TWI661752B - 用於製造脈衝模式之直接寫入雷射金屬化之方法及系統 - Google Patents

用於製造脈衝模式之直接寫入雷射金屬化之方法及系統 Download PDF

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Abstract

本發明揭示一種用於製造之方法，該方法包含：用一基質(28)塗佈一基板(22)，該基質含有欲在該基板上經圖案化之一材料。藉由引導一脈衝能量光束照射於一圖案之一軌跡上以便在未完全燒結該圖案中之該材料之情況下致使沿著該圖案將該材料黏附至該基板從而將該圖案固定於該基質中。將在該固定圖案之外的該基板上剩餘之該基質移除，及在移除該基質之後燒結該圖案中之該材料。

Description

用於製造脈衝模式之直接寫入雷射金屬化之方法及系統
本發明一般而言係關於電路基板上之印刷配線之生產，且特定而言係關於用於金屬特徵之直接寫入之方法及系統。
金屬油墨之直接雷射燒結係用於印刷配線之金屬化之一已知技術。舉例而言，美國專利申請公開案2008/0286488闡述基於將一非導電膜沈積於一基板之一表面上而形成一導電膜之一方法。該膜含有複數個銅奈米粒子，且藉由光燒結或熔化該等銅奈米粒子而使該膜之至少一部分曝露於光，從而使得該經曝露部分導電。
Kumpulainen等人在「Low Temperature Nanoparticle Sintering with Continuous Wave and Pulse Lasers」(Optics & Laser Technology 43(2011年)，第570至576頁)中闡述直接雷射燒結技術。該等作者涉及「印刷電子學」，其中經印刷於一基板之表面上之奈米油墨含有添加劑(諸如分散劑及載體液體)，該等添加劑藉由改變黏度及分離油墨之奈米粒子而提供良好印刷性質。在燒結程序中，將油墨粒子加熱至某一油墨特定之溫度且使載體液體及分散劑自該油墨蒸發。蒸發之後的額外加熱致使該等奈米粒子開始黏聚。據稱雷射燒結實現短燒結時間及選擇性燒結，從而使得經印刷結構含有藉助其他技術產生之易損主動組件成為可能。該論文闡述藉助以下兩個不同類型之雷射完成之測試：脈衝波及連續波。
在本專利申請案之優先權日期之後，Theodorakos等人在「Selective Laser Sintering of Ag Nanoparticles Ink for Applications in Flexible Electronics」(Applied Surface Science 336(2015年)，第157至162頁)中進一步闡述雷射燒結技術。該等作者研究作為用於在撓性基板上選擇性雷射燒結Ag奈米粒子油墨層之高效工具之以532nm及1064nm操作之以下三個不同雷射源之可能性：連續波(CW)或脈衝奈秒雷射及脈衝微微秒雷射。理論模擬指示微微秒雷射脈衝將熱影響區帶限制至僅圍繞油墨層之經輻照區之幾微米。此等預測已以實驗方式確認。
本發明之實施例提供用於一基板上之跡線之基於雷射之直接寫入的經增強方法及系統。
因此根據本發明之一實施例，提供一種用於製造之方法，該方法包含：用一基質塗佈一基板，該基質含有欲在該基板上經圖案化之一材料，及藉由引導一脈衝能量光束照射於一圖案之一軌跡上以便在未完全燒結該圖案中之該材料之情況下致使沿著該圖案將該材料黏附至該基板從而將一圖案固定於該基質中。將在該固定圖案之外的該基板上剩餘之該基質移除，及在移除該基質之後燒結該圖案中之該材料。
在某些實施例中，欲經圖案化之該材料包含奈米粒子。在一所揭示之實施例中，呈該等奈米粒子形式之該材料係導電的，且該脈衝能量光束包含具有選定之一能通量及重複率之輻射脈衝，使得在固定該圖案之後的該跡線之一電阻率保持比在移除該基質之後將藉由完全燒結該圖案中之該材料而達成之一最終電阻率大至少十倍。
通常，引導該脈衝能量光束包含：引導該能量光束之一脈衝序列照射於該基板上之該軌跡中之每一位置上。
