專(zhuān)利名稱(chēng)：可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)以及相關(guān)制造和組裝方法
可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)以及相關(guān)制造和組裝方法 相關(guān)申請(qǐng)的交叉援引
本申請(qǐng)要求于2005年6月2日提交的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng) No. 11/145， 542、 2005年6月2日提交的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)No. 11/145， 574 以及2005年6月2日提交的國(guó)際PCT申請(qǐng)No.PCT/US05/19354的優(yōu)先 權(quán)，此處通過(guò)引用的方式，以不與此處公開(kāi)的內(nèi)容不一致為限，將所 有這些申請(qǐng)的內(nèi)容納入本文。
背景技術(shù)：
自從1994年首次演示印刷的全聚合物晶體管以來(lái)，那些在塑料基 片上包括柔性集成的電子設(shè)備的潛在新類(lèi)型電子系統(tǒng)引起了人們的廣 泛關(guān)注。[Gamier, F. , Hajlaoui， R. ， Yassar， A. and Srivastava， P. ， Science,第265巻，第1684 - 1686頁(yè)]。最近，基本研究已經(jīng) 著眼于開(kāi)發(fā)新的用于半導(dǎo)體、絕緣體以及半導(dǎo)體元件的可溶液處理材 料來(lái)用于柔性塑料電子設(shè)備。然而，柔性電子設(shè)備領(lǐng)域的進(jìn)展并不是 僅由新的可溶液處理材料的開(kāi)發(fā)來(lái)推動(dòng)的，而且還受到新的設(shè)備組件 的形狀、高效設(shè)備、設(shè)備組件處理方法以及可應(yīng)用于塑料基片的高分 辨率成圖技術(shù)的推動(dòng)?？梢灶A(yù)期，這類(lèi)材料、設(shè)備構(gòu)造以及制造方法 將在迅速崛起的新類(lèi)型柔性集成電子設(shè)備、系統(tǒng)和電路中扮演一實(shí)質(zhì) 性的角色。
對(duì)柔性電子設(shè)備的興趣主要起因于該技術(shù)提供的幾個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)。 首先，該塑料基片材料的機(jī)械耐用性使電子設(shè)備較不易于受到因機(jī)械 壓力而引起的損毀和/或電子性能降低。第二，這些基片材料的固有柔 韌性使得它們可以以多種形狀來(lái)集成，以此提供了大量有用的設(shè)備構(gòu) 造，而利用脆性的常規(guī)硅基底電子設(shè)備是不可能做到的。例如，可以 預(yù)料到可彎曲的柔性電子設(shè)備使能夠制造諸如電子紙張、可佩戴的計(jì) 算機(jī)以及大面積高分辨率顯示器之類(lèi)的新設(shè)備，這些設(shè)備在已有的硅 基技術(shù)下是不易實(shí)現(xiàn)的。最后，可溶液處理組件材料以及塑料基片的 結(jié)合使得通過(guò)這些能夠以低成本在大基片面積上生產(chǎn)電子設(shè)備的連續(xù)、高速、印刷技術(shù)來(lái)進(jìn)行制造。
然而，展示優(yōu)良電子性能的柔性電子設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造存在很多 艱巨的挑戰(zhàn)。首先，已開(kāi)發(fā)得很好的常規(guī)硅基電子設(shè)備的制造方法與 大多數(shù)塑料材料不兼容。例如，傳統(tǒng)的高品質(zhì)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體組件，諸如 單晶硅或鍺半導(dǎo)體， 一般是通過(guò)在顯著超過(guò)大多數(shù)塑料基片的熔化或
分解溫度(> 1000攝氏度)下生長(zhǎng)薄膜來(lái)處理的。此外，多數(shù)無(wú)機(jī)半
導(dǎo)體本質(zhì)上在常規(guī)溶液中是不可溶解的，這允許基于溶液的處理和傳 輸。第二，盡管很多非晶硅、有機(jī)或者混合的有機(jī)-無(wú)機(jī)半導(dǎo)體可以兼 容地納入到塑料基片中，并且可以在相對(duì)低的溫度下處理，但是這些 材料不具有可以提供具有良好電子性能的集成電子設(shè)備的電子特性。 例如，由這些材料制成的具有半導(dǎo)體元件的薄膜晶體管展示的場(chǎng)效應(yīng) 遷移率比其余的基于單晶硅的設(shè)備低約三個(gè)量級(jí)。由于這些限制，柔 性電子設(shè)備目前只限于那些不需要高性能的特定應(yīng)用中，諸如用于具 有非發(fā)射像素的有源矩陣平面顯示器的開(kāi)關(guān)元件中以及用于發(fā)光二極管中。
最近，在擴(kuò)展集成于塑料基片上的電子設(shè)備的電子性能方面已經(jīng) 取得了進(jìn)展，以使其應(yīng)用拓展到一較寬的電子應(yīng)用范圍。例如，已經(jīng)
出現(xiàn)幾種與對(duì)塑料基片材料上的處理兼容的新的薄膜晶體管(TFT )設(shè) 計(jì)，并且這些新的薄膜晶體管(TFT)設(shè)計(jì)表現(xiàn)出比具有非晶硅、有機(jī) 或混合的有機(jī)-無(wú)機(jī)半導(dǎo)體元件的薄膜晶體管明顯高的設(shè)備性能特征。 一種更高性能的柔性電子設(shè)備是基于通過(guò)對(duì)非晶硅薄膜進(jìn)行脈沖激光 退火而制造的多晶硅薄膜半導(dǎo)體元件。雖然這種柔性電子設(shè)備提供了 增強(qiáng)的設(shè)備電子性能特征，但是利用脈沖激光的退火限制了這種設(shè)備 制造的簡(jiǎn)易度和靈活性，從而顯著增加了成本。另一種看好的新類(lèi)型 更高性能柔性電子設(shè)備是那些將可溶液處理的納米級(jí)材料，諸如納米 線、納米帶、納米顆粒以及碳納米管作為許多宏電子和微電子設(shè)備中 的有源功能組件。
評(píng)估認(rèn)為使用分散的單晶納米線或納米帶可作為一種在塑料基片 上提供展示增強(qiáng)的設(shè)備性能特征的可印刷電子設(shè)備的可行方式。Duan 等人描述了將多個(gè)選擇取向的單晶硅納米線或CdS納米帶作為半導(dǎo)體 通道的薄膜晶體管設(shè)計(jì)[Duan， X. ， Niu， C， Sahl, V. ， Chen, J. ， ParceJ. , Empedocles, S. and Goldman, J., Nature,第425巻，第274 -278 頁(yè)]。作者報(bào)道了一種據(jù)其所述與塑料基片上的溶液處理兼容的制造工 藝，其中，將厚度少于或等于150納米的單晶硅納米線或CdS納米帶 分散到溶液中，并且使用流導(dǎo)向準(zhǔn)直方法將其組裝到基片表面上，以 產(chǎn)生在薄膜晶體管上的半導(dǎo)體元件。由作者提供的光學(xué)顯微照片表明
布置單層的納米線或納;帶。'盡管i作者報(bào):對(duì)于單獨(dú)的納米線或納
米帶具有相對(duì)較高的本征場(chǎng)效應(yīng)遷移率(《 119cm、—18—1),但最近確 定整個(gè)設(shè)備場(chǎng)效應(yīng)遷移率比Duan等人，艮道的本征場(chǎng)效應(yīng)遷移率值"約 小兩個(gè)量級(jí)，，[Mitzi， D. B， Kosbar， L丄，Murray, C. E. ， Copel， M.Afzali， A. ， Nature,第428巻，第299-303頁(yè)]。該設(shè)備場(chǎng)效應(yīng)遷 移率比常規(guī)的單晶無(wú)機(jī)薄膜晶體管低幾個(gè)量級(jí)，很可能是由于在利用 Duan等人公開(kāi)的方法以及設(shè)備構(gòu)造時(shí)的準(zhǔn)直、密集封裝以及分散納米 線或納米帶電接觸上的實(shí)踐挑戰(zhàn)而引起的。
使用納米晶溶液作為多晶無(wú)機(jī)半導(dǎo)體薄膜的前體(precursor )已 被探索為一種可在塑料基片上提供展示更高的設(shè)備性能特征的可印刷 電子設(shè)備的可行方法。Ridley等人公開(kāi)了一種溶液處理制造方法，其 中在塑料可兼容的溫度下處理具有約2納米尺寸的硒化鎘納米晶溶 液，以為場(chǎng)效應(yīng)晶體管提供半導(dǎo)體元件。[Ridley, B. A. ， Nivi， B. and Jacobson, J. M. ， Science,第286巻，第746 - 749頁(yè)(1999)]。 作者報(bào)道了 一種方法，其中硒化鎘納米晶溶液中的低溫晶粒生長(zhǎng)提供 了包括有幾百個(gè)納米晶的單晶面積。盡管Ridley等人報(bào)道了改進(jìn)的電 學(xué)特性可與具有有機(jī)半導(dǎo)體元件的設(shè)備相比，但是由這些技術(shù)獲得的
設(shè)備遷移率(《lcm2V_1s—"比常規(guī)的單晶無(wú)機(jī)薄膜晶體管的設(shè)備場(chǎng)效 應(yīng)遷移率低幾個(gè)量級(jí)。由Ridley等人的設(shè)備構(gòu)造以及制造方法所獲得 的場(chǎng)效率遷移率的限制很可能是由在各個(gè)納米顆粒之間建立的電接觸 引起的。具體地，將有機(jī)端末基團(tuán)用于穩(wěn)定納米晶溶液以及阻止凝聚， 可能妨礙在相鄰納米顆粒之間建立對(duì)于提供高設(shè)備場(chǎng)效應(yīng)遷移率是必 要的良好電接觸。
盡管Duan等人以及Ridley等人提供了用于在塑料基片上制造薄 膜晶體管的方法，但是所描述的設(shè)備構(gòu)造采用了包括諸如電極、半導(dǎo)體和/或絕緣體之類(lèi)的機(jī)械剛性的設(shè)備組件的晶體管。選擇具有良好機(jī) 械性能的塑料基片可以提供能夠在可變的或者扭曲的方向進(jìn)行操作的 電子設(shè)備。然而，可以預(yù)料到這種運(yùn)動(dòng)會(huì)在各個(gè)剛性晶體管設(shè)備組件 上產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。該機(jī)械應(yīng)力可能導(dǎo)致對(duì)各個(gè)組件的損壞，例如破裂， 以及還可能使設(shè)備組件之間的電接觸衰退或破壞。
都于2005年6月2日提交的美國(guó)專(zhuān)利11/145， 574以及 11/145， 542公開(kāi)了一種使用可印刷半導(dǎo)體元件的高產(chǎn)率制造平臺(tái)來(lái) 通過(guò)多用途、低成本以及大面積的印刷技術(shù)制備電子設(shè)備、光電設(shè)備 以及其他功能電子裝置。所公開(kāi)的方法和成分提供了使用提供在大的 基底面積上的良好安放準(zhǔn)確度、配準(zhǔn)以及圖樣再現(xiàn)度的熱轉(zhuǎn)接觸印刷
組^和/或集成。所公開(kāi)的方法提供一了重^^的處理優(yōu)點(diǎn)，使能夠使用常 規(guī)的高溫處理方法通過(guò)下面的印刷技術(shù)在基片上制造高品質(zhì)半導(dǎo)體材 料的集成該印刷技術(shù)可以在與包括柔性塑料基片的一定范圍內(nèi)的有 用基片材料兼容的相對(duì)低的溫度下(<約400攝氏度)獨(dú)立進(jìn)行。利用 可印刷半導(dǎo)體材料制造的柔性薄膜晶體管當(dāng)在彎曲和非彎曲形狀下時(shí) 展示良好的電學(xué)性能特征，諸如大于300 cm2V—、—工的設(shè)備場(chǎng)效應(yīng)遷移 率以及大于103的開(kāi)/關(guān)比。
從上面可以理解，以低成本、起于體材料制造高品質(zhì)可印刷半導(dǎo) 體元件的方法將提高用于生產(chǎn)大面積柔性電子和光電設(shè)備以及設(shè)備陣 列的印刷技術(shù)的商業(yè)吸引力。而且，使能夠?qū)τ∷⒌交系陌雽?dǎo)體 元件的物理尺寸、空間取向以及配準(zhǔn)進(jìn)行高度控制的可印刷半導(dǎo)體成 分以及基于印刷的組裝方法也將提高這些方法用于制造寬范圍的功能 設(shè)備的適用性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于加工、轉(zhuǎn)移以及組裝具有所選擇的物理尺 寸、形狀、成分以及空間取向的高品質(zhì)可印刷半導(dǎo)體元件的高產(chǎn)率途 徑。本發(fā)明的成分以及方法提供了將微小尺寸和/或納米尺寸半導(dǎo)體結(jié) 構(gòu)的陣列高度精確的配準(zhǔn)轉(zhuǎn)移以及集成到包括到大面積基片和/或柔 性基片的基片上。此外，本發(fā)明提供了以諸如體硅晶片(bulk siliconwafer )的低成本體(bulk )材料以及智能材料處理策略來(lái)制備可印刷 半導(dǎo)體元件的方法，該智能材料處理策略實(shí)現(xiàn)了一種用于制備寬范圍 功能半導(dǎo)體設(shè)備的多用途、具有商業(yè)吸引力的基于印刷的制造平臺(tái)。 本半導(dǎo)體制造、轉(zhuǎn)移以及集成平臺(tái)提供了多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)包括對(duì) 可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的幾何形狀、相對(duì)空間取向以及組織、摻雜水平以 及材料純度的高度控制。
本發(fā)明方法以及成分使得能夠進(jìn)行復(fù)雜集成的電子或光電設(shè)備或 設(shè)備陣列范圍的制造，包括大面積、柔性、高性能宏電子設(shè)備，這些 電子設(shè)備展示可以與那些利用常規(guī)高溫處理方法來(lái)制造的基于單晶半 導(dǎo)體的設(shè)備相比擬的性能特征。將可印刷半導(dǎo)體元件集成、定位、組 織、轉(zhuǎn)移、成圖和/或集成到基片上或內(nèi)的本發(fā)明制造成分以及相關(guān)方 法實(shí)際上可以用于制造包括一個(gè)或更多個(gè)半導(dǎo)體元件的任何結(jié)構(gòu)。然 而這些方法對(duì)于制造復(fù)雜集成的電子或光電設(shè)備或設(shè)備陣列，諸如二 極管陣列、發(fā)光二極管、太陽(yáng)能電池以及晶體管(例如，薄膜晶體管 (TFT)、金屬-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET) TET以及雙極晶體管)
