JP2004091244A - Alkali-free glass substrate and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶ディスプレイ、ELディスプレイ等のフラットパネルディスプレイ基板及び、電荷結合素子(CCD)、等倍近接型固体撮像素子(CIS)、CMOSイメージセンサー等の各種イメージセンサー、ハードディスク、フィルター等のガラス基板として適した無アルカリガラス基板に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より液晶ディスプレイ、ELディスプレイ等のフラットディスプレイ基板として、ガラス基板が広く用いられている。
【0003】
特に薄膜トランジスタ型アクティブマトリックス液晶ディスプレイ(TFT−LCD)等の電子デバイスは、薄型で消費電力も少ないことから、カーナビゲーション、デジタルカメラのファインダー、パソコンのモニターやTV用など、様々な用途に使用されている。
【0004】
液晶ディスプレイを駆動するためには、TFT素子を代表とする駆動素子をガラス基板上に形成する必要があるが、TFT素子の製造工程において、ガラス基板上に透明導電膜や絶縁膜、半導体膜、金属膜等を成膜し、さらにフォトリソグラフィ−エッチング工程において、ガラス基板を種々の熱処理や薬品処理で処理する。例えばTFT型アクティブマトリックス液晶ディスプレイでは、ガラス基板上に絶縁膜や透明導電膜を成膜し、さらにアモルファスシリコンや多結晶シリコンのTFT(薄膜トランジスタ)がフォトリソグラフィ−エッチング工程でガラス基板上に多数形成される。TFTの製造工程において、ガラス基板は300〜600℃の熱処理を受けると共に、硫酸、塩酸、アルカリ溶液、フッ酸、バッファードフッ酸等の種々の薬品による処理を受ける。そのためTFT液晶ディスプレイ用ガラス基板には、以下のような特性が求められる。
【0005】
(1)ガラス中にアルカリ金属酸化物が含有されていると、熱処理中にアルカリイオンが成膜された半導体物質中に拡散し、膜の特性の劣化を招くため、実質的にアルカリ金属酸化物を含有しないこと。
【0006】
(2)フォトリソグラフィ−エッチング工程で使用される酸、アルカリ等の溶液に対する耐性、すなわち耐薬品性に優れていること。
【0007】
(3)成膜、アニール等の工程で、ガラス基板は数百℃の高温に加熱される。その際、ガラス基板が熱収縮しないように歪点が高いこと。現在、高性能の液晶ディスプレイとして注目されている低温多結晶シリコンTFT−LCDでは、その工程温度が約400〜600℃と比較的高い。この用途に用いるガラス基板には、歪点が640℃以上であることが望まれる。
【0008】
(4)ガラスの溶融工程や成形工程でガラス中に異物が発生しないように、耐失透性に優れていること。特にオーバーフローダウンドロー法等のダウンドロー法によってガラスを成形する場合には、ガラスの耐失透性が重要であり、ガラス成形温度を考慮すると、その液相線温度が1200℃以下であることが要求される。
【0009】
(5)液晶ディスプレイを軽量化するため、密度が低いこと。特にノート型パソコンに搭載されるガラス基板は軽量化の要求が強く、具体的には、2.50g/cm3以下であることが要求されている。
【0010】
さらに上記の特性以外にも、液晶ディスプレイに使用されるガラス基板には、表面の平坦度が高いことが要求される。例えば液晶ディスプレイは、2枚の薄いガラス基板の間に挟まれた液晶層が、光シャッターとして働き、この層が光を遮蔽したり、透視することで表示が行われる。この液晶層は、数μm〜10数μmと非常に薄い厚みに保持されている。そのため、ガラス基板の表面の平坦度、特にうねりと呼ばれるμmレベルの凹凸は、液晶層の厚み(セルギャップと呼ばれる)に影響を与えやすく、表面のうねりが大きいと、表示ムラ等の表示不良の原因となる。
【0011】
また近年、液晶ディスプレイでは、高速応答化や高精細化の目的で、セルギャップがより薄くなる傾向にあるため、これに用いられるガラス基板の表面のうねりを低減することがますます重要となってきている。
【0012】
ガラス基板の表面のうねりを低減するために最も有効な方法は、成形後のガラス基板の表面を精密に研磨することであるが、この方法ではガラス基板の製造コストが非常に高くなる。
【0013】
そのため現在では、オーバーフローダウンドロー法やフロート法等の成形法により、できるだけ表面のうねりの小さいガラス基板を成形し、無研磨の状態で、あるいは極く軽い研磨(タッチポリッシュ)を施して出荷されている。
【0014】
また液晶ディスプレイ用途のガラス基板には、表面の平坦度以外にも、様々な要求特性があるが、特にガラス中の泡や結晶性異物等の内部欠陥に対する要求品位が非常に厳しい。しかしながら液晶ディスプレイ基板は、無アルカリガラスからなり、融剤の働きをするアルカリ金属酸化物成分を含有しないため、ガラス融液の粘度が高く、またガラス融液の組成が不均一になりやすいため、溶融が困難である。
【0015】
そのため従来から、無アルカリガラスを溶融するに際しては、比較的高温で作用する清澄剤(溶融ガラス中の泡を切る消泡剤)であるAs2O3を用い、且つ、ガラス溶融炉の最高温度が1600℃超の高温となるように設定してガラスの溶融性を高める方法が採られている。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
ところで近年、ますます環境問題が注目されつつあるが、As2O3は、毒物に区分される化合物で、環境負荷化学物質であるため、その使用を避けることが強く求められている。無アルカリガラスを溶融するに際し、As2O3を含有させなければ、清澄性が低下し、ガラス中の泡数が増加するが、SnO2を含有させることにより、泡の低減を図ることが可能である。
【0017】
SnO2は高温で作用する清澄剤であるが、As2O3と比較すると、ガラスの清澄作用に劣るため、泡を十分に低減したガラスが得難くなる。またガラス中に溶融しきれずに残った異質な層が発生し易くなり、これが原因となって、ガラス基板の表面のうねりが大きくなりやすい。
