JP2007528796A - Micrometer direct writing method for patterning conductors and application to flat panel display repair - Google Patents

Micrometer direct writing method for patterning conductors and application to flat panel display repair Download PDF

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Abstract

ミクロンおよびサブミクロンサイズの形体を有する導電性金属トレースを直接書き込む新規な低温法。この方法では、チップを有してもよいし有しなくてもよい平坦なビーム、たとえばAFMカンチレバーを使用して、金属前駆体インクのトレースを基材上に引く。金属トレースの寸法は、カンチレバーの形状によって直接制御することができ、そのため、微細加工カンチレバーによって1ミクロンから100ミクロン超の幅のトレースを制御可能に付着させることができる。先鋭なチップを有するカンチレバーを使用して最小形体サイズをサブミクロンスケールまでさらに減らすことができる。形体の高さは、類似材料または異種材料の層を構築することによって増すことができる。この付着法によって導電率が高くロバストなパターンを得るために、二つの一般的なインク調合法が設計された。両インク系の主要成分は直径100nm未満のナノ粒子である。ナノ粒子は通常、バルク材料よりも有意に低い融点を有するため、ばらばらの粒子の集合を非常に低い温度(300℃未満、さらには約120℃)で融解、焼結または凝集させて連続(多)結晶質膜にすることができる。第一の方法では、炭化水素キャップしたナノ粒子を適当な溶媒中に分散させ、それをパターンの形で表面に付着させたのち、加熱によって膜を焼鈍して連続金属パターンを形成することができる。第二の方法では、還元性マトリックスの存在で金属化合物を表面に運び、次いで、加熱によってその場でナノ粒子を形成すると、それが続いて凝集して連続金属パターンを形成する。白金および金インクを用いた研究では、いずれのナノ粒子ベースの方法も、低い抵抗率(4マイクロオーム.cm)および優れた接着性を有するミクロンサイズのトレースをガラスおよび酸化ケイ素上に形成した。

Figure 2007528796
A novel low temperature method for directly writing conductive metal traces having micron and submicron sized features. In this method, a trace of metal precursor ink is drawn on a substrate using a flat beam, which may or may not have a tip, such as an AFM cantilever. The size of the metal trace can be directly controlled by the shape of the cantilever, so that traces from 1 micron to over 100 microns wide can be controllably deposited by the microfabricated cantilever. Cantilevers with sharp tips can be used to further reduce the minimum feature size to submicron scale. The height of the feature can be increased by building a layer of similar or dissimilar materials. In order to obtain a robust pattern with high conductivity by this deposition method, two general ink formulations were designed. The main component of both ink systems is nanoparticles with a diameter of less than 100 nm. Nanoparticles typically have a significantly lower melting point than bulk materials, so that a collection of discrete particles can be melted, sintered, or agglomerated at very low temperatures (less than 300 ° C, or even about 120 ° C) for continuous (multiple ) It can be a crystalline film. In the first method, hydrocarbon-capped nanoparticles can be dispersed in a suitable solvent, deposited on the surface in the form of a pattern, and then the film can be annealed by heating to form a continuous metal pattern. . In the second method, the metal compound is carried to the surface in the presence of a reducing matrix and then formed in situ by heating, which subsequently aggregates to form a continuous metal pattern. In studies using platinum and gold inks, both nanoparticle-based methods formed micron-sized traces on glass and silicon oxide with low resistivity (4 microohms.cm) and excellent adhesion.
Figure 2007528796

Description

発明の分野
本発明は一般に、(i)カンチレバーマイクロデポジションと呼ぶことができる、インクで被覆されたマイクロ加工(チップレス)カンチレバーを使用するミクロンスケールの直接書き込みパターン付け法、および(ii)フラットパネルディスプレー修復、特にTFT LCD(薄膜トランジスタ液晶ディスプレー)修復へのその用途に関する。
FIELD OF THE INVENTION The present invention is generally referred to as (i) a micron-scale direct write patterning method using an ink-coated microfabricated (chipless) cantilever, which can be referred to as cantilever microdeposition, and (ii) flat It relates to panel display restoration, especially its application to TFT LCD (Thin Film Transistor Liquid Crystal Display) restoration.

優先権
本出願は、全体として参照により組み入れられる、2004年2月25日出願の米国特許仮出願第60/547,091号(代理人番号083847-0234)の優先権を主張する。本出願は、2003年8月26日出願の米国特許通常出願第10/647,430号(代理人番号083847-0200)の一部係属出願でもあり、2002年8月26日出願の米国特許仮出願第60/405,741号(代理人番号083847-0150)の優先権を主張する。
This application claims the priority of US Provisional Application No. 60 / 547,091 (Attorney No. 083847-0234) filed February 25, 2004, which is incorporated by reference in its entirety. This application is also a partially pending application of US Patent Application No. 10 / 647,430 (Attorney No. 083847-0200) filed on August 26, 2003. Claim priority of 60 / 405,741 (Agent number 083847-0150).

背景
多くの現在の振興技術分野においては、材料、特に金属および半導体をミクロンおよびサブミクロンサイズの形体のパターンで付着させることができる直接書込み技術が商業的に強く要望されている。大部分のマイクロエレクトロニクス装置はフォトリソグラフィー技術によって製造されるが、直接書き込み技術の必要性は、加法的欠損修復および回路修正の分野で特に顕著である。たとえば、損傷または欠損したフォトマスクは、ナノスケール形体上の欠失材料の加法的修復に適当したツールの欠如のせいで、マイクロエレクトロニクス産業にとってきわめて高いコストにおいて廃棄されている。ミクロン長スケールでは、フラットパネルディスプレー(FPD)における薄膜トランジスタ(TFT)アレイの金属部品への損傷は、ミクロンサイズの導電トレースを付着させるための迅速で廉価な方法の欠如のせいで、修復しにくい。装置を製造するためにフォトリソグラフィーを実施することができるが、それには、その技術を少量の高性能部品またはプロトタイプ用途の場合に途方もなく高くつくものにする複雑で高額な機器使用を要する。このような場合、直接書き込み法のような他の技術が独自の利点および能力を提供することができる。もっとも一般的な直接書き込み技術として、インクジェット印刷は、生物学的分子からマイクロエレクトロニクス材料まで種々の範囲の材料に印刷するための簡便でフレキシブルな方法を提供する。しかし、この技術の解像度は一般に、多くの用途には不十分である15〜200ミクロンサイズのドットに限定される(例えばEdwardsらへの、米国特許出願第2004/0261700号参照)。他の直接書き込みツール、たとえばレーザアシスト付着、電子またはイオンビームリソグラフィーは、同様な解像度の制限を受けるか、多くの用途にとって費用がかかりすぎるか、能動的および受動的なマイクロエレクトロニクスまたはオプトエレクトロニクス部品の直接製造または修復への適用を妨げる重大な材料制限を抱えている。特に、電子ビームリソグラフィー、イオンビーム微細加工、レーザまたは電子ビームアシスト化学蒸着は(部分的な)真空を要し、それが、非常に大きなフラットパネル(たとえばワイドTVまたはコンピュータ画面)の場合には法外に高くつく。
BACKGROUND In many current developmental technical fields, there is a strong commercial need for direct write technology that can deposit materials, particularly metals and semiconductors, in patterns of micron and submicron sized features. Although most microelectronic devices are manufactured by photolithography technology, the need for direct writing technology is particularly significant in the areas of additive defect repair and circuit correction. For example, damaged or missing photomasks are discarded at a very high cost for the microelectronics industry due to the lack of tools suitable for additive repair of missing materials on nanoscale features. At the micron long scale, damage to thin film transistor (TFT) array metal parts in flat panel displays (FPDs) is difficult to repair due to the lack of a quick and inexpensive method for depositing micron sized conductive traces. Although photolithography can be performed to manufacture the device, it requires complex and expensive equipment use that makes the technology tremendously expensive for small quantities of high performance components or prototype applications. In such cases, other techniques, such as direct writing, can provide unique advantages and capabilities. As the most common direct writing technique, inkjet printing provides a simple and flexible method for printing on a range of materials, from biological molecules to microelectronic materials. However, the resolution of this technique is generally limited to 15-200 micron sized dots that are insufficient for many applications (see, eg, US Patent Application No. 2004/0261700 to Edwards et al.). Other direct writing tools such as laser assisted deposition, electron or ion beam lithography are subject to similar resolution limitations, are too expensive for many applications, or are active and passive microelectronic or optoelectronic components. Has serious material limitations that prevent direct manufacturing or repair applications. In particular, electron beam lithography, ion beam microfabrication, laser or electron beam assisted chemical vapor deposition requires a (partial) vacuum, which is the case for very large flat panels (eg wide TV or computer screens). It is expensive outside.

概要
非限定的な概要を使用して本発明をさらに説明する。100ミクロンからサブミクロン寸法までの制御可能な形体サイズを提供する、導電性金属形体を書き込むための新規な接触法が開発された。この方法では、(微細加工)カンチレバーにたとえば分子またはナノ粒子状インクを装填することができ、このインクを、表面に接触させることにより、たとえばラインまたはドットパターンの形態でごく少量ずつ小出しする。本形態では、カンチレバーの装填および付着を受動的に実施することができる。しかし、微細加工カンチレバーの複雑さを増すことにより、さらなるシステムが能動的なインク送り出しを組み込むことができる。加えて、この方法とで適合性である多数の金属前駆体インク系が開発されて、多数の異なる金属および金属酸化物材料でパターン付けを実施することができるようになった。重要なことには、前駆体インクは、周囲環境条件下でパターン付けし、比較的低い温度で金属膜に転換することができ、そのおかげで、高温加工に耐えられない基材、たとえばプラスチックにも塗布することができる。
Overview The present invention is further described using a non-limiting overview. A novel contact method has been developed for writing conductive metal features that provides controllable feature sizes from 100 microns to sub-micron dimensions. In this method, (microfabricated) cantilevers can be loaded with, for example, molecular or nanoparticulate ink, which is dispensed in small amounts, for example in the form of lines or dot patterns, by contacting the surface. In this embodiment, cantilever loading and deposition can be performed passively. However, by increasing the complexity of microfabricated cantilevers, additional systems can incorporate active ink delivery. In addition, a number of metal precursor ink systems that are compatible with this method have been developed to allow patterning with a number of different metals and metal oxide materials. Importantly, the precursor ink can be patterned under ambient environmental conditions and converted to a metal film at a relatively low temperature, which allows substrates such as plastics that cannot withstand high temperature processing to be made. Can also be applied.

好ましい態様で、本発明は、たとえば導電性金属または金属前駆体に対して書き込む方法であって、カンチレバー端を有する、チップレスカンチレバーであることができるカンチレバーを提供する工程、カンチレバー端に配置されたインクを提供する工程、基材表面を提供する工程、およびインクがカンチレバー端から基材表面に運ばれるようにカンチレバー端または基材表面を動かす工程を含む方法を提供する。基材表面を動かし、カンチレバーを固定状態に保持することもできるし、基材表面を動かし、カンチレバーを固定状態に保持することもできる。インク送り出しを生じさせる動きは、一般に、カンチレバーと基材表面との接触を生じさせることができるが、おそらくはカンチレバーと表面との間にインクがあってもよい。   In a preferred embodiment, the present invention is a method for writing to a conductive metal or metal precursor, for example, providing a cantilever having a cantilever end, which can be a tipless cantilever, disposed at the cantilever end. A method is provided that includes providing ink, providing a substrate surface, and moving the cantilever end or substrate surface such that ink is carried from the cantilever end to the substrate surface. The substrate surface can be moved to hold the cantilever in a fixed state, or the substrate surface can be moved to hold the cantilever in a fixed state. The movement that causes ink delivery can generally cause contact between the cantilever and the substrate surface, although there may possibly be ink between the cantilever and the surface.

もう一つの好ましい態様で、本発明は、導電性金属または金属前駆体に対して書き込む方法であって、それぞれがカンチレバー端を有する、端部にチップを含むこともできるし、チップレスカンチレバーであることもでき、約1ミクロン〜約20ミクロンであるギャップを間に有する二つ以上のカンチレバーを提供する工程、ギャップに配置されたインクを提供する工程、基材表面を提供する工程、インクがギャップから基材表面に運ばれるように二つ以上のカンチレバーをギャップおよび基材表面と接触させる工程を含む方法を提供する。   In another preferred embodiment, the present invention is a method for writing to a conductive metal or metal precursor, each of which has a cantilever end, can include a tip at the end, or is a tipless cantilever And providing two or more cantilevers with a gap between about 1 micron and about 20 microns, providing an ink disposed in the gap, providing a substrate surface, providing ink with a gap A method comprising contacting two or more cantilevers with the gap and the substrate surface to be carried from the substrate to the substrate surface.

本発明はまた、マイクロリソグラフィーまたはナノリソグラフィーのためのインク調合物であって、一つまたは複数の金属塩および一つまたは複数の溶媒を含み、金属塩の濃度が約1mg/100μL〜約500mg/100μLであるインク調合物を提供する。金属塩の量は、適当な分散および適当な質量密度ならびに所与の用途のための厚さを提供するのに十分な高さに調節することができる。   The present invention also provides an ink formulation for microlithography or nanolithography comprising one or more metal salts and one or more solvents, wherein the metal salt concentration is about 1 mg / 100 μL to about 500 mg / Provide an ink formulation that is 100 μL. The amount of metal salt can be adjusted to a height sufficient to provide a suitable dispersion and a suitable mass density and thickness for a given application.

本発明はまた、導電性金属に対して直接書き込む方法であって、カンチレバー端を有する、チップレスカンチレバーであるカンチレバーを提供する工程、カンチレバー端に配置された、金属ナノ粒子を含むインクを提供する工程、基材表面を提供する工程、インクがカンチレバー端から基材表面に運ばれるようにカンチレバー端と基材表面とを接触させる工程を含む方法を提供する。   The present invention also provides a method of writing directly to a conductive metal, the step of providing a cantilever that is a tipless cantilever having a cantilever end, an ink comprising metal nanoparticles disposed at the cantilever end. There is provided a method comprising the steps of: providing a substrate surface; contacting the cantilever edge with the substrate surface such that ink is carried from the cantilever edge to the substrate surface.

本発明の重要な利点は、ある特定のシステムに関して多様な異なるサイズ、たとえば約1ミクロン〜約15ミクロンまたは横方向寸法、たとえば長さおよび幅に関して約1ミクロン〜約10ミクロン(たとえば一桁)で、優れた制御をもって作動する能力を含む。ノズルまたはピペットの目詰まりに関する問題を多くの態様で回避することができる。これを実施するための機器使用は比較的簡単であり、たとえば高真空を要しない。見当合わせおよび融通性は優れている。量産および使い捨てが可能である。   An important advantage of the present invention is in a variety of different sizes for a particular system, such as from about 1 micron to about 15 microns or lateral dimensions, such as from about 1 micron to about 10 microns (eg, single digit) for length and width. Including the ability to operate with excellent control. Problems with nozzle or pipette clogging can be avoided in many ways. Equipment use to implement this is relatively simple and does not require high vacuum, for example. Registration and flexibility are excellent. Mass production and disposable are possible.

加えて、番号を付した一連の態様が提供される。
1. 導電被覆を所望のパターンで基材に付着させる方法であって、ナノリソグラフィーにより、前駆体で被覆されたチップを使用して、前駆体を所望のパターンで基材に付着させる工程、前駆体を配位子と接触させる工程、電子を配位子から前駆体に移動させるのに十分なエネルギーを加え、それにより、前駆体を分解して導電性析出物を所望のパターンで形成し、それによって導体パターンを直接基材上に形成する工程を含む方法。
2. チップがナノスコピックチップである、1記載の方法。
3. チップが走査プローブマイクロスコピックチップである、1記載の方法。
4. チップが原子間力顕微鏡チップである、1記載の方法。
5. 被覆が少なくとも約80%の純度の金属を含む、1記載の方法。
6. 被覆が約10オングストローム未満の厚さの金属を含む、1記載の方法。
7. 被覆が少なくとも約100オングストロームの厚さの金属を含む、1記載の方法。
8. 前駆体が、カルボン酸塩、ハロゲン化物、擬ハロゲン化物および硝酸塩からなる群より選択される塩を含む、1記載の方法。
9. 前駆体がカルボン酸塩を含む、1記載の方法。
10. パターンが回路を含む、1記載の方法。
11. 配位子が、アミン、アミド、ホスフィン、硫化物およびエステルからなる群より選択される物質を含む、1記載の方法。
12. 配位子が、窒素供与体、硫黄供与体およびリン供与体からなる群より選択される、1記載の方法。
13. 析出物が金属を含む、1記載の方法。
14. 析出物が、銅、亜鉛、パラジウム、白金、銀、金、カドミウム、チタン、コバルト、鉛、スズ、ケイ素およびゲルマニウムからなる群より選択される、1記載の方法。
15. 析出物が導体を含む、1記載の方法。
16. 析出物が半導体を含む、1記載の方法。
17. 基材が非導体を含む、1記載の方法。
18. 基材が導体および半導体の少なくとも一つを含む、1記載の方法。
19. エネルギーを加える工程が、熱を加えることを含む、1記載の方法。
20. エネルギーを加える工程が、赤外線またはUV線を加えることを含む、1記載の方法。
21. エネルギーを加える工程が、振動エネルギーを加えることを含む、1記載の方法。
22. 前駆体が、カルボン酸塩、ハロゲン化物、擬ハロゲン化物、硝酸塩からなる群より選択される塩を含み、配位子が、アミン、アミド、ホスフィン、硫化物およびエステルからなる群より選択される物質を含む、1記載の方法。
23. 析出物が、銅、亜鉛、パラジウム、白金、銀、金、カドミウム、チタン、コバルト、鉛、スズ、ケイ素およびゲルマニウムからなる群より選択される、19記載の方法。
24. エネルギーを加えるステップが、輻射熱を加えることを含む、19記載の方法。
25. 導電性金属を所望のパターンで基材に印刷する方法であって、
ナノリソグラフィーにより、前駆体で被覆されたチップを使用して、金属前駆体および配位子を所望のパターンにしたがって直接基材上に引く工程、および
エネルギーを加えることによって前駆体を分解して、基材から実質的な量の前駆体を除去することなく、また、基材から実質的な量の金属を除去することなく、導電性金属を所望のパターンで形成する工程
を含む方法。
26. 金属パターンが、不純物が約20重量%未満である実質的に純粋な金属を含む、25記載の方法。
27. 分解する工程が熱分解を含む、25記載の方法。
28. 分解する工程が、約300℃未満の温度で熱分解することを含む、25記載の方法。
29. 金属が、元素金属、合金、金属/金属複合材、金属セラミックス複合材および金属ポリマー複合材からなる群より選択される、25記載の方法。
30. 金属前駆体をチップから基材に付着させてナノ構造を形成し、次いで、前駆体ナノ構造を金属付着物に転換する工程を含むナノリソグラフィー法。
31. チップと基材との間に電気バイアスを使用せずに付着および転換を実施する、30記載の方法。
32. 基材の他に化学薬剤を使用して付着および転換を実施する、30記載の方法。
33. チップがナノスコピックチップである、30記載の方法。
34. チップが走査プローブマイクロスコピックチップである、30記載の方法。
35. チップがAFMチップである、30記載の方法。
36. チップと基材との間に電気バイアスを使用せずに付着および転換を実施する、35記載の方法。
37. 多層を形成するために繰り返される、30記載の方法。
38. チップが、前駆体と反応しないように適合されている、30記載の方法。
39. 少なくとも一つのナノワイヤを別の構造と接続するために使用される、30記載の方法。
40. 少なくとも二つの電極を接続するために使用される、30記載の方法。
41. センサを調製するために使用される、30記載の方法。
42. リソグラフィーテンプレートを製造するために使用される、30記載の方法。
43. バイオセンサを調製するために使用される、30記載の方法。
44. 本質的に金属前駆体からなるインク組成物をナノスコピックチップから基材に付着させてナノ構造を形成し、次いで、ナノ構造の金属前駆体を金属形態に転換する工程から本質的になるナノリソグラフィー法。
45. 転換が、化学薬剤を使用しない熱転換である、44記載の方法。
46. 転換が、還元剤を使用して実施される化学転換である、44記載の方法。
47. 還元剤を蒸気状態で使用して転換を実施する、44記載の方法。
48. チップがAFMチップである、44記載の方法。
49. チップが、前駆体と反応しない表面を含む、44記載の方法。
50. 多層構造を形成するために複数回繰り返される、44記載の方法。
51. インクと基材との間に電気化学的バイアスまたは反応を使用せずに印刷する方法であって、金属前駆体インク組成物をチップからミクロ構造またはナノ構造の形態で基材に付着させて、互いに約1ミクロン未満離れたばらばらの物体を有するアレイを形成する工程を含む方法。
52. 前駆体から金属を形成する工程をさらに含む、51記載の方法。
53. ばらばらの物体が互いに約500nm以下離れている、51記載の方法。
54. ばらばらの物体が互いに約100nm以下離れている、51記載の方法。
55. カンチレバー端を有する、端部にチップを含むこともできるし、チップレスカンチレバーであることもできるカンチレバーを提供する工程、
カンチレバー端に配置されたインクを提供する工程、
基材表面を提供する工程、
インクがカンチレバー端から基材表面に運ばれるようにカンチレバー端と基材表面とを接触させる工程
を含む方法。
56. 基材表面を動かし、カンチレバーを固定する、55記載の方法。
57. 基材表面を固定し、カンチレバーを動かす、55記載の方法。
58. カンチレバーがチップレスカンチレバーである、55記載の方法。
59. カンチレバーがカンチレバー端にチップを含む、55記載の方法。
60. インクが一つまたは複数の金属を含む、55記載の方法。
61. インクが一つまたは複数の金属塩を含む、55記載の方法。
62. インクが一つまたは複数の金属ナノ粒子を含む、55記載の方法。
63. インクが一つまたは複数の疎水性ナノ粒子を含む、55記載の方法。
64. インクが一つまたは複数の親水性ナノ粒子を含む、55記載の方法。
65. インクが、有機シェルを有する一つまたは複数の金属ナノ粒子を含む、55記載の方法。
66. インクが、絶縁シェルを有する一つまたは複数の金属ナノ粒子を含む、55記載の方法。
67. インクが疎水性インクである、55記載の方法。
68. インクが親水性インクである、55記載の方法。
69. インクが疎水性インクであり、基材表面が疎水面である、55記載の方法。
70. インクが親水性インクであり、基材表面が親水面である、55記載の方法。
71. インクが疎水性薬剤および親水性薬剤の両方を含む、55記載の方法。
72. インクが、約100nm以下の平均直径を有する一つまたは複数の金属ナノ粒子を含む、55記載の方法。
73. インクが一つまたは複数の生物学的分子を含む、55記載の方法。
74. インクが一つまたは複数のペプチドまたはタンパク質を含む、55記載の方法。
75. インクが一つまたは複数の核酸を含む、55記載の方法。
76. インクが一つまたは複数のゾル・ゲル物質を含む、55記載の方法。
77. インクが一つまたは複数の磁性材料またはその前駆体を含む、55記載の方法。
78. インクが一つまたは複数の半導体材料またはその前駆体を含む、55記載の方法。
79. インクが一つまたは複数の光学材料またはその前駆体を含む、55記載の方法。
80. インクが、100℃を超える沸点を有する一つまたは複数の溶媒を含む、55記載の方法。
81. インクが、基材表面に化学吸着または基材表面と共有結合する一つまたは複数の化合物を含む、55記載の方法。
82. インクが基材表面に形体を形成する、55記載の方法。
83. インクが表面に金属酸化物を形成する、55記載の方法。
84. インクが表面に合金を形成する、55記載の方法。
85. インクが、カンチレバーの形状によって制御される寸法を有する形体を基材表面に形成する、55記載の方法。
86. インクが、約1ミクロン〜約100ミクロンの幅を有する形体を基材表面に形成する、55記載の方法。
87. インクが基材表面に形体を形成し、その形体が融解、焼結または凝集条件に付される、55記載の方法。
88. インクが基材表面に形体を形成し、その形体が焼鈍に付される、55記載の方法。
89. インクが基材表面に形体を形成し、その形体が光に付される、55記載の方法。
90. インクが基材表面に形体を形成し、その形体がレーザに付される、55記載の方法。
91. インクが基材表面に形体を形成し、その形体が電流に付される、55記載の方法。
92. インクが、基材表面の一つまたは複数の電極と接触する形体を基材表面に形成する、55記載の方法。
93. インクが、基材表面に形体を形成し、約300℃以下の温度で焼鈍に付される、55記載の方法。
94. インクが、基材表面に形体を形成し、約100℃〜約300℃の温度で焼鈍に付される、55記載の方法。
95. インクが基材表面で還元反応に付される、55記載の方法。
96. インクが、接触ののち連続的になる形体を基材表面に形成する、55記載の方法。
97. インクが、約10マイクロオーム*cm以下の抵抗率を有する金属状態に転換される形体を基材表面に形成する、55記載の方法。
98. インクが、約1マイクロオーム*cm〜約10マイクロオーム*cmの抵抗率を有する金属状態に転換される形体を基材表面に形成する、55記載の方法。
99. インクが、約5nm〜約1ミクロンの幅を有する形体を基材表面に形成する、55記載の方法。
100. 基材表面にインクの層を形成するために繰り返される、55記載の方法。
101. 基材表面にインクの層を形成するために繰り返され、インクが同じ材料である、55記載の方法。
102. 基材表面にインクの層を形成するために繰り返され、インクが異なる材料である、55記載の方法。
103. インクが、ラインである形体を基材表面に形成する、55記載の方法。
104. インクが、ドットである形体を基材表面に形成する、55記載の方法。
105. カンチレバーがAFMカンチレバーである、55記載の方法。
106. 基材表面がガラスである、55記載の方法。
107. 基材表面が薄膜トランジスタアレイである、55記載の方法。
108. フラットパネルディスプレーを修復するために使用される、55記載の方法。
109. カンチレバーが、インクで満たされた微細加工インクウェルを使用してインクを装填される、55記載の方法。
110. カンチレバーを約10°以下の角度で基材表面と接触させる、55記載の方法。
111. カンチレバーを約5°以下の角度で基材表面と接触させる、55記載の方法。
112. カンチレバーが、光学顕微鏡検査法によって見た場合、接触によって曲げられる、55記載の方法。
113. 力フィードバックの使用によって接触を実施する、55記載の方法。
114. 圧電走査機構の使用によって接触を実施する、55記載の方法。
115. カンチレバーが約1ミクロン〜約100ミクロンの幅を有する、55記載の方法。
116. カンチレバーが約5ミクロン〜約25ミクロンの幅を有する、55記載の方法。
117. カンチレバーが直線的なビーム形カンチレバーである、55記載の方法。
118. 力フィードバックの使用によって接触を実施する、55記載の方法。
119. カンチレバーが約0.001N/m〜約0.50N/mのばね定数を有する、55記載の方法。
120. カンチレバーが約0.004N/m〜約0.20N/mのばね定数を有する、55記載の方法。
121. カンチレバーが約100ミクロン〜約400ミクロンの長さを有する、55記載の方法。
122. カンチレバーが約150ミクロン〜約300ミクロンの長さを有する、55記載の方法。
123. カンチレバーが、インクを平行に付着させる複数のカンチレバーの一つである、55記載の方法。
124. インクがポリオールインクである、55記載の方法。
125. インクが金属塩を一つまたは複数のアルコールまたはポリオールとともに含む、55記載の方法。
126. インクが、約1ミクロン〜約15ミクロンの横方向寸法を有する形体を基材表面に形成する、55記載の方法。
127. インクが、約1ミクロン〜約10ミクロンの横方向寸法を有する形体を基材表面に形成する、55記載の方法。
128. インクが、約1ミクロン〜約15ミクロンの横方向寸法を有する形体を基材表面に形成する、55記載の方法。
129. 請求項55の方法によって調製された、基材表面およびその上のインクを含む基材。
130. 導電性金属に対して書き込む方法であって、
それぞれがカンチレバー端を有する、端部にチップを含むこともできるし、チップレスカンチレバーであることもでき、約1ミクロン〜約20ミクロンであるギャップを間に有する二つ以上のカンチレバーを提供する工程、ギャップに配置されたインクを提供する工程、基材表面を提供する工程、インクがギャップから基材表面に運ばれるように二つ以上のカンチレバーをギャップおよび基材表面と接触させる工程を含む方法。
131. ギャップが約1ミクロン〜約5ミクロンである、130記載の方法。
132. ギャップが約5ミクロン〜約10ミクロンである、130記載の方法。
133. ギャップが約10ミクロン〜約20ミクロンである、130記載の方法。
134. ナノリソグラフィーのためのインク調合物であって、一つまたは複数の金属塩および一つまたは複数の溶媒を含み、金属塩の濃度が約1mg/100μL〜約500mg/100μLであるインク調合物。
135. 金属塩の濃度が約1mg/100μL〜約200mg/100μLである、134記載のインク調合物。
136. 金属塩の濃度が約5mg/100μL〜約30mg/100μLである、134記載のインク調合物。
137. 異なる平均分子量を有する二つ以上のオリゴマーまたはポリマー添加物をさらに含む、134記載のインク調合物。
138. 少なくとも一つのオリゴマーおよび少なくとも一つのポリマーをさらに含む、134記載のインク調合物。
139. 二つ以上の金属塩を含む、100記載のインク調合物。
140. エポキシをさらに含む、100記載のインク調合物。
141. 導電性金属に対して直接書き込む方法であって、カンチレバー端を有する、端部にチップを含むこともできるし、チップレスカンチレバーであることもできるカンチレバーを提供する工程、カンチレバー端に配置された、金属ナノ粒子を含むインクを提供する工程、基材表面を提供する工程、インクがカンチレバー端から基材表面に運ばれるようにカンチレバー端と基材表面とを接触させる工程を含む方法。
142. インクが基材表面に形体を形成し、その形体が後処理に付される、141記載の方法。
143. インクが基材表面に形体を形成し、その形体が熱処理に付される、141記載の方法。
144. インクが基材表面に形体を形成し、その形体が光処理に付される、141記載の方法。
145. インクが基材表面に形体を形成し、その形体が約300℃未満で熱処理に付される、141記載の方法。
In addition, a series of numbered embodiments are provided.
1. A method for depositing a conductive coating on a substrate in a desired pattern, the step of depositing the precursor on the substrate in a desired pattern using a chip coated with the precursor by nanolithography, a precursor Contacting the body with the ligand, applying sufficient energy to transfer electrons from the ligand to the precursor, thereby decomposing the precursor and forming a conductive precipitate in the desired pattern; Thereby forming a conductor pattern directly on the substrate.
2. The method according to 1, wherein the tip is a nanoscopic tip.
3. The method according to 1, wherein the tip is a scanning probe microscopic tip.
4. The method according to 1, wherein the tip is an atomic force microscope tip.
5. The method of 1, wherein the coating comprises at least about 80% pure metal.
6. The method of 1, wherein the coating comprises a metal having a thickness of less than about 10 angstroms.
7. The method of 1, wherein the coating comprises a metal that is at least about 100 angstroms thick.
8. The method according to 1, wherein the precursor comprises a salt selected from the group consisting of carboxylates, halides, pseudohalides and nitrates.
9. The method of 1, wherein the precursor comprises a carboxylate.
10. The method of 1, wherein the pattern comprises a circuit.
11. The method of 1, wherein the ligand comprises a material selected from the group consisting of amines, amides, phosphines, sulfides and esters.
12. The method of 1, wherein the ligand is selected from the group consisting of a nitrogen donor, a sulfur donor, and a phosphorus donor.
13. The method according to 1, wherein the precipitate comprises a metal.
14. The method of 1, wherein the precipitate is selected from the group consisting of copper, zinc, palladium, platinum, silver, gold, cadmium, titanium, cobalt, lead, tin, silicon and germanium.
15. The method of 1, wherein the precipitate comprises a conductor.
16. The method of 1, wherein the precipitate comprises a semiconductor.
17. The method of 1, wherein the substrate comprises a nonconductor.
18. The method of 1, wherein the substrate comprises at least one of a conductor and a semiconductor.
19. The method of 1, wherein the step of applying energy comprises applying heat.
20. The method of 1, wherein the step of applying energy comprises applying infrared or UV radiation.
21. The method according to 1, wherein the step of applying energy comprises applying vibrational energy.
22. The precursor comprises a salt selected from the group consisting of carboxylates, halides, pseudohalides, nitrates, and the ligand is selected from the group consisting of amines, amides, phosphines, sulfides and esters. 2. The method according to 1, comprising a substance.
23. The method according to 19, wherein the precipitate is selected from the group consisting of copper, zinc, palladium, platinum, silver, gold, cadmium, titanium, cobalt, lead, tin, silicon and germanium.
24. The method according to 19, wherein the step of applying energy comprises applying radiant heat.
25. A method of printing a conductive metal in a desired pattern on a substrate,
Nanolithography uses a precursor-coated tip to pull the metal precursor and ligand directly onto the substrate according to the desired pattern, and decompose the precursor by applying energy, Forming a conductive metal in a desired pattern without removing a substantial amount of precursor from the substrate and without removing a substantial amount of metal from the substrate.
26. The method according to 25, wherein the metal pattern comprises substantially pure metal having impurities less than about 20% by weight.
27. The method according to 25, wherein the decomposing step comprises thermal decomposition.
28. The method of 25, wherein the decomposing comprises pyrolyzing at a temperature of less than about 300 ° C.
29. The method according to 25, wherein the metal is selected from the group consisting of elemental metals, alloys, metal / metal composites, metal ceramic composites, and metal polymer composites.
30. A nanolithographic method comprising the steps of attaching a metal precursor from a chip to a substrate to form a nanostructure, and then converting the precursor nanostructure to a metal deposit.
31. The method according to 30, wherein the deposition and conversion is carried out without using an electrical bias between the chip and the substrate.
32. The method according to 30, wherein the attachment and conversion is carried out using a chemical agent in addition to the substrate.
33. The method according to 30, wherein the tip is a nanoscopic tip.
34. The method according to 30, wherein the tip is a scanning probe microscopic tip.
35. The method according to 30, wherein the tip is an AFM tip.
36. The method of 35, wherein the deposition and conversion is performed without using an electrical bias between the chip and the substrate.
37. The method according to 30, which is repeated to form a multilayer.
38. The method according to 30, wherein the tip is adapted not to react with the precursor.
39. The method according to 30, wherein the method is used to connect at least one nanowire with another structure.
40. The method according to 30, which is used for connecting at least two electrodes.
41. The method according to 30, which is used to prepare a sensor.
42. The method according to 30, which is used to produce a lithographic template.
43. The method according to 30, which is used to prepare a biosensor.
44. Consisting essentially of the steps of attaching an ink composition consisting essentially of a metal precursor from a nanoscopic chip to a substrate to form a nanostructure, and then converting the nanostructured metal precursor to a metallic form. Nanolithography method.
45. The method according to 44, wherein the conversion is a thermal conversion without using a chemical agent.
46. The method according to 44, wherein the conversion is a chemical conversion performed using a reducing agent.
47. The method according to 44, wherein the conversion is carried out using the reducing agent in the vapor state.
48. The method according to 44, wherein the tip is an AFM tip.
49. The method according to 44, wherein the tip comprises a surface that does not react with the precursor.
50. The method according to 44, wherein the method is repeated a plurality of times to form a multilayer structure.
51. A method of printing without using an electrochemical bias or reaction between an ink and a substrate, wherein a metal precursor ink composition is deposited from a chip in the form of a microstructure or nanostructure onto the substrate. Forming an array having discrete objects separated from each other by less than about 1 micron.
52. The method according to 51, further comprising forming a metal from the precursor.
53. The method according to 51, wherein the discrete objects are separated from each other by about 500 nm or less.
54. The method according to 51, wherein the discrete objects are separated from each other by about 100 nm or less.
55. Providing a cantilever having a cantilever end, which can include a tip at the end or can be a tipless cantilever,
Providing ink disposed at the end of the cantilever;
Providing a substrate surface;
Contacting the cantilever end with the substrate surface such that ink is carried from the cantilever end to the substrate surface.
56. The method according to 55, wherein the substrate surface is moved to fix the cantilever.
57. The method according to 55, wherein the substrate surface is fixed and the cantilever is moved.
58. The method according to 55, wherein the cantilever is a tipless cantilever.
59. The method according to 55, wherein the cantilever includes a tip at the end of the cantilever.
60. The method according to 55, wherein the ink comprises one or more metals.
61. The method according to 55, wherein the ink comprises one or more metal salts.
62. The method according to 55, wherein the ink comprises one or more metal nanoparticles.
63. The method according to 55, wherein the ink comprises one or more hydrophobic nanoparticles.
64. The method according to 55, wherein the ink comprises one or more hydrophilic nanoparticles.
65. The method according to 55, wherein the ink comprises one or more metal nanoparticles having an organic shell.
66. The method according to 55, wherein the ink comprises one or more metal nanoparticles having an insulating shell.
67. The method according to 55, wherein the ink is a hydrophobic ink.
68. The method according to 55, wherein the ink is a hydrophilic ink.
69. The method according to 55, wherein the ink is a hydrophobic ink and the substrate surface is a hydrophobic surface.
70. The method according to 55, wherein the ink is a hydrophilic ink and the substrate surface is a hydrophilic surface.
71. The method according to 55, wherein the ink comprises both a hydrophobic agent and a hydrophilic agent.
72. The method according to 55, wherein the ink comprises one or more metal nanoparticles having an average diameter of about 100 nm or less.
73. The method according to 55, wherein the ink comprises one or more biological molecules.
74. The method according to 55, wherein the ink comprises one or more peptides or proteins.
75. The method according to 55, wherein the ink comprises one or more nucleic acids.
76. The method according to 55, wherein the ink comprises one or more sol-gel materials.
77. The method according to 55, wherein the ink comprises one or more magnetic materials or precursors thereof.
78. The method according to 55, wherein the ink comprises one or more semiconductor materials or precursors thereof.
79. The method according to 55, wherein the ink comprises one or more optical materials or precursors thereof.
80. The method according to 55, wherein the ink comprises one or more solvents having a boiling point greater than 100 ° C.
81. The method according to 55, wherein the ink comprises one or more compounds that are chemisorbed or covalently bonded to the substrate surface.
82. The method according to 55, wherein the ink forms a feature on the substrate surface.
83. The method according to 55, wherein the ink forms a metal oxide on the surface.
84. The method according to 55, wherein the ink forms an alloy on the surface.
85. The method according to 55, wherein the ink forms a feature on the substrate surface having a dimension controlled by the shape of the cantilever.
86. The method according to 55, wherein the ink forms a feature on the substrate surface having a width of about 1 micron to about 100 microns.
87. The method according to 55, wherein the ink forms a feature on the surface of the substrate, and the feature is subjected to melting, sintering or agglomerating conditions.
88. The method according to 55, wherein the ink forms a feature on the surface of the substrate, and the feature is subjected to annealing.
89. The method according to 55, wherein the ink forms a feature on the surface of the substrate, and the feature is subjected to light.
90. The method according to 55, wherein the ink forms a feature on the substrate surface and the feature is subjected to a laser.
91. The method according to 55, wherein the ink forms a feature on the surface of the substrate and the feature is subjected to an electric current.
92. The method according to 55, wherein the ink forms a feature on the substrate surface that contacts one or more electrodes on the substrate surface.
93. The method according to 55, wherein the ink forms a feature on the substrate surface and is annealed at a temperature of about 300 ° C. or less.
94. The method according to 55, wherein the ink forms a shape on the surface of the substrate and is subjected to annealing at a temperature of about 100 ° C. to about 300 ° C.
95. The method according to 55, wherein the ink is subjected to a reduction reaction on the substrate surface.
96. The method according to 55, wherein the ink forms a continuous surface on the substrate surface after contact.
97. The method according to 55, wherein the ink forms a form on the substrate surface that is converted to a metallic state having a resistivity of about 10 microohm * cm or less.
98. The method according to 55, wherein the ink forms a feature on the substrate surface that is converted to a metallic state having a resistivity of about 1 micro ohm * cm to about 10 micro ohm * cm.
99. The method according to 55, wherein the ink forms a feature on the substrate surface having a width of about 5 nm to about 1 micron.
100. The method according to 55, wherein the method is repeated to form a layer of ink on the substrate surface.
101. The method according to 55, wherein the ink is the same material repeated to form a layer of ink on the substrate surface.
102. The method according to 55, wherein the ink is a different material repeated to form a layer of ink on the substrate surface.
103. The method according to 55, wherein the ink forms a feature on the substrate surface that is a line.
104. The method according to 55, wherein the ink forms a feature on the substrate surface that is a dot.
105. The method according to 55, wherein the cantilever is an AFM cantilever.
106. The method according to 55, wherein the substrate surface is glass.
107. The method according to 55, wherein the substrate surface is a thin film transistor array.
108. The method according to 55, used for repairing a flat panel display.
109. The method according to 55, wherein the cantilever is loaded with ink using a microfabricated ink well filled with ink.
110. The method according to 55, wherein the cantilever is contacted with the substrate surface at an angle of about 10 ° or less.
111. The method according to 55, wherein the cantilever is contacted with the substrate surface at an angle of about 5 ° or less.
112. The method according to 55, wherein the cantilever is bent by contact when viewed by optical microscopy.
113. The method according to 55, wherein the contact is performed by use of force feedback.
114. The method according to 55, wherein the contacting is performed by use of a piezoelectric scanning mechanism.
115. The method according to 55, wherein the cantilever has a width of about 1 micron to about 100 microns.
116. The method according to 55, wherein the cantilever has a width of about 5 microns to about 25 microns.
117. The method according to 55, wherein the cantilever is a linear beam cantilever.
118. The method according to 55, wherein the contact is performed by use of force feedback.
119. The method according to 55, wherein the cantilever has a spring constant of about 0.001 N / m to about 0.50 N / m.
120. The method according to 55, wherein the cantilever has a spring constant of about 0.004 N / m to about 0.20 N / m.
121. The method according to 55, wherein the cantilever has a length of about 100 microns to about 400 microns.
122. The method according to 55, wherein the cantilever has a length of about 150 microns to about 300 microns.
123. The method according to 55, wherein the cantilever is one of a plurality of cantilevers that deposit ink in parallel.
124. The method according to 55, wherein the ink is a polyol ink.
125. The method according to 55, wherein the ink comprises a metal salt with one or more alcohols or polyols.
126. The method according to 55, wherein the ink forms a feature on the substrate surface having a lateral dimension of about 1 micron to about 15 microns.
127. The method according to 55, wherein the ink forms a feature on the substrate surface having a lateral dimension of about 1 micron to about 10 microns.
128. The method according to 55, wherein the ink forms a feature on the substrate surface having a lateral dimension of about 1 micron to about 15 microns.
129. A substrate comprising a substrate surface and ink thereon prepared by the method of claim 55.
130. A method of writing to a conductive metal,
Providing two or more cantilevers, each having a cantilever end, which can include a tip at the end or can be a tipless cantilever, with a gap between about 1 micron and about 20 microns in between. Providing an ink disposed in the gap; providing a substrate surface; contacting two or more cantilevers with the gap and the substrate surface such that ink is carried from the gap to the substrate surface. .
131. The method according to 130, wherein the gap is from about 1 micron to about 5 microns.
132. The method according to 130, wherein the gap is from about 5 microns to about 10 microns.
133. The method according to 130, wherein the gap is from about 10 microns to about 20 microns.
134. An ink formulation for nanolithography comprising one or more metal salts and one or more solvents, wherein the metal salt concentration is about 1 mg / 100 μL to about 500 mg / 100 μL .
135. The ink formulation of 134, wherein the concentration of the metal salt is from about 1 mg / 100 μL to about 200 mg / 100 μL.
136. The ink formulation of 134, wherein the concentration of the metal salt is from about 5 mg / 100 μL to about 30 mg / 100 μL.
137. The ink formulation of 134, further comprising two or more oligomeric or polymeric additives having different average molecular weights.
138. The ink formulation of 134, further comprising at least one oligomer and at least one polymer.
139. The ink formulation of 100, comprising two or more metal salts.
140. The ink formulation according to 100, further comprising an epoxy.
141. A method of writing directly to a conductive metal, the cantilever having a cantilever end, including a tip at the end, or a tipless cantilever, disposed at the end of the cantilever A method comprising: providing an ink comprising metal nanoparticles; providing a substrate surface; contacting the cantilever end with the substrate surface such that the ink is carried from the cantilever end to the substrate surface.
142. The method according to 141, wherein the ink forms a feature on the surface of the substrate and the feature is subjected to post-treatment.
143. The method according to 141, wherein the ink forms a feature on the surface of the substrate and the feature is subjected to a heat treatment.
144. The method according to 141, wherein the ink forms a feature on the surface of the substrate, and the feature is subjected to light treatment.
145. The method according to 141, wherein the ink forms a feature on the substrate surface, and the feature is subjected to a heat treatment at less than about 300 ° C.

