JP6348943B2 - 過渡吸収特性を有する透明材を用いたガラス封止 - Google Patents

過渡吸収特性を有する透明材を用いたガラス封止 Download PDF

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Description

関連出願の相互参照
本願は、２０１３年３月１５日に出願された米国特許出願第１３／８４１３９１号明細書ならびに２０１２年１１月３０日に出願された米国仮特許出願第６１／７３１，７８４号明細書の優先権を主張するものであり、本願はこれらに依拠し、これらの全文は引用により本明細書に組み込まれている。
本開示は、概して気密バリア層、より詳細には、低融点のガラスを用いた立体構造物を封止するために用いる方法および組成物に関する。
気密バリア層は、感光材を多種多様な有害な液体および気体への曝露から保護するために用いることができる。本明細書で用いる場合、「気密」とは、完全にまたはほぼ封止された状態を意味し、特に、水または空気の漏れまたは侵入に際して、他の液体およびガスへの曝露からの保護を意図している。
ガラスとガラスの結合技術は、隣接する基板間で加工物を挟持するために用いることができ、概して、ある程度の封入体を形成する。従来、プレートとプレートの封止技術等のガラスとガラス基板の結合は、有機接着剤または無機ガラスフリットを用いて行われる。長期稼働のための完全な気密状態を要するシステム装置の製造者は、有機接着剤（ポリマーまたはその他の物質）が、無機物の選択肢より桁違いに大規模な水および酸素に概して透過性のバリアを形成する理由から、概して、無機金属、ハンダまたはフリット系の封止材を好む。一方では、無機金属、ハンダまたはフリット系密封剤は不透性の封止の形成に用いることができるが、得られた封止界面は、気泡形成により散乱しセラミック相成分が分散する金属カチオン組成物のために、概して不透明である。
フリット系密封剤は、例えば、粒径が通常約２から１５０マイクロメートルの範囲で研磨されたガラス材を含む。フリット封止の用途では、通常、ガラスフリット材に同程度の粒径の熱膨張抑制材料を混合し、得られた混合物を、有機溶剤を用いたペーストと混和する。例示的な熱膨張抑制無機充填剤は、コージェライト粒子（例えばＭｇ２Ａｌ３［ＡｌＳｉ５Ｏ１８］）またはケイ酸バリウムを含む。溶媒は、混合物の粘度を調整するために用いる。
２つの基板を接合するために、ガラスフリット層は、基板の一方または両方の上に、スピンコーティングまたはスクリーンプリンティングによって、封止面に適用することができる。フリット被覆した基板を、まず、比較的低い温度で（例えば、２５０℃で３０分間）有機物質焼き尽くし工程に供し、有機ビヒクルを除去する。接合される２つの基板を、次いで個々の封止面に沿って組み合わせ／係合して、組み合わせた対を、ウエハ接合装置に配置する。熱圧縮サイクルを明確に規定した温度と圧力の下で実行することで、ガラスフリットが溶解し、緻密なガラスシールが形成される。
一定の鉛含有組成物を除いてガラスフリット材は、通常、ガラス遷移温度が４５０℃より高いため、バリア層を形成するために高温の処理が必要となる。そのような高温封止処理は、温度感受性の加工物に有害な場合がある。
更に、通常基板とガラスフリットの間に生じる熱膨脹率の不整合を低減するために用いる熱膨張抑制無機充填剤は、結合接合部に組み込むことで、透明でもなく半透明でもないフリット系バリア層が得られる。
前述の内容に基づくと、透明かつ任意選択的に密閉されたガラスとガラスのシールを低温で形成することが望ましい。
ここで開示される内容は、界面に低融点ガラス（ガラス転移温度が低い）封止材を用いて、対向したガラス基板の間にレーザー計測した界面を形成する方法である。この方法の実施形態は、レーザー放射線の過渡吸収と、封止部分に作用するガラス封止材とガラス基板の両方の局所的溶融との併用に関連する。封止が形成され、材料が冷却した後に得られるパッケージは透明である。
加工物を保護する方法は、第１のガラス基板の表面の大部分にガラス転移温度の低い封止層を形成する工程と、保護すべき加工物を第１の基板と第２の基板の間に配置し、封止層が第２の基板と接触している工程と、レーザー放射線を用いてガラス封止層およびガラス基板を局所的に加熱し、封止層とガラス基板を溶解させて、基板の間にガラスシールを形成する工程とを有してなる。ガラス基板によるレーザー放射線の吸収は、過渡的であり熱により誘起される。
レーザー放射線は、ガラス基板と連携して加工物の気密パッケージを画定することが可能な封止界面を画定するように変更することができる。例示的な加工物には、量子ドットがある。例示的なレーザー放射には、紫外線（ＵＶ）放射がある。
