TW201722606A - 具有穿孔之玻璃為主的基板以及形成該基板的製程 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種包括可鍍金屬化貫穿孔的玻璃感測器基板和相關製程。該玻璃基板具有一第一主表面、一第二主表面和大於0.3mm的平均厚度。藉由在具有預定樣式的該基板處引導雷射，形成穿過該玻璃基板的多個蝕刻通路。使用一基於氫氧化物的蝕刻材料，沿該蝕刻通路，穿過該玻璃基板蝕刻多個貫穿孔。該基於氫氧化物的蝕刻材料優先沿該蝕刻通路蝕刻所述基板。該多個貫穿孔中的每一個都比該多個貫穿孔的直徑長，例如，這樣使得該玻璃基板的厚度與該些貫穿孔中的每一個的最大直徑之間的比例大於8比1。

Description

具有穿孔之玻璃為主的基板以及形成該基板的製程
本公開大體涉及玻璃為主的基板材料，以及具體涉及具有貫穿孔的玻璃為主的基板材料，該些貫穿孔的尺寸足以進行金屬化，可用於感測器佈置中，諸如可攜式電子設備上的指紋感測器。
指紋感測器已大量用於可攜式電子設備上，諸如智能手機。這些感測器一般使用基板層來支撐將感測設備(例如，電容感測器)與處理電路(例如，指紋特殊應用積體電路(ASIC))連接的傳導層，該處理電路構造為接收和處理來自該感測設備的感測信號。
本公開的一實施例涉及形成包含可鍍金屬化貫穿孔的玻璃感測基板的製程。該製程包括提供一玻璃基板，且該玻璃基板具有一第一主表面、與該第一主表面相對的一第二主表面和大於0.3mm的平均厚度。該製程包括在具有預定樣式的該基板處引導雷射，製造穿過該玻璃基板的多個蝕刻通路。該製程包括使用一基於氫氧化物的蝕刻材料，沿該蝕刻通路，穿過該玻璃基板蝕刻多個貫穿孔。該基於氫氧化物的蝕刻材料優先沿該蝕刻通路蝕刻該基板，使該蝕刻材料沿蝕刻通路的蝕刻速率至少為該蝕刻通路之外的蝕刻材料之蝕刻速率的12倍。該多個貫穿孔中的每一個都比該多個貫穿孔的直徑長，這樣使得該玻璃基板的厚度與該些貫穿孔中的每一個的最大直徑之間的比例大於8比1。
本公開的另一實施例涉及玻璃感測器基板，配置為支撐感測元件和將該測感元件與處理電路連接的導電材料。該玻璃感測器基板包括一第一主表面和與該第一主表面相對的一第二主表面。該玻璃感測器基板包括一內部區域，位於該第一和第二主表面之間。該玻璃感測器基板包括多個化學蝕刻貫穿孔，穿過該內部區域，在該第一和第二主表面之間延伸。該些貫穿孔中的每一個具有一最大直徑和一最小直徑，且該基板具有大於0.3mm的平均厚度。該多個貫穿孔中的每一個的最大直徑都小於100μm。該些貫穿孔實質上並不是沿著該些貫穿孔的長度狹長的，這樣使得該些貫穿孔中的每一個的最小直徑與最大直徑之間的比例大於0.5，從而使得該導電材料填充進該些貫穿孔內，以提供該第一主表面和該第二主表面之間的一導電通路。
本公開另一實施例涉及玻璃基板。該玻璃基板包括一第一主表面和與該第一主表面相對的一第二主表面。該玻璃基板包括多個貫穿孔，該多個貫穿孔在該第一和第二主表面之間延伸，且該些貫穿孔中的每一個都具有一最大直徑和一最小直徑。該玻璃基板為一多組分玻璃材料，包括50-75 mol%的SiO2 和10-20 mol%鹼金屬氧化物，其中該鹼金屬氧化物至少為Li2 O、Na2 O、K2 O、Rb2 O和Cs2 O中的一種。該第一主表面與該第二主表面之間的平均距離大於0.3mm。該第一主表面和該第二主表面之間的平均距離與該多個穿孔中每個的最大直徑之間的比例都大於8比1。每個該穿孔的最小直徑與最大直徑之間的比例大於0.5。
本公開的附加特徵和優點將在隨後的詳細說明中闡述，且所屬技術領域中具有通常知識者將從該詳細說明中熟知或透過實踐如本文說明書中描述的實施例、申請專利範圍和附圖而認可其部分。
應當理解，上述一般說明和以下詳細說明都僅為範例，並且上述一般說明和以下詳細說明意欲提供用於理解本申請專利範圍的本質和特性的概述和框架。
本說明書包括該附圖，以提供對本公開的進一步理解，並且該附圖併入本說明書且構成本說明書的一部分。附圖圖示一個或數個實施例，且與說明一起用來解釋各種實施例的原理和操作。
本發明所使用之術語「玻璃為主」即表示玻璃，也表示玻璃陶瓷。
本發明所使用之術語「穿孔」表示從第一表面穿過基板的厚度延伸至第二表面的孔洞。
本發明所使用之術語「盲孔」表示從第一表面或第二表面中的一個，僅部分穿過基板的厚度，但不一直延伸至另一個第一或第二表面的孔洞。
大體可參考附圖，圖示和說明了具有穿孔的玻璃為主的基板和形成該玻璃基板的相關製程。該玻璃為主的基板可以用在應用中，其中，可以使用具有穿孔的基板來支撐包括但不限於感測器，例如指紋感測器、半導體設備、射頻(RF)設備（諸如天線、開關等等）、插入式設備、微電子設備、光電設備以及微電子機電系統(MEMS)設備。本發明所述之製程，為透過基於氫氧化物的蝕刻製程使高長寬比(例如，長度與寬度/直徑的高比值)的穿孔形成於相對較厚的基板材料(例如，厚度大於0.3mm)內。本發明所論述之玻璃為主的基板相對較厚，且能夠使其強化(例如，化學回火、熱回火)，以提供一穩固、有力和抗摔的基板。本發明所論述之高長寬比穿孔是足夠寬的並且/或者具有與該穿孔長度高度一致的寬度，以使得該穿孔中能填充入導電材料，例如，使用金屬化方法，使得本發明該論述的相對較厚和穩固的基板可用於感測應用中，且使其允許存在相對較高的信號雜訊比。應當知道，至少對於一些感測器類型來說，採用金屬化穿孔，以使得足夠的感測器信號從感測設備穿過基板，傳送至與該感測器相關的處理電路。
