【発明の名称】脆弱性材料切断方法および装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】レーザビームを、ガラスシートを横断するように移動させてガラスシートを横断するクラックを形成する工程を有してなる平面ガラスシートの製造方法において、
該レーザビームが該ガラスシート上において細長いビームスポットを有し、該ビームスポットが２０ｍｍ以上の最長寸法を有することを特徴とする平面ガラスシートの製造方法。
【請求項２】前記移動工程が、前記ガラスシートに対し、少なくとも３００ｍｍ／ｓｅｃの速度で前記レーザビームを移動させる工程を含むことを特徴とする請求項１記載の平面ガラスシートの製造方法。
【請求項３】前記移動工程が、少なくとも３００ｍｍ／ｓｅｃの速度で、最長軸が該速度で１秒間に移動する長さの約１０％以上の長さであるビームスポットを有する前記レーザビームを移動させる工程を含むことを特徴とする請求項１記載の平面ガラスシートの製造方法。
【請求項４】前記移動工程中のレーザビームが、非ガウシアン成分を有してなることを特徴とする請求項１記載の平面ガラスシートの製造方法。
【請求項５】フラットパネルディスプレイに使用される、０．４ｍｍから３．０ｍｍの厚さを有するガラス基板の分割方法において、
該方法が、約０．４ｍｍから３．０ｍｍの厚さの平面ガラスシートを提供する工程と、
少なくとも３００ｍｍ／ｓｅｃの速度で前記ガラスシート上においてレーザビームを移動させる移動工程とを有してなり、
該レーザビームが該ガラスシート上において細長いビームスポットを有し、
該ビームスポットが２０ｍｍ以上の最長寸法を有し、
前記移動工程により該ガラスシートを横断するクラックを十分に形成することを特徴とするガラス基板の分割方法。
【請求項６】前記移動工程が、約３０ｍｍ以上の最長寸法のビームスポットを有するレーザビームを移動させる工程を含むことを特徴とする請求項５記載のガラス基板の分割方法。
【請求項７】前記移動工程が、最長軸が前記速度で１秒間に移動する長さの約１０％以上の長さであるビームスポットを有する前記レーザビームを移動する工程を含むことを特徴とする請求項５記載のガラス基板の分割方法。
【請求項８】前記移動工程中のレーザビームが非ガウシアン成分を有してなることを特徴とする請求項５記載のガラス基板の分割方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明に属する技術分野】
本発明は、ガラスシートや他の脆弱性材料の切断方法に関するものであり、特にフラットパネルディスプレイ用ガラス基板作製のプロセスに用いる際に効果的なレーザカッティングプロセスの速度を増加させる方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ガラス板を分割する際にレーザが使用されてきた。Ｋｏｎｄｒａｔｅｎｋｏの国際公開第９３／２００１５号パンフレットには、ガラスシートを２分割するために、いわゆるブラインドクラックをガラスシートにわたって広げる際にレーザ光を使用することが述べられている。この部分的なクラックは、ガラスシートの深さの途中まで広がっており、実質的には切り込みラインとして作用する。シートはその後、切り込みラインに沿って機械的に二分割される。
【０００３】
一つの具体的形態としては、小さな切り目や切り込み目をガラスシートの片側につけ、その後レーザ光を使用して部分的なクラックを形成して、ガラスシートを通じてこの切り目や切り込み目を広げる。その後、レーザ光をガラスシートの切り目や切り込み目の領域に接触させて、レーザとガラスシートを相対的に動かし、切り込みラインの所望行路でレーザ光を伝搬させる。レーザより下流のガラスの加熱した表面部分に流体冷却剤の流れを向けることが望ましく、それによりレーザ光がガラスシートのある領域を加熱した後に、その加熱領域はすばやく冷却される。このようにレーザによるガラスシートの加熱と水性冷却剤によるガラスシートの冷却により、ガラスシートを歪ませ、レーザ光と冷却剤が通った方向にクラックを広げる。
【０００４】
Ｋｏｎｄｒａｔｅｎｋｏによれば、ガラスシート上におけるビームの形状は楕円形であり、楕円形状の短軸および長軸は以下の関係を満たす。
【０００５】
ａ＝０．２ 〜 ２．０ｈ
ｂ＝１．０ 〜 １０．０ｈ
ここで、ａとｂはそれぞれ楕円形状スポットの短軸および長軸であり、ｈはレーザ光が切り込む材料の厚さである。Ｋｏｎｄｒａｔｅｎｋｏによれば、ｂが１０．０ｈよりも大きいときは、カッティングの精度が低減する。よって、厚さ０．７ｍｍのガラス基板では、Ｋｏｎｄｒａｔｅｎｋｏによれば、ビームスポットの長軸は７ｍｍ以上にはなり得ない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このようなレーザ光による切り込みの技術の発達により、切断面の質においてはいくらかよい結果が得られており、その切断面の質が非常に高いものが望まれる液晶や他のフラットパネルディスプレイのパネル基板を製造するためには、それらは有効な手段ではある。しかしながら、そのプロセスの発達に過去数年間かなりの努力が払われたにもかかわらず、現在に至るまで、フラットパネルディスプレイ（ＬＣＤのような）基板の製造の際に使用するにあたって実用的に十分な切り込み速度は達成されていない。実際、Ｋｏｎｄｒａｔｅｎｋｏの特許の例で報告されている最高切り込み速度は１２０ｍｍ／ｓｅｃであり、また他の大半の例においても、この平凡な切り込み速度よりもずっと劣るものである。
【０００７】
最近、１９９５年７月１９−２３日にドイツのミュンヘンで行われた貿易展においてＪｅｎｏｐｔｉｋが発行した文献には、３０−１５０ｍｍ／ｓｅｃの速度でレーザ切り込みをすることができたことが述べられている。Ｊｅｎｏｐｔｉｋは、Ｋｏｎｄｒａｔｅｎｋｏの特許に述べられているものと同じレーザ切り込みプロセスを用いている。
【０００８】
フラットパネルディスプレイ基板の製造において、これらのプロセスを実用的にする速い切り込み速度、例えば少なくとも３００ｍｍ／ｓｅｃ程度の、さらには少なくとも５００ｍｍ／ｓｅｃ、さらには１０００ｍｍ／ｓｅｃの速度を可能にするレーザ切り込みプロセスを実施することが望ましい。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ガラスシート（または他の脆弱性材料）の切断方法に関するものであり、レーザビームの行路に沿ってクラックを誘導するために、ガラスシートを横断する所望の行路で極度に細長いレーザビーム（および冷却剤は任意）を移動させる。これにより生じた熱勾配により、ガラスの表面層に引っ張り応力を発生させ、この応力がガラスの引っ張り強さを超えると、ガラスはブラインドクラックや切り込みラインが圧縮状態の領域へと下降して材料に入り込むようになる。その後レーザ光がガラスを横断すると、クラックがレーザ光に追従する。そのクラックの深さ、形状、方向は、応力の分布により決定され、ビームスポットのパワー密度、寸法、形状や、ビームスポットと材料の相対速度、加熱領域へ供給される冷却剤の性質や特性、クラックが入れられる材料の熱物理および機械的特性やその厚さなど、複数の要素に依存する。ガラス上において極度に細長いビームスポットを有するレーザビームを使用し、ガラスシート上の所望分割ラインの伝搬方向にこの細長いビームスポットを配置することにより、公知の技術による方法を使用するよりも速いレーザ切り込み速度が達成できることがわかった。
【００１０】
このように本発明においては、レーザスポットは極度に細長い形状、例えば楕円形状を有する。この細長い形状の長軸は、２０ｍｍ以上、より好ましくは３０ｍｍ以上、さらには４０ｍｍ以上であることが望ましい。
【００１１】
そのビームの短軸は、直線切断面を形成する際に切断面の質を損なわない程度に狭いことが望ましいと思われる。
【００１２】
本発明において、レーザ光は非ガウシアンの強度分布を有することが望ましい。一つの具体的形態において、レーザビームの強度は２ピークモード、すなわち一つ以上のレベルを含む、例えばＴＥＭ０１＊モードとＴＥＭ００モードの両方を含んで動作するレーザのようなものが望ましい。切断ラインに沿って表面層の非常に局所的な冷却を引き起こすために、ビームスポットの進行方向に沿って適当な冷却剤の流れを材料の領域に向けることが望ましい。
【００１３】
【発明の効果】
本発明によれば、約０．４ｍｍから３．０ｍｍの厚さのガラスにおいて、切断精度やガラスの切断面を損なうことなく、３００−７００ｍｍ／ｓｅｃもしくはそれ以上の切り込み速度が達成できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明は、レーザ切断技術を使用して所望切断ラインに沿ってガラスシートを切断するシステムに関するものである。図１に示すように、本発明のガラス切断システムにおいて、ガラスシート１０は主上面および主下面１１を有する。ガラスシート１０はまず、ガラスシート１０の一端にクラック開始点１９を形成するため、ガラスシートの一端に沿って切り目や切り込み目がいれられる。このクラック開始点１９はその後、所望切断ラインの行路でガラスシートを横切ってレーザビーム１６を移動してクラック２０を形成するために用いられる。レーザ光は、所望切断ラインに沿った局所領域においてガラスシートを効果的に熱する。その結果生じた温度勾配が材料の表面層に引っ張り応力を引き起こし、この応力が材料の引っ張り強さを超えると、その材料においてブラインドクラックが圧縮状態の領域へと下降して材料を貫通する。応力分布を高めそれによりクラックの伝搬を促進するため、水ジェット２２により水冷却剤を施す。レーザビームがガラスを横切るにつれ、クラックはレーザビームが伝搬する行路に追従するようになる。
