TW201528338A - 藉由叢發超快雷射脈衝能量轉移在基材上正向沈積之方法及裝置 - Google Patents

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Abstract

一種將一材料正向沈積在一標靶基材上之方法，其係使一雷射光束之一超快雷射脈衝叢波通過一雷射光束透明之載體基材。該載體基材係以一欲轉移之材料塗布在其底側。在塗佈該材料之該透明載體背面上的電子被該雷射光束最先少許的子脈衝激發，而使該材料從該載體基材上剝離，且該雷射光束之後續子脈衝，將該材料以超音波速度藉由一震波送入空間中，且該震波以正向動量驅動該材料通過在該載體基材與該標靶基材間之一狹窄間隙，並且到達該標靶基材上。

Description

藉由叢發超快雷射脈衝能量轉移在基材上正向沈積之方法及裝置
本申請案係有關於藉由叢發超快雷射脈衝能量轉移在基材上正向沈積之方法及裝置。
正向沈積的主要方法目前係使用多種化學方法，包含雷射鑽孔、塗布及成像、鍍敷、電阻塗布、蝕刻、遮蔽、離子活化、沈積及鍍敷步驟。現有技術均需要一複雜、耗時之製程。目前方法之最大缺點係在相鄰組件通路(描線)之間僅能達成極小之間隔公差。
本發明能提供一種更快速、更準確的方法，從一實質透明之標靶材料將一所欲材料正向沉積在一基材上，以便相鄰的元件或描線可以更靠近地放置在該基材上，因此容許電氣組件具有更高度地的迷你化及更低的失敗率。本發明提供一獨特且新穎的方法以克服前述問題。本發明能提供更快之正向沈積，且該正向沈積比CVD(化學蒸氣沈積)這類習知方法更為便宜。本發明同時也提供一較為環保之替代方案。
本發明係有關於將一所欲材料沉積在一標靶基材上的方法 及裝置。欲沈積之材料通稱為“墨水”被塗布/附著/放置在一透明材料上。欲轉移至標靶基材之材料的所在位置，與該標靶基材的位置具有一定的相對關係。欲轉移至該標靶基材之材料位在該透明載體材料上，且與該標靶基材相接觸，或相距在一小距離內。詳言之，欲沈積之材料與該標靶基材相距在2毫米內。換言之，在欲轉移之材料與該標靶基材之間有小於或等於2毫米之間隙。由本發明達成之線條沉積寬度，迄今無人能及，而且沒有對投影面積有任何加寬效果。此方法可用於製造或修復，例如印刷電路板、顯示面板或未來的玻璃上系統整合型面板(SOG)等物件。此方法使用的材料切削技術並且涉及更適合大量生產之叢發超快雷射脈衝技術。
本發明之一般目的係提供一種裝置及方法，將鍍敷在一透明載體上之一所欲材料正向沉積在一標靶基材上。以更廣義之方式來說，本發明係以使用者所選擇的自動聚焦特性，以叢發超快雷射脈衝對一塗覆的基材進行雷射加工及修改。
由於該雷射脈衝透過，例如群速度分散(GVD)、線性繞射、自相位調變(SPM)、自動聚焦、電子從價能帶至傳導能帶之多光子/穿隧離子化(MPI/TI)、電漿散焦、及自陡化等線性及非線性效應的組合作用，而強力再成形空間與時間輪廓，所以超快雷射脈衝在透明光學介質中的傳播是複雜的。請參見SL Chin等人加拿大物理學期刊(Canadian Journal of Physics)，83,863-905(2005)。這些效應會依據該等雷射參數、材料非線性性質及聚焦至該材料中之條件，而作用至不同的程度。由於非線性折射率取決於強度，在傳播密集雷射脈衝時，該脈衝之中央部份，因可變折射率而比周圍部份的移動速度為慢，因此得以使該脈衝自動聚焦。在產生MPI/TI 電漿造成之自動聚焦區域中，電漿當作負透鏡，但由於再發生高強度自動聚焦而使該脈衝散焦。聚焦與散焦之間的平衡作用產生通稱為光絲之一長條電漿通道。使用每一低脈衝能，光絲在該材料中會留下折射率修改的描線。該光絲被提供能量以生成光絲之背景能量所包圍。此背景能量在所屬技術中通稱為光絲貯器。若阻擋或干擾貯器之一部分，將會有喪失光絲之效果。
以下將說明一種新穎且獨特的方法，該方法將一所欲材料，例如元素材料：銅、鉻以及化合物材料：SiC、GaN或摻加塗料之氧化物玻璃等，從一透明載體(例如硼矽玻璃、Si晶圓、藍寶石乃至聚合物等)沉積在一標靶基材上，以期產生一條電路-該沈積材料即導電通路(不論所傳導之信號之電磁性質為何)。
本發明之另一目的，在於減少用以製造有機積層基材PCB(印刷電路板)、半導體組件、顯示面板、玻璃上系統整合型面板(“SOG”)等平面積層基材的實體尺寸。此方法可縮小該等導電通路之實體尺寸至甚至小於1微米，從而得以在多種組態及製造方面具有更大彈性。由於欲沈積之材料係可對雷射脈衝串列、雷射叢發波封，及雷射光絲尖梢敏感之任何材料，所以欲沈積之材料可為用於電、磁或光傳導之“電路”傳導材料，且唯一的限制在於該材料塗布在一適當透明基材上之能力，以及該材料對使用光絲超音波轉移之敏感性。
本發明的目的之一，在於使用非線性效應而將光束聚焦在其繞射極限下方。
