玻璃材料之特性與應(yīng)用

1、玻璃材料特性與應(yīng)用2大綱1. 玻璃材料之定義2. 無機玻璃材料之組成成分與結(jié)構(gòu)3. TFTBG玻璃種類之相關(guān)性質(zhì) (物理, 機械, 熱, 化學(xué), 光, 電)4. TFTBG玻璃材料之相關(guān)加工 (外觀成形, 薄化, 強化, 退火)5. 結(jié)論3大綱1. 玻璃材料之定義2. 無機玻璃材料之組成成分與結(jié)構(gòu)3. TFTBG玻璃種類之相關(guān)性質(zhì) (物理, 機械, 熱, 化學(xué), 光, 電)4. TFTBG玻璃材料之相關(guān)加工 (外觀成形, 薄化, 強化, 退火)5. 結(jié)論41. 玻璃材料之定義玻璃: 任何制備 (熔融, 氣相沉積, Sol-Gel等)形成具有玻璃轉(zhuǎn)換區(qū) (Glass Transformation

2、), 且非晶結(jié)構(gòu) (Amorphous)的任意材料 (有機, 無機, 金屬)溫度比熱Tm玻璃結(jié)晶物過冷液態(tài)液態(tài)玻璃轉(zhuǎn)換區(qū)1-1. 基本定義 結(jié)晶物玻璃5大綱1. 玻璃材料之定義2. 無機玻璃材料之組成成分與結(jié)構(gòu)3. TFTBG玻璃種類之相關(guān)性質(zhì) (物理, 機械, 熱, 化學(xué), 光, 電)4. TFTBG玻璃材料之相關(guān)加工 (外觀成形, 薄化, 強化, 退火)5. 結(jié)論62. 無機玻璃材料之組成成分與結(jié)構(gòu)玻璃的組成成分, 依據(jù)功用可分為主成分與副成分2-1. 無機玻璃材料之組成成分分類 72. 無機玻璃材料之組成成分與結(jié)構(gòu)1. 無鹼玻璃: 不含堿金屬氧化物成分2. 鈉鈣硅玻璃: Soda-Lim

3、e-Silica玻璃, 鈉, 鈣, 硅為主要成分 2-1-1. 主成分 82. 無機玻璃材料之組成成分與結(jié)構(gòu)為了建構(gòu)不同功能的玻璃, 還可選擇加入上列成分例: 氧化磷for光學(xué)透鏡, 氧化鋅for溫度計, 氧化鉛for水晶裝飾品等 2-1-1. 主成分 92. 無機玻璃材料之組成成分與結(jié)構(gòu)賦予玻璃某特性, 或是利于加工而加入2-1-2. 副成分 102. 無機玻璃材料之組成成分與結(jié)構(gòu)1. Soda-Lime-Silica玻璃含有Fe2O3, 外觀略呈現(xiàn)透明綠色2. 化學(xué)強化玻璃屬于Soda-Lime-Silica玻璃, 利用外界K+與玻璃內(nèi)部的Na+進行 離子交換, 除破裂強度提升外, 其余性

4、質(zhì)與原Soda-Lime-Silica玻璃相同 3. Corning EXG玻璃, 不含M2O, 亦稱無鹼玻璃 : 含有此成分, NA: 不含有此成分, M2O: 堿金屬氧化物, MO: 堿土金屬氧化物2-1-3. 無機玻璃材料的分類 112. 無機玻璃材料之組成成分與結(jié)構(gòu)玻璃為固態(tài)非結(jié)晶物質(zhì), 其組成結(jié)構(gòu)的分析, 適用于不規(guī)則網(wǎng)構(gòu)理論 (Random Network Theory) 2-2. 無機玻璃材料的組成結(jié)構(gòu) 122-2-1. 網(wǎng)構(gòu)氧化物 2. 無機玻璃材料之組成成分與結(jié)構(gòu) 網(wǎng)構(gòu)氧化物 (Network Forming Oxides): 玻璃主體結(jié)構(gòu), 如SiO2, GeO2O2-Si

