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