【0018】
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、清澄剤として、As2O3に替えてSnO2を使用しても、泡や異質層の発生を抑え、表面のうねりを小さくすることができる無アルカリガラス基板の製造方法を提供することを目的とする。
【0019】
【課題を解決するための手段】
本発明者の知見によると、無アルカリガラス中に異質層が発生する第1の理由は、この種のガラスの主成分であるSiO2濃度の高いガラス質層がガラス中に残存するためである。また第2の理由は、一般にこの種のガラスを溶融するための溶融炉は、ZrO2質耐火物から構築されているが、ガラス融液と耐火物との反応によりZrO2がガラス中に溶出し、ZrO2濃度の高いガラス質層がガラス中に残存するためである。ところが、このような異質層は、シリカ原料を適切に選択することによって発生を抑えることが可能となる。
【0020】
すなわち本発明の無アルカリガラス基板の製造方法は、ガラス原料を調合し、溶融、清澄した後、板状に成形する無アルカリガラス基板の製造方法において、シリカ原料として、平均粒径(D50)が60μm以下の原料を使用し、清澄剤としてSnO2を使用することを特徴とする。
【0021】
また本発明の無アルカリガラス基板は、As2O3の含有量が0.1質量%未満、SnO2の含有量が0.005〜0.5質量%であり、ガラス基板の表面のうねり量が0.02μm以下であることを特徴とする
【0022】
【発明の実施の形態】
本発明の無アルカリガラスの製造方法において、清澄剤として使用するSnO2は、1400℃以上の温度域で酸素を放出して清澄ガスを発生し、ガラス中の泡を減少する作用を有する。このSnO2は、As2O3に比較すると、清澄作用に劣るが、シリカ原料、すなわち珪砂や珪粉として、平均粒径(D50)が60μm以下の原料を使用すると、ガラスの溶融性が著しく向上し、ガラス基板のうねり量を小さくすることができ、しかもガラス中の泡を大幅に低減することが可能となる。
【0023】
すなわち平均粒径(D50)が60μm以下のシリカ原料を使用すると、ガラス中にSiO2濃度の高い異質層が発生し難くなるため、これに起因するガラス基板の表面のうねりが小さくなる。また、ガラスの溶融性が向上すると、ガラス溶融炉の最高温度を下げられることにより、耐火物からのZrO2の溶出を抑えることができ、ガラス中にZrO2濃度の高い異質層が発生し難くなるため、これに起因するガラス基板の表面のうねりも小さくなる。しかも均質な溶融ガラスが得られることにより、清澄が容易となり、SnO2の清澄作用によって十分に泡を低減することが可能となる。
【0024】
シリカ原料の平均粒径(D50)は、好ましくは58μm以下、より好ましくは55μm以下である。
【0025】
本発明では、ガラス中のSnO2の含有量が、0.005〜0.5質量%(好ましくは、0.01〜0.3質量%)となるように規制することが好ましい。すなわちガラス中に含有されるSnO2が、0.005質量%より少ないと、上記したシリカ原料を使用しても、十分な清澄効果が得られず、逆に0.5質量%より多いと、成形時にSnO2の失透物が析出しやすくなるからである。特にオーバーフローダウンドロー法で成形する場合には、失透が発生しやすいため注意する必要がある。SnO2は、ガラス原料として錫酸化物を添加すると、その含有量を規制しやすいため好ましいが、製造工程でガラス中に混入するようにしても良い。例えばガラス溶融炉に錫電極を使用した場合は、数ppm〜数百ppm程度のSnO2がガラス中に混入し、これが清澄剤として作用するからである。
【0026】
As2O3は、環境負荷化学物質であるため、本質的にガラス中に含有しないこと、つまり砒素酸化物をガラス原料中に添加しないことが好ましい。尚、As2O3を本質的にガラス中に含有しないとは、ガラス中のAs2O3が0.1質量%以下ということを意味している。As2O3の好ましい含有量は0.05質量%以下、より好ましい含有量は0.01質量%以下である。
【0027】
また本発明では、シリカ原料の溶解を促進する目的で、塩化物をガラス原料中に添加することが好ましい。塩化物は、1200℃以上の温度域で分解、揮発して清澄ガスを発生し、その攪拌作用により異質層の形成を抑制する。また塩化物は、その分解時にシリカを取り込んで溶解させる効果がある。ただし塩化物が多すぎると、過度の揮発によるガラスの変質を起こしやすくなるため好ましくない。よって塩化物の添加量は、ガラス中のClが0.5質量%以下、好ましくは0.01〜0.5質量%、より好ましくは、0.01〜0.3質量%となるように規制することが重要である。尚、塩化物としては、BaCl2、CaCl2、SrCl2等を使用すれば良い。
【0028】
また本発明では、アンチモン酸化物をガラス原料中に添加し、ガラス中にSb2O3を含有させると、清澄効果がより促進されるため好ましい。すなわちSb2O3は、As2O3よりも清澄ガスの放出温度は低いが、本発明では、平均粒径(D50)が60μm以下のシリカ原料を使用するため、原料の溶解を比較的低温で行うことができる。そのため後工程である清澄工程も低温化が可能となり、Sb2O3による清澄効果が得られる。ただしSb2O3も、As2O3ほどではないが、環境上好ましくない化学物質であるため、多量に含有することは好ましくない。よってガラス中のSb2O3の含有量は、1.8重量%以下、好ましくは0.01〜1.8質量%、より好ましくは0.05〜1.5質量%となるように規制することが重要である。
【0029】
このように本発明では、清澄剤としてSnO2を使用しながらも、平均粒径(D50)が60μm以下のシリカ原料を使用するため、泡や異質層を低減することができる。その結果、表面のうねり量が0.02μm以下の無アルカリガラス基板を製造することが可能となる。この表面のうねり量が0.02μm以下の無アルカリガラス基板を液晶ディスプレイに使用すると、液晶ディスプレイのセルギャップが1μm程度でも表示不良の発生を抑えることが可能である。