詳細な説明
好ましい態様では簡便に「カンチレバーマイクロデポジション(CMD)」と呼ぶことができる本発明は、以下に実施例で記載する態様をはじめとする数多くの態様で実施することができる。
DETAILED DESCRIPTION The present invention, which can be conveniently referred to as “cantilever microdeposition (CMD)” in a preferred embodiment, can be implemented in a number of ways, including those described in the examples below.

態様1:カンチレバーマイクロデポジション
第一の態様では、本発明は、カンチレバーまたはマイクロブラシを使用してマイクロメートルスケールおよびサブマイクロメートルのパターンを製造する方法であって、(1)カンチレバーまたはマイクロブラシを提供する工程、(2)該カンチレバーまたはマイクロブラシに配置されたインク、すなわち化合物またはそれらの混合物を提供する工程、(3)基材表面を提供する工程、および(4)インクがカンチレバーまたはマイクロブラシから基材表面に運ばれるようにマイクロブラシと基材表面とを接触させる工程を含む方法を提供する。図36はこの方法の原理を示す。
Embodiment 1: Cantilever Microdeposition In a first embodiment, the present invention is a method for producing micrometer scale and submicrometer patterns using a cantilever or microbrush comprising: (1) a cantilever or microbrush; Providing, (2) providing an ink, i.e. a compound or mixture thereof, disposed on the cantilever or microbrush, (3) providing a substrate surface, and (4) the ink cantilever or microbrush. A method comprising contacting a microbrush with a substrate surface such that the microbrush is conveyed to the substrate surface. FIG. 36 illustrates the principle of this method.

好ましくは、得られるパターンの最小横方向寸法(基材表面に対して平行に測定、たとえばラインの幅)は0.5ミクロン〜15ミクロンの範囲である。その最大横方向寸法(たとえばラインの長さ)は100ミクロンを超え、好ましくは200ミクロンを超え、その高さ(たとえば該局所面に対して実質的に直交方向に測定)は1nm〜2ミクロンの範囲である。   Preferably, the minimum lateral dimension of the resulting pattern (measured parallel to the substrate surface, eg line width) is in the range of 0.5 microns to 15 microns. Its maximum lateral dimension (eg line length) is greater than 100 microns, preferably greater than 200 microns, and its height (eg measured substantially perpendicular to the local plane) is between 1 nm and 2 microns It is a range.

好ましくは、カンチレバーまたはマイクロブラシは、微細加工された装置、すなわち、フォトリソグラフィー、電子ビームリソグラフィー、薄膜付着、エッチング、リフトオフおよび集束イオンビームマイクロ加工をはじめとする標準微細加工技術を使用して製造されたマイクロエレクトロメカニカルシステム(MEMS)である。マイクロブラシは、自由端およびマクロスコピックまたはメゾスコピック体に結合された端部を有するカンチレバーの形状を有してもよいし、多数のカンチレバーを含む装置であってもよい。カンチレバーは、カンチレバーの主平面から突出するチップを有してもよいし、有しなくてもよい。メゾ/マクロスコピック体は、ダイシングした(ケイ素またはガラス)ウェーハであってもよい。   Preferably, the cantilever or microbrush is manufactured using standard microfabrication techniques including microfabricated equipment, i.e., photolithography, electron beam lithography, thin film deposition, etching, lift-off and focused ion beam micromachining. Microelectromechanical system (MEMS). The microbrush may have the shape of a cantilever having a free end and an end coupled to a macroscopic or mesoscopic body, or may be a device that includes multiple cantilevers. The cantilever may or may not have a tip protruding from the main plane of the cantilever. The meso / macroscopic body may be a diced (silicon or glass) wafer.

二つ以上の隣接するカンチレバー体が、インク貯蔵または小出しに使用することができる一定の幅または可変性の幅のギャップまたはスリットを形成することができる。カンチレバー体および/またはそれが取り付けられるメゾスコピックもしくはマクロスコピック体にマイクロ流体回路が形成されてもよい。マイクロ流体回路は、インク送り出しのための貯留部、チャネルおよびバイアスを含むことができる。チャネルおよび貯留部は、二つの実質的に平行な面(たとえば上記スリットの壁)または三つ以上の面(たとえば開いたチャネルまたは完全に閉じたチャネルを形成する)によって形成することができる。好ましい態様では、実質的に平坦なチップレスカンチレバーが使用される。   Two or more adjacent cantilever bodies can form a constant or variable width gap or slit that can be used for ink storage or dispensing. A microfluidic circuit may be formed in the cantilever body and / or the mesoscopic or macroscopic body to which it is attached. The microfluidic circuit can include a reservoir, channel and bias for ink delivery. The channel and reservoir can be formed by two substantially parallel surfaces (eg, the wall of the slit) or more than two surfaces (eg, forming an open channel or a completely closed channel). In a preferred embodiment, a substantially flat tipless cantilever is used.

有機および無機化合物、たとえば金属塩および錯体、ゾル・ゲル前駆体、ポリマー、生体分子、たとえば核酸(たとえばDNA)、ペプチドおよびタンパク質、ナノ粒子および溶液またはそれらの混合物をはじめとする多種のインクを付着させることができる。付着は、基材洗浄、表面下準備、穿孔、レーザまたはイオンビームによる微細加工、フォトリソグラフィーおよび熱または光の適用による硬化をはじめとする多数の処理の前または後に実施することができる。   A variety of inks including organic and inorganic compounds such as metal salts and complexes, sol-gel precursors, polymers, biomolecules such as nucleic acids (eg DNA), peptides and proteins, nanoparticles and solutions or mixtures thereof Can be made. Deposition can be performed before or after a number of processes including substrate cleaning, subsurface preparation, drilling, laser or ion beam micromachining, photolithography and curing by application of heat or light.

本発明を実施するのに有用な文献
カンチレバー、チップ、インク、基材表面および接触方法は当技術分野で公知であり、当業者は、本発明を、以下に記す好ましい態様および実施例を含むその多くの態様で実施する際に以下の技術文献を参照することができる。加えて、本明細書中、参考文献の一覧が後に提供され、本明細書におけるすべての参考文献は、全体として参照により本明細書に組み入れられ、本発明の実施において一般に拠り所となることができる。
Literature useful for practicing the present invention Cantilevers, tips, inks, substrate surfaces and contact methods are known in the art, and those skilled in the art will include the preferred embodiments and examples described below. The following technical documents can be referred to when implementing in many aspects. In addition, a list of references is provided later in this specification, and all references herein are hereby incorporated by reference in their entirety and can generally be relied upon in the practice of the present invention. .

カンチレバーマイクロデポジションは、NanoInk社(Chicago, IL)によって商業的に開発された技術である、一般に(1)ナノメートルスケールの頂点を有する先鋭なチップがインクで被覆され、(2)インクがチップからメニスカスを通って基材に流れて接触接合部で自然に凝縮するディップペンナノリソグラフィー(Dip Pen Nanolithography(商標))(DPN(商標))に関連するが、それとは別のものである。DPN印刷とは対照的に、本発明は、先鋭なチップを必要とせず、むしろ、好ましくは、平坦でへら状のマイクロメートルサイズのカンチレバーまたはインク塗布手段としてのカンチレバーを使用する。カンチレバーマイクロデポジションは高サブマイクロメートルから10ミクロン範囲までの臨界寸法のパターンの製造に最適に使用され、一方、DPN印刷は超高解像(たとえばナノスケール)パターン付けに最適である。   Cantilever microdeposition is a technology developed commercially by NanoInk (Chicago, IL), typically (1) a sharp tip with a nanometer scale apex is coated with ink, and (2) the ink is a tip Is related to, but separate from, Dip Pen Nanolithography ™ (DPN ™), which flows through the meniscus to the substrate and spontaneously condenses at the contact joint. In contrast to DPN printing, the present invention does not require a sharp tip, but rather preferably uses a flat, spatula micrometer sized cantilever or cantilever as an ink application means. Cantilever microdeposition is optimally used to produce critical dimension patterns ranging from high sub-micrometer to 10 micron range, while DPN printing is optimal for ultra-high resolution (eg nanoscale) patterning.

カンチレバーマイクロデポジションは、その解像度は低めであるが、特により高い速度(表面に対するカンチレバーまたはマイクロブラシの速度)を使用することができるため、そのスループット(毎秒平方ミクロン単位)はDPN印刷のスループットよりも高い。概して、本発明に使用されるカンチレバーは基材の表面と直に接触しない。むしろ、インクの層が表面とマイクロブラシまたはカンチレバー端との間に捕らえられる。理論によって拘束されることは望まないが、カンチレバーと表面との間の空間における流体力学と毛管張力との相互作用がインク付着を制御すると考えられる。たとえば、パターンの高さおよび全体的品質(連続性)は、カンチレバーに加わる圧力の影響を受けやすいが、DPNでは、これは一般に当てはまらない。ライン幅は、カンチレバー幅と強く相関し(たとえば図37および38を参照)、概ねパターン付け速度から独立しているが、対照的に、DPN印刷では、点源(チップ-サンプル接点)からのインクの拡散速度およびパターン付け速度によって制御される。   Cantilever microdeposition has a lower resolution, but in particular the higher speed (cantilever or microbrush speed relative to the surface) can be used, so its throughput (in units of square microns per second) is higher than the throughput of DPN printing. Is also expensive. In general, the cantilevers used in the present invention are not in direct contact with the surface of the substrate. Rather, a layer of ink is trapped between the surface and the microbrush or cantilever end. While not wishing to be bound by theory, it is believed that the interaction between hydrodynamics and capillary tension in the space between the cantilever and the surface controls ink deposition. For example, pattern height and overall quality (continuity) are sensitive to pressure applied to the cantilever, but this is generally not the case with DPN. Line width correlates strongly with cantilever width (see, eg, FIGS. 37 and 38) and is largely independent of patterning speed, but in contrast, DPN printing uses ink from a point source (tip-sample contact). Controlled by the diffusion rate and patterning rate.

しかし、インク、インク送り出し技術、カンチレバー/ブラシ製造法、カンチレバー位置制御技術ならびにコンピュータ制御設計および製造アルゴリズムをはじめとし限定される、ディップペンナノリソグラフィーに関連する多数の技術的開発がカンチレバーマイクロデポジションに強く関連している。   However, many technical developments related to dip pen nanolithography, including ink, ink delivery technology, cantilever / brush manufacturing method, cantilever position control technology and computer control design and manufacturing algorithm, are now available for cantilever microdeposition Strongly related.

付着機器(たとえばNSCRIPTOR(商標)プラットフォーム)、コンピュータソフトウェア、環境チャンバ、ペン、基材、キット、インク、インクウェル、較正ソフトウェア、位置合わせソフトウェア、付属品などをはじめとする、DPN印刷に関連する多様な製品をNanoInk社から得ることができる。シングルDPN印刷プローブ、受動的マルチプローブアレイ、Aフレームカンチレバー、飛込み板形カンチレバーおよびACモードカンチレバーは、NanoInk社から得ることができる。同じく入手可能であるものは、先鋭化および非先鋭化チップである。DIP PEN NANOLITHOGRAPHYTM(商標)およびDPN(商標)は、NanoInk, Inc., Chicago, ILの商標であり、本明細書においてしかるべく使用される。   Variety related to DPN printing, including attachment equipment (eg NSCRIPTOR ™ platform), computer software, environmental chambers, pens, substrates, kits, inks, ink wells, calibration software, alignment software, accessories, etc. Products can be obtained from NanoInk. Single DPN printed probes, passive multi-probe arrays, A-frame cantilevers, diverging cantilevers and AC mode cantilevers can be obtained from NanoInk. Also available are sharpened and unsharpened tips. DIP PEN NANOLITHOGRAPHY ™ and DPN ™ are trademarks of NanoInk, Inc., Chicago, IL, and are used accordingly herein.

DPN印刷および付着法は、全体として参照により本明細書に組み入れられ、特に付着を実施するための実験パラメータに関して本発明の開示を支援する以下の特許出願および特許公開公報に広く記載されている:
1. 1999年1月7日出願の米国特許仮出願第60/115,133号("Dip Pen Nanolithography")。
2. 1999年10月4日出願の米国特許仮出願第60/157,633号("Methods Utilizing Scanning Probe Microscope Tips and Products Therefor or Produced Thereby")。
3. 2000年1月5日出願の米国特許通常出願第09/477,997号("Methods Utilizing Scanning Probe Microscope Tips and Products Therefor or Produced Thereby")、既に2003年10月21日出願のMirkinらへの米国特許第6,635,311号。
4. 2000年5月26日出願の米国特許仮出願第60/207,713号("Methods Utilizing Scanning Probe Microscope Tips and Products Therefor or Produced Thereby")。本出願は、例えば湿潤化学エッチング、作業例、参照および図について記載し、全体として参照によりすべて組み入れられる)。
5. 2000年5月26日出願の米国特許仮出願第60/207,711号("Methods Utilizing Scanning Probe Microscope Tips and Products Therefor or Produced Thereby")。
6. 2001年5月24日出願の米国特許通常出願第09/866,533号("Methods Utilizing Scanning Probe Microscope Tips and Products Therefor or Produced Thereby")。本出願は、例えば湿潤化学エッチング、作業例(例えば実施例5)、参照および図について記載し、全体として参照によりすべて組み入れられる)。
7. 2002年5月30日公開の米国特許公開番号第2002/0063212 A1号("Methods Utilizing Scanning Probe Microscope Tips and Products Therefor or Produced Thereby")。
8. 2002年9月5日公開の米国特許公開番号第2002/0122873 A1号("Nanolithography Methods and Products Produced Therefor and Produced Thereby")。
9. 2000年1月7日出願のPCT公開番号第PCT/US00/00319号に基づく2000年7月13日公開のPCT公開第WO 00/41213 A1号("Methods Utilizing Scanning Probe Microscope Tips and Products Therefor or Produced Thereby")。
10. 2001年5月25日出願のPCT公開番号第PCT/USO1/17067号に基づく2001年12月6日公開のPCT公開第WO01/91855 A1号("Methods Utilizing Scanning Probe Microscope Tips and Products Therefor or Produced Thereby")。
11. 2001年10月2日出願の米国特許仮出願第60/326,767号("Protein Arrays with Nanoscopic Features Generated by Dip-Pen Nanolithography")、2003年4月10日公開済みのMirkinらへの第2003/0068446号。
12. 2001年11月30日出願の米国特許仮出願第60/337,598号("Patterning of Nucleic Acids by Dip-Pen Nanolithography")および2002年12月2日出願のMirkinらへの米国特許通常出願第10/307,515号。
13. 2001年12月17日出願の米国特許仮出願第60/341,614号("Patterning of Solid State Features by Dip-Pen Nanolithography")、2003年4月28日公開済みのMirkinらへの第2003/0162004号。本出願は、金属製、金属酸化物および無機固体状態構造の記述を含む。
14. 2002年3月27日出願の米国特許仮出願第60/367,514号("Method and Apparatus for Aligning Patterns on a Substrate")およびEbyらへの2003年10月2日公開第2003/0185967号。
15. 2002年5月14日出願の米国特許仮出願第60/379,755号("Nanolithographic Calibration Methods")および2003年2月28日出願のCruchon-Dupeyratらへの米国特許通常出願第10/375,060号。
16. 加えて、2003年8月26日出願のCrockerらへの米国通常出願第10/647,430号(公開済み、第2004/0127025号)("Processes for fabricationg conductive patterns using nanolithography as a patterning tool")は、本発明にしたがってパターン付けすることができる多様な金属インクを記載しており、全体として参照により本明細書に組み入れられる(当業者が本発明を実施することをさらに可能にするため、原文の多くを以下に提供する)。また、2004年2月12日に第2004/0026681号("Protosubstrates")として公開されたCrunchon-Dupeyratらへの米国通常出願は、マクロスケールで試験することができるマイクロおよびナノ構造に対して印刷するための多様な態様を記載しており、全体として参照により本明細書に組み入れられる。また、2004年1月15日に公開されたMirkinらへの米国通常出願("Electrostatically Driven Nanolithography")公開番号第2004/0008330号は、導電性ポリマーのパターン付けを記載しており、全体として参照により本明細書に組み入れられる。また、2003年5月21日に出願されたMirkinらへの米国通常出願第10/442,189号("Peptide and Protein Nanoarrays and Direct-Write Nonolithographic Printing of Peptides and Proteins")が、全体として参照により本明細書に組み入れられ、本発明にしたがってパターン付けすることができる多様なペプチドおよびタンパク質を記載している。また、2003年10月21日出願のVan Crockerらへの米国特許出願第10/689,547号("Nanometer Scale Engineering Structures...")が全体として参照により本明細書に組み入れられる。また、2003年11月12日出願のCruchon-Dupeyratらへの米国特許出願第10/705,776号("Methods and Apparatus for Ink Delivery...")が全体として参照により本明細書に組み入れられる。
DPN printing and deposition methods are incorporated herein by reference in their entirety and are extensively described in the following patent applications and patent publications that assist in the disclosure of the present invention, particularly with respect to experimental parameters for performing deposition:
1. US Patent Provisional Application No. 60 / 115,133 ("Dip Pen Nanolithography") filed January 7, 1999.
2. US Patent Provisional Application No. 60 / 157,633 filed Oct. 4, 1999 ("Methods Utilizing Scanning Probe Microscope Tips and Products Therefor or Produced Character").
3. US Patent Application No. 09 / 477,997 filed January 5, 2000 ("Methods Utilizing Scanning Probe Microscope Tips and Products There for or Produced Features"), US to Mirkin et al., Already filed October 21, 2003 Patent No. 6,635,311.
4. US Provisional Application No. 60 / 207,713 filed May 26, 2000 ("Methods Utilizing Scanning Probe Microscope Tips and Products Therefor or Produced Character"). This application describes, for example, wet chemical etching, working examples, references and figures, and is incorporated by reference in its entirety).
5. US Provisional Application No. 60 / 207,711 filed May 26, 2000 ("Methods Utilizing Scanning Probe Microscope Tips and Products Therefor or Produced Character").
6. US Patent Application No. 09 / 866,533, filed May 24, 2001 ("Methods Utilizing Scanning Probe Microscope Tips and Products Therefor or Produced Character"). This application describes, for example, wet chemical etching, working examples (eg, Example 5), references and figures, and is incorporated by reference in its entirety).
7. US Patent Publication No. 2002/0063212 A1 published on May 30, 2002 ("Methods Utilizing Scanning Probe Microscope Tips and Products Therefor or Produced Reactor").
8. US Patent Publication No. 2002/0122873 A1 ("Nanolithography Methods and Products Produced Therefor and Produced Characters") published September 5, 2002.
9. PCT Publication No. WO 00/41213 A1 published on 13 July 2000 based on PCT Publication No. PCT / US00 / 00319 filed 7 January 2000 ("Methods Utilizing Scanning Probe Microscope Tips and Products Therefor or Produced accordingly ").
10. PCT Publication No. WO01 / 91855 A1 published on Dec. 6, 2001 based on PCT Publication No. PCT / USO1 / 17067 filed on May 25, 2001 ("Methods Utilizing Scanning Probe Microscope Tips and Products Therefor or Produced composition ").
11. US Provisional Application No. 60 / 326,767 filed October 2, 2001 ("Protein Arrays with Nanoscopic Features Generated by Dip-Pen Nanolithography"), 2003 to Mirkin et al., Published April 10, 2003 / 0068446.
12. US Provisional Patent Application No. 60 / 337,598 ("Patterning of Nucleic Acids by Dip-Pen Nanolithography") filed November 30, 2001 and US Patent General Application to Mirkin et al. Filed December 2, 2002 10 / 307,515.
13. US Provisional Patent Application No. 60 / 341,614 ("Patterning of Solid State Features by Dip-Pen Nanolithography") filed December 17, 2001, 2003/28 to Mirkin et al., Published April 28, 2003. 0162004. This application includes descriptions of metallic, metal oxides and inorganic solid state structures.
14. US Provisional Patent Application No. 60 / 367,514 ("Method and Apparatus for Aligning Patterns on a Substrate") filed March 27, 2002, and published 2003-0285967 to Eby et al.
15. US Provisional Patent Application No. 60 / 379,755 ("Nanolithographic Calibration Methods") filed May 14, 2002 and US Patent Application No. 10 / 375,060 to Cruchon-Dupeyrat et al. Filed February 28, 2003. .
16. In addition, US regular application No. 10 / 647,430 to Crocker et al. Filed Aug. 26, 2003 (published, 2004/0127025) ("Processes for fabrication g conductive patterns using nanolithography as a patterning tool") Describes a variety of metallic inks that can be patterned in accordance with the present invention, which is incorporated herein by reference in its entirety (to further enable those skilled in the art to practice the present invention, Many of which are provided below). Also, a US regular application to Crunchon-Dupeyrat et al. Published February 12, 2004 as 2004/0026681 ("Protosubstrates") printed on micro and nano structures that can be tested on a macro scale. Various aspects are described, and are incorporated herein by reference in their entirety. Also, US General Application ("Electrostatically Driven Nanolithography") publication number 2004/0008330 published on January 15, 2004 to Mirkin et al. Describes conductive polymer patterning and is generally referenced. Is incorporated herein by reference. No. 10 / 442,189 (“Peptide and Protein Nanoarrays and Direct-Write Nonolithographic Printing of Peptides and Proteins”) filed May 21, 2003 to Mirkin et al. A variety of peptides and proteins are described that can be incorporated into the book and patterned according to the present invention. US patent application Ser. No. 10 / 689,547 (“Nanometer Scale Engineering Structures ...”) to Van Crocker et al., Filed Oct. 21, 2003, is hereby incorporated by reference in its entirety. US patent application Ser. No. 10 / 705,776 (“Methods and Apparatus for Ink Delivery ...”) to Cruchun-Dupeyrat et al., Filed Nov. 12, 2003, is hereby incorporated by reference in its entirety.

一般に、ハードウェア、ソフトウェアおよび機器類をはじめとする、現在の技術水準のDPN(商標)印刷および付着関連製品もまたNanoInk社(Chicago, IL)から市販されており、本発明を実施するためにこれらを使用することができる。たとえば、パターン付けにはNSCRIPTOR(商標)機器を使用することができる。DPN印刷は、たとえばGinger, Zhang, and Mirkin, Angew. Chem. Int. Ed., 2004, 43(1), 30-45でさらに記載されている。   In general, current state-of-the-art DPN ™ printing and deposition related products, including hardware, software, and equipment, are also commercially available from NanoInk (Chicago, IL) to implement the present invention. These can be used. For example, NSCRIPTOR ™ equipment can be used for patterning. DPN printing is further described, for example, in Ginger, Zhang, and Mirkin, Angew. Chem. Int. Ed., 2004, 43 (1), 30-45.

DPN印刷処理の平行法は、たとえば2003年11月4日出願の、Liuらへの米国特許出願第6,642,129号に記載されているように実施することができる。   The parallel method of DPN printing can be performed as described, for example, in US Patent Application No. 6,642,129 filed Nov. 4, 2003 to Liu et al.

加えて、以下の文献は、直接書き込みナノリソグラフィーとともに使用される湿式ケミカルエッチング法を記載しており、図面、参考文献および実施例を含む全体として参照により本明細書に組み入れられる。Zhang et al, "Dip-Pen Nanolithography-Based Methodology for Preparing Arrays of Nanostructures Functionalized with Oligonucleotides"; Adv. Mat., 2002, 14, No. 20, October 16, pages 1472-1474; Zhang et al., "Biofunctionalized Nanoarrays of Inorganic Structures Prepared by Dip-Pen Nanolithography"; Nanotechnology, 2003, 14, 1113-1117; Zhang et al., "Fabrication of Sub-50 nm Solid-State Nanostructures on the Basis of Dip-Pen Nanolithography"; Nano Lett., 2003, 3, 43-45。加えて、米国特許出願“Fabrication of Solid-State Nanostructures including sub-50 nm Solid-State Nanostructures Based on Nanolithography and Wet Chemical Etching”(2003年12月3日出願の、Mirkinらへの出願第10/725,939号)もまた、本発明で使用することができるエッチングおよび単層レジストを記載しており、全体として参照により本明細書に組み入れられる。   In addition, the following documents describe wet chemical etching methods used with direct write nanolithography and are hereby incorporated by reference in their entirety, including drawings, references and examples. Zhang et al, "Dip-Pen Nanolithography-Based Methodology for Preparing Arrays of Nanostructures Functionalized with Oligonucleotides"; Adv. Mat., 2002, 14, No. 20, October 16, pages 1472-1474; Zhang et al., "Biofunctionalized Nanoarrays of Inorganic Structures Prepared by Dip-Pen Nanolithography "; Nanotechnology, 2003, 14, 1113-1117; Zhang et al.," Fabrication of Sub-50 nm Solid-State Nanostructures on the Basis of Dip-Pen Nanolithography "; Nano Lett ., 2003, 3, 43-45. In addition, US patent application “Fabrication of Solid-State Nanostructures including sub-50 nm Solid-State Nanostructures Based on Nanolithography and Wet Chemical Etching” (No. 10 / 725,939, filed Dec. 3, 2003 to Mirkin et al. ) Also describe etching and single layer resists that can be used in the present invention and are incorporated herein by reference in their entirety.

