KR102345450B1 - pulsed-mode direct-write laser metallization - Google Patents
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Abstract
제조를 위한 방법은 기판(22)을 기판상에 패턴이 만들어질 재료를 포함하는 매트릭스로 코팅함을 포함한다. 한 패턴이 재료를 패턴 내에 완전히 신터링하지 않고 기판으로 재료의 접착이 패턴을 따라 발생하도록 펄스 에너지 비임이 패턴의 위치에 충돌하도록 향하게 함에 의해 매트릭스 내에 고정된다. 고정된 패턴 바깥 기판에 남아있는 매트릭스가 제거되며, 매트릭스를 제거한 뒤에, 패턴 내 재료가 신터링된다. A method for manufacturing involves coating a substrate 22 with a matrix comprising a material to be patterned on the substrate. A pattern is anchored in the matrix by directing a pulsed energy beam to impinge on the location of the pattern so that adhesion of the material to the substrate occurs along the pattern without sintering the material completely within the pattern. The matrix remaining on the substrate outside the fixed pattern is removed, and after removing the matrix, the material in the pattern is sintered.
Description
본 발명은 회로 기판상에 프린트 배선 제조, 특히 금속 특징의 직접적인 기록 방법 및 시스템에 대한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and system for manufacturing printed wiring, in particular for direct writing of metallic features, on circuit boards.
금속 잉크의 직접적인 레이저 신터링은 프린트 배선 금속화에서 알려진 기술이다. 가령, 미국 특허출원 공보 2008/0286488는 기판 표면상에 비-전도성 필름을 증착함에 기초하여 전도성 필름을 형성하는 방법을 설명한다. 상기 필름은 다수의 구리 나노입자를 포함하며, 그리고 적어도 필름의 일부를 광선에 노출 시킴으로써 구리 나노입자를 광 신터링 또는 퓨징함에 의해 노출된 부분이 전도성 이도록 만든다. Direct laser sintering of metallic inks is a known technique in printed wiring metallization. For example, US Patent Application Publication 2008/0286488 describes a method for forming a conductive film based on depositing a non-conductive film on a substrate surface. The film includes a plurality of copper nanoparticles, and light sintering or fusing the copper nanoparticles by exposing at least a portion of the film to light makes the exposed portions conductive.
Kumpulainen 등은 "Low Temperature Nanoparticle Sintering with Continuous Wave and Pulse Lasers," Optics & Laser Technology 43 (2011), 페이지 570-576에서, 직접적인 레이저 신터링 기술을 설명한다. 이 문헌은 점도를 변경하고 잉크의 나노입자를 분리함으로써 양호한 프린팅 특성을 제공하는, 분산제와 캐리어 액체와 같은, 첨가제를 기판 표면에 프린트된 나노입자 잉크가 포함하는 "프린트 가능 전자"에 대한 것이다. 신터링 프로세스에서, 잉크 입자가 일정한, 잉크-특정 온도로 가열되며, 캐리어 액체와 분산제가 잉크로부터 증발된다. 증발 후 추가 가열은 나노입자가 응집을 시작할 수 있도록 한다. 레이저 신터링은 짧은 신터링 시간 그리고 선택적인 신터링을 가능하게 하는 것으로 알려져있으며, 프린트 구조가 다른 기술로 생산된 깨지기 쉬운 활성 성분을 포함하는 것을 가능하게 한다. 상기 문헌은 두 다른 종류의 레이저: 펄스 레이저 및 연속 파 레이저로 실시된 테스트를 설명한다. Kumpulainen et al. describe a direct laser sintering technique in "Low Temperature Nanoparticle Sintering with Continuous Wave and Pulse Lasers," Optics & Laser Technology 43 (2011), pages 570-576. This document is about "printable electronics" in which nanoparticle inks printed on a substrate surface contain additives, such as dispersants and carrier liquids, which alter the viscosity and provide good printing properties by separating the nanoparticles of the ink. In the sintering process, the ink particles are heated to a constant, ink-specific temperature, and the carrier liquid and dispersant are evaporated from the ink. Additional heating after evaporation allows the nanoparticles to begin to agglomerate. Laser sintering is known to allow for short sintering times and selective sintering, allowing print structures to contain fragile active ingredients produced by other techniques. This document describes tests carried out with two different types of lasers: pulsed lasers and continuous wave lasers.
본원 특허출원 우선일자 이후, Theodorakos 등은 "Selective Laser Sintering of Ag Nanoparticles Ink for Applications in Flexible Electronics," Applied Surface Science 336 (2015), 페이지 157-162에서 또 다른 레이저 신터링 기술을 설명하였다. 이 문헌은 유연한 기판상의 Ag 나노입자 잉크 층에 대한 선택적인 레이저 신터링을 위한 효율적인 도구로서, 532 및 1064nm에서 동작하는, 세가지의 상이한 레이저 소스: 연속 파(CW) 또는 펄스 나노세컨드 및 피코세컨드 레이저에 대한 포텐셜을 조사한다. 이론적 시뮬레이션은 피코세컨드 레이저 펄스가 잉크 층의 조사된 영역 주위로만 몇 마이크로미터까지 열 영향 영역을 제한함을 나타낸다. 이러한 예측은 실험적으로 확인되었다.After the priority date of this patent application, Theodorakos et al. described another laser sintering technique in "Selective Laser Sintering of Ag Nanoparticles Ink for Applications in Flexible Electronics," Applied Surface Science 336 (2015), pages 157-162. This document describes an efficient tool for selective laser sintering of Ag nanoparticle ink layers on flexible substrates, operating at 532 and 1064 nm, from three different laser sources: continuous wave (CW) or pulsed nanosecond and picosecond lasers. Investigate the potential for Theoretical simulations indicate that the picosecond laser pulse limits the heat-affected area to a few micrometers only around the irradiated area of the ink layer. This prediction was confirmed experimentally.
본 발명의 실시 예는 기판으로 레이저-기반 직접적인 기록을 위한 개선된 방법 및 시스템을 제공한다. Embodiments of the present invention provide an improved method and system for laser-based direct writing to a substrate.
본 발명의 한 실시 예에 따라, 기판상에 패턴이 만들어질 재료를 담고 있는 매트릭스로 기판을 코팅하고, 그리고 재료를 패턴 내에 완전히 신터링하지 않고 기판으로 재료의 접착이 패턴을 따라 발생하도록 펄스 에너지 비임이 패턴의 위치에 충돌하도록 향하게 함에 의해 한 패턴을 매트릭스 내에 고정시킴을 포함하는 제조 방법이 제공된다. 고정된 패턴 바깥 기판에 남아있는 매트릭스는 제거되며, 그리고 매트릭스를 제거한 뒤에, 패턴 내 재료가 신터링된다. In accordance with one embodiment of the present invention, a substrate is coated with a matrix containing a material to be patterned on the substrate, and pulse energy is applied so that adhesion of the material to the substrate occurs along the pattern without sintering the material completely into the pattern. A method of manufacturing is provided which includes fixing a pattern in a matrix by directing a beam to impinge on the location of the pattern. The matrix remaining on the substrate outside the fixed pattern is removed, and after removing the matrix, the material in the pattern is sintered.
