按需生產晶態結構的製作方法

2023-09-21 04:46:45 1

專利名稱：按需生產晶態結構的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及用於在表面上形成晶態結構的裝置和方法。
背景技術：
一直都需要大規模製備具有預選性質例如取向、表面覆蓋率、位置、 形狀或者組成的晶體的方法。目前的方法形成的晶體具有隨機取向，並 沒有良好受控的位置。具有所需取向的晶體經過挑選隨後輸送到包括該 晶體的器件上，或者分開生長、沿著所需取向拋光然後放置在所需位置。 手工選擇晶體對於製備大量器件，比如當在單一襯底表面上組裝多個晶 體管時，是不實際的。而且，晶體在其操作和輸送期間可能被損壞，由 此降低器件產率和增加器件製備的成本和時間。

發明內容
為了解決上述缺陷， 一個實施方案是裝置。該裝置包括具有表面的 襯底，所述表面上具有至少一個結晶形核位點。所述裝置還包括具有第 二表面的第二襯底。第二表面經構造以將結晶原料保持在無定形狀態或 者初始晶態。結晶形核位點經構造以賦予所述結晶原料一定性質。
另一實施方案是方法。該方法包括提供具有表面的襯底，所述表面 上具有結晶形核位點。該方法還包括將所述結晶原料和第二襯底的第二 表面接觸。第二表面維持結晶原料處於無定形狀態或者初始晶態，直到 結晶原料接觸結晶形核位點。該方法進一 步包括通過改變由結晶原料施 加的結晶原料的性質，來在結晶形核位點上由結晶原料生長晶態結構。


在閱讀附圖時，將更好地由下列詳述理解本發明的實施方案。為了 便於討論，各種特徵可能不是按比例繪製的，尺寸可以任意增加或者減
少。現在結合附圖參見下面的描述，其中
圖1給出了示例性裝置的剖面圖2給出了第二示例性裝置的剖面圖；圖3給出了第三示例性裝置的剖面圖； 圖4給出了第四示例性裝置的剖面圖； 圖5給出了第五示例性裝置的剖面圖； 圖6給出了示例性方法的流程圖。
發明詳述
通過其中採用結晶形核位點按需形成晶態結構的實施方案，克服了 至少一些上述缺陷。結晶形核位點導致結晶原料從無定形材料結晶，或 者由一種晶體多晶形變成另一種晶體多晶形。多晶形是指和另一種晶體 在化學組成上相同但是晶體結構不同的晶體，或者和另一種晶體在晶體 結構上相同但是宏觀形狀不同的晶體。而且，通過改變結晶形核位點的 化學組成，可以在晶態結構上賦予不同的預定性質。另外，如果需要， 可以通過將原料和經構造以將結晶原料維持在其預-晶態的表面接觸， 而將原料儲存長時間。
本文所用術語晶態結構是指其組成原子、離子或者分子形成在三維 方向上長程內部有序的模式的固體材料。晶態結構可以是單晶或者微晶 (例如，具有一個或更多個微觀尺寸的小晶體)。
本文所用術語無定形材料是指其組成原子、離子或者分子在三維方 向上不是長程內部有序的液體或者固體物質。本領域普通技術人員會熟 悉用於確定材料是否為無定形態的程序。例如，無定形材料的X射線粉 末衍射會沒有可識別的峰。在一些情況中，無定形材料可以包括物質溶 液。在其中情況中，無定形材料可以是物質的熔體，其基本不含溶劑(例 如，小於1重量％ )。
一個實施方案是裝置。圖l給出了示例性裝置100的剖面圖。裝置 100包括襯底105，所述襯底具有其中具有至少一個結晶形核位點115 的表面110。裝置100還包括結晶原料120。結晶形核位點125經構造 以賦予結晶原料120某種性質。
有利的是裝置100進一步包括具有第二表面130的第二襯底125。 笫二表面130可以經構造以保持結晶原料120處於無定形態或者特定的 初始晶態。如果人們希望在使用裝置IOO之前將原料120保存一段時間， 那麼這將是非常重要的優點。
裝置100的另一重要特徵是結晶形核位點115為原料120賦予性質的能力。所賦予的性質可能通過由結晶原料120形成晶態結構135而顯 示出來。例如，圖l使出了如下裝置100:其中，結晶原料120 (在此 處是無定形材料)的一部分通過形成晶態結構135而改變其性質。