原文Fundamentals of Microfabrication, The Science of Minitaturization, 2nd Ed., Marc J. Madouは、加法および減法を含むマイクロおよびナノテクノロジー、たとえばリソグラフィー(第一章)、乾式エッチング法によるパターン転写(第二章)、加法によるパターン転写(第三章)および湿式バルク微細加工(第四章)を記載している。また、原文Direct-Write Technologies for Rapid Prototyping Applications: Sensors, Electronics, and Integrated Power Sources (Eds. A. Pique and D. B. Chrisey)は、加法および減法を含むマイクロおよびナノテクノロジーを記載している。たとえば、バルク微細加工およびエッチングが617〜619頁に記載されている。サブ100ナノメートル長スケールでのDPN印刷が第十章に記載されている。 Also available Fundamentals of Microfabrication, The Science of Minitaturization , 2 nd Ed., Marc J. Madou , the micro and nanotechnology including addition and subtraction, for example, lithography (Chapter), the pattern transfer by dry etching (Chapter) Additive pattern transfer (Chapter 3) and wet bulk micromachining (Chapter 4). Also, Direct-Write Technologies for Rapid Prototyping Applications: Sensors, Electronics, and Integrated Power Sources (Eds. A. Pique and DB Chrisey) describe micro and nanotechnology, including addition and subtraction. For example, bulk micromachining and etching are described on pages 617-619. DPN printing on a sub-100 nanometer long scale is described in Chapter 10.

さらなる態様
態様2:導電性金属および他のパターンを製造するためのカンチレバーマイクロデポジションおよび硬化
好ましい態様で、たとえば本発明は、導電性金属に対して書き込む方法であって、(1)カンチレバー端を有する、端部にチップを含むこともできるし、チップレスカンチレバーであることもできるカンチレバーを提供する工程、(2)カンチレバー端に配置されたインクを提供する工程、(3)基材表面を提供する工程、および(4)インクがカンチレバー端から基材表面に運ばれるようにカンチレバー端と基材表面とを接触させる工程を含む方法を提供する。付着ののち、好ましくは、たとえば中間出力レーザまたは赤外線ガンの使用による局所熱硬化工程を実施する。
Further Embodiment Embodiment 2: Cantilever Microdeposition and Curing for Manufacturing Conductive Metal and Other Patterns In a preferred embodiment, for example, the present invention is a method for writing to a conductive metal comprising: (1) a cantilever end A step of providing a cantilever that can include a tip at the end or can be a tipless cantilever, (2) a step of providing ink disposed at the end of the cantilever, (3) providing a substrate surface And (4) contacting the cantilever end with the substrate surface such that ink is carried from the cantilever end to the substrate surface. After deposition, a local heat curing step is preferably performed, for example by using an intermediate power laser or an infrared gun.

もう一つの好ましい態様では、以下さらに説明するスタンプチップを使用して材料を付着させる。スタンプチップは、たとえば、全体として参照により本明細書に組み入れられる、2004年2月13日出願の“Direct-Write Nanolithography with Stamp Tip: Fabrication and Applications”と題するH. Zhangらへの米国特許仮出願第60/544,260号および2005年2月14日出願の米国通常特許出願第11/056,391号(代理人番号083847-0264)に記載されている。   In another preferred embodiment, the material is deposited using a stamp chip, further described below. The stamp chip is, for example, a provisional patent application to H. Zhang et al. Entitled “Direct-Write Nanolithography with Stamp Tip: Fabrication and Applications,” filed February 13, 2004, which is incorporated herein by reference in its entirety. No. 60 / 544,260 and US patent application Ser. No. 11 / 056,391 filed Feb. 14, 2005 (attorney number 083847-0264).

カンチレバーは当技術分野で公知であり、たとえばMikroMasch USA(Portland, OR)から市販されている。カンチレバーは、所望により、被覆し、官能化することができる。また、チップレスカンチレバーが、たとえばGreenらへの米国特許第5,958,701号;Agarwalへの第6,524,435号;Hendersonらへの第6,573,369号に記載されているように、当技術分野で公知である。   Cantilevers are known in the art and are commercially available from, for example, MikroMasch USA (Portland, OR). The cantilever can be coated and functionalized as desired. Tipless cantilevers are also known in the art, as described, for example, in US Pat. No. 5,958,701 to Green et al., US Pat. No. 6,524,435 to Agarwal and US Pat. No. 6,573,369 to Henderson et al.

本発明の重要な特徴は、カンチレバーの形状大きさおよび形状を使用して、インクから基材表面に形成される形体の少なくとも一つの寸法を制御することができることである。   An important feature of the present invention is that the shape size and shape of the cantilever can be used to control at least one dimension of the feature formed on the substrate surface from the ink.

インクは特に限定されないが、本発明の主要な態様は、多くの場合に金属塩を使用する金属前駆体インクおよび金属ナノ粒子インクをはじめとする金属系インクである。有用な態様が上記特許出願番号16(導体パターン)でさらに記載されており、以下さらに記載する。   Although the ink is not particularly limited, the main aspect of the present invention is metal-based inks including metal precursor inks and metal nanoparticle inks that often use metal salts. Useful embodiments are further described in the above patent application number 16 (conductor pattern), and are described further below.

一般に、三つの主要なインク成分は、(1)付着される主材料、たとえば一つまたは複数の金属または金属塩、(2)一つまたは複数の溶媒、および(3)所望により、一つまたは複数の添加物を含む。インクの成分を調節して、カンチレバー、チップ(あるならば)および基材とともに作用させることができる。   In general, the three main ink components are: (1) the main material to be deposited, eg one or more metals or metal salts, (2) one or more solvents, and (3) one or more, as desired. Contains multiple additives. The components of the ink can be adjusted to work with the cantilever, tip (if any) and substrate.

インクは、所望により、基材表面への送り出しの前にカンチレバーまたはカンチレバーチップの上で完全または部分的に乾燥させることができる。インクは、送り出しののち、基材表面上で完全または部分的に乾燥させることができる。   If desired, the ink can be completely or partially dried on the cantilever or cantilever tip prior to delivery to the substrate surface. After delivery, the ink can be completely or partially dried on the substrate surface.

インクのナノ粒子は特に限定されないが、本発明の主要な態様は金属系インクである。無機化合物をナノ粒子中に使用することもできる。ナノ粒子は、実質的に均質であることもできるし、不均質であることもできる。所望により、コアシェル構造を有することもできる。所望により、有機表面被覆またはシェルを有することもできる。磁性であることもできる。ドープされているかドープされていないかにかかわらず、半導電性であることができる。ナノ粒子は、電気絶縁性であることもできるし、絶縁シェルを有することもできる。ナノ粒子は、親水性であることもできるし、疎水性であることもできる。ナノ粒子はまた、導体、強磁性材料を含む磁性材料、半導体および光学材料をはじめとする他の技術的に有用な材料の前駆体であることもできる。ナノ粒子は、量子閉じ込め効果を示し、有用な性質、たとえば様々な色のエレクトロルミネセンスおよびフォトルミネセンスを示すことができる。ナノ粒子は、表面に化学吸着または共有結合するように官能化することができる。   Although the nanoparticles of the ink are not particularly limited, the main aspect of the present invention is a metal-based ink. Inorganic compounds can also be used in the nanoparticles. The nanoparticles can be substantially homogeneous or heterogeneous. If desired, it may have a core-shell structure. If desired, it can also have an organic surface coating or shell. It can also be magnetic. It can be semiconducting, whether doped or undoped. The nanoparticles can be electrically insulating or can have an insulating shell. The nanoparticles can be hydrophilic or hydrophobic. Nanoparticles can also be precursors of other technically useful materials including conductors, magnetic materials including ferromagnetic materials, semiconductors and optical materials. Nanoparticles exhibit quantum confinement effects and can exhibit useful properties such as various colors of electroluminescence and photoluminescence. The nanoparticles can be functionalized to chemisorb or covalently bond to the surface.

溶媒系は特に限定されない。高沸点であるインク溶媒が一般に好ましい。たとえば、約100℃を超える、特に約150℃を超える沸点の溶媒を使用することができる。たとえば芳香族炭化水素が高沸点溶媒の1種である。   The solvent system is not particularly limited. Ink solvents having a high boiling point are generally preferred. For example, a solvent with a boiling point above about 100 ° C., in particular above about 150 ° C., can be used. For example, aromatic hydrocarbons are one type of high boiling point solvent.

基材表面に運ばれると、インクは、望みどおり乾燥し始めて形体を形成し、この形体は、好ましくはたとえば1ヶ月後でも安定である。好ましくは、形体を硬化させ、攻撃性溶媒およびエッチング系をはじめとする溶媒を用いる洗浄に対して安定化することができる。形体は、焼鈍、光、レーザ、電流および他の刺激に付すことができる。   When transported to the substrate surface, the ink begins to dry as desired to form a feature that is preferably stable even after, for example, a month. Preferably, the form can be cured and stabilized against washing with aggressive solvents and solvents including etching systems. The feature can be subjected to annealing, light, laser, current and other stimuli.

多くの場合、たとえば高い導電率を提供する連続的な構造の塊を形成することが望ましい。多くの場合、形体と表面または表面上の他の形体、たとえば電極との間に高品質接点を形成することが望ましい。   In many cases, it is desirable to form a continuous structural mass that provides, for example, high conductivity. In many cases, it is desirable to form a high quality contact between a feature and a surface or other feature on the surface, such as an electrode.

形体は、ナノ構造であることもできるし、ミクロ構造であることもできる。積層を実施して高さを増すことができるため、形体の高さは特に限定されない。本明細書に記載する方法を使用してナノスケールおよびミクロンスケールの寸法を調製することができるため、横方向寸法、たとえば長さおよび幅は特に限定されない。たとえば、ドット径またはライン幅は、たとえば、約5nm〜約1ミクロンであることができる。または、ドット径またはライン幅は、たとえば、約1ミクロン〜約100ミクロンまたは約5ミクロン〜約25ミクロンであることができる。   The feature can be nanostructured or microstructured. Since the height can be increased by performing lamination, the height of the feature is not particularly limited. Since nanoscale and micron scale dimensions can be prepared using the methods described herein, lateral dimensions such as length and width are not particularly limited. For example, the dot diameter or line width can be, for example, from about 5 nm to about 1 micron. Alternatively, the dot diameter or line width can be, for example, from about 1 micron to about 100 microns or from about 5 microns to about 25 microns.

本発明を実施する際に使用するためのさらなる参考文献が明細書の残り部分に記載されている。これらの参考文献のいずれかが従来技術であることを認めない。以下の非限定的な実施例によって本発明をさらに説明する。   Additional references for use in practicing the present invention are set forth in the remainder of the specification. We do not admit that any of these references is prior art. The invention is further illustrated by the following non-limiting examples.

実施例
以下の実施例では、この新規な方法によって金および白金トレースを書き込んで、ガラスのような基材に強く接着する低抵抗率トレースを形成した。実施例は(1)実験部および(2)結果および論考に細分されている。
Examples In the following examples, gold and platinum traces were written by this novel method to form low resistivity traces that adhere strongly to substrates such as glass. The examples are subdivided into (1) experimental part and (2) results and discussion.

実験
材料
すべての金属塩は、Aldrich(Milwaukee, WI)から市販されている最高純度のものを購入した。標準微細加工法により、窒化ケイ素カンチレバーを、チップ付きおよびチップなしで、様々なビーム幅を有するものとして調製した。カンチレバー幅の効果をさらに試験するため、いくつかのカンチレバーは、集束イオンビーム(FIB)技術を使用して狭窄した。
Experimental Materials All metal salts were purchased with the highest purity commercially available from Aldrich (Milwaukee, Wis.). By standard microfabrication methods, silicon nitride cantilevers were prepared with various beam widths with and without tips. To further test the effect of cantilever width, some cantilevers were constricted using focused ion beam (FIB) technology.

ナノ粒子調製
ナノ粒子は、M.J. Hostetler et. al., Langmuir 14, 17 (1998)にMurrayと共同研究者によって記載されている方法を使用して調製した。
Nanoparticle preparation Nanoparticles were prepared using the method described by Murray and coworkers in MJ Hostetler et. Al., Langmuir 14, 17 (1998).

パターン付け
Thermomicroscopes CR Research機器またはNSCRIPTOR(NanoInk、Chicago, IL)機器の平行移動ステージを使用して、ミクロンサイズのパターンを形成した。zステップモータを使用してカンチレバーをインクで満たした微細加工インクウェルと接触させることにより、カンチレバーを種々の金属前駆体インクで被覆した。次いで、zモータおよびx-y平行移動ステージを使用して、被覆したカンチレバーを基材の上方に配置し、カンチレバーを表面と接触させた。カンチレバーは、カンチレバーの端部だけが表面と接触するよう、わずかな角度(数度)で接触させた。光学顕微鏡検査法によって監視される可撓性カンチレバーのわずかな曲げが、接触が起こったことを示した。ミクロスケールの形体をパターン付けする場合には、機器の力フィードバックおよび圧電走査/位置決め機構を使用する必要がなかったことを記しておく。しかし、ナノスケールパターンの場合、これら繊細位置決め機構が、サブミクロンおよび場合によってはサブ100nmスケールで、形体のサイズおよび位置合わせの制御を提供した。
Patterning
Micron-sized patterns were formed using a translation stage of a Thermomicroscopes CR Research instrument or an NSCRIPTOR (NanoInk, Chicago, IL) instrument. The cantilever was coated with various metal precursor inks by contacting the cantilever with a microfabricated ink well filled with ink using a z-step motor. The coated cantilever was then placed over the substrate using a z motor and xy translation stage, and the cantilever was in contact with the surface. The cantilever was contacted at a slight angle (several degrees) so that only the end of the cantilever was in contact with the surface. A slight bend in the flexible cantilever monitored by optical microscopy indicated that contact occurred. Note that when patterning microscale features, it was not necessary to use instrument force feedback and piezoelectric scanning / positioning mechanisms. However, in the case of nanoscale patterns, these fine positioning features provided control of feature size and alignment at the submicron and sometimes sub-100 nm scale.

結果および論考
インク付着
数百ミクロン、さらにはサブミクロンしかない寸法のラインおよびドットパターンを可能にする、表面にインクで直接書き込む新規な方法が開発された。このインク送り出し法は以下の一般的な工程を含むものであった。
Results and Discussion Ink deposition A new method of writing directly on the surface with ink has been developed that allows line and dot patterns with dimensions of only a few hundred microns or even submicrons. This ink delivery method included the following general steps.

インク装填
可撓性カンチレバーにインクを装填した。用途に依存して、カンチレバーは、端部に先鋭なチップを有することもできるし、チップレスであることもでき、様々な端部形状および数ミクロンから数百ミクロンまでの幅を有することができる。インク装填は、カンチレバーをインクの滴または貯留部と接触させたのち取り出すことにより、受動的に実施することができる。インクがカンチレバーの下面を濡らし、凝集力によって接着する。インクの受動的な装填および送り出しは実施例で実証した。C. Bergaudらによって記載されている、液体インクを能動的に吸い上げ、エレクトロウェッティングおよび誘電泳動によって付着を制御する方法を使用することもできる。
Ink loading The flexible cantilever was loaded with ink. Depending on the application, the cantilever can have a sharp tip at the end or tipless and can have a variety of end shapes and widths from a few microns to a few hundred microns. . Ink loading can be carried out passively by bringing the cantilever into contact with an ink drop or reservoir and then removing it. The ink wets the lower surface of the cantilever and adheres by cohesive force. Passive ink loading and delivery was demonstrated in the examples. The method described by C. Bergaud et al. Can be used to actively wick liquid ink and control adhesion by electrowetting and dielectrophoresis.

手法
カンチレバーを、パターン付けする表面と接触させることができる。大部分の場合、レーザ力フィードバック機構は不要であり、圧電走査/位置決め機構も不要である。機械的「Z」ステップモータを使用してカンチレバーを表面と接触させることができ、光学顕微鏡検査法を使用して、表面と接触したときのカンチレバーの撓みを検出することができる。
Procedure The cantilever can be brought into contact with the surface to be patterned. In most cases, no laser force feedback mechanism is required and no piezoelectric scanning / positioning mechanism is required. A mechanical “Z” step motor can be used to contact the cantilever with the surface, and optical microscopy can be used to detect deflection of the cantilever as it contacts the surface.

形体制御
ラインパターンは、カンチレバーを表面に沿って引くことによって形成することができる。NSCRIPTORおよびThermomicroscopes CP Researchプラットフォームの場合、「X」および「Y」ステップモータまたは微調節手動位置決めスクリューを使用して、レバーを表面に沿って所望のパターンの形に平行移動させることができる。市販の高解像度圧電ステージ(NPoint, Madison, WI)をいずれかの機器にレトロフィットしてもよい。NSCRIPTORプラットフォームの場合、カスタムパターン設計ソフトウェアを使用してカンチレバーの動きを指図することができる。重要なことには、カンチレバーを表面に沿ってカンチレバーの長手軸の方向に平行移動させるならば、ライン幅は、図1に示すように、カンチレバーの端部の幅と直接関連することができる。したがって、カンチレバーの形状大きさによってラインの形状、たとえばライン幅を制御することができる。標準微細加工技術を使用すると、約1ミクロン〜約100ミクロンの幅のカンチレバーを製造することができる。したがって、この方法では、1ミクロン未満から100ミクロンをゆうに超えるまでの幅を有するラインパターンを形成することができる。種々のカンチレバー構造を使用してパターン付けすることができる大きな範囲のライン幅が図1〜7に示されている。たとえば、図1は、幅60および45ミクロンのラインの光学画像を示す。図6は、幅5および4ミクロンのラインの光学およびAFM高さ画像を示し、図7は、幅3および2ミクロンのラインを示す。もっとも狭いライン幅でさえ、ラインは、4マイクロオーム.cmの低い抵抗率を生じさせるのに十分な連続性を有する。
Feature control A line pattern can be formed by pulling a cantilever along a surface. For the NSCRIPTOR and Thermomicroscopes CP Research platforms, “X” and “Y” step motors or fine-tuning manual positioning screws can be used to translate the lever along the surface into the desired pattern shape. A commercially available high-resolution piezoelectric stage (NPoint, Madison, WI) may be retrofitted to any device. For the NSCRIPTOR platform, custom pattern design software can be used to direct cantilever movement. Importantly, if the cantilever is translated along the surface in the direction of the longitudinal axis of the cantilever, the line width can be directly related to the width of the end of the cantilever, as shown in FIG. Therefore, the shape of the line, for example, the line width can be controlled by the size of the cantilever. Using standard microfabrication techniques, cantilevers with a width of about 1 micron to about 100 microns can be manufactured. Therefore, in this method, a line pattern having a width from less than 1 micron to over 100 microns can be formed. A large range of line widths that can be patterned using various cantilever structures is shown in FIGS. For example, FIG. 1 shows an optical image of lines 60 and 45 microns wide. FIG. 6 shows optical and AFM height images of lines 5 and 4 microns wide, and FIG. 7 shows lines 3 and 2 microns wide. Even at the narrowest line width, the line has sufficient continuity to produce a low resistivity of 4 microohms.cm.

最良の形体制御は、直線的なビーム形カンチレバーを用いて達成され、「V字形」または「A字形」カンチレバーは、制御された幅のラインを形成しなかった。また、広く多様なカンチレバーばね定数(すなわち、0.004N/m〜0.19N/mの剛性)および長さ(150〜300ミクロン)によってライン形状の制御を達成することができる。また、固定幅のカンチレバーに最適な長さは材料のばね定数に依存する。実際には、幅15ミクロン、長さ150ミクロン、ばね定数0.032N/mのカンチレバーによって非常に良好なライン制御が達成されたが、幅15ミクロン、長さ300ミクロン、ばね定数0.004N/mのカンチレバーでは並み程度のライン制御しか達成されなかった。集束イオンビームのような先進リソグラフィー法を使用すると、カンチレバーの寸法をミリングによってさらに減らすことができる。表面を固定カンチレバーの下で平行移動させると、工程が同等に作用するということが理解されよう。現在の機器では、毎秒20ミクロンの速度での1回のカンチレバーパスで100ミクロンの幅および1ミクロン未満の幅の線を製造することができるが、毎秒10ミクロンの書き込み速度により、より高い導電率のトレースが得られる。   The best feature control was achieved using a linear beam cantilever, and the “V” or “A” cantilever did not form a controlled width line. Also, line shape control can be achieved with a wide variety of cantilever spring constants (i.e., stiffness of 0.004 N / m to 0.19 N / m) and length (150-300 microns). Also, the optimal length for a fixed width cantilever depends on the spring constant of the material. In fact, very good line control was achieved with a cantilever with a width of 15 microns, a length of 150 microns and a spring constant of 0.032 N / m, but a width of 15 microns, a length of 300 microns and a spring constant of 0.004 N / m The cantilever achieved only a moderate line control. Using advanced lithographic methods such as focused ion beams, the cantilever dimensions can be further reduced by milling. It will be appreciated that the process works equally well when the surface is translated under a stationary cantilever. Current equipment can produce lines with a width of less than 100 microns and a width of less than 1 micron with a single cantilever pass at a rate of 20 microns per second, but with a write speed of 10 microns per second, higher conductivity The trace is obtained.

形体高さ制御
いくつかのパターン付け変数を制御することにより、ライントレースの高さを変えることができる。一般に、1回のパスによって形成されるラインパターンの太さは、硬化後で1nm未満〜数百ナノメートルであることができる(以下のセクションを参照)。ライン形状に対する最適な制御を保証するためには、カンチレバーを、表面に対して平行ではなく、数度よりも大きな角度で表面と接触させる。カンチレバーと表面との間の距離、カンチレバーの力または曲げおよびチップの平行移動速度を制御することにより、トレースの高さを変えることができる。
Feature Height Control Line trace height can be varied by controlling several patterning variables. In general, the thickness of the line pattern formed by a single pass can be less than 1 nm to several hundred nanometers after curing (see section below). To ensure optimal control over the line shape, the cantilever is contacted with the surface at an angle greater than a few degrees rather than parallel to the surface. By controlling the distance between the cantilever and the surface, the force or bending of the cantilever and the translation speed of the tip, the height of the trace can be varied.

カンチレバーを高い力で表面に押し当てると、パターン付けされるトレースの高さが減少する。金属インクの場合でパス1回あたりの最大の高さを達成するためには、カンチレバーと表面との間の距離を、接触を失わない範囲で最大限にすることができる。したがって、高めの粘度および高い金属濃度のインクを使用すると、この方法でより高いパターンが可能になる。予備的な実験では、カンチレバーの撓みを監視しながらカンチレバーと表面との間の距離を変えることにより、力を大まかに制御した。表面に接近し、表面をパターン付けする際のカンチレバーと基材との間の力を感知するための圧電材料をカンチレバー内に埋め込むことにより、高さ/力制御をさらに改善することができる。パターンの高さを増すもう一つの方法がパターン付けの際のカンチレバーの平行移動速度を下げることであるという定性的観測が暗示されている。低速のチップ平行移動では、1回のパスで高さ100nmの形体(硬化後)を形成することができる。ドットパターンを形成するためには、カンチレバーを表面と接触させ、一定時間(普通は数秒)接触状態を維持したのち、取り去る。   Pressing the cantilever against the surface with high force reduces the height of the patterned trace. In order to achieve the maximum height per pass in the case of metallic inks, the distance between the cantilever and the surface can be maximized as long as contact is not lost. Therefore, higher inks with higher viscosities and higher metal concentrations allow higher patterns in this way. In preliminary experiments, the force was roughly controlled by changing the distance between the cantilever and the surface while monitoring the cantilever deflection. The height / force control can be further improved by embedding in the cantilever a piezoelectric material for sensing the force between the cantilever and the substrate when approaching the surface and patterning the surface. A qualitative observation is implied that another way to increase the height of the pattern is to reduce the translation speed of the cantilever during patterning. With low-speed chip translation, a 100 nm-high feature (after curing) can be formed in a single pass. In order to form a dot pattern, the cantilever is brought into contact with the surface, kept in contact for a certain time (usually several seconds), and then removed.

分割カンチレバーおよび多数のカンチレバー
カンチレバーの形状大きさを変更することにより、最大インク装填量、ひいては最大ライン長を増すことができる。長さ50ミクロン〜200ミクロンである単一カンチレバーを用いると、図8に示すように二つの異なるチップ形状大きさに関して1回の装填ステップで長さ数百ミクロンのラインを再現可能に得ることができる。非常に小さなギャップ(ミクロン)を間に有する隣接するカンチレバーを用いて書き込むことにより、インクの総供給量(すなわち、1回の浸漬から得られる量)を大幅に改善することができる。インク供給量の増大は、より高いパターンまたはより長いラインパターンを生じさせることができる。カンチレバーの間のスリットまたはギャップは、毛管作用によってインクを保持するための貯留部として作用する。カンチレバーどうしが密な間隔(数ミクロン〜10ミクロン)で設けられている場合、この方法を使用してトレースのライン幅を増すこともできる。または、多数のカンチレバーがより大きく離れて配置されている場合、それらを使用して同じまたは異なるインクのドットまたはラインパターンを平行に形成することができる。図9は、多数の隣接するカンチレバーを用いて形成されたパターン付けラインの光学画像である。得られる最大ライン長(ひいてはインク装填量)が「ペン」の中のカンチレバー(1、4、2個の隣接するカンチレバー)の数の増大とともに増すようすに注目すること。また、ライン幅の増大がペンの中のカンチレバーの数とともに増大することに注目すること。
By changing the shape and size of the divided cantilevers and a large number of cantilevers, the maximum ink loading amount and thus the maximum line length can be increased. Using a single cantilever that is 50 microns to 200 microns in length can reproducibly produce lines of several hundred microns in a single loading step for two different chip shapes and sizes as shown in Figure 8. it can. Writing with adjacent cantilevers with very small gaps (microns) in between can greatly improve the total supply of ink (ie, the amount obtained from a single dipping). Increasing ink supply can result in higher patterns or longer line patterns. The slits or gaps between the cantilevers act as reservoirs for holding ink by capillary action. This method can also be used to increase the line width of the trace if the cantilevers are closely spaced (a few microns to 10 microns). Alternatively, if a large number of cantilevers are arranged farther apart, they can be used to form the same or different ink dots or line patterns in parallel. FIG. 9 is an optical image of a patterning line formed using a number of adjacent cantilevers. Note that the maximum line length (and hence ink loading) obtained increases with the number of cantilevers (1, 4, and 2 adjacent cantilevers) in the “pen”. Also note that the increase in line width increases with the number of cantilevers in the pen.

層化
多数の層を適用することによってラインおよびドットパターンの高さを増すことができる。通常、金属インクの場合、まず各層を加熱によって硬化させたのち、同じ金属前駆体インクの第二の層を塗布する。ナノスケールの2層パラジウムパターンが図10のAFM画像およびライン走査に示されている。第一の層の2nmから第二の層の10nmまでの高さの増大に注目すること。この実験で使用したインクは、80%エチレングリコール:20%水に溶解した酢酸パラジウムの飽和溶液であった。他の用途の場合、異種材料、たとえば金属、酸化物および半導体の層化形体を構築する必要があるかもしれない。これらの実験の場合、基材をパターン付け機器から取り出して各層を硬化させたが、改良された機器は、表面に付着したままでインクを焼鈍または焼結することができるエネルギー源を含むこともできる。エネルギー源は、熱硬化のための加熱サンプルステージであってもよいし、レーザまたは他の光源であってもよいし、電流を基材に印加して最終的な金属または金属酸化物形態へのインクの転換を誘発する方法であってもよい。
Layering The height of line and dot patterns can be increased by applying multiple layers. Usually, in the case of metal ink, each layer is first cured by heating and then a second layer of the same metal precursor ink is applied. A nanoscale bilayer palladium pattern is shown in the AFM image and line scan of FIG. Note the increase in height from 2 nm of the first layer to 10 nm of the second layer. The ink used in this experiment was a saturated solution of palladium acetate dissolved in 80% ethylene glycol: 20% water. For other applications, it may be necessary to build layered features of dissimilar materials such as metals, oxides and semiconductors. For these experiments, the substrate was removed from the patterning device and the layers were cured, but the improved device could also include an energy source that could anneal or sinter the ink while remaining attached to the surface. it can. The energy source may be a heated sample stage for thermal curing, a laser or other light source, or an electric current is applied to the substrate to the final metal or metal oxide form. It may be a method of inducing ink conversion.

インク
導電性形体をパターン付けする一般的な方法は、適切な前駆体インクおよび分散剤を選択する工程、たとえば前記セクションで記載した方法を使用してインクを表面に塗布する工程、および最後にたとえば熱などのエネルギーを加えることによってパターンを処理して前駆体材料を最終的な所望の材料に転換する工程を含む。このセクションでは、このパターン付け方法と適合性である二つの異なるナノ粒子インク方法を記載する。具体的な用途に関しては、異なるインクの改変または組み合わせを使用することが有用であるかもしれない。
General methods for patterning ink conductive features include selecting an appropriate precursor ink and dispersant, such as applying ink to a surface using the methods described in the previous section, and finally, for example, Processing the pattern by applying energy, such as heat, to convert the precursor material to the final desired material. This section describes two different nanoparticle ink methods that are compatible with this patterning method. For specific applications, it may be useful to use different ink modifications or combinations.

1. 単層保護ナノ粒子インク
無機材料は、その高い融点のせいで、基材に直接書き込むには一般に望ましくない。しかし、多くの材料のナノ粒子(直径100nm未満)は、バルク材と比べて極端な融点低下(1000℃にもなる)を示す。したがって、ナノ粒子は、低温で連続膜に転換することができる金属および金属酸化物の直接書き込み付着のためのインクを得るルートを提供する。この原理は、他者により、たとえばインクジェット技術と組み合わせて応用されている。Jacobsonら(米国特許第6,294,401号)は、ナノ粒子インク、たとえばCdTeおよびCdSeから出発して、II〜VI半導体パターンを形成した(またRidley et al. Science 1999 286 746-749参照)。直接書き込みインクに最良のナノ粒子は、担体溶媒またはマトリックス中に容易に分散し、周囲条件で良好な安定性を有し、調製が廉価であり、低温できれいに連続膜に転換することができる。
1. Single-layer protective nanoparticle inks Inorganic materials are generally undesirable for writing directly on a substrate due to their high melting point. However, many material nanoparticles (less than 100 nm in diameter) show extreme melting point reductions (as high as 1000 ° C.) compared to bulk materials. Thus, nanoparticles provide a route to obtain inks for direct write deposition of metals and metal oxides that can be converted to a continuous film at low temperatures. This principle has been applied by others in combination with, for example, inkjet technology. Jacobson et al. (US Pat. No. 6,294,401) formed II-VI semiconductor patterns starting from nanoparticle inks such as CdTe and CdSe (see also Ridley et al. Science 1999 286 746-749). The best nanoparticles for direct writing inks are easily dispersed in a carrier solvent or matrix, have good stability at ambient conditions, are inexpensive to prepare, and can be converted cleanly into a continuous film at low temperatures.

インク調製
Hostetler、Murrayらによって記載されている方法にしたがって種々のアルカンチオールキャップした金ナノ粒子を調製した。この方法は、他の金属ナノ粒子、たとえば白金、パラジウムおよび銀を調製するためにも使用されている。加えて、この用途に等しく有用であろう他の金属の安定化ナノ粒子を調製する類似の方法が数多くある。そのような方法は、粒子が凝集するのを防ぐため、種々の界面活性剤、脂質およびポリマーを使用する。しかし、この合成法は比較的簡単であり、低温で金属膜に分解することができる安定な粒子を生じさせるため、Hostetler、Murray法を選択した。Subramanianと共同研究者らは、ナノ粒子が連続膜に転換される温度が安定化界面活性剤中の炭素の数およびナノ粒子の直径と強く関連し、短い鎖および大きな粒子ほど低温で分解するということを報告した(Huang, J. Electrochem. Soc. 2003, 150, G412)。
Ink preparation
Various alkanethiol capped gold nanoparticles were prepared according to the method described by Hostetler, Murray et al. This method has also been used to prepare other metal nanoparticles such as platinum, palladium and silver. In addition, there are many similar methods of preparing other metal stabilized nanoparticles that would be equally useful for this application. Such methods use various surfactants, lipids and polymers to prevent the particles from aggregating. However, this synthesis method is relatively simple, and the Hostetler and Murray methods were selected to produce stable particles that can be decomposed into metal films at low temperatures. Subramanian and co-workers say that the temperature at which the nanoparticles are converted to a continuous film is strongly related to the number of carbons in the stabilized surfactant and the diameter of the nanoparticles, with shorter chains and larger particles breaking down at lower temperatures. (Huang, J. Electrochem. Soc. 2003, 150, G412).

疎水性粒子の場合にはヘキサンチオールを選択し、親水性粒子の場合にはチオクト酸及びメルカプトコハク酸を選択した。Murrayと共同研究者らによって記載された手法にしたがって粒子を合成したのち、その粒子を高沸点溶媒、たとえばメシチレン、キシレンおよびジメチルホルムアミド中に分散することによってインクを調製して、インクの蒸発を減らした。   In the case of hydrophobic particles, hexanethiol was selected, and in the case of hydrophilic particles, thioctic acid and mercaptosuccinic acid were selected. After synthesizing particles according to the technique described by Murray and co-workers, inks are prepared by dispersing the particles in high boiling solvents such as mesitylene, xylene and dimethylformamide to reduce ink evaporation. It was.

ナノ粒子インク付着および金属への転換
対象の基材と適合性であるインクを達成するためには、一般に、インクが表面を濡らすことを可能にするチオールキャップ性界面活性剤および溶媒を選択することが有用である。たとえば、ナノ粒子が、ヘキサンチオールを界面活性剤として使用して調製されるならば、そのナノ粒子は疎水性になり、非極性溶媒、たとえばトルエン、メシチレンおよびキシレン中に良好に分散する。これらのインクは、疎水性または非清浄面をパターン付けするのに非常に有用であった。他方、チオクト酸またはメルカプトコハク酸を用いて調製されたナノ粒子は、比較的極性の溶媒、たとえばアルコール中に分散し、そのため、清浄なガラス、石英、酸化ケイ素、ケイ素および窒化ケイ素のような親水面をパターン付けするために使用した。インクが表面と非適合性である場合、インクは、連続したラインを形成せず、表面からディウェッティングして滴を形成する。メシチレンのような一部の非極性溶媒は、親水性および疎水性両方のガラス面に有用であった。インクを適当な基材に付着させたのち、ホットエアガンで表面を250℃で数秒間加熱することにより、ナノ粒子パターンを連続金属膜に転換した。原則として、温度が絶縁有機シェルを除去するのに十分である限り、ナノ粒子は、レーザまたは加熱ステージをはじめとする多数の異なるエネルギー源を使用してバルク金属に転換することができる。図1〜7で、光学画像は、2個の金電極間に書かれた金トレースを硬化の前後で示し、AFMライン走査は、一つのインク層で約12nm〜90nmの平均高さを得ることができることを示す。
Nanoparticle ink deposition and conversion to metal In order to achieve an ink that is compatible with the substrate of interest, one generally chooses a thiol-capped surfactant and solvent that allows the ink to wet the surface. Is useful. For example, if the nanoparticles are prepared using hexanethiol as a surfactant, the nanoparticles become hydrophobic and disperse well in nonpolar solvents such as toluene, mesitylene and xylene. These inks were very useful for patterning hydrophobic or non-clean surfaces. On the other hand, nanoparticles prepared using thioctic acid or mercaptosuccinic acid are dispersed in relatively polar solvents, such as alcohols, so that parent materials such as clean glass, quartz, silicon oxide, silicon and silicon nitride can be used. Used to pattern the water surface. If the ink is incompatible with the surface, the ink does not form a continuous line, but dewets from the surface to form a drop. Some non-polar solvents such as mesitylene have been useful for both hydrophilic and hydrophobic glass surfaces. After depositing the ink on an appropriate substrate, the surface was heated with a hot air gun at 250 ° C. for several seconds to convert the nanoparticle pattern into a continuous metal film. In principle, as long as the temperature is sufficient to remove the insulating organic shell, the nanoparticles can be converted to bulk metal using a number of different energy sources including lasers or heating stages. In FIGS. 1-7, the optical images show gold traces written between two gold electrodes before and after curing, and AFM line scanning obtains an average height of about 12 nm to 90 nm with one ink layer Show that you can.

