专利名称：自限定边界的薄膜图形制备方法
技术领域：
本发明属薄膜制备技术领域，具体涉及一种可图形化、表面均匀的薄膜制备方法，特别涉及一种自限定边界的薄膜图形制备方法。
背景技术：
目前，传统的薄膜制备技术，在行业中得到广泛应用的一般有真空镀膜、光刻、离子束刻蚀、丝网印刷、化学气相沉积(CVD)等方法。但是除了精度不高的丝网印刷等以外，为了制备超精细的薄膜，现有的如光刻、离子束刻蚀技术方法，都存在成本高、步骤复杂、灵活性差等缺点。因此，许多企业和研究机构都在尝试寻求用于制备高性能和超精细的薄膜器件的新技术，以适应于有机发光二极管(OLED)、有机场效应管(OTFT)、彩色滤光片(Color Filter)、微传感器(Microsensor)等领域的应用。
传统的光刻方式步骤复杂、成本较大、模板(mask)制作成本较高、缺乏灵活性，且在制备的过程中需要使用大量化学药剂，造成环境污染。熟知的导电图形薄膜的光刻法制备过程如图1所示，其过程必须经过沉积成膜、涂布光刻胶、曝光、显影、刻蚀、清洗和烘干等许多步骤。
近来有一类新的技术被称为直接列印(Direct Printing)，有希望代替现有技术成为新的低成本和超精细的薄膜制备技术。直接列印(Direct Printing)是指不通过刻蚀、掩模等复杂过程将所用的薄膜材料直接沉积到表面，其代表是喷墨打印技术(Ink-jet Printing)。利用喷墨打印技术制备薄膜的特点有成本低、步骤简单、对环境和设备要求不高、适合大规模生产、高精度以及图形化灵活等。
日本精工—爱普生公司与荷兰飞利浦公司合作利用喷墨打印技术制备聚合物发光二极管(PLED)，其发光效率和性能已经达到商业应用要求。日本的Harima公司开发的纳米颗粒金属材料(Nanopaste)，将金或银的纳米颗粒材料形成可打印墨水，利用喷墨打印技术制备金属导线线宽达到极高(线宽10μm)的精度。
但是，喷墨打印技术目前存在的主要缺点之一在于所形成的薄膜在制备过程中容易遇到咖啡环(coffee ring)效应，即由于液体的挥发形成边缘厚中间薄的表面形貌，造成膜厚的不均匀和缺陷。这一缺点在很大程度上影响了喷墨打印形成薄膜的均匀性和平整性，进一步引起所制备的薄膜器件存在性能下降或产生缺陷的可能。目前，许多研究正在致力于解决这一问题的方法。
发明内容
本发明的目的在于提出一种可以克服在制备图形化薄膜过程中所产生的咖啡环效应，因而能改善薄膜平整性和均匀性的薄膜图形的制备方法。
本发明提出的薄膜图形制备方法，是以利喷墨打印方式或其他直接列印(Direct Printing)为基础的自限定边界的薄膜图形制备方法，具体步骤如下(1)提供一基板；(2)在该基板上方形成一阻隔层；(3)将成膜材料溶解或分散于溶剂中，配制形成溶液或悬浮液；(4)根据事先设计的图形，将成膜材料的溶液或悬浮液沉积于阻隔层上方，形成一层图案化的薄膜，且成膜区域在边缘自发形成边界；(5)根据需要进行退火，去除阻隔层。
其中所使用的基板是玻璃、塑料或有机材料。
所使用的阻隔层材料是具有可溶性的材料，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚酰亚胺(PI)。
所使用的成膜材料是具有可溶性或可分散性的材料，例如金纳米颗粒和银纳米颗粒材料。
所使用的溶剂对所述阻隔层材料和所述成膜材料同时具有溶解性或分散性。
在形成薄膜的步骤前，先以阻隔层形成于基板上方，形成阻隔层的方法是旋涂法或非旋涂法。
形成图形化薄膜的方法是喷墨打印方法、转印法或丝网印刷法，或其他湿法成膜方法。在成膜时，成膜材料在阻隔层的作用下，形成自限定的边界。
可通过控制成膜温度(从0度至100度)、成膜材料微滴的体积和成膜次数，控制薄膜边界的形貌、尺寸和成膜厚度。
在成膜时，可采用印刷方式实现图形化。
所述的退火过程的温度是介于200度至1000度之间，退火时间是介于10分钟至90分钟。
由本发明方法制备的薄膜图形可以克服现有方法中的咖啡杯效应，因而薄膜的平整性和均匀性都非常好，可用于制备高性能和超精细的薄膜器件，如应用于印刷线路板(PCB)、有机发光二极管(OLED)、有机场效应管(OTFT)、彩色滤光片(CF)、微透镜等中。
图1(a)-(g)为一熟知的导电图形薄膜的光刻法制作流程剖面图。
图2(a)-(e)为本发明实施例中的导电图形薄膜制作流程剖面图。
图中标号基板-10；需成膜的材料-20；光刻胶-30；掩模板-40；图形薄膜-21，基板-100；PMMA阻隔层-110；金属纳米颗粒悬浮液-130；导电图形薄膜-120；自限定的边界-121。
