KR101530733B1 - 전자 물질의 레이저 데칼 전사 - Google Patents

전자 물질의 레이저 데칼 전사 Download PDF

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레이몬드 오영
알베르토 피크
토마스 에이치 베일리
리디아 제이 영
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포톤 다이나믹스, 인코포레이티드
더 유나이티드 스테이츠 오브 아메리카 에즈 리프리젠티드 바이 더 세크리테리 오브 더 네이비
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Abstract

표적 기판의 배면에 매우 낮은 에너지의 레이저 펄스를 가하고 상기 표적 기판의 전면을 코팅하는 고점도 유변학적 유체의 박막의 소정 영역을 조사함으로써 박막 형상을 생성하는 레이저 데칼 전사가 사용된다. 상기 조사된 영역은 상기 레이저 빔을 중심으로 놓이도록 조정된 개구에 의해 성형되고 정의된다. 상기 데칼 전사 프로세스는 상기 표적 기판으로부터 상기 수취 기판으로 상기 레이저 조사 영역과 형상 및 크기가 동일한, 균일하고 연속적인 층의 분리 및 전사가 이루어지도록 한다. 상기 분리된 층은 초기의 형상 및 크기에 거의 변함이 없이 일정한 간격을 횡단하여 전사된다. 상기 수취 기판으로 전사된 결과적인 패턴은, 상기 수취 기판의 표면 에너지, 습윤 또는 소수성에 관계없이, 그 두께 및 형태가 매우 균일하고, 뚜렷한 에지 형상을 갖는 동시에 높은 접착성을 나타낸다.

Description

전자 물질의 레이저 데칼 전사{Laser Decal Transfer of Electronic Materials}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 "전자 물질의 레이저 데칼 전사"라는 명칭의 2007년 9월 14일자 미국 임시특허출원 제60/972,704호를 우선권 주장의 기초로 하며, 상기 출원의 내용은 그 전체가 참조에 의해 본 명세서에 편입된다.
본 출원은 그 권리를 완전히 양수한 "침착 보수 장치 및 그 방법(Deposition Repair Apparatus And Methods)"이라는 명칭의 2007년 5월 14일자 미국 특허출원 제11/748,281호와 관련되며, 상기 출원의 내용은 그 전체가 참조에 의해 본 명세서에 편입된다.
본 발명은 일반적으로 디스플레이 및 마이크로전자 회로의 변경, 주문 제작 및/또는 보수를 위한 전자 물질의 박막 형상 또는 패턴의 비접촉식 직접 인쇄에 관한 것이며, 특히, 평면 패널 디스플레이의 보수에서 요구되는 것과 같은 마이크로 회로의 비접촉식 보수에 관한 것이다.
많은 산업 분야에서, 특히, 예컨대, 요구되는 물질의 진공 증착 또는 리소그라피 배치(lithographic batch) 프로세스를 사용하는 패턴 형성에서처럼, 반도체 처리 기술을 사용하여 제작된 전자 회로의 부가 변경에 있어서, 회로가 일단 완성된 후 해당 회로의 결함을 수리하기 위해 보수(repair) 패턴을 생성할 수 있는 프로세스에 대한 요구가 존재한다. 이러한 부가 변경이 기존의 회로에 적합하기 위해서는, 증착된 물질이 이미 존재하는 패턴과 유사한 두께, 폭 및 기능을 가져야 한다. 보다 구체적으로, 상기 보수는 일반적으로 "박막(thin film)" 특성을 만족시켜야 한다. 즉, 1 마이크로미터보다 작은, 보통은 0.5 마이크로미터보다 작은 두께를 갖고, 5 마이크로미터 또는 그보다 작은 선폭을 가져야 한다. 이러한 치수 범위에서 이미 제조된 회로를 부가적인 박막 물질로 교정하기 위해 현재 이용가능한 프로세스들은 반드시 진공이 존재할 것을 요구한다. 이러한 진공 프로세스들의 예는 레이저 화학 기상 증착(laser chemical vapor deposition; LCVD), 집광 이온 빔(focused ion beam; FIB) 증착 및 진공 레이저 유도 순방향 전사(vacuum laser induced forward transfer)를 포함한다. 이러한 기술들은, 반도체 웨이퍼 및 리소그라피 크롬 마스크 상의 패턴화된 회로의 보수에 사용될 때, 복잡성에 기인한 제한된 성공률, 물질의 선택 범위의 제한 및 낮은 증착 속도를 갖는다. 평면 패널 디스플레이와 같은 큰 면적의 회로에 있어서는, 보수의 용도를 위해 LCVD만이 채택되어 왔다.
대기 압력 및 실온의 물질 부가 프로세스 및 그 방법은 일반적으로, 금속 도전체, 폴리머, 또는 세라믹 유전체와 같은 전자 물질의 직접 인쇄로 제한된다. 이러한 프로세스들은 미국특허 제6,805,918호('918 특허)와 제7,014,885호('885 특허)에 개시된 바와 같이 기능성 유변학적 시스템(rheological system)의 사용을 요구한다. 보다 구체적으로, 유변학적 시스템들은 고체와 액체 사이의 범위에 있는 특성들을 갖는 일군의 물질로서 정의되고 탄성 또는 점성과 같은 적어도 하나의 기본적인 유변학적 특성을 특징으로 한다. 또한, 유변학적 물질들은 겔, 페이스트(paste), 잉크, 농축 용액, 현탁액, 뉴턴 유체(Newtonian fluid) 및 비뉴턴 유체, 점탄성(viscoelastic) 고체 및 탄점성(elastoviscous) 유체를 포함하지만, 이로 제한되지는 않는다. 상기 유변학적 물질들은 금속 또는 생물학적 물질과 절연체를 포함하는 비금속을 포함할 수 있지만, 이로 제한되지는 않는다. 상기 유변학적 물질들은 균일한 혼합물이고 일반적으로 (예컨대) 기능성 물질, 용제(solvent) 또는 운반체(vehicle), 화학적 전구체 및 유변학적 전구체, 결합재(binder), 계면 활성제, 분산제, 파우더, 및/또는 생체 적합 물질(biomaterial)을 포함한다. 상기 기능성 물질은 원하는 침착(deposition)의 기능적 특성들(전기적, 자기적 특성 등)을 갖는 물질이다. 상기 유변학적 물질들은 5 내지 500 나노미터 범위의 입자 크기를 갖고, 하나 또는 그 이상의 용제 및/또는 결합재 내에 부유하며, 1 내지 1,000,000 센티푸아즈(centiPoses; cP) 범위의 점도를 갖는 금속 또는 비금속 물질일 수 있다.
어떤 공급 기술을 선택하느냐에 따라, 상기 유변학적 시스템의 점도가 주의깊게 선택되어야 한다. 점도의 범위는 1 내지 100 cP의 점도를 갖는 물과 같은 잉크로부터 중간 점도 내지 고 점도(100 cP보다 크고 100,000 cP 정도에 이름)의 좀 더 걸쭉한 잉크, 그리고 100,000 cP보다 더 큰 점도를 갖는 걸쭉한 페이스트에 이른다. 잉크젯 잉크는 분사 온도에서 5 내지 20 cP 정도의 점도를 갖는다. 스크린 인쇄 잉크는 2000 cP 정도의 점도를 가질 수 있는 반면, 스크린 인쇄 페이스트는 50,000 cP 보다 큰 점도를 가질 수 있다.
