CN114096491A - 含氧化钇的玻璃基板 - Google Patents

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CN114096491A CN202080050279.8A CN202080050279A CN114096491A CN 114096491 A CN114096491 A CN 114096491A CN 202080050279 A CN202080050279 A CN 202080050279A CN 114096491 A CN114096491 A CN 114096491A
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Abstract

一种玻璃基板，包括：约45摩尔％至约70摩尔％的SiO2、约15摩尔％至约30摩尔％的Al2O3、约7摩尔％至约20摩尔％的Y2O3和视情况0摩尔％至约9摩尔％的La2O3。所述玻璃基板具有高模量和断裂韧性。

Description

含氧化钇的玻璃基板
相关申请的交叉引用
本申请依据35 U.S.C.§119要求2019年6月19日提交的美国临时专利申请第62/863,550号的优先权，该申请时本申请的基础且全文以引用方式并入本文。
技术领域
本公开内容大体上涉及玻璃组成物。更特别地，本发明公开的目标涉及具有高模量和断裂韧性的玻璃基板。
背景技术
由诸如玻璃等光学透明材料制成的平坦或弯曲基板用于平坦面板显示器、光伏装置和其他合适的应用。薄膜晶体管(TFT)可建立于玻璃基板上用于显示应用。为了满足处理和性能要求，用于显示应用的玻璃组成物需要具有光学清晰度、良好的热和机械性能还有尺寸稳定性。此外，金属离子扩散到薄膜晶体管内会损坏晶体管，因此需要避免。
硬玻璃还用于信息记录盘，如磁盘、光盘和硬盘机(HDD)中的存储器盘。对存储器盘中更高的数据储存容量和性能的需求也驱使了对具有改善的性能的玻璃组成物的需求。
玻璃是一种脆性材料，在使用过程中有时会破裂。市售玻璃的断裂韧性通常为接近0.8MPa*m0.5或低于0.8MPa*m0.5。仍然需要获得具有高断裂韧性的玻璃以改善抗损伤性和/或掉落表现(drop performance)。
发明内容
本公开内容提供了玻璃组成物、玻璃基板、其制造方法和其使用方法。本公开内容还提供了包含这种玻璃组成物或玻璃基板的制品，以及包含这种玻璃基板(其具有这种玻璃组成物)的装置。
根据一些实施例，玻璃基板包含：
约45摩尔％至约70摩尔％的SiO2；
约15摩尔％至约30摩尔％的Al2O3；
约7摩尔％至约20摩尔％的Y2O3；和
视情况0摩尔％至约9摩尔％的La2O3。
在一些实施例中，玻璃基板包含约27摩尔％至约43摩尔％的R2O3，且其中R2O3总共包含Al2O3、Y2O3和La2O3。R2O3含量的适当范围的示例包括，但不限于：约28摩尔％至约40摩尔％、约30摩尔％至约40摩尔％或约32摩尔％至约38摩尔％。在一些实施例中，玻璃基板的[(Y2O3+La2O3)/Al2O3]摩尔比在从约0.3至约1.7的范围内，例如，从约0.5至约1.7，或从约1至约1.5。
在玻璃基板中，存在任何适当范围的SiO2。适当范围的示例包括，但不限于：约50摩尔％至约70摩尔％、约52摩尔％至约70摩尔％、约52摩尔％至约66摩尔％、约54摩尔％至约66摩尔％或约60摩尔％至约66摩尔％。
在一些实施例中，Al2O3的含量等于或高于15摩尔％。Al2O3的适当范围的示例包括，但不限于：约16摩尔％至约30摩尔％、约17摩尔％至约30摩尔％、约18摩尔％至约30摩尔％、约18摩尔％至约28摩尔％或约18摩尔％至约25摩尔％。
在一些实施例中，Y2O3的含量等于或高于7摩尔％。Y2O3的适当范围的示例包括，但不限于：约8摩尔％至约20摩尔％、约9摩尔％至约20摩尔％、约7摩尔％至约16摩尔％、约7摩尔％至约15摩尔％、约8摩尔％至约16摩尔％或约10摩尔％至约16摩尔％。
视情况存在La2O3。La2O3的适当范围的示例包括，但不限于：约0.1摩尔％至约9摩尔％、约1摩尔％至约9摩尔％、约2摩尔％至约9摩尔％或约3摩尔％至约9摩尔％。当玻璃基板包含La2O3时，此类玻璃基板不含有B2O3。
在一些其他实施例中，玻璃基板进一步包含0摩尔％至约6摩尔％的B2O3，例如，0.1摩尔％至约6摩尔％的B2O3，或0.1摩尔％至约1摩尔％的B2O3。当加入B2O3时，玻璃基板实质上不含La2O3。
玻璃基板可进一步包含0摩尔％至约6摩尔％的MgO，例如，0至约5摩尔％、0至约4摩尔％、0至约3摩尔％、约0.1％至约5摩尔％、约0.1％至约4摩尔％、约0.1摩尔％至约3摩尔％。
玻璃基板还可进一步包含0摩尔％至约12摩尔％的碱金属氧化物，如Li2O、Na2O、K2O或以上者的组合。
在一些实施例中，(Al2O3–R2O–RO)的摩尔百分比差值在约7至约22的范围内，例如，约7.1至约21.6、约10至约20或约15至约20。R2O包含碱金属氧化物，其选自由Na2O、K2O和以上者的任何组合组成的组。RO包含碱土金属氧化物，其选自由MgO、SrO、BaO和以上者的任何组合组成的组。玻璃基板实质上不含CaO。
