TWI606990B - 經結合結構、氣密密封工件之方法及基板結合方法 - Google Patents

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Description

經結合結構、氣密密封工件之方法及基板結合方法 【相關申請案之交叉引用】
本申請案根據專利法主張2012年2月27日申請的美國臨時申請案第61/603,531號及2012年5月31日申請的美國臨時申請案第61/653,690號之優先權權益，兩個申請案以引用之方式併入本文中。
本揭示案大體而言係關於氣密障壁層，且更具體而言，係關於用於使用低熔化溫度玻璃密封固體結構之方法及組合物。
最近之研究已表明，單層薄膜無機氧化物在室溫或接近室溫下通常含有奈米級孔隙率、針孔及/或妨礙或挑戰無機氧化物作為氣密障壁層之成功使用的缺陷。為了解決與單層膜相關聯之明顯不足，已開發多層封裝方案。使用多個層可最小化或減輕缺陷導致之擴散並實質上抑制環境濕氣及氧滲透。此多層方法通常涉及使無機層與聚合物層交替，其中鄰近基板或待保護之工件並作為多層堆疊中之末端層或最高層立刻形成無機層。
儘管可最佳化多層或甚至單層封裝技術，但此等毯覆式封裝方法通常受限於專用直列真空系統內之實施。因為習知單層及多層方法涉及複雜處理且通常提高成本，故簡單、經濟氣密層及用於形成該等層之方法 係非常理想的。舉例而言，開發用於在大氣條件下產生氣密封裝之氣密材料及附屬製程將係理想的。
可使用玻璃至玻璃結合技術來將工件夾在鄰近基板之間，且玻璃至玻璃結合技術通常提供一定程度上之封裝。常規地，用有機膠或無機玻璃粉執行玻璃基板至玻璃基板結合，諸如板至板密封技術。需要用於長期操作之完全氣密條件之系統之器件製造商通常更喜歡無機金屬、焊料或基於玻料之密封材料，因為有機膠(聚合物或其他)形成障壁，該等障壁通常在大於無機選項許多數量級之位準下能透水及氧氣。另一方面，儘管可使用無機金屬、焊料或基於玻料之密封劑來形成不透水密封，但由於金屬陽離子組合物、來自氣泡形成之散射及經分佈之陶瓷相組份，所得密封介面通常係不透明的。
基於玻料之密封劑(例如)包括玻璃材料，該等玻璃材料已研磨至範圍通常為自約2微米至150微米的細微性。針對玻料密封應用，將玻璃粉材料與具有類似細微性之負CTE材料混合，且使用有機溶劑將所得混合物混成糊狀物。示例性負CTE無機填料包括菫青石顆粒(例如，Mg2Al3[AlSi5O18])或矽酸鋇。使用溶劑來調整混合物之黏度。
為接合兩個基板，可藉由旋塗或網版印刷將玻璃粉層塗覆至基板中之一個或兩個基板上之密封表面。一或多個玻料包覆基板最初在相對低之溫度(例如250℃，持續30分鐘)下經歷有機脫蠟步驟以移除有機載體。然後，沿各別密封表面裝配/配對待接合之兩個基板，並將該對放置在晶圓結合器中。在明確界定之溫度及壓力下執行熱壓縮迴圈，藉以熔化玻璃粉以形成緊密玻璃密封。
玻璃粉材料(除去某些含鉛組合物)具有大於450℃之玻璃轉移溫度，且因此需要在提高之溫度下處理該等玻璃粉材料以形成障壁層。
此外，用來降低典型基板與玻璃粉之間的熱膨脹係數失配之負CTE無機填料將併入結合接頭並產生既非透明亦非半透明之基於玻料之障壁層。此外，對照本揭示案之方法，在相對高之溫度及壓力下完成對玻料密封之實現。
基於前述內容，在低溫下形成既氣密又透明之密封係理想的。
在本文中揭示可用於在低溫下形成透明及/或半透明氣密障壁層之材料及系統。障壁層係薄的、不透水的且機械穩固的。舉例而言，障壁材料與協作之密封結構(基板)之間的密封強度可能足夠強以適應相鄰元件之間的熱膨脹係數(CTE)的大差異。
根據一個實施例，可使用玻璃包覆墊圈來形成障壁層。玻璃包覆墊圈包含墊圈主體，該墊圈主體界定內孔且具有第一接觸表面及與第一接觸表面相對之第二接觸表面。玻璃層形成在第一接觸表面及第二接觸表面中之一者之至少一部分的上方。玻璃層之材料包括低熔化溫度玻璃。
可使用玻璃包覆墊圈來在協作基板(諸如相對的玻璃板)之間形成氣密障壁層。基板及障壁層可界定內部空間，該內部空間可放置待保護工件。因此，在本文中亦揭示封裝工件之方法。在示例性方法中，可將工件安置於兩個基板中之第一者上或鄰近兩個基板中之第一者。在將第一基板與第二基板配對前，可垂直於工件放置玻璃包覆墊圈，以使得墊圈之玻璃包覆表面中之每一者經配置以與每一基板之各別密封表面實體接觸。藉由向總成施加壓力及溫度，玻璃層中之玻璃材料可熔化並沿墊圈基板介面提供保形、氣密密封。
本揭示案之實施例係關於使用低熔化溫度玻璃包覆墊圈之基板至基板結合。沿密封表面安置低熔化溫度玻璃材料作為黏合劑及密封 劑。本文中所揭示之低熔化溫度玻璃材料可經熱活化以提供透明且氣密密封。在實施例中，可在將工件併入密封結構/玻璃包覆墊圈總成後執行熱活化。在進一步實施例中，可結合適當壓力之施加來執行熱活化，亦即熱壓縮活化。
