TWI746646B - 透過雷射加熱的玻璃製品之組成修飾及其製作方法以及光學波導裝置、電子裝置 - Google Patents
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Abstract
本文揭示了玻璃製品以及用於修飾玻璃製品的表面部分組成分的方法。該方法包括以雷射束加熱玻璃製品的表面部分至範圍在約1100℃至約2200℃內的溫度，使得該加熱步驟將存在表面部分處的一或多種類金屬及/或一或多種鹼金屬蒸發，並修飾表面部分的組成分，使得表面部分與未被雷射束加熱的該玻璃製品的部分相比，具有較低的鹼金屬濃度及/或較低的類金屬濃度。
Description
本申請案主張2016年9月29日提出申請之美國臨時專利申請案第62/401364號的優先權權益，藉由全文引用依賴優先權案之內容並將之併入本文中。
本案說明書大體而言是關於玻璃製品，以及更明確而言是關於與玻璃製品的主體部分相比，具有一或更多組成改變的表面部分的玻璃製品，以及關於製作此類玻璃製品的方法。
使用例如熔融抽拉的下拉方法，可由玻璃片獲得玻璃製品。玻璃製品可在抽拉罩處機械式地由帶分離出，然後經受各式下游製程。在玻璃製品由帶分離出後，可將雷射處理用於施加在玻璃製品各式邊緣的修整製程中。在此類的分離與修整製程期間，已發現玻璃片的邊緣特別脆弱，並且有破裂或破碎的傾向。
因此，修整製程不僅需要修整玻璃製品的邊緣，還需要強化邊緣以預防破裂或破碎。
在一些實施例中，修飾玻璃製品的表面部分組成分的方法包括以雷射束加熱玻璃製品的表面部分至範圍在約1100˚C至約2200˚C內的溫度，使得該加熱步驟將存在表面部分處的一或多種類金屬及/或一或多種鹼金屬蒸發，並修飾表面部分的組成分，使得該表面部分與未被雷射束加熱的該玻璃製品的部分相比，具有較低的鹼金屬濃度及/或較低的類金屬濃度。
在一些實施例中，玻璃製品包括主體部分以及圍繞該主體部分的表面部分。表面部分與主體部分相比具有較低的鹼金屬濃度及/或較低的類金屬濃度。
在一些實施例中，光學波導裝置包括玻璃製品，該玻璃製品具有主體部分以及圍繞該主體部分的表面部分。表面部分與主體部分相比具有較低的鹼金屬濃度及/或較低的類金屬濃度。光學波導裝置更包括安置在表面部分以及主體部分中至少一者內部的光學波導，使得光學波導可操作以在光學波導中傳播光學訊號。
在一些實施例中，電子裝置包括電子顯示器以及玻璃蓋板。玻璃蓋板安置在電子顯示器上方，以及玻璃蓋板包括主體部分與圍繞該主體部分的表面部分，表面部分與主體部分相比具有較低的鹼金屬濃度及/或較低的類金屬濃度。
本文所述之透過雷射加熱的玻璃製品組成修飾及製作其之方法的額外特徵及優點將列舉於接下來的詳細說明中，並且在某種程度上該額外特徵及優點從詳細說明而言對本技術領域中具有通常知識者是顯而易見的，或者該額外特徵及優點可藉由實施本文所述之實施例，包括接下來的詳細說明、申請專利範圍以及附圖，而識別出。
應瞭解前述大體上的說明與以下的詳細說明兩者都描述了各式實施例，並且欲提供用於瞭解所請標的之本質與特性的概述與架構。包括附圖以提供各式實施例進一步的瞭解，以及將附圖併入此說明書中並且構成此說明書的一部分。圖式圖示說明了本文所述的各式實施例，並與說明一起對所請標的之原理與操作提供解釋。
現將詳細參照玻璃製品及其製作方法的實施例，該實施例的範例於附圖中圖示說明。在全部圖式中將盡可能使用相同的元件符號以參照相同或相似的部件。依據本案的揭示內容，提供具有主體部分以及表面部分的玻璃製品，其中表面部分與主體部分相比具有較低的鹼金屬濃度及/或較低的類金屬濃度。由於較低的鹼金屬濃度及/或類金屬濃度，表面部分具有較低的熱膨脹係數，並且比主體部分更能接受離子交換製程，因而增加邊緣部分的強度。藉由將邊緣部分加熱至範圍在約1100˚C至約2200˚C內的溫度，該溫度將一或多種鹼金屬及/或一或多種類金屬蒸發，降低鹼金屬濃度及/或類金屬濃度，因而修飾邊緣部分的組成性質。未被加熱的主體部分組成分維持不變。
