TW201433554A - 利用雷射破壞與蝕刻製造玻璃物件的方法 - Google Patents

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Laurent Joubaud
Daniel Ralph Harvey
yu-hui Jin
Brandon A Bazemore
Diane Kimberlie Quifoyle
Jeffrey A Decker
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Abstract

本文揭示了形成玻璃物件之方法。在一個實施例中，形成玻璃物件之方法包括將脈衝雷射束平移(translating)至玻璃基板片上以在該玻璃基板片之第一表面與第二表面之間形成雷射破壞區域。該方法進一步包括將蝕刻劑溶液施加至玻璃基板片以移除雷射破壞區域周圍的玻璃基板片之一部分。該方法可進一步包括藉由離子交換強化製程強化玻璃基板片，及使用耐酸塗層塗佈玻璃基板片。本文亦揭示方法，該等方法中，雷射破壞區域具有初始幾何形狀，該初始幾何形狀在玻璃基板片之再成形之後改變為所需幾何形狀，以使得雷射破壞區域之初始幾何形狀對玻璃基板片之彎曲進行補償。

Description

利用雷射破壞與蝕刻製造玻璃物件的方法 【相關申請案之交叉引用】
本申請案主張2012年11月29日申請之美國臨時專利申請案第61/731,013號之優先權。此臨時申請案以引用之方式全部併入本文中。
本說明書大體上係關於製造玻璃物件的方法，且更特定而言，關於藉由產生雷射破壞區域以及較佳地蝕刻該等雷射破壞區域製造玻璃物件的方法。
玻璃物件使用於各種行業，包括電子工業，在電子工業中玻璃用以覆蓋顯示裝置。該等顯示裝置之實例包括液晶顯示器及發光二極體顯示器，例如，電腦顯示器、電視及手持裝置。三維玻璃物件因其美觀之外觀及觸感而越來越多地受到使用。然而，由於玻璃在再成形(reforming)、退火及化學增強期間發生尺寸變形，因此特別對於成形玻璃，滿足低的尺寸公差是具有挑戰性的。另外，若在再成形之前執行用於產生諸如孔的穿透式特徵結構的傳統電腦數值控制 (「CNC」)機械加工方法，則該傳統電腦數值控制機械加工方法將導致玻璃再成形期間的不均勻加熱，該不均勻加熱可導致玻璃物件之表面的波紋以及不良變形。
根據各種實施例，揭示形成玻璃物件之方法。該方法包括提供玻璃基板片；將脈衝雷射束平移(translating)至玻璃基板片上以形成雷射破壞區域，該雷射破壞區域從玻璃基板片之第一表面延伸至玻璃基板片之第二表面；用包含約1M至約3M之氫氟酸及鹽酸的蝕刻劑溶液塗覆該玻璃基板片；藉由離子交換強化製程強化玻璃基板片；以及在玻璃基板片上塗佈耐酸塗層。脈衝雷射束具有紫外光譜之內的波長以及約0.1W至約2.0W之功率。雷射破壞區域可包括複數個缺陷線。若氫氟酸之濃度大於約2M，則鹽酸之濃度小於約1M；且若氫氟酸之濃度小於約2M，則鹽酸之濃度介於約1M與約3M之間。
在一些實施例中，藉由預加熱玻璃基板片至預熱溫度，然後加熱玻璃基板片之局部區域至大於預熱溫度之局部溫度，藉此使玻璃基板片在局部區域彎曲，而使玻璃基板片再成形。預熱溫度及局部溫度低於玻璃基板片之軟化點。
脈衝雷射束操作，以使得施加至玻璃基板片之能量等於或大於玻璃基板片之破壞閾值。在一些實施例中，脈衝雷射束具有紫外光譜中之波長，且脈衝雷射束之功率介於約0.1W與約2.0W之間。在一些實施例中，雷射破壞區域不與玻璃基板片之邊緣接觸。
在一些實施例中，脈衝雷射束以多個道次平移至玻璃基板片上，且脈衝雷射束之焦點在每個道次經修改，以使得雷射破壞區域藉由複數個雷射破壞線界定，該等雷射破壞線在玻璃基板片之主體中從第一表面延伸至第二表面。複數個雷射破壞線中相鄰之雷射破壞線可相對於彼此偏離。在一些實施例中，脈衝雷射束相對於玻璃基板片之位置在每個道次經調整，以使得複數個雷射破壞線在玻璃基板片之主體中界定從玻璃基板片之第一表面至玻璃基板片之第二表面的曲線。
在一些實施例中，將蝕刻劑溶液塗覆至玻璃基板片包括將蝕刻劑溶液噴塗在玻璃基板片上。在其他實施例中，將蝕刻劑溶液塗覆至玻璃基板片包括將玻璃基板片浸沒在蝕刻劑溶液中。在一些實施例中，超聲攪拌可應用於蝕刻劑溶液。用於噴射蝕刻劑溶液之噴霧噴嘴可以約每分鐘0次振盪至約每分鐘40次振盪的速度振盪。來自噴霧噴嘴之壓力可為約1.0巴至約1.25巴。
在一些實施例中，蝕刻劑溶液包括約1M至約3M之氫氟酸及礦酸，其中若氫氟酸之濃度大於約2M，則礦酸之濃度小於約1M；且若氫氟酸之濃度小於2M，則礦酸之濃度介於約1M與約3M之間。在一些實施例中，礦酸可為鹽酸、硫酸、硝酸或以上者之組合。
在一些實施例中，蝕刻劑溶液之溫度低於約30℃。
根據另一些實施例，形成玻璃物件之方法包括提供玻璃基板片；以及將脈衝雷射束平移至玻璃基板片上以形成 雷射破壞區域，該雷射破壞區域從玻璃基板片之第一表面延伸至玻璃基板片之第二表面，該雷射破壞區域具有初始幾何形狀。脈衝雷射束具有紫外光譜之內的波長以及約0.1W至約2.0W之功率，且雷射破壞區域藉由複數個缺陷線界定。該方法進一步包括預加熱玻璃基板片至預熱溫度；及加熱玻璃基板片之局部區域至大於預熱溫度的局部溫度，藉此使玻璃基板片在局部區域彎曲。雷射破壞區域之至少一部分位於局部區域內，且在加熱局部區域至局部溫度之後，雷射破壞區域之幾何形狀從初始幾何形狀改變為所需之幾何形狀，以使得初始幾何形狀對玻璃基板片中之彎曲進行補償。該方法進一步包括將玻璃基板片浸沒在蝕刻劑溶液之浴中，以移除雷射破壞區域周圍的玻璃基板片之一部分。蝕刻溶液包括約1M至約3M之氫氟酸及礦酸。若氫氟酸之濃度大於約2M，則礦酸之濃度小於約1M；且若氫氟酸之濃度小於約2M，則礦酸之濃度介於約1M與約3M之間。該方法進一步包括在超聲攪拌頻率下攪拌蝕刻劑溶液之浴直至玻璃基板片之一部分實質上經移除，藉此形成玻璃物件。在一些實施例中，超聲攪拌頻率為約40kHz，且蝕刻劑溶液之浴的溫度低於約20℃。
根據其他另一些實施例，形成玻璃物件之方法包括提供玻璃基板片；以及將脈衝雷射束平移至玻璃基板片上以形成雷射破壞區域，該雷射破壞區域從玻璃基板片之第一表面延伸至玻璃基板片之第二表面。脈衝雷射束具有紫外光譜之內的波長以及約0.5W至約2.0W之功率。雷射破壞區域 藉由複數個缺陷線界定，且具有初始幾何形狀。該方法進一步包括將玻璃基板片浸沒在蝕刻劑溶液之浴中，該蝕刻劑溶液為約1M至約3M之氫氟酸及鹽酸。若鹽酸之濃度大於約2M，則鹽酸之濃度小於約1M；且若鹽酸之濃度小於約2M，則鹽酸之濃度介於約1M與約3M之間。蝕刻劑溶液之浴的溫度小於約30℃。該方法進一步包括在約40kHz之超聲攪拌頻率下攪拌蝕刻劑溶液之浴，直至雷射破壞區域周圍的玻璃基板片之一部分實質上經移除，從而形成玻璃物件。
在一些實施例中，玻璃物件可為具有三維形狀之成形玻璃物件。在該等實施例中，雷射破壞及蝕刻製程對形成成形玻璃物件之三維特徵結構可為整體的。然而，在其他實施例中，成形玻璃物件可藉由任何適當之方法形成，諸如模塑、吹塑等；且雷射破壞及蝕刻製程可在三維特徵結構已形成於玻璃物件中之後進行。在又一些實施例中，玻璃物件可為平坦玻璃薄板。
應瞭解，前述一般描述及以下詳細描述兩者均描述各種實施例且意在提供用於理解所主張標的物之本質及特徵的概述或框架。包括所附圖式以提供對於各種實施例之進一步瞭解，且所附圖式併入本說明書中並構成本說明書之一部分。圖式圖示本文所描述之各種實施例且與描述一起用於解釋所主張標的物的原理與操作。
100‧‧‧成形玻璃物件
