TWI434327B - 用於光電元件之金屬薄膜及其製造方法 - Google Patents

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用於光電元件之金屬薄膜及其製造方法
本發明係關於一應用於光電元件之金屬薄膜，特別為一種利用奈米壓印技術之金屬薄膜。
奈米轉印技術(Nanoimprint Lithography；NIL)由於不使用微影方式，沒有光源繞射的問題，亦無需開發光罩，具有高解析度、製程時間短及低成本等特性。這項技術是由美國普林斯頓大學Stephen Chou所提出[“Imprint of Sub-25nm Vias and Trenches in Polymers”,1995,Vol.67,No.20,p.3114-3116]，該文獻的內容主要是提及如何將25奈米線寬的精密模具轉印至高分子材料的技術，此技術可分為兩個主要步驟：1.將帶有奈米結構模具壓印至光阻上，進行特徵圖案轉移，再將模具移除。2.利用非等向性蝕刻，如反應式離子蝕刻法(RIE)等方式除去壓印完成後薄膜的殘餘層。上述技術需將光阻(高分子材料)加熱至玻璃轉換溫度(Tg)以上，使光阻成熔融狀態，以便隨著模具表面結構而成形。
在奈米轉印技術中，由於高分子材料機械強度低，具易於成型特性，因此各大研發機構均以此種材料為壓印技術之重心，但若應用在光學元件，例如彩色濾光片 及偏光片等，則因高分子材料不具表面電漿等特殊光學性質，其易吸收光源能量且易導致圖案結構變形以及材料變質等問題，使其光學應用效能降低。然而，若是使用金屬材料則具表面電漿等特殊光學性質，並且具結構與材料穩定性，如此較能保持原有偏光板光學元件之結構與性質，而不影響其效能。此外金屬結構具高導電性適合作為各式光電元件之電極使用。目前研究奈米壓印金屬材料的相關文獻非常少，大致上有下面幾種製程方法，其中，下列方法為間接製作金屬結構而非直接壓印的方法，其步驟顯然較直接壓印繁複：由韓國Ahn等人所提出的奈米壓印技術與反應式離子蝕刻法(RIE)製程[“Fabrication of Subwave；ength Aluminum Wire Grating Using Nanoimprint Lithography and Reactive Ion Etching”,2005,Microelectronic Engineering,Vol.78-79,p.314-318]，首先於玻璃基材上沉積鋁金屬薄膜，於薄膜上方旋轉塗佈上一層約200nm光阻層，其次，利用事先製作完成的模具在光阻層上進行壓印、拔模，並將模具的圖案轉移至光阻層上；移除光阻的殘留層後，對鋁金屬進行RIE蝕刻，將圖案再轉至鋁金屬上，最後，移除鋁金屬上方的光阻層，即完成鋁金屬線成型。
再者，Tao等人所發表於室溫下進行雙層HSQ/PMMA NIL製程[“Room Temperature Nanoimprint Lithography Using a Bilayer of HSQ/PMMA resist Stack”,2005,Microelectronic Engineering,Vol.78-79,p.665-669]，於矽基材上依序旋轉塗佈PMMA和HSQ，利用矽模具進行壓印，矽模具壓穿HSQ層至PMMA；待拔模之後，將PMMA殘留層利用乾蝕刻除去，接著，再沉積約20nm厚PdAu金屬層，最後，將不要的PMMA及其上方的HSQ與金屬移除，便可獲得線寬約100nm的金屬線結構。
由於金屬奈米結構具有如表面電漿等特殊光學特性、高導電性、以及良好機械性質。因此，未來對於金屬奈米結構之需求，勢必會大量成長，有鑑於此，開發出簡易控制壓印參數(溫度及壓力)之金屬壓印技術係產業界亟欲發展之重點。
