两步直接刻写激光金属化的制作方法
【专利说明】两步直接刻写激光金属化
[0001]本申请要求于2013年2月18日提交的美国临时专利申请61/765，808的优先权，其内容通过引用整体结合在此。
技术领域
[0002]本发明通常涉及电路衬底上的印刷线路的生产，并特别涉及金属特征的直接刻写的方法和系统。
【背景技术】
[0003]金属油墨的直接激光烧结是印刷电路金属化的已知技术。例如，美国专利申请2008/0286488描述了一种基于在衬底表面上沉积非导电膜形成导电膜的方法。该膜含有多个铜纳米颗粒，并至少将该膜的一部分暴露于光，使得该曝光部分通过光烧结或熔融该铜纳米颗粒变得导电。
【发明内容】
[0004]本发明的实施例提供基于激光在衬底上直接刻写轨迹的增强的方法和系统。
[0005]因此，根据本发明的实施例提供一种制造方法，其包括对衬底涂覆含有待图案化于该衬底上的材料的基质。通过引导能量束冲击图案的轨迹(locus)以充分加热该基质从而沿图案的轨迹引起材料黏附于衬底而不完全烧结轨迹中的材料，由此在该基质中固定图案。衬底上固定图案外的剩余基质被移除，并且在移除基质后，图案中的材料被烧结。
[0006]在一些实施例中，待图案化的材料包括纳米颗粒。
[0007]典型地，烧结该材料包括对固定在衬底上的图案应用块体烧结工艺(bulksintering process)。
[0008]涂覆该衬底可以包括在照射经涂覆的衬底前干燥衬底上的基质。附加地或可替代地，移除基质可以包括应用溶剂以移除衬底上固定图案外的剩余基质。
[0009]根据本发明的一个实施例，还提供一种制造方法，其包括对衬底涂覆含有待图案化于该衬底上的材料的基质。经涂覆的衬底被能量束照射以在基质外层中固定图案，而不固定基质的块体(bulk)或烧结基质中待图案化的材料。衬底上固定图案外的剩余基质被移除，并且在移除基质后，图案中的材料被烧结。
[0010]在一实施例中，基质包括光敏表面活性添加剂，照射该经涂覆的衬底活化该添加剂以使该添加剂在该基质的外层中形成固定图案。在另一实施例中，涂覆该衬底包括在基质之上施加光敏层，并且照射该经涂覆的衬底活化该光敏层。
[0011]典型地，照射该经涂覆的衬底引起基质外层的聚合作用或交联作用。在一实施例中，涂覆该衬底包括对基质施加光引发剂，并且照射该经涂覆的衬底引起该光引发剂在外层中释放自由基，其诱发聚合作用或交联作用。可替代地或附加地，照射经涂覆的衬底引起外层中的加热，其热诱发聚合作用或交联作用。
[0012]在一些实施例中，待图案化的材料包括纳米颗粒，而烧结该材料包括对固定在衬底上的图案应用块体烧结工艺。涂覆该衬底可包括在照射经涂覆的衬底前干燥衬底上的基质。
[0013]在一些实施例中，照射经涂覆的衬底包括引导能量束冲击图案的轨迹。在其它实施例中，照射经涂覆的衬底包括引导能量束冲击经涂覆的衬底区域中除图案的轨迹之外的区域。
[0014]移除该基质典型地包括应用溶剂以移除衬底上固定图案外的剩余基质。可替代地或附加地，移除该基质可以包括烧蚀衬底上固定图案外的剩余基质。
[0015]根据本发明的一个实施例，附加地提供一种制造方法，其包括对衬底涂覆含有待图案化于该衬底上的纳米颗粒的基质。经涂覆的衬底被能量束照射以固定基质中的图案而不完全烧结该纳米颗粒。衬底上固定图案外的剩余基质被移除，并且在移除基质后，图案中的纳米颗粒被烧结。