5、4+以Si為中心, 配位4個O, 形成四面體, 不規(guī)則堆積1. Si-O距離分布: 0.1620.45 nm2. O-O距離分布: 0.2650.51 nm3. O-Si-O夾角分布: 144+/-14.4度 立體示意圖平面示意圖Si-O-Si: 架橋氧共價鍵特性高, 鍵結(jié)強非依據(jù)實際大小132. 無機玻璃材料之組成成分與結(jié)構(gòu)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)修飾氧化物 (Network Modifying Oxides): 形成非架橋氧結(jié)構(gòu), 如堿金屬氧化物 (M2O), 堿土金屬氧化物 (MO), ZnO, PbO等平面示意圖Si-O-: 非架橋氧M+: 形成一個非架橋氧M+M2+Si-O-: 非架橋氧M2+: 形

6、成兩個非架橋氧非依據(jù)實際大小形成非架橋氧, 導(dǎo)致Si-O-Si的連續(xù)性變低共價鍵的特性變低, 鍵結(jié)變?nèi)鮋2-Si4+2-2-2. 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)修飾氧化物 142. 無機玻璃材料之組成成分與結(jié)構(gòu) 平面示意圖1. Al-O形成帶1個負電的四面體結(jié)構(gòu) 可以連結(jié)Si-O的四面體結(jié)構(gòu), 同時 可以消耗Modifying Oxides, 減少 非架橋氧形成2. Al含量比Modifying Oxides多時, 如何產(chǎn)生非架橋氧的結(jié)構(gòu), 目前仍未知M+M2+非依據(jù)實際大小中間性氧化物 (Intermediate Oxides): 同時具有前兩者的結(jié)構(gòu)效果, 如Al2O3, Fe2O3 Al3+O2-Si4+2-

7、2-3. 中間性氧化物 15大綱1. 玻璃材料之定義2. 無機玻璃材料之組成成分與結(jié)構(gòu)3. TFTBG玻璃種類之相關(guān)性質(zhì) (物理, 機械, 熱, 化學(xué), 光, 電)4. TFTBG玻璃材料之相關(guān)加工 (外觀成形, 薄化, 強化, 退火)5. 結(jié)論163. TFTBG玻璃種類之相關(guān)性質(zhì) 1. Corning EXG為無鹼玻璃, 不含堿金屬氧化物, 含有較少的Modifying Oxides2. Modifying Oxides會填入結(jié)構(gòu)空隙, 導(dǎo)入非架橋氧, 降低鍵結(jié), 影響密度, 黏度與特性溫度等特性 3-1. 物理性質(zhì) 173. TFT BG玻璃種類之相關(guān)性質(zhì)1. 原子間的鍵結(jié)強度, 會反應(yīng)

8、在物質(zhì)的機械性質(zhì)上, 鍵結(jié)強度強, 相關(guān)的機械特性也較佳 3-2. 機械性質(zhì) 183. TFT BG玻璃種類之相關(guān)性質(zhì)1. 原子間的鍵結(jié)強度, 會反應(yīng)在物質(zhì)的熱性質(zhì)上, 鍵結(jié)越強,熱膨脹系數(shù)越低2. Soda-Lime-Silica玻璃, 熱膨脹系數(shù)約為EXG的3倍3-3. 熱性質(zhì) 193. TFT BG玻璃種類之相關(guān)性質(zhì)1. 玻璃最易被HF侵蝕 (10%HF , 20 C, 20分鐘, 重量損失5.18 mg/cm2) 因此可用來薄化或是觀察缺陷2. 排除HF效應(yīng), 玻璃的耐堿性, 相較而言, 比耐水, 耐酸性差3. 正達Soda-Lime-Silica玻璃無檢測資料3-4. 化學(xué)性質(zhì) 20

9、3. TFT BG玻璃種類之相關(guān)性質(zhì)1. 非架橋氧會使分子極性上升, 促進了電子與入射光的作用, 因而造成折射率增加2. 在可見光的范圍里, 光學(xué)性質(zhì), 兩者無太大差異3-5. 光學(xué)性質(zhì) 213. TFT BG玻璃種類之相關(guān)性質(zhì)1. 玻璃為電的不良導(dǎo)體2. Soda-Lime-Silica玻璃因含有容易移動的堿金屬離子, 在300350 C的 Array制程中, 易擴散至電路元件, 影響電訊號的穩(wěn)定性, 故無使用在 TFT-LCD, 目前有評估, 鍍上約100 nm的SiO2來阻止堿金屬離子擴散的基板 3-6. 電性質(zhì) 22大綱1. 玻璃材料之定義2. 無機玻璃材料之組成成分與結(jié)構(gòu)3. TFT