在該等所揭示之實施例中，該脈衝能量光束具有至少1MHz且可能至少10MHz之一脈衝重複率。
通常，除欲圖案化之該材料之外，該基質亦包含一有機化合物，且引導該脈衝能量光束包含引導具有選定之一每脈衝通量之該能量光束之一脈衝序列以便在未完全燒結該圖案中之該材料之情況下致使該有機化合物自該基質蒸發。在固定該圖案中所施加之該每脈衝通量經選定，使得該材料保持充分多孔以在不存在由於該有機化合物之該蒸發引起之該材料之剝蝕或脫層之情況下准許該有機化合物透過該材料中之孔隙而蒸發。
在某些實施例中，燒結該材料包含：將一整體燒結程序應用於固定於該基板上之該圖案。另一選擇係，燒結該材料包含：進一步引導該脈衝能量光束之脈衝來燒結固定於該基板上之該圖案。
在一所揭示之實施例中，塗佈該基板包含：在輻照該經塗佈基板之前乾燥該基板上之該基質。此外或另一選擇係，移除該基質包含：施加一溶劑以移除在該固定圖案之外的該該基板上剩餘之該基質。
根據本發明之一實施例，亦提供一種用於製造之方法，該方法包含：用一基質塗佈一基板，該基質含有欲在該基板上經圖案化之一材料，及引導包含具有一斜坡式時間量變曲線之脈衝之一脈衝能量光束以一通量照射於該經塗佈基板上之一點上，該通量足以將該材料固定至該基板且在該點處燒結該材料。
在該等所揭示之實施例中，除欲固定至該基板之該材料之外，該基質亦包含一有機化合物，且該斜坡式時間量變曲線及該通量經選定以便在不導致由於該有機化合物之該蒸發引起之該材料之剝蝕或脫層之情況下致使在燒結該材料之前該有機化合物自該基質蒸發。在某些實施例中，該材料包含奈米粒子，且燒結該材料致使該等奈米粒子 在該點處熔化。
在一所揭示之實施例中，該等脈衝具有不大於20ns之一持續時間。
在某些實施例中，引導該脈衝能量光束包含：藉由引導該等脈衝照射於在該經塗佈基板上界定該圖案之一點序列上而在該基板上形成該材料之一圖案。該序列中之該等點可係相互不重疊的。通常，該方法包含：在形成該圖案之後將在該圖案之一軌跡之外的該基板上剩餘之該基質移除。
根據本發明之一實施例，額外地提供一種用於製造之系統，該系統包含一塗佈機器，其經組態以用一基質塗佈一基板，該基質含有欲在該基板上經圖案化之一材料。一寫入機器經組態以藉由引導一脈衝能量光束照射於一圖案之一軌跡上以便在未完全燒結該圖案中之該材料之情況下致使沿著該圖案將該材料黏附至該基板從而將一圖案固定於該基質中。一基質移除機器經組態以將在該固定圖案之外的該基板上剩餘之基質移除。一燒結機器經組態以在移除該基質之後燒結該圖案中之該材料。
根據本發明之一實施例，進一步提供一種用於製造之系統，該系統包含：一塗佈機器，其經組態以用一基質塗佈一基板，該基質含有欲在該基板上經圖案化之一材料。一寫入機器經組態以引導包含具有一斜坡式時間量變曲線之脈衝之一脈衝能量光束以一通量照射於該經塗佈基板上之一點上，該通量足以將該材料固定至該基板且在該點處燒結該材料。
將根據本發明之實施例之以下詳細說明連同圖式更充分地理解本發明，在圖式中：
20‧‧‧系統
22‧‧‧基板
24‧‧‧塗佈機器
26‧‧‧乾燥機器
28‧‧‧基質
30‧‧‧雷射寫入機器/機器/寫入機器
32‧‧‧脈衝雷射/雷射
34‧‧‧台
36‧‧‧光束掃描器
38‧‧‧控制器
40‧‧‧記憶體
42‧‧‧跡線
44‧‧‧基質移除機器/機器
46‧‧‧燒結機器
48‧‧‧高強度光源/源
50‧‧‧經燒結跡線/奈米粒子
52‧‧‧跡線
60‧‧‧下部曲線/曲線
62‧‧‧上部曲線/曲線
70‧‧‧矩形脈衝量變曲線/量變曲線
72‧‧‧斜坡式量變曲線/量變曲線
74‧‧‧光點
76‧‧‧損壞區域
78‧‧‧光點
80‧‧‧圖案
82‧‧‧點
