用于柔性显示器应用中的薄的层叠玻璃基底的激光分离

摘要

一种分离有涂层的脆性材料片的方法，该方法包括如下步骤：提供层叠的脆性材料片，该脆性材料包括脆性层以及粘结到脆性层表面上的涂敷材料；沿着材料片的分离线施加激光，由此切割涂敷材料，并通过诱发其中的应力开裂来分离脆性。

权利要求

1.一种分离有涂层的脆性材料片的方法，所述方法包括如下步骤：提供层叠的脆性材料片，所述脆性材料片包括厚度小于或等于300μm的脆性层以及附着到所述脆性层表面上的涂敷材料；以及通过以下步骤沿着分离线将所述层叠的脆性材料片分成分离块：(i)用于切割所述涂敷材料的切割步骤；以及(ii)用于将脆性层分离成彼此不连接的分离块的分离步骤；

其中：

(a)所述脆性层是玻璃片、陶瓷片或玻璃陶瓷片；

(b)所述切割步骤和所述分离步骤通过沿所述分离线施加激光同时进行；

(c)所述分离步骤包括借助激光在所述脆性层内诱发应力开裂；

(d)在沿所述分离线施加激光之前或期间，同时实施所述涂敷材料的切割和将所述脆性层分离成分离块，而且不与刻痕或切割工具机械接触；以及(e)作为切割所述涂敷材料和分离所述脆性层同时进行的结果，沿所述分离线基本上没有残留的颗粒碎片。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述切割和分离步骤包括将所述激光设置为CO2激光。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述切割和分离步骤还包括对所述脆性层的与附着有所述涂敷材料的所述脆性层的表面相反的表面施加所述激光。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述切割和分离步骤包括将所述激光设置为CO2激光，操作模式为选自cw模式和脉冲模式中的至少一种，在所述切割和分离步骤期间采用空间脉冲重叠。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述切割和分离步骤包括提供具有圆形偏振的激光。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述切割和分离步骤包括提供具有基本上与所述分离线对齐的线偏振的激光。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述提供层叠的脆性材料片的步骤包括将所述涂敷材料设置为聚合物。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述切割和分离步骤包括以大于或等于

40mm/s的速度沿着所述分离线移动所述激光。

说明书

用于柔性显示器应用中的薄的层叠玻璃基底的激光分离

技术领域

[0001] 本申请涉及通过激光来分离脆性材料片的方法，具体来说，涉及用激光作为诱因在表面上具有保护涂层的脆性材料内形成应力开裂，由此，将该脆性材料片切割成多块的
方法。

背景技术

[0002] 在透明性、高的化学和热稳定性以及确定的化学和物理特性是很重要的许多应用中，平板玻璃基底是一种合适的基底材料。这些应用通常包括采用薄膜和厚膜技术的那些
领域，包括显示器、薄膜和厚膜传感器、太阳能电池、微型机械部件、平版印刷掩罩，以及诸如传感器和膜元件内的电子应用。近年来许多电子应用中的研究成果已经对新产品的功能
提出了要求，并日益要求更加薄和超薄且机械方面耐用的基底。尤其是，这些超薄基底提供轻而柔软的显示器，可理想地用于具有圆形外壳形状的便携式小型装置内，例如，手机、带有拉出屏幕的笔型装置、用于智能卡的显示器、价格标签，以及基于有机或无机发光层的显示器，或发光有机聚合物显示器(OLED)。薄而耐用的基底也可适用于最终产品保持平的但
制造成本低、要求力学性能柔软基底的那些应用。在显示器之外的更广义的分类中，通常诸如RFID、光电池和传感器之类的柔性和耐用电子器件都重视这些先进的基底设计。

[0003] 各种柔性电子器件通常具有基于其所要实现的应用和需要特性的各种设计。有可能从基于单元间隙的液晶显示器以及周界地密封在两个平行板之间的OLED或类似显示器
中获得某种程度的弯曲半径和共形特性。目前正在追求的能够使弯曲半径达到1cm或不到
的较大柔性的显示器，主要基于OLED、胆甾型液晶、电泳的或类似的方法。这些设计通常由各种晶体管电路、显示器以及在高强度耐用基底上形成的封包层组成。

