KR20170116613A - 석영 유리의 접합 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용접 하고자 하는 석영 유리를 서로 마주보게 하고 고정한 다음 용접 불꽃으로 가열하여 용접하는 석영유리의 용접 방법에서, 석영 유리를 용접 장치에 장착하고 석영 유리 사이를 약간 이격시킨 상태에서 석영 유리의 용접 부분을 가열하고, 용접 작업이 완료되어 석영 유리를 밀착시킨 다음 석영 유리를 일정 거리만큼 뒤로 후퇴 이동시켜 석영 유리 사이에 간격이 유지되고, 상기 유지된 간격 사이에 석영 유리의 용융물이 존재하도록 하는 상태에서, 가열된 열을 식힌 다음, 연마 공정을 거침으로, 석영유리의 용접부분을 더 견고하고 강하게 할 수 있고, 용접 부분에는 광학적 얼룩이 생기지 않도록 하며, 석영유리를 용접하는 용접장치의 각도를 조정할 수 있도록 함으로서 용접 장치의 효율성을 강화할 수 있는 석영 유리의 용접 방법을 제공할 수 있게 된다.

Description

석영 유리의 접합 방법{BONDING METHOD FOR QUARTZ GLASS}

본 발명은 석영 유리의 접합 방법에 관한 것으로서, 더 자세하게는 균일하고 효과적인 용접을 위하여 서로 마주 보는 한 쌍의 석영 유리를 일정 압력으로 맞댄 상태에서 열을 가하고 진공을 유지하는 방법으로 접합 방법을 수행하여, 석영 유리의 변형도 없고 용가재도 사용하지 않은 석영 유리의 접합 방법이다,

근래 들어 반도체 공정에서의 웨어퍼 대형화 및 디스플레이 공정에서도 디스플레이의 대형화 추세에 따라, 상기 공정에서 사용되는 석영 유리의 대형화와 형상 다향화의 필요성도 증가되고 있는 실정이다.

일반적으로 석영 유리의 다양한 형상의 부품을 제조하기 위해서는 석영 유리를 용접하여 사용한다. 그리고, 석영유리를 용접하는 방법으로서는, 석영유리제의 용접봉을 사용하여, 이 용접봉을 용융하는 것에 의하여 석영 유리 부재 끼리 접합하는 방법이 사용되고 있는데, 이 방법은 비교적 쉽게 석영유리제품을 제조할 수 있는 장점이 있다. 그러나 그 반면에, 용접봉을 용융하여 용접체를 용접부위에 충분하게 용착시켜야 하고, 숙련된 작업자의 경험과 기능도 필요하고, 작업시간이 길어지는 단점이 있었다.

또한, 또 다른 방법으로는 석영유리를 평면 위에 고정하고 석영유리를 맞댄 상태에서 가열, 용융시키는 형태의 용접을 해 왔다. 그러나 이 석영유리부재를 평면상에 배치시킨 상태에서, 석영유리부재의 양면을 상하방향부터 가열 및 용융시키면, 용융단계에서 석영 유리 부재의 자체 무게로 인해 아래쪽으로 늘어져 떨어지는 경향이 있었다.

물론, 선행 특허 기술(공개번호 10-2007-0027490)에는 서로 마주보는 한 쌍의 석영 유리 부재의 양 단면을 용접하는 장치를 이용하는 용접방법으로, 상기 석영 유리 부재를 일정 간격으로 세로로 세워 대치시키는 공정; 상기 석영 유리 부재의 단면 용접부위를 용접부위의 양측부터 상기 버너 수단에 의해 균일하게 가열 용융하는 공정; 상기 한 쌍의 석영 유리 부재의 용융된 단면 용접부위를 일정 압력으로 눌러 서로 맞대게 하는 동시에 서로 밀어서 용착하는 공정; 상기 용착된 석영유리부재의 용착 부분에 부풀어 오른 볼록(凸)부를 가열 연화시켜서 열변형을 분산시키는 공정; 및 상기 용착된 석영 유리 부재가 냉각된 후 상기 부풀어 오른 볼록(凸)부를 연삭하여 평탄하도록 한 공정을 포함하는 것을 제시하고 있다.

그러나. 상기 선행 특허는 석영 유리 접합 부분이 견고하게 접합되기 위한 구체적인 수단을 제시한 것은 아니다.

