KR102114985B1 - 레이저를 통한 저온 기밀 씰링 - Google Patents

레이저를 통한 저온 기밀 씰링 Download PDF

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가디언 인더스트리즈, 엘엘씨
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Abstract

접합된 제품의 저온 레이저 씰을 위한 방법 및 장치가 개시된다. 씰링된 유리 기판 내에 수용된 기판 또는 임의의 부품 사이에서 형성된 환경하에서, 유리 기판의 벌크 강도에 악영향을 미치지 않는 저온 씰링 기술을 사용한 유리 기판의 기밀 씰링이 개시된다.
이러한 저온 씰링 기술은 씰링될 전체 제품의 가열 단계를 포함하지 않고 유리 기판 사이의 기밀 씰링을 형성하기 위해 씰링재의 국소 레이저 가열 단계의 사용을 포함한다.

Description

레이저를 통한 저온 기밀 씰링 {LOW TEMPERATURE HERMETIC SEALING VIA LASER}
본 개시 내용은 일반적으로 진공을 유지하는 패키지(예를 들면, 진공 단열 유리(VIG) 윈도우 유닛)를 형성하거나, 비활성 분위기에서 감광 부품, 예를 들면 감광 재료(예를 들면, 유기발괄층, 반도체 칩, 센서, 광학 부품 등을 포함하지만 이들로 제한되지 않음)을 수용하는 기판의 기밀 씰에 관한 것이다. 본 개시 내용은, 구체적으로 기판, 기판 사이에 형성되는 환경, 또는 씰링된 기판 내에 수용되는 임의의 부품에 악영향을 미치지 않는 저온 씰링 기술을 사용하는 기판(예를 들면, 유리 기판)의 기밀 씰링에 관한 것이다. 이러한 저온 씰링 방법은 유리 기판 사이의 기밀 씰링을 형성하기 위해 씰링될 전체 제품을 가열하지 않고 국부적으로 씰링재를 레이저로 가열하는 단계를 포함한다. 본원에 개시된 저온 기술은 또한 비-열평형 조건 하에서의 씰이라고 할 수도 있다.
종래에 유리 기판 사이의 진공 또는 비활성 기체 환경을 형성하기 위한 유리 기판의 기밀 씰링은, 종래에 장치 조작 수명보다 수십 배(many orders of magnitude) 길고, 장기간 동안 기체 진입에 대한 불투과성을 갖는 유리질 또는 금속성 (예를 들면 공융) 물질의 배리어를 사용해서 수행될 수 있다. 이해되는 바와 같이, 투과는 2 단계를 포함한다. 이러한 단계는 용해 및 확산을 포함한다. 기밀 씰링은, 진공을 유지하는 패키지(예를 들면, VIG 윈도우 유닛, 열 플라스크, MEMS 등), 또는 감광 재료(예를 들면, 비활성 분위기에서 유지되는 유기발광층(예를 들면, OLED 장치에 사용됨), 반도체 칩, 센서, 광학 부품 등을 포함하지만 이들로 제한되지 않음)를, 예를 들면, 물, 그 외의 액체, 산소, 및 그 외의 기체 오염 분자로부터 보호하는 것이다. 이러한 어셈블리의 복합체 내부의 기체 패키징은, 예를 들면 VIG 윈도우 유닛의 경우에 선단 융해 및 펌핑 단계 전 또는 OLED 장치의 제조에서 마지막 처리 단계와 같은 이러한 패키지 처리 후의 단계에서 문제를 일으켰다.
VIG 구조의 일부 실시예는, 미국 특허 제5,657,607, 5,664,395, 5,657,607, 5,902,652, 6,506,472, 및 6,383,580호에 개시되어 있고, 본원에 참조로 포함되어 있다.
도 1 및 2는 종래의 VIG 윈도우 유닛(1) 및 VIG 윈도우 유닛(1)을 형성하는 구성 요소를 도시한다. 예를 들면, VIG 유닛(1)은, 낮은 압력 공간/캐비티(6)를 동봉하는, 실질적으로 평행하게 이격된 2개의 유리 기판(2, 3)을 포함할 수 있다. 유리 시트 또는 기판(2,3)은, 예를 들면, 융해된 땜납 유리로 제조될 수 있는 말단 에지 씰(4)에 의해 상호 연결된다. 유리 기판(2,3) 사이에 낮은 압력 공간/갭(6)이 존재하는 것을 고려하면, VIG 유닛(1)의 유리 기판(2,3)의 간격을 유지하기 위해, 유리 기판(2,3) 사이에 지지체 필러/스페이서(5)의 어레이가 포함될 수 있다.
펌프 아웃 튜브(8)는, 예를 들면, 하나의 유리 기판(2)의 내면으로부터 유리 기판(2)의 외면의 선택적 리세스(11)의 하부, 또는 선택적으로 유리 기판(2)의 외면으로 통과하는 개구/구멍(10)으로, 땜납 유리(9)에 의해 기밀 씰링될 수 있다. 예를 들면, 일련의 펌프 다운 조작에 의해 내부 캐비티(6)를 대기압 미만의 낮은 압력으로 감압하기 위해, 펌프 아웃 튜브(8)에 진공 장치를 부착한다. 캐비티(6)의 감압 후, 낮은 압력의 캐비티/공간(6)의 진공을 씰링하기 위해, 튜브(8)의 일부분(예를 들면, 팁)을 용융한다. 씰링된 펌프 아웃 튜브(8)가 선택적 리세스(11) 내에 유지될 수 있다. 선택적으로, 화학적 게터(getter)(12)는, 유리 기판 중 하나(예를 들면, 유리 기판(2))의 내면에 배치되는 리세스(13) 내에 포함될 수 있다. 화학적 게터(12)는, 캐비티(6)가 감압되고 씰링된 후에 유지될 수 있는 특정 잔류 불순물을 흡수하거나 결합하는 데에 사용될 수 있다.
말단 기밀 에지 씰(4)(예를 들면, 땜납 유리)를 포함하는 VIG 유닛은, 일반적으로 기판(2)의 말단 주변 (또는 기판(3) 상)에, 유리 프릿(glass frit) 또는 그 외의 용액상의 적합한 물질(예를 들면, 프릿 페이스트)을 증착함으로써 제조된다. 최종적으로, 이러한 유리 프릿 페이스트에 의해 에지 씰(4)를 형성한다. 2개의 기판(2,3) 사이에 유리 프릿 용액 및 스페이스/필러(5)가 개재되도록, 기판(2) 상에 그 외의 기판(예를 들면, 3)을 배치한다. 유리 기판(2,3), 스페이서/필러(5) 및 씰링재(예를 들면, 용액 상의 유리 프릿 또는 유리 프릿 페이스트)를 포함하는 전체 어셈블리를, 적어도 약 500℃의 온도까지 가열하고, 이 온도에서 유리 프릿을 용융시키고, 유리 기판(2,3)의 표면을 웨팅시킨 후, 최종적으로 기밀 씰링된 말단/에지 씰(4)를 형성한다.
기판 사이에 에지 씰(4)를 형성한 후, 펌프 아웃 튜브(8)를 통해 진공 상태를 만들고, 기판(2,3) 사이의 낮은 압력 공간/캐비티(6)을 형성한다. 공간(6)의 압력은 감압 공정에 의해 대기압 미만(예를 들면, 약 10-2 Torr 미만)으로 형성될 수 있다. 공간/캐비티(6) 내의 낮은 압력을 유지하기 위해, 기판(2,3)은 펌프 아웃 튜브의 에지 씰 및 씰링 오프(sealing off)에 의해 기밀 씰링된다. 대기압 하에서, 실질적으로 평행한, 분리된 기판을 유지하기 위해, 투명한 유리 기판 사이에 고강도 작은 스페이서/필러(5)가 제공된다. 상기 기재된 바와 같이, 기판(2,3) 사이의 공간(6)이 감압되면, 예를 들면, 레이저 등을 사용해서 펌프 아웃 튜브(8)의 팁을 용융함으로써 펌프아웃 튜브(8)를 씰링할 수 있다.
