[发明专利]低温下的蚀刻速率提高

说明书

一种蚀刻玻璃材料的方法，该方法包含提供蚀刻剂，该蚀刻剂包含10‑30体积％HF、5‑15体积％HNO₃,和至少10体积％H₃PO₄，构成该蚀刻剂从而HF:HNO₃的体积比例是1.7:1到2.3:1,提供待蚀刻的玻璃材料,和使该玻璃材料接触所述蚀刻剂。理想地，该蚀刻剂不具有其它酸组分。该方法可在20‑30℃的蚀刻剂温度下实施。玻璃材料可为铝硅酸盐玻璃。可将超声能量施加到蚀刻剂、玻璃材料或两者。

背景

优先权

本申请根据35U.S.C.§119要求2013年01月21日提交的美国临时申请系列第61/837,887号以及2013年10月31日的美国临时专利申请号61/898,469的优先权，本文以该申请的内容为基础并通过参考将其完整地结合于此。

领域

本发明的主题总体涉及在不提高蚀刻剂温度的情况下增加玻璃湿法蚀刻方法的蚀刻速率的蚀刻方法和材料,具体来说涉及在不提高蚀刻剂的温度或氢氟酸含量的情况下增加玻璃湿法蚀刻方法的蚀刻速率，特别是用于铝硅酸盐玻璃。

背景技术

对硅酸盐玻璃在水性氢氟(HF)酸溶液中的湿法化学蚀刻的研究已进行了很多年。通常的工业实践常常包含使用HF和强的辅助矿物酸的二元混合物，所述强的辅助矿物酸包括例如盐酸(HCl)、硫酸(H₂SO₄)和硝酸(HNO₃)等。添加这些辅助的酸通常会提高蚀刻速率。

溶解于水中的HF是弱酸。已知HF的溶液包含H+、F-、HF2-离子和未溶解的HF分子。然而,就显著地溶解包含氧化硅的材料例如玻璃的能力而言，HF是性能最好的化学品或者性能最好的化学品中的一种。结果尽管成功地管理与HF的使用相关的显著的和广为人知的环境和健康风险需要花费和努力，但对于其中清洁或溶解氧化硅或其它类似材料的许多应用中，广泛使用HF。

对于给定的玻璃组合物，影响玻璃的蚀刻速率的基础因素包含HF酸的浓度、蚀刻剂温度以及物理搅拌的存在和量(通过流动、搅拌、施加声能或其它方式)。在给定的恒定温度下，增加HF酸浓度通常增加蚀刻速率。类似地,如果HF酸浓度保持恒定,提高温度将增加蚀刻速率。在许多工业应用中，通常需要较高的蚀刻速率来使得获得可接受的高通量。这通常通过使用升高的加工温度(加热的蚀刻剂)和/或通过使用具有较高HF浓度的蚀刻剂来实现。

具有较高HF浓度的蚀刻剂增加大多数金属合金的腐蚀速率，即在蚀刻系统中以及在相关的蒸气回收系统中的螺栓、铆钉和任何其他类似的可降解组件。在一些情况下，必须浸没于蚀刻溶液中来增强传热效率的一些类型的加热器和/或冷却器也成为苛刻的酸浓度的牺牲品，这导致需要频繁的系统维护来确保设备完整性不降低。在增加的HF浓度下，HF的蒸发速率增加。这需要使用增强性能的蒸气回收和安全系统来阻止有毒气体逃逸。

如果提高蚀刻剂温度，也会出现类似的问题。除了增加系统的可降解的组件的腐蚀速率以外,气体的蒸发速率随着温度的增加而增加，这需要增强的蒸气回收和安全装置和更频繁的维护来确保连续和安全的操作。

鉴于上述，需要在无须提高蚀刻剂温度和/或HF浓度的情况下，实现玻璃蚀刻速率的增加。

概述

康宁(Corning)之前开发了酸蚀刻方法，其利用HF和HNO₃(和水)的混合物来蚀刻玻璃。本发明提供改善的蚀刻剂，其包含HF和HNO₃和磷酸(H₃PO₄)的混合物,这使得该方法可在较低温度和较低HF浓度下操作，同时相对于HF和HNO₃的混合物仍然获得较高的蚀刻速率。