在一些實施例中，該製程的開始是將雷射(諸如，皮秒雷射)引導至基板上的多個位置處。該雷射與該基板相互作用，以形成多個穿過該基板的蝕刻通路或殘損通路。一般認為，與該基板中未與該雷射相互作用之相鄰部分相比，該雷射與基板之間的相互作用，沿該雷射的通路，有差別地改變了該基板的結構和/或化學成分。第2015/0166395號描述了形成蝕刻通路/殘損通路的範例式製程，以該申請案內容為依據並且透過引用以整體納入本文。在一些實施例中，多種基於氫氧化物的蝕刻劑以優先蝕刻速率，沿雷射殘損軌跡，優先蝕刻基板。該優先蝕刻製成的相對較寬的長孔/穿孔，具有與該穿孔長度高度一致的寬度/直徑(例如，該穿孔具有低錐度、不會朝向該穿孔中心顯著地收縮等)，這使得可以透過有利的、低廉的製程來實現金屬化，諸如可以透過金屬塗層應用來實現金屬化。一般認為，可以使用本發明所論述之製程，使最小穿孔直徑與最大穿孔直徑的差低至5μm。相比之下，使用傳統的基於氫氟酸的蝕刻，可以使最小穿孔洞直徑與最大穿孔直徑的差多達35μm。
另外，本發明所論述之基於氫氧化物的蝕刻劑亦能夠以絕對高蝕刻速率進行蝕刻，從而可以以相對較低的蝕刻次數，製成所需直徑的穿孔。進一步，與傳統的基於氫氟酸的蝕刻技術相比，本發明所論述之基於氫氧化物的蝕刻製程相對安全，這是由於該基於氫氧化物的蝕刻劑傾向於比氫氟酸更低毒性、更低揮發性以及更低腐蝕性。在多種實施例中，與傳統的氫氟酸蝕刻系統相比，在亦使用較低複雜度和較便宜的蝕刻系統的同時，本發明所論述之製程亦提供本發明所論述之改良的蝕刻效能。例如，在至少一些實施例中，本發明所論述之基於氫氧化物的蝕刻系統不使用超聲波或機械攪拌/振動來實現優先的蝕刻速率。
參考第1圖，以製程10圖示了依據一範例式實施例形成玻璃為主的基板的製程流程圖。步驟12中，提供一玻璃為主的基板，諸如玻璃為主的薄片或玻璃為主的晶片。步驟14中，透過在預定樣式的基板處引導該雷射，形成多個穿過該玻璃為主的基板的蝕刻通路。步驟16中，使用基於氫氧化物的蝕刻材料，沿該蝕刻通路，形成多個穿過該玻璃為主的基板的穿孔。在一些實施例中，該些穿孔都為貫穿孔、在其他實施例中，該孔洞都為盲孔、以及在其他實施例中，該穿孔為盲孔和貫穿孔的結合。
參考第2圖，依據一範例式實施例圖示了步驟12處所提供的玻璃為主的基板的詳細視圖。第2圖以玻璃為主的基板20圖示了玻璃為主的基板。玻璃為主的基板20包括以下表面22圖示的一第一主表面、以上表面24圖示的一第二主表面。玻璃為主的基板20具有一厚度，諸如以T1圖示的平均厚度。在多種實施例中，T1大於0.3mm，更具體地為大於0.5mm。在更具體的實施例中，T1大於0.3mm且小於1.1mm，具體地為大於0.5且小於1.1mm。在一具體地範例式實施例中，T1為0.7mm。透過使用干涉儀，在至少三個點處量測玻璃基板的厚度，並取該量測值的平均數，以確定平均厚度。
在多種實施例中，可以由任何適於以蝕刻形成貫穿孔的玻璃或玻璃陶瓷材料製成玻璃為主的基板20。在一些實施例中，基板可以為玻璃，且該玻璃可以包括熔融石英、含鹼玻璃(例如，含鹼鋁矽酸鹽玻璃)、無鹼玻璃(例如，無鹼硼鋁矽酸鹽玻璃)或夾層中含有不同玻璃成分的夾層玻璃片。在一具體實施例中，玻璃基板20為多組分玻璃材料。在多個實施例中，玻璃基板20為多組分玻璃材料，包括50-75 mol%的SiO2 和10-20 mol%的鹼金屬氧化物，其中，該鹼金屬氧化物至少為Li2 O、Na2 O、K2 O、Rb2 O和Cs2 O中的一種。在多種實施例中，該多組分玻璃能夠透過離子交換製程進行回火，將在下面進行更詳細的論述。在一些範例式實施例中，玻璃基板20可以為美國專利申請第2012/0111057號所述的強化玻璃材料中的任一種，該申請案整體併入本發明作為參考。在一些範例式實施例中，玻璃基板20可以為美國專利申請第2005/0142364號所述之強化玻璃材料中的任一種，該申請案整體併入本發明作為參考。
在多種實施例中，本發明所述的玻璃為主的基板20可以包括眾多成分。在一實施例中，玻璃為主的基板20包括含鹼鋁矽酸鹽玻璃。在一些實施例中，該含鹼鋁矽酸鹽玻璃包括，基本包含，或包含：60-70mol% SiO2 、6-14mol% Al2 O3 、0-15mol% B2 O3 、0-15mol% Li2 O、0-20mol% Na2 O、0-10mol% K2 O、0-8mol% MgO、0-10mol% CaO、0-5mol% ZrO2 、0-1 mol% SnO2 、0-1 mol% CeO2 、低於50 ppm的As2 O3 、以及低於50ppm的Sb2 O3 ，其中，12mol%≦Li2 O+Na2 O+K2 O≦20mol%以及0mol%≦MgO+CaO≦10mol%。