現在參照圖1，示意性描繪範例玻璃製品100。玻璃製品100包括表面部分110以及主體部分130。表面部分110可為玻璃製品100的主要表面112、114或次要表面115、116、117、118的部分。在一個實施例中，表面部分110可為主要表面112、114或次要表面115、116、117、118上的片段或點。如本文中所使用的，關於玻璃製品的「主要表面」是具有比「次要表面」面積要大的表面。如範例，配置成玻璃片的玻璃製品的次要表面115、116、117、118為玻璃片的邊緣。再者，主體部分130可為玻璃製品100介於主要表面112、114與次要表面115、116、117、118之間的部分。玻璃製品100暴露至雷射束140處的部分為處理部分180，以及玻璃製品100未暴露至雷射束140的部分為非處理部分182。在圖1將玻璃製品100描繪成矩形的形狀的同時，玻璃製品100可為任何形狀。在實施例中，玻璃製品100可為方形、圓形、多邊形、卵形等等的形狀。
玻璃製品100可由強化或未強化的玻璃製成。在實施例中，玻璃製品100藉由離子交換製程化學強化。如非限制性範例，玻璃製品100可為硼矽酸鹽玻璃、鹼金屬鋁矽酸鹽玻璃、鋁硼矽酸鹽、鹼金屬鋁硼矽酸鹽玻璃等等。在範例性實施例中，玻璃製品100為矽酸鹽玻璃，該矽酸鹽玻璃具有至少5莫耳%或至少10莫耳%的R2
O及B2
O3
，其中R2
O可為Li2
O、Na2
O、Rb2
O及Cs2
O中的一或更多者。在其他非限制性範例中，玻璃製品100為矽酸鹽玻璃，該矽酸鹽玻璃包括至少5莫耳%或10莫耳%的R2
O、B2
O3
、ZnO、P2
O5
及In2
O3
，其中R2
O可為Li2
O、Na2
O、Rb2
O及Cs2
O中的一或更多者。在範例性實施例中，玻璃製品100也可由玻璃系基材製成，例如玻璃陶瓷。「玻璃陶瓷」包括透過玻璃受控的結晶化產生的材料。在實施例中，玻璃陶瓷具有約30%至約90%的結晶度。可使用的玻璃陶瓷系統非限制性範例包括Li2
O×Al2
O3
×nSiO2
(也就是LAS系統)、MgO×Al2
O3
×nSiO2
(也就是MAS系統)以及ZnO×Al2
O3
×nSiO2
(也就是ZAS系統)。
如下更詳細的說明，暴露玻璃製品100以在表面部分110處加熱，以修飾在加熱區域中玻璃製品100的組成分。在實施例中，可使用雷射束140將玻璃製品100加熱至範圍在約1100˚C至約2200˚C內的溫度。雷射束140在玻璃製品100的表面部分110處的施加將存在表面部分110中的一或多種鹼金屬及一或多種類金屬蒸發，因而與未被雷射束加熱的玻璃製品部分相比，局部修飾了在表面部分110處的玻璃製品100的組成分。因此，在實施例中，藉由減少與玻璃製品100的非加熱部分(例如主體部分130)相比的鹼金屬濃度及或類金屬濃度，高溫修飾表面部分110。經修飾的表面部分110與主體部分130相比具有改變的(較高的或較低的)折射率。此外，經修飾的表面部分110具有比主體部分130低的熱膨脹係數(CTE)。因為CTE的不同，當以雷射束140加熱表面部分110之後玻璃製品100冷卻時，具有較低鹼金屬濃度的表面部分110收縮得比主體部分130少，因而使玻璃製品100的表面處於壓縮狀態。
說明修飾玻璃製品100的表面部分110組成分的範例方法。方法包括預熱玻璃製品100至範圍在約50˚C至約900˚C內的溫度。在實施例中，玻璃製品100在被暴露至雷射束140之前預熱。預熱步驟的溫度使得玻璃製品100的表面部分110來到接近玻璃製品100的退火點。應瞭解玻璃製品100的退火點取決於玻璃製品100的厚度與組成分。
方法更包括以雷射束140加熱玻璃製品100的表面部分110至範圍在約1100˚C至約2200˚C內的溫度。在範例性實施例中，可加熱玻璃製品100至範圍在約1200˚C至約2200˚C內的溫度，或約1300˚C至約1800˚C內的溫度，或約1400˚C至約1700˚C內的溫度。在實施例中，配置雷射束140以局部加熱所欲之玻璃製品100的表面部分110。以雷射束140局部加熱表面部分110允許精確控制雷射束140遍及正暴露至雷射束140的表面部分110的位置。在實施例中，可以預先決定的掃描頻率遍及靜置的玻璃製品100的表面部分110迅速掃描雷射束140。如本文所使用，「預先決定的掃描頻率」為在一段給定時間中從開始位置到結束位置然後回到開始位置，若干次的掃描雷射束140。如非限制性範例，預先決定的掃描頻率範圍由約10 kHz至100 Hz。在一些實施例中，可相對於雷射束140迅速掃描玻璃製品100的表面部分110，使得雷射束140保持靜置。因此，可使用具有雷射束140與玻璃製品100之間相對移動的其他已知實施例。