【0030】
本発明の無アルカリガラス基板の製造方法は、ガラス原料を調合し、溶融、清澄した後、板状に成形するものであり、その成形法としては、オーバーフローダウンドロー法、スロットダウンドロー法、フロート法、ロールアウト法が適用できる。特にオーバーフローダウンドロー法によって成形すると、表面を研磨することなく、表面のうねり量が非常に小さいガラス基板が得られやすいため好ましい。
【0031】
本発明の無アルカリガラス基板は、厚みが、0.1〜1.1mmであると、液晶ディスプレイ基板として好適である。
【0032】
また本発明の無アルカリガラス基板は、質量%で、SiO2 55〜70%、Al2O3 12〜20%、B2O3 5〜15%、MgO 0〜7%、CaO 0〜12%、BaO 0〜10%、SrO 0〜10%、ZnO 0〜5%の基本組成を有することが好ましい。
【0033】
上記のように本発明の無アルカリガラス基板の基本組成を規定した理由は、次のとおりである。
【0034】
SiO2が55%より少ないと、耐薬品性、特に耐酸性が低下すると共に、低密度化が図り難くなる。また70%より多いと、高温粘度が大きくなり、溶融性が低下すると共に、ガラス中にクリストバライトの失透異物が生じやすくなる。SiO2の好ましい含有量は、56〜68%である。
【0035】
Al2O3が12%より少ないと、失透温度が上昇し、ガラス中にクリストバライトの失透異物が生じやすくなると共に歪点が低下する。また20%より多いと、ガラスの耐バッファードフッ酸性が低下し、ガラス表面に白濁が生じやすくなると共に、ガラスの耐失透性が低下する。Al2O3の好ましい含有量は、13〜18%である。
【0036】
B2O3は融剤として働き、粘性を下げ、溶融性を改善する成分である。5%より少ないと、融剤としての働きが不十分となり、また耐バッファアードフッ酸性が低下する。15%より多いと、ガラスの歪点が低下すると共に、耐酸性が低下する。
【0037】
MgOは、歪点を下げずに高温粘性を下げ、ガラスの溶融性を改善する成分である。またMgOは、アルカリ土類金属酸化物中では、最も密度を下げる効果があるが、多量に含有すると、失透温度が上昇し、ガラス中に結晶異物が析出しやすくなる。さらにMgOは、バッファードフッ酸と反応して生成物を形成し、ガラス基板の表面に形成される素子に固着したり、ガラス基板に付着して白濁させる虞れがあるため、その含有量には制限がある。よってMgOは、7%以下、好ましくは5%以下、より好ましくは1%以下にすることが望ましい。
【0038】
CaOも、MgOと同様に歪点を下げずに高温粘性を下げ、ガラスの溶融性を著しく改善する効果を有する。CaOが12%より多いと、ガラスの耐バッファードフッ酸性が低下し、ガラス基板が浸食されやすくなると共に、反応生成物がガラス基板表面に付着しガラスを白濁させる。より望ましいCaOの含有量は、3〜10%である。
【0039】
BaOは、ガラスの耐薬品性、耐失透性を向上させる成分であるが、多量に含有すると、ガラスの密度が上昇する。またBaOは、アルカリ金属酸化物の中では、溶融性を悪化させる成分である。この種のガラスは、SiO2を減少させることが溶融性を高める上で最も効果的であるが、SiO2を減少させると、耐酸性が低下するため好ましくない。従って、SiO2を減少させることなく、ガラスの溶融性を高めるためには、BaO量を制限する必要があり、10%以下とするべきである。BaOの好ましい量は、5%以下である。
【0040】
SrOは、ガラスの耐薬品性を向上させると共に失透性を改善する成分であるが、多量に含有すると、ガラスの密度が上昇する。またSrOは、BaOと同様、アルカリ金属酸化物の中では、溶融性を悪化させる成分である。よってSrOは、10%以下、より好ましくは8%以下である。
【0041】
ZnOは、ガラスの耐バッファードフッ酸性と溶融性を改善する成分であるが、5%以上含有すると、ガラスが失透し易くなると共に歪点が低下する。
【0042】
アルカリ土類金属酸化物は、混合して含有させることによりガラスの失透温度を著しく下げ、ガラス中に結晶異物が発生し難くすることができるため、ガラスの溶融性と成形性を改善することができるが、多量に含有させると、ガラスの密度が上昇して基板の軽量化が図れなくなるため、これらの成分は合量で15%以下に抑えるべきである。
【0043】
上記成分以外にも、本発明の特徴となるガラス特性が損なわれない限り、F2、SO3等の清澄剤やY2O3、La2O3、Nb2O3、TiO2等を添加しても良い。また本発明では、アルカリ金属酸化物を実質的に含有しないことを特徴とする。アルカリ金属酸化物を実質的に含有しないとは、その含有量を0.1質量%以下、好ましくは0.05質量%以下に抑えるという意味である。
【0044】
また本発明の無アルカリガラス基板は、1600℃付近の高温で溶融する必要があるため、そのガラス溶融炉は、高温下でも耐食性に優れたZrO2質系耐火物から構築することが望ましい。ところが上記したようにZrO2質系耐火物からなるガラス溶融炉を使用しても、長期間の稼働の間に、耐火物の成分であるZrO2がガラス中に徐々に溶出することになる。ガラス融液中でのZrO2の拡散は非常に遅いため、ガラス中にZrO2が多量に混入すると、ガラス融液が不均質になり、ガラス基板の表面にうねりが発生しやすくなる。しかしながら本発明では、平均粒径(D50)が60μm以下のシリカ原料を使用し、ガラスの溶融性を向上させることができるため、ガラス溶融炉の最高温度を低下することができ、ZrO2質系耐火物の浸食によるZrO2の溶出を抑えることが可能である。またガラスの溶融性が向上するため、例え若干量のZrO2が溶出しても均質なガラス融液が得られる。
【0045】
