用于納米元件的定向組裝和轉(zhuǎn)移的鑲嵌模板的制作方法
【專利摘要】鑲嵌模板具有設(shè)置在跨越襯底延伸的下層導(dǎo)電層上的二維圖案化升高金屬特征。所述模板總體具有平坦形貌，所述圖案化導(dǎo)電特征建立了用于將納米元件組裝到納米級電路和傳感器內(nèi)的微米級和納米級圖案。采用微制造技術(shù)連同化學(xué)機械拋光制造所述模板。這些模板與包括電泳在內(nèi)的各種定向組裝技術(shù)兼容，并且能夠在連續(xù)操作周期內(nèi)提供納米元件的基本上100％有效的組裝和轉(zhuǎn)移?？梢栽趽p壞最低或者沒有損壞的情況下將所述模板成千上萬次地重復(fù)用于圖案化納米元件的轉(zhuǎn)移，所述轉(zhuǎn)移過程不設(shè)計周期之間的中間處理。在室溫和壓力下執(zhí)行所采用的組裝和轉(zhuǎn)移過程，因而所述過程經(jīng)得起低成本、高速率器件制造的檢驗。
【專利說明】用于納米元件的定向組裝和轉(zhuǎn)移的鑲嵌模板
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求2011年11月9日提交的發(fā)明名稱為“Damascene Template forDirected Assembly and Transfer of Nanoelements”的美國臨時申請N0.61/557594 的優(yōu)先權(quán)，通過引用將其全文并入本文。
[0003]有關(guān)聯(lián)邦政府資助研發(fā)的聲明
[0004]本發(fā)明是借助國家科學(xué)基金的許可編號為EEC-0832785和0425826的財政支持開發(fā)的。美國政府享有本發(fā)明的某些權(quán)利。
【背景技術(shù)】
[0005]以精確的對準(zhǔn)和取向?qū)⒓{米元件組裝到模板上，繼而將納米元件轉(zhuǎn)移到容納(recipient)襯底上預(yù)計會促進(jìn)納米級器件的大規(guī)模生產(chǎn)。但是，由于沒有高度通用的可重復(fù)使用模板能夠以極低的劣化完成高產(chǎn)量的定向(directed)組裝和轉(zhuǎn)移，因而進(jìn)展受阻。
[0006]通過底部朝上或者頂部朝下的工藝制造的各種模板已經(jīng)被用來組裝納米元件，以獲得預(yù)期的架構(gòu)[1-3]。模板引導(dǎo)射流組裝工藝可適用于各種納米元件，而且能夠獲得高組裝密度、成品率和均勻性[4-6]。但是，組裝過程非常緩慢，因而不可規(guī)?；瘮U張。另一方面，電泳組裝涉及在短時間周期內(nèi)將在導(dǎo)電表面上具有表面電荷的納米材料組裝到各個大的面積上(晶圓級)。在通過電泳將納米元件組裝到具有互連的微米級和納米級特征的經(jīng)形貌構(gòu)圖的電極上時，由于電極的各個區(qū)域內(nèi)的電勢差存在不同，因而所述組裝是非均勻的。以前，這一障礙是采用所謂的“溝槽模板”規(guī)避的，在所述模板中，通過光刻界定的聚合物圖案覆于均勻?qū)щ妼拥纳厦?，從而將所述組裝引導(dǎo)到預(yù)期的位置上。只要有必要將這些溝槽模板中的組裝納米元件轉(zhuǎn)移到容納襯底上，就必須去除所述聚合物，因而使得所述模板僅限于單次組裝和轉(zhuǎn)移周期的使用[11]。
[0007]將組裝后的納米元件從一個襯底轉(zhuǎn)移到另一個襯底上，同時保持它們的二維順序是一個相當(dāng)繁冗的過程，其需要對不同材料和納米元件之間的相互作用能有深入的了解。成功地實現(xiàn)有序納米元件向柔性襯底上的轉(zhuǎn)移將使各種類型的新型器件能夠得以生產(chǎn)，例如，薄膜晶體管、氣敏傳感器和生物傳感器[12-14]。盡管已經(jīng)演示了采用模板犧牲層(例如S12層)的納米元件轉(zhuǎn)移，從而以高轉(zhuǎn)移效率完成向柔性以及剛性襯底上的轉(zhuǎn)移，但是這樣的模板不能重復(fù)使用[15]。也有人研究了采用諸如PDMS和Revalpha熱條(thermaltape)的中間犧牲膜將納米元件轉(zhuǎn)移到容納襯底上，但是這些會引入額外的步驟，因而導(dǎo)致復(fù)雜的制造過程，從而帶來更高的生產(chǎn)成本[16-17]。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明提供了可高度重復(fù)使用的、具有平坦形貌的鑲嵌模板(damascenetemplate)，以及用于采用電泳將納米元件組裝到所述鑲嵌模板上的方法。本發(fā)明還提供了用于采用“轉(zhuǎn)印”法將組裝的納米元件從鑲嵌模板轉(zhuǎn)移到柔性襯底上的方法。所述轉(zhuǎn)印法可以用于在不需要中間膜的情況下制造微米級和納米級結(jié)構(gòu)，包括單個芯片上的微米級和納米級結(jié)構(gòu)的組合[18-19]。
[0009]本發(fā)明的發(fā)明人采用微制造技術(shù)連同化學(xué)機械拋光(CMP)設(shè)計并制造出了具有平坦形貌的亞微米特征的鑲嵌模板。這些模板被設(shè)計為與包括電泳在內(nèi)的各種定向組裝技術(shù)兼容，對于諸如單壁碳納米管和納米顆粒的不同納米元件而言，其具有基本上100%的組裝和轉(zhuǎn)移成品率?？梢栽趽p壞最低或者沒有損壞的情況下將所述模板成千上萬次地重復(fù)用于轉(zhuǎn)移，所述轉(zhuǎn)移過程不涉及周期之間的中間處理。在室溫和壓力下執(zhí)行所采用的組裝和轉(zhuǎn)移過程，因而所述過程經(jīng)得起低成本、高速率器件制造的檢驗。
[0010]本發(fā)明的一個方面是一種用于圖案化納米元件的電泳組裝和轉(zhuǎn)移的鑲嵌模板。所述模板包括基本上為平面的襯底、第一絕緣層、任選的粘附層、導(dǎo)電金屬層、第二絕緣層和任選的疏水涂層。第一絕緣層被設(shè)置到襯底表面上。如果存在粘附層，那么將其設(shè)置到第一絕緣層的與襯底相對的表面上。導(dǎo)電金屬層被設(shè)置到粘附層的與第一絕緣層相對的表面上或者在沒有粘附層的情況下被設(shè)置到第一絕緣層的與襯底相對的表面上。第二絕緣層被設(shè)置在導(dǎo)電金屬層的與粘附層相對的或者在沒有粘附層的情況下與第一絕緣層相對的表面上。疏水涂層有選擇地設(shè)置在所述第二絕緣層的與所述導(dǎo)電金屬層相對的暴露表面上；所述導(dǎo)電金屬層的露出表面上沒有所述疏水涂層。所述導(dǎo)電金屬層跨越襯底的至少一個區(qū)域連續(xù)，或者在一些實施例中跨越整個襯底連續(xù)。在所述導(dǎo)電金屬層的所述區(qū)域內(nèi)，所述導(dǎo)電金屬層具有由阻斷所述第二絕緣層的升高特征構(gòu)成的二維微米級或納米級圖案，從而使得所述第二絕緣層基本上填充所述升高特征之間的空間。由于通過化學(xué)機械拋光過程實施了平坦化，因而所述升高特征的露出表面和所述第二絕緣層的露出表面基本上共平面。
[0011]本發(fā)明的另一方面是一種用于通過納米壓印轉(zhuǎn)移圖案化納米元件的納米元件轉(zhuǎn)移系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括上文所述的鑲嵌模板和用于容納所述多個納米元件的柔性聚合物襯底。在一些實施例中，所述系統(tǒng)還包括用于在高于環(huán)境溫度的選定溫度處向鑲嵌模板和柔性聚合物襯底之間施加壓力的熱調(diào)節(jié)壓印裝置。
