JP7313827B2 - 透明レーザー溶接領域を備える封止デバイス - Google Patents

透明レーザー溶接領域を備える封止デバイス Download PDF

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関連出願の相互参照
本出願は、２０１６年３月１０日に出願され、「透明レーザー溶接領域を備える封止デバイス」という名称の米国特許出願第１５／０６６７０４号、２０１３年５月１０日に出願された「低融点ガラス膜を使用する透明ガラス板のレーザー溶接」という名称の米国特許仮出願第６１／８２２，０４８号の優先権の恩恵を主張する、２０１４年５月７日に出願された「低融点ガラスまたは肉薄吸収膜を使用する透明ガラス板のレーザー溶接」という名称の米国特許出願第１４／２７１,７９７号、２０１３年１０月４日に出願された「紫外線吸収膜を使用する透明ガラス板のレーザー溶接」という名称の米国特許仮出願第６１／８８６，９２８号、および、２０１３年５月３１日に出願された「密封デバイス用の低溶融温度ガラスを使用するレーザー封止」という名称の米国特許仮出願第６１／８２９，３７９号の優先権の恩恵を主張するものであり、これらの内容が、その全体に依存され、その全体が引用により本明細書に組み入れられる。
本開示は、封止デバイス、および、そのような封止デバイスを備える電子構成要素および表示構成要素に一般に関し、より詳細には透明溶接領域を備える封止ガラスデバイスに関する。
多くの現代のデバイスは、動作するには密封環境が必要であり、これらのうちの多くは、電気的バイアスを必要とする「能動」デバイスである。光透過性およびバイアスが必要である有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）などのディスプレイは、電子注入材料の使用で結果的に絶対的な気密性が必要であるために要求の厳しい用途となっている。これらの材料は、一般的に、そうでない場合は、瞬く間に分解するので、それぞれの装置は長い期間にわたって真空または不活性雰囲気を維持する必要がある。さらに、気密封止は、封入される有機物質の高温感受性のために周囲温度付近で行う必要がある。
例えば、フリット系シーラントは、典型的には、２～１５０マイクロメートルの範囲の粒径まで粉砕されたガラス材料を含む。フリット封止用途については、ガラスフリット材料を、典型的には、同様の粒径を有する負ＣＴＥ材料と混合し、結果的に得られた混合物を有機溶媒または結合剤を用いて混ぜ合わせてペーストにする。例示的な負ＣＴＥ無機充填剤としては、コーディエライト粒子（例えばＭｇ２Ａｌ３［ＡｌＳｉ５Ｏ１８］）、バリウムシリケート、βユークリプタイト、バナジン酸ジルコニウム（ＺｒＶ２Ｏ７）、またはタングステン酸ジルコニウム（ＺｒＷ２Ｏ８）が挙げられ、これらの無機充填剤は、基材とガラスフリットとの間の熱膨張係数の不適合を低減するために、ガラスフリットに添加され、ペーストが形成される。これらの溶媒は、結合粉末および有機結合剤ペーストの流体力学的粘度を調整するために使用され、制御下の分注目的に好適でなければならない。２つの基板を接合するために、ガラスフリット層を、スピンコーティングまたはスクリーン印刷によって封止面に基板の一方または両方に塗布することができる。フリットコーティングされた基板は、始めに、有機ビヒクルを除去するために、相対的に低い温度（例えば、３０分間２５０℃）で有機バーンアウトステップを受ける。次に、結合する２つの基板をそれぞれの封止面に沿って組み付け／結合してその対をウェーハ接合装置に入れる。熱圧縮サイクルを明確な温度および圧力下で実行することによって、ガラスフリットは、溶融して緻密なガラスシールを形成する。ガラスフリット材料は、特定の鉛含有組成物を除いて、典型的には４５０℃よりも大きいガラス遷移温度を有し、したがって、バリアー層を形成するには高温での加工が必要である。そのような高温封止プロセスは、感温工作物に悪影響を与える可能性がある。さらに、典型的な基材とガラスフリットとの間の熱膨脹率不適合を低減するために使用される負ＣＴＥ無機充填剤は、接合継手へ組み込まれることになり、その結果、実質的に不透明であるフリット系バリアー層が得られる。以上に基づいて、ガラスとガラス間、ガラスと金属間、ガラスとセラミック間のシール、および、透明かつ気密の他のシールを低温で形成することが望ましいであろう。
ガラスの基材の従来のレーザー溶接では超高レーザー出力デバイスを採用することがあり得るが、レーザーアブレーション近くでの作業では、ガラスの基材が損傷することが多く、達成されるのは低品質の気密シールである。また、そのような従来の方法では、結果的に得られるデバイスの不透明度が増大し、やはり、得られるのは低品質のシールである。
いくつかの例において、シールは、光学的に透明ではないことがあり、例えば、色付きであることがある。これらの欠陥は、光を出射し、透過し、変換し、抽出し、拡散させ、および／または散乱させるのに使用される封止パッケージの場合には特に悪影響を与える。例えば、不透明シールは、光透過を阻止し、一方、光学的に透明ではないシールは、光が封止領域を通過するときに光を望ましくないほどに歪曲させることがある。これらの理由で、シーラントは、基材の外周部の周りに、例えば、封止する品目の回りのフレーム内で、または、たとえ品目がパッケージ内で封止されないとしても縁部でのみ塗布されることが多い。それにもかかわらず、縁部での材料は、それでも、一部の構成において光透過を望ましくないほど歪曲させるか、または、低減し得る。
したがって、他の利点の中で、シール透明度、強度、および／または気密性を増大させ、製造コストおよび／または複雑性を減少させ、および／または生産率および／または歩留まりを増大させ得る、基材をレーザー封止する方法を提供すれば有利であろう。また、向上した光透過および／または減少した歪曲を有し得るディスプレイおよび他の電子デバイス用の封止デバイスを提供すれば有利であろう。結果的に得られた封止デバイス自体は、ディスプレイまたは他の電子デバイス内の構成要素として使用され得るか、または、発光構造体または色変換素子（例えば、レーザーダイオード（ＬＤ）、ＬＥＤ、ＯＬＥＤおよび／またはＱＤ）など、様々な電子品および他の構成要素を保護するために使用され得る。
本開示の実施の形態は、気密バリアー層に一般に関し、より詳細には、吸収する肉薄膜を使用して中実構造体を封止するために使用される方法及び組成に関する。本開示の実施の形態は、界面開始剤として封止プロセス中の吸光特性を有する肉薄膜を使用する他の材料シートとのガラス板のレーザー溶接又は封止プロセスを提供する。実施の形態による例示的なレーザー溶接条件は、導電性の低減は取るに足りず界面導電膜にわたる溶接に好適であり得る。したがって、そのような実施の形態は、ＯＬＥＤ又は他のデバイスなどの能動デバイスの気密パッケージを形成して好適なガラス又は半導体パッケージの広範囲にわたる、大量作製を可能にするために採用してもよい。用語封止、結合、接合及び溶接は、本明細書において置き換え可能に使用することができ、使用されることを留意すべきである。そのような使用は、本明細書に添付された特許請求の範囲を制限するべきではない。用語ガラス、及び、無機は、名詞形の膜の変更に関するときには、この本明細書において置き換え可能に使用することができ、そのような使用は、本明細書に添付された特許請求の範囲を制限するべきでないことを留意すべきである。
本開示の実施の形態は、吸光膜を２つのガラス間の界面に提供することができる、例えば、レーザー溶接、拡散溶接などレーザー封止プロセスを提供する。定常状態の吸収は、７０％より大きいか、又は、７０％と同じ高さであってもよいか、または、約１０％未満か、又は、約１０％と同じ低さであってもよい。後者は、例示的なレーザー吸収膜と組み合わされた、入射光レーザー波長時の外因性の色中心、例えば、不純物又はドーパント、又は、ガラス固有の内因性の色中心に起因するガラス基材内の色中心形成を拠り所とする。膜の非制限的な一部の実施例としては、ガラス基材の界面で採用しても差し支えない、Ｔｇ＜６００℃を有するＳｎＯ２ガラス膜、ＺｎＯガラス膜、ＴｉＯ２ガラス膜、ＩＴＯガラス膜、ＵＶ吸収ガラス膜、及び、（ガラス遷移温度なしの材料のための）低融点ガラス（ＬＭＧ）膜又は低液相線温度（ＬＬＴ）膜が挙げられる。ＬＬＴ材料としては、少し例を挙げればセラミック、ガラスセラミック及びガラス材料が挙げられることがあるがこれに限定されない。ＬＬＴガラスとしては、例えば、錫－弗化燐酸ガラス、タングステンドープ錫弗素燐酸ガラス、カルコゲナイドガラス、テルライトガラス、硼酸ガラス、及び燐酸ガラスを挙げても差し支えない。別の非限定的な実施の形態において、封止材料は、例えば、ＳｎＯ、ＳｎＯ＋Ｐ２Ｏ５及びＳｎＯ＋ＢＰＯ４などのＳｎ２＋を含有する無機酸化物材料であっても差し支えない。さらなる非制限的な実施例は、＞８００ｎｍ波長時に吸収ピークを有する近赤外（ＮＩＲ）吸収ガラス膜が挙げてもよい。これらの材料を使用する溶接部は、定常状態での穏やかな拡散溶接を開始するのに十分なＵＶ又はＮＩＲ吸収可視透過を提供することができる。これらの材料は、拡散溶接に好適な局所封止温度を有する透明レーザー溶接部を提供することができる。そのような拡散溶接は、結果的に、それぞれのガラス基材の低出力及び温度レーザー溶接が得られるとともに、効率的かつ速い溶接速度で優れた透明な溶接部を生成することができる。本開示の実施の形態による例示的なレーザー溶接プロセスは、温度誘発吸収を含むために、色中心形成を超えたガラスの光誘発吸収特性も拠り所にすることができる。
封止を開始するために低融点無機（ＬＭＧ）材料又は紫外線吸収（ＵＶＡ）又は赤外線吸収（ＩＲＡ）材料の界面肉薄膜を使用してレーザーとともに透明なガラス板を溶接する現象が本明細書で説明される。例示的な実施の形態において、強力な接合形成を実現する基準が説明され、（１）例示的なＬＭＧ又はＵＶＡ又はＩＲＡ膜は、十分な熱をガラス基材に伝播するのに十分な透明度のウィンド外で入射波長（約４２０ｎｍ～約７５０ｎｍ）時に吸収することができ、したがって、ガラス基材は、（２）温度誘発吸収及び（３）過渡的色中心形成を入射波長時に示すことができる。測定結果は、熱圧縮拡散溶接メカニズムが形成され、その結果、定性的に非常に強力な接合形成が得られることを示唆している。溶接プロセスに関係する温度事象の展開及びレーザー溶接における色中心形成プロセスの明瞭な優勢も本明細書に説明されている。ＬＭＧ又はＵＶＡ材料とＥａｇｌｅ「ＸＧ」材料との間のＣＴＥ不適合の無関係、及び、６００℃までの熱サイクル後の溶接後の強度強化も論じられている。実施の形態は、熱伝導板の使用による異なる厚さを有するガラス板の一体溶接に関しても論じられている。したがって、本明細書に説明される実施の形態は、受動及び能動の両方のデバイスで、気密パッケージを形成する能力を提供することができ、この能力は、ＬＭＧ又はＵＶＡ界面材料の使用に関連したレーザー封止属性を含み得る。例示的な属性として、可視スペクトルでの透明、強力、肉薄で高い透過、「緑色」組成物、ＬＭＧ又はＵＶＡ膜とガラス基材と間のＣＴＥ不適合の無関係、及び低い溶融温度が挙げられるが、これらに限定されない。
本開示の追加の実施の形態は、低温接合形成及び「直接的なガラス封止」を有するレーザー封止プロセスを提供し、透明ガラスを入射波長時に吸収ガラスに封止することができ、その結果、可視波長４００～７００ｎｍ時に不透明シールが得られる。例示的な実施の形態で、両方のガラスは、入射光レーザー波長時に、及び、可視波長範囲において透明又はほとんど透明である。結果的に得られたシールも、可視波長範囲において透明であり、結果的に得られたシールは、照明用途に魅力的なものとなるが、なぜならば、光は、シール場所で吸収されず、したがって、シールに関連した熱の蓄積はないからである。さらに、膜は、カバーガラス全体にわたって適用することができることから、封止作業のために封止フリットペーストを精密分注する必要がなく、その結果、デバイス生産者に、密封領域の特別なパターニング及び処理は必要なく封止パターンを変える大きい自由度が提供される。他の実施の形態において、封止は、また、機械的安定性が得られるように非気密接合を形成するためにガラス領域の特定のスポットに行うこともできる。さらに、そのような封止は、湾曲共形表面に行うことができる。
本開示の実施の形態は、ガラス板をともにレーザー溶接するために使用してもよい低溶融温度材料を提供し、これらの低溶融温度材料は、ガラスの異なるＣＴＥを問わず、任意のガラスを溶接することを伴う。追加の実施の形態は、ガラス基材（例えば、ＥａｇｌｅとＥｘａｇｌｅ、ＬｏｔｕｓとＬｏｔｕｓなど）の非対称溶接（即ち、肉厚対肉厚）を提供することができる。いくつかの実施の形態は、熱伝導板を使用して、ガラス基材の非対称溶接（即ち、肉薄と肉厚）、例えば、ＷｉｌｌｏｗとＥａｇｌｅ「ＸＧ」、ＥａｇｌｅとＬｏｔｕｓ（即ち、肉薄と肉薄）、Ｅａｇｌｅと溶融シリカ、ＷｉｌｌｏｗとＷｉｌｌｏｗ、溶融シリカと溶融シリカなどを提供することができる。さらなる実施の形態は、異種基材溶接（ガラスとセラミックと、ガラスと金属など）を提供することができ、透明および／または半透明溶接線を提供することができる。いくつかの実施の形態は、肉薄、不透過性の「緑色」材料用の溶接を提供することができ、強力な溶接部をＣＴＥの大きい差を有する２つの基材又は材料間で提供することができる。
実施の形態は、また、ガラスパッケージをともにレーザー溶接するために使用される材料を提供し、その結果、酸素及び湿気の作用の影響を受けやすい受動デバイス及び能動デバイスの長期の気密動作が可能である。例示的なＬＭＧ又は他の肉薄吸収膜シールは、レーザー吸収を使用して接合面の組立体後に熱的に起動させることができ、製造高効率化を実現することができ、というのも、各作業デバイスを封止する速度は、真空または不活性ガス組立ラインにおいてインライン薄膜蒸着によってデバイスを封入する速度ではなく、熱活性化および接合の形成によって決定されるからである。ＵＶ又はＮＩＲ－ＩＲシール内の例示的なＬＭＧ、ＬＬＴ及び他の肉薄吸収膜は、また、個々の複数のデバイスへのその後の切目入またはダイシング（単体化）により大型シート状の複数デバイスの封止を可能とすることができ、高い機械的完全性のために、単体化による歩留まりが高いとすることができる。
いくつかの実施の形態において、工作物を接合する方法は、無機膜を第１の基材の表面にわたって形成する工程、保護される工作物を第１の基材と第２の基材との間に配置する工程であって、膜は、第２の基材と接触する、工程、及び、所定の波長を有するレーザー放射で膜を局所的に加熱することによって工作物を第１及び第２の基材の間で接合する工程を含む。無機膜、第１の基材、又は第２の基材は、ほぼ４２０ｎｍ～ほぼ７５０ｎｍ時に透過性であっても差し支えない。
他の実施の形態において、第１の基材の表面にわたって形成された無機膜、及び、第１の基材と第２の基材との間で保護されたデバイスを備える接合デバイスを提供し、無機膜は、第２の基材と接触する。このような実施の形態において、デバイスは、所定の波長を有するレーザー放射による無機膜の局所加熱を介して第１又は第２の基材内の不純物の組成の関数として、及び、無機膜の組成の関数として第１及び第２の基材間に形成された接合部を含む。さらに、無機膜、第１の基材、又は第２の基材は、ほぼ４２０ｎｍ～ほぼ７５０ｎｍ時に透過性であっても差し支えない。
さらなる実施の形態において、デバイスを保護する方法を提供し、方法は、無機膜層を第１の基材の第１の部分表面にわたって形成する工程、保護されるデバイスを第１の基材と第２の基材との間に配置する工程であって、封止層は、第２の基材と接触する、工程、及び、基材間のシールを形成するために封止層及び基材を溶融させるように無機膜層及び第１及び第２の基材をレーザー放射で局所的に加熱する工程を含む。第１の基材は、ガラス又はガラスセラミックで構成されても差し支えなく、第２の基材は、金属、ガラスセラミック、又はセラミックで構成されても差し支えない。
本開示は、様々な実施の形態において、第１の基材の表面にわたって形成された無機膜を備える封止デバイスにも関し、封止デバイスは、無機膜と接触する第２の基材、および、第１及び第２の基材間に形成された接合部を含み、第１の基材の第１の深さから第２の基材の第２の深さまで延びる溶接領域を備える。追加の実施の形態によれば、無機膜は、少なくとも１つの無機膜元素を含み、第１及び第２の基材の一方又は両方は、少なくとも１つの無機基材元素を含む。さらなる実施の形態において、溶接領域内の第１又は第２の基材の第１の無機膜元素濃度は、溶接領域の外側の第１又は第２の基材の第２の無機膜元素濃度よりも高い。さらにまた別の実施の形態によれば、溶接領域の第１の基材元素濃度は、溶接領域の外側の無機膜の第２の基材元素濃度よりも高い。さらに別の実施の形態において、第２の無機膜は、第２の基材の表面にわたって形成されてもよい。
いくつかの実施の形態において、任意選択的に、第１の基材又は、第２の基材のうち少なくとも一方は、約４２０ｎｍ～約７５０ｎｍの範囲の波長時に透過性である。追加の実施の形態において、第１の基材、第２の基材及び無機膜の各々は、約４２０ｎｍ～約７５０ｎｍの範囲の波長時に透過性であってもよい。他の実施の形態において、溶接領域は、透明であってもよい。第１又は第２の基材の一方又は両方は、ソーダ石灰珪酸ガラス、アルミノ珪酸ガラス、アルカリアルミノ珪酸ガラス、硼珪酸ガラス、アルカリ硼珪酸ガラス、アルミノ硼珪酸ガラス、アルカリ－アルミノ硼珪酸ガラス、および、アルカリ土類－アルミノ硼珪酸ガラスなど、ガラス又はガラスセラミックから選ばれてもよい。特定の実施の形態によれば、第１又は第２の基材は、ポリマー、セラミック、又は金属を含んでもよい。
無機膜は、２０～１００モル％ＳｎＯ、０～５０モル％ＳｎＦ２、および、０～３０モル％Ｐ２Ｏ５又はＢ２Ｏ３を含む組成を有してもよい。無機膜は、１０～８０モル％Ｂ２Ｏ３、５～６０モル％Ｂｉ２Ｏ３、および、０～７０モル％ＺｎＯを含む組成をも有してもよい。様々な実施の形態によれば、無機膜は、約０．１マイクロメートル～約１０マイクロメートルの範囲の厚さを有しても差し支えない。さらなる実施の形態において、溶接領域は、約０．３マイクロメートル～約１４マイクロメートルの範囲の厚さを有してもよい。
封止デバイスは、いくつかの実施の形態において、少なくとも溶接領域を包含する応力領域をさらに備え、応力領域内の第１の応力は、応力領域の外側の第２の応力よりも大きい。第１の応力は、例えば、約１ＭＰａ超～約２５ＭＰａの範囲である。追加の実施の形態において、第１の応力：第２の応力の比率は、約１．１：１～約２５：１の範囲である。特定の実施の形態によれば、応力領域は、約２０マイクロメートル～約５００マイクロメートルの範囲の厚さを有しても差し支えない。
封止デバイスも、本明細書で開示され、封止デバイスは、第１の基材の表面にわたって形成された無機膜、無機膜と接触する第２の基材、および、第１及び第２の基材間に形成された接合部を備える。追加の実施の形態によれば、第１及び第２の基材の一方又は両方は、少なくとも１つの無機基材元素を含む。さらなる実施の形態において、溶接領域は、溶接領域の外側の無機膜の一部と比較すると少なくとも１つの無機基材元素で富化される。封止デバイスが、さらに本明細書で開示され、封止デバイスは、第１の基材の表面にわたって形成された無機膜、無機膜と接触する第２の基材、および、第１及び第２の基材間に形成された接合部を含む溶接領域を備える。追加の実施の形態によれば、無機膜は、少なくとも１つの無機膜元素を含む。さらなる実施の形態において、第１又は第２の基材は、第１の部分を溶接領域内に、第２の部分の溶接領域の外側に備える。さらにまた別の実施の形態によれば、第１の部分は、第２の部分と比較すると少なくとも１つの無機膜元素で富化されている。さらに別の実施の形態において、第２の無機膜は、第２の基材の表面にわたって形成されてもよい。
特許請求項に記載された主題のさらなる特徴および利点は、以下の詳細な説明において述べられることになり、ある程度、その記載から当業者には容易に明らかになるか、又は、以下の詳細な記載、特許請求の範囲、ならびに添付図面を含め、本明細書に記載された特許請求項に記載された主題を実施することによって認識されよう。