낮은 점도의 잉크를 이용하는 공급 기술 및 방법은, 압전 디바이스, 열 디바이스, 정전(electrostatic) 디바이스, 음향 디바이스, 또는 다른 디바이스를 사용하는 잉크젯 프린트헤드 주문형 액적(droplet-on-demand) 공급 기술들을 포함한다. 이 방법들은 문서로 잘 기록되어 있으며 1000 cP보다 작은, 일반적으로는 50 cP보다 작은 점도를 갖는 잉크를 사용한다. 제조 단계의 잉크젯 장치들은 수십 피코리터(picoliter) 또는 이보다 큰 체적의 액적을 공급한다. 10 피코리터는 약 26 마이크로미터 직경의 구와 등가이다. 직경이 5 마이크로미터이고 두께가 0.3 마이크로미터인 박막 형상은 약 6 펨토리터(femtoliter)의 체적을 갖고, 이와 등가인 액적(구)는 약 2 마이크로미터의 직경을 갖는다. 이러한 크기의 액적을 생성하는 장치를 사용할 수 있는 곳은 아직 연구실뿐이고, 이러한 작은 체적은 전자 물질 또는 응용 분야와 반드시 양립하지는 않는 일정한 유체들로만 생성될 수 있다. 개발은 계속되고 있지만, 매우 정밀한 선폭을 위한 생산용 잉크젯 기술은 아직 나타나지 않고 있다.
10 마이크로미터보다 작은 선폭을 얻기 위한 현재의 잉크젯 주문형 액적 방법이 갖는 단점들은 다음을 포함한다: (i) 약 1000 cP보다 작은, 보다 일반적으로는, 50 cP보다 작은 점도를 갖는 물질로 제한된 장치 호환성. 이는 (ⅱ) 낮은 금속 함량을 의미하고, 따라서 (ⅲ) 도전성 요건을 만족시키기 위해 여러 번의 작업을 요구하는데, 이는 처리량에 영향을 미친다. (ⅳ) 평균적으로 직경이 약 5 마이크로미터 같거나 그보다 큰 액적 분포를 생성하는 것으로 장치 호환성이 제한되고, 이는 최소 선폭을 약 7 마이크로미터로 제한하며, (ⅴ) 선폭 크기 및 에지의 완전성을 결정하는 다수의 요인들이 액적 분포의 평균, 잉크 점성, 잉크/기판 접촉각, 기판 표면 에너지, 기판 표면의 형태, 인쇄 및 건조 온도를 포함한다.
기능성 유변학적 시스템들의 레이저 전사 또는 레이저 직접 인쇄 방법은, 예컨대, 상기 '918 특허와 '885 특허, 그리고 미국 특허출원 제11/748,281호에 개시되어 있다. 도 1은 종래의 유변학적 물질의 레이저 전사에 필요한 장치 100을 도시한다. 전사될 코팅 108은 수취 기판 104에 대향하는 투명한 기판 또는 리본 106에 인가된다. 상기 리본은 상기 코팅의 지지 구조물로서 작용하고, 사용되는 레이저 파장에 대해 광학적으로 투명해야 한다. 펄스형 레이저 빔 116은 대물 렌즈와 같은 집광 광학 장치(focusing optics) 또는 최종 렌즈(final lens) 102를 통해 상기 코팅 반대편의 리본 표면에 가해지고, 상기 코팅은 상기 수취 기판 104로 전사된다. 상기 레이저 116에 대해서 상기 수취 기판 104를 이동시키고, 코팅된 영역의 전사가 언제나 가능하도록 상기 레이저에 대해 상기 리본을 이동시킴으로써, 전사된 패턴 110이 상기 수취 기판상에 형성된다. 상기 수취 기판상에 전사된 패턴은 경화(curing)를 필요로 할 수 있다(도시되지 않음). 일반적으로, 상기 리본의 크기는 상기 레이저 빔이 충돌하는 영역보다 크다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 상기 투명 리본상의 코팅은 상기 수취 기판으로부터 일정한 거리를 갖도록 유지되고, 상기 펄스형 레이저는 구속이 없어진 코팅 층이 상기 거리를 횡단할 수 있게 한다.
레이저 직접 인쇄의 주요한 파라미터들은, (a) 전사되어야 할 물질의 속성, (b) 레이저 에너지 밀도, 및 (c) 물질의 속성과 이용가능한 에너지 모두에 의존하는 전사 방법을 포함한다. 예를 들어, 미국특허 제6,177,151호('151 특허) 및 제6,766,764호('764 특허)에 개시된 것과 같은 MAPLE-DW 프로세스는 전사 물질을 매트릭스 물질과 결합하고, 상기 매트릭스 물질은 구체적으로 펄스형 레이저 에너지에 노출될 때 상기 전사 물질보다 휘발성이 좀 더 큰 특성을 갖는다. 상기 전사 물질은 금속 또는 생물학적 물질과 절연체를 포함하는 비금속을 포함할 수 있지만, 이로 제한되지는 않는다. 상기 코팅된 물질(전사 물질을 더한 매트릭스)은 상기 침착 프로세스 동안 고체 상태에 있는 것으로 가정된다. 상기 '151 특허 및 '764 특허에 개시된 MAPLE-DW 프로세스를 사용할 때 전사 에너지 밀도는 금속의 경우 일반적으로 300 내지 500 mJ/cm2이다. 상기 MAPLE-DW 전사 방법은 상기 매트릭스 물질의 휘발(volatizing) 또는 기화(vaporizing)를 포함하고, 이는 상기 지지 리본으로부터 상기 수취 기판으로의 상기 전사 물질의 탈착(desorption)을 일으킨다. 상기 MAPLE-DW 프로세스는 전사 후, 상기 침착된 물질이 추가적인 처리를 요하지 않는 것으로 가정한다.
상기 '918 특허의 예에서, 유변학적 물질의 전사 프로세스를 사용할 때 금속에 대한 전사 에너지 밀도는 400 내지 500 mJ/cm2인 것으로 기재되어 있다. 상기 '918 특허 및 '885 특허에 의해 개시된 유변학적 물질의 전사 방법은 다음의 단계들을 포함하고, 도 2a 및 2b에 개략적으로 도시된다: (a) 레이저 에너지 116이 지지 리본의 표면 부근에서 상기 유변학적 유체 202의 아주 작은 체적을 국지적으로 가열하고, 다음으로 (b) 기화된 물질은 기화되지 않은 유체 110이 수취 기판 104를 향해 나아가게 하는 높은 압력의 폭발을 생성한다. 상기 전사되는 물질은 실질적으로 변화를 겪지 않은 유변학적 유체이다. 대부분의 침착 물질은, 화학적 전구체를 분해하거나, 용제 운반체(solvent vehicle)를 제거하거나, 또는 상기 기능성 물질 및 영구적 결합재(permanent binder)를 응축(consolidate) 또는 농축 또는 소결(sinter)하기 위해, 열, 광열(photothermal) 또는 광분해(photolytic) 프로세스와 같은 후처리 단계를 요구한다.
또한, 미국특허 제6,815,015호('015 특허)에 개시된 분사 효과는 좁은 프로세스 윈도우 조건 하에서 유변학적 유체를 사용할 때 발생한다. 구체적으로, 전사 에너지 밀도는 전사되는 물질이 입사 레이저 빔 프로파일보다 작거나 또는 대략 같은 크기를 유지할 수 있도록 전사 프로세스를 제어하기 위해 조절된다. 상기 '015 특허에 보고된 분사 프로세스의 전사 에너지 밀도는 100 mJ/cm2보다 작다. 분사 윈도우 내에서의 동작은 입사 레이저 빔과 비슷한 크기의 형상을 만들 수 있다는 이점을 갖는다. 그러나, 상기 '015 특허에 개시된 것과 같이 분사 동작을 위한 조건들은 전사 리본 상의 코팅이 상대적으로 두꺼울 것(1 내지 20 마이크로미터 두께, 보다 구체적으로, 인용된 예에서는 5 내지 10 마이크로미터)을 요구한다. 이와 같이 상대적으로 큰 체적의 유변학적 유체는 상기 '015 특허의 도 6d에 도시된, 그리고 본 출원의 도 2c 및 2d에 204로서 개략적으로 도시된 넥(neck) 또는 제트를 형성할 것이 요구된다. 그 결과 전사된 형상도 박막 보수에 요구되는 1 마이크론 미만의 두께보다 훨씬 두꺼워진다. 또한, 상기 넥 또는 제트 204를 형성하기 위해, 상기 유변학적 유체는 점도가 100,000 cP, 보다 바람직하게는 10,000 cP보다 훨씬 낮은 유체 특성을 나타내야 한다. 다음으로, 분사 방식으로 발생된 전사는 액적과 유사한 특성을 갖기 때문에, 결과적으로, 분사되는 액적이 상기 수취 기판의 표면에 부딪힐 때 원래 의도한 전사 형상 110의 외측에 튐 또는 잔해 112가 많이 나타난다. 따라서, 레이저 전사 기법 중 분사 방식의 또 다른 한계는, 마이크로회로의 박막 보수에서 요구되는 것과 같은, 일정하고 반복가능한 직선 에지를 갖는 명확히 정의된 좁은 형상 또는 패턴을 생성할 수 없다는 것이다.