鑒於上述發明背景中，為了符合產業上之要求，本發明提供一種用於光電元件之金屬薄膜及其製造方法。
本發明之一特徵在於提供一種用於光電元件之金屬薄膜，其具有一以週期性排列之波狀陣列，以引發表面電漿共振(surface plasmons resonance；SPR)，藉此提 高該金屬薄膜之在特定波段與特定偏振態之光穿透率(transmission)。本發明之另一特徵在於一種基板結構之製造方法，其包含：提供一基板，其次，形成一第一高分子(polymer)層於上述基板上，接著，形成一金屬層於上述第一高分子層上，以組成一複合基板，然後加熱至一溫度，並且以奈米壓印技術(nanoimprint lithography；NIL)經壓印該複合基板以形成一第一圖形於該金屬層上，其中，上述奈米壓印壓力範圍係為0.2~30MPa，其甚低於以往壓印所使用之壓力，再者，其加熱之溫度能略低於高分子層之玻璃轉換溫度(Tg)，此外，藉由調整壓印之壓力能夠控制壓印圖形之深度，進而調控表面電漿共振之穿透波段與穿透光之強度。
根據以上所述之特徵，本發明揭示了一種金屬薄膜，其係能應用於發光二極體、太陽能電池、穿透式彩色濾光片、反射式彩色濾光片、穿透式偏光片、反射式偏光片、可調變波長偏光片與平行篩檢表面電漿共振生物感測器等光電元件。
本發明在此所探討的方向為一種用於光電元件之金屬薄膜。為了能徹底地瞭解本發明，將提出詳盡的描述說明。顯然地，本發明的施行並未限定於該領域之技 藝者所熟習的特殊細節。另一方面，眾所周知的組成或步驟並未描述於細節中，以避免造成本發明不必要之限制。本發明的較佳實施例會詳細描述如下，然而除了這些詳細描述之外，本發明還可以廣泛地施行在其他的實施例中，且本發明的範圍不受限定，其以之後的專利範圍為準。
本發明之第一實施例係揭露一種用於光電元件之金屬薄膜，其具有一以週期性排列之波狀陣列，以引發表面電漿共振(surface plasmons resonance；SPR)，藉此提高該金屬薄膜之光穿透率(transmission)。
其中，上述之波狀陣列更包含複數個波狀結構，其相鄰之二個波狀結構間形成一凹槽，使光自該複數個凹槽之凸面(convex)穿透至該複數個凹槽之凹面(concave)。此外，上述波狀結構之較佳者係條狀結構，並且該複數個條狀結構相互平行排列；更佳者為碗形結構，並且該複數個碗形結構排列成一矩陣。
於本實施例之較佳範例中，上述金屬薄膜厚度為5奈米~3000奈米，其次，上述波狀陣列之排列週期為50奈米~3000奈米，再者，上述之凹槽之深度為10奈米~3000奈米，其中，光穿透率隨著上述凹槽之深度而增 加。
另外，上述之金屬薄膜係能應用於下列光電元件：發光二極體、太陽能電池、穿透式濾光片、反射式濾光片、穿透式偏光片、反射式偏光片、可調變波長偏光片與平行篩檢表面電漿共振生物感測器。
本發明之第二實施例係揭露一種用於光電元件之基板結構，其結構由下向上堆疊包含：一基板、一第一高分子層與一金屬層。其中，上述之金屬層係為一波狀陣列，而此波狀陣列係以週期性排列，以引發表面電漿共振(surface plasmons resonance,SPR)，藉此提高該金屬層之光穿透率(extraotdinary transmission)，此外，上述之第一高分子層與該金屬層係相互密合。
其中，上述之波狀陣列更包含複數個波狀結構，其相鄰之二個波狀結構間形成一凹槽，使光自該複數個凹槽之凸面(convex)穿透至該複數個凹槽之凹面(concave)。此外，上述波狀結構之較佳者係條狀結構，並且該複數個條狀結構相互平行排列；更佳者為碗形結構，並且該複數個碗形結構排列成一矩陣。