驚くことに、長鎖炭素化合物、たとえばC-5〜C-50、好ましくはC-10〜C-18の添加が結果を改善した。好ましくは、長鎖炭素は200℃以上の沸点を有する。図1および2に示す例のインク組成物と同様に、本発明者らは、高沸点の長鎖炭素化合物(好ましくは10〜18炭素)をインク調合物に添加した。たとえば、沸点がそれぞれ215℃および270℃のドデカンまたはペンタデカンを使用することができる。図3〜7に示す例で、本発明者らは、ペンタデカン1〜2マイクロリットルを(ナノ粒子、メシチレンおよびチオクト酸)で構成されたナノ粒子溶液4マイクロリットルにアテンドした。これらの長鎖炭素は、ナノ粒子上の炭素鎖と相互作用し、互いに噛み合って三次元構造を形成して、図1および2の光学画像との比較において図3〜7の光学画像に示すような連続的で均質な膜を形成する。図2DのAFM画像を図3C、4A&B、5C、6B&E、7B&Eと比較することにより、図3〜7では亀裂または穴がほとんど見られず、穴および亀裂が存在する図2Dと比較して、硬化後に比較的平滑な面が形成する。長鎖炭素の添加は、表面上またはインクウェル中での蒸発速度を、メシチレンの場合での数分からペンタデカンの場合での2、3時間まで減らし、それが、図3〜5の光学画像に示す均質なラインの形成に役立った。   Surprisingly, the addition of long chain carbon compounds such as C-5 to C-50, preferably C-10 to C-18, improved the results. Preferably, the long chain carbon has a boiling point of 200 ° C. or higher. Similar to the ink compositions of the examples shown in FIGS. 1 and 2, the inventors have added a high-boiling long chain carbon compound (preferably 10-18 carbons) to the ink formulation. For example, dodecane or pentadecane having boiling points of 215 ° C. and 270 ° C., respectively, can be used. In the example shown in FIGS. 3-7, the inventors attended 1-2 microliters of pentadecane to 4 microliters of a nanoparticle solution composed of (nanoparticles, mesitylene and thioctic acid). These long-chain carbons interact with the carbon chains on the nanoparticles and mesh with each other to form a three-dimensional structure, as shown in the optical images of FIGS. 3-7 in comparison with the optical images of FIGS. A continuous and homogeneous film is formed. By comparing the AFM image of FIG. 2D with FIGS. 3C, 4A & B, 5C, 6B & E, 7B & E, there are few cracks or holes in FIGS. 3-7 and hardening compared to FIG. 2D where holes and cracks are present Later, a relatively smooth surface is formed. The addition of long chain carbon reduces the evaporation rate on the surface or in the ink well from a few minutes for mesitylene to a few hours for pentadecane, as shown in the optical images of FIGS. Helped to form a homogeneous line.

金トレースの性質
驚くことに、ナノ粒子前駆体から調製された金膜は、清浄なガラス面に非常に良好に付着したが(図40を参照)、キャップ基の性質が接着において重要な役割を演じることができる。たとえば、酸終端化チオールキャップ基、たとえばチオクト酸で調製されたナノ粒子はガラス上に膜を形成し、この膜は、テープのストリップをパターン上に配置し、こすったのち剥がすスコッチテープ試験に耐えるものであった。しかし、これらのガラス上の親水膜は水洗によって剥がれた。他方、疎水性金ナノ粒子から製造された硬化膜(すなわち、メチル終端化アルカンチオール、たとえばヘキサンチオールでキャップされたもの)は、スコッチテープ試験によって剥がれたが、水洗処理には耐えた。最良の全体的接着および導電率は、親水性の薬剤および疎水性の薬剤を金ナノ粒子と合わせることによって得られた。具体的には、有機可溶性インクは、ヘキサンチオールを用いて調製されたナノ粒子をメシチレンに溶解したのちチオクト酸100mg/mlを加えることによって製造された。この混成インクの単層パターンは、スコッチテープ接着試験の後でも無傷のままであり、水洗にも耐えた。事実、インクは、優れた書き込み性を有し、書き込み中にガラス面を十分に濡らし、250℃できれいに硬化した。スコッチテープおよび洗浄試験に対する優れた耐性の証拠が図1および2に示されている。得られた金薄膜はメタリックイエローであり、AFMによる測定で厚さ約50〜100nmであり、2プローブ構造による測定で優れた導電率を示す。たとえば、長さが約250ミクロン、幅が約15ミクロンである、図2に示すようなトレースは約18オームの測定抵抗値を有する。したがって、この特定のトレースに関しては8マイクローム.cmの抵抗率が計算され、パターン付きトレースに関して4マイクロオーム.cmの低さの抵抗率が測定された。参考までに、金のバルク抵抗率は2.44マイクロオーム.cmである。酸終端化チオールと疎水性メチル終端化チオールとの比を有するナノ粒子からインクを調製することによって同様な結果を得ることができる。異種のチオールキャップ分子を様々な比で有する粒子は、その場で調製することもできるし、Hostetlerと共同研究者らによって記載されている場所交換反応(M. J. Hostetler, S. J. Green, J. J. Stokes, and R. W. Murray, J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 4212-4213)を使用して自在に調製することもできる。この実施例では金粒子インクを実証したが、パターン付け法は一般に、キャップ配位子を用いて調製することができるいかなるナノ粒子材料にも適用可能である。Cu、Pd、Ag、Ru、Mo、CdSe、Ni、Coおよびその他をはじめとする材料から、ナノメートル未満から100ナノメートルまでの範囲の粒度の粒子を製造する手法の様々な報告が文献にある。
Gold Trace Properties Surprisingly, gold films prepared from nanoparticle precursors attached very well to clean glass surfaces (see Figure 40), but the nature of the cap group plays an important role in adhesion. Can play. For example, nanoparticles prepared with acid-terminated thiol capping groups, such as thioctic acid, form a film on glass that withstands the Scotch tape test where strips of tape are placed on the pattern and then scraped off. It was a thing. However, these hydrophilic films on the glass were peeled off by washing with water. On the other hand, cured films made from hydrophobic gold nanoparticles (ie, capped with methyl-terminated alkanethiols such as hexanethiol) were peeled off by the Scotch tape test, but withstood the water washing treatment. The best overall adhesion and conductivity was obtained by combining hydrophilic and hydrophobic drugs with gold nanoparticles. Specifically, the organic soluble ink was prepared by dissolving nanoparticles prepared using hexanethiol in mesitylene and then adding 100 mg / ml thioctic acid. The single layer pattern of this hybrid ink remained intact after the Scotch tape adhesion test and withstood water. In fact, the ink had excellent writing properties, wetted the glass surface well during writing and cured cleanly at 250 ° C. Evidence of excellent resistance to scotch tape and cleaning tests is shown in FIGS. The obtained gold thin film is metallic yellow, has a thickness of about 50 to 100 nm as measured by AFM, and exhibits excellent conductivity as measured by a two-probe structure. For example, a trace as shown in FIG. 2 that is approximately 250 microns in length and approximately 15 microns in width has a measured resistance value of approximately 18 ohms. Therefore, a resistivity of 8 microhm.cm was calculated for this particular trace, and a resistivity as low as 4 microohm.cm was measured for the patterned trace. For reference, the bulk resistivity of gold is 2.44 microohms.cm. Similar results can be obtained by preparing inks from nanoparticles having a ratio of acid-terminated thiols to hydrophobic methyl-terminated thiols. Particles with different ratios of dissimilar thiol cap molecules can be prepared in situ or the place exchange reaction described by Hostetler and co-workers (MJ Hostetler, SJ Green, JJ Stokes, and RW Murray, J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 4212-4213). Although this example demonstrated gold particle inks, the patterning method is generally applicable to any nanoparticle material that can be prepared using a cap ligand. There are various reports in the literature on how to produce particles with particle sizes ranging from sub-nanometers to 100 nanometers from materials including Cu, Pd, Ag, Ru, Mo, CdSe, Ni, Co and others .

ナノ粒子インクを用いたナノスケールパターン
ナノ粒子ベースのインク調合物は、サブミクロンサイズのパターンを生じさせるためのディップペンナノリソグラフィー印刷法を使用してパターン付けすることができる。一つの実験では、窒化ケイ素カンチレバー/チップアセンブリを使用して、ヘキサンチオールキャップした金ナノ粒子(メシチレン中の飽和溶液)を石英上でパターン付けした。具体的には、チップをケイ素インクウェル中のナノ粒子インクの滴と数秒間接触させることによってチップをナノ粒子インクで被覆した。そして、被覆したチップを使用して石英表面にラインおよびドット形体を形成した。たとえば、ドットパターンは、図11に示すようにチップを表面と10秒間接触させて保持することによって形成した。加える力を0.2nNから4nNまで変えることにより、ドットの直径および高さを幅50nmから85nmまで、高さ2.5nmから7.5nmまで変化させた。チップを表面上で一定の速度(約0.15ミクロン/秒)で平行移動させることによってラインを形成した。図12に示すように、加える力を変化させることにより、ラインの高さおよび幅を変化させた。ナノスケール粒子パターンは、ヒートガンから熱を加えること(250℃、5秒)によって硬化させ、再びイメージング立証した。図13。
Nanoscale Patterns Using Nanoparticle Inks Nanoparticle-based ink formulations can be patterned using dip pen nanolithographic printing methods to produce submicron sized patterns. In one experiment, hexanethiol capped gold nanoparticles (saturated solution in mesitylene) were patterned on quartz using a silicon nitride cantilever / tip assembly. Specifically, the chip was coated with the nanoparticle ink by contacting the chip with a drop of nanoparticle ink in a silicon ink well for a few seconds. Lines and dot features were then formed on the quartz surface using the coated chips. For example, the dot pattern was formed by holding the chip in contact with the surface for 10 seconds as shown in FIG. By changing the applied force from 0.2 nN to 4 nN, the diameter and height of the dots were changed from 50 nm to 85 nm in width and from 2.5 nm to 7.5 nm in height. Lines were formed by translating the tip over the surface at a constant speed (approximately 0.15 microns / second). As shown in FIG. 12, the height and width of the line were changed by changing the applied force. The nanoscale particle pattern was cured by applying heat from a heat gun (250 ° C., 5 seconds) and again verified by imaging. FIG.

2. ポリオールインク
ナノ粒子を調製するもう一つの方法は、アルコールまたはポリオールの存在で熱によって金属塩を化学的に還元する方法である。この方法は、分散ナノ粒子を製造する手段としてFiglarzらによって報告されたものである(米国特許第4,539,041号)。方法は、連続膜を形成するための同様な方法を報告したChowらによって改善された。このポリオール法を、ナノスケールおよびマイクロスケールの導体パターンのためのインクとして使用するためのナノ粒子を形成するために創造的かつ好都合に適合させることができる。
2. Polyol ink Another method for preparing nanoparticles is to chemically reduce the metal salt by heat in the presence of alcohol or polyol. This method has been reported by Figlarz et al. As a means of producing dispersed nanoparticles (US Pat. No. 4,539,041). The method was improved by Chow et al. Who reported a similar method for forming continuous films. This polyol method can be creatively and conveniently adapted to form nanoparticles for use as inks for nanoscale and microscale conductor patterns.

インク調製
金属前駆体インクの一般的配合は、マトリックスおよび金属塩を含有するアルコールを含む。パターン付けののち、塩をその場でナノ粒子に転換すると、ナノ粒子は、熱の増大によって金属膜に凝集する。予備的実験では、この方法が、金属、たとえばAu、Pt、PdおよびAgに関して実証されたが、多くの他の金属および合金(米国特許第 5,759,230号および第4,539,041号に概説)が同じくこの方法に適合可能である。
Ink Preparation A common formulation for metal precursor inks includes an alcohol containing a matrix and a metal salt. After patterning, when the salt is converted into nanoparticles in situ, the nanoparticles aggregate into a metal film due to increased heat. In preliminary experiments, this method has been demonstrated for metals such as Au, Pt, Pd and Ag, but many other metals and alloys (reviewed in US Pat. Nos. 5,759,230 and 4,539,041) are also included in this method. It can be adapted.

ポリオールインクによるナノメートルスケールパターン
実施例1
20%ミリポア水および80%エチレングリコールに溶解したヘキサクロロ白金(IV)酸水素(水和物)10mg/100μLからなる前駆体インクを使用して白金のナノスケール形体を書き込んだ。DPN印刷技術を使用して、このインクを清浄なガラスまたは酸化ケイ素基材に書き込むことができる。ミクロンサイズのパターンの場合、チップレスカンチレバーがパターンのサイズおよび厚さの最適な制御を提供し、ナノスケールパターンの場合、可撓性カンチレバーの端部に超先鋭なチップ(たとえば窒化ケイ素)を有するカンチレバーが最適な解像度を提供する。付着後、ホットプレートまたはホットエアガンで加熱することにより、前駆体パターンを金属形体に転換する。この硬化または転換反応は250℃付近の温度で急速に(数秒で)起こる。パターンの厚さは、硬化工程と硬化工程との間にインクの層を追加することによって増すことができる。図10は、このインクを使用して酸化ケイ素上に形成された層化ナノスケールパターンを示す。同様な方法を使用して、酸化ケイ素上で金電極間にミクロンサイズの白金トレースを引いた。図14は、インクで被覆したカンチレバーをその短軸に対して平行な方向に平行移動させることによって白金塩化物インクで引いた長さ110ミクロンのラインを示す。硬化後、単層のインクは高い抵抗値を示したが、後続の層を加えてパターンの高さ、ひいては導電率を増すこともできた。
Example 1 of nanometer scale pattern with polyol ink
Platinum nanoscale features were written using a precursor ink consisting of 10 mg / 100 μL of hexachloroplatinum (IV) hydrogen hydrate (hydrate) dissolved in 20% Millipore water and 80% ethylene glycol. This ink can be written on clean glass or silicon oxide substrates using DPN printing technology. For micron-sized patterns, tipless cantilevers provide optimal control of pattern size and thickness, and for nanoscale patterns, have ultra-sharp tips (eg, silicon nitride) at the end of flexible cantilevers Cantilevers provide optimal resolution. After deposition, the precursor pattern is converted into a metal form by heating with a hot plate or hot air gun. This curing or conversion reaction occurs rapidly (in seconds) at temperatures around 250 ° C. The thickness of the pattern can be increased by adding a layer of ink between the curing steps. FIG. 10 shows a layered nanoscale pattern formed on silicon oxide using this ink. A similar method was used to draw micron-sized platinum traces between gold electrodes on silicon oxide. FIG. 14 shows a 110 micron long line drawn with platinum chloride ink by translating a cantilever coated with ink in a direction parallel to its minor axis. After curing, the single layer ink exhibited a high resistance, but subsequent layers could be added to increase the pattern height and thus the conductivity.

実施例2
もう一つの例では、白金インクを使用して、ミクロンサイズの金電極の間にドット形体を形成した。ドットは、図15の光学画像に示すように、被覆されたチップ/カンチレバーアセンブリを表面と短時間(数秒間)接触させたのち、チップを引っ込めて滴を残すことによって形成される。滴のサイズは、表面に対するインクの湿潤性、チップの装填および場合によってはチップ-基材保持時間に依存する。
Example 2
In another example, platinum ink was used to form dot features between micron-sized gold electrodes. The dots are formed by bringing the coated tip / cantilever assembly into contact with the surface for a short time (several seconds) and then retracting the tip to leave a drop, as shown in the optical image of FIG. The size of the droplets depends on the wettability of the ink to the surface, chip loading and possibly chip-substrate retention time.

実施例3
金属塩前駆体インクの粘度および湿潤性を変化させるために、いくつかの異なるポリマーを添加物として使用した。たとえば、エチレングリコールに代えてポリエチレングリコールを還元剤として用いることにより、インクの性質が改善した。二つの異なる分子量のポリエチレングリコールの混合物を使用することにより、特に有用な白金インクが得られる。このインクを調製するためには、ヘキサクロロ白金(IV)酸水素(水和物)100mgを、分子量300および10,000のポリエチレングリコールそれぞれ30mgを含有する水溶液15マイクロリットルに溶解した。インクはガラス面を十分に湿潤させ、熱による硬化ののち、導電性白金膜を形成する。たとえば、図16は、クロム電極間に引かれた単層白金トレースの例を示す。硬化後、長さ50ミクロンのトレースの抵抗値は80オームであり、トレースは、洗浄およびスコッチテープ剥離試験の際、表面に十分に接着した。
Example 3
Several different polymers were used as additives to change the viscosity and wettability of the metal salt precursor ink. For example, the properties of the ink were improved by using polyethylene glycol as the reducing agent instead of ethylene glycol. By using a mixture of two different molecular weight polyethylene glycols, a particularly useful platinum ink is obtained. To prepare this ink, 100 mg of hexachloroplatinic (IV) hydrogen hydrate (hydrate) was dissolved in 15 microliters of an aqueous solution containing 30 mg each of 300 and 10,000 polyethylene glycols. The ink sufficiently wets the glass surface, and after being cured by heat, forms a conductive platinum film. For example, FIG. 16 shows an example of a single layer platinum trace drawn between chrome electrodes. After curing, the 50 micron long trace had a resistance of 80 ohms and the trace adhered well to the surface during cleaning and scotch tape peel tests.

実施例4
金は、白金よりもバルク抵抗率がずっと低い。したがって、薄膜トランジスタにおける金属トレースの修復のような用途の場合に金属トレースの導電率を改善するために、金塩テトラクロロ金(III)水素(三水和物)に基づく同様な金属インク前駆体を試験した。典型的な配合は、80%エチレングリコール/20%水中にAu塩100mgを含む。金前駆体インクは、書き込み中に酸化ケイ素およびガラス面を十分に湿潤させ、ホットプレート上200℃で5〜10秒間硬化させた。得られた膜は光学顕微鏡写真では黒く写り、AFM画像によると、小さな分離した粒子からなるものであった。単層トレースは普通、非導電性であり、清浄な酸化ケイ素基材には不十分にしか接着しなかった。後続の層(最大で5層)が個々の粒子の高さおよび直径を数百ナノメートルまで増大させたが、高い抵抗値(長さ100ミクロンの電極ギャップをはさんで数百オーム)では粒子間分離が生じる。図17のAFM走査は、酸化ケイ素上で金電極間に付着した3層の金塩化物インクの後に形成した大きな金粒子を示す。
Example 4
Gold has a much lower bulk resistivity than platinum. Therefore, to improve the conductivity of metal traces for applications such as metal trace repair in thin film transistors, a similar metal ink precursor based on the gold salt tetrachlorogold (III) hydrogen (trihydrate) is used. Tested. A typical formulation contains 100 mg Au salt in 80% ethylene glycol / 20% water. The gold precursor ink was sufficiently wetted on the silicon oxide and glass surfaces during writing and cured on a hot plate at 200 ° C. for 5-10 seconds. The resulting film appeared black in the optical micrograph, and according to the AFM image, consisted of small separated particles. Single layer traces were usually non-conductive and adhered poorly to clean silicon oxide substrates. Subsequent layers (up to 5 layers) increased the height and diameter of individual particles to several hundred nanometers, but at high resistance (several hundred ohms across a 100 micron long electrode gap) Separation occurs. The AFM scan of FIG. 17 shows large gold particles formed after three layers of gold chloride ink deposited on the silicon oxide between the gold electrodes.

実施例5
酸化ケイ素上に導電トレースを形成するのに有用なインクは、金および白金前駆体インクの性質を合わせたものであろう。したがって、金の高い導電性ならびに白金の優れた付着および膜接着性を得るために、金および白金に基づく合金形成性インクを開発した。たとえば、パターン付け法とで非常に適合性であった一つの調合物は、300および10,000MWポリエチレングリコールそれぞれ60mgを含有する水30マイクロリットルに同時に溶解した白金塩100mgおよび金塩50mgからなるものであった。図17Aに示す、酸化ケイ素上で30ミクロンのギャップをまたいで引いた2層パターンは、硬化後、90オームの抵抗値を示した。PDMS(ポリジメチルシロキサン)被覆されたAFMチップを用いてクロム電極間に書き込んだ同じ合金インクの6層は、硬化後、32オームの抵抗値を示し、80nmの高さに達した(図17B)。図17Cは、原子間力顕微鏡検査法によって測定された6層パターンにおける均一なAu-Pt粒子を示す。金属トレースの導電率をさらに高めるため、基材を銀増強溶液中に1時間浸漬した。光学画像およびAFM画像は、銀増強溶液が、すでに金を含有する区域だけで銀被覆を形成するということを示した。この実験は、パターンが金金属を完全還元状態で含有するというさらなる証拠を提供する。電流電圧測定は、銀が付着されたのち抵抗値が24Ωに低下したことを示す。
Example 5
Inks useful for forming conductive traces on silicon oxide would combine the properties of gold and platinum precursor inks. Therefore, in order to obtain high gold conductivity and excellent platinum adhesion and film adhesion, alloy-forming inks based on gold and platinum were developed. For example, one formulation that was very compatible with the patterning method consisted of 100 mg platinum salt and 50 mg gold salt simultaneously dissolved in 30 microliters of water containing 60 mg each of 300 and 10,000 MW polyethylene glycol. there were. The two layer pattern drawn across the 30 micron gap on silicon oxide, shown in FIG. 17A, showed a resistance of 90 ohms after curing. Six layers of the same alloy ink written between chrome electrodes using PDMS (polydimethylsiloxane) coated AFM tips showed a resistance of 32 ohms after curing and reached a height of 80 nm (FIG. 17B) . FIG. 17C shows uniform Au—Pt particles in a six-layer pattern measured by atomic force microscopy. In order to further increase the conductivity of the metal trace, the substrate was immersed in a silver enhancement solution for 1 hour. Optical and AFM images showed that the silver enhancement solution formed a silver coating only in areas that already contained gold. This experiment provides further evidence that the pattern contains gold metal in a fully reduced state. Current-voltage measurements show that the resistance dropped to 24Ω after silver was deposited.

実施例6
ガラス面(および他多くの表面)へのポリオールインクの接着を改善する一つの方法は、少量のエポキシをインク調合物に加えることである。一つのそのようなインクの場合、四塩化金水素85mgをジメチルホルムアミド50マイクロリットルに溶解した。この塩溶液3マイクロリットルに対し、エチレングリコール1マイクロリットルおよびエポキシ混合物1マイクロリットルを加えた。Epotekから購入したエポキシ(377 Epotek)2部を金属塩の非存在で120℃で1時間硬化させ、Aldrichから購入したエポキシ(ビスフェノールF)を150℃で1分間硬化させたが、硬化時間は金塩の存在で増大した。得られたインク混合物は、標準付着工程では表面まで容易に移行したが、ガラス面を非常に良好には濡らさなかった。パターン付けののち、熱を使用して金属塩をナノ粒子に転換し、エポキシを架橋させた。得られた膜はきわめて良好にガラス面に接着し、すべての標準洗浄処理(水洗およびスコッチテープ剥離)および機械的磨耗に耐えた。インクの金属含量が十分に高い限り、金電極間に形成された金属トレースは十分に低い抵抗値を有した。図18は、エポキシ増強インクを使用して150℃で2時間硬化させて調製した、ガラス上の大きな金形体の光学顕微写真を示す。膜の抵抗値は0.3オームであった。
Example 6
One way to improve the adhesion of polyol inks to glass surfaces (and many other surfaces) is to add a small amount of epoxy to the ink formulation. For one such ink, 85 mg of gold hydrogen tetrachloride was dissolved in 50 microliters of dimethylformamide. To 3 microliters of this salt solution, 1 microliter of ethylene glycol and 1 microliter of epoxy mixture were added. Two parts of epoxy purchased from Epotek (377 Epotek) were cured for 1 hour at 120 ° C in the absence of metal salt, and epoxy purchased from Aldrich (bisphenol F) was cured for 1 minute at 150 ° C, but the curing time was gold Increased in the presence of salt. The resulting ink mixture easily transferred to the surface in the standard deposition process, but did not wet the glass surface very well. After patterning, heat was used to convert the metal salt to nanoparticles and to crosslink the epoxy. The resulting film adhered very well to the glass surface and withstood all standard cleaning treatments (water washing and scotch tape peeling) and mechanical wear. As long as the metal content of the ink was sufficiently high, the metal trace formed between the gold electrodes had a sufficiently low resistance. FIG. 18 shows an optical micrograph of a large metal mold on glass prepared by curing for 2 hours at 150 ° C. using an epoxy enhanced ink. The resistance value of the film was 0.3 ohm.

実施例7
前記実施例すべてにおいては、インクの供給源および主送り出しツールとしてカンチレバーを使用してミクロンスケールのパターンを付着した。しかし、これらの金属前駆体インクを使用してサブミクロンサイズの形体を形成するためには、インク送り出しのための供給源およびツールとしてカンチレバーの端部に先鋭なチップを使用することが有用である。ミクロンおよびサブミクロンスケールパターン付けに特に良好に作用する一つの金属インクは、上記の金インクを改変したものである。インクを調製するには、塩化金(85.5mg)をジメチルホルムアミド50μLに溶解する。この溶液に対し、エチレングリコール1μLおよびチオクト酸0.1mgを加える。このインクは窒化ケイ素チップを用いて付着させることができるが、PDMS(ポリジメチルシロキサン)被覆されたチップを書き込みに使用するならば、パターン付けの信頼性が改善する。このインクを石英基材に書き込むと、図19のAFM画像で実証するように、高さ15nmの形体が得られる。前駆体インクパターンは、オーブン中120℃で5分間、次いで250℃で10秒間硬化させる。重要なことに、パターンは、優れた安定性を示し、水洗およびそれぞれ120℃で10分間の2回のピラニア溶液洗浄(3:1、H2SO4/H2O2)に耐える。
Example 7
In all of the above examples, micron scale patterns were deposited using cantilevers as the ink source and main delivery tool. However, to form submicron-sized features using these metal precursor inks, it is useful to use a sharp tip at the end of the cantilever as a source and tool for ink delivery. . One metallic ink that works particularly well for micron and submicron scale patterning is a modification of the gold ink described above. To prepare the ink, gold chloride (85.5 mg) is dissolved in 50 μL of dimethylformamide. To this solution is added 1 μL of ethylene glycol and 0.1 mg of thioctic acid. This ink can be applied using a silicon nitride chip, but if a PDMS (polydimethylsiloxane) coated chip is used for writing, the patterning reliability is improved. When this ink is written on a quartz substrate, a 15 nm high feature is obtained, as demonstrated by the AFM image in FIG. The precursor ink pattern is cured in an oven at 120 ° C. for 5 minutes and then at 250 ° C. for 10 seconds. Importantly, the pattern shows excellent stability and withstands water washing and two piranha solution washings (3: 1, H 2 SO 4 / H 2 O 2 ) for 10 minutes each at 120 ° C.

以下の参考文献すべてが全体として参照により本明細書に組み入れられる。
インクおよび付着技術に関連するさらなる参考文献

Figure 2007528796
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All of the following references are incorporated herein by reference in their entirety.
Additional references related to ink and deposition technology
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参考文献16からのさらなる記載(「導体パターン」)
当業者が本発明を実施することをさらに可能にするため、全体として参照により本明細書に組み入れられる上記参考文献16を以下に提供する(特許出願“Processes for Fabricating Conductive Patterns Using Nanolithography as a Patterning Tool”)。
Further description from reference 16 ("Conductor pattern")
In order to further enable those skilled in the art to practice the present invention, the above reference 16, which is incorporated herein by reference in its entirety, is provided below (patent application “Processes for Fabricating Conductive Patterns Using Nanolithography as a Patterning Tool”). ").

さらなる背景情報として、バイオテクノロジー、診断、マイクロエレクトロニクスおよびナノテクノロジーにおける多くの重要な用途が必須構成要件の一つとして金属のナノ構造を要する。たとえば、より小さく、より高速のコンピュータチップおよび回路板を提供するためにはより良好なマイクロエレクトロニクスが必要であり、金属が、回路を完成させるのに必要な導電性を提供することができる。金属はまた、触媒として使用することもできる。しかし、金属の加工は困難であり、ナノスケールでの作業は事態をより困難にするおそれがある。多くの方法はミクロンレベルの製造に限定されている。多くの方法は、電気化学的バイアスまたは非常に高い温度の必要性によって制限される。そのうえ、多くの方法は、付着工程の物理的要件、たとえばインク粘度によって制限される。とりわけ、位置合わせ、膜およびワイヤを層化する能力、高い解像度ならびに融通性を提供する、金属ナノ構造を製造するためのより良い方法が必要である。   As further background information, many important applications in biotechnology, diagnostics, microelectronics and nanotechnology require metal nanostructures as one of the essential components. For example, better microelectronics are needed to provide smaller and faster computer chips and circuit boards, and metal can provide the conductivity necessary to complete the circuit. Metals can also be used as catalysts. However, metal processing is difficult and working at the nanoscale can make things more difficult. Many methods are limited to micron level manufacturing. Many methods are limited by the need for electrochemical bias or very high temperatures. Moreover, many methods are limited by the physical requirements of the deposition process, such as ink viscosity. In particular, there is a need for better methods for fabricating metal nanostructures that provide alignment, the ability to layer films and wires, high resolution and flexibility.

概要として、本発明は、発明の範囲を限定することなく本明細書で概要を記す一連の態様を含む。たとえば、本発明は、導電被覆を所望のパターンで基材に付着させる方法であって、(a)ナノリソグラフィーにより、前駆体で被覆されたチップを使用して前駆体を所望のパターンで基材に付着させる工程、(b)前駆体を配位子と接触させる工程、(c)電子を配位子から前駆体に移動させるのに十分なエネルギーを場合によっては分散照射光源から加え、それにより、前駆体を分解して導電性析出物を所望のパターンで形成し、そのようにして導体パターンを直接基材上に形成する工程を含む方法を提供する。   In summary, the present invention includes a series of aspects outlined herein without limiting the scope of the invention. For example, the present invention is a method of depositing a conductive coating on a substrate in a desired pattern, (a) using a chip coated with the precursor by nanolithography, the precursor in a desired pattern (B) contacting the precursor with the ligand, (c) applying sufficient energy from a dispersive irradiation light source, optionally to move electrons from the ligand to the precursor, thereby Providing a method comprising the steps of decomposing the precursor to form a conductive deposit in the desired pattern and thus forming the conductor pattern directly on the substrate.

本発明はまた、導電性金属を所望のパターンで基材上に印刷する方法であって、(a)ナノリソグラフィーにより、前駆体で被覆されたチップを使用して、金属前駆体および配位子を所望のパターンにしたがって直接基材上に引く工程、および(b)場合によっては分散照射光源からエネルギーを加えることによって前駆体を分解して、基材から実質的な量の前駆体を除去することなく、また、基材から実質的な量の金属を除去することなく、導電性金属を所望のパターンで形成する工程を含む方法を提供する。   The present invention is also a method of printing a conductive metal in a desired pattern on a substrate using (a) a chip coated with the precursor by nanolithography, using the metal precursor and ligand Drawing directly onto the substrate according to the desired pattern, and (b) decomposing the precursor, optionally by applying energy from a distributed illumination source, to remove a substantial amount of the precursor from the substrate. And a method comprising forming a conductive metal in a desired pattern without removing a substantial amount of metal from a substrate.

本発明はまた、金属前駆体をチップから基材に付着させてナノ構造を形成し、次いで前駆体ナノ構造を金属付着物に転換する工程を含む、ナノリソグラフィー法を提供する。付着は、チップと基材との間に電気バイアスを使用せずに実施することができる。   The present invention also provides a nanolithographic method comprising attaching a metal precursor from a chip to a substrate to form a nanostructure, and then converting the precursor nanostructure to a metal deposit. The deposition can be performed without using an electrical bias between the chip and the substrate.

本発明はまた、金属前駆体をナノスコピックチップから基材に付着させてナノ構造を形成し、次いで、ナノ構造の金属前駆体を金属形態に転換する工程から本質的になるナノリソグラフィー法を提供する。本発明の基本的かつ新規な局面は本明細書の至る所で記されているが、これらの局面は、スタンプおよびレジストが要らず、電気化学的バイアスが要らず、一般的な研究室および製造施設では容易に利用できない高価な装備が要らず、基材とインクとの反応が要らないということを含む。したがって、組成物およびインクは、これらの制限なしで調合およびパターン付けすることができる。   The present invention also provides a nanolithographic method consisting essentially of attaching a metal precursor from a nanoscopic tip to a substrate to form a nanostructure and then converting the nanostructured metal precursor to a metal form. To do. Although the basic and novel aspects of the present invention are described throughout the specification, these aspects do not require stamps and resists, do not require electrochemical bias, are used in general laboratories and manufacturing. This means that there is no need for expensive equipment that is not easily available at the facility, and no reaction between the substrate and the ink is required. Thus, compositions and inks can be formulated and patterned without these limitations.

本発明はまた、インクと基材との間に電気化学的バイアスまたは反応を使用せずに印刷する方法であって、金属前駆体インク組成物をチップからミクロ構造またはナノ構造の形態で基材に付着させて、互いに約1ミクロン以下、約500nm以下または約100nm以下離れたばらばらの物体を有するアレイを形成する工程を含む方法を提供する。   The present invention is also a method for printing without using an electrochemical bias or reaction between an ink and a substrate, wherein the metal precursor ink composition is formed from a chip in the form of a microstructure or nanostructure. To form an array having discrete objects separated from each other by about 1 micron or less, about 500 nm or less, or about 100 nm or less.

本発明はまた、本発明の方法によって調製される、基材およびその上にあるばらばらのナノスコピックおよび/またはマイクロスコピック金属付着物を含むパターン付きアレイを提供する。金属付着物は、たとえば、長方形、正方形、ドットまたはラインであることができる。   The present invention also provides a patterned array comprising a substrate and discrete nanoscopic and / or microscopic metal deposits thereon prepared by the method of the present invention. The metal deposit can be, for example, a rectangle, square, dot or line.

本発明はまた、たとえばセンサ、バイオセンサおよびリソグラフィーテンプレートを調製することならびに本明細書に記載する他の用途を含む、これらの方法を使用する方法を提供する。   The invention also provides methods of using these methods, including, for example, preparing sensors, biosensors and lithographic templates and other applications described herein.

参考文献16の図1は、本発明の実施例1におけるパラジウム構造のAFMデータを示す。   FIG. 1 of Reference 16 shows AFM data of the palladium structure in Example 1 of the present invention.

参考文献16の図2は、本発明の実施例3におけるパラジウム構造のAFMデータを示す。   FIG. 2 of Reference 16 shows AFM data of the palladium structure in Example 3 of the present invention.