特別有用。本發(fā)明的成分以及相關(guān)方法對(duì)于用于制造系統(tǒng)級(jí)集成的電 路，諸如NOA和MND邏輯門(mén)以及互補(bǔ)邏輯電路也是有用的，其中可印 刷半導(dǎo)體元件沿一充分限定的空間取向被印刷到基片上以及被互連，
以形成所需的電路設(shè)計(jì)。
在一方面，本發(fā)明提供了使用體硅晶片起始材料的處理方法，這 些材料被重復(fù)處理以提供高產(chǎn)率的具有精確選取的物理尺寸、形狀以 及空間取向的可印刷半導(dǎo)體元件。在本發(fā)明該方面的一個(gè)實(shí)施方案中， 提供了一個(gè)具有(lll)取向以及具有一個(gè)外表面的硅晶片。在具有商業(yè) 吸引力的實(shí)施方案中，該晶片是低成本、體(lll)硅晶片。在(lll)硅 晶片外表面產(chǎn)生多個(gè)凹槽特征，其中每個(gè)凹槽特征包括被曝露的硅晶 片的一底面以及一側(cè)面。凹槽特征的側(cè)面的至少一部分,皮遮蓋。在本 說(shuō)明書(shū)的上下文中，"遮蓋"指的是提供遮蓋材料，諸如可以防止或 阻止刻蝕或者可以降低被遮蓋表面的刻蝕速度的耐刻蝕遮蓋材料。凹 槽特征之間的區(qū)域被刻蝕，使得該刻蝕沿(111)硅晶片的< 110>方向發(fā) 生，以此制造出一個(gè)或更多個(gè)包括^皮部分底刻(undercut )或完全底 切的硅結(jié)構(gòu)的可印刷半導(dǎo)體元件。在一實(shí)用的實(shí)施方案中，沿硅晶片的<110>方向在相鄰位置凹槽特征之間進(jìn)行底刻，以此來(lái)產(chǎn)生可印刷的
半導(dǎo)體元件?？蛇x地，選擇凹槽特征的位置、形狀以及空間取向以形
成對(duì)準(zhǔn)維持元件(alignment maintenance element), 諸如將可印岸寸 半導(dǎo)體元件連接到晶片的橋元件。
在一個(gè)實(shí)施方案中，凹槽特征側(cè)面的一部分，但不是全部，被遮 蓋，以此產(chǎn)生側(cè)面的被遮蓋區(qū)域以及沒(méi)有被遮蓋的區(qū)域。側(cè)面的沒(méi)有 被遮蓋的區(qū)域被刻蝕，例如，通過(guò)各向異性刻蝕方法，以此導(dǎo)致底刻 位于凹槽特征之間的(lll)硅晶片區(qū)域。在本發(fā)明的該實(shí)施方案中，刻 蝕沿硅晶片<110>方向在凹槽特征之間發(fā)生，以此制造出包括被部分底 刻或完全底刻的硅結(jié)構(gòu)的可印刷半導(dǎo)體元件。
在又一個(gè)實(shí)施方案中，凹槽特征的側(cè)面被完全遮蓋并且凹槽特征 之間的區(qū)域被刻蝕，其刻蝕沿硅晶片的〈110〉方向發(fā)生，例如，對(duì)被遮 蓋區(qū)域下面的材料進(jìn)行刻蝕，這導(dǎo)致底刻位于凹槽特征之間的(111) 硅晶片的區(qū)域。該處理制造包括被部分底刻或全部底刻的硅結(jié)構(gòu)的可 印刷半導(dǎo)體元件。在一些實(shí)施方案中，位于凹槽特征的底板(floor) 下面的材料被除去，例如，通過(guò)各向異性刻蝕方法。可選地，該凹槽 特征的底板^皮部分遮蓋，因而為蝕刻劑留出入口，其中該入口位于凹槽 特征的底板上。其中凹槽特征的側(cè)面被完全遮蓋的制造方法可以比采 用部分遮蓋側(cè)面的一些方法更為精確地限定和選擇可印刷元件的厚 度。
可選地，本方法還可以包括在制造可印刷半導(dǎo)體元件之前，對(duì)凹 槽特征的幾何形狀、物理尺寸以及形態(tài)進(jìn)行精制的步驟。在上下文中， 精制指代諸如凹槽的側(cè)面和底板等凹槽特征的表面的材料除去處理。
物理尺寸和表面形態(tài)的凹槽特征的處理，從而導(dǎo)致可印刷半導(dǎo)體元件 具有更光滑的表面和特征和/或具有更均勻的物理尺寸和形態(tài)。在一個(gè) 實(shí)施方案中，利用各向異性刻蝕技術(shù)，例如利用熱K0H溶液的刻蝕， 對(duì)幾何形狀、物理尺寸和/或形態(tài)進(jìn)行精制。本發(fā)明方法包括涉及精制 凹槽特征的幾何形狀、物理尺寸和/或形態(tài)處理步驟對(duì)于制備微電子機(jī) 械系統(tǒng)(MEMS)和納米電子機(jī)械系統(tǒng)(NEMS)的制造途徑上是有用的。 對(duì)具有所選擇的物理尺寸、位置以及相對(duì)空間取向的多個(gè)凹槽特征的(111)晶片的外表面進(jìn)行構(gòu)圖在本方法用于同時(shí)制造大量(例如，
約1 x 103到約1. Ox 10lfl)可印刷半導(dǎo)體元件陣列方面是有用的，所述
可印刷半導(dǎo)體元件被放置在精確選擇的位置和空間取向上，以便于它 們最終組裝和集成到設(shè)備系統(tǒng)中。本發(fā)明的方法可以生產(chǎn)出與硅晶片
外表面的大部分(例如約75%-約95%)相應(yīng)的可印刷半導(dǎo)體元件陣列。 本發(fā)明包括其中在相鄰凹槽特征之間沿(lll)硅晶片的<110>方向 進(jìn)行到完全刻蝕的方法，因而完全底刻凹槽特征之間的(111)硅晶片的 區(qū)域，因而制備可印刷半導(dǎo)體元件。替代地，本發(fā)明包括其中在相鄰 凹槽特征之間沿硅晶片〈110〉方向的不完全刻蝕，因而部分地底刻凹槽 特征之間的(lll)硅晶片的區(qū)域，并且因而產(chǎn)生部分底刻的可印刷半導(dǎo) 體元件。在一些其中通過(guò)該刻蝕處理步驟完全底刻可印刷半導(dǎo)體元件 的方法中，選擇硅片外表面上的凹槽特征的空間取向和物理尺寸，使 得所制造的可印刷半導(dǎo)體元件在該可印刷半導(dǎo)體元件的一個(gè)或更多個(gè) 端上保持連接到、可選地集成連接到硅晶片上。在一些實(shí)施方案中， 該可印刷半導(dǎo)體元件直接連接到硅晶片上，而在其他實(shí)施方案中，該 可印刷半導(dǎo)體元件通過(guò)諸如橋元件的一個(gè)或更多個(gè)對(duì)準(zhǔn)維持元件連接 到硅晶片上。
具有(lll)取向的硅晶片與本發(fā)明的刻蝕系統(tǒng)結(jié)合使用，提供一種
類(lèi)的維l元^有;的本:刻蝕停止。例如，:一些實(shí)施方案中，選擇 一個(gè)提供沿硅晶片〈110〉方向的優(yōu)選刻蝕的各向異性刻蝕系統(tǒng)。在這些 實(shí)施方案中，沿著比沿硅晶片<111>方向更快的速度的硅晶片<110>方 向進(jìn)行刻蝕，以及在一些應(yīng)用中，優(yōu)選地，沿著以比沿珪晶片<111> 方向快100倍的速度的硅晶片<110>方向進(jìn)行刻蝕，以及在一些實(shí)施方 案中，沿著比沿硅晶片<111>方向快600倍的速度的硅晶片<110>方向 進(jìn)行刻蝕。在一些處理?xiàng)l件下，使用一個(gè)各向異性刻蝕系統(tǒng)，使刻蝕 基本不沿硅晶片的<111>方向進(jìn)行。在本說(shuō)明書(shū)的上下文中，"刻蝕基 本不沿硅晶片的<111>方向進(jìn)行"的表達(dá)指的是低于一般印刷用半導(dǎo)體 元件制造處理的約幾個(gè)百分點(diǎn)的刻蝕程度。用于該底刻處理步驟的有 效刻蝕系統(tǒng)產(chǎn)生具有光滑的、底刻的底面的可印刷半導(dǎo)體元件，例如 底刻底面具有低于或等于0. 5納米的表面粗糙度。在本方法中有用的各向異性蝕刻劑系統(tǒng)包括但不限于在室溫或大于298K溫度下使用堿 性溶液的濕式化學(xué)刻蝕，所述堿性溶液諸如KOH、堿金屬類(lèi)氫氧化物 溶液，EDP (ethylene diamine pyrochatechol ) , TMAH (四甲基氬 氧化銨)，鎵胺(amine gallate)(鎵酸、乙醇胺、對(duì)二氮雜苯 (pyrazine)、表面活性劑溶液)以及聯(lián)氨。
用于遮蓋凹槽特征側(cè)面的有用方法包括對(duì)諸如金屬或金屬的混合 的遮蓋材料進(jìn)行成角度的電子束沉積、化學(xué)氣相沉積、熱氧化、以及 遮蓋材料的溶液沉積。示例方法包括兩個(gè)金屬Ti/Au的成角度電子束 沉積，用于提供凹槽特征側(cè)面的部分覆蓋。這些在成角度蒸發(fā)過(guò)程中 投下的"隱蔽"，在本實(shí)施方案中，至少部分地限定了可印刷半導(dǎo)體 元件的厚度。本方法包括完全遮蓋凹槽特征側(cè)面的處理步驟以及，替 代地，只是部分地遮蓋凹槽特征側(cè)面的處理步驟，例如遮蓋側(cè)面中所
選的部分、區(qū)域、面積或深度的處理步驟。
在本發(fā)明該方面的一個(gè)實(shí)施方案中，將具有所選尺寸、取向和位 置的凹槽特征的圖樣提供到外表面。在該實(shí)施方案中，外表面上的凹 槽特征具有被選擇為至少部分限定可印刷半導(dǎo)體元件的物理尺寸、形 狀、位置和空間取向以及可選擇地限定橋元件的物理尺寸(即長(zhǎng)度、 寬度和深度)、形狀、位置以及相對(duì)空間取向。選取相鄰凹槽特征的 相對(duì)位置(例如間距)、形狀以及空間取向，以限定可印刷半導(dǎo)體元 件的形狀、寬度或長(zhǎng)度。例如，該相鄰凹槽特征之間的間距限定了可 印刷半導(dǎo)體元件的寬度或長(zhǎng)度，可以選擇凹槽特征的深度，以至少部 分地確定可印刷半導(dǎo)體元件的厚度。在一些實(shí)施方案中，具有一個(gè)或 更多個(gè)基本均勻(即在約5%以?xún)?nèi))的物理尺寸的凹槽特征是優(yōu)選的， 以便產(chǎn)生具有一個(gè)或更多個(gè)均勻的物理尺寸，諸如均勻的厚度、寬度 或長(zhǎng)度的可印刷半導(dǎo)體元件?？梢酝ㄟ^(guò)現(xiàn)有技術(shù)中已知的任何方法來(lái) 制造凹槽特征，包括但不限于，諸如近場(chǎng)相移光刻的光刻處理、軟刻 蝕處理、剝離方法、干式化學(xué)刻蝕、等離子刻蝕、濕式化學(xué)刻蝕、微 機(jī)械加工、電子束寫(xiě)入、以及無(wú)源離子刻蝕。在一個(gè)能夠提供具有所 選的物理尺寸和相對(duì)空間取向的凹槽特征圖樣的有效實(shí)施方案中，在 硅晶片的外表面產(chǎn)生一個(gè)或更多個(gè)凹槽特征的步驟包括以下步驟(i) 通過(guò)應(yīng)用 一個(gè)掩模來(lái)遮蓋外表面的一個(gè)或更多個(gè)區(qū)域，因而產(chǎn)生外表面的被遮蓋的區(qū)域和沒(méi)有被遮蓋的區(qū)域；以及(ii)刻蝕晶片外表面至 少一部分沒(méi)有被遮蓋的區(qū)域，例如利用各向異性干式刻蝕或各向同性 干式刻蝕技術(shù)。
在本發(fā)明該方面的一個(gè)實(shí)施方案中，凹槽特征包括晶片外表面中 的具有所選物理尺寸、位置以及相對(duì)空間取向的多個(gè)通道。例如，包 括第一和第二通道的凹槽特征可以被構(gòu)圖到硅晶片上，使它們彼此物 理分開(kāi)。在該實(shí)施方案中，在凹槽特征之間刻蝕的步驟沿硅晶片的 <110>方向從第一通道進(jìn)行到第二通道，因而底刻位于相鄰?fù)ǖ乐g的 硅晶片的至少一部分，以便于從(lll)硅晶片制造在第一和第二通道 之間的可印刷半導(dǎo)體元件，以及可選的橋元件。該處理產(chǎn)生包括位于 第一和第二通道之間的部分或完全底刻的硅結(jié)構(gòu)。在用于制備可印刷
半導(dǎo)體元件陣列的有效實(shí)施方案中，在硅晶片外表面產(chǎn)生一個(gè)包括大 量具有充分限定的位置和尺寸的通道的圖樣，因而使得能夠在單個(gè)處 理方式下同時(shí)制造出大量可印刷半導(dǎo)體元件。
在一個(gè)實(shí)施方案中，晶片外表面上的第一和第二通道縱向上的取 向處于基本平行的構(gòu)造中。在該實(shí)施方案中，在凹槽特征之間刻蝕步 驟產(chǎn)生位于第一和第二通道之間的、部分地或者完全底刻的可印刷半 導(dǎo)體帶。對(duì)于一些實(shí)施方案來(lái)說(shuō)優(yōu)選的是，第一和第二通道的位置和 物理尺寸被選取為使可印刷半導(dǎo)體帶保持集成連接到硅晶片上，直到 進(jìn)一步的處理，諸如涉及與轉(zhuǎn)移設(shè)備接觸的處理步驟，該轉(zhuǎn)移設(shè)備包 括但不限于彈性印模。例如，在一個(gè)實(shí)施方案中，第一通道終止于第 一末端，而第二通道終止于第二末端，可印刷半導(dǎo)體帶保持直接或通 過(guò)諸如橋元件之類(lèi)的對(duì)準(zhǔn)維持元件連接到在所述第一通道的第一末端 和該通道的第二末端之間區(qū)域的硅晶片。此外。該第一通道和第二通 道可以分別終止于第三和第四末端，以及可選地，可印刷半導(dǎo)體帶還 可以直接或通過(guò)諸如橋元件之類(lèi)的對(duì)準(zhǔn)維持元件連接第三和第四末端 之間區(qū)域的硅晶片。
本發(fā)明該方面的方法還包括許多可選的處理步驟，包括但不限于 材料沉積和/或用于將諸如電接觸之類(lèi)的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)、絕緣結(jié)構(gòu)和/或附 加的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成在可印刷半導(dǎo)體元件上的構(gòu)圖；退火步驟；晶片
清洗；表面處理，例如對(duì)表面進(jìn)行刨光以降低外表面的粗糙度；材料摻雜處理；使用諸如彈性印模之類(lèi)的轉(zhuǎn)移設(shè)備或使用溶液印刷技術(shù)轉(zhuǎn) 移、構(gòu)圖、組裝和/或集成可印刷半導(dǎo)體元件；晶片表面修整；使可印 刷半導(dǎo)體元件功能化，例如，制備親水或憎水基團(tuán)；例如利用刻蝕移 除材料；生長(zhǎng)和/或移除可印刷半導(dǎo)體元件上的熱氧化層，和對(duì)這些可 選處理步驟的任意組合。
