TWI473726B

TWI473726B - 形成圖案化金屬改質層之方法

Info

Publication number: TWI473726B
Application number: TW98123861A
Authority: TW
Inventors: Sun Zen Chen; Tai Bor Wu; Ching Wen Chang; Wen Feng Kuo; Ruo Ying Wu
Original assignee: Nat Univ Tsing Hua
Priority date: 2009-07-15
Filing date: 2009-07-15
Publication date: 2015-02-21
Also published as: TW201102189A; US20110011148A1

Description

形成圖案化金屬改質層之方法

本發明係關於一種形成圖案化金屬改質層之方法，尤指一種結合金屬直接壓印及表面改質而形成圖案化金屬改質層之方法。

為了增加材料之產品應用性，目前已發產出各種的圖案化加工技術，以將材料表面微、奈米結構化。現今能達到奈米尺寸之圖案化加工技術，係如：電子束微影、離子束微影、光微影術、及奈米壓印等技術。其中，由於奈米壓印具有解析度高、速度快、及成本低廉等優點，已可廣泛應用在各種領域中。

圖1A至圖1E係習知使用奈米壓印形成圖案化金屬層之流程之剖面示意圖。首先，如圖1A所示，提供一基板10、以及一模具11。其中，基板10上覆蓋有一光阻層101，而模具11則具有一具凹槽111及凸緣112之預定圖案。接著，如圖1B所示，將模具11壓印在基板10之光阻層101上；因光阻層101為熔融狀態，故光阻層101可充分填充在模具11之凹槽11中。於移除模具11後，則可將模具11上之預定圖案轉印至光阻層101上，如圖1C所示。經曝光顯影後，以圖案化之光阻層101做為一蝕刻模板，以蝕刻基板10。移除光阻層101後，則可得到一圖案化之基板10，如圖1D所示。最後，沉積一金屬層12，則可得到一圖案化之金屬層12。

雖然奈米壓印可以便宜且快速的方法製作出具有高解析度之圖案化基板，但若要形成圖案化之金屬層，則須再進行沉積與掀離製程或蝕刻製程，這些製程常會因無法掌控製程參數而造成所得的金屬圖案失真，除造成解析度的下降外更甚地是導致製程的失敗。

另一方面，目前已將金屬氧化物廣泛應用在各個領域中。例如，二氧化鈦可應用在電子材料(染料敏化太陽能電池(DSSC))、光觸媒、及各種生醫材料(生醫殖體)等。其中，若能將二氧化鈦層圖案化，勢必可增加DSSC或生醫殖體之使用效率。此外，目前常用之光觸媒多為粉末狀，往往容易對於呼吸系統造成傷害，若能使用具圖案化之二氧化鈦金屬改質層做為光觸媒，除了可提升光觸媒效率外，更可解決粉塵的問題。

有鑒於改質金屬層之應用廣泛，且圖案化之改質金屬層更可提升產品之使用效率，因此，若能發展出一種簡易之形成圖案化改質金屬層之方法，則可提升製程效率且降低生產成本。

本發明之主要目的係在提供一種形成圖案化金屬改質層之方法，俾能以簡單的製程形成圖案化金屬改質層，以降低製作成本及降低製程的複雜程度，並同時增加成品的適用性。

為達成上述目的，本發明之形成圖案化金屬改質層之方法，包括：(A)提供一金屬基材、以及一具有一圖案之模具；(B)將模具壓印在金屬基材上，以將模具之圖案轉印至金屬基材；(C)移除模具；以及(D)改質金屬基材，以形成一圖案化之金屬改質層。

據此，本發明係直接於金屬基材上進行壓印，故無須進行曝光顯影或蝕刻等製程，即可將模具上之圖案轉印至金屬基材上，而可大幅降低製作成本及降低製程複雜程度。同時，為了使圖案化金屬基材之應用領域更佳廣泛，本發明更將金屬基材進行改質，以形成圖案化之金屬改質層。因此，本發明透過結合金屬直接壓印及改質，可形成能廣泛應用在多種領域之圖案化金屬改質層。

