形成低颗粒缺陷玻璃薄片的静电方法和设备的制作方法
【专利摘要】使用辊到辊玻璃烟炱沉积和烧结法形成高表面质量的玻璃片。玻璃片的形成包括提供玻璃烟炱颗粒(150)，将第一部分的玻璃烟炱颗粒沉积到沉积表面(122)上以形成支撑烟炱层(152)，用烟炱收集装置(125)将第二部分的玻璃烟炱颗粒静电吸引并收集到带电板的表面上，从沉积表面上去除烟炱层以形成烟炱片(154)，以及对至少部分烟炱片进行加热，以烧结玻璃烟炱颗粒从而形成玻璃片。
【专利说明】形成低颗粒缺陷玻璃薄片的静电方法和设备
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请根据35 U.S.C. §120,要求2012年5月22日提交的美国申请系列第 13/477, 566号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。
[0003] 背景
[0004] 本发明一般地涉及玻璃片，更具体地涉及用来形成高表面质量的玻璃片和玻璃带 的玻璃烟炱沉积和烧结法。形成的此类玻璃产品可以不含或者基本不含表面颗粒。
[0005] 可以使用各种不同的方法形成玻璃片材料。例如，在浮法玻璃工艺中，通过使熔融 玻璃浮在熔融金属床上来制造固体玻璃片。该方法可以用来形成具有均匀厚度和非常平坦 表面的玻璃片。但是，浮法玻璃工艺必须包括玻璃熔体和熔融金属之间的直接接触，这会在 界面处造成不合乎希望的污染，使表面质量逊于纯洁的表面质量。为了制造在两个主表面 上都具纯洁的表面性质的高质量浮法玻璃片，通常对浮法玻璃进行一次或多次表面抛光步 骤。该加工增加了额外的花费。另外，认为浮法无法用来制造可卷曲（即非常薄）的玻璃 片。
[0006] 另一种用来形成玻璃片材料的方法是熔合拉制法。在该方法中，将熔融玻璃进料 到被称为等压槽的槽内，使得该等压槽满溢，直至熔融玻璃从两侧均匀溢流出。然后所述熔 融玻璃在所述槽的底部重新结合、或者熔合，在槽的底部进行拉制以形成平坦连续玻璃片。 因为在成形过程期间玻璃片的两个主表面都不与任何支承材料直接接触，所以两个主表面 都可以实现高表面质量。但是，由于熔合拉制法的动力学性质，适合用于熔合拉制的玻璃组 合物的数量仅限于在熔融相中具有所需性质（例如液相线粘度、应变点等）的那些。此外， 用于熔合拉制法的设备可能是昂贵的。
[0007] 可以使用玻璃烟炱沉积和烧结法来制造厚度小于或等于200微米的薄的可卷曲 玻璃片。在该方法中，经由气相反应形成玻璃烟炱的颗粒并沉积到转筒上形成烟炱层，所述 烟炱层从筒脱离作为自支承烟炱片，该自支承烟炱片进而烧结形成玻璃片。在形成烟炱片 的行为期间，在烟炱形成和沉积过程中制造的并且没有结合到玻璃烟炱层中的劣烟炱颗粒 可能之后结合到烟炱片的表面中，并且不合乎希望地结合到所得到的玻璃片的表面中。
[0008] 形成的烟炱颗粒的约50%均匀地结合到烟炱层中，该烟炱层从沉积表面脱离以形 成烟炱片。虽然大多数过量的颗粒可以通过靠近沉积区的排气系统进行收集，但是潜在的、 大量且有害体积的烟炱颗粒会沉积到烟炱片上。这些颗粒，没有均匀地结合到烟炱片中，它 们落下并碎落到烟炱片上，最终显示为所得到的玻璃中的表面缺陷。在靠近烟炱片使用高 体积或高速排气系统可能是有问题的，因为通过排气产生的气速在使得烟炱颗粒导向远离 烟炱片的作用的同时，也会作用于烟炱片，并撕扯或撕裂烟炱片。
[0009] 基于如上所述，由于希望无缺陷的玻璃薄片，因此会希望建立一种形成烟炱片的 稳健方法，所述烟炱片不含或基本不含无需要的表面颗粒以及由于此类颗粒所引起的缺 陷。
[0010] 概述
[0011] 本文所揭示的设备和相应的方法可生产具有特定厚度和组成的无表面颗粒的玻 璃片，而无需成形后的精研或抛光。所述玻璃片可基本不含颗粒引起的缺陷。该玻璃片可 以包括一层或多层、一种或多种组分或者一个或多个相。此类玻璃片可用作例如，微电子基 材以及形成超导体材料的基材等。
[0012] -种形成无表面颗粒的玻璃片的方法包括玻璃烟炱沉积和烧结过程。根据各个实 施方式，该过程包括提供玻璃烟炱颗粒，将第一部分的玻璃烟炱颗粒沉积到沉积表面上以 形成支撑烟炱层，将第二部分的玻璃烟炱颗粒静电吸引并收集到带电板的表面上，从沉积 表面上去除烟炱层以形成烟炱片，以及对至少部分烟炱片进行加热，以烧结玻璃烟炱颗粒 从而形成玻璃片。第三部分的玻璃烟炱颗粒，对应没有沉积形成支撑烟炱层的其他部分的 玻璃烟炱颗粒，可以使用任选的排气系统进行收集。
