УСТРОЙСТВО, СОДЕРЖАЩЕЕ САМООРГАНИЗУЮЩИЙСЯ СЛОЙ, И СПОСОБ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ
DEVICE COMPRISING A SELF-ASSEMBLING LAYER AND A METHOD OF MODIFYING THE SURFACE

Настоящая заявка относится к микроэлектронике. В частности, настоящая заявка относится к пленкам, модифицированным самоорганизующимся слоем (СОС) и способам модификации поверхности.
Полимеры и силиконовые эластомеры в последнее время представляют собой новый класс материалов для печатной и гибкой микроэлектроники. Механические свойства полимеров и эластомеров позволяют создавать гибкие устройства с изменяемым форм-фактором. Электромеханическая целостность печатных схем основывается на гибких функциональных слоях, которые могут выдерживать механические деформации без ухудшения производительности. Функциональные слои на гибких подложках, как правило, изготавливаются путем нанесения с помощью технологий печати, таких как трафаретная печать, струйная печать, флексография и гравюрная печать благодаря простоте, высокой скорости и низкой стоимости.
Большинство полимеров и эластомеров, широко используемых в качестве субстратов в печатной электронике, имеют относительно гидрофобные и инертные поверхности. Например, свободная поверхностная энергия ПДМС (поли(диметилсилоксан)), являющегося очень популярным материалом для изготовления гибких и эластичных устройств, составляет менее 20 мН/м.
Далее описаны основные варианты модификации настоящего изобретения, как определено в Формуле изобретения, и даны некоторые определения.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения, раскрывается устройство. Устройство состоит из полимерной подложки и самоорганизующегося слоя (СОС), включающего олигомер на основе алкоксисилана, химически связанный с полимерной подложкой.
В соответствии с данным изобретением устройством может быть пленка. Это может быть, например, тонкая пленка с толщиной от 1 до 1000 микрометров. Устройство может представлять собой пленку с модифицированной поверхностью. В соответствии с данным изобретением, устройство может включать в себя пленку.
Олигомером может являться любой молекулярный комплекс, который состоит из ограниченного числа мономерных звеньев. «Химически связанный» означает соединенный химическими связями, такими как ковалентные и/или ионные связи.
В соответствии с данным изобретением, пленка дополнительно содержит металлический слой, химически связанный с СОС.
Металлический слой может быть связан с СОС с помощью прочных химических связей.
В соответствии с данным изобретением, металлический слой содержит по меньшей мере один из следующих металлов: серебро, золото, медь, никель и кобальт.
В соответствии с данным изобретением, полимерная подложка содержит по меньшей мере один из следующих полимеров: полидиметилсилоксан (ПДМС), полиэтилентерефталат (ПЭТ), полиэтиленнафталат (ПЭН), полиимид (ПИ), полиэфир эфиркетон (ПЭЭК), поликарбонат (ПК), полиметилметакрилат (ПММА), иполисульфон (ПС).
В соответствии с данным изобретением, алкоксисилан на основе олигомера состоит из молекул олигомеров с различной длиной цепи. Длина цепи и, как следствие, молекулярная масса олигомера влияет на физические свойства раствора олигомера, который может быть использован для корректировки условий осаждения в технологическом процессе.
Длина цепи означает здесь число звеньев мономера в молекуле олигомера. Другими словами, в соответствии с данным изобретением длина цепи каждой молекулы олигомера может варьироваться от 2 до 1000 мономерных звеньев.
В соответствии с данным изобретением, характерный размер СОС составляет от 10 нанометров до 20 микрометров, и характерный размер подложки составляет от 1 до 1000 мкм.
Под характерным размером подложки и/или любого слоя понимается наименьший размер в трех измерениях подложки и/или слоя. Этот размер обычно называют "толщина".
2
3
3
В соответствии с данным изобретением, СОС дополнительно содержит концевые группы, содержащей по меньшей мере одну из следующих химических групп или их производных: -SH, -SeH, -NH, -ОН, -СООН, -СООСН, -CN, and -S0H.
Концевыми группами называются химические группы, которые находятся на поверхности или внутри СОС, а не на границе раздела фаз между СОС и полимерной подложкой. Например, если металлические чернила, состоящие из частиц металла оседают на СОС, концевые группы могут служить для взаимодействия с металлическими частицами чернил, например, при хемосорбции. Концевые группы могут быть концевыми группами олигомеров, из которых состоит СОС.
