用于制造导体和半导体的方法技术

本发明专利技术涉及用于通过烧结制造结构的一种烧结方法。此外，本发 明涉及烧结的产品、电子模块及新的用途。在该方法中，通过在颗粒 材料上施加电压，包含导电的或半导电的包封的纳米颗粒的颗粒材料 被烧结，用于提高它的导电性。在该方法中，基底被典型地使用，它 的一个表面至少部分地设有包含纳米颗粒的层。此方法基于电压源和 纳米颗粒之间的热反馈。本发明专利技术允许通过在室温和常压下烧结而制造 导电的和半导电的结构和片。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及烧结以及通过烧结而制造的产品。具体而言，本专利技术 涉及通过烧结金属性的纳米颗粒或由半导体形成的纳米颗粒而在基 底上产生导电结构。如已知的，对金属纳米颗粒进行烧结，以产生例如可印刷电子应 用中的导体结构。已知的是，由于所谓的表面声子软化现象，金属 性的纳米颗粒比微水平颗粒在更低的温度熔化。这是因为当颗粒总尺 寸减小时，颗粒表面的自由原子的数量大幅度地增加。这一现象在 理论上和实验上都相当地为人所熟知，尽管此现象的某些方面还没有 -故解释。例如当纳米颗粒被有机化合物的薄层所覆盖并且借助于溶剂 被置于基底的表面上时，可以观察到它的烧结温度可以比利用单个颗 粒的熔化温度所预测的低很多，在文献中，对这一事实还没有详尽的 解释。已知的解决方案中也需要外部加热来烧结它们。烧结可以通过借助炉内升高的温度或将颗粒置于紫外光或热板或辊的环境内来实现。所需要的温度通常至少是100°C。只有非常小的半导体颗粒可以在低温下烧结，但即使这样，烧结的结构的性能值将 仍然低劣。加热限制了与方法关联使用的基底的选择。若千在价格方 面有优势的塑料的或纸的基底，在烧结所需要的温度下会改变形状或 分解。的确，在本领域中有提出适合于在低温下使用的烧结方法和制 造适合于在低温下使用的可烧结的材料成份的强烈趋势。 一些这样的已知的方法公开于，例如，WO出版物2005/061598和2004/075211。 本专利技术旨在提出用于烧结纳米颗粒的全新类型的方法，此方法适合于在很低的温度，甚至室温下，以及常压下使用。本专利技术还旨在产生新的电子产品、电子模块及用途。本专利技术基于这一观察，即，设置于包封(encapsulated)的納米颗粒 上的电压(电场)会启动已经在低温下的烧结。因此，在根据本专利技术 的方法中，通过将电压连接到在颗粒材料上，来对包含有导电的或半 导电的包封的纳米颗粒的颗粒材料进行烧结，用于提高它的导电性。该方法典型地以这样的方式来实施使用基底，其表面至少部分 地设有包含纳米颗粒的层，此层包含导电的或半导电的纳米颗粒。包 含在该层上的纳米颗粒通过在该层上连接电压而被烧结。此电压在此 层上引起隧道效应电流，其将以一种新方式产生颗粒的烧结，这将在 后面详细地描述。因此，个体的、例如金属性的纳米颗粒可以;敗用来 在电压电极之间形成均匀地导电的金属性的导体图案或导体层。根据本专利技术所得到的产品包括基底和通过烧结设置在基底表面的 纳米颗粒而形成的导体或半导体图案。此图案是借助于引至包含包封的导体或半导体纳米颗粒的层上的电压而烧结的。该烧结的图案的特 征在于其高质量和高度的均匀性，因为该烧结是由电压电极的中心点 向电极的极而系统地进行的，而不是随机地从一处到另 一处。根据本专利技术的电子模块包括至少一个电路，其在初始状态具有特 定的电性质和特定的功能性。此模块还包括至少 一个包含纳米颗粒的 区域，电压可以引导至此区域上，用于至少部分地烧结此区域。在被 烧结的过程中，此区域被设置用于电连接至少两个包含在电路中的导 体区域，用于改变电路的电性质或功能性。为了理解纳米颗粒的烧结和测量可能的预测的电非线性，在制定 了测试布置后，实施了本专利技术，在此测试布置中，未烧结的干燥的银 纳米颗粒被置于室温下由金属所制成的两个电极之间形成的间隙中。 