TW201912597A - 用於選擇性地改變玻璃基製品的虛擬溫度之方法及設備 - Google Patents

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Abstract

本文中描述可用以選擇性地改變玻璃基基板之虛擬溫度的方法及設備。該設備包括具有功率及波長之雷射設備，該雷射設備與該玻璃基基板相對於彼此定位成使得來自該雷射設備之雷射束可以受控加熱速率加熱該玻璃基基板，使得該玻璃基基板自第一溫度經加熱至目標峰值溫度，且可以受控冷卻速率使該玻璃基基板自該目標峰值溫度冷卻至第二溫度，使得在該玻璃基基板之區域中獲得目標虛擬溫度。該雷射設備可與形成玻璃基基板之玻璃形成設備在同線上。

Description

用於選擇性地改變玻璃基製品的虛擬溫度之方法及設備
本申請案根據專利法主張2017年8月24日申請之美國臨時申請案序列號第62/549,616號之優先權權益，該美國臨時申請案之內容為本案之基礎且以全文引用方式併入本文中。
本揭示案之態樣有關於用於選擇性地改變玻璃基板的虛擬溫度之方法及設備。
高效能顯示器(high performance display; HPD)諸如液晶顯示器例如主動矩陣液晶顯示裝置(active matrix liquid crystal display device; AMLCD)之生產極其複雜，且基板玻璃之性質係重要的。需要嚴格控制AMLCD裝置生產中使用之玻璃基基板的實體尺寸。下拉片材拉製製程及特定而言在兩者皆授予Dockerty之美國專利第3,338,696號及第3,682,609號中描述之熔融製程能夠產生可用作基板之玻璃片材，而不需要形成後精整操作諸如精研及拋光。
在液晶顯示器領域，消費者之需求係低成本且解析度日益變高之大顯示器，此迫使在薄膜電晶體(thin film transistor; TFT)製造製程中使用之玻璃基基板的尺寸穩定性上具有較嚴格標準。在非晶矽(amorphous silicon; a-Si)、氧化物或低溫多晶矽(poly silicon; p-Si)TFT製造期間，使玻璃基基板保持在範圍自350℃至450℃之製程溫度下。在此等溫度下，大部分AMLCD玻璃基基板經歷被稱為緊縮之製程。緊縮(compaction)亦被稱為熱穩定性或尺寸變化，係歸因於玻璃虛擬溫度變化引起之玻璃基基板之不可逆尺寸變化(收縮(shrinkage))。「虛擬溫度」係用以指示玻璃之結構狀態的概念。自高溫快速冷卻之玻璃據稱由於「凍結的」較高溫度結構而具有較高虛擬溫度。較慢冷卻或在其退火點附近保持退火一段時間的玻璃據稱具有較低虛擬溫度。
緊縮之量級取決於製造玻璃之製程及玻璃之黏彈性質兩者。在用於自玻璃生產片材產品之浮法製程中，玻璃片材自熔體相對緩慢地冷卻，且因此將相對低溫結構「凍結」成玻璃。相比之下，熔融製程引起玻璃片材自熔體非常快速地驟冷，且凍結相對高溫結構。因此，藉由浮法製程生產之玻璃當與藉由熔融製程生產之玻璃相比時可經歷較少緊縮，此係由於緊縮之驅動力係玻璃在緊縮期間經歷之虛擬溫度與製程溫度之間的差。因此，將需要將藉由下拉製程生產之玻璃基基板中的緊縮之位準減到最少。
在熔融製程期間，在經由小熱梯度之冷卻後，可將彈性應變及因而應力引入至玻璃片材中。此等應力在TFT製造製程期間經歷應力鬆弛，從而產生尺寸不穩定性。競爭性HPD產品應在後玻璃製品生產熱循環期間提供最小尺寸變化。為控制玻璃鬆弛，玻璃研究人員已致力於使玻璃組成物最佳化及/或修整在玻璃形成期間與玻璃之虛擬溫度有關的熱史。
由於工業走向係更薄更大基板及更快速熔融拉製速率，因此顯示器玻璃往往具有較高虛擬溫度，且由此對在後玻璃製品生產熱循環期間之總間距變化的控制正變得日益困難。因而，遍及玻璃製品諸如玻璃片材之整個體積的均勻鬆弛及在電晶體製造熱循環期間的尺寸變化之最小化顯得比以往更加重要。將需要快速修改玻璃改變之熱史以改變虛擬溫度，以便使在後玻璃製品生產熱處理期間的玻璃緊縮減到最少。
實施例有關於一種玻璃製造方法，其包含：使雷射設備與玻璃基基板相對於彼此定位成使得來自該雷射設備之雷射束輻照該玻璃基基板，該雷射束具有功率及波長；以藉由控制該雷射束之該功率及該波長中之至少一者之受控加熱速率，藉由用該雷射束輻照該玻璃基基板將具有第一虛擬溫度之該玻璃基基板加熱至目標峰值溫度；及以受控冷卻速率將該玻璃基基板自該目標峰值溫度冷卻至第二溫度，使得在該玻璃基基板之區域中獲得目標虛擬溫度。
在一實施例中，一種玻璃製造設備包含：玻璃形成設備，其形成具有第一虛擬溫度的玻璃基基板；及雷射設備，其具有功率及波長，該雷射設備與該玻璃基基板相對於彼此定位成使得來自該雷射設備之雷射束可以受控加熱速率加熱該玻璃基基板，使得該玻璃基基板自第一溫度經加熱至目標峰值溫度，且可以受控冷卻速率將該玻璃基基板自該目標峰值溫度冷卻至第二溫度，使得在該玻璃基基板之區域中獲得目標虛擬溫度。
在另一實施例中，一種玻璃製造設備包含：玻璃形成設備，其形成具有第一虛擬溫度的玻璃基基板；雷射設備；及處理器及記憶體，該記憶體儲存通信耦接至該雷射設備之可執行指令，該等可執行指令當藉由該處理器執行時：操作該雷射設備產生具有功率及波長之雷射束，該雷射束可以受控加熱速率加熱具有第一虛擬溫度之玻璃基基板，使得該玻璃基基板自第一溫度經加熱至目標峰值溫度，且操作該雷射設備允許該玻璃基基板以受控冷卻速率自該目標峰值溫度冷卻至第二溫度，使得在該玻璃基基板之區域中獲得目標虛擬溫度。
