図３および８を参照する。図８は、楕円ビームスポットの先端エッジ１２０からの距離の増加に伴う、楕円ビームスポット１０２の周囲のガラス基板における瞬間温度分布をグラフで示したものである。温度分布は、楕円ビームスポットの主軸の方向にプロットされている。ビームスポットの先端エッジ（ＬE）を軸の原点に位置付け、このときビームの長さはｘ軸に沿って延びているものとする。したがって、ｘ軸は先端エッジからの距離であることを理解されたい。これに対応するガラス基板表面の温度をｙ軸で表す。ガラス基板表面の最高温度Ｔmaxの位置の他、急冷後の温度変化ΔＴが示されている。点線は、急冷を行わなかった場合のガラス基板の温度消失を表したものである。レーザ光源での加熱により、ガラス基板表面では、楕円ビームスポットの中心（ＣB）と楕円ビームスポットの後端エッジ（ＥT）との間の楕円ビームスポット範囲内の点で最高温度となる。ガラス基板の表面が最高温度の位置またはその近傍で急冷されると、得られる温度変化ΔＴは温度変化閾値ΔＴTHを十分に上回り、その結果割れ目の開始および伝播が可能になる。したがって、冷却ジェットがガラス基板表面上の楕円ビームスポットの中心と楕円ビームスポットの後端エッジとの間に入射するように、そして冷却スポットが最高温度の位置またはその近傍となるように（すなわち、冷却スポットは楕円ビームスポットと同心にならない）、冷却ジェットを位置付けることにより、急冷後の温度変化ΔＴが温度変化閾値ΔＴTHを上回り、その結果ガラス基板の表面に割れ目が形成されかつ伝播する。
【００４０】
図１〜３を参照すると、本書で説明する一実施の形態において、冷却スポット１０６がガラス基板１００の表面１３０上のスクライブライン１０４上かつ楕円ビームスポット１０２内に位置付けられるよう、ノズル１６０が配向される。より具体的には、冷却スポットが楕円ビームスポット内において、楕円ビームスポットの中心とその後端エッジ１２２との間で図３に示したように後端エッジから距離ｚだけ離れて位置するように、ノズル１６０が配向される。このとき冷却スポット１０６の位置は、レーザ光源からの加熱により生じたガラス基板表面上の最高温度の位置またはその近傍となる。したがって、ガラス基板が冷却ジェットによって最高温度の位置またはその近傍で急冷されるため、得られる温度変化ΔＴ（ガラス表面は歪点温度Ｔg直前まで加熱されると仮定する）が温度変化閾値ΔＴTHを上回り、これにより傷１１２から伝播を始める割れ目１０８の形成を助ける。さらに、最高温度の位置またはその近傍ではガラスの表面が急冷されるため、ガラス基板の全厚さを通じて温度が平衡する前に急冷が生じる。このため割れ目の形成は、急冷前に熱が基板へと拡散する深さｌに制限され、その結果ガラス基板の全厚さを実質的に貫通する割れ目の形成や、無制御かつ不可逆的な割れの始まりが抑制される。
【００４１】
図１および２を参照すると、冷却ジェット１０５および冷却スポット１０６が楕円ビームスポット１０２に対して適切に配向された後、冷却ジェットおよびレーザ光源を、ガラス基板１００の表面１３０に沿ってスクライブライン１０４上をスクライブ方向１１０へと前進させる。ガラス基板の表面が最高温度まで加熱され、さらに最高温度の位置またはその近傍で急冷されると、割れ目１０８が傷１１２からスクライブライン１０４に沿って伝播する。冷却ジェットおよびレーザ光源は、基板の表面に対しスクライブ速度υで前進し、この速度がスクライブライン１０４に沿った割れ目の伝播の最低速度となる。上述したように、スクライブ速度υは一般に、ガラス基板表面の過熱を回避しながらも、同時にガラス基板表面をガラスの歪点温度直前まで加熱し得るように選択される。割れ目１０８の形成に続き、割れ目の片側または両側でガラス基板１００に曲げモーメントを加え、ガラス基板を割れ目に沿って機械的に分離する。
【００４２】