100'‧‧‧玻璃物件
100A‧‧‧玻璃物件
100B‧‧‧玻璃物件
102‧‧‧邊緣
102A‧‧‧圓形邊緣
102B‧‧‧圓形邊緣
103‧‧‧平坦部分
104‧‧‧彎曲周邊區域
106‧‧‧穿透式特徵結構
107‧‧‧穿透式特徵結構
110‧‧‧方塊
111‧‧‧方塊
112‧‧‧方塊
113‧‧‧方塊
114‧‧‧方塊
115‧‧‧方塊
120‧‧‧系統
122‧‧‧雷射源
124‧‧‧脈衝雷射束
126‧‧‧耦合光學器件
130‧‧‧平坦玻璃基板片
130'‧‧‧成形玻璃基板片
131‧‧‧第一表面
133‧‧‧第二表面
135‧‧‧第一邊緣
137‧‧‧第二邊緣
140‧‧‧雷射破壞區域
140A‧‧‧交叉雷射破壞線
140B‧‧‧交叉雷射破壞線
140C‧‧‧交叉雷射破壞線
140D‧‧‧交叉雷射破壞線
140E‧‧‧交叉雷射破壞線
140F‧‧‧交叉雷射破壞線
141‧‧‧雷射破壞線
142‧‧‧螺旋雷射破壞線
143A‧‧‧雷射破壞區域
143B‧‧‧雷射破壞區域
144‧‧‧成形玻璃物件之周邊
144'‧‧‧成形玻璃物件之周邊
145A‧‧‧雷射破壞區域
145B‧‧‧雷射破壞區域
145C‧‧‧雷射破壞區域
145D‧‧‧雷射破壞區域
147‧‧‧雷射破壞區域
147'‧‧‧雷射破壞區域
148‧‧‧雷射破壞區域
148'‧‧‧雷射破壞區域
150A‧‧‧局部區域
150B‧‧‧局部區域
150C‧‧‧局部區域
150D‧‧‧局部區域
160‧‧‧周邊凸緣部分
170‧‧‧蝕刻劑浴
180‧‧‧蝕刻劑溶液
190‧‧‧第一壓縮表面層
192‧‧‧內部張力層
194‧‧‧第二壓縮表面層
810‧‧‧玻璃晶圓
815‧‧‧網格圖形
820‧‧‧中介層
825‧‧‧圖案化之通孔
830‧‧‧DLP或MEMS夾持器
第1圖示意性圖示根據本文所描述及圖示之一或多個實施例的用於在平坦玻璃基板片中產生雷射破壞區域之雷 射系統；第2圖示意性圖示根據本文所描述及圖示之一或多個實施例的平坦玻璃基板片及聚焦脈衝雷射束的頂視透視圖；第3圖示意性圖示根據本文所描述及圖示之一或多個實施例的平坦玻璃基板片中之雷射破壞區域的側視圖；第4A圖示意性圖示根據本文所描述及圖示之一或多個實施例的具有螺旋形雷射破壞線之平坦玻璃基板片的頂視透視圖；第4B圖示意性圖示根據本文所描述及圖示之一或多個實施例的形成螺旋形雷射破壞線之聚焦脈衝雷射束；第5圖示意性圖示根據本文所描述及圖示之一或多個實施例的具有複數個交叉雷射破壞區域的平坦玻璃基板片的頂視圖；第6A圖示意性圖示根據本文所描述及圖示之一或多個實施例的具有雷射破壞區域之平坦玻璃基板片的側視圖，該雷射破壞區域藉由兩條相鄰之彎曲雷射破壞線界定；第6B圖示意性圖示兩個玻璃物件，該等玻璃物件之兩個彎曲邊緣在如第6A圖中所圖示之兩條彎曲破壞線處分離；第7圖為散佈圖，對比僅藉由CNC形成之玻璃物件的強度與藉由根據本文所描述及圖示之一或多個實施例的方法形成之玻璃物件的強度；第8A圖示意性圖示根據本文所描述及圖示之一或 多個實施例的單獨玻璃晶圓及中介層；第8B圖示意性圖示根據本文所描述及圖示之一或多個實施例的組合玻璃晶圓及中介層；第9圖示意性圖示根據本文所描述及圖示之一或多個實施例的成形玻璃物件的頂視透視圖；第10圖為流程圖，描述根據本文所描述及圖示之一或多個實施例的製造成形玻璃物件之方法；第11圖示意性圖示與根據本文所描述及圖示之一或多個實施例的所需成形玻璃物件相對應的平坦玻璃基板片，該平坦玻璃基板片具有初始幾何形狀之複數個雷射破壞線；第12圖示意性圖示根據本文所描述及圖示之一或多個實施例的繼再成形製程之後的成形玻璃基板片；第13圖示意性圖示根據本文所描述及圖示之一或多個實施例的在蝕刻劑溶液之蝕刻劑浴中的成形玻璃基板片；第14圖示意性圖示根據本文所描述及圖示之一或多個實施例的具有兩個壓縮表面層之經強化成形玻璃物件的局部側視圖。
現將詳細參照使用雷射破壞及化學蝕刻製程由平坦玻璃基板片製造玻璃物件之方法的實施例。一般而言，雷射破壞區域形成在一或多個所需玻璃物件之將與平坦玻璃基板片分離的邊緣周圍的平坦玻璃基板片中，以及形成在一或多 個所需玻璃物件之穿透式特徵結構(例如，狹縫、孔及類似者)周圍。雷射破壞區域較佳地在玻璃基板片經受蝕刻劑溶液時經蝕刻。在蝕刻玻璃基板片之前且在形成雷射破壞區域之後，實施例中之平坦玻璃基板片可經再成形以獲得一或多個玻璃物件之所需三維形狀。雷射破壞區域經產生具有初始幾何形狀，該初始幾何形狀預先補償平坦玻璃基板片在再成形、蝕刻及/或強化製程中變化的形狀，以使得雷射破壞區域在再成形、蝕刻及/或強化製程後具有所需幾何形狀。玻璃基板片隨後經受蝕刻劑溶液，以分離一或多個玻璃物件以及在一或多個玻璃物件中產生穿透式特徵結構。在一些實施例中，經分離之玻璃物件隨後可經受強化製程，諸如離子交換化學強化製程。本文所述之實施例可提供當使用彎曲製程時，在玻璃物件之最邊緣處獲得曲度的能力。本文將具體參照隨附圖式更詳細地描述由平坦玻璃基板片製造成形玻璃物件的各種方法。任何可能的時候，貫穿圖式中相同元件符號將用於指示相同或相似之部件。
玻璃最初可為由任何玻璃組成物形成之平坦玻璃基板片。在一些實施例中，平坦玻璃基板片包含鹼金屬鋁矽酸鹽玻璃。在一個實施例中，鹼金屬鋁矽酸鹽玻璃包含：約64莫耳%至約68莫耳%之SiO2；約12莫耳%至約16莫耳%之Na2O；約8莫耳%至約12莫耳%之Al2O3；0莫耳%至約3莫耳%之B2O3；約2莫耳%至約5莫耳%之K2O；約4莫耳%至約6莫耳%之MgO；及0莫耳%至約5莫耳%之CaO；其中：66莫耳%≦SiO2+B2O3+CaO≦69莫耳%，Na2O+K2O +B2O3+MgO+CaO+SrO>10莫耳%，5莫耳%≦MgO+CaO+SrO≦8莫耳%，(Na2O+B2O3)-Al2O3≧2莫耳%，2莫耳%≦Na2O-Al2O3≦6莫耳%，以及4莫耳%≦(Na2O+K2O)-Al2O3≦10莫耳%。
在另一實施例中，鹼金屬鋁矽酸鹽玻璃包含：約60莫耳%至約70莫耳%之SiO2；約6莫耳%至約14莫耳%之Al2O3；0莫耳%至約15莫耳%之B2O3；0莫耳%至約15莫耳%之Li2O；0莫耳%至約20莫耳%之Na2O；0莫耳%至約10莫耳%之K2O；0莫耳%至約8莫耳%之MgO；0莫耳%至約10莫耳%之CaO；0莫耳%至約5莫耳%之ZrO2；0莫耳%至約1莫耳%之SnO2；0莫耳%至約1莫耳%之CeO2；少於約50ppm之As2O3；及少於約50ppm之Sb2O3；其中12莫耳%≦Li2O+Na2O+K2O≦20莫耳%，且0莫耳%≦MgO+CaO≦10莫耳%。
在另一實施例中，鹼金屬鋁矽酸鹽玻璃包含SiO2及Na2O，其中玻璃具有溫度T35kp，在該溫度下玻璃具有35千泊(kpoise)之黏度；其中溫度T分解大於T35kp，在溫度T分解下，鋯石分解形成ZrO2及SiO2。在一些實施例中，鹼金屬鋁矽酸鹽玻璃包含：約61莫耳%至約75莫耳%之SiO2；約7莫耳%至約15莫耳%之Al2O3；0莫耳%至約12莫耳%之B2O3；約9莫耳%至約21莫耳%之Na2O；0莫耳%至約4莫耳%之K2O；0莫耳%至約7莫耳%之MgO；及0莫耳%至約3莫耳%之CaO。
在一些實施例中，鹼金屬鋁矽酸鹽玻璃包含至少50 莫耳%之SiO2及至少一種改質劑，該改質劑選自鹼金屬氧化物構成之群組，其中[(Al2O3(莫耳%)+B2O3(莫耳%))/(Σ鹼金屬改質劑(莫耳%))]>1。在一些實施例中，鹼金屬鋁矽酸鹽玻璃包含：50莫耳%至約72莫耳%之SiO2；約9莫耳%至約17莫耳%之Al2O3；約2莫耳%至約12莫耳%之B2O3；約8莫耳%至約16莫耳%之Na2O；及0莫耳%至約4莫耳%之K2O。
