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방법 논문

기능성 재료 Nanomoulding, Nanoimprinting에 다목적 보완 패턴 복제 방법

11.4K 조회수

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DOI:

10.3791/50177

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2013년 1월 23일

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1Institute of Microengineering (IMT), Photovoltaics and Thin Film Electronics Laboratory, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), 2Department of Electrical Engineering and Computer Sciences, University of California, Berkeley

이 논문에서

요약

우리는 기능 재료, 재료 스택 및 전체 장치의 저가 nanoscale 패턴을 허용 nanomoulding 기술을 설명합니다. Nanomoulding는 모든 nanoimprinting 설정에서 수행 할 수 있으며, 자료 및 증착 공정의 다양한 범위에 적용 할 수 있습니다.

초록

우리는 기능 재료, 재료 스택 및 전체 장치의 저가 nanoscale 패턴을 허용 nanomoulding 기술을 설명합니다. 레이어 전송과 결합 Nanomoulding는 기능 소재로 마스터 구조에서 임의의 표면 패턴의 복제 수 있습니다. Nanomoulding는 모든 nanoimprinting 설정에서 수행 할 수 있으며, 자료 및 증착 공정의 다양한 범위에 적용 할 수 있습니다. 특히 우리는 태양 전지에 빛을 포집 애플리케이션을 위해 패턴 투명 아연 산화물 전극의 제조를 보여줍니다.

서론

Nanopatterning는 나노 기술 및 응용 과학의 많은 분야에서 엄청난 중요성을 얻었습니다. 패턴 생성의 첫 단계이며, 이러한 예 nanosphere 리소그래피 또는 블록 공중 합체 리소그래피 1로 자기 조립 방법에 따라 전자 - 빔 리소그래피 또는 상향식 접근 방식과 같은 하향식 (top-down) 접근 방식에 의해 수행 될 수있다. 패턴 생성만큼이나 중요 패턴 복제입니다. 석판 술 외에, nanoimprinting (그림 1)은 저렴한 비용으로 2-4의 높은 처리량 대형 지역 nanoscale 패턴에 적합한 특히 유망 대안으로 떠오르고있다. 석판 술이 패턴 마스크를 필요로하지만, nanoimprinting는 조립식 마스터 구조에 의존하고 있습니다. 마스터에서 패턴 전송은 일반적으로 열가소성 또는 UV 또는 열 경화 ​​폴리머로 수행됩니다. 가 직접 기능 소재에 패턴을 전송하는 것이 바람직입니다 그러나 대부분의 경우가 마련되어 있습니다.

다음은 nanomoulding 우리는 최근 참조에 도입 된 계층 전송 (그림 2)에 따라 복제 방법을 설명합니다. 5 기능 아연 산화물 전극에 nanoscale 패턴을 전송할 수 있습니다. nanoimprinting 설정을 사용할 경우 우리 nanomoulding 방법은 쉽게 구현 될 수있다. Nanomoulding는 금형 소재는 물질의 증착 공정 (ES)와 호환되도록 선택되어 제공 많은 다른 기능 재료, 재료 스택, 심지어 완전한 장치에 일반화 될 수있는 가능성을 제공합니다. 예를 들어 우리가 여기 다섯 태양 전지에 빛을 트래핑을 향상시키기위한 자신의 응용 프로그램을 찾을 화학 기상 증착 (CVD)에 의해 증착 투명 전도성 아연 산화물 (ZnO) 전극의 nanomoulding 제시한다.

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프로토콜

1. 몰드 제조

우리는. 부정적인 금형 다음 참조의 제조를 위해 6 저희 집 내장 nanoimprinting 설정을 사용하지만, 다른 nanoimprinting 설치 잘 작동합니다. 또는 작용 polydimethylsiloxane (PDMS) 몰드도 작동 할 수 있습니다.