本發明之另一目的，在於在該載體基材上方使用200微米之 一般透鏡聚焦光點，該光束聚焦成可在該載體基材下方1微米產生一光絲尖梢，接著使用該光絲尖梢從該載體朝向標該標靶燒蝕金屬。
本發明之另一目的，在於使用具有一短波長之雷射光束，因為當波長減少時，該光絲尖梢也隨之變小且可具有寬度較窄之線條沈積。
本發明之另一目的，在於使用有一波長可穿透該載體基材之雷射光束。
本發明之另一目的，在於提供一種讓材料在一基材上正向沈積的系統與方法，其中，而該等材料沉積為非常窄之線條(線寬)，且該等線條間隔非常緊密。
本發明之另一目的，係在基材上修復現有結構，或在基材上產生新結構。
本發明之標的物在本說明書之結論部份中將特別指出，且以申請專利範圍清楚地定義。但是，其組織及操作方法，以及本發明之其他優點及目的，可配合附圖及以下說明而更佳地了解，其中，類似之符號代表類似的元件。本發明之其他目的、特徵及特性將更詳細地說明如下。
1‧‧‧描線
1C‧‧‧脈衝1C
1D‧‧‧脈衝1D
3‧‧‧描線
4C‧‧‧脈衝4C
4D‧‧‧脈衝4D
7C‧‧‧脈衝7C
9‧‧‧錨定底部
11‧‧‧錨定底部
13‧‧‧基材
15‧‧‧尺寸箭號
17‧‧‧尺寸箭號
19‧‧‧描線
21‧‧‧描線
23‧‧‧描線
25‧‧‧尺寸箭號
27‧‧‧頂部
31‧‧‧頂線
33‧‧‧底線
35‧‧‧雷射光束
37‧‧‧透鏡
37A‧‧‧透鏡
37B‧‧‧透鏡
39‧‧‧光點
39F‧‧‧光絲
39R‧‧‧貯器
41‧‧‧光點
41F‧‧‧光絲
41R‧‧‧貯器
41T‧‧‧尖梢
42F‧‧‧光點
43‧‧‧光點
43T‧‧‧尖梢
43F‧‧‧光絲
43R‧‧‧貯器
45‧‧‧材料
45C‧‧‧塗層
47‧‧‧透明載體
47S‧‧‧光點大小
49‧‧‧描線
49A‧‧‧描線
49B‧‧‧描線
49A‧‧‧材料
49B‧‧‧材料
49C‧‧‧材料
51‧‧‧基材
51A‧‧‧附接區域
51B‧‧‧附接區域
51C‧‧‧附接區域
53‧‧‧間隙
60‧‧‧叢發A波封
61‧‧‧脈衝能量
62‧‧‧叢發脈衝頻率
63‧‧‧叢發脈衝A
64‧‧‧叢發頻率重覆率A
65‧‧‧叢發B波封
66‧‧‧叢發脈衝B
67‧‧‧叢發頻率重覆率B
68‧‧‧叢發C波封
69‧‧‧叢發脈衝頻率
70‧‧‧叢發頻率重覆率C
72‧‧‧超快雷射
76‧‧‧光束取樣鏡
78‧‧‧功率計
80‧‧‧X-Y掃描器
80V‧‧‧目視系統
82‧‧‧最後聚焦透鏡
84‧‧‧伺服控制平台
86‧‧‧工作件
90‧‧‧標靶基材
91‧‧‧橫樑
92‧‧‧橫樑
95‧‧‧軌道
96‧‧‧軌道
97‧‧‧雷射頭
97V‧‧‧垂直軌道
98‧‧‧移動臂
110‧‧‧非遠心透鏡
112‧‧‧遠心透鏡
圖1係具有兩條描線之一習知技術組件基材的示意圖；圖2係應用叢發超快雷射脈衝將具有三條描線熔接在一組件基材上的示意圖；圖3至5係正向沈積雷射配置之橫截面圖，其中，該光絲發生在該透明基材之頂部表面下方且具有變動的光點大小；圖4A係一正向沈積雷射之示意圖； 圖6至8係不同超快雷射脈衝叢波之能量輪廓說明圖；圖9係一雷射切削系統之示意圖；圖10與11顯示使用非遠心及遠心透鏡之X-Y掃描器；圖12A係在LCD上印刷或修復描線時，正向沈積製程中使用之一雷射系統實例俯視示意圖；及，圖12B係在LCD上印刷或修復描線時正向沈積製程中使用之雷射系統範例側視示意圖。
隨著生產速度的提高，加上電子組件的形狀越來越小，包括用於SOG之硼矽玻璃這類透明基材的積層基材製造商，被迫必需提供業界超過目前材料能力及生產技術之效能值，同時又能將組件大小微型化之組件。由於科技日新月異，在半導體封裝與PCB技術間之界線日益模糊；這些因素都必須一併通盤考量，才能優化對基材的設計。在半導體工業中，組裝及封裝係半導體產品之重要兢爭因素，因為它同時影響了操作頻率、功率、可靠性、及成本。
用以製造零組件之未來基材底板，必須具有更佳之電氣特性，例如：較低的電容率值Er(Dk)；較低的損耗正切(Df)；減少電阻電壓下降，及有效供電至晶片的高導電冶金術；減少同時切換的雜訊之低電感連接方式；可以更佳匹配電路板阻抗，並減少不必要的寄生電容之低介電常數絕緣材料；以及管理晶片上之高功率密度，並改善高溫度環境中之工作能力的先進熱介面材料。
最重要的是，這些未來的基材底板必須對生產技術有所幫 助，讓線寬(描線)及線間距(描線間距)之特徵尺寸甚小於10微米。解決這些問題及進一步縮小電子組件之關鍵，在於能否在介電基材底板上形成一非常薄、窄且控制極為良好、但有彈性之導電層(金屬、介電或混合)，且該導電層具有極高的剝離強度，且產生更細的描線，及小於5微米且甚至小於1微米之描線間距。
