CN105246850B - 通过激光损坏和蚀刻制造玻璃制品的方法 - Google Patents

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Abstract

批露了形成玻璃制品的方法。在一种实施方式中,形成玻璃制品的方法包括在玻璃板基材上平移脉冲激光束以形成在玻璃板基材的第一表面和第二表面之间的激光损坏区域。所述方法还包括把蚀刻剂溶液施加到玻璃板基材以去除绕着激光损坏区域的部分玻璃板基材。所述方法还可包括通过离子交换强化工艺强化玻璃板基材，和使用耐酸涂层涂覆玻璃板基材。还批露了方法，其中激光损坏区域具有初始几何形状，在玻璃板基材再成形之后，该初始几何形状变化成所需几何形状，从而激光损坏区域的初始几何形状补偿玻璃板基材的弯曲。

Description

通过激光损坏和蚀刻制造玻璃制品的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年11月29日提交的美国临时申请第61/731,013号的优先权。该临时申请的全部内容通过引用纳入本文。
背景技术
技术领域
本发明总体涉及制造玻璃制品的方法，具体来说,涉及通过构建激光损坏区域和优先蚀刻激光损坏区域来制造玻璃制品的方法。
背景技术
玻璃制品用于各种工业，包括将玻璃用于覆盖显示器设备的电子工业。此类显示设备的例子包括液晶显示器和发光二极管显示器，例如，计算机显示屏、电视机和手持式装置。因为三维玻璃制品具有上佳的外观和触感，它们的应用与日俱增。但是,满足低尺寸容差特别是对于成形玻璃而言，仍然极具挑战，因为玻璃在再成形、退火和化学强化之时发生尺寸形变。此外,用于形成穿透式特征例如孔的传统计算机数字控制(“CNC”)加工方法，如果于再成形之前实施，将导致在玻璃再成形时的非均匀加热，这可导致玻璃制品的表面起伏和不利的变形。
概述
根据各种实施方式，批露了形成玻璃制品的方法。所述方法包括：提供玻璃板基材(glass substrate sheet),在玻璃板基材上平移脉冲激光束以形成从玻璃板基材的第一表面延伸到玻璃板基材的第二表面的激光损坏区域,将包含约1M-约3M氢氟酸和盐酸的蚀刻剂溶液施加于玻璃板基材,通过离子交换强化过程强化玻璃板基材,和使用耐酸涂层涂覆玻璃板基材。脉冲激光束的波长在紫外光谱中，且功率为约0.1W-约2.0W。激光损坏区域可包括多个缺陷线。如果氢氟酸浓度大于约2M则盐酸浓度小于约1M,以及如果氢氟酸浓度小于约2M则盐酸浓度为约1M-约3M。
在一些实施方式中,通过以下方式来再成形玻璃板基材：把玻璃板基材预热到预热温度,随后把玻璃板基材的局部区域加热到高于预热温度的局部温度,由此在该局部区域处弯曲玻璃板基材。所述预热温度和局部温度低于玻璃板基材的软化点。
操作脉冲激光束，从而施加到玻璃板基材的能量大于或等于玻璃板基材的损坏阈值。在一些实施方式中,脉冲激光束的波长在紫外光谱区,且脉冲激光束的功率为约0.1W-约2.0W。在一些实施方式中,激光损坏区域不接触玻璃板基材的边缘。
在一些实施方式中,以多次通过的方式(pass)在玻璃板基材上平移脉冲激光束且在每次通过时调整脉冲激光束的聚焦，从而激光损坏区域由在玻璃板基材本体之内从第一表面延伸到第二表面的多个激光损坏线限定。多个激光损坏线中邻近的激光损坏线可相对于彼此偏移(offset)。在一些实施方式中,在每次通过时调节脉冲激光束相对于玻璃板基材的位置，从而多个激光损坏线限定在玻璃板基材本体之内从玻璃板基材的第一表面到玻璃板基材的第二表面的曲线。
在一些实施方式中,向玻璃板基材施加蚀刻剂溶液的操作包括向玻璃板基材喷洒蚀刻剂溶液。在其它实施方式中,向玻璃板基材施加蚀刻剂溶液的操作包括把玻璃板基材浸没于蚀刻剂溶液中。在一些实施方式中，可向蚀刻剂溶液施加超声搅拌。用于喷洒蚀刻剂的喷嘴可以约0振动/分钟-约40振动/分钟的速度振动。来自喷嘴的压力可为约1.0巴-约1.25巴。
在一些实施方式中,蚀刻剂溶液包含约1M-约3M氢氟酸和无机酸,其中如果氢氟酸浓度大于约2M则无机酸浓度小于约1M，如果氢氟酸浓度小于约2M，则无机酸浓度为约1M-约3M。在一些实施方式中，无机酸可为盐酸、硫酸、硝酸或其组合。
在一些实施方式中，蚀刻剂溶液的温度低于约30℃。
根据其它实施方式，形成玻璃制品的方法包括提供玻璃板基材,在玻璃板基材上平移脉冲激光束以形成从玻璃板基材的第一表面延伸到玻璃板基材的第二表面的激光损坏区域,该激光损坏区域具有初始几何形状。脉冲激光束的波长在紫外光谱区，且功率为约0.1W-约2.0W,以及激光损坏区域由多个缺陷线限定。所述方法还包括把玻璃板基材预热到预热温度,把玻璃板基材的局部区域加热到高于预热温度的局部温度,由此在局部区域处弯曲玻璃板基材。至少部分激光损坏区域在局部区域之内，且在把局部区域加热到局部温度之后激光损坏区域的几何形状从初始几何形状变化到所需的几何形状，从而初始几何形状补偿玻璃板基材的弯曲。所述方法还包括把玻璃板基材浸没于蚀刻剂溶液的浴中，从而去除绕着激光损坏区域的部分玻璃板基材。蚀刻剂溶液包含约1M-约3M氢氟酸和无机酸。如果氢氟酸浓度大于约2M则无机酸浓度小于约1M,以及如果氢氟酸浓度小于约2M则无机酸浓度为约1M-约3M。所述方法还包括在超声搅拌频率下搅拌蚀刻剂溶液的浴直到基本上去除部分的玻璃板基材,由此形成玻璃制品。在一些实施方式中，超声搅拌频率为约40kHz，蚀刻剂溶液的浴的温度低于约20℃。
还根据其它实施方式，形成玻璃制品的方法包括提供玻璃板基材,在玻璃板基材上平移脉冲激光束以形成从玻璃板基材的第一表面延伸到玻璃板基材的第二表面的激光损坏区域。脉冲激光束的波长在紫外光谱中，且功率为约0.5W-约2.0W。所述激光损坏区域由多个缺陷线限定并具有初始几何形状。所述方法还包括把玻璃板基材浸没于约1M-约3M氢氟酸和盐酸的蚀刻剂溶液的浴中。如果盐酸浓度大于约2M则盐酸浓度小于约1M,以及如果盐酸浓度小于约2M则盐酸浓度为约1M-约3M。蚀刻剂溶液的浴的温度低于约30℃。所述方法还包括在约40kHz的超声搅拌频率下搅拌蚀刻剂溶液的浴直到基本上去除绕着激光损坏区域的部分玻璃板基材,由此形成玻璃制品。
在一些实施方式中,玻璃制品可为具有三维形状的成形玻璃制品。在这种实施方式中，激光损坏和蚀刻过程可结合为一体用来形成成形玻璃制品的三维特征。但是在其他实施方式中，可通过任意合适的方法例如模塑、吹塑模塑等来形成成形玻璃制品，且可在玻璃制品中形成三维特征之后实施激光损坏和蚀刻过程。还在其他实施方式中，玻璃制品可为平坦的玻璃板。
应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述介绍了各种实施方式，用来提供理解要求保护的主题的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对各种实施方式的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图以图示形式说明了本文所述的各种实施方式，并与说明书一起用来解释要求保护的主题的原理和操作。
附图简要说明
