一种微晶玻璃材料及其制备方法和在半导体器件中的应用与流程

本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种微晶玻璃材料及其制备方法和在半导体器件中的应用。

背景技术：

5g通信采用3ghz以上的无线频谱，天线结构将比4g更为复杂，现有的天线布局结构无法满足5g的需求。因此在5g时代，智能手机将摒弃现有的对信号屏蔽性的金属后盖，陶瓷后盖和玻璃后盖成为5g通信产品的替代方案。其中，采用微晶玻璃的玻璃后盖耐磨性能优异，且易于清洁及调色，成为目前研究的热点。

微晶玻璃的种类很多，由不同成分配比和不同工艺可生产出不同用途的玻璃制品，目前已有的微晶玻璃产品，大多数是单一晶相，其主要作为建筑装饰性材料，生物性材料，工艺制品或小型的加热制品等。目前国内市场上尚未发现高硬度、高强度及高透明度微晶玻璃生产，用于半导体器件例如手机面板、背板的更是空白。国际上也只有美国康宁公司生产，专供苹果。

专利cn110217985a公开了一种微晶玻璃，其虽然为多晶相体系，具有较低的膨胀系数、较高的硬度和强度，但其透明度仍有待提高，且其未对冲击性能和莫氏硬度进行测试，而透明度、冲击性能和莫氏硬度恰恰是制备手机面板或背板最为关注的性能。

因此，开发一种具有可应用于半导体器件的高硬度、高强度及高透明度的微晶玻璃具有重要的研究意义和较大的经济价值。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中高硬度、高强度及高透明度微晶玻璃的缺乏，提供一种微晶玻璃材料。本发明提供的微晶玻璃材料通过构建多晶相体系，使其具有多种晶相，解决了单一晶相的微晶玻璃在性能的缺陷，既保证了微晶玻璃的高硬度，又提高了微晶玻璃的透明度和抗冲击强度，适用于半导体器件，特别是高端手机（包括5g）面板、背板材料的使用要求。

本发明的另一目的在于提供上述微晶玻璃材料的制备方法。

本发明的另一目的在于提供上述微晶玻璃材料在半导体器件中的应用。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种微晶玻璃材料，包括基础玻璃、晶核剂、澄清剂和添加剂，以微晶玻璃材料总重量计：

基础玻璃包括如下重量分数的组分：li2o0.5~3.2%，al2o325.0~35.0%，sio245.0~60.0%，mgo2.0~14.0%；

晶核剂包括如下重量分数的组分：sno20.1~1.0%，zro21.0~5.0%；

添加剂包括如下重量分数的组分：la2o30.1~1.0%，y2o30.1~1.0%。

所述微晶玻璃材料包括玻璃基体和分散在玻璃基体中的多晶相体系；多晶相体系以镁铝尖晶石为主，立方氧化锆、锂霞石和石英固溶体为辅；其中，镁铝尖晶石的重量分数不低于15%；立方氧化锆、锂霞石和石英固溶体的重量分数总和低于3%。

针对微晶玻璃，我们进行了多年研究。在前期的研究工作中（专利cn110217985a），研发了一种微晶玻璃，其具有较低的膨胀系数、较高的硬度和强度，可用于制备天文反射望远镜镜坯一类厚制品。另外，其也可以制备超薄的微晶玻璃制品，有望应用于5g手机背板等。但其透明度仍有待提高；且对冲击性能和莫氏硬度进行测试时发现，其抗冲击强度基本和高铝玻璃接近。如需真正应用于半导体器件例如5g手机背板等，其性能仍需提升。

本申请的发明人经过反复研究，从以下几个方面对微晶玻璃的配方进行改进，以提升透明度、抗冲击性能和莫氏硬度。具体地：

专利cn110217985a中的微晶玻璃为li2o-al2o3-sio2系微晶玻璃，其晶相以锂辉石为主，带部分锂霞石和石英固溶体；而本申请的微晶玻璃构建了一种新的晶相体系，具体的，本申请的微晶玻璃材料以镁铝尖晶石为主，以立方氧化锆、锂霞石和石英固溶体为辅（镁铝尖晶石的重量分数大于其它晶相的重量分数综合），得到多晶相体系，分散在玻璃基体中，可有效提升微晶玻璃的硬度、透明度和抗冲击强度；并同时增长其料性和降低了成型温度，更加适宜手机盖板的各种成型要求。