[0016]在一些实施例中，基质包括光敏添加剂，而照射经涂覆的衬底包括活化图案中的添加剂。在一公开的实施例中，基质的外表面和块体都因照射经涂覆的衬底而被活化。典型地，添加剂的活化引起图案中的分子成分的二聚作用、聚合作用和交联作用中的至少一种。
[0017]附加地或可替代地，照射经涂覆的衬底在基质中释放热能，其引起图案中的分子成分的聚合作用和交联作用中的至少一种。
[0018]在一实施例中，基质包括酸酐成分和溶剂，而照射经涂覆的衬底通过选择性地移除图案中的溶剂来固化该酸酐成分。
[0019]在另一实施例中，基质包括醇酸树脂，而其中照射经涂覆的衬底引起醇酸树脂的由风干诱发的聚合作用。
[0020]在又一实施例中，其中该纳米颗粒包括金属，而照射经涂覆的衬底引起形成将金属键合成配体的配位聚合物。
[0021]在再一实施例中，基质包括牺牲树脂，而照射经涂覆的衬底改变树脂的状态以引起纳米颗粒之间的凝聚。
[0022]根据本发明的一个实施例，还进一步提供一种制造方法，其包括对衬底涂覆含有待图案化于衬底上的材料的基质。引导能量束冲击经涂覆的衬底上除待形成在衬底上的材料的图案的轨迹之外的区域，其中通过能量束的照射增加该区域内基质的溶解度。应用溶剂以移除衬底上图案的轨迹之外的区域内的基质，移除基质后，图案中的基质被烧结。
[0023]在一个实施例中，基质包括超分子聚合物，而通过能量束的照射引起该超分子聚合物的分解。
[0024]在另一个实施例中，基质包括潜酸，其通过能量束的照射被活化。
[0025]在又一个实施例中，基质包括聚合物，而通过能量束的照射引起该聚合物的水解。
[0026]根据本发明的一个实施例，还进一步提供一种制造方法，其包括对衬底涂覆含有待图案化于衬底上的材料的基质。经涂覆的衬底被第一能量束照射以在基质中固定图案，同时通过引导能量束冲击该图案的轨迹来增加图案的轨迹中的基质的反射率而不完全烧结基质中的材料。通过用能量密度小于图案的轨迹中的基质的烧蚀阈值的第二能量束照射衬底，衬底上固定图案之外的剩余基质被烧蚀而不烧蚀图案的轨迹。烧蚀该基质后，图案中的材料被烧结。
[0027]根据本发明的一个实施例，还进一步提供一种制造方法，其包括对衬底涂覆含有待图案化于衬底上的金属络合物的基质。经涂覆的衬底被能量束照射以在基质中固定图案，同时引起该金属络合物在基质中形成金属颗粒而不完全烧结该金属颗粒。衬底上固定图案之外的剩余基质被移除，并且在移除基质后，图案中的金属颗粒被烧结。
[0028]根据本发明的一个实施例，还提供一种制造系统，包括涂覆机，其被配置为对衬底涂覆含有待图案化于衬底上的材料的基质。刻写机，其被配置为通过引导能量束冲击图案的轨迹以充分加热该基质来引起材料沿图案的轨迹黏附于衬底上又不完全烧结轨迹中的材料，从而在基质中固定图案。基质移除机，其被配置为移除衬底上固定图案之外的剩余基质。烧结机，其被配置为在移除基质后烧结图案中的材料。
[0029]在一些实施例中，该系统包括干燥机，其被配置为在经涂覆的衬底被照射前干燥该衬底上的基质。
[0030]根据本发明的一个实施例，还另外提供一种制造系统，包括涂覆机，其被配置为对衬底涂覆含有待图案化于衬底上的材料的基质。刻写机，其被配置为用能量束照射经涂覆的衬底以在基质外层中固定图案，而不会固定基质的块体或烧结基质中待图案化的材料。基质移除机，其被配置为移除衬底上固定图案外的剩余基质。烧结机，其被配置为在移除基质后烧结图案中的材料。
