TWI791469B - 結構化晶種層 - Google Patents

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Abstract

本發明係有關於一種製成結構化晶種層以便在該晶種層上沉積碳奈米管(16)之方法，其中，用雷射束(4)對此前鍍覆在基板(1)上的金屬層(2)進行能量施加，使得金屬層(2)成形為單體式島狀物(3)，其中，將雷射束(4)擴展為橫截面呈線狀之射束(5)，同時用該射束照射金屬層(2)之線狀照射區(15)，照射區(15)沿橫向於其延伸度方向之方向在金屬層(2)上移動。一種用於實施該方法之裝置，其具有設備(9、10)，該設備用於運輸基板(1)連同鍍覆於其上之金屬層(2)及用於產生雷射束(4)之雷射器(6)；設備(7)，該設備用於擴展雷射束以產生線狀照射區(15)，其中，設備(7)係佈置成使得線狀照射區(15)垂直於基板(1)之運輸方向。

Description

結構化晶種層
本發明係有關於一種製成結構化晶種層以便在該晶種層上沉積碳奈米管之方法，其中，用雷射束對此前鍍覆在基板上的金屬層進行能量施加，使得該金屬層成形為單體式島狀物。
此外，本發明亦有關於一種用於實施該方法之裝置。
US 2009/0121219 A1描述過製造用於沉積碳奈米管CNT的晶種單元裝置。用電漿或雷射束或以其他方式迅速地將沉積在基板上之金屬層加熱(快速熱退火(Rapid Thermal Annealing))。如此便形成緊密並置的小滴狀結構。
EP 0997261 9描述過使用被擴展成線之雷射束來實施雷射焊接。該案係使用被平放在工件上之遮罩。
EP 2591875 A1描述一種具有將雷射束呈線狀擴展之射束變換透鏡的雷射器。藉由雷射遮罩將該雷射器用於塑膠件之遮罩焊接。
2009年6月23日的論文《透過脈衝雷射熔化誘發金屬奈米光柵破碎來製備週期性金屬奈米點陣(The fabrication of periodic metal nanodot arrays through pulsed laser melting induced fragmentation of metal nanogratings)》，Nanotechnology，20(2009)285310，描述一種在表面上形成規則的小滴佈局之方法。首先將形 式為平行的線狀溝槽之「奈米光柵」鍍覆至此表面上。橫向於此等溝槽來鍍覆金屬線。透過用單獨一雷射脈衝進行轟擊來在金屬線及溝槽之交叉點上形成大小相同的金屬小滴。而若對閉合的層施加雷射脈衝，則會形成不規則大小的不均勻分佈之小滴。
由論文《奈米線之生長(Das Wachstum von Nanodrähten)》,Physik Journal4(2005)Nr.5第29頁，已知半導體奈米線之製造，其中藉由SiO2球將形成有奈米小滴的金屬島狀物沉積在表面上。
本發明之目的在於，提供用來可重複地控制用於CNT塗層之晶種區的形成的措施，其中，特別是需要可重複地調節該晶種區的大小及其間距。
該目的透過申請專利範圍所給出之發明而達成，其中，附屬項不僅為並列請求項所給出之發明的有益改良方案，亦為該目的之獨創解決方案。