【００１５】
ガラス１０の表面温度はレーザビームにさらされる時間に直接依存するので、円形断面の代わりに楕円形状のビームを使用することにより、同じ相対速度においては、切断ラインに沿ったガラス表面の各点の加熱時間を延ばすことができる。このように、レーザビーム１６の規定のパワー密度で、ガラス１０を熱するために必要な深さを維持するために必要であるレーザビームスポットから冷却スポットの前縁部までの距離が同じであれば、レーザビームスポットが移動方向に広がるほど、レーザビームスポットと材料との相対移動速度の許容範囲が大きくなる。
【００１６】
図２に図示するように、本発明においては、レーザスポットは極度に細長い、例えば楕円形状で、２０ｍｍ以上の、より好ましくは３０ｍｍ以上の、さらには４０−１００ｍｍ以上の長軸を有することが望ましい。レーザビームスポットの長軸は、ガラスシートを横切る所望切断ラインの伝搬方向にする。ガラスが薄いシート（１．１ｍｍもしくはもっと薄い）に対しては、レーザビームスポットの長軸の最適長が所望伝搬速度に関係し、長軸ｂは所望レーザ切り込み速度で一秒あたり移動する長さの１０％より大きいことが望ましい。このように、０．７ｍｍの厚さのガラスで所望レーザ切り込み速度５００ｍｍ／ｓｅｃでは、レーザの長軸は少なくとも５０ｍｍの長さであることが望ましい。
【００１７】
クラック２０はガラスシート１０の深さ方向のみに拡がることが望ましく（距離ｄ）、それにより切り込みラインとして作用する。ガラスシートをさらに小さいシートに最終的に分割するには、クラック２０に曲げモーメントを付与することによりなされる。その曲げは、従来の機械的表面切り込み方法を使用する工程においてガラスを切断するために使用されるような従来の曲げ装置（図示していない）や技術により達成できる。クラック２０は機械的切り込みではなくレーザによる切断技術を使用しているので、機械的切断工程中に生じるガラスのチップの形成を、従来の技術と比較して最小限にできる。
【００１８】
ガラス切断工程に使用されるレーザビームはカットするガラス表面を熱することができるものでなければならない。結果的に、レーザの放射光はガラスが吸収する波長であることが望ましい。このことが生じるためには、放射光は２μｍ以上の波長の赤外線であることが望ましく、例えば波長９−１１μｍのＣＯ２レーザ、波長５−６μｍのＣＯレーザ、波長２．６−３．０μｍのＨＦレーザ、波長約２．９μｍのエルビウムＹＡＧレーザなどのビームが望ましい。本実験の大半においては、１５０〜３００ワットのパワーのＣＯ２レーザを使用したが、より高いパワーのレーザを使用すればより成功したと思われる。
【００１９】
クラック２０は、最大熱勾配の領域である加熱および冷却領域の界面に向かってガラス中に形成される。クラックの深さ、形状、方向は、熱弾性応力の分布により決定され、主に以下の複数の要素に基づく。
【００２０】
−ビームスポットのパワー密度、寸法、形状；
−ビームスポットと材料の相対移動速度；
−熱物理特性、加熱領域に対する冷却剤を供給する条件および質；
−クラックを入れる材料の熱物理的および機械的特性、その厚さ、表面状態
異なる材料に対して切断サイクルを最適化するためには、主なパラメータと切断工程の変数との間の適当な関係を確立することが必要である。国際公開第９３／２００１５号パンフレットに説明されているように、図２を再び参照して、ビームスポット１８の寸法と冷却水が流れる領域からビームスポットまでの間隔ｌに依存して、ガラス１０を横切るビームスポット１８の相対移動の速度Ｖとクラック２０の深さｄは次式で表される。
【００２１】
Ｖ＝ｋａ（ｂ＋ｌ）／ｄ
ここで、Ｖはビームスポットと材料との相対移動速度で、ｋは材料の熱物理特性とビームのパワー密度に依存する比例係数であり、ａはビームスポットの幅、ｂはビームスポットの長さ、ｌはビームスポットの近接端から冷却ゾーンの前端までの距離、ｄはブラインドクラック４の深さである。
【００２２】
レーザは各端部のミラーにより規定される共振器内で生じるレーザ発振により動作する。安定な共振器の概念は、共振器を通る光線の光路を追跡することにより最も明確化することができる。安定性の閾値には、レーザ共振器の軸に平行な光線が二つのミラー間を前後に永久にその間を損失なく反射した場合に達する。
【００２３】
安定基準に達しない共振器は光線が軸からそれるため不安定共振器と呼ばれる。不安定共振器には多くの種類がある。一つの簡単な例としては平面ミラーに対する凸面球面ミラーがある。異なる直径の凹面ミラー（大きなミラーからの反射光が小さなミラーの端部周辺から逃げてしまう）や、対の凸面ミラーなどが他に含まれる。
【００２４】
共振器のその二つのタイプは異なる利点と異なるモードパターンを有する。安定な共振器はレーザ軸に沿って光を集中させ、その領域から効率よくエネルギーを抽出するが、軸から離れた外周領域からはエネルギーが効率よく抽出されない。それにより生じるビームは中心に強度ピークを有し、軸から離れるにつれ強度がガウシアン的に減衰する。これは低利得の持続波レーザとともに使用される標準的なタイプである。
【００２５】
不安定共振器は、より大きな体積にわたってレーザ共振器の内部の光を広げようとする。例えば、出力ビームは、軸周りにリング状の強度ピークを有する環状の形状を有したりする。
【００２６】
レーザの共振器には、横モードと縦モードの二つのタイプの異なるモードがある。ビームの断面形状すなわち強度パターンにおいて、横モードが存在する。縦モードは、レーザの利得帯域内の異なる周波数もしくは波長で生じるレーザ共振器長による異なる共振モードに相当する。単一縦モードで発振する単一横モードレーザは単一周波数で発振し、二つの縦モードで発振するものは二つの独立した波長で（通常近接した間隔で）同時に発振する。
【００２７】
レーザ共振器内の電磁界「形状」は、ミラーの曲率、間隔、放電管の空洞直径に依存する。ミラーの配列や間隔および波長がわずかに変化しても、レーザビームの「形状」（電磁界）は大きく変化してしまう。その「形状」やビームの空間エネルギー分布を述べる際に特別な術語が展開されてきたが、ここでは横モードは二方向のビーム断面に表れる極小値の数に従って分類される。最も低次モードすなわち基本モードは中心に強度のピークがあり、ＴＥＭ００モードとして知られる。これは図４に示されるようなガウシアン強度分布を有する従来使用されてきたレーザである。一軸に沿っては極小値が一つで、その垂直方向の軸に沿っては極小値のないモードは、ＴＥＭ０１＊またはＴＥＭ１０であり、それらはその向きによって決定される。ＴＥＭ０１＊モードの強度分布の例が図３に図示されている（ビームを横切る距離ｄに対するビーム強度Ｉ）。ほとんどのレーザの用途では、ＴＥＭ００モードが最も望ましいと考えられている。しかしながら非ガウシアンモード例えばＴＥＭ０１＊モードやＴＥＭ１０モードのビームが、ガラス表面へより均一にレーザエネルギーを送り込むために使用できることがわかった。結果的に、レーザがガウシアン強度分布を有する場合よりも低いパワーでより高いレーザ切り込み速度が達成できることがわかった。さらに、レーザ切り込み工程が拡大されたその動作範囲によって、より広範囲のレーザパワーを使用することができる。これは非ガウシアンレーザビームにより、ビーム全体にわたってエネルギー分布の均一性をより向上することができるためだと思われる。
【００２８】
図３に示されるレーザビームはリング状である。図３に示されるパワー分布はリング状のレーザビームのパワー分布の断面である。少なくとも一対の強度ピークが、それより低いパワー分布である中心領域の外周部に位置するような非ガウシアンビームが本発明において望ましい。このように、レーザビームの中心がレーザビームの少なくとも複数の外周領域のパワー強度よりも低いパワー強度を有することが望ましい。この低いパワー中心領域は、完全に０パワーレベルになってもよく、その場合レーザビームは１００％のＴＥＭ０１＊パワー分布となる。しかしながら、レーザビームは２ピークモード、すなわち図３に示されるように、中心領域のパワー分布が単に外周領域のパワー分布以下に低下しているＴＥＭ０１＊モードとＴＥＭ００モードの組み合わせといった一つ以上のモードのレベルを組み合わせたものでもよい。ビームが２ピークモードの場合、そのビームは、５０％以上がＴＥＭ０１＊モード、さらに好ましくは７０％以上がＴＥＭ０１＊モードで、その残りがＴＥＭ００モードとする組み合わせが望ましい。
【００２９】
本発明の好ましい具体的実施の形態として、デジタルコンピュータのようなシステム制御装置（図示していない）を、レーザやガラスシート、システム上の他の可動部品などの移動を制御するシステムに接続する。そのシステム制御装置はシステムの様々な部品の移動を制御するために従来の機械制御技術を用いている。システム制御装置はそのメモリ内に蓄積された様々な製造作動プログラムを使用し、各プログラムは、特定サイズのガラスシート用にレーザやガラスシート（さらには必要ならば他の可動部品）の移動を適切に制御するよう設計されることが望ましい。
【００３０】
以下の例では、本発明による方法を実証している。
【００３１】