元件從硅晶片釋放的步驟。在本說(shuō)明書(shū)的上下文中，"釋放，，指的是 將可印刷半導(dǎo)體元件從硅晶片上分離的處理。在本發(fā)明中的釋放處理 可以包括拆掉諸如橋元件之類(lèi)的將可印刷半導(dǎo)體元件的一個(gè)或更多個(gè) 末端連接到母基片(mother substrate)的對(duì)準(zhǔn)維持元件。可印刷半 導(dǎo)體元件從硅晶片上的釋放可以通過(guò)使可印刷半導(dǎo)體元件接觸諸如可 用于接觸印刷轉(zhuǎn)移處理的彈性印模的轉(zhuǎn)移設(shè)備來(lái)進(jìn)行，諸如干式轉(zhuǎn)移 印刷。在一些實(shí)施方案中，半導(dǎo)體元件的外表面和諸如一致的彈性印 模之類(lèi)的轉(zhuǎn)移設(shè)備的接觸表面接觸，可選地為一致接觸，使得半導(dǎo)體 元件粘合到接觸表面?？蛇x地，本發(fā)明該方面的方法還包括將半導(dǎo)體 元件配準(zhǔn)轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移設(shè)備的步驟?？蛇x地，本發(fā)明該方面的方法還包 括利用受動(dòng)力學(xué)控制的分離速度來(lái)促進(jìn)將可印刷半導(dǎo)體元件配準(zhǔn)轉(zhuǎn)移 到彈性印模上。
用于制造可印刷半導(dǎo)體元件的本方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于使用諸如體 (111)硅晶片的給定(lll)硅晶片起始原料，該方法可以被進(jìn)行一次 以上。本方法的重復(fù)處理能力是有益的，因?yàn)樗沟帽痉椒ǖ氖褂脝?個(gè)起始硅片的多次重復(fù)成為可能，因而使得能夠從一平方英尺的體硅
在一個(gè)實(shí)施方案中，該方法還包括在釋放和轉(zhuǎn)移可印刷半導(dǎo)體元件后 修整硅晶片的外表面的步驟。在本說(shuō)明書(shū)的上下文中，表達(dá)"修整硅 晶片"指的是產(chǎn)生一個(gè)平坦的、以及可選地為光滑的硅晶片外表面的 處理步驟，例如在釋放和/或轉(zhuǎn)移一個(gè)或更多個(gè)可印刷半導(dǎo)體元件后。 修整可以通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)的任何已知技術(shù)來(lái)進(jìn)行，包括但不限于，拋光、 刻蝕、研磨、微機(jī)械加工、化學(xué)-機(jī)械拋光；各向異性濕式刻蝕。在一 個(gè)有效的實(shí)施方案中，處理步驟(i)在硅晶片外表面產(chǎn)生多個(gè)凹槽特 征，(ii)遮蓋凹槽特征的至少一部分側(cè)面，以及可選地遮蓋凹槽形貌
17的整個(gè)側(cè)面，以及(iii)在側(cè)面之間進(jìn)4亍刻蝕，因而產(chǎn)生附加的可印刷 半導(dǎo)體元件，在修整外表面后被重復(fù)上述步驟。使用單個(gè)硅晶片起始 原料，可以重復(fù)進(jìn)行包括釋放和精制處理步驟的本發(fā)明方法很多次。
在又一方面，本發(fā)明提供了能夠高精度配準(zhǔn)轉(zhuǎn)移、配準(zhǔn)組裝和/ 或配準(zhǔn)集成到接收基底上的可印刷半導(dǎo)體成分和結(jié)構(gòu)。在本說(shuō)明書(shū)的 上下文中，表達(dá)"配準(zhǔn)轉(zhuǎn)移"、"配準(zhǔn)組裝，，、"配準(zhǔn)集成，，指的是 保持被轉(zhuǎn)移元件的相對(duì)空間取向的協(xié)調(diào)處理，優(yōu)選地為約5微米以及 對(duì)于一些應(yīng)用更優(yōu)選地為約0. l孩i米范圍內(nèi)。本發(fā)明的配準(zhǔn)處理還可 以指的是本發(fā)明方法在預(yù)選為5微米以及對(duì)一些實(shí)施方案優(yōu)選地為 500納米下將可印刷半導(dǎo)體元件轉(zhuǎn)移、組裝和/或集成到接收基底的特 定區(qū)域上的能力。本發(fā)明該方面的可印刷半導(dǎo)體成分和結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了轉(zhuǎn) 移印刷組裝以及集成技術(shù)的精確度、準(zhǔn)確度以及重現(xiàn)精度，因而提供 了一種用于制備高性能電子和光電設(shè)備的健壯并具有商業(yè)化可行性的 制造平臺(tái)。本發(fā)明中的配準(zhǔn)處理可以使用各種轉(zhuǎn)移設(shè)備來(lái)執(zhí)行，這些 轉(zhuǎn)移設(shè)備包括，但不限于，可用于諸如干式接觸印刷的接觸印刷轉(zhuǎn)移 處理的諸如彈性和非彈性印模的印模轉(zhuǎn)移設(shè)備。
在該方面的一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了一種包括可印刷半導(dǎo) 體元件的可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)；以及連接到、可選地集成連接到可印刷 半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)以及連接到母晶片的一個(gè)或更多個(gè)橋元件。選擇該可印刷
半導(dǎo)體元件的物理尺寸、成份、形狀和幾何形狀，以及橋元件，使得 將可印刷半導(dǎo)體與諸如彈性印模的轉(zhuǎn)移設(shè)備接觸能夠折斷橋元件，因 而以可控的方式將可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)從母晶片釋放。
在一個(gè)實(shí)施方案中，橋元件、可印刷半導(dǎo)體元件和母晶片被集成 地連接，以^更包括一整體(unitary )結(jié)構(gòu)。在本"^兌明書(shū)的上下文中， "整體結(jié)構(gòu)"指的是其中母晶片、橋元件以及可印刷半導(dǎo)體元件包括 單塊結(jié)構(gòu)的成分。例如，在一個(gè)實(shí)施方案中， 一整體結(jié)構(gòu)包括一單個(gè) 的、連續(xù)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)或更多個(gè)橋元件集成連接到母晶片 和連接到可印刷半導(dǎo)體元件。然而，本發(fā)明還包括可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)， 其中該橋元件、可印刷半導(dǎo)體元件以及母硅片不包括一整體結(jié)構(gòu)，而 是通過(guò)諸如共價(jià)鍵結(jié)合、附著和/或分子間作用力(例如，范德瓦斯力、 氫鍵結(jié)合、偶極間作用力、色散力)之類(lèi)的結(jié)合力彼此連接在一起的。本發(fā)明該方面的可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可以包括一單個(gè)或多個(gè)連接 到、優(yōu)選地為集成連接到可印刷半導(dǎo)體元件和母晶片的橋元件。本發(fā) 明的橋元件包括將可印刷半導(dǎo)體元件的表面連接到母晶片的結(jié)構(gòu)。在 一個(gè)實(shí)施方案中， 一個(gè)或更多個(gè)橋元件將可印刷半導(dǎo)體元件的末端和/ 或底部連接到母晶片。在一個(gè)實(shí)施方案中，橋元件將一個(gè)或兩個(gè)終止 可印刷半導(dǎo)體帶的長(zhǎng)度的末端連接到母晶片。在一些實(shí)施方案中，可 印刷半導(dǎo)體元件和橋元件至少部分從母晶片底刻。在一個(gè)能夠高精度 配準(zhǔn)轉(zhuǎn)移的實(shí)施方案中，可印刷半導(dǎo)體元件和橋元件完全從母晶片底 刻。然而，本發(fā)明還包括將可印刷半導(dǎo)體元件連接到母晶片的、不是 被底刻的結(jié)構(gòu)的橋元件。這種非底刻構(gòu)造的一個(gè)示例是將可印刷半導(dǎo) 體元件的底部連接和/或錨到母晶片上的橋元件。
端或表面連接到母晶片的實(shí)施方案。具有多個(gè)橋元件的可印刷半導(dǎo)體 結(jié)構(gòu)對(duì)于那些需要改進(jìn)的、高精度的配準(zhǔn)轉(zhuǎn)移的應(yīng)用來(lái)說(shuō)是有用的，
供了半導(dǎo)體元件的對(duì)準(zhǔn)、空間取向和^置的^大穩(wěn)定性。
本發(fā)明該方面的橋元件是對(duì)準(zhǔn)維持元件，該對(duì)準(zhǔn)維持元件將可印 刷半導(dǎo)體元件連接和/或錨到母基片上，諸如半導(dǎo)體晶片。橋元件對(duì)于 在轉(zhuǎn)移、組裝過(guò)程中和/或集成處理步驟中維持可印刷半導(dǎo)體元件的所 選取向和/或位置是有用的。橋元件對(duì)于在轉(zhuǎn)移、組裝期間和/或集成 處理步驟中維持半導(dǎo)體元件圖樣或陣列的相對(duì)位置和取向也是有用 的。在本發(fā)明的方法中，橋元件在涉及對(duì)諸如一致彈性印模等轉(zhuǎn)移設(shè) 備的接觸表面的接觸、粘合、轉(zhuǎn)移和集成處理期間保持可印刷半導(dǎo)體 元件的位置和空間取向，因而使能夠從母晶片配準(zhǔn)轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移設(shè)備。
本發(fā)明該方面的橋元件可以從可印刷半導(dǎo)體元件分離，而不會(huì)在 轉(zhuǎn)移設(shè)備的接觸和/或移動(dòng)時(shí)明顯改變可印刷半導(dǎo)體元件的位置和空 間取向。通過(guò)在轉(zhuǎn)移設(shè)備的接觸和/或移動(dòng)期間，例如在干式轉(zhuǎn)移接觸 印刷過(guò)程中，將橋元件折斷和/或斷開(kāi)連接可以實(shí)現(xiàn)分離。由折斷導(dǎo)致 的分離可以通過(guò)使用諸如彈性印模和/或使用可促進(jìn)轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移設(shè)備 接觸表面的受動(dòng)力學(xué)控制的分離速度而得到提高。
在本發(fā)明該方面的一個(gè)實(shí)施方案中，選擇橋元件的空間配置、幾
19何形狀、成分以及物理尺寸，以提供高精度的配準(zhǔn)轉(zhuǎn)移。在該說(shuō)明書(shū) 的上下文中，表達(dá)"高精度配準(zhǔn)轉(zhuǎn)移"指的是其中可印刷半導(dǎo)體元件
的相對(duì)空間取向和相對(duì)位置變化低于約10%的可印刷半導(dǎo)體元件的轉(zhuǎn)
移。高精度的配準(zhǔn)轉(zhuǎn)移也指的是可印刷半導(dǎo)體元件轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移設(shè)備和/ 或接收基片具有良好的安放準(zhǔn)確度。高精度的配準(zhǔn)轉(zhuǎn)移也指的是可印 刷半導(dǎo)體元件的圖樣轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移設(shè)備和/或接收基片具有良好的重現(xiàn) 精度。
本發(fā)明的橋元件可以包括部分或完全底刻的結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明中有 效的橋元件可以具有一致的寬度或?qū)ΨQ(chēng)變化的寬度，諸如逐漸變細(xì)成 窄頸的寬度，該寬度有助于通過(guò)折斷來(lái)釋放橋元件。在一些實(shí)施方案
中，該橋元件具有選自約IOO納米至約IOOO微米范圍的平均寬度，具 有選自約1納米到約iooo微米范圍的平均厚度，以及具有選自約100 納米到約IOOO微米范圍的平均長(zhǎng)度。在一些實(shí)施方案中，該橋元件的
物理尺寸和形狀是相對(duì)于由該橋元件連接到母晶片的可印刷半導(dǎo)體元 件的物理尺寸來(lái)限定的。，例如，使用平均寬度至少比可印刷半導(dǎo)體
元件的平均寬度至少小2倍，對(duì)于有些應(yīng)用優(yōu)選地為小10倍，和/或 平均厚度比可印刷半導(dǎo)體元件的平均厚度小1.5倍的橋元件，可以獲 得配準(zhǔn)轉(zhuǎn)移。還可以對(duì)橋元件提供尖特征，以有助于它們的折斷和可 印刷版導(dǎo)體元件從母晶片配準(zhǔn)轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移設(shè)備和/或接收基片。
在該方面的一個(gè)實(shí)施方案中，該可印刷半導(dǎo)體元件包括其長(zhǎng)度沿 一主縱軸線延伸的、終止于一個(gè)第一末端和第二末端的可印刷半導(dǎo)體 帶。第一橋元件將可印刷半導(dǎo)體帶的第一末端連接到母晶片，第二橋 元件將半導(dǎo)體帶的第二末端連接到母晶片?？蛇x地，該可印刷半導(dǎo)體 帶、第一橋元件以及第二橋元件是被完全底刻的結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施方 案中，第一橋元件、第二橋元件、可印刷半導(dǎo)體帶以及母晶片包括一 整體半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施方案中，第一和第二橋元件的平均寬度 約比可印刷半導(dǎo)體帶的平均寬度小約l到約20倍。在一個(gè)實(shí)施方案中， 第一和第二橋元件中的每一個(gè)分別連接到小于可印刷半導(dǎo)體帶的第一
末端和第二末端的橫截面面積的1%到約10oy。。本發(fā)明包括其中第一和 第二橋元件具有彼此鄰近或遠(yuǎn)離的空間構(gòu)造的實(shí)施方案。
在本發(fā)明中，可印刷半導(dǎo)體元件和/或橋元件的外表面可以被功能化，以提高到諸如彈性印模的轉(zhuǎn)移設(shè)備的配準(zhǔn)轉(zhuǎn)移?？捎糜谂錅?zhǔn)轉(zhuǎn)移 的功能方案包括將親水和/或憎水基團(tuán)添加到可印刷半導(dǎo)體元件表面， 以提高與轉(zhuǎn)移設(shè)備接觸表面的粘合。 一個(gè)可替代的化學(xué)策略是對(duì)一個(gè) 或更多個(gè)接觸表面(可印刷元件上的表面和/或接收表面)涂覆金屬， 這些金屬包括但不限于金。這些金屬可以被處理成具有自組裝單層， 這些單層可以以化學(xué)方式將接收表面橋接到可印刷元件。此外，兩個(gè) 所謂的棵金表面可以在一接觸時(shí)(例如，通過(guò)冷焊)就可以形成一個(gè) 金屬焊接的結(jié)合。
本發(fā)明的可印刷半導(dǎo)體元件可以用寬范圍內(nèi)的材料制造。用于制
