JP4547093B2 - フラットパネルディスプレイ用ガラス - Google Patents

Description

【０００１】
発明の分野
本発明は、フラットパネルディスプレイ装置における基板に望ましい物理的および化学的特性を示す、アルカリを含まないアルミノケイ酸塩ガラスに関する。
【０００２】
発明の背景
ディスプレイは、大まかに、２つの種類：放射型（例えば、ＣＲＴおよびプラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ））および非放射型の内の１つに分類できる。液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）が属する後者の一群は、外部光源に依存し、そのディスプレイは光モジュレータとしてのみ機能する。液晶ディスプレイの場合には、この外部光源は、周囲光（反射型ディスプレイにおいて用いられる）または専用光源（直視ディスプレイに見られるような）のいずれかである。
【０００３】
液晶ディスプレイは、光を変調させる液晶（ＬＣ）材料の３つの固有の特徴による。第１の特徴は、偏光された光の光学的回転を生じさせる液晶の能力である。第２の特徴は、液晶の物理的配向により回転を生じさせる液晶の能力である。第３の特徴は、外部電界を施すことによりこの物理的配向を経験する液晶の能力である。
【０００４】
単純なツイストネマティック型（ＴＮ）液晶ディスプレイの構成において、２つの基板が液晶材料の層を囲んでいる。常時白色(Normally White)として知られているディスプレイの種類において、基板の内面にアライメント層を施用することにより、液晶ディレクタが90°螺旋状に回転する。これは、液晶セルの一方の面に進入する直線偏光された光の偏光が、液晶材料により90°回転されることを意味する。互いに90°に配向された偏光フイルムが、基板の外面に配置される。
【０００５】
光は、第１の偏光フイルムに進入する際に、直線偏光される。液晶セルを横切るときに、この光の偏光は、90°回転され、第２の偏光フイルムを通って出ることができる。液晶層に亘り電界を印加すると、液晶ディレクタがその電界にアライメントされて、光を回転させる液晶の能力が妨げられる。このセルを通過する直線偏光された光は、回転された偏光を有しておらず、ゆえに、第２の偏光フイルムにより遮断される。したがって、最も単純な意味において、液晶材料は、光の透過を実行するまたは遮断する能力が電界の印加により制御されるライトバルブとなる。
【０００６】
上述した説明は液晶ディスプレイにおける１つのピクセルの動作に関する。大量情報型ディスプレイには、サブピクセルと称される数百万のこれらのピクセルをマトリクスフォーマットに組み立てる必要がある。アドレス速度を最大にし、クロストークを最小にしながら、これらサブピクセルの全てにアドレスする、すなわち、電界を印加することは、骨の折れる課題である。サブピクセルをアドレスする好ましい方法に１つは、各々のサブピクセルに位置する薄膜トランジスタにより前記電界を制御することによりものであり、これが、アクティブマトリクス液晶ディスプレイ装置（ＡＭＬＣＤ）の基礎を形成する。
【０００７】
これらのディスプレイの製造は非常に複雑であり、基板ガラスの性質は非常に重要である。ＡＭＬＣＤ装置の製造に用いられている最初の主要なガラス基板では、その物理的寸法を厳重に制御する必要がある。米国特許第3,338,696号（Docherty）および同第3,682,609号（Dockerty）に記載されているダウンドローシートまたはフュージョンプロセスは、ラップ仕上げおよび研磨のような費用のかかる後成形仕上げ操作を必要とせずに、そのような製品を製造できる数少ないものの内の１つである。残念ながら、フュージョンプロセスは、ガラスの特性にむしろ厳しい制限を課し、好ましくは200,000ポアズよりも大きい、比較的高い液相線粘度を必要とする。