本發明首先且實質上提出：產生線狀照射區，其中，在連續式或脈衝式照射該線狀照射區期間，以不同於以類似於書寫的方式逐行運動之點狀雷射束的方式，將光功率同時施加在該照射區之整個面上，從而僅產生局部加熱。根據本發明，該線狀照射區以可調節的速度在此前被沉積在該基板上之該金屬層上移動。該移動可透過雷射束之運動，較佳透過基板之運動來實施，其中，尤佳將基板自一供帶捲筒展開並重新將其捲在第二供帶捲筒上。因此，一狹窄的區域在基板上移動，該區域在其相當於基板之寬度的整個寬度上在同一時間將金屬層加熱至實質上相同的溫度，從而實質上 僅沿書寫方向而不是橫向於該書寫方向形成溫度梯度。可透過雷射功率、視情況透過脈衝能或脈衝持續時間以及基板之運輸速度的參數，來調節島狀晶種區之直徑及其間距。金屬層之材料厚度及經擴展的雷射束之沿運輸方向測得的相當於照射區之寬度的長度用作為用於預調節島狀晶種區在基板表面上之大小及分佈的其他參數。線狀照射區之長度較佳在整個基板上延伸，使得經擴展的雷射束之寬度為約20mm至1000mm。具有線狀橫截面之雷射束的長度可為0.5mm至5mm。該長度相當於照射區之寬度。該雷射束之波長可為200nm至1500nm。脈衝能在脈衝雷射器中可為0.5mJ至20mJ。照射區相對經塗佈的基板運動之速度可為1cm/s至50cm/s，較佳5cm/s至30cm/s。透過選擇雷射功率、雷射束之相當於照射區的寬度的長度以及透過基板之運輸速度，就能調節島狀晶種單元之圓當量直徑。該等直徑較佳為1nm至2μm，較佳1nm至200nm，尤佳1nm至100nm。亦可透過該等參數來預調節島狀晶種區之平均間距。該間距較佳在1nm至2μm、較佳1nm至500nm，尤佳1nm至100nm範圍內。該間距可指相鄰島狀晶種區之中心點的間距。但該間距亦可指相鄰島狀晶種區之兩個邊緣的間距。該距離即為相鄰島狀晶種區之間的中間腔的橫向長度。其中，島狀晶種區之構成為一自組織系統，其中，該島狀晶種區一般情況下佈置在矩形且特別是正方形或近似正方形的單位晶胞之角點上。
此外，本發明亦有關於一種用於實施該方法之裝置，其中，該裝置具有至少一個產生雷射束之雷射器及一光學元件，該元件用來將橫截面呈點狀之雷射束擴展為橫截面呈線狀之雷射束。可藉由運輸裝置相對經擴展的雷射束運輸基板，其中，運輸方 向橫向於雷射束所照射之區域的延伸度方向。可將基板自一繞組展開並重新捲在另一繞組上。在該二繞組之間可佈置有用於將金屬層沉積在基板上之設備。沿運輸方向在該設備後方設有具有雷射器之設備。沿運輸方向在該設備後方設有可用於將碳奈米管沉積在晶種層上之設備。此外，還設有其他用於實施例如補充製程步驟之設備，以便用塗佈有碳奈米管之薄膜製造用於鋰離子蓄電池之電極。基板之寬度為100mm至1000mm。一般情況下該寬度為300mm至600mm。可將基板自一供帶捲筒展開並重新將其捲在另一捲筒上。但基板亦可指直徑在50mm至450mm範圍內之硬質晶圓。特別是可以考慮將用於晶圓的矽、藍寶石用作基板之材料。較佳將撓性金屬基板、例如由鋁或銅製成之基板用於可捲起基板。較佳將鋁、鎳、銀、金、鋰、鈦、釩、鉻、鐵、鉑、鉭用於金屬塗層。典型的層厚在1nm至200nm範圍內。
1‧‧‧基板
2‧‧‧金屬層
3‧‧‧島狀物
4‧‧‧雷射束
5‧‧‧經擴展的雷射束
6‧‧‧雷射器
7‧‧‧光學器件
8‧‧‧單位晶胞
9‧‧‧繞組
10‧‧‧繞組
11‧‧‧第一工位
12‧‧‧第二工位
13‧‧‧第三工位
15‧‧‧照射區
16‧‧‧碳奈米管
T‧‧‧運輸方向
W‧‧‧寬度