[0012]本發(fā)明的又一方面是一種制造上文所述的鑲嵌模板的方法。所述方法包括下述步驟:
[0013](a)提供基本上為平面的襯底；
[0014](b)在所述襯底的表面上沉積第一絕緣層；
[0015](C)任選將粘附層沉積到所述第一絕緣層上；
[0016](d)將導(dǎo)電金屬層沉積到所述粘附層上，或者在沒有粘附層的情況下沉積到所述
第一絕緣層上；
[0017](e)將光刻抗蝕劑層沉積到所述導(dǎo)電金屬層上；
[0018](f)執(zhí)行光刻，從而在所述抗蝕劑層內(nèi)建立孔隙的二維圖案，由此使導(dǎo)電金屬層的表面在所述空隙內(nèi)露出；
[0019](g)對導(dǎo)電金屬層的露出表面進(jìn)行蝕刻；
[0020](h)去除所述抗蝕劑層，從而使所述導(dǎo)電金屬層的整個表面露出，其中，所述導(dǎo)電金屬層包括由升高特征構(gòu)成的二維圖案；
[0021](i)沉積絕緣材料，以覆蓋所述導(dǎo)電金屬層，包括所述升高特征；
[0022](j)通過化學(xué)機械拋光法去除所述絕緣材料以及所述升高特征的一部分，由此使所述升高特征和所述絕緣材料平坦化，從而使得升高特征的二維圖案具有相互之間共平面并且與所述絕緣材料的露出表面共平面的露出表面；以及
[0023](k)任選采用烷基硅烷的疏水涂層使所述絕緣材料的露出表面有選擇地硅烷化。
[0024]在一些實施例中，所述方法還包括下述步驟:
[0025](I)在基本上不去除所述絕緣層上的疏水涂層的情況下對所述導(dǎo)電金屬層的升高特征的露出表面進(jìn)行化學(xué)清潔。
[0026]本發(fā)明的又一方面是一種在鑲嵌模板上形成納米元件的圖案化組件的方法。所述方法包括以下步驟:
[0027](a)提供上文所述的鑲嵌模板；
[0028](b)將所述鑲嵌模板浸入到納米元件的液體懸浮液內(nèi)；
[0029](C)在鑲嵌模板的導(dǎo)電金屬層和處于液體懸浮液內(nèi)中的反電極之間施加電壓，由此將納米元件從懸浮液中有選擇地組裝到鑲嵌模板的導(dǎo)電金屬層的升高特征的露出表面上，但又不組裝到鑲嵌模板的第二絕緣層的露出表面上；
[0030](d)在像步驟(C)中一樣繼續(xù)施加電壓的同時使鑲嵌模板和納米元件組件從液體懸浮液中退出(withdraw);以及
[0031](e)對所述鑲嵌模板進(jìn)行干燥。
[0032]本發(fā)明的另一方面是一種將納米元件的二維圖案化組件轉(zhuǎn)移到柔性聚合物襯底上的方法。所述方法包括以下步驟:
[0033](a)提供處于鑲嵌模板上的納米元件的圖案化組件，例如，通過上文描述的方法制造的，并且提供柔性聚合物襯底；
[0034](b)使所述納米元件的圖案化組件與所述柔性聚合物襯底接觸，并施加壓力，由此將所述的納米元件圖案化組件轉(zhuǎn)移到所述柔性圖案化襯底上。在一些實施例中，在高于所述柔性聚合物襯底的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度的溫度處執(zhí)行步驟(b)。
[0035]本發(fā)明的又一方面是一種對納米元件的二維圖案化組件進(jìn)行組裝并將其轉(zhuǎn)移到柔性聚合物襯底上的方法。所述方法包括以下步驟:
[0036](a)提供上文所述的納米元件轉(zhuǎn)移系統(tǒng)和納米元件的液體懸浮液；
[0037](b)根據(jù)上文所述的方法執(zhí)行從液體懸浮液向鑲嵌模板的納米元件電泳組裝，從而得到處于所述鑲嵌模板上的納米元件的圖案化組件；以及
[0038](C)使所述納米元件的圖案化組件與所述柔性聚合物襯底接觸，并施加壓力，由此將所述的納米元件圖案化組件轉(zhuǎn)移到所述柔性圖案化襯底上。在一些實施例中，在高于所述柔性聚合物襯底的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度的溫度處執(zhí)行所述接觸步驟。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0039]圖1(a)示出了鑲嵌模板制造過程的示意圖。將抗蝕劑旋涂到Au/Si襯底上，并采用納米光刻技術(shù)界定圖案。對經(jīng)圖案化的Au局部蝕刻，并將等離子體增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)氧化物(S12)沉積到Au表面上。通過化學(xué)機械拋光(CMP)工藝去除過多的S12,直到露出Au升高特征的頂表面為止。插圖示出了人工著色的截面掃描電子顯微鏡(SEM)顯微圖，其表明金屬電極(升高的金屬特征)將與S12處于相同高度上。圖1(b)示出了 3英寸鑲嵌模板的光學(xué)圖像，其以高分辨率SEM圖像作為插圖。圖1 (c)示出了在2.5V和ρΗΙΟ.8的條件下作為凹陷(dishing)量的函數(shù)的模擬電場強度結(jié)果。接近S12表面的電場強度與Au電極的電場強度為同一數(shù)量級，同時從電極的邊緣到中心的電場非均勻性隨著凹陷數(shù)量的增加而增大。右方插圖是具有25nm的凹陷量的電場強度等高線的俯視截面圖。所述等高線表明較高的電場強度發(fā)生在電極邊緣處。圖1(d)示出了本發(fā)明的鑲嵌模板的實施例的截面的示意性表示。所示出的結(jié)構(gòu)為:襯底(10)、第一絕緣層(15)、粘附層(20)、導(dǎo)電金屬層(30)、升高特征(40)、第二絕緣層(50)和疏水涂層(60)。
[0040]圖2是采用鑲嵌模板的組裝和轉(zhuǎn)移過程的示意圖。采用由十八烷基三氯硅烷(OTS)構(gòu)成的疏水性自組裝單分子層(SAM)有選擇地涂覆鑲嵌模板的絕緣(S12)表面。采用電泳將納米元件組裝到鑲嵌模板的電極上，之后采用印刷轉(zhuǎn)移法將所述納米元件轉(zhuǎn)移到柔性襯底上。在轉(zhuǎn)移之后，所述模板可用于下一組裝和轉(zhuǎn)移周期。
[0041]圖3(a)示出了鑲嵌模板上的組裝硅石顆粒的頂視SEM顯微圖。組裝過程中的施加的電壓為2V，退出速度為lmm/min。10nm的硅石顆粒僅組裝在金電極的邊緣上(如圖1(b)所示)。圖3 (b)是在2.5V和5mm/min的退出速度下進(jìn)行組裝所得到的典型高密度10nm硅石納米顆粒組裝結(jié)果的SEM顯微圖。盡管增大了退出速度，但是納米顆粒的組裝是均勻的。圖3(c)示出了采用與10nm硅石納米顆粒相同的條件以高密度組裝到金電極表面上的50nmPSL顆粒。圖3(d)示出了組裝到復(fù)雜的2D圖案上的10nm熒光硅石微粒，其表明了所述鑲嵌模板的通用性。插圖是組裝的硅石微粒的熒光顯微鏡圖像。圖3(e)示出了在使退出速度保持5mm/min的同時在2.5V的施加電壓下獲得的高度密集的并且有組織的單壁碳納米管(SWNT)組件的SEM圖像。圖3(f)示出了表現(xiàn)出了均勻性的具有大規(guī)模的組裝SffNT的SEM顯微圖。