具体地，本申请通过对基础玻璃、晶核剂和添加剂的配方进行优化，来构建特定的多晶相体系，以提升微晶玻璃的硬度、透明度和抗冲击强度，同时提升成型性能。

其中，通过增大基础玻璃中al2o3和mgo的重量分数，同时采用多种晶核剂，使得本申请的微晶玻璃以镁铝尖晶石为主，以立方氧化锆、锂霞石和石英固溶体为辅，得到多晶相体系。

对于晶核剂和添加剂，本申请调整了zro2的重量配比，利用zro2增韧微晶玻璃是提高其韧性的一条重要途径，微晶玻璃中zro2的增韧机理主要应力诱发相变增韧、裂纹偏韧及微裂纹增韧，增韧效果受微晶玻璃中zro2的体积含量、zro2的晶型、晶体尺寸及晶体形貌的影响，同时添加sno2，可有效的控制晶体生长过快，保证了晶体颗粒的大小和均匀性，从而保证了玻璃的透明度。但是zro2更大量的加入时，会造成玻璃的难熔和均匀性差的缺陷，导致生产过程中易析晶的问题。本申请的发明人研究发现，在微晶玻璃中引入y2o3可解决其熔化和析晶的问题，使得晶相发育成完整的柱状和板状晶，有效提升玻璃的抗弯强度。另外，la2o3的引入，能够增加玻璃的强度和韧性。

本发明得到的微晶玻璃具有较高的透明度、硬度和强度，适用于半导体器件，特别是高端手机（包括5g）面板、背板材料的使用要求。具体性能指标如下：

（1）密度：2.60~2.80g/cm³；（2）热膨胀系数：52.8~53.8×10-7/℃（0~50℃）；53.5~60.8×10-7/℃（30~500℃）；（3）可见光透过率：≥91.5%（厚度1mm）；（4）平板玻璃维氏硬度：hv＝823-898±20kg/mm²（负载100g）；莫氏硬度7.0~8.0（5）化学强化膨胀率：0.03%（6）强化翘曲率：0.05%（7）弹性模量：（8.8±0.1）×105kg/cm²（8）抗冲击强度（132g钢球落球）：80cm。

优选地，所述微晶玻璃材料中镁铝尖晶石的质量分数为15~20%；立方氧化锆、锂霞石、石英固溶体的质量分数总和为3~5%。

具体地，立方氧化锆的质量分数可为1~1.5%；锂霞石的质量分数可为0.5~1.5%；石英固溶体的质量分数可为0.5~1.5%。

优选地，所述镁铝尖晶石、立方氧化锆、锂霞石和石英固溶体均发育成完整的柱状或板状晶；所述镁铝尖晶石、立方氧化锆、锂霞石和石英固溶体均一且在玻璃基体中分散均匀。

优选地，以微晶玻璃材料总重量计：

基础玻璃包括如下重量分数的组分：li2o0.5~3.2%，al2o325.0~35.0%，sio245.0~60.0%，mgo2.0~14.0%，zno1.0~12.0%，cao0.2~4.5%，sro0.3~3.0%，bao0.2~3.0%，r2o1.1~10.2%；

晶核剂包括如下重量分数的组分：sno20.1~1.0%，zro21.0~5.0%，tio20.2~2.0%，p2o50~2.0%；

澄清剂包括如下重量分数的组分：sb2o30.1~0.5%、nacl0.2~0.6%；

添加剂包括如下重量分数的组分：la2o30.1~1%%，y2o30.1~1.0%；

各组分的重量分数总和为100%。

更为优选地，以微晶玻璃材料总重量计：基础玻璃包括如下重量分数的组分：li2o2.0~3.1%，al2o325.5~32.0%，sio245.5~57.0%，mgo3.0~12.0%，zno3.0~11.5%，cao0.5~4.0%，sro0.5~2.0%，bao0.5~2.0%，r2o3.0~8.0%。