图1示意性地显示根据本文所示和所述的一个或多个实施方式的激光系统，用于在平坦的玻璃板基材之内产生激光损坏区域；
图2示意性地显示根据本文所示和所述的一个或多个实施方式的平坦的玻璃板基材和聚焦、脉冲激光束的俯视透射图；
图3示意性地显示根据本文所示和所述的一个或多个实施方式的平坦的玻璃板基材之内的激光损坏区域的侧视图；
图4A示意性地显示根据本文所示和所述的一个或多个实施方式的具有螺旋激光损坏线的平坦的玻璃板基材的俯视透射图；
图4B示意性地显示根据本文所示和所述的一个或多个实施方式的形成螺旋激光损坏线的聚焦、脉冲激光束；
图5示意性地显示根据本文所示和所述的一个或多个实施方式的具有多个交叉激光损坏区域的平坦的玻璃板基材的俯视图；
图6A示意性地显示根据本文所示和所述的一个或多个实施方式的具有由两相邻的、弯曲的激光损坏线限定的激光损坏区域的平坦的玻璃板基材的侧视图；
图6B示意性地显示具有弯曲的边缘的两玻璃制品，其在如图6A所示的两弯曲的损坏线处进行分离；
图7是散点图，比较了仅通过CNC形成的玻璃制品的强度与通过根据本文所示和所述的一个或多个实施方式的方法形成的玻璃制品的强度；
图8A示意性地显示根据本文所示和所述的一个或多个实施方式的分开的玻璃晶片和插入层；
图8B示意性地显示根据本文所示和所述的一个或多个实施方式的组合的玻璃晶片和插入层；
图9示意性地显示根据本文所示和所述的一个或多个实施方式的成形玻璃制品的俯视透射图；
图10是流程图，描述了根据本文所示和所述的一个或多个实施方式的制造形成玻璃制品的方法；
图11示意性地显示根据本文所示和所述的一个或多个实施方式的平坦的玻璃板基材，其包括对应于所需成形玻璃制品的初始几何形状的多个激光损坏线；
图12示意性地显示根据本文所示和所述的一个或多个实施方式的再成形过程之后的成形玻璃板基材；
图13示意性地显示根据本文所示和所述的一个或多个实施方式的在蚀刻剂溶液的蚀刻剂浴中的成形玻璃板基材；和
图14示意性地显示根据本文所示和所述的一个或多个实施方式的具有两压缩表面层的强化成形玻璃制品的部分侧视图。
具体描述
现在详细参考使用激光损坏和化学蚀刻过程从平坦的玻璃板基材制备玻璃制品的方法。通常,在平坦的玻璃板基材中绕着要从该平坦的玻璃板基材分离的一种或更多种所需的玻璃制品的边缘形成激光损坏区域,以及绕着一种或更多种所需的玻璃制品的穿过特征(through-features)(例如狭缝、孔等)形成。当用蚀刻剂溶液处理玻璃板基材时，优先蚀刻激光损坏区域。在一些实施方式中,在蚀刻玻璃板基材之前且在形成激光损坏区域之后,可对平坦的玻璃板基材进行再成形以取得一种或更多种玻璃制品所需的三维形状。形成具有初始几何形状的激光损坏区域，其预补偿(precompensate)平坦的玻璃板基材在再成形、蚀刻和/或强化过程时的形状变化，从而在再成形、蚀刻和/或强化过程之后激光损坏区域具有所需的几何形状。然后使玻璃板基材接触蚀刻剂溶液来分离一种或更多种玻璃制品,以及在一种或更多种玻璃制品之内形成穿过特征。在一些实施方式中,然后可使分离的玻璃制品经历强化过程,例如离子交换化学强化过程。本文所述的实施方式可提供当使用弯曲过程时在玻璃制品的最边缘上获得曲率的能力。下面将结合附图更详细地描述各种从平坦的玻璃板基材形成玻璃制品的方法。只要有可能，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或类似的部分。
首先，玻璃可为由任意玻璃组合物形成的平坦的玻璃板基材。在一些实施方式中,平坦的玻璃板基材包含碱性铝硅酸盐玻璃。在一种实施方式中,碱性铝硅酸盐玻璃包含:约64摩尔％-约68摩尔％SiO2；约12摩尔％-约16摩尔％Na2O；约8摩尔％-约12摩尔％Al2O3；0摩尔％-约3摩尔％B2O3；约2摩尔％-约5摩尔％K2O；约4摩尔％-约6摩尔％MgO；和0摩尔％-约5摩尔％CaO；其中:66摩尔％≤SiO2+B2O3+CaO≤69摩尔％；Na2O+K2O+B2O3+MgO+CaO+SrO>10摩尔％；5摩尔％≤MgO+CaO+SrO≤8摩尔％；(Na2O+B2O3)-Al2O3≥2摩尔％；2摩尔％≤Na2O-Al2O3≤6摩尔％；和4摩尔％≤(Na2O+K2O)-Al2O3≤10摩尔％。
在另一个实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含：约60摩尔％-约70摩尔％SiO2；约6摩尔％-约14摩尔％Al2O3；0摩尔％-约15摩尔％B2O3；0摩尔％-约15摩尔％Li2O；0摩尔％-约20摩尔％Na2O；0摩尔％-约10摩尔％K2O；0摩尔％-约8摩尔％MgO；0摩尔％-约10摩尔％CaO；0摩尔％-约5摩尔％ZrO2；0摩尔％-约1摩尔％SnO2；0摩尔％-约1摩尔％CeO2；小于约50ppmAs2O3；和小于约50ppm Sb2O3；其中12摩尔％≤Li2O+Na2O+K2O≤20摩尔％和0摩尔％≤MgO+CaO≤10摩尔％。
在另一种实施方式中,碱性铝硅酸盐玻璃包含SiO2和Na2O，其中所述玻璃具有粘度为35千泊(kilopoise，kpoise)时的温度T35kp，其中锆石分解成ZrO2和SiO2的温度T分解高于T35kp。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含：约61摩尔％-约75摩尔％SiO2；约7摩尔％-约15摩尔％Al2O3；0摩尔％-约12摩尔％B2O3；约9摩尔％-约21摩尔％Na2O；0摩尔％-约4摩尔％K2O；0摩尔％-约7摩尔％MgO；和0摩尔％-约3摩尔％CaO。
在另一种实施方式中,碱性铝硅酸盐玻璃包含至少50摩尔％的SiO2以及选自碱金属氧化物的至少一种改性剂，其中[(Al2O3(摩尔％)+B2O3(摩尔％))/(∑碱金属改性剂(摩尔％))]>1。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含：50摩尔％-约72摩尔％SiO2；约9摩尔％-约17摩尔％Al2O3；约2摩尔％-约12摩尔％B2O3；约8摩尔％-约16摩尔％Na2O；和0摩尔％-约4摩尔％K2O。
在另一种实施方式中,碱性铝硅酸盐玻璃包含SiO2和选自碱性(或碱土)金属氧化物的至少一种改性剂。在一些实施方式中,碱性金属氧化物改性剂可选自MgO,CaO,SrO,BaO及其混合物。虽然无意受限于理论，但据信碱土金属比其它改性剂更不溶于蚀刻剂(例如,HF)，因此含碱土金属的玻璃具有缓慢的表面蚀刻速率，这可导致降低最终玻璃制品的起伏。在一些实施方式中,碱性铝硅酸盐玻璃包含约5摩尔％-约14摩尔％碱性金属氧化物,例如约8摩尔％-约12摩尔％的碱土金属氧化物。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含：50摩尔％-约72摩尔％SiO2；约9摩尔％-约17摩尔％Al2O3；约2摩尔％-约12摩尔％B2O3；约8摩尔％-约16摩尔％Na2O；0摩尔％-约4摩尔％K2O；和约5摩尔％-约14摩尔％MgO+CaO+SrO。