在另一實施例中，鹼金屬鋁矽酸鹽玻璃包含SiO2及至少一種改質劑，該改質劑選自鹼金屬氧化物構成之群組。在一些實施例中，鹼金屬氧化物改質劑可選自以下各者構成之群組：MgO、CaO、SrO、BaO及以上各者之混合物。在不受任何特定理論約束的情況下，據信鹼土金屬相較於其他改質劑更難溶於蝕刻劑(例如，HF)，且因此含鹼土金屬之玻璃具有低表面蝕刻率，該等低表面蝕刻率可使得完成之玻璃物件之波紋減少。在一些實施例中，鹼金屬鋁矽酸鹽玻璃包含約5莫耳%至約14莫耳%之鹼金屬氧化物，諸如約8莫耳%至約12莫耳%之鹼土金屬氧化物。在一些實施例中，鹼金屬鋁矽酸鹽玻璃包含：50莫耳%至約72莫耳%之SiO2；約9莫耳%至約17莫耳%之Al2O3；約2莫耳%至約12莫耳%之B2O3；約8莫耳%至約16莫耳%之Na2O；0莫耳%至約4莫耳%之K2O；及約5莫耳%至約14莫耳%之MgO+CaO+SrO。
在另一實施例中，鹼金屬鋁矽酸鹽玻璃包含SiO2、Al2O3、P2O5及至少一種鹼金屬氧化物(R2O)，其中0.75≦[(P2O5(莫耳%)+R2O(莫耳%))/M2O3(莫耳%)]≦1.2，其中M2O3=Al2O3+B2O3。在一些實施例中，鹼金屬鋁矽酸鹽玻 璃包含：約40莫耳%至約70莫耳%之SiO2；0莫耳%至約28莫耳%之B2O3；0莫耳%至約28莫耳%之Al2O3；約1莫耳%至約14莫耳%之P2O5；及約12莫耳%至約16莫耳%之R2O；且在某些實施例中，約40至約64莫耳%之SiO2；0莫耳%至約8莫耳%之B2O3；約16莫耳%至約28莫耳%之Al2O3；約2莫耳%至約12%之P2O5；以及約12莫耳%至約16莫耳%之R2O。
在其他實施例中，鹼金屬鋁矽酸鹽玻璃包含至少約4莫耳%之P2O5，其中(M2O3(莫耳%)/RxO(莫耳%))<1，其中M2O3=Al2O3+B2O3，且其中RxO為存在於鹼金屬鋁矽酸鹽玻璃中之一價及二價陽離子氧化物之概括。在一些實施例中，一價及二價陽離子氧化物選自以下各者構成之群組：Li2O、Na2O、K2O、Rb2O、Cs2O、MgO、CaO、SrO、BaO及ZnO。在一些實施例中，玻璃包含0莫耳%之B2O3。
在另一實施例中，鹼金屬鋁矽酸鹽玻璃包含至少約50莫耳%之SiO2及至少約11莫耳%之Na2O，且壓縮應力為至少約900MPa。在一些實施例中，玻璃進一步包含Al2O3及以下各者中之至少一者：B2O3、K2O、MgO及ZnO，其中-340+27.1‧Al2O3-28.7‧B2O3+15.6‧Na2O-61.4‧K2O+8.1‧(MgO+ZnO)≧0莫耳%。在特定實施例中，玻璃包含：約7莫耳%至約26莫耳%之Al2O3；0莫耳%至約9莫耳%之B2O3；約11莫耳%至約25莫耳%之Na2O；0莫耳%至約2.5莫耳%之K2O；0莫耳%至約8.5莫耳%之MgO；以及0莫耳%至約1.5莫耳%之CaO。
在一些實施例中，上文所述之鹼金屬鋁矽酸鹽玻璃實質上不含(亦即，含有0莫耳%之)以下各者中之至少一者：鋰、硼、鋇、鍶、鉍、銻及砷。
在一些實施例中，上文所述之鹼金屬鋁矽酸鹽玻璃可藉由本領域所習知之製程(諸如狹縫拉伸、熔融拉伸、再拉伸及類似者)下拉，且該等鹼金屬鋁矽酸鹽玻璃具有至少130千泊之液相黏度。
首先參照第1圖，示意性地圖示用於在平坦玻璃基板片130中引發雷射破壞區域的系統120。提供雷射源122，該雷射源122可操作以產生脈衝雷射束124，該雷射束124藉由耦合光學器件126聚焦並經導向至平坦玻璃基板片130。雷射源122可為任何能夠引發雷射破壞區域之雷射源。作為一個實例而並非限制，雷射源122產生以皮秒脈衝或奈秒脈衝操作的脈衝紫外(「UV」)脈衝雷射束124(例如，波長約355nm)。在一些實施例中，雷射破壞可在平坦玻璃基板中引發。
耦合光學器件126可經設置為一或多個透鏡，該一或多個透鏡將脈衝雷射束124聚焦為聚焦雷射束，該聚焦雷射束具有之焦點位於相對於平坦玻璃基板片130的所需位置處。如下文詳細描述，在一些實施例中，耦合光學器件126之焦點可經控制以藉由穿孔製程在平坦玻璃基板片130內形成雷射破壞區域，以使得焦點變化，且雷射破壞區域穿過平坦玻璃基板片130之主體形成。
脈衝雷射束124可經設置以在平坦玻璃基板片130 上掃描，以形成所需雷射破壞區域。在一些實施例中，平坦玻璃基板片130可經耦合至電腦控制XYZ平臺(未圖示)，以使得平坦玻璃基板片相對於脈衝雷射束124平移。另外，分束器(未圖示)亦可經提供以將雷射源122產生之單一雷射束124分離為複數個雷射束，該等複數個雷射束用於同時在平坦玻璃基板片130中形成複數個雷射破壞區域。
現參照第2圖及第3圖，圖示平坦玻璃基板片中之直線雷射破壞區域140。第2圖圖示平坦玻璃基板片130及藉由耦合光學器件126聚焦之脈衝雷射束124的透視圖，而第3圖圖示平坦玻璃基板片130之側視圖。雷射破壞區域140藉由複數個單獨雷射破壞線141界定，該等雷射破壞線141以不同之深度定位於平坦玻璃基板片130之主體中的第一表面131及第二表面133處，以及第一表面131及第二表面133之間。如第2圖及第3圖所示，單獨雷射破壞線141在x軸上垂直安置。每個單獨雷射破壞線141可藉由脈衝雷射束124之一或多個道次形成。例如，可藉由以下步驟形成第一雷射破壞線141：將脈衝雷射束124之焦點設置在第二表面133(亦即，底面表面)處或第二表面133之正上方，並靠近平坦玻璃基板片130之第一邊緣135；及使脈衝雷射束124(及/或平坦玻璃基板片130)在平坦玻璃基板片130上方朝向第二邊緣137平移距離d。隨後，藉由控制耦合光學器件126或藉由移動平坦玻璃基板片130，使脈衝雷射束124之焦點的位置遞增地向平坦玻璃基板片130之第一表面131移動。脈衝雷射束124隨後再次在玻璃基板片上方從第二邊緣137朝向第一邊 緣135平移，或從第一邊緣135朝向第二邊緣137平移。該製程可經重複，直至脈衝雷射束124在第一表面131(亦即，上表面)處或正下方橫越，藉此完成雷射破壞區域140之形成。藉由單獨雷射破壞線141形成之微裂縫可延伸至鄰近之單獨雷射破壞線141，藉此形成微裂縫網路。
為避免雷射輻射製程期間平坦玻璃基板片130的不可控分裂，在一些實施例中，單獨雷射破壞線141不接觸邊緣(例如，第一邊緣135及第二邊緣137)。例如，單獨破壞線141之末端可偏離平坦玻璃基板片130之邊緣幾毫米。此外，脈衝雷射束124應操作，以使得脈衝雷射束124不在平坦玻璃基板片130之第一表面131及第二表面133內形成凹槽。單獨雷射破壞線141之間的間距可經設定，以使平坦玻璃基板片130不過早地沿雷射破壞區域140破裂。在一些實施例中，單獨雷射破壞線141之間的間距為小於或等於約5.0μm。
在一些實施例中，雷射破壞區域可經由使用螺旋雷射破壞線進行穿孔而形成。現參照第4A圖及第4B圖，圖示了在平坦玻璃基板片內產生圓形穿透式特徵結構的螺旋雷射破壞線142。第4A圖圖示平坦玻璃基板片130內之螺旋雷射破壞線142，而第4B圖圖示平坦玻璃基板片130之外的螺旋雷射破壞線142。脈衝雷射束124之焦點設置在平坦玻璃基板片130之第二表面133(亦即，底面表面)處或平坦玻璃基板片130之第二表面133之正上方。脈衝雷射束124(或平坦玻璃基板片130)根據穿透式特徵結構(或所需玻璃物件之邊緣) 的所需形狀在y軸或z軸上平移。同時，脈衝雷射束124之焦點朝向第一表面131(亦即，上表面)經連續地或離散地調整，藉此形成螺旋雷射破壞線142。當平坦玻璃基板片130在蝕刻製程期間蝕刻時，蝕刻劑溶液較佳地蝕刻藉由螺旋雷射破壞線142界定之雷射破壞區域。
