JP2014131071A - 基材上に導電体をパターン化する方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基材上に導電体をパターン化する方法であって、自己組織化単層形成分子でインク付けされ、隆起表面構造を備えるレリーフパターンを有する、インク付きエラストマースタンプを提供する工程と、前記インク付きスタンプの前記表面形状を、金属コーティングされた可視光線透明基材に接触させる工程と、金属をエッチングして、前記可視光線透明基材上に前記インク付きスタンプの前記隆起表面形状に対応する導電性マイクロパターンを形成する工程と、を含む方法。
【選択図】図17
Description
HS(CH2)nX
を含み、式中、nはメチレン単位の数であり、Xはアルキル鎖の末端基(例えば、X=−CH3、−OH、−COOH、−NH2等)である。好ましくは、X=−CH3であり、n=15、16、又は17であり、それぞれ16、17、又は18の鎖長に対応する。他の有用な鎖長には、19及び20が含まれる。金属への連結のための硫黄含有先端基を有する直鎖分子の場合、鎖長は、硫黄原子に結合した原子(これを含む)と直鎖配列における最終炭素原子との間の結合原子の直鎖配列に沿った原子の数として決定される。例えば鎖を画定する結合原子の直鎖配列に側鎖基が連結した、単層形成分子が分岐している場合も本開示の範囲内である。有用な末端基には、例えば(1)Ulman,「Formation and Structure of Self−Assembled Monolayers」,Chemical Reviews Vol.96,pp.1533−1554(1996)、及び(2)Love et al.,「“Self−Assembled Monolayers of Thiolates on Metals as a Form of Nanotechnology”」,Chemical Reviews Vol.105,pp.1103〜1169(2005)において説明されているものが含まれる。SAM形成分子は、部分的にフッ素化又は過フッ素化されていてもよい。本明細書において、具体的なSAM形成分子が有用又は好ましいものとして挙げられている場合、意図される使用のための重要な印刷属性をそれらの分子と共有する他の分子も同等に有用又は好ましいことが、当業者に理解される。
直径10センチメートル(cm)のシリコンウエファー上にフォトレジスト(Shipley1818、Rohm and Haas Company、Philadelphia、Pennsylvania)のパターンを調製することにより、エラストマースタンプ成形用の2つの異なるマスターツールを形成した。異なるマスターツールは、本明細書においてデザイン「V1」及びデザイン「V2」と呼ばれる2つの異なるパターンデザインに基づいた。デザインは、いくつかの共通する要素及びいくつかの差異を有していた。デザインは両方とも総面積5cm×5cmの寸法であり、幅1mmの枠(以下のマスク中の空きエリア及び以下のスタンプ中の隆起表面形状)を含んでいた。また、デザインは両方とも、長さ約33mmの寸法の一連の20個の低密度メッシュバーを含み、また0.8mm〜1.2mmの範囲の幅値を有し、バーは2mm×2mmの接触パッドで終端されていた。枠、メッシュバー、及びパッドに加え、2つのデザインは、メッシュバーの間、及びメッシュバーと枠との間の空間に孤立した表面形状を含んでいた。孤立した表面形状は様々なサイズ及び形状の形態であり、3μm〜100μmのサイズ範囲の最小寸法を有していた。デザインV1は、5.95cm2のマスク中の空きエリアの総量、ひいては得られるスタンプ上の隆起エリアを有していた。デザインV2は、4.37cm2のマスク中の空きエリアの総量、ひいては得られるスタンプ上の隆起エリアを有していた。マスターを製作するために、約1.8μmの厚さまでフォトレジストをウエファー上に回転成形した。各マスターツールに対して、2mm×2mm正方形バッドとともに線状セグメントの低密度パターンを画定する、クロム中に開口部を有する別個の2元クロムフォトマスクを使用して、パターン化のためにフォトレジストを露光した。フォトレジストの現像後、線分及びパッドの低密度面積分布の形態で陥凹表面形状を備える二元レリーフパターンマスターツールが提供された。