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Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Aluminoborosilikatglases, das optimierte Eigenschaften als Substratglas aufweist.
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LCD-Displays erfreuen sich in den letzten Jahren zunehmender Verbreitung. Insbesondere TFT-LCD-Displays (Active Matrix Thin Film Transistor LCD) weisen eine geringe Dicke auf, eine niedrige Leistungsaufnahme, und werden deshalb in zahlreichen Anwendungen verwendet, wie z. B. in Notebooks, in Flachbildschirmen, in Digitalkameras und dgl. mehr. Dabei besteht das Display-Substrat im Allgemeinen aus einer Glasplatte.
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An derartige Substrate werden hohe Anforderungen gestellt. Neben einer hohen Temperaturwechselbeständigkeit sowie einer guten Resistenz bezüglich der im Herstellungsverfahren der Flachbildschirme eingesetzten aggressiven Chemikalien sollten die Gläser über einen weiten Spektralbereich (VIS, UV) hohe Transparenz sowie zur Gewichtseinsparung eine geringe Dichte aufweisen. Der Einsatz als Trägermaterial für integrierte Halbleiterschaltkreise z. B. in TFT-Displays erfordert darüber hinaus die thermische Anpassung an das Dünnfilmmaterial Silizium. Werden durch Hochtemperaturbehandlungen oberhalb von 700°C bzw. durch direkte Abscheidung über CVD-Prozesse weitgehend kristalline Siliziumschichten erzeugt, so ist ein Substrat mit einem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von möglichst weniger als 4·10–6/K erforderlich.
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Für Anwendungen in der Display- und Photovoltaiktechnologie ist ferner die Abwesenheit von Alkaliionen Bedingung. Herstellungsbedingte Toleranzen sollten vorzugsweise unterhalb von 1000 ppm, bevorzugt < 100 ppm liegen.
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Geeignete Gläser sollten großtechnisch in ausreichender Qualität (keine Blasen, Knoten, Einschlüsse) produzierbar sein. Bei der Herstellung dünner (< 1 mm) streifenfreier Substrate von geringer Oberflächenwelligkeit über Ziehverfahren ist eine hohe Entglasungsstabilität der Gläser gefordert. Um einem auf die Halbleiter-Mikrostruktur nachteilig wirkenden Schrumpf (”compaction”) des Substrates während der Herstellung, insbesondere im Falle von TFT-Displays, entgegenzuwirken, benötigt das Glas ferner eine geeignete temperaturabhängige Viskositätskennlinie, d. h. hinsichtlich der thermischen Prozess- und Formstabilität sollte es eine nicht zu hohe Viskosität im Schmelz- und Verarbeitungsbereich aufweisen und dennoch eine ausreichend hohe Transformationstemperatur.
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Substratgläser, die zur Verwendung in LCDs und TFT-LCDs geeignet sind, sind im Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Ein aus der
US 6 992 030 B2 bekanntes Substratglas für LCDs weist eine Zusammmensetzung (in Mol-% auf Oxidbasis) mit 70–80% SiO
2, 3–9% Al
2O
3, 8–18% B
2O
3, 3–10% CaO, 0–4% RO, 0–0,2% SnO, 0–1% XO auf, wobei RO insgesamt für MgO, SrO und ZnO steht und wobei XO insgesamt für TiO
2, ZrO
2, Y
2O
3 und La
2O
3 steht.
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Die offenbarten Ausführungsbeispiele entsprechen einem Gehalt an SiO2 zwischen 66,68 und 73,97 Gew.-%, einem Gehalt an B2O3 von 8,61 bis 17,37 Gew.-%, einem Gehalt an Al2O3 von 7,31 bis 13,57 Gew.-%, einem Gehalt an CaO zwischen 1,63 und 7,02 Gew.-%, einem Gehalt an MgO zwischen 0 und 1,26 Gew.-%, einem Gehalt an SrO zwischen 0 und 4,75 Gew.-%, einem Gehalt an ZnO zwischen 0 und 2,52 Gew.-%. Dabei liegt der thermische Ausdehnungskoeffizient CTE im Bereich von 20 bis 300°C zwischen 2,44 und 3,18·10–6/K.