[0042]圖4(a)示出了轉(zhuǎn)移之后的鑲嵌模板的SEM顯微圖，圖4(b)示出了具有轉(zhuǎn)移的SffNT的轉(zhuǎn)移襯底。圖4(c)示出了 PEN膜上的高度有組織的SWNT陣列連同金屬電極的光學(xué)顯微圖。插圖是轉(zhuǎn)移的SWNT連同兩個金屬電極的SEM顯微圖和AFM圖像。原子力顯微鏡(AFM)輪廓表明沒有在轉(zhuǎn)移襯底上產(chǎn)生齒棱。圖4(d)示出了針對各種溝道長度和固定溝道寬度(2.4 μ m)的1-V特性。圖4 (e)示出了作為PEN襯底的彎曲半徑的函數(shù)的SWNT溝道(2.4μπι寬，30μπι長)的電阻的變化。
[0043]圖5(a)示出了用于電泳組裝的常規(guī)模板的示意圖。在這一模板中，將納米線電極連接至微米級電極，所述微米級電極又連接至大金屬焊盤，通過所述焊盤施加電勢。圖5 (b)示出了鑲嵌模板的示意圖，其中，將微米級電極和納米級電極兩者都連接至處于絕緣層下面的金屬薄板。在兩圖當(dāng)中都示出了對應(yīng)的等價電阻器電路，其中，Rm是由于微米級電極引入的電阻，Rn是由于納米級電極引入的電阻，而Rs則是溶液引入的電阻。圖5(c)示出了對于圖5(a)所示的構(gòu)造而言獲得的典型納米顆粒組裝結(jié)果的SEM顯微圖。納米顆粒僅組裝在了微米級電極上，而未組裝到與之連接的納米級電極上。
[0044]圖6(a)示出了對于從絕緣表面突出的電極的各種厚度而言的電場模擬結(jié)果。隨著電極突出高度的增大，跨越電極的幅寬的電場強度非均勻性也急劇增大，從而導(dǎo)致跨越所述電極的不一致的組裝。圖6(b)示出了圖5(a)所示的常規(guī)模板的電場等值線。不管電極的厚度如何，電場強度的非均勻性仍然存在。
[0045]圖7(a)示出了鑲嵌模板的AFM和SEM圖像，其中，金屬電極伸出到絕緣表面之上約40nm。圖7 (b)示出了轉(zhuǎn)移之后柔性PEN襯底的AFM形貌。在PEN襯底上出現(xiàn)了與模板的鋸齒(indented)結(jié)構(gòu)類似的鋸齒結(jié)構(gòu)；所述鋸齒結(jié)構(gòu)大約40nm深。[0046]圖8示出了組裝之后鑲嵌模板的頂視SEM顯微圖。未采用OTS SAM層處理所示出的鑲嵌模板。圖8 (a)示出了納米顆粒組件，圖8(b)示出了 SWNT組件。納米元件未被專門組裝到金屬電極上，而是還在絕緣體上發(fā)現(xiàn)了納米元件。
[0047]圖9示出了在采用piranha溶液處理之前和之后經(jīng)OTS SAM涂覆的金屬和絕緣表面的接觸角測量結(jié)果。圖9 (a)和9 (b)分別對應(yīng)于piranha溶液處理之前和之后的經(jīng)OTSSAM涂覆的S12表面(第二絕緣層)。其接觸角保持相同，從而確立了 OTS SAM層保持完好的事實。圖9 (c)和9 (d)分別示出了 piranha溶液處理之前和之后的經(jīng)OTS SAM涂覆的金表面。將150nm厚的金層濺射到平的晶圓上，將所述晶圓替代圖案化襯底用于這些測量。在piranha處理之后，接觸角急劇降低，其表明OTS SAM層被去除。
[0048]圖10示出了對于各種施加電勢而言SWNT組裝之后鑲嵌模板的頂視SEM顯微圖:圖10 (a) 1.5V ;圖10(b)2V ;圖10(c) 2.5V ;圖10(d) 3V0使其余組裝參數(shù)保持恒定。從所述圖像可以看出，金屬電極上的組裝效率作為施加的電場的函數(shù)增大，并且如果超過臨界值，SffNT開始組裝到包括絕緣體在內(nèi)的各處。
[0049]圖11示出了對于各種退出速度而言SWNT組裝之后的鑲嵌模板的頂視SEM顯微圖:圖 11 (a) 3mm/min ;圖 11 (b) 5mm/min ;圖 11 (c) 10mm/mi η ;圖 11 (d) 15mm/min。使其余組裝參數(shù)保持恒定。從所述圖像可以看出，金屬電極上的組裝效率隨著退出速度的提高而降低，其表明了退出過程中作用于SWNT上的移除矩的影響。
[0050]圖12示出了經(jīng)OTS SAM涂覆的S12表面的作為組裝和轉(zhuǎn)移周期數(shù)量的函數(shù)的接觸角測量結(jié)果。線性擬合的斜率約為-0.18，其表明了鑲嵌模板在承受多個組裝和轉(zhuǎn)移周期的磨損的魯棒性。
[0051]圖13示出了對于轉(zhuǎn)移過程中的多個溫度而言在轉(zhuǎn)移SWNT之后鑲嵌模板的頂視SEM顯微圖:圖13(a)135°C ;圖13(b)150°C ;以及圖13(c)160°C。其余轉(zhuǎn)移過程參數(shù)保持不變。從所述圖像可以看出，隨著溫度的提高轉(zhuǎn)移效率(在轉(zhuǎn)移之后金屬電極上沒有SWNT)也提高，并且在高于向其上進(jìn)行轉(zhuǎn)移的柔性襯底(PEN)的Tg(155°C)的過程溫度上實現(xiàn)了幾乎100%的轉(zhuǎn)移。
[0052]圖14示出了作為各種彎曲半徑的函數(shù)的測量電阻的曲線圖。插圖示出了用于測量預(yù)期的彎曲半徑下的電特性的實驗設(shè)置的光學(xué)圖像。
【具體實施方式】
[0053]本發(fā)明提供了制造用于納米元件的組裝和轉(zhuǎn)移的具有平坦形貌的鑲嵌模板的方法?？梢栽谒鲨偳赌０迳现圃煊芍T如納米顆粒和碳納米管的納米元件構(gòu)成的圖案化組件，并將其轉(zhuǎn)移到容納襯底的預(yù)期位置上，從而得到具有高密度和良好均勻性的圖案化納米元件?？梢栽跊]有任何中間步驟以及不需要犧牲膜的情況下執(zhí)行組裝SWNT或其他納米元件向柔性襯底上的轉(zhuǎn)移。本發(fā)明的鑲嵌模板可重復(fù)使用，并且能夠用于高速組裝和轉(zhuǎn)移過程。此外，本發(fā)明的鑲嵌模板與各種類型的納米元件兼容。本發(fā)明的產(chǎn)品和方法能夠為柔性器件的高速制造帶來強有力的進(jìn)步，例如，所述器件是諸如顯示器件和應(yīng)變線規(guī)的電器件和光器件以及生物傳感器和化學(xué)傳感器。
[0054]圖1(a)示出了鑲嵌模板制造過程的示意圖。最初，在電絕緣襯底上沉積金屬層(例如，Au或W)，并執(zhí)行光刻技術(shù)，以建立用于納米元件組裝的預(yù)期圖案。接下來，對所述金屬層執(zhí)行局部蝕刻，以形成具有微米級和/或納米級尺寸的升高特征。所述的升高特征突出到其余的金屬導(dǎo)電層的表面以上。將厚絕緣材料層(例如，S12或SiN4)毯狀沉積到這些圖案化結(jié)構(gòu)上。之后，執(zhí)行化學(xué)機械拋光(CMP)過程，以去除所述絕緣材料，直到其基本上與升高金屬特征的頂表面共平面，并且升高金屬特征的頂表面跨越襯底或者襯底的部分相互共面為止。
[0055]因而，所得到的鑲嵌模板具有通過處于絕緣體(第二絕緣層)下的導(dǎo)電膜連接的納米/微米特征，其能夠使整個襯底上或者襯底的預(yù)期區(qū)域上的所有微米/納米結(jié)構(gòu)在電泳組裝過程中具有相等的電勢。優(yōu)選材料是用于金屬層的金以及用于絕緣層的PECVD沉積
二氧化硅。
