專(zhuān)利名稱(chēng)：用于使在低溫基底上的薄膜高速反應(yīng)的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般而言涉及固化方法，具體而言，涉及用于使低溫基底上的薄膜高速反應(yīng)的方法和裝置。
背景技術(shù)：
在電路上形成電導(dǎo)體的一種方法是將包含金屬的墨印刷到基底上，然后加熱基底以燒結(jié)包含金屬的墨中的顆粒，從而形成導(dǎo)電路徑。通常，適合電傳導(dǎo)的大多數(shù)金屬需要被加熱到非常高的溫度，該溫度通常在其熔點(diǎn)的兩百攝氏度的范圍內(nèi)。例如，銀是用于形成導(dǎo)電跡線(xiàn)的良好金屬，這是因?yàn)槠淇梢栽诳諝庵斜患訜?，并且電?dǎo)率相對(duì)低的其氧化物在相對(duì)低的溫度下分解。另外，當(dāng)在選擇用于形成導(dǎo)電跡線(xiàn)的金屬時(shí)，銀是導(dǎo)電性最好的金屬的事實(shí)經(jīng)常勝過(guò)其高成本。由于其低成本，在制造導(dǎo)電跡線(xiàn)時(shí)一直使用的另一種金屬是銅。銅具有約為銀的電導(dǎo)率的90%的電導(dǎo)率，但通常比銀便宜50到100倍(基于質(zhì)量)。然而，由于制造和處理銅墨以避免氧化的附加成本通常高于體材料的成本差異，因此銀墨仍支配著印刷電子市場(chǎng)?；旧?，當(dāng)在空氣中加熱銅顆粒時(shí)，它們?cè)跓Y(jié)之前氧化，這導(dǎo)致非導(dǎo)體。因此，希望提供一種用于使用諸如銅的相對(duì)低成本金屬制造導(dǎo)電跡線(xiàn)的改進(jìn)的方法。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，最初提供氣態(tài)氣氛。然后將位于低溫基底頂上的薄膜層輸送通過(guò)所述氣態(tài)氣氛。在所述薄膜層被輸送通過(guò)所述氣態(tài)氣氛時(shí)，將所述薄膜層暴露到多個(gè)脈沖電磁發(fā)射，以使所述薄膜層與所述氣態(tài)氣氛化學(xué)反應(yīng)。本發(fā)明的所有特征和優(yōu)點(diǎn)將在下面詳細(xì)的描述中變得顯而易見(jiàn)。


通過(guò)參考對(duì)示例性實(shí)施例的以下詳細(xì)描述并結(jié)合附圖閱讀，本發(fā)明本身以及優(yōu)選使用模式、其他目的及其優(yōu)點(diǎn)將得到最好的理解，在附圖中圖1為根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的固化裝置的圖；以及圖2為根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的用于使低溫基底上的薄膜反應(yīng)的方法的高級(jí)邏輯流程圖。
具體實(shí)施方式
公知如果某些金屬氧化物具有正還原勢(shì)，則這些金屬氧化物可被氫或烴還原。實(shí)例包括銅、金、鉬和鈀的氧化物?？梢酝ㄟ^(guò)利用加熱工藝使含有銅氧化物的礦石與木炭反應(yīng)而制成銅。當(dāng)在還原氣氛中加熱氧化的銅顆?；蛘呱踔良冦~氧化物時(shí)，顆粒可燒結(jié)而形成導(dǎo)體。當(dāng)通過(guò)印刷銅顆粒而制造薄膜導(dǎo)體時(shí)，如果在惰性或還原氣氛中將顆粒加熱到其燒結(jié)溫度，則可以形成導(dǎo)電優(yōu)良的跡線(xiàn)。由于銅的熔點(diǎn)接近1085°C，因此燒結(jié)所需的溫度要求僅僅可以采用高溫基底，例如玻璃或陶瓷。對(duì)基底的該相對(duì)高溫度要求阻止了諸如紙或塑料的便宜基底的使用。備選地，如果將銅氧化物置于低溫基底上，銅氧化物可被加熱到接近基底的分解溫度并可將低溫基底置于還原氣氛中。然而，依賴(lài)于基底厚度，低溫基底使所需的時(shí)間量大幅增加到數(shù)分鐘或甚至數(shù)小時(shí)。并且，在這些低溫度下，燒結(jié)非常有限。如果利用強(qiáng)而短的光脈沖來(lái)固化基底，則基底溫度和氣體氣氛要求可被克服。不幸地，這些方法對(duì)于在銅膜中解決剩余氧化物的問(wèn)題沒(méi)有作用?？蛇€原的金屬氧化物可在氫氣氛中被置于兩個(gè)電接觸之間，并且電流可被反復(fù)地脈沖通過(guò)氧化物以加熱氧化物并還原氧化物。然而，該技術(shù)需要電接觸，并且其吞吐量相對(duì)有限。由此，需要以高吞吐量在低溫基底上還原金屬氧化物。為了本發(fā)明，將固化限定為熱處理，其包括使薄膜與氣態(tài)氣氛反應(yīng)。薄膜被限定為小于100微米厚的涂層。低溫基底可以由紙、塑料或聚合物構(gòu)成。