在一些实施例中，除了CaO之外，玻璃基板实质上不含CaO、Eu2O3、Nb2O3、Si3N4、WO3、ZrO4和TiO2。
根据一些实施例，本公开内容提供了基本上由以下组成的玻璃基板：
约45摩尔％至约70摩尔％的SiO2；
约15摩尔％至约30摩尔％的Al2O3；
约7摩尔％至约20摩尔％的Y2O3；
0摩尔％至约9摩尔％的La2O3；
0摩尔％至约6摩尔％的MgO；和
0摩尔％至约12摩尔％的碱金属氧化物，其选自由Li2O、Na2O、K2O和以上者的组合组成的组。
玻璃基板包含约27摩尔％至约43摩尔％的R2O3，其中R2O3总共包含Al2O3、Y2O3和La2O3。玻璃基板具有的[(Y2O3+La2O3)/Al2O3]的摩尔比在从约0.3至约1.7的范围内。如本文所述，La2O3、B2O3、MgO和碱金属氧化物(如Na2O和K2O)为视情况存在的。在一些实施例中，当组成物包含La2O3时，这样的组成物实质上不含B2O3。
本公开内容中提供的玻璃基板具有易于处理等良好特性和包括高模量和高断裂韧性等的优异机械特性。在一些实施例中，玻璃基板具有的断裂韧性(KIC)在从约0.87至约2.0MPa.m0.5的范围内。玻璃基板也具有在约100GPa至约140GPa的范围内的杨氏模量，和在约30GPa至约60GPa的范围内的剪切模量。
本公开内容中提供的玻璃基板具有能提供这种断裂韧性和高模量的非晶结构。然而，在一些其他实施例中，玻璃基板可被制成晶体结构以具有进一步改善的模量和断裂韧性。
在其他方面中，本公开内容还提供本文所述的玻璃基板的制造方法和使用方法、包含此类玻璃基板的玻璃制品(或部件)和包含玻璃基板或玻璃制品的装置。
玻璃制品的示例包括，但不限于：面板、基板、信息记录盘或存储器盘、盖体、背板和用于电子装置中的任何其他部件。例如，在一些实施例中，玻璃组成物或玻璃基板可用作存储器盘的基板或用作显示设备中的盖体或背板的基板。
附图说明
当结合附图阅读时，可从以下详细描述最好地理解本公开内容。要强调的是，根据惯例，这些附图仅用于图解一些实施例。
图1以图形方式描绘根据一些实施例的示例玻璃组成物的软化点与软化点和应变点的差之间的关系。
具体实施方式
意图结合附图阅读示例性实施例的此描述，这些附图被认为是整个书面描述的一部分。为了在下文中描述的目的，应当理解，以下描述的实施例可以采取替代的变体和实施例。还应理解，本文所述的具体制品、组成物和/或方法是示例性的，不应视为限制性的。本公开内容中引用的所有文献借助以引用方式并入本文。
诸如“包括(include、including)”、“含有(contain、containing)”等开放式术语意指“包含(comprising)”。这些开放式过渡短语用于引入部件、方法步骤等的开放式列表，其不排除额外、未叙述的部件或方法步骤。应当理解，无论用语言“包含”来描述任何实施例，都还提供了以“由…组成(consisting of)”和/或“基本上由…组成(consistingessentially of)”来描述的类似实施例。
过渡短语“由…组成”和其变体排除了未叙述的任何部件、步骤或成分，通常与的相关的杂质除外。
过渡短语“基本上由…组成(consists essentially of)”或诸如“基本上由…组成(consist essentially of、consisting essentially of)”等变体排除了未叙述的任何部件、步骤或成分，除了那些不会实质性改变所指涉的方法、结构或组成物的基本或新颖特性的部件、步骤或成分以外。
在本公开内容中，单数形式“一”和“该”包括复数参照，且对特定数值的参照至少包括该特定数值，除非上下文另有明确指示。当借助使用先行词“约”将值表示为近似值时，将理解到特定值形成另一个实施例。如本文所用，“约X”(其中X是数值)较佳地指称所列举的值的±10％(含)。例如，短语“约8”较佳地指称7.2至8.8(含端点)的值。当存在时，所有范围都是包含在内的且可组合的。例如，当叙述范围“1至5”时，所叙述的范围应解释为包括范围“1至4”、“1至3”、“1至2”、“1至2和4至5”、“1至3和5”、“2至5”等等。此外，当正面地提供替代形式列表时，这种列表可解释为意指可例如借助权利要求中的负面限制来排除任何替代形式。例如，当叙述“1至5”的范围时，所叙述的范围可被解释为包括其中1、2、3、4或5中的任何一个被负面排除的情况；因此，“1至5”的叙述可被解释为“1和3至5”但不包括“2”，或简化为“其中不包括2”。换句话说，在本文中明确陈述的任何部件、元素、属性或步骤都可以在权利要求中明确排除，无论这些部件、元素、属性或步骤是作为替代形式列出还是单独地叙述。
如本文所使用的术语“实质上”、“实质上地”和其变体意图批注所描述的特征等于或近似等于某值或描述。且，“实质上相似”意图表示两个值相等或约略相等。在一些实施例中，“实质上相似”可表示彼此之间约10％之内的值，例如彼此之间约5％之内或彼此之间约2％之内的值。