所賦予的性質可以是將原料120和晶態結構135區分開的任何數量 的結構特徵，所述結構特徵由形核位點115預先確定。例如，所賦予的 性質可以是晶態結構135的晶體學取向。又例如，所賦予的性質可以是 由結晶原料120形成的晶態結構135的預定晶態形貌。本文所用術語晶 態形貌是指通過晶態結構的面的組合形成的宏觀形狀。晶態結構135的 晶態形貌的實例是多面體形結構，比如金字塔、稜鏡、立方體、八面體、 四面體、十二面體或者菱形。如上所述，晶態結構135可以由無定形或 者晶態原料120形成。在前一情況下，所賦予的性質可以是經由預定晶 態形貌的形成而從無定形轉變成晶態。在後一情況中，所賦予的性質可 以是從 一 種晶態形貌轉變成不同的預定晶態形貌。
結晶形核位點115的化學組成和形狀經構造以賦予原料120所需的 性質。作為例子，考慮原料120是包含無機化合物比如碳酸鈣的無定形 材料。所賦予的所需性質是從無定形碳酸鈣變成方解石晶體。為了賦予 這種性質，結晶形核位點115可以包括自組裝單層115,如圖1所示。 圖1所示自組裝單層140包括非環狀烴鏈142,在這種情況下是烷基鏈。 每個鏈142在一端144由官能團封端。另一端146可以錨定在襯底的表 面105。例如，烷烴鏈142的錨定端146可以由硫醇基團封端，從而便 於和覆蓋有金的襯底表面IIO共價鍵合。
結晶形核位點115的化學組成可以經配置以在原料120上賦予預定 晶體取向的性質。進一步如圖l所示，自組裝單層140可以包括多個具 有式-S-(CH2)n-C0(T的分子，其中烷烴鏈142的官能化的一端144和羧 酸官能團相應，而錨定端146和硫醇基團對應，n是鏈142中的-012-單元數目。通過配置烷烴鏈142具有十個或者其它偶數個-CH2-單元(例 如，n = 2、 4、 6等)，可以賦予具有(11/)形核面(例如，其中/是大 約2-5)的菱形立方體(rhombohedral cube )晶態結構135。配置烷烴 鏈142以具有十五個或者其它奇數個-CH2-單元(例如，n=l, 3, 5等) 可以賦予具有(01/)形核面(例如，其中/是大約3)的菱形立方體。
當然，自組裝單層140可以包含端部144具有替換性官能團(例如， 膦酸、磺酸或者羥基)或者鏈長度(例如，n是1-20)的分子，以在原料120上賦予其它性質(例如，不同的取向)。
原料120也可以包含一種或多種添加劑150。添加劑150可以包含 無機或者有機分子或者聚合物。添加劑150可以影響由結晶形核位點 115施加的一種或多種性質。例如，將位點115暴露於含有添加劑的原 料120可以導致晶態結構135形成不同的晶體形貌。由此，通過調整添 加劑150的濃度或者類型，由此添加劑150可以影響晶態結構135的性 質。繼續上述同一例子，無定形碳酸釣原料120可以包括含有鎂的添加 劑150 (例如，大約50重量％ )。暴露於含鎂無定形碳酸鉀原料120的、 含有羧酸官能化的烷烴鏈的自組裝單層140導致形成種子形狀的方解石 晶態結構135。這與不含鎂的無定形碳酸鈣原料120不同，後者在相似 條件下形成菱形立方體形狀的方解石晶態結構135。
如上所述，將原料120保存在經構造以將結晶原料120保持在無定 形態或者特定晶體多晶型的第二襯底125上可能是有利的。在本例子中， 如圖1所示，第二襯底125的表面130可以包括經構造以批j亍該功能的 第二自組裝單層160。第二自組裝單層160可以由和第一自組裝單層140 相同類型的分子構成。但是，兩個自組裝單層140、 160並不具有相同 的化學組成。例如，如圖1所示，每個烷基鏈162在一端用羥基官能團 封端，另一端166經由硫醇基團錨定在第二襯底的覆蓋金的表面130。 當支持原料120的第二表面130和具有結晶形核位點115的第一表面 IIO接觸時，賦予原料120的性質。
通過例如在表面IIO上預定位置170形成結晶形核位點115，可以 在表面IIO上形成圖案化分布的晶態結構135。
