CN105392751B - 含可光机械加工层的熔合拉制的玻璃层叠结构的机械加工 - Google Patents

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Abstract

可以对具有插入到第一包覆层和第二包覆层之间的芯层的熔合拉制的玻璃层叠进行对玻璃结构进行机械加工的方法。芯层可由具有芯光敏性的芯玻璃组合物形成，第一包覆层可由具有不同于所述芯光敏性的光敏性的玻璃组合物形成，第二包覆层可由具有不同于所述芯光敏性的光敏性的玻璃组合物形成。芯层、第一包覆层和第二包覆层中的至少一个是可光机械加工层。方法可包括将熔合拉制层叠体中的可光机械加工层的选定区域暴露于紫外辐射；对玻璃结构进行加热直至该选定区域结晶；以及从可光机械加工层选择性地去除结晶材料。

Description

含可光机械加工层的熔合拉制的玻璃层叠结构的机械加工
本申请要求2013年3月13日提交的美国申请系列第13/798479号以及2013年2月28日提交的美国临时申请系列第61/770454号的优先权，本文以其为基础并将其全文通过引用结合于此。
技术领域
本发明一般地涉及熔合拉制的玻璃层叠结构，更具体地，涉及对包含至少一层可光机械加工(photomachinable)层的熔合拉制的玻璃层叠结构进行机械加工的方法。
背景技术
熔合拉制的芯-包覆玻璃层叠体在电子领域和光学工业领域具有许多用途。形成通过层叠体的结构(例如孔和通孔)会是困难且不精确的，特别是采用诸如激光钻孔之类的技术。因此，对于具有适于产生简单和复杂结构(包括但不限于孔和通孔)的性质的熔合拉制的芯-包覆玻璃层叠体存在持续需求，还对于将结构机械加工成熔合拉制的芯-包覆玻璃层叠体的方法存在持续需求。
发明内容
根据各个实施方式，揭示了对玻璃结构进行机械加工的方法。根据各个实施方式的方法可用于如下玻璃结构，包括但不限于，熔合拉制的层叠体，其具有插入第一包覆层和第二包覆层之间的芯层。在熔合拉制的层叠体中，芯层可由具有芯光敏性的芯玻璃组合物形成，第一包覆层可由具有第一包覆光敏性的第一包覆玻璃组合物形成，所述第一包覆光敏性不同于所述芯光敏性，以及第二包覆层可由具有第二包覆光敏性的第二包覆玻璃组合物形成，所述第二包覆光敏性不同于所述芯光敏性。芯层、第一包覆层和第二包覆层中的至少一个是可光机械加工层。方法可包括将熔合拉制的层叠体中的至少一层可光机械加工层的至少一个选定区域暴露于紫外辐射，持续一段预定的暴露时间；对玻璃结构进行加热，直至所述至少一个选定区域在可光机械加工层中形成结晶材料的结晶区域；以及选择性地从可光机械加工层去除结晶区域。
在以下的详细描述中提出了本文中描述的实施方式的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的本发明而被认识。
应理解的是，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。
附图说明
图1示意性显示根据本文所示和所述的一个或多个实施方式的玻璃结构的截面图；
图2示意性显示用于制造图1的玻璃结构的熔合拉制法；
图3A-3D示意性显示用于对图1的玻璃结构进行机械加工的方法的实施方式；
图4A-4B示意性显示在图3D的玻璃结构上执行的额外的机械加工步骤的实施方式；
图5A-5D示意性显示在图3D的玻璃结构上执行的额外的机械加工步骤的实施方式，其中，图5A和5B联合显示一个实施方式，图5A、5C和5D联合显示另一个实施方式；
图6A-6E示意性显示在图4A的玻璃结构上执行的离子交换过程的实施方式；
图7A-7E示意性显示用于对图1的玻璃结构进行机械加工的方法的实施方式，其中，芯层的光敏性高于包覆层；
图8A-8F示意性显示用于对图1的玻璃结构进行机械加工，以形成包括通孔的复杂结构的方法的实施方式；
图9A-9B示意性显示用于对图1的玻璃结构进行机械加工的方法的实施方式中执行的表面粗糙化步骤；以及
图10A-10E示意性显示用于对图1的玻璃结构进行机械加工的方法的实施方式，其中，玻璃结构被加工成可用于触摸界面的组件。
具体实施方式
下面详细参考对玻璃结构进行机械加工的方法的实施方式。首先，将参考图1和2对玻璃结构自身进行描述。参考图3A-10E，描述了对玻璃结构进行机械加工的各个方法。
本文所用术语“液相线粘度”指的是玻璃组合物在其液相线温度下的剪切粘度。
本文所用术语“液相线温度”指的是玻璃组合物发生失透的最高温度。
本文所用术语“CTE”指的是玻璃组合物在约为20-300℃温度范围的平均的热膨胀系数。
当使用术语“基本不含”来描述玻璃组合物中不存在一种特定氧化物组分时，指的是该组分以小于约1摩尔％的痕量作为污染物存在于玻璃组合物中。
