TWI498289B - A forming die for glass forming, a glass forming apparatus, a glass forming method, and a manufacturing method of a mask substrate - Google Patents

A forming die for glass forming, a glass forming apparatus, a glass forming method, and a manufacturing method of a mask substrate Download PDF

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Description

玻璃成形用之成形模具、玻璃成形裝置、玻璃成形方法及光罩基板之製造方法
本發明係關於一種玻璃成形用之成形模具、玻璃成形裝置、玻璃成形方法及光罩基板之製造方法。
本申請根據2010年9月21日申請之日本特願2010-210686號主張優先權，並將其內容援引於此。
近年來，為了獲得大型之透鏡或標線片、或大型之液晶顯示器等具有廣面積之面之光學構件，利用藉由將預先形成之玻璃錠等玻璃塊加熱加壓成形使其成為扁平形狀而擴大面積之成形方法(例如，參照專利文獻1)。
專利文獻1：日本特開2004-307265號公報
此處，將上述玻璃塊加熱加壓成形之情形，在使用成行模具在高溫下將玻璃塊加壓成形後，進行該玻璃塊之冷卻，接著取出至爐外。此冷卻時，在玻璃與成形模具之間產生溫度下降所伴隨之收縮量之差。亦即，使用線膨脹係數較成形對象即玻璃大之成形模具之情形，在冷卻時產生玻璃及成形模具之收縮時，因線膨脹係數之差外部之成形模具之收縮量較內部之玻璃大。其結果，施加過度之應力，產生成形模具破損或玻璃破損之現象。
此外，作為防止此等破損之方法，由於成形模具之尺寸愈大從高溫時之收縮量愈大，因此有將助長該收縮量之間隙設在模具側之方法。然而，由於在成形模具設置間隙，因此會有在成形中成為黏性體之玻璃進入間隙而無法獲得必要形狀之情形。或者會有產生玻璃進入成形模具之連結部間隙使成形模具破損、或誘使成形模具破損等問題之情形。
本發明之形態之目的在於提供一種可避免玻璃或成形模具本體之破損並將玻璃成形為所欲形狀之成形模具、玻璃成形裝置、玻璃成形方法及光罩基板之製造方法。
本發明第1形態之玻璃成形用之成形模具，具備：模具本體，用於玻璃之加熱加壓成形；以及支承構件，配置成可抵接該模具本體之可動構件，為了開放以該模具本體與該玻璃之間之線膨脹係數之差為依據之應力而可破壞。
本發明第2形態之玻璃成形用之成形模具，係構成為具有收容玻璃錠之中空部，以台板、配置在其上之側板、及可在該側板彼此之內側上下動之頂板包圍該中空部，其特徵在於：在該台板以抵接該側板之外側之方式配置有支承構件，該側板係形成為可相對該台板往其外側方向相對移動，且藉由該支承構件從該側板之外側支承；該支承構件具有下述強度：在對收容在該中空部之玻璃錠加熱加壓使其變形時，從該玻璃錠經由該側板負載之載重所產生之剪切力無法破壞之強度；以及在將加熱加壓變形後之該玻璃錠冷卻時，因該成形模具與該玻璃錠之線膨脹係數之差而負載之載重所產生之剪切力可破壞之強度。
又，本發明第3形態之玻璃成形裝置，具有：上述玻璃成形用之成形模具；以及玻璃錠之加熱手段及加壓手段。
又，本發明第4形態之玻璃成形方法，係使用上述玻璃成形裝置，其特徵在於：在成形模具收容玻璃錠；藉由加熱手段及加壓手段對該玻璃錠加熱加壓使其變形；在將變形後之該玻璃錠冷卻時，藉由因該成形模具與該玻璃錠之線膨脹係數之差而負載之載重，使側板相對該台板往其外側方向相對移動，藉此剪切力作用於支承構件，與該剪切力對應使該支承構件破壞。
