CN101174085A - 纳米结构图案的制造方法 - Google Patents

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CN101174085A CNA2007101423183A CN200710142318A CN101174085A CN 101174085 A CN101174085 A CN 101174085A CN A2007101423183 A CNA2007101423183 A CN A2007101423183A CN 200710142318 A CN200710142318 A CN 200710142318A CN 101174085 A CN101174085 A CN 101174085A
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Abstract

本发明涉及在基片上形成纳米结构图案的方法。所述方法包括：提供基片；用功能材料涂覆所述基片，以形成功能材料层；将至少一种A聚合物链和B聚合物链的嵌段共聚物涂覆在所述功能材料层上，以形成层；干燥所述嵌段共聚物，以形成有序的纳米域；除去已干燥的嵌段共聚物的A聚合物链，以形成空隙；然后从A聚合物链已经被除去的地方除去所述功能材料。

Description

纳米结构图案的制造方法
技术领域
本发明涉及由嵌段共聚物形成的纳米结构图案，并涉及使用这些嵌段共聚物的纳米结构特征作为模板，在挠性基片上形成纳米尺寸的有序功能特征，还涉及使用共聚物中的一种聚合物相的纳米结构特征形成有序的功能特征本身，还涉及用纳米材料填充所述共聚物，并使用共聚物中的一种被填充的聚合物相的纳米结构特征形成有序的功能特征本身。本发明还具体涉及在挠性基片上的导电线栅式偏振片的低成本的制造方法。本发明还具体涉及任何形状的金属线阵列的形成，所述金属线阵列在至少一个方向上具有长程有序(结构)，并在该方向上具有长度在纳米尺度内的周期。所述线的直径或高度在纳米尺寸，长度可以为几微米。
背景技术
目前可用于在基片上产生纳米尺寸图案的方法是基于真空的技术，并且通常很昂贵。此外，这些方法中所用的光刻(photolithographic)技术通常在纳米尺寸图案的分辨率方面具有下限，该下限是由光的波长导致的。使用新的技术方法来降低成本并减小特征尺寸。一种非常有前途的新技术是双嵌段共聚物的定向性自组装，以在室温条件下在基片上产生精细的纳米尺寸图案。
该技术的关键方面是术语“定向性自组装(directed self-assembly)”。该方法一般包括在定向力的影响下向基片上涂覆双嵌段共聚物。所述定向力(directional force)可以与所需的纳米尺寸图案的尺寸相当的密闭空间(confinement space)，或者电场或磁场一样简单。它可以是基片上的作为疏水或亲水特征的静电场。
通过元件的定向自组装和使表面上阵列的排列倾斜(biasing thearrangement of the arrays on a surface)，可以得到前所未有的空间密度(aerialdensity)的纳米尺寸特征。将聚乙烯-嵌-聚(环氧乙烷)嵌段共聚物涂覆在硅基片上(其中在表面上光刻有槽(约2毫米宽))时，在各槽内是六面体堆积的、纳米尺寸的圆柱形区域(domain)的阵列，其中各圆柱体约为20纳米大小，各阵列与相邻槽中的阵列对准取向(in orientational registry)。最重要的是，通过控制制造条件，嵌段共聚物自组装成显示为没有外部形状处理的结构。
Wisconsin大学的Nealey及其同事(Kim，S.O.、Solak，H.H.、Stoykovich，M.P.、Ferrier，N.J.、de Pablo，J.J.、Nealey，P.F.，Nature，2003，424，411)用另一种方法控制这些纳米尺寸区域的横向分布(lateral placement)。他们向使用柔和的X光形成图案的表面上涂覆聚苯乙烯-嵌-聚(甲基丙烯酸甲酯)的嵌段共聚物。在与共聚物区域的尺寸相当的尺寸上进行表面图案化，各区域在表面上取向。如果没有图案，层状的区域(在这种情况中)随机在表面上取向。如果有图案，可以实现区域沿着表面精确分布。
我们将详细讨论一种很特殊的产品，称为线栅式偏振片。线栅式偏振片已被用于投影式显示器中作为预偏振片、检偏镜和偏振光分离器[1-3]。它们具有很多优点，包括高的耐热性和高的耐光通量性(light flux tolerance)。它们还可被用作用于偏振循环的反射偏振片[4-6]。Mi等人的待批专利申请，美国专利申请第2006/0061862号中揭示了一种低填充因子的线栅式偏振片。以下附加的参考文献作为本发明的背景技术。
[1]E.Hansen，E.Gardner，R.Perkins，M.Lines和A.Robbins，″The DisplayApplications and Physics of the ProFlux Wire Grid Polarizer(显示器应用和无机偏光板线栅式偏振片物理学)″，SID 2002 Symposium Digest第33卷，第730-733页，(2002).
[2]A.F.Kurtz，B.D.Silverstein和J.M.Cobb，″Digital Cinema Projection withR-LCOS Displays(具有R-LCOS显示器的数字电影投影)″，SID 2004 SymposiumDigest第35卷，第166-169页，(2004).
[3]J.Chen，M.Robinson和G.Sharp，″General Methodology for LCoS panelCompensation(用于LCoS面板补偿的一般方法)″，SID 2004 Symposium Digest，第35卷，第990-993页，(2004).
