用于在衬底上固化沉积层的系统和方法

专利名称：用于在衬底上固化沉积层的系统和方法
用于在衬底上固化沉积层的系统和方法发明领域本发明的实施方案涉及用于固化衬底上的沉积层，包括印刷电子装置(printed electronics)的印刷层的系统和方法。
背景技术：
近年来，人们已经可以获得导电和半导电聚合物。传统绝缘聚合 物和导电及半导电聚合物的使用使在多种衬底上构建微电子部件或完 全或部分完全器件成为可能。可以生产的微电子部件的一些例子包括 电容器，电阻器，二极管和晶体管，而完全器件的例子则可包括射频 识别(RFID)标签，传感器，柔性显示器等。
目前有几种用这些聚合物制造电子器件的方法，包括在纯加成法 中向衬底上逐层印刷聚合物等的方法。以例如这种方式制造的电子器 件被称作印刷电子装置。例如，电容器可以通过先沉积导电层，然后 沉积绝缘层，接着沉积另一导电层来构建。为获得更高的电容，可以 重复该方法或采用不同的材料或材料厚度。又例如，晶体管可以通过 沉积形成源极和漏极的导体层，半导体层，介电层和另一形成门电极 的导体层来形成。当使用低成本的导电和半导电材料，如有机聚合物时，形成完全 功能器件(例如，RFID标签)的印刷电子装置可以非常低的成本生产， 并且认为其比制造模拟集成电路要稍微便宜一些。这些低成本的印刷 电子装置不指望直接与硅基集成电路竞争。更确切地说，可以生产印 刷电子装置，以用与硅基集成电路相比低得多的成本来提供，例如， 较低的性能(例如，低频率，低功率或短寿命)。印刷电子装置通常用一组材料，包括电介质，导体和半导体制成， 所述材料用湿印法沉积。这些材料通常为含有聚合物，聚合物前体， 无机材料和有机或无机添加剂的可印刷的溶液，悬浮液或乳液。可以 采用的典型湿印法包括凸版印刷，丝网印刷和喷墨印刷。具体地说， 这些可印刷材料按预期顺序沉积在衬底上。 一旦这些层沉积到衬底上， 印刷电子装置常常用大对流加热炉固化。
然而，这些对流加热炉体积庞大，并且由于在制造过程中，其加 热元件通常必须连续供电，因此其所消耗的能量相当的大。此外，其 需要较长的固化时间，例如，l-5分钟或更久。对流加热炉还不允许对 沉积层进行选择性固化，并且有时导致先前已沉积材料的重新加热。

发明内容
为介绍在下文的发明详述中进一步描述的简化形式的概念的选 择，提供了本发明内容。本发明内容不希望确认所要求保护的主题的 关键特征，也不希望被用作决定所要求保护的主题的范围的辅助。
根据本发明的方面，提供了固化系统。该系统包括用于支撑材料 沉积其上的衬底的具有平面表面的支撑物，含有能向材料沉积层的至 少一部分上发射光束的激光器的固化设备和与固化设备电通信连接的 控制系统。
根据本发明的另一方面，提供了在制造包括多个沉积在衬底上的 层的印刷电子装置的过程中固化至少一个沉积层的方法。该固化方法 包括从激光器发射光束和用发射的光束照射沉积层，然后将光束移向 该沉积层的所选部分上。
根据本发明的另一方面，提供了制造印刷电子装置的方法。该方
法包括(a)用具有平面表面的支撑物支撑衬底，(b)通过印刷设备将 一种或多种材料以所选模式沉积在衬底上，从而形成多个印刷层，和
(C)将各印刷层的至少一部分激光固化。
根据本发明的实施方案的固化方法和系统，当用于印刷电子装置 的制造时，可以提供许多益处和优点，包括但不限于简化印刷电子装 置的制造，增加生产量，减少装备成本和尺寸，降低固化能量需求和 可能减少固化过程中释放的挥发性有机化合物。后面的因素使得较小
型的排气罩(hood)，排气机(fan)和处理这些蒸气所需要的相关溶
剂处理硬件的使用成为可能，并且可以改善操作人员的安全性。


参照以下结合附图进行的发明详述，本发明的前述方面和伴随的
许多优点将变得越来越容易理解，附图中
图1是根据本发明的方面形成的一个例示性固化系统的示意图。
图2是根据本发明的方面形成的固化系统的另一实施方案的示意
图。
图3是根据本发明的方面形成的固化系统的另一实施方案的示意
图。
图4是采用固化系统的实施方案的印刷电子装置制造系统的一个
例示性实施方案的示意框图。 发明详述
现在将参照附图对本发明的实施方案进行描述，附图中相似的数 字对应着相似的元件。以下描述提供了使用激光器用于固化沉积在衬 底上的层的系统和方法的实施例。本文所述固化系统和方法的实施例 适用于印刷电子装置，如部件，元件，完全电路，部分完全电路，器 件等的制造。
