TWI400579B - Application of carbon dioxide laser to form a microstructure on the substrate method - Google Patents

Description

應用二氧化碳雷射來形成微結構於基板的方法

本發明係關於一種應用二氧化碳雷射來形成微結構於基板的方法，且特別係關於一種應用二氧化碳雷射來製造寬度小於100微米微結構於基板的方法。

半導體科技日新月異的發展，提升了生活的品質及便利性，以顯示器為例，傳統笨重的映像管顯示器已大幅被淘汰，取而代之的是輕薄短小的液晶或是電漿顯示器，但由於各種儀器設備越做越小，越做越精細，其內部構件即亦需具備精巧實用的特色。

目前的電子元件微結構製作多以微機電系統為主，微機電系統中包括整合積體電路光刻術、電化學電鑄技術及高分子成型技術之微光刻電鑄模造(LIGA)製程，標準的LIGA製程因其製程成本高、程序複雜、時程長等缺點，故在產品製造的經濟效益上存有改進的空間。

微結構製作方法或相關研究多以黃光微影或電鑄成型技術為主，如中華民國發明公開第200626490號、發明公開第200742728號專利皆利用黃光微影製程定義所需圖案，再以電鑄成型方法製備微結構。但此法程序過於繁雜且電鑄後之成品多半有毛邊存在，若要去除多餘毛邊則需另以機械式器具或進行濕式蝕刻進一步整修。又，中華民國發明公開第200716770號專利揭露”一種具有微結構的玻璃模造模仁的製作方法及玻璃模造模仁”，亦是利用黃光微影技術定義所需圖案並使用蝕刻技術來製備光學玻璃元件的微結構；然上述技術皆是針對功能上與便利性達到局部改善之 效果。

此外，亦有利用模具來輔助微結構成型，如中華民國第583136證書號發明專利即使用預先準備的微結構模具配合光硬化材料來定義所需的微結構；又，中華民國發明公告第I243741號專利則使用線切割放電、放電加工技術或研磨方式來製備鋼模，並使用凸出的鋼模結構來轉印所需圖案；然而，模具轉印方式須考量的因素眾多，如材料特性、拔模角度、硬化時間或溫度變異，皆會影響微結構成型完整性。

為解決上述拔模角度的問題，中華民國發明公開第200733182號專利提出以一犧牲層配合濕蝕刻方式來解決某些模具轉印製程的問題，但此法程序繁多、製程時間長、結構複雜，故其實用性亦有考量空間存在；中華民國發明公告第I288862號專利則揭示以黃光微影製程定義所需圖案結構，再以蝕刻方式來製備微結構，此專利屬於一般黃光微影的曝光與圖案定義方法；又，中華民國發明公告第I286265號專利提出光罩製造方法與圖案成形方法，此法以傳統玻璃光罩形式定義圖案結構，再以光刻方法製作微結構，並以濕蝕刻方式去除以光罩定義之感光材料，但其程序繁多且實用性亦有考量空間存在；另外，中華民國發明公告第I283231號專利則提出機械式加工製造微結構，此法採用真空吸盤固定式片並以一壓力衝擊方式定義微結構，但其應用範圍十分有限，僅適用於薄膜材料。

目前針對50 μm以上的尺度進行微結構製作，大多採用短波雷射，如：飛秒雷射(femtosecond laser)、準分子雷射微加工(excimer laser micromachining)、Nd-YAG laser等技術，這些技術皆具有價 格昂貴之使用缺陷，且前述技術對於非矽材料之加工，則有吸收波長不匹配與加工效率不佳之技術瓶頸。

二氧化碳雷射具有低成本、高精確度、高製程速度及可大面積製作之優點，目前廣泛應用於高分子材料與玻璃脆性材料加工應用，但其最小加工尺度受聚焦光斑影響而被限制在100-150 μm，即使經由設定二氧化碳雷射脈衝模式進行加工或縮減輸出能量等參數，仍無法改善被加工物特徵尺寸問題，且二氧化碳雷射亦具有上述雷射技術對於非矽材料進行加工時，加工尺度受聚焦光斑影響而易產生凸塊、裂紋與尺度過大之問題。