於本發明之方法中，金屬基材可為一金屬塊、或一表面具有一金屬層之基板。其中，基板之材質並無特殊限制，較佳為一矽基板、一玻璃基板、或一石英基板。此外，金屬塊及金屬層之材質並無特殊限制，只要是軟性金屬即可。較佳地，金屬塊及金屬層之材質係選自由鋁、鈦、鋅、銅、銀、鎳、金、鉑等所組成之群組。更佳地，金屬塊及金屬層之材質係為鋁、鋅、金或鈦。藉此，本發明之方法，係藉由軟質金屬可彈性變形的特性，而可直接壓印金屬基材以圖案化金屬基材。

於本發明之方法中，金屬基材之待圖案化表面並不限定為一平面，亦可為一曲面(凹面、凸面、或波浪面)。

於本發明之方法中，步驟(B)係採用熱壓式奈米壓印技術，以將模具上之圖案轉印至金屬基材表面。另外，步驟(D)則可透過熱處理、電漿處理、或快速熱退火處理(RTA or RTP)，以改質金屬基材。其中，電漿處理可為氮電漿處理、氧電漿處理或混合電漿(如：氧氬、氮氬電漿…)等等。若使用氮電漿或氮氬電漿處理，則可形成氮化金屬層；若使用氧電漿或氧氬電漿處理，則可形成氧化金屬層。又其中，對熱處理與快速熱退火處理而言，於製程中通入的氣氛可以是單一成份氣體(如：氧、氮、氫、氬…)，或是混合成份的氣體(如：氮氬、氧氬、氫氧…)，亦可以在真空下進行改質處理。若在含氧的氣氛下進行改質處理，則可形成氧化金屬層；若在含氮的氣氛下進行改質處理，則可形成氮化金屬層；若在鈍氣氣氛(如：氬氣氛)或是真空下進行改質處理，則可改變金屬晶態或微結構。較佳地，本發明所形成之金屬改質層係為氧化鋁(Al₂ O₃ )層、氮化鋁(AlN)層、二氧化鈦(TiO₂ )層、或氮化鈦(TiN)層。

此外，於本發明之方法中，金屬基材之厚度並無特殊限制。若金屬基材為一金屬塊時，於步驟(D)之改質金屬基材後，可將整個金屬塊改質(全部改質)、或僅將金屬塊之表面改質(部分改質)。若金屬基材為一表面具有一金屬層之基板時，則可將整個金屬層、或部分金屬層進行表面改質。其中，金屬層之厚度並無特殊限制，可依照所應用之領域做選擇，較佳係介於1nm~5μm之間。此外，所形成之金屬改質層亦無特殊限制，可依照所應用之領域而改變金屬改質層之厚度。較佳地，金屬改質層之厚度係介於1nm~5μm之間；更佳係介於2nm~2μm之間。

再者，於本發明之方法中，圖案化之金屬改質層表面具有凹凸的圖案，即包括凹槽及凸緣。其中，圖案中之凹槽及凸緣的尺寸並無特殊限制，可依照所應用之領域做選擇，而形成奈米級或微米級之圖案。較佳地，凹槽之深度係介於1nm~3μm之間，而寬度係介於3nm~300μm之間。更佳地，凹槽之深度係介於2nm~1μm之間，而寬度係介於3nm~10μm之間。

經由上述製程所製得一圖案化金屬改質層可應用在電子材料(如染料敏化太陽能電池)、光觸媒、各種生醫材料(生醫殖體)、及各式耐磨器具等。

當應用在染料敏化電池時，圖案化二氧化鈦層或氧化鋅層可增加電極之反應表面積，以提升DSSC之光電轉換效率。

此外，習知之二氧化鈦光觸媒，係利用奈米級之二氧化鈦顆粒聚集而成，因此有奈米顆粒是否影響到呼吸系統的疑慮，然而，若使用本發明製作圖案化二氧化鈦層，就無粉塵釋出的疑慮。同時，更因二氧化鈦層之圖案化，可提升反應之表面積，而維持良好之觸酶反應效率。