前出の概要、以下の詳細な記載の両方は、本発明の種々の実施の形態を提示し、特許請求項に記載の主題の性質及び特性を理解するための概要つまりフレームワークを提供することが意図されていることを理解すべきである。添付図面は、本開示のさらなる理解をもたらすために含まれ、本明細書に組み込まれて本明細書の一部を成す。図面は、様々な実施の形態を例示し、記載とともに、特許請求項に記載の主題の原理及び作用を説明する役目をする。
これらの図は、例示を目的として提供され、開示されて本明細書で論じられる実施の形態は、示される構成及び手段に限定されないことが理解される。
本開示の実施の形態によるレーザー溶接の例示的な処置の図である。 １つの実施の形態による、レーザー－封止を介して気密封止されたデバイスの形成を示す概略図である。 本発明の主題の別の実施の形態の図である。 レーザー溶接接合領域の物理的範囲を推定するために使用される実験的な配置の例示である。 破断した試料の顕微鏡画像である。 本開示のいくつかの実施の形態によるモデル化スキームの例示である。 本開示の実施の形態による別のモデル化スキームである。 ％Ｔ対時間計測のための、Ｅａｇｌｅ０．７ｍｍガラス基材を通る３５５ｎｍレーザー透過（％Ｔ）の実験的な配置の図である。 本開示の実施の形態によるプロットである。 ガラス界面でのＬＭＧ膜層からのＥａｇｌｅ ＸＧ（登録商標）ガラス基材への拡散を分析する一連のプロットである。 異なる厚さのガラス板間のレーザー溶接の実施の概略図である。 ＩＴＯリード線にわたるレーザー溶接の範囲を評価する実験の例示である。 ＩＴＯパターン膜にわたって形成されたレーザーシール線の写真を提供する。 パターン膜にわたって形成されたさらなるレーザーシール線の一連の写真である。 いくつかの実施の形態による別の方法の略示図である。 いくつかの実施の形態の２層レーザー加熱面吸収モデルである。 いくつかの実施の形態の一連の温度変動プロットである。 いくつかの実施の形態の、掃引レーザーのドエル時間内に析出された平均エネルギーの一連のプロットである。 ＩＲ赤外線源での加熱中の３５５ｎｍでのＥａｇｌｅ「ＸＧ」およびＬｏｔｕｓ ＸＴ（登録商標）ガラス透過のプロットである。 いくつかの実施の形態の加熱中の３５５ｎｍ時のガラスの透過のプロットである。 いくつかの実施の形態のＵＶ照射中および後の膜および基材透過に及ぼす影響のプロットである。 いくつかの実施の形態の吸収対波長のプロットである。 Ｅａｇｌｅ「ＸＧ」ガラス上の例示的な低融点ガラス膜のレーザーシールまたは接合線の写真である。 Ｅａｇｌｅ「ＸＧ」ガラス上の例示的な低融点ガラス膜の交差するレーザーシール線の写真である。 いくつかの実施の形態のレーザー溶接中に観察された界面接触形状の範囲の概略図である。 一定の加圧力Ｐｅｘｔ下の界面間隙領域のレーザー溶接中の相対接触領域（Ａｃ／Ａ０）の進展の概略図である。 典型的なレーザー溶接条件を使用する実施の形態のレーザー掃除領域にわたる側面計トレースを示す。 いくつかの実施の形態の溶接速度推定値の比較を提供する一連のプロットである。 いくつかの実施の形態の偏光測定および画像の概略図である。 例示的な溶接線からの応力場所を提供するプロットである。 いくつかの実施の形態によるレーザー溶接されたソーダ石灰ガラスの一連の写真である。 いくつかの実施の形態の概略図である。 いくつかの実施の形態における溶接線の写真である。 いくつかの実施の形態における溶接線の写真である。 ２つの基材および無機膜を含む物品の側面図である。 例示的な封止プロセスを受ける物品の上面図である。 本開示の様々な実施の形態による封止デバイスの断面図である。 レーザー封止前の封止界面のＳＥＭ画像である。 レーザー封止後の封止界面のＳＥＭ画像である。 元素分析用の溶接された物品および例示的な領域を示す。 封止物品の溶接領域および非溶接領域における基本的な深さ分布（Ｆ、Ｐ、Ｓｎ）の様々なプロットを示す。 封止物品の溶接領域および非溶接領域における基本的な深さ分布（Ｆ、Ｐ、Ｓｎ）の様々なプロットを示す。 封止物品の溶接領域および非溶接領域における基本的な深さ分布（Ｆ、Ｐ、Ｓｎ）の様々なプロットを示す。 封止物品の溶接領域および非溶接領域における基本的な深さ分布（Ａｌ、Ｂ、Ｓｉ）の様々なプロットを示す。 封止物品の溶接領域および非溶接領域における基本的な深さ分布（Ａｌ、Ｂ、Ｓｉ）の様々なプロットを示す。 封止物品の溶接領域および非溶接領域における基本的な深さ分布（Ａｌ、Ｂ、Ｓｉ）の様々なプロットを示す。 本開示の様々な実施の形態による封止デバイスの深さの関数としての応力分布の様々なプロットを示す。
この説明は詳細を含み得るが、これらは、範囲に関する制限事項としてではなくむしろ特定の実施の形態固有であり得る特徴の説明と解釈されたい。
封止方法および封止デバイスの様々な実施の形態を、図を参照して説明し、同様の要素には、理解を促進するために同様の数字表示を付している。
また、特記がない限り、「頂部」、「底部」、「外向きの」、「内向きの」などの用語は、便宜上の語であり、限定的な用語と解釈すべきではないことを理解されたい。さらに、一群が、一群の要素のうちの少なくとも１つおよびその組み合わせを含むと記載されているときは常に、その一群は、個々に、互いに組み合わせてを問わず、任意の数の記載された要素を備えるか、これらの要素から本質的になるか、これらの要素からなることがあり得る。
同様に、一群が一群の要素の少なくとも１つおよびその組み合わせからなると記載されているときは常に、その群は、個々に、互いに組み合わせてを問わず、任意の数の記載された要素からなるとがあり得る。特記がない限り、値の範囲は、記載されたとき、その範囲の上限および下限の両方を含む。本明細書で使用するとき、名詞は、特記がない限り、「少なくとも１つの」または、「１つ以上の」対象を指す。
当業者は、説明される実施の形態への多くの変更が行われると同時に、それでも、本発明の有益な結果を取得し得ることを認識するであろう。また、本開示の望ましい便益の一部は、他の特徴を使用しなくても記載する特徴の一部を選択することにより得ることができることが明らかであろう。したがって、当業者には、多くの修正および適合が可能であり、特定の条件下では望ましくさえあり得、本発明の一部であることを認識するであろう。したがって、以下の説明は、本開示の原理を限定するものとしてではなく、本開示の原理を例示するものとして提供される。
当業者は、本明細書で説明される例示的な実施の形態への多くの修正は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく可能であることを理解するであろう。したがって、本説明は、示された実施例に限定されることは意図されず、また、示された実施例に限定されると解釈するべきではなく、添付の特許請求の範囲およびその同等物によって付与される保護の全容が付与されるべきである。さらに、他の特徴を対応して使用しなくても本開示の特徴の一部を使用することが可能である。したがって、例示的なまたは例証となる実施の形態の前出の説明は、本開示の原理を限定するのではなく、本開示の原理を例示するために提供され、その修正およびその入れ替えを含み得る。
図１は、本開示のいくつかの実施の形態によるレーザー溶接の例示的な処置の図である。図１を参照すると、ともに好適な紫外レーザーを使用して２つのＥａｇｌｅ「ＸＧ」（ＥＸＧ）ガラス板または基材をレーザー溶接する手順が提供されている。２枚のＥＸＧガラス板が例示および説明されるが、本明細書に添付された特許請求項の範囲は、そのように限定するべきではなく、なぜならば、任意の形式および組成のガラス基材を本開示の実施の形態を用いてレーザー溶接することができるからである。すなわち、本明細書で説明される方法は、ソーダ石灰ガラス、強化ガラスおよび非強化ガラス、アルミノ珪酸ガラスなどに適用可能である。
図３５Ａは、同様に、第１の表面１１５を有する第１の基材１１０および第２の表面１２５を有する第２の基材１２０を備えるスタック１００の側面図を示す。無機膜１３０は、第１のガラス基材１１０と第２の基材１２０との間に配置して封止界面１３５を形成することができる。封止界面１３５は、無機膜１３０を有する、第１の基材１１０の第１の表面１１５と第２の基材１２０の第２の表面１２５との間の接触点と本明細書で呼ばれ、例えば、溶接またはシールによって接合される表面同士が対面する。
いくつかの実施の形態において、無機膜１３０は、第１の表面１１５および／または第２の表面１２５の全て、実質的に全てまたは一部上方に形成することができる。図３５Ａには示されていないが、デバイス、層、または他の要素が、第１または第２の表面１１５または１２５上に設けられても差し支えなく、無機膜１３０と接触して（例えば、当接または重ね合わされて）も差し支えないか、または、他の実施の形態において、無機膜１３０は、デバイス、層、または要素の周りに配置されても差し支えない（例えば、デバイスの外周部の周りに配置されるフレームまたは他の構成において）。さらなる実施の形態において、第１および第２の基材１１０、１２０の一方または両方は、デバイスまたは要素を蒸着してもよい１つ以上の空洞を備えても差し支えない。
図１を引き続き参照すると、２つのガラス基材をともにレーザー溶接する際の一連の例示的なステップが提供されており、一方または両方の基材を、低融点ガラス（ＬＭＧ）または紫外線吸収（ＵＶＡ）膜材料またはＮＩＲ吸収（ＩＲＡ）膜材料でコーティングすることができる。ステップＡ～Ｂにおいて、頂部ガラス基材を例示的なＵＶＡ、ＩＲＡまたはＬＭＧ膜でコーティングされた別の基材に押し付けることができる。本明細書で説明される多くの実験および実施例は、特定の形式の無機膜（例えば、ＬＭＧ、ＵＶＡなど）を指すことがあることを留意すべきである。しかしながら、これは、本明細書に添付された特許請求の範囲を制限するべきでなく、なぜならば、多くの形式の無機膜は、説明される溶接方法に好適であるからである。ステップＣにおいてレーザーを適切に選んだパラメータで２つのガラス板の界面に向けて、ステップＤに示すように溶接プロセスを開始することができる。溶接寸法は、入射ビーム（ほぼ５００μｍ）の寸法を若干下回ると分かった。
図２は、１つの実施の形態による、レーザー－封止を介して気密封止されたデバイスの形成を示す概略図である。図２を参照すると、初期ステップにおいて、低溶融温度（例えば、低いＴｇ）ガラスを備える模様入りガラス層３８０を第１の平面ガラス基材３０２の封止面に沿って形成することができる。ガラス層３８０を、例えば、スパッタリングターゲット１８０からスパッタリングによって物理蒸着によって蒸着することができる。１つの実施の形態において、ガラス層を、第２のガラスまたは他の材料基材３０４の封止面と係合するように適合された周辺封止面に沿って形成しても差し支えない。例示する実施の形態において、第１および第２の基材は、合わせ構成にされたとき、ガラス層で協働して、保護される工作物３３０を収容する内部容積部３４２を画定する。組立体の分解画像を示す例示する実施例において、第２の基材は、工作物３３０が位置する窪んだ部分を備える。
代替実施の形態において、模様入りガラス層を形成する代わりに、封止（低溶融温度）ガラスのブランケット層を第１の基材および／または第２の基材の実質的に全表面上方に形成しても差し支えない。第１の基材／封止ガラス層／第２の基材を備える組付け済みの構造体を上記のように組み付けすることができ、レーザーを使用して、封止界面を２つの基材間に局所的に画定することができる。
非限定的な実施の形態において、無機膜を第１の基材の表面および第２の基材の表面の両方に蒸着してもよく、封止界面を形成するためにこれらの膜同士を接触させてもよい。封止界面において両方の表面に無機膜が組み入れられると、結果的に、第１および第２の基材の間の接合の強化が得られることがあると考えられる。２つの膜（例えば、第１および第２の無機膜）を含めることによって、界面基材加熱は、片側（例えば、無機膜が蒸着される基材）に始まって第２の側面（例えば、無機膜と接触する基材）に広がるのではなくて両方の表面で同時に始まってもよい。さらに、基材および膜の粘弾性膨張または膨潤を誘発するのに必要なエネルギーが少なくて済むことがあり、これによって、結果的に、溶接領域における残留応力の低減となることがある。結合強度は、そのような残留応力の低減によって向上することがあり、残留応力は、そうでない場合には、結果的に凝集破壊の発生となることがあり得る。そのような実施の形態において、第１の無機膜の厚さは、第２の無機膜の厚さと同じかまたは異なり得る。さらなる実施の形態において、第１および第２の無機膜は、例えば、約１００ｎｍ～約１０マイクロメートルの範囲の、単一の無機膜について本明細書で定義される厚さに類似する組み合わせ全厚を有してもよい。
レーザー５００から合焦されたレーザービーム５０１を使用して、低溶融温度ガラスおよび隣接したガラス基材材料を局所的に溶融させて封止界面を形成することができる。１つのアプローチにおいて、レーザーを第１の基材３０２を通過すると合焦し、次に、封止面全体にわたって平行移動（走査）させて、ガラスの封止材料を局所的に加熱しても差し支えない。ガラス層の吸収溶融に影響を与えるために、ガラス層は、好ましくレーザー加工波長時に吸光性であっても差し支えない。ガラス基材は、レーザー加工波長時に当初は透過的（例えば、少なくとも５０％、少なくとも７０％、少なくとも８０％、または少なくとも９０％透過的）であっても差し支えない。
レーザー５００は、封止に影響を与えるために任意の好適な出力を有しても差し支えない。例示的なレーザーは、３５５ｎｍレーザーなどであるがこれに限定されず紫外レーザーであっても差し支えなく、３５５ｎｍレーザーは、一般的な表示ガラスの透明度の範囲内にある。好適なレーザー出力は、約１Ｗ～約１０Ｗの範囲であっても差し支えない。レーザースポットサイズに比例しても差し支えない封止領域の幅は、約０．０６～２ｍｍ、例えば、０．０６、０．１、０．２、０．５、１、１．５、または２ｍｍであっても差し支えない。レーザーの平行移動速度（すなわち、封止速度）は、約１ｍ／ｓｅｃ～約４００ｍｍ／ｓｅｃに、または、さらには、１、２、５、１０、２０、５０、１００、２００、または４００ｍｍ／ｓｅｃ、６００ｍｍ／ｓｅｃ、８００ｍｍ／ｓｅｃ、１ｍ／ｓｅｃなど１ｍ／ｓｅｃ以上であっても差し支えない。レーザースポットサイズ（直径）は、約０．０２～２ｍｍであっても差し支えない。
図３５Ｂを参照すると、スタック１００は、界面上のビームスポット直径Ｄが約２ｍｍ未満であるように封止界面より下方に、または、封止界面より上方に、例えば、封止界面上に合焦されたレーザー５００を使用して封止してもよい。例えば、ビームスポット直径は、その間の全ての範囲および部分範囲を含め、約５００マイクロメートル未満、約４００マイクロメートル未満、約３００マイクロメートル未満、または約２００マイクロメートル未満、約１００マイクロメートル未満、５０マイクロメートル未満、または２０マイクロメートル未満など、約１ｍｍ未満であってもよい。いくつかの実施の形態において、ビームスポット直径Ｄは、その間の全ての範囲および部分範囲を含め、約５０マイクロメートル～約２５０マイクロメートル、約７５マイクロメートル～約２００マイクロメートル、または約１００マイクロメートル～約１５０マイクロメートルなど、約２０マイクロメートル～約５００マイクロメートルの範囲であってもよい。
レーザー５００は、基材に対して走査または平行移動させてもよいか、または、基材は、例えば、デバイスの１つ以上の空洞を密封または非密封封止するために、正方形、矩形、円形、長円形、または、任意の他の好適なパターンまたは形状など任意のパターンを生成するように任意の所定の経路を使用して、（矢印によって示すように）レーザーに対して平行移動させても差し支えない。レーザービーム（または基材）が界面に沿って移動する平行移動速度Ｖｓは、用途別に変動することがあり、例えば、第１および第２の基材の組成および／または焦点構成および／またはレーザー出力、周波数および／または波長に左右されることがある。特定の実施の形態において、レーザーは、その間の全ての範囲および部分範囲を含め、約１００ｍｍ／ｓよりも大きい、約２００ｍｍ／ｓよりも大きい、約３００ｍｍ／ｓよりも大きい、約４００ｍｍ／ｓよりも大きい、約５００ｍｍ／ｓよりも大きい、または約６００ｍｍ／ｓよりも大きいなど、約１ｍｍ／ｓ～約１０００ｍｍ／ｓ、例えば、約１０ｍｍ／ｓ～約５００ｍｍ／ｓ、または約５０ｍｍ／ｓ～約７００ｍｍ／ｓの範囲の平行移動速度を有してもよい。
「ドエル時間」とも呼ばれる、レーザーが単一の溶接地点に費やす平均期間は、スポット直径Ｄおよび平行移動速度Ｖｓに相関づける、例えば、ドエル時間＝（Ｄ／Ｖｓ）であることができる。例示的なドエル時間は、その間の全ての範囲および部分範囲を含め、約２ｍｓ～約９ｍｓ、約３ｍｓ～約８ｍｓ、約４ｍｓ～約７ｍｓ、または約５ｍｓ～約６ｍｓなど、例えば、約１マイクロ秒（ｍｓ）～約１０ｍｓの範囲であっても差し支えない。
平行移動速度Ｖｓおよび封止界面でのレーザービームのスポット直径Ｄは、レーザー溶接の強度、パターンおよび／またはモルフォロージーに影響を与えることがある。さらに、パルスレーザーの繰返し率（ｒｐ）または連続波（ＣＷ）レーザーの変調速度（ｒｍ）は、結果的に得られるレーザー溶接線に影響を与え得る。特定の実施の形態において、パルスレーザーは、式（１）にしたがって、封止界面でのレーザービームのスポット直径Ｄおよびレーザービームの繰返し率（ｒｐ）の積よりも大きい平行移動速度Ｖｓで操作してもよい：
Ｖｓ／（Ｄ＊ｒｐ）＞１ （１）
同様に、変調されたＣＷレーザーは、式（１'）にしたがって、封止界面でのレーザービームのスポット直径Ｄおよびレーザービームの変調速度（ｒｍ）の積よりも大きい平行移動速度Ｖｓで操作してもよい：
Ｖｓ／（Ｄ＊ｒｍ）＞１ （１'）
言うまでもなく、所与の平行移動速度について、スポット直径、繰返し率、および／または変調速度も、変更して式（１）または（１'）を満たしても差し支えない。これらのパラメータ下で動作するレーザーは、個々の「スポット」を含む重なり合わないレーザー溶接を生成することができる。例えば、レーザーパルス（１／ｒｐまたは１／ｒｍ）間の時間は、ドエル時間（Ｄ／Ｖｓ）よりも大きくても差し支えない。いくつかの実施の形態において、Ｖｓ／（Ｄ＊ｒｐ）またはＶｓ／（Ｄ＊ｒｍ）は、その間の全ての範囲および部分範囲を含め、約１．１～約８、約１．２～約７、約１．３～約６、約１．４～約５、約１．５～約４、約１．６～約３、約１．７～約２、または約１．８～約１．９など、約１．０５～約１０の範囲であっても差し支えない。そのような溶接パターンを使用して、例えば、本開示の様々な実施の形態にしたがって非気密シールを生成してもよい。
他の実施の形態において、パルスレーザーは、式（２）にしたがって、スポット直径Ｄおよび繰返し率（ｒｐ）の積以下である平行移動速度Ｖｓで操作してもよい：
Ｖｓ／（Ｄ＊ｒｐ）≦１ （２）
同様に、変調されたＣＷレーザーは、以下の式（２'）にしたがって、封止界面でのレーザービームのスポット直径Ｄおよびレーザービームの変調速度（ｒｍ）の積以下である平行移動速度Ｖｓで操作してもよい：
Ｖｓ／（Ｄ＊ｒｍ）≦１ （２'）
言うまでもなく、所与の平行移動速度について、スポット直径、繰返し率、および／または変調速度も、変更して式（２）または（２'）を満たしても差し支えない。そのようなパラメータ下で動作すると、（例えば、ｒｍまたはｒｐが無限大に増加するように）連続線に接近することができる連続「スポット」を含む重なり合うレーザー溶接を生成することができる。例えば、レーザーパルス（１／ｒｐまたは１／ｒｍ）間の時間は、ドエル時間（Ｄ／Ｖｓ）以下であっても差し支えない。いくつかの実施の形態において、Ｖｓ／（Ｄ＊ｒｐ）またはＶ／（Ｄ＊ｒｍ）は、その間の全ての範囲および部分範囲を含め、約０．０５～約０．９、約０．１～約０．８、約０．２～約０．７、約０．３～約０．６、または約０．４～約０．５など、約０．０１～約１の範囲であっても差し支えない。これらの溶接パターンを使用して、例えば、本開示の様々な実施の形態にしたがって気密シールを生成してもよい。