[4]T.Sergan，J.Kelly，M.Lavrentovich，E.Gardner，D.Hansen，R.Perkins，J.Hansen和R.Critchfield，″Twisted Nematic Reflective Display with Internal WireGrid Polarizer(具有内部线栅式偏振片的扭转向列型反射显示器)″，SID 2002Symposium Digest，第33卷，第514-517页，(2002).
[5]J.Grinberg和M.Little，″Liquid Crystal Device(液晶器件)″，美国专利第4,688,897号(1987).
[6]D.Hansen和J.Gunther，″Dual Mode Reflective/Transmissive LiquidCrystal Display Apparatus(双模式反射/透射液晶显示器件)″，美国专利第5,986,730号(1999)。
线栅式偏振片示于图1，其中P、W和H分别表示线栅的栅距(pitch)、宽度和高度。理想地，线栅的栅距P应该尽量小，并应该小于感兴趣波长的1/3。可以仅通过制造工艺对其进行限制。对于设计使用可见光的线栅式偏振片，栅距约为140纳米，高度也约为140纳米。所述线是由铝制成的，铝具有极好的光学性质。当未偏振的光入射在线栅式偏振片上时，S-偏振光(与所述线平行)被反射回，P偏振光(与所述线垂直)被透射。已使用常规的已知方法制造出线栅式偏振片。例如，Garvin在美国专利4049944和Ferrante在美国专利4514479中描述了利用全息干涉光刻(holographic interference lithography)在光致抗蚀剂中形成小的光栅结构，接着用离子束蚀刻将所述结构转移到下层的金属薄膜中。Stenkamp(“Grid Polarizer For The Visible Spectral Region”，SPIE会议录，第2213卷，288-296页)描述了使用定向电子束蚀刻来形成抗蚀剂图案，接着用反应离子蚀刻将所述图案转移到金属薄膜中。其它的高分辨率的光刻技术，包括极远紫外光刻和X光光刻，也可用来产生抗蚀剂图案。其它技术，包括其它的蚀刻机制和剥离工艺(lift-off process)，可用来将图案从抗蚀剂转移到金属薄膜。
上述工艺具有以下问题：
1)一般而言，线栅式偏振片的栅距优选尽可能小，以使其在透射、反射、接收角、光谱依赖性(spectral dependence)方面具有更好的光学性能。然而，可以达到的栅距基本上受限于光源波长和相应的光刻技术中所用的光致抗蚀剂的折射率。短栅距的线栅式偏振片需要短波长的光源和低折射率的光致抗蚀剂，但是它们已经不能满足日益增长的短栅距需求。
2)上述方法需要刚性的玻璃基片来容纳金属线和光致抗蚀剂。尽管刚性且平坦的塑料基片可用来替代所述玻璃基片，但是后续工艺中所用的高温和化学物质使得大部分的塑料基片难以使用。
因此，仍然需要一种大量生产线栅式偏振片的方法。
发明内容
一般地，希望形成功能材料的纳米结构图案。此外，希望形成填充有纳米颗粒的功能材料的纳米结构图案，所述纳米颗粒是磁性的、导电的、半导电的或绝缘的，并具有所需的光学性质，例如折射率、发光(photoluminescene)等。
希望形成功能材料的纳米结构图案，所述功能材料具有所需的生物性质。此外，希望这些纳米结构具有特殊的活性物质，当这些物质暴露于某些环境中时，会通过物理、化学或生物反应产生一套新物质的纳米图案结构，所述新物质是通过这些物理、化学或生物反应产生的。
具体地，希望形成纳米结构导电图案。希望使用连续的工艺形成纳米结构图案。此外，希望在基片上形成纳米结构的铝图案，其可用作线栅式偏振片。此外，希望形成具有填充因子的线栅式偏振片。
本发明的目的是在基片上形成功能材料的纳米结构图案。
本发明的目的是在基片上形成功能材料的纳米结构图案，所述功能材料是无机、有机或聚合材料。
本发明的目的是在基片上形成功能材料的纳米结构图案，所述功能材料是无机、有机或聚合材料并含有纳米颗粒，所述纳米颗粒是磁性的、导电的、半导电的或绝缘的。
本发明的目的是在基片上形成生物功能材料(例如DNA)的纳米结构图案。
本发明的目的是在基片上形成功能材料的纳米结构图案，所述功能材料是可被活化，从而反应并产生新的纳米结构物质的无机、有机或聚合材料或生物材料。
本发明的目的是在基片上形成纳米结构导电图案。
本发明的另一个目的是提供批量生产纳米结构图案的方法。
本发明的另一个目的是使用批量生产方法形成纳米结构图案(例如线栅式偏振片)。
本发明的再一个目的是形成低填充因子的线栅式偏振片。
本发明的这些和其它目的可通过在基片上形成图案的方法实现，所述方法包括提供基片，用功能材料涂覆所述基片，用具有或不具有纳米颗粒的至少A和B聚合物链的嵌段共聚物涂覆所述功能层，干燥所述嵌段共聚物以形成有序的纳米区域，除去已干燥的嵌段共聚物的A聚合物相，并除去位于所述A聚合物相下面的功能材料区域。
