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TW201802046A - 用於形成高純度、低粗糙度、低翹曲的二氧化矽玻璃的雷射燒結系統和方法 - Google Patents

用於形成高純度、低粗糙度、低翹曲的二氧化矽玻璃的雷射燒結系統和方法 Download PDF

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TW201802046A
TW201802046A TW106109909A TW106109909A TW201802046A TW 201802046 A TW201802046 A TW 201802046A TW 106109909 A TW106109909 A TW 106109909A TW 106109909 A TW106109909 A TW 106109909A TW 201802046 A TW201802046 A TW 201802046A
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glass sheet
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TW106109909A
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丹尼爾瓦倫 賀特
興華 李
凱薩琳伊麗莎白 摩斯
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康寧公司
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Abstract

茲提供用於製造薄燒結二氧化矽片的系統和方法。方法包括提供粉塵沉積表面，及將玻璃粉塵顆粒流從粉塵產生裝置傳送到粉塵沉積表面，以形成玻璃粉塵片。方法包括提供燒結雷射，燒結雷射經設置以將雷射光束引導至粉塵片上，及將雷射光束從燒結雷射傳送到玻璃粉塵片上，以由玻璃粉塵片形成燒結玻璃片。以雷射燒結系統或方法形成的燒結玻璃片很薄、具有低表面粗糙度及/或低污染程度。系統亦經配置以製造具低翹曲度及/或低虛擬溫度的片。

Description

用於形成高純度、低粗糙度、低翹曲的二氧化矽玻璃的雷射燒結系統和方法
本發明大體係關於形成含二氧化矽的物件，特定言之為形成薄二氧化矽玻璃片。二氧化矽粉塵可由如火燄水解製程產生。二氧化矽粉塵接著可燒結形成透明或部分透明的玻璃片。
現有技術的缺陷仍然存在。本發明旨在解決現有技術中的這些缺陷和/或提供改進。
本發明的實施例係關於製造薄燒結二氧化矽片的方法。方法包括提供粉塵沉積表面，及將玻璃粉塵顆粒流從粉塵產生裝置傳送到粉塵沉積表面，以形成玻璃粉塵片。方法包括提供燒結雷射，燒結雷射設置以將雷射光束引導至玻璃粉塵片上，及相對另一者移動玻璃粉塵片與雷射光束的至少一者。方法包括將雷射光束從燒結雷射傳送到玻璃粉塵片上，以由玻璃粉塵片形成燒結玻璃片。燒結玻璃片具有平均厚度和剛燒結平均翹曲，燒結玻璃片的平均厚度為小於500微米（μm）。方法包括對燒結玻璃片施力，以形成平坦玻璃片，平坦玻璃片具有低平均翹曲，例如小於剛燒結平均翹曲。
本發明的附加實施例係關於高純度燒結二氧化矽玻璃片。二氧化矽玻璃片包括第一主表面、相對第一主表面的第二主表面和至少99.9莫耳%的二氧化矽。二氧化矽玻璃片包括在第一主表面與第二主表面間的平均厚度小於500 μm，在至少2500平方毫米（mm2 ）面積上面的平均翹曲小於1毫米（mm）。第一主表面的粗糙度（Ra）在第一主表面的至少0.023 mm2 面積上面為0.025奈米（nm）至1 nm。
本發明的附加實施例係關於高純度燒結二氧化矽玻璃片。二氧化矽玻璃片包括第一主表面、相對第一主表面的第二主表面和至少99.9莫耳%的二氧化矽。二氧化矽玻璃片包括在第一主表面與第二主表面間的平均厚度小於500 μm，虛擬溫度為低於1400℃。
本發明的附加特徵和優點將詳述於後，熟諳此技術者在參閱或實行所述實施例，包括以下詳細實施方式說明、申請專利範圍和附圖後，在某種程度上將變得更清楚易懂。
應理解以上概要說明和下述詳細說明僅為舉例說明，及擬提供概觀或架構以對申請專利範圍的本質和特性有所瞭解。
所含附圖提供進一步瞭解，故當併入及構成說明書的一部分。圖式描繪一或更多實施例，並連同實施方式說明一起來解釋各種實施例的原理和操作。
大體參照圖式，圖式繪示各種燒結二氧化矽玻璃片/材料和相關系統與方法實施例。在不同實施例中，所揭露系統和方法採用一或更多玻璃粉塵產生裝置（例如火燄水解燃燒器），以針對或旨在將玻璃粉塵顆粒流傳送到粉塵沉積裝置或表面而形成玻璃粉塵片。粉塵片接著利用雷射燒結形成二氧化矽玻璃片。大體上，雷射光束引導至粉塵片，使粉塵密化以形成完全燒結或部分燒結的二氧化矽玻璃片。在不同實施例中，相較於由燒結二氧化矽粉塵形成的一些燒結二氧化矽玻璃片（例如相較於熔爐與火炬製程和一些其他雷射燒結製程），玻璃粉塵產生裝置、粉塵沉積表面及/或燒結雷射的構造及/或操作乃配置以形成具很高表面平滑度的燒結玻璃片。在一些實施例中，所揭露玻璃片形成製程形成表面特性不同於拋光二氧化矽表面（例如拋光二氧化矽人造胚晶表面）的表面特性的二氧化矽玻璃片。
另外，玻璃粉塵產生裝置、粉塵沉積表面及/或燒結雷射的構造及/或操作乃配置以形成燒結玻璃片並具有很少量由一些其他方法形成二氧化矽材料常見的某些污染物（例如鈉（Na）、表面羥基等）。申請人發現在一些實施例中，利用所述雷射燒結製程和系統，可提供具高表面平滑度與低污染物含量的燒結二氧化矽玻璃片，且無需附加拋光步驟。
在進一步附加實施例中，所述燒結二氧化矽玻璃片具有增厚或球狀邊緣區段，此係利用高功率切割雷射自燒結二氧化矽玻璃片切割區段形成。此切割區段接著依需求以不同方式使用（例如用於各種裝置與製程的基板）。增厚邊緣區段界定切割二氧化矽玻璃片的外圍，申請人發現所得二氧化矽片具有各種改善物性，例如改善強度特性。
在又一些附加實施例中，所述燒結二氧化矽玻璃片亦包括高平坦度（例如低翹曲度，此將說明於後），即使極薄片亦然。在不同實施例中，高平坦度由平坦化製程達成，該平坦化製程中加熱具較高翹曲度的燒結二氧化矽玻璃片，接著施力以平坦化，例如在上、下二氧化矽板間提供力。申請人認為具較高粗糙度的板表面接觸二氧化矽片將限制或防礙二氧化矽板與燒結二氧化矽玻璃板間接合。此外，申請人認為加熱燒結二氧化矽玻璃片達所述溫度範圍仍能予以平坦化，同時儘管接觸較粗糙的二氧化矽板表面仍維持低表面粗糙度。另外，申請人發現平坦化時使用高純度二氧化矽板可維持所述燒結二氧化矽玻璃片的高純度。是以申請人咸信所述燒結二氧化矽玻璃片提供薄、低翹曲、純度及/或低表面粗糙度組合，此據信為習知二氧化矽形成方法無法達成。
在再一些其他實施例中，所述燒結二氧化矽玻璃片的高平坦度可藉由在燒結期間控制一或更多參數達成。特別地，申請人咸信在燒結期間控制燒結雷射能量、燒結雷射形狀、燒結期間的粉塵片張力、燒結期間的粉塵片空間位向、粉塵密度/厚度分佈等可達成高平坦度。另外，控制不同燒結參數，例如燒結雷射波長，可形成具極低虛擬溫度及/或低虛擬溫度梯度遍及燒結二氧化矽玻璃片厚度的燒結二氧化矽片。申請人咸信所述虛擬溫度性質可提供具各種有益特性的燒結玻璃片，包括增強強度。
參照第1圖，第1圖圖示根據一示例性實施例，用於形成高純度、高平滑度二氧化矽玻璃片的系統和方法。如第1圖所示，系統10包括粉塵沉積裝置，圖示為沉積圓筒12，並具有外沉積表面14。系統10包括粉塵產生裝置，圖示為粉塵燃燒器16（例如火燄水解燃燒器），用以將粉塵顆粒流18引導至沉積表面14而形成玻璃粉塵片20。
