切割基板的方法和用於切割的設備的製作方法
2023-04-29 19:45:01 3
專利名稱：切割基板的方法和用於切割的設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種通過引入熱機械張力來切割基板的方法。本發明還涉及通過特定的切割方法來精確製造基板形狀。本發明還涉及一種用於執行根據本發明的方法的設備。
背景技術：
對諸如玻璃這類受到塑性斷裂的材料進行精確且受控的切割對於很多工業工藝和產品而言是必須的。傳統的切割方法一般需要去除一些材料來進行分離，例如鋸切或傳統的雷射切割，其導致相鄰基板表面汙染以及使得邊緣不是整齊的切口，即，顯示出次級結構而偏離理想的切口表面。這些標準切割工藝中的一些涉及目前在大規模玻璃製造中使用的機械研磨操作，例如通過金剛石塗層砂輪或鑽頭來切割。這類技術對得到的邊緣的規則性/質量予以折衷，並且釋放出對基板表面產生負面影響的碎片顆粒，從而經常需要額外的清洗或拋光步驟。這些標準切割工藝多數還會沿著切口引入微小的裂縫，這些裂縫可能會成為微觀斷裂的起始點，並且當施加機械應力時致使基板被毀。新近的切割方法使用雷射束沿著基板上的路徑進行加熱，隨後由冷卻系統使用液態或氣態介質或其混合物而產生限定的斷裂。然而，這些技術具有下列缺點所需設備成本高；必須保護人員免受直接的雷射暴露，又必須保護其免受反射的雷射暴露；對於不同的材料諸如不同的玻璃類型而言，對雷射束波長的光學響應不同。而且，雷射切割只適合於有限的材料厚度範圍，而太薄或太厚的基板目前絕大多數都是採用標準工藝加工。
發明內容
鑑於以上原因，本發明的目的是要提供一種在無需去除部分基板的情況下切割材料的方法；進一步地，旨在有效地加工薄的和厚的基板，並且使得能夠在基板上切割出筆直的和隨機形狀的切口。另一個目的是要避免切割工藝期間中所釋放的任何碎片材料沉積。 進一步地，旨在於切口區域中得到乾淨平整的表面，並且防止沿著切口邊沿形成微小的斷裂。本發明的又一個目的是要提供一種價格低廉的用於切割材料的方法。本發明的再一個目的是要提供一種容易執行並且允許在不同厚度的材料中都能夠得到規則的切口的方法。所有這些目的通過一種切割基板的方法而得以實現，所述方法包括下列步驟a)提供待切割的基板，b)藉助於連接到AC電壓源的一個或多個電極，通過以在IkHz IOGHz範圍內的頻率對所述基板的限定區域施加AC電壓和電流，來對所述基板施加電能和熱能，從而加熱所述限定區域，c)冷卻所述限定區域，d)其中，在步驟b)期間，通過下列方式使所述限定區域沿著基板表面上的路徑移動i)通過使所述電極相對於所述基板移動；
ii)通過使所述基板相對於所述電極移動，或者iii)通過使所述電極和所述基板兩者彼此相對移動，並且其中，所述路徑不是沿著所述基板的邊緣，而是完全或者部分地橫過所述基板。在一個實施例中，所述基板用作對置電極，以建立閉合電路。在一個實施例中，在待切割的基板的相對側上設置有對置電極，以建立閉合電路。在一個實施例中，對置電極接地。在一個實施例中，步驟b)本身表現為在所述電極和所述限定區域之間的電弧形式，其中，優選地，將所述電弧用於切割基板。一般而言，電流需要閉合環路才能流動。如本文中所使用的，術語「電路」意指具有為流過的電流提供返迴路徑的閉合環路的電氣網絡。在這類實施例中，基板充當該環路的一部分。因此，離開AC(高壓高頻)電源的電流流過電極、形成在電極和基板之間的電弧以及基板本身而回到電源。在這類實施例中，基板因此充當對置電極和返迴路徑。通過使 AC電源以接地為基準，可以進一步簡化設置。這允許省去從基板回到電源的專門的導電路徑(例如電線等)。因此可以僅僅將基板設置在與接地相關的任何部件上。特別地，對於厚的材料而言，只用一個電極有時候會導致基板內部加熱不對稱和不均勻，這會使切割隨著厚度增大而更加困難。為了確保電流均等地流過基板的整個厚度， 在一些實施例中，使用對置電極來提供到接地的專門返迴路徑。這樣，經由基板流回電源的電流被極大地減小。