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纳米压印技术助力卷对卷软性基板制程前景可期

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来源: 新电子   发布者:新电子
热度29票   时间:2017年11月13日 05:56
软性电子的制程大致分为两大类,一是将软性基板搭玻璃上,在现有制程设备下制造元件后,再予剥离(Lift-off)的制程;一种是直接以卷对卷(Roll to roll , R2R)的软性基板制作元件制程。

可以想见第一种制程是搭载在现有的制程上,因此设备与制程开发的幅度较小,产品也比较局限在不破(Unbreakable)与有弧度(Curvable)的产品,对于可弯曲(Bendable)与可挠曲(Foldable)的产品比较难以因应;而直接在软性基板制作元件的R2R制程则是大家期待,具有极大经济效益的软性制程与软性元件,真正能满足可弯曲与挠曲的最终需求。

满足图案化制程需求印刷软性电子效率佳

剥离制程开发的很早,1999年Seiko Epson即开发Surface Free Technology by Laser Annealing(SUFTLA)的技术(1),将TFT等元件制作在以非晶矽的剥离层薄膜上,再用准分子雷射将非晶矽层剥离,然后黏附在塑胶基板上,这样只需要开发剥离的制程即可以达到在塑胶基板制作电子元件的目的。剥离层材料是剥离制程的关键,最主要的是要能够耐后续制程的温度,随着PI材料高温特性的改善,PI在400℃已有一定的安定性,因此是剥离层的适合材料。剥离制程有目前三星(Samsung)使用的雷射剥离与工研院开发边缘机械剥离多用途软性电子基板技术(FlexUP)技术(图1)。

图1 各种剥离技术(A)Seiko Epson之SUFTLA(1);(B)雷射剥离技术(Laser lift-off)(2)(C)工研院之FlexUP(3)

直接在软性基板上制作电子元件最大的制程挑战,是各个功能材料的图案化(Patterning),传统制程是用曝光、显影、蚀刻、剥膜的制程来制作电子元件。很显然,直接把图案“印”到软性基材是软性电子最有效率的加工方式。印刷有许多技术可以应用,但是不同的技术对于墨水特性要求与印出来的分辨率各异,图2(4)是文献整理应用于软性电子图案化制程之技术比较表。

由图2可以看出,相对于传统的黄光技术,印刷技术在分辨率部份比较弱,以2010年推出iPhone 4使用的强调高分辨率屏幕的视网膜分辨率(Retina,326 ppi)为例,每个颜色的单色画素(Sub-pixel)小于30μm,对照上表可以发现元件分辨率会是印刷制程的挑战,对于需要高分辨率的电子元件来说,喷墨(Inkjet)与微触印刷法(Micro Contact Print)、纳米压印(Nano Imprint Lithography, NIL)比较能够达到高分辨率,而一般分辨率在几十微米甚至到百微米的元件,如无线射频辨识系统(RFID)就适用加工速度非常快的凹版(Gravure Printing)或柔版印刷(Flexographic Printing)。

图2 各种可应用于软性电子图案化制程之技术

喷印范围大喷墨印刷发展速度快

喷墨印刷是最被寄予厚望应用在软性电子的成膜制程,这除了前面提到分辨率高以外,利用喷嘴阵列(Nozzle Array)的设计可以具有大面积的喷印范围,达到快速、大面积制程的生产。大日本印刷(DNP)在2007年即推出面板十代尺寸的彩色滤光片生产用喷墨印表机,可见喷墨技术已经产业化到工业生产制造应用,是目前软性电子图案化进展较快的制程。

成膜制程是喷墨印刷在软性电子制造时的一个挑战,液滴成膜牵涉到复杂的动力学,当溶液挥发时,溶质析出成膜的平整度与溶剂种类、挥发温度与挥发速度息息相关,一般所谓的成膜咖啡环(Coffee Ring)是喷墨制程最容易碰到的问题如下图3所示,透过成膜制程条件的优化,可以在成膜温度、喷印速度、溶剂挥发速率与干燥温度间找到平整成膜的工作条件。