在另一种实施方式中,碱性铝硅酸盐玻璃包含SiO2,Al2O3,P2O5,和至少一种碱金属氧化物(R2O),其中0.75≤[(P2O5(摩尔％)+R2O(摩尔％))/M2O3(摩尔％)]≤1.2,其中M2O3＝Al2O3+B2O3。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含：约40摩尔％-约70摩尔％SiO2；0摩尔％-约28摩尔％B2O3；0摩尔％-约28摩尔％Al2O3；约1摩尔％-约14摩尔％P2O5；和约12摩尔％-约16摩尔％R2O；以及在一些实施方式中,约40-约64摩尔％SiO2；0摩尔％-约8摩尔％B2O3；约16摩尔％-约28摩尔％Al2O3；约2摩尔％-约12％P2O5；和约12摩尔％-约16摩尔％R2O。
还在其他实施方式中,碱性铝硅酸盐玻璃包含至少约4摩尔％P2O5,其中(M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％))<1,其中M2O3＝Al2O3+B2O3,和其中RxO是碱性铝硅酸盐玻璃中存在的单价和二价阳离子氧化物之和。在一些实施方式中，单价和二价阳离子氧化物选自下组：Li2O、Na2O、K2O、Rb2O、Cs2O、MgO、CaO、SrO、BaO和ZnO。在一些实施方式中，玻璃包含0摩尔％的B2O3。
还在另一种实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含至少约50摩尔％的SiO2以及至少约11摩尔％的Na2O，并且压缩应力至少约为900MPa。在一些实施方式中，玻璃还包含Al2O3，以及B2O3、K2O、MgO和ZnO中的至少一种，其中-340+27.1·Al2O3–28.7·B2O3+15.6·Na2O–61.4·K2O+8.1·(MgO+ZnO)≥0摩尔％。在一个特定实施方式中，所述玻璃包含：约7-26摩尔％的Al2O3；0至约9摩尔％的B2O3；约11-25摩尔％的Na2O；0至约2.5摩尔％的K2O；0至约8.5摩尔％的MgO；以及0至约1.5摩尔％的CaO。
在一些实施方式中，上文所述的碱性铝硅酸盐玻璃基本不含(即含有0摩尔％)的锂、硼、钡、锶、铋、锑和砷中的至少一种。
在一些实施方式中，上文所述的碱性铝硅酸盐玻璃可以通过本领域已知的工艺下拉制备，所述工艺是例如狭缝拉制法、熔合拉制法、再拉制法等，所述碱性铝硅酸盐玻璃的液相线粘度至少为130千泊。
首先参考图1,示意性地显示用于把激光损坏区域诱导进入平坦的玻璃板基材130的系统120。提供可操作来产生脉冲激光束124的激光源122，该激光束通过耦合光学器件126聚焦并引导射向平坦的玻璃板基材130。激光源122可为能诱导激光损坏区域的任意激光源。例如但不限于，激光源122产生脉冲紫外(“UV”)脉冲激光束124(例如,波长为约355nm)，其以皮秒或纳秒脉冲操作。在一些实施方式中,可把激光损坏诱导进入平坦的玻璃基材的区域中。
可将耦合光学器件126构造成一种或更多种透镜，其将脉冲激光束124聚焦成相对于平坦的玻璃板基材130焦点在所需位置的聚焦激光束。如下文所更加详细描述,在一些实施方式中,可控制耦合光学器件126的聚焦通过开孔过程来在平坦的玻璃板基材130之内形成激光损坏区域从而改变焦点，且穿过平坦的玻璃板基材130的本体形成激光损坏区域。
脉冲激光束124可构造成在平坦的玻璃板基材130上扫描以形成所需的激光损坏区域。在一些实施方式中,平坦的玻璃板基材130结合到计算机控制的XYZ平台(未显示)，从而平坦的玻璃板基材相对于脉冲激光束124平移。此外,还可提供分光器(未显示)来把由激光源122产生的激光束124分裂成多个激光束，用于在平坦的玻璃板基材130之内同时形成多个激光损坏区域。
现参考图2和3,显示了平坦的玻璃板基材之内的直的激光损坏区域140。图2显示平坦的玻璃板基材130和通过耦合光学器件126聚焦的脉冲激光束124的透视图,而图3显示平坦的玻璃板基材130的侧视图。激光损坏区域140由多个单独的激光损坏线141限定，所述多个单独的激光损坏线以在平坦的玻璃板基材130的本体之内的不同深度位于第一表面131和第二表面133之上和之间。如图2和3所示,单独的激光损坏线141在x-轴上垂直地设置。各单独的激光损坏线141可通过一次或更多次通过(pass)的脉冲激光束124来形成。例如,第一激光损坏线141可通过下述形成：把脉冲激光束124的焦点设定在第二表面133(即,底侧表面)处或就在其上方并靠近平坦的玻璃板基材130的第一边缘135,在平坦的玻璃板基材130上以距离d朝向第二边缘137平移脉冲激光束124(和/或平坦的玻璃板基材130)。然后，通过控制耦合光学器件126或通过移动平坦的玻璃板基材130，脉冲激光束124的焦点位置以渐进的方式朝向平坦的玻璃板基材130的第一表面131移动。然后，再次在玻璃板基材上把脉冲激光束124从第二边缘137朝向第一边缘135平移,或从第一边缘135朝向第二边缘137平移)。可重复该过程直到脉冲激光束124横贯在第一表面131(即,上部表面)上或就在其下方,由此完成激光损坏区域140的形成。由单独的激光损坏线141形成的微观裂纹可延伸到邻近的单独激光损坏线141,由此形成微观裂纹网络。
在一些实施方式中，为了防止在激光辐射过程中平坦的玻璃板基材130发生不受控的分裂，单独的激光损坏线141不接触边缘(例如,第一和第二边缘135,137)。例如,单独的损坏线141的端部可相对于平坦的玻璃板基材130的边缘偏移几厘米。此外，应操作脉冲激光束124，从而它不在平坦的玻璃板基材130的第一和第二表面131,133之内形成凹槽。可设定单独的激光损坏线141之间的节距，从而平坦的玻璃板基材130不过早地沿着激光损坏区域140断裂。在一些实施方式中,单独的激光损坏线141之间的节距可小于或等于约5.0微米。
在一些实施方式中,激光损坏区域可通过使用螺旋激光损坏线的穿孔来形成。现参考图4A和4B,显示用于在平坦的玻璃板基材之内形成圆形穿过特征的螺旋激光损坏线142。图4A显示在平坦的玻璃板基材130之内的螺旋激光损坏线142,而图4B显示没有示出平坦的玻璃板基材130的螺旋激光损坏线142。将脉冲激光束124的焦点设定在平坦的玻璃板基材130的第二表面133(即,底侧表面)处或就在其上方。根据所需的穿过特征的形状(或所需的玻璃制品的边缘)，在y-和z-上平移脉冲激光束124(或平移平坦的玻璃板基材130)。同时，连续地或离散地把脉冲激光束124的焦点调节向第一表面131(即,上部表面),由此形成螺旋激光损坏线142。当在蚀刻过程中蚀刻平坦的玻璃板基材130时,蚀刻剂溶液优先蚀刻由螺旋激光损坏线142限定的激光损坏区域。
图5显示平坦的玻璃板基材130的俯视图，其包括多个交叉的激光损坏线140A-140F来分离多个玻璃制品。如图5所示,垂直的激光损坏线140A-140C与水平的激光损坏线140D-140F交叉。在再成形过程之后,可在蚀刻过程中蚀刻激光损坏线140A-140F来将平坦的玻璃板基材130分离成多个玻璃制品,例如玻璃板或成形玻璃制品。
