市場前線｜常壓環境雷射耦合多相反應流體微奈米直析製程技術

三維電子(3D Electronics) 是次世代光電子產品發展的主流。同時，低碳製造為全球趨勢，因此需要能將高密度複雜線路與功能材料於三維基板上沉積與圖樣化的創新綠色製程技術。近期由清大、台大共同主導的研究團隊與工研院機械所合作，成功開發雷射耦合以水溶液為基底的多相反應流體，快速合成析出材料成型的微奈米精細鍍膜雷射直析(Laser Direct Synthesis) 製程技
術。此技術包括兩種製程架構：(1) 以雷射精準選擇性地於液相離子水溶液中合成或還原析出沉積(Laser-induced Hydrothermal Growth/Reduction Deposition) 金屬或金屬氧化物材料，並同時進行圖樣化；以及(2) 耦合雷射與水霧大氣電漿
(Atmospheric Pressure Plasma Jet, APPJ) 的金屬氧化物透明導電薄膜(Transparent Conductive Oxide,TCO) 細線圖樣鍍膜技術。製程架構精簡，如圖1所示。

透過變更反應前驅物溶液(precursor)，可在常壓及接近常溫的大氣環境下，快速地於三維自由曲面基板上，進行多種功能性材料(functional material) 的鍍製及圖案化，如圖2 所示，進而可實現於單一設備上從基板開始完成製作高精度的3D 光電元件。利用雷射可精準控制製程溫度以及加熱區域的特性，此中低溫雷射製程特別適合用於製作可撓式的穿戴裝置，例如軟性電池、軟性顯示器、軟性觸控面板、穿戴式感測器以及電子紙等產品。此雷射直析技術特點之一為可使用中低功率的連續光(Continuous Wave) 雷射，不需真空及曝光顯影設備，極具成本優勢。透過雷射光源模組的選配及智動化製程控制，可於同一機台設備上實現減法( 雷射剝蝕、切割、鑽孔) 與加法( 雷射沉積、圖樣化、填孔、熱處理等) 的混合製程。除了更進一步降低製造與設備成本、縮短製程時間，也可避免因製程轉換所造成的定位與加工誤差。

本技術具備雷射精準加工的特點，可應用於三維自由曲面基板，選擇性地形成3D 圖樣化鍍膜，線路厚度與寬度可以根據設計需求調控。有別於一般結合噴印與雷射熱處理的線路成型製程使用奈微米粒子漿料，本製程技術使用離子前驅物水溶液作為料源，無論是整體製程效率、圖樣線路精細度、製程碳排以及導線性質，皆具備明顯優勢。此綠色製程技術強調使用的前驅物溶液採用對生物與環境較為友善的溶劑與還原劑，從材料層面即具備綠色製程的特色與核心價值。
製程技術創新價值與競爭優勢
目前商業化的相關類似技術主要為金屬微奈米漿料噴印加上光熱處理，此類技術需先行製備金屬奈米漿料，其製造與保存不易、價格昂貴、過程中產生大量的化學廢棄物，同時在噴印系統的規格選擇及穩定度方面有相當大的侷限。雷射直析技術使用無顆粒的離子水溶液，可以有效解決上述問題。雷射直析製程受惠於離子反應溶液，沉積區域的待還原離子濃度遠高於一般氣相沉積環境中的離子濃度；同時，以雷射選擇性地引導材料析出合成反應，僅需於反應區附近精準地提供離子料源，因此材料沉積速率以及材料使用率皆可大幅提升。
另一方面，現行商用軟板製程技術或是大氣電漿鍍線技術，通常需經過微影製程、電漿/ 雷射蝕刻，或是使用雷射對預沉積的材料薄膜進行選擇性的快速退火，定義電路圖樣。以上製程皆有高成本以及高碳排的缺點，而且難以應用於三維自由曲面基板上。雷射直析技術同步結合雷射還原、燒結與熱處理，或是大氣電漿鍍膜與雷射誘發成形及材料改質，實現一道製程即可於三維自由曲面上完成高精度細線功能性材料圖樣鍍製的精準低碳製造。值得強調的是此技術架構雖然類似雷射積層製造或3D 列印，但是反應前驅物、材料成形機制以及製程中的關鍵多重物理耦合傳遞現象皆與現行普遍的積層製造技術有極大的差異，為一個嶄新的製程技術工法。在鍍膜線路品質方面，以此技術製作的金屬微細導線為例，經過優化調控製程參數，電阻率約為銀：2.1 μΩ‧cm，銅：4.7 μΩ‧cm，等同甚至優於一般雷射燒結奈米金屬製成的導線；主要原因是本製程於溶液或霧氣環境中直接還原沉積金屬，透過
添加無毒性溶劑控制溶液環境，有效避免金屬薄膜的氧化，且不含用於保護奈米金屬的高分子材料。雷射耦合大氣電漿鍍膜技術鍍製的摻鎵氧化鋅(Gallium doped Zinc Oxide , GZO) 電阻率約為790μΩ‧cm，可見光波段穿透率平均達85%以上( 基板原始穿透率90%)，已達商用TCO 的水準。

圖1 雷射直析製程架構

圖 2 以雷射直析製程技術製作的精細線路樣本