[0004] 制造个别部件所用的基底材料通常包括诸如聚萘二甲酸乙二酯、聚醚砜、聚碳酸酯等之类的热塑性材料、诸如金属不锈钢之类的材料以及玻璃材料。尽管金属基底材料提
供较高的热容量，但它们不透明并可有导电问题。玻璃材料提供的优点是化学和光化学的
惰性、光学上各向同性、耐温度、机械性能稳定，并提供相对硬的表面。然而，玻璃材料的显著缺点是易于碎的倾向和对瑕疵敏感。热塑性基底对瑕疵大小不敏感，但其热容量以及其
阻挡特性有限。具体来说，限制水蒸汽和氧气渗透通过塑料基底膜较为困难，这导致相关的OLED或在这种基底材料上形成的有机电子器件的相对质量和寿命全面降低，除非是采用分
离的阻挡层。

[0005] 如上所述，目前正追求柔性的显示器用于未来显示器和电子技术。由于单一玻璃或塑料基底存在各种缺点，所以大力地研究玻璃-塑料复合膜。这种复合膜通常由薄的玻
璃片和直接涂敷到玻璃至少一个平表面上的聚合物层组成。此情形中的玻璃片是指脆性无
机材料片，其可包括玻璃、陶瓷、玻璃-陶瓷或对表面或边缘瑕疵敏感的类似材料。聚合物层是指用于防备损坏而涂敷到玻璃表面上的任何较易延展的涂层。实际的基底可用带有呈
各种结构的一个或多个聚合物层的一个或多个玻璃层构成。对于用于柔性显示器应用的薄
层叠玻璃基底的任何玻璃层的厚度通常小于300μm。层叠的或复合的玻璃基底是指组合的
玻璃和聚合物结构。该结构可通过粘结先前形成的薄片或通过各种涂层、沉淀、固化的层叠过程或利用液体成分的其它过程来进行制造。

[0006] 尽管这样的玻璃-塑料复合膜有很大优点，但由于其切割过程中造成低的边缘强度，这种基底的应用和性能受到严重的限制。迄今为止，大多数玻璃切割一直用机械刻痕和折断方法来实现。这些方法既简单又经济，并可用于厚度为几百微米或更大的玻璃片。然
而，这些适用于厚度近似为0.5mm或更厚的较厚玻璃片的机械切割技术，在用于切割厚度
小于300μm的玻璃片时，会导致屈服强度降低。此外，由于存在保护的聚合物层，复杂程度随层叠玻璃基底而上升。

[0007] 由此，切割这些有涂层的薄玻璃片的各种努力已包括了机械的过程。例如，公开了多种方法，它们包括加热塑料层，同时通过切割工具施加载荷。塑料在随着对玻璃基底
刻痕的同时断开。该方法仍依赖于切割复合基底的机械手段，在基底和切割工具之间使用
物理的接触，导致层叠玻璃基底沿刻痕线断裂。在题为《切割由脆性材料制成的平板工件
的方法和装置(METHOD AND DEVICEFOR CUTTING A FLAT WORKPIECE THAT CONSISTS OF A
BRITTLEMATERIAL)》”的美国专利No.6,894,249描述的方法中，使用激光在工件内沿切割
线诱发热的机械应力。类似于上述方法，该方法需要机械刻痕工具在相关的切割线开头处
产生初始的刻痕。然后使用激光功率沿着该切割线因热应力产生分离。

[0008] 存在着需有效地切割由多种机械特性变化很大的材料组成的基底的需要，例如，那些包括玻璃和聚合物的材料。具体来说，那些诸如柔性显示器和柔性电子器件之类应用
的新的多层基底设计，需要不立足于用刻痕或切割工具实现物理接触的新切割方法。

发明内容

[0009] 本发明的优选实施例包括一种分离有涂层的脆性材料片的方法，该方法包括如下步骤：提供一个层叠的脆性材料片，该脆性材料包括厚度小于或等于约100μm的脆性层以
及粘结到脆性层表面上的涂敷材料；沿着材料片的分离线施加激光而切割涂敷材料，沿分
离线基本上没有残留的碎片。然后，使用后续的激光或蚀刻过程来分离脆性层的暴露的表
面区域。