參照圖2，顯示出以雷射束140加熱表面部分110的範例方法。在實施例中，表面部分110可為邊緣部分120(如圖1所示)。在圖示說明的實施例中，以雷射束140加熱在玻璃製品100的次要表面116處的邊緣部分120。邊緣部分120可為任何次要表面115、116、117、118的片段。如非限制性範例，邊緣部分120由玻璃製品100的第一邊緣122 (及/或第二邊緣124，及/或第三邊緣126，及/或第四邊緣128)朝向主體部分130延伸至預先決定的深度。在實施例中，邊緣部分120可由玻璃製品100的邊緣122朝主體部分130延伸多達1 μm，或多達10 μm，或多達15μm。
在圖2中圖示說明的範例中，使用旋轉多邊鏡210以及透鏡220將雷射束140朝向玻璃製品100的邊緣部分120指向與掃描。首先將雷射束140朝向旋轉多邊鏡210指向，旋轉多邊鏡210指向雷射束140成為穿過透鏡220的兩束142以及144。藉由透過透鏡220對焦雷射束142、144，透鏡220協助以雷射束140局部化加熱玻璃製品100。
如非限制性範例，藉由二氧化碳雷射、一氧化碳雷射、準分子雷射或其他眾所周知的工業雷射發射雷射束140。還有，也可使用各式氣體雷射或固態雷射以產生雷射束140。在一些實施例中，雷射束140可為脈衝式雷射束或連續雷射束。再者，可使用能將表面加熱至範圍在約1100˚C至約2200˚C內之溫度的雷射。沒有特別限定雷射束140的波長。如非限制性範例，雷射束140可具有範圍約1 μm至100 μm的波長，或5 μm至15 μm的波長。此外，也可使用眾所周知或尚待發展的雷射。
藉由雷射束140的掃描頻率與波長之外的雷射束140的各式特徵，可控制暴露至雷射束140之表面部分110處的玻璃製品100的溫度。一些非限制性的範例性特徵包括玻璃製品100的表面部分110上雷射束140的雷射功率密度以及暴露時間。在非限制性範例中，雷射束140的雷射功率密度在約1 W/mm2
至約10 W/mm2
的範圍內。在一些實施例中，雷射束140的雷射功率密度在約2 W/mm2
至約5 W/mm2
的範圍內。關於雷射束140的暴露時間，該時間可在約0.1秒至約100秒的範圍內。在一些實施例中，雷射束140的暴露時間可在約2秒至約4秒的範圍內。暴露時間必須足夠長以將一或多種鹼金屬或一或多種類金屬蒸發至所欲之濃度水平。
在圖2中，使用旋轉多邊鏡210操縱雷射束140穿過透鏡220，並朝向玻璃製品100。佈置旋轉多邊鏡210，使得旋轉多邊鏡210將入射在旋轉多邊鏡210上的雷射束140朝向透鏡220指向。在實施例中，旋轉多邊鏡210以順時針或逆時針方向旋轉，其中旋轉可為週期性或連續性的。由於多邊鏡210的旋轉，可操縱雷射束140在第二邊緣124的不同邊緣部分120處入射在玻璃製品100上。在圖2中，旋轉多邊鏡210顯示出具有8邊，然而，其他實施例可具有任何合適的邊數，例如從4邊到16邊。在一些實施例中，雷射束140的掃描頻率可取決於旋轉多邊鏡210的旋轉。在實施例中，雷射束140的掃描頻率可使得掃描之間的時間與玻璃的熱擴散時間相比是短的。如非限制性範例，雷射束140可具有範圍在約10 kHz～100 Hz內的掃描頻率。在實施例中，也可使用目前已知或尚待發展的掃描裝置，以操縱雷射束140朝向玻璃製品100的表面部分110。
舉例而言，玻璃製品100可僅在次要表面116所選的部分暴露至雷射束140。使用透鏡220將雷射束140指向至次要表面上的所選部分。在實施例中，透鏡220為新月形。安置玻璃製品100，使得雷射束140在玻璃製品100的邊緣部分120處入射在玻璃製品100上。在圖2顯示出入射在次要表面116上的雷射束140的同時，可安置玻璃製品100，使得雷射束140入射在主要表面112、114的表面部分110上。如圖2中所示，配置新月形透鏡220，使得無論雷射束140在透鏡220上的入射角為何，雷射束140的焦點都在玻璃製品100的邊緣124處。在一些實施例中，透鏡220為f-theta透鏡(f-theta lens)。
現在參照圖3，顯示出描繪不同雷射束性質在玻璃製品100的表面部分110處不同玻璃溫度的圖表。在圖示說明的範例中，玻璃製品以鹼金屬硼矽酸鹽玻璃製成。明確而言，使用具有基於氧化物mol%的下列組成分的鹼金屬硼矽酸鹽玻璃：64.5% SiO2
；7% B2
O3
；13.9% Al2
O3
；14% Na2