如第1圖所示，圓筒12朝順時針方向旋轉，使粉塵片20朝箭頭22所示處理方向推離圓筒12及前進通過燒結雷射24。在一些實施例中，粉塵片20在箭頭22的方向上受到張力（例如軸向張力）。在具體實施例中，粉塵片20僅在箭頭22的方向上受到張力（例如軸向張力），使得張力不會橫向施加遍及粉塵片20。申請人驚人地發現，燒結時不需橫向拉緊粉塵片來維持所述表面特性，特別係粗糙度。然在至少一些其他實施例中，粉塵片20朝橫向方向拉緊。在一些實施例中，選擇朝不同方向拉緊，以控制燒結粉塵片彎曲或翹曲。
如下文更詳細說明，燒結雷射24產生雷射光束26朝向粉塵片20，雷射光束26的能量把玻璃粉塵片燒結成部分或完全燒結玻璃片28。將理解燒結雷射光束26的能量會造成玻璃粉塵片20密化成部分或完全燒結玻璃片28。特定言之，雷射燒結二氧化矽粉塵片20係用雷射24快速加熱粉塵顆粒達高於粉塵熔點的溫度，致使熔化粉塵顆粒回流而形成完全密化的薄二氧化矽玻璃片28。在不同實施例中，粉塵片20的起始密度為0.2克/立方公分（g/cc）至0.8 g/cc，二氧化矽玻璃片28係密度約2.2 g/cc（例如2.2 g/cc加或減1%）的完全燒結二氧化矽玻璃片。如下文更詳細說明，在一些實施例中，二氧化矽玻璃片28係包括孔洞或氣泡的完全燒結二氧化矽玻璃片，故片密度為小於2.2 g/cc。在不同其他實施例中，粉塵片20的起始密度為0.2 g/cc至0.8 g/cc，二氧化矽玻璃片28係密度0.2 g/cc至2.2 g/cc的部分燒結二氧化矽玻璃片。在不同實施例中，燒結玻璃片的長度與寬度為1毫米（mm）至1公尺（m），在具體實施例中，燒結玻璃片28的長度與寬度的至少一者為大於18吋。咸信在不同實施例中，系統10容許形成長度及/或寬度尺度大於其他方法（例如二氧化矽人造胚晶，人造胚晶的最大尺度通常限制為小於18吋）形成二氧化矽結構最大尺度的燒結玻璃片28。
系統10配置以產生具平滑表面地形的粉塵片20，此將轉變成同樣具平滑表面地形的玻璃片28。在不同實施例中，粉塵燃燒器16設置相距圓筒12實質距離及/或相對圓筒12夾一角度，致使粉塵流18形成具平滑上表面的粉塵片20。此設置可於沉積至表面14前混合粉塵流18。在具體實施例中，粉塵燃燒器16的出口噴嘴設置離沉積表面14 1吋至12吋，特定言之為1吋至4吋，更特定言之為約2.25吋，及/或設置相對粉塵沉積表面14夾30-45度角。在具體實施例中，粉塵流18可引導分流至圓筒12上方和下方設有排氣口處，在其他實施例中，粉塵流18僅引導至圓筒12一側。此外，粉塵流18離開燃燒器16的速度可相當低，以助於在沉積至表面14前均勻混合粉塵流18。另外，燃燒器16可包括複數個出口噴嘴，燃燒器16可具有大量小尺寸出口噴嘴，用以促進粉塵流18在沉積至表面14前均勻混合。此外，燃燒器16可配置以在燃燒器內的通道內更適當混合成分與粉塵，例如經由文氏噴嘴和導流件，以產生互混及渦流。在一些實施例中，該等結構可由3D印刷形成。
在不同實施例中，雷射24配置以進一步促進具平滑表面的玻璃片28形成。例如，在不同實施例中，燒結雷射24配置以引導雷射光束26朝向粉塵片20而形成燒結區36。在所示實施例中，燒結區36延伸粉塵片20的整個寬度。如下文更詳細論述，雷射24配置以依不同方式控制雷射光束26來形成燒結區36，以產生具平滑表面的玻璃片28。在不同實施例中，雷射24配置以產生雷射光束並具有能量密度以按形成平滑表面的速率燒結粉塵片20。在不同實施例中，在燒結期間，雷射24產生平均能量密度0.001焦耳/平方毫米（J/mm2 ）至10 J/mm2 的雷射光束，特定言之為0.01 J/mm2 至10 J/mm2 ，更特定言之為0.03 J/mm2 至3 J/mm2 。在一些實施例中，雷射24可適於燒結極薄粉塵片（例如厚度小於1000 μm、小於500 μm、小於200 μm、100 μm、50 μm等）。在此實施例中，雷射24產生平均能量密度0.001 J/mm2 至0.01 J/mm2 的雷射光束。在其他實施例中，系統10配置使粉塵片20與雷射24按促進具平滑表面的玻璃片28形成的速度相對移動。大體上，在箭頭22的方向上的相對速度為0.1毫米/秒（mm/s）至10公尺/秒（m/s）。在不同實施例中，在箭頭22的方向上的相對速度為0.1 mm/s至100 mm/s，特定言之為0.5 mm/s至5 mm/s，更特定言之為0.5 mm/s至2 mm/s。在不同實施例中，系統10係高速燒結系統，在箭頭22的方向上的相對速度為1 m/s至10 m/s。
如第1圖所示，在一實施例中，雷射24採用動態光束塑形，以形成燒結區36。在此實施例中，雷射光束26大致朝箭頭38的方向快速掃過粉塵片20。雷射光束26快速掃描可模仿大致呈燒結區36形狀的線形雷射光束。在具體實施例中，雷射24採用二維振鏡掃描器來掃描雷射光束26，以形成燒結區36。使用二維振鏡掃描器，雷射光束26可逐行掃過粉塵片20的整個寬度或掃過粉塵片20的特定子區域。在一些實施例中，當粉塵片20朝箭頭22的方向平移時，雷射光束26逐行掃描。在燒結製程期間，逐行掃描速度視所需燒結特性和表面特徵而異。此外，雷射光束26的逐行掃描圖案可為線性、正弦、單向、雙向、之字形等，以製造具設計與選定平面度、密度或其他屬性的片。在此實施例中，雷射24可使用振鏡、多面體、壓電掃描器和光學雷射光束偏轉器，例如AOD（聲光偏轉器），以掃描雷射光束26來形成燒結區36。在不同實施例中，粉塵片20與雷射光束26間相對移動可藉由在移動或不移動雷射24的情況下引導雷射光束26而達成。
在具體實施例中，使用動態雷射光束塑形形成燒結區36，二氧化碳（CO2 ）雷射光束以1500 mm/s的速度雙向掃描。CO2 雷射光束具有高斯強度分佈，1/e 2 直徑為4 mm。雙向掃描步輻為0.06 mm。設定掃描長度55 mm、雷射功率200瓦（W）時，約400 μm厚的粉塵片20可燒結成約100 μm厚的二氧化矽玻璃片28。有效燒結速度為約1.6 mm/s，燒結能量密度為0.65 J/mm2 。在其他實施例中，如下所述，燒結雷射係CO雷射。
在一些實施例中，動態雷射光束塑形及燒結方法能即時調節雷射功率，同時掃描雷射光束。例如，若掃描雷射光束具有正弦速度分佈，則控制器可發送正弦功率調變訊號至雷射控制器，使燒結區36內粉塵片20上的雷射能量密度維持恆定。
如第2圖所示，在一實施例中，雷射24採用幾何/繞射方法光束塑形來形成燒結區36。在此實施例中，雷射24結合塑形系統40使用，以將雷射光束26轉換成細長雷射光束42。在不同實施例中，塑形系統40可包括一或更多光學元件，例如透鏡、稜鏡、反射鏡、繞射光學元件等，以形成細長雷射光束42。在不同實施例中，細長雷射光束42在寬度方向具有均勻強度分佈遍及粉塵片20。在不同實施例中，塑形系統40可配置以產生寬度1 mm至10m、高度0.1 mm至10 mm的細長雷射光束42。
在具體實施例中，利用幾何/繞射雷射光束塑形形成燒結區36，及使用伽利略設計型擴束器擴展直徑12 mm的CO2 雷射光束。擴展雷射光束直徑為約50 mm。接著利用焦距約300 mm的非對稱非球面透鏡，將擴展雷射光束轉換成線形。線形雷射光束尺度為55 mm×2 mm。雷射功率密度定義為雷射功率除以面積且為1.8 W/mm2 。在燒結製程期間，線形雷射光束保持固定不動，粉塵片20則平移。在200瓦雷射功率下，可使約400 μm厚的粉塵片20以1.5 mm/s的速度燒結成約100 μm厚的二氧化矽玻璃片28。對應燒結能量密度為1.0 J/mm2 。
在不同實施例中，雷射24可為任何波長或脈寬的雷射，只要粉塵顆粒有足夠吸收促成燒結即可。吸收可為線性或非線性。在具體實施例中，雷射24係CO2 雷射。在另一實施例中，雷射24係波長約5 μm的CO雷射。在此等實施例中，CO雷射24更深入穿透粉塵片20，故CO雷射24可用於燒結厚粉塵片20。在不同實施例中，CO2 雷射24對二氧化矽粉塵片20的穿透深度為小於10 μm，CO雷射的穿透深度為約100 μm。在一些實施例中，粉塵片20可從背側及/或前側預熱，例如利用電阻加熱器、IR（紅外線）燈等，以進一步增加雷射24形成的燒結深度。