在一些實施例中，該含鹼鋁矽酸鹽玻璃包括，基本包含，或包含：64mol%≦SiO2 ≦68mol%、12mol%≦Na2 O≦16mol%、8mol%≦Al2 O3 ≦12mol%、0mol%≦B2 O3 ≦3mol%、2mol%≦K2 O≦5mol%、4mol%≦MgO≦6mol%，以及0mol%≦CaO≦5mol%，其中，66mol%≦SiO2 +B2 O3 +CaO≦69mol%、Na2 O+K2 O+B2 O3 +MgO+CaO+SrO＞10mol%、5mol%≦MgO+CaO+SrO≦8mol%、(Na2 O+B2 O3 )—A12 O3 ≦2 mol%、2mol%≦Na2 O—Al2 O3 ≦6mol%，以及4mol%≦(Na2 O+K2 O)—Ai2 O3 ≦10mol%。在其他實施例中，該含鹼鋁矽酸鹽玻璃包括，基本包含，或包含：5-50wt% SiO2 、2-20wt% A12 O3 、0-15wt% B2 O3 、1-20wt% Na2 O、0-10wt% Li2 O、0-10wt% K2 O，以及0-5wt% (Mg)+CaO+SrO+BaO)、0-3wt% (SrO+BaO)，以及0-5wt% (ZrO2 +TiO2 )，其中，0≦(Li2 O+K2 O)/Na2 O≦0.5。
在其他實施例中，在對基於氧化物的批料並以摩爾百分比為單位計算時，製成玻璃為主的基板20的玻璃成分包括以下成分：55-80 SiO2 、12-30 Al2 O3 和2-15 P2 O5 。在一些實施例中，製成玻璃為主的基板20的玻璃成分包括改良氧化物。在一些實施例中，至少一種改良氧化物從一組中選擇，該組包括總量不超過15mol%的Y2 O3 、ZrO2 、HfO2 、MgO、CaO、SrO、BaO、As2 O3 、SnO2 、Li2 O、La2 O3 、GeO2 、Ga2 O3 、Sb2 O3 、Na2 O、K2 O、Rb2 O、Cs2 O、BeO、Sc2 O3 、TiO2 、Nb2 O5 、Ta2 O5 、ZnO、CdO、PbO、Bi2 O3 、Gd2 O3 、 Lu2 O3 和/或B2 O3 。在其他實施例中，至少一種該改良氧化物從一組中選擇，該組包括總量不超過7 mol%的Y2 O3 、ZrO2 、HfO2 、MgO、CaO、SrO、BaO、As2 O3 、SnO2 、Li2 O、La2 O3 、GeO2 、Ga2 O3 、Sb2 O3 、Na2 O、K2 O、Rb2 O、Cs2 O、BeO、Sc2 O3 、TiO2 、Nb2 O5 、Ta2 O5 、ZnO、CdO、PbO、Bi2 O3 、Gd2 O3 、Lu2 O3 和/或B2 O3 。
在多種實施例中，基板20具有大小足以用作感測器基板的寬度或直徑(例如，表面22和/或24的寬度或直徑)。在多種實施例中，基板20的寬度或直徑在25mm和500mm之間，具體在50mm和300mm之間，更具體地在100mm和200mm之間。在一範例式實施例中，基板20為具有約150mm的直徑和約0.7mm的厚度的圓盤。
參考第3圖，依據一範例式實施例圖示了步驟14處製造蝕刻通路的示意圖。如第3圖圖示，移動、對準或控制雷射設備30，以將預定樣式的雷射32引導至基板20上。雷射32與基板20之材料相互作用，且認為透過基板20在雷射相互作用的通路上產生物理或化學變化，該相互作用形成多個蝕刻通路，該變化如雷射殘損軌跡34圖示。殘損軌跡34透過基板20的整體或一部分，在雷射32的傳輸通路上延伸，在下面將對此作更詳細的論述，殘損軌跡34為基板20的優先蝕刻提供位置，以在基板20內形成孔洞(盲孔和/或穿孔)。在一些實施例中，基於基板20將使用感測器之特定感測器部件和處理電路的構造，選擇殘損軌跡34(之後，選擇蝕刻後的穿孔位置)的樣式。
在多種實施例中，與蝕刻後孔洞之最終大小相比，殘損軌跡34具有相對較小的直徑或寬度。在多種實施例中，殘損軌跡34具有介於0.05μm和1μm之間的直徑，具體約為0.3μm(例如，0.3μm的基礎上加或減10%)。
在多種實施例中，雷射32可以為適合形成殘損軌跡34的多種雷射。在多種實施例中，基於基板20之一個或多個特徵，諸如厚度或玻璃類型，以及/或者基於步驟16中形成穿孔所使用的蝕刻劑的特別類型，選擇或控制雷射32的一個或多個參數(例如，功率、波長、時間等)形成殘損軌跡34。在具體實施例中，雷射32為皮秒線聚焦雷射，具體為具有雷射波長為1064nm的皮秒線聚焦雷射。
參考第1圖和第4圖，圖示和說明了蝕刻步驟16。一般來說，在形成殘損軌跡34之後，將基板20放入蝕刻劑溶液中。在多種實施例中，蝕刻材料為氫氧化物蝕刻材料，與參數軌跡34外的區域相比，優先在殘損軌跡34的位置蝕刻基板20。如第4圖圖示，在該實施例中，多種基於氫氧化物的蝕刻材料具有優先蝕刻速率。本發明所使用的「優先蝕刻速率」指的是殘損軌跡34位置處的玻璃為主的材料的蝕刻速率。本發明所使用之「未殘損蝕刻速率」指的是未受到雷射殘損的玻璃為主的材料的蝕刻速率(例如，不處於殘損軌跡/蝕刻通路側邊位置的玻璃為主的材料區域)。
例如，在一些該實施例中，本發明所論述之基於氫氧化物的蝕刻材料具有一優先蝕刻速率，該蝕刻材料以該優先蝕刻速率，將材料沿殘損軌跡34移出該基板，該優先蝕刻速率至少為殘損軌跡34之外部分基板所經歷的未殘損蝕刻速率的12倍。在一些實施例中，本發明所論述之基於氫氧化物的蝕刻材料具有沿殘損軌跡34的優先蝕刻速率，該優先蝕刻速率是殘損軌跡34之外部分基板所經歷的未殘損蝕刻速率的30到70倍。應當知道，本發明所論述之優先蝕刻速率使得可在相對較厚的基板20內形成孔洞，且亦使得可形成穿孔，穿過基板20的中間位置基本不會變窄。應當知道，優先蝕刻速率使得可在不對殘損軌跡34外面區域之過多基板材料進行沒必要的移除的情況下，在基板20快速形成孔洞。
