用于測(cè)量玻璃片制造工藝的不對(duì)稱性的方法
【專利說(shuō)明】
[0001] 本申請(qǐng)根據(jù)35U.S.C. § 119,要求2013年2月25日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)系列第 61/768822號(hào)的優(yōu)先權(quán)，本文以該申請(qǐng)為基礎(chǔ)并將其全文通過(guò)引用結(jié)合于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及用于制造玻璃片的方法，更具體地，涉及后續(xù)會(huì)經(jīng)受離子交換強(qiáng)化的 玻璃片的制造方法。甚至更具體地，本發(fā)明涉及用于對(duì)該制造工藝的不對(duì)稱性（具體是前/ 后（Z軸）不對(duì)稱性）進(jìn)行測(cè)量（量化）的方法。此外，所揭示的測(cè)量技術(shù)可用于控制（降 低）通過(guò)所述制造方法生產(chǎn)的玻璃片在經(jīng)受離子交換強(qiáng)化之后展現(xiàn)出來(lái)的翹曲大小。
[0003] 定義
[0004] 本文所用術(shù)語(yǔ)"用于制造玻璃片的方法"以及類似術(shù)語(yǔ)例如"玻璃片制造工藝"、 "片制造工藝"、"制造工藝"等，指的是用于將批料材料轉(zhuǎn)化成玻璃片的步驟，以及在玻璃片 經(jīng)受離子交換過(guò)程之前對(duì)它們所進(jìn)行的任意后續(xù)步驟。
[0005] 本文所用術(shù)語(yǔ)"玻璃片的兩個(gè)主表面"、"前表面和后表面"、"前側(cè)面和后側(cè)面"以 及"第一側(cè)和第二側(cè)"可互換使用，指的是玻璃片具有最大面積的兩個(gè)表面。所使用的術(shù)語(yǔ) 不考慮玻璃片相對(duì)于垂直的取向。
[0006] 本文所用的用于制造玻璃片的工藝的術(shù)語(yǔ)"Z軸不對(duì)稱性"（本文也稱作"前/后 不對(duì)稱性"或者簡(jiǎn)稱為"不對(duì)稱性"），指的是在制造過(guò)程期間，玻璃片的兩個(gè)主表面暴露的 條件下的不對(duì)稱性，其中所述條件能夠影響離子交換過(guò)程中通過(guò)表面的離子交換（下文稱 為"離子交換影響條件"）。在本文中，將與Z軸不對(duì)稱性相對(duì)的稱作"Z軸對(duì)稱性"，或者簡(jiǎn) 稱為"對(duì)稱性"。具有完美Z軸對(duì)稱性（零Z軸不對(duì)稱性）的制造工藝會(huì)使得玻璃片的兩個(gè) 主表面在制造過(guò)程中都暴露于相同條件。如下文所述，雖然在實(shí)踐中可實(shí)現(xiàn)低水平的Z軸 不對(duì)稱性，但是零Z軸不對(duì)稱性是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)槠渲校に嚄l件中的隨機(jī)變化是不可避 免的。顯而易見(jiàn)的是，玻璃片暴露的條件包括但不限于片材的母玻璃帶暴露的條件。
[0007] 本文所用術(shù)語(yǔ)"翹曲數(shù)量"指的是在離子交換之前標(biāo)稱平坦的玻璃片或玻璃樣品 上從最高到最低的最大平面外位移。如果片材或樣品在離子交換之前具有一些翹曲，則減 去預(yù)先存在的翹曲，以得到由于離子交換導(dǎo)致的凈翹曲，則片材或樣品的翹曲的數(shù)值（即 "翹曲數(shù)量"）是由此得到的凈翹曲。本文使用字母"W"表示"翹曲數(shù)量"。
【背景技術(shù)】
[0008] 離子交換的玻璃片，也稱作化學(xué)強(qiáng)化或離子強(qiáng)化的玻璃片，被用于各種應(yīng)用。例 如，離子交換的玻璃片被廣泛地用于手持式消費(fèi)者電子品（例如智能手機(jī)和平板）的觸 摸屏。離子交換玻璃片最有名的例子可能是康寧有限公司（Corning Incorporated)的 Gorilla181玻璃制造的iPhone?的抗劃痕面板。
[0009] 概括來(lái)說(shuō)，離子交換玻璃片是通過(guò)如下步驟制造的：用具有適合化學(xué)強(qiáng)化的組成 的玻璃形成玻璃帶，從所述玻璃帶切割單獨(dú)的玻璃片，然后通過(guò)離子交換（I0X)過(guò)程對(duì)玻 璃片進(jìn)行化學(xué)強(qiáng)化，例如將玻璃片浸入處于提升的溫度下的鹽浴中，持續(xù)一段預(yù)定的時(shí)間 段。