【０００８】
一般的に、ディスプレイを構成する２つの基板は別々に製造される。１つのカラーフィルタプレートは、その上に一連の赤、青、緑、および黒の有機染料が堆積されている。これらの原色の各々は、対をなすアクティブプレートのピクセル電極区域と正確に対応しなければならない。これら２つのプレートの製造中に遭遇する周囲の熱条件間の差による影響を除去するために、その寸法が熱条件に依存しないガラス基板（すなわち、熱膨張係数のより低いガラス）を使用することが望ましい。しかしながら、この性質は、膨張の不整合のために生じる、堆積されたフイルムと基板との間の応力の生成により釣り合わせる必要がある。最適な熱膨張係数は28-33×10^-7／℃の範囲にあると見積もられている。
【０００９】
アクティブ薄膜トランジスタを含有するためにそのように呼ばれているアクティブプレートは、一般的な半導体型プロセスを用いて製造される。これらのプロセスには、スパッタリング、ＣＶＤ、フォトリソグラフィー、およびエッチングが含まれる。ガラスがこれらのプロセスの最中に不変でいることが望ましい。したがって、ガラスは、熱安定性および化学安定性の両方を示す必要がある。
【００１０】
熱安定性（熱圧縮または収縮としても知られている）は、各々のガラス組成の固有の粘性特性（歪点により示される）および製造プロセスにより決定されるガラスシートの熱履歴の両方に依存する。米国特許第5,374,595号には、650℃を超える歪点を有し、フュージョンプロセスの熱履歴を有するガラスが、アモルファスシリコン薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）および超低温ポリシリコンＴＦＴの両方に基づくアクティブプレートについて許容される熱安定性を有することが開示されている。より高い温度での加工（低温ポリシリコンＴＦＴにより必要とされるような）には、熱安定性を確実にするために、ガラス基板にアニーリング段階を加える必要があるかもしれない。
【００１１】
化学安定性は、製造プロセスにおいて使用される様々なエッチング剤溶液の攻撃に対する抵抗を意味する。シリコン層をエッチングするのに用いられるドライエッチング条件からの攻撃に対する抵抗に、特に関心がある。ドライエッチング条件をベンチマーク試験するために、基板試料が、１１０ＢＨＦとして知られているエッチング剤溶液に露出される。この試験は、1容積の50重量％ＨＦおよび10容積の40重量％ＮＨ₄Ｆからなる溶液中に30℃で5分間に亘りガラス試料を浸漬する工程からなる。この試料は、損失重量および外観に基づいて等級付けられる。
【００１２】
これらの必要条件に加えて、ＡＭＬＣＤの製造業者は、より大きなディスプレイサイズの需要および規模の経済性の両方のために、余儀なくより大きなサイズのガラス片を加工していることが分かった。現在の工業基準は、Gen III（550ｍｍ×650ｍｍ）およびGen III.5（600ｍｍ×720ｍｍ）であるが、将来の努力は、Gen IV（1ｍ×1ｍ）および潜在的により大きなサイズに向けられている。これによりいくつかの懸念が生じる。第１かつ主な懸念は、単純にガラスの重量である。Gen III.5からGen IVに移行すると、ガラスの重量が50％増加し、ガラスを加工ステーション中に運び込むのに用いられるロボット式ハンドラーに著しい影響が出る。さらに、ガラス密度およびヤング率に依存する弾性垂れ下がり(elastic sag)は、加工ステーション間でガラスを輸送するのに用いられるカセット中にガラスを積載し、回収し、配置する能力に影響を与えるシートサイズが大きくなるほど、より問題となってくる。
【００１３】