再者，上述用於光電元件之基板結構更包含一第二高 分子層，上述第二高分子層位於該金屬層上，並且此第二高分子層與該金屬層相互密合，另外，上述第一高分子層與第二高分子層係能為任何軟質高分子材料，如市售光阻(resist)材料：SU-8、G-line、I-line、PMMA DUV等光阻。
另外，上述基板係能選自各種材料，其中，較佳者係選自下列族群中之一者：矽(Si)、玻璃(glass)、軟質高分子基材(PET)、金屬、石英、氮化鎵(GaN)、藍寶石(Sapphire)等材料。
於本實施例之一較佳範例中，上述金屬薄膜厚度為5奈米~3000奈米，其次，上述波狀陣列之排列週期為10奈米~3000奈米，再者，上述之凹槽之深度為10奈米~3000奈米，其中，光穿透率隨著上述凹槽之深度而增加。
於本實施例之另一較佳範例中，上述之表面電漿共振之波長符合，其中，λ max為表面電漿共振之最大波長、p為該波狀陣列之週期、i與j為散射階次(scattering orders)、ε m 為該金屬層之介電常數(dielectric constant)之實數部(real part)、ε d 為該第一高分子層與該第二高分子層之介電常 數。
上述之基板結構係能應用於下列光電元件：發光二極體、太陽能電池、穿透式濾光片、反射式濾光片、穿透式偏光片、反射式偏光片、可調變波長偏光片與平行篩檢表面電漿共振生物感測器。
本發明之第三實施例係揭露一種基板結構之製造方法，其包含：提供一基板，其次，形成一第一高分子(polymer)層於上述基板上，接著，形成一金屬層於上述第一高分子層上，以組成一複合基板，然後加熱至一溫度，上述溫度係為20~200℃，並且以奈米壓印技術(nanoimprint lithography；NIL)經一次壓印該複合基板以形成一第一圖形於該金屬層上，其中，上述奈米壓印壓力範圍係為0.2~100MPa。
其中，上述之第一圖形係能由複數條波狀結構所組成，其中上述複數條波狀結構相互平行，並且相鄰之二條波狀結構間形成一凹槽。
再者，上述之第一圖形亦係能由複數個碗形結構所組成，並且上述複數個碗形結構排列成一矩陣，其中相鄰之二碗形結構間形成一凹槽。
然而，於上述基板結構之製造方法中，更包含形成一第二高分子層於上述金屬層上，以組成該複合基板，其中，上述之第一高分子層與第二高分子層係以旋塗方式形成，並且，上述第一高分子層與第二高分子層係能為任何軟質高分子材料，如市售光阻(resist)材料：SU-8、G-line、I-line、PMMA DUV等光阻。此外，上述之金屬層係以熱蒸鍍(thermal evaporator system)方式鍍於第一高分子層上。
另一方面，上述基板結構之製造方法更包含以奈米壓印技術再次壓印一第二圖形於該金屬層上，上述之第一圖形與該第二圖形相同，並且該第一圖形與該第二圖形垂直。
此外，上述基板係能選自各種材料，其中，較佳者係選自下列族群中之一者：矽(Si)、玻璃(glass)、軟質高分子基材(PET)、金屬、石英、氮化鎵(GaN)、藍寶石(Sapphire)等材料。
於本實施例之較佳範例中，上述金屬薄膜厚度為5奈米~3000奈米，其次，上述波狀陣列之排列週期為10奈米~3000奈米，再者，上述之凹槽之深度為10奈米 ~3000奈米，其中，光穿透率隨著上述凹槽之深度而增加。
範例一 直接式奈米壓印製程
參考第一圖所示，提供一玻璃基板，其次，將一高分子(polymer)溶液旋轉塗佈於上述玻璃基板以作為一軟墊層(soft pad layer)，其中，上述高分子係能為市售光阻如NEB-22或SU-8。接著，利用熱蒸鍍(thermal evaporator system)的方式沉積一金屬膜於上述高分子軟墊層以形成一金屬/高分子複合基板，隨後，以奈米壓印機台同模板施加2-16MPa的壓力予金屬/高分子複合基板，並且，加熱至40℃~60℃溫度下，持續壓印2分鐘。最後，待上述金屬/高分子複合基板冷卻，脫拔模板後即完成一使用直接式奈米壓印之金屬薄膜。
