本發(fā)明屬于柔性電子制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于可熱降解柔性印章的薄膜轉(zhuǎn)印裝置與方法。

背景技術(shù)：

基于無機(jī)半導(dǎo)體薄膜的電子集成器件具有性能好、可靠性高等特點(diǎn)，在推動(dòng)信息技術(shù)的發(fā)展中起著關(guān)鍵性作用，是現(xiàn)代信息系統(tǒng)重要的組成部分，對(duì)于柔性電子器件有著重要意義。對(duì)于柔性電子器件的制備，采用轉(zhuǎn)移印刷方法將功能單元從傳統(tǒng)的剛性襯底轉(zhuǎn)移到柔性襯底，并通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方法實(shí)現(xiàn)可延展。關(guān)鍵是通過轉(zhuǎn)移的手段將目標(biāo)器件從源襯底上剝離，并印刷到目標(biāo)襯底。該技術(shù)也被稱為轉(zhuǎn)印技術(shù)，且理論上可以定位到目標(biāo)襯底的任意位置。目前，國(guó)際上通常采用PDMS聚合物印章對(duì)源襯底上功能層進(jìn)行轉(zhuǎn)移，進(jìn)一步通過謹(jǐn)慎的速度控制，向目標(biāo)襯底進(jìn)行薄膜或器件的進(jìn)一步印刷。整個(gè)轉(zhuǎn)印過程需要對(duì)揭起的速度進(jìn)行嚴(yán)格的控制，這個(gè)方法可視作低成本高效無污染的綠色方法。然而，這個(gè)機(jī)械過程的轉(zhuǎn)移對(duì)于源襯底/目標(biāo)襯底的表面要求嚴(yán)格平整，無污染，且擁有特定值的表面粘附力等要求，有一定的局限性。同時(shí)，如何精確、高效和可控地將功能單元從生長(zhǎng)襯底完整轉(zhuǎn)印到柔性襯底，是可延展柔性無機(jī)電子制備面臨的一個(gè)難題。因此，一種利用可熱降解的聚合物印章替代傳統(tǒng)機(jī)械移動(dòng)的聚合物印章，同時(shí)將其裝配在可重復(fù)動(dòng)作的精確調(diào)控的轉(zhuǎn)印設(shè)備上顯得尤有重要。

聚α-甲基苯乙烯聚合物（PAMS）是一種新型的功能高分子聚合物，受熱到一定溫度后可迅速熱降解，并且其表面具有一定的粘附性。因此，可以替代傳統(tǒng)轉(zhuǎn)印技術(shù)的PDMS印章，實(shí)現(xiàn)更可控的薄膜的轉(zhuǎn)移和剝落。

此外，將源襯底、柔性印章、目標(biāo)襯底繼承裝配在三軸位移平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)薄膜或器件的精確轉(zhuǎn)印，為柔性電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于可熱降解柔性印章的薄膜轉(zhuǎn)印裝置與方法。

本發(fā)明提供的基于可熱降解柔性印章的薄膜轉(zhuǎn)印方法，是將加載在Z軸加熱板的聚α-甲基苯乙烯聚合物作為轉(zhuǎn)移印章，通過全局加熱致聚合物熱降解，使柔性印章上的薄膜或器件功能層以一種簡(jiǎn)易、可控的方式剝落至目標(biāo)襯底。過程中，利用固化聚α-甲基苯乙烯聚合物表面粘附力作用使薄膜或器件能夠從源襯底轉(zhuǎn)移并附著于聚α-甲基苯乙烯聚合物表面，之后通過水平XY平臺(tái)將印章對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)襯底的位置，輕微施加Z軸壓力使兩者之間形成力學(xué)接觸，利用加熱使得聚α-甲基苯乙烯聚合物印章迅速熱降解，從而使器件附著在目標(biāo)襯底上，實(shí)現(xiàn)將功能單元選擇性地轉(zhuǎn)印到目標(biāo)襯底上。

本發(fā)明提供的基于可熱降解柔性印章的薄膜轉(zhuǎn)印裝置，包括：伺服電機(jī)平臺(tái)系統(tǒng)、襯底微調(diào)系統(tǒng)、印章裝載系統(tǒng)、旋涂系統(tǒng)和加熱板；其中：