[0010] 在本发明另一优选的实施例中，该方法包括通过激光在复合基底的脆性层内诱发应力开裂。该复合基底包括至少一层脆性层和至少一层涂敷层。激光在脆性层内诱发的应
力开裂既分离开一层或多层的脆性层又分离开一层或多层的涂敷层。

[0011] 本发明另一优选实施例包括一种为器件应用形成柔性基底的方法，该方法包括如下步骤：提供玻璃片，该玻璃片具有平面的第一表面和与平面的第一表面相对的平面的第
二表面；用聚合物材料涂敷至少选自平面的第一表面和平面的第二表面之一的至少某一部
分，由此，形成有涂层的基底。该方法还包括沿着分离线对有涂层的玻璃基底施加激光，将一部分聚合物材料与玻璃片分离，并在玻璃片内诱发应力开裂，由此，从原先有涂层的基底中切割出柔性器件的基底。

附图说明

[0012] 图1A是实施本发明用激光将脆性材料分离为多块的局部示意立体图，其中，激光施加到与涂层侧相对的脆性层上；

[0013] 图1B是用激光将一部分涂层材料从全部有涂层的脆性材料的脆性层中分离出来的局部示意立体图，或者，在脆性层中诱发应力开裂而将其切割开，其中，激光施加到脆性材料的涂层侧上；

[0014] 图2是可与激光一起使用的装置的示意前视图；

[0015] 图3A是涂敷过的脆性材料的边缘的侧视图，其中，脆性材料已经分离为多个单独块，其中，该分离是激光相对于脆性材料表面以40mm/s速度移动而完成的；

[0016] 图3B是涂敷过的脆性材料的边缘的侧视图，其中，脆性材料已经分离为多个单独块，其中，该分离是激光相对于脆性材料表面以60mm/s速度移动而完成的；

[0017] 图4是涂敷过的脆性材料的俯视图，其中，一部分涂敷材料已经沿着分离线与脆性层分离；以及

[0018] 图5是涂敷过的脆性材料的侧视图，其中，一部分涂敷材料已经沿着分离线与脆性层分离，形成抛光的表面。

具体实施方式

[0019] 为了描述的缘故，术语“上”、“下”、“右”、“左”、“后”、“前”、“垂直”、“水平”以及其派生出的方位将涉及到如图1-3所定向的本发明。然而，应该理解到，本发明也可采用各种替代的定向和步骤程序，但特别指出为相反的除外。还应该理解到，附图中所示且在以下的说明书中描述的具体装置和过程都是附后权利要求书中定义的本发明概念的示范实施例。因此，除非权利要求书另有表述，涉及这里所述实施例的具体尺寸和其它物理特性都不认
为有限制意义。

[0020] 本发明的工艺过程包括分离有涂层的脆性材料片10的方法(图1A)。该方法包括以下步骤：提供有涂层的脆性材料10，脆性材料包括：脆性层12，该脆性层12具有平面的
第一表面13和与平面的第一表面13相对的平面的第二表面15，脆性层最好包括玻璃；涂
敷材料14，其粘结到脆性层12的平面的第一表面13，并具有外表面17和内表面19，且最
好包括聚合物。在所示实例中，脆性层12包括玻璃，然而，也可采用其它合适材料，例如，包括陶瓷、玻璃-陶瓷等。除外，可采用多层的结构，例如，包括由不同成分的两个粘结的玻璃层。应该指出的是，脆性的或玻璃层12可用涂敷材料涂敷在脆性层的第一和第二表面13、
15上。所示脆性材料10的涂敷材料14包括聚合物的或热塑性的层，该层对脆性层的覆盖
表面质量起到机械保护作用。该方法还包括沿着分离线20施加激光18而将有涂层的脆性
材料片10分离为多块(图2)。在图1A所示的实例中，激光18施加到脆性层12的非涂敷
侧15上，导致分离部分16被分离开来，该分离部分16的宽度与激光18的入射光束直径相
当。分离该部分16的过程也可从部分16中除去涂敷材料14。在优选实施例中，该方法较
佳地包括：通过激光18沿着分离线20在脆性层12内诱发应力开裂，从而将脆性材料片10
分离为多块。或者，控制激光18的功率从脆性层12中除去一部分涂敷材料14，而不造成脆
性层12内的应力开裂。

