CN101815963B - 利用激光蚀刻来制造玻璃刻板的方法及用于其的激光辐射的装置 - Google Patents
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Abstract
一种利用激光蚀刻来制造玻璃刻板的方法，包括：浸渍步骤，其用于将待蚀刻的玻璃刻板浸入蚀刻溶液中；图案形成步骤，其用于使激光辐射到浸入蚀刻溶液中的玻璃刻板上以在玻璃刻板中形成图案；以及清洗步骤，其用于清洗已形成图案的玻璃刻板。与利用光致抗蚀剂来蚀刻的常规的刻板制造方法相比，所述方法允许制作具有显著长宽比和精细线宽的刻板，而且与仅利用激光的蚀刻方法相比，还确保了更有效的能量消耗和更高的蚀刻效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用激光蚀刻来制造玻璃刻板(cliche)的方法及用于其的激光辐射的装置，并且更特别地涉及一种利用仅在激光辐射到的部分中玻璃的蚀刻速度相对增加的现象来制造玻璃刻板的方法。
背景技术
为生产诸如液晶显示器(LCD)和等离子体显示板(PDP)的平板显示器(FPD)，需要用于制作电极、黑底、滤色器、分离器、薄膜晶体管等的各种图案形成工序(patterning process)。
在通常情况下，利用光掩模通过曝光和显影来选择性地去除光致抗蚀剂从而制作光致抗蚀图案，然后将光致抗蚀图案用于图案形成工序。这种利用光掩模的图案形成工序使用了诸如光致抗蚀剂和显影剂的大量材料，并且还需要昂贵的光掩模，这导致了多个处理步骤或长的处理时间。
为解决这个问题，已经提出了直接印刷图案形成(pattern-forming)材料而不利用光致抗蚀剂的各种方法，例如喷墨印刷或激光传写。这些方法中的一种方法是胶版印刷，其中利用刻板将已形成图案的材料转印到覆层(blanket)上，然后将覆层的图案转印到刻板上。
利用刻板的胶版印刷与利用光致抗蚀剂的常规方法相比确保了更少的材料消耗和更简单的工序，而与喷墨印刷或激光传写相比还确保了更快的处理速度。然而，胶版印刷需要独立地用于具有不同图案的衬底的刻板，并且通常由玻璃制成的刻板制造复杂而且很昂贵。
结合图1对制作玻璃刻板的通常方法进行说明。借助于旋涂、浸涂、喷涂、缝隙涂敷、线棒涂敷等将光致抗蚀剂102涂敷在玻璃刻板101上，如图1(a)所示。
之后，借助于曝光和显影现象，利用光掩模103来形成期望的图案，如图1(b)所示。在曝光工序的过程中，通过光掩模103的紫外线104选择性地使光致抗蚀剂102光敏化(在光掩模103中已经形成了期望的图案)，并且 由于显影溶液在光敏化区和非光敏化区之间的溶解度的不同而在玻璃刻板上形成图案105，如图1(c)所示。
图1(c)示出了采用正性光致抗蚀剂的情况，但也可使用负性光致抗蚀剂。在使用负性光致抗蚀剂的情况下，受紫外线104辐射的区域仍然存在而未被紫外线光敏化的区域被去除。
将其中形成有光致抗蚀剂102的图案的玻璃刻板浸入玻璃蚀刻溶液(未示出)中，如图1(d)所示，然后玻璃蚀刻反应仅局部地发生在露出玻璃刻板的区域106上。通常，因为诸如玻璃的非晶态材料的蚀刻反应会变成各向同性蚀刻而非无定向，所以在玻璃的深度方向和宽度方向上，蚀刻速度是相同的。
因此，当发生蚀刻反应时，玻璃蚀刻区106变得比光致抗蚀剂102的图案的宽度宽，并且蚀刻部分的底部为圆形，如图1(d)所示。随着蚀刻作用的进行，在深度方向和宽度方向上连续地发生蚀刻，如图1(e)所示，所以经蚀刻的玻璃刻板的宽度107逐渐变得比光致抗蚀剂102的图案宽。