激光损坏线还可穿过玻璃板基材的本体进行成形，来提供分离玻璃制品的成形边缘。现图6A参考,示意性地显示具有两相邻的、偏移的激光损坏区域143A,143B的平坦的玻璃板基材130。相邻的激光损坏区域143A,143B具有从平坦的玻璃板基材130的第一表面131到第二表面133的相对的曲线。可在每次通过时通过平坦的玻璃板基材130调节脉冲激光束124的焦点，来限定相邻的、偏移的激光损坏区域143A,143B的曲线。图6B示意性地显示蚀刻过程之后分离成两个玻璃制品100A,100B的平坦的玻璃板基材130。弯曲的激光损坏区域143A,143B分别为两个玻璃制品100A,100B形成圆化的边缘102A,102B。弯曲的激光损坏区域143A,143B可具有不同于图6A所示的那些形状，从而形成倒角边缘、外圆角边缘等。
在一些实施方式中,激光源可在约60kHz-约200kHz的重复频率下操作。激光源的输出功率和耦合光学器件的聚焦条件应使得光束聚焦的能量注量和强度等于或稍微大于平坦的玻璃板基材的损坏阈值。在一些实施方式中,激光源的输出功率可为约0.1W-约2.0W,例如约0.5W-约2.0W。在一些实施方式中,激光源的输出功率可为约0.75W-约1.5W。
可使用具有任意玻璃厚度的玻璃基材进行激光损坏区域的选择性蚀刻。对于计算机数字控制(“CNC”)和其它机械过程具有较低产率的较薄的玻璃基材(例如,小于0.3mm)可为特别优选的。
本发明的实施方式中，通过对激光书写的成形玻璃板基材进行蚀刻过程，来分离玻璃制品和/或形成穿过特征。可通过其中把蚀刻剂溶液喷洒到成形玻璃板基材上的喷洒方法,或通过把成形玻璃板基材浸没进入蚀刻剂溶液浴来提供蚀刻剂溶液。
在使用喷洒来将蚀刻溶液施加到玻璃制品的一些实施方式中,可把玻璃制品插入腔室，该腔室构造成具有喷嘴来对玻璃制品的两个表面进行喷洒。例如,当玻璃制品是玻璃板时,腔室可包括设置成在玻璃板的第一表面上喷洒蚀刻溶液的一组喷嘴,以及腔室可包括设置成在玻璃板的第二表面上喷洒蚀刻溶液的第二组喷嘴，例如该第二表面沿着厚度方向与玻璃板的第一表面相反。从第一组喷嘴喷射的喷洒物的振动大于来自第二组喷嘴的的喷射的喷洒物的振动，从而当从玻璃制品去除玻璃的部分以在玻璃制品中形成通孔时,玻璃制品的该部分朝向第二组喷嘴喷射。通过引导玻璃制品的一部分喷射离开玻璃制品而形成通孔,可将玻璃制品的损坏减至最少。例如,如果玻璃制品的该部分从玻璃制品沿着向上的方向喷射,玻璃制品的该部分可能会落到玻璃制品的表面,由此导致损坏。因此,在一些实施方式中，玻璃制品的该部分可喷射远离玻璃制品来避免损坏玻璃制品。
在其中通过喷洒来施加蚀刻剂的一些实施方式中,喷嘴可以约0振动/分钟-约40振动/分钟,例如约10振动/分钟-约30振动/分钟的速度振动。在其他实施方式中,喷嘴可以约15振动/分钟-约25振动/分钟的速度振动。来自喷嘴的喷洒物的压力可为约0.5巴-约1.7巴,例如约0.75巴-约1.5巴。在一些实施方式中,来自喷嘴的喷洒物压力可为约1.0巴-约1.25巴。来自喷嘴的喷洒物的振动和压力可用来确保在玻璃制品中形成清洁的通孔。例如,如果振动过慢和/或来自喷嘴的喷涂物的压力过低,蚀刻剂可能会淤积并导致不精确的通孔,或蚀刻剂可能不能完全从玻璃基材分离通孔。但是，当振动过快和/或来自喷嘴的喷洒物的压力过高时,玻璃基材可被过快地蚀刻蚀刻，导致在玻璃表面上形成小块和缺陷。
在一些实施方式中,蚀刻剂溶液蚀刻激光损坏区域是因为这些激光损坏区域之内存在微观裂纹。同时蚀刻激光损坏区域和非损坏区域，但蚀刻速率不同。激光损坏区域的微观裂纹破坏化学键，并为蚀刻剂更深地渗透进入玻璃板基材提供路径。因此,激光损坏区域的蚀刻速率大大快于非损坏区域。因此,当蚀刻剂溶液完全蚀刻激光损坏区域时，可切割或以其它方式将玻璃制品与玻璃板基材的其余部分分离。此外，还可以这种方式制造穿过特征例如孔和狭缝。
蚀刻剂溶液可包括氢氟酸作为主蚀刻剂。无机酸,例如盐酸、硫酸和硝酸,可辅助蚀刻过程和加速蚀刻速率,以及改善玻璃制品的表面质量和减少污泥形成。在实验中发现，当氢氟酸浓度较高(例如,为3M或更大)时,玻璃的蚀刻时间和质量不受无机酸种类的影响。但是，当氢氟酸浓度较低(例如,1M或更小)时,在三种无机酸中盐酸需要最少的蚀刻时间并产生最理想的蚀刻比。因此,对于大多数应用而言优选使用盐酸。通常,氢氟酸浓度较高(例如,3M或更大)时,无机酸的浓度应较低。当使用盐酸时,浓度应小于0.5M。氢氟酸浓度较低(例如,1M或更小)时,无机酸的浓度应为约1M-约3M。在一种实施方式中,氢氟酸浓度是约2M,盐酸浓度是约0.5M。
此外，据信表面活性剂对蚀刻过程是有益的，因为它可改善蚀刻剂到激光损坏区域的输送并将通过蚀刻剂过程形成的副产物悬浮起来。作为非限制性例子，表面活性剂可为杜邦(DuPont)FS-10。应理解，还可使用其它表面活性剂。在一些实施方式中,表面活性剂的含量可小于约0.1重量％,例如0.01重量％。
蚀刻剂溶液浴的搅拌改善激光损坏区域的蚀刻速率，因为蚀刻剂和副产物都需要持续地通过激光损坏区域之内的微观裂纹的狭窄通道进行交换。搅拌可加速微观裂纹内侧的传质,并刷新激光损坏区域表面用于连续蚀刻。超声搅拌影响蚀刻时间、表面损失和蚀刻比。有效的搅拌可增加激光损坏区域和非损坏区域之间的蚀刻比，这进而可减少玻璃板基材的表面损失和降低原材料的成本。在一些实施方式中,搅拌频率小于约132kHz。因为降低超声频率增加各单独冲击的功率和洗涤效果,较低的频率和较高的振幅有利于蚀刻剂和副产物的快速交换和改善激光损坏区域处的蚀刻速率。在一种实施方式中,超声搅拌频率为约40kHz。
在一些实施方式中，可使用另一种形式的搅拌即喷洒蚀刻来改善激光损坏区域的蚀刻速率。蚀刻速率受到喷洒压力、蚀刻剂溶液的温度和蚀刻剂溶液的浓度的驱动。喷洒蚀刻显示更好的玻璃制品表面均匀性和质量,但超声蚀刻显示更高的本体玻璃表面和激光损坏区域之间的蚀刻差异。
已发现浴的垂直的移动与超声搅拌组合时不会改善激光损坏区域的蚀刻速率，因为通常激光损坏区域的柱状裂纹网络垂直于浴的垂直的移动。在平行于裂纹的方向上，垂直的移动的速度接近零。结果,当同时进行垂直的搅拌和超声搅拌时，玻璃板基材的蚀刻比和最终厚度会低得多。
蚀刻剂溶液的温度还可影响蚀刻过程中的玻璃板基材的蚀刻速率和质量。通常,低温蚀刻剂溶液(例如,约3℃-约10℃)提供降低的表面损失和平坦的玻璃表面。但是,在较低温度下牺牲蚀刻速率。在一实施例中，使用如上所述的过程对0.7mm康宁(Corning)2317玻璃样品进行激光损坏，并置于2M氢氟酸,0.5M盐酸,和0.1％表面活性剂的蚀刻剂溶液的浴中。所述浴在40KHz的超声下搅拌。在3℃-10℃的低温,蚀刻时间为12-15分钟且表面损失为24μm-30μm。在40℃的温度,蚀刻时间为约6.5分钟，表面损失为50μm–60μm。因此,在表面损失是重要参数的应用中，应保持较低的蚀刻剂溶液温度。
较高的蚀刻溶液温度通常增大蚀刻速率，并因此较高的蚀刻溶液温度可用来降低蚀刻过程的持续时间。但是,当喷洒蚀刻过程中的蚀刻溶液的温度过高时，喷洒过程中酸会从蚀刻溶液中蒸发出来。因此,在一些实施方式中，蚀刻溶液的温度可低于或等于约30℃,例如低于或等于约25℃。但是,应理解可使用较高的或较低的温度。