在一些實施例中，系統10配置以在雷射燒結製程期間維持恆定燒結溫度。此達成方式為沿燒結線增設溫度感測器。溫度感測器資料可用於控制雷射功率，以維持恆定燒結溫度。例如，可沿燒結線安裝一系列鍺或矽偵測器。偵測器訊號由控制器讀取。控制器可處理訊號及使用信息，以相應控制雷射輸出功率。
參照第3圖，在一實施例中，雷射24配置以產生燒結區36，燒結區36不延伸粉塵片20的整個寬度。在一些此等實施例中，小燒結區36可能意外造成鄰接雷射24及/或粉塵片20的裝備受熱較少。參照第4圖，在不同實施例中，系統10包括附加雷射44、46，雷射44、46配置以完全或部分燒結粉塵片20的邊緣部分。此有助於在雷射燒結期間處置粉塵片20而形成燒結片28。
對照一些二氧化矽玻璃形成製程（例如人造胚晶形成製程），系統10配置以製造具很高純度且很小厚度的二氧化矽玻璃片28。在不同實施例中，二氧化矽玻璃片28的厚度（即垂直於主與次表面的尺度）為小於500 μm、小於250 μm、小於150 μm和小於100 μm。另外，在不同實施例中，二氧化矽玻璃片28最少為99.9莫耳%的二氧化矽，特定言之為至少99.99莫耳%的二氧化矽。此外，二氧化矽玻璃片28形成具有很少量由其他方法形成二氧化矽玻璃常見的污染元素。在具體實施例中，二氧化矽玻璃片28的總鈉（Na）含量少於50 ppm（百萬分之一）。在不同實施例中，二氧化矽玻璃片28的鈉含量在片28各處實質一致，使得二氧化矽玻璃片28內所有深度的總鈉含量為少於50 ppm。低總鈉含量和均勻鈉分佈與一些二氧化矽結構（例如二氧化矽人造胚晶）成對比，人造胚晶具有較高總鈉含量且隨人造胚晶內的不同深度變化。在不同實施例中，咸信相較於具高鈉含量的其他二氧化矽材料，所述低鈉含量提供玻璃片28具低光學損失、折射率均勻性和化學純度/不反應性。
在其他實施例中，二氧化矽玻璃片28具有低羥基（OH）濃度。在不同實施例中，OH濃度可經控制以影響二氧化矽玻璃片28的黏度、折射性質和其他性質。在不同實施例中，二氧化矽玻璃片28的β OH濃度小於0.2吸光率/毫米（abs/mm）（例如小於200 ppm的OH），更特定言之為小於0.12 abs/mm（120 ppm的OH）。在不同實施例中，二氧化矽玻璃片28具有極低OH濃度，在此實施例中，β OH為小於0.02 abs/mm，更特定言之為小於0.002 abs/mm。在一些實施例中，利用雷射燒結系統10形成二氧化矽玻璃片28的OH濃度低於利用一些其他形成方法（例如電漿燒結、火焰燒結及/或燒結前使用氯乾燥的燒結製程）形成二氧化矽材料的OH濃度。對照用諸如氫氟酸材料進行表面處理的一些二氧化矽材料，二氧化矽玻璃片28具有低表面鹵素濃度和低表面OH濃度。
在不同實施例中，燒結二氧化矽玻璃片28的虛擬溫度（Tf）高於至少一些二氧化矽材料的Tf，例如二氧化矽人造胚晶。例如，咸信至少在一些實施例中，燒結二氧化矽玻璃片28的虛擬溫度為1100℃至2000℃，特定言之為1500℃至1800℃，更特定言之為1600℃至1700℃。在具體實施例中，燒結氧化矽玻璃片28具有約1635℃（例如1635℃加或減1%）的虛擬溫度，例如相對於完全退火玻璃。在不同實施例中，所述燒結玻璃片28的虛擬溫度係利用以~1870公分（cm）-1 波段為基礎的IR光譜測定，此描述於「S.-R. Ryu & M. Tomozawa,Structural Relaxation Time of Bulk and Fiber Silica Glass as a Function of Fictive Temperature and Holding Temperature, 89J. Am. Ceramic Soc’y 81 (2006)」，該文獻全文以引用方式併入本文中。
參照第5圖至第8C圖，第5圖至第8C圖圖示根據示例性實施例，燒結玻璃片28的表面輪廓、地形和粗糙度。第5圖圖示由如第1圖所示基於振鏡掃描雷射系統形成二氧化矽玻璃片28實施例的Zygo光學輪廓掃描。第6圖圖示由如第2圖所示幾何/繞射雷射光束塑形形成二氧化矽玻璃片28實施例的Zygo光學輪廓掃描。第7圖係根據一示例性實施例，量測二氧化矽玻璃片28實施例的表面輪廓三維微觀圖。第8A圖至第8C圖圖示沿第7圖所示玻璃片28長度的三個不同位置橫向取得二氧化矽玻璃28表面的原子力顯微鏡AFM線掃描。
在不同實施例中，燒結玻璃片28具有相對的第一與第二主表面，其中至少一表面具高平滑度。在不同實施例中，燒結玻璃片28的第一主表面和第二主表面的至少一者在至少一0.023 mm2 面積上面的粗糙度（Ra）為0.025 nm至1 nm，特定言之為0.1 nm至1nm，更特定言之為0.025 nm至0.5 nm。在特定實施例中，燒結玻璃片28的第一主表面和第二主表面的至少一者的粗糙度（Ra）極低，使在至少一0.023 mm2 面積上面的粗糙度為0.025 nm至0.2 nm。在一實施例中，Ra係利用第5圖及第6圖所示Zygo光學輪廓量測測定，特定言之為利用具130 μm×180 μm光點尺寸的Zygo測定。在一些實施例中，利用AFM橫越2 μm線掃描量測，燒結玻璃片28的第一主表面和第二主表面的至少一者的粗糙度（Ra）為0.12 nm至0.25 nm，此如第8A圖至第8C圖所示。在具體實施例中，燒結玻璃片28依小規模量測具低粗糙度，依大規模量測具高粗糙度。在不同實施例中，燒結玻璃片28的第一主表面和第二主表面的至少一者在至少一0.023 mm2 面積上面的粗糙度（Ra）為0.025 nm至1 nm，使用輪廓儀及5 mm掃描長度的Ra為1 μm至2 μm。
如第5圖至第8C圖所示，雖然燒結玻璃片28的主表面呈平滑，但表面確實具有奈米級表面地形，包括一連串凸起與凹入特徵。在所述實施例中，凸起與凹入特徵相當小而促成低表面粗糙度。在不同實施例中，相對由輪廓儀及5 mm掃描長度量測地形的平均或基線高度，每一凸起特徵的最大峰高為0.1 μm至10 μm，特定言之為1 μm至2 μm。在具體實施例中，依Zygo光學輪廓量測，玻璃片28的一或更多表面地形使得凹入特徵（例如谷）底部與凸起特徵（例如峰）頂部間的最大垂直距離在至少一0.023 mm2 面積內為1 nm至100 nm。表1列出根據一示例性實施例，取自燒結玻璃片28的AFM掃描表面的粗糙度資料。 表1
Figure TW201802046AD00001
最佳如第7圖所示，二氧化矽玻璃片28可包括複數個孔洞或氣泡。在不同實施例中，一些孔洞或氣泡可位於二氧化矽玻璃片28的表面上而形成第7圖所示凹陷50，其他氣泡或孔洞可位於二氧化矽玻璃片28的燒結二氧化矽材料內部區域。在此實施例中，氣泡或孔洞導致片28的容積密度小於無孔洞或氣泡的燒結二氧化矽的最大密度。在不同實施例中，燒結二氧化矽玻璃片28係完全燒結二氧化矽片（例如具少量或無未燒結二氧化矽粉塵顆粒者），且密度大於1.8 g/cc並小於2.2 g/cc，特定言之為小於2.203 g/cc（例如無任何孔洞或氣泡的完全燒結二氧化矽的最大密度）。在此等實施例中，粉塵片20的起始密度為0.2 g/cc至0.8 g/cc，透過與雷射光束26相互作用，粉塵片20將密化成完全燒結玻璃二氧化矽片，且密度大於1.8 g/cc並小於2.203 g/cc，特定言之為1.8 g/cc至2.15 g/cc。在不同實施例中，氣泡、孔洞或表面凹陷50的形成可藉由控制雷射操作控制，亦可由從粉塵燃燒器16行進的顆粒物質撞擊形成。在不同實施例中，二氧化矽玻璃片28內的孔洞及特別係凹陷50有利於應用，例如奈米碳管（CNT）生長用基板，其中凹陷50用於支持CNT催化劑。
相較之下，第9圖圖示非雷射燒結製程形成拋光二氧化矽人造胚晶60的Zygo圖，特定言之為二氧化矽晶錠的切片拋光區段。如第9圖所示，拋光二氧化矽人造胚晶60的表面地形外觀不同於第5圖及第6圖所示不同實施例的燒結玻璃片28的表面地形。例如，人造胚晶60具有線性磨損痕跡62，磨損痕跡可能在人造胚晶形成製程的不同步驟期間、在搬運及/或拋光期間形成。此外，第9圖所示人造胚晶60的表面地形具有方向性，其中表面特徵大致沿拋光裝置移動方向延伸（圖示為從左上角往右下角延伸）。