具体实施例方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附图示，作详细说明如下。但是，本发明的范围不受其限定，应以权利要求所限定的范围为准。
实施例1请参考图2(a)至图2(e)的流程图。
首先，请参考图2(a)所示，提供一玻璃基板100，并以去离子水洗净，并较佳地在玻璃基板100上方形成一聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)阻隔层110。形成PMMA阻隔层110的方法可以是旋转式涂布(Spin Coating)或非旋转式涂布(Spinless Coating)。然后将银纳米颗粒分散于丙酮溶剂中形成悬浮液130。
然后，请参考图2(b)所示，将银纳米颗粒的悬浮液130沉积在PMMA阻隔层110的上方，在沉积时根据事先的设计进行图形化，此处为圆形的导电图形膜120。形成导电薄膜层120的方法可以是喷墨打印，或者其他湿法成膜方法。接着，请参考图2(c)所示，当银纳米悬浮液130被沉积到玻璃基板的PMMA阻隔层的上方时，悬浮液的溶剂将被沉积区域的PMMA材料溶解，形成具有一定深度的凹槽和周边的边界121。待溶剂挥发后只留下银导电膜120及其边界121。银导电膜120的厚度范围约0.1μm-0.3μm，所形成的边界121的高度为1.0μm-1.5μm。然后，请参考图2(d)所示，进行退火过程。退火的温度为300度，退火时间为20分钟，使得PMMA阻隔层110被加热去除。同时，在高温下导电薄膜层120中银纳米颗粒外面包裹的防凝聚物质被除去，并形成更为平整的薄膜图形。最后，请参考图2(e)，所形成的导电银图形薄膜为带有自限定边界的均匀薄膜。
实施例2，同样请参考图2(a)至图2(e)的流程图。
首先请参考图2(a)所示，提供一玻璃基板100，并以去离子水洗净。在玻璃基板100上方形成一聚酰亚胺(PI)阻隔层110，形成阻隔层110的方法可以是旋转式涂布(SpinCoating)或非旋转式涂布(Spinless Coating)。然后将银纳米颗粒分散于氯仿溶剂中形成悬浮液130。然后，请参考图2(b)所示，将银纳米颗粒的悬浮液130沉积在聚酰亚胺阻隔层110的上方，在沉积时根据事先的设计进行图形化，此处为矩形。形成矩形导电薄膜层120的方法可以是喷墨打印，或者其他湿法成膜方法。
接着请参考图2(c)，当银纳米悬浮液130被沉积到玻璃基板的聚酰亚胺阻隔层的上方时，悬浮液的溶剂将溶解沉积区域的聚酰亚胺，形成具有一定深度的凹槽和周边的边界121。待溶剂挥发后只留下银导电膜120及其边界121。然后，请参考图2(d)所示，进行退火，退火的温度为400度，时间为30分钟，使得聚酰亚胺(PI)阻隔层110被加热去除，同时，导电薄膜层120在高温下，银纳米颗粒外面包裹的防凝聚物质被除去，并形成更为平整的薄膜图形。最后，请参考图2(e)，所形成的导电矩形薄膜为带有自限定边界的均匀薄膜。
根据上述实施例，在沉积金属薄膜导电层120前，先形成一阻隔层110薄膜，例如是以旋涂方式形成厚度为100nm的PMMA层。在金属材料沉积到阻隔层上方时由于自边界效应形成凹槽，在边缘部分自发形成厚度较高的边界121，使得凹槽内的金属颗粒悬浮液形成较佳分布的导电层120，具有平坦化的功用。除了平坦化作用外，阻隔层还可以阻止沉积的金属材料与阻隔层下方的表面接触，如果在制作过程中在玻璃基板和阻隔层之间加入其他导电功能材料，该阻隔层能够阻止在制备过程中金属电极与下方导电功能材料层的接触，从而达到绝缘保护的效果，在阻隔层在退火中去除后，使得裸露的下方导电功能材料层与上方的电极材料形成选择性接触。
本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而本领域普通技术人员仍可能基于本发明的教导和启示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示者，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本发明的权利要求所涵盖。
参考文献1.R.Satoh，S.Naka，M.Shibata，H.Okada，H.Onnagawa，Self-Aligned Bank Formation ofOrganic Electroluminescent Devices Using Ink-Jet Printing Method，Jpn.J.Appl.Phys.43，2004，7725-7728.