両方のマスターツールに対して、線分の低密度面積分布を備えるパターンの部分は、メッシュを画定するトレースの幅が3μm及び5μmの異なる低密度メッシュ構成(例えば正方形グリッド)を含んだ。選択されたメッシュ領域の空きエリア値は、90%、93%、95%、及び97%(すなわち、それぞれ10%、7%、5%、及び3%の表面形状密度)であった。図8は、完成したパターンの一部の走査型電子顕微鏡写真であり、大きい空きエリア及び2mm×2mmパッドの2次元メッシュ領域の配置を示している。図9及び図10は、完成したパターン(PET上の銀薄膜)の走査型電子顕微鏡写真であり、2つの低い密度の2次元マイクロパターン領域の構成(それぞれ、95%の空きエリア及び幅5μmのトレースを有する正方形セル構成、97%の空きエリア及び幅3μmのトレースを有する六角形セル構成)を示している。エラストマースタンプは、未硬化ポリジメチルシロキサン(PDMS、Sylgard(商標)184、Dow Corning、Midland、Michigan)を約3.0mmの厚さまでツールに注ぐことにより、マスターツールに対して成形した。マスターと接触した未硬化シリコーンは、真空に曝露することによって脱気し、その後70℃で2時間硬化させた。マスターツールから剥離した後、PDMSスタンプは、線分及びパッドの低密度面積分布を備えるパターンとして、高さ約1.8μmの隆起表面形状を備えるレリーフパターンを備えていた。スタンプを約5×5cmのサイズに切断した。
スタンプは、その裏側(レリーフパターンのない主表面)をアルキルチオールのエタノール中溶液に所定時間(インク付け時間)接触させることによりインク付けした。使用したアルキルチオール分子は、ヘキサデシルチオール(「HDT」H0068、TCI America、Wellesley Hills、Massachusetts)及びオクタデシルチオール(「ODT」O0005、TCI AMERICA)であった。アルキルチオール溶液の濃度及びインク付け時間は、有限差分シミュレーションコンピュータプログラム及び測定された拡散係数値を使用して決定される、印刷表面に隣接したPDMSスタンプ中のアルキルチオールの標的濃度を達成するように選択した。HDTの場合、シミュレーションに使用された拡散係数値は、エタノール膨潤PDMS中のHDTの拡散における既知の値である6.6E−7cm2毎秒であった。ODTの場合、印刷表面に隣接したスタンプ中の推定チオール濃度の範囲を指定するために、2つの異なる拡散係数値をシミュレーションに用いた。ODTの場合の2つの値は、PDMS中のODT拡散に対する既知の値である4.0E−7cm2毎秒、及びエタノール膨潤HDTに対する既知の拡散係数である6.6E−7cm2毎秒であった。使用したODTに対する拡散係数値は、以下の実施例中でPDMSにおけるオクタデシルチオールの移送を説明する可能な限り低い値及び可能な限り高い値を考慮している。したがって、計算により、実施例における印刷表面に隣接したオクタデシルチオールに対する推定濃度の範囲を指定することができた。したがって、以下の実施例において、ヘキサデシルチオールについては個々の濃度値が、オクタデシルチオールについては濃度値の範囲が報告される。
スタンプのインク付けの後、金属化ポリマーフィルム基材をスタンプした。それぞれの場合において、フィルム基材はポリエチレンテレフタレート「PET」(ST504、DuPont、Wilmington、Delaware)であった。まず、基材を熱蒸発(DV−502A、Denton Vacuum、Moorestown、New Jersey)により金属薄膜でコーティングした。すべての実施例において、まず基材表面を20オングストロームのクロムでコーティングし、次いで100nmの銀又は金でコーティングした。金属化の後、上述のようにインク付けされたスタンプでフィルムをスタンプした。金属化フィルム基材は、面積約6×6cmの寸法であった。スタンピングのために、直径約3.5cmの手持ち式ゴムローラーを使用して、まずフィルム試料の端部をスタンプ表面に接触させ、次いでフィルムをロールしてスタンプ全体に接触させることにより、面を上にしたスタンプレリーフパターン化表面に金属化フィルムを接触させた。ローリング工程の実行に必要な時間は1秒未満である。