好適なガラス基材は、有意な誘発吸収を封止中に示す。いくつかの実施の形態において、第１の基材３０２は、Ｅａｇｌｅ ２０００（登録商標）ブランド名でＣｏｒｎｉｎｇ社によって製造および販売されている透明ガラス板のような透明ガラス板、または、他のガラスであっても差し支えない。代わりに、第１の基材３０２は、旭硝子（株）（例えば、ＡＮ１００ガラス）、日本電気硝子（株）（例えば、ＯＡ－１０ガラスまたはＯＡ－２１ガラス）またはＣｏｒｎｉｎｇ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｍａｔｅｒｉａｌによって製造および販売されている透明ガラス板などの任意の透明ガラス板であっても差し支えない。第２の基材３０４は、第１のガラス基材と同じガラス材料であっても差し支えないか、または、第２の基材３０４は、限定されず、セラミック基材または金属基材など非透過基材であっても差し支えない。例示的なガラス基材は、約１５０ｘ１０－７／℃未満、例えば、５０ｘ１０－７、２０ｘ１０－７または１０ｘ１０－７／℃未満の熱膨張率を有しても差し支えない。もちろん、他の実施の形態において、第１の基材３０２は、模様付き、一枚ものを問わず、セラミック、ＩＴＯ、金属、または他の材料基材であっても差し支えない。
図３は、本発明の主題の別の実施の形態の図である。図３を参照すると、左上の図は、２つのＥａｇｌｅ「ＸＧ」（ＥＸＧ）ガラス基材をレーザー溶接するために採用することができる一部の例示的なパラメータを示す。透過率、％Ｔは、経時的にモニターすることができ、３つの異なるレーザー出力について左下のグラフに示されている。ＬＭＧ、ＩＲＡ、またはＵＶＡ膜の溶融の始まりは、「膝」状の屈曲として下部レーザー出力曲線（一番右の曲線）で容易に観察することができ、次に、Ｅａｇｌｅ「ＸＧ」の歪み点を超える高い局所ガラス温度のためにガラス基材の急速な吸収および加熱が発生する。屈曲は、より高いレーザー出力（一番左の曲線）時に除去することができ、ＬＭＧ、ＩＲＥ、またはＵＶＡ吸収からガラス融着への途切れのない遷移を誘発することができる。例示的なレーザー溶接は、接合される界面境界に沿ってこの領域を掃引することを含むことができる。３つの基準が、以下で、右下隅に示すリストに記載されており、以下でさらに詳しく言うと、例えば、低融点膜は、入射光波長時に吸収／溶融し、ガラス内に色中心形成があり、および／または、いくつかの実施の形態において、ガラス内に温度に誘発された吸収がある。膜の吸収は、色中心形成の効果または温度吸収効果がなくても単独で十分であることがある。図３で特定された事象の順番は、本明細書に添付された特許請求の範囲の範囲を制限するものではなく、または、他の記載された事象に対して相対的に重要であることを示すものではないことを留意すべきである。
いくつかの実施の形態において、起因事象は、低融点ガラス（例えば、ＬＭＧまたはＵＶＡ）膜による紫外レーザー吸収とすることができる。これは、３５５ｎｍ時のＥａｇｌｅ「ＸＧ」および図３に示す融解曲線と比較した肉薄膜のより大きな吸光度に基づくことができる。図３の左上部分に示す実験的な構成を考慮すると、レーザーは、Ｓｐｅｃｔｒａ Ｐｈｙｓｉｃｓ ＨＩＰＰＯ ３５５ｎｍであり、３０ｋＨｚ時に８～１０ｎｓパルス、つまり、最大６．５ワットまでの平均電力を生成した。レーザービームは、５００マイクロメートル直径ビームウエストに合焦され、透過されたビームをモニターおよびサンプリングし、異なるレーザー出力（５．０Ｗ、５．５Ｗ、６．０Ｗ）について時間に伴う透過割合（％Ｔ）のプロットが得られた。これらのプロットは、図３の左下部に示されている。ＵＶＡ、ＩＲＡ、またはＬＭＧ膜の溶融の始まりは、膝状の屈曲として、より低いレーザー出力（底部曲線および中央曲線）時に図３で容易に観察することができ、次に、Ｅａｇｌｅ「ＸＧ」の歪み点を超える高い局所ガラス温度のためにガラス基材の急速な吸収および加熱が発生する。溶接中のガラス部分は、溶融しないことがあり、むしろ軟化するだけであるので、適度の加圧力で密接状態に保持されたときに曲げやすくなる。この挙動は、特に基材の溶融温度の５０～８０％時に強い接合を形成する能力が固相拡散接合に類似のものであり得る。固相接合の複屈折の光学断面画像は、溶接中の２つの部分間の明瞭な界面線を示す（例えば、図４を参照されたい）。
別の実施の形態は、１ＭＨｚ、２ＭＨｚまたは５ＭＨｚの繰返し率時に一連の１ｎｓパルスを生成する３５５ｎｍパルスレーザーによる溶接を含む。ビームを無機膜上で０．０２ｍｍ～０．１５ｍｍの直径のスポットに合焦させて５０ｍｍ／ｓ～４００ｍｍ／ｓの範囲の速度で溶接したとき、ほぼ６０μｍ～ほぼ２００μｍの欠陥のない接合線が生成された。所要のレーザー出力は、ほぼ１Ｗ～ほぼ１０Ｗの範囲とすることができる。
図４を参照すると、レーザー溶接接合領域の物理的範囲を推定するために使用された実験的な配置が示されている。図４を引き続き参照しながら、２つのＥａｇｌｅ「ＸＧ」スライドを、先述したようにレーザー溶接し、ガラスサンドイッチ内に取り付けて、ダイヤモンドソーで切断した。これは、図４の左パネルに示されている。局所応力領域から生じた光学複屈折を測定するために、結果的に得られた断面部を旋光計内に取り付けた。これは、図４の右パネルに示されている。この右パネルで明るい領域ほど応力が多いことを示す。図４の右パネルに示すように、接合領域は、５０マイクロメートル台の物理範囲を有する様相を示した。さらに、一見すると基部または基材ガラス溶融はなさそうだが、２つのガラス基材間に形成された接合部は、非常に強力であった。例えば、複屈折画像断面の中央の画像は、高いシール強度を示すＥａｇｌｅ「ＸＧ」基材へ深く（５０マイクロメートル）延びる固相接合領域を示す。レーザー溶接であれば、接合される界面境界に沿ってこの領域を掃引することを含むことになる。
図５は、破断した試料の顕微鏡画像である。図５を参照すると、破断した試料の図示されている３次元共焦顕微鏡画像は、本開示の実施の形態のシール強度は、４４μｍもの深さにある下側の基材（例えば、Ｅａｇｌｅ「ＸＧ」基材）材料を剥ぎ取れば破壊が発生する（すなわち、凝集破壊）ほど強力であり得ることを示す。アニールは、試料には行わなかった。図５は、さらに、かみそりの刃で亀裂部を開口させたアニールされなかったレーザー溶接された実施の形態の破断した試料を示す。一連の３次元共焦点測定を行い、代表的な実施例が図５の右側上に示されている。これらの共焦点像の１つの特徴は、界面シール強度は、例えば、この実例において界面から４４μｍも、他の実験においてほぼ２００μｍも離れる深さにある基材材料の大部分に破壊が発生するほど強力であり得る。さらなる実験において、偏光測定によって、６００℃で１時間アニールすると、結果的に旋光測定では測定可能な応力を示さない強固な接合が得られた初期のレーザー溶接部（図５で検討したのと同じ条件）に発生した残留応力がわかった。そのような接合部を破断しようと幾度なく試みたところ、結果的に、溶接基材のシール線以外の至る所で破断が発生した。
図３に示すように、強力な、気密透明接合は、本開示の実施の形態を使用して、入射波長時に吸収／溶融する例示的な低融点膜または別の膜、膜およびガラス内の色中心形成、および、ガラス内の温度に誘発された吸収によって達成することができる。第１の基準、例えば、低融点ガラス吸収事象に関して、単位面積当たりに十分に高い電力でガラス－ＬＭＧ／ＵＶＡ－ガラス構造体をレーザー照射すると、吸収がスパッタリング後の肉薄膜ＬＭＧ／ＵＶＡ界面で開始することができ、溶融が誘発される。これは、左下隅部の図３の底部曲線に容易に観察することができる。底部曲線の第１の下向きの勾配は、ＬＭＧ／ＵＶＡ溶融プロセスを約１５秒まで辿り、この時点で、別のプロセスが発生し、このプロセスは、それぞれの基材内のガラスレーザーの相互作用（すなわち、色中心形成）である。この真ん中の下向きの曲線の大きい湾曲は、約１７秒後であれば、ガラス内の色中心形成から生じる大きい吸収を示すことになる。これらの色の中心は、一般的に、基材内の、少し例を挙げれば、例えば、Ａs、Ｆｅ、Ｇａ、Ｋ、Ｍｎ、Ｎａ、Ｐ、Ｓｂ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｓｎのような、元素不純物含有量の関数であることができる。透過率の曲線の曲率が大きいほど多くの色の中心ができる。これは、図３に記載された第２の基準である。ＬＭＧ／ＵＶＡ膜の融点は、約４５０℃であることができるが、これに制限されず、ただし、界面温度は、同様のレーザー溶接条件下の代わりのアルミニウムコーティングされたＥＸＧガラス基材でのレーザー照射実験の観察結果に基づいて、たぶん、６６０℃を上回り得る。この実験において、アルミニウムが溶融すると（溶融温度：６６０℃）、表面温度は、レーザー溶接条件で約２５０℃であると較正された熱画像カメラ（ＦＬＩＲカメラ）で測定した。
図６は、本開示のいくつかの実施の形態によるモデル化スキームの例示である。図６を参照すると、ＬＭＧ／ＵＶＡおよびＥＸＧ材料熱移動特性を利用して、０．８ ― ３ｋＷ／ｃｍ２時に１μｍ厚無機膜＋７００μｍＥＸＧを含む２層スタックに当たる３５５ｎｍレーザーをモデル化した。肉薄無機膜（例えば、ＬＭＧ、ＩＲＡ、ＵＶＡ膜など）内の相変化にはこのモデルにおいて対応しなかった。図６を引き続き参照すると、瞬時熱的分布の推定を行ったところ、６６０℃よりも大きい界面温度が達成され得ることが示唆された。達成される６６０℃超えの正確な界面温度に関係なく、高温の溶融ＬＭＧ／ＵＶＡ界面膜が存在すると、エネルギーバンドギャップを下部エネルギーにシフトさせることによってガラス基材内の吸収が増加する。これらのバンドギャップシフトは、電子エネルギーの変化および電子と光子の相互作用に起因するバンドエネルギーの直接繰り込みに関係する、基材格子の熱膨張から生じると一般的に理解されている。溶融シリカ中の挙動のプロットが図３の右下隅部に示されている。正味効果は、高温ＬＭＧ／ＵＶＡ膜は、バンドギャップを低下させることによってＥＸＧ基材内のより多くの吸収を界面近傍で押し進め、次に、これによって、内部変換プロセスからより多くの熱が生成され、さらに一層、バンドギャップが低下することである。このプロセスは、図３で特定された第３の基準を表す熱誘発吸収（Ｔｈｅｒｍａｌｌｙ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）と総称され得る。言うまでもなく、他の無機膜をそのような実施の形態において使用しても差し支えなく、そのような実施例は、本明細書に添付された特許請求の範囲を制限するべきでない。
上述したように、色中心形成は、本開示の実施の形態によるレーザー溶接の形成において一役を担う。３準位図に基づいたフィッティング関数導出のための、非多光子状態下での基本的な色中心形成プロセスのモデル化が、図８に示す実験的な配置を用いて図７に示されている。図７は、本開示の実施の形態による別のモデル化スキームである。図７の左パネルにおいて、３つの電子ガラスのバンド状態は、３５５ｎｍ光子を吸収して、接地状態ｎｇ［ｔ］、導電帯域ｎｅ［ｔ］および色中心ｎｃｃ［ｔ］内の母集団を増強または枯渇させる。単頭矢印はレーザー吸収を表し、双頭矢印は、刺激された吸収および出射を表すことを留意すべきである）。図７の右パネルにおいて、速度式が提供されており、速度式は、システムのコヒーレントに駆動された部分が、同じ母集団の迅速な発振）を示す（ｎｇ←→ｎｅ）間に電子準位母集団の滑らかな単調な増強および減少を予測する。三準位の初期条件は、図７の右のパネルの一番下の横列に提供されている。図８は、％Ｔ対時間計測のための、Ｅａｇｌｅ０．７ｍｍガラス基材を通る３５５ｎｍレーザー透過（％Ｔ）の実験的な配置の図である。図８を参照すると、診断パッケージングでは、ほぼ５～６Ｗが平均の電力にて溶融シリカウィンドおよびＥａｇｌｅ「ＸＧ」ガラス板を通過した後のＵＶパルスの集積エネルギーおよび時間的波形を測定することができる。
以下の方程式（１）は、実験で観察可能な、例えば、透過（ｔｒａｎｓ）対時間データに関連する、吸光度（Ａｂｓ）対時間を記述している：（１～Ａｂｓ＋ｔｒａｎｓ）。解は、上昇指数および減衰指数の合計であり得るが、以下の式に簡略化することができる：
Figure 0007313827000001
式中、αは、線吸収係数（ｃｍ－１）を表し、Ｉは、レーザー束を表し（光子／ｃｍ２・ｓｅｃ）、σｇは、接地状態の吸収断面積（ｃｍ２）を表し、σｅｓａは、励起状態の吸収断面積（ｃｍ２）を表し、σｃｃは、色入力吸収断面積（ｃｍ２）を表し、ｋｅｃは、過渡的色中心速度を表し、ｋｆは、蛍光減衰速度を表す。方程式（１）および図８を参照すると、色中心形成が本開示の実施の形態において有する役割を観察することができる。図９は、本開示の実施の形態によるプロットである。図９を参照すると、方程式（１）のプロットは、特定の非限定的なレーザーガラスの相互作用パラメータ：α＝０．０１ｃｍ－１、Ｉ＝４．６・１０－２１光子／ｃｍ２・秒、σｇ＝１．２０・１０－１７ｃｍ２、σｅｓａ＝１．２１・１０－１７ｃｍ２、σｃｃ＝２．２０・１０－１３ｃｍ２、ｋｅｃ～ｋｆ～１．０・１０７秒－１について色中心形成がある場合（図示するアーク）、色中心形成がない場合(図示する線)で提供されている。σｃｃ＝０を設定して、線形依存性を作製することができた。次に、％透過率＝１００－％吸光度という関係により、％透過率を形成した。図９に示すように、色中心形成を単にゼロとする（即ち、σｃｃ＝０を設定する）すると、妥当に選択されたパラメータ値で弧が直線に変換されたことになる。Ｅａｇｌｅ 「ＸＧ」、Ｌｏｔｕｓ 「ＸＴ」、Ｗｉｌｌｏｗ、および、組み合わせＷｉｌｌｏｗ－Ｗｉｌｌｏｗ間、Ｗｉｌｌｏｗ－Ｌｏｔｕｓ間、およびＷｉｌｌｏｗ－Ｅａｇｌｅ間を含むがこれらに限定されない、実験的にレーザー溶接されたガラス基材は、概ねこの曲率半径を示した。
図１０は、ガラス界面での例示的なＬＭＧ膜層からのＥａｇｌｅ 「ＸＧ」ガラス基材への拡散を分析する一連のプロットを提供する。図１０に関しては、ＴＯＦ－ＳＩＭＳを適用して、例示的な非限定的な組成（３８％ＳｎＯ、４０％ＳｎＦ２、２０％Ｐ２Ｏ５、２％Ｎｂ２Ｏ５）を有し、約０．８μｍの厚さを有するガラス界面にてＬＭＧ膜層からＥａｇｌｅ「ＸＧ」ガラス基材への拡散の可能性を好適なレーザー溶接条件下で分析した。元の界面（ａ、ｂ）にわたり、レーザー溶接（ｃ、ｄ）を受けた界面にわたるＦ線及びＳｎ線の走査は、界面から離れる拡散の範囲が小さく、一方、フッ素は、界面から離れてほぼ半マイクロメートル移動し、錫は、平均して有意に移動しなかったことを示す。したがって、図１０は、一見すると例示的な基材への有意なＬＭＧ材料の拡散がないと示すように見えるが、無機膜と基材との間の混合の度合いを幾度なくさらに検討して定量化してみると、様々な無機膜元素の基材への移動、及び基材元素の無機膜への移動が確認される（例えば、以下でさらに詳細に論じられている図３８Ａ～Ｃ及び図３９Ａ～Ｃを参照されたい）。
図３５Ｃは、（例えば、図３５Ｂ内のＣ線に沿って切り取った）封止デバイス２００の断面図を示す。図示されるように、溶接領域２５０は、封止後に形成されることがあり、この溶接領域は、第１の基材２１０の第１の深さｄ１から第２の基材２２０の第２の深さｄ２に延びる。理論に縛られたくないが、溶接部２５０は、第１及び第２の基材２１０、２２０の組成物及び／又は無機膜２３０の組成物と異なる組成物を有する領域を表すことがあると考えられる。例えば、基材及び／又は膜の粘弾性膨張又は膨潤のために、図３８Ａ～Ｃに関してより詳細に論じられているように、各層の様々な要素が、それぞれの個々の層から溶接領域２５０に移動することがある。例えば、無機膜２３０は、１つ以上の無機膜元素、例えば、Ｆ、Ｐ、Ｓｎ、Ｂ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｅ、Ｎｂ、Ｐｂ、Ｆｅ、Ｖａ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｍｇ、または、Ｇｅを含むことがあり、Ｇｅは、第１及び／又は第２の基材２１０、２２０内に存在することもあれば、存在しないこともある。同様に、第１及び／又は第２の基材２１０、２２０は、１つ以上の無機の基材元素、例えば、Ａｌ、Ｂ、Ｓｉ、Ｎａ、Ｌｉ、Ｋ、Ｍｇ、Ｃａ、またはＢａを含むことがあり、Ｂａは、無機膜２３０内に存在することもあれば、存在しないこともある。これらの膜及び基材元素の移動及び混合は、個々の層と異なる化学組成を有する溶接領域を生成することがある。
例えば、いくつかの実施の形態において、レーザー封止に、基材及び／又は無機膜は、レーザーエネルギーの吸収及びそのような吸収によって結果的に生じた局部加熱に起因して膨潤して変形することがある。熱膨張のために、無機膜及び基材元素の１つ以上が（拡散するのではなく）移動することがあり、その結果、個々の構成要素と異なる化学的構成を有する溶接領域２５０、例えば、第１の基材２１０、無機膜２３０及び／又は第２の基材２２０の元素の混合が形成される。溶接領域２５０は、例えば、２つの基材間の接合を形成するためにレーザービームが封止界面に入射した、封止デバイスの溶接された部分Ｗ内に存在することがある。溶接された部分Ｗは、連続した単一の線を構成することがあるか、又は、他の実施の形態において、１つ以上の溶接された部分Ｗは、（例えば、図３５Ｃに示すように）非溶接部分Ｉによって分離されることがある。
様々な実施の形態によれば、封止界面を出入りする無機膜及び基材元素の移動によって、無機膜の初期厚さよりも大きい厚さｔＷを有する溶接領域２５０が作り出され得る。例えば、１つ以上の膜元素は、どちらかの側の無機膜から深さｄ１又はｄ２に移動し得、その結果、厚さｔＷ＝ｔｉ＋ｄ１＋ｄ２を有する溶接領域２５０が形成され、ｔｉは、無機膜厚さ（記載せず）である。この領域において、溶接の化学組成は、例えば、基材への１つ以上の膜元素の移動及び／又は無機膜への１つ以上の基材元素の移動に起因して無機膜及び第１又は第２の基材と異なることがある。様々な実施の形態によれば、深さｄ１及びｄ２は、同じか又は異なるものであり得、例えば、その間の全ての範囲及び部分範囲を含め、約０．２μｍ～約１．８μｍ、約０．３μｍ～約１．６μｍ、約０．４μｍ～１．５μｍ、約０．５μｍ～約１．４μｍ、約０．６μｍ～約１．２μｍ、又は約０．８μｍ～約１μｍなど、約０．１μｍ～約２μｍの範囲であってもよい。溶接領域２５０の厚さｔＷは、同様に、無機膜１３０の初期厚さ及び膜及び／又は基材元素の移動（例えば、ｄ１及びｄ２の大きさ）の度合いによって変わり得る。例示的な溶接厚さｔＷには、その間の全ての範囲及び部分範囲を含め、約０．５μｍ～約１２μｍ、約０．８μｍ～約１０μｍ、約１μｍ～約８μｍ、約２μｍ～約７μｍ、約３μｍ～約６μｍ、又は、約４μｍ～約５μｍなど、０．３μｍ～約１４μｍを挙げることができるが、これらに限定されない。
いくつかの実施の形態において、溶接領域２５０の化学組成は、非溶接部分Ｉ内の無機膜２３０及び／又は第１又は第２の基材２１０、２２０の化学組成と異なってもよい。例えば、溶接領域２５０は、非溶接部分Ｉ（例えば、領域Ｉｉを参照されたい）内での無機膜２３０内の第２の無機基材元素濃度よりも大きい第１の無機基材元素濃度を有してもよい。他の実施の形態において、溶接領域２５０は、非溶接部分Ｉ（例えば、領域Ｓ１ｉ及びＳ２ｉを参照されたい）内での第１及び／又は第２の基材２１０、２２０内の第２の無機膜元素濃度よりも大きい第１の無機膜元素濃度を有してもよい。さらなる実施の形態によれば、溶接領域２５０は、溶接部分Ｗ内であるが溶接領域２５０から外れる（例えば、領域Ｓ１及びＳ２を参照されたい）第１及び／又は第２の基材２１０、２２０内の第３の無機膜元素濃度よりも大きい第１の無機膜元素濃度を有してもよい。さらにまた別の実施の形態において、溶接領域２５０内の第１及び／又は第２の基材の一部（例えば、領域Ｓ１Ｗ及びＳ２Ｗを参照されたい）は、非溶接Ｉ部分及び／又は溶接Ｗ部分（例えば、領域Ｓ１ｉ及びＳ２ｉ及び／又はＳ１及びＳ２を参照されたい）内での第１及び／又は第２の基材の第２及び／又は第３の無機膜元素濃度よりも大きい第４の無機膜元素濃度を有してもよい。
図３６Ａ～Ｂは、それぞれ、レーザー溶接前後の封止界面のＳＥＭ画像である。示された実施の形態において、第１及び第２の基材２１０、２２０は、「Ｃｏｒｎｉｎｇ社」ＥＡＧＬＥ「ＸＧ」ガラスを含み、無機膜２３０は、ＬＭＧを含む。図３６Ａ（溶接前）において、無機２３０膜は、１．０５μｍの厚さを有し、一方、図３６Ｂ（溶接後）において、溶接領域２５０は、２．８０μｍの厚さを有する。基材及び膜の粘弾性膨張又は膨潤、並びに、溶接領域２５０を形成するためのこれらの層の混合は、図３６Ｂで明白である。溶接領域（例えば、領域Ｓ１Ｗ及びＳ２Ｗを参照されたい）内の第１及び／又は第２の基材の各部は、図３６Ａ（溶接前）の基材２１０、２２０と異なる化学組成を有することがある。例えば、膜２３０の１つ以上の無機膜元素は、溶接領域２５０の基材に移動することがある。同様に、溶接領域２５０は、図３６Ａ（溶接前）内の無機膜２３０と異なる化学組成を有することがある。例えば、基材２１０及び／又は２２０の１つ以上の無機基材元素は、溶接領域２５０に移動することがある。