对于本文所述的玻璃组合物作为玻璃结构的组分时，玻璃组合物的组成组分(例如SiO2、Al2O3以及Na2O等)的浓度是基于氧化物的摩尔百分数(摩尔％)给出的，除非另有说明。本文所述的玻璃组合物的液相线粘度使得它们适合用于熔合拉制法，特别是用作熔合层叠法中的玻璃包覆组合物或玻璃芯组合物。除非另有说明，否则本文所用术语“玻璃”和“玻璃组合物”同时包括了玻璃材料和玻璃陶瓷材料，作为这两类材料的通常理解。类似地，术语“玻璃结构”应理解为包括含有玻璃和/或玻璃陶瓷的结构。
下面将描述用于对玻璃结构进行机械加工的方法中的玻璃结构的例子。下面将描述用于对玻璃结构进行机械加工的方法的实施方式。参见图1，适合用于熔合拉制法的玻璃组合物(包括但不限于本文所述的那些)可用于形成制品，例如如图1的截面图示意性所示的玻璃结构100。玻璃结构100通常包括由芯玻璃组合物形成的芯层102。可将芯层102插入到一对包覆层之间，例如第一包覆层104a和第二包覆层104b之间。第一包覆层104a和第二包覆层104b可分别由第一包覆玻璃组合物和第二包覆玻璃组合物形成。在一些实施方式中，第一包覆玻璃组合物和第二包覆玻璃组合物可以是相同材料。在其他实施方式中，第一包覆玻璃组合物和第二包覆玻璃组合物可以是不同材料。
图1显示芯层102，其具有第一表面103a和与第一表面103a相对的第二表面103b。第一包覆层104a与芯层102的第一表面103a直接熔合，第二包覆层104b与芯层102的第二表面103b直接熔合。玻璃包覆层104a、104b与芯层102融合，且在芯层102和包覆层104a、104b之间不设置任意额外材料，例如粘合剂、聚合物层或涂层等。因此，芯层102的第一表面103a与第一包覆层104a直接相邻，芯层102的第二表面103b与第二包覆层104a直接相邻。在一些实施方式中，通过熔合层叠法来形成芯层102和玻璃包覆层104a、104b。可在芯层102和包覆层104a之间，或者在芯层102和包覆层104b之间，或者上述两种情况下，形成扩散层(未显示)。
在一些实施方式中，本文所述的玻璃结构100的包覆层104a、104b可由第一玻璃组合物形成，所述第一玻璃组合物具有平均包覆热膨胀系数CTE包覆，芯层102可由第二、不同的玻璃组合物形成，所述第二、不同的玻璃组合物具有平均热膨胀系数CTE芯。在一些实施方式中，包覆层104a、104b的玻璃组合物的液相线粘度至少为20千泊。在一些实施方式中，芯层102和包覆层104a、104b的玻璃组合物的液相线粘度小于250千泊。
具体地，根据本发明的一些实施方式的玻璃结构100可由熔合层叠法形成，例如美国专利第4,214,886号所述的方法，其通过引用结合入本文。参见图2，作为举例和进一步描述，用于形成层叠玻璃制品的层叠熔合拉制设备200可包括上等压槽202，其位于下等压槽204的上方。上等压槽202可包括凹槽210，可将熔融的包覆组合物206从熔融器(未显示)进料到所述凹槽210中。类似低，下等压槽204可包括凹槽212，可将熔融的玻璃芯组合物208从熔融器(未显示)进料到所述凹槽212中。在本文所述的实施方式中，熔融的玻璃芯组合物208可以具有合适的高液相线粘度，以溢出下等压槽204。
随着熔融的玻璃芯组合物208填充槽212，其溢流过槽212并流过下等压槽204的成形外表面216、218。下等压槽204的成形外表面216、218在根部220处汇聚。因此，流过成形外表面216、218的熔融的芯组合物208在下等压槽204的根部220再次结合，由此形成层叠的玻璃结构的芯层102。
同时地，熔融组合物206溢流过上等压槽202中形成的槽210，并流过上等压槽202的成形外表面222、224。熔融组合物206具有较低的液相线粘度要求，以在上等压槽202上流动，并且当作为玻璃存在时，会具有等于或小于玻璃芯组合物208的CTE。通过上等压槽202使熔融的包覆组合物206向外偏斜，从而使得熔融的包覆组合物206绕着下等压槽204流动，并与流经下等压槽的外部成形表面216、218的熔融的芯组合物208接触，熔合到熔融的玻璃芯组合物，形成绕着芯层102的包覆层104a、104b。
在如此形成的层叠片中，包覆厚度也会明显薄于芯厚度，从而使得包覆处于压缩，芯处于拉伸。但是，由于CTE差是低的，芯中的拉伸应力的大小会非常低(例如，小于或等于约10MPa)，这会允许较容易地切断拉制的层叠片的生产，原因是其低水平的芯拉伸。从而可以从经由融合拉制设备拉制的层叠结构切断片。在片切割之后，然后可以使得产物经受合适的UV光处理，如下文关于对玻璃结构100进行机械加工的方法所述。
作为示意性实施方式，参见图1和2以及美国专利第4,214,886号的本文所述的通过熔合层叠形成玻璃结构的方法可用于制备玻璃结构100，其中，玻璃包覆层104a、104b具有相同玻璃组成。在其他实施方式中，玻璃结构100的玻璃包覆层104a、104b可由不同玻璃组合物形成。适合形成具有不同组成的玻璃包覆层的玻璃结构的非限制性示例性方法参见共同转让的美国专利第7,514,149号所述，其全文通过引用结合入本文。