如所预期的，观察到未烧结的结构是轻微地导电的。当使用大约为100 )iim的电极间隙和大约为5伏的电压(电流〈lmA)时，其导电性快速 上升，并且最后的结果是带有对应于在大于100。C温度下烧结制成的电压之后，此结构在所有进行的测试中 都保持是导电的。大约两倍的电极间隙导致需要也是两倍的引起烧结 的电压。更详细的测试表明，在此工艺中银已经几乎完全地烧结。因此，本专利技术特别地适合于观察到其中这一现象足够强烈的这样 的颗粒。这种颗粒特别地是金属性的导体和半导体颗粒，其平均尺寸中的最小的那一维尺寸小于100nm,并且其包封是薄的。因此，很多秋，i^^、丁^瓜力印 系的应用。它们的尺寸是l-100nm，典型地是l-50nm。纳米颗粒典型地以包封的形式(如团聚物)被置于基底的表面。 它们可以作为悬浮物或悬漂物同液体的或膏状的载体一起被置于基 底上，但是它们也可以作为粉末散布。溶剂、墨和聚合物悬浮物典型 地作为载体被使用。最通常的施加技术是印刷形式。但是，本专利技术不 限于一些特定的施加方法或颗粒粉末或膏体合成物，尽管与一些方法相联系可以获得特别的优势。我们使用术语颗粒材料来大体上指 具有纳米颗粒内容物的材料，其颗粒密度足够启动它们相互的烧结 (聚结)。我们已经观察到一实施例特别地有效，在该实施例中，来自阻抗 的电压^皮设置于由纳米颗粒所制成的干燥的膜上，此阻抗低于由隧道 效应所产生的导电膜的电阻。在这种情况下，膜由中心向电极烧结。 如果，电阻被附加地放置成与电压源串联，或电压控制在烧结启动后 立即终止(例如，基于计时器或阻抗测量)，则膜上的金属颗粒可被 部分地烧结。这将允许制造极薄的线。随着烧结进行，串联的电阻使 电压源变为电流源，使得此工艺可有效地自我调节。它的实质性特征 是，在烧结需要的阶段，颗粒材料接收到的功率降到低于使烧结进行 所需要的功率。更具体地说，根据本专利技术的方法，其特征如所附权利要求1的特 征部分所述。根据本专利技术的用途，其特征如所附权利要求25和26的特征部分所述。根据本专利技术的电子产品，其特征如所附权利要求27的特征部分所述。根据本专利技术的电子模块，其特征如所附权利要求32的特征部分 所述。借助于本专利技术可以获得很多的优点。借助于本专利技术，在室温下已 经实现金属颗粒的完全烧结，而不需要外部的加热源。在电压被连接 之后，电极中心的温度在几秒钟后大致升至烧结温度，实际烧结在几 毫秒内开始。换句话说，此烧结跟传统的方法相比是非常快的，并且 在基底中不产生热量。因此，可以在基底上产生导电的图案，而不考 虑基底的热耐受力。半导体纳米颗粒的烧结温度通常高于金属性的颗 粒，但是即使在它们的情况下，烧结温度也可以显著地降低。因此，在适合于由电场(在下文中也称为电烧结或电力烧结)所 产生的烧结的金属性颗粒和半导体颗粒的情况中，此方法的使用可以 降低烧结温度至少几十度，典型地可降低烧结温度几百度。例如，烧 结7nm的银粒子会在室温下发生。因为在烧结中不需要与正被烧结的物质机械式地接触，所以基底 的粗糙或缺乏均匀性也不是问题，如通常在压力下执行的方法的情 况。这意味着，此方法也比已知的方法更适合于烧结三维的导电的图 案。因为此方法基于电场，因此它不但允许烧结，而且还允许图案的 构造。此方法特别适合于制造薄的线宽度，例如，与电路板电子技术、 印刷电子技术和部件制造相关联的应用中。此方法还能够用于制造部 件中的触点和金属性的通路(vias)。我们已经观察到，随着颗粒熔化，纳米颗粒层的温度上升。由于 纳米颗粒层的温度上升完全是由电场引起的，绝缘的基底不经历相应 的加热。此外，由于层的质量很小，只有很少量的热量传递到基底上。 因此，此方法适合于在升高的温度和/或压力下较大地改变其物理或200780034311.化学性质(收缩、分解、弯曲、变色等)的基底。这样的基底是很多 典型的塑料和纸。根据本专利技术的烧结是真正地优选地在低于ioo。c 的温度下执行本文档来自技高网...