O；0.5% K2
O；0.03% Fe2
O3
；0.04% SnO2
以及0.004% TiO2
。表面部分110的溫度在範圍約600℃至約2200℃之間持續一段時間。施加具有不同雷射束性質的雷射束140至玻璃製品100的表面部分110。將以曲線301、302及303描繪的雷射束140的每一者暴露至具有四個次要表面的玻璃製品100。雷射束140的波長為10.6 μm。沿著玻璃製品100的次要表面以1000次/秒的速率掃描雷射。還有，玻璃製品100的厚度為約0.6 mm。
在曲線301處，所施加的雷射功率密度為2.6 W/mm2
以及暴露時間為2秒。在曲線302處，所施加的雷射功率密度為2.6 W/mm2
以及暴露時間為3.5秒。在曲線303處，所施加的雷射功率密度為4 W/mm2
以及暴露時間為2秒。已觀察到在曲線301處，在表面部分110處獲得的最高溫介於約1400℃至約1500℃之間。在曲線302處，在表面部分110處獲得的最高溫介於約1600℃至約1700℃之間。還有，在曲線303處，在表面部分110處獲得的最高溫為約2000℃。使用熱像儀在表面部分110處量測玻璃製品100的表面部分110的溫度。熱像儀是藉由量測物件所發射的黑體輻射來量測物件溫度的裝置。
舉例而言，在曲線301處，雷射束140花費約一秒來加熱，以及歷時2秒的暴露時間加熱玻璃製品100的一個次要表面(例如次要表面116)，然後旋轉玻璃製品，並且加熱下個次要表面(例如次要表面118)2秒。為玻璃製品100的其他兩個次要表面(115、117)重複該製程。四個尖峰(也就是當曲線301的雷射束140的溫度到達超過1400℃)的每一個指出在玻璃製品100的各次要表面處之溫度超過1400℃。因此，取決於至少例如雷射功率密度以及暴露時間的性質，控制在表面部分110處的溫度。
如有關圖3所論述的藉由在變化的雷射功率密度以及暴露時間下以雷射束140加熱表面部分110，在表面部分110處獲得高溫(也就是範圍在約1100℃至約2000℃內)。在此類溫度下，已觀察到在表面部分110處的玻璃軟化並在表面張力下流動，因此形成修整部分150A、150B、150C。如非限制性範例，修整部分150A、150B、150C的厚度可在約0.1～10 μm的範圍內。修整部分150A、150B、150C的範例顯示在圖4A～圖4C中。明確而言，圖4A～圖4C描繪經施加雷射束140至玻璃製品100之後，玻璃製品100的一個次要表面(舉例而言115、116、117或118)的頂視圖。在施加雷射束140之後，水平(也就是跨過x軸)切割如圖4A～圖4C中顯示出的修整部分150A、150B、150C，以獲得修整部分150A、150B、150C的水平截面160A、160B、160C。也就是說，顯示在圖5A～圖5C中的玻璃製品100的終端各自對應至顯示在圖4A～圖4C中的次要表面中心。
如本文所使用的，「修整部分」為已經暴露至雷射束140一預定時間量的表面部分110。舉例而言，如圖3的曲線301所描繪的表面部分110上的雷射束140之暴露產生顯示在圖4A中的修整部分150A。修整部分的截面160A顯示於圖5A中。還有，如圖3的曲線302所描繪的表面部分110上的雷射束140之暴露產生顯示在圖4B中的修整部分150B，以及修整部分的截面160B顯示於圖5B中。相似地，圖3的曲線303所描繪的表面部分110上的雷射束140之暴露產生顯示在圖4B中的修整部分150C，以及修整部分的截面160C顯示於圖5C中。如圖4A～圖4C以及圖5A～圖5C中所能看到的，當雷射功率密度以及暴露時間增加時，由於在表面部分110處氣泡與凸出的增加，修整部分150的品質下降。舉例而言，修整部分150A～150C中的氣泡量隨著雷射功率密度及/或暴露時間的增加而漸進地增加。再者，如圖5A～圖5C中所證實，在修整部分150A、150B、150C的水平截面160A、160B、160C處的凸出也隨著雷射功率密度及/或暴露時間而變化。據此，可藉由調整雷射束140的雷射功率密度及/或暴露時間控制修整部分150A～150C中的水平截面160A～160C處的氣泡量及/或凸出量。