上記の領域の各々間の濃度の差は、例えば、使用される材料及びレーザー加工パラメータに応じて独立して変動し得、いくつかの実施の形態において、その間の全ての範囲及び部分範囲を含め、約１０モル％～約７５モル％、約１５モル％～約７０モル％、約２０モル％～約６５モル％、約２５モル％～約６０モル％、約３０モル％～約５５モル％、約３５モル％～約５０モル％、又は約４０モル％～約４５モル％など、約５モル％～約８０モル％の範囲であっても差し支えない。いくつかの実施の形態において、第１の膜元素濃度は、第２の膜元素濃度よりも少なくとも約５モル％（例えば、少なくとも約１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、又は８０モル％）大きくても差し支えなく、及び／又は、第１の基材元素濃度は、第２の基材元素濃度よりも少なくとも約３０モル％（例えば、少なくとも約４０、５０、６０、７０、又は８０モル％）大きくても差し支えない。そのような組成差は、少し例を挙げれば、２次イオンビーム質量分析法（ＳＩＭＳ）、元素プローブ顕微鏡分析（ＥＰＭＡ）、および、遷移電子顕微鏡法（ＴＥＭ）など、当技術分野において既知のいろいろな方法で測定することができる。
応力領域又は溶接熱影響部（ＨＡＺ）２６０は、封止中または後にデバイス内に形成されることもあり、この応力領域は、第１の基材２１０の第３の深さｄ３から第２の基材２２０の第４の深さｄ４まで延びる。図３５Ｃに示すように、応力領域２６０は、溶接領域２５０、並びに、周囲領域（例えば、領域Ｓ１Ｓ及びＳ２Ｓ）を包含してもまたは含んでも差し支えない。この点を踏まえると、溶接領域２５０の外側の第１及び／又は第２の基材の各部は、それにもかかわらず、デバイスの溶接Ｗ部分、非溶接Ｉ部分を問わず、応力領域２６０に該当しても差し支えない。いくつかの実施の形態において、応力領域２６０の厚さｔｓは、数十マイクロメートル～数百マイクロメートル、例えば、その間の全ての範囲及び部分範囲を含め、約３０μｍ～約４００μｍ、約４０μｍ～約３００μｍ、約５０μｍ～約２００μｍ、約６０μｍ～約１５０μｍ、約７０μｍ～約１２０μｍ、又は、約８０μｍ～約１００μｍなど、約２０μｍ～約５００μｍの範囲であっても差し支えない。さらなる実施の形態によれば、深さｄ３及びｄ４は、同じであっても又は異なってもよい。
理論に縛られたくないが、領域２６０内の残留応力は、溶接領域内及びその近くのレーザーへの曝露による基材の急速な加熱及び冷却のために存在することがあると考えられる。レーザーは、封止界面で特定のスポット直径で合焦されることがあるが、レーザーからの熱が出て、溶接領域２５０を越えて、例えば、溶接領域の外側で数十又は数百マイクロメートルも延びる封止デバイスのより大きい部分に影響を与えることがある。応力領域のサイズは、例えば、溶接温度及びレーザーのドエル時間に応じて変動し得る。しかしながら、高い平行移動速度（例えば、ドエル時間＜２－３ｍｓ）時でさえ、熱拡散（１．４×１０－６ｍ２／ｓ）により、結果的に、最大数何十マイクロメートルまでの応力領域が発生し得る。応力領域に影響を与えることがある他の要素としては、ガラス基材内の色中心による吸収に起因する基材の直接的な加熱及び／又はガラスのＵＶによるエッジシフトを挙げることができる。
いくつかの実施の形態において、領域２６０内の応力は、領域２６０の外側の封止デバイス内の応力と異なることがある。例えば、領域２６０（例えば、領域Ｓ１Ｓを参照されたい）内の第１の基材２１０の一部は、第１の基材２１０内の第２の応力よりも大きい第１の応力を領域２６０（例えば、領域Ｓ１を参照されたい）の外側で有することがある。他の実施の形態において、領域２６０（例えば、領域Ｓ２Ｓを参照されたい）内の第２の基材２２０の一部は、第２の基材２２０内の第４の応力よりも大きい第３の応力を領域２６０（例えば、領域Ｓ２を参照されたい）の外側で有することがある。可変応力のこれらの領域は、図３６Ａ～ＢのＳＥＭ画像では容易には見えないが、各領域の応力は、以下で説明される任意の方法を用いて定量化及び比較することができる。
上記の領域の各々間の応力の差は、例えば、使用される材料及びレーザー加工パラメータに応じて独立して変動し得、いくつかの実施の形態において、その間の全ての範囲及び部分範囲を含め、約２ＭＰａ～約２０ＭＰａ、約３ＭＰａ～約１５ＭＰａ、約４ＭＰａ～約１０ＭＰａ、約５ＭＰａ～約８ＭＰａ、又は、約６ＭＰａ～約７ＭＰａなど、約１ＭＰａ～約２５ＭＰａ、またはそれ以上の範囲であっても差し支えない。追加の実施の形態によれば、領域２６０内の応力：領域２６０外側の応力の比は、その間の全ての範囲及び部分範囲を含め、約１．２：１～約２０：１、約１．３：１～約１５：１、約１．４：１～約１０：１、約１．５：１～約９：１、約１．６：１～約８：１、約１．７：１～約７：１、約１．８：１～約６：１、約１．９：１～約５：１、約２：１：１～約４：１、又は、約２．５：１～約３：１など、約１．１：１～約２５：１の範囲であっても差し支えない。
これらの領域内の応力は、機械的複屈折（応力試験）、ラマン分光法（仮想温度及び応力の変化）、ブリルアン分光法（仮想温度及び応力の変化）、屈折率測定（仮想温度及び応力による屈折率の変化）、偏光顕微鏡法及び／又は熱容量測定を含むがこれらに限定されない様々な技法によって測定および／または推定することができる。様々な実施の形態によれば、封止後、封止デバイスは、所望であれば、領域２６０の応力を低減および／または排除するために１つ以上のその後のアニール工程を受けてもよい。
界面材料間で見掛けの大きいＣＴＥ不適合、すなわち、ＣＴＥ８７０ＣＨＭ＝１８ｐｐｍ／℃対ＣＴＥＥＸＧ＝３．１ｐｐｍ／℃に基づいて本開示の実施の形態において利用された移動原子種の有意な拡散増大を予想し得るが、層割れは観察されなかった。むしろ、６００℃もの高い温度の反復循環によって残留応力が除去されるようであり、その結果、接合強化となった。結果的に得られた肉薄無機膜は、十分に肉薄であり、それぞれのガラス基材におけるＣＴＥ不適合による層割れ力が結合力をはるかに下回るほどであった。これは、接着膜の蒸着応力による積層構造体の複合応力は、膜厚の３乗で拡大縮小するという知識に対応する。
図１１は、異なる厚さのガラス板間のレーザー溶接の実施の概略図である。図１１に関して、極薄Ｗｉｌｌｏｗガラス（０．１ｍｍ）をＥａｇｌｅ「ＸＧ」ガラス（０．７ｍｍ）に溶接すると、すなわち、「非対称形」の事例であるが、結果的に、溶接不良となり得ることが発見された。「対称形の」ＥａｇｌｅとＥａｇｌｅとの事例（図１１の左側）において、熱的に高温領域をガラス界面に沿って掃引して優れた溶接を実行した。それぞれの温度分布は、各説明で以下に示す。しかしながら、厚さが異なるガラス板を使用したとき、非対称形の熱領域が発生し、この非対称形の熱領域のために、結果的に、場合によっては、例えば、ＷｘｉｌｌｏｗをＥａｇｌｅに溶接したときに（図１１の真ん中の図）、溶接不良が発生し得る。しかし、例示の実施の形態は、熱的な高温領域を効果的に回復させるために熱があれば放散させて薄板ガラスを冷却することができ、結果的に、強力な溶接接合が形成される熱伝導板の使用による、図１１の右側上に示されるこの非対称の溶接の問題の解決策を提供することができる。従って、本明細書で説明されるいくつかの実施の形態では、異なる厚さを有するレーザー溶接ガラス板への熱伝導板の使用を採用することができる。
これまでの説明では（同様又は異なる寸法、外形形状及び／又は厚さの）ガラスとガラス基材のレーザー溶接を説明したが、これは、実施の形態が、界面導電膜の有無を問わず、セラミック、ガラスセラミック、金属などであるが、これらに制限されず、非ガラス材料の基材つまりシートに等しく適用可能であるとき、本明細書に添付された特許請求の範囲を制限するべきでない。例えば、図１２は、ＩＴＯリード線にわたるレーザー溶接の範囲を評価する実験の例示である。図１２を参照すると、図の左パネルにおいて、ＬＭＧコーティングされたＥａｇｌｅ「ＸＧ」スライドが、ＩＴＯコーティングされたＥａｇｌｅ「ＸＧ」スライドにレーザー溶接されると示されている。この実験において、１００ｎｍのＩＴＯ膜を、マスクを介して反応性スパッタリングによってＥａｇｌｅ「ＸＧ」基材上まで蒸着した。種々の条件を選択した上で、結果的に、ＩＴＯ膜は、１平方当たりほぼ１２６Ω（Ω／ｓｑ）の相対的に高い平均シート抵抗を有し、標準偏差は、２３Ω／ｓｑであり、これは、反応性スパッタリング蒸着前、中、及び後に基材の熱的加熱は採用されなかったことを反映している。ＩＴＯ膜は、図１２では、写真中で斜めに配置された、明瞭な黄色がかったつまり陰影のあるストリップに見える。レーザー溶接前に、３５０Ωのマルチメーター測定結果を示された距離にわたって記録した。その後、ＬＭＧコーティングされたＥａｇｌｅ「ＸＧ」スライドを、ＩＴＯコーティングされたＥａｇｌｅ「ＸＧ」スライドにレーザー溶接したところ、レーザー溶接線は、全く明瞭、強力、透明で、斜めに配置されているが反転していることが発見された。図１２の右パネルにおいて、レーザー溶接後に、先に使用されるのと同じ距離にわたってＩＴＯリード線全体にわたって抵抗を測定すると、抵抗が３５０Ωから１２００Ωに増大するのを観察した。導電性の降下は、ＩＴＯ膜が３５５ｎｍ放射線を吸収したときにＩＴＯ膜が一部破損したことによるものであった。しかしながら、過熱によるＩＴＯ膜の損傷を避けるために、種々の実施の形態では、界面での温度またはその他（例えば、可変最大出力、可変繰返し率、可変平均出力、ビームの可変平行移動速度、電極パターン、ＬＭＧ膜厚など）がベアガラス基材からＩＴＯ膜基材に遷移しないように、レーザーパラメータを変えても差し支えない。
図１３は、ＩＴＯパターン膜にわたって形成されたレーザーシール線のさらなる写真を提供する。図１３の左パネルに関して、やはりＩＴＯ製でほぼ２５０ｎｍの厚さを有する別の電極形式を異なる供給元から取得した。ＩＴＯ膜は連続的であり、ＩＴＯ膜にわたって、本明細書で説明される方法を使用してシールを形成した。初期抵抗は、おおよその１０ｍｍの距離にわたって測定すると２２０オームであった。透明ガラスから電極領域に遷移時にレーザー封止を一定の速度及び出力で行った。封止を実行した後、強力なシールが、透明ガラス及びＩＴＯ領域の両方にわたって観察され、ＩＴＯにわたるシールは、若干、ほぼ１０～１５％だけ幅広であった。そのようなシール幅増大は、この領域で生成された熱の方が透明な領域よりも多いことを示唆していることがある。また、さらなる発熱が、レーザー放射による電極材料の吸収によって、または、膜の異なる温度伝導率特性によって引き起され得、いずれにせよ、抵抗を測定すると、２４０Ωまでほぼ１０％の増加であったが、これは、有意なものではない。これは、また、温度がベアガラスに対して高かったとき、高品質ＩＴＯほど膜が厚かったからといって、導電性劣化があったわけではないことを示し得る。透明ガラスから電極領域に遷移時にレーザー封止出力を下げると、余分の発熱が低減され、したがって、ＩＴＯ内の抵抗率劣化を減少させることができることを留意すべきである。実験結果は、また、シール場所で（元の電極と同じ全幅を有する）複数の電極に分割された単一の電極は、レーザービーム幅の１／２～１／３の電極幅及びビーム直径の１／２～１／３の間隔を使用するときに最適であり得ることを示唆している。その後に速度を上げて２０ｍｍ／ｓを上回る封止速度で実験をしたところ、抵抗劣化は、約２００Ωの開始抵抗で封止した後には＜１－２％減であることがわかった。
図１４は、パターン膜にわたって形成されたさらなるレーザーシール線の一連の写真である。図１４に関して、同様の実験を非透過性のモリブデン金属電極で行った。図１４は、レーザーシール線が形成された、連続した、モリブデン界面パターン膜の一連の写真を提供する。左パネルにおいて、連続したモリブデン膜の写真は、モリブデン電極の割れたか又は破断した部分を伴う、より不均一な接合形成を示す。この場合でさえ、一定のレーザー封止出力時には、均一なモリブデン電極は、完全には損傷しなかった。しかしながら、均一な電極によるレーザー放射吸収又は反射のために、加熱は、透明ガラス領域よりも電極領域の方が実質的に高かった。これは、モリブデン領域にわたるシールの幅が増大した領域によって観察することができる。損傷しなかった一方の領域は、透明で均一なモリブデン領域間の遷移部にあり、その結果、封止事象中の、出力調節、レーザー出力密度、レーザースポット速度、または、これらの要素の全ての組み合わせによって、過熱の影響があっても均一なモリブデン電極が得られるように克服し得ることを示唆することを留意すべきである。図１４の右パネルにおいて、モリブデンパターン又は多孔膜の写真は、結果的に導電性に対する最小の摂動、すなわち、溶接前の１４Ωから溶接後の１６Ωとなったより均一な接合形成を示す。この有孔領域にわたる封止は、加熱がはるかに少なかったことを示し、したがって、出力変調方法の代案を呈示している。また、低い溶融温度（Ａｌ）を有する金属との封止は、モリブデン（６５０℃：１２００℃）又は高い溶融温度を有する他の金属と比較すると封止条件を耐え抜く可能性がないことを発見したので電極金属は慎重に選択するべきであることを留意すべきである。したがって、実験結果は、シール場所で（元の電極と同じ全幅を有する）複数の電極に分割された単一の電極は、レーザービーム幅の１／２～１／３の電極幅及びビーム直径の１／２～１／３の間隔を使用するときに最適であり得ることを示唆している。したがって、本開示の実施の形態は、等しい又は異なる寸法、外形形状及び厚さのガラスとガラス、金属、ガラスセラミック、セラミック及び他の基材のレーザー封止に適用可能である。
高い結合強度の、透明な、ガラスとガラス間溶接部の効率的な形成を有するここに説明される実施の形態を利用してもよい用途は、数多くあり、固体照明技術、ディスプレイ技術、及び、透明真空断熱技術が挙げられ得るが、これらに限定されない。特に、ガラスのレーザー溶接は、ｅビーム、アーク、プラズマ又はトーチなど多くの従来の溶接法では単に提供することができない効率及び小さい溶接熱影響部（ＨＡＺ）などの特徴を提供することができる。いくつかの実施の形態において、レーザーガラス溶接は、一般的に、多くのガラスが不透明である赤外線（ＩＲ）レーザー又は多くのガラスが透明である超短パルスレーザー（ＵＳＰＬ）を使用して予熱又は後熱なしに先に進むことができる。いくつかの実施の形態において、ガラス基材組成及び界面に分布するＩＲ吸収フリットの賢明な選択によって、気密のガラス「サンドイッチタイプ」のレーザー封止パッケージを可能にすることができる。いくつかの実施の形態において、超短パルスレーザーは、例示的なガラス基材において表面又は内部点にも合焦させることができ、多光子又はなだれイオン化などの非線形プロセスによって吸収を誘発することができる。
これまで、低出力レーザー溶接プロセスが説明されてきたが、低出力レーザー溶接プロセスは、吸収低融点ガラス界面膜に依存し、接合形成が低温（溶融温度の半分の低さ）であり、接触及び圧力の諸条件が必要とされるために拡散接合があればこそと考えることができる。上述したように、強力な接合形成とともに、いくつかの効果が、レーザー溶接ガラス板に顕著であったが、例えば、入射光レーザー波長時の吸収低融点ガラス膜、ガラス基材内に形成されたレーザー誘発による色中心、及び、温度上昇の効果的な加速に対する基材内で誘発された熱吸収であった。
しかしながら、いくつかの実施の形態において、入射波長（例えば、３５５ｎｍ）時に高度に吸収する多くの膜は、高い結合強度のレーザー溶接部を誘発するのに十分であっても差し支えない。例えば、他の膜ＺｎＯ又はＳｎＯ２は、本明細書で説明される一部の例示的な低融点ガラス組成物と化学的に異なるが、同じレーザー溶接能力を相対的に低い光束時に共有する。したがって、低融点特性は、一部の低融点ガラス組成物（約4５０℃）と比較すると、ＺｎＯ（１９７５℃）の溶融温度に照らしていくつかの実施の形態において必要ではなくてもよいことが発見された。しかしながら、これらの膜の一元化する特性は、実質的に３５５ｎｍ時に放射線を吸収することであることが発見された。ＺｎＯ吸光度：約４５％（２００ｎｍ厚膜）、低融点ガラス：約１５％（２００ｎｍ厚膜）であった。また、本明細書に説明される例示的な方法では、石英又は純粋な溶融シリカ基材、すなわち、色中心のない基材をレーザー溶接することができると判断した。したがって、色中心は必ずしも不可欠というわけではなく、いくつかの実施の形態において例示的な膜の吸収が低い（例えば、～Ａｂｓ＜２０％）であるときに必要であることがあると判断した。
図１５は、いくつかの実施の形態による別の方法の略示図である。図１５を参照すると、定義されたビーム幅又は直径Ｄを有する脱焦したレーザー１５が、ガラス１７、１８の２つのシートに接触して形成されたサンドイッチタイプ構造体１６に入射し、一方のシートの内部界面は、肉薄吸収膜１９で被覆されている。ビームが円筒形と示されているが、ビームが円錐形か、又は、別の好適な外形形状であっても差し支えないので、そのような描写は、本明細書に添付された特許請求の範囲を制限するべきでない。膜材料は、入射光レーザー波長時に吸光度が得られるように選択しても差し支えない。レーザー１５は、所定の速度Ｖｓ時に、及び、平行移動レーザービームは所与のスポットを効果的に照射することができる時間に平行移動することができ、ドエル時間（Ｄ／Ｖｓ）によって特徴づけることができる。いくつかの実施の形態において、適度の圧力を溶接又は接合事象中に印加しても差し支えなく、透明な表面間で接触の持続が確保され、一方、任意の１つまたは複数のパラメータは、溶接を最適化するように調整される。例示的な、非限定的なパラメータとしては、レーザー出力、速度Ｖｓ、繰返し率、及び／又は、スポット直径Ｄが挙げられる。
図３を参照して上述したように、最適の溶接は、３つのメカニズム、すなわち、例示的な膜及び／又は基材によるレーザー放射の吸収及びこの吸収プロセスに基づく加熱効果、過渡的であり得て加工条件に左右される加熱効果（より長い波長へのバンドギャップシフト）に起因する膜及び基材による吸収の増加、及び、紫外線によって生成された欠陥つまり不純物による吸収又は色中心による吸収の関数であることができることが発見された。熱的分布は、このプロセスの重要な面であり得、以下で論じる内容は、界面での静的吸収を想定して２つの基材間の界面での温度分布を理解しやすくするために使用することができる。
Ｅｌ－Ａｄａｗｉは、大きい半無限の厚板基材で厚さＺの吸収膜から成る２層スタックをレーザー加熱する解析モデルを開発した。各材料内の熱拡散方程式は、適合された境界条件で解き、膜及び基材に伴う時間及び位置の関数Ｔｆ（ｔ、ｚ）、Ｔｓ（ｔ、ｚ）として温度の式が得られた。Ｅｌ－Ａｄａｗｉのモデルでは、吸収は表面でのみ発生し、相変化が発生しないように、膜及び基材の熱特性（拡散係数Ｄ、導電性ｋ、熱容量Ｃｐ）は一定であると測定されていた。ラプラス変換を使用すると、指数及び誤差（相補型）関数項との合計が得られた：
Figure 0007313827000002
式中、Ａfは、肉薄膜の表面吸光度を表し、ＩOは、レーザー束（光子／ｃｍ２・秒）を表し、ｎは、整数（０≦ｎ≦∞）を表し、全ての下付き文字ｆは、膜のパラメータを指し、下付き文字ｓは、基材のパラメータを指す。Ｂ及びεは、材料の特性に関連し、Ｂ＝1-ε／1＋ε＜1、ε＝（ｋｓ／ｋｆ）√（Ｄf／Ｄｓ）であり、一方、Ｌfは、時間ｔも含み、Ｌf ２＝４Ｄｆｔである。肉薄膜層に関する時間及び空間の範囲は、それぞれ、０＜ｔ、０≦ｚｆ≦Ｚとして提示することができ、式中、Ｚは、膜厚を表す。基材層の時間及び空間の範囲は、それぞれ、ｔｓ＜ｔ、Ｚ≦ｚｓ≦∞として提示し、式中、ｔｓは、初期レーザー膜入射後に膜背面の温度が室温からの偏移を開始するのに掛かる時間を表す（ｔｓ＝Ｚ２／６Ｄｆ）。膨張係数は、以下の式によって独立変数及び材料の特性に関連付けられる：
