形成低顆粒缺陷玻璃薄片的靜電方法和設備的製作方法

2023-06-11 17:42:56 1

形成低顆粒缺陷玻璃薄片的靜電方法和設備的製作方法
【專利摘要】使用輥到輥玻璃煙炱沉積和燒結法形成高表面質量的玻璃片。玻璃片的形成包括提供玻璃煙炱顆粒(150)，將第一部分的玻璃煙炱顆粒沉積到沉積表面(122)上以形成支撐煙炱層(152)，用煙炱收集裝置(125)將第二部分的玻璃煙炱顆粒靜電吸引並收集到帶電板的表面上，從沉積表面上去除煙炱層以形成煙炱片(154)，以及對至少部分煙炱片進行加熱，以燒結玻璃煙炱顆粒從而形成玻璃片。
【專利說明】形成低顆粒缺陷玻璃薄片的靜電方法和設備
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請根據35 U.S.C. §120,要求2012年5月22日提交的美國申請系列第 13/477, 566號的優先權，本文以該申請為基礎並將其全文通過引用結合於此。
[0003] 背景
[0004] 本發明一般地涉及玻璃片，更具體地涉及用來形成高表面質量的玻璃片和玻璃帶 的玻璃煙炱沉積和燒結法。形成的此類玻璃產品可以不含或者基本不含表面顆粒。
[0005] 可以使用各種不同的方法形成玻璃片材料。例如，在浮法玻璃工藝中，通過使熔融 玻璃浮在熔融金屬床上來製造固體玻璃片。該方法可以用來形成具有均勻厚度和非常平坦 表面的玻璃片。但是，浮法玻璃工藝必須包括玻璃熔體和熔融金屬之間的直接接觸，這會在 界面處造成不合乎希望的汙染，使表面質量遜於純潔的表面質量。為了製造在兩個主表面 上都具純潔的表面性質的高質量浮法玻璃片，通常對浮法玻璃進行一次或多次表面拋光步 驟。該加工增加了額外的花費。另外，認為浮法無法用來製造可捲曲（即非常薄）的玻璃 片。
[0006] 另一種用來形成玻璃片材料的方法是熔合拉製法。在該方法中，將熔融玻璃進料 到被稱為等壓槽的槽內，使得該等壓槽滿溢，直至熔融玻璃從兩側均勻溢流出。然後所述熔 融玻璃在所述槽的底部重新結合、或者熔合，在槽的底部進行拉制以形成平坦連續玻璃片。 因為在成形過程期間玻璃片的兩個主表面都不與任何支承材料直接接觸，所以兩個主表面 都可以實現高表面質量。但是，由於熔合拉製法的動力學性質，適合用於熔合拉制的玻璃組 合物的數量僅限於在熔融相中具有所需性質（例如液相線粘度、應變點等）的那些。此外， 用於熔合拉製法的設備可能是昂貴的。
[0007] 可以使用玻璃煙炱沉積和燒結法來製造厚度小於或等於200微米的薄的可捲曲 玻璃片。在該方法中，經由氣相反應形成玻璃煙炱的顆粒並沉積到轉筒上形成煙炱層，所述 煙炱層從筒脫離作為自支承煙炱片，該自支承煙炱片進而燒結形成玻璃片。在形成煙炱片 的行為期間，在煙炱形成和沉積過程中製造的並且沒有結合到玻璃煙炱層中的劣煙炱顆粒 可能之後結合到煙炱片的表面中，並且不合乎希望地結合到所得到的玻璃片的表面中。
[0008] 形成的煙炱顆粒的約50%均勻地結合到煙炱層中，該煙炱層從沉積表面脫離以形 成煙炱片。雖然大多數過量的顆粒可以通過靠近沉積區的排氣系統進行收集，但是潛在的、 大量且有害體積的煙炱顆粒會沉積到煙炱片上。這些顆粒，沒有均勻地結合到煙炱片中，它 們落下並碎落到煙炱片上，最終顯示為所得到的玻璃中的表面缺陷。在靠近煙炱片使用高 體積或高速排氣系統可能是有問題的，因為通過排氣產生的氣速在使得煙炱顆粒導向遠離 煙炱片的作用的同時，也會作用於煙炱片，並撕扯或撕裂煙炱片。
[0009] 基於如上所述，由於希望無缺陷的玻璃薄片，因此會希望建立一種形成煙炱片的 穩健方法，所述煙炱片不含或基本不含無需要的表面顆粒以及由於此類顆粒所引起的缺 陷。
[0010] 概述
[0011] 本文所揭示的設備和相應的方法可生產具有特定厚度和組成的無表面顆粒的玻 璃片，而無需成形後的精研或拋光。所述玻璃片可基本不含顆粒引起的缺陷。該玻璃片可 以包括一層或多層、一種或多種組分或者一個或多個相。此類玻璃片可用作例如，微電子基 材以及形成超導體材料的基材等。
