JP6126108B2 - 直接組立て用のダマシンテンプレートおよびナノ要素の転写 - Google Patents
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Description
本願は、2011年11月9日付、米国仮出願番号61/557,594、名称“直接組立用のダマシンテンプレートおよびナノ要素の転写”の優先権を主張し、その全体をここに、参照によって組み込む。
本発明は、EEC許可番号0832785および0425826、および国家科学財団による財務支援を受けてなされた。よって、米国政府は、本発明の幾らかの権利を有する。
ボトム−アップ、またはトップダウンを通じて組み立てられた種々のテンプレートは、所望の建造物を達成するためのナノ要素の組立てに用いられてきた[1−3]。テンプレートに導かれた流動組立てプロセスは、ナノ要素の多様性に対応可能で、高い組立て密度、収率および均一性をもたらし得る[4−6]。しかし乍、組立てプロセスは、極めてゆっくりで、よって量産に適さない。一方で、電気泳動法の組立ては、短時間で大面積に渡って(ウエハスケールで)導電性表面に表面電荷をもつナノ材料を組み立てることを含む[7−10]。ナノエレメントが、電極の様々な領域における電位降下の違いが原因で、相互接続されたマイクロスケールおよびナノスケールのフィーチャーで地形的にパターニングされた電極上で電気泳動によって組み立てられるときに、アセンブリ(組立体)は不均一である。以前は、この障害は、所謂「トレンチテンプレート」を使用することによって回避され、そこにおいては、リソグラフィで画定されたポリマーパターンは、所望の位置にアセンブリを案内する均一な導電層の頂部に位置する。受容基板に転写するために必要なこれらのトレンチテンプレートでナノエレメントを組み立てたときはいつでも、ポリマーは、除去され、それによってテンプレートの使用を単一のアセンブリおよび転写サイクルに制限しなければならない[11]。
(a)実質的に平坦な基板を準備する;
(b)基板表面に第1絶縁層を堆積する;
(c)導電性金属層を第1絶縁層の上に堆積する;
(d)リソグラフィ用レジスト層を導電性金属層に堆積する;
(e)レジスト層の空隙(ボイド)の二次元パターンを作成するためにリソグラフィを実施し、それによって、導電性金属層の表面が空隙内に曝される;
(f)導電性金属層の露出表面をエッチングする;
(g)レジストを除去し、露出された導電性金属層の全面を残し、前記導電性金属層は隆起したフィーチャーの二次元パターンからなる;
(h)隆起したフィーチャーを含め、導電性金属層を覆う絶縁材料を堆積する;
(i)絶縁材料および隆起フィーチャーの部分を化学機械研磨法により除去し、隆起フィーチャーと絶縁材料は平坦化され、絶縁材料の露出表面と互いに同一平面にある、露出表面を有する隆起フィーチャーの二次元パターンを残し;並びに
(j)任意に、アルキルシランの疎水性コーティングで絶縁材料の露出表面を選択的にシラン化する。
幾つかの形態において、当該方法はさらに以下のステップを含む;
(k)第1絶縁層上に接着層を堆積する(その際、前記導電性金属層が、第1絶縁層の上に堆積された前記接着層の上に堆積される。);
(l)導電性金属層の隆起フィーチャーの露出表面を化学的に洗浄し、絶縁層の疎水性コーティングは実質的に除去しない。
(a)上記のダマシンテンプレートを準備する;
(b)ナノ要素の液体懸濁液にダマシンテンプレートを沈める;
(c)ダマシンテンプレートの導電性金属層と対の電極間に電圧を印加し、それによって、前記懸濁液からのナノ要素は、ダマシンテンプレートの導電性金属層の隆起フィーチャーの露出表面上であって、ダマシンテンプレートの第2絶縁層の露出表面上ではなく、に選択的に組込まれる;
(d)液体サスペンジョンからナノ要素の組立体およびダマシンテンプレートを引き出し、その間、(c)のように電圧を印加し続ける;
(e)ダマシンテンプレートを乾燥する。
(a)ダマシンテンプレート上のナノ要素のパターン化した組立体を、上記方法によって作られたそれのように、フレキシブルのプラスチック基板と共に準備する;
(b)ナノ要素のパターン化された組立体をフレキシブルのプラスチック基板と接触させ、圧力を掛け、よって、ナノ要素のパターン化された組立体は、フレキシブルのプラスチック基板に転写される。幾つかの形態においては、ステップ(b)は、フレキシブルのプラスチック基板のガラス転移温度以上の温度で行なわれる。