例１
この例では、ガウシアンパワー分布を有するＣＯ２レーザの動作を示している。
【００３２】
レーザ１６はＰＲＣコーポレーションが製造したモデル１２００の軸流２ビームＣＯ２レーザであった。ビームはＴＥＭ００モードで動作し、約１２ｍｍのスポットサイズ（レーザの放出点でのレーザビームの直径）でガラス表面から約２メートルの場所に配置した。一対のシリンドリカルレンズを、レーザとガラス表面との間のレーザの光路内に配置し、レーザスポットを変形した。これにより、レーザがガラスに当たる箇所でのレーザスポットが、長さ約４５−５０ｍｍで、その中間点で幅約０．１−０．１５ｃｍの細長く楕円形のものとなった。このレーザの共振器で基本モードはＴＥＭ００である。これが共振器で発振可能な唯一のモードであるとき、共振する００モードレーザは可能な最小発散で伝搬し、最も小さなスポットサイズに集光されるであろう。この例では、レーザのパワー分布は、小さな内部開口とともにレーザ前端面で「平面」光カップラを利用することでガウシアン（ＴＥＭ００モードで動作する）となった。
【００３３】
約５００ｍｍ幅×５００ｍｍ長×約１．１ｍｍ厚のアルミノ珪酸塩のガラスシート１０に、クラックの開始点１９を形成するため、ガラスシートの端部に手動で切り込みをいれた。これにより、ガラスの上面の一端に約８ｍｍ長で約０．１ｍｍの深さの小さな切り込みラインを形成してクラック開始点１９をつくった。ガラスシート１０は、レーザ１６がクラック開始点１９に接触するように配置され、ガラスシート１０を、以下の表１に記載されたパワーと速度で、レーザ１６の行路がガラスシートを横切る直線行路に沿うように移動させた。
【００３４】
表１
レーザ速度 ピークパワー（Ｗ） 成功率（％）
４００ｍｍ／ｓｅｃ １２０ １００
４２０ｍｍ／ｓｅｃ １２０−１６５ １００
４６５ｍｍ／ｓｅｃ １６５−１７５ １００
４７５ｍｍ／ｓｅｃ １６５−１７９ １００
４８０ｍｍ／ｓｅｃ １６８−１７９ ６６
５００ｍｍ／ｓｅｃ １８３−１８８ ３３
成功率の欄は、それに対応するパワー範囲において達成された最もよいパフォーマンスを表す。１００％の成功率は、指定されたパワー範囲において、ガラスシートへのレーザ切り込みが、実質的に常に時間中１００％成功した動作パラメータがあったことを示している。
【００３５】
例２
例１に述べたものと同じ方法、装置およびレーザを使用し、共振器をより高次のモードパワー分布でレーザを動作するようにした。特に、レーザは２ピークモードで、複数のサブビームからなり、その各々が強度分布を有する。これらのビームは独立であるので、その正味の分布は個々の形状の代数和であり、各モードのパワーの率により重みづけされる。例として、ＴＥＭ００モードの量は光カップラの曲率を変えたり開口部の直径を大きくすることにより低減できる。本例では、レーザのパワー分布を約６０対４０のＴＥＭ０１＊モードとＴＥＭ００モードとの混合比に変化させ（約１４ｍｍのスポットサイズになる）、約５０−６０ｍｍのビーム長にした。これは、２０メートルの曲率半径の凹面光カップラを「平面」光カップラに置き換え、より大きな開口部にすることにより達成された。そのレーザのパワーと速度は表２に記載されるように変化した。
【００３６】
表２
レーザ速度 ピークパワー（Ｗ） 成功率（％）
３００ｍｍ／ｓｅｃ ９０−１４５Ｗ １００
５００ｍｍ／ｓｅｃ １５５−１９５Ｗ １００
６００ｍｍ／ｓｅｃ ２００Ｗ １００
６５０ｍｍ／ｓｅｃ ２００−２２０Ｗ １００
７００ｍｍ／ｓｅｃ ２５０Ｗ ５０
例１に使用したレーザがＴＥＭ０１＊モードを有した非ガウシアンレーザへと変換されたとき、より低いレーザパワーでより高い切断速度が達成された。さらにより広い範囲のレーザパワーが、満足な切り込み端部をなすよう許容された。例１と例２の結果を比較するとわかるように、ガウシアンレーザは４７５ｍｍ／ｓｅｃまでの切断速度で１００％の破断（ほぼ全てのサンプルを刻むことに成功した）が達成できた。これらの速度以上で、堅実に満足した結果を得ることは困難であった。しかしながら、１０００または２０００ｍｍ／ｓｅｃの速度が本発明のビーム長を長くする方法を用いて達成されることが期待できる。
【００３７】
例３
この例では、レーザビームを生じるレーザは軸流ＣＯ２レーザで、ＰＲＣコーポレーションが製造した、一管あたり６００Ｗの２ビームレーザのモデルＳＳ／２００／２である。そのビームはＴＥＭ００モードの約１２ｍｍのスポットサイズであった。このレーザをガラス表面から約２メートルの所に配置した。一対のシリンドリカルレンズをレーザとガラス表面との間のレーザビームの行路に配置し、レーザスポットを変えた。これによりレーザスポットは、ガラスにあてたとき約４０−５０ｍｍ長でその中間点において約１〜１．５ｍｍ幅の細長い楕円形になった。レーザのパワー分布はＴＥＭ０１＊モードおよびＴＥＭ００モードの６０対４０の混合で、それはレーザ前端面に２０メートル曲率半径の凹面光カップラを使用することにより達成された。レーザパワーは１６０−２００Ｗの間で変化させ、ガラスシートを横切るレーザ速度は約５００ｍｍ／ｓｅｃであった。
【００３８】
ガラスシート１０は約５００ｍｍ幅×５００ｍｍ長×約１．１ｍｍ厚のアルミナ珪酸塩ガラスシートで、第１の方向にシートの片側上を３回、第１のレーザ切り込みラインの方向に直交する第２の方向にシートのもう片側上を３回の９回のレーザ切り込みをした。このタイプの切り込み方法により、ＬＣＤ基板ガラスの作製において製造作業効率を２倍にでき、ここで最も外部の切り込みラインはガラスシートの外端部を除去し、シートの各側の中間の切り込みラインはガラスの残りを４つの使用部材に連係して分離するものである。ガラスシートの各側の３つの切り込みラインを使用することにより、シートの片側の切り込みラインの行路がシートのもう片側の切り込みラインと交差する９つの交点を生じた。
【００３９】
これを達成するために、ガラスシート１０は、レーザ切り込みラインが所望の位置に３つのクラック開始点１９を形成するため、ガラスシートの端部に沿って各側に手動で切り込みをいれた。これにより、ガラスの上面の一端に、約１−８ｍｍ長で約０．１ｍｍの深さの小さな切り込みラインの形で３つのクラック開始点１９を形成した。クラックは４−８ｍｍである必要はなく、むしろレーザにより広げられるようなクラックであれば、クラック開始点として作用するには十分である。ガラスシート１０はレーザ１６がクラック開始点１９の一つに接するように配置され、図１のように、レーザ１６の行路が、切り込みライン２０を形成するガラスシートを横断する直線行路に沿うようにガラスシート１０を動かした。ガラスシートの第１の片側の３つの切り込みライン２０の各々を形成するためにこの工程を繰り返した。
【００４０】
その後、ガラスシート１０の逆側をさらすためにガラスシート１０をひっくり返した。シート１０は３つの他のクラック開始点１０を形成するためガラスシートの端部に沿って手動で切り込みをいれ、再び、レーザ１６の行路が３つの切り込みライン２０を形成するためガラスシートを横断する直線行路に沿うようにガラスシート１０を動かした。シートの第２の側に作られた３つの切り込みラインはガラスシート１０の第１の側に形成した３つの切り込みラインの逆側で直交し、３つの各切り込みラインの行路と直交して形成した。
【００４１】
その後、各切り込みライン２０に沿ってガラスシート１０を分離するため切り込みライン２０に曲げモーメントを加えた。この結果生じたシートをその後ひっくり返し、これらのシートにそれぞれの切り込みライン２０の領域に曲げモーメントを加え、それによりそれらをさらに小さなシートに分割した。この工程を１００以上のガラスシートで繰り返し、それにより、切り込みライン２０の行路がガラスシートの逆側に位置する切り込みライン２０の行路と交わる交点を９００点以上形成した。全ての場合、分割した端部は一貫して非常に高品質なものであった。
【００４２】
例４
本例では、保護プラスチック層の部分を除去しガラスシート１０を小さなシートに分割するために、単一ＣＯ２レーザ１６を使用した。ガラスシートは約４００ｍｍ幅×４００ｍｍ長×１．１ｍｍ厚で、Ｍａｉｎ Ｔａｐｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎが作製したＬＦＣ−３マスクフィルムの保護層をコーティングしたものであった。ＬＦＣ−３はポリエチレンフィルム材料で、約０．００２インチ厚（約０．０５ｍｍ）であり、ロール状で保存され、アクリル接着剤が片側に施されている。そのフィルムを、接着剤がガラスシートに接するようにガラスに付加し、コートされたガラスをその後、ガラスとフィルムとの接着を促進するため一対のローラー間で圧迫した。
【００４３】
この例においては、レーザ１６はＰＲＣコーポレーションが製造したモデル１２００の軸流２ビームＣＯ２レーザであった。レーザビームはレーザの出射端で約７ｍｍの直径であり、したがってレーザから放出されるスポットサイズは約３８．５ｍｍ２であり、約７０Ｗで動作し、ビームのパワー密度は約１．８２Ｗ／ｍｍ２となった。レーザをガラス表面の保護層から約２メートルの位置に配置した。レーザスポットを形成するためレーザとガラス表面との間のレーザ光路に一対のシリンドリカルレンズを配置した。これにより、保護層上のレーザスポット形状は約３３ｍｍ長でその中間で２ｍｍ幅の細長い楕円状の形状となり、約１．３５Ｗ／ｍｍ２のパワー密度となった。ガラスシートをレーザ１６の下を約２５０ｍｍ／ｍｉｎ．の速度で動かした。レーザ１６はレーザが接する保護層を全て蒸発させ、それにより保護層が選択的に除去され、除去されたストライプ１４の幅は約２ｍｍ幅であった。保護層を除去した領域には残留物はなく、完全に保護層の残留物が除去された。