如果蚀刻结束达到了期望的深度，则将玻璃刻板从蚀刻溶液中取出并且用蒸馏水清洗，然后去除光致抗蚀剂以获得最终经蚀刻的玻璃刻板108，如图1(f)所示。
在利用这种湿法蚀刻来制作玻璃刻板的方法中，会发生如图1所示的各向同性蚀刻，所以图案蚀刻为侧边的厚度与蚀刻深度差不多。
因此，用于蚀刻的光致抗蚀剂的图案应当形成为具有期望蚀刻深度的至少两倍的边宽，并且由于这个原因，待形成的图案的精度受到了限制。而且，考虑到蚀刻溶液可能渗入的空间，实际可蚀刻的图案应当达到最小蚀刻深度的三或四倍，因此更难形成具有精细线宽的图案。
另外，由于各向同性蚀刻的特性，在待蚀刻的壁部和底部之间以大致圆形进行蚀刻，所以蚀刻深度在逐渐地变化，这导致了恶化的印刷质量。而且，由于光致抗蚀图案应当在蚀刻工序之前形成，因此在蚀刻作用之前需要多个工序，例如利用光掩模的曝光工序和利用显影溶液的光致抗蚀显影工序，而且在蚀刻作用结束之后还要增加去除剩余光致抗蚀剂的工序。
除上述湿法蚀刻以外，还有利用在真空状态下的蚀刻用气体的等离子体来蚀刻玻璃的干法蚀刻。与湿法蚀刻不同，利用诸如CF4和CF3H的含氟气 体来蚀刻玻璃刻板的干法蚀刻允许各向异性蚀刻，因此随着干法蚀刻的进行，线宽不会变宽或者壁部和底部之间的区域不会蚀刻成圆形。
然而，需要为干法蚀刻准备真空室和昂贵的蚀刻用气体，这增加了蚀刻作用的成本并且使得难以将蚀刻作用应用于大规模的排版(matter)或大规模的生产。
而且，干法蚀刻使得蚀刻掩模和蚀刻材料被一起进行蚀刻，因此蚀刻掩模应当具有尽可能慢的蚀刻速度。通常，将由诸如铬的金属制成的掩模层用于玻璃蚀刻，但该掩模层不能制作得太厚，因而限制了玻璃蚀刻的厚度。
另外，与湿法蚀刻相似，干法蚀刻需要在蚀刻之前形成掩模图案，因此需要多个工序，例如金属掩模层的真空淀积的预处理、光致抗蚀层的形成的预处理、利用光掩模的光致抗蚀剂的曝光的预处理、光致抗蚀层的显影以形成图案的预处理、用作掩模的金属层的蚀刻的预处理，以及在蚀刻之后将金属掩模去除的后处理。
为解决在利用湿法蚀刻或干法蚀刻的玻璃刻板制作工序中的上述问题，在公开号为10-2007-0000100的韩国早期公开专利等中提出了利用激光蚀刻的新方法。
公开号为10-2007-0000100的韩国早期公开专利公开了一种通过利用激光直接蚀刻绝缘衬底来制作具有期望图案的刻板的方法。在利用激光直接蚀刻玻璃刻板来制作刻板的情况下，由于不使用蚀刻溶液因而在处理上可能具有优势。然而，由于借助于在受激光辐射的区域上进行光热分解来去除玻璃，因而使用的激光应当具有大功率并且蚀刻速度较慢。而且，可以防止可能导致图案恶化的HAZ(热影响区)的产生，并且由于因具有强大能量的激光的连续辐射而产生的热冲击，因而在玻璃刻板中会出现细微裂纹。
除此以外，由于起移动转印到玻璃刻板上的材料的作用的辊器件连续地将负荷传递给玻璃刻板，因而负荷会削弱玻璃刻板的耐用性或造成玻璃刻板中的细微裂纹。而且，未被辊器件移动的剩余图案材料会留在覆层中。
发明内容
技术问题
本发明旨在解决现有技术的问题，因此本发明的一个目的是提供一种借助于湿法蚀刻和激光蚀刻的协调使用以高长宽比和高工作效率来蚀刻玻璃刻板的方法。
另外，本发明的另一目的是提供一种用于蚀刻玻璃刻板的方法，其可有效地分散传递给玻璃刻板的辊器件的物理负荷，并且根据辐射时间来有差别地控制激光辐射面积，从而可以在玻璃刻板上形成能够将覆层的剩余部分(residual)减到最少的图案。
