TWI484301B - 形成連續性三維結構的噴墨方法 - Google Patents

Description

形成連續性三維結構的噴墨方法

一種形成三維結構的噴墨方法，特別是一種利用自我導流機制形成連續性三維結構的噴墨方法。

現今半導體元件製作中，黃光微影製程(Photolithography Process)扮演了一個非常重要的角色。在黃光微影製程中，為了形成所需之立體微結構，必須先在一基板上沉積一光感應材料，利用具有預先定義圖案之光罩，令特定光源透過光罩照射光感應材料，進而使光感應材料部分曝光，最後再視正或負光阻而以顯影手法去除或留下部分光感應材料，進而形成所需立體結構。前述之黃光微影製程不僅過程複雜，所需之材料及設備亦相當昂貴。

近來，各種取代黃光微影製程的方法已被廣泛研究。噴墨(Inkjet Printing)技術即為其中一種極具發展潛力的方法。傳統噴墨係應用於圖像印刷輸出，其基本原理係利用噴嘴(Nozzle)產生之壓力或墨水相變化產生之瞬間壓力，當壓力大於墨水本身表面張力時，墨水由噴嘴噴射至一基材而形成所需圖案。噴墨方法中，墨水的特性極為重要，舉凡墨水之慣性(Inertia)、黏度(Viscosity)及表面張力(Surface Tension)等皆為選擇合適墨水時所需考量之參數。綜合觀之，噴墨方法與黃光微影製程皆是在一基板上形成圖案，且噴墨方法所需之製程及設備相對簡單許 多，成本亦低廉許多，若有機會取代部分黃光微影製程，將使製造效率大為提高，因此已吸引眾多專家及廠商投入此領域的研究。

然而，欲以噴墨方法取代黃光製程，仍有一些缺點待克服。其一，噴墨液滴之軌跡不易控制，易導致形成之圖案具有缺陷。再者，噴墨液滴於基板上全向性(Ominidirectional)流動之自然特性，導致形成圖案有解析度限制。以上之因素使噴墨方法應用在小線寬(如10微米)及複雜網狀結構之上有相當難度，而實際之結構往往更為複雜，也因此更加侷限了噴墨方法的可應用性。若為了縮小線寬而降低噴嘴直徑，則會衍生墨水材料相容性問題，因多數墨水皆具有奈米粒子懸浮液(Particle Suspension)，隨著噴嘴直徑的縮小，墨水阻塞噴嘴的機率將大為提昇。

因此，本發明揭示一種形成連續性三維結構的噴墨方法。在一基板上形成一具有預先定義圖案之暫時結構，並依據預先定義之圖案填充墨滴於暫時結構及基板所形成之容置空間。填充時，令墨滴同時接觸暫時結構及基板表面。此時，墨滴與暫時結構間表面張力合力、墨滴與基板間表面張力合力及墨滴本身重力三者交互作用形成一自我導流機制，藉此使墨滴往容置空間流動而填滿容置空間。墨滴固化形成墨滴固化結構後，移除暫時結構並留下墨滴固化結構而形成連續性三維結構。本發明中的墨滴固化後所形成之連續性三維結構，其幾何型態取決於暫時結構預先定 義之圖案，並且經由選取相較於暫時結構親水性高之基板，增加自我導流效率。因此，利用本發明之方法製成之結構，其厚度及線寬可達到較傳統噴墨方法所形成結構更精密，並且均勻性更佳。

本發明之一態樣是在提供一種形成連續性三維結構的噴墨方法，包含以下步驟：準備一基板；在基板上形成一具有預先定義圖案之暫時結構，其中暫時結構與基板間形成容置空間；填充墨滴於容置空間，並令墨滴同時覆蓋接觸暫時結構表面及基板表面；令墨滴與暫時結構間之表面張力合成一第一引導力；令墨滴與基板間之表面張力合成一第二引導力；利用墨滴之自身重力、第一引導力及第二引導力之合力令墨滴自我導流地依據預先定義圖案緊密填滿容置空間；進行墨滴固化過程，令墨滴由液態轉換為固態；以及移除暫時結構，留下墨滴之固化結構而形成一連續性之三維結構。

依據本發明之一實施例，形成預先定義圖案之方法可使用黃光微影製程、網版印刷或轉印。此外，墨滴填充可利用噴墨方式。並且，墨滴固化結構之幾何型態由暫時結構形成之預先定義圖案所定義。