(a)上記のナノ要素転写システムおよびナノ要素の懸濁液を準備する;
(b)上述の方法にしたがって、ダマシンテンプレート上に液体サスペンジョンからナノ要素の電気泳動法による組立てを実施し、ダマシンテンプレート上にナノ要素のパターン化された組立体を形成する;および
(c)ナノ要素のパターン化された組立体をフレキシブルのプラスチック基板と接触させ、圧力を掛け、よって、ナノ要素のパターン化された組立体は、フレキシブルのプラスチック基板に転写される。幾つかの形態においては、上記接触のステップは、フレキシブルのプラスチック基板のガラス転移温度以上の温度で行なわれる。
図8(a)に示すように、OTS SAM層なしで、絶縁体及び電極の表面エネルギーは、ほぼ同じである。電位は、絶縁体の下の金属板に印加した場合、絶縁体を横切る電位降下がナノ要素アセンブリを防止するには不十分であるため、絶縁体上に組み立てられたナノ要素は、アセンブリ結果の選択性を低下させる。OTS SAM層のないナノ粒子とSWNTアセンブリに対する典型的な結果を図8(b)に示す。
[1] T. Kraus, L. Malaquin, H.Scumid, W.Riess, N. D. Spencer H. Wolf, Nature nanotechnology 2007, 2, 570
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Claims (48)
- パターン化されたナノ要素の電気泳動法組立体および転写のためのダマシンテンプレートであって、前記ダマシンテンプレートは以下からなる:
実質的に平坦な基板;
基板の表面上に配置された第一の絶縁層;
第一の絶縁層上に配置された導電性金属層;
第一の絶縁層と反対側の導電性金属層の表面上に配置された第二の絶縁層;および
導電性金属層と反対側の第二の絶縁層の露出面上に選択的に配置された疎水性コーティング;
ここで、導電性金属層は、基材の少なくとも一領域を横切って連続しており、前記領域内の導電性金属層は、二次元マイクロスケール又は第二の絶縁層を中断する隆起フィーチャーのナノパターンを有し;前記第二の絶縁層が実質的に隆起フィーチャー間の空間を埋めるものであり;前記隆起フィーチャーの露出面と、第二の絶縁層の露出面は、本質的に同一平面上にある。 - 更に接着層を含み、
接着層は、第一の絶縁層の基板と反対側の表面上に配置され、
導電性金属層は、接着層の表面上に配置される、請求項1に記載のダマシンテンプレート。 - 基板がシリコンまたはポリマーを含む、請求項1又は2に記載のダマシンテンプレート。
- 基板の厚さは1μm〜10μmである、請求項1又は2に記載のダマシンテンプレート。
- 第一の絶縁層が二酸化ケイ素、SiN4、またはポリマーを含む、請求項1又は2に記載のダマシンテンプレート。
- 第一の絶縁層の厚さは5〜500nmである請求項1又は2に記載のダマシンテンプレート。
- 前記接着層は、クロム、チタン、二酸化チタン、窒化チタン、タンタル、窒化タンタル、タングステン、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される材料を含む、請求項2に記載のダマシン・テンプレート。
- 前記接着層の厚さは3nm〜50nmである、請求項2に記載のダマシン・テンプレート。
- 導電性金属層が、金、銀、タングステン、アルミニウム、チタン、ルテニウム、銅、又はそれらの組み合わせを含む、請求項1又は2に記載のダマシンテンプレート。
- 第二の絶縁層は、SiO2、SiN4、AI2O3、有機ポリマー、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される材料を含む、請求項1又は2に記載のダマシンテンプレート。
- 第二絶縁層が10nm〜10μmの厚さを有する、請求項1又は2に記載のダマシンテンプレート。
- 導電性金属層が50nm〜100μmの厚さを有する平面部分を含む、請求項1又は2に記載のダマシンテンプレート。
- 疎水性コーティングが、シランコーティングである、請求項1又は2に記載のダマシンテンプレート。
- 疎水性コーティングが、アルキルシラン分子の単分子層を含む、請求項1又は2に記載のダマシンテンプレート。