本發明係提供一種應用二氧化碳雷射來形成微結構於一基板的方法，係包括下列步驟：(1)將一具有孔洞之金屬光罩緊密貼合於基板之表面；及(2)利用二氧化碳雷射穿過金屬光罩之孔洞而對基板之表面進行掃瞄，並於取下金屬光罩後，在基板之表面上形成微結構，而微結構係對應於金屬光罩之孔洞，且具有為50至100微米的寬度及大於10微米的深度。

其中，步驟(1)中之金屬光罩對二氧化碳雷射具有低吸收率，其上並刻畫有不同設計之圖形，係選自包含下列群組之金屬材料：不銹鋼、鉻、金、銀、銅、鋁、白金、鎳和鉭；而基板係一高分子材料或一非矽(non-silicon)脆性材料，高分子材料係選自包含下列群組之材料：聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate，後稱PMMA)、聚對二甲基矽氧烷 (poly-dimethylsiloxane，PDMS)、塑膠材料、高分子纖維材料和橡膠，非矽脆性材料係選自包含下列群組之材料：玻璃、矽土、藍寶石晶圓和陶瓷。

步驟(2)中之二氧化碳雷射係單一雷射光束或多雷射光束，且二氧化碳雷射的光源掃瞄速度至少為20mm/sec。

為促進使用二氧化碳雷射時的散熱效果，本發明之方法，在選用之基板材質係玻璃之非矽脆性材料時，係可在水冷或是氣冷之環境下進行二氧化碳雷射，而氣冷係可透過一惰性氣體、氦氣或空氣進行，惰性氣體係氬氣或氦氣。

由於二氧化碳雷射係一種低成本之雷射技術，係普遍使用於高分子材料或是非矽脆性材料之加工，然當其搭配金屬光罩進行使用時，藉由金屬光罩對可見光具有低吸收率及其具有高導熱率之特點，可充分排除以往因為熱傳導效果不佳而導致的熱影響區域破壞現象，並可有效的將二氧化碳雷射加工尺度逼近光波波長範圍，並形成寬度小於100微米之微結構。

本發明提供了一種具有低成本、高精確度、高穩定性、大面積製作及加工快速優點的微結構製作方法，利用本發明所製造出之微結構可克服以往製作微結構時容易發生產生凸塊或裂紋、基板表面不平滑、容易產生粉塵和毛邊及尺度過大(大於200至300微米)之缺點，且由於本發明同時適用於高分子材料及非矽脆性材料，因此可廣泛應用於微流體元件、光學元件、半導體元件、奈米薄膜元件及太陽能光電元件之製造。

請參考第一圖，本發明之應用二氧化碳雷射(A)來形成微結構(21)於基板(2)的方法，係包括下列步驟：(1)放置金屬光罩：將一具有孔洞(11)之金屬光罩(1)緊密貼合於基板(2)之表面；及(2)二氧化碳雷射掃瞄：利用二氧化碳雷射(A)穿過金屬光罩(1)之孔洞(11)而對基板(2)之表面進行掃瞄，並於取下金屬光罩(1)後，在基板(2)之表面上形成微結構(21)，而微結構(21)為對應於金屬光罩(1)之孔洞(11)，且具有為50至100微米的寬度及大於10微米的深度。

其中，步驟(1)中之金屬光罩(1)對二氧化碳雷射(A)具有低吸收率及高導熱率，其上並刻畫有不同設計之圖形，係選自包含下列群組之金屬材料：不銹鋼、鉻、金、銀、銅、鋁、白金、鎳和鉭；而基板(2)係一高分子材料或一非矽脆性材料，高分子材料係選自包含下列群組之材料：PMMA、PDMS、塑膠材料、高分子纖維材料和橡膠，非矽脆性材料係選自包含下列群組之材料：玻璃、矽土、藍寶石晶圓和陶瓷。