所述加熱板感應(yīng)加熱，用于承載聚合物柔性印章，通過控制線圈的通電電流大小實(shí)現(xiàn)對(duì)于印章的熱傳導(dǎo)使聚合物印章受熱降解；

所述伺服電機(jī)平臺(tái)系統(tǒng)，包括X-Y伺服電機(jī)平臺(tái)和Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)；其中，X-Y伺服電機(jī)平臺(tái)在伺服電機(jī)控制下沿X-Y軌道在水平方向運(yùn)動(dòng)，用于控制源襯底/目標(biāo)襯底的水平位置，以微米的步長(zhǎng)在水平面移動(dòng)到Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)下方，使源襯底/目標(biāo)襯底水平定位至印章裝載系統(tǒng)的下方；Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)伺服電機(jī)控制下沿Z軸軌道在垂直方向運(yùn)動(dòng)，用于控制印章在源襯底/目標(biāo)襯底的上下作直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)剝離/刷印操作；

所述襯底微調(diào)系統(tǒng)，主要由裝有真空吸附孔的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)組成，裝載于X-Y伺服電機(jī)平臺(tái)，用于吸附并旋轉(zhuǎn)源襯底/目標(biāo)襯底，使源襯底/目標(biāo)襯底在旋轉(zhuǎn)維度上準(zhǔn)確定位；系統(tǒng)中所有襯底、器件的轉(zhuǎn)移和印刷過程均在X-Y平臺(tái)的襯底微調(diào)系統(tǒng)上完成；Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)從源襯底旋轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)移器件之后，通過X-Y平臺(tái)的水平運(yùn)動(dòng)使吸附于目標(biāo)襯底旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的目標(biāo)襯底位于Z軸下方，進(jìn)行印刷過程。整個(gè)系統(tǒng)通過真空導(dǎo)管使襯底吸附在橡膠圈上。襯底裝載系統(tǒng)的橡膠圈與Z軸軌道印章裝載系統(tǒng)的吸盤把襯底和印章相互接觸之后由于橡膠的微型形變可以使印章盒襯底有更好的接觸，避免“硬接觸”產(chǎn)生的器件斷裂等問題。

所述印章裝載系統(tǒng)，為具有真空吸附孔的平臺(tái)，加載于Z軸的平臺(tái)的前端，用于吸附加熱板以及聚合物柔性印章；

所述旋涂系統(tǒng)，由真空吸附管以及可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子組成，裝載于X-Y平臺(tái)的最末端。通過真空吸附孔吸附加熱板，滴入聚合物印章，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速至一定值獲得一定厚度的印章；之后倒置吸附于Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的印章裝載系統(tǒng)。

以上四大部分為機(jī)械系統(tǒng)，保證達(dá)到2微米的水平步長(zhǎng)后，即可進(jìn)行轉(zhuǎn)移印刷過程的材料制備。

聚合物柔性印章采用可熱降解材料，其中，主要有聚α-甲基苯乙烯聚合物（PAMS）等；

基于上述薄膜轉(zhuǎn)印裝置的薄膜轉(zhuǎn)印方法，具體步驟為：

（1）通過濕法腐蝕或干法刻蝕等半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)工藝去除原來為三明治結(jié)構(gòu)源襯底中間層，使得處理后的源襯底頂層微電子器件與底部支撐層機(jī)械上沒有鍵和力；

（2）通過旋涂系統(tǒng)，將PAMS聚合物溶液水平滴于加熱板上，并旋涂，調(diào)節(jié)旋涂系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速至一定值，獲得一定厚度的印章；室溫固化后形成50微米至3毫米柔性印章；柔性印章連同加熱板一起倒置吸附在Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)前端的印章裝載系統(tǒng)；Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)以一定速率向上運(yùn)動(dòng)，由于Z軸前端的真空吸附力以及柔性印章的粘附力，使被去除中間層的源襯底的頂層微電子器件轉(zhuǎn)移脫離源襯底至印章；同時(shí)，通過控制X-Y平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，使放置目標(biāo)襯底的轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)置于Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)下方，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的X-Y平臺(tái)位置以及轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，校準(zhǔn)微電子器件相對(duì)于目標(biāo)襯底的位置；