图3 喷墨印刷成膜的咖啡环,可以借由溶剂挥发温度的调整来改善(5)

微触印刷法(Micro Contact Print, μCP)是哈佛大学Whitesides教授提出来精密的图案化方法,其概念如下图4(6)所示,由于微触印刷的印模(Stamp)是利用微影蚀刻的方式翻印而来,因此其分辨率可以到微影蚀刻的等级,后续应用时就如同盖印章般的将图案转移,因此可以得到非常精细的图案,本法对于具有自组单分子层(Self -assembled Monolayers, SAMs)的材料图案化更具效益。μCP的方法是精细、高分辨率的图案法,但是本法与材料的关联性极高,奥地利的微机电(MEMS)、纳米技术、半导体晶圆设备厂EV Group(EVG)即有晶圆相关的μCP设备,但是笔者并未看到有微触印刷法的卷对卷设备。

图4 微触印刷法(micro contact print, μCP)流程(a)利用微影蚀刻制作图案印模, (b)将墨水印至机材表面

获取纳米级图案很轻松纳米压印备受重视

纳米压印(NIL)是1995年普林斯顿大学周郁教授(Stephen Chou)开发出来,由于技术的制程简单,却能获取纳米级图案,深获各界重视。纳米压印仍是应用微影蚀刻的方式制作相对应的压印图案,然后将图案压印到光阻材料上,再将光阻硬化(Curing)后脱膜得到精密图案。光阻硬化的方法可以热硬化或是光硬化或是结合光、热硬化的方式,其机制如图5(7)所示。

图5 纳米压印(NIL)流程(a)热固化,(b)UV固化

纳米压印可使用的印制材料比较多元,并且可以制作光学微结构,因此发展速度很快,目前有包括周教授1999年创建的Nanonex Corp;德克萨斯大学授权,创立的Molecular Imprint Inc( MII);奥地利的EVG、德国SUSS MicroTec以及瑞典Obducat、ASML等公司都有相关的制程、材料与设备;台湾有设备厂商提供相关的制程与设备利用纳米压印的技术制作LED的蓝宝石晶圆图样化(Patterned Sapphire Substrate, PSS)以增加LED出光效率。

纳米压印须要施加压力于模具上,利用卷对平面(Roll To Plate, R2P)与卷对卷(R2R)能够更精准的掌控施加的压力,因此纳米压印特别适用于软性电子卷对卷的制程,其制程概念如图6(a)(8)所示,利用印模轮进行印制,在软性基板上也可以得到非常精细的图案图6(b)(9)。

图6 (a)卷对卷纳米压印之概念(8) (b)软性纳米压印的精细图案(9)

总之,软性电子的图案制化程是根据元件分辨率的需求来选择技术,低分辨率则只要材料黏度、表面张力、流变性等特性能掌握,一般的印刷技术即可以满足,高分辨率的制程在喷墨、微触印刷法则必须有相对应的材料搭配,相对应用的空间比较受限制;而纳米压印则已经有多年的开发经验,在晶圆的制程已经有应用的实例,是软性电子图案化有潜力的技术。

墨滴着陆精准度难掌握EHD-injet将成精密涂布利器

软性电子的制程设备可大致分为两大部份,一是与软性基板传输等机械动作相关,包括卷对卷传输、张力控制、纠偏寻边与导正;另一部份与制程相关,包括真空制程、图案化制程等。对于软性基板传输部份过去在软性膜材的光学涂布产业已经发展非常成熟,只是未来使用到纳米压印等高分辨率的制程时,对于对位、基板变形补偿等会面临一些挑战外,基本上问题不大。至于制程部份就会面临比较多的挑战,就前述喷墨制程与纳米压印制程对于软性基板设备之挑战分述如下。

软性电子生产用喷墨印表机最大的挑战在于喷印时墨滴着陆的精准度,墨滴着陆的精准度取决于喷墨头液滴控制最小喷出墨滴的体积,与墨滴着陆的偏移度。喷墨头的加工与电控技术,是左右墨滴体积的最大关键,由于微机电技术越来越成熟,墨滴的体积也从2000年30pl(pico liter, pico:10-12)发展至今已经可以达到1pl (Konica Minolta)。图7是不同墨滴大小与画素、分辨率的相对比例图。