  1. 제조 또는 양도 할 수있는 nanoscale 패턴을 가진 적당한 주인을 구입합니다. 원칙적으로 nanoimprinting에 적합합니다 모든 마스터는 일을 할 것입니다. 우리는 방법을 설명하기 위해 마스터 구조로 3.1에서 설명 입금 유리 시트에 질감 ZnO 층 (SCHOTT, AF32 환경, 41mm X 41mm X 0.5 mm)을 사용합니다.
  2. 등의 2에 설명 된 마스터 구조에 방지 접착 층을 적용합니다.
  3. 2 개 분을위한 초음파 이소프로판올 욕조 뒤에 2 분을위한 초음파 아세톤 욕조에 폴리에틸렌 naphtalate (PEN) 시트 (Goodfellow, 82mm X 41mm X 0.125 mm)를 청소합니다. 이소프로판올으로 한 번 더 씻어 질소로 건조 버립니다.
  4. 보증금은 PEN 시트에 크롬 부착 층 (5-10 nm 정도)를 스퍼터링.
  5. 스핀 코트 5,000 RPM에서 PEN 시트에있는 UV-경화 수지 (Microresist, Ormocer, 1-2 ML)는 균일 한 범위를 가져옵니다.
  6. 80에서 핫 플레이트에 5 분을위한 prebake을 수행 ° C 용매를 증발하기 위해 PEN 시트에 필름 균일 성과 접착력을 향상시킵니다.
  7. UV-경화 수지에 마스터 패턴을 도장 할 nanoimprinting 설정을 사용합니다. 의무적되지 않았지만, 우리는 유연한 실리콘 막에 한 줄의 균일 한 압력을 적용하여 거품 흠을 방지하기 위해 진공 스탬핑 수행합니다. 우리의 설치 프로그램에서 실리콘 막 두 하위 구획에 진공 챔버를 분리합니다. 낮은 구획은 진공 하에서 유지하면서 압력은 환기 상단 칸에 의해 생성됩니다. 환기는 스탬프를 시작 하단에 대한 유연한 멤브레인을 등록합니다.
  8. 수지의 가교 반응을 유도 할 수 UV 빛에 수지 노출. 우리는 적당한 빛을 적용여러 개의 LED가 제공하는 365 nm의 파장에서 1.4 MW / cm 2 강도. PEN 시트를 통해 노출 시간은 일반적으로 15-20 분입니다.
  9. 조심스럽게 수동으로 마스터 구조에서 금형을 필링으로 demould.
  10. 수지는 더 처리하기 전에 주변 분위기 오븐에 6-8 시간 동안 필링 자연, 우리는 150에서 가벼운 열 후 베이킹을 수행 ° C로 이어질 수있는 기능 재료의 증착시 약간의 수축을 받아야 수 있기 때문입니다.

2. 안티 - 접착 층

성공 demoulding를 들어, 반 접착 층은 재료와 패턴 거칠기에 적응해야합니다. 일반적으로 거친 패턴은 낮은 고집 계수를 필요로합니다. 부드러운 패턴에 대한 낮은 고집 계수는 금형에서 기능 소재 필링으로 이어질 수 있습니다. 거친 패턴에 대한 높은 고집 계수는 adheren 등의 금형 제조 동안 PEN 시트에서 수지의 필링이 발생할 수 있습니다마스터에 수지의 CE 힘이 있습니다.

  1. 코트와 금형 (또는 마스터)는 반 접착 에이전트의 접착력을 홍보하기 위해 크롬 층 (5-10 nm 정도)를 스퍼터링. 부드러운 패턴을 위해이 단계를 놓습니다. 어떤 경우에는 크롬 층은 에칭 마스터 구조 반 접착 에이전트를 방지 할 수 있습니다.
  2. 유리 슬라이드에 방지 접착 에이전트의 작은 드롭 (시그마 - 알드리치 (1H, 1H, 2H, 2H-Perfluoroctyl) trichlorsilane)를 적용합니다. 진공 챔버에 곰팡이와 함께 유리 슬라이드를 놓고 펌프. 안티 - 접착 에이전트는 증발하고 금형에 분자 monolayer로 입금됩니다.
  3. 80 1-2 시간 동안 어닐링 ° C.를 통해 반 접착 에이전트를 고정

3. 물질의 증착

우리는 nanomoulding의 다양성을 설명하려면 여기를 물질의 증착에 적합한 세 증착 기술을 보여줍니다. 다른 증착 기술도 적용 될 수 있습니다. 세 번째 예는 FA를 설명전체 박막 실리콘 태양 전지의 brication.