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Ferner sind andere Aluminoborosilikatgläser mit einer ähnlichen Zusammensetzung für andere Einsatzbereiche bekannt, wie etwa ein von der Anmelderin unter der Bezeichnung 8228 vermarktetes Übergangsglas mit der Zusammensetzung von 83,2 Gew.-% SiO2, 12,5 Gew.-% B2O3, 4,12 Gew.-% Al2O3 und 0,12 Gew.-% Sb2O3. Solche Übergangsgläser werden ausschließlich dazu verwendet, Glasbauteile mit stark voneinander abweichenden Ausdehnungskoeffizienten miteinander zu verbinden. Wesentliche Eigenschaft hierzu ist der thermische Ausdehnungskoeffizient CTE, der zwischen 20 und 300°C bei 1,3·10–6/K liegt.
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Solche Gläser sind jedoch ziemlich hochschmelzend und werden als nicht geeignet angesehen, um Substratgläser herzustellen.
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Ein weiteres sehr hochschmelzendes Glas mit den Komponenten SiO
2, B
2O
3 und Al
2O
3 mit einem ähnlichen Zusammensetzungsbereich ist aus der
US 3 853 384 bekannt. Dieses Glas wird als Faserglas für den Faserkern oder den Fasermantel in Lichtleitern verwendet und durch ein Faserziehverfahren verarbeitet.
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Eine Herstellung von Gläsern im Float-Verfahren ist grundsätzlich aus der
EP 1 475 355 A1 bekannt. Bei den betreffenden Gläsern handelt es sich allerdings um einen sehr breiten Bereich mit 40 bis 85 Gew.-% SiO
2, 0 bis 35 Gew.-% Al
2O
3, 0 bis 25 Gew.-% B
2O
3, einem Summengehalt an MgO + CaO + SrO + BaO + ZnO von 1 bis 50 Gew.-% und einem Alkalisummengehalt von 0 bis 1 Gew.-%. Dieser Bereich ist so groß, dass davon auszugehen ist, dass nicht einmal im genannten Bereich ein glasiger Zustand erreicht wird. Eine Anpassung an eine Verwendung für ein Substratglas ist in einem solch unbestimmten Bereich nicht gegeben. Bei dem einzigen Beispiel mit 59,3 Gew.-% SiO
2, 17,5 Gew.-% Al
2O
3, 7,5 Gew.-% B
2O
3, 4,05 Gew.-% CaO, 3,25 Gew.-% MgO, 0,16 Gew.-% BaO, 7,64 Gew.-% SrO, 0,15 Gew.-% Cl, 0,18 Gew.-% F, 0,01 Gew.-% Na
2O und 0,056 Gew.-% Fe
2O
3 wird eine Transformationstemperatur T
g von 710°C angegeben. Aufgrund dieser Zusammensetzung ist ein thermischer Ausdehnungskoeffizient von mehr als 3·10
–6/K zu erwarten.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Substratglas anzugeben, das besonders vorteilhafte Eigenschaften für die Verwendung als Substratglas aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Aluminoborosilikatglas gelöst, das als Substratglas verwendet wird und das folgende Zusammensetzung (in Gew.-% auf Oxidbasis) aufweist:
| SiO2 | 75–90 |
| Al2O3 | 2–7 |
| B2O3 | 8–18 |
| MgO | 0–3 |
| CaO | 0–5 |
| SrO | 0–3 |
| BaO | 0–5 |
| Läutermittelrückstände | 0–5, |
wobei das Glas abgesehen von zufälligen Verunreinigungen alkalifrei ist, und wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient CTE im Bereich zwischen 20°C und 300°C ≤ 2,2·10
–6/K ist und das Glas ferner eine Transformationstemperatur T
g von 630°C bis 700°C aufweist.
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Hierdurch lässt sich das Glas erfindungsgemäß besonders günstig für TFT-Anwendungen und andere Anwendungen einsetzen.