又，本發明第5形態之光罩基板之製造方法，具有使用上述玻璃成形方法獲得玻璃成形體之步驟。
根據本發明之形態之成形模具，可避免玻璃或成形模具本體之破損並將玻璃成形為所欲形狀。
以下，說明本發明實施形態之例。
圖1係顯示本實施形態之玻璃成形裝置的剖面圖。圖2係顯示圖1之玻璃成形裝置之玻璃成形用之成形模具的俯視圖。圖3係圖2的A-A剖面圖。圖4係顯示圖3之玻璃成形用之成形模具中使玻璃錠變形之狀態的剖面圖。圖5係顯示圖4之玻璃成形用之成形模具中銷彎折後之狀態的剖面圖。圖6～圖9係顯示玻璃成形用之成形模具之另一例的立體圖。
本實施形態之玻璃成形裝置1係從以矽化合物為原料製造之合成石英玻璃之錠使半導體用光罩等之光罩基板或液晶用光罩、光學用之大型透鏡材料等加熱成形成所欲形狀之裝置。
此玻璃成形裝置1，如圖1所示，在金屬製之真空室2之內壁具有遍布整面設置之隔熱材3與配置於該隔熱材3之壁之碳加熱器(加熱手段)5。在真空室2內部之中央部設置有碳石墨製之玻璃成形用之成形模具10(以下，稱為成形模具10)，在其上部具有汽缸(加壓手段)4。
成形模具10在玻璃成形裝置1之真空室2內部配置在台座6之上，如圖2～圖5所示，具有具備台板14及底板17之底部。包含此台板14及底板17之成形模具10(模具本體)如上述為碳石墨製，為線膨脹係數較玻璃錠20A大之材質。具體而言，合成石英玻璃之線膨脹係數為5×10-7 /℃程度，碳石墨之線膨脹係數為2～5×10-6 /℃程度。
又，成形模具10(模具本體)係構成為具有收容玻璃錠20A之中空部19，以台板14及底板17、配置在其上之側板11、及可在該側板11彼此之內側上下動之頂板13包圍該中空部19。詳細言之，在成形模具10(模具本體)設置有形成為可相對台板14相對移動之側板11(可動構件)。與該側板11以螺栓等固定之側板導件12將直接加壓成形對象即玻璃錠20A之頂板13之自由(移動)限制在上下方向。此外，本實施形態中，如圖2所示，在台板14設有軌道18，在該軌道18載置有側板11。使側板11可相對台板14往該軌道18之方向(亦即，側板11之外側方向)移動。
又，在台板14之側板11之外側，以抵接該側板11之方式配置有銷(支承構件)15。此外，此銷15從外側支承且限制側板11。尤其是，本實施形態中，如圖2所示，在台板14沿著抵接側板11之外側之位置形成有複數個***孔16。銷15可插脫於該複數個***孔16。再者，本實施形態中，銷15係分別相對配置成俯視大致方形狀之成形模具10之4個側壁11配置複數個。此處，在各側板11分別配置2個銷15。
又，銷15係相同種類配置複數個亦可。或者，銷15係依據必要強度等組合配置不同材質或形狀、直徑者亦可。複數個***孔16係構成為所有***孔16可對應不同形狀或直徑(例如，孔之直徑構成為從表面側階段性變小等)亦可。或者，複數個***孔16係構成為可***之形狀或直徑彼此不同亦可。或者，使在各側板11配置之銷15之數量變化亦可(亦即，在某個側板11與另一個側板11之間銷15之數量不同亦可)。
銷15具有下述強度：在對收容在中空部19之玻璃錠20A加熱加壓使其變形時，從玻璃錠20A經由側板11負載之載重所產生之剪切力無法破壞之強度；以及在將加熱加壓變形後之玻璃錠20B冷卻時，因成形模具10之線膨脹係數與玻璃錠20A之線膨脹係數之差而負載之載重所產生之剪切力可破壞之強度。此外，本實施形態中，設構成成形模具10之構件之線膨脹係數皆相等。此情形，由於台板14之橫寬最大，因此冷卻時產生之剪切力之大小實質上係藉由台板14與玻璃錠20A之線膨脹係數之差決定。
