CN101790490A - 碳纳米管层的激光图案化 - Google Patents
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Abstract
一种图案化碳纳米管层的方法包括提供包括碳纳米管层(204A)的衬底(112)。生成激光束。将激光束引导到所述碳纳米管层的第一表面上。引起激光束和第一表面之间的相对移动，从而在第一表面上形成至少一个腔特征(210)。
Description
背景技术
自从在1991年发现了碳纳米管(CNT)以来，碳纳米管因为它们独特的电、机械以及热特性而引起研究人员相当多的关注。碳纳米管非凡的电特性使得它们成为诸如传感器、互连、晶体管以及平板显示器之类的应用的理想候选。这些特性提供了开发在各种产品中使用的高性能柔性、透明电极的机会。然而，为了成功实施到诸如柔性电子器件之类的产品中，期望具有在大区域上以高分辨率以及采用与塑料兼容的处理温度来沉积和图案化(pattern)碳纳米管的方法。为了利用碳纳米管的潜在电特性和光学特性，制造者将必须能够将该材料图案化成普通的电子电路形式。
之前已经提议了以期望的图案将碳纳米管直接喷墨印刷到衬底上。然而，这样的工艺具有碳纳米管的油墨配方、分辨率限制、以及与衬底附着不充分的缺点。之前还提议了基于衬底和碳纳米管化学相互作用的图案化技术。该工艺的缺点在于非常复杂的化学科学、图案填充的不一致结果，并且在附着碳纳米管之前需要图案化附着化学制品。还提议了光刻工艺。这样的工艺具有需要数个光刻和等离子体蚀刻步骤来完成期望图案的缺点。另一种提议是使用碳纳米管的激光微调，所述激光微调使用铜掩模系统来进行。该激光微调方法能够产生由铜网格掩模限定的碳纳米管的图案。该方法的缺点是仅能够产生由铜网格限定的图案，并且在图案化的区域上需要均匀的激光照射。
发明内容
一个实施例提供一种图案化碳纳米管层的方法。该方法包括提供包括碳纳米管层的衬底。生成激光束。将所述激光束引导到所述碳纳米管层的第一表面上。引起激光束和第一表面之间的相对移动，从而在第一表面上形成至少一个腔特征(cavity feature)。
附图说明
图1是说明根据一个实施例的用于图案化碳纳米管层的系统的框图。
图2A-2D是说明根据一个实施例的由在图1中示出的系统图案化的衬底的横截面视图的图。
图3A-3D是说明根据另一个实施例的由在图1中示出的系统图案化的衬底的横截面视图的图。
图4是示出根据一个实施例的各种类型的层的烧蚀(ablation)和激光电流之间的关系的曲线图。
图5是根据一个实施例的包括具有由图1所示系统形成的腔特征的碳纳米管层的衬底的光学显微镜图像。
具体实施方式
在下面的详细描述中，对形成其一部分的附图进行参考，并且在附图中通过图解说明示出其中可以实践本发明的特定实施例。在这方面，可以参考描述的(一个或多个)附图的取向来使用方向术语(例如“顶部”、“底部”、“前面”、“后面”等等)。因为能够以许多不同的取向来定位本发明的实施例的部件，所以方向术语被用于说明的目的并且决不是限制性的。要理解的是，在不偏离本发明的范围的情况下可以利用其它实施例，并且可以进行结构或逻辑改变。因此，下面的详细描述不应以限制的意义来理解，并且本发明的范围由所附权利要求书限定。
图1是说明根据一个实施例的用于图案化衬底112的系统100的框图。系统100包括控制器102、激光器104、束成形组件106、扫描镜组件108、聚焦透镜110和平台(stage)114。待图案化的衬底112被放置于平台114上。控制器102使激光器104生成激光束，激光束被输出到束成形组件106。束成形组件106对接收的激光束成形，并且输出经成形的激光束至扫描镜组件108。控制器102使得扫描镜组件108以期望的图案使所接收的激光束在衬底112上进行扫描。在撞击衬底112之前，激光束被聚焦透镜110聚焦到衬底112上。在一个实施例中，聚焦透镜110将激光束聚焦成在衬底112上的直径为1到100微米的光斑。激光光斑的直径依赖于所使用的聚焦透镜110。在一个特定实施例中，聚焦透镜110被配置成将激光束聚焦成在衬底112上的直径为10微米的光斑。