일정 실시 예에서, 패턴으로 만들어질 상기 재료가 나노입자를 포함한다. 이 같은 실시 예에서, 나노입자 내 재료가 전기 전도성이며, 펄스 에너지 비임이 패턴을 고정시킨 후 트레이스 저항이 매트릭스를 제거한 후 패턴 내 재료의 완전한 신터링에 의해 달성될 최종 저항보다 10배 이상 이도록 선택된 에너지 플루엔스 및 반복률을 갖는 방사선 펄스를 포함한다. In certain embodiments, the material to be patterned comprises nanoparticles. In this embodiment, the material in the nanoparticles is electrically conductive, and the trace resistance after the pulsed energy beam immobilizes the pattern is selected to be at least ten times greater than the final resistance to be achieved by complete sintering of the material in the pattern after removing the matrix. Includes radiation pulses with energy fluence and repetition rate.
일반적으로, 펄스 에너지 비임을 향하게 하는 것은 에너지 비임의 펄스 시퀀스를 향하게 함을 포함하여 기판상의 위치 내 위치 각각에 충돌하게 함을 포함한다. In general, directing a pulsed energy beam includes directing a pulse sequence of energy beams to impinge each position in a position on a substrate.
상기 실시 예에서, 펄스 에너지 비임은 1MHz 이상, 바람직하게는 10MHz 이상의 펄스 반복률을 갖는다. In this embodiment, the pulsed energy beam has a pulse repetition rate of 1 MHz or higher, preferably 10 MHz or higher.
일반적으로, 매트릭스가 패턴이 만들어질 재료에 추가하여 유기 화합물을 포함하며, 펄스 에너지 비임을 향하게 하는 것이 재료를 패턴 내에 완전히 신터링하지 않고 매트릭스로부터 유기 화합물의 증발을 발생시키기 위해 선택된 펄스마다 플루엔스를 갖는 에너지 비임의 펄스 시퀀스를 향하게함을 포함한다. 패턴을 고정하는 데 적용된 펄스마다 플루엔스가 선택되어서 재료가 충분히 다공성으로 유지되고 유기 화합물의 증발로 인한 재료의 제거 또는 박리없이 재료 내 구멍을 통하여 유기 화합물이 증발하도록 한다. Generally, the matrix contains organic compounds in addition to the material from which the pattern will be made, and directing the pulsed energy beam fluences per pulse selected to cause evaporation of the organic compound from the matrix without completely sintering the material within the pattern. and directing a pulse sequence of an energy beam with For each pulse applied to hold the pattern, a fluence is selected such that the material remains sufficiently porous and the organic compound evaporates through the pores in the material without removal or delamination of the material due to evaporation of the organic compound.
일정 실시 예에서, 재료의 신터링이 기판상에 고정된 패턴에 벌크 신터링 처리를 적용함을 포함한다. 선택적으로, 재료의 신터링이 기판상에 고정된 패턴을 신터링하기 위해 펄스 에너지 비임의 추가 펄스들을 향하게 함을 포함한다. In some embodiments, sintering of the material includes applying a bulk sintering process to the pattern fixed on the substrate. Optionally, sintering the material comprises directing additional pulses of the pulsed energy beam to sinter the fixed pattern on the substrate.
상기 실시 예에서, 기판을 코팅함이 코팅된 기판을 조사(irradiating)하기 전에 기판상의 매트릭스를 건조시킴을 포함한다. 추가로 또는 선택적으로, 매트릭스를 제거함이 솔벤트를 가하여 고정된 패턴 바깥에 기판에 남아 있는 매트릭스를 제거하도록 함을 포함한다. In this embodiment, coating the substrate includes drying the matrix on the substrate prior to irradiating the coated substrate. Additionally or alternatively, removing the matrix includes applying a solvent to remove the matrix remaining on the substrate outside the fixed pattern.
본 발명의 한 실시 예에 따라, 기판상에 패턴이 만들어질 재료를 담고 있는 매트릭스로 기판을 코팅하고, 그리고 재료를 기판에 고정시키고 재료를 포인트에서 신터링하기에 충분한 플루엔스로 램프된 일시적인 프로필(ramped temporal profile)이 코팅된 기판상의 포인트에 충돌하도록 하는 펄스를 포함하는 펄스 에너지 비임을 향하게 함(directing)을 포함하는 제조방법이 제공된다. In accordance with one embodiment of the present invention, the substrate is coated with a matrix containing the material to be patterned on the substrate, and a transient profile ramped to a fluence sufficient to anchor the material to the substrate and sinter the material in point. A method is provided comprising directing a pulsed energy beam comprising a pulse such that a ramped temporal profile impinges on a point on a coated substrate.
상기 실시 예에서, 매트릭스가 기판에 고정된 재료에 추가하여 유기 화합물을 포함하며, 그리고 램프된 일시적인 프로필 그리고 플루엔스가 유기 화합물의 증발로 인해 재료의 제거 또는 박리가 일어나도록 하지 않고 재료를 신터링하기 전에, 매트릭스로부터 유기 화합물의 증발을 일으키도록 선택된다. 일정 실시 예에서, 재료가 나노입자를 포함하며, 재료를 신터링함이 포인트에서 나노입자의 퓨젼을 일으키도록 한다. In this embodiment, the matrix contains an organic compound in addition to the material fixed to the substrate, and the ramped transient profile and fluence sinter the material without causing removal or delamination of the material due to evaporation of the organic compound. Prior to this, it is selected to cause evaporation of organic compounds from the matrix. In certain embodiments, the material comprises nanoparticles, and sintering the material causes fusion of the nanoparticles at a point.
상기 실시 예에서, 펄스가 20ns 이하의 지속시간을 갖는다. In this embodiment, the pulse has a duration of 20 ns or less.
일정 실시 예에서, 펄스 에너지 비임을 향하게 함(directing)이 코팅된 기판상에 패턴을 만드는 포인트 시퀀스에 펄스가 충돌하도록 향하게 함에 의해 기판상에 재료의 패턴을 생성함을 포함한다. 시퀀스 포인트는 서로 겹쳐지지 않는다. 일반적으로, 이 같은 방법은 패턴을 생성한 후에, 패턴의 위치 바깥에 기판에 남아있는 매트릭스를 제거함을 포함한다. In some embodiments, directing a beam of pulsed energy includes creating a pattern of material on the substrate by directing the pulses to impinge on a sequence of points that creates a pattern on the coated substrate. Sequence points do not overlap each other. Generally, such methods include, after creating the pattern, removing the matrix remaining on the substrate outside the location of the pattern.
본 발명의 실시 예에 따라, 기판상에 패턴이 만들어질 재료를 담고 있는 매트릭스로 기판을 코팅하도록 구성된 코팅 머신을 포함하는 제조 시스템이 추가로 제공된다. 기록 머신(writing machine)은 재료를 패턴 내에 완전히 신터링하지 않고 기판으로 재료의 접착이 패턴을 따라 발생하도록 펄스 에너지 비임이 패턴의 위치에 충돌하도록 향하게 함에 의해 한 패턴을 매트릭스 내에 고정시키도록 구성된다. 매트릭스 제거 머신은 고정된 패턴 바깥 기판에 남아있는 매트릭스를 제거하도록 구성된다. 신터링 머신은 매트릭스를 제거한 뒤에, 패턴 내 재료를 신터링하도록 구성된다. In accordance with an embodiment of the present invention, there is further provided a manufacturing system comprising a coating machine configured to coat a substrate with a matrix containing a material to be patterned on the substrate. A writing machine is configured to fix a pattern in a matrix by directing a beam of pulsed energy to impinge on the location of the pattern so that adhesion of the material to the substrate occurs along the pattern without sintering the material completely into the pattern. . The matrix removal machine is configured to remove the matrix remaining on the substrate outside the fixed pattern. The sintering machine is configured to sinter the material in the pattern after removing the matrix.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따라, 기판상에 패턴이 만들어질 재료를 담고 있는 매트릭스로 기판을 코팅하도록 구성된 코팅 머신을 포함하는 제조 시스템이 더욱 제공된다. 기록 머신은 재료를 기판에 고정시키고 재료를 포인트에서 신터링하기에 충분한 플루엔스로 램프된 일시적인 프로필(ramped temporal profile)이 코팅된 기판상의 포인트에 충돌하도록 하는 펄스를 포함하는 펄스 에너지 비임을 향하게(direct) 하도록 구성된다. According to another embodiment of the present invention, there is further provided a manufacturing system comprising a coating machine configured to coat a substrate with a matrix containing a material to be patterned on the substrate. The writing machine directs a pulsed energy beam comprising pulses that cause a ramped temporal profile to strike a point on the coated substrate with sufficient fluence to fix the material to the substrate and sinter the material at the point ( direct).
