KR20220007072A - 관통 유리 비아를 소유하는 높은 실리케이트 유리 물품 및 이의 제조 및 사용 방법 - Google Patents

관통 유리 비아를 소유하는 높은 실리케이트 유리 물품 및 이의 제조 및 사용 방법 Download PDF

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Abstract

RF, 인터포저 및 유사한 적용들을 위한 재배선 층에 현재 사용되는 유리 및 기타 물질에 비해 여러 장점을 나타내는 높은 실리카 함량을 갖는 유리 조성물은 여기에 개시된다. 여기에 개시된 유리는, 관통 유리 비아(TGVs)를 생성하는데 사용되는 레이저 손상 및 에칭 공정에 대해 높은 처리량을 갖는, 저가의 평평한 유리이다. 여기에 기재된 실리케이트 유리 및 공정을 사용하여 발생된 TGVs는, 인터포저와 같은 유리 물품의 제조와 관련하여 바람직한 특색인, 큰 웨이스트 직경을 갖는다.

Description

관통 유리 비아를 소유하는 높은 실리케이트 유리 물품 및 이의 제조 및 사용 방법
본 출원은 2019년 5월 10일자로 출원된 미국 가출원 제62/846,102호에 대한 우선권을 주장하며, 이의 전체적인 내용은 여기에 인용되고 참조로서 혼입된다.
오늘날, 전자장치 적용들을 위한 정밀하게-형성된 홀(holes)을 갖는 얇은 유리에 대한 높은 관심이 있다. 홀은, 전도성 물질로 채워지며, 중앙 처리 장치, 메모리 칩, 그래픽 처리 장치, 또는 기타 전자장치 부품의 정확한 연결을 제공하기 위해 한 부분으로부터 다른 부분으로 전기 신호를 전달하는데 사용된다. 이러한 적용들의 경우, 이들 내에 금속화된 홀을 갖는 기판은 통상적으로 "인터포저(interposers)"라고 불리운다. 섬유-강화 폴리머 또는 실리콘과 같은, 현재 사용되는 인터포저 물질와 비교하여, 유리는 많은 유리한 특성을 갖는다. 유리는 연마할 필요 없이 대형 시트에서 얇고 매끄럽게 형성될 수 있고, 이것은 유기 대체물(organic alternatives)보다 더 높은 강성(stiffness) 및 치수 안정성을 가지며, 이것은 실리콘보다 훨씬 우수한 전기 절연체이고, 이것은 유기 옵션보다 우수한 치수 (열 및 강성률(rigidity)) 안정성을 가지며, 이것은 집적 회로에서 스택 뒤틀림(stack warp)을 제어하기 위해 다른 열팽창계수에 맞춰질 수 있다. 유리가 절연체인 반면, 저항률이 높기 때문에, 유리 소자의 전기 손실은 낮다.
유리의 표면에서 (에칭 공정이 완료된 경우, "관통 유리 비아(through glass vias)" 또는 TGVs라고 또한 지칭되는) 홀의 직경이 넓은 반면, 유리의 중심에서 또는 가장 좁은 부분("웨이스트(waist)")에서 직경은 종종 훨씬 더 작다. 개선된 TGV 금속화, 그래서, 개선된 전기적 성능은 더 넓은 웨이스트 직경을 갖는 TGVs로부터 결과할 것이다. 특히, 더 넓은 웨이스트 직경은, 열로서 전자기 에너지의 소산(예를 들어, 유전 손실, 줄 가열(Joule heating))을 줄이는데 도움이 될 수 있고; 이것은, 인터포저 물질이 낮은 손실 각도(loss angle) 또는 손실 탄젠트(tangent)를 가질 경우, 달성될 수 있다.
무엇보다 필요한 것은, 고-처리량 유리 제작을 가능하게 하고 큰 웨이스트 직경을 갖는 관통 유리 비아의 제조를 가능하게 하는 새로운 유리 조성물이다. 이상적으로, 상기 유리 조성물은 또한 적층 집적 회로 및 기타 전자장치 기술과 함께 사용하기에 바람직한 전기적 특성을 가질 것이다. 본 개시의 주제는 이러한 요구에 초점을 맞춘다.
RF, 인터포저, 및 유사한 적용들을 위한 재배선 층(redistribution layers)에 현재 사용되는 유리 및 기타 물질에 비해 여러 장점을 나타내는 높은 실리카 함량을 갖는 유리 조성물은 여기에 개시된다. 여기에 개시된 유리는, 관통 유리 비아(TGVs)를 생성하는데 사용되는 레이저 손상(laser damage) 및 에칭 공정에 대해 높은 처리량을 갖는, 저가의 평평한 유리이다. 여기에 기재된 실리케이트 유리(silicate glasses) 및 공정을 사용하여 발생된 TGVs는, 인터포저와 같은 유리 물품의 제조와 관련하여 바람직한 특색(feature)인, 큰 웨이스트 직경을 갖는다.
제1 관점에서, 실리케이트 유리 물품은 하나 이상의 관통 유리 비아를 포함한다. 상기 관통 유리 비아는 제1 표면 직경(DS1), 제2 표면 직경(DS2), 및 웨이스트 직경(Dw)을 갖는다. DS1/Dw의 비는 1:1 내지 2:1이며, DS2/Dw의 비는 1:1 내지 2:1이다. 상기 실리케이트 유리 물품은 75 mol%를 초과하는 SiO2 및 2 mol% 미만의 P2O5를 포함한다.
제2 관점에서, 실리케이트 유리 물품은 하나 이상의 관통 유리 비아를 포함한다. 상기 관통 유리 비아는 제1 표면 직경(DS1), 제2 표면 직경(DS2), 및 웨이스트 직경(Dw)을 갖는다. DS1/Dw의 비는 1:1 내지 2:1이며, DS2/Dw의 비는 1:1 내지 2:1이다. 상기 실리케이트 유리 물품은 75 mol%를 초과하는 SiO2 및 12 mol% 미만의 Al2O3를 포함한다.
제3 관점에서, 제1 관점 또는 제2 관점의 실리케이트 유리 물품은 75 mol% 초과 내지 95 mol%의 SiO2를 포함한다.
제4 관점에서, 제1 관점 또는 제2 관점의 실리케이트 유리 물품은 80 mol% 내지 95 mol%의 SiO2를 포함한다.
제5 관점에서, 제1 관점 또는 제2 관점의 실리케이트 유리 물품은 0.5 mol% 내지 10 mol%의 Al2O3를 포함한다.
제6 관점에서, 제1 관점 또는 제2 관점의 실리케이트 유리 물품은 P2O5를 포함하지 않는다.
제7 관점에서, 제1 관점 또는 제2 관점의 실리케이트 유리 물품은 알칼리 금속 산화물을 포함하지 않는다.
제8 관점에서, 제1 관점 또는 제2 관점의 실리케이트 유리 물품은:
75 mol% 초과 내지 95 mol%의 SiO2,
1 mol% 내지 13 mol%의 적어도 하나의 알칼리 금속 산화물,
1 mol% 내지 10 mol%의 적어도 하나의 알칼리 토금속 산화물,
1 mol% 내지 10 mol%의 Al2O3,
0 mol% 내지 10 mol%의 B2O3,
0.01 mol% 내지 4 mol%의 ZnO, 및
0 mol% 내지 0.5 mol%의 SnO2를 포함한다.
제9 관점에서, 제1 관점 또는 제2 관점의 실리케이트 유리 물품은:
75 mol% 초과 내지 85 mol%의 SiO2,
1 mol% 내지 10 mol%의 Al2O3,
8 mol% 내지 13 mol%의 Na2O, K2O, 또는 이들의 조합,
2 mol% 내지 8 mol%의 MgO, 및
0.01 mol% 내지 0.5 mol%의 SnO2를 포함한다.
제10 관점에서, 전술한 관점들 중 어느 하나의 실리케이트 유리 물품에 있어서, 상기 관통 유리 비아는 10 ㎛ 내지 100 ㎛의 제1 표면 직경 및 제2 표면 직경을 갖는다.
제11 관점에서, 전술한 관점들 중 어느 하나의 실리케이트 유리 물품은 5 ㎛ 내지 90 ㎛의 웨이스트 직경을 갖는다.
제12 관점에서, 전술한 관점들 중 어느 하나의 실리케이트 유리 물품은 50 ㎛ 내지 500 ㎛의 두께를 갖는다.
제13 관점에서, 실리케이트 유리 물품에 관통 유리 비아를 제조하는 방법은: (1) 상기 실리케이트 유리 물품을 레이저 빔으로 조사하여 손상 트랙(tracks)을 생성시키는 조사 단계로서, 여기서, 상기 실리케이트 유리 물품은 75 mol%를 초과하는 SiO2 및 2 mol% 미만의 P2O5를 포함하는, 조사 단계; 및 (2) 상기 실리케이트 유리 물품을 산을 포함하는 에칭 용액으로 에칭하여 관통 유리 비아를 생성시키는 에칭 단계를 포함한다.
제14 관점에서, 실리케이트 유리 물품에 관통 유리 비아를 제조하는 방법은: (1) 상기 실리케이트 유리 물품을 레이저 빔으로 조사하여 손상 트랙을 생성시키는 조사 단계로서, 여기서, 상기 실리케이트 유리 물품은 75 mol%를 초과하는 SiO2 및 12 mol% 미만의 Al2O3를 포함하는, 조사 단계; 및 (2) 상기 실리케이트 유리 물품을 산을 포함하는 에칭 용액으로 에칭하여 관통 유리 비아를 생성시키는 에칭 단계를 포함한다.
제15 관점에서, 제13 관점 또는 제14 관점의 방법의 레이저 빔은 피코초 레이저(picosecond laser)로 형성된다.
제16 관점에서, 제13 관점 또는 제14 관점의 방법의 레이저 빔은 500 ㎚를 초과하는 파장을 갖는다.
제17 관점에서, 제13 관점 또는 제14 관점의 방법의 레이저 빔은 535 ㎚를 초과하는 파장을 갖는다.
제18 관점에서, 제13 관점 또는 제14 관점의 방법의 레이저 빔은, 500 ㎚ 초과 내지 1,100 ㎚의 파장 및 40 μJ 내지 120 μJ의 파워를 갖는다.
제19 관점에서, 제13 관점 또는 제14 관점의 방법의 레이저 빔은 레이저 버스트(burst)이다.
제20 관점에서, 제13 관점 또는 제14 관점의 방법의 에칭 용액은 불화 수소산 및 물을 포함한다.
제21 관점에서, 제20 관점의 방법의 불화 수소산은 1 wt% 내지 50 wt%의 농도를 갖는다.
제22 관점에서, 제20 관점의 방법의 에칭 용액은, 염산, 황산, 질산, 아세트산, 또는 이들의 임의의 조합과 함께 불화 수소산을 포함한다.
제23 관점에서, 제13 관점 또는 제14 관점의 방법의 실리케이트 유리 물품은 0 ℃ 내지 50 ℃의 온도에서 에칭된다.
제24 관점에서, 제13 관점 또는 제14 관점의 방법의 레이저 빔은 베셀 빔(Bessel beam) 또는 가우스-베셀 빔(Gauss-Bessel beam)이다.
제25 관점에서, 제24 관점의 방법의 조사 단계는, 실리케이트 유리 물품에서 베셀 빔 또는 가우스-베셀 빔으로 초점 라인(focal line)을 형성시키는 단계를 포함한다.
제26 관점에서, 제13 관점 또는 제14 관점의 방법의 에칭 단계는, 에칭 부산물을 생성하며, 여기서, 상기 에칭 부산물은 에칭 용액에서 0.5 g/ℓ 이상의 에칭 부산물 용해도(solubility)를 갖는다.
