專利名稱：電子材料的激光印花轉(zhuǎn)印的制作方法
電子材料的激光印花轉(zhuǎn)印相關申請的交叉引用本申請根據(jù)35USC 119(e)要求2007年9月14日提交的標題為“LaserDecal Transfer of Electronics Materials”的第60/972704號美國臨時申請的優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容 通過引用全部結(jié)合于此。本申請涉及共同轉(zhuǎn)讓的2007年5月14日提交的標題為“D印ositionR印air Apparatus And Methods”的第11/748281號美國申請，其內(nèi)容通過引用全部結(jié)合于此。
背景技術(shù)：
本發(fā)明一般涉及用于修改、定制和/或修補顯示器和微電子電路的電子材料的薄 膜特征或圖案的非接觸式直接印刷，尤其涉及諸如修補平板顯示器時所需的微電路的非接 觸式修補。對許多應用來說，特別是對使用半導體處理技術(shù)(例如所需材料的真空沉積或使 用光刻批量處理的圖案化)加工成的電子電路的附加修改來說，需要一種能夠產(chǎn)生修補圖 案以在電路已完成時修理現(xiàn)有電路上的缺陷的處理。為了使這種附加修改與現(xiàn)有電路兼 容，所沉積的材料必須在厚度、寬度和功能上與已經(jīng)存在的圖案類似。更具體來說，這種修 補典型地必須滿足“薄膜”特性；也就是說，具有小于1微米的厚度(更多時候是小于0. 5 微米)，并且具有5微米或以下的線寬。當前僅有的可用于在這種尺度范圍內(nèi)改正已制成的 電路的處理需要真空的存在。這些真空處理的例子包括激光化學氣相沉積(LCVD)、聚焦離 子束(FIB)沉積以及真空激光誘導正向轉(zhuǎn)印。由于這些技術(shù)的復雜性，它們使用起來不太 成功，并且對于半導體晶片和光刻鉻掩模上圖案化電路的修補，這些技術(shù)使用起來材料選 擇有限并且沉積速度慢。對于大面積電路，如平板顯示器，只有LCVD適用于修補應用。大氣壓和室溫下的附加材料方法或處理典型地局限于電子材料(例如金屬導體、 聚合物或陶瓷電介質(zhì))的直接印刷。這些處理需要使用如美國6，805，918號專利(專利 ‘918)和7，014，885號專利(專利‘885)中描述的功能性流變系統(tǒng)。更具體來說，流變系 統(tǒng)被定義為屬性處于固體和液體之間范圍內(nèi)的材料族，并且特征是具有至少一種基本的流 變屬性，如彈性或粘性。此外，流變材料包括但不限于凝膠體、漿、墨、濃縮液、懸浮液、牛頓 式和非牛頓式流體、粘彈性固體以及彈粘性流體。流變材料可以包括但不限于金屬或非金 屬(包括絕緣體和生物材料)。流變材料是均勻混合物并且典型地包括(例如)功能材料、 溶劑或載體、化學和流變前體、粘合劑、表面活性劑、分散劑、粉末和/或生物材料。功能材 料是包含預期沉積物的功能屬性(如電、磁等)的材料。流變材料可以是顆粒尺寸范圍為 5 500納米并懸浮在一種或多種溶劑和/或粘合劑中的粘性在大約IcP lOOOOOOcP范 圍內(nèi)的金屬或非金屬材料。 必須根據(jù)選用的調(diào)配技術(shù)小心選擇流變系統(tǒng)的粘性。該粘性范圍可以從粘性為 1 IOOcP的水狀墨到中度至高度粘性(大于IOOcP至大約100，OOOcP)的濃墨至粘性大于 100，OOOcP的濃漿。噴墨式墨在噴射溫度具有大約5 20cP的粘性。絲網(wǎng)印刷墨(screen printing ink)可以具有大約2000cP的粘性，而絲網(wǎng)印刷漿(screen printing paste)可以具有大于約50，OOOcP的粘性。使用低粘性墨的調(diào)配方法和技術(shù)包括使用壓電、熱學、靜電、聲學或其它驅(qū)動的噴 墨印刷頭按需滴墨的調(diào)配技術(shù)。這些方法已經(jīng)被充分證明并且使用粘性低于IOOOcP的墨， 并且通常低于50cP。生產(chǎn)級噴墨應用典型地調(diào)配幾十皮升體積或以上的滴。十皮升相當于 大約26微米直徑的球體。5微米直徑乘以0. 3微米厚度的薄膜特征具有大約6飛升的體 積，并且相當?shù)牡?球體)的直徑是大約2微米。還不能從實驗室之外獲得產(chǎn)生這種滴尺 寸的設備，并且只能由不一定與電子材料或應用兼容的某些流體產(chǎn)生這種小體積。盡管開 發(fā)工作在繼續(xù)，但是用于非常精細線寬的噴墨技術(shù)仍未被證明可用于生產(chǎn)。當前用于實現(xiàn)小于10微米寬度的線的噴墨按需噴滴方法的缺點包括(i)設備兼 容性局限于粘性低于大約IOOOcP的材料，并且更典型地低于50cP，這進一步意味著(ii)低 金屬含量以及因此(iii)進一步需要多個通道以實現(xiàn)導電性要求，從而影響產(chǎn)量；(iv)設 備能力局限于產(chǎn)生大于或等于約5微米直徑的滴分布平均值，這將最小線寬局限于約7微 米；以及(ν)確定線寬尺寸和邊緣完整性的多個因素包括滴分布平均值、墨粘性、墨/襯底 接觸角、襯底表面能、襯底表面形態(tài)、印刷和干燥溫度。