造可印刷半導(dǎo)體元件的有效前體材料包括半導(dǎo)體晶片源(wafer source)，該半導(dǎo)體晶片源包括諸如單晶硅晶片、多晶硅晶片、鍺晶 片的體半導(dǎo)體晶片；諸如超薄硅晶片之類(lèi)的超薄半導(dǎo)體晶片；諸如P 型或N型摻雜晶片的摻雜半導(dǎo)體硅片以及具有所選擇的摻雜物空間分 布的晶片(位于絕緣晶片上的半導(dǎo)體，諸如絕緣體上的硅(例如 Si-Si02， SiGe));以及位于基片晶片上的半導(dǎo)體，諸如位于基片晶 片上的硅以及絕緣體上的硅。而且，本發(fā)明的可印刷半導(dǎo)體元件可以 從利用常規(guī)方法處理的半導(dǎo)體設(shè)備上留置出的刮下的或未被使用的高 質(zhì)量的或重新處理過(guò)的半導(dǎo)體材料制造而得。此外，本發(fā)明的可印刷 半導(dǎo)體元件可以從諸如非晶、多晶和單晶半導(dǎo)體材料(例如，多晶硅、 非晶硅、多晶GaAs和非晶GaAs )薄膜的位于犧牲層或基底(例如SiN 或Si0j上的，并隨后被退火的各種納米晶片源以及其他體晶制造而 來(lái)，所述體晶包括但不限于石墨、MoSe2以及過(guò)渡金屬硫化物和溴化釔 氧化銅。
本發(fā)明的示例轉(zhuǎn)移設(shè)備包括諸如彈性轉(zhuǎn)移印模的干式轉(zhuǎn)移印模、 復(fù)合式轉(zhuǎn)移印模、諸如一致式彈性印模之類(lèi)的一致式轉(zhuǎn)移設(shè)備，以及 諸如多層彈性印模的多層轉(zhuǎn)移設(shè)備。諸如彈性印模的轉(zhuǎn)移設(shè)備對(duì)于接 觸印刷處理是有用的，諸如干式轉(zhuǎn)移接觸印刷。本發(fā)明的轉(zhuǎn)移設(shè)備可 選地為一致式的。可用于本發(fā)明的轉(zhuǎn)移設(shè)備包括含有如于2005年4月 27日向美國(guó)專(zhuān)利與商標(biāo)局提交的、名稱(chēng)為"Composite Patterning Devices for Soft Li thography"的、美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)11/115， 954 中所描述的多個(gè)聚合物層的轉(zhuǎn)移設(shè)備，此處通過(guò)引用將其納入。本發(fā)明方法中可用的示例構(gòu)圖設(shè)備包括一個(gè)具有低楊氏模數(shù)的聚合物層，
諸如聚(二曱基硅氧烷)(PDMS)層，對(duì)于一些應(yīng)用優(yōu)選地，厚度選 自約l微米到約IOO微米的范圍。使用低模數(shù)聚合物層是有益的，因 為它提供了可以與一個(gè)或者更多個(gè)可印刷半導(dǎo)體元件，特別是具有彎 曲的、粗糙的、平坦的、光滑的和/或波形的膝光面的可印刷半導(dǎo)體元 件建立良好的一致接觸，以及可以與具有寬范圍的起伏幅度的表面形 態(tài)的基片表面，諸如彎曲的、粗糙的、平坦的、光滑的和/或波形的基 片表面，建立良好接觸的轉(zhuǎn)移設(shè)備。
本發(fā)明還包括將可印刷半導(dǎo)體元件轉(zhuǎn)移，包括高精度配準(zhǔn)轉(zhuǎn)移， 到諸如彈性印模的轉(zhuǎn)移設(shè)備上的方法，和/或?qū)⒖捎∷雽?dǎo)體元件組裝 和/或集成，包括高精度配準(zhǔn)組裝和/或集成到接收基片上的方法。本 發(fā)明的印刷方法和成分的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，可以以一種保持半導(dǎo)體元件的 所選空間取向的方式將可印刷半導(dǎo)體元件的圖樣轉(zhuǎn)移和組裝到基片表 面上，其中半導(dǎo)體元件的所選空間取向限定圖樣。本發(fā)明的該方面對(duì) 于多個(gè)可印刷半導(dǎo)體元件被制造在充分限定的位置中以及相對(duì)空間取 向上的應(yīng)用來(lái)說(shuō)是特別有益的，其中這些充分限定的位置以及相對(duì)空 間取向直接對(duì)應(yīng)于所選的設(shè)備構(gòu)造以及設(shè)備構(gòu)造陣列。本發(fā)明的轉(zhuǎn)移 印刷方法可以轉(zhuǎn)移、定位以及組裝可印刷半導(dǎo)體元件和/或可印刷功能 設(shè)備，包括但不限于，晶體管、光學(xué)波導(dǎo)管、微電子機(jī)械系統(tǒng)、納米 電子機(jī)械系統(tǒng)、激光二極管或完全形成的電路。
本處理方法和成分除了可應(yīng)用于半導(dǎo)體材料外，還可以應(yīng)用于體 半金屬材料。例如，本方法、成分以及結(jié)構(gòu)可以利用含碳材料，諸如 石墨單層和石墨層，以及其他諸如云母之類(lèi)的層狀材料。
在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了一種用于將可印刷半導(dǎo)體元件 轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移設(shè)備的方法，該方法包括步驟(i)提供包括可印刷半導(dǎo)體 元件的可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)；以及至少一個(gè)連接到可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和 連接到母晶片的橋元件，其中該可印刷半導(dǎo)體元件以及該橋元件至少 部分從母晶片底刻；(i i)將可印刷半導(dǎo)體元件與具有接觸表面的轉(zhuǎn)移 設(shè)備接觸，其中在接觸表面和可印刷半導(dǎo)體元件之間的接觸將可印刷 半導(dǎo)體元件結(jié)合到接觸表面；以及(iiO以一種可導(dǎo)致橋元件折斷的方 式移動(dòng)轉(zhuǎn)移設(shè)備，因而將可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)從母晶片轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移設(shè)備
22上。
在一個(gè)實(shí)施方案，本發(fā)明提供一種用于將可印刷半導(dǎo)體元件組裝
到基片的接收表面上的方法，該方法包括步驟(i)提供可印刷半導(dǎo)體 元件；以及至少一個(gè)連接到所述可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和連接到母晶片的
母硅片底刻；(i i)將所述可印刷半導(dǎo)體元件與具有接觸表面的轉(zhuǎn)移設(shè) 備接觸，其中在所述接觸表面和所述可印刷半導(dǎo)體元件之間的接觸將 所述可印刷半導(dǎo)體元件結(jié)合到所述接觸表面；(iii)以一種可導(dǎo)致所述 橋元件折斷的方式移動(dòng)所述轉(zhuǎn)換設(shè)備，因而將所述可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu) 從所述母晶片轉(zhuǎn)移到所述轉(zhuǎn)移設(shè)備上，因而形成其上分布有所述可印 刷半導(dǎo)體元件的所述接觸表面；(iv)將放置于所述接觸表面上的所述 可印刷半導(dǎo)體元件與所述基片的所述接收表面接觸；以及(v)將所述一 致式轉(zhuǎn)移設(shè)備的所述接觸表面與所述可印刷半導(dǎo)體元件分離，其中所 述可印刷半導(dǎo)體元件被轉(zhuǎn)移到所述接收表面，因而將所述可印刷半導(dǎo) 體元件組裝到所述基片的所述接收表面上。
在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了 一種用于制造可印刷半導(dǎo)體元 件的方法，包括步驟(l)提供具有(lll)取向以及具有外表面的硅晶 片；(2)在所述硅晶片的所述外表面產(chǎn)生多個(gè)凹形特征，其中每個(gè)所述 凹形特征包括曝光的硅晶片的底面以及側(cè)面；(3)遮蓋所述凹槽特征的 所述側(cè)面的至少一部分；以及(4)在所述凹槽特征之間進(jìn)行刻蝕，其中 刻蝕沿所述硅晶片的〈110〉方向發(fā)生，因而制造所述的可印刷半導(dǎo)體元 件。


圖1A提供了圖解本發(fā)明的用于制造可印刷半導(dǎo)體元件的示例方
法的示意橫截面視圖，所述可印刷半導(dǎo)體元件包括來(lái)自具有(lll)取向 的體硅晶片的單晶硅帶。圖1B提供了闡述本方法中用于從體硅晶片產(chǎn)
生可印刷半導(dǎo)體元件的處理步驟的流程圖。
圖1C提供了橫截面圖處理示意圖，該解了其中部分地遮蓋、 但不是完全遮蓋凹槽特征的側(cè)面的制造方法。圖1D提供了橫截面圖示 意處理圖，該解了其中完全遮蓋凹槽特征的側(cè)面的制造方法。圖1E提供了硅(111)內(nèi)的具有溝道構(gòu)造但沒(méi)有精制側(cè)面的凹槽特 征的圖像。圖1E所示的凹槽特征由相移光刻、金屬剝離以及無(wú)源離子 刻蝕和隨后的金屬刻蝕掩模的除去來(lái)限定。圖1F提供了硅(111)內(nèi)的 具有溝道構(gòu)造并且精制側(cè)面的凹槽特征的圖像。
圖2A和2B提供了本發(fā)明的可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的示意俯視圖，該 可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括一個(gè)可印刷半導(dǎo)體元件和兩個(gè)橋元件。在圖2A 所示的結(jié)構(gòu)中，這些橋元件彼此遠(yuǎn)離地放置，而在圖2B的結(jié)構(gòu)中，這 些橋元件彼此鄰近地it置。
圖2C和2D提供了將可印刷半導(dǎo)體元件連接到母晶片的橋元件的 圖像。
圖3(a)示意地圖解了一種使用集成有電阻帶的轉(zhuǎn)移印刷的GaAs 線的，在塑料上制造晶體管、二極管以及邏輯電路的處理，這些GaAs 線是由單晶GaAs母晶片制備的。(b)—列GaAs線(具有電阻帶)陣列 的SEM圖像，這些GaAs線的末端連接到母晶片上。由箭頭表示的這部 分線位于陣列線的下面，表示GaAs線與體硅上分開(kāi)。該插入圖給出了 無(wú)支撐地存在的各根線，清楚地示出了它的三角形截面。(c)利用轉(zhuǎn)移 印刷到PET基片上的如(b)所示的GaAs線陣列形成的、通道長(zhǎng)度為50 孩炎米以及柵長(zhǎng)度為5孩i:米的各個(gè)MESFET的SEM圖4象。(d)將Ti/n-GaAs 肖特基二極管光學(xué)顯微成像到PET板上。這些插入圖顯示一個(gè)電極墊 連接位于這些線一端的電阻帶上，而另一個(gè)電極(150nmTi/150nm Au ) 墊直接連接到用于形成肖特基觸頭的GaAs線上。(e，f)對(duì)具有各種邏 輯門(mén)的以及安裝在平坦表面(e)上和位于彎曲的白色標(biāo)記軸(f)上的各 個(gè)MESFET的PET基片的光學(xué)成像。
圖4:柵長(zhǎng)度為5微米以及具有不同的通道長(zhǎng)度的GaAs線MESFET 的特性；(a，b)50微米以及(c)位于PU/PET基片上25微米。(a)圖3c
所示的晶體管在不同柵電壓(Vgs)下的電流-電壓(即Ins對(duì)V。s)曲線。 從上往下看，Vgs從0. 5 V降低到-3. OV,步長(zhǎng)為O. 5V。 (b)同一晶體管 在VDS=4V的飽和區(qū)域內(nèi)的傳輸特性曲線。該插入圖顯示傳輸特性曲線 的導(dǎo)數(shù)，揭示了跨導(dǎo)對(duì)柵電壓的依賴(lài)性。(c)通道長(zhǎng)度為25微米的晶
體管在不同Ves下的源極-漏極電流。從上往下看，該V(;s從O. 5V降低
到-5V，步長(zhǎng)為0. 5V。
(d)所制造的Au/Ti-GaAs肖特基二極管的I-V特性，表現(xiàn)出良好的整流特性。
圖5:反相器的電路圖(a)、光學(xué)圖像(b)以及輸出-輸入特性(c)。 所有MESFET柵長(zhǎng)度為5微米。該Vda相對(duì)于地(GND )偏置到5V。
圖6:不同邏輯門(mén)的電路圖、光學(xué)圖像以及輸出-輸入特性(a，b，c) 或非門(mén)；(d，e，f)與非門(mén)。所有MESFET的柵長(zhǎng)度為5微米。該比例標(biāo) 尺表示IOO微米。施加到這些邏輯門(mén)上的Vdd相對(duì)于地(GND)為5V。 該或非門(mén)和與非門(mén)的邏輯"0"和"1"輸入信號(hào)分別由-5V和2V來(lái)驅(qū) 動(dòng)。該或非門(mén)的邏輯"0"和"1"輸出分別是1. 58-1. 67V和4. IV。 該與非門(mén)的邏輯"0"和T輸出分別是2. 90V和4. 83-4. 98V。
圖7: (a)位于PU/PET基片上的、通道長(zhǎng)度為50微米以及柵長(zhǎng)度 為2微米的各個(gè)GaAs線MESFET的SEM圖像，顯示每個(gè)晶體管由十根 準(zhǔn)直的GaAs線形成。(b)圖(a)所示的晶體管的電流-電壓(即1。s對(duì) VDS)曲線。從上往下看，該Ves從O. 5 V降低到-3. 0V,步長(zhǎng)為O. 5V。 該插圖顯示該晶體管在VDS=4V的飽和區(qū)域內(nèi)的傳輸特性曲線。
圖8: (a， b)柵長(zhǎng)度不同的GaAs-線MESFET的RF響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)(藍(lán) 色)以及模擬(紅色)結(jié)果2微米(a)以及5微米(b)。該測(cè)量值是 利用(a)中插圖所示的探測(cè)構(gòu)造進(jìn)行的。(c)fT對(duì)柵長(zhǎng)度的依賴(lài)性。該 不同的符號(hào)表示不同設(shè)備上的測(cè)量結(jié)果；該虛線對(duì)應(yīng)于模擬。
圖9:位于PU/PET基片上的高速GaAs-線MESFET (柵長(zhǎng)度為2孩i: 米)的機(jī)械柔韌性特性。(a)對(duì)測(cè)量裝置安裝的光學(xué)圖像。Vd^4V以及 Vcs-OV下，表面應(yīng)力效應(yīng)(正值和負(fù)值分別對(duì)應(yīng)于拉伸和壓縮的應(yīng)力) 對(duì)流過(guò)源極到漏極的飽和電流(b)的影響；以及(c)在VDS=4V的飽和區(qū) 域內(nèi)的開(kāi)/關(guān)電流比。
圖10:制造單晶硅帶的示意處理流程。(a)SF6等離子刻蝕(111) 硅表面中的溝道。(b)熱氧化和成角度蒸發(fā)Ti/Au層鈍化側(cè)面。(c)最 后，由熱KOH/IPA/H20溶液底刻該硅帶。(d)部分底刻的帶的橫截面SEM 圖像。(e)釋放柔性帶。