  1. 아연 산화물의 화학 기상 증착 (CVD)는 180로 가열 CVD 반응기의 가열 플레이트 ° C.에 금형을 넣고 ZnO 증착 동안 PEN 금형의 굽힘 방지하기 위해 금속 프레임을 사용합니다. 반응기를 닫고 아래로 펌프 및 thermalization 할 수 있습니다. 전구체 가스 (H 2 O와 (C 2 H 5) 2 아연)을 인정합니다. 도핑에 대한 또한 우리는 복용량 B 2의 소량 H 6. ZnO 층의 두께는 증착 시간에 비례합니다. 우리는 ZnO 층 일반적으로 1-5 μm의 두께를 사​​용합니다. 전형적인 선서 매개 변수에 대한 자세한 내용은이 심판에서 찾을 수 있습니다. 7
  2. 물리적 기상 증착 (PVD) / 실버의 스퍼터링은 : PVD ​​시스템에 금형을 놔. 시스템을 종료하고 아래로 펌프. 아르곤 프로세스 가스를 인정합니다. DC 발전기를 켭니다. 자세 층의 두께가 다시 증착 시간에 비례합니다. 우리는 자세 층 일반적으로 1 μm의 두께를 사​​용합니다. 일반적인 증착 Parameters는 5.5x10 -3 mbar의 아르곤 압력과 약 45 nm의 / 초의 증착 속도를 항복 250 W의 설정 특정 DC 전원입니다.
  3. 플라즈마 강화 화학 기상 증착 (PE-CVD) : 3.1에서와 같이 보증금 ZnO). 200 가열 PE-CVD 반응기 ° C.에 금형을 넣어 반응기를 닫고 아래로 펌프 및 thermalization 할 수 있습니다. 전구체 가스 (SiH 4 H 2) 인정합니다. 또한 우리는 복용량 B 적은 양의 (CH 3) 3과 각각 P와 N-타입 도핑을 달성 할 PH 3.을 태양 전지의 개방 회로 전압을 증가하기 위해, 우리는 또한 도핑 된 층에 CH 4와 CO 2의 소량을 사용합니다. 3.1에서 설명 된대로 핀 비정질 실리콘 태양 전지 스택의 증착 한 후, 우리는 ZnO의 backcontact을 입금.
  4. 벤딩하면 증착 층의 필링가 발생할 수 있습니다와 같은 몰드의 과도한 굽힘을 피하십시오.

4. 레이어 전송

우리는 glas를 사용최종 기판 등의 슬라이드 (SCHOTT AF32 환경, 41mm X 41mm X 0.5 mm). 그러나 금속 포일 또는 고분자 시트를 포함한 다른 기판은, 대안 사용될 수있다.

  1. 아세톤 및 이소프로판올과 질소로 건조 타격과 깨끗한 유리 슬라이드.
  2. 5000 rpm에서의 유리 슬라이드에 스핀 코트는 UV-경화 수지 (Microresist, Ormocer, 1-2 ML).
  3. 최종 기판에 증착 된 레이어를 들고 틀을 고정 할 nanoimprinting 설정을 사용합니다. 스탬핑에 관해서는, 우리는 1 줄의 균일 한 압력을 적용하여 진공 하에서 고정 수행합니다.
  4. 교차 연결 반응을 유도 할 수 UV 빛에 수지 노출. 우리는 여러 개의 LED가 제공하는 365 nm의 파장에서 1.4 MW / cm 2의 적당한 강도를 적용 할 수 있습니다. 유리 슬라이드를 통해 노출 시간은 PEN에 비해 유리의 높은 UV 전송으로 인해 1-3 위에 만 분입니다.
  5. 수동으로 유리 슬라이드에서 금형을 필링으로 Demould.

