專利名稱：適合于激光加工的玻璃的制作方法
技術領域：
本發明涉及通過激光照射對玻璃進行激光加工的方法。更特別地，本發明涉及一種適合于激光加工的玻璃組合物。
然而，濕法蝕刻存在蝕刻劑的配方調整和廢液處理的問題。干法蝕刻存在需要真空裝置或其類似物，并且由于需要復雜的步驟，如通過光刻蝕法形成圖形掩膜的步驟，使得加工效率很低。
另一方面，直接加工的技術是一種加工，即在加工過程中，將激光照射到制品上以引起物理變化如加熱，熔化，汽化，或消融，并且利用這種變化來加工該制品。由于激光可被聚焦成一個極小的斑點，它適合用于顯微加工。這是一種完全物理加工技術，因此不存在伴隨著濕法蝕刻的問題。而且，由于這種激光加工可用激光掃描在空氣中進行，它也不存在伴隨著至今仍在使用的干法蝕刻的問題。
隨著激光技術的發展，已實現了激光脈沖持續時間的減少和波長的減小，并且已可以加工有機物質如聚酰胺，和微米級的金屬。然而，由于玻璃是易碎材料，它們在加工期間易于破裂。因此難以用激光對玻璃材料進行顯微加工。
例如，為消除那些問題，日本專利公開號217237/1999公開了一項技術，以提供一種通過離子交換將銀結合入玻璃而使之不易破裂的玻璃，從而減小適合激光加工的閾值。
然而，在大多數含堿金屬的玻璃中，會發生下列現象。盡管通過銀離子交換可將銀離子結合入玻璃，但近玻璃表面的區域銀離子被減少，從而抑制了銀離子向玻璃內部的擴散。由于這點，適合于激光加工的有效區域被限制在近玻璃表面區，因此仍難以對玻璃進行直至玻璃內部的加工，如在玻璃板內形成通孔。還存在一個離子交換率低的問題，并且使離子穩定地到達玻璃內部是困難的。
本發明的一個目的是，為消除上述問題，提供了一種適合激光加工的玻璃，其包含一種能不通過離子交換而在玻璃熔化時與玻璃結合，并用于降低適于加工的閾值的元素。
這種玻璃優選具有滿足下列關系的組成20≤SiO2+B2O3≤79mol％1≤Al2O3+TiO2≤40mol％5≤Li2O+Na2O+K2O+Rb2O+Cs2O+MgO+CaO+SrO+BaO≤60mol％在這個組合物中，TiO2含量為1-40mol％(優選5-25mol％)是必需的。
通過吸收激光，具有上述組成的該玻璃在玻璃結構或吸收率方面發生改變，從而發生了消融或汽化。通過利用這種現象，可獲得具有適合于加工的被降低了閾值的玻璃，可用少量的能量對其進行加工以去除它的特定部分。本發明適合于激光加工的該玻璃不僅易于經受對該玻璃近表面的區域進行加工的加工工序，而且易于經受對該玻璃直至其內部進行加工的加工工序，如在玻璃板內形成通孔。
本公開涉及在日本專利申請號P(2001年10月5日提交)中包含的主題，其全文引入本發明作為參考。優選實施例的描述本發明的玻璃可具有改良的激光加工性能，即用較少的能量從表面至它的內部加工該玻璃。使用適合對該玻璃的表面和內部進行加工的閾值作為這種激光加工性能的一個指標。
用圖2所示的光學系統確定適合加工的閾值。由來自NdYAG激光的第三諧波(波長355nm)和第四諧波(波長266nm)組成的紫外線作為激光10。這種激光具有20Hz的脈沖頻率和5-8毫微秒的脈沖持續時間。將該激光用具有100mm焦距的透鏡(未顯示)聚焦，并照射在安裝于樣品固定器(sample holder)22上的玻璃樣品上，樣品固定器22位于樣品平臺24上。用照射快門30調節照射時間為2秒鐘。