【００４４】
ガラスシートの端部にクラック開始点１９を形成するため手動でガラスシート１０に切り込みを入れた。保護層を選択的に除去した領域１４においてガラスに切り込みをいれた。これにより、ガラスの上面の一端に、約８ｍｍ長で約０．１ｍｍ深さの小さな切り込みラインの形でクラック開始点１９を形成した。ガラスシート１０はレーザ１６がクラック開始点１９に接するように配置され、レーザ１６の行路がレーザ１６の第１の走査と同じ行路に沿うようにガラスシート１０を動かした。結果的に、レーザ１６は保護層の選択除去部１４内を伝搬した。約２５０ｍｍ／ｍｉｎ．の速度でガラスシート１０を動かした。レーザにより、ガラス表面のレーザが当たった領域においてガラスを効果的に熱した。レーザにより局所的に熱することにより、クラック開始点１９から始まり、レーザ１６が進む行路に沿って延びるクラックがガラス表面を横切って伝搬した。このクラックは約０．１ｍｍの深さであった。レーザにより生じたクラックに曲げモーメントを加えるためガラスシートに手動で圧力を加え、それによりガラスシートを二つのシートに分割した。
【００４５】
以下、本発明の好ましい実施の形態を記載する。
【００４６】
（実施の形態１） レーザビームを、ガラスシートを横断するように移動させてガラスシートを横断するクラックを形成する工程を有してなる平面ガラスシートの製造方法において、
該レーザビームが該ガラスシート上において細長いビームスポットを有し、該ビームスポットが２０ｍｍ以上の最長寸法を有することを特徴とする平面ガラスシートの製造方法。
【００４７】
（実施の形態２） 前記移動工程が、約３０ｍｍ以上の最長寸法を有するビームスポットを有するレーザビームを移動させる工程を含むことを特徴とする実施の形態１記載の方法。
【００４８】
（実施の形態３） 前記移動工程が、約４０ｍｍ以上の最長寸法を有するビームスポットを有するレーザビームを移動させる工程を含むことを特徴とする実施の形態１記載の方法。
【００４９】
（実施の形態４） 前記移動工程が、前記ガラスシートに対し、少なくとも３００ｍｍ／ｓｅｃの速度で前記レーザビームを移動させる工程を含むことを特徴とする実施の形態１記載の方法。
【００５０】
（実施の形態５） 前記移動工程が、前記ガラスシートに対し、少なくとも４００ｍｍ／ｓｅｃの速度で前記レーザビームを移動させる工程を含むことを特徴とする実施の形態１記載の方法。
【００５１】
（実施の形態６） 前記移動工程が、前記ガラスシートに対し、少なくとも５００ｍｍ／ｓｅｃの速度で前記レーザビームを移動させる工程を含むことを特徴とする実施の形態１記載の方法。
【００５２】
（実施の形態７） 前記移動工程が、少なくとも３００ｍｍ／ｓｅｃの速度で、最長軸が該速度で１秒間に移動する長さの約１０％以上の長さであるビームスポットを有する前記レーザビームを移動させる工程を含むことを特徴とする実施の形態１記載の方法。
【００５３】
（実施の形態８） 前記移動工程中のレーザビームが、非ガウシアン成分を有してなることを特徴とする実施の形態１記載の方法。
【００５４】
（実施の形態９） 前記移動工程中のレーザビームが、非ガウシアン成分を有してなることを特徴とする実施の形態２記載の方法。
【００５５】
（実施の形態１０） 前記移動工程中のレーザビームが、ＴＥＭ０１モードとＴＥＭ００モードの組合せを有してなることを特徴とする実施の形態９の方法。
【００５６】
（実施の形態１１）前記移動工程中のレーザビームが、少なくとも５０％のＴＥＭ０１モード成分を有し、その残りがＴＥＭ００モードであることを特徴とする実施の形態１０の方法。
【００５７】
（実施の形態１２） フラットパネルディスプレイに使用される、０．４ｍｍから３．０ｍｍの厚さを有するガラス基板の分割方法において、
該方法が、約０．４ｍｍから３．０ｍｍの厚さの平面ガラスシートを提供する工程と、
少なくとも３００ｍｍ／ｓｅｃの速度で前記ガラスシート上においてレーザビームを移動させる移動工程とを有してなり、
該レーザビームが該ガラスシート上において細長いビームスポットを有し、
該ビームスポットが２０ｍｍ以上の最長寸法を有し、
前記移動工程により該ガラスシートを横断するクラックを十分に形成することを特徴とするガラス基板の分割方法。
【００５８】
（実施の形態１３） 前記移動工程が、約３０ｍｍ以上の最長寸法のビームスポットを有するレーザビームを移動させる工程を含むことを特徴とする実施の形態１２記載の方法。
【００５９】
（実施の形態１４） 前記移動工程が、約４０ｍｍ以上の最長寸法を有するビームスポットを有するレーザビームを移動させる工程を含むことを特徴とする実施の形態１２記載の方法。
【００６０】
（実施の形態１５） 前記移動工程が、前記ガラスシートに対し、少なくとも４００ｍｍ／ｓｅｃの速度で前記レーザビームを移動させる工程を含むことを特徴とする実施の形態１２記載の方法。
【００６１】
（実施の形態１６） 前記移動工程が、前記ガラスシートに対し、少なくとも５００ｍｍ／ｓｅｃの速度で前記レーザビームを移動させる工程を含むことを特徴とする実施の形態１２記載の方法。
【００６２】
（実施の形態１７） 前記移動工程が、最長軸が前記速度で１秒間に移動する長さの約１０％以上の長さであるビームスポットを有する前記レーザビームを移動させる工程を含むことを特徴とする実施の形態１２記載の方法。
【００６３】
（実施の形態１８） 前記移動工程中のレーザビームが非ガウシアン成分を有してなることを特徴とする実施の形態１２記載の方法。
【００６４】
（実施の形態１９） 前記移動工程中のレーザビームが非ガウシアン成分を有してなることを特徴とする実施の形態１３記載の方法。
【００６５】
（実施の形態２０） 前記移動工程中のレーザビームが、ＴＥＭ０１モードとＴＥＭ００モードの組合せを有してなることを特徴とする実施の形態１３の方法。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるガラス切断方法工程の斜視図。
【図２】図１で示した工程におけるガラス表面上のレーザビームスポットの拡大図。
【図３】図１および図２に示したレーザの所望強度形状を示したグラフ図。
【図４】標準的なガウシアンレーザのパワー分布を示したグラフ図。
【符号の説明】
１０ ガラスシート
１１ ガラスシート主面
１６ レーザビーム
１８ レーザスポット
１９ クラック開始点
２０ クラック
２２ 水ジェット[Title of invention] Method and apparatus for cutting brittle materials [Claims]
1. A method for manufacturing a flat glass sheet, comprising the steps of: moving a laser beam across the glass sheet to form a crack across the glass sheet;
The method for producing a flat glass sheet, wherein the laser beam has an elongated beam spot on the glass sheet, the beam spot having a longest dimension of 20 mm or more.
2. The method of claim 1, wherein said moving step includes the step of moving said laser beam relative to said glass sheet at a speed of at least 300 mm/sec.
[Claim 3] A method for producing a flat glass sheet as defined in claim 1, characterized in that the moving step includes the step of moving the laser beam at a speed of at least 300 mm/sec, the longest axis of the beam spot having a length of at least about 10% of the length moved per second at said speed.
4. The method of claim 1, wherein the laser beam during said moving step has a non-Gaussian component.
5. A method for dividing a glass substrate having a thickness of 0.4 mm to 3.0 mm, which is used for a flat panel display, comprising the steps of:
The method comprises the steps of providing a flat glass sheet having a thickness of about 0.4 mm to 3.0 mm;