本文所揭示的层叠玻璃制品和玻璃结构可用于各种消费者电子器件，包括但不限于，移动电话、个人音乐播放器、平板电脑、LCD和LED显示器以及自动取款机等。在一些实施方式中，层叠玻璃制品可包括一层或多层，它们是不透明、透明或者半透明的，例如源自玻璃组合物的包覆，其中包覆层在热处理之后是不透明、透明或者半透明的。在一些实施方式中，玻璃结构可以是片状玻璃结构。
已经描述了玻璃结构100(其含有具有芯层102和包覆层104a、104b的熔合拉制层叠体)的非限制性、示例性形式，下面将描述对玻璃结构100进行机械加工的方法。参见图1，在对玻璃结构100进行机械加工的示意性方法中，玻璃结构100可包括插入第一包覆层104a和第二包覆层104b之间的芯层102的熔合拉制层叠体。芯层102可由具有芯光敏性的芯玻璃组合物形成。第一包覆层104a可由具有第一包覆光敏性的第一包覆玻璃组合物形成，所述第一包覆光敏性不同于所述芯光敏性。第二包覆层104b可由具有第二包覆光敏性的第二包覆玻璃组合物形成，所述第二包覆光敏性不同于所述芯光敏性。在一些实施方式中，第一包覆玻璃组合物和第二包覆玻璃组合物可以是相同的。在其他实施方式中，第一包覆玻璃组合物和第二包覆玻璃组合物可以是不同的。在此类实施方式中，第一包覆光敏性和第二包覆光敏性可以是相同或不同的。
在一些实施方式中，芯玻璃组合物、第一包覆玻璃组合物和第二包覆玻璃组合物中的任意或全部可以是光敏玻璃组合物。光敏玻璃组合物构成如下一类玻璃或玻璃陶瓷材料，当光敏玻璃组合物暴露于例如UV辐射之类的辐射时，其经受结晶度性质的变化。在一些光敏玻璃组合物中，暴露于辐射可能直接导致结晶度的变化。在其他光敏玻璃组合物中，暴露于辐射可能引起玻璃组合物无法检测到的物理变化，例如形成成核中心。在此类光敏玻璃组合物中，一旦形成成核中心，可以通过向玻璃组合物施加热处理来完成结晶度的变化。
具体玻璃的光敏性相对于光敏性玻璃的实际组成发生变化。不是所有的玻璃组合物都是光敏性的，因此，真正非光敏性玻璃应该在本文中描述为具有零光敏性。类似地，展现出光敏性的玻璃组合物应该限定为具有非零光敏性。除非另有说明，否则本文描述玻璃组合物具有“芯光敏性”、“第一包覆光敏性”或“第二包覆光敏性”不一定展现出光敏性，并且可具有零光敏性(即，可以是非光敏性的)或者非零光敏性(即，可展现出光敏性)。
可以客观地确定具有非零光敏性的两种玻璃组合物的相对光敏性。例如，可以将具有相等厚度的每种组合物的片材暴露于辐射(例如UV辐射)，持续各种时间，之后进行热处理，以确定在热处理之后，允许每种片材的整个厚度上形成次晶相的最小辐射暴露时间。适用于本文所述的实施方式，具有比第二光敏性玻璃组合物短的最小辐射暴露时间的第一光敏性玻璃组合物应该被认为是光敏度大于第二光敏性玻璃组合物的光敏度。相反地，具有比第二光敏性玻璃组合物长的最小辐射暴露时间的第一光敏性玻璃组合物应该被认为是光敏度小于第二光敏性玻璃组合物的光敏度。
适用于本文的光敏性和/或可光机械加工的玻璃组合物可包括碱土铝硼硅酸盐玻璃，硼硅酸锌玻璃和钠钙玻璃，但不限于此。光敏性和/或可光机械加工的玻璃组合物还可包括玻璃陶瓷，例如富集了氧化镁、氧化钇、氧化铍、氧化铝或氧化锆的玻璃。适合用于本文的实施方式的示意性光敏性玻璃组合物包括美国专利第7,241,559号、第7,262,144号和第7,829,489号所述的那些，其通过引用结合入本文。在一些实施方式中，购自康宁有限公司(Corning Incorporated)的可以是合适的光敏性玻璃组合物。玻璃的组成如下：79.3重量％的SiO2、1.6重量％的Na2O、3.3重量％的K2O、0.9重量％的KNO3、4.2重量％的Al2O3、1.0重量％的ZnO、0.0012重量％的Au、0.115重量％的Ag、0.015重量％的CeO2、0.4重量％的Sb2O3以及9.4重量％的Li2O。适合用于本文所述实施方式的其他非限制性、示例性的光敏性玻璃见下表1。
表1：示例性光敏性玻璃组合物
组成(重量％)
组成(摩尔％)
根据一些实施方式，在熔合拉制的玻璃结构的层叠体中，芯层102、第一包覆层104a和第二包覆层104b中的至少一层是可光机械加工层。对此，芯层102、第一包覆层104a和第二包覆层104b中的所述至少一层可光机械加工层的玻璃组成是可光机械加工的玻璃组合物。本文所用术语“可光机械加工玻璃组合物”指的是具有非零光敏度的玻璃组合物，使得玻璃组合物在暴露于辐射(例如UV辐射)以及任选的热处理之后，形成次晶相。
此外，在可光机械加工玻璃组合物中，在辐射暴露和任选的热处理之后形成的次晶相能够通过物理或化学过程(例如选择性蚀刻)被选择性地去除。举例来说，可以通过如下方式实现次晶相的选择性去除：次晶相与玻璃组合物未暴露于辐射部分在蚀刻剂介质(例如氢氟酸)中的溶解度差异。溶解度差异可导致蚀刻速率差异，其中，次晶相的蚀刻可以比材料未暴露于辐射的部分快至少1.5倍，快至少2倍，快至少5倍，快至少10倍，快至少20倍或者甚至快至少100倍。该蚀刻速率和/或溶解度差异的特征可以存在于或者不存在于所有光敏性玻璃组合物中。因而，作为本文所用术语，所有可光机械加工的玻璃组合物都是具有非零光敏度的光敏性玻璃组合物，但是光敏性玻璃组合物不一定是可光机械加工的。此外，虽然在一些实施方式中，芯层102、第一包覆层104a和第二包覆层104b中的一个或多个可以既不是光敏性也不是可光机械加工的，但是在此类实施方式中，芯层102、第一包覆层104a和第二包覆层104b中的至少一个同时是光敏性和可光机械加工的。
