JP6289578B2 - 高熱および化学安定性を有する無アルカリガラス組成物 - Google Patents

高熱および化学安定性を有する無アルカリガラス組成物 Download PDF

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Description

本願は、アルカリを含まない、ホウアルミノケイ酸ガラスに関する。さらに具体的には、フラットパネル・ディスプレイ装置における基板としての用途に望ましい物理的および化学的性質を示す、アルカリを含まないホウアルミノケイ酸ガラスに関する。
例えば活性マトリクス液晶ディスプレイ装置(AMLCD)などの液晶ディスプレイの生産は非常に複雑であり、基板ガラスの特性は極めて重要である。何よりも、AMLCD装置の生産に用いられるガラス基板は、厳重に制御された物理的寸法を有する必要がある。ダウンドロー・シート・ドロー法、とりわけ、Dockertyの特許文献1および2に記載されるフュージョン法は、ラップ仕上げおよび研磨などの費用のかかる成形後の仕上げ作業を必要としない、基板として使用することができるガラスシートの生産を可能にする。残念なことに、フュージョン法は、比較的高い液相線粘度を必要とする、多少の厳しい制限をガラス特性に加えることになる。
液晶ディスプレイの分野では、電子をより効率的に輸送する能力に起因して、多結晶シリコンに基づいた薄膜トランジスタ(TFT)が好まれる。多結晶系のシリコン・トランジスタ(p−Si)は、非晶質系トランジスタ(a−Si)に基づいたものよりも高い移動性を有することを特徴とする。これは、より小さく速いトランジスタの製造を可能にする。P−Siディスプレイは最新技術の携帯端末の中心になっている。ポリシリコン薄膜トランジスタアレイは 消費電力を非常に低減し、非常に微細な外観を可能にし(小型のディスプレイにとって重要)、高い輝度を提供する。
ポリシリコンTFTの製造に用いる方法は、常に、非常に高温に至る熱サイクル(thermal excursion)を含み、シリコンの結晶化を促進する。一部のプロセスでは、温度のみを利用して結晶化させる。a−Siトランジスタの製造で採用される350℃のピーク温度と比較して、このようなプロセスでは、ピーク温度は非常に高く、非常に典型的には、650℃を超える。これらの温度では、ほとんどのAMLCDガラス基板は圧縮(compaction)として知られるプロセスを経験し、下方から支持しないかぎり、過度に変形してしまう。圧縮はまた、熱的安定性または寸法変化とも称され、これは、ガラスの仮想温度の変化に起因する、ガラス基板における不可逆的な寸法変化(収縮または膨張)である。圧縮の大きさは、ガラスが製造されるプロセスおよびガラスの粘弾特性の両方に依存する。ガラスからシート製品を生産するフロート法では、ガラスシートは、溶融物から比較的ゆっくりと冷却され、従って、比較的低い温度構造でガラスへと「凍結」される。対照的に、フュージョン法は、溶融物からガラスシートを非常に急速にクエンチし、比較的高い温度構造で凍結する。結果として、フロート法で生産されたガラスは、フュージョン法で生産されたガラスと比較して、圧縮が少ない。ガラス製品自体において、圧縮は、最終的に、カラーフィルタを有する品質の悪いレジストリを生じる場合があり、圧縮が十分に大きい場合には、装置の性能に悪影響を与える。従って、ダウンドロー法によって生産されるガラス基板における圧縮レベルは、最小限に抑えることが望ましい。市販のガラス製品であるJade(商標)(Corning Incorporated社(米国ニューヨーク州コーニング所在)製)は、特に、この問題に対処するために開発された。これは、従来の非晶質シリコン基板ガラスと比較して非常に高いアニール点を有し、従って、従来の非晶質シリコン基板の歪み点より高い温度に再加熱する場合でも、低い圧縮を示す。
レーザー再結晶化は、従来のp−Si法の非常に高温の工程を回避するために開発された。この方法では、基板は、なお上昇温度に加熱されるが、非常に局部的な加熱を通じた再結晶化を補助するためにレーザーが用いられる。これにより、より低い絶対温度における、より短時間での処理が可能になり、従って、費用を軽減し、スループットを増加させることができる。レーザー再結晶化は、低電力消費、高解像度および高輝度の最新技術のp−Siディスプレイの生産に用いることができる。それほど厳しくない用途に使用することができる、より低温のp−Si法も存在する。これらにおいては、ピーク温度における保持時間が高解像度のp−Siディスプレイよりもはるかに短いか、あるいは、保持時間が長くなるにつれて、または結晶化および成長を促すためにシリコンに核形成剤を加えることで、ピーク温度が非常に低下する。この低いピーク・プロセス温度および時間を用いてさえも、通常のフュージョン法で製造されたa−Si基板は過度の圧縮を示す。仮想温度を下げるためにドロー速度を低下させて、圧縮性能を高めることができるが、これは、スループットを著しく低下させ、従って、p−Si基板の生産コストを実質的に増大させてしまう。
「Jade」の非常に高いアニール点は、これらの用途に許容される圧縮を生じるのに必要とされるであろう温度よりはるかに高い。さらには、「Jade」の粘弾特性は高い生産コストをもたらし、従って、これらの用途に使用するには法外に高くなりうる。プロセス調整を使用して製造コストを押し下げたとしても、「Jade」は従来の非晶質シリコン基板と比較して極めて高い密度(2.63g/cc対2.38〜2.55g/cc)、および、従来のa−Si基板とは非常に異なる酸耐久性を有する。結果として、AMLCDパネルの製造業者は、高い密度を相殺するために「Jade」を化学的に薄くしたくても、a−Si基板用に設計された従来の化学的薄化法ではそうできない。これがパネルの製造コストに上乗せされる。