and moving the laser beam over the glass sheet at a speed of at least 300 mm/sec;
the laser beam has an elongated beam spot on the glass sheet;
the beam spot has a longest dimension of 20 mm or more;
A method for dividing a glass substrate, wherein the moving step sufficiently forms a crack that crosses the glass sheet.
6. The method for dividing a glass substrate according to claim 5, wherein said moving step includes a step of moving a laser beam having a beam spot with a longest dimension of about 30 mm or more.
[Claim 7] A method for dividing a glass substrate as described in claim 5, characterized in that the moving step includes a step of moving the laser beam having a beam spot whose longest axis is at least about 10% of the length moved per second at said speed.
8. The method for dividing a glass substrate according to claim 5, wherein the laser beam during said moving step has a non-Gaussian component.
Detailed Description of the Invention
[0001]
Technical field to which the invention pertains
The present invention relates to a method for cutting glass sheets and other fragile materials, and in particular to a method for increasing the speed of an effective laser cutting process when used in the process of making glass substrates for flat panel displays.
[0002]
2. Description of the Related Art
Lasers have traditionally been used to separate glass sheets. Kondratenko, in International Publication No. 93/20015, describes using laser light to propagate a so-called blind crack through a glass sheet to separate it in two. This partial crack extends partway through the depth of the glass sheet and essentially acts as a score line. The sheet is then mechanically separated in two along the score line.
[0003]
In one embodiment, a small score or slash is made into one side of a glass sheet, and then a laser beam is used to form a partial crack that propagates the score or slash through the glass sheet. The laser beam is then brought into contact with the glass sheet in the area of the score or slash, and the laser and glass sheet are moved relative to each other to propagate the laser beam along the desired path of the score line. A flow of fluid coolant is preferably directed toward the heated surface portion of the glass downstream from the laser, so that after the laser beam heats an area of the glass sheet, that heated area quickly cools. This heating of the glass sheet by the laser and cooling of the glass sheet by the aqueous coolant distorts the glass sheet, propagating the crack in the direction of the laser beam and coolant.
[0004]
According to Kondratenko, the shape of the beam on the glass sheet is elliptical, and the minor and major axes of the elliptical shape satisfy the following relationship:
[0005]
a=0.2 ~ 2.0h
b=1.0 ~ 10.0h
where a and b are the minor and major axes of the elliptical spot, respectively, and h is the thickness of the material cut by the laser beam. According to Kondratenko, when b is greater than 10.0 h, the cutting accuracy is reduced. Thus, for a 0.7 mm thick glass substrate, according to Kondratenko, the major axis of the beam spot cannot be greater than 7 mm.
[0006]
[Problem to be solved by the invention]
Developments in laser cutting technology have yielded some results in terms of cut surface quality, making them an effective means of producing LCD and other flat panel display panel substrates, where very high cut surface quality is desired. However, despite considerable effort over the past few years in developing the process, to date, cutting speeds sufficient for practical use in the manufacture of flat panel display (such as LCD) substrates have not been achieved. In fact, the highest cutting speed reported in the Kondratenko patent example is 120 mm/sec, and most other examples are well below this modest cutting speed.
[0007]
A recent publication by Jenoptik at a trade show in Munich, Germany, July 19-23, 1995, stated that they were able to achieve laser cutting speeds of 30-150 mm/sec. Jenoptik uses the same laser cutting process as described in the Kondratenko patent.