본 발명은 도면을 참조로 한 다음 상세한 설명으로부터 완전히 이해될 것이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention will be fully understood from the following detailed description with reference to the drawings.
도 1은 본 발명 실시 예에 따라, 시스템 동작시 레이저-기반 직접 기록 및 단계들을 위한 시스템을 도시하는 개략적 도면이다.
도 2A-2E는 본 발명 실시 예에 따라, 패턴 형성 과정의 연속 단계로 도시된, 트레이스 패턴이 기록된 기판의 개략적인 평면도이다.
도 3A 및 3B는 본 발명 실시 예에 따라, 트레이스 형성 과정의 연속 단계로 도시된, 트레이스가 기록된 기판의 개략적인 단면도이다.
도 4A-4D는 본 발명 실시 예에 따라, 트레이스의 고정 중 연속 단계로 도시된, 트레이스가 기록된 기판의 개략적인 단면도이다.
도 4E는 본 발명 실시 예에 따라, 트레이스의 어닐링 다음에, 도 4A-4D의 기판 및 트레이스 개략적 단면도이다.
도 5는 본 발명 실시 예에 따라, 기판상에 기록된 트레이스의 고정과 이에 대한 손상에 대한 펄스 에너지 기준점들(pulse energy thresholds)의 상관 관계를 도시한 도면이다.
도 6A는 본 발명 실시 예에 따라, 가변 펄스 파라미터를 갖는 펄스 비임에 의해 점들이 포인트 어레이에 기록된 기판의 개략적인 평면도이다.
도 6B는 본 발명 실시 예에 따라, 일련의 포인트로 펄스 비임을 가함에 의해 기판상에 형성된 패턴의 개략적인 평면도이다. 1 is a schematic diagram illustrating a system for laser-based direct writing and steps in system operation, according to an embodiment of the present invention.
2A-2E are schematic plan views of a substrate on which a trace pattern has been recorded, shown as successive stages of the pattern formation process, in accordance with an embodiment of the present invention.
3A and 3B are schematic cross-sectional views of a substrate on which traces have been recorded, shown as successive stages of the trace formation process, in accordance with an embodiment of the present invention.
4A-4D are schematic cross-sectional views of a substrate on which a trace has been written, shown in successive steps during fixation of the trace, in accordance with an embodiment of the present invention.
4E is a schematic cross-sectional view of the substrate and traces of FIGS. 4A-4D following annealing of the traces, in accordance with an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating a correlation between pulse energy thresholds for fixing and damage to a trace recorded on a substrate according to an embodiment of the present invention.
6A is a schematic plan view of a substrate in which dots are written to an array of points by a pulsed beam with variable pulse parameters, in accordance with an embodiment of the present invention.
6B is a schematic plan view of a pattern formed on a substrate by applying a pulsed beam to a series of points in accordance with an embodiment of the present invention.
개관survey
앞서 설명된 PCT 특허 출원 PCT/IL2014/000014에서 설명된 바와 같이, 금속 잉크 및 다른 나노입자 소결가능 잉크에 대한 한단계의 직접적인 레이저 신터링이 충분히 균일한 결과를 제공하지 않는다. (용어 "나노입자"라 함은 본원 설명 및 청구범위에서 100nm 이하의 일차원 크기를 갖는 미세한 입자를 의미하도록 사용된다.) 이 같은 문제는 적어도 부분적으로는 로컬 신터링 처리 중에 발생되는 열 전달로부터 발생된다. 이 같은 조건하에서 균일하지 않은 열 확산은 열 변화를 발생시키며, 이는 다시 일관성이 없는 신터링을 발생시킨다. 이 같은 영향은 수 마이크론의 작은 금속 특징을 갖는 고 해상도 패터닝을 다루는 때 가장 심각해진다. 동시에, 금속 잉크의 직접적인 신터링은 수십 내지 수백 J/cm2 의 높은 레이저 플루엔스를 필요로 한다. As described in the previously described PCT patent application PCT/IL2014/000014, direct laser sintering in one step on metallic inks and other nanoparticle sinterable inks does not provide sufficiently uniform results. (The term “nanoparticle” is used in the description and claims herein to mean fine particles having a one-dimensional size of 100 nm or less.) This problem arises, at least in part, from heat transfer that occurs during the local sintering process. do. Non-uniform heat diffusion under these conditions causes thermal variations, which in turn result in inconsistent sintering. This impact is most severe when dealing with high-resolution patterning with metallic features as small as a few microns. At the same time, direct sintering of metallic inks is tens to hundreds of J/cm 2 of high laser fluence.
본원 발명의 실시 예에서, 기록하고 신터링하는 단계는 결과의 트레이스 균일함과 신뢰도를 향상시키도록 분리된다. 기판은 적절한 매트릭스로 코팅되며, 과다한 솔벤트를 제거하기 위해 코팅후 건조될 수 있다. (이 같은 매트릭스는 나노입자를 포함하는 잉크, 페이스트 또는 서스펜션을 포함하며, 본원 명세서에서 편의상 "NP 잉크"라 불린다.) 레이저와 같은 펄스 에너지 비임 소스가, 기판 위를 스캔하며, 나노입자를 완전히 신터링 하지 않고 요구된 패턴을 기록하도록 한다. 본원 명세서에서 그리고 청구범위에서 사용되는 바의 용어, "완전히 신터링 하지 않고"라 함은 매트릭스 벌크 내 나노입자가 서로 상당히 분리되어 있으며, 금속 나노입자의 경우, 이 같은 단계에서의 트레이스의 저항이 완전히 신터링 후 달성될 수 있는 최종 저항의 적어도 10 배 이상이도록 함을 의미하는 것이다. In an embodiment of the present invention, the recording and sintering steps are separated to improve trace uniformity and reliability of the result. The substrate is coated with a suitable matrix and can be dried after coating to remove excess solvent. (Such a matrix includes an ink, paste, or suspension comprising nanoparticles, and is referred to herein as “NP ink” for convenience.) A pulsed energy beam source, such as a laser, scans over the substrate and completely encapsulates the nanoparticles. Record the requested pattern without sintering. As used herein and in the claims, the term "completely not sintered" means that the nanoparticles in the matrix bulk are significantly separated from each other, and in the case of metal nanoparticles, the resistance of the traces at this stage is It is meant to be at least 10 times the final resistance that can be achieved after full sintering.