상기 기재된 바와 같이, 양극 접합 및 유리 프릿 접합과 같은 고온 접합 기술은, 실리콘, 세라믹, 유리, 등으로 구성된 부품을 기밀 씰링(예를 들면, 에지 씰을 형성) 하기 위해 널리 사용되고 있는 방법이다. 이러한 고온 공정에 필요한 열은, 일반적으로 약 300℃ 내지 600℃의 범위 내에 있다. 이러한 종래의 접합 기술은, 일반적으로 전체 장치(유리 및 유리 하우징 내에 수용되는 임의의 부품을 포함)가 씰을 형성하기 위해, 오븐을 이용해서 열평형에 가까운 상태로 만드는 오븐 벌크 가열이 필요하다. 따라서, 허용 가능한 씰을 얻기 위해서는 비교적 긴 시간이 필요하다. 예를 들면, 장치 크기 L가 증가함에 따라, 일반적으로 씰링 시간 약 L3 정도 증가할 수 있다. 가장 높은 온도 감지 부품이 전체 시스템의 최대 허용 가능한 온도를 결정하는 경우도 있다. 따라서, 상기 기재된 높은 온도의 씰링 공정(예를 들면, 양극 접합 및 유리 프릿 접합)은, 강화된 VIG 유닛 및 봉입 감광 부품(예를 들면 OLED 장치)과 같은 감열 부품을 제작하는 데에 적합하지 않다. 강화된 VIG 유닛의 경우, VIG 유닛의 열-강화된 유리 기판은 고온 환경에서 기질 강도를 빠르게 잃어버릴 것이다. 예시의 OLED 패키지의 경우, 특정한 기능성 유기층은 3000 내지 600℃(경우에 따라 100℃)의 온도에서 파괴될 것이다. 종래에, 고온 벌크 씰링 공정을 사용해서 이러한 문제를 해결하기 위한 하나의 방법은 벌크의 열평형 가열 공정을 사용해서 낮은 온도 프릿을 개발하는 것이었다.
배경기술에 따라, 유리 프릿 또는 땜납은 일반적으로 유리 물질과 금속성 산화물의 혼합물이다. 유리 조성물은, 접합 기판의 열팽창 계수(CTE)에 매칭하도록 조절될 수 있다. 납 기반 유리는 음극선 튜브(CRT), 플라즈마 디스플레이, 및 VIG 윈도우 유닛에서 상업적으로 사용되는 가장 일반적인 접합/씰링재/기술이다. 납 기반 유리 프릿은 또한 최소 투과성 유리 씰링재 중에서 하나이다. 일반적으로, 이러한 땜납은 유리질 물질에 기초하고 탈 유리질화가 억제된다.
유리 프릿 또는 땜납은 일반적으로 베이스 유리, 내열성 충진재, 및 비히클로 구성된다. 베이스 유리는 벌크 프릿 또는 땜납을 형성한다. 충진재는 결합될 유리 기판에 매칭하고 CTE를 감소시킨다. 이러한 매칭은 기계적 강도를 증가시키고, 계면응력을 감소시키며, 씰의 균열 내성을 향상시킨다. 비히클은, 일반적으로 스크린 인쇄에 유동성을 제공하는 용매 및 유기 바인더로 구성된다.
이러한 형태의 유리 프릿 또는 땜납은, 대부분의 반도체 재료(유리, 실리콘, 실리콘 산화물, 대부분의 금속 및 세라믹을 포함하지만 이들로 제한되지 않는다)에 부착될 비교적 낮은 융점(예를 들면, 약 480℃ 내지 520℃)의 유리를 포함하고, 이러한 형태의 재료 비히클을 사용하는 접합 방법이 널리 허용될 수 있는 이점이 있다.
다양한 융점, CTE, 유기 바인더, 및 스크린 인쇄 특성을 갖는 상이한 형태의 시판되는 유리 프릿 물질이 있다. 그러나, 거의 모두 낮은 융점의 형태의 유리 프릿 또는 땜납은 약간의 납을 함유한다. 이것은, 후년부터 EU 및 일본에서의 전자장치 제조 시 납의 사용이 금지되지는 않더라도 엄격하게 제한될 것이기 때문에, 잠재적으로 큰 문제가 된다. 최근 몇 년간, 비스무트 산화물에 기반한 프릿 또는 땜납은 납 기반 프릿을 대체하는 데에 약간의 성공을 거뒀지만, 이러한 형태의 프릿의 융점(Tg)은 일반적으로 약 450℃를 초과한다. 납 기반 프릿에 비해, 이러한 비스무트 산화물 기반 프릿은, 종래의 오븐 벌크 가열 공정을 사용해서 온도 감지 장치의 제작에 사용될 수 없다. 바나듐 바륨 아연 산화물(VBZ)에 기초한 낮은 Tg(예를 들면, 375℃ 내지 390℃) 프릿이 개발되었고, 이는 VBaZn, V 포스페이트, SnZnPO4을 포함하지만 이들로 제한되지 않는다. 그러나, 이러한 형태의 프릿의 용도는 제한적이었다.
따라서, 씰링될 전체 제품을 고온까지 가열하는 단계를 포함하지 않는 씰링 처리 방법이 요구된다. 즉, 씰을 형성하기 위해 사용되는 재료, 예를 들면, 프릿-포함 씰링재가 배치될 영역으로 실질적으로 제한되는 국부적 가열 기술이 요구된다. 이러한 국부적 접근 방법은, 예를 들면 씰링재의 조절된 레이저 가열 및 얻어진 유리질화 땜납 비드를 통해 달성될 수 있지만, 이들로 제한되지 않는다. 이러한 기술에서, 국부적 가열은 프릿, 또는 프릿이 배치된 영역 근방으로 제한될 수 있고, 가열 프로파일은 적당하게 유지될 수 있다. 팽창 특성 및 온도 구배의 비교적 큰 차이 및 응력에 의한 균열을 줄이기 위해, 측면 열 흐름을 조절하는 국부적 열 싱크 시스템을 포함하는 것이 유리할 수 있다. 이러한 형태의 국부적 공정을 사용해서 형성된 용융된 시임(seam) 또는 비드(bead)는, 원하는 부분(예를 들면 VIG 유닛의 유리 기판)을 결합하기 위해 사용된다. 이러한 공정은, 용융된 시임 또는 비드가 효과적으로 결합 부분을 스티칭하기 때문에, 레이저 스티칭으로 지칭될 수 있다. 특정한 대안의 실시형태에 따르면, 이러한 국부 조절된 레이저 가열은 또한 공융 씰링재와 함께 사용될 수도 있다.
종래의 오븐 벌크 가열 공정에서, 프릿 페이스트는 일반적으로 유리 기판에 적용되고, 건조로 지칭되는 공정에서 비히클로부터 용매를 제거하기 위해 비교적 낮은 온도(예를 들면, 약 120 내지 150℃의 범위)에서 가열된다. 다음에, 프릿을 글레이징하고 유기 바인더 재료를 제거하기 위한 글레이징 공정에서 유리를 높은 온도까지 가열한다. 다음의 유리질화 공정에서, 프릿은 유리 네트워크를 포함하는 연속 필름을 형성하기 위해 온도를 융점까지 높임으로써 유리질화된다. 최종적으로, 유리 기판이 배열되고 유리 용융 온도를 초과해서 가열되고, 기판은 함께 압착되어 기판 사이에 최종 기밀 씰링을 형성한다.
예시의 비제한 실시형태에 따르면, 프릿 페이스트가 적용되고, 건조하고 글레이징한 후, (예를 들면 벌크 오븐 처리 대신에)공기 또는 비활성 분위기에서 레이저를 사용해서 국부적으로 유리질화된다. 이러한 처리 중에, 측면 열 흐름을 조절하기 위해 국부적 열 싱크를 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 진공 펌프 다운의 적용 또는 롤러 메카니즘은, 선택적으로 함께 결합된 기판 사이에 힘을 인가하기 위해 사용될 수 있다. 기판이 배열되고, 유리 기판에 프릿 또는 땜납의 레이저 유도 접합을 수행하기 위해 국부적으로 레이저 조사하여 용융 온도를 초과하는 온도까지 상승시킨다. 다음의 단계에서, 땜납의 레이저 어닐링은, 씰과 기판 사이의 응력을 감소하기 위해 수행될 수 있다. 또한, 유리 씰링재의 적용 전에 유리가 러프닝(roughening)되면, 유리 계면에 프릿의 접합 강도가 개선되는 것을 알 수 있다.
또 다른 예시의 비제한 실시예에 따르면, 국부적 가열 접근 방법은, 유리질화 땜납 비드 또는 시임의 레이저 가열을 조절해서 달성될 수 있다. 프릿에 전달되는 전력은, 입력으로서 열 스파이크로부터 피드백 루프까지의 일부 거리에서 온도를 사용하는 피드백 루프에 의해 조절될 수 있다. 레이저 전력 및 기간의 피드백 조절을 통해 접합 영역에서 높은 공정 온도의 모니터링 및 조절은 장치의 파손 및 응력을 조절하는 데에 이점이 있다.
특정한 추가의 예시의 실시형태에 따르면, 공융 씰링재(예를 들면, 금속성 또는 금속 합금 땜납)은 유리 기반 또는 유리 포함 프릿 씰링재 대신에 사용될 수 있다. 이러한 대안의 예시의 실시형태에서, 금속이 일반적으로 유리에 직접 사용될 수 없기 때문에, 흡수재 층은 공융 씰링재와 유리 기판 사이에 배치될 수 있다. 흡수 필름/층은, 예를 들면, 실리콘 질화물의 또는 이를 포함하는 제1층 및 무전극 Ni과 같은 금속(또는 금속 합금)의 또는 이를 포함하는 제2층을 포함한다. 이러한 예시의 실시형태에서, 레이저빔의 에너지는 유리 기판을 투과하고 흡수 필름에 의해 흡수된다. 따라서, 예를 들면, 흡수체의 Si 또는 금속은 국부적으로 가열하고, 공융 재료를 용융하고, Si가 유리 기판에 접합된다. 상기 기재된 바와 같이, 레이저의 조절은 피드백 루프를 사용해서 달성될 수 있고, 피드백 루프에서 레이저 전력 및 기간을 조절하기 위해 접합 영역의 높은 공정 온도를 모니터링하고 피드백한다.