主流のa−Si基板製品に匹敵する密度および酸耐久性を有する、a−Si基板(〜720℃)と「Jade」(〜785℃)の間のアニール点を有する溶融適合性のガラスが求められている。
米国特許第3,338,696号明細書 米国特許第3,682,609号明細書
開示される材料、化合物、組成物、物品、装置、および方法の目的に従って、活性マトリクス液晶ディスプレイ(AMLCD)などのフラットパネル・ディスプレイ装置における基板としての用途に望ましい物理的および化学的性質を示す、アルカリを含まないホウアルミノケイ酸ガラスが本明細書に具体的かつ広範に記載される。本発明の態様の幾つかによれば、ガラスは、歪み点の関数として良好な寸法安定性を有する。具体的には、本明細書に記載されるガラスは、750℃を超えるアニール点を有する溶融適合性のガラスであり、1650℃以下の200ポアズにおける温度、2.55g/cc未満の密度、および従来のa−Si基板材料が示す範囲の10%以内のフッ化物系の鉱酸におけるエッチ速度を有する。追加の利点は、一部には後述する説明に記載され、一部にはその記述から明白になり、あるいは、以下に記載する態様の実施によって理解される。以下に記載する利点は、添付の特許請求の範囲において特に指摘される要素および組合せを用いることによって認識および実現される。前述の概要および後述する詳細な説明は、両方とも、単に典型的および説明的なものであって、限定的ではないことが理解されるべきである。
本明細書に取り込まれ、その一部を構成する添付の図面は、以下に記載される幾つかの態様を例証している。
室温(21℃)で3分間、1% HF/10% HNO3中でエッチングした後の単位面積あたりの変化を示す図。本開示のガラスをa−Siならびにp−Si用途として販売される市販のガラスと比較する。 30℃で5分間、10%の重フッ化アンモニウム(NH4・HF)中でエッチングしたガラスの単位面積あたりの体積変化を示す図。本開示のガラスを、a−Siならびにp−Si用途として販売される市販のガラスと比較する。
本明細書に記載される材料、化合物、組成物、物品、装置、および方法は、開示される主題の特定の態様およびそこに含まれる実施例についての以下の詳細な説明ならびに図面を参照することによってさらに容易に理解されよう。
本発明の材料、化合物、組成物、物品、装置、および方法について開示し、説明する前に、以下に記載される態様が特定の合成方法または特定の試薬に限定されず、当然ながら変化しうることが理解されるべきである。本明細書で使用される技術用語は単に具体的な態様を説明する目的のためであって、限定することは意図されていないことも理解されるべきである。
また、本明細書全体を通して、さまざまな刊行物が参照される。開示される事柄に関連する最新技術をさらに十分に説明するために、これらの刊行物の開示全体が、参照することによって本願に取り込まれる。開示される参照文献はまた、その参照文献の拠り所とされる文章において論じられている、それらに含まれる材料について参照することにより、本明細書に個別にかつ明確に取り込まれる。
本明細書の説明および特許請求の範囲全体にわたり、「含む」という語句および、「含んでいる」および「含まれる」など、その語句の他の形態は、例えば、他の添加剤、成分、整数、または工程を含むが、それらに限定されないことを意味し、それらを排除することは意図されていない。
本明細書に開示されるある特定の材料、化合物、組成物、および成分は、商業的に入手することができ、あるいは、当業者に一般的に知られている技術を用いて容易に合成することができる。例えば、開示される化合物および組成物の調製に用いられる出発材料および試薬は、商業的供給業者から入手するか、または当業者に既知の方法で調製される。
また、本明細書には、開示される方法および組成物に使用することができる、開示される方法および組成物と組み合わせて使用することができる、開示される方法および組成物の調製に使用することができる、または開示される方法および組成物の生産に使用される、材料、化合物、組成物、および成分が開示される。これらおよび他の材料は本明細書に開示されており、これらの材料の組合せ、部分集合、相互作用、群などが開示されているが、これらの化合物のさまざまな個別的および集合的な組合せおよび置換のそれぞれの具体的な指示が明確には開示されていない場合、その各々は具体的に意図されており、本明細書に記載されていると理解されたい。
これから、示される材料、化合物、組成物、物品、および製造の特定の態様について詳細に述べる。これらの例は添付の実施例および図面に示される。
本明細書には、歪み点を有し、それによって良好な寸法安定性を有する(すなわち、圧縮が少ない)無アルカリガラスおよびその製造方法が記載される。歪み点が高いガラスは、熱処理およびそれに続くガラス製造の間の圧縮/収縮に起因するパネルの歪みを妨げることができる。
本開示の範囲によって表される組成物は、SiO2、Al23、B23、MgO、CaO、SrOおよびBaOを含み、清澄剤は、酸化スズ(SnO2)、酸化鉄(Fe23)、酸化セリウム(CeO2)、さまざまなハロゲン化物(主にF、ClおよびBr)、As23またはSb23を含みうる。例えば、酸化スズは0.02〜0.3モル%である。1つの実施の形態では、組成物は、酸化物を基準としたモル%で:
67≦SiO2 ≦70
11≦Al23≦13.5
3≦B23≦6
3.5≦MgO≦7
4≦CaO≦7
1≦SrO≦4
0≦BaO≦3
0≦SnO2≦0.3
0≦CeO2≦0.3
0.00≦As23≦0.5
0.00≦Sb23≦0.5
0.01≦Fe23≦0.08
F+Cl+Br≦0.4
を含む無アルカリガラスを含み、
ここで、
a)1.05≦(MgO+BaO+CaO+SrO)/Al23≦1.25
b)0.7≦(CaO+SrO+BaO)/Al23≦0.9
c)0.35≦MgO/(CaO+SrO+BaO)≦0.55
であり、
Al23、MgO、CaO、SrOおよびBaOは代表的な酸化物成分のモル%を表す。
1つの実施の形態では、開示される範囲内のガラスは、酸化ヒ素(As23)または酸化アンチモン(Sb23)を実質的に含まず、これらの酸化物のいずれかまたは両方の濃度が0.05重量%未満である。このような場合には、SnO2、Fe23および/またはCeO2などの他の多価の酸化物を加えて、最終的なガラスにおけるガス状の内包物の数を確実に最小限にすることが好ましい。
別の実施の形態では、その範囲内にある開示されるガラスは、0.5〜3モル%のBaOを含む。さらに別の実施の形態では、MgO濃度は3.8〜7モル%である。
1つの実施の形態では、本開示のガラスは、2.6g/cc未満の密度を示す。別の実施の形態では、ガラスは2.56g/cc未満の密度を示す。さらに別の実施の形態では、ガラスは2.55g/cc未満の密度を示す。
上に定義される範囲内に含まれる組成物を表2に示す。
表に示すように、開示される範囲内のガラスは、少なくとも100キロポアズの液相温度における粘度を有し、したがって、今日実施されるフュージョン法と適合するか、あるいは、現行の方法に対する最小調整によってフュージョン法と適合することができる。実施例の幾つかは、200キロポアズを超える極めて高い液相線粘度を有し、このような高い液相線粘度の値は単独の生産ラインにおける長期の製造にとって重要であると考えられる。参考までに、幅広く商品化されているa−Si基板Eagle XG(商標)(Corning Incorporated社(米国ニューヨーク州コーニング所在)製)の液相線粘度は約230キロポアズである。したがって、1つの実施の形態では、本開示のガラスは、100キロポアズを超える液相温度における粘度(液相線粘度)を有し;別の実施の形態では200キロポアズを超え、さらに別の実施の形態では220キロポアズを超える。
Eagle XG(商標)などのa−Si基板ガラスおよびそのヒ素を含む先行品であるEagle2000(商標)(Corning Incorporated社(米国ニューヨーク州コーニング所在)製)の生産は、200ポアズの粘度において、それぞれ、約1605℃〜1650℃の温度を示した。耐火物および電極の腐食速度は温度の強力な関数であり、したがって、溶融温度をこの範囲内に維持することは、耐用年数の評価にとって極めて重要である。さらには、溶融温度が高すぎ、したがって清澄剤の効率が低下する場合には、製品中にガス状の内包物が含まれる危険性が増大する。表から明らかなように、開示される範囲内のガラスは、200ポアズにおける1650℃未満の温度を有し、したがって、長期の製造に許容限度の範囲内である。別の実施の形態では、本開示のガラスは200ポアズにおける1630℃未満の温度を示す。
35キロポアズの粘度に対応する温度は、フュージョン法においてガラスがアイソパイプに供給されるおおよその粘度であることから、重要な測定基準である。供給温度が高くなると、アイソパイプを製造に用いる耐火材料のクリープに起因して、アイソパイプの歪み(垂れ)の速度が速くなる。低い温度のほうが常に好ましいが、ジルコン耐火物の化学および構造における最近の進歩により、最低でも3年のアイソパイプの耐用年数をもたらす最高許容温度を約1275℃にまで上昇させた。表2から明らかなように、開示される範囲内のガラスは、35キロポアズにおいて1275℃未満の温度を有し、従って、この耐用年数の評価の要件を満たす。別の実施の形態では、本開示のガラスは、35キロポアズにおいて1260℃未満の温度を有し;さらなる実施の形態では、1250℃未満の温度を有する。
レーザー再結晶化法などの低温ポリシリコン法において低レベルの圧縮を生じさせるのに必要なアニール点は、その方法の詳細に応じて決まり、さまざまなアニール点のガラスを、対象とする熱サイクルで処理せずに予測することは困難である。大まかに言えば、約450℃を超える単一の熱処理工程しか存在せず、上昇温度における全曝露時間が約10分以下であり、ピーク温度が約550℃〜650℃の場合には、750℃〜770℃のアニール点は、約20ppm以下の圧縮を生じる。その結果、本開示のガラスのアニール点1つの実施の形態では750℃〜770℃を示し、別の実施の形態では755℃〜770℃を示す。