프로세스의 이 같은 단계에서, 에너지 비임이 패턴을 기록하며, 본원 명세서에서는 매트릭스 내 패턴을 "고정(fixing)"하는 것으로 언급된다. 실시 예에서, 비임이 기판에서 기록될 패턴의 위치를 스캔하며, 펄스의 시퀀스(또는 "버스트")가 패턴을 따라 기판으로 재료의 접착이 일어나기 위해서는 충분하지만, 완전한 신터링을 위한 임계값에는 못 미치는 플루엔스를 갖도록한다. 이 같은 고정 단계는 조사되지 않은 매트릭스와 관련하여, 매트릭스가 뒤이어 제거되는 것에 대하여는 매트릭스를 안정화한다. 이 같은 단계에서 펄스 조사의 사용은 매트릭스 내에 트랩된 가스의 신속한 팽창으로 인한 손상 가능성을 줄임에 의해 패턴 트레이스 품질을 향상시킨다. At this stage of the process, an energy beam records a pattern, referred to herein as “fixing” the pattern in the matrix. In an embodiment, the beam scans the position of the pattern to be written on the substrate, and a sequence (or "burst") of pulses is sufficient to cause adhesion of the material to the substrate along the pattern, but not below the threshold for complete sintering. Mitch to have fluence. This fixation step, in relation to the unirradiated matrix, stabilizes the matrix against subsequent removal of the matrix. The use of pulsed irradiation in this step improves the pattern trace quality by reducing the potential for damage due to the rapid expansion of the gas trapped within the matrix.
이 같은 고정 단계 동안, 나노입자가 완전히 신터링 되기 전에, 재료가 충분히 다공성이어서 매트릭스 내 유기 화합물이 재료 내 구멍을 통해 증발하는 것을 허용하도록 하며, 따라서 그렇지 않으면 유기 화합물의 지나치게 빠른 증발에 의해 발생될 재료의 제거 또는 박리를 막는다. 이 같은 종류의 조절될 증발을 보장하기 위해, 레이저(또는 다른 에너지 소스)가 펄스 시퀀스를 향하게 하여 높은 반복률- 가령, 적어도 1 MHz, 그리고 가능하다면 10 MHz 이상의, 반복률로 패턴 내 위치 각각에 충돌하도록 한다. 펄스 당 풀루엔스는 매트릭스의 요구된 다공성이 고정이 완성될 때까지 유지되도록 선택된다. During this immobilization step, before the nanoparticles are completely sintered, the material is sufficiently porous to allow the organic compounds in the matrix to evaporate through the pores in the material, which would otherwise be caused by excessively rapid evaporation of the organic compounds. Prevents material removal or delamination. To ensure this kind of controlled evaporation, a laser (or other energy source) is directed at a pulse sequence so that it strikes each position in the pattern at a high repetition rate - such as at least 1 MHz, and possibly at least 10 MHz, at a repetition rate. do. The luens per pulse is chosen such that the required porosity of the matrix is maintained until immobilization is complete.
패턴이 이와 같은 방식으로 고정된 뒤에, 매트릭스가 모든 고정되지 않은 영역에서 제거되며, 안정된 패턴만이 남도록 한다. 이 같은 제거는 가령 화학적 솔벤트의 적용 또는 방사선 제거에 의해 달성될 수 있다. 일반적으로, 기판은 벌크 신터링 처리에서 균일하게 가열되어 남아 있는 패턴 내 나노입자들을 신터링하도록 한다. 이 같은 방법은 직접적인 레이저 신터링이 사용되는 때 통상적으로 맞게 되는 불균일과 대비하여 균일한 금속화를 달성한다. 이 같은 방법은 또한 두꺼운 라인을 프린팅하는 데에 특히 유용한데, 레이저 고정 단계가 완전한 레이저 신터링 보다 두께에 덜 민감하기 때문이며, 가령, 오븐 내 벌크 신터링은 두꺼운 잉크 트레이스 상에서 잘 작용한다. After the pattern is fixed in this way, the matrix is removed from all unfixed areas, leaving only the stable pattern. This removal can be achieved, for example, by application of a chemical solvent or by radiation removal. In general, the substrate is uniformly heated in the bulk sintering process to sinter the remaining nanoparticles in the pattern. This method achieves uniform metallization in contrast to the non-uniformities typically encountered when direct laser sintering is used. This method is also particularly useful for printing thick lines, since the laser fixing step is less sensitive to thickness than full laser sintering, eg bulk sintering in an oven works well on thick ink traces.
따라서 이들 실시 예는 종래의 방법보다 단계가 적은 단순하고 빠른 금속화 프로세스를 제공한다. 이 같은 프로세스의 제1단계는 상대적으로 낮은 레이저 파워만을 포함한다. 이어서, 실제 금속화 단계-벌크 신터링 프로세스-는 높은 플루엔스를 필요로 하며, 높은 파워 플래시 램프 또는 높은 파워 레이저 또는 레이저 어레이에 의한 열 소스 또는 라이트 스트립 조명과 같은, 큰 면적 커버리지를 갖는 높은 파워 소스를 사용하여 수행될 수 있다. 이들 실시 예가 한 단계 직접적인 레이저 신터링과 관련된 높은 로컬 온도를 피하기 때문에, 이들은 플라스틱 및 포일과 같은, 섬세하고 유연한 기판의 패턴닝에 사용하는 데 적절하다. Accordingly, these embodiments provide a simple and fast metallization process with fewer steps than conventional methods. The first step of this process involves only a relatively low laser power. Then the actual metallization step - the bulk sintering process - requires high fluence and high power with large area coverage, such as high power flash lamps or high power lasers or heat sources or light strip illumination by laser arrays. This can be done using the source. Because these embodiments avoid the high local temperatures associated with one-step direct laser sintering, they are suitable for use in the patterning of delicate and flexible substrates, such as plastics and foils.
다른 실시 예에서, 펄스 레이저(pulsed laser) 또는 다른 에너지 비임이 신터링 및 고정을 위해 사용된다. 이 같은 경우, 본원 발명자들은 램프된 일시적인 프로필(ramped temporal profile)을 갖는 펄스들이 시간 경과에 따른 세기가 거의 균일한(구형파 펄스와 같은), 종래의 펄스보다 상당히 좋은 결과를 달성함을 발견하였다. 램프된 일시적인 프로필은 이것이 나노입자 재료를 신터링 전에 기판상에 코팅된 매트릭스로부터 유기 화합물의 증발을 일으킨다는 점에서 바람직하다. 펄스의 일시적인 프로필 및 플루엔스는 이 같은 영향을 향상시키기 위해 따라서 유기 화합물의 증발로 인해 패턴된 재료의 제거 또는 박리를 위해 선택된다. 이들 단일-단계 실시 예는 기판상에 개별적인 신터링 점들을 생성하고 이 같은 점들로부터 만들어진 패턴을 만드는 데 특히 적절하다(유일한 해결이 아니더라도).In another embodiment, a pulsed laser or other energy beam is used for sintering and immobilization. In this case, the inventors have found that pulses with a ramped temporal profile achieve significantly better results than conventional pulses, with nearly uniform intensity over time (such as square wave pulses). A ramped transient profile is desirable in that it causes evaporation of organic compounds from the matrix coated on the substrate prior to sintering the nanoparticle material. The temporal profile and fluence of the pulses are chosen to enhance this effect and thus for removal or exfoliation of the patterned material due to evaporation of organic compounds. These single-step embodiments are particularly suitable (if not the only solution) for creating individual sintering dots on a substrate and creating patterns made from such dots.