したがって、好ましくは、2.45ｇ／ｃｍ³未満の、より大きいシートサイズに関連する困難を緩和させる低密度、および約200,000ポアズより大きい液相線粘度を有する、ディスプレイ装置用のガラス組成物を提供することが望ましいであろう。それに加えて、このガラスが、0-300℃の温度範囲に亘り、約28-35×10^-7／℃の間、好ましくは、約28-33×10^-7／℃の間の熱膨張を有することが望ましいであろう。さらに、このガラスが、650℃よりも高い歪点を有し、かつエッチング剤溶液からの攻撃に耐性があることが好ましい。
【００１４】
発明の概要
本発明は、2.45ｇ／ｃｍ³未満の粘度および約200,000ポアズより大きい、好ましくは、約400,000ポアズより大きい、より好ましくは、約600,000ポアズより大きい、最も好ましくは、約800,000ポアズより大きい液相線粘度（液相線温度でのガラスの粘度として定義される）を有するガラスの発見に基づく。それに加えて、本発明のガラスは、0-300℃の温度範囲に亘り、約28-35×10^-7／℃の間、好ましくは、約28-33×10^-7／℃の間の線熱膨張係数および約650℃よりも高い歪点を示す。本発明のガラスは、約1700℃未満の溶融温度を有する。加えて、該ガラスは、1部の50重量％ＨＦおよび10部の40重量％ＮＨ₄Ｆからなる溶液中に30℃で5分間に亘り浸漬した後に約0.5ｍｇ／ｃｍ²未満の損失重量を示す。
【００１５】
本発明のガラスは、酸化物基準のモルパーセントで計算して、65-75％のＳｉＯ₂、7-13％のＡｌ₂Ｏ₃、5-15％のＢ₂Ｏ₃、0-3％のＭｇＯ、5-15％のＣａＯ、および0-5％のＳｒＯから実質的になり、ＢａＯを実質的に含まない組成を有する。より好ましくは、本発明のガラスは、酸化物基準のモルパーセントで計算して、67-73％のＳｉＯ₂、8-11.5％のＡｌ₂Ｏ₃、8-12％のＢ₂Ｏ₃、0-1％のＭｇＯ、5.5-11％のＣａＯ、および0-5％のＳｒＯから実質的になる組成を有する。
【００１６】
上述した組成および物理的特性、特に好ましい組成および好ましい特性を有するガラスに関して、ガラスの液相線粘度が、モル％基準の、アルカリ土類、ＲＯ（Ｒ＝Ｍｇ，ＣＡ，Ｓｒ）の合計対アルミナの比率、すなわち、ＲＯ／Ａｌ₂Ｏ₃＝（ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ）／Ａｌ₂Ｏ₃により強く影響を受けることを発見した。この比率は、ＲＯ／Ａｌ₂Ｏ₃と称され、0.9から1.2までの範囲に保持されるべきである。最も好ましくは、比率の範囲は、最高の液相線粘度を得るために、0.92＜ＲＯ／Ａｌ₂Ｏ₃＜0.96であるべきである。
【００１７】
本発明のガラスはＢａＯを実質的に含まず、このことは、該ガラスは好ましくは約0.1モル％未満しかＢａＯを含有しないことを意味する。本発明のガラスはまた、アルカリ金属酸化物を実質的に含まず、このことは、該ガラスが好ましくは、合計で約0.1モル％しかアルカリ金属酸化物を含有しないことを意味する。さらに、これらのガラスは清澄剤（ヒ素、アンチモン、セリウム、スズの酸化物、および／またはハロゲン化物、塩素／フッ素のような）を含んでもよい。
【００１８】
本発明の別の態様において、前記ガラスは約1700℃未満の溶融温度を有する。本発明のガラスは、1部の50重量％ＨＦおよび10部の40重量％ＮＨ₄Ｆからなる溶液中に30℃で5分間に亘り浸漬した後に約0.5ｍｇ／ｃｍ²未満の損失重量を示す。該ガラスは、フラットパネルディスプレイ用の基板として有用である。本発明のガラスから製造された基板は、原子間力顕微鏡により測定された、約0.5ｎｍ未満の平均表面粗さおよび光学リタデーションにより測定された、約150ｐｓｉ（約1.03×10⁶Ｐａ）未満の平均内部応力を有する。
【００１９】
発明の詳細な説明
本発明は、フラットパネルディスプレイ基板として使用する改良ガラスに関する。特に、該ガラスは、そのような基板の様々な特性の必要条件を満たす。
【００２０】