本发明涉及在基片上形成纳米结构图案的方法。所述方法包括：提供基片；用功能材料涂覆所述基片，以形成功能材料层；将至少有A聚合物链和B聚合物链的嵌段共聚物涂覆所述功能材料层上，以形成层；干燥所述嵌段共聚物，以形成有序的纳米域(nanodomain)；除去已干燥的嵌段共聚物的A聚合物链，以形成空隙；然后从A聚合物链已被除去之处除去所述功能材料。
本发明提供了一种低成本的生产纳米结构的功能材料(例如线栅式偏振片)的方法。本发明还提供一种生产纳米结构的导电、半导电、磁性、绝缘或生物图案的方法。本文所述的产生纳米尺寸阵列的技术的主要优点是：使用常规的基于真空的工艺来产生这些图案。由于所述技术简单、快速且成本低，所以所述技术适于在制造中使用。它们很容易被工业所采用并与其它的制造工艺兼容。本文所述的技术通过自组装共聚物模板极大地提高了纳米制造工艺的一般实用性。
本发明还提供了一种低成本的生产方法，该方法用来在环境条件下，在挠性基片上形成具有不同形状和形式的高空间密度的纳米尺寸特征。目前还没有能够用来以低成本提供这种特征的其它竞争技术。该技术使用目前已有的制造能力，以创新的方式为市场迅速提供现在还不存在的真正低成本的纳米制造技术。潜在的产品应用是电子显示器件，例如电视机、移动电话和电子产品，如数字音乐***、计算机等。
这在目前的全球市场尤其重要，在全球市场上，正在形成比目前的中档消费者的数量高五倍的新的“中低档”消费者群。
从下面的详细描述和权利要求中能更清楚地看到本发明的其它特点和优点。
附图说明
图1是线栅式偏振片的示意图。
图2a)和2b)示出了相分离后双嵌段共聚物的两种形态。
图3是批量生产纳米结构的导电图案的制造工艺流程图。
图4是各种双嵌段共聚物在相分离过程中自动形成的形态的一系列示意图。
图5示出了微复制(microreplicated)的结构。
图6(a)-6(f)示出了制造线栅式偏振片的一系列示范性的方法。
为了更好地理解本发明以及其它目的、优点和能力，参见以下的描述和所附的权利要求书以及上述的附图。
具体实施方式
本发明具有许多优点。我们将以批量生产线栅式偏振片为例通过具体描述线栅式偏振片制造方法的细节来阐述本发明。本发明提供一种在有图案的基片上制造不同纳米结构图案(例如线栅式偏振片)的新方法。
描述了以低成本在挠性基片(例如PET)上制造纳米尺寸的金属线栅阵列的制造方法，当然该制造方法也可用在玻璃上。这些金属(例如，铝)线栅阵列用作光学偏振片。这可以通过选择性地暴露于辐射源以图案化嵌段共聚物模板来实现。在金属化的塑料基片上形成这些双嵌段图案，可以用或不用所述嵌段共聚物化合物的各聚合物的随机混合物来预涂覆该基片。先用交替碎片(alternating patch)图案化具有或不具有随机聚合物混合物涂层的金属化的塑料基片，所述碎片是微复制的沟槽/凸起或用LCD型排列方法(例如摹拓)处理所述碎片，以在表面上诱导相分离过程中双嵌段共聚物的某些排列倾向。所有的这些预处理步骤引导和指引塑料基片上的相分离特征以有序方式排列。对所述双嵌段聚合物的组成进行选择以提供所需的表面特征，例如纳米尺寸的层状(线)阵列。
然后对模板进行制造后的步骤，例如交联，以化学地或物理地进一步分离双嵌段共聚物中的两种聚合组分。然后通过溶解、蚀刻等方法以空间选择性的方式除去聚合物化合物中的一种以及下层的金属层。随后通过另外的溶解或蚀刻方法除去第二聚合物特征，以露出位于塑料基片上的层状的纳米线栅组件。
在本发明的一方面，我们使用塑料(例如PET)基片，所述塑料基片上具有通过微复制方法产生的浅的、微沟槽/凸起的形貌图案，以引导和指引双嵌段共聚物的自组装。所述塑料基片本身具有宏观尺寸，而沟槽和凸起本身是微观的。然后给所述凸起和沟槽均匀地涂覆薄薄的一层金属，例如铝。然后将感兴趣的双嵌段共聚物的薄涂层涂覆在金属化的基片上。在圆柱形双嵌段共聚物的情况中，由聚合物中的一种来形成圆柱形棒。已经显示出可通过形貌来控制双嵌段共聚物的自组装和其中一相的取向。Wisconsin大学的Nealey及其同事将聚苯乙烯-嵌-聚(甲基丙烯酸甲酯)的嵌段共聚物涂覆在用柔和的X光图案化的表面上。在与聚合物区域的尺寸相当的尺寸范围进行表面图案化且各区域被定向在表面上。如果没有图案，层状的区域(在这种情况中)随机在表面上取向(图2(a))。如果具有图案，可以实现区域沿着表面的精确分布(图2(b))。基片的形貌影响并将相分离的聚合物嵌段的取向对准在沟槽和凸起的方向。可以在较低温度下，在相分离过程中施加外力，例如静电、磁和液体剪切等，以加速该过程。