第5圖圖示平坦玻璃基板片130之俯視圖，該平坦玻璃基板片130具有複數個交叉雷射破壞線140A至140F，以分離複數個玻璃物件。如第5圖所示，垂直雷射破壞線140A至140C與水平雷射破壞線140D至140F交叉。再成形製程之後，雷射破壞線140A至140F可在蝕刻製程期間蝕刻，以將平坦玻璃基板片130分離為複數個玻璃物件，諸如玻璃薄板或成形玻璃物件。
雷射破壞線亦可經成形穿過玻璃基板片之主體，以便為經分離之玻璃物件提供成形邊緣。現參照第6A圖，平坦玻璃基板片130經示意性地圖示，具有兩個相鄰、偏離之雷射破壞區域143A、143B。相鄰雷射破壞區域143A、143B具有從平坦玻璃基板片130的第一表面131到第二表面133之相反曲線。脈衝雷射束124之焦點可在每個道次經調整穿過平坦玻璃基板片130，以界定相鄰、偏離之雷射破壞區域143A、143B的曲線。第6B圖示意性圖示繼蝕刻製程後分離為兩個玻璃物件100A、100B的平坦玻璃基板片130。彎曲雷射破壞區域143A、143B分別為兩個玻璃物件100A、100B產生了圓形邊緣102A、102B。彎曲雷射破壞區域143A及143B可具有不同於第6A圖中所示之彼等形狀的形狀，以產生倒角 邊、外圓角邊及類似者。
在實施例中，雷射源可以範圍為約60kHz至約200kHz之重複率操作。雷射源之輸出功率及耦合光學器件之聚焦狀況應使得光束焦點中之能通量及能量強度處於或略高於平坦玻璃基板片之破壞閾值。在實施例中，雷射源之輸出功率可為約0.1W至約2.0W，諸如約0.5W至約2.0W。在一些實施例中，雷射源之輸出功率可為約0.75W至約1.5W。
雷射破壞區域之選擇性蝕刻可使用具有任意玻璃厚度之玻璃基板完成。該蝕刻對於較薄玻璃基板(例如，小於0.3mm)可為特別有利的，該等較薄玻璃基板之電腦數值控制(「CNC」)及其他機械製程具有極低的產率。
本揭示案之實施例藉由使雷射直寫成形之玻璃基板片經受蝕刻製程而分離玻璃物件及/或產生穿透式特徵結構。蝕刻劑溶液可藉由噴塗法提供，其中蝕刻劑溶液經噴塗至成形玻璃基板片上；或蝕刻劑溶液可藉由將成形之玻璃基板片浸沒至蝕刻劑溶液之浴中提供。
在一些使用噴塗將蝕刻溶液塗覆至玻璃物件的實施例中，玻璃物件可插入腔室中，該腔室經配置有噴嘴以用於噴塗玻璃物件之兩個表面。例如，在玻璃物件為玻璃薄板時，該腔室可包含一組噴嘴，該組噴嘴經定位以將蝕刻溶液噴塗至玻璃薄板的第一表面上，且該腔室可包含第二組噴嘴，該組噴嘴經定位以將蝕刻溶液噴塗至玻璃薄板之第二表面上，該玻璃薄板之第二表面在厚度方向上與玻璃薄板之第一表面相對(例如)。從第一組噴嘴噴射出之噴霧的振盪可高於從 第二組噴嘴噴出之噴霧的振盪，以便當玻璃之該部分從玻璃物件移除，以在玻璃物件中形成通孔時，玻璃物件之該部分朝向第二組噴嘴噴射出。藉由將噴射玻璃物件之部分以產生通孔導向遠離玻璃物件，可最小化對玻璃物件之破壞。例如，若玻璃物件之部分在向上方向上從玻璃物件噴射出，玻璃物件之部分可落至玻璃物件的表面，從而導致破壞。因此，實施例中，玻璃物件之部分可噴射離開玻璃物件以避免破壞玻璃物件。
在蝕刻劑藉由噴塗塗覆的實施例中，噴霧噴嘴可以約每分鐘0次振盪至約每分鐘40次振盪之速度振盪，諸如約每分鐘10次振盪至約每分鐘30次振盪。在其他實施例中，噴嘴可以約每分鐘15次振盪至約每分鐘25次振盪的速度振盪。來自噴嘴之噴霧的壓力可為約0.5巴至約1.7巴，諸如約0.75巴至約1.5巴。在一些實施例中，來自噴霧噴嘴之噴霧的壓力可為約1.0巴至約1.25巴。來自噴霧噴嘴之噴霧的振盪及壓力可用以確保潔淨通孔形成於玻璃物件中。例如，若振盪太慢及/或來自噴嘴之噴霧的壓力太低，蝕刻劑可能聚集並導致不精確之通孔，或蝕刻劑可能使通孔與玻璃基板不完全分離。然而，當振盪太快及/或來自噴嘴之噴霧的壓力太高時，玻璃基板可蝕刻得太快，導致結塊及瑕疵形成於玻璃表面上。
在實施例中，蝕刻劑溶液蝕刻雷射破壞區域是由於此等雷射破壞區域中微裂縫之存在。雷射破壞區域及非雷射破壞區域均同時經蝕刻，但蝕刻速率不同。雷射破壞區域之微裂縫使化學鍵斷裂，並為蝕刻劑更深地穿透進入玻璃基板 片提供路徑。因此，在雷射破壞區域處之蝕刻速率相較於非破壞區域快得多。因此，當蝕刻劑溶液完全蝕刻雷射破壞區域時，玻璃物件可從玻璃基板片之剩餘部分切割或以其他方式移除。此外，諸如孔及狹縫的穿透式特徵結構亦可以此方式製造。
蝕刻劑溶液可包含氫氟酸作為主要蝕刻劑。諸如鹽酸、硫酸及硝酸的礦酸可輔助蝕刻製程並加快蝕刻速率，並且提高玻璃物件之表面品質以及減少沉渣之形成。在實驗期間發現，當氫氟酸之濃度較高時(例如，3M或更高)，蝕刻時間及玻璃品質不受礦酸之類型影響。然而，當氫氟酸濃度較低時(例如，1M或更低)，在三種礦酸中，鹽酸需要之蝕刻時間最少，且產生之蝕刻比率最令人滿意。因此，對於大多數應用而言，鹽酸可為較佳的。一般而言，氫氟酸濃度較高時(例如，3M或更高)，礦酸之濃度應該較低。當使用鹽酸時，濃度應低於0.5M。氫氟酸之濃度較低時(例如，1M或更低)，礦酸之濃度應介於約1M與3M之間。在一個實施例中，氫氟酸之濃度約為2M，且鹽酸之濃度約為0.5M。
此外，據信界面活性劑對蝕刻製程為有益的，因為界面活性劑可增強蝕刻劑至雷射破壞區域之輸送，並延緩因蝕刻劑製程產生的副產品。作為一個非限制性實例，界面活性劑可為DuPont FS-10。應理解，可使用其他界面活性劑。在實施例中，界面活性劑存在之量可為小於約0.1重量%，諸如0.01重量%。
蝕刻劑溶液浴之攪拌提高雷射破壞區域之蝕刻速 率，因為蝕刻劑及副產品兩者均需要不斷交換穿過雷射破壞區域中之微裂縫的狹窄通道。攪拌可加速微裂縫內的質量傳遞，並更新彼雷射破壞區域表面以用於持續之蝕刻。超聲攪拌影響蝕刻時間、表面損耗及蝕刻比率。有效之攪拌可增大雷射破壞區域與非雷射破壞區域之間的蝕刻比率，繼而可減少玻璃基板片之表面損耗並減少原料之成本。在一些實施例中，攪拌之頻率低於約132kHz。由於超聲頻率之減小使每個單獨脈衝之功率以及洗滌效果增大，較低之頻率及較大之振幅有利於蝕刻劑及副產品之快速交換，並提高雷射破壞區域處之蝕刻速率。在一個實施例中，超聲攪拌頻率為約40kHz。
噴塗式蝕刻為另一種形式之攪拌，該種形式之攪拌可在實施例中用於提高雷射破壞區域之蝕刻速率。蝕刻速率由噴塗壓力、蝕刻劑溶液之溫度以及蝕刻劑溶液之濃度所驅動。噴塗式蝕刻展示出玻璃物件的較佳之表面均勻性及品質，但超聲蝕刻展示出介於主體玻璃表面與雷射破壞區域之間的更大之差分蝕刻。
已發現，由於通常雷射破壞區域之圓柱形裂縫網路與浴之垂直運動相垂直，因此浴之垂直運動與超聲攪拌的組合不增大雷射破壞區域之蝕刻速率。在與裂縫平行之方向上，垂直運動之速率幾乎為零。結果，當垂直攪拌與超聲攪拌一同應用時，玻璃基板片之蝕刻比率及最終厚度可小的多。
蝕刻劑溶液之溫度亦可影響蝕刻製程期間玻璃基板片之蝕刻速率及品質。一般而言，低溫蝕刻劑溶液(例如，介於約3℃與約10℃之間)提供減小之表面損耗及平坦之玻 璃表面。然而，在低溫下，犧牲了蝕刻速率。在一個實例中，0.7mm之Corning 2317玻璃樣品使用上文所述之製程進行雷射破壞，並置放在蝕刻劑溶液之浴中，該蝕刻劑溶液為2M之氫氟酸、0.5M之鹽酸以及0.1%之界面活性劑。該浴以40KHz之超聲波攪拌。在3℃至10℃之低溫下，蝕刻時間在12至15分鐘之範圍內，且表面損耗在24μm至30μm之範圍內。在40℃之溫度下，蝕刻時間為約6.5分鐘，且表面損耗介於50μm與60μm之間。因此，在表面損耗為重要參數之應用中，蝕刻劑溶液之溫度應保持較低。