본 발명의 실시 예에서 직접적인 기록을 위한 펄스 레이저(pulsed laser for direct writing)(고정 또는 직접적인 신터링을 위한)의 사용은 디지털 이미지 기술에서 처럼, 적응성 레지스트레이션(adaptive registration) 가능성으로, 높은 해상도를 달성한다. 공개된 기술에 의해 생성된 금속 라인 및 다른 특징은 수 마이크론과 같은 작은 폭을 달성할 수 있다. 이 같은 해상도는 1-2㎛, 또는 그 이하의 레인지로 초점이 맞춰질 수 있는 레이저 점 크기만으로 제한된다. 라인 정의의 이 같은 해상도는 그리고 품질은 스캔 중에 레이저의 파라미터를 튜닝함에 의해 개선될 수 있다. 임의의 패턴이 이 같은 방식으로 작성되며, 컴퓨터-지원 디자인 및 제조(CAD/CAM) 데이터로부터 직접 작업 된다. The use of a pulsed laser for direct writing (for fixed or direct sintering) in an embodiment of the present invention achieves high resolution, with the possibility of adaptive registration, as in digital image technology. do. Metal lines and other features created by published techniques can achieve widths as small as a few microns. This resolution is limited only to the size of the laser spot that can be focused in the range of 1-2 μm or less. This resolution and quality of the line definition can be improved by tuning the parameters of the laser during the scan. Arbitrary patterns are created in this way and worked directly from computer-aided design and manufacturing (CAD/CAM) data.
일정 실시 예에서, 기록 및 신터링의 전체 주기는 기판을 접촉함이 없이 수행된다. 이 같은 특징은 태양 전지 및 전자 플라스틱 전자 포일의 제조와 같은 적용에 특히 유익하다. In some embodiments, the entire cycle of writing and sintering is performed without contacting the substrate. This feature is particularly beneficial for applications such as the manufacture of solar cells and electronic plastics electronic foils.
본원 명세서에서 설명된 기술의 다른 적용은, 가령 액정과 유기 발광 다이오드(OLED) 디스플레이를 위한 디스플레이 백-엔드 금속화, 터치 스크린 금속화, OLED 조명 장치의 분로, 그리고 플라스틱 포일 상의 인쇄 전자 회로 및 장치를 포함한다. 본원 명세서에서 설명된 기술은 특히 -금속뿐 아니라, 반도체 및 유전체 입자(세라믹 입자와 같은)를 포함하는- 다양한 유전체, 세라믹, 반도체, 폴리머, 종이 및 금속 기판상에 다양한 NP 재료로 패턴을 기록하는 곳에 유사하게 적용될 수 있다. Other applications of the techniques described herein include, for example, display back-end metallization for liquid crystal and organic light emitting diode (OLED) displays, touch screen metallization, shunting of OLED lighting devices, and printed electronic circuits and devices on plastic foils. includes The techniques described herein are particularly useful for recording patterns in various NP materials on various dielectric, ceramic, semiconductor, polymer, paper and metal substrates - including metal as well as semiconductor and dielectric particles (such as ceramic particles). It can be applied similarly where
비록 본원 발명의 실시 예가 단일 금속 층 형성을 언급하고 있으나, 선택적인 실시 예에서, 트레이스는 각 층에서 사용된 동일한 또는 상이한 잉크를 사용하여 본 발명 기술의 적절한 반복에 의해 다수 층에서 기록될 수 있기도 하다. Although embodiments of the present invention refer to the formation of a single metal layer, in alternative embodiments, traces may be written in multiple layers by appropriate repetition of the inventive technique using the same or different inks used in each layer. do.
시스템 설명System Description
도 1 및 2A-2E는 본 발명 실시 예에 따라, 레이저-기반 직접 기록 시스템(20) 및 처리를 개략적으로 도시한다. 도 1은 시스템(20)에 의해 수행된 처리에서 컴포넌트 장치와 단계를 도시하는 도면이다. 도 2A 내지 도 2E는 상기 처리의 연속적인 단계로 도시된, 시스템(20)에서 트레이스 패턴이 기록되는 기판(22)의 개략적인 평면도이다. 앞서 언급한 바와 같이, 기판(22)은 예를 들면, 유리 또는 다른 유전체, 세라믹, 반도체, 플라스틱 포일 또는 다른 중합체 재료, 종이 또는 금속을 포함할 수 있다. 1 and 2A-2E schematically illustrate a laser-based
처음에는, 코팅 머신(24)이 기판(22)(도 2A)을 금속 나노입자(NP) 잉크, 금속 NP 페이스트, 또는 금속 컴플렉스 잉크 또는 페이스트와 같은, 균일한 두께의 매트릭스 층(28)으로 코팅한다(도 2B). 이와 같은 잉크 또는 페이스트로는 가령, 은, 구리, 니켈, 팔라듐, 및/또는 금 나노입자, 그리고 이 같은 금속들의 합금, 또는 실리콘 또는 나노-세라믹 입자와 같은 비금속 나노입자를 포함한다. 매트릭스 층(28)은 두께는 약 0.2㎛ 내지 10㎛ 이상으로 필요한 최종 결과에 따라 변할 수 있다. 코팅 머신(24)은 스크린 프린팅, 슬롯-다이 또는 바 코팅, 스프레이 코팅, 그라비어 인쇄, 또는 스핀 코팅과 같은, 당해 기술에서 알려진 적절한 면적 코팅 기술을 적용할 수 있다. Initially, coating
선택적으로, 건조 머신(26)은 기판(22)에 가해진 매트릭스를 건조시킨다. 코팅 머신(24)에 의해 가해진 잉크 또는 페이스트는 많은 양의 솔벤트를 포함하며, 이 같은 단계에서의 금속 용적 측정 내용은 단지 약 40%이다. 따라서 매트릭스의 안정도를 높이고 솔벤트로의 레이저 에너지의 손실을 줄이기 위해 레이저 스캐닝 단계 이전에 매트릭스를 건조시키는 것이, 비록 강제적인 것은 아니라 하여도, 바람직한 것이다. 가능한 건조 방법으로는 저온 베이킹(대류 또는 복사에 의해), 공기 흐름, 진공 건조, 또는 이들 기술의 조합을 포함한다. Optionally, drying
레이저 기록 머신(30)은 도 2C에서 도시된 바와 같이, 매트릭스(28)에 트레이스(42) 패턴을 고정한다. 일반적인 실시에서, 기판상에 코팅된 매트릭스를 갖는 기판(22)은 적절한 테이블(34) 상에 장착되며, 비임 스캐너(36)가 기판 위에 펄스 레이저(32)(또는 다른 적절한 펄스 에너지 소스) 비임을 스캔한다. A
레이저(32)는 필름상의 정해진 위치에 잘-규정된 순서의 레이저 펄스에 매트릭스를 노출 시킴에 의해 매트릭스 내에 요구된 패턴을 "기록한다". 패턴은 메모리(40) 내에 저장된 적절한 CAD/CAM 데이터를 기초로 하여 컨트롤러(38)에 의해 결정된다. 파장, 점 크기, 플루엔스(fluence), 지속시간, 펄스 형상, 스캔 속도 그리고 반복률을 포함하는 펄스 파라미터가 선택되어서 하기에서 더욱 설명되는 바와 같은 패턴을 품질을 가장 적합하게 한다. 높은 처리량을 위해, 다수의 레이저 비임(도 1에서 도시한 바와 같이, 멀티플 레이저에 의해, 또는 단일 하이-파워 펄스 레이저 비임을 서브비임으로 분할함에 의해 발생 된)이 기판의 다른 영역 위에서 동시에 스캔 될 수 있으며, 비임 각각이 독립적으로 컨트롤 된다.