Figure 0007313827000003
図１６は、いくつかの実施の形態の２層レーザー加熱面吸収モデルである。図１６を参照すると、パルスＵＶ（３５５ｎｍ）レーザー２０は、１μｍＵＶ吸収膜２３及び７００μｍＥａｇｌｅ－ＸＧ基材２４を有する２層スタック２２を当たると示されている。Ｅａｇｌｅ－ＸＧスタック２２内の溶接界面から離れた空間温度分布は、方程式（２）から計算して、６ワットの平均出力を送出する、パルス（３０ｋＨｚ、１０ｎｓパルス幅、５００μｍ幅レーザービーム－ウエスト直径）３５５ｎｍレーザーを想定してプロットすることができる。次に、異なるレーザー掃除速度（２ｍｍ／ｓ、５ｍｍ／ｓ、１０ｍｍ／２及び２０ｍｍ／ｓ）を使用した。約２００ｎｍの厚さを有する、３５５ｎｍ時での錫－弗化燐酸塩ＬＭＧ材料に典型的な値である１５％のＵＶ膜吸光度を計算に採用した。Ｅａｇｌｅ「ＸＧ」基材又はスタック２２内のこの温度分布をプロットしたところ、異なるレーザー掃除速度を使用ことに起因する温度分布変動が観察されたが、なぜならば、より高速の移動ビームと比較すると低流動レーザービームがより長く所与のレーザー溶接部位にわたって滞留するからである。例えば、所与の溶接スポットにわたって滞留した２ｍｍ／ｓで移動する５００μｍ幅広レーザービームの有効時間は、０．２５の秒単位であり、滞留した２０ｍｍ／ｓ掃引レーザービームの場合は、わずか０．０２５秒であった。
異なるレーザー出力、又は、異なる吸光度を有する膜の使用に起因する温度変動も、図１７に示すように調査した。図１７は、いくつかの実施の形態の一連の温度変動プロットである。図１７に関して、レーザー出力及び膜吸光度に対するガラス基材温度分布依存を二層レーザー加熱モデル（方程式（２））を使用してプロットした。図１６で使用したのと同じレーザーパラメータを図１７で使用した。より具体的には、以下のパラメータを有するパルスＵＶレーザーを使用したが、λ＝３５５ｎｍ、ビームウエスト＝５００μｍ、繰返し率＝３０，０００Ｈｚ、及び、パルス幅＝１０ｎｓであった。図１７の左パネルで観察することができるように、基材温度分布に及ぼすレーザー出力の影響の方が、図１７の右のパネルの吸光度の高次挙動と比較する線形のように見える。この挙動は、方程式（２）からは明らかではなく、電力Ｉｏ及び吸光度Ａｆが結合したように見える。吸光度は、有効膜厚ｚｆに間接的に影響を与え得、有効膜厚については、膨張係数ｂｎ及びｇｎがいくらか関連がある。対照的に、Ｉｏは、独立しており、膨張係数ｂｎ及びｇｎに関連した関数関係はない。
図１８は、幾つかの実施の形態の、掃引レーザーのドエル時間内に析出された平均エネルギーの一連のプロットである。図１８を参照すると、ドエル時間は、レーザー掃除速度及びレーザーパルス繰返し率に左右され、これらの値及び単位は、独立した可変ｘ－ｙ平面に示されていることを観察することができる。これらの計算では、２５％の膜吸光度、５００マイクロメートルレーザービーム幅、及び、１０ｎｓのレーザーパルス幅を想定しており、これらの計算によって、幾つかの実施の形態において、結果的に、問題のないレーザーガラス溶接部を得ることができる。閾値出力（６Ｗは１１ａ、２０Ｗは１２ａ）は、この出力を超えるとレーザー溶接が成功するが、図示された平面と共に図１８に示されており、実験から経験的に想定されている。上下のプロットつまりパネルは、使用されたレーザー出力量が異なり、６ワット対２０ワットである。図１８の両方のプロットの比較は、低い入射光レーザー出力（例えば、６ワット）時のレーザー速度のわずかな変動が、適当なレーザー溶接部を誘発するために必要である入射出力よりもかなり高い入射出力を招き得ることを示唆している。より高い繰返し率の方向の初期レーザー溶接条件（３０ｋＨｚ、２ｍｍ／ｓのレーザー掃引速度）から離れた暴走がたとえ小さくても結果的に不必要な入射光出力密度となろう。レーザー掃除速度が高くなると、ガラス基材をレーザー溶接するのに必要とされるエネルギー量が急速に不適切となり、これは、速度に対するレーザードエル時間の逆依存対レーザー繰返し率に対する線形依存の結果である。より高い入射光レーザー出力（例えば、２０ワット）時に、より大きいプラトー領域つまりプロセスウィンド１１ｂ、１２ｂが利用可能となり、速度及び繰返し率の暴走が小さいと、余剰エネルギーを招くことなく適当なレーザー溶接条件が保持される。両方のプロットのプロセスウィンド１１ｂ、１２ｂは、レーザー溶接又は接合最適化を促進することができる。
図１９は、ＩＲ赤外線源での加熱中の３５５ｎｍ時のＥａｇｌｅ「ＸＧ」及びＬｏｔｕｓ「ＸＴ」ガラス透過のプロットである。図１９に関して、ガラス界面の吸収特性に及ぼす温度変化の影響を、Ｅａｇｌｅ「ＸＧ」及びＬｏｔｕｓ「ＸＴ」基材を赤外線ＣＯ２レーザーで１０．６μｍで照射したときの実験で判断した。３５５ｎｍ時にこれらの基材の結果的に得られた透過はＣＯ２レーザー放射線によって生成した温度によって有意に変わったことを観察することができる。いくつかの実施の形態における界面加熱は、膜ならびにガラス基材の両方において界面でのより効果的な吸収が発生し得るということになる。
図２０は、いくつかの実施の形態の加熱中の３５５ｎｍ時のガラスの透過のプロットである。図２０に関して、紫外線による色中心形成は、膜及びガラス基材の両方に発生することができ、これによって、照射領域でさらなる吸収が発生することができることが発見された。Ｅａｇｌｅ「ＸＧ」及びＬｏｔｕｓ「ＸＴ」ガラス基材に及ぼす３５５ｎｍ時の透過の影響は、結果的に生じた温度上昇のために図２０で観察することができる。この温度上昇は、図１９に示す加熱の影響及び色中心形成の組み合わせが原因であり得る。
図２１は、いくつかの実施の形態のＵＶ照射中及び後の膜及び基材透過に及ぼす影響のプロットである。図２１を参照すると、第１の曲線３０は、２００ｎｍのＺｎＯ膜を有するＥａｇｌｅ「ＸＧ」０．６ｍｍ基材の透過を表す。第２の曲線３１は、３５５ｎｍレーザー光源、３０ｋＨｚ繰返し率を有する３Ｗ／ｍｍ２放射線による過渡的吸収（すなわち、既存の吸収の上の吸収）を表す。この第２の曲線３１は、色中心及び温度により誘発された吸収を含む。第３の曲線３２は、レーザー放射がオフである、即ち、温度は周囲状態に回復し、色中心は部分的に消失した後の誘発された吸収を表す。４２０ｎｍ以上での高い透過を有するこれらの実施の形態においてある程度の恒常的な吸収変化があることを留意すべきである。この影響は、膜の存在によるものであり、膜のない露出した基材に対して有意に増幅される。膜及び基材内のある程度の変化は、第３の曲線３２で観察されるように恒常的であり得るが、これは、可視透過には影響を与えない。これらのＵＶベースの照射の効果に加えて、所望の温度上昇及び融着が膜単独での吸収に基づいて発生することができ、以下で論じるように、この効果は、ＩＲ吸収膜で実現することもできることを観察することができる。したがって、図２１に示すように、一部の例示的な膜は、紫外線の温度及び出力密度の関数として温度及び色中心形成を示すことができる。
図２２は、いくつかの実施の形態の吸収対波長のプロットである。図２２に関して、実施の形態は、ＦｅＯベースのガラスで作製される膜を含んでいたが、これは、加工条件によって２つの異なる酸化状態２＋及び３＋であることができる。この例示的な、非限定的なシリカ系ガラス膜は、約１０～１５重量％を上回るＦｅＯを有し、その等しい割合は、ＦｅＯ及びＦｅ２Ｏ３である。図２２に示すように、このＦｅ２Ｏ３は、ＮＩＲ波長時に強力な吸収を示し、また、１０６４ｎｍの波長でＹＡＧレーザーで照射することができるということが発見された。この場合可視透過は、約０．０２未満であり、約４２０ｎｍ～約７００ｎｍの減衰を損なわない。１０６４ｎｍ時の吸収は、約０．１であるとわかり、例示的な膜は、溶融点を上回る十分なレーザー出力で加熱してレーザー溶接することができた。言うまでもなく、本明細書に添付された特許請求項の範囲は、ＩＲ吸収膜としてそのように限定するべきではなく、他のＩＲレーザーも想定されている。
図２３は、Ｅａｇｌｅ「ＸＧ」ガラス上の例示的な低融点ガラス膜のレーザーシール又は接合線の写真である。図２４は、Ｅａｇｌｅ「ＸＧ」ガラス上の例示的な低融点ガラス膜の交差するレーザーシール線の写真である。図３３～３４は、いくつかの実施の形態における溶接線の写真である。図２３、２４、３３、及び３４を参照すると、異なる条件でＵＶレーザーで行われた例示的な溶接が示されている。より具体的には、図２３は、Ｅａｇｌｅ「ＸＧ」ガラス上の１μｍ肉厚低融点ガラス膜を使用する２００μｍレーザーシール線を示し、図２４は、Ｅａｇｌｅ「ＸＧ」ガラス上の１μｍ肉厚低融点ガラス膜を使用する２つの４００μｍ線の交差を示す。溶接線、シール線又は接合線の幅は、それぞれの基材の界面でのスポットサイズの変更によって変えることができる。また、どちらの場合（単一のか、又は、交差溶接）も膜又は基材の割れは、形成されていなかったことに実験中に留意した。図３３を参照すると、レーザー溶接線は、２つの基材の中間の１μｍ低融点ガラス膜を有するＬｏｔｕｓ「ＸＴ」ガラススタックにおいて観察することができる。溶接条件としては、１ＭＨｚの繰返し率、１０Ｗのレーザー出力、及び１００ｍｍ／ｓの平行移動速度が挙げられ、結果的に、１９０μｍの線幅が得られた。図３４を参照すると、１μｍの低融点ガラス膜を有するＥａｇｌｅ「ＸＧ」ガラススタック内の交差するレーザー溶接線を観察することができる。溶接条件として、１ＭＨｚの繰返し率、４Ｗのレーザー出力、及び、２００ｍｍ／ｓの平行移動速度が挙げられ、結果的に、８０μｍの線幅が得られた。
図２５は、いくつかの実施の形態のレーザー溶接中に観察された界面接触形状の範囲の概略図である。図２５を参照すると、左パネルは、「Ｒａ」範囲内で発生する界面条件を表し、隙間の厚さｔｇａｐは、統計学的にＲａ番号によって特徴づけられた局所表面粗度によって占められ、凹凸の面内空間分布は、偏相関長さによって特徴づけられる。図２５の右のパネルは、「ほこり」範囲内で発生する界面条件を表し、隙間ｔｇａｐの厚さは、支配的なほこり粒径分布の統計値によって占められ、面内空間分布は、ほこり密度分布によって占められている。従って、Ｒａ範囲内の隙間厚さは、低くは１ナノメートルの分数値（例えば、結晶質の範囲）の超滑らかな値から、市販ガラス（例えば、ソーダ石灰、硼珪酸塩）に特有の値を表す上部範囲での何十ナノメートルまでの範囲であるガラスの基材表面統計値に左右されることを観察することができる。
レーザー溶接動特性、つまり、拡散－溶接クリープ流の根底にある潜在的なメカニズムを調査すると、相対的に低い温度接合形成は、ガラス基材の溶融温度の半分の低さで発生し、接触及び圧力条件は、いくつかの実施の形態において必要とされることがあることを観察することができる。隙間への大部分の基材材料の物質移送は、基材歪み点を超える温度によって起動される高温膨潤による膨張するガラスと一貫して発生する。より詳細に論じられるように、基材の粘弾性膨張及び膨潤によって、結果的に、１つ以上の無機基材元素（例えば、図３９Ａ－Ｃを参照されたい）で溶接領域の強化を得ることができる。
この材料の移動は、典型的には拡散溶接モデル（すなわち、粘性、塑性、又は、拡散輸送プロセス）に見られる様々な形態のクリープ流の１つによって説明することができる。これらのモデルは、金属溶接の説明において使用されるが、相対的な接触領域、ＡＣ／Ａ０及び図２６に示す動力学的進展の概念を用いて本発明の事例に適合させることができる。図２６は、一定の加圧力Ｐｅｘｔ下の界面間隙領域のレーザー溶接中の相対接触領域（ＡＣ／Ａ０）の進展の概略図である。図２６を参照すると、一番上のパネルにおいて、時間＝０及び相対接触領域の初期条件ＡＣ／Ａ０＝０である。真ん中のパネルにおいて、時間は、０よりも大きく、界面隙間領域の中間状態を示し、ＡＣ／Ａ０＞０である。一番下のパネルにおいて、時間は、所定の地点にあり（ｔ≒端部）、溶接又は接合は、本質的に完全であり、隙間は、事実上存在せず、ＡＣ／Ａ０≒１である。図２６によって象徴される拡散溶接された界面の形成では、化学結合ができる距離に収斂する相対接触領域ＡＣ／Ａ０の進展が想定されている。近似を用いてこれらの動特性を説明することができる：
Figure 0007313827000004
式中、ｋは、定数を表し、ｐは、圧力を表し、ｎは、圧力指数を表し、Ｑは、特定の速度制御クリープ流メカニズムの活性化エネルギーを表す。ｎの値は、以下のように速度制御メカニズムと相関づけることができ、ｎ＝１（物質輸送用）、ｎ＝２（塑性流用）、
ｎ＝３（蒸発／結露輸送用）、ｎ＞３（拡散輸送用）である。
方程式（４）は、等温条件が想定されていることから作業時の一部の機械的な力を演繹する際のガイドとして採用することができる。この機械学の調査を始まるために、さらには、Ｅａｇｌｅ「ＸＧ」（軟化点：９７１℃を抑える）と類似しているため、パラメータは、クリープが見つかった低軟化点硼珪酸ガラス（７００℃～７５０℃）の高温クリープの、８００℃～９５０℃の範囲にわたる３点曲げ実験研究の文献から使用することができ、クリープの全段階について、その変形挙動は、速いクリープ領域及び遅いクリープ領域の両方について粘性流によって制御された線形粘弾性を示していた。速いクリープ領域データ（ｎ＝１、Ｑ＝１６０ｋＪ／モル及びｋ＝０．０００４８Ｐａ－１ｓ）を使用して、一部のレーザー溶接実験（９５０℃）と類似の条件で溶接領域の全有効圧力Ｐｔｏｔａｌは、７３．６ＧＰａ及び３．１ｐｐｍ／℃のＥａｇｌｅ「ＸＧ」の名目係数（ｎｏｍｉｎａｌ ｍｏｄｕｌｕｓ）及びＣＴＥ値が、約０．１ＭＰａの名目加圧力の名目係数（ｎｏｍｉｎａｌ ｍｏｄｕｌｕｓ）を超えると適用されると想定すると９５０℃で６００ＭＰａと推定することができる。この上限推定は、測定実験データに基づいたものであり、基材ガラス及び膜材料は、図２７に示すように平面界面領域を超えて膨潤及び膨張することを示した。図２７は、典型的なレーザー溶接条件を使用する実施の形態のレーザー掃除領域にわたる側面計トレースを示す。図２７を参照すると、下の簡略図は、以下の条件、すなわち、３５５ｎｍ、３０ｋＨｚ、４ｍｍ／ｓｅｃ平行移動速度で２回連続のレーザー掃引を受ける単一の低融点ガラスがコーティングされた（１μｍ厚膜）のＥａｇｌｅ「ＸＧ」基材を表す。図２７の上の画像は、隆起したモルフォロージーを示すこれらの２つの溶接領域にわたる側面計による単線トレースである。
温度が９５０℃時に一定であると想定してさえも、その条件下の粘性流メカニズムで、拡散溶接を形成して完了まで推し進める際に十分である（ＡＣ／Ａ０～１）かどうかに留意してもよい。図２８は、この場合に対するある程度の洞察を提供する。図２８は、いくつかの実施の形態の溶接速度推定値の比較を提供する一連のプロットである。図２８を参照すると、溶接速度推定値の比較は、低ひずみ及び軟化点硼珪酸ガラスクリープ流パラメータ及び６００ＭＰａの有効溶接加圧力を使用する方程式（４）に基づくことができる。２つのプロットは、粘性流（左プロット）又は塑性流（右プロット）が優勢であると想定する点のみが異なる。０．２５秒台のドエル時間によって約６ワット及び３０ｋＨｚレーザー繰返し率条件下で強力なレーザー溶接が得られることを思い起こすと、粘性流の解釈は、疑問の余地があり得、図２８の左プロットは、強力な溶接形成にも対応し得る他のメカニズム（例えば、塑性流）を示唆している。
図２９は、いくつかの実施の形態の偏光測定及び画像の概略図である。図２９を参照すると、界面溶接接合近傍の例示的なレーザー溶接プロセスから生じる残留応力場を検証することができる。例えば、図２９の上のパネルは、０．７ｍｍＥａｇｌｅ「ＸＧ」ガラス基材間のレーザー溶接付近の応力場の偏光測定結果を示し、一方の内面は、１μｍ厚低融点ガラス膜で被覆されている。左上のパネルは、以下の条件、すなわち、２０ｍｍ／ｓｅｃ、１４ワット、２００μｍビーム幅及び１５０ｋＨｚの繰返し率での３５５ｎｍＵＶレーザーの掃引から得られた、レーザー溶接の残留応力場の偏光測定画像を提供し、右上のパネルは、この残留応力場の３次元レンダリングを提供する。図２９の下のパネルにおいて、伝搬応力場、及び、レーザー溶接条件からその場所について求めた解析依存関係を示す例示が提供されている。次に、優勢なレーザー溶接条件下での伝搬応力場の場所に及ぼす影響を推定することができる。しかしながら、解析モデルでは、単純な構造を半無限体つまり厚板として処理する傾向がある。方程式（２）は、解が２層システムについていかに複雑であり得るかを示し、これは、時間依存の溶融または応力領域を導入すると急速に手に負えなくなり得る。溶融の１つのモデルでは、入射光レーザー放射が表面で完全に吸収されたヒートシンクに接続された厚板を考察した。このモデルは、２つの時間領域を考察し、溶融時間が通過時間（例えば、厚板の後端部が室温から増大するのに掛かった時間）を下回る１つの領域、及び、溶融時間が通過時間を上回るもう１つの領域であった。このモデルでは、また、液体と固体との間の伝搬界面に適用される熱平衡方程式が想定され、
Figure 0007313827000005
式中、項は、方程式（２）において使用したものと全く同じであるが、Ｚは、溶融領域の場所を表し、ＱＬは、融解潜熱を表し、熱の流れは、一次元であり、光放射は表面で吸収され、材料熱特性は、温度から独立したままであることを除く。次に、二次方程式を、熱物理パラメータ及びレーザーパラメータの関数である係数を有するＺ及びｄＺ／ｄｔの両方で導出することができる。伝搬応力場の依存関係を理解するために、伝搬レーザー溶融領域解析モデルは、Ｅａｇｌｅ「ＸＧ」の融解潜熱（融着）を先のＥａｇｌｅ「ＸＧ」代替品、すなわち、有効分子量（１６０ｋＪ／モル）／（０．２６６ｋｇ／モル）で正規化された低歪み点硼珪酸ガラスのクリープ流の活性化エネルギーと置換することによって変更してもよい。溶接中に熱が厚板基材の背面から放散されない場合を考慮すると、結果的に得られた式は、レーザー及び材料特性に対する興味深い依存関係を示し、
Figure 0007313827000006
式中、Ｚは、クリープ領域場所を表し、ｌは、基材厚さを表し、Ｃｐは、基材熱容量を表し、Ａは、基材吸光度を表し、Ｒは、基材拡散反射率を表し、ΔＴｍは、クリープ流の維持に必要とされる周囲からの伝搬温度上昇を表し（例えば、ΔＴｍ＝Ｔ歪み－Ｔ周囲）、ρは、基材密度を表し、λは、基材熱伝導率を表し、Ｉｏは、レーザー放射照度（Ｗ／ｍ２）を表し、ｔは、時間を表す。
出力依存関係は、図３０に示し、溶接中にレーザー出力を単に増大させると、界面領域を超えるより大きな応力が誘発され得、余剰なエネルギーによって、結果的に、応力増大となることを観察することができる。図３０は、例示的な溶接線からの応力場所を提示するプロットである。図３０を参照すると、例示的な溶接線からの応力場所は、方程式（６）を用いて判断することができ、採用したパラメータは、以前に使用したものに類似のものであった、すなわち、波長＝３５５ｎｍ、ビームウエスト＝５００μｍ、繰返し率＝３０，０００Ｈｚ、パルス幅＝１０ｎｓ、ｖｓ＝２ｍｍ／秒、ドエル時間＝０．２５秒、Ｅａｇｌｅ「ＸＧ」厚さ＝０．７ｍｍ、及び、Ｔ歪み＝６６９℃であった。図３０及び方程式（６）は、また、歪み点が高いガラス基材ほど、結果的に、応力が高いプロファイルとなり得るかに関する洞察を提供する。例えば、応力プロファイル場所Ｚは、Ｔ歪みに線形に関係するΔＴｍの項の平方根として拡大縮小する。これらの式から実験的観察を予測する他の試みは、用いられる想定によってだけでなく、例えば、ＣＴＥがより高い材料がレーザー溶接される場合に計算することができる情報によって制限され得る。ここでは、ＣＴＥが低い（約５ｐｐｍ／℃未満）ガラス基材の方が、ソーダ石灰ガラスなどのＣＴＥがより高いガラスよりも容易に溶接されることが発見された。これらの低ＣＴＥ基材としては、石英、溶融シリカ、Ｅａｇｌｅ「ＸＧ」ガラス基材、Ｗｉｌｌｏｗガラス基材、及びＬｏｔｕｓガラス基材が含まれていた。意味深い実験の後、好適な条件が発見され、より高いＣＴＥのガラスにおける高品質溶接が可能になった。例えば、本明細書で説明される実施の形態を使用して、基材の予熱条件なしで歪み又はアニール点に対してはるかに低く、１μｍＬＭＧ膜を使用してソーダ石灰ガラス（約９ｐｐｍ／℃以上のＣＴＥ）を溶接することができることが発見された。図３１は、いくつかの実施の形態によるレーザー溶接されたソーダ石灰ガラスの一連の写真である。図３１に関して、高品質接合形成は、非常に低いレーザー出力及びナノ秒パルス幅ＵＶ（３５５ｎｍ）レーザーを用いて達成した。これらの非限定的かつ図示する溶接部に使用されたレーザー溶接条件としては、パルス幅＝１ｎｓ、繰返し率＝５ＭＨｚ、電力＝１ワット、結果的に６７μｍ溶接線となるほぼ２０μｍビームスポット、及びＶｓ＝５０ｍｍ／ｓが含まれていた。引き続き図３１に関して、３５５ｎｍパルスレーザーを用いて、スパッタリングされた１μｍ厚低融点ガラス膜を有する１つの基材と共に圧搾された２つの０．７ｍｍ肉厚ソーダ石灰ガラス板を溶接した。前出の実施例及び実験は、本明細書に添付された特許請求の範囲を制限するべきではなく、なぜならば、２ＭＨｚの範囲及び１ｎｓのパルス幅での５ＭＨｚのレーザー繰返し率は、５０ｍｍ／ｓ－４００ｍｍ／秒の範囲のレーザービーム平行移動速度で調査されたからである。さらに、低融点ガラス膜界面時のほぼ２０μｍ～７０μｍのレーザービームスポットも、例示的な溶接について調査された。いくつかの実施の形態において、例示的な溶接線品質を、約２０μｍの焦点サイズ及び５０ｍｍ／ｓ平行移動速度で観察することができる。これらの溶接基材の堅牢性にも、割れ形成なしに４時間１００℃を受けさせた後に留意した。