본 발명의 특정한 예의 실시형태에서, 진공 단열 유리(VIG) 윈도우 유닛의 제조방법이 제공되고, 이 방법은 제1기판을 제공하는 단계; 씰링될 제1기판의 영역에 씰링재를 적용하는 단계; 적어도 (a) 레이저 조사를 사용하여 씰링재를 유리질화하는 단계로, 레이저 조사에 의해 씰링재가 노출되지만 제1기판의 주요부를 향해서는 조사되지 않는 단계, 및 (b) 유리질화된 씰링재에 레이저를 지속적으로 조사해서 씰링재를 용융함으로써 제2기판에 제1기판을 접합하는 단계에 의해 씰을 형성하는 단계; 및 제1기판과 제2기판 사이에 형성되고 씰에 의해 정의된 캐비티를 대기압 미만의 압력까지 감압하는 단계를 포함한다.
특정한 예의 실시형태에서, 2개의 유리 기판 사이에 형성된 캐비티를 갖는 접합된 제품을 제조하는 방법이 제공되고, 이 방법은 제1유리기판과 제2유리 기판을 제공하는 단계; 하나의 유리 기판에 씰링재를 적용하는 단계; 및 씰링재에 레이저를 조사함으로써 씰을 형성하는 단계를 포함하고, 캐비티는 유리 기판 및 씰의 형상에 의해 정의되고, 캐비티는 대기압 미만의 압력까지 감소하거나 비활성 분위기를 제공하고 그 내부에 온도 감지 부품을 배치할 수 있다.
본 발명의 특정한 실시형태에서, 진공 단열 유리(VIG) 윈도우 유닛이 제공되고, 이는 에지 씰에 의해 함께 접합된, 실질적으로 평행하게 이격된 제1 및 제2유리 기판 - 상기 제1및 제2 기판 및 상기 에지 씰은 대기압 미만의 압력을 갖는 캐비티를 정의함 - 을 포함하고, 상기 에지 씰은 (i) 금속성 또는 실질적으로 금속성층; 및 (ii) 흡수 필름을 포함한다. 에지 씰은 적어도 레이저 조사에 의해 형성될 수 있다.
이러한 및 그 외의 실시형태 및 이점은 다음의 도면을 참조해서 특정한 예의 실시형태에 대해 기재되고, 유사한 참조 부호는 유사한 구성 요소를 나타내고:
도 1은 종래의 VIG 유닛의 개략 단면도이고;
도 2는 종래의 VIG 유닛의 평면도이고;
도 3은 예시의 실시형태에 따라서 레이저가 조사되는 씰링재 및 VIG 유닛의 개략 부분 단면도이고;
도 4는 추가의 예시의 실시형태에 따라서 레이저가 조사된, 공융 필름 및 흡수 필름을 포함하는 씰링재, 및 VIG 유닛의 개략 부분 단면도이고;
도 5는 예시의 실시형태에 따라 레이저가 조사된 씰링재 및 전자 부품 패키지의 개략 부분 단면도이고;
도 6은 추가의 예시의 실시형태에 따라 레이저가 조사된 공융 씰링재 및 흡수 필름을 포함하는 씰링재, 및 전자 부품 패키지의 개략 부분 단면도이고;
도 7은 특정한 예시의 실시형태에 따라 피드백 조절을 포함하는 레이저 조사 시스템의 개략 블록도이고; 및
도 8은 특정한 예의 실시형태에 따라 레이저를 사용해서 기판을 씰링하는 방법의 흐름도이다.
특정한 예시의 실시형태는 상기 도면을 참조해서 본원에 상세하게 기재되고, 유사한 참조부호는 유사한 구성 요소를 지칭한다. 본원에 기재된 실시형태는 예시적인 것으로 제한적인 것은 아니며, 첨부된 청구 범위의 사상 및 범위 내에서 벗어나지 않고 다양한 변경이 가능한 것이 당업자에 의해 이해될 것이다.
도 3을 참조하면, 예시의 실시형태에 따라 레이저가 조사된 씰링재 및 VIG 유닛의 개략 부분 단면도가 제공된다. VIG 유닛(1)은 실질적으로 평행한 이격된 2개의 유리 기판(2,3)을 포함하고, 유리 기판은 그 사이에 감압된 저압 공간/캐비티(6)를 동봉한다. 유리 시트 또는 기판(2,3)은 말단 에지 씰(4)에 의해 상호연결되고, 말단 에지 씰(4)는, 예를 들면, 특정한 예시의 실시형태를 참조해서 하기에 기재된 레이저(40)를 사용해서 형성될 수 있는 융해된 땜납 유리 등으로 구성될 수 있다. 지지 필러/공간(5)의 어레이는, 유리 기판(2,3) 사이에 존재하는 저압 공간/갭(6)을 고려하면 VIG 유닛(1)의 기판(2,3)의 간격을 유지하기 위해 유리 기판 사이에 포함될 수 있다. 기판(2,3) 사이의 저압 공간/캐비티(6)를 형성하기 위해 펌프 아웃 튜브(8)를 통해 진공 상태를 만든다. 공간(6)의 압력이 감압 공정에 의해 대기압 미만(예를 들면, 약 10-2 Torr 미만)으로 형성될 수 있다. 공간/캐비티(6) 내의 낮은 압력을 유지하기 위해, 기판(2,3)은 펌프 아웃 튜브(8)의 에지 씰(4) 및 씰링 오프에 의해 기밀 씰링된다. 상기 기재된 바와 같이, 대기압 하에서, 실질적으로 평행한, 분리된 기판을 유지하기 위해, 투명한 유리 기판 사이에 고강도 작은 스페이서/필러(5)가 제공된다. 상기 기재된 바와 같이, 기판(2,3) 사이의 공간(6)이 감압되면, 예를 들면, 레이저 등을 사용해서 펌프 아웃 튜브(8)의 팁을 용융함으로써 펌프아웃 튜브(8)를 씰링할 수 있다.
특정한 예시의 실시형태에 따르면, 에지 씰(4)는 본원에 상세하게 기재된 바와 같이, 레이저(40)를 통해 조절된 국부적 가열에 의해 형성된다. 용융된 유리 프릿과 훨씬 냉각된(예를 들면 실온) 유리 기판(2,3) 사이의 큰 온도 구배 때문에, 우수한 열전도성을 갖는 재료(예를 들면, 구리 등을 포함하지만, 이들로 제한되지 않는다)를 포함하고, 기판(3)과 우수한 열 접촉을 하는 국부 열 싱크(30)을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 연속 또는 펄스 모드에서 레이저 전력의 조절은 레이저 전력 조절 유닛에 용융된 시임 또는 비드의 근방에서 온도를 알리는 피드백 루프를 사용해서 달성될 수 있고, 레이저 가열 기간 및 전력의 조절이 가능하다. 특정한 예시의 실시형태에 따르면, 레이저 에너지의 펄스 또는 연속 적용이 사용될 수 있는 것으로 이해될 것이다. 예시의 피드백 조절 배열은, 도 7을 참조해서 하기에 검토되고, 달리 발생할 수 있는 장치의 파손 및 응력의 조절 및 관리에 유리하다. 본원에 기재된 레이저 가열 처리 기술은 기밀 씰링될 전체 제품의 가열 단계를 포함하지 않고, 대신에 저온 또는 비열 평형 씰을 달성하기 위해 유리질화된 땜납 비드에 레이저 가열을 조절해서 달성되는 국부적인 접근 방법을 이용한다.