ここで図１〜２および４を参照すると、別の実施形態において、レーザ光源１５０および冷却ジェット１０５をガラス基板１００の表面１３０上でスクライブ方向１１０に前進させながら、レーザ光源１５０のビーム１０１をスクライブライン１０４に沿って図４に概略的に描かれているように走査方向１１１に走査させる。ビームは、上述したように、ビームの光路内に置かれた走査装置で走査される。図４は、ビームスポットが走査方向１１１に走査されているときのビームスポットの４つの位置（１０２Ａ〜１０２Ｄ）を示したものである。具体的には、図４はビームがスクライブ方向１１０の前方へと走査されているときのビームスポットの位置を示している。ビームスポットの形状は楕円形とし得るが、走査動作のために、ビームスポットを、長方形１０３で示したように略長方形で現れ、かつ走査方向および／またはスクライブ方向において実質的に均一な強度分布を有するものとしてもよい。ビームの走査速度は少なくとも０．５ｍ／ｓとし得、より好適には、少なくとも１．０ｍ／ｓとし得る。スクライブラインに沿ってビームを走査させる長さは、ガラス基板の寸法に応じて変動する。一般に、ビームはスクライブライン沿いを約１０ｍｍを超える長さに亘り走査される。レーザ光源のビームがスクライブラインに沿って前後に走査されるとき、冷却ジェットおよびレーザ光源の互いに対する位置付けは、レーザビームでの加熱によりガラス基板の表面温度が最大（Ｔmax）となっているガラス基板表面上の位置またはその近傍に、冷却ジェットの冷却スポット１０６が位置付けられるようなものとされる。
【００４３】
基板をレーザ光源で加熱した際に達する基板の最高温度の位置またはその近傍に冷却スポット１０６を位置付けるという上述の走査技術を利用して、上述したようにガラス基板の厚さの一部に亘って割れ目を形成するのを助ける。この走査技術によれば、ガラス表面のスクライブライン上の任意の所与の地点に楕円ビームスポットが入射する時間を減少させることで表面のアブレーションの可能性を低減すると同時に、より高い出力のレーザ光源の使用が可能になる。割れ目１０８の形成に続き、割れ目の片側または両側でガラス基板１００に曲げモーメントを加え、ガラス基板を割れ目に沿って機械的に分離してもよい。
【００４４】
上述した方法を使用して厚さ約０．６ｍｍ未満のガラス基板に１以上の割れ目を形成することで、このようなガラス基板を複数のより小さな片に分離するスクライブ・アンド・ブレイク技術の使用を助けることができる。例えば図５Ａおよび５Ｂは、本書で説明した割れ目形成方法を使用してガラス基板を複数片に分離する１つの方法を図で表現したものである。
【００４５】
図５Ａおよび５Ｂを参照すると、互いに向かい合っている上方表面すなわち第１表面１３０と下方表面すなわち第２表面１３２とを備えた、ガラス基板１００が描かれている。ガラス基板１００は、最初に第１傷１３４をガラス基板１００表面の第１表面１３０上に生じさせることにより、複数片に分離する。一実施の形態において、第１傷１３４はガラス基板１００の第１表面１３０上に、図５Ａに示したように第１傷１３４がこの基板のエッジに直接隣接するようにして設けられる。あるいは、第１傷１３４を基板のエッジからガラス基板１００の内側に向かってずらしてもよい。第１傷１３４はガラス基板１００の表面に、ダイヤモンドまたはカーバイドのポイントまたはホイールなど、機械的スクライブを利用して形成してもよいし、あるいはレーザアブレーションを用いて形成してもよい。
【００４６】
第１傷１３４がガラス基板１００の第１表面１３０上に形成された後、上述した割れ目形成技術の１つを使用して、第１傷１３４を通って延在するスクライブラインに沿って割れ目１３６をガラス基板１００に生じさせる。例えば、一実施の形態においては、ＣＯ2レーザの楕円ビームスポットを、この楕円ビームスポットの主軸がスクライブライン上に実質的に位置合わせされるようにして第１傷１３４上に導く。その後、冷却ジェットを、冷却ジェットの冷却スポットが楕円ビームスポット内のビームスポット中心点とビームスポット後端エッジとの間に位置するようにガラス基板上に導く。したがって、楕円ビームスポットと冷却スポットとは互いに同心でないことを理解されたい。楕円ビームスポット内での冷却スポットの位置は、レーザ加熱によりガラス基板表面が最高温度に達する楕円ビームスポット内の位置に、またはこの位置に可能な限り近接した位置に、冷却スポットが位置付けられるように選択される。