例如在美國專利‘918和‘885以及美國專利申請11/748，281 (申請‘281)中描述 了功能流變系統(tǒng)的激光轉(zhuǎn)印或激光直接印刷方法。圖1示出流變材料的激光轉(zhuǎn)印所需的傳 統(tǒng)設備100。要轉(zhuǎn)印的覆蓋層108被施加到與接收襯底104相對的透明襯底或色帶106。該 色帶用作該覆蓋層的支撐結(jié)構(gòu)，并且必須對所使用的激光波長是光學透明的。脈沖激光束 116被引導穿過與覆蓋層相反的色帶表面處的聚焦光學器件如物鏡或末級透鏡102，從而 該覆蓋層被轉(zhuǎn)印到接收襯底104。通過相對于激光116移動接收襯底104并且相對于該激 光移動該色帶使得覆蓋區(qū)域總是可用于轉(zhuǎn)印，從而在接收襯底上形成轉(zhuǎn)印圖案110。接收襯 底上的轉(zhuǎn)印圖案可能需要固化(未示出)。典型地，色帶寬度大于對它造成影響的激光束。 如圖IA中所示，透明色帶上的覆蓋層與接收襯底保持固定的距離，并且脈沖激光推動釋放 后的覆蓋層越過該間隙。激光直接印刷的關鍵參數(shù)包括(a)要轉(zhuǎn)印的材料的性質(zhì)，(b)激光能量密度，以及 (c)取決于材料性質(zhì)和可用到的能量二者的轉(zhuǎn)印機理。例如，如美國專利6，177，151 (專利 ‘151)和6，766，764 (專利‘764)中描述的MAPLE-DW處理將轉(zhuǎn)印材料與復合材料相結(jié)合，當 暴露于脈沖激光能量時復合材料特別具有比轉(zhuǎn)印材料更易揮發(fā)的屬性。轉(zhuǎn)印材料可以包括 但不限于金屬或非金屬(包括絕緣體和生物材料)。假定在沉積處理期間覆蓋材料(復合 加轉(zhuǎn)印材料)是固態(tài)的。使用‘151和‘764中引用的MAPLE-DW處理的對金屬的轉(zhuǎn)印能量 密度典型地是300至500mJ/cm2。MAPLE-DW轉(zhuǎn)印機理包括使復合材料揮發(fā)或蒸發(fā)，然后這 弓丨起轉(zhuǎn)印材料從支撐色帶沉積到接收襯底。MAPLE-DW處理假定在轉(zhuǎn)印之后，沉積的材料不 需要附加處理。在專利‘918例子中，使用流變材料轉(zhuǎn)印處理的對金屬的轉(zhuǎn)印能量密度被列舉為400至500mJ/cm2。如專利‘918和‘885描述的流變材料轉(zhuǎn)印機理包括以下步驟，并且在圖 2A和圖2B中示意性示出(a)激光能量116局部加熱靠近支撐色帶表面的非常小體積的 流變流體202，然后(b)蒸發(fā)的材料產(chǎn)生高壓爆裂，該高壓爆裂朝向接收襯底104推動非蒸 發(fā)的流體110。被轉(zhuǎn)印的材料是基本上無變化的流變流體。大多數(shù)沉積材料需要后處理步 驟，如熱處理、光熱處理或光解處理，以分解所有化學前體或者驅(qū)散溶劑載體或者強化或增濃或燒結(jié)功能材料和永久粘合劑。此外，在美國專利6，815，015(專利‘015)中描述的噴射效應發(fā)生在使用流變流體 的窄處理窗口條件下。具體來說，轉(zhuǎn)印能量密度被修整以控制轉(zhuǎn)印處理使得轉(zhuǎn)印的材料保 持粗略相同的尺寸或小于入射激光束形貌。在專利‘015中報告的用于噴射處理的轉(zhuǎn)印能 量密度小于lOOmJ/cm2。以噴射窗口操作是有利的，因為可以產(chǎn)生可與入射激光束尺寸相比 較的特征尺寸。然而，如專利‘015中描述的用于噴射行為的條件需要在透明色帶上相對厚 的覆蓋層(1至20微米厚，并且在所列舉的例子中更具體為5至10微米)。需要這種相對 大體積的流變流體以形成專利‘015的圖6D中以及本申請的圖2C和圖2D中示意性示出的 頸狀物或噴出物。該結(jié)果是同等厚的轉(zhuǎn)印特征，遠大于薄膜修補所需的亞微米厚度。另外， 為了形成頸狀物或噴出物204，流變流體必須表現(xiàn)出粘性低于100，OOOcP的流體屬性，并且 更可能低于10，OOOcP0然后，由于在該噴射方式下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)印的滴狀屬性，當噴射滴撞擊 到接收襯底的表面時，所得到的轉(zhuǎn)印表現(xiàn)出預期的轉(zhuǎn)印特征110之外的大量碎片或濺落物 112。因此，在激光轉(zhuǎn)印方法的噴射方式下的操作的進一步局限性是它不能產(chǎn)生微電路的薄 膜修補所需要的具有一致并可重復的直邊緣的明確限定的窄特征或圖案。使用流變材料來印刷具有薄膜特性(即具有明確限定的直邊緣和均勻厚度的5微 米線寬乘以亞微米厚度)的特征所需的關鍵參數(shù)包括例如(i)色帶襯底上的材料尺寸、均 勻性和厚度(材料轉(zhuǎn)印方法)或輸送的滴尺寸(氣溶膠噴射或墨噴射)，( )在接收襯底 表面處的材料流動，這可能是輸送或襯底溫度、粘性、襯底材料、表面形態(tài)或粗糙程度和表 面能量條件的函數(shù)，(iii)輸送機構(gòu)對接收襯底的相對位置。