追加の特徴および利点は、後述の詳細な記載において説明するが、その一部はその記載から当業者にはすでに明らかであり、あるいは後述の詳細な記載、請求項、および添付の図面を含む本発明を、ここに記載のように実施することで認識できるであろう。
前述の概要および以下の詳細な記載が、本発明の実施形態を示しており、特許請求の範囲に記載された本発明の性質および特徴を理解するために、概要または枠組みを提供することを意図したものであることを理解しておくべきである。添付の図面は、本発明をさらに理解するために含まれ、本明細書に組み込まれ、その一部を構成している。図面は、本発明の様々な実施形態を示しており、その記載とともに、本発明の原則および運用を説明する役割を果たしている。
一実施形態に従ってレーザー封止により気密封止された装置の形成を示す概略図である。 異なるディスプレイ用ガラス基板の透過率と波長のプロット図である。 ケイ酸ガラスにおける紫外線吸収率の温度依存性を示すプロット図である。 低転移温度のガラス被覆ホウケイ酸ディスプレイ用ガラスにおける誘起吸収および回復を示す透過率と時間のプロット図である。 低転移温度のガラス被覆ホウケイ酸ディスプレイ用ガラスの透過率における出力の影響を示す透過率と時間のプロット図である。 異なるディスプレイ用ガラスの透過率と時間のプロット図である。 レーザー封止を経て形成されるスポット封止の写真である。 レーザー封止によって形成されるガラス溶着の一部分の平面写真図である。 レーザー封止によって形成されるガラス溶着の一部分の平面写真図である。 低融点ガラス層を用いて封止したＬＥＤ組立体の例の概略図である。 低融点ガラス層を用いて封止したＬＥＤ組立体の例の概略図である。 低融点ガラスシールを含むＬＥＤ組立体のさらなる例である。 低融点ガラスシールを含むＬＥＤ組立体のさらなる例である。 低融点ガラスシールを含むＬＥＤ組立体のさらなる例である。 低融点ガラスシールを含む例示的な真空断熱ガラスのウインドウである。
本明細書に開示される封止技術は、気密封止された有機ＬＥＤディスプレイの製造に関するある特定の実施形態に記載されているが、同じまたは類似の封止技術は、多種多様な用途および装置に使用可能な２枚のガラス板を相互に封止するために用いることができる。したがって、本開示の封止技術は、限定された方法によるものとは解釈されてはならない。例えば、薄膜センサーおよび真空絶縁ガラスウインドウは、本発明の方法を用いて製作することができる。
封止された構造体は、対向するガラス基板と、基板間の界面で形成された低融点のガラス封止層を含んでいる。レーザーは、局所的に封止材および個々の基板を加熱して、封止部分に作用を及ぼすために用いることができる。封止を行う間に、封止材を溶解し再凝固してシールを形成する。実施形態では、基板の一方または両方の基板の材料はまた、溶解し再凝固された封止材に近接する領域で溶解され再凝固される。そのような実施形態では、基板材が一部の封止界面を構成することで、ガラスとガラスの溶着部分が生じる。
実施形態では、ガラス基板は、入射するレーザー放射線の過渡的な吸収を示す。封止ガラスによる最初の吸収により、封止ガラス材は溶解し、主にガラス基板温度の局所的上昇により、ガラス基板によるレーザー放射線の過渡的な吸収が誘起され、基板の局所的溶融を生じさせることができる。封止処理が完了した後、ガラス基板による吸収は減衰し、光学的に透明なシールが得られる。
ここで用いられる過渡吸収は、概して、光が誘起した欠陥部分のさらなる吸収を伴う任意な光と材料の相互作用を指し、色中心の形成を含んでいる。過渡吸収の特徴は、単純な線形吸収に加えて、励起波長で材料においてさらに吸収が起きる点である。したがって、様々な実施形態において、ガラス基板によるレーザー放射線の過渡吸収は、基板材の温度を上昇させることによって生じる場合がある。過渡吸収は、多光子過程を含む場合がある。
ピコ秒パルス幅とは対照的に、いくつかのガラス材では純粋に非線形な吸収現象が観察され、本明細書に記載される方法は、比較的長い（１〜１０ｎｓ）レーザーパルスでのガラス基板材の非線形吸収を伴っている。例えば、３５５ｎｍレーザーを例えば約３０ｋＨｚの反復周波数で動作させた場合の通常の出力密度は、約０．５〜１ＭＷ／ｃｍ２である。
本明細書で用いる場合、「誘起吸収」という用語は、レーザー照射に曝露した際の、ガラスの内部透過率における差のセンチメートル単位の絶対値を指す。とりわけ興味深いことは、約３５５ｎｍでの誘起吸収であり、約３５５ｎｍで動作させると、約７０μＪ／（ｐｕｌｓｅ・ｃｍ２）で１００億パルスを発生するエキシマレーザーに曝露した時の誘起吸収を意味する。