降低蚀刻剂对玻璃基材的表面损失的另一种方式是把耐蚀刻溶液(例如纯HF或HF和无机酸的混合物)的涂层施涂到玻璃基材的一个或多个表面。在一些实施方式中,选择耐酸涂层，从而激光穿透耐酸涂层并在下面的玻璃基材中形成激光损坏。
根据一些实施方式,耐酸涂料可包含分散于水中的乙烯丙烯酸和蜡质聚合物乳液。在一些实施方式中,耐酸涂料组合物包含约5重量％-约60重量％固体/聚合物,例如约15重量％-约46重量％固体/聚合物。可根据所需应用改变蜡质聚合物和乙烯丙烯酸的种类和用量。可通过任意合适的方法把耐酸涂层施涂到玻璃基材。在一些实施方式中,耐酸涂层可通过下述方式施涂到玻璃基材：浸涂、喷涂、旋涂或狭缝涂布。一旦把耐酸涂层施涂到玻璃基材,就可通过加热干燥耐酸涂层。在一些实施方式中,可通过把耐酸涂层加热到约150℃-约190℃例如约170℃的温度来干燥在玻璃基材上的耐酸涂层。在一些实施方式中,干燥步骤的持续时间可为约10分钟-约40分钟,例如约15分钟-约30分钟。在其他实施方式中,干燥步骤的持续时间可为约20分钟。虽然无意受限于理论，但据信干燥步骤中的加热导致耐酸涂层中的蜡质聚合物泛出(bloom)，由此提供疏水性的表面。
耐酸涂层的厚度可为约1微米-约15微米,例如约3微米-约8微米。可使用超声、采用3重量％的Semi-Klean的溶液去除耐酸涂层。薄层的耐酸涂层,例如小于约10微米,可在沸水中去除。
如上所述，在一些实施方式中,可选定耐酸涂层来允许激光穿透耐酸涂层和在下面的玻璃基材上诱导损坏。因此，在一些实施方式中,可在诱导激光损坏之前和之后施涂耐酸涂层。在一种实施方式中,可将涂层施涂到已经被强化例如通过离子交换(如下文所更加详细描述)和具有透明导体氧化物涂层例如氧化铟锡的玻璃基材。在施涂耐酸涂层之后，可如上文所详细描述向下面的玻璃基材诱导激光损坏。然后，可蚀刻和分离玻璃基材,并可随后去除耐酸涂层。应理解，几乎可以在本文所述的的任意步骤中施涂耐酸涂层。
在其他实施方式中,供应商可制造具有孔和/或狭缝的玻璃基材,且零件制造商可进行进一步的加工。例如,在一种实施方式中,供应商可提供具有压缩表面层和中央处于张力下的玻璃板基材；可将耐酸涂层施涂到玻璃板基材。在用耐酸涂层涂覆玻璃板基材之后,可用激光辐射玻璃制品来划割玻璃板基材,在玻璃板基材中形成孔或在玻璃板基材中形成狭缝。然后，可蚀刻玻璃板基材来打开孔和/或狭缝。然后，可把玻璃板基材运输给零件制造商。零件制造商可随后去除耐酸涂层并清洁。然后，可在玻璃板基材上沉积触摸导电氧化物涂层。玻璃板基材可进行激光划割并分裂成玻璃制品(但是,在一些实施方式中,玻璃供应商可划割和分裂玻璃板基材)。把玻璃板基材分裂成玻璃制品之后,可使用耐酸涂层涂覆玻璃制品，并可蚀刻边缘来强化。边缘强化之后,玻璃制品可经历CNC精磨。然后，可去除耐酸涂层，并可洗涤和清洁玻璃制品。
在一些实施方式中,玻璃制品通过强化过程强化。在一些实施方式中,可在把玻璃制品从玻璃基材分离之前进行强化过程。在其它实施方式中,可在把玻璃制品从玻璃基材分离之后进行强化过程。可通过离子交换过程对玻璃制品进行化学强化，在此过程中，用具有相同价态或氧化态的较大的离子代替玻璃表面层中的离子。在具体实施方式中，在表面层中的离子以及所述更大的离子是一价碱金属阳离子，例如Li+(当玻璃中存在的时候)、Na+、K+、Rb+和Cs+。或者，表面层中的一价阳离子可以被碱金属阳离子以外的一价阳离子，例如Ag+、Tl+、Cu+等代替。
离子交换过程在成形玻璃制品的表面产生压缩应力。这些压缩应力在成形玻璃制品的表面下方延伸到一定深度，其称为层深度。压缩应力被拉伸应力层(称作中心张力)平衡，使得成形玻璃制品中的净应力为零。在成形玻璃制品的表面形成压缩应力使得玻璃较强并耐机械损坏，这样减缓了未延伸穿过层深度的瑕疵对成形玻璃制品的毁灭性失效。
在一个实施方式中，通过离子交换对成形玻璃制品进行化学强化，其中，当把玻璃制品放入离子交换浴中时，靠近玻璃表面的较小的钠离子被较大的钾离子替代。用较大的钾离子替代较小的钠离子导致在玻璃制品的表面中构建压缩应力层。压缩应力在玻璃制品表面的下方延伸到特定的层深度(压缩表面层)。压缩表面层从上部表面和底侧表面延伸到层深度。通过在玻璃制品的中央形成内部张力层来平衡压缩表面层。
在本文所述的实施方式中，通过强化在成形玻璃制品中形成的压缩应力和层深度足以改善成形玻璃制品的损伤容差同时还有助于进一步加工(例如边缘精磨)而没有向成形玻璃制品中引入裂纹的风险。在一种实施方式中,压缩应力可为约200MPa-约1000MPa。在其他实施方式中，压缩应力可以约为500-800MPa。在其他实施方式中，压缩应力可以约为650-900MPa。在一个实施方式中，层深度可以约为10-80微米。在另一个实施方式中，层深度可以约为30-60微米。在另一个实施方式中，层深度可以约为40-60微米。
在一些实施方式中,当其它形式的化学强化例如离子交换与玻璃组合物不兼容时，蚀刻过程可用作强化过程。与CNC加工的零件相比，进行差异化蚀刻直到成形玻璃零件完全蚀刻透并从玻璃板基材取下的零件可显示非常显著的强度提高。
例如,在因为玻璃太薄例如厚度小于约0.4mm或甚至厚度小于约0.3mm或因为玻璃组合物不包含适于离子交换的元素的而不能通过离子交换强化的玻璃制品中,可使用蚀刻过程来强化玻璃制品。虽然无意受限于理论，但据信蚀刻过程钝化表面缺陷的尖端，在一些情况下，消除或降低表面缺陷的深度，该表面缺陷会弱化玻璃制品。在一些实施方式中,由本文所述的激光损坏和蚀刻方法形成的玻璃在约5kg力下的失效率为约50％,或在约4kg力下的失效率小于约20％。
图7显示仅由CNC制备的玻璃(用正方形表示)和通过激光损坏和蚀刻制备的玻璃(用圆形表示)的环叠环测试结果。通过以下方式来进行环叠环测试：把具有第一直径的第一环置于玻璃制品的第一表面上。把具有第二直径的第二环置于与第一表面相反的玻璃制品的表面上。第一环的内径大于第二环的外径。以较缓慢的速率向第二环施加力直到玻璃制品失效，例如通过断裂或破碎而破坏。如图7所示,由CNC形成的玻璃制品在约2kg力下的失效率为90％。但是,使用如上所述的激光损坏和蚀刻方法形成的玻璃制品在约5kg的力下的失效率为例如约50％。图7所示的图表明使用激光损坏和蚀刻方法形成的玻璃制品的强度大于仅通过CNC方法形成的玻璃制品。
在一些实施方式中,在激光损坏和蚀刻步骤之后强化玻璃基材。但是,在其他实施方式中，可在激光损坏和蚀刻步骤之前强化玻璃基材。
在其中于激光损坏和蚀刻步骤之前强化玻璃基材的实施方式中，参考图1,激光源122可在约60kHz-约200kHz的重复频率下操作。激光源122的输出功率和耦合光学器件126的聚焦条件应使得光束聚焦的能量注量和强度等于或稍微大于平坦的玻璃板基材的损坏阈值。在一些实施方式中,激光源122的输出功率可小于或等于约0.6W,例如为约0.4W-约0.6W。在一些实施方式中,激光源122的输出功率可为约0.5W。虽然无意受限于理论，但据信使用输出功率小于或等于0.6W的激光源可把边缘粗糙度降低到1.5微米-2.0微米。具体来说,激光源输出功率为约0.4W-约0.6W时，碱性铝硅酸盐玻璃中的边缘粗糙度相对恒定。