유변학적 유체를 사용하여 박막 특성을 갖는, 즉, 명확히 정의된 직선 에지 및 균일한 두께를 갖고 선폭은 5 마이크로미터, 두께는 1 마이크로미터 미만인 형상을 인쇄하기 위해 요구되는 주요 파라미터들은, (i) 리본 기판 위의 물질 크기, 균일성 및 두께(물질 전사 방법) 또는 공급되는 액적의 크기(에어로졸 분사 또는 잉크젯), (ⅱ) 공급 또는 기판 온도, 점성, 기판 물질, 표면 형태 또는 거칠기, 및 표면 에너지 조건의 함수일 수 있는 상기 수취 기판 표면에서의 물질 유동, (ⅲ) 상기 수취 기판으로의 공급 기구의 상대적 위치를 포함한다. 예컨대, 잉크젯 시스템 또는 분사 방식으로 동작하는 레이저 순방향 전사의 경우에는, 거리가 너무 클 때는 선폭이 너무 커지는 반면(액적의 확산에 기인함) 거리가 너무 작을 때는 라인의 에지가 명확히 정의되지 아니함으로써 선폭이 너무 커지게 된다(액적의 튐에 기인함). 유변학적 물질을 사용하는, 에지가 잘 정의된 5 마이크로미터 폭의 얇은 라인을 직접 인쇄함에 있어 고려되어야 하는 추가적인 파라미터들은, (ⅳ) 잉크 또는 유변학적 물질의 물질 입자 크기(금속의 경우, 전형적인 입자 크기는 수십 나노미터 또는 그보다 작아야 함), (ⅴ) 공급 기구의 개구 크기, 및 (ⅵ) 빔 크기, (ⅶ) 에너지 밀도 및 균일성, 및 (ⅷ) 레이저 또는 에너지 소스의 파장을 포함한다.
종래의 직접 인쇄 기술은, 디스플레이 및 마이크로전자 회로의 변경, 개별화 및/또는 보수, 특히, 평면 패널 디스플레이의 보수에서 요구되는 것과 같은 마이크로 회로의 비접촉식 물질 부가 보수를 위해 요구되는 것과 같은 박막 특성을 갖는 좁은 형상을 생산하기 위한 요건을 갖추지 못하고 있다. 상기 '015 특허에 개시된 분사 방식은 상기 박막 요건을 만족시키지 못하고 일반적으로 5 마이크로미터 또는 그보다 작은 폭과 1 마이크로미터 미만의 두께를 갖는 선 형상의 박막 형성에 사용되기에 적절하지 않다.
[문헌1] US 6805918 B2 (Auyeung, Raymond C. Y. 등) 2004.10.19. [문헌2] US 7014885 B1 (Pique, Alberto 등) 2006.03.21. [문헌3] US 6177151 B1 (Chrisey; Douglas B. 등) 2001.01.23. [문헌4] US 6766764 B1 (Chrisey; Douglas B. 등) 2004.07.27. [문헌5] US 6815015 B2 (Young, Henry Daniel 등) 2004.11.09.
본 발명은 상기한 종래의 직접 인쇄 기술이 갖는 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 원하는 형상의 박막을 형성할 수 있는 전사 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 의한, 그리고, 본 명세서에서는 레이저 데칼 전사라고 불리는 레이저 전사 프로세스는, 삭마(ablative), 매트릭스 기화 또는 분사 방식으로 동작하는 종래의 레이저 전사 기술과 달리 층류(laminar) 전사 방식으로 동작함으로써 박막과 같은 형상을 생성하는데 사용된다. 레이저 데칼 전사를 수행하는 장치는 수취 기판과 표적 기판을 수용하고, 레이저 소스를 포함한다. 상기 표적 기판은 부분적으로, 전면과 배면을 갖는 레이저에 대해 투명한 지지부를 포함한다. 상기 표적 기판의 상기 전면은 상기 수취 기판으로부터 일정한 거리의 간격만큼 이격되고, 고점도 유변학적 유체의 박막으로 코팅된다. 매우 낮은 에너지의 레이저 펄스들이 상기 표적 기판의 상기 배면을 통과하여, 상기 레이저 빔을 중심으로 놓여진 가변 개구에 의해 결정되는 면적 위로 상기 얇은 코팅을 조사(照射)한다. 상기 레이저 데칼 전사 프로세스는 상기 표적 기판으로부터 상기 레이저 조사 면적과 실질적으로 동일한 균일하고 연속적인 층이 분리 및 전사되게 한다. 상기 분리된 층은 처음의 크기 및 형상에 실질적으로 아무런 변화없이 상기 간격을 횡단하여 전사되고, 이에 따라 상기 수취 기판의 표면에 폭이 수 마이크로미터이고 두께가 마이크론의 10분의 몇인 박막 형상을 만들어 낸다. 고점도 유변학적 유체의 매우 얇은 코팅과 낮은 에너지 밀도를 갖는 고도로 균일한 레이저 소스의 결합은 상기 레이저 펄스에 노출된 면적이 매우 원활히 분리되도록 하는 동시에 상기 층의 분리 및 전사에 의해 발생되는 전단력을 약화시킨다. 즉, 상기 층의 이동은 층류 영역에서의 유체의 이동과 유사하다. 상기 레이저 데칼 전사 프로세스는, 레이저에 의해 조사되는 표적 기판 상의 면적과 크기 및 형상이 실질적으로 1 대 1인 패턴의 전사를 일으킨다는 점에서, 다른 공지의 레이저 전사 프로세스와 다르다. 상기 수취 기판의 표면에 전사된 결과적인 패턴은, 상기 수취 기판의 표면 에너지, 습윤(wetting) 또는 소수성(phobicity)에 관계없이, 그 두께 및 형태가 매우 균일하고, 분명한 에지 형상을 갖는 동시에 높은 접착성을 나타낸다. 레이저 데칼 전사에서는, 상기 침착 영역 외측에 다른 비접촉식 전사 또는 분사 기술에서 나타나는 액적이나 잔해가 형성되지 않고, 이에 따라 리소그라피 또는 접촉식 전사 기술에 의해 달성되는 것과 유사한 형상 및 해상도를 갖는 패턴을 생성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 유변학적 혼합물의 점도는 10,000 cP와 같거나 그 이상이다. 다른 실시예에서, 상기 코팅은 2 마이크로미터와 같거나 그보다 작은 두께를 갖는다.
일 실시예에서, 본 발명의 레이저 데칼 전사 방법은 선택적으로 실온 및 대기압 하에서 수행된다. 상기 레이저는 펄스형 레이저 또는 연속파 레이저일 수 있고, 레이저 에너지는 렌즈를 통해 집광될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 레이저 빔은 연속적으로 정해진 표적 위치를 반복적으로 조사하여 연속적으로 정해진 수취 위치에 침착을 일으킨다. 상기 침착은 2차원 또는 3차원 패턴을 형성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 표적 기판은 레이저에 대해 투명한 탄력성있는 리본을 포함하고, 상기 리본은 상기 레이저 빔의 파장에 대해 투명하다. 일 실시예에서, 상기 레이저 빔은 그 내부에 동시에 존재하는 복수의 파장을 갖는다. 일 실시예에서, 상기 레이저 빔의 펄스 길이가 변화된다.
일 실시예에서, 상기 표적 기판이 상기 수취 기판에 대해 이동될 때 상기 표적 기판과 상기 수취 기판 사이의 거리는 미리 정의된 범위 내로 유지된다. 일 실시예에서, 상기 표적 기판이 상기 레이저 빔에 대해 이동될 때 가변 형상의 개구가 상기 레이저 빔을 중심으로 놓여진다.