關於直接式奈米壓印，其可藉由調整壓印之壓力能夠控制壓印圖形之週期與深度，進而調控表面電漿共振之穿透波段與穿透光之強度，其中，當壓印壓力由2Mpa依序提升至16MPa時，金屬薄膜之連續波狀結構會有明顯的變化，並且獲得不同之穿透光強度，如第二圖至四圖所示。再者，不同週期之波狀金屬薄膜則會有不同之穿透波段，例如：當週期為400nm時，會有610nm波段 的高穿透率。
顯然地，依照上面實施例中的描述，本發明可能有許多的修正與差異。因此需要在其附加的權利要求項之範圍內加以理解，除了上述詳細的描述外，本發明還可以廣泛地在其他的實施例中施行。上述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含在下述申請專利範圍內。
第一圖為直接式奈米壓印製程示意圖；第二圖為金屬薄膜之連續波狀結構之剖面圖；第三圖為不同壓印壓力與光穿透率之關係圖；第四圖為不同深淺波狀結構與光穿透率之關係圖。

Claims (33)

  1. 一種用於光電元件之金屬薄膜，其具有一以週期性排列之波狀陣列，以引發表面電漿共振(surface plasmons resonance；SPR)，藉此提高該金屬薄膜之光穿透率(transmission)，其中，該波狀陣列之週期性排列係為50奈米~3000奈米。
  2. 根據申請專利範圍第1項之用於光電元件之金屬薄膜，其中上述之波狀陣列包含複數個波狀結構，其中相鄰之二個波狀結構間形成一凹槽。
  3. 根據申請專利範圍第2項之用於光電元件之金屬薄膜，其中上述之波狀結構係為條狀結構，並且該複數個條狀結構相互平行排列。
  4. 根據申請專利範圍第2項之用於光電元件之金屬薄膜，其中上述之波狀結構係為碗形結構，並且該複數個碗形結構排列成一矩陣。
  5. 根據申請專利範圍第1項之用於光電元件之金屬薄膜，其中上述之光電元件係為發光二極體、太陽能電池、穿透式濾光片、反射式濾光片、穿透式偏光片、反射式偏光片、可調變波長偏光片或平行篩檢表面電漿共振生物感測器。
  6. 根據申請專利範圍第1項之用於光電元件之金屬薄膜，其中上述之凹槽之深度為10奈米~3000奈米。
  7. 根據申請專利範圍第1項之用於光電元件之金屬薄膜，其厚度為5奈米~3000奈米。
  8. 根據申請專利範圍第1項之用於光電元件之金屬薄膜，其中上述之光穿透率隨著該凹槽之深度增加。
  9. 一種用於光電元件之基板結構，包含：一基板；一第一高分子層，位於該基板上；一金屬層，位於該第一高分子層上，並且該金屬層係為一波狀陣列，其中該波狀陣列係以週期性排列，以引發表面電漿共振(surface plasmons resonance,SPR)，藉此提高該金屬層之光穿透率(extraotdinary transmission)；與一第二高分子層，該第二高分子層位於該金屬層上，其中，表面電漿共振之波長符合，且λ max為表面電漿共振之最大波長、p為該波狀陣列之週期、i與j為散射階次(scattering orders)、ε m 為該金屬層之介電常數(dielectric constant)之實數部(real part)、ε d 為該第一高 分子層與該第二高分子層之介電常數。
  10. 根據申請專利範圍第9項之用於光電元件之基板結構，其中上述之波狀陣列包含複數個波狀結構，其中相鄰之二個波狀結構間形成一凹槽。
  11. 根據申請專利範圍第10項之用於光電元件之基板結構，其中上述之波狀結構係為條狀結構，並且該複數個條狀結構相互平行排列。
  12. 根據申請專利範圍第10項之用於光電元件之基板結構，其中上述之波狀結構係為碗形結構，並且該複數個碗形結構排列成一矩陣。