[0031]根据本发明的一个实施例，还进一步提供一种制造系统，包括涂覆机，其被配置为对衬底涂覆含有待图案化于衬底上的纳米颗粒的基质。刻写机，其被配置为用能量束照射经涂覆的衬底以在基质中固定图案而不完全烧结该纳米颗粒。基质移除机，其被配置为移除衬底上固定图案之外的剩余基质。烧结机，其被配置为在移除基质后烧结图案中的材料。
[0032]根据本发明的一个实施例，还进一步提供一种制造系统，包括涂覆机，其被配置为对衬底涂覆含有待图案化于衬底上的材料的基质。刻写机，其被配置为引导能量束冲击经涂覆的衬底上除待形成在衬底上的材料的图案的轨迹之外的区域，其中通过能量束的照射增加该区域内基质的溶解度。基质移除机，其被配置为应用溶剂以移除衬底上除图案的轨迹之外的区域内的基质。烧结机，其被配置为在移除基质后烧结图案中的材料。
[0033]根据本发明的一个实施例，还进一步提供一种制造系统，包括涂覆机，其被配置为对衬底涂覆含有待图案化于衬底上的材料的基质。刻写机，配置为用第一能量束照射经涂覆的衬底以在基质中固定图案，同时通过引导能量束冲击图案的轨迹来增加图案的轨迹中的基质的反射率而不完全烧结基质中的材料。基质移除机，其被配置为通过用能量密度小于图案的轨迹内的基质的烧蚀阈值的第二能量束照射基质来烧蚀衬底上固定图案之外的剩余基质而不烧蚀图案的轨迹，其中该基质被烧蚀后，图案中的材料被烧结。
[0034]根据本发明的一个实施例，还提供一种制造系统，包括涂覆机，其被配置为对衬底涂覆含有待图案化于衬底上的金属络合物的基质。刻写机，其被配置为用能量束照射经涂覆的衬底以在基质中固定图案，同时引起该金属络合物形成基质中的金属颗粒而不完全烧结该金属颗粒。基质移除机，其被配置为移除衬底上固定图案之外的剩余基质。烧结机，其被配置为在移除基质后，烧结图案中的材料。
【附图说明】
[0035]本发明将通过以下关于其实施例的详细描述和附图变得更加容易理解，其中:
[0036]图1为示出了根据本发明的一个实施例的基于激光直接刻写的系统和该系统运行的各阶段的示意图；
[0037]图2A-2E是根据本发明的一个实施例的其上刻写有轨迹的图案的衬底的示意性上视图，其以连续的阶段图示了形成该图案的工艺；以及
[0038]图3A和3B是根据本发明的一个实施例的其上刻写有轨迹的衬底的示意性剖视图，其以连续的阶段图示了形成该轨迹的工艺。
【具体实施方式】
[0039]金属油墨和其它纳米颗粒可烧结油墨的一步式直接激光烧结通常不会产生充分均匀的结果(本说明书和权利要求中所使用的术语“纳米颗粒”是指具有小于10nm的至少一个尺寸的微观粒子)。该问题至少部分来自于局部烧结工艺过程中发生的热传导。这些情况下的不均匀热扩散导致热变化，其反过来导致不连续的烧结。这种效应在处理数微米量级的小金属特征的高分辨率图案化时最为显著。与此同时，金属油墨的直接烧结需要数十至数百J/cm2的量级的高激光能量密度，其使得该工艺在处理大面积的图案时既缓慢又低效。
[0040]本文所描述的本发明的实施例通过分离刻写和烧结步骤来解决此问题。衬底被涂覆适当的基质，并可在涂覆后被干燥以去除多余的溶剂(此类基质典型地包括含有金属纳米颗粒的油墨、糊剂或悬浮液，在本文中提到时，为方便起见，通常将其简称为“NP油墨”)。然后，能量束源，例如激光扫描该衬底以刻写所需的图案而不完全烧该结纳米颗粒。本说明书和权利要求中所使用的术语“不完全烧结”，是指基质的块体中的纳米颗粒基本上保持彼此独立，以使得此阶段的