しかしながら実際の稼働においては、ガラスの流量を小さくしなければならない時があり、その結果、ガラス溶融炉内でのガラスの滞留時間が長くなり、耐火物がガラス中に溶出し、ガラス中のZrO2量が多くなることがある。この場合、ガラス基板の表面のうねりが大きくなりやすいため、原料のみならず、製造工程からの混入もできるだけ少なくなるように工夫することが望ましい。そのためには、ガラス溶融炉を構築する材料(耐火物)の一部又は全部を、ZrSiO4質系耐火物やAl2O3質系耐火物に替えたり、耐火物を水冷や空冷して冷却することによってガラスへの溶出を抑える方法が有効である。以上のように、ZrO2は、ガラス基板の表面のうねりを低減するという見地から、原料及び製造工程からの混入をできるだけ避けるべきであり、ガラス中の含有量は、0.2質量%以下、好ましくは、0.1質量%以下とすべきである。
【0046】
【実施例】
以下、本発明の無アルカリガラス基板を実施例に基づき詳細に説明する。
【0047】
表1〜3は、本発明の実施例(試料No.1〜10)と比較例(試料No.11〜13)を示すものである。
【0048】
【表1】
【0049】
【表2】
【0050】
【表3】
【0051】
表中の各ガラス試料は、次のようにして作製した。
【0052】
まず表の組成となるようにガラス原料を調合したバッチを白金ルツボに入れ、1600℃で24時間溶融した後、カーボン板上に流し出し、板状に成形した。こうして得られたガラス試料を用いて、密度、熱膨張係数、歪点、102.5ポイズ温度、液相温度、耐薬品性を測定した。またこれらのガラスを実際のガラス溶融炉を模して作製された小型のガラス溶融装置(ZrO2質耐火物製)で溶融し、オーバーフローダウンドロー法で板状に成形した後、370×470×0.7mmに切断加工し、こうして得られたガラス基板の泡個数を計測すると共に、うねり量を測定した。尚、No.1〜5の実施例ガラスのSiO2原料は、平均粒径(D50)が40μmの珪砂を使用し、またNo.6〜10の実施例ガラスのSiO2原料は、平均粒径(D50)が56μmの珪砂を使用し、さらにNo.11〜13の比較例ガラスのSiO2原料は、平均粒径(D50)が95μmの珪砂を使用した。
【0053】
表から明らかなように、No.1〜10の実施例ガラスは、低密度で、熱膨張係数が32〜38×10−7/℃であり、歪点が660℃以上であった。また102.5ポイズに相当する温度が1597℃以下であり、液相温度は1105℃以下、耐HCl性と耐BHF性に優れていた。さらに泡個数が6.0個/kg以下、うねり量が0.02μm以下であった。
【0054】
一方、No.11〜13の比較例ガラスは、泡個数が20個/kg以上と多く、またうねり量が0.03μm以上と大きかった。
【0055】
尚、表中の密度は、周知のアルキメデス法で求め、熱膨張係数は、ディラトメーターを用いて30〜380℃における平均熱膨張係数を測定した。歪点は、ASTM C336−71に基づいて測定した。102.5ポイズ温度は、高温粘性である102.5ポイズの粘度に相当する温度を示すものであり、この温度が低いほど溶融性に優れていることになる。液相温度は、ガラス試料を300〜500μmの粒径に破砕し、これを白金ボート中に投入し、温度勾配炉中で24時間熱処理した後、これを取り出し、ガラス中に失透(結晶異物)の見られた温度を示したものである。耐HCl性と耐BHF性は、以下の方法で浸食量を求めて評価した。まず各ガラス試料の両面を光学研磨した後、その一部をマスキングしてから所定の濃度に調合した薬液中で下に示す条件で浸漬した。このように薬液で処理した後、マスクを外し、マスク部分と浸食部分の段差を表面粗さ計で測定し、その値を浸食量とした。この浸食量が多いほど耐HCl性と耐BHF性が悪いということになる。耐HCl性は、10質量%塩酸水溶液を用いて80℃、24時間の処理条件で測定した。また耐BHF性は、130BHF溶液(NH4HF2:4.6質量%、NH4F:36質量%)を用いて20℃、30分間の処理条件で測定した。
【0056】
泡個数は、ガラス基板中を顕微鏡で観察し、長さ0.1mm以上の泡の個数を示した。うねり量は、触針式の表面形状測定装置を用いて、JIS B−0610に記載のWCA(ろ波中心線うねり)を測定した。この測定は、SEMI STD D15−1296に準拠した方法で行い、測定時のカットオフは0.008〜0.8mm、ガラス基板の引き出し方向に対して垂直な方向に300mmの長さで測定し、うねりの最大値を求め、それを表示した。
【0057】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の無アルカリガラス基板の製造方法によると、シリカ原料として、平均粒径(D50)が60μm以下の原料を使用するため、清澄剤としてSnO2を使用しても、泡や異質層の発生を抑えることができ、その結果、表面のうねり量の小さなガラス基板が得ることが可能となる。
【0058】
またこうして得られる無アルカリガラス基板は、液晶ディスプレイ、ELディスプレイ等の高性能のフラットディスプレイ基板を始めとして、電荷結合素子(CCD)、等倍近接型固体撮像素子(CIS)、CMOSイメージセンサー等の各種イメージセンサー、ハードディスク、フィルター等のガラス基板として好適である。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a flat panel display substrate such as a liquid crystal display and an EL display, various image sensors such as a charge-coupled device (CCD), a 1 × proximity solid-state imaging device (CIS), a CMOS image sensor, and a glass such as a hard disk and a filter. The present invention relates to an alkali-free glass substrate suitable as a substrate.