【００４７】
楕円ビームスポットおよび冷却スポットは、その後ガラス基板の表面上にスクライブラインに沿って導かれ、その結果上述したように、ガラス基板内にガラス基板の厚さの一部に亘って延在する第１割れ目１３６が生じる。一般に、ガラス基板１００内の第１割れ目１３６は、ガラス基板の厚さｈの４分の１未満に亘って概して延在する。図５Ａに示した実施形態において、第１割れ目１３６はガラス基板１００の対向するエッジ間に概して延在する。しかしながら、第１割れ目１３６をガラス基板１００の隣接するエッジ間に延在させることも可能であり、そして第１傷１３４およびスクライブラインを、この結果が得られるように適当に配向し得ることを理解されたい。
【００４８】
第１割れ目１３６がガラス基板１００に形成された後、ガラス基板１００の下方表面すなわち第２表面１３２に第２割れ目１４０を形成する。一実施の形態において、ガラス基板１００の第２表面に第２割れ目１４０を形成するために、第１表面１３０と第２表面１３２の位置が逆になる（すなわち、第２表面１３２が上方表面となり、かつ第１表面１３０が下方表面となる）ようガラス基板を反転させる。一実施の形態において、ガラス基板の反転は、例えば技術者またはオペレータなどにより手動で行われる。あるいは、ガラス基板を、真空チャックや類似の装置などの１以上の機械的握持装置を用いて反転させてもよく、この場合握持装置がガラス基板の表面に付着してガラス基板を所望の位置に動かすのを助ける。
【００４９】
本書で説明する実施形態においては、第１割れ目と第２割れ目との間で所望の配向を得るよう、ガラス基板を回転させる。例えば、図５Ｂに示した実施形態では、第１傷１３４と第２割れ目１４０とを互いに対し約９０°で配向している。しかしながら、第１割れ目１３６と第２割れ目１４０とが互いに対して任意の角度配向を有し得ることを理解されたい。
【００５０】
ガラス基板の第２表面１３２を適切に配向した後、ガラス基板１００表面の第２表面１３２上に第２傷１３８を生じさせる。第１傷１３４に関連して上述したものと同様、第２傷１３８はガラス基板１００の第２表面１３２上に、図５Ｂに示したように第２傷１３８がこの基板のエッジに直接隣接するようにして設けられる。
【００５１】
第２傷１３８がガラス基板１００の第２表面１３２上に形成された後、上述した割れ目形成技術の１つを使用して、第２傷１３８を通って延在するスクライブラインに沿って第２割れ目１４０をガラス基板１００に生じさせる。第２割れ目１４０はガラス基板１００の表面に、第１割れ目１３６と実質的に同じ形で形成される。第２割れ目１４０はガラス基板１００の対向するエッジ間に概して延在する。しかしながら、第２割れ目１４０をガラス基板１００の隣接するエッジ間に延在させることも可能であり、そして第２傷１３８およびスクライブラインを、この結果が得られるように適当に配向し得ることを理解されたい。一実施の形態において、第１割れ目１３６および第２割れ目１４０は互いに平行ではない。あるいは、第２割れ目１４０は、ガラス基板の表面の１つに垂直な平面、および第１割れ目１３６をさらに含む平面に、位置するものではない。
【００５２】
ここで説明したガラス基板を分離する方法の実施形態では、第１割れ目の形成と第２割れ目の形成との間でガラス基板を反転させるものとして説明しているが、他の実施形態において、第１割れ目および第２割れ目がガラス基板の両面に形成されるものであれば、ガラス基板を静止したままとしてもよいことを理解されたい。例えば、第１割れ目１３６は、レーザビームおよび冷却ジェットをガラス基板上方からガラス基板上に導くことによりガラス基板１００に形成し、一方第２割れ目１４０は、レーザビームおよび冷却ジェットをガラス基板下方からガラス基板上に導くことによりガラス基板１００に形成してもよい。