下面結合所附圖式闡述本發明之實施例。其中：圖1為該塗佈法之粗略示意性透視圖，圖2為圖1中有關於晶種區3之島狀佈局的局部II的放大圖，圖3為該基板在圖1中之供經擴展的雷射束5產生照射區15的地點上的縱向剖面圖，圖4為用於實施本發明之方法的裝置的示意圖。
本發明之方法不僅適用於處理在捲筒上被導引之基板、特別是塗佈有金屬層2之此類基板，而且亦適用於處理未經塗佈的基板1以及處理作為半導體晶圓而存在之基板。圖1為本發明 之方法的變體的粗略示意圖，其中塗佈有金屬層2之基板1捲在第一繞組9上，自該繞組將該基板沿運輸方向T展開。用雷射器6產生橫截面呈點狀的雷射束4。用光學擴展裝置7將點狀的雷射束4擴展成線狀雷射束5。線狀雷射束5之寬度在其擊中層2之區域內至少相當於基板1之寬度W。
經擴展的雷射束5在塗佈有層2之基板的表面上產生線狀照射區15。由於基板被沿運輸方向T運輸，線狀照射區15橫向於其延伸度方向在基板1之塗層2上移動。
用脈衝或連續產生的雷射束進行能量施加之結果是，在照射區15之每個點上同時將形式為熱量之能量耦合入金屬層2。在此過程中，由於同時照射整個線狀平面而幾乎不會沿線延伸度方向形成任何溫度梯度，而是僅沿照射區15之運動方向形成溫度梯度。其結果是，金屬層2之材料組織為島狀晶種區3。島狀晶種區3約位於正方形之角點上且直徑RDot為1nm至100nm。各島狀晶種區3以1nm至100nm的距離DDc相互間隔。
運輸速度為約5cm/s至30cm/s。
圖4為用於將碳奈米管16沉積在基板1上之裝置的結構的粗略示意圖。將該由金屬、例如銅或鋁構成之基板1自第一繞組9展開並以一運輸速度穿過由數個階梯構成的製造裝置來運輸。將經處理的基板重新捲在第二繞組10上。
該裝置具有第一工位11，在該工位上將金屬層2沉積在基板1上。隨後在第二工位12上以根據圖1所建構的裝置用經擴展的雷射束對金屬層2進行表面處理，從而形成相互間隔的點狀晶種區3。隨後在另一工位13上將碳奈米管16沉積在晶種區3上。 隨後可在一或數個其他工位15上實施其他處理步驟，通常需要該等步驟來製造用於鋰離子蓄電池之電極。
在附圖中，島狀晶種區3被放大至極大程度，以便清楚地看出其在基板1上之均勻佈局。實際上島狀物3在次微米區域內相互間隔。可透過前文提供的參數，如透過雷射功率及層厚，來可重複地調節島狀晶種區3之面及島狀晶種區3之間距。
在本發明之方法中，首先在未經結構化的基板上沉積一閉合的金屬層。該金屬層較佳完全覆蓋基板表面，使得金屬層之寬度與基板之寬度一致。使用寬度相當於金屬層之寬度的經擴展雷射束來同時在金屬層之整個寬度上對該金屬層進行能量施加。橫向於線狀經擴展雷射束之方向相對線狀的雷射處理區運輸基板，使得該雷射處理區在該基板上移動。
既未在金屬塗層上又未在金屬塗層下方實施結構化處理，但仍在雷射處理區之區域內形成數個實質上間距相等的金屬島狀物。金屬層部分地縮回島狀區域。以上述方式形成之島狀晶種區一般情況下位於矩形單位晶胞之角點上。
因此，本發明較佳有關於一種製成結構化晶種層以便在該晶種層上沉積碳奈米管16之方法，其中，首先將一閉合的均質金屬層2鍍覆在基板之未經結構化的表面上且隨後用雷射束4對金屬層2進行能量施加，其中，將雷射束4擴展成橫截面呈線狀的射束5，同時用該射束照射金屬層2之線狀照射區15，其中，照射區15以特定移動速度沿橫向於其延伸度方向之方向在該金屬層2上移動，並且雷射束4在照射區15內以特定能量密度對該金屬層進行能量施加，使得金屬層2成形為單體式、實質上大小相同的島 狀物3，該等島狀物實質上間隔相同，其中，島狀物3之圓當量直徑小於2μm，且兩個相鄰的島狀物3之間的不含金屬層的距離小於2μm。
