基于金属纳米粒子光子烧结的自对准金属图案化制造技术

技术编号:17572761 阅读:144 留言:0更新日期:2018-03-28 20:21
公开了一种在制造多层可印刷电子设备中对准图层的方法。此方法需要提供透明基板,第一金属层沉积在该透明基板上;在第一金属层上提供透明功能层;在功能层上沉积金属纳米粒子以形成第二金属层,使金属纳米粒子暴露于经由基板下侧的强脉冲光中,以部分的烧结暴露的粒子至功能层,其中,第一金属层充当光掩膜;并使用溶剂冲洗掉未暴露的粒子,使部分烧结的金属纳米粒子留在基板上。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于金属纳米粒子光子烧结的自对准金属图案化
本公开一般涉及用于可印刷电子设备的制造技术,尤其涉及一种在制造多层可印刷电子设备中对准图层的技术。
技术介绍
在柔性低成本基板上印刷功能性墨水是越来越普及的制造电子设备的方法。由于当上层印刷在下层上面时,难以达到所需的对准或配准的精确性,所以在制造电子设备中频繁使用的多层印刷技术仍然充满挑战性。为了解决层对层对准精确度的问题,提出了自对准工艺(Palfingeretal,Adv.Mater.2010,22,5115-5119)用于印刷有机晶体管。在此方法中,第一金属层通过纳米压印光刻或微接触印刷工艺图案化(patterned),随后进行湿法刻蚀步骤。该图案化的金属层其后作为掩膜通过传统的或卷对卷(R2R)光刻技术工艺及剥离步骤图案化下一金属层。然而,在提出的该自对准工艺中,金属层们被真空蒸镀,并需要若干光刻、湿法刻蚀及剥离步骤。为了使自对准工艺真正地与R2R工艺兼容,期望具有使用最少湿式步骤可印刷和图案化的金属层。紫外光固化金属墨水是用自对准工艺替代真空沉积金属层的潜在的候选物。该紫外光固化金属墨水是以金属颗粒填充紫外光固化树脂。然而,在自对准工艺中使用紫外光固化金属墨水存在严重的缺点。首先,紫外光固化金属墨水含有光引发剂和光交联剂,它们保留在膜中并且降低了生成的金属膜的导电性。第二,所印刷的金属膜是不透明的,在这种类型的膜中,紫外光渗透的深度是非常有限的,并且可交联的厚度也非常有限。第三,该墨水完成的图案的分辨率从根本上受限于其金属粒子的尺寸。因此,为了促进多层可印刷电子设备的制造,非常期望新的或者改进的自对准技术。
技术实现思路
本公开提供一种用于制造多层可印刷电子设备的新的自对准技术。该方法能够使印刷在上层的金属图案与下面的层或下层上的墨水图案高精度地对准。一种金属纳米粒子墨水或任何其他等同的墨水作为负性光刻胶,使得印刷或沉积在透明的基板上的第一金属层可以作为掩膜。然后,应用来自基板背侧的强烈的光脉冲来部分地烧结暴露的金属纳米粒子。在遮挡区域的金属纳米粒子没有被烧结,从而可以被冲洗掉。然后,在后续烧结(postsintering)步骤中,部分烧结的粒子被完全地烧结。部分烧结包括用最短的脉冲使粒子暴露于所需的最小光功率,以最小程度地烧结暴露的粒子,使得它们仅仅勉强地连接到功能层以抵抗在后续冲洗期间从功能层被冲洗掉。因此,本公开的一个专利技术方面是一种在制造多层可印刷电子设备中对准金属层的方法。该方法需要提供透明基板,第一金属层沉积在该基板上;在第一金属层上提供透明功能层;在功能层上沉积金属纳米粒子以形成第二金属层;使金属纳米粒子暴露于经由基板下侧的强脉冲光中,以部分地烧结暴露的粒子至功能层,其中,第一金属层充当光掩膜;使用溶剂冲洗掉未经暴露的粒子,使部分烧结的金属纳米粒子留在基板上。功能材料可以是导体、半导体、介电质、电致发光、光电伏或任何其他电子功能。提供的此
技术实现思路
是为了强调某些重要的专利技术方面,但并不意图成为本公开的所有专利技术方面的详尽或限制性地界定。其他专利技术方面可在详细地描述和附图中公开。附图说明结合附图,从以下的详细描述中,本技术的其他特征和优点将会变得显而易见,其中:图1示出了如何使用金属纳米粒子作为负性光刻胶的实施例;图2以举例的方式示出了基于金属纳米粒子的光烧结自对准金属图案化的方法;图3A示出了PET膜上制备的银纳米粒子墨水的干燥涂层;图3B示出了样品被暴露于在另一PET膜下的强脉冲光之后,PET上的银纳米粒子的涂层,所述另一PET膜在其上表面结合有黑色带条;图3C示出了当暴露的样品被浸入到脱氢萘(dehydronapthalene)中显影时,在PET上银纳米粒子的涂层;图3D示出了未暴露的样品被脱氢萘冲洗之后留下的涂层;图4A示出了在PET上银纳米粒子涂层的预先存在的银图案;图4B示出了当样品暴露于来自于预先存在的银图案之侧的光以及被溶剂冲洗之后,在上述PET的相反侧上银纳米粒子形成的涂层;图5A示出了在PET的一侧,银纳米粒子形成的预先存在的银图案;图5B示出了当样品暴露于来自图案之侧的光以及被溶剂冲洗之后,在相反侧上的银纳米粒子的图案;图6A-D描绘了在PET膜上银纳米粒子墨水的加工涂层,其中,所述涂层在水中显影之前被暴露于来自预先用银图案印刷的PET背侧的强脉冲光中;图7A和7B描绘了在PET膜上银纳米粒子的涂层,其中,所述涂层被暴露于来自基板背侧的强脉冲光中;图8A和8B描绘了PMMA覆盖的PET膜上的银纳米粒子墨水涂层,其中,300nmPMMA涂敷在印刷银图案的PET上,且样品被暴露于来自于PET背侧的强脉冲光中,随后在水中实施显影;图9A和9B描述了PMMA覆盖的PET膜上的银纳米粒子墨水涂层,其中,300nmPMMA涂敷在印刷银图案的PET表面上,且样品被暴露于来自于PET的背侧的强脉冲光中,随后在乙醇中实施显影;图10A和10B描述了在PMMA覆盖的PET膜上银纳米粒子墨水线,其中,使用喷墨打印机将墨水线印刷在PET膜的300nm-PMMA上,且曝光是来自PET膜的背侧,及在水中实施显影。需要注意的是,全部附图中,相同的附图标号代表相同的特征。具体实施方式本文公开了一种使用光子烧结工艺和金属纳米粒子墨水用于自对准金属图案化的方法。这种方法避免多重光刻步骤或金属真空沉积的需求。通过使用金属纳米粒子墨水作为负性光刻胶完成上层与下面的层及下层之间的金属图案的高精密度的对准。印刷在透明基板上的第一金属层作为掩膜阻挡从基板背侧施加的光。自基板背侧施加的强烈光脉冲部分地烧结暴露的纳米粒子,即没有被掩膜覆盖的纳米粒子。被掩盖的金属纳米粒子不受烧结的影响,因此,可以被冲洗掉。该方法主要意在用于制造通过印刷或等同的低成本沉积工艺而具有多层结构的电子设备中。许多电子设备要求多层结构,在多层结构中,为了准确地或者最佳地发挥功能,上层中的一层的图案必须与下层的图案精确地对准。例如,晶体管需要上层中的金属电极与下层中的金属电极精确地对准。本文公开的方法利用对金属纳米粒子的光子烧结使上层中的金属图案与下层中的金属图案精确地对准。换而言之,这种方法促进了需要上层和下层精确对准的多层可印刷电子设备的制造。金属纳米粒子显示出在从紫外线(UV)到接近红外线(IR)的波长范围内强烈的等离子体吸收(plasmonicabsorption),因此,金属纳米粒子可以通过光加热。由于金属纳米粒子的纳米尺寸,金属纳米粒子还具有非常低的熔化温度,因此,金属纳米粒子可以在非常低的温度被烧结,例如:120℃。因此,可以使用通过等离子体吸收产生的热量使粒子烧结至基板上。激光和强脉冲光均可被用来直接照射,因此,使金属的纳米颗粒的粒子烧结以在基板上生成涂层和图案。金属纳米粒子的光子烧结可使单个的粒子形成致密的金属膜。这种工艺多少与由UV引起的聚合物的交联有点类似,交联使聚合物不可溶。然而,两者之间有一些根本上的差异:1)UV-交联反应由UV光中的光子直接引起的,因此,交联的深度受光渗透的深度的限制。在可印刷的金属膜的情况中,交联深度受表面面积的限制;而金属纳米粒子的烧结由强烈的、短的光脉冲产生的局部热引起的。尽管光脉冲也在渗透深度上受到限制,但是光脉冲产生的热可转移至合理范围本文档来自技高网
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基于金属纳米粒子光子烧结的自对准金属图案化