现在参见图1，显示的是描绘了根据本发明的方面形成的总称为
20的一个例示性固化系统的示意图。概括地说，系统20包括用于支撑 至少一个层26沉积其上的衬底24的平面支撑面22，至少一个用于固
化至少一个沉积层26的固化设备28和用于控制整个固化过程的控制 系统32。
现在参见图l，将更详细地描述系统20的部件。在图l的实施方 案中，支撑面22由固定或移动床或台板36的顶部限定。在这些实施 方案中，衬底24可以通过手工或自动化材料处理设备(未显示)，如 进料器，拾放(pick and place)材料处理机等放置在床或台板36上。 在本发明的其它实施方案中，支撑面22可以是衬底推进装置(未显示)， 如传送带，传送轨道等的一部分。衬底24还可以为薄片的形式，并通 过本领域已知的衬底推进装置相对固化系统20行进。在该实施方案中， 支撑衬底薄片的支撑面22可由位于固化设备下方的床或台板限定。
固化设备28是固化一个或多个已沉积到衬底上的材料层的设备。 在为制造印刷电子装置而印刷沉积材料的实施方案中，固化使印刷材 料得以获得理想的电子或电特性。在运行中，固化设备28通过局部加 热，溶剂蒸发，化学反应等固化材料层。应该了解的是，沉积材料可 以包括启动或加速化学反应的催化剂。
如图1最佳显示的那样，固化设备28包括至少一个激光器40， 透镜模组42和任选的调制器44。激光器40能产生照射至少部分沉积 层26的激光46的集中光束。任何激光器类型都适用于本发明的实施 方案。例如，半导体激光器，玻璃激光器(氦-氖，氩或二氧化碳)， 准分子激光器等都可以使用。应该了解的是，所选激光器的类型部分 取决于所沉积材料的类型，以使激光器具有足以达到预期固化水平的 功率。为了诱导化学反应固化或激发催化沉积材料的固化的添加剂， 使用固定波长激光器或可变波长的激光器是合乎需要的。激光器40可 以通过来自控制系统32的电信号开启和关闭。
固化系统28的透镜模组42安置在激光器40的下方。透镜模组 42能调节从可以用来自控制系统32的电信号控制的激光器40发射出
来的光46的聚焦。聚焦的可调性提供了动态维持衬底24上的沉积层 26，例如，印刷电子装置层上的预期激光束照射区域的能力。在几个 可以达到充足激光功率的实施方案中，用透镜模组42使激光束散焦以 产生较大的照射区域也是令人想要的。因而，可以一次固化较大的区 域。这可以使得实现较短的总体固化时间成为可能。通过对照射区域 的动态控制，需要时，可以通过透镜模组42的重新聚焦来形成所需的 小照射区域，从而达到高分辨率。
固化设备28任选地包括位于透镜模组42下方的调制器44。从透 镜模组42射出的激光46的光束经过调制器44，调制器44被配置成来 改变经过其中的激光束的强度。这种调制可以通过本领域公知的若干 方法中的一种进行。经过调制器44的光的量可以用来自控制系统32 的电信号控制。
在图l所示实施方案中，固化设备28安装在常规X-Y工作台50 上。通过在X-Y工作台50上安装固化设备28，激光器40的移动和因 此激光46的光束的定位可以有利地控制在与平面支撑面22平行的XY 平面内，以固化预期位置的材料层。尽管在前述实施方案中，固化设 备28为移动被安装在X-Y工作台50上，但应该了解的是，也可以采 用其它配制。例如，如图2的实施方案最佳显示的那样，限定支撑面 22的床或台板36可以安装在X-Y工作台54上，并相对固化设备28 移动。或者，如图3的实施方案最佳显示的那样，改为采用X-Y光束 偏转模组56。在该实施方案中，激光器40，透镜模组42和任选的调 制器44被固定在固定位置。当激光46的光束从透镜模组42或任选的 调制器44射出时，X-Y光束偏转模组56将光束控制在X和Y方向上 的角度，以照射所选位置的材料沉积层。
在另一个实施方案中，可以用混合系统提供适宜的运行性能。在 该实施方案中，混合系统可包括使激光向一个方向，例如，X方向偏 转的光束偏转模组和支撑衬底沿另一个方向，例如，Y方向移动的移
动工作台。这样的系统将具有在X轴上的高速移动和沿Y轴高精密度， 但可能较慢的定位。在这种混合系统的另一个实施例中，可以使用X-Y
光束偏转模组56和X-Y移动工作台50和/或54。该系统提供了激光束 沿X和Y轴既高速又高精密度的定位。X-Y移动工作台54可以移动固 定激光器40，透镜模组42等下方的支撑面22和衬底24，或者X-Y移 动工作台50可以移动支撑面22上方的激光器40，透镜模组42等。