雷射束5之沿移動方向所測得的延伸度，即該雷射束之長度，較佳在0.5mm至1.5mm範圍內，該延伸度相當於照射區15之寬度。在脈衝雷射束中，脈衝序列之高度使得在一定程度上連續地對照射區15進行光施加。脈衝重複頻率特別是遠大於(10倍)照射區15之移動速度與寬度的商。在照射區15的長度範圍內，即沿經擴展的雷射束之線方向，不會在因雷射施加熔化而成之金屬層2中形成任何溫度梯度，而是會沿該雷射束之移動方向形成較大的溫度梯度。
前述實施方案係用於說明本申請整體所包含之發明，該等發明至少透過以下特徵組合分別獨立構成相對於先前技術之改良方案：一種方法，其特徵在於：將該雷射束4擴展成橫截面呈線狀的射束5，同時用該射束照射該金屬層2之線狀照射區15，該照射區15沿橫向於其延伸度方向之方向在該金屬層2上移動。
一種方法，其特徵在於：該雷射束之寬度W相當於該基板1之寬度且在20mm至1000mm或100mm至1000mm範圍內。
一種方法，其特徵在於：該經擴展的雷射束5之寬度W在300mm至600mm範圍內。
一種方法，其特徵在於：該基板1由矽、藍寶石、鋁、銅或另一金屬構成。
一種方法，其特徵在於：該金屬層2由鋁、鎳、銀、金、鋰、鈦、釩、鉻、鐵、鉑、鉭或者另一貴金屬或非貴金屬構成。
一種方法，其特徵在於：該金屬層之厚度在1nm至200nm範圍內。
一種方法，其特徵在於：該雷射束之橫向於該經擴展的雷射束5之寬度W的長度為0.5mm至5mm，該長度相當於該照射區15之寬度。
一種方法，其特徵在於：該雷射器6所產生之該光的波長在200nm至1.5μm範圍內。
一種方法，其特徵在於：該雷射器6發出脈衝或連續的光，其中，該脈衝能在0.5mJ至20mJ範圍內。
一種方法，其特徵在於：該經擴展的雷射束5用來在該金屬層2上移動之速度在1cm/s至50cm/s、較佳5cm/s至30cm/s範圍內。
一種方法，其特徵在於：該等島狀晶種區3之當量圓直徑為1nm至2μm，較佳1nm至500nm，尤佳1nm至100nm，或者相鄰島狀晶種區3之該等中心點的間距在1nm至2μm、較佳1nm至500nm，尤佳1nm至100nm範圍內。
一種方法，其特徵在於該等島狀晶種區3之矩形、特別是正方形或近似正方形的佈局。
一種裝置，其特徵在於設備9、10，該設備用於運輸基板1連同鍍覆於其上之金屬層2及用於產生雷射束4之雷射器6；以及設備7，該設備用於擴展該雷射束以產生線狀照射區15，其中，該設備7係佈置成使得該線狀照射區15垂直於該基板1之 運輸方向。
一種裝置，其特徵在於用於將捲在繞組9上之基板展開的設備、沿該基板1之運輸方向佈置在該用於擴展該雷射束之設備7前的用於用金屬層2來塗佈該基板1的設備11、用於將碳奈米管16沉積在該等島狀晶種區3上之設備13，及用於保持供該經加工的基板捲繞之繞組10的設備。
所有已揭露特徵(作為單項特徵或特徵組合)皆為發明本質所在。故本申請之揭露內容亦包含相關/所附優先權檔案(在先申請副本)所揭露之全部內容，該等檔案所述特徵亦一併納入本申請之申請專利範圍。附屬項以其特徵對本發明針對先前技術之改良方案的特徵予以說明，其目的主要在於在該等請求項基礎上進行分案申請。