구체적으로, 특정한 예의 실시형태에 따르면 유리 기반 땜납 물질을 사용하는 레이저 기반 씰링은 주로 땜납을 가열하고 씰링될 부품의 나머지에 비교적 최소 열 부하가 가해진다. 본원에 개시된 레이저 기반 씰링 기술은 낮은(예를 들면, VBZ 형태 프릿) 및 높은 Tg 프릿 물질을 이용해서 균등하게 작용한다. 적합한 낮은 Tg 프릿의 비제한 예는, V, Ba, Zn, POx, VPOx등에 기반한 땜납을 포함하지만, 이들로 제한되지 않는다. 본원에 개시된 레이저 기반 씰링 기술의 또 다른 이점은 실내 온도 및 압력에서 공기 중에서 쉽게 처리가능한 것이다. 에지 씰(4)를 형성하기 위해 사용되는 프릿 매트릭스는 사용되는 레이저의 파장으로 조절될 수 있는 흡수체 염료를 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 방법으로, 유리 기판(2,3)은 레이저가 상당한 흡수 없이 통과되어 유리 기판이 비교적 가열되지 않고, 동시에 레이저 에너지는 프릿 물질에 의해 흡수되어 선택적으로 프릿 물질을 가열하고 기판을 기밀 유리 씰에 접합시킨다. 속도 및 처리량을 개선하고 완전한 프릿 유리질화 및 접합을 보장하기 위해 반대 방향으로 기판의 반대 에지에 대해 래스터링하는 2개의 빔을 통합하는 것이 바람직할 수 있다. 기판 에지 씰링재의 하나의 빔 래스터는 기판을 씰링하기 위해 사용될 수 있는 것으로 이해될 것이다. 특정한 실시형태에 따르면, VIG 윈도우 유닛의 기판을 씰링하는 경우, 러프닝 펌프 등을 통한 활성 펌핑은 씰 중에 기판을 제자리에 유지시키기 위해 사용되어, 클램핑할 필요가 없다. 그 외의 부품이 배치되는 하우징을 씰링하는 경우, 롤러가 사용될 수 있다. 씰을 형성한 후, 다음의 레이저 에너지의 래스터링이 접합된 프릿 영역에 적용되어 씰을 어닐링해서 응력, 및 예를 들면 씰의 균열을 포함하는 응력에 의한 결함이 감소한다. 본원에 개시된 다양한 실시형태에 따른 레이저 에너지의 적용은 펄스 또는 연속 방식으로 수행될 수 있는 것으로 이해될 것이다. 특정한 예시의 실시형태에 따르면, 프릿 씰링재의 적용 전에 유리가 러프닝되면, 유리 계면에 대한 프릿의 접합 강도를 향상시킨다.
개시된 레이저 비드 씰링 기술을 사용하는 경우, 높은 온도 구배 때문에, 열의 측면 흐름(예를 들면 유리 기판을 가로지르는 것을 들 수 있고, 이것으로 제한되지 않음)을 줄이기 위해 국부 열 싱크, 또는 하우징 내에서 고감도 전자 부품가 씰링되는 실시형태에서 감응 장치 영역을 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 특정한 실시형태에 따르면, 우수한 열 전도성 특성을 갖는 재료(예를 들면, 구리를 포함하지만 이들로 제한되지 않음)를 포함하는 국부 열 싱크는 패키지의 하측 중심 근방에서 패키지의 하측(예를 들면, 래스터 적용의 반대측)에 배치되고, 패키지와 열 싱크 사이에 우수하게 열 접촉한다.
도 5는 예시의 실시형태에 따라 레이저가 조사된 씰링재 및 전자 부품의 개략 부분 단면도이다. 부품 패키지(50)는 이격된 2개의 유리 기판(52,53)을 포함하고, 그 사이에 감압된 저압 또는 비활성 기체 환경 공간/캐비티(55)를 동봉한다. 전자 또는 광학 부품(56)(예를 들면, 반도체 장치, 유기 발광 장치(OLED), 전자 회로, 반도체 칩, 센서, 광학 부품, 등을 포함하지만, 이들로 제한되지 않음)은 유리 기판(52,53) 사이에 형성된 캐비티(55) 내에 수용될 수 있다. 유리 기판(52,53)은 말단 에지 씰(54)에 의해 상호 연결되고, 말단 에지 씰은, 예를 들면 특정한 예의 실시형태에 대해 하기 기재된 레이저를 사용해서 형성될 수 있는 융해된 땜납 유리 등으로 구성될 수 있다. 공간(55) 내의 압력은 대기압 미만(예를 들면, 약 10-2 Torr 미만)으로 감압 공정에 의해 생성될 수 있다. 공간/캐비티(55) 내의 저압을 유지하기 위해, 기판(52,53)은 에지 씰(4)에 의해 기밀 씰링된다. 캐비티(55)는 부품(56)이 배치될 수 있는 비활성 기체 분위기에 제공될 수도 있다.
특정한 예시의 실시형태에 따르면, 도 3에 대해 상기 기재된 라인을 따라, 본원에 상세하게 기재된 바와 같이, 레이저(40)를 통해 국부적 가열을 조절해서 에지 씰(4)가 형성된다. 용융된 유리 프릿과 훨씬 냉각된(예를 들면, 실온) 유리 기판(52,53) 사이의 큰 온도 구배 때문에, 우수한 열전도성을 갖는 재료(예를 들면, 구리 등을 들 수 있지만, 이들로 제한되지 않음)를 포함하는, 국부적 열 싱크(30)를 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 연속 또는 펄스 모드의 레이저 전력 조절은, 용융된 시임 또는 비드 근방에 온도를 레이저 전력 조절 유닛에 알려주는 피드백 루프를 사용해서 달성되고, 레이저 가열 기간 및 전력 조절이 가능하다. 레이저 에너지의 펄스 또는 연속 적용은 특정한 예시의 실시형태에 따라 사용될 수 있는 것으로 이해될 것이다. 예시의 피드백 조절 배치는, 도 7에 대해 하기에 검토되고, 달리 발생할 수 있는 장치의 파손 및 응력의 조절 및 관리에 유리하다. 본원에 기재된 레이저 가열 처리 기술은 기밀 씰링될 전체 제품의 가열 단계를 포함하지 않고, 대신에 저온 또는 비열 평형 씰을 달성하기 위해 유리질화된 땜납 비드의 조절된 레이저 가열에 의해 달성되는 국부적인 접근 방법을 이용한다.
구체적으로, 특정한 예의 실시형태에 따르면 유리 기반 땜납 물질을 사용하는 레이저 기반 씰은 주로 땜납을 가열하고 씰링될 부품의 나머지에 비교적 최소 열 부하가 가해진다. 본원에 개시된 레이저 기반 씰링 기술은 낮은(예를 들면, VBZ 형태 프릿) 및 높은 Tg 프릿 물질을 이용해서 균등하게 작용한다. 적합한 낮은 Tg 프릿의 비제한 예는, V, Ba, Zn, POx, VPOx 등에 기반한 땜납을 포함하지만, 이들로 제한되지 않는다. 본원에 개시된 레이저 기반 씰링 기술의 또 다른 이점은 실내 온도 및 압력에서 공기 중에서 쉽게 처리가능한 것이다. 에지 씰(4)를 형성하기 위해 사용되는 프릿 매트릭스는 사용되는 레이저의 파장으로 조절될 수 있는 흡수체 염료를 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 방법으로, 유리 기판(52,53)은 레이저가 상당한 흡수 없이 통과되어 유리 기판이 비교적 가열되지 않고, 동시에 레이저 에너지는 프릿 물질에 의해 흡수되어 선택적으로 프릿 물질을 가열하고 프릿을 유리질화 해서 기판을 기밀 유리 씰에 접합시킨다. 속도 및 처리량을 개선하고 완전한 프릿 유리질화 및 접합을 보장하기 위해 반대 방향으로 기판의 반대 에지에 대해 래스터링하는 2개의 빔을 통합하는 것이 바람직할 수 있다. 기판 에지 씰링재의 하나의 빔 래스터링은 기판을 씰링하기 위해 사용될 수 있는 것으로 이해될 것이다. 특정한 실시형태에 따르면, 기판을 씰링하는 경우, 러프닝 펌프를 통한 활성 펌핑은 씰 중에 기판을 제자리에 유지시키기 위해 사용된다. 대신에, 롤러가 사용될 수 있다. 씰을 형성한 후, 다음의 레이저 에너지의 래스터링이 접합된 프릿 영역에 적용되어, 씰을 어닐링해서 응력 및 예를 들면 씰의 균열을 포함하는 응력에 의한 결함이 감소한다. 본원에 개시된 다양한 실시형태에 따른 레이저 에너지의 적용은 펄스 또는 연속 방식으로 수행될 수 있는 것으로 이해될 것이다.
개시된 레이저 비드 씰링 기술을 사용하는 경우 높은 온도 구배 때문에, 열의 측면 흐름(예를 들면 유리 기판을 가로지르는 것을 들 수 있고, 이것으로 제한되지 않음)을 줄이기 위해 국부 열 싱크(30), 또는 하우징 내에서 고감도 전자 부품가 씰링되는 실시형태에서 감응 장치 영역을 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 특정한 실시형태에 따르면, 우수한 열 전도 특성을 갖는 재료(예를 들면, 구리를 포함하지만 이들로 제한되지 않음)를 포함하는 국부 열 싱크는, 패키지의 하측 중심 근방에서 패키지의 하측(예를 들면, 래스터 적용의 반대측)에 배치되고, 패키지와 열 싱크 사이에 우수하게 열 접촉한다.