圖11:由各向異性濕式刻蝕底刻產(chǎn)生的微結(jié)構(gòu)硅的原子力顯微鏡 圖。(a)PDMS印模上的帶的AFM高度圖像，下側(cè)被膝光。在對(duì)這些帶 的邊緣處進(jìn)行測(cè)量時(shí)，這些帶為115到130納米厚，在中間弓形下降。 (b) 500納米厚的帶的下側(cè)的AFM圖像，揭示了由KOH/IPA/H20溶液底
25刻引入的納米級(jí)粗糙度。
圖12:用于將微結(jié)構(gòu)硅從"供體，，晶片轉(zhuǎn)移到塑料基片上的示意 處理流程。(a) PDMS印?？恐酒雺?，該芯片具有錨在晶片上的底 刻的帶。(b)帶結(jié)合在印模上并且可以通過(guò)剝離印模而從該晶片上除 去。(c)接著將帶從印模印刷到塑料基片上。(d)錨在供體晶片上的幾 乎完全底刻的帶的SEM圖像。(e)從供體上除去的并且粘貼到印模上 的帶的光學(xué)顯微圖。(f)安放由轉(zhuǎn)移的硅帶制備得來(lái)的TFT的柔性塑料 "芯片"相片。
圖13:位于PET/ITO基片上的單晶硅底柵晶體管電子特性；L=100 微米KOO微米，線性遷移率360cm2V—Y、飽和遷移率100cm2V—、—1 (a) 傳輸特性(VD^. 1)，顯示開(kāi)/關(guān)比值約為4000,插圖為設(shè)備的俯視圖。 (b)電流電壓(I-V)特性。
圖14: (a)用于制造高電子遷移率晶體管(HEMT，在ALGaN和GaN 界面形成的二維電子氣(2 DEG))的異質(zhì)結(jié)GaN晶片示意圖；(b)塑料 基片上的HEMT幾何形狀；(c)在Ws-GaN帶末端用兩個(gè)"窄橋"支撐的 Ws-GaN設(shè)計(jì)。利用靈活的各向異性刻蝕取向來(lái)制造無(wú)支撐地存在的 Ws-GaN元件。
圖15:將Ws-GaN HEMT制造到塑料基片上的步驟的示意圖解。
圖16: (a)TMAH濕式刻蝕下面的Si之前的GaN晶片。(b) TMAH 刻蝕之后的無(wú)支撐地存在的GaN帶。注意犧牲Si層的刻蝕和未刻蝕區(qū) 域之間的顏色差別。(c-d)TMAH各向異性刻蝕下面的Si的中間步驟的 SEM圖像。(e)浸有由范德瓦斯力結(jié)合的^s-GaN對(duì)象的PDMS板的SEM 圖像。(f)轉(zhuǎn)移到涂有PU的PET的ns-GaN的SEM圖像。該金屬和聚合 物區(qū)域被人為地著上顏色，便以查看。
圖17:由位于塑料基片上的Ws-GaN形成的高性能的HEMT。 (a-b) 實(shí)際的柔性Ws-GaN設(shè)備的光學(xué)顯微圖片。圖14B示出了橫截面設(shè)備幾 何形狀的示意圖解。(c)基于Ws-GaN的HEMT在一定范圍的柵電壓 (Vg=-4V至IV)下的I-V曲線。該設(shè)備的通道長(zhǎng)度、通道寬度以及柵 寬度分別為20Wm、170Wm以及5Wm。 (d)在恒定的源極-漏極電壓(Vds=2V ) 下測(cè)量的傳輸特性，指示跨導(dǎo)為1.5 mS。
圖18(a)實(shí)際彎曲的平臺(tái)(stage)和塑料設(shè)備的光學(xué)圖像。(b)不同彎曲半徑(以及其相應(yīng)的應(yīng)力)下獲取的傳輸特性曲線。(C)當(dāng)塑
料板彎曲到最大彎曲半徑時(shí)所獲得的I-V曲線(橙色)以及在彎曲循 環(huán)后塑料板被展平時(shí)所獲得的I-V曲線(藍(lán)色的)。
圖19提供了圖解本發(fā)明的用于制造多層可印刷半導(dǎo)體元件陣列 的方法的處理流程示意圖。
圖20提供了在成角度觀察下(a， c， e， g) Si (111)的SEM圖像以及在 橫截面觀察時(shí)(b, d，f，h) Si(lll)的SEM圖像(a和b )是在 STS-ICPRIE以及BOE刻蝕之后，(c和d)是在側(cè)面經(jīng)過(guò)金屬保護(hù)之 后，(e至h )是在KOH刻蝕2分鐘之后(e和f )以及跟隨5分鐘金 屬清洗之后(g和h)。
圖21提供了 (a)提供了大規(guī)格的四層Si(lll)帶準(zhǔn)直陣列的圖片。 (b和c)俯視觀察以及(d和e)成角度觀察時(shí)的圖(a)所示的四層 Si (111)的SEM圖1象。
圖22提供了釋放的柔性Si(lll)帶的圖片(a)以及OM圖像(b和 c)。
(d到f)為(a)中所示的帶的SEM圖像。
圖23提供了轉(zhuǎn)移到PDMS基片上的準(zhǔn)直的Si(lll)帶的光學(xué)圖像 (a)。
(b)來(lái)自于圖(a)所示的陣列中的四個(gè)帶的AFM圖像。(c)安放 四個(gè)來(lái)自于單個(gè)Si片的四個(gè)轉(zhuǎn)移循環(huán)的Si(lll)陣列圖樣的柔性聚酯 薄膜的圖片。
具體實(shí)施例方式
參見(jiàn)附圖，相同的數(shù)字表示相同的元件以及出現(xiàn)在一個(gè)以上的附 圖中的相同數(shù)字指示相同的元件。而且，下文中應(yīng)用以下這些定義
"可印刷"涉及可以在不將基片曝光在高溫下(即在低于或等于約 400攝氏度的溫度下)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移、組裝、構(gòu)圖、組織和/或集成到基片 上或內(nèi)部的材料、結(jié)構(gòu)、設(shè)備組件和/或集成的功能設(shè)備，在本發(fā)明的 一個(gè)實(shí)施方案中，可印刷材料、元件、設(shè)備組件以及設(shè)備可以通過(guò)溶 液印刷或干式轉(zhuǎn)移接觸印刷轉(zhuǎn)移、組裝、構(gòu)圖、組織和/或集成到基片 上或內(nèi)部。
本發(fā)明的"可印刷半導(dǎo)體元件"包括例如通過(guò)使用干式轉(zhuǎn)移接觸 印刷和/或溶液印刷方法被組裝和/或集成到基片表面上的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明的可印刷半導(dǎo)體元件是整體的單晶、 多晶或微晶無(wú)機(jī)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施方案中，可印刷半導(dǎo)體元件 通過(guò)一個(gè)或更多個(gè)橋元件連接到諸如母晶片的基片上。在該說(shuō)明書(shū)的 上下文中，整體結(jié)構(gòu)是具有機(jī)械連接的特征的單塊結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的半 導(dǎo)體元件可以是未摻雜的或者是摻雜的，可以具有所選的摻雜物空間
分布，以及可以摻雜多種不同的摻雜物材料，包括P和N型摻雜物。 本發(fā)明包括至少一個(gè)橫截面尺寸大于或等于約1微米的微結(jié)構(gòu)可印刷 半導(dǎo)體元件以及至少一個(gè)橫截面尺寸小于或等于約1微米的納米結(jié)構(gòu) 可印刷半導(dǎo)體元件。在很多應(yīng)用中有用的可印刷半導(dǎo)體元件包括那些 從高純度體材料的"自頂向下的，，加工中獲取的元件，所述高純度體 材料諸如那些利用常規(guī)的高溫處理技術(shù)生產(chǎn)的高純度晶體半導(dǎo)體晶 片。在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明的可印刷半導(dǎo)體元件包括復(fù)合結(jié)構(gòu)， 該復(fù)合結(jié)構(gòu)具有一個(gè)可操作地連接到至少一個(gè)附加的設(shè)備組件或結(jié)構(gòu) 的半導(dǎo)體，該附加的設(shè)備組件或結(jié)構(gòu)如導(dǎo)體層、介質(zhì)層、電極，附加 的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)或它們的任意組合。在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明的可印 刷半導(dǎo)體元件包括可伸長(zhǎng)的半導(dǎo)體元件和/或異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體元件。
"橫截面尺寸"指的是設(shè)備、設(shè)備組件或材料的橫截面的尺寸。 橫截面尺寸包括寬度、厚度、半徑以及直徑。例如，具有帶狀的可印 刷半導(dǎo)體元件用長(zhǎng)度和兩個(gè)橫截面尺寸來(lái)表征；厚度和寬度。例如， 具有柱狀的可印刷半導(dǎo)體元件用長(zhǎng)度和橫截面尺寸直徑(替代地用半 徑)來(lái)表征。
"縱向上的取向處于基本平行的構(gòu)造中"指的是一種取向，即諸 如可印刷半導(dǎo)體元件的一群元件的縱軸基本平行于所選準(zhǔn)直軸取向。 在該定義的上下文中，基本平行于所選軸指的是在絕對(duì)平行取向10度 以?xún)?nèi)的取向，更優(yōu)選地為在絕對(duì)平行取向5度以?xún)?nèi)。
在本說(shuō)明書(shū)中，術(shù)語(yǔ)"柔性的，，以及"可彎曲的"是作為同一意 思來(lái)使用的，并且指的是材料、結(jié)構(gòu)、設(shè)備或設(shè)備組件變形到彎曲形 狀時(shí)不至于經(jīng)歷產(chǎn)生顯著應(yīng)力的變形的能力，該顯著應(yīng)力諸如是表征 材料、結(jié)構(gòu)、設(shè)備或設(shè)備組件的失效點(diǎn)之類(lèi)的應(yīng)力。在一個(gè)示例實(shí)施 方案中，柔性材料、結(jié)構(gòu)、設(shè)備或設(shè)備組件可以變形成彎曲形狀，而 不產(chǎn)生大于或等于約5%的應(yīng)力，對(duì)于一些應(yīng)用來(lái)說(shuō)優(yōu)選地是大于或等于約1%，以及對(duì)于一些應(yīng)用來(lái)說(shuō)更優(yōu)選地是大于或等于約0.5%。
"半導(dǎo)體"指的是任何一種在很低的溫度下為絕緣體、而在約300K
的溫度處具有明顯的電導(dǎo)性的材料。在本說(shuō)明書(shū)中，術(shù)語(yǔ)半導(dǎo)體的使 用意在與微電子和電子設(shè)備中該術(shù)語(yǔ)的使用相一致。用于本發(fā)明中的 半導(dǎo)體可以包括諸如硅、鍺和金剛石的元素半導(dǎo)體，諸如SiC和SiGe 的IV族化合物半導(dǎo)體，諸如AlSb、 AlAs、 Aln、 A1P、 BN、 GaSb、 GaAs、 GaN、 GaP、 InSb、 InAs、 InN和InP的III-V族半導(dǎo)體，諸如Al,Ga卜xAs 的n卜V族三重半導(dǎo)體合金，諸如CsSe、 CdS、 CdTe、 Zn0、 ZnSe、 ZnS 和ZnTe之類(lèi)的II-VI族半導(dǎo)體，I-VII族半導(dǎo)體CuCl，諸如PbS、 PbTe 和SnS的IV-VI族半導(dǎo)體，諸如Pbl2、 MoS2以及GaSe的層半導(dǎo)體， 諸如Cu0以及Cu20的氧化物半導(dǎo)體。術(shù)語(yǔ)半導(dǎo)體包括本征半導(dǎo)體 (intrinsic semiconductor )以及摻雜有一種或更多種所選材料的非 本征半導(dǎo)體(extrinsic semiconductor)，包括具有p型摻雜材料的 半導(dǎo)體和n型摻雜材料的半導(dǎo)體，以提供對(duì)給定應(yīng)用或設(shè)備有用的有 益電子特性。術(shù)語(yǔ)半導(dǎo)體包括復(fù)合材料，該復(fù)合材料包括多個(gè)半導(dǎo)體 和/或摻雜物的混合物。對(duì)本發(fā)明的一些應(yīng)用有用的特定半導(dǎo)體材料包 括，但不限于，Si、 Ge、 SiC、 A1P、 AlAs、 AlSb、 GaN、 GaP、 GaAs、 GaSb、 InP、 InAs、 GaSb、 InP、 InAs、 InSb、 Zn0、 ZnSe、 ZnTe、 CdS、 CdSe、 ZnSe、 ZnTe、 CdS、 CdSe、 CdTe、 HgS、 PbS、 PbSe、 PbTe、 AlGaAs、 AlInAs、 AlInP、 GaAsP、 GalnAs、 GaInP、 AlGaAsSb、 AlGalnP和GalnAsP。多孔硅半導(dǎo)體材料對(duì)于本發(fā)明在傳感 器和發(fā)光材料領(lǐng)域的應(yīng)用中是有用的，諸如發(fā)光二極管(LED)以及固態(tài) 激光器。半導(dǎo)體材料的雜質(zhì)是除該半導(dǎo)體材料本身之外的原子、元素、 離子和/或分子，或者是任何提供到半導(dǎo)體材料的摻雜物。雜質(zhì)是出現(xiàn) 在半導(dǎo)體材料中的不想要的材料，它們可能對(duì)半導(dǎo)體材料的電學(xué)特性
造成負(fù)影響，這些雜質(zhì)包括但不限于，氧、碳以及包括重金屬在內(nèi)的 金屬。重金屬雜質(zhì)包括，但不限于，周期表上位于銅和鉛之間的元素 族，鉤，鈉以及所有離子，化合物和/或其復(fù)合體。
在本說(shuō)明書(shū)中，術(shù)語(yǔ)"良好的電子性能，，以及"高性能"是作為 同一意思來(lái)使用的，并且指的是具有諸如場(chǎng)效應(yīng)遷移率、閾值電壓以 及開(kāi)-關(guān)比的電子特性的，能提供諸如電子信號(hào)開(kāi)關(guān)和/或放大等所需功能的設(shè)備和設(shè)備組件。本發(fā)明的展示良好的電子性能的示例可印刷
半導(dǎo)體元件可以具有大于或等于100cm'V^s^的本征場(chǎng)效應(yīng)遷移率，對(duì) 于一些應(yīng)用來(lái)說(shuō)優(yōu)選地，本征場(chǎng)效應(yīng)遷移率大于或等于約300cm2V—^人
本發(fā)明的展示良好的電子性能的示例晶體管可以具有大于或等于約 100cm2V—、—1的本征場(chǎng)效應(yīng)遷移率，對(duì)于一些應(yīng)用來(lái)說(shuō)優(yōu)選地，本征場(chǎng) 效應(yīng)遷移率大于或等于約300cm2V—、_1，以及對(duì)于一些應(yīng)用來(lái)說(shuō)更優(yōu)選 地，固有場(chǎng)效應(yīng)遷移率大于或等于約800cm2V—、—\本發(fā)明的展示良好 的電子性能的示例晶體管可以具有低于約5伏的閾值電壓和/或大于 約1 x l(T的開(kāi)-關(guān)比。
