CN102615421A - 多层薄膜基板加工方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多层薄膜基板加工方法及其加工装置。多层薄膜基板加工方法包含下列步骤，在不伤及基板下，以激光光束通过多层薄膜基板的第二薄膜层并照射于多层薄膜基板的第一薄膜层内，并配合第二薄膜层能隙高于第一薄膜层能隙所造成能量吸收的差异，使第一薄膜层受激光光束照射处产生相变化，进而产生气体；而第二薄膜层受激光光束照射处则因气体膨胀推挤，产生微裂纹；再透过清洗制程去除第二薄膜层上产生微裂纹的部分，以达成预设图案，制程步骤简单，图案成形快速。
Description
技术领域
本发明是有关于一种使用激光光束的加工方法及装置，特别是关于一种使用激光光束对表面具有多层薄膜的基板进行加工的方法及装置。
背景技术
一般常见的触控式显示面板(touch panel)、平面显示器(flat paneldisplay)、薄膜太阳电池(thin film solar cell)、电子纸(electronicpaper)...等，常会在基板(substrate)上附着各种如氧化铟锡(Indium TinOxide，ITO)、二氧化锡(SnO2)、氧化锌(ZnO)、氧化锌铝(Al-doped ZnO，AZO)、二氧化硅(SiO2)、三氧化二铝(Al2O3)、氮化硅(SiNx)...等薄膜(thinfilm)，藉由薄膜达到电学或光学效用，而附着在基板的薄膜，通常都要依照产品功能的需求进行预设图案或线路的加工。以触控式显示面板为例说明，触控式显示面板上的透明导电薄膜(transparent conductive film)较常采用氧化铟锡，用来传导电气讯号，其是将氧化铟锡溅镀或蒸镀于基板上，制作出X与Y方向的图案或线路，再经过后端制程与组装整合，便可透过触碰诱发氧化铟锡薄膜产生电流变化，再透过电流变化进行讯号转换及运算，可使触控式显示面板上的显示内容做出相对应的变化。
然此基板表面的薄膜层的图案化加工，现有技术都是使用湿式蚀刻方式或干式蚀刻方式。湿式蚀刻方式为黄光、微影、蚀刻等多道循环制程，相较于干式蚀刻方式，制程复杂且须经过化学酸、碱液清洗的动作，有潜在环保问题，且湿式蚀刻的图案是需要经由光罩(mask)来制作形成，若图案需要改变，则需配合光罩的修改，成本高而且没有弹性。
为改善湿式蚀刻方式存在多道步骤、高设备成本等缺点，越来越多人开始使用干式激光蚀刻方式，干式激光蚀刻方式只需透过计算机事先规划出所需的图案，再配合激光光束与导光系统，即可在基板表面得到所要的图案。此种以干式激光蚀刻进行图案化加工的方式，是利用待加工基板上的薄膜对特定激光波长的高吸收率特性进行激光加工，先选择一种能量可被待加工基板上的薄膜吸收的波长范围内的激光光束，再对待加工基板上的薄膜进行图案化加工，以在待加工基板上的薄膜形成预设的图案。
对于表面具有多层薄膜基板也可利用干式激光蚀刻方式，一般现有的激光加工方法只能使用在外层薄膜的材料能隙(energy band gap)小于内层薄膜材料能隙的情形下，且待加工的薄膜层对所述等的激光波长具有高度的吸收率。若外层薄膜的材料能隙大于内层薄膜的材料能隙，欲对外层薄膜进行激光加工却还要保留内层薄膜时，通常受激光光束照射处的多层薄膜都会一起爆裂成碎屑状(debris)，无法达成所要的预设图案，因此，当外层薄膜的材料能隙大于内层薄膜的材料能隙时，只能使用多道制程步骤、高设备成本等缺点的湿式蚀刻方式来形成预设的薄膜图案，因此对于生产成本与生产时间以及环境保护皆产生很大的影响。
有鉴于此，如何针对现有技术中利用激光蚀刻方式对多层薄膜的加工方法的缺点进行研发改良，实为相关业界所需努力研发的目标。
发明内容
为克服上述缺点，本发明提供一种多层薄膜基板加工方法，包含以下步骤：
(a)提供包含基板、第一薄膜层及第二薄膜层的多层薄膜基板，第二薄膜层的能隙高于第一薄膜层的能隙，第一、第二薄膜层依序形成于基板上；