[0002]
[Prior art]
BACKGROUND ART Conventionally, glass substrates have been widely used as flat display substrates for liquid crystal displays, EL displays, and the like.
[0003]
In particular, electronic devices such as thin film transistor type active matrix liquid crystal displays (TFT-LCDs) are thin and consume little power, so they are used for various purposes such as car navigation, viewfinders for digital cameras, monitors for personal computers, and TVs. I have.
[0004]
In order to drive a liquid crystal display, it is necessary to form a driving element typified by a TFT element on a glass substrate, but in a manufacturing process of the TFT element, a transparent conductive film, an insulating film, a semiconductor film, In a photolithography-etching step, a glass substrate is subjected to various heat treatments and chemical treatments. For example, in a TFT active matrix liquid crystal display, an insulating film or a transparent conductive film is formed on a glass substrate, and a large number of amorphous silicon or polycrystalline silicon TFTs (thin film transistors) are formed on the glass substrate by a photolithography-etching process. You. In the TFT manufacturing process, the glass substrate is subjected to a heat treatment at 300 to 600 ° C. and is treated with various chemicals such as sulfuric acid, hydrochloric acid, an alkaline solution, hydrofluoric acid, and buffered hydrofluoric acid. Therefore, the glass substrate for a TFT liquid crystal display is required to have the following characteristics.
[0005]
(1) When an alkali metal oxide is contained in glass, alkali ions diffuse into a formed semiconductor material during heat treatment, causing deterioration of film properties. Do not contain.
[0006]
(2) It has excellent resistance to a solution such as an acid and an alkali used in a photolithography-etching step, that is, excellent chemical resistance.
[0007]
(3) In a process such as film formation and annealing, the glass substrate is heated to a high temperature of several hundred degrees Celsius. At that time, the strain point must be high so that the glass substrate does not shrink thermally. At present, the process temperature of a low-temperature polycrystalline silicon TFT-LCD that has attracted attention as a high-performance liquid crystal display has a relatively high process temperature of about 400 to 600 ° C. It is desired that the glass substrate used for this purpose has a strain point of 640 ° C. or higher.
[0008]
(4) It is excellent in devitrification resistance so that foreign matter is not generated in the glass during the glass melting step or the forming step. In particular, when glass is formed by a downdraw method such as an overflow downdraw method, the devitrification resistance of the glass is important, and when the glass forming temperature is considered, the liquidus temperature may be 1200 ° C or less. Required.
[0009]
(5) Low density to reduce the weight of the liquid crystal display. In particular, there is a strong demand for a glass substrate mounted on a notebook personal computer to be reduced in weight, and specifically, a glass substrate of not more than 2.50 g / cm 3 is required.
[0010]
Further, in addition to the above characteristics, a glass substrate used for a liquid crystal display is required to have high surface flatness. For example, in a liquid crystal display, a liquid crystal layer sandwiched between two thin glass substrates functions as an optical shutter, and display is performed by blocking or seeing through the light. This liquid crystal layer is held at a very small thickness of several μm to several tens μm. Therefore, the flatness of the surface of the glass substrate, particularly irregularities at the μm level called undulation, easily affects the thickness of the liquid crystal layer (called cell gap). If the undulation of the surface is large, display defects such as display unevenness may occur. Cause.
[0011]
In recent years, in liquid crystal displays, the cell gap has tended to be thinner for the purpose of high-speed response and high definition. Therefore, it has become increasingly important to reduce the undulation of the glass substrate used for this purpose. ing.
[0012]
The most effective method for reducing the waviness on the surface of the glass substrate is to precisely polish the surface of the glass substrate after molding. However, this method greatly increases the manufacturing cost of the glass substrate.
[0013]
For this reason, at present, glass substrates with as little surface undulation as possible are formed by molding methods such as the overflow down draw method and the float method, and they are shipped with no polishing or with extremely light polishing (touch polish). I have.
[0014]
In addition, glass substrates for liquid crystal displays have various required characteristics in addition to the flatness of the surface, but the required quality for internal defects such as bubbles and crystalline foreign matter in glass is extremely severe. However, since the liquid crystal display substrate is made of non-alkali glass and does not contain an alkali metal oxide component acting as a flux, the viscosity of the glass melt is high, and the composition of the glass melt tends to be non-uniform, Difficult to melt.
[0015]
Therefore, conventionally, when melting non-alkali glass, As 2 O 3 which is a fining agent (an antifoaming agent that cuts bubbles in the molten glass) that operates at a relatively high temperature is used, and the maximum temperature of the glass melting furnace is used. Is set to be a high temperature of more than 1600 ° C. to enhance the melting property of the glass.
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in recent years, attention has been increasingly paid to environmental issues. However, As 2 O 3 is a compound classified as a toxic substance and is an environmentally hazardous chemical substance. Therefore, it is strongly required to avoid its use. When melting the alkali-free glass, if As 2 O 3 is not contained, the clarity decreases and the number of bubbles in the glass increases, but by including SnO 2 , it is possible to reduce bubbles. It is.
[0017]
SnO 2 is a fining agent that acts at a high temperature, but is inferior to As 2 O 3 in fining action of glass, so that it is difficult to obtain glass with sufficiently reduced bubbles. In addition, an extraneous layer remaining without being completely melted in the glass is likely to be generated, and this causes the surface of the glass substrate to swell easily.