雖然目前的方法可應付銅之類的各種材料，而從一透明轉移材料(例如玻璃)沉積至一組件基材(例如另一種玻璃)，但此處之說明將針對習知的電路板討論此種正向沈積。本技術對於電氣、光學及磁性電路組合各種適當的絕緣標靶基材具有同等的效力及優勢。其技術核心是利用自動聚焦叢發雷射串列及因此獲得之光絲產生一尖細的「鉛筆」來書寫極細小的特徵，藉此達到極端嚴格控制橫截面幾何形狀之極細線沉積。就微攝影術修復光罩而言(甚至EUV光罩)，它們本身不必是電路。任何的材料沈積製程，在成本上都經過精打細算，才能產生強大的誘因而轉換至本發明之技術及結構，且本發明之技術及結構應用非常廣泛，遠超過在此所述。任何的材料沈積及在其他的任何材料上，均可藉由應用此技術而不斷被複製並且接著改良，且得到的結果是所使用之光學系統是在繞射極限以下，並附隨有特徵控制的效果。
習知的印刷電路板(PCB)包含一完全被樹脂固化的強化玻璃纖維環氧介電基材底板，且至少一側以一層銅包覆。目前，將銅黏在該底板上有三種主流工業標準方法：電解/電泳沈積；箔堆積(在未固化薄板上層壓箔)；及RCC(樹脂塗覆銅)。這些方法均使用一樹枝狀結構將銅黏附在該基材底板上。
第一種方法，在銅沉積之前，會使該黏結表面粗化及/或塗上黏結劑，以便在該基材上固化藉此製備基材。該銅之沈積必須厚到足以達成樹枝狀黏著在該基材表面，以維持該銅層之高剝離強度。通常這需要一0.007英吋(7密耳(mils))厚度之銅層。此厚度控制線寬(描線)及間距之極限。此產品無法提供小於20微米(0.0008英吋)寬度之描線及其間距，因為它受限於達成適當剝離強度特性所需之樹枝狀結構的物理特性。
第二種方法，在一積層壓製機中以高溫及壓力將銅箔附著在一未固化之介電基材上。又，藉由此方法製成之產品無法提供小於20微米(0.0008英吋)寬度之描線及其間距，因為它受限於達成適當剝離強度特性所需之樹枝狀結構的物理特性以及在相關蝕刻製程步驟中對銅之蝕刻因素效應。
第三種方法，使用一黏著劑(通常這是製作該基材積層底板相同的樹脂，但是未固化的樹脂)將薄銅箔附著在該基材表面。此時要先於該銅箔上形成深層樹枝狀結構，然後再塗覆該黏著劑。它亦需要一0.0007英吋厚度之銅層。由於該等樹枝狀結構之物理特性以及在相關蝕刻製程步驟中對銅之蝕刻因素效應，此產品無法提供小於25微米(0.0098英吋)寬度之描線及描線間距。
目前之替代方案，係使用正向雷射沈積，且有許多公立及私人機構正研發此方法。該燒蝕技術提供非常良好之正向動量傳送，但無法產生微細間距、微細CD(臨界尺寸，欲產生之特徵的寬度)控制、或橫截面保真度。這些技術使用標準方法將光束聚焦在一載體中或其上，雖然類似於本發明，但是相似度到此為止。
在LCD製造工業中，所有的TFT(薄膜電晶體)係使用微影技術製成。有數千公尺之薄膜配線用來照亮各像素之各電晶體，且在製造時發生斷線是很常見的問題。該等斷裂線會以一氣窗蓋覆蓋且以Cr氣體填充。有一雷射光束掃描相關區域，且推動原子朝向該標靶移動且在該標靶上散焦，藉此產生電氣連接。此方法通稱為CVD(化學蒸氣沈積)且需要高度熟練之技術員運轉該機器，故修復成本極高。Cr氣體有毒且不環保，這也是此技術的缺點之一。由於沒有便宜且環保之替代技術，微影工業均使用CVD來修復斷線問題。
在一基材上正向沈積之程序，係使叢發超快雷射脈衝之光線穿過對一雷射光束透明之載體材料，(例如玻璃)，且該載體材料以一欲轉移之相關材料(例如以PCB而言，此材料為銅，或以網線或LCD而言，為Cr)塗布在其底側，且在該銅之背面(該透明、載體材料/銅界面處)以最先的少許次脈衝激發電子，將該材料材從該載體基材剝離。其次的少許脈衝通過該載體基材，且不會遭遇要剝離之任何材料，並於此時以非常高之發散角度通過該載體，將此時被剝離之材料以超音波速度藉由震波送入空間中，且該震波以正向動量驅動該銅通過在該載體材料與相鄰標靶基材間之狹窄間隙，並且使銅熔化在該標靶基材上，以此方式到達該標靶基材上。如此沈積之材料在朝向該基材移動時，在該沈積之材料表面達到極高且均一的能量密度而被急驟退火。它能提供熱及“衝擊退火”。
該轉移產生緊密相鄰之線條(或描線)。換言之，在相鄰線條之間的間隙甚小於該入射雷射光束之“光點大小”。該光點大小係照射在該載體材料之第一表面上的雷射光束之直徑。該基材及載體通常不會互相接 觸。在某些情形下，依據所欲結果，該基材及載體可互相接觸。該基材與載體必須緊密相鄰，通常分隔不超過2毫米。如果分開大於2毫米，某些材料會遭遇到轉移可能不完全或不均一的問題。該正向沈積材料之幾何形狀及尺寸係藉由該雷射光束之通量、光點大小、焦點及脈衝能量來控制。應注意的是，該正向沈積材料之尺寸可能甚小於該光點大小，但亦可能甚大於該光點大小，這是因為在製造或生產情況下，利用不同重疊圖案得到多次掃描及多道雷射光束，以產生均一或非均一沈積材料非常大的區域所致。
如果不應用此處所教示之光絲尖梢從該載體移除該材料，則可考慮使用一非常高NA(數值孔徑)密集聚焦該光束且得到一非常小的光點大小。但是，在聚焦後，該光束大幅散開且得到之沈積將會非常寬廣。使用該光絲尖梢有助於將該光束聚焦在繞射極限下方，同時該叢發效應促進平滑移除材料及“固化”之沈積退火。本發明之另一目的在於使用200微米之一般透鏡聚焦在該載體基材上方，該光束聚焦後在該載體基材下方1微米產生一光絲尖梢，接著使用該光絲尖梢從該載體朝向該標靶燒蝕金屬。請參見圖6、7與8說明在叢發脈衝波封A、B與C內之不同叢發型態。圖8顯示在該等波封內變動脈衝能量及叢發脈衝頻率之脈衝。
