奈米科技報告-壓印技術的應用 四材三A 4980G006 翁忠銘 指導老師 顏明賢

大綱 前言 壓印技術的優勢 種類和方法 技術上的應用－高分子太陽電池效率提升上的應用 (1)奈米光柵的元件製作 (2)製作透明金屬電極 結論 　(1)奈米光柵的元件製作 　(2)製作透明金屬電極 結論 文獻參考

前言 壓印是微電子元件結構複製技術中最新的方法之一。採用這種方法將一個母模或圖樣壓入一種保形材料中，這種材料將按照範本的圖形產生變形，再經過紫外曝光或者熱處理的方法就可以使其成形。與大多數微電子技術採用的傳統紫外曝光相比，壓印技術不只可以複製XY方向的圖形，還可以在垂直方向上壓出臺階和輪廓線的結構。

奈米壓印可以複製尺度為數奈米的圖形，這也是目前所用的最小特徵尺寸。對於這種應用，範本採用堅硬的材料製作，例如1英寸見方的石英和金屬，然後把印模壓入待壓印材料中，逐漸地在整個晶圓表面上複製圖形。

壓印技術的優勢 雖發展時程尚短，但與目前泛用的及研發中的奈米等級圖案製作技術相較，其技術優勢相當顯著，發展的未來性潛力雄厚，其優勢為： 1.設備成本與操作成本低 2.生產彈性大 （僅需較小範圍之潔淨空間） 3.少數可輕易製作3D立體結構之微影蝕刻技術（光學微影技術仍有製程繁複不易控制的困難） 4.高分子材料直接壓印成形，避免長時間或大範圍之蝕刻步驟 5.可簡單的製作出高深寬比的結構 6.由技術與成本上考量，是未來最可能成功的奈米製作技術

種類和方法 壓印技術可分為以下幾種： 　(1)微接觸式印刷技術 　(2)熱壓印技術 　(3)紫外光型奈米壓印技術

(1)微接觸式印刷技術 軟微影技術的優點： 1. 製程簡單（室溫、彽壓）而且便宜。 2. 此SAM 材料極易與金屬薄膜形成強鍵結，可在金屬薄膜上形成奈米圖案。 3. 因PDMS 模具具有可撓性，可適用於非平面之基板，在製作光學透鏡有較大製程彈性。 軟微影技術的缺點： 1. 當SAM 印在金屬薄膜上時，其SAM 會如同墨水般之散開，而影響轉印之解析度和線寬大小。

(2)熱壓印技術 Hot Embossing Nanoimprint 技術的問題 1. 模具在高溫高壓狀態下，其表面之奈米結構的熱膨脹問題，會造成後續圖案轉印時尺寸上之誤差。 2. 熱膨脹之問題也將造成後續脫模的問題。 3. 熱塑性高分子光阻經過高溫、高壓、冷卻之後，在脫模之後經常會壓印的圖案產生形狀鬆弛現象，因此HENIL將不易進行多次或三維結構的轉印。

(3)紫外光型奈米壓印技術 UV-NIL技術的優點： 1. 改善熱壓成形式之熱變形缺點。 2. 在模仁下壓時不需很大的壓力(4~5psi)，也不需加溫，只需以He-Xe 紫外光雷射(Eximer laser)對光敏性高分子曝光，即可隨著模具上之奈米結構固化成形。 UV-NIL技術的缺點： 1. 由於光敏性光阻之塗佈過程，因沒有經過加熱之步驟，無法有效排出光阻中之微氣泡，在經紫外光曝光後，對結構造成微缺陷。 2. 因其光阻之黏滯特性，無法以大面積塗佈(spincoating)製作，只能以點滴(nano-dispensing)方式製作。

三種主流壓印技術比較

高分子太陽電池效率提升上的應用 普林斯頓大學Chou教授發表利用奈米壓印技術(Nano-imprint Lithography; NIL)製作出10nm解析度的結構後，奈米壓印被視為奈米加工技術的一大創新突破。 在太陽電池的應用上，除了利用奈米壓印製作具有蛾眼結構的抗反射膜，減少太陽光在入射界面的反射損失，以提高電池元件的效率外，為因應目前高分子太陽電池效率提升的技術瓶頸與未來產品應用開發可能面臨的問題，近年來有許多的研究嘗試以奈米壓印技術為對策，評估其應用的效益與可行性。

