CN102560643B - 一种用于制备胶体晶体的模板及制作该模板的工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于制备胶体晶体的模板，包括制绒后的硅片作为基板，通过将浆料丝网印刷在所述基板上形成长条形纹路而构成模板，所述纹路在所述基板上呈间隔并列排布以使胶粒被围括在各相邻的纹路之间。还公开了制作上述模板的工艺方法。本发明可实现该模板快速、稳定地生产，使得制备胶体晶体可采用工业化生产，以达到大规模、批量生产的目的，为需要规则化图形的半导体生产提供了基本便利条件；使用本发明制备的胶体晶体，具有胶体晶体覆盖面积大、缺陷数量少、阵列方向可控及厚度容易控制等优点；另外，实现本发明工艺方法的设备采用现有的丝网印刷设备改造而成，制作成本低，生产效率高，碎片率低。

Description

一种用于制备胶体晶体的模板及制作该模板的工艺方法

技术领域

本发明涉及材料自组装技术领域，尤其是涉及一种用于制备胶体晶体的模板，还涉及制作该模板的工艺方法。

背景技术

胶体晶体(Colloidal Crystal)是一种长程有序的介观尺度的胶粒所形成的阵列结构。通常构成胶体晶体的胶粒是形状单一且大小尺寸基本一致的介观尺度的球形有机或无机材料。

现有形成胶体晶体的方法有多种，主要有重力自沉积法、垂直生长法、重力提拉法、电化学方法、强制生长法及磁性组装法等。这些方法的特点是采用了电、声、热、重力、表面张力等作用来推动胶粒在液体中自行运动到局域上最稳定的位置停留下来，将这种半成品再人为热处理后，形成体心密排(BCC)或者面心立方密排(FCC)的结构，这时就形成了胶体晶体。

胶粒形成胶体晶体后，形状会有微小变化，球形胶粒彼此间接触的方式会由点接触变成面接触，从而令胶体晶体更加稳定。但胶粒球体形状的改变尺度并不大(尺度改变小于6％)，这就导致胶体晶体内有很多的空隙。当我们控制热处理的温度时，就可以控制胶体晶体内的空隙大小；当我们控制胶体晶体的层数以后，就可以利用胶体晶体内部的空隙作为液体或者气体的通道，从而为其他特殊结构的制备工艺提供便利条件。

但是，现有的生长胶体晶体的方法中，普遍存在着胶体晶体有较多点空位、层错和龟裂等缺陷，阻碍了胶体晶体在工业生产上的应用。为了解决上述问题，目前，出现了模板生长法，其是利用适当的条纹或者其他图案作为模板，在模板上自组装含有胶粒的乳液，从而形成胶体晶体。这种方法的优势在于：模板可以控制胶粒的排列方式以及胶粒间的距离，并有效防止点缺陷扩散形成层错，也能有效防止龟裂的形成。然而，该方法的缺点是：由于条纹要求在10²mm尺度上实现内部微观10^-2～10^-3mm量级的精确性，将条纹图案作为模板用来制备胶体晶体时，模板制作缺乏系统性，而且缺乏产业应用的成熟经验，使得模板无法实现批量生产。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种可大规模工业化生产、可准确控制条纹精确度、提高生产效率、成本较低、碎片率低的制备胶体晶体的模板。

本发明的第一个目的通过以下的技术措施来实现：一种用于制备胶体晶体的模板，其特征在于包括制绒后的硅片作为基板，通过将浆料丝网印刷在所述基板上形成长条形纹路而构成模板，所述纹路在所述基板上呈间隔并列排布以使胶粒被围括在各相邻的纹路之间。

本发明在制备胶体晶体的模板的过程中使用了丝网印刷工艺，因此可实现该模板快速、稳定地生产，使得制备胶体晶体可采用工业化生产，以达到大规模、批量生产的目的，为需要规则化图形的半导体生产提供了基本便利条件；使用本发明制备的胶体晶体，具有胶体晶体覆盖面积大(S≥0.024m²)、缺陷数量少(N_defect≤3/mm²)、阵列方向可控(α＝30°)、厚度容易控制(ξ∈[1，3]，ξ为整数)等优点；另外，实现本发明工艺方法的设备采用现有的丝网印刷设备改造而成，制作成本低，生产效率高，碎片率低。