또 다른 특정한 예의 비제한 실시형태에 따르면, 유리 기반 프릿 물질 대신에 유리 기판을 씰링하기 위해 공융 씰링재가 사용될 수 있다. 금속성 기반(또는 공융)땜납은 유리 기반 씰링재보다 낮은 융점을 갖는다. 그러나, 공융은 일반적으로 산소 이온의 존재로 인해서 유리 기판에 직접 사용되지 않을 수 있다. 또한, 금속 땜납이 가열되는 경우, 금속 땜납은 산화되고 비드 형태로 되어 퍼들 및 마이크로 버블을 일으킨다. 유리 기판을 씰링하기 위해 공융 땜납을 사용해서 경우에 따라 발생하는 이러한 문제를 피하기 위해, 유리 기판과 공융 재료 사이에 흡수체 또는 흡수 필름이 도입될 수 있다. 추가의 실시형태에 따르면, 레이저 에너지는 매우 투명한 유리 기판(52)을 투과하고 흡수 필름(예를 들면, SiNx/Ni 또는 SiNx/Cr 이중층 필름을 들 수 있지만, 이들로 제한되지 않음)에 의해 흡수된다. 따라서, 실리콘이 국부적으로 가열되어 공융 물질을 용융시킴으로써, 유리 기판에 접합하는 공융 씰을 형성한다. 선택적으로, 상기 기재된 바와 같이, 레이저 처리 중에 상기 재료들이 접촉하는 것을 보장하기 위해 처리 중에 작은 힘이 인가될 수 있다. SiNx/Ni 또는 SiNx/Cr의 중간층의 유리에 대한 이러한 접합 방법을 사용하면, 실리콘 및 유리는 공정에서 함께 국부적으로 융해되고 둘러싼 유리 재료는 실온에서 유지된다. 특정한 예시의 비제한 실시형태에 따르면, 유리 기판을 웨팅하고 예를 들면, 모세관 작용에 의해 갭을 충진하기 위해, 프릿(예를 들면, 씰링재) 증착 전에 유리 기판에 금속 산화물 층이 사전 증착될 수 있다. 상기 검토된 바와 같이, 레이저 에너지의 펄스된 하나의 샷 또는 연속 적용이 사용될 수 있다. 공융 기밀 씰링을 형성하면, 하나의 재료(예를 들면, 기판 재료)는 매우 투과성이 있고, 그 외의 재료(예를 들면, 흡수체 재료)는 선택적 레이저 빔의 파장을 강하게 흡수한다.
도 4 및 6은 도 3 및 5에 도시된 실시형태와 유사하지만, 상기 상세하게 기재되고 검토된 바와 같이 흡수 필름(4',54')과 함께 공융 땜납 물질(4,54)을 포함한다. 또한, 흡수 필름(4',54')은 유리기판(2, 3, 52, 53) 중 하나 또는 둘 다 상에 배치될 수 있는 것으로 이해된다. 상기 검토된 바와 같이, 추가의 예시의 실시형태에 따르면, 일반적으로 금속은 유리 상에 직접 사용될 수 없기 때문에, 흡수층(4',54')는 공융 씰링재(4,54) 및 유리 기판(2, 3, 52, 53) 사이에 개재될 수 있다. 흡수 필름/층(4',54')은, 예를 들면 실리콘 질화물의 또는 이를 포함하는 제1층 및 무전극 Ni과 같은 금속(또는 금속 합금)의 또는 이를 포함하는 제2층을 포함하지만, 이들로 제한되지 않는다. 특정한 예시의 비제한 실시형태에 따르면, 흡수 필름(4',54')은 실리콘 풍부 SiNx/Ni 또는 SiNx/Cr의 이중층을 포함할 수 있다. 이러한 예의 실시형태에서, 레이저 빔(40)의 에너지는 유리 기판(2, 3, 52, 53 )을 투과하고 흡수 필름(4',54')에 의해 흡수된다. 따라서, 예를 들면, 흡수체의 Si 또는 금속이 국부적으로 가열되고, 공융 재료를 용융시키고, Si는 유리 기판에 접합된다. 상기 기재된 바와 같이, 레이저의 조절은 피드백 루프를 사용해서 달성될 수 있는데, 필드백 루프에서는 도 7에 대해 본원에 기재되고 도시된 레이저 전력 및 기간을 조절하기 위해 접합 영역 내의 높은 공정 온도가 모니터링되고 피드백된다.
본원에 개시된 레이저 기술을 사용해서 달성된 실시예의 이점 중에서, 레이저 기술은 실질적으로 비접촉 기술이므로, 접합된 기판의 오염 또는 손상이 없다. 또한, 인가되는 레이저 빔이 조절되기 때문에, 가열되는 처리 시간, 온도, 및 체적은 매우 정확하게 조절될 수 있고, 따라 복합 설계(특히, 부품 패키징의 경우)가 구현될 수 있다. 또한, 열원으로서 레이저가 사용되는 경우, 레이저 빔이 작은 스팟에 집중될 수 있기 때문에, 장치에 매우 국소적으로 열이 입력될 수 있다. 또한, 본원에 개시된 VIG 실시형태에서, 레이저는 선택적으로 유리 기판 통하지 않고 그 측면으로부터 비드에 적용될 수 있다.
도 7은 특정한 예의 실시형태에 따라, 예시의 레이저 조사 시스템의 개략블록도이다. 이러한 예시의 비제한 실시형태에 따르는 레이저 시스템은 스캐너 및 광학 서브시스템(80)에 소정의 전력 및 기간의 레이저 에너지를 제공하는 레이저 원(78)을 포함한다. 스캐너 및 광학 서브시스템(80)은 조사된 물체(예를 들면, VIG 윈도우 유닛(1))에 광학을 통해 소정의 스팟 크기의 빔을 제공한다. 스캐너 및 광학 서브시스템(80)은 소정의 방향으로 VIG 윈도우 유닛(1)의 주변에 래스터링하는 하나의 빔을 제공하거나, 선택적으로 VIG 유닛(1)의 반대측에 인가되고 반대 방향으로 래스터링하는 2개의 빔(40)을 제공할 수 있다. 특정한 예의 실시형태에 따르면, 레이저빔(40)은 VIG 윈도우 유닛(1)의 반대측(예를 들면, 상부 및 하부)을 조사하기 위해 배열될 수 있다. 또 다른 추가의 예의 실시형태에 따르면, SWIR 히터는 레이저빔(40)의 인가와 함께 사용될 수 있다. 레이저빔(40)은 큰 래스터 조절을 제공하기 위해 로봇 팔에 의해 유지되고 이동될 수 있다. 빔으로부터 바람직하게 멀리 있는 센서(72)는 비드의 근방에서 온도(Ts)를 모니터링한다. 센서(72)는 온도, 예를 들면 Ts를 모니터링할 수 있는 센서의 임의의 적합한 형태일 수 있다. 이러한 센서는, 예를 들면 파이로미터, 볼로미터, 적외선 촬상기, 마이크로 써머커플 등을 들 수 있지만, 이들로 제한되지 않는다. Ts는 이러한 예에 따른 피드백 조절 파라미터이다. Ts는 센서(72)에 의한 출력이고, 이는 조사된 제품에 가깝게 위치할 수 있거나 선택적으로 스캐너 및 광학 서브시스템, 레이저 헤드 등과 함께 배치될 수 있다. 센서(72)로부터 Ts는 온도 데이터 로거(74)에 제공되고, 데이터 로거는 Ts를 모니터링하기 위해 Ts를 수신하고 기록한다. Ts는 조절 유닛(76)에 공급되고, 레이저원(78)에 조절 신호를 제공하고 레이저의 다양한 파라미터(예를 들면, 전력 및 기간을 포함하지만, 이들로 제한되지 않음)를 조절한다. SWIR 히터를 사용하는 실시형태에서, SWIR 히터는 추가의 피드백 조절을 제공하기 위해 피드백 루프에 포함될 수 있다. 상기 기재된 바와 같이, 레이저 원(78)은 펄스 또는 연속 방식으로 레이저 에너지를 방출할 수 있다.