以下の実施例において、スタンピング時間が示されているが、スタンピング時間は、スタンプ上への基材のローリングの後の基材とスタンプとの間の追加の接触時間に対応する。指定時間が経過した後、基材をスタンプから剥離したが、この工程に必要な時間は1秒未満であった。いくつかの場合において、後述のように、基材をスタンプに載せた後及びスタンピング中、基材−スタンプのアセンブリに追加の質量を負荷した。追加の質量は、重量が120gの平坦ガラス片及び質量140グラムの平坦セラミックスタイル、合計260グラムであった。パターンデザインV1に関して、スタンピング中の接触面積5.95cm2に対し、260グラムの付加質量は、基材とスタンプの隆起表面形状との間の4.3キロパスカルの付加圧力に対応する。パターンデザインV2に関して、スタンピング中の接触面積4.37cm2に対し、260グラムの付加質量は、基材とスタンプの隆起表面形状との間の5.8キロパスカルの付加圧力に対応する。
スタンピングの後、印刷されたパターンを有する金属化フィルム基材を、選択的エッチング及び金属パターン化用のエッチャント溶液に含浸した。金薄膜を有する印刷金属化フィルム基材の場合、エッチャントはチオ尿素(T8656、Sigma−Aldrich、St.Louis、Missouri)1g、濃塩酸(HX0603−75、EMD Chemicals、Gibbstown、New Jersey)0.54ミリリットル、過酸化水素(30%、5240−05、Mallinckrodt Baker、Phillipsburg、New Jersey)0.5ミリリットル、及び脱イオン水21グラムを含んでいた。金薄膜をパターン化するために、印刷金属化フィルム基材をエッチング溶液中に50秒間含浸した。銀薄膜を有する印刷金属化フィルム基材の場合、エッチャントは、チオ尿素(T8656、Sigma−Aldrich、St.Louis、Missouri)0.45グラム、硝酸第二鉄(216828、Sigma−Aldrich、St.Louis、Missouri)1.64グラム、及び脱イオン水200ミリリットルを含んでいた。銀薄膜をパターン化するために、印刷金属化フィルム基材をエッチング溶液中に3分間含浸した。金又は銀をパターンエッチングした後、過マンガン酸カリウム(PX1551−1、EMD Chemicals)2.5グラム、水酸化カリウム(484016、Sigma−Aldrich)4グラム及び脱イオン水100ミリリットルの溶液を使用して、残りのクロムをエッチングした。
選択的エッチング及び金属パターン化の後、光学顕微鏡(DP12デジタルカメラを備えたModel BH−2、Olympus America、Center Valley、Pennsylvania)、走査型電子顕微鏡(SEM、Model JSM−6400、日本電子株式会社、東京、日本)、及び抵抗計(GoldStar DM−313、LG Precision Co.Ltd.、韓国)を使用して、金属パターンを特性決定した。顕微鏡技術は、エッチング後に薄膜金属に対し意図されるパターンが形成された忠実度を決定するために使用した。金属パターンにおける線表面形状の幅を測定し、3μm及び5μmの公称幅値と比較した。印刷表面形状のサイズが、0μm、約>0〜≦0.5μm、約>0.5mM〜≦1.0μm、約>1.0〜≦1.5μm、又は>1.5μmであるかどうかによって、それぞれ5、4、3、2、又は1の寸法正確性品質係数を割り当てた。顕微鏡技術を使用して、大型パッド領域(2mm×2mm)に対するエッチングの選択性もまた判定した。より大きな面積のパッドのエッチングによるパターン化において生じる選択性の度合いを説明するために、1、2、3、4、又は5の大型表面形状選択性品質係数を割り当てた(5が最高品質−エッチング中、本質的にパッドのピンホール又は侵食がない;1が最低品質−エッチングによるパターン化工程中、パッドが大幅にエッチングされる)。選択性とは、非印刷領域のエッチング除去中の、例えばパッド領域における金属の保護及び保存の程度を意味する。上記の各品質係数に対し、3の値を達成するのが好ましくは、4の値を達成するのがより好ましく、5の値を達成するのが更により好ましい。抵抗計は、大型パッド(2mm×2mm)の間の、約1mm×約33mmの寸法の孤立したメッシュ領域の抵抗を測定するために使用した。メッシュ領域のこの構成に基づき、各メッシュに対するシート抵抗の値を決定した(測定抵抗値を33(平方)で除した値に等しい)。