[0013] 在形成和沉积玻璃烟炱颗粒的作用期间，至少一些烟炱颗粒带电并后续通过带相 反电荷的静电板收集。可以通过使用构成一部分的沉积区的合适的带电板或者仅仅作为气 体燃烧器热力学的结果（其可原位产生带电的玻璃烟炱颗粒）使得玻璃烟炱颗粒带电。在 一些实施方式中，玻璃烟炱颗粒带正电，静电板带负电。采用所揭示的方法和设备，可以通 过使用选择性作用力有效地控制过量玻璃烟炱颗粒的配置，所述选择性作用力可隔绝玻璃 烟炱颗粒而不对玻璃片造成负面影响。具体地，静电力仅对之前未结合到烟炱层中的带电 的玻璃烟炱颗粒起作用，不同于大压差/排气方法，静电力对于烟炱片是无害的。
[0014] 应理解的是，从沉积表面脱离的支撑烟炱层具有两个相对的主表面。"接触表面" 是与烟炱接受装置的沉积表面接触而形成的表面，而"自由表面"是相对表面。在另一个实 施方式中，在支撑烟炱层从沉积表面脱离以形成烟炱片之后，可以在"接触表面"和/或"自 由表面"上沉积第二玻璃烟炱颗粒。所揭示的用于防止玻璃烟炱颗粒与之前形成的烟炱片 接触的静电方法可与一个或多个烟炱成形/烟炱沉积步骤联用。
[0015] 用于通过玻璃烟炱沉积和烧结方法形成玻璃片的设备包括：烟炱提供装置，其用 于提供玻璃烟炱颗粒；可转动的筒，其具有外部弯曲沉积表面，在该外部弯曲沉积表面上可 以沉积第一部分的玻璃烟炱颗粒以形成烟炱层；以及烟炱收集装置，其用于收集第二部分 的玻璃烟炱颗粒。
[0016] 在以下的详细描述中给出了本发明的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对 本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详细描述、权利 要求书以及附图在内的本文所述的本发明而被认识。
[0017] 应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都只是呈现本发明的实施方式，用 来提供理解要求保护的本发明的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对本发 明的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图举例说明了本 发明的各种实施方式，并与描述一起用来解释本发明的原理和操作。
[0018] 附图简要说明
[0019] 图1是用于形成无缺陷玻璃薄片的设备的示意图；
[0020] 图2是复合烟炱片的示意图；
[0021] 图3是用于形成根据一个实施方式的无缺陷玻璃薄片的设备的示意图；以及
[0022] 图4是用于形成根据另一个实施方式的无缺陷玻璃薄片的设备的示意图。
【具体实施方式】
[0023] 如图1示意性所示是用于形成根据各个实施方式的高表面质量玻璃片的设备。设 备100包括一对烟炱提供装置110、116,烟炱接受装置120,烟炱收集装置125,烟炱片引导 装置130以及烟炱片烧结装置140。
[0024] 如下文所详述，本发明的实施方式涉及通过对烟炱片进行烧结来形成无表面颗 粒、无表面缺陷的玻璃片。在形成烟炱片的过程期间，使用静电烟炱收集装置125来俘获由 第一烟炱提供装置110和（任选的）第二烟炱提供装置116产生的过量烟炱颗粒，从而防 止这些过量烟炱颗粒在其形成之后沉积到烟炱片上。从而烟炱收集装置125防止了当烟炱 片进行烧结时烟炱片表面的颗粒污染。在一些实施方式中，可以使用所揭示的基于烟炱的 方法来形成高CTE玻璃（其通常具有较低的熔融（和烧结）温度）。
[0025] 仍参见图1，在沉积步骤中，通过第一烟炱提供装置110形成的玻璃烟炱颗粒150 沉积到烟炱接受装置120的沉积表面122上。烟炱接受装置120可以是可转动的筒（例如 转筒）或者带的形式，因此可以包括连续的沉积表面122。烟炱颗粒150沉积，以在沉积表 面122上形成烟炱层152。烟炱层152可以从沉积表面122脱离，成为具有接触表面155和 自由表面157的自立式连续烟炱片154。可以因以下原因，在没有物理介入的情况下，使得 烟炱层152从沉积表面122脱离，例如：烟炱层和沉积表面之间的热失配或者热膨胀系数失 配，和/或重力的作用下。在第一烟炱片154从烟炱接受装置120脱离之后，烟炱片引导装 置130可以引导第一烟炱片154的移动。