在一个实施例中，扫描镜组件108在两个维度上(例如，平行于衬底112平面的X和Y维度)使激光束在衬底112上进行扫描，从而允许在衬底112上描绘出二维图案。在一个实施例中，控制器102还被配置成使平台114移动，这允许系统100将激光束在更大的衬底112上进行扫描。在另一个实施例中，扫描镜组件108被保持在固定位置或不被使用，并且激光束和衬底112之间的相对移动仅通过平台114的移动来引起。在又一个实施例中，系统100被配置成在平台114和光学器件(例如，扫描镜组件108和聚焦透镜110)之间提供垂直移动(例如，沿垂直于衬底112平面的Z维度的移动)。
在一个实施例中，衬底112包括碳纳米管膜层。在一个实施例中，碳纳米管层是沉积为利用碳纳米管的聚集特性(collective property)的相互作用网络的纯的或基本上纯的碳纳米管栅网(mat)。当处于薄膜形式时碳纳米管是透明的，并且这与它们固有的柔性相结合，使得它们适于用在透明的柔性电子器件中。为了控制(harness)图案化导体的电子特性，在一个实施例中，克服纳米管之间的强相互作用，并且在膜沉积之前纳米管被解束(debundle)成单独的管。在一个实施例中，该解束过程是通过把碳纳米管处理成分散体(dispersion)来实现的。机械和/或化学处理可被用于实现稳定的解束溶液。在一个实施例中，将纳米管处理成分散体以便在分散体中表面活性剂的帮助下使用机械解束实现单独的管。声处理尖端被用于解束碳纳米管。
然后通过经过硝化纤维隔膜过滤固定量的分散体，来生成要被图案化的碳纳米管膜。在该膜定型(set)后，通过溶剂清洗除去表面活性剂。包含纳米管膜的隔膜然后被转移到衬底，并且在90℃下干燥2小时。通过将隔膜溶解于合适溶剂(如丙酮)中来除去该隔膜。可以执行若干次溶剂浴以确保隔膜被完全除去。这个工艺在衬底上产生碳纳米管膜，然后其能够被图案化成期望的特征。纳米管膜的厚度能够通过改变溶液中管的浓度来控制。
上述在衬底上形成碳纳米管膜的工艺在此处被称为真空过滤工艺。在另一个实施例中，通过喷墨工艺、喷涂、或凹版涂敷将碳纳米管膜沉积在衬底上。在一个实施例中，衬底112是直径为6英寸、直径为9英寸或A4尺寸的衬底。在另一个实施例中，衬底112是连续(continuous)衬底(例如，用于卷到卷处理)。
在一个实施例中，激光器104是工作在60kHz的11W的二极管泵浦固态脉冲紫外(UV)激光器。激光器104生成波长小于400nm的紫外激光，并且波长依赖于能量，所述能量等于或高于要被图案化的材料的结合能。在一个特定实施例中，激光器104生成波长为355nm且脉冲长度约为40纳秒的紫外激光。激光器104生成的激光束的能量由控制器102通过改变激光电流来控制。衬底112中的碳纳米管层与脉冲紫外辐射之间的相互作用导致碳纳米管分子中某些化学键的离解，使分子碎裂成更小的单元。在特定阈值能量之上，碳纳米管碎片被从衬底112的表面烧蚀掉。被烧蚀的材料的量随激光功率的增加而增加。
在示出的实施例中，控制器102包括用于存储图案信息118的存储器116，该图案信息118限定了控制器102使激光束在衬底112上描绘出的图案。在一个实施例中，图案信息118还包括激光功率信息，它限定了在激光束所遵循的图案中的各个点处要使用的激光功率。基于所存储的图案信息118，控制器102被配置成使得系统100以任意期望的图案使激光束在衬底112上进行扫描，并且当使激光束在衬底112上扫描时在单个工序中通过将激光功率改变成高于和低于烧蚀阈值而在衬底112中形成腔特征(例如，通道或微通道)。与传统光刻工艺相比，由根据一个实施例的系统100所执行的激光图案化提供了工序的减少，因为它在不需要光掩模和相关联的显影工艺的情况下提供碳纳米管膜中特征的图案化。在一个实施例中，系统100被配置成自动将碳纳米管膜图案化为宽度小于1微米的功能导电特征，如柔性的透明导电迹线、导线和电极。