したがって、実施形態において、ガラス基板／封止ガラス／ガラス基板界面に入射したレーザー放射線は、まず封止ガラス材によって吸収され、溶融形成を誘起し、次に局所的に温度を上昇させ、一時的に隣接するガラス基板材の吸収特性を変更させる。ガラス基板材における温度上昇は、封止ガラスからの熱伝導や、照射による温度誘導性の吸収増大により発生する場合がある。ガラス基板によるレーザー放射線の過渡吸収により、封止ガラスの局所溶融に加えて、ガラス基板材に局所溶融を生じさせて、ガラスとガラスの間にシールを形成することができる。例えば、Ｅａｇｌｅ２０００（登録商標）ガラスは、約８３０℃の温度で軟化する。レーザー放射線を除去し、封止領域を冷却した時に、ガラス基板材の吸収特性は、予備処理後の状態、すなわち、光学的に透明な状態に戻る。
封止部分の完全性およびその強度は、基板ガラスの緩徐な冷却（自己焼なまし）と、それに伴う色中心の緩和、ならびに低融点封止ガラスの相対薄さによって維持され、あらゆる熱膨張率の不整合の影響が最小化する。封止領域において熱膨張率の不整合を更に最小化するものは、溶接部内の不整合な材料の内部拡散であり、これにより効率的に膨張の不整合が緩和される。
本発明の方法は、気密封止されたパッケージを形成するために用いることができる。更なる実施形態において、この方法は、密閉されていないガラスパッケージのスポット封止の形成に用いることができる。
一実施形態に係る封入体加工物を形成する方法を、図１に図式的に示している。初期の工程では、低融点の（すなわち低転移温度の）ガラスを含むパターン形成されたガラス層３８０を、第１の平面ガラス基板３０２の封止面に沿って形成する。ガラス層３８０は、物理蒸着、例えば、スパッタリングターゲット１８０からのスパッタリングによって、蒸着することができる。一つの実施形態では、ガラス層は、第２のガラス基板３０４の封止面と係合するように適合された周辺の封止面に沿って形成することができる。図示の実施形態において、第１および第２の基板は、係合するように構成されると、ガラス層と連携して、保護すべき加工物３３０を収容する内部容積３４２を画定する。組立体の分解画像を示す図示の実施形態では、第２の基板は、加工物３３０を載置する嵌込部を備えている。
レーザー５００からの集束レーザー光線５０１を用いて、局所的に低融点のガラスを溶解させることができ、隣接するガラス基板材は、封止界面を形成する。１つの手法では、レーザーは、第１の基板３０２を通して焦束させ、次いで、封止面全体を通過（走査）させることで、局所的にガラス封止材を加熱することができる。ガラス層を局所的に溶融させる場合、ガラス層がレーザー加工波長で吸収していることが好ましい。ガラス基板は、最初はレーザー加工波長において透過性とすることができる（例えば、少なくとも５０％、７０％、８０％または９０％の透過性）。
代替的な実施形態では、ガラス層にパターン形成を行う代わりに、封止（低融点）ガラスの包括層を、第１の基板表面のほぼ全体に亘って形成することができる。第１の基板／封止ガラス層／第２の基板を含む組立構造体は、上述のようにして組み立てることができ、レーザーは、２つの基板の間に局所的な封止界面を画定するために用いることができる。
レーザー５００は、封止部分に作用する任意の適切な出力を有することができる。例示的なレーザーは、３５５ナノメートルのレーザー等の紫外線レーザーであり、それは一般的なディスプレイ用ガラスの場合の透過度の範囲内である。適切なレーザー出力は、約５Ｗから約６．１５Ｗとすることができる。
レーザースポットサイズと比例し得る封止領域の幅は、約０．１〜２ｍｍ、例えば、０．１、０．２、０．５、１、１．５、または２ｍｍとすることができる。レーザーの走査速度（すなわち、封止速度）は、約１ｍｍ／秒から１００ｍｍ／秒の範囲（例えば１、２、５、１０、２０、５０、または１００ｍｍ／秒）とすることができる。レーザースポットサイズ（直径）は、約０．５〜１ｍｍとすることができる。
適切なガラス基板は、封止の間、顕著な誘起吸収を示す。実施形態では、第１の基板３０２は、Ｃｏｒｎｉｎｇ社がＣｏｄｅ １７３７ガラスまたはＥａｇｌｅ ２０００（登録商標）ガラスの商標名で製造販売しているような透明なガラス板である。代替的に、第１の基板３０２は、例えば、任意の透明なガラス板、旭硝子（例えば、ＡＮ １００ガラス）、日本電気硝子（例えば、ＯＡ−１０ガラスまたはＯＡ−２１ガラス）、あるいはサムスンコーニング精密ガラス社（Ｓａｍｓｕｎｇ Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｇｌａｓｓ Ｃｏ．）が製造および販売するガラス板とすることができる。第２の基板３０４は、第１のガラス基板と同じガラス材であってもよく、あるいは第２の基板３０４は、不透明な基板であってもよい。ガラス基板は、約１５０ｘ１０−７／℃未満、例えば、５０ｘ１０−７、２０ｘ１０−７、または１０ｘ１０−７／℃未満の熱膨張係数を有する場合がある。