以雷射束140加熱的玻璃製品100的表面部分110將使存在表面部分110處的一或多種類金屬及/或一或多種鹼金屬蒸發。在實施例中，一或多種鹼金屬及/或一或多種類金屬以氧化物或鹼金屬硼酸鹽的形式蒸發。如本文所使用的，關於一或多種鹼金屬及/或一或多種類金屬之蒸發的用語「蒸發」為存在玻璃製品100中的一或多種鹼金屬或一或多種類金屬成為氣態的轉變。取決於玻璃製品100的組成分，一或多種鹼金屬可為鋰、鈉、鉀、銣或銫。還有，在實施例中，一或多種類金屬可為硼、矽、鍺、砷、銻或碲。還有，在範例性實施例中，可蒸發一或多種鹼金屬以及一或多種類金屬為自由元素，或為鹼金屬化合物或類金屬化合物。除了一或多種鹼金屬以及一或多種類金屬之外，在範例性實施例中，也可藉由雷射束140蒸發例如鋅與銦的金屬以及例如磷的非金屬。在一些實施例中，鋅、銦以及磷可各自以其自由態或以例如ZnO、In2
O3
以及P2
O5
的化合物形式蒸發。
以雷射束140加熱玻璃製品100的表面部分110修飾表面部分110的組成分，使得表面部分110與未被雷射束140加熱的玻璃部分相比，具有較低的鹼金屬濃度及/或較低的類金屬濃度。如非限制性範例，在表面部分110處的鹼金屬濃度或類金屬濃度可在50%至99.9%的範圍，比玻璃製品100的主體部分130處的鹼金屬濃度或類金屬濃度低。如另一個非限制性實例，在表面部分110處的鹼金屬濃度或類金屬濃度可為約80%，比玻璃製品100的主體部分130處的鹼金屬濃度或類金屬濃度低。如另一個非限制性實例，在表面部分110處的鹼金屬濃度或類金屬濃度可為約95%，比玻璃製品100的主體部分130處的鹼金屬濃度或類金屬濃度低。
玻璃製品100的表面部分110的組成分範例修飾可見於圖6及圖7。參照圖6，顯示出使用二次離子質譜儀(SIMS)執行的雷射加熱表面部分110分析。在圖示說明的範例中，所使用的玻璃製品100為基於氧化物mol%，具有下列組成分的鹼金屬硼矽酸鹽玻璃：64.5% SiO2
；7% B2
O3
；13.9% Al2
O3
；14% Na2
O；0.5% K2
O；0.03% Fe2
O3
；0.04% SnO2
以及0.004% TiO2
。顯示於圖6中圖表的y軸描繪當玻璃製品100暴露至雷射束140時，存在玻璃製品100中的類金屬硼的濃度。x軸以微米呈現出玻璃製品100的深度，其中邊緣(舉例而言，邊緣122)具有0 μm深度，以及在圖示說明的範例中的玻璃製品100顯示出具有至少7 μm的深度。施加不同雷射功率密度以及暴露時間的雷射束至玻璃製品100的表面部分110。在曲線601處，所施加的雷射功率密度為2.6 W/mm2
，以及暴露時間為2秒。在曲線602處，所施加的雷射功率密度為2.6 W/mm2
，以及暴露時間為3.5秒。在曲線603處，所施加的雷射功率密度為4 W/mm2
，以及暴露時間為2秒。曲線604表示對照組，意即在施加雷射束140之前玻璃製品100內部的硼濃度。以曲線601、602以及603表示的雷射束波長為10.6 μm。沿著玻璃製品100的次要表面以1000次/秒的速率掃描雷射束140。還有，玻璃製品100的厚度為約0.6 mm。在施加雷射束140至玻璃製品100的表面部分110之後，可看到在邊緣122的深度0 μm處硼濃度幾乎為0%。當從邊緣122朝向玻璃製品100的主體部分130量測硼濃度時，硼濃度增加。因此，觀查到玻璃製品100的表面部分110上雷射束140的施加藉由蒸發硼而修飾玻璃製品100的組成分，因而減少表面部分110內部的硼存在。再者，與主體部分內部對比，修飾僅發生在玻璃製品100的表面部分110處。可見在深度舉例而言為7 μm(舉例而言為曲線601、602)的主體部分130處的硼濃度與施加雷射束140之前(意即曲線604)之玻璃製品100的硼濃度相同。
如範例並且不做為限制，類金屬濃度降低是所希望的，因為可使用在修整部分150處具有較低類金屬濃度的玻璃製品100作為用於傳播光的光學訊號的光學波導。已發現矽酸鹽玻璃中例如硼的一或多種類金屬的存在降低矽酸鹽玻璃的折射率。因此，使用雷射束140降低在表面部分110處的類金屬濃度將產生具有比玻璃製品100的主體部分130高之折射率的修整部分150。在一些實施例中，鹼金屬濃度降低之後也可使用玻璃製品100作為光學波導，其中與玻璃製品100的主體部分130相較，鹼金屬蒸發降低修整部分150的折射率。在範例性實施例中，可以例如Metricon的市售儀器量測折射率改變，Metricon允許玻璃製品100的折射率量測。可運用與玻璃製品100的主體部分130相較，在修整部分150處折射率的改變(增加或減少)形成光學波導。可使用此類光學波導穿過玻璃製品100傳送光與訊號。