[0056]圖1(d)示出了本發(fā)明的鑲嵌模板實施例的截面圖。襯底(10)是由諸如硅或聚合物的電絕緣材料構(gòu)成的基礎(chǔ)層。所述襯底在至少一個表面上基本上是平面的，或者整個都是平面的，在一些實施例中，其基本上是剛性的，而在其他實施例中則是柔性的，并且能夠產(chǎn)生彎曲以順應(yīng)預(yù)期的形狀。所述襯底可以具有具體應(yīng)用所需的任何尺寸或形狀，但是基本上具有大約Iym到大約10 μ m或者大約100 μ m或更低或者大約1000 μ m或更低的厚度，并且具有大約0.005或更高，最高可達(dá)幾cm2的平面表面表面積。所述襯底可以是由電絕緣材料制造的，包括硅、二氧化硅、包括環(huán)氧樹脂和液晶聚合物的有機聚合物或者諸如Su-8的光致抗蝕劑材料。第一絕緣層(15)是由絕緣材料(例如，Si02、SiN4或聚合物)構(gòu)成的層，其被沉積或引入為形成于將沉積導(dǎo)電層并且將組裝納米元件的襯底表面上。例如，第一絕緣層的厚度處于大約1nm到大約10 μ m、大約20nm到大約I μ m、大約30nm到大約500nm、大約5nm到大約500nm、大約40nm到大約250nm或者大約50nm到大約10nm的范圍內(nèi)。所述第一絕緣層在結(jié)構(gòu)上大體呈平面，并且在整個襯底表面上或者在襯底層的一部分上延伸。第一粘附層防止了在電泳組裝過程中從導(dǎo)電層向襯底內(nèi)泄漏電流。粘附層(20)是沉積到第一絕緣層上的任選層。所述粘附層提供了導(dǎo)電層與第一絕緣層的提高的粘附力，因而當(dāng)在電泳組裝過程中向?qū)щ妼邮┘与妷簳r導(dǎo)電層將保持在適當(dāng)位置上。粘附層的適當(dāng)材料包括鉻、鈦、二氧化鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭、鎢及其組合。例如，粘附層的厚度可以是大約3nm到大約50nm。導(dǎo)電層(30)是沉積在粘附層(如果存在的話)或者第一絕緣層(在沒有粘附層的實施例中)上的導(dǎo)電金屬層。導(dǎo)電層的適當(dāng)材料包括諸如金、銀、鎢、鋁、鈦、釕、銅的金屬及其組合或合金。所述導(dǎo)電層具有兩個部分:(i)平面基礎(chǔ)層(大約50nm到大約100 μ m的厚度)，以及(ii)多個升高的特征(40)，其延伸到基礎(chǔ)層的平面之上(例如，具有大約1nm到大約10 μ m的高度)并且通過所述導(dǎo)電層的基礎(chǔ)層而具有相互的電連續(xù)性。最初將第二絕緣層(50)沉積到整個導(dǎo)電層上，包括沉積到升高的特征上，之后通過化學(xué)機械拋光使其平坦化，從而使第二絕緣層和升高特征的露出上表面共平面。例如，第二絕緣層的厚度可以從大約1nm到大約10 μ m，并且大體上與升高的金屬特征的高度相同。在一些實施例中，第二絕緣層和升高特征的厚度相同，其差異處于+/-1 μ m、lOOnm、1nm甚至5nm或2nm之內(nèi)。第二絕緣層填充了升高特征之間的空間，并且在那些電泳組裝過程中禁止組裝納米元件的區(qū)域內(nèi)提供了電絕緣。第二絕緣層的適當(dāng)材料包括Si02、SiN4、Al2O3、有機聚合物及其組合。為了進(jìn)一步禁止所述絕緣區(qū)內(nèi)的納米元件組裝，優(yōu)選采用疏水涂層(600)涂覆這些區(qū)域。所述疏水涂層優(yōu)選是由烷基硅烷(如果在第二絕緣層中采用該材料，那么所述烷基硅烷將與S12形成共價鍵)構(gòu)成的自組裝單分子層(SAM)。例如，所述硅烷可以是十八烷基三氯硅烷或者具有在長度上由大約8-24個碳構(gòu)成的烷基鏈的類似硅烷。所述疏水涂層的優(yōu)選厚度是一個分子，但是其也可以超過一個分子。疏水涂層的作用在于防止將納米元件組裝到第二絕緣層的露出表面上；因而，其只需使第二絕緣層的露出表面具有疏水性，并且有選擇地與第二絕緣層結(jié)合而不與將組裝納米元件的導(dǎo)電層露出表面結(jié)合即可。所述疏水涂層具有90°到110°，優(yōu)選為100°左右的接觸角。相反地，金屬導(dǎo)電層的露出表面具有15°到21°，優(yōu)選為18°左右的接觸角。
[0057]用于制造本發(fā)明的鑲嵌模板的制造技術(shù)是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的?？梢酝ㄟ^電子束蝕刻、光刻和納米壓印光刻來執(zhí)行微米及納米圖案化等此類技術(shù)。可以通過濺射、化學(xué)氣相沉積或物理氣相沉積執(zhí)行金屬沉積?？梢酝ㄟ^旋涂執(zhí)行聚合物和抗蝕劑的沉積。可以通過等離子體增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)沉積S12作為第二絕緣層。可以通過離子銑削、離子耦合等離子體(ICP)和反應(yīng)離子蝕刻(RIE)實施對第二絕緣層和金屬導(dǎo)電層的蝕刻。金屬導(dǎo)電層的升高特征的二維圖案以及對應(yīng)的組裝納米元件的圖案可以是任何能夠采用光刻技術(shù)建立的圖案，其包括直的、彎曲的或者相交的線性特征以及諸如環(huán)形、三角形、矩形或點的幾何形狀。所述升高特征可以具有處于大約1nm到大約10ym的范圍內(nèi)的寬度以及從大約1nm到幾厘米(例如，晶圓的整個直徑)的長度。
[0058]鑲嵌模板形貌對組裝和轉(zhuǎn)移過程的效率和成品率具有重要的影響。理想地，采用平坦形貌，其從電極的邊緣到中心提供均勻電場，所述電場具有最低的變化，并且能夠促進(jìn)均勻的組裝(參考圖6)。圖1(c)示出了對于金屬和絕緣體之間的各種水平差(凹陷量)而言的模擬電場強度的曲線圖。顯然，隨著凹陷量的增大，從電極邊緣到中心的電場非均勻性也增大。此外，非平坦形貌可能導(dǎo)致非均勻轉(zhuǎn)移，從而在轉(zhuǎn)移襯底表面上建立齒痕(參考圖7)。為了獲得平坦形貌，CMP過程中的端點檢測必須要準(zhǔn)確[20]。例如，可以通過在相關(guān)材料的去除率的基礎(chǔ)上確定CMP所需的時間段獲得充分精確的控制。在圖1(a)中示出了在產(chǎn)生平坦形貌的CMP之后得到的鑲嵌模板的頂視圖和截面圖。圖1(b)示出了 3英寸鑲嵌模板的光學(xué)圖像，連同被示作插圖的高分辨率SEM圖像。
[0059]從圖1(c)顯然可以看出，接近電極和絕緣體的電場強度具有相同的數(shù)量級。此夕卜，任何有機污染去除過程，例如，采用piranha溶液(一種含有H2S04和H202的混合物的溶液)的清潔都可能提高金屬的表面能以及絕緣體的表面能。在電泳組裝過程中，接近S12表面的相當(dāng)大的電場和具有高表面能的S12相結(jié)合甚至能夠?qū)е聦⒓{米元件組裝到S12表面上，這是我們不希望出現(xiàn)的(參考圖8)。
[0060]為了將納米元件明確地組裝到金電極表面上，應(yīng)當(dāng)降低接近S12表面的電場強度以及S12表面的表面能。通過施加較低的電壓降低電場強度也會使接近金表面的電場強度降低，其會對納米元件向金表面上的組裝造成劇烈影響。替代地，如果在不影響電極表面能的情況下降低S12的表面能，就能夠?qū)崿F(xiàn)專門向金電極上的組裝?？梢圆捎米越M裝單分子層(SAM)顯著降低S12表面的表面能。用于制備涂覆S12第二絕緣層的露出表面的SAM的優(yōu)選材料是十八烷基三氯硅烷(OTS);可以采用OTS在不影響升高金特征的表面能的情況下修改S12層的表面能。涂覆基本上由OTS構(gòu)成的SAM將S12的接觸角從低于10°的初始值提高到了 100°。開發(fā)出了一種后處理工藝，從而在不干擾S12表面上的OTS SAM的情況下將物理附著的OTS SAM層從金上有選擇地去除。
