专利名称：基于油溶性纳米颗粒墨水的导电薄膜图案层制备方法
技术领域：
本发明涉及一种基于油溶性纳米颗粒墨水的导电薄膜图案层制备方法，适用于微电子工业，尤其适用于射频电子标签(RFIDs)、太阳能电池、集成电路板互联线等。
背景技术：
在电子工业的集成电路制造领域中，其中关键工艺是制造晶体管和晶体管之间的互联线。该互联线的制备多采用刻蚀与电镀沉积工艺，不仅污染环境而且浪费严重；并且传统硅工艺需要高温过程和超高洁净度的加工环境。基于以上因素，传统的硅工艺很难降低制造成本。近年来，喷墨打印技术广泛应用于电子工业，用于加工导电薄膜图案层，整个工艺只有打印油墨的消耗，显然原材料消耗和废物处理将会大大减少，而且打印机可以装入洁净箱，而不需要传统的成本高昂的真空洁净室，减少了能量的损耗，也可以极大的降低成本。此外，基片的尺寸可以增大至ImXlm以上，更重要的是，喷墨打印技术不需要高温工艺，因此可以使用柔性基片替代硅片，不仅比硅片便宜而且极大的扩展了应用范围。但是，目前基于喷墨打印技术制备金属导电薄膜图案层还存在一些问题。例如， (O金属导电薄膜常存在微裂纹导电性能降低甚至断路；导电薄膜图案层和基材的结合力不够；(2)由于每一滴墨滴在干燥过程中容易形成“环”(所谓coffee-ring)，导致获得的薄膜不够平整；(3)受喷墨打印机精度的限制，最小特征线宽比传统硅工艺要大得多，按每一个逻辑电路的功能所对应的成本来比较，喷墨打印工艺比传统硅工艺要高得多，因此在价格优势上并没有特别突出，不利于射频电子标签(RFIDs )低价推广。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种在基材表面制备出连续、均匀、牢固、厚度可控的基于油溶性纳米颗粒墨水的导电薄膜图案层制备方法。为实现上述目的，本发明的技术方案是包括以下步骤
(1)在基材表面设置光刻胶层，利用光刻或电子束光刻技术在光刻胶层上镂空加工出图案区，获得图案化基材；
(2)将油溶性金属纳米颗粒墨水通过界面自组装方式，将金属纳米颗粒均分填充在图案化基材上的图案区中形成导电薄膜图案层，所述的油溶性纳米颗粒墨水包括有金属纳米颗粒和油溶性有机溶剂；
(3)将经步骤(2)获得半成品在80±5°C下预热处理，预热处理持续时间为5±3分钟；
(4)去除多余光刻月父；
(5)将经步骤(4)获得的半成品在150±5°C下热处理，热处理持续时间为10±3分钟， 在基材上加工出导电薄膜图案层。由于光刻或电子束光刻技术相较于喷墨打印技术，其精度更高，但是由于光刻或电子束光刻技术所需要的光刻胶为有机溶剂，而油溶性金属纳米颗粒墨水的溶剂也为有机溶剂，因此，为了解决有机溶剂与光刻胶互溶，而防止光刻精度下降，本发明采用了界面自组装方式，通过该方式，金属纳米颗粒所形成的薄膜图案层有更优的厚度可控性、更致密， 且精度更高，达到亚微米级别。如果用精度更高的电子束光刻技术，并且纳米颗粒墨水的颗粒粒径小于5nm,则能达到纳米级别。本发明还可以以下技术方式进行导电薄膜图案层的制备，包括以下步骤
(1)采用使用微米级的铜网为掩模，把掩模放在基材表面并固定，铜网的网间空隙为图案区，获得图案化基材；
(2)将油溶性金属纳米颗粒墨水通过界面自组装方式，将金属纳米颗粒均分填充在图案化基材上的图案区中形成导电薄膜图案层，所述的油溶性纳米颗粒墨水包括有金属纳米颗粒和油溶性有机溶剂；
(3)将经步骤(2)获得半成品在80±5°C下预热处理，预热处理持续时间为5分钟；通过预热处理使得金属纳米颗粒与基材之间不易脱落，结合牢固。(4)取下掩模；