10、BG玻璃種類之相關(guān)性質(zhì) (物理, 機械, 熱, 化學(xué), 光, 電)4. TFTBG玻璃材料之相關(guān)加工 (外觀成形, 薄化, 強化, 退火)5. 結(jié)論234. TFT BG玻璃材料之相關(guān)加工 1. 玻璃的外觀成型制程, 目前主流分為上述兩類2. Soda-Lime-Silica玻璃采用浮式制程3. TFT-LCD玻璃主要采用溢流熔融制程4-1. 外觀成形加工 244. TFT BG玻璃材料之相關(guān)加工約1500 C約1200 C約1100 C錫浴 (Tin Bath):1. 比重大, 不與玻璃反應(yīng)2. 易形成氧化錫融渣, 附著于玻璃, 需外加正壓, 避免大氣接觸錫約600 C溢流熔融無拋光制程溢流

11、熔融無外加退火設(shè)備4-1-1. 浮式制程 254. TFT BG玻璃材料之相關(guān)加工IsopipeFusion Overflow制程, 僅需加大Isopipe的大小, 便可以制作出大尺寸的玻璃基板立體式的制造流程4-1-2. 溢流熔融制程原料264. TFT BG玻璃材料之相關(guān)加工1. Floating Process產(chǎn)量較大, 但成形時冷卻過快, 需外加退火設(shè)備2. Floating Process產(chǎn)出的玻璃, 表面較粗糙, 需外加拋光制程細化 3. Fusion Overflow Process基板尺寸提升性較佳4-1-3. 外觀成形制程比對274. TFT BG玻璃材料之相關(guān)加工現(xiàn)行玻璃的

12、薄化加工, 包含上述制程4-2. 薄化加工284. TFT BG玻璃材料之相關(guān)加工Lapping: 國際日東Grinding: 正達1. 上下定盤反向旋轉(zhuǎn), 較可穩(wěn)定玻璃基板, 以利下壓施力, 但也有同向旋轉(zhuǎn)的機種2. 正達研磨料使用鉆石與氧化鋁混合的藥錠, 粒徑分布廣約80300 um3. 國際日東研磨料使用氧化鈰粉末, 粒徑分布約2.55 um4. 依據(jù)研磨粒粒徑可以看出, 使用Grinding方式的厚度移除率較 Lapping快5. 物理薄化后需要經(jīng)過拋光, 以使表面恢復(fù)鏡面水平(Ra: 0.30.7=0.010.02 um) 4-2-1. 物理薄化制程294. TFT BG玻璃材料之相

13、關(guān)加工Dipping: NagaseSpray: GD1. Etching溶液, 常包含510%HF, 搭配硫酸, 鹽酸, 氟化銨鹽類混合而成2. Etching作業(yè)時, 溶液溫度常控制在2540 C, 以利侵蝕反應(yīng)進行3. 依據(jù)Etching液的供給方式, 分為Spray, Dipping兩類 4. 化學(xué)薄化機臺是以Cassette裝載方式生產(chǎn), 故單機單日產(chǎn)量較物理薄化機臺多5. 化學(xué)薄化后, 可視點, 線狀缺陷比例, 再選擇拋光制程 4-2-2. 化學(xué)薄化制程301. 拋光料均為氧化鈰粉末, 粒徑分布約為0.51 um, 與水混合成拋光溶液2. 拋光墊材質(zhì)為聚氨酯, 質(zhì)軟有彈性可迎合基板

14、的下壓力, 并提供拋光料流動性3. 拋光方式亦可分為上下定盤反向, 同向旋轉(zhuǎn)兩類4. 拋光移除厚度約515 um4. TFT BG玻璃材料之相關(guān)加工Polishing: 國際日東Polishing: 正達, GD4-2-3. 拋光制程聚氨酯化學(xué)式( )n314. TFT BG玻璃材料之相關(guān)加工 1. 物理薄化易發(fā)生Spacer損傷, 破片, 表面刮傷等制程問題, 且須搭配拋光制程, 單機單日產(chǎn)量小, 但技術(shù)彈性較大, 可生產(chǎn)Chip薄化商品2. 化學(xué)薄化量產(chǎn)性佳, 但需額外處理HF污染問題4-2-4. 薄化制程比對O: 佳 : 尚可接受X: 差324. TFT BG玻璃材料之相關(guān)加工1. 強化