제27 관점에서, 제26 관점의 방법에서, 에칭 용액은, 물, 0.1 M 내지 3.0 M 농도의 HF, 및 0.1 M 내지 3.0 M 농도의 HNO3를 포함한다.
제28 관점에서, 제13 내지 제27 관점 중 어느 하나의 방법에서, 상기 손상 트랙의 에칭 속도(E1)는 레이저에 의해 손상되지 않은 물품의 에칭 속도(E2)를 초과한다.
제29 관점에서, 제28 관점의 방법으로부터의 E1/E2의 비는 1 내지 50이다.
제30 관점에서, 제28 관점의 방법에서, 상기 산은 불화 수소산이고, 상기 에칭 속도(E2)는 0.25 ㎛/min 내지 0.9 ㎛/min이다.
제31 관점에서, 제13 내지 제30 관점 중 어느 하나의 방법은 실리케이트 유리 물품을 제조한다.
여기에 기재된 물질, 방법, 및 장치의 장점은 하기 상세한 설명에서 부분적으로 서술되거나, 또는 아래에 기재된 관점들의 실행에 의해 습득될 수 있다. 이하 기재된 장점은 첨부된 청구범위에서 특히 언급된 요소 및 조합에 의해 실현되고 달성될 것이다. 전술한 일반적인 설명 및 하기 상세한 설명 모두는 단지 대표적이고 설명적일 뿐이며 제한적이지 않은 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에 혼입되고 본 명세서의 일부를 구성하는, 첨부 도면은, 아래에 기재된 여러 관점들을 예시한다:
도 1은, 레이저 손상 및 에칭 전략을 사용하여 관통 유리 비아를 만드는 공정의 개략도를 나타낸다.
도 2에서, A-D는 112분 동안 1.45 M HF 및 0.8 M HNO3에서의 실온(20 ℃)에서 에칭된 EXG 및 IRIS의 웨이스트 직경의 비교를 나타낸다.
도 3에서, A-D는 25 ㎜/s의 속도로 수직 및 수평 교반과 함께 3M HF에서의 12 ℃에서 에칭된 EXG 및 IRIS의 웨이스트 직경의 비교를 나타낸다.
도 4는, 1.45 M 불화 수소산에서 EXG(원) 및 IRIS(다이아몬드)의 에칭 속도(E2)를 제공한다.
본 물질, 물품 및/또는 방법이 개시 및 설명되기 전에, 하기에 기재된 관점들은, 보통 말하는, 물론, 다양할 수 있는, 특정 화합물, 합성 방법, 또는 용도로 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 여기에 사용된 용어는 단지 특정 관점들을 설명하기 위한 것이며 제한하려는 의도가 아닌 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서 및 하기 청구범위에서, 다음의 의미를 갖는 것으로 정의되는 다수의 용어들에 대해 언급은 이루어질 것이다:
본 명세서 및 첨부된 청구범위에서 사용된 바와 같은, 용어들의 단수 형태는, 문맥이 명백하게 달리 지시하지 않는 한, 복수 지시 대상을 포함한다는 점에 유의해야 한다. 따라서, 예를 들어, 유리 조성물에서 "알칼리 토금속 산화물"에 대한 언급은 둘 이상의 알칼리 토금속 산화물 및 이와 유사한 것의 혼합물을 포함한다.
"선택적" 또는 "선택적으로"는, 나중에 기재된 사건 또는 상황이 발생할 수 있거나 또는 발생할 수 없음을 의미하며, 및 상기 기재는, 사건 또는 상황이 발생하는 경우 및 발생하지 않는 경우를 포함하는 것을 의미한다. 예를 들어, 여기에 기재된 유리 조성물은 알칼리 토금속 산화물이 존재하거나 존재하지 않을 수 있는 경우, 알칼리 토금속 산화물을 선택적으로 함유할 수 있다.
여기에 사용된 바와 같은, 용어 "약"은 주어진 수치 값이 원하는 결과에 영향을 미치지 않으면서 말단값 "약간 위" 또는 "약간 아래"일 수 있음을 제공하여 수치 범위 말단값에 유연성을 제공하기 위해 사용된다. 본 개시의 목적을 위해, "약"은 수치 값 아래 10%에서 수치 값 위 10%까지 확장되는 범위를 지칭한다. 예를 들어, 수치 값이 10인 경우, "약 10"은 말단값 9 및 11을 포함하는 9와 11 사이를 의미한다.
본 명세서 전반에 걸쳐, 문맥이 달리 지시하지 않는 한, 단어 "포함하다", 또는 "포함하는" 또는 "포함하며"와 같은 변형은, 언급된 요소, 정수, 단계, 또는 요소들, 정수들 또는 단계들의 그룹의 포괄을 의미하지만, 임의의 다른 요소, 정수, 단계, 또는 요소들, 정수들 또는 단계들의 그룹을 배제하지 않는 것으로 이해될 것이다.
여기에 사용된 바와 같이, "관통 유리 비아"(TGVs)는, 유리 물품을 관통하는 미세한 홀이다. 몇몇 관점에서, TGVs는 구리와 같은 전도성 물질로 채워지거나 금속화된다. TGV는 단일 관통 유리 비아를 지칭한다.
TGV는 표면 개구를 갖고, 유리 물품을 관통하여 완전히 연장된다. 여기에 사용된 바와 같은 "표면 직경"은, 유리의 양 표면(제1 표면 및 제2 표면)에서 TGV의 직경(보통 ㎛ 단위로 측정)을 지칭하며, 이는 여기에서 제1 표면 직경(DS1) 및 제2 표면 직경(DS2)으로 지칭된다. 몇몇 TGV는 직경이 제1 표면 직경 및 제2 표면 직경 모두보다 작은 (표면이 아닌) 내부에 영역을 갖는다. 이러한 TGV는, 제1 표면과 제2 표면 사이에 유리의 내부에 위치한 TGV의 가장 좁은 지점인, "웨이스트"를 갖는 것으로 지칭된다. 여기에 사용된 바와 같은 "웨이스트 직경"은, 웨이스트에서 TGV의 직경(또한 통상적으로 ㎛)을 지칭한다. 별도로 명시되지 않는 한, TGV의 길이는, 유리 물품의 두께 방향에서 TGV의 선형 치수를 지칭하고, TGV의 직경은, 유리 물품의 두께 치수에 횡단하는 방향에서 TGV의 선형 치수를 지칭한다. 용어 "직경"은, TGV의 단면 형상이 완전한 원형에서 벗어나더라도, TGV와 관련하여 사용될 것이다. 이러한 사례에서, 직경은, TGV의 단면 형상의 가장 긴 선형 치수(예를 들어, TGV가 타원형 단면 형상을 갖는 경우 장축)를 지칭한다. 여기에 사용된 바와 같은, 유리 물품의 두께 방향은, 유리 물품의 길이, 높이, 및 폭 치수 중 가장 작은 것이다. TGV가 레이저로 손상 트랙을 형성하는 단계를 포함하는 공정에 의해 형성되는 경우(아래 참조), 유리 물품의 두께 방향은 레이저 빔의 전파의 방향에 해당한다.
용어 "R2O"는, 알칼리 금속 산화물을 개별적으로 또는 집합적으로 지칭하며, Li2O, Na2O, K2O, Rb2O, 및 Cs2O 중 어느 하나, 또는 둘 이상의 임의의 조합을 포함한다.
용어 "RO"는, 알칼리 토금속 산화물을 개별적으로 또는 집합적으로 지칭하며, MgO, CaO, SrO, 및 BaO 중 어느 하나, 또는 둘 이상의 임의의 조합을 포함한다.
조성물 또는 물품에서 특정 원소의 원자 퍼센트에 대한 본 명세서 및 청구범위에서 언급은, 원자 퍼센트가 표현되는 조성물 또는 물품에서 원소 또는 구성요소와 임의의 다른 원소 또는 구성요소 사이에 몰 관계를 나타낸다. 따라서, 2 원자 퍼센트의 성분 X 및 5 원자 퍼센트의 성분 Y를 함유하는 조성물에서, X 및 Y는 2:5의 몰비로 존재하고, 부가적인 성분들이 조성물에 사용된 경우와 상관없이 이러한 비로 존재한다.
여기에 사용된 바와 같은, 복수의 항목, 구조적 요소, 조성적 요소, 및/또는 물질은, 편의상 공통 목록으로 제시될 수 있다. 그러나, 이러한 목록은, 마치 상기 목록의 각 부재가 별도의 고유한 부재로 개별적으로 식별되는 것처럼 해석되어야 한다. 따라서, 임의의 이러한 목록의 개별 부재는, 반대의 표시 없이, 공통 그룹에서 이의 표시에만 기초하여 동일한 목록의 임의의 다른 부재와 사실상 균등한 것으로 해석되지 않아야 한다.
농도, 양, 및 기타 수치 데이터는 여기에서 범위 형식으로 표현되거나 제시될 수 있다. 이러한 범위 형식은 단지 편의성 및 간결성을 위해 사용되며, 따라서, 범위의 한계로서 명시적으로 인용된 수치 값뿐만 아니라, 각 수치 값 및 서브-범위가 명시적으로 인용된 것처럼 해당 범위 내에 포괄된 모든 개별 수치 값 또는 서브-범위를 포함하도록 유연하게 해석되어야 하는 것으로 이해되어야 한다. 예로서, "약 1" 내지 "약 5"의 수치 범위는, 약 1 내지 약 5의 명시적으로 인용된 값뿐만 아니라, 지시된 범위 내에 개별 값 및 서브-범위를 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 따라서, 이러한 수치 범위에는, 2, 3 및 4와 같은 개별 값, 1-3, 2-4, 3-5, 약 1 - 약 3, 1 내지 약 3, 약 1 내지 3, 등과 같은 서브-범위, 뿐만 아니라, 개별적으로, 1, 2, 3, 4, 및 5가 포함된다. 동일한 원칙은, 최소값 또는 최대값으로 하나의 수치 값만 인용하는 범위에도 적용된다. 범위들는 말단값을 포함하는 것으로 해석되어야 한다(예를 들어, "약 1 내지 3"의 범위가 인용된 경우, 범위는 말단값 1 및 3 뿐만 아니라 이들 사이에 값을 모두 포함한다). 더욱이, 이러한 해석은 기재되는 문자의 폭 또는 범위와 상관없이 적용되어야 한다.
개시된 조성물 및 방법에 대해 사용될 수 있거나, 개시된 조성물 및 방법과 함께 사용될 수 있거나, 개시된 조성물 및 방법을 위한 준비에 사용될 수 있거나, 또는 이들의 생성물인, 물질 및 성분은 개시된다. 이들 및 기타 물질은 여기에 개시되고, 이들 물질의 조합, 부분집합, 상호작용, 그룹, 등이 개시된 경우, 이들 화합물의 각 다양한 개별 조합 및 순열에 대한 구체적인 언급이 명시적으로 개시되어 있지 않을지라도, 각각은 여기에서 구체적으로 고려되고 기재된 것으로 이해된다. 예를 들어, 알칼리 금속 산화물 첨가제가 개시 및 논의되고, 다수의 다른 알칼리 토금속 산화물 첨가제가 논의되는 경우, 각각의 알칼리 금속 산화물 첨가제 및 알칼리 토금속 산화물 첨가제 및 이의 가능한 모든 조합은, 반대로 구체적으로 표시되지 않은 한, 구체적으로 고려된다. 예를 들어, 알칼리 금속 산화물 A, B, 및 C의 부류가 개시되고, 뿐만 아니라 알칼리 토금속 산화물 첨가제 D, E, 및 F의 부류, 및 A + D의 대표 조합이 개시된 경우, 그 다음 각각이 개별적으로 인용되지 않은 경우 조차도, 각각은 개별적 및 집합적으로 고려된다. 따라서, 이러한 실시예에서, 각각의 조합 A + E, A + F, B + D, B + E, B + F, C + D, C + E, 및 C + F는, 구체적으로 고려되며, A, B, 및 C; D, E, 및 F; 및 대표 조합 A + D의 개시로부터 고려되어야 한다. 유사하게, 이들의 임의의 부분집합 또는 조합은 또한 구체적으로 고려되고 개시된다. 따라서, 예를 들어, A + E, B + F, 및 C + E의 서브-그룹은 구체적으로 고려되며, A, B, 및 C; D, E 및 F; 및 대표 조합 A + D의 개시로부터 고려되어야 한다. 이러한 개념은 개시된 조성물을 제조하고 사용하는 방법의 단계를 포함하지만, 이에 제한되지 않는, 본 개시의 모든 관점들에 적용된다. 따라서, 개시된 방법들의 임의의 특정 구현예 또는 구현예들의 조합으로 수행될 수 있는 다양한 부가적인 단계가 있는 경우, 각각의 이러한 조성물은 구체적으로 고려되고, 개시된 것으로 간주되어야 한다.
