康宁玻璃二次强化工艺
康宁玻璃二次强化工艺 Ting Bao was revised on January 6, 20021
一.前言
随着科技进步，触控面板制程技术演进日新月异，对于中国而言，2012年是智能手机爆发年成长的一年，根据统计2012年中国手机厂商设计与制造的智能手机出货量将可望突破2亿只。在平板计算机需求对5”~”寸触控屏的需求也是急增，预计今年中国平板计算机的出货量可能超过5500
万台。另外，NPD DisplaySearch在最近发布的触控面板市场与技术分析报告(Touch Panel Market Analysis)中特别指出，微软(Microsoft)将上市的Windows 8软件，对于触控功能的强化，将为平板计算机与笔记本电脑的触控面板需求，注入革命性的变化。就因触控产品的需求急遽上升，要求触控模块厂商降低成本与厚度，投射式电容触控技术加速轻薄化发展的市场新趋势，轻薄、坚固是目前触控面板研发的两大指标。
图年应用在Notebook与Tablet PC的触控面板产值(单位：百万美元)
根据SID(Society Information Display)分类规范，以触控面板整合迭构的不同，将触控技术分为三种(1)In-Cell(2)On-Cel(3)Out-Cell。
「In-Cell」为素玻璃经过ITO镀膜，然后再经过黄光制程，将触控传感器(Touch Sensor)与显示器TFT-LCD液晶面板制作在一起，再与保护玻璃(Cover Glass)贴合(如图2)，优点有产品光学效果较佳、产品轻薄度最高、灵敏度等，缺点是制程技术门坎较高、良率低，玻璃经过切割后抗压强度下降，需要进行二次强化弥补缺陷。而根据报导指出Apple将在2012下半年发表的iphone5将采用in cell技术。
五.化学二次强化制程与问题讨论—制程条件部分
化学二次强化制程相关的因素有：(1)HF化学成分与浓度的监控(2)化学蚀刻制程温度的管控(3)玻璃砂过滤处理问题(4)蚀刻槽体较佳流场设计与过滤系统整合。3 h-I!P6 T:p3 w8]
(1)HF化学成分与浓度的监控：由于化学二强主要是利用HF微蚀刻玻璃段面因切割产生的延伸性裂痕，使裂痕缩小甚至消失来提升产品的4pb能力，因此在制程中HF浓度会因为蚀刻SiO2而逐渐下降，影响到制程蚀刻速率，所以维持一定的HF浓度，稳定蚀刻速率是化学二强的制程重点。依据化学方程式说明(如图12)，HF和SiO2反应会生成氟化硅(SiF4)，在水中会水解生成氟化硅和氟酸，氟化硅与氟酸生成氟硅酸(六氟硅酸)，六氟硅酸可溶于水纯H2SiF6不稳定，容易分解生成HF
和SiF4。由GPTC二强实验数据(如图12)得知H2SiF6的增加会影响蚀刻速率(Etching Rate;ER)的下降，因此化学二次强化制程除了定时监控HF浓度外，一般会在固定时间或是固定量的投产批次内，将HF槽内的旧酸排放更新，让蚀刻速率回复水平。技术上来说使用氟离子侦测器或是水阻值计测量HF槽内的浓度或是水阻值表现，可计算出氟离子的浓度。另外，加入副方化学成分如HCl、
CH3CO2H对于蚀刻厚的玻璃表面也有不同的修饰效果
(2)化学蚀刻制程温度的管控：蚀刻制程为放热反应，若温度控制无法在适当的制程温度范围内将影响蚀刻速率的快慢。如图13两组实验数据讨论所示，数据1玻璃蚀刻为放热反应：起始温度℃升至℃à提高℃，数据2玻璃蚀刻为放热反应：起始温度℃升至℃à提高℃，不同起始温度经过长时间取样测量发现蚀刻温度逐渐增加，又蚀刻温度影响着蚀刻速率的变化，故选择一个温度点可接近放热反应的最终温度，可以稳定蚀刻速率和制程速率，这是化学二次强化制程调控上的重点。
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(3)玻璃砂过滤处理问题：
HF与SiO2反应会生成H4SiO4，而H4SiO4会沉淀下降形成所谓的玻璃砂，在蚀刻制程中若蚀刻时间越久，蚀刻玻璃的量就会越多，而玻璃砂就产生越多，玻璃砂若沉积在蚀刻槽体没有排除将影响玻璃蚀刻速率与表面质量，因此玻璃段面就容易出现凸点或是蚀刻不均的现象，影响蚀刻后的机械强度和模块的组装质量，所以化学二强制程中玻璃砂的过滤效果是否良好将决定产品出货时的良率状况。
(4)蚀刻槽体较佳流场设计与过滤系统整合：