本公开内容提供了玻璃组成物、其制造方法和其使用方法。本公开内容还提供了包含这种玻璃组成物的玻璃基板或制品，以及包含这种玻璃组成物或玻璃基板的装置，所述玻璃基板具有这种玻璃组成物。此类玻璃组成物包含本文所述的成分，包括高含量的Al2O3还有Y2O3。如本文所述，令人惊讶地发现，此类玻璃组成物除了具有本文所述的其他理想性质之外，还提供了高模量和高断裂韧性。
在一些实施例中，基板在光学上为透明的。基板的示例包括，但不限于：平坦或弯曲的玻璃面板。
除非另有明确说明，否则本文所用的术语“玻璃制品”或“玻璃”应理解为包括全部或部分由玻璃制成的物体。玻璃制品包括单块基板，或玻璃和玻璃、玻璃和非玻璃材料、玻璃和结晶材料和玻璃和玻璃陶瓷(包括非晶相和晶相)的层迭。
诸如玻璃面板的玻璃制品可以是平坦的或弯曲的，且是透明的或实质上透明的。如本文所用，术语“透明的”意图表示厚度约略1mm的制品在光谱的可见光区域(400至700nm)中具有大于约85％的透射率。举例来说，示例透明玻璃面板在可见光范围中可具有大于约85％的透射率，如大于约90％、大于约95％或大于约99％的透射率，包括其间的所有范围和子范围。根据多种实施例，玻璃制品在可见区域中可具有小于约50％的透射率，如小于约45％、小于约40％、小于约35％、小于约30％、小于约25％或小于约20％，包括其间的所有范围和子范围。在某些实施例中，示例玻璃面板在紫外光(UV)区域(100至400nm)中可具有大于约50％的透射率，如大于约55％、大于约60％、大于约65％、大于约70％、大于约75％、大于约80％、大于约85％、大于约90％、大于约95％或大于约99％的透射率，包括其间的所有范围和子范围。
示例玻璃可包括，但不限于：铝硅酸盐、碱金属铝硅酸盐、硼硅酸盐、碱金属硼硅酸盐、铝硼硅酸盐、碱金属铝硼硅酸盐和其他合适的玻璃。在一些实施例中，可借助以下方式来机械地强化玻璃制品：利用制品各部分之间的热膨胀系数不匹配，以产生压缩应力区域和表现拉伸应力的中央区域。在一些实施例中，可借助以下方式热强化玻璃制品：将玻璃加热至玻璃转变点(glass transition point)以上的温度然后快速淬火。在一些其他实施例中，可借助离子交换来化学强化玻璃制品。
如本文所用，术语“软化点”意指玻璃组成物的粘度为1×107.6泊的温度。
如本文所用，术语“退火点”意指玻璃组成物的粘度为1×1013.18泊的温度。
如本文所用，术语“应变点”和“Tstrain”意指玻璃组成物的粘度为3×1014.68泊的温度。
玻璃的液相温度(Tliq)是指在该温度(℃)以上，在平衡中没有与玻璃共存的晶相。液相粘度为玻璃在液相温度下的粘度。
如本文所用的术语“CTE”是指在从约室温(RT)至约300℃的温度范围里的玻璃组成物的热膨胀系数。
可以使用本领域中已知的方法来测量断裂韧性，例如，根据ASTM C1421-10，“用于确定高级陶瓷在环境温度下的断裂韧性的标准测试方法”，使用V形缺口(chevron notch)、短棒、缺口束(notched beam)等。此公开内容叙述的断裂韧性值(K1C)是指由V形缺口短棒(chevron notched short bar；CNSB)法所测量的值，所述V形缺口短棒法公开于Reddy,K.P.R等人的“使用V形缺口样品的玻璃和陶瓷材料的断裂韧性测量(Fracture ToughnessMeasurement of Glass and Ceramic Materials Using Chevron-Notched Specimens)”，J.Am.Ceram.Soc.，71[6]，C-310-C-313(1988)中，不同之处在于使用Bubsey,R.T.等人的“基于实验顺应性测量的V型缺口短棒和短杆试样的裂纹口位移和应力强度因子的闭式表达式(Closed-Form Expressions for Crack-Mouth Displacement and StressIntensity Factors for Chevron-Notched Short Bar and Short Rod Specimens Basedon Experimental Compliance Measurements)”，NASA Technical Memorandum 83796，pp.1-30(October 1992)的公式5来计算Y*m。
本公开内容叙述的杨氏模量值、剪切模量和泊松比是指由ASTM E2001-13中所描述，标题为“用于金属和非金属部件二者中的缺陷检测的共振超音频谱的标准指南(Standard Guide for Resonant Ultrasound Spectroscopy for Defect Detection inBoth Metallic and Non-metallic Parts)”的通用类型的共振超音频谱技术测量的值(转换为GPa)。
可以标题为“用于玻璃应力光学系数的量测的标准测试方法(Standard TestMethod for Measurement of Glass Stress-Optical Coefficient)”的ASTM标准C770-16中所描述的程序C(玻璃盘方法)来量测应力光学系数(stress optical coefficient；SOC)值。