上述の手順に従い銀薄膜の導電性マイクロパターン(V1)を製作し特性決定した。インク溶液は、10mMの濃度でエタノール中に溶解したヘキサデシルチオールを含んでいた。インク溶液をスタンプの裏側に2.3時間接触させたが、印刷又はスタンピング表面に隣接したPDMS中のヘキサデシルチオール濃度は約0.8mMとなった。スタンピング時間は10秒であり、スタンピング中260gの質量を付加した。図11は、空きエリアが97%、標的トレース幅が3μmの六角形メッシュを備える低い密度の領域から得られた、完成した薄膜金属マイクロパターンから記録されたSEM顕微鏡写真を示す。実際のトレース幅の寸法は5μmを超えた。
上述の手順に従い銀薄膜の導電性マイクロパターン(V2)を製作し特性決定した。インク溶液は、10mMの濃度でエタノール中に溶解したヘキサデシルチオールを含んでいた。インク溶液をスタンプの裏側に17.5時間接触させたが、印刷又はスタンピング表面に隣接したPDMS中のヘキサデシルチオール濃度は約5mMとなった。スタンピング時間は5秒であり、スタンプへの基材のローリング塗布後の基材−スタンプアセンブリには質量を付加しなかった。図8、9、及び10は、完成した薄膜金属マイクロパターンから記録されたSEM顕微鏡写真を示す。図12は、空きエリアが97%、標的トレース幅が3μmの六角形メッシュを備える低い密度の領域から得られた、完成した銀薄膜マイクロパターンの別のSEM顕微鏡写真である。実際のトレース幅の寸法は約3.2μmであった。
銀薄膜の導電性マイクロパターンを、表1に列挙されたプロセスパラメーターに従い製作した。表2〜7は、上記の品質係数の説明に従う、選択された実施例に割り当てられた品質係数を示す。表2〜7に示されない実施例は、スタンピング及びエッチング工程が非常に明確性の低いパターンをもたらした、実施例3、4、23、及び24である。実施例38において、幅1mm及び長さ33mmの寸法を有し各末端部で2mm×2mmパッドで終端された導電性マイクロパターンの低密度メッシュ領域(幅5μmのトレース及び充填率10%の正方形グリッド)は、229オームの抵抗を示した。抵抗指数は、229/33=7オーム毎平方の可視光線透明メッシュ領域のシート抵抗に対応する。実施例38において、幅1mm及び長さ33mmの寸法を有し各末端部で2mm×2mmパッドで終端された導電性マイクロパターンの低密度メッシュ領域(幅3μmのトレース及び充填率5%の正方形グリッド)は、419オームの抵抗を示した。抵抗指数は、単位面積あたり419/33=12.7オームの可視光線透明メッシュ領域のシート抵抗に対応する。実施例38において、幅1mm及び長さ33mmの寸法を有し各末端部で2mm×2mmパッドで終端された導電性マイクロパターンの低密度メッシュ領域(幅3μmのトレース及び充填率3%の正方形グリッド)は、624オームの抵抗を示した。抵抗指数は、単位面積あたり624/33=18.9オームの可視光線透明メッシュ領域のシート抵抗に対応する。実施例38において、シート抵抗測定値が上に報告されている3%及び5%充填率のメッシュ領域を含む直径約1cmの円形領域を、その可視光線透過性に関して測定した。測定は、明所視補正された光学濃度計(Jonathan Allen、Titusville、New Jersey)を用いて行った。円形エリアにおいて、上記可視光線透過性は、ベースフィルム基材に対する測定値88.7%に比べ約85%であり、直径1cmの円形エリアに対し約4%(約96%の空きエリア)の平均充填率を示している。
上述の手順に従い金薄膜の導電性マイクロパターン(V1)を製作し特性決定した。インク溶液は、10mMの濃度でエタノール中に溶解したオクタデシルチオールを含んでいた。インク溶液をスタンプの裏側に4.5時間接触させたが、印刷又はスタンピング表面に隣接したPDMS中のオクタデシルチオール濃度は約0.8mMとなった。スタンピング時間は2秒であり、スタンプへの基材のローリング塗布後の基材−スタンプアセンブリには質量を付加しなかった。幅1mm及び長さ33mmの寸法を有し各末端部で2mm×2mmパッドで終端された導電性マイクロパターンの低密度メッシュ領域(幅3μmのトレース及び充填率3%の正方形グリッド)は、685オームの抵抗を示した。抵抗指数は、単位面積あたり685/33=20.8オームの可視光線透明メッシュ領域のシート抵抗に対応する。
