用于纳米元件的定向组装和转移的镶嵌模板制造技术

镶嵌模板具有设置在跨越衬底延伸的下层导电层上的二维图案化升高金属特征。所述模板总体具有平坦形貌，所述图案化导电特征建立了用于将纳米元件组装到纳米级电路和传感器内的微米级和纳米级图案。采用微制造技术连同化学机械抛光制造所述模板。这些模板与包括电泳在内的各种定向组装技术兼容，并且能够在连续操作周期内提供纳米元件的基本上100％有效的组装和转移。可以在损坏最低或者没有损坏的情况下将所述模板成千上万次地重复用于图案化纳米元件的转移，所述转移过程不设计周期之间的中间处理。在室温和压力下执行所采用的组装和转移过程，因而所述过程经得起低成本、高速率器件制造的检验。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】镶嵌模板具有设置在跨越衬底延伸的下层导电层上的二维图案化升高金属特征。所述模板总体具有平坦形貌，所述图案化导电特征建立了用于将纳米元件组装到纳米级电路和传感器内的微米级和纳米级图案。采用微制造技术连同化学机械抛光制造所述模板。这些模板与包括电泳在内的各种定向组装技术兼容，并且能够在连续操作周期内提供纳米元件的基本上100％有效的组装和转移。可以在损坏最低或者没有损坏的情况下将所述模板成千上万次地重复用于图案化纳米元件的转移，所述转移过程不设计周期之间的中间处理。在室温和压力下执行所采用的组装和转移过程，因而所述过程经得起低成本、高速率器件制造的检验。【专利说明】用于纳米元件的定向组装和转移的镶嵌模板相关申请的交叉引用本申请要求2011年11月9日提交的专利技术名称为“Damascene Template forDirected Assembly and Transfer of Nanoelements”的美国临时申请N0.61/557594 的优先权，通过引用将其全文并入本文。有关联邦政府资助研发的声明本专利技术是借助国家科学基金的许可编号为EEC-0832785和0425826的财政支持开发的。美国政府享有本专利技术的某些权利。
技术介绍
以精确的对准和取向将纳米元件组装到模板上，继而将纳米元件转移到容纳(recipient)衬底上预计会促进纳米级器件的大规模生产。但是，由于没有高度通用的可重复使用模板能够以极低的劣化完成高产量的定向(directed)组装和转移，因而进展受阻。通过底部朝上或者顶部朝下的工艺制造的各种模板已经被用来组装纳米元件，以获得预期的架构。模板引导射流组装工艺可适用于各种纳米元件，而且能够获得高组装密度、成品率和均匀性。但是，组装过程非常缓慢，因而不可规模化扩张。另一方面，电泳组装涉及在短时间周期内将在导电表面上具有表面电荷的纳米材料组装到各个大的面积上(晶圆级)。在通过电泳将纳米元件组装到具有互连的微米级和纳米级特征的经形貌构图的电极上时，由于电极的各个区域内的电势差存在不同，因而所述组装是非均匀的。以前，这一障碍是采用所谓的“沟槽模板”规避的，在所述模板中，通过光刻界定的聚合物图案覆于均匀导电层的上面，从而将所述组装引导到预期的位置上。只要有必要将这些沟槽模板中的组装纳米元件转移到容纳衬底上，就必须去除所述聚合物，因而使得所述模板仅限于单次组装和转移周期的使用。将组装后的纳米元件从一个衬底转移到另一个衬底上，同时保持它们的二维顺序是一个相当繁冗的过程，其需要对不同材料和纳米元件之间的相互作用能有深入的了解。成功地实现有序纳米元件向柔性衬底上的转移将使各种类型的新型器件能够得以生产，例如，薄膜晶体管、气敏传感器和生物传感器。尽管已经演示了采用模板牺牲层(例如S12层)的纳米元件转移，从而以高转移效率完成向柔性以及刚性衬底上的转移，但是这样的模板不能重复使用。也有人研究了采用诸如PDMS和Revalpha热条(thermaltape)的中间牺牲膜将纳米元件转移到容纳衬底上，但是这些会引入额外的步骤，因而导致复杂的制造过程，从而带来更高的生产成本。
技术实现思路
本专利技术提供了可高度重复使用的、具有平坦形貌的镶嵌模板(damascenetemplate)，以及用于采用电泳将纳米元件组装到所述镶嵌模板上的方法。本专利技术还提供了用于采用“转印”法将组装的纳米元件从镶嵌模板转移到柔性衬底上的方法。所述转印法可以用于在不需要中间膜的情况下制造微米级和纳米级结构，包括单个芯片上的微米级和纳米级结构的组合。本专利技术的专利技术人采用微制造技术连同化学机械抛光(CMP)设计并制造出了具有平坦形貌的亚微米特征的镶嵌模板。这些模板被设计为与包括电泳在内的各种定向组装技术兼容，对于诸如单壁碳纳米管和纳米颗粒的不同纳米元件而言，其具有基本上100%的组装和转移成品率。可以在损坏最低或者没有损坏的情况下将所述模板成千上万次地重复用于转移，所述转移过程不涉及周期之间的中间处理。