在描述本揭示案之若干例示性實施例之前，應理解，本揭示案不限於以下描述中闡述之構造或製程步驟的細節。能夠以各種替代性方式實踐或進行之其他實施例係在本揭示內容之範疇內。
雖然存在可潛在地用以再加熱玻璃製品之若干不同設備，諸如爐或快速熱退火裝置，但此等設備不特別適合，此係由於爐加熱係緩慢的，且快速熱退火裝置需要專門腔室。而且，藉由此等方法選擇性地改變玻璃虛擬溫度係不可能的。因而，需要空間上可選擇的無接觸快速熱處理。在本揭示案中，證明藉由雷射輻照快速改變玻璃製品之虛擬溫度的可行性。此特定地用於呈片材形式之玻璃製品的唯一性無接觸方法允許在寬溫度範圍內選擇性地修改玻璃虛擬溫度。本揭示案之態樣有關於適用於在寬溫度範圍內選擇性地改變或修改玻璃虛擬溫度之方法及設備。如本文中所使用，「選擇性改變」或「選擇性修改」係指改變玻璃基製品之體積之一部分的性質諸如虛擬溫度。該部分可為選定區域，其可為整個體積之一部分，且在一些實施例中可包括玻璃基製品之整個體積(100%)。
本文中描述之設備及方法已用以藉由雷射輻照選擇性地改變玻璃之虛擬溫度。在特定實施例中，利用CO2 雷射，但本揭示案不限於特定類型之雷射。雷射輻照藉由直接吸收快速提高玻璃之溫度。藉由控制雷射輻照，可快速擦除玻璃之熱史，且重寫新熱史，以調整玻璃之最終虛擬溫度。因此，本揭示案之實施例有關於用於擦除玻璃基基板熱史並且將玻璃基基板之虛擬溫度調整至目標虛擬溫度值的設備及方法。
根據一或多個實施例，玻璃基基板之虛擬溫度之選擇性改變可用以改變表面處之虛擬溫度、體積(基板之整個體積)以及選擇性區域。該方法及設備可提供不產生顆粒的非常乾淨之無接觸製程。該方法及設備亦可提供局部加熱為呈任何所要平面之形狀之光點、線或特定表面區域。該方法及設備亦可快速擦除玻璃基製品之舊熱史並且重寫新熱史，且可藉由減小或增加虛擬溫度而顯著地改變虛擬溫度。本揭示案中之方法及設備可用以產生可變應力分佈曲線或改變玻璃基基板之彈性膨脹。該等方法及設備可達成非常快速之加熱及/或快速(或緩慢)冷卻以及對玻璃再加熱分佈曲線之優良控制。該等方法及設備可應用於彎曲表面或任何其他幾何形狀，與玻璃形成設備一起原位使用或在形成之後進行後處理。該等方法及設備對於多個玻璃基基板組成物、大小及配置係高度可適用、可擴展且可調的。
本揭示案之方法及設備可用以生產具有如藉由如下三個量度量測之例外總間距變化性(total pitch variability; TPV)之玻璃基製品：(1)小於40 ppm之高溫測試循環(High Temperature Test Cycle; HTTC)的緊縮，(2)小於5.5 ppm、小於1 ppm及小於0.5 ppm之低溫測試循環(Low Temperature Test Cycle; LTTC)之緊縮，及(3)符合應力鬆弛測試循環(Stress Relaxation Test Cycle; SRTC)中小於50%鬆馳之應力鬆弛速率。藉由滿足所有三個準則，確保基板可為最高解析度TFT製造循環所接受。
此等測試循環之簡要描述如下： 高溫測試循環(High Temperature Test Cycle; HTTC)
根據美國專利申請公開案2017/0144918之第1圖中示出之熱分佈曲線，在箱式爐中熱處理樣本。首先，將爐預熱至略高於590℃。接著將五樣本堆疊經由爐前部中之小縫隙投入至爐中。在三十分鐘之後，將樣本自爐向外驟冷至環境空氣中。樣本停留在峰值溫度590℃下的總時間係約18分鐘。出於本揭示案之目的，此測試準則應定義為高溫測試循環或HTTC。在一個實施例中，HTTC緊縮小於或等於40 ppm。在另一實施例中，HTTC緊縮小於或等於38 ppm。在另一實施例中，HTTC緊縮小於或等於36 ppm。在另一實施例中，HTTC緊縮小於或等於30 ppm。在另一實施例中，HTTC緊縮小於或等於25 ppm。在另一實施例中，HTTC緊縮小於或等於20 ppm。 低溫測試循環(Low Temperature Test Cycle; LTTC)
由典型TFT陣列或CF基板熱循環引起之熱緊縮量值不足以確保可靠品質保證量測。450℃/1小時熱循環用以達成更大緊縮信號，從而實現對實際效能變化之識別。在投入五樣本(四個實驗樣本及一個對照樣本)堆疊之前，將爐固持在剛好高於450℃。爐需要大約7分鐘時間恢復至目標保持溫度。樣本保持在450℃下達一個小時且接著向外投至室溫。在美國專利申請公開案2017/0144918之第2圖中示出實例熱示蹤。出於本揭示案之目的，此測試準則應定義為低溫測試循環或LTTC。在一個實施例中，LTTC緊縮小於或等於5.5 ppm。在另一實施例中，LTTC緊縮小於或等於5 ppm。在另一實施例中，LTTC緊縮小於或等於4.6 ppm，或小於或等於1 ppm，或小於或等於0.5 ppm。 應力鬆弛測試循環(Stress Relaxation Test Cycle; SRTC)
將玻璃板之樣本切割成10.00 mm寬之橫桿。玻璃之厚度維持在其形成時之厚度(介於0.5 mm與0.7 mm之間)下。藉由以下步驟開始應力鬆弛實驗：將玻璃樣本加載至置於電阻加熱式電爐內部之兩個剛性支撐件上，將S型熱電偶置放成緊靠橫桿之中心，並且調整推桿位置。兩個剛性支撐件之跨距長度係88.90 mm。推桿之下端係在室溫下之玻璃表面上方約5 mm。將爐溫度快速提升至最終實驗溫度650℃，且在此處停留約5分鐘以便達成置於爐內部之所有部分的熱平衡。實驗繼續以2.54 mm/min之速率降低推桿，並且監測負載單元(load cell; LC)之信號。進行此以便發現推桿與玻璃橫桿之接觸。一旦LC信號達到0.1 lb.，其便將加載速率之加速度觸發至10.16 mm/min。當橫桿之中心偏轉達到最終目標值(例如，2.54 mm)時停止加載，且程式自應力受控模式切換至應變受控模式。應變在實驗之剩餘部分期間保持恆定，而應力係可變的。自推桿與玻璃之首次接觸至達成最大應變2.54 mm之點的總時間係約12 s。實驗在已收集資料數小時之後結束。