本發明利用超快雷射脈衝通過一透明載體標靶所產生之叢發光絲能量，將所欲材料附著在一組件基材底板上，且因為前述之急驟退火，所以如此一來便不需要樹枝狀結構將該所欲材料黏在該基材底板上。因此，描線間之寬度亦減至最小。作為該叢發超快雷射脈衝製程之一副產物，該沈積材料亦被退火且可使沉積寬度準確地縮小至次微米寬的描線。但是，該雷射能夠啟動正向沈積過程最重要的特性或許在於該沈積材料之 橫截面幾何形狀。
請參閱圖1及圖2，可看到習知技術之描線與超快雷射脈衝能量轉移所產生之組件基材底板描線之間的實體差異。
請參閱圖1，符號1與3所示之習知技術所產生的描線係藉由不規則深層錨定底部9與11固定在該基材13上。蝕刻9與11之橫截面尺寸或形狀不相同。描線1與3之高度如尺寸箭號5與7所示地變化。錨定底部9與11不相同，且比它們在基材13上之底板延伸得更寬。由於該等錨定底部9與11係比該等底板寬，所以在描線1與3之間的間距係如尺寸箭號15所示之最小分開距離表示。因此，在相鄰描線之間真正操作距離間距係由尺寸箭號17顯示。
請參閱圖2，即本發明之方法所產生之描線19、21與23，可看到這些描線被熔接在該基材13上，使得在相鄰描線間之操作距離間距甚小於在習知技術中者，如尺寸箭號25所示。描線19、21與23有比在習知技術之描線1、3中所見者一較窄之頂部27。相較於習知技術之描線材料，本發明之描線包括較小塊之描線材料，但配置更有效率且更有次序。
請參閱圖2，因為施加之材料已脫離鍍敷在該載體基材上有一固定厚度的材料，這些描線之頂緣31及底緣33比習知技術者銳利。該附接區域及該退火區域有稍微誇大，以便在圖2中清楚看到，但是在實務上，比所示者小很多且一定小於如此沈積之材料的尺寸(長度及寬度)。
黏著(附接區域)及退火之各個區域19A、21A與23A位在各描線19、21與23下方。黏著及退火之區域由該叢發超快雷射脈衝之能量沉積所致。
如圖所示，由本發明之方法施加在基材13上之描線可比習知技術所獲得之描線更窄、更靠近且橫截面的幾何形狀在尺寸上更接近。關於這些參數以及該正向沈積材料之放置有非常高度之控制。這些特性可粗略減少整個組件之尺寸及在該基材上準確的組件描線。
圖3至5係正向沈積雷射配置之橫截面示意圖，其中，該光絲發生在該透明基材之頂表面下方且變動光點大小。圖3至5顯示該材料45已轉移至該標靶基材之後的情況。圖3示意地顯示入射雷射光束35，透鏡37，光絲39F，貯器39R，在該透明載體與該材料45間之界面的光點39，有材料45附著的透明載體47，及，如附接區域51A所示沉積在基材51之上與其內的材料49A之一部份。光絲直徑小於或等於2微米。舉例而言，在該透明載體與該材料間界面處之光點39的直徑在4至6微米之範圍內。在該透明載體47頂部的該光點大小47S，其直徑可被調整至50至200微米之間。間隙53只是一個舉例，其在0.00毫米至2毫米之範圍內。
圖4以示意的方式顯示入射雷射光束35，透鏡37A、具有2微米直徑及尖梢41T之光絲41F，貯器41R，在該透明載體與該材料45間界面處的光點41，有材料45附著的透明載體47，及，如附接區域51B所示沉積在基材51之上與其內的材料49B之一部份。尖梢41T之直徑可小於500奈米。舉例而言，在透明載體47與材料45間界面處之光點41的直徑約略為該光絲尖梢41T之直徑。在該透明載體47頂部的光點大小47S，其直徑可被調整至50至200微米之間。圖4之實施例可產生非常薄之墨水線(金屬或某種其他材料)塗在標靶基材51上。間隙53係舉例且在0.00毫米至2毫米之範圍內。仍請參閱圖4，藉由調整透鏡37A而垂直移動光絲41F，因此將尖梢41T調整至該透 明載體47與該材料45之界面處。圖4A與圖4大致相同，但顯示另一塗層45C，且該另一塗層45C有助於材料45脫離該載體基材47。可使用ITO作為該釋放材料45C。
圖5示意顯示入射雷射光束35，透鏡37B、具有20微米直徑尖梢43T之發散光絲43F，貯器43R，在該透明載體與該材料45間界面處的光點43，有材料45附著的透明載體47，及，如附接區域51B所示沉積在基材51之上與其內的該材料49C之一部份。只藉由舉例，在該透明載體47與該材料45間界面處之光點43直徑係20微米。在該透明載體47頂部的光點大小47S，其直徑可被調整至50至200微米之間。