[0010] I0X過(guò)程導(dǎo)致來(lái)自鹽浴的離子（例如鉀離子）擴(kuò)散進(jìn)入到玻璃中，同時(shí)來(lái)自玻璃的 離子（例如鈉離子）從玻璃擴(kuò)散出來(lái)。因?yàn)樗鼈兊碾x子半徑不同，玻璃和鹽浴之間的這種 離子交換導(dǎo)致在玻璃的表面形成壓縮層，其增強(qiáng)玻璃的機(jī)械性能（例如其表面硬度）。離子 交換過(guò)程的作用通常可通過(guò)以下兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行表征：（1)通過(guò)該過(guò)程產(chǎn)生的層深度（D0L); 以及（2)最終的最大表面壓縮應(yīng)力（CS)。這些參數(shù)的值通常使用光學(xué)測(cè)量來(lái)確定，商用設(shè) 備可用于該目的，例如由購(gòu)自前沿半導(dǎo)體和折原實(shí)業(yè)有限公司（Frontier Semiconductor and Orihara Industrial Company, Ltd)的儀器。
[0011] 雖然可通過(guò)各種玻璃片制造工藝來(lái)生產(chǎn)玻璃片，但是目前來(lái)說(shuō)，用于生產(chǎn)待經(jīng)受 I0X過(guò)程的玻璃片的兩種商用主流工藝是浮法和溢流下拉熔合法（下文稱作"熔合法"）。 因此本發(fā)明會(huì)聚焦于這些工藝，但是應(yīng)理解的是，本文所揭示的對(duì)Z軸不對(duì)稱性進(jìn)行量化 的方法還可適用于其他目前已知或以后建立的玻璃片制造工藝。
[0012] 在熔合法的情況下，通過(guò)如下方式形成玻璃帶：使得熔融玻璃繞著成形結(jié)構(gòu)（本 領(lǐng)域已知是"等壓槽"）外側(cè)通過(guò)，以產(chǎn)生兩層玻璃，它們?cè)诔尚谓Y(jié)構(gòu)的底部（等壓槽的根 部）恪合在一起，以形成玻璃帶。通過(guò)牽拉輯將玻璃帶從等壓槽拉出，并且當(dāng)其垂直向下移 動(dòng)通過(guò)溫度受控的外殼時(shí)，進(jìn)行冷卻。在例如外殼的底部（拉制的底部），從帶切割單獨(dú)的 玻璃片。在浮法的情況下，在熔融金屬?。ɡ纾廴阱a?。┑谋砻嫔闲纬刹Ａ?，從浴移 除之后，通過(guò)退火玻璃韌化爐，之后切割成單獨(dú)的片材。
[0013] 在兩種方法中，玻璃帶和/或從帶材切割的玻璃片暴露于如下條件，所述條件相 對(duì)于玻璃的前側(cè)面和后側(cè)面可能是不對(duì)稱的，從而可能影響后續(xù)應(yīng)用于玻璃片的離子交換 過(guò)程的結(jié)果。例如，從玻璃帶移除玻璃片的過(guò)程通常是不對(duì)稱的，劃線僅在帶材的一側(cè)發(fā) 生，之后通過(guò)以打開(kāi)劃線的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)分離玻璃片（即，如果在玻璃帶的前表面形成 劃線，則朝向背表面進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從帶材的側(cè)面觀察）。參見(jiàn)例如，Andrewlavage, Jr.的美國(guó) 專利第6, 616, 025號(hào)。
[0014] 由于在浮法中，通常在帶材通過(guò)退火玻璃韌化爐之后進(jìn)行片去除，并且是當(dāng)帶材 被水平支撐時(shí)從帶材切割片材，對(duì)于浮法而來(lái)，與片材去除相關(guān)的條件通常不構(gòu)成離子交 換影響條件。但是，對(duì)于熔合法，玻璃帶被垂直懸掛，并且在片材去除過(guò)程中施加到帶材的 作用力會(huì)向上傳播通過(guò)帶材，從而影響帶材的位置以及例如玻璃通過(guò)其玻璃轉(zhuǎn)化溫度范圍 的位置處的形狀。因此，對(duì)于熔合法而言，與片材去除相關(guān)的條件會(huì)構(gòu)成不對(duì)稱性離子交換 影響條件。
[0015] 對(duì)于降低熔合法的片材去除過(guò)程中玻璃帶的移動(dòng)和/或帶形狀的變化，已經(jīng)公開(kāi) 了各種方法。參見(jiàn)例如，Chalk等人的美國(guó)專利第7, 895, 861號(hào)；Abbott，III等人的美國(guó)專 利申請(qǐng)公開(kāi)第2006/0042314號(hào)；Kirby等人的美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)第2007/0095108號(hào)；以及 Kirby等人的美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)第2010/0043495號(hào)。此外，在一些情況下，特別是當(dāng)處理薄 和/或?qū)挼牟Ａr(shí)，可能希望有意地向玻璃帶引入弓形。參見(jiàn)例如，Burdette等人的美國(guó) 專利申請(qǐng)公開(kāi)第2008/0131651號(hào)；以及Burdette等人的美國(guó)專利第8, 113, 015號(hào)。此類 弓形可導(dǎo)致帶材的凹側(cè)和凸側(cè)在帶材移動(dòng)通過(guò)熔合拉制機(jī)器時(shí)經(jīng)受略微不同的熱條件。對(duì) 于熔合法，玻璃片的兩個(gè)主表面的這種不同的熱歷史會(huì)構(gòu)成不對(duì)稱性離子交換影響條件。