일 실시예에서, 상기 수취 기판상에 침착된 상기 유변학적 혼합물은 상기 레이저 빔을 사용하여 경화된다. 다른 실시예에서, 상기 수취 기판상에 침착된 상기 유변학적 혼합물을 경화시키기 위해 다른 가열 소자가 사용될 수 있다. 이러한 가열 소자는 상기 데칼 전사 중에 사용되는 레이저 빔과는 다른 레이저 빔일 수 있다.
상기 수취 기판은 평면 패널 디스플레이, 솔라 패널, 또는 반도체 웨이퍼 기판 등일 수 있다. 또한, 상기 기판은 평면이거나 평면이 아닐 수 있다. 일 실시예에서, 상기 침착된 유변학적 혼합물은 한 쌍의 노드 간의 전기적 접속을 제공한다. 일 실시예에서, 상기 리본은 상기 유변학적 혼합물로 코팅된 움푹 파인 웰을 포함한다. 상기 움푹 파인 웰은 상기 레이저 빔의 광학 경로에 배치된다.
본 발명의 데칼 전사 방법은 다음과 같은 이점을 갖는다. 첫째로, 전사된 형상이 빔 성형 개구의 정렬을 통해 사용자에 의해 정의된 형상을 가질 수 있다. 두 번째로, 최소의 단계로 가능한 가장 큰 형상을 갖는 원하는 패턴의 구성이 가능해 지고 이에 따라 종래의 직접 기입 방법에 의한 것보다 훨씬 짧은 시간 내에 기입을 완성할 수 있기 때문에, 처리량이 증가된다.
세 번째로, 형상 크기가 레이저 광학 장치에 의해 주로 결정된다. 따라서, 액적 주문형 잉크젯 또는 낮은 점도의 물질을 사용하는 레이저 순방향 전사 방법에서와 달리, 물질의 전사에 충분한 빔 에너지를 가정하면 매우 좁은(5 마이크로미터 이하) 조사 빔 프로파일에 대응하여 매우 좁은 라인을 인쇄할 수 있다.
네 번째로 주변의 잔해를 최소로 하거나 또는 아예 남기지 않으면서 원하는 패턴을 만들어 낼 수 있다. 기판 표면에 대해서 빠른 속도로 움직이는 전사 물질 또는 잉크의 충돌에 의해 튐이나 다른 잔해를 발생시키는 삭마, 매트릭스 기화 또는 분사 방식으로 동작하는 다른 레이저 전사 기술과 잉크젯 프로세스와 달리, 데칼 전사는 층류 전사 방식으로 동작한다. 잔해는 원치않는 교차 오염이나 보수 또는 변경되는 회로 또는 패턴의 부근에서 원치않는 전기적 단락을 일으킬 수 있다.
다섯 번째로, 수취 기판상의 구멍 또는 빈 틈을 가로질러 자립(self-standing) 구조물의 형성을 가능하게 한다. 이는 크로스오버(crossover) 및 다른 3차원 구조물의 직접 인쇄에서 응용될 수 있는 독립식 층 또는 브리지의 침착을 가능하게 한다.
여섯 번째로, 매우 작은 두께의 형상을 전사할 수 있다. 본 발명의 전사 프로세스는 0.1 마이크로미터 단위의 두께를 갖는 층을 전사할 수 있다.
도 1은 레이저 전사 장치를 도시한다.
도 2a는 종래에 알려진 MAPLE-DW 프로세스에 의한 물질의 레이저 전사를 도시한다.
도 2b는 도 2a의 물질이 수취 기판에 전사된 후를 도시한다.
도 2c는 종래에 알려진 분사 프로세스에 의한 물질의 전사를 도시한다.
도 2d는 도 2c의 물질이 수취 기판에 전사된 후를 도시한다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 의한 데칼 전사를 사용할 때, 입사 레이저 빔에 의해 표적 기판으로부터 분리되고 수취 기판을 향해 나아가는 유변학적 혼합물을 도시한다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 의한, 도 3a의 유변학적 혼합물이 수취 기판에 전사된 후를 도시한다.
도 4a는 표적 기판으로부터 수취 기판으로 물질을 전사하는 레이저 데칼 전사 장치의 단면도이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 의한, 레이저 데칼 전사를 사용하여 전사되는 유변학적 혼합물을 보유하도록 움푹 파인 웰이 형성되어 있는 리본을 도시한다.
도 5a, 5b 및 5c는 본 발명의 데칼 전사에 의한, 빔 성형을 위한 예시적인 배열을 도시한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 정해진 형상을 갖는 유변학적 혼합물이 입사 레이저 빔을 사용하여 표적 기판으로부터 수취 기판으로 전사된다. 상기 혼합물은 레이저 빔에 의해 조사되고, 상기 레이저 빔의 에너지 밀도는 레이저 조사된, 기화되지 않은 유변학적 혼합물의 데칼 전사가 일어나도록 선택된다. 이에 따라, 상기 레이저 조사된, 기화되지 않은 유변학적 혼합물은 상기 표적 기판으로부터 벗어나 수취 기판의 정해진 위치에 침착된다.
본 발명에 의하면, 템플릿 전사라고도 불리는 데칼 전사에 의해 원하는 작은 선폭과 1 마이크로미터 미만의 두께를 얻을 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 데칼 전사는 전사되어야 할 유변학적 물질이 인가된 표적 기판, 즉, 리본을 가격하는 레이저 전사 펄스에 모양과 면적이 실질적으로 1 대 1로 대응하는 상기 유변학적 물질의 전사이고, 결과적으로 전사된 형상은 전체 면적에 걸쳐 균일하고 명확히 정의된 에지와 두께를 나타낸다. 따라서, 레이저 펄스에 노출된 리본 인터페이스는 동일한 면적의 고점도 유변학적 물질을 분리시키고, 상기 유변학적 물질은 상기 리본과 상기 수취 기판 사이의 간격을 횡단하여 동일한 치수의 침착 패턴을 형성하는 동안 그 형상을 그대로 유지한다. 상기 데칼 전사 프로세스는 주변 조건, 즉, 거의 실온 및 거의 대기압인 조건에서 일어난다.
도 3a 및 3b는 수취 기판 104를 향해 나아가고 상기 수취 기판 104에 도착했을 때 아무런 변화를 겪지 않는 물질 206의 데칼 전사를 도시한다. 본 발명에 의하면, 반복가능한 특정 구성 및 형상의 유변학적 물질의 코팅이 레이저 빔과 수취 기판에 대한 반복가능한 위치에서 기판으로 전사된다. 상기 레이저 데칼 전사 방식으로 동작하는 장치는 미국 특허출원 11/748,281호에 개시되어 있다.
데칼 전사와 유변학적 물질의 특성 간에는 강한 상호 관계가 존재하고, 특히, 10,000 cP보다 큰, 보다 구체적으로는, 100,000 cP보다 큰 점도를 갖는 고점도 물질이 요구된다. 특히, 레이저 데칼 전사를 위한 고점도 페이스트의 사용은 상기 리본의 코팅에 포함된, 균일하고, 균열이 없고 변형되지 않은 전단층(sheared layer)의 분리를 가능케 한다. 고점도 페이스트 내의 강한 결합력이 이를 가능하게 만든다. 도 3a 및 3b에 도시된 바와 같이, 전사된 고점도 층 206은 상기 리본 106과 상기 수취 기판 104 사이의 간격 112를 횡단할 때 형상이 그대로 유지된다. 또한, 상기 전사된 고점도 층 206이 실질적으로 아무런 변화를 겪지 않기 때문에, 상대적으로 큰 간격 112, 보다 구체적으로, 수십 마이크로미터 또는 그 이상의 거리의 간격을 횡단할 수 있다. 이와 비교해서, 더 낮은 점도의 잉크는 수 마이크론보다 더 작은 간격을 횡단할 때, 잉크의 표면 장력 및 상기 간격 내에 존재하는 공기에 대한 저항성 때문에 더 작은 요소들로 분해된다. 낮은 점도를 가진 유체가 더 작은 요소들로 분해되었을 때의 또 다른 결과는, 감소된 점도 때문에 존재하는 더 높은 표면 에너지가 더 작은 구 형상을 형성하도록 분해를 일으킨다는 것이고, 이는 결국 상기 수취 기판의 표면에 부딪힐 때 균일하고 연속적인 층을 형성하지 않는 작은 액적들의 전사를 일으킨다. 상기 작은 액적(구)들은 대신 원래의 레이저 전사 지점보다 더 큰 면적에 걸쳐 분산되는 경향이 있고, 이는 반드시 잔해를 남긴다.