除了顯示優先蝕刻速率，本發明所論述之氫氧化物蝕刻材料還具有相對較高的未殘損蝕刻速率。在多種實施例中，本發明所論述之基於氫氧化物的蝕刻材料在殘損軌跡34區域之外具有的未殘損蝕刻速率介於0.02μm/min和0.25μm/min之間。
在多種實施例中，基於氫氧化物的蝕刻材料可以為任何氫氧化物材料。在特定實施例中，基於氫氧化物的蝕刻材料為氫氧化鈉、氫氧化鉀和氫氧化四甲銨中的至少一種，在具體實施例中，這些材料在具有二醇和乙醇的至少一種的含水混合物中製成。在多種實施例中，蝕刻材料的氫氧化物濃度至少為0.5M。在多種實施例中，蝕刻材料可以為濃度介於1M和19.5M之間的氫氧化鈉或氫氧化鉀。在具體實施例中，在蝕刻過程中，蝕刻材料保持在大於攝氏60度，具體保持在攝氏60到175度之間，以及更具體地保持在攝氏60到120度之間。
在多種實施例中，一般認為，由於本發明所論述之製程可實現優先蝕刻速率和未殘損蝕刻速率，所以本公開之製程在將總操作時間保持在令人滿意的低水平的同時，透過相對較厚的基板，形成高長寬比穿孔。在多種實施例中，本發明所論述之製程的總蝕刻時間小於24小時，具體為小於20小時，至少在一些實施例中，小於10小時。在一範例式實施例中，已展現出的是，使用本發明該論述之製程，在不需要機械攪拌或超聲波處理的情況下，透過基板20形成穿孔所用的時間低至3小時。在多種實施例中，本發明所論述之製程的總蝕刻時間在2周和3小時之間，在具體實施例中，本發明該論述的製程的總蝕刻時間為4天。
透過範例，第4圖圖示了以μm /min為單位的兩種蝕刻材料和兩種不同基板材料之未殘損蝕刻速率和優先蝕刻速率的對比曲線圖。在一範例式實施例中，材料Comp A表示成分，該成分具有以下基於氧化物的成分：69.11mol% SiO2 、10.19mol% A12 O3 、15.09mol% Na2 O、0.01mol% K2 O、5.48mol% MgO、0.005mol% TiO2 、0.01mol% Fe2 O3 、0.01mol% ZrO2 和0.13mol% SnO2 ，以及材料代碼EXG表示Corning® Eagle XG® Glass。如第4圖圖示，既使用3M NaOH蝕刻材料，也使用12M NaOH蝕刻材料，以不同蝕刻速率，蝕刻基板材料。第4圖圖示了在本發明之製程中，一般來說，如第4圖中的曲線所示，隨著未殘損蝕刻速率的增加，優先蝕刻速率亦隨著增加。
在另一實施例中，製程10可以包括兩個蝕刻步驟。第一蝕刻步驟為基於氫氧化物的蝕刻步驟，諸如，上面所論述的步驟16。在第一蝕刻步驟中的該實施例中，如第4圖的未殘損蝕刻速率與優先蝕刻速率之間的關係所圖示，使用低蝕刻速率提供了十分優先的蝕刻速率。採用第一優先蝕刻速率沿殘損軌跡34開出穿孔。隨後，增加未殘損蝕刻速率，以快速將穿孔擴展至所需直徑。在多種實施例中，透過增加氫氧化物蝕刻劑濃度和/或溫度，以增加第二蝕刻步驟中的未殘損蝕刻速率。在另一實施例中，第二蝕刻步驟可以採用具有更高蝕刻速率的蝕刻劑，諸如氫氟酸。
參考第5圖，依據一範例式實施例圖示了蝕刻後基板20的詳細視圖。如圖所示，蝕刻後，基板20包括多個孔洞，圖中以貫穿孔40所示，其穿過基板20，穿過基板內部區域44，在表面22和24之間一直延伸。如上所述，在一些實施例中，穿孔40可以為貫穿孔、盲孔或二者的組合。如圖示，貫穿孔40具有相對較高的長寬比(例如，貫穿孔的長度與最大直徑之間的比例)。在各種實施例中，穿孔40的長寬比大於8比1，具體為大於10比1，更具體的為大於12比1。應當知道，在穿孔40為延伸整個基板20之厚度的貫穿孔時，貫穿孔40的長度基本上與本發明所論述之不同厚度T1相同。亦應當知道，在穿孔40為盲孔時，該穿孔的長度將小於基板的厚度。穿孔的長度由干涉儀量測。透過使用光學顯微裝置使孔洞成像和計算擬合穿孔邊沿的最小平方來量測穿孔的直徑。
在各種實施例中，穿孔40沿著穿孔長度在各種點處的直徑，足夠大到容納導電材料，諸如，如金屬化塗層類的金屬化材料，但是，其亦足夠小到基本上無法諧和基板的整體或強度。在一些實施例中，使用任何已知技術，將導電材料填充進孔洞，該技術包括但不限於濺射、非電鍍和/或電鍍、化學氣相沉積等。該導電材料可以為，例如，銅、銀、鋁、鈦、金、鉑、鎳、鎢、鎂或其他任何合適的材料。在各種實施例中，孔洞40的最大直徑，如D1圖示，小於100μm，該孔洞的最小直徑，如D2圖示，大於或等於40μm。
在各種實施例中，製造穿孔40，從而使得沿穿孔長度上不同點處的直徑相對一致。在一些實施例中，沿著穿孔洞40在表面22和24之間的長度，基本上不變窄或不成錐形，此類結構是由本發明所論述之製程的蝕刻速率所創造出的。在各種實施例中，穿孔40基本上不成錐形，從而D2與D1之間的比例大於0.5。在具體實施例中，構造貫穿孔40，從而D2與D1之間的比例在0.8和1之間，具體在0.9和1之間，更具體在0.92和0.98之間。