[0018]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and even if SnO 2 is used instead of As 2 O 3 as a fining agent, it is possible to suppress the generation of bubbles and foreign layers and reduce the surface undulation. An object of the present invention is to provide a method for producing an alkali-free glass substrate that can be used.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
According to the knowledge of the present inventor, the first reason that a heterogeneous layer occurs in alkali-free glass is that a vitreous layer having a high SiO 2 concentration, which is a main component of this type of glass, remains in the glass. . The second reason is that a melting furnace for melting this kind of glass is generally made of ZrO 2 refractory, but ZrO 2 is eluted into the glass by a reaction between the glass melt and the refractory. However, this is because a glassy layer having a high ZrO 2 concentration remains in the glass. However, generation of such a foreign layer can be suppressed by appropriately selecting a silica raw material.
[0020]
That is, in the method for producing an alkali-free glass substrate of the present invention, in the method for producing an alkali-free glass substrate in which a glass raw material is prepared, melted, and clarified, and then formed into a plate, an average particle diameter (D 50 ) Is characterized by using a raw material having a particle size of 60 μm or less and using SnO 2 as a fining agent.
[0021]
In the alkali-free glass substrate of the present invention, the content of As 2 O 3 is less than 0.1% by mass, the content of SnO 2 is 0.005 to 0.5% by mass, and the undulation amount of the surface of the glass substrate. Is not more than 0.02 μm.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In the method for producing an alkali-free glass of the present invention, SnO 2 used as a fining agent has a function of releasing oxygen in a temperature range of 1400 ° C. or more to generate a fining gas and reduce bubbles in the glass. This SnO 2 is inferior to As 2 O 3 in refining action, but when a raw material having an average particle diameter (D 50 ) of 60 μm or less is used as a silica raw material, that is, silica sand or silica powder, the melting property of the glass is reduced. This significantly improves the amount of undulation of the glass substrate, and significantly reduces bubbles in the glass.
[0023]
That is, when a silica raw material having an average particle diameter (D 50 ) of 60 μm or less is used, a heterogeneous layer having a high SiO 2 concentration is less likely to be generated in the glass, so that the undulation of the surface of the glass substrate due to this is reduced. Further, when the melting property of the glass is improved, the maximum temperature of the glass melting furnace can be lowered, so that the elution of ZrO 2 from the refractory can be suppressed, and a heterogeneous layer having a high ZrO 2 concentration is hardly generated in the glass. Therefore, the undulation on the surface of the glass substrate due to this is also reduced. Moreover, by obtaining a homogeneous molten glass, fining becomes easy, and bubbles can be sufficiently reduced by the fining action of SnO 2 .
[0024]
The average particle size (D 50 ) of the silica raw material is preferably 58 μm or less, more preferably 55 μm or less.
[0025]
In the present invention, the content of SnO 2 in the glass, 0.005 wt% (preferably 0.01 to 0.3 wt%) is preferably regulated to be a. That is, if the SnO 2 contained in the glass is less than 0.005% by mass, a sufficient fining effect cannot be obtained even when the above-mentioned silica raw material is used, and if it is more than 0.5% by mass, This is because SnO 2 devitrified material tends to precipitate during molding. In particular, when molding by the overflow down draw method, care must be taken because devitrification tends to occur. SnO 2 is preferable when tin oxide is added as a glass raw material, since the content is easy to regulate, but it may be mixed into glass in the production process. For example, when a tin electrode is used in a glass melting furnace, about several ppm to several hundred ppm of SnO 2 is mixed into the glass and acts as a fining agent.
[0026]
As 2 O 3 is an environmentally hazardous chemical substance, so it is preferable that it is not essentially contained in glass, that is, that arsenic oxide is not added to glass raw materials. The fact that As 2 O 3 is not essentially contained in the glass means that As 2 O 3 in the glass is 0.1% by mass or less. The preferred content of As 2 O 3 is 0.05% by mass or less, and the more preferred content is 0.01% by mass or less.
[0027]
In the present invention, it is preferable to add a chloride to the glass raw material for the purpose of promoting the dissolution of the silica raw material. Chloride decomposes and volatilizes in a temperature range of 1200 ° C. or more to generate a fining gas, and suppresses formation of a foreign layer by its stirring action. Chloride has the effect of taking in and dissolving silica during its decomposition. However, if the chloride content is too large, the glass is liable to deteriorate due to excessive volatilization, which is not preferable. Therefore, the amount of chloride added is regulated such that Cl in the glass is 0.5% by mass or less, preferably 0.01 to 0.5% by mass, more preferably 0.01 to 0.3% by mass. It is important to. As the chloride, BaCl 2 , CaCl 2 , SrCl 2 or the like may be used.
[0028]
In the present invention, it is preferable to add antimony oxide to the glass raw material and to make the glass contain Sb 2 O 3 because the fining effect is further promoted. That is, Sb 2 O 3 has a lower fining gas emission temperature than As 2 O 3, but in the present invention, since a silica raw material having an average particle diameter (D 50 ) of 60 μm or less is used, the raw material is relatively dissolved. Can be performed at low temperatures. Therefore, the temperature of the fining step, which is a subsequent step, can be reduced, and the fining effect of Sb 2 O 3 can be obtained. However, Sb 2 O 3 is also an environmentally unfavorable chemical substance, although not as large as As 2 O 3, so that it is not preferable to contain it in a large amount. Therefore, the content of Sb 2 O 3 in the glass is regulated to be 1.8% by weight or less, preferably 0.01 to 1.8% by weight, more preferably 0.05 to 1.5% by weight. This is very important.
[0029]
As described above, in the present invention, while using SnO 2 as a fining agent, a silica raw material having an average particle diameter (D 50 ) of 60 μm or less is used, so that bubbles and foreign layers can be reduced. As a result, it is possible to manufacture an alkali-free glass substrate having a surface undulation of 0.02 μm or less. When an alkali-free glass substrate having a surface undulation of 0.02 μm or less is used for a liquid crystal display, it is possible to suppress the occurrence of display defects even when the cell gap of the liquid crystal display is about 1 μm.
