玻璃材料之特性与应用.ppt

玻璃材料特性与应用 2 大纲 1 玻璃材料之定义2 无机玻璃材料之组成成分与结构3 TFTBG玻璃种类之相关性质 物理 机械 热 化学 光 电 4 TFTBG玻璃材料之相关加工 外观成形 薄化 强化 退火 5 结论 3 大纲 1 玻璃材料之定义2 无机玻璃材料之组成成分与结构3 TFTBG玻璃种类之相关性质 物理 机械 热 化学 光 电 4 TFTBG玻璃材料之相关加工 外观成形 薄化 强化 退火 5 结论 4 1 玻璃材料之定义 玻璃 任何制备 熔融 气相沉积 Sol Gel等 形成具有玻璃转换区 GlassTransformation 且非晶结构 Amorphous 的任意材料 有机 无机 金属 温度 比热 T m 玻璃 结晶物 过冷液态 液态 玻璃转换区 1 1 基本定义 结晶物 玻璃 5 大纲 1 玻璃材料之定义2 无机玻璃材料之组成成分与结构3 TFTBG玻璃种类之相关性质 物理 机械 热 化学 光 电 4 TFTBG玻璃材料之相关加工 外观成形 薄化 强化 退火 5 结论 6 2 无机玻璃材料之组成成分与结构 玻璃的组成成分 依据功用可分为主成分与副成分 2 1 无机玻璃材料之组成成分分类 7 2 无机玻璃材料之组成成分与结构 1 无硷玻璃 不含碱金属氧化物成分2 钠钙硅玻璃 Soda Lime Silica玻璃 钠 钙 硅为主要成分 2 1 1 主成分 8 2 无机玻璃材料之组成成分与结构 为了建构不同功能的玻璃 还可选择加入上列成分例 氧化磷for光学透镜 氧化锌for温度计 氧化铅for水晶装饰品等 2 1 1 主成分 9 2 无机玻璃材料之组成成分与结构 赋予玻璃某特性 或是利于加工而加入 2 1 2 副成分 10 2 无机玻璃材料之组成成分与结构 1 Soda Lime Silica玻璃含有Fe2O3 外观略呈现透明绿色2 化学强化玻璃属于Soda Lime Silica玻璃 利用外界K 与玻璃内部的Na 进行离子交换 除破裂强度提升外 其余性质与原Soda Lime Silica玻璃相同3 CorningEXG玻璃 不含M2O 亦称无硷玻璃 含有此成分 NA 不含有此成分 M2O 碱金属氧化物 MO 碱土金属氧化物 2 1 3 无机玻璃材料的分类 11 2 无机玻璃材料之组成成分与结构 玻璃为固态非结晶物质 其组成结构的分析 适用于不规则网构理论 RandomNetworkTheory 2 2 无机玻璃材料的组成结构 12 2 2 1 网构氧化物 2 无机玻璃材料之组成成分与结构 网构氧化物 NetworkFormingOxides 玻璃主体结构 如SiO2 GeO2 O2 Si4 以Si为中心 配位4个O 形成四面体 不规则堆积1 Si O距离分布 0 162 0 45nm2 O O距离分布 0 265 0 51nm3 O Si O夹角分布 144 14 4度 立体示意图 平面示意图 Si O Si 架桥氧共价键特性高 键结强 非依据实际大小 13 2 无机玻璃材料之组成成分与结构 网状结构修饰氧化物 NetworkModifyingOxides 形成非架桥氧结构 如碱金属氧化物 M2O 碱土金属氧化物 MO ZnO PbO等 平面示意图 Si O 非架桥氧M 形成一个非架桥氧 M M2 Si O 非架桥氧M2 形成两个非架桥氧 非依据实际大小 形成非架桥氧 导致Si O Si的连续性变低共价键的特性变低 键结变弱 O2 Si4 2 2 2 网状结构修饰氧化物 14 2 无机玻璃材料之组成成分与结构 平面示意图 1 Al O形成带1个负电的四面体结构可以连结Si O的四面体结构 同时可以消耗ModifyingOxides 减少非架桥氧形成2 Al含量比ModifyingOxides多时 如何产生非架桥氧的结构 目前仍未知 M M2 非依据实际大小 中间性氧化物 IntermediateOxides 同时具有前两者的结构效果 如Al2O3 Fe2O3 Al3 O2 Si4 2 2 3 中间性氧化物 15 大纲 1 玻璃材料之定义2 无机玻璃材料之组成成分与结构3 TFTBG玻璃种类之相关性质 物理 机械 热 化学 光 电 4 TFTBG玻璃材料之相关加工 外观成形 薄化 强化 退火 5 结论 16 3 TFTBG玻璃种类之相关性质 1 CorningEXG为无硷玻璃 不含碱金属氧化物 含有较少的ModifyingOxides2 ModifyingOxides会填入结构空隙 