I. 실리케이트 유리 물품
하나, 여러 개, 또는 복수의 TGVs를 갖는 유리 물품을 생성하기 위해 여기에 기재된 레이저 손상 및 에칭 공정에 의해 가공될 수 있는 실리케이트 유리 물품은 여기에 개시된다. 실리케이트 유리 물품은, 형성된 TGVs가 유리의 각 표면 직경에 근접하는 웨이스트 직경을 갖도록 제형화된다. 이론에 의해 구속되는 것을 원하지는 않지만, 유리 물품에서 SiO2의 양을 증가시켜, 에칭 공정 동안에 형성된 부산물의 용해도는 증가될 수 있다. 이것은, 결과적으로, 부산물이 TGV에 불용성 고체로 축적될 가능성을 감소시킨다. TGV에 부산물의 축적은, 이것이 감소된 웨이스트 직경을 결과하기 때문에 바람직하지 않다. 증가된 용해도로 에칭 동안에 부산물을 생성하도록 유리 조성물을 설계함으로써, 불용성 고체의 축적은 TGV에서 덜 일어나고, 더 큰 웨이스트 직경을 결과한다. 이것은 아래에서 더 자세히 논의된다.
여기에서 사용되는 유리 물품은 다량의 SiO2를 함유한다. 몇몇 관점에서, 유리 조성물은 75 mol%를 초과하는 양으로 SiO2를 포함한다. 몇몇 관점에서, SiO2는 75, 80, 85, 90, 또는 95 mol%를 초과하는 양으로 존재하며, 여기서, 어떤 하나의 값은 하한 및 상한 말단값(예를 들어, 75 mol% 초과 내지 95 mol%, 75 mol% 초과 내지 85 mol%, 80 mol% 초과 내지 90 mol%, 80 mol% 초과 내지 95 mol%)일 수 있다.
몇몇 관점에서, 실리케이트 유리 물품은, 75 mol% 초과의 SiO2 내지 2 mol% 미만의 P2O5를 포함한다. 몇몇 관점에서, P2O5는, 약 0, 0.25, 0.5, 0.75, 1, 1.25, 1.5, 1.75, 또는 2 mol%로 존재하며, 여기서, 어떤 하나의 값은 하한 및 상한 말단값(예를 들어, 0.25 내지 1.5 mol%, 1 내지 1.75 mol%)일 수 있다. 몇몇 관점에서, 유리 물품은 P2O5를 포함하지 않는다.
몇몇 관점에서, 실리케이트 유리 물품은 Al2O3를 포함할 수 있다. 몇몇 관점에서, 실리케이트 유리 물품은 75 mol%를 초과하는 SiO2 및 12 mol% 미만의 Al2O3를 포함한다. 몇몇 관점에서, Al2O3는, 약 0, 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 또는 12 mol% 미만으로 존재하며, 여기서, 어떤 하나의 값은 하한 및 상한 말단값(예를 들어, 0.5 mol% 내지 10 mol%, 1 내지 10 mol%, 4 내지 8 mol%)일 수 있다.
몇몇 관점에서, 실리케이트 유리 물품은 B2O3를 포함할 수 있다. 몇몇 관점에서, 실리케이트 유리 물품은 0 내지 15 mol%의 B2O3를 포함하거나, 또는 약 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 또는 15 mol%의 B2O3를 포함하며, 여기서, 어떤 하나의 값은 하한 및 상한 말단값(예를 들어, 5 내지 15 mol%, 0 내지 5 mol%, 0 내지 10 mol%)일 수 있다.
몇몇 관점에서, 실리케이트 유리 물품은 ZnO를 포함한다. 몇몇 관점에서, 실리케이트 유리 물품은 0 내지 10 mol%의 ZnO를 포함하거나, 또는 약 0, 0.01, 0.05, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 5.5, 6, 6.5, 또는 7 mol%의 ZnO를 포함하며, 여기서, 어떤 하나의 값은 하한 및 상한 말단값(예를 들어, 0 내지 5 mol%, 0.01 내지 1.5%, 0.01 내지 4 mol%)일 수 있다.
몇몇 관점에서, 실리케이트 유리 물품은, 하나 이상의 알칼리 토금속 산화물(RO)을 포함하며, 여기서, RO(MgO, BaO, CaO, 및 SrO)의 합은 1 내지 10 mol%의 양이다. 몇몇 관점에서, 알칼리 토금속 산화물은, 약 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 또는 10 mol%로 존재하며, 여기서, 어떤 하나의 값은 하한 및 상한 말단값(예를 들어, 1 내지 10 mol%, 1 내지 9 mol%, 2 내지 8 mol%)일 수 있다. 몇몇 관점에서, 유리 물품은 알칼리 토금속 산화물로서 MgO를 오직 포함한다. 몇몇 관점에서, MgO는, 약 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 또는 10 mol%로 존재하며, 여기서, 어떤 하나의 값은 하한 및 상한 말단값(예를 들어, 1 내지 10 mol%, 1 내지 9 mol%, 2 내지 8 mol%)일 수 있다.
몇몇 관점에서, 실리케이트 유리 물품은, Li2O, Na2O, K2O, Rb2O, Cs2O, 또는 이들의 임의의 조합과 같은, 하나 이상의 알칼리 금속 산화물(R2O)을 포함한다. 몇몇 관점에서, 알칼리 금속 산화물은, 약 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 또는 13 mol%로 존재하며, 여기서, 어떤 하나의 값은 하한 및 상한 말단값(예를 들어, 1 내지 13 mol%, 8 내지 13 mol%)일 수 있다. 몇몇 관점에서, 유리 물품은, 약 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 또는 13 mol%로 존재하는 Na2O, K2O, 또는 이들의 조합을 오직 포함하며, 여기서, 어떤 하나의 값은 하한 및 상한 말단값(예를 들어, 1 내지 13 mol%, 8 내지 13 mol%)일 수 있다. 몇몇 관점에서, 유리 물품은 알칼리 금속 산화물을 포함하지 않는다.
몇몇 관점에서, 실리케이트 유리 물품은 SnO2를 포함한다. 몇몇 관점에서, SnO2는, 유리 물품에 약 0, 0.01, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 또는 0.5 mol%로 존재하며, 여기서, 어떤 하나의 값은 하한 및 상한 말단값(예를 들어, 0.01 내지 0.2 mol%, 0 내지 0.5 mol%, 0.01 내지 0.5 mol%)일 수 있다.
몇몇 관점에서, 실리케이트 유리 물품은:
75 mol% 초과 내지 95 mol%의 SiO2,
0 mol% 내지 13 mol%의 적어도 하나의 알칼리 금속 산화물,
1 mol% 내지 10 mol%의 적어도 하나의 알칼리 토금속 산화물,
1 mol% 내지 10 mol%의 Al2O3,
0 mol% 내지 10 mol%의 B2O3,
0 mol% 내지 0.5 mol%의 SnO2, 및
0 mol% 내지 2 mol% 미만의 P2O5를 포함한다.
몇몇 관점에서, 실리케이트 유리 물품은:
75 mol% 초과 내지 95 mol%의 SiO2,
0 mol% 내지 13 mol%의 적어도 하나의 알칼리 금속 산화물,
1 mol% 내지 10 mol%의 적어도 하나의 알칼리 토금속 산화물,
1 mol% 내지 10 mol%의 Al2O3,
0 mol% 내지 10 mol%의 B2O3,
0.01 mol% 내지 4 mol%의 ZnO, 및
0 mol% 내지 0.5 mol%의 SnO2를 포함한다.
몇몇 관점에서, 실리케이트 유리 물품은:
75 mol% 초과 내지 85 mol%의 SiO2,
1 mol% 내지 10 mol%의 Al2O3,
8 mol% 내지 13 mol%의 Na2O, K2O, 또는 이들의 조합,
2 mol% 내지 8 mol%의 MgO,
0.01 mol% 내지 0.5 mol%의 SnO2, 및
0 mol% 내지 2 mol% 미만의 P2O5을 포함한다.
몇몇 관점에서, 실리케이트 유리 물품은:
75 mol% 초과 내지 85 mol%의 SiO2,
1 mol% 내지 10 mol%의 Al2O3,
8 mol% 내지 13 mol%의 Na2O, K2O, 또는 이들의 조합,
2 mol% 내지 8 mol%의 MgO, 및
0.01 mol% 내지 0.5 mol%의 SnO2를 포함한다.
몇몇 관점에서, 여기에 기재된 유리 조성물은, 고-처리량 공정을 사용하여 유리 시트 및/또는 다른 유리 물품으로 제조될 수 있다. 몇몇 관점에서, 유리 조성물은, 퓨전 인발 공정(fusion draw process), 플로우트 공정(float process), 또는 롤링 공정(rolling process)에 의해 가공될 수 있다.
"퓨전 인발" 공정은, 고성능 평판 유리를 형성하는 방법이다. 퓨전 인발 공정에서, 원료는 1,000 ℃를 초과하는 온도에서 용융 탱크 내로 도입된다. 용융된 유리는, 완전히 혼합된 다음, 균일한 흐름으로, 공중으로, 방출되고, 여기서, 이것은 늘어나고 냉각되기 시작하면서 인발 장비로 공급된다. 몇몇 관점에서, 이러한 공정에 의해 형성된 유리는, 표면 연마가 필요하지 않다. 몇몇 관점에서, 이러한 공정에 의해 형성된 유리는, 균일한 두께를 가지며 많은 양의 열을 견딜 수 있다. 몇몇 관점에서, 여기에 개시된 유리는, 퓨전 인발 공정을 사용하여 시트로 형성될 수 있다.
유리를 형성하는 "플로우트" 방법은, 평평한 유리를 형성하기 위한 대안적인 방법이다. 원료가 용융되고 혼합된 후, 용융된 유리는 고온 주석의 욕조 상으로 흐른다. 플로우트 형성된 유리는 표면 연마 및/또는 기타 생산-후 가공이 필요할 수 있다. 몇몇 관점에서, 여기에 개시된 유리는 플로우트 방법을 사용하여 시트로 형성될 수 있다.
여기에 사용된 바와 같은, 유리를 형성하기 위한 "롤링" 공정은, 인발 공정과 유사하지만, 롤러 상에서 수평적으로 수행된다. 롤링 공정을 사용하여 만들어진 유리 시트는 그라인딩 및 연마를 필요로 한다. 몇몇 관점에서, 여기에 개시된 유리는, 롤링 공정을 사용하여 시트로 형성될 수 있다.