第1圖係雷射設備100之示意圖，該雷射設備包含經配置以提供具有功率及波長之初始射束120的雷射源106。雷射設備100與玻璃基基板119相對於彼此定位，使得來自雷射之雷射束130可以受控加熱速率加熱玻璃基基板119，使得玻璃基基板自第一溫度經加熱至目標峰值溫度，且可使玻璃基基板以受控冷卻速率自目標峰值溫度冷卻至第二溫度，使得在玻璃基基板119之區域中獲得目標虛擬溫度。在一些實施例中，使玻璃基基板驟冷或快速冷卻。如本文中所使用，「虛擬溫度」(Tf )係指防止藉由快速冷卻形成之玻璃(在本文中亦被稱為「驟冷」)在結構上重新組織所處之溫度；亦即，玻璃與液體之結構基本上相同所處之溫度。如本文中所使用，「驟冷」(在本文中亦被稱為「快速冷卻」)係指材料以超過最低冷卻速率之速率自第一溫度快速冷卻至第二較低溫度。應理解，可使液體(例如，熔體)或固體材料驟冷。在一些實施例中，藉由增加或減小虛擬溫度，選擇性地修改或改變玻璃基基板之區域的虛擬溫度。在一些實施例中，「驟冷」、「經快速冷卻」、「快速冷卻」及「超過最低冷卻速率」係指以在自10℃/分鐘至30℃/分鐘例如10℃/分鐘、15℃/分鐘、20℃/分鐘、25℃/分鐘或30℃/分鐘之範圍內之冷卻速率自高溫(例如，玻璃基材料之等溫溫度)冷卻至周圍室溫(例如，25℃)。
該設備可另外包括光學透鏡110。雷射源106及光學透鏡110可經配置為使得初始射束120可通過光學透鏡110。在一些實施例中，光學透鏡110可為經配置以與例如球面透鏡相比將通過之光聚焦於一線而不是一點上之透鏡。在一些實施例中，光學透鏡110可為圓筒形透鏡。因此，透鏡110可經配置以將通過透鏡110之初始射束120變換為聚焦射束122。
在一些實施例中，聚焦射束122可被雷射設備100之鏡112接收及偏轉，在鏡傾斜期間形成呈如示意性地說明由邊界132及134界定之圖案形式的至少一個雷射束130。雷射束130圖案可呈具有雷射光點區域之單光點、雷射線或界定至接觸玻璃基基板119之一部分之雷射平面區域的雷射平面形式。在一些實施例中，鏡112可為微機電系統(micro-electromechanical system; MEMS)掃描鏡。在一些實施例中，鏡112之鏡面可由矽(silicon; Si)製成，不過可在各種實施例中利用提供與掃描鏡反射品質有關之所需性質的不同材料。在一些實施例中，鏡112可為單軸鏡，不過在其他實施例中，鏡112可為雙軸MEMS掃描鏡或包括提供三軸掃描之第二鏡(未示出)的雙鏡系統。
在一些實施例中，鏡112可圍繞軸114可傾斜或可旋轉，或至少部分地可傾斜，以便使聚焦射束122偏轉至對應於鏡112投影至玻璃基基板119之雷射束130圖案的所要尺寸。舉例而言，如藉由118所示，鏡112可至少自靜止位置可傾斜至旋轉或傾斜位置，以提供確保雷射束130圖案之所要尺寸的掃描角。在一些實施例中，控制系統108可經配置以控制鏡112之傾斜。
可藉由包括與記憶體144耦接且經配置以實現雷射設備100之上述及其他功能性的處理器142來提供雷射束130圖案之感測、儲存、處理及調變。舉例而言，處理器142可用儲存於記憶體144中之可執行指令經配置以實現如本文中所描述之雷射源106、控制系統108及鏡112的操作。控制系統108可經配置以控制雷射束130之功率及波長中之至少一者以受控加熱速率加熱玻璃基基板並以受控冷卻速率冷卻玻璃基基板。雷射功率及波長的值可儲存於記憶體144中並用處理器142進行處理。在一些實施例中，雷射源106包含連續波雷射，且在一些實施例中，雷射束130包含脈衝式雷射。在其中雷射束130包含脈衝式雷射的實施例中，控制系統108可控制脈衝式雷射之脈衝速率及頻率，且記憶體144及處理器142可儲存並處理脈衝速率及頻率的值。
控制雷射束130之功率及波長中之至少一者的控制系統108允許雷射設備100以受控加熱速率加熱玻璃基基板119並且以受控冷卻速率冷卻玻璃基基板119。在一或多個實施例中，控制系統108經配置以控制(例如，調變)雷射束130之光功率及/或波長，如下文將更詳細地描述。雷射束130可包含快速掃描射束。控制系統108可控制雷射束130之掃描速率。
在一或多個實施例中，處理器142可為可在工業環境中用於控制玻璃處理中使用之各個製造設備的任何形式之通用電腦處理器中之一者。記憶體144可呈電腦可讀媒體形式且可為易於獲得之記憶體諸如隨機存取記憶體(random access memory; RAM)、唯讀記憶體(read only memory; ROM)、軟碟、硬碟或任何其他形式之本端或遠端數位儲存裝置中之一或多者。在一或多個實施例中，支援電路(未示出)耦接至處理器142以用於以習知方式支援處理器。此等支援電路可包括快取記憶體、電源供應器、時脈電路、輸入/輸出電路及子系統等。