更为优选地，以微晶玻璃材料总重量计：晶核剂包括如下重量分数的组分：sno20.2~0.7%，zro22.0~4.7%；tio20.25~1.9%，p2o50.1~1.9%。

更为优选地，以微晶玻璃材料总重量计：澄清剂包括如下重量分数的组分：sb2o30.2~0.48%，nacl0.3~0.58%。

更为优选地，以微晶玻璃材料总重量计：添加剂包括如下重量分数的组分：la2o30.15~0.9%，y2o30.12~0.95%。

优选地，所述r2o包括k2o、na2o和li2o。

更为优选地，以微晶玻璃材料总重量计：所述r2o包括如下重量分数的组分k2o0.1~2.5%，na2o1.0~7.7%。

上述微晶玻璃材料的制备方法，包括如下步骤：将基础玻璃、晶核剂、澄清剂和添加剂混合，熔制、冷却、成型、退火和晶化处理，即得所述微晶玻璃；所述晶化处理采用多阶段保温处理，各阶段的温度逐渐上升。

晶化处理的过程对微晶玻璃的性能具有重要影响，本发明通过采用多温段进行晶化处理，形成了多种晶体结构，并通过不同温度和时间控制了晶体的大小，即保证了微晶玻璃的强度和硬度，又保证了其透明度。

本发明的微晶玻璃主要由玻璃基体以及分散在其中的纳米级晶体颗粒组成，晶体颗粒由镁铝尖晶石（为主）、锂霞石，四方氧化锆晶体颗粒和石英晶体颗粒组成。

优选地，所述熔制的温度为1600℃~1660℃，熔制的时间为6~12h。

优选地，所述冷却的温度为1440℃~1500℃，冷却的时间为2~4h。

优选地，所述制备方法中利用如下方式成型：压延成型、溢流法成型或浮法成型。

优选地，所述晶化处理为2阶段保温处理：于600~650℃下处理1~3h，然后于730~790℃下处理1~3h；或所述晶化处理为3阶段保温处理：于600~650℃下处理1~3h，然后于700~750℃下处理1~3h，再780~830℃下处理1~3h。

优选地，所述退火的温度为550~580℃，时间为2~5h。

上述微晶玻璃在半导体器件（例如制备手机面板或手机背板）中的应用也在本发明的保护范围内。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提供的微晶玻璃材料通过构件多晶相体系，使其具有多种晶相，解决了单一晶相的微晶玻璃在性能的缺陷，既保证了微晶玻璃的高硬度，又提高了微晶玻璃的透明度和抗冲击强度，适用于高端手机（包括5g）面板、背板材料的使用要求。

附图说明

图1为实施例1提供的一系列的微晶玻璃的x射线衍射图；

图2为实施例1提供的一系列的微晶玻璃的扫描电镜图；

图3为对比例2提供的微晶玻璃的扫描电镜图；

图4为对比例4提供的微晶玻璃的扫描电镜图。

具体实施方式

下面结合实施例进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下例实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照本领域常规条件或按照制造厂商建议的条件；所使用的原料、试剂等，如无特殊说明，均为可从常规市场等商业途径得到的原料和试剂。本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