Ⅱ. 관통 유리 비아의 제조 공정
실리케이트 유리 물품에 관통 유리 비아를 생성하는 방법은, (1) 실리케이트 유리 물품을 레이저 빔으로 조사하여 손상 트랙을 생성시키는, 조사 단계 및 (2) 유리 물품을 산으로 에칭하여 관통 유리 비아를 생성시키는, 에칭 단계를 포함한다. 각 단계는 이하 자세히 설명된다.
a. 손상 트랙의 형성
여기에 기재된 공정의 제1 단계는, 실리케이트 유리 물품에서 하나 이상의 손상 트랙을 생성시키는 단계를 포함한다. 여기에 사용된 바와 같은, "손상 트랙"은, 레이저로 조사에 의해 구조적으로 변경된 유리의 구역이다. 손상 트랙은, 도 1에서 레이저로 손상된 유리(1)를 통해 파선으로 도시된다. 몇몇 관점에서, 손상 트랙은, 주변의 손상되지 않은 유리보다 더 낮은 굴절률을 갖는다. 몇몇 관점에서, 더 낮은 굴절률은, 레이저-조사된 구역에서 유리의 부피 팽창에 기인한 것일 수 있다. 몇몇 관점에서, 손상 트랙에서 유리는, 주변의 손상되지 않은 유리보다 더 낮은 밀도를 갖는다. 몇몇 관점에서, 손상 트랙은 유리의 표면 상에 피트(pit)이다. 몇몇 관점에서, 손상 트랙은, 형상이 원통형 또는 기둥형이고, 유리를 관통하여 부분적으로 또는 완전히 연장된다. 몇몇 관점에서, 손상 트랙은, 버블, 보이드(voids), 또는 갭을 포함한다.
손상 트랙은 여러 다른 기술을 사용하여 생성될 수 있다. 몇몇 관점에서, 펄스 레이저 빔(pulsed laser beam)은, 빔 전파 방향을 따라 배향되고 유리 물품 내로 향하는 레이저 빔 초점 라인에 집중되며, 여기서, 레이저 빔 초점 라인은 유리 내에서 유도 흡수(induced absorption)를 발생시킨다. 유도 흡수는 유리 내에 레이저 빔 초점 라인을 따라 손상 트랙을 생성시킨다. 여기에 사용된 바와 같은, "유도 흡수"는 레이저 빔의 다광자 흡수(multiphoton absorption) 또는 비-선형 흡수를 의미한다. 몇몇 관점에서, 유리 물품은 레이저 빔의 파장을 통과시킨다. 여기에 사용된 바와 같은, 통과는 유리 물품에 의한 레이저 파장의 두께의 10%/㎜ 미만의 선형 흡수를 의미한다. 여기에 사용된 바와 같은, 레이저 빔 초점 라인은, 0.1 ㎜를 초과하는 길이 및 손상 트랙의 방향으로 연장되는 중심축을 갖는 유리 물품에 대략 원통형의 조명의 영역에 대응한다. 레이저 광의 강도는, 레이저 빔 초점 라인 전체에 걸쳐 거의 균일하며, 유도 흡수를 발생시키도록 레이저 빔 초점 라인 전체에 걸쳐 충분히 높다.
몇몇 관점에서, 특수화된 광학 전달 시스템 및 피코초 펄스 레이저를 이용하여, 손상 트랙은, 각 손상 트랙을 형성하는데 필요한 단일 레이저 펄스(또는 펄스의 단일 버스트) 이하로 유리 물품에 형성될 수 있다. 몇몇 관점에서, 이러한 공정은 절제 나노초 레이저 공정(ablative nanosecond laser process)으로 달성될 수 있는 것보다 100X 이상 빠른 손상 트랙 형성 속도를 가능하게 한다.
몇몇 관점에서, 레이저 빔 초점 라인은, 베셀 빔, 가우스-베셀 빔, 또는 다른 비-회절 빔(non-diffracting beam)을 사용하여 생성될 수 있다. 여기에 사용된 바와 같은, 비-회절 레이저 빔은, 동일한 파장에서 동일한 펄스 지속시간을 갖는 가우시안 빔(Gaussian beam)의 레일리 범위(Rayleigh range)보다 2배 이상 큰 레일리 범위를 갖는 레이저 빔이다. 가우스 및 가우스-베셀 빔의 추가 정의는: "High Aspect Ratio Nanochannel Machining Using Single Shot Femtosecond Bessel Beams", M.K. Bhuyan, et al., Appl. Phys. Lett. 97, 081102 (2010); "M2 Factor of Bessel-Gauss Beams", R. Borghi and M. Santasiero, Opt. Lett. 22, 262 (1997); "Application of Femtosecond Bessel-Gauss Beam in Microstructuring of Transparent Materials", A. Marcinkevicius et al., in Optical Pulse and Beam Propagation Ⅲ, Y.B. Band, ed., Proc. SPIE Vol. 4271, 150-158 (2001)에서 확인될 수 있다.
더욱이, 몇몇 관점에서, 레이저 빔 초점 라인은, 구면 수차(spherical aberration)를 갖는 액시콘 또는 광학장치(optic)를 사용하여 발생될 수 있다. 몇몇 관점에서, 레이저 빔 초점 라인은, 약 1 ㎜, 약 2 ㎜, 약 3 ㎜, 약 4 ㎜, 약 5 ㎜, 약 6 ㎜, 약 7 ㎜, 약 8 ㎜, 또는 약 9 ㎜와 같은, 약 0.1 ㎜ 내지 약 10 ㎜ 범위의 길이, 또는 약 0.1 ㎜ 내지 약 1 ㎜ 범위의 길이, 및 약 0.1 ㎛ 내지 약 5 ㎛의 범위, 또는 약 0.1, 0.25, 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 또는 5 ㎛의 평균 직경을 가질 수 있고, 여기서, 어떤 하나의 값은 상한 및 하한 말단값일 수 있다.
몇몇 관점에서, 펄스 지속시간은, 약 5 ps 초과 및 약 20 ps 미만과 같은, 약 1ps 초과 및 약 100ps 미만의 범위일 수 있거나, 또는 1, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 또는 100 ps일 수 있으며, 여기서, 어떤 하나의 값은 상한 및 하한 말단값일 수 있고, 반복률(repetition rate)은, 약 10 kHz 내지 650 kHz의 범위와 같은, 약 1 kHz 내지 4MHz의 범위일 수 있거나, 또는 1, 10, 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900, 또는 950 kHz, 또는 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 또는 4 MHz일 수 있으며, 여기서, 어떤 하나의 값은 상한 및 하한 말단값일 수 있다.
전술한 반복률에서 단일 펄스에 부가하여, 몇몇 관점에서, 펄스는, 버스트당 적어도 40 μJ, 또는 40 내지 150 μJ, 또는 40 내지 120 μJ, 또는 약 40, 40, 50, 60, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 또는 150 μJ, 여기서, 임의의 값이 상한 및 하한 말단값일 수 있는 에너지에서, 약 1 ns 내지 약 50 ns의 범위, 또는 1, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 또는 50 ns, 여기서, 임의의 값이 상한 및 하한 말단값, 예를 들어, 10 ns 내지 30 ns, 예컨대, 약 20 ns ± 2 ns일 수 있는, 지속시간으로 분리된 2 펄스 이상(예컨대, 3 펄스, 4 펄스, 5 펄스 이상)의 버스트로 생성될 수 있고, 버스트 반복 주파수는 약 1 kHz 내지 약 200 kHz, 또는 약 5 kHz 내지 약 100 kHz의 범위일 수 있거나, 또는 1, 5, 10, 50, 100, 150, 또는 200 kHz일 수 있으며, 여기서, 어떤 하나의 값은 상한 및 하한 말단값일 수 있다. 몇몇 관점에서, 버스트 내에 개별 펄스의 에너지는 더 작을 수 있으며, 정확한 개별 레이저 펄스 에너지는 버스트 내에 펄스의 수 및 시간에 따른 레이저 펄스의 감쇠의 속도(예를 들어, 지수 감쇠 속도(exponential decay rate))에 의존할 것이다. 예를 들어, 일정한 에너지/버스트의 경우, 버스트가 10개의 개별 레이저 펄스를 함유한다면, 그 다음 각 개별 레이저 펄스는, 동일한 버스트가 2개의 개별 레이저 펄스만 갖는 경우보다 더 적은 에너지를 함유할 것이다.
몇몇 관점에서, 펄스의 단일 버스트가 유리 물품 상에 실질적으로 동일한 위치를 타격할 때 손상 트랙은 유리에 형성된다. 즉, 단일 버스트 내에 다중 레이저 펄스는, 유리에서 단일 손상 트랙에 해당한다. 몇몇 관점에서, 유리가 (예를 들어, 지속적으로 이동하는 스테이지(moving stage)에 의해) 움직이거나 또는 빔이 유리에 대해 이동되기 때문에, 버스트 내에 개별 펄스는, 유리 상에 정확히 동일한 공간 위치에 있을 수 없다. 그러나, 펄스는 본질적으로 동일한 위치에서 유리를 타격하도록 서로 1 ㎛ 이내에 있다. 예를 들어, 펄스는 서로 0 < 간격(sp) ≤ 500 ㎚인 간격에서 유리를 타격할 수 있다. 예를 들어, 유리 상에 위치가 20 펄스의 버스트로 충돌할 때, 버스트 내에 개별 펄스는 서로 250 ㎚ 이내에서 유리를 타격한다. 따라서, 몇몇 관점에서, 간격(sp)은 약 1 ㎚ 내지 약 250 ㎚ 또는 약 1 ㎚ 내지 약 100 ㎚의 범위에 있거나, 또는 1, 5, 10, 25, 50, 75, 100, 125, 150, 175, 200, 225, 또는 약 250 ㎚이며, 여기서, 어떤 하나의 값은 상한 및 하한 말단값일 수 있다.
레이저에 의해 생성된 손상 트랙은, 일반적으로, 약 0.1 ㎛ 내지 2 ㎛, 예를 들어, 0.1-1.5 ㎛의 범위, 또는 약 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9, 또는 2 ㎛, 여기서, 임의의 값이 상한 및 하한 말단값일 수 있는, 내부 치수(예를 들어, 레이저 빔 전파 방향에 횡단 방향으로 (직경과 같은) 가장 긴 치수)를 갖는 (아마도 레이저 빔 초점 라인 내에 유리의 손상으로부터 결과하는 파편(debris)을 함유하는) 구조적으로 변형된 영역의 형태를 취한다. 몇몇 관점에서, 레이저에 의해 형성된 손상 트랙은, 치수가 작다(단일 ㎛ 이하). 몇몇 관점에서, 손상 트랙은 직경이 0.2 ㎛ 내지 0.7 ㎛이거나, 또는 직경이 0.3 내지 0.6 ㎛이다. 몇몇 관점에서, 손상 트랙은 직경이 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 또는 1 ㎛이고, 여기서, 어떤 하나의 값은 상한 또는 하한 말단값일 수 있다. 몇몇 관점에서, 손상 트랙은 연속적인 홀이나 채널이 아니다. 몇몇 관점에서, 손상 트랙의 직경은, 5 ㎛ 이하, 4 ㎛ 이하, 3 ㎛ 이하, 2 ㎛ 이하, 또는 1 ㎛ 이하일 수 있으며, 여기서, 직경은 레이저 빔 전파의 방향에 횡단 방향으로 선형 치수를 지칭한다. 몇몇 관점에서, 손상 트랙의 직경은, 100 ㎚ 초과 내지 2 ㎛ 미만, 또는 100 ㎚ 초과 내지 0.5 ㎛ 미만의 범위일 수 있거나, 또는 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 또는 900 ㎚일 수 있거나, 또는 1, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9, 또는 2 ㎛이며, 여기서, 어떤 하나의 값은 상한 및 하한 말단값일 수 있다. 몇몇 관점에서, 이러한 단계에서, 이러한 손상 트랙들은 에칭되지 않는다(즉, 이들은 에칭에 의해 아직 확대되지 않는다).