또한, 선행 특허 기술(공개번호 10-2009-0107919)에는 제1 기판과 제2 기판을 접합시키며, 상기 제1 기판을 박막화하여, 상기 제2 기판의 위에 박막을 갖는 접합 기판을 제조하는 방법으로서, 적어도, 반도체 기판인 상기 제1 기판의 표면으로부터 수소 이온 또는 희(希)가스 이온 혹은 이들의 양방을 주입하여 이온 주입층을 형성하는 공정과, 상기 제1 기판의 이온 주입한 면과 상기 제2 기판의 접합시키는 면의 어느 한쪽 또는 양쪽 면에 표면 활성화 처리를 시행하는 공정과, 상기 제1 기판을 박막화하는 박리 공정에 의해, 상기 제2 기판의 위에 박막을 갖는 접합 기판을 제조하는 것을 특징으로 하는 접합 기판의 제조 방법을 제시하고 있다.

하지만 상기의 방법에서 석영 용접 방법은 석영 유리의 변형을 가져올 수 있어 정밀하게 석영 유리를 대형화할 수 없으며, 또한 이온 주입층을 형성하는 방법도 불순물 함유 등의 문제가 발생될 수가 있다.

따라서, 저 비용이고, 복잡한 형상의 석영유리 제조가 가능하고, 견고하면서도 정밀하게 석영유리를 대형화할 수 있는 접합 방법의 개발이 필요한 실정이다.

선행기술 1: 대한민국공개특허 10-2007-0027490, 공개일(2007년03월09일) 선행기술 2: 대한민국공개특허 10-2006-0058744, 공개일(2009년10월14일)

본 발명은 석영유리의 접합부분을 더 견고하고 강하게 접합 가능하도록 하면서도, 용접 방법을 사용하지 않아 석영 유리가 변형이 생기지 않도록 하고, 용가제도 첨가하지 않으므로 모제의 물성 및 특성치가 다르게 되지 않게 되며, 복잡한 장치도 사용하지 않으므로, 경제적인 비용으로도 석영 유리를 대형화하여 접합 가능하도록 하고자 한다.

상기 목적은, 접합하고자 하는 석영 유리의 단면을 연마하여, 산세정을 하여 불순물을 제거하고, 접합 단계에서는 접합하고자 하는 석영 유리의 수평을 확인하게 되며, 접합 공정은 진공 상태에서 승온 속도 5~10 ℃/min 로 최고 온도는 1100~1400℃ 까지 도달하고, 상기 최고 온도에서 1~30 시간 유지하며, 접합면에는 0.1~10 ㎏/㎠ 의 압력을 가하고, 상기1~30시간의 유지시간이 끝난 다음에는 진공 또는 불활성 분위기에서 자연 상태의 냉각이 이루어지게 하하므로서 달성된다.

그리고, 상기 석영 유리 접합면에는 0.51 ㎏/㎠ 의 압력을 가하게 된다.

또한, 접합면의 표면 거칠기는 0.03 ㎛ 이내 이고, 표면 평탄도 0.02㎜ 이내 이며, 산세정은 15% 농도의 HF에 상온에서 5분간 세정을 하게 된다.

본 발명은 석영유리의 접합부분을 더 견고하고 강하게 할 수 있고, 접합 부분에는 광학적 얼룩, 미접합부 및 표면실투 현상이 생기지 않도록 하여 정밀 접합이 가능하고, 용접 장치를 사용하지 않으므로 경제적인 비용으로 석영 유리를 대형화 할 수 있고, 또한 불순물이 함유되는 원인도 제거할 수 있는 석영 유리 접합 방법을 제공할 수 있게 된다.

도 1 은 석영 유리 판재를 용접하는 종래 방법의 실시예 도면이다.
도 2는 본원 발명의 접합 방법을 나타낸 실시예의 도면이다.
도 3은 본원 발명의 진공로에서 석영 유리의 접합이 이루어지는 공정 조건을 나타낸 실시예의 도면이다.
도 4는 접합 (Un)Loading 공정 플로우(flow)를 나타낸 실시예이다.
도 5 접합부 에칭 후 접합계면을 관찰한 사진을 나타낸 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 구성 및 그에 따른 작용 효과는 이하의 상세한 설명을 통해 명확하게 이해될 것이다.

또한 공지된 기술 구성에 대해서는 구체적인 설명은 생략할 수도 있다.