圖2示出了第二示例性裝置200的剖面圖。相似的附圖標記用於說 明裝置200的和圖1所示裝置相似的要素。圖2證實結晶形核位點115 的化學組成可以如何配置以在有機原料120上賦予所需性質。在該實例 中，原料120是包括有機半導體分子的無定形材料。原料120可以包含 有機半導體分子，比如圖中所示的蒽。但是，在其它情況下，原料可以 包含其它有機半導體分子，比如並四苯或者並五苯。
另外，所賦予的性質可以是無定形結構轉變成晶態結構。為了賦予 這種性質，結晶形核位點115可以包括低聚亞苯基，比如硫苯基、聯苯 基硫醇或者三聯苯基硫醇的自組裝單層140。如圖2所示，三聯苯基硫 醇的碌u醇基團可以充當錨定端166,以連接到笫一襯底的金表面110。在其它情況下，自組裝單層140可以包括本領域普通技術人員知道的其 它材料。
進一步如圖2所示，可以將原料120儲存直到賦予性質改變所需的 時間和位置。如圖所示，原料蒽120通過連接到第二襯底125的笫二表 面130的第二自組裝單層160保持在無定形狀態。如圖中所示，笫二自 組裝單層160包括烷基硫醇。例如，自組裝單層160可以包括具有式 -S-(CH2)m-CH3的烷烴硫醇，其中m是l-20。另一實例，自組裝單層 160可以包括具有式-S-(CH2)rR的官能化的烷烴硫醇，其中/是1 - 20, R是胺(NH2)、羥基(OH)、羧酸(COOH)或者其它官能團。當然， 在其它實施方案中，第二自組裝單層160可以包括和第一自組裝單層 140相似但不同的分子。例如，第二自組裝單層160可以包括巰基噪呤 分子，有利地使得原料120的溶液可以旋塗，同時保持在無定形態。
圖3示出了第二示例性裝置的剖面圖。又一次的，相似的附圖標記 用於表示裝置300的和圖1所示裝置相似的要素。在該實施方案中，結 晶原料120是組織替換材料，結晶形核位點115位於襯底105開口 310 中的表面110處。如圖3所示，襯底105可以包括組織，比如具有開口 的牙齒320 (或者骨)。開口 310可以是例如由於斷裂形成的受損區域 或者牙齒320的腔。在開口 300中的、包含例如具有多個坑和溝槽的缺 陷部位的粗糙表面110，由於固有的高表面能，更有利地促進了各種化 學和物理過程。這為小微晶帶來了高的親和力，可以充當結晶形核位點 115。由於它們的表面能高，這些位點可以選擇性地與溶液中的其它物 種相互作用。例如，它們可以用選擇性吸附在粗糙表面IIO上的特異性 生物有機分子預先處理，以進一步促進形核過程。
原料120可以是無定形的或者晶態磷酸釣。例如，原料120可以是 由釣離子和磷酸根離子組成的溶膠凝膠溶液，其^f艮容易形成和穩定。原 料120和結晶形核位點115的接觸使得性質發生改變，對應於從無定形 溶膠溶液向包含羥基磷灰石的晶態結構135的轉變。而且，結晶形核位 點115僅僅位於具有粗糙表面110的開口 310中。結果，晶態結構135 ^U又形成在開口 310中，不在襯底105的其它區域上形成。
當然，和裝置的上述實施方案相似，原料120可以通過和具有第二 表面130的第二襯底125接觸而保持在其初始的無定形或者晶體構造。 例如，第二襯底125可以是具有第二表面130的施加器比如填充工具330,所述第二表面包含磷酸根封端的烷基硫醇、三磷酸腺苷(ATP)、 磷酸肽或者磷酸氬鹽。
原料120也可以包括各種添加劑150。例如，可以包括螢光分子， 比如來自水母(jelly fish aequorea Victoria)的綠色螢光蛋白質，作為添 加劑150來促進原材料120或者晶態結構135的可視化。蛋白質(例如， 抗生物素蛋白或者生物素)可以包括進來作為添加劑150以改善生物相 容性和與襯底105表面110的結合。藥物(例如，抗生素或者布洛芬) 可以包括進來作為添加劑150以防止組織發炎。
圖4示出了第四示例性裝置400的剖面圖，採用相似的附圖標記來 示出和圖1所示裝置類似的裝置400的要素。如圖4所示，裝置400可 以包括位於襯底105的表面110上的一個或者多個電路405。電路405 可以包括一個或多個場效應電晶體410,比如有才幾場效應電晶體 (OFET)。電晶體410的半導體層415包括晶態結構135。因此，場效 應電晶體410的有源溝道420由晶態結構135構成。