（3）控制Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)向下緩慢運(yùn)動(dòng)，保持印章與微電子襯底輕微接觸，然后通過加熱板對(duì)印章進(jìn)行加熱，控制加熱開關(guān)至300℃，使加熱板升溫至聚合物柔性印章的熱降解溫度，印章在該溫度下發(fā)生熱降解反應(yīng)，需要轉(zhuǎn)移的器件失去了印章粘附，從而剝落至目標(biāo)襯底，實(shí)現(xiàn)薄膜或器件的轉(zhuǎn)印制備；

使聚合物印章受熱降解，此時(shí)原本吸附于印章上的微電子器件脫離印章以及加熱板，剝落并固定在目標(biāo)襯底上；

驅(qū)動(dòng)加熱板回復(fù)至旋涂系統(tǒng)，重復(fù)上述步驟，實(shí)現(xiàn)功能性薄膜或器件層轉(zhuǎn)移印刷制備的流水線操作。

本發(fā)明中，所述的襯底上的微電子器件（薄膜）需要做前期的處理，使得微電子器件與源襯底之間以微弱的范德瓦爾斯力相互接觸，處理的方法可采用選擇性腐蝕/刻蝕犧牲層。所述的目標(biāo)襯底采用剛性襯底或柔性襯底。

本發(fā)明中，所述的X-Y平臺(tái)及軌道均放置在一光學(xué)平臺(tái)底座上；所述的襯底微調(diào)系統(tǒng)水平放置于X-Y軌道上。所述的Z軸軌道的重力負(fù)載均在龍門架上；印章裝載系統(tǒng)固定在Z軸軌道上隨動(dòng)。Z軸軌道的運(yùn)動(dòng)速率可自由調(diào)節(jié)。龍門架選擇厚鋁合金。300 mm至800mm龍門架，選用7075航空鋁合金制作底座以及龍門架。

本發(fā)明中，所述印章裝載系統(tǒng)為真空吸附模式，用以吸附加熱板以及印章。

本發(fā)明中，聚合物柔性印章除了可采用熱致降解材料外，還可以采用其他類型可降解聚合物，如光致降解、電致降解聚合物等。

本發(fā)明中，所述源襯底為具有三明治結(jié)構(gòu)的材料，包括底層支撐層（襯底），中間層犧牲層（主要為可選擇性腐蝕/刻蝕的氧化物、化合物層），頂層薄膜（功能層/器件層，該專利中所要轉(zhuǎn)移的）。

本發(fā)明中，源襯底可經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)硅基CMOS工藝進(jìn)行加工，得到功能性薄膜或器件層，并通過干法刻蝕或者濕法腐蝕得到獨(dú)立的功能層。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性的技術(shù)效果：利用水平X-Y平臺(tái)和豎直Z平臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)薄膜或者器件精確的轉(zhuǎn)移和印刷；利用PAMS熱降解特性，能夠更為可控地將微電子功能薄膜或者器件選擇性地轉(zhuǎn)印到目標(biāo)襯底上，特別適用于無機(jī)柔性可延展電子器件的大規(guī)模制備。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述方法的工藝流程圖；其中， (a) 是在平整金屬加熱板上制備使表面有一定粘附性的PAMS聚合物印章；(b) 是柔性印章在Z軸載物平臺(tái)的作用下，與源襯底的微電子器件接觸，之后Z軸抬離使得微電子器件粘附于印章上；(c) 是附有功能性薄膜或器件的柔性印章在Z軸載物平臺(tái)的作用下，與目標(biāo)襯底接觸；(d) 通過加熱板加熱印章，使印章聚合物熱降解，功能性薄膜或器件剝落至目標(biāo)襯底。

圖2為本發(fā)明所設(shè)計(jì)的儀器平臺(tái)以及軌道的45度視角圖，包含鋁合金龍門架底座， X-Y平臺(tái)以及Z軸軌道。

圖3是儀器平臺(tái)以及軌道的左視圖。

圖4是印章裝載系統(tǒng)45度視角圖，該系統(tǒng)裝載于Z軸軌道，通過開通的雙獨(dú)立真空吸附孔吸附加熱板以及印章。

圖5為印章裝載系統(tǒng)吸附加熱板以及印章的前視圖。

圖6 為襯底裝載系統(tǒng)的左視圖，加載于X-Y軌道的轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)上，通過真空吸附孔將源襯底/目標(biāo)襯底吸附于橡膠圈上。