본 발명은 균일하고 효과적인 용접을 위하여 서로 마주 보는 한 쌍의 석영 유리를 일정 압력으로 맞댄 상태에서 열을 가하고 진공을 유지하는 방법으로 접합 방법을 수행하여, 석영 유리의 변형도 없고 용가제도 사용하지 않은 석영 유리의 접합 방법에 관한 것이다,

한편, 본 발명에서 적용되는 석영 유리 판재는 두께나 길이, 형상의 제한이 없이 다양하게 적용이 가능하며, 상부 모재의 무게가 단위면적당 0.5kg 이상의 경우 자중에 의한 접합이 가능하다.

아울러, 접합 유리는 적외선뿐만 아니라 통신 파장 영역의 통신파를 반사한다. 그러나, 통신파를 투과하고, 적외선을 흡수하는 타입의 접합 유리도 필요하게 된다. 또한, 접합 유리에는 차열성이 높을 뿐만 아니라, 가시광선 투과율(Visible Transmittance)이 높은 것도 요구된다. 예를 들면, 가시광선 투과율은 80% 이상인 것이 바람직하다. 즉, 상기 가시광선 투과율을 높게 유지한 채로 차열성을 높게 하는 것이 요구된다.

일반적으로 반도체 공정에서 건식 에칭 장비에 사용되는 부품은 내부에 홀이 있어 가공이 어려워 접합으로만 제조가 가능한 경우도 존재한다.

도 1 은 석영 유리 판재를 용접하는 종래 방법의 실시예 도면이다.

석영 유리(10)의 용접방법은 서로 마주보는 한 쌍의 석영 유리 판재의 양단면을 용접하는 용접방법이다, 유리 판재(10)를 전체적으로 받쳐주는 받침 테이블과 다리가 구비되는 구조를 가지며, 석영 유리(10)의 접합 부분을 가열하여 주는 용접버너가 더 구비된다.

이때, 상기 받침 테이블는 알루미늄 혹은 스테인레스 스틸 등 금속재료로 만들어지게 된다. 또한, 상기 용접 버너는 일렬로 여러개의 불꽃이 분출될 수 있도록 만들어진 용접 장치로서, 스트레이트 버너(Straight burner)의 형태를 가지며, 이를 본 발명에서는 용접 버너라고 하였다.

그리고, 용접 버너는 봉 형태로 구비되지만 상기 용접 버너에는 복수개의 홀(hole)이 구비되어, 각각의 홀에는 용접 볼꽃이 분출되도록 되어 있다. 당연히 용접 불꽃을 만들기 위한 방법으로 가스를 사용할 수 있고 혹은 가열을 위한 전기 히터도 사용할 수가 있다. 즉 용접을 위한 고온의 용융 상태를 만들기 위한 통상의 모든 방법을 본 발명의 실시예에 적용할 수가 있는 것이다.

(A)도에서처럼, 석영 유리 판재(10)를 완전히 밀착 시키지 않고 약간 떨어뜨린 상태에서 용접 버너(30)의 불꽃으로 석영 유리 판재의 용접 부위를 가열하게 된다. 그리고 어느 정도 가열을 하면, (B)도에서처럼 석영 유리 판재를 밀착 시켜 맞닿게 한 다음 다시 용접 부위를 가열한다. 물론, 공정 조건에 따라서는 (B)도의 상태(석영 유리 판재가 맞닿은 상태)에서 용접 부위를 가열하지 않을 수도 있다.

그리고, 석영 유리 판재를 더 밀착시키게 되면 (C)도에서처럼 용융물이 볼록 튀어나온 형상을 갖게 된다. 즉, 석영 유리 판재의 용접 부위를 가열함에 따라 석영 유리 판재의 일부가 녹게 되고. 석영 유리 판재가 밀착되면, 용융물이 자연스럽게 튀어나온 형상을 갖게 되는 것이다.

한편, 용접 불꽃으로 용접 부위를 가열할 때. 왕복 이동의 방법으로 움직이도록 하여, 용접 부위를 균일하게 가열하게 된다. 용접 불꽃의 왕복 이동 거리는 1- 50mm 정도가 적당하다.

또한, 석영 유리 판재가 밀착된 다음에는, (D)도의 상태가 되도록 석영 유리 판재(10)를 뒤로 후퇴(석영 유리 판재 사이의 거리를 더 크게 함.) 시키게되고, 이로 인해서 석영 유리 판재 사이에 일정량의 용융물(12)이 존재하도록 한다.

즉, 상기와 같이 본 발명에서는 용접 가열 작업이 완성된 다음에 석영 유리 판재(10) 사이에 용융물(12)이 일정양 존재하도록 함으로서, 석영 유리 판재의 접합이 더 견고하게 된다. 또한, (C)도 상태에서 (D)도 상태로 되기 위해 일정 거리 만큼 이동시킬 때에도 한번에 순간적으로 이동하도록 하여, 후퇴 이동에 따른 광학적 얼룩이 발생되지 않도록 한다.