重量は、長い間、携帯電子機器における懸案事項であり、実際に、Eagle2000(商標)およびEagleXG(商標)の両方の開発活動における主要な設計基準であった。最新の設計では、最終的な装置における基板の全体的な目的はTFTアレイを支持することであり、パネル製造業者は、TFTの製造後に重量を軽減するために基板を薄化している。ガラス密度が高くなると、装置の最終的な重量を得るためにさらに薄化が必要になる。「Jade」は市販のa−Si基板ガラスより高い密度を有し、結果として、同等の重量のパネルを得るためには 、これらのガラスよりも薄化する必要がある。このように、本開示のガラスは2.6g/cc未満の密度を示す。残念なことに、「Jade」の低いB23含量により、従来の非晶質シリコン基板にもたらされるものとは非常に異なる酸耐久性が生じ、従って、これらの基板用に設計した酸エッチングラインは「Jade」の処理に使用することができない。図1および2は、a−Si用途(Corning「EagleXG」およびAsahi AN100(商標))およびp−Si用途(Corning「Jade」および実施例2、8、および16)の広範なアルカリを含まない基板ガラスの単位面積あたりの体積減少を対比している。本開示のガラスは「Jade」よりもはるかにa−Si基板に似た耐久性を示し、市販のp−Si基板のみがダウンドロー法を用いて製造された。とりわけ、重フッ化アンモニウムでは、a−Si基板のエッチ速度は約1.1±0.25μm3/cm2である。1つの実施の形態では、代表的な本開示のガラスは同等のエッチ速度範囲も有する。同様に、a−Si基板の1% HF/10% HNO3では、エッチ速度は約6.4±0.3μm3/cm2である。1つの実施の形態では、代表的な本開示のガラスは同等のエッチ速度範囲も有する。
開示されるガラス中の各酸化物成分は重要な目的を果たす。シリカまたはSiO2は主要ガラス形成酸化物であり、溶融ガラスに粘度を与える。所定の液相温度では、粘度の増大は液相線粘度を増大させる働きをし、従って、フュージョン法との適合性を改善する。しかしながら、粘度が高すぎる場合には、清澄気泡(fining bubbles)などの溶融に関連する欠陥が現れ、連続的な工程における長期の製造を可能にするには耐火物の腐食および白金の劣化が極端になりすぎる場合がある。さらには、シリカが増加するにつれて、連続的な工程における望ましくない失透相である、SiO■2の結晶質の多形体クリストバライトの安定性の増大に起因して、液相温度も増加しうる。酸化ホウ素(B23)を除くすべての酸化物と比較して、SiO2は密度および熱膨張率が低下し、B23に対して耐久性が改善する。したがって、本開示のガラスにおけるSiO2は、1つの実施の形態では67〜70モル%の範囲であり、さらに別の実施の形態では68〜70モル%である。
酸化アルミニウムすなわちAl23も本発明のガラスにおけるガラス形成剤としての役割をする。SiO2と同様にAl23も粘度を与え、SiO2濃度に対し注意深くバランスを保つ場合、アルカリ土類の相対的および絶対的濃度は、液相温度の低下に利用することができ、従って、液相線粘度を高める。SiO2を除く各酸化物と比較したAl23の増大は、通常、非晶質ベースのエッチング過程におけるディスプレイガラスのエッチングに用いられる、一種の酸ベースのエッチャントにおける耐久性の改善につながる。SiO2と同様に、アルカリ土類と比較したAl23における増大は、一般に、密度の低下、熱膨張率の低下、および耐久性の改善につながる。とりわけ注目すべき、SiO2を確保する成分を犠牲にしたAl23の増大は一般にアニール点を上昇させることから、ポリシリコン用途に必要とされる高いアニール点を得るためには、最小量のAl23が必要とされる。Al23と他の酸化物とのバランスを保つ必要があるため、1つの実施の形態では、開示されるガラスのAl23含量は11〜13.5モル%である。別の実施の形態では、範囲は12〜13モル%である。
酸化ホウ素、すなわちB23もまたガラス形成酸化物であり、粘度の低減、さらに重要なことには、液相温度の低減に用いられる。一般に、1モル%のB23の増大は、対象とするガラス組成および粘度の詳細に応じて、同等の粘度において温度を10〜14℃低下させる。しかしながら、B23は1モル%あたり、液相温度を18〜22℃低下させることができ、従って、粘度を低下させるよりも急速に液相温度を低下させる効果を有し、その結果、液相線粘度を増大させる。もし、他のすべての酸化物をそれぞれの範囲内に保持しつつ、B23含量を開示される範囲外に低下させた場合には、現在実施されているフュージョン法への適合の必須条件である、100キロポアズと同等の大きさの液相線粘度、さらに好ましくは100キロポアズを超える、または、さらに好ましくは130キロポアズを超える液相線粘度を得ることは不可能とは言わないまでも難しいであろう。他のガラス成分を犠牲にして酸化ホウ素濃度を上昇させた場合、CTEおよび密度は一般に低下するが、アニール点は、1モル%あたり14℃程度、急激に低下し、これはp−Si基板用途にとって極めて有害である。他方では、粘度を低下させる他の成分、主にアルカリ土類酸化物と比較して、酸化ホウ素の増大はフッ素含有酸における耐久性を実際に改善し、ガラスをa−Si基板ガラス用に設計されたエッチング過程により適合性にする。これらの理由によって、1つの実施の形態では、B23は3〜6モル%に保持される。別の実施の形態では、B23は3〜5モル%の範囲である。