"塑料"指的是一般在被加熱時(shí)可以被模制或成形，以及硬化成 所需形狀的任何合成的或天然存在的材料，或任何這些材料的組合。 可用于本發(fā)明的設(shè)備和方法中的示例塑料包括，但不限于，聚合物、 樹(shù)脂以及纖維衍生物。在本說(shuō)明書(shū)中，術(shù)語(yǔ)塑料意指包括合成塑料材 料，該合成塑料材料包括一個(gè)或更多個(gè)具有一種或多種添加劑的塑料， 諸如結(jié)構(gòu)增強(qiáng)劑、濾劑、纖維、增塑劑、穩(wěn)定劑或可以提供所需的化 學(xué)或物理性能的添加劑。
"彈性體，，指的是可以被拉伸或變形的，并且能夠回復(fù)到它的原始 形狀而沒(méi)有基本永久的形變的聚合物材料。彈性體通常經(jīng)歷基本為彈 性的形變?？捎糜诒景l(fā)明的示例彈性體可以包括聚合物、共聚物、合 成材料或聚合物和共聚物的混合物。彈性層指的是包括至少一個(gè)彈性 體的層。彈性層還可以包括摻雜物以及其他非彈性材料。可用于本發(fā) 明的彈性體可以包括但不限于，熱塑性彈性體、苯乙烯材料、烯烴材 料、聚烯烴、熱塑性聚氨酯彈性體、聚酰胺、合成膠、PDMS、聚丁二 烯、聚異丁烯以及聚(乙烯-丁二烯-苯乙烯)、聚氨酯、聚氯丁烯和硅 樹(shù)脂。彈性體提供對(duì)本方法有用的彈性印模。
"轉(zhuǎn)移設(shè)備，，指的是可以接收和/或重新放置諸如可印刷半導(dǎo)體元 件的元件或元件陣列的設(shè)備或設(shè)備組件?？捎糜诒景l(fā)明的轉(zhuǎn)移設(shè)備包 括具有一個(gè)或更多個(gè)可以與那些要進(jìn)行轉(zhuǎn)移的元件建立一致接觸的接 觸表面的一致轉(zhuǎn)移設(shè)備。本方法和成分特別適合于與轉(zhuǎn)移設(shè)備結(jié)合使 用，該轉(zhuǎn)移設(shè)備包括可用于接觸印刷處理的彈性印模。
"大面積"指的是大于或等于約36平方英寸的面積，諸如用于設(shè)備制造的基片的接收表面。
"設(shè)備場(chǎng)效應(yīng)遷移率"指的是諸如晶體管的電子設(shè)備的場(chǎng)效應(yīng)遷 移率，如利用與該電子設(shè)備對(duì)應(yīng)的輸出電流數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算。
"一致接觸"指的是表面、涂覆表面和/或其上沉積有材料的表面 之間建立的接觸，所沉積的材料可能對(duì)于基片表面上轉(zhuǎn)移、組裝、組 織和集成結(jié)構(gòu)(諸如可印刷半導(dǎo)體元件)是有用的。在一個(gè)方面，一 致接觸涉及將一致轉(zhuǎn)移設(shè)備的一個(gè)或更多個(gè)接觸表面宏觀適應(yīng)基片表 面或適應(yīng)諸如可印刷半導(dǎo)體元件的物體的表面的整體形狀。在又一個(gè) 方面， 一致接觸涉及將一致轉(zhuǎn)移設(shè)備的一個(gè)或更多個(gè)接觸表面微觀適 應(yīng)基片表面，使形成沒(méi)有空隙的緊密接觸。術(shù)語(yǔ)一致接觸的使用與在 軟印刷領(lǐng)域中該術(shù)語(yǔ)的使用一致?？梢栽谝恢罗D(zhuǎn)移設(shè)備的一個(gè)或更多 個(gè)棵接觸表面和基片表面之間建立一致接觸。替代地，可以在一個(gè)或 更多個(gè)涂覆接觸表面，如一種轉(zhuǎn)移設(shè)備的具有轉(zhuǎn)移材料、可印刷半導(dǎo) 體元件、設(shè)備組件和/或沉積在其上的設(shè)備的接觸表面，和基片表面之 間建立一致接觸。替代地，可以在一致轉(zhuǎn)移設(shè)備的一個(gè)或更多個(gè)棵的 或涂覆的接觸表面和涂覆有諸如轉(zhuǎn)移材料、固體光致抗蝕劑層、預(yù)聚 物層、液體、薄膜或流體的材料的基片表面之間建立一致接觸。
"安放準(zhǔn)確度"指的是轉(zhuǎn)移方法或設(shè)備將諸如可印刷半導(dǎo)體元件 的元件轉(zhuǎn)移到選定位置的能力，該選定位置要么相對(duì)于諸如電極的其 他設(shè)備組件的位置，或相對(duì)于接收表面的選定區(qū)域的位置。"良好安 放"準(zhǔn)確度指的是設(shè)備和方法可以將可印刷元件轉(zhuǎn)移到相對(duì)于另一設(shè) 備或設(shè)備組件或相對(duì)于接收表面所選區(qū)域的所選位置，同時(shí)相對(duì)于絕
對(duì)正確位置的空間偏離低于或等于50微米，對(duì)于一些應(yīng)用來(lái)說(shuō)更優(yōu)選 地為低于或等于20微米，以及對(duì)于一些應(yīng)用來(lái)說(shuō)更為優(yōu)選的是低于或 等于5微米。本發(fā)明提供了包括至少一個(gè)以良好安放準(zhǔn)確度轉(zhuǎn)移的可 印刷元件的i殳備。
"再現(xiàn)度"指的是諸如可印刷半導(dǎo)體元件圖樣的所選元件圖樣很 好地轉(zhuǎn)移到基片接收表面的的程度的量度。良好再現(xiàn)度指的是其中在 轉(zhuǎn)移過(guò)程中保留各個(gè)元件的相對(duì)位置和取向的所選元件圖樣轉(zhuǎn)移，例 如各個(gè)元件相對(duì)于它們?cè)谒x圖樣中的位置的空間偏移量少于或等于 500納米，更優(yōu)選地為少于或等于100納米。"底刻"指的是其中諸如可印刷半導(dǎo)體元件、橋元件或兩者的元 件的底面至少部分與諸如母晶片或體材料的另一結(jié)構(gòu)分離或不固定的 結(jié)構(gòu)構(gòu)造。完全底刻指的是其中諸如可印刷半導(dǎo)體元件、橋元件或兩 者的元件的底面完全從諸如母晶片或體材料的另一結(jié)構(gòu)分離的結(jié)構(gòu)構(gòu) 造。底刻結(jié)構(gòu)可以是部分或完全無(wú)支撐地存在的結(jié)構(gòu)。底刻結(jié)構(gòu)可以 部分或完全由它們與之分離的諸如母晶片或體材料的另 一結(jié)構(gòu)支撐。 底刻結(jié)構(gòu)可以在除底面以外的表面處連附、粘貼和/或連接諸如晶片或 其他體材料的另一結(jié)構(gòu)。例如，本發(fā)明包括其中可印刷半導(dǎo)體元件和/ 或橋元件在末端處連接到晶片的方法和成分，該末端位于除底面以外
的表面上(例如，見(jiàn)圖2A和2B)。
在以下說(shuō)明書(shū)中，為了提供本發(fā)明精確本質(zhì)的徹底解釋?zhuān)U述了 本發(fā)明的設(shè)備、設(shè)備組件和方法的大量具體細(xì)節(jié)。然而對(duì)于本領(lǐng)域技 術(shù)人員來(lái)說(shuō)，將變得很明顯的是，可以不用這些具體細(xì)節(jié)實(shí)踐本發(fā)明。
件和可印刷;導(dǎo)體元件的圖;羊組裝到基片表面上的方:和設(shè)備。提供
了用低成本體半導(dǎo)體材料制造高質(zhì)量可印刷半導(dǎo)體元件的方法。本發(fā) 明還提供了提供將可印刷半導(dǎo)體元件從母晶片高精度配準(zhǔn)轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移 設(shè)備和/或接收基片的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和方法。本發(fā)明的這些方法、設(shè)備和 設(shè)備組件可以在柔性塑料基片上生產(chǎn)高性能電子和光電設(shè)備以及設(shè)備 陣列。
圖1A提供了圖解本發(fā)明的用于制備可印刷半導(dǎo)體元件的示例方 法的示意截面圖，該可印刷半導(dǎo)體元件包括來(lái)自具有(lll)取向的體硅 晶片的單晶硅的可印刷半導(dǎo)體帶。圖1B提供了一流程，該流程闡述了
在用于從體硅晶片生產(chǎn)可印刷半導(dǎo)體元件的本方法中的處理步驟，包 括可重復(fù)的處理步驟在內(nèi)。
如圖1A(畫(huà)面l)和1B所示，提供了具有(111)取向的硅晶片100。 具有(lll)取向的硅晶片100可以是體硅晶片。具有預(yù)選的物理尺寸、 間距和空間取向的多個(gè)通道110凈皮刻蝕到硅晶片IOO的外表面120中， 例如結(jié)合使用近場(chǎng)光刻、剝離以及干式刻蝕技術(shù)。在該實(shí)施方案中， 位于通道之間的間距130限定使用該方法制造的可印刷半導(dǎo)體帶的寬 度。面 120上生長(zhǎng)一熱氧化層140，例如通過(guò)加熱(lll)硅晶片100。接著， 將一掩模150沉積在通道110的側(cè)面以及外表面120上，例如通過(guò)利 用一種或更多種諸如金屬或金屬組合物的掩模材料的成角度電子束蒸 發(fā)，從而產(chǎn)生硅晶片100上遮蓋的和未遮蓋的區(qū)域。該遮蓋步驟產(chǎn)生 通道110的側(cè)面被遮蓋的區(qū)域160和側(cè)面未被遮蓋區(qū)域170。本發(fā)明 包括其中通道110沿深度135方向的整個(gè)側(cè)面被遮蓋的實(shí)施方案(例 如見(jiàn)圖1D)。在一些實(shí)施方案中，被遮蓋區(qū)域沿側(cè)面向下延伸的程度 受掩模材料蒸發(fā)角度、表面特征在晶片100外表面120上投下的"隱 蔽"、以及掩模材料流動(dòng)的準(zhǔn)直程度控制。溝道110的深度135以及側(cè) 面被遮蓋區(qū)域160的程度，至少部分地限定了由這些方法產(chǎn)生的可印 刷半導(dǎo)體帶的厚度?？蛇x地，熱氧化層140的膝光區(qū)域在附加處理之 前被移走，例如利用干式化學(xué)刻蝕技術(shù)。
如圖1A (畫(huà)面3)和1B所示，通道IIO側(cè)面的未被遮蓋區(qū)域170 被刻蝕。在一示例實(shí)施方案中，通道110側(cè)面的未被遮蓋區(qū)域170被 各向異性地刻蝕，使該在通道之間的刻蝕優(yōu)選地沿硅晶片100的<110> 方向發(fā)生，從而底刻相鄰?fù)ǖ繧IO之間的(lll)硅晶片100區(qū)域。刻蝕 前端<110>方向的方向由圖1B畫(huà)面3中的虛箭頭來(lái)示意性地表示。在 一個(gè)實(shí)施方案中，選擇各向異性刻蝕系統(tǒng)，使刻蝕沿硅晶片100的 <111>方向基本不發(fā)生。各向異性刻蝕系統(tǒng)和硅晶片100的(111)取向 的選取提供了如點(diǎn)線175示意表示的本征刻蝕停止。對(duì)本發(fā)明該方面
在一些實(shí)施方案中，選則可產(chǎn)生具有相對(duì)光滑的(例如，粗糙度低于 1納米)下側(cè)的可印刷半導(dǎo)體帶的刻蝕系統(tǒng)用于該處理步驟。
如圖1A (畫(huà)面4 )和1B所示，通道之間的刻蝕產(chǎn)生了可印刷半導(dǎo) 體帶200，這些帶完全從硅晶片100底刻。在一個(gè)實(shí)施方案中，選擇 通道110的物理尺寸、形狀和空間取向，使刻蝕處理步驟產(chǎn)生在一個(gè) 或更多個(gè)末端處連接到硅晶片100的可印刷半導(dǎo)體帶200。由本方法 產(chǎn)生的可印刷半導(dǎo)體帶200可以是平坦的、薄的以及具有機(jī)械柔韌性 的?？蛇x地，除去該掩模150,例如，通過(guò)濕式化學(xué)刻蝕技術(shù)。
參見(jiàn)圖1B的流程圖，可選地，本方法包括將可印刷半導(dǎo)體元件從硅晶片釋放的步驟，例如，通過(guò)與彈性印模接觸。在示例方法中，可 印刷半導(dǎo)體元件與彈性印模的接觸折斷一個(gè)或更多個(gè)將可印刷半導(dǎo)體
元件連接到硅晶片100的橋元件，從而實(shí)現(xiàn)可印刷半導(dǎo)體元件從硅晶 片100配準(zhǔn)轉(zhuǎn)移到彈性印模。本發(fā)明的方法包括利用受動(dòng)力學(xué)控制的 剝離速度，以有助于從硅晶片100配準(zhǔn)轉(zhuǎn)移到彈性印模轉(zhuǎn)移設(shè)備。
可選地，本發(fā)明包括高產(chǎn)率的制造方法，還包括對(duì)硅晶片外表面
進(jìn)行修整的步驟，例如，通過(guò)可產(chǎn)生硅晶片100的平坦和/或光滑的外
表面的表面處理步驟(例如，拋光、研磨、刻蝕、微機(jī)械加工等)。如
圖1B所示，對(duì)硅晶片100進(jìn)行修整可以使制造處理可以被重復(fù)多次， 從而使得可以從單個(gè)硅晶片起始材料提供高產(chǎn)率的可印刷半導(dǎo)體帶。
圖1C提供了橫截面示意處理圖，該解了凹槽特征的側(cè)面部分 地而不是全部地被遮蓋的制造方法。圖1D提供了橫截面示意處理圖， 該解了其中凹槽特征的側(cè)面被完全遮蓋的制造方法。如圖1D所 示，還遮蓋凹槽特征底板的一部分，而不是全部。在該實(shí)施方案中， 該方法包括刻蝕在凹槽特征的被遮蓋側(cè)面的下面的材料的步驟。該部 分遮蓋的底板構(gòu)造為蝕刻劑提供了一個(gè)入口 ，從而使蝕刻可以發(fā)生在 凹槽特征之間，諸如相鄰凹槽特征之間。采用完全遮蓋凹槽特征的側(cè) 面的本發(fā)明方法在對(duì)可印刷半導(dǎo)體元件厚度的限定和選擇上提供改進(jìn) 的準(zhǔn)確度和精度上是有益的。在一個(gè)實(shí)施方案中，側(cè)面被完全遮蓋起 來(lái)，從而使鈍化邊界只出現(xiàn)在凹槽特征的底板上。在這些方法中，帶 的厚度不是由鈍化邊界來(lái)限定的，而是由底板的高度，溝道的高度以 及硅片的頂面限定的。
何形狀、物理尺寸以及形態(tài)進(jìn)行精制的步驟。對(duì)凹槽特征的精制可以
的制造處理的任何一刻進(jìn)行。在一個(gè)有效的實(shí)施方案中，在涉及部分 或完全地遮蓋凹槽特征側(cè)面的處理步驟之前對(duì)凹槽特征進(jìn)行精制。圖 1E提供了硅(111)內(nèi)的具有所產(chǎn)生的溝道構(gòu)造未被精制的凹槽特征圖 像。圖1E所示的凹槽特征由相移光刻、金屬剝離以及無(wú)源離子刻蝕和 隨后除去金屬刻蝕掩模來(lái)限定。圖1F提供了硅(111)內(nèi)的具有溝道配 置側(cè)面被精制的凹槽特征圖像。圖1F所示的凹槽特征由相移光刻、金屬剝離以及無(wú)源離子刻蝕，借助于在熱KOH溶液中各向異性刻蝕的精 制，和隨后除去金屬刻蝕掩模來(lái)限定。該樣本也用成角度金屬蒸發(fā)來(lái) 處理。如這些圖像對(duì)比所示，圖IF中溝道的底板和側(cè)面比圖IE中溝 道的底板和側(cè)面限定得更為光滑。