도 8은, 예를 들면, 유리 기판 사이에 씰을 형성하기 위해 유리 기반 프릿이 사용되는 도 3 및 5에 도시된 특정한 예의 실시형태에 따른 레이저를 사용해서 기판을 씰링하는 방법의 흐름도이다. 특정한 예의 비제한 실시형태에 따르면, 씰링될 유리 기판을 제공한다(S1). 기판은, 예를 들면, 도 3에 도시된 VIG 윈도우 실시형태에 대해 도시된 실질적으로 평행한 평판일 수 있거나 복잡한 형상 배열, 예를 들면, 도 5에 도시된 실시형태를 수용하는 부품일 수 있다. 복잡함에 관계없이 고려될 수 있는 임의의 기판 형상에 동등하게 적용될 수 있는 것으로 이해될 것이다. 편의상 도 3에 도시된 예를 사용하고, 기판(2,3)은 단계(S1)에 제공된다. 씰링재(예를 들면, 유리 기반 프릿을 들 수 있지만, 이것으로 제한되지 않음)는 예를 들면, 도 3에 도시된 바와 같이 VIG 윈도우 유닛의 말단 에지와 같은 씰링될 영역 또는 구역에 적용된다(S3). 씰링재는 바람직하게 추가의 이점을 제공하기 위해 사용되는 레이저의 특성으로 조절될 수 있는 흡수 염료를 포함한다. 단계(S3)에서 기판에 적용되는 씰링재는, 예를 들면 비히클로부터 용매를 제거하기 위해, 비교적 낮은 온도(예를 들면, 약 120℃ 내지 150℃의 범위)에서 예를 들면 가열함으로써 건조된다(S5). 건조 단계(S5) 후, 프릿을 글레이징하고 유기 바인더 재료를 제거하기 위해 높은 온도까지 유리 가열함으로써 프릿이 글레이징된다(S7). 그 다음에, 레이저를 조사해서 프릿을 유리질화 한다(S9). 유리질화 단계(S9) 중, 예를 들면 유리 네트워크로 이루어진 실질적으로 연속적 필름을 형성하기 위해, 국부 레이저를 조절해서 프릿을 그 융점까지 가열한다. 상기 기재된 바와 같이, 레이저는 펄스 또는 연속 방식으로 적용될 수 있고, 바람직하게 Ts에 기초한 피드백 루프를 통해 조절된다. 또한, 공기 또는 비활성 분위기에서 레이저가 인가되는 것을 주목한다. 레이저 및 그 특성은, 레이저 에너지가 실질적으로 유리 기판을 통과하고 실질적으로 씰링재(예를 들면 흡수 염료를 포함하는 씰링재를 포함하지만 이들로 제한되지 않음)에 의해 흡수되도록 선택된다. 상기 기재된 바와 같이, 유리질화 중 기판을 제자리에 유지하기 위해 러프닝 펌프 또는 롤러를 사용하는 것이 바람직할 수 있고, 그 다음에 레이저로 결합을 유발한다(S11). 또한, 레이저 공정에서 발생할 수 있는 큰 온도 구배에 의한 균열을 줄이기 위해 측면 열 흐름을 조절하기 위한 열 싱크를 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 프릿을 유리질화 한 후, 기판을 모으고, 기판에 레이저를 인가해서 유리 용융 온도를 초과한 온도까지 가열함으로써 기판을 접합한다(S11). 상기 검토된 바와 같이, 기판을 제자리에 유지시키고 압력을 인가하기 위해 러프닝 펌프 또는 롤러의 선택적 사용이 고려된다. 접합 공정이 완료된 후, 완료된 씰은 선택적으로 레이저 에너지를 인가함으로써 어닐링될 수 있다(S13). 씰이 어닐링되면, 씰 내의 응력이 감소하고 균열 또는 파쇄에 의한 씰의 결함 가능성을 감소시킨다. 또한, 상기 검토된 바와 같이, 레이저는 임의의 상이한 경로에 적용될 수 있고, 이는 제품의 반대측 상에 이중 레이저 빔 및 반대 방향의 래스터링의 인가, 일 방향에서 하나의 빔의 래스터링 인가, 레이저의 펄스 방식 인가 또는 레이저의 연속 방식 인가, 등을 포함하지만 이것으로 제한되지 않는다.
예를 들면 도 4 및 6에 도시된 공융 땜납을 이용하는 실시형태에서, 금속성 땜납 기반 씰링재는 유리 기판 사이의 씰을 형성하기 위해 사용되고, 도 8에 도시된 방법과 유사하다. 그러나, 공융 접합 실시형태에서, 씰링재를 적용하는 단계(S3)는 흡수 필름의 적용을 포함한다. 특정한 예의 비제한 실시형태에 따르면 흡수 필름은 실리콘 풍부 SiNx/Ni 또는 SiNx/Cr의 이중층을 포함한다. 유리질화 및 접합 단계(S9, S11)는, 레이저가 투명한 기판을 통과하고 실질적으로 흡수 필름에 의해 흡수됨으로써 달성된다. 흡수 필름은 공유 씰링재를 가열하고 용융시키고, 그 다음에 상기 기재된 바와 같이 기판을 함께 접합한다.
본원에 개시된 예의 실시형태에 관련된 이점을 달성하기 위해 임의의 적합한 레이저가 사용될 수 있는 것이 고려된다. 예를 들면, 적합한 전력 수준, 스팟 크기 및 기간에 YVO4, Ti:사파이어, Cu 증기, 엑시머, Nd:YAG, CO2, 자외선, 적외선, Nd:YAG 하모닉 레이저, 등이 사용될 수 있지만, 이들로 제한되지 않는다. 특정한 예의 실시형태에 따르면, 1090 nm YVO4, 800 nm Ti:사파이어 또는 250 nm (제2하모닉) Cu 증기 레이저, 등이 사용될 수 있다. 또한, 본원에 기재된 바와 같이, 레이저 에너지의 씰링재에의 인가는 펄스 또는 연속 방식일 수 있다. 예를 들면, 약 1 KHz 내지 수백 KHz의 범위, 및 바람직하게 약 80 KHz와 같은 반복속도를 사용하는 Q-스위칭을 사용해서 레이저 펄스를 발생할 수 있다. 특정한 바람직한 실시형태에 따르면, 30 W 평균 전력에서 YVO4 레이저 및 프릿 영역 상에 집중된 약 80 KHz의 펄스가 바람직할 수 있다. 상기 기재된 바와 같이, 특정한 예의 실시형태에 따르면, 레이저 씰링은 약 100 내지 150 mm/sec의 주사 속도로 함께 씰링된 유리 기판의 반대측 상에 동시에 집중된 2개의 레이저 빔을 사용해서 수행된다.
유리 기판에 의한 레이저 흡수 또는 열 커플링이 방지되고/방지되거나 감소할 수 있는 것도 주목한다. 특정한 예의 실시형태에 따르면, 유리는 실질적으로 레이저 에너지를 흡수하지 않거나 열을 발생시키지 않기 위해 레이저에 커플링되지 않도록, 실질적으로 인가된 레이저 에너지에 대해 투명한 유리를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 도프(예를 들면, 유리에서 상당량의 철이 존재하는 F 도프)된 유리를 사용하는 경우, 유리에 의한 레이저 흡수가 발생할 수 있다. 또한, 유리 기판이 고강도 빔에 노출되는 경우, 비선형 효과가 유도되어, 유리 기판에 의해 레이저 에너지가 흡수되는 문제를 일으킨다. 또한, 클래딩 재료에 레이저 에너지가 흡수되는 클래딩된 유리 기판을 사용하면, 레이저 에너지를 흡수하고, 바람직하지 않게 유리 기판을 가열할 수 있다. 또한, 이러한 형태의 도프된 또는 클래딩된 유리 기판은 회피되어야 한다.
또한, 레이저 에너지의 표면 흡수는 레이저의 투명한 밴드 외측에서 발생할 수 있고, 예를 들면 엑시머 레이저에 대해 300 nm 미만, CO2 레이저에 대해 2 ㎛ 초과하지만, 이들로 제한되지 않는다. 일반적으로 표면 개질 또는 절단을 위해 이러한 외측의 투명한 밴드가 사용되고, 레이저 씰에서 회피되어야 한다. 따라서, 특정한 바람직한 실시형태에 따르면, 약 200 nm 내지 2000 nm의 파장 (예를 들면, 유리 기판이 실질적으로 투명한 파장)을 갖는 레이저가 바람직하다.
강화 유리는 큰 온도 변동(예를 들면 약 200℃의 범위)에 견디도록 충분히 강한 것을 주목한다. 또한, 상기 기재된 바와 같이, 일반적으로 기질 손상의 우려 때문에 일반적으로 벌크 가열 공정을 사용해서 유리를 강화하는 공정에 사용할 수 없었다. 따라서, 본원에 개시된 레이저 씰링 기술은 특히 강화 유리 기판과 함께 사용하는 데에 적합하다.
본 발명의 특정한 실시형태에서, 진공 단열 유리(VIG) 윈도우 유닛이 제공되고, 에지 씰에 의해 함께 접합되고, 실질적으로 평행하게 이격된, 유리를 포함하는 제1 및 제2기판 - 상기 제1 및 제2기판 및 상기 에지 씰은 대기압 미만의 압력을 갖는 캐비티를 한정함 - ; 을 포함하고
상기 에지 씰은 (i) 금속성 또는 실질적으로 금속성인 층; 및 (ii) 흡수 필름을 포함한다.
선행하는 단락의 VIG 윈도우 유닛에서, 상기 흡수 필름은 적어도 상기 금속성 또는 실질적으로 금속성인 층으로 부분적으로 확산될 수 있다.
선행하는 2개의 단락 중 어느 하나의 VIG 윈도우 유닛에서, 상기 에지 씰은 제1 및 제2흡수 필름을 포함할 수 있고, 상기 제1흡수 필름은 제1기판과 금속성 또는 실질적으로 금속성인 층 사이에 위치하고, 상기 제2흡수 필름은 제2기판과 금속성 또는 실질적으로 금속성인 층 사이에 위치한다.