参考文献16の図3は、本発明の実施例4におけるパラジウム構造のAFMデータを示す。   FIG. 3 of Reference 16 shows AFM data of the palladium structure in Example 4 of the present invention.

参考文献16の図4は、本発明の実施例5におけるパラジウム構造のAFMデータを示す。   FIG. 4 of Reference 16 shows AFM data of the palladium structure in Example 5 of the present invention.

参考文献16の図5は、本発明の実施例5におけるパラジウム構造のAFMデータを示す。   FIG. 5 of Reference 16 shows AFM data of the palladium structure in Example 5 of the present invention.

参考文献16における詳細な説明(「導体パターン」)
参考文献16は、全体として参照により本明細書に組み入れられる、2002年8月26日出願のCrockerらへの仮出願第60/405,741号および2002年10月21日出願のCrockerらへの仮出願第60/419,781号に対する恩典を主張する。
Detailed explanation in Reference 16 ("Conductor pattern")
Reference 16 is provisional application 60 / 405,741 to Crocker et al. Filed Aug. 26, 2002 and provisional application to Crocker et al. Filed Oct. 21, 2002, which is incorporated herein by reference in its entirety. Claims benefits for 60 / 419,781.

上記のように、DPN(商標)及びDIP PEN NANOLITHOGRAPHY(商標)は、NanoInk, Inc.の商標であり、本明細書においてしかるべく使用される(例えば、DPN印刷またはDIP PEN NANOLITHOGRAPHY印刷)。DPN法および装備は、本発明にしたがってナノリソグラフィーを実施するために使用することができるNScriptor(商標)を含め、NanoInk, Inc.(Chicago, IL)から一般に市販されている。   As noted above, DPN ™ and DIP PEN NANOLITHOGRAPHY ™ are trademarks of NanoInk, Inc., and are used accordingly herein (eg, DPN printing or DIP PEN NANOLITHOGRAPHY printing). DPN methods and equipment are generally commercially available from NanoInk, Inc. (Chicago, IL), including NScriptor ™, which can be used to perform nanolithography according to the present invention.

本明細書は、当業者が本発明を実施するための、技術文献の参照を含むガイダンスを提供するが、この参照は、その技術文献が従来技術であることを認めることにはならない。   This written description provides guidance, including a reference to a technical document, for those skilled in the art to practice the invention, but this reference is not an admission that the technical document is prior art.

直接書き込み技術は、たとえばDirect-Write Technologies for Rapid Prototyping Applications: Sensors, Electronics, and Integrated Power Sources, Ed. by A. Pique and D. B. Chrisey, Academic Press, 2002に記載されている方法によって実施することができる。たとえばMirkin, DemersおよびHongによる第十章は、サブ100ナノメートル長さスケールにおけるナノリソグラフィー印刷を記載しており、参照により本明細書に組み入れられる(303〜312頁)。311〜312頁は、本発明の実施において当業者を導くことができる、ナノスコピックチップから基材に運ばれるパターン付け化合物を使用する走査プローブリソグラフィーおよび直接書き込み法に関するさらなる参照文献を提供している。この原文はまた、導体パターンを記載している。   Direct write technology can be implemented by the method described in, for example, Direct-Write Technologies for Rapid Prototyping Applications: Sensors, Electronics, and Integrated Power Sources, Ed. By A. Pique and DB Chrisey, Academic Press, 2002. . For example, Chapter 10 by Mirkin, Demers and Hong describes nanolithographic printing on a sub-100 nanometer length scale and is incorporated herein by reference (pages 303-312). Pages 311-312 provide further references on scanning probe lithography and direct writing methods using patterning compounds carried from a nanoscopic tip to a substrate that can guide one skilled in the practice of the present invention. . This text also describes conductor patterns.

ナノリソグラフィーおよびナノ加工はまた、Marc J. MadouのFundamentals of Microfabrication, The Science of Miniaturization, 2nd Ed.に、344〜357頁の金属付着を含め、記載されている。   Nanolithography and nanofabrication are also described in Marc J. Madou's Fundamentals of Microfabrication, The Science of Miniaturization, 2nd Ed., Including metal deposition on pages 344-357.

本出願には、ディップペンナノリソグラフィー(DPN)印刷をパターン付けツールとして使用して導体パターンを製造するための多数の実施態様が開示されている。本開示におけるすべての態様に関し、DPN印刷法を開示する以下の文献が、参照により本明細書に組み入れられ、本開示の一部を構成する:
(1)Pinerら、Science、1999年1月29日、第283巻、661-663頁
(2)1999年1月7日出願のMirkinらへの米国特許仮出願第60/115,133号
(3)1999年10月4日出願のMirkinらへの米国特許仮出願第60/207,713号
(4)2000年1月5日出願のMirkinらへの米国特許通常出願第09/477,997号
(5)2000年5月26日出願のMirkinらへの米国特許仮出願第60/207,713号
(6)2000年5月26日出願のMirkinらへの米国特許仮出願第60/207,711号
(7)2001年5月24日出願のMirkinらへの米国特許通常出願第09/866,533号
(8)2002年5月30日公開のMirkinらへの米国特許公開番号第2002/0063212 A1号。
This application discloses numerous embodiments for producing conductor patterns using dip pen nanolithography (DPN) printing as a patterning tool. For all aspects of the present disclosure, the following documents disclosing DPN printing methods are hereby incorporated by reference and form part of the present disclosure:
(1) Piner et al., Science, January 29, 1999, 283, 661-663 (2) US provisional application 60 / 115,133 to Mirkin et al. Filed January 7, 1999 (3) US Patent Provisional Application No. 60 / 207,713 filed October 4, 1999 to Mirkin et al. (4) US Patent Application No. 09 / 477,997 filed January 5, 2000 to Mirkin et al. (5) 2000 US Provisional Application No. 60 / 207,713 to Mirkin et al. Filed on May 26 (6) US Provisional Patent Application No. 60 / 207,711 to Mirkin et al. Filed May 26, 2000 (7) May 2001 U.S. Patent Application No. 09 / 866,533 to Mirkin et al. Filed 24 days (8) U.S. Patent Publication No. 2002/0063212 A1 to Mirkin et al.

本発明は、印刷するために1個のみのチップの使用に限定されず、多数のチップを使用することができる。たとえば、2003年1月30日公開の、Liuらへの米国特許公開公報第2003/0022470号(“Parallel, Individually Addressable Probes for Nanolithography”)を参照すること。   The present invention is not limited to the use of only one chip for printing, but many chips can be used. See, for example, US Patent Publication No. 2003/0022470 (“Parallel, Individually Addressable Probes for Nanolithography”) to Liu et al., Published January 30, 2003.

特に、2001年5月24日出願の先願第09/866,533号(上記参考文献7および8、2002年5月30日公開第2002/0063212 A1号)では、直接書き込みナノリソグラフィー印刷の背景および手順が詳細に記載されて、たとえば、背景(1〜3頁)、概要(3〜4頁)、図面の簡単な説明(4〜10頁)、走査プローブ顕微鏡チップの使用(10〜12頁)、基材(12〜13頁)、パターン付け化合物(13〜17頁)、たとえばチップの被覆をはじめとする実施法(18〜20頁)、ナノプロッタを含む機器類(20〜24頁)、多層ならびに関連の印刷およびリソグラフィー法の使用(24〜26頁)、解像度(26〜27頁)、アレイおよびコンビナトリアルアレイ(27〜30頁)、ソフトウェアおよび較正(30〜35頁、68〜70頁)、疎水性化合物で被覆されたチップを含む、キットおよび他の物品(35〜37頁)、実施例(38〜67頁)、対応する請求項および要約(71〜82頁)ならびに図面1〜28を含む広く多様な態様を包含している。この開示は、ここで繰り返す必要はないが、全体として参照により本明細書に組み入れられる。   In particular, prior application No. 09 / 866,533 filed May 24, 2001 (references 7 and 8 above, 2002/0063212 A1 published May 30, 2002), background and procedures for direct write nanolithography printing. Are described in detail, for example, background (pages 1 to 3), overview (pages 3 to 4), brief description of drawings (pages 4 to 10), use of scanning probe microscope tips (pages 10 to 12), Substrates (pages 12 to 13), patterning compounds (pages 13 to 17), implementation methods including chip coating (pages 18 to 20), devices including nanoplotters (pages 20 to 24), multilayer And the use of related printing and lithographic methods (pages 24-26), resolution (pages 26-27), arrays and combinatorial arrays (pages 27-30), software and calibration (pages 30-35, pages 68-70), Kits and other articles (pp. 35-37), including chips coated with hydrophobic compounds, examples (38 -67), corresponding claims and abstracts (pages 71-82) and a wide variety of embodiments, including Figures 1-28. This disclosure need not be repeated here, but is incorporated herein by reference in its entirety.

また、2002年9月5日公開のMirkinらへの米国特許公開第2002 0122873 A1号は、ここで繰り返す必要はないが、全体として参照により本明細書に組み入れられる。この公開出願は、たとえば、外部開口および内部キャビティを有するチップの使用ならびにインク(または付着化合物)を基材に運ぶための電気的、機械的および化学的駆動力の使用を含む。一つの方法は、アパーチャを通過する付着化合物の移動の速度および範囲が駆動力によって制御されるアパーチャペンナノグラフィーを含む。この公開出願はまた、被覆されたチップ、パターン、基材、インク、パターン付け化合物、付着化合物、マルチチップナノリソグラフィー、多数の付着化合物およびアレイを記載している。   Also, US Patent Publication No. 2002 0122873 A1 to Mirkin et al., Published September 5, 2002, need not be repeated here, but is incorporated herein by reference in its entirety. This published application includes, for example, the use of chips with external openings and internal cavities and the use of electrical, mechanical and chemical driving forces to carry ink (or deposited compounds) to the substrate. One method involves aperture pennography where the speed and range of movement of the attached compound through the aperture is controlled by the driving force. This published application also describes coated chips, patterns, substrates, inks, patterning compounds, adhesion compounds, multichip nanolithography, multiple adhesion compounds and arrays.

ナノリソグラフィーはまた、以下の参考文献に記載されている。
(a)B. W. Maynor et al., Langmuir, 17, 2575-2578("Au'Ink'for AFM'Dip-Pen' Nanolithography")は、金属イオンの表面誘発還元による金ナノ構造の形成を記載している。しかし、この方法は、その処理を制限し、本発明では不要である、適切な金前駆体および金と反応する基材表面の入念な選択を含む。
(b)Y. Li et al., J. Am. Chem. Soc., 2001, 123, 2105-2106("Electrochemical AFM 'Dip-Pen'Nanolithography")は、白金金属の付着を記載している。しかし、この方法は、その処理を制限し、本発明では不要である、チップと基材との間の外部電気化学的バイアスの使用を含む。
Nanolithography is also described in the following references.
(A) BW Maynor et al., Langmuir, 17, 2575-2578 ("Au'Ink'for AFM'Dip-Pen 'Nanolithography") describes the formation of gold nanostructures by surface-induced reduction of metal ions. Yes. However, this method limits the processing and involves careful selection of the appropriate gold precursor and the substrate surface that reacts with gold, which is not necessary in the present invention.
(B) Y. Li et al., J. Am. Chem. Soc., 2001, 123, 2105-2106 ("Electrochemical AFM 'Dip-Pen'Nanolithography") describes the deposition of platinum metal. However, this method limits the processing and involves the use of an external electrochemical bias between the chip and the substrate, which is not necessary with the present invention.

DPN印刷法では、インクが基材に転写される。基材は、平坦なもの、粗いもの、カーブしたものまたは表面形体を有するものであることができる。基材は、事前にパターン付けすることもできる。基材へのインクの固定化は、化学吸着および/または共有結合によって実施することができる。転写されるインクは、望むならば、製造設計の一部として直接使用することもできるし、さらなる製造のためのテンプレートとして間接的に使用することもできる。たとえば、タンパク質をDPN印刷によって基材に直接パターン付けすることもできるし、タンパク質と結合するために使用されるテンプレート化合物をパターン付けすることもできる。DPN印刷の利点および用途は数多くあり、上記参考文献に記載されている。たとえば、高い解像度および優れた位置合わせを有する複雑な構造を達成することができる。1ミクロン未満、特に100nm未満、特に50nm未満のライン幅、断面および周囲を有する構造を達成することができる。要するに、DPN印刷は、抜群の制御および融通性をもってナノメートルレベルで製造およびリソグラフィーを実施することを可能にするナノ製造/ナノリソグラフィー技術である。このタイプのナノ製造およびナノリソグラフィーは、ミクロンスケールの作業により適している多くの技術では達成することが困難である。また、DPN印刷は、望むならば、ミクロンスケール構造を製造するために使用することもできるが、一般に、ナノ構造が好ましい。   In the DPN printing method, ink is transferred to a substrate. The substrate can be flat, rough, curved or have a surface feature. The substrate can also be pre-patterned. Immobilization of the ink to the substrate can be performed by chemisorption and / or covalent bonding. The transferred ink can be used directly as part of the manufacturing design, if desired, or indirectly as a template for further manufacturing. For example, the protein can be patterned directly onto the substrate by DPN printing, or the template compound used to bind to the protein can be patterned. The advantages and uses of DPN printing are numerous and are described in the above references. For example, complex structures with high resolution and good alignment can be achieved. Structures with line widths, cross sections and perimeters of less than 1 micron, in particular less than 100 nm, in particular less than 50 nm can be achieved. In short, DPN printing is a nanofabrication / nanolithography technology that allows fabrication and lithography to be performed at the nanometer level with outstanding control and flexibility. This type of nanofabrication and nanolithography is difficult to achieve with many technologies that are more suitable for micron-scale operations. DPN printing can also be used to produce micron scale structures if desired, but nanostructures are generally preferred.

チップは、ナノスコピックチップであることができる。これは、AFMチップを含む走査プローブマイクロスコピックチップであることができる。中空であることもできるし、非中空であることもできる。インクは、中空チップの中央を通過して、チップの端部を被覆することができる。チップは、前駆体インクの印刷を容易にするように改変することもできる。一般には、チップがインクと反応せず、チップを長期間にわたって使用することができることが好ましい。   The chip can be a nanoscopic chip. This can be a scanning probe microscopic tip including an AFM tip. It can be hollow or non-hollow. The ink can pass through the center of the hollow tip and cover the end of the tip. The chip can also be modified to facilitate printing of the precursor ink. In general, it is preferable that the chip does not react with the ink and that the chip can be used for a long period of time.

ナノリソグラフィーによって付着されるパターンは、パターンの形状によって特に限定されない。一般的なパターンとしては、ドットおよびラインならびにそれらのアレイがある。パターンの高さは、たとえば、約10nm以下であることができ、より好ましくは、約5nm以下であることができる。ラインがパターン付けされるならば、ラインは、たとえば、幅が約1ミクロン以下、特に幅が約500nm以下、特に幅が約100nm以下であることができる。ドットがパターン付けされるならば、ドットは、たとえば、幅が直径で約1ミクロン以下、特に幅が約500nm以下、特に幅が約100nm以下であることができる。   The pattern deposited by nanolithography is not particularly limited by the shape of the pattern. Common patterns include dots and lines and their arrays. The height of the pattern can be, for example, about 10 nm or less, and more preferably about 5 nm or less. If the line is patterned, the line can be, for example, about 1 micron or less in width, particularly about 500 nm or less, particularly about 100 nm or less in width. If the dots are patterned, the dots can be, for example, a width of about 1 micron or less in diameter, particularly a width of about 500 nm or less, particularly a width of about 100 nm or less.

ナノリソグラフィーは、好ましくは、ナノ構造を形成するために実施されるが、ミクロンスケールの構造もまた、対象になることができる。たとえば、面積が1〜10平方ミクロンの構造、たとえば長方形、正方形、ドットまたはラインをパターン付けするために使用される実験は、より小さなナノ構造のための実験を設計するのにも有用である。   Nanolithography is preferably performed to form nanostructures, but micron scale structures can also be considered. For example, experiments used to pattern structures with an area of 1-10 square microns, such as rectangles, squares, dots or lines, are also useful for designing experiments for smaller nanostructures.

もう一つの態様で、ナノスコピックパターンを含む導体パターンは、以下の工程
1)被覆されたチップを使用して前駆体、たとえば金属塩を所望のパターンで基材に付着させる工程、
2)適切な配位子、たとえば窒素、リンまたは硫黄のような供与体原子を含む配位子を基材に適用する工程、
3)電子を配位子から前駆体に移動させるのに十分なエネルギー、たとえば輻射熱を加え、それにより、前駆体を分解して析出物、たとえば金属を形成する工程
を使用するDPNを使用して形成される。
In another embodiment, the conductor pattern including the nanoscopic pattern is formed by the following steps:
1) using a coated chip to attach a precursor, for example a metal salt, to the substrate in the desired pattern;
2) applying a suitable ligand to the substrate, for example a ligand containing a donor atom such as nitrogen, phosphorus or sulfur;
3) Using DPN using a process that applies sufficient energy to transfer electrons from the ligand to the precursor, eg radiant heat, thereby decomposing the precursor to form a precipitate, eg metal It is formed.

金属パターン付け法および化学は、(1)参照により本明細書により組み入れられる、Sharmaらへの米国特許第5,980,998号(1999年11月9日発行)、および(2)参照により本明細書により組み入れられる、Narangらへの米国特許第6,146,716号(2000年11月14日発行)に開示されている。しかし、これらの参考文献は、ディップペンナノリソグラフィー印刷または付着のための他のナノリソグラフィーの使用を開示または示唆してもいないし、DPN印刷から生じる利点を開示または示唆してもいない。どちらかといえば、貯留部およびアプリケータを含むディスペンサを用いた従来の印刷法の使用を開示している。本明細書では、Sharmaの第5,980,998号特許に開示された化学およびパターン付けが予想外の方法で一般に改変されて、DPN印刷をパターン付け法として含む予想外の結果をもたらし、DPN印刷法が予想外の方法で変形されて、Sharmaの第5,980,998号特許に開示された化学を含む予想外の結果をもたらす態様が開示されている。   Metal patterning methods and chemistry are incorporated herein by reference (1) US Pat. No. 5,980,998 (issued Nov. 9, 1999) to Sharma et al., And incorporated herein by reference. U.S. Pat. No. 6,146,716 to Narang et al. (Issued 14 November 2000). However, these references do not disclose or suggest the use of other nanolithography for dip pen nanolithography printing or deposition, nor do they disclose or suggest the benefits resulting from DPN printing. If anything, it discloses the use of a conventional printing method using a dispenser that includes a reservoir and an applicator. In this specification, the chemistry and patterning disclosed in Sharma's 5,980,998 patent is generally modified in an unexpected way, resulting in unexpected results including DPN printing as a patterning method. Embodiments are disclosed that have been modified in other ways to produce unexpected results including the chemistry disclosed in Sharma's 5,980,998 patent.

本明細書では、インク溶液は一般に、溶媒および溶質を含むと考えられる。溶媒は、溶質を溶媒和することができるいかなる物質であることもできるが、一般には、廉価で利用しやすい比較的無毒性の物質、たとえば水、各種アルコールなどを含むと考えられる。溶質は一般に、金属または他の物質が溶液から析出するようにエネルギー源の影響下で互いに化学反応する少なくとも二つの成分を含むと考えられる。好ましい態様では、溶質の一つの成分は塩を含み、溶液のもう一つの成分は適切な配位子を含む。本明細書で使用する「塩」とは、酸(A)と塩基(B)との組み合わせをいう。例は、金属塩、たとえばギ酸銅、酢酸銅、アクリル酸銅、チオシアン酸銅およびヨウ化銅である。他の例は、非金属塩、たとえばギ酸アンモニウムおよびアクリル酸アンモニウムである。   As used herein, an ink solution is generally considered to include a solvent and a solute. The solvent can be any substance that can solvate the solute, but is generally considered to include relatively inexpensive and readily available non-toxic substances such as water, various alcohols, and the like. Solutes are generally considered to include at least two components that chemically react with each other under the influence of an energy source so that a metal or other material precipitates out of solution. In a preferred embodiment, one component of the solute contains a salt and the other component of the solution contains a suitable ligand. As used herein, “salt” refers to a combination of an acid (A) and a base (B). Examples are metal salts such as copper formate, copper acetate, copper acrylate, copper thiocyanate and copper iodide. Other examples are non-metallic salts such as ammonium formate and ammonium acrylate.

溶液の種々の成分は、同時または逐次に基材に付着させることもできるし、二つの組み合わせで基材に付着させることもできる。したがって、塩は、配位子と同時に付着させてもよいし、配位子とは別に付着させてもよいと考えられる。また、溶媒そのものが塩または配位子の一つまたは複数の局面を構成する、またはそれに寄与すると考えられる。   The various components of the solution can be attached to the substrate simultaneously or sequentially, or can be attached to the substrate in a combination of the two. Therefore, it is considered that the salt may be attached simultaneously with the ligand, or may be attached separately from the ligand. It is also believed that the solvent itself constitutes or contributes to one or more aspects of the salt or ligand.

本明細書で使用する「配位子」(L)とは、熱的に活性化してレドックス反応で塩の一つまたは複数の局面を押し退けて、AB+L<−>AL+BまたはAB+L<−>A+BLになるような任意の物質をいう。本明細書で考えられる方法では、好ましい配位子は、非結晶質であり、非金属残渣を残さず、通常の周囲温度条件の下で安定している。もっとも好ましい配位子はまた、レドックス反応に参与することができ、その場合、特定の塩が、一般には約300℃未満であると考えられる妥当な温度で使用される。   As used herein, “ligand” (L) is thermally activated to push one or more aspects of a salt through a redox reaction to AB + L <−> AL + B or AB + L <−> A + BL. Refers to any substance. In the methods contemplated herein, preferred ligands are amorphous, do not leave non-metallic residues, and are stable under normal ambient temperature conditions. Most preferred ligands can also participate in the redox reaction, in which case the particular salt is used at a reasonable temperature, generally considered to be less than about 300 ° C.

好ましいクラスの配位子は、窒素供与体、たとえばシクロヘキシルアミンである。しかし、多数の他の窒素供与体およびそれらの混合物を使用することもできる。例は、3-ピコリン、ルチジン、キノリンおよびイソキノリン、シクロペンチルアミン、シクロヘキシルアミン、シクロヘプチルアミン、シクロオクチルアミンなどである。しかし、これらはほんのいくつかの例であり、多くの他の脂肪族第一級、第二級および第三級アミンおよび/または芳香族窒素供与体を使用することもできる。   A preferred class of ligands are nitrogen donors such as cyclohexylamine. However, many other nitrogen donors and mixtures thereof can also be used. Examples are 3-picoline, lutidine, quinoline and isoquinoline, cyclopentylamine, cyclohexylamine, cycloheptylamine, cyclooctylamine and the like. However, these are just a few examples and many other aliphatic primary, secondary and tertiary amines and / or aromatic nitrogen donors can be used.

考えられる溶液としては、塩および配位子以外に他の化合物がある。たとえば、水およびアルコールを用いる、または用いない窒素供与体溶媒中のギ酸銅(II)の混合物を使用して、チップから基材への輸送を容易にしてもよい。少量の溶媒ベースのポリマーまたは界面活性剤もまた、チップから基材への輸送を容易にし、より良好な膜形成性を付与するために前駆体溶液のレオロジーを調節するのに有用な添加物になりうる。他方、より多量の高沸点溶媒および/または添加物、たとえばトリエチルホスフェート、Triton X100、グリセロールなどは、温度感受性基材、たとえばKapton(商標)または紙における不完全な熱分解のせいで製造される膜を汚染する傾向にあるため、避けることが好ましい。さらに、基材をカップリング剤で処理して、基材表面の疎水性または親水性を変化させるカップリング剤の関数として基材への付着材料の接着を改善することが価値あることであるかもしれない。   Possible solutions include other compounds besides salts and ligands. For example, a mixture of copper (II) formate in a nitrogen donor solvent with or without water and alcohol may be used to facilitate transport from chip to substrate. Small amounts of solvent-based polymers or surfactants are also useful additives to adjust the rheology of the precursor solution to facilitate chip-to-substrate transport and provide better film formation. Can be. On the other hand, higher amounts of high boiling solvents and / or additives, such as triethyl phosphate, Triton X100, glycerol, etc., are membranes produced due to incomplete pyrolysis on temperature sensitive substrates such as Kapton ™ or paper. It is preferable to avoid it. Furthermore, it may be worth treating the substrate with a coupling agent to improve the adhesion of the adhesive material to the substrate as a function of a coupling agent that changes the hydrophobicity or hydrophilicity of the substrate surface. unknown.

塩が金属を含有する場合、すべての金属が考えられる。好ましい金属としては、導電性元素、たとえば銅、銀および金が挙げられるが、半導体、たとえばケイ素およびゲルマニウムもまた挙げられる。目的によっては、特に触媒の製造の場合、金属、たとえばカドミウム、クロム、コバルト、鉄、鉛、マンガン、ニッケル、白金、パラジウム、ロジウム、銀、スズ、チタン、亜鉛などを使用することができると考えられる。また、本明細書で使用する「金属」としては、合金、金属/金属複合材、金属セラミック複合材、金属ポリマー複合材および他の金属複合材がある。   If the salt contains a metal, all metals are contemplated. Preferred metals include conductive elements such as copper, silver and gold, but also semiconductors such as silicon and germanium. Depending on the purpose, it may be possible to use metals such as cadmium, chromium, cobalt, iron, lead, manganese, nickel, platinum, palladium, rhodium, silver, tin, titanium, zinc, etc., especially in the case of catalyst production. It is done. Also, as used herein, “metal” includes alloys, metal / metal composites, metal ceramic composites, metal polymer composites, and other metal composites.

基材としては、化合物を付着させることができる実質的にいかなる物質をも挙げることができる。たとえば、考えられる基材としては、金属および非金属、導体および非導体、可撓性および非可撓性材料、吸収性および非吸収性材料、平坦およびカーブした材料、テキスチャ入りおよびテキスチャなし材料、中実および中空材料ならびに大小の物体がある。特に好ましい基材は、回路板、紙、ガラスおよび金属物体である。もう一つの観点から見ると、考慮される基材の幅が、本教示を有利に適用することができる考えられる物体の範囲の指標を提供する。したがって、本明細書で教示する方法および装置は、マルチチップモジュール、PCMCIAカード、印刷回路板、シリコンウェーハ、セキュリティ印刷、装飾印刷、触媒、静電シールド、水素輸送膜、汎関数勾配材料、ナノ材料の製造、バッテリ電極、燃料電池電極、アクチュエータ、電気接点、コンデンサなどを含む多様な用途に使用することができる。方法および装置は、センサおよびバイオセンサとして使用することができる。方法および装置は、さらなるリソグラフィー、たとえば刷り込みナノリソグラフィーのテンプレートを調製するために使用することができる。方法を使用してナノワイヤおよびナノチューブを接続することが特に対象である。   Substrates can include virtually any substance to which a compound can be attached. For example, possible substrates include metals and non-metals, conductors and non-conductors, flexible and non-flexible materials, absorbent and non-absorbent materials, flat and curved materials, textured and non-textured materials, There are solid and hollow materials and large and small objects. Particularly preferred substrates are circuit boards, paper, glass and metal objects. Viewed from another perspective, the width of the substrate considered provides an indication of the range of possible objects to which the present teachings can be advantageously applied. Accordingly, the methods and apparatus taught herein include multichip modules, PCMCIA cards, printed circuit boards, silicon wafers, security printing, decorative printing, catalysts, electrostatic shields, hydrogen transport films, functionally gradient materials, nanomaterials Can be used in a variety of applications including battery electrodes, fuel cell electrodes, actuators, electrical contacts, capacitors, and the like. The method and apparatus can be used as sensors and biosensors. The method and apparatus can be used to prepare templates for further lithography, for example imprinted nanolithography. It is of particular interest to connect nanowires and nanotubes using methods.

したがって、基材は、電子装置、たとえばコンピュータ、ディスクドライブまたは他のデータ処理もしくは記憶装置、電話もしくは他の通信装置およびバッテリ、コンデンサ、充電器、制御装置または他のエネルギー貯蔵関連装置に設置されてもよいし、その一部を形成するものでもよい、特に回路板をはじめとする任意の適当な基材を表すものと考えられる。   Thus, the substrate is installed in electronic devices such as computers, disk drives or other data processing or storage devices, telephones or other communication devices and batteries, capacitors, chargers, control devices or other energy storage related devices. Or any part of the substrate, particularly any suitable substrate, including circuit boards.

本明細書で考慮される適当なエネルギー源としては、基材または被覆に過度な損傷を生じさせることなく所望の化学反応を生じさせることができる任意のエネルギー源がある。したがって、特に好ましいエネルギー源は、特に赤外線ランプおよびホットエアブロワを含む輻射性および対流性の熱源である。他の適当なエネルギー源としては、電子ビームならびにX線、ガンマ線および紫外線を含む非IR波長の放射装置がある。さらに他の適当なエネルギー源としては、振動源、たとえばマイクロ波トランスミッタがある。また、種々のエネルギー源を多数の方法で適用することができると考えるべきである。好ましい態様では、エネルギー源は、基材に付着した前駆体/配位子に向けて送られる。しかし、代替態様では、たとえば、加熱した配位子を常温の前駆体に適用してもよいし、加熱した前駆体を常温の配位子に適用してもよい。   Suitable energy sources contemplated herein include any energy source that can cause a desired chemical reaction without causing undue damage to the substrate or coating. Thus, particularly preferred energy sources are radiant and convective heat sources, particularly including infrared lamps and hot air blowers. Other suitable energy sources include electron beams and non-IR wavelength emitters including X-rays, gamma rays and ultraviolet radiation. Yet another suitable energy source is a vibration source, such as a microwave transmitter. It should also be considered that various energy sources can be applied in a number of ways. In a preferred embodiment, the energy source is directed towards the precursor / ligand attached to the substrate. However, in an alternative embodiment, for example, the heated ligand may be applied to a room temperature precursor, or the heated precursor may be applied to a room temperature ligand.

本発明からは、たとえば平滑面、良好な被覆接着および被覆厚さの制御をはじめとする多くの利点を認めることができる。本教示の様々な態様のさらに別の利点は、被覆を少なくとも80重量%の純度で付着させることができることである。より好ましい態様では、被覆に含めることを意図する金属または他の物質の純度は少なくとも90重量%であり、さらに好ましい態様では、純度は少なくとも95%であり、もっとも好ましい態様では、純度は少なくとも97%である。   From the present invention, a number of advantages can be observed including, for example, smooth surfaces, good coating adhesion and coating thickness control. Yet another advantage of various aspects of the present teachings is that the coating can be deposited with a purity of at least 80% by weight. In a more preferred embodiment, the purity of the metal or other material intended to be included in the coating is at least 90% by weight, in a more preferred embodiment the purity is at least 95%, and in a most preferred embodiment the purity is at least 97%. It is.

本教示の様々な態様のさらに別の利点は、廃棄物をほとんど出すことなく被覆を付着させることができることである。好ましい態様では、基材に付着される材料の少なくとも80重量%がとどまって所望のパターンを形成する。たとえば、ギ酸銅(II)を使用して銅回路を製造するならば、基材に付着される銅の少なくとも80%がとどまって所望のパターンを形成することができ、銅の20%以下が「廃棄物」として除去される。より好ましい態様では、廃棄物は10%以下であり、さらに好ましい態様では、廃棄物は95%以下であり、もっとも好ましい態様では、廃棄物は3%以下である。   Yet another advantage of various aspects of the present teachings is that the coating can be applied with little waste. In preferred embodiments, at least 80% by weight of the material deposited on the substrate remains to form the desired pattern. For example, if copper formate (II) is used to produce a copper circuit, at least 80% of the copper deposited on the substrate can stay to form the desired pattern, with 20% or less of the copper being " It is removed as “waste”. In a more preferred embodiment, the waste is 10% or less, in a further preferred embodiment, the waste is 95% or less, and in a most preferred embodiment, the waste is 3% or less.

本教示の様々な態様のさらに別の利点は低温作業である。金属は、たとえば約150℃未満、好ましくは約100℃未満、より好ましくは約75℃未満、もっとも好ましくは通常の室温(25〜30℃)で所望のパターンに付着させることができる。レドックスまたは「硬化」工程もまた、約100℃未満、より好ましくは約75℃未満、さらには約50℃の比較的低い温度で実施することができる。さらに低い温度も可能であるが、約50℃未満では、大部分の用途にとってレドックス反応が遅すぎる傾向にある。これらの範囲は、前駆体溶液を室温で調製することを可能にし、付着を室温で実施することを可能にし、分解を、ヒートガンから出るような比較的低い熱を使用して室温環境で達成することを可能にする。   Yet another advantage of various aspects of the present teachings is low temperature operation. The metal can be deposited in the desired pattern, for example at less than about 150 ° C., preferably less than about 100 ° C., more preferably less than about 75 ° C., and most preferably at normal room temperature (25-30 ° C.). Redox or “curing” processes can also be performed at relatively low temperatures of less than about 100 ° C., more preferably less than about 75 ° C., and even about 50 ° C. Lower temperatures are possible, but below about 50 ° C., redox reactions tend to be too slow for most applications. These ranges allow the precursor solution to be prepared at room temperature, allow the deposition to be performed at room temperature, and achieve decomposition in a room temperature environment using relatively low heat such as coming out of a heat gun. Make it possible.

従来技術は、本発明を実施するために使用することができるさらなる方法および組成物を記載している。例えば、Sharmaらへの米国特許第5,894,038号(1999年4月13日)は、全体として参照により本明細書に組み入れられ、(1)パラジウム前駆体の溶液を調製する工程、(2)パラジウム前駆体を基材の表面に適用する工程、(3)前駆体を熱に付すことによってパラジウム前駆体を分解する工程を含む、基材上にパラジウムの層を形成する方法を含むパラジウムの直接付着を開示している。この方法はまた、本発明にしたがってナノリソグラフィーを実施するために適合することもできる。   The prior art describes additional methods and compositions that can be used to practice the present invention. For example, US Pat. No. 5,894,038 (Apr. 13, 1999) to Sharma et al., Incorporated herein by reference in its entirety, (1) preparing a solution of a palladium precursor, (2) a palladium precursor. Direct deposition of palladium including a method of forming a layer of palladium on a substrate, including applying a body to the surface of the substrate, (3) decomposing the palladium precursor by subjecting the precursor to heat. Disclosure. This method can also be adapted to perform nanolithography according to the present invention.

加えて、Sharmaらへの米国特許第5,846,615号(1998年12月8日)は、全体として参照により本明細書に組み入れられ、基材上に金の層を形成するための金前駆体の分解を開示している。この方法はまた、本発明にしたがってナノリソグラフィーを実施するために適合することもできる。   In addition, US Pat. No. 5,846,615 to Sharma et al. (December 8, 1998), incorporated herein by reference in its entirety, decomposes a gold precursor to form a gold layer on a substrate. Is disclosed. This method can also be adapted to perform nanolithography according to the present invention.

さらに米国特許第4,933,204号は、全体として参照により本明細書に組み入れられ、金形体を形成するための金前駆体の分解を開示している。この方法はまた、本発明にしたがってナノリソグラフィーを実施するために適合することもできる。   U.S. Pat. No. 4,933,204 is hereby incorporated by reference in its entirety and discloses the decomposition of gold precursors to form a metal mold. This method can also be adapted to perform nanolithography according to the present invention.