図２には、様々なディスプレイ用ガラス基板に関する透過率と波長のプロット図を示している。ガラスＣは、フロート法を用いて製造される市販の無アルカリＬＣＤ（液晶ディスプレイ）ガラスである。ガラスＡは、市販のアルミノケイ酸塩ディスプレイ用ガラスである。ガラスＢは、ヒ素、アンチモン、バリウムまたはハロゲン化物の添加物を含有していない、Ｃｏｒｎｉｎｇ社より販売されるホウケイ酸ＬＣＤガラスである。ディスプレイ用ガラス基板の各々は、３５５ｎｍで、約８０％から９０％の透過率を示す。
温度依存性のケイ酸ガラスの紫外線の吸収限界は、図３に示している。２７３Ｋで約８ｅＶの吸収限界は、１７７３Ｋで６．５ｅＶ未満に低下している。以上から、上記のように、そのような材料は、温度誘起性の過渡吸収を示す場合がある。
図４には、厚さ１マイクロメートルの低融点ガラスの層が基板表面の大部分に形成されたＥａｇｌｅ ２０００（登録商標）ガラス基板の、３５５ｎｍ透過率での動的な変化を示している。図４は、０秒から１５秒の間の透過率の低下（吸収率の上昇）を示しており、この後、紫外線レーザーのスイッチを切ると、誘起吸収が急速に回復する。図４を参照してわかるように、過渡吸収は可逆性かつ反復性であるため、透明な封止の形成を可能にしている。ガラス基板によるレーザー放射線の吸収は、レーザーへの曝露（および温度上昇）とともに、当初の２〜１０％から４０％以上に上昇させることができる。
実施形態では、室温でのガラス基板によるレーザー加工波長の吸収率は、１５％未満である。ただし、高温（例えば、４００℃超）でのガラス基板によるレーザー加工波長の吸収率は、１５％を超える。実施形態では、ガラス基板材よる吸収率は、ガラス基板の温度の上昇に伴い、例えば、２０、３０、４０、５０、６０％またはそれ以上の値まで上昇する。封止の間、封止界面に近接するガラス基板の温度は、少なくとも４００、５００、６００、７００または８００℃まで上昇する。
図５は、ディスプレイ用ガラス基板上に形成される単層の（〜０．５μｍ）低転移温度封止ガラスにおける、レーザー出力の効果を示している。低出力では、透過率の初期の減少は、低転移温度封止ガラス材が溶解する時の吸収率の変化に起因して起こり得る。低転移温度封止ガラスの吸収および溶融は、第１の定圧領域において観察され、ディスプレイ用ガラス基板に対する熱伝導は、処理時間がより長くなると、基板温度がその軟化温度に向かって上昇するのに伴って、ガラス基板による吸収を誘起させることができる。基板は、レーザー出力の作用によって、さらに吸収させることができる。図５では、低転移温度封止ガラスによる吸収は、約３秒の時点で（秒後に）確認でき、ガラス基板による誘起吸収は、５Ｗの入射レーザー出力の場合、約１７秒の時点で確認できる。ガラス基板による吸収は、入射レーザー出力を上昇させることで、より短い処理時間に誘起させることができる。５．５Ｗでは、例えば、ガラス基板による温度誘起吸収は、約９秒の時点で確認できる。６．１５Ｗでは、個々の吸収現象が、ほぼ同じ時間に発生する。
図６は、３つの異なるディスプレイ用ガラス基板に関する、基板組成物におけるレーザー誘導溶融の変動を示す透過と時間のプロット図である。図６において、曲線Ａは、無アルカリホウケイ酸ＬＣＤガラスに対応しており、約６秒の時点で軟化を示す。曲線ＢおよびＣは、ホウケイ酸ＬＣＤガラスに対応する。曲線Ｂガラスは、約１１秒の時点で軟化を示し、基本的にヒ素、アンチモンおよびハロゲン化物を含まない曲線Ｃは、約４４秒の時点で軟化を示す。誘導結合プラズマ質量分析（ＩＣＰ−ＭＳ）によって測定した、曲線Ｂのガラスと曲線Ｃのガラスの主な組成物の差を表１にまとめている。
Figure 0006348943
本開示の様々な実施形態において、ガラス封止材および得られた層は、透明および／または半透明の淡い不透過性の「緑色」であり、低温で気密封止を形成するように構成され、封止材と隣接するガラス基板との熱膨張率の大きな差を受け入れるのに十分な封止強度備えている。実施形態において、封止層は充填剤を含まない。更なる実施形態において、封止層は結合剤を含まない。なお更なる実施形態において、封止層は充填剤も結合剤も含まない。更に、気密封止の形成に、有機添加物は用いられていない。封止層の形成に用いる低融点のガラス材は、フリットベースのものではない、すなわち粉ガラスから得られた粉末ではない。実施形態では、封止層の材料は、封止処理において用いられるレーザーの動作波長と適合またはほぼ適合する所定の波長で大きな光吸収断面を有する低転移温度のガラスである。