本発明による好ましいガラスは、約2.45ｇ／ｃｍ³未満、好ましくは、約2.40未満の密度、0-300℃の温度範囲に亘る、約28-35×10^-7／℃の間、好ましくは、約28-33×10^-7／℃の間のＣＴＥ、および約650℃よりも高い、好ましくは、660℃よりも高い歪点を示す。高歪点は、その後の熱加工中に圧縮／収縮によるパネルの歪みを防ぐのに役立つために望ましい。
【００２１】
米国特許第3,338,696号（Docherty）および同第3,682,609号（Dockerty）に記載されているフュージョンプロセスのようなよりきつい製造条件に関しては、高液相線粘度を有するガラスが必要とされる。したがって、本発明の好ましい実施の形態において、前記ガラスは、2.45ｇ／ｃｍ³未満の粘度および約200,000ポアズより大きい、好ましくは、約400,000ポアズより大きい、より好ましくは、約600,000ポアズより大きい、最も好ましくは、約800,000ポアズより大きい液相線粘度を示すべきである。本発明のガラスから製造された基板は、フロートプロセスのような他の製造プロセスを用いて製造できるが、フュージョンプロセスがいくつかの理由のために好ましい。第１に、フュージョンプロセスから製造されたガラス基板は研磨を必要としない。現在のガラス基板研磨は、原子間力顕微鏡により測定された、約0.5ｎｍ（Ｒａ）より大きい平均表面粗さを有するガラス基板を製造することができる。本発明により、フュージョンプロセスを用いて製造されたガラス基板は、原子間力顕微鏡により測定された、0.5ｎｍ未満の平均表面粗さを有する。
【００２２】
化学的耐久性は、製造プロセスに用いられる様々なエッチング剤溶液の攻撃に対する抵抗を含む。シリコン層をエッチングするのに使用されるドライエッチング条件からの攻撃に対する抵抗に、特に関心がある。ドライエッチング条件のベンチマーク試験の１つは、１１０ＢＨＦとして知られているエッチング剤溶液への露出である。この試験は、1容積の50重量％ＨＦおよび10容積の40重量％ＮＨ₄Ｆからなる溶液中に30℃で5分間に亘りガラスの試料を浸漬する工程からなる。耐薬品性は、ｍｇ／ｃｍ²に換算した損失重量を測定することにより決定される。この特性は表Ｉに「１１０ＢＨＦ」として列記されている。
【００２３】
本発明のガラスは、主なガラス形成成分として、65-75モル％の、好ましくは、67-73モル％のＳｉＯ₂を含有する。シリカを増加させることにより、液相線粘度が改良され、ガラスの密度およびＣＴＥが減少するが、過剰なシリカは溶融温度には有害である。該ガラスはまた、7-13モル％の、好ましくは、8-11.5モル％のＡｌ₂Ｏ₃を含む。Ａｌ₂Ｏ₃含有量が増加すると、ガラスの耐久性が増大し、ＣＴＥが減少するが、液相線温度も上昇してしまう。最も望ましい歪点を有するためには、少なくとも8モル％が必要であるが、11.5モル％を超えると、望ましい液相線温度より低くなってしまう。
【００２４】
前記ガラスはさらに、5-15モル％の、好ましくは、8-12モル％の酸化ホウ素を含有する。酸化ホウ素は、液相線温度および密度を低下させ、好ましくは、少なくとも8モル％で存在するが、12モル％よりも多く酸化ホウ素が存在すると、ガラスの歪点に悪影響を与える。
【００２５】
ＭｇＯは本発明のガラス中に0-3モル％、好ましくは、0-1モル％の量で存在する。ＭｇＯが増加すると、液相線粘度が減少するので、3モル％より多くのＭｇＯがガラス中に存在すべきではない。しかしながら、少量のＭｇＯは密度を減少させるために有益であろう。
【００２６】
ＣａＯは、前記ガラスの溶融温度および液相線温度の両方を低下させるのに有用であるが、11モル％より多く存在すると、望ましい歪点よりも小さくなり、望ましい熱膨張係数よりも大きくなる。したがって、本発明のガラスは、5-15モル％のＣａＯを含有しても差し支えないが、好ましくは、5.5-11モル％のＣａＯを含有する。
【００２７】