일반적으로, 페이스트와 같은 고점도의 유변학적 물질은 잉크와 같은 저점도의 유변학적 물질과 비교할 때 다수의 이점을 제공한다. 먼저, 고점도 페이스트는 현저히 높은 고체 함량을 포함하고, 따라서, 도전성이 중요한 금속 형상의 인쇄에 있어서, 목표로 하는 도전성을 얻기 위해 저점도의 잉크는 여러 번의 작업을 요구하는 반면 상기 고점도 페이스트는 한 번의 작업으로 인가될 수 있다. 또한, 고점도 물질들은 수취 기판의 표면 에너지 특성에 의해 영향을 덜 받고, 특히, 접촉각(contact angle) 효과에 기인하여 상기 수취 기판의 표면에 도달한 후에 덜 분산된다. 이는 매우 중요한 고려 사항인데, 그 이유는 고점도 페이스트가 수취 기판의 표면 소수성(phobicity)에 의해 영향을 덜 받고 상기 수취 기판의 표면에 대해 접착성이 좋기 때문이다. 또한, 고점도 페이스트는 상기 수취 기판에 도달했을 때 자신의 형태를 유지하기 때문에, 거칠기, 경사 및 단차와 같은 표면의 결함부에서도 분명하고 균일한 에지를 갖는 연속적 패턴이 형성될 수 있다. 도 2b 및 2d는 종래의 MAPLE-DW 및 분사 프로세스를 사용하여 저점도의 물질을 전사한 결과를 도시한다. 도 3a 및 3b는 본 발명의 고점도 물질의 데칼 전사의 결과를 도시한다. 도 2b 및 2d를 3a 및 3b와 비교하면 본 발명의 데칼 전사의 이점을 알 수 있다.
코팅 두께는 데칼 전사 프로세스에 있어서 중요한 변수이고 분사 방식과 같은 다른 레이저 전사 기술과 상기 데칼 전사를 구분하는 중요한 인자이다. 실험에 의하면 최상의 데칼 전사는 코팅의 두께가 1 마이크로미터보다 작을 때, 보다 구체적으로는, 0.5 마이크로미터보다 작을 때 일어난다. 이와 달리, 상기 미국특허 제6,815,015호에 개시된 분사 방식은 십 마이크로미터 정도의 코팅 두께를 요구한다. 더 두꺼운 코팅은 주변 영역으로부터 벗어나기 위해 더 높은 레이저 에너지를 필요로 한다. 이러한 높은 에너지의 레이저 펄스는 상기 코팅 내의 용제를 가열함으로써 더 뜨겁고 더 많은 양의 증기를 발생시키고, 이렇게 해서, 리본으로부터 코팅 물질을 분리시킬 뿐만 아니라 전사된 코팅 물질을 작은 조각들로 분해함으로써 전사된 코팅 물질의 완전성에 지장을 주게 되는 더 높은 압력의 펄스를 일으킨다. 이와 달리, 상기 데칼 전사 프로세스는 상기 코팅 물질을 똑같게 전사하기 때문에, 매우 얇은 코팅이 매우 균일하고, 특히, 핀홀(pinhole)이나 구멍을 갖지 않는다.
코팅 점성과 결합되는 코팅 두께는 데칼 전사에서 매우 중요한 인자이다. 데칼 전사는 높은 점도 및 작은 두께에서 가장 잘 일어나는 반면, 분사식 전사는 넥 또는 제트의 형성을 가능하게 하기 위해 훨씬 낮은 점도 및 더 큰 두께(더 큰 체적)를 요구한다.
보수가능하고 재현가능한 데칼 전사를 위해서는 유변학적 물질의 구성적 균형에 변화가 없을 것이 요구된다. LIFT 및 MAPLE-DW 프로세스에서 전사되어야 할 물질은 대개 고체인 반면, 상기 유변학적 물질은 기능성 물질, 용제 또는 운반체(carrier) 물질, 결합재, 분산제 등을 포함하는 균질한 혼합물이고, 상기 물질들은 점성과 같은 유변학적 특성에 기여한다. 선택된 유변학적 물질의 일부는 낮지만 0은 아닌 증기압을 갖는 용제 또는 유체를 포함할 수 있는데, 이는 이러한 용제 또는 유체의 기화에 기인하여 시간의 경과에 따라 상기 유변학적 물질에 변화를 일으킬 수 있다. 상기 데칼 전사 방법을 위해 요구되는 상기 리본 상의 매우 얇은 코팅은, 잉크 내의 휘발성 성분의 기화를 촉진시키는 매우 높은 표면 면적 대 부피비로 인해 매우 불안정할 수 있다. 따라서, 특히 5 마이크로미터와 같거나 그보다 작은 선폭에서의 일정한 데칼 전사를 위해서는, 전사될 유변학적 물질의 특성들이 시간의 경과에 대해 일정해야 한다. 구성의 보존은, (a) 상기 전사될 유변학적 물질을 변화를 막는 환경(예컨대, 온도, 습도 및 압력 조건을 제어) 내에 두거나, 또는 (b) 미국 특허출원 제11/748,281호에 개시된 것과 같이 상기 유변학적 물질의 전사 노출 시간이 거의 언제나 같도록 프로세스 순서 및 프로세스 단계들을 제어하는 것을 포함하는 몇 가지 수단에 의해 성취될 수 있다.
미국 특허출원 제11/748,281호에 개시된 바와 같이, 수취 기판에 대한 리본의 높이 위치를 일정하게 유지하도록 사용된 일 실시예는 도 4a 및 4b에 도시된 것처럼 상기 유변학적 물질로 채워진, 리본에 형성된 리세스 또는 웰(well)을 포함한다. 도 4b는 그 내부에 움푹 파인 웰 124이 형성된 리본 106의 사시도이다. 움푹 파인 웰 124는 그 내부에 위치되는 유변학적 물질의 두께를 반복가능하고 균일하게 할 수 있는 수단을 제공한다. 리세스가 형성되지 않은 표면 122는, 전사되지 않는 코팅 물질로 수취 기판을 오염시키는 일 없이, 상기 수취 기판 104와 접촉할 수 있다. 혹은, 움푹 파인 웰이 형성된 상기 리본이 상기 수취 기판 위에 일정한 간격으로 고정될 수도 있다.
레이저 데칼 전사에 있어서, 5 마이크로미터 선폭 및 1 마이크론 미만의 라인 두께에서 라인의 적절한 온전성을 제공하기 위해 마이크로미터의 10분의 몇 내지는 약 2 마이크로미터인 웰 깊이 120이 사용된다. 공지의 닥터 블레이드(doctor blade) 기술을 사용하면 이러한 웰에 상기 코팅을 일정하게 인가할 수 있다. 리본에 형성된 움푹 파인 웰을 사용하면 강성의 또는 유연한 기판 물질을 사용할 수 있다. 닥터 블레이드로 리본 웰에 페이스트가 인가되면, 상기 페이스트가 건조되기 전에 수많은 전사의 셋업과 실행이 행해지기에 충분한 시간 동안 상기 페이스트의 유변성이 유지된다.