仍請參閱圖3至5，即相對於該載體基材，利用光點大小及光絲位置變化之正向沈積雷射配置之橫截面示意圖，可看到該入射雷射光束如何透過一透鏡聚焦-不管該聚焦腰部所在位置-變動該透明載體47與該欲沈積材料45之界面處的直徑-生成光絲39F、41F或43F及多數光點39、41或42F。此處之重點在於該光絲之位置界定該技術之最終解析度。產生之能量亦不會破壞欲轉移之材料，反而因為該雷射光束之叢發脈衝特徵而在其中逐步累積，直到欲沈積之材料由該透明載體俐落地截斷(剝離)為止，且該能量使正向沈積發生且該欲沈積之材料跳過空氣間隙53並將描線49、49A、49B熔接在標靶基材51上。
仍請參閱圖3至5，可看到一實質為平面的透明載體材料(玻璃、藍寶石、Si、SiC等)，係以一相關材料45塗布在其中一面之平面上，成為載體47。一金屬在諸如硼矽玻璃之類的透明材料上形成薄膜沈積係眾所周知之方法。或者，可選擇使用ITO之類的釋放塗層45C，如圖4A所示。相 關材料45(通常是鉻之類的導電金屬，或其他金屬，以及非金屬及類金屬，有機材料，及聚合物)可在標靶基材51之上精確地沉積在某一特定描線中，因此可對具有受損電路或描線之現有基材進行追加修復(例如用於微影術之光罩或LCD電路，目前使用的是昂貴且緩慢的方法或在特殊環境中追加修復)。如上所述，特定調整該等雷射參數，密集叢發超快雷射脈衝35之入射光束係穿過透鏡37聚焦以產生一可變(且使用者可選擇)大小之焦點在該欲設置透明載體/材料界面39、41、43之所欲位置，讓足夠的能量累積在逐漸(或和緩)而不是一次全部沉積之該材料中。這逐漸累積導致該欲沈積之材料脫離其載體材料且被驅動通過在該載體材料47與組件基材51間之空氣間隙33，其中，該欲沈積之材料(仍在賦能且可能被加熱狀態)被熔接在該組件標靶基材51之面上。依據該雷射光束35之能階及欲沈積之特定材料及其厚度，亦可發生退火“固化”。這些程序之時間發生在或大約在雷射光連續脈衝之間隔或多次脈衝發生之同時。
此技術之優點係能產生精準控制寬度之導電線(描線)，用以修復顯示器或其他高價值電子組件基材。就使用雷射之習知技術方法而言，該沈積之線寬或描線一定大於入射在相關材料及基材上之雷射光點，而且其不良的橫截面幾何形狀亦不常重覆發生。
叢發雷射脈衝亦使該沈積材料適當地退火，且準確地使小寬度的描線沈積減至50奈米。改變該等脈衝及其中之能量輪廓可產生高度的製程控制。藉由在基材上方的精準位置對整個工具檔所需的沈積進行雷射掃描，可以完成過去的工業未曾達成的大規模修復工作。其中一項環保的優點，係該技術(製程)是在大氣條件下，而不是如目前的修復技術是在真空 下進行。可使用大約25mm×50mm之一筒匣來微焊接修復數千個缺陷，且非常容易更換新筒匣。請參見圖12A與12B。
以物理學術語加以說明，在一單一叢發脈衝雷射光束之子脈衝間的時間，小於欲沈積之材料的熱鬆弛時間常數。因此，該雷射能量在叢波中之焦點區域進入欲沉積材料中的速度，比它的熱散逸更快，導致在相關材料中之能量從基態逐步增加。如此可以控制雷射通量對該欲沈積材料之輸入，而減少對該材料之間接傷害，且使該材料被激發至其基態以上(因此可發生沈積轉移)，同時能控制溫度上升(以避免雷射燒蝕或表面熔化)，並控制殘餘加熱地帶的大小(以控制局部微裂縫及機械震動)。
該脈衝能量一直被調整，以避免對該載體材料造成任何傷害且一直停留在該墨水(塗布材料)之燒蝕臨界值以外。這是為了確定，沒有來自該載體基材之碎屑會燒蝕且飛至描線上。
超快雷射脈衝結合高重覆率叢波(>10千赫茲)在材料加工中能有多種可能性。詳言之，此一高重覆率能控制欲轉移之材料在各超快雷射脈衝與後續超快雷射脈衝之間發展的過程，因此得以進行正向沈積製程。
吾人已知，某一雷射光束脈衝之脈衝歷時、波長或脈衝形狀可產生新材料的交互作用，且在超短脈衝區域中(<100皮秒)之雷射材料加工具有較長脈衝無法提供之優點。超短雷射能提供高峰強度，以便藉由啟動多光子、穿隧離子化、及電子突崩程序而改變材料。藉由調整超快雷射/材料交互作用之強度、波長及脈衝歷時，使得在此之前會造成太多間接傷害的雷射過程得以進行，並合理化其結果。諸如銅之類的良好熱導體金屬，由於在發展出任何散熱效應之前，該雷射能已輸入至該金屬表面，所以歷 時短的雷射脈衝(大於100千赫茲之高重覆率)能確保有效之能量耦合。調整該雷射單一脈衝歷時、該脈衝至脈衝間隔、每次叢波之脈衝數及該等叢波以時間為主之分布曲線，將在特定的時間內對材料厚度產生雷射通量輸入至該材料，以達成正向沈積，同時使該雷射通量維持在產生反生產效應(例如燒蝕或在該材料及周圍區域溫度過度上升)的臨界值以下。