[0026] 在一个任选的实施方式中，在第二沉积步骤中，通过第二烟炱提供装置116形成 的第二玻璃烟炱颗粒160可以沉积到第一烟炱片154的接触表面155上，以形成第二烟炱 层162。对第一烟炱片154添加第二烟炱层162和任何后续的烟炱层（图中未显示）形成 了复合烟炱片174。烟炱片引导装置130还可以引导复合烟炱片174移动通过烟炱片烧结 装置140,该烟炱片烧结装置140使得一部分的复合烟炱片174发生烧结和固结，形成玻璃 片156。在补充实施方式中，作为在烟炱片154的接触表面155上形成第二烟炱层的替代或 者补充，可以在烟炱片154的自由表面157上沉积第二烟炱层。
[0027] 在烟炱形成和沉积过程中，烟炱收集装置125可用于收集过量烟炱，即没有结合 到第一烟炱层152或者任选的第二烟炱层162中的烟炱。通过收集过量烟炱，可以使得产 品玻璃的表面的颗粒污染最小化或者基本消除。允许沉积到烟炱片上的烟炱颗粒会产生不 连续性和表面粗糙度，这会对玻璃片的光学和机械性质以及后加工操作产生负面影响。
[0028] 因此，形成玻璃片的方法包括：提供玻璃烟炱颗粒，将第一部分的玻璃烟炱颗粒沉 积到沉积表面上以形成支撑烟炱层，将第二部分的玻璃烟炱颗粒静电吸引并收集到带电板 的表面上，以及从沉积表面去除烟炱层以形成烟炱片。应理解的是，可以在从沉积表面去除 烟炱层之前、过程中和之后，进行第二部分的玻璃烟炱颗粒的静电吸引。在一些实施方式 中，沉积第一部分的玻璃烟炱颗粒和静电吸引第二部分的玻璃烟炱颗粒的过程是同时进行 的。
[0029] 可以对至少一部分的烟炱片进行加热，以形成烧结的玻璃片。在一些实施方式中， 第一和第二部分的玻璃烟炱颗粒的总和等于在过程中通过烟炱提供装置产生的玻璃烟炱 颗粒的总数的至少50% (例如，至少50、60、70、80、90、95、98、99或者100% )。换言之，产 生的烟炱颗粒大部分形成到烟炱片中或者被俘获，通过烟炱收集装置或者与排气系统联用 操作的烟炱收集装置。在其他实施方式中，烟炱收集装置俘获至少1% (例如，至少1、2、5 或者10%)的过量玻璃烟炱颗粒，即至少1%的玻璃烟炱颗粒未被用于形成烟炱层。下文 将详细描述所述方法和设备的其它方面。
[0030] 虽然可以用各种装置来形成玻璃烟炱颗粒，例如烟炱提供装置11〇、116可以包括 一个或多个火焰水解燃烧器，例如用于外部气相沉积（OVD)、气相轴向沉积（VAD)和平面沉 积法的那些。在美国专利第6, 606, 883号、第5, 922, 100号、第6, 837, 076号、第6, 743, 011 和第6, 736, 633号中揭示了一些合适的燃烧器构造，其全文内容参考结合于此。
[0031] 烟炱提供装置11〇、116可以包括单独的燃烧器或者多个燃烧器。示例性燃烧器具 有长度为1、宽度为w的输出表面。输出表面包括N行喷气孔，其中N可以为1-20或者更 大。在一个实施方式中，各个喷气孔包括直径0.076cm的孔。输出表面的长度1可以大于 或等于约2. 5-30. 5cm，宽度可以为0. 1-7. 5cm。任选地，可以将多个燃烧器构造成燃烧器阵 列，该燃烧器阵列能够在阵列的长度和宽度上产生基本连续的烟炱颗粒流。
[0032] 例如，燃烧器阵列可以包括多个独立的燃烧器（例如以首尾相连的形式设置），这 些燃烧器构造成用来形成和沉积在时间和空间上均匀的玻璃烟炱层。因此，各个烟炱提供 装置可以用来形成具有基本均匀的化学组成和基本均匀厚度的单一的烟炱层。所谓"均匀 组成"和"均匀厚度"表示在给定面积内，组成和厚度的变化小于或等于平均组成或厚度的 20 %。在某些实施方式中，在烟炱片上，烟炱片的组成和厚度变化中的一种或两种可以小于 或等于它们各自的平均值的10%。
[0033] 一个示例性的燃烧器包括9行喷气孔。在形成氧化硅玻璃烟炱中，例如根据一个 实施方式，中线处的一行（例如第5行）提供二氧化硅气体前体/载气混合物。紧邻的行 (例如第4行和第6行）提供氧气，用来对二氧化硅气体前体进行化学计量控制。中线任 一侧的接下来两行喷气孔（例如第2、3、7和8行）提供额外的氧气，其流速可用于控制化 学计量比和烟炱密度，并为引燃火焰提供氧化剂。最靠外的那行喷气孔（例如第1行和第 9行）可以提供引燃火焰混合物，例如巩/02或112/02。表1中列出了这样一种9行线型燃 烧器的示例性气体流速范围。含硅气态前体可用于形成第一烟炱片，在其上可形成任选的 第二烟炱片。