[0012] -種形成無表面顆粒的玻璃片的方法包括玻璃煙炱沉積和燒結過程。根據各個實 施方式，該過程包括提供玻璃煙炱顆粒，將第一部分的玻璃煙炱顆粒沉積到沉積表面上以 形成支撐煙炱層，將第二部分的玻璃煙炱顆粒靜電吸引並收集到帶電板的表面上，從沉積 表面上去除煙炱層以形成煙炱片，以及對至少部分煙炱片進行加熱，以燒結玻璃煙炱顆粒 從而形成玻璃片。第三部分的玻璃煙炱顆粒，對應沒有沉積形成支撐煙炱層的其他部分的 玻璃煙炱顆粒，可以使用任選的排氣系統進行收集。
[0013] 在形成和沉積玻璃煙炱顆粒的作用期間，至少一些煙炱顆粒帶電並後續通過帶相 反電荷的靜電板收集。可以通過使用構成一部分的沉積區的合適的帶電板或者僅僅作為氣 體燃燒器熱力學的結果（其可原位產生帶電的玻璃煙炱顆粒）使得玻璃煙炱顆粒帶電。在 一些實施方式中，玻璃煙炱顆粒帶正電，靜電板帶負電。採用所揭示的方法和設備，可以通 過使用選擇性作用力有效地控制過量玻璃煙炱顆粒的配置，所述選擇性作用力可隔絕玻璃 煙炱顆粒而不對玻璃片造成負面影響。具體地，靜電力僅對之前未結合到煙炱層中的帶電 的玻璃煙炱顆粒起作用，不同於大壓差/排氣方法，靜電力對於煙炱片是無害的。
[0014] 應理解的是，從沉積表面脫離的支撐煙炱層具有兩個相對的主表面。"接觸表面" 是與煙炱接受裝置的沉積表面接觸而形成的表面，而"自由表面"是相對表面。在另一個實 施方式中，在支撐煙炱層從沉積表面脫離以形成煙炱片之後，可以在"接觸表面"和/或"自 由表面"上沉積第二玻璃煙炱顆粒。所揭示的用於防止玻璃煙炱顆粒與之前形成的煙炱片 接觸的靜電方法可與一個或多個煙炱成形/煙炱沉積步驟聯用。
[0015] 用於通過玻璃煙炱沉積和燒結方法形成玻璃片的設備包括：煙炱提供裝置，其用 於提供玻璃煙炱顆粒；可轉動的筒，其具有外部彎曲沉積表面，在該外部彎曲沉積表面上可 以沉積第一部分的玻璃煙炱顆粒以形成煙炱層；以及煙炱收集裝置，其用於收集第二部分 的玻璃煙炱顆粒。
[0016] 在以下的詳細描述中給出了本發明的其他特徵和優點，其中的部分特徵和優點對 本領域的技術人員而言，根據所作描述就容易看出，或者通過實施包括以下詳細描述、權利 要求書以及附圖在內的本文所述的本發明而被認識。
[0017] 應理解，前面的一般性描述和以下的詳細描述都只是呈現本發明的實施方式，用 來提供理解要求保護的本發明的性質和特性的總體評述或框架。包括的附圖提供了對本發 明的進一步的理解，附圖被結合在本說明書中並構成說明書的一部分。附圖舉例說明了本 發明的各種實施方式，並與描述一起用來解釋本發明的原理和操作。
[0018] 附圖簡要說明
[0019] 圖1是用於形成無缺陷玻璃薄片的設備的示意圖；
[0020] 圖2是複合煙炱片的示意圖；
[0021] 圖3是用於形成根據一個實施方式的無缺陷玻璃薄片的設備的示意圖；以及
[0022] 圖4是用於形成根據另一個實施方式的無缺陷玻璃薄片的設備的示意圖。

【具體實施方式】
[0023] 如圖1示意性所示是用於形成根據各個實施方式的高表面質量玻璃片的設備。設 備100包括一對煙炱提供裝置110、116,煙炱接受裝置120,煙炱收集裝置125,煙炱片引導 裝置130以及煙炱片燒結裝置140。
[0024] 如下文所詳述，本發明的實施方式涉及通過對煙炱片進行燒結來形成無表面顆 粒、無表面缺陷的玻璃片。在形成煙炱片的過程期間，使用靜電煙炱收集裝置125來俘獲由 第一煙炱提供裝置110和（任選的）第二煙炱提供裝置116產生的過量煙炱顆粒，從而防 止這些過量煙炱顆粒在其形成之後沉積到煙炱片上。從而煙炱收集裝置125防止了當煙炱 片進行燒結時煙炱片表面的顆粒汙染。在一些實施方式中，可以使用所揭示的基於煙炱的 方法來形成高CTE玻璃（其通常具有較低的熔融（和燒結）溫度）。
[0025] 仍參見圖1，在沉積步驟中，通過第一煙炱提供裝置110形成的玻璃煙炱顆粒150 沉積到煙炱接受裝置120的沉積表面122上。煙炱接受裝置120可以是可轉動的筒（例如 轉筒）或者帶的形式，因此可以包括連續的沉積表面122。煙炱顆粒150沉積，以在沉積表 面122上形成煙炱層152。煙炱層152可以從沉積表面122脫離，成為具有接觸表面155和 自由表面157的自立式連續煙炱片154。可以因以下原因，在沒有物理介入的情況下，使得 煙炱層152從沉積表面122脫離，例如：煙炱層和沉積表面之間的熱失配或者熱膨脹係數失 配，和/或重力的作用下。在第一煙炱片154從煙炱接受裝置120脫離之後，煙炱片引導裝 置130可以引導第一煙炱片154的移動。
