B2O3對(duì)LTPS用基板玻璃結(jié)構(gòu)和黏溫性能的影響

引言隨著電子顯示行業(yè)的高速發(fā)展，液晶顯示向著超薄、高清、高亮、低耗、低成本的方向邁進(jìn)，基于LTPS晶體管的顯示器逐步顯露于市場(chǎng)中。面對(duì)LTPS技術(shù)的面板制造，作為元件的基板玻璃需要具備更強(qiáng)的熱穩(wěn)定性、更高的應(yīng)變點(diǎn)。B2O3是玻璃網(wǎng)絡(luò)形成體，能提升玻璃的熱穩(wěn)定性，并降低高溫黏度。它還具有助熔作用，可加速玻璃的澄清。但其在玻璃中的表現(xiàn)也存在一些問(wèn)題，如易揮發(fā)、硼反常等，會(huì)導(dǎo)致玻璃最終的性能與理想設(shè)計(jì)產(chǎn)生差異。目前，已有多數(shù)學(xué)者對(duì)B2O3對(duì)玻璃性能的影響展開(kāi)研究，但都基于堿鋁硅酸鹽體系玻璃，對(duì)于LTPS用無(wú)堿基板玻璃體系相關(guān)信息尚少。本文在LTPS用基板玻璃組分配比基礎(chǔ)上，僅改變玻璃組分中B2O3含量，通過(guò)紅外光譜、X射線光電子能譜分析B2O3對(duì)LTPS用基板玻璃結(jié)構(gòu)的影響，同時(shí)研究B2O3對(duì)玻璃黏溫特性的影響，為新型顯示技術(shù)用基板玻璃料方開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支撐。實(shí)驗(yàn)依據(jù)無(wú)堿鋁硼硅酸鹽玻璃化學(xué)組成，設(shè)計(jì)5組玻璃化學(xué)料方配比，分別標(biāo)號(hào)為B1、B2、B3、B4、B5。配方中所用的玻璃原料包括：石英砂、氧化鋁、硼酸、氧化鎂、碳酸鈣、碳酸鍶、硝酸鋇、氧化錫。實(shí)驗(yàn)設(shè)備及作用：采用ES-I000E電子天平進(jìn)行玻璃配合料稱量，BLMT-1800℃升降高溫爐用于玻璃熔制，BLMT-1400℃馬弗爐用于玻璃試樣退火。利用OrtonRSV1600型高溫黏度計(jì)進(jìn)行黏溫測(cè)試，Orton退火應(yīng)變測(cè)試儀表征試樣退火點(diǎn)與應(yīng)變點(diǎn)，Orton軟化點(diǎn)測(cè)試儀表征試樣軟化點(diǎn)。以德國(guó)布魯克（Bruker）VERTEX70型傅里葉變換紅外光譜儀進(jìn)行玻璃紅外光譜表征，AXISSUPRA型X射線光電子能譜儀進(jìn)行試樣結(jié)構(gòu)分析。5組配方僅改變B2O3的含量，從B1到B5依次增加，配比見(jiàn)表1。準(zhǔn)確稱量玻璃配合料，充分混合后裝入鉑金坩堝，將坩堝置于高溫爐中進(jìn)行玻璃熔制。熔化好的玻璃快速在模具中澆鑄，待玻璃樣品定型后，立即移入退火爐中退火。熔制及退火工藝如圖1所示。圖1玻璃樣品熔制及退火工藝結(jié)果與討論（1）紅外光譜分析。紅外光譜作為分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)研究手段可用來(lái)定性分析物質(zhì)的化學(xué)組成。圖2為不同含量B2O3玻璃試樣的紅外分析譜圖，圖中反映出8處振動(dòng)吸收峰。圖2不同含量B2O3玻璃試樣紅外分析譜圖其中，1650cm-1和3500cm-1附近的兩個(gè)吸收峰是水的吸收特征峰，為測(cè)試過(guò)程中樣品吸潮所致。對(duì)照表2可以判斷，1450cm-1處為［BO3］伸縮振動(dòng)峰，B1、B2樣品此處的特征峰未顯現(xiàn)出來(lái)，而B(niǎo)3、B4、B5此處峰強(qiáng)逐漸增強(qiáng)，說(shuō)明隨著B(niǎo)2O3含量增加，B3+以［BO3］形式存在逐漸增多。680cm-1處為［BO3］的彎曲振動(dòng)峰，5個(gè)樣品此處的峰形及峰位逐漸增強(qiáng)，再次驗(yàn)證隨著B(niǎo)2O3含量增加，［BO3］增多。