JP2001220173A - アルカリ金属不含のアルミノホウケイ酸塩ガラスおよびその使用 - Google Patents
アルカリ金属不含のアルミノホウケイ酸塩ガラスおよびその使用Info
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- C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
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- C03C3/091—Glass compositions containing silica with 40% to 90% silica, by weight containing boron containing aluminium
Abstract
おける基板ガラスとしての使用に高度に適したガラス。 【解決手段】 2.8×10- 6/K〜3.8×10- 6
/Kの熱膨張率α20/ 300を有し、かつ次の組成
(質量%、酸化物基準):SiO2 >58〜65、B
2O3 >6〜11.5、MgO 4〜8、BaO 0〜
<0.5、ZnO 0〜2およびAl2O3 >14〜2
5、CaO 0〜8、SrO 2.6〜<4、但し、Sr
O+BaO >3、またはAl2O3 >14〜25、C
aO 0〜<2、SrO >0.5〜<4、またはAl2
O3 >21〜25、CaO 0〜8、SrO >2.6
〜<8、但し、SrO+BaO >3を有している。
Description
のアルミノホウケイ酸塩ガラスに関する。また、本発明
はこのガラスの使用に関する。
例えばTN(ねじれネマティック)/STN(超ねじれ
ネマティック)ディスプレイ、アクティブマトリックス
液晶ディスプレイ(AMLCDs)、薄膜トランジスタ
(TFTs)またはプラズマアドレスド液晶(plasma ad
dressed liquid crystals)(PALCs)における基板
として適用するためのガラスには、高度な要求がなされ
ている。高い熱衝撃抵抗性およびフラットパネルスクリ
ーンの製造のためのプロセスに使用される攻撃的な化学
薬品に対する良好な耐性の他にも、ガラスは、幅広いス
ペクトル域(VIS、UV)に亘り高い透明度を有する
べきであり、かつ重量を減らすために低い密度を有する
べきである。例えばTFTディスプレイ(“チップ・オ
ン・ガラス”)における、集積半導体回路のための基板
材料としての使用は、付加的に、300℃までの低温で
アモルファスシリコン(a−Si)の形でガラス基板上
に通常堆積する薄膜材料シリコンとの熱整合を必要とす
る。アモルファスシリコンを、約600℃の温度での引
き続く熱処理により部分的に再結晶させる。a−Si分
率のために、生じる部分的に結晶質のポリ−Si層は、
熱膨張率α20/30 0≒3.7×10- 6/Kにより
特徴付けられる。a−Si/ポリ−Si比に応じて、熱
膨張率α20/300は、2.9・10- 6/K〜4.
2・10- 6/Kの間で変化しうる。実質的に結晶質の
Si層が、薄膜光電池において同様に望ましい、700
℃を上回る高温処理によりまたはCVD法による直接的
な堆積により生じる場合には、基板は、3.2×10-
6/Kまたはそれ以下の顕著に低下した熱膨張を有する
ことを必要とする。
おける適用は、アルカリ金属イオンの不在を必要とす
る。製造の結果としての1000ppm未満の酸化ナト
リウム水準は、半導体層へのNa+の拡散のために一般
的な“被毒”作用を考慮して許容されうる。
在物なし)、例えばフロートプラント中でまたは延伸法
により、経済的に、大工業規模に関して適したガラスを
製造可能にすべきである。殊に、延伸法による、低い表
面うねりを有し、薄く(<1mm)縞のない基板の製造
には、ガラスの高い失透安定性が要求される。殊にTF
Tディスプレイの場合の、半導体ミクロ構造に不利な影
響を及ぼす、製造中の基板のコンパクションは、ガラス
の適した温度依存性の粘度特性線を確立することにより
対処することができる:熱プロセスおよび形状安定性に
関連して、十分に高いガラス転移温度Tg、即ちTg>
700℃を有しているべきであるのに対して、他方では
過剰に高くない融解および加工温度(VA)、即ちVA
≦1350℃を有しているべきである。
光電池技術のためのガラス基板の必要条件は、J. C. La
ppによる“Glass substrates for AMLCD applications:
properties and implications” SPIE Proceedings, V
ol. 3014, invited paper (1997)、およびJ. Schmidに
よる“Photovoltaik - Strom aus der Sonne”VerlagC.