亦即，銷15具有在對收容在中空部19之玻璃錠20A加熱加壓使其變形時，從變形之玻璃錠20A對側板11作用之壓力無法破壞可承受之強度。在將變形後之玻璃錠20B冷卻時，由於碳石墨製之成形模具10之台板14之線膨脹係數較該玻璃錠20B大，因此台板14之橫方向之收縮量較大。其結果，產生收縮量較小之玻璃錠20B將配置在收縮量較大之台板14上之側板11向外側相對擠壓之載重。銷15具有此時負載之載重所產生之剪切力可彎折之強度。藉由玻璃錠20B冷卻時與成形模具10之台板14之線膨脹係數之差負載載重，藉由該載重產生之剪切力使銷15彎折。其結果，可防止該玻璃或成形模具10破損。
又，在玻璃成形裝置1之上部，如上述，設置有直接加壓頂板13之汽缸(加壓手段)4。藉由此汽缸4將玻璃錠20A加壓成形至任意之厚度為止。
接著，說明此成形模具10及具備此成形模具10之玻璃成形裝置1進行之玻璃成形方法及光罩基板之製造方法。
首先，如圖1及圖3所示，在玻璃成形裝置1之真空室2內部之台座6上組合配置台板14、底板17、側板11、側板導件12。接著，將既定銷15(此處，在每1個側板11配置2個銷15)***至形成在台板14之***孔16。藉此，形成安裝成以銷15從外側支承側板11之狀態之成形模具10。又，對該成形模具10將玻璃錠20A配置在成形模具10之中空部19，在其上部配置頂板13，接著使汽缸4抵接頂板13之上面。
接著，進行以上述方式安裝後之玻璃成形裝置1之真空室2內部之排氣後，以惰性氣體填充真空室2內部。接著，藉由碳加熱器5加熱成形模具10之中空部19內之玻璃錠20A，升溫至結晶化溫度以上軟化點以下。此時，以一定溫度保持至玻璃錠20A之內部成為均勻之溫度為止亦可。
到達既定溫度後，使汽缸4作動以使頂板13往下方移動，將玻璃錠20A加壓成形。此外，在此加壓成形開始時點，成形模具10顯示以環境溫度為準之膨脹。又，隨著玻璃錠20A之加壓程序之進行，玻璃錠20A逐漸成為扁平形狀，成為實質上無間隙地密合於側板11之狀態。
隨著藉由頂板13將玻璃錠20A加壓，頂板13之按壓力經由玻璃錠20A在側板11作用為外周方向(外方向)之應力。由於側板11被銷15限制往外方向移動之自由，因此移動不易。此時，因玻璃成形產生之應力，經由玻璃錠20A及側板11傳至銷15。此處，因上述應力使銷15彎折之情形，側板11之限制解除且同時因從玻璃錠20A承受之力往玻璃錠20A流動之外周方向移動。其結果，玻璃錠20A往側板11包圍之區域外流出，成為無法獲得仿效側板11之內側面之形狀。因此，銷15必須要能抵抗因玻璃成形產生之應力之強度，構成為有此強度。
接著，如圖4所示，藉由上述加熱加壓成形將玻璃錠20A加壓至密合於成形模具10之底板17、頂板13及側板11之狀態而成為薄板狀之玻璃錠20B後，進行冷卻步驟。隨著此冷卻，成形模具10與玻璃錠20B顯示以環境溫度為準之收縮。此處，成形模具10相較於玻璃錠20B線膨脹係數較大。再者，成形模具10之中尤其是台板14相較於側板11橫方向之尺寸較大。因此，台板14之收縮量相對於側板11變大，冷卻伴隨之收縮變顯著。是以，相對觀之，隨著冷卻在玻璃錠20B膨脹之方向、亦即在將側板11往外周方向(外方向)擠出之方向產生載重。
側板11承受之載重傳至設置在側板11之外側之銷15。若因從側板11賦予之收縮產生之應力超過銷15之強度限界，則如圖5所示，銷15向外側破壞。接著，與銷15之破壞同時側板11之限制解除，同時側板11往玻璃錠20B流動之外周方向(外方向)移動而開放應力。此時，由於玻璃錠20B因冷卻已固化，因此不會往側板11包圍之區域外流出。之後，降溫至室溫溫度，從真空室2內取出成形模具10，玻璃之成形完成。