若槽体流场设计不佳会导致玻璃砂无法有效的由玻璃表面带走，也会影响产品的质量，较佳的流场设计也会让酸液在最短时间内有效的混合均匀，让槽体各部位的蚀刻能力达到一致性，让产品蚀刻均匀度效果更佳;玻璃砂堆积严重者会堵塞机台管路，影响供酸循环系统效果，严重者影响蚀刻效率，使产品4pb改善效果降低，一般会设置过滤器(filter)来改善玻璃砂的问题。故设计良好的过滤系统和流场较佳的蚀刻槽体，是化学二强设备设计的重点。
「On-Cell」指将触控的感测组件(touch sensor)制作在TFT-LCD液晶面板中彩色滤光片(color filter)的上面，触控组件主要为ITO的x;y数组，为电容式触控(如图3)，由于on cell并没有带来明显的减薄和成本优势，市场都还没有形成，在in cell的趋起之后就已经式微了。
「Out-Cell」为将触控面板外挂在TFT-LCD面板上(如图4)，包含电阻式触控、红外线式触
控、波动式触控、光学式触控，以及电容式触控技术等。
目前较着名且广泛运用的新型Out-Cell触控技术为One Glass Solution(OGS)和Touch on lens(TOL)(如图5)，将ITO直接镀膜在cover lens glass，可省掉一片玻璃成本，制程上亦可节省一道贴合程序，touch panel成品厚度也较薄，可较G/G便宜约五成，较G/F便宜约15%，缺点是强化玻璃经过切割容易产生裂痕，造成产品机械抗压力下降。
二.机械抗压力测试手法与规范说明.
由触控面的制程区分来看,不管是in cell/on cell/out cell触控面板制程，或是未来有机会取代TFT-LCD产品的AMOLED，只要是有整合触控制程的触控面板产品都会面临玻璃切割制程问题，而玻璃切割后的机械抗压力，就一直是各触控面板制造商需面临的重大议题。大部分的触控面板厂是利用4-point bending test来测试产品的机械抗压力(如图6)，有些厂商用3-point bending test(如图7)，另外，有些产品也会用ball on ring(如图8)方式测试机械抗压力。如何在切割之
后可保持强化玻璃原有的机械抗压力，甚至将产品的机械抗压力提升，因此，物理方式和化学方式的玻璃二次强化技术就油然而生。
关于机械抗压力的测试手法与规范在此简单说明，首先会依据触控面板尺寸大小，设计不同规格轴距的制具去测试触控面板的4-point bending能力(简称4pb test)，并收集测试数据依照韦伯分布(Weibull distribution)作图，分析平均值(mean)和B10来确认产品规格是否符合客户要求。
由GPTC化学二强机台，在二强前后测试4pb，将数据经Weibull plot找出平均值和B10值(如图9)，而所谓的B10乃测试数据由小到大排列，经过韦伯分析的计算公式推算出10%的数据落点。数据处理部分会将群落数据的最大值和最小值拿掉以便找出最具参考性的数据。由实验数据可明显看出平均值在二强前为，经过二次化强后可提升到，B10可由上升到，可见化强效果明显，确实提
升OGS产品的机械抗压力。
三.玻璃二次强化制程种类与比较探讨2 U*C:B9 p
由于触控面板是由外部施加压力去进行感应组件的作动方式达到使用效果，因此产品的机械抗压力是各大厂商要求的重要规范与指标。在触控面板二次强化的制程分类中，一般可区分为物理方式和化学方式两种(如图8)。
物理方式而言，玻璃切割后段面的裂痕修整是利用研磨方式(polish)去进行二次强化的制程，优点是良率高，机械抗压力能力可明显提升数倍，缺点是产能很低，不具备量产性，且需要大量人力操作与机台设备，又制程相当费时，至少需30分钟才可产出一批货;相对而言，化学方式的强化制程乃是利用氢氟酸(Hydrofluoric Acid,HF)微蚀刻玻璃段面的切割裂痕，不但产能较大，量产性佳，且制程时间仅需7~8分钟即可产出一批产品，机械抗压力可提升4~8倍以上，只要将机台安全性设计完善，且规划流畅的作业动线，可将作业危害降到最低。最早期利用HF蚀刻玻璃边缘达到二次强化效果是由康宁在2010年8月24日在美国申请的一份专利，名称为Method of strengthening edge of glass article，是由Joseph 等人发表，文献于公告在2012年5月1日。后续产业界的化学二强设备的制程概念大都以其方式衍生。