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Zur Läuterung werden gängige Oxide verwendet (z. B. SnO2, As2O3, Sb2O3), deren Rückstände sich teilweise im Glas finden können.
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Unter der Freiheit von zufälligen Verunreinigung durch Alkali wird hierbei vorzugsweise verstanden, dass ein durch zufällige Verunreinigungen bedingter Alkaligehalt höchstens 1000 ppm, bevorzugt < 100 ppm beträgt.
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Die chemische Beständigkeit der erfindungsgemäß verwendeten Gläser gemessen als Massenverlust pro Flächeneinheit bei Ätzen mit gepuffferter Flusssäurelösung (BHF-Verfahren) ist vorzugsweise kleiner 0,3 bzw. kleiner 0,1 mg/cm2.
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Dies ist vorteilhaft bei der Herstellung, da die Ätzlösung lange benutzt werden kann (geringere Kontamination mit aufgelösten Glasbestandteilen).
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Auch ist der erfindungsgemäß erzielbare thermische Ausdehnungskoeffizient CTE20-300 besonders gering und bevorzugt zwischen 1 und 2,2·10–6/K.
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Eine derartig geringe thermische Ausdehnung ist besonders vorteilhaft, da die durch Temperaturdifferenzen bedingten Spannungen sehr gering sind. Es ergibt sich eine verbesserte Anpassung an die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Substrate.
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Das erfindungsgemäß verwendete Substratglas weist aufgrund seiner Transformationstemperatur Tg von 630°C bis 700°C eine ausreichende Beständigkeit gegen Kristallisation auf, während gleichzeitig die Verarbeitung bei hoher Temperatur nicht negativ beeinträchtigt wird.
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Mit den erfindungsgemäß verwendeten Gläsern lassen sich ferner besonders geringe Dichten erzielen, was vorteilhaft wegen Gewichtseinsparungen insbesondere bei tragbaren Geräten, wie etwa Notebooks, ist.
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Der Elastizitätsmodul ist verhältnismäßig gering. Jedoch wird dies als vorteilhaft für eine bessere Polierbarkeit bei der Herstellung durch Gießen und anschließendes Sägen und Polieren angesehen. Der Strainpoint (unterer Kühlpunkt), d. h. die Temperatur, bei der die Viskosität η = 1014.5 Pas ist, ist bei den erfindungsgemäß verwendeten Gläsern mit mehr als 600°C recht hoch, was zu einer geringen ”Compaction” (Schrumpfung nach Temperaturbehandlung) führt.
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Das erfindungsgemäß verwendete Glas kann in Schmelztiegeln (vorzugsweise aus Iridium) erschmolzen und dann zu Blöcken zu gegossen werden. Nach Abkühlung erfolgt ein Zerschneiden zu Platten und schließlich ein Polieren.
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Es wird erwartet, dass sich ein solches Glas auch im Floatverfahren verarbeiten lässt, wenn an Stelle eines Zinnbades ein Metallbad aus einem höher schmelzendem Material, bevorzugt ein Goldbad oder gegebenenfalls ein Silberbad, verwendet wird.
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Auch eine Verarbeitung im Down-Draw-Verfahren (Ausziehen nach unten) wird als möglich angesehen. Hierbei wird das Glas aus der Schmelzwanne zunächst einem Rührtiegel zugeführt, in dem das Glas mechanisch homogenisiert wird. Über ein Zuführrohr wird die Glasschmelze dann einem Ziehtank zugeführt, an dem eine Ziehdüse mit einem Schlitz befestigt ist, durch den ein Glasband nach unten ausgezogen wird. Dabei ist die Ziehdüse das formgebende Bauteil. Hierbei besteht die Ziehdüse vorzugsweise nicht wie üblich aus Platin, sondern aus Iridium.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Substratglas mit folgende Zusammensetzung verwendet:
| SiO2 | 80–85 |
| Al2O3 | 3,5–5 |
| B2O3 | 10–15 |
| MgO | 0–3 |
| CaO | 0–2 |
| SrO | 0–3 |
| BaO | 0–3 |
| SnO2 | 0–1 |
| As2O3 | 0–2 |
| Sb2O3 | 0–2. |
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Substratglas mit folgende Zusammensetzung verwendet:
| SiO2 | 81–85 |
| Al2O3 | 3,5–5 |
| B2O3 | 10–15 |
| MgO | 0–3 |
| CaO | 0–2 |
| SrO | 0–3 |
| BaO | 0–3 |
| SnO2 | 0–1 |
| As2O3 | 0–2 |
| Sb2O3 | 0–2. |
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Der Strain Point (unterer Kühlpunkt) ist hierbei > 600°C, der thermische Ausdehnungskoeffizient liegt zwischen 1 und 2,2·10–6/K. Die Dichte liegt zwischen 1 und 2,2 g/cm–3.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Summengehalt an MgO + CaO + SrO + BaO mindestens 1 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 2 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 2,5 Gew.-%.