実施形態では、低転移温度のガラス層おける室温でのレーザー加工波長の吸収率は、少なくとも１５％である。
一般的に、適切な封止材は、低転移温度ガラスと、十分な反応性を有する銅またはスズを含む。ガラス封止材は、りん酸塩ガラス、ほう酸塩ガラス、テルライトガラス、およびカルコゲナイドガラス等の低転移温度の材料から形成することができる。本明細書に定義するように、低転移温度のガラス材は、ガラス遷移温度が、４００℃未満、例えば、３５０、３００、２５０または２００℃未満である。
例示的なホウ酸およびリン酸ガラスは、リン酸スズ、フルオロリン酸スズ、およびフフルオロホウ酸スズを含む。スパッタリングターゲットは、そのようなガラス材、または代替的にはその前駆物質を含むことができる。例示的な銅および酸化スズは、これらの材料の圧縮粉末を含むスパッタリングターゲットから形成可能な、ＣｕＯ（酸化銅）およびＳｎＯである。
任意選択的に、組成物を封止するガラスは、これらに限定されるものではないが、タングステン、セリウムおよびニオブを含む１つ以上のドーパントを含むことができる。そのようなドーパントは、含まれていると、例えば、ガラス層の光学特性に影響を及ぼす場合があり、ガラス層によるレーザー放射線の吸収を制御するのに用いることができる。例えば、セリアを用いたドーピングは、レーザー加工波長での低転移温度のガラスバリアによる吸収を増大させることができる。
例示的なフルオロホウ酸スズガラスの組成は、それぞれＳｎＯ、ＳｎＦ２およびＰ２Ｏ５の組成物ごとに、対応する３元系相図において表すことができる。適切なフルオロホウ酸スズガラスは、２０〜１００ｍｏｌ％のＳｎＯ、０〜５０ｍｏｌ％のＳｎＦ２、および０〜３０ｍｏｌ％のＰ２Ｏ５を含む。これらのフルオロホウ酸スズガラスの組成は、０〜１０ｍｏｌ％のＷＯ３、０〜１０ｍｏｌ％のＣｅＯ２、および／または０〜５ｍｏｌ％のＮｂ２Ｏ５を任意選択的に含むことができる。
例えば、ガラス封止層の形成に適した、ドープされたフルオロホウ酸スズ出発原料の組成は、３５〜５０モルパーセントのＳｎＯ、３０〜４０モルパーセントのＳｎＦ２、１５〜２５モルパーセントのＰ２Ｏ５、１．５〜３モルパーセントのＷＯ３、ＣｅＯ２および／またはＮｂ２Ｏ５等のドーパント酸化物を含む。
一つの特定の実施形態に係るフルオロホウ酸スズガラスの組成は、約３８．７ｍｏｌ％のＳｎＯ、３９．６ｍｏｌ％のＳｎＦ２、１９．９ｍｏｌ％のＰ２Ｏ５および１．８ｍｏｌ％のＮｂ２Ｏ５を含むニオブをドープした酸化スズ／フルオロホウ酸スズ／五酸化二リンガラスである。そのようなガラス層の形成に用いることができるスパッタリングターゲットは、原子モルパーセントに換算すると、２３．０４％のＳｎ（スズ）、１５．３６％のＦ（フッ素）、１２．１６％のＰ（リン）、４８．３８％のＯ（酸素）および１．０６％のＮｂ（ニオブ）を含むことができる。
代替的な実施形態に係るリン酸スズガラスの組成は、原子モルパーセント単位で、約２７％のＳｎ、１３％のＰおよび６０％のＯを含むスパッタリングターゲットから得ることが可能な約２７％のＳｎ、１３％のＰおよび６０％のＯを含む。以上から理解できるように、本明細書に開示される様々なガラス組成物は、蒸着層の組成物、またはソーススパッタリングターゲットの組成物を指す場合がある。
フルオロホウ酸スズのガラス組成物と同じく、例示的なフルオロホウ酸スズのガラス組成物は、それぞれ、ＳｎＯ、ＳｎＦ２およびＢ２Ｏ３の組成物の３元系相図に照らして表わすことができる。適切なフルオロホウ酸スズのガラス組成物は、２０〜１００ｍｏｌ％のＳｎＯ、０〜５０ｍｏｌ％のＳｎＦ２、および０〜３０ｍｏｌ％のＢ２Ｏ３を含む。これらのフルオロホウ酸スズガラスの組成は、任意選択的に、０〜１０ｍｏｌ％のＷＯ３、０〜１０ｍｏｌ％のＣｅＯ２、および／または０〜５ｍｏｌ％のＮｂ２Ｏ５を含むことができる。
適切な低転移温度のガラス組成物の追加の態様およびこれらの材料からガラス封止層を形成すために用いられる方法は、同一出願人による米国特許第５，０８９，４４６号、ならびに米国特許出願第１１／２０７，６９１号、同第１１／５４４，２６２号、同第１１／８２０，８５５号、同第１２／０７２，７８４号、同第１２／３６２，０６３号、同第１２／７６３，５４１号、および同第１２／８７９，５７８号の各明細書に開示されており、その内容の全体は参照により本明細書に組み込まれている。
ガラス封止層の総厚さは、約１００ｎｍから１０マイクロメートルの範囲とすることができる。様々な実施形態において、層の厚さは、１０マイクロメートル未満、例えば、１０、５、２、１、０．５または０．２マイクロメートル未満とすることができる。例示的なガラス封止層の厚さは、０．１、０．２、０．５、１、２、５または１０マイクロメートルである。