(5)将经步骤(4)获得的半成品在150±5°C下热处理，热处理持续时间为10分钟，在基材上加工出导电薄膜图案层。通过热处理，使得导电薄膜图案层结合牢固、致密化高，提高其导电性。进一步设置是所述的步骤(2)界面自组装方式具体为，将油溶性纳米颗粒墨水滴加到盛有水的容器中，金属纳米颗粒及其有机溶剂则悬浮于水上层，并控制油溶性纳米颗粒墨水的量使水上层溶剂金属纳米粒子自组装形成单层薄膜，再把步骤(I)所处理后的图案化基材与液面垂直相交或斜向相交方式插入到放置液面下，以合适的速度向上提拉，获得在图案化基材上形成导电薄膜图案层。本步骤可以根据所需导电薄膜图案层的厚度来进行多次重复操作。通过本设置，可以获得平整、连续、导电性优良的导电薄膜图案层。进一步设置是所述的油溶性金属纳米颗粒墨水中的金属纳米颗粒为Ag、Au、Pd、Pt 和Ag包覆Au、Ag包覆Pd、Pd包覆Ag、Pt包覆Ag及其合金中的一种或多种组合,金属纳米颗粒直径5nm-20nm，所述油溶性有机溶剂为十二烷、松油醇、乙二醇、丙三醇、环几胺、环己烷或正己烷，质量占油溶性金属纳米颗粒墨水的总质量百分比0-40%。进一步设置是去除多余光刻胶采用丙酮清洗。进一步设置是所述的基材为硅片或塑料。基于此，在现有技术基础上，通过优化工艺流程和关键工艺参数，在基材表面制备出连续、均匀、牢固的金属导电薄膜具有重要意义。
本发明与现有技术相比所具有的优点及效果
本发明弥补喷墨打印技术制备金属图案层的不足，本发明采用光刻(或电子束光刻)或掩模法能制备出超高精度的图案层。油溶性纳米颗粒墨水的颗粒粒径小，能有效减低热处理温度，但是其溶剂与光刻胶互溶。通过油水界面纳米颗粒自组装方法，将油溶性纳米颗粒二维自组装到水表面，再将二维自组装的纳米颗粒转移到图案化的基材表面，去除光刻胶或掩模，即能获得高精度图案化金属颗粒层。该方法不仅克服了纳米颗粒墨水的溶剂与光刻胶互溶的难题，而且能更精确控制纳米颗粒层厚度。本发明基于油溶性金属纳米颗粒墨水，采用界面自组装法制备的金属颗粒薄膜有更优的厚度可控性、更致密，且克服了金属纳米墨水中的有机溶剂与光刻胶互溶的难点。因此，该技术可与光刻、电子束光刻技术结合获得亚微米级甚至纳米级精度的图案化金属纳米颗粒薄膜。本发明提出的热处理方式，有效降低了热应力，从而防止金属薄膜开裂。下面结合说明书附图和具体实施方式
对本发明做进一步介绍。
图I本发明界面自组装工艺流程图2本发明光刻工艺流程图3本发明实施例I导电模板图案层不意图4本发明实施例2导电模板图案层不意图。
具体实施例方式下面通过实施例对本发明进行具体的描述，只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，该领域的技术工程师可根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。实施例I
如图1、2所示的本发明的具体实施方式
，本实施例使用的油溶性金属纳米颗粒墨水由实验室制备，为Ag纳米颗粒墨水，溶剂为环己烷，质量百分比浓度为10%。该油溶性金属纳米颗粒墨水也可以根据以下方案进行配置或者从市场上采购金属纳米颗粒为Ag、Au、Pd、 Pt和Ag包覆Au、Ag包覆Pd、Pd包覆Ag、Pt包覆Ag及其合金中的一种或多种组合,金属纳米颗粒直径5nm-20nm，所述油溶性有机溶剂为十二烷、松油醇、乙二醇、丙三醇、环几胺、环己烷、正己烷等,质量占油溶性金属纳米颗粒墨水的总质量百分比0-40%。结合界面自组装法(参见图I)和光刻技术(参见图2):先通过紫外光刻在基材I上获得15微米宽的阵列图案，再用界面自组装法在该基材上涂上一层合适厚度的Ag纳米颗粒，然后在80°C烘箱干燥5分钟，接着用丙酮去除光刻胶，最后150°C热处理10分钟。获得图案化的银微米线阵列如图3所示。实施例2
本实施例以铜网为掩模，结合界面自组装法，在该基材上涂上一层合适厚度的Ag纳米颗粒，然后在80°C烘箱干燥5分钟，接着取下掩模，最后150°C热处理10分钟。制备的图案化银薄膜如图4所示。
权利要求
1.一种基于油溶性纳米颗粒墨水的导电薄膜图案层制备方法，其特征在于包括以下步骤(1)在基材表面设置光刻胶层，利用光刻或电子束光刻技术在光刻胶层上镂空加工出图案区，获得图案化基材；(2)将油溶性金属纳米颗粒墨水通过界面自组装方式，将金属纳米颗粒均分填充在图案化基材上的图案区中形成导电薄膜图案层，所述的油溶性纳米颗粒墨水包括有金属纳米颗粒和油溶性有机溶剂；(3)将经步骤(2)获得半成品在80±5°C下预热处理，预热处理持续时间为5±3分钟；(4)去除多余光刻月父；(5)将经步骤(4)获得的半成品在150±5°C下热处理，热处理持续时间为10±3分钟， 在基材上加工出导电薄膜图案层。