圖1係展示根據本發明之一實施例之用於基於雷射直接寫入之一 系統及該系統之操作中之階段的示意性形象圖解說明；圖2A至圖2E係根據本發明之一實施例之以形成該圖案之一程序之連續階段圖解說明之其上寫入有一跡線圖案之一基板的示意性俯視圖；圖3A及圖3B係根據本發明之一實施例之以形成跡線之一程序之連續階段圖解說明之其上寫入有一跡線之一基板的示意性剖面圖；圖4A至圖4D係根據本發明之一實施例之在跡線之固定期間連續時間處圖解說明之其上寫入有一跡線之一基板的示意性剖面圖；圖4E係根據本發明之一實施例之進行跡線之退火之後之圖4A至圖4D之基板及跡線的一示意性剖面圖；圖5係圖解說明根據本發明之一實施例之用於經寫入於一基板上之一跡線之固定及對跡線之損壞之脈衝能量臨限值之一相依性的一曲線圖；圖6A係根據本發明之一實施例之其上已藉由具有變化之脈衝參數之一脈衝光束以一點陣列寫入光點之一基板的一示意性俯視圖；及圖6B係根據本發明之一實施例之藉由將一脈衝光束施加至一序列點而形成於一基板上之一圖案的一示意性俯視圖。
概述
如在上文提及之PCT專利申請案PCT/IL2014/000014中所闡釋，金屬油墨及其他奈米粒子可燒結油墨之單步直接雷射燒結通常並未給出充分均勻之結果。(在本說明書及申請權利範圍中術語「奈米粒子」用來意指具有小於100nm之至少一個尺寸之一微觀粒子。)此問題至少部分地源於在局部燒結程序期間發生之熱傳導。此等條件下之不均勻熱擴散導致熱變化，該熱變化繼而導致不一致之燒結。此效應在處理大約幾微米之小金屬特徵之高解析度圖案化時係最顯著的。同 時，金屬油墨之直接燒結需要高雷射通量(大約數十至數百J/cm2)，該高雷射通量在處理大區域圖案時使得程序緩慢且低效。
在本發明之某些實施例中，以增強所得跡線之均勻性及可靠性之一方式使寫入步驟與燒結步驟分離。一基板塗佈有一適合基質，且可在塗佈之後乾燥該基板以移除過量溶劑。(此等基質通常包括含有奈米粒子之一油墨、膏狀物或懸浮液，且為方便起見在本文中簡單地通稱為「NP油墨」。)然後，在未完全燒結奈米粒子之情況下一脈衝能量光束源(諸如一雷射)在基板上方掃描以寫入所期望之圖案。在本說明書及申請專利範圍中所使用之術語「在未完全燒結之情況下」意指基質之塊體中之奈米粒子保持實質上彼此分離，使得在金屬奈米粒子之情形中，此階段處之跡線之電阻率仍然比在完全燒結之後將達成之最終電阻率大至少十倍。
其中能量光束寫入圖案之程序之此階段在本文中被稱為將圖案「固定」於基質中。在某些實施例中，光束以具有足以致使沿著該圖案將材料黏附至基板之但實質上低於用於完全燒結之臨限值之通量之一脈衝序列(或「叢發」)在欲寫入於基板上之圖案之軌跡上方掃描。此固定步驟使基質穩定化抵抗後續移除(相對於未經輻照基質)。藉由減少由於陷獲於基質中之氣體之快速膨脹引起之損壞之可能性，此步驟中之脈衝輻照之使用增強圖案之跡線之品質。
在此固定階段期間，在完全燒結奈米材料之前，該材料保持充分多孔以准許基質中之有機化合物透過材料中之孔隙而蒸發，因此防止原本可由有機化合物之過度快速蒸發導致之材料之剝蝕或脫層。為確保此類可控之蒸發，雷射(或其他能量源)通常引導脈衝序列以一高重複率(舉例而言，至少1MHz且可能大於10MHz)來照射於圖案中之每一位置上。每脈衝通量經選定，使得維持基質之所期望孔隙度直至完成固定。
在已以此方式將圖案固定之後，自所有非固定區域移除基質，使得僅保留經穩定化之圖案。舉例而言，可藉由化學溶劑之施加或藉由輻射剝蝕來完成此移除。通常，接著在一整體燒結程序中均勻地加熱基板以便燒結剩餘之圖案中之奈米粒子。與在使用直接雷射燒結時通常遭遇之不勻性相比，此方法達成均勻金屬化。此對於印刷粗線亦係特別有用的，此乃因雷射固定步驟比完全雷射燒結對厚度較不敏感，同時舉例而言在一烘箱中，整體燒結對粗油墨跡線良好起作用。
因此，此等實施例提供具有比習用方法少之步驟之一簡單快速金屬化程序。該程序之第一步驟僅涉及相對低雷射功率。隨後，可使用具有大區域覆蓋之一高功率源(諸如一熱源或藉由一高功率閃光燈之光帶照明或一高功率雷射或雷射陣列)來實施需要一高通量之實際金屬化步驟(整體燒結程序)。由於此等實施例避免與單步直接雷射燒結相關聯之高局部溫度，因此其適於在精密撓性基板(諸如塑膠及箔)之圖案化中使用。