よりさらに、Sharmaらへの米国特許第6,548,122号(2003年4月15日)も、全体として参照により本明細書に組み入れられ、ギ酸銅(II)前駆体ならびに金および銀前駆体の使用を開示している。   Further, US Pat. No. 6,548,122 to Sharma et al. (April 15, 2003) is also incorporated herein by reference in its entirety and discloses the use of copper (II) formate precursors and gold and silver precursors. is doing.

本発明は範囲が広いと考えられるが、以下のインクまたはパターン付け化合物が本発明に特に重要である:ギ酸銅または酢酸銅;硫酸銀;硝酸銀;テトラフルオロホウ酸銀;パラジウムクロリド、アセテートおよびアセチルアセトネート;六クロロ白金(IV)酸;クエン酸鉄アンモニウム;亜鉛、ニッケル、カドミウム、チタン、コバルト、鉛、鉄およびスズのカルボン酸塩、(擬)ハロゲン化物、硫酸塩および硝酸塩;金属カルボニル錯体、たとえばクロムヘキサカルボニル;アミン塩基、たとえばシクロヘキシルアミン、3-ピコリン、(イソ)キノリン、シクロペンチルアミン、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、ホルムアミド、エチレンジアミン;ポリマー、たとえばポリ(エチレンオキシド)、ポリ(メチルメタクリレート)、ポリ(ビニルカルボゾール)およびポリ(アクリルアミド)。   Although the present invention is considered broad, the following inks or patterning compounds are particularly important to the present invention: copper formate or copper acetate; silver sulfate; silver nitrate; silver tetrafluoroborate; palladium chloride, acetate and acetyl Acetonate; hexachloroplatinum (IV) acid; ammonium iron citrate; zinc, nickel, cadmium, titanium, cobalt, lead, iron and tin carboxylates, (pseudo) halides, sulfates and nitrates; metal carbonyl complexes For example chromium hexacarbonyl; amine bases such as cyclohexylamine, 3-picoline, (iso) quinoline, cyclopentylamine, dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, formamide, ethylenediamine; polymers such as poly (ethylene oxide), poly (methyl methacrylate) G), poly (vinylcarbozole) and poly (acrylamide).

好ましい態様では、たとえば、付着は、水溶液をインクとして使用して実施することができ、その場合、溶液は、水、金属塩および水溶性ポリマー、たとえば約50,000以下の分子量を有するポリアルキレンオキシドポリマーを含む。水溶液はまた、還元剤の担体として有用である。たとえば、10%ポリエチレンオキシド(MW10,000)を含む水中、アミノシラン化ガラスに対するDPN印刷による塩化パラジウム二ナトリウムの付着を実施することができ(Schott Glass company)、その後、還元剤、たとえばジメチルアミン:ボラン錯体(DMAB)の0.03M水溶液を使用するパラジウム金属への化学還元を実施する。還元に最良の条件を決定するために、還元剤の濃度を変更することができる。還元の前後にパターンの原子間力顕微鏡写真を得ることができる。AFMイメージングは、構造を付着させるために使用したチップまたは異なるチップを用いて実施することができる。異なるチップが使用される場合、特にそのチップが付着のためではなくイメージングのために選択または適合されたものであるならば、イメージはより良好になることができる。一般に、印刷インクで工業的に使用されているポリマーを本発明で使用することができる。   In preferred embodiments, for example, the deposition can be performed using an aqueous solution as the ink, in which case the solution comprises water, a metal salt and a water soluble polymer, such as a polyalkylene oxide polymer having a molecular weight of about 50,000 or less. Including. The aqueous solution is also useful as a carrier for the reducing agent. For example, deposition of disodium palladium chloride by DPN printing on aminosilanized glass in water containing 10% polyethylene oxide (MW 10,000) can be performed (Schott Glass company) followed by a reducing agent such as dimethylamine: borane Perform chemical reduction to palladium metal using 0.03M aqueous solution of the complex (DMAB). In order to determine the best conditions for the reduction, the concentration of the reducing agent can be varied. Atomic force micrographs of the pattern can be obtained before and after reduction. AFM imaging can be performed using the tip used to attach the structure or a different tip. If a different chip is used, the image can be better, especially if the chip is selected or adapted for imaging rather than for attachment. In general, polymers used industrially in printing inks can be used in the present invention.

もう一つの好ましい態様では、ナノリソグラフィー付着は、パラジウムアセチルアセトネート(Pd(acac))から酸化ケイ素基材に対し、DPN印刷ならびにその後(1)還元剤、たとえばホルムアミドのような液状還元剤および(2)パターン付き表面への熱の適用による還元によって実施することができる。もう一つの系は、DMF溶媒中の酢酸パラジウムである。パターン付けおよび還元の前に、Pd(acac)を、ハロゲン化溶媒、たとえばクロロホルムをはじめとする有機溶媒に溶解して、中実チップを被覆または中空チップの中に通すために使用するインクを形成することができる。熱処理は、たとえば約100℃〜約300℃または約150℃の温度を含め、還元を実施するのに十分であることができる。加熱時間、温度および雰囲気条件は、所望のパターンを達成するために調節することができる。一般に、150℃で1〜5分の加熱時間が所望の結果を達成することができる。付着されるパターンの安定性は、溶媒洗浄によって試験することができ、実験条件を変更して安定性を改善することができる。基材およびインク組成を含むナノリソグラフィー実験変数を変更して、より高い解像度を提供することもできる。還元の前および熱の適用の後に、パターンの高さ走査分析の使用を含むAFM顕微鏡写真を得ることができる。イメージングパラメータを変更して解像度を改善することができる。   In another preferred embodiment, the nanolithographic deposition is from a palladium acetylacetonate (Pd (acac)) to a silicon oxide substrate, followed by DPN printing and then (1) a reducing agent, such as a liquid reducing agent such as formamide and ( 2) Can be carried out by reduction by application of heat to the patterned surface. Another system is palladium acetate in DMF solvent. Prior to patterning and reduction, Pd (acac) is dissolved in a halogenated solvent, for example an organic solvent such as chloroform, to form an ink that can be used to coat a solid chip or pass through a hollow chip can do. The heat treatment can be sufficient to effect the reduction, including, for example, a temperature of about 100 ° C. to about 300 ° C. or about 150 ° C. Heating time, temperature and atmospheric conditions can be adjusted to achieve the desired pattern. In general, a heating time of 1-5 minutes at 150 ° C. can achieve the desired result. The stability of the deposited pattern can be tested by solvent washing and the experimental conditions can be changed to improve stability. Nanolithographic experimental variables, including substrate and ink composition, can also be modified to provide higher resolution. AFM micrographs can be obtained, including the use of pattern height scanning analysis, before reduction and after application of heat. Imaging parameters can be changed to improve resolution.

場合によっては、金被覆したチップのようなチップが直接カンチレバー上で金属塩の還元を触媒してしまうことがある。これを防ぐためには、チップ組成を変更することができる。たとえば、チップ上でのこの還元を避けるためには、アルミニウム被覆プローブが有用である。一般に、チップは、好ましくは、長期使用のために選択され、適合され、インクとの触媒反応を避ける。   In some cases, a tip such as a gold-coated tip may catalyze the reduction of the metal salt directly on the cantilever. To prevent this, the chip composition can be changed. For example, an aluminum coated probe is useful to avoid this reduction on the tip. In general, the chip is preferably selected and adapted for long-term use, avoiding catalysis with the ink.

ナノリソグラフィーパターン付けされた金属塩の還元はまた、液相還元ではなく気相還元によって実施することができ、その場合、還元剤は、蒸気形態に転換され、パターン付けされた基材の上に通される。還元剤を蒸気状態に加熱するためには、必要に応じ、当技術分野で公知のヒータを使用することができる。場合によっては、このタイプの処置が還元中の元のパターンの保存を改善することができる。   The reduction of the nanolithographic patterned metal salt can also be carried out by gas phase reduction rather than liquid phase reduction, in which case the reducing agent is converted to a vapor form and onto the patterned substrate. Passed. In order to heat the reducing agent into a vapor state, a heater known in the art can be used as necessary. In some cases, this type of treatment can improve the preservation of the original pattern during reduction.

好ましい態様では、付着は、塩化第二鉄アンモニウム、酒石酸、硝酸銀および水からなる銀塩エマルションの場合、アミノシラン化ガラス基材に対し、DPN印刷ののちUVランプ下で光還元による現像によって実施することができる。AFMイメージングを実施してパターンを示すことができる。   In a preferred embodiment, the deposition is carried out on an aminosilanized glass substrate, in the case of a silver salt emulsion consisting of ferric ammonium chloride, tartaric acid, silver nitrate and water, by DPN printing followed by photoreduction development under a UV lamp. Can do. AFM imaging can be performed to show the pattern.

もう一つの好ましい態様では、還元工程は、化学還元剤を使用することなく、金属塩を還元するのに十分な熱および十分な時間で実施することができる。たとえば、約400℃未満の温度または約200℃未満の温度を使用することができる。当業者は、所与のインク系およびパターンに基づいて温度および実験を相応に選択することができる。   In another preferred embodiment, the reduction step can be performed with sufficient heat and sufficient time to reduce the metal salt without the use of a chemical reducing agent. For example, temperatures below about 400 ° C. or temperatures below about 200 ° C. can be used. One skilled in the art can select temperatures and experiments accordingly based on a given ink system and pattern.

本発明の付着法はまた、一つまたは複数の付着前工程、インク被覆を改善するための一つまたは複数のプローブ清浄または化学改変工程およびディップペンナノリソグラフィー印刷技術を使用することができる一つまたは複数の付着工程、清浄工程および検査工程を含む一つまたは複数の付着後工程を含むことができる。   The deposition method of the present invention can also use one or more pre-deposition steps, one or more probe cleaning or chemical modification steps to improve ink coverage, and dip pen nanolithography printing technology. Or it can include one or more post-attachment steps including multiple attachment steps, cleaning steps and inspection steps.

付着前基材表面処理工程としては以下のものがあるが、これらに限定されない(特に順序なし)。
(1)プラズマ、UVまたはオゾン洗浄、水洗、乾燥、ブロー乾燥、
(2)化学洗浄、たとえばピラニア洗浄、塩基エッチング(たとえば過酸化水素および水酸化アンモニウム)、
(3)インク輸送または付着を促進するための化学的もしくは物理的改変または共有結合的改変(たとえば、酸化ケイ素に荷電面を与えるための塩基処理、アミノもしくはメルカプトシラン化剤、化学的反応性官能基を有するポリマーを用いるシラン化)
(4)後続の工程の有害作用に対する保護(たとえばレジストまたは薄膜による被覆)、
(5)光学顕微鏡検査法(たとえばAIMS)、電子顕微鏡検査法(たとえばCD SEM)またはイメージング(たとえばEDS、AES、XPS)、イオンイメージング(たとえばTOF SSIMS)または走査プローブイメージング(たとえばAFM、AC、AFM、NSOM、EFM...)に由来する技術、以下に付着後セクションで詳述するいずれかの工程およびそれらの組み合わせを用いた基材の検査。
Although there exist the following as a base-material surface treatment process before adhesion, it is not limited to these (in particular there is no order).
(1) Plasma, UV or ozone cleaning, water cleaning, drying, blow drying,
(2) chemical cleaning, eg piranha cleaning, base etching (eg hydrogen peroxide and ammonium hydroxide),
(3) Chemical or physical modification or covalent modification to promote ink transport or adhesion (eg, base treatment to provide a charged surface to silicon oxide, amino or mercaptosilanizing agent, chemically reactive functionality) Silanization using a polymer having a group)
(4) protection against adverse effects of subsequent processes (eg coating with resist or thin film),
(5) Optical microscopy (eg AIMS), electron microscopy (eg CD SEM) or imaging (eg EDS, AES, XPS), ion imaging (eg TOF SSIMS) or scanning probe imaging (eg AFM, AC, AFM) , NSOM, EFM ...), inspection of substrates using any of the steps detailed below in the post-attachment section and combinations thereof.

プローブ清浄または改変工程としては以下のものがあるが、これらに限定されない(特に順序なし)。
(a)プラズマ洗浄、水洗、乾燥、ブロー乾燥、
(b)化学洗浄、たとえばピラニア洗浄、塩基エッチング(たとえば過酸化水素および水酸化アンモニウム)、
(c)インク被覆、付着または輸送を促進または増強するためのプローブの化学的または物理的改変(たとえば、窒化ケイ素チップの荷電面を付与するための塩基処理、アミノもしくはメルカプトシラン化剤を用いるシラン化、小分子またはポリマー剤、たとえばポリ(エチレングリコール)を用いる共有結合的改変)このような改変は、気孔率を増す、またはインク送り出しに利用可能な表面積を増すことによってチップへのインクの装填量を増す改変を含む。
Probe cleaning or modification steps include, but are not limited to, the following (in particular no order).
(A) Plasma cleaning, water washing, drying, blow drying,
(B) chemical cleaning, eg piranha cleaning, base etching (eg hydrogen peroxide and ammonium hydroxide),
(C) chemical or physical modification of the probe to promote or enhance ink coating, adhesion or transport (eg, base treatment to provide a charged surface of a silicon nitride chip, silane using an amino or mercaptosilanizing agent Such covalent modifications using small molecules or polymeric agents such as poly (ethylene glycol). Such modifications can increase the porosity or load the ink onto the chip by increasing the surface area available for ink delivery. Includes increasing amounts of modification.

付着工程
付着工程としては、たとえばDPN(商標)印刷による一つまたは複数のインクの付着または一つまたは複数のプローブを用いる付着があるが、これらに限定されない。可能なインクとしては、前駆体、最終パターンのバルクを形成する化合物、触媒、溶媒、小分子またはポリマー担体、ホストマトリックス材または犠牲還元剤および上記物質の混合物があるが、これらに限定されない。これらは、薄膜として付着させることもできるし、厚い多層(多数の付着工程によって形成)として、層間で化学組成を変更して、または変更せずに、付着させることもできる。
Adhesion process The adhesion process includes, but is not limited to, adhesion of one or more inks by DPN ™ printing or adhesion using one or more probes. Possible inks include, but are not limited to, precursors, compounds that form the bulk of the final pattern, catalysts, solvents, small molecule or polymer carriers, host matrix materials or sacrificial reducing agents, and mixtures of the above materials. They can be deposited as thin films or as thick multilayers (formed by multiple deposition processes), with or without changing the chemical composition between the layers.

付着後工程として以下のものがあるが、これらに限定されない(特に順序なし)。
(1)たとえばヒートランプ、ホットエアブローまたはホットプレートによる基材の加熱、
(2)基材への電磁放射線(たとえばIR、可視光およびUV光)または荷電粒子(たとえば、電子、ガンまたはプラズマ源から導出されるイオン)の照射。この処理は、空気中、真空中または溶液中、増感剤を用いて、または用いずに実施することができる。
(3)一つまたは複数の溶液へのパターン付き基材の浸漬、
(4)電気化学還元、
(5)化学還元、
(6)蒸気またはガスへのパターン付き基材の暴露、
(7)パターン付き基材の音波処理ならびに、該当する場合、上記で概説した工程のすべてのナノスケールの局所的等価処理。エネルギーおよび/または組成物の供給源は、DPNプローブと同じであってもよいし、同じでなくてもよい一つまたは複数のプローブによって提供される。以下のものがあるが、これらに限定されない。
(a)付着物質または包囲基材の局所加熱、
(b)付着物質または包囲基材の局所照射およびそれらのすべての組み合わせ。
Although there exist the following as a post-attachment process, it is not limited to these (in particular there is no order).
(1) Heating of the substrate with, for example, a heat lamp, hot air blow or hot plate,
(2) Irradiation of the substrate with electromagnetic radiation (eg IR, visible light and UV light) or charged particles (eg ions derived from an electron, gun or plasma source). This treatment can be carried out in air, in vacuum or in solution, with or without a sensitizer.
(3) immersion of the patterned substrate in one or more solutions,
(4) Electrochemical reduction,
(5) chemical reduction,
(6) exposure of patterned substrate to vapor or gas,
(7) Sonication of the patterned substrate and, if applicable, all nanoscale local equivalent processing of the process outlined above. The source of energy and / or composition is provided by one or more probes that may or may not be the same as the DPN probe. Although there are the following, it is not limited to these.
(A) local heating of the adherent or surrounding substrate,
(B) Local irradiation of the adherent or surrounding substrate and all combinations thereof.

すべてまたはいくつかの工程の連続を何回か繰り返すこともできる。   The sequence of all or some steps can be repeated several times.

金属ナノ構造は、ナノワイヤを含むことができる導電性ナノスコピックグリッドの形態にあることができる。たとえば、クロスバー構造を形成することができる。それぞれの上に金属層を形成することができる。ナノスコピック導体パターンをマイクロスコピックおよびマクロスコピック試験方法と統合するための構造を含めることもできる。所望により、抵抗器、コンデンサ、電極およびインダクタを使用して回路を形成することができる。所望により、半導体およびトランジスタを使用することができる。構造の高さを増すために多層の形成を実施することができる。異なる金属を多層の異なる層に用いることができる。本発明の方法は、電極を電気的に接続するために使用することができる。センサ用途では、たとえば、金属付着物は、分析対象物が構造に結合したとき変化する抵抗率を有することができる。たとえばバイオセンサ用途では、抗体-抗原、DNAハイブリダイゼーション、タンパク質吸収および他の分子認識事象を使用して抵抗率の変化を誘発することができる。また、本発明の方法はバーコード用途にも使用することができる。   The metal nanostructure can be in the form of a conductive nanoscopic grid that can include nanowires. For example, a crossbar structure can be formed. A metal layer can be formed on each. Structures for integrating nanoscopic conductor patterns with microscopic and macroscopic test methods can also be included. If desired, a circuit can be formed using resistors, capacitors, electrodes and inductors. Semiconductors and transistors can be used if desired. Multiple layers can be formed to increase the height of the structure. Different metals can be used in different layers of the multilayer. The method of the present invention can be used to electrically connect electrodes. In sensor applications, for example, metal deposits can have a resistivity that changes when an analyte binds to the structure. For example, in biosensor applications, antibody-antigen, DNA hybridization, protein absorption and other molecular recognition events can be used to induce a change in resistivity. The method of the present invention can also be used for barcode applications.

例えば、Chenへの米国特許第6,579,742号は、ナノ計算機およびマイクロエレクトロニクス用途のための、刷り込みによって形成されるナノリソグラフィー構造を記載している。しかし、刷り込みは、型他着性効果から悪影響を受けるおそれがある。米国特許第6,579,742号のナノ計算機用途および構造は、本明細書に記載するナノリソグラフィー法を使用して実施することができ、この特許は、全体として参照により本明細書に組み入れられる。   For example, US Pat. No. 6,579,742 to Chen describes a nanolithographic structure formed by imprinting for nanocomputer and microelectronic applications. However, the imprinting may be adversely affected by the mold adherence effect. The nanocomputer applications and structures of US Pat. No. 6,579,742 can be implemented using the nanolithographic methods described herein, which is incorporated herein by reference in its entirety.

基材は、たとえば2003年5月23日出願の、Cruchon-Dupeyratらへの米国特許通常出願第10/444,061号 "Protosubstrates"に記載されているプロト基材であることができる。これは、印刷構造の導電率をマクロスコピック法によって試験することを可能にする。   The substrate can be, for example, the proto substrates described in US patent application Ser. No. 10 / 444,061 “Proto substrates” filed May 23, 2003 to Cruton-Dupeyrat et al. This makes it possible to test the conductivity of the printed structure by a macroscopic method.

参考文献16の非限定的な実施例を以下に記す。   A non-limiting example of reference 16 is described below.

参考文献16の実施例
一般手順
この方法は、金属ナノパターンの直接付着を提供する。酸化性化合物と還元性化合物とを混合し、チップに塗布し、DPN(商標)印刷または付着により、選択した場所で基材に付着させることができる。その後、インク混合物を加熱することができる(基材全体の加熱または局所的なプローブ誘発加熱によって)。具体的には、金属塩と有機配位子とのカクテルを使用することができる。典型的なインク調合物は、金属塩(たとえばカルボン酸塩、硝酸塩またはハロゲン化物)を適切な有機ルイス塩基または配位子(アミン、ホスフィン)とともに含むことができる。また、インクの溶解度、反応性またはレオロジー性を変化させる添加物(小分子、たとえばエチレングリコール、ポリマー、たとえばポリエチレンオキシド、PMMA、ポリビニルカルバゾールなど)を使用してもよい。インク混合物の付着ののち、周囲環境または不活性環境(たとえば40〜200℃)でやさしく加熱すると、塩が金属析出物および揮発性有機物を形成する不均化を支援することができる。この手順は、穏やかな条件下で有機汚染物質をほとんど伴わずにたとえば銅をはじめとする多様な金属または金属酸化物の付着を可能にする(たとえば、Sharmaらの米国特許第5,980,998号を参照。この完全な開示内容は、特に付着される材料に関して、参照により本明細書に組み入れられる)。反応が起こる前にパターン付き基材から配位子が蒸発するならば、潜在的なピットフォールが生じるかもしれない。この場合、加熱の前の第二の工程で、塩パターン付けされた基材を配位子に暴露することができる。
Reference 16 Example General Procedure This method provides for the direct deposition of metal nanopatterns. The oxidizing compound and the reducing compound can be mixed, applied to the chip, and deposited on the substrate at a selected location by DPN ™ printing or deposition. The ink mixture can then be heated (by heating the entire substrate or local probe-induced heating). Specifically, a cocktail of a metal salt and an organic ligand can be used. A typical ink formulation can include a metal salt (eg, carboxylate, nitrate or halide) with a suitable organic Lewis base or ligand (amine, phosphine). Also, additives that change the solubility, reactivity or rheological properties of the ink (small molecules such as ethylene glycol, polymers such as polyethylene oxide, PMMA, polyvinylcarbazole, etc.) may be used. After deposition of the ink mixture, gentle heating in the ambient or inert environment (eg, 40-200 ° C.) can help disproportionate the salt from forming metal deposits and volatile organics. This procedure allows the deposition of various metals or metal oxides including, for example, copper, under mild conditions and almost no organic contaminants (see, eg, Sharma et al. US Pat. No. 5,980,998). This complete disclosure is incorporated herein by reference, particularly with regard to the material to be deposited). If the ligand evaporates from the patterned substrate before the reaction takes place, potential pitfalls may occur. In this case, the salt-patterned substrate can be exposed to the ligand in a second step prior to heating.

付着実験およびAFMイメージングは、CP Research AFM(Veeco Instruments, Santa Barabara, CA)またはNSCRIPTOR(NanoInk)を用いて実施することができる。付着およびイメージングの両方に関し、トポグラフィーまたは側方力モードを含む接触モードを使用することができる。   Attachment experiments and AFM imaging can be performed using CP Research AFM (Veeco Instruments, Santa Barabara, Calif.) Or NSCRIPTOR (NanoInk). For both attachment and imaging, contact modes including topography or lateral force modes can be used.

参考文献16の実施例1
この方法の使用の一つの具体例は、DPN(商標)印刷または付着を使用して、クロロホルムに溶解したパラジウムアセチルアセトネート(1mg/マイクロリットル、一般には、ほぼ飽和したインク溶液が望ましい)を酸化ケイ素、ガラスまたはアミノシラン化ガラス上にパターン付けした。ドットのパターン付けののち、ホルムアミド1滴(1マイクロリットル)を水平な基材に載せ、150℃に2分間加熱した。得られた金属パターンは、溶媒洗浄(水、アルコールおよび他の非極性有機化合物)に対して安定であったが、還元前の塩パターンは、溶媒洗浄によって除去された。図1は、ホルムアミドおよび熱による処理の前(図1a)および後(図1bおよび1c)のパターンのAFM画像および高さ走査を示す。
Example 1 of reference 16
One specific example of the use of this method is to oxidize palladium acetylacetonate (1 mg / microliter, generally a saturated ink solution is generally desirable) dissolved in chloroform using DPN ™ printing or deposition. Patterned on silicon, glass or aminosilanized glass. After dot patterning, 1 drop of formamide (1 microliter) was placed on a horizontal substrate and heated to 150 ° C. for 2 minutes. The resulting metal pattern was stable to solvent washing (water, alcohol and other nonpolar organic compounds), but the salt pattern prior to reduction was removed by solvent washing. FIG. 1 shows an AFM image and height scan of the pattern before (FIG. 1a) and after (FIG. 1b and 1c) before treatment with formamide and heat.

参考文献16の実施例2
パラジウムナノパターンをDPN印刷によって付着させ、気相還元によって金属化した。DPN技術を使用して、ジメチルホルムアミド中の酢酸パラジウムからなるDPNインクを酸化ケイ素上にパターン付けした。使用したDPNペンは、金被覆を施した窒化ケイ素プローブであった。この方法は、アルミニウム被覆を施したDPNプローブとでも良好に作用する。理由は、Al被覆は、金被覆を施したプローブと同じく、カンチレバー上で直接金属塩の還元を触媒することがないからである。パターン付けの前に、ミリポア水中5分間の音波処理によってケイ素/酸化ケイ素ウェーハを清浄した。パターン付き基材を円錐形のポリエチレンチューブに垂直に入れ、ホルムアミド液10マイクロリットルをチューブの底に入れた。チューブを加熱ブロックに載せ、80℃で30分間加熱して、蒸気が金属前駆体の還元を生じさせるようにした。この方法は、基材上の金属パターンを保存するため、有用である。得られる金属構造は、溶媒洗浄および他の一般的な清浄方法に対して耐性であった。
Example 2 of reference 16.
Palladium nanopatterns were deposited by DPN printing and metallized by gas phase reduction. DPN ink consisting of palladium acetate in dimethylformamide was patterned on silicon oxide using DPN technology. The DPN pen used was a silicon nitride probe with a gold coating. This method works well with DPN probes with an aluminum coating. The reason is that the Al coating does not catalyze the reduction of the metal salt directly on the cantilever, as does the gold coated probe. Prior to patterning, the silicon / silicon oxide wafer was cleaned by sonication in Millipore water for 5 minutes. The patterned substrate was placed vertically in a conical polyethylene tube and 10 microliters of formamide solution was placed at the bottom of the tube. The tube was placed on a heating block and heated at 80 ° C. for 30 minutes so that the vapor caused reduction of the metal precursor. This method is useful because it preserves the metal pattern on the substrate. The resulting metal structure was resistant to solvent washing and other common cleaning methods.

参考文献16の実施例3
DPNによって付着させ、化学還元によって金属化したパラジウムナノパターン。10%ポリエチレンオキシド(MW10,000)を含む水中の塩化パラジウム二ナトリウムからなるDPNインクを、DPN技術を使用してアミノシラン化ガラス(Schott Glass company)上にパターン付けした。パターン付けした基材をジメチルアミン:ボラン錯体(DMAB)の0.03M水溶液に暴露して金属前駆体の導電性金属への還元を生じさせた。得られた金属構造は溶媒洗浄に対して耐性である。図2は、DMABによる処理の前(2a)および後(2b、2c)のパターンのAFM画像および高さ走査を示す。
Example 3 of reference 16.
Palladium nanopatterns deposited by DPN and metallized by chemical reduction. DPN ink consisting of disodium palladium chloride in water containing 10% polyethylene oxide (MW 10,000) was patterned on aminosilanized glass (Schott Glass company) using DPN technology. The patterned substrate was exposed to a 0.03M aqueous solution of dimethylamine: borane complex (DMAB) to cause reduction of the metal precursor to a conductive metal. The resulting metal structure is resistant to solvent washing. FIG. 2 shows an AFM image and height scan of the pattern before (2a) and after (2b, 2c) before processing by DMAB.

参考文献16の実施例4
DPNによって付着させ、化学還元によって金属化した白金ナノパターン。水中四塩化白金からなるDPNインクを、DPN技術を使用してアミノシラン化ガラス(Schott Glass company)上にパターン付けした。パターン付けした基材をジメチルアミン:ボラン錯体(DMAB)の0.03M水溶液に暴露して金属前駆体の導電性金属への還元を生じさせた。還元反応は浸漬から数秒のうちに起こる。得られた金属構造は溶媒洗浄に対して耐性である。図3は、DPNによって付着させ、DMABによって還元した白金ナノ構造のAFM高さ走査を示す。
Example 4 of reference 16.
Platinum nanopatterns deposited by DPN and metallized by chemical reduction. DPN ink consisting of platinum tetrachloride in water was patterned on aminosilanized glass (Schott Glass company) using DPN technology. The patterned substrate was exposed to a 0.03M aqueous solution of dimethylamine: borane complex (DMAB) to cause reduction of the metal precursor to a conductive metal. The reduction reaction takes place within a few seconds after immersion. The resulting metal structure is resistant to solvent washing. FIG. 3 shows an AFM height scan of platinum nanostructures deposited by DPN and reduced by DMAB.

参考文献16の実施例5
DPNによって付着させたパラジウムパターン。DPN技術を使用して、ジメチルホルムアミド中酢酸パラジウムからなるDPNインクを酸化ケイ素上にパターン付けした。パターン付けの前に、基材をピラニア溶液中、80℃で15分間清浄した。パターン付けののち、ホットプレートを使用して、基材を空気中で少なくとも1分間加熱した。加熱ののち、パターンをAFMによってイメージングした。得られた金属構造は、高いトポグラフィーを示し、溶媒洗浄および他の一般的な清浄方法に対して耐性である。図4および5は、還元の前(中央図)および熱還元の後(右図)の所望の構造設計(左図)および実際のパターンを示す。これらのパターン、特にすでに還元されたパターンのイメージングは、たとえば、付着に使用したものではない清浄なチップを使用することによって改善することができる。
Example 5 of reference 16.
Palladium pattern deposited by DPN. DPN ink consisting of palladium acetate in dimethylformamide was patterned on silicon oxide using DPN technology. Prior to patterning, the substrate was cleaned in piranha solution at 80 ° C. for 15 minutes. After patterning, the substrate was heated in air for at least 1 minute using a hot plate. After heating, the pattern was imaged by AFM. The resulting metal structure exhibits a high topography and is resistant to solvent washing and other common cleaning methods. 4 and 5 show the desired structural design (left figure) and actual pattern before reduction (middle figure) and after thermal reduction (right figure). The imaging of these patterns, especially already reduced patterns, can be improved, for example, by using a clean tip that was not used for deposition.

概して、参考文献16では、金属ナノ構造のナノリソグラフィー付着は、マイクロエレクトロニクス、触媒作用および診断で使用するための被覆チップを使用して提供される。AFMチップを金属前駆体で被覆し、その前駆体を基材上にパターン付けすることができる。パターン付けされた前駆体は、熱の適用により、金属状態に転換することができる。これをもって「参考文献16からのさらなる記載(「導体パターン」)」のセクションを締めくくる。   In general, in reference 16, nanolithographic deposition of metal nanostructures is provided using a coated chip for use in microelectronics, catalysis and diagnostics. The AFM tip can be coated with a metal precursor and the precursor can be patterned on the substrate. The patterned precursor can be converted to the metallic state by the application of heat. This concludes the section “Further Description from Reference 16 (“ Conductor Pattern ”)”.

さらなる実施例
以下、本発明を、特に代替インク調合物、パターン付けすることができる代替基材に関してさらに例証し、実施可能にするさらなる実施例を記載する。また、多層パターン付け、マイクロ流体貯留部を使用するカンチレバーへのインクの送り出しおよび実際のTFT基材の修復を実証した。
Further Examples The following describes further examples that make the present invention more illustrative and feasible, particularly with respect to alternative ink formulations, alternative substrates that can be patterned. We also demonstrated multi-layer patterning, ink delivery to a cantilever using microfluidic reservoirs, and actual TFT substrate repair.

実施例8:インク調合物
多様なインク組成物をカンチレバーとの接触によって直接書き込みすることができる。前述のポリオールおよび金ナノ粒子/メシチレンインクに加え、以下のインク調合物がCMDによって良好に付着した。
Example 8: Ink Formulations Various ink compositions can be written directly by contact with a cantilever. In addition to the polyol and gold nanoparticle / mesitylene ink described above, the following ink formulations adhered well by CMD.

インク組成物#1:メシチレン/デカノール混合物中の金ナノ粒子
上記実施例に記載した金ナノ粒子インクをアルコール、たとえばデカノールCH3(CH2)9OHの添加によって改良した。デカノールの添加は、親水性基材の湿潤を改善し、特に、付着したインクが該親水性基材上で滴になり、不連続な(非導電性)ラインを生じさせるであろうビーズ化を防止する。このインク組成物は通常、ヘキサンチオールでキャップした金ナノ粒子1mgを、メシチレンに溶解したチオクト酸1.5μL(1mg/ml)およびデカノール0.3μLに溶解することによって調製した。250〜300℃で7分間、高温硬化させたのち120℃で60分間、低めの温度で硬化させることにより、インクを低抵抗率金属形態に転換した。
Ink composition # 1: Gold nanoparticles in mesitylene / decanol mixture The gold nanoparticle ink described in the above example was modified by the addition of an alcohol, such as decanol CH 3 (CH 2) 9 OH. The addition of decanol improves the wetting of the hydrophilic substrate, in particular beading, where the deposited ink will drop on the hydrophilic substrate, resulting in discontinuous (non-conductive) lines. To prevent. This ink composition was usually prepared by dissolving 1 mg of gold nanoparticles capped with hexanethiol in 1.5 μL of thioctic acid (1 mg / ml) and 0.3 μL of decanol dissolved in mesitylene. The ink was converted to a low resistivity metal form by curing at 250-300 ° C for 7 minutes at high temperature and then at 120 ° C for 60 minutes at a lower temperature.

インク組成物#2:1,3,5-トリエチルベンゼン中の金ナノ粒子
メシチレンおよびデカノールに代えて、メシチレンよりも沸点が高い溶媒である1,3,5-トリエチルベンゼン(1,3,5-TEB)を用いることにより、上記の金ナノ粒子インクをさらに改良した。溶媒の置換は、上記デカノールベースのインクよりもインクの寿命を増し(乾燥の減少により)、最終的にはナノ粒子析出および有用な金属含量の損失をもたらすであろう、デカノールに富む相とメシチレンに富む相との間の相分離を回避する。
Ink composition # 2: gold nanoparticles in 1,3,5-triethylbenzene In place of mesitylene and decanol, 1,3,5-triethylbenzene (1,3,5-5- The above gold nanoparticle ink was further improved by using TEB). Solvent replacement increases the life of the ink (because of reduced drying) over the decanol-based ink, and ultimately results in a decanol-rich phase that will result in nanoparticle precipitation and loss of useful metal content. Avoid phase separation between mesitylene-rich phases.