根據進一步實施例，可藉由最初在第一基板之週邊密封表面上形成玻璃層來將工件封裝在相對的基板之間。隨後，可將待保護工件放置在第一基板與第二基板之間，以使得玻璃層在工件的週邊。在密封步驟中，加熱玻璃層以熔化玻璃層及在第一基板與第二基板之間形成玻璃密封。舉例而言，可藉由雷射吸收加熱玻璃層。
所揭示結構及方法係具有經濟吸引力的，因為該等結構及方法避免對用以密封工件之昂貴真空設備的需求。同樣，可達到較高生產效率，因為封裝率由熱活化及結合形成來決定，而不是由沉積腔室或惰性氣體組裝線內之玻璃層的沉積率來決定。
將在隨後之詳細描述中闡述本發明之額外特徵及優點，且對於熟習此項技術者而言，額外特徵及優點將部分地自彼描述顯而易見或藉由實踐如在本文中所述之本發明(包括隨後之詳細描述、申請專利範圍以及附隨圖式)而認識到。
應瞭解，前述一般描述與以下詳細描述兩者皆呈現本發明之實施例，且意在提供用於理解如本發明所主張之本發明之性質及特徵的概述或框架。包括附隨圖式以提供對本發明之進一步理解，且附隨圖式併入本說明書中且構成本說明書之一部分。該等圖式圖示本發明之各種實施例，且與描述一起用於解釋本發明之原理及操作。
100‧‧‧單腔室濺渡沉積裝置
105‧‧‧真空腔室
110‧‧‧墊圈台
112‧‧‧墊圈
112a‧‧‧墊圈
112b‧‧‧墊圈
113‧‧‧間隙
114‧‧‧中心孔
116‧‧‧墊圈主體
118‧‧‧主表面
119‧‧‧主表面
120‧‧‧遮罩台
122‧‧‧蔽蔭遮罩
140‧‧‧真空埠
150‧‧‧水冷卻埠
160‧‧‧氣體入口埠
180‧‧‧蒸發器具
182‧‧‧導線
186‧‧‧厚度監視器
190‧‧‧電源
193‧‧‧控制器
195‧‧‧控制站
200‧‧‧起始材料
212‧‧‧玻璃塗覆墊圈
300‧‧‧RF濺渡槍
302‧‧‧第一平面玻璃基板
303‧‧‧密封表面
304‧‧‧第二玻璃基板
305‧‧‧密封表面
310‧‧‧濺渡靶
317‧‧‧夾層結構
322‧‧‧砧
324‧‧‧砧
330‧‧‧工件
342‧‧‧內部體積
380‧‧‧圖案化玻璃層
390‧‧‧RF電源
393‧‧‧回饋控制器
395‧‧‧控制站
400‧‧‧玻璃基板
402‧‧‧圖案化鈣膜
404‧‧‧玻璃層
500‧‧‧雷射
501‧‧‧聚焦雷射射束
900‧‧‧LED總成
920‧‧‧發射器
940‧‧‧波長轉換板
950‧‧‧量子點
951‧‧‧主動組件
960‧‧‧量子點次總成
962a‧‧‧上板
962b‧‧‧上板
964‧‧‧下板
966a‧‧‧空腔
966b‧‧‧空腔
970‧‧‧玻璃層
980‧‧‧玻璃包覆墊圈
第1圖為根據一個實施例用於形成氣密密封包之示例性製程 的示意圖；第2圖為用於形成玻璃包覆墊圈之單腔室濺渡工具的示意圖；第3圖為根據各種實施例之示例性玻璃包覆墊圈的圖示；第4圖為用於氣密性之加速評估之鈣膜測試樣品的圖示；第5圖圖示加速測試後之非氣密密封(左)鈣膜及氣密密封(右)鈣膜的測試結果；第6圖為根據一個實施例圖示經由雷射密封形成氣密密封器件的示意圖；第7圖為雷射密封氣密結構之像片；第8圖為平面密封表面及週邊密封表面的像片；第9a圖至第9b圖為包含低熔化溫度玻璃層之LED總成的一個實例；第10a圖至第10c圖為包含低熔化溫度玻璃層之LED總成的進一步實例；及第11圖為包含低熔化溫度玻璃層之示例性真空絕緣玻璃窗。
在第1圖中圖示用於形成氣密密封包的示例性製程的示意圖。在所圖示實例中，已使用CO2雷射自100微米厚之重拉伸Eagle XG®玻璃板切割具有中心孔114之正方形墊圈112以界定墊圈主體116。
視情況清潔墊圈之每一主表面118及119，且隨後用500 nm厚之低熔化溫度玻璃之玻璃層塗覆該等主表面。可藉由任意合適之技術(包括合適起始材料之物理氣相沉積(例如濺渡沉積或雷射剝蝕)或熱蒸發)來在墊圈上形成一或多個玻璃層。在所圖示實例中，經由由包含對應組合物之靶之蒸發器具180產生的濺渡沉積相繼在墊圈之每一表面上形成玻璃 層。
在沉積玻璃層後，將玻璃包覆墊圈212組裝至相對的基板302與基板304之間的夾層結構中。基板可包括玻璃基板材料或陶瓷基板材料。視情況，在組裝前，位於工件330之週邊之基板的密封表面303及密封表面305亦可用低熔化溫度玻璃層塗佈。在組裝結構內，工件330放置於由墊圈主體116界定之內部空間內的基板302與基板304之間。