保持該照射快門關閉，用置于激光光程的功率表40測量該激光的能量。將樣品用各種能級的激光能量照射以確定發生消融的最小能量。將這個能級作為適于加工的閾值。
由于激光12產生高能量光束，為安全起見，將其制成可遠程控制，因而向激光12輸送能量和冷卻水的裝置14由遠程控制器16操作。激光12本身也具有一個內裝的快門，盡管在圖中未顯示，并且這個快門也能被遠程控制。通過一個光束緩沖器(beam damper)18吸收穿過樣品20的激光束。
通過混合提供的原料，在電爐內熔化該混合物，并逐漸冷卻該熔體來生產適合激光加工的玻璃。切割獲得的玻璃塊并用普通的方法磨光。這樣，制備了適合于激光加工的具有光滑表面的板狀玻璃試樣。
圖2是說明測量適合激光加工的閾值的光學系統的圖示。
下面通過參考本發明的實施例說明本發明，但不應理解為本發明限于這些實施例。
以mol％為單位的每種成分的含量在下列范圍內。
網絡形成氧化物(SiO2，B2O3)20.0-79.0中間氧化物(Al2O3，TiO2)1.0-40.0含量為1.0-40.0mol％的TiO2是必需的。
改性氧化物(Li2O，Na2O，K2O，Rb2O，CsxO，MgO，CaO，SrO，BaO)5.0-60.0。
本發明適合激光加工的玻璃基本上由那些成分組成，但可包含微量的雜質。只要滿足上面顯示的組成范圍，除了TiO2，不需包含全部的那些成分。
在具有上面顯示的組合物的玻璃中，當該玻璃含有作為網絡形成氧化物的20-79mol％的SiO2或B2O3時，可維持玻璃結構(glass framework)。作為改性氧化物的Li2O，Na2O，K2O，Rb2O，Cs2O，MgO，CaO，SrO，或BaO，破壞該玻璃的部分網絡結構。這些改性氧化物成分因此是用來降低高溫粘度或降低粘度隨溫度的變化。只要按照本發明在5-60mol％的范圍內加入這些改性氧化物，即可生產玻璃。按照作為網絡形成氧化物的SiO2或B2O3與作為改性氧化物的Li2O，Na2O，K2O，Rb2O，Cs2O，MgO，CaO，SrO，或BaO之間的平衡，中間氧化物的Al2O3或TiO2在玻璃中既可作為網絡形成氧化物，也可作為中間氧化物。特別是，作為中間氧化物的TiO2是降低適合激光加工的閾值的必需成分。
每種適合于激光加工的玻璃樣品，其已被如此生產以使得其具有上面顯示的組合物，用具有266nm波長，同時改變照射能量的激光照射。如此獲得的適合于表面加工的閾值于表2中顯示。用具有355nm波長的激光進行同樣的實驗。如此獲得的適合于表面加工的閾值于表3中顯示。
在樣品用具有266nm波長的激光照射的實驗中，用功率表測量的最小能量是15mW，因此在具有不高于15mW的閾值的樣品之間進行比較是不可能的。在樣品用具有355nm波長的激光照射的實驗中，由于激光穩定性的問題，不可能進行100mW和更低的能量的精確測量。
在改變了中間氧化物的量的實施例1-5中，如