再者，若將圖案化二氧化鈦層或圖案化之改質鈦層應用在生醫材料時，由於表面具有奈米圖案，故可增加接觸表面積，因而提升生醫材料之反應效率與適用性。

另一方面，當使用圖案化氧化鋁層做為反光材料時，可透過氧化鋁層之孔穴狀的圖案，而增加反射率。

此外，因氮化鈦層具有高硬度之特性，故可依照所應用之領域，利用本發明所提出之方法形成圖案化之氮化鈦層，以增加元件表面之耐磨性。

以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可針對不同觀點與應用，在不悖離本創作之精神下進行各種修飾與變更。

實施例1

圖2A至圖2D係本實施例形成圖案化金屬改質層流程之剖面示意圖。

首先，如圖2A所示，提供一金屬基材20，其中，此金屬基材20係為一表面具有一金屬層202之基板201。此外，更提供一模具21，其中，此模具21具有一具凹槽211及凸緣212之預定圖案。於本實施例中，基板202係為一矽基板，金屬層202之材質係為鈦，且金屬層202之厚度T係為100nm。

接著，如圖2B所示，藉由熱壓式奈米壓印技術，將模具21壓印在金屬基材上20。當將模具21移除後，可使模具21上之圖案轉印至金屬基材20之金屬層202上，如圖2C所示。其中，金屬層202之凸緣2021係對應於模具21之凹槽211，而金屬層202之凹槽2022則對應於模具之凸緣212。

而後，如圖2D所示，改質金屬基材20之金屬層202，以形成一金屬改質層23。在此，係使用熱處理將整個金屬層202進行改質，而形成氧化金屬層。因本實施例之金屬層202之材料為鈦，故改質後之金屬改質層23則為一二氧化鈦(TiO₂ )層。

此外，金屬改質層23之圖案係與金屬基材202之金屬層202圖案相同，亦為具凸緣231及凹槽232之圖案。其中，凹槽232之寬度W為10nm，而深度D為50nm。

實施例2

圖3A至圖3C係本實施例形成圖案化金屬改質層流程之剖面示意圖。於本實施例中，形成圖案化金屬改質層之流程與實施例1相似。

首先，提供一金屬基材20、以及一具有一圖案之模具22，如圖3A所示。於本實施例中，金屬基材20係為一金屬塊，且金屬塊之材質為鋁。

而後，將模具22壓印在金屬基材20上，以將模具22之圖案轉印至金屬基材20。將模具移除後，則可得到一圖案化之金屬基材20，如圖3B所示。

最後，改質金屬基材20，以形成一圖案化之金屬改質層23。在此，係使用氧電漿處理將金屬基材20之表面進行部分改質，而形成一氧化金屬層。因本實施例之金屬基材20之材料為鋁，故改質後之金屬改質層23則為氧化鋁(Al₂ O₃ )層。

於本實施例中，所形成之金屬改質層23之厚度T為100nm。此外，金屬改質層23具有一具凸緣231及凹槽232之圖案。其中，凹槽232之寬度W為100nm，而深度D為20nm，且凹槽232之形狀係為孔穴狀。

實施例3

本實施例之製作流程係與實施例1相同，除了使用氮電漿處理取代熱處理進行改質。因此，本實施例可製得一圖案化之氮化鈦層。

綜上所述，本發明之形成圖案化金屬改質層之方法，係直接於軟質金屬上進行壓印，故無須再透過蝕刻或沉積金屬層之方式，即可形成圖案化金屬層。因此，本發明可以一種比傳統製程更加簡便之方法形成圖案化金屬層，故可減少製作成本及及降低製程的複雜程度，並同時增加成品的適用性。同時，本發明之方法更結合改質技術，以將圖案化金屬層進行改質，而形成可應用在各種不同領域中之圖案化金屬改質層。