В соответствии с данным изобретением, СОС дополнительно содержит якорные группы, включающие алкоксисилильные.
3
3
2
5
К якорным группам относятся химические группы, которые находятся на границе раздела фаз между СОС и полимерной подложкой или внутри СОС вблизи границы раздела фаз. Якорные группы могут реагировать с поверхностью полимерного субстрата и/или друг с другом при определенных условиях. Их функция может, например, заключаться в связывании СОС и полимерного субстрата и/или в связывании в толще СОС при взаимодействии между собой. Якорными группами могут быть якорные группы олигомеров, из которых состоит СОС. Например, якорные группы может представлять собой -Si(OCH) и Si(OCH). Эти якорные группы могут образовывать сильные ковалентные связи с гидроксильными группами на поверхности полимера, независимо от химической природы полимера, например, они могут быть использованы как с ПЭН, так и с ПДМС подложками, несмотря на их различный химический состав. Якорные группы могут быть также выбраны из хлорсиланов и фосфорсодержащих производных.
В соответствии с данным изобретением, компоненты устройства являются гибкими.
Гибкие компоненты устройства в соответствии с данным изобретением могут использоваться, например, при изготовлении гибких микроэлектронных устройств.
В качестве примера, металлический слой состоит из чернил, включающих наночастицы.
Чернила, содержащие наночастицы, это коммерчески доступный продукт, который широко используется в печатной электроники. Химические связи образуются между металлическими наночастицами и концевыми группами СОС на молекулярном уровне.
В соответствии с данным изобретением, СОС наносится на полимерную подложку по шаблону.
Шаблон может быть заранее определенным шаблоном, в котором некоторые части поверхности полимерной подложки покрываются СОС, который химически связан с ней, в то время как другие части полимерной подложки остаются неохваченными. Металлический слой может быть нанесен на СОС по тому же или другому шаблону.
В соответствии с данным изобретением, устройство используется в микроэлектронных устройствах. Данное устройство может быть интегральной схемой, дисплеем, фотоэлементом, аккумуляторной батареей или датчиком (сенсором).
Согласно второму аспекту настоящего изобретения, раскрывается способ. Способ включает: подготовку полимерной подложки; модификацию поверхности полимерной подложки путем нанесения самоорганизующегося слоя (СОС), состоящего из олигомера на основе алкоксисилана, на поверхность.
Способ, в соответствии с данным изобретением, может быть, но не ограничивается, способом модификации поверхности полимера, или способом для предварительной обработки полимеров.
2
3
3
Полимерная подложка может включать, например, ПДМС и другие силоксаны, ПЭТ, ПЭН, ПИ, ПЭЭК, ПК, ПММА, и/или ПС. СОС может включать, например, концевые группы, включая -SH, -SeH, NH, -ОН, -СООН, - СООСН, -CN, и/или -SOH. Олигомеры в составе СОС могут быть синтезированы с помощью любых безводных органических растворителей, таких как, например, тетрагидрофуран, диоксан, этанол, метанол и т.д., в присутствии уксусной кислоты (или других органических кислот). Температура синтеза может изменяться от 50° до 120°С.
В соответствии с настоящим изобретением, способ дополнительно включает плазменную обработку полимерной подложки с образованием гидроксильных групп на поверхности полимерной подложки до модификации поверхности полимерной подложки.
2
Плазменной обработкой может быть, например, обработка плазмой 0. Ее можно выполнять, например, путем обработки плазмой коронного разряда или ионизированным кислородом или в плазме высокой эффективности. Плазменная обработка создает на поверхности полимера гидроксильные группы, которые индуцируют эффективное нанесение на нее СОС.
В соответствии с настоящим изобретением, СОС формируется при помощи одного из следующих методов: метод вращающейся подложки, струйная печать, аэрозольная печать, нанесения с помощью щелевой головки, методом погружением, методом нанесения покрытия с удалением излишков с помощью планки и методом налива.
В соответствии с настоящим изобретением, СОС формируется из жидкой фазы.
СОС сформированные из жидкой фазы могут быть использованы в печатной электронике. Растворы, из которых формируется СОС, позволяют использовать методы крупносерийного производства, такие как струйная печать, методом налива, метод вращающейся подложки и т.д. Все эти методы могут использоваться в процессе производства для обработки жидкостей с различным уровнем вязкости.