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Hierbei kann insbesondere der Summengehalt von CaO + BaO mindestens 2 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 2,5 Gew.-% betragen.
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Die Zugabe der genannten Bestandteile wirkt sich vorteilhaft auf die chemische Beständigkeit des Glases aus.
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Das erfindungsgemäße Substratglas kann ferner vorteilhaft als Substratglas für Filter, OLED, AMOLED (Active Matrix OLED), FED (Field Emission Display), SED (Surface Emission Display) verwendet werden. Eine weiter vorteilhafte Anwendung besteht als Substratglas in LCD-TFT-Displays, in Displays mit Hintergrundbeleuchtung von Flachbildschirmen in Non-Self-Emitter-Systemen, insbesondere als Flachglas in Beschichtungssystemen für FFL (Flat Flourescent Lamp), insbesondere für Systeme mit außen liegenden Elektroden EEFL (External Electrode Flourescent Lamp).
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Beispiele
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In Tabelle 1 sind zwei Beispiele 1, 2 mit ihrer Glaszusammensetzung und mit den wichtigsten Eigenschaften aufgeführt.
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Diese Gläser können auf herkömmliche Weise in Schmelzwannen (vorzugsweise in Iridium-Tiegeln) erschmolzen werden, dann in eine Form gegossen werden und nach der Abkühlung gesägt, geschnitten und poliert werden. Es können die üblichen Läutermittel, wie etwa As2O3, Sb2O3, SnO2, in üblichen Mengen zugesetzt sein.
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Es wird erwartet, dass auch eine Herstellung im Floatglasverfahren oder im Down-Draw-Verfahren möglich ist.
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Beim Floatglasverfahren wird hierzu anstelle des üblichen Zinnbades ein Goldbad oder ein Silberbad verwendet. Dagegen wird im Down-Draw-Verfahren vorzugsweise eine Ziehdüse verwendet, die aus Iridium besteht.
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Die in Tabelle 1 aufgeführten Gläser sind weitgehend alkalifrei, d. h. der Restgehalt an Alkalioxiden liegt unterhalb von 100 ppm.
| Zusammensetzung [Gew.-%] | 1 | 2 |
| SiO2 | 83,3 | 80,3 |
| Al2O3 | 4,2 | 5,2 |
| B2O3 | 12,5 | 11,6 |
| MgO | | |
| CaO | | 1,0 |
| SrO | | |
| BaO | | 1,9 |
| SnO2 | | |
| As2O3 | | |
| Sb2O3 | | |
| CTE20-300 [10–6/K] | 1,3 | 1,9 |
| Tg[°C] | 700 | 645,00 |
| Dichte [g/cm3] | 2,15 | |
| T4 bei η = 104 Pas [°C] | 1705 | |
| E-Modul [GPa] | 54,8 | |
| spez. E-Modul [GPa·cm3/g] | 25,5 | |
| T14 Strain Point [°C] bei η = 1014.5 Pas | 633 | |
| T13 [°C] | 726 | |
| T7.6 [°C] | 1200 | | |
| Poissonzahl | 0,244 | | |
| TK100 [°C] | 355 | | |
| BHF [m/cm2] | 0,1 | | |
Tab. 1