本文所用的术语“纳米”指的是例如阵列的特征尺寸范围，所述阵列是使用本文所述的共聚物分子自组装的方法获得的。例如，所述线直径、线长度和阵列周期可以是在纳米尺寸范围，即在约1纳米到超过1000纳米的范围内。“纳米线”还可以指这样一种材料，它未必是导电性的，但是当存在于纳米尺寸阵列中时无论如何是有用的。本文所用的术语“线”指的是具有宽度和长度的导电材料，其中长宽比至少为2∶1。在该申请中，术语“多级”指的是可以通过多个独立的光刻层构造的结构，其中至少一层是用横向图案化的双嵌段共聚物薄膜形成的。本文所用的术语“多层”指的是含有不止一种材料的单个光刻层内的结构元件。
本发明的纳米结构的导电图案的制造流程示于图3，并在图6(a)-6(f)中有更详细的描述。
所述基片可以由聚合物树脂通过挤出制得。所述基片可以由任何的光学聚合材料制得，但是玻璃也可用作基片。它可以是自由基聚合物或缩聚聚合物。它可以是疏水或亲水性聚合物。它可以是任何天然或合成的聚合物。本发明的基片聚合物可以具有不同的结构：线性的、接枝的、支化的或高支化的。所述聚合物可以是热塑性的。示例性的有用的热塑性树脂是纤维素及其衍生物(纤维素质的)：纤维素醚，例如甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素和氰基乙基纤维素，纤维素酯，例如三乙酰基纤维素(TAC)、二乙酰基纤维素(DAC)、乙酸丙酸纤维素(CAP)、乙酸丁酸纤维素(CAB)、乙酸邻苯二甲酸纤维素、乙酸偏苯三甲酸纤维素和硝酸纤维素。所述聚合物可包括聚烯烃，例如线性的低密度和高密度聚乙烯、聚丙烯、氯化的低密度聚乙烯、聚(4-甲基-1-戊烯)、聚乙烯和环状聚烯烃；聚(苯乙烯)；聚亚二甲苯基(polyxylyene)；聚酰亚胺；乙烯基聚合物及其共聚物，例如聚(乙烯基咔唑)、聚(乙酸乙烯酯)、聚(乙烯醇)、聚(氯乙烯)、聚(乙烯醇缩丁醛)、聚(偏二氯乙烯)、乙烯-乙酸乙烯基酯共聚物等；聚丙烯酸类、它们的共聚物，例如聚(丙烯酸乙酯)、聚(丙烯酸正丁酯)、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚(甲基丙烯酸乙酯)、聚(甲基丙烯酸正丁酯)、聚(甲基丙烯酸正丙酯)、聚(丙烯酰胺)、聚丙烯腈、聚(丙烯酸)、乙烯-丙烯酸共聚物；乙烯-乙烯醇共聚物；丙烯腈共聚物；甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚物；乙烯-丙烯酸乙酯共聚物；甲基丙烯酸化的丁二烯-苯乙烯共聚物等；聚碳酸酯，例如聚(甲烷双(4-苯基)碳酸酯)、聚(1，1-醚双(4-苯基)碳酸酯)、聚(二苯基甲烷双(4-苯基)碳酸酯)、聚(1，1-环己烷双(4-苯基)碳酸酯)、聚(2，2-双-(4-羟基苯基)丙烷)碳酸酯等；聚醚；聚酮；聚亚苯基；聚硫化物；聚砜；聚内酯，例如聚(新戊内酯)、聚(己内酯)等；聚氨酯；线性长链二醇，例如聚(己二酸亚丁基酯)、聚(己二酸亚乙基酯)、聚(己二酸1，4-亚丁基酯)、聚(琥珀酸亚乙基酯)、聚(琥珀酸2，3-亚丁基酯)、聚醚二醇等；聚醚醚酮；聚酰胺，例如聚(4-氨基丁酸)、聚(六亚甲基己二酰胺)、聚(6-氨基己酸)、聚(间-亚二甲苯基己二酰胺)、聚(对-亚二甲苯基癸二酰胺)、聚(2，2，2-三甲基六亚甲基对苯二酸酰胺)、聚(间亚苯基间苯二酸酰胺)(NomexTM)、聚(对亚苯基对苯二酸酰胺)(KevlarTM)等；聚酯，例如聚(壬酸亚乙基酯)、聚(1，5-萘酸亚乙基酯)、聚(2，6-萘酸亚乙基酯)、聚(1，4-环己烷二亚甲基对苯二酸酯)、聚(亚乙氧基苯甲酸酯)(poly(ethyleneoxybenzoate))(A-TellTM)、聚(对羟基苯基酸酯)(EkonolTM)、聚(1，4-环亚己基二亚甲基对苯二甲酸酯)(KodelTM)(顺式)、聚(1，4-环亚己基二亚甲基对苯二甲酸酯)(KodelTM)(反式)、聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯等；聚(亚芳基氧)[poly(aryleneoxide)]，例如聚(2，6-二甲基-1，4-苯醚)，聚(2，6-二苯基-1，4-苯醚)等；聚(亚芳基硫)[poly(arylene sulfide)]，例如聚(苯硫)等；聚醚酰亚胺；离聚物；聚(表氯醇)；呋喃树脂，例如聚(呋喃)；聚硅氧烷，例如聚(二甲基硅氧烷)、聚(二甲基硅氧烷)、聚(二甲基硅氧烷-共-苯基甲基硅氧烷)等；聚四氟乙烯；和聚缩醛。还可以使用上述这些聚合物的共聚物和/或混合物。
优选的基片聚合物包括热塑性聚合物，例如聚酯、乙烯基、聚苯乙烯、聚丙烯酸类、和聚亚二甲苯基、聚乙烯基咔唑、聚酰胺、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚醚、聚酮、聚亚苯基、聚硫化物、聚砜和环状聚烯烃。更优选的基片聚合物是PET和双酚A聚碳酸酯。
基片可以具有不同的厚度，范围从10微米到1厘米。