在其中于激光损坏和蚀刻步骤之后强化玻璃基材的实施方式中，参考图1,激光源122可在约5kHz-约40kHz例如约10kHz的重复频率下操作。在一些实施方式中,激光源122的输出功率可小于或等于0.6W,例如为约0.1W-约0.4W,例如约0.15W-约0.3W，取决于玻璃基材的厚度和压缩应力。在一些实施方式中,激光源122的输出功率可为约0.2W-约0.25W。虽然无意受限于理论，但据信激光在玻璃中形成多个微观裂纹，从而激光损坏区域中的玻璃体积增加。这种膨胀可形成激光诱导的热效应，其在现有的应力图案中形成叠加的额外压缩和拉伸应力。这种额外的应力可与激光功率成比例，并可使玻璃更接近其脆性极限。如果激光功率过低，它使得激光损坏过薄，且不能用作周围玻璃中高应力的缓冲。如果激光功率过高，它形成的强应力不能通过激光损坏降低。在这两种情况下，玻璃都可能破碎。
在一些实施方式中，在上述任一实施方式中(即,在激光损坏和蚀刻之前或之后强化玻璃基材),脉冲激光束的平移速度可为约50mm/s-约2m/s。在其他实施方式中,脉冲激光的平移速度可为约50mm/s-约300mm/s,例如约250mm/s。
应理解，可使用如上所述以外的其它激光参数来形成激光缺陷区域。激光脉冲能量可在5μJ-几百微焦耳之间变化，取决于一些参数例如玻璃性质、平移速度、激光重复频率和耦合光学器件126,例如其数值孔径(numerical aperture)(NA)可为0.15-0.3或更大。
可在平坦的玻璃板内切割孔和/或形状以形成例如要使用玻璃的终端产品(例如,手机、平板计算机等)设计所需的平坦的玻璃板的倾斜或弯曲的边缘、平坦的玻璃板中的孔。
在一些实施方式中,玻璃制品可形成为插入层,例如用于数字光处理(DLP)设备或其它微电化学系统(MEMS)。在这种实施方式中，参考图8A,可用任意合适的方法形成玻璃晶片810并使用减反射涂层进行涂覆。应理解尽管玻璃晶片810在图8A中显示为圆形的，但玻璃晶片可具有任意形状。没有特别限定减反射涂层,在一些实施方式中，其可为氮化钛或氮化铌，且可通过任意合适的方法例如喷涂、浸涂或手动施涂来施涂。还可对玻璃晶片810进行图案化，例如采用栅格图案815,如图8A所示。栅格图案815可由粘合剂形成，例如环氧树脂、聚氨酯(urethane)和聚酰亚胺。为了形成DLP或MEMS,可形成插入层820。如图8A所示,插入层820可具有使用用上述激光损坏和蚀刻方法形成的图案化的通孔825。图8A中的通孔825是矩形的并对应于在玻璃晶片810上形成的栅格图案815，从而可通过使插入层820接触玻璃晶片810来把插入层820粘附到玻璃晶片810,其可包括粘合剂以形成图8B中所示的DLP或MEMS支架830。可把DLP芯片或其它MEMS插入到插入层820的通孔825中，以形成适用于终端产品的设备。在插入层820由未经过强化例如未通过离子交换处理的玻璃形成的实施方式中,使用蚀刻过程来强化插入层,如上所述。在一些实施方式中,由本文所述的激光损坏和蚀刻方法形成的玻璃在约5kg力下的失效率为约50％,或在约4kg力下的失效率小于约20％(见图7)。
在一些实施方式中,将包括用如上所述激光损坏蚀刻过程形成的孔和/或形状的平坦的玻璃板用于终端产品，无需进一步再成形。但是,在其他实施方式中,如下文所更加详细描述,在平坦的玻璃基材上进行激光损坏和蚀刻过程，用于预补偿后续的将平坦的玻璃基材成形为成形玻璃制品的后续成形。
现参考图9,示意性地显示成形玻璃制品100的一种非限制性例子。成形玻璃制品100可构造成例如用于便携式电子器件的盖板玻璃。应理解实施方式不限于所有图中显示的成形玻璃制品，且成形玻璃制品可用于任意应用，例如但不限于电视、厨房电器、车辆和信息牌(sign)。图9中所示的成形玻璃制品100具有弯曲的周界区域104，其沿着z-轴方向从平坦的部分103向下弯曲并终止于边缘102。此外,成形玻璃制品100包括构造成孔的穿过特征106和构造成狭缝的穿过特征107。现在将描述制造成形玻璃制品例如图9所示的成形玻璃制品100。
现参考图10,其为使用激光损坏和化学蚀刻过程从平坦的玻璃板基材制造形成玻璃制品的方法的流程图。首先概括地描述流程图10，然后更加详细地描述各过程。在方框110处,利用激光在平坦的玻璃板基材中诱导激光损坏区域。激光损坏区域从玻璃板基材的第一表面延伸到第二表面，并通过激光诱导的微观裂纹、光谱缺陷等限定。在方框113的蚀刻过程中，与非损坏区域相比，激光损坏区域被优先蚀刻。
激光损坏区域具有初始几何形状，其预补偿用于在方框111处所示的再成形过程中平坦的玻璃板基材发生的形变。因此,特定激光损坏区域的初始几何形状可不同于所需的成形玻璃制品的边缘或穿过特征的几何形状。用于提供从平坦的玻璃板基材分离的玻璃制品的边缘的特定的激光损坏区域的可具有包括曲线的初始几何形状；但是,在再成形过程之后,激光损坏区域的形状变成直线，其代表所需的成形玻璃制品的所需直的边缘。
在方框111处,平坦的玻璃板基材通过再成形过程进行再成形。再成形过程可为能三维再成形平坦的玻璃板基材以限定一种或更多种成形玻璃制品的任何过程。这种再成形过程包括，但不限于：压制模塑、重力弯垂、压制成形以及局部加热和弯曲。在许多应用中，再成形过程形成成形玻璃制品的弯曲的周界区域。例如,盖板玻璃的弯曲的周界区域可对于终端用户而言是美观的。如上所述,当玻璃再成形为所需形状时，激光损坏区域的初始几何形状改变成所需的几何形状。为了消除在玻璃板制造过程和/或再成形过程中形成的内部应力,然后可通过方框112处的退火过程对成形玻璃板基材进行退火。退火过程可为任意已知或待开发的退火过程。
在方框113处,对再成形的玻璃板基材施加蚀刻剂溶液，以优先蚀刻激光损坏区域同时最小程度地蚀刻非损坏区域。蚀刻过程从其余的再成形的玻璃板基材分离一种或更多种成形玻璃制品，因为与再成形的玻璃板基材的其余非损坏区域相比，蚀刻剂溶液以高得多的效率蚀刻激光损坏区域。此外,当激光损坏区域被完全蚀刻透过时，由一种或更多种激光损坏区域(例如,孔)限定的穿过特征的中间部分从再成形的玻璃板基材掉落。在一些实施方式中,氢氟酸是蚀刻剂溶液的主蚀刻剂，该蚀刻剂溶液还包含无机酸例如盐酸、硫酸和/或硝酸。如下文所更加详细描述,可控制蚀刻剂溶液和蚀刻过程来减少蚀刻时间,减少表面起伏,减少表面粗糙度,最小化污泥和最小化厚度降低。
接下来，在方框114处,分离的成形玻璃制品可任选地通过强化过程进行强化。在一些实施方式中,成形玻璃制品可通过离子交换化学强化过程进行强化。如下文所更加详细描述,成形玻璃制品的表面层中的离子被具有相同价态或氧化状态的较大离子置换,由此在成形玻璃制品的各表面上形成压缩表面层。压缩表面层可耐受刮擦，为成形玻璃制品提供额外的强度。
在方框115处,可施加额外的加工来强化成形玻璃制品,例如边缘精磨、施涂触摸敏感层(例如,氧化铟锡层)、施涂减反射涂层等。