晶態結構135可以由由上述(例如，在圖1 - 2的上下文中)結晶 原料120形成的任何晶體或者微晶製備。例如，晶態結構135可以包括 有機半導體分子，比如蒽、並四苯或者並五苯。可以採用常規微圖案化 方法來在襯底表面110的分開區域425上沉積結晶形核位點115。這可 以提供多個物理上分開的結晶形核位點115。晶態結構135由此僅僅在 所選區域處形成，由此允許在單一步驟中形成多個半導體層415。例如， 在裝置400的一些實施方案中，可以在襯底表面110上生長一維或者二 維晶態結構135的陣列。這進而可以促進在表面110上形成多個電晶體 410。
晶態結構135可以進一步包括添加劑150，所述添加劑改變通過結 晶形核位點115施加的性質，如上所述。例如，可以有利的是在原料中 包括添加劑以使當原料轉變成晶態結構時添加劑可以在整個晶態結構 135中均勻分散。
電晶體410可以包括其它器件元件以提供操作電路(operative circuit) 405。圖4所示的電晶體410包括源極430、漏極435、柵極440 和柵介電層450。本領域普通技術人員會熟悉形成這些元件的合適常規 材料。例如，平板狀襯底105可以由矽或者更柔性的材料比如塑料比如 聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)製備。柵440可以包含摻雜矽。在其它情況中，可以採用更有益於形成柔性器件的材料比如氧化銦錫UTO)。 類似地，柵介電層450可以包含二氧化矽或者更柔性的材料，比如聚合 物電介質，比如聚甲基丙烯酸丁酯(PBMA)。源極和漏極430、 435可 以包含金或者其它導電金屬或者非金屬，比如導電聚合物。
在一些情況中，柵介電層450還可以包含第二晶態結構455。第二 晶態結構455可以和用於形成半導層415的晶態結構135的方式相似的 方式形成。當然，柵介電層450的晶態結構455會具有和半導層415的 晶態結構135不同的化學組成。
圖5給出了第五示例性裝置500的剖面圖，相似的附圖標記用於表 示裝置500的和圖1所示裝置相似的要素。光學線路505位於襯底105 的表面110上。圖5所示光學線路505包括偏振光束分離器510。結晶 原料135包括偏振光束分離器510的雙折射材料520。雙折射材料520 經構造以將入射光束525分成兩個輸出分量530、 535。在一些優選實施 方案中，雙折射材料520包含和圖1上下文中所述相似形成的方解石晶 體。
本領域普通技術人員會理解，光學線路505可以包括其它常規元件， 比如將光525、 530、 535連接到以及遠離偏振光束分離器510的光纖維 540和透鏡、發射器550比如雷射器、和接收器560、 565以使裝置500 可以操作。本領域普通技術人員會進一步認識到包含晶態結構135的元 件是如何可以有利地結合到光纖通訊、液晶顯示器或者其它光學系統中 的。例如，本領域普通技術人員會4艮容易認識到如何在光偏振組合器中 使用晶態結構135。
另一實施方案是方法。圖6示出了示例性方法600的流程圖。在步 驟610中提供具有表面的襯底，所述表面上具有一個或多個結晶形核位 點。襯底可以包括任何常規材料，包括在圖1-5的上下文中討論的材 料。襯底也可以包括器件元件層，比如在OFET 410情況中的低柵440 和介電層450，如圖4所示。結晶形核位點可以包括在圖1-5的上下文 中上述討論的任何材料。例如，每一結晶形核位點可以包括自組裝單層、 誘發晶體形核的晶種或者其它有機或生物有機分子。
在步驟620中，具有結晶形核位點的襯底表面暴露到結晶原料。步 驟630包括通過改變原料的性質而在結晶形核位點上生長晶態結構。
結晶原料可以包括在圖1-5的上下文中討論的任何材料。例如，結晶原料可以包括在和結晶形核位點接觸時轉變成晶態結構的固體或 者液體無定形材料。可替換地，結晶原料可以包括在與結晶形核位點接 觸時變成所需晶態結構的笫二晶態結構。改變原料性質可以包括將原料 從無定形態轉變成晶態結構，或者由初始晶態結構轉變成不同的晶態結構。