如在第1圖中所圖示之最後步驟中所示，將夾層結構317置放在Suss SB-6晶圓結合器之真空腔室內之砧322與砧324之間。在腔室內，將單軸壓力(例如，10 psi至3000 psi)施加至組裝結構317的整個厚度，且抽汲腔室降至約10-4托之基礎壓力。隨後，用氮回填真空腔室，且將內部壓力增加至大氣壓力。在每分鐘20℃之加熱斜率下將壓縮結構加熱至約290℃之密封溫度，且在290℃下保持30分鐘。隨後，允許將結構冷卻至室溫。
或者，可使用合適之雷射作為加熱源來密封壓縮結構。雷射之焦點可掃掠穿過結構之密封表面以局部地熔化玻璃層。使用355 nm雷射之示例性雷射處理條件包括30 kHz之重複率(準連續性波)、6 W之平均功率、約1 mm之射束直徑及約1 mm/s之轉移速度。影響密封之平均溫度為T~KP/(vD)1/2，其中K為尺度參數，P為雷射功率，v為轉移速度且D為射束直徑。
技術人員將理解，可基於結構之細節(包括，例如，墊圈幾何結構、基板之類型、工件的選擇及/或用於形成一或多個玻璃層之玻璃材料之組合物)調整密封形成條件。
用於熔化低熔化溫度玻璃材料之加熱溫度範圍可為自玻璃轉移溫度至玻璃之第一結晶溫度。在彼範圍內之熔化等溫線可提供促進良好 密封黏合之流動條件。在實施例中，用於熔化玻璃材料之溫度可小於400℃(例如，小於400℃、350℃、300℃、250℃或200℃)，且可包括在400℃、350℃、300℃、250℃、200℃或180℃下加熱指定時段。在加熱/熔化期間施加之壓力範圍可為自10 psi至3000 psi(例如，5 psi、10 psi、20 psi、50 psi、100 psi、200 psi、500 psi、1000 psi、1500 psi、2000 psi、2500 psi或3000 psi)。可使用任意合適之加熱時間來形成玻璃密封。加熱時間範圍可為自10分鐘至4小時(例如，10分鐘、30分鐘、60分鐘、120分鐘、180分鐘或240分鐘)。當使用基於雷射之加熱時，可使用範圍為自1毫秒至5分鐘之雷射曝光時間(例如，0.001秒、0.01秒、0.1秒或1秒)。
在第2圖中示意性地圖示用於在墊圈上(且視情況在基板之密封表面上)形成玻璃層之單腔室濺渡沉積裝置100。裝置100包括真空腔室105，該真空腔室105具有墊圈台110及可選遮罩台120，在該墊圈台110上可安裝一或多個墊圈112，該可選遮罩台120可用於將用於不同層之圖案化沉積的蔽蔭遮罩122安裝至墊圈上。腔室105裝備有用於控制內部壓力之真空埠140以及水冷卻埠150及氣體入口埠160。真空腔室可經低溫抽汲(CTI-8200/螺旋；美國MA)且真空腔室能夠在適於蒸發製程(約10-6托)及RF濺渡沉積製程(約10-3托)兩者的壓力下操作。
如在第2圖中所示，多個蒸發器具180(每一蒸發器件具有用於將材料蒸發至墊圈112上之可選對應蔽蔭遮罩122)可經由導線182連接至各別電源190。待蒸發之起始材料200可放置至每一器具180中。可將厚度監視器186整合至回饋控制迴路中(該回饋控制迴路包括控制器193及控制站195)以影響對所沉積材料之量的控制。
在示例性系統中，蒸發器具180中之每一蒸發器具配備有一對銅導線182以在約80瓦特至180瓦特之操作功率下提供DC電流。有效器 具電阻將大體上為裝置之幾何結構之函數，該函數將決定精確的電流及瓦特數。
亦提供具有濺渡靶310之RF濺渡槍300以在墊圈上形成玻璃層。經由RF電源390及回饋控制器393將RF濺渡槍300連接至控制站395。為將玻璃材料濺渡至墊圈上，可在腔室105內放置水冷式圓柱形RF濺渡槍(PA之Angstrom Sciences公司之Onyx-3TM)。合適之RF沉積條件包括50W至150W前向功率(小於1W反射功率)，該前向功率對應於約5埃/秒之典型沉積率(美國Advanced Energy公司)。在實施例中，玻璃層之厚度(亦即，沉積態厚度)範圍可為自200奈米至50微米(例如，約0.2微米、0.5微米、1微米、2微米、5微米、10微米、20微米或50微米)。
可經由一或多個合適之低熔化溫度玻璃材料或用於此等材料之前驅體的室溫濺渡形成玻璃層，儘管可使用其他薄膜沉積技術。為適應各種墊圈架構，可使用蔽蔭遮罩122來原位產生適當圖案化之玻璃層。或者，可使用習知微影與蝕刻技術來在墊圈之表面上之毯覆式沉積後形成圖案化玻璃層。
本揭示案係關於使用低熔化溫度玻璃來形成氣密密封。如在本文中所使用，低熔化溫度玻璃具有小於500℃(例如，小於500℃、400℃、350℃、300℃、250℃或200℃)之熔化溫度。
根據實施例，一或多種玻璃材料之選擇及用於將玻璃材料併入障壁層中之處理條件係足夠靈活的，如此墊圈及工件兩者皆不受密封結構的形成的不利影響。