(b)以激光光束自第二薄膜层方向照射多层薄膜基板，并使受激光光束照射处的第二薄膜层产生微裂纹；以及
(c)以清洗制程去除第二薄膜层上的微裂纹。
如前述多层薄膜基板加工方法，其中，步骤b是于第一薄膜层与第二薄膜层交界的界面处开始产生相变化，进而产生气体，致使第二薄膜层受激光光束照射处因气体体积膨胀而挤压抬起产生微裂纹。
如前述多层薄膜基板加工方法，其中，第一薄膜层与第二薄膜层交界的界面处所产生的相变化包含熔融、升华或两者复合的物理性相变化。
如前述多层薄膜基板加工方法，其中，第一薄膜层为透明导电膜，第二薄膜层为透明绝缘膜。
如前述多层薄膜基板加工方法，其中，透明导电膜选自于由氧化铟锡、二氧化锡、氧化锌及氧化锌铝构成的群组。
如前述多层薄膜基板加工方法，其中，透明绝缘膜选自于由二氧化硅、三氧化二铝及氮化硅所构成的群组。
如前述多层薄膜基板加工方法，其中，第一薄膜层的厚度大于10nm，第二薄膜层的厚度小于100nm。
如前述多层薄膜基板加工方法，其中，激光光束的波长介于150-1,100nm。
如前述多层薄膜基板加工方法，其中，激光光束的波长可进一步介于180-360nm。
如前述多层薄膜基板加工方法，其中，激光光束的脉冲能量(pulseenergy)介于3-30uJ。
如前述多层薄膜基板加工方法，其中，第一薄膜层与基板间进一步包含有绝缘层。
如前述多层薄膜基板加工方法，其中，基板选自于由玻璃基板(glasssubstrate)、塑料基板(plastic substrate)、金属基板(metal substrate)及PET膜材(PET film)所构成的群组。
因此，本发明的主要目的是提供一种多层薄膜基板加工方法，在本发明加工过程中薄膜层不会爆裂成碎屑，因此在图案化的加工过程中，预设图案的成形不会因薄膜层产生微裂纹而被破坏，使多层薄膜基板的图案化处的导电特性维持正常。
本发明的另一目的是提供一种多层薄膜基板加工方法，本发明利用薄膜层能隙的高低造成薄膜层能量吸收的差异，即可产生微裂纹，并透过清洗制程去除微裂纹，不仅减少制程步骤，而且可以降低生产成本及生产时间，可大幅提升多层薄膜基板图案化加工的产能。
此外，本发明亦提供一种多层薄膜基板加工装置，多层薄膜基板加工装置包含载台、激光源、能量控制单元、光斑调变单元、振镜扫描单元、线性聚焦镜、分光镜及视觉单元。载台提供多层薄膜基板的放置。激光源受激发射出高斯分布的激光光束。能量控制单元用于调整激光源产生的激光光束的能量。光斑调变单元接收激光源的激光光束，用于调整激光光束的直径尺寸。振镜扫描单元接收经过光斑调变单元的激光光束，用于导引激光光束射向多层薄膜基板。线性聚焦镜用于接收经过振镜扫描单元的激光光束，用于调整激光光束的焦距。分光镜用于转向折射来自多层薄膜基板的照明光源反射光束。视觉单元用于接收分光镜转向折射来自多层薄膜基板的照明光源反射光束。
如前述多层薄膜基板加工装置，其中，激光光束的波长介于150-1,100nm。
如前述多层薄膜基板加工装置，其中，激光光束的波长可更进一步介于180-360nm。
如前述多层薄膜基板加工装置，其中，激光光束的脉冲能量介于3-30uJ。
如前述多层薄膜基板加工装置，其中，光斑调变单元为扩束器。
如前述多层薄膜基板加工装置，其中，线性聚焦镜为复合透镜。
因此，本发明的再一目的是提供一种藉由多层薄膜基板加工方法所使用之多层薄膜基板加工装置，本发明之多层薄膜基板加工装置於加工过程中的薄膜层不会爆裂成碎屑，因此在图案化的加工过程中，预设图案的成形不会因产生微裂纹而被破坏，使多层薄膜基板的图案化处的导电特性维持正常。
本发明的另一目的是提供一种藉由多层薄膜基板加工方法所使用之多层薄膜基板加工装置，本发明之多层薄膜基板加工装置可於加工过程中，利用薄膜层能隙的高低造成薄膜层能量吸收的差异，即可产生微裂纹，并透过清洗制程去除微裂纹，不仅减少制程步骤，而且可以降低生产成本及生产时间，可大幅提升多层薄膜基板图案化加工的产能。