マイクロコンタクト印刷及びエッチングを使用して、図15、16及び17に概略的に示されるように、透明センサー要素を製作しタッチセンサー駆動デバイスと組み合わせた。次いでデバイスを、ディスプレイに接続されたコンピュータ処理ユニットに統合してデバイスを試験した。デバイスは、単一及び/又は複数の同時の指の接触の位置を検出することができ、これはディスプレイ上で画像により証明された。
第1のパターン化基材
125μmAの厚さを有するポリエチレンテレフタレート(PET)で作製された第1の可視光線基材を、熱蒸発コーターを使用して100nmの銀薄膜で蒸気コーティングし、第1の銀金属化フィルムを得た。PETは、E.I.du Pont de Nemours、Wilmington、DE.から製品番号ST504として市販されているものであった。銀は、Cerac Inc.、Milwaukee、WIから純度99.99%の3mmペレットとして市販されているものであった。
第2の銀金属化フィルムを生成するために、第2の可視光線基材を使用して、第1のパターン化基材として第2のパターン化基材を作製した。第2の不連続六角形メッシュパターンとの間に介在する第2の連続六角形メッシュパターンを有する第2のスタンプを生成した。
上記のように作製された第1及び第2のパターン化基材を使用して、以下のように、2層投影容量型タッチスクリーン透明センサー要素を生成した。
透明センサー要素をタッチセンサー駆動デバイスに接続した。ガラス表面に指が接触すると、コンピュータモニタは、タッチ検知領域内で生じている接触の位置を、モニターの対応する場所の色の変化(白から緑)の形式でレンダリングした。ガラス表面に指が2つ同時に接触すると、コンピュータモニタは、タッチ検知領域内で生じている接触の位置を、モニターの対応する場所の色の変化(白から緑)の形式でレンダリングした。ガラス表面に指が3つ同時に接触すると、コンピュータモニタは、タッチ検知領域内で生じている接触の位置を、モニターの対応する場所の色の変化(白から緑)の形式でレンダリングした。
Claims (20)
- 基材上に導電体をパターン化する方法であって、
自己組織化単層形成分子でインク付けされ、隆起表面構造を備えるレリーフパターンを有し、該レリーフパターンは
0.5%〜10%の間の隆起表面形状の平均面密度値と、
0.5マイクロメートル〜25マイクロメートルの間の幅値を有する線状セグメントと、
1ミリメートル未満の隣接隆起表面形状間の距離値と、を備える少なくとも5平方ミリメートルの寸法の低密度領域を有する、インク付きエラストマースタンプを提供する工程と、
前記インク付きスタンプの前記表面形状を、金属コーティングされた可視光線透明基材に接触させる工程と、
金属をエッチングして、前記可視光線透明基材上に前記インク付きスタンプの前記隆起表面形状に対応する導電性マイクロパターンを形成する工程と、
を含む方法。 - 前記接触させる工程は、0.1秒〜30秒の範囲の接触時間を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記低密度領域は、1%〜5%の間の隆起表面形状の面密度値を有する、請求項1に記載の方法。
- 印刷表面に隣接した前記スタンプにおける自己組織化単層形成分子の濃度は、0.05ミリモル〜20ミリモルの間であり、前記接触させる工程は、0.1秒〜10秒の範囲の接触時間を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記自己組織化単層形成分子は、オクタデシルチオールを含む、請求項4に記載の方法。
- 印刷表面に隣接した前記スタンプにおける自己組織化単層形成分子の濃度は、0.05ミリモル〜5ミリモルの間であり、前記接触させる工程は、0.1秒〜10秒の範囲の接触時間を有し、前記自己組織化単層形成分子は、ヘキサデカンチオールを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記低密度領域は、隆起表面形状の均一な平均面密度値を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記線状セグメントは、1マイクロメートル〜5マイクロメートルの間の幅値を有する、請求項1に記載の方法。