四.二次化学强化制程与问题讨论—前段玻璃来料部分2 K7 W5 N:n$D:x&c3]
如何充份利用化学二次强化，有效率提升产品4pb能力，这牵涉不同前段制程玻璃来料和二次化强制程等因素。因为二次化强本身若蚀刻过久，产品外缘会产生水波纹造成外观不良，若蚀刻不足则裂痕无法消除或减轻，无法达到机械抗压力增加的目的，若是OGS产品蚀刻过久将有边缘BM脱落的问题，因此管控二次化强制程的蚀刻程度是一门重要的课题。
一般前段制程玻璃来料需要确认的是：(1)强化玻璃本身材质的特性(2)玻璃切割与磨边制程处理的条件(3)抗酸膜或是抗酸油墨的制程手法与涂布精度。
(1)强化玻璃本身材质的特性：玻璃材料若强化制程不同或是成份不同，其玻璃抗压性质就会有所区别，举例来说一般钠钙玻璃(Asahi Soda Lime Glass)的4pb数值会比Corning Gorilla玻璃还要低，这是因为Corning Gorilla玻璃为强化玻璃，由EDS分析(如图10)有发现钾离子的成份，而Asahi Soda Lime玻璃没有钾离子层份，此Gorilla玻璃其钾离子强化层约20~30μm，具有较佳的机械抗压力，换言之，若玻璃本身的离子强化层越厚，就具备较佳的抗4pb能力。
(参考数据:GPTC化学二次强化实验团队提供)!D$M'L2 R h9 f3 q!^)T: (s
(2)玻璃切割与磨边制程处理的条件：若玻璃切割与磨边制程不佳，会产生许多>100μm以上的延伸性裂痕(crack)，若要利用化学二次强化方式修补这样范围的延伸性裂痕，则会产生明显的玻璃边缘水波纹，对于现今OGS产品都走非遮蔽式的模块结合制程，水波纹没有办法借由模块框遮蔽，将会有外观不良的问题。而选择较佳的切割方式如调整切割下刀深度、切割角度，或是采用雷射切割方式，找到较佳的切割方向是必须的。另外，切割后的玻璃段面研磨(精雕)也是影响二次强化的主因之一，选择较高番数的砥石去进行磨边，降低延伸性裂痕的程度，将有助于化学二强的修补效果，但过高番数的精雕制程耗时且成本高，亦不具量产性。
(3)抗酸膜或是抗酸油墨的制程手法与涂布精度：目前化学二次强化业界都采用抗HF的薄膜进行贴附，在OGS制程流程(如图11)为在母基板(sheet)切割为成品(chip)之后，将抗酸膜贴附在chip上，然后将chip装置在Cassette中入HF蚀刻槽中进行玻璃段面微蚀刻制程，因此，抗酸膜贴覆的精度与气泡是否存在则关系到HF时刻的效果，倘若抗酸膜贴覆精度不佳则会影响OGS玻璃边缘的外观，严重者侵蚀到BM边缘，产品则需进行BM补色制程，降低产能。若是气泡产生则可能侵蚀到OGS上面的金属线路(metal or ITO pattern)，产品无法重工需报废处理，若气泡出现在玻璃
制程，其成本低(约1/4的抗酸膜成本)，不过技术上仍然有瓶颈存在，包括印刷精度问题和抗酸能力问题需要作提升。
六.结论
基于触控产业陆续蓬勃发展，触控产品本身的规格要求也日渐严苛，所有触控面板出货前都要批次性测试4pb test或是ball on ring test，且依据触控产品应用性其规格也各别定义，大部分的触控业者在玻璃切割制程都采用钻石刀轮切割外加精雕制程，雷射切割也有部分业者使用但成本过高，量产能力不佳，而且经过实验线数据得知近30%的雷射切割产品机械抗压性不足，需要进行二次强化(意即30%的4pb out spec)，因此玻璃二强制程设备是目前各LCD与触控面板业界急需扩充的重要投资之一，本文已经针对影响玻璃强化的重要制程参数，如：HF浓度控制、蚀刻温度控制、玻璃砂过滤、蚀刻槽体流场设计与过滤系统整合概念等，进行详细探讨与解说。弘塑科技公司(GPTC)在半导体湿式设备已经有超过10年以上的丰富经验，以半导体的设备开发规格与理念，加上对于化学清洗与蚀刻制程深入研究，运用在玻璃蚀刻和玻璃强化领域，可创造出更具有附加价值的技术，目前弘塑科技的薄化设备和强化设备已获得台湾各TFT-LCD与触控一线大厂(如：AUO、GTOC、Cando、CPTF等)的认同与肯定，设备的安全性、稳定性、精准性向来是弘塑科技产品设备基本的诉求，未来如或是3D的玻璃强化也将是弘塑科技在技术上发展的指标之一。