[0061]圖2示出了采用本發(fā)明的鑲嵌模板的組裝和轉(zhuǎn)移過程的說明。采用電泳實現(xiàn)納米元件的定向組裝，同時采用轉(zhuǎn)印法將組裝的納米元件轉(zhuǎn)移到柔性襯底的表面上。將經(jīng)表面修改的模板浸入到含有均勻散布的納米元件的懸浮液內(nèi)。調(diào)整所述溶液的性質(zhì)(例如，水懸劑的PH)，從而使所述納米元件具有電荷(負(fù)的或正的)。在鑲嵌模板(具有與納米元件上的電荷相反的極性)和充當(dāng)反電極的裸露金模板(具有與鑲嵌模板的極性相反的極性)之間施加DC電壓。例如,堿性pH能夠使得納米元件帶負(fù)電,能夠使鑲嵌模板帶正電，使反電極帶負(fù)電。在通常短于I分鐘的短時間段(例如，20秒鐘的時間段)內(nèi)施加電壓。將帶電的納米元件有選擇地組裝到電極表面上，而非絕緣體上。在仍然施加電勢的情況下，在組裝之后，使模板和反電極以恒定速度從懸浮液中退出。在退出的過程中施加電勢是很關(guān)鍵的，因為如果不施加所述電勢，那么組裝納米顆粒上的水動拖曳將強到足以將其移除[21]。圖3(b)-(d)示出了納米顆粒組裝的典型組裝結(jié)果。
[0062]對于納米元件上的給定電荷而言，模板和反電極之間的施加電壓將顯著控制納米元件的組裝效率(參考圖10)。對于低電壓而言，電極邊緣處的電場強度將強到足以吸引并組裝納米元件，而在中心處就不是這樣，因而沒有發(fā)生組裝。退出速度也對組裝速率有影響(參考圖11)。對于2V的施加電勢而言，10nm的硅石納米顆粒(懸浮在通過添加NH40H而進(jìn)行了調(diào)整的、具有10.8的pH值的去離子水中)僅組裝在了金線的邊緣上，如圖3(a)所示?？梢栽谶@些條件下采用極低退出速度(lmm/min),從而使顆粒上的動力拖曳力微不足道。通過3D有限體積建模軟件(Flow3D)模擬出的電場等值線證實了這一點，如圖1(c)所
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[0063]在將施加電勢提高到2.5V時，即使在5mm/min的退出速度上，10nm的硅石顆粒也組裝到了跨越鑲嵌模板中的各個電極的所有區(qū)域上，如圖3(b)所示。通過(i)將硅石納米顆粒組裝到復(fù)雜的二維圖案上(圖3(d))，(ii)組裝50nm的聚苯乙烯一膠乳(PSL)顆粒(圖3 (c))以及(iii) SffNT的高度有組織的密集組裝(圖3 (e)、3 (f))演示了所述組裝過程的效力和材料相容性。對于很多應(yīng)用而言，希望獲得高度對準(zhǔn)的SWNT而不是隨機網(wǎng)絡(luò)，因為對準(zhǔn)的SWNT避免了滲漏傳輸路徑，而且由于更多表面積重疊能夠使得管之間具有最低的結(jié)電阻[22-24]。組裝的SWNT的對準(zhǔn)取決于模板退出的方向和速度。較低的退出速度將得到更好的對準(zhǔn)，其為延長的組裝過程時間的折中。
[0064]用于組裝納米元件的鑲嵌模板可以既涉及納米級幾何結(jié)構(gòu)又涉及微米級幾何結(jié)構(gòu)，并且可以采用電泳驅(qū)動定向組裝。也就是說，可以在絕緣體上對納米級和微米級電極圖案化，從而將納米級金屬電極連接至微米級對應(yīng)物，而所述微米級對應(yīng)物又將連接至大的金屬焊盤(如圖5(a))所示。在采用先前的模板設(shè)計的組裝過程中，在向所述大焊盤施加電勢時，由于納米級特征之間的提高的電阻率，跨越這些納米絲的長度存在大的電勢下降。這一電勢下降對組裝結(jié)果存在顯著影響，并且能夠在模板的各個部分上產(chǎn)生不均勻的組裝。圖5(c)示出了典型結(jié)果，其中，納米顆粒組裝僅發(fā)生在微米級電極上，而未發(fā)生在與之連接的納米級電極上。但是，在采用本發(fā)明的鑲嵌模板的情況下，由于所有的納米級和微米級電極都連接至絕緣體下面的金屬薄板(圖5(b))，因而當(dāng)在納米元件組裝過程中向所述金屬薄板施加電勢時，微米級和納米級電極之間的電勢存在微不足道的變化。對常規(guī)模板以及所述鑲嵌模板都示出了等價電阻器電路。
[0065]采用Flow Science公司的Flow3D軟件(V.10)模擬各種模板尺寸的電場等值線。輸入?yún)?shù)為:(i)施加電壓2.5V，(ii)導(dǎo)電性，(iii)pH10.8，(iv)絕緣體厚度150nm，(v)絕緣體和溶液的介電常數(shù)(分別為4和80)，(vi)對于小于I微米和大于I微米的距離而言分別為5nm和10nm的網(wǎng)眼尺寸。在距離表面25nm的距離處生成有效電場等值線。圖6 (a)示出了鑲嵌模板的各種非平坦形貌的電場模擬結(jié)果?？缭浇饘匐姌O的電場強度非均勻性隨著形貌接近平坦而降低。圖6(b)示出了常規(guī)模板的模擬結(jié)果，在常規(guī)模板中，未將納米電極未連接至下面的金屬電極。由于形貌和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化的原因，跨越電極的電場非均勻性是非常顯著的，其可能導(dǎo)致僅在電極的邊緣處存在組裝。
[0066]之后，采用納米壓印工具將組裝的納米元件轉(zhuǎn)移到柔性聚合物襯底(例如，PEN、PC)上。轉(zhuǎn)印過程的轉(zhuǎn)移效率主要由對象(納米元件)/模板(ST)和納米元件/容納物(SR)之間的粘附力差所決定。如果納米元件和模板之間的粘附力FST小于納米元件和容納物之間的粘附力FSR，那么納米元件將被轉(zhuǎn)移到容納表面上。如果情況相反，那么在轉(zhuǎn)移過程之后，納米元件仍將保留在模板表面上[18]。在轉(zhuǎn)移過程中，S12層上的OTS SAM疏水涂層起著額外的作用，即，當(dāng)在轉(zhuǎn)移過程中使鑲嵌模板與柔性襯底分離時作為抗靜摩擦層。這一轉(zhuǎn)移過程不會顯著影響OTS層，因而不會影響S12的表面能，其使鑲嵌模板能夠在幾百個周期都不出現(xiàn)額外的表面改性的情況下重復(fù)地用于組裝一轉(zhuǎn)移周期(參考圖12)。而且，不需要諸如剝離、圖案化或犧牲層去除/沉積的額外過程。
[0067]一般而言，用于涂覆第二絕緣層的聚合物膜的接觸角為?70°，其非常接近疏水性，因而具有低表面能。為了改善組裝的納米元件和聚合物膜(FST)之間的粘附之間的粘附，在執(zhí)行轉(zhuǎn)印過程之前在電感耦合等離子體熱環(huán)境(plasmatherm)內(nèi)采用氧等離子體對聚合物膜進(jìn)行預(yù)處理。這一過程導(dǎo)致了聚合物表面上的氫氧化物團的產(chǎn)生，由此提高了聚合物膜的表面能[25] [26]。在表面處理之后，發(fā)現(xiàn)聚合物膜的接觸角低于5°。對于本發(fā)明的轉(zhuǎn)印過程而言，在采用170psi的壓力的同時保持大約160°C的處理溫度。這一溫度略高于聚合物膜的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度(對于PET為155°C，對于PC為150°C )，要求這一溫度完全席卷組裝納米元件，從而能夠?qū)崿F(xiàn)完全轉(zhuǎn)移[19](參考圖13)。為了測量這些轉(zhuǎn)移SWNT的電特性，通過標(biāo)準(zhǔn)微制造工藝制造金屬電極。圖4(c)示出了作為溝道長度的函數(shù)的PEN膜上的轉(zhuǎn)移SWNT (2.4 μ m的溝道寬度)的1-V測量結(jié)果。對于2 μ m和17 μ m而言，測得的電阻分別為3.2kΩ和12.2kΩ。圖4(d)表明了在彎曲之下所組裝的SWNT結(jié)構(gòu)的魯棒性。電阻作為彎曲半徑的函數(shù)線性增大，與初始值的電阻相比其存在13%的最大變化(參考圖14)。