根据用于对玻璃结构100进行机械加工的方法的各个实施方式(例如上文所述的那些)，机械加工可以包括将熔合拉制的层叠体中的至少一层可光机械加工层的至少一个选定区域暴露于紫外辐射，持续一段预定的暴露时间。机械加工还可包括加热玻璃结构直至所述至少一个选定区域在可光机械加工层中形成结晶材料的结晶区域。机械加工还可包括从可光机械加工层选择性地去除结晶区域。下面将一般地描述用于对玻璃结构100进行机械加工的方法的上述组成，下文将详细描述方法的组成的具体示意性实施方式。
在示意性实施方式中，将熔合拉制的层叠体中的至少一层可光机械加工层的所述至少一个选定区域暴露于紫外辐射，持续一段预定的暴露时间。在一些实施方式中，所述至少一个选定区域可包括一个毗邻区域或者多个不毗邻区域。在其他实施方式中，所述至少一个选定区域可包括整个可光机械加工层。在示意性实施方式中，所述至少一个选定区域可包括一部分的第一包覆层104a、一部分的第二包覆层104b、整个第一包覆层104a、整个第二包覆层104b，或者它们的组合。应理解的是，当整个层暴露于UV辐射时，在下文所述的热处理和后续选择性去除之后，可以从玻璃结构100完全去除完全暴露的层(或多层)，作为牺牲层。
在UV暴露过程中，根据一些实施方式，紫外辐射120可具有约100-400nm的波长，例如约290-300nm。预定的暴露时间可以是5秒至数小时，例如约3分钟至约2小时。在一些实施方式中，可以改变紫外辐射的强度以影响实现后续热处理过程中形成次相的物理过程的动力学。在给定玻璃结构中，紫外辐射所能实现的形成次相的深度可取决于UV辐射的波长、暴露时间长度以及暴露强度。
在示意性实施方式中，可以在暴露于紫外辐射之后进行玻璃结构的加热。可加热到至少使得所述至少一个选定区域在可光机械加工层中形成结晶材料的结晶区域。在一些实施方式中，可以在约300-900℃的温度下进行加热，这取决于可光机械加工层的组成。例如，一些可光机械加工组合物可以在约300-500℃(或者约500-650℃)的温度下进行热处理。
在示意性实施方式中，选择性地从可光机械加工层去除结晶区域包括利用以下一种或两种优势：相比于未暴露的可光机械加工材料，次晶相的不同的溶解度或不同的蚀刻速率。去除结晶区域可包括如下蚀刻技术，例如沉浸、超声蚀刻或喷雾，例如在合适的蚀刻剂(例如氢氟酸)中。对于蚀刻剂，应理解的是，可以使用任意蚀刻剂，其中次晶相具有比未暴露的可光机械加工材料大例如5倍、10倍、20倍或者甚至100倍的溶解度或蚀刻速率差异。如上文所述，如果整个层，例如第一包覆层104a、第二包覆层104b或者它们同时暴露于UV辐射，则选择性去除过程可能导致整个层的去除，其从而作为牺牲层。
下面将参见图3A-10E描述对玻璃结构100进行机械加工并且包括一般的暴露、加热和去除行为的方法的具体示意性实施方式。
首先参见图3A和3C，玻璃结构100可包括插入第一包覆层104a和第二包覆层104b之间的芯层102。芯层可具有芯光敏度，其小于第一包覆层104a的第一包覆光敏度和第二包覆层104b的第二包覆光敏度。第一包覆光敏度和第二包覆光敏度可以是相同或不同的。在图3A和3B的实施方式中，至少第一包覆层104a是可光机械加工的。在图3C和3D的实施方式中，至少第一包覆层104a和第二包覆层104b是可光机械加工的。每个实施方式中的芯层102可具有零光敏度或者非零光敏度，并且可以是可光机械加工的或者不是可光机械加工的。
在图3A的实施方式中，通过具有孔115的光掩模110将第一包覆层104a暴露于UV辐射120，所述孔115限定了待暴露于UV辐射120的第一包覆层104a的选定区域。玻璃结构100的热处理可导致图3B的玻璃结构100，其中在对应于光掩模110中的孔115的位置形成了结晶区域130。因为芯层光敏性小于第一包覆光敏性，图3A所示的暴露于UV辐射120或者用于形成图3B的玻璃结构100的热处理参数中的至少一个不足以实现在芯层102中形成结晶区域。应理解的是，UV辐射120可渗透进入或通过芯层102，并且还可渗透进入或通过第二包覆层104b。因而，在一些实施方式中，如果第一包覆光敏度和第二包覆光敏度明显大于芯光敏度，则如图3A所示的来自玻璃结构100一侧的单个UV暴露以及之后的热处理可导致图3D的玻璃结构100，同时在第一包覆层104a和第二包覆层104b中形成结晶区域130a、130b。