作为本发明的一种实施方式，所述浆料采用银浆、锂浆或者丙烯酸酯等具有适当流动性的且在一定温度下能够发生聚合反应的化学材料。

作为本发明的优选实施方式，所述纹路为直条纹，所述直条纹的高度范围是15～40μm。

本发明还可以有以下实施方式：

所述直条纹之间的间距是100～200μm。

所述胶粒的直径范围为0.5μm～1.5μm；优选胶粒的直径范围为0.6μm～0.8μm。

本发明的第二个目的在于提供一种制作上述用于制备胶体晶体模板的工艺方法。

本发明的第二个目的通过以下的技术措施来实现：一种制作上述用于制备胶体晶体模板的工艺方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)确定网版图形：网版图形为间隔并列排布的长条形纹路，相邻纹路间距为100～200μm，纹路的宽度为30-70μm；

(2)制作网版；

(3)将网版安装在丝网印刷设备中，光电对准后，在网版的上表面涂布浆料，调试丝网印刷设备的运行参数；

(4)以制绒后的硅片作为基板放置在网版的下方，开启丝网印刷设备，丝网印刷在基板上形成间隔并列排布的长条形纹路，得到模板半成品；

(5)加热由步骤(4)所得模板半成品直至长条形纹路定型固化；

(6)获得模板成品。

作为本发明的实施方式，所述步骤(3)的运行参数包括刮刀速度、传送速度、网版与基板的初始距离；其中，刮刀速度为0.02～0.2m/s，网版与基板的初始距离为3～20mm，传送速度为0.02～0.2m/s。

本发明还可以具有以下实施方式，所述步骤(5)的加热温度为60～200℃；所述步骤(5)的定型固化过程采用红外线辐射进行热处理；所述网版的丝网厚度为10～30μm、目数为290～400目。丝网的厚度实指感光胶膜与丝网的总体厚度。

与现有技术相比，本发明具有如下显著的效果：

(1)本发明在制备胶体晶体的模板的过程中使用了丝网印刷工艺，因此可实现该模板快速、稳定地生产，使得制备胶体晶体可采用工业化生产，以达到大规模、批量生产的目的，为需要规则化图形的半导体生产提供了基本便利条件。

(2)本发明在制绒的硅片上采用丝网印刷制备条纹，可以作为胶体晶体生长的模板，通过该模板制备的胶体晶体，具有胶体晶体覆盖面积大(S≥0.024m²)、缺陷数量少(N_defect≤3/mm²)、阵列方向可控(α＝30°)、厚度容易控制(ξ∈[1，3]，ξ为整数)等优点。

(3)本发明制作工艺中所采用的设备是采用现有的丝网印刷设备改造而成，即另外增设热处理设备及隔热挡板，因此制作成本低，且生产效率高，碎片率低，能够提高产品的品质。

(4)本发明制作工艺简单，容易实现，特别适合作为胶粒自沉积工艺制备胶体晶体的场合。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1是由本发明模板的侧视图；

图2是由本发明模板的俯视图(未画出基板)；

图3是本发明工艺流程示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1、2所示，是本发明一种用于制备胶体晶体的模板，包括制绒后的硅片作为基板4，通过将浆料2丝网印刷在基板4上形成长条形纹路而构成模板，在本实施例中，浆料2采用银浆，纹路为直条纹9，直条纹9的高度是15μm，直条纹9之间的间距是100μm。直条纹9在基板4上呈间隔并列排布以使胶粒10被围括在各相邻的直条纹9之间。

如图3所示，制作上述用于制备胶体晶体模板的工艺方法，包括以下步骤：

(1)确定网版图形：网版图形为间隔并列排布的长条形纹路，相邻纹路间距为100μm，纹路的宽度为30μm；

胶粒10的直径尺寸为0.6μm，选用厚度为10μm、目数为290目的丝网，丝网采用细钢丝制成，感光胶膜的厚度为16±1μm，丝网张力为27～31N，丝网与网框的最大夹角为22.5°；胶粒10呈球形，粒度分布均匀，胶粒10分布在去离子水中，形成白色乳液，乳液的质量百分比浓度为0.15％。

(2)制作网版3；

(3)将网版3安装在丝网印刷设备中，光电对准后，在网版3的上表面涂布浆料2银浆，调试丝网印刷设备的运行参数，其中，刮刀1的速度为0.02m/s，网版3与基板4的初始距离为3mm，传送带5的传送速度为0.02m/s，传送带5运动时，会在基板于丝网印刷位置及热处理位置暂停；

(4)以制绒后的硅片作为基板4放置在网版3的下方，开启丝网印刷设备，丝网印刷在基板4上形成间隔并列排布的长条形纹路即直条纹9，得到模板半成品，其中，丝网印刷时，网版3与基板4之间距离为0.5～3mm；