  13. 根據申請專利範圍第10項之用於光電元件之基板結構，其中上述之第一高分子層與該金屬層相互密合。
  14. 根據申請專利範圍第10項之用於光電元件之基板結構，其中上述之光電元件係為發光二極體、太陽能電池、穿透式濾光片、反射式濾光片、穿透式偏光片、反射式偏光片、可調變波長偏光片或表面電漿共振生物感測器(SPR-based biosensors)。
  15. 根據申請專利範圍第9項之用於光電元件之基板結構，其中上述之週期係為10奈米~3000奈米。
  16. 根據申請專利範圍第10項之用於光電元件之基板結構，其中上述之凹槽之深度為10奈米~3000奈米。
  17. 根據申請專利範圍第9項之用於光電元件之基板結構，其中上述之金屬層之厚度為5奈米~3000奈米。
  18. 根據申請專利範圍第9項之用於光電元件之基板結構，其中上述之基板材質係選自下列族群中之一者：矽(Si)、玻璃(glass)、軟質高分子基材(PET)、金屬、石英、氮化鎵(GaN)、藍寶石(Sapphire)。
  19. 根據申請專利範圍第10項之用於光電元件之基板結構，其中上述之光穿透率隨著該凹槽之深度增加。
  20. 根據申請專利範圍第9項之用於光電元件之基板結構，其中上述之第二高分子層與該金屬層相互密合。
  21. 一種基板結構之製造方法，包含：提供一基板；形成一第一高分子(polymer)層於該基板上； 形成一金屬層於該第一高分子層上，以組成一複合基板；加熱至一溫度；以及以奈米壓印技術(nanoimprint lithography,NIL)壓印該複合基板以形成一第一圖形於該金屬層上。
  22. 根據申請專利範圍第21項之基板結構之製造方法，其中上述之第一圖形係由複數個碗形結構所組成，並且該複數個碗形結構排列成一矩陣，其中相鄰之二碗形結構間形成一凹槽。
  23. 根據申請專利範圍第21項之基板結構之製造方法，其中上述之第一圖形係由複數條波狀結構所組成，其中該複數條波狀結構相互平行，並且相鄰之二條波狀結構間形成一凹槽。
  24. 根據申請專利範圍第21項之基板結構之製造方法，更包含以奈米壓印技術壓印一第二圖形於該金屬層上。
  25. 根據申請專利範圍第24項之基板結構之製造方法，其中上述之第一圖形與該第二圖形相同，並且該第一圖形與該第二圖形垂直。
  26. 根據申請專利範圍第21項之基板結構之製造方法，其中形 成該金屬層於該第一高分子層上後，更包含形成一第二高分子層於該金屬層上，以組成該複合基板。
  27. 根據申請專利範圍第26項之基板結構之製造方法，其中上述之第一高分子層與該第二高分子層係以旋塗方式形成。
  28. 根據申請專利範圍第21項之基板結構之製造方法，其中上述之金屬層係以熱蒸鍍(thermal evaporator system)方式鍍於該第一高分子層上。
  29. 根據申請專利範圍第21項之基板結構之製造方法，其中上述之溫度範圍係為20℃~200℃。
  30. 根據申請專利範圍第21項之基板結構之製造方法，其中上述之奈米壓印技術之壓印壓力範圍係為0.2~30MPa。
  31. 根據申請專利範圍第22項之基板結構之製造方法，其中上述之凹槽之深度為10奈米~3000奈米。
  32. 根據申請專利範圍第21項之基板結構之製造方法，其中上述之金屬層之厚度為5奈米~3000奈米。
  33. 根據申請專利範圍第21項之基板結構之製造方法，其中上述之基板係為矽(Si)、玻璃(glass)、軟質高分子基材(聚對苯二甲酸乙二醇酯；PET)、金屬、石英、氮化鎵(GaN)、 藍寶石(Sapphire)。
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