示例性低熔化溫度玻璃材料可包括氧化銅、氧化錫、氧化矽、磷酸錫、氟磷酸錫、硫屬化物玻璃、亞碲酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃及上述之組合。玻璃層可包括一或多種摻雜劑，包括(但不限於)鈰、鎢及鈮。一或 多種摻雜劑之可選添加可增加雷射處理波長下之玻璃材料之吸收，此舉可使使用用於熔化及密封之基於雷射之方法成為可能。示例性摻雜玻璃材料具有在雷射處理波長下至少10%(例如，至少20%、50%或80%)之吸收。
合適之氟磷酸錫玻璃之示例性組合物包括：20重量%至75重量%之錫、2重量%至20重量%之磷、10重量%至46重量%之氧、10重量%至36重量%之氟及0重量%至5重量%之鈮。示例性氟磷酸錫玻璃包括：22.42重量%之Sn、11.48重量%之P、42.41重量%之O、22.64重量%之F及1.05重量%之Nb。示例性鎢摻雜氟磷酸錫玻璃包括：55重量%至75重量%之錫、4重量%至14重量%之磷、6重量%至24重量%之氧、4重量%至22重量%之氟及0.15重量%至15重量%之鎢。在共同讓渡之美國專利第5,089,446號及美國專利申請案第11/207,691號、第11/544,262號、第11/820,855號、第12/072,784號、第12/362,063號、第12/763,541號及第12/879,578號中揭示合適之低熔化溫度玻璃組合物及用於由此等材料形成玻璃層之方法的額外態樣，該等申請案之全部內容以引用之方式併入本文中。
在本揭示案之各種實施例中，障壁層係透明的及/或半透明的、薄的、不透水的、「綠色的」，且障壁層經配置以在低溫下且以足夠密封強度形成氣密密封以適應障壁材料與密封結構(基板)之間的CTE的大差異。在實施例中，玻璃層不含填料。在進一步實施例中，玻璃層不含黏合劑。在更進一步實施例中，玻璃層不含填料及黏合劑。進一步地，有機添加劑不用於形成氣密密封。如上所述，用於形成一或多個玻璃層之玻璃材料不基於玻料或不為由磨砂玻璃形成之粉末。
墊圈材料可為對濕氣及空氣耐久的且氣密的無機氧化物玻璃或陶瓷。墊圈材料可為透明的或半透明的。示例性墊圈可由硼矽酸玻璃、 鹼石灰玻璃或鋁矽酸鹽玻璃形成。
可使用玻璃包覆墊圈結合在一起之基板可包含無機氧化物玻璃或陶瓷。此材料可能對濕氣及空氣耐久且氣密。基板本身可為透明的或半透明的。除玻璃基板或陶瓷基板外，可使用透明有機基板。若使用有機基板，則可用氣密無機材料塗佈有機基板。示例性玻璃基板包括硼矽酸玻璃、鹼石灰玻璃及鋁矽酸鹽玻璃。示例性有機基板包括聚丙烯酸酯壓克力基板，該等聚丙烯酸酯壓克力基板可用玻璃層塗佈。
根據各種實施例，本揭示案係關於氣密封裝工件之方法。在一個此方法中，沿各別密封表面將一對基板密封在一起。沿密封表面提供玻璃包覆墊圈，且使用組裝後熱機械處理來熔化密封表面處之玻璃層以形成氣密障壁層。玻璃包覆墊圈及經結合基板可協作以形成內部體積，待保護之工件可位於該內部體積內。
可使用任意合適之熱源來全域地或局部地加熱玻璃層以形成障壁層。此等熱源包括平行加熱板、烘箱、雷射等。
在實施例中，玻璃包覆墊圈經配置以對相對基板之各別密封表面中之每一者保形或實質上保形，以便促進機械穩固、氣密密封的形成。儘管藉由本揭示案之各種實施例來設想完全氣密結構，但亦可形成「半氣密」結構。半氣密結構可包含意想間隙或通孔，該等間隙或通孔經配置用於特定應用之電線、電纜或其他材料的運輸。
在第3圖中圖示兩個示例性墊圈幾何結構。每一墊圈112a及墊圈112b包含界定孔114之墊圈主體116。墊圈112a包含連續主體，同時墊圈112b包括間隙113，在密封結構中，固體、液體或氣體元素可穿過該間隙113。
可使用習知晶圓結合測試量測形成在玻璃層與相對基板之間 的密封強度，該習知晶圓結合測試包含以下步驟：在兩個密封基板之間插入標準剃刀片；及量測形成的穩定、時間獨立之開口裂痕之長度。可根據分層程度決定密封強度(以J/m2為單位)，且密封強度可表示成，其中E為基板之楊氏模量，δ由剃刀片之厚度得出，t為基板厚度且L為均衡裂痕長度。
根據實施例，在密封後，密封結構與墊圈之間的密封強度大於0.05 J/m2(例如，約0.05 J/m2、0.1 J/m2、0.2 J/m2、0.3 J/m2、0.4 J/m2或0.5 J/m2)。
為評估所提出玻璃組合物之氣密性，使用單腔室濺渡沉積裝置100製備鈣膜測試樣品。在第一步驟中，經由蔽蔭遮罩122蒸發鈣粒(Alfa Aesar之原料#10127)以形成分佈在2.5英寸正方形玻璃基板上之5×5陣列中之25個鈣點(直徑為0.25英寸、厚度為100 nm)。針對鈣蒸發，將腔室壓力降低至約10-6托。在初始預浸步驟期間，將提供至蒸發器具180之功率控制在約20 W處約10分鐘，接著執行沉積步驟，其中將功率增加至80 W至125 W以在每一基板上沉積約100 nm厚之鈣圖案。