附图说明
图1，为本发明多层薄膜基板加工方法流程图。
图2A，为本发明多层薄膜基板示意图。
图2B，为本发明多层薄膜基板的开始照射激光光束示意图。
图2C，为本发明多层薄膜基板的第一薄膜层熔融示意图。
图2D，为本发明多层薄膜基板的第一薄膜层及第二薄膜层熔融示意图。
图2E，为本发明多层薄膜基板的第一薄膜层局部气化示意图。
图2F，为本发明多层薄膜基板的第二薄膜层产生微裂纹的示意图。
图2G，为本发明多层薄膜基板的清洗制程去除微裂纹的示意图。
图2H，为本发明多层薄膜基板图案化加工后的实际状态示意图。
图2I，为本发明多层薄膜基板图案化加工后的理想状态示意图。
图3，为本发明第二实施例的多层薄膜基板加工装置示意图。
【主要组件符号说明】
步骤 101-104
多层薄膜基板 10
基板 11
第一薄膜层 12
第二薄膜层 13
微裂纹 15
多层薄膜基板加工装置 20
激光加工装置 201
载台 21
激光源 22
能量控制单元 23
光斑调变单元 24
振镜扫描单元 25
转向镜 251
线性聚焦镜 26
分光镜 27
视觉单元 28
激光光束 A
照明光源反射光束 B
具体实施方式
由于本发明公开了一种多层薄膜基板加工方法及装置，其中所利用激光加工的原理及技术，已为本领域普通技术人员所能明了，故以下文中的说明，不再作完整描述。同时，以下文中所对照的附图，意在表达与本发明特征有关的含义，并未亦不需要依据实际情形完整绘制，在先声明。
首先，请参考图1，为本发明第一实施例的多层薄膜基板加工方法流程图。多层薄膜基板加工方法，包含以下步骤：
步骤101：提供多层薄膜基板10：多层薄膜基板10包含基板11(substrate)、第一薄膜层12及第二薄膜层13(请参阅图2A)。基板11可以为玻璃(glass)、塑料(plastic)、金属(metal)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate，PET)等材质所制成。第一薄膜层12为透明导电膜，透明导电膜主要为具有高透光、高导电的薄膜，因而可被作为电极或线路使用，透明导电膜一般可以为氧化铟锡、二氧化锡、氧化锌或氧化锌铝等材质所选用之。第二薄膜层13为透明绝缘膜，透明绝缘膜需具有高透光、高阻抗的特性，因而可被作为绝缘层或钝化层使用，透明绝缘膜一般可以为二氧化硅、三氧化二铝或氮化硅等材质所选用之。值得注意的是，在材质的选用上，第二薄膜层13的能隙(energy band gap)需高于第一薄膜层12的能隙。第一薄膜层12是利用溅镀或蒸镀形成于基板11一侧表面上，而第二薄膜层13亦可利用溅镀或蒸镀形成于第一薄膜层12的表面上。此外，在第一薄膜层12与基板11之间，还可以进一步包含一层绝缘层或钝化层(未图示)。
步骤102：提供激光加工装置201，激光加工装置201可产生激光光束A：激光加工装置201产生具有高斯分布的激光光束A(请参阅图2B)，激光光束A的波长较佳者可介于150-1,100nm，更佳者可为180-360nm，在本实施例中所采用的激光光束A波长为266nm或355nm，且激光光束A的脉冲能量(pulse energy)介于3-30uJ(10-4Joule)。在激光波长的选择上，只要第一薄膜层12对前述激光波长有吸收(吸收能量)，且可进一步使第一薄膜层12与第二薄膜层13交界的界面处产生包含熔融、升华或两者(熔融与升华)复合的物理性的相变化即可。