在本文所述的玻璃组成物的实施例中，在本文所述的玻璃组成物的实施例中，除非另有指明，否则以氧化物的摩尔百分数(摩尔％)指定构成组分(例如SiO2、Al2O3等)的浓度。
当用于描述玻璃组成物中特定构成组分的浓度和/或不存在时，术语“不含(free)”和“实质上不含”是指所述构成组分并非故意添加到玻璃组成物中。然而，作为污染物或杂质，玻璃组成物可含有小于0.01摩尔％的量的构成组分的痕量。
美国专利申请第2014/0141226号公开可离子交换的玻璃，其具有高硬度和高弹性模量，并描述含有大组成范围的氧化钇的铝硅酸钠玻璃具有相分离(phase separation)或去玻作用。例如，根据美国专利申请第2014/0141226号的图1所示的三元相图，当Al2O3的含量在约15摩尔％至约22摩尔％的范围内，且氧化钇的含量在约7摩尔％以上时，会发生相分离；当氧化钇的含量在约22.5摩尔％以上时，会发生去玻作用。美国专利申请第2014/0141226号提供具有至多7摩尔％的Y2O3的玻璃组成物，因此避免了这样的去玻作用。
美国专利申请第2018/0022635号公开玻璃组成物和具有高断裂韧性的玻璃制品，其包含选自由La2O3、BaO、Ta2O5、Y2O3和HfO2组成的组中的一种或多种，特别是两种或更多种金属氧化物。在此类基于玻璃的制品中Al2O3的含量在从约1摩尔％至约15摩尔％的范围内。
本公开内容提供了包含如本文所述的成分的玻璃组成物或玻璃基板，包括高含量的Al2O3，还有Y2O3。令人惊讶地发现，此类玻璃组成物提供了具有良好质量并具有期望性质(包括高模量和高断裂韧性)的基于玻璃的制品。
根据一些实施例，玻璃基板包含：
约45摩尔％至约70摩尔％的SiO2；
约15摩尔％至约30摩尔％的Al2O3；
约7摩尔％至约20摩尔％的Y2O3；和
视情况0摩尔％至约9摩尔％的La2O3。
在一些实施例中，玻璃基板包含约27摩尔％至约43摩尔％的R2O3，且其中R2O3总共包含Al2O3、Y2O3和La2O3。适当范围的示例包括，但不限于：从约28摩尔％至约40摩尔％、约30摩尔％至约40摩尔％或约32摩尔％至约38摩尔％。在一些实施例中，玻璃基板具有的[(Y2O3+La2O3)/Al2O3]的摩尔比在从约0.3至约1.7的范围内，例如，从约0.5至约1.7或从约1至约1.5。
在本文所述的玻璃基板的实施例中，SiO2是组成物的最大成分，且因此，是玻璃网络的主要成分。可用SiO2来获得期望的液相粘度，同时补偿(offset)添加至组成分的Al2O3的量。
在玻璃基板中，存在任何适当范围的SiO2。适当范围的示例包括，但不限于：约50摩尔％至约70摩尔％、约52摩尔％至约70摩尔％、约52摩尔％至约66摩尔％、约54摩尔％至约66摩尔％或约60摩尔％至约66摩尔％。
本文描述的玻璃基板进一步包括相对高含量的Al2O3。在一些实施例中，Al2O3的含量等于或高于15摩尔％。Al2O3的适当范围的示例包括，但不限于：约16摩尔％至约30摩尔％、约17摩尔％至约30摩尔％、约18摩尔％至约30摩尔％、约18摩尔％至约28摩尔％或约18摩尔％至约25摩尔％。
为了达到高模量和高断裂韧性，本文所述的实施例中的玻璃基板还包含Y2O3、La2O3或以上者的组合。
在一些实施例中，Y2O3的含量等于或高于7摩尔％。Y2O3的适当范围的示例包括，但不限于：约8摩尔％至约20摩尔％、约9摩尔％至约20摩尔％、约7摩尔％至约16摩尔％、约7摩尔％至约15摩尔％、约8摩尔％至约16摩尔％或约10摩尔％至约16摩尔％。
视情况存在La2O3。La2O3的适当范围的示例包括，但不限于：约0.1摩尔％至约9摩尔％、约1摩尔％至约9摩尔％、约2摩尔％至约9摩尔％或约3摩尔％至约9摩尔％。当玻璃基板包含La2O3时，此类玻璃基板不含有B2O3。
在一些其他实施例中，玻璃基板进一步包含0摩尔％至约6摩尔％的B2O3，例如，0.1摩尔％至约6摩尔％的B2O3或0.1摩尔％至约1摩尔％的B2O3。当加入B2O3时，玻璃基板实质上不含La2O3。B2O3和La2O3不会一起添加至相同配方中。
玻璃基板可进一步包含0摩尔％至约6摩尔％的MgO，例如，0至约5摩尔％、0至约4摩尔％、0至约3摩尔％、约0.1％至约5摩尔％、约0.1％至约4摩尔％、约0.1摩尔％至约3摩尔％。
玻璃基板还可进一步包含0摩尔％至约12摩尔％的碱金属氧化物，如Li2O、Na2O、K2O或以上者的组合。Li2O、Na2O、K2O或以上者的组合的适当范围的示例包括，但不限于：0.1摩尔％至约12摩尔％、0.1摩尔％至约10摩尔％、0.1摩尔％至约8摩尔％、0.1摩尔％至约5摩尔％。在一些实施例中，Li2O、Na2O和K2O的总含量小于13％。在一些实施例中，玻璃基板实质上不含碱金属氧化物。
在一些实施例中，(Al2O3–R2O–RO)的摩尔百分比差值在约7至约22的范围内，例如，约7.1至约21.6、约10至约20或约15至约20。R2O包含碱金属氧化物，其选自由Na2O、K2O和以上者的任何组合组成的组。RO包含碱土金属氧化物，其选自由MgO、SrO、BaO和以上者的任何组合组成的组。玻璃基板实质上不含CaO。