在图3C的实施方式中，通过具有孔115a的第一光掩模110a将第一包覆层104a暴露于UV辐射120a，所述孔115a限定了待暴露于UV辐射120a的第一包覆层104a的选定区域。类似地，通过具有孔115b的第二光掩模110b将第二包覆层104b暴露于UV辐射120b，所述孔115b限定了待暴露于UV辐射120b的第二包覆层104b的选定区域。虽然在一些实施方式中，第一光掩模110a和110b的孔115a、115b可以垂直对准，但是它们不必是垂直对准的。应理解的是，UV辐射120a、12b可渗透进入或者甚至通过芯层102。玻璃结构100的热处理可导致图3D的玻璃结构100，其中在对应于第一光掩模110a和第二光掩模110b中的孔115a、115b的位置形成了结晶区域130a、130b。因为芯层光敏性小于第一包覆光敏性，图3C所示的暴露于UV辐射120a、12b或者用于形成图3D的玻璃结构100的热处理参数中的至少一个不足以实现在芯层102中形成结晶区域。
还可通过如下方式对图3D的玻璃结构100进行加工：通过合适的技术(例如蚀刻)，从第一包覆层104a和第二包覆层104b选择性地去除结晶区域130a、130b。在该去除之后所得到的结构如图4A所示，其中，在第一包覆层104a和第二包覆层104b中留下孔结构140a、140b。在一些实施方式中，孔结构140a、140b是基本圆形形状。不希望受到理论的限制，相信选择性地去除可光机械加工玻璃组合物的结晶区域可有助于形成基本圆形的孔结构140a、140b，其无法由常规选择性去除或蚀刻技术精确得到。
参见图4B，如果所述孔结构140a、140b在玻璃结构100中垂直对准，物理或化学蚀刻技术可用于去除芯层102在孔结构140a、140b之间的部分，从而形成通孔150a、150b，其可作为例如通路孔。因此，在一些实施方式中，对玻璃结构100进行机械加工的方法可包括通过第一包覆层104a和第二包覆层104b中的孔结构140a、140b对芯层102进行蚀刻，以形成玻璃结构100中的通孔150a、150b。
在对玻璃结构100进行机械加工的方法的一些实施方式中，可以将具有结晶区域130a、130b的玻璃结构100(例如如图3D和5A所示)再次暴露于辐射，例如UV辐射120a、120b。当已经具有结晶区域130a、130b的玻璃结构100再次暴露于辐射时，结晶区域130a、130b可遮蔽结晶区域130a、130b下方或者与其直接相邻的芯层102的部分免受任意辐射暴露。在一些实施方式中，进行的UV辐射的额外暴露具有合适的参数，例如强度、波长和持续时间，其实现了芯层102、第一包覆层104a和第二包覆层104b在热处理之后结晶。例如，图5B的玻璃结构100显示如下结构的一个实施方式，该结构可以是由于在暴露于辐射之后，在对图5A的玻璃结构的热处理之后导致的。在图5B的玻璃结构100中，第一包覆层104a和第二包覆层104b在所有方向都完全结晶。芯层102包含结晶芯区域135和未结晶芯区域155a、155b。未结晶芯区域155a、155b可代表芯层102被第一包覆层104a和第二包覆层104b中的结晶区域130a、130b遮蔽免受UV辐射暴露的部分。
在其他实施方式中，可以在所述UV暴露之后，但是在导致图5C的玻璃结构100的任意热处理之前，从图5A的玻璃结构100去除第一包覆层104a和第二包覆层104b的结晶区域130a、130b。在此类实施方式中，可以对第一包覆层104a和/或第二包覆层104b的组成进行选择，使得仅在UV暴露和后续的热处理的情况下，而不是在单独的UV暴露的情况下，发生结晶。以这种方式形成的图5C的玻璃结构100可含有孔结构140a、140b。这之后，图5C的玻璃结构100(其中，所有的层已经暴露于UV辐射120，如图5A所示)可经受热处理，以导致图5D的玻璃结构100。类似于图5B的玻璃结构100，在图5D的玻璃结构100中，所有的第一包覆层104a和第二包覆层104b全部结晶，芯层102同时包括结晶芯区域135和未结晶芯区域155a、155b。但是，不同于图5B的玻璃结构，在图5D的玻璃结构100中，在第一包覆层104a和第二包覆层104b中存在孔结构140a、140b。
现参见图6A-6E，用于对玻璃结构进行机械加工的方法的其他实施方式可额外地包括使得玻璃结构经受离子交换过程。在一些实施方式中，离子交换过程可包括用其他元素(例如钾)来替换玻璃组合物中的某些元素(例如钠)，以对全部或部分的玻璃组合物进行强化。在一些实施方式中，由上文所述形成的具有孔140a、140b的图6A的玻璃结构100可经受离子交换过程。本文所用术语“离子交换的”表示玻璃通过本领域技术人员已知的离子交换过程进行强化。此类离子交换过程包括但不限于，用包含离子的加热溶液处理所述加热的碱金属铝硅酸盐玻璃，所述加热的溶液中包含的离子的离子半径大于玻璃表面中存在的离子，从而用较大的离子代替较小的离子。例如，钾离子可以代替玻璃中的钠离子。或者，具有较大原子半径其它的碱金属离子，例如铷或铯可以代替玻璃中的较小的碱金属离子。类似的，其它的碱金属盐，例如但不限于硫酸盐以及卤化物等，可以用于离子交换过程。在一个实施方式中，通过将下拉的玻璃放置在包含KNO3的熔融盐浴中一段预定的时间，以进行离子交换，从而对其进行化学强化。在一个实施方式中，熔融盐浴的温度约为430℃，预定的时间约为8小时。
