KR20010035880A - 소자의 접합 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소자의 균열 발생을 억제하고 소자간의 강한 접합력을 얻을 수 있는 소자의 접합 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 소자의 접합 방법은 두 소자 중 어느 한 소자의 접합면 상에서 돌출되는 레일을 적어도 하나 이상 형성시키는 단계와, 두 소자를 정전 접합을 이용하여 접합하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 유리기판이 효과적으로 균일하게 가열되어 기판 균열의 발생이 억제되고, 가압력 및 정전기력이 돌출부에 집중됨으로써 계면에서의 강한 접합력을 얻을 수 있다.

Description

소자의 접합 방법{Method of Sealing Device}

본 발명은 소자의 접합 방법에 관한 것으로, 특히 소자의 균열 발생을 억제하고 소자간의 강한 접합력을 얻을 수 있는 소자의 접합 방법에 관한 것이다.

정전 접합(Anodic Bonding)을 이용한 접합 방법은 봉착유리의 삽입이나 특수한 열 및 화학처리 등의 복잡한 과정을 거치는 기존의 다른 접합 방법에 비하여 매우 간단하고 생산성이 있는 접합방법이다. 현재 정전 접합을 이용한 접합 방법은 램프, 센서, 박막회로, 집적회로, 반도체 장치 등의 보호 및 접합에 효과적으로 이용되고 있다. 또한 정전 접합 방법은 낮은 온도에서의 접합 특성, 소자의 형상 유지, 균열 발생의 감소, 기밀성 유지, 화학 처리의 불필요 등과 같은 특성을 가지고 있다. 이와 같은 이유로 인해 정전 접합 방법을 음극선관(Cathode Ray Tube), 플라즈마 디스플레이 패널(Plasma Display Panel), 전계 방출 디스플레이(Field Emission Display) 등의 차세대 디스플레이 소자의 접합에 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

일반적인 유리와 금속과의 정전 접합 방법은 도 1에 도시된 바와 같다. 도 1은 정전 접합을 이용한 유리기판과 금속기판의 접합 방법을 나타낸다. 우선, 열판(22) 위에 절연용 제 1 알루미나(Alumina) 기판(20)과 제 1 카본(Carbon) 전극(16), 금속기판(12), 유리기판(10), 제 2 카본전극(14), 제 2 알루미나 기판(18)을 차례대로 로딩(Loading)한다. 일반적으로 유리기판(10)으로는 SiO₂- B₂O₃- Na₂O 계의 유리를 많이 사용한다. 유리기판(10) 측의 제 2 카본전극(14)에는 부극성(-)의 전압이 걸리고, 금속기판(12) 측의 제 1 카본전극(16)에는 정극성(+)의 전압이 걸리도록 외부에서 전압 공급 단자를 연결한다. 제 1 및 제 2 카본전극(16,14) 사이에 전압을 걸면 유리기판(10)과 금속기판(12) 사이에 전압차가 발생하고, 유리기판(10) 내의 Na+ 이온이 부극성(-) 제 2 카본전극(14) 쪽으로 이동하게 된다. 이 때, 유리기판(10)에서의 Na+ 이온의 확산속도 증가, 유리기판(10)과 금속기판(12) 계면에서의 전하량 증대 및 강한 화학 결합을 위해 열판(22)을 200∼300℃ 정도로 가열한다. 또한 유리기판(10)과 금속기판(12)이 균일하고 강한 접착력을 얻을 수 있도록 최상부의 제 2 알루미나 기판(18) 위에서 가압하게 된다. 여기서, 이온 이동을 위해 인가되는 외부 전압으로 약 4∼6kV, 전류는 약 3∼7mA의 범위로 걸어주고, 정전 접합의 시간은 40∼50분 정도가 필요하다. 접합의 세기는 유리기판(10)에 형성된 분극층의 전하 밀도와 두께에 비례하고 공기의 유전율에 반비례한다. 유리기판(10)과 금속기판(12)간의 접합 메카니즘은 다음과 같다. 금속기판(12)에 정극성(+)의 직류 전압이 인가되고, 유리기판(10)에 부극성(-)의 직류전압이 인가되면 유리기판(10)에 존재하는 Na+ 이온이 부극성(-)의 전압이 걸린 제2 카본전극(14) 쪽으로 이동하여 금속기판(12)과 유리기판(10)의 계면에 공핍층(Depletion layer)이 형성됨으로써 강한 정전기력이 작용하게 된다. 이 정전기력에 의해 접합계면에는 물리적인 접촉부(Physical contact)가 형성되고, 경계면에서는 유리기판(10)의 산소원자(O)와 금속기판(12)의 금속원자(M) 사이에 M-O-M의 화학적 결합이 형성되어 강한 화학결합특성을 나타내게 된다.