[0021] 如图1B所示的本发明另一实施例包括一种从脆性层12中除去一部分涂敷材料14的方法，该方法通过对涂敷材料14的外表面17施加激光18来完成去除。由此，有选择地
除去涂敷材料14可暴露出有选择数量的基本上完好无损的脆性层12的表面区域。其后的
蚀刻或切割步骤然后可用来沿着暴露表面区域的路径将脆性材料12分离成多块。或者，该
方法还包括通过激光18沿着分离线20在脆性层12内诱发应力开裂，由此，将脆性材料片
10分离为多块。

[0022] 根据所要达到的应用要求，一个或多个脆性层12和一个或多个涂敷层14可在材料成分和尺寸上变化。例如，显示器或电子器件加工过程可对涂敷层14的选择提出热力要
求，Si TFT器件的制造可对脆性层12的材料提出碱性离子成分的限制，器件制造或最后使
用的柔性或弯曲半径要求可对复合基底10的设计提出结构厚度和模量的要求。此外，复合
基底10可通过本技术领域内的各种已知方法进行制造，例如，薄膜层叠、液体涂层、挤拉和相关的技术等。为了使实际的柔性器件弯曲半径较佳地小于10cm，更较佳地小于5cm，最佳地小于20cm，则脆性层12的厚度应较佳地小于100μm，更较佳地小于50μm，最佳地小于
30μm。

[0023] 几乎所有玻璃都在10μm的波长区域内强烈地吸收激光能。在大多数情形中，在最上面的10-20μm厚度内，吸收的强度足以使光完全被吸收。在所示实例中，激光18包括
CO2激光，其能在脆性或玻璃层12上产生局部加热。波长为10.6μm的CO2激光的光子能量
是0.11eV，远低于脆性或玻璃层12或聚合物层14的带隙能量，其结果，光发热过程为主要
的过程。尽管具体地提及了CO2激光，但应该指出的是，也可采用其它也能产生主要为光致发热过程的激光系统和波长。玻璃材料包括辐射波长为10.6μm的脆性层12，该玻璃材料
的高吸收性诱发加热、软化和膨胀玻璃层的相对薄的部分，由此，在激光加热的体积中造成压缩应力。该瞬时的压缩应力可达到很高的程度，可在脆性或玻璃层12内由于该压缩的失
效而发生蜕变。然而，玻璃层12的软化和熔化可导致压缩应力由于脆性或玻璃层12粘度
减小而幅值大大地降低。一旦移去激光的照射，热影响区域的冷却造成收缩和应变，并在加热体积附近内诱发出拉伸应力。该拉伸应力的值可小于加热阶段发生的瞬时压缩应力，由
于已知脆性或玻璃材料在拉伸时比压缩时更容易失效，所以，该拉伸应力可导致脆性或玻
璃层12蜕变。由于脆性层12的该种加热-冷却循环，脆性层12在加热体积附近的部分16
可与其余的脆性层12分离或剥离。当移去脆性层的该部分16时，附连到分离部分16的涂
敷材料14通过热传导引起的熔化或光分解而从脆性或玻璃层12中移去或挥发掉。换句话
说，由于激光对材料表面的加热，产生的应力强度足以克服层叠的玻璃基底材料。显示为薄片材料的脆性层12的部分16具有的宽度由应力影响区域来确定，该部分16沿着移动激光
18的方向与涂敷基底10分离。较佳地，激光包括CO2激光并施加到具有高抗热冲击特性的
玻璃层12。用长脉冲和cw激光来产生剥离效应。应该指出的是，与短脉冲激光相比，长脉
冲和cw激光通常具有低的峰值功率，且通常与短脉冲激光相关的诸如消融之类的效应趋
向于更加减弱。此外，如上所述，在激光剥离过程中会导致很少或没有颗粒的碎片。通过使用上述的过程，脆性材料10可分离为多块，每块边缘具有如图3A和3B所示的良好的表面
光洁度。通过该过程，基本上没有涂敷材料14沿着分离线20存在于脆性层12的端面上。
此外，涂敷材料14可存在于脆性层12的表面13上，直到分离线20为止。在此情形中，涂
敷材料14可沿着分离线20显示出诸如熔化效应那样的受热征兆。