例如，在图6B的实施方式中，离子交换过程可以持续直至在部分的第一包覆层104a、第二包覆层104b以及甚至是靠近孔结构140a、140b的芯层102中形成离子交换的区域160a、160b，但是持续的时间仅仅是不会导致通过包覆层104a、104b的整个厚度的离子交换。例如，在图6C的实施方式中，离子交换过程可以持续直至第一包覆层104a和第二包覆层104b是离子交换的区域160a、160b，并且离子交换的区域160a、160b可任选地延伸进入芯层102。例如，在图6D的实施方式中，离子交换过程可以持续直至离子交换层160在整个玻璃结构100是毗邻的，使得第一包覆层104a和第二包覆层104b的全部部分是离子交换的，并且延伸通过芯层102的整个厚度的芯层102的区域也是离子交换的。在一些实施方式中，参见图6E，离子交换区域160在整个玻璃结构100是毗邻的，在玻璃结构100的区域中，芯层102在其整个厚度是离子交换的，玻璃结构可在破裂线170破裂，所述破裂线170可容易地形成在芯层102的离子交换的部分中。离子交换过程以及可用于离子交换过程的合适的示例性玻璃组合物参见美国专利第7,666,511号所述，其全文通过引用结合入本文。
现参见图7A-7E，在用于对玻璃结构进行机械加工的方法的一些实施方式中，芯层102的芯光敏度可大于第一包覆层104a的第一包覆光敏度。在此类实施方式中，芯光敏度还可大于第二包覆层104b的第二包覆光敏度。从而，当图7A的玻璃结构100通过光掩模(例如具有孔115的第一光掩模110a和具有孔115b的第二光掩模110b)暴露于辐射(例如UV辐射120a、120b)时，持续合适的时间且处于合适的波长和强度，玻璃结构的热处理可导致例如图7B或图7D的玻璃结构。在此类实施方式中，可任选地将UV辐射120聚焦通过第一包覆层104a，以导致UV暴露对于芯层102的窄柱。
如图7B的玻璃结构100的实施方式所示，其中芯光敏度大于第一包覆层104a的第一包覆光敏度，辐射暴露不足以实现芯层102的结晶，以形成一直延伸通过芯层102的结晶芯区域135。在一些实施方式中，可通过合适的技术(例如蚀刻)去除结晶芯区域135，以形成具有去除的芯部分145的图7C的玻璃结构100。如果使用蚀刻，在一些实施方式中，可能需要为蚀刻剂提供到达结晶芯区域135的路径。在此类实施方式中，可以进行任选的额外的物理处理(例如，激光钻孔)，以在包覆层104a、104b中形成孔或空穴。在图7D的玻璃结构100中，提供到图7A的玻璃结构100的辐射暴露足以实现芯层102的结晶，以形成一直延伸通过芯层102的结晶芯区域135。因此，去除的芯部分145延伸通过芯层102从第一包覆层104a到第二包覆层104b的整个深度。
现参见图8A-8F，用于对玻璃结构进行机械加工的方法的示例性实施方式可结合多次辐射暴露和/或人处理，以形成复杂形状和通孔。在图8A-8F的非限制性、示意性实施方式中，芯光敏度小于第一包覆光敏度和第二包覆光敏度。通过如下方式制备图8C的玻璃结构100：将图8A的玻璃结构100暴露于辐射，然后进行热处理以形成图8B的玻璃结构100，然后去除结晶区域130a、130b，如上文详细描述的那样。根据一些实施方式，方法可包括将图8C的玻璃结构第二次暴露于辐射，如图8D所示，从而辐射穿过包覆层104a、104b中的孔结构140a、140b，仅仅渗透芯层102。
在图8A的光掩模110a、110b中，孔115a、115b比图8D的光掩模112a、112b的孔117a、117b宽。当进行图8D的暴露过程时，UV辐射不再进入包覆层104a、104b，因为包覆层104a、104b通过光掩模112a、112b可见的部分已经被去除了。从而，当对图8D的玻璃结构100进行热处理时，可以形成图8E的玻璃结构100。在图8E的玻璃结构中，包覆层104a、104b含有孔结构140a、140b，芯层102含有结晶芯区域135a、135b，其从玻璃结构100的相对侧上的孔结构140a、140b延伸。在一些实施方式中，可通过合适的技术(例如蚀刻)去除结晶芯区域135a、135b，以形成图8F的玻璃结构100。在图8F的玻璃结构100中，去除的芯部分145a、145b是通孔或通路孔，其连接了玻璃结构100的相对侧上的包覆层104a、104b中的孔结构140a、140b。
现参见图9A和9B，用于对玻璃结构进行机械加工的方法的示例性实施方式还可包括表面处理，例如对玻璃结构进行蚀刻或表面粗糙化。上文已经描述了用于制备图9A的玻璃结构100的示意性路径。在一些实施方式中，可以对图9A的玻璃结构100进行蚀刻或粗糙化，以产生图9B的玻璃结构100。在图9B的玻璃结构100中，包覆层104a、104b包括粗糙化的包覆表面106a、106b。孔结构140a、140b包括粗糙化的孔表面142a、142b。取决于蚀刻时间、所使用的蚀刻处理以及蚀刻剂的特性和浓度，可以使得仅存在于图9A的玻璃结构100的包覆层104a、104b中的孔结构140a、140b延伸进入芯层102至所需深度，如图9B的玻璃结构100中那样。