依據本發明之另一實施例，暫時結構材質可為光感應材料，墨滴材質可為光感應材料或UV膠。此外，暫時結構具有相對疏水性，而基板具有相對親水性。另外，墨滴固化結構之厚度介於0.1微米到50微米，墨滴固化結構之寬度介於0.1微米到50微米，而墨滴黏度介於0 cP到10 cP之間。

依據本發明之再一實施例，墨滴固化結構可形成網絡狀排列，且其排列可為平行排列或交錯排列。此外，填充墨滴之方法可為連續性填充或間歇性填充。間歇性填充步驟包含：令各墨滴間形成一間距；其中，間距介於0微米到50微米之間。

為使本發明之技術及功效能更為清楚理解，特舉實施例並輔佐以圖式說明之。

本發明揭示之一種形成連續性三維結構的噴墨方法，可應用於多種場合，例如用於製作高解析度(~300 dpi)彩色濾光片黑色矩陣(Black Matrix)、高附加價值之纖維蛋白支架、分隔高精密光電晶體陣列、以及可撓式太陽能電池網狀電極等。為使本發明技術特徵能清楚被理解，特舉以噴墨方法製作高解析度(~300 dpi)彩色濾光片黑色矩陣(Black Matrix)為一實施例，並詳細闡述本發明之技術理論基礎及實際之應用方法。

請參照第1圖，第1圖繪示彩色濾光片之主要結構示意圖。彩色濾光片為平面顯示器(FPD，Flat Panel Display)中極為關鍵之零組件。彩色濾光片100結構中，包含基板105、黑色矩陣(BM，Black Matrix)101、紅色畫素102、綠色畫素103及藍色畫素104。外部單色光源a穿透過彩色濾光片100後，經由紅色畫素102、綠色畫素103及藍色畫素104組合形成彩色影像。黑色矩陣101主要具有下列功能：a.避免各像素混合；b.降低光漏電流；c.阻擋雜散光； 及d.降低光反射而提高對比等功效。

請參照第2A至第2C圖，第2A至第2C圖依序分別繪示紅色畫素、綠色畫素及藍色畫素之條紋式排列(Stripe Configuration)、馬賽克式排列(Mosaic Configuration)及三角式排列(Delta Configuration)示意圖。第2A圖至第2C圖中，紅色畫素202、綠色畫素203及藍色畫素204間以黑色矩陣201隔開。第2A圖為條紋式排列，第2B圖為馬賽克式排列，而第2C圖為三角式排列。第2C圖中，各畫素間具有一偏移(Offset)，其影像之解析度最高，但是製作難度亦最高。

請參照第3圖，第3圖繪示傳統利用黃光微影製程製作黑色矩陣之流程示意圖。為形成之黑色矩陣304結構，傳統係利用黃光微影製程製作之。步驟包含：a.準備一透明基板301；b.旋轉塗佈(Spin-Coating)黑色矩陣光阻302於整面基板301。c.塗佈完畢後將此片覆蓋黑色矩陣光阻302之基板301置入烤箱並抽真空，將溫度設定至80~100℃進行約1~2分鐘之軟烤(Pre-Bake)，降低液態光阻之流動性以確保在移動過程可以保持其厚度均勻性；d.軟烤完畢後，於黑色矩陣光阻302表面覆蓋上一層具有矩形凹槽圖案之光罩303，並以紫外(UV)光進行曝光(Exposure)；e.曝光後，使曝光處之黑色矩陣光阻302固化；f.將未固化之黑色矩陣光阻302以顯影方法(Development)去除，此時基板301表面之黑色矩陣304結構已成形；g.最後，將具有黑色矩陣304之完整結構置入烤箱，將溫度調至230℃進行約30分鐘之真空烘烤，此一烘烤即為硬烤(Post-Bake)， 以完整地固化黑色矩陣304。上述之製程複雜度及成本皆相當高，因其所需要之曝光機台相當昂貴，並且因利用光罩303形成所需圖案，因此需要複雜之光學對位。再者，因初始黑色矩陣光阻302需塗佈滿整片基板301，而最後僅留下少部分之黑色矩陣光阻302，因此亦造成材料的大量耗費。

請參照第4圖，第4圖繪示依據本發明一實施例中自我導流機制示意圖。自我導流機制及其與暫時結構的搭配使用，為本發明之形成連續性三維結構的噴墨方法與其他噴墨方法最大不同之處。第4圖中，暫時結構402形成於基板401上，本實施例中，基板401具有相對親水性，而暫時結構402具有相對疏水性。墨滴403自噴頭噴出後，同時接觸具有相對親水性之基板401表面及具有相對疏水性之暫時結構402表面。此時墨滴403之流向滿足下列之楊氏方程式(Young’s Equation)：