在其他實施例中，一脈衝雷射或其他能量光束用於燒結以及固定。在此情形中，發明者已發現具有一斜坡式時間量變曲線之脈衝比習用脈衝(諸如方波脈衝)達成實質上較佳之結果，該等習用脈衝之隨時間變化之強度係大致均勻的。斜坡式時間量變曲線係有利的，此乃因其致使在燒結且因此熔化奈米材料之前有機化合物自塗佈於基板上之基質蒸發。時間量變曲線及脈衝之通量經選定以便增強此效應且因此避免由於有機化合物之蒸發引起之經圖案化材料之剝蝕或脫層。此等單步實施例特別(但非唯一地)適於在一基板上形成個別經燒結光點或由此等光點組成之圖案。
在本發明之實施例中用於直接寫入之一脈衝雷射之使用(用於固定或者直接燒結)達成具有自適應校凖之可能性之高解析度，如在數位成像技術中。金屬線及由所揭示之技術形成之其他特徵可達到如幾 微米一樣小之寬度。解析度僅由可通常聚焦至1μm至2μm或更小之範圍的雷射光點大小限制。可藉由在掃描期間調諧雷射之參數來改良解析度及線清晰度之品質。可以此方式繪製任意圖案，該等圖案可能自電腦輔助設計及電腦輔助製造(CAD/CAM)資料直接得出。
在某些實施例中，在不接觸基板之情況下實施寫入及燒結之整個循環。此特徵對於應用(諸如光伏打電池及塑膠電子箔之生產)係特別有益的。
本文中所闡述之技術之其他潛在應用包含(舉例而言)：液晶顯示器及有機發光二極體(OLED)顯示器之顯示器後端金屬化、觸控螢幕金屬化、OLED照明裝置之分路線及塑膠箔上之印刷電子電路及裝置。本文所闡述之技術可類似地經凖用於各種介電質、陶瓷、半導體、聚合物、紙及金屬基板上之具有各種NP材料(不僅包括金屬而且包括半導體及介電質粒子(諸如陶瓷粒子))之寫入圖案。
儘管本文中所揭示之實施例為簡單起見具體係指一單個金屬化層之形成，但在替代實施例中，可藉由本發明技術之適當重複而將跡線寫入於多個層中，其中每一層中使用相同或不同油墨。
系統描述
現在參考圖1及圖2A至圖2E，該等圖示意性地圖解說明根據本發明之一實施例之基於雷射直接寫入之一系統20及程序。圖1係展示由系統20實施之一處理中之組件設備及階段的一形象圖解說明。圖2A至圖2E係以程序之連續階段圖解說明之在系統20中將一跡線圖案寫入於其上之一基板22的示意性俯視圖。如較早所提及，基板22可包括(舉例而言)玻璃或其他介電質、陶瓷、半導體、塑膠箔或其他聚合物材料、紙或金屬。
首先，一塗佈機器24用一均勻厚層之一基質28(圖2B)(諸如金屬奈米粒子(NP)油墨、金屬NP膏狀物或金屬錯合物油墨或膏狀物)塗佈 基板22(圖2A)。此一油墨或膏狀物可含有(舉例而言)銀、銅、鎳、鈀及/或金奈米粒子以及此等金屬之合金，或可能非金屬奈米粒子(諸如矽或奈米陶瓷粒子)。基質28之層厚度可取決於所需要之最終結果而自約0.2μm至大於10μm變化。塗佈機器24可應用此項技術中眾所周知之任一適合區域塗佈技術(諸如絲網印刷、狹縫模具式塗佈或條式塗佈、噴塗、凹版塗佈或旋塗)。
視情況，一乾燥機器26乾燥已經施加至基板22之基質。由塗佈機器24施加之油墨或膏狀物通常含有大量之溶劑，而此階段處之金屬體積含量不超過約40%。因此，在雷射掃描步驟之前使基質變幹以便增強基質之穩定性及減少至溶劑之雷射能量之損失可係有利的(儘管不係強制性的)。可能之乾燥方法包含低溫度焙乾(藉由對流或藉由輻射)、空氣流動、真空乾燥或此等技術之組合。
一雷射寫入機器30將跡線42之一圖案固定於基質28中，如圖2C中所圖解說明。在一典型實施方案中，將其上塗佈有基質28之基板22安裝於一適合台34上，且一光束掃描器36在基板上方掃描一脈衝雷射32(或其他適合脈衝能量源)之光束。
藉由在膜上之預定位置處使基質曝露至一界限清晰之雷射脈衝序列，雷射32將所期望圖案「寫入」於基質中。通常由一控制器38基於儲存於一記憶體40中之適合CAD/CAM資料來判定該圖案。包含波長、光點大小、通量、持續時間、脈衝形狀、掃描速度及重複率之脈衝參數經選定以便最佳化圖案之品質，如下文中進一步所闡述。為了高產出量，可在基板之不同區域上方同時掃描多個雷射光束(由多個雷射或藉由將一單個高功率脈衝雷射光束***成子光束而產生，如圖1中所圖解說明)，其中每一光束經獨立控制。