上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。

10‧‧‧基板

101‧‧‧光阻層

11‧‧‧模具

111,2022,211,232‧‧‧凹槽

112,2021,212,231‧‧‧凸緣

12,202‧‧‧金屬層

20‧‧‧金屬基材

201‧‧‧基板

21‧‧‧模具

23‧‧‧金屬改質層

D‧‧‧深度

W‧‧‧寬度

T‧‧‧厚度

圖1A至圖1E係習知使用奈米壓印形成圖案化金屬層之流程之剖面示意圖。

圖2A至圖2D係實施例1形成圖案化金屬改質層流程之剖面示意圖。

圖3A至圖3C係實施例2形成圖案化金屬改質層流程之剖面示意圖。

20．．．金屬基材

201．．．基板

202．．．金屬層

21．．．模具

211,2022,232．．．凹槽

212,2021,231．．．凸緣

23．．．金屬改質層

D．．．深度

W．．．寬度

Claims

一種形成圖案化金屬改質層之方法，包括：(A)提供一金屬基材、以及一具有一圖案之模具；(B)將該模具壓印在該金屬基材上，以將該模具之該圖案轉印至該金屬基材；(C)移除該模具；以及(D)透過熱處理、電漿處理、或快速熱退火處理改質該金屬基材，以形成一圖案化之金屬改質層，其中該金屬改質層係為一氧化金屬層或一氮化金屬層。
如申請專利範圍第1項所述之形成圖案化金屬改質層之方法，其中步驟(D)係全部改質或部份改質該金屬基材。
如申請專利範圍第1項所述之形成圖案化金屬改質層之方法，其中該金屬基材係為一金屬塊、或一表面具有一金屬層之基板。
如申請專利範圍第3項所述之形成圖案化金屬改質層之方法，其中該金屬塊及該金屬層之材質係為一軟性金屬。
如申請專利範圍第4項所述之形成圖案化金屬改質層之方法，其中該軟性金屬係選自由鋁、鈦、鋅、銅、銀、鎳、金、鉑所組成之群組。
如申請專利範圍第4項所述之形成圖案化金屬改質層之方法，其中該軟性金屬係為鈦。
如申請專利範圍第1項所述之形成圖案化金屬改質層之方法，其中該金屬改質層係為氧化金屬層。
如申請專利範圍第7項所述之形成圖案化金屬改質層之方法，其中該氧化金屬層係為氧化鋁(Al₂ O₃ )層、或二氧化鈦(TiO₂ )層。
如申請專利範圍第1項所述之形成圖案化金屬改質層之方法，其中該金屬改質層係為氮化金屬層。
如申請專利範圍第9項所述之形成圖案化金屬改質層之方法，其中該氮化金屬層係為氮化鈦(TiN)層。
如申請專利範圍第3項所述之形成圖案化金屬改質層之方法，其中該基板係為一矽基板、一玻璃基板、或一石英基板。
如申請專利範圍第1項所述之形成圖案化金屬改質層之方法，其中該電漿處理係為氧電漿處理、或氮電漿處理。
如申請專利範圍第1項所述之形成圖案化金屬改質層之方法，其中該金屬改質層之厚度為1nm~5μm。
如申請專利範圍第4項所述之形成圖案化金屬改質層之方法，其中該金屬層之厚度為1nm~5μm。
如申請專利範圍第1項所述之形成圖案化金屬改質層之方法，其中該金屬改質層包括一凹槽。
如申請專利範圍第15項所述之形成圖案化金屬改質層之方法，其中該凹槽之深度為1nm~3μm。
如申請專利範圍第15項所述之形成圖案化金屬改質層之方法，其中該凹槽之寬度為3nm~300μm。
如申請專利範圍第15項所述之形成圖案化金屬改質層之方法，其中該金屬基材之表面係為一平面或一曲面。