F. Mueller, Heidelberg 1994にそれぞれ記載されてい
る。
土類金属−アルミノホウケイ酸塩ガラスにより最も満た
される。しかしながら、次の刊行物に記載されている公
知のディスプレイまたは太陽電池の基板ガラスはなお欠
点を有しており、かつ必要条件の完全なリストを満たし
ていない:多数の文献には、低MgO含量を有するガラ
スが記載されている:特開平9−169538号、特開
平4−160030号、特開平9−100135号公
報、欧州特許出願公開第714862号、欧州特許第3
41313号、米国特許第5374595号、国際特許
出願公表第97/11919号および同第97/119
20号明細書。粘度が102dPasおよび104dP
asで極めて高温であることから明らかであるように、
このようなガラスは望ましい溶融性を有しておらず、か
つ相対的に高い密度を有する。同じことは、ドイツ連邦
共和国特許出願公開第3730410号明細書のMgO
不含のガラスに当てはまる。
スは、これらのガラスの望ましくない高密度をまねく2
〜7モル%のBaO含量を有する。同じことは、特開平
61−132536号、特開平8−295530号、特
開平9−48632号および特開平9−156953号
公報のガラスに当てはまる。
−72237号公報のガラスは、実施例から明らかであ
るように、粘度が102dPasおよび104dPas
で極めて高い温度を有する。
よび特開平10−45422号公報に記載されているよ
うな低B2O3含量を有するガラスに当てはまる。失透
傾向は、殊に低BaO含量と組み合わせた場合に、不利
に高いであろう。他方では、過剰に高いB2O3含量−
そのようなガラスは例えば米国特許第4824808号
明細書に記載されている−は、高い耐熱性および高い耐
薬品性、殊に塩酸溶液に対する耐薬品性の意図した性質
にとって不利である。
に多量のB2O3を含有し、かつアルカリ土類金属が少
ない場合には、十分に高い耐薬品性を有していない。こ
のことは、国際特許出願公表第97/11919号およ
び欧州特許出願公開第672629号明細書のガラスに
もあてはまる。後者の文献の相対的にSiO2に富む変
法は、低いAl2O3水準を有しているにすぎず、これ
は結晶化挙動には不利である。
9−12333号公報には、SiO 2、Al2O3およ
びCaOおよびB2O3を含む別の任意の成分の組成が
記載されている。挙げられたガラスは、高いアルカリ土
類金属酸化物含量を有し、かつ従って高い熱膨張を有
し、これはLCDまたはPV技術における使用にとって
不適当なものにする。これらの可視的品質もまた、おそ
らく不適当であろう。
9617344号および同第19603698号明細書
には、約3.7・10- 6/Kの熱膨張率α
20/300および極めて良好な耐薬品性を有し、アル
カリ金属不含で、酸化スズ含有の低SiO2またはSr
O不含のガラスが開示されている。これらは、ディスプ
レイ技術における使用に適している。しかしながら、Z
nOを含有していなければならないので、これらは、特
にフロートプラント法における加工のために理想的では
ない。殊により高いZnO含量(>1.5質量%)で、
熱成形域における蒸発および引き続く凝縮によりガラス
表面上にZnOコーティングを形成する危険がある。
細書には、ディスプレイおよび光電池への適用のため
の、低い密度および高い耐熱性を有するガラスが記載さ
れている。これらのガラスにおいて、その一部は高いC
aO含量を有し、SrOおよびBaO含量は、全部で3
質量%に制限されており、これはガラスを結晶化感受性
にする。
1022号明細書には、極めて幅広い組成範囲から選択
されており、かつZrO2およびSnOを含有していな
ければならないガラスが記載されている。実施例によれ
ば相対的に高いBaO含量を有するガラスは、存在しな
ければならないZrO2水準のために、ガラス欠陥を示
す傾向にある。
579号明細書には、5.5・10 - 6/Kを下回り、
実施例によれば4.0・10- 6/K以上の熱膨張率α
20/ 300を有するTFT適用のためのガラスが記載
されている。相対的に高いB2O3水準および相対的に
低いSiO2含量を有するこれらのガラスは、高い耐薬
品性、殊に希塩酸に対する耐薬品性を有していない。
25132号、特開平10−114538号、特開平1