如上所述,平坦的玻璃板基材之内的激光损坏区域可具有不同于最终所需的几何形状的初始几何形状，其用于预补偿在方框111处的再成形过程中的平坦的玻璃板基材的形状变化。图11示意性地显示平坦的玻璃板基材130，其包括限定成形玻璃制品的周界144的多个激光损坏区域145A-145D,限定圆形穿过特征106的激光损坏区域148,和限定狭缝穿过特征107的激光损坏区域147。例如但不限于，由上述穿过特征限定的成形玻璃制品可用作用于手机的盖板玻璃，其中圆形穿过特征106设计为容纳按钮，且狭缝穿过特征107设计成容纳扬声器。
如图11所示,激光损坏区域145A-145D,147,和148具有初始几何形状，其不同于成形玻璃制品100的所需的形状(见图9)。具体来说,可弯曲或弓曲激光损坏区域145A-145D来补偿平坦的玻璃板基材130在再成形过程中的扭曲。如下文所更加详细描述,激光损坏区域145A-145D,147和148与平坦的玻璃板基材130一起改变形状，从而在再成形过程之后它们得到其最终的所需形状。因此,应选定激光损坏区域145A-145D,147和148的初始形状，从而取得最终的所需形状。应理解图11所示的激光损坏线145A-145D,147和148的初始形状仅用于示例，还可形成其它初始形状。应注意，为了示例夸大了图11所示的激光损坏区域的曲线。基于对成形中变形的预测和/或基于实验变形数据，可形成各种激光损坏区域的初始形状。
在激光损坏线之后,通过再成形过程(方框111图10)对平坦的玻璃板基材130进行三维成形。再成形过程可为能对平坦的玻璃板基材进行三维成形从而一种或更多种玻璃制品具有所需形状的任何过程。这种再成形过程包括，但不限于：压制模塑、重力弯垂、压制成形以及局部加热和弯曲。
例如，局部加热和弯曲过程包括使平坦的玻璃板基材到达接近退火点的预热温度。在一非限制性例子中,平坦的玻璃板基材130是康宁(Corning)大猩猩(Gori lla)2318玻璃，其中退火点是约610℃±30℃。然后，将高度局部化的加热施加到待弯曲的平坦的玻璃板基材130的局部区域(例如,图11的局部区域150A-150B)，而大多数的其余的平坦的玻璃板基材130的区域仍然具有高粘度。将粘度保持足够地高，从而在局部加热中施加的热梯度不会导致机械不稳定或玻璃破碎。此外，为了尽可能地保护成形玻璃制品的美观性(cosmetic)，在低粘度下模具不接触玻璃。使用康宁大猩猩(Gori lla)2318玻璃作为示例，使局部区域150A-150D到达为约700℃-780℃的局部温度。局部加热速率可为约+30℃/分钟到+200℃/分钟。然后通过弯垂或施加弯曲动量来弯曲局部区域150A-150B。局部加热和弯曲再成形过程的方面还参见2011年11月22日提交的题目为“用于把材料片弯曲成成形制品的设备和方法(Method and Apparatus for Bending a Sheet of Material into aShaped Article)”的美国专利申请公开号2012/0131961，该文的全部内容通过引用纳入本文。
在所用的再成形过程中，平坦的玻璃板基材所经受的温度应低于玻璃材料的软化点(特别是在弯曲的情况下)，从而不会消除激光书写的损坏。因此,激光损坏区域在再成形过程中得以保存，从而它们可在蚀刻过程中进行选择性蚀刻。
现参考图12,其示意性地显示成形玻璃板基材130′，其中局部区域150A-150B已进行再成形来成形玻璃制品100′。表示成形玻璃制品周界144′的激光损坏区域,以及激光损坏区域147′和148′,已从它们的初始几何形状变化成其所需的几何形状。此外,成形玻璃板基材130′现在包括在成形玻璃制品100′和成形玻璃板基材130′的边缘之间的周界凸缘(flange)部分160，这使得能在后续的过程之间或之中容易地加工成形玻璃板基材130′。尽管显示在成形玻璃板基材130′之内只有单一成形玻璃制品，但应理解一成形玻璃板基材可提供用于多个成形玻璃制品,例如以成形玻璃制品阵列的方式。应指出，因为边缘的独特性(机械地/热学地)，再成形玻璃板以形成完美的挤出形状常常是很复杂的。这些边缘独特性常常在精确曲率分布中诱导具有非均匀性的具体缺陷。通过消除可发生边缘缺陷的边缘(例如,在周界凸缘部分160之内的边缘),可获得基本上不含任何边缘独特性的成形玻璃制品。
在平坦的玻璃板基材通过再成形过程进行再成形之后,在一些实施方式中，可随后对成形玻璃板基材进行退火来去除在制造平坦的玻璃板基材和/或再成形过程(图10的方框112)中产生的内部应力。可使用任意合适的退火过程，例如使成形玻璃板基材通过退火窑(Lehr)。
在本发明的实施方式中，通过对激光书写的成形玻璃板基材进行蚀刻过程(图10的方框113)，来分离玻璃制品和/或形成穿过特征。图13示意性地显示浸没在蚀刻剂浴170的蚀刻剂溶液180中的图12的成形玻璃板基材130′。
如上所述，蚀刻剂溶液优先蚀刻激光损坏区域(在图13中编号为140)，因为这些激光损坏区域之内存在微观裂纹。激光损坏区域和非损坏区域同时受到蚀刻，但蚀刻速率不同。激光损坏区域的微观裂纹破坏化学键，并为蚀刻剂更深地渗透进入玻璃板基材提供路径。因此,激光损坏区域的蚀刻速率大大快于非损坏区域。因此,当蚀刻剂溶液完全蚀刻激光损坏区域时，可切割或以其它方式将成形玻璃制品与成形玻璃板基材130′的其余部分分离。此外，还可以这种方式制造穿过特征例如孔和狭缝。
因此，在一种实施方式中,将碱性铝硅酸盐成形玻璃板基材130′置于蚀刻剂溶液180的蚀刻剂浴170中，其搅拌频率为约40kHz并保持在低于20℃的温度。蚀刻剂溶液包含盐酸和浓度为约1M-约3M的氢氟酸。当氢氟酸浓度大于约2M时,盐酸浓度小于约1M。当氢氟酸浓度为约1M时,盐酸浓度为约1M-约3M。盐酸可用硫酸或硝酸替代。
把成形玻璃制品100从玻璃板基材分离且形成穿过特征之后，可进一步加工成形玻璃制品100(见图9)。在一些实施方式中,成形玻璃制品通过强化过程强化(图10的方框114)。可通过离子交换过程对成形玻璃制品100进行化学强化，在此过程中，用具有相同价态或氧化态的较大的离子代替玻璃表面层中的离子。在具体实施方式中，在表面层中的离子以及所述更大的离子是一价碱金属阳离子，例如Li+(当玻璃中存在的时候)、Na+、K+、Rb+和Cs+。或者，表面层中的一价阳离子可以被碱金属阳离子以外的一价阳离子，例如Ag+、Tl+、Cu+等代替。
图14示意性地显示强化的成形玻璃制品100的一部分。在一个实施方式中，通过离子交换对成形玻璃制品进行化学强化，其中，当把成形玻璃制品放入离子交换浴中时，靠近玻璃表面的较小的钠离子被较大的钾离子替代。用较大的钾离子替代较小的钠离子导致在成形玻璃制品的表面中构建压缩应力层。压缩应力在成形玻璃制品表面的下方延伸到特定的层深度(压缩表面层)。压缩表面层从上部表面131(即,第一压缩表面层190)和底侧表面133(即,第二压缩表面层194)延伸到层深度。通过在成形玻璃制品的中部形成内部张力层192来平衡压缩表面层。
最后，取决于预期应用，可对强化、成形玻璃制品进行进一步加工(方框115)。在一些实施方式中,尽管蚀刻过程去除大多数可能存在的任何边缘缺陷，但可进行机械边缘精磨。此外,可把另外的层施涂到成形玻璃制品上,例如触摸敏感层、减反射涂层、防眩光层等。