在不希望受任何理論限制的情況下，這樣可以增進切割的兩個積極效果(1)可以在基板的兩側形成電弧，使得能夠從兩側通過外部的熱對基板加熱；以及(2) 基板內部的電場被增大，因為其可以接近於達到E=(施加電壓)/(基板厚度)。通過介電損耗而進一步增大了內部加熱。此外，電極的對準允許在一定程度上分別控制通過基板的電流和加熱的路徑。在一個實施例中，對基板的加熱通過調節所述AC電壓和/或電流的頻率和/或幅度，和/或電極到基板的距離而加以控制。在不希望受任何理論限制的情況下，基板內部由於介電損耗現象而消耗的功率為pin = ε r ε 0tan δ ω E2這限定了用戶可控制的用於切割的參數(1)提高頻率ω增大了加熱，從而允許更快加熱，因而可以更快地切割或者切割更厚的材料。其還提供方案以補償不利於切割的介電參數，諸如例如低的介電損耗切線和較低的、。(2)提高電壓幅度同樣也增大了介電損耗，因而改善了切割行為。因為通過電弧從外部加熱也會起到切割的作用，所以更改其強度可以影響切割。 電弧取決於所施加的電壓、流過的電流、頻率、電極到基板的距離。依據基板材料，可以改變這些參數以限定最佳切割條件。在一個實施例中，為了執行步驟b)，將所述電極設置在所述基板的一側或兩側上、 距所述基板Omm IOOmm的距離處。基板內部的熱分布可以通過使用不同的電極到基板的距離加以控制。因為電弧取決於電極距離，所以通過電弧對基板進行的加熱在兩側將會不同，這而後會通過基板內部的縱向溫度分布而反映出來。在一個實施例中，步驟b)通過施加這樣的電壓來執行，即該電壓的幅度在IOV 107v、優選在100V 106V、更優選在100V IO5V範圍內，且其頻率在IkHz IOGHz、優選在IOkHz IGHz、更優選在IOOkHz IOOMHz範圍內。在一個實施例中，電弧的特性通過改變電極和基板周圍的氣氛加以控制，例如使用壓力在10_5 103bar、優選在10_3 IObar範圍內的氮、氬或六氟化硫。更改周圍氣氛的組成和壓力允許控制電弧的形狀和溫度以及電弧接觸的區域的形狀和大小。在一個實施例中，在步驟C)中，根據下列方法中的任何方法冷卻所述限定區域i)被動地通過與周圍環境進行的熱傳導和/或熱對流，ii)將基板附接到能夠高效地吸收熱的元件，可選地其作為有源熱泵而進行工作， 例如珀耳帖(Peltier)元件，iii)通過在所述限定區域附近或者直接對所述限定區域施加氣體、液體、氣體和液體的混合物、或者氣體和固體的混合物而進行主動冷卻。在不希望受任何理論限制的情況下，本發明人假設切割是由於通過沿著切割路徑的熱梯度而導致的。先前被加熱的區域冷卻下來時產生的機械張力會再次分別導致破裂和切割。通過加強對這些預加熱區域的冷卻，會增強這些熱梯度，從而也會增強導致產生機械張力的裂紋。在最簡單的情況下，只通過從預加熱區域熱傳導到基板的其餘體部來進行冷卻。然而，可以使用更加複雜的方案(1)通過將大的儲熱器附接到基板來提高通過被動冷卻的散熱，以及(2)使用例如熱泵或使用添加到基板的冷卻劑(例如氣體或液流)來進行主動冷卻。通過局部地應用這些冷卻輔助方法，可以更加準確地限定基板內部的分離區域。在一個實施例中，所述方法進一步包括下列步驟a2)在步驟b)之前，冷卻所述限定區域。為了改進切割性能(如通過切割速度、切割準確度來加以衡量的)，可以採用預冷卻步驟a2)，其具有兩個主要作用(1)使材料的脆性增加，因而增加其破裂的趨勢，以及 (2)能夠使可達到的最大熱梯度增大。再者，在不希望受任何理論限制的情況下，所相信的是，這是由於基板內部的最大T通常受T << Tmelting限制的事實而導致的，因為通常不再有切割發生。在較低的T下開始工藝因而允許較高的梯度。在一個實施例中，在步驟a2)中，根據如上所述的方法i)_iii)中的任何方法冷卻所述限定區域。在一個實施例中，使所述冷卻，優選地使所述主動冷卻，隨著所述限定區域的移動，而沿著所述基板上的相同路徑移動。在一個實施例中，經由位於距所述電極固定距離處的一個或多個噴嘴來應用所述主動冷卻，並且其中，通過下列方式實現所述冷卻在所述基板上的移動i)通過使所述噴嘴相對於所述基板移動，ii)通過使所述基板相對於所述噴嘴移動，或者iii)通過使所述噴嘴和所述基板兩者彼此相對移動。