柔性電子系統(tǒng)的制備工藝

傳統(tǒng)IC技術(shù)一樣，制造工藝和裝備也是柔性電子技術(shù)發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力。柔性電子制造技術(shù)水平指標(biāo)包括芯片特征尺寸和基板面積大小，其關(guān)鍵是如何在更大幅面的基板上以更低的成本制造出特征尺寸更小的柔性電子器件。

柔性電子制造過程通常包括:  材料制備→沉積→圖案化→封裝,  可通過卷到卷(R2R)基板輸送進(jìn)行集成。

柔性電子制造主要關(guān)注生產(chǎn)成本、生產(chǎn)效率、可實(shí)現(xiàn)的特征尺寸,  以及有機(jī)材料的相容性等因素.  近年來,  由于活性材料及其圖案化技術(shù)的突破,  柔性電子制造技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。

柔性電子制造的核心是薄膜晶體管(TFT)制造, 其關(guān)鍵制造技術(shù)是制作源漏極間溝道長(zhǎng)度的高分辨率圖案化技術(shù),  直接影響輸出電流、開關(guān)速度等器件性能.  在有機(jī)半導(dǎo)體圖案化過程中,  特別需要消除寄生漏電和減少串音,  以確保高的開關(guān)比.  大多數(shù)應(yīng)用要求有機(jī)薄膜晶體管(OTFT)溝道長(zhǎng)度小于10 μm. 現(xiàn)有的圖案化技術(shù)包括光刻、蔭罩、打印(微接觸印制和噴印)等。具體比較見下表。

光刻等能量束技術(shù)在微電子器件圖案化中得到廣泛應(yīng)用,  分辨率高,  但因其工藝過程復(fù)雜、設(shè)備昂貴、溶劑和顯影劑無法用于塑料基板,  加之耗時(shí)費(fèi)料、僅適用于小面積圖案化, 在刻蝕底層時(shí)環(huán)境要求苛刻,  去除光刻膠時(shí)會(huì)破壞有機(jī)電子材料的活性和聚合物基板等,  在柔性電子制造應(yīng)用中受限。

蔭罩技術(shù)為“干”工藝,  可避免溶劑破壞有機(jī)半導(dǎo)體,  但分辨率有限。

打印技術(shù)在同一個(gè)步驟中同時(shí)實(shí)現(xiàn)功能材料沉積和圖案化,  主要方法有: (1) 將完整的電路轉(zhuǎn)移并粘貼到柔性基板上,  如傳印(圖章); (2) 直接在柔性基板上制備電路,  如噴印和微接觸印制(軟刻蝕)。

在傳印方法中,  首先通過標(biāo)準(zhǔn)光刻方法在硅晶片或玻璃板上制備整個(gè)結(jié)構(gòu),  然后轉(zhuǎn)移到柔性基板上制造出高性能器件.  由于應(yīng)用光刻和高溫沉積技術(shù),  傳印技術(shù)只能制造小面積器件,  且加工成本高。

微接觸印制可制造出多級(jí)圖案用于掩模,  可與R2R批量化制造技術(shù)集成.  通常一個(gè)母版可制造100 個(gè)以上的圖章,  每個(gè)圖章又可實(shí)現(xiàn)3000 個(gè)以上的印記,  圖章的成本相對(duì)較低,  可以每秒數(shù)厘米的速度制作60 nm 高分辨率圖案,  但實(shí)現(xiàn)多層圖案比較困難.  微接觸印制可用于非晶硅、多晶硅及TMOS等多種材料,  但難以直接用于有機(jī)材料刻蝕.  蘭紅波等人對(duì)納米壓印刻蝕模具技術(shù)的研究進(jìn)展及其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了詳細(xì)的論述和分析。

柔性電子理想的圖案化工藝應(yīng)滿足: 低成本、大面積、批量化工藝、低溫、“加”式、非接觸式、可實(shí)時(shí)調(diào)整、三維結(jié)構(gòu)化、易于多層套準(zhǔn)、可打印有機(jī)物/無機(jī)材料等.  從上圖的表可知,  噴印是一種無接觸、無壓力、無印版的印刷復(fù)制技術(shù), 它具有無版數(shù)碼印刷的特征,  在室溫下將溶液直寫實(shí)現(xiàn)數(shù)字化柔性印刷,  簡(jiǎn)化了制造過程。  利用溶液化的半導(dǎo)體和金屬材料取代傳統(tǒng)的真空沉積材料,  可有效減低成本， 噴印還具有以下優(yōu)勢(shì): 

(1) 圖案質(zhì)量不受光刻焦距限制, 可在非平面表面甚至深溝結(jié)構(gòu)上進(jìn)行圖案化

(2) 與有機(jī)/無機(jī)材料的良好兼容性;

(3) 直接利用CAD/ CAM數(shù)據(jù)加工器件,  可實(shí)現(xiàn)大面積動(dòng)態(tài)對(duì)準(zhǔn)和實(shí)時(shí)調(diào)整;

(4)  作為非接觸式圖案化技術(shù),  可有效減少瑕疵,  并可利用虛擬掩模補(bǔ)償層間變形、錯(cuò)位等缺陷; 

(5) 無需物理掩模的按需打印(DOD)技術(shù);

(6)  可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維微結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計(jì)與加工,  并可通過基于軟件打印控制系統(tǒng)進(jìn)行圖形的快速更改。