在一些实施例中，除了CaO之外，玻璃基板实质上不含CaO、Eu2O3、Nb2O3、Si3N4、WO3、ZrO4和TiO2。
根据一些实施例，本公开内容提供了基本上由以下组成的玻璃基板：
约45摩尔％至约70摩尔％的SiO2；
约15摩尔％至约30摩尔％的Al2O3；
约7摩尔％至约20摩尔％的Y2O3；
0摩尔％至约9摩尔％的La2O3；
0摩尔％至约6摩尔％的MgO；和
0摩尔％至约12摩尔％的碱金属氧化物，其选自由Li2O、Na2O、K2O和以上者的组合组成的组。
玻璃基板包含约27摩尔％至约43摩尔％的R2O3，其中R2O3总共包含Al2O3、Y2O3和La2O3。玻璃基板具有的[(Y2O3+La2O3)/Al2O3]的摩尔比在从约0.3至约1.7的范围内。如本文所述，La2O3、B2O3、MgO和碱金属氧化物(如Na2O和K2O)为视情况存在的。La2O3和B2O3不会共同存在于玻璃基板中。
根据一些实施例，本公开内容提供了基本上由以下组成的玻璃基板：
约45摩尔％至约70摩尔％的SiO2；
约15摩尔％至约30摩尔％的Al2O3；和
约7摩尔％至约20摩尔％的Y2O3。
本公开内容中提供的玻璃基板具有易于处理等良好特性和包括高模量和高断裂韧性等的优异机械特性。在一些实施例中，玻璃基板的断裂韧性(KIC)在从约0.87MPa.m0.5至约2MPa.m0.5的范围内，例如，约0.87MPa.m0.5至约1.5MPa.m0.5、约0.87MPa.m0.5至约1.2MPa.m0.5或0.87至约1.07MPa.m0.5。
在一些实施例中，基于玻璃的制品可具有以下断裂韧性值：约0.87MPa*m0.5、约0.9MPa*m0.5、约1MPa*m0.5、约1.1MPa*m0.5、约1.2MPa*m0.5、约1.3MPa*m0.5、约1.4MPa*m0.5、约1.5MPa*m0.5、约1.6MPa*m0.5、约1.8MPa*m0.5、约2MPa*m0.5，或介于指定值之间的任何范围。
玻璃基板还提供在约100GPa至约140GPa的范围内的杨氏模量，例如，约100GPa至约130GPa、约100GPa至约120GPa、约105GPa至约120GPa、约110GPa至约120GPa。
玻璃基板还提供在以下范围内的剪切模量：约30GPa至约60GPa、约35GPa至约50GPa、约39GPa至约50GPa或约40GPa至约50GPa。
在另一方面中，本公开内容还提供本文所述的玻璃基板的制造方法和使用方法。可借助涉及熔融和混合单独的氧化物的方法来制备基于玻璃的制品。然而，在一些实施例中，可利用“混淆原理(confusion principle)”来最大化混合熵(mixing entropy)，例如，以抑制结晶。
本公开内容中提供的玻璃基板具有能提供这种断裂韧性和高模量的非晶结构。然而，在一些其他实施例中，玻璃基板可被制成晶体结构以具有进一步改善的模量和断裂韧性。
本公开内容还提供了包含此类玻璃基板的玻璃制品(或部件)，以及包含玻璃基板或具有玻璃基板的玻璃制品的装置。
玻璃制品的示例包括，但不限于：面板、基板、信息记录盘或存储器盘、盖体、背板和用于电子装置中的任何其他部件。例如，在一些实施例中，玻璃组成物或玻璃基板可用作存储器盘的基板或用作显示设备中的盖体或背板的基板。
除了高杨氏模量和高断裂韧性以外，本公开内容提供的玻璃基板还具有高硬度，且在相应的高应变/退火点处具有相对低的软化点。维氏硬度(VHN，200g荷载)可在从700至850的范围内，例如，750至850，或767至818。在890至1050℃的软化点处，相应的应变/退火点(Δ软化-应变Pt)可在从190至300的范围内，例如，190至270)。在相应的高应变/退火点处显示出相对较低的软化点。
从需要高杨氏模量(刚度)的存储器盘到显示应用等各种应用中都需要具有这些机械属性的玻璃。对显示器而言，高杨氏模量可最小化薄膜应力的影响，而高应变和退火点可最小化应力和低温松弛(low temperature relaxation)，当玻璃在薄膜晶体管沉积期间进行后续处理时，这两者都是关键。就这两种应用而言，对于给定的缺陷尺寸群体(flawsize population)，玻璃的高断裂韧性导致强度提高。这些组成物解决的挑战是长期的，且过去已经利用有利的机械特性来解决。本公开内容提供了独特的玻璃基板，所述玻璃基板被设计为利用网络修饰剂(network modifier)的高阳离子场强度(cationic fieldstrength)来实现本文所述的高模量、高断裂韧性和高硬度。
玻璃基板的密度相对较高，例如，在从2.8g/cm3至3.9g/cm3的范围内。玻璃基板具有相对较高的折射率(达1.708)。
本公开内容提供的玻璃基板具有低应力光学系数(SOC)，其低于约4布鲁斯特(Brewster)，例如，在从约1布鲁斯特至约4布鲁斯特的范围内。如本领域技术人员可理解的，SOC与玻璃的双折射性有关。玻璃基板可具有约1布鲁斯特至约3布鲁斯特或约1.5布鲁斯特至约2.5布鲁斯特的SOC。在一些实施例中，SOC可低至约1.7。