다양한 종류의 레이저 그리고 레이저 시스템이 레이저 기록 머신(30)에서 사용될 수 있다. 실시 예에서, 레이저 다이오드 소스는 높은 속도로 직접 변조되어서 1 내지 수십 나노세컨드의 시간 스케일로 요구된 형상의 펄스를 방출하도록 한다. 이 같은 실시 예에서, 펄스 형상은 램핑되며(ramped)(하기 더욱 설명하는 바와 같이), 램핑 시간은 트레이스 두께에 맞도록 조정된다. 펄스 파라미터는 또한 트레이스 폭에 따라 조정되며, 매우 좁은 라인이 필요한 때 짧은 펄스가 사용된다. 펄스 파라미터의 선택은 또한 머신(30)이 벌크 신터링에 의해 뒤이어 질, 고정(fixation)을 위해서만 사용되는가, 또는 레이저(32)가 트레이스를 완전히 신터링하기 위해 사용되는가에 달려있다. Various types of lasers and laser systems may be used in the
선택적으로, CW 필터 레이저와 같은, CW 레이저 소스가 요구된 높은 반복률로 변조되어서 요구된 펄스 비임을 제공할 수 있다. 전기-광학 및 음향 광학 변조기와 같은 빠른 외부 변조기가 이 같은 목적으로 사용될 수 있다. Optionally, a CW laser source, such as a CW filter laser, may be modulated at the desired high repetition rate to provide the desired pulsed beam. Fast external modulators such as electro-optical and acousto-optic modulators can be used for this purpose.
도 3A는 본 발명의 한 실시에 따라, 기록 머신(30)에 의해 매트릭스(28) 내에 고정된 한 트레이스(42)를 도시하는 걔략적인 단면도이다. 트레이스(42)는 이 같은 단계에서 많은 양의 신터링된 금속을 포함하지 않으며, 레이저 노출(광 및 열 효과의 결과)로 인해 주변 매트릭스(28) 보다 기판(22)에 더욱 부착되며 기판(22)으로부터의 제거에 대하여 안정적이다. 3A is a schematic cross-sectional view showing one
상기 설명하는 바와 같이, 기록 머신(30)의 레이저 파라미터는 매트릭스 특성에서의 요구된 로컬 변경을 제공하도록 선택된다. 최적의 파라미터는 정확한 매트릭스 재료 그리고 크기 및 선택된 기록 방법에 따라 변경될 것이며, 실제 테스트 및 평가에 의해 각 경우에 결정될 것이다. 어떠한 경우에서든, 이 같은 단계에서 가해진 파워는 매트릭스 내 나노입자의 완전한 신터링을 위해 요구된 것보다는 훨씬 적다. As explained above, the laser parameters of the writing
조사 후, 매트릭스 제거 머신(44)은 기판(22) 전체 영역으로부터 고정되지 않은 매트릭스(28)를 제거하며, 트레이스(42)만을 남긴다(도 2D). 머신(44)은 솔벤트 배스(solvent bath)를 포함할 수 있으며, 가령, 이 같은 솔벤트 배스에 기판이 담겨져서 패턴 바깥 매트릭스를 제거하도록 한다. 선택적으로 또는 추가적으로, 머신(44)은 고정되지 않은 매트릭스의 화학적 또는 물리적 제거와 같은 다른 종류의 제거 기술을 적용할 수 있다. After irradiation, the
도 3B는 미신(44)에 의해 매트릭스(28)의 제거가 있은 뒤에 기판(22)에 남아있는 트레이스(42)에 대한 개략적인 단면도이다. 3B is a schematic cross-sectional view of
마지막으로, 매트릭스 제거 후 기판(22)에 남아 있는 트레이스(42)가 신터링 머신(46)에서 신터링되며, 도 2E에서 도시된 바와 같이 신터링된 트레이스(50)를 제공한다. 신터링 머신(46)은 기판(22)이 그와 같은 처리에 적합하면(가령, 글레스 기판의 경우처럼), 종래의 신터링 오븐을 포함할 수 있다. 선택적으로, 신터링 머신(46)은 플라스틱 포일과 같은 민감한 기판에 적합한, 광 신터링을 사용할 수 있다. 더욱 선택적으로, 가령 플라즈마 신터링 또는 마이크로 신터링과 같은 다른 신터링 방법은 민감한 기판에 적절하며, 플라즈마 신터링 또는 마이크로 신터링 모두는 아래 높인 플라스틱 기판에 손상을 입히지 않고 금속 잉크 패턴을 신터링 할 수 있다. Finally, the
일반적으로, 산화하기 쉬운 다른 금속을 포함하는 잉크뿐 아니라, 구리가 쉽게 산화하는 경향 때문에, 구리 잉크를 처리하는 때는, 광 신터링(또는 마이크로파 또는 플라즈마 신터링)이 오븐 신터링 뒤에 바람직하다. 구리 잉크의 오븐 신터링은 적절한 대기(즉, 비-산화 대기 및/또는 환원 대기)에서 사용될 수 있다. In general, when processing copper inks, optical sintering (or microwave or plasma sintering) is preferred after oven sintering because of the tendency of copper to oxidize easily, as well as inks containing other metals that are susceptible to oxidation. Oven sintering of copper ink may be used in a suitable atmosphere (ie, a non-oxidizing atmosphere and/or a reducing atmosphere).
도 1에서 도시된 바와 같은 신터링 머신(46)은 광 신터링을 사용하며, 고 강도 광학 소스(48)가 기판(22) 표면위로 스캔된다. 소스(48)는 가령, 행으로 배열된 또는 스택으로 배열된 레이저 다이오드 바아 콜렉션을 포함하며, 따라서 큰 영역 위에서도 요구된 플루엔스를 제공한다. 수 킬로와트의 평균 파워가 근 적외선 레인지(대략 800-1000 nm)의 상업적으로 구매 가능한 레이저 다이오드를 사용하여 달성될 수 있다. 상업적으로 구매 가능한 레이저 다이오드는 Oclaro Inc. (San Jose, California), Coherent Inc. (Santa Clara, California), 또는 Jenoptik (Jena, Germany)이다. A sintering
본원 명세서 다음 섹션은 매트릭스(28) 내에 요구된 패턴을 고정하기 위해 기록 머신(30)에 의해 적용될 수 있는 방법을 설명한다. 도 6A 및 6B에서 도시된 선택적인 실시 예에서, 기록 머신(30)은 패턴을 만드는 기판상의 표적 포인트로 충분한 에너지를 적용함에 의해 신터링을 수행할 수 있다. 이 같은 경우, 분리된 신터링 머신(46)은 요구되지 않는다. 본원 명세서에서 설명된 기술은 상기 언급한 PCT 특허 출원 PCT/IL2014/000014에서 설명된 재료 및 방법, 그리고 당업자에게 알려진 다른 적절한 재료 및 방법에서 설명된 재료와 방법과 관련하여 적용될 수 있다. The following section of this specification describes a method that may be applied by the writing
펄스 레이저 패턴 고정(pulsed laser pattern fixation)pulsed laser pattern fixation
도 4A-4E는 본 발명의 실시 예에 따라 기판에서 트레이스(52)를 기록하는 연속 단계에 대한 기판(22)의 개략적인 단면도이다. 도 4A-4D는 트레이스의 고정 중에 연속적으로 매트릭스(28)를 도시하며, 도 4E는 어닐링에 이어서 트레이스(52)를 도시한다. 4A-4E are schematic cross-sectional views of a
특히, 도 4A-4D는 매트릭스(28) 내 정해진 위치로 레이저(32)에 의한 보내진 펄스 버스트의 누적 영향을 도시한다. 프로세스 시작 시에, 나노입자(50)가 상당한 양의 휘발성, 유기 성분 매트릭스(28) 내에 서스펜드된다. 연속적인 레이저 펄스 각각이 매트릭스를 가열하며 추가의 유기 성분을 증발시켜서, 매트릭스(28) 내 나노입자(50)의 밀도가 한 펄스로부터 다음으로 증가 되도록 한다. 그러나 매트릭스 및 기판 내 가열의 확산으로 인해, 밀도의 증가가 매트릭스 볼륨에서 거의 균일하다. 따라서, 도 4D에서 도시한 바와 같이, 구멍들이 매트릭스(28) 내 나노입자(50)들 사이에 남아 있으며, 유기 재료 거의 전부가 매트릭스로부터 제거된 이후에도, 이들 구멍들을 통하여 증발 재료가 사라질 수 있다. 뒤이은 신터링 단계 중에, 도 4E에서 도시한 바와 같이, 나노입자들이 용융되어서 트레이스(52)를 생성하도록 한다. In particular, FIGS. 4A-4D show the cumulative effect of a burst of pulses sent by the
이와 달리, 발명자들은 CW 레이저가 패턴 고정을 위해 사용되는 때, 나노입자 밀도는 특별히 매트릭스의 상부 층에서 증가하며, 유기 재료가 아래에 트랩됨을 발견하였다. 이들 트랩된 유기 재료를 가열함은 신속하고 폭발적인 증발을 일으킬 수 있으며, 주변 나노입자 재료를 제거 또는 박리하도록 하고, 따라서 기판상에 형성된 트레이스의 품질을 떨어뜨린다. In contrast, the inventors found that when a CW laser is used for pattern immobilization, the nanoparticle density increases especially in the upper layer of the matrix, and the organic material is trapped underneath. Heating these trapped organic materials can cause rapid and explosive evaporation, removing or exfoliating the surrounding nanoparticle material, thus degrading the quality of the traces formed on the substrate.