- 疎水性コーティングが、オクタデシルトリクロロシランを含む、請求項1又は2に記載のダマシンテンプレート。
- 疎水性コーティングの接触角が90〜110°である、請求項1又は2に記載のダマシンテンプレート。
- 疎水性コーティングの接触角が約100°である、請求項1又は2に記載のダマシンテンプレート。
- 露出隆起フィーチャーの接触角が15〜21°である、請求項1又は2に記載のダマシンテンプレート。
- 露出隆起フィーチャーの接触角が約18°である、請求項1又は2に記載のダマシンテンプレート。
- 隆起フィーチャーの高さは、本質的に第二の絶縁層の厚さと同じである、請求項1又は2に記載のダマシンテンプレート。
- 隆起したフィーチャーは、実質的に線形のフィーチャーを含む、請求項1又は2に記載のダマシンテンプレート。
- 前記線形フィーチャーは、直線状、湾曲、交差しているか、又は円形、三角形、または矩形を形成している、請求項1又は2に記載のダマシンテンプレート。
- 前記隆起フィーチャーの幅が10nm〜100μmにある、請求項1又は2に記載のダマシンテンプレート。
- 前記隆起フィーチャーは、長さが10nm〜10cmである、請求項1又は2に記載のダマシンテンプレート。
- 領域内の前記隆起フィーチャーは、導電性金属層を介して互いに電気的に接触している、請求項1又は2に記載のダマシンテンプレート。
- 前記隆起フィーチャーの露出表面は、疎水性コーティングを本質的に欠いている、請求項1又は2に記載のダマシンテンプレート。
- 前記テンプレートがフレキシブルである、請求項1又は2に記載のダマシンテンプレート。
- さらに、前記隆起フィーチャーの露出面に非共有結合で取り付けられている複数のナノ要素を含み、前記第二の絶縁層の露出面が取り付けられたナノ要素を本質的に欠いている、請求項1又は2に記載のダマシンテンプレート。
- 前記ナノ要素が、ナノ粒子、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、ナノワイヤ、ナノファイバ、ペンタセン分子、フラーレン分子またはポリマーである、請求項28に記載のダマシンテンプレート。
- ナノ要素は、導電性、半導電性、または絶縁性である、請求項28に記載のダマシンテンプレート。
- ナノインプリントによるパターン化されたナノ要素転写のためのナノ要素転写システムであって、当該システムは、請求項28に記載のダマシンテンプレート、および前記複数のナノ要素の受入れ用のフレキシブルポリマー基板を含む。
- 前記フレキシブルポリマー基板が、ポリエチレンナフタレート、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、またはこれらの組み合わせを含む、請求項31に記載のナノ要素の転写システム。
- さらに周囲温度より高い選択された温度で、ダマシンテンプレートとフレキシブルポリマー基板との間に圧力を加えるため熱的に制御されたインプリント装置を含む、請求項31に記載のナノ要素の転写システム。
- 前記インプリント装置は、フレキシブルポリマー基板のガラス転移温度よりも高い温度で操作可能である、請求項31に記載のナノ要素転写システム。
- 前記インプリント装置は、ダマシンテンプレートとフレキシブルポリマー基板との間に少なくとも160℃の温度で少なくとも170psiの圧力を適用することが可能であることを特徴とする、請求項31に記載のナノ要素転写システム。
- 前記フレキシブルポリマーフィルムは、約5°未満の接触角を有し、ダマシンテンプレート上の隆起したフィーチャーの露出面は、約18°の接触角を有する、請求項31に記載のナノ要素転写システム。
- フレキシブルポリマーフィルムは、より疎水性を抑えるために、酸素プラズマで処理されていることを特徴とする、請求項31に記載のナノ要素転写システム。
- 請求項1又は2に記載の前記ダマシン・テンプレートを作製する方法であって、当該方法は以下の工程からなる:
(a)実質的に平坦な基板を提供する工程;
(b)基板の表面上に第一の絶縁層を堆積する工程;
(c)導電性金属層を第一の絶縁層上に堆積させる工程;
(d)導電性金属層上にリソグラフィのレジスト層を堆積させる工程;
(e)レジスト層のボイドの二次元パターンを作成するためにリソグラフィを行なう工程で、それによって導電性金属層面がボイド内に露出される;
(f)導電性金属層の露出面をエッチングする工程;