本发明的其他目的和优点将在下面进行说明并且将通过本发明的实施方式得到理解。另外，本发明的目的和优点可以通过随附的权利要求中限定的部件的组合来实现。
技术方案
为实现上述目的，本发明提供了一种利用激光蚀刻来制造玻璃刻板的方法，包括：浸渍步骤，其用于将待蚀刻的玻璃刻板浸入蚀刻溶液中；图案形成步骤，其用于使激光辐射到浸入蚀刻溶液中的玻璃刻板上以在玻璃刻板中形成图案；以及清洗步骤，其用于清洗已形成图案的玻璃刻板。
而且，在图案形成步骤中，可借助于施加到玻璃刻板上的多个激光辐射面来形成图案。另外，优选地利用具有与待形成在玻璃刻板上的图案相同的激光透射图案的掩模来制成由多个辐射面形成的图案。
在本发明中，图案形成步骤包括：输入步骤，其用于接收待形成的图案的图像信息；计算步骤，其用于计算与图像信息对应的激光辐射面的面积信息；以及辐射步骤，其用于基于计算面积信息并根据辐射时间来辐射具有不同辐射面积的激光以形成图案。
另外，在辐射步骤中，优选地通过辐射出使辐射面积随辐射时间的推移而减小的激光来形成图案。
在本发明的另一个方案中，还提供了一种用于激光辐射的装置，其用于激光蚀刻以通过使激光辐射到浸入蚀刻溶液中的玻璃刻板上而在玻璃刻板上形成图案，所述装置包括：激光源，其用于辐射激光；输入单元，其用于接收待形成的图案的形状信息；计算单元，其用于计算与形状信息对应的激光辐射面的面积信息；以及控制器，其用于控制激光源，以基于计算出的面积信息并根据辐射时间来辐射具有不同辐射面积的激光。
在所述用于激光辐射的装置中，控制器优选地控制激光源以辐射出辐射面积随辐射时间的推移而减小的激光。
附图说明
通过结合附图对实施方式的下列描述，本发明的其他目的和方案将变得明显，其中：
图1是图示用于制造普通玻璃刻板的常规方法的流程图；
图2是图示根据本发明的一个实施方式的用于制造玻璃刻板的方法的流程图；
图3是示出根据本发明的一个实施方式的用于激光蚀刻的激光辐射装置的方框图；
图4是图示根据本发明的一个实施方式的激光蚀刻工序的流程图；
图5是示出根据本发明的另一个实施方式的激光蚀刻工序的示意图；
图6是示出使用有机刻板的印刷工序的示意图；
图7示出了根据本发明的一个优选实施方式的基于激光辐射面积的不同辐射方法；以及
图8示出了根据本发明的另一个实施方式的基于激光辐射面积的不同辐射方法。
<附图中基本部件的附图标记>
300：激光辐射装置 302：输入单元
304：计算单元 306：控制器
308：激光源 401：玻璃刻板
402：辐射的激光 403：覆层
405：反射镜 410：遮光板
具体实施方式
在下文中，将结合附图对本发明的优选实施方式进行详细的描述。在描述之前，应当理解的是，在本说明书中使用的术语和随附的权利要求不应被解释为限于通常和字典的含义，而是应在允许发明人为进行最佳说明而适当定义术语的原则的基础上，基于与本发明的技术方案对应的含义和概念来进行解释。
因此，这里提出的描述只是仅为了图示目的而优选的示例，并非旨在限制本发明的范围，所以应当理解的是，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出其他等同布局和改进。
图2为图示根据本发明的一个优选实施方式的用于制造玻璃刻板的方法的工序的流程图，参考图2，本发明的玻璃刻板制造方法包括：浸渍步骤(S200)，其用于将待蚀刻的玻璃刻板浸入蚀刻溶液中；图案形成步骤(S210)，其用于使激光辐射到浸入蚀刻溶液中的玻璃刻板上以在玻璃刻板中形成图案；以及清洗步骤(S220)，其用于清洗已形成图案的玻璃刻板。