0−130034号、特開平10−59741号、特開
平10−324526号、特開平11−43350号、
特開平11−49520号、特開平10−231139
号および特開平10−139467号公報には、多くの
任意の成分を用いて変化させることができ、かつそのつ
ど1つまたはそれ以上の特別な清澄剤(refining agent)
と混合されるディスプレイガラスのための極めて幅広い
組成範囲が挙げられている。しかしながら、これらの文
献には、どのようにして上記の完全な必要条件プロフィ
ールを有するガラスを特別な方法で得ることができるの
かということが示されていない。
ディスプレイ、殊にTFTディスプレイおよび薄膜太陽
電池、殊にμc−Siをベースとする薄膜太陽電池のた
めのガラス基板、高い耐熱性、好ましい加工範囲および
十分な失透安定性を有するガラスに課される前記の物理
的および化学的な必要条件を満たすガラスを提供するこ
とにある。
で定義されたようなアルミノホウケイ酸塩ガラスにより
達成される。
%のSiO2を含有する。より低い含量で、耐薬品性は
損なわれるのに対して、より高い含量で、熱膨張が低す
ぎ、かつガラスの結晶化傾向が増大する。64.5質量
%までのSiO2含量が好ましい。
2O3を含有する。Al2O3は、加工温度が過剰に増
大することなく、ガラスの耐熱性に肯定的な影響を及ぼ
す。より低い含量で、ガラスは結晶化により感受性にな
る。14.5質量%を上回るAl2O3含量、殊に好ま
しくは少なくとも18質量%のAl2O3含量、最も好
ましくは少なくとも20.5質量%のAl2O3含量、
殊に少なくとも21質量%のAl2O3含量が好まし
い。24質量%の最大Al2O3含量が好ましい。
を達成するために、最大11.5質量%に制限される。
また、より高い含量は、塩酸溶液に対する耐薬品性を損
なうであろう。11質量%の最大B2O3含量が好まし
い。B2O3含量は、ガラスが良好な溶融性および良好
な結晶化安定性を有することを確実にするために6質量
%よりも高い。8質量%を上回る最小含量が好ましい。
3は、有利に相互に依存した最小水準で存在し、その
際、好ましい含量の網目形成成分SiO2、Al2O3
およびB2O3を確実にする。例えば、>6質量%の最
小B2O3含量の場合に、最小Al 2O3含量は有利に
>18質量%であり、かつ>14質量%のAl2O3含
量の場合に、最小B2O3含量は有利に>8質量%であ
る。
和は有利に83〜91質量%である。
土類金属酸化物である。殊にその水準を変化させること
により、2.8・10- 6/K〜3.8・10- 6/Kの
熱膨張率α20/300が達成される。個々の酸化物
は、次の割合で存在する:このガラスは、4〜8質量%
のMgOを含有する。高いMgO水準は、低い密度およ
び低い加工温度の望ましい性質に肯定的な影響を及ぼす
のに対して、確かに低い水準は、好ましい結晶化安定性
および耐薬品性である。
有していてよい。より高い水準は、熱膨張の過剰な増大
および結晶化安定性の低下をまねく。殊に低い熱膨張を
示すガラス、殊に3.4・10- 6/Kまでの熱膨張率
α20/300を有するガラスには、CaO含量は有利
に最大<2質量%に制限される。
最大含量は、0.5質量%未満に制限される。このこと
は、良好な溶融性を確実にし、密度を低く維持する。こ
のガラスは、有利にBaO不含である。
アルカリ土類金属SrOを含有する。この低い最大含量
の制限は、殊にガラスの低い密度にとって有利である。
結晶化安定性を確実にするために3質量%を上回る場合
には、殊にむしろCaOに富んだ組成物で、最小SrO
含量は2.6質量%である。
に、殊に0〜<2質量%のCaO含量で、少なくとも>
0.5質量%の最小SrO含量で十分である。これらの
ガラスの場合に、SrOおよびBaOの総和は有利に少
なくとも1質量%、殊に有利に少なくとも>1質量%で
ある。
量の場合に、SrO含量は、2.6〜<8質量%のより
幅広い制限内で変化しうる。殊に、現在可能になってい
る高いSrO含量の結果として、十分に低い密度を有
し、殊に結晶化安定なガラスが得られる。これらのガラ
スの場合には、SrOおよびBaOの最小総和は、同様
に>3質量%である。これらのガラスは、2.8×10
- 6/K〜3.6×10- 6/Kの熱膨張率α
20/300を有する。
利に<2質量%のZnOを含有していてもよい。網目修