在該噴射方式下操作的噴墨系 統(tǒng)或激光正向轉(zhuǎn)印系統(tǒng)的情況下，例如，太大的距離可導致過大的線寬(由于滴的展寬)， 而太近的距離也可由于(滴的濺沫引起的)不良線邊緣清晰度導致過大的線寬。在使用流 變材料直接印刷具有良好線邊緣清晰度的5微米寬的線中必須考慮的附加參數(shù)包括(iv) 墨或流變材料中的材料顆粒尺寸，對金屬來說，典型的金屬顆粒尺寸應該為幾十納米或更 小，(ν)輸送機構(gòu)中的光圈尺寸，以及(vi)束尺寸，(vii)能量密度和均勻性，以及(Viii) 激光或能源的波長。傳統(tǒng)的直接印刷技術(shù)達不到顯示器和微電子電路的修改、定制和/或修補所需的 產(chǎn)生具有薄膜特性的窄特征的要求，特別是達不到如平板顯示器的修補所需的微電路的非 接觸式附加材料修補。在專利‘015中描述的噴射方式不滿足該薄膜要求并且不適合在形 成標稱的5微米或以下的寬度并具有亞微米厚度的薄線特征時使用。

發(fā)明內(nèi)容
與以消融的(ablative)、基質(zhì)蒸發(fā)(matrix vaporizing)或噴射方式進行操作的 其它傳統(tǒng)激光轉(zhuǎn)印技術(shù)相對，根據(jù)本發(fā)明的并且在此稱為激光印花轉(zhuǎn)印的激光轉(zhuǎn)印處理用 于通過以層狀(laminar)轉(zhuǎn)印方式進行操作來產(chǎn)生薄膜狀特征。進行激光印花轉(zhuǎn)印的設備 適合于容納接收襯底、靶襯底，并且包括激光源。靶襯底部分地包括具有后表面和前表面的 激光透明支撐物。靶襯底的前表面與接收襯底間隔給定的間隙距離并且覆蓋有高粘性流變 流體的薄層。非常低能量的激光脈沖被引導穿過靶襯底的后面在以激光束為中心的可變光 圈所確定的區(qū)域上照射該薄覆蓋層。該激光印花轉(zhuǎn)印處理允許與激光照射區(qū)域基本相同的 均勻且連續(xù)層從靶襯底釋放并轉(zhuǎn)印。所釋放的層越過該間隙基本不改變其最初尺寸和形狀被轉(zhuǎn)印，由此在接收襯底的表面上產(chǎn)生寬度降至幾微米并且厚度為幾十微米的薄膜特征。 高均勻度與低能量密度結(jié)合的激光源與高粘性流變流體的非常薄覆蓋層的相互作用允許 平穩(wěn)釋放暴露于激光脈沖的區(qū)域，同時消除由該層的釋放和轉(zhuǎn)印所產(chǎn)生的所有剪切力。也 就是說，該層的運動表現(xiàn)為流體以層狀流動方式運動。該激光印花轉(zhuǎn)印處理不同于其它已 知的激光轉(zhuǎn)印處理，因為它導致與激光照射的靶襯底上的區(qū)域基本上1比1的尺寸和形狀 的圖案的轉(zhuǎn)印。所得到的轉(zhuǎn)印到接收襯底的表面上的圖案在厚度和形態(tài)上高度均勻，具有 清晰的邊緣特征并且表現(xiàn)出高附著性，與接收襯底的表面能、濕潤或疏水性無關。在激光印 花轉(zhuǎn)印中，在沉積區(qū)域外不形成其它非接觸式轉(zhuǎn)印或噴射技術(shù)中表現(xiàn)出的小滴或碎片，因 此允許產(chǎn)生具有與可通過光刻或接觸式轉(zhuǎn)印技術(shù)實現(xiàn)的類似特征和分辨率的圖案。
在一個實施例中，流變復合物的粘性等于或大于10，000厘泊(cP)。在另一個實施 例中，覆蓋層的厚度等于或小于2微米。在一個實施例中，本發(fā)明的激光印花轉(zhuǎn)印方法隨意地在室溫和大氣壓下進行。該 激光可以是脈沖激光或連續(xù)波激光，并且可以通過透鏡聚焦激光能量。在一個實施例中，激 光束重復照射連續(xù)定義的靶位置以在連續(xù)定義的接收位置處引起沉積。該沉積可以形成二 維圖案或三維圖案。在一個實施例中，靶襯底包括激光透明的柔軟色帶，該色帶對于激光束的波長來 說是透明的。在一個實施例中，該激光束具有同時存在于其中的多個波長。在一個實施例 中，激光束的脈沖長度被改變。在一個實施例中，當靶襯底相對于接收襯底移動時，靶襯底和接收襯底之間的距 離保持在預定范圍內(nèi)。在一個實施例中，當靶襯底相對于激光束移動時，可變形狀光圈保持 以激光束為中心。在一個實施例中，使用激光束對接收襯底上沉積的流變復合物進行固化。在另一 個實施例中，可以使用不同的加熱元件對沉積在接收襯底上的流變復合物進行固化。這種 加熱元件可以是不同于在印花轉(zhuǎn)印期間使用的激光束的激光束。接收襯底可以是平板顯示器、太陽電池板、或者半導體晶片襯底等。此外，該襯底 可以是平面的或非平面的。在一個實施例中，沉積的流變復合物在一對節(jié)點之間提供電連 接。在一個實施例中，色帶包括覆蓋有流變復合物的凹井。該凹井適合于被定位在激光束 的光路中。


圖1示出激光轉(zhuǎn)印設備。圖2A示出現(xiàn)有技術(shù)中已知的根據(jù)MAPLE-DW處理的材料的激光轉(zhuǎn)印。圖2B示出在圖2A的材料被轉(zhuǎn)印到接收襯底之后的材料。圖2C示出現(xiàn)有技術(shù)中已知的根據(jù)噴射處理的材料的轉(zhuǎn)印。圖2D示出圖2C的材料被轉(zhuǎn)印到其接收襯底之后的材料。圖3A示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例使用印花轉(zhuǎn)印響應于入射激光束從靶襯底被 釋放并且被推向接收襯底的流變復合物。圖3B示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例圖3A的流變復合物被轉(zhuǎn)印到接收襯底之后的 釋放后的流變復合物。