선행하는 3개의 단락 중 어느 하나의 VIG 윈도우 유닛에서, 상기 흡수 필름은 실리콘 또는 실리콘 질화물을 포함할 수 있다.
선행하는 4개의 단락 중 어느 하나의 VIG 윈도우 유닛에서, 상기 금속성 또는 실질적으로 금속성인 층은 땜납을 포함하거나 기본적으로 구성될 수 있다.
선행하는 5개의 단락 중 어느 하나의 VIG 윈도우 유닛에서, 상기 흡수 필름은 SizNx으로 특정되는 실리콘 풍부 실리콘 질화물을 포함하는 층을 포함할 수 있고, z/x는 적어도 0.78, 더 바람직하게 적어도 0.80이다.
선행하는 6개의 단락 중 어느 하나의 VIG 윈도우 유닛에서, 상기 흡수 필름은 실리콘 질화물을 포함하는 제1층 및 Ni 또는 Cr을 포함하는 제2층을 포함할 수 있다. 흡수 필름에서, 실리콘 질화물을 포함하는 층(Al 등으로 도프될 수 있다)은 유리 기판과 Ni 또는 Cr을 포함하는 층 사이에 위치할 수 있다. 따라서, 소정의 흡수 필름에 대해, Ni 또는 Cr을 포함하는 층은 실리콘 질화물보다 금속성 또는 실질적으로 금속성인 층에 가깝게 위치한다.
본 발명의 특정한 예시의 실시형태에서, 진공 단열 유리(VIG) 윈도우 유닛의 제조방법이 제공되고, 이 방법은 제1기판을 제공하는 단계; 씰링될 제1기판의 영역에 씰링재를 적용하는 단계; 적어도 (a) 레이저 조사를 사용해서 씰링재를 유리질화하는 단계로, 레이저 조사는 씰링재에 노출되지만 제1기판의 주요부를 향해서는 조사되지 않는 단계, 및 (b) 유리질화된 씰링재에 레이저를 지속적으로 조사하여 씰링재를 용융함으로써 제2기판에 제1기판을 접합하는 단계에 의해 씰을 형성하는 단계; 및 제1기판과 제2기판 사이에 형성되고 씰에 의해 정의된 캐비티를 대기압 미만의 압력까지 감압하는 단계를 포함한다.
선행하는 단락의 방법에서, 상기 제1 및 제2기판은 유리를 포함할 수 있다.
선행하는 2개의 단락 중 어느 하나의 방법에서, 상기 씰링재는 유리 기반 프릿을 포함할 수 있다. 상기 유리 기반 프릿은 레이저 에너지를 흡수하는 흡수 염료를 포함할 수 있다.
선행하는 3개의 단락 중 어느 하나의 방법에서, 상기 방법은 적어도 접합 단계 중에 기판의 하나 또는 둘 다에 압력을 인가하는 단계를 포함할 수 있다. 압력을 인가하는 단계는 캐비티를 펌핑 아웃하는 단계 또는 적어도 하나의 롤러에 의해 압력을 인가하는 단계 또는 상기 펌핑 아웃하는 단계 및 상기 압력을 인가하는 단계 둘 다를 포함할 수 있다.
선행하는 4개의 단락 중 어느 하나의 방법에서, 상기 레이저 조사의 인가는 피드백 루프를 통해 조절될 수 있다. 피드백 루프는 레이저 조사의 영역 내의 온도에 대한 정보를 포함할 수 있다.
선행하는 5개의 단락 중 어느 하나의 방법에서, 레이저 조사는 엑시머 레이저, CO2 레이저, Nd:YAG 레이저, 및 Nd:YAG 하모닉 레이저 중 하나 이상으로부터 나오는 것일 수 있다.
선행하는 6개의 단락 중 어느 하나의 방법에서, 레이저 조사는 펄스식 또는 연속식일 수 있다.
선행하는 7개의 단락 중 어느 하나의 방법에서, 레이저 조사는 VIG 윈도우 유닛의 반대하는 면들로 향하는 2개의 빔에 의해 수행될 수 있고, 상기 2개의 빔은 반대 방향에서 래스터링된다. 빔은 약 100 내지 150 mm/sec의 범위의 속도로 래스터링될 수 있다. 또한, 레이저 조사는 하나의 방향에서 래스터링하는 하나의 빔에 의해 수행될 수 있다.
선행하는 8개의 단락 중 어느 하나의 방법에서, 상기 씰링재는 금속성 땜납 또는 실질적으로 금속성인 땜납을 포함하는 층을 포함할 수 있다. 흡수 필름은 땜납을 포함하는 층과 적어도 하나의 기판들 사이에 개재될 수 있다. 상기 레이저 조사로부터 레이저 에너지는 상기 흡수 필름에 의해 흡수되고, 이어서 땜납을 포함하는 층 내에서 씰링재의 용융을 돕는다. 흡수 필름은 (i) 실리콘 질화물을 포함하는 층, (ii) SizNx 로 특정되는 Si 풍부 실리콘 질화물(z/x는 적어도 0.78); 및 (iii) 실리콘 질화물을 포함하는 층 및 Ni 또는 Cr를 포함하는 층; 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들면, 실리콘 질화물 함유 층 및 Ni 또는 Cr의 또는 이를 포함하는 층을 포함하는 이중 층 실시형태에서, 실리콘 질화물 함유 층은 Si가 풍부하거나 Si가 풍부하지 않을 수 있다.
선행하는 9개의 단락 중 어느 하나의 방법에서, 상기 접합 후, 레이저 조사에 의해 씰을 어닐링할 수 있다.
선행하는 10개의 단락 중 어느 하나의 방법에서, 씰링재에 레이저의 인가는 레이저가 실질적으로 제1 또는 제2기판을 통과하여 씰링재에 조사함으로써 수행될 수 있거나, 씰링재에 레이저의 인가는 레이저가 VIG 유닛의 제1 또는 제2 기판를 통과하지 않고 씰링재를 조사하도록 일 측으로부터 수행될 수 있다.
선행하는 11개의 단락 중 어느 하나의 방법에서, 유리질화 또는 접합 단계는 (i) 공기 중 또는 비활성 분위기 하 또는 (ii) 실질적인 실온에서 수행될 수 있다.
선행하는 12개의 단락 중 어느 하나의 방법에서, 상기 방법은 상기 씰링재에 인가하기 전에 제1 또는 제2 유리 기판에 금속 산화물을 적층하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 특정한 예의 실시형태에서, 유리 기판 사이에 형성된 씰링된 캐비티를 포함하는 제품(예를 들면, 전자장치, VIG 유닛 등)의 제조방법이 제공되고, 상기 방법은 유리를 포함하는 제1 및 제2기판을 제공하는 단계; 기판의 적어도 일측에 씰링재를 적용하는 단계; 씰링재를 레이저로 조사해서 씰을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 캐비티는 기판 및 씰의 형상에 의해 정의된다.
선행하는 단락의 방법에서, 대기압보다 낮은 압력까지 캐비티를 감압하는 단계가 있을 수 있다.
선행하는 2개의 단락 중 어느 하나의 방법에서, 온도 감지 부품은 상기 캐비티 내에 배치될 수 있다. 온도 감지 부품은 반도체 칩, 센서, 광학 부품, 유기 발광층, 또는 OLED일 수 있다.
선행하는 3개의 단락 중 어느 하나의 방법에서, 상기 씰은 기밀 씰링일 수 있다.
선행하는 4개의 단락 중 어느 하나의 방법에서, 상기 씰링재는 유리 기반 프릿, 또는 금속성 땜납 또는 실질적으로 금속성인 땜납을 포함하는 층을 포함할 수 있다.
선행하는 5개의 단락 중 어느 하나의 방법에서, 레이저 조사에 의해 씰을 어닐링하는 단계가 있을 수 있다.
선행하는 6개의 단락 중 어느 하나의 방법에서, 레이저 조사 중에 측면 열 흐름을 조절하기 위해 기판 중 적어도 하나와 열 접촉하는 열전도성 가열 싱크를 제공하는 단계가 있을 수 있다.
선행하는 7개의 단락 중 어느 하나의 방법에서, 상기 레이저 조사의 인가는 피드백 루프에 의해 조절될 수 있다. 피드백 루프는 (a) 레이저 조사의 영역 내의 온도에 대한 정보를 포함하거나 또는 (b) 상기 레이저 조사의 기간 및 전력을 조절하거나 또는 상기 (a) 및 (b) 둘 다를 하기 위해 사용될 수 있다.
선행하는 단락 중 어느 하나의 방법에서, 레이저 조사 중 측면 열 흐름을 조절하기 위해 적어도 하나의 기판과 열 접촉하는 열전도성 가열 싱크를 제공하는 단계가 있을 수 있다.