Нанесение в соответствии с шаблоном может привести к созданию структурированного СОС, который впоследствии может быть использован для нанесения структурированных покрытий на основе проводящих чернил.
Любой из упомянутых способов из вышеупомянутых вариантов изобретения может быть использован в процессе осаждения металлических наночастиц.
Любой из упомянутых способов из вышеупомянутых вариантов изобретения может быть использован в процессе изготовления микроэлектронного устройства.
Как понятно квалифицированному специалисту, способы в соответствии с этими вариантами осуществления не ограничиваются упомянутыми способами, и они указаны только для иллюстративных целей.
Согласно третьему аспекту настоящего изобретения раскрывается устройство. Устройство содержит: по меньшей мере один процессор; По меньшей мере одно запоминающее устройство, соединенное с, по меньшей мере, одним процессором, по меньшей мере одно запоминающее устройство
Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения раскрывается устройство. Устройство содержит средство для обеспечения и удерживания подложки и средство для модификации поверхности полимерной подложки путем осаждения СОС, содержащего олигомер на основе алкоксисилана.
Иллюстративные варианты осуществления настоящего изобретения и его потенциальные технические эффекты объясняются со ссылкой на Фиг. 1-3 чертежей.
На Фиг. 1а и 1б показаны устройства согласно настоящему изобретению. В соответствии с примерными вариантами осуществления, показанными на Фиг. la и 1б, устройство представляет собой пленку. Специалисту очевидно, что пленка, показанная на этих чертежах, является примерной реализацией настоящего изобретения, и устройство в соответствии с настоящим изобретением не ограничено структурой, показанной здесь.
На Фиг. 1, пленка содержит подложку 101, которая может содержать любой подходящий полимерный материал, например, ПДМС и другие силоксаны, ПЭТ, ПЭН, полиимид, поликарбонат, полиэфирэфиркетон или полиэфирсульфон. Вышеупомянутые материалы могут служить в качестве подложек, например, для гибких устройств. В соответствии с предлагаемым изобретением свойства подложки, такие как смачиваемость и поверхностная энергия, улучшаются за счет нанесения на нее СОС на основе олигомера алкоксисилана.
3
3
2
5
3
2
3
3
Пленка дополнительно содержит самоорганизующийся слой (СОС) 102, содержащий олигомер на основе алкоксисилана, химически связанный с полимерной подложкой 101. Олигомер на основе алкоксисилана может содержать молекулы олигомера с переменной длиной цепи. СОС 102 может содержать якорные группы и концевые группы 104. Они могут быть якорными и концевыми группами олигомера. Якорная группа может представлять собой -Si(ОСН) и/или -Si(OCH). Концевая группа 104 может содержать -SH, -SeH, -NH, -ОН, -СООН, -СООСН, -CN и -SOH.
Химические связи 103 между СОС 102 и полимерной подложкой 101 схематично показаны пунктирными линиями. Эти связи могут быть реализованы посредством якорных групп олигомера, таких как кислородосодержащая якорная группа (как показано буквой 0 в самой левой части связей 103). Понятно, что фигура представляет собой всего лишь схематическое изображение, а пропорции размеров не соблюдаются. Концевая группа 104 также схематично показаны пунктирными линиями поверх СОС 102. Все компоненты пленки могут быть гибкими.
В соответствии с настоящим изобретением роль СОС может заключаться в том, чтобы улучшить печатаемость металлических чернил за счет изменения поверхностной энергии и повысить силу адгезии чернил к полимерным подложкам путем связывания на молекулярном уровне. Для достижения достаточной адгезии якорные группы молекул СОС химически связаны с поверхностью полимера, в то время как концевые группы взаимодействуют с наночастицами, формирующими металлический слой, например, посредством хемосорбции.
СОС на основе олигомеров имеет сильную связь с поверхностью из-за многочисленных связей якорных алкоксисилановых групп и, как следствие, возможность образовывать плотные и однородные слои с головными группами, такими как концевые тиольные группы, расположенные сверху. Это облегчает реакцию олигомерного СОС с металлическими наночастицами, которые быстрее связываются с многочисленными концевыми группами и образуют более прочные связи с подложкой.