在蒸發鈣後，根據各種實施例使用比較無機氧化物材料以及氣密低熔化溫度玻璃材料封裝圖案化鈣膜。使用加壓粉末濺渡靶之室溫RF濺渡沉積玻璃材料。使用人工加熱實驗台覆蓋液壓機(美國Wabash,IN之卡弗壓機，型號4386)來單獨製備加壓粉末靶。通常在20,000 psi及200℃下操作液壓機2小時。
使用RF電源390及回饋控制393(美國Advanced Energy公司)來直接在具有約2微米厚度之鈣上方形成玻璃層。不使用沉積後加熱處理。RF濺渡期間之腔室壓力為約1毫托。
第4圖為測試樣品之橫截面視圖，該測試樣品包含玻璃基板 400、圖案化鈣膜(約100 nm)402及玻璃層(約2 μm)404。為評估玻璃層之氣密性，將鈣膜測試樣品置放至烘箱中，且使鈣膜測試樣品在固定溫度及濕度(通常為85℃及85%之相對濕度(「85/85測試」))下經歷加速環境老化。
氣密性測試光學地監視真空沉積鈣層之外觀。沉積後，每一鈣膜具有高反射金屬外觀。在曝露於水及/或氧氣後，鈣反應且反應產物係不透明的、白色的且片狀的。鈣膜在85/85烘箱中超過1000小時之殘存物等價於在環境操作下生存5至10年之封裝薄膜。測試之偵測極限為在60℃及90%之相對濕度下約每天10-7 g/m2。
第5圖圖示在曝露至85/85加速老化測試後非氣密密封鈣膜及氣密密封鈣膜之典型行為。在第5圖中，左行圖示直接形成在膜上方之Cu2O薄膜之非氣密封裝行為。全部Cu2O包覆樣品之加速測試失敗，其中鈣點膜之災難性分層證實穿過Cu2O層之水分滲透。右行圖示包含沉積有CuO之氣密層之樣品近50%的正面測試結果。在樣品之右行中，34個完整鈣點(來自75個測試樣品)之金屬感明顯。
本文中所揭示之障壁層之滲透係數可為大於可使用基於有機材料之密封達到之值的數量級。使用所揭示材料及方法密封之器件可展示小於10-6 g/m2/d之水蒸氣穿透率(WVTR)條件，該水蒸氣穿透率條件使得操作壽命長。
氣密層為實際上被認為係實質上氣密的且實質上不受濕氣影響的層。舉例說明，氣密障壁層可經配置以限制氧氣蒸發(擴散)至小於約10-2 cm3/m2/d(例如小於約10-3 cm3/m2/d)，及限制水蒸發(擴散)至約10-2 g/m2/d(例如，小於約10-3g/m2/d、10-4g/m2/d、10-5g/m2/d或10-6g/m2/d)。在實施例中，氣密薄膜實質上抑制空氣及水接觸底層工件。
在第6圖中示意性地圖示一種根據一個實施例形成封裝工件的方法。在初始步驟中，沿第一平面玻璃基板302之密封表面形成圖案化玻璃層380。沿適於與第二玻璃基板304之密封表面嚙合之週邊密封表面形成玻璃層。當使第一基板及第二基板處於配對配置中時，第一基板及第二基板與玻璃層協作以界定內部體積342，該內部體積342含有待保護工件330。在所圖示實例(該實例圖示總成之分解影像)中，第二基板包含凹入部分，工件330位於該凹入部分內。
可使用來自雷射500之聚焦雷射射束501來熔化低溫玻璃及形成障壁層。在一個方法中，雷射可聚焦穿過第一基板302，且隨後轉移(掃描)橫過密封表面以局部加熱玻璃材料及形成障壁層。為影響玻璃層之局部熔化，玻璃層較佳地在雷射處理波長下吸收，同時基板在雷射處理波長下係透明的(例如，至少50%、70%或90%透明)。在第7圖中圖示雷射密封氣密結構之像片。在未圖示之實施例中，可首先在合適之墊圈上形成玻璃層，且可在第一基板與第二基板之密封表面之間安置玻璃包覆墊圈。
在第8圖中圖示展示玻璃基板之平面密封及週邊密封之像片。在每一實例中，最初將500 nm厚之玻璃層沉積在各別接觸表面上，隨後藉由在提高之溫度下施加壓力來使該等接觸表面接觸及結合。第8圖中之頂列圖示兩個氟化鎂玻璃窗，該兩個氟化鎂玻璃窗用卡弗壓機在1132 psi下壓力結合且在空氣中在180℃下保持1小時。在中間列中圖示之密封玻璃夾層結構係用Suss SB-6晶圓結合器在10 psi下壓力結合且在290℃(左)或350℃(右)下保持30分鐘。在此等實例中之每一實例中，已在相對玻璃板之間插入剃刀片以提高密封介面之強度。在底列中之密封玻璃墊圈結構係用Suss SB-6晶圓結合器在10 psi下壓力結合且在350℃下保持30分鐘。
在上述實例中，使用非摻雜氟磷酸錫玻璃(頂部左側)及鎢摻雜氟磷酸錫玻璃(頂部右側)密封氟化鎂窗。使用鈮摻雜氟磷酸錫組合物密封第8圖中圖示之中心列及底列樣品。在表1中概述以起始材料之重量百分比表示之示例性非摻雜組合物、鎢摻雜組合物及鈮摻雜組合物。