[0030]
The method for producing an alkali-free glass substrate of the present invention comprises mixing, melting, and refining glass raw materials, and forming the mixture into a plate shape. Examples of the forming method include an overflow down draw method, a slot down draw method, and a float method. Method and rollout method can be applied. In particular, molding by an overflow down draw method is preferable because a glass substrate having a very small surface undulation can be easily obtained without polishing the surface.
[0031]
When the alkali-free glass substrate of the present invention has a thickness of 0.1 to 1.1 mm, it is suitable as a liquid crystal display substrate.
[0032]
The alkali-free glass substrate of the present invention, in mass%, SiO 2 55~70%, Al 2 O 3 12~20%, B 2 O 3 5~15%, MgO 0~7%, CaO 0~12% , BaO 0-10%, SrO 0-10%, and ZnO 0-5%.
[0033]
The reasons for defining the basic composition of the alkali-free glass substrate of the present invention as described above are as follows.
[0034]
If the content of SiO 2 is less than 55%, the chemical resistance, particularly the acid resistance, is reduced, and it is difficult to reduce the density. If it is more than 70%, the high-temperature viscosity increases, the melting property decreases, and cristobalite devitrified foreign matter is easily generated in the glass. The preferred content of SiO 2 is 56 to 68%.
[0035]
When the content of Al 2 O 3 is less than 12%, the devitrification temperature rises, and the devitrified foreign substances of cristobalite are easily generated in the glass, and the strain point is lowered. On the other hand, if it exceeds 20%, the buffered hydrofluoric acid resistance of the glass is reduced, the glass surface is likely to be clouded, and the devitrification resistance of the glass is reduced. The preferred content of Al 2 O 3 is 13 to 18%.
[0036]
B 2 O 3 is a component that acts as a flux, lowers the viscosity, and improves the meltability. If the amount is less than 5%, the function as a flux becomes insufficient, and the resistance to buffered hydrofluoric acid decreases. If it is more than 15%, the strain point of the glass decreases, and the acid resistance decreases.
[0037]
MgO is a component that lowers the high-temperature viscosity without lowering the strain point and improves the meltability of glass. MgO is most effective in reducing the density of alkaline earth metal oxides. However, when MgO is contained in a large amount, the devitrification temperature rises, and crystal foreign substances tend to precipitate in glass. Further, MgO reacts with buffered hydrofluoric acid to form a product, which may stick to an element formed on the surface of the glass substrate or may adhere to the glass substrate to make it cloudy. Has limitations. Therefore, MgO is desirably 7% or less, preferably 5% or less, and more preferably 1% or less.
[0038]
Like CaO, CaO also has the effect of lowering the high-temperature viscosity without lowering the strain point and significantly improving the melting property of glass. If the content of CaO is more than 12%, the buffered hydrofluoric acid resistance of the glass is reduced, the glass substrate is easily eroded, and the reaction product adheres to the surface of the glass substrate to cloud the glass. A more desirable content of CaO is 3 to 10%.
[0039]
BaO is a component for improving the chemical resistance and devitrification resistance of glass, but when contained in a large amount, the density of the glass increases. BaO is a component that deteriorates the melting property among the alkali metal oxides. For this type of glass, reducing SiO 2 is the most effective in increasing the melting property, but reducing SiO 2 is not preferable because acid resistance decreases. Therefore, in order to increase the melting property of the glass without reducing SiO 2 , it is necessary to limit the amount of BaO, and it should be 10% or less. The preferred amount of BaO is 5% or less.
[0040]
SrO is a component that improves the chemical resistance of the glass and also improves the devitrification. However, when contained in a large amount, the density of the glass increases. SrO, like BaO, is a component that deteriorates the melting property in the alkali metal oxide. Therefore, SrO is at most 10%, more preferably at most 8%.
[0041]
ZnO is a component that improves the buffered hydrofluoric acid resistance and the melting property of the glass. However, when the content is 5% or more, the glass is easily devitrified and the strain point is lowered.
[0042]
By mixing and containing alkaline earth metal oxides, the devitrification temperature of glass can be significantly reduced, and crystal foreign substances can be less likely to occur in the glass. However, if it is contained in a large amount, the density of the glass increases and it becomes impossible to reduce the weight of the substrate. Therefore, the total amount of these components should be suppressed to 15% or less.
[0043]
In addition to the above components, fining agents such as F 2 and SO 3 , Y 2 O 3 , La 2 O 3 , Nb 2 O 3 , TiO 2 and the like are added as long as the glass characteristics which are the characteristics of the present invention are not impaired. You may. Further, the present invention is characterized by substantially not containing an alkali metal oxide. The phrase "contains substantially no alkali metal oxide" means that the content is suppressed to 0.1% by mass or less, preferably 0.05% by mass or less.
[0044]
Further, since the alkali-free glass substrate of the present invention needs to be melted at a high temperature of around 1600 ° C., it is desirable that the glass melting furnace is made of a ZrO 2 refractory having excellent corrosion resistance even at a high temperature. However, as described above, even when a glass melting furnace made of a ZrO 2 -based refractory is used, ZrO 2 as a component of the refractory gradually elutes into the glass during long-term operation. Since the diffusion of ZrO 2 in the glass melt is very slow, if a large amount of ZrO 2 is mixed in the glass, the glass melt becomes inhomogeneous, and the surface of the glass substrate is likely to undulate. However, in the present invention, a silica raw material having an average particle size (D 50 ) of 60 μm or less can be used to improve the melting property of glass, so that the maximum temperature of the glass melting furnace can be reduced, and ZrO 2 It is possible to suppress the elution of ZrO 2 due to erosion of the refractory. Further, since the melting property of the glass is improved, a homogeneous glass melt can be obtained even if a small amount of ZrO 2 elutes.