现参见图10A-10E，在示意性实施方式中，本文所述的方法可用于将玻璃结构100成形为流体组件，例如触摸界面，如美国专利第8,179,375号所述，其通过引用结合入本文。但是，在图10A-10E的实施方式中，可以由快速蚀刻玻璃(其可以是，但不必须是光敏性或可光机械加工的)形成包覆层104a、104b。快速蚀刻玻璃可以是能够与上文所述的可光机械加工的玻璃组合物(特别是可光机械加工芯层)熔合拉制的任意玻璃组合物。在一些实施方式中，快速蚀刻玻璃组合物在蚀刻剂(例如氢氟酸)中的蚀刻速率或溶解度可以比可光机械加工芯层的相同特性高至少1.5倍、高至少2倍、高至少5倍、高至少10倍、高至少20倍或者高至少100倍。在一些实施方式中，合适的快速蚀刻玻璃可包括美国专利第4,880,453号中所述的那些，其全文通过引用结合入本文。相信美国专利第4,880,453号的每种快速蚀刻玻璃具有零光敏度或者接近零的光敏度。适用于本文的其他示例性快速蚀刻玻璃组合物见表2所示，其中一些组合物可能是光敏性和/或可光机械加工的，其他可能既不是光敏性也不是可光机械加工的。
表2：示例性的快速蚀刻玻璃组合物
图10A的玻璃结构100包括插入第一包覆层104a和第二包覆层104b之间的可光机械加工玻璃组合物的芯层102。包覆层104a、104b都由上文所述的快速蚀刻玻璃组合物形成，并且可以由相同或不同材料形成。可以施加掩膜层113a、113b以覆盖包覆层104a、104b。在一些实施方式中，掩膜层113a、113b可以是光掩模，从而包覆层104a、104b可以完全地涂覆有掩膜层113a、113b，掩膜层可以在辐射(例如UV辐射)下固化，可以去除部分掩膜层113a、113b以暴露出包覆层104a、104b待蚀刻的部分。在其他实施方式中，可以将掩膜层113a、113b选择性地施加到包覆层104a、104b不打算被蚀刻掉的部分上。无论如何，可以通过合适的技术(例如激光钻孔或湿蚀刻或干蚀刻)，去除包覆层104a、104b没有被掩膜层113a、113b覆盖的部分，例如掩膜层113a的孔115内的那些部分。部分包覆层104a、104b的去除可导致图10B的玻璃结构，其中在第一包覆层104a中存在孔结构140，在去除了一部分的第二包覆层104b之后，芯层102发生暴露。在图10C的实施方式中，可以将具有孔117的光掩模112放在第一包覆层104a的上方，可以将芯层102通过孔117暴露于辐射(例如UV辐射120)。图10C的玻璃结构的热处理可产生图10D的玻璃结构100，其中在芯层102暴露于UV辐射120的部分中形成结晶芯区域135。图10D的芯层102还包括未结晶芯区域155，其是在芯层102在暴露于UV辐射过程中的光掩模112下方的部分中。
可以通过合适的技术(例如上文所述的选择性蚀刻)从图10D的玻璃结构100去除结晶芯区域135，以导致图10E的玻璃结构。图10E的玻璃结构包括第一包覆层104中的孔结构140，空心室180和流体通道185。当用作美国专利第8,179,375号所述的触摸用户界面时，空心室180可填充流体(例如水)并被弹性体片覆盖。可以将腔设计成具有两种体积设定：折回体积设定和延伸体积设定。当转移装置使得腔向外膨胀时，形成按钮状形状。对于按钮装形状，当为可触摸电子器件提供输入时，用户会具有触觉指引。
因此，揭示了用于对玻璃结构进行机械加工的方法，所述玻璃结构包括熔合拉制的芯-包覆层叠体，其包括至少一层可光机械加工层。本文所述方法可用于各种方式来制造经机械加工的层叠结构，其可用于例如光学应用和电子应用。
本领域的技术人员显而易见的是，可以在不偏离要求专利权的主题的精神和范围的情况下，对本文所述的实施方式进行各种修改和变动。因此，本说明书旨在涵盖本文所述的各种实施方式的修改和变化形式，只要这些修改和变化形式落在所附权利要求及其等同内容的范围之内。

Claims (20)

1.一种对玻璃结构进行机械加工的方法，
所述玻璃结构包括熔合拉制层叠体，该熔合拉制层叠体具有插入第一包覆层和第二包覆层之间的芯层；
所述芯层由具有非零芯光敏度的芯玻璃组合物形成；
所述第一包覆层由具有第一包覆光敏度的第一包覆玻璃组合物形成，所述第一包覆光敏度不同于所述芯光敏度；
所述第二包覆层由具有第二包覆光敏度的第二包覆玻璃组合物形成，所述第二包覆光敏度不同于所述芯光敏度；以及
所述芯层、第一包覆层和第二包覆层中的至少一个是可光机械加工层，
所述方法包括：
将所述熔合拉制层叠体中的至少一层可光机械加工层的至少一个选定区域暴露于紫外辐射，持续一段预定的暴露时间；
加热所述玻璃结构直至所述可光机械加工层中的所述至少一个选定区域形成结晶材料的结晶区域；以及