製作具有光捕捉效應的奈米結構 以波動光學(Wave Optics)機制做為設計依據，包括在靠近主動層的電極上製作奈米金屬點或光柵結構，藉以誘發散射、繞射或表面電漿子共振效應，來提升主動層的光吸收效率 。 不論是奈米光柵或光子晶體結構，其吸收率提升的波段，與依據幾何光學設計光捕捉結構比較，可藉由材料性質、結構尺寸與排列週期的改變進行調控，使其在電池元件設計應用上，有利於結構搭配材料吸收特性做最佳化的組合。但由於這樣結構的大小尺度為次波長範圍，且應用上需製作大面積的週期性排列，因此奈米壓印技術成為相當合適的選擇。

奈米光柵的元件製作 奈米光柵的元件製作為例，通常採用直接對元件主動層材料，以具有光柵圖案的模子進行熱壓成型，再進行金屬電極製作，使金屬鍍膜沿著已圖案化的主動層結構表面覆蓋沉積，即完成具有奈米光柵電極結構的太陽電池元件製作。 根據文獻報導，在ITO/PEDOT:PSS(20nm)/P3HT:PCBM (80 nm)/Ca/Al組成之元件，以此法製作週期500nm之光柵，與一般未做結構之元件比較，其光電流(Jsc)與光電轉換效率分別提升了1.11倍與1.15倍。

製作透明金屬電極 以往在有機太陽電池元件結構上，大多採用ITO做為透明電極材料，但銦的供應量有限及其他產業ITO的使用量快速成長，因此材料價格不但持續攀升，而且還隱藏著供不應求的危機。 最近密西根大學的研究團隊發表以奈米壓印的方法製作金屬透明電極(16-18)，取代ITO應用於有機太陽電池元件，不但光穿透率與導電性可與ITO相比擬，更具有下列優點： 　(1)在元件設計上，電極功函數的匹配組合，可藉由金屬種類的選擇而調整 　(2)在探討電極物理特性對電池效率的影響，將更具彈性。在追求高導電率特性時，透明金屬電極透光率的下降幅度較ITO小。此外，金屬電極的週期性光柵結構具有光捕捉效應，可提高電池的光電轉化效率。

結論 壓印技術是設備成本與操作成本低、可簡單的製作出高深寬比的結構。高分子材料直接壓印成形，避免長時間或大範圍之蝕刻步驟 。 在作於軟性太陽能電池都有很大得突破，可以減少玻璃的使用量，改用高分子材料當做基板，以減少成本上的費用。 目前僅做學術研究，還有些關鍵技術上的控制有待加強，量產還需要一段時間。

參考文獻、資料 http://kwsun7.ac.nctu.edu.tw/Facilities_1.html http://www.suss.com/tw/markets/nanoimprint-lithography.html http://www.src.nctu.edu.tw/nanobio/images/index/Obducat%20nanoimprint%20NCTU.pdf http://edm.itri.org.tw/enews/epaper/10009/e01.htm http://tw.wrs.yahoo.com/_ylt=A8tUwYRcKLlOS1UATHpr1gt.;_ylu=X3oDMTE1aGk2b2k3BHNlYwNzcgRwb3MDMQRjb2xvA3R3MQR2dGlkA1RXQzA3NV8zNjI-/SIG=18sdma3vg/EXP=1320786140/**http%3a//science.nchc.org.tw/old_science/nano_mems/97_works/nami/%25E6%259C%259F%25E6%259C%25AB%25E5%25A0%25B1%25E5%2591%258A/%25E6%259B%25B9%25E9%259F%25BB%25E5%259C%258B/%25E5%25A5%2588%25E7%25B1%25B3%25E5%25A3%2593%25E5%258D%25B0%25E5%25AF%25A6%25E9%25A9%2597.ppt http://www.mdu.edu.tw/~mse/NSC/Documents/20080521/%e5%a5%88%e7%b1%b3%e5%a3%93%e5%8d%b0%e5%be%ae%e5%bd%b1%e6%95%99%e6%a1%88%ef%bc%88%e6%98%8e%e9%81%93%ef%bc%89-part2.pdf