アルカリ土類酸化物のMgO、CaO、SrOおよびBaO(累積的に「RO」とも称される)は、製造のための必須成分である。B23と同様に、SiO2またはAl23と比較したアルカリ土類の増大は、固定温度で溶融したガラスの粘度を低下させる。高温はガラスタンクおよび成形機械の耐用年数を制限する主な要因であることから、適切なガラス特性の提供と調和させて、できるだけ溶融および成形温度を低下させることが常に望ましい。SiO2、Al23およびB23とは異なり、ガラス形成成分と比較したアルカリ土類の増大は、一般に、p−Si用途にとって重要な特性を低下させる:CTEおよび密度は、一般に、SiO2、Al23およびB23に対してアルカリ土類酸化物が増大するにつれて増大し、アニール点は一般に低下し、耐久性は標準的なa−Si基板ガラスから次第に遠く離れる。アルカリ土類濃度の恩恵を受ける唯一の最終的なガラス特性はヤング率であり、アルカリ土類の増大の幾つかの組合せでは、比弾性率もまた利益を得る場合がある。ヤング率はガラスシートの剛性を決定することから、ヤング率をできるだけ高くすることはガラス操作にとって有益である。固定温度において、真下に広い間隔の支持体を備えたガラスシートの垂れは、比弾性率、またはヤング率と密度の比によって決定される。高いアルカリ土類濃度は、一般に、密度を増大させ、したがって、ヤング率の予想される増大に不利に作用する。しかしながら、MgOおよびCaOは、密度を、大きいアルカリ土類であるSrおよびBaよりもはるかにゆっくりと増大させ、従って、アルカリ土類の相対的比率を操作して、溶融適合性と調和するヤング率および密度の最適な組合せを得ることができる。開示されるガラスでは、ヤング率は約10.8Mpsi〜12.1Mpsiの範囲である。
アルカリ土類の混合物は低い液相温度をもたらすことが必要とされる。この理由は複雑である。理論に縛られるわけではないが、さまざまなアルカリ土類について開示される範囲は、2つ以上の結晶相を本発明の範囲内の大部分のガラスの液相線上に乗せる効果を有する、そのうちの1種類はクリストバライト(SiO2)であり、そのうちの1種類はアルカリ土類アルミノケイ酸塩である。バリウムが豊富なガラスでは、アルカリ土類アルミノケイ酸塩は、しばしばヘキサセルシアンおよびその中の固溶体であり、およそBa1-x-y,Srx,CayMgzAl2-zSi2+z8で表され、ここで、x、yおよびzは一般に0.5未満である。従って、バリウム濃度が低いガラスでは、相応してCaO+SrO濃度が高く、アルカリ土類アルミノケイ酸塩は、しばしば灰長石またはその中の固溶体であり、およそCa1-x-ySrxBayAl2Si28で表される。Mgが豊富な組成物では、液相は、しばしば、コージエライトまたはその中の固溶体であり、およそMg2Al4Si518である。最良の液相温度は、一般に、2種類以上の異なるアルミノケイ酸塩相およびクリストバライトが液相温度上またはその近くにある場合にもたらされる。ガラスの構成成分の各相の相対的競争は、他の相を不安定化する効果を有し、従って、液相温度だけでなく、製造工程において不十分に冷却された場合の失透の傾向も低減する。
アルカリ土類のAl23に対する比が約1.0未満の場合、ガス状の内包物をガラスから排除することができないとは言えないまでも、非常に困難でありうる(例えば、米国特許第7,709,406号明細書参照)。さらには、このような低いRO/Al23比において、SiO2およびB23含量を固定したガラスの粘度は、高いRO/Al23比を有するガラスと比較して非常に高くなる。低いRO/Al23比において粘度を低下させる1つの方法は、MgOを他のアルカリ土類と比較して増大させることである。しかしながら、これは、アルミノケイ酸塩からなる鉱物であるムライトを安定化する効果を有しうる。この効果は、液相温度の劇的な上昇を生じるだけでなく、過冷却液体からの核化が非常に容易にする。Al23と比較してCaO+SrO+BaOの濃度を高く維持することにより、MgOの高い濃度を維持しつつ、ムライトを防ぐことができる。このため、1つの実施の形態では、開示されるガラスのMgO/(CaO+SrO+BaO)比は0.3〜0.6であり、別の実施の形態では、その範囲は0.35〜0.55であり、開示されるガラスの(CaO+SrO+BaO)/Al23のモル比は0.7〜0.9である。
液相温度に最も大きい有益な影響を有するアルカリ土類酸化物は酸化バリウム、すなわちBaOである。残念なことに、BaOは、他のアルカリ土類酸化物の代わりに用いた場合には、溶融および供給温度を上昇させる効果も有し、他のアルカリ土類酸化物を用いた場合よりも、密度、CTEおよびアニール点などの最終的なガラス特性を妥協しなければならない。これらの悪影響の一部を相殺するために、バリウムを犠牲にして酸化ストロンチウムSrOを増大させることができるが、液相温度の利益が大きく減少する。ヘキサセルシアンは、実質的に、CaOおよびBaO濃度が比較的低いバリウム−ストロンチウム・アルミノケイ酸塩であることから、BaO+SrOの合計濃度に匹敵するCaO濃度を有することが一般に望ましい。これらを考慮した結果、開示されるガラスは、1つの実施の形態では0.5〜3モル%のBaOを有し、別の実施の形態では1〜2.5モル%であり;SrOは1つの実施の形態では1〜4モル%であり、別の実施の形態では2〜3.5モル%であり;CaOは1つの実施の形態では4〜7モル%であり、別の実施の形態では5〜6%である。これらの限度内の組成物は魅力的な物理的特性を有するが、一般に、フュージョン法などのダウンドロー法に適した比較的低い溶融および温度および液相線粘度も有する。