圖4A示出適合于將材料從靶襯底激光印花轉(zhuǎn)印到接收襯底的設備的截面圖。圖4B示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的具有適合于保持要使用激光印花轉(zhuǎn)印來轉(zhuǎn)印的流變復合物的凹井的色帶。圖5A、圖5B和圖5C是根據(jù)本發(fā)明的印花轉(zhuǎn)印的用于束成形的示范性布置。
具體實施例方式根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，使用入射激光束將具有限定形狀的流變復合物從靶襯 底轉(zhuǎn)印到接收襯底。該復合物被激光束照射，該激光束的能量密度被選擇為使激光照射的 非蒸發(fā)流變復合物的印花轉(zhuǎn)印發(fā)生。因此，激光照射的非蒸發(fā)流變復合物從靶襯底被釋放 并被推離靶襯底，并且被沉積在接收襯底上的限定位置處。根據(jù)本發(fā)明的印花轉(zhuǎn)印(也稱為模板轉(zhuǎn)印)，實現(xiàn)了期望的小線寬和亞微米厚度。 更具體來說，該印花轉(zhuǎn)印是在形狀和面積上與沖擊要轉(zhuǎn)印的材料已經(jīng)被施加到其上的靶襯 底(即色帶)的激光轉(zhuǎn)印脈沖具有基本1對1的對應性的流變材料的轉(zhuǎn)印，導致轉(zhuǎn)印的特 征在整個感興趣的區(qū)域上表現(xiàn)出均勻且明確限定的邊緣和厚度。因此，暴露于激光脈沖的 色帶界面的區(qū)域釋放相同區(qū)域的高粘性流變材料，該區(qū)域的流變材料在其穿過色帶和接收 襯底之間的間隙的同時保持其形狀并且形成相同尺度的沉積圖案。該印花激光轉(zhuǎn)印處理發(fā) 生在環(huán)境條件下；也就是說，在近似于室溫和近似于大氣條件下。圖3A和圖3B示出被推向接收襯底104并且在著陸時保持完整的材料206的印花 轉(zhuǎn)印。根據(jù)本發(fā)明，特定的可重復成份和形式的流變材料的覆蓋層在相對于激光束和接收 襯底的可重復的位置處被轉(zhuǎn)印到襯底。在第11/748281號美國申請中描述了以激光印花轉(zhuǎn) 印方式進行操作的設備。在印花轉(zhuǎn)印和流變材料的屬性(特別是要求粘性高于10，OOOcP,更具體來說高于 100, OOOcP的高粘性材料)之間存在強依賴性。特別地，用于激光印花轉(zhuǎn)印的高粘度漿的使 用，允許包括在色帶的覆蓋層中的均勻未碎裂未變形的剪切層的釋放。存在于較高粘性漿 中的大粘著力使其成為可能。如圖3A和圖3B中所示，轉(zhuǎn)印的高粘性層206在其被推離越 過將色帶106與接收襯底104分開的間隙112時保持完整。此外，因為轉(zhuǎn)印的高粘性層206 保持基本完整，所以它可以被推離越過相對大的間隙112，更具體來說，十或以上微米量級 的間隙距離。作為比較，當較低粘性的墨穿過小于幾微米的間隙時，由于墨的表面張力和與 存在于該間隙中的環(huán)境空氣的阻力二者，墨破裂成較小的碎片。較低粘性的流體破裂成較 小碎片的另一個結(jié)果是由于減小的粘性而存在的較高表面能使該碎片形成較小球體，從而 導致小滴的轉(zhuǎn)印，小滴在撞擊接收襯底的表面時不形成連續(xù)的均勻?qū)?。該小?球體)改 為傾向于散布在比原始激光轉(zhuǎn)印斑點大的區(qū)域上；因此導致不可避免地存在碎片?！銇碚f，相比于諸如墨的低粘性流變材料，諸如漿的高粘性流變材料提供多個 優(yōu)點。首先，高粘性漿具有顯著較高的固體含量，并且因此在導電性重要的情況下印刷金屬 特征時，為了實現(xiàn)目標導電性，可以在單個通道中施加高粘性漿，而低粘性墨可能需要幾個 通道。此外，高粘性材料比較不受接收襯底表面能屬性的影響，并且特別地，在到達接收襯 底的表面后由于接觸角效應而較不可能擴展。這是非常重要的考慮事項，因為高粘性漿較 不可能受接收襯底的表面疏水性的影響，并且更可能對接收襯底表面具有良好附著。此外， 由于高粘性漿在到達接收襯底時保持它們的形狀，所以可以在諸如粗糙、傾斜和臺階的不完整表面上形成明確限定且均勻的邊緣。圖2B和圖2D示出使用現(xiàn)有技術(shù)的MAPLE-DW和 噴射處理轉(zhuǎn)印的低粘性材料的最終形狀。圖3A和圖3B示出本發(fā)明的高粘性材料的印花轉(zhuǎn) 印的結(jié)果。從圖2B、2D與圖3A、3B的比較可以看出本發(fā)明的印花轉(zhuǎn)印的優(yōu)點。覆蓋層厚度是該印花轉(zhuǎn)印處理中的關鍵變量，并且是區(qū)分該印花轉(zhuǎn)印與其它激光 轉(zhuǎn)印技術(shù)如噴射方式的顯著因素。試驗表明，當覆蓋層厚度小于1微米，更具體來說厚度小 于0. 5微米時，發(fā)生最佳的印花轉(zhuǎn)印。作為對照，如第6，815，015號美國專利中描述的噴射 方式需要10微米量級的覆蓋層厚度。