可对所述基片进行微图案化处理。在基片上产生微图案。可以使用不同的微图案化工艺。所述预图案化可以是机械技术或其它的确立好的准直技术。例如，所述预图案化可以是由于存在任意的、具有所需形状和形式的微复制的凸起/沟槽。微复制(US 6800234(B2X6))是一种普遍认可的使挠性基片的形貌被图案化的低成本方法。控制基片表面能的另一个例子是使用LCD工业中常用的准直技术，也称作“摹拓(rubbing)”。在该具体的发明中，我们使用“预摹拓”塑料基片来对准和引导双嵌段共聚物结构的自组装。利用预图案化基片的方法不排除使用其它的外力，例如电场、磁场、剪切力等，以辅助和加速准直过程。还可以使用疏水和亲水性聚合物碎片的涂层对基片进行图案化。较佳地，可以用交替碎片来图案化基片，所述碎片是微复制的沟槽/凸起。所述微图案优选是具有平坦底部的浅沟槽的规则排列。所述沟槽的栅距优选大于1微米且小于10微米。所述沟槽的高度优选大于100纳米且小于1微米。
在本发明中，所述线栅式偏振片的制造方法包括在微图案化的基片上共形沉积薄薄的一层导电材料。所述导电材料可以是不同的金属、透明的金属氧化物或导电聚合物。金属可以是铝、银、金、镍和铜。金属氧化物可以是氧化铟锡(ITO)和氧化锑锡(AZO)等。导电聚合物可以是聚噻吩、聚苯胺和聚乙炔等。沉积方法与要沉积的材料相对应。它可以是真空方法或环境空气方法。它可以是等离子体法或溅射法。它还可以是溶液涂覆。导电材料的厚度大于50纳米且小于1微米。还优选的是大于100纳米且小于200纳米。
该方法中制造线栅式偏振片的下一步骤是，将含有或不含有纳米颗粒的嵌段共聚物涂覆到铝涂层上，在涂层的干燥过程中或在干燥薄膜的退火之后，形成有序的相分离。
可以用几种常规的方法来实现聚合物相的干燥。例如可使用热辊，所述热辊同时施加定向的压力和剪切以及热。还可以通过其它方法施加热，例如红外源、微波源、电阻线圈、热空气或热气体以及两者的组合。还可以通过辐射源施加热。在另一个例子中，在施加热来干燥聚合物涂层的同时，可以施加电场。用带电的热辊施加热。如果所述辊不带电，那么可以通过常用的装置，例如电晕器件(corona device)来施加电场。还可以通过将上面列出的技术组合起来来同时施加热、电场和剪切力。这一想法通常是有效的(in scope)且并不受限于施加技术的性质。
嵌段共聚物(双嵌段、三嵌段、四嵌段、星形嵌段、接枝嵌段)可用于在纳米尺寸(小于100纳米)形成周期性结构。[Stoykovich等人，“Directed Assembly ofBlock Copolymer Blends into Nonregular Device-Oriented Structures(嵌段共聚物掺混物定向组装成不规则的器件取向的结构)”，Science 308，第1442-1445页(2005)]。
嵌段共聚物(双嵌段、三嵌段、四嵌段、星形嵌段、接枝嵌段)可用于在纳米尺寸(小于100纳米)形成周期性结构。[Stoykovich等人，“Directed Assembly ofBlock Copolymer Blends into Nonregular Device-Oriented Structures(嵌段共聚物掺混物定向组装成不规则的器件取向的结构)”，Science 308，第1442-1445页(2005)]。通过将两种或多种不兼容的聚合物链在末端连接在一起来形成嵌段共聚物。相分离由聚合物链的尺寸(聚合物链的尺寸通常为几十纳米)和链间的相互作用来确定。通过改变连接在一起的链的长度，可以控制组分的体积分数，并且当赋予链流动性(mobility)时，自动形成有序的形貌，从球形区域的体心阵列(S)到六边形堆砌的圆柱形区域(C)，到螺旋形(G)到交替的层状区域(如图4所示)。随着聚合物的体积比的变化，发生反相变化。然后，形成反相的六角形堆砌的圆柱形区域(C*)，螺旋形(G*)和反相的球形区域(S*)。
在该薄膜中，通过控制这些区域的取向并通过用标准光刻工艺选择性地除去一种组分或通过使用相选择化学性质，很有机会将这些纳米尺寸的元件的阵列作为制造新的器件和结构的模板和支架。对这些元件取向的控制在于控制薄膜相对于嵌段共聚物形貌周期(同量)的厚度和控制两种嵌段与下层的基片和表面相互作用的方式。例如，当将旋涂的聚苯乙烯-嵌-聚(甲基丙烯酸甲酯)双嵌段共聚物薄膜放置在钝化的硅晶片上并加热到其玻璃化转变温度以上时，扫描力显微照片显示PMMA圆柱体的取向垂直于薄膜表面，并且所述圆柱体穿透整个薄膜。当曝光于紫外辐射并接触醇洗液(一种标准的工业操作)后，产生具有纳米孔的薄膜，其中孔的尺寸与原始的共聚物的圆柱形区域的尺寸相同。所述具有纳米孔的薄膜在闪存盘应用中被用作构建浮栅的模板并用作产生用于存储器件的纳米尺寸磁元件的支架。