步驟(2)中之二氧化碳雷射(A)係單一雷射光束或多雷射光束，且二氧化碳雷射(A)的光源掃瞄速度至少為20mm/sec。

為促進使用二氧化碳雷射(A)時的散熱效果，本發明之方法，在所選用之基板(2)材質為玻璃之非矽脆性材料時，係可在水冷或是氣冷之環境下進行二氧化碳雷射(A)加工，而氣冷係可透過一惰性氣體、空氣或氮氣進行，惰性氣體係氬氣或氦氣。

以下即以實施例進一步說明本發明。

實施例一

本實施例係將二氧化碳雷射使用於一PMMA材質之基板，並選用SUS-304型不銹鋼做為金屬光罩，其包括下列步驟：(1)放置金屬光罩：將具有孔洞之SUS-304型不銹鋼金屬光罩緊密貼合於聚甲基丙烯酸甲酯材質之基板；及(2)二氧化碳雷射掃瞄：利用雷射能量為1.5W的二氧化碳雷射穿過光罩之孔洞而對基板進行掃瞄，掃瞄速度為34.2mm/sec，完成後即取下金屬光罩以於基板上形成對應金屬光罩之孔洞的微結構。

請參考第二圖及第三圖，利用本實施例針對高分子材料基板所製備的微結構具有孔徑寬度小於100微米且約為50微米、深度約為32.5微米的孔洞，孔洞之結構十分完整，基板於深度為0微米之表面相當平整，並無產生凸起之區塊，顯示其孔洞邊緣亦無產生凸塊或是熱影響區，此係二氧化碳雷射高斯能量分布約86%集中於中心位置，而利用金屬光罩可以有效反射或折射雷射光源的特色，以區隔出需要進行雷射掃瞄的區域，並藉由金屬光罩導出過多的熱源，降低二氧化碳雷射對熱影響區破壞的機率，確實改善了現行技術的缺失，提升了加工時的精確度，以製作出加工尺寸較小的微結構。

實施例二

本實施例係將二氧化碳雷射使用於一Pyrex玻璃材質之基板，並選用SUS-304型不銹鋼做為金屬光罩，其包括下列步驟：(1)放置金屬光罩：將具有孔洞之SUS-304型不銹鋼金屬光 罩緊密貼合於Pyrex玻璃材質之基板；及(2)二氧化碳雷射掃瞄：利用雷射能量為1.5W的二氧化碳雷射穿過光罩之孔洞而對基板進行掃瞄，掃瞄速度為34.2mm/sec，完成後即取下金屬光罩以在基板上形成對應金屬光罩之孔洞的微結構。

因為玻璃基板之熔點溫度較高，為提升使用二氧化碳雷射時的熱傳導效果，本實施例施行時，係搭配水冷或氣冷的方式藉由氣體或水的對流或傳導來輔助排除雷射之熱能，其中氣冷係透過一惰性氣體、空氣或氮氣進行，惰性氣體係氬氣或氦氣。

請參考第四圖及第五圖，利用本實施例針對玻璃基板所製備的微結構具有孔徑寬度小於100微米且約為50微米、深度約為12.5微米的孔洞，孔洞之結構完整且表面潔淨無凸塊產生，大幅改善先前技術容易造成毛邊、凸塊、裂紋或是雷射尺寸過大的缺點，由本實施例亦可說明本發明之方法施用於非矽脆性材料時，並不會在孔洞周圍產生裂紋或凸塊，亦可進行寬度小於100微米之微結構加工，亦即對於非矽脆性材料的微結構進行加工時，仍具有高精密度的特性，是一種十分優越的微結構加工方法。