在室温和压力下执行所采用的组装和转移过程，因而所述过程经得起低成本、高速率器件制造的检验。本专利技术的一个方面是一种用于图案化纳米元件的电泳组装和转移的镶嵌模板。所述模板包括基本上为平面的衬底、第一绝缘层、任选的粘附层、导电金属层、第二绝缘层和任选的疏水涂层。第一绝缘层被设置到衬底表面上。如果存在粘附层，那么将其设置到第一绝缘层的与衬底相对的表面上。导电金属层被设置到粘附层的与第一绝缘层相对的表面上或者在没有粘附层的情况下被设置到第一绝缘层的与衬底相对的表面上。第二绝缘层被设置在导电金属层的与粘附层相对的或者在没有粘附层的情况下与第一绝缘层相对的表面上。疏水涂层有选择地设置在所述第二绝缘层的与所述导电金属层相对的暴露表面上；所述导电金属层的露出表面上没有所述疏水涂层。所述导电金属层跨越衬底的至少一个区域连续，或者在一些实施例中跨越整个衬底连续。在所述导电金属层的所述区域内，所述导电金属层具有由阻断所述第二绝缘层的升高特征构成的二维微米级或纳米级图案，从而使得所述第二绝缘层基本上填充所述升高特征之间的空间。由于通过化学机械抛光过程实施了平坦化，因而所述升高特征的露出表面和所述第二绝缘层的露出表面基本上共平面。本专利技术的另一方面是一种用于通过纳米压印转移图案化纳米元件的纳米元件转移系统。所述系统包括上文所述的镶嵌模板和用于容纳所述多个纳米元件的柔性聚合物衬底。在一些实施例中，所述系统还包括用于在高于环境温度的选定温度处向镶嵌模板和柔性聚合物衬底之间施加压力的热调节压印装置。本专利技术的又一方面是一种制造上文所述的镶嵌模板的方法。所述方法包括下述步骤:(a)提供基本上为平面的衬底；(b)在所述衬底的表面上沉积第一绝缘层；(C)任选将粘附层沉积到所述第一绝缘层上；(d)将导电金属层沉积到所述粘附层上，或者在没有粘附层的情况下沉积到所述第一绝缘层上；(e)将光刻抗蚀剂层沉积到所述导电金属层上；(f)执行光刻，从而在所述抗蚀剂层内建立孔隙的二维图案，由此使导电金属层的表面在所述空隙内露出；(g)对导电金属层的露出表面进行蚀刻；(h)去除所述抗蚀剂层，从而使所述导电金属层的整个表面露出，其中，所述导电金属层包括由升高特征构成的二维图案；(i)沉积绝缘材料，以覆盖所述导电金属层，包括所述升高特征；(j)通过化学机械抛光法去除所述绝缘材料以及所述升高特征的一部分，由此使所述升高特征和所述绝缘材料平坦化，从而使得升高特征的二维图案具有相互之间共平面并且与所述绝缘材料的露出表面共平面的露出表面；以及(k)任选采用烷基硅烷的疏水涂层使所述绝缘材料的露出表面有选择地硅烷化。在一些实施例中，所述方法还包括下述步骤:(I)在基本上不去除所述绝缘层上的疏水涂层的情况下对所述导电金属层的升高特征的露出表面进行化学清洁。本专利技术的又一方面是一种在镶嵌模板上形成纳米元件的图案化组件的方法。所述方法包括以下步骤:(a)提供上文所述的镶嵌模板；(b)将所述镶嵌模板浸入到纳米元件的液体悬浮液内；(C)在镶嵌模板的导电金属层和处于液体悬浮液内中的反电极之间施加电压，由此将纳米元件从悬浮液中有选择地组装到镶嵌模板的导电金属层的升高特征的露出表面上，但又不组装到镶嵌模板的第二绝缘层的露出表面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于图案化纳米元件的电泳组装和转移的镶嵌模板，所述模板包括：衬底，所述衬底基本上为平面；第一绝缘层，所述第一绝缘层被设置在所述衬底的表面上；任选粘附层，所述粘附层被设置在所述第一绝缘层的与所述衬底相对的表面上；导电金属层，所述导电金属层被设置在所述粘附层的与所述第一绝缘层相对的表面上，或者在没有所述粘附层的情况下被设置在所述第一绝缘层的与所述衬底相对的表面上；第二绝缘层，所述第二绝缘层被设置在所述导电金属层的与所述粘附层相对的表面上，或者在没有所述粘附层的情况下被设置在所述导电金属层的与所述第一绝缘层相对的表面上；以及疏水涂层，所述疏水涂层有选择地被设置在所述第二绝缘层的与所述导电金属层相对的露出表面上；其中，所述导电金属层是跨越所述衬底的至少一个区域连续的，并且所述导电金属层在所述导电金属层的所述区域内具有阻断所述第二绝缘层的升高特征的二维微米级或纳米级图案；其中，所述第二绝缘层基本填充所述升高特征之间的空间；并且其中，所述升高特征的露出表面和所述第二绝缘层的露出表面基本上共平面。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·布斯奈納，H·卓，S·索穆，J·黄，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：美国;US