電磁發(fā)射可包括電磁輻射，其包括Y-射線(xiàn)、X-射線(xiàn)、紫外、可見(jiàn)光、紅外光、毫米波、微波、或無(wú)線(xiàn)電波。電磁發(fā)射源包括激光器、感應(yīng)加熱器、微波發(fā)生器、閃光燈、發(fā)光二極管等等。下面參考附圖，特別地，參考圖1，其描述了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)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(yīng)系統(tǒng)140。固化裝置100能夠固化被安裝在位于以相對(duì)高的速度跨傳送帶移動(dòng)的毛網(wǎng)(web)上的低溫基底103上的薄膜102。傳送帶系統(tǒng)110可以以例如0到IOOOft/min的速度工作以移動(dòng)基底103。固化裝置100可收納6英寸增量的任何寬度的毛網(wǎng)?？赏ㄟ^(guò)現(xiàn)有技術(shù)的一種或組合，將薄膜102附加到基底103上，這些現(xiàn)有技術(shù)為例如絲網(wǎng)印刷、噴墨印刷、凹版印刷、激光印刷、靜電復(fù)印、移印(pad printing)、涂抹、蘸水筆(dip pen)、注射(syringe)、氣刷、橡皮版印刷、化學(xué)氣相沉積(CVD)、蒸發(fā)、濺射等等。頻閃頭120包括用于固化位于基底103上的薄膜102的高強(qiáng)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(qiáng)度、脈沖長(zhǎng)度和脈沖重復(fù)頻率的脈沖。例如，脈沖氙閃光燈121可提供脈沖重復(fù)速率最高為IkHz的具有3”乘6”寬度束的10微秒到50毫秒脈沖。來(lái)自脈沖氙閃光燈121的發(fā)射的光譜含量的范圍為200nm 到2500nm?？梢酝ㄟ^(guò)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(lán)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(shí)被稱(chēng)為定向等離子弧(DPA)燈的水冷壁閃光燈。繼電器架130包括可調(diào)電源131、傳送控制模塊132和頻閃控制模塊134。可調(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。可調(diào)電源131被連接到脈沖氙閃光燈121，并且可以通過(guò)控制流過(guò)脈沖氙閃光燈121的電流的量來(lái)改變來(lái)自脈沖氙閃光燈 121的發(fā)射的強(qiáng)度。
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可調(diào)電源131控制脈沖氙閃光燈121的發(fā)射強(qiáng)度。依賴(lài)于薄膜102和基底103的光學(xué)、熱學(xué)和幾何特性，來(lái)自脈沖氙閃光燈121的發(fā)射的功率、脈沖持續(xù)時(shí)間和脈沖重復(fù)頻率被電子地調(diào)整和同步到毛網(wǎng)速度，以允許對(duì)薄膜102的最優(yōu)固化而不損傷基底103。在固化操作期間，基底103以及薄膜102被移動(dòng)到傳送帶系統(tǒng)110上。傳送帶系統(tǒng)Iio使薄膜102在頻閃頭120下方移動(dòng)，在那里薄膜102被來(lái)自脈沖氙閃光燈121的快速脈沖所固化。通過(guò)頻閃控制模塊134控制來(lái)自脈沖氙閃光燈121的發(fā)射的功率、持續(xù)時(shí)間和重復(fù)速率，并且由傳送控制模塊132確定基底103移動(dòng)經(jīng)過(guò)頻閃頭120的速度。利用傳感器150來(lái)感測(cè)傳送帶系統(tǒng)110的速度，該傳感器150可以是機(jī)械的、電學(xué)的或光學(xué)的傳感器。例如，可以通過(guò)檢測(cè)來(lái)自被連接到與移動(dòng)的傳送帶接觸的輪的軸端編碼器的信號(hào)來(lái)感測(cè)傳送帶系統(tǒng)110的傳送帶速度。反過(guò)來(lái)，可以相應(yīng)地用傳送帶系統(tǒng)110 的傳送帶速度來(lái)同步脈沖重復(fù)速率。由下式給出頻閃脈沖速率f的同步
Γ r 0.2*^*0f =-