較高蝕刻溶液溫度大體上提高蝕刻速率，並因此，較高之蝕刻溶液溫度可用以減少蝕刻製程之持續時間。然而，當蝕刻溶液之溫度在噴塗式蝕刻製程期間過高時，酸可在噴塗期間蒸發出蝕刻溶液。因此，在實施例中，蝕刻溶液之溫度可小於或等於約30℃，諸如小於或等於約25℃。然而，應瞭解，可使用較高或較低之溫度。
藉由蝕刻劑減小玻璃基板之表面損耗的另一種方法為將耐蝕刻溶液之塗層(諸如純HF或HF與礦酸之混合物)塗覆至玻璃基板之一或多個表面。在一些實施例中，耐酸塗層經選擇，以使得雷射穿過耐酸塗層並在底層玻璃基板中產生雷射破壞。
根據一些實施例，耐酸塗層可包含分散於水中的乙烯丙烯酸及蠟聚合物乳劑。在一些實施例中，耐酸塗層組成物具有約5重量%至約60重量%之固體/聚合物，諸如約15重量%至約46重量%之固體/聚合物。蠟聚合物及乙烯丙烯酸 的類型及量可根據所需應用進行修改。耐酸塗層可藉由任何適當之方法塗覆至玻璃基板。在一些實施例中，耐酸塗層可藉由浸塗、噴塗、旋轉塗佈或狹縫式塗佈塗覆至玻璃基板上。當耐酸塗層經塗覆至玻璃基板後，耐酸塗層可藉由加熱乾燥。在一些實施例中，可藉由將耐酸塗層加熱至約150℃至約190℃之溫度(諸如約170℃)，乾燥玻璃基板上之耐酸塗層。在一些實施例中，乾燥步驟之持續時間可為約10分鐘至約40分鐘，諸如約15分鐘至約30分鐘。在其他實施例中，乾燥步驟之持續時間可為約20分鐘。不受任何特定理論約束之情況下，據信，乾燥步驟中之加熱致使耐酸塗層中之蠟聚合物起霜，藉此提供疏水性表面。
耐酸塗層之厚度可為約1μm至約15μm，諸如約3μm至約8μm。可藉由3重量%之Semi-Klean的溶液及超聲波移除耐酸塗層。諸如小於約10μm的耐酸塗層薄層可在沸水中移除。
如以上所討論，在實施例中，耐酸塗層可經選擇以允許雷射穿過耐酸塗層並在底層玻璃基板上引發破壞。因此，在實施例中，耐酸塗層可在雷射破壞經引發之前或之後塗覆。在一個實施例中，塗層可經塗覆至玻璃基板，該玻璃基板諸如藉由離子交換(以下將詳細論述)強化，並具有透明導電氧化物層，諸如銦錫氧化物。耐酸塗層經塗覆後，雷射破壞可如以下所詳細論述經引發至底層玻璃基板中。然後玻璃基板經蝕刻並分離，且耐酸塗層隨後可經移除。應瞭解，可在本文所揭示之製程中的幾乎任何步驟中塗覆耐酸塗層。
在另一些實施例中，供應商可製造具有孔及/或狹縫之玻璃基板，且進一步處理可由零件製造商執行。例如，在一個實施例中，供應商可提供具有壓縮表面層及中心之張力的玻璃基板片；耐酸塗層可經塗覆至玻璃基板片。繼用耐酸塗層塗佈玻璃基板片之後，玻璃物件可經雷射照射以在玻璃基板片上刻痕，在玻璃基板片內形成孔或在玻璃基板片內形成狹縫。玻璃基板片隨後可經蝕刻以打開該等孔及/或狹縫。玻璃基板片隨後可經運送至零件製造商。零件製造商隨後可移除耐酸塗層並進行清潔。觸摸導電氧化物塗層隨後可經沉積至玻璃基板片上。玻璃基板片可經雷射刻痕並斷裂為玻璃物件(然而，在一些實施例中，玻璃供應商可將玻璃基板片刻痕並使玻璃基板片斷裂)。繼玻璃基板片斷裂為玻璃物件之後，玻璃物件可塗佈有耐酸塗層，且邊緣可經蝕刻以用於強化。繼邊緣強化之後，玻璃物件可接受CNC拋光。隨後可移除耐酸塗層，且可洗滌並清潔玻璃物件。
在一些實施例中，玻璃物件藉由強化製程強化。在一些實施例中，強化製程可發生在玻璃物件與玻璃基板分離之前。在其他實施例中，強化製程可發生在玻璃物件與玻璃基板分離之後。玻璃物件可藉由離子交換製程化學增強，該離子交換製程中，玻璃表面層中之離子藉由具有相同價態或氧化態之較大離子替換。在一個特定實施例中，表面層中之離子及較大離子為一價鹼金屬陽離子，諸如Li+(當存在於玻璃中時)、Na+、K+、Rb+及Cs+。或者，表面層中之一價陽離子可替換為除鹼金屬陽離子之外的一價陽離子，諸如Ag+、 Tl+、Cu+或類似者。
離子交換製程在成形玻璃物件的表面處產生壓縮應力。此等壓縮應力在成形玻璃物件的表面下方延伸至一定深度，稱為層深度。壓縮應力藉由抗拉應力(稱為中心張力)平衡，以使得成形玻璃物件中的淨應力為零。成形玻璃物件的表面處壓縮應力之形成使玻璃強韌並抗機械破壞，且因此減緩成形玻璃物件因不延伸穿過層深度之裂縫的嚴重破裂。
在一個實施例中，當玻璃物件置放在離子交換浴中時，成形玻璃物件藉由離子交換化學強化，在該離子交換中，玻璃表面附近的較小鈉離子與較大鉀離子交換。較小鈉離子與較大鉀離子的替換致使壓縮應力層在玻璃物件之表面內生成。壓縮應力在玻璃物件之表面下方延伸至特定層深度(壓縮應力層)。壓縮表面層從上表面及底面表面延伸至層深度。壓縮表面層藉由在玻璃物件中心處產生內部張力層平衡。
在本文所述之實施例中，成形玻璃物件中藉由強化產生之壓縮應力及層深度足以增大成形玻璃物件的破壞容限，同時亦在不具有將裂縫引入成形玻璃物件中的風險的情況下促進進一步處理(諸如藉由邊緣拋光)。在一個實施例中，壓縮應力可為約200MPa至約1000MPa。在另一實施例中，壓縮應力可為約500MPa至約800MPa。在又一實施例中，壓縮應力可為約650MPa至約900MPa。在一個實施例中，層深度可為約10微米至約80微米。在另一實施例中，層深度可為約30微米至約60微米。在又一實施例中，層深度可為約40微米至約60微米。
在實施例中，當其他形式之化學強化(諸如離子交換)不能夠與玻璃組成物相容時，蝕刻製程可用作強化製程。已經區別地蝕刻直至成形玻璃部件完全蝕刻穿並且已從基板片上移除的部件相較於經CNC機械加工之部件，可展示出極顯著的強度增長。
例如，在由於玻璃過薄(諸如小於約0.4mm厚或甚至小於約0.3mm厚)，或由於玻璃組成物不含適合於離子交換之元素而不能藉由離子交換進行強化的玻璃物件中，蝕刻製程可用於強化玻璃物件。在不受任何特定理論約束之情況下，據信，蝕刻製程使表面瑕疵之尖端鈍化，且在一些情況下消除或減小表面瑕疵之深度，該等表面瑕疵可弱化玻璃物件。在實施例中，藉由以上所揭示的雷射破壞及蝕刻方法形成之玻璃可在約5kg之力下具有約50%之破裂率，或在約4kg之力下具有小於20%之破裂率。
第7圖圖示對僅藉由CNC產生之玻璃(藉由正方形表示)及藉由雷射破壞及蝕刻產生之玻璃(藉由圓形表示)的環對環測試的結果。環對環測試藉由以下步驟進行：將具有第一直徑之第一環置放在玻璃物件之第一表面上。具有第二直徑之第二環置放在玻璃物件之第二表面上，該第二表面與第一表面相對。第一環具有之內直徑大於第二環之外直徑。以相對較緩之速率將力施加至第二環直至玻璃物件破裂，諸如藉由斷裂或破碎。如第7圖所圖示，藉由CNC形成之玻璃物件在約2kg之力下具有約90%之破裂率。然而，使用上述雷射破壞及蝕刻方法形成之玻璃物件在約5kg下具有 (例如)約為50%之破裂率。第7圖所圖示之曲線圖指示相較於僅藉由CNC方法形成之玻璃物件，使用雷射破壞及蝕刻方法形成之玻璃物件具有更大強度。
在一些實施例中，玻璃基板在雷射破壞及蝕刻步驟之後強化。然而，在其他實施例中，玻璃基板可在雷射破壞及蝕刻步驟之前強化。
在玻璃基板在雷射破壞及蝕刻步驟之前強化之實施例中，且參照第1圖，雷射源122可以範圍為約60kHz至約200kHz之重複率操作。雷射源122之輸出功率及耦合光學器件126之聚焦狀況應使得光束焦點中之能通量及能量強度處於或略高於平坦玻璃基板片之破壞閾值。在實施例中，雷射源122之輸出功率可小於或等於約0.6W，諸如約0.4W至約0.6W。在一些實施例中，雷射源122之輸出功率可為約0.5W。在不受任何特定理論約束之情況下，據信邊緣粗糙度可藉由使用具有等於或低於0.6W之雷射源減小至1.5μm至2.0μm。特定而言，在約0.4W至約0.6W之雷射源輸出功率下，鹼金屬鋁矽酸鹽玻璃中之邊緣粗糙度似乎相對恆定。