2
3
3
3
Молекулы олигомеров могут быть синтезированы путем частичного гидролиза 3-меркаптопропилтриметоксисилана, HS-(CH)-Si(OCH) с уксусной кислотой в этаноле или растворе метанола.
На Фиг. 1б показана пленка согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения. Эта пленка содержит некоторые из тех же элементов, что и пленка на Фиг. 1а, а именно полимерную подложку 101, СОС 102, содержащий олигомер на основе алкоксисилана, химически связанный с полимерной подложкой, и химические связи 103 между СОС 102 и полимерной подложкой 101. Однако, пленка в соответствии с этим вариантом осуществления также содержит слой металла 105, химически связанный с СОС 102, концевые группы 104 теперь показаны как связи между металлическим слоем 105 и СОС 102. Металлы, такие как Ag, Au, Cu, Ni, Co и другие, могут быть использованы в металлическом слое 105. Тиольные группы могут быть использованы в качестве концевых групп 104, и в этом случае связи между металлическим слоем 105 и СОС 102 являются прочными связями M-S (М означает металл).
В обоих приведенных выше примерах осуществления настоящего изобретения СОС 102 может быть размещен или нанесен на полимерную подложку 101 в виде шаблона (не показан на чертежах). Слой 105 металла также может быть расположен или нанесен на СОС 102 в соответствии с шаблоном.
Технический результат устройства в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления изобретения - это улучшенная печатаемость и адгезия проводящих чернил за счет самоорганизующегося слоя, который содержит олигомер на основе алкоксисилана. Механическая целостность СОС обеспечивает эффект конформного равномерного покрытия поверхности с помощью СС, который может использоваться, например, в гибких микроэлектронных устройствах. Структурированная пленка в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления изобретения может использоваться во многих микроэлектронных применениях, таких как формирование электродов и различные соединения в интегральных схемах, экранирующих элементах и датчиках.
На Фиг. 2 показан способ согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Этот способ подходит для модификации полимерных подложек. Согласно способу, предусмотрена подложка 201. Полимерная подложка 201 может быть подвергаться предварительной обработке. В качестве необязательного этапа, полимерная подложка может подвергаться предварительной плазменной обработке. Плазменная обработка создает на поверхности полимера гидроксильные группы 202, которые способствуют эффективному нанесению СОС 203 на них.
Затем, СОС 203 осаждают на полимерный субстрат 201 тем самым модифицируя поверхность полимерного субстрата 201. Осаждение СОС 203 на поверхность может быть осуществлено из жидкой фазы любым пригодным для этого методом, например, методом вращающейся подложки, методами струйной и аэрозольной печати, методом нанесения покрытия с удалением излишков с помощью планки, методом погружения, методом налива, методом нанесения с помощью щелевой головки и другими методами. Осаждение СОС 203 может быть произведено согласно заданной структуре.
Модификация полимерной поверхности приводит к получению пленки с улучшенной смачиваемостью и адгезией по отношению к металлам, что позволяет в дальнейшем осаждать металлические чернила или другие соединения на СОС 203. Осаждение СОС 203 согласно заданной структуре может использоваться как часть метода осаждения металлических чернил на поверхность, который может также включать в себя стадию очистки поле осаждения металла для того, чтобы удалить остатки чернил, которые не были ковалентно связаны с поверхностью в тех областях на которые не был осажден СОС 203 согласно заданной структуре. В качестве стадии очистки могут применяться такие методы как ультразвуковая очистка, механическое удаление и/или удаление с помощью ленты.
На Фиг. 3 показано увеличение адгезии серебряных чернил к полимерной поверхности в соответствии с примером реализации настоящего изобретения. В этом варианте, два типа серебренных чернил, на водной основе PSI-211 от PChem и на органической основе CRSN2442 от Sun Chemical были использованы для трафаретной печати проводящих структур на поверхности осажденного СОС. Толщина слоев чернил PSI-211 и CRSN2442 составила 1.5±0.1 мкм и 15±1 мкм соответственно. После обработки слоев чернил (2 минуты при 120°С для PSI-211 и 30 минут при 150°С для CRSN2442) наблюдалось увеличение адгезии к поверхности как субстратов ПЭН так и к поверхности субстратов ПДМС в соответствии со стандартами скотч-теста BS 3900/ASTM D-3359/DIN 53151/ISO 2409. Было показано, что модификация этих полимерных субстратов методом вращающейся подложки с помощью СОС позволяет увеличить адгезию по отношению к обоим типам серебренных чернил вплоть до 90-100% по сравнению с немодифицированными полимерными субстратами (50-80% для субстратов ПЭН и 0% для субстратов ПДМС). Струйная печать СОС на основе олигомеров также приводит к заметному улучшению адгезии, достигая значений 80-90% для субстратов ПЭН и значений вплоть до 100% для субстратов ПДМС.