步骤103：将激光光束A自第二薄膜层13方向照射多层薄膜基板10，使多层薄膜基板10的第二薄膜层13受激光光束A照射处产生微裂纹15：将激光加工装置201的激光光束A自第二薄膜层13的方向照射多层薄膜基板10，且激光光束A可自第二薄膜层13穿透射入第一薄膜层12，但激光光束A并不伤及基板11表面。当接受到激光光束A照射后，第一、第二薄膜层12、13开始吸收能量(请参阅图2B)，由于第一薄膜层12能隙小于第二薄膜层13能隙，因此第一薄膜层12吸收能量的速度比第二薄膜层13快，当激光光束A持续进行照射，会使第一薄膜层12与第二薄膜层13界面处的第一薄膜层12表面先开始熔融，第二薄膜层13持续吸收能量(请参阅图2C)。接着，第一薄膜层12熔融范围逐渐扩大，且第二薄膜层13与第一薄膜层12交界处也开始产生熔融现象(请参阅图2D)。之后，第一薄膜层12熔融部分开始局部气化，且第二薄膜层13熔融范围逐渐扩大(请参阅图2E)。此时，第一薄膜层12气化的气体暂时被密封(sealing)在第一薄膜层12与第二薄膜层13界面处。当第一薄膜层12、第二薄膜层13吸收能量到一定程度，第二薄膜层13被激光光束A照射处会因气体体积膨胀而挤压抬起，使第二薄膜层13被激光光束A照射处产生起泡、雾化的微裂纹15(micro-crack)(请参阅图2F)，此时，即停止激光光束A的照射。另外，特别要说明的是，在本实施例中，第一薄膜层12与第二薄膜层13交界的界面处受到激光光束A照射后亦可能产生升华的物理性相变化，或者形成熔融及升华两种复合式的物理性相变化，进而产生气体，再经由气体的膨胀推挤第二薄膜层13，使第二薄膜层13受激光光束A照射处形成起泡、雾化的微裂纹15。
步骤104：以清洗制程去除第二薄膜层13上的微裂纹15：以清洗制程去除第二薄膜层13上产生微裂纹15的部分(请参阅图2G)，清洗制程可采用湿式或干式清洗制程，其中，湿式清洗制程是采用水溶液去除微裂纹15，水溶液为去离子水(DI water)，避免使用造成环境污染的酸、碱液。干式清洗制程采用毛刷(brush)、超音波(ultrasonic)、电浆(plasma)、吸尘(debris extraction)...等装置去除微裂纹15(请参阅图2H)，本发明的实施例是采用毛刷加上超音波、且搭配吸尘装置，或可采用电浆配合吸尘装置，亦可采用毛刷加上超音波、电浆、并配合吸尘装置。前述组合可视实际使用者需求变化之，在此不再详加赘述。藉此，激光光束A即可在多层薄膜基板10上，将其移动经过的路径使第二薄膜层13产生微裂纹15，以使第二薄膜层13形成图案化。若激光光束A的波长、脉冲能量、频率、扫描速度、光斑大小...等参数控制得宜，在理想状态下，第一薄膜层12表面所产生的缺损非常少，甚至可视为无缺损(请参阅图2I)。
请参阅图3，为本发明第二实施例的多层薄膜基板加工装置示意图。一种多层薄膜基板加工装置20包含载台21、激光源22、能量控制单元23、光斑调变单元24、振镜扫描单元25、线性聚焦镜26、分光镜27及视觉单元28。
载台(stage)21可承载多层薄膜基板10，且可对多层薄膜基板10产生真空吸力，使多层薄膜基板10可暂时性的吸附于载台21上并随着载台21移动。
激光源(laser resonator)22可使用固态激光(solid state laser)、准分子激光(excimer laser)或半导体激光(semiconductor laser)...等。激光源22受激发射出具有高斯分布(Gaussian distribution)的激光光束A，使激光光束A投射至位于载台21上的多层薄膜基板10。较佳的激光光束A波长介于150-1,100nm，更佳的波长介于180-360nm。
能量控制单元23耦接于激光源22，用于控制调整激光源22产生的激光光束A的能量。
光斑调变单元24为一扩束器(beam expander)，用于接收激光源22产生的激光光束A，并调整激光光束A的光束直径尺寸，使激光光束A在多层薄膜基板10上形成适当的光斑大小(spot size)。
振镜扫描单元25接收经光斑调变单元24调整光束直径大小后的激光光束A，并导引激光光束A射向多层薄膜基板10，振镜扫描单元25可由两组马达驱动的转向镜(turning mirror)251所组成，使激光光束A藉由此振镜扫瞄单元25可于多层薄膜基板10上进行水平方向的扫动，并可控制激光光束A扫动的路径。