較厚的覆蓋層需要較高的激光能量以使該覆蓋層離 開其環(huán)境。該較高能量的激光脈沖可導致從該覆蓋層內(nèi)的熱溶劑產(chǎn)生較熱或較多的蒸氣， 并且因此引起較高壓力的脈沖，這將不僅使覆蓋層材料離開色帶，而且還通過使覆蓋層材 料破裂成多塊而破壞轉(zhuǎn)印后的覆蓋層材料的完整性。作為對照，由于該印花轉(zhuǎn)印處理相同 地轉(zhuǎn)印覆蓋層材料，所以非常薄的覆蓋層也必須是非常均勻的，并且尤其沒有針孔和間隙。與覆蓋層粘性相關的覆蓋層厚度是印花轉(zhuǎn)印中的重要因素。在高粘性和低厚度時 印花轉(zhuǎn)印最佳，而噴射轉(zhuǎn)印需要低得多的粘性和較大的厚度(較大的體積)以使得能夠形 成頸狀物或噴射。可重復的和可再生的印花轉(zhuǎn)印需要流變材料恒定不變的成份平衡。在LIFT和 MAPLE-Dff處理中轉(zhuǎn)印的材料通常是固體，而流變材料是包括功能材料、溶劑或載體材料、粘 合劑、分散劑等的同質(zhì)混合物，其中任何一種都對流變屬性如粘性有貢獻。一些被選擇的流 變材料可以包括低的但非零的蒸氣壓的溶劑或流體，從而由于這種溶劑或流體的蒸發(fā)而引 起流變材料隨時間而變化。印花轉(zhuǎn)印方法所需要的色帶上的非常薄的覆蓋層可能由于非常 高的表面積-體積比而高度不穩(wěn)定，這增強了墨中任意揮發(fā)性成份的蒸發(fā)。因此，為了獲得 一致的印花轉(zhuǎn)印，特別是在線寬小于或等于5微米時，要轉(zhuǎn)印的流變材料必須具有在時間 上一致的屬性?？梢酝ㄟ^幾種手段實現(xiàn)成份的保持，包括(a)將要轉(zhuǎn)印的流變材料放置在 禁止變化的環(huán)境內(nèi)(例如，控制溫度、濕度和壓力條件的環(huán)境)，或者(b)控制過程和處理步 驟的先后順序，使得流變材料在轉(zhuǎn)印時的暴露時間幾乎總是相同的，如第11/748281號美 國申請中所描述。如第11/748281號美國申請中所描述的，適合相對于接收襯底保持恒定色帶高度 位置的一個實施例包括在該色帶中形成的凹槽或井，然后用流變材料填充該凹槽或井，如 圖4A和圖4B中所示。圖4B是在其中形成有凹井124的色帶106的透視圖。凹井124提 供用于實現(xiàn)安排在井中的流變材料的可重復均勻厚度的手段。非凹進表面122可以接觸接 收襯底104而接收襯底不會被未轉(zhuǎn)印的覆蓋層材料污染。作為選擇，具有凹井的色帶可以 在接收襯底上方固定的間隙處被保持。對于激光印花轉(zhuǎn)印，使用十分之幾微米到大約兩微米的井深度120以按標稱的5微米線寬和亞微米線厚度提供適當?shù)木€完整性?？梢允褂霉墓蔚都夹g(shù)實現(xiàn)在這些井中 均勻施加覆蓋層。色帶中凹井的使用使得能夠使用硬的或柔軟的襯底材料。一旦漿被刮刀 刮入到色帶井中，材料的流變能力就保持足夠長的時間以允許在漿干燥之前建立和完成眾 多轉(zhuǎn)印。用于印花轉(zhuǎn)印的激光可以是二極管泵浦激光、閃光燈泵浦激光、連續(xù)波激光或者任何其它適合于材料轉(zhuǎn)印的激光。對于材料轉(zhuǎn)印的功能與材料去除相結(jié)合的情況，所選擇 的激光可以具有較寬的能力要求。商業(yè)上可獲得的脈沖激光典型地跨越從深紫外(UV)到紅外(IR)的全光譜范圍，并且更具體地從266nm到1064nm，并且具有范圍從10_12到10_6秒 的脈沖寬度，并且脈沖重復頻率從O到大于ΙΟΟΚΗζ。適當激光的例子是四倍頻或三倍頻調(diào) Q Nd: YAG(或 Nd: YVO4)激光，具有如 1064nm(IR)、532nm(綠)、355nm(UV)、266nm(深 UV)的 寬的波長范圍，并且提供小于100納秒并且典型地在5和30納秒之間的脈沖。激光的束形 貌應該具有“大禮帽(top-hat)”形貌，在要印花轉(zhuǎn)印的區(qū)域上是均勻的。還可以利用較不 均勻的束形貌如高斯形貌引起轉(zhuǎn)印。用于以印花轉(zhuǎn)印方式激光轉(zhuǎn)印流變材料的激光通量典 型地在15至50mJ/cm2的范圍內(nèi)。該激光，如調(diào)Q激光，可以配置成提供小于100納秒的脈 沖用于轉(zhuǎn)印和切割修補，并且還提供幾百微秒長的(例如，100至300微秒)或連續(xù)波(cw) 模式的脈沖用于轉(zhuǎn)印線的固化。為了能夠印花轉(zhuǎn)印，必須滿足一定的條件。要轉(zhuǎn)印的材料必須具有高粘性(大于 10，OOOcP,并且典型地大于100，OOOcP)，覆蓋層厚度必須典型地小于1微米，并且激光束能 量(以及通量)必須相對低(小于約50mJ/cm2)。高均勻度與低能量密度結(jié)合的激光源與高 粘性流變流體的非常薄的覆蓋層相互作用允許平穩(wěn)釋放暴露于激光脈沖的區(qū)域，同時消除 由該層的釋放和轉(zhuǎn)印產(chǎn)生的所有剪切力。也就是說，該層的運動表現(xiàn)為流體以層狀流動方 式運動。與以消融的、基質(zhì)(matrix)蒸發(fā)或噴射方式進行操作的其它激光轉(zhuǎn)印技術(shù)相對， 印花轉(zhuǎn)印以層狀轉(zhuǎn)印方式進行操作。