두 장의 유리를 접합하는 경우에는 도 2에 도시된 바와 같이 두 장의 유리기판(24, 26) 사이에 판상 또는 액자형의 금속 스페이서(28)를 삽입하여 접합시키게 된다. 액자형 스페이서를 사용하는 경우에는 스페이서의 가로 및 세로는 5mm 이하, 두께는 1mm 이하가 적당하다. 스페이서(28)는 전도성 특성이 요구되므로 스페이서 자체를 전도성 금속으로 만들어 사용한다. 또는 비정질 유리, 유리-세라믹스, 세라믹스 재료를 이용하여 압출 또는 성형 방식으로 제작한 뒤 표면조도 50Å으로 정밀 폴리싱(Polishing)된 스페이서의 전면에 이베퍼레이션(Evaporation), 스퍼터링(Sputtering), 기상화학증착(CVD) 방법을 이용하여 두께 5㎛ 이하의 전도성 금속 박막을 도포한 뒤 사용하게 된다. 이러한 스페이서(28)를 사이에 둔 두 장의 유리기판(24, 26)은 전술한 바와 같은 정전 접합 과정을 거쳐 접합되게 된다.

그런데, 종래의 정전 접합을 이용한 유리와 금속간의 접합 방법에서는 유리와 금속간의 접합시 두 물질의 계면에서 저항열이 발생하여 유리의 표면 온도가 전이점 이상으로 상승하게 된다. 이렇게, 유리의 표면 온도가 전이점 이상으로 상승하는 경우에는 유리에 인장 응력이 발생함으로써 균열이 발생되어 접합 특성이 떨어지게 된다. 또한, 종래의 방법에서는 정전 접합시 유리에 존재하는 Na+ 이온이 부극성(-)의 전압이 걸린 제 2 카본전극 쪽으로 이동하는 양이 적어 계면에서 충분한 정전기력을 확보할 수 없게 됨으로 인해 균일하고 강한 접합력을 얻을 수 없다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 소자의 균열 발생을 억제하고 소자간의 강한 접합력을 얻을 수 있는 소자의 접합 방법을 제공함에 있다.

도 1은 정전 접합을 이용한 유리기판과 금속기판의 접합 방법을 나타낸 도면.

도 2는 정전 접합을 이용한 두 유리기판의 접합 방법을 나타낸 도면.

도 3a는 본 발명의 실시 예에 따른 유리기판과 금속기판 간의 접합 방법을 나타낸 도면.

도 3b는 도 3a에 도시된 A-A' 선을 따라 절단한 유리 기판의 단면 구조를 도시한 도면.

〈 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 〉

10,24,26,50 : 유리기판 12,52,64 : 금속기판

14,16,62,66 : 카본전극 18,20,60,68 : 알루미나 기판

22 : 열판 28 : 스페이서

54 : 레일부 56 : 홈

58 : 평판

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 소자의 접합 방법은 두 소자 중 어느 한 소자의 접합면 상에서 돌출되는 레일을 적어도 하나 이상 형성시키는 단계와, 두 소자를 정전 접합을 이용하여 접합하는 단계를 포함한다.

상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부도면을 참조한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.

이하, 도 3a 및 도 3b를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하기로 한다.