[0008]
It is desirable to implement laser sawing processes that allow for fast sawing speeds that make these processes practical in the manufacture of flat panel display substrates, for example, speeds on the order of at least 300 mm/sec, even at least 500 mm/sec, and even 1000 mm/sec.
[0009]
[Means for solving the problem]
The present invention relates to a method for cutting a glass sheet (or other brittle material) by moving an extremely elongated laser beam (and optionally a coolant) in a desired path across the glass sheet to induce cracks along the path of the laser beam. The resulting thermal gradient induces tensile stresses in the surface layers of the glass. When this stress exceeds the tensile strength of the glass, the glass develops blind cracks or score lines that move downward into the area of compression and into the material. As the laser beam then traverses the glass, a crack follows the laser beam. The depth, shape, and direction of the crack are determined by the stress distribution and depend on several factors, including the power density, size, and shape of the beam spot, the relative velocity of the beam spot and the material, the nature and properties of the coolant supplied to the heated area, and the thermophysical and mechanical properties and thickness of the material being cracked. It has been found that by using a laser beam with an extremely elongated beam spot on the glass and aligning this elongated beam spot in the direction of propagation of the desired separation line on the glass sheet, faster laser cutting speeds can be achieved than using methods according to known techniques.
[0010]
Thus, in the present invention, the laser spot has an extremely elongated shape, for example, an elliptical shape, and the major axis of this elongated shape is desirably 20 mm or more, more preferably 30 mm or more, and further preferably 40 mm or more.
[0011]
It is believed desirable that the minor axis of the beam be narrow enough to produce a straight cut without compromising the quality of the cut.
[0012]
In the present invention, the laser light preferably has a non-Gaussian intensity distribution. In one embodiment, the intensity of the laser beam preferably includes two peak modes, i.e., one or more levels, such as a laser operating in both a TEM01* mode and a TEM00 mode. A suitable coolant flow is preferably directed toward the region of the material along the direction of travel of the beam spot to cause highly localized cooling of the surface layer along the cutting line.
[0013]
[Effects of the Invention]
According to the present invention, cutting speeds of 300-700 mm/sec or more can be achieved on glass having a thickness of about 0.4 mm to 3.0 mm without compromising cutting accuracy or the cut surface of the glass.
[0014]
[Embodiments of the Invention]
The present invention relates to a system for cutting a glass sheet along a desired cut line using laser cutting techniques. As shown in FIG. 1 , in the glass cutting system of the present invention, a glass sheet 10 has a top major surface and a bottom major surface 11. The glass sheet 10 is first scored or scored along one edge of the glass sheet to form a crack initiation point 19 at one edge of the glass sheet 10. This crack initiation point 19 is then used to create a crack 20 by moving a laser beam 16 across the glass sheet in the path of the desired cut line. The laser light effectively heats the glass sheet in a localized area along the desired cut line. The resulting temperature gradient induces tensile stress in the surface layer of the material. When this stress exceeds the tensile strength of the material, a blind crack descends into the area under compression and penetrates the material. A water coolant is applied by a water jet 22 to enhance the stress distribution and thereby promote crack propagation. As the laser beam traverses the glass, the crack tends to follow the path of the laser beam.
[0015]
Because the surface temperature of the glass 10 is directly dependent on the time of exposure to the laser beam, using an elliptical beam instead of a circular cross section allows for a longer heating time at each point on the glass surface along the cutting line at the same relative speed. Thus, for a given power density of the laser beam 16, the wider the laser beam spot in the direction of travel, the greater the tolerance for the relative speed of travel between the laser beam spot and the material, for the same distance from the laser beam spot to the leading edge of the cooling spot required to maintain the required depth of heating of the glass 10.
[0016]
As shown in Figure 2, in the present invention, the laser spot is preferably extremely elongated, e.g., elliptical, with a major axis of 20 mm or more, more preferably 30 mm or more, or even 40-100 mm or more. The major axis of the laser beam spot is aligned with the direction of propagation of the desired cut line across the glass sheet. For thin sheets of glass (1.1 mm or thinner), the optimum length of the major axis of the laser beam spot is related to the desired propagation speed, and the major axis b is preferably greater than 10% of the length traveled per second at the desired laser cutting speed. Thus, for a 0.7 mm thick glass with a desired laser cutting speed of 500 mm/sec, the major axis of the laser is preferably at least 50 mm long.
[0017]
Crack 20 preferably propagates only through the depth of glass sheet 10 (distance d), thereby acting as a score line. Final separation of the glass sheet into smaller sheets is achieved by applying a bending moment across crack 20. The bending can be achieved with conventional bending equipment (not shown) and techniques, such as those used to cut glass in processes that use conventional mechanical surface scoring methods. Because crack 20 is cut using a laser rather than a mechanical score, the formation of glass chips during the mechanical cutting process is minimized compared to conventional techniques.
[0018]
The laser beam used in the glass cutting process must be capable of heating the glass surface being cut. Consequently, the laser radiation should be at a wavelength that is absorbed by glass. For this to occur, the radiation should be infrared, with a wavelength of 2 μm or greater, such as beams from aCO2 laser with a wavelength of 9-11 μm, a CO2 laser with a wavelength of 5-6 μm, an HF laser with a wavelength of 2.6-3.0 μm, or an Erbium:YAG laser with a wavelength of approximately 2.9 μm. For most of the experiments, aCO2 laser with a power of 150-300 watts was used, although it is believed that higher power lasers would have been more successful.
[0019]
Cracks 20 form in the glass towards the interface of the heating and cooling regions, which is the region of maximum thermal gradient. The depth, shape and direction of the cracks are determined by the distribution of thermoelastic stresses and are primarily based on several factors:
[0020]
- power density, size and shape of the beam spot;
- relative movement speed of the beam spot and the material;
- thermophysical properties, conditions and quality of supplying coolant to the heating zone;
- the thermophysical and mechanical properties of the material to be cracked, its thickness, surface condition. In order to optimize the cutting cycle for different materials, it is necessary to establish appropriate relationships between the main parameters and variables of the cutting process. As explained in WO 93/20015, and again with reference to Figure 2, depending on the dimensions of the beam spot 18 and the distance l of the beam spot from the area through which the cooling water flows, the speed V of the relative movement of the beam spot 18 across the glass 10 and the depth d of the crack 20 can be expressed as follows:
[0021]
V=ka(b+l)/d
where V is the relative moving speed between the beam spot and the material, k is a proportionality coefficient that depends on the thermophysical properties of the material and the power density of the beam, a is the width of the beam spot, b is the length of the beam spot, l is the distance from the near end of the beam spot to the front end of the cooling zone, and d is the depth of the blind crack 4.
[0022]
Lasers operate by lasing within a cavity defined by the mirrors at each end. The concept of a stable cavity can be best clarified by tracing the path of a light ray through the cavity. A threshold of stability is reached when a light ray parallel to the axis of the laser cavity reflects back and forth between the two mirrors forever without loss between them.
[0023]
Resonators that do not meet the stability criterion are called unstable resonators because the light rays deviate from the axis. There are many types of unstable resonators. One simple example is a convex spherical mirror versus a flat mirror. Others include concave mirrors of different diameters (where the reflected light from the larger mirror escapes around the edge of the smaller mirror), and twin convex mirrors.
[0024]
The two types of resonators have different advantages and different mode patterns. A stable resonator concentrates light along the laser axis, extracting energy efficiently from that region, but not from peripheral regions away from the axis. The resulting beam has a central intensity peak and a Gaussian decay in intensity with distance from the axis. This is the standard type used with low-gain continuous wave lasers.
[0025]
Unstable resonators tend to spread the light inside the laser cavity over a larger volume, for example the output beam may have an annular shape with a ring of intensity peaks around the axis.
[0026]
A laser cavity has two different types of modes: transverse and longitudinal. Transverse modes exist in the cross-sectional shape of the beam, i.e., the intensity pattern. Longitudinal modes correspond to different resonant modes depending on the length of the laser cavity, which occur at different frequencies or wavelengths within the gain band of the laser. A single transverse mode laser oscillating in a single longitudinal mode oscillates at a single frequency, while one oscillating in two longitudinal modes oscillates simultaneously at two independent wavelengths (usually closely spaced).