如第5圖所示，穿孔40由內部表面42所定義。在各種實施例中，內部表面42具有一個或多個表面特徵，該表面特徵與氫氟酸、機械鑽頭或雷射鑽頭所製造的孔之表面不同。在各種實施例中，穿孔40的內部表面42基本上為平滑的，從而內部表面42具有的峰谷比差小於6μm，更具體在3到6μm之間。在各種實施例中，穿孔40的內部表面42基本上不是錐形的，從而沿著穿孔40之長度的錐度小於20%。在各種實施例中，至少與氫氟酸所蝕刻的表面相比，內部表面42為富羥基表面。
除了本發明所論述之改良建構和蝕刻製程，基板20亦可以進行回火，以提高特定應用中所需的強度和抗震性，該特定應用如智能手機感測器應用。在各種實施例中，基板20進行回火，從而靠近表面22和24的該基板的區域處於壓縮應力之下，在一些此類實施例中，基板20的中間區域處於伸展應力之下。應當知道，這些不同的應力提高了基板20的強度和抗震性。
在各種實施例中，基板20之表面22和24處的壓縮應力大於100MPa，在具體實施例中，該壓縮應力大於500MPa。在一實施例中，基板20可以透過加熱和快速冷卻的製程，進行熱回火。在另一實施例中，基板20可以透過，諸如表面離子交換的製程，進行化學回火。應當知道，化學回火將表面附近基板中的小型離子，如Na離子，與稍大的離子，如K離子，進行交換，且稍大離子的存在製造了表面壓縮應力。在一些此類實施例中，壓縮應力層具有從表面22和24而來的至少為10μm的深度，在一些此類實施例中，每個表面處的表面壓縮應力都大於500MPa。至少在一些實施例中，一般認為，定義穿孔40的內部表面42與附近的區域除了處於形成在表面22和24處的壓縮應力之下，亦處於其他處形成的壓縮應力之下。至少在一些實施例中，該壓縮應力可以為孔洞40提供強度和/或耐久性。使用商用儀器，諸如折原實業有限公司(日本)生產的FSM-6000，透過表面應力儀(FSM)，量測表面處的壓縮應力。表面應力量測值取決於應力光學係數的精確量測值，與玻璃的雙折射特性有關。反過來，根據ASTM標準C770-16，題為「玻璃應力光學係數量測的標準試驗方法」中所說明的程序C(玻璃盤法)，量測SOC，該「玻璃應力光學係數量測的標準試驗方法」中的內容已整體併入本發明作為參考。可以透過FSM或散射光偏光儀(SCALP)，根據離子交換處理，量測壓縮應力層的深度。透過將鉀離子交換入基於玻璃之物件中，在玻璃為主的物件中產生應力，在此處，使用FSM量測壓縮應力層的深度。透過將鈉離子交換入玻璃為主的物件中，在玻璃為主的物件中產生應力，在此處，使用SCALP量測壓縮應力層的深度。透過將鉀離子和鈉離子交換入玻璃為主的物件中，在玻璃為主的物件中產生應力，在此處，由於一般認為鈉離子的交換深度表示壓縮應力層深度且認為鉀離子交換深度表示壓縮應力大小的變化(而非從壓縮應力到伸展應力的變化)，所以透過SCALP量測壓縮應力層的深度，在這些玻璃為主的物件中，鉀離子的交換深度透過FSM量測。
本發明所論述之基板20可用於多種電子基板應用，具體用於感測器基板應用。在具體實施例中，如第6圖所示，基板20可以用作電子設備52(諸如手機、平板電腦、膝上電腦、電腦、導航系統以及類似的設備)之指紋感測器50的基板。第6圖圖示了客戶電子設備52，包括具有前端54、後端55和側面56之殼體53；電氣部件至少部分或整體位於該殼體內，且包括至少一控制器、一記憶體、一指紋感測器或觸屏和位於該殼體之前表面處或附近的顯示器58；以及蓋基板59，位於該殼體之前表面處或前表面的上方，從而覆蓋住該顯示器。在具體實施例中，指紋感測器50包括含金屬導電材料的金屬，置於基板20之貫穿孔40內。第一和第二重分佈層置於表面22和24上，一電容感測陣列與該第一重分佈層連接。在具體實施例中，一指紋感測ASIC與該第二重分佈層連接，從而使由該感測陣列產生的信號穿過基板，傳送至該ASIC。
在各種實施例中，基板20可以支撐特定應用所需的多種附加層或包覆層。在一指紋感測實施例中，基板20可以支撐一個或多個顏色層、靜電放電層和一硬包覆層。
根據第7圖中一範例式實施例，圖示了感測器組件的一範例，諸如指紋感測器60。一般來說，感測器60使用玻璃為主的基板，諸如基板20。各種層62置於基板20之手指側64上，各種層66置於基板20之電路側68上。第7圖詳細圖示了層62和66，且圖示了與層62和66電連接的單個範例式金屬化貫穿孔40。ASIC芯片70構造為透過導體或纜線72，處理將與感測到手指按壓相關的信號連接至層66。如上所述，基板20為支撐層62和66提供穩固基板，同時使得孔洞40提供層62和66之間的傳導。
本發明所論述之基板和相關製程，在至少一些示例性實施例中，提供了很多相對於不同感測器基板的改良措施。例如，應當認為基板20比聚合物基板更有力、更抗損、更抗劃和更抗裂，另外，基板20的力度使得可以在感測器之手指側只用更薄的硬包覆層，以為指紋感測器實現更好的信號雜訊比。亦應當認為，基板20具有比藍寶石感測器基板相對更低的成本。由於基板20是由可以進行回火(熱回火或化學回火)的玻璃為主的材料製成，故可改良感測器下降的效能。高長寬比、相對較寬的貫穿孔40使得可以透過金屬塗層應用，而不用透過大規模的氣相沉積或多步電子沉積，來進行低成本的金屬化過程。