В случае субстратов ПДМС тиольные группы способны формировать сильные ковалентноподобные связи со слоем серебра, в то время, как только слабое Вандерваальсовское взаимодействие должно удерживать слой серебра на поверхности не модифицированных субстратов ПДМС.
Технический результат способа в соответствии с одним или несколькими вариантами реализации настоящего изобретения состоит в том, что он может приводить к получению подложки с модифицированной поверхностью, которая имеет улучшенную смачиваемость по сравнению с естественной смачиваемостью гидрофобных полимерных поверхностей. Еще один технический результат, обеспечиваемый способом, состоит в том, что модифицированная поверхность может обладать повышенной адгезией металлических наночастиц, что может быть использовано для осаждения чернил и дальнейшего производства, например, гибких микроэлектронных устройств. Способ согласно одному или нескольким вариантам осуществления, не требует сухих условий и инертной атмосферы. Способ также может обеспечивать технических результат простого и экономически эффективного осаждения СОС на полимерные подложки.
Устройство в соответствии с настоящим изобретением может включать в себя, по меньшей мере, один процессор для связи с памятью. Процессор может хранить, обрабатывать, добавлять и/или считывать информацию из памяти. Память может включать в себя одну или более компьютерных программ, которые могут быть выполнены с помощью процессора. Процессор может также управлять работой устройства. Процессор может, например, представлять собой набор элементов включая схемы, по меньшей мере одно вычислительное ядро, один или более микропроцессоров с цифровым сигнальным процессором(ами), один или более процессор(ов) без цифрового сигнального процессора, один или более сопроцессоров, один или несколько многоядерных процессоров, один или несколько контроллеров, схему обработки, один или несколько компьютеров, различные другие элементы обработки, включая интегральные схемы, такие как, например, интегральная схема специального назначения (ASIC), или программируемая пользователем вентильная матрица (FPGA), или некоторые их комбинации.
Память может включать в себя, например, энергозависимую память, энергонезависимой памяти, и/или тому подобное. Например, энергозависимая память может включать в себя оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), в том числе динамическое и/или статическое ОЗУ с чипованной или нечипованной кэш-памятью, и/или тому подобное. Энергонезависимая память, может быть встроенной и/или съемной, может включать в себя, например, память только для чтения, флэш-память, магнитные запоминающие устройства, например, жесткие диски, дискеты, магнитные ленты, приводы и/или носители оптических дисков, энергонезависимое запоминающее устройство с произвольным доступом (NVRAM), и/или тому подобное. Если необходимо, обсужденные здесь различные функции могут быть выполнены в другом порядке и/или параллельно друг другу. Кроме того, если необходимо, одна или более из описанных выше функций могут быть опциональными или могут быть объединены.
Несмотря на то, что различные аспекты настоящего изобретения изложены в независимых формулировках, другие аспекты настоящего изобретения включают в себя другие комбинации особенностей из описанных реализаций настоящего изобретения и/или зависимые формулировки с особенностями из независимых формулировок, а не только исключительно сочетания в явном виде изложенные в формулировках изобретения.
Следует также отметить, что, хотя выше описаны примеры осуществления настоящего изобретения, эти описания не следует рассматривать в ограничительном смысле. Скорее всего, существует несколько вариантов и модификаций, которые могут быть сделаны без отступления от сущности настоящего изобретения, как это определено в прилагаемой формулировке изобретения.
Для более полного понимания примеров реализации настоящего изобретения сделана ссылка на соответствующие описания, данные к сопроводительным чертежам, на которых:
Фиг. 1а и 1б показывают устройства согласно вариантам осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 2 показывает способ согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 3 представляет собой диаграмму, демонстрирующую улучшение адгезии металлических чернил к полимерной поверхности.