在一些实施例中，玻璃基板具有以下范围内的热膨胀系数(CTE)(22至300℃)：约10x10-7/℃至约60x10-7/℃，例如，在约30x10-7/℃至约56x10-7/℃的范围内，或在约35x10-7/℃至约55x10-7/℃的范围内。
示例
阐述以下示例以说明根据所公开的目标的方法和结果。这些示例并不意图包括本文所公开的目标的所有实施例，而是用于说明代表性方法和结果。这些示例并不意图排除对本领域技术人员而言显而易见的本公开内容的等效物和变体。
已经努力确保关于数字(如，含量、温度等等)的准确性，但仍应考虑一些误差和偏差。除非另有指明，否则温度均以℃计或为环境温度，且压力为大气压或接近大气压。组成物本身以基于氧化物的摩尔百分比给定，并已标准化至100％。反应条件有多种变化和组合，例如组分浓度、温度、压力和可用于优化从所述方法获得的产物纯度和产率的其他反应范围和条件。仅需合理且常规的实验即可优化此类工艺条件。
根据玻璃领域中的常规技术来测定表1至7中列出的玻璃性质。因此，以x 10-7/℃来表示在25℃至300℃的温度范围内的线性热膨胀系数(CTE)，并以℃来表示退火点。根据ASTM标准E228来测定CTE。除非另有指明，否则依循ASTM标准C336，由纤维伸长技术(fiberelongation technique)测定退火点。借助阿基米得法(ASTM C693)来测量以grams/cm3表示的密度。利用Fulcher方程式计算以℃表示的熔融温度(界定为玻璃熔体呈现200泊粘度的温度)，Fulcher方程式与由旋转圆柱粘度测定法(rotating cylinders viscometry)(ASTM C965-81)所测量的高温粘度数据相符。
使用ASTM C829-81的标准梯度舟液相线法(standard gradient boat liquidusmethod)来测量以℃表示的玻璃的液相温度。这涉及：将碎玻璃颗粒放在铂舟(platinumboat)中、将舟安置在具有梯度温度区域的炉中、在适当的温度范围内将舟加热达24小时，并借助显微镜检验方式测定晶体出现在玻璃内部时的最高温度。更特别地，自Pt舟整块移出玻璃样品，并使用偏光显微术进行检验，以确定抵着铂和空气界面和在样品内部形成的晶体的位置和性质。由于炉中梯度已广为人知，因此可易于估算温度与位置的对比，误差在5至10℃内。取在样品内部部分观测到晶体时的温度，以表示玻璃的液相线(就对应测试期间而言)。有时以更长时间执行测试(例如72小时)，以便观测较慢生长的相。从液相温度和Fulcher方程式的系数测定以泊计的液相粘度。
使用ASTM E1875-00e1中所述的通用类型的共振超音频谱技术来测定以GPa表示的杨氏模量值。
示例玻璃显示在表1至7中。使用商用沙(commercial sand)作为二氧化硅源来制备示例玻璃，经研磨以使90重量％的商用沙通过标准U.S.100目筛。氧化铝是氧化铝的来源，且方镁石是MgO的来源。根据配方，还可使用Y2O3、La2O3和B2O3。将原料充分混合，使其双重熔融(double-melt)，并在1600至1650℃的温度下搅拌数小时，以确保均匀度。在退火点或退火点附近对所得的玻璃饼进行退火，然后进行各种实验方法以测定其物理、粘度和液相线属性。
这些方法并不是唯一的，且可以使用本领域技术人员熟知的标准方法来制备表1至7中的玻璃。这样的方法包括连续熔化工艺，例如将在连续熔化工艺中执行者，其中在连续熔化工艺中使用的熔化器被气体、电力或其组合加热。
适用于生产示例玻璃的原材料包括可商购的沙作为SiO2的来源；氧化铝、氢氧化铝、氧化铝的水合形式以及各种铝硅酸盐、硝酸盐和卤化物作为Al2O3的来源；硼酸、无水硼酸和氧化硼作为B2O3的来源；方镁石、氧化镁、碳酸镁、氢氧化镁和各种形式的硅酸镁、铝硅酸盐、硝酸盐和卤化物作为MgO的来源。如果需要化学澄清剂，则可以SnO2的形式添加锡、以与另一种主要玻璃成分(例如CaSnO3)的混合氧化物的形式添加锡，或在氧化条件下以SnO、草酸锡、锡卤化物或其他本领域技术人员已知的锡化合物等形式添加锡。
玻璃可能也含有SnO2作为澄清剂。也可以利用其他化学澄清剂来获得用于TFT基板应用的足够质量的玻璃。例如，示例玻璃可以采用As2O3、Sb2O3、CeO2、Fe2O3和卤化物中的任一者或组合作为酌量添加物以促进澄清，且任何这些物质可与示例所示的SnO2化学澄清剂结合使用。其中，As2O3和Sb2O3通常被认为是有害物质，需要控制废弃物流，例如在玻璃制造过程中或TFT面板处理过程中可能产生的废弃物流。因此，无论单独或组合，期望将As2O3和Sb2O3的浓度限制为不超过0.005摩尔％。
除了酌量掺入示例玻璃中的元素外，透过原料中的低量污染物、透过制造工艺中的耐火材料和贵金属的高温腐蚀，或透过以低量酌量引入来微调最终玻璃的属性，使得几乎所有元素周期表中的稳定元素都以某种含量存在于玻璃中。例如，可以通过与富含锆的耐火材料的交互作用而引入锆成为污染物。作为另一个示例，可以通过与贵金属的交互作用引入铂和铑。作为另一个示例，可将铁引入原料中成为杂质，或酌量添加铁以增强对气态夹杂物的控制。作为进一步的示例，可引入锰来控制颜色或增强对气态夹杂物的控制。