インク組成物#3:市販の銀ナノ粒子インク
市販の銀ペースト(Harima Chemicals, Japan, http://www.harima.co.jpから得たナノペーストNPS-J)をフラットパネルディスプレー修復のためのインクとして使用した。銀ペーストは、ガス蒸発によって形成され、分散剤によって保護された単分散ナノ粒子を含む。平均ナノ粒子直径は約7nmである。各ナノ粒子が分散剤で覆われているため、このインクは、高い金属含有量ででもほとんど液体のように作用する。したがって、最適な粘度に達するためにこのインクを濃縮する(空気中での溶媒蒸発により)ことが必要であるかもしれない。このインクを用いる、印刷、小出しおよび含浸による回路形成は当技術分野で公知である。その焼結温度は200℃未満である。銀、金(Harima NPG-J)または他のタイプのナノ粒子を含む同様な市販インクを使用することもできる。
Ink composition # 3: Commercial silver nanoparticle ink Commercial silver paste (Nanopaste NPS-J from Harima Chemicals, Japan, http://www.harima.co.jp) for flat panel display restoration Used as ink. The silver paste contains monodisperse nanoparticles formed by gas evaporation and protected by a dispersant. The average nanoparticle diameter is about 7 nm. Because each nanoparticle is covered with a dispersant, this ink acts almost like a liquid even at high metal contents. It may therefore be necessary to concentrate this ink (by solvent evaporation in air) to reach an optimum viscosity. Circuit formation by printing, dispensing and impregnation using this ink is known in the art. Its sintering temperature is less than 200 ° C. Similar commercial inks containing silver, gold (Harima NPG-J) or other types of nanoparticles can also be used.

実施例9:種々の基材への種々のインクの付着
図20、21、22および39は、種々の基材に対する実施例8で開示したインクの良好な付着を示すものである。たとえば、図20は、Harima銀ナノ粒子インク(組成物#3)を使用することによる、窒化ケイ素基材への銀ラインの直接書き込みを示す。認められるライン幅および質のばらつきは、時間的なインクの粘度増大(濃度増)の結果である。時間とともに、インクは粘稠になりすぎて途切れのないラインを形成できなくなった。すべてのラインは、基材に対する同じカンチレバー速度で引いた。認められる条線は、この実験で使用した高精度ステージの断続的な運動のアーチファクトである。図21は、ガラス基材への同じインクの付着を示す。図22は、クロム薄膜で被覆されたガラス基材への市販の銀ナノ粒子インクの付着および低温硬化を示す。レーザアブレーションを使用してクロム膜に溝を形成し、下にあるガラス基材(画像中央)を露出させた。そして、チップレスカンチレバーを使用して、クロム膜上、レーザアブレーションギャップの各側かつギャップをまたいで2本のラインを引いた。クロム膜そのものへの付着はうまくいったが、ギャップをまたぐ部分ではそうはいかなかった。理由は、この場合、レーザアブレーションののち残ったガラス基材がとりわけ粗かったからである(付着される膜よりも高い>1ミクロン)。図39は、クロムおよびガラスに対するインク組成物#1の付着を示し、図30(以下さらに詳細に記す)は、金ナノ粒子/1,3,5-TEBインクの付着を示す。
Example 9: Various ink depositions on various substrates FIGS. 20, 21, 22 and 39 show the good deposition of the ink disclosed in Example 8 on various substrates. For example, FIG. 20 shows direct writing of a silver line to a silicon nitride substrate by using Harima silver nanoparticle ink (Composition # 3). The observed line width and quality variations are a result of the ink viscosity increase (density increase) over time. Over time, the ink became too viscous to form an unbroken line. All lines were drawn at the same cantilever speed for the substrate. The perceived striation is an artifact of the intermittent motion of the precision stage used in this experiment. FIG. 21 shows the same ink deposition on a glass substrate. FIG. 22 shows the deposition and low temperature curing of a commercial silver nanoparticle ink on a glass substrate coated with a chromium thin film. Grooves were formed in the chrome film using laser ablation to expose the underlying glass substrate (image center). Then, using a chipless cantilever, two lines were drawn on the chromium film on each side of the laser ablation gap and across the gap. Adhesion to the chrome film itself was successful, but not at the gap. The reason is that in this case the glass substrate remaining after laser ablation was particularly rough (> 1 micron higher than the deposited film). FIG. 39 shows the deposition of ink composition # 1 on chromium and glass, and FIG. 30 (described in further detail below) shows the deposition of gold nanoparticles / 1,3,5-TEB ink.

実施例10:多層パターンの製造
図23は、上記の金ナノ粒子/メシチレンインクで被覆されたチップレスカンチレバーを使用する多層ライン(3層まで)の製造を示す。第一の層を基材に付着させた。インクを再装填したのち、カンチレバーを第一層ラインの開始位置に再び配置し、それを使用して第一層ラインの直接上に第二層ラインを引いた。付着材料の量が小さいため、第一層中の溶媒は、中間の熱硬化工程の必要なしに第二層の書き込みを許すのに十分な速さで乾燥する。同じ工程を繰り返して第三層ラインを形成することによって第三の層を付着させた。この方法は、より高い導電率を有する太いラインの製造を可能にし、ライン連続性を改善する。また、ラインの幅広化が認められた。しかし、ライン幅広化の一部は、既存のXYステージの限界から生じると考えられる。繰り返し精度がより高いステージに換えるならば、より細いラインが得られるはずである。
Example 10: Fabrication of multilayer pattern Figure 23 shows the fabrication of multilayer lines (up to 3 layers) using tipless cantilevers coated with gold nanoparticles / mesitylene ink as described above. The first layer was attached to the substrate. After reloading the ink, the cantilever was repositioned at the start of the first layer line and used to draw the second layer line directly above the first layer line. Due to the small amount of deposited material, the solvent in the first layer dries fast enough to allow writing of the second layer without the need for an intermediate thermosetting step. The third layer was deposited by repeating the same process to form a third layer line. This method allows the production of thick lines with higher conductivity and improves line continuity. In addition, widening of the line was recognized. However, part of the line broadening is thought to result from the limitations of the existing XY stage. If you switch to a stage with higher repeatability, you should get a thinner line.

実施例11:カンチレバーへのインクの送り出し
図24は、微細加工貯留部への浸漬による、インクによるチップレスカンチレバー(スリット付きでもよいし、スリットなしでもよい)の被覆を示す。この実験では、微細加工カンチレバーをNSCRIPTOR機器(NanoInk, Inc. Chicago, IL)走査ヘッドに取り付け、機器に組み込まれた平面画像顕微鏡およびXYモータステージの助けを借りてケイ素微細加工インクウェルチップの上方に配置した。通常はディップペンナノリソグラフィー印刷の場合にインクをチップに送るために使用されるこのインクウェルチップの製造は、Cruchon-Dupeyratらへの米国特許出願第10/705,776号および関連技術に記載されている。インクウェルは、ピペットを使用してインクを付着させることができるマイクロ流体ミリメートルスケール貯留部を含む。カンチレバーを前記貯留部の一つのインクのプールに浸漬した(画像の下部)。画像Bのカンチレバーの周囲のメニスカスに注目すること。この方法は、適切な(Z軸)位置決め装置およびソフトウェアを使用して容易に自動化される。
Example 11 Ink Delivery to Cantilever FIG. 24 shows the coating of a chipless cantilever (with or without slits) with ink by immersion in a microfabricated reservoir. In this experiment, a microfabricated cantilever was attached to an NSCRIPTOR instrument (NanoInk, Inc. Chicago, IL) scan head and above a silicon micromachined ink well tip with the help of a planar image microscope and XY motor stage built into the instrument. Arranged. The manufacture of this ink well tip, which is typically used to deliver ink to the tip in the case of dip pen nanolithographic printing, is described in US patent application Ser. No. 10 / 705,776 to Cruchun-Dupeyrat et al. . The ink well includes a microfluidic millimeter scale reservoir to which ink can be deposited using a pipette. The cantilever was immersed in one pool of ink in the reservoir (bottom of the image). Note the meniscus around the cantilever in image B. This method is easily automated using an appropriate (Z-axis) positioning device and software.

実施例12:実際のTFT液晶ディスプレー(LCD)サンプルの修復
図25は、薄膜トランジスタ(TFT)フラットパネルディスプレーの修復を示す。レーザアブレーションを使用して、フラットパネルディスプレー上で電子回路を形成する導電トレースの欠陥を各側で保護する絶縁(窒化ケイ素)層に穴を形成した。これらの穴の間に金ナノ粒子インクでラインを引いた。そして、そのラインを硬化させてトレースの左側部分と右側部分との間に電気的ブリッジを形成して、欠陥を修復した。
Example 12: Repair of an actual TFT liquid crystal display (LCD) sample FIG. 25 shows the repair of a thin film transistor (TFT) flat panel display. Laser ablation was used to drill holes in the insulating (silicon nitride) layer that protected on each side the defects in the conductive traces that form the electronic circuit on the flat panel display. A line was drawn with gold nanoparticle ink between these holes. The line was then cured to form an electrical bridge between the left and right portions of the trace to repair the defect.

実施例13:一体化されたスリットまたはマイクロ流体チャネルを有するカンチレバーを用いる付着
図26は、インク貯蔵スリットまたはチャネルを有するチップレスカンチレバーの略図である。このカンチレバーは、1回の浸漬ごとにより多量のインクを貯蔵することができ、それが他方でラインの全長でより良好な均一性、増大したライン高さ、より良好な導電率および高いステップに書き込むためのより良好な能力を生じさせる。図27は、三角形または長方形であることができ、流体貯蔵のための貯留部として働く拡大部分を含むことができるチップレスカンチレバーの四つのさらなる設計を示す。製造技術は、当技術分野で公知であるAFMカンチレバーの製造のための方法から適合させることができる。簡潔にいうと、窒化ケイ素膜を犠牲ケイ素基材へのCVDによって付着させる。そして、窒化ケイ素の一部をパターン付けし、次いでエッチングしてカンチレバーおよびスリットを形成する。下にあるケイ素を部分的に異方性エッチングしてカンチレバーを解放してもよい。または、窒化ケイ素層をPyrexガラスウェーハに接合し、ケイ素基材を全体的にエッチングしてもよい。そして、ウェーハをダイシングして、チップレススリットカンチレバーを末端に有するチップを得る。カンチレバーは、場合によっては、薄い反射性金属層で被覆されてもよい。金属被覆は、インクと反応したり、インクに対して他のかたちで影響したりしないよう、注意深く選択されなければならない。図28、29は、ガラス基材上かつ該ガラス基材上にパターン付けされた金電極の間のギャップをまたぐインク組成物#3(銀ナノ粒子)のスリット窒化ケイ素カンチレバー(図26の青写真にしたがって製造)を用いた実際の付着を示す。画像Bにおける2個の金電極の間の抵抗値は、熱硬化の後で約100オームであった。ヒートガン硬化の後では、おそらくは硬化中のアロイングまたはディウェッティングの結果として、金電極の上に直接付着したインクは見えないことに注意すること。図30は、同じタイプのカンチレバーを用いた場合の金ナノ粒子/1,3,5-TEBインク組成物#2の付着を実証する。
Example 13: Attachment using cantilevers with integrated slits or microfluidic channels FIG. 26 is a schematic illustration of a chipless cantilever with ink storage slits or channels. This cantilever can store a larger amount of ink per dipping, which on the other hand writes better uniformity, increased line height, better conductivity and higher steps over the entire length of the line Give better performance for. FIG. 27 shows four additional designs of tipless cantilevers that can be triangular or rectangular and can include an enlarged portion that serves as a reservoir for fluid storage. Manufacturing techniques can be adapted from methods for manufacturing AFM cantilevers known in the art. Briefly, a silicon nitride film is deposited by CVD on a sacrificial silicon substrate. A portion of the silicon nitride is then patterned and then etched to form cantilevers and slits. The underlying silicon may be partially anisotropically etched to release the cantilever. Alternatively, the silicon nitride layer may be bonded to a Pyrex glass wafer and the silicon substrate may be etched entirely. Then, the wafer is diced to obtain a chip having a chipless slit cantilever at the end. The cantilever may optionally be coated with a thin reflective metal layer. The metal coating must be carefully selected so that it does not react with the ink or otherwise affect the ink. FIGS. 28 and 29 are slit silicon nitride cantilevers of ink composition # 3 (silver nanoparticles) straddling the gap between a glass substrate and a gold electrode patterned on the glass substrate (blueprint in FIG. 26). Shows the actual adhesion using The resistance between the two gold electrodes in image B was about 100 ohms after heat curing. Note that after heat gun cure, you cannot see ink deposited directly on the gold electrode, possibly as a result of alloying or dewetting during cure. FIG. 30 demonstrates the adhesion of gold nanoparticles / 1,3,5-TEB ink composition # 2 when using the same type of cantilever.

さらなる態様
以下、特にフラットパネルディスプレー修復のための機器および方法に関してさらなる態様を記載する。
Further Embodiments Hereinafter, further embodiments will be described, particularly with respect to equipment and methods for flat panel display repair.

態様3:カンチレバーマイクロデポジションおよびレーザ硬化を使用したフラットパネルディスプレー修復のための機器および方法
本発明はさらに、フラットパネルディスプレー基材および類似の装置上のオープントレースにおけるギャップを修復するための機器であって、(1)インクを受けるように適合されているカンチレバー(またはマイクロブラシ)、(2)該インクを該基材上で修復パッチの形にパターン付けするために該カンチレバーと接触し、該カンチレバーを該フラットパネルディスプレー基材の表面上で平行移動させるように適合されたカンチレバー保持・位置決め手段、(3)該インクを該カンチレバーに供給するインク供給機構、(4)場合によっては、付着した材料を導電に適合した低抵抗率形態に転換するように適合された硬化システムを含む機器を提供する。硬化システムは、レーザおよびその集束光学素子を含むことができる。カンチレバー位置決め手段は、(1)該マイクロブラシの動きをX、Y、Z軸に沿いに制御するナノメートル解像度ステージ、(2)該マイクロブラシを該基材と接触させるように適合された粗動広範囲Zステージ、(3)マイクロブラシをZ軸を中心に任意の角度に位置決めすることができる回転ステージ、(4)場合によっては、カンチレバー接触検出手段を含むことができる。
Embodiment 3: Apparatus and Method for Flat Panel Display Repair Using Cantilever Microdeposition and Laser Curing The present invention is further an apparatus for repairing gaps in open traces on flat panel display substrates and similar devices. (1) a cantilever (or microbrush) adapted to receive ink, (2) contacting the cantilever to pattern the ink in the form of a repair patch on the substrate, A cantilever holding and positioning means adapted to translate the cantilever on the surface of the flat panel display substrate, (3) an ink supply mechanism for supplying the ink to the cantilever, and (4) in some cases attached Adapted to convert material to a low resistivity form adapted to conductivity Providing a device comprising a cured system. The curing system can include a laser and its focusing optics. The cantilever positioning means includes: (1) a nanometer resolution stage that controls movement of the microbrush along the X, Y, and Z axes; and (2) coarse motion adapted to contact the microbrush with the substrate. A wide-range Z stage, (3) a rotary stage that can position the microbrush at an arbitrary angle around the Z axis, and (4) a cantilever contact detection means in some cases.

カンチレバーまたはカンチレバー装置が少なくとも部分的に反射被覆を有する場合、該接触検出およびカンチレバー撓み測定手段は、(1)ビデオカメラ、その対応する光学素子、光源および該カンチレバーの少なくとも一部によって反射される光の明度を測定するように適合された計算手段、(2)レーザ反射センサ、および(3)共焦点距離測定システムからなる群より選択することができる。   If the cantilever or the cantilever device has at least partly a reflective coating, the contact detection and cantilever deflection measuring means are: (1) light reflected by the video camera, its corresponding optical element, light source and at least part of the cantilever A computing means adapted to measure the brightness of the light source; (2) a laser reflection sensor; and (3) a confocal distance measurement system.

好ましい態様で、本発明は、フラットパネルディスプレーおよび他の実質的に平坦な回路、たとえば印刷回路板の修復に適合された機器を提供する。機器は、以下のいくつかまたはすべてを含むことができる。
(1)(サブ)マイクロメートル幅のカンチレバー、
(2)カンチレバーの微動を提供するマイクロ/ナノメートルスケールのXYZステージ、および
(3)付着材料(「インク」)を硬化させるためのレーザ、
(4)接面操作の前に材料(「インク」)をマイクロカンチレバーに供給するインク供給機構、
(5)インク供給のためのグロスZ動を供給することができる大可動域Zステージ動、
(6)カンチレバーをZ軸を中心に任意の角度に位置決めすることができる回転ステージ。
In a preferred embodiment, the present invention provides equipment adapted for the repair of flat panel displays and other substantially flat circuits, such as printed circuit boards. The instrument can include some or all of the following:
(1) (Sub) micrometer width cantilever,
(2) a micro / nanometer scale XYZ stage that provides cantilever tremors, and (3) a laser to cure the deposited material ("ink"),
(4) Ink supply mechanism that supplies material (“ink”) to the microcantilever before touching the surface,
(5) Large range of motion Z stage motion that can supply gloss Z motion for ink supply,
(6) A rotary stage that can position the cantilever at an arbitrary angle around the Z axis.

図31は、カンチレバーの明度をビデオイメージングによって監視して表面へのカンチレバーの接面を検出する、この機器の第一の設計を示す。この態様では、マイクロブラシまたはカンチレバーが基材と接触する正確な高さを検出する作業は、ナノメートルスケールXYZステージがカンチレバーを下に移動させるとき、カンチレバーに対応するビデオ画像を明度の変化に関してコンピュータで監視することによって達成される。適切な照明の下で接触すると、接触の検出を可能にするのに十分な感度で明度の劇的な変化が起こる(カンチレバーの曲げにより)。接触後、ナノメートルスケールXYZステージがカンチレバーをXYZ方向に動かして、インクを2D面および3D面構造に付着させることができる。360°モータ式回転ステージは、カンチレバーを常に押すのではなく引くことを可能にする(すなわち、その長手に対して平行な方向にその自由端からその拘束端まで。以下の実施例を参照)。これが、不十分なパターン付け結果を招くカンチレバーの腰折れおよび他の問題を防止する。   FIG. 31 shows a first design of this instrument that monitors the brightness of the cantilever by video imaging to detect the cantilever contact to the surface. In this embodiment, the task of detecting the exact height at which the microbrush or cantilever is in contact with the substrate is the computer image of the video image corresponding to the cantilever with respect to the change in brightness when the nanometer scale XYZ stage moves the cantilever down. Achieved by monitoring at. When touched under appropriate lighting, a dramatic change in brightness occurs with sufficient sensitivity to allow detection of touch (due to cantilever bending). After contact, the nanometer scale XYZ stage can move the cantilever in the XYZ direction to deposit ink on 2D and 3D surface structures. The 360 ° motorized rotary stage allows the cantilever to be pulled rather than always pushed (ie, from its free end to its constraining end in a direction parallel to its length, see examples below). This prevents cantilever folds and other problems that lead to poor patterning results.

インクをカンチレバーに塗布するためには、カンチレバーを、インクウェル回転ステージのレベルよりも上になるまで、粗動モータ式Zステージによって上に動かす。そして、インクウェル回転ステージがインクウェルをカンチレバーの真下の位置まで回転させる。そして、カンチレバーをインクウェルの中に降ろすと、インクがカンチレバーを被覆する。そして、カンチレバーを再び上に動かし、インクウェルを回転させてカンチレバー区域の外に出す。すると、カンチレバーがインクを基材に付着させる準備ができる。   To apply ink to the cantilever, the cantilever is moved up by a coarse motor Z stage until it is above the level of the ink well rotation stage. Then, the ink well rotation stage rotates the ink well to a position just below the cantilever. When the cantilever is lowered into the ink well, the ink covers the cantilever. The cantilever is then moved up again and the ink well is rotated out of the cantilever area. The cantilever is now ready to attach the ink to the substrate.

所与の区域でインク付着が完了したのち、硬化レーザを起動する。ミラーおよびビームスプリッタ(またはレーザからの光を選択的に基材に向けて反射させる他の装置)を介して、レーザ光をインクが付着された区域に向けて送る。硬化は、ビームスプリッタを通過してカメラおよび顕微鏡アセンブリに達するときに起こると考えることができる。アセンブリ全体を大きな距離(メートル単位)にわたって動かして、アセンブリを、基材のうち、修復を要する区域の上に配置することができる。必要なフラットパネルディスプレー支持フレームおよび広範位置決めシステムは図示しないが、当技術分野で公知である。または、アセンブリ全体を大きな距離(メートル単位)にわたって動かしてカンチレバーまたは硬化レーザを修復区域の上に配置することができるガントリのXY動を利用して、レーザ光をミラーなしで下または斜めに向けることができる。直接レーザ照明の使用は硬化工程の顕微鏡視検を妨げるかもしれないことに注意すること。   After the ink deposition is complete in a given area, the curing laser is activated. Laser light is directed toward the area where the ink is deposited through a mirror and beam splitter (or other device that selectively reflects light from the laser toward the substrate). Curing can be considered to occur as it passes through the beam splitter and reaches the camera and microscope assembly. The entire assembly can be moved over a large distance (in meters) to place the assembly over an area of the substrate that requires repair. The required flat panel display support frame and extensive positioning system are not shown but are known in the art. Or use the gantry XY movement, which can move the entire assembly over a large distance (in meters) and place a cantilever or curing laser over the repair area, directing the laser light down or diagonally without a mirror Can do. Note that the use of direct laser illumination may interfere with the microscopic examination of the curing process.

もう一つの態様(図32)では、マイクロブラシまたはカンチレバーが基材と接触する正確な高さを検出する作業は、カンチレバーに集束したZ軸レーザ反射センサ(Keyence Corp., Japan)の出力のコンピュータ監視によって達成される。接触すると、接触の検出を可能にする感度でセンサ出力の劇的な変化が起こる。接触後、ナノメートルスケールXYZステージはカンチレバーをXYZ方向に動かして、インクを2D面および3D面構造に付着させることができる。さらに別の態様(図33)では、カンチレバーが基材と接触する正確な高さを検出する作業は、カンチレバーに標的を合わせた共焦点距離センサ(同じくKeyence Corp.から市販)の出力のコンピュータ監視によって達成される。共焦点センサは内蔵CCDアレイを組み込むことができるため、レーザ硬化は、起こると同時に視ることができる。   In another embodiment (FIG. 32), the task of detecting the exact height at which the microbrush or cantilever is in contact with the substrate is the computer of the output of the Z-axis laser reflection sensor (Keyence Corp., Japan) focused on the cantilever. Achieved by monitoring. Upon contact, a dramatic change in sensor output occurs with sensitivity that allows detection of contact. After contact, the nanometer scale XYZ stage can move the cantilever in the XYZ direction to deposit ink on 2D and 3D surface structures. In yet another embodiment (Figure 33), the task of detecting the exact height at which the cantilever contacts the substrate is performed by computer monitoring of the output of a confocal distance sensor (also commercially available from Keyence Corp.) that targets the cantilever. Achieved by: Because the confocal sensor can incorporate a built-in CCD array, laser curing can be viewed as it occurs.

本発明はさらに、前駆体インクを局所付着させたのち該インクを導電性形態に硬化させることによる、フラットパネルディスプレー基材上のオープントレースにおけるギャップの加法的修復の方法であって、
カンチレバー(またはマイクロブラシ)を提供する工程、
前駆体インクを提供する工程、
該インクを該カンチレバーに配置する工程、
基材表面を提供する工程、
インクがカンチレバーから基材表面に運ばれるように該カンチレバーと該基材表面とを接触させる工程、
付着したインクを硬化させる工程
を含む方法を提供する。
The invention further provides a method of additive repair of gaps in open traces on flat panel display substrates by locally depositing a precursor ink and then curing the ink to a conductive form, comprising:
Providing a cantilever (or microbrush);
Providing a precursor ink;
Placing the ink on the cantilever;
Providing a substrate surface;
Contacting the cantilever with the substrate surface such that ink is carried from the cantilever to the substrate surface;
A method is provided that includes curing the deposited ink.

実施例14:双方向書き込みおよびカンチレバー回転
図34では、金ナノ粒子インクを装填した5μmチップレスカンチレバーから金トレースを導電性ITO(インジウムスズ酸化物)電極の絶縁ギャップをまたいで付着させた。この実験を多数回繰り返すと、これらの金トレースがしばしば途切れ、ITOステップの一つだけに隣接して小さなギャップを有するということがわかった。図35は、チップレスカンチレバーを使用してラインを引くときトポグラフィーステップの近くにいかにしてギャップが形成されるのかを説明する。この図では、カンチレバーが、非導電性ガラス基材上の、溝(図34を参照)によって分けられている2個のITOアイランドの上で右から左にインクでラインを引く。カンチレバー端は忠実に右縁上にインクを付着させるが、カンチレバー体が左縁に当たると、溝の底から持ち上がるおそれがある。これは、インクの硬化後、非導電性ラインを生じさせるかもしれない。この問題に対する簡単な対策は、(i)たとえば右から左にインクの第一の層を書き込むこと、(ii)第一の層の上で左から右に第二の層を書き込むことからなる(「双方向書き込み」とも呼ばれる方法)。カンチレバーをその長手に対して平行にその自由端からその拘束端まで動かしたとき最良のパターン付け結果(もっとも細いライン)が得られたため、好ましくは、第二の層を書き込む前にカンチレバーを180°回転させる。そうでなければ、カンチレバーが屈曲または腰折れし、不要な区域にインクを放出するおそれがある。これは、パターン付け機器の中にカンチレバー回転ステージを組み込むことによって最良に達成される。
Example 14: Bidirectional writing and cantilever rotation In FIG. 34, a gold trace was deposited across a dielectric gap of a conductive ITO (indium tin oxide) electrode from a 5 μm tipless cantilever loaded with gold nanoparticle ink. When this experiment was repeated many times, it was found that these gold traces were often interrupted and had a small gap adjacent to only one of the ITO steps. FIG. 35 illustrates how a gap is formed near the topography step when drawing a line using a tipless cantilever. In this figure, a cantilever draws a line with ink from right to left on two ITO islands separated by a groove (see FIG. 34) on a non-conductive glass substrate. The end of the cantilever faithfully adheres ink on the right edge, but if the cantilever body hits the left edge, there is a risk of lifting from the bottom of the groove. This may cause non-conductive lines after the ink is cured. A simple solution to this problem consists of (i) writing a first layer of ink, for example from right to left, and (ii) writing a second layer from left to right on the first layer ( Also called “bidirectional writing”). Since the best patterning result (the narrowest line) was obtained when the cantilever was moved parallel to its length from its free end to its constrained end, the cantilever was preferably 180 ° before writing the second layer. Rotate. Otherwise, the cantilever may bend or fold and release ink to unwanted areas. This is best achieved by incorporating a cantilever rotary stage in the patterning device.

当業者は、本発明の多数の代替態様および応用が存在することを認識するであろう。これらの代替態様は本発明の範囲に入るものと考えられる。特に、これは、(iii)フラットパネルディスプレー上の導電トレースのネットワークの製造、(ii)フラットパネルディスプレーの、金属導電トレース以外の要素、たとえば半導電性(ポリシリコン)層、透明な導電性酸化物層(たとえばITO)の修復または製造、(iii)特に、フラットパネルディスプレーのカラーフィルタの修復、(iv)他のタイプのフラットまたはフレキシブルディスプレーの修復または製造、たとえば(v)有機発光ダイオード(OLED)ディスプレーの修復、(vi)UVフォトリソグラフィーで使用されるフォトマスクをはじめとする、半導体チップ製造で使用されるマスクの製造または修復、(vii)マイクロまたはナノ構造スタンプまたは型の製造または修復、(vii)薄膜抵抗器または他の厚膜もしくは薄膜受動コンポーネントの製造または修復ならびに(viii)他のミクロンスケール精度付着用途のための、該カンチレバーの使用を含む。CMDに使用されるカンチレバーは、より良好なインク保持または付着能力のための改変することもできる。たとえば、カンチレバー全体をポリマー、たとえばPDMS(ポリジメチルシロキサン)の層で被覆してもよい。一体化されたアクチュエータ、たとえば一体化されたヒータおよび熱駆動バイモルフ素子を有するカンチレバーを使用してパターン付けをより高度に制御してもよい。CMDに適合されたカンチレバーは、他の装置とで同じチップに組み合わせてもよく、たとえば、原子間力顕微鏡検査法カンチレバーを高解像度イメージングのためのチップと一体化したものまたはカンチレバーを付着後のインク硬化のための加熱チップと一体化したものがある。   Those skilled in the art will recognize that there are numerous alternative aspects and applications of the present invention. These alternative embodiments are considered to be within the scope of the present invention. In particular, this includes (iii) the production of a network of conductive traces on a flat panel display, (ii) elements of the flat panel display other than metal conductive traces, eg semiconductive (polysilicon) layers, transparent conductive oxidation Repair or manufacture of material layers (eg ITO), (iii) Repair of color filters, especially for flat panel displays, (iv) Repair or manufacture of other types of flat or flexible displays, eg (v) Organic light emitting diodes (OLED) ) Repair of displays, (vi) manufacture or repair of masks used in semiconductor chip manufacturing, including photomasks used in UV photolithography, (vii) manufacture or repair of micro- or nanostructured stamps or molds, (Vii) thin film resistors or other thick or thin film passive components (Viii) use of the cantilever for other micron-scale precision deposition applications. The cantilevers used in CMD can also be modified for better ink retention or adhesion capability. For example, the entire cantilever may be coated with a layer of polymer, such as PDMS (polydimethylsiloxane). Patterning may be more controlled using integrated actuators, such as cantilevers with integrated heaters and thermally driven bimorph elements. Cantilevers adapted for CMD may be combined with other devices on the same chip, for example, an atomic force microscopy cantilever integrated with a chip for high resolution imaging or ink after the cantilever is attached Some are integrated with a heating tip for curing.

以下は、オープンライン修復のための典型的な仕様である。

Figure 2007528796
The following are typical specifications for open line repair.
Figure 2007528796

本特許または出願ファイルは、カラーで作成された少なくとも一つの図面を含む。カラー図面/複数の図面を添付した本特許または特許出願公報のコピーは、要望および必要な料金の支払いに応じて特許庁によって提供される。   This patent or application file contains at least one drawing made in color. Copies of this patent or patent application publication with color drawing / drawings attached will be provided by the Office upon request and payment of the necessary fee.