2.根据权利要求I所述的一种基于油溶性纳米颗粒墨水的导电薄膜图案层制备方法， 其特征在于所述的步骤(2)界面自组装方式具体为，将油溶性纳米颗粒墨水滴加到盛有水的容器中，金属纳米颗粒及其有机溶剂则悬浮于水上层，并控制油溶性纳米颗粒墨水的量使水上层溶剂金属纳米粒子自组装形成单层薄膜，再把步骤(I)所处理后的图案化基材与液面垂直相交或斜向相交方式插入到放置液面下，以合适的速度向上提拉，获得在图案化基材上形成导电薄膜图案层。
3.根据权利要求I或2所述的一种基于油溶性纳米颗粒墨水的导电薄膜图案层制备方法，其特征在于所述的油溶性金属纳米颗粒墨水中的金属纳米颗粒为Ag、Au、Pd、Pt和 Ag包覆Au、Ag包覆Pd、Pd包覆Ag、Pt包覆Ag及其合金中的一种或多种组合,金属纳米颗粒直径5nm-20nm，所述油溶性有机溶剂为十二烷、松油醇、乙二醇、丙三醇、环几胺、环己烷或正己烷,质量占油溶性金属纳米颗粒墨水的总质量百分比0-40%。
4.根据权利要求3所述的一种基于油溶性纳米颗粒墨水的导电薄膜图案层制备方法， 其特征在于所述的步骤(4)采用丙酮或去胶剂清洗光刻胶。
5.根据权利要求4所述的一种基于油溶性纳米颗粒墨水的导电薄膜图案层制备方法， 其特征在于所述的基材为塑料或硅片。
6.一种基于油溶性纳米颗粒墨水的导电薄膜图案层制备方法，其特征在于包括有以下步骤(1)使用微米级的铜网为掩模，把掩模放在基材表面并固定，铜网的网间空隙为图案区，获得图案化基材；(2)将油溶性金属纳米颗粒墨水通过界面自组装方式，将金属纳米颗粒均分填充在图案化基材上的图案区中形成导电薄膜图案层，所述的油溶性纳米颗粒墨水包括有金属纳米颗粒和油溶性有机溶剂；(3)将经步骤(2)获得半成品在80±5°C下预热处理，预热处理持续时间为5±3分钟；(4)取下掩模；(5)将经步骤(4)获得的半成品在150±5°C下热处理，热处理持续时间为10±3分钟， 在基材上加工出导电薄膜图案层。
7.根据权利要求6所述的一种基于油溶性纳米颗粒墨水的导电薄膜图案层制备方法， 其特征在于所述的步骤(2)界面自组装方式具体为，将油溶性纳米颗粒墨水滴加到盛有水的容器中，金属纳米颗粒及其有机溶剂则悬浮于水上层，并控制油溶性纳米颗粒墨水的量使水上层溶剂金属纳米粒子自组装形成单层薄膜，再把步骤(I)所处理后的图案化基材与液面垂直相交或斜向相交方式插入到放置液面下，以合适的速度向上提拉，获得在图案化基材上形成导电薄膜图案层。
8.根据权利要求6或7所述的一种基于油溶性纳米颗粒墨水的导电薄膜图案层制备方法，其特征在于所述的油溶性金属纳米颗粒墨水中的金属纳米颗粒为Ag、Au、Pd、Pt和 Ag包覆Au、Ag包覆Pd、Pd包覆Ag、Pt包覆Ag及其合金中的一种或多种组合,金属纳米颗粒直径5nm-20nm，所述油溶性有机溶剂为十二烷、松油醇、乙二醇、丙三醇、环几胺、环己烷或正己烷,质量占油溶性金属纳米颗粒墨水的总质量百分比0-40%。
9.根据权利要求8所述的一种基于油溶性纳米颗粒墨水的导电薄膜图案层制备方法， 其特征在于所述的基材为塑料或硅片。
全文摘要
本发明公开了一种基于油溶性纳米颗粒墨水的导电薄膜图案层制备方法，包括有包括以下步骤(1)图案化基材制备；(2)将油溶性金属纳米颗粒墨水通过界面自组装方式，将金属纳米颗粒均分填充在图案化基材上的图案区中形成导电薄膜图案层，所述的油溶性纳米颗粒墨水包括有金属纳米颗粒和油溶性有机溶剂；(3)预热处理；(4)清洗多余光刻胶；(5)热处理。本发明基于油溶性金属纳米颗粒墨水，采用界面自组装法制备的金属颗粒薄膜有更优的厚度可控性、更致密，且克服了金属纳米墨水中的有机溶剂与光刻胶互溶的难点。
文档编号H01L21/768GK102593047SQ20121004308
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月24日 优先权日2012年2月24日
发明者于红斐, 张礼杰, 杨云, 董幼青, 邹超, 黄少铭 申请人:温州大学