[0024] 在所示的实例中，CO2激光18通过聚焦元件30聚焦在复合有涂层的脆性材料10的表面15上。图2示出在连续制造过程中切割有涂层的脆性材料片10的过程，以除去基
底10的边缘部分31的示意图。有涂层的脆性材料10的基底用多个滚轮34垂直地固定，
附加的滚轮或机构可用于复合基底10或除去的边缘部分31。复合基底10相对于入射的激
光能18沿方向箭头36代表的方向移动。该相对运动致使激光能18沿着垂直的分离或切
割线20移动，并在脆性层12内诱发出应力开裂。控制器42可控制影响该分离/切割的过
程/设备的变量。或者，激光诱发出的应力开裂可在连续的基底或器件制造过程中用来分
离不同长度的复合基底10。激光18对于基底10的相对运动也可通过以下两种方法获得：
使用电流计组件横越基底片10扫描激光18；或移动放置在XY台面上的玻璃层叠物。除了
切割直线之外，激光诱发的应力开裂可用来从复合基底10中切割出不同的两种尺寸型式。

[0025] 曾经发现用几十瓦功率下发生的RF CO2激光照射来实现该过程。应该指出的是，激光18可以cw模式或脉冲(例如，5kHz或20kHz)模式操作，在后一种模式切割过程中，主
要是空间的脉冲重叠地出现。对于这些情况，已经观察到，当激光18入射在玻璃片12非涂
敷侧15上时，在玻璃层12内诱发相当的应力开裂并导致总的分离或基底10一部分与另一
部分割开所产生的激光功率在60mm/s速度下约为23瓦。相比之下，当激光18入射在玻璃
片12的涂敷侧上时，从玻璃层12只除去聚合物涂层14需要的功率水平等于或小于10瓦。
切割各种复合基底10需要的准确功率水平的设计，取决于所需的切割速度、脆性层12的成
分、涂敷层14的成分、层的厚度、存在于复合基底10内的应力，以及其它相关因素。尽管其它的过程使用来自于CO2的入射照射18，但激光能够切割通常大于500μm的较厚玻璃片，
而不存在涂层14，如果不存在涂敷层14，则上述情况在小于100μm厚度的相对薄的脆性层
12内产生无控制的开裂。激光的偏振最好呈圆形，然而，也可使用沿分离或切割线20定向
偏振的线性偏振光。还可使用具有垂直于切割线20定向的线性偏振光。此外，激光18用
聚焦元件30聚焦在复合基底10内或靠近复合基底10，该聚焦元件30中包括一个透镜或透
镜组件。这样的实例有单球形透镜、聚焦轴线平行于切割线20的圆柱形透镜等。或者，也
可使用抛物线镜面来聚焦激光18。

[0026] 另一种分离脆性材料或复合基底10的替代方法是使用相对低的功率的激光18来有选择地除去涂敷材料14的部分。通过应用上述过程，涂敷材料14的部分可沿着分离线
20从脆性层12中除去，留下没有微裂缝而有良好底表面光洁度的槽26(图4和5)，即，在
脆性材料表面13上存在最少的涂层或残留物。图5的侧视图中所示的涂敷材料14与脆性
材料12的稍微分层可以是对SEM分析作的边缘采样准备过程所引起的。然后，通过其后的
激光切割或蚀刻过程，可实现复合基底10的分离。任何蚀刻过程可利用作为蚀刻掩模形成
在涂敷层14内的图形。本技术领域内普遍公知的适用蚀刻过程都基于水性HF溶液、反应
性离子蚀刻等离子和类似的方法。

[0027] 或者，分离过程包括以足够的功率水平让激光入射到复合基底10的涂敷表面14上，以使脆性层12和涂敷层14在一个步骤中分离。如果多个涂敷层14呈现在脆性层12
的顶表面13和底表面15上，则第一低功率的激光扫描18用来有选择地移去上涂敷层。然
后，其后较高功率的激光扫描18可用来在其余的脆性层和涂敷层内如上所述地诱发应力
开裂。分层材料、激光的曝光和替代处理步骤的各种组合也是可能的。