ＲＯ／Ａｌ₂Ｏ₃比は0.9-1.2の範囲にある。この範囲内で、液相線温度の極小値を見つけることができ、これは、基礎系ＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂におけるコテクティックおよび／または共晶に対応する。この一連のガラスの粘度曲線は、著しくは変動せず、したがって、液相線温度のこれらの変化が、液相線粘度の上昇に関する主な駆動因子である。
【００２８】
薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の性能への負の影響のために、リチア、ソーダまたはカリのようなアルカリは、本発明のガラス組成物から排除される。同様に、より重いアルカリ土類金属（ＳｒＯおよびＢａＯ）も、ガラス密度への負の影響のために最小化または排除される。したがって、本発明のガラスは、0-5モル％のＳｒＯを含有してもよい。しかしながら、本発明のガラスはＢａＯを実質的に含まない。ここに用いているように、ＢａＯを実質的に含まないとは、その組成物が組成中に0.1モル％未満しかＢａＯを含有しないことを意味する。
【００２９】
Ａｓ₂Ｏ₃、Ｓｂ₂Ｏ₃、ＣｅＯ₂、ＳｎＯ₂、Ｃｌ、Ｆ、ＳＯ₂等のような清澄剤もまた、ガラスからの種の除去を補助するために存在してもよい。該ガラスは、商業的に調製されたガラスに一般的に見られる汚染物を含有してもよい。それに加えて、特性を上述した範囲から外さずに、以下の酸化物を、1モル％を超えないレベルで加えても差し支えない：ＴｉＯ₂、ＺｎＯ、ＺｒＯ₂、Ｙ₂Ｏ₃、Ｌａ₂Ｏ₃。表Ｉは、物理的性質と共に、モル％に換算した本発明のガラスの実施例を列記している。表１の比較例は、コーニング社の1737ガラスである。
【００３０】
本発明をさらに以下の実施例により説明する。これらの実施例は、請求項に記載された発明の説明を意図したものであって、いかようにもそれらを制限するものではない。表Ｉは、ガラスバッチから酸化物基準で計算された、モルパーセントの例示ガラス組成を示す。これらの実施例のガラスは、各々のガラス組成物の1,000-25,000グラムのバッチを白金坩堝内で、比較的均質なガラス組成物が得られる温度と時間で、例えば、約1625℃の温度で約4-16時間に亘り、溶融することにより調製した。ガラスの技術分野における従来の技術にしたがってガラスについて測定した、各々のガラス組成に関する適切なガラス特性も示されている。このように、0-300℃の温度範囲に亘る線熱膨張係数（ＣＴＥ）は、×10^-7／℃で表され、軟化点、アニール点および歪点は、℃で表される。これらは、ファイバ延伸技術から決定された（それぞれ、ＡＳＴＭ参照番号E228-85、C338、およびC336）。ｇ／ｃｍ³で表した密度は、アルキメデス法（ＡＳＴＭC693）により測定した。
【００３１】
200ポアズ温度（溶融温度、℃）（ガラス溶融物が200ポアズ［20Ｐａ・ｓ］の粘度を示す温度として定義される）は、高温粘度データ（回転シリンダ粘度法による測定、ＡＳＴＭ C965-81）に適合させたファルチャー方程式を用いて計算した。ガラスの液相線温度は、標準的な液相線法を用いて測定した。この方法は、白金ボート内に砕いたガラス粒子を配置し、このボートを勾配温度領域を有する炉内に配置し、該ボートを適切な温度領域内で24時間に亘り加熱し、ガラスの内部に結晶が生じる最高温度を顕微鏡の観察により決定する各工程を含む。液相線粘度（ポアズ）は、この温度と、ファルチャー方程式の係数から決定した。
【００３２】
表Ｉは、本発明の組成パラメータを示す、酸化物基準のモル部で表された多数のガラス組成を列記している。個々の成分の合計は、ほぼ100となるので、全ての実際的な目的に関して、報告されている値がモルパーセントを表すものと考えてもよい。実際のバッチ成分は、他のバッチ成分と互いに溶融されたときに、適切な比率で所望の酸化物に転化される、酸化物、または他の化合物いずれかのいかなる材料からなっていてもよい。例えば、ＳｒＣＯ₃およびＣａＣＯ₃は、それぞれ、ＳｒＯおよびＣａＯの供給源を提供できる。