在一或多個實施例中，用於用雷射束130掃描玻璃製品之處理常式通常可作為軟體常式儲存於記憶體144中，該軟體常式當藉由處理器142執行時致使玻璃製造設備執行本文中揭示之製程。該軟體常式亦可藉由位於受處理器142控制之硬體遠端之第二處理器(未示出)儲存及/或執行。當玻璃基基板119與雷射器相對於彼此定位及/或移動時，可執行該軟體常式。在一些實施例中，雷射設備100之組件中之一或多者將相對於玻璃基基板119移動，然而，在一些實施例中，在玻璃基基板119相對於雷射設備100產生之雷射束移動時，雷射設備100將保持固定。替代性地，雷射設備100之組件與玻璃基基板119兩者可相對於彼此移動，使得可執行本文中描述之製程。軟體常式當由處理器142執行時致使控制系統108充當專用控制器。當控制系統108包括電腦時，控制系統108充當用於控制雷射設備100處理玻璃以執行本文中揭示之製程的專用電腦。控制系統可計算向量資料或將向量資料轉換為移動資訊，該移動資訊傳達至鏡112以使鏡在至少一個平面例如X-Y平面中偏轉。雷射設備100可包括使雷射之焦點在深度方向(Z軸)上移動的第二鏡(未示出)。在一或多個實施例中，雷射設備100可包括大於一個雷射源106、大於一個光學透鏡110及大於一個鏡112以提供雷射束130陣列，從而形成用於處理玻璃基基板的圖案。
根據一或多個實施例之雷射設備100可另外包含冷卻設備146以提供對受控冷卻速率的額外控制。冷卻設備146之實例可包括一或多個風扇、吹風機、冷卻線圈、空調機組或可提供對玻璃基基板119之輻射及/或對流冷卻以使基板冷卻的任何設備。冷卻設備可受控制系統108或單獨控制系統控制，且記憶體144可儲存冷卻資料、冷卻速率、設定點及可供處理器142用於發送指令給冷卻設備146的其他值。熱感測器諸如熱電偶或紅外溫度感測系統(未示出)可用以監測溫度變化，且熱感測器記錄之溫度可發送給控制系統。控制系統108可利用來自熱傳感器之溫度增加或減小加熱速率或冷卻速率以達成目標虛擬溫度。
在一或多個實施例中，控制系統108控制雷射束之脈衝速率、功率及波長中之至少一者以受控加熱速率加熱玻璃基基板119且以受控冷卻速率冷卻玻璃基基板。在一或多個實施例中，雷射設備100及雷射源106定位於玻璃形成設備下游。根據一或多個實施例之玻璃形成設備可包含片材形成設備，例如玻璃浮法設備，或下拉設備，諸如熔融形成設備，包括形成結構諸如溢流槽，或包括狹槽或噴嘴之下拉設備、纖維拉製設備及鑄塊形成設備。
在特定實施例中，雷射設備以在約10℃/min至30℃/min之範圍內之恆定加熱速率將玻璃基基板自約為周圍室溫(例如，25℃)之第一溫度加熱至高於玻璃轉變溫度之過冷液體區域。接著，玻璃基基板等溫保持在平衡過冷液體區域達在約1分鐘至30分鐘之範圍內諸如2分鐘的時間，從而擦除玻璃基板之熱史。等溫溫度之估計黏稠度係1011 泊，因此等溫保持時間比平均結構鬆弛時間長至少10至50倍。應理解，黏稠度及等溫溫度將取決於特定玻璃基基板組成物。此等參數中之每一者可儲存於雷射設備100之記憶體144中並且發送給處理器142，使得雷射設備100可執行本文中描述之方法。在特定實施例中，玻璃基基板可被視為達到熱動平衡。接著以在自10℃/分鐘至30℃/分鐘之範圍內例如20℃/分鐘的冷卻速率將樣本自等溫溫度冷卻至周圍室溫。在特定實施例中，可以10℃/min至30℃/min例如20℃/min之加熱速率將玻璃基基板自周圍室溫再加熱至高於玻璃轉變溫度之過冷液體區域。
現參考第2圖，示出玻璃製造設備200，其包含形成具有第一虛擬溫度之玻璃基基板的玻璃形成設備202。已使用浮法製程或溢流下拉製程，例如使用溢流形成結構諸如溢流槽之熔融製程，或使用溢流形成設備諸如狹槽或噴嘴形成玻璃片材之溢流下拉製程，商業上生產顯示器品質玻璃片材。在溢流下拉設備及浮法設備兩者中，該製程可涉及三個基本步驟：使批料在罐(亦稱作玻璃熔融器))中熔融，調節熔融玻璃以移除夾附氣體並且使熔融玻璃均質化以準備用於形成，以及形成。在浮法製程的情況下，形成涉及使用熔融錫浴，而對於溢流下拉設備，形成涉及使用溢流形成結構，例如狹槽或噴嘴，或對於熔融製程係使用溢流槽，以形成片材。第2圖中示出之玻璃形成設備202之非限制性實例包含包括形成設備入口236之溢流槽，該形成設備入口接收熔融玻璃，該熔融玻璃在於所謂的根240處熔融在一起之前流入至貯槽237中且接著溢流且自兩個側面238及239向下流。根240係兩個側面238及239會合之處及熔融玻璃216之兩個溢流壁在於引出輥組合件(未示出)之兩個輥之間向下拉製以形成玻璃基基板諸如呈玻璃片材形式之玻璃基板245之前再接合(例如，重新熔融)之處。第1圖中示出之雷射設備100可定位於玻璃形成設備202下游，處於形成設備202下游的適合位置，以用雷射束130輻照玻璃基板245。應理解，在第2圖中，雷射設備100定位成靠近僅形成根240以說明設備用途之處，且在一或多個實施例中，該設備可置於距離根240更大距離處。舉例而言，該設備可置於根之遠下游位置處，例如其中玻璃片材經劃割並且形成較小片材以用於進一步處理的位置處。
雷射設備100產生具有功率及波長之雷射束130，且雷射設備100與玻璃基基板相對於彼此定位成使得來自雷射設備之雷射束130可以受控加熱速率加熱玻璃基基板以使得將呈玻璃片材形式之玻璃基基板自第一溫度加熱至目標峰值溫度，且以受控冷卻速率使玻璃基基板自目標峰值溫度冷卻至第二溫度，以便在玻璃基基板之區域中獲得目標虛擬溫度。該設備可選擇性地改變或修改玻璃基板245之虛擬溫度。第一溫度、目標峰值溫度、加熱速率、冷卻速率、第二溫度及目標虛擬溫度可儲存於記憶體144中並且由處理器142處理以控制本文中描述之方法。雷射設備100產生之雷射束130可呈光點、指向玻璃基板之細長射束諸如線、或輻照玻璃基板之至少一部分的平面形狀之形式。