在實施例中，可在玻璃墊圈之接觸表面上形成玻璃層。在進一步實施例中，可在玻璃基板之接觸表面上形成玻璃層。
可使用低熔化溫度玻璃密封或結合不同類型之基板。可密封及/或可結合基板包括玻璃、玻璃至玻璃層壓板、玻璃聚合物層壓板或陶瓷，包括氮化鎵、石英、二氧化矽、氟化鈣、氟化鎂或藍寶石基板。在實施例中，一個基板可為含磷光質玻璃板，可在(例如)發光器件之總成中使用該含磷光質玻璃板。基板可具有任意合適之尺寸。基板可具有範圍獨立地為自1 cm至5 m(例如，0.1 m、1 m、2 m、3 m、4 m或5 m)之面積(長度及寬度)尺寸及範圍可為自約0.5 mm至2 mm(例如，0.5 mm、0.6 mm、0.7 mm、0.8 mm、0.9 mm、1.0 mm、1.2 mm、1.5 mm或2 mm)之厚度尺寸。在進一步實施例中，基板厚度範圍可為自約0.05 mm至0.5 mm(例如，0.05 mm、0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm或0.5 mm)。在更進一步實施例中，基板厚度範圍可為自約2 mm至10 mm(例如，2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm、7 mm、8 mm、9 mm或10 mm)。
包含金屬硫化物、金屬矽酸鹽、金屬鋁酸鹽或其他合適之磷光 質中之一或多者的含磷光質玻璃板可用作白光LED燈中之波長轉換板。白光LED燈通常包括藍光LED晶片，使用基於III族氮化物之化合物半導體形成該藍光LED晶片以用於發射藍光。可在照明系統中使用白光LED燈，或白光LED燈可用作(例如)液晶顯示器之背燈。可使用本文中所揭示之低熔化溫度玻璃來密封或封裝LED晶片。
使用所揭示之材料及方法氣密封裝工件可促進器件之長壽命操作，否則工具對由氧氣及/或濕氣攻擊引起之降級敏感。示例性工件、器件或應用包括可撓性、剛性或半剛性有機LED、OLED照明、OLED電視、光伏打器件、MEMs顯示器、電致變色窗、螢光團、鹼金屬電極、透明傳導氧化物、量子點等。
在第9a圖及第9b中圖示簡化示意圖，該簡化示意圖圖示LED總成之一部分。在第9a圖中圖示根據各種實施例之總成之元件，且在第9b中圖示經組裝架構之實例。LED總成900包括發射器920、波長轉換板940及量子點次總成960。如以下進一步詳細解釋，可使用玻璃層來結合及/或密封LED總成之各種元件。在所圖示之實施例中，將波長轉換板940直接安置在發射器920上方，且將量子點次總成960直接安置在波長轉換板940上方。
LED總成900之一個元件為量子點次總成960，在各種實施例中，量子點次總成960包括安置於上板962a、上板962b與下板964之間的複數個量子點950。在一個實施例中，量子點位於由上板962a、下板964及玻璃包覆墊圈980界定之空腔966a內。在替代實施例中，量子點位於空腔966b內，該空腔966b形成於上板962b中且由上板962b及下板964界定。在第一實施例中，可藉由具有各別玻璃層970之玻璃包覆墊圈980沿各別接觸表面密封上板962b及下板964。在第二實施例中，可藉由玻璃層 970沿各別接觸表面直接密封上板962b及下板964。在未圖示之實施例中，可藉由空腔966a及空腔966b內之低熔化溫度玻璃來封裝量子點。
可施加熱壓縮應力以影響上板與下板之間的密封，或可藉由使合適的雷射聚焦在一或多個玻璃層上或接近一或多個玻璃層穿過上板或下板來雷射密封一或多個介面。
LED總成900之進一步元件為發射器920，該發射器920具有形成在發射器之輸出端上方的波長轉換板940。發射器920可包括半導體材料，諸如氮化鎵晶圓，且波長轉換板940可包含具有嵌入或滲透入玻璃或陶瓷中之磷光質顆粒的玻璃或陶瓷。在實施例中，可使用低熔化溫度玻璃來將波長轉換板之密封表面直接結合至發射器之密封表面。
在第10圖中圖示替代實施例，該等替代實施例包括示例性光伏打(PV)器件或有機發光二極體(OLED)器件架構。如在第10a圖中所圖示，主動元件951位於空腔內，該空腔由上板962a、下板964及玻璃包覆墊圈980界定。可分別在上板及玻璃包覆墊圈中之相對密封表面之間及在玻璃包覆墊圈及下板中之相對密封表面之間形成玻璃層970。在第10a圖中所圖示之幾何結構與第9a圖之幾何結構類似，不同之處在於第10a圖中之上玻璃層延伸超過具有墊圈980之接觸表面。此方法可能係有利的，因為可省略上玻璃層之圖案化步驟。在OLED顯示器之實例中，主動元件951可包括夾在陽極與陰極之間的有機發射器堆疊。舉例而言，陰極可為反射電極或透明電極。