利用這些條件，激光印花轉(zhuǎn)印方法導致與照射其上施 加了覆蓋層材料的色帶的激光斑點的尺寸和形狀成1比1的高粘性覆蓋層材料的轉(zhuǎn)印或沉 積。也就是說，暴露于激光脈沖的色帶界面的區(qū)域釋放基本相同區(qū)域的高粘性流變材料，該 區(qū)域的流變材料在穿過色帶和接收襯底之間的間 隙的同時保持其形狀并且形成基本相同 尺度的沉積圖案。此外，因為轉(zhuǎn)印的高粘性層保持基本完整，所以它可以被推離越過相對大 的間隙，更具體來說，10微米或以上量級的間隙距離。與其它激光正向轉(zhuǎn)印方法不同，當色帶上的覆蓋層被優(yōu)化時，使用用于印花轉(zhuǎn)印 的條件得到的特征尺寸和形狀直接受激光束形狀和激光束的均勻形貌支配。該印花轉(zhuǎn)印行 為的含義是多重的，并且提供優(yōu)于其它激光正向轉(zhuǎn)印技術(shù)的實質(zhì)優(yōu)點。通過對激光束進行 光學成形并形成例如正方形或矩形，該激光印花轉(zhuǎn)印處理導致直接印刷對應的正方形或矩 形形狀的材料。如第11/748281號美國申請中所描述的，激光印刷設備可以在光束路徑中 包括成形的光圈或可變形狀的光圈?？勺冃螤畹墓馊υ试S改變矩形的尺寸，如正方形(圖 5A)或矩形(圖5B或圖5C)，使一個維度具有與最小斑點尺寸相同的尺寸。在圖5A、圖5B 和圖5C中所示的例子中，光圈的兩個邊(a和b)保持固定，而其余兩個邊(c和d)在χ和 /或y方向上移動。可以形成不同尺寸的光束形狀a’ b’ c’ d’，并且通過印花轉(zhuǎn)印處理可 以在形狀和尺寸上完全相同地再生這些光束形狀。產(chǎn)生不同尺寸光圈的其它方法也是可行 的。例如，在一個實施例中，可變光圈可以包括四個(a、b、c、d)可移動邊。例如，代替使用十個激光脈沖印刷十個相鄰的5 μ mX5 μ m的正方形的線，可以使 用5 μ mX50 μ m的矩形的成形光束和單個激光脈沖來印刷相同的5 μ mX 50 μ m的線。在另 一個例子中，如果需要的特征是“L”形的線，例如，50微米腿長和5微米線寬，則印花轉(zhuǎn)印處 理只需兩步就可以印刷該“L”:首先改變光圈以產(chǎn)生5 μ mX 50 μ m尺寸的光束(例如，圖5B 中所示)，然后改變光圈以形成50 μ mX 5 μ m尺寸的光束(例如，圖5C中所示)。在另一個 例子中，如果設定了對應的光圈尺寸，并且由此設定了光束尺寸，則可以通過一個脈沖來印 刷例如50 μ mX 50 μ m的大面積。因此，激光印花轉(zhuǎn)印方法的第一個優(yōu)點是轉(zhuǎn)印的特征可以具有用戶通過光束成形光圈設置來限定的形狀。利用可變形狀光圈的激光印花轉(zhuǎn)印方法的第二個優(yōu)點是生產(chǎn)率，因為這些組合允 許通過以最少的步驟配置具有最大可能特征的期望圖案，并且因此在比通過所有其它傳統(tǒng) 直接寫入方法實現(xiàn)的寫入短得多的時間內(nèi)完成寫入。該激光印花轉(zhuǎn)印方法的第三個優(yōu)點是 由激光光學器件支配特征尺寸。這意味著與噴墨按需滴墨或者甚至與使用低粘性材料的激 光正向轉(zhuǎn)印方法不同，對于對應的非常窄(小于5微米)的照射光束形貌并且采用足夠的 光束能量以轉(zhuǎn)印材料，可以印刷對應的非常窄的線。根據(jù)本發(fā)明的印花轉(zhuǎn)印的第四個優(yōu)點是，它能夠以周圍額外的碎片量最少甚至沒 有的方式產(chǎn)生期望的圖案。與以因為關于襯底表面高速移動的轉(zhuǎn)印材料或墨的影響而導致 出現(xiàn)潑濺和其它碎片的消融、基質(zhì)蒸發(fā)或噴射方式操作的其它激光轉(zhuǎn)印技術(shù)和噴墨處理相 對，印花轉(zhuǎn)印以層狀轉(zhuǎn)印方式操作。碎片可能在被修補或修改的電路或圖案的附近引起不 希望的交叉污染或不想要的電短路的產(chǎn)生。印花轉(zhuǎn)印的第五個優(yōu)點是它能夠越過間隙或空間在接收襯底上形成自立結(jié)構(gòu)。這 允許沉積在直接印刷交叉和其它三維結(jié)構(gòu)時有潛在應用的自由站立層或橋。印花處理的第六個優(yōu)點是它轉(zhuǎn)印非常低的厚度的特征的能力。通過第6，815，015 號美國專利中描述的噴射處理和通過早期的第6，805，918號和第6，177，151號美國專利中 描述的MAPLE-DW處理得到的轉(zhuǎn)印典型地厚度在10微米量級。本發(fā)明的印花處理能夠轉(zhuǎn)印 0.1微米量級厚的層。激光印花轉(zhuǎn)印方法可以需要對轉(zhuǎn)印的流變材料進行固化。例如，為了形成薄膜金 屬線，可以使用具有在包括溶劑和粘合劑的載體中混入金屬納米顆粒的流變漿，并且該漿 將需要在轉(zhuǎn)印之后加熱以驅(qū)散非金屬溶劑和粘合劑。固化硬件可以包括(連續(xù)波和脈沖 的)激光或者激光二級光以及提供熱源以對直接寫入轉(zhuǎn)印期間沉積的轉(zhuǎn)印材料進行固化 所需要的任何相關聯(lián)光學器件。