專利名稱：用于高速固化在低溫襯底上的薄膜的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本申請一般地涉及固化系統(tǒng)，特別地，涉及用于在低溫下固化襯底上的薄膜的方法。
背景技術：
印刷電子學是半導體工業(yè)和印刷工業(yè)的會合。用印刷電子電路替代印刷讀材料的想法對于印刷商而言是誘人的，這是因為他們可看到在不對他們的設備進行大的改動的情況下實現(xiàn)“高值”印刷工作的潛力。類似地，電子電路制造商認為印刷電子電路的想法同樣是誘人的，這是因為這允許他們以相對低的成本大批量制造電子電路。在電子電路的制造期間，大多數(shù)薄膜涂層需要被熱加工，并且大多數(shù)熱固化工藝的效能與溫度和時間的乘積有關。例如，用于固化薄膜的典型方法是將薄膜置于爐中，該爐被設定到其上設置有該薄膜的襯底的最大工作溫度并允許在某個合理的時間量內(nèi)固化該薄膜。由于印刷電子電路典型地伴隨著高批量和低成本，因此用于印刷電子電路的襯底需要由相對廉價的材料(例如紙或聚合物)來替代傳統(tǒng)的襯底材料(例如硅、石英、玻璃、 陶瓷、FR4等等)制成。然而，與硅、石英、玻璃、陶瓷、FR4等等相比，紙或聚合物具有低得多的分解溫度，并且該低得多的溫度需要更長的用于薄膜的固化時間。例如，聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)的最大工作溫度為150°C，而在該溫度下對基于銀的導電膜的典型固化時間在分鐘量級。這樣的長固化時間使得在紙或聚合物上印刷電子電路的提議在經(jīng)濟上的吸引力大大降低。因此，希望提供用于以相對高的速度熱加工在低溫襯底上的薄膜的方法和裝置。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，一種固化裝置包括頻閃頭(strobe head)、傳感器、頻閃控制模塊和傳送器控制模塊。所述頻閃控制模塊控制由在所述頻閃頭上的閃光燈產(chǎn)生的脈沖組的功率、持續(xù)時間和重復速率。所述傳感器感測襯底在所述頻閃頭下方移動的速度。 根據(jù)由所述傳感器獲得的速度信息，所述傳送器控制模塊與所述頻閃控制模塊一起提供在所述脈沖組的所述重復速率與所述襯底在所述頻閃頭下方移動的速度之間的實時同步。在以下詳細記錄的說明中，本發(fā)明的所有特征和優(yōu)點將變得顯而易見。


通過在結合附圖閱讀時參考對示例性實施例的以下詳細說明，將最好地理解本發(fā)明及其優(yōu)選使用方式、進一步的目的和優(yōu)點，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的固化裝置的圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例在低溫襯底上的熱阻擋層的圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的來自圖1的固化裝置內(nèi)的氣刀的圖；以及圖4是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的來自圖1的固化裝置內(nèi)的冷卻輥(roller)的圖。