本发明各实施例和对比例的微晶玻璃压制成样品尺寸164.45*71.36*0.7mm，按如下方法进行测试：

（1）密度：2.60~2.80g/cm³(gb/t2540比重瓶法）；

（2）热膨胀系数：52.8~53.8×10-7/℃（0~50℃）；53.5~60.8×10-7/℃（30~500℃）（tma静态热机械分析法）；

（3）可见光透过率（厚度1mm）：≥91.5%（gb5433-85)；

（4）平板玻璃维氏硬度（负载100g）：hv＝823-898±20kg/mm²（负载100g）(显微维氏硬度计）；

莫氏硬度：7.0~8.0（划痕法）；

（5）化学强化膨胀率：0.03%（对比法）；

（6）强化翘曲率：0.05%。（对比法）；

（7）弹性模量：（8.8±0.1）×105kg/cm2（gb/t37788-2019)；

（8）抗冲击强度（132g钢球落球）：80cm（gb9622.7-88)。

实施例1

本实施例提供一系列微晶玻璃，其由如下组分（重量分数，下同）组成：2.0wt%li2o、25.5wt%a2lo3、51.5%wtsio2、0.5wt%cao、0.5wt%sro、3.0wt%zno、8.1wt%mgo、0.5wt%bao、0.4wt%k2o、1.0wt%na2o、5.0wt%zro2、0.1wt%y2o3、0.4wt%sb2o3、0.4wt%nacl、0.5wt%sno2、0.3%tio2、0.2%p2o5、0.1wt%la2o3。

制备过程如下：

（1）将各组分混合在1655℃的温度条件下熔制10小时后，于1460℃下冷却3h，然后浇铸成型得到普通玻璃。

（2）将普通玻璃进行晶化处理制得微晶玻璃，晶化处理分为三个阶段，第一阶段的温度为640℃，时间为2h，第二阶段的温度为710℃，时间为1h，第三阶段分别为780℃，时间为2h；晶化处理后进行退火处理，退火处理的温度为560℃，时间为3h。

同时分别调整步骤（2）第三阶段的处理温度为640℃、740℃、980℃，其余条件均与上述操作一致，以进行对比分析。

借助x射线衍射（xrd）分析技术，并辅助以扫描电子显微镜（sem）方法对该系列微晶玻璃进行表征。结果如图1和2。从图2可知，该微晶玻璃经640℃处理时，只有少量晶体零星分布，到740℃时，晶体颗粒在玻璃相中已经开使长大，但此时玻璃结构还比较疏松，强度和硬度比较差。当经780℃处理后，晶体和玻璃相已经比较完美结合。但如果处理温度过高，如经980℃处理后，由于晶体颗粒的长大，微晶玻璃已经完全失透了。具体地，针对经各温度保温处理的微晶玻璃的晶相进行分析（如图1）可知，该微晶玻璃主要由玻璃基体以及分散在其中的纳米级晶体颗粒组成，其中，经640℃和740℃处理得到的微晶玻璃的晶体颗粒以镁铝尖晶石为主，锂霞石，四方氧化锆晶体颗粒和石英晶体颗粒的含量非常少，几乎无衍射峰；780℃处理得到的微晶玻璃的晶体颗粒以镁铝尖晶石为主，重量分数约占18%，锂霞石（重量分数约为1.5%），四方氧化锆晶体颗粒（重量分数约为1%）和石英晶体颗粒（重量分数约为0.5%）为辅，约共占3~5%；980℃处理得到的微晶玻璃的晶体颗粒中镁铝尖晶石、四方氧化锆晶体颗粒和石英晶体颗粒含量进一步增加，锂霞石晶体颗粒含量大大减小，几乎无衍射峰。这主要是因为随着温度的升高，锂霞石逐步向锂辉石转变。

实施例2

本实施例提供一种微晶玻璃，其由如下组分组成：51.7wt%sio2、25.1wt%al2o3、3.0wt%zno、5.0wt%zro2、0.6wt%y2o3、0.3wt%sb2o3、1.0wt%bao、0.5wt%sro、1wt%la2o3、5.5wt%na2o、1.0wt%k2o、0.5wt%li2o、0.5wt%cao、0.5wt%sno2、0.3wt%tio2、0.2%p2o5、3.0wt%mgo、0.3wt%nacl组成。

制备过程如下：

（1）将各组分混合在1650℃的温度条件下熔制8.3小时后，于1450℃下冷却2h，然后浇铸成型得到普通玻璃。

（2）将普通玻璃进行晶化处理制得微晶玻璃，晶化处理分为两个阶段，第一阶段的温度为640℃，时间为3h，第二阶段的温度为750℃，时间为2h，晶化处理后进行退火处理，退火处理的温度为578℃，时间为2.5h。