适合用于本发明的嵌段共聚物可以具有不同的化学性质。它们可通过阴离子、阳离子或活性自由基聚合制得。感兴趣的嵌段聚合物可包括不止一种嵌段。它可以是双嵌段、三嵌段、四嵌段、星形嵌段和接枝嵌段的。一个嵌段可以包含无规共聚物。一个嵌段可以是晶体。一个嵌段可以是液晶。一个嵌段在室温下可以是塑料。一个嵌段在室温下可以是橡胶样的。一个嵌段可以是疏水的。一个嵌段可以是亲水的。可用于形成嵌段共聚物的聚合物的例子包括但不限于：聚(苯乙烯)；聚亚二甲苯基(polyxylyene)；乙烯基聚合物，例如聚(乙烯基咔唑)、聚(乙酸乙烯酯)、聚(乙烯醇)、聚(氯乙烯)、聚(乙烯醇缩丁醛)、聚(偏二氯乙烯)、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物等；聚丙烯酸类，例如聚(丙烯酸乙酯)、聚(丙烯酸正丁酯)、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚(甲基丙烯酸乙酯)、聚(甲基丙烯酸正丁酯)、聚(甲基丙烯酸正丙酯)、聚(丙烯酰胺)、聚丙烯腈、聚(丙烯酸)、乙烯-丙烯酸共聚物；乙烯-乙烯醇共聚物；丙烯腈共聚物；甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚物；乙烯-丙烯酸乙酯共聚物；甲基丙烯酸化的丁二烯-苯乙烯共聚物等；聚二烯，例如聚(丁二烯)、聚(异丁烯)、聚异戊二烯，聚醚，例如聚环氧乙烷、聚环氧丙烷等；多元醇(polyol)，例如聚乙烯醇等；聚乙酸乙烯酯和缩醛。双嵌段共聚物的例子包括聚苯乙烯-丙烯酸酯。所述丙烯酸酯可以是甲基丙烯酸甲酯。
一些有用的双嵌段共聚物是聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯-聚丁二烯、聚苯乙烯-聚环氧乙烷。数均分子量为1000-100000g/mol，一种嵌段的体积分数为0.3-0.7。
在一种实施方式中，双嵌段共聚物相分离为层状结构，所述层状结构具有垂直于平面的相。相A和B的长度为10-100纳米。所述双嵌段共聚物的相A的长度优选为10-20nm，所述相B优选的长度为20-50纳米。例如，有用的双嵌段共聚物是由聚苯乙烯-嵌-聚丁二烯组成的。另一种有用的双嵌段共聚物是由聚苯乙烯-嵌-聚(甲基丙烯酸甲酯)组成的。数据分子量为14600，聚苯乙烯的体积分数为0.5，所述嵌段共聚物形成层状结构，该层状结构的周期性相长度为15纳米。(Corvazier等人，J.Mater Chem，2001，11，2864)。还已知半结晶的双嵌段共聚物往往会形成层状结构。
然后，通过蚀刻或溶解工艺除去聚合物A相。在聚苯乙烯-嵌-聚(甲基丙烯酸甲酯)的情况下，聚合物A相是聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)，聚合物B相是聚苯乙烯(PS)。通过将所述薄膜曝光于紫外辐射，聚合物A相(PMMA)分解，聚合物B相(PS)交联。PMMA是微电子工业中常用的标准光致抗蚀剂。在聚苯乙烯-嵌-聚(丁二烯)的情况下，将所述填充物(fill)暴露于臭氧将会交联PS(B相聚合物)并降解聚(丁二烯)(A相聚合物)。在很多其它的嵌段共聚物体系中，可以选择性地除去含有纳米尺寸的圆柱形区域的次要组分。
本发明然后需要通过蚀刻工艺除去位于相A聚合物下面的铝或其它导电材料，所述蚀刻工艺使用剩余的聚合物(抗蚀剂)链段作为掩模。一种优良的蚀刻工艺的标准是具有大的参数窗(window for the parameter)，例如蚀刻时间和抗蚀剂的降解。所述蚀刻工艺可被分成两种方法，干法和湿法。
在湿法铝蚀刻中，组分是磷酸、乙酸和硝酸(PAN蚀刻)。可以变化这些组分来得到不同的蚀刻速率以及对可能存在的其它金属的选择性。湿法蚀刻的缺点在于它是各向同性的。这就会产生倾斜的外形(profile)，因为聚合物光致抗蚀剂掩模的凹割(undercutting)。在非结晶材料上使用湿法蚀刻难以得到很高的长宽比。
用于铝的最常见的干法蚀刻工艺是反应离子蚀刻(RIE)。反应离子蚀刻使用微波来在低压气体中产生等离子体。所述气体中具有这样一种组分，该组分在受激时能产生反应性物质(species)，例如自由基和离子。将所述离子加速成电极。通常，样品紧挨其中的一个电极。从而所述离子以特定的角度取向，通常垂直于样品。所述离子与表面反应并化学蚀刻所述材料。
通常，用基于卤素的等离子体对铝进行反应性离子蚀刻。四氯化碳或氯仿作为卤素前体，与惰性气体混合。所述等离子体产生氯离子(chlorine radicalion)，其与铝反应形成挥发性的三氯化铝。由于离子流动方向的各向异性，这种类型的铝蚀刻可以得到高长宽比的壁。由于氯离子与大部分的有机物缓慢反应，产生挥发性物质，故抗蚀剂在蚀刻过程中具有优良的分辨率。
最后，通过除去聚合物B来在微图案化的基片上形成导电图案。
本发明具有通用性，可以想到在塑料基片上使用几种形状和尺寸的沟槽，来引导和指引双嵌段共聚物相分离特征(例如圆形、三角形、圆柱形、棱椎形等)的自组装，其随后可用作模板/掩模来沉积实践上感兴趣的空间排列的材料，例如金属、半导体、磁性材料等。本发明还可使用嵌段共聚物中的一种聚合物作为功能特征本身。通过用具有特定性质的纳米材料预填充所述共聚物，可以产生具有新性质(例如金属的、半导电的或结缘的，并除去了一种聚合物)的纳米特征。这些有序的纳米特征可以位于或不位于导电表面上。