[0068]在采用具有非平坦形貌(即具有升高金屬特征)的模板將組裝納米元件轉(zhuǎn)移到柔性襯底上的過程中，可以預(yù)計所述轉(zhuǎn)移是局部的而不是完全的。另一種可能的結(jié)果是在柔性襯底上產(chǎn)生了壓印結(jié)構(gòu)(模板的復(fù)制)。在很多情況下，這是不希望出現(xiàn)的結(jié)果，因為接下來的處理(金屬沉積、蝕刻等)可能產(chǎn)出具有非均勻特征的器件。圖7示出了這樣的采用非平坦形貌鑲嵌模板的觀測結(jié)果。
[0069]當(dāng)在第二絕緣層的露出表面上沒有OTS SAM層的情況下執(zhí)行電泳組裝時，納米元件被組裝到了包括絕緣體區(qū)域以及導(dǎo)體區(qū)域(電極)在內(nèi)的所有位置。在沒有OTS SAM層的情況下，絕緣體和電極的表面能基本上相同，如圖8(a)所示。在向絕緣體下面的金屬薄板施加電勢時，跨越絕緣體的電勢下降不足以防止納米元件組裝，因而納米元件被組裝到了絕緣體上，從而降低了組裝結(jié)果的選擇性。圖8(b)示出了沒有OTS SAM層的納米顆粒和SWNT組裝的典型結(jié)果。[0070]采用化學(xué)濕法將OTS SAM層施加到鑲嵌模板上。在這一過程中，OTSSAM層還能夠形成于金屬電極上，因而其能夠妨礙在金屬電極上組裝納米元件。為了從金屬電極上有選擇地去除OTS SAM,采用“piranha溶液”對鑲嵌模板執(zhí)行化學(xué)處理。Piranha處理僅去除出現(xiàn)在金屬電極上的0TSSAM，并使單分子層保留在絕緣體上不受影響。這一點通過圖9所示的接觸角測量得到了驗證，在鑲嵌模板上沉積OTS SAM層之后，在進(jìn)行piranha處理之前和之后執(zhí)行了所述測量。
[0071]由于對用于組裝的SWNT的凈化過程的原因，它們具有羧酸端基。在懸浮于去離子水中時，這些羧酸基將在充分高的pH下為SWNT賦予負(fù)電荷。由于施加的電勢而作用于納米元件上的電泳力直接與納米元件上的電荷和電場強度成正比。在提高施加的電壓時，電泳力成比例增大，從而使得組裝到金屬電極上的納米元件的量增大。圖9清楚地示出了電壓對SWNT組裝的顯著影響。從這些結(jié)果可以看出，電極上的SWNT組裝開始于1.5V和2V之間。超過施加的電勢的臨界值，S12引入的阻擋就失效了，納米元件就能夠組裝到絕緣體表面上了，如圖10所示。
[0072]在組裝之后從懸浮液退出期間作用于納米元件上的毛細(xì)力對納米元件與鑲嵌模板上的金屬電極的粘附起著至關(guān)緊要的作用。為了獲得更高的退出速度，由于毛細(xì)力而作用于納米元件上的移除矩將更大，從而導(dǎo)致納米元件的移除。必須針對給定類型的納米元件和給定的施加電勢對退出速度加以調(diào)整，可以如圖11所示對其進(jìn)行表征?？梢酝ㄟ^保持施加電勢的施加進(jìn)一步提高粘附力。在文中所示的所有的這些實驗結(jié)果中，都在模板退出過程中保持到電勢的施加。
[0073]如果OTS SAM層在絕緣體表面上產(chǎn)生了劣化，那么可以預(yù)計在經(jīng)過幾個組裝和轉(zhuǎn)移周期之后，采用所述鑲嵌模板的組裝和轉(zhuǎn)移過程將失敗。如果絕緣體上的OTS SAM劣化，那么納米元件能夠組裝到絕緣體上，從而導(dǎo)致低產(chǎn)出率。為了對鑲嵌模板的通用性和魯棒性進(jìn)行測試，將在每個 組裝和轉(zhuǎn)移周期之后測量絕緣體表面的接觸角，圖12中對其進(jìn)行了標(biāo)繪。在SAM在接下來的組裝和轉(zhuǎn)移周期內(nèi)按照相同的速率劣化的假設(shè)的基礎(chǔ)上由這些結(jié)果所做的外推得出了這樣的估計，即，在140個周期之后，所述接觸角將達(dá)到70°的值，在大約250個周期時接觸角將達(dá)到50°的值。金屬電極的接觸角也將作為周期數(shù)的函數(shù)增大，最終飽和。如果采取值為50°的飽和接觸角，那么OTS SAM層的單次涂覆的壽命周期大約為250個周期。在OTS SAM層發(fā)生了劣化時，可以向模板增加另一層OTS SAM層，從而使其能夠重新用于組裝和轉(zhuǎn)移。
[0074]在轉(zhuǎn)移過程中向襯底施加的溫度對轉(zhuǎn)換效率具有重要的影響。轉(zhuǎn)移過程溫度優(yōu)選接近構(gòu)成容納襯底的聚合物的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度的溫度。圖13對此進(jìn)行演示。由該圖顯然可以看出，在所述過程溫度升高到了 PEN的Tg(155°C )以上時，組裝納米元件被完全轉(zhuǎn)移，從而基本上獲得了 100%的轉(zhuǎn)移產(chǎn)率。
[0075]使具有轉(zhuǎn)移的納米元件的柔性容納襯底接受了彎曲測試。將圓柱形物體，例如，圖14的插圖所示的，用于彎曲測試。將具有轉(zhuǎn)移SWNT和沉積電極的PEN膜纏繞到圓柱形物體的圓周上，并在彎曲狀態(tài)下實施電阻測量。圖14示出了結(jié)果。
[0076]文中采用的“基本上由……構(gòu)成”不排除那些不會對權(quán)利要求的基本新穎特征造成顯著不利影響的材料或步驟?？梢圆捎谩盎旧嫌伞瓨?gòu)成”或者“由……構(gòu)成”與文中對“包括” 一詞的任何敘述互換，尤其是在對合成物的成分的描述或者對器件的元件的描述當(dāng)中。
[0077]盡管已經(jīng)結(jié)合某些優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀了前述說明書之后將能夠?qū)ξ闹嘘U述的構(gòu)思和方法實施各種變化、等價替代和其他變更。
[0078]參考文獻(xiàn)
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【權(quán)利要求】