15、概念 (1). 減少缺陷形成 (相對較難達到) (2). 減緩缺陷成長 (減小張應(yīng)力)4-3. 強化加工334. TFT BG玻璃材料之相關(guān)加工1. 強化制程: (1). TTs, 玻璃開始塑性變形, 熱膨脹系數(shù)變大 (2). 急速降溫, 膨脹系數(shù)出現(xiàn)差異 (表面小于內(nèi)部), 隨者冷卻過程, 會在表面 均勻形成可阻止缺陷成長的殘留壓縮應(yīng)力 2. 影響強化因子 (1). 冷卻速率: 速率越快, 形成的殘留應(yīng)力越大 (2). 玻璃本質(zhì): 熱膨脹系數(shù)越大, 厚度越大, 形成的殘留應(yīng)力越大3. 適合厚度較厚的基板, 約: 1.820 mmTTsCooling Rate 10 C/min4-3-1. 物

16、理強化制程344. TFT BG玻璃材料之相關(guān)加工1. 強化制程: (1). 將玻璃浸泡至300400 C (小于Ts)的KNO3 溶液, 約8小時 (2). Na+/K+形成離子交換, 由于K+ (1.38 )較Na+ (1.02 )大, 因此 擠壓附近結(jié)構(gòu), 均勻形成可阻止缺陷成長的壓縮應(yīng)力2. 影響強化因子 (1). 離子體積差異: 差異越大, 壓縮應(yīng)力越大 (2). 玻璃本質(zhì): 成分需含有堿金屬, 才可用此法強化 (離子易擴散) 3. 應(yīng)力層厚度約810 um, 除提供壓縮應(yīng)力外, 并不會影響玻璃的主要性質(zhì)K+Na+接近100% KNO3溶液, 300400 C玻璃表面Na+Si4+K

17、+O2-4-3-2. 化學(xué)強化制程354. TFT BG玻璃材料之相關(guān)加工1. HF Etching: 薄化玻璃, 同時將缺陷變鈍, 減少應(yīng)力集中效應(yīng)2. Surface Coating: 利用保護膜 (例, UV-curing粘著劑), 包住玻璃, 同時可減少新缺陷形成, 又可阻止原有缺陷成長HF EtchingSurface CoatingBeforeAfter玻璃4-3-3. 其他強化制程364. TFT BG玻璃材料之相關(guān)加工1. 退火加工: 去除成形制程中, 殘留在玻璃里的應(yīng)力 2. 溫度需求: (1). 加熱: 表面Thermal Stress為壓縮應(yīng)力, 無破裂疑慮, 故升溫速率

18、不定, 溫度一定要在應(yīng)變點之上, 才有退火效果 (2). 降溫: 溫度低于應(yīng)變點后, 在不會出現(xiàn)Thermal Shock破裂的情形下, 可加速降溫 溫度時間退火點應(yīng)變點約5 C約15分鐘約515 C冷卻速率約1 C/min冷卻速率約10 C/min4-4. 退火加工37大綱1. 玻璃材料之定義2. 無機玻璃材料之組成成分與結(jié)構(gòu)3. TFTBG玻璃種類之相關(guān)性質(zhì) (物理, 機械, 熱, 化學(xué), 光, 電)4. TFTBG玻璃材料之相關(guān)加工 (外觀成形, 薄化, 強化, 退火)5. 結(jié)論385. 結(jié)論 藉由此次課程分享, 能對于Soda-Lime-Silica (STN, TP, Cover G