各種類型之雷射及雷射系統可用於雷射寫入機器30。在某些實施例中，以一高速率直接調變一雷射二極體源以在自一奈秒至數十奈 秒之一時間尺度上發射所期望之形狀之脈衝。在某些此等實施例中，脈衝形狀係斜坡式的(如下文中進一步所闡述)，其具有經調諧以配合跡線厚度之一斜坡時間。亦可根據跡線寬度來調諧脈衝參數，其中當需要極細線時使用較短脈衝。脈衝參數之選擇亦取決於機器30是否僅用於隨後將進行整體燒結之固定或雷射32是否用來完全燒結跡線。
另一選擇係，可以所需要之高重複率來調變一CW雷射源(諸如一CW光纖雷射)從而提供所期望之脈衝光束。可出於此目的而使用一快速外部調變器(諸如一電光調變器或聲光調變器)。
圖3A係展示根據本發明之一實施例之由寫入機器30將跡線42中之一者固定於基質28中之的一示意性剖面圖。在此階段處跡線42通常不含有大量之經燒結金屬，而是處於由於雷射曝露(作為一光子效應或熱效應之結果)而比周圍基質28更黏附且更穩定抵抗自基板22之移除的一物質狀態。如上文所提及，寫入機器30之雷射參數經挑選以便提供基質性質之所需要局部改變。最佳參數將取決於精確基質材料及尺寸及所挑選之寫入之方法而變化且將在每一情形中由經驗測試及評估來判定。在任一情形中，此階段處所施加之功率比完全燒結基質中之奈米粒子所需要之功率小得多。
在輻照之後，一基質移除機器44將未經固定之基質28自基板22之全部區域移除，從而僅留下跡線42(圖2D)。機器44可包括(舉例而言)其中將基板浸沒以洗滌掉圖案之外的基質之一溶劑槽。另一選擇係或因此，機器44可應用其他類型之移除技術(諸如對未經固定之基質之化學剝蝕或物理剝蝕)。
圖3B係繼由機器44進行基質28之移除之後基板22上剩餘之跡線42的一示意性剖面圖。
最後，在一燒結機器46中燒結在基質移除之後基板22上剩餘之跡線42，從而產生如圖2E中所展示之經燒結跡線50。若基板22(舉例 而言，其通常係玻璃基板之情形)適合於此處理，則燒結機器46可包括一習用燒結烘箱。另一選擇係，燒結機器46可使用通常較佳地適合於敏感基板(諸如塑膠箔)之光子燒結。又一選擇係，其他燒結方法可適於敏感基板，舉例而言，電漿燒結或微波燒結，兩者皆可在不損壞一下伏塑膠基板之情況下燒結一金屬油墨圖案。
一般而言，當在周圍氛圍中處理銅油墨(由於銅容易氧化之趨勢)以及處理含有易於氧化之其他金屬之油墨時，光子燒結(或微波燒結或電漿燒結)較佳於烘箱燒結。亦可在一適當氛圍(亦即，一非氧化氛圍及/或一還原性氛圍)中使用銅油墨之烘箱燒結。
如圖1中所展示之燒結機器46使用具有在基板22之表面上方掃描之一高強度光源48之光子燒結。源48可包括(舉例而言)經配置成一列或一堆疊之一雷射二極體條集合，因此甚至在一大區域上方提供所需通量。在附近紅外線範圍(大致800nm至1000nm)中使用市售雷射二極體條(諸如由Oclaro Inc.(加利福尼亞州聖荷西市)、Coherent Inc.(加利福尼亞州聖克拉拉市)或Jenoptik(德國耶拿市)生產之彼等)來達成大約數千瓦之一平均功率。
此說明書之下一部分將闡述可藉由寫入機器30應用以將所期望之圖案固定於基質28中之方法。在圖6A及圖6B中所圖解說明之一替代實施例中，寫入機器30亦可藉由將充分能量施加至基板上之界定圖案之目標點來執行燒結。在此後一情形中，可不需要單獨燒結機器46。可連同上文所提及之PCT專利申請案PCT/IL2014/000014中所闡述之材料及方法以及此項技術中眾所周知之其他適合材料及方法來應用本文中所闡述之技術。
脈衝雷射圖案固定
現在參考圖4A至圖4E，該等圖係根據本發明之一實施例之將一跡線52寫入於基板上之連續階段處之基板22的示意性剖面圖。圖4A 至圖4D展示在跡線之固定期間之連續時間處之基質28，而圖4E展示在退火之後的跡線52。