另一實施例具有平均功率5瓦(w)、12皮秒(ps)的脈衝歷時，設定在50千赫茲(kHz)、1064奈米(nm)波長，且在50百萬赫茲(MHz)叢發頻率之各叢發波封中有8次脈衝的一種雷射，此實施例將產生12.5微焦耳/脈衝。這等於大約2百萬瓦峰功率，且足以燒蝕該載體上之材料，並且在玻璃中會產生光絲之臨界功率的界限內。該等光絲不會強大到足以破壞或燒蝕該基材，但會在該塊體中進行折射率修改。以叢發模式工作之雷射而言，可以利用該叢波中之單一脈衝完成全部製程，在這情形中，設定在50千赫茲、5瓦、12皮秒脈衝歷時的雷射將產生100微焦耳(μJ)/脈衝，而完全足以在一玻璃中產生一光絲且燒蝕該載體上之材料，但是以如此高的每次脈衝能量而言，有可能燒蝕基材，且在該沈積上可能會有碎屑。在這組態中，雷射功率必須減少。在叢發波封中有較多脈衝之優點，是最先的少許脈衝使該材料剝離且轉移，但是後續的子脈衝有助於將該標靶上之沉積材料固化及退火。因為，首先，該標靶似乎對該叢波中後續8次脈衝是穩定的，且事實上，其脈衝至脈衝的時間比材料之釋放時間為短，並且它有助於有效熱累積及固化，且不需要使用加熱或另一雷射來達成固化，所以使用高叢發脈衝頻率(50千赫茲)是非常有用的。
該正向沈積製程可使用10飛秒至小於1奈秒間之脈衝寬度、1 百萬赫茲至2百萬赫茲間之重覆率、在該叢發脈衝波封中具有1至50脈衝的叢發脈衝、及1至200瓦之雷射功率。可使用350奈米至2微米範圍內之雷射波長。較短的波長具有更窄沈積寬度之優點。
該正向沈積之真正機制如下。在該透明載體基材(該載體介質片之底面)與欲轉移之材料之薄塗層之間的界面，施加一適當大小之叢發超快雷射脈衝至一焦點，將在欲轉移之材料“背面”產生一自由電子熱雲，這使該材料從該載體基材表面俐落地“突然脫離”(俐落且清晰地劃出該通量光點之界線)，且如果它位在不及2微米處，則藉由熔接將它本身沈積在該組件基材上。
此正向沈積將只在少數雷射脈衝內迅速發生，因此該雷射光束可自由定位在另一位置，或跟隨一更複雜、連續的描線圖案。如果欲沈積之材料厚度及在該載體基材與該組件基材間之間隙保持不變，則不需要再聚焦該雷射光束，或調整任一光束之能量參數。
雷射傳送(“切削”)系統
在所屬技術領域中所習知的是，目前可用有數種雷射傳送系統。所有雷射傳送系統通常有至少兩件事：它們改變該入射雷射光束在該工作件上之位置；及它們可調整各種雷射聚焦、功率及傳送參數。該系統可相對於該雷射光束移動該工作件(例如，透過可在該X-Y平面中移動之一工作台)；可相對該工作件移動該雷射光束(例如，透過轉向鏡)；或可使用兩種技術的一組合。
圖9係在一玻璃基材上可生成多數光絲之雷射切削系統70之一實施例。它具有最好脈衝寬度小於100皮秒，配備一組適當光束轉向光學 元件，供應一連串叢發模式脈衝之一超快雷射72，使得該雷射光束可被傳送至一多軸旋轉與移動平台，且該多軸旋轉與移動平台包括：在該XY平面中之一旋轉平台(西他，θ)，一3D XYZ移動平台，及在一協調控制系統中使該光束或該零件相對於該X軸(伽馬，γ)傾斜之一軸。在所示之實施例中，該光束係藉由調整光學元件74(例如一正透鏡或負透鏡或傳送可進一步調整或控制微弱聚焦光點的透鏡組合)、光束取樣鏡76、功率計78、X-Y掃描器80、最後聚焦透鏡82、及用以定位工作件86(玻璃基材)之伺服控制平台84來控制。在知道一斷裂處之座標的情形下，該目視系統80V準確地定位該斷裂處，然後操作者便可進行修復。
圖10與11示出多件實施例，且該等實施例顯示能夠使用非遠心透鏡110(圖10)及遠心透鏡112(圖11)，經由控制X-Y掃描器80之平台來控制多數軸的能力。可進行X(伽馬)軸旋轉。應了解的是，除此之外還有其他可能的光學組態。
圖12A係用以印刷或修復LCD裝置上之描線的雷射系統實施例之概略俯視圖。符號47表示有欲沈積之材料附著其上之載體基材。該雷射頭97之X-Y移動係顯示在圖12A中，其中，該雷射頭97係示意地顯示在標靶基材90上方。標靶基材90被橫樑91、92支撐在一花崗岩(或其他四平八穩的)支撐體上方。軌道95、96支撐移動臂98，且該移動臂98可在X方向沿該等軌道95、96移動，如圖12A所示。移動臂98被一馬達及一控制器驅動，該控制器在該X方向準確地定位該移動臂98。同樣地，該雷射頭97被一馬達及一控制器驅動，且可在該Y方向沿該移動臂98準確地移動及定位，如圖12A所示。圖12B係於圖12A中所示之雷射系統實例之一示意側視圖，在LCD 上印刷或修復描線時於正向沈積製程中使用。圖12B顯示支持體91A、91B之上駐留該載體基材47。有時被稱為墨水之欲沈積材料，係固定在該載體基材47上。圖12B顯示該雷射頭97如何以縱向的Z方向垂直移動以控制該光絲位置。一可調透鏡(圖中未顯示)被放在該雷射頭97與該載體基材47中間。
移動臂98包括軌道裝置，且該雷射頭97包括一馬達97M或其他裝置，以將該雷射頭97定位在該Y方向上。此外，該雷射頭可在該Z方向上移動以隨意調整該等光束絲。垂直軌道97V能使該雷射頭97縱向(該Z方向)垂直移動。再者，吾人可以了解，可改造已選定分布聚焦之透鏡以便與該雷射頭97一起使用。