从下面的详细描述中可明白这些和其它优点。
以下的实施例示出了本发明的实施。不意于穷尽本发明所有可能的变化。除非另有说明，份数和百分比都是基于重量的。
实施例
用微复制工艺预图案化挠性塑料片或塑料卷(例如PET)，以产生如图5和图6(a)所示的长方形沟槽阵列。P、W和D表示沟槽的栅距、壁宽和高度，所述沟槽分布于沿着挠性基片的整个长度上，所述沟槽是任意的和/或由制造能力决定的。沟槽的栅距(P)可以在1到100微米之间变化，但优选为5-25微米。沟槽的壁宽(W)可以在0.5到25微米的范围内，但优选在1-10微米的范围内。沟槽的深度(D)可以在0.25到5微米的范围内，但优选在0.5-1微米的范围内。然后，以共形方式用金属薄层(优选铝)涂覆所述挠性片或卷(图6(b))。金属薄层的厚度可以为0.05-0.5微米，优选0.1-0.2微米。涂层的共形性质导致金属涂层填充沟槽的凹槽和凸起，例如用以复制所述微复制的图案。然后，用共聚物混合物(A、B)的薄层来涂覆金属薄膜(图6(c))。所述涂层的厚度可以为0.01-0.1微米，优选为0.02-0.05微米。所述涂层在性质上再次共形，例如用以复制所述微复制的图案。然后，用双嵌段共聚物薄膜来涂覆所述共聚物涂层。双嵌段共聚物的组分(A、B)与共聚物混合物中的组分相同。所述双嵌段共聚物的厚度可以为0.05-1微米，优选0.1-0.25微米。
对于一些实施方式，有利的是使用含有能交联的组分的嵌段共聚物。该组分可以在除去另一组分之前或在除去另一组分的过程中交联，因此可以为共聚物增加结构一体性。该组分被称为基质组分(matrix component)。适合的基质组分包括聚苯乙烯、聚丁二烯、聚二甲基硅氧烷和其它聚合物。被除去的组分可称为芯组分。适合的芯组分包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚丁二烯、聚己内酯或光致抗蚀剂。
可以使用任何的嵌段共聚物，例如烷基/烷基、烷基/芳基、芳基/芳基、亲水/亲水、亲水/疏水、疏水/疏水、带正电荷或负电荷的/带正电荷或负电荷的、不带电荷的/带正电荷或负电荷的、或不带电荷的/不带电荷的。
所述共聚物可含有纳米颗粒，所述纳米颗粒可具有金属、半导电或绝缘性质。纳米颗粒的一些例子是金、银、硒化镉、硅、硫化锌等。可以对纳米颗粒进行选择以使得在聚合物的相分离过程中，所述纳米颗粒可以偏向于或不偏向于分离到一种聚合物中。
所述共聚物可含有生物材料，例如DNA。
可以由普通溶剂或共溶剂的混合物涂覆所述共聚物。为了使分子在共聚物中流动，可将夹心结构加热到共聚物的玻璃化转变温度以上。
接下来，如图6(d)所示，除去与基片相关的共聚物的双嵌段共聚物的组分之一，例如芯组分。可以通过曝光于辐射(例如紫外光、X光辐射、γ辐射、可见光、热或电子束或选择性降解次要组分的任何其它辐射源)来除去组分。还可使用降解或分解剂，例如反应性的氧物质，包括例如臭氧或诸如乙醇的溶剂。可使用紫外光来降解例如作为芯组分的聚甲基丙烯酸甲酯。可使用乙醇来降解例如聚丁二烯。
在该处理之后，可用化学洗液除去分解副产物，通常形成孔尺寸为几十纳米的多孔材料。除去任何残留组分的步骤包括用液体处理，包括用溶剂或偏向于与残留组分反应的物质(例如酸或碱)洗涤。在一些实施方式中，用来与残余的已降解的组分反应的物质可以是例如稀乙酸。在该步骤中，样品溶剂或另一种溶剂或蚀刻溶液用来溶解金属。例如，可使用氢氧化钠来蚀刻铝(图6(e))。之前被现在已除去的共聚物组分填充的体积现在包括穿过薄膜的厚度向基片(例如PET)延伸的长方形的平行六面体空间。剩余的体积被余下的共聚物组分(被称为基质)所占据。
在一些实施方式中，任选地交联共聚物薄膜的组分是有利的。通过光源或试剂使未降解的组分交联可以为薄膜增加结构强度。在一些实施方式中，共聚物组分的交联与另一种共聚物组分的降解同时进行。所述辐射可任选且有利地使所述双嵌段共聚物的基质组分交联并基本上固定化，以使得基质即使在长方形的平行六面体空隙形成后仍然保持阵列结构。纳米多孔阵列模板是所得到的整个结构。例如，在位于聚苯乙烯(PS)基质中的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的情况下，紫外辐射降解PMMA，而交联PS。有利的是，在整个降解过程中都保持着共聚物最初的形貌。还可以使用除去一种或另一种组分的其它方法(例如化学方法)。所述孔/空隙的宽度可以为约5-500纳米或更大，周期可以为约5.0-500纳米。
制造方法的最后一步(图6(f))需要通过用适当的溶剂溶解或通过辐射等除去双嵌段共聚物的基质组分和任何的下层共聚物涂层。该方法露出了金属(例如铝)线纳米阵列，该阵列可用作光偏振片。
已经参照某些优选的实施方式描述了本发明，但是应理解，可以在本发明的精神和范围内进行各种变化和修改。