[0026] 在一個任選的實施方式中，在第二沉積步驟中，通過第二煙炱提供裝置116形成 的第二玻璃煙炱顆粒160可以沉積到第一煙炱片154的接觸表面155上，以形成第二煙炱 層162。對第一煙炱片154添加第二煙炱層162和任何後續的煙炱層（圖中未顯示）形成 了複合煙炱片174。煙炱片引導裝置130還可以引導複合煙炱片174移動通過煙炱片燒結 裝置140,該煙炱片燒結裝置140使得一部分的複合煙炱片174發生燒結和固結，形成玻璃 片156。在補充實施方式中，作為在煙炱片154的接觸表面155上形成第二煙炱層的替代或 者補充，可以在煙炱片154的自由表面157上沉積第二煙炱層。
[0027] 在煙炱形成和沉積過程中，煙炱收集裝置125可用於收集過量煙炱，即沒有結合 到第一煙炱層152或者任選的第二煙炱層162中的煙炱。通過收集過量煙炱，可以使得產 品玻璃的表面的顆粒汙染最小化或者基本消除。允許沉積到煙炱片上的煙炱顆粒會產生不 連續性和表面粗糙度，這會對玻璃片的光學和機械性質以及後加工操作產生負面影響。
[0028] 因此，形成玻璃片的方法包括：提供玻璃煙炱顆粒，將第一部分的玻璃煙炱顆粒沉 積到沉積表面上以形成支撐煙炱層，將第二部分的玻璃煙炱顆粒靜電吸引並收集到帶電板 的表面上，以及從沉積表面去除煙炱層以形成煙炱片。應理解的是，可以在從沉積表面去除 煙炱層之前、過程中和之後，進行第二部分的玻璃煙炱顆粒的靜電吸引。在一些實施方式 中，沉積第一部分的玻璃煙炱顆粒和靜電吸引第二部分的玻璃煙炱顆粒的過程是同時進行 的。
[0029] 可以對至少一部分的煙炱片進行加熱，以形成燒結的玻璃片。在一些實施方式中， 第一和第二部分的玻璃煙炱顆粒的總和等於在過程中通過煙炱提供裝置產生的玻璃煙炱 顆粒的總數的至少50% (例如，至少50、60、70、80、90、95、98、99或者100% )。換言之，產 生的煙炱顆粒大部分形成到煙炱片中或者被俘獲，通過煙炱收集裝置或者與排氣系統聯用 操作的煙炱收集裝置。在其他實施方式中，煙炱收集裝置俘獲至少1% (例如，至少1、2、5 或者10%)的過量玻璃煙炱顆粒，即至少1%的玻璃煙炱顆粒未被用於形成煙炱層。下文 將詳細描述所述方法和設備的其它方面。
[0030] 雖然可以用各種裝置來形成玻璃煙炱顆粒，例如煙炱提供裝置11〇、116可以包括 一個或多個火焰水解燃燒器，例如用於外部氣相沉積（OVD)、氣相軸向沉積（VAD)和平面沉 積法的那些。在美國專利第6, 606, 883號、第5, 922, 100號、第6, 837, 076號、第6, 743, 011 和第6, 736, 633號中揭示了一些合適的燃燒器構造，其全文內容參考結合於此。
[0031] 煙炱提供裝置11〇、116可以包括單獨的燃燒器或者多個燃燒器。示例性燃燒器具 有長度為1、寬度為w的輸出表面。輸出表面包括N行噴氣孔，其中N可以為1-20或者更 大。在一個實施方式中，各個噴氣孔包括直徑0.076cm的孔。輸出表面的長度1可以大於 或等於約2. 5-30. 5cm，寬度可以為0. 1-7. 5cm。任選地，可以將多個燃燒器構造成燃燒器陣 列，該燃燒器陣列能夠在陣列的長度和寬度上產生基本連續的煙炱顆粒流。
[0032] 例如，燃燒器陣列可以包括多個獨立的燃燒器（例如以首尾相連的形式設置），這 些燃燒器構造成用來形成和沉積在時間和空間上均勻的玻璃煙炱層。因此，各個煙炱提供 裝置可以用來形成具有基本均勻的化學組成和基本均勻厚度的單一的煙炱層。所謂"均勻 組成"和"均勻厚度"表示在給定面積內，組成和厚度的變化小於或等於平均組成或厚度的 20 %。在某些實施方式中，在煙炱片上，煙炱片的組成和厚度變化中的一種或兩種可以小於 或等於它們各自的平均值的10%。
[0033] 一個示例性的燃燒器包括9行噴氣孔。在形成氧化矽玻璃煙炱中，例如根據一個 實施方式，中線處的一行（例如第5行）提供二氧化矽氣體前體/載氣混合物。緊鄰的行 (例如第4行和第6行）提供氧氣，用來對二氧化矽氣體前體進行化學計量控制。中線任 一側的接下來兩行噴氣孔（例如第2、3、7和8行）提供額外的氧氣，其流速可用於控制化 學計量比和煙炱密度，並為引燃火焰提供氧化劑。最靠外的那行噴氣孔（例如第1行和第 9行）可以提供引燃火焰混合物，例如鞏/02或112/02。表1中列出了這樣一種9行線型燃 燒器的示例性氣體流速範圍。含矽氣態前體可用於形成第一煙炱片，在其上可形成任選的 第二煙炱片。