実施形態によると、封止層材料およびガラス基板上に封止層を形成するための処理条件の選択は、極めて柔軟であり、それによって基板がガラス層の形成によって悪影響を受けることはない。
低融点のガラスは、異なる種類の基板を封止または結合するために用いることができる。封止可能なおよび／または接合可能な基板には、窒化ガリウム、石英、シリカ、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウムまたはサファイアの基板を含むガラス、ガラスとガラスの積層材、ガラスポリマー積層材、ガラスセラミック、またはセラミックがある。実施形態において、１つの基板は、例えば、発光装置の組立体に使用可能なリン含有ガラス板であり得る。
ガラス基板は、任意の適切な寸法を有することができる。基板は、個々に、１ｃｍから５ｍ（例えば、０．１、１、２、３、４または５ｍ）の（長さおよび幅）寸法の面積と、約０．５ｍｍから２ｍｍ（例えば、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１．０、１．２、１．５または２ｍｍ）の範囲の厚さの寸法を有することができる。更なる実施形態において、基板の厚さは、約０．０５ｍｍから０．５ｍｍ（例えば、０．０５、０．１、０．２、０．３、０．４または０．５ｍｍ）の範囲とすることができる。さらに別の実施形態において、ガラス基板の厚さは、約２ｍｍから１０ｍｍ（例えば、２、３、４、５、６、７、８、９または１０ｍｍ）の範囲とすることができる。
例えば、金属硫化物、金属ケイ酸塩、金属アルミン酸塩または他の適切なリンの１つ以上を含む、リン含有ガラス板は、白色ＬＥＤランプにおいて波長変換板として用いることができる。白色ＬＥＤランプは、通常、青色光を発するためにＩＩＩ族ニトリド化合物半導体を用いて形成された青色ＬＥＤチップを含む。白色ＬＥＤランプは、例えば、照明装置または液晶表示装置のバックライトとして用いることができる。本明細書に開示される低融点のガラスおよび関連の封止方法は、ＬＥＤチップを封止あるいは封入するために用いることができる。
開示の材料および方法を用いる加工物の気密封入は、封止しなければ酸素および／または湿気に触れることで劣化し易くなる装置の動作寿命を延命させている。例示的な加工物、装置または用途には、可撓性、剛性または半剛性の有機発光ダイオード、有機ＬＥＤ照明、有機ＬＥＤテレビ、光起電力、ＭＥＭＳ（微小電子機械システム）ディスプレイ、エレクトロクロミックウインドウ、蛍光体、アルカリ金属電極、透明導電酸化物、量子ドット、他がある。
本明細書で用いる場合、気密層は、実際の用途において、湿気および／または酸素に対してほぼ気密性かつほぼ不浸透性であると見做される層である。例証として、気密封止は、酸素の蒸散（拡散）を、約１０−２ｃｍ３／ｍ２／日未満（例えば、約１０−３ｃｍ３／ｍ２／日未満）まで、水の蒸散（拡散）を約１０−２ｇ／ｍ２／日未満（例えば、約１０−３、１０−４、１０−５または１０−６ｇ／ｍ２／日未満）に制限するように構成することができる。実施形態において、気密封止は、保護された加工物が空気や水に接触するのをほぼ抑制している。
図７は、２つのディスプレイ用ガラス基板の間のスポット封止を示す光学顕微鏡写真の平面図である。封止領域の直径は、約０．５ｍｍである。
図８Ａおよび図８Ｂは、２つのディスプレイ用ガラス基板の間の封止界面の一部分を示す光学顕微鏡写真の平面図である。図８Ａは、約０．５ｍｍの幅を有する封止界面を示す。図８Ｂは、封止界面に隣接した未封止領域の平面図である。
一部のＬＥＤ組立体を示す簡略図を、図９ａおよび図９ｂに示している。様々な実施形態に係る組立体の成分を図９ａに示し、組み立てた構造物の例は図９ｂに示している。ＬＥＤ組立体９００は、放射体９２０、波長変換板９４０および量子ドット部分組立体９６０を含む。下記でより詳細に説明するように、ガラス層はＬＥＤ組立体の様々な成分を結合および／または封止するために用いることができる。図示の実施形態において、波長変換板９４０は、放射体９２０上に直接配置され、量子ドット部分組立体９６０は、波長変換板９４０の上に直接配置されている。
ＬＥＤ組立体９００の１つの成分は、様々な実施形態において上部プレート９６２ａ、９６２ｂおよび下部プレート９６４の間に配置された複数の量子ドット９５０を含む、量子ドットの部分組立体９６０である。１つの実施形態において、量子ドットは、上部プレート９６２ａ、下部プレート９６４およびガラス被覆ガスケット９８０によって画定された空隙９６６ａ内に配置される。代替的な実施形態において、量子ドットは、上部プレート９６２ｂに形成され上部プレート９６２ｂと下部プレート９６４によって画定された空隙９６６ｂ内に配置される。第１の実施形態において、上部プレート９６２ａおよび下部プレート９６４は、個々のガラス層９７０を有するガラス被覆ガスケット９８０により、それぞれの接触面に沿って封止することができる。第２の実施形態において、上部プレート９６２ｂおよび下部プレート９６４は、ガラス層９７０によって、それぞれの接触面に沿って直接封止できる。図示していない実施形態において、量子ドットは、低融点ガラスによって空隙９６６ａ、９６６ｂの中に封入することができる。