1064cm-1為［SiO4］與［BO4］伸縮振動(dòng)峰的合峰，950cm-1處是［BO4］的伸縮振動(dòng)峰，B1至B3在該處的峰形逐漸明顯，峰的強(qiáng)度也在增強(qiáng)，說(shuō)明伴隨著B(niǎo)2O3在玻璃中含量增多，B3+以［BO3］形式向［BO4］轉(zhuǎn)變，［BO4］含量增多。當(dāng)B2O3含量大于2.13%時(shí)，1064cm-1和950cm-1處的合峰強(qiáng)度略有降低，1450cm-1和680cm-1處［BO3］的振動(dòng)特征逐漸明顯，說(shuō)明B2O3含量繼續(xù)升高，體系中［BO4］逐漸平衡，參與［BO4］之外的B3+仍以［BO3］形式存在。770cm-1的振動(dòng)是O-Si-O伸縮振動(dòng)峰，即被游離氧斷鍵后形成的非橋氧鍵。B1、B2在該處峰的振動(dòng)強(qiáng)度較其余三個(gè)樣品的弱，B3、B4、B5振動(dòng)峰狀態(tài)相當(dāng)，但5個(gè)樣品該處的峰均較1064cm-1處弱。說(shuō)明隨著B(niǎo)2O3含量升高，玻璃中非橋氧的數(shù)量逐漸增多（僅為趨勢(shì)，總歸沒(méi)有橋氧多）；當(dāng)B2O3含量繼續(xù)升高，非橋氧數(shù)量維持平衡。總結(jié)來(lái)看，玻璃中B3+先以［BO3］形式存在，隨著B(niǎo)2O3含量升高，非橋氧的數(shù)量逐漸增多，［BO3］結(jié)合非橋氧形成［BO4］參與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，此時(shí)［BO4］增多，橋氧增多；隨著B(niǎo)2O3含量繼續(xù)升高，玻璃中［SiO4］含量尚未改變，網(wǎng)絡(luò)中的［BO4］維持穩(wěn)定，B3+將繼續(xù)以［BO3］形式存在。（2）X射線光電子能譜分析。圖3是不同含量B2O3樣品O1s的XPS譜圖。從圖3可以看出，可以判斷5個(gè)試樣隨著B(niǎo)2O3含量的增加，B1樣品到B2樣品，電子結(jié)合能升高，橋氧數(shù)量增加，B2～B5這4個(gè)樣品中的橋氧與非橋氧變化不大。圖4是試樣B1s的XPS譜圖，5個(gè)樣品的B1s峰形基本一致，B1到B2的峰位從190.5eV升高至192.8eV，B2、B3、B4、B5樣品的B1s峰位維持在193.2eV。由于四配位的硼電子結(jié)合能高于三配位的硼，所以B1到B2電子結(jié)合能的升高說(shuō)明［BO4］含量的相對(duì)升高。圖3不同含量B2O3樣品O1s譜圖圖4不同含量B2O3樣品B1s譜圖圖5是利用軟件對(duì)試樣O1s譜圖分峰擬合結(jié)果，非橋氧從39.11%升高至76.78%（僅為趨勢(shì)的反映，不代表玻璃中非橋氧的真實(shí)含量）。圖5不同含量B2O3樣品O1s擬合分析譜圖

此外通過(guò)軟件對(duì)試樣B1s譜圖分峰擬合結(jié)果，B4、B5試樣的［BO3］的含量相對(duì)高于B1～B3試樣。結(jié)合前述，可知B3+在玻璃中的變化狀態(tài)，即：先以［BO3］形式存在，并快速的向［BO4］轉(zhuǎn)變，使［BO4］相對(duì)含量增多，此時(shí)體系中橋氧數(shù)多，O1s和B1s電子結(jié)合能均向高能位偏移。當(dāng)B2O3含量繼續(xù)增加，參與玻璃結(jié)構(gòu)構(gòu)建的［BO4］足夠，橋氧數(shù)穩(wěn)定，其余B3+則以［BO3］形式存在，所以在擬合結(jié)果中有非橋氧數(shù)相對(duì)升高以及［BO3］含量的相對(duì)增加。（3）黏溫特性分析。不同含量B2O3玻璃試樣的黏溫曲線如圖6所示。圖6不同含量B2O3玻璃試樣黏溫曲線結(jié)論

在LTPS用無(wú)堿硼鋁硅酸鹽玻璃中，B3+以四配位的［BO4］和三配位的［BO3］形式存在，兩種配位的相對(duì)