[发明专利]基于大区域不均匀温度分布的脆性材料的热应力切割方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种脆性材料特别是平板显示器玻璃及太阳能电池基板玻璃的热应力切割方法以及装置。

背景技术

最近以来在玻璃切割中，使用基于激光照射的热应力切割法，以代替过去数世纪一直使用的基于金刚石钻头的机械方法。

根据该方法能消除机械方法固有的缺点，即产生微裂纹导致的玻璃强度的降低、切割时的玻璃屑的产生导致的污染、适用板厚存在下限值等。

其结果，根据热应力切割法不需要进行作为机械切割的后序工序即研磨、清洁，即可得到表面粗糙度在1μm以下的镜面，产品外形尺寸精度在±25μm以上。再有，还可以用于玻璃板厚度薄到0.1mm的厚度，可以用于今后的平板显示器玻璃、太阳能电池基板玻璃上。

该方法的原理如下所述。向玻璃局部性地照射激光，进行不会产生裂纹、熔融、气化等程度的加热。此时玻璃加热部虽然要膨胀，但因来自周边玻璃的反作用而不能充分地膨胀，并以照射点中心产生压缩应力。在周边的非加热区域，也被来自加热部的膨胀按压而相对于周边产生变形，其结果产生压缩应力。这样的压缩应力是沿半径方向的应力。在物体上存在压缩应力的情况下，在其正交方向上产生按泊松比相关的拉伸应力。在这里该方向为切线方向。该情况表示在图2中。

该图2用于表示以原点为中心的高斯分布在温度上升时的半径方向应力分量σ_x与切线方向应力分量σ_y根据场所变化的情况。前者始终为压缩应力(在该图2中为负值)，后者在加热中心部为压缩应力，而在远离该中心时变化为拉伸应力(该图2正值)。以该图2所示的应力分布为基础，针对一般的温度分布也可以处理成该应力分布的线性组合。该情况下，在玻璃板上的各点上一定在正交方向产生压缩应力和拉伸应力。

这些应力中与直接切割有关的是拉伸应力。当该应力超过作为材料固有值的破坏韧性值时，到处产生破坏而不能进行控制。在如本发明的热应力切割的情况下，由于拉伸应力选定为该值以下，因而不会产生破坏。

但是，在拉伸应力存在位置上有龟裂的情况下，在其前端应力扩大，若该力超出材料的破坏韧性值，则龟裂会扩大。即，产生作为加工的被控制了的切割。通过扫描激光照射点，可以使龟裂延长。在该热应力切割中，由于切割面与结晶的裂开面类似，因而不会产生微裂纹、玻璃屑，可以消除上述的机械方法的缺点，作为玻璃的加工方法来说具有非常优良的特性。

该热应力切割有图14所示的两种情况。图14(a)所示的是进行加热2和冷却3的结果，仅在工件1的表面层(例如深度100μm)产生龟裂4的情况，一般被称为表面划痕。5表示划痕方向。

另一方面，图14(b)所示的是工件的整个厚度上产生龟裂的情况，一般被称为全切割。5表示切割方向，6表示切割预定线。该图所示的全切割的情况下不进行冷却。显然进行冷却对拉伸应力的形成有利，但这是由于找不到大量地波及工件内部的冷却方法。两者各有优缺点。前者是在划痕后需要切断工序，这是最大的缺点。该工序在后者中是不需要的，但在该后者技术中存在针对大型工件切割速度降低，或在工件端部附近降低切割位置精度等所谓尺寸效果的缺点。

该对玻璃照射激光的表面划痕技术由Kondratenko Vladimir S.倾注精力进行开发，并申请了专利文献1的日本专利。该专利还申请了专利文献2及专利文献3的欧州专利以及美国专利。该发明人选择了CO₂激光作为激光。

同样，利用CO₂激光来进行表面划痕的技术，申请有基于分束器将圆对称激光束转换为在直线上排列的多个射束点列的技术的专利文献4的日本专利。

针对以上的表面划痕专利，为了除去上述缺点而希望进行图14(b)所示的全切割方式技术的开发，并申请有向掺杂稀土类元素的玻璃上照射半导体激光的技术的专利文献5的日本专利。

热应力切割成为全切割方式或止于表面划痕，是根据工件加热止于表面现象或体量现象(基于非专利文献1的激光)的差，由热应力仅在表面层产生或遍及工件的全部厚度产生的差异来决定。如上所述，两者各有优缺点，从而根据目的分别使用即可。本专利可以同时适用于两个技术，并且是能进一步提高脆性材料热应力切割的性能的改良专利。特别是在表面划痕中，其做了技术改良以可将玻璃板厚为5mm左右的太阳能电池用玻璃作为其对象。

专利文献1：コンドラテンコV.S.(Kondratenko Vladimir S.)，脆性非金属材料的分断方法，日本国专利第3027768号