在第10b圖中圖示幾何結構，其中使用保形玻璃層970將主動元件951封裝在上板962a與下板964之間。在第10c圖中圖示結構，其中主動元件951位於空腔內，該空腔由上板962a及下板964界定。在第10c圖中所圖示之幾何結構與第9b圖之幾何結構類似，不同之處在於第10c圖 中之玻璃層延伸超過上板與下板之間的接觸表面。
為在各別密封表面之間形成密封或結合，最初可在表面中之一個或兩個表面上形成玻璃層。在一個實施例中，玻璃層形成在待結合之表面中之每一者上方，且在表面被放在一起後，使用熱壓縮應力來熔化玻璃層及形成密封。在一個進一步實施例中，僅在待結合之表面中之一個表面上方形成玻璃層，且在玻璃包覆表面及非玻璃包覆表面被放在一起後，使用聚焦雷射來熔化玻璃層及形成密封。
一種結合兩個基板之方法包含以下步驟：在第一基板之密封表面上形成第一玻璃層；在第二基板之密封表面上形成第二玻璃層；將第一玻璃層之至少一部分置放為與第二玻璃層之至少一部分實體接觸；及加熱玻璃層以熔化玻璃層及在第一基板與第二基板之間形成玻璃結合。
在替代實施例中，可使用本文中所揭示之密封方法來形成真空絕緣玻璃(VIG)窗，其中自結構省略先前所論述之主動元件(諸如發射器、集光器或量子點架構)，且可使用低熔化溫度玻璃層(視情況與玻璃包覆墊圈組合)來密封多窗格窗中之相對玻璃窗格之間的各別結合介面。在第11圖中圖示簡化之VIG窗架構，其中藉由玻璃包覆墊圈980分隔相對玻璃窗格962a及玻璃窗格964，玻璃包覆墊圈980沿各別週邊密封表面放置。
在本文中所揭示之密封架構中之每一者中，使用低熔化溫度玻璃層之密封可藉由以下步驟來完成：使用(例如)雷射能或習知局部加熱法來加熱、熔化、隨後冷卻此玻璃層以局部處理各別密封表面之間的玻璃層，或加熱及冷卻整個總成以形成密封。
所揭示低熔化溫度玻璃、玻璃包覆墊圈及用於在各別基板或工件之間形成結合或密封表面之附隨方法適合於批量處理以及連續或捲軸式處理。
如在本文中所使用，除非上下文另外明確地指示，單數形式「一」及「該」包括複數個所指物。因此，例如，除非上下文另外明確地指示，對「層」之引用包括具有兩個或兩個以上此等「層」之實例。
在本文中範圍可表示為自「約」一個特定值，及/或至「約」另一特定值。當表示此範圍時，實例包括自一個特定值及/或至其它特定值。同樣地，當值表示為近似值時，藉由使用先行詞「約」，將瞭解，特定值形成另一態樣。將進一步瞭解，範圍中之每一範圍的與其他端點有關及獨立於其他端點之端點係有意義的。
除非另有明文規定，絕不意欲將本文中所述之任意方法被視為要求以特定循序執行方法之步驟。因此，在方法請求項實際上並未列舉方法之步驟遵循之順序，或並未在將步驟限制為特定順序之申請專利範圍或描述中另外特別說明該方法請求項的情況下，絕不意欲推測任意特定順序。
亦注意，本文中之詳述係指元件經「配置」或「適配」以以特定方式起作用。在此方面，此元件經「配置」或「適配」以體現特定性能或以特定方式起作用，其中此等詳述為與預期用途之詳述截然相反之結構詳述。更具體而言，在本文中對方式(元件以該方式「配置」或「適配」)之引用指示元件之現有實體狀況，且同樣地採用對該方式之引用作為元件之結構特徵的明確詳述。
熟悉此項技術者將顯而易見，在不脫離本發明之精神及範疇之情況下，可對本揭示案實施各種修改及變化。因為熟悉此項技術者可將本發明之精神及實質併入實施例所揭示的修改組合、次組合及變化中，故本發明應被視為包括在所附申請專利範圍及所附申請專利範圍之等價物之範疇內的每一者。
112‧‧‧墊圈
114‧‧‧中心孔
116‧‧‧墊圈主體
118‧‧‧主表面
119‧‧‧主表面
180‧‧‧蒸發器具
212‧‧‧玻璃塗覆墊圈
302‧‧‧第一平面玻璃基板
303‧‧‧密封表面
304‧‧‧第二玻璃基板
305‧‧‧密封表面
317‧‧‧夾層結構
322‧‧‧砧
324‧‧‧砧
330‧‧‧工件

Claims (21)

  1. 一種經結合結構，包含相對的第一基板及第二基板，該第一基板與該第二基板藉由一中間的玻璃包覆墊圈彼此結合，該玻璃包覆墊圈包含：一墊圈主體，該墊圈主體界定一內孔且具有一第一接觸表面及與該第一接觸表面相對之一第二接觸表面；及一玻璃層，該玻璃層形成在該第一接觸表面及該第二接觸表面中之一者之至少一部分的上方；其中一氣密玻璃密封形成在該第一基板與該玻璃包覆墊圈之間、以及該第二基板與該玻璃包覆墊圈之間，該氣密玻璃密封不含有機添加劑；及其中該玻璃層包含一非玻料的玻璃材料，該非玻料的玻璃材料選自由以下各物組成之群組：氟磷酸錫玻璃、摻鎢氟磷酸錫玻璃、硫屬化物玻璃、亞碲酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃及磷酸鹽玻璃。