σ _vs 為大氣與暫時結構間之表面張力；σ _ls 為墨滴與暫時結構間之表面張力；為大氣與基板間表面張力；為墨滴與基板間表面張力；以及及為接觸角(contact angle)。

由以上關係式可得知，若接觸角大於接觸角，則墨滴403將會往基板401方向流動。再加上墨滴403本身重力、 基板401之相對親水性及暫時結構402之相對疏水性的影響，多數墨滴403將會持續流向基板401與暫時結構402形成之容置空間404。因此，墨滴403將持續自我導流並填滿容置空間404。本發明一實施例係為形成彩色濾光片之黑色矩陣，此時流入容置空間404之墨滴固化後，即為未來構成黑色矩陣之線段，而容置空間404寬度即為黑色矩陣線段之寬度。再者，藉由暫時結構402的不同設計可定義容置空間404的幾何型態。因此，本發明一實施例藉由前述自我導流機制，再搭配具有高材料使用率之噴墨方法，可製作出線寬極細且具複雜幾何交錯排列圖案之黑色矩陣。如此一來，可克服噴墨方法中種種無法克服之極限，且大幅降低形成黑色矩陣之材料使用量。

請參照第5圖，第5圖繪示利用本發明之形成連續性三維結構方法製作黑色矩陣之一實施例製程流程示意圖。為了能與真正產品比較，本實施例中，選用具有高達89%透光率且厚度為200微米之聚苯醚碸(PES，Polyethersulfone)基板501。暫時結構502材質則選用AZ-4680系列光阻。形成黑色矩陣504所需之墨滴503則選用SU8-2002系列光阻，其與目前商用之黑色矩陣光阻特性接近且適合用於噴墨製程。PES基板501具有相對親水性，而AZ-4680光阻形成之暫時結構502則具有相對疏水性。前述之”相對”，係指基板501相對於暫時結構502親水；或者，暫時結構502相對於基板501疏水；並不特別指基板501或暫時結構502必定具有親水性或疏水性。接下來，即進入製作黑色矩陣504之過程。首先，將基板501 清洗乾淨，並在其表面形成一暫時結構502。形成暫時結構502方法可為黃光微影製程、網版印刷或轉印，而本實施例中使用黃光微影製程。暫時結構由矩形凸塊502a(AZ BUMPS)陣列形成，矩形凸塊502a陣列排列方式可依據第2a至2c圖中黑色矩陣201之三種排列方式調整。為凸顯本發明與傳統噴墨方法的差異，特以第2c圖中三角狀排列之黑色矩陣201為實施例，因傳統噴墨方法無法形成此種交錯式之黑色矩陣201結構。本發明暫時結構502形成後，接著將SU8-2002光阻形成之墨滴503噴印至暫時結構502與基板501間形成之溝槽505並覆蓋溝槽505，墨滴503並同時接觸基板501及暫時結構502表面。此時，於暫時結構502表面之墨滴503，將受到自我導流機制及墨滴503自我重力的影響，被牽引至相對親水之溝槽505內，重複噴塗墨滴503直至溝槽505被填滿。墨滴503固化後，移除暫時結構502，僅留下墨滴503之固化體，此即形成最後之黑色矩陣504。

對比第3圖所示之傳統利用黃光微影製程製作黑色矩陣的方法，若透過本發明提出之新製程，則不需要整面均勻地旋塗黑色矩陣光阻303，藉此可大幅降低黑色矩陣504材料之消耗。此外，黑色矩陣504線寬可藉由溝槽505寬度來做調整。舉例來說，若將溝槽505寬度縮小至10微米，最後暫時結構502被移除後所留下之黑色矩陣504其線段之線寬亦為10微米。此外，本發明更可將線寬縮小至10微米以下，此為傳統單純噴墨方法所未能達到。