反之，第5圖及第6圖所示實施例的二氧化矽玻璃片28的表面地形呈現更無規且很少或沒有方向性的峰谷分佈。在此等實施例中，二氧化矽玻璃片28不包括實質細長凸起或凹入特徵，在此實施例中，凸起及/或凹入特徵在至少一0.023 mm2 面積內的最大長度和最大寬度為小於10 μm，特定言之為小於3 μm，在一些實施例中為小於1 μm。在此等實施例中，存於二氧化矽玻璃片28表面的凸起及/或凹入特徵實質比已拋光或具加工表面（例如加工多孔表面）的材料中所見特徵更無規。在一些此等實施例中，凸起和凹入特徵定義節距，此係相鄰凸起或凹入特徵間的距離（例如沿軸在相鄰最高凸起特徵間或相鄰最低凹入特徵間的距離）。在一些實施例中，表面特徵的無規性可就節距變率理解，此係沿玻璃片28表面量測各間距與平均節距的偏差。此外，平均節距變率係量測表面或表面子區段的所有節距變率平均。在一實施例中，平均節距變率為凸起或凹入特徵間平均節距的至少10%，特定言之為凸起或凹入特徵間平均節距的至少25%，更特定言之為凸起或凹入特徵間平均節距的至少50%。在不同實施例中，申請人咸信相較於具表面缺陷或拋光期間形成非無規表面特徵的拋光二氧化矽節段，至少一些類型的二氧化矽玻璃片28存有所述無規及/或較小表面特徵可提供更高強度性質。
在一些實施例中，二氧化矽玻璃片28具有整體曲率或翹曲，使得二氧化矽玻璃片28的相對主表面略偏離平面構造。如第8A圖至第8C圖所示，在一些實施例中，二氧化矽玻璃片28的一主表面呈凹形延伸越過片28的寬度，是以片28的一主表面中心定位低於片28的側緣。在不同實施例中，片28在3750 mm2 面積內的翹曲量測為0.5 mm至8 mm。在一實例中，量測片28樣品的翹曲，及樣品從尺度50 mm×75 mm片28上的Werth計取出。在另一實施例中，片28在150 mm×150 mm方形面積上面的翹曲為小於20 μm。或者，如下文更詳細說明，在不同實施例中，片28可以減少翹曲的方式燒結，及/或燒結後平坦化來減少翹曲。
在不同實施例中，二氧化矽玻璃片28具有二個主表面，上表面由粉塵片20面向粉塵燃燒器16的部分形成，下表面由粉塵片20接觸圓筒12的部分形成。在不同實施例中，二氧化矽玻璃片28的上表面或下表面或二者可具所述任何特性。在具體實施例中，二氧化矽玻璃片28的上表面具有所述表面特性，下表面的表面構造、地形、粗糙度、表面化學等不同於接觸圓筒12產生的上表面。在具體實施例中，二氧化矽片的下表面的粗糙度（Ra）大於上表面的粗糙度，二氧化矽玻璃片28的下表面的Ra為0至1 μm。在另一實施例中，二氧化矽片28的下表面的粗糙度（Ra）小於上表面的粗糙度，在此實施例中，移除粉塵片後清洗粉塵沉積表面（例如圓筒12的表面14）可使二氧化矽片28的下表面產生高平滑度。
在不同實施例中，雷射24可以各種方式控制，以形成具不同特性、層及/或表面結構的完全燒結或部分燒結玻璃片28。從多孔主體開始，例如粉塵片20，可改變燒結條件，使部分或完全燒結片獲得不同孔隙度及/或表面地形。在一實施例中，CO2 雷射加熱源形成窄燒結區，該區域用以控制孔隙度和表面地形。在不同實施例中，可依據粉塵片20的各種特性（例如材料類型、厚度、密度等）、依據使用燒結片28的產品要求及/或依據下游製程需求，改變燒結速度、雷射類型與雷射功率組合。在不同實施例中，上述系統10可操作以形成具各種特性的燒結片28。在不同實施例中，系統10可按0.5 mm/s至5 mm/s的燒結速度（例如粉塵片與雷射光束間的相對移動速度）操作，雷射24可為CO2 雷射，功率為100瓦至300瓦。在一些實施例中，粉塵片20通過雷射24的雷射燒結區一次，在其他實施例中，粉塵片20通過雷射24的雷射燒結區多次。
第10圖提供在不同燒結條件下可形成的不同結構實例。如第10圖上面長格所示，藉由燒結500微米粉塵片20、容積密度0.35 g/cc，利用100瓦CO2 雷射24產生細長雷射光束（例如第2圖的光束42）、燒結速度（例如粉塵片與雷射間的相對移動速度）0.65 mm/s，可形成具斑點表面結構的部分燒結玻璃片。如第10圖中間長格所示，藉由燒結500微米粉塵片20、容積密度0.35 g/cc，利用200瓦CO2 掃描雷射24（例如上述第1圖）、燒結速度（例如粉塵片與雷射間的相對移動速度）1.3 mm/s，可形成更有組織暨線性表面結構的部分燒結玻璃片。如第10圖下面長格所示，藉由燒結500微米厚粉塵片20的實施例、容積密度0.35 g/cc，利用300瓦CO2 掃描雷射24、燒結速度（例如粉塵片與雷射間的相對移動速度）1.95 mm/s，可形成具平滑表面（如下文所述）的完全燒結玻璃片。
另外，在不同實施例中，雷射24可以各種方式控制，以形成完全燒結或部分燒結玻璃片28，其中只燒結部分粉塵片20，使燒結二氧化矽層由下層未燒結粉塵支撐。在不同實施例中，可在使用燒結二氧化矽層前，移除其餘粉塵層，在其他實施例中，其餘粉塵層可留在燒結二氧化矽層內。在不同實施例中，雷射24可以各種方式控制，以於部分未燒結粉塵內形成完全燒結結構。在一些實施例中，燒結柱或中空燒結管可於粉塵片20中形成。
參照第1圖及第11圖，系統10包括切割雷射30，用於產生切割雷射光束32，以自玻璃片28切割燒結玻璃子區段34。除了自玻璃片28切割子區段34，切割雷射30還配置以形成圍繞及界定切割子區段34外圍的邊緣結構。在不同實施例中，邊緣結構係增厚或球狀熔化二氧化矽材料區段，用以強化切割子區段34。
在不同實施例中，切割雷射30係聚焦CO2 雷射光束。在一示例性實施例中，焦距約860 mm的CO2 雷射光束聚焦成直徑500 μm。雷射功率為200 W時，焦點的平均功率密度為1020 W/mm2 。在此功率密度下會發生雷射剝蝕，及以70 mm/s的速度切割100 μm厚的二氧化矽片。雷射剝蝕製程期間的尖峰能量密度為11 J/mm2 。對照申請人預期的先前雷射切割技術發現，高功率能量密集雷射將形成下述強化邊緣輪廓。
參照第11圖，第11圖係燒結二氧化矽玻璃子區段34的截面圖並圖示彎曲或球狀邊緣區段70。如第11圖所示，邊緣區段70係鄰接面朝外曲面72的增厚區段，邊緣區段70界定燒結玻璃子區段34外圍。在不同實施例中，T1係切割子區段34的平均厚度，且可落在所述片28的任何厚度範圍內，邊緣區段70具有最大厚度T2。在不同實施例中，T2比T1大10%，特定言之為比T1大20%，更特定言之為比T1大約40%。在具體實施例中，T1為約100 μm，T2為約140 μm。在不同實施例中，T2增加厚度位於靠近面朝外表面72的最外邊位置，例如在面朝外表面72的最外邊位置的300 μm內，特定言之為200 μm內，更特定言之為100 μm內。
在不同實施例中，球狀邊緣區段70實質圍繞玻璃子區段34的整個周邊延伸，故T2代表圍繞玻璃子區段34周邊遍及球狀區段70的平均最大厚度。在其他實施例中，球狀邊緣區段70圍繞玻璃子區段34的整個周邊延伸，故T2代表圍繞玻璃子區段34周邊的所有截面位置的最大厚度。大體上，球狀邊緣區段70的形狀和T2可利用適當雷射焦點直徑和雷射功率量調整。
切割玻璃子區段34包括供第一主表面78轉變成邊緣區段70的第一彎曲過渡區段74和供第二主表面80轉變成邊緣區段70的第二彎曲過渡區段76。如圖所示，彎曲過渡區段74的曲率半徑小於彎曲過渡區段76的曲率半徑。在不同實施例中，彎曲過渡區段74的曲率半徑為25 μm至200 μm，彎曲過渡區段76的曲率半徑為100 μm至500 μm。