이와 달리, 펄스 방사선이 고정을 위해 사용되는 때, 펄스 버스트 중에 매트릭스(28)의 유기 성분 점진적인 증발을 촉진하기 위해 펄스 파라미터가 선택되며, 나노입자(50)의 상부 층이 고형화되는 것을 피하도록 한다. 발명자들은 가장 좋은 결과를 제공하기 위해, 약 1ns 내지 수십 나노 세컨드 레인지인 펄스 폭을 갖는 짧은 펄스를 발견하였다. 트레이스의 신속한 고정 따라서 높은 처리량을 달성하기 위해 높은 반복률 - 적어도 1MHz, 가능하면 10MHz 또는 그 이상이 바람직하다. 펄스 플루엔스 및 다른 파라미터는 트레이스에 대한 손상 없이 가능한 한 처리량을 최대화하도록 선택 된다. In contrast, when pulsed radiation is used for immobilization, the pulse parameters are chosen to promote gradual evaporation of the organic components of
도 5는 본 발명의 실시 예에 따라, 레이저 펄스에 의한 트레이스 고정을 위한 작업 윈도우를 도시하는 도면이다. 도면 내 데이터 포인트들은 가로축에서 기판(22)에 정해진 포인트로 가해진 펄스 수를 도시하며, 세로축에서는 펄스당 에너지 플루엔스를 도시한다. 아래측 곡선(60)은 정해진 펄스 수에 대하여, 매트릭스 내에 패턴을 고정하기 위해 요구된 최소 플루엔스를 나타낸다. 다시 말해서, 정해진 포인트에서의 펄스가 명시된 펄스 수에 대하여 이와 같은 최소 플루엔스를 갖는한, 고정 단계 이후 매트릭스는 포인트로부터 제거되지 않을 것이다. 상측 곡선(62)은 정해진 펄스 수에 대하여, 트레이스에 손상을 주지않고 사용될 수 있는 최대 플루엔스를 나타낸다. 이 같은 플루엔스 레벨 이상에서, 매트릭스를 신속하게 가열하면, 제거 및/또는 박리를 발생시키도록 한다. 5 is a diagram illustrating a work window for fixing a trace by a laser pulse according to an embodiment of the present invention. The data points in the figure show the number of pulses applied to a given point on the
따라서, 곡선(60, 62)은 매트릭스의 펄스에 의한 고정에 대한 작업 윈도우( working window)를 정의한다. 도 5에서 도시한 바와 같이, 더욱 많은 수의 낮은-플루엔스 펄스는 더욱 넓은 윈도우를 제공하며 따라서 더욱 큰 레인지의 프로세스 오차를 허용한다. 이 같은 바운드(경계) 내에서, 위치 각각에 적용된 펄스 플루엔스 및 펄스의 수는 프로세스 처리량을 최대로 하면서 요구된 견고한 고정을 제공하도록 선택된다. Thus, curves 60 and 62 define the working window for the pulsed fixation of the matrix. As shown in Figure 5, a larger number of low-fluence pulses provides a wider window and thus allows for a larger range of process error. Within these bounds, the pulse fluence and number of pulses applied to each position are chosen to provide the required robust fixation while maximizing process throughput.
최적의 선택은 또한 레이저 파장 및 점 크기(spot size) 뿐 아니라, 매트릭스(28)의 두께 및 조성과 같은 다른 프로세스 파라미터에 달려있다. 460nm 두께인 매트릭스 필름에서 980nm로 동작하는 다이오드 레이저를 사용하여 곡선(60, 62)이 발생되었다. 선택적으로, 자외선, 가시광선, 또는 적외선 범위의 다른 부분 펄스 레이저가 사용딜 수 있다. 패턴을 고정하기 위해 요구된 펄스의 수(곡선(60)에 의해 반영된)는 필름 두께와 관련하여 기하급수적으로 크기가 변동되는 경향이 있다. The optimal choice also depends on the laser wavelength and spot size, as well as other process parameters such as the thickness and composition of the
펄스 레이저 신터링(pulsed laser sintering)pulsed laser sintering
도 6A는 본 발명 실시 예에 따라, 가변 펄스 파라미터를 갖는 펄스 비임에 의해 점들(74, 78)이 포인트 어레이에 기록된 기판의 개략적인 평면도이다. 이 같은 실시 예에서, 기판은 나노입자 재료를 포함하는 매트릭스로 코팅되었다. 펄스 레이저 비임은 재료를 기판에 고정하고 포인트에서 재료를 신터링하기에 충분한 플루엔스로 어레이 내 기판의 각 포인트에 충돌하도록 향하여진다. 이 같은 경우 레이저 비임은 펄스 모드에서 980 nm로 동작하는 다이오드 레이저이다. 점(74, 78)을 생성하는 데 적용된 레이저 펄스의 피크 파워는 도 6A에서 도시된 어레이 저부로부터 상부로 가면서 증가하였으며, 펄스 지속시간은 좌에서 우로 가면서 증가하였고, 최대 펄스 시간은 약 20ns로 정해졌다. 유사한 결과가 다른 파형에 대하여도 얻어진다. 6A is a schematic plan view of a substrate in which
두 상이한 펄스 프로필이 도 6A에서 도시된 점들을 신터링하는 데 사용되었다: 직사각 펄스 프로필(70)이 신터링 점(74)에서 사용되었고, 램프 펄스 프로필(72)이 신터링 점(78)에서 사용되었다. 프로필(72)은 펄스의 즉각적인 파워가 펄스 지속시간동안 점진적으로 증가한다는 점에서 "램핑(ramped)"되며, 가장 큰 파워가 펄스의 후연 가장자리 가까이에서 발생된다. 램핑된 일시적인 프로필 및 램핑된 펄스의 플루언스가 선택되어 나노입자 재료를 신터링하기 전에 매트릭스로부터 유기 화합물의 증발이 발생되도록 하며, 유기 화합물의 폭발적인 증발로 인한 재료의 제거 또는 박리가 일어나지 않도록 한다. 램핑된 프로필의 이 같은 장점 효과는 점(78)으로 도시된 바와 같이, 피크 파워 및 펄스 지속시간의 넓은 범위에 걸쳐 볼 수 있다. 이와 달리, 프로필(70)을 사용하여 생성된 점들(74)은 나노입자 재료의 제거 및 박리로 인한 손상의 영역(76)을 나타낸다. Two different pulse profiles were used to sinter the points shown in FIG. 6A: a
램핑된 프로필(72)은 기판상에서 단일 신터링된 점들을 생성하는 데 특히 유용하다. 이들 점들은 매트릭스의 근접 영역에서 비임 에너지의 횡단방향 열 퍼짐으로 인해 레이저 비임 보다 더욱 큰 직경을 가질 것이다. (최초 포인트가 아닌 라인 내 포인트 각각이 이전의 포인트가 신터링 되는 때 사전에 가열되기 때문에, 램프된 비임 프로필은 라인 스캐닝에서 덜 중요하다.) 이 같은 점의 단일 점들은 코팅된 기판에서 패턴을 만드는 포인트 시퀀스에 충돌하도록 레이저 펄스를 향하게 함에 의해 기판에서 한 패턴을 생성하도록 사용될 수 있다. 점 각각이 이를 고정하고 신터링하는 데 사용된 레이저 비임보다 큰 영역을 가지므로, 이 같은 시퀀스 포인트들은 서로 겹쳐지지 않을 수 있다. 즉, 이웃하는 점들을 생성하기 위해 사용된 레이저 펄스의 비임 영역이 겹쳐질 필요가 없다. 이와 같이 하여 패턴을 생성한 후에, 패턴의 위치 바깥에 기판에 남아 있는 매트릭스는 이전의 실시 예에서 제거된다. Ramped
도 6B는 본 발명의 실시 예에 따라, 포인트(82) 시퀀스로 펄스 비임을 적용함에 의해 기판상에 형성된 패턴(80)의 개략적인 평면도이다. 이 같은 실시 예에서, 패턴(80)은 포인트(82) 자체가 겹쳐지지 않는다 해도, 점(78)의 겹쳐짐에 의해 형성된 라인을 포함한다. 요구된 형태의 패턴은 이와 같이 하여 효율적으로 생성될 수 있다. 6B is a schematic plan view of a