飾成分ZnOは、構造をゆるめる機能を有し、かつアル
カリ土類金属酸化物よりも熱膨張に及ぼす影響が少な
い。粘度特性線へのその影響は、B2O3のそれと同じ
である。殊にガラスがフロート法により加工される場合
には、ZnO水準は、有利に最大1.5質量%に制限さ
れる。より高い水準は、熱成形域における蒸発および引
き続く凝縮により形成されうるガラス表面上の望ましく
ないZnOコーティングの危険が増大するであろう。
本明細書中で使用されるような用語“アルカリ金属不
含”は、本質的にはアルカリ金属酸化物不含であるけれ
ども、1000ppm未満の不純物を含有していてもよ
いことを意味する。
TiO2を含有していてよく、その際、TiO2含量お
よびZrO2含量の双方は、それぞれ2質量%までであ
ってよい。ZrO2は有利に、ガラスの耐熱性を増大さ
せる。しかしながら、その低溶解性のために、ZrO2
はガラス中の、ZrO2含有の融液残存構造、いわゆる
ジルコニウム巣の危険を増大させる。従って、ZrO2
は有利に除外される。ジルコニウム含有のトラフ材料の
侵食から生じる低ZrO2含量は問題ない。TiO2は
有利に、ソラリゼーション傾向、即ちUV−VIS放射
のために可視波長域における透過率の低下を減少させ
る。2質量%を上回る含量で、カラーキャスト(colour
cast)は、使用される原材料の不純物の結果として低い
水準でガラス中に存在するFe3+イオンとの錯体形成
のために起こりうる。
を含有していてもよい:従って、これらは1.5質量%
までのAs2O3、Sb2O3、SnO2および/また
はCeO2を含有していてもよい。同様に、それぞれ
1.5質量%のCl-(例えばBaCl2の形で)、F-
(例えばCaF2の形で)またはSO4 2 -(例えばB
aSO4の形で)を添加することも可能である。しかし
ながら、As2O3、Sb2O3、CeO2、Sn
O2、Cl-、F-およびSO4 2 -の総和は、1.5質
量%を超えるべきではない。
される場合には、このガラスは、多数の延伸法を用いる
だけではなく、フロート法によっても加工することがで
きる。
O2およびSnO2の双方を除外できることおよび上記
の性質プロフィール、殊に高い耐熱性および耐薬品性お
よび低い結晶化傾向を有するガラスをなお得ることがで
きることは有利である。
20℃で不可避の不純物を除いて本質的にアルカリ金属
不含の常用の原材料から生産した。融液を、この温度で
1.5時間清澄し、ついで誘導加熱した白金るつぼに移
し、均質化のために1550℃で30分間撹拌した。
の組成(質量%、酸化物基準)およびその最も重要な性
質と共に示している。0.3質量%の水準での清澄剤S
nO 2(例1、2、4、5、7、8、10〜14)また
はAs2O3(例3、6、9)は挙げられていない。次
の性質が与えられている: ・熱膨張率α20/300[10- 6/K] ・密度ρ[g/cm3] ・DIN52324による膨張計による(dilatometric)
ガラス転移温度Tg[℃] ・粘度が104dPasでの温度(T4[℃]と呼ぶ) ・Vogel-Fulcher-Tammann式から計算した、粘度が10
2dPasでの温度(T2[℃]と呼ぶ) ・屈折率nd ・10%濃度のNH4F・HF溶液で23℃で20分間
処理後の、両面磨いた寸法50mm×50mm×2mm
のガラスプレートからの質量損失(材料除去値)として
の緩衝したフッ化水素酸(“BHF”)に対する耐性
[mg/cm2] 表 例:本発明によるガラスの組成(質量%、酸化物基準)
および本質的な性質
測定した、即ち、5%濃度の塩酸で95℃で24時間処
理後の、両面磨いた寸法50mm×50mm×2mmの
ガラスプレートからの質量損失(材料除去値)としての
“HCl”耐酸性:それぞれ0.78mg/cm2(ガ
ラス番号3)および0.50mg/cm2(ガラス番号
14)であることが見出された。
は、次の有利な性質を有する: ・それぞれ2.8×10- 6/K〜3.8×10- 6/K
または2.8×10- 6/K〜3.6×10- 6/Kまた
は3.4×10- 6/Kまでの熱膨張α20/3 00、
従ってアモルファスシリコンおよびますます多結晶質の
シリコンの双方の膨張挙動に適合した。
温度、即ち高い耐熱性。これは、製造の結果として最も
低く可能なコンパクションにとって、かつアモルファス