그리고, (A)도에서처럼 석영 유리 판재가 서로 이격된 상태에서 용접버너(30)로 가열할 때, 서로 마주 보는 석영 유리 판재(10) 사이의 거리는 1mm에서 400 mm 이내가 되도록 한다. 너무 가까우면 균일한 가열이 어렵고, 너무 멀리 떨어져 있으면 충분한 가열이 어렵기 때문이다.

또한. (D)가 용접 작업이 모두 끝난 상태가 된다. 용접 작업이 끝나게 되면 (D)도에서처럼 용융물(12)이 볼록한 형상을 갖게 되며, 가열된 열을 식히게 되면 연마가 가능하게 된다. 즉, 용융물의 볼록 튀어나온 부분을 연마하는 공정을 거치게 되면, 용융물(12)의 높이도 석영 유리 판재(10)의 높이와 같게 된다. 그렇게 되면 (E)도처럼 평탄하게 접합된 석영 유리 판재가 만들어지게 된다.

그러나, 상기의 방법은 용접 방법을 사용함에 따라, 변형이 생기고 장치도 복잡할 수 밖에 없게 된다.

도 2는 본원 발명의 접합 방법을 나타낸 실시예의 도면이다.

도2의 (A)에 도시된 바와 같이 진공로(100) 내부에 접합하고자 하는 석영 유리(10)를 한쌍을 서로 마주보게 위치한다. 이때, 진공로는 진공 펌프가 연결되어 내부에 진공이 유지될 수 있는 가열로이며, 원하는 시간과 온도를 설정하여 일정 시간 동안 일정 온도를 유지할 수 있도록 만들어진 로이다.

그리고, 도 2의(B)와 같이 접합하고자 석영 유리(2)를 서로 맞닿게 하고, 도면에서 도시된 화살표 방향(맞닿는 방향)으로 압력을 가하면서, 진공로(100)를 통하여 일정 온도가 유지되도록 한다.

그렇게 되면, 도 2의(C)에서처럼 두 개의 석영 유리(10)가 하나의 석영 유리(10)처럼 접합이 이루어지게 된다.

도 3은 본원 발명의 진공로에서 석영 유리의 접합이 이루어지는 공정 조건을 나타낸 실시예의 도면이다.

진공 상태에서 승온 속도 5 ℃/min 로 최고 온도는 1250℃ 까지 도달하고, 상기 최고 온도에서 10 시간 유지하며, 접합면에는 0.51 ㎏/㎠ 의 압력을 가한 상태가 된다. 그리고. 상기 10시간의 유지시간이 끝난 다음에는 진공에서 자연 상태의 냉각이 이루어지게 한다.

또 다른 실시예에서는 진공 상태에서 승온 속도 5 ℃/min 로 최고 온도 1300℃ 까지 도달하고, 이 외의 다른 조건은 모두 동일하게 된다.

또한, 실시예 1의 접합면 표면 거칠기는 0.019 ㎛이고, 표면 평탄도 0.02㎜ 이고, 실시예 2의 표면 거칠기는 0.023 ㎛ 이고, 표면 평탄도 0.015㎜ 이다.

도 4는 접합 (Un)Loading 공정 플로우(flow)를 나타낸 실시예이다.

접합하고자 하는 석영 유리(10)의 단면을 연마하여 접합 모재(접합하고자 하는 석영 유리)를 준비하고, 산세정을 하여 석영 유리 단면의 가공 불순물을 제거하게 된다. 불순물이 제거되어야 만 접합이 효과적으로 이루어지게 되고 표면 실투현상이 발생하지 않게 된다.

그리고, 그라파이트 재질의 몰드 플레이트 레벨(Mold plate level)을 확인하게 된다. 즉 기울기가 정밀하게 수평한가를 확인하는 단계이다. 그런 다음 상기 모재(단면을 연마하고 불순물을 제거하는 과정을 거친 석영 유리)를 장착(loading)한 후에 레벨(level)을 확인한다. 즉, 모재를 장착한 후에도 균일한 압력을 가하기 위하여 정밀하게 수평이 맞는지를 확인하게 된다.

그 다음에, 압력을 가하기 위하여 그라파이트 재질의 punch 장입을 한 다음 언로딩(Unloading)을 하게 된다.