从所述可光机械加工层选择性地去除所述结晶区域。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述芯层、第一包覆层和第二包覆层分别是可光机械加工层；以及
所述第一包覆光敏度和第二包覆光敏度都大于所述芯光敏度。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
将所述第一包覆层的第一组多个选定区域和所述第二包覆层的第二组多个选定区域暴露于所述紫外辐射；以及
在所述加热过程中，所述第一包覆层中的所述第一组多个选定区域形成结晶区域，所述第二包覆层中的所述第二组多个选定区域形成结晶区域。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，通过至少一个具有孔的光掩模进行所述暴露，所述孔限定了所述第一组多个选定区域和/或所述第二组多个选定区域。
5.如权利要求4所述的方法，该方法还包括：
在加热所述玻璃结构之后以及在去除所述结晶区域之前，将所述玻璃结构第二次暴露于紫外辐射，使得第一部分的所述芯层得到所述结晶区域的遮蔽免受所述紫外辐射，第二部分的所述芯层没有得到遮蔽免受所述紫外辐射；以及
加热所述玻璃结构直至所述芯层的未遮蔽部分发生结晶。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在将所述玻璃结构第二次暴露于紫外辐射之后以及在加热所述玻璃结构直至所述芯层的未遮蔽部分发生结晶之前，去除所述结晶区域。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一组多个选定区域和所述第二组多个选定区域垂直对准，所述方法还包括去除所述芯层在所述第一组多个选定区域和所述第二组多个选定区域之间的部分，以形成通过所述玻璃结构的通孔。
8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，去除所述结晶区域在所述第一包覆层和/或所述第二包覆层中形成孔结构。
9.如权利要求8所述的方法，该方法还包括：
在加热所述玻璃结构以及去除所述结晶区域之后，将所述玻璃结构第二次通过具有孔的光掩模暴露于紫外辐射，所述孔与所述孔结构对准并且小于孔结构；以及
在该第二次暴露之后加热所述玻璃结构，直至所述芯层的至少一个结晶芯区域发生结晶。
10.如权利要求9所述的方法，该方法还包括去除所述结晶芯区域，以形成至少一个通孔，所述通孔从所述玻璃结构的相对侧上的孔结构延伸。
11.如权利要求8所述的方法，该方法还包括对所述第一包覆层、第二包覆层和孔结构的表面进行蚀刻，以在所述第一包覆层和第二包覆层上形成粗糙化的包覆表面以及在所述孔结构中形成粗糙化的孔表面。
12.如权利要求1所述的方法，该方法还包括在去除所述结晶区域之后，使得所述玻璃结构经受离子交换过程。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，使得所述玻璃结构经受离子交换过程包括使得所述离子交换过程至少持续至所述第一包覆层和第二包覆层在它们的整个厚度上是经离子交换的。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，使得所述玻璃结构经受离子交换过程包括使得所述离子交换过程至少持续至形成毗邻的离子交换层，其包括部分所述第一包覆层、部分所述第二包覆层和部分所述芯层。
15.如权利要求14所述的方法，该方法还包括在破裂线处破裂所述玻璃结构，所述破裂线形成在所述芯层的经离子交换的区域中。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一包覆光敏度和第二包覆光敏度都小于所述芯光敏度。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述结晶区域形成在所述芯层中，而没有形成在所述第一包覆层或第二包覆层中。
18.如权利要求16所述的方法，该方法还包括钻孔通过所述第一包覆层和/或第二包覆层，以提供使得蚀刻剂到达所述芯层中的所述结晶区域的路径。
19.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一包覆光敏度和第二包覆光敏度都是零；以及所述第一包覆玻璃组合物和第二包覆玻璃组合物是快速蚀刻玻璃组合物，所述第一包覆玻璃组合物和第二包覆玻璃组合物在蚀刻剂中的包覆溶解度分别是所述芯玻璃组合物在所述蚀刻剂中的芯溶解度的至少1.5倍。
20.如权利要求19所述的方法，在将所述可光机械加工层暴露于所述紫外辐射之前，该方法还包括：
在至少一部分的所述第一包覆层、至少一部分的所述第二包覆层或者至少一部分的所述第一包覆层和所述第二包覆层上施加掩膜层；以及
去除所述第一包覆层和/或所述第二包覆层没有被所述掩膜层覆盖的部分。
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