在步驟630中生長的晶態結構可以是微晶或者晶體。例如，如上在 圖1-5的上下文中所述，晶態結構可以包括無機或者有機晶體、有機 半導體、電介質、雙折射或者組織替換材料。
如進一步在圖6中所示，在一些情況中，在步驟640中引入添加劑 到原料中是希望的。添加劑可以用於改變由結晶形核位點賦予的性質， 或者為晶態結構賦予新的性質。例如，添加劑可以是離子、摻雜劑、蛋 白質、聚合物、螢光分子、或者藥物的一種或多種，如上面在圖1-5 的上下文中所述。
如同樣在圖6中所示，該方法可以包括將結晶原料和第二襯底第二 表面接觸的步驟650。第二表面將結晶原料保持在無定形狀態或者和所 需晶態結構不同的晶態。第二表面可以包括第二自組裝單層，比如在圖 1 -5的上下文中所討論的。
在步驟660中，晶體生長停止。當所有原料轉變成晶態結構時，結 晶可以例如終止。當有多個物理上分開的結晶形核位點時，通過將結晶 形核位點互相分開足夠遠而且不允許結晶進行太久，可以在生長的微晶 融合在一起之前停止微晶生長。可替換地，預先確定量的原料可以和每 個結晶形核位點接觸以提供給定尺寸的晶態結構。
在其它情況中，在所需的時間段，可以引入和晶體相互作用並且鈍 化晶體表面的添加劑以抑制晶體生長，從而限制晶體尺寸和形貌。當然， 在其它情況中，可以允許微晶持續生長，以形成晶態結構的網際網路。 例如，從多個位置開始的微晶生長可以持續進行，直到微晶互相生長或 者互相融合以形成微晶的網際網路為止。在一些情況中，該方法可以用 於在襯底表面的不同區域上形成物理上分開的結晶形核位點和結晶形 核位點的網際網路兩者。
通過選擇晶態結構生長的位置和時間，可以通過本方法製備各種元 件。例如，方法600可以包括製備包含晶態結構的組織替換材料的步驟 670。可替換地，方法600可以包括在襯底上製備光學線路或者電路以使晶態結構是線路元件的步驟680。例如，晶態結構可以在線路中形成 場效應電晶體的有源溝道或者介電層，比如在圖4中所示。可替換地， 晶態結構可以形成線路的雙折射材料或者其它光學元件，比如在圖5中 所示。
雖然詳細描述了本發明，但是本領域普通技術人員應該理解在不偏 離本發明範圍的情況下可以進行各種改變、替代和變化。
權利要求
1、裝置，包括具有表面的襯底，所述表面上設置有至少一個結晶形核位點；和具有第二表面的第二襯底，其中所述第二表面經構造以將結晶原料保持在無定形態或者初始晶態，和其中所述結晶形核位點經構造以為所述結晶原料賦予性質。
2、 權利要求l的裝置，其中所述結晶原料包括無定形材料。
3、 權利要求l的裝置，其中所述結晶形核位點包括自組裝單層。
4、 權利要求1的裝置，其中所述結晶原料包括組織替換材料。
5、 權利要求1的裝置，進一步包括位於表面上的電路或者光學線路。
6、 方法，包4舌提供具有表面的襯底，在所述表面上設置有結晶形核位點；使結晶原料和第二村底的笫二表面接觸，其中所述笫二表面將結晶原料保持在無定形態或者初始晶態直到所述結晶原料接觸所述結晶形核位點；和通過改變由所述結晶原料賦予的所述結晶原料的性質，在所述結晶 形核位點上由所述結晶原料生長晶態結構。
7、 權利要求6的方法，其中所述第二表面保持所述結晶原料處於 無定形態直到所述結晶原料接觸所述結晶形核位點。
8、 權利要求6的方法，其中所述結晶形核位點包含自組裝單層。
9、 權利要求6的方法，其中改變所述性質包括將所述原料從無定 形態變成所述晶態結構。
10、 權利要求6的方法，進一步包括在所述襯底上提供光學線路或 電路，以使所述晶態結構是線路的元件。
全文摘要
一種裝置，包括襯底，所述襯底具有其上存在至少一個結晶形核位點的表面。該裝置進一步包括具有第二表面的第二襯底。所述第二表面經構造以維持結晶原料處於無定形狀態或者初始晶體狀態。結晶形核位點經構造以賦予所述結晶原料性質。
文檔編號C30B35/00GK101321898SQ200680045314
公開日2008年12月10日 申請日期2006年11月30日 優先權日2005年12月2日
發明者J·艾琴伯格, 韓龍振 申請人:盧森特技術有限公司