作為選擇，轉(zhuǎn)印激光組件可以被配置成提供必要的固化參 數(shù)(脈沖長度、能量)，或者除了專用的轉(zhuǎn)印激光外還可以設計專用的固化激光。在使用用于固化的激光的情況下，激光波長應該與需要固化(或加熱)的流變材 料適當匹配。傳統(tǒng)上，激光固化處理使用紅外(IR)激光，因為IR波長與加熱相關聯(lián)。本發(fā) 明的一個實施例使用綠(或者Nd:YAG激光的532nm)波長用于固化金屬(具體來說是金和 銀)納米顆粒漿和墨，因為它們的電子等離子體激元共振發(fā)生在與2. 48eV附近的光子能量 相對應的頻率，并且532nm波長光子可以將它們的能量非常有效地耦合到銀納米顆粒，導 致加熱和固化。使用綠波長而非IR波長以對薄膜轉(zhuǎn)印的圖案進行固化具有進一步的優(yōu)點， 因為對于修補應用，經(jīng)常需要使對轉(zhuǎn)印的圖案和周圍區(qū)域下的襯底的加熱影響最小化以避 免損壞。例如，在修補平板顯示器電路時，玻璃和ITO層在綠波長是透明的，而在IR波長吸 收更多。在一個例子中，使用標準的刮刀技術(shù)將具有銀納米尺寸顆粒并具有大于約120，OOOcP的粘性的墨漿施加到玻璃色帶襯底。該墨漿覆蓋層厚度大約0.3微米。然后將 玻璃色帶襯底翻轉(zhuǎn)，使?jié){覆蓋層面向平玻璃的接收襯底。在該漿覆蓋層和接收襯底之間建 立大約8微米的間隙。脈沖三倍頻NchYVO4激光束(355nm波長)被引導穿過矩形光圈并 且通過20X顯微鏡物鏡成像，使得5 μ mX 15 μ m的矩形光束入射在玻璃色帶襯底上。該接 收襯底被安裝在x_y平臺上的真空吸盤保持。通過激光脈沖與x_y平臺的步進相配合，在接收襯底上產(chǎn)生大約0. 3 μ m厚的5 μ mX 15 μ m矩形圖案的轉(zhuǎn)印。該線被印刷在接收襯底 上間隔180微米的金墊之間。平臺速度大約是50 μ m/s并且激光發(fā)射之間的間隔典型地是 12微米，以允許轉(zhuǎn)印圖案之間適當重疊。光束聚焦通量大約是33mJ/cm2。使用在532nm波 長操作的并且被引導通過相同的顯微鏡物鏡的連續(xù)波綠激光來對印刷的線進行固化。該綠 激光被設定為大約27kW/cm2的聚焦強度并且在印刷的線上掃描。得到的線具有良好的附 著性(4x帶測試)并且具有大約10微-歐姆-厘米(micro-ohm-cm)的電阻率。 在另一個例子中，如上述例子1中描述的，準備未固化的樣本。然而，在本例子中， 在350°C的溫度下用烤箱固化玻璃樣本上印刷的線。得到的線顯示出良好的附著性(4X帶 測試)。在另一個例子中，如例子1，將銀墨漿施加到玻璃色帶襯底。接收襯底是包括3μπι 深的大約50 μ mX 50 μ m的臺階特征的平板顯示器電路的一部分。印刷5 μ mX 15 μ m尺寸 的轉(zhuǎn)印矩形的線(以50 μ m/s的速度)，同時橫過該臺階特征。得到的印刷線符合該臺階特 征，首先從上表面跨越到傾斜的側(cè)壁，然后越過臺階特征的底部，然后沿著相對的側(cè)壁返回 并延伸到上表面。以532nm波長以大約lOkW/cm2的聚焦強度和50 μ m/s的速度來用激光 固化該印刷線。掃描電子顯微鏡顯示該線是連續(xù)的并且高度致密的?？缭筋愃票砻骖愋偷?線的激光固化得到大約48微-歐姆-厘米的電阻率?？鞠涔袒脖皇褂?，并且得到類似良 好的印刷線臺階覆蓋。本發(fā)明的上述實施例是說明性的而不是限制性的。各種替代和等價物也是可行 的。盡管以舉例的方式關于平板陣列修補描述了本發(fā)明，但是應該理解，本發(fā)明可以應用于 FPD制造內(nèi)的其它修補處理，如濾色器修補或面板修補。此外，本發(fā)明可以用于需要沉積的 直接寫入應用，如微電子電路形成和修補、平板和太陽電池板上電路的印刷或者太陽電池 板的修補或者電容器、電池、半導體電路的形成等?？紤]到本公開，其它添加、減少或修改是 明顯的，并且意圖落入所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種用于激光沉積的方法，包括提供接收襯底；提供靶襯底，所述靶襯底與所述接收襯底間隔開并且包括具有后表面和前表面的激光透明支撐物，其中所述靶襯底的所述前表面被覆蓋了選擇的厚度和粘性的流變復合物的層；以及提供激光束，所述激光束被引導穿過所述靶襯底的后面以照射所述覆蓋層的給定區(qū)域，所述入射激光束具有選擇的能量密度使得所述覆蓋層的區(qū)域從所述靶襯底向所述接收襯底均勻地釋放并且非蒸發(fā)地轉(zhuǎn)印，其中轉(zhuǎn)印后的流變復合物在所述接收襯底的表面上的限定位置處形成與所述入射激光照射的區(qū)域的尺寸和形狀基本成1比1的沉積，從而引起印花轉(zhuǎn)印。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述流變復合物的粘性等于或大于10，000厘泊 (cP)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述覆蓋層具有等于或小于2微米的厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在大約室溫和大約大氣壓下執(zhí)行所述方法。