[0028] 实例1

[0029] 试验和试样包括将激光施加到玻璃片的暴露的表面，在激光单次通过过程中，获得有控制的切割。在一特定实施例中，斯瑞德(Synrad)RF CO2激光用作为光源，该激光可
从华盛顿州的姆科缇(Mukilteo)市的斯瑞德(Synrad)公司购得。激光调制在额定5kHz，
使输出脉冲具有锯齿形波形，调制深度约为90％。从激光发出的光垂直地偏振。在四分
之一波反射相位滞后之后，偏振在聚焦元件30前转变为圆形偏振状态。焦距为37.5mm或
1.5英寸的透镜用来聚焦玻璃片表面15上的激光。涂敷材料的表面上的入射激光功率是
2
23W。由于M 值为1.2，光束在透镜入口光瞳处的大小为6mm，焦点尺寸估计为100μm，对应
2
的功率密度为300kW/cm。涂敷材料片包括厚度在50微米和100微米范围内的玻璃片，以
及粘结到玻璃一侧上的聚合物涂层。康宁(Corning)的0211微薄片用作为玻璃层。乌尔
淳(Ultron)系统P/N 1020R-11.8或P/N1042R-11.8用作为聚合物涂层14并涂敷为层叠
的薄膜。在切割过程中施加恒定的N2吹洗清洁，以在切割过程中减小聚合物燃烧影响。在
装备有真空卡盘的XY台面上切割层叠的玻璃片。当激光在涂敷材料10的顶表面上方聚
焦为0.6mm，且激光在与粘结涂层相对的玻璃基底的一侧上入射时，可观察到最佳切割的状况。在最佳切割状态下，可看到相对于薄片的速度在40mm/s至60mm/s范围内，而涂敷材料
的连续带从涂敷材料中分离出来。部分16的宽度近似地等于玻璃表面15上入射光束直径，
约为200μm。图3A示出40mm/s平移速度下被切割的试样，而图3B示出60mm/s平移速度
下被切割的试样。玻璃表面上的激光点直径大小估计为200μm，功率密度估计为每平方厘
米73千瓦。在此功率密度下，可以认为材料通过切除只有最小的损坏，该过程生成清晰裂
开的表面。非经优化的状态通常导致部分16分段地与涂敷材料14断开，碎片长度从厘米
或厘米以上起变化。这种开裂导致分开的涂敷材料的参差不齐的边缘，而这不是所希望的。

[0030] 实例2

[0031] 在另一实例中，如实例1中所述的斯瑞德(Synrad)RF CO2激光用来除去复合材料中的聚合物涂层。激光调制在额定5kHz，使输出脉冲具有锯齿形波形，调制深度约为90％。
从激光发出的光垂直地偏振。焦距为37.5mm或1.5英寸的透镜用来聚焦玻璃片上的激光。
2
涂敷材料10上的激光偏振是沿着运动的路径。采用8W的入射功率。由于M 值为1.2，光束在透镜入口光瞳处的大小为6mm，焦点尺寸估计为100μm。涂敷材料片包括厚度在50微米和
100微米范围内的玻璃片，以及粘结到玻璃一侧上的聚合物涂层。使用可从纽约州的康宁
(Corning)市的康宁公司购得0211微薄片作为玻璃层。马萨诸塞州黑弗里耳(Haverhill)
的乌尔淳(Ultron)系统P/N 1020R-11.8或P/N1042R-11.8用作为聚合物涂层14并涂敷
为层叠的薄膜。在切割过程中施加恒定的N2吹洗清洁，以在切割过程中减小聚合物燃烧影
响。层叠的玻璃片固定在装备有真空卡盘的XY台面上。激光入射在与脆性或玻璃材料相
对的涂敷材料10的聚合物侧上。如图4和5所示，在20mm/s速度下，聚合物材料有选择地
被除去。

[0032] 本技术领域内技术人员将会明白，对这里所述的本发明的优选实施例可作出各种修改，而不脱离附后权利要求书所定义的本发明的精神或范围。因此，本发明意欲涵盖本发明的各种修改和变化，只要它们落入附后权利要求书和其等同物的范围之内。