溶融温度が非常に低い場合でも、溶融設備の一つ一つは、ガラス溶融物からガス状の内包物を除去することを困難にしうる。それらが残留すると、最終的な製品において欠陥として現れてしまう。ポリシリコンTFTの製造業者は、ガラスシートの表面を変形させる欠陥に対し極めて敏感であり、ガス状の内包物のシート表面に対する最終的な位置を予測することは困難であることから、ガス状の内包物は何としても避けなければならない。さらには、処理の簡素化のため、TFTの製造業者は、しばしば、TFTの製造工程と同一の基板材料から作られたカラーフィルタガラスを得ようとし、ガス状の内包物が画素を遮断しうる場合には、それによって装置全体の性能を妥協することになる。シート状にする前に、ガラス溶融物からガス状の欠陥を除去するため、通常は清澄剤を加える。清澄剤は、高温でガスを放出する多価のカチオンまたはハロゲン化物である。典型的な多価の清澄剤としては、限定はしないが、As23、Sb23、SnO2、およびFe23が挙げられる。ヒ素およびアンチモンを含む廃棄物流れは、一部の国々において有害物質と考えられており、このため、開示されるガラス中のそれらの濃度を制限することが望ましいであろう。開示されるガラスの1つの実施の形態では、As23、Sb23、またはそれらの組合せは、500ppm(0.05重量%)以下のレベルに保持される。
清澄剤としての使用を見出されたハロゲンとして、F、ClおよびBrが挙げられる。ハロゲンを含む廃棄物流れはまた、一部の国々において有害物質と見なされる場合があり、溶融工程の間にそれらを放出することにより、鋼鉄の配管および支持体の過度の腐食作用を生じうる。他方では、溶融システムは、ハロゲンのオフガスを安全に処理するように設計することができ、原材料のさまざまな選択を利用して、最終的なガラスにおけるそれらの保持に影響を与えることができる。ハロゲンは、典型的には安定な塩として加えられ、限定はしないが、MgF2、CaF2、SrF2、BaF2、MgCl2、CaCl2、SrCl2、BaCl2、MgCl2・4H2O、CaCl2・4H2O、SrCl2・4H2O、BaCl2・4H2O、MgBr2、CaBr2、SrBr2、BaBr2、MgBr2・4H2O、CaBr2・4H2O、SrBr2・4H2O、BaBr2・4H2O、AlCl3、AlCl3・6H2O、および原材料の選択にあたる当業者によく知られた他の形態など、アルカリ土類またはアルミニウムの単塩および水和塩が挙げられる。清澄は、一般に、比較的低濃度のハロゲン添加において最適化され、従って、1つの実施の形態では、本開示のガラスは0〜0.4モル%のF+Cl+Br濃度を有する。1つの実施の形態では、F+Cl+Brは、200ppm未満、または0.02重量%未満である。
以下の実施例は、開示される主題に従った方法および結果を例証するために記載される。これらの実施例は、本明細書に開示される主題のすべての態様を含めることを意図しているのではなく、代表的な方法および結果を例証することを意図している。これらの実施例は、当業者には明白であろう、本発明の等価物および変形を除外することは意図されていない。
数値(例えば、量、温度など)に関して正確さを確保するために努力しているが、ある程度の誤差および偏差を計上すべきである。別に示唆されないかぎり、部は重量部であり、温度は℃または周囲温度であり、圧力は大気圧であるかそれに近い。記載される方法から得られる製品の純度および収量の最適化に使用することができる反応条件、例えば、成分濃度、温度、圧力および他の反応範囲および条件には、多くのバリエーションおよび組合せが存在する。これらの工程条件の最適化には、合理的な日常の実験のみが必要とされる。
表1は、本開示の典型的なガラス組成物およびそれを製造するための原材料の具体的な選択の例を示している。ガラス製造の当業者に知られているように、元々の原材料は溶融工程によって単一の均一なガラスに変換されることから、原材料の具体的な選択は、最終的なガラス組成に影響を与えない。しかしながら、原材料の実際の選択は、特定の溶融システムの制限、または原材料コスト、またはその両方によって強いられた特定の要件を考慮して、示されたものとは異なる場合がある。
Figure 0006289578
SiO2の主要供給源は砂である。砂は、砂地盤(海浜または砂丘)、砂岩、珪岩、または原材料を選択する当業者に周知の他の供給源を含めた、さまざまな供給源農地の1つ以上から入手することができる。砂は、しばしば、無アルカリガラスにおけるアルカリ汚染の主要供給源になり、したがって、この重要な汚染を最小限に抑えるためには、供給材料の注意深い選択が重要でありうる。砂粒子の大きさは溶融速度に影響を与え、特に、大きい砂粒は完全に溶融しない場合があり、製品中に節または核として現れる。これを防ぐため、すべての砂粒の90%よりも多くが、標準的な#80の米国の標準メッシュサイズを通過することが一般に好ましい。アルミナ自体は、一般に、Al23をガラスに加えるための少なくとも高価な原材料であるが、原材料コストがそれほど重要ではない場合には、アルミノケイ酸カオリンまたは水和形態のアルミナまたは多形体のAl23などの他の材料を代わりに用いることもできる。B23は、無水ホウ酸(約94+%B23、バランスは大部分はH2Oである)または、およそB(OH)3のホウ酸としてバッチに加えることができる。
MgOは、一般に酸化物として加えられるが、他のアルカリ土類は典型的には炭酸塩としてバッチ化される。CaOの適切な炭酸塩の供給源としては、石灰石および沈降炭酸カルシウム(精製石灰石製品)が挙げられる。MgOは白雲石の形態でCaOとともにバッチ化することができるが、これは、ガラス中の鉄の量も増大させうることから、さらに予測可能な純粋な鉄供給源と比較して望ましくない場合がある。ストロンチウムおよびバリウムの多くは、一般に、工業化学プロセスから得られる炭酸塩として加えられる。しかしながら、バッチを適切に酸化された状態に保持するため、一般に、硝酸塩供給源も含めることが望ましい。バッチには硝酸ストロンチウムが望ましいが、硝酸バリウムも同様に作用する。両方の場合において、約1モル%以下のアルカリ土類酸化物を硝酸塩としてバッチ化し、NOxの排出を低減することが一般的には望ましいが、他の方法により、硝酸塩が溶融を補助してもよく、最良に作用する正確な量は、一般に、試行錯誤の研究の対象である。