在一個實施例中，基板內部的張力在步驟b)之前沿著打算要執行切割的路徑而引入或者減小。這樣的沿著路徑引入或減小張力在本文中有時也被稱為「多通路工藝(multiple pass process)，，。此多通路工藝允許引入用於切割的優先路徑，這對於已經具有高內部張力的基板而言尤其重要，這樣可以補償該內部張力。在一個實施例中，所述AC電壓源是高壓-高頻器件，其能夠產生幅度在IOV 107v、優選在100V 106V、更優選在100V IO5V範圍內，且頻率在IkHz IOGHz、優選在 IOkHz IGHz、更優選在IOOkHz IOOMHz範圍內的AC電壓。在一個實施例中，所述高壓-高頻器件從諸如特斯拉變壓器、回掃變壓器的諧振變壓器、高功率射頻發生器和基於半導體的高頻固態斬波器中選擇。在一個實施例中，所述高壓-高頻器件連接到由任何導電性材料製成的一個或多個電極，所述導電性材料優選地具有如貴金屬一樣的高熔點、低電阻率，所述貴金屬例如為鈀、鉬或金。為了可靠的切割性能，用於電壓施加的電極必須是穩定的。最好是耐氧化的高熔點T材料。作為示例，諸如Pt、Pd的貴金屬具有這樣的特性。在一個實施例中，所述電極的長度在1 300mm、優選在2 100mm、更優選在3 50mm範圍內，且其平均直徑在0. 1 20mm、優選在0. 2 10mm、更優選在0.4 4mm範圍內。為了減小漏電流且因而減小功率損耗，應當使電極儘可能地短。另一方面，較長的電極可以較好地被握持，並且可以提供與熱區較好的熱分離。因此，主要依據所使用的功率和頻率，對實際的電極長度和厚度加以折衷考慮。在一個實施例中，所述電極具有曲率在Ιμπι 5mm、優選在10 μ m 1mm、更優選在20μπι 0. 5mm範圍內的尖頭。在不希望受任何理論限制的情況下，發明人觀察到具有尖銳的電極頭可以較好地限定電弧產生的位置。因此這對於可靠的操作而言很重要。在一個實施例中，所述基板由下列材料製成電絕緣材料，諸如玻璃，例如硬化玻璃、經離子處理的玻璃、淬火玻璃、熔融石英、石英、金剛石、氧化鋁、藍寶石、氮化鋁、氧化鋯、尖晶石、陶瓷；半導電材料，諸如矽，包括摻雜的矽和晶體矽、鍺；化合物半導體，諸如砷化鎵和磷化銦。在一個實施例中，所述基板在一側或者兩側附著有由諸如銦錫氧化物(ITO)的導電性材料或者諸如金屬氧化物的非導電性材料的附加層。在一個實施例中，根據基板的電學特性和物理特性，比如相對介電常數、導電性、 熱膨脹係數、厚度，來調整電壓和功率。在不希望受任何理論限制的情況下，基板中的熱消耗為
權利要求
1.一種切割基板的方法，所述方法包括步驟a)提供待切割的基板，b)藉助於連接到AC電壓源的一個或多個電極，通過以在IkHz IOGHz範圍內的頻率對所述基板的限定區域施加AC電壓和電流，來對所述基板施加電能和熱能，從而加熱所述限定區域，c)冷卻所述限定區域，d)其中，在步驟b)期間，通過下列方式使所述限定區域沿著基板表面上的路徑移動i)通過使所述電極相對於所述基板移動； )通過使所述基板相對於所述電極移動，或者iii)通過使所述電極和所述基板兩者相對於彼此移動，並且其中，所述路徑不是沿著所述基板的邊緣，而是完全或者部分地橫過所述基板。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述基板用作對置電極，以建立閉合電路。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，在與待切割的所述基板的相對的一側設置有對置電極，以建立閉合電路。
4.根據權利要求1-3中任何一項所述的方法，其中，對置電極接地。
5.根據權利要求1-4中任何一項所述的方法，其中，步驟b)本身表現為在所述電極和所述限定區域之間的電弧形式，其中，優選地，將所述電弧用於切割所述基板。
6.根據前述權利要求中任何一項所述的方法，其中，通過調節所述AC電壓和/或電流的頻率和/或幅度，和/或所述電極到所述基板的距離來控制對所述基板的加熱。