之後，對使用上述玻璃成形方法獲得之玻璃成形體，適當進行用以加工成既定尺寸之研削加工或裁割加工、用以將端面部作成R形狀之去角加工、用以使用研磨劑等對表面施加精加工之研磨步驟等之加工。其結果，可獲得所欲之光罩基板。
如上述，根據本實施形態之玻璃成形用之成形模具10、玻璃成形裝置1、玻璃成形方法及光罩基板之製造方法，藉由設置成形後之冷卻所產生之應力可破壞之銷(支承構件)15，不會對成形對象即玻璃施加過多之應力，又，能不使成形對象即玻璃破損地開放應力，又，能將成形對象即玻璃與成形模具10之台板14之線膨脹係數差所產生之應力導致之對成形模具10之負載抑制在最小限，能將玻璃成形為所欲形狀。
又，本實施形態中，作為支承構件使用銷15(銷狀構件、棒狀構件)，此銷15可插脫於形成在台板14之複數個***孔16。因此，只要改變配置之銷15之數量或種類即可簡單地改變其強度。例如，本實施形態中，對1個側板配置2個相同種類之銷15。若增加配置之銷之數量，則能提升銷整體之強度(相反地，若減少配置之銷之數量，則能降低銷整體之強度)。又，配置複數個銷時，藉由僅使用複數個直徑粗者、僅使用複數個直徑細者、混合使用直徑粗者與細者、或者混合使用直徑或形狀不同之複數種類者，能使其強度變化。此外，配置複數個銷時，以載重均勻地施加於各銷之方式配置成大致一列抵接側板亦可。又，以載重均勻地施加於各銷之方式將複數個銷僅可能配置成等間隔亦可。追加地及/或替代地能將銷配置成非一列或非等間隔。
又，如上述，本實施形態中，作為支承構件，使用可插脫於形成在台板14之***孔16之銷15。因此，能使銷15彎折後之處理變簡單。例如，在玻璃成形後，從***孔16拔出彎折後之銷15，將新的銷15重新******孔16即可。因此，能提升玻璃及光罩基板之製造效率。
此外，在決定銷之強度時，例如，能預先藉由力學模擬求出施加於側板之載重及產生於銷之剪切力，以成形時之載重所產生之剪切力無法破壞且冷卻時之載重所產生之剪切力可破壞之方式決定銷之強度。若以此方式決定銷所需之強度，則能從預先測定強度之各種銷之內選擇具有所需強度者來使用。
此外，以上說明之實施形態係為了容易理解本發明而記載者，並非為了限定本發明而記載。
例如，上述實施形態中，作為成形之玻璃舉例石英玻璃，作為成形模具之材質舉例碳(碳石墨)來說明，但本發明並不限於此。例如，作為成形之其他玻璃，可舉出硼矽酸玻璃或碳酸鈉石灰玻璃等。作為成形模具之材質，為氧化鋁等可在高溫使用之其他材質亦可。
此處，在選擇玻璃與成形模具之材質時，考慮玻璃之組成或成形條件等來決定即可。玻璃之線膨脹係數只要為較成形模具(尤其是台板)之材質之線膨脹係數小(破壞支承構件能發揮本發明之成形模具之功能之條件)之組合即可獲得本實施形態之效果。然而，作為成形模具(模具本體)之材質，由於碳較氧化鋁強度、耐熱衝擊性優異，因此以使用碳較佳之情形較多。
又，本實施形態中，作為銷15之材料使用碳石墨。作為銷15之材料，使用碳石墨以外之材料亦可，例如，使用氧化鋁等在高溫亦可使用之材料亦可。
又，上述實施形態中，作為支承構件使用銷15(銷狀構件、棒狀構件)，但本發明並不限於此。只要為具有所需強度以既定載重能破壞之構成之構件，則使用銷15以外亦可。作為銷15以外之支承構件，例如，如圖6所示，可舉出在長板狀構件115a之下方形成有可插脫於形成在台板114之複數個***孔116之複數個***構件115b之帶有***構件之長板狀構件115。在使用此帶有***構件之長板狀構件115之成形模具，藉由抵接側板111之長板狀構件115a在冷卻時往外周方向(外方向)按壓，該長板狀構件115a與***構件115b之間之部分可破壞。