此外，類金屬濃度的降低也是所希望的，因為具有較低類金屬濃度的玻璃更能接受用於化學強化玻璃的離子交換製程。可藉由將玻璃浸泡在含有鹼金屬離子的熔融鹽浴中執行離子交換強化，以促進熔融鹽浴中的較大鹼金屬離子(例如鉀離子)與玻璃中的較小鹼金屬璃子(例如鈉離子)的交換，使得在玻璃表面中形成壓縮應力。已發現玻璃中硼的存在減緩離子交換製程，並且降低玻璃可達到的壓縮應力。藉由將硼從玻璃製品的表面部分110蒸發，修整部分150將更快速離子交換並達到更高的壓縮應力值，因而提供最易受損壞影響的表面部分110更多的保護。
依舊參照圖6，從表面部分110降低例如硼的一或多種類金屬濃度也影響了玻璃製品100的熱膨脹係數。當以雷射束140加熱表面部分110時，在表面部分110處的類金屬濃度降低，因而該降低增加在玻璃製品100的表面部分110處的熱膨脹係數。在非限制性的範例性實施例中，可退火此玻璃製品100以移除藉由雷射束140誘發的應力，使得玻璃製品100冷卻時，修整部分150進入張力狀態。在實施例中，可使用將在表面部分110處給予殘留壓縮應力的替代組成分。
現在參照圖7，顯示出使用二次離子質譜儀(SIMS)的雷射加熱表面部分110的分析。在圖示說明的範例中，所使用的玻璃製品100為基於氧化物mol%，具有下列組成分的鹼金屬硼矽酸鹽玻璃：64.5% SiO2
；7% B2
O3
；13.9% Al2
O3
；14% Na2
O；0.5% K2
O；0.03% Fe2
O3
；0.04% SnO2
以及0.004% TiO2
。顯示於圖7中圖表的y軸表示在使用各式功率密度與暴露時間將玻璃製品100暴露至雷射束140之後，玻璃製品100中存在的鹼金屬鈉的濃度。x軸以微米表示玻璃製品100的深度，其中邊緣(舉例而言，邊緣122)具有0 μm深度，以及在圖示說明的範例中的玻璃製品100具有至少7 μm的深度。施加各式雷射功率密度與暴露時間的雷射束至玻璃製品100的表面部分110。在曲線701處，所施加的雷射功率密度為2.6 W/mm2
，以及暴露時間為2秒。在曲線702處，所施加的雷射功率密度為2.6 W/mm2
，以及暴露時間為3.5秒。在曲線703處，所施加的雷射功率密度為4 W/mm2
，以及暴露時間為2秒。曲線704表示對照組，意即在施加雷射束140之前玻璃製品100內部的鈉濃度。以曲線701、702以及703表示的雷射束波長為10.6 μm。沿著玻璃製品100的次要表面以1000次/秒的速率掃描雷射束140。還有，所使用的玻璃製品100的厚度為約0.6 mm。在施加雷射束140至玻璃製品100的表面部分110之後，可看到鈉濃度在深度0 μm的邊緣122處由14 mol%減少至約12 mol%。當從邊緣122、124、126、128朝向玻璃製品100的主體部分130量測鈉濃度時(也就是當深度增加時)，鈉濃度逐漸增加。因此，可觀察到施加在玻璃製品100的表面部分110上的雷射束140藉由蒸發鈉而修飾玻璃製品100的組成分，因而減少表面部分110內部存在的鈉。再者，修飾僅發生在玻璃製品100的表面部分110處，因為可看到在主體部分130處的鈉濃度與施加雷射束140之前(意即曲線704)玻璃製品100的鈉濃度相同。
從表面部分110降低例如鈉的一或多種鹼金屬濃度是所希望的，因為該降低減少與主體部分130相比，在表面部分110處的折射率。此外，從表面部分110降低例如鈉的一或多種鹼金屬亦是所希望的，因為該降低減少玻璃製品100的熱膨脹係數。在一些實施例中，邊緣部分120的熱膨脹係數比玻璃製品的主體部分130的熱膨脹係數低至少0.1ppm/℃。在範例性實施例中，可藉由量測產生自CTE改變的雙折射來量測CTE改變。使用偏振光光學性地量測雙折射，以及可使用例如Metricon的市售儀器量測雙折射。再者，當在被雷射束140加熱之後玻璃製品100冷卻時，與主體部分130相比具有降低的鹼金屬濃度的修正部分150將比主體部分130收縮得少，並且將處於壓縮狀態。此表面部分中的壓縮增加玻璃製品100的強度，因而防止在表面部分110處的缺陷或刮痕生長。