该微晶玻璃的x射线衍射图与图1中780℃处理得到的微晶玻璃的一致，主要由玻璃基体以及分散在其中的纳米级晶体颗粒组成，晶体颗粒主要由镁铝尖晶石（重量分数约为20%）、锂霞石（重量分数约为1.2%）、四方氧化锆晶体颗粒（重量分数约为1.3%）和石英晶体颗粒（重量分数约为1%）组成。

实施例3

本实施例提供一种微晶玻璃，其由如下组分组成：45.2wt%sio2、33.1wt%al2o3、1.0wt%zno、4.0wt%zro2、0.5wt%y2o3、0.2wt%sb2o3、0.6wt%bao、0.5wt%sro、0.8wt%la2o3、3.5wt%na2o、1.2wt%k2o、1.5wt%li2o、0.4wt%cao、0.5wt%sno2、0.3wt%tio2、0.4wt%p2o5、6.0wt%mgo、0.3wt%nacl组成。

制备过程如下：

（1）将各组分混合在1660℃的温度条件下熔制8小时后，于1450℃下冷却2h，然后浇铸成型得到普通玻璃。

（2）将普通玻璃进行晶化处理制得微晶玻璃，晶化处理分为3个阶段，第一阶段的温度为620℃，时间为1.5h，第二阶段的温度为730℃，时间为1.5h，晶化处理后还需进行退火处理，退火处理的温度为790℃，时间为1h。

该微晶玻璃的x射线衍射图与图1中780℃处理得到的微晶玻璃的一致，主要由玻璃基体以及分散在其中的纳米级晶体颗粒组成，晶体颗粒以镁铝尖晶石（重量分数约为19%）为主，及锂霞石（重量分数约为1.5%），四方氧化锆晶体颗粒（重量分数约为1.2%）和石英晶体颗粒（重量分数约为1%）组成。

实施例4

本实施例提供一种微晶玻璃，其由如下组分组成：52.2wt%sio2、30.2wt%al2o3、6.0wt%zno、2.0wt%zro2、0.1wt%y2o3、0.3wt%sb2o3、0.5wt%bao、0.5wt%sro、0.1wt%la2o3、1.0wt%na2o、0.7wt%k2o、1.8wt%li2o、0.5wt%cao、0.2wt%sno2、0.3wt%tio2、0.4wt%p2o5、3.0wt%mgo、0.2wt%nacl组成。

制备过程如下：

（1）将各组分混合在1655℃的温度条件下熔制12小时后，于1490℃下冷却3h，然后浇铸成型得到普通玻璃。

（2）将普通玻璃进行晶化处理制得微晶玻璃，晶化处理分为2个阶段，第一阶段的温度为640℃，时间为2.5h，第二阶段的温度为750℃，时间为2h，晶化处理后还需进行退火处理，退火处理的温度为580℃，时间为4h。

该微晶玻璃的x射线衍射图与图1中780℃处理得到的微晶玻璃的一致，主要由玻璃基体以及分散在其中的纳米级晶体颗粒组成，晶体颗粒以镁铝尖晶石（重量分数约为17%）为主及锂霞石（重量分数约为1.5%），四方氧化锆晶体颗粒（重量分数约为0.5%）和石英晶体颗粒（重量分数约为1.2%）组成。

对比例1

本对比例提供一种微晶玻璃，参照专利cn110217985a的实施例1制备得到，配方与cn110217985a的实施例1相同，切片的尺寸与各实施例相同。

制备过程如下：由以下各组份的重量百分比构成：li2o：3.7%；al2o3：22%；sio2：60.3%；cao：1.8%；mgo：0.7%；zno：2.2%；bao：1.0%；k2o：0.5%；na2o：0.5%；tio2：1.8%；zro2：2.0%；p2o5：2.0%；as2o3：0.5%；sb2o3：0.5%；nacl：0.5%。

工艺流程包括：

（1）按提供的配方配料；（2）混合；（3）熔制：4.8ｍ2换热式燃油或天然气池炉熔制，温度1560℃；（4）冷却：1440℃~1520℃；（5）浇注成型，温度为1370℃~1440℃，20分钟浇注完成大玻璃（φ2.2米，厚0.35米，重量4吨）此玻璃1330℃以上不析晶，降温过程1330℃→600℃60分钟不析晶，630℃开始保温进行热处理，控温见降温曲线图3；（6）精密热处理及退火，浇注后玻璃冷却由1330℃→750℃在60分钟内完成，由以下热处理制度降温到630℃750℃770℃770℃800℃800℃600℃600℃室温，此时玻璃板的颜色为茶色透明；（7）切片成所需大小（与测试样品一致）（8）制样：研磨抛光精加工；（9）包装入库备用。