몇몇 관점에서, 손상 트랙은, 유리 물품의 전체 두께를 관통할 수 있고, 유리의 깊이 전체에 걸쳐 연속적인 개구 또는 채널을 형성할 수 있거나 형성하지 않을 수 있다. 몇몇 관점에서, 손상 트랙은 유리의 전체 두께를 통해 연장되지 않는다. 몇몇 관점에서, 손상 트랙을 막거나 차지하는 유리 파편의 영역이 종종 있지만, 이들은 일반적으로 크기가, 예를 들어, 대략 ㎛ 정도이다.
몇몇 관점에서, 유리는 복수의 손상 트랙을 가지며, 여기서, 각각의 손상 트랙은 5 ㎛ 미만, 또는 1 내지 5 ㎛, 또는 2 내지 3 ㎛의 직경을 갖거나, 또는 1, 2, 3, 4, 또는 5 ㎛의 직경, 여기서, 임의의 값이 상한 또는 하한 말단값일 수 있음, 적어도 20 ㎛ 또는 20, 25, 30, 35, 또는 40 ㎛의 인접한 손상 트랙들 사이에 간격, 여기서, 임의의 값이 상단 및 하단 말단값일 수 있음, 또는 20-25 ㎛, 25-35 ㎛, 또는 35-40 ㎛의 간격, 및 20:1 이상의 종횡비, 또는 25:1, 또는 30:1, 또는 35:1, 또는 40:1의 종횡비를 가질 수 있으며, 여기서, 어떤 하나의 값은 상한 및 하한 말단값(예를 들어, 25:1 내지 40:1, 또는 20:1 내지 30:1)일 수 있다. 손상 트랙의 직경은 1 ㎛ 미만일 수 있다.
몇몇 관점에서, 유리 물품은 스택을 통해 형성된 복수의 손상 트랙을 갖는 유리 기판의 스택(stack)을 포함하고, 여기서, 손상 트랙은 각각의 유리 기판을 통해 연장되며, 손상 트랙은 직경이 약 1 ㎛ 내지 약 100 ㎛이고, 인접한 손상 트랙들 사이에 약 25 ㎛ 내지 약 1000 ㎛의 간격을 갖는다. 몇몇 관점에서, 유리 물품은 10 ㎛를 초과하는 공기(또는 가스) 갭에 의해 분리된 적어도 2개의 유리 기판을 포함할 수 있다. 몇몇 관점에서, 이 경우에, 초점 라인 길이는 스택 높이보다 더 길 필요가 있다. 몇몇 관점에서, 기판의 스택은 스택 전체에 걸쳐 다른 유리 조성의 기판을 함유할 수 있다.
몇몇 관점에서, 레이저 빔 아래에서 유리 물품을 움직이는 것 외에, 복수의 손상 트랙을 형성시키기 위해 유리 물품의 표면을 가로질러 레이저를 빠르게 이동시켜, 예컨대, 검류계 및 f-세타 렌즈(f-theta lenses), 음향-광학 편향기, 공간 광 변조기, 등을 사용하여, 레이저 빔을 전달하는 광학 헤드를 이동시키기 위한, 그러나, 이에 제한되지 않는, 다른 방법을 사용하는 것이 가능하다.
몇몇 관점에서, 원하는 패턴의 손상 트랙에 따라, 트랙은, 약 50 초과 damage tracks/s, 약 100 초과 damage tracks/s, 약 500 초과 damage tracks/s, 약 1,000 초과 damage tracks/s, 약 2,000 초과 damage tracks/s, 약 3,000 초과 damage tracks/s, 약 4,000 초과 damage tracks/s, 약 5,000 초과 damage tracks/s, 약 6,000 초과 damage tracks/s, 약 7,000 초과 damage tracks/s, 약 8,000 초과 damage tracks/s, 약 9,000 초과 damage tracks/s, 약 10,000 초과 damage tracks/s, 약 25,000 초과 damage tracks/s, 약 50,000 초과 damage tracks/s, 약 75,000 초과 damage tracks/s, 또는 약 100,000 초과 damage tracks/s의 속도로 생성될 수 있고, 여기서, 어떤 하나의 값은 범위의 상한 및 하한 말단값(예를 들어, 50 damage tracks/s 내지 3000 damage tracks/s, 또는 1000 damage tracks/s 내지 7000 damage tracks/s)일 수 있다.
몇몇 관점에서, 유리 물품은 피코초(ps) 레이저로 조사된다. 몇몇 관점에서, 조사의 파장은, 500 ㎚ 이상, 또는 535 ㎚ 이상, 또는 500 ㎚ 내지 1100 ㎚이거나, 또는 500 ㎚, 535 ㎚, 550 ㎚, 600 ㎚, 650 ㎚, 700 ㎚, 750 ㎚, 800 ㎚, 850 ㎚, 900 ㎚, 950 ㎚, 1000 ㎚, 1050 ㎚, 또는 1100 ㎚이며, 여기서, 어떤 하나의 값은 범위의 하한 및 상한 말단값일 수 있다.
여기에 기재된 유리 조성물에서 손상 트랙을 생성하기 위한 대표적인 설정 및 파라미터는 실시예에 제공된다.
b. 에칭
유리 물품에 손상 트랙(들)의 형성 후에, 유리 물품은, 손상 트랙으로부터 관통 유리 비아(들)를 생성하기 위해 산으로 구성된 에칭 용액으로 에칭된다. 산 에칭은 금속화 또는 다른 화학 코팅에 실용적인 치수를 가진 관통 유리 비아의 형성을 가능하게 한다. 여기서, 모든 손상 트랙은, 레이저 펄스를 반복적으로 인가하여 손상 트랙을 확대하여 더 큰 직경을 갖는 비아를 형성하는 것보다 훨씬 빠른, 병렬 공정(parallel process)에서 타겟 직경에 상응하게 확대된다. 몇몇 관점에서, 산 에칭은, 레이저에 의해 TGV의 측벽에서 통상적으로 발생된 미세-균열 또는 기타 손상의 형성을 회피하여, TGVs를 형성하는데 레이저를 사용하는 것과 비교하여 더 강한 부분을 생성시킨다.
몇몇 관점에서, 에칭 용액은 하나 이상의 산 및 물로 구성된다. 몇몇 관점에서, 에칭 용액은 하나 이상의 산 및 유기 용매로 구성된다. 유기 용매의 예로는, 에탄올과 같은, 알코올을 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
에칭 용액과 유리 물품의 반응의 생성물은, 여기에서 "에칭 부산물"로 지칭된다. 에칭 부산물은 가용성 및/또는 불용성 화합물을 포함할 수 있다. 여기에 사용된 바와 같은, "에칭 부산물 용해도"는, 에칭 용액에서 에칭 부산물의 포화 농도를 지칭한다. 몇몇 관점에서, "에칭 부산물 용해도"는, 에칭 부산물이 포화 농도에 있는 경우, 1 ℓ의 에칭 용액에 용해된 에칭 부산물의 양으로서 정량화된다.
몇몇 관점에서, 손상 트랙을 갖는 유리 물품은 불화 수소산(HF)으로 에칭된다. 몇몇 관점에서, 에칭 용액은 물 HF이고, 여기서, HF는 1 wt% 내지 50 wt%의 농도를 갖거나, 또는 물 중 약 1 wt%, 5 wt%, 10 wt%, 15 wt%, 20 wt%, 25 wt%, 30 wt%, 35 wt%, 40 wt%, 45 wt%, 또는 50 wt%의 농도를 가지며, 여기서, 어떤 하나의 값은 범위의 상한 및 하한 말단값(예를 들어, 5 wt% 내지 20 wt%)일 수 있다. 몇몇 관점에서, 에칭 용액은, 0.1 M, 0.5 M, 0.75 M, 1.0 M, 1.1 M, 1.2 M, 1.3 M, 1.4 M, 1.45 M, 1.5 M, 1.55 M, 1.6 M, 1.7 M, 1.8 M, 1.9 M, 2 M, 4 M, 6 M, 8 M, 10 M, 12 M, 14 M, 16 M, 18 M, 20 M, 22 M, 24 M, 26 M, 28 M, 또는 30 M의 농도를 갖는 물 중 HF이고, 여기서, 어떤 하나의 값은 범위의 하한 및 상한 말단값(예를 들어, 1.3 M 내지 1.5 M)일 수 있으며, "M"은 몰 농도(몰/리터)의 단위의 농도를 지칭한다. 몇몇 관점에서, 에칭 용액은, 0.5 M 내지 2.0 M, 0.75 M 내지 1.8 M, 1.0 M 내지 1.6 M, 또는 1.3 M 내지 1.5 M의 농도를 갖는 물 중 HF이다.
몇몇 관점에서, 유리 물품은, 염산, 황산, 질산, 아세트산, 또는 이들의 임의의 조합 또는 수성 변형을 포함하지만, 이에 제한되지 않는, 하나 이상의 부가적인 산과 함께 HF로 에칭된다. 몇몇 관점에서, 에칭 용액은, 0.2 M, 0.4 M, 0.6 M, 0.8 M, 1.0 M, 1.2 M, 1.4 M, 1.6 M, 1.8 M, 2.0 M, 3 M, 4 M, 5 M, 또는 6 M의, 여기서, 임의의 값이 범위의 하한 및 상한 말단값(예를 들어, 0.6 M 내지 1.0 M, 0.4 내지 0.8 M)일 수 있는, 농도를 갖는 HNO3와 조합하여, 0.1 M, 0.5 M, 0.75 M, 1.0 M, 1.1 M, 1.2 M, 1.3 M, 1.4 M, 1.45 M, 1.5 M, 1.55 M, 1.6 M, 1.7 M, 1.8 M, 1.9 M, 2 M, 4 M, 6 M, 8 M, 10 M, 12 M, 14 M, 16 M, 18 M, 20 M, 22 M, 24 M, 26 M, 28 M, 또는 30 M의 농도를 갖는 물 및 HF이고, 여기서, 어떤 하나의 값은, 범위의 하한 및 상한 말단값(예를 들어, 1.3 M 내지 1.5 M, 1.45 M 내지 1.5 M)일 수 있다. 몇몇 관점에서, 에칭 용액은, 약 1.45 M의 농도를 갖는 물 중 HF 및 약 0.8 M의 농도를 갖는 HNO3를 포함한다.
몇몇 관점에서, 에칭 부산물 용해도는 에칭이 일어나는 온도에 의존할 수 있다. 몇몇 관점에서, 유리 물품은, 0 ℃ 내지 50 ℃의 온도에서 에칭될 수 있거나, 또는 0 ℃, 5 ℃, 10 ℃, 15 ℃, 20 ℃, 25 ℃, 30 ℃, 35 ℃, 40 ℃, 45 ℃, 또는 50 ℃에서 에칭될 수 있으며, 여기서, 어떤 하나의 값은 범위의 하한 및 상한 말단값(예를 들어, 10 ℃ 내지 30 ℃, 15 ℃ 내지 25 ℃)일 수 있다. 몇몇 관점에서, 유리 물품은 20 ℃에서 에칭될 수 있다.
몇몇 관점에서, 사용된 산은 부피 기준으로 10% HF/15% HNO3이다. 더욱이, 몇몇 관점에서, 유리 물품은, 유리 물품의 두께 방향으로부터 약 100 ㎛의 물질을 제거하기에 충분한 시간 동안 약 25 ℃에서 에칭될 수 있다. 몇몇 관점에서, 유리 물품은, 30분 내지 2시간, 또는 40분 내지 1.5시간, 또는 50분 내지 1시간, 또는 약 30분, 40분, 50분, 1시간, 1.25시간, 1.5시간, 1.75시간, 또는 2시간 동안 에칭되며, 여기서, 어떤 하나의 값은 범위의 상한 및 하한 말단값일 수 있다.