Si層でコーティングし、引き続き徐冷するための基板
としてのガラスの使用にとって必須である。
および粘度が102dPasでの温度は多くとも172
0℃、これは熱成形および溶融性に関連して適した粘度
特性線を意味する。このガラスは板ガラスとして、多様
な延伸法、例えばマイクロシートダウンフロー、アップ
フローまたはオーバーフロー融解法により、および好ま
しい実施態様において、ガラスがAs2O3およびSb
2O3を含有しない場合には、フロート法によっても製
造することができる。
液に対する良好な耐性から明らかであり、このことはフ
ラットパネルスクリーンの製造において使用される薬品
に対して十分に不活性にする。
質は高透過性のための物理的必要条件である。
好な失透安定性を有する。
術、殊にTFTディスプレイのため、および薄膜光電池
における基板ガラスとしての使用に高度に適している。
Claims (10)
- 【請求項1】 2.8×10- 6/K〜3.8×10- 6
/Kの熱膨張率α2 0/300を有するアルカリ金属不
含のアルミノホウケイ酸塩ガラスにおいて、次の組成
(質量%、酸化物基準): SiO2 >58〜65 B2O3 >6〜11.5 Al2O3 >14〜25 MgO 4〜8 CaO 0〜8 SrO 2.6〜<4 BaO 0〜<0.5 但し、SrO+BaO >3 ZnO 0〜2 を有していることを特徴とする、アルカリ金属不含のア
ルミノホウケイ酸塩ガラス。 - 【請求項2】 2.8×10- 6/K〜3.4×10- 6
/Kの熱膨張率α2 0/300を有するアルカリ金属不
含のアルミノホウケイ酸塩ガラスにおいて、次の組成
(質量%、酸化物基準): SiO2 >58〜65 B2O3 >6〜11.5 Al2O3 >14〜25 MgO 4〜8 CaO 0〜<2 SrO >0.5〜<4 BaO 0〜<0.5 ZnO 0〜2 を有していることを特徴とする、アルカリ金属不含のア
ルミノホウケイ酸塩ガラス。 - 【請求項3】 2.8×10- 6/K〜3.6×10- 6
/Kの熱膨張率α2 0/300を有するアルカリ金属不
含のアルミノホウケイ酸塩ガラスにおいて、次の組成
(質量%、酸化物基準): SiO2 >58〜65 B2O3 >6〜11.5 Al2O3 >21〜25 MgO 4〜8 CaO 0〜8 SrO 2.6〜<8 BaO 0〜<0.5 但し、SrO+BaO >3 ZnO 0〜2 を有していることを特徴とする、アルカリ金属不含のア
ルミノホウケイ酸塩ガラス。 - 【請求項4】 18質量%を上回り、有利に少なくとも
20.5質量%、特に有利に少なくとも21質量%のA
l2O3を含んでいる、請求項1または2記載のアルミ
ノホウケイ酸塩ガラス。 - 【請求項5】 ガラスが8質量%を上回るB2O3を含
んでいる、請求項1から4までのいずれか1項記載のア
ルミノホウケイ酸塩ガラス。 - 【請求項6】 付加的に次のもの: ZrO2 0〜2 TiO2 0〜2 但し、ZrO2+TiO2 0〜2 As2O3 0〜1.5 Sb2O3 0〜1.5 SnO2 0〜1.5 CeO2 0〜1.5 Cl- 0〜1.5 F- 0〜1.5 SO4 2 - 0〜1.5 但し、As2O3+Sb2O3+SnO2+CeO2+
Cl-+F-+SO4 2 - 0〜1.5 を含んでいる、請求項1から5までのいずれか1項記載
のアルミノホウケイ酸塩ガラス。 - 【請求項7】 ガラスが、不可避の不純物を除いて、酸
化ヒ素および酸化アンチモンを含有しておらず、かつフ
ロートプラントにおいて製造されることができる、請求
項1から6までのいずれか1項記載のアルミノホウケイ
酸塩ガラス。 - 【請求項8】 2.8×10- 6/K〜3.6×10- 6
/Kの熱膨張率α2 0/300、700℃を上回るガラ
ス転移温度Tgおよび2.600g/cm3を下回る密
度ρを有している、請求項1から7までのいずれか1項
記載のアルミノホウケイ酸塩ガラス。 - 【請求項9】 ディスプレイ技術における基板ガラスと
しての請求項1から8までのいずれか1項記載のアルミ
ノホウケイ酸塩ガラスの使用。 - 【請求項10】 薄膜光電池における基板ガラスとして
の請求項1から8までのいずれか1項記載のアルミノホ
ウケイ酸塩ガラスの使用。
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