[0045]
However, in actual operation, there are times when the flow rate of the glass must be reduced, and as a result, the residence time of the glass in the glass melting furnace increases, the refractory elutes into the glass, and the ZrO The amount may increase. In this case, the undulation of the surface of the glass substrate is likely to be large. Therefore, it is desirable to devise so as to minimize mixing not only from the raw materials but also from the manufacturing process. For this purpose, part or all of the material (refractory) for constructing the glass melting furnace is changed to ZrSiO 4 refractory or Al 2 O 3 refractory, or the refractory is cooled by water cooling or air cooling. In this case, a method of suppressing elution into glass by performing the method is effective. As described above, from the viewpoint of reducing the undulation of the surface of the glass substrate, ZrO 2 should avoid mixing from the raw materials and the manufacturing process as much as possible, and the content in the glass should be 0.2% by mass or less, Preferably, it should be 0.1% by mass or less.
[0046]
【Example】
Hereinafter, the alkali-free glass substrate of the present invention will be described in detail based on examples.
[0047]
Tables 1 to 3 show examples (samples Nos. 1 to 10) and comparative examples (samples Nos. 11 to 13) of the present invention.
[0048]
[Table 1]
[0049]
[Table 2]
[0050]
[Table 3]
[0051]
Each glass sample in the table was produced as follows.
[0052]
First, a batch prepared by mixing glass raw materials so as to have the composition shown in the table was put in a platinum crucible, melted at 1600 ° C. for 24 hours, poured out onto a carbon plate, and formed into a plate shape. Using a glass sample thus obtained, the density, thermal expansion coefficient, strain point, 10 2.5 poise temperature, liquidus temperature was measured chemical resistance. Further, these glasses are melted by a small glass melting apparatus (made of ZrO 2 refractory) simulating an actual glass melting furnace, formed into a plate shape by an overflow down draw method, and then 370 × 470 × The glass substrate was cut into 0.7 mm, the number of bubbles on the glass substrate thus obtained was measured, and the amount of undulation was measured. In addition, No. As the SiO 2 raw material of the example glasses of Examples 1 to 5, silica sand having an average particle diameter (D 50 ) of 40 μm was used. As the SiO 2 raw material of the example glasses of Nos. 6 to 10, silica sand having an average particle diameter (D 50 ) of 56 μm was used. Silica sand having an average particle diameter (D 50 ) of 95 μm was used as the SiO 2 raw material of the comparative examples 11 to 13.
[0053]
As is clear from the table, No. Example glasses 1 to 10 had a low density, a coefficient of thermal expansion of 32 to 38 × 10 −7 / ° C., and a strain point of 660 ° C. or higher. The temperature corresponding to 10 2.5 poise or less 1597 ° C., the liquidus temperature is 1105 ° C. or less, were excellent in HCl resistance and the BHF resistance. Further, the number of bubbles was 6.0 / kg or less, and the amount of undulation was 0.02 μm or less.
[0054]
On the other hand, No. The comparative examples 11 to 13 had a large number of bubbles of 20 / kg or more and a large undulation of 0.03 μm or more.
[0055]
In addition, the density in a table | surface was calculated | required by the well-known Archimedes method, and the coefficient of thermal expansion measured the average coefficient of thermal expansion in 30-380 degreeC using the dilatometer. The strain point was measured based on ASTM C336-71. 10 2.5 poise temperature is indicative of the temperature corresponding to a viscosity of 10 2.5 poise is hot viscous, so that this temperature is better to lower the melting property. The liquidus temperature is such that a glass sample is crushed to a particle size of 300 to 500 μm, put into a platinum boat, heat-treated in a temperature gradient furnace for 24 hours, taken out, and devitrified in the glass (crystal foreign matter). ) Is the temperature at which the temperature was observed. The HCl resistance and the BHF resistance were evaluated by determining the amount of erosion by the following method. First, both surfaces of each glass sample were optically polished, a part of which was masked, and then immersed in a chemical solution prepared to a predetermined concentration under the conditions shown below. After treatment with the chemical solution in this manner, the mask was removed, and the step between the mask portion and the eroded portion was measured with a surface roughness meter, and the value was used as the erosion amount. The greater the amount of erosion, the worse the HCl resistance and BHF resistance. HCl resistance was measured using a 10% by mass aqueous hydrochloric acid solution at 80 ° C. for 24 hours. The BHF resistance was measured using a 130 BHF solution (NH 4 HF 2 : 4.6% by mass, NH 4 F: 36% by mass) at 20 ° C. for 30 minutes.
[0056]
The number of bubbles was obtained by observing the inside of a glass substrate with a microscope and indicating the number of bubbles having a length of 0.1 mm or more. The waviness was measured by using a stylus-type surface shape measuring device for WCA (filtering centerline waviness) described in JIS B-0610. This measurement is performed by a method in accordance with SEMI STD D15-1296, the cutoff at the time of measurement is 0.008 to 0.8 mm, and the length is measured 300 mm in a direction perpendicular to the drawing direction of the glass substrate. The maximum value of the swell was determined and displayed.
[0057]
【The invention's effect】
As described above, according to the method for producing an alkali-free glass substrate of the present invention, since a raw material having an average particle diameter (D 50 ) of 60 μm or less is used as a silica raw material, even if SnO 2 is used as a fining agent, In addition, the generation of bubbles and foreign layers can be suppressed, and as a result, a glass substrate having a small surface undulation can be obtained.
[0058]
The alkali-free glass substrates thus obtained include high-performance flat display substrates such as liquid crystal displays and EL displays, as well as charge-coupled devices (CCDs), 1 × proximity solid-state imaging devices (CIS), and CMOS image sensors. It is suitable as a glass substrate for various image sensors, hard disks, filters, and the like.
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