具體而言，圖4A至圖4D展示由雷射32引導至基質28中之一給定位置上之一脈衝叢發之累積效應。在程序開始時，奈米粒子50懸浮於基質28之大體積之一揮發性有機成分中。每一連續雷射脈衝加熱基質且使額外量之有機成分蒸發，使得基質28中之奈米粒子50之密度自一個脈衝至下一個脈衝地增加。然而，由於基質及基板內之熱擴散，在基質之體積上方密度之增加係大致均勻的。因此，如圖4D中所展示，甚至在已經將幾乎所有有機材料自基質驅逐出之後，透過其可使蒸發材料逸出之孔隙保留於基質28中之奈米粒子50之間。如圖4E中所展示，僅在後續燒結步驟期間將奈米粒子一起熔化以形成跡線52。
相比之下，發明者已發現當一CW雷射用於圖案固定時，奈米密度往往會特別在基質之上部層中增加，從而留下陷獲於下部之有機材料。此等經陷獲有機材料之加熱可導致快速沸騰蒸發，從而導致周圍奈米材料之剝蝕或脫層，因此使形成於基板上之跡線之品質降級。
相比之下，當脈衝輻射用於固定時，脈衝參數經挑選以便在一脈衝叢發之過程期間促進基質28之有機成分之逐漸蒸發，同時避免奈米粒子50之上部層之固化。發明者已發現具有在自約1ns至數十奈秒之範圍內之脈衝寬度之短脈衝產生最佳結果。高重複率(至少1MHz且可能10MHz或更高)係期望的以便達成跡線之快速固定及因此高程序產出量。脈衝通量及其他參數通常經選定以便在可能不損壞跡線之情況下使產出量最大化。
圖5係圖解說明根據本發明之一實施例之關於藉由雷射脈衝之跡線固定之一工作窗的一曲線圖。曲線圖中之資料點在橫座標上指示施加至基板22上之一給定點之脈衝之數量，且在縱座標上指示每脈衝能通量。一下部曲線60指示針對任何給定脈衝數將圖案固定於基質中所 需要之最小通量。換言之，只要一給定點處之脈衝針對規定脈衝數具有至少此最小通量，基質便將不會在固定階段之後自該點洗滌掉。一上部曲線62指示針對給定脈衝數可在不損壞跡線之情況下使用之最大通量。超過此通量位凖，基質之快速加熱易於導致剝蝕及/或脫層。
因此，曲線60及曲線62定義基質28之脈衝固定之工作窗。如在圖5中可見，較大低通量脈衝數產生一較寬窗及因此一較大範圍之程序允差。在此等界限內，可選擇施加至每一位置之脈衝通量及脈衝數以在使程序產出量最大化時產生固定之所期望固性。最佳選擇亦將取決於其他程序參數(諸如基質28之厚度及成分以及雷射波長及光點大小)。在係460nm厚之一基質膜上使用以980nm操作之一個二極體雷射來產生曲線60及62。另一選擇係，可使用呈紫外線、可見光或紅外線範圍之其他部分之形式之脈衝雷射。固定圖案所需要之脈衝之數量(如由曲線60所反映)往往隨著膜厚度以指數方式擴縮。
脈衝雷射燒結
圖6A係根據本發明之一實施例之其上已由具有變化脈衝參數之一脈衝光束以一點陣列寫入光點74、78之一基板的一示意性俯視圖。在此實施例中，用含有一奈米粒子材料之一基質塗佈基板。引導一脈衝雷射光束以既足以將材料固定至基板且足以在陣列中之每一點處燒結材料之通量來照射於基板上在該點處。此情形中之雷射光束亦係在脈衝模式中以980nm操作之一個二極體雷射。形成光點74及78中所施加之雷射脈衝之峰值功率自圖6A中所展示之陣列之底部至其頂部地增加，而脈衝持續時間自左至右地增加，其中最大脈衝持續時間經設定為約20ns。在其他波長處可獲得類似結果。
兩個不同脈衝量變曲線用於燒結圖6A中所展示之光點：一矩形脈衝量變曲線70用於燒結光點74，而一斜坡式脈衝量變曲線72用於燒結光點78。在脈衝之瞬時功率隨脈衝持續時間而逐漸增加(其中最大 功率發生於脈衝之尾緣附近)之意義上，量變曲線72係「斜坡式」的。斜坡式時間量變曲線及斜坡式脈衝之通量經選定以便在不導致由於有機化合物之沸騰蒸發引起之材料之剝蝕或脫層之情況下致使有機化合物在燒結奈米粒子材料之前自基質蒸發。從一寬廣範圍之峰值功率及脈衝持續時間可見斜坡式量變曲線之此有利效應，如由光點78所圖解說明。相比之下，使用量變曲線70形成之光點74展現由於奈米粒子材料之剝蝕及脫層所致之損壞區域76。
斜坡式量變曲線72特別有用於在一基板上形成單個經燒結光點。由於基質之附近區域上方之光束能量之橫向熱擴散，此等光點將通常比雷射光束自身具有一較大直徑。(斜坡式光束量變曲線通常在線掃描中較不關鍵，此乃因除初始點之外，該線中之每一點在燒結先前點時皆經預加熱。)此類型之單個光點可用來藉由引導雷射脈衝照射於在經塗佈基板上界定該圖案之一序列點上而在基板上形成一圖案。此序列中之點可係相互不重疊的，亦即，用來形成鄰近光點之雷射脈衝之光束區域不需要自身重疊，此乃因每一光點具有比用於固定及燒結該光點之雷射光束大之一面積。在以此方式形成圖案之後，將圖案之軌跡之外的基板上剩餘之基質移除，如在前述實施例中。