1.一種用于圖案化納米元件的電泳組裝和轉(zhuǎn)移的鑲嵌模板，所述模板包括: 襯底，所述襯底基本上為平面； 第一絕緣層，所述第一絕緣層被設(shè)置在所述襯底的表面上； 任選粘附層，所述粘附層被設(shè)置在所述第一絕緣層的與所述襯底相對的表面上；導(dǎo)電金屬層，所述導(dǎo)電金屬層被設(shè)置在所述粘附層的與所述第一絕緣層相對的表面上，或者在沒有所述粘附層的情況下被設(shè)置在所述第一絕緣層的與所述襯底相對的表面上； 第二絕緣層，所述第二絕緣層被設(shè)置在所述導(dǎo)電金屬層的與所述粘附層相對的表面上，或者在沒有所述粘附層的情況下被設(shè)置在所述導(dǎo)電金屬層的與所述第一絕緣層相對的表面上；以及 疏水涂層，所述疏水涂層有選擇地被設(shè)置在所述第二絕緣層的與所述導(dǎo)電金屬層相對的露出表面上； 其中，所述導(dǎo)電金屬層是跨越所述襯底的至少一個區(qū)域連續(xù)的，并且所述導(dǎo)電金屬層在所述導(dǎo)電金屬層的所述區(qū)域內(nèi)具有阻斷所述第二絕緣層的升高特征的二維微米級或納米級圖案；其中，所述第二絕緣層基本填充所述升高特征之間的空間；并且其中，所述升高特征的露出表面和所述第二絕緣層的露出表面基本上共平面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑲嵌模板，其中，所述襯底包括硅或聚合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑲嵌模板，其中，所述襯底厚度為Iμ m至10 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑲嵌模板，其中，所述第一絕緣層包括二氧化硅、SiN4或聚合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑲嵌模板，其中，所述第一絕緣層厚度從5nm至500nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑲嵌模板，其中，所述粘附層包括從由鉻、鈦、二氧化鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭、鎢及其組合構(gòu)成的組中選擇的材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑲嵌模板，其中，所述粘附層厚度為3nm至50nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑲嵌模板，其中，導(dǎo)電金屬層包括金、銀、鎢、鋁、鈦、釕、銅及其組合。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑲嵌模板，其中，所述第二絕緣層包括從由Si02、SiN4、Al203、有機聚合物及其組合構(gòu)成的組中選擇的材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑲嵌模板，其中，所述第二絕緣層具有從1nm至10μ m的厚度。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑲嵌模板，其中，所述導(dǎo)電金屬層包括具有從50nm至10ym的厚度的平面部分。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑲嵌模板，其中，所述疏水涂層是硅烷涂層。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑲嵌模板，其中，所述疏水涂層包括由烷基硅烷分子構(gòu)成的單分子層。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑲嵌模板，其中，所述疏水涂層包括十八烷基三氯硅烷。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑲嵌模板，其中，所述疏水涂層的接觸角為90至110°。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑲嵌模板，其中，所述疏水涂層的接觸角為大約100°。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑲嵌模板，其中，所露出的升高特征表面的接觸角為15至21。。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑲嵌模板，其中，所露出的升高特征表面的接觸角為大約18。。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑲嵌模板，其中，所述升高特征的高度基本上與所述第二絕緣層的厚度相同。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑲嵌模板，其中，所述升高特征包括基本上為線性的特征。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑲嵌模板，其中，所述線性特征是直的、彎曲的、相交的，或者形成環(huán)、三角形或矩形。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑲嵌模板，其中，所述升高特征具有從1nm至100μ m的寬度。
23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑲嵌模板，其中，所述升高特征具有從1nm到1cm的長度。
24.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑲嵌模板，其中，區(qū)域內(nèi)的所述升高特征通過所述導(dǎo)電金屬層相互電接觸。
25.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑲嵌模板，其中，所述升高特征的露出表面基本上沒有所述疏水涂層。
26.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑲嵌模板，其中，所述模板是柔性的。
27.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑲嵌模板，還包括以非共價鍵的方式附著到所述升高特征的露出表面上的多個納米元件，其中，所述第二絕緣層的所述露出表面基本上沒有附著的納米元件。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的鑲嵌模板，其中，所述納米元件是納米顆粒、單壁碳納米管、多壁碳納米管、納米線、納米纖維、并五苯分子、碳球分子或聚合物。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的鑲嵌模板，其中，所述納米元件是導(dǎo)電的、半導(dǎo)電的或者絕緣的。
30.一種用于通過納米壓印轉(zhuǎn)移圖案化納米元件的納米元件轉(zhuǎn)移系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括根據(jù)權(quán)利要求27所述的鑲嵌模板以及用于容納所述多個納米元件的柔性聚合物襯底。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的納米元件轉(zhuǎn)移系統(tǒng)，其中，所述柔性聚合物襯底包括聚萘二甲酸乙二酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亞胺或其組合。