在此等實施例中，邊緣區段70由切割製程形成，且不需二次形成步驟來形成邊緣區段70。另發現相較於研磨形成邊緣結構，利用切割雷射形成邊緣區段70的熔化製程具有較少裂縫及具有較高邊緣強度。在不同實施例中，邊緣區段70的邊緣強度為大於100兆帕（MPa），特定言之為大於150兆帕，更特定言之為大於200兆帕（例如200兆帕加或減1%）。在不同高強度實施例中，邊緣區段70的邊緣強度為大於200兆帕，特定言之為大於300兆帕，更特定言之為大於350兆帕（例如350兆帕加或減1%）。在不同實施例中，邊緣區段70用於提供高度抗彎強度，例如大於70兆帕，特定言之為大於100兆帕，更特定言之為大於200兆帕。在不同實施例中，具邊緣區段70的玻璃子區段34的抗彎強度係利用2點彎曲測試量測。此等測試方法測定彎曲玻璃與玻璃陶瓷時的斷裂模數（MOR）。樣品經機械撓曲，直到發生失效，並記錄尖峰負載及轉換成MOR。在此等測試中，MOR係量測抗彎強度量測值。
在不同實施例中，可在切割前預熱待形成邊緣區段的區域，例如使用加熱器或CO2 雷射光束，以進一步控制、改變及/或加強邊緣區段70的邊緣強度。切割前預熱或退火處理片可減少切割製程引起的殘餘應力量。在示例性方式中，第二雷射光束可優先、重合或落後切割雷射光束32。預熱可降低切割區相對其餘片部分的溫差，從而減少切割製程引起的殘餘應力。故在此配置下，預熱步驟期間退火可減少出於切割製程的殘餘應力量，進而提高邊緣強度。
在不同實施例中，增加或減低雷射功率及/或移動速度，可形成不同尺寸、厚度、形狀等的邊緣區段70。在一些實施例中，切割雷射30切割期間，在長度及/或寬度方向上施加張力至片28，以影響邊緣區段70的形狀。
在進一步實施例中，系統10配置以製造很低翹曲度（例如較高平坦度）的燒結二氧化矽玻璃片，例如片28，或切割玻璃子區段，例如子區段34。在不同實施例中，所述高平坦度燒結玻璃片亦包括所述任何二氧化矽片特徵組合（例如粗糙度、純度、化學組成、表面特性、強化邊緣形狀、虛擬溫度特性等）。如下文更詳細說明，高平坦度二氧化矽片可單獨利用燒結後平坦化製程或結合控制各種燒結製程參數製造，以提升或產生片平坦度。在不同實施例中，高平坦度提供各種不同應用優點，例如提高沉積、生長、對準、固定、機器加工及/或堆疊多個二氧化矽片28的均勻度。特別地，改善平坦度可增加併入片28的節段在各種組裝操作的可重複對齊。
參照第12圖至第17圖，圖式顯示及描述用於燒結後平坦化燒結玻璃片（例如片28）或切割玻璃子區段（例如子區段34）的系統和方法。參照第12圖至第14圖，第12圖至第14圖圖示根據一實施例的平坦化系統100。平坦化系統包括下板或支撐件（圖示為固定板102）、頂板104和加熱系統（圖示為感應加熱器106）。大體上，燒結二氧化矽玻璃片28放在固定板102上。從第12圖可看出，玻璃片28具有高翹曲度，特別地，玻璃片28呈弓形，其中（第12圖的位向）中心區域108與玻璃片28的外圍110上方相隔一段距離。故加熱前，玻璃片28的外圍110接觸固定板102的上表面112，玻璃片28的中心區域108則隔開固定板102的上表面112。
如第13圖所示，把玻璃片28放到固定板102上後，將頂板104放置在片28的頂部，使頂板104的下表面114接觸玻璃片28的上表面。在第13圖中，頂板104的角度係玻璃片28的翹曲形狀所致。
如第14圖所示，將玻璃片28置於板102、104之間，感應加熱器106可加熱玻璃片28。當加熱玻璃片28時，頂板104的重量就像往下作用於玻璃片28的力。如第15圖所示，透過感應加熱器106加熱及頂板104施力，可平坦化玻璃片28而形成平坦玻璃片116。在特定實施例中，玻璃片28加熱至高於玻璃轉化溫度，使之可在頂板104的重量作用下平坦化。在具體實施例中，系統100減小片28中存在的翹曲度以製造平坦片116，同時維持所述片28的各種其他性質，例如表面粗糙度、表面特徵、純度等。在所示示例性實施例中，玻璃片28係50 mm×50 mm的燒結玻璃片，板102、104的厚度為1 mm。
在不同實施例中，板102、104由二氧化矽材料形成，特別係由高純度二氧化矽材料形成，例如高純度熔融二氧化矽。在平坦化期間使片28接觸高純度二氧化矽板，可防止玻璃片28吸收板102、104的污染物而維持玻璃片28的高二氧化矽純度。然申請人發現若溫度太高或板102、104各自的表面112、114太平滑，則玻璃片28和二氧化矽板102、104於加熱時易接合在一起。故申請人認為二氧化矽板102、104各自表面112、114的表面粗糙度（Ra）大於500 nm，特定言之為大於600 nm，更特定言之為大於400 nm，可使玻璃片28在平坦化後更易脫離板102、104。第16圖係表面112、114的Zygo圖並顯示Ra粗糙度為726.547 nm，申請人發現具第16圖所示表面粗糙度的板102、104在平坦化期間不會接合至玻璃片28。
回溯第14圖，申請人亦認為感應加熱器106可控制以協助板102、104在平坦化後脫離玻璃片28。特別地，不侷限於特定理論，申請人咸信若系統100加熱太高溫太久，則表面112、114的粗糙度將減小，導致增加板102、104與玻璃片28間的接合度。在不同實施例中，申請人發現為維持表面112、114的粗糙度，感應加熱器106可控制使板102、104的最高溫度維持在1800℃以下，特定言之為1300℃至1800℃。將理解由於表面112、114加熱時失去粗糙程度會隨在特定溫度下所費時間長短變化，故最高容許溫度與平坦化操作期間板102、104遭加熱的時間長短成反比。
應理解雖然第14圖圖示感應加熱系統為平坦化系統100的一部分，系統100可包括能達玻璃轉化溫度的任何加熱系統。然，咸信感應應用加熱系統係特別適合選項，因為其允許快速循環時間和零件形狀與尺寸之彈性。
如第14圖所示，在不同實施例中，平坦化系統100可進一步配置以提供所需熱分佈及/或維持玻璃片28的高二氧化矽純度。例如，如第14圖所示，系統100包括基座，圖示為石墨基座118，且位於固定板102下方。大體將理解石墨基座118係能吸收感應加熱器106的電磁能量的電阻材料塊，藉以加熱基座118，出自基座118的熱則傳導到玻璃片28。在其他實施例中，基座由金屬材料形成，在其他實施例中，可使用設計用於高產量零件平坦化的連續處理熔爐。
另外，系統100可包括封閉區，圖示為封閉區120，用以控制玻璃片28在加熱及平坦化期間接觸的大氣。藉由控制加熱期間的大氣，可控制平坦化時施予玻璃片28雜質的程度，以維持或控制玻璃片28的純度。在不同實施例中，在平坦化期間，封閉區120可填充惰性或不反應大氣（氮大氣、稀有氣體大氣等）。在其他實施例中，可在平坦化期間將封閉區120抽真空。在特定實施例中，在平坦化期間移除石墨基座周圍的大氣空氣及/或提供惰性氣體，以移除系統100的O2 及/或水分。咸信O2 容許石墨基座燃燒，H2 O會造成板102、104於平坦化時更易黏貼玻璃片28。故自封閉區120內的大氣移除O2 及/或H2 O，可改善系統100的操作。
應理解雖然具體實施例所示平坦化系統100採用頂板104來提供平坦化力至玻璃片28，但平坦化力可以其他方式施加至玻璃片28。例如，在一實施例中，施加至玻璃片28的平坦化力係作用於片28的重力，在此實施例中，玻璃片28在本身重量作用下變平。在其他實施例中，氣體壓力或氣體噴射引導至玻璃片28，以將玻璃片壓到固定板102上。在另一實施例中，真空施加至玻璃片28的下表面而將玻璃片28往下拉，在具體實施例中，固定板102包括複數個口孔，以供抽引真空均勻分佈遍及部分或所有表面112。
在又一些其他實施例中，平坦化製程可用於進一步改變玻璃片28。在特定實施例中，表面112及/或114包括形狀、圖案等係在平坦化期間壓印或浮雕於玻璃片28的下及/或上表面上。