[0034] 表1 :形成氧化矽煙炱片的9行線型燃燒器的示例性氣體流速
[0035]

【權利要求】
1. 一種用來製造玻璃片的方法，所述方法包括： 提供玻璃煙貧顆粒； 將第一部分的玻璃煙貧顆粒沉積到沉積表面上W形成支撐煙貧層； 將第二部分的玻璃煙貧顆粒靜電吸引並收集到帶電板的表面上； 將煙貧層從沉積表面去除，W形成煙貧片；W及 對至少一部分的所述第一部分的玻璃煙貧顆粒進行加熱，W形成玻璃片。
2. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述第二部分的玻璃煙貧顆粒具有第一電 荷，所述帶電板具有第二電荷，所述第二電荷與所述第一電荷具有相反正負號。
3. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述第二部分的玻璃煙貧顆粒帶正電，所述 帶電板帶負電。
4. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，由帶電板引發的靜電場具有0. 2-lOkV/cm的 電勢。
5. 如權利要求1所述的方法，所述方法還包括從煙貧片排走第=部分的玻璃煙貧顆 粒。
6. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述第一部分的玻璃煙貧顆粒是提供的玻 璃煙貧顆粒的至少50%。
7. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述第二部分的玻璃煙貧顆粒是提供的玻 璃煙貧顆粒的至少1%。
8. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述煙貧片具有基本均勻的厚度。
9. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述玻璃片的平均厚度為25 ym至1. 25cm。
10. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述煙貧片基本不含表面顆粒。
11. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述玻璃片基本不含表面顆粒。
12. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，每平方米的玻璃片包括最多10個尺寸大於 5皿的表面顆粒。
13. 如權利要求1所述的方法，所述方法還包括對玻璃片進行雷射修整。
14. 如權利要求1所述的方法，該方法還包括將至少部分玻璃片卷繞到漉上。
15. -種玻璃片，其通過權利要求1所述的方法形成。
16. 如權利要求15所述的玻璃片，其特徵在於，所述玻璃片的平均厚度為25 ym至 1. 25cm〇
17. 如權利要求15所述的玻璃片，其特徵在於，所述玻璃片在兩個相對主表面中的至 少一個主表面上的平均表面粗趟度等於或小於Inm。
18. 如權利要求15所述的玻璃片，其特徵在於，每平方米的玻璃片包括最多10個尺寸 大於5nm的表面顆粒。
19. 一種用來製造玻璃片的設備，所述設備包括： 煙貧提供裝置，其用於提供玻璃煙貧顆粒； 可轉動的筒，其具有外部彎曲沉積表面，在該外部彎曲沉積表面上可W沉積第一部分 的玻璃煙貧顆粒W形成煙貧層；W及 煙貧收集裝置，其用於收集第二部分的玻璃煙貧顆粒。
20. 如權利要求19所述的設備，其特徵在於，所述煙貧收集裝置包括帶靜電的導電板。
21.如權利要求19所述的設備，其特徵在於，所述煙貧收集裝置位置靠近煙貧片，當煙 貧層從沉積表面脫離時形成所述煙貧片。
【文檔編號】C03B19/14GK104470864SQ201380026599
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2013年5月20日 優先權日:2012年5月22日
【發明者】D·W·霍託夫, B·A·諾爾, S·維姆利 申請人:康寧股份有限公司