圖6B係根據本發明之一實施例之藉由將一脈衝光束施加至一序列點82而形成於一基板上之一圖案80的一示意性俯視圖。在此實例中，圖案80包括藉由光點78之重疊而形成之一線，但點82自身並不重疊。可以此方式高效地形成實質上任何所期望之形式之圖案。
將瞭解，以實例方式引用上文所闡述各實施例，且本發明不限於上文中已特別展示及闡述之內容。相反，本發明之範疇包含上文中所闡述之各種特徵之組合及子組合兩者，以及熟習此項技術者在閱讀上述說明後將構想出且在先前技術中未揭示之對該等各種特徵之變化及修改。

Claims (38)

  1. 一種用於製造之方法，其包括：用一基質塗佈一基板，該基質含有欲在該基板上經圖案化之一材料；藉由引導一脈衝能量光束照射於一圖案之一軌跡上以便在未完全燒結該圖案中之該材料的情況下致使沿著該圖案將該材料黏附至該基板從而將該圖案固定於該基質中；將在經固定之該圖案之外的該基板上剩餘之該基質移除；及在移除該基質之後燒結該圖案中之該材料。
  2. 如請求項1之方法，其中欲經圖案化之該材料包括奈米粒子。
  3. 如請求項2之方法，其中呈該等奈米粒子形式之該材料係導電的，且其中該脈衝能量光束包括具有選定之一能通量及重複率之輻射脈衝，使得在固定該圖案之後的一跡線之一電阻率保持比在移除該基質之後將藉由完全燒結該圖案中之該材料而達成之一最終電阻率大至少十倍。
  4. 如請求項1之方法，其中引導該脈衝能量光束包括：引導該脈衝能量光束之一脈衝序列照射於該基板上之該軌跡中之每一位置上。
  5. 如請求項1之方法，其中該脈衝能量光束具有至少1MHz之一脈衝重複率。
  6. 如請求項5之方法，其中該脈衝重複率係至少10MHz。
  7. 如請求項1之方法，其中除欲經圖案化之該材料之外，該基質亦包括一有機化合物，且其中引導該脈衝能量光束包括：引導具有選定之一每脈衝通量之該脈衝能量光束之一脈衝序列以便在未完全燒結該圖案中之該材料之情況下致使該有機化合物自該基質蒸發。
  8. 如請求項7之方法，其中在固定該圖案中所施加之該每脈衝通量經選定，使得該材料保持充分多孔以在不存在由於該有機化合物之該蒸發引起之該材料之剝蝕或脫層之情況下准許該有機化合物透過該材料中之孔隙蒸發。
  9. 如請求項1至8中任一項之方法，其中燒結該材料包括：將一整體燒結程序應用於經固定於該基板上之該圖案。
  10. 如請求項1至8中任一項之方法，其中燒結該材料包括：進一步引導該脈衝能量光束之脈衝來燒結固定於該基板上之該圖案。
  11. 如請求項1至8中任一項之方法，其中塗佈該基板包括：在輻照該經塗佈基板之前乾燥該基板上之該基質。
  12. 如請求項1至8中任一項之方法，其中移除該基質包括：施加一溶劑以移除在經固定之該圖案之外的該基板上剩餘之該基質。
  13. 一種用於製造之方法，其包括：用一基質塗佈一基板，該基質含有欲在該基板上經圖案化之一材料；及引導包括具有一斜坡式時間量變曲線之脈衝之一脈衝能量光束以一通量照射於該經塗佈基板上之一點上，該通量足以將該材料固定至該基板且在該點處燒結該材料。
  14. 如請求項13之方法，其中除欲固定至該基板之該材料之外，該基質亦包括一有機化合物，且其中該斜坡式時間量變曲線及該通量經選定以便在不導致由於該有機化合物之該蒸發引起之該材料之剝蝕或脫層之情況下致使在燒結該材料之前該有機化合物自該基質蒸發。
  15. 如請求項13之方法，其中該材料包括奈米粒子，且其中燒結該材料致使該等奈米粒子在該點處熔化。
  16. 如請求項13之方法，其中該等脈衝具有不大於20ns之一持續時間。
  17. 如請求項13至16中任一項之方法，其中引導該脈衝能量光束包括：藉由引導該等脈衝照射於在該經塗佈基板上界定該圖案之一序列點上而在該基板上形成該材料之一圖案。
