TWI271390B - Non-mask micro-flow etching process - Google Patents

Description

1271390 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種無光罩微流體蝕刻製程，尤指一 種以微流體蝕刻基材，使構成微杯結構或微通道結構之技 術，可簡化製程、縮短製程時間、降低製造成本、提升精 密度及品質，不僅適用於電泳顯示器製程，亦可應用於需 要微結構或微通道之光電元件製程。 【先前技術】 電泳顯示器（EPD ’ ElectroPhoretic Display，俗稱

Electronic Paper電子紙）為一種新穎之光電顯示技術， 其主要結構及顯像原理可參閱圖一所示，習知電泳顯示器 10係於微杯陣列（Microcup matrix) 11内填充含有溶膠分 子121之電泳液12，在對電泳液施加電場時，帶有顏 色之溶膠分子121會因帶電而移向電極13，故可顯現出溶 ❿膠分子丨21之顏色，該微杯陣列11除了必須具有造形上之 任意性’還必須具有結構完整性和機械穩定性等要求，據 此可知，微杯陣列結構之好壞，對於電泳顯示器具有極重 要之影響性。 . 目前電泳顯示器微杯陣列製造技術主要有光蝕刻技術 (Photolithography)及精密微壓印技術（micr〇 emb〇ssing) 兩種’謹針對已知專利’說明上述兩種習知微杯陣列製造 技術之製程及其所存在之缺失。 5月參閱圖一所不’係為美國專利第6,娜，號 1271390 厂Process for roll-to~rol1 manufacture of a display • by synchronized photolithographic exposure on a ‘ substrate web」，其係提供一種以光蝕刻方式成型微杯陣 列之技術，其主要製程包含定義光阻、UV曝光、濕式蝕刻、 清洗、烘烤等步驟，此方式存在之缺點有： 一、 製程步驟繁瑣，導致生產時間無法縮短； 二、 製程設備龐大，導致製造成本高； 三、 於UV曝光顯影之後，必須將元件浸入蝕刻液以濕式蝕 • 刻成型，再以清洗劑洗去不要之殘留物，其化學製程 所為之大里鍅刻藥劑、清洗劑與生產耗材，亦是造成 成本無法有效降低之因素之一； 四、 晝素格（Pixel Cell)定義步驟繁瑣，請參閱圖三所 示，使用光蝕刻方式製造彩色電泳顯示器時，必須以 光罩定義所要成形之晝素格（Pixel Cell)，如圖所 示，R、B、G三種不同顏色之晝素格必須製作不同光 罩14配合UV光15定義（a)、（b)、（c)三次，其製程 步驟之繁瑣以及光罩製作成本均為成本無法有效降低 之因素之一。 請續參閱圖四所示，係為美國專利第6 930 818號