图2A-2D是说明根据一个实施例的由在图1中示出的系统100图案化的衬底112的横截面视图的图。图2A中所示的衬底112A表示在由系统100图案化之前的示例衬底112。如图2A所示，衬底112A包括形成于衬底层206上的碳纳米管膜层204A。在一个实施例中，碳纳米管膜层204A是透明层并且具有小于1微米的厚度。在其它实施例中，碳纳米管膜层204A的厚度大于1微米，并且可以是或可以不是透明的。在一个实施例中，衬底层206是硅衬底、玻璃衬底或聚合物衬底。当激光器104的功率增大至碳纳米管层204A的烧蚀阈值之上时，材料被从碳纳米管层204A的表面烧蚀掉，导致在碳纳米管层204A中形成通道或腔210，如图2B的衬底112B中所示。碳纳米管材料的烧蚀将层204A转换成图案化的碳纳米管膜层204B。在图2B示出的实施例中，激光器104的功率足以使在目标位置的所有碳纳米管材料被烧蚀掉，导致在碳纳米管层中形成一直向下延伸到衬底层206的通道或腔210。
图2C示出了衬底112C，它表示在图案化的碳纳米管膜层204B上形成硬的可光致固化的抗蚀剂层214以及在抗蚀剂层214上形成第二碳纳米管膜层212A后的衬底112B。在一个实施例中，抗蚀剂层214是固化的、交联聚合物，如SU8。SU8是负性光致抗蚀剂材料。未固化的SU8可以是液态或干膜形式。液态SU8通过旋涂、喷涂或凹版涂敷被涂覆在衬底上。干SU8膜能够被层压到衬底上。SU8通常使用紫外和热固化步骤两者而固化。固化的SU8是变硬的交联聚合物，并且与线性聚合物相比具有更高的机械和热稳定性。
当激光器104的功率增大至碳纳米管层212A的烧蚀阈值之上时，材料被从碳纳米管层212A的表面烧蚀掉，导致在碳纳米管层212A中形成通道或腔210，如图2D的衬底112D中所示。碳纳米管材料的烧蚀将层212A转换成图案化的碳纳米管膜层212B。在图2D示出的实施例中，激光器104的功率足以使在目标位置的所有碳纳米管材料被烧蚀掉，导致在碳纳米管层中形成一直向下延伸到抗蚀剂层214的通道或腔210。
图3A-3D是说明根据另一个实施例的由在图1中示出的系统100图案化的衬底112的横截面视图的图。图3A所示的衬底112E表示在由系统100图案化之前的示例衬底112。如图3A所示，衬底112E包括碳纳米管膜层302A、硬的可光致固化的抗蚀剂层304以及衬底层306。碳纳米管膜层302A形成于抗蚀剂层304上，并且抗蚀剂层304形成于衬底层306上。在一个实施例中，碳纳米管膜层302A是透明层并且具有小于1微米的厚度。在其它实施例中，碳纳米管膜层302A的厚度大于1微米，并且可以是或可以不是透明的。在一个实施例中，抗蚀剂层304是不导电的、固化的、交联聚合物，如SU8。在一个实施例中，衬底层306是硅衬底、玻璃衬底或聚合物衬底。
当激光器104的功率增大至碳纳米管层302A的烧蚀阈值之上时，材料被从碳纳米管层302A的表面烧蚀掉，导致在碳纳米管层302A中形成通道或腔210，如图3B的衬底112F中所示。碳纳米管材料的烧蚀将层302A转换成图案化的碳纳米管膜层302B。在图3B示出的实施例中，激光器104的功率足以使在目标位置处的所有碳纳米管材料被烧蚀掉，导致在碳纳米管层中形成一直向下延伸到抗蚀剂层304的通道或腔210。