具有多軸旋轉及移動控制之前述裝置，當利用叢發超快雷射脈衝來達成正向沉積切削時，可被用來以可變的聚焦位置，非垂直入射角，且以可變、產生複雜描線幾何形狀的配方控制的位置，將該光束照射至該(等)工作件上，這以目前所使用之雷射燒蝕切削技術是不可能做到的。所屬技術領域中具有通常知識者均了解，不是所有應用都需要所有這些軸，且某些應用方式如果有較簡單的系統構造反而獲益。此外，應了解的是，所示裝置只是本發明多數實施例中之一實施例，且該裝置之製造者在不偏離本發明之範疇的情形下，對於多種不同基材、應用及零件呈現方式，可改變、修改或混成該等實施例。
正向沈積方法
在一介電基材上正向沈積一材料之步驟如下：提供一雷射光束，且該雷射光束包含一雷射脈衝叢波；提供一雷射光束傳送系統，該雷射光束傳送系統可將該雷射 光束聚焦在該欲沈積材料上，且可使該雷射光束與該欲沈積材料之間產生相對移動；提供一透明載體基材，並有一材料附著於其一側並在內部產生一適當調整之光絲；堆疊具有某材料附著於其一側之一透明載體基材，其組態係緊鄰一介電基材但相隔不超過2毫米，該透明載體位在該介電基材與可產生叢發超快雷射光束脈衝之雷射光束源之間；使雷射能脈衝從一雷射源通過一透鏡聚焦總成；對於該雷射光束源，調整該透鏡聚焦總成之相對距離及/或角度，以便在該透明載體基材與該欲沈積材料之界面處聚焦該雷射能脈衝成一雷射通量之光點；調整該通量值至一足夠強度，以確保欲沈積在該基材上之該材料俐落正向沈積；由該雷射源施加至少一適當波長、適當叢發脈衝重覆率及適當叢發脈衝能量之雷射脈衝叢波，通過該透鏡聚焦總成至該標靶，其中在該欲沈積材料上於一光點施加之脈衝能量或通量之總量，大於透過光絲生成而開始及傳播正向沈積所需之臨界能量值，且低於開始燒蝕切削所需之臨界能量值；及，當所欲之連串描線已沉積在該基材上時，停止叢發該雷射脈衝。
應了解的是，本發明之應用不限於以下說明提出或圖中所示之組件配置。本發明可以有其他實施例且可以各種不同順序之步驟實施或 執行。又，應了解的是，在此使用之語詞及術語係用以說明，且不應被視為限制。因此，所屬技術領域中具有通常知識者均了解本發明所依據之構想可輕易作為實現本發明之數種目的之其他結構、方法及系統的一設計基礎。因此，重要的是申請專利範圍在等效構造不偏離本發明之精神與範疇之情形下應被視為包括該等等效構造。
35‧‧‧雷射光束
37A‧‧‧透鏡
41‧‧‧光點
41F‧‧‧光絲
41R‧‧‧貯器
41T‧‧‧尖梢
45‧‧‧材料
47‧‧‧透明載體
47S‧‧‧光點大小
49B‧‧‧描線
51‧‧‧基材
51B‧‧‧附接區域
53‧‧‧間隙

Claims (20)

  1. 一種將一材料正向沈積在一標靶基材上之方法，其包含以下步驟：產生一雷射光束之超快雷射脈衝叢波，該叢波之超快雷射脈衝包括具有多數子脈衝之叢發脈衝波封；將該雷射光束聚焦在該雷射光束之繞射極限之下；該雷射光束之超快雷射脈衝之聚焦叢波，通過對該雷射光束而言為透明之一載體材料，該載體基材具有一底表面，該表面事先以欲轉移之該材料塗布；以該雷射光束之該脈衝叢波之最先少許子脈衝，在已塗佈該材料之該透明載體底側激發多數電子；自該載體基材剝離該材料；繼續使該雷射光束之該脈衝叢波後續的子脈衝通過該載體基材而不會遭遇任何材料剝離，且此時以一非常高之發散角度通過該載體基材；將此時被剝離之材料以超音波速度藉由一震波送入空間中，且該震波以正向動量驅動該材料，通過在該載體基材與該標靶基材間之一狹窄間隙，並且到達該標靶基材上；及，使該材料熔接在該標靶基材之上及其內。
  2. 如請求項1之將一材料正向沈積在一標靶基材上之方法，更包含以下步驟：當該熔化之沈積材料朝向該基材移動時，在該熔化之沈積材料表面上獲得極高且均一之能量密度，藉此使該熔化之材料急驟退火。
  3. 如請求項1之將一材料正向沈積在一標靶基材上之方法，其中，該載體基材係玻璃，該標靶基材係介電體且該材料具有導電性。
  4. 如請求項1之將一材料正向沈積在一標靶基材上之方法，其中，該載體基材係選自硼矽玻璃、Si晶圓、藍寶石所構成之群組，且該材料係選自銅、鉻、SiC、GaN、摻雜氧化物玻璃、金、有機材料、奈米顆粒及聚合物所構成之群組。
  5. 如請求項1之將一材料正向沈積在一標靶基材上之方法，其中，該雷射光束聚焦在該光束之繞射極限以下之步驟，包括使用非線性聚焦裝置。
  6. 如請求項1將一材料正向沈積在一標靶基材上之方法，更包含以下步驟：在該載體基材上方200微米處聚焦產生一主要焦點，該雷射光束聚焦而在該載體基材下方1微米處產生一光絲尖梢，接著，使用該光絲尖梢從該載體基材朝向該標靶燒蝕該材料。
  7. 如請求項1將一材料正向沈積在一標靶基材上之方法，其中，該雷射光束之該等脈衝有一可穿透該載體基材之波長。
  8. 如請求項6之將一材料正向沈積在一標靶基材上之方法，其中，該光絲尖梢大小取決於該雷射光束之該等脈衝波長，且該雷射光束之該等脈衝有一可穿透該載體基材之波長。
  9. 如請求項6之將一材料正向沈積在一標靶基材上之方法，其中，雷射能 量在叢波中之該雷射尖梢之區域進入該材料之速度，比它藉由該材料熱散逸進入該材料中的速度更快，導致在該材料中之能量從其基態逐步增加。