한편, 본원 발명의 또 다른 실시예로서 접합용 진공로의 가압방식에서의 조건을 표 1에 나타내었으며, 표 1에 의하여 공정 조건을 정할 수가 있다.

표1.

접합온도는 각각 1250℃, 1300℃ 이며, 접합온도에서의 10시간 유지하며, 진공도는 1.00E-03torr에서 1.00E-05torr 이고, 압력은 0.51 ㎏/㎠, 접합면의 표면 거칠기는 0.03 ㎛ 이내, 표면 평탄도는 0.02㎜ 이내 이다.

또한, 접합(bonding) 공정에서는 공정 온도가 1650℃ ∼ 1750 ℃ 인 경우에는 공정 시간을 짧게 할 수 있지만, 모제가 변형이 되고 재현성도 없을 수 있다. 그러나, 공정 온도가 1000℃ ∼ 1300 ℃ 인 경우에는 공정 시간이 길지만, 변형이 없고, 상대적으로 높은 압력이 필요하다.

한편, 용가재를 사용하는 brazing 공정에서는 용가제의 사용으로 모제의 물성 및 특성치가 다르게 되므로 추천할 방법은 아니게 된다.

한편 표 2와 표 3에서는 접합 공정과 접합후 Test 결과를 나타내었다.

표2.

표 3.

표 2와 표 3에서 보는 바와 같이 모재 표면에 실투 발생(접합 내부 실투 無)이 되었으나 접합 내부에 실투는 존재하지 않았으며, 상기 실투는 접합면 내부 불순물(Graphite로 추정)로 확인된다.

그리고, 표면 실투에 영향으로 추정되는 무게 감량이 0.25% 정도 존재했으며, 치수변형은 최대 0.02㎜로 측정오차 이내로 확인되었다.

표 2와 표 3의 조건을 위해서는 첫 번째 실시예에서는 상온에서 1250 ℃ 까지 250분 동안 승온하였고, 1250 ℃ 에서 600분이 유지되었고, 두 번째 실시예에서는 상온에서 1300 ℃ 까지 250분 동안 승온하였고, 1300 ℃ 에서 600 분을 유지하였다.

도 5는 접합부 에칭 후 접합계면을 관찰한 사진을 나타낸 것이다.

에칭 조건은 25% HF에서 200분이며 상온에서 실시한다. 그리고, 도 7에서 보는 바와 같이 첫번째 실시예의 접합 공정을 보다 두 번째 실시예의 접합 공정의 경우가 접합 계면의 영역이 훨씬 균일함을 보였다. 따라서, 두 번째 실시예의 접합 공정을 실시하는 것이 바람직하다.

10 석영 유리 100 진공로

Claims (6)

1. 접합하고자 하는 석영 유리의 단면을 연마하고, 산세정을 진행하여 표면의 가공 불순물을 제거하고, 접합 단계에서는 접합하고자 하는 석영 유리의 수평을 확인하게 되며,
   진공 상태에서 승온 속도 5~10 ℃/min 로 최고 온도는 1100~1400℃ 까지 도달하고, 상기 최고 온도에서 1~30 시간 유지하며, 접합면에는 0.1~10 ㎏/㎠ 의 압력을 가하고, 상기 10시간의 유지시간이 끝난 다음에는 진공 또는 불활성 분위기에서 자연 상태의 냉각이 이루어지게 하는 것을 특징으로 하는 석영 유리의 접합 방법.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 석영 유리 사이에 용접재가 구비되고, 상기 용접재가 용융물이 되는 것을 특징으로 하는 석영 유리의 용접 방법.
   
3. 제1항에 있어서, 접합면의 표면 거칠기는 0.03 ㎛ 이내 이고, 표면 평탄도가 0.02㎜ 이내 인 것을 특징으로 하는 석영 유리의 접합 방법.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 석영 유리의 접합 유지시간은 1~30시간 인 것을 특징으로하는 석영 유리의 접합 방법.
   
5. 제1항에 있어서, 석영 유리 단면 연마 후 가공 불순물 제거를 위해 5~15% 농도의 HF에 상온 이상의 온도에서 5분 이상 세정하는 것을 특징으로 하는 석영 유리의 접합 방법.
   
6. 석영 유리 접합용 몰드 및 펀치는 그라파이트 또는 Zr, Al, Si, Mo, W 중 하나 이상의 원소를 포함하는 소재를 사용하는 것을 특징으로 하는 석영 유리 접합 방법.
   
   

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