在玻璃基板在雷射破壞及蝕刻步驟之後強化之實施例中，且再次參照第1圖，雷射源122可以約5kHz至約40kHz之重複率操作，諸如約10kHz。在實施例中，雷射源122之輸出功率可等於或小於0.6W，諸如約0.1W至約0.4W，諸如約0.15W至約0.3W，視玻璃基板之厚度及壓縮應力而定。在一些實施例中，雷射源122之輸出功率可為約0.2W至約0.25W。在不受任何特定理論約束之情況下，據信雷射在玻 璃中產生多個微裂縫，以便雷射破壞區域中之玻璃體積增加。此膨脹可產生雷射誘導之熱效應，該等雷射誘導之熱效應形成以現有應力型樣疊加之額外壓縮應力及抗拉應力。此額外應力可與雷射功率成比例，並可使玻璃更接近脆度極限。若雷射功率過低，該雷射功率使雷射破壞過薄且不作為對周圍玻璃中高應力之緩衝。若雷射功率過高，該雷射功率產生較強應力，該等應力不能藉由雷射破壞減小。在此等情況下，玻璃均可能破裂。
在以上實施例之任一者中(亦即，玻璃基板在雷射破壞及蝕刻之前還是之後強化)，在一些實施例中，脈衝雷射束之平移速度可介於約50mm/s與約2m/s之間。在其他實施例中，脈衝雷射之平移速度可為約50mm/s至約300mm/s，諸如約250mm/s。
應瞭解，除上述彼等參數外的雷射參數可用以形成雷射缺陷區域。雷射脈衝能可視參數及耦合光學器件126而定在約5μJ至數百微焦之間變化，該等參數諸如玻璃性質、平移速度、雷射重複率，該等耦合光學器件126可具有(例如)介於0.15與0.3或以上之間的數值孔徑(NA)。
孔及/或形狀可切入平坦玻璃薄板中以形成(例如)平坦玻璃片之斜邊或曲邊以及最終產品之設計所需的平坦玻璃薄板中之孔，在該最終產品中將使用玻璃(例如，手機、平板電腦等)。
在實施例中，玻璃物件可形成作為中介層，諸如用於數位光處理(DLP)裝置或其他微機電系統(MEMS)。在 該等實施例中，且參照較第8A圖，玻璃晶圓810可藉由任何適當之方法形成且塗佈有抗反射塗層。應瞭解，儘管第8A圖中所圖示之玻璃晶圓810為圓形，但玻璃晶圓可具有任何形狀。抗反射塗層不受特定限制，且在實施例中可為氮化鈦或氮化鈮，並且可藉由任何適當之方法塗覆，諸如噴塗、浸塗或手動塗覆。玻璃晶圓810亦可經圖案化(例如)為具有網格圖形815，如第8A圖所圖示。網格圖形815可由黏合劑形成，該黏合劑諸如環氧樹脂、胺甲酸乙酯及聚醯亞胺。為形成DLP或MEMS，可形成中介層820。如第8A圖中所示，中介層820可具有圖案化之通孔825，該等通孔藉由上述雷射破壞及蝕刻方法形成。第8A圖中所圖示之通孔825為矩形並對應於形成在玻璃晶圓810上之網格圖形815，以便可藉由使中介層820與玻璃晶圓810接觸將中介層820黏附至玻璃晶圓810，該玻璃晶圓810可包含黏合劑以形成第8B圖中所圖示之DLP或MEMS夾持器830。DLP晶片或其他MEMS可插入中介層820中之通孔825中以形成適合用於最終產品之裝置。在實施例中，中介層820由玻璃形成，該玻璃未(諸如)藉由離子交換處理強化，且蝕刻製程用以強化該中介層，如上所述。在實施例中，藉由以上所揭示的雷射破壞及蝕刻方法形成之玻璃可在約5kg之力下具有約50%之破裂率，或在約4kg之力下具有小於約20%之破裂率(見第7圖)。
在一些實施例中，包含藉由上述雷射破壞蝕刻製程形成之孔及/或形狀的平坦玻璃薄板在無進一步再成形之情況下用於最終產品。然而，在以下詳細論述之其他實施例中， 雷射破壞及蝕刻製程在平坦玻璃基板上進行，以對隨後使平坦玻璃基板成形為成形玻璃物件之步驟進行預補償。
現參照第9圖，示意性圖示成形玻璃物件100的一個非限制性實例。舉例而言，成形玻璃物件100可經設置為可攜式電子裝置之蓋玻璃。應瞭解，實施例並不限於所有圖式中所圖示的成形玻璃物件，且成形玻璃物件可用於任何應用，諸如但不僅限於，電視、廚房器具、車輛及指示牌。第9圖所圖示的成形玻璃物件100具有彎曲周邊區域104，該彎曲周邊區域104在z軸方向上從平坦部分103向下彎曲，並終止於邊緣102。另外，成形玻璃物件100具有經設置為孔的穿透式特徵結構106，以及經設置為狹縫的穿透式特徵結構107。現將描述成形玻璃物件(諸如第9圖所圖示之成形玻璃物件100)的製造。
現參照第10圖，該圖為藉由雷射破壞及化學蝕刻製程由平坦玻璃基板片製造成形玻璃物件的製程的流程圖。首先將對第10圖之流程圖進行一般描述，且隨後將對每個製程進行更詳細描述。在方塊110中，將雷射用以在平坦玻璃基板片中引發雷射破壞區域。雷射破壞區域從玻璃基板片之第一表面延伸至第二表面，且雷射破壞區域藉由雷射誘發之微裂縫、光譜缺陷及類似者界定。在方塊113之蝕刻製程期間，相較於非破壞區域，雷射破壞區域經較佳地蝕刻。
雷射破壞區域具有初始幾何形狀，該初始幾何形狀對在方塊111之再成形製程期間發生的平坦玻璃基板片之變形進行預補償。因此特定雷射破壞區域之初始幾何形狀可與 成形玻璃物件之邊緣或穿透式特徵結構之所需幾何形狀不同。意在提供將與平坦玻璃基板片分離之玻璃物件之邊緣的特定雷射破壞區域可具有包含曲線狀之初始幾何形狀；然而，經再成形製程之後，雷射破壞區域改變形狀成為直線，該直線表示所需成形玻璃物件之所需直邊緣。
在方塊111，平坦玻璃基板片藉由再成形製程再成形。再成形製程可為能夠三維地使平坦玻璃基板片再成形以界定一或多個成形玻璃物件的任何製程。該等再成形製程包括但不僅限於：壓模、重力下垂、加壓成型以及局部加熱及彎曲。在若干應用中，再成形製程產生成形玻璃物件之彎曲周邊區域。舉例而言，蓋玻璃之彎曲周邊區域對於終端使用者可為美觀的。如上所述，當玻璃再成形為所需形狀，雷射破壞區之初始幾何形狀改變為所需幾何形狀。為移除在玻璃薄板製造製程及/或再成形製程期間產生之內部應力，成形玻璃基板片可隨後在方塊112中藉由退火製程退火。該退火製程可為任何已知或待開發之退火製程。
在方塊113中，再成形之玻璃基板片經受蝕刻劑溶液以較佳地蝕刻雷射破壞區域，同時最低程度地蝕刻非破壞區域。蝕刻製程使一或多個成形玻璃物件與剩餘的再成形之玻璃基板片分離，因為相較於對再成形之玻璃基板片的剩餘非破壞區域，蝕刻劑溶液更有效地蝕刻雷射破壞區域。另外，當雷射破壞區域經完全蝕刻穿時，藉由一或多個雷射破壞區域界定之穿透式特徵結構(例如，孔)的中間部分從再成形之玻璃基板片中退出。在一些實施例中，氫氟酸為蝕刻劑溶 液之主要蝕刻劑，該主要蝕刻劑亦包括礦酸，諸如鹽酸、硫酸及/或硝酸。如以下更詳細描述，蝕刻劑溶液及蝕刻製程可經控制以減少蝕刻時間，減少表面波紋，減小表面粗糙度，使沉渣(sludge)減到最少以及最小化厚度。
隨後，在方塊114中，分離之成形玻璃物件可視情況藉由強化製程強化。在一些實施例中，成形玻璃物件可藉由離子交換化學強化製程強化。如以下更詳細描述，成形玻璃物件之表面層中的離子藉由具有相同價態或氧化態的較大離子替換，藉此在成形玻璃物件之每一表面上形成壓縮表面層。壓縮表面層可抗刮並為成形玻璃物件提供額外強度。
在方塊115中，可將額外處理應用於強化成形玻璃物件，諸如邊緣拋光、觸摸敏感層(例如，銦錫氧化物層)、抗反射層之塗覆以及類似者。