在一些實施例中，玻璃製造設備包含：玻璃形成設備202，其形成具有第一虛擬溫度之玻璃基基板；雷射設備100，其包括處理器142及記憶體144，該記憶體係儲存通信地耦接至雷射設備100之可執行指令的記憶體，該等可執行指令當由處理器142執行時操作雷射設備100產生具有功率及波長之雷射束130，該雷射束可以受控加熱速率加熱具有第一虛擬溫度之玻璃基基板以便將玻璃基基板自第一溫度加熱至目標峰值溫度，且操作雷射設備100以允許以受控冷卻速率將玻璃基基板自目標峰值溫度冷卻至第二溫度，以便在玻璃基基板之區域中獲得目標虛擬溫度。處理器142可執行使雷射束130以選定掃描速率跨越基板之表面進行掃描的指令。各個掃描速率可儲存於記憶體144中。記憶體144可儲存選自玻璃組成物、基板尺寸及基板質量之玻璃基基板資料，該玻璃基基板資料可供處理器142用以判定雷射設備之操作以達成所要目標虛擬溫度。處理器142執行藉由致使該設備將雷射束、基板或兩者相對於彼此移動來控制雷射束相對於玻璃基基板之相對位置的指令。
本揭示案之另一態樣有關於玻璃製造方法。在一實施例中，玻璃製造方法包含使雷射設備與玻璃基基板相對於彼此定位成使得來自雷射設備之雷射束輻照玻璃基基板，該雷射束具有功率及波長。根據此實施例之方法另外包含以藉由控制雷射束之功率及波長中之至少一者之受控加熱速率，藉由用雷射束輻照玻璃基基板將具有第一虛擬溫度之玻璃基基板加熱至目標峰值溫度，且以受控冷卻速率將玻璃基基板自目標峰值溫度冷卻至第二溫度，以便在玻璃基基板之區域中獲得目標虛擬溫度。在一些實施例中，使玻璃基基板驟冷或快速冷卻。
雷射設備可包含連續波雷射設備，或雷射設備可包含具有脈衝速率之脈衝式雷射設備。在一些實施例中，該方法另外包含在加熱期間控制脈衝速率。在一些實施例中，玻璃基基板可包含可離子交換玻璃組成物且玻璃基基板包含片材。可離子交換基板可包含鹼金屬鋁矽酸鹽玻璃組成物。在一些實施例中，玻璃基基板之被雷射輻照之區域在經雷射束輻照之後具有經修改離子交換能力。該方法可另外包含在玻璃基基板之區域中交換離子。
在一些實施例中，該方法另外包含在玻璃基基板之第二區域中輻照玻璃基基板以在玻璃基基板之第二區域中獲得第二目標虛擬溫度，其中目標虛擬溫度與第二目標虛擬溫度係不相等的。在一些實施例中，第一區域與第二區域具有不同離子交換能力，例如，第一區域具有高於第二區域之離子交換能力。
在一些實施例中，加熱玻璃基基板包括加熱直至玻璃基基板之區域處於熱動平衡。根據一或多個實施例，「熱平衡」係指玻璃基基板之溫度在基板之所有區域中相同之時。在一些實施例中，玻璃基基板具有玻璃轉變溫度(Tg) 且加熱玻璃基基板包括將玻璃基基板之區域加熱至Tg 。
在一些實施例中，玻璃基基板界定一體積，且被輻照區域包含該體積之至少0.01%且小於該體積之100%。在一些實施例中，該區域包含該體積之自約10%至20%、約20%至30%、約30%至40%、約40%至50%、約50%至60%、約60%至70%、約70%至80%、約80%至90%、約90%至100%之範圍。在一些實施例中，輻照該基板之100%之體積。在一些實施例中，在小於約1 ppm或小於約0.5 ppm之輻照之後，玻璃基基板具有低溫測試循環緊縮。
在特定方法實施例中，以在約10℃/min至30℃/min之範圍內之恆定加熱速率將玻璃基基板自約為周圍室溫(例如，25℃)之第一溫度加熱至高於玻璃轉變溫度之過冷液體區域。接著，玻璃基基板等溫保持在平衡過冷液體區域達在約1分鐘至30分鐘之範圍內諸如2分鐘的時間，從而擦除玻璃基板之熱史。等溫溫度之估計黏稠度係1011 泊，因此等溫保持時間比平均結構鬆弛時間長至少10至50倍。應理解，黏稠度及等溫溫度將取決於特定玻璃基基板組成物。此等參數中之每一者可儲存於雷射設備100之記憶體144中並且發送給處理器142，使得雷射設備100可執行本文中描述之方法。在特定實施例中，玻璃基基板可被視為達到熱動平衡。接著以在自10℃/分鐘至30℃/分鐘之範圍內例如20℃/分鐘的冷卻速率將樣本自等溫溫度冷卻至周圍室溫。在特定實施例中，可以10℃/min至30℃/min例如20℃/ min之加熱速率將玻璃基基板自周圍室溫再加熱至高於玻璃轉變溫度之過冷液體區域。
本文中描述之方法及設備可用以提供能夠離子交換或離子交換達相當大深度且同時歸因於熱再平衡發生收縮的玻璃。若實現此目標，則原本可能由於給定離子交換過程產生過度內應力之玻璃可代替地展示可接受應力，同時保持優良韌性。在提供處理玻璃片材之方法及設備的實施例中，玻璃片材可具有在自約0.1 mm高達約3 mm之範圍內的厚度。在一個實施例中，玻璃片材之厚度在自約0.1 mm高達約1.0 mm之範圍內。玻璃片材抗碎裂及刮擦兩者，此使其非常適合用作行動電子裝置之蓋板，亦即，顯示窗等等，該等行動電子裝置諸如但不限於行動或蜂巢電話、尋呼機、音訊與視訊播放器、遊戲及其他需要具有良好抗刮擦性之堅硬玻璃的應用。
上文相對於第2圖之描述有關於使用溢流槽形成結構之熔融製程，其能夠產生具有原始表面之非常薄、非常平坦、非常均勻的片材。縫隙拉製設備亦可產生原始表面，但歸因於孔口形狀隨時間之改變、揮發性碎屑在孔口-玻璃介面處之堆積，以及產生遞送真正平坦玻璃之挑戰，狹槽拉製玻璃之尺寸一致性及表面品質通常可能不及熔融拉製玻璃。浮法製程能夠遞送非常大的均勻片材，但表面可由於與一側上之浮法浴液接觸且由於在另一側自浮法浴液暴露於縮合產物而實質上受損。此意指浮法玻璃必須經拋光以供在高效能顯示器應用中使用。可在任何片材形成設備(浮法設備、使用狹槽或噴嘴之溢流下拉設備或使用形成結構諸如溢流槽之熔融設備)下游使用本文中描述之雷射設備100以輻照片材形成設備形成之玻璃基板。可在線上使用雷射設備100，如第2圖中所示，或可在線下在與形成設備隔開之位置中使用雷射設備。