线性聚焦镜(f-theta lens)26由若干透镜(lens)组成的复合透镜(multi-element lens)，线性聚焦镜26接收经振镜扫描单元25的激光光束A，用于调整激光光束A的焦距。当激光光束A进入线性聚焦镜26的入射角(incident angle)改变时，线性聚焦镜26将可维持激光光束A的焦点于同一平面上，且在此平面上，激光光束A的入射角与移动距离之间维持一线性关系(linear relationship)。
分光镜(beam splitter)27设置于光斑调变单元24与振镜扫描单元25之间，用于分离激光光束A与照明光源反射光束B。分光镜27可使来自光斑调变单元24的激光光束A通过，又能折射来自多层薄膜基板10的照明光源反射光束B，使照明光源反射光束B转向某一角度而导入视觉单元28。
视觉单元28接收分光镜27转向折射来自多层薄膜基板10的照明光源反射光束B，转向角度的调整是以视觉单元28所在位置为准，视觉单元28可提供激光加工前的加工位置定位(alignment)与激光加工后的加工状况检测(inspection)。
本发明的发明人是以触控式显示面板用的玻璃材质多层薄膜基板10进行测试，激光光束A采用波长266nm或355nm、脉冲能量5-15uJ、频率50-60kHz、扫描速度800-1,200mm/s、光斑大小20-60um，将满足前述条件的激光光束A施加于厚度介于50-60nm的第二薄膜层13及厚度介于15-25nm的第一薄膜层12的多层薄膜基板10，进行测试时，第一薄膜层12采用氧化铟锡，而第二薄膜层采用二氧化硅。由于第二薄膜层13的能隙高于第一薄膜层12的能隙，所以第二薄膜层13厚度越薄越易加工，经过多次试验后获知：第二薄膜层13厚度必须小于100nm。第一薄膜层12厚度越厚，将可吸收更多的能量加速第二薄膜层13产生微裂纹15，但厚度越厚越不容易透光，同时，经多次试验后获知：第一薄膜层12厚度必须大于10nm即可，最大厚度须依实际使用者需求而决定。
因此，第一、第二薄膜层12、13厚度或材质改变时，激光光束A的波长、脉冲能量、频率、扫描速度、光斑大小...等参数也须一并调整。藉此，发明人成功地将第二薄膜层13予以产生微裂纹15，位于第二薄膜层13上产生微裂纹15下方的第一薄膜层12也被保留下来，且没有微裂纹15产生，更没有造成基板11表面损伤。再经由清洗制程，使得第二薄膜层13上所产生的微裂纹15部分去除洗净，让第二薄膜层13产生预设的图案。故使用波长266nm或355nm的激光光束A，确实可以有效地对基板11所附着的第二薄膜层13做预设图案的加工。
综上所述，本发明以激光光束A通过第二薄膜13层照射于第一薄膜层12内，让基板11不受激光光束A伤害之下，透过第一、第二薄膜层12、13能吸收激光光束A的能量，且第一薄膜层12的能隙小于第二薄膜层13的能隙造成能量吸收的差异，让第一薄膜层12受激光光束A照射处局部气化而不产生微裂纹15，而使第二薄膜层13受激光光束A照射处产生微裂纹15，且再透过清洗制程去除微裂纹15，达成预设图案，制程步骤简单、图案成形快速、图案化过程无需使用光罩，可大幅降低设备购置成本、降低生产时间、降低污染物输出及提升环保效益。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的申请专利权利；同时以上的描述，对于本领域普通技术人员应可明了及实施，因此其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在权利要求的范围中。
Claims (18)
1.一种多层薄膜基板加工方法，包含：