现应理解本文所述的实施方式涉及使用激光损坏和化学蚀刻过程从平坦的玻璃板基材制造三维玻璃制品的方法。在平坦的玻璃板基材中绕着要从该平坦的玻璃板基材分离的一种或更多种所需的玻璃制品的边缘形成激光损坏区域,以及绕着一种或更多种所需的玻璃制品的穿过特征(through-features)(例如狭缝、孔等)形成。对平坦的玻璃板基材进行再成形来取得一种或更多种玻璃制品的所需三维形状。形成具有初始几何形状的激光损坏区域，其预补偿(precompensate)平坦的玻璃板基材在再成形过程时的形状变化，从而在再成形过程之后激光损坏区域具有所需的几何形状。在蚀刻过程中，当玻璃板基材接触蚀刻剂溶液时，优先蚀刻激光损坏区域。本文所述的实施方式简化了三维玻璃制品的制造。于再成形过程之前在平坦的玻璃板基材中形成激光损坏区域消除了激光加工成形玻璃板基材(例如,于再成形过程之后形成激光损坏区域)时所需的玻璃零件(假定激光器是静态的)的额外的升降和旋转移动。因此,加工平坦的玻璃板基材可允许更简单的设备和更高的运行速率。与CNC加工相比，选择性蚀刻激光损坏区域得到较高的成形玻璃制品的边缘强度，因为蚀刻降低瑕疵的深度并钝化它们。
应注意，本文可用术语“基本上”和“约”表示可由任何定量比较、数值、测量或其它表示方法造成的内在不确定性。在本文中还使用这些术语表示数量的表示值可以与所述的参比值有一定的偏离程度，但是不会导致审议的主题的基本功能改变。
虽然本文显示和描述了特定实施方式，应理解在不偏离所要求保护的主题的精神和范围时，可进行各种其它盖板和修改。此外，虽然本文描述了所要求保护的主题的各种方面，这种方面不必结合利用。因此，所附权利要求旨在覆盖要求保护的主题内容范围内的所有这些改变和改进。

Claims (21)

1.一种形成玻璃制品的方法，该方法包括：
提供玻璃板基材；
在所述玻璃板基材上平移脉冲激光束以形成从所述玻璃板基材的第一表面延伸到所述玻璃板基材的第二表面的激光损坏区域，其中：
所述激光损坏区域包括多个缺陷线，其中，各个缺陷线形成在所述玻璃板基材的不同深度处；和
将蚀刻剂溶液施加至所述玻璃板基材。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脉冲激光的功率为约0.1W-约0.4W。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脉冲激光的功率为约0.4W-约0.6W。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述玻璃板基材上平移脉冲激光束之前,施涂耐酸涂层，其中在把蚀刻剂溶液施加到玻璃板基材之后,从所述玻璃板基材去除耐酸涂层。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述耐酸涂层包含乙烯丙烯酸、蜡质聚合物和水。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述耐酸涂层的厚度为约1微米-约15微米。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述玻璃板基材包含约5摩尔％-约14摩尔％的碱土金属氧化物。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光损坏区域不接触所述玻璃板基材的边缘。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，向所述玻璃板基材施加所述蚀刻剂溶液的操作包括向所述玻璃板基材喷洒所述蚀刻剂溶液。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，向所述玻璃板基材施加所述蚀刻剂溶液的操作包括把所述玻璃板基材浸没于蚀刻剂溶液的浴中，其中
所述蚀刻剂溶液的浴的温度低于约30℃；和
在约40kHz的超声搅拌频率下搅拌所述蚀刻剂溶液的浴直到基本上去除绕着所述激光损坏区域的一部分玻璃板基材,由此形成成形玻璃制品。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述脉冲激光束以多次通过的方式在所述玻璃板基材上平移；和
在每次通过的时候，调整所述脉冲激光束的聚焦，从而激光损坏区域由在该玻璃板基材本体之内从第一表面延伸到第二表面的多个激光损坏线限定。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脉冲激光束的波长在紫外光谱中，且功率为约0.1W-约2.0W。
13.如权利要求1或12所述的方法，其特征在于，所述蚀刻剂溶液包含约1M-约3M的氢氟酸和盐酸，其中：
如果氢氟酸浓度大于约2M，则盐酸浓度小于约1M；和
如果氢氟酸浓度小于约2M，则盐酸浓度为约1M-约3M。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，该方法还包括：
通过离子交换强化过程强化所述玻璃板基材；和
使用耐酸涂层涂覆玻璃板基材。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括：
通过离子交换强化过程强化所述玻璃板基材；和
使用耐酸涂层涂覆玻璃板基材。
16.一种形成玻璃制品的方法，该方法包括：
提供玻璃板基材；
在所述玻璃板基材上平移脉冲激光束以形成从所述玻璃板基材的第一表面延伸到所述玻璃板基材的第二表面的激光损坏区域，其中：
所述激光损坏区域包括多个缺陷线，其中，各个缺陷线形成在所述玻璃板基材的不同深度处；和
所述激光损坏区域包括初始几何形状；
把所述玻璃板基材浸没于蚀刻剂溶液的浴中；和
搅拌蚀刻剂溶液的浴直到基本上去除绕着激光损坏区域的一部分所述玻璃板基材,由此形成所述成形玻璃制品。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述脉冲激光束的波长在紫外光谱中，且功率为约0.5W-约2.0W。
18.如权利要求16或17所述的方法，其特征在于，所述蚀刻剂溶液包含约1M-约3M的氢氟酸和盐酸，其中：
如果氢氟酸浓度大于约2M则盐酸浓度小于约1M；
如果氢氟酸浓度小于约2M则盐酸浓度为约1M-约3M。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，在约40kHz的超声搅拌频率下搅拌蚀刻剂溶液的浴，并且所述蚀刻剂溶液的浴的温度低于约30℃。
20.如权利要求16所述的方法，其特征在于，在约40kHz的超声搅拌频率下搅拌蚀刻剂溶液的浴，并且所述蚀刻剂溶液的浴的温度低于约30℃。
21.一种玻璃制品，其包括：
权利要求1或16所述的方法形成的玻璃制品，该玻璃制品是玻璃晶片，其包括具有减反射涂层的表面；和
插入层，其粘附到包括减反射涂层的所述玻璃晶片的表面，并且包括多个通孔，其中；
所述插入层没有进行化学强化,和
使用环叠环测试测得，所述插入层在约5kg的力下的失效率为约50％。
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