몇몇 관점에서, 에칭될 유리 물품은, 산의 탱크에 첨가될 수 있고, 물리적으로 교반될 수 있다. 몇몇 관점에서, 교반은, 기계적 교반, 초음파 교반, 탱크 내에 가스 버블링, 또는 이와 유사한 것의 형태를 취할 수 있다. 몇몇 관점에서, 유리 물품은 산성 욕조에 침지될 수 있고, 40 kHz 및 80 kHz 주파수의 조합에서 초음파 교반은, 손상 트랙에 유체(예를 들어, 에칭제)의 침투 및 유체 교환을 촉진하기 위해 사용될 수 있다. 부가적으로, 초음파 음장(ultrasonic field) 내에서 유리 물품의 수동 교반(예를 들어, 기계적 교반)은, 초음파 음장 유래의 정상파 패턴이 유리 물품 상에 "핫 스팟(hot spots)" 또는 캐비테이션-관련 손상(cavitation-related damage)을 생성시키는 것을 방지하고, 또한 유리 물품을 가로지르는 거시적 유체 흐름을 제공하기 위해 수행될 수 있다.
여기에 기재된 유리 조성물 및 다른 공정 조건의 사용은, 유리 물품에서 관통 유리 비아에 수집되는 에칭 부산물의 축적을 최소화하는 것을 가능하게 한다. 관통 유리 비아에 수집되는 에칭 부산물의 축적은, 도 1의 3에 나타낸 바와 같이 DS1 또는 DS2 중 더 작은, 관통 유리 비아의 표면 직경(Ds)에 비해 웨이스트 직경(Dw)을 감소시킨다. 여기에 사용된 바와 같은, 웨이스트 직경(Dw)은, 상부 직경(DS1)과 하부 직경(DS2) 사이에 위치한 비아의 가장 좁은 부분을 지칭한다. 관통 유리 비아에 에칭 부산물의 축적은, 웨이스트 직경(Dw)을 궁극적으로 감소시키고, 이는 바람직하지 않다.
에칭 부산물의 축적은, 에칭 부산물이 불용성 화합물(즉, 에칭제에 불용성인 에칭 부산물의 부분)을 포함하는 경우, 발생한다. 불용성 화합물은 TGV에 포획되어, TGV의 웨이스트 직경(Dw)을 감소시키는 작용을 한다. 에칭 부산물은 통상적으로 유리 조성물에 존재하는 금속의 염 및 에칭제(산)의 반대 이온을 포함한다. 예를 들어, 에칭제가 HF인 경우, 유리 조성물에 존재하는 금속의 불화물 염(fluoride salts)은 에칭 부산물로서 형성된다. 일반적인 유리 조성물의 에칭 부산물로서 생성된 불화물 염은, 알칼리 금속 불화물, 알칼리 토금속 불화물, 알루미늄 불화물, 금속 불화규산염, 금속 불화알루미네이트, 및 금속 불화붕산염을 포함한다.
몇몇 관점에서, 에칭 부산물은 여기에 기재된 공정 및 방법에 의해 생성된다. 몇몇 관점에서, 에칭 부산물은 에칭 용액에서 가용성이거나 약간 가용성이고, 에칭 부산물은, 에칭 부산물의 특정 농도가 여기에 기재된 공정 및 방법에 의해 생성될 때까지 에칭 용액에서 침전되지 않는다. 몇몇 관점에서, 에칭 부산물은 에칭 용액에서 0.5 g/ℓ 이상의 에칭 부산물 용해도를 갖는다. 몇몇 관점에서, 에칭 부산물은, 에칭 용액의 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 또는 5 g/ℓ의 에칭 부산물 용해도를 가지며, 여기서, 어떤 하나의 값은 범위의 하한 및 상한 말단값(예를 들어, 1 내지 5 g/ℓ, 2 내지 4 g/ℓ)일 수 있다.
몇몇 관점에서, 에칭 부산물의 용해도를 결정하기 위해 사용되는 에칭 용액은, 물, HF, 및 HNO3를 포함한다. 몇몇 관점에서, 에칭 부산물 용해도를 결정하기 위해 사용된 에칭 용액은, 물, 0.1 M 내지 3 M, 0.5 M 내지 1.8 M, 1 M 내지 1.6 M, 또는 1.3 M 내지 1.5 M 농도의 HF, 및 0.1 M 내지 3 M, 0.2 M 내지 1.5 M, 0.5 M 내지 1 M, 또는 0.6 M 내지 0.9 M 농도의 HNO3로 구성된다. 몇몇 관점에서, 에칭 부산물 용해도를 결정하기 위해 사용되는 에칭 용액은, 물, 0.1 M 내지 2 M, 0.5 M 내지 1.8 M, 1 M 내지 1.6 M, 또는 1.3 M 내지 1.5 M 농도의 HF, 및 0.1 M 내지 2 M, 0.2 M 내지 1.5 M, 0.5 M 내지 1 M, 또는 0.6 M 내지 0.9 M 농도의 HNO3로 구성되고, 에칭 부산물은 20 ℃에서 측정된다. 몇몇 관점에서, 에칭 부산물 용해도를 결정하기 위해 사용된 에칭 용액은, 물, 1.45 M 농도의 HF, 및 0.8 M 농도의 HNO3로 구성되고, 에칭 부산물은 20 ℃에서 결정된다. 별도로 명시되지 않는 한, 에칭 부산물 용해도는, 공정 동안에 에칭이 발생하는 최저 온도를 사용하여 특정 공정에 대해 결정된다.
몇몇 관점에서, 에칭 부산물을 생성하기 위해 유리 물품의 에칭 속도(즉, 에칭 용액이 유리 물품의 손상 트랙(E1) 또는 유리의 표면(즉, 여기에서 E2로 지칭되는 손상되지 않은 유리)에서 유리를 용해시키는데 걸리는 시간)는, 관통 유리 비아의 웨이스트 직경에 영향을 미칠 수 있다. 몇몇 관점에서, E1(비아 에칭 속도)은 비아 개방 시간에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 비아가 유리의 양면을 관통하여(즉, 에칭 관통하여) 형성된 시간(t1)은 기록된다. 유리의 원래 두께는 (T0)로 기록되고, 에칭 속도는, 식 E1 = T0/(2 x t1)을 사용하여 계산된다. 몇몇 관점에서, E2(벌크 에칭 속도)는 에칭 전 및 후에 유리 두께 변화를 모니터링하여 측정될 수 있다. E2는 그 다음 (2 x 에칭 시간)으로 나눈 유리의 두께에서 변화에 의해 계산된다.
도 1을 참조하면, 유리 물품은 손상되지 않은 유리(레이저 처리에 적용되지 않은 유리의 부분)에 의해 둘러싸인 (점선으로 표시되고 레이저 처리에 적용된 유리의 부분에 해당하는) 손상 트랙을 포함한다. 도 1에서 2에 나타낸 바와 같이, 손상 트랙은 에칭 속도(E1)을 갖고, 손상되지 않은 유리는 에칭 속도(E2)를 갖는다. 손상되지 않은 유리에 대한 손상 트랙의 물리적 또는 화학적 상태의 차이로 인해, 에칭 속도(E1 및 E2)는 다르다(예를 들어, 도 1에서 3을 참조). 통상적으로, 손상 트랙이 에칭 용액(예를 들어, 산성 용액)의 반응성을 향상시키는 고농도의 구조적 결함을 포함하기 때문에, E1 > E2이다. 에칭 부산물이 손상 트랙에 축적되면, 에칭 속도(E1)는 감소된다. 에칭 속도(E2)에 대하여 에칭 속도(E1)를 변화시켜, 비아의 웨이스트 직경(Dw)은 조절(즉, 증가 또는 감소)될 수 있다.
몇몇 관점에서, 에칭비(E1:E2)는 TGV의 웨이스트 직경(Dw)을 조절하는데 사용될 수 있다. 몇몇 관점에서, 에칭비(E1:E2)는 1 내지 50이거나, 또는 약 1, 2.5, 5, 10, 20, 30, 40, 또는 50이고, 여기서, 어떤 하나의 값은 범위의 하한 및 상한 말단값(예를 들어, 5 내지 50, 10 내지 40, 또는 15 내지 30)일 수 있다. 몇몇 관점에서, 에칭비(E1:E2)는 10 초과, 20 초과, 30 초과, 또는 40 초과이다.
몇몇 관점에서, 예를 들어, 약 2 ㎛/min 미만의 에칭 속도(E2)는, 특히 새로운 에칭 용액을 교환하기 위한 교반과 결합된 경우, 에칭 용액(예를 들어, 산성 용액)이 손상 트랙을 완전히 관통하고, 레이저에 의해 처음 형성될 때 통상적으로 매우 좁은, 손상 트랙으로부터 용해된 물질(예를 들어, 에칭 부산물의 가용성 화합물)을 제거하는 것을 가능하게 한다. 몇몇 관점에서, 손상 트랙은 유리 물품의 두께 전체에 걸쳐(즉, 손상 트랙의 길이 전체에 걸쳐 또는 깊이 방향으로) 거의 동일한 속도로 에칭 동안에 확장된다. 몇몇 관점에서, 에칭 속도(E2)는, 약 5 ㎛/min 미만의 속도, 또는 약 2 ㎛/min 미만의 속도와 같은, 약 10 ㎛/min 미만의 속도일 수 있다. 하나의 관점에서, 에칭 속도(E2)는, 0.1, 0.2, 0.25, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 또는 10 ㎛/min일 수 있으며, 여기서, 어떤 하나의 값은 범위의 상한 또는 하한 말단값(예를 들어, 0.1 내지 5 ㎛/min, 0.25 내지 0.9 ㎛/min, 0.4 내지 0.8 ㎛/min)일 수 있다. 하나의 관점에서, 산은 불화 수소산이고, 에칭 속도(E2)는 0.25 ㎛/min 내지 0.9 ㎛/min이다.
몇몇 관점에서, 에칭 속도(E1 및 E2)는, 에칭 용액의 산 농도를 조정하여 제어될 수 있다. 다른 관점에서, 에칭 탱크에서 유리 물품의 배향, 기계적 교반, 및/또는 에칭 용액에 계면활성제의 첨가는, 손상 트랙을 확대시켜 형성된 TGVs의 속성 및 에칭 속도(E1 및 E2)를 조정하기 위해 변경될 수 있다. 몇몇 관점에서, 에칭 용액은 초음파로 교반되고, 유리 물품은, 손상 트랙의 상부 및 하부 개구가 손상 트랙의 균일한 에칭을 촉진하기 위해 초음파에 실질적으로 균일한 노출을 받도록, 에칭 탱크에서 배향되고 에칭 용액에 위치된다. 예를 들어, 초음파 변환기가 에칭 탱크의 하부에 배치되면, 유리 물품은, 손상 트랙을 갖는 유리 물품의 표면이 에칭 탱크의 하부에 평행하기 보다 에칭 탱크의 하부에 수직이 되도록, 에칭 탱크에서 배향될 수 있다. 몇몇 관점에서, 에칭 탱크는, 손상 트랙의 에칭의 균일성을 개선하기 위해 x, y, 및 z 방향으로 기계적으로 교반될 수 있다. 몇몇 관점에서, x, y, 및 z 방향에서 기계적 교반은 연속적일 수 있다.
여기에 기재된 유리 조성물 및 공정 조건을 사용하여, TGVs는, 웨이스트 직경(Dw)이 표면 직경(Ds)의 직경에 근접하게 유리 물품에서 생성될 수 있으며, 여기서, Ds는 도 1에 도시된 바와 같이 DS1 및 DS2 중 더 작은 것에 해당한다. 몇몇 관점에서, DS1 및 DS2의 비는 0.9:1, 0.95:1, 0.99:1, 또는 1:1이다. 몇몇 관점에서, 표면 직경(DS1 및 DS2) 및 웨이스트 직경(Dw)의 비는, 1:1 내지 2:1, 또는 1:1, 1.1:1, 1.2:1, 1.3:1, 1.4:1, 1.5:1, 1.6:1, 1.7:1, 1.8:1, 1.9:1, 또는 2:1이고, 여기서, 어떤 하나의 값은 범위의 하한 및 상한 말단값(예를 들어, 1.2:1 내지 1.8:1)일 수 있다.