상기 데칼 전사를 위한 레이저는 다이오드 펌핑 레이저, 플래시 램프 펌핑 레이저, 연속파 레이저, 또는 물질 전사에 적절한 다른 레이저일 수 있다. 선택된 레이저는 물질 전사 기능이 물질 제거와 결합되는 상황을 위해 더 다양한 기능을 요구할 수 있다. 상업적으로 이용가능한 펄스형 레이저들은 일반적으로 그 스펙트럼 영역이 극자외선으로부터 적외선, 보다 구체적으로는 266nm 내지 1064nm 범위이고, 펄스폭은 10-12 내지 10-6초이며, 펄스 반복 주파수는 0 내지 100KHz 이상이다. 적절한 레이저의 일 예는, 1064nm(IR), 532nm(녹), 355nm(UV), 266nm(극자외)와 같은 광범위한 파장을 갖고 100 나노초보다 작은, 구체적으로는, 5 내지 30 나노초 사이의 펄스를 제공하는, 3중(tripled) 또는 4중(quadrupled) 주파수 Q-스위칭 Nd:YAG(또는 Nd:YVO4) 레이저이다. 상기 레이저의 빔 프로파일은 데칼 전사되어야 하는 구역에 걸쳐 균일성을 갖는 "정장 모자(top-hat)" 형태의 프로파일을 가져야 한다. 전사는 가우시안(Gaussian) 프로파일과 같은 덜 균일한 빔 프로파일을 사용하여 일어날 수도 있다. 상기 데칼 전사 방식에서 유변학적 물질의 레이저 전사를 위한 레이저의 단위 면적당 에너지는 일반적으로 15 내지 50 mJ/cm2의 범위이다. Q-스위칭 레이저와 같이, 레이저는 전사 및 절삭 보수를 위해 100 나노초보다 작은 펄스들을 제공하도록 구성될 수 있고, 전사된 라인의 경화를 위해 연속파(cw) 모드로 또는 수백 마이크로초 길이(예컨대, 100 내지 300 마이크로초)의 펄스를 제공하도록 구성될 수도 있다.
데칼 전사를 가능하게 하기 위해서는 일정한 조건들이 만족되어야 한다. 전사될 물질들은 높은 점도(10,000 cP 이상, 구체적으로는 100,000 cP 이상)를 가져야 하고, 코팅 두께는 일반적으로 1 마이크로미터보다 작아야 하며, 레이저 빔 에너지(및 단위 면적당 에너지)는 상대적으로 낮아야 한다(약 50 mJ/cm2 이하). 점성이 큰 유변학적 유체의 매우 얇은 코팅과 매우 균일하고 에너지 밀도가 낮은 레이저 소스의 결합은 레이저 펄스에 노출된 구역이 원활히 분리되도록 하는 동시에 층의 분리 및 전사에 의해 생성되는 전단력을 감소시킨다. 즉, 상기 층의 움직임은 층류 영역에서의 유동과 유사하다. 삭마, 매트릭스 기화 또는 분사 방식으로 동작하는 다른 레이저 전사 기술들과는 달리, 데칼 전사는 층류 전사 방식으로 동작한다. 이러한 조건들 하에서, 상기 레이저 데칼 전사 방법은 고점도의 코팅 물질이 인가된 리본을 조사하는 레이저 스폿과 크기 및 형태가 1 대 1인 상기 코팅 물질의 전사 또는 침착을 일으킨다. 즉, 리본 인터페이스의 레이저 펄스에 노출된 영역에서 실질적으로 동일한 면적의 고점도 유변학적 물질이 분리되고, 상기 고점도 유변학적 물질은 상기 리본과 상기 수취 기판 사이의 간격을 횡단하는 동안 그 형태가 유지되고 실질적으로 동일한 치수의 침착 패턴을 형성한다. 또한, 상기 전사된 고점도 층은 실질적으로 아무런 변화도 겪지 않기 때문에, 상기 층은 상대적으로 큰 간격, 보다 구체적으로는, 10 마이크로미터 또는 그 이상의 거리의 간격을 횡단할 수 있다.
다른 레이저 순방향 전사 방법과 달리, 데칼 전사를 위한 조건을 사용할 때 결과적인 형상 및 크기는, 상기 리본 상의 코팅 층이 최적화되면 레이저 빔의 균일한 프로파일 및 레이저 빔 형태에 의해 직접적으로 지배된다. 이러한 데칼 전사 동작은 매우 큰 영향을 미치고, 다른 레이저 순방향 전사 기술에 비해 실질적인 이익을 제공한다. 레이저 빔을 광학적으로 성형하고, 예컨대, 정사각형 또는 직사각형으로 형성함으로써, 상기 레이저 데칼 전사 프로세스는 대응되는 정사각형 또는 직사각형 형상의 물질을 직접 인쇄하게 된다. 미국 특허출원 제11/748,281호에 개시된 바와 같이, 상기 레이저 인쇄 장치는 빔 경로 내에 성형된 개구 또는 가변 형상의 개구를 포함할 수 있다. 가변 형상의 개구는, 최소 스폿 크기와 같은 크기의 한 가지 치수를 갖는 정사각형들(도 5a) 또는 직사각형들(도 5b 또는 5c)과 같이, 사각형들의 크기를 변화시킬 수 있다. 도 5a, 5b 및 5c에 도시된 예에서, 개구의 두 변(a 및 b)은 고정되는 반면 나머지 두 개의 에지(c 및 d)는 x와 y 중 어느 하나 또는 모든 방향으로 이동된다. 다른 크기의 빔 형상들 a'b'c'd'가 형성될 수 있고, 이들은 상기 데칼 전사 프로세스에 의해 동일한 크기 및 형태로 재현될 수 있다. 다른 크기의 개구를 생성하는 다른 방법들도 가능하다. 예컨대, 일 실시예에서, 가변 개구는 이동가능한 네 개(a, b, c, d)의 에지를 포함할 수 있다.
예컨대, 10개의 레이저 펄스를 사용하여 각각 5 마이크로미터×5 마이크로미터인 10개의 인접하는 일렬의 정사각형들을 인쇄하는 대신, 5 마이크로미터×50 마이크로미터의 직사각형인 성형 빔과 한 번의 레이저 펄스를 사용하여 5 마이크로미터×50 마이크로미터 라인이 인쇄될 수 있다. 다른 예에서, 만약 원하는 형상이, 예컨대, 50 마이크로미터의 다리 길이와 5 마이크로미터의 선폭을 갖는 "L"자 모양이라면, 상기 데칼 전사 프로세스는 두 개의 단계로 상기 "L"을 인쇄할 수 있다: 먼저 5 마이크로미터×50 마이크로미터 크기(예컨대, 도 5b에 도시됨)의 빔을 형성하기 위해 상기 개구를 변형하고, 다음으로, 50 마이크로미터×5 마이크로미터 크기(예컨대, 도 5c에 도시됨)의 빔을 형성하기 위해 상기 개구를 변형한다. 또 다른 예에서, 대응되는 개구 크기, 즉, 빔 크기가 셋업되면, 예컨대, 50 마이크로미터×50 마이크로미터 크기의 큰 면적이 하나의 펄스로 인쇄될 수 있다. 따라서, 상기 데칼 전사 방법의 첫 번째 이점은 상기 전사된 형상이 빔 성형 개구의 정렬을 통해 사용자에 의해 정의된 형상을 가질 수 있다는 것이다.
가변 형상의 개구를 포함하는 상기 데칼 레이저 전사 방법의 두 번째 이점은 처리량인데, 이들의 결합으로 인해 최소의 단계로 가능한 가장 큰 형상을 갖는 원하는 패턴의 구성이 가능해 지며 이에 따라 종래의 직접 기입 방법에 의한 것보다 훨씬 짧은 시간 내에 기입을 완성할 수 있기 때문이다. 상기 레이저 데칼 전사 방법의 세 번째 이점은 형상 크기가 레이저 광학 장치에 의해 주로 결정된다는 것이다. 이는, 액적 주문형 잉크젯 또는 낮은 점도의 물질을 사용하는 레이저 순방향 전사 방법에서와 달리, 물질의 전사에 충분한 빔 에너지를 가정하면 매우 좁은(5 마이크로미터 이하) 조사 빔 프로파일에 대응하여 매우 좁은 라인을 인쇄할 수 있음을 의미한다.