在該上下文中，精制指的是諸如凹槽特征的側(cè)面和底板的凹槽特 征表面的材料除去處理。精制包括導(dǎo)致更為光滑的凹槽特征表面的處 理和/或?qū)е戮哂懈鶆虻奈锢沓叽绾捅砻嫘螒B(tài)的凹槽特征的處理。在 一個(gè)實(shí)施方案中，利用各向異性刻蝕技術(shù)，例如利用熱KOH溶液的刻 蝕，對(duì)幾何形狀、物理尺寸和/或形態(tài)進(jìn)行精制。對(duì)溝道的各向異性濕 式刻蝕對(duì)于可配準(zhǔn)轉(zhuǎn)移的(111)硅帶的產(chǎn)生特別有用。該精制處理步驟 的優(yōu)點(diǎn)包括(l)提供改進(jìn)的根據(jù)母晶片的晶軸來(lái)確定的溝道底板的限 定，以及(2)通過(guò)母晶片的晶軸提供改進(jìn)的溝道側(cè)面限定。
圖2A和2B提供了本發(fā)明的可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的示意俯視圖，該 可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括一個(gè)可印刷半導(dǎo)體元件和兩個(gè)橋元件。在圖2A 所示的結(jié)構(gòu)中，這些橋元件彼此遠(yuǎn)離地放置，而在圖2B所示的結(jié)構(gòu)中， 這些橋元件彼此鄰近地放置。如圖2A和2B所示，可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu) 290包括可印刷半導(dǎo)體元件300和橋元件310。橋元件310是準(zhǔn)直維持 元件，該元件將半導(dǎo)體元件300連接到，可選地集成連接到母晶片320 上。在一個(gè)實(shí)施方案中，可印刷半導(dǎo)體元件300和橋元件310從母晶 片320部分或完全底刻。在一個(gè)實(shí)施方案中，可印刷半導(dǎo)體元件300、 橋元件310以及母晶片320是一整體結(jié)構(gòu)，諸如一單個(gè)的、連續(xù)的半 導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
可印刷半導(dǎo)體元件300沿縱軸340縱向延伸長(zhǎng)度330，以及延伸 寬度350。長(zhǎng)度330終止于被連接到橋元件310的第一和第二末端400。 橋元件310延伸長(zhǎng)度360以及延伸寬度370。在圖1A和1B所示的實(shí) 施方案中，橋元件連接到小于可印刷半導(dǎo)體元件300的末端400的整 個(gè)寬度和/或橫截面面積。如圖2A和2B所示，橋元件310的寬度370 小于可印刷半導(dǎo)體元件300的寬度350，以有助于配準(zhǔn)轉(zhuǎn)移。此外， 半導(dǎo)體元件300具有曝光的外表面的表面面積，該面積大于橋元件310 曝光外表面的表面面積。對(duì)于本發(fā)明的一些處理和轉(zhuǎn)移方法來(lái)說(shuō)，橋 元件310和可印刷半導(dǎo)體元件300的這些尺寸分布有助于可印刷半導(dǎo)體元件300的高精度配準(zhǔn)轉(zhuǎn)移，組裝和/或集成。
橋元件310提供的結(jié)構(gòu)支撐使半導(dǎo)體元件300在從硅片320轉(zhuǎn)移 之前和/或期間保持在預(yù)選的空間取向上，該轉(zhuǎn)移例如可利用彈性印模 轉(zhuǎn)移設(shè)備。在其中一個(gè)或更多個(gè)可印刷半導(dǎo)體元件的相對(duì)位置、間距 和空間取向?qū)?yīng)于所需功能設(shè)備和/或電路設(shè)計(jì)的很多制造應(yīng)用中，橋 元件的錨定功能是需要的。選擇橋元件的物理尺寸、空間取向和幾何 形狀，使半導(dǎo)體元件300可以在一接觸轉(zhuǎn)移設(shè)備就實(shí)現(xiàn)釋放。在一些 實(shí)施方案中，例如通過(guò)沿圖2B和2B所示虛線折斷來(lái)實(shí)現(xiàn)釋放。對(duì)于 一些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，重要的是，折斷橋元件310所需的力低，使得半導(dǎo)體 元件300的位置和空間取向在轉(zhuǎn)移期間基本不被破壞。
本發(fā)明中，選擇橋元件的空間布置、幾何形狀、成份和物理尺寸 或這些的任意組合，以提供高精度的配準(zhǔn)轉(zhuǎn)移。圖2C和2D提供了橋 元件的圖像，這些橋元件將可印刷半導(dǎo)體元件連接到母晶片。圖2C示 出了可印刷硅元件和將可印刷元件連接到母(SOI)晶片的(窄)橋元 件?？捎∷雽?dǎo)體元件和橋元件的幾何形狀由SF6刻蝕來(lái)限定。如圖 2C所示，可印刷半導(dǎo)體元件和橋元件固定處具有圓形轉(zhuǎn)角。這些轉(zhuǎn)角 的圓度以及這些元件的整體幾何形狀降低了在利用PDMS轉(zhuǎn)移設(shè)備時(shí) 釋放可印刷半導(dǎo)體元件的能力。圖2D中也示出了可印刷硅元件和將可 印刷元件連接到母(SOI)晶片的(窄)橋元件。幾何形狀由熱KOH 各向異性刻蝕來(lái)限定。如圖2D所示，該可印刷半導(dǎo)體元件和橋元件固 定處具有尖銳的轉(zhuǎn)角。那些轉(zhuǎn)角的尖銳性將應(yīng)力集中到充分限定的拆 斷點(diǎn)上，以及因此增強(qiáng)了利用PDMS轉(zhuǎn)移設(shè)備釋放這些元件的能力。
實(shí)施例1 印刷在塑料基片上的用于柔性晶體管、二極管和電路的準(zhǔn) 直GaAs線陣列
利用光刻和各向異性化學(xué)刻蝕從高質(zhì)量單晶晶片產(chǎn)生的具有集成 的歐姆觸頭(ohmic contact)的GaAs線準(zhǔn)直陣列提供了 一種,皮看好 的可用于柔性塑料基片上的晶體管、肖基特二極管、邏輯門(mén)和甚至更 為復(fù)雜的電路的材料。這些設(shè)備表現(xiàn)出優(yōu)秀的電學(xué)和機(jī)械學(xué)特性，這 兩個(gè)性能對(duì)于新興的低成本、通常稱(chēng)為宏電子學(xué)的大面積柔性電子學(xué) 領(lǐng)域來(lái)說(shuō)都很重要。對(duì)于可以用于很多應(yīng)用中的功能設(shè)備(例如，光學(xué)器件、光電學(xué) 器件、電子學(xué)器件、傳感器件等)而言，單晶無(wú)機(jī)半導(dǎo)體的微米以及 納米級(jí)線、帶、小板等是具吸引力的構(gòu)建單元。例如，由"自底向上"
方法合成的Si納米線可以通過(guò)朗繆爾/布羅杰特技術(shù)(或微流體技術(shù)) 被組裝成準(zhǔn)直的陣列以及用作塑料基片上柔性薄膜晶體管(TFT)的傳 輸通道。在一個(gè)不同的方法中，以厚度為約lOOnm以及寬度在幾孩吏米 到幾百微米范圍內(nèi)的帶的形式的微米/納米級(jí)Si元件(微結(jié)構(gòu)硅； ^s-Si)可以通過(guò)"自頂向下"方法從高質(zhì)量、單晶體源(例如，絕緣 硅(silicon-on-insulator ) ， S0I晶片，或體晶片)產(chǎn)生。這種類(lèi) 型的材料可以用來(lái)制造在塑料基片上的柔性TFT,設(shè)備遷移率高達(dá) 300cm2V—、—\該基于高質(zhì)量晶片的源材料(在充分限定的摻雜水平、 摻雜均勻、表面粗糙度低以及低的表面缺陷密度方面)導(dǎo)致具有類(lèi)似 良好性能的硅基半導(dǎo)體材料，這些良好性能對(duì)于可靠的、高性能的設(shè) 備操作來(lái)說(shuō)是有益的。該"自頂向下"制造處理具有吸引力還是因?yàn)?它提供了在"干式印刷"過(guò)程中將限定在晶片級(jí)別的高度有序組織納 米/微米結(jié)構(gòu)保留到最終的(例如塑料或其他)設(shè)備基片上的可能性。 盡管利用硅可能獲得高性能，但利用GaAs可以獲得更好的特性(例如 運(yùn)行速度)，例如，由于GaAs高的本征電子遷移率約8500cm"V—18—1。 之前的研究證實(shí)了，利用各向異性化學(xué)刻蝕步驟，通過(guò)"自頂向下" 制造步驟從GaAs晶片產(chǎn)生具有三角形橫截面的納米/微米線的技術(shù)。 通過(guò)GaAs線都還系連在晶片上時(shí)在這些GaAs線上形成歐姆觸頭，并 接著將它們轉(zhuǎn)移印刷到塑料基片上來(lái)構(gòu)建具有優(yōu)秀性能的可機(jī)械彎曲 的金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET)。這些晶體管在千兆赫區(qū)域顯示 單一的小信號(hào)增益。該例子證實(shí)了在將轉(zhuǎn)移印刷作為組裝/集成策略 時(shí)，將這些類(lèi)型的MESFET以及基于GaAs線的二極管作為有源組件在 塑料基片上構(gòu)建諸如反相器以及邏輯門(mén)之類(lèi)的各種功能電路元件單元 的能力。這些類(lèi)型的系統(tǒng)在用于可控天線、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)器以及要求 在輕質(zhì)塑料基片上有高速、高性能柔性設(shè)備的其他設(shè)備的大面積電子 電路中是重要的。
圖3A描繪了在塑料上制造GaAs晶體管、二極管以及邏輯門(mén)的主 要步驟。該基本方法依賴(lài)于"自頂向下，，制造技術(shù)，以從體單晶GaAs晶片產(chǎn)生具有高純度以及眾所周知的摻雜分布的微米/納米線。在制造
線之前形成于晶片上的歐姆觸頭由在150 nm /7"GaAs外延層上沉積和 退火(在具有N2流的石英管中，在450X:、下退火1分鐘)的120 nm AuGe/20認(rèn)Ni/120 nm Au組成，該150 nm / "GaAs夕卜延層位于(100) 半絕緣的GaAs (SI-GaAs)基片上。接觸條沿(0 11)結(jié)晶取向排放，并 且具有2微米的寬度。在晶體管的情況下，歐姆條之間的間隙限定了 通道長(zhǎng)度。光刻和各向異性化學(xué)刻蝕產(chǎn)生具有三角形橫截面(圖3B的 小插圖)并且寬度為約2微米GaAs線陣列，其末端連接到晶片(圖 3B)。這些連接發(fā)揮維持充分限定線的取向以及空間位置的"錨"作 用，如被刻蝕掩模的布局所限定的(即光致抗蝕劑圖樣)。除去刻蝕 掩模以及通過(guò)電子束蒸發(fā)沉積Ti (2 nm) /Si02 (50 nm)雙分子層來(lái)準(zhǔn)備 用于轉(zhuǎn)移印刷的線表面。該三角形橫截面確保了線表面上的Ti/ Si02 膜不會(huì)連接母晶片上的膜，從而有助于轉(zhuǎn)移印刷的產(chǎn)率。將輕微氧化 的聚二曱基硅氧烷(PDMS)印模碾壓到晶片表面導(dǎo)致PDMS印模的表面 和新的Si02膜之間通過(guò)縮合反應(yīng)形成化學(xué)連接。見(jiàn)圖3A頂部結(jié)構(gòu)。 剝離PDMS印模將線從晶片上拉開(kāi)以及使這些線粘在印模上。將該"被 浸過(guò)(inked)"的印模接觸涂覆有一薄層液態(tài)聚氨酯(PU)的聚對(duì)苯 二曱酸乙二酯(PET)板，烘焙該P(yáng)U,剝離印模以及接著在1: 10的HF 溶液中除去Ti/Si02層，由此在PU/PET基底上留下有序的GaAs線陣 列，如圖3A中部結(jié)構(gòu)所圖解的。Ti/Si02不只是作為粘合層起連接GaAs 線和PDMS的作用，而且還保護(hù)GaAs線的表面在處理過(guò)程中不受到潛 在的污染(例如，被溶劑和PU)。
在該設(shè)計(jì)中，線和歐姆條的原始、棵露表面被曝光，以用于進(jìn)一 步的平版印刷(lithographic)處理和金屬化，以限定源極和漏極電 極(250認(rèn)Au),源極和漏極電極連接集成在線上的歐姆觸頭。對(duì)于 晶體管，這些電極限定了源極和漏極；對(duì)于二極管，它們表示歐姆電 極。由光刻形成的并且在線和塑料基片集成在一起時(shí)被剝離到線的棵 部分上的觸頭限定了用于二極管的肖特基觸頭以及用于MESFET的柵
極電極。對(duì)塑料基片的所有處理都是在iion以下的溫度發(fā)生的。我
們沒(méi)有觀察到由于熱膨脹系數(shù)的不匹配或其他可能效應(yīng)而引起GaAs 線從基片剝離。在晶體管中，柵極電極的寬度表示用于控制運(yùn)行速度的臨界尺寸。源極和漏極之間的電極位置在該工作中相對(duì)不重要。這 種對(duì)不良配準(zhǔn)的容納度對(duì)于在塑料基片上可靠地獲取高速運(yùn)行是非常 重要的，其中由于處理過(guò)程中塑料會(huì)發(fā)生輕微的不可控制的變形，精
確配準(zhǔn)經(jīng)常是個(gè)挑戰(zhàn)或是不可能的，非自準(zhǔn)直高速M(fèi)OSFET (金屬-氧 化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)類(lèi)型的設(shè)備中不存在對(duì)不良配準(zhǔn)的容納 度。以合適的幾何形狀將多個(gè)晶體管和二極管連接在一起產(chǎn)生了功能 邏輯電路。圖3A示意顯示了或非門(mén)。
掃描電子顯微鏡(SEM)圖像(圖3C)顯示十個(gè)平行的線，這些 線形成晶體管的半導(dǎo)體組件。該設(shè)備的通道長(zhǎng)度和柵極長(zhǎng)度分別是50 微米和5微米。這些幾何形狀用于構(gòu)建簡(jiǎn)單的集成電路，即邏輯門(mén)。 在源極和漏極電極之間的間隙中的T i /Au條形成與n-GaAs表面的肖特 基接觸。該電極起一個(gè)柵極的作用，用于調(diào)制電流在源極和漏極之間 的電流。二極管(圖3D)使用在一端具有歐姆條在另一端具有肖特基 觸頭的線。圖3E和3F顯示了 PET基片上的GaAs晶體管、二極管和簡(jiǎn) 單電路集合的圖像。圖3F中，具有電路的PET板繞白色標(biāo)記的軸彎曲， 指示了這些電子單元的柔韌性。
塑料上的基于線的MESFET的DC特征(圖3C )定性地顯示出與形 成于晶片上的MESFET具有相同的特性(圖4A)。源極和漏極之間電
流(Ids)被施加在柵極上的偏壓(Ves)很好地調(diào)制，即Ids隨Vm的降 低而降低。在該方面，負(fù)的Ves衰減通道區(qū)域中的有效載流子(即用
于"-GaAs的電子)并且降低通道厚度。 一旦Vw負(fù)到一定程度，衰減 層等于/7-GaAs層的厚度，并且源極和漏極之間的電流被夾斷(即Ids 基本變?yōu)榱?。如圖4A所示，在乙小于-2. 5V處，lDs幾乎降為零。 在源極-漏極電壓(vDS)為0. IV時(shí)(即線形區(qū)域)，該夾斷電壓(即 柵極電壓Vcs)為2. 7V。在飽和區(qū)域(VDS=4V)，圖4B示出了晶體管的 傳輸特性曲線。根據(jù)圖4B，開(kāi)/關(guān)電流比和最大跨導(dǎo)被分別確定為約 1()6和約880nS。該整個(gè)源極-漏極電流是線的數(shù)目(即有效通道寬度) 和源極與漏極之間的間距(即通道長(zhǎng)度)的函數(shù)。在通道寬度恒定時(shí)，