[0027]
The "shape" of the electromagnetic field within a laser resonator depends on the curvature and spacing of the mirrors and the diameter of the discharge tube cavity. Even small changes in mirror alignment, spacing, and wavelength can significantly alter the "shape" (field) of a laser beam. While specialized terminology has been developed to describe the "shape" and spatial energy distribution of the beam, transverse modes are classified according to the number of minima present in the two beam cross sections. The lowest-order, or fundamental, mode has a central intensity peak and is known as the TEM00 mode. This is the traditional laser with a Gaussian intensity distribution, as shown in Figure 4. Modes with one minimum along one axis and no minimum along the perpendicular axis are either TEM01* or TEM10 , depending on their orientation. An example of the intensity distribution of theTEM 01* mode is shown in Figure 3 (beam intensity I versus distance d across the beam). For most laser applications, the TEM00 mode is considered the most desirable. However, it has been found that beams in non-Gaussian modes, such as TEM01* and TEM10 modes, can be used to deliver laser energy more uniformly to the glass surface. As a result, it has been found that higher laser cutting speeds can be achieved at lower powers than when the laser has a Gaussian intensity distribution. Furthermore, the extended operating range of the laser cutting process allows for the use of a wider range of laser powers. This is likely due to the fact that non-Gaussian laser beams allow for more uniform energy distribution across the beam.
[0028]
The laser beam shown in FIG. 3 is ring-shaped. The power distribution shown in FIG. 3 is a cross-section of the power distribution of a ring-shaped laser beam. A non-Gaussian beam is desirable in the present invention, in which at least one pair of intensity peaks is located on the periphery of a central region having a lower power distribution. Thus, it is desirable for the center of the laser beam to have a power intensity lower than the power intensity of at least several peripheral regions of the laser beam. This low-power central region may be at a completely zero power level, in which case the laser beam has a 100% TEM01* power distribution. However, the laser beam may also be a two-peak mode, i.e., a combination of one or more modes, such as a combination of a TEM01* mode and a TEM00 mode, in which the power distribution of the central region is simply lower than the power distribution of the peripheral region, as shown in FIG. 3. When a beam is a two-peak mode, it is desirable for the beam to be 50% or more in the TEM01* mode, more preferably 70% or more in the TEM01* mode, with the remainder in the TEM00 mode.
[0029]
In a preferred embodiment of the present invention, a system controller (not shown), such as a digital computer, is connected to the system to control the movement of the laser, the glass sheet, and other moving parts on the system. The system controller uses conventional machine control techniques to control the movement of the various parts of the system. The system controller preferably uses various manufacturing operating programs stored in its memory, each program designed to appropriately control the movement of the laser and glass sheet (and other moving parts, if necessary) for a particular size glass sheet.
[0030]
The following example demonstrates the method according to the present invention.
[0031]
Example 1
This example shows the operation of aCO2 laser with a Gaussian power distribution.
[0032]
Laser 16 was a Model 1200 axially flowing, two-beamCO2 laser manufactured by PRC Corporation. The beam was operated in TEM00 mode and positioned approximately 2 meters from the glass surface with a spot size (the diameter of the laser beam at the laser's emission point) of approximately 12 mm. A pair of cylindrical lenses was placed in the laser's optical path between the laser and the glass surface to modify the laser spot. This resulted in an elongated, elliptical laser spot where the laser struck the glass, approximately 45-50 mm long and approximately 0.1-0.15 cm wide at its midpoint. The fundamental mode of this laser's resonator is TEM00. When this is the only mode capable of oscillation in the resonator, a resonating 00 mode laser will propagate with the smallest possible divergence and be focused to the smallest possible spot size. In this example, the laser's power distribution was Gaussian (operating in TEM00 mode) by utilizing a "planar" optical coupler at the laser's front facet with a small internal aperture.
[0033]
An aluminosilicate glass sheet 10, approximately 500 mm wide by 500 mm long by approximately 1.1 mm thick, was manually scored at the edge of the glass sheet to create a crack initiation point 19. This resulted in a small, approximately 8 mm long and 0.1 mm deep score line on one edge of the top surface of the glass, creating crack initiation point 19. Glass sheet 10 was positioned so that laser 16 was in contact with crack initiation point 19, and glass sheet 10 was moved such that the path of laser 16 followed a straight path across the glass sheet at the power and speed listed in Table 1 below.
[0034]
Table 1
Laser speed Peak power (W) Success rate (%)
400mm/sec 120 100
420mm/sec 120-165 100
465mm/sec 165-175 100
475mm/sec 165-179 100
480mm/sec 168-179 66
500mm/sec 183-188 33
The success rate column represents the best performance achieved in the corresponding power range, with a 100% success rate indicating that the specified power range had operating parameters where the laser cut into the glass sheet successfully 100% of the time.
[0035]
Example 2
Using the same method, apparatus, and laser described in Example 1, the resonator was adapted to operate the laser with a higher-order mode power distribution. Specifically, the laser was a two-peak mode, consisting of multiple subbeams, each with its own intensity distribution. Because these beams are independent, the net distribution is the algebraic sum of the individual shapes, weighted by the power contribution of each mode. As an example, the amount of TEM00 mode can be reduced by changing the curvature of the optical coupler or increasing the diameter of the aperture. In this example, the laser's power distribution was changed to a mixture of approximately 60:40 TEM01* and TEM00 modes (resulting in a spot size of approximately 14 mm) and a beam length of approximately 50-60 mm. This was achieved by replacing the 20-meter radius concave optical coupler with a "planar" optical coupler and using a larger aperture. The laser's power and speed were varied as listed in Table 2.
[0036]
Table 2
Laser speed Peak power (W) Success rate (%)
300mm/sec 90-145W 100
500mm/sec 155-195W 100
600mm/sec 200W 100
650mm/sec 200-220W 100
700mm/sec 250W 50
When the laser used in Example 1 was converted to a non-Gaussian laser with a TEM01* mode, higher cutting speeds were achieved at lower laser powers. Furthermore, a wider range of laser powers was permitted to produce satisfactory notch edges. Comparing the results of Examples 1 and 2, the Gaussian laser achieved 100% breakage (successfully cutting nearly all samples) at cutting speeds up to 475 mm/sec. Above these speeds, it was difficult to obtain consistently satisfactory results. However, speeds of 1000 or 2000 mm/sec are expected to be achieved using the beam length-increasing method of the present invention.
[0037]
Example 3
In this example, the laser producing the laser beam was an axialCO2 laser, a model SS/200/2, a 600 W per tube, dual-beam laser manufactured by PRC Corporation. The beam had a spot size of approximately 12 mm in TEM00 mode. The laser was positioned approximately 2 meters from the glass surface. A pair of cylindrical lenses was placed in the path of the laser beam between the laser and the glass surface to modify the laser spot. This resulted in an elongated ellipse, approximately 40-50 mm long and approximately 1-1.5 mm wide at its midpoint, when impinging on the glass. The laser power distribution was a 60:40 mix of TEM01* and TEM00 modes, achieved by using a 20-meter radius concave optical coupler at the laser front facet. The laser power was varied between 160-200 W, and the laser speed across the glass sheet was approximately 500 mm/sec.
[0038]
Glass sheet 10 is an alumina silicate glass sheet approximately 500 mm wide by 500 mm long by approximately 1.1 mm thick that has been laser scored nine times: three times on one side of the sheet in a first direction and three times on the other side of the sheet in a second direction perpendicular to the direction of the first laser score line. This type of scoring method can double the efficiency of manufacturing operations in making LCD substrate glass, where the outermost score lines remove the outer edge of the glass sheet and intermediate score lines on each side of the sheet jointly separate the remainder of the glass into four usable pieces. The use of three score lines on each side of the glass sheet resulted in nine intersections where the paths of the score lines on one side of the sheet intersect with score lines on the other side of the sheet.