如上文简要讨论的那样，系统20还包括至少控制固化过程的控制 系统32。控制系统32可以包括计算机或其它适当编程的用于控制固化 过程的处理器。在一个实施方案中，控制系统32包括具有存储程序， 数据等的计算机和各种发送正确控制信号，以控制激光器40，透镜模 组42，任选的调制器44，光束偏转模组56， X-Y工作台50和54，衬 底推进装置，材料处理装备等的运行的输入/输出电路。
现在参照图1-2描述一种用系统20固化材料沉积层的适宜方法。 如图2最佳显示的那样，衬底，如其上有沉积层26的衬底24由支撑 面22支撑在相对固化设备28的适宜位置。衬底24可以手工放置在支 撑面22上，或者通过任一的多种自动化材料处理系统中的一种转移至 那里。 一旦衬底24处于相对固化设备28的适宜位置上，便适当运行 固化设备28，以固化材料沉积层。在一个实施方案中，控制系统32发 送适当的控制信号，以开启激光器40，聚焦透镜模组42，需要时通过 调制器44调制激光束的强度，以及使激光46的聚焦光束指向材料沉 积层的所选部分上。激光46的聚焦光束可以通过以下方法中的一种指 向所选部分1)控制X-Y光束偏转模组56的位置，将激光46的聚焦 光束指向材料沉积层的预期照射区域上；2)通过X-Y工作台50控制 激光器40的位置，或3)通过X-Y工作台54控制衬底22的位置。激 光46的光束然后适当移动，例如，以光栅扫描的方式移动，将光子施 加于材料沉积层的特定部分。该固化过程持续至大量沉积层已如预期 的那样固化为止。
在一些实施方案中，希望均匀地固化材料的印刷层。为达到均匀 固化，控制来自激光46的光束的光子剂量。这可以通过光束定位于沉 积材料的各个预期部分时关闭和开启激光器40，或者通过控制激光强
度(例如，通过使用调制器44)和/或激光沿被固化区域的路径移动时
的移动速度来实现。在本发明的另一个实施方案中，适当固化可以通 过在材料沉积层的各个位置采用非恒定激光强度来获得。例如，通过 先使用高强度短激光脉冲，然后使用低强度长脉冲来达到改善的固化， 反之亦然。
当希望例如，沉积层的某些区域具有比其它区域更大的光子剂量 时，具有控制激光束的光子剂量的能力的本发明的实施方案还可以提
供改善的沉积层固化。例如，高热导率区上的痕迹和区域边缘可能需 要更大剂量的光子来更完全地固化沉积层的这些部分。为在沉积层的 各个位置上提供必需最小剂量而进行的对光子剂量的控制还为各层提 供了与大至足以固化沉积材料的最难固化区的均一剂量相比更短的固 化时间。控制光子剂量的能力可以实现的另一个优点在于这样的系统 可以适应材料组的各个材料的单个固化特征和需求。这在制造印刷电 子装置时是尤其令人想要的。
在许多情况下，希望在比要求更大的区域内沉积材料层，并且仅 固化其所选部分。这使得低成本，低精密度和更快的完成时间成为可 能。仅固化部分材料沉积层可以通过每次仅用聚焦激光束固化较小区
域，然后相对衬底24移动激光束，结合关闭和开启激光器或对光束强 度的可变控制，以使沉积材料的所有预期区域都被固化来进行。
尽管显示和描述了单一激光源，但本发明的其它实施方案有益地 使用了多个激光器。或者，如果可以获得充足的激光功率，可以将单 一激光器的激光束分成多个光束，而不是使用两个或两个以上激光器。 这可以通过例如，二维衍射模式(pattern)来进行。通过这些方法，聚 合物上一个以上点的固化可以同时进行。
在本发明的另一实施方案中，光传感器或图像传感器60可以包括
在系统20内。光传感器或影像传感器60在材料沉积层被固化时能查 看材料沉积层。该传感器(或这些传感器)的输出通过控制系统32监 控，并被用来控制固化过程。适宜的传感器可以是CCD或CMOS视频 传感器或可见光或红外光传感器。通过该方法可以实现改进的固化性 能，质量和/或速度。图像传感器还可以用来查看印刷电子装置上的基 准标志，以帮助激光束位置的对准(registration)。在几个实施方案中， 传感器还可以检测和读取印刷电子装置上的识别和/或序列号，根据该 信息，控制系统32可以从其存储器储存的数据中选择用于固化当前特 定电子设备类型和沉积材料的预期固化模式和算法。