如本文中所使用，在最廣泛意義上使用術語「玻璃基製品」及「玻璃基基板」以包括全部或部分地由玻璃製成之任何物件。玻璃基製品包括玻璃與非玻璃材料之層合物、玻璃與晶體材料之層合物，以及玻璃陶瓷(包括非晶相及結晶相)。除非另作說明，否則依據莫耳百分比(莫耳%)表達所有玻璃組成物。
玻璃基基板可包含此項技術中已知之供在顯示裝置中使用之任何材料。舉例而言，玻璃基基板可包含鋁矽酸鹽、鹼性鋁矽酸鹽、硼矽酸鹽、鹼性硼矽酸鹽、鋁硼矽酸鹽、鹼性鋁硼矽酸鹽、鹼石灰、或其他適合玻璃。適於用作玻璃光導之市售玻璃的非限制性實例包括例如來自Corning Incorporated之EAGLE XG® 、Lotus™、Willow® 、Iris™及Gorilla® 玻璃。
一些非限制玻璃組成物可包括介於約50莫耳%至約90莫耳%之間的SiO2 、介於0莫耳%至約20莫耳%之間的Al2 O3 、介於0莫耳%至約20莫耳%之間的B2 O3 ，以及介於0莫耳%至約25莫耳%之間的Rx O，其中R係Li、Na、K、Rb、Cs中之任一或多者且x係2，或Zn、Mg、Ca、Sr或Ba且x係1。在一些實施例中，Rx O – Al2 O3 ＞ 0；0 ＜ Rx O - Al2 O3 ＜ 15；x = 2且R2 O - Al2 O3 ＜ 15；R2 O - Al2 O3 ＜ 2；x=2且R2 O - Al2 O3 - MgO ＞ -15；0 ＜ (Rx O - Al2 O3 ) ＜ 25，-11 ＜ (R2 O - Al2 O3 ) ＜ 11，且-15 ＜ (R2 O - Al2 O3 - MgO) ＜ 11；且/或-1 ＜ (R2 O - Al2 O3 ) ＜ 2且-6 ＜ (R2 O - Al2 O3 - MgO) ＜ 1。在一些實施例中，玻璃包含小於1 ppm之Co、Ni及Cr中之每一者。在一些實施例中，Fe之濃度＜約50 ppm，＜約20 ppm或＜約10 ppm。在其他實施例中，Fe + 30Cr + 35Ni ＜約60 ppm，Fe + 30Cr + 35Ni ＜約40 ppm，Fe + 30Cr + 35Ni ＜約20 ppm，或Fe + 30Cr + 35Ni ＜約10 ppm。在其他實施例中，玻璃包含介於約60莫耳%至約80莫耳%之間的SiO2 、介於約0.1莫耳%至約15莫耳%之間的Al2 O3 、0莫耳%至約12莫耳%B2 O3 及約0.1莫耳%至約15莫耳% R2 O及約0.1莫耳%至約15 mol% RO，其中R係Li、Na、K、Rb、Cs中之任一或多者且x係2，或Zn、Mg、Ca、Sr或Ba且x係1。
在其他實施例中，玻璃組成物可包含介於約65.79莫耳%至約78.17莫耳%之間的SiO2 、介於約2.94莫耳%至約12.12莫耳%之間的Al2 O3 、介於約0莫耳%至約11.16莫耳%之間的B2 O3 、介於約0莫耳%至約2.06莫耳%之間的Li2 O、介於約3.52莫耳%至約13.25莫耳%之間的Na2 O、介於約0莫耳%至約4.83莫耳%之間的K2 O、介於約0莫耳%至約3.01莫耳%之間的ZnO、介於約0莫耳%至約8.72莫耳%之間的MgO、介於約0莫耳%至約4.24莫耳%之間的CaO、介於約0莫耳%至約6.17莫耳%之間的SrO、介於約0莫耳%至約4.3莫耳%之間的BaO，以及介於約0.07莫耳%至約0.11莫耳%之間的SnO2 。
在額外實施例中，玻璃基基板119可包含介於0.95與3.23之間的Rx O/Al2 O3 比值，其中R係Li、Na、K、Rb、Cs中之任一或多者且x係2。在進一步實施例中，玻璃基基板可包含介於1.18與5.68之間的Rx O/Al2 O3 比值，其中R係Li、Na、K、Rb、Cs中之任一或多者且x係2，或Zn、Mg、Ca、Sr或Ba且x係1。在又進一步實施例中，玻璃基基板可包含介於-4.25與4.0之間的Rx O - Al2 O3 - MgO，其中R係Li、Na、K、Rb、Cs中之任一或多者且x係2。在更進一步實施例中，玻璃基基板可包含介於約66莫耳%至約78莫耳%之間的SiO2 、介於約4莫耳%至約10莫耳%之間的Al2 O3 、介於約4莫耳%至約11莫耳%之間的B2 O3 、介於約0莫耳%至約2莫耳%之間的Li2 O、介於約4莫耳%至約12莫耳%之間的Na2 O、介於約0莫耳%至約2莫耳%之間的K2 O、介於約0莫耳%至約2莫耳%之間的ZnO、介於約0莫耳%至約5莫耳%之間的MgO、介於約0莫耳%至約2莫耳%之間的CaO、介於約0莫耳%至約5莫耳%之間的SrO、介於約0莫耳%至約2莫耳%之間的BaO，以及介於約0莫耳%至約2莫耳%之間的SnO2 。