본 발명에 의하면, 데칼 전사의 네 번째 이점은 주변의 잔해를 최소로 하거나 또는 아예 남기지 않으면서 원하는 패턴을 만들어 낼 수 있다는 것이다. 기판 표면에 대해서 빠른 속도로 움직이는 전사 물질 또는 잉크의 충돌에 의해 튐이나 다른 잔해를 발생시키는 삭마, 매트릭스 기화 또는 분사 방식으로 동작하는 다른 레이저 전사 기술과 잉크젯 프로세스와 달리, 데칼 전사는 층류 전사 방식으로 동작한다. 잔해는 원치않는 교차 오염이나 보수 또는 변경되는 회로 또는 패턴의 부근에서 원치않는 전기적 단락을 일으킬 수 있다.
데칼 전사의 다섯 번째 이점은 수취 기판 상의 구멍 또는 빈 틈을 가로질러 자립(self-standing) 구조물의 형성을 가능하게 한다는 것이다. 이는 크로스오버(crossover) 및 다른 3차원 구조물의 직접 인쇄에서 응용될 수 있는 독립식 층 또는 브리지의 침착을 가능하게 한다.
상기 데칼 전사의 여섯 번째 이점은 매우 작은 두께의 형상을 전사하는 능력이다. 미국특허 제6,815,015호에 개시된 분사 프로세스 및 미국특허 제6,805,918호 및 제6,177,151호에 개시된 초기의 MAPLE-DW 시도에 의한 전사는 그 두께가 일반적으로 십 마이크로미터 단위였다. 본 발명의 전사 프로세스는 0.1 마이크로미터 단위의 두께를 갖는 층을 전사할 수 있다.
상기 레이저 데칼 전사 방법은 전사된 유변학적 물질의 경화를 요구할 수 있다. 예를 들어, 박막 금속 라인의 형성에 있어서, 용제와 결합재를 포함하는 운반체 내에 혼합된 금속 나노입자들을 갖는 유변학적 페이스트가 사용될 수 있고, 전사 후에는 금속이 아닌 용제 및 결합재를 제거하기 위해 가열을 필요로 한다. 경화 장치는 레이저(연속파 또는 펄스형) 또는 레이저 다이오드 및 직접 기입 전사 중에 침착된 전사 물질을 경화하기 위한 열 소스를 제공하는데 필요한 관련 광학 장치를 포함할 수 있다. 또는, 필요한 경화 파라미터(펄스 레이저, 에너지)를 제공하도록 전사 레이저 어셈블리가 구성될 수도 있고, 전사 전용 레이저에 추가하여 경화 전용 레이저가 배치될 수도 있다.
경화를 위해 레이저가 사용되는 경우, 상기 레이저의 파장은 상기 유변학적 물질의 경화(또는 가열)에 적합하도록 맞춰져야 한다. 종래에는 적외선(IR) 파장과 가열의 연관성 때문에 레이저 경화 프로세스에 적외선(IR) 레이저가 사용되어 왔다. 본 발명의 일 실시예는 물질(구체적으로, 금과 은) 나노입자 페이스트 및 잉크를 경화시키기 위해 녹색(또는 Nd:YAG 레이저에 있어서는 532nm) 파장을 사용하는데, 이는 전자 플라스몬 공진(plasmon resonance)이 2.48eV 부근의 포톤 에너지에 대응되는 주파수에서 일어나고 상기 532nm 파장의 포톤은 자신의 에너지를 은 나노입자들로 효율적으로 결합시켜 가열 및 경화를 일으킬 수 있기 때문이다. 보수 용도로서 사용할 때 전사된 패턴 및 그 주위 구역 아래에서 기판의 가열 효과를 최소화할 것이 요구된다는 점에서, 전사된 박막 패턴을 경화시키기 위해 IR 파장이 아닌 녹색 파장을 사용하면 또 다른 이점이 있다. 예를 들어, 평면 패널 디스플레이 회로의 보수에서, 유리 및 ITO 층들은 녹색 파장에서 투명하고 IR 파장에서는 좀 더 많은 빛을 흡수한다.
일 예에서, 나노미터 크기의 은 입자들을 포함하고 120,000 cP보다 큰 점도를 갖는 잉크 페이스트가 표준 닥터 블레이드 기술을 사용하여 유리 리본 기판에 인가되었다. 상기 잉크 페이스트는 그 두께가 약 0.3 마이크로미터이다. 상기 페이스트 코팅이 평면 유리로된 수취 기판과 대향하도록 상기 유리 리본 기판이 반전된다. 상기 페이스트 코팅과 상기 수취 기판 사이의 간격은 약 8 마이크로미터이다. 5 마이크로미터×15 마이크로미터 직사각형 빔이 상기 유리 리본 기판 상에 입사되도록, 펄스형 3중 주파수 Nd:YVO4 레이저 빔(355nm 파장)이 직사각형 개구를 통과하고 20X 현미경 대물렌즈를 통해 조사된다. 상기 수취 기판은 x-y 스테이지에 탑재된 진공 척에 의해 고정된다. 상기 x-y 스테이지의 스텝 운동과 상기 레이저의 펄스를 조화시킴으로써 5 마이크로미터×15 마이크로미터이고 두께가 약 0.3 마이크로미터인 직사각형 패턴의 전사가 상기 수취 기판상에 생성된다. 라인은 180 마이크론만큼 떨어진 수취 기판 상의 금 패드들 사이에 인쇄된다. 상기 스테이지의 속도는 약 50 마이크로미터/초이고 레이저 샷 간의 간격은 일반적으로 12 마이크로미터이어서, 전사된 패턴들 간에 적절한 중첩을 허용한다. 상기 빔 초점의 단위 면적당 에너지는 33 mJ/cm2이다. 상기 인쇄된 라인은 532nm 파장으로 동작하고 동일한 현미경 대물렌즈를 통해 조사되는 연속파 녹색 레이저를 사용하여 경화된다. 상기 녹색 레이저는 약 27 kW/cm2의 초점 강도를 갖도록 설정되고 상기 인쇄된 라인 상에 주사(走査)된다. 결과적인 라인은 양호한 접착성(4x 테이프 테스트)을 갖고 약 10 마이크로 옴-cm의 전기 저항을 갖는다.
다른 예에서는, 상기 첫 번째 예에서 기술한 바와 같이 경화되지 않은 샘플이 준비되었다. 그러나, 이 예에서는, 유리 샘플 상에 인쇄된 라인이 오븐에서 350℃의 온도로 경화된다. 결과적인 라인은 양호한 접착성(4X 테이프 테스트)을 보인다.
또 다른 예에서는, 상기 첫 번째 예에서와 같이 유리 리본 기판에 은 잉크 페이스트가 인가되었다. 수취 기판은 깊이가 3 마이크로미터이고 50 마이크로미터×50 마이크로미터인 단차 형상을 갖는 평면 패널 디스플레이의 일부이다. 상기 단차 형상을 횡단하는 동안 5 마이크로미터×15 마이크로미터 크기의 전사된 직사각형 라인이 인쇄된다(50 마이크로미터/초의 속도). 인쇄된 라인의 결과물은, 먼저 최상면으로부터 경사진 측벽을 횡단하고 다음으로 상기 단차 형상의 바닥을 횡단하고 반대 측벽을 따라 최상면으로 이어져서 상기 단차 형상과 일치한다. 상기 인쇄된 라인은 532nm 파장 및 약 10 kW/cm2의 초점 강도에서 초당 50 마이크로미터의 속도로 레이저 경화된다. 주사 전자 현미경은 상기 라인이 연속적이며 매우 치밀함을 보여주었다. 유사한 타입의 표면에 걸쳐 라인을 레이저 경화하면 전기 저항이 약 48 마이크로옴-cm가 된다. 오븐 경화 또한 사용되고 마찬가지로 인쇄된 라인에 의한 단차 구역이 잘 형성된다.