(g)レジスト層を除去し、露出した導電性金属層の全表面を残す工程で、導電性金属層は、隆起フィーチャーの二次元パターンを含む;
(h)隆起フィーチャーを含む、前記導電性金属層を覆うように絶縁材料を堆積させる工程;
(i)隆起フィーチャーの一部と絶縁材料を化学機械研磨法により除去し、それによって隆起フィーチャーの一部および絶縁材料を平坦化する工程で、絶縁材料の露出面と互いに同一平面にある露出面を有する隆起フィーチャーの二次元パターンを残し;および
(j)アルキルシランの疎水性コーティングで選択的に絶縁性材料の露出表面をシラン化する工程。 - (k)第一の絶縁層上に接着層を堆積させる工程をさらに含み、
前記導電性金属層が、第一の絶縁層の上に堆積された前記接着層の上に堆積される、
請求項38の方法。 - 以下の工程をさらに含む、請求項38又は39の方法:
(l)絶縁層の上の疎水性コーティングを実質的に除去せずに、導電性金属層の隆起したフィーチャーの露出表面を化学的に洗浄する。 - ダマシンテンプレート上にナノ要素のパターン化された組立体を形成する方法であって、該方法は以下の工程を含む:
(a)請求項1又は2に記載のダマシン・テンプレートを提供する工程;
(b)ナノ要素の液体懸濁液中にダマシンテンプレートを沈める工程;
(c)ダマシンテンプレートの導電性金属層と懸濁液中の対電極の間に電圧を印加し、それによって、懸濁液からのナノ要素が、ダマシンテンプレートの第二の絶縁層の露出面上ではなく、ダマシンテンプレートの導電性金属層の隆起したフィーチャーの露出面上に組み立てられる工程;
(d)工程(c)のように電圧を印加し続けながら、ダマシンテンプレートおよび液体懸濁液からナノ要素の組立体を引き出す工程;
(e)ダマシンテンプレートを乾燥させる工程。 - 工程(c)および(d)の間、ダマシンテンプレートの導電性金属層が正であり、対向電極が負であり、液体懸濁液のpHをナノ要素が負電荷を有するように調整されていることを特徴とする、請求項41に記載の方法。
- 工程(c)および(d)の間、ダマシンテンプレートの導電性金属層が負であり、対電極が正であり、液体懸濁液のpHをナノ要素が正電荷を有するように調整される、請求項41に記載の方法。
- 工程(c)および(d)において、印加電圧が、ダマシンテンプレートの導電性金属層の隆起したフィーチャーの本質的に露出面全体にわたって組立体を提供するのに十分に高いことを特徴とする、請求項41に記載の方法。
- 工程(d)において、ダマシンテンプレートを引き出す速度が、引き出し工程を介して、ダマシンテンプレートの導電性金属層の隆起した表面上のナノ要素のパターン化された組立体を保持するのに十分に緩慢であることを特徴とする、請求項41に記載の方法。
- 工程(c)および(d)の電圧は1.5V〜3Vの範囲にあり、工程(d)において引き出し速度は1〜15mm/分の範囲にある、請求項41に記載の方法。
- フレキシブルポリマー基板上に、ナノ要素の二次元パターン化されたアセンブリの組立及び転写方法であって、当該方法は以下の工程を含む:
(a)請求項31に記載のナノ要素転写システムおよびナノ要素の液体懸濁液を提供する工程;
(b)請求項41に記載の方法に従って、液体懸濁液からのナノ要素の電気泳動アセンブリを行い、ダマシンテンプレート上にナノ要素のパターン化されたアセンブリを得る工程;
(c)ナノ要素のパターン化された組立体をフレキシブルポリマー基板と接触させ、圧力を掛け、それによってナノ要素のパターン化されたアセンブリは、パターン化されたフレキシブル基板上に転写される工程で、前記工程(c)は、フレキシブルポリマー基板のガラス転移温度以上の温度で行われる。 - フレキシブルポリマー基板上にナノ要素の二次元パターン化されたアセンブリを転写する方法で、当該方法は以下の工程を含む:
(a)ナノ要素の二次元パターン化されたアセンブリをダマシンテンプレート上におよびフレキシブルポリマー基板を提供する工程;
(b)フレキシブルポリマー基板とナノ要素のパターン化された組立体をフレキシブル基板と接触させ、圧力を掛ける工程であって、それによって、ナノ要素のパターン化されたアセンブリは、フレキシブルなパターン化された基板上に転写され、当該接触は、フレキシブルポリマー基板のガラス転移温度以上の温度で行われる。
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