- 低密度領域の隣接隆起表面形状間の最大距離値は、500マイクロメートルである、請求項1に記載の方法。
- 前記レリーフパターンにおけるすべての非隆起点は、全方向において、1ミリメートル未満の隆起線状表面形状からの最大分離距離を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記レリーフパターンにおけるすべての非隆起点は、全方向において、500マイクロメートル未満の隆起線状表面形状からの最大分離距離を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記スタンプは、チオール、ジアルキルジスルフィド、ジアルキルスルフィド、アルキルキサンテート、ジチオホスフェート、及びジアルキルチオカルバメートを含む自己組織化単層形成分子でインク付けされる、請求項1に記載の方法。
- 前記導電性マイクロパターンの低密度領域は、導電性メッシュマイクロパターンを備える、請求項1に記載の方法。
- 前記導電性マイクロパターンをタッチセンサードライブデバイスに電気的に接続する工程を更に含む、請求項1に記載の方法。
- 前記レリーフパターンは、少なくとも幅50マイクロメートルの寸法の隆起表面形状を備える、請求項1に記載の方法。
- 前記単層形成分子は、オクタデシルチオールを含み、印刷表面に隣接した前記スタンプにおける自己組織化単層形成分子の濃度は、0.5ミリモル〜10ミリモルの間であり、前記接触させる工程は、0.5秒〜5秒の範囲の接触時間を有する、請求項15に記載の方法。
- 前記単層形成分子は、ヘキサデシルチオールを含み、印刷表面に隣接した前記スタンプにおける自己組織化単層形成分子の濃度は、0.5ミリモル〜1ミリモルの間であり、前記接触させる工程は、0.5秒〜5秒の範囲の接触時間を有する、請求項15に記載の方法。
- タッチスクリーンセンサーを製造する方法であって、
隆起表面形状を備えるレリーフパターンであって、該レリーフパターンは、
0.5%〜10%の間の隆起表面形状の平均面密度値と、
0.5マイクロメートル〜25マイクロメートルの間の幅値を有する線状セグメントと、
1ミリメートル未満の隣接隆起表面形状間の距離値と、を備える少なくとも5平方ミリメートルの寸法の低密度領域を有する、レリーフパターンを有する金属コーティングされた可視光線透明基材を提供する工程と、
自己組織化単層形成分子でインク付けされた、インク付きエラストマースタンプを、金属コーティングされた可視光線透明基材に接触させる工程と、
金属をエッチングして、前記可視光線透明基材の隆起表面形状に導電性マイクロパターンを形成する工程と、
を含む方法。 - 基材上に導電体をパターン化する方法であって、
隆起表面形状を備えるレリーフパターンを備えるインク付きスタンプであって、該インク付きスタンプは、16原子〜18原子の鎖長を有する線状有機硫黄自己組織化単層形成分子を、1ミリモル〜10ミリモルのスタンプ内濃度で含み、前記レリーフパターンは、0.5%〜5%の間の隆起表面形状の平均面密度値と、
約1マイクロメートル〜4マイクロメートルの幅値を有する線状セグメントと、
500マイクロメートル未満の隣接線状セグメント間の距離値と、
少なくとも幅25マイクロメートルの寸法の隆起表面形状と、を備える少なくとも5平方ミリメートルの寸法の低密度領域を有するインク付きスタンプを提供する工程と、
前記インク付きスタンプを金属コーティングされた可視光線透明基材に接触させる工程であって、該工程は0.5秒〜10秒の範囲の接触時間を有し、これにより自己組織化単層のパターンを堆積させる接触工程と、
前記可視光線透明基材上に前記インク付きスタンプの前記隆起表面形状に対応する透明導電性マイクロパターンを形成するように金属をエッチングする工程と、
を含む方法。 - 前記自己組織化単層形成分子は、オクタデカンチオールを含む、請求項19に記載の方法。
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