몇몇 관점에서, 웨이스트 직경(Dw)은, 비아의 표면 직경(Ds)의 약 50% 이상, 약 55% 이상, 약 60% 이상, 약 65% 이상, 약 70% 이상, 약 75% 이상, 약 80% 이상, 약 85% 이상, 약 90% 이상, 약 95% 이상, 또는 약 100%이고, 여기서, Ds는 DS1 및 DS2 중 더 작은 것에 해당한다. 몇몇 관점에서, 홀의 웨이스트 직경(Dw)은, 비아의 표면 직경(Ds)의 50% 내지 100%, 50% 내지 95%, 50% 내지 90%, 50% 내지 85%, 50% 내지 80%, 50% 내지 75%, 50% 내지 70%, 55% 내지 100%, 55% 내지 95%, 55% 내지 90%, 55% 내지 85%, 55% 내지 80%, 55% 내지 75%, 55% 내지 70%, 60% 내지 100%, 60% 내지 95%, 60% 내지 60%, 60% 내지 85%, 60% 내지 80%, 60% 내지 75%, 60% 내지 70%, 65% 내지 100%, 65% 내지 95%, 65% 내지 90%, 65% 내지 85%, 65% 내지 80%, 65% 내지 75%, 65% 내지 70%, 70% 내지 100%, 70% 내지 95%, 70% 내지 90%, 70% 내지 85%, 70% 내지 80%, 70% 내지 75%, 75% 내지 100%, 75% 내지 95%, 75% 내지 90%, 75% 내지 85%, 75% 내지 80%, 80% 내지 100%, 80% 내지 95%, 80% 내지 90%, 80% 내지 85%, 85% 내지 100%, 85% 내지 95%, 85% 내지 90%, 90% 내지 100%, 90% 내지 95%, 또는 95% 내지 100%이고, 여기서, 어떤 하나의 값은 범위의 하한 및 상한 말단값일 수 있고, Ds는 DS1 및 DS2 중 더 작은 것에 해당한다.
몇몇 관점에서, 계면활성제는 손상 트랙의 습윤성(wettability)을 증가시키기 위해 에칭 용액에 첨가될 수 있다. 이론에 의해 구속되는 것을 원하지는 않지만, 계면활성제에 의해 제공되는 증가된 습윤성은, 손상 트랙 내로 에칭 용액의 확산 시간을 낮추고, TGV의 표면 직경(Ds)에 대한 TGV의 웨이스트 직경(Dw)의 비를 증가시키는 것을 가능하게 한다. 몇몇 관점에서, 계면활성제는, 에칭 용액에 용해되고 에칭 용액에서 산(들)과 반응하지 않는, 임의의 적합한 계면활성제일 수 있다. 몇몇 구현예에서, 계면활성제는, Capstone® FS-50 또는 Capstone® FS-54와 같은, 불소계면활성제(fluorosurfactant)이다. 몇몇 관점에서, 계면활성제의 농도(㎖의 계면활성제/ℓ의 에칭 용액)는 약 1, 약 1.1, 약 1.2, 약 1.3, 약 1.4, 약 1.5, 약 1.6, 약 1.7, 약 1.8, 약 1.9, 약 2, 또는 그 이상이거나, 또는 어떤 하나의 값이 상한 또는 하한 말단값인 범위(예를 들어, 약 1 내지 2, 약 1.2 내지 1.8, 약 1.3 내지 1.5)일 수 있다.
관통 유리 비아의 각 표면 직경(Ds)(즉, DS1 및 DS2)은, 공정 조건에 따라 변할 수 있다. 몇몇 관점에서, TGV의 각 표면 직경(Ds)은 10 ㎛ 내지 100 ㎛이다. 몇몇 관점에서, TGV의 각 표면 직경(Ds)은, 10 ㎛, 15 ㎛, 20 ㎛, 25 ㎛, 30 ㎛, 35 ㎛, 40 ㎛, 45 ㎛, 50 ㎛, 55 ㎛, 60 ㎛, 65 ㎛, 70 ㎛, 75 ㎛, 80 ㎛, 85 ㎛, 90 ㎛, 95 ㎛, 또는 100 ㎛이고, 여기서, 어떤 하나의 값은 하한 및 상한 말단값(예를 들어, 20 ㎛ 내지 80 ㎛)일 수 있다. 몇몇 관점에서, TGV의 각 표면 직경(Ds)은, 10 ㎛ 내지 100 ㎛이다. 몇몇 관점에서, TGV의 웨이스트 직경(Dw)은, 5 ㎛, 10 ㎛, 15 ㎛, 20 ㎛, 25 ㎛, 30 ㎛, 35 ㎛, 40 ㎛, 45 ㎛, 50 ㎛, 55 ㎛, 60 ㎛, 65 ㎛, 70 ㎛, 75 ㎛, 80 ㎛, 85 ㎛, 또는 90 ㎛이고, 여기서, 어떤 하나의 값은 하한 및 상한 말단값(예를 들어, 5 ㎛ 내지 90 ㎛, 10 ㎛ 내지 90 ㎛, 또는 20 ㎛ 내지 80 ㎛, 또는 30 ㎛ 내지 70 ㎛)일 수 있다.
유리 물품은 복수의 관통 유리 비아를 가질 수 있다. 몇몇 관점에서, 인접한 비아 사이에 간격(중심 대 중심 거리)은, 약 10 ㎛ 이상, 또는 약 20 ㎛ 이상, 또는 약 30 ㎛ 이상, 또는 약 40 ㎛ 이상, 또는 약 50 ㎛ 이상이고, 여기서, 어떤 하나의 값은 상한 및 하한 말단값(예를 들어, 10 ㎛ 내지 100 ㎛의 범위, 또는 20 ㎛ 내지 90 ㎛의 범위)일 수 있다.
몇몇 관점에서, 유리 물품은 여기에 개시된 유리 조성물로 구성된 단일 유리 시트이다. 몇몇 관점에서, 유리 시트는 50 ㎛ 내지 500 ㎛의 두께를 갖거나, 또는 약 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 또는 500 ㎛의 두께를 가지며, 여기서, 어떤 하나의 값은 하한 및 상한 말단값(예를 들어, 100 ㎛ 내지 300 ㎛)일 수 있다. 다른 관점에서, 유리 물품은 둘 이상의 유리 시트로 구성될 수 있고, 여기서, 시트 중 하나 이상은, 여기에 개시된 두께를 갖는 여기에 개시된 유리 조성물로 구성된다.
몇몇 관점에서, 관통 유리 비아는, 약 1:1 이상, 약 2:1 이상, 약 3:1 이상, 약 4:1 이상, 약 5:1 이상, 약 6:1 이상, 약 7:1 이상, 약 8:1 이상, 약 9:1 이상, 약 10:1 이상, 약 11:1 이상, 약 12:1 이상, 약 13:1 이상, 약 14:1 이상, 약 15:1 이상, 약 16:1 이상, 약 17:1 이상, 약 18:1 이상, 약 19:1 이상, 약 20:1 이상, 약 25:1 이상, 약 30:1 이상, 또는 약 35:1 이상의 종횡비(길이 대 직경의 비)를 갖는다. 몇몇 관점에서, 관통 유리 비아의 종횡비는, 약 1:1 내지 2:1, 5:1 내지 약 10:1, 약 5:1 내지 20:1, 약 5:1 내지 30:1, 약 10:1 내지 20:1, 또는 약 10:1 내지 30:1의 범위일 수 있고, 여기서, 어떤 하나의 값은 상한 및 하한 말단값일 수 있다.
직경들(Dw 및 Ds)을 갖는 TGVs를 형성하기 위해 손상 트랙을 확대하기 위한 유리 물품의 산 에칭은, 다음과 같은 많은 이점을 가질 수 있다: 1) 산 에칭은 실제로 금속화하기에 너무 작은 크기(예를 들어, 초기 손상 트랙의 경우 약 1㎛)로부터 인터포저로 사용하기에 보다 편리한 크기(예를 들어, 5 ㎛ 이상)로 TGVs를 변화시킨다; 2) 에칭은 유리를 통해 비-연속적인 손상 트랙으로 시작될 수 있는 것을 취할 수 있고, 이를 에칭하여 연속적인 유리 비아를 형성할 수 있다; 3) 에칭은 한 부분에서 모든 손상 트랙이 동시에 확대되어 TGVs를 형성시키는 고도의 병렬 공정으로, 이는 레이저가 손상 트랙을 확대시키기 위해 손상 트랙을 여러 번 되돌아와서 더 많은 물질을 지속적으로 제거해야 하는 경우보다 훨씬 더 빠르다; 및 4) 에칭은 유리 물품 내에서, 특히, 반복되거나 장기간 레이저 적용에 의해 생성되는 TGVs의 측벽에서, 임의의 에지 또는 작은 갈라진 틈(checks)을 무디게 하여, 물질의 전체 강도 및 신뢰성을 증가시키는데 도움이 된다.
Ⅲ. TGVs를 갖는 유리 물품의 적용들
몇몇 관점에서, 일단 형성되면, TGVs를 갖는 유리 물품은, 그 다음, 유리 물품으로 제조된 인터포저를 생성하기 위해, 예를 들어, 금속화를 통해, 전도성 물질로 코팅 및/또는 충진될 수 있다. 여기에 사용된 바와 같은, "금속화"는, 물체의 표면 상에 금속 또는 다른 전도성 물질을 코팅하거나 또는 TGV를 금속 또는 전도성 물질로 채우는 기술을 지칭한다. 표면 직경:웨이스트 직경(Ds:Dw)의 비가 1에 근접하고 TGVs가 형상에서 더 원통형일 때, TGVs를 통한 금속화 및 후속 전도성은 개선되어, TGV에서 금속 또는 전도성 물질의 균일한 단면적으로 이어진다.
몇몇 관점에서, 금속 또는 전도성 물질은, 예를 들어, 구리, 알루미늄, 금, 은, 납, 주석, 인듐 주석 산화물, 또는 이들의 조합 또는 합금이다. 몇몇 관점에서, TGVs의 내부를 금속화하는데 사용되는 공정은, 예를 들어, 전기-도금, 무전해 도금, 물리적 기상 증착, 화학적 기상 증착, 또는 증발 코팅이다. 몇몇 관점에서, TGVs는 또한, 백금, 팔라듐, 이산화티타늄, 또는 금속화를 촉진하기 위해 TGVs 내에 화학 반응을 촉진하는 기타 물질과 같은, 촉매 물질로 코팅되거나 라이닝(lined)될 수 있다. 몇몇 관점에서, TGVs는, 표면 습윤 특성을 변화시키거나 또는 생체분자의 부착 및 생화학적 분석을 위한 사용을 가능하게 하기 위해, 화학적 기능화(chemical functionalization)로 코팅되거나 라이닝될 수 있다. 몇몇 관점에서, 이러한 화학적 기능화는, TGVs의 유리 표면의 실란화, 및/또는 원하는 적용들을 위한 TGVs의 표면에 대한 생체분자의 부착을 촉진하도록 설계된, 특정 단백질, 항체, 또는 기타 생물학적 특이적 분자의 부가적인 부착일 수 있다.