  2. 如請求項1所述之經結合結構，其中該玻璃材料包含：20重量%至75重量%之Sn，2重量%至20重量%之P，10重量%至36重量%之O，10重量%至36重量%之F，及0重量%至5重量%之Nb。
  3. 如請求項1所述之經結合結構，其中該玻璃材料包含：55重量%至75重量%之Sn，4重量%至14重量%之P， 6重量%至24重量%之O，4重量%至22重量%之F，及0.15重量%至15重量%之W。
  4. 如請求項1所述之經結合結構，其中該玻璃材料具有小於400℃之一玻璃轉移溫度。
  5. 如請求項1所述之經結合結構，其中該玻璃材料具有小於500℃之一熔化溫度。
  6. 如請求項1所述之經結合結構，其中該玻璃材料具有小於一結晶溫度之一熔化溫度。
  7. 如請求項1所述之經結合結構，其中該玻璃層實質上形成在該第一接觸表面及該第二接觸表面中之至少一者的整體的上方。
  8. 如請求項1所述之經結合結構，其中該玻璃層實質上形成在該第一接觸表面及該第二接觸表面兩者的整體的上方。
  9. 如請求項1所述之經結合結構，其中該玻璃層具有自約200nm至50微米之一平均厚度。
  10. 如請求項1所述之經結合結構，其中該墊圈主體包含選自以下各物組成之群組的一材料：玻璃、陶瓷、玻陶、及金屬。
  11. 如請求項1所述之經結合結構，其中該氣密玻璃密封的一密封強度為至少0.05J/m2。
  12. 如請求項1所述之經結合結構，其中該玻璃層係光學半透明的。
  13. 如請求項1所述之經結合結構，其中該玻璃層係光學透明的。
  14. 一種氣密密封一工件之方法，該方法包含以下步驟： 提供一玻璃包覆墊圈，該玻璃包覆墊圈具有一墊圈主體，該墊圈主體界定一內孔、一第一接觸表面及與該第一接觸表面相對之一第二接觸表面，其中一玻璃層形成在該第一接觸表面與該第二接觸表面中之一者之至少一部分的上方；將該玻璃包覆墊圈及待保護之一工件佈置在一第一基板與一第二基板之間，其中該玻璃包覆墊圈放置於該工件周邊；及加熱該玻璃包覆墊圈以熔化該玻璃層並在該墊圈主體與該等基板之間形成一氣密玻璃密封；其中該氣密玻璃密封不含有機添加劑；及其中該玻璃層包含一非玻料的玻璃材料，該非玻料的玻璃材料選自由以下各物組成之群組：氟磷酸錫玻璃、摻鎢氟磷酸錫玻璃、硫屬化物玻璃、亞碲酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃及磷酸鹽玻璃。
  15. 一種氣密密封一工件之方法，該方法包含以下步驟：在一第一基板之一週邊密封表面上形成一玻璃層；將待保護之一工件佈置在該第一基板與一第二基板之間，其中該玻璃層放置於該工件周邊；及加熱該玻璃層以熔化該玻璃層並在該第一基板與該第二基板之間形成一氣密玻璃密封，其中該氣密玻璃密封不含有機添加劑；及其中該玻璃層包含一非玻料的玻璃材料，該非玻料的玻璃材料選自由以下各物組成之群組：氟磷酸錫玻璃、摻鎢氟磷酸錫玻璃、硫屬化物玻璃、亞碲酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃及磷酸鹽玻璃。
  16. 一種基板結合方法，該方法包含以下步驟：在一第一基板之一密封表面上形成一第一玻璃層；在一第二基板之一密封表面上形成一第二玻璃層；將該第一玻璃層之至少一部分放置為與該第二玻璃層之至少一部分實體接觸；及加熱該等玻璃層以熔化該等玻璃層並在該第一基板與該第二基板之間形成一氣密玻璃結合，其中該氣密玻璃結合不含有機添加劑；以及其中該玻璃層包含一非玻料的玻璃材料，該非玻料的玻璃材料選自由以下各物組成之群組：氟磷酸錫玻璃、摻鎢氟磷酸錫玻璃、硫屬化物玻璃、亞碲酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃及磷酸鹽玻璃。
  17. 如請求項16所述之方法，其中該第一基板為一滲有磷光質之玻璃板。
  18. 如請求項16所述之方法，其中該第二基板包含氮化鎵。
  19. 一種經結合結構，該結構包含一第一基板，該第一基板藉由一中間玻璃層氣密結合至一第二基板，其中該玻璃層包含一非玻料的玻璃材料，該非玻料的玻璃材料選自由以下各物組成之該群組：氟磷酸錫玻璃、摻鎢氟磷酸錫玻璃、硫屬化物玻璃、亞碲酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃及磷酸鹽玻璃，且其中該玻璃層不含有機添加劑。
  20. 如請求項19所述之經結合結構，其中該第一基板為一滲有磷光質之玻璃板。
  21. 如請求項19所述之經結合結構，其中該第二基板包含氮化鎵。
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