參照第17圖及第18圖，圖式繪示及描述平坦玻璃片116存有高平坦度或低翹曲度。大體上，在此所用翹曲係指玻璃片116在宏觀或全片規模的形狀。第18圖提供根據一示例性實施例，如何測定、量測或計算翹曲的示意圖。如第18圖所示，線C係沿物件（例如片116、片28、玻璃子區段34等）在貫穿物件截面位置定義最小平方焦平面。在至少一些實施例中，利用第18圖所示定義測定翹曲時，片處於自由或未加重/鬆開狀態。如圖所示，B點係片的最低點，A點係片的最高點。在此翹曲/平坦度定義下，翹曲係最小平方焦平面（C）的最高點（A）與最低點（B）間的最大距離。在此實施例中，翹曲量測為正數，翹曲係量測最小平方焦平面越過整片或整個定義子區段的位移來測定（而非單單量測一組特定點，例如中心點）。
在不同實施例中，平坦玻璃片116的翹曲為小於1 mm、小於500 μm、小於50 μm或小於10 μm。在特定實施例中，該等翹曲量測係利用第18圖所示定義量測片116的整個區域的最大翹曲。在特定實施例中，該等翹曲量測係利用第18圖所示定義量測玻璃片具面積50 mm×50 mm或具面積大於2500 mm2 的至少一區段的最大翹曲。如上所述，片28的翹曲度大於1 mm，故平坦化系統100能相對初始翹曲度達成高平坦度。在不同實施例中，平坦玻璃片116的翹曲小於片28的翹曲的50%、小於片28的翹曲的10%、甚至小於片28的翹曲的1%。在一些實施例中，片28和片116的主表面的表面粗糙度Ra在平坦化前後均維持在相同範圍。在一些實施例中，片28和片116的純度在平坦化前後均維持在相同範圍。
在不同實施例中，平坦玻璃片116包括所述低翹曲度結合所述任何其他玻璃片性質。在特定實施例中，平坦玻璃片116包括所述低翹曲量測，平坦玻璃片116的一或二表面具有小於50 μm的總指示跳動（TIR）量測，微波紋度量測（Wa）小於50 μm，及/或微波紋度量測（Wt）小於20 μm。參照第17圖，第17圖圖示根據示例性實施例，平坦片116的翹曲和微波紋度量測。在一示例性實施例中，玻璃片28的面積為50 mm×50 mm，翹曲為1至1 mm，TIR超過10 mm。如第17圖所示，利用上述製程平坦化後，TIR可減至小於50 μm（特定言之為36.7 μm）。
在不同實施例中，替代或除了利用燒結後平坦化系統100之外，系統10的不同態樣可控制以提高系統10製造燒結玻璃片28的平坦度。在一些實施例中，玻璃片28可具上述片116的任何低翹曲特性，且不需經平坦化系統100處理。
在不同實施例中，如第19圖曲線圖所示，燒結玻璃片28的一或更多性質可依燒結雷射24的波長選擇、控制或改變。如第19圖所示，二氧化矽粉塵和燒結二氧化矽片的紅外線雷射吸收視燒結雷射24的波長而異。在一實例中，粉塵片20的厚度為約450 μm，燒結二氧化矽片28的厚度為100 μm。如第19圖所示，在CO雷射波長5.5 μm下，粉塵和二氧化矽片的穿透量約為25%，在CO2 雷射波長10.6 μm下，穿透量為5%。
咸信CO雷射的5.5 μm波長能量的較高穿射率比CO2 雷射更能均勻加熱粉塵片20。咸信在10.6 μm CO2 雷射波長下貫穿粉塵片20大幅衰減會導致顯著溫度梯度遍及粉塵和玻璃厚度。熱均質化發生時，溫度梯度將減小。
在不同實施例中，所述雷射燒結提供具低虛擬溫度的燒結二氧化矽玻璃片28。例如，在不同實施例中，玻璃片28的虛擬溫度可低於1400℃，特定言之為低於1300℃，更特定言之為高於1100℃且低於1300℃，再特定言之為高於1200℃且低於1300℃。咸信相較於具高虛擬溫度的二氧化矽材料，低虛擬溫度燒結二氧化矽玻璃片（例如玻璃片28）可具有優越強度和低殘餘應力。對照之下，申請人理解至少一些先前二氧化矽材料的虛擬溫度為1771℃至1790℃。
在特定實施例中，申請人發現利用CO2 雷射燒結時，玻璃片28的虛擬溫度為1240℃至1260℃，更特定言之為1252℃。在其他實施例中，申請人發現利用CO2 振鏡雷射燒結時，玻璃片28的虛擬溫度為1225℃至1245℃，更特定言之為1235℃。在其他實施例中，申請人發現利用CO振鏡雷射燒結時，玻璃片28的虛擬溫度為1215℃至1235℃，更特定言之為1228℃。申請人咸信雷射燒結（例如所述用CO雷射或CO2 雷射燒結）可形成燒結玻璃片28且虛擬溫度低於其他方法（例如火焰燒結、感應燒結等）燒結二氧化矽的虛擬溫度。
在附加實施例中，燒結時控制粉塵片20的形狀及/或位置，可改善燒結玻璃片28的平坦度。為予說明，二氧化矽和高二氧化矽粉塵片20具有低熱膨脹。在二氧化矽例子中，熱膨脹係數為約0.55×10-6 /℃。在燒結期間，從二氧化矽於雷射-粉塵相互作用表面開始蒸發的觀察結果可推論溫度超過2000℃。燒結後，由於低保溫力，薄二氧化矽片將迅速冷卻至室溫。150 mm二氧化矽片的收縮量為約0.17 mm，此會在短時間內發生。若二氧化矽片存在形狀（平坦片除外），則冷卻時可能造成突然的幾何形狀變化，以致影響燒結製程、降低平坦度、產生線缺陷等。
在示例性實施例中，系統10配置以使用粉塵片20上鄰接雷射燒結前端的主動拉緊裝置，以維持或改善粉塵片20的平坦度。此裝置用於使粉塵片20受到張力及讓粉塵片20保持局部平坦。燒結玻璃片28將保留平坦度並形成低翹曲片。當平坦燒結片28冷卻至室溫時，形狀不會實質改變而影響燒結製程。
在另一實例中，燒結時垂直定向玻璃片28，可改善燒結玻璃片28的平坦度。咸信在雷射燒結製程期間，當粉塵片20水平或相對垂直夾一角度設置時，若黏度夠低，則局部形成二氧化矽燒結塊的重力將引起下凹。黏度變化將致使片形成非平面形狀。咸信在垂直位置燒結粉塵片20，可減低或最小化出於低黏度的形狀變化。
在示例性實施例中，系統10配置以控制燒結二氧化矽片28在燒結後的溫降，以維持或改善燒結玻璃片28的平坦度。在特定實施例中，系統10配置以使用一或更多廣域加熱器及利用沿處理方向的界定溫降來加熱燒結片28及/或粉塵片20。由加熱器加熱將降低沿燒結軸的熱梯度，如此即使因冷卻過程發生形狀變化，也離燒結區夠遠，而不致影響燒結製程且不會引入線缺陷。
在又一示例性實施例中，提供出自粉塵沉積燃燒器16更均勻的粉塵密度及/或粉塵厚度分佈，以改善燒結玻璃片28的平坦度。申請人咸信粉塵密度/厚度變化會造成燒結參數變化，因而在燒結製程期間及之後，粉塵密度/厚度變化導致片形狀形成。藉由提供在粉塵片20內產生低程度密度及/或厚度變化的粉塵沉積燃燒器，可提高燒結片28的平坦度。
在示例性實施例中，系統10配置以在燒結期間控制雷射光束26的一或更多特性（例如形狀、尺寸、速度、均勻度等），以維持或改善燒結玻璃片28的平坦度。在一實施例中，當雷射光束26掃過粉塵片20時，提高雷射光束26的均勻度，以提高燒結二氧化矽片28的平坦度。在不同實施例中，可以一些方式提高雷射光束26的均勻度，例如使用具主動功率控制的雷射、具遠心透鏡（f-θ透鏡）的掃描器及/或提高燒結速度。可使用具高掃描速率的掃描器（例如旋轉多面體、電光掃描器、聲光掃描儀）結合高功率CO2 或CO雷射，以改善燒結效率及提高燒結速度。提高燒結速度將間接造成沿燒結軸的溫度梯度減低，從而改善燒結片28的平坦度。
在另一實施例中，以振鏡燒結方式減慢雷射光束26的掃描速率，使粉塵片20按一次掃程燒結，以提高燒結二氧化矽片28的平坦度。在CO2 雷射燒結製程中，燒結時間主要取決於貫穿厚度的熱擴散時間。一次掃程方式的燒結速度故可大致以光束直徑除以貫穿粉塵厚度的熱均質化時間估計，依此操作燒結雷射24，如此達成燒結速度咸信可提高燒結二氧化矽片28的平坦度。
在又一實施例中，利用燒結雷射24提高燒結二氧化矽片28的平坦度，雷射24產生具強度分佈（平頂、梯形、環形等）的燒結雷射光束26，以降低或最小化燒結過程產生的虛擬溫度變化。許多雷射輸出具高斯強度分佈的雷射光束。在燒結期間，高斯分佈傾向在光束中間產生熱點與快速下降的溫度分佈遠離熱點。在不同實施例中，雷射24配置以產生具強度分佈的雷射光束26，以最小化遍及雷射光點的溫度變化及降低二氧化矽片的虛擬溫度變化。使用此光束輪廓的其他益處可包括提高燒結效率和速度。