导入非架桥氧 降低键结 影响密度 黏度与特性温度等特性 3 1 物理性质 17 3 TFTBG玻璃种类之相关性质 1 原子间的键结强度 会反应在物质的机械性质上 键结强度强 相关的机械特性也较佳 3 2 机械性质 18 3 TFTBG玻璃种类之相关性质 1 原子间的键结强度 会反应在物质的热性质上 键结越强 热膨胀系数越低2 Soda Lime Silica玻璃 热膨胀系数约为EXG的3倍 3 3 热性质 19 3 TFTBG玻璃种类之相关性质 1 玻璃最易被HF侵蚀 10 HF 20 C 20分钟 重量损失5 18mg cm2 因此可用来薄化或是观察缺陷2 排除HF效应 玻璃的耐碱性 相较而言 比耐水 耐酸性差3 正达Soda Lime Silica玻璃无检测资料 3 4 化学性质 20 3 TFTBG玻璃种类之相关性质 非架桥氧会使分子极性上升 促进了电子与入射光的作用 因而造成折射率增加2 在可见光的范围里 光学性质 两者无太大差异 3 5 光学性质 21 3 TFTBG玻璃种类之相关性质 1 玻璃为电的不良导体2 Soda Lime Silica玻璃因含有容易移动的碱金属离子 在300 350 C的Array制程中 易扩散至电路元件 影响电讯号的稳定性 故无使用在TFT LCD 目前有评估 镀上约100nm的SiO2来阻止碱金属离子扩散的基板 3 6 电性质 22 大纲 1 玻璃材料之定义2 无机玻璃材料之组成成分与结构3 TFTBG玻璃种类之相关性质 物理 机械 热 化学 光 电 4 TFTBG玻璃材料之相关加工 外观成形 薄化 强化 退火 5 结论 23 4 TFTBG玻璃材料之相关加工 1 玻璃的外观成型制程 目前主流分为上述两类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 外观成形加工 24 4 TFTBG玻璃材料之相关加工 约1500 C 约1200 C 约1100 C 锡浴 TinBath 1 比重大 不与玻璃反应2 易形成氧化锡融渣 附着于玻璃 需外加正压 避免大气接触锡 约600 C 溢流熔融无抛光制程 溢流熔融无外加退火设备 4 1 1 浮式制程 25 4 TFTBG玻璃材料之相关加工 Isopipe FusionOverflow制程 仅需加大Isopipe的大小 便可以制作出大尺寸的玻璃基板 立体式的制造流程 4 1 2 溢流熔融制程 原料 26 4 TFTBG玻璃材料之相关加工 1 FloatingProcess产量较大 但成形时冷却过快 需外加退火设备2 FloatingProcess产出的玻璃 表面较粗糙 需外加抛光制程细化3 FusionOverflowProcess基板尺寸提升性较佳 4 1 3 外观成形制程比对 27 4 TFTBG玻璃材料之相关加工 现行玻璃的薄化加工 包含上述制程 4 2 薄化加工 28 4 TFTBG玻璃材料之相关加工 Lapping 国际日东 Grinding 正达 1 上下定盘反向旋转 较可稳定玻璃基板 以利下压施力 但也有同向旋转的机种2 正达研磨料使用钻石与氧化铝混合的药锭 粒径分布广约80 300um3 国际日东研磨料使用氧化铈粉末 粒径分布约2 5 5um4 依据研磨粒粒径可以看出 使用Grinding方式的厚度移除率较Lapping快5 物理薄化后需要经过抛光 以使表面恢复镜面水平 Ra 0 3 0 7 0 01 0 02um 4 2 1 物理薄化制程 29 4 TFTBG玻璃材料之相关加工 Dipping Nagase Spray GD 1 Etching溶液 常包含5 10 HF 搭配硫酸 盐酸 氟化铵盐类混合而成2 Etching作业时 溶液温度常控制在25 40 C 以利侵蚀反应进行3 依据Etching液的供给方式 分为Spray Dipping两类4 化学薄化机台是以Cassette装载方式生产 故单机单日产量较物理薄化机台多5 化学薄化后 可视点 线状缺陷比例 再选择抛光制程 4 2 2 化学薄化制程 30 1 抛光料均为氧化铈粉末 粒径分布约为0 5 1um 与水混合成抛光溶液2 抛光垫材质为聚氨酯 质软有弹性可迎合基板的下压力 并提供抛光料流动性3 抛光方式亦可分为上下定盘反向 同向旋转两类4 抛光移除厚度约5 15um 4 TFTBG玻璃材料之相关加工 Polishing 国际日东 Polishing 正达 GD 4 2 3 抛光制程 聚氨酯化学式 n 31 4 