该微晶玻璃主要由玻璃基体以及分散在其中的β-锂霞石晶体及β-石英固溶体的晶体组成。

对比例2

本对比例提供一种微晶玻璃，其组成中除不含y2o3，且zro2的含量为5.1wt%外，其余均与实施例2一致，制备方法也与实施例2一致。该微晶玻璃主要由玻璃基体以及分散在其中的纳米级晶体颗粒组成，x射线衍射图与图1中780℃处理得到的微晶玻璃的一致，晶体颗粒以镁铝尖晶石为主（重量分数约为20%）及锂霞石（重量分数约为1.2%）、四方氧化锆晶体颗粒（重量分数约为1.5%）和石英晶体颗粒（重量分数约为1.1%）组成。图3为扫描电镜图，从图可知，由于不含y2o3，造成zro2难熔，可见氧化锆晶体颗粒大小和分布不均，甚至会有氧化锆条纹出现。

对比例3

本对比例提供一种微晶玻璃，其组成中除不含la2o3，且sio2的含量为51.6wt%外，其余均与实施例2一致，制备方法也与实施例2一致。该微晶玻璃的x射线衍射图与图1中780℃处理得到的微晶玻璃的一致，主要由玻璃基体以及分散在其中的纳米级晶体颗粒组成，晶体颗粒以镁铝尖晶石（重量分数约为19%）为主及锂霞石（重量分数约为1.5%），四方氧化锆晶体颗粒（重量分数约为1.2%）和石英晶体颗粒（重量分数约为1.0%）组成。可见la2o3对晶体的组成影响不大，由于la2o3利于微晶玻璃中的晶相发育成完整的柱状和板状晶，对微晶玻璃的性能有所影响。

对比例4

本对比例提供一种微晶玻璃，其组成中除不含sno2，且sio2的含量为52.0wt%外，其余均与实施例2一致，制备方法也与实施例2一致。该微晶玻璃的x射线衍射图与图1中780℃处理得到的微晶玻璃的一致，主要由玻璃基体以及分散在其中的纳米级晶体颗粒组成，晶体颗粒以镁铝尖晶石（重量分数约为17%）为主及锂霞石（重量分数约为1.5%），四方氧化锆晶体颗粒（重量分数约为0.5%）和石英晶体颗粒（重量分数约为1.2%）组成。sno2可有效的控制晶体生长过快，保证了晶体颗粒的大小和均匀性，从而保证了玻璃的透明度和强度。

图4为扫描电镜图。从图可知，由于未添加sno2，得到的微晶玻璃的晶体颗粒的大小和均匀性都比较差。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。表1为实施例和对比例的微晶玻璃的测试结果。

表1实施例和对比例的微晶玻璃的测试结果

由上表可知，本发明各实施例提供的微晶玻璃具有较高的透明度、硬度和强度，其中，可见光透过率在91.5%以上，莫氏硬度高，抗冲击性能优异，性能远优于对比例1。由于y2o3与zro2形成置换型固溶体，使含高zro2的微晶玻璃熔制温度降低，材料结构更加致密，而未添加y2o3的微晶玻璃（如对比例2），造成抗冲击强度下降；由于la2o3利于微晶玻璃中的晶相发育成完整的柱状和板状晶，提高了微晶玻璃的强度，而未添加la2o3的微晶玻璃（如对比例3）弹性模量和抗冲击强度下降；sno2可有效的控制晶体生长过快，保证了晶体颗粒的大小和均匀性，从而保证了玻璃的透明度和强度。而未添加sno2的微晶玻璃（如对比例4）可见光透过率、化学强化膨胀率、强化翘曲率、弹性模量和抗冲击强度有所下降。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。