【技术保护点】
烧结方法，在所述烧结方法中，包含导电的或半导电的包封的纳米颗粒的颗粒材料被烧结，用于提高它的导电性，其特征在于，所述烧结通过在所述颗粒材料上施加电压来执行。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2006.7.21 US 60/832,1441.烧结方法，在所述烧结方法中，包含导电的或半导电的包封的纳米颗粒的颗粒材料被烧结，用于提高它的导电性，其特征在于，所述烧结通过在所述颗粒材料上施加电压来执行。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法利用形成3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述烧结是 借助于基本设置在所述颗粒材料的相对两侧的电压电极来执行的。4. 根据以上权利要求的任何一项所述的方法，其特征在于，所述 电压是借助于电压源所产生的，所述电压源的阻抗低于所述颗粒材料为导电的。5. 根据以上权利要求的任何一项所述的方法，其特征在于，所述 电压是借助于恒定电压源被连接的。6. 根据以上权利要求的任何一项所述的方法，其特征在于，所 述颗粒材料中仅中心部分被烧结。7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于， 一旦所述烧结在所 述材料中进行到预定的水平，则所述电压被切断。8. 根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述电压被 提供至电阻上，在此情况下，所述电阻的大小设置为， 一旦提供给所 述纳米颗粒材料层的功率由于烧结到特定的水平而上升，则停止烧 结。9. 根据以上权利要求的任何一项所述的方法，其特征在于，所述 烧结在-50-100。C的外部温度下，典型地在0-50。C温度下，优选地在 室温下4丸行。10. 根据以上权利要求的任何一项所述的方法，其特征在于，所 述烧结在常压下执行。11. 根据以上权利要求的任何一项所述的方法，其特征在于，使 用金属性的纳米颗粒或半导体纳米颗粒。12. 根据以上权利要求的任何一项所述的方法，其特征在于，使 用以有机材料包封的纳米颗粒。13. 根据以上权利要求的任何一项所述的方法，其特征在于，使 用纳米颗粒，所述纳米颗粒的直径平均为l-100nm，优选地是小于 50nm,更优选地是小于20nm。14. 根据以上权利要求的任何一项所述的方法，其特征在于，为 了启动所述烧结，仅仅使用了由所述电压所导致的包含纳米颗粒的所 述层中的温度的上升。15. 根据以上权利要求的任何一项所述的方法，其特征在于，在 基底上制造导电的或半导电的结构，在这种情况下，使用了基底，所 述基底的表面至少部分地设有所述颗粒材料的层。16. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述电压被连到 与所述基底的所述表面基本地平行的所述颗粒材料层，这优选地是借 助于设在所述基底的所述表面上的所述层的侧向上、沿侧向位于所述 层的相对一侧的电极来执行的。17. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述电压至少部 分地在垂直于所述基底的所述表面的方向上连^l妄到所述颗粒材料层。18. 根据权利要求15或16所述的方法，其特征在于，所述烧结 在整个颗粒材料层被烧结之前被终止，并且所述颗粒材料层的未烧结 部分从所述基底的所述表面被移除。19. 根据权利要求15-19的任何一项所述的方法，其特征在于， 使用颗粒材料层，在对应于所述颗粒材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：H·塞帕，M·艾伦，
申请(专利权)人：芬兰技术研究中心，
类型：发明
国别省市：FI