熱圧縮応力は、上部プレートと下部プレートの間の封止部分に作用させるべく適用することができ、あるいは界面は、ガラス層上またはその近傍に上部または下部のプレートのいずれかを介して適切なレーザーを焦束させることで、レーザー封止することができる。
ＬＥＤ組立体９００のさらに別の成分は、放射体９２０であり、その放射体の出力側に渡って波長変換板９４０が形成されている。放出体９２０は、窒化ガリウムウエハー等の半導体材を含むことができ、波長変換板９４０は、リンが封埋または浸潤された粒子を有するガラスまたはセラミックを含むことができる。実施形態では、低融点ガラスは、放出体の封止面を波長変換板の封止面と直接結合するために用いることができる。
例示的な光起電性（ＰＶ）装置または有機発光ダイオード（有機ＬＥＤ）装置の構造を含む代替的な実施形態を、図１０に図示している。図１０ａで示すように、能動素子９５１は、空隙の中で配置されるそれは、上部プレート９６２ａ、下部プレート９６４およびガラス被覆ガスケット９８０によって画定される。ガラス層９７０は、上部プレートの対抗封止面とガラス被覆ガスケットの間、ならびにガラス被覆ガスケットと下部プレートの間に、それぞれ形成することができる。図１０ａに示す幾何学的構造は、図１０ａの上部ガラス層がガスケット９８０を備えた接触面を超えて拡がる点以外は、図９ａの幾何学的構造と類似している。そのような手法は、上部ガラス層のパターニング工程を省略し得るほど有益な場合がある。有機ＬＥＤディスプレイの例では、能動素子９５１は、陽極と陰極の間に挟持された有機放出体の堆積物を含むことができる。陰極は、例えば、反射性の電極または透明電極であってもよい。
図１０ｂには、能動素子９５１が、共形ガラス層９７０を用いて上部プレート９６２ａと下部プレート９６４の間に封入された幾何学的構造物を示している。図１０ｃには、能動素子９５１が、上部プレート９６２ａと下部プレート９６４によって画定される空隙内に配置された構造物を示している。図１０Ｃに示す幾何学的構造は、図１０ｃのガラス層が上部と下部のガラス板の間で接触面を超えて拡がる点以外は、図９ｂの幾何学的構造と類似している。
個々の封止面の間に封止部分または結合部分を形成するために、まず最初に、ガラス層を表面の一方または両方の上に形成することができる。一つの実施形態では、ガラス層を、結合される表面の各々に形成し、それら表面を１つにした後、焦束レーザーを用いて、ガラス層と隣接する封止面材を溶解し、封止を形成する。さらに別の実施形態では、ガラス層を、結合される表面の１つのみの上に形成し、ガラスを被覆した面とガラスを被覆していない面を１つにした後、焦束レーザーを用いて、ガラス層と結合される個々の表面を局所的に溶解し、封止を形成する。
２つの基板を結合する方法は、第１の基板の封止面上に第１のガラス層を形成する工程と、第２の基板の封止面上第２のガラス層を形成する工程と、第１のガラス層の少なくとも一部分を第２のガラス層の少なくとも一部分に物理的に接触させて配置する工程と、ガラス層を加熱し局所的にガラス層および封止面を溶解させて第１および第２の基板の間でガラスとガラスの溶着部分を形成する工程とを含んでいる。
代替的な実施形態では、本明細書に開示される封止手法は、真空絶縁ガラス（ＶＩＧ）ウインドウを形成するために用いることができ、その場合に、前述の能動素子（例えば放出体、集光器または量子ドット構造物）は、構造体から省かれ、低融点ガラス層は、マルチペインウインドウにおいて、複数のペインウインドウの対向するガラス枠間の個別の結合界面を封止するために用いられる。簡略化したＶＩＧ（真空絶縁ガラス）のウインドウ構造物は、図１１に示しており、対抗するガラスペイン９６２ａと９６４は、個々の周縁封止面に沿って配置されたガラス被覆ガスケット９８０で分離されている。
本明細書に開示される封止構造の各々において、低融点ガラス層を用いた封止は、封止界面に近接して配置されたガラス層とガラス基板材の両方を、局所的に加熱し、溶融した後に、冷却することで、達成できる。
本明細書で用いる場合、名詞は、別段の明確な記載がない限り、複数の指示対象を含む。したがって、例えば、「ガラス基板」を指示対象とする場合は、別段の明確な記載がない限り、２つ以上のそのような「ガラス基板」を有する例も含まれる。