Electrophoretic display and novel process f〇r its --manufacture’其係提供一種接觸式精密微壓印方式成型微 ..杯陣列之技術，亦即業界所稱卷式（r〇1卜t〇_r〇u)製程， 以傳統壓印技術為基礎’藉由精密模具6 2壓印出微杯陣列 結構，只需壓印單一㈣即可生產微杯陣列，該I印 雖克服統職術製崎叙缺點，降低設備硬體成本及 1271390 時間成本判題，氣料仍存料乡較： 一、 由於模具尺寸過於精密（微米等足 上=發生積料現象，若清洗不完全可 月匕^成堡印過程產生缺陷而影響製程品質； 二、 ^洗微米等級之精密模具係為此技術亟需克服之難 一、’也因而導致電泳顯示器成本無法有效降低； 三、 精密微模具之製造成本高； 四、 壓印模具極為細緻，長期壓印後可能產生形變。 【發明内容】 有鑑於習知技術之缺失，本發明之主要目的在於提出 一種無光罩微流體蝕刻製程，以微流體蝕刻基材，使構成 微杯結構或微通道結構，可簡化製程、縮短製程時間、降 低製造成本、提升精密度及品質，不僅適用於電泳顯示器 製程’亦可應用於需要微結構或微通道之光電元件製程。 • 為達到上述目的，本發明提出一種無光罩微流體蝕刻 製程，其包含下列步驟： a·將可喷滴蝕刻反應溶液之喷嘴移動至一可與蝕刻反應溶 液相互溶解之基材上方；以及 . b·噴嘴將蝕刻反應溶液噴滴至基材上。 較佳地，該噴嘴係藉由光學對位之方式移至基材上方 之定位點。 較佳地，該餘刻反應溶液可為亞乙基二氧破代紛/聚苯 乙烯磺酸鈉（PED0T/PSS)聚合物、曱醇（methanol)、乙醇 1271390 (ethanol)、異丙醇（isopropanol)、丙酮（acetone)等溶劑。 較佳地，可於基材底部設置一與蝕刻反應溶液不相溶 之材料。 較佳地，該喷嘴係為一種可調整喷滴量之喷嘴。 較佳地，其步驟b中，於喷嘴喷滴姓刻反應溶液時， 可控制該喷嘴移動。 較佳地，該喷嘴移動之路徑可不為直線。 較佳地，該喷嘴可作不規則之間歇性移動。 * 較佳地，其係設置有複數之喷嘴。 較佳地，該複數之喷嘴係可呈不規則排列。 較佳地，該複數之喷嘴係可控制不同步喷滴。 較佳地，該複數之喷嘴係可控制具有不同喷滴量。 較佳地，該複數之喷嘴係可控制不同步移動喷滴。 較佳地，該複數之喷嘴係可控制具有不同移動路徑。 較佳地，其步驟b之後更包括一平坦化步驟，該平坦 φ 化步驟係藉由加工方式消除基材表面所存在之殘留凸出結 構。 較佳地，其加工方式係為機械拋光方式、熱化學拋光 方式、離子束拋光方式、離子束拋光方式、研磨固體顆粒 轟擊方式、雷射拋光方式或砂紙研磨方式。 為使貴審查委員對於本發明之結構目的和功效有更 ' 進一步之了解與認同，茲配合圖示詳細說明如后。 【實施方式】 1271390 以 用㈣Γ:Γ附之圖式來描述本發明為達成目的所使 助二功效，而以下圖式所列舉之實施例僅為輔 助說月’WI Μ審查委員瞭解’但本案之 於所列舉圖式。 丁 f又个丨民 百缝明本發明之基礎理論，係根據以他。^觀 二之研究®隊於_年提出之有關噴墨轉印技術製造 有機薄膜電晶體之研究論文，其主要研究内容揭露以喷墨 方式將欲沈積之物質嘴灑在底材上製作電極之技術手段， 籲其相關專利技術内容可參閱美國專利早期公 2003/0060038 forming Interconnects,^#^ 將其製程觀念應用於電泳顯示器領域，並擴展其應用範圍 於任何需要微結構之元件，請參閱圖五所示，本發明所提 供之無光罩微流體餘刻製程，其係備置一可喷滴敍刻反應 f液40之喷嘴20 ’前述該餘刻反應溶液40可為亞乙基二 氧硫代酚/聚苯乙烯磺酸鈉（pED〇T/pss)聚合物、曱醇 (methanol)、乙醇（ethan〇1)、異丙醇（_Γ〇ρ細丄）、丙 酮（aCet〇ne)等溶劑，藉由光學對位之方式將該喷嘴20移 動至一可與蝕刻反應溶液40相互溶解之基材30之定位點 上方，再將蝕刻反應溶液4〇噴滴於基材3〇上，前述該光 學對位方式之優點在於可將_反應溶液4〇雜於基材 - 上之位置誤差|&圍D控制在i，以内，可提高精確度。 ·- 再如圖六所示，當蝕刻反應溶液之微滴41滴落於基材 〇上時，藉由基材30可溶解於該微滴41之特性，微滴41 Z腐银基材30 ’為避免微滴41過度腐姓基材3〇，可於基 30底部設置—與微滴41不相溶之底材其次，該微 1271390 滴41藉由所具有之液體表面張力作用之特性，可於基材 30表面自然形成半球狀，而微滴41内部除具有原先之溶 質A之外，此時更加入基材30被溶解所產生之溶質B。 由於該微滴41具有表面蒸發作用速率大於内部蒸發 速率之特性，因此微滴41内部之流體會向微滴41表面流 動，以補償因蒸發速率差異所散失之液體，此作用可視為 微滴41内部帶動淨方向向外之淨質傳作用，將溶質A、B 傳送至微滴41外部，由於微滴41外部的蒸發速率遠大於 • 微滴41内部，所以蒸發作用會誘導微滴41内部微流體對 流作用之發生，其對流速度可以下式估算:

由於對流作用帶動微滴41内部質傳作用，微滴41内 比重較輕之溶質會被流體傳送至微滴41外部，而濃度差異 所誘導之擴散作用則因為影響遠小於對流作用而可被忽 略，其擴散速度可用下式估算： 再者，微滴41中所含溶質A、Β若有明顯之比重差異，則 因為重力作用大於對流作用之緣故，比重較重之溶質會沈 積於微滴41中央部分，藉由此一輕重篩選作用之相分離效 應，可選擇適當特性之沈積物以製作出特殊要求之微結 構，例如，選擇導電物質沈積即可製作出具有導電效果之 微結構，或可選擇沈積螢光物質，即可形成自發光微結構 等。 經由上述由於對流所誘導之質傳作用效應、擴散作用 1271390 與輕重相分離效應三者結合 於基材30上成型一叩防^乍用下，即可如圖七所示， 3〇被傳送至微滴41外部後而被溶解确 表面之交接處33,並沈籍Α θ /尤積於微滴41與基材3〔 隔石坑之結構，且隨著、读、—圈凸緣結構％，其形狀如同 其深度越深，且沈積之凸緣3〇之數量越多， 需要於該具有凸緣結構％ 回度h也越向，假使 時，若該凸緣結構32 二30上貼合其他材料層 比之比例過大時，可能合^貝、=貼合之材料層之厚度相 為避免後續製成可能之^成貼5後元件不平坦之缺失， 構32施以平坦化加 t缺陷’因此可對於該凸緣結 械拋光方式，或圖九所示：^圖二斤示旋轉研磨機G之機 可採用熱化學拋光方式：：：雷射L拋光方式，另亦 方式、研磨固體顆物崖淑 束拋光方式、反應離子蝕刻 基材材質或凸緣結構尺寸 研，2等等’可依 程後，即可獲致如圖+所一订决疋，經由平坦化加工製 31之基材30。 斤不具有平坦表面之具有微杯結構 構朗單—噴嘴2G於基材3G上成型單-微杯結 方式除了設i複成型複數微杯結構31，其 間歇性移動、或押:1外，亦可經由控制單—喷嘴20 刻反應溶液4Ϊ連續移動且間歇性喷滴餘 方4 <万式達成；至於複數微杯結構31之排列 控：噴:可2、Γ2嘴20數目、喷嘴20設置位置之不同、 20喳攻， 移動距離、移動路徑之不同，以及控制喷嘴 、’項序等等條件而達成；而該微杯結構31之深度、 1271390 徑度則可經由基材30與蝕刻反應溶液40種類之搭配、μ 刻反應溶液40濃度高低、蝕刻反應溶液40噴滴量之多寡、 喷嘴20孔徑大小等等條件而定；另者，傳統已知製作微杯 結構之截面形狀皆為圓形，其深寬比約為1:20，經由本發 明之製程實驗，不僅可將尺寸精度提高深寬比至1:1〇，並 且透過製程參數之變化，可製作出任意形狀之微杯結構。 根據上述可控制喷嘴20移動及其喷滴量之原則，如圖 十一所示，若控制喷嘴20連續移動，且配合移動之速度喷 • 滴蝕刻反應溶液40時，則可於基材300上成型_長槽狀之 微通道310，若控制噴嘴20作不規則曲線前進，則可形成 不規則形狀之微通道310，其成型之原理與前述成型微杯 結構31之原理相同，在此不予贅述，同樣地，於該微通道 310週緣形成之凸緣結構320可藉由機械拋光、雷射拋光、 熱化學拋光、離子束拋光、反應離子蝕刻、研磨固體顆粒 轟擊、砂紙研磨等方式去除，即可獲致如圖十二所示具有 平坦表面之具有微通道310之基材300，可將此一技術手 鲁段應用於沈積半導體元件上之微通道狀電極。 請再參閱圖五至圖七，據此可歸納出本發明所提供之 一種無光罩微流體蝕刻製程，其包含下列步驟： c·將可喷滴蝕刻反應溶液4〇之喷嘴20移動至一可與蝕刻 反應溶液40相互溶解之基材30上方； d·喷嘴20將蝕刻反應溶液4〇噴滴至基材3〇上；以及 e•藉由加工方式消除基材30表面所存在之殘留凸緣处構 32。 、口 綜上所述，本發明以習知喷墨轉印技術製造有機薄膜 1271390 電晶體之技術手段為基礎，輔以微流體力學、熱化學、材 料力學等理論，將喷墨技術、光學精密對位技術、微流體 (micro-flow)誘導相分離（phase separation)理論充分結 合’使構成微杯結構或微通道結構之技術，其具有下列優 點： 1·無光罩蝕刻製程步驟簡單，設備成本自然降低，單一製 程設備即可包含傳統製程所有步驟； 2·改善光敍刻製程必須使用大量化學藥劑及光罩等缺點；

