[发明专利]纳米接触印刷

说明书

发明背景

近年来，有相当多的努力旨在理解纳米级的新现象，已经制造和表征了各种纳米结构的新材料。刚刚开始设计具有诱人性质的新器件。对于将改变我们生活的新一代廉价的和创新的工具的期望极高。将新一套期望和不期望的性质与全新一族材料和制造方法组合到一起将能够得到我们就在十年前甚至不可能想像的器件。金属纳米颗粒以及半导体量子点的库仑阻塞、来自半导体纳米颗粒的窄带荧光发射、纳米线和纳米管的量子化弹道式传导(quantized ballistic conduction)只是会影响我们设计光学和电子器件的方式的少数新材料/现象。关于纳米器件和制造技术的综述，参见Bashir，Superlattice and Microstructures(2001)，29(1)：1-16；Xia等人，Chem.Rev.(1999)，99：1823-1848；和Gonsalves等人，Advanced Materials(2001)，13(10)：703-714，这些文献的全部教导均引入本文作为参考。

纳米科学(并且主要是纳米技术)的第一阶段主要是开发和表征基于无机半导体和金属的新材料和器件。其一个原因是电子束光刻法(e-beamlithography)(能够构建纳米级结构和器件的最早工具之一)是在无机底材上形成无机材料图案的技术。近年来的明显进步是开发了基于扫描探针显微镜(SPM)的新的高度通用的纳米光刻术(nanolithography)。使用各种类型的SPM，现在能够通过诱导定位化学修饰或者通过形成自组装单层(SAM)而在各种有机和无机底材上形成图案。例如，Mirkin和合作者已经开发了基于原子力显微镜(AFM)的技术(蘸笔纳米光刻术(Dip Pen Nanolithography)，DPN)，其中能够通过将分子从显微镜尖受控制地传递至底材来产生SAM，其分辨率低于5nm(参见Lee等人，Science(2002)，295：1702-1705；Demers等人，Angew.Chem.Int.Ed.(2001)，40(16)：3069-3071；Hong等人，Science(1999)，286：523-525；Piner等人，Science(1999)，283：661-663；Demers等人，Angew.Chem.Int.Ed.(2001)，40(16)：3071-3073；Demers等人，Science(2002)，296：1836-1838，美国专利申请公布2002/0063212、2003/0049381、2003/0068446和2003/0157254，这些文献的全部教导均引入本文作为参考)。这样的技术的开发代表了重大突破，因为现在不仅能够基于无机物，而且能够基于有机物和生物材料来构建器件。基于有机物的纳米材料可能提供许多能够在纳米级有效调节的有趣性质。由于这些新的制造技术以及在表面和超分子化学方面基本概念的阐明，目前正在大量开发新的器件。

使用基于有机物和无机物的纳米光刻技术，目前正在制造许多不同的纳米器件(例如纳米晶体管、纳米传感器和纳米导波器)。然而，为了预言纳米技术将具有多大的影响，人们必须估计复杂器件的制造速度。已经假定器件制造时间(和重复性)会是纳米技术中的主要限制因素。尤其是，还没有解决如何大规模生产的问题。

具有微接触印刷(micro-contact printing)的等价物对于纳米技术将是合意的：由Whitesides和合作者设计的冲压技术(参见美国专利5,512,131、5,900,160、6,048,623、6,180,239、6,322,979，这些文献的全部教导均引入本文作为参考)已经彻底改变了人们设计微器件的方式，并且已经因允许非化学工作者构建像bio-MEMS一样复杂的器件而具有巨大影响。不幸的是，微接触印刷具有一些分辨率限制，这限制了它在纳米技术中的应用。Chou和在Princeton的合作者近期致力于该问题。他们在美国专利5,772,905和6,309,580以及美国专利申请公布2002/0167117、2003/0034329、2003/0080471和2003/0080472中讨论的方法基于硬模具(即由无机材料制成的模具)，所述硬模具被冲压到覆盖硅晶片的软聚合物膜上，上述文献的全部教导均引入本文作为参考。所印刷的底材通常由金属线或半导体材料组成(参见Chou等人，Nature(2002)，417：835-837；和Austin等人，J.Vac.Sci.Technol.B(2002)，20(2)：665-667，这些文献的全部教导均引入本文作为参考)。