7.根據前述權利要求中任何一項所述的方法，其中，為了執行步驟b)，將所述電極設置在所述基板的一側或兩側上、距所述基板Omm IOOmm的距離處。
8.根據前述權利要求中任何一項所述的方法，其中，通過施加幅度在IOV 107V、優選在100V 106V、更優選在100V IO5V範圍內，且頻率在IkHz IOGHz、優選在IOkHz 1GHz、更優選在IOOkHz IOOMHz範圍內的電壓來執行步驟b)。
9.根據權利要求5-8中任何一項所述的方法，其中，通過改變電極和基板周圍的氣氛來控制電弧的特性，例如，使用壓力在10_5 103bar、優選在10_3 IObar範圍內的氮、氬或六氟化硫來改變。
10.根據權利要求1-9中任何一項所述的方法，其中，在步驟C)中，根據下列方法中的任何方法來冷卻所述限定區域i)被動地通過與周圍環境進行熱傳導和/或熱對流， )通過將基板附接到能夠高效地吸收熱的元件，其可選地作為有源熱泵工作，例如珀耳帖元件，iii)通過在所述限定區域附近或者直接對所述限定區域施加氣體、液體、氣體和液體的混合物、或者氣體和固體的混合物進行主動冷卻。
11.根據權利要求1-10中任何一項所述的方法，其中，所述方法進一步包括下列步驟a2)在步驟b)之前，冷卻所述限定區域。
12.根據權利要求11所述的方法，其中，在步驟a2)中，根據如權利要求10所述的方法中的任何方法來冷卻所述限定區域。
13.根據前述權利要求中任何一項所述的方法，其中，使所述冷卻，優選地使所述主動冷卻，隨著所述限定區域的移動而沿著所述基板上的相同路徑移動。
14.根據權利要求4-11中任何一項所述的方法，其中，經由位於距所述電極固定距離處的一個或多個噴嘴應用所述主動冷卻，並且其中，通過下列方式實現在所述基板上所述冷卻的移動i)通過使所述噴嘴相對於所述基板移動， )通過使所述基板相對於所述噴嘴移動，或者iii)通過使所述噴嘴和所述基板兩者彼此相對移動。
15.根據前述權利要求中任何一項所述的方法，其中，在步驟b)之前，所述基板內部的張力沿著打算要執行切割的路徑被弓I入或者減小。
16.根據前述權利要求中任何一項所述的方法，其中，所述AC電壓源是高壓-高頻器件，其能夠產生幅度在IOV 107V、優選在100V 106V、更優選在100V IO5V範圍內、且頻率在IkHz IOGHz、優選在IOkHz IGHz、更優選在IOOkHz IOOMHz範圍內的AC電壓。
17.根據權利要求16所述的方法，其中，所述高壓-高頻器件選自諸如特斯拉變壓器、 回掃變壓器的諧振變壓器、高功率射頻發生器和基於半導體的高頻固態斬波器。
18.根據權利要求16-17中任何一項所述的方法，其中，所述高壓-高頻器件連接到由任何導電性材料製成的一個或多個電極，所述導電性材料優選地具有如貴金屬一樣的高熔點、低電阻率，例如鈀、鉬或金。
19.根據權利要求18所述的方法，其中，所述電極的長度在1 300mm、優選在2 100mm、更優選在3 50mm範圍內、且平均直徑在0. 1 20mm、優選在0. 2 10mm、更優選在0. 4 4mm範圍內。
20.根據權利要求18-19中任何一項所述的方法，其中，所述電極具有曲率在Iym 5mm、優選在ΙΟμπι 1mm、更優選在20 μ m 0. 5mm範圍內的尖頭。
21.根據前述權利要求中任何一項所述的方法，其中，所述基板由下列材料製成電絕緣材料，諸如玻璃，例如硬化玻璃、經離子處理的玻璃、淬火玻璃、熔融石英、石英、金剛石、 氧化鋁、藍寶石、氮化鋁、氧化鋯、尖晶石、陶瓷；電半導電材料，諸如矽，包括摻雜的矽和晶體矽、鍺；化合物半導體，諸如砷化鎵和磷化銦。
22.根據權利要求21所述的方法，其中，所述基板在一側或者兩側附著有由諸如銦錫氧化物(ITO)的導電性材料或者諸如金屬氧化物的非導電性材料構成的附加層。
23.根據權利要求16-22中任何一項所述的方法，其中，根據基板的電學特性和物理特性，比如相對介電常數、導電性、熱膨脹係數、厚度，來調整所述電壓和功率。