具體實施例方式對于本發(fā)明，固化被限定為熱加工，其包括干燥(驅走溶劑)、顆粒燒結、致密化、 化學反應激發(fā)(initiation)、相變、晶粒生長、退火、熱處理等等。當固化在低溫襯底(例如聚合物或紙)上的材料時，由于經(jīng)常需要在接近或甚至超過襯底的分解溫度的溫度下加工薄膜(其被限定為厚度小于100微米的材料層)，因此獲得良好固化的一個限制因素是襯底的分解。此外，即使可在低溫下固化薄膜，襯底的低分解溫度也會增加用于熱固化襯底上的材料的時間量。通過本發(fā)明的固化裝置可以克服上述問題。現(xiàn)在參考附圖，特別地，參考圖1，其描述了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的固化裝置的圖。如圖所示，固化裝置100包括傳送帶系統(tǒng)110、頻閃頭120、繼電器架(relay rack) 130 和卷到卷(reel-to-reel)供應系統(tǒng)140。固化裝置100能夠固化位于以相對高的速度移動跨過傳送帶的網(wǎng)狀物(web)或單獨的片上的被安裝在低溫襯底103上的薄膜102。傳送帶系統(tǒng)110可以以例如2到lOOOft/min的速度工作以移動襯底103。固化裝置100可收納6英寸增量(increment)的任何寬度的網(wǎng)狀物?？赏ㄟ^現(xiàn)有技術(例如，絲網(wǎng)印刷、噴墨印刷、凹版印刷、激光印刷、靜電復印、移印(padprinting)、涂抹、蘸水筆(dip pen)、注射 (syringe)、氣刷、橡皮版印刷(flexographic)、化學氣相沉積(CVD)、PECVD、蒸發(fā)、濺射等等)的一種或組合，將薄膜102附加到襯底103上。頻閃頭120包括用于固化位于襯底103上的薄膜102的高強度脈沖氙閃光燈121， 該頻閃頭120優(yōu)選為水冷的。脈沖氙閃光燈121可提供不同的強度、脈沖長度和脈沖重復頻率的光脈沖。例如，脈沖氙閃光燈121可在高至IkHz的脈沖重復速率下提供具有3"乘 6"寬脈沖樣式的10μ s到IOms脈沖。來自脈沖氙閃光燈121的發(fā)射的光譜成分的范圍為 200nm到2500nm?？梢酝ㄟ^用鈰摻雜的石英燈替代石英燈而調(diào)整光譜以去除低于350nm的大多數(shù)發(fā)射。還可以用藍寶石燈替代石英燈以使發(fā)射從約140nm延伸到約4500nm。還可以添加濾光器以去除光譜的其他部分。閃光燈121還可以是有時被稱為定向等離子弧(DPA) 電弧燈的水冷壁閃光燈。繼電器架130包括可調(diào)電源131、傳送器控制模塊132和頻閃控制模塊134?？烧{(diào)電源131可產(chǎn)生具有最高為4千焦耳每脈沖的能量的脈沖?？烧{(diào)電源131被連接到脈沖氙閃光燈121，并且可以通過控制流過脈沖氙閃光燈121的電流量來改變來自脈沖氙閃光燈 121的發(fā)射的強度?？烧{(diào)電源131控制脈沖氙閃光燈121的發(fā)射強度。依賴于薄膜102和襯底103的光學、熱學和幾何特性，來自脈沖氙閃光燈121的發(fā)射的功率、脈沖持續(xù)時間和脈沖重復頻率被電子地調(diào)整和同步到網(wǎng)狀物速度，以允許對薄膜102的最優(yōu)固化而不損傷襯底103。在固化操作期間，襯底103以及薄膜102被移動到傳送帶系統(tǒng)110上。傳送帶系統(tǒng)110使薄膜102在頻閃頭120下方移動，在那里薄膜102被來自脈沖氙閃光燈121的快速脈沖所固化。通過頻閃控制模塊134控制來自脈沖氙閃光燈121的發(fā)射的功率、持續(xù)時間和重復速率，并且由傳送器控制模塊132確定襯底103移動經(jīng)過頻閃頭120的速度。利用傳感器150來感測傳送帶系統(tǒng)110的傳送帶的速度，該傳感器150可以是機械的、電學的或光學的傳感器。例如，可以通過檢測來自被連接到與移動的傳送帶接觸的輪的軸端編碼器(shaft encoder)的信號來感測傳送帶系統(tǒng)110的傳送帶速度。反過來，可以相應地用傳送帶系統(tǒng)110的傳送帶速度來同步脈沖重復速率。由下式給出頻閃脈沖速率 f的同步f =-