作为进一步的示例，碱金属可作为杂质组分以至多约0.1摩尔％的水平的Li2O、Na2O和K2O的组合浓度存在。
氢不可避免地以氢氧根阴离子，OH-，的形式存在，可以透过标准红外光谱技术确定氢的存在。溶解的氢氧根离子显著且非线性地影响示例玻璃的退火点，且因此为了获得期望的退火点，可能有必要调节主要氧化物组分的浓度以进行补偿。可透过选择原料或选择熔化系统而在某种程度上控制氢氧根离子的浓度。例如，硼酸是氢氧根的主要来源，且用氧化硼代替硼酸可为控制最终玻璃中的氢氧根浓度的有用手段。相同的理由适用于包含氢氧根离子、水合物或包含物理吸附或化学吸附的水分子的化合物等的其他潜在原料。如果在熔化工艺中使用燃烧器，那么还可透过来自天然气和相关碳氢化合物燃烧的燃烧产物引入氢氧根离子，且因此可能需要将熔化中所用的能量从燃烧器转移到电极以进行补偿。或者，可以替代地采用调整主要氧化物组分的迭代过程(iterative process)，以补偿溶解的氢氧根离子的有害影响。
硫通常存在于天然气中，且同样在许多碳酸盐、硝酸盐、卤化物和氧化物原料中是杂质组分。硫可能以SO2的形式成为棘手的气态夹杂物来源。可借助控制原料中的硫含量，并借助将低含量的相对较还原的多价阳离子掺入玻璃基质内，以显著管控形成富含SO2缺陷的趋势。尽管不希望受到理论的束缚，但富含SO2的气态夹杂物似乎主要是透过将溶解在玻璃中的硫酸盐(SO4 ＝)还原而产生。
示例玻璃的升高的钡浓度似乎在熔化的早期增加了玻璃中的硫保留，但是如上所述，需要钡以获得低液相温度，和由此获得高T35k-Tliq和高液相粘度。将原料中的硫含量酌量控制在较低水平是减少玻璃中溶解的硫(可能是硫酸盐)的有用方法。具体而言，批料中的硫较佳为少于200ppm(以重量计)，且批料中的硫更佳为少于100ppm(以重量计)。
还原的多价离子也可用于控制示例玻璃形成SO2气泡(blister)的趋势。尽管不希望受到理论的束缚，但是这些元素充当潜在的电子供体，其抑制了硫酸盐还原的电动势。硫酸盐还原可以用半反应来表示，如
SO4 ＝→SO2+O2+2e-
其中e-表示电子。此半反应的“平衡常数”为：
Keq＝[SO2][O2][e-]2/[SO4 ＝]
其中括号表示化学活性。理想情况下，希望强迫反应以便从SO2、O2和2e-生成硫酸盐。添加硝酸盐、过氧化物或其他富含氧的原料可能会有所帮助，但也可能在熔化的早期阶段阻止硫酸盐的还原，这可能首先抵消添加它们的好处。SO2在大多数玻璃中的溶解度非常低，因此添加到玻璃熔化工艺中是不可行的。可透过还原的多价离子来“添加”电子。例如，亚铁(Fe2+)的合适的电子供给半反应可表示为：
2Fe2+→2Fe3++2e-
电子的这种“活性(activity)”可以迫使硫酸盐还原反应向左移动，从而稳定玻璃中的SO4 ＝。合适的还原性多价离子包括，但不限于：Fe2+、Mn2+、Sn2+、Sb3+、As3+、V3+、Ti3+和本领域技术人员熟悉的其他者。在各情况下，使这些组分的浓度最小化可能是重要的，以避免对玻璃颜色的不利影响，或者在As和Sb的情况下，避免以足够高的水平添加此类组分以致复杂化终端用户流程中的废弃物管理。
除了示例性玻璃的主要氧化物成分和上述次要成分或杂物之外，还可能存在各种含量的卤化物，所述卤化物可作为透过选择原材料而引入的污染物，也可作为酌量添加的组分而用于消除玻璃中的气态夹杂物。作为澄清剂，可以掺入约0.4摩尔％或更少量的卤化物，尽管通常期望如果可能的话使用更低的量以避免废气处理设备的腐蚀。在一些实施例中，就各种单独的卤化物而言，单独的卤化物元素的浓度低于约200ppm(以重量计)，或就所有卤化物元素的总和而言，低于约800ppm(以重量计)。
表1显示实验例1至实验例5(“实验例1至5”)的组成物。表2显示实验例6至实验例10(“实验例6至10”)的组成物。表3显示实验例11至实验例16(“实验例11至16”)的组成物。表4显示实验例17至实验例22(“实验例17至22”)的组成物。表5显示实验例23至实验例28(“实验例23至28”)的组成物。表6显示实验例29至实验例34(“实验例29至34”)的组成物。表7显示实验例35至实验例42(“实验例35至42”)的组成物。
示例1至42的性质数据(包括软化点、退火点、杨氏模量、剪切模量、泊松比、断裂韧性和硬度)列示于表1至7。如可见于表1至7，示例玻璃具有诸如高模量和高断裂韧性等良好性质，这使得玻璃适合于多种应用，包括，但不限于：存储器盘和显示应用(如AMLCD基板应用)。
请参见图1，相对于这些玻璃的软化点，它们的软化点和应变点之间的温度差较小。这些玻璃基板的数据也与普通硼硅酸盐玻璃、熔融石英和碱石灰组成物的数据进行比较。相较于普通玻璃，本公开内容提供的玻璃组成物也提供了处理优势。
表1
Figure BDA0003463155160000161
Figure BDA0003463155160000171
表2
Figure BDA0003463155160000172
Figure BDA0003463155160000181
Figure BDA0003463155160000191
表3