图7 喷印墨滴体积与显示器画素大小的关系

墨滴在30pl时直径约39μm,墨滴着陆时会展开到约直径2倍的范围就是约80μm,不计喷印轨迹的误差,80μm的分辨率换算成显示器分辨率时约为90ppi,若1pl则约为350ppi,因此,喷墨印刷的机械分辨率目前大约到30μm左右,若是在高的分辨率就会受到限制。若在基板上做一些表面处理或是档墙(Rib)来限制墨滴的位置,则可以提高一些分辨率。

墨滴着陆的偏移度是造成误差的另一个原因,着陆偏移度一方面是喷墨头快速移动造成的偏差,一方面是墨滴在飞行时受到气流影响造成的偏差,提高墨滴的飞行速度对于着陆偏差会有改善。制程实际状况要根据墨滴的特性(如表面张力)、印头电控参数(电压、频率)、基板平整度等参数做优化。

一个由静电纺织技术演化而来的电流体动力喷墨列技术(图8)(10) (Electrohydrodynamic Inkjet Printing, EHD-injet),利用静电与喷墨的特性来使液滴更微细,经过特殊设计也可以使墨滴着陆更精准,Illinois大学实验室利用5μm的喷嘴喷印出2.8μm的墨滴,墨滴只有喷嘴的一半(12),这显示透过导入电压的变数可以将倚赖微机电制作的喷墨头精度放宽,同时也可提高喷印的精准度。EHD-inkjet的技术近年来在国外许多实验室设计出研发机台,并且尝试商品化,估计是未来软性电子精密涂布的利器。

图8 (a)电流体动力喷墨列技术(10),(b)EHD-injet 喷印之精细图案(11)

软性基板易变形纳米压印自行对位帮助大

软性电子制程对设备的精准度是一大挑战,对于精度要达到1~20μm的制程,基本的机台与基材要有达到小于1μm的变动稳定度,目前光学机台稳定度已经可以达到次微米等级以上,但是软性基板的刚性不足,容易变形,而造成对位困难,这个问题可以用承载基板来克服,另一方面,一般软性基材的热膨胀系数大于10 ppm/oC,因温度上升造成的变形量很大,补偿比较困难,这使得纳米压印时,不同功能材料间对位的困难。

纳米压印因为可以产生立体的结构,经过压印的几何设计,可以产生自行对位(Self-align)的效果,这对需要精密对位的软性电子元件制程来说,是一个非常有用的优势。利用自行对位的特点,HP开发在软性基板上先制作完成整面导电层、半导体层、绝缘层功能材料后,再予3D纳米压印制作3阶的光阻结构,利用这个3阶的光阻,分别运用蚀刻把导电层、半导体层、与绝缘层分别图案化,这个Top down自行对位法称为Self-aligned imprint lithography(SAIL)法,如图9所示(13,14)。

图9 3D图案化特性使纳米压印能够产生自行对位的效果的SAIL制作TFT流程(14)

荷兰TNO-Holst Center也利用2阶3D纳米压印的方式在导金属/绝缘层/金属上压印制作3D结构,然后利用蚀刻与喷墨喷印有机半导体材料制作OTFT(15)。TNO-Holst Center与ASML也合作发表达到1 μm的分辨率的纳米印压元件(16)。3D自行对位的纳米压印解决软性电子图案化对位的头痛问题,该法为软性图案化制作的一个重要方法。

软性电子经过二十几年来的发展终于产品在市场驱动下逐渐崭露头角,从2013年Samsung推出弧形的手机到今年挪威NEXT Biometrics ASA推出全球第一个LTPS的热感应可挠式指纹传感器,都显示软性电子的产品终将逐渐一个一个商品化,在这个市场需求驱动下,软性电子相关的产业终将蓬勃发展,只是软性电子产品角度来看,软性电子在材料、制程与设备的关联性更强,材料、制程与设备不同领域的整合将是成功的关键。

(本文作者分别为艾图雅总经理与副总经理)


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