進一步，結合本發明所論述之雷射殘損和氫氧化物蝕刻製程，使得可以由多組分玻璃材料(與純氧化硅材料相反的材料，如熔融硅石材料)製成感測器基板另外，至少在一些實施例中，本發明所論述之製程避免了使用危險的氫氟酸。進一步，應當認為，本發明所述論述之製程比使用機械鑽鑿或雷射鑽鑿之製程更加有效和/或更加低廉。
範例
在一範例式實施例中，使用上述皮秒雷射技術，將殘損軌跡之起始厚度製造為0.7mm，將上面所列之Comp A製造為150mm的玻璃晶片。殘損模式是基於感測器陣列和/或感測器的ASIC，該感測器使用了該晶片。隨後，將這些晶片放置在間距為6.4mm的處理載體中。隨後，將該處理載體浸入攝氏85度的6M氫氧化鈉溶液中，放置3天。隨後，從該鹼性溶液中移出該載體，且使用大量去離子水進行沖洗。之後，使用100% KNO3 ，在攝氏390度下，將該晶片進行3.5小時的離子交換。這樣使基板得到強化，其中，已將穿孔打開，使穿孔具有80微米的入口直徑和65-75微米的最小直徑。隨後，使用薄膜和包覆技術，將剩下的感測器部件在基板上進行圖案化，以製造出所需產品。
在另一實施例中，透過在攝氏90度下6M NaOH中蝕刻8小時，在Comp A玻璃的0.7mm厚的部分中，形成11微米直徑的穿孔。這些穿孔具有的長寬比超過60比1，且之後，可以對該些穿孔進行蝕刻，以形成腰部佔比大於95%的穿孔。考慮該穿孔的最小直徑(該「腰部」)和該穿孔的最大直徑，計算該腰部佔比。
第一態樣包括一種於玻璃為主的基板中製造穿孔之製程，該玻璃為主的基板具有一第一主表面和一相對的第二主表面，該製程包括：透過在該具有預定樣式的基板處引導雷射，形成從該玻璃基板的第一主表面延伸的多個蝕刻通路；以及使用一基於氫氧化物的蝕刻材料，沿該蝕刻通路蝕刻多個穿孔，該些穿孔從該玻璃基板的第一主表面延伸，其中，該基於氫氧化物的蝕刻材料優先沿該蝕刻通路蝕刻該基板，使該蝕刻材料沿蝕刻通路的蝕刻速率至少為該蝕刻通路之外的蝕刻材料之蝕刻速率的12倍。
如第一態樣之第二態樣，其中該多個穿孔中的每一個的長度與該穿孔的最大直徑之間的比例為大於8比1。
如第一或第二態樣之第三態樣，其中該多個穿孔中的至少一個為一貫穿孔。
如第一或第三態樣之第四態樣，其中該多個穿孔中的至少一個為一盲孔。
如第一至第四態樣中任一態樣之第五態樣，其中該雷射為一皮秒雷射。
如第一至第五態樣中任一態樣之第六態樣，其中該多個穿孔洞中的每一個的最大直徑都小於100μm，且每個穿孔之最小直徑與最大直徑之間的比例大於0.5。
如第一至第六態樣中任一態樣之第七態樣，進一步包括，將一導電材料填充入該多個穿孔內。
如第一至第七態樣中任一態樣之第八態樣，其中該玻璃為主的基板包括50-75 mol% SiO2 和10-20 mol%鹼性金屬氧化物，其中，該鹼性金屬氧化物至少為Li2 O、Na2 O、 K2 O、Rb2 O和CS2 O中的一種。
如第一至第八態樣中任一態樣之第九態樣，進一步包括在蝕刻之後，回火該玻璃基板，從而該第一主表面和該第二主表面處於壓縮應力之下，其中，該第一和第二主表面處的該壓縮應力至少為100MPa。
如第九態樣之第十態樣，其中，該回火步驟包括透過離子交換，化學回火該玻璃基底，從而使化學性強化層從該第一和第二主表面延伸，其中，每個該化學性強化層的深度都大於10μm，其中，該第一和第二主表面的一個表面或兩個表面處的壓縮應力至少為500MPa。
如第一至第十態樣中任意態樣之第十一態樣，其中該基於氫氧化物的蝕刻材料具有的氫氧化物濃度至少為0.5M，且在蝕刻過程中，一直保持高於攝氏60度中，其中，該基於氫氧化物的蝕刻材料優先沿該該蝕刻通路蝕刻基板，這樣使得該蝕刻材料沿該蝕刻通路的蝕刻速率至少為該蝕刻材料在該蝕刻通道之外的蝕刻速率的30倍。
如第一至第十一態樣中任一態樣之第十二態樣，其中該基於氫氧化物的蝕刻材料包括氫氧化鈉、氫氧化鉀和氫氧化四甲銨中的至少一種，該材料在具有二醇和乙醇的至少一種的一含水混合物中。
如第一至第十二態樣中任一態樣之第十三態樣，其中該玻璃為主的材料的平均厚度大於0.3mm。
如第一至第十三態樣中任一態樣之第十四態樣，其中該玻璃為主的材料為一玻璃。
如第一至第十四態樣中任一態樣之第十五態樣，其中該玻璃為主的材料為一玻璃陶瓷。
第十六態樣包括一玻璃為主的基板，包括： 一第一主表面；一第二主表面，與該第一主表面相對；一內部區域，位於該第一和第二主表面之間；以及多個穿孔，從該第一主表面延伸入該內部區域內，該些穿孔的每一個都具有一最大直徑和一最小直徑、其中，該基板具有大於0.3mm的平均厚度、其中，該多個穿孔中的每一個的最大直徑都小於100μm、其中，該些穿孔的每一個的最小直徑與最大直徑之間的比例都大於0.5。
如第十六態樣之第十七態樣，其中該些穿孔的每一個的最小直徑都大於或等於40μm，且其中該些穿孔的每一個的最小直徑與最大直徑之間的比例都大於0.8且小於1。
如第十六或十七態樣之十八態樣，其中每個穿孔的長度與穿孔的最大直徑之間比例都大於8比1。
如第十八態樣之第十九態樣，其中每個穿孔的長度都大於0.5mm且小於1.1mm，其中每個穿孔的長度與每個孔洞的最大直徑之間的比例都大於10比1。