본 발명의 상기 실시예들은 예시적이며 한정하려는 것은 아니다. 다양한 대안과 등가물이 가능하다. 예시로서 평면 패널 어레이 보수와 관련하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 컬러 필터 보수 또는 패널 보수와 같은 FPD 제조 내의 다른 보수 프로세스들에 인가될 수 있다. 또한, 본 발명은 마이크로전자 회로의 생성 및 보수, 평면 패널 및 솔라 패널 상의 회로 인쇄, 또는 솔라 패널의 보수, 또는 커패시터, 배터리, 반도체 회로의 생성 등과 같이, 침착을 필요로 하는 직접 기입 응용 분야에 사용될 수 있다. 본 발명의 개시 내용에 비추어 볼 때 다른 추가, 삭제 또는 변경이 명확하고 이들은 첨부된 청구범위의 영역에 포함된다.

Claims (28)

  1. 레이저 데칼 전사 방법에 있어서,
    수취 기판을 제공하는 단계;
    상기 수취 기판으로부터 이격되고, 배면과 전면을 포함하는 레이저에 대해 투명한 지지부를 포함하는 표적 기판을 제공하는 단계 - 상기 표적 기판의 상기 전면은 선택된 두께 및 점도를 갖는 유변학적(rheological) 혼합물의 층으로 코팅됨 -; 및
    상기 표적 기판의 상기 배면을 통과하여 상기 코팅 층의 주어진 영역을 조사하는 입사 레이저 빔을 공급하는 단계를 포함하되,
    조사된 상기 영역은 소정의 크기 및 형태를 갖고,
    상기 입사 레이저 빔은 상기 코팅 층의 소정 영역을 균일하게 분리시키고 상기 표적 기판으로부터 상기 수취 기판을 향해 층류 전사시킬 수 있도록 선택된 에너지 밀도 및 균일성을 갖고,
    상기 유변학적 혼합물은 전사되는 동안 실질적으로 기화되지 않으며,
    전사된 상기 유변학적 혼합물은 상기 수취 기판의 표면상의 정해진 위치에 침착(deposit)을 형성하고, 전사된 상기 유변학적 혼합물은 크기 및 형태에 있어서 상기 입사 레이저 조사 영역의 상기 소정의 크기 및 형태와 실질적으로 1 대 1로 대응되어, 상기 유변학적 혼합물의 데칼 전사를 일으키는,
    레이저 데칼 전사 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유변학적 혼합물의 점도는 10,000 cP와 같거나 또는 그보다 큰 레이저 데칼 전사 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 코팅은 2 마이크로미터와 같거나 그보다 작은 두께를 갖는 레이저 데칼 전사 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 데칼 전사 방법은 실질적으로 실온 및 대기압 상태에서 실행되는 레이저 데칼 전사 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 레이저는 펄스형 레이저와 연속파 레이저를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 레이저 데칼 전사 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 입사 레이점 빔을 형성하기 위해 현미경 대물렌즈 또는 다른 집광 광학 장치를 통해 상기 입사 레이저 빔을 집광시키는 레이저 데칼 전사 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 입사 레이저 빔은 개구에 의해 성형되는 레이저 데칼 전사 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 표적 기판이 상기 레이저 빔에 대해 이동할 때 적어도 하나의 고정된 형상의 개구가 상기 입사 레이저 빔을 중심으로 놓이도록 유지하는 단계를 더 포함하는 레이저 데칼 전사 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 표적 기판이 상기 레이저 빔에 대해 이동할 때 가변 형상의 개구가 상기 입사 레이저 빔을 중심으로 놓이도록 유지하는 단계를 더 포함하는 레이저 데칼 전사 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 표적 기판이 상기 레이저 빔에 대해 이동할 때 상기 입사 레이저 빔의 중심에 대해서 상기 가변 형상의 개구의 크기를 변화시키는 단계를 더 포함하는 레이저 데칼 전사 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 입사 레이저 빔을 공급하는 단계는 연속적으로 정해진 표적 위치 및 연속적으로 정해진 수취 위치에서 반복되고, 상기 침착은 2차원 패턴 또는 3차원 패턴 중 하나를 형성하는 레이저 데칼 전사 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 레이저에 대해 투명한 지지부는 유리 및 폴리머 플라스틱을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 레이저 데칼 전사 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 수취 기판은 평면이 아닌 표면을 포함하는 레이저 데칼 전사 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 유변학적 혼합물은 페이스트(paste), 겔, 잉크, 농축 용액, 현탁액, 뉴턴 유체(Newtonian fluid), 비뉴턴 유체, 점탄성(viscoelastic) 유체 및 탄점성(elastoviscous) 유체를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 레이저 데칼 전사 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 표적 기판이 상기 수취 기판에 대해 이동될 때 상기 표적 기판과 상기 수취 기판 사이의 거리를 미리 정해진 범위 내로 유지하는 단계를 더 포함하는 레이저 데칼 전사 방법.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 입사 레이저 빔은 그 내부에 동시에 존재하는 복수의 파장을 갖는 레이저 데칼 전사 방법.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 입사 레이저 빔의 펄스 길이를 변화시키는 단계를 더 포함하는 레이저 데칼 전사 방법.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 입사 레이저 빔을 사용해서 상기 수취 기판에 침착된 상기 유변학적 혼합물을 경화시키는 단계를 더 포함하는 레이저 데칼 전사 방법.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 수취 기판 상에 침착된 상기 유변학적 혼합물을 가열하는 단계를 더 포함하는 레이저 데칼 전사 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    제2 레이저 빔을 사용하여 상기 수취 기판 상에 침착된 상기 유변학적 혼합물을 경화시키는 단계를 더 포함하는 레이저 데칼 전사 방법.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 수취 기판은 마이크로 회로를 포함하고, 평면 패널 디스플레이, 솔라 패널 및 반도체 웨이퍼 기판을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 레이저 데칼 전사 방법.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 침착된 유변학적 혼합물은 한 쌍의 노드(node) 간의 전기적 접속을 제공하는 레이저 데칼 전사 방법.
  23. 제12항에 있어서,
    상기 표적 기판은 상기 유변학적 혼합물로 코팅된 움푹 파인 제1 웰을 포함하고, 상기 움푹 파인 제1 웰은 상기 레이저 빔의 광학 경로에 위치되는 레이저 데칼 전사 방법.
  24. 제1항에 있어서,
    상기 침착된 유변학적 혼합물은 상기 수취 기판상의 간격 또는 빈 틈을 가로지르는 자립형(self-standing) 연결 구조물을 제공하는 레이저 데칼 전사 방법.
  25. 제1항에 있어서,
    상기 침착된 유변학적 혼합물은 1 마이크로미터와 같거나 그보다 작은 두께를 갖는 레이저 데칼 전사 방법.
  26. 제1항에 있어서,
    상기 입사 레이저 빔의 강도 또는 단위 면적당 에너지의 분포는 정장 모자(top-hat) 형태의 프로파일을 갖는 레이저 데칼 전사 방법.
  27. 레이저 데칼 전사 방법에 있어서,
    수취 기판을 제공하는 단계;
    상기 수취 기판으로부터 이격되고, 배면과 전면을 포함하는 레이저에 대해 투명한 지지부를 포함하는 표적 기판을 제공하는 단계 - 상기 표적 기판의 상기 전면은 선택된 두께 및 점도를 갖는 유변학적(rheological) 혼합물의 층으로 코팅됨 -; 및
    상기 표적 기판의 상기 배면을 통과하여 상기 코팅 층의 주어진 영역을 조사하는 입사 레이저 빔을 공급하는 단계를 포함하되,
    상기 입사 레이저 빔은 상기 코팅 층의 소정 영역을 균일하게 분리시키고 상기 표적 기판으로부터 상기 수취 기판을 향해 층류 전사시킬 수 있도록 선택된 에너지 밀도를 갖고,
    상기 유변학적 혼합물은 전사되는 동안 실질적으로 기화되지 않으며,
    전사된 상기 유변학적 혼합물은 상기 수취 기판의 표면상의 정해진 위치에 침착을 형성하고, 상기 침착은 그 크기 및 형태에 있어서 상기 입사 레이저 빔에 의해 조사된 영역의 크기 및 형태와 유사한,
    레이저 데칼 전사 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 입사 레이저 빔의 강도 또는 단위 면적당 에너지의 분포는 정장 모자(top-hat) 형태의 프로파일을 갖는 레이저 데칼 전사 방법.
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