在額外實施例中，玻璃基基板119可包含介於約72莫耳%至約80莫耳%之間的SiO2 、介於約3莫耳%至約7莫耳%之間的Al2 O3 、介於約0莫耳%至約2莫耳%之間的B2 O3 、介於約0莫耳%至約2莫耳%之間的Li2 O、介於約6莫耳%至約15莫耳%之間的Na2 O、介於約0莫耳%至約2莫耳%之間的K2 O、介於約0莫耳%至約2莫耳%之間的ZnO、介於約2莫耳%至約10莫耳%之間的MgO、介於約0莫耳%至約2莫耳%之間的CaO、介於約0莫耳%至約2莫耳%之間的SrO、介於約0莫耳%至約2莫耳%之間的BaO，以及介於約0莫耳%至約2莫耳%之間的SnO2 。在某些實施例中，玻璃基基板可包含介於約60莫耳%至約80莫耳%之間的SiO2 、介於約0莫耳%至約15莫耳%之間的Al2 O3 、介於約0莫耳%至約15莫耳%之間的B2 O3 及約2莫耳%至約50莫耳%Rx O，其中R係Li、Na、K、Rb、Cs中之任一或多者且x係2，或Zn、Mg、Ca、Sr或Ba且x係1，且其中Fe + 30Cr + 35Ni ＜約60 ppm。
實例
藉由將Lotus™ NXT樣本之小盤暴露於CO2 雷射輻照，進行雷射加熱實驗。使用之實驗條件如下： 雷射：在10.6 μm下操作之CO2 雷射 雷射功率：自8 W至12 W變化 雷射光點大小：直徑為約8 mm之圓形光點 雷射束分佈曲線：高斯(Gaussian) 樣本暴露時間：1分鐘至15分鐘 樣本暴露於雷射輻照達不同時間量，且雷射功率亦經調整以產生不同熱分佈曲線。藉由使用如由Guo等人之用於判定具有任意熱史之玻璃的焓虛擬溫度的統一方法(J Non-Cryst. Solids. 2011; 357:3230-3236)描述之統一焓匹配方法分析溫度相依比熱容，估計樣本之焓虛擬溫度。
利用高溫差示掃描量熱計(differential scanning calorimeter; DSC)量測比熱容(Cp)資料。用於Cp量測之過程包括以20℃/min之恆定加熱速率將樣本自室溫加熱至高於玻璃轉變溫度之過冷液體區域。接著，使樣本等溫保持在平衡過冷液體區域達2分鐘以擦除熱史。等溫溫度之估計黏稠度係1011 泊，因此等溫保持時間比平均結構鬆弛時間長至少10至50倍。樣本可被視為達到熱動平衡。接著，以20℃/分鐘之冷卻速率將樣本自等溫溫度冷卻至室溫。最終，以20℃/min之加熱速率將樣本自室溫再加熱至高於玻璃轉變溫度之過冷液體區域。藉由減去空坩堝基準及如ASTM標準E1269-11 (Standard Test Method for Determining Specific Heat Capacity by Differential Scanning Calorimetry)中描述之藍寶石標準校正，將在此等步驟中收集之熱流資料轉換成熱容量。
第3圖示出用以改變玻璃虛擬溫度的典型時間-溫度分佈曲線。使用兩個不同溫度分佈曲線。在一種情況下(當玻璃突然驟冷時)，最終Tf 大於原始玻璃Tf ，且在另一情況下(當玻璃緩慢驟冷時)，最終Tf 低於原始玻璃Tf 。第4A圖至第4D圖示出在不同雷射處理條件下之Tf 之熱量量測。且如自第4A圖至第4D圖顯而易見，可取決於處理條件而減小或增加最終虛擬溫度。
可對本文中描述之材料、方法及製品做出各種修改及變化。將藉由考慮本說明書及實踐本文中揭示之材料、方法及製品而明白本文中描述之材料、方法及製品的其他態樣。本說明書及實例意欲被視為例示性的。
100‧‧‧雷射設備
106‧‧‧雷射源
108‧‧‧控制系統
110‧‧‧光學透鏡
112‧‧‧鏡
114‧‧‧軸
119‧‧‧玻璃基基板
120‧‧‧初始射束
122‧‧‧聚焦射束
130‧‧‧雷射束
132‧‧‧邊界
134‧‧‧邊界
142‧‧‧處理器
144‧‧‧記憶體
146‧‧‧冷卻設備
200‧‧‧玻璃製造設備
202‧‧‧玻璃形成設備
216‧‧‧熔融玻璃
236‧‧‧設備入口
237‧‧‧貯槽
238‧‧‧側面
239‧‧‧側面
240‧‧‧根
245‧‧‧玻璃基板
第1圖係根據一實施例用於選擇性地改變玻璃製品之虛擬溫度之設備的示意性表示；
第2圖係第1圖之設備定位在鄰近於溢流槽處之示意性表示；
第3圖係用以改變實例中之玻璃虛擬溫度之典型時間-溫度分佈曲線的圖表；及
第4A圖至第4D圖係在不同雷射處理條件下之Tf 之熱量測量的圖表。
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國外寄存資訊 (請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

Claims (41)

  1. 一種玻璃製造方法，其包含以下步驟： 使一雷射設備與一玻璃基基板相對於彼此定位成使得來自該雷射設備之一雷射束輻照該玻璃基基板，該雷射束具有一功率及一波長；以藉由控制該雷射束之該功率及該波長中之至少一者之一受控加熱速率，藉由用該雷射束輻照該玻璃基基板將具有一第一虛擬溫度之該玻璃基基板加熱至一目標峰值溫度；及以一受控冷卻速率將該玻璃基基板自該目標峰值溫度冷卻至一第二溫度，使得在該玻璃基基板之一區域中獲得一目標虛擬溫度。
  2. 如請求項1所述之玻璃製造方法，其中該雷射設備係一連續波雷射設備。
  3. 如請求項1所述之玻璃製造方法，其中該雷射設備係具有一脈衝速率之一脈衝式雷射設備，該方法另外包含在加熱期間控制該脈衝速率。
  4. 如請求項1所述之玻璃製造方法，其中該玻璃基基板包含一可離子交換玻璃組成物且該玻璃基基板包含一片材。
  5. 如請求項4所述之玻璃製造方法，其中該玻璃基基板包含一鹼金屬鋁矽酸鹽玻璃組成物。
  6. 如請求項5所述之玻璃製造方法，其中該玻璃基基板之該區域在用該雷射束輻照之後具有一經修改離子交換能力。
  7. 如請求項6所述之玻璃製造方法，其另外包含以下步驟：在該玻璃基基板之該區域中交換離子。