請參照第6A圖及第6B圖，第6A圖繪示傳統噴墨方 法中於墨滴大體積時幾何型態示意圖。第6B圖繪示傳統噴墨方法中於墨滴小體積時幾何型態示意圖。傳統噴墨方法最大缺點在於無法縮小線寬。通常為了縮小線寬，會將基板601作預處理，使基板601表面性質改變。如第6A圖中，部分表面602經過電漿預處理而形成數奈米以下化學官能基。然而，上述之方法對線寬縮小之貢獻有限，再加上墨滴603與基板601表面張力的自然變化，使噴塗於基板601上之墨滴603仍形成類球狀，其側壁輪廓為弧狀。第6A圖中，當墨滴603體積較大時，雖墨滴603同時接觸基板601及經過預處理之部分表面602，但因未如本發明使用暫時結構，造成其側壁輪廓無法形成所需之垂直側壁結構。由第6B圖中可見墨滴接觸基板601時之自然變化，此時墨滴603體積較小，未接觸經過預處理之部分表面602。當墨滴603接觸基板601時，依表面張力之自然變化而形成類球狀，持續填充墨滴603，則會形成如第6A圖之狀況。第6A圖中，墨滴603實際寬度w_real 大於需求寬度w_desired ，造成對線寬控制性之困難度增加。

請參照第7圖，第7圖繪示本發明一實施例中墨滴尾巴長度與飛行時間關係圖。本發明一實施例中，墨滴之噴塗係利用壓電式噴嘴。壓電式噴嘴原理主要是施加電壓於噴嘴，利用壓電效應使噴嘴產生形變，藉此擠壓墨滴，使墨滴噴射而出。在一固定頻率5 kHz下，施加於噴嘴之電壓與墨滴之體積成正比。由於壓電式噴墨方法需要選擇合適之電壓方可使墨滴形成完整之球形。由第7圖中，可得知液滴尾巴長度及電壓皆有其相對應之臨界範圍。當高於 墨滴尾巴或是電壓的臨界範圍時，墨滴體積太過龐大，容易造成墨滴破損而產生不必要的墨滴殘餘。本實施例中，選取較佳之電壓參數為18伏特。因高於19伏特時，會產生多餘的墨滴殘餘；而低於17伏特時，驅動力不足將使墨滴供應不足而造成斷墨現象。

請參照第8圖，第8圖繪示本發明一實施例中墨滴固化結構寬度(線寬)與墨滴間距關係圖。本發明主要目的即是要得到寬度較微小之墨滴固化結構。欲得具有較微小寬度之墨滴固化結構，必須利用第4圖所示之自我導流機制再配合噴墨參數的最佳化。從第8圖可得知，欲得較小之寬度，墨滴間距必須越大。然而太大的墨滴間距將使墨滴噴塗不連續，造成斷墨現象。本發明選取之較佳墨滴間距為20微米到40微米。

請參照第9圖，第9圖繪示本發明一實施例中墨滴有效填充面積百分比與墨滴間距關係圖。本發明之一實施例係應用噴墨技術於製作三角式排列之黑色矩陣(請配合參照第2C圖)。第2C圖中，各畫素之間具有一偏移量。第9圖中，墨滴有效填充面積百分比的定義為：墨滴實際填充面積/墨滴理想填充面積。由第9圖中，可得知，使用SU8-2002為墨滴時，墨滴有效填充面積百分比隨著墨滴間距的增加而減小。此乃因為墨滴總體積逐漸減小之故。另外，墨滴有效填充面積百分比亦隨著各畫素偏移量的增加而減小。本實施例中，墨滴有效填充面積百分比超過50%時，墨滴即可填滿溝槽而形成連續性三維結構。並且由第9圖可得知，墨滴有效填充面積百分比為50%時，對應到 的較佳墨滴間距落在20微米至40微米之間，此與第8圖可互相呼應。

綜合以上，本發明提供了一種形成連續性三維結構的噴墨方法。藉由自我導流機制及與暫時結構的搭配，本發明成功地利用噴墨方法製作一可實際應用於彩色濾光片之黑色矩陣結構。本發明亦揭示了基板材料的選取、暫時結構材料的選取、噴墨電壓、墨滴間距等一系列關鍵參數，並揭示了這些參數的較佳實施例。