如第十六至第十九態樣中任一態樣之第二十態樣，其中該基板包括50-75 mol% SiO2 和10-20 mol%鹼性金屬氧化物，其中該鹼性金屬氧化物至少為Li2 O、Na2 O、K2 O、Rb2 O和Cs2 O中的一種。
如第十六至第二十態樣中任一態樣之第二十一態樣，其中該基板為一回火玻璃材料，其中該第一主表面和該第二主表面處於壓縮應力之下，其中該第一和第二主表面的一個表面或兩個表面處的該壓縮應力至少為100MPa。
如第十六至第二十一態樣中任一態樣之第二十二態樣，其中該基板為一化學回火玻璃基板，具有從該第一和第二主表面延伸的化學性強化層，其中每個該化學性強化層的深度都大於10μm，其中該第一和第二主表面的一個表面或兩個表面處的壓縮應力至少為500MPa。
如第十六至第二十二態樣中任一態樣之第二十三態樣，進一步包括：置於該穿孔內的一導電材料；置於該第一主表面的一第一重分佈層；置於該第二主表面的一第二重分佈層；以及與該第一重分佈層連接的一電容感測陣列。
如第十六或第二十三態樣中任一態樣之第二十四態樣，其中該多個穿孔中的至少一個為一貫穿孔。
如第十六至第二十四態樣中任一態樣之第二十五態樣，其中該多個穿孔中的至少一個為一盲孔。
第二十六態樣包括一玻璃基板，包括：一第一主表面；一第二主表面，與該第一主表面相對；多個貫穿孔，在該第一和第二主表面之間延伸，該些貫穿孔中的每一個都具有最大直徑和最小直徑；以及一多組分玻璃材料，包括50-75 mol% SiO2 和10-20 mol%鹼性金屬氧化物，其中該鹼性金屬氧化物至少為Li2 O、Na2 O、K2 O、Rb2 O和Cs2 O中的一種，其中該第一主表面與該第二主表面之間的平均距離大於0.3mm，其中該第一主表面和該第二主表面之間的平均距離與該多個貫穿孔中每個的最大直徑之間的比例大於8比1，且其中該些穿孔中的每一個的最小直徑與最大直徑之間的比例都大於0.5。
如第二十六態樣之二十七態樣，其中該第一主表面與該第二主表面之間的平均距離大於0.5mm且小於1.1mm，其中該些貫穿孔的最大直徑小於100μm，其中該第一主表面和該第二主表面之間的平均距離與該些貫穿孔中的每一個的最大直徑之間的比例都大於10比1。
如第二十六或二十七態樣之二十八態樣，其中該基板為一具有化學性強化層的化學回火玻璃材料，該化學性強化層從該第一和第二主表面延伸，其中每個化學性強化層的深度都大於10μm，且其中該第一主表面和該第二主表面處於壓縮應力之下，且該第一和第二主表面中的一個或兩個表面上的壓縮應力至少為100MPa。
第二十九態樣包括一客戶電子產品，包括：一殼體，具有一前表面、一後表面和側表面；電氣部件，至少部分設在該殼體內，該電氣部件包括至少一控制器、一記憶體、一指紋感測器和一顯示器，該顯示器設在該殼體的前表面上或前表面的附近；以及如第十六至第二十五態樣中任一態樣之玻璃為主的基板，該基板設在該顯示器上方，其中，該多個穿孔內填充有一導電材料，該導電材料為該指紋感測器提供一導電通路。
第三十態樣包括一消費類電子產品，包括：一殼體，具有一前表面、一後表面和側表面；電氣部件，至少部分設在該殼體內，該電氣部件包括至少一控制器、一記憶體、一指紋感測器和一顯示器，該顯示器設在該殼體的前表面上或前表面的附近；以及如第二十六至二十八態樣中任一態樣之玻璃基板，該基板設在該顯示器上方，其中，該多個貫穿孔內填充有一導電材料，該導電材料為該指紋感測器提供一導電通路。
除非另外明確說明，本文中闡述的任一製程不意欲解釋為需要以特定次序執行其步驟。相應地，方法權利要求並不在其步驟之後實際列舉一個次序或該權利要求或說明中明確提出該步驟不應限於特定的次序，其不意欲推測任意特定次序。另外，本發明所使用的冠詞「a」意欲包括一個或多個部件或原件，且不意欲解釋為只有一個。
所屬技術領域對於具有通常知識者應當知道的是，可對本揭露作出各種修改和變化，而不脫離公開的實施例之精神和範圍。所屬技術領域具有通常知識者可以想到，因為本公開實施例的修改組合、子組合及變化併入本公開的精神和實質，本公開應當解釋為包括所附專利申請範圍和其同等物的範圍內的一切事物。
10‧‧‧製程 12‧‧‧步驟 14‧‧‧步驟 16‧‧‧步驟 20‧‧‧基板 22‧‧‧表面 24‧‧‧表面 30‧‧‧雷射設備 32‧‧‧雷射 34‧‧‧殘損軌跡 40‧‧‧穿孔/貫穿孔 42‧‧‧內部表面 44‧‧‧內部區域 D1‧‧‧最大直徑 D2‧‧‧最小直徑 T1‧‧‧厚度 50‧‧‧指紋感測器 52‧‧‧客戶電子設備 53‧‧‧殼體 54‧‧‧前端 55‧‧‧後端 56‧‧‧側面 58‧‧‧顯示器 59‧‧‧蓋基板 60‧‧‧感測器 62‧‧‧支撐層 66‧‧‧支撐層 68‧‧‧電路側 70‧‧‧ASIC芯片 72‧‧‧導體或纜線
第1圖圖示了依據一範例式實施例形成玻璃為主的基板的製程。
第2圖為圖示了依據一範例式實施例之基板的透視圖。
第3圖示意性圖示了依據一範例式實施例在基板上形成雷射殘損軌跡。
第4圖為圖示了兩種基板材料類型和兩種蝕刻材料之蝕刻速率與優選蝕刻速率對比的曲線圖。
第5圖為依據另一範例式實施例之具有蝕刻後穿孔之基板的圖片。
第6圖圖示了依據一範例式實施例併入了指紋感測器中感測器基板的設備。
第7圖為依據一範例式實施例之指紋感測器的示意圖。
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20‧‧‧基板