如上所述，平坦玻璃基板片內之雷射破壞區域可具有不同於最終所需幾何形狀的初始幾何形狀，該初始幾何形狀對方塊111處之再成形製程期間的平坦玻璃基板片之形狀的改變進行預補償。第11圖示意性圖示平坦玻璃基板片130，該平坦玻璃基板片130具有界定成形玻璃物件之周邊144的複數個雷射破壞區域145A至145D、界定圓形穿透式特徵結構106之雷射破壞區域148，以及界定狹縫穿透式特徵結構107之雷射破壞區域147。作為實例而非限制，藉由上述穿透式特徵結構界定之成形玻璃物件可作為手機的蓋玻璃，其中圓形穿透式特徵結構106經設計以容納按鈕，且狹縫穿透式特徵結構107經設計以容納揚聲器。
如第11圖所圖示，雷射破壞區域145A至145D、147及148具有初始幾何形狀，該初始幾何形狀不同於成形玻璃物件100之所需形狀(見第9圖)。更特定言之，雷射破壞區域145A至145D為彎曲的或弓形的，以補償再成形製程期間平坦玻璃基板片130之變形。如以下更詳細描述，雷射破壞區域145A至145D、147及148與平坦玻璃基板片130一同改變形狀，以使得在再成形製程之後，該等雷射破壞區域及平坦玻璃基板片最終所需之形狀結束。因此，雷射破壞區域145A至145D、147及148之初始形狀應經選擇，以使得達成最終所需之形狀。應瞭解，第11圖中所圖示之雷射破壞區域145A至145D、147及148之初始形狀僅用於說明，且其他初始形狀亦為可能的。應注意，第11圖中所圖示之雷射破壞區域之曲線經擴大以用於說明。各種雷射破壞區域之初始形狀可基於對在形成期間變形之預測及/或基於實驗性變形數據。
形成雷射破壞線之後，平坦玻璃基板片130藉由再成形製程三維地成形(第10圖中之方塊111)。再成形製程可為能夠使平坦玻璃基板片三維地成形以使得一或多個玻璃物件具有所需形狀的任何製程。該等再成形製程包括但不僅限於：壓模、重力下垂、加壓成型以及局部加熱及彎曲。
例如，局部加熱及彎曲製程包含使平坦玻璃基板片達到預熱溫度，該預熱溫度接近退火點。在一個非限制性實例中，平坦玻璃基板片130為Corning Gorilla 2318玻璃，該玻璃中退火點約為610℃±30℃。隨後，將高度局部加熱應用至待彎曲之平坦玻璃基板片130的局部區域(例如，第11 圖之局部區域150A至150B)，而平坦玻璃基板片130之剩餘區域的絕大部分保持高黏度。該黏度維持足夠高，以使得局部加熱期間施加之熱梯度不導致機械不穩定性或玻璃破裂。此外，為了盡可能地維持成形玻璃物件之外觀，無模具與低黏度之玻璃接觸。以Corning Gorilla 2318為實例，局部區域150A至150D達到局部溫度，該局部溫度介於約700℃與780℃之間。局部加熱速率可介於約每分鐘+30℃與每分鐘+200℃之間。局部區域150A至150B隨後藉由下垂或彎曲力矩之施加彎曲。局部加熱及彎曲再成形製程的態樣進一步描述於2011年11月22申請名稱為「Method and Apparatus for Bending a Sheet of Material into a Shaped Article」的美國專利公開案第2012/0131961號中，該申請案以引用之方式全部併入本文中。
在所使用之再成形製程中，平坦玻璃基板片所經受之溫度應低於玻璃材料之軟化點(特別在彎曲之情況下)，以使得雷射直寫破壞不會被抹除。相應地，雷射破壞區域從再成形製程中倖存，以使得該等雷射破壞區域可在蝕刻製程期間選擇性地蝕刻。
現參照第12圖，該圖示意性圖示成形玻璃基板片130'，其中局部區域150A及150B已經再成形以使玻璃物件100'成形。表示成形玻璃物件之周邊144'的雷射破壞區域以及雷射破壞區域147'及148'之形狀已從初始幾何形狀改變為該等區域所需之幾何形狀。而且，成形玻璃基板片130'現包括介於成形玻璃物件100'與成形玻璃基板片130'之邊緣之間的 周邊凸緣部分160，該周邊凸緣部分160使得在隨後的製程之間以及期間，成形玻璃基板片130'之簡單操縱成為可能。儘管成形玻璃基板片130'中僅圖示單個成形玻璃物件，但應瞭解，一個成形玻璃基板片可提供多個成形玻璃物件，諸如一組成形玻璃物件。應注意，由於邊緣之奇異性(機械的/熱的)，再成形玻璃薄板以產生極佳地擠壓形狀之通常為複雜的。此等邊緣奇異性通常在精確之曲率分佈中引發具有非均勻性之特定缺陷。藉由移除彼等可出現邊緣缺陷之邊緣(例如，周邊凸緣部分160中之邊緣)，可獲得實質上沒有任何邊緣奇異性之成形玻璃物件。
在平坦玻璃基板片藉由再成形製程再成形後，在一些實施例中，成形玻璃基板片隨後可經退火以移除在平坦玻璃基板片之製造及/或再成形製程期間產生的內部應力(第10圖之方塊112)。可使用任何適當之退火製程，諸如使成形玻璃基板片穿過退火爐。
本揭示案之實施例藉由使雷射直寫成形之玻璃基板片經受蝕刻製程而分離成形玻璃物件及/或產生穿透式特徵結構(第10圖之方塊113)。第13圖示意性圖示浸沒在蝕刻劑浴170之蝕刻劑溶液180中的第12圖之成形玻璃基板片130'。
如上所述，由於此等雷射破壞區域中微裂縫之存在，蝕刻劑溶液較佳地蝕刻雷射破壞區域(在第13圖中編號為140)。雷射破壞區域及非雷射破壞區域兩者均同時經蝕刻，但蝕刻速率不同。雷射破壞區域之微裂縫使化學鍵斷裂，並為蝕刻劑更深地穿透進入玻璃基板片提供路徑。因此，在 雷射破壞區域處之蝕刻速率相較於非破壞區域快得多。因此，當蝕刻劑溶液完全蝕刻雷射破壞區域時，成形玻璃物件可從成形玻璃基板片130'之剩餘部分切割或以其他方式移除。此外，諸如孔及狹縫的穿透式特徵結構亦可以此方式製造。
因此，在一個實施例中，將鹼金屬鋁矽酸鹽成形玻璃基板片130'置放在蝕刻劑溶液180之蝕刻劑浴170中，該蝕刻劑浴170以約40kHz之頻率攪拌並維持在小於20℃之溫度下。蝕刻劑溶液包含濃度介於約1M與約3M之間的氫氟酸以及鹽酸。當氫氟酸之濃度大於約2M時，鹽酸之濃度為小於約1M。當氫氟酸之濃度約為1M時，鹽酸之濃度介於約1M與約3M之間。鹽酸可由硫酸或硝酸代替。
成形玻璃物件100已與玻璃基板片分離，以及已形成穿透式特徵結構之後，成形玻璃物件100(見第9圖)可經進一步處理。在一些實施例中，成形玻璃物件藉由強化製程強化(第10圖之方塊114)。成形玻璃物件100可藉由離子交換製程化學強化，該離子交換製程中，玻璃表面層中之離子藉由具有相同價態或氧化態之較大離子替換。在一個具體實施例中，表面層中之離子及較大離子為一價鹼金屬陽離子，諸如Li+(當存在於玻璃中時)、Na+、K+、Rb+及Cs+。或者，表面層中之一價陽離子可替換為除鹼金屬陽離子之外的一價陽離子，諸如Ag+、Tl+、Cu+或類似者。
第14圖示意性圖示強化之成形玻璃物件100的一部分。在一個實施例中，當成形玻璃物件經置放在離子交換浴 中時，成形玻璃物件藉由離子交換化學強化，該離子交換中，玻璃表面附近的較小鈉離子與較大鉀離子交換。較小鈉離子與較大鉀離子的替換致使壓縮應力層在成形玻璃物件之表面內生成。壓縮應力在成形玻璃物件之表面下方延伸至特定層深度(壓縮應力層)。壓縮表面層從上表面131(亦即，第一壓縮表面層190)及底面表面133(亦即，第二壓縮表面層194)延伸至層深度。壓縮表面層藉由在成形玻璃物件中心處產生內部張力層192平衡。
最終，強化之成形玻璃物件可視預期之應用而定，經受進一步處理(方塊115)。在一些實施例中，儘管蝕刻製程移除可能存在之任何邊緣缺陷的絕大多數者，但可執行機械式邊緣拋光。另外，額外層可經塗覆至成形玻璃物件，諸如觸摸敏感層、抗反射層、防眩光層及類似者。
