[发明专利]形成导体结构的方法及其应用

说明书

发明领域

本发明涉及使用纳米微粒在衬底上制造电感应导体结构。本发明在印刷电子 器件领域内尤其具有优势。

发明背景

众所周知，导体可通过将金属纳米微粒悬浮物(典型微粒大小1……100nm) 沉积在衬底上并热烧结该结构而制造出来。典型例是可印刷在塑料或纸质衬底上并 以塑料/纸质共容温度(T＜200C)烧结的商用银纳米微粒悬浮物[例如，Cabot公司 和Harima化学公司提供的银纳米印迹]。低烧结温度基于对纳米微粒系统中碰到的 熔点的惊人降低[例如参见物理评述B 42，8548(1990)中T.Castro等人著的 Size-dependent melting temperature of individual nanometer-sized metallic clusters]。

悬浮物(含固体微粒的液体)是通过适当地涂覆金属纳米微粒——例如使用 薄聚合物壳——来实现的。在衬底上沉积和液体载体的汽化之后，纳米微粒之间的 涂覆被代之以在热处理过程中烧结金属纳米微粒。结果，可使用大量直接写印刷技 术形成例如印刷电路板的导体结构，而不需要传统布图技术(平版印刷和蚀刻)。

然而，在传统印刷电子器件中实现小线宽功能性结构是困难的。典型地可获 得的喷墨头的最小线宽为几十微米，并且对于凹版印刷而言也差不多或更大。就器 件大小和性能而言，对于制造诸如晶体管的器件这是很强的约束。

在本申请提交时尚未公开的专利申请F120060697揭示一种使用电场烧结纳米 微粒的新方法。在这种方法中，跨设于沉积的纳米微粒系统两边的电压导致烧结而 不需要热处理。图1(现有技术)示出我们在银纳米微粒系统上的电烧结试验的结 果。对于烧结电极之间的每个烧结距离(“间隙”)，偏压持续增大(同时使用小 信号AC方法测量系统导电率)。在与电极间隙成比例的某一电压下，电阻率的惊 人减小是明显的。图2(现有技术)示出在电烧结试验前(图2(a))和电烧结试验 后(图2(b))纳米微粒结构的扫描电子显微镜图。由电烧结造成的结构性转变可通 过比较图2a和2b清楚地看出。在我们的试验中，经由电烧结方法和传统热烧结方 法获得的导电率没有显著的区别。

《自然材料》6，149(2007)中S.Sivaramakrishnan等人的公开物“Controlled insulator-to-metal transformation in printable polymer composites with nanometal clusters”和P.Ho等人的专利申请WO 2007/004033A2揭示了通过使用电压获得烧 结的结构的另一方法。在该方法中，透过两导电表面之间的一个层或纳米微粒材料 形成电路径。

US 2004/0085797公开了一种藉由DC电压改变纳米微粒或微米微粒的状态的 方法。这种电压是通过位于含散布微粒的柔性的、凝胶状层的表面上的电极施加的， 藉此微粒对齐于电场定位或形成团，结构的导电性在局部增加。该方法不是非常适 于产生非挥发性结构并且无法用来在表面上形成导线。

WO 2005/104226揭示一种通过含纳米微粒的层施加非常高(＞1kV)的电压 脉冲在半导体芯片中制造贯通接触的方法。该方法无法用来在表面上形成导线。

US 2007/0099345公开一种透过含充满导电微粒的塑料质块的板形复合体 形成贯通接触的方法。透过质块施加电压以使导电微粒彼此熔化和烧结并使塑 料质块转化成导电碳桥。结果，形成导电贯通接触。该方法适于在复合体的不 同侧上接触半导体芯片。然而，该方法无法在衬底的表面上沿侧向形成导体。

总之，尽管已知电烧结方法具有许多优势，但它们无法在衬底上形成非常小 线宽的导体结构。

发明内容

本发明旨在提供一种形成具有比先前的烧结方法更小的线宽的结构的方法。 尤其，本发明旨在提供一种能方便地与诸如印刷的表面沉积方法结合的方法，以形 成功能性电器件而不需要高精度的平版印刷。

本发明基于这样的理念：在含纳米微粒层中发起一熔解过程，该熔解过程以 类似穿透方式在层中传播，以在衬底的表面上形成类似导线的构造。我们已经发现， 在电压电极的附近产生高电场强度的电压开始一种新型的自组织结构变换现象，假 设纳米微粒层足够密集，它将导致与电极电气连接的均一的细线。所要求的电场 强度和导线状结构的位置可使用点状(例如削锥)电极来实现。