5. 샘플 특성

  1. nanomoulded 샘플을 특성화하기 위해 좋아하는 형태학의, 전기 또는 광학 기술을 사용합니다. 여기 스캔 전자 현미경 (SEM)과 원자 힘 현미경 (AFM)을 사용하여 우리 nanomoulded 샘플을 특성화한다.

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결과

그림 3은 nanomoulded 구조의 일부 설명 예제를 요약 한 것입니다. 유리에 CVD에 의해 성장 ZnO 마스터 구조는 ()로 표시됩니다. 해당 nanomoulded ZnO 복제는 (D)로 표시됩니다. 지역 높이 (g)와 AFM 이미지에서 추출한 각도 (J) histograms의 비교는 nanomoulding 과정의 고 충실도을 알 수있다. 유사한 결과는 간섭 리소그래피 (B, E, H, K) 및 anodically 질감 알루미늄 (C, F, I, L)에 의해 제조 한 차원 격자에 표시됩니다.

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그...

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토론

Nanomoulding은 임의의 기능성 물질에 대한 nanopatterns의 전송이 가능합니다. 그림 1과 2의 개별 처리 단계의 비교는 nanomoulding와 nanoimprinting 사이의 긴밀한 관계를 보여준다. nanomoulding와 nanoimprinting 사이의 큰 차이는 그림 2e의 추가 물질의 증착 단계입니다. 나머지 프로세스 흐름은 동일합니다. Nanomoulding 따라서 가능한 nanoimprinting 설정에 수행 할 수 있습니다.

호환 금형 소재 및 안티 접착 에이전트가 선택되었는지 제공, 재료 증착은 이러한 화학 및 물리 기상 증착 기술, 열 증발의 가족 등 다양한 방법을 사용하여뿐만 아니라, 솔루션 기반의 증착 방식으로 수행 할 수 있습니다. 대응 폭 nanomoulded 할 수 있습니다 자료의 범위입니다. nanoimprinting이 변형 폴리머로 수행하는 동안 nanomouldi...

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공개 사항

관심 없음 충돌이 선언 없습니다.

감사의 글

저자는 anodically 질감 알루미늄 마스터와 스위스 연방 에너지 청 및 자금의 스위스 국립 과학 재단 (National Science Foundation)의 AFM, W. 리와 도움 M. Leboeuf 감사드립니다. 이 작품의 일부는 FP7 프로젝트 보​​조금 협정 없음 283,501에서 EC의 지원을받는 "패스트 트랙"의 틀에서 실시되었다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
시약의 이름 회사 카탈로그 번호 코멘트 (선택 사항)
Nanoimprinting 수지 Microresist Ormostamp
(1H, 1H, 2H, 2H-Perfluoroctyl) trichlorsilane, 항 부착 에이전트 시그마 알드리치 448931-10G
유리 슬라이드 SCHOTT AF32 환경 0.5 mm
폴리에틸렌 naphtalate (PEN) 시트 Goodfellow ES361090 0.125 mm
(C 2 H 5) 2 아연 Akzo 노벨
자세 대상 4N 스퍼터 Heraeus 81062165
B 2 H 6, SiH 4, H 2, B (CH 3) 3, PH 3, CH 4, CO 2 메서
장비
시스템을 Nanoimprinting 홈 구축
LP-CVD 시스템 홈 구축
PVD 시스템 Leybold Univex 450 B
PE-CVD 반응기 Indeotec 문어 I
SEM JEOL JSM-7500 TFE
AFM 디지털 기기 Nanoscope 3100

참고문헌

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