(5)加热由步骤(4)所得模板半成品直至60℃以使直条纹9定型固化，该定型固化过程采用红外线辐射7进行热处理；

(6)获得模板成品。

本发明所采用的丝网印刷工艺为现有工艺，即在制造晶体硅太阳能电池过程中丝网印刷栅线时使用，实现本发明工艺方法的设备是在现有丝网印刷设备上改造而成，增设了用于进行红外线辐射的热处理设备，它安装在完成丝网印刷工序后的位置，并且为了避免热处理过程对丝网印刷工序产生不良影响，在丝网印刷设备与热处理设备之间加装了隔热挡板8。

网版制作也采用现有工艺，一般包括拉网、涂胶、曝光、感光、冲胶、定型及包装等工序。

实施例2

本实施例与实施例1的区别之处在于：浆料2采用锂浆，直条纹9的高度是25μm，直条纹9之间的间距是150μm。

制作上述用于制备胶体晶体模板的工艺方法，包括以下步骤：

(1)确定网版图形：网版图形为间隔并列排布的长条形纹路，相邻纹路间距为150μm，纹路的宽度为50μm；

胶粒10的直径尺寸为0.8μm，网版3的丝间距为20μm，选用厚度为20μm、目数为325目的丝网；

(2)制作网版3；

(3)将网版3安装在丝网印刷设备中，光电对准后，在网版3的上表面涂布浆料2锂浆，调试丝网印刷设备的运行参数，其中，刮刀1的速度为0.15m/s，网版3与基板4的初始距离为10mm，传送带5的传送速度为0.1m/s；

(4)以制绒后的硅片作为基板4放置在网版3的下方，开启丝网印刷设备，丝网印刷在基板4上形成间隔并列排布的长条形纹路即直条纹9，得到模板半成品；

(5)加热由步骤(4)所得模板半成品直至100℃以使直条纹9定型固化，该定型固化过程采用红外线辐射7进行热处理；

(6)获得模板成品。

实施例3

本实施例与实施例1的区别之处在于：浆料2采用丙烯酸酯，直条纹9的高度是40μm，直条纹9之间的间距是1.5μm。

制作上述用于制备胶体晶体模板的工艺方法，包括以下步骤：

(1)确定网版图形：网版图形为间隔并列排布的长条形纹路，相邻纹路间距为200μm，纹路的宽度为70μm；胶粒10的直径尺寸为1.5μm，选用厚度为30μm、目数为400目的丝网；

(2)制作网版3；

(3)将网版3安装在丝网印刷设备中，光电对准后，在网版3的上表面涂布浆料2丙烯酸酯，调试丝网印刷设备的运行参数，其中，刮刀1的速度为0.2/s，网版3与基板4的初始距离为20mm，传送带5的传送速度为0.2m/s；

(4)以制绒后的硅片作为基板4放置在网版3的下方，开启丝网印刷设备，丝网印刷在基板4上形成间隔并列排布的长条形纹路即直条纹9，得到模板半成品；

(5)加热由步骤(4)所得模板半成品直至200℃以使直条纹9定型固化，该定型固化过程采用红外线辐射7进行热处理；

(6)获得模板成品。

本发明浆料具体采用银浆、锂浆及丙烯酸酯等化学材料均是购买的现有产品。

本发明的实施方式不限于此，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (4)

1.一种制作用于制备胶体晶体模板的工艺方法，其特征在于包括以下步骤：

⑴确定网版图形：网版图形为间隔并列排布的长条形纹路，相邻纹路间距为100～200μm，纹路的宽度为30～70μm；

⑵制作网版，所述网版的丝网厚度为10～30μm、目数为290～400目；

⑶将网版安装在丝网印刷设备中，光电对准后，在网版的上表面涂布浆料，调试丝网印刷设备的运行参数；

⑷以制绒后的硅片作为基板放置在网版的下方，开启丝网印刷设备，丝网印刷在基板上形成间隔并列排布的长条形纹路，得到模板半成品；

⑸加热由步骤⑷所得模板半成品直至长条形纹路定型固化；

⑹获得模板成品。

2.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：所述步骤⑶的运行参数包括刮刀速度、传送速度、网版与基板的初始距离；其中，刮刀速度为0.02～0.2m/s，网版与基板的初始距离为3～20mm，传送速度为0.02～0.2m/s。

3.根据权利要求2所述的工艺方法，其特征在于：所述步骤⑸的加热温度为60～200℃。

4.根据权利要求3所述的工艺方法，其特征在于：所述步骤⑸的定型固化过程采用红外线辐射进行热处理。