W其中f =頻閃脈沖速率[Hz]S =毛網(wǎng)速度[ft/min]0 =重疊因子W=固化頭寬度[in]重疊因子0為由基底接收到的頻閃脈沖的平均數(shù)目。例如，當(dāng)毛網(wǎng)速度為200ft/ min，重疊因子為5，固化頭寬度為2. 75英寸時(shí)，頻閃燈的脈沖速率為72. 7Hz。外殼160包圍基底103并包含還原氣氛161。透明窗口 162使來(lái)自閃光燈121的光通過(guò)。當(dāng)閃光燈121被脈沖時(shí)，膜102被瞬時(shí)加熱并與氣氛161化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)快速脈沖串與移動(dòng)基底103組合時(shí)，可以在薄膜102的每個(gè)部分被暴露于多個(gè)脈沖時(shí)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)?，F(xiàn)在參考圖2，其描述了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的用于使低溫基底上的薄膜反應(yīng)的方法的高級(jí)邏輯流程圖。最初，如塊221中所示，提供包含還原氣體的氣態(tài)氣氛，例如圖1的還原氣氛161。優(yōu)選地，氣態(tài)氣氛包含氫或烴，例如甲烷、丙烷等等。接下來(lái)，如塊222中所示，將位于低溫基底頂上的薄膜層輸送通過(guò)該氣態(tài)氣氛。該薄膜優(yōu)選包含可還原的金屬氧化物，例如銅氧化物(CuO)、金氧化物(Ag2O)、鉬氧化物(PtO) 和鈀氧化物(PdO)等等。為了經(jīng)濟(jì)，希望銅作為用于印刷電子設(shè)備的導(dǎo)體。印刷的銅膜通常包含作為電子傳導(dǎo)的阻擋層的銅氧化物。低溫基底可以由聚合物或紙構(gòu)成。然后，如塊223中所示，在薄膜層被輸送通過(guò)氣態(tài)氣氛的同時(shí)，將每段(S卩，固化頭寬度)薄膜層暴露到來(lái)自閃光燈(例如圖1中的閃光燈121)的至少一個(gè)脈沖，以使薄膜層與氣態(tài)氣氛化學(xué)反應(yīng)?；旧?，來(lái)自頻閃系統(tǒng)的脈沖在還原位于低溫基底上的諸如銅氧化物的金屬氧化物的薄膜，以在小于一秒內(nèi)形成諸如銅膜的導(dǎo)電金屬膜而不損傷低溫基底。當(dāng)在氫環(huán)境中將金屬氧化物還原為金屬時(shí)，反應(yīng)進(jìn)行的速度是受到擴(kuò)散限制的。 擴(kuò)散速率與固化系統(tǒng)的溫度有關(guān)。當(dāng)利用爐子時(shí)，溫度受到低溫基底的分解溫度的限制。脈沖光將金屬氧化物加熱到極高的溫度而不分解低溫基底。這大幅地縮短了用于還原金屬氧化物的時(shí)間。如上所述，本發(fā)明提供了一種用于使低溫基底上的薄膜反應(yīng)的方法和裝置。本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，即使在最初沉積純金屬氧化物時(shí)也可以獲得金屬薄膜。沉積金屬氧化物顆粒的動(dòng)機(jī)之一是，它們比其金屬對(duì)應(yīng)部分更容易得到，當(dāng)它們處于納米顆粒形式時(shí)尤其如此。在保持其純度的同時(shí)形成極微細(xì)(幾十nm)金屬顆粒是尤其困難的。極微細(xì)金屬顆粒通常被氧化物和/或帽蓋基團(tuán)覆蓋。此外，金屬氧化物顆粒更容易被分散，并且更容易被印刷在各種基底上。本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)在于其不需要配準(zhǔn)(registration)。如果薄膜是印刷圖形，則僅僅那個(gè)圖形反應(yīng)，而低溫基底的通常較不吸收光脈沖的未印刷部分保持冷卻。雖然金屬氧化物的還原被示出為在還原氣氛中以形成金屬膜，但其他膜/反應(yīng)氣體組合也是可能的。其他實(shí)例包括(1)利用H2進(jìn)行還原(或者產(chǎn)生氫化物用于H2存儲(chǔ)材料)(2)利用&進(jìn)行氧化(用于電介質(zhì))(3)利用含碳?xì)怏w進(jìn)行滲碳(carburization)以形成碳化物。在含碳?xì)怏w流內(nèi)的 O2分壓以形成氧碳化物。(4)利用氨或胺進(jìn)行氮化以形成氮化物。在氨或胺氣體流內(nèi)的&分壓以形成氧氮化物。(5)由各種前體氣體形成硫?qū)倩铩Ａ驅(qū)倩餅榱蚧?S2—)、硒化物(Se2—)以及碲化物CTe勹。這覆蓋了一大類(lèi)半導(dǎo)體(II-VI半導(dǎo)體)，例如，ZnS、ZnSe、CdS、CcKe、CdTe寸寸。(6)由各種前體氣體形成磷屬化物(pnictide)。磷屬化物為磷化物(P3—)、砷化物 (As3")和銻化物(Sb3") 0這也覆蓋了一大類(lèi)半導(dǎo)體的合成(III-V族半導(dǎo)體)，例如，GaP、 GaAs, InP、InAs, InSb 等等。雖然已經(jīng)參考優(yōu)選實(shí)施例具體示出并描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解， 在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以在其中進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種變化。