図３２は、いくつかの実施の形態の概略図である。図３２を参照すると、吸収肉薄膜でレーザー溶接を達成する例示的な非限定的なプロセスが示されており、レーザー－熱エネルギーを基材／基材界面４０に送出して、任意の副次的損傷、例えば、引張り応力残留の空間範囲及び大きさを最小限に抑えると同時に所定の時間において、１近くとして拡散結合相対接触領域を得ることができる。このプロセスは、ＣＴＥが高い基材ほど顕著であり得、溶接－界面形成速度は、ＣＴＥ不適合の応力界面の生成よりも速い。したがって、いくつかの実施の形態において、合焦ビームを、割れ形成なしで例示的な溶接を達成するためにより高い速度掃引速度とともに溶接界面で用いても差し支えない。
いくつかの実施の形態において、レーザー溶接部は、入射レーザー波長λ、好ましくはＡ％＞約２０％で吸収する膜を使用して達成しても差し支えない。他の実施の形態において、基材及び膜の両方は、λで色中心形成を示しても差し支えない。追加の実施の形態において、温度効果を採用して、λで膜及び基材の一方又は両方について吸収を増大させても差し支えない。そのような例示的な温度効果は、また、シール又は溶接速度の向上に貢献することができ、溶接熱影響部（ＨＡＺ）を低減することができ、クリープ流について活性化エネルギーを低減することができ、例えば、共融システム、合金などを形成する。いくつかの実施の形態において、透明度が必要とされる場合、バンドギャップは、ＵＶでもたらし、高い吸収をＮＩＲ、ＩＲでもたらしてもよい。追加の実施の形態は、界面表面エネルギーΥ溶接－界面＞＞残留Υ応力磁場及び／又は全積分結合強度「式」を有する溶接部を提供しても差し支えない。さらなる実施の形態は、低レーザー強度条件を含んでも差し支えなく、レーザーピーク光子束は、約１０２５個の光子／秒／ｃｍ２未満であり、多光子挙動、アブレーション又はプラズマ生成を含まない。
いくつかの実施の形態は、低融点ガラス又は無機膜を利用すると説明されてきたが、本明細書に添付された特許請求項の範囲は、そのように限定するべきではなく、なぜならば、実施の形態は、ＵＶ吸収膜、ＩＲＡ膜、及び／又は、２つの基材間に位置する他の無機膜を使用しても差し支えないからである。上述したように、いくつかの実施の形態において、例示的な基材ガラス内の色中心形成は、必要ではなく、例えば、約２０％未満である膜の紫外吸収の関数である。他の実施の形態において、膜の紫外吸収が約２０％より大きい場合、石英、低ＣＴＥ基材などの代替基材は、溶接部を容易に形成することができるということになる。さらに、高ＣＴＥ基材が使用されるとき、これらの基材を例示的な高い（例えば、約３００ｋＨｚ～約５ＭＨｚよりも大きい）繰返し率レーザー及び／又は低い最大出力で容易に溶接することができる。さらに、膜の吸収が要因である実施の形態において、ＩＲ吸収（可視透明膜）を例示的なＩＲレーザーシステムを使用して溶接しても差し支えない。
本開示の様々な実施の形態において、ガラス封止材料及び結果的に得られる層は、透明及び／又は半透明、肉薄、不透過性、「緑色」であり得、低温で、かつ、封止材料と隣接した基材と間のＣＴＥの大きい差に対応するのに十分なシール強度をもたせて気密シールを形成するように構成しても差し支えない。いくつかの実施の形態において、封止層は充填剤及び／又は結合剤がなくても差し支えない。封止層を形成するために使用される無機材料は、フリットなしベース、または、いくつかの実施の形態において、（例えば、ＵＶＡ、ＬＭＧなど）内の粉砕ガラスから形成された粉末であっても差し支えない。他の実施の形態において、封止層材料は、封止プロセスにおいて使用されるレーザーの動作波長に適合するか又は実質的に適合する所定の波長時にかなりの光吸収断面を有する低Ｔｇガラスである。追加の実施の形態において、低Ｔｇガラス層によるレーザー加工波長の室温時の吸収は、少なくとも１５％である。
一般的に、好適なシーラント材料は、銅又は錫の低Ｔｇガラス及び好適に反応性である酸化物を含む。ガラスの封止材料は、燐酸ガラス、硼酸ガラス、テルライトガラス及びカルコゲナイドガラスなどの低Ｔｇ材料から形成されても差し支えない。本明細書で定義されるように、低Ｔｇガラス材料は、４００℃、例えば、３５０未満、つまり、３００、２５０、又は２００℃未満のガラス遷移温度を有する。例示的なホウ酸塩及び燐酸ガラスとしては、錫リン酸塩、錫弗化燐酸塩及び錫硼弗酸塩が挙げられる。スパッタリングターゲットとしては、そのようなガラス材料、又は、代替的にその前駆体を挙げることができる。例示的な銅及び酸化錫は、ＣｕＯ及びＳｎＯであり、ＣｕＯ及びＳｎＯは、これらの材料の圧粉を含むスパッタリングターゲットから形成されても差し支えない。任意選択的に、ガラス封止組成物としては、タングステン、セリウム、及びニオブを含むがこれらに限定されず１つ以上のドーパントを挙げることができる。そのようなドーパントは、含まれる場合、例えば、ガラス層の光学的性質に影響を与え得、レーザー放射のガラス層による吸収を制御するために使用されても差し支えない。例えば、セリアによるドープ処理は、レーザー加工波長時に低Ｔｇガラスバリアによる吸収を増大させ得る。さらなる好適なシーラント材料としては、約１０００℃以下、約６００℃以下、又は、約４００℃以下の液相線温度を有するレーザー吸収低液相線温度（ＬＬＴ）材料が挙げられる。他の実施の形態において、無機膜の組成は、先述されたように第１の基材、第２の基材、又は第１及び第２の基材の両方のクリープ流を誘発する活性化エネルギーを下げるのに選んでも差し支えない。
例示的な錫フッ素リン酸ガラス組成物は、対応する三元相図においてＳｎＯ、ＳｎＦ２及びＰ２Ｏ５のそれぞれの組成物の観点から表すことができる。好適なＵＶＡガラス膜は、ＳｎＯ２、ＺｎＯ、ＴｉＯ２、ＩＴＯ及び他の低融点ガラス組成物を含むことができる。好適な錫弗化燐酸ガラスとしては、２０～１００モル％ＳｎＯ、０～５０モル％ＳｎＦ２及び０～３０モル％Ｐ２Ｏ５が挙げられる。これらの錫弗化燐酸ガラス組成物としては、０～１０モル％ＷＯ３、０～１０モル％ＣｅＯ２及び／又は０～５モル％Ｎｂ２Ｏ５を任意選択的に挙げることができる。例えば、ガラスの封止層形成に好適なドープ錫弗化燐酸塩出発原料の組成物は、３５～５０モルパーセントＳｎＯ、３０～４０モルパーセントＳｎＦ２、１５～２５モルパーセントＰ２Ｏ５及び１．５～３モルパーセントのＷＯ３、ＣｅＯ２やＮｂ２Ｏ５などのドーパント酸化物を含む。１つの特定の実施の形態による錫フッ素リン酸ガラス組成物は、約３８．７モル％ＳｎＯ、３９．６モル％ＳｎＦ２、１９．９モル％Ｐ２Ｏ５及び１．８モル％Ｎｂ２Ｏ５を含むニオブドープ錫酸化物／錫弗化燐酸塩／リン五酸化物ガラスであっても差し支えない。そのようなガラス層を形成するために使用しても差し支えないスパッタリングターゲットとしては、原子モルパーセントの観点から表されているが、２３．０４％Ｓｎ、１５．３６％Ｆ、１２．１６％Ｐ、４８．３８％Ｏ、及び１．０６％Ｎｂが挙げられてもよい。
別の実施の形態によれば錫燐酸ガラス組成物は、約２７％Ｓｎ、１３％Ｐ、及び６０％Ｏを含み、約２７％Ｓｎ、１３％Ｐ、及び６０％Ｏは、原子モルパーセントで約２７％Ｓｎ、１３％Ｐ、及び６０％Ｏを含むスパッタリングターゲットから導出されても差し支えない。認識されることになるように、本明細書で開示される様々なガラス組成物は、蒸着層の組成物を指すことがあるか、又は、ソーススパッタリングターゲットの組成物を指すことがある。錫弗化燐酸ガラス組成物の場合と同様に、例示的な錫硼弗酸ガラス組成物は、ＳｎＯ、ＳｎＦ２及びＢ２Ｏ３のそれぞれの三元相図組成物の観点から表されても差し支えない。好適な錫硼弗酸ガラスとしては、２０～１００モル％ＳｎＯ、０～５０モル％ＳｎＦ２及び０～３０モル％Ｂ２Ｏ３を含む。これらの錫硼弗酸ガラス組成物としては、０～１０モル％ＷＯ３、０～１０モル％ＣｅＯ２及び／又は０～５モル％Ｎｂ２Ｏ５を任意選択的に挙げることができる。好適な低Ｔｇガラス組成物のさらなる態様及びこれらの材料でガラスの封止層を形成するために使用される方法は、本出願と同一の譲受人に譲渡された米国特許第５,０８９,４４６号明細書、及び、米国特許出願第１１／２０７，６９１号明細書、米国特許出願第１１／５４４，２６２号明細書、米国特許出願第１１／８２０，８５５号明細書、米国特許出願第１２／０７２，７８４号明細書、米国特許出願第１２／３６２，０６３号明細書、米国特許出願第１２／７６３，５４１号明細書、米国特許出願第１２／８７９，５７８号明細書、及び、米国特許出願第１３／８４１，３９１号明細書で開示されており、これらの内容全体は、引用により本明細書に組み入れられる。
いくつかの実施の形態において、無機膜は、Ｂ２Ｏ３－ＺｎＯ－Ｂｉ２Ｏ３の３成分ガラスを含んでも差し支えない。好適なガラスとしては、いくつかの実施の形態において、約１０～８０モル％Ｂ２Ｏ３、約５～６０モル％Ｂｉ２Ｏ３、および、約０～７０モル％ＺｎＯを挙げることができる。非限定的な実施の形態において、ガラスの組成物は、約４０～７５モル％Ｂ２Ｏ３、約２０～４５モル％Ｂｉ２Ｏ３、および、約０～４０モル％ＺｎＯを含んでも差し支えない。そのようなガラスは、例えば、約３００℃～約５００℃の範囲である、約６００℃未満、約５００℃未満、または約４００℃未満など、相対的に低いＴｇを有してもよい。
例示的な基材（ガラスまたはその他）は、任意の好適な寸法を有しても差し支えない。基材は、独立して１ｃｍ～５ｍ（例えば、０．１、１、２、３、４、または５ｍ）の範囲である面積（長さおよび幅）寸法、および、約０．５ｍｍ～２ｍｍ（例えば、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１．０、１．２、１．５または２ｍｍ）の範囲であっても差し支えない厚さ寸法を有しても差し支えない。さらなる実施の形態において、基材厚さは、約０．０５ｍｍ～０．５ｍｍ（例えば、０．０５、０．１、０．２、０．３、０．４、または０．５ｍｍ）の範囲であっても差し支えない。さらにまた別の実施の形態において、ガラス基材厚さは、約２ｍｍ～１０ｍｍ（例えば、２、３、４、５、６、７、８、９、または１０ｍｍ）の範囲であっても差し支えない。例示的なガラスの封止層の全厚は、約１００ｎｍ～１０マイクロメートルの範囲であっても差し支えない。様々な実施の形態において、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であっても差し支えない。例示的なガラス封止層厚としては、０．１、０．２、０．５、１、２、５または１０マイクロメートルが挙げられる。レーザースポットサイズに比例しても差し支えない封止領域の幅は、約０．０５～２ｍｍ、例えば、０．０５、０．１、０．２、０．５、１、１．５、または２ｍｍであっても差し支えない。レーザーの平行移動速度（すなわち、封止速度）は、１、２、５、１０、２０、５０、１００、２００、４００、または１０００ｍｍ／ｓｅｃなど、１ｍｍ／ｓｅｃ～約１０００ｍｍ／ｓｅｃの範囲であっても差し支えない。レーザースポットサイズ（直径）は、約０．０２～１ｍｍであっても差し支えない。
したがって、好適なレーザー溶接ガラス基材界面は、本開示の実施の形態において、局所ガラス温度が空間範囲、例えば、「溶接容積」内で歪みまたはアニール温度（例えば、ＥＸＧではそれぞれ６６９℃および７７２℃）を超えたときに発生することができることが発見された。この容積は、入射光レーザー出力、ＵＶＡまたはＬＭＧ溶融部の組成、および、色中心形成（それぞれの基材内の不純物の結果として）に左右され得る。この容積は、達成されると、２つの基材（ガラスまたはその他）間の急速かつ強力なシールが結果的に得られるように界面領域にわたって掃引することができる。５～１０００ｍｍ／ｓを超える封止速度を達成することができる。例示的なレーザー溶接部は、当該の基材にわたって一掃されるときに溶融部容積に関連した高温から相対的に低い周囲温度への突然の遷移を経験し得る。気密シールの完全性およびそのそれぞれの強度は、高温基部ガラス色中心（緩和）領域の徐冷（自己アニール）およびＵＶＡの薄さ、または、ＬＭＧまたはＮＩＲ肉薄膜領域（典型的には１／２～１μｍ）によって維持され得、その結果、２つのそれぞれの基材（ガラスまたはその他）間でＣＴＥ不適合の影響が無効となる。
実施の形態によれば、封止層材料の選択、および、ガラス基材にわたって封止層を形成する加工条件は、基材がガラス層の形成によって悪影響を受けないほど十分に柔軟性がある。低溶融温度ガラスは、異なる形式の基材を封止または接合するために使用されても差し支えない。封止可能なおよび／または接合可能な基材としては、窒化ガリウム、石英、シリカ、弗化カルシウム、弗化マグネシウム、またはサファイヤ基材を含む、ガラス、ガラス－ガラス積層体、ガラス－ポリマー積層体、ガラスセラミックまたはセラミックが挙げられる。さらなる基材は、タングステン、モリブデン、銅、または、他の形式の好適な金属基材を含む金属基材とすることができるが、これらに限定されない。
ガラス基材の非制限的な実施例としては、例えば、任意選択的に化学強化および／または熱強化されてもよい、ソーダ石灰珪酸ガラスから、アルミノ珪酸ガラス、アルカリアルミノ珪酸ガラス、硼珪酸ガラス、アルカリ硼珪酸ガラス、アルミノ硼珪酸ガラス、アルカリ－アルミノ硼珪酸ガラス、アルカリ土類－アルミノ硼珪酸ガラス、および、他の好適なガラスを挙げることができる。イオン交換によって化学強化されたガラスは、一部の非限定的な実施の形態によれば基材として好適であってもよい。様々な実施の形態において、第１および／または第２の基材は、約１００ＭＰａよりも大きい圧縮応力および約１０マイクロメートルよりも大きい圧縮応力（ＤＯＬ）の層の深さを有する化学強化ガラスを含んでもよい。さらなる実施の形態によれば、第１および／または第２のガラス基材は、約５００ＭＰａよりも大きい圧縮応力および約２０マイクロメートルよりも大きいＤＯＬ、または、約７００ＭＰａよりも大きい圧縮応力および約４０マイクロメートルよりも大きいＤＯＬを有してもよい。好適な市販ガラス基材の非制限的な実施例としては、少し例を挙げれば、ＥＡＧＬＥ「ＸＧ」、Ｌｏｔｕｓ（商標）、Ｗｉｌｌｏｗ（登録商標）、Ｉｒｉｓ（商標）、および、Ｃｏｒｎｉｎｇ社製Ｇｏｒｉｌｌａ（登録商標）ガラスが挙げられる。いくつかの実施の形態によれば、第１または第２の基材のうちの少なくとも一方は、ガラスまたはガラスセラミックを含む。追加の実施の形態において、第１および第２の基材の両方は、ガラスまたはガラスセラミックを含む。
いくつかの実施の形態において、１つの基材は、蛍光体含有ガラス板であっても差し支えなく、蛍光体含有ガラス板は、例えば、発光デバイスの組立体において使用されても差し支えない。例えば、硫化金属、金属珪酸塩、金属アルミン酸塩、または、他の好適な蛍光体の１つ以上を含む蛍光体含有ガラス板は、白色ＬＥＤ灯内の波長変換プレートとして使用されても差し支えない。白色ＬＥＤ灯は、典型的には、青色光を出射するＩＩＩ族窒化物系化合物半導体を使用して形成される青色ＬＥＤチップを含む。白色ＬＥＤ灯は、照明システムにおいて、または、例えば、液晶ディスプレイ用バックライトとして使用されても差し支えない。本明細書で開示される低溶融温度ガラスおよび関連した封止方法は、ＬＥＤチップを封止または封入するために使用することができる。
本開示の実施の形態による例示的なプロセスは、基部基材（ガラスまたはその他）は優勢なレーザー照射条件および結果的に得られた温度増強で色中心を形成することができるためにこの基材の特性のために可能とすることができる。いくつかの実施の形態において、色中心形成は、透明シールが所望される場合には可逆的であっても差し支えない。基材同士が異なる厚さを有する場合、熱伝導基材が、いくつかの実施の形態において、溶接完全性を回復するために採用されても差し支えない。
したがって、例示的な実施の形態は、低溶融温度材料を利用して、低いレーザーパルス最大出力とともにガラスまたはその他の材料基材をレーザー溶接すると、衝撃波の生成を最小限に抑え、さらには、引張破壊強度を損なうことがあり得るミクロ割れが確実に出現しないようにすることができる。例示的な実施の形態は、溶湯パドル伝播なしで拡散溶接を提供することもでき、適切な低温化による封止プロセスが可能である。膜領域は肉薄であるため、本開示の実施の形態は、２つのそれぞれの基材間のＣＴＥ不適合の影響を無効にすることができ、寸法が同様のまたは異なる基材の溶接を提供するために利用することができる。さらに、本開示の実施の形態において、膜のパターン化は、フリットまたは汚染質の場合に発生するのとは異なり封止には不要であるので、メーカーは、独自開発のデザインを明らかにしなくて済む。
本開示は、ガラスパッケージ同士を一体にレーザー溶接して、酸素および湿気の作用による劣化の影響を受けやすい受動および能動デバイスの長期の密閉動作を可能とするためにどのように低融点材料を使用することができるかも教示している。上述のように、本明細書に記載された実施の形態は、レーザー吸収で接着表面を組み付けた後に熱的に活性化させることができるＵＶＡ、ＬＭＧまたはその他のシールを提供するとともに、製造の高効率化を実現することでき、というのも、各作業デバイスを封止する速度は、真空または不活性ガス組立ラインにおいてインライン薄膜蒸着によってデバイスを封入する速度ではなく、熱活性化および接着の形成によって決定することができるからである。これは、個々の複数のデバイスへその後で切目入（単体化）する大型シート状の複数デバイスの封止を可能とすることができ、高い機械的完全性のために、単体化による歩留まりが高いとすることができる。
本開示の実施の形態は、レーザー封止プロセス、例えば、レーザー溶接、拡散溶接等を提供し、レーザー封止プロセスは、例示的なレーザー吸収膜と結びついた、入射レーザー波長時の、外因性色中心、例えば、不純物またはドーパント、または、ガラス固有の内因性色中心による、ガラス基材内の色中心の形成を拠り所とする。膜のいくつかの非限定的な例としては、ガラス基材の界面で採用することができる、ＳｎＯ２、ＺｎＯ、ＴｉＯ２、ＩＴＯ、および低融点ガラス膜が挙げられる。これらの材料を使用する溶接部は、定常状態での穏やかな拡散溶接を開始するのに十分なＵＶ吸収を伴う可視透過を提供することができる。これらの材料は、拡散溶接に好適な局在化した封止温度を有する透明レーザー溶接部を提供することもできる。そのような拡散溶接によって、結果的にそれぞれのガラス基材の低出力および低温レーザー溶接が得られ、そのような拡散溶接は、効率的かつ迅速な溶接速度で優れた透明な溶接部を生成することができる。本開示の実施の形態による例示的なレーザー溶接プロセスは、温度誘発型の吸収を含む、色中心形成を超えた光誘発吸収特性も拠り所とすることができる。
開示される材料および方法を使用した工作物の密閉封止により、そうでない場合は酸素および／または湿気の作用による劣化の影響を受けやすいデバイスの長期の動作を促進することができる。例示的な工作物、デバイスまたは用途としては、可撓性、剛性、または半剛性の有機ＬＥＤ、ＯＬＥＤ照明装置、ＯＬＥＤテレビ、光電池、ＭＥＭＳディスプレイ、エレクトロクロミック窓、蛍光体、アルカリ金属電極、透明導電酸化物、量子ドットなどが挙げられる。