W其中f =頻閃脈沖速率[Hz]S =網(wǎng)狀物速度[ft/min]0 =重疊因子(S卩，由襯底接收的頻閃脈沖的平均數(shù))W=固化頭寬度[in]例如，當網(wǎng)狀物速度為200ft/min，重疊因子為5，固化頭寬度為2. 75英寸時，頻閃燈的脈沖速率為72. 7Hz。通過組合快速脈沖串與移動襯底103，可以在薄膜102的每個部分被暴露于多個脈沖時在任意大的面積內(nèi)獲得均勻的固化，這近似于諸如爐的連續(xù)固化系統(tǒng)。當薄膜102與襯底103直接接觸時，其加熱受到襯底103在薄膜102的界面處的分解溫度的限制。可以通過在薄膜102與襯底103之間設置具有比襯底103高的分解溫度的熱阻擋材料的層來減輕該效應并獲得更好的固化?，F(xiàn)在參考圖2，其描述了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的被添加到低溫襯底上的熱阻擋層的圖。如圖所示，熱阻擋層201被插入在薄膜102與襯底103之間。熱阻擋層201允許更高功率的輻射脈沖更深地固化襯底103上的薄膜102，該襯底103是熱脆性的。熱阻擋層 201的使用允許較高功率的輻射和稍高的總能量，這產(chǎn)生具有較短脈沖長度的脈沖。當使用多個快速脈沖時，固化的時標被增加到允許在固化工藝期間從襯底103驅走熱的水平。熱阻擋層201優(yōu)選為比襯底103耐更高溫度的材料，但卻具有比襯底103低的熱導率。熱阻擋層201可以由例如二氧化硅(SiO2)的層構成。其他材料包括硅石顆?；蛱沾深w粒。硅烷衍生物構成用于這些顆粒的優(yōu)良的高溫粘合劑。特別方便的阻擋層為旋涂玻璃 (SOG)，其被廣泛用于晶片平面化的半導體工業(yè)中，這是因為，SOG可利用標準涂敷技術而被容易地施加到大面積。SOG允許以高加工速率在卷到卷工藝中順序(in-line)施加熱阻擋層 201?，F(xiàn)在參考圖3，其描述了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的來自圖1的固化裝置100內(nèi)的氣刀的圖。如圖所示，在固化薄膜102之前、期間和/或之后，利用氣刀301來冷卻襯底 103。從襯底103的頂部或底部應用氣刀301。當從頂部應用時，氣刀301還可輔助在固化工藝期間去除來自薄膜102的附加溶劑。雖然在單個脈沖期間( 1ms)存在很少量的對流冷卻，但該技術可在大于IOOms的快速脈沖串期間提供顯著的冷卻?，F(xiàn)在參考圖4，其描述了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的來自圖1的固化裝置100內(nèi)的冷卻輥的圖。如圖所示，利用冷卻輥401來冷卻襯底103。在固化工藝之前、期間或之后，將襯底103拉到輥401之上。輥401用于在固化工藝之后通過傳導從襯底103驅熱。可將主動冷卻應用于輥401，以使輥401保持在恒定溫度。除了預冷卻襯底103之外，雖然在單個脈沖期間( 1ms)存在很少量的外部傳導冷卻，但該技術可在大于IOOms的快速脈沖串期間提供附加的顯著冷卻。如已經(jīng)描述的，本發(fā)明提供了用于以相對高的速度熱加工低溫襯底上的薄膜的固化裝置和方法。以下是使用具有片供應傳送器的本發(fā)明的固化裝置進行固化的實例。將銀納米顆粒的水基墨加載到噴墨盒中并以約300nm的厚度印刷到相紙上，該水基墨從Novacentrix Corporation商業(yè)可得。在印刷之后，墨層具有約20，000歐姆/方塊的薄層電阻。相紙 (即，襯底)被夾緊到保持在27°C的1/4"厚度的鋁板上并被放置在以每分鐘100英尺移動的傳送帶上。固化燈的固化區(qū)域為，沿網(wǎng)狀物傳送方向的寬度為2. 75"，而垂直于網(wǎng)狀物傳送方向的寬度為6"，從而產(chǎn)生106cm2的束面積。