因此，如圖6及圖7中所證明，表面部分110與玻璃未被雷射束140加熱的玻璃部分相比具有較低的鹼金屬濃度及/或較低的類金屬濃度。此外，在實施例中，以雷射束140加熱的邊緣部分120與主體部分130相比可具有較低的鹼金屬濃度及/或較低的類金屬濃度。在這些實施例中，藉由以雷射束140加熱邊緣部分120至範圍約1100℃至約2200℃內的溫度來減少在邊緣部分120處的鹼金屬濃度或類金屬濃度，以在組成上修飾邊緣部分120。還有，在非限制性的範例性實施例中，玻璃製品暴露至雷射束140之部分的處理部分180與非處理部分182相比具有較低的鹼金屬濃度及/或較低的類金屬濃度，其中非處理部分182與處理部分180彼此互相鄰接。
由於與主體部分130相較，玻璃製品100的表面部分110的組成修飾，可將這些玻璃製品100用於各式裝置中，例如光學波導、光學連接器、光學聯結、用於電子裝置的保護蓋板、觸控螢幕感應器等等。舉例而言，圖8描繪具有光學波導的玻璃製品100的用途，以及圖9描繪玻璃製品100用作用於電子顯示器的玻璃蓋板。
現在參照圖8，顯示出具有安置在玻璃製品800內部的光學波導802的玻璃製品800。玻璃製品800包括主體部分130以及圍繞主體部分130的表面部分110，表面部分110與主體部分130相比具有較低的鹼金屬濃度及/或較低的類金屬濃度。以雷射束140加熱表面部分110至範圍在約1100˚C至約2000˚C內的溫度，以將存在表面部分110處的一或多種類金屬及/或一或多種鹼金屬蒸發，使得表面部分110具有較低的鹼金屬濃度及/或較低的類金屬濃度。再者，將光學波導802安置在表面部分110以及主體部分130中的至少一者內部，使得光學波導802為可操作以在光學波導802中傳播光學訊號。
現在參照圖9，描繪電子裝置900，電子裝置900具有外殼902以及電子顯示器904、處理器(未圖示出)以及記憶體(未圖示出)。電子顯示器904包括玻璃蓋板906，玻璃蓋板906包括表面部分110以及主體部分，其中表面部分110與主體部分130相比具有較低的鹼金屬濃度及/或較低的類金屬濃度。以雷射束140加熱玻璃蓋板906的表面部分110至範圍在約1100˚C至約2200˚C內的溫度，以將存在表面部分110處的一或多種類金屬及/或一或多種鹼金屬蒸發，使得表面部分110具有較低的鹼金屬濃度及/或較低的類金屬濃度。在範例實施例中，對電子裝置900而言，也可將玻璃蓋板906用作觸控螢幕顯示器。
應瞭解本文所述實施例是關於玻璃製品，並論述修飾玻璃製品表面部分之組成分的方法。以雷射束加熱玻璃製品的表面部分至範圍在約1100˚C至約2200˚C內的溫度，以將存在表面部分處的一或多種類金屬及/或一或多種鹼金屬蒸發。這修飾了表面部分的組成分，使得表面部分與玻璃製品未被雷射束加熱的部分相比具有較低的鹼金屬濃度及/或較低的類金屬濃度。經修飾的表面部分或修整部分具有改變的折射率以及比未被雷射束加熱的玻璃製品的部分低的熱膨脹係數。可將此類玻璃或玻璃系製品用作用於光學組件中傳送光或訊號的光學波導、光學連接器、光學聯結、用於電子裝置的玻璃蓋板、觸控螢幕感應器等等。
在不背離本案所請標的之精神以及範圍的情形下，對本文所述實施例進行各式修飾與變化，對本技術領域中具有通常知識者而言是顯而易見的。因此，說明書欲覆蓋本文所述各式實施例的修飾與變化，所提供的此類修飾與變化在附加的申請專利範圍以及其等效物之範圍內。
100‧‧‧玻璃製品110‧‧‧表面部分112‧‧‧主要表面114‧‧‧主要表面115‧‧‧次要表面116‧‧‧次要表面117‧‧‧次要表面118‧‧‧次要表面120‧‧‧邊緣部分122‧‧‧邊緣124‧‧‧邊緣126‧‧‧邊緣128‧‧‧邊緣130‧‧‧主體部分140‧‧‧雷射束142‧‧‧束144‧‧‧束150A‧‧‧修整部分150B‧‧‧修整部分150C‧‧‧修整部分160A‧‧‧截面160B‧‧‧截面160C‧‧‧截面180‧‧‧處理部分182‧‧‧非處理部分210‧‧‧多邊鏡220‧‧‧透鏡301‧‧‧曲線302‧‧‧曲線303‧‧‧曲線601‧‧‧曲線602‧‧‧曲線603‧‧‧曲線604‧‧‧曲線701‧‧‧曲線702‧‧‧曲線703‧‧‧曲線704‧‧‧曲線800‧‧‧玻璃製品802‧‧‧光學波導900‧‧‧電子裝置902‧‧‧外殼904‧‧‧電子顯示器906‧‧‧玻璃蓋板
圖1示意性描繪依據本文顯示及描述的一或更多個實施例的範例玻璃製品，該範例玻璃製品具有表面部分、主體部分、邊緣部分及邊緣；