SnO2は、清澄剤としての通常の役割に含まれる。さらなるSnO2は、一般に、改善された清澄能力と同等であるが、比較的高価な原材料であることから、ガス状の内包物を適正な低いレベルへと促すのに必要とされる程度の量で加えることが望ましい。本発明のガラスのSnO2濃度は、0.02〜0.3モル%であることが望ましい。
この例では少量のZrO2(ジルコニア)が含まれる。ジルコニアは、ガラスの溶融または清澄挙動において実質的役割は果たさず、このような低い濃度では興味深い特性も与えない。実験室規模のバッチにジルコニアを含めることは有用であるが、しかしながら、ジルコニアは、熱いガラスがジルコニア系の耐火物材料と溶融装置内で接触することによって導入されることから、ガラス中のジルコニア濃度のモニタリングは、経時によるタンク製品の比率を判定するために重要でありうる。
バッチは、シュウ酸鉄の形態で加えられた低濃度の鉄を示している。他の原材料、特に砂の不定の濃度が原因で、鉄の合計量は示されているよりも大きい。鉄は、潜在的に、浸透ブリスターの管理およびSO2ブリスターの制御には有用であるが、過度に酸化された場合には、ガラスに着色を与えうる。1つの実施の形態では、鉄濃度は、ガス状の内包物の管理と過度の色との最良のバランスを得るため、0.02〜0.08重量%である。
ホウ酸および砂にはかなりの量の水が付随し、炭酸塩原材料にはかなりの量の二酸化炭素が付随する。CO2はガラスにはやや溶けにくく、従ってそのほとんどが溶融の初期の段階で失われ、ガス状の内包物内に捕らわれたCO2は、一般に、例えば、本実施例におけるSnO2などの清澄剤の作用によって移動する。ガラス中にはかなりの濃度の水が保持されうるが、溶解したOH-イオンの形態で存在する。この結果、近赤外線に3600cm-1に近い測定可能なOH-の振動バンドを生じる。1mmの厚さの経路長を通るバックグラウンドを超えるこのバンド強度は、Beta−OHと称される。それは、一般的に、従来の非晶質シリコン基板ガラスにおいて0.2〜0.7の範囲である。溶解したOH-は無アルカリガラスのアニール点に大きい影響を与え、したがって、OH-を所定のいかなるガラスについても合理的に達成可能な限り低く保持することが望ましい。従来の電気ブースティング溶融装置は、一般には、高い水の分圧を発生し、ガラスにより高濃度の水を取り込ませるガラス表面上にバーナーを採用する。保持される水分レベルを低減するためにハロゲン化物を用いることができ、電極を経由して供給される電力を高め、バーナーによって供給される電力を低減することも有益である。同様に、比較的乾燥した砂の選択は溶解したOH-の変化を十分にもたらし、アニール点に著しく影響を与えうる。本発明のガラスのBeta−OHは、最終的なガラスのアニール点を最大化するために、0.55未満であることが好ましく、0.5未満であることがさらに好ましく、0.45未満であることがさらに好ましい。
この実施例における実際の組成物および原材料の選択は極めて具体的であるが、代替となる原材料の組合せを使用して同一の最終的なガラス組成物を得ることもでき、従って、特定の原材料は、所定の溶融/清澄/形成工程にとって最適になるように選択されなければならないことは、当業者にとって明白であろう。したがって、同等の組成物を生じる他の原材料の組合せは、低温ポリシリコン用途に必要とされる高いアニール点、低い密度、低いCTE、および高い耐久性という基本的要件を満たすガラスを生じる。
さらには、開示されるガラスの目的の用途は is in p−Si用途であるが、ガラスは、a−Si、カラーフィルタ基板または開示される特性が有利であると判断されうる他の用途についても考慮されうることに留意されたい。
実施例−試験サンプルの調製
局部的なレーザー結晶化加熱によって示されたおおよその条件を最良化するため、表1に開示される成分から製造されたガラスのサンプルは、混合され、溶融され、ドローされて1mmの厚さのシートになる。次にサンプルを縦方向に半分に切断し、一方の参照部分を残し、別の部分を熱処理に供する。参照断片および熱処理断片を顕微鏡下で一緒に検査し、Mitutoyo Quick Vision QV202 Proを用いて、熱処理から得られた寸法の変化を測定した。次に、熱処理したガラスサンプルを590℃の熱処理に45分間晒した。この処理後、試験ガラスは−60ppmの寸法変化を示した。理想的には、本開示のガラスは、−80ppm以下の寸法変化を示す。自動化された光学機器は、各サンプルに数十回の反復測定を行うことから、統計的手法を用いて、サンプルにおける10ppm未満の寸法の変化に対応する、1μm程度の寸法変化を決定することができる。
低い圧縮に加えて、ガラスは、フュージョンドロー法または関連する方法に適用できるように厳しい成形要件を満たさなくてはならない。失透は、初期の均質なガラスからの結晶相の形成として定義される。結晶がガラスと共存する最大温度は液相温度と定義される。液相温度は、破砕したガラスサンプルを白金ボート内に充填し、1cmあたり10℃以上の勾配を用いた管状炉内で72時間加熱することによって測定される。液相温度におけるガラスの粘度は液相線粘度と称される。精密なシートガラスの成形工程は、一般に、例えば40,000ポアズを超える、比較的高い液相線粘度を必要とする。