首先，将待蚀刻的玻璃刻板浸入用于湿法蚀刻的蚀刻溶液中(S200)。玻璃刻板浸入的蚀刻溶液可使用选自包含氢氟酸、氟化铵或BOE(缓冲氧化物蚀刻剂)溶液的组合的至少一种溶液。
在将玻璃刻板浸入蚀刻溶液中的情况下，优选地将玻璃刻板固定到定位器件上以保持玻璃刻板的水平和垂直的平衡，从而确保激光辐射的平直性并且保持图案形成的精度。
将浸入蚀刻溶液中的玻璃刻板用作辐射的对象，在玻璃刻板中形成预期的图案(S210)。可提前输入与预期的图案对应的激光移动轨迹，然后将激光移动轨迹用于驱动激光源，从而可自动地形成期望的图案。
如上所述的受激光辐射的区域局部地使得蚀刻速度热化学地或光化学地提高，从而局部地增加蚀刻速度。而且，由于蚀刻仅沿激光辐射的方向进行，因此可以实现能够形成具有显著长宽比的蚀刻图案的结构。
蚀刻发生在受激光辐射的区域，因此优选地控制从激光辐射装置到刻板表面的距离，从而使得焦点可形成在玻璃表面处。而且，在待蚀刻的深度大于激光的焦点的深度的情况下，优选地，随着蚀刻作用的进行，根据已蚀刻的深度来控制透镜的位置。
另外，为了提高借助激光的光化学的或热化学的蚀刻速度，需要使用待蚀刻的玻璃所吸收的波长，但是通常玻璃在可见光区或紫外线区中不吸收，因此有利的是，使用Nd:YAG激光器的四次谐波或使用诸如KrF激光器或ArF激光器的具有在紫外区中的波长的激光器来蚀刻。而且，如果在激光的聚焦部处辐射的强度足够，则发生多光子吸收从而产生光化学或热化学的蚀刻，因此并非必须使用具有在紫外区中的波长的激光器。
例如，355nm波长的紫外线(Nd:YAG激光器的三次谐波)在玻璃刻板 中不被吸收，但是当使用具有高脉冲能量的呈Q开关方式的脉冲激光器时发生多光子吸收，这允许玻璃刻板的干法蚀刻或湿法蚀刻。
在如上所述执行激光辐射步骤之后，利用水或蒸馏水来清洗玻璃刻板(S220)。
在参照图4的下文中，不再对上述激光蚀刻法进行更详细的说明。
将激光402辐射到玻璃刻板401上，如图4(a)所示。虽然在图中未示出，但假定在图4(a)中示出的玻璃刻板正浸入蚀刻溶液中。
如果辐射激光402，则沿着辐射方向(即，沿垂直方向)在辐射区中发生蚀刻，从而形成覆层403，如图4(b)所示。将基于图4(a)和图4(b)的上述工序重复应用于玻璃刻板的另一位置，从而形成不同的图案(见图4(c)和图4(d))，结果，制造出如图4(e)所示的具有覆层403的玻璃刻板401。
而且，在本发明中，优选地执行图案形成步骤S210，从而借助于辐射到玻璃刻板上的多个激光辐射面来形成图案。也就是说，在形成多个图案的情况下，仅使用一束激光需要同样多的工作时间。而且，在先前形成的图案和稍后形成的图案之间，蚀刻溶液蚀刻反应的速度或进展可以变化，因此更优选地，形成多个辐射面以确保多个图案的精密形成。
为形成多个激光辐射面，可使用多种方法。例如，可使用多个激光源，并且可利用多个局部透射镜来分开从一台激光器或多台激光器发射出的光。而且，可使用光衍射装置来将一束激光或多束激光分成更多束光，并且也可使用高速转动的多角镜来分光。另外，也可使用数字反射镜装置来使某一区域暴露在光下。可根据执行模式或工作条件来应用这些方法。
此外，为形成多个辐射面，如图5所示，可使用遮光板(图5(a))，也可使用扫描法(图5(b))。