權(quán)利要求
1.一種用于使低溫基底上的薄膜反應(yīng)的方法，所述方法包括 提供氣態(tài)氣氛；將安裝在低溫基底上的薄膜層移動(dòng)通過(guò)所述氣態(tài)氣氛；以及將所述薄膜層暴露到脈沖電磁發(fā)射，同時(shí)使所述薄膜層在所述氣態(tài)氣氛內(nèi)相對(duì)于所述脈沖電磁發(fā)射的源移動(dòng)，以使所述薄膜層與所述氣態(tài)氣氛化學(xué)反應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述氣態(tài)氣氛包含氫。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述氣態(tài)氣氛包含烴氣體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述氣態(tài)氣氛包含多于一種氣態(tài)物類(lèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述薄膜為包含具有正還原勢(shì)的金屬的金屬化合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中所述金屬化合物為銅氧化物。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中所述金屬化合物為鉬氧化物。
8.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中所述金屬化合物為鈀氧化物。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述薄膜為金屬。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述低溫基底由塑料制成。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述低溫基底由紙制成。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述低溫基底由聚合物制成。
13.一種固化裝置，包括 外殼，用于提供氣態(tài)氣氛；頻閃頭，具有閃光燈，用于向安裝在低溫基底上的薄膜層提供脈沖電磁發(fā)射，以使所述薄膜層與所述氣態(tài)氣氛化學(xué)反應(yīng)；傳送系統(tǒng)，用于使所述薄膜層在所述氣態(tài)氣氛內(nèi)相對(duì)于所述頻閃頭移動(dòng)；以及頻閃控制模塊，用于控制由所述閃光燈產(chǎn)生的所述脈沖電磁發(fā)射的功率、持續(xù)時(shí)間、重復(fù)速率和數(shù)目。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的固化裝置，其中所述閃光燈為氙閃光燈。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的固化裝置，其中所述低溫基底以與所述脈沖電磁發(fā)射的所述重復(fù)速率同步的速度移動(dòng)。
16.根據(jù)權(quán)利要求13的固化裝置，其中通過(guò)卷到卷系統(tǒng)傳送所述低溫基底。
17.根據(jù)權(quán)利要求13的固化裝置，其中所述氣態(tài)氣氛包含氫。
18.根據(jù)權(quán)利要求13的固化裝置，其中所述氣態(tài)氣氛包含烴氣體。
19.根據(jù)權(quán)利要求13的固化裝置，其中所述薄膜為包含具有正還原勢(shì)的金屬的金屬化合物。
20.根據(jù)權(quán)利要求13的固化裝置，其中所述薄膜為金屬。
全文摘要
公開(kāi)了一種用于使低溫基底上的薄膜在反應(yīng)氣氛內(nèi)反應(yīng)的方法。所述薄膜包含可還原的金屬氧化物，并且所述反應(yīng)氣氛包含諸如氫或甲烷的還原氣體。所述低溫基底可以為聚合物、塑料或紙。使用來(lái)自高強(qiáng)度頻閃系統(tǒng)的多個(gè)光脈沖將所述金屬氧化物還原成金屬并且如果適用則燒結(jié)所述金屬。
文檔編號(hào)H05K1/09GK102217429SQ200980145384
公開(kāi)日2011年10月12日 申請(qǐng)日期2009年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月17日
發(fā)明者K·A·施羅德 申請(qǐng)人:Ncc納諾責(zé)任有限公司