在一些實施例中，燒結二氧化矽玻璃片28由至少99.9重量%的(SiO2 )1-x-y . M′x M″y 組成材料組成，特定言之為至少99.99重量%，其中M′及/或M″係元素（例如金屬）摻質或替代物，且可為氧化物形式或上述組合物，或被忽略，其中x加y的總和小於1，例如小於0.5，或者x和y為0.4或以下，例如0.1或以下，例如0.05或以下，例如0.025或以下，在一些實施例中，M′及/或M″大於1×10-6 。在某些實施例中，燒結二氧化矽玻璃片28為晶體，在一些實施例中，燒結二氧化矽玻璃片28為無定形。
在不同實施例中，燒結二氧化矽玻璃片28係強固撓性基板，此可使由片28製成的裝置具撓性。在不同實施例中，燒結二氧化矽玻璃片28可彎曲使薄片在25℃室溫下彎曲成至少500 mm的曲率半徑而不斷裂。在具體實施例中，燒結二氧化矽玻璃片28可彎曲使薄片在25℃室溫下彎曲成至少300 mm的曲率半徑而不斷裂，更特定言之為在25℃室溫下彎曲成至少150 mm的曲率半徑而不斷裂。燒結二氧化矽玻璃片28彎曲亦有助於捲繞式應用，例如自動化製造裝備的軋輥處理。
在不同實施例中，燒結二氧化矽玻璃片28係透明或半透明的二氧化矽玻璃片。在一實施例中，燒結二氧化矽玻璃片28的透射率（例如可見光譜的透射率、光波長300至2000 nm的透射率）為大於90%，更特定言之為大於93%。在不同實施例中，所述燒結二氧化矽玻璃片的軟化點溫度高於700℃，更特定言之為高於1100℃。在不同實施例中，所述燒結二氧化矽玻璃片在約50℃至300℃的溫度範圍具有小於10×10-7 /℃的低熱膨脹係數。
儘管其他燒結裝置可用於達成一些實施例，但申請人發現以所述特定方式使用雷射燒結的優點。例如，申請人發現雷射燒結不會輻射熱而損壞周圍裝備，此係感應加熱及電阻加熱燒結的問題。申請人發現雷射燒結能有效控制溫度和溫度再現性，且不會弄彎或以其他方式讓片28翹曲，此係一些其他燒結方法的問題。相較於其他製程，雷射燒結可直接提供所需熱至僅需燒結的粉塵片部分。雷射燒結不會傳送大量污染物和氣體至燒結區而擾亂薄片製造。另外，雷射燒結的尺寸亦可縮放或增加速度。
在不同實施例中，所述二氧化矽粉塵片由採用一或更多玻璃粉塵產生裝置（例如火焰水解燃燒器）的系統形成，玻璃粉塵產生裝置係針對或意欲將玻璃粉塵顆粒流傳送到粉塵沉積表面。如上所述，所述二氧化矽片可包括一或更多摻質。在火焰水解燃燒器實例中，可將摻質前驅物引入火燄，以在火焰水解製程期間原位進行摻雜。在另一實例中，例如電漿加熱粉塵噴灑器，可預先摻雜噴灑器噴灑的粉塵顆粒，或者噴灑粉塵顆粒可經含摻質的電漿大氣處理，以在電漿中摻雜粉塵顆粒。在又一實例中，可在燒結粉塵片之前或期間，將摻質引入粉塵片。摻質實例包括元素週期表的IA、IB、IIA、IIB、IIIA、IIIB、IVA、IVB、VA、VB族元素和稀土系列。在不同實施例中，二氧化矽粉塵顆粒可摻雜各種材料，包括氧化鍺、氧化鈦、氧化鋁、磷、稀土元素、金屬和氟。
實例 1
利用美國專利案第7,677,058號所述製程製備本質由100%二氧化矽組成的400微米厚粉塵片。將9吋寬×12吋長的粉塵片段放到鄰近CO2 雷射的平移工作台上。雷射係400瓦CO2 雷射，型號為E-400且可取自Coherent公司。非對稱非球面透鏡設置在雷射與粉塵片之間。非對稱非球面透鏡產生10 mm長、約1 mm寬的線形光束，且強度均勻分佈遍及長軸和短軸。透鏡放置離粉塵片約380 mm。雷射功率使用18瓦功率。粉塵片以1.25毫米/秒的速度橫越光束。透明燒結玻璃在光束路徑形成及完全密化。燒結片的變形量出奇的少，此係因為粉塵密化並收縮遠離其餘粉塵片。在其他燒結系統中，在燒結製程期間，除非在平面上保持平坦，否則粉塵片會彎曲及變形。
實例 2
實例2和實例1一樣，除了粉塵片按1.5毫米/秒平移。此將於未燒結粉塵片頂上產生部分密化玻璃層。
實例 3
實例3和實例1一樣，除了本質100%二氧化矽粉塵片經溶體摻雜，當利用雷射燒結時，提供少量鐿（Yb）摻雜至二氧化矽基質。
實例 4
在平坦化系統100的示例性測試中，加熱系統係Ameritherm的L80感應系統，並用於加熱直徑6吋的石墨盤基座達1300℃。25千瓦（kW）功率加熱可使石墨盤基座的中心溫度達1300℃，邊緣溫度達1820℃。燒結玻璃片（例如片28）為50 mm×50 mm×100微米厚，翹曲為約10 mm，燒結玻璃片放在1 mm厚、約80 mm×80 mm的高純度熔融二氧化矽固定板上。如第16圖所示，固定板具有粗糙上表面，粗糙度（Ra）為約726.5 nm。把固定板直接放到石墨基座上。如第13圖所示，燒結玻璃板覆蓋上另一1 mm HPFS板。在此實例中，兩個附加的1 mm厚HPFS片放置在頂板頂部，以對燒結二氧化矽玻璃片增加約28克的額外重量。以25 kW施加功率，循環時間為160秒。關閉時，借助快速氣體冷卻來拆卸板。將現已平坦化的燒結玻璃片移出組件，量測翹曲明顯降低，且平坦化燒結玻璃片表面上的粗糙度或波紋度無顯著增加。如第17圖所示，利用上述製程平坦化後，TIR減至約36.7 μm，微波紋度（Wa）為0.462 μm，微波紋度（Wt）為17.891 μm。
除非明確指出，否則在此提及的任何方法不擬解釋成需按特定順序進行方法步驟。是以當方法請求項未實際敘述步驟依循順序，或者申請專利範圍和實施方式未具體指出步驟限於特定順序時，不擬推斷任何特定順序。此外，在此所用冠詞「一」擬包括一或更多部件或元件，故不宜解釋成意味著只有一個。
熟諳此技術者將明白，在不脫離所述實施例的精神或範圍內，當可作各種更動與潤飾。因熟諳此技術者可併入實施例的精神與本質而獲得所述實施例的修改例、組合例、子組合例和變化例，故本發明實施例應解釋成包括落在後附申請專利範圍內的一切事物與均等物。
在一些實施例中，雷射24適於燒結小於3000 μm的極薄粉塵片。在不同實施例中，系統10係高速燒結系統，在箭頭22的方向上的相對速度為1公尺/秒至25公尺/秒。在研究實施例中，加熱器106可整合到烘箱、窯爐及/或徐冷窯中。在研究實施例中，板102、104的表面粗糙度可被石墨片及/或碳增強及/或取代，以助於在平坦化期間不黏附/不接合。在不同實施例中，申請人發現為維持表面112、114的粗糙度，感應加熱器106乃控制使板102、104的最高溫度維持低於1800℃，特定言之為1200℃至1800℃。另外，申請人發現在高於室溫（25℃）的溫度下可改善釋放片28，例如在至少300℃、至少500℃及/或不高於800℃的溫度下，例如不超過600℃。在一些實施例中，片28依所述加熱及壓平，計小於5小時，例如小於1小時，例如小於10分鐘。
10‧‧‧系統
12‧‧‧圓筒
14‧‧‧沉積表面
16‧‧‧燃燒器
18‧‧‧粉塵顆粒流
20‧‧‧粉塵片
22、38‧‧‧箭頭
24、30‧‧‧雷射
26、32‧‧‧雷射光束
28‧‧‧玻璃片
34‧‧‧子區段
36‧‧‧燒結區
40‧‧‧塑形系統
42‧‧‧光束
44、46‧‧‧雷射
50‧‧‧凹陷
60‧‧‧人造胚晶
62‧‧‧磨損痕跡
70‧‧‧邊緣區段
72‧‧‧表面
74、76‧‧‧過渡區段
78、80‧‧‧主表面
100‧‧‧平坦化系統
102、104‧‧‧板
106‧‧‧加熱器
108‧‧‧中心區域
110‧‧‧外圍
112、114‧‧‧表面
116‧‧‧玻璃片
118‧‧‧基座
120‧‧‧封閉區
T1、T2‧‧‧厚度
第1圖圖示根據一示例性實施例的雷射燒結系統。
第2圖圖示根據另一示例性實施例的雷射燒結系統。
第3圖圖示根據又一示例性實施例的雷射燒結系統。
第4圖圖示根據再一示例性實施例的雷射燒結系統。
第5圖圖示根據一示例性實施例，量測雷射燒結形成雷射燒結二氧化矽玻璃片表面的Zygo光學輪廓儀輸出。
第6圖圖示根據另一示例性實施例，量測雷射燒結形成雷射燒結二氧化矽玻璃片表面的Zygo光學輪廓儀輸出。
第7圖係根據一示例性實施例，量測雷射燒結形成雷射燒結二氧化矽玻璃片表面輪廓的3D（三維）微觀圖。
第8A圖至第8C圖係根據一示例性實施例，第7圖所示玻璃片表面的原子力顯微鏡輪廓掃描。
第9圖圖示量測非雷射燒結二氧化矽材料表面經表面拋光後的Zygo光學輪廓儀比較輸出。