【００５３】
一旦第１割れ目１３６および第２割れ目がガラス基板１００に形成されると、これらの割れ目夫々の周りに曲げモーメントを加えることにより、ガラス基板を割れ目に沿って機械的に複数片に分離させる。例えば、第１割れ目１３６の周りでガラス基板１００に曲げモーメントを加えることにより一旦ガラス基板を第１割れ目１３６に沿って分離させた後、第２割れ目１４０の周りに曲げモーメントを加えることによって、得られた片をより小さい片にさらに分離する。この手法で、ガラス基板１００は少なくとも４つの個別片に分割し得る。
【００５４】
本書で図示および説明した実施形態では、ガラス基板の第１表面および第２表面夫々に単一の割れ目を生じさせることでガラス基板を４つの個別片に分割しているが、ガラス基板の第１表面および第２表面夫々に複数のガラスの割れ目を生じさせ、ガラス基板を５つ以上の個別片に分割することも可能であることを理解されたい。
【実施例】
【００５５】
上述のガラス基板の一部に亘る割れ目を形成する方法について、ここで具体的な実施例を参照してさらに説明する。各実施例において、ガラス基板の厚さの一部に亘って延在する割れ目は、厚さ約０．６ｍｍ未満のガラス基板に形成された。
【００５６】
実施例１
波長１０．６μｍおよび出力３８ワットのＣＯ2レーザのビームスポットを、厚さ３０８μｍのホウケイ酸ガラス板（ＣＴＥ＝３２×１０-7／℃）の表面上に導いた。このビームスポットは短軸ａ＝２ｍｍおよび主軸ｂ＝２４ｍｍであった。ビームスポットを、最初にガラス基板表面の傷上に位置付け、かつ、ビームスポットの主軸がスクライブラインと同一線上になるようにスクライブラインに沿って位置合わせした。脱イオン水の冷却ジェットを、ノズルの７５μｍオリフィスから８ｓｃｃｍ（１．３５１×１０-2Ｐａ・ｍ3／ｓ）の流量で基板上に導いた。基板表面に対する冷却ジェットの入射角を８５°とし、かつ冷却ジェットが形成する冷却スポットのガラス基板表面上での直径はおおよそ２ｍｍであった。冷却スポットを、ＣＯ2レーザの楕円ビームスポット内の、後端エッジからおおよそ５ｍｍの位置に位置付けた。楕円ビームスポットおよび冷却ジェットをスクライブラインに沿って速さ４ｍ／分で前進させ、ガラス基板表面に深さ７１μｍの割れ目を形成した。
【００５７】
実施例２
波長１０．６μｍおよびおおよその出力が１００ワットのＣＯ2レーザのビームスポットを、厚さ３００μｍのホウケイ酸ガラス板（ＣＴＥ＝３２×１０-7／℃）の表面上に導いた。このビームスポットは短軸ａ＝２ｍｍおよび主軸ｂ＝２４ｍｍであった。ビームスポットを、最初にガラス基板表面の傷上に位置付け、かつ、ビームスポットの主軸がスクライブラインと同一線上になるようにスクライブラインに沿って位置合わせした。脱イオン水を含む冷却ジェットを、ノズルの７５μｍオリフィスから８ｓｃｃｍ（１．３５１×１０-2Ｐａ・ｍ3／ｓ）の流量で基板上に導いた。基板表面に対する冷却ジェットの入射角を８５°とし、かつ冷却ジェットが形成する冷却スポットのガラス基板表面上での直径はおおよそ２ｍｍであった。冷却スポットを、ＣＯ2レーザの楕円ビームスポット内の、後端エッジからおおよそ５ｍｍの位置に位置付けた。楕円ビームスポットおよび冷却ジェットをスクライブラインに沿って速さ１５０ｍｍ／ｓで前進させ、ガラス基板表面に深さ６２μｍの割れ目を形成した。
【００５８】
実施例３