請參考第六圖及第七圖，係在大氣下使用二氧化碳雷射光源針對Pyrex玻璃之非矽脆性材料進行微結構加工結果，加工時使用的二氧化碳雷射光源能量為1.5W，操作速度為34.2mm/sec，切割次數為10次，由圖中可看出，在大氣下使用二氧化碳雷射針對非矽脆性材料進行加工時，會在孔徑邊緣兩側產生明顯裂紋、凸塊及燒焦現象，且所產生孔徑的大小為光斑尺寸2-3倍的250微米大小，應是在雷射光刻過程中能量過度集中在光刻處，使得熱 量無法有效釋出，造成加工區域與非加工區域間溫度梯度過高，而產生熱裂與燒焦現象。而凸塊的產生主要是由於已熔融材料噴出後無法被有效移除，故沿著光刻邊緣產生再凝固堆積的結果，第七圖更可明確看出有些凸塊高度達18.121微米，凸塊過高將導致後續製程之困擾；另外在某些情況下，甚至還會發生濺開的現象；又，就尺度上而言，被加工物的特徵形貌與尺寸會遠比聚焦光斑大，係因雷射光源所提供的熱量會瞬間將工作物局部熔化或汽化，迫使被加工物的特徵尺寸遠大於聚焦光斑，此外熱能擴散與傳導因素將會在工件的特徵尺寸周圍會形成所謂的熱影響區域，並衍生應力殘留、熔渣堆積、微裂痕與材料變質之問題，間接增加後續製程困難度與可行性。

由上述實施例可知，本發明係利用成本較低的二氧化碳雷射針對高分子材料或非矽脆性材料進行微結構加工，改善了以往微結構製程中容易造成雷射加工附近的區域產生裂縫、凸塊或燒焦的現象，並將雷射加工尺寸縮小至小於100微米，可提升製作微結構時的精確度，並將其廣泛應用於各種半導體元件、光學元件或微流體元件的製作。

1‧‧‧金屬光罩

11‧‧‧孔洞

2‧‧‧基板

21‧‧‧微結構

A‧‧‧二氧化碳雷射

第一圖本發明應用二氧化碳雷射來形成微結構於基板的方法流程圖。

第二圖係實施例一之微結構顯微形貌圖。

第三圖係實施例一之微結構寬度及深度關係圖。

第四圖係實施例二之微結構顯微形貌圖。

第五圖係實施例二之微結構寬度及深度關係圖。

第六圖係在大氣下施行二氧化碳雷射微結構加工之微結構寬度及深度關係圖。

第七圖係在大氣下施行二氧化碳雷射微結構加工之顯微形貌圖。

1‧‧‧金屬光罩

11‧‧‧孔洞

2‧‧‧基板

21‧‧‧微結構

A‧‧‧二氧化碳雷射

Claims (13)

1. 一種應用二氧化碳雷射來形成微結構於一基板的方法，係包括：將一具有孔洞之金屬光罩緊密結合於該基板之表面；以及利用該二氧化碳雷射穿過金屬光罩之孔洞而對該基板之表面進行掃瞄，並於取下該金屬光罩後，在該基板之表面上形成該微結構，而該微結構係對應於該金屬光罩之孔洞，且具有為50至100微米的寬度及大於10微米的深度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該金屬光罩係選自於由下列所構成之群組：不銹鋼、鉻、金、銀、銅、鋁、白金、鎳、鉭。
3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該基板係為一高分子材料。
4. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中該高分子材料係選自於由下列所構成之群組：聚甲基丙烯酸甲酯、聚對二甲基矽氧烷、塑膠材料、高分子纖維材料、橡膠。
5. 如申請專利範圍第3或4項所述之方法，其中該二氧化碳雷射係為單一雷射光束或多雷射光束。
6. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中該二氧化碳雷射的光源掃瞄速度至少為20mm/sec。
7. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該基板係為一非矽(non-silicon)脆性材料。
8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該非矽脆性材料係選自於由下列所構成之群組：玻璃、矽土、藍寶石晶圓、陶瓷。
9. 如申請專利範圍第7或8項所述之方法，其中該二氧化碳雷射係為單一雷射光束或多雷射光束。
10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該二氧化碳雷射的光源掃瞄速度至少為20mm/sec。
11. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中當該基板為玻璃時，該二氧化碳雷射係於氣冷或水冷環境下對該基板之表面進行掃瞄。
12. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中該氣冷環境係含有惰性氣體、氮氣或空氣。
13. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該惰性氣體係為氦氣或氬。