又，作為銷15以外之支承構件，可舉出圖7所示之形態。圖7中，替代***孔16，在台板214中沿著側板211之位置形成有槽216，可插脫於此槽216之薄板狀構件215係使用為支承構件。在使用此薄板狀構件215之成形模具，薄板狀構件215之一部分(抵接部)抵接側板211，此在冷卻時往外周方向(外方向)按壓。又，薄板狀構件215之另一部分(***部)***槽216而實質上固定。其結果，薄板狀構件215之抵接部與***部之間之部分可破壞。
又，作為銷15以外之支承構件，可舉出圖8所示之形態。圖8中，大致L字狀構件315為支承構件。一例中，大致L字狀構件315之L字之底邊部分315b以其長邊方向為外周方向(外方向)而固定於台板314。例如，在台板314形成有固定此底邊部分315b之凹陷316。又，側板311抵接L字之上部分315a。亦即，一例中，大致L字狀構件315具有***設在台板314之凹陷316而實質上固定於台板314之底邊部分315b、與以底邊部分315b之一端為基部並在與底邊部分315b之延伸方向正交之方向延伸之上部分315a，上部分315a之一面抵接側板311。在使用此大致L字狀構件315之成形模具，藉由在冷卻時側板311按壓該大致L字狀構件315之上部分315a，L字之上部分315a與底邊部分315b之間之部分可破壞。
又，作為銷15以外之支承構件，可舉出圖9所示之形態。圖9中，大致L字狀長板狀構件415為支承構件，該大致L字狀長板狀構件415之L字之底邊部分415b固定於台板414。例如，在台板414形成有固定此底邊部分415b之凹陷416。又，側板411抵接L字之上部分415a。亦即，一例中，大致L字狀長板狀構件415具有***設在台板414之凹陷416而實質上固定於台板414之底邊部分415b。底邊部分415b具有沿著側板411延伸之長邊。又，大致L字狀長板狀構件415具有以底邊部分415b之一長邊為基部並延伸之上部分415a，上部分415a之一面抵接側板411。底邊部分415b與上部分415a之間之角度為例如90°。在使用此大致L字狀長板狀構件415之成形模具，藉由在冷卻時側板411按壓該大致L字狀長板狀構件415之上部分415a，上部分415a與底邊部分415b之間之部分可破壞。
此外，本實施形態中，雖說明以結晶化溫度以上軟化點溫度以下之溫度使玻璃錠20A成形之例，但並不限於此。成形溫度只要為玻璃錠20A之結晶化溫度以上即可。例如，以較玻璃錠20A之軟化點高之溫度成形亦可。
1．．．玻璃成形裝置
2．．．真空室
3．．．隔熱材
4．．．汽缸(加壓手段)
5．．．碳加熱器(加熱手段)
6．．．台座
10．．．玻璃成形用之成形模具
11,111,211,311,411．．．側板
12．．．側板導件
13．．．頂板
14,114,214,314,414．．．台板
15．．．銷(支承構件)
115．．．帶有***構件之長板狀構件(支承構件)
215．．．薄板狀構件(支承構件)
315．．．大致L字狀棒狀構件(支承構件)
415．．．大致L字狀長板構件(支承構件)
16,116．．．***孔
216．．．槽
316,416．．．凹陷
17．．．底板
18．．．軌道
20A,20B．．．玻璃錠
圖1係顯示本實施形態之玻璃成形裝置的剖面圖。
圖2係顯示圖1之玻璃成形裝置之玻璃成形用之成形模具的俯視圖。
圖3係圖2的A-A剖面圖。
圖4係顯示圖3之玻璃成形用之成形模具中使玻璃錠變形之狀態的剖面圖。