Claims (20)

1.一种在基片上形成纳米结构图案的方法，所述方法包括：
提供基片；
用功能材料涂覆所述基片，以形成功能材料层；
用至少有A聚合物链和B聚合物链的嵌段共聚物涂覆所述功能材料层；
干燥所述嵌段共聚物，以形成有序的纳米域；
除去已干燥的嵌段共聚物的A聚合物链，以形成空隙；以及
从A聚合物链已被除去之处除去所述功能材料。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基片是微图案化的。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述干燥是在施加剪切力外能的条件下进行的。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述干燥是在施加电场的条件下进行的。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述微图案化的基片含有凹槽，所述凹槽具有基本上平坦的底部和小于10微米的栅距。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述功能材料包括导电材料。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述导电材料选自铝、银、金、镍、铜、氧化铟锡、氧化锑锡、聚噻吩、聚苯胺和聚乙炔。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述A聚合物链包括聚甲基丙烯酸甲酯或聚丁二烯，所述B聚合物包括聚苯乙烯。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，除去所述已干燥的嵌段共聚物的B聚合物链，而不除去所述功能材料。
10.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述凹槽的深度为50-600纳米。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述A聚合物链包括丙烯酸类聚合物。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述B聚合物链包括苯乙烯。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述A聚合物链包括至少一种选自下组的聚合物：乙烯基聚合物、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、聚丙烯酸类、聚(丙烯酰胺)、聚丙烯腈、聚(丙烯酸)、乙烯-丙烯酸共聚物、乙烯-乙烯醇共聚物、聚醚和多元醇。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述B聚合物链包括至少一种选自下组的聚合物：聚(苯乙烯)、聚亚二甲苯基、乙烯基聚合物、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、聚丙烯酸类、聚(丙烯酰胺)、聚丙烯腈、聚(丙烯酸)、乙烯-丙烯酸共聚物、乙烯-乙烯醇共聚物、聚醚、多元醇、聚乙酸乙烯酯和缩醛。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，除去A聚合物链的步骤包括紫外辐射降解。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，除去A聚合物链的步骤包括溶剂去除。
17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基片选自玻璃、热塑性树脂、纤维素醚、纤维素酯、聚烯烃、聚丙烯酸类、乙烯-乙烯醇共聚物、丙烯腈共聚物、甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚物、乙烯-丙烯酸乙酯共聚物、甲基丙烯酸化的丁二烯-苯乙烯共聚物、聚碳酸酯、聚醚、聚酮、聚亚苯基、聚硫化物、聚砜、聚内酯、聚氨酯、线性长链二醇、聚醚醚酮、聚酰胺、聚酯、聚(亚芳基氧)、聚(亚芳基硫)、聚醚酰亚胺、离聚物、聚(表氯醇)、呋喃树脂如聚(呋喃)、聚硅氧烷、聚四氟乙烯和聚缩醛。
18.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述A聚合物链的长度为10-100纳米。
19.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述B聚合物链的长度为10-100纳米。
20.如权利要求1所述的方法，其特征在于，它还包括除去已干燥的嵌段共聚物的B聚合物链。
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