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中從包括脈沖激光和連續(xù)波激光的組選擇所述激光。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中通過顯微鏡物鏡或其它聚焦光學器件來聚焦所述 激光束以形成所述入射激光束。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中通過光圈對所述入射激光束進行成形。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，還包括當所述靶襯底相對于所述激光束移動時保持以所述激光束為中心的至少一個固定成 形光圈。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，還包括當所述靶襯底相對于所述激光束移動時保持以所述激光束為中心的可變成形光圈。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，還包括當所述靶襯底相對于所述激光束移動時關于所述激光束的中心改變所述可變成形光 圈的尺寸。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在連續(xù)限定的靶位置和連續(xù)限定的接收位置處 重復提供所述激光束的步驟，并且其中所述沉積形成二維圖案或三維圖案之一。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中從包括玻璃和聚合物塑料的組選擇所述激光透 明支撐物。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述接收襯底包括非平面表面。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中從包括漿、凝膠體、墨、濃縮液、懸浮液、牛頓式流 體、非牛頓式流體、粘彈性流體以及彈粘性流體的組選擇所述流變復合物。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括當所述靶襯底相對于所述接收襯底移動時保持所述靶襯底和所述接收襯底之間的距 離在預定的范圍內(nèi)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述激光束具有同時存在于其中的多個波長。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括改變所述激光束的脈沖長度。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括使用所述激光束對沉積在所述接收襯底上的所述流變復合物進行固化。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括對沉積在所述接收襯底上的所述流變復合物進行加熱。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，還包括使用第二激光束對沉積在所述襯底上的所述流變復合物進行固化。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述接收襯底包括微電路并且從包括平板顯示 器、太陽電池板和半導體晶片襯底的組選擇所述接收襯底。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述沉積的流變復合物在一對節(jié)點之間提供電 連接。
23.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述靶襯底包括覆蓋有所述流變復合物的第一 凹井，所述第一凹井適合于被定位在所述激光束的光路中。
全文摘要
激光印花轉(zhuǎn)印被用于通過引導非常低能量的激光脈沖在靶襯底的后面照射覆蓋該靶前表面的高粘性流變流體薄層的一個區(qū)域來產(chǎn)生薄膜特征。通過以該激光束為中心的光圈來成形和限定被照射的區(qū)域。該印花轉(zhuǎn)印處理允許與激光輻射區(qū)域的形狀和尺寸相同的均勻連續(xù)層從靶襯底釋放并轉(zhuǎn)印到接收襯底。釋放層幾乎不改變其最初尺寸和形狀越過間隙被轉(zhuǎn)印。所得到的轉(zhuǎn)印到接收襯底上的圖案在厚度和形態(tài)上高度均勻，具有清晰的邊緣特征并且表現(xiàn)出高度附著性，與接收襯底的表面能、濕潤或疏水性無關。
文檔編號B42D15/00GK101821111SQ200880111559
公開日2010年9月1日 申請日期2008年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月14日
發(fā)明者托馬斯·H·貝利, 莉迪婭·J·揚, 阿爾貝托·皮克, 雷蒙德·歐陽 申請人:光子動力學公司;由海軍部長代表的美利堅合眾國