[0016] 如上所述，浮法通常不經(jīng)受與片材去除相關(guān)的不對(duì)稱性。但是，浮法存在基礎(chǔ)不 對(duì)稱性，這是由于玻璃帶的僅僅一個(gè)表面與熔融金屬浴接觸的事實(shí)導(dǎo)致的。已知該不對(duì) 稱性導(dǎo)致片材兩側(cè)的不同離子交換性質(zhì)。具體來(lái)說(shuō)，在經(jīng)受IOX過(guò)程之后，通過(guò)浮法生產(chǎn) 的玻璃片展現(xiàn)出翹曲，沒(méi)有與熔融金屬浴接觸的表面變成凸表面。參見(jiàn)例如，美國(guó)專利第 4, 859, 636 號(hào)。
[0017] 向基礎(chǔ)浮法加入了各種工藝步驟，從而使得對(duì)于整體玻璃片制造過(guò)程的離子交換 影響條件的不對(duì)稱性較小。例如，上文所述的美國(guó)專利第4, 859, 636號(hào)加入了如下步驟：使 得與熔融金屬接觸的玻璃片的表面與鈉離子源接觸，之后進(jìn)行離子交換強(qiáng)化；而PCT專利 公開(kāi)第W0 2012/005307號(hào)和美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)第US 2012/0196110號(hào)分別描述了在玻璃 片的一個(gè)表面上進(jìn)行等離子體處理和形成Si02、Ti0 2、NESA、IT0或AR等的膜，之后進(jìn)行離 子交換強(qiáng)化。除了增加工藝步驟，還公開(kāi)了對(duì)于加入或沒(méi)有加入額外工藝步驟的基礎(chǔ)浮法 進(jìn)行改變。參見(jiàn)國(guó)際公開(kāi)號(hào)W0 2013/005588和W0 2013/005608。
[0018] 用于處理玻璃片制造過(guò)程（無(wú)論它是浮法或熔合法）的不對(duì)稱性離子交換影響條 件的方法的一個(gè)共同特性在于它們的特定性（ad hoc nature)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，除了通過(guò)對(duì)玻璃 樣品進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)或者復(fù)雜且困難的測(cè)量（參見(jiàn)例如國(guó)際公開(kāi)號(hào)W0 2013/005588)，沒(méi)有 辦法來(lái)量化具體的制造工藝是否具有或不具有足夠的Z軸對(duì)稱性，以適合生產(chǎn)待經(jīng)受I0X 過(guò)程的玻璃片。
[0019] 當(dāng)考慮I0X過(guò)程其自身具有各種變量（例如，時(shí)間-溫度曲線、浴組成、使用多階 段離子交換，每個(gè)階段具有其特有的時(shí)間-溫度曲線和浴組成等）時(shí)，這更是如此。因此，當(dāng) 試圖確定具體的制造過(guò)程或者對(duì)于基礎(chǔ)制造過(guò)程的具體添加（例如，添加等離子體處理） 對(duì)于超過(guò)一種可能的通過(guò)所述工藝生產(chǎn)的玻璃片的I0X處理是否會(huì)提供足夠低水平的Z軸 不對(duì)稱性時(shí)，特定性甚至更成問(wèn)題。沿著這些同樣的思路，無(wú)法預(yù)測(cè)具體的制造過(guò)程或者對(duì) 于基礎(chǔ)制造過(guò)程的具體添加是否提供足夠的Z軸對(duì)稱性以用于生產(chǎn)具體產(chǎn)品，例如具有具 體尺寸/薄度組合的玻璃片。
[0020] 如下文詳述根據(jù)本發(fā)明的某些方面，本發(fā)明通過(guò)提供玻璃片制造過(guò)程的固有（天 然）Z軸不對(duì)稱性的測(cè)量（量化）方法，解決了本領(lǐng)域的上述缺陷。量化是就不對(duì)稱值而 言，即"ASYM"值（無(wú)量綱數(shù)），或者81^值（其具有距離尺寸）。使用這些不對(duì)稱值的任意 一個(gè)或兩個(gè)，可以在各種條件下運(yùn)行的給定玻璃片制造過(guò)程之間進(jìn)行對(duì)比，或者可以在各 種類型的玻璃片制造過(guò)程之間進(jìn)行對(duì)比。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0021] 根據(jù)第一個(gè)方面，揭示了一種用于測(cè)量玻璃片制造工藝的不對(duì)稱性的方法，該方 法包括：
[0022] (I)采用玻璃片制造工藝生產(chǎn)玻璃片；
[0023] (II)測(cè)量玻璃片或來(lái)自玻璃片的測(cè)試樣品的質(zhì)量M。；
[0024] (I