圖5係顯示圖4之玻璃成形用之成形模具中銷彎折後之狀態的剖面圖。
圖6係顯示玻璃成形用之成形模具之另一例的立體圖。
圖7係顯示玻璃成形用之成形模具之另一例的立體圖。
圖8係顯示玻璃成形用之成形模具之另一例的立體圖。
圖9係顯示玻璃成形用之成形模具之另一例的立體圖。
1．．．玻璃成形裝置
2．．．真空室
3．．．隔熱材
4．．．汽缸(加壓手段)
5．．．碳加熱器(加熱手段)
6．．．台座
10．．．玻璃成形用之成形模具
11．．．側板
12．．．側板導件
13．．．頂板
14．．．台板
15．．．銷(支承構件)
17．．．底板
19．．．中空部
20A．．．玻璃錠

Claims (12)

  1. 一種玻璃成形用之成形模具，具備：模具本體，用於玻璃之加熱加壓成形；以及支承構件，配置成可抵接該模具本體之可動構件，為了開放以該模具本體與該玻璃之間之線膨脹係數之差為依據之應力而可破壞。
  2. 如申請專利範圍第1項之玻璃成形用之成形模具，其中，該模具本體具有該支承構件之一部分可***之複數個孔及/或複數個槽。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之玻璃成形用之成形模具，其中，該支承構件具有在加熱加壓步驟經由該可動構件負載之載重所產生之剪切力無法破壞之強度，且具有在冷卻步驟因該模具本體與該玻璃之間之線膨脹係數之差而負載之載重所產生之剪切力可破壞之強度。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之玻璃成形用之成形模具，其中，該支承構件之材質包含碳。
  5. 如申請專利範圍第1或2項之玻璃成形用之成形模具，其中，該模具本體，具有：台板；可上下動之頂板；以及作為該可動構件之側板，係配置在該台板上，可相對該台板相對移動。
  6. 一種玻璃成形用之成形模具，係構成為具有收容玻璃錠之中空部，以台板、配置在其上之側板、及可在該側板 彼此之內側上下動之頂板包圍該中空部，其特徵在於：在該台板以抵接該側板之外側之方式配置有支承構件，該側板係形成為可相對該台板往其外側方向相對移動，且藉由該支承構件從該側板之外側支承；該支承構件具有下述強度：在對收容在該中空部之玻璃錠加熱加壓使其變形時，從該玻璃錠經由該側板負載之載重所產生之剪切力無法破壞之強度；以及在將加熱加壓變形後之該玻璃錠冷卻時，因該成形模具與該玻璃錠之線膨脹係數之差而負載之載重所產生之剪切力可破壞之強度。
  7. 如申請專利範圍第6項之玻璃成形用之成形模具，其中，在該台板沿著抵接該側板之外側之位置形成有複數個***孔；該支承構件係以可插脫於該複數個***孔之銷構成。
  8. 如申請專利範圍第6或7項之玻璃成形用之成形模具，其中，該玻璃錠為石英玻璃。
  9. 如申請專利範圍第6或7項之玻璃成形用之成形模具，其中，該成形模具係以碳構成。
  10. 一種玻璃成形裝置，具有：申請專利範圍第1至9項中任一項之玻璃成形用之成形模具；以及玻璃錠之加熱手段及加壓手段。
  11. 一種玻璃成形方法，係使用申請專利範圍第10項之 玻璃成形裝置，其特徵在於：在成形模具收容玻璃錠；藉由加熱手段及加壓手段對該玻璃錠加熱加壓使其變形；在將變形後之該玻璃錠冷卻時，藉由因該成形模具與該玻璃錠之線膨脹係數之差而負載之載重，使側板相對該台板往其外側方向相對移動，藉此剪切力作用於支承構件，與該剪切力對應使該支承構件破壞。
  12. 一種光罩基板之製造方法，具有使用申請專利範圍第11項之玻璃成形方法獲得玻璃成形體之步驟。
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