固化系统和方法的实施方案可以适当地应用于许多更大的系统和 方法中。例如，如图4最佳显示的那样，固化系统20可以是印刷电子 装置制造系统120的一部分。印刷电子装置制造系统120包括至少一 个用于向衬底24上按所选模式沉积一个或多个材料层，以形成印刷电 子装置，如电容器，晶体管等的印刷设备110和用于固化一个或多个 沉积材料层的固化系统20。在该实施方案中，控制系统32还可以控制 印刷过程，或者系统120可以包括单独的印刷控制系统(未显示)。 或者，系统120可以包括单独的印刷和固化台，这样，衬底通过任何 已知的材料处理系统，如传送装配，使用机械臂的拾放系统等在印刷 和固化台间传递并正确排列，或者衬底可以为薄片的形式，并以本领 域已知的任何方式传递。这样，印刷电子装置的层在加成过程中连续 沉积和固化。
尽管已参照附图所示实施例对本发明的实施方案进行了描述，但 应注意的是，在不超出权利要求中所述本发明的范围的条件下可以进 行替代和采用等同体。因此，希望本发明的范围由所述权利要求书及 其等同体确定。
权利要求
1.固化系统，包括用于支撑有材料沉积其上的衬底的具有平面表面的支撑物；含有能向材料沉积层的至少一部分上发射光束的激光器的固化设备；和与所述固化设备电通信连接的控制系统。
2. 权利要求1的系统，其中支撑物和/或固化设备可以在XY平面 内移动。
3. 权利要求1的系统，还包括与控制系统电通信连接的X-Y光束 偏转器，所述X-Y光束偏转器能使光束相对支撑物偏转。
4. 权利要求3的系统，还包括与支撑物相连的移动设备，所述移 动设备能在XY平面内移动支撑物，其中光束与支撑物间的相对移动通 过X-Y光束偏转器结合支撑物的平面表面的移动来实现。
5. 权利要求1的系统，其中固化设备包括两个或两个以上发射基 本平行且光程大致相同的光束的激光器。
6. 权利要求l的系统，其中从激光器发射出来的光束形成了两个 或两个以上的光束，用于在沉积层上产生两个或两个以上照射区域。
7. 权利要求1的系统，其中由激光器发射的光束具有波长和强度， 光束的波长和强度的选择使光束诱导沉积材料中的化学反应。
8. 权利要求l的系统，其中沉积层包括一种或多种化学添加剂， 并且其中由激光器发射的光束具有波长和强度，光束的波长和强度的 选择使光束诱导有关化学添加剂的化学反应。
9. 权利要求1的系统，其中光束以两个或两个以上可控波长和/ 或强度的脉冲的方式施加，以增强固化速度和/或质量。
10. 权利要求1的系统，还包括至少一个用于固化期间査看沉积 层，以完成以下的一个或多个任务的光传感器1)识别电路类型；2) 识别层的材料；和/或3)为改善固化性能和/或质量，向控制系统提供反馈。
11. 权利要求1的系统，其中固化设备还包括调节从激光器发射 出来的光束的聚焦的透镜模组和/或调制从激光器发射出来的光束的强 度的调制器。
12. 权利要求1的系统，其中材料沉积层是印刷电子装置的印刷层。
13. 在制造包括多个沉积在衬底上的层的印刷电子装置的过程中，固化至少一个沉积层的方法，包括以下步骤从激光器发射光束，并用发射的光束照射沉积层；和 将光束移动到沉积层的所选部分上。
14. 权利要求13的方法，其中移动光束包括以下步骤中的一个 1)相对激光器移动衬底；2)相对衬底移动激光器；和3)使光束偏转。
15. 权利要求13的方法，还包括使从激光器发射出来的光束聚焦 和/或散焦，用于照射沉积层的所选部分的步骤。
16. 权利要求13的方法，还包括调制光束强度的步骤。
17. 权利要求13的方法，其中沉积层的所选部分经受不同水平的固化。
18.制造印刷电子装置的方法，包括以下步骤(a) 用具有平面表面的支撑物支撑衬底；(b) 通过印刷设备将一种或多种材料以所选模式沉积到衬底上， 从而形成多个印刷层；以及(C)对各印刷层的至少一部分进行激光固化。
全文摘要
本申请提供了固化系统，该系统包括用于支撑至少一个层沉积其上的衬底的平面支撑面，至少一个用于固化所述至少一个沉积层的固化设备和用于控制整个固化过程的控制系统。所述固化设备包括至少一个激光器，透镜模组和任选的调制器。固化过程中，从激光器发射出来的光束可以通过以下方法指向沉积层1)控制X-Y光束偏转模组的位置，将聚焦激光束对准沉积层的预期照射区域上；2)通过X-Y工作台控制激光器的位置，或3)通过X-Y工作台控制衬底的位置。
文档编号B05D3/06GK101337219SQ20081012954
公开日2009年1月7日 申请日期2008年6月30日 优先权日2007年6月29日
发明者埃德温·希拉哈拉, 大卫·L·李 申请人:韦尔豪泽公司