頻閃燈被激活，以提供頻率為14. 6Hz、脈沖寬度為450毫秒、每個脈沖供給1. OJ/cm2且平均輻射能量為2. 2Kff/cm2的多個脈沖。襯底的每個部分接收2個重疊脈沖，總能量總共為2. OJ/cm2?？偣袒瘯r間為約0. 15秒。在固化之后，墨層的薄層電阻減小到0. 25歐姆每方塊。這對應于8微歐姆-cm的電阻率，或者是體銀的電阻率的五倍。該墨層的面積大于固化頭，但由快速脈沖和移動襯底的組合產(chǎn)生的重疊脈沖允許對任意長的圖形的均勻固化。相比而言，對于常規(guī)爐固化，可將相同的膜/ 襯底至于處于100°C (其為襯底的最大工作溫度)的爐中。在30分鐘的固化之后，所產(chǎn)生的薄層電阻僅僅達到1. 8歐姆/方塊。雖然已經(jīng)參考優(yōu)選實施例特別地示出和描述了本發(fā)明，但本領域技術人員將理解，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以在其中進行各種形式和細節(jié)上的改變。
權利要求
1.一種固化裝置，包括頻閃頭，其具有閃光燈；頻閃控制模塊，其用于控制由所述閃光燈產(chǎn)生的多個脈沖的功率、持續(xù)時間和重復速率；以及傳送器控制模塊，其與所述頻閃控制模塊一起，用于實時同步所述多個脈沖的所述重復速率與所述襯底在所述頻閃頭下方移動的速度。
2.根據(jù)權利要求1的固化裝置，其中所述閃光燈是氙閃光燈。
3.根據(jù)權利要求2的固化裝置，其中所述氙閃光燈能夠以高至IkHz的脈沖重復速率產(chǎn)生10 μ S至Ij IOms的脈沖。
4.根據(jù)權利要求2的固化裝置，其中所述氙閃光燈的光譜成分的范圍為200nm到 2500nmo
5.根據(jù)權利要求1的固化裝置，其中所述固化裝置還包括用于冷卻所述襯底的氣刀。
6.根據(jù)權利要求1的固化裝置，其中所述固化裝置還包括用于通過傳導從所述襯底驅熱的輥。
7.根據(jù)權利要求1的固化裝置，其中所述閃光燈是定向等離子弧燈。
8.根據(jù)權利要求1的固化裝置，其中所述固化裝置還包括用于在所述頻閃頭下方輸運所述襯底的傳送器系統(tǒng)。
9.根據(jù)權利要求8的固化裝置，其中所述固化裝置還包括用于向所述傳送器系統(tǒng)供應所述襯底的供應器。
10.根據(jù)權利要求1的固化裝置，其中所述固化裝置還包括用于感測襯底在所述頻閃頭下方移動的速度的傳感器。
11.一種用于固化在低溫襯底上的薄膜的方法，所述方法包括通過閃光燈產(chǎn)生具有預定的功率、持續(xù)時間和重復速率的多個脈沖；以及在所述閃光燈下方輸運襯底層，以便通過來自所述閃光燈的所述多個脈沖來固化位于所述襯底層上的膜，其中所述襯底層以與所述多個脈沖的所述重復速率同步的速度移動， 并且由所述多個脈沖對所述膜進行多次曝光。
12.根據(jù)權利要求11的方法，其中通過卷到卷系統(tǒng)傳送所述襯底層。
13.根據(jù)權利要求11的方法，其中所述方法還包括在所述膜與所述襯底層之間插入熱阻擋層。
全文摘要
公開了一種用于高速熱加工在低溫襯底上的薄膜的固化裝置。所述固化裝置包括頻閃頭、頻閃控制模塊和傳送器控制模塊。所述頻閃控制模塊控制由在所述頻閃頭上的閃光燈產(chǎn)生的脈沖組的功率、持續(xù)時間和重復速率。根據(jù)速度信息，所述傳送器控制模塊與所述頻閃控制模塊一起提供在所述脈沖組的所述重復速率與所述襯底在所述頻閃頭下方移動的速度之間的實時同步。
文檔編號G03G19/00GK102216859SQ200980134624
公開日2011年10月12日 申請日期2009年4月1日 優(yōu)先權日2008年7月9日
發(fā)明者D·K·杰克遜, K·A·施羅德, K·M·馬丁, S·C·麥克庫 申請人:Ncc納諾責任有限公司