  8. 如請求項7所述之玻璃製造方法，其另外包含以下步驟：在該玻璃基基板之一第二區域中輻照該玻璃基基板以在該玻璃基基板之該第二區域中獲得一第二目標虛擬溫度，其中該目標虛擬溫度與該第二目標虛擬溫度不相等。
  9. 如請求項8所述之玻璃製造方法，其中該區域係一第一區域且該第一區域與該第二區域具有不同離子交換能力。
  10. 如請求項9所述之玻璃製造方法，其中該第一區域具有高於該第二區域之一離子交換能力。
  11. 如請求項1所述之玻璃製造方法，其中該玻璃基基板具有一玻璃轉變溫度(Tg )且加熱該玻璃基基板包括將該玻璃基基板之該區域加熱至該Tg 。
  12. 如請求項11所述之玻璃製造方法，其中該玻璃基基板界定一體積且該區域包含該體積之至少0.01%且小於該體積之100%。
  13. 如請求項12所述之玻璃製造方法，其中該區域包含該體積之100%。
  14. 如請求項13所述之玻璃製造方法，其中該玻璃基基板在小於40 ppm之輻照之後具有一低溫測試循環緊縮。
  15. 如請求項13所述之玻璃製造方法，其中該玻璃基基板在小於5.5 ppm之輻照之後具有一低溫測試循環緊縮。
  16. 如請求項1所述之玻璃製造方法，其中該雷射設備定位在一玻璃形成設備下游。
  17. 如請求項16所述之玻璃製造方法，其中該玻璃形成設備選自一片材形成設備、一纖維拉製設備及一鑄塊形成設備。
  18. 如請求項1所述之玻璃製造方法，其中該雷射設備產生一快速掃描射束。
  19. 如請求項1所述之玻璃製造方法，其中該雷射束包含一雷射束陣列。
  20. 如請求項1所述之玻璃製造方法，其中該雷射束包含指向該玻璃基基板之一細長射束。
  21. 一種玻璃製造設備，其包含： 一玻璃形成設備，其形成具有一第一虛擬溫度的一玻璃基基板；及一雷射設備，其具有一功率及一波長，該雷射設備與該玻璃基基板相對於彼此定位成使得來自該雷射設備之一雷射束可以一受控加熱速率加熱該玻璃基基板，使得該玻璃基基板自一第一溫度經加熱至一目標峰值溫度，且可以一受控冷卻速率將該玻璃基基板自該目標峰值溫度冷卻至一第二溫度，使得在該玻璃基基板之一區域中獲得一目標虛擬溫度。
  22. 如請求項21所述之玻璃製造設備，其中該雷射設備係一連續波雷射設備。
  23. 如請求項21所述之玻璃製造設備，其另外包含控制該雷射束之該功率及該波長中之至少一者以該受控加熱速率加熱該玻璃基基板且以該受控冷卻速率冷卻該玻璃基基板的一控制系統。
  24. 如請求項21所述之玻璃製造設備，其另外包含提供對該受控冷卻速率之額外控制的一冷卻設備。
  25. 如請求項21所述之玻璃製造設備，其中該雷射設備係具有一脈衝速率的一脈衝式雷射設備。
  26. 如請求項25所述之玻璃製造設備，其另外包含控制該雷射束之該脈衝速率、該功率及該波長中之至少一者以該受控加熱速率加熱該玻璃基基板且以該受控冷卻速率冷卻該玻璃基基板的一控制系統。
  27. 如請求項21所述之玻璃製造設備，其中該雷射設備定位在該玻璃形成設備下游。
  28. 如請求項27所述之玻璃製造設備，其中該玻璃形成設備選自一片材形成設備、一纖維拉製設備及一鑄塊形成設備。
  29. 如請求項21所述之玻璃製造設備，其中該雷射設備產生一快速掃描射束。
  30. 如請求項21所述之玻璃製造設備，其中該雷射束包含一雷射束陣列。
  31. 如請求項21所述之玻璃製造設備，其中該雷射束包含指向該玻璃基基板之一細長射束。
  32. 如請求項27所述之玻璃製造設備，其中該玻璃形成設備經配置以形成一片材且選自一下拉設備及一玻璃浮法設備。
  33. 一種玻璃製造設備，其包含： 一玻璃形成設備，其形成具有一第一虛擬溫度的一玻璃基基板；一雷射設備；及一處理器及一記憶體，該記憶體儲存通信耦接至該雷射設備之可執行指令，該等可執行指令當藉由該處理器執行時：操作該雷射設備產生具有一功率及一波長之一雷射束，該雷射束可以一受控加熱速率加熱具有一第一虛擬溫度之一玻璃基基板，使得該玻璃基基板自一第一溫度經加熱至一目標峰值溫度，且操作該雷射設備允許該玻璃基基板以一受控冷卻速率自該目標峰值溫度冷卻至一第二溫度，使得在該玻璃基基板之一區域中獲得一目標虛擬溫度。
  34. 如請求項33所述之玻璃製造設備，其中該處理器執行控制該雷射束相對於該玻璃基基板之相對位置的指令。
  35. 如請求項33所述之玻璃製造設備，其中該處理器執行使該雷射束以一掃描速率跨越該玻璃基基板之一表面進行掃描的指令。
  36. 如請求項33所述之玻璃製造設備，其中該記憶體儲存選自玻璃組成物、基板尺寸及基板質量之玻璃基基板資料。
  37. 如請求項33所述之玻璃製造設備，其中該雷射設備定位在該玻璃形成設備下游。
  38. 如請求項33所述之玻璃製造設備，其中該玻璃形成設備選自一片材形成設備、一纖維拉製設備及一鑄塊形成設備。
  39. 如請求項33所述之玻璃製造設備，其中該雷射設備產生一快速掃描射束。
  40. 如請求項33所述之玻璃製造設備，其中該雷射束包含一雷射束陣列。
  41. 如請求項33所述之玻璃製造設備，其中該雷射束包含指向該玻璃基基板之一細長射束。
TW107129444A 2017-08-24 2018-08-23 用於選擇性地改變玻璃基製品的虛擬溫度之方法及設備 TW201912597A (zh)

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