圖1所示，隨著增加TiO2的量，適合加工的閾值降低。在實施例5中(TiO225mol％)，適合加工的閾值與測量界限一樣低。在實施例6-8中，除了改變網絡形成氧化物而不改變TiO2的量，使用與實施例5相同的組合物，即使當作為網絡形成氧化物的SiO2和B2O3的比例改變，閾值也保持不變，并且不高于測量界限。在實施例9和10中，除了改變加入的改性氧化物的量而不改變TiO2的量，使用與實施例5相同的組合物，即使當作為改性氧化物的Na2O的量改變，閾值也保持不變，并且不高于測量界限。在實施例11和12中，其中作為網絡形成氧化物的SiO2的量和作為中間氧化物的TiO2的量顯著地改變，排除這些組合物的影響，閾值低于比較實施例1和2中的閾值，表示加入鈦是有效的。在實施例13-18中，除了改變改性氧化物的種類而不改變TiO2的量，其使用與實施例5相同的組合物，即使改變改性氧化物的種類，閾值也保持不變，并且不高于測量界限。[比較實施例1]將原料按表4中顯示的在組合物中的最終比例(mol％)混合，從而生產玻璃樣品。這種玻璃樣品具有與實施例1-5的那些玻璃樣品類似的組合物。然而，當以與實施例相同的方式測量該樣品適合加工的閾值時，在用具有266nm波長的激光以1,100mW的最大能量照射，和用具有355nm波長的激光以2,100mW的最大能量照射時，它既不消融也不汽化。即，該樣品沒有變化。[比較實施例2]具有在表5中顯示的組合物(mol％)的材料用作比較實施例。這種材料是用作普通窗戶玻璃的所謂的堿石灰玻璃。當以與實施例相同的方式測量該玻璃適合加工的閾值時，在用具有266nm波長的激光以1,100mW的最大能量照射，和用具有355nm波長的激光以2,100mW的最大能量照射時，它既不消融也不汽化。即，該玻璃沒有變化。[表1] (單位mol％) (單位mol％) (單位mol％)
上述提供的結果表示下列含義。向氧化物玻璃中加入鈦顯著地降低了適合于用紫外線激光加工的閾值。而且，適合加工的閾值在鈦含量增加時降低。然而，該閾值幾乎不依賴于網絡形成氧化物或改性氧化物的含量。盡管上述玻璃中的鈦是以它的氧化物的形式存在，當其以原子，膠體，或離子形式存在時，鈦也產生相同的作用。
由于鈦可在熔化玻璃期間加入，則易于調節即將加入的鈦的量。因此，易于調節適合激光加工的閾值。而且，由于在玻璃熔化期間加入鈦，該玻璃具有平均的鈦濃度。因為這點，將被加工的該玻璃始終具有平均的閾值，因此，該玻璃易于被加工直至其內部形成，例如，通孔。
按照本發明，可獲得需要較小加工能量的低閾值的玻璃。由于通過熔化，鈦可結合于玻璃內，則通過改變加入的鈦量可容易地調節閾值。而且，可獲得在加工性能方面具有均勻性的玻璃。
權利要求
1.一種易于激光加工的玻璃，其中，利用了由被吸收的激光的能量導致的消融或汽化，該玻璃包含以原子，膠體，或離子形式存在的鈦。
2.權利要求1的玻璃，其中該玻璃包含滿足下列條件的鈦1≤TiO2≤40mol％
3.權利要求2的玻璃，其中該玻璃包含滿足下列條件的鈦5≤TiO2≤25mol％
4.權利要求1的玻璃，其具有滿足下列關系的組成20≤SiO2+B2O3≤79mol％1≤Al2O3+TiO2≤40mol％5≤Li2O+Na2O+K2O+Rb2O+Cs2O+MgO+CaO+SrO+BaO≤60mol％，條件是1≤TiO2≤40mol％。
全文摘要
將鈦以原子，膠體，或離子形式加入到進行激光加工的玻璃中，在激光加工過程中，利用了由被吸收的激光的能量導致的消融或汽化。由于通過熔化，鈦可結合于該玻璃，則通過改變加入的鈦量可容易地調節適合加工的閾值，并可獲得在加工性能一致的材料。
文檔編號C03C3/062GK1412140SQ02145729
公開日2003年4月23日 申請日期2002年10月8日 優先權日2001年10月5日
發明者小用廣隆, 小山正, 常友啟司 申請人:日本板硝子株式會社