【技术保护点】
一种在制造多层可印刷电子设备中对准金属层的方法,所述方法包括:提供透明基板,第一金属层沉积在所述透明基板上;在所述第一金属层上提供透明功能层;在所述功能层上沉积金属纳米粒子以形成第二金属层;将所述金属纳米粒子暴露于经由所述基板下侧的强脉冲光中,以部分的烧结暴露粒子至所述功能层,其中,所述第一金属层充当光掩膜;和使用溶剂冲洗掉未经暴露的粒子,使部分烧结的金属纳米粒子留在所述基板上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.07.03 US 62/188,5531.一种在制造多层可印刷电子设备中对准金属层的方法,所述方法包括:提供透明基板,第一金属层沉积在所述透明基板上;在所述第一金属层上提供透明功能层;在所述功能层上沉积金属纳米粒子以形成第二金属层;将所述金属纳米粒子暴露于经由所述基板下侧的强脉冲光中,以部分的烧结暴露粒子至所述功能层,其中,所述第一金属层充当光掩膜;和使用溶剂冲洗掉未经暴露的粒子,使部分烧结的金属纳米粒子留在所述基板上。2.如权利要求1所述的方法,还包括后续烧结所述部分烧结的粒子以在基板上形成完全烧结的金属。3.如权利要求1或2所述的方法,其中,在在将所述粒子暴露于所述强脉冲光之前,承载粒子的溶剂被蒸发。4.如权利要求1-3任一所述的方法,其中,所述基板为聚对苯二甲酸乙二酯醇(PET)膜。5.如权利要求1-3任一所述的方法,其中,所述基板为聚萘二甲酸二乙酯(PEN)膜。6.如权利要求1-3任一所述的方法,其中,所述基板为聚酰亚胺膜。7.如权利要求1-3任一所述的方法,其中,所述基板为聚碳酸酯膜。8.如权利要求1-3任一所述的方法,其中,所述基板为玻璃。9.如权利要求1-8任...

【专利技术属性】
技术研发人员:张志一陶业朱达雅萧高志
申请(专利权)人:加拿大国家研究委员会
类型:发明
国别省市:加拿大,CA

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