24.根據權利要求2-23中任何一項所述的方法，其中，使用具有變壓器驅動電路的諧振變壓器作為AC電壓源，並且基板是閉合電路的一部分、且影響閉合電路的諧振頻率，使得變壓器驅動電路的頻率根據基板的物理特性，諸如它的尺寸和介電特性而受調整。
25.根據權利要求M所述的方法，其中，使用通過固定頻率驅動的諧振變壓器作為AC 電壓源，所述固定頻率被設定為與在權利要求M中所述的電路的諧振相匹配。
26.根據前述權利要求中任何一項所述的方法，其中，使用利用偏離所述諧振頻率的頻率而驅動的諧振變壓器作為AC電壓源，以便控制電弧的特性、以及基板內部的介電損耗。
27.根據前述權利要求中任何一項所述的方法，其中，在步驟b)期間，所述限定區域內的基板材料不被熔化，並且不會從所述限定區域被去除或被拋出。
28.根據權利要求116中任何一項所述的方法，其中，在步驟b)期間，所述限定區域內的基板材料熔化和/或從所述限定區域被去除。
29.根據前述權利要求中任何一項所述的方法，其中，所述路徑為直線、曲線、成角度的線、閉合線或者前述各項的任何組合，所述路徑限定了所述基板在何處被切割。
30.根據前述權利要求中任何一項所述的方法，其中，優選地沿著所述路徑，通過對基板施加機械壓應力或張力來控制基板的分離。
31.根據前述權利要求中任何一項所述的方法，其中，在步驟b)之前，將第一斷裂前驅體，比如第一人工裂紋，引入基板中，並且在所述第一斷裂前驅體處開始步驟b)。
32.根據權利要求31所述的方法，其中，在步驟b)之前，將第二斷裂前驅體，比如第二人工裂紋，引入基板中，並且執行步驟b)，使得分離路徑在所述第二斷裂前驅體，例如第二人工裂紋上通過而結束。
33.根據前述權利要求中任何一項所述的方法，其中，所述限定區域沿著基板表面上的所述路徑的移動和在所述基板上的所述冷卻的移動以0. 01mm/s 10000mm/S範圍內的速度進行。
34.根據前述權利要求中任何一項所述的方法，其中，所述限定區域沿著基板表面上的所述路徑的移動在基板分離的開始部分和最後部分中減速，以便提高這些部分的分離質量。
35.根據權利要求34所述的方法，其中，調整功率和/或電壓和/或頻率，以便補償在切口的開始和最後部分中減小的速度，例如維持恆速/功率比。
36.一種用於執行根據前述權利要求中任何一項的方法的設備，所述設備包括a)AC電壓源，所述AC電壓源能夠施加在IkHz IOGHz頻率範圍內、IOV IO7V範圍內的電壓，b)第一電極，所述第一電極連接到所述AC電壓源，c)保持裝置，所述保持裝置保持待切割的基板，並將所述基板的一側暴露於所述第一個電極，d)可選地，冷卻裝置，所述冷卻裝置被布置在距所述電極固定距離處，用於冷卻基板，e)用於使電極和基板彼此相對移動的裝置，如果所述冷卻裝置存在，則所述電極可選地與冷卻裝置相結合，f)控制裝置，所述控制裝置控制a)、e)，並且如果存在d)，則還控制d)，g)可選地，對置電極，所述對置電極被設置在基板的相對的一側上，h)可選地，冷卻噴嘴，所述冷卻噴嘴被設置在基板的所述相對的一側上。
37.根據權利要求36所述的設備，其中，所述AC電壓源包括驅動功率級的頻率發生器、 連接到所述功率級的作為特斯拉發生器的諧振變壓器的初級線圈、連接到所述第一電極的所述諧振變壓器的次級線圈、以及控制/設定諧振變壓器的功率輸出的反饋機構。
38.根據前述權利要求36-37中任何一項所述的設備，進一步包括數控裝置和監控相機，其中，所述數控裝置能夠移動由所述保持裝置保持的電極和/或基板。
39.根據權利要求38所述的設備，其中，所述控制裝置還通過所述監控相機和所述數控裝置來控制如權利要求1-35中任何一項所限定的方法的執行。
全文摘要
本發明涉及一種通過引入熱機械張力來切割基板的方法。本發明還涉及通過指定的切割方法來精確製造基板形狀。本發明還涉及一種用於執行根據本發明的方法的設備。
文檔編號B23K9/013GK102574232SQ201080043212
公開日2012年7月11日 申請日期2010年9月29日 優先權日2009年9月29日
發明者克裡斯蒂安·施密特, 恩裡科·斯圖拉, 米歇爾·林達 申請人:皮可鑽機公司