本明細書で使用するとき、密閉層は、実用上、実質的に気密性、かつ、湿気および／または酸素を実質的に通さないと考えられる層である。一例として、密閉シールは、酸素の発散（放散）を約１０-２ｃｍ３／ｍ２／日未満（例えば、約１０-３ｃｍ３／ｍ２／日未満）に制限し、水の発散（放散）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。実施の形態において、密閉シールは、空気および水が保護された工作物に触れるのを実質的に阻止する。いくつかの実施の形態において、２つの基材を接合する方法は、第１のガラス層を第１の基材の封止表面にわたって形成する工程、第２のガラス層を第２の基材の封止表面にわたって形成する工程、第１のガラス層のうちの少なくとも一部を第２のガラス層のうちの少なくとも一部と物理的に接触するように配置する工程、および、これらのガラス層を加熱してガラス層および封止表面同士を局所的に溶融させて、ガラスとガラスとの間の溶接部を第１の基材と第２の基材との間に形成する工程を含む。本明細書に開示された封止アーキテクチャの各々において、低融点ガラス層を使用する封止は、封止界面に近接して位置するガラス層およびガラス基材材料の両方の局所的加熱、溶融、その後の冷却によって達成することができる。
したがって、本開示の実施の形態のある態様は、レーザー溶接に関連する密閉シールの形成の容易さを、能動ＯＬＥＤまたはその他のデバイスの密閉パッケージを形成するためにも組み合わせて、これらの密閉パッケージの幅広い作製を可能とすることである。そのような作製であれば、界面の導電膜にわたる溶接が必要となろう。本開示の方法とは異なり、従来のレーザー封止の方法では、界面導電リード線を切り離すことができ、特に界面温度が高くなり過ぎた場合には、または、導電リード材料とのレーザー放射の有害な相互作用が存在する場合には界面導電リード線を切り離すであろう。しかしながら、本開示の実施の形態は、界面低融点ガラス材料膜を用いた、密閉デバイスの動作に電気的バイアスを必要とするデバイス構造体を可能にする開示を提供する。したがって、本主題の実施の形態は、ガラスシートまたは界面導電膜を有する他の基材のレーザー溶接の成功をこの界面導電膜の破壊または性能の損失なしに提供することができる。
いくつかの実施の形態において、工作物を接合する方法は、無機膜を第１の基材の表面にわたって形成する工程、保護される工作物を第１の基材と第２の基材との間に配置する工程であって、膜は、第２の基材と接触する、工程、および、所定の波長を有するレーザー放射で膜を局所的に加熱することによって工作物を第１および第２の基材の間で接合する工程を含む。無機膜、第１の基材、または第２の基材は、ほぼ４２０ｎｍ～ほぼ７５０ｎｍ時に透過性であっても差し支えない。別の実施の形態において、無機膜、第１の基材、および第２の基材の各々は、ほぼ４２０ｎｍ～ほぼ７５０ｎｍ時に透過性である。さらなる実施の形態において、無機膜の吸収は、所定のレーザー波長時に１０％超えである。追加の実施の形態において、無機膜の組成は、ＳｎＯ２、ＺｎＯ、ＴｉＯ２、ＩＴＯ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｃｅ、Ｐｂ、Ｆｅ、Ｖａ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｇｅ、ＳｎＦ２、ＺｎＦ２、およびその組み合わせであり得るが、これらに限定されない。他の実施の形態において、無機膜の組成は、第１の基材、第２の基材、または、第１および第２の基材の両方のクリープ流を誘発する活性化エネルギーを下げるように選ばれても差し支えない。別の実施の形態において、無機膜の組成は、約１０００℃以下、約６００℃以下、または、約４００℃以下の液相線温度を有するレーザー吸収低液相線温度材料であっても差し支えない。さらなる実施の形態において、接合する工程は、残留応力の積分結合強度よりも大きい積分結合強度を第１の基材、第２の基材、または、第１および第２の基材の両方において有する接合部を生成しても差し支えない。一部の例示的な実施の形態において、そのような接合は、凝集破壊によってのみ破壊することになる。さらなる実施の形態において、無機膜の組成は、２０～１００モル％ＳｎＯ、０～５０モル％ＳｎＦ２、および、０～３０モル％Ｐ２Ｏ５またはＢ２Ｏ３を含む。いくつかの実施の形態において、無機膜および第１および第２の基材は、ほぼ４２０ｎｍ～ほぼ７５０ｎｍ時に８０％超えの組み合わせ内部透過率を有する。他の実施の形態において、接合する工程は、所定の波長を有するレーザー放射による無機膜の局所加熱を介して第１または第２の基材内の不純物の組成の関数として、および、無機膜の組成の関数として第１および第２の基材間に工作物を接合する工程をさらに含む。第１または第２の基材内の例示的な不純物は、Ａｓ、Ｆｅ、Ｇａ、Ｋ、Ｍｎ、Ｎａ、Ｐ、Ｓｂ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｓｎ、およびその組み合わせであっても差し支えないが、これらに限定されない。さらなる実施の形態において、第１および第２の基材は、異なる側方寸法、異なるＣＴＥ、異なる厚さ、またはその組み合わせを有する。いくつかの実施の形態において、第１および第２の基材の一方は、ガラスまたはガラスセラミックであっても差し支えない。言うまでもなく、第１および第２の基材の他方は、ガラスセラミック、セラミック、または金属であっても差し支えない。いくつかの実施の形態において、この方法は、接合工作物をアニールする工程も含んでいても差し支えない。他の実施の形態において、レーザー放射は、ほぼ１９３ｎｍ～ほぼ４２０ｎｍの所定の波長のＵＶ放射、ほぼ７８０ｎｍ～ほぼ５０００ｎｍの所定の波長のＮＩＲ放射を含み、１～４０ナノ秒のパルス幅、および、少なくとも１ｋＨｚの繰返し率を含んでも差し支えなく、および／または、連続波であっても差し支えない。さらなる実施の形態において、無機膜の厚さは、約１０ｎｍ～１００のマイクロメートルの範囲である。いくつかの実施の形態において、第１、第２、または、第１および第２の基材は、アルカリ土類硼珪酸ガラス、熱強化ガラス、化学強化ガラス、硼珪酸ガラス、アルカリアルミノ珪酸ガラス、ソーダ石灰ガラス、および、その組み合わせを含んでも差し支えない。他の実施の形態において、この方法は、最小加熱帯を生成するためにほぼ１ｍｍ／ｓ～ほぼ１０００ｍｍ／ｓの速度時にレーザー放射によって形成されたレーザースポットを移動する工程を含んでも差し支えない。この速度は、いくつかの実施の形態において、レーザースポットの直径およびレーザー放射の繰返し率の積を超えない。さらなる実施の形態において、接合する工程は、ほぼ５０μｍ～ほぼ１０００μｍの幅を有する接合線を生成しても差し支えない。他の実施の形態において、無機膜、第１の基材または第２の基材は、約４２０ｎｍ～約７５０ｎｍで８０％よりも大きい、８０％～９０％、８５％よりも大きい、または、９０％よりも大きい範囲で接合する工程の前後に光透過であっても差し支えない。例示的な工作物は、発光ダイオード、有機発光ダイオード、導電リード線、半導体チップ、ＩＴＯリード線、パターン電極模、連続電極、量子ドット材料、蛍光体、および、その組み合わせであっても差し支えないが、これらに限定されない。
他の実施の形態において、第１の基材の表面にわたって形成された無機膜、および、第１の基材と第２の基材との間で保護されたデバイスを備える接合デバイスを提供し、無機膜は、第２の基材と接触する。このような実施の形態において、デバイスは、所定の波長を有するレーザー放射による無機膜の局所加熱を介して第１または第２の基材内の不純物の組成の関数として、および、無機膜の組成の関数として第１および第２の基材間に形成された接合部を含む。さらに、無機膜、第１の基材、または第２の基材は、ほぼ４２０ｎｍ～ほぼ７５０ｎｍ時に透過性であっても差し支えない。別の実施の形態において、無機膜、第１の基材、および第２の基材の各々は、ほぼ４２０ｎｍ～ほぼ７５０ｎｍ時に透過性である。さらなる実施の形態において、無機膜の吸収は、所定のレーザー波長時に１０％超えである。追加の実施の形態において、無機膜の組成物は、ＳｎＯ２、ＺｎＯ、ＴｉＯ２、ＩＴＯ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｃｅ、Ｐｂ、Ｆｅ、Ｖａ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｇｅ、ＳｎＦ２、ＺｎＦ２、およびその組み合わせであり得るが、これらに限定されない。他の実施の形態において、無機膜の組成は、第１の基材、第２の基材、または、第１および第２の基材の両方のクリープ流を誘発する活性化エネルギーを下げるように選ばれても差し支えない。別の実施の形態において、無機膜の組成物は、約１０００℃以下、約６００℃以下、または、約４００℃以下の液相線温度を有するレーザー吸収低液相線温度材料であっても差し支えない。さらなる実施の形態において、接合は、残留応力場の積分結合強度よりも大きい積分結合強度を第１の基材、第２の基材、または、第１および第２の基材の両方において有しても差し支えない。一部の例示的な実施の形態において、そのような接合は、凝集破壊によってのみ破壊することになる。さらなる実施の形態において、無機膜の組成は、２０～１００モル％ＳｎＯ、０～５０モル％ＳｎＦ２、および、０～３０モル％Ｐ２Ｏ５またはＢ２Ｏ３を含む。さらに別の実施の形態において、無機膜の組成は、約１０～８０モル％Ｂ２Ｏ３、約５～６０モル％Ｂｉ２Ｏ３および約０～７０モル％ＺｎＯを含む。いくつかの実施の形態において、無機膜および第１および第２の基材は、ほぼ４２０ｎｍ～ほぼ７５０ｎｍ時に８０％超えの組み合わせ内部透過率を有する。第１または第２の基材内の例示的な不純物は、Ａｓ、Ｆｅ、Ｇａ、Ｋ、Ｍｎ、Ｎａ、Ｐ、Ｓｂ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｓｎ、およびその組み合わせであっても差し支えないが、これらに限定されない。さらなる実施の形態において、第１および第２の基材は、異なる側方寸法、異なるＣＴＥ、異なる厚さ、またはその組み合わせを有する。いくつかの実施の形態において、第１および第２の基材の一方は、ガラスまたはガラスセラミックであっても差し支えない。言うまでもなく、第１および第２の基材の他方は、ガラスセラミック、セラミック、または金属であっても差し支えない。さらなる実施の形態において、無機膜の厚さは、約１０ｎｍ～１００のマイクロメートルの範囲である。いくつかの実施の形態において、第１、第２、または、第１および第２の基材は、アルカリ土類硼素珪酸ガラス、アルカリアルミノ珪酸ガラス、熱強化ガラス、化学強化ガラス、ソーダ石灰ガラス、硼珪酸ガラスおよびその組み合わせを含んでも差し支えない。他の実施の形態において、無機膜、第１の基材または第２の基材は、約４２０ｎｍ～約７５０ｎｍで８０％よりも大きい、８０％～９０％、８５％よりも大きい、または、９０％よりも大きい範囲で接合する工程の前後に光透過であっても差し支えない。例示的なデバイスは、発光ダイオード、有機発光ダイオード、導電リード線、半導体チップ、ＩＴＯリード線、パターン電極模、連続電極、量子ドット材料、蛍光体、および、その組み合わせであっても差し支えないが、これらに限定されない。いくつかの実施の形態において、接合は、閉ループで、または、約１度よりも大きい角度で交差するシール線を伴って気密であっても差し支えなく、空間分離された接合スポットを含んでも差し支えなく、および／または、接合の感熱材料から約１０００μｍ未満に位置しても差し支えない。他の実施の形態において、複屈折は、接合の周りにパターン化されても差し支えない。
さらなる実施の形態において、デバイスを保護する方法を提供し、この方法は、無機膜層を第１の基材の第１の部分表面にわたって形成する工程、保護されるデバイスを第１の基材と第２の基材との間に配置する工程であって、封止膜は、第２の基材と接触する、工程、および、基材間のシールを形成するために封止層および基材を溶融させるように無機膜層および第１および第２の基材をレーザー放射で局所的に加熱する工程を含む。第１の基材は、ガラスまたはガラスセラミックで構成されても差し支えなく、第２の基材は、金属、ガラスセラミック、またはセラミックで構成されても差し支えない。いくつかの実施の形態において、第１および第２の基材は、異なる側方寸法、異なるＣＴＥ、異なる厚さ、またはその組み合わせを有する。他の実施の形態において、デバイスは、ＩＴＯリード線、パターン電極、および連続電極であっても差し支えないが、これらに限定されない。いくつかの実施の形態において、局所的に加熱する工程は、形成されたシールの損傷を低減するようにレーザー放射の出力を調整する工程をさらに含む。例示的な膜は、低Ｔｇガラスであっても差し支えないが、これに限定されず、低Ｔｇガラスは、２０～１００モル％ＳｎＯ、０～５０モル％ＳｎＦ２、および、０～３０モル％Ｐ２Ｏ５またはＢ２Ｏ３または、代替的に、１０～８０モル％Ｂ２Ｏ３、５～６０モル％Ｂｉ２Ｏ３、および、０～７０モル％ＺｎＯを含む。他の実施の形態において、無機膜の組成は、第１の基材、第２の基材、または、第１および第２の基材の両方のクリープ流を誘発する活性化エネルギーを下げるように選ばれても差し支えない。別の実施の形態において、無機膜の組成物は、約１０００℃以下、約６００℃以下、または、約４００℃以下の液相線温度を有するレーザー吸収低液相線温度材料であっても差し支えない。さらなる実施の形態において、接合する工程は、残留応力の積分結合強度よりも大きい積分結合強度を第１の基材、第２の基材、または、第１および第２の基材の両方において有する接合部を生成しても差し支えない。一部の例示的な実施の形態において、そのような接合は、凝集破壊によってのみ破壊することになる。
さらなる非限定的な実施の形態によれば、封止デバイスを提供し、封止デバイスは、第１の基材の表面にわたって形成された無機膜、無機膜と接触する第２の基材、および、第１および第２の基材間に形成された接合部を含み、第１の基材の第１の深さから第２の基材の第２の深さまで延びる溶接領域を備える。無機膜は、少なくとも１つの無機膜元素を含んでも差し支えなく、第１および第２の基材の一方または両方は、少なくとも１つの無機基材元素を含んでも差し支えない。さらなる実施の形態において、溶接領域内の第１または第２の基材の第１の無機膜元素濃度は、溶接領域の外側の第１または第２の基材の第２の無機膜元素濃度よりも高くてもよい。さらにまた別の実施の形態によれば、溶接領域の第１の基材元素濃度は、溶接領域の外側の無機膜の第２の基材元素濃度よりも高くてもよい。さらに別の実施の形態において、第２の無機膜は、第２の基材の表面にわたって形成されてもよい。
いくつかの実施の形態において、無機膜および第１または第２の基材の任意選択的に少なくとも１つは、約４２０ｎｍ～約７５０ｎｍの範囲の波長時に透過性である。追加の実施の形態において、第１の基材、第２の基材および無機膜の各々は、約４２０ｎｍ～約７５０ｎｍの範囲の波長時に透過性であってもよい。他の実施の形態において、溶接領域は、透明であってもよい。第１または第２の基材の一方または両方は、ソーダ石灰珪酸ガラス、アルミノ珪酸ガラス、アルカリアルミノ珪酸ガラス、硼珪酸ガラス、アルカリ硼珪酸ガラス、アルミノ硼珪酸ガラス、アルカリ－アルミノ硼珪酸ガラス、および、アルカリ土類－アルミノ硼珪酸ガラスなど、ガラスまたはガラスセラミックから選ばれてもよい。特定の実施の形態によれば、第１または第２の基材は、ポリマー、セラミック、または金属を含んでもよい。無機膜は、２０～１００モル％ＳｎＯ、０～５０モル％ＳｎＦ２、および、０～３０モル％Ｐ２Ｏ５またはＢ２Ｏ３を含む組成を有してもよい。無機膜は、１０～８０モル％Ｂ２Ｏ３、５～６０モル％Ｂｉ２Ｏ３、および０～７０モル％ＺｎＯを含む組成も有してもよい。様々な実施の形態によれば、無機膜は、約０．１マイクロメートル～約１０マイクロメートルの範囲の厚さを有しても差し支えない。さらなる実施の形態において、溶接領域は、約０．３マイクロメートル～約１４マイクロメートルの範囲の厚さを有してもよい。封止デバイスは、いくつかの実施の形態において、少なくとも溶接領域を包含する応力領域をさらに備えても差し支えなく、応力領域内の第１の応力は、応力領域の外側の第２の応力よりも大きい。第１の応力は、例えば、約１ＭＰａ超～約２５ＭＰａの範囲である。追加の実施の形態において、第１の応力：第２の応力の比率は、約１．１：１～約２５：１の範囲である。特定の実施の形態によれば、応力領域は、約２０マイクロメートル～約５００マイクロメートルの範囲の厚さを有しても差し支えない。
さらに別の実施の形態において、封止デバイスを提供し、封止デバイスは、第１の基材の表面にわたって形成された無機膜、無機膜と接触する第２の基材、および、第１および第２の基材間に形成された接合部を備える。第１および第２の基材の一方または両方は、少なくとも１つの無機基材元素を含んでも差し支えない。様々な実施の形態において、溶接領域は、溶接領域の外側の無機膜の一部と比較すると少なくとも１つの無機基材元素で富化されてもよい。さらにまた別の実施の形態において、封止デバイスを提供し、封止デバイスは、第１の基材の表面にわたって形成された無機膜、無機膜と接触する第２の基材、および、第１および第２の基材間に形成された接合部を備える。無機膜は、少なくとも１つの無機膜元素を含んでも差し支えない。特定の実施の形態において、第１または第２の基材は、第１の部分を溶接領域内に、第２の部分を溶接領域の外側に備える。追加の実施の形態によれば、第１の部分は、第２の部分と比較すると少なくとも１つの無機膜元素で富化されている。さらなる実施の形態において、第２の無機膜は、第２の基材の表面にわたって形成されてもよい。
本開示の様々な態様は、以下の実施例によってさらに示されており、以下の実施例は、非限定的であり一例にすぎないことが意図されており、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって定義されている。
実験的方法
第１のガラス基材（２００μｍ厚Ｃｏｒｎｉｎｇ社「Ｗｉｌｌｏｗ」）を、低融点ガラスを備える１μｍ厚無機膜でコーティングし、膜を第２のガラス基材（５００μｍ厚Ｃｏｒｎｉｎｇ社ＥＡＧＬＥ「ＸＧ」）に接触させることによってスタックを用意した。１０秒のパルス幅および６Ｗの平均入射出力で５０ｍｍ／ｓで平行移動する３５ｋＨｚパルスＵＶレーザ（３５５ｎｍ）を使用して溶接を行った。レーザーは、２００マイクロメートルスポット直径および４ｍｓのドエル時間で界面から若干脱焦状態であった（焦点は界面より約３ｍｍ下）。図３７に示すように、非溶接部分Ｉによって２００マイクロメートル間隔で離間された２００マイクロメートル厚溶接部分Ｗを形成するために連続直鎖状パスを基材にわたって施行した。
平底を有する４ｍｍクレーターＣを溶接界面から５μｍ以内の深さまで封止デバイスに穿孔した。クレーターＣの外周部は、図３７では破線によって表されている。その後、深さプロファイリングを、溶接部分Ｗ内の溶接領域内およびその近くで、並びに、非溶接部分Ｉ内の封止界面内およびその近くで行ったが、例示的な分析領域が、図３７に正方形Ａによって示めされている。ゼロの深さは、以下のおよその深さ相関、すなわち、「Ｗｉｌｌｏｗ」（深さ：約０～２μｍ）、ＬＭＧ（深さ：約２～３μｍ）、ＥＡＧＬＥ「ＸＧ」（深さ：約３～８μｍ）でクレーターの平底に対応する。膜元素（Ｆ、Ｐ、Ｓｎ）および基材元素（Ａｌ、Ｂ、Ｓｉ）の基本的な検討を２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）を用いて実施した。
溶接領域：フィルム元素移動
非溶接領域Ｉのデータサンプルを溶接「前」の界面組成を表すものとして収集した。溶接領域Ｗのデータサンプルも溶接「後」の界面組成を表すものとして収集した。膜元素（Ｆ、Ｐ、Ｓｎ）のデータサンプルは、図３８Ａ～Ｃに示されている。各元素について「前」と「後」の空間プロファイルを重ね合わせ、ピークの最大強度ＭＡＸを正規化して、移動長さＭを判定するために全波最大半減ＦＷＨＭ値を比較することによって比較結果を描写した。