30‧‧‧雷射設備
32‧‧‧雷射
34‧‧‧殘損軌跡

Claims (16)

  1. 一種於一玻璃為主的基板中形成穿孔之製程，該玻璃為主的基板具有一第一主表面和一相對的第二主表面，該製程包括： 　　藉由在具有一預定樣式的基板處引導一雷射，形成從該玻璃基板的該第一主表面延伸的多個蝕刻通路；以及 　　使用一基於氫氧化物的蝕刻材料，沿該蝕刻通路蝕刻多個穿孔，該些孔洞從該玻璃基板的該第一主表面延伸，其中該基於氫氧化物的蝕刻材料優先沿該蝕刻通路蝕刻該基板，使該蝕刻材料沿蝕刻通路的蝕刻速率至少為該蝕刻通路之外的該蝕刻材料之蝕刻速率的12倍。
  2. 如請求項1所述之製程，其中該多個穿孔中的每一個的長度與該穿孔的最大直徑之間的比例為大於8比1。
  3. 如請求項1所述之製程，其中，該多個穿孔中的每一個為一貫穿孔或一盲孔。
  4. 如請求項1所述之製程，其中該多個穿孔中的每一個的該最大直徑小於100μm，且每個穿孔之一最小直徑與該最大直徑之間的比例為大於0.5。
  5. 如請求項1至4中任意一項所述之製程，其中該基於氫氧化物的蝕刻材料之氫氧化物濃度至少為0.5M，且在蝕刻步驟期間，溫度一直保持於高於攝氏60度，且其中該基於氫氧化物的蝕刻材料優先沿該蝕刻通路蝕刻該基板，使該蝕刻材料沿該蝕刻通路的蝕刻速率至少為該蝕刻材料在該蝕刻通路之外的蝕刻速率的30倍。
  6. 如請求項1所述之製程，其中該基於氫氧化物的蝕刻材料包括下列至少一種：氫氧化鈉、氫氧化鉀和氫氧化四甲銨，該材料在具有二醇或醇的至少一種的一含水混合物中。
  7. 一種玻璃為主的基板，包括： 一第一主表面； 一第二主表面，與該第一主表面相對； 一內部區域，位於該第一和第二主表面之間；以及 多個穿孔，該些穿孔從該第一主表面延伸至該內部區域內，該些穿孔的每一個都具有一最大直徑和一最小直徑； 其中，該基板具有大於0.3mm的一平均厚度； 其中該些穿孔中的每一個的最大直徑為小於100μm；以及 其中該些穿洞的每一個的該最小直徑與該最大直徑之間的比例為大於0.5。
  8. 如請求項7所述之玻璃為主的基板，其中該些穿孔的每一個的該最小直徑大於或等於40μm，且其中，該些穿孔的每一個的該最小直徑與該最大直徑之間的比例為大於0.8，且小於1。
  9. 如請求項7所述之玻璃為主的基板，其中每個穿孔的該長度與每個穿孔的該最大直徑之間的一比例為大於8比1。
  10. 如請求項7至9中任意一項所述之玻璃為主的基板，進一步包括： 一導電材料，位於該穿孔內； 一第一重分佈層，位於該第一主表面之上； 一第二重分佈層，位於該第二主表面之上；以及 一電容感測陣列，與該第一重分佈層連接。
  11. 如請求項7所述之玻璃為主的基板，其中該多個孔洞中的每一個為一貫穿孔或一盲孔。
  12. 一種玻璃基板，包括： 一第一主表面； 一第二主表面，與該第一主表面相對； 多個貫穿孔，在該第一主表面和第二主表面之間延伸，該些貫穿孔中的每一個具有一最大直徑和一最小直徑；以及 一多組分玻璃材料，包含50-75 mol%的SiO2 和10-20 mol%的鹼金屬氧化物，其中該鹼金屬氧化物為Li2 O、Na2 O、K2 O、Rb2 O和Cs2 O中的至少一種； 其中，該第一主表面與該第二主表面之間的一平均距離為大於0.3mm； 其中，該第一主表面和該第二主表面之間的平均距離與該多個貫穿孔中的每一個的一最大直徑之間的一比例大於8比1；以及 其中，該些貫穿孔中的每一個的該最小直徑與該最大直徑之間的一比例為大於0.5。
  13. 如請求項12所述之玻璃基板，其中該第一主表面與該第二主表面之間的平均距離為大於0.5mm且小於1.1mm，其中該些貫穿孔的最大直徑為小於100μm，以及其中，該第一主表面和該第二主表面之間的平均距離與該些貫穿孔中的每一個的該最大直徑之間的比例大於10：1。
  14. 如請求項12所述之玻璃基板，其中該基板為一具有化學強化層的化學鋼化玻璃材料，該化學強化層從該第一主表面和該第二主表面延伸，其中每個化學強化層的一深度大於10μm，且其中該第一主表面和該第二主表面承擔壓應力，且該第一和第二主表面中的一個或兩個表面上的壓應力至少為100MPa。
  15. 一種消費類電子產品，包括： 一殼體，具有一前表面、一後表面和側表面； 電氣部件，部分設在該殼體內，該等電氣部件包括至少一控制器、一記憶體、一指紋感測器和一顯示器，該顯示器設在該殼體的該前表面上或該前表面的附近；以及 如請求項7至11中任一項所述之玻璃為主的基板，該基板設在該顯示器上方，其中該多個穿孔內填充有一導電材料，該導電材料為該指紋感測器提供一導電通路。
  16. 一種消費類電子產品，包括： 一殼體，具有一前表面、一後表面和側表面； 電氣部件，至少部分設在該殼體內，該等電氣部件至少包括一控制器、一記憶體、一指紋感測器和一顯示器，該顯示器設在該殼體的該前表面上或該前表面的附近；以及 如請求項12至14中任一項所述之玻璃基板，該基板設在該顯示器上方，其中該多個貫穿孔內填充有一導電材料，該導電材料為該指紋感測器提供一導電通路。
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