도 3a는 본 발명의 실시 예에 따른 유리기판과 금속기판 간의 접합 방법을 나타낸 도면이다. 도 3a를 참조하면, 먼저 유리기판(50)과 금속기판(52)을 별도로 마련한다. 유리기판(50)의 재료로는 일반적으로 SiO₂- B₂O₃- Na₂O 계의 유리를 사용한다. 그리고 도면에 도시되는 바와 같이 유리기판(50)의 표면에 단수 또는 복수개의 레일부(54)를 형성한다. 도 3b는 도 3a에 도시된 A-A' 선을 따라 절단한 유리 기판의 단면 구조를 도시한 도면이다. 도 3b에 도시되는 바와 같이 레일부(54)를 형성하기 위하여 유리기판(50) 상에 소정 간격을 두고 서로 나란한 방향으로 홈(56)들을 형성한다. 이 때, 두 홈(56) 사이에 레일부(54)가 형성되는데, 이 레일부(54)가 유리기판(50) 표면의 다른 부분들에 비해 약간 돌출되도록 기계 가공, 습식 또는 건식 에칭, 레이저 가공법 등을 이용하여 홈(56)들을 형성하고 유리기판(50)의 표면을 가공한다. 레일부(54)의 폭은 5㎜ 이내가 되도록 가공한다. 그 다음 평판(58) 위에 절연용 제 1 알루미나 기판(60)과 제 1 카본전극(62), 금속기판(64), 돌출형 레일부(54) 및 홈(56)이 형성된 유리기판(50), 제 2 카본전극(66), 제 2 알루미나 기판(68)을 차례대로 로딩한다. 그리고, 균일하고 강한 접합력을 얻기 위하여 제 2 알루미나 기판(68) 위에서 약 0.1 Kgf/mm²의 압력으로 가압한다. 한편, 본 발명에서는 평판(58)이 기판 가열용 열판이 아니다. 본 발명에서는 유리기판(50)을 가열하기 위하여 종래의 열판을 사용하는 대신 마이크로파 가열장치을 이용한다. 가압 후에는 SiC 흡수체가 설치되어 있는 마이크로파 가열장치 내부에 위치시킨 후 0.3 ~ 300㎓ 범위의 마이크로파를 발생시켜 유리기판(50)을 가열한다. 이와 동시에 유리기판(50) 측의 제 2 카본전극(66)에는 부극성(-)의 전압이 걸리고, 금속기판(64) 측의 제 1 카본전극(62)에는 정극성(+)의 전압이 걸리도록 외부에서 전압공급단자를 연결한다. 이 때, 두 전극(62,66) 사이에 걸어주는 전압은 약 4∼6kV 정도로 하고, 전류는 약 3∼7mA 정도의 범위로 걸어주어 정전 접합을 완료한다.