ガラスはまた、生産目的の厳しい溶融要件も満たさなければならない。ガラスバッチ構成成分が経済的に合理的な時間溶融される温度、および気泡が捕捉される温度は、合理的な時間でガラスの外へと上昇することができ、典型的には約200ポアズの粘度に相当する。高温における耐久性の耐火物または貴金属の容器の制限により、200ポアズにおける温度についての実用的な上限値が約1,680℃に設定される。前述のように、本開示のガラスは1650℃未満の200ポアズにおける温度を示す。従前から用いられる材料に由来するバッチ材料における変化は、さらに粘着性のガラスを、比例的に高い粘度で溶融可能にするが、これらの材料は、常に法外な費用を上乗せし、また、溶融を通じてガラスを輸送し、高い粘度でシステムを調整することは、顕著な技術的困難を提示する。言及したように、多くのガラス組成物をその物理的特性とともに表2に示す。
表2に記載する残りの特性は、当業者に周知の標準的な試験によって達成される。
Figure 0006289578
Figure 0006289578
Figure 0006289578
Figure 0006289578
Figure 0006289578
本願全体を通して、さまざまな刊行物が参照される。本明細書に記載される化合物、組成物および方法をさらに十分に説明することを目的として、これらの刊行物の開示全体が、参照することによって本願に援用される。
本明細書に記載の材料、方法、および物品には、さまざまな変更および変形がなされうる。本明細書に記載の材料、方法、および物品の他の態様は、本明細書の検討および本明細書に開示される材料、方法、および物品の実施から明白になるであろう。本明細書および実施例は、典型例とみなされることが意図されている。
他の実施態様
1.モル%で表して、
67≦SiO2≦70
11≦Al23≦13.5
3≦B23≦6
3.5≦MgO≦7
4≦CaO≦7
1≦SrO≦4
0.5≦BaO≦3
0.02≦SnO2≦0.3
0≦CeO2≦0.3
0.00≦As23≦0.5
0.00≦Sb23≦0.5
0.01≦Fe23≦0.08
F+Cl+Br≦0.4
を含むガラスであって、
1.05≦(MgO+BaO+CaO+SrO)/Al23≦1.25
0.7≦(CaO+SrO+BaO)/Al23≦0.9
0.3≦MgO/(CaO+SrO+BaO)≦0.6
ここで、Al23、MgO、CaO、SrOおよびBaOが酸化物成分のモル%を表す、ガラス。
2.化学清澄剤を含む、実施態様1記載のガラス。
3.前記清澄剤が、SnO2、Fe23、CeO2、Sb23、As23、またはそれらの混合物からなる群より選択される、実施態様2記載のガラス。
4.0.05重量%未満のAs23、Sb23またはそれらの組合せを含む、実施態様1記載のガラス。
5.0.02重量%未満のF、Cl、Brまたはそれらの組合せを含む、実施態様1記載のガラス。
6.Fe23で表した、250〜800ppmの鉄を含む、実施態様1〜5いずれか1項記載のガラス。
7.約1000ppm未満のアルカリ酸化物を含む、実施態様1〜6いずれか1項記載のガラス。
8.最大で約500ppmのZrO2を含む、実施態様1〜7いずれか1項記載のガラス。
9.Beta−OHが約0.55未満である、実施態様1〜8いずれか1項記載のガラス。
10.ダウンドロー法を用いて製造される、実施態様1〜9いずれか1項記載のガラスのシート。
11.前記ダウンドロー法がフュージョン法である、実施態様10記載のガラスシート。
12.1ポンド当たりの欠陥が0.2以下のガス状内包物レベルを有する20枚の連続した第4世代シートがダウンドロー法を用いて生産されるように、前記ガラスの製造に用いられるバッチ材料の酸化状態が、硝酸塩の添加を通じて操作され、酸化状態を達成することを特徴とする実施態様1記載のガラスを製造する方法。

Claims (7)

  1. モル%で表して、
    67≦SiO2≦70
    11≦Al23≦13.5
    3≦B23≦6
    3.8≦MgO≦7
    4≦CaO≦7
    1≦SrO≦4
    0.5≦BaO≦3
    0.02≦SnO2≦0.3
    0≦CeO2≦0.3
    0.01≦Fe 2 3 ≦0.08
    F+Cl+Br≦0.4
    を含むガラスであって、
    1.0≦(MgO+BaO+CaO+SrO)/Al23≦1.24
    0.7≦(CaO+SrO+BaO)/Al23≦0.9
    0.3≦MgO/(CaO+SrO+BaO)≦0.6
    ここで、Al23、MgO、CaO、SrOおよびBaOが酸化物成分のモル%を表し、
    As23およびSb23の量は500ppm以下である、ガラス。
  2. 1000ppm未満のアルカリ酸化物を含む、請求項1記載のガラス。
  3. 0.01−0.05モル%のZrO2をさらに含む、請求項1または2記載のガラス。
  4. Beta−OHが0.55未満である、請求項1〜3いずれか1項記載のガラス。
  5. ダウンドロー法を用いて製造される、請求項1〜4いずれか1項記載のガラスのシート。
  6. 前記ダウンドロー法がフュージョン法である、請求項5記載のガラスシート。
  7. 1ポンド当たりの欠陥が0.2以下のガス状内包物レベルを有する20枚の連続した第4世代シートがダウンドロー法を用いて生産されるように、前記ガラスの製造に用いられるバッチ材料の酸化状態が、硝酸塩の添加を通じて操作され、酸化状態を達成することを特徴とする請求項1記載のガラスを製造する方法。
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