図３８Ａを参照すると、フッ素の移動長さＭは、３．９７３μｍ－３．３６８μｍ＝０．６０８μｍ としてＦＨＷＭで計算することができる。しかしながら、フッ素のデータが（おそらくは密接に隣接した溶接部からの加熱効果のために）非溶接領域内の既知の膜厚外の移動を示したので、例えば、フッ素の移動長さは、さらに一層高い、例えば、１μｍもの高さであることがあり得ると考えられる。図３８Ｂは、燐の移動長さ（３．４６８μｍ－３．２０４μｍ＝０．２６４μｍ）を示し、図３８Ｃは、錫の移動長さ（３．６３６μｍ－３．２５３μｍ＝０．３８３μｍ）を示す。図３８Ａ～Ｃは、各々、溶接領域Ｗについて非対称の深さプロファイル、例えば、ＥＡＧＬＥ「ＸＧ」基材（深さ：３～８μｍ）と比較すると「Ｗｉｌｌｏｗ」基材の方へのＦ、Ｐ、およびＳｎの移動の高速化（深さ：０～２μｍ）を示す。理論に縛られたくないが、移動は、急速なレーザー掃引時間スケール（～４ｍｓ）時でさえガラス基材肉薄化に関連した熱放散急速化によって駆動されると考えられる。
膜元素の各々の「見掛けの拡散」係数は、移動長さの平方をドエル時間で割ることによって計算することができる。例えば、フッ素の場合、ＤＦ＝（０．６０８×１０－４ｃｍ）２／０．００４ｓ＝９．２ｘ１０－７ｃｍ２／ｓである。同様の係数を燐（ＤＰ＝１．７ｘ１０－７ｃｍ２／ｓ）および錫（ＤＳｎ＝３．７ｘ１０－７ｃｍ２２／ｓ）について計算することができる。レーザー溶接プロセスの見掛けの拡散係数の全体的な大きさは、１０－７ｃｍ２／ｓ台である。この環境（例えば、膜元素サイズ、原子価、化学ポテンシャル、温度など）における拡散に影響を及ぼすことがあり得る諸問題を考慮に入れても、この拡散係数は、高温時でさえ、ガラスの溶融物における典型的な元素拡散速度と比較するとはるかに速い。例えば、１０００℃での燐酸ガラス溶融物における燐拡散を約１０－１４ｃｍ２／ｓ～約１０－１６ｃｍ２／ｓの範囲で測定したことがある。したがって、測定された「見掛けの拡散」速度は、典型的な拡散性システムの「見掛けの拡散」速度を同様の温度時に７または８の大きさの程度分超え、これは、溶接領域の化学組成の変化が拡散以外の事象によって駆動されることを示唆し得る。
例えば、溶接プロセス中の膜および／または基材の膨潤（例えば、「隆起のような」形成）および局所変形は、異なる化学組成を有する溶接領域を形成するための膜元素の移動および基材元素とのそのような元素の混合を説明するかもしれない。結果的に得られた溶接領域の厚さは、膜元素移動長さの関数、例えば、ｔｗ＝ｔｉ＋Ｍ１＋Ｍ２であり得、式中、ｔｗは、溶接領域厚さであり、ｔｉは、無機膜の初期厚さであり、Ｍ１は、第１の基材への所与の元素の移動長さであり、Ｍ２は、第２の基材への元素の移動長さである。図３５Ｃを参照すると、移動長さＭ１は、深さｄ１に対応し得、いくつかの実施の形態において、移動長さＭ２は、深さｄ２に対応し得る。
溶接領域：基材元素移動
非溶接Ｉ（「前」）および溶接Ｗ（「後」）領域からの基材元素（Ａｌ、Ｂ、およびＳｉ）のデータサンプルを収集して図３９ａ～Ｃにおいて比較した。各元素について「前」と「後」の空間プロファイルを重ね合わせ、以下の式によって富化のパーセントを判定するために封止界面強度範囲（Δｒ）および溶接領域強度範囲（Δｅ）を比較することによって比較結果を描写した：
Figure 0007313827000007
図３９Ａを参照すると、溶接領域内のアルミニウムの富化は、３．３２／４．７４×１００％＝７０．０％と計算することができる。図３９Ｂは、同様に、硼素の富化（１．１５／２．５９×１００％＝４４．４％）を示し、図３９Ｃは、シリコンの富化（０．６９／１．４６×１００％＝４７．３％）を示す。これらの富化値は、元素単位で基材組成物に適合する溶接領域組成物の一部分を表すと仮定し得る。理論に縛られたくないが、レーザードエル時間および／または溶接温度が増加するにつれて、富化値も、２つの基材がお互いに膨潤し、混ざり合い、事実上溶接領域を「希釈する」につれて増加することになると考えられる。これが発生する度合いは、溶接温度の強度、および、どのくらい長く基材がそのような温度に晒されているかに左右され得る。
非常に短いレーザードエル時間（～4ｍｓ）時でさえ基材元素による溶接領域の高い富化度のために、基材粘弾性膨張は、異なる化学組成を有する溶接領域を形成するための、基材元素の移動および膜元素とのそのような元素の混合に対応する優勢なプロセスであるかもしれないと考えられる。これに照らして、圧力の印加、つまり、レーザービームからの熱が溶接部から退いて最終溶接領域組成が達成される前に共有結合を形成するために確実に基材が膨潤してお互いの方に膨張するようにするのに十分な圧力を印加することも、溶接領域の形成において一役を担うかもしれないと考えられる。
応力領域
下表Ｉに示すように、第１のガラス基材を異なる組成の１μｍ厚無機膜でコーティングして、膜を第２のガラス基材に接触させることによって様々なスタックを用意した。下表Ｉに示すように、１０秒のパルス幅および６Ｗの平均入射出力で異なる速度で平行移動する３５ｋＨｚパルスＵＶレーザ（３５５ｎｍ）を使用して溶接を行った。レーザーは、２００マイクロメートルスポット直径で界面から若干脱焦状態であった（焦点は界面より約３ｍｍ下）。溶接領域内およびその周りの応力を測定した上で、応力は、図４０では深さの関数としてプロットされている。
Figure 0007313827000008
図４０でわかるように、試験した試料の各々について、溶接領域を取り囲む応力の影響を受けた領域を観察したが、数百マイクロメートル以上もの大きさであり得る。応力領域は、ガラス上の応力の少なくとも約１～５ＭＰａの増加、又は、その間の全ての範囲及び部分範囲を含め、例えば、約２ＭＰａ～約２０ＭＰａ、約３ＭＰａ～約１５ＭＰａ、約４ＭＰａ～約１０ＭＰａ、又は、約６ＭＰａ～約８ＭＰａの範囲の２５ＭＰａ以上もの高い増加さえをも表し得る。
この説明は多くの詳細を含み得るが、これらは、その範囲に関する制限事項としてではなくむしろ特定の実施の形態固有であり得る特徴の説明と解釈されたい。これまで別々の実施の形態の文脈で説明された特定の特徴も、単一の実施の形態において組み合わせて実行され得る。逆に、単一の実施の形態の文脈で説明されている様々な特徴も、別個に又は任意の好適な下位組み合わせで複数の実施の形態において実行され得る。さらに、種々の特徴は、特定の組み合わせで作用すると先述され、そのようなものとして始めに権利主張さえされ得るが、権利主張する組み合わせに属する１又は２以上の特徴は、場合によっては組み合わせから除外され得、権利主張する組み合わせは、下位組み合わせ又は下位組み合わせの変形を対象とし得る。
同様に、動作が図面又は図に特定の順で示されているが、これは、そのような動作が示された特定の順で、又は、順番に実行されるか、または、望ましい結果を達成するためにすべての例示される動作が実行されることを必要とすると理解されるべきでない。特定の状況において、マルチタスキング及び並列処理は、好都合であり得る。
図１～４０に示す様々な構成及び実施の形態によって示すように、低融点ガラス又は肉薄吸収膜を使用するレーザー封止のための様々な実施の形態が説明されてきた。
範囲は、「約」１つの特定の値から、および／または「約」別の特定の値までと本明細書で表され得る。そのような範囲が表されるとき、実施例は、１つの特定の値からおよび／または他に特定の値までを含む。同様に、値が先行語「約」の使用によって近似として表されるとき、特定の値は、別の態様を成すことが理解されよう。範囲の各々の終点は、他方の終点に関連しても、かつ、他方の終点から独立しても有意であることがさらに理解されるであろう。
用語「実質的な」、「実質的に」及びその変形は、本明細書で使用するとき、説明された特徴が値又は説明にほぼ等しいことを留意することが意図されている。例えば、「実質的に平面の」表面は、平面又はほぼ平面である表面を示すことが意図されている。さらに、「実質的に類似の」は、２つの値が等しい又はほぼ等しいことを示すことが意図されている。
特定の実施の形態の様々な特徴、要素又は工程が「備える」という移行句を使用して開示されることがあるが、「成る」移行句又は「から本質的に成る」を使用して説明されることがあるものを含め、代替物実施の形態が意味されることを理解されたい。したがって、例えば、Ａ＋Ｂ＋Ｃを備えるデバイスに対する意味された代替物実施の形態としては、デバイスがＡ＋Ｂ＋Ｃから成る実施の形態及びデバイスが本質的にＡ＋Ｂ＋Ｃから成る実施の形態が挙げられる。
様々な改変及び変形が、本開示の精神及び範囲から逸脱することなく本開示に行われ得ることが当業者には明らかであろう。本開示の精神及び趣旨を組み込む開示された実施の形態の改変組み合わせ、部分的組み合わせ及び変更が当業者に思い浮かぶことがあることから、本開示は、添付の特許請求の範囲及びそれらの同等物の範囲内のすべてを含むと解釈するべきである。
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
実施形態１
封止デバイスにおいて、
第１の基材の表面にわたって形成された無機膜、
前記無機膜と接触する第２の基材、および
前記第１及び第２の基材間に形成された接合部を含み、前記第１の基材の第１の深さから前記第２の基材の第２の深さまで延びる溶接領域、
を備え、
前記無機膜は、少なくとも１つの無機膜元素を含み、
前記第１及び第２の基材の一方又は両方は、少なくとも１つの無機基材元素を含み、
前記溶接領域内の前記第１又は第２の基材の第１の無機膜元素濃度は、前記溶接領域の外側の前記第１又は第２の基材の第２の無機膜元素濃度よりも高い、封止デバイス。
実施形態２
前記無機膜および、任意選択的に前記第１の基材、第２の基材のうちの少なくとも一方は、約４２０ｎｍ～約７５０ｎｍの範囲の波長時に透過性である、実施形態１に記載の封止デバイス。
実施形態３
前記溶接領域は、透明である、実施形態１～２のいずれかに記載の封止デバイス。
実施形態４
前記第１又は第２の基材のうちの少なくとも一方は、ガラス、ガラスセラミック、セラミック、ポリマー、又は金属を含む、実施形態１～３のいずれかに記載の封止デバイス。
実施形態５
前記第１及び第２の基材の両方は、ガラス又はガラスセラミックを含む、実施形態１～４のいずれかに記載の封止デバイス。
実施形態６
前記第２の基材の表面にわたって形成された第２の無機膜をさらに備える、実施形態１～５のいずれかに記載の封止デバイス。
実施形態７
前記無機膜は、以下の組成、すなわち、
２０～１００モル％ＳｎＯ、
０～５０モル％ＳｎＦ２、および、
０～３０モル％Ｐ２Ｏ５又はＢ２Ｏ３を有する、実施形態１～６のいずれかに記載の封止デバイス。
実施形態８
前記無機膜は、以下の組成、すなわち、
１０～８０モル％Ｂｉ２Ｏ３、
５～６０モル％Ｂｉ２Ｏ３、および、
０～７０モル％ＺｎＯを有する、実施形態１～６のいずれかに記載の封止デバイス。
実施形態９
前記少なくとも１つの無機膜元素は、Ｆ、Ｐ、Ｓｎ、Ｂ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｅ、Ｎｂ、Ｐｂ、Ｆｅ、Ｖａ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｇｅ、およびその組み合わせから選ばれる、実施形態１～８のいずれかに記載の封止デバイス。
実施形態１０
前記第１の無機膜元素濃度は、前記第２の無機膜元素濃度よりも少なくとも約５モル％高い、実施形態１～９のいずれかに記載の封止デバイス。
実施形態１１
前記溶接領域の第１の基材元素濃度は、前記溶接領域の外側の前記無機膜の第２の基材元素濃度よりも高い、実施形態１に記載の封止デバイス。
実施形態１２
前記少なくとも１つの無機基材元素は、Ａｌ、Ｂ、Ｓｉ、Ｎａ、Ｌｉ、Ｋ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｂａ、及びその組み合わせから選ばれる、実施形態１１に記載の封止デバイス。
実施形態１３
前記第１の基材膜元素濃度は、前記第２の基材膜元素濃度よりも少なくとも約３０モル％高い、実施形態１１に記載の封止デバイス。
実施形態１４
前記無機膜は、約０．１マイクロメートル～約１０マイクロメートルの範囲の厚さを有する、実施形態１～１３のいずれかに記載の封止デバイス。
実施形態１５
前記溶接領域は、約０．３マイクロメートル～約１４マイクロメートルの範囲の厚さを有する、実施形態１～１３のいずれかに記載の封止デバイス。
実施形態１６
少なくとも前記溶接領域を包含する応力領域をさらに備え、前記応力領域内の第１の応力は、前記応力領域の外側の第２の応力よりも大きい、実施形態１～１５のいずれかに記載の封止デバイス。
実施形態１７
前記第１の応力は、約１ＭＰａ超～約２５ＭＰａの範囲である、実施形態１６に記載の封止デバイス。
実施形態１８
前記第１の応力：前記第２の応力の比率は、約１．１：１～約２５：１の範囲である、実施形態１６に記載の封止デバイス。
実施形態１９
前記応力領域は、約２０マイクロメートルから約５００マイクロメートルの範囲の厚さを有する、実施形態１６に記載の封止デバイス。
実施形態２０
封止デバイスにおいて、
第１の基材の表面にわたって形成された無機膜、
前記無機膜と接触する第２の基材、および
前記第１及び第２の基材間に形成された接合部を含み、前記第１の基材の第１の深さから前記第２の基材の第２の深さまで延びる溶接領域、
を備え、
前記無機膜は、少なくとも１つの無機膜元素を含み、
前記第１及び第２の基材の一方又は両方は、少なくとも１つの無機基材元素を含み、
前記溶接領域の第１の基材元素濃度は、前記溶接領域の外側の前記無機膜の第２の基材元素濃度よりも高い、封止デバイス。
実施形態２１
封止デバイスにおいて、
第１の基材の表面にわたって形成された無機膜、
前記無機膜と接触する第２の基材、および
前記第１及び第２の基材間に形成された接合部を含む溶接領域、
を備え、
前記第１及び第２の基材の一方又は両方は、少なくとも１つの無機基材元素を含み、
前記溶接領域は、前記溶接領域の外側の前記無機膜の一部と比較すると少なくとも１つの無機基材元素で富化される、封止デバイス。
実施形態２２
前記溶接領域は、前記溶接領域の外側の前記無機膜の前記一部内の第２の無機基材元素濃度よりも少なくとも３０モル％大きい第１の無機基材元素濃度を含む、実施形態２１に記載の封止デバイス。
実施形態２３
封止デバイスにおいて、
第１の基材の表面にわたって形成された無機膜、
前記無機膜と接触する第２の基材、および
前記第１及び第２の基材間に形成された接合部を含む溶接領域、
を備え、
前記無機膜は、少なくとも１つの無機膜元素を含み、
前記第１の基材は、第１の部分を前記溶接領域内に、第２の基材は、第２の部分を前記溶接領域の外側に含み、
前記第１の部分は、前記第２の部分と比較すると前記少なくとも１つの無機膜元素で富化される、封止デバイス。
実施形態２４
前記第１の部分は、前記第２の部分内の第２の無機膜元素濃度よりも少なくとも約５モル％高い第１の無機膜元素濃度を含む、実施形態２３に記載の封止デバイス。
実施形態２５
前記第１の部分は、約０．１μｍ～約２μｍの範囲の深さまで封止界面から前記第１の基材へ延びる、実施形態２３～２４のいずれかに記載の封止デバイス。
実施形態２６
前記第２の基材は、第３の部分を前記溶接領域内に、第４の部分を前記溶接領域の外側に含み、前記第３の部分は、前記第４の部分と比較すると前記少なくとも１つの無機膜元素で富化される、実施形態２３～２５のいずれかに記載の封止デバイス。

Claims (11)

  1. 封止デバイスにおいて、
    第１の基材の表面にわたって形成された無機膜、
    前記無機膜と接触する第２の基材、および
    前記第１及び第２の基材間に形成された接合部を含み、前記第１の基材の第１の深さから前記第２の基材の第２の深さまで延びる溶接領域、
    を備え、
    前記無機膜、および、前記第１の基材、第２の基材のうちの少なくとも一方は、４２０ｎｍ～７５０ｎｍの範囲の波長時に透過性であり、
    前記無機膜は、少なくとも１つの無機膜元素を含み、前記第１及び第２の基材の一方又は両方は、少なくとも１つの無機基材元素を含み、
    前記溶接領域内の前記第１又は第２の基材の第１の無機膜元素濃度は、前記溶接領域の外側の前記第１又は第２の基材の第２の無機膜元素濃度よりも高く、
    前記溶接領域は、前記溶接領域の外側の前記無機膜の一部と比較すると少なくとも１つの無機基材元素で富化され、前記溶接領域の外側の無機膜の一部との差異に基づいて定められる前記溶接領域の富化値が４４％よりも高い、封止デバイス。
  2. 前記溶接領域は、透明である、請求項１に記載の封止デバイス。
  3. 前記第１又は第２の基材のうちの少なくとも一方は、ガラス、ガラスセラミック、セラミック、ポリマー、又は金属を含む、請求項１～２のいずれか一項に記載の封止デバイス。
  4. 前記無機膜は、以下の組成、すなわち、
    ２０～１００モル％ＳｎＯ、
    ０～５０モル％ＳｎＦ２、および、
    ０～３０モル％Ｐ２Ｏ５又はＢ２Ｏ３を有する、請求項１～３のいずれか一項に記載の封止デバイス。
  5. 前記無機膜は、以下の組成、すなわち、
    １０～８０モル％Ｂ２Ｏ３、
    ５～６０モル％Ｂｉ２Ｏ３、および、
    ０～７０モル％ＺｎＯを有する、請求項１～３のいずれか一項に記載の封止デバイス。
  6. 前記第１の無機膜元素濃度は、前記第２の無機膜元素濃度よりも少なくとも５モル％高いか、または、前記溶接領域の第１の基材元素濃度は、前記溶接領域の外側の前記無機膜の第２の基材元素濃度よりも高い、請求項１～５のいずれか一項に記載の封止デバイス。
  7. 前記少なくとも１つの無機基材元素は、Ａｌ、Ｂ、Ｓｉ、Ｎａ、Ｌｉ、Ｋ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｂａ、及びその組み合わせから選ばれる、請求項６に記載の封止デバイス。
  8. 前記第１の基材元素濃度は、前記第２の基材元素濃度よりも少なくとも３０モル％高い、請求項６に記載の封止デバイス。
  9. 少なくとも前記溶接領域を包含する応力領域をさらに備え、前記応力領域内の第１の応力は、前記応力領域の外側の第２の応力よりも大きく、前記第１の応力は、１ＭＰａ超～２５ＭＰａの範囲であり、前記第１の応力：前記第２の応力の比率は、１．１：１～２５：１の範囲であり、前記応力領域は、２０マイクロメートル～５００マイクロメートルの範囲の厚さを有する、請求項１～８のいずれか一項に記載の封止デバイス。
  10. 封止デバイスにおいて、
    第１の基材の表面にわたって形成された無機膜、
    前記無機膜と接触する第２の基材、および
    前記第１及び第２の基材間に形成された接合部を含む溶接領域、
    を備え、
    前記無機膜、および、前記第１の基材、第２の基材のうちの少なくとも一方は、４２０ｎｍ～７５０ｎｍの範囲の波長時に透過性であり、
    前記第１及び第２の基材の一方又は両方は、少なくとも１つの無機基材元素を含み、
    前記溶接領域は、前記溶接領域の外側の前記無機膜の一部と比較すると少なくとも１つの無機基材元素で富化され、
    前記溶接領域は、前記溶接領域の外側の前記無機膜の前記一部内の第２の無機基材元素濃度よりも少なくとも３０モル％大きい第１の無機基材元素濃度を含み、
    前記溶接領域の外側の無機膜の前記一部との差異に基づいて定められる前記溶接領域の富化値が４４％よりも高い、封止デバイス。
  11. 封止デバイスにおいて、
    第１の基材の表面にわたって形成された無機膜、
    前記無機膜と接触する第２の基材、および
    前記第１及び第２の基材間に形成された接合部を含む溶接領域、
    を備え、
    前記無機膜、および、前記第１の基材、第２の基材のうちの少なくとも一方は、４２０ｎｍ～７５０ｎｍの範囲の波長時に透過性であり、
    前記無機膜は、少なくとも１つの無機膜元素を含み、
    前記第１の基材は、前記溶接領域内に第１の部分を、および前記溶接領域の外側に第２の部分を含み、
    前記第１の部分は、前記第２の部分と比較すると前記少なくとも１つの無機膜元素で富化され、
    前記第１の部分は、前記第２の部分内の第２の無機膜元素濃度よりも少なくとも５モル％高い第１の無機膜元素濃度を含み、
    前記溶接領域の外側の無機膜の一部との差異に基づいて定められる前記溶接領域の富化値が４４％よりも高い、封止デバイス。
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