4‧‧‧雷射束
5‧‧‧經擴展的雷射束
6‧‧‧雷射器
7‧‧‧光學器件
9‧‧‧繞組
10‧‧‧繞組
15‧‧‧照射區
T‧‧‧運輸方向
W‧‧‧寬度

Claims (14)

  1. 一種製造結構化晶種層之方法，在該晶種層上沉積有碳奈米管(16)，其中用雷射器(6)所產生之雷射束(4)對此前鍍覆在基板(1)上的金屬層(2)進行能量施加，使得該金屬層(2)成形為單體式島狀晶種區(3)，以及其中該等碳奈米管(16)係在該等島狀晶種區(3)上生長，其特徵在於：該基板係自第一繞組(9)展開，並在施加該雷射束(4)之前於一運輸方向上運輸以及在沉積該等碳奈米管(16)之後捲繞在第二繞組(10)上，其中將該雷射束(4)擴展為橫截面呈線狀之經擴展的雷射束(5)，同時用該經擴展的雷射束(5)照射該金屬層(2)之線狀照射區(15)，該線狀照射區(15)沿橫向於其延伸度方向之方向在該金屬層(2)上移動。
  2. 如請求項1之方法，其中，該經擴展的雷射束(5)之寬度(W)相當於該基板(1)之寬度且在20mm至1000mm範圍內。
  3. 如請求項2之方法，其中，該經擴展的雷射束(5)之寬度(W)在300mm至600mm範圍內。
  4. 如請求項1之方法，其中，該基板(1)由矽、藍寶石、鋁或銅構成。
  5. 如請求項1之方法，其中，該金屬層(2)由鋁、鎳、銀、金、鋰、鈦、釩、鉻、鐵、鉑或鉭構成。
  6. 如請求項1之方法，其中，該金屬層(2)之厚度在1nm至200nm範圍內。
  7. 如請求項1之方法，其中，該雷射束(4)之橫向於該經擴展的雷射束(5)之寬度(W)的長度為0.5mm至5mm，該長度相當於該線狀照射區(15)之寬度。
  8. 如請求項1之方法，其中，該雷射器(6)所產生之該雷射束(4)的波長在200nm至1.5μm範圍內。
  9. 如請求項1之方法，其中，該雷射器(6)發出脈衝或連續的光，其中，脈衝能在0.5mJ至20mJ範圍內。
  10. 如請求項1至9中任一項之方法，其中，該經擴展的雷射束(5)用來在該金屬層(2)上移動之速度在1cm/s至50cm/s範圍內。
  11. 如請求項1之方法，其中，該等島狀晶種區(3)之當量圓直徑為1nm至2μm。
  12. 如請求項1之方法，其中，相鄰島狀晶種區(3)之該等中心點的間距在1nm至2μm範圍內。
  13. 如請求項1之方法，其中，該等島狀晶種區(3)係矩形、正方形或近似正方形的佈局。
  14. 一種用於實施請求項1之方法的裝置，其特徵在於：用於運輸基板(1)連同鍍覆於其上之金屬層(2)的第一繞組(9)及第二繞組(10)；用於產生雷射束(4)之雷射器(6)；用於擴展該雷射束(4)以產生線狀照射區(15)的設備(7)，其中，該設備(7)係佈置成使得該線狀照射區(15)垂直於該基板(1)之運輸方向；用於將捲在該第一繞組(9)上之基板展開的設備；沿該基板(1)之運輸方向佈置在用於擴展該雷射束(4)之該設備(7)前的用於用該金屬層(2)來塗佈該基板(1)的設備(11)；用於將碳奈米管(16)沉積在該等島狀晶種區(3)上之設備(13)；及用於保持供沉積有該等碳奈米管(16)之該基板(1)捲繞之該第二繞組(10)的設備。
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