TFTBG玻璃材料之相关加工 1 物理薄化易发生Spacer损伤 破片 表面刮伤等制程问题 且须搭配抛光制程 单机单日产量小 但技术弹性较大 可生产Chip薄化商品2 化学薄化量产性佳 但需额外处理HF污染问题 4 2 4 薄化制程比对 O 佳 尚可接受X 差 32 4 TFTBG玻璃材料之相关加工 1 强化概念 1 减少缺陷形成 相对较难达到 2 减缓缺陷成长 减小张应力 4 3 强化加工 33 4 TFTBG玻璃材料之相关加工 强化制程 1 T Ts 玻璃开始塑性变形 热膨胀系数变大 2 急速降温 膨胀系数出现差异 表面小于内部 随者冷却过程 会在表面均匀形成可阻止缺陷成长的残留压缩应力2 影响强化因子 1 冷却速率 速率越快 形成的残留应力越大 2 玻璃本质 热膨胀系数越大 厚度越大 形成的残留应力越大3 适合厚度较厚的基板 约 1 8 20mm T Ts CoolingRate 10 C min 4 3 1 物理强化制程 34 4 TFTBG玻璃材料之相关加工 强化制程 1 将玻璃浸泡至300 400 C 小于Ts 的KNO3溶液 约8小时 2 Na K 形成离子交换 由于K 1 38 较Na 1 02 大 因此挤压附近结构 均匀形成可阻止缺陷成长的压缩应力2 影响强化因子 1 离子体积差异 差异越大 压缩应力越大 2 玻璃本质 成分需含有碱金属 才可用此法强化 离子易扩散 3 应力层厚度约8 10um 除提供压缩应力外 并不会影响玻璃的主要性质 K Na 接近100 KNO3溶液 300 400 C 玻璃表面 Na Si4 K O2 4 3 2 化学强化制程 35 4 TFTBG玻璃材料之相关加工 1 HFEtching 薄化玻璃 同时将缺陷变钝 减少应力集中效应2 SurfaceCoating 利用保护膜 例 UV curing粘着剂 包住玻璃 同时可减少新缺陷形成 又可阻止原有缺陷成长 HFEtching SurfaceCoating Before After 玻璃 4 3 3 其他强化制程 36 4 TFTBG玻璃材料之相关加工 1 退火加工 去除成形制程中 残留在玻璃里的应力2 温度需求 1 加热 表面ThermalStress为压缩应力 无破裂疑虑 故升温速率不定 温度一定要在应变点之上 才有退火效果 2 降温 温度低于应变点后 在不会出现ThermalShock破裂的情形下 可加速降温 温度 时间 退火点 应变点 约5 C 约15分钟 约5 15 C 冷却速率约1 C min 冷却速率约10 C min 4 4 退火加工 37 大纲 1 玻璃材料之定义2 无机玻璃材料之组成成分与结构3 TFTBG玻璃种类之相关性质 物理 机械 热 化学 光 电 4 TFTBG玻璃材料之相关加工 外观成形 薄化 强化 退火 5 结论 38 5 结论 藉由此次课程分享 能对于Soda Lime Silica STN TP CoverGlass CorningEXG TFT LCD 玻璃的特性 有了基本的了解 往后在制程面的应用 都可参考相关的性质 建议事项1 建立Soda Lime Silica玻璃耐化性质分析资料2 持续与加工厂商 化学强化 薄化 进行质量提升3 持续与Corning进行技术交流 39 ThanksForYourAttention 40 3 TFTBG玻璃种类之相关性质 CorningEXG没有碱金属氧化物 M2O 的助熔效果 且碱土金属氧化物 MO 的非架桥氧键结也较M2O强 因此相同黏度下 具有较高的特性温度 3 1 1 玻璃材料之特性温度 41 3 TFTBG玻璃种类之相关性质 理论强度 OrowanStress 依据键结能量与虎克定律推导而成 E 杨氏系数 破裂表面能 原子键结能 配位数有关 a0 平均原子间距 10 10m 由上述可知 理论强度与键结强弱相关 一般而言 t约为1 2 E 玻璃理论强度介于1 100GPa之间但玻璃在成形与后段加工过程中 都会导入缺陷于表面或是内部 使得玻璃并非呈现 Pristine 的完美状态 因此需研究缺陷所导致的实际强度 一般而言 理论强度约为实际强度的100倍以上 3 2 1 理论强度 42 实际强度 GriffithStress 加入缺陷形状与大小推导而成 E 杨氏系数 破裂表面能 原子键结能 配位数有关 c 缺陷长度or深度 10 6m 由上述可知 缺陷的出现 是使得玻璃易破裂失效的主要原因之一 而成形 后段加工 外在环境等 都是形成缺陷的凶手玻璃是脆性材料 缺陷较