100‧‧‧彩色濾光片

101‧‧‧黑色矩陣

102‧‧‧紅色畫素

103‧‧‧綠色畫素

104‧‧‧藍色畫素

105‧‧‧基板

201‧‧‧黑色矩陣

202‧‧‧紅色畫素

203‧‧‧綠色畫素

204‧‧‧藍色畫素

301‧‧‧基板

302‧‧‧黑色矩陣光阻

303‧‧‧光罩

304‧‧‧黑色矩陣

401‧‧‧基板

402‧‧‧暫時結構

403‧‧‧墨滴

404‧‧‧容置空間

501‧‧‧基板

502‧‧‧暫時結構

502a‧‧‧矩形凸塊

503‧‧‧墨滴

504‧‧‧黑色矩陣

505‧‧‧溝槽

601‧‧‧基板

602‧‧‧部分表面

603‧‧‧墨滴

σ _lv ‧‧‧墨滴與大氣間之表面張力

a‧‧‧單色光源

σ _ls ‧‧‧墨滴與暫時結構間之表面張力

σ _vs ‧‧‧大氣與暫時結構間之表面張力

‧‧‧大氣與基板間表面張力

‧‧‧墨滴與基板間表面張力

‧‧‧接觸角

‧‧‧接觸角

w_desired ‧‧‧需求寬度

w_real ‧‧‧墨滴實際寬度

σ^＊ ‧‧‧墨滴與大氣間之表面張力

σ‧‧‧墨滴與大氣間之表面張力

第1圖繪示彩色濾光片之主要結構示意圖。

第2A圖繪示紅色畫素、綠色畫素及藍色畫素之條紋式排列(Stripe Configuration)示意圖。

第2B圖繪示紅色畫素、綠色畫素及藍色畫素之馬賽克式排列(Mosaic Configuration)示意圖。

第2C圖繪示紅色畫素、綠色畫素及藍色畫素之三角式排列(Delta Configuration)示意圖。

第3圖繪示傳統利用黃光微影製程製作黑色矩陣之流程示意圖。

第4圖繪示依據本發明一實施例中自我導流機制示意圖。

第5圖繪示利用本發明之形成連續性三維結構方法製作黑色矩陣之一實施例製程流程示意圖。

第6A圖繪示傳統噴墨方法中於墨滴大體積時幾何型態示意圖。

第6B圖繪示傳統噴墨方法中於墨滴小體積時幾何型態示意圖。

第7圖繪示本發明一實施例中墨滴尾巴長度與飛行時間關係圖。

第8圖繪示本發明一實施例中墨滴固化結構寬度(線寬)與墨滴間距關係圖。

第9圖繪示本發明一實施例中墨滴有效填充面積百分比與墨滴間距關係圖。

401‧‧‧基板

402‧‧‧暫時結構

403‧‧‧墨滴

404‧‧‧容置空間

σ‧‧‧墨滴與大氣間之表面張力

σ^＊ ‧‧‧墨滴與大氣間之表面張力

σ _vs ‧‧‧大氣與暫時結構間之表面張力

σ _ls ‧‧‧墨滴與暫時結構間之表面張力

‧‧‧墨滴與基板間表面張力

‧‧‧大氣與基板間表面張力

‧‧‧接觸角

‧‧‧接觸角

Claims (10)

1. 一種形成連續性三維結構的噴墨方法，包含以下步驟：準備一基板；在該基板上形成一具有預先定義圖案之暫時結構，其中該暫時結構與該基板間形成容置空間；填充墨滴於該容置空間，並令該墨滴同時覆蓋接觸該暫時結構表面及該基板表面；令該墨滴與該暫時結構間之表面張力合成一第一引導力；令該墨滴與該基板間之表面張力合成一第二引導力；利用該墨滴之自身重力、該第一引導力及該第二引導力之合力令該墨滴自我導流地依據該預先定義圖案緊密填滿該容置空間；進行該墨滴固化過程，令該墨滴由液態轉換為固態；以及移除該暫時結構，留下該墨滴之固化結構而形成一連續性之三維結構。
2. 如請求項1之形成連續性三維結構的噴墨方法，其中該墨滴固化結構之幾何型態由該暫時結構形成之預先定義圖案所定義。
3. 如請求項1之形成連續性三維結構的噴墨方法，其 中該基板具有相對親水性，而該暫時結構具有相對疏水性。
4. 如請求項1之形成連續性三維結構的噴墨方法，其中該墨滴固化結構之厚度介於0.1微米到50微米之間。
5. 如請求項1之形成連續性三維結構的噴墨方法，其中該墨滴固化結構之寬度介於0微米到50微米之間。
6. 如請求項1之形成連續性三維結構的噴墨方法，其中該墨滴固化結構形成網絡狀排列。
7. 如請求項6之形成連續性三維結構的噴墨方法，其中該網絡狀排列為平行排列或交錯排列。
8. 如請求項1之形成連續性三維結構的噴墨方法，其中填充該墨滴之方法為連續性填充或間歇性填充。
9. 如請求項8之形成連續性三維結構的噴墨方法，其中該間歇性填充之後令各墨滴間形成一間距。
10. 如請求項9之形成連續性三維結構的噴墨方法，其中該間距介於0微米到50微米。