圖7 為包含印章系統(tǒng)、源/目標(biāo)襯底裝載系統(tǒng)以及旋涂系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移印刷流程圖。印章從旋涂系統(tǒng)制備完畢后倒置加載于印章吸附系統(tǒng)，分別從源襯底裝載系統(tǒng)和目標(biāo)襯底裝載系統(tǒng)完成剝離和熱釋放印刷動(dòng)作后，從旋涂系統(tǒng)加載固化后的印章和加熱板回到原始位置重復(fù)下一步轉(zhuǎn)印動(dòng)作。

圖8為本發(fā)明所設(shè)計(jì)的案例圖。

圖中標(biāo)號(hào)：1-加熱板，2-聚合物印章，3-用于轉(zhuǎn)移印刷的功能性薄膜或器件，4-源襯底，5-目標(biāo)襯底。6-底座以及龍門架，7- X-Y軌道平臺(tái)，8- Z軸軌道，9- 印章裝載系統(tǒng)，10-襯底微調(diào)系統(tǒng)，11-旋涂系統(tǒng)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

圖1為本發(fā)明所述方法的工藝流程圖，該方法包括以下步驟：

（1）在金屬加熱板上制備印章：把平整的金屬加熱板1吸附于旋涂系統(tǒng)11，通過旋涂系統(tǒng)11在加熱板上旋涂PAMS聚合物，并使其在室溫下固化，形成數(shù)微米至數(shù)百微米的PAMS聚合物印章2；將加熱板1以及印章2倒置吸附于印章裝載系統(tǒng)9；

（2）將源襯底4吸附于X-Y平臺(tái)7的襯底裝載系統(tǒng)10上，并置于印章2下方，控制Z軸軌道8向下緩慢移動(dòng)至擁有功能性薄膜或器件3的源襯底4，并形成緊密接觸；

（3）將Z軸軌道8向上迅速抬離，由于印章2表面的粘附作用，功能性薄膜或器件3將被轉(zhuǎn)移至柔性印章2；

（4）將目標(biāo)襯底5吸附于X-Y平臺(tái)7的襯底裝載系統(tǒng)10上并置于粘附著功能性薄膜或器件3的印章2下方，控制Z軸軌道8使粘附著功能性薄膜或器件3的印章2向下緩慢移動(dòng)，直至與目標(biāo)襯底5形成緊密接觸；

（5）控制加熱板開關(guān)使加熱板迅速升溫，直至聚合物印章的降解溫度（~300 ℃），柔性印章2在該溫度下發(fā)生熱降解反應(yīng)，功能性薄膜或器件3由于失去了印章粘附，從而剝落并被印刷至目標(biāo)襯底5。驅(qū)動(dòng)加熱板回到旋涂裝置11位置，重復(fù)下一輪轉(zhuǎn)移印刷過程。

圖2-圖7為本發(fā)明所設(shè)計(jì)的儀器圖，該組成包括以下內(nèi)容：

（1）Z軸軌道8上的印章裝載系統(tǒng)9為真空吸附模式，用以吸附加熱板以及印章；襯底微調(diào)系統(tǒng)10安裝在X-Y軌道平臺(tái)7上，亦采用真空吸附模式實(shí)現(xiàn)源襯底或者目標(biāo)襯底的吸附固定；

（2）襯底微調(diào)系統(tǒng)10的橡膠圈與Z軸軌道印章裝載系統(tǒng)9把襯底和印章相互接觸之后，由于橡膠的微型形變可以使印章和襯底有更好的接觸，系統(tǒng)能自動(dòng)處于勢(shì)能低的狀態(tài)；

（3）旋涂系統(tǒng)11由真空吸附管以及可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子組成。通過真空吸附孔吸附加熱板，滴入聚合物印章，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速至一定值獲得一定厚度的印章。

圖8為本發(fā)明所設(shè)計(jì)的案例圖，通過機(jī)械系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)，成功將選擇性腐蝕過后的硅薄膜12轉(zhuǎn)移至柔性PET襯底，大面積實(shí)現(xiàn)微電子器件溝道層的柔性襯底轉(zhuǎn)移印刷過程，取得了較高的成功率。并且之后的源漏電極槽13的光刻過程從側(cè)面印證了該方法轉(zhuǎn)移的硅薄膜能夠與PET柔性襯底有較好的鍵和。