如图5所示，优选地，使同时覆盖宽区域的激光辐射到具有与待形成在玻璃刻板上的图案相同的激光透射图案的掩模上，从而同时形成期望的图案。由于激光是通过形成在掩模中的图案而透射的，因此可使具有多个辐射面积的激光以期望的图案辐射在玻璃刻板上。
在使用遮光板的情况下，使激光同时辐射在宽区域上，因此可有利地使用诸如准分子激光器的具有高能量的激光器。这种激光器可在短时间内蚀刻宽区域并且便于处理具有各种线宽的图案。该激光器可采用诸如KrF激光器 和ArF激光器的准分子激光器。
除此之外，如图5(b)所示，扫描器用于通过使用两个独立的从动镜405而将聚焦在焦点上的激光束402移动到期望的位置，使得激光束402被移入期望的形状内从而以加速的蚀刻速度在玻璃刻板401上形成覆层403。
在以扫描方式利用聚焦在焦点上的激光束来进行蚀刻的情况下，该蚀刻方法可被直接应用于各种图案，并且特别是在形成线形图案时有效。使用扫描方式处理的激光器可采用CO2激光器、Nd:YAG激光器、He-Cd激光器等。
在下文中，对用于实现本发明的另一目的的具有与时间成函数的激光辐射面积或宽度的结构进行详细地说明。
为实现另一目的，本发明的图案形成步骤(S210)优选地包括：输入步骤(S212)，其用于接收待形成的图案的形状信息；计算步骤(S214)，其用于计算与图像信息对应的激光辐射面的面积信息；以及辐射步骤(S216)，其用于基于计算面积信息并根据辐射时间来辐射具有不同辐射面积的激光以形成图案。而且，用于实现上述方法的激光辐射装置300包括输入单元302、计算单元304、控制器306以及激光源308。
如图6所示，在胶版印刷法中，随着预定的辊器件500转动，转印到玻璃刻板401的覆层403上的图案材料404作为与玻璃刻板的图案相同的图案被移动至辊器件500，并且作为下一步的工作，将辊器件的图案再转印到需要转印的预定刻板上。
在上述程序的过程中，辊器件500向玻璃刻板401连续地施加物理负荷，这会导致玻璃刻板的破裂。而且，在转印到玻璃刻板401的覆层403上的图案材料404被移动至辊器件500的情况下，当辊器件接触覆层时，可认为辊器件的切线方向与覆层的水平方向一致。然而，由于辊器件进行转动，因此在接触时间之前或之后两个方向都不一致。
由于这种物理移动，未移动至辊器件的印刷材料留在覆层中，例如留在覆层的下侧中。
对于上述问题的有效解决办法，优选地，形成在玻璃刻板上的图案在图案的下部比在图案的上部宽，以便散布力并且使图案材料更易于移动。根据工作环境、图案材料、辊器件的性能、玻璃刻板的物理特性等，也可以各种方式来改变图案的形状，包括具有较长底边的梯形。
在使激光辐射到玻璃刻板上(S212)的情形下，用于实现上述结构的本 发明的激光辐射装置300的输入单元302首先接收待形成的图案的形状信息。输入诸如图案的形状特征、长宽比、图案深度的顶底之比、终端的线性特征等的各种信息。
之后，计算单元304根据由输入的形状信息、激光源的强度和波长、供电环境等作为变量的时间函数来计算辐射的激光束的实际辐射面积或宽度，使得辐射的激光可与图案的形状相对应(S214)。
也就是说，图7(a)和图8(a)图示了将时间(t)用作x轴并将辐射面积(s)用作y轴的激光辐射面积函数，如图7(a)和图8(a)所示，计算单元304根据应当辐射激光的时间来计算辐射面积值。
当本发明的控制器306控制激光源308来辐射对应于计算结果的激光时，基于计算出的面积信息，根据辐射时间来辐射具有不同辐射面积的激光以形成期望的图案(S216)。