  10. 如請求項1之將一材料正向沈積在一標靶基材上之方法，更包含以下步驟：使該雷射光束與該材料之間產生相對移動；及在該標靶基材上產生該材料之描線。
  11. 如請求項1之將一材料正向沈積在一標靶基材之方法，更包含以下步驟：附著在該載體基材上之該材料與該標靶基材之間距保持小於或等於2毫米。
  12. 如請求項1之將一材料正向沈積在一標靶基材上之方法，其中，該材料熔化在該標靶基材之上及其內之步驟包括同時固化該材料。
  13. 一種依據如請求項11之方法做成的產品。
  14. 一種將一材料正向沉積在一基材上之方法，包含以下步驟：提供一包含一雷射脈衝叢波之雷射光束；提供一雷射光束傳送系統，能使該雷射光束聚焦在該雷射光束之繞射極限之下而且在欲沈積之該材料上，且可使該聚焦之雷射光束與該欲沈積材料之間產生相對移動；提供具有一材料附著於其一側之透明載體基材，及在該透明載體內產生 一光絲；堆疊具有一材料附著於其一側之該透明載體基材，形成一種緊鄰一介電基材但分開相距不超過2毫米的間隔組態，該透明載體位在該介電基材與可產生叢發超快雷射光束脈衝之一雷射光束源之間；使雷射能脈衝從該雷射源穿過一透鏡聚焦總成；調整該透鏡聚焦總成相對於該雷射光束源之相對距離及/或角度，以便在該透明載體基材與該欲沈積材料之一界面處聚焦該雷射能脈衝成一雷射通量之光點；調整該通量值至一足夠強度，以確保欲沈積在該基材上之材料俐落地正向沈積；及，以一叢發脈衝重覆率及叢發脈衝能量，從該雷射源通過該透鏡聚焦總成至該材料，至少施加一次波長可穿透該載體基材之雷射脈衝叢波，其中，在該欲沈積材料上施加於一光點之脈衝能量或通量總數大於藉由在該載體基材內生成光絲而開始及傳播正向沈積所需之臨界能量值，且低於開始該載體基材之燒蝕切削所需之臨界能量值；使該材料熔接在該透明基材之上及其內且同時固化該材料；及，當已在該介電基材上沈積所欲之連串描線時，停止該雷射脈衝之叢波。
  15. 如請求項14之將一材料正向沈積在一基材上之方法，其中：該載體基材係選自硼矽玻璃、Si晶圓、藍寶石所構成之群組，且該材料係選自銅、銀、鉻、鋁、SiC、GaN、摻雜氧化物玻璃、金、有機材料、奈米顆粒及聚合物所構成之群組。
  16. 一種依據如請求項14之方法做成的產品。
  17. 如請求項1之將一材料正向沈積在一標靶基材上之方法，其中，該材料熔接在該標靶基材之上及其內之步驟包括同時固化該材料。
  18. 一種將一材料正向沉積在一標靶基材上之方法，其包含以下步驟：產生一雷射光束之單一超快雷射脈衝；使該雷射光束之該超快雷射脈衝通過對該雷射光束而言為透明之一載體材料，該載體基材包括一底部表面，該表面事先以欲轉移之該材料塗布；使該材料從該載體基材上剝離，且將此時被剝離之材料以超音波速度藉由一震波送入空間中，且該震波以正向動量驅動該材料通過在該載體基材與該標靶基材間之一狹窄間隙，並且到達該標靶基材上；及，同時地固化及熔接該材料在該標靶基材之上及其內。
  19. 如請求項18之將一材料正向沈積在一標靶基材上之方法，更包含以下步驟：聚焦該雷射光束在該雷射光束之繞射極限之下。
  20. 一種將一材料正向沈積在一基材上之方法，其包含以下步驟：提供一包含一雷射脈衝叢波之雷射光束；提供一雷射光束傳送系統，能使該雷射光束聚焦在該雷射光束之繞射極限之下而且在欲沈積之該材料之上，且可使該聚焦之雷射光束與該欲沈積材料之間產生相對移動；提供有一材料附著於其一側之透明載體基材，且在該透明載體內產生一 光絲；堆疊具有一材料附著於其一側之該透明載體基材，形成一種緊鄰該介電基材但分開相距不超過2毫米的間隔組態，該透明載體位在該介電基材與可產生叢發超快雷射光束脈衝之一雷射光束源之間；使雷射能量脈衝從該雷射源通過一透鏡聚焦總成；調整該透鏡聚焦總成相對於該雷射光束源之相對距離及/或角度，以便在該透明載體基材與該欲沈積材料之界面處聚焦該雷射能脈衝成一雷射通量之光點；調整該通量值至一足夠強度，以確保欲沈積在該基材上之材料俐落地正向沈積；及以1赫茲(Hz)至2赫茲(Hz)間之叢發脈衝重覆率，10飛秒(fs)至小於1奈秒(ns)間之脈衝寬度、1微焦耳(μJ)至100微焦耳(μJ)範圍內之叢發脈衝能量、1至200瓦(W)之雷射功率，從該雷射源穿過該透鏡聚焦總成至該材料，至少施加一雷射脈衝叢波，且該雷射脈衝叢波每叢波具有1至50之間的子脈衝，而該等子脈衝有一波長範圍從350奈米(nm)至2微米(μm)可穿透該載體基材，其中，在該欲沈積材料上之一光點處施加之脈衝能量或通量之總量，大於在該載體基材內光絲生成而開始及傳播正向沈積所需之臨界能量值，且低於開始該載體基材之燒蝕切削所需之臨界能量值；使該材料熔接在該透明基材之上及其內且同時固化該材料；及，當已在該基材上沈積所需之連串描線時，停止該雷射脈衝之叢波。
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