图3C示出了衬底112G，它表示在图案化的碳纳米管膜层302B上形成第二硬的可光致固化的抗蚀剂层310以及在抗蚀剂层310上形成第二碳纳米管膜层308A后的衬底112F。在一个实施例中，抗蚀剂层310是不导电的、固化的、交联聚合物，如SU8。当激光器104的功率增大至碳纳米管层308A的烧蚀阈值之上时，材料被从碳纳米管层308A的表面烧蚀掉，导致在碳纳米管层308A中形成通道或腔210，如图3D的衬底112H中所示。碳纳米管材料的烧蚀将层308A转换成图案化的碳纳米管膜层308B。在图3D示出的实施例中，激光器104的功率足以使在目标位置处的所有碳纳米管材料被烧蚀掉，导致在碳纳米管层中形成一直向下延伸到抗蚀剂层310的通道或腔210。
图4是示出根据一个实施例的各种类型的层的烧蚀与激光器104的激光电流之间的关系的曲线图400。曲线图400表示对于工作在60kHz并且提供355nm处的紫外光的激光器104所获得的结果。曲线图400中的左垂直轴表示激光器104的激光能量密度(单位为J/cm2)，右垂直轴表示激光强度(单位为W/cm2)，并且水平轴表示作为激光器104的最大激光电流的百分比的激光器104的激光电流。激光器104的能量密度由曲线402表示，并且激光器104的强度由曲线404表示。曲线402和404基本上是重叠的。
碳纳米管层的烧蚀阈值依赖于层的厚度。较厚的碳纳米管层具有黑色外观并且在此也被称为黑色碳纳米管层。较薄的碳纳米管层具有透明或基本透明的外观，并且在此也被称为透明碳纳米管层。已确定烧蚀厚的碳纳米管层所需的激光强度是烧蚀薄的透明碳纳米管层所需的激光强度的二分之一。
如图4所示，黑色碳纳米管层的烧蚀发生在激光器104的最大电流的大约71％到73％的范围408内。烧蚀范围408表示对于在硅衬底上形成的黑色碳纳米管层以及在SU8衬底上形成的黑色碳纳米管层获得的试验结果。薄的透明碳纳米管层的烧蚀发生在激光器104的最大电流的大约74％到76％的范围410内。烧蚀范围410表示对于在硅衬底上形成的薄的透明碳纳米管层所获得的试验结果。在给定的烧蚀范围408或410内，随着激光功率的增大，在碳纳米管层中形成的所得通道或腔变得越来越深。穿透深度也依赖于激光波长和被烧蚀材料的吸收。被烧蚀材料的吸收系数越高，在给定波长下的穿透深度越小。因此，在烧蚀效率和波长之间存在折衷，这取决于材料。
在图4中还示出了聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)的烧蚀范围406、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的烧蚀范围412和硅的烧蚀范围414。PET和PEN是用于透明应用的柔性衬底材料。因为烧蚀范围412和414高于碳纳米管层的烧蚀范围408和410，所以当碳纳米管层形成于下层的硅层或下层的PET层上时，碳纳米管层可以在不会不利地影响下层的硅或PET层的情况下被图案化。通过控制激光功率和切割速度(也就是，激光束在衬底112上扫描的速度)，碳纳米管层能够在不破坏这样的下层的硅或PET层的情况下被图案化。相比之下，烧蚀范围408和410高于PEN的烧蚀范围406，这表明PEN对于待图案化的碳纳米管层而言可能不是合适的下层衬底。尽管已在此处提及一些示例性的下层材料，但将要理解的是碳纳米管层能够在烧蚀阈值高于碳纳米管层的任何下层材料上被图案化。
图5是根据一个实施例的包括具有由图1所示系统100形成的腔特征210的碳纳米管层504的衬底112的光学显微镜图像。在图5所示实施例中，碳纳米管层504形成于并图案化于下层硅衬底上。通过使用位于或高于碳纳米管层504的烧蚀阈值的激光能量而形成腔特征210。在示出的实施例中，腔特征210是在碳纳米管层504中形成网格图案的微通道或微沟槽。在图5所示的实施例中，在激光入射的任何区域中已完全除去碳纳米管材料，这因此在这些区域中暴露出下层硅层的顶表面。在腔区210中从主衬底完全除去碳纳米管材料也被扫描电子显微照片(SEM)成像以及拉曼光谱术所证实。在一个实施例中，系统100被配置成在碳纳米管层中产生宽度(即线宽)约为0.5到50微米并且深度约为0到几百微米的腔特征210。