当辐射出辐射面积随辐射时间的推移而减小的激光以形成如上所述的图案时，从辊器件500施加到玻璃刻板上的物理力被有效地分散，这便于有效地防止玻璃刻板的破裂并且提高玻璃刻板的耐用性。而且，可以更简单的方式将图案材料移动至辊器件，并且还不会在玻璃刻板中留下图案材料的任何残余。
如上所述的激光辐射装置300的部件不应被认为是物理上可区分的部件，而应被认为是逻辑上可区分的部件。也就是说，每个部件对应于通过可配置为实现本发明的精神的电路或电子电路而实现的逻辑元件。因此，虽然某些部件被整体操作或任何部件被分开操作，但是如果这些部件可以实现由本发明的逻辑部件所执行的功能，则应当认为其被包括在本发明的范围内。
已经对本发明进行了详细地描述。然而，应当理解的是，由于对于本领域的技术人员来说，通过详细的描述，在本发明的精神和范围内的各种变化和改进将变得显而易见，因此详细的描述和特定的示例是仅为了图示而给出的，虽然其指出了本发明的优选实施方式。
工业应用性
根据本发明，不需要在玻璃刻板上提前使用光致抗蚀剂或光掩模，因此可以低成本地利用简单的工序来制造玻璃刻板。
而且，由于使用了倚靠激光辐射面的湿法蚀刻的改进特征，因此可易于形成具有显著长宽比和精细线宽的图案。另外，即使利用具有小能量的激光 源也确保了有效的蚀刻，因此本发明可提供更加经济的玻璃刻板制造方法。
此外，由于根据辐射时间进行了不同的蚀刻以在玻璃刻板上形成图案，因此可形成能够有效地分散转移至玻璃刻板的辊器件的物理力的图案结构。而且，利用上述结构，可将图案材料的任何残余减到最少。
Claims (7)
1.一种利用激光蚀刻来制造玻璃刻板的方法，包括：
浸渍步骤，其用于将待蚀刻的玻璃刻板浸入蚀刻溶液中；
图案形成步骤，其用于使激光辐射到浸入蚀刻溶液中的玻璃刻板上以在玻璃刻板中形成图案；以及
清洗步骤，其用于清洗已形成图案的玻璃刻板。
2.根据权利要求1所述的利用激光蚀刻来制造玻璃刻板的方法，
其中，在所述图案形成步骤中，借助于施加到玻璃刻板上的多个激光辐射面来形成图案。
3.根据权利要求2所述的利用激光蚀刻来制造玻璃刻板的方法，
其中，利用具有与待形成在玻璃刻板上的图案相同的激光透射图案的掩模来制成通过多个辐射面形成的图案。
4.根据权利要求1所述的利用激光蚀刻来制造玻璃刻板的方法，其中，所述图案形成步骤包括：
输入步骤，其用于接收待形成的图案的图像信息；
计算步骤，其用于计算与图像信息对应的激光辐射面的面积信息；以及
辐射步骤，其用于基于计算面积信息并根据辐射时间来辐射具有不同辐射面积的激光以形成图案。
5.根据权利要求4所述的利用激光蚀刻来制造玻璃刻板的方法，
其中，在所述辐射步骤中，通过辐射出辐射面积随辐射时间的推移而减小的激光来形成图案。
6.一种用于激光辐射的装置，其用于激光蚀刻以通过使激光辐射到浸入蚀刻溶液中的玻璃刻板上而在玻璃刻板上形成图案，所述装置包括：
激光源，其用于辐射激光；
输入单元，其用于接收待形成的图案的形状信息；
计算单元，其用于计算与形状信息对应的激光辐射面的面积信息；以及
控制器，其用于控制激光源，以基于计算出的面积信息并根据辐射时间来辐射具有不同辐射面积的激光。
7.根据权利要求6所述的用于激光辐射的装置，
其中，控制器控制激光源以辐射出辐射面积随辐射时间的推移而减小的激光。
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