現應瞭解，本文所描述之實施例係針對使用雷射破壞及化學蝕刻製程由平坦玻璃基板片製造三維玻璃物件的方法。雷射破壞區域形成在將與平坦玻璃基板片分離的一或多個所需玻璃物件之邊緣周圍的平坦玻璃基板片中，以及形成在一或多個所需玻璃物件之穿透式特徵結構(例如，狹縫、孔及類似者)周圍。平坦玻璃基板片經再成形以達成一或多個玻璃物件之所需三維形狀。雷射破壞區域經形成具有初始幾何形狀，該初始幾何形狀預先補償平坦玻璃基板片在再成形製程期間的形狀改變，以使得雷射破壞區域在再成形製程後具有所需幾何形狀。在蝕刻期間，玻璃基板片經受蝕刻劑溶液時，雷射破壞區域可經較佳地蝕刻。本文所描述之實施 例可簡化三維玻璃物件之製造。於再成形製程之前在平坦玻璃基板片中形成雷射破壞區域減少了玻璃部件的額外升降及旋轉運動(假設雷射為靜止)，當雷射機械加工成型玻璃基板片時需要該等升降及旋轉運動(例如，再成形製程之後形成雷射破壞區域)。因此，機械加工平坦玻璃基板片可允許更簡單之設備及更高之運行率。相較於CNC機械加工，由於蝕刻減小裂縫之深度並使裂縫變鈍，因此雷射破壞區域之選擇性蝕刻致使成形玻璃物件的更高邊緣強度。
應注意，術語「實質上」及「約」在本文中可用於代表固有的不確定性程度，該固有的不確定性程度可歸因於任何定量比較、值、量測或其他代表。此等術語在本文中亦用於代表定量表示可能與規定參照在不致使討論中之標的物之基本功能發生改變之情況下相關的程度。
雖然本文已圖示並描述具體實施例，應瞭解，可在不脫離所主張標的物之精神及範疇的情況下做各種其它改變與修改。此外，儘管本文已描述所主張標的物之各種態樣，此等態樣不需組合使用。因此後附的申請專利範圍意在涵蓋所有所主張標的物範疇內之改變及修改。
110‧‧‧方塊(步驟)
111‧‧‧方塊(步驟)
112‧‧‧方塊(步驟)
113‧‧‧方塊(步驟)
114‧‧‧方塊(步驟)
115‧‧‧方塊(步驟)

Claims (20)

  1. 一種形成一玻璃物件之方法，該方法包含以下步驟：提供一玻璃基板片；將一脈衝雷射束平移(translating)至該玻璃基板片上以形成一雷射破壞區域，該雷射破壞區域從該玻璃基板片之一第一表面延伸至該玻璃基板片之一第二表面，其中：該脈衝雷射束具有紫外光譜之內的一波長以及約0.1W至約2.0W的一功率；且該雷射破壞區域包含複數個缺陷線；用一蝕刻劑溶液塗覆該玻璃基板片，該蝕刻劑溶液包含約1M至約3M之氫氟酸及鹽酸，其中：若該氫氟酸的一濃度大於約2M，則該鹽酸的一濃度小於約1M；且若該氫氟酸之該濃度小於約2M，則該鹽酸之該濃度介於約1M與約3M之間；藉由一離子交換強化製程強化該玻璃基板片；以及在該玻璃基板片上塗佈一耐酸塗層。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該玻璃基板片在該脈衝雷射束經平移至該玻璃基板片上之前經強化，且其中該脈衝雷射具有約0.1W至約0.4W之一功率。
  3. 如請求項1所述之方法，其中該玻璃基板片在該脈衝雷射束經平移至該玻璃基板片上之後經強化，且其中該脈衝雷 射具有約0.4W至約0.6W之一功率。
  4. 如請求項1所述之方法，其中該耐酸塗層在該雷射束經平移至該玻璃基板片上之前經塗覆至該玻璃基板片上，且其中在該玻璃基板片經塗覆至該玻璃基板片之後，該耐酸塗層從該玻璃基板片移除。
  5. 如請求項1所述之方法，其中該耐酸塗層包含乙烯丙烯酸、蠟聚合物及水。
  6. 如請求項1所述之方法，其中該耐酸塗層具有約1μm至約15μm的一厚度。
  7. 如請求項1所述之方法，其中該玻璃基板片包含約5莫耳%至約14莫耳%之鹼土金屬氧化物。
  8. 如請求項1所述之方法，其中該雷射破壞區域不與該玻璃基板片之一邊緣接觸。
  9. 如請求項1所述之方法，將該蝕刻劑溶液塗覆至該玻璃基板片包含使用該蝕刻劑溶液噴塗該玻璃基板片。
  10. 如請求項1所述之方法，其中將該蝕刻劑溶液塗覆至該玻璃基板片包含將該玻璃基板片浸沒在該蝕刻劑溶液的一浴 中，其中：該蝕刻劑溶液之該浴的一溫度為小於約30℃；且該蝕刻劑溶液之該浴以約40kHz之一超聲攪拌頻率攪拌，直至該雷射破壞區域周圍的該玻璃基板片之一部分實質上經移除，藉此形成該成形玻璃物件。
  11. 如請求項1所述之方法，其中：該脈衝雷射束以多個道次平移至該玻璃基板片上；且該脈衝雷射束之一焦點在每個道次經修改，以使得該雷射破壞區域藉由複數個雷射破壞線界定，該等雷射破壞線從該玻璃基板片之一主體內的該第一表面延伸至該第二表面。
  12. 一種形成一成形玻璃物件之方法，該方法包含以下步驟：提供一玻璃基板片；將一脈衝雷射束平移至該玻璃基板片上以在該玻璃基板片的一第一表面與一第二表面之間形成一雷射破壞區域，其中該雷射破壞區域包含一初始幾何形狀；使該玻璃基板片再成形以在該玻璃基板片之一局部區域處形成一彎曲，其中：該雷射破壞區域之至少一部分在該局部區域內；且在該玻璃基板片之再成形之後，該雷射破壞區域的一幾何形狀從該初始幾何形狀改變為一所需幾何形狀，以使得該雷射破壞區域之該初始幾何形狀對該玻璃基板片之彎曲進行補償；以及 將一蝕刻劑溶液塗覆至該玻璃基板片以移除該雷射破壞區域周圍的該玻璃基板片之一部分，以形成該玻璃物件。
  13. 如請求項12所述之方法，其中該玻璃基板片藉由以下步驟再成形：預加熱該玻璃基板片至一預熱溫度；以及加熱該玻璃基板片之該局部區域至大於該預熱溫度的一局部溫度，藉此使該玻璃基板片在該局部區域處彎曲，其中該預熱溫度及該局部溫度低於該玻璃基板片之一軟化點。
  14. 如請求項12所述之方法，其中：該脈衝雷射束具有紫外光譜之內的一波長；且該脈衝雷射束之一功率介於約0.5W與約2.0W之間。
  15. 如請求項12所述之方法，其中：該脈衝雷射束以多個道次(multiple passes)平移至該玻璃基板片上；且該脈衝雷射束之一焦點在每個道次經修改，以使得該雷射破壞區域藉由複數個雷射破壞線界定，該等雷射破壞線從該玻璃基板片之一主體內的該第一表面延伸至該第二表面。
  16. 如請求項15所述之方法，其中該等複數個雷射破壞線之相鄰雷射破壞線相對於彼此偏離。
  17. 如請求項15所述之方法，其中該脈衝雷射束相對於該玻璃基板片之一位置在每個道次經調整，以使得該等複數個雷射破壞線在該玻璃基板片之該主體中界定從該玻璃基板片之該第一表面至該玻璃基板片之該第二表面的一曲線。
  18. 如請求項15所述之方法，其中該成形玻璃物件藉由一離子交換強化製程強化。
  19. 一種形成一成形玻璃物件之方法，該方法包含以下步驟：提供一玻璃基板片；將一脈衝雷射束平移至該玻璃基板片上以形成一雷射破壞區域，該雷射破壞區域從該玻璃基板片之一第一表面延伸至該玻璃基板片之一第二表面，其中：該脈衝雷射束具有紫外光譜之內的一波長以及約0.5W至約2.0W的一功率；該雷射破壞區域包含複數個缺陷線；且該雷射破壞區域包含一初始幾何形狀；將該玻璃基板片浸沒在蝕刻劑溶液之一浴中，該蝕刻劑溶液包含約1M至約3M之氫氟酸及鹽酸，其中：若該鹽酸之一濃度大於約2M，則該鹽酸之一濃度小於約1M；若該鹽酸之該濃度小於約2M，則該鹽酸之該濃度介於約1M與約3M之間；且 蝕刻劑溶液之該浴的一溫度小於約30℃；以及在約40kHz之一超聲攪拌頻率下攪拌蝕刻劑溶液之該浴，直至該雷射破壞區域周圍的該玻璃基板片之一部分實質上經移除，藉此形成該成形玻璃物件。
  20. 一種玻璃物件包含：一玻璃晶圓，該玻璃晶圓包含具有一抗反射塗層的一表面；以及一中介層，該中介層黏著至該玻璃晶圓包含該抗反射塗層之該表面的一中介層，且包含複數個通孔，其中：該中介層未經化學強化，且使用一環對環測試量測，該中介層在約5kg的一力下具有約50%的一破裂率。
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