19、lass), Corning EXG (TFT-LCD)玻璃的特性, 有了基本的了解, 往后在制程面的應(yīng)用, 都可參考相關(guān)的性質(zhì)建議事項1. 建立Soda-Lime-Silica玻璃耐化性質(zhì)分析資料2. 持續(xù)與加工廠商 (化學(xué)強化, 薄化)進行質(zhì)量提升3. 持續(xù)與Corning進行技術(shù)交流39403. TFTBG玻璃種類之相關(guān)性質(zhì)玻璃種類之相關(guān)性質(zhì)1. Corning EXG沒有堿金屬氧化物沒有堿金屬氧化物 (M2O)的助熔效果的助熔效果, 且堿土金屬氧化物且堿土金屬氧化物 (MO) 的非架橋氧鍵結(jié)也較的非架橋氧鍵結(jié)也較M2O強強, 因此相同黏度下因此相同黏度下, 具有較高的特性溫度具有較高的

20、特性溫度 3-1-1. 玻璃材料之特性溫度玻璃材料之特性溫度 413. TFTBG玻璃種類之相關(guān)性質(zhì)玻璃種類之相關(guān)性質(zhì)理論強度理論強度 (Orowan Stress, 依據(jù)鍵結(jié)能量與虎克定律推導(dǎo)而成依據(jù)鍵結(jié)能量與虎克定律推導(dǎo)而成) E: 楊氏系數(shù)楊氏系數(shù), : 破裂表面能破裂表面能 (原子鍵結(jié)能原子鍵結(jié)能, 配位數(shù)有關(guān)配位數(shù)有關(guān)), a0: 平均原子間距平均原子間距 (10-10 m) 由上述可知由上述可知, 理論強度與鍵結(jié)強弱相關(guān)理論強度與鍵結(jié)強弱相關(guān), 一般而言一般而言, t約為約為1/2*E, 玻璃理論強度介于玻璃理論強度介于1100 GPa之間之間 但玻璃在成形與后段加工過程中但玻璃在

21、成形與后段加工過程中, 都會導(dǎo)入缺陷于表面或是內(nèi)部都會導(dǎo)入缺陷于表面或是內(nèi)部, 使得玻璃使得玻璃并非呈現(xiàn)并非呈現(xiàn)Pristine的完美狀態(tài)的完美狀態(tài), 因此需研究缺陷所導(dǎo)致的實際強度因此需研究缺陷所導(dǎo)致的實際強度, 一般而言一般而言,理論強度約為實際強度的理論強度約為實際強度的100倍以上倍以上0 0t ta aE E 3-2-1. 理論強度理論強度 42實際強度實際強度 (Griffith Stress, 加入缺陷形狀與大小推導(dǎo)而成加入缺陷形狀與大小推導(dǎo)而成) E: 楊氏系數(shù)楊氏系數(shù), : 破裂表面能破裂表面能 (原子鍵結(jié)能原子鍵結(jié)能, 配位數(shù)有關(guān)配位數(shù)有關(guān)), c*: 缺陷長度缺陷長度or

22、深度深度 (10-6 m) 由上述可知由上述可知, 缺陷的出現(xiàn)缺陷的出現(xiàn), 是使得玻璃易破裂失效的主要原因之一是使得玻璃易破裂失效的主要原因之一, 而成形而成形, 后段加工后段加工, 外在環(huán)境等外在環(huán)境等, 都是形成缺陷的兇手都是形成缺陷的兇手 玻璃是脆性材料玻璃是脆性材料, 缺陷較金屬而言缺陷較金屬而言, 容易成長容易成長, 張應(yīng)力施加下張應(yīng)力施加下, 尤其更易誘尤其更易誘發(fā)缺陷成長發(fā)缺陷成長, 因此因此玻璃的抗壓強度約是抗張強度的玻璃的抗壓強度約是抗張強度的10倍倍, 玻璃破裂失效玻璃破裂失效的研究的研究, 都是針對都是針對張應(yīng)力張應(yīng)力 3. TFTBG玻璃種類之相關(guān)性質(zhì)玻璃種類之相關(guān)性質(zhì)* *f fc c2E2E 3-2-2. 實際強度實際強度 433. TFTBG玻璃種類之相關(guān)性質(zhì)玻璃種類之相關(guān)性質(zhì)疲勞疲勞 (Fatigue): 在大氣的環(huán)境下在大氣的環(huán)境下, 玻璃的強度會隨著時間增加而變?nèi)醪ＡУ膹姸葧S著時間增加而變?nèi)?靜態(tài)疲勞靜態(tài)疲勞 (Static Fatigue): 外加荷重固定外加荷重固定動態(tài)疲勞動態(tài)疲勞 (Dynamic Fatigue