a.提供一多层薄膜基板(10)，所述多层薄膜基板(10)至少包含一个基板(11)、一个第一薄膜层(12)及一个第二薄膜层(13)，所述第二薄膜层(13)的能隙高于所述第一薄膜层(12)的能隙，且所述第二薄膜层(13)形成于所述第一薄膜层(12)上；
b.以一激光光束(A)自所述第二薄膜层(13)的方向照射于所述多层薄膜基板(10)，使所述第二薄膜层(13)受所述激光光束(A)照射处产生一个微裂纹(15)；以及
c.以一个清洗制程去除所述第二薄膜层(13)上的所述微裂纹(15)。
2.根据权利要求1所述的多层薄膜基板加工方法，其中步骤b是于所述第一薄膜层(12)与第二薄膜层(13)交界的界面处开始产生相变化，进而产生气体，致使第二薄膜层(13)受所述激光光束(A)照射处因气体体积膨胀而挤压抬起产生所述微裂纹(15)。
3.根据权利要求2所述的多层薄膜基板加工方法，其中所述第一薄膜层(12)与所述第二薄膜层(13)交界的界面处所产生的相变化包含熔融、升华或两者复合的物理性相变化。
4.根据权利要求1所述的多层薄膜基板加工方法，其中所述第一薄膜层(12)为透明导电膜，所述第二薄膜层(13)为透明绝缘膜。
5.根据权利要求4所述的多层薄膜基板加工方法，其中所述透明导电膜选自于由氧化铟锡、二氧化锡、氧化锌及氧化锌铝所构成的群组。
6.根据权利要求4所述的多层薄膜基板加工方法，其中所述透明绝缘膜选自于由二氧化硅、三氧化二铝及氮化硅所构成的群组。
7.根据权利要求1所述的多层薄膜基板加工方法，其中所述第一薄膜层(12)的厚度大于10nm，所述第二薄膜层(13)的厚度小于100nm。
8.根据权利要求1所述的多层薄膜基板加工方法，其中所述激光光束(A)的波长介于150-1,100nm。
9.根据权利要求1所述的多层薄膜基板加工方法，其中所述激光光束(A)的波长介于180-360nm。
10.根据权利要求1所述的多层薄膜基板加工方法，其中所述激光光束(A)的脉冲能量介于3-30uJ。
11.根据权利要求1所述的多层薄膜基板加工方法，其中所述第一薄膜层(12)与所述基板(11)间进一步包含一绝缘层。
12.根据权利要求1所述的多层薄膜基板加工方法，其中所述基板(11)选自于由玻璃基板、塑料基板、金属基板及PET膜材所构成的群组。
13.一种多层薄膜基板加工装置，包含：
一载台(21)，用以承载一多层薄膜基板(10)；
一激光源(22)，发射出一激光光束(A)；
一能量控制单元(23)，调整所述激光光束(A)的能量；
一光斑调变单元(24)，调整所述激光光束(A)的光束直径尺寸；
一振镜扫描单元(25)，导引所述激光光束(A)射向所述载台(21)上的所述多层薄膜基板(10)；
一线性聚焦镜(26)，设置于所述振镜扫描单元(25)与所述载台(21)之间，以调整所述激光光束(A)的焦距；
一分光镜(27)，设置于所述光斑调变单元(24)与所述振镜扫描单元(25)之间，以将一照明光源反射光束(B)转向折射，所述照明光源反射光束(B)是自所述多层薄膜基板(10)表面反射的照明光束；以及
一视觉单元(28)，用于接收所述分光镜(27)转向折射的所述照明光源反射光束(B)，以提供所述多层薄膜基板(10)加工前的加工位置定位与加工后的加工状况检测。
14.根据权利要求13所述的多层薄膜基板加工装置，其中所述激光光束(A)的波长介于150-1,100nm。
15.根据权利要求13所述的多层薄膜基板加工装置，其中所述激光光束(A)的波长介于180-360nm。
16.根据权利要求13所述的多层薄膜基板加工装置，其中所述激光光束(A)的脉冲能量介于3-30uJ。
17.根据权利要求13所述的多层薄膜基板加工装置，其中所述光斑调变单元(24)为扩束器。
18.根据权利要求13所述的多层薄膜基板加工装置，其中所述线性聚焦镜(26)为复合透镜。
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