波長１０．６μｍおよび出力９２ワットのＣＯ2レーザのビームスポットを、厚さ３００μｍのアルカリアルミノケイ酸ガラス板（ＣＴＥ＝９１×１０-7／℃）の表面上に導いた。このビームスポットは短軸ａ＝２ｍｍおよび主軸ｂ＝２４ｍｍであった。ビームスポットを、最初にガラス基板表面の傷上に位置付け、かつ、ビームスポットの主軸がスクライブラインと同一線上になるようにスクライブラインに沿って位置合わせした。脱イオン水を含む冷却ジェットを、ノズルの７５μｍオリフィスから８ｓｃｃｍ（１．３５１×１０-2Ｐａ・ｍ3／ｓ）の流量で基板上に導いた。基板表面に対する冷却ジェットの入射角を８５°とし、かつ冷却ジェットが形成する冷却スポットのガラス基板表面上での直径はおおよそ２ｍｍであった。冷却スポットを、ＣＯ2レーザの楕円ビームスポット内の、後端エッジからおおよそ５ｍｍの位置に位置付けた。楕円ビームスポットおよび冷却ジェットをスクライブラインに沿って速さ２００ｍｍ／ｓで前進させ、ガラス基板表面に深さ５７μｍの割れ目を形成した。
【００５９】
実施例４
波長１０．６μｍおよび出力９２ワットのＣＯ2レーザのビームスポットを、厚さ５５０μｍかつ中央の張力１５ＭＰａの、イオン交換強化アルカリアルミノケイ酸ガラス板（ＣＴＥ＝９１×１０-7／℃）の表面上に導いた。このビームスポットは短軸ａ＝２ｍｍおよび主軸ｂ＝２４ｍｍであった。ビームスポットを、最初にガラス基板表面の傷上に位置付け、かつ、ビームスポットの主軸がスクライブラインと同一線上になるようにスクライブラインに沿って位置合わせした。脱イオン水を含む冷却ジェットを、ノズルの７５μｍオリフィスから８ｓｃｃｍ（１．３５１×１０-2Ｐａ・ｍ3／ｓ）の流量で基板上に導いた。基板表面に対する冷却ジェットの入射角を８５°とし、かつ冷却ジェットが形成する冷却スポットのガラス基板表面上での直径はおおよそ２ｍｍであった。冷却スポットを、ＣＯ2レーザの楕円ビームスポット内の、後端エッジからおおよそ５ｍｍの位置に位置付けた。楕円ビームスポットおよび冷却ジェットをスクライブラインに沿って速さ２２０ｍｍ／ｓで前進させ、ガラス基板表面に深さ９０μｍの割れ目を形成した。
【００６０】
ここで、本書で説明した方法は、例えばホウケイ酸ガラスから作製したガラス基板などの比較的ＣＴＥの低い薄型ガラス基板（すなわち、厚さ約０．６ｍｍ未満のガラス基板）の他、イオン交換強化アルミノケイ酸ガラスを含め、アルミノケイ酸ガラスから形成された基板など、比較的ＣＴＥの高いガラス基板を分離するためにも使用し得ることを理解されたい。低ＣＴＥのガラス基板に対しては、本書で説明した方法で、急冷後に適切な温度変化が与えられ引張応力がスクライブラインに沿って誘導されることにより割れ目の形成が可能になる。高ＣＴＥのガラス基板に対しては、本書で説明した方法により、急冷前のガラス基板からの熱損失を低減することでガラス基板に割れ目を形成する速度が増加する。
【００６１】
請求される主題の精神および範囲から逸脱することなく、本書において説明された実施形態の種々の改変および変形が作製可能であることは当業者には明らかであろう。すなわち、本書において説明した種々の実施形態の改変および変形が、添付の請求項およびその同等物の範囲内であるならば、本明細書はこのような改変および変形を含むと意図されている。
【符号の説明】
【００６２】
１００    ガラス基板
１０２    楕円ビームスポット
１０４    スクライブライン
１０５    冷却ジェット
１０６    冷却スポット
１０８    割れ目
１１２    傷
１２２    後端エッジ
１３０    第１表面
１３２    第２表面
１５０    レーザ光源
１６０    ノズル
【図１】
2013503106.tif 000008
【図２】
2013503106.tif 000009
【図３】
2013503106.tif 000010
【図４】
2013503106.tif 000011
【図５Ａ】
2013503106.tif 000012
【図５Ｂ】
2013503106.tif 000013
【図６】
2013503106.tif 000014
【図７】
2013503106.tif 000015
【図８】
2013503106.tif 000016
【国際調査報告】
2013503106.tif 000017
2013503106.tif 000018
2013503106.tif 000019