실시예
하기 실시예는, 여기에 기재되고 청구된 화합물, 조성물, 및 방법이 어떻게 제조되고 평가되는지에 대한 완전한 개시 및 설명을 당업자에게 제공하기 위해 제시되며, 전적으로 대표적인 것으로 의도되고, 여기에 개시된 발견의 범주를 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 숫자(예를 들어, 양, 온도, 등)와 관련하여 정확성을 보장하기 위한 노력은 이루어지지만, 몇몇 오류 및 편차는 고려되어야 한다. 별도로 명시되지 않는 한, 부는 중량부이고, 온도는 ℃이거나 또는 주위 온도이며, 압력은 대기압 또는 그 근처이다. 반응 조건의 많은 변화 및 조합(예를 들어, 성분 농도, 원하는 용매, 용매 혼합물, 온도, 압력, 및 기타 반응 범위 및 조건)은, 기재된 공정으로부터 얻어진 생성물 순도 및 수율을 최적화하는데 사용될 수 있다. 이러한 공정 조건을 최적화하기 위해 단지 합리적이고 일상적인 실험은 요구될 것이다.
실시예 1: 레이저 손상 시험
Corning EAGLE XG® (EXG) 및 Corning IRIS glass (IRIS)(각각 0.4 ㎜ 두께)는, 손상 트랙을 형성하기 위해 레이저 처리 공정을 거친다. 유리 샘플은, 532 ㎚의 파장에서 작동하는 Coherent Hyper-Rapid-50 피코초 레이저가 장착된 시스템을 사용하여 손상 트랙을 형성하기 위해 레이저 가공된다. 빔 전달 광학장치는, 가우스-베셀 레이저 빔의 단-면 프로파일에서 제1 널(null) 또는 강도 최소값의 직경에 의해 측정된 것으로, 0.7 ㎜ 반치전폭(full-width half maximum)의 빔 전파 축을 따른 광 강도 분포, 및 직경이 1.2㎛인 스폿 크기(spot size)로, 가우스-베셀 레이저 빔 초점 라인을 생성하도록 구성된다. 각 손상 트랙은, 100 μJ의 버스트 에너지로 20 레이저 펄스(버스트 수 = 20)를 함유하는 단일 레이저 버스트에 기판을 노출시켜 형성된다. 각 손상 트랙 사이에 간격은 150㎛이다.
실시예 2: 유리 에칭
레이저 처리 후에, 유리 샘플은 다음과 같이 에칭된다.
EXG는 112분 동안 1.45M HF 및 0.8M HNO3에서 실온(20 ℃)에서 정적으로 에칭된다. 최종 상부 직경은 약 70 ㎛이고, 웨이스트 직경은 약 11.5 ㎛이다(도 2A-2B). 제2 실험에서, EXG는 25 ㎜/s의 속도로 수직 및 수평 교반과 함께 3M HF에서 12 ℃에서 에칭된다. 최종 상부 직경은 약 75 ㎛이고, 웨이스트 직경은 약 25 ㎛이다(도 3A-3B).
IRIS는 240분 동안 1.45 M HF 및 0.8 M HNO3에서 실온(20 ℃)에서 정적으로 에칭된다. 최종 상부 직경은 약 70 ㎛이고, 웨이스트 직경은 약 45 ㎛이다(도 2C-2D). 제2 실험에서, IRIS는 25 ㎜/s의 속도로 수직 및 수평 교반과 함께 3M HF에서 12 ℃에서 에칭된다. 최종 상부 직경은 약 75 ㎛이고, 웨이스트 직경은 약 57 ㎛이다(도 3C-3D).
도 4는, 1.45 M 불화 수소산에서 EXG(원) 및 IRIS(다이아몬드)의 에칭 속도(E2)를 제공한다. 두 유리의 경우, 에칭 속도는 유리에서 O/Si 몰비와 밀접한 관련되어 있으며, 여기서, 에칭 속도는, IRIS에서 더 높은 O/Si 비에 비교하는 경우, EXG에서 더 낮은 O/Si 비로 더 느리다. 이는, 동일한 조건에서 에칭된 경우, IRIS 유리의 웨이스트 직경이 EXG의 웨이스트 직경을 초과하는, 위에서 결과와 일치한다.
본 간행물 전반에 걸쳐, 다양한 간행물은 참조된다. 이들 간행물의 개시는 그 전체가 여기에서의 방법, 조성물, 및 화합물을 보다 완전하게 설명하기 위해 참고로 본 출원에 혼입된다.
다양한 변경 및 변화는, 여기에 기재된 물질, 방법, 및 물품에 대해 이루어질 수 있다. 여기에 기재된 물질, 방법, 및 물품의 다른 관점들은, 여기에 개시된 물질, 방법, 및 물품의 명세서 및 실시의 고찰로부터 명백할 것이다. 명세서 및 실시예는 대표적인 것으로 고려되는 것으로 의도된다.

Claims (31)

  1. 하나 이상의 관통 유리 비아를 포함하는 실리케이트 유리 물품으로서:
    (a) 상기 관통 유리 비아는 제1 표면 직경(DS1), 제2 표면 직경(DS2), 및 웨이스트 직경(Dw)을 갖고, 여기서, DS1/Dw의 비는 1:1 내지 2:1이며, DS2/Dw의 비는 1:1 내지 2:1이고,
    (b) 상기 실리케이트 유리 물품은 75 mol%를 초과하는 SiO2 및 2 mol% 미만의 P2O5를 포함하는, 실리케이트 유리 물품.
  2. 하나 이상의 관통 유리 비아를 포함하는 실리케이트 유리 물품으로서:
    (a) 상기 관통 유리 비아는 제1 표면 직경(DS1), 제2 표면 직경(DS2), 및 웨이스트 직경(Dw)을 갖고, 여기서, DS1/Dw의 비는 1:1 내지 2:1이며, DS2/Dw의 비는 1:1 내지 2:1이고,
    (b) 상기 실리케이트 유리 물품은 75 mol%를 초과하는 SiO2 및 12 mol% 미만의 Al2O3를 포함하는, 실리케이트 유리 물품.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 실리케이트 유리 물품은 75 mol% 초과 내지 95 mol%의 SiO2를 포함하는, 실리케이트 유리 물품.
  4. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 실리케이트 유리 물품은 80 mol% 내지 95 mol%의 SiO2를 포함하는, 실리케이트 유리 물품.
  5. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 실리케이트 유리 물품은 0.5 mol% 내지 10 mol%의 Al2O3를 더욱 포함하는, 실리케이트 유리 물품.
  6. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 실리케이트 유리 물품은 P2O5를 포함하지 않는, 실리케이트 유리 물품.
  7. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 실리케이트 유리 물품은 알칼리 금속 산화물을 포함하지 않는, 실리케이트 유리 물품.
  8. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 실리케이트 유리 물품은:
    75 mol% 초과 내지 95 mol%의 SiO2,
    1 mol% 내지 13 mol%의 적어도 하나의 알칼리 금속 산화물,
    1 mol% 내지 10 mol%의 적어도 하나의 알칼리 토금속 산화물,
    1 mol% 내지 10 mol%의 Al2O3,
    0 mol% 내지 10 mol%의 B2O3,
    0.01 mol% 내지 4 mol%의 ZnO, 및
    0 mol% 내지 0.5 mol%의 SnO2를 포함하는, 실리케이트 유리 물품.
  9. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 실리케이트 유리 물품은:
    75 mol% 초과 내지 85 mol%의 SiO2,
    1 mol% 내지 10 mol%의 Al2O3,
    8 mol% 내지 13 mol%의 Na2O, K2O, 또는 이들의 조합,
    2 mol% 내지 8 mol%의 MgO, 및
    0.01 mol% 내지 0.5 mol%의 SnO2를 포함하는, 실리케이트 유리 물품.
  10. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 표면 직경 및 제2 표면 직경은 10 ㎛ 내지 100 ㎛인, 실리케이트 유리 물품.
  11. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 웨이스트 직경은 5 ㎛ 내지 90 ㎛인, 실리케이트 유리 물품.
  12. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실리케이트 유리 물품은 50 ㎛ 내지 500 ㎛의 두께를 갖는, 실리케이트 유리 물품.
  13. 실리케이트 유리 물품에 관통 유리 비아를 제조하는 방법으로서, 상기 방법은:
    (1) 상기 실리케이트 유리 물품을 레이저 빔으로 조사하여 손상 트랙을 생성시키는 조사 단계로서, 여기서, 상기 실리케이트 유리 물품은 75 mol%를 초과하는 SiO2 및 2 mol% 미만의 P2O5를 포함하는, 조사 단계; 및
    (2) 상기 실리케이트 유리 물품을 산을 포함하는 에칭 용액으로 에칭하여 관통 유리 비아를 생성시키는 에칭 단계를 포함하는, 방법.
  14. 실리케이트 유리 물품에 관통 유리 비아를 제조하는 방법으로서, 상기 방법은:
    (1) 상기 실리케이트 유리 물품을 레이저 빔으로 조사하여 손상 트랙을 생성시키는 조사 단계로서, 여기서, 상기 실리케이트 유리 물품은 75 mol%를 초과하는 SiO2 및 12 mol% 미만의 Al2O3를 포함하는, 조사 단계; 및
    (2) 상기 실리케이트 유리 물품을 산을 포함하는 에칭 용액으로 에칭하여 관통 유리 비아를 생성시키는 에칭 단계를 포함하는, 방법.
  15. 청구항 13 또는 14에 있어서,
    상기 레이저 빔은 피코초 레이저로 형성되는, 방법.
  16. 청구항 13 또는 14에 있어서,
    상기 레이저 빔은 500 ㎚를 초과하는 파장을 갖는, 방법.
  17. 청구항 13 또는 14에 있어서,
    상기 레이저 빔은 535 ㎚를 초과하는 파장을 갖는, 방법.
  18. 청구항 13 또는 14에 있어서,
    상기 레이저 빔은 500 ㎚ 초과 내지 1,100 ㎚의 파장 및 40 μJ 내지 120 μJ의 파워를 갖는, 방법.
  19. 청구항 13 또는 14에 있어서,
    상기 레이저 빔은 레이저 버스트인, 방법.
  20. 청구항 13 또는 14에 있어서,
    상기 에칭 용액은 불화 수소산 및 물을 포함하는, 방법.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 불화 수소산은 1 wt% 내지 50 wt%의 농도를 갖는, 방법.
  22. 청구항 20에 있어서,
    상기 에칭 용액은, 염산, 황산, 질산, 아세트산, 또는 이들의 임의의 조합과 함께 불화 수소산을 포함하는, 방법.
  23. 청구항 13 또는 14에 있어서,
    상기 실리케이트 유리 물품은 0 ℃ 내지 50 ℃의 온도에서 에칭되는, 방법.
  24. 청구항 13 또는 14에 있어서,
    상기 레이저 빔은 베셀 빔 또는 가우스-베셀 빔인, 방법.
  25. 청구항 24에 있어서,
    상기 조사 단계는 실리케이트 유리 물품에 베셀 빔 또는 가우스-베셀 빔으로 초점 라인을 형성시키는 단계를 포함하는, 방법.
  26. 청구항 13 또는 14에 있어서,
    상기 에칭 단계는 에칭 부산물을 생성하며, 여기서, 상기 에칭 부산물은 에칭 용액에서 0.5 g/ℓ 이상의 에칭 부산물 용해도를 갖는, 방법.
  27. 청구항 26에 있어서,
    상기 에칭 용액은, 물, 0.1 M 내지 3.0 M 농도의 HF, 및 0.1 M 내지 3.0 M 농도의 HNO3를 포함하는, 방법.
  28. 청구항 13-27 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 손상 트랙의 에칭 속도(E1)는 레이저에 의해 손상되지 않은 물품의 에칭 속도(E2)를 초과하는, 방법.
  29. 청구항 28에 있어서,
    E1/E2의 비는 1 내지 50인, 방법.
  30. 청구항 28에 있어서,
    상기 산은 불화 수소산이고, 상기 에칭 속도(E2)는 0.25 ㎛/min 내지 0.9 ㎛/min인, 방법.
  31. 청구항 13-30 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 실리케이트 유리 물품.
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