본 발명의 실시 예에 따른 소자의 접합 방법에서 유리기판(50)과 금속기판(64) 간의 접합 메카니즘은 다음과 같다. 제 1 카본전극(62)에 정극성(+)의 직류전압이 인가되고, 제 2 카본전극(66)에 부극성(-)의 직류전압이 인가되면 유리기판(50) 내에서 Na+ 이온이 제 2 카본전극(66) 쪽으로 이동하면서 유리기판(50)과 금속기판(64) 사이의 경계부에는 공핍층(Depletion layer)이 형성됨으로써 강한 정전기력이 작용하게 된다. 특히 본 발명에서는 돌출된 레일부(54)에 전기장이 집중됨으로써 레일부(54)에서 많은 양의 이동 이온(Na+)이 제 2 카본전극(66) 쪽으로 이동하게 된다. 이에 따라, 레일부(54) 부근에서 매우 높은 정전기력이 발생하게 된다. 이러한 높은 정전기력에 의해 레일부(54)에 강한 물리적인 접합부(Physical contact)가 형성되고, 유리기판(50)의 산소원자(O)와 금속기판(64)의 금속원자(M) 사이에 M-O-M의 화학적 결합이 형성되어 강한 화학결합특성을 나타내게 된다. 평면 상태로 접합되는 종래의 경우에는 압력 및 정전기력이 계면의 전 표면에 분산되게 됨으로써 기판 간의 접합력이 감소되었다. 하지만 본 발명에서는 압력 및 정전기력을 레일부(54)에 집중시킬 수 있기 때문에 더 높은 접합력을 일으킬 수 있게 된다. 또한 레일부(54) 양 편에 형성되어 있는 홈(56)들은 기판 가열시 열의 흐름을 균일하게 하기 때문에 레일부(54)가 효과적이고도 균일하게 가열되어 높은 화학 결합을 이룰 수 있을 뿐만 아니라, 온도 구배에 의한 기판 균열의 발생을 효과적으로 억제할 수 있게 된다. 아울러 본 발명에서는 기판(50)의 가열을 위해 0.3 ~ 300㎓ 주파수 범위의 마이크로파 가열 장치를 사용한다. 마이크로파 가열 방식은 단시간 내에 기판(50)의 내부를 가열할 수 있는 특징이 있기 때문에 종래 열판을 이용한 재래식 가열 방식에 있어서 기판 표면과 기판 내부의 온도차로 인해 발생하는 기판의 균열 현상을 효과적으로 방지할 수 있다. 특히, 종래의 열판을 이용한 가열 방식에서는 계면에서 저항열이 발생함으로 인하여 유리의 표면 온도가 전이점 이상으로 상승하여 인장 응력이 발생, 균열이 발생하였으나 본 발명에 따른 마이크로파 가열 방식에서는 유리기판(50) 표면의 인장 응력 발생을 최소화할 수 있기 때문에 기판 균열을 방지할 수 있게 된다. 또한 마이크로파는 유리기판(50) 내에서 이동 이온(Na+)의 확산을 촉진하여 계면에서의 높은 정전기력을 발생시킨다. 이에 따라 기판 간의 접합력을 더욱 증대시킬 수 있게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 소자의 접합 방법에서는 유리기판의 표면에 돌출된 레일부와 홈들을 형성시키고 정전 접합을 이용하여 두 소자를 접합시킨다. 계면 접합시 돌출된 레일부에는 매우 높은 가압력과 정전기력이 집중됨으로써 유리 기판과 금속 기판간의 접합력이 크게 향상된다. 그리고 레일부 주변에 형성된 홈에 의해 기판 가열시 열흐름이 균일하게 이루어짐으로써 기판 균열의 발생이 효과적으로 방지된다. 또한 본 발명에서는 마이크로파을 열원으로 하여 기판을 가열한다. 이에 따라, 유리 기판을 효과적이고도 균일하게 가열할 수 있게 되어 기판 균열의 발생을 최소화 할 수 있음과 아울러 마이크로파에 의해 유리기판에서의 이온 확산이 촉진됨으로써 계면에서 높은 정전기장이 형성되어 계면 접합력이 크게 향상된다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.

Claims (7)

1. 두 개의 기판을 접합하는 소자의 접합 방법에 있어서,

   상기 두 기판 중 어느 한 기판의 접합면 상에서 돌출되는 레일을 적어도 하나 이상 형성시키는 단계와,

   상기 두 기판을 정전 접합을 이용하여 접합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 소자의 접합 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 레일을 따라 상기 레일에 인접되게 홈을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 소자의 접합 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 홈은 상기 레일의 양측에 형성되는 것을 특징으로 하는 소자의 접합 방법.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 레일 및 홈이 상기 두 기판 중에서 이동 이온이 함유된 기판에 형성되는 것을 특징으로 하는 소자의 접합 방법.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 레일 및 홈은 상기 기판의 표면을 기계 가공, 습식 에칭, 건식 에칭, 레이저 가공 중 어느 한 가공법을 이용해 가공함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 소자의 접합 방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 두 기판의 정전 접합시 마이크로파를 이용하여 상기 기판들을 가열하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 소자의 접합 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 마이크로파의 주파수 범위가 0.3 ~ 300㎓ 인 것을 특징으로 하는 소자의 접합 방법.