一个实施例提供了一种使用激光烧蚀来对用于柔性、透明的电子器件应用的碳纳米管薄膜进行直写图案化的系统和方法。根据一个实施例的系统和方法提供对碳纳米管膜的大区域、高分辨率的图案化。与例如使用网格掩模执行激光微调的方法之类的其它方法相比，根据一个实施例的方法提供了利用编程在其中的任何期望图案对非常大的碳纳米管区域进行更灵活的图案化，并且还能够在该图案上改变激光强度，以允许非常灵活的处理。根据一个实施例的图案化方法比例如光刻工艺之类的其它方法更高效，因为与多步骤光刻工艺相对比可以在一个工序中完成图案化。根据一个实施例的图案化方法与低温(例如低于150℃)处理需求兼容，因此使得能够在用于柔性衬底应用的塑料衬底上进行图案化。根据一个实施例的图案化方法还是无掩模的，并且可以被扩展(scalable)到米级尺度。根据一个实施例的图案化方法还能够实施卷到卷类型的处理。
尽管已在此处说明并描述了特定实施例，但是本领域普通技术人员将会认识到在不偏离本发明范围的情况下可以用多种替换的和/或等同的实施方式来代替所示出和描述的特定实施例。本申请意在覆盖此处所讨论的特定实施例的任何适配或变形。因此，本发明意欲仅由权利要求书以及等同物来限定。
Claims (10)
1.一种图案化碳纳米管层的方法，该方法包括：
提供包括碳纳米管层(204A)的衬底(112)；
生成激光束；
将所述激光束引导到所述碳纳米管层的第一表面上；以及
引起所述激光束和所述第一表面之间的相对移动，从而在所述第一表面上形成至少一个腔特征(210)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述碳纳米管层基本上是透明的。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述碳纳米管层的厚度小于大约1微米。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述衬底包括通过真空过滤工艺、喷墨工艺、喷涂工艺、或凹版涂敷工艺之一在衬底层(206)上形成的碳纳米管层。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括：
将激光束的功率改变成低于阈值以防止所述碳纳米管层的烧蚀；以及
将激光束的功率改变成高于所述阈值以造成所述碳纳米管层的烧蚀并且形成该至少一个腔特征。
6.根据权利要求1所述的方法，其中通过扫描镜(108)来引起相对移动，所述扫描镜(108)使激光束在第一表面上进行扫描。
7.根据权利要求1所述的方法，其中通过扫描镜(108)和移动平台(114)来引起相对移动，所述扫描镜(108)使激光束在第一表面上进行扫描，所述移动平台(114)移动所述衬底。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光束包括紫外光。
9.根据权利要求1所述的方法，其中以60kHz脉冲地产生所述激光束。
10.一种用于图案化碳纳米管层(204A)的系统(100)，所述系统包括：
激光器(104)，其被配置成生成被引导到所述碳纳米管层的第一表面上的激光束；
移动机构(108或114)，其被配置成引起所述激光束和所述第一表面之间的相对移动；以及
控制器(102)，其被配置成选择性地控制所述激光束的功率以选择性地在所述第一表面中形成腔特征(210)。
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