[0034] 表1 :形成氧化硅烟炱片的9行线型燃烧器的示例性气体流速
[0035]
【权利要求】
1. 一种用来制造玻璃片的方法，所述方法包括： 提供玻璃烟貧颗粒； 将第一部分的玻璃烟貧颗粒沉积到沉积表面上W形成支撑烟貧层； 将第二部分的玻璃烟貧颗粒静电吸引并收集到带电板的表面上； 将烟貧层从沉积表面去除，W形成烟貧片；W及 对至少一部分的所述第一部分的玻璃烟貧颗粒进行加热，W形成玻璃片。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二部分的玻璃烟貧颗粒具有第一电 荷，所述带电板具有第二电荷，所述第二电荷与所述第一电荷具有相反正负号。
3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二部分的玻璃烟貧颗粒带正电，所述 带电板带负电。
4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，由带电板引发的静电场具有0. 2-lOkV/cm的 电势。
5. 如权利要求1所述的方法，所述方法还包括从烟貧片排走第=部分的玻璃烟貧颗 粒。
6. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一部分的玻璃烟貧颗粒是提供的玻 璃烟貧颗粒的至少50%。
7. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二部分的玻璃烟貧颗粒是提供的玻 璃烟貧颗粒的至少1%。
8. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述烟貧片具有基本均匀的厚度。
9. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述玻璃片的平均厚度为25 ym至1. 25cm。
10. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述烟貧片基本不含表面颗粒。
11. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述玻璃片基本不含表面颗粒。
12. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，每平方米的玻璃片包括最多10个尺寸大于 5皿的表面颗粒。
13. 如权利要求1所述的方法，所述方法还包括对玻璃片进行激光修整。
14. 如权利要求1所述的方法，该方法还包括将至少部分玻璃片卷绕到漉上。
15. -种玻璃片，其通过权利要求1所述的方法形成。
16. 如权利要求15所述的玻璃片，其特征在于，所述玻璃片的平均厚度为25 ym至 1. 25cm〇
17. 如权利要求15所述的玻璃片，其特征在于，所述玻璃片在两个相对主表面中的至 少一个主表面上的平均表面粗趟度等于或小于Inm。
18. 如权利要求15所述的玻璃片，其特征在于，每平方米的玻璃片包括最多10个尺寸 大于5nm的表面颗粒。
19. 一种用来制造玻璃片的设备，所述设备包括： 烟貧提供装置，其用于提供玻璃烟貧颗粒； 可转动的筒，其具有外部弯曲沉积表面，在该外部弯曲沉积表面上可W沉积第一部分 的玻璃烟貧颗粒W形成烟貧层；W及 烟貧收集装置，其用于收集第二部分的玻璃烟貧颗粒。
20. 如权利要求19所述的设备，其特征在于，所述烟貧收集装置包括带静电的导电板。
21.如权利要求19所述的设备，其特征在于，所述烟貧收集装置位置靠近烟貧片，当烟 貧层从沉积表面脱离时形成所述烟貧片。
【文档编号】C03B19/14GK104470864SQ201380026599
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2013年5月20日 优先权日:2012年5月22日
【发明者】D·W·霍托夫, B·A·诺尔, S·维姆利 申请人:康宁股份有限公司