32.根據(jù)權(quán)利要求30所述的納米元件轉(zhuǎn)移系統(tǒng)，還包括用于在高于環(huán)境溫度的選定溫度處在所述鑲嵌模板和所述柔性聚合物襯底之間施加壓力的熱調(diào)節(jié)壓印裝置。
33.根據(jù)權(quán)利要求30所述的納米元件轉(zhuǎn)移系統(tǒng)，其中，所述壓印裝置能夠在高于所述柔性聚合物襯底的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度的溫度處工作。
34.根據(jù)權(quán)利要求30所述的納米元件轉(zhuǎn)移系統(tǒng)，其中，所述壓印裝置能夠在至少160°C的溫度處在所述鑲嵌模板和所述柔性聚合物襯底之間施加至少170psi的壓力。
35.根據(jù)權(quán)利要求30所述的納米元件轉(zhuǎn)移系統(tǒng)，其中，所述柔性聚合物膜具有小于大約5°的接觸角，并且所述鑲嵌模板上的所述升高特征的露出表面具有大約18°的接觸角。
36.根據(jù)權(quán)利要求30所述的納米元件轉(zhuǎn)移系統(tǒng)，其中，已經(jīng)采用氧等離子體對所述柔性聚合物膜進(jìn)行了處理，從而使其表現(xiàn)出較小的疏水性。
37.一種制造根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑲嵌模板的方法，所述方法包括以下步驟:(a)提供基本上為平面的襯底； (b)在所述襯底的表面上沉積第一絕緣層； (c)任選將粘附層沉積到所述第一絕緣層上； (d)將導(dǎo)電金屬層沉積到所述粘附層上，或者在沒有所述粘附層的情況下沉積到所述第一絕緣層上； (e)將光刻抗蝕劑層沉積到所述導(dǎo)電金屬層上； (f)執(zhí)行光刻，從而在所述抗蝕劑層內(nèi)建立空隙的二維圖案，由此使所述導(dǎo)電金屬層的表面在所述空隙內(nèi)露出； (g)對所述金屬層的所述表面進(jìn)行蝕刻； (h)去除所述抗蝕劑層，從而使所述導(dǎo)電金屬層的整個表面露出，其中，所述導(dǎo)電金屬層包括升高特征的二維圖案； (i)沉積絕緣材料，以覆蓋所述導(dǎo)電金屬層，包括所述升高特征； U)通過化學(xué)機械拋光法去除所述絕緣材料以及所述升高特征的一部分，由此使所述升高特征和所述絕緣材料平坦 化，從而使得升高特征的二維圖案具有相互之間共平面并且與所述絕緣材料的露出表面共平面的露出表面；以及 (k)采用烷基硅烷的疏水涂層使所述絕緣材料的露出表面有選擇地硅烷化。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，還包括以下步驟: (I)在基本上不去除所述絕緣層上的所述疏水涂層的情況下對所述導(dǎo)電金屬層的所述升高特征的所述露出表面進(jìn)行化學(xué)清潔。
39.一種在鑲嵌模板上形成納米元件的圖案化組件的方法，所述方法包括以下步驟: (a)提供根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑲嵌模板； (b)將所述鑲嵌模板浸入到納米元件的液體懸浮液內(nèi)； (C)在所述鑲嵌模板的所述導(dǎo)電金屬層和處于所述液體懸浮液中的反電極之間施加電壓，由此將納米元件從所述懸浮液中有選擇地組裝到所述鑲嵌模板的所述導(dǎo)電金屬層的所述升高特征的露出表面上，但并不組裝到所述鑲嵌模板的第二絕緣層的露出表面上； (d)在像步驟(C)中一樣繼續(xù)施加電壓的同時將所述鑲嵌模板和納米元件組件從所述液體懸浮液中退出；以及 (e)對所述鑲嵌模板進(jìn)行干燥。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中，在步驟(c)和(d)期間，所述鑲嵌模板的所述導(dǎo)電金屬層為正，所述反電極為負(fù)，并且對所述液體懸浮液的PH進(jìn)行調(diào)整，從而使所述納米元件具有負(fù)電荷。
41.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中，在步驟(c)和(d)期間，所述鑲嵌模板的所述導(dǎo)電金屬層為負(fù)，所述反電極為正，并且對所述液體懸浮液的PH進(jìn)行調(diào)整，從而使所述納米元件具有正電荷。
42.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中，在步驟(c)和(d)中施加的電壓足夠高，從而基本上跨越所述鑲嵌模板的所述導(dǎo)電金屬層的所述升高特征的全部露出表面提供組件。
43.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中，步驟(d)中的所述鑲嵌模板退出速度足夠低，從而使所述納米元件的圖案化組件在整個退出過程中保持在所述鑲嵌模板的所述導(dǎo)電金屬層的所述升高特征的表面上。
44.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中，步驟(c)和(d)中的電壓處于1.5到7V的范圍內(nèi)，并且步驟(d)中的所述退出速度處于從I到15mm/min的范圍內(nèi)。
45.一種對納米元件的二維圖案化組件進(jìn)行組裝并將其轉(zhuǎn)移到柔性聚合物襯底上的方法，所述方法包括以下步驟: (a)提供根據(jù)權(quán)利要求30所述的納米元件轉(zhuǎn)移系統(tǒng)和納米元件的液體懸浮液； (b)根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法執(zhí)行來自所述液體懸浮液的納米元件的電泳組裝，從而得到所述鑲嵌模板上的納米元件的圖案化組件； (c)使所述納米元件的圖案化組件與所述柔性聚合物襯底接觸，并且施加壓力，由此將所述納米元件的圖案化組件轉(zhuǎn)移到所述柔性圖案化襯底上； 其中，在高于所述柔性聚合物襯底的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度的溫度處執(zhí)行步驟(c)。
46.一種將納米元件的二維圖案化組件轉(zhuǎn)移到柔性聚合物襯底上的方法，所述方法包括以下步驟: (a)提供處于鑲嵌模板上的納米元件的二維圖案化組件和柔性聚合物襯底； (b)使納米元件的所述圖案化組件與所述柔性聚合物襯底接觸，并且施加壓力，由此將所述納米元件的圖案化組件轉(zhuǎn)移到所述柔性圖案化襯底上；其中，在高于所述柔性聚合物襯底的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度 的溫度處執(zhí)行所述接觸。
【文檔編號】H01L21/28GK104040694SQ201280066438
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2012年11月8日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月8日
【發(fā)明者】A·布斯奈納, H·卓, S·索穆, J·黃 申請人:東北大學(xué)