[0039]
To accomplish this, glass sheet 10 was manually scored on each side along its edge to create three crack initiation points 19 where the laser score lines were desired. This created three crack initiation points 19 on one edge of the top surface of the glass in the form of small score lines approximately 1-8 mm long and approximately 0.1 mm deep. The cracks did not need to be 4-8 mm; rather, any crack that could be widened by the laser would be sufficient to act as crack initiation points. Glass sheet 10 was positioned so that laser 16 was in contact with one of the crack initiation points 19, and glass sheet 10 was moved so that the path of laser 16 was along a straight path across the glass sheet, forming score line 20, as shown in FIG. 1. This process was repeated to create each of the three score lines 20 on the first side of the glass sheet.
[0040]
The glass sheet 10 was then flipped over to expose the other side of the glass sheet 10. The sheet 10 was manually scored along its edge to create three additional crack initiation points 10, and the glass sheet 10 was again moved so that the path of the laser 16 followed a straight path across the glass sheet to create three score lines 20. The three score lines made on the second side of the sheet were formed opposite and perpendicular to the three score lines made on the first side of the glass sheet 10 and perpendicular to the path of each of the three score lines.
[0041]
A bending moment was then applied to the score lines 20 to separate the glass sheet 10 along each score line 20. The resulting sheets were then flipped over, and a bending moment was applied to the sheets in the region of each score line 20, thereby dividing them into smaller sheets. This process was repeated with over 100 glass sheets, thereby creating over 900 intersections where the paths of the score lines 20 intersected with the paths of score lines 20 on the opposite side of the glass sheet. In all cases, the separated edges were consistently of very high quality.
[0042]
Example 4
In this example, a singleCO2 laser 16 was used to remove portions of the protective plastic layer and separate the glass sheet 10 into smaller sheets. The glass sheets were approximately 400 mm wide by 400 mm long by 1.1 mm thick and were coated with a protective layer of LFC-3 masking film manufactured by Maine Tape Corporation. LFC-3 is a polyethylene film material, approximately 0.002 inches thick (approximately 0.05 mm), stored in rolls, and coated on one side with an acrylic adhesive. The film was applied to the glass with the adhesive in contact with the glass sheet, and the coated glass was then pressed between a pair of rollers to promote adhesion between the glass and the film.
[0043]
In this example, the laser 16 was a Model 1200 axially flowing, dual-beamCO2 laser manufactured by PRC Corporation. The laser beam was approximately 7 mm in diameter at the emitting end of the laser, resulting in a spot size of approximately 38.5mm2 emitted from the laser. It was operated at approximately 70 W, yielding a beam power density of approximately 1.82 W/mm2 . The laser was positioned approximately 2 meters from the protective layer on the glass surface. A pair of cylindrical lenses was placed in the laser path between the laser and the glass surface to form the laser spot. This resulted in a laser spot shape on the protective layer that was an elongated ellipse approximately 33 mm long and 2 mm wide at its middle, yielding a power density of approximately 1.35 W/mm2 . The glass sheet was moved under the laser 16 at a speed of approximately 250 mm/min. The laser 16 vaporized any protective layer it came into contact with, thereby selectively removing the protective layer, resulting in a stripe 14 approximately 2 mm wide. There was no residue in the area where the protective layer had been removed, and the residue of the protective layer was completely removed.
[0044]
The glass sheet 10 was manually scored to form a crack initiation point 19 at the edge of the glass sheet. The glass was scored in the area 14 where the protective layer had been selectively removed. This created a crack initiation point 19 in the form of a small score line approximately 8 mm long and approximately 0.1 mm deep on one edge of the top surface of the glass. The glass sheet 10 was positioned so that the laser 16 was in contact with the crack initiation point 19, and the glass sheet 10 was moved so that the path of the laser 16 was along the same path as the first scan of the laser 16. Consequently, the laser 16 propagated within the selectively removed portion 14 of the protective layer. The glass sheet 10 was moved at a speed of approximately 250 mm/min. The laser effectively heated the glass in the area of the glass surface where the laser struck. The localized heating by the laser caused a crack to propagate across the glass surface, starting at the crack initiation point 19 and extending along the path of the laser 16. This crack was approximately 0.1 mm deep. Pressure was manually applied to the glass sheet to apply a bending moment to the laser-induced crack, thereby separating the glass sheet into two sheets.
[0045]
Preferred embodiments of the present invention will now be described.
[0046]
1. A method of manufacturing a flat glass sheet, comprising: moving a laser beam across the glass sheet to form a crack across the glass sheet;
The method for producing a flat glass sheet, wherein the laser beam has an elongated beam spot on the glass sheet, the beam spot having a longest dimension of 20 mm or more.
[0047]
(Embodiment 2) The method of embodiment 1, wherein the moving step includes the step of moving a laser beam having a beam spot with a longest dimension of about 30 mm or more.
[0048]
(Embodiment 3) The method of embodiment 1, wherein the moving step includes the step of moving a laser beam having a beam spot with a longest dimension of about 40 mm or more.
[0049]
4. The method of claim 1, wherein the moving step includes moving the laser beam relative to the glass sheet at a speed of at least 300 mm/sec.
[0050]
5. The method of claim 1, wherein the moving step includes moving the laser beam relative to the glass sheet at a speed of at least 400 mm/sec.
[0051]
6. The method of claim 1, wherein the moving step includes moving the laser beam relative to the glass sheet at a speed of at least 500 mm/sec.
[0052]
(Embodiment 7) A method as described in embodiment 1, characterized in that the moving step includes a step of moving the laser beam at a speed of at least 300 mm/sec, the longest axis of the beam spot being at least about 10% of the length moved per second at that speed.
[0053]
8. The method of claim 1, wherein the laser beam during the moving step has a non-Gaussian component.
[0054]
9. The method of claim 2, wherein the laser beam during the moving step comprises a non-Gaussian component.
[0055]
Embodiment 10. The method of embodiment 9, wherein the laser beam during said moving step comprises a combination of a TEM01 mode and a TEM00 mode.
[0056]
(Embodiment 11) The method of embodiment 10, wherein the laser beam during the moving step has at least a 50% TEM01 mode component, the remainder being in the TEM00 mode.
[0057]
(Embodiment 12) A method for dividing a glass substrate having a thickness of 0.4 mm to 3.0 mm, which is used for a flat panel display, comprising:
The method comprises the steps of providing a flat glass sheet having a thickness of about 0.4 mm to 3.0 mm;
and moving the laser beam over the glass sheet at a speed of at least 300 mm/sec;
the laser beam has an elongated beam spot on the glass sheet;
the beam spot has a longest dimension of 20 mm or more;
A method for dividing a glass substrate, wherein the moving step sufficiently forms a crack that crosses the glass sheet.
[0058]
13. The method of claim 12, wherein the moving step includes moving a laser beam having a beam spot with a longest dimension of about 30 mm or greater.
[0059]
Embodiment 14. The method of embodiment 12, wherein the moving step includes moving a laser beam having a beam spot with a longest dimension of about 40 mm or greater.
[0060]
15. The method of claim 12, wherein the moving step includes moving the laser beam relative to the glass sheet at a speed of at least 400 mm/sec.
[0061]
16. The method of claim 12, wherein the moving step includes moving the laser beam relative to the glass sheet at a speed of at least 500 mm/sec.
[0062]
(Embodiment 17) A method as described in embodiment 12, characterized in that the moving step includes a step of moving the laser beam having a beam spot whose longest axis is at least about 10% of the length moved per second at the speed.
[0063]
Embodiment 18. The method of embodiment 12, wherein the laser beam during the moving step has a non-Gaussian component.
[0064]
Embodiment 19. The method of embodiment 13, wherein the laser beam during the moving step has a non-Gaussian component.
[0065]
20. The method of claim 13, wherein the laser beam during the moving step has a combination of a TEM01 mode and a TEM00 mode.
[Brief explanation of the drawings]
1 is a perspective view of a glass cutting method step according to the present invention;
2 is an enlarged view of the laser beam spot on the glass surface in the process shown in FIG.
3 is a graph illustrating a desired intensity shape for the laser shown in FIGS. 1 and 2. FIG.
FIG. 4 is a graph showing the power distribution of a standard Gaussian laser.
[Explanation of symbols]
10 Glass sheet 11 Glass sheet main surface 16 Laser beam 18 Laser spot 19 Crack initiation point 20 Crack 22 Water jet