Figure BDA0003463155160000192
Figure BDA0003463155160000201
Figure BDA0003463155160000211
表4
Figure BDA0003463155160000212
Figure BDA0003463155160000221
表5
Figure BDA0003463155160000222
Figure BDA0003463155160000231
Figure BDA0003463155160000241
表6
Figure BDA0003463155160000242
Figure BDA0003463155160000251
Figure BDA0003463155160000261
表7
Figure BDA0003463155160000262
Figure BDA0003463155160000271
Figure BDA0003463155160000281
尽管已经根据示例性实施例描述了主题，但是主题不限于此。相反，所附权利要求应被广义地解释为包括本领域技术人员可完成的其他变体和实施例。

Claims (21)

1.一种玻璃基板，包含：
约45摩尔％至约70摩尔％的SiO2；
约15摩尔％至约30摩尔％的Al2O3；
约7摩尔％至约20摩尔％的Y2O3；和
视情况0摩尔％至约9摩尔％的La2O3。
2.如权利要求1所述的玻璃基板，其中所述玻璃基板包含约27摩尔％至约43摩尔％的R2O3，且其中R2O3包含Al2O3、Y2O3和La2O3。
3.如权利要求2所述的玻璃基板，其中R2O3在从约28摩尔％至约40摩尔％、约30摩尔％至约40摩尔％或约32摩尔％至约38摩尔％的范围内。
4.如权利要求1所述的玻璃基板，其中所述玻璃基板的[(Y2O3+La2O3)/Al2O3]的摩尔比在从约0.3至约1.7的范围内。
5.如权利要求1所述的玻璃基板，其中SiO2在以下范围内：约50摩尔％至约70摩尔％、约52摩尔％至约70摩尔％、约52摩尔％至约66摩尔％、约54摩尔％至约66摩尔％或约60摩尔％至约66摩尔％。
6.如权利要求1所述的玻璃基板，其中Al2O3在以下范围内：约16摩尔％至约30摩尔％、约17摩尔％至约30摩尔％、约18摩尔％至约30摩尔％、约18摩尔％至约28摩尔％或约18摩尔％至约25摩尔％。
7.如权利要求1所述的玻璃基板，其中Y2O3在以下范围内：约8摩尔％至约20摩尔％、约9摩尔％至约20摩尔％、约7摩尔％至约16摩尔％、约7摩尔％至约15摩尔％、约8摩尔％至约16摩尔％或约10摩尔％至约16摩尔％。
8.如权利要求1所述的玻璃基板，其中La2O3在以下范围内：约0.1摩尔％至约9摩尔％、约1摩尔％至约9摩尔％、约2摩尔％至约9摩尔％或约3摩尔％至约9摩尔％。
9.如权利要求1所述的玻璃基板，进一步包含：0摩尔％至约6摩尔％的B2O3，其中所述玻璃基板实质上不含La2O3。
10.如权利要求1所述的玻璃基板，进一步包含：0摩尔％至约6摩尔％的MgO。
11.如权利要求1所述的玻璃基板，进一步包含：0摩尔％至约12摩尔％的Li2O、Na2O、K2O或以上者的组合。
12.如权利要求1所述的玻璃基板，其中(Al2O3–R2O–RO)的一摩尔百分比差值在约7至约22的范围内，其中R2O包含碱金属氧化物，所述碱金属氧化物选自由Li2O、Na2O、K2O和以上者的组合组成的组，且RO包含碱土金属氧化物，所述碱土金属氧化物选自由MgO、SrO、BaO和以上者的组合组成的组。
13.如权利要求1所述的玻璃基板，其中所述玻璃基板实质上不含CaO、Eu2O3、Nb2O3、Si3N4、WO3、ZrO4和TiO2。
14.如权利要求1所述的玻璃基板，其中所述玻璃基板具有的断裂韧性(KIC)在以下范围内：从约0.87至约2.0MPa.m0.5。
15.如权利要求1所述的玻璃基板，其中所述玻璃基板具有以下范围内的杨氏模量：约100GPa至约140GPa，和以下范围内的剪切模量：约30GPa至约60GPa。
16.一种玻璃基板，基本上由以下组成：
约45摩尔％至约70摩尔％的SiO2；
约15摩尔％至约30摩尔％的Al2O3；
约7摩尔％至约20摩尔％的Y2O3；
0摩尔％至约9摩尔％的La2O3；
0摩尔％至约6摩尔％的MgO；和
0摩尔％至约12摩尔％的碱金属氧化物，所述碱金属氧化物选自由Li2O、Na2O、K2O和以上者的组合组成的组。
17.如权利要求16所述的玻璃基板，其中所述玻璃基板包含约27摩尔％至约43摩尔％的R2O3，其中R2O3包含Al2O3、Y2O3和La2O3；且其中所述玻璃基板的[(Y2O3+La2O3)/Al2O3]的摩尔比在从约0.3至约1.7的范围内。
18.一种玻璃制品，包含如权利要求1或16所述的玻璃基板。
19.一种装置，包含如权利要求1或16所述的玻璃基板。
20.如权利要求19所述的装置，其中所述装置是用于显示应用的电子装置。
21.如权利要求19所述的装置，其中所述装置是信息记录盘。
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