특정한 예시의 실시형태는 본원에 기재되고 개시되지만, 본원에 기재된 실시형태는 예시적인 것이면 이들로 제한되지 않고, 첨부된 청구 범위의 사상 및 범위 내에서 벗어나지 않고 다양한 변경이 가능한 것이 당업자에 의해 이해될 것이다.

Claims (39)

  1. 에지 씰(edge seal)에 의해 함께 접합되고 실질적으로 평행하게 이격된, 유리를 포함하는 제1 및 제2 기판 - 상기 제1 및 제2 기판 및 상기 에지 씰은 대기압 미만의 압력을 갖는 캐비티를 한정함 -; 을 포함하고
    상기 에지 씰은 (i) 금속성 또는 실질적으로 금속성인 층; 및 (ii) 흡수 필름을 포함하고,
    상기 에지 씰은 제1 및 제2 흡수 필름을 포함하고, 상기 제1 흡수 필름은 상기 제1기판과 상기 금속성 또는 실질적으로 금속성인 층 사이에 위치하고, 상기 제2흡수 필름은 상기 제2기판과 상기 금속성 또는 실질적으로 금속성인 층 사이에 위치하고,
    상기 흡수 필름은 실리콘 질화물을 포함하는 제1층 및 Ni, Cr, 또는 이들 모두를 포함하는 제2층을 포함하는, 진공 단열 유리(VIG) 윈도우 유닛.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 흡수 필름은 상기 금속성 또는 실질적으로 금속성인 층으로 적어도 부분적으로 확산되는, 진공 단열 유리 윈도우 유닛.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 흡수 필름은 실리콘, 실리콘 질화물, 또는 이들 모두를 포함하는, 진공 단열 유리 윈도우 유닛.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 금속성 또는 실질적으로 금속성인 층은 땜납을 포함하는, 진공 단열 유리 윈도우 유닛.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 흡수 필름은 SizNx으로 특정되는 실리콘 풍부 실리콘 질화물을 포함하는 층을 포함하고, z/x는 적어도 0.78인, 진공 단열 유리 윈도우 유닛.
  7. 삭제
  8. 제1기판을 제공하는 단계;
    씰링될 상기 제1기판의 영역에 씰링재를 적용하는 단계;
    적어도, 상기 씰링재를 레이저 조사를 사용해서 유리질화하는 단계로, 상기 레이저 조사는 상기 씰링재에 노출되지만 상기 제1기판의 주요부를 향해서는 조사되지 않는, 단계 및 상기 유리질화된 씰링재에 레이저를 지속적으로 조사하여 상기 씰링재를 용융함으로써 상기 제1기판을 제2기판에 접합하는 단계에 의해 씰을 형성하는 단계; 및
    상기 제1기판과 상기 제2기판 사이에 형성되고 상기 씰에 의해 정의된 캐비티를 대기압 미만의 압력까지 감압하는 단계를 포함하고,
    상기 씰링재는 금속성 땜납 또는 실질적으로 금속성인 땜납을 포함하는 층을 포함하고,
    흡수 필름은 상기 땜납을 포함하는 층과 적어도 하나의 기판들 사이에 개재되고,
    상기 흡수 필름은 (i) 실리콘 질화물을 포함하는 층, (ii) SizNx 로 특정되는 Si 풍부 실리콘 질화물(z/x는 적어도 0.78); 및 (iii) 실리콘 질화물을 포함하는 층 및 Ni, Cr, 또는 이들 모두를 포함하는 층; 중 하나 이상을 포함하는, 진공 단열 유리(VIG) 윈도우 유닛의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 및 제2기판은 유리를 포함하고, 상기 씰링재는 유리 기반 프릿을 포함하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 유리 기반 프릿은 레이저 에너지를 흡수하는 흡수 염료를 포함하는, 방법.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 접합 단계 중에 상기 기판의 하나 또는 둘 다에 압력을 인가하는 단계를 더 포함하고, 상기 제1기판 및 상기 제2기판은 각각 유리를 포함하는, 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 압력을 인가하는 단계는 상기 캐비티를 펌핑 아웃(pumping out)하는 단계, 롤러에 의해 압력을 인가하는 단계, 또는 이들 모두를 포함하는, 방법.
  13. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 조사의 인가는 피드백 루프를 통해 조절되는, 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 피드백 루프는 상기 레이저 조사의 영역 내의 온도에 대한 정보를 포함하는, 방법.
  15. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 조사는 YVO4 레이저, TI:사파이어 레이저, Cu 증기 레이저, 엑시머 레이저, CO2 레이저, Nd:YAG 레이저, 및 Nd:YAG 하모닉 레이저 중 하나 이상으로부터 나오는 것인, 방법.
  16. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 조사는 펄스식 또는 연속식인, 방법.
  17. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    레이저 조사는, 상기 VIG 윈도우 유닛의 반대하는 면들로 향하는 2개의 빔에 의해 수행되고, 상기 2개의 빔은 반대 방향에서 래스터링(rastering)되는, 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 빔은 100 내지 150 mm/sec의 범위의 속도로 래스터링되는, 방법.
  19. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    레이저 조사는, 하나의 방향에서 래스터링하는 하나의 빔에 의해 수행되는, 방법.
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 조사로부터 레이저 에너지는 상기 흡수 필름에 의해 흡수되고, 이어서 땜납을 포함하는 층 내의 씰링재를 가열하고 용융하는, 방법.
  23. 삭제
  24. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 씰링재를 적용하기 전에 상기 제1유리 기판, 제2유리 기판, 또는 이들 모두 상에 금속 산화물층을 적층하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  25. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접합 후, 레이저 조사에 의해 상기 씰을 어닐링하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  26. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 씰링재에 레이저의 인가는, 상기 레이저가 실질적으로 제1기판, 제2기판, 또는 이들 모두를 통과하여 상기 씰링재를 조사함으로써 수행되는, 방법.
  27. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 씰링재에 레이저의 인가는, 상기 레이저가 상기 VIG 유닛의 제1 또는 제2 기판을 통과하지 않고 상기 씰링재를 조사하도록 일 측으로부터 수행되는, 방법.
  28. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유리질화 단계, 접합 단계, 또는 이들 모두는 이하 조건들: (i) 공기 중,또는 비활성 분위기 하, 및 (ii) 실온 중 하나 이상의 조건 하에서 수행되는, 방법.
  29. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    레이저 조사 중에 측면 열 흐름을 조절하기 위하여 적어도 하나의 상기 기판과 열 접촉하는 열전도성 가열 싱크를 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  30. 기판 사이에 형성된 씰링된 캐비티를 포함하는 제품의 제조방법으로, 상기 방법은,
    유리를 포함하는 제1 및 제2기판을 제공하는 단계;
    적어도 하나의 상기 기판에 씰링재를 적용하는 단계;
    상기 씰링재를 레이저로 조사해서 씰을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 캐비티는 상기 기판 및 상기 씰의 형상에 의해 정의되고,
    상기 씰링재는 금속성 땜납 또는 실질적으로 금속성인 땜납을 포함하는 층을 포함하고,
    흡수 필름은 상기 땜납을 포함하는 층과 적어도 하나의 기판들 사이에 개재되고,
    상기 흡수 필름은 (i) 실리콘 질화물을 포함하는 층, (ii) SizNx 로 특정되는 Si 풍부 실리콘 질화물(z/x는 적어도 0.78); 및 (iii) 실리콘 질화물을 포함하는 층 및 Ni, Cr, 또는 이들 모두를 포함하는 층; 중 하나 이상을 포함하는, 방법.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 캐비티를 대기압보다 낮은 압력까지 감압하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  32. 제30항에 있어서,
    온도 감지 부품은 상기 캐비티 내에 배치되는, 방법.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 온도 감지 부품은 반도체 칩, 센서, 광학 부품, 유기 발광층, 및 OLED 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  34. 제30항에 있어서,
    상기 씰은 기밀 씰인, 방법.
  35. 제30항에 있어서,
    상기 씰링재는 유리 기반 프릿, 또는 금속성 땜납 또는 실질적으로 금속성인 땜납을 포함하는 층을 포함하는, 방법.
  36. 제30항에 있어서,
    레이저 조사에 의해 상기 씰을 어닐링하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  37. 제30항에 있어서,
    레이저 조사 중에 측면 열 흐름을 조절하기 위해, 적어도 하나의 상기 기판과 열 접촉하는 열전도성 가열 싱크를 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  38. 제30항에 있어서,
    상기 레이저 조사의 인가는 피드백 루프에 의해 조절되는, 방법.
  39. 제38항에 있어서,
    상기 피드백 루프는, (a) 상기 레이저 조사의 영역 내의 온도에 대한 정보를 포함하거나, (b) 상기 레이저 조사의 기간 및 전력을 조절하거나, 또는 상기 (a) 및 (b) 둘 다를 하기 위해 사용되는, 방법.
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