圖2示意性描繪依據本文顯示及描述的一或更多個實施例的範例設備，該範例設備用於以雷射束加熱玻璃製品的表面部分；
圖3為依據本文顯示及描述的一或更多個實施例的圖表，該圖表描繪當使用具有變化的雷射功率密度及暴露時間之雷射束時，在表面部分處獲得的溫度；
圖4A至圖4C描繪依據本文顯示及描述的一或更多個實施例的玻璃製品的修整部分；
圖5A至圖5C描繪依據本文顯示及描述的一或更多個實施例的玻璃製品的修整部分的截面；
圖6圖解地描繪依據本文顯示及描述的一或更多個實施例的硼濃度，該硼濃度隨著玻璃製品的雷射加熱表面部分之深度變化；
圖7圖解地描繪依據本文顯示及描述的一或更多個實施例的鈉濃度分析，該鈉濃度分析隨著雷射加熱表面部分之深度變化；
圖8描繪依據本文顯示及描述的一或更多個實施例的光學波導，該光學波導安置在玻璃製品的表面部分及/或主體部分內部；以及
圖9描繪依據本文顯示及描述的一或更多個實施例的電子裝置，該電子裝置具有電子顯示器及安置在電子顯示器上方的玻璃蓋板。
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100:玻璃製品
116:次要表面
124:邊緣
140:雷射束
142:束
144:束
210:多邊鏡
220:透鏡
Claims (15)
- 一種修飾一玻璃製品的一表面部分的一組成分的方法，該方法包含以下步驟：以一雷射束加熱該玻璃製品的該表面部分至範圍在約1100℃至約2200℃內的一溫度，使得該加熱步驟將存在該表面部分處的一或多種類金屬及/或一或多種鹼金屬蒸發並修飾該表面部分的該組成分，使得該表面部分與未被該雷射束加熱的該玻璃製品的一部分相較，包含一較低的鹼金屬濃度及/或一較低的類金屬濃度，其中該表面部分並非該玻璃製品的一整個主要表面或次要表面。
- 如請求項1所述之方法，其中以該雷射束加熱該玻璃製品的該表面部分的步驟包含以下步驟：使用一旋轉多邊鏡沿著該玻璃製品的該表面部分掃描該雷射束。
- 如請求項1所述之方法，其中使用一f-theta透鏡(f-theta lens)將該雷射束對焦於該玻璃製品的該表面部分上。
- 如請求項1所述之方法，其中該玻璃製品的該表面部分為一邊緣部分，使得該邊緣部分從該玻璃製品的一邊緣朝向該玻璃製品的一主體部分延伸至一預先決定的深度。
- 如請求項1所述之方法，其中該玻璃製品的 該表面部分具有比未被該雷射束加熱的該玻璃製品的該部分低的一熱膨脹係數。
- 一種玻璃製品，包含：一主體部分；以及一表面部分，該表面部分圍繞該主體部分，其中該表面部分與該主體部分相比包含一較低的鹼金屬濃度及/或一較低的類金屬濃度，以及其中該表面部分並非該玻璃製品的一整個主要表面或次要表面。
- 如請求項6所述之玻璃製品，其中該表面部分的鹼金屬濃度或類金屬濃度比該玻璃製品的該主體部分中的鹼金屬濃度或類金屬濃度低約80%。
- 如請求項6所述之玻璃製品，其中該鹼金屬濃度由下列一或多者提供：鋰、鈉、鉀、銣以及銫，以及該類金屬濃度由下列一或多者提供：硼、矽、鍺、砷、銻以及碲。
- 如請求項6所述之玻璃製品，其中該玻璃製品的該表面部分為一邊緣部分，使得該邊緣部分從該玻璃製品的一邊緣朝向該玻璃製品的該主體部分延伸至一預先決定的深度。
- 如請求項6所述之玻璃製品，其中該主體部分為一矽酸鹽玻璃，該矽酸鹽玻璃包含至少5莫耳%加總的R2O及B2O3，其中R2O為Li2O、Na2O、 K2O、Rb2O、Cs2O或前述的組合物。
- 如請求項6所述之玻璃製品，其中該主體部分為一矽酸鹽玻璃，該矽酸鹽玻璃包含至少5莫耳%加總的R2O、B2O3、ZnO、P2O5及In2O3，其中R2O為Li2O、Na2O、K2O、Rb2O、Cs2O或前述的組合物。
- 如請求項6所述之玻璃製品，其中該類金屬濃度由硼提供，以及該表面部分具有比該玻璃製品的該主體部分高的一折射率。
- 如請求項6所述之玻璃製品，其中該表面部分具有比該玻璃製品的該主體部分低的一熱膨脹係數。
- 一種光學波導裝置，包含：如請求項6所述的一玻璃製品；以及一光學波導，該光學波導安置在該表面部分以及該主體部分中的至少一者內部，其中該光學波導為可操作以在該光學波導中傳播光學訊號。
- 一種電子裝置，包含：一電子顯示器；以及一玻璃蓋板，該玻璃蓋板安置在該電子顯示器上方，該玻璃蓋板包含如請求項6所述的一玻璃製品。
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