第10圖係根據示例性實施例，各雷射燒結製程形成雷射燒結二氧化矽玻璃片表面的放大表面影像。
第11圖係根據一示例性實施例，雷射燒結形成雷射燒結二氧化矽玻璃片的雷射切割子區段的邊緣區段截面圖。
第12圖係根據一示例性實施例的平坦化系統透視圖。
第13圖係根據一示例性實施例，第12圖的平坦化系統在放置頂板後的透視圖。
第14圖係根據一示例性實施例，第12圖的平坦化系統在加熱期間的透視圖。
第15圖係根據一示例性實施例，第12圖的平坦化系統在移除頂板後及在平坦化燒結玻璃片後的透視圖。
第16圖圖示根據一示例性實施例，量測第12圖平坦化系統的上、下板的接觸表面的Zygo光學輪廓儀輸出。
第17圖圖示根據一示例性實施例，低翹曲燒結二氧化矽片的TIR、Wa和Wt量測。
第18圖圖示根據一示例性實施例的片翹曲計算。
第19圖係根據一示例性實施例，二氧化矽粉塵片和燒結二氧化矽片的雷射穿透率隨波長變化曲線圖。
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10‧‧‧系統
12‧‧‧圓筒
14‧‧‧沉積表面
16‧‧‧燃燒器
18‧‧‧粉塵顆粒流
20‧‧‧粉塵片
22、38‧‧‧箭頭
24、30‧‧‧雷射
26、32‧‧‧雷射光束
28‧‧‧玻璃片
34‧‧‧子區段
36‧‧‧燒結區

Claims (30)

  1. 一種製造薄燒結二氧化矽片的方法，包含： 將一玻璃粉塵顆粒流從一粉塵產生裝置傳送到一粉塵沉積表面，以形成一玻璃粉塵片；將一燒結雷射的一雷射光束引導至該玻璃粉塵片上；相對另一者移動該玻璃粉塵片與該雷射光束的至少一者；將該雷射光束從該燒結雷射傳送到該玻璃粉塵片上，以由該玻璃粉塵片形成一燒結玻璃片，其中該燒結玻璃片具有一平均厚度和一剛燒結平均翹曲，其中該燒結玻璃片的該平均厚度為小於500 μm；及對該燒結玻璃片施力，以形成一平坦玻璃片，其中該平坦玻璃片具有一平均翹曲，該平均翹曲小於該剛燒結平均翹曲；及其中當施力時，該燒結玻璃片高於該燒結玻璃片的一玻璃轉化溫度。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該剛燒結平均翹曲為大於1 mm，該平坦玻璃片的該平均翹曲為小於1 mm。
  3. 如請求項2所述之方法，其中該剛燒結平均翹曲為大於1 mm，該平坦玻璃片的該平均翹曲為小於50 μm。
  4. 如請求項1所述之方法，其中該平坦玻璃片的該平均翹曲為小於該剛燒結平均翹曲的50%。
  5. 如請求項1所述之方法，其中該施力持續1小時以下。
  6. 如請求項5所述之方法，其中在該施力期間，該燒結玻璃片位於一下板與一上板之間，該施力包括該上板重量。
  7. 如請求項6所述之方法，其中該下板具有一上表面，該上板具有一下表面，其中該上表面和該下表面的粗糙度Ra均大於500 nm。
  8. 如請求項7所述之方法，其中該燒結玻璃片加熱達1100℃-1800℃，其中該上表面和該下表面的粗糙度Ra均大於700 nm。
  9. 如請求項5所述之方法，其中該施力係在一封閉區進行，且該封閉區內具有一惰性大氣與一真空的至少一者。
  10. 如請求項1所述之方法，其中該燒結雷射係一CO雷射。
  11. 如請求項1所述之方法，其中該施力包括將一氣流引導至該燒結玻璃片的一表面及施加一真空於該燒結玻璃片的一表面的至少一者。
  12. 如請求項1所述之方法，其中該燒結玻璃片具有一第一主表面和一第二主表面，其中形成該玻璃粉塵片的該步驟及形成該燒結玻璃片的該步驟乃進行使該燒結玻璃片的該第一主表面的一粗糙度（Ra）在該第一主表面的至少一0.023 mm2 面積上面為0.025 nm至1 nm，其中該平坦玻璃片具有一第一主表面和一第二主表面，其中施力以平坦化該燒結玻璃片的該步驟乃進行使該平坦玻璃片的該第一主表面的一粗糙度（Ra）在該第一主表面的至少一0.023 mm2 面積上面為0.025 nm至1 nm。
  13. 一種高純度燒結二氧化矽玻璃片，包含： 一第一主表面；一第二主表面，相對該第一主表面；至少99.9莫耳%的二氧化矽；在該第一主表面與該第二主表面間的一平均厚度為小於500 μm；及一平均翹曲在至少一2500 mm2 面積上面為小於1 mm；其中該第一主表面的一粗糙度（Ra）在該第一主表面的至少一0.023 mm2 面積上面為0.025 nm至1 nm。
  14. 如請求項13所述之高純度燒結二氧化矽玻璃片，其中該平均翹曲在至少一2500 mm2 面積上面為小於50 μm。
  15. 如請求項13所述之高純度燒結二氧化矽玻璃片，其中該平均翹曲在至少一2500 mm2 面積上面為小於10 μm。
  16. 如請求項13所述之高純度燒結二氧化矽玻璃片，進一步包含低於1400℃的一虛擬溫度。
  17. 如請求項16所述之高純度燒結二氧化矽玻璃片，其中該虛擬溫度為1200℃至1300℃。
  18. 如請求項13所述之高純度燒結二氧化矽玻璃片，其中該燒結玻璃片的該第一主表面的該粗糙度（Ra）在該第一主表面的至少一0.023 mm2 面積上面為0.025 nm至0.2 nm。
  19. 如請求項13所述之高純度燒結二氧化矽玻璃片，其中該第一主表面包括複數個凸起與凹入特徵，每一特徵具有一長度和一寬度，其中在該第一主表面的至少一0.023 mm2 面積內，該凸起特徵的最大長度和最大寬度為小於10 μm。
  20. 如請求項19所述之高純度燒結二氧化矽玻璃片，其中該等凸起與凹入特徵彼此間隔開，而沿該第一主表面定義一平均節距及定義一平均節距變率，其中該平均節距變率為該平均節距的至少10%。
  21. 一種高純度燒結二氧化矽玻璃片，包含： 一第一主表面；一第二主表面，相對該第一主表面；至少99.9莫耳%的二氧化矽；在該第一主表面與該第二主表面間的一平均厚度為小於500 μm；及低於1400℃的一虛擬溫度。
  22. 如請求項21所述之高純度燒結二氧化矽玻璃片，其中該虛擬溫度為1200℃至1300℃。
  23. 如請求項21所述之高純度燒結二氧化矽玻璃片，進一步包含在該整片上面小於1 mm的一平均翹曲。
  24. 如請求項21所述之高純度燒結二氧化矽玻璃片，在該整片上面的該平均翹曲為小於10 μm，其中該第一主表面和該第二主表面各具大於2500 mm2 的一面積。
  25. 如請求項21所述之高純度燒結二氧化矽玻璃片，其中該燒結玻璃片的該第一主表面的一粗糙度（Ra）在整個該第一主表面上面為0.025 nm至0.2 nm。
  26. 如請求項21所述之高純度燒結二氧化矽玻璃片，其中該第一主表面包括複數個凸起與凹入特徵，每一特徵具有一長度和一寬度，其中該凸起特徵的一最大長度和一最大寬度為小於10 μm。
  27. 如請求項26所述之高純度燒結二氧化矽玻璃片，其中該等凸起與凹入特徵彼此間隔開，而沿該第一主表面定義一平均節距及定義一平均節距變率，其中該平均節距變率為該平均節距的至少10%。
  28. 一種製造一薄燒結二氧化矽片的方法，該方法包含： 對該燒結高純度融合二氧化矽片施加一力量，且該高純度融合二氧化矽片具有的二氧化矽含量為至少99.9莫耳%的SiO2 ，以形成一平坦二氧化矽片，其中該平坦二氧化矽片具有一平均翹曲，該平均翹曲小於剛燒結平均翹曲；及其中當施加該力量時，該燒結二氧化矽片高於該燒結玻璃片的一玻璃轉化溫度。
  29. 如請求項28所述之方法，其中該剛燒結平均翹曲為大於1 mm，該平坦二氧化矽片的該平均翹曲為小於1 mm。
  30. 如請求項28所述之方法，其中在該施加期間，該燒結二氧化矽片位於一下板與一上板之間，該施加力量包括該上板重量，其中該下板具有一上表面，該上板具有一下表面，其中該上表面和該下表面的粗糙度Ra均大於500 nm，其中該上板和該下板包含二氧化矽。
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