상기 설명된 실시 예는 일례로서 설명된 것이며, 본원 발명이 이 같은 예로 제한되는 것은 아니다. 본원 발명의 보호 범위는 상기 설명된 다양한 특징의 조합 그리고 하위 조합을 포함하며, 상기 설명을 참조하여 당업자라면 알 수 있으며 종래 기술에서 설명되지 않은 다양한 특징 및 수정 및 변동을 포함한다. The above-described embodiments have been described as examples, and the present invention is not limited to these examples. The protection scope of the present invention includes combinations and sub-combinations of various features described above, and includes various features and modifications and variations that can be known to those skilled in the art with reference to the above description and are not described in the prior art.
Claims (38)
기판 상에 패터닝될 재료를 포함하는 매트릭스로 상기 기판을 코팅하는 단계;
상기 재료를 패턴 내에 완전히 신터링하지 않고 상기 재료의 접착이 상기 기판에 상기 패턴을 따라 발생하도록, 펄스 에너지 비임(pulsed energy beam)을 상기 패턴의 궤적(locus) 상에 충돌시키도록 지향시키는 것에 의해 상기 패턴을 상기 매트릭스 내에 고정시키는 단계;
상기 고정된 패턴의 바깥으로 상기 기판 상에 남아있는 상기 매트릭스를 제거하는 단계; 및
상기 매트릭스를 제거한 후에, 상기 패턴 내 재료를 신터링하는 단계
를 포함하고,
상기 패터닝될 재료는 나노입자를 포함하고, 상기 나노입자 내 재료는 전기 전도성이고, 상기 펄스 에너지 비임은, 상기 패턴을 고정시킨 후의 트레이스 저항이 상기 매트릭스를 제거한 후 상기 패턴 내 재료의 완전한 신터링에 의해 달성될 최종 저항보다 적어도 10배 이상임을 유지하도록 선택된 에너지 플루엔스(energy fluence) 및 반복률(repetition rate)을 가지는 방사선 펄스를 포함하고, 상기 펄스 에너지 비임은 적어도 1MHz 이상의 펄스 반복률을 가지는 것인, 제조 방법. A manufacturing method comprising:
coating the substrate with a matrix comprising a material to be patterned on the substrate;
By directing a pulsed energy beam to impinge on a locus of the pattern such that adhesion of the material occurs along the pattern to the substrate without sintering the material completely into the pattern. fixing the pattern in the matrix;
removing the matrix remaining on the substrate outside the fixed pattern; and
after removing the matrix, sintering the material in the pattern;
including,
wherein the material to be patterned comprises nanoparticles, the material in the nanoparticles is electrically conductive, and the pulsed energy beam is such that the trace resistance after fixing the pattern is sufficient for complete sintering of the material in the pattern after removing the matrix. a radiation pulse having an energy fluence and a repetition rate selected to remain at least ten times greater than the final resistance to be achieved by manufacturing method.
기판 상에 패터닝될 재료를 포함하는 매트릭스로 상기 기판을 코팅하도록 구성된 코팅 머신;
상기 재료를 패턴 내에 완전히 신터링하지 않고 상기 재료의 접착이 상기 기판에 상기 패턴을 따라 발생하도록, 펄스 에너지 비임을 상기 패턴의 궤적 상에 충돌시키도록 지향시키는 것에 의해 상기 패턴을 상기 매트릭스 내에 고정시키도록 구성된 기록 머신;
상기 고정된 패턴의 바깥으로 상기 기판 상에 남아있는 상기 매트릭스를 제거하도록 구성된 매트릭스 제거 머신; 및
상기 매트릭스의 제거 후에, 상기 패턴 내 재료를 신터링하도록 구성된 신터링 머신을 포함하고,
상기 패터닝될 재료는 나노입자를 포함하고, 상기 나노입자 내 재료는 전기 전도성이고, 상기 펄스 에너지 비임은, 상기 패턴을 고정시킨 후의 트레이스 저항이 상기 매트릭스를 제거한 후 상기 패턴 내 재료의 완전한 신터링에 의해 달성될 최종 저항보다 적어도 10배 이상임을 유지하도록 선택된 에너지 플루엔스 및 반복률을 가지는 방사선 펄스를 포함하고, 상기 펄스 에너지 비임은 적어도 1MHz 이상의 펄스 반복률을 가지는 것인, 제조 시스템. A manufacturing system comprising:
a coating machine configured to coat the substrate with a matrix comprising a material to be patterned on the substrate;
immobilizing the pattern in the matrix by directing a pulsed energy beam to impinge on the trajectory of the pattern such that adhesion of the material occurs along the pattern to the substrate without sintering the material completely into the pattern; a recording machine configured to
a matrix removal machine configured to remove the matrix remaining on the substrate out of the fixed pattern; and
a sintering machine configured to sinter the material in the pattern after removal of the matrix;
wherein the material to be patterned comprises nanoparticles, the material in the nanoparticles is electrically conductive, and the pulsed energy beam is such that the trace resistance after fixing the pattern is sufficient for complete sintering of the material in the pattern after removing the matrix. and a radiation pulse having an energy fluence and repetition rate selected to remain at least 10 times greater than a final resistance to be achieved by the method, wherein the pulsed energy beam has a pulse repetition rate of at least 1 MHz or greater.
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