【００３３】
実施例14および19に示した組成および性質を有するガラスが、現在本発明の最良の形態を示すものとして、すなわち、現時点で本発明の目的のための最良の性質の組合せを提供するものとして考えられている。尚、実施例２０，２３，２６、２７，２９、３０は現在の特許請求の範囲に入らない参考例である。
【００３４】
本発明を説明の目的で詳細に記載してきたが、そのような詳細は、単にその目的のためであり、請求項により定義される本発明の精神および範囲から逸脱せずに当業者により変更を行うことができるのが理解されよう。
【００３５】
【表１】

【表２】

【表３】

【表４】

Claims (15)

1. 酸化物基準のモルパーセントで計算して、65-75％のＳｉＯ₂、7-13％のＡｌ₂Ｏ₃、5-15％のＢ₂Ｏ₃、0-3％のＭｇＯ、5-15％のＣａＯ、および0-5％のＳｒＯを含むアルミノケイ酸塩ガラスであって、ＢａＯを含まないか含んでも0.1％未満であり、ＲＯ／Ａｌ ₂ Ｏ ₃ 比が0.9から1.2までの範囲にあり、ここで、ＲがＭｇ、Ｃａ、ＳｒおよびＢａを表すものであり、かつ、
   (a)2.45ｇ／ｃｍ ³ 未満の密度、
   (b)200,000ポアズより大きい液相線粘度、
   (c)0-300℃の温度範囲に亘り28-33×10^-7／℃の線熱膨張係数、
   (d) 660℃より高い歪点、および
   (e) 1700℃未満の溶融温度
   を有することを特徴とするガラス。
2. 前記ガラスが、ＳｒＯを含有しない場合、0-1モル％のＭｇＯを含有することを特徴とする請求項１記載のガラス。
3. 前記ガラスのアルカリ金属酸化物の含有量が0.1モルパーセント未満であることを特徴とする請求項１または２記載のガラス。
4. 前記ガラスが、1部の50重量％ＨＦおよび10部の40重量％ＮＨ₄Ｆからなる溶液中に30℃で5分間に亘り浸漬した後に0.5ｍｇ／ｃｍ²未満の損失重量を示すことを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載のガラス。
5. 前記ガラスが400,000ポアズより大きい液相線粘度を有することを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載のガラス。
6. 前記ガラスが600,000ポアズより大きい液相線粘度を有することを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載のガラス。
7. 前記ガラスが800,000ポアズより大きい液相線粘度を有することを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載のガラス。
8. 前記ガラスが2.40ｇ／ｃｍ³未満の密度を有することを特徴とする請求項１から７いずれか１項記載のガラス。
9. 請求項１から８いずれか１項記載のアルミノケイ酸塩ガラスからなる基板を備えることを特徴とするフラットパネルディスプレイ装置。
10. 前記基板が0.5ｎｍ未満の平均表面粗さを有することを特徴とする請求項９記載のフラットパネルディスプレイ装置。
11. 前記基板が、研磨せずに0.5ｎｍ未満の平均表面粗さを有することを特徴とする請求項１０記載のフラットパネルディスプレイ装置。
12. 前記基板が150ｐｓｉ（約1.03×10⁶ Ｐａ）未満の平均内部応力を有することを特徴とする請求項９から１１いずれか１項記載のフラットパネルディスプレイ装置。
13. 請求項１から８いずれか１項記載のアルミノケイ酸塩ガラスからなるフラットパネルディスプレイ装置用の基板。
14. 0.5ｎｍ未満の平均表面粗さを有することを特徴とする請求項１３記載の基板。
15. 150ｐｓｉ（約1.03×10⁶ Ｐａ）未満の平均内部応力を有することを特徴とする請求項１３または１４記載の基板。