  18. 如請求項17之方法，其中該序列中之該等點係相互不重疊的。
  19. 如請求項17之方法，且包括，在形成該圖案之後移除將在該圖案之一軌跡之外的該基板上剩餘之該基質移除。
  20. 一種用於製造之系統，其包括：一塗佈機器，其經組態以用一基質塗佈一基板，該基質含有欲在該基板上經圖案化之一材料；一寫入機器，其經組態以藉由引導一脈衝能量光束照射於一圖案之一軌跡上以便在未完全燒結該圖案中之該材料之情況下致使沿著該圖案將該材料黏附至該基板從而將該圖案固定於該基質中；一基質移除機器，其經組態以將在經固定之該圖案之外的該基板上剩餘之基質移除；及一燒結機器，其經組態以在移除該基質之後燒結該圖案中之該材料。
  21. 如請求項20之系統，其中欲經圖案化之該材料包括奈米粒子。
  22. 如請求項21之系統，其中呈該等奈米粒子形式之該材料係導電的，且其中該脈衝能量光束包括具有選定之一能通量與重複率之輻射脈衝，使得在固定該圖案之後一跡線之一電阻率保持比在移除該基質之後將藉由完全燒結該圖案中之該材料而達成之一最終電阻率大至少十倍。
  23. 如請求項20之系統，其中該寫入機器經組態以引導該脈衝能量光束之一脈衝序列照射於該基板上之該軌跡中之每一位置上。
  24. 如請求項20之系統，其中該脈衝能量光束具有至少1MHz之一脈衝重複率。
  25. 如請求項24之系統，其中該脈衝重複率係至少10MHz。
  26. 如請求項20之系統，其中除欲經圖案化之該材料之外，該基質亦包括一有機化合物，且其中該寫入機器經組態以引導具有選定之一每脈衝通量之該能量光束之一脈衝序列以便在未完全燒結該圖案中之該材料之情況下致使該有機化合物自該基質蒸發。
  27. 如請求項26之系統，其中在固定該圖案中所施加之該每脈衝通量經選定，使得該材料保持充分多孔以在不存在由於該有機化合物之該蒸發引起之該材料之剝蝕或脫層之情況下准許該有機化合物透過該材料中之孔隙而蒸發。
  28. 如請求項20至27中任一項之系統，其中該燒結機器經組態以將一整體燒結程序應用於經固定於該基板上之該圖案。
  29. 如請求項20至27中任一項之系統，其中該燒結機器經組態以進一步施加該脈衝能量光束之脈衝來燒結固定於該基板上之該圖案。
  30. 如請求項20至27中任一項之系統，且包括一乾燥機器，其經組態以在輻照該經塗佈基板之前乾燥該基板上之該基質。
  31. 如請求項20至27中任一項之系統，其中該基質移除機器經組態以施加一溶劑以移除在經固定之該圖案之外的該基板上剩餘之該基質。
  32. 一種用於製造之系統，其包括：一塗佈機器，其經組態以用一基質塗佈一基板，該基質含有欲在該基板上經圖案化之一材料；及一寫入機器，其經組態以引導包括具有一斜坡式時間量變曲線之脈衝之一脈衝能量光束以一通量照射於該經塗佈基板上之一點上，該通量足以將該材料固定至該基板且在該點處燒結該材料。
  33. 如請求項32之系統，其中除欲經固定至該基板之該材料之外，該基質亦包括一有機化合物，且其中該斜坡式時間量變曲線及該通量經選定，以便在不導致由於該有機化合物之該蒸發引起之該材料之剝蝕或脫層之情況下致使在燒結該材料之前該有機化合物自該基質蒸發。
  34. 如請求項32之系統，其中該材料包括奈米粒子，且其中燒結該材料致使該等奈米粒子在該點處熔化。
  35. 如請求項32之系統，其中該等脈衝具有不大於20ns之一持續時間。
  36. 如請求項32至35中任一項之系統，其中該寫入機器經組態以藉由引導該等脈衝照射於在該經塗佈基板上界定該圖案之一點序列上而在該基板上形成該材料之一圖案。
  37. 如請求項36之系統，其中該序列中之該等點係相互不重疊的。
  38. 如請求項36之系統，且包括一基質移除機器，其經組態以將在該圖案之一軌跡之外的該基板上剩餘之該基質移除。
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