範囲は、本明細書では、「およその」１つの特定の値からおよび／または「およその」別の特定の値までを表現している場合がある。そのような範囲が表現される場合は、一つの特定の値からおよび／または別の特定の値までが、例に含まれる。同様に、値が、「およその」という先行詞を用いて近似値で表される場合は、特定の値が別の局面を形成していることが理解されよう。範囲の各々の終末点が、他の終末点と関連する場合と、他の終末点と無関係な場合の両方において重要であることが、さらに理解されるであろう。
別段の明示的な記載がない限り、本明細書に記載の任意の方法は、その工程が固有の順番で実行されることを必要とはしていない。したがって、方法の請求項は、実際には、追従されるべき順番について記載しておらず、あるいは特別に、請求項または明細書の記述において、工程が固有の順番に限定されると述べられていない場合は、任意の特定の順番を推察することが、意図されることはない。
本明細書の記述が、ある特定の方法で「構成された」成分または「適合された」機能に言及している点にも留意されたい。この点に関して、そのような成分は、特定の性質、または特定の方法における機能を具体化するために「構成された」または「適合された」ものであり、その場合に、そのような説明は、使用目的の説明とは対比した構造の説明となる。より詳細には、本明細書において、成分が「構成された」か、「適合された」方法に対する言及は、成分の既存の物理的状態を意味しており、したがって、成分の構造的特長の明確な説明と見做されるべきである。
当分野の技術者にとって、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、様々な変更例および変形例を構築し得ることはあきらかである。本発明の精神および実体包含した開示の実施形態の変更例、組合せ、部分的組合せ、および変形例は、当業者には可能であることから、本発明は、添付の請求項およびそれらの等価物の範囲内のあらゆるもの含むものと解釈されなければならない。
１８０ スパッタリングターゲット
３０２、３０４ 基板
３３０ 加工物
３４２ 内部容積
３８０ ガラス基板
５００ レーザー
５０１ レーザー光線
９００ ＬＥＤ組立体
９２０ 放射体
９４０ 波長変換板
９５０ 量子ドット
９５１ 能動素子
９６０ 部分組立品
９６２ａ、９６２ｂ 上部プレート
９６４ 下部プレート
９６６ａ、９６６ｂ 空隙
９７０ ガラス層
９８０ ガラス被覆ガスケット

Claims (5)

  1. 加工物を保護する方法であって、
    第１の基板の表面の上に封止層を形成するステップと、
    前記第１の基板と第２の基板の間に保護される加工物を配置するステップであり、前記封止層が、前記第２の基板と接触することで、前記第１の基板、前記封止層、および前記第２の基板の間に封止界面を形成するようになすステップと、
    レーザー放射線を用いて前記封止層を局所的に加熱して、前記界面における温度を、前記封止層を溶解させるのに十分な封止温度まで局所的に上昇させるステップと、
    前記温度の局所的な上昇の関数として、前記第１の基板と前記第２の基板との少なくとも一方による前記レーザー放射線の過渡的な吸収を誘起して、前記第１の基板と前記第２の基板との少なくとも一方の少なくとも一部を溶解させ、前記第１の基板と前記第２の基板との間にガラスシールを形成するステップと、
    を含み、
    前記第１の基板と前記第２の基板との少なくとも一方は、（ａ）前記レーザー放射線に対する室温における吸収率が１５％未満であり、かつ（ｂ）前記レーザー放射線に対する前記封止温度で誘起される過渡的な吸収率が１５％を超える、ガラス基板である、
    ことを特徴とする方法。
  2. 前記封止温度が少なくとも４００℃であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 前記封止層が、りん酸塩ガラス、ほう酸塩ガラス、テルライトガラス、およびカルコゲナイドガラスからなる群から選択されたガラス材料を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
  4. 前記加工物が、量子ドット、蛍光体、発光ダイオード、または有機発光ダイオードを含むことを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の方法。
  5. 前記ガラスシールが、光学的に透明であることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の方法。
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