金電極間に付着させたAuナノ粒子。(A)および(D)インク付きカンチレバーを表面に沿って引くことによって形成された、約60および45μmの2本のラインの光学画像。カンチレバー幅はそれぞれ60および45μmであった。(B)および(E)還元後の、(A)および(D)と同じパターン。これらのパターンの場合でギャップをはさんで測定された抵抗値は32および18オームである。(C)および(F)に示す、電極は剥離したがパターンは剥離しなかった水洗およびスコッチテープ試験に耐えた。Au nanoparticles adhered between gold electrodes. (A) and (D) Optical images of two lines of approximately 60 and 45 μm, formed by drawing an inked cantilever along the surface. The cantilever width was 60 and 45 μm, respectively. (B) and (E) Same pattern as (A) and (D) after reduction. In the case of these patterns, the resistance values measured across the gap are 32 and 18 ohms. As shown in (C) and (F), the electrodes peeled off, but the pattern did not peel off. 金電極間に付着させたAuナノ粒子。(A)および(B)2個の電極の間で15μmのインク付きカンチレバーを引くことによって形成されたラインの、硬化の前後での光学画像。このパターンの場合でギャップをはさんで測定された抵抗値は18オームである。(C)に示す、電極は剥離したがラインパターンは剥離しなかった水洗およびスコッチテープ試験に耐えた。(D)幅14.5μm、高さ90nmのラインのトポグラフィーAFM画像。(E)製造されたラインの位置表示分布に対応する。Au nanoparticles adhered between gold electrodes. (A) and (B) Optical images before and after curing of a line formed by pulling a 15 μm inked cantilever between two electrodes. In the case of this pattern, the resistance measured across the gap is 18 ohms. As shown in (C), the electrode peeled off, but the line pattern did not peel off. (D) Topographic AFM image of a line with a width of 14.5 μm and a height of 90 nm. (E) Corresponds to the position display distribution of manufactured lines. 金電極間に付着させたAuナノ粒子。(A)および(B)2個の電極の間で15μmのインク付きカンチレバーを引くことによって形成されたラインの、硬化の前後での光学画像。このパターンの場合でギャップをはさんで測定された抵抗値は19オームである。(C)(B)の赤いボックス区域における幅15.8μm、高さ38nmのラインのトポグラフィーAFM画像。(D)製造されたラインの位置表示分布に対応する。Au nanoparticles adhered between gold electrodes. (A) and (B) Optical images before and after curing of a line formed by pulling a 15 μm inked cantilever between two electrodes. In the case of this pattern, the resistance measured across the gap is 19 ohms. (C) Topographic AFM image of a 15.8 μm wide and 38 nm high line in the red box area of (B). (D) Corresponds to the position display distribution of manufactured lines. 金電極間に付着させたAuナノ粒子。(A)および(D)2個の電極にわたって10μmのインク付きカンチレバー(FIBを使用して狭窄。カンチレバーを黄色のボックスで示す)を引くことによって形成されたラインの、硬化の前後での光学画像。このパターンの場合でギャップをはさんで測定された抵抗値は9オームである。(B)および(E)(D)の赤および青それぞれのボックス区域におけるFIBチップに関する幅15.5μm、高さ95nmおよび11.5μmのラインのトポグラフィーAFM画像。(C)および(F)製造されたラインの位置表示分布に対応する。Au nanoparticles adhered between gold electrodes. (A) and (D) Optical images before and after curing of a line formed by pulling a 10 μm inked cantilever (stenosis using FIB; the cantilever is shown by a yellow box) across the two electrodes . In the case of this pattern, the resistance measured across the gap is 9 ohms. Topographic AFM images of 15.5 μm wide, 95 nm high, and 11.5 μm lines for FIB chips in the red and blue box areas of (B) and (E) and (D), respectively. (C) and (F) correspond to the position distribution of manufactured lines. 金電極間に付着させたAuナノ粒子。(A)および(B)2個の電極にわたって幅10μmのFIBカンチレバーを引くことによって形成されたラインの、硬化の前後での光学画像。このパターンの場合でギャップをはさんで測定された抵抗値は22オームである。(C)(B)の赤いボックス区域における幅11.5μm、高さ80nmのラインのトポグラフィーAFM画像。(D)製造されたラインの位置表示分布に対応する。Au nanoparticles adhered between gold electrodes. (A) and (B) Optical images before and after curing of a line formed by pulling a 10 μm wide FIB cantilever across two electrodes. In this pattern, the resistance measured across the gap is 22 ohms. (C) Topographic AFM image of a 11.5 μm wide and 80 nm high line in the red box area of (B). (D) Corresponds to the position display distribution of manufactured lines. 金電極間に付着させたAuナノ粒子。(A)および(D)2個の電極にわたって形成された金ラインの光学画像。(A)のラインパターンの場合でギャップをはさんで測定された抵抗値は190オームである。(B)および(E)(A)および(D)それぞれの赤および青のボックス区域における幅5および4μm、高さ12nmのラインのトポグラフィーAFM画像。(C)および(F)製造されたラインの位置表示分布に対応する。Au nanoparticles adhered between gold electrodes. (A) and (D) Optical image of a gold line formed over two electrodes. In the case of the line pattern (A), the resistance measured across the gap is 190 ohms. (B) and (E) (A) and (D) Topographic AFM images of lines 5 and 4 μm wide and 12 nm high in the respective red and blue box areas. (C) and (F) correspond to the position distribution of manufactured lines. 金電極間に付着させたAuナノ粒子。(A)および(D)2個の電極の間で形成された金ラインの光学画像。(B)および(E)(A)および(D)それぞれの赤および青のボックス区域における幅3および2μm、高さ8nmのラインのトポグラフィーAFM画像。(C)および(F)製造されたラインの位置表示分布に対応する。Au nanoparticles adhered between gold electrodes. (A) and (D) Optical image of a gold line formed between two electrodes. (B) and (E) (A) and (D) Topographic AFM images of lines 3 and 2 μm wide and 8 nm high in the respective red and blue box areas. (C) and (F) correspond to the position distribution of manufactured lines. カンチレバーを使用して酸化ケイ素上の金電極間に付着させた白金/金合金インク。各ラインは、カンチレバーをインクで満たしたインクウェルに浸漬したのちカンチレバーからインクがなくなるまでラインを引くことによって形成した。ラインの形状および長さの類似に注目すること。Platinum / gold alloy ink deposited between gold electrodes on silicon oxide using a cantilever. Each line was formed by immersing the cantilever in an ink well filled with ink and then drawing the line until the ink disappeared from the cantilever. Note the similarity in line shape and length. 隣接するカンチレバーを使用して酸化ケイ素上の金電極間に付着させた白金/金合金インク。3本のラインそれぞれは、インクを装填した1個のカンチレバーまたは隣接するカンチレバーを使用して製造した。左側のラインは、幅31ミクロンの1個のカンチレバーをインクがなくなるまで表面に引くことによって形成した。もっとも幅広の中央のラインは、幅31ミクロンの4個の隣接するカンチレバーによって形成し、右側のラインは、幅31ミクロンの2個の隣接するカンチレバーによって形成した。ラインの最大長さが書き込みカンチレバーの数の増加とともに増大することに注目すること。Platinum / gold alloy ink deposited between gold electrodes on silicon oxide using adjacent cantilevers. Each of the three lines was manufactured using one cantilever loaded with ink or an adjacent cantilever. The line on the left was formed by drawing a single cantilever 31 microns wide on the surface until no ink was left. The widest central line was formed by four adjacent cantilevers with a width of 31 microns, and the right line was formed by two adjacent cantilevers with a width of 31 microns. Note that the maximum length of the line increases with the number of writing cantilevers. 酸化ケイ素上のナノスケールパラジウムパターンのAFM高さ画像。PDMS被覆窒化ケイ素AFMチップを使用して、80%エチレングリコールに飽和状態まで溶解した酢酸パラジウムをパターン付けした。硬化したパターンのライン走査は、第一の層と第二の層との間で2nm〜10nmの高さ増を明らかにする。AFM height image of nanoscale palladium pattern on silicon oxide. PDMS coated silicon nitride AFM tips were used to pattern palladium acetate dissolved in 80% ethylene glycol to saturation. A line scan of the cured pattern reveals a 2-10 nm height increase between the first layer and the second layer. 石英上のナノスケール金パターンのAFM高さ画像。インクで被覆した従来の窒化ケイ素AFMカンチレバー/チップを一定の力で表面と接触させた状態で10秒間保持することにより、金ナノ粒子インクをパターン付けした。一番右の列のドット(直径50nm、高さ3.5nm)は0.2nNの力で形成し、中間の列のドット(直径65nm、高さ6nm)は1.5nNの力で形成し、一番左の列のドット(直径85nm、高さ7.5nm)は4nNの力で形成した。被覆したチップでパターン付けした直後にパターンをイメージングした。AFM height image of nanoscale gold pattern on quartz. Gold nanoparticle ink was patterned by holding a conventional silicon nitride AFM cantilever / tip coated with ink in contact with the surface with constant force for 10 seconds. The rightmost dot (diameter 50nm, height 3.5nm) is formed with a force of 0.2nN, and the middle dot (diameter 65nm, height 6nm) is formed with a force of 1.5nN. The dots in this row (diameter 85 nm, height 7.5 nm) were formed with a force of 4 nN. The pattern was imaged immediately after patterning with the coated chip. 石英上のナノスケール金パターンのAFM高さ画像。インクで被覆した従来の窒化ケイ素AFMチップを0.15ミクロン/秒の速度で表面上を平行移動させることにより、メシチレンに溶解した金ナノ粒子(「インク」)をパターン付けした。ライントレースは、ラインの高さおよび幅が加えられる力とともに増加することを示す。AFM height image of nanoscale gold pattern on quartz. Gold nanoparticles ("ink") dissolved in mesitylene were patterned by translating a conventional silicon nitride AFM tip coated with ink over the surface at a rate of 0.15 microns / second. The line trace shows that the line height and width increase with the applied force. 石英上のナノスケール金パターンのAFM高さ画像。インクで被覆した従来の窒化ケイ素AFMチップを表面と接触させた状態で10秒間保持することにより、メシチレンに溶解した金ナノ粒子(「インク」)をパターン付けした。得られたパターンをヒートガンによって250℃で10秒間硬化させたのち、イメージングした。硬化ののち、粒子パターンの高さが約30nmから約15nmまで低下した。AFM height image of nanoscale gold pattern on quartz. Gold nanoparticles ("ink") dissolved in mesitylene were patterned by holding a conventional silicon nitride AFM chip coated with ink for 10 seconds in contact with the surface. The obtained pattern was cured with a heat gun at 250 ° C. for 10 seconds, and then imaged. After curing, the particle pattern height decreased from about 30 nm to about 15 nm. 酸化ケイ素ウェーハ上の金電極間で窒化ケイ素カンチレバーで引いたミクロンスケール白金ラインの光学画像。白金インクは、80%エチレングリコールに溶解した白金塩化物(15マイクロリットル中100mg)を含むものであった。前駆体インクを、ホットプレート上、200℃で20秒間加熱することによって金属に転換した。硬化後のラインの幅は約5ミクロンであった。Optical image of a micron-scale platinum line drawn with a silicon nitride cantilever between gold electrodes on a silicon oxide wafer. The platinum ink contained platinum chloride (100 mg in 15 microliters) dissolved in 80% ethylene glycol. The precursor ink was converted to metal by heating at 200 ° C. for 20 seconds on a hot plate. The line width after curing was about 5 microns. ガラスウェーハ上のクロム電極間で窒化ケイ素カンチレバーで引いた硬化ミクロンスケール白金ラインの光学画像。白金インクは、分子量300および10,000のポリエチレングリコールそれぞれ30mgを含有する水溶液15マイクロリットルに溶解した白金塩化物100mgを含むものであった。前駆体インクを、ヒートガンを用いて250℃で10秒間加熱することによって金属白金に転換した。Optical image of a hardened micron-scale platinum line drawn with a silicon nitride cantilever between chrome electrodes on a glass wafer. The platinum ink contained 100 mg platinum chloride dissolved in 15 microliters of an aqueous solution containing 30 mg each of 300 and 10,000 polyethylene glycols of molecular weight. The precursor ink was converted to metallic platinum by heating at 250 ° C. for 10 seconds using a heat gun. 酸化ケイ素上の金電極間で引いたナノスケール金形体のAFM高さ画像。金前駆体インク溶液は、80%エチレングリコール/20%水に溶解した金四塩化物塩100mgを含む。大きな粒子は、それぞれをホットプレート上、200℃で10秒間加熱することによって硬化させた3層のインクの結果である。このトレースは導電性ではなかった。AFM height image of nanoscale molds drawn between gold electrodes on silicon oxide. The gold precursor ink solution contains 100 mg of gold tetrachloride salt dissolved in 80% ethylene glycol / 20% water. The large particles are the result of three layers of ink each cured by heating at 200 ° C. for 10 seconds on a hot plate. This trace was not conductive. AFMカンチレバーを使用して形成した白金金合金パターンの画像。合金前駆体インクは、300および10,000MWのポリエチレングリコールそれぞれ60mgを含有する水30マイクロリットルに同時に溶解した白金塩100mgおよび金塩50mgを含むものであった。トレースは、ヒートガンを用いて250℃で10秒間加熱することによって硬化させた。(A)酸化ケイ素ウェーハ上の金電極間の30ミクロンギャップをまたいで引いた2層パターン。トレースの抵抗値は90オームであった。(B)ガラスウェーハ上のクロム電極間で引いた6層パターン。トレースの抵抗値は32オームであった。図17(B)は、PDMS DPNスタンプチップを使用して実施した。(C)白金金合金膜の大きな粒状ミクロ構造を示すAFM画像。粒度は約150nmであった。An image of a platinum-gold alloy pattern formed using an AFM cantilever. The alloy precursor ink contained 100 mg platinum salt and 50 mg gold salt simultaneously dissolved in 30 microliters of water containing 60 mg each of 300 and 10,000 MW polyethylene glycol. The trace was cured by heating at 250 ° C. for 10 seconds using a heat gun. (A) A two-layer pattern drawn across a 30 micron gap between gold electrodes on a silicon oxide wafer. The resistance value of the trace was 90 ohms. (B) A 6-layer pattern drawn between chrome electrodes on a glass wafer. The resistance value of the trace was 32 ohms. FIG. 17 (B) was performed using a PDMS DPN stamp chip. (C) AFM image showing large granular microstructure of platinum gold alloy film. The particle size was about 150 nm. エポキシ/金前駆体をスライドに落としたのち150℃で2時間硬化させることによって調製したガラス上の大きな金形体の光学顕微鏡写真。金前駆体インクは、ジメチルホルムアミド50マイクロリットルに金四塩化水素85mgを溶解したのち、エチレングリコール1マイクロリットルおよびエポキシ混合物1マイクロリットルをこの塩溶液3マイクロリットルに加えることによって調製した。膜の抵抗値は0.3オームであった。Optical micrograph of a large metal mold on glass prepared by dropping an epoxy / gold precursor onto a slide and then curing at 150 ° C. for 2 hours. The gold precursor ink was prepared by dissolving 85 mg of gold hydrogen tetrachloride in 50 microliters of dimethylformamide and then adding 1 microliter of ethylene glycol and 1 microliter of the epoxy mixture to 3 microliters of this salt solution. The resistance value of the film was 0.3 ohm. PDMS被覆窒化ケイ素AFMチップを使用して金前駆体インクを石英に付着させることによって形成した金パターンのAFM高さ画像。金前駆体インクは、ジメチルホルムアミド50μLに金四塩化物(85.5mg)85.5mgを溶解させることによって調製した。この溶液に、エチレングリコール1μLおよびチオクト酸0.1mgを加えた。ホットエアガンを用いて250℃で10秒間加熱することにより、4.5×4.5ミクロンの正方形パターンを硬化させた。この1層パターンは、硬化後、高さ15nmであった(ライントレースを参照)。AFM height image of a gold pattern formed by depositing gold precursor ink on quartz using a PDMS coated silicon nitride AFM tip. The gold precursor ink was prepared by dissolving 85.5 mg of gold tetrachloride (85.5 mg) in 50 μL of dimethylformamide. To this solution, 1 μL of ethylene glycol and 0.1 mg of thioctic acid were added. A square pattern of 4.5 × 4.5 microns was cured by heating at 250 ° C. for 10 seconds using a hot air gun. This single layer pattern was 15 nm high after curing (see line trace). 市販の銀ナノ粒子インクを使用した窒化ケイ素基材への銀ラインの直接書き込み。(A)直接書き込みののちの長さ200umの銀インクラインの光学画像。(B)低温硬化ののち得られる銀ミクロ構造。(C)平均高さ分布に対応する、ラインの小さな部分のトポグラフィー原子間力顕微鏡画像。該ラインが太さ117.9nmであることを明らかにする。Direct writing of silver lines to silicon nitride substrates using commercially available silver nanoparticle inks. (A) Optical image of a 200um long silver ink line after direct writing. (B) Silver microstructure obtained after low temperature curing. (C) Topographic atomic force microscope image of a small portion of the line corresponding to the average height distribution. Clarify that the line is 117.9 nm thick. 硬化の前後のガラス基材上の市販の銀ナノ粒子インクのカンチレバーマイクロデポジションを示す光学画像。Optical images showing cantilever microdeposition of commercially available silver nanoparticle ink on a glass substrate before and after curing. クロム薄膜で被覆されたガラス基材上の市販の銀ナノ粒子インクの付着および低温硬化。レーザアブレーションを使用してクロム膜中にギャップを形成し、下に位置するガラス基材(画像の中央)を露出させた。そして、チップレスカンチレバーを使用して、クロム膜上、レーザアブレーションしたギャップの各側かつギャップをまたいで2本のラインを引いた。Adhesion and low temperature curing of commercially available silver nanoparticle inks on a glass substrate coated with a chromium thin film. Laser ablation was used to form a gap in the chrome film to expose the underlying glass substrate (center of image). Then, using a chipless cantilever, two lines were drawn on the chromium film on each side of the laser-ablated gap and across the gap. 繰り返し引くことによる多層ラインの製造を示す光学画像。(1L)幅6μm、厚さ30nmの1層ライン、(2L)幅8.6μm、厚さ41nmの2層ライン、(3L)幅8μm、厚さ70nmの3層ラインAn optical image showing the production of a multilayer line by repeated drawing. (1L) 1 layer line with 6μm width and 30nm thickness, (2L) 2 layer line with 8.6μm width and 41nm thickness, (3L) 3 layer line with 8μm width and 70nm thickness 微細加工貯留部に浸漬することによる、インクによるチップレスカンチレバーの被覆。(A)幅1ミリメートルの円形貯留部のインクのプール(シリコンウェーハの深掘り反応性イオンエッチングによって製造。画像の下部)の上方にある、または(B)そのプールに浸漬したカンチレバーの平面光学画像。画像Bのカンチレバーの周囲のメニスカスに注目すること。Covering tipless cantilevers with ink by immersing them in a microfabricated reservoir. (A) A 1 mm wide circular reservoir ink pool (manufactured by deep reactive ion etching of a silicon wafer; bottom of image) or (B) Planar optical image of a cantilever immersed in that pool . Note the meniscus around the cantilever in image B. 薄膜トランジスタ(TFT)フラットパネルディスプレーの修復を示す光学画像。Optical image showing the repair of a thin film transistor (TFT) flat panel display. インク貯蔵スリットのあるチップレスカンチレバーの略図。Schematic of a tipless cantilever with an ink storage slit. チップレススリットカンチレバーの代替設計を示す図。The figure which shows the alternative design of a chipless slit cantilever. スリットカンチレバーを用いたガラス基材上の市販の銀インクの付着を示す光学画像。The optical image which shows adhesion of the commercially available silver ink on the glass base material using a slit cantilever. スリットカンチレバーを使用して、銀ナノ粒子インクでできたラインをガラス基材上の金電極間のギャップをまたいで付着させ、硬化させた二つの例。Two examples of using a slit cantilever to attach and cure a line made of silver nanoparticle ink across the gap between gold electrodes on a glass substrate. 金ナノ粒子/1,3,5-TEBインクを装填したスリットカンチレバーを用いたライン書き込み。Line writing using a slit cantilever loaded with gold nanoparticles / 1,3,5-TEB ink. フラットパネルディスプレーおよび類似の物体の修復のための機器を示す図。金属前駆体インクで被覆されたカンチレバーまたはカンチレバー付きマイクロブラシを使用して導電トレース中のギャップを修復する。XYZステージがカンチレバーの高解像度運動を制御する。インクウェルおよびその保護カバーを含むインク供給機構が接面操作の前に材料をカンチレバーに供給する。カンチレバーにインクを供給し、表面と接触するための粗動Z運動ステージが設けられ、一方、回転ステージがそれをZ軸を中心に任意の角度に位置決めすることができる。包含されたカメラシステムおよび適切な画像処理ソフトウェアを用いるビデオイメージングによるカンチレバーの明度(曲げとともに変化する)の監視が、カンチレバーを最初に表面と接触させる際の、表面へのカンチレバーの接面を検出する。マイクロデポジションされた材料を(熱)硬化させるためにレーザシステムが設けられている。FIG. 2 shows an apparatus for flat panel display and similar object repair. A cantilever coated with a metal precursor ink or a microbrush with a cantilever is used to repair the gap in the conductive trace. The XYZ stage controls the high-resolution movement of the cantilever. An ink supply mechanism including an ink well and its protective cover supplies material to the cantilever prior to touching operation. A coarse Z motion stage is provided to supply ink to the cantilever and contact the surface, while the rotary stage can position it at any angle about the Z axis. Monitoring cantilever brightness (which changes with bending) by video imaging using the included camera system and appropriate image processing software detects the cantilever's tangent to the surface when the cantilever first contacts the surface . A laser system is provided for (thermal) curing the microdeposited material. フラットパネル修復のための第二の機器を示す略図。この設計では、レーザ屈折センサがカンチレバーのZ位置を測定するときその出力を監視して、基材表面へのカンチレバーの接面を検出する。前記の設計と同様に、数ナノメートル解像度XYZステージがカンチレバーの動きを提供し、レーザ(図示せず)が付着材料(「インク」)を硬化させる。接面操作の前にインク供給機構が材料(「インク」)をカンチレバーに供給する。大可動域Zステージがインク供給のためのグロスZ運動を提供し、一方、回転ステージがカンチレバーをZ軸を中心に任意の角度に位置決めすることができる。Schematic diagram showing a second device for flat panel repair. In this design, when the laser refraction sensor measures the Z position of the cantilever, its output is monitored to detect the contact surface of the cantilever with the substrate surface. Similar to the above design, a few nanometer resolution XYZ stage provides cantilever movement and a laser (not shown) cures the deposited material ("ink"). An ink supply mechanism supplies material (“ink”) to the cantilever prior to the contact operation. The large range of motion Z stage provides gloss Z motion for ink supply, while the rotating stage can position the cantilever at any angle about the Z axis. 共焦点距離測定装置が基材表面へのカンチレバーの接面を検出するFPD修復機器の代替設計。An alternative design for FPD restoration equipment where the confocal distance measuring device detects the contact surface of the cantilever with the substrate surface. 金ナノ粒子インクを装填した5μmチップレスカンチレバーから導電性ITO(インジウムスズ酸化物)電極の間の様々な幅(10、20、40μm)の絶縁ギャップをまたいで付着させた導電性Auトレースの付着を示す光学画像。Adhesion of conductive Au traces deposited across various gaps (10, 20, 40 μm) of insulation gap between 5μm tipless cantilever loaded with gold nanoparticle ink and conductive ITO (indium tin oxide) electrode An optical image showing. チップレスカンチレバーを使用してラインを引く際にトポグラフィーステップの近くにギャップを形成する方法を示す図。FIG. 6 shows a method of forming a gap near a topography step when drawing a line using a tipless cantilever. インクで被覆されたチップレスカンチレバーを用いる直接書き込み、次いで硬化によるミクロンスケールの(導電性)ラインの装填および製造を示す図。低温硬化インク、たとえば金ナノ粒子インクに適した実験硬化条件が示されている。FIG. 4 shows loading and manufacturing of micron-scale (conductive) lines by direct writing using a chipless cantilever coated with ink and then curing. Experimental cure conditions suitable for low temperature cure inks such as gold nanoparticle inks are shown. ライン幅がカンチレバー幅によって制御される(カンチレバー幅に比例する)方法を示す図。The figure which shows the method by which a line width is controlled by a cantilever width (proportional to a cantilever width). ライン幅がカンチレバー幅によって制御される(カンチレバー幅に比例する)方法を示す実験結果。(A)幅10ミクロンのカンチレバーが同じくらいの幅のラインを書く様子が示されている。(B)2ミクロンのカンチレバーが約2ミクロンのラインを書く様子が示されている。両画像は、ライン幅の比較を容易にするための同じスケールである。Experimental results showing how the line width is controlled by the cantilever width (proportional to the cantilever width). (A) A 10 micron wide cantilever is shown writing a line of the same width. (B) A 2 micron cantilever is shown writing a 2 micron line. Both images are at the same scale to facilitate line width comparison. クロム電極間の200μmギャップをまたいで付着させた導電性金トレースの光学画像およびAFM画像(それぞれAおよびB)。この実験では金ナノ粒子/メシチレン/デカノール混合物(さらなる実施例に記載)を使用した。250〜300℃の高温で7分間硬化を実施したのち120℃の低めの温度で60分間硬化を実施することにより、インクを低抵抗率金属形態に転換した。Optical and AFM images (A and B, respectively) of conductive gold traces deposited across a 200 μm gap between chrome electrodes. In this experiment, a gold nanoparticle / mesitylene / decanol mixture (described in further examples) was used. The ink was converted to a low resistivity metal form by curing for 7 minutes at a high temperature of 250-300 ° C. and then for 60 minutes at a lower temperature of 120 ° C. 接着試験。三つの付着試験試料で単層金ラインをガラスに付着させ、150℃で約10秒間硬化させた。テープ剥離試験は基材への接着の損失を示さず、ラインは化学清浄にも耐えた。Adhesion test. Single adhesion gold lines were adhered to the glass with three adhesion test samples and cured at 150 ° C. for about 10 seconds. The tape peel test showed no loss of adhesion to the substrate and the line withstood chemical cleaning.

Claims (50)

カンチレバー端を有する、チップレスカンチレバーであるカンチレバーを提供する工程、
カンチレバー端に配置されたインクを提供する工程、
基材表面を提供する工程、
インクがカンチレバー端から基材表面に運ばれるようにカンチレバー端または基材表面を動かす工程、
を含む方法。
Providing a cantilever that is a tipless cantilever having a cantilever end;
Providing ink disposed at the end of the cantilever;
Providing a substrate surface;
Moving the cantilever edge or substrate surface such that ink is carried from the cantilever edge to the substrate surface;
Including methods.
基材表面を動かし、カンチレバーを固定する、請求項1記載の方法。   The method of claim 1, wherein the substrate surface is moved to secure the cantilever. 基材表面を固定し、カンチレバーを動かす、請求項1記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the substrate surface is fixed and the cantilever is moved. 基材が、フラットパネルディスプレー基材である、請求項1記載の方法。   2. The method of claim 1, wherein the substrate is a flat panel display substrate. インクが、一つまたは複数の金属、金属塩または金属ナノ粒子を含む、請求項1記載の方法。   2. The method of claim 1, wherein the ink comprises one or more metals, metal salts or metal nanoparticles. インクが、100℃を超える沸点を有する一つまたは複数の溶媒を含む、請求項1記載の方法。   The method of claim 1, wherein the ink comprises one or more solvents having a boiling point greater than 100 ° C. インクが、カンチレバーの形状によって制御される寸法を有する形体を基材表面に形成する、請求項1記載の方法。   The method of claim 1, wherein the ink forms a feature on the substrate surface having dimensions controlled by the shape of the cantilever. インクが、約1ミクロン〜約100ミクロンの幅を有する形体を基材表面に形成する、請求項1記載の方法。   The method of claim 1, wherein the ink forms a feature on the substrate surface having a width of about 1 micron to about 100 microns. インクが基材表面に形体を形成し、その形体が、融解、焼結、または凝集条件に付される、請求項1記載の方法。   The method of claim 1, wherein the ink forms a feature on the surface of the substrate, and the feature is subjected to melting, sintering, or agglomerating conditions. インクが基材表面に形体を形成し、その形体が焼鈍に付される、請求項1記載の方法。   The method of claim 1, wherein the ink forms a feature on the substrate surface and the feature is subjected to annealing. インクが基材表面に形体を形成し、その形体が光に付される、請求項1記載の方法。   The method of claim 1, wherein the ink forms a feature on the substrate surface and the feature is subjected to light. インクが基材表面に形体を形成し、その形体がレーザ硬化に付される、請求項1記載の方法。   The method of claim 1, wherein the ink forms a feature on the substrate surface and the feature is subjected to laser curing. インクが、接触ののち連続的になる形体を基材表面に形成する、請求項1記載の方法。   The method of claim 1, wherein the ink forms a continuous surface on the substrate surface after contact. インクが、約10マイクロオーム.cm以下の抵抗率を有する金属状態に転換される形体を基材表面に形成する、請求項1記載の方法。   The method of claim 1, wherein the ink forms a shape on the substrate surface that is converted to a metallic state having a resistivity of about 10 microohms.cm or less. インクが、約5nm〜約1ミクロンの幅を有する形体を基材表面に形成する、請求項1記載の方法。   The method of claim 1, wherein the ink forms a feature on the substrate surface having a width of about 5 nm to about 1 micron. 基材表面にインクの層を形成するために繰り返される、請求項1記載の方法。   The method of claim 1, wherein the method is repeated to form a layer of ink on the substrate surface. カンチレバーが、インク貯蔵スリットまたはチャネルを含む、請求項1記載の方法。   The method of claim 1, wherein the cantilever comprises an ink storage slit or channel. カンチレバーが、約1ミクロン〜約100ミクロンの幅および約100ミクロン〜約400ミクロンの長さを有する、請求項1記載の方法。   The method of claim 1, wherein the cantilever has a width of about 1 micron to about 100 microns and a length of about 100 microns to about 400 microns. カンチレバーが、約5ミクロン〜約25ミクロンの幅を有する、請求項1記載の方法。   The method of claim 1, wherein the cantilever has a width of about 5 microns to about 25 microns. カンチレバーが、直線的なビーム形カンチレバーであり、カンチレバーを押すのではなく引く、請求項1記載の方法。   The method of claim 1, wherein the cantilever is a straight beam cantilever and is pulled rather than pushed. 薄膜トランジスタ修復のために使用される、請求項1記載の方法。   2. The method of claim 1 used for thin film transistor repair. カンチレバーが、インクを平行に付着させる複数のカンチレバーの一つである、請求項1記載の方法。   The method of claim 1, wherein the cantilever is one of a plurality of cantilevers that deposit ink in parallel. インクが、ポリオールインクである、請求項1記載の方法。   2. The method according to claim 1, wherein the ink is a polyol ink. インクが、金属塩を一つまたは複数のアルコールまたはポリオールとともに含む、請求項1記載の方法。   The method of claim 1, wherein the ink comprises a metal salt with one or more alcohols or polyols. インクが、約1ミクロン〜約15ミクロンの横方向寸法を有する形体を基材表面に形成する、請求項1記載の方法。   The method of claim 1, wherein the ink forms a feature on the substrate surface having a lateral dimension of about 1 micron to about 15 microns. インクが、約1ミクロン〜約10ミクロンの横方向寸法を有する形体を基材表面に形成する、請求項1記載の方法。   The method of claim 1, wherein the ink forms a feature on the substrate surface having a lateral dimension of about 1 micron to about 10 microns. インクが、約1ミクロン〜約15ミクロンの横方向寸法を有する形体を基材表面に形成する、請求項1記載の方法。   The method of claim 1, wherein the ink forms a feature on the substrate surface having a lateral dimension of about 1 micron to about 15 microns. それぞれがカンチレバー端を有する、端部にチップを含むこともでき、またはチップレスカンチレバーであることもでき、約1ミクロン〜約20ミクロンであるギャップを間に有する、二つ以上のカンチレバーを提供する工程、
ギャップに配置されたインクを提供する工程、
基材表面を提供する工程、および
インクがギャップから基材表面に運ばれるように二つ以上のカンチレバーをギャップにインクが配置された状態で基材表面と接触させる工程、
を含む、導電性金属に対して書き込む方法。
Providing two or more cantilevers, each having a cantilever end, can include a tip at the end, or can be a tipless cantilever, with a gap between about 1 micron and about 20 microns in between Process,
Providing ink disposed in the gap;
Providing a substrate surface; and contacting two or more cantilevers with the substrate surface with the ink disposed in the gap such that the ink is carried from the gap to the substrate surface;
A method of writing to a conductive metal, comprising:
ギャップが、約1ミクロン〜約5ミクロンである、請求項28記載の方法。   30. The method of claim 28, wherein the gap is from about 1 micron to about 5 microns. ギャップが、約5ミクロン〜約10ミクロンである、請求項28記載の方法。   30. The method of claim 28, wherein the gap is from about 5 microns to about 10 microns. ギャップが、約10ミクロン〜約20ミクロンである、請求項28記載の方法。   30. The method of claim 28, wherein the gap is from about 10 microns to about 20 microns. 一つまたは複数の金属塩および一つまたは複数の溶媒を含み、金属塩の濃度が約1mg/100μL〜約500mg/100μLである、ナノリソグラフィーまたはマイクロリソグラフィーのためのインク調合物。   An ink formulation for nanolithography or microlithography comprising one or more metal salts and one or more solvents, wherein the metal salt concentration is from about 1 mg / 100 μL to about 500 mg / 100 μL. 金属塩の濃度が、約1mg/100μL〜約200mg/100μLである、請求項32記載のインク調合物。   36. The ink formulation of claim 32, wherein the concentration of metal salt is from about 1 mg / 100 [mu] L to about 200 mg / 100 [mu] L. 金属塩の濃度が、約5mg/100μL〜約30mg/100μLである、請求項32記載のインク調合物。   35. The ink formulation of claim 32, wherein the metal salt concentration is from about 5 mg / 100 [mu] L to about 30 mg / 100 [mu] L. 異なる平均分子量を有する二つ以上のオリゴマーまたはポリマー添加物をさらに含む、請求項32記載のインク調合物。   35. The ink formulation of claim 32, further comprising two or more oligomeric or polymeric additives having different average molecular weights. 少なくとも一つのオリゴマーおよび少なくとも一つのポリマーをさらに含む、請求項32記載のインク調合物。   35. The ink formulation of claim 32, further comprising at least one oligomer and at least one polymer. 二つ以上の金属塩を含む、請求項32記載のインク調合物。   40. The ink formulation of claim 32, comprising two or more metal salts. エポキシをさらに含む、請求項32記載のインク調合物。   35. The ink formulation of claim 32, further comprising an epoxy. カンチレバー端を有するチップレスカンチレバーを提供する工程、
カンチレバー端に配置された、一つまたは複数の金属、一つまたは複数の金属ナノ粒子または一つまたは複数の金属塩を含む、インクを提供する工程、
基材表面を提供する工程、および
インクがカンチレバー端から基材表面に運ばれるようにカンチレバー端と基材表面を接触させる工程、
を含む、導電性金属または金属前駆体に対して直接書き込む方法。
Providing a tipless cantilever having a cantilever end;
Providing an ink comprising one or more metals, one or more metal nanoparticles or one or more metal salts disposed at the end of the cantilever;
Providing a substrate surface; and contacting the cantilever end with the substrate surface such that ink is carried from the cantilever end to the substrate surface;
A method of writing directly to a conductive metal or metal precursor.
カンチレバーを押すのではなく引く、請求項39記載の方法。   40. The method of claim 39, wherein the cantilever is pulled rather than pushed. チップレスカンチレバーが、カンチレバーのアレイの一部である、請求項39記載の方法。   40. The method of claim 39, wherein the tipless cantilever is part of an array of cantilevers. インクが、金属ナノ粒子を含む、請求項39記載の方法。   40. The method of claim 39, wherein the ink comprises metal nanoparticles. インクを、基材表面に送り出したのち、硬化させる、請求項39記載の方法。   40. The method of claim 39, wherein the ink is cured after being delivered to the substrate surface. インクを、基材表面に送り出したのち、約300℃以下の温度で硬化させる、請求項39記載の方法。   40. The method of claim 39, wherein the ink is cured at a temperature of about 300 ° C. or less after being delivered to the substrate surface. ナノ粒子インクを装填されたチップレスカンチレバーから金属トレースを導体間の絶縁ギャップをまたいで付着させる工程を含む方法。   Depositing a metal trace from a tipless cantilever loaded with nanoparticle ink across an insulating gap between conductors. カンチレバーを提供する工程、
前駆体インクを提供する工程、
該インクを該カンチレバーに配置する工程、
基材表面を提供する工程、
インクがカンチレバーから基材表面に運ばれるように該カンチレバーと該基材表面を接触させる工程、および
付着したインクを導電性形態に硬化させる工程、
を含む、前駆体インクを局所付着させたのち該インクを導電性形態に硬化させることによる、フラットパネルディスプレー基材上のオープントレースにおけるギャップの加法的修復の方法。
Providing a cantilever,
Providing a precursor ink;
Placing the ink on the cantilever;
Providing a substrate surface;
Contacting the cantilever with the substrate surface such that the ink is transported from the cantilever to the substrate surface; and curing the adhered ink to a conductive form;
A method of additive repair of gaps in open traces on flat panel display substrates by locally depositing a precursor ink and then curing the ink to a conductive form.
(1)インクを基材に付着させるための、マイクロメートル幅のカンチレバー、
(2)カンチレバーの微動を提供するマイクロ/ナノメートルスケールのXYZステージ、
(3)基板に付着したインクを硬化させるためのレーザ、
(4)付着の前にインクをカンチレバーに供給するインク供給機構または装置、
(5)インク供給のためのグロスZ動を供給するための大可動域Zステージムーバ、および
(6)カンチレバーをZ軸を中心に任意の角度に位置決めすることができる回転ステージ、
を含む、フラットパネルディスプレーおよび他の実質的にフラットな回路の修復に適合された機器:
(1) Micrometer-wide cantilever for attaching ink to the substrate,
(2) Micro / nanometer scale XYZ stage that provides cantilever tremors,
(3) A laser to cure the ink attached to the substrate,
(4) Ink supply mechanism or device that supplies ink to the cantilever before adhesion,
(5) Large range of motion Z stage mover for supplying gloss Z movement for ink supply, and (6) Rotary stage that can position the cantilever at any angle around the Z axis,
Including flat panel displays and other equipment that is adapted for the repair of substantially flat circuits:
インクを付着させたときのカンチレバーの曲げを検出するための装置をさらに含む、請求項47記載の機器。   48. The apparatus of claim 47, further comprising a device for detecting bending of the cantilever when ink is applied. (1)インクを受けるように適合されたカンチレバー、
(2)該インクを該基材上で修復パッチの形にパターン付けするために該カンチレバーと接触し、該カンチレバーを該フラットパネルディスプレー基材の表面上で平行移動させるように適合されたカンチレバー保持および位置決め装置、
(3)該インクを該カンチレバーに供給するインク供給装置、ならびに
(4)任意に、付着した材料を導電に適合した低抵抗率形態に転換するように適合された硬化システム、
を含む、フラットパネルディスプレー基材および類似の装置上のオープントレースにおけるギャップを修復するための機器。
(1) cantilever adapted to receive ink,
(2) A cantilever holding adapted to contact the cantilever to pattern the ink in the form of a repair patch on the substrate and to translate the cantilever on the surface of the flat panel display substrate And positioning device,
(3) an ink supply device for supplying the ink to the cantilever, and (4) a curing system, optionally adapted to convert the deposited material to a low resistivity form adapted to electrical conductivity,
A device for repairing gaps in open traces on flat panel display substrates and similar devices.
硬化システムが存在し、硬化システムがレーザおよびその集束光学素子を含み、カンチレバー位置決め装置が、(1)該カンチレバーの動きをX、Y、Z軸沿いに制御するナノメートル解像度ステージ、(2)該カンチレバーを該基材と接触させるように適合された粗動広範囲Zステージ、(3)カンチレバーをZ軸を中心に任意の角度に位置決めすることができる回転ステージ、(4)任意に、カンチレバー接触検出装置を含む、請求項49記載の機器。   A curing system exists, the curing system includes a laser and its focusing optics, and a cantilever positioning device (1) a nanometer resolution stage that controls the movement of the cantilever along the X, Y, and Z axes; (2) the Coarse-motion wide-range Z stage adapted to bring the cantilever into contact with the substrate, (3) Rotary stage that can position the cantilever at any angle around the Z axis, (4) Optionally, cantilever contact detection 50. The device of claim 49, comprising an apparatus.
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