2.B.-J.de Gans，P.C.Duineveld，U.S.Schubert，Inkjet Printing of Polymers State of the Art andFuture Developments，Adv.Mater.16，2004，203-213.
3.Robert D.Deegan et al.，Capillary flow as the cause of ring stains from dried liquid dropsNATURE，389，1997，827-829.
权利要求
1.一种自限定边界的薄膜图形的制备方法，其特征在于，具体步骤如下(1)提供一基板；(2)在该基板上方形成一阻隔层；(3)将成膜材料溶解或分散于溶剂中，配制形成溶液或悬浮液；(4)根据事先设计的图形，将成膜材料的溶液或悬浮液沉积于阻隔层上方，形成一层图案化的薄膜，且成膜区域在边缘自发形成边界；(5)根据需要进行退火，以去除阻隔层；其中所使用的基板是玻璃、塑料或有机材料；所述的阻隔层材料是具有可溶性的材料；所使用的成膜材料是具有可溶性或可分散性的材料；所使用的溶剂对所述阻隔层材料和所述成膜材料同时具有溶解性或分散性。
2.根据权利要求1所述的自限定边界的薄膜图形制备方法，其特征在于步骤(2)中形成阻隔层的方法是旋涂法或非旋涂法。
3.根据权利要求1所述的自限定边界的薄膜图形制备方法，其特征在于步骤(4)中形成图形化薄膜的方法是喷墨打印方法、转印法或丝网印刷法。
4.根据权利要求1所述的自限定边界的薄膜图形制备方法，其特征在于步骤(4)中成膜时，成膜材料在阻隔层的作用下，形成自限定的边界。
5.根据权利要求1所述的自限定边界的薄膜图形制备方法，其特征在于通过控制成膜温度、成膜材料微滴的体积和成膜次数来控制薄膜边界的形貌、尺寸和成膜厚度。
6.根据权利要求1所述的自限定边界的薄膜图形制备方法，其特征在于所述退火的温度是200度至1000度，退火时间是10分钟至90分钟。
全文摘要
本发明属薄膜制备技术领域，具体为一种自限定边界的薄膜图形制备方法。其步骤是在玻璃或塑料基板上先形成一阻隔层，在阻隔层上方利用与阻隔层具有可溶性或可分散性的成膜材料的溶液或悬浮液经印刷法等形成薄膜，通过自边界效应(Self－bank)在成膜区域的边缘形成边界，然后将基板根据需要进行退火处理，除去阻隔层。所形成的自限定边界的薄膜具有连续边界和良好的膜厚均匀性。所制备的薄膜可应用于印刷线路板(PCB)、有机发光二极管(OLED)、有机场效应管(OTFT)、彩色滤光片(CF)、微透镜等中。
文档编号H05K3/00GK101055830SQ20071003659
公开日2007年10月17日 申请日期2007年1月18日 优先权日2007年1月18日
发明者许军, 富春 申请人:复旦大学