3·非接觸式（non-contact)製程，可改善精密微壓印法模具 壓花溝槽積料之缺點； 4. 光學精密定位控制系統可以有效降低因對位誤差所造成 的缺陷，間接提升製程品質，減少時間成本浪費； 5. 高精密對位精度’造就更高品f軟性電泳顯示器； 6. 除了可製造微杯結構之外’更可絲製造微通道等微結 7·任意形狀、高深寬比之微杯結構，有利提升電泳顯示器 品質； hi域多樣化’可應用於任何需要微結構之產業或者 光電元件製程，可結合不同產業，達成製程設 備一機多用之目標。 惟以上所述者，僅為本發明之最佳實施例而已，當不 定本發日】所實施之範圍。即大凡依本發明申請專 2'圍所狀均錢化娜飾1應仍屬於本發明專利涵 5之乾_，謹請貴審查委員龍，並祈惠准，是所至 1271390 【圖式簡單說明】 圖一係習知電泳顯示器之結構示意圖。 圖二係習知以光蝕刻方式成型微杯陣列製程之示意 圖。 圖三係習知光蝕刻方式製造彩色電泳顯示器以光罩定 義晝素格之製程示意圖。 圖四係習知以接觸式精密微壓印方式成型微杯陣列製 程之示意圖。 圖五係係本發明成型微杯結構之較佳設備配置圖。 圖六及圖七係本發明之姓刻狀態之示意圖。 圖八及圖九係本發明之平坦化製程所應用之設備之示 意圖。 圖十係本發明成型之微杯結構之結構示意圖。 圖十一係本發明成型微通道之較佳設備配置圖。 圖十二係本發明成型之微通道之結構示意圖。 【主要元件符號說明】 先前技術： ίο-習知電泳顯示器 11-微杯陣列 12 -電泳液 121-溶膠分子 13 -電極 14- 光罩 15- UV 光 1271390 62-精密模具 本發明： 20-喷嘴 30、300-基材 31_微杯結構 310-微通道 32、320-凸緣結構 4 0 _截刻反應溶液 41 -微滴 50-底材 A、B-溶質 D-誤差範圍 G-旋轉研磨機 h-高度 L-準分子雷射

Claims (1)

1271390 十、申請專利範圍： 1. -種無光罩微㈣_製程，其包含下列步驟： a·將可噴滴關反應溶液之喷嘴移動至一可與㈣反應 溶液相互溶解之基材上方；以及 〜 b.噴嘴將蝕刻反應溶液喷滴至基材上。 2. 如申睛專利範圍第i項所述之無光罩微流體則製程， 其步驟a中，該喷嘴係藉由光學對位之方式移至基材上 方之定位點。 3·如申請專利範圍第1項所述之無光罩微流體姓刻製程， 其中’該#刻反應溶液可為亞乙基二氧硫代盼/聚苯乙婦 石黃酸鈉（PED0T/PSS)聚合物、甲醇(methan〇1)、乙醇 (ethanol)、異丙醇（isopr〇pan〇1)、丙酮（acet〇ne)等溶 劑0 4. 如申請專利範圍第丨項所述之無光罩微流舰刻製程， 可於基材底部設置一與蝕刻反應溶液不相溶之材料。 5. 如申請專·圍第1項所述之無光罩微流舰刻製程， 該喷嘴係為一種可調整噴滴量之噴嘴。 6. :::專利範圍第？項所述之無光罩微流刻製程， 該喷嘴係為一種可調整孔徑之喷嘴。 7. :Γ=範述之無光罩微_刻製程， 於喷嘴喷滴_反應溶液時，可控剩 8. 如申請專利範圍第7項所述之無光⑼ 該喷嘴移動之路徑可不為直線。 "IL _划製轾， 127139ο 9如由 •該喰請專利範圍第7項所述之無光罩微流體蝕刻製程， 噴嘴可作不規則之間歇性移動。 。如申凊專利範圍第1項戶斤述之無光罩微流體餘刻製 11 其係設置有複數之噴嘴。 •。如申請專利範圍第10項所述之無光罩微流體蝕刻製 裎’該複數之喷嘴係可呈不規則排列。 12 •如申請專利範圍第10項所述之無光罩微流體蝕刻製 % 秩，該複數之喷嘴係可控制不同步噴滴。 13·如申請專利範圍第10項所述之無光罩微流體蝕刻製 程’該複數之噴嘴係可控制具有不同喷滴量。 14· 如申請專利範圍第10項所述之無光罩微流體蝕刻製 程，該複數之噴嘴係可控制不同步移動喷滴。 15· 如申請專利範圍第10項所述之無光罩微流體蝕刻製 程’該複數之噴嘴係可控制具有不同移動路徑。 16· 如申請專利範圍第1項所述之無光罩微流體蝕刻製 φ 程，其步驟b之後更包括一平坦化步驟，該平坦化步驟 係藉由加工方式消除基材表面所存在之殘留凸出結構。 17· 如申請專利範圍第16項所述之無光罩微流體蝕刻製 程’其加工方式可為機械拋光、熱化學拋光、離子束拋 光或雷射拋光等拋光方式。 ~ 18·如申請專利範圍第16項所述之無光罩微流體蝕刻製 -程，其加工方式係為反應離子蝕刻方式。 19·如申請專利範圍第16項所述之無光罩微流體蝕刻製 程，其加工方式係為研磨固體顆粒轟擊方式。 18 1271390 20. 如申請專利範圍第16項所述之無光罩微流體蝕刻製 程，其加工方式係為砂紙研磨方式。

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