具有短通道的晶體管可以提供相對(duì)高的電流。例如，在Vg^o.sv以及
VDS=4V時(shí)，晶體管飽和1。s從其通道長(zhǎng)度為50jim時(shí)的1.75mA增加到其 通道長(zhǎng)度為25jim時(shí)的3.8mA (圖4C)。對(duì)于某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，盡管具有短通道的晶體管可以提供高的電流，但是由于完全掐斷電流是有難
度的，開(kāi)/關(guān)電流比趨于下降。如圖4C所示，具有25nm的通道長(zhǎng)度
的晶體管的1。s甚至對(duì)于Ves為-5V時(shí)也還是幾個(gè)微安的量級(jí)。
塑料上的GaAs-線肖特基二極管表現(xiàn)出整流管的典型性能(圖 4D)，即正向電流(I)隨著正向偏置電壓(V)的增加而快速增加，而反向 電流甚至在反向偏置大到5V時(shí)還保持很小。這些肖特基二極管的I-V 特性可以由熱離子發(fā)射模型來(lái)描述，該模型在V 3KT/q時(shí)，可以以下
式表示:J-J。exp f^〕 (1)
i、
,.2W "和 J?！禔*T2expi (2)
l 虹y1
其中，J表示施加偏置電壓(V)的正向二級(jí)管電流密度，k是玻爾 茲曼常數(shù)，T是絕對(duì)溫度(即實(shí)驗(yàn)中的298K) , ^是肖特基勢(shì)壘高度 以及A"是GaAs的有效瑞查生常數(shù)(即8.64A cnT2 K_2)。通過(guò)繪制 In/和偏壓(V)之間的關(guān)系圖(小插圖)，根據(jù)線性關(guān)系(小插圖的直 線)的截距和斜度來(lái)確定飽和電流J。和理想因子n。 ^的量通過(guò)等式 (2)來(lái)估計(jì)。^和n共同用作肖特基界面特性的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。兩個(gè)都高度 i也依賴(lài)于金屬和GaAs之間的界面電荷態(tài)(charge state )，即電荷 態(tài)的增加將導(dǎo)致么的降低和n值的增加。對(duì)于該工作中制造的二極管， 根據(jù)圖4D的小插圖確定&和n分別為512meV以及1. 21。這些設(shè)備與 構(gòu)建在晶片上的二極管相比，具有稍低一些的肖特基勢(shì)壘(512meV對(duì) 約880meV)以及較大的理想因子(1. 21對(duì)約1. 10)。
這些GaAs-線i殳備(即MESFET和二極管)可以集成形成到用于復(fù) 雜電路的邏輯門(mén)中。例如，連接兩個(gè)通道長(zhǎng)度不同的、具有不同飽和 電流的MESFET，形成一個(gè)反相器(邏輯非門(mén))(圖5A和5B)。該負(fù) 載晶體管(上部)以及開(kāi)關(guān)晶體管(底部)分別具有IOO和50微米的 通道長(zhǎng)度，以及150微米的通道寬度和5微米的柵極長(zhǎng)度。該設(shè)計(jì)導(dǎo) 致來(lái)自負(fù)載晶體管的飽和電流為開(kāi)關(guān)晶體管的飽和電流的約50%,這 確保負(fù)載線和開(kāi)關(guān)晶體管的Ves=0曲線在線性區(qū)域相交于一個(gè)小的開(kāi) 啟電壓。在飽和區(qū)域中，即Vdd被偏置成5V，測(cè)量反向器。當(dāng)向開(kāi)關(guān) 晶體管的柵極(Vin)施加一大的負(fù)電壓(邏輯O)來(lái)將該晶體管關(guān)閉時(shí)，輸出節(jié)點(diǎn)上的電壓(v。ut)等于Vdd (邏輯l,高的正電壓)，因?yàn)?br> 負(fù)載晶體管一直是開(kāi)的。Vin的增加使開(kāi)關(guān)晶體管打開(kāi)以及提供大電流 穿過(guò)開(kāi)關(guān)晶體管和負(fù)栽晶體管。當(dāng)開(kāi)關(guān)晶體管完全打開(kāi)時(shí)，即Vin是大
的正電壓(邏輯l)時(shí)，V。ut降低到一低的正電壓(邏輯0)。圖5C
顯示了傳輸特性曲線。該反相器表現(xiàn)出大于1的最大電壓增益(即
(dV。ut/dVin)max=l. 52)。通過(guò)增加一個(gè)包括肖特基二極管的電平轉(zhuǎn)換支 路(如圖3D所示)，將V。ut的邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換成適合于進(jìn)一步電路集成 的電壓。
將該類(lèi)型的多個(gè)設(shè)備并聯(lián)或串聯(lián)組合獲取更復(fù)雜的邏輯功能，諸 如或非門(mén)或與非門(mén)。對(duì)于如圖6A和6B所示的或非門(mén)，并聯(lián)連的兩個(gè) 相同MESFET起開(kāi)關(guān)晶體管的作用。通過(guò)施加一高的正電壓(邏輯l) 而打開(kāi)任意一個(gè)開(kāi)關(guān)晶體管(Va或Vb),可以提供一穿過(guò)負(fù)載晶體管 的漏極(Vdd)而到達(dá)地(GND)的大電流，從而導(dǎo)致輸出電壓(V。)處 于低電平(邏輯0)。只有在兩個(gè)輸入都處于高的負(fù)電壓時(shí)(邏輯0) 才可以獲得高的正輸出電壓(邏輯1)。圖6C顯示了輸出對(duì)或非門(mén)的 輸入的依賴(lài)性。在與非門(mén)的構(gòu)造(圖6D和6E)中，只有通過(guò)施加高 的正電壓(邏輯l)使兩個(gè)開(kāi)關(guān)晶體管都打開(kāi)時(shí)，穿過(guò)所有晶體管的 電流很大。在該構(gòu)造中，輸出電壓表現(xiàn)出相對(duì)低的值(邏輯0)。在 其他輸入組合下，幾乎沒(méi)有電流流過(guò)晶體管，導(dǎo)致可與Vdd相當(dāng)?shù)母叩?正輸出電壓(邏輯1)(圖6F)。該類(lèi)型邏輯門(mén)和/或無(wú)源元件(例如， 電阻器、電容器、導(dǎo)體等)的進(jìn)一步集成有望在塑料上提供高速、大 面積電子系統(tǒng)。
總之，利用高質(zhì)量、體單晶晶片，使用"自頂向下"工藝制造的 具有集成歐姆觸頭的GaAs線提供了高性能"可印刷"半導(dǎo)體材料以及 提供了一種在柔性塑料基片上實(shí)現(xiàn)晶體管、二極管以及集成邏輯門(mén)的 相對(duì)簡(jiǎn)易的途徑。高溫處理步驟(例如歐姆觸頭的形成)從塑料基片 的分離以及使用PDMS印模來(lái)轉(zhuǎn)移印刷非常有序的GaAs線陣列，是此 處所述方法的關(guān)鍵特征。對(duì)于那些對(duì)運(yùn)行速度有要求的大面積印刷電 子設(shè)備來(lái)說(shuō)，將GaAs線用作半導(dǎo)體是具有吸引力的，因?yàn)?i)GaAs具 有高的本征電子遷移率(約8500 cm2V—以及已經(jīng)在常規(guī)的高頻電 路中建立了應(yīng)用，(ii)用GaAs構(gòu)建的MESFET提供了比M0SFET更為簡(jiǎn)單的處理，因?yàn)镸ESFET不需要柵極絕緣體，(iii)GaAs MESFET不受 在非自準(zhǔn)直MOSFET發(fā)生的寄生重疊能力的困擾中，(iv)即使在大面
積塑料基片上可輕易獲取的有限級(jí)別的構(gòu)圖配準(zhǔn)和分辨率下，也可以 實(shí)現(xiàn)GaAs MESFET中的高速運(yùn)4亍。GaAs相對(duì)高的成本(相比于Si )以 及難于利用GaAs生產(chǎn)互補(bǔ)電路，表現(xiàn)出一些缺點(diǎn)。然而，在塑料基片 上構(gòu)建高性能晶體管和二極管的相對(duì)容易性，以及將這些組件集成到 功能電路中的能力指示了該方法有望用于要求有機(jī)械柔韌度，輕質(zhì)結(jié) 構(gòu)以及可以與大面積的、類(lèi)似印刷的處理兼容的電子系統(tǒng)。
實(shí)驗(yàn)部分GaAs晶片(IQE Inc., Bethlehem, PA )具有一個(gè)通 過(guò)在高真空腔中的分子束外延(MBE)沉積生長(zhǎng)在(100)半絕緣GaAs 晶片上的外延摻雜Si的n型GaAs層(載流子濃度為4. 0 x io17 cm—3)。 該平版印刷處理采用了 AZ光致抗蝕劑(分別用于正和負(fù)成像的AZ 5214和AZ nLOF 2020 )，這是在與塑料基片兼容的溫度下(<110匸) 進(jìn)行的，該塑料基片即為涂覆有處理過(guò)的(cured )聚氨酯(PU， NEA 121 Norland Products Inc., Cranbury， NJ )的聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(約 175微米厚的PET，聚酯薄膜，Southwall Technologies, Palo Alto， CA)板。具有光致抗蝕劑掩模圖樣的GaAs晶片在蝕刻劑(4mLH3P04 (85 wt%), 52 mL H202 (30 wt%),以及48 mL去離子水)中被各向異性地 刻蝕，所述蝕刻劑在冰水浴中冷卻過(guò)。所有這些金屬由電子束蒸發(fā)器 (Temescal)以約4A/s的速度蒸發(fā)。當(dāng)沉積了 50nm厚的金屬時(shí)，該 蒸發(fā)孔(os)停止工作，以冷卻樣本(5min)防止塑料基片熔化。在 樣本冷卻后，重復(fù)蒸發(fā)/冷卻循環(huán)以沉積更多金屬。
實(shí)施例2:柔性塑料基片上的機(jī)械柔性晶體管的千兆赫運(yùn)行
GaAs線與從體晶片、軟平版轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)形成的歐姆觸頭的結(jié)合 使用，以及優(yōu)化的設(shè)備設(shè)計(jì)使機(jī)械柔性晶體管能夠形成于低成本塑料 基片上，其各個(gè)設(shè)備速度在千兆赫范圍內(nèi)以及具有高度的機(jī)械可彎曲 能力。此處公開(kāi)的方法包括在簡(jiǎn)單版面設(shè)計(jì)中被制造為具有有限的平 版圖像形成分辨率和配準(zhǔn)的材料。該實(shí)施例描述了高性能晶體管的電 學(xué)和機(jī)械學(xué)特性。這些結(jié)果在某些應(yīng)用中是非常重要的，這些應(yīng)用包 括，但不限于，高速通信和計(jì)算，以及大面積電子系統(tǒng)新興類(lèi)型("宏電子設(shè)備")。
由高遷移率半導(dǎo)體形成的大面積柔性電子系統(tǒng)(即宏電子設(shè)備) 是引人注意的，因?yàn)檫@些電路的一些潛在應(yīng)用要求高速通信和/或計(jì)算 能力。利用諸如非晶/多晶氧化物和硫族化物、多晶硅以及單晶硅納米
線和微結(jié)構(gòu)帶之類(lèi)的各種無(wú)機(jī)材料構(gòu)建的柔性薄膜晶體管(TFT展示 比多晶有機(jī)薄膜的遷移率(通常〈lcm2 V—1 s—。更高的遷移率(10~ 300 cm2 . V 1 ■ s—"。之前的工作已經(jīng)證實(shí)，具有非常高的本征電子遷 移率(約8500cm2 ■ V—1 . s—1)的單晶GaAs線陣列，在金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效 應(yīng)晶體管(MESFET)的排列(geometry)中可以起用于TFT的傳輸通 道的作用。該實(shí)施例顯示在優(yōu)化設(shè)計(jì)下，類(lèi)似的設(shè)備可以工作在GHz 區(qū)域的頻率下，甚至具有有限的平版印刷分辨率，并且具有好的可彎 曲能力。具體地，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示塑料基片上的基于GaAs線的MESFET 對(duì)于柵極長(zhǎng)度為2微米的晶體管表現(xiàn)出截?cái)囝l率高于1. 5GHz，以及當(dāng) 使用約200mm厚的基片時(shí)，半徑彎曲到約lcm時(shí)，其電子特性具有有 限的改變。對(duì)設(shè)備性能的簡(jiǎn)單模擬和實(shí)驗(yàn)觀察非常符合，并且可以獲 取S-頻帶(5GHz)的運(yùn)行頻率。
該基本制造策略類(lèi)似于別處所描述的策略，但具有優(yōu)化的設(shè)備幾 何形狀以及處理方法，可實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行。具有集成的歐姆條(通過(guò)在 N2氣氛下，在450。C對(duì)120 nm AuGe/20 nm Ni/120 nm Au退火1分 鐘來(lái)形成)的GaAs線(寬度約2微米)陣列是通過(guò)光刻和各向異性化 學(xué)刻蝕從具有150nm n-GaAs外延層的(100)半絕緣GaAs ( SI-GaAs ) 晶片制造而來(lái)。在底刻的GaAs線上沉積Ti (2 nm)/SiO2(50 nm)雙分 子層，以作為粘附層來(lái)促進(jìn)轉(zhuǎn)移印刷處理，以及保護(hù)線的平坦表面和 歐姆觸頭不受處理中涉及的有機(jī)物(主要是從印模表面轉(zhuǎn)移的有機(jī)物) 的污染。通過(guò)將這些樣本浸入1: 10的HF溶液以移去該層，以在隨后 的步驟中將GaAs線的干凈表面暴露用于設(shè)備制造。此外，該Ti/Si02 薄的厚度(相比于我們之前的工作中在轉(zhuǎn)移印刷中用作粘附層的光致 刻蝕劑的厚度而言)導(dǎo)致相對(duì)平坦表面的塑料聚對(duì)苯二曱酸乙二酯 (PET)板，在一薄層旋涂的聚氨酯(PU)的輔助下，在所述板上印刷 GaAs線陣列。該改進(jìn)的表面平坦度使能夠沉積窄的柵極電極的而縱向 沒(méi)有裂縫，從而提供一種有效的增加設(shè)備的運(yùn)行速度的途徑。所獲得的位于PET基片上的MESFET (見(jiàn)柵極長(zhǎng)度為2微米的一般 晶體管的SEM圖像，如圖7A所示)展示與構(gòu)建在母晶片上的晶體管類(lèi) 似的DC傳輸特性。圖7B顯示了對(duì)柵極長(zhǎng)度為2微米的設(shè)備，源極和 漏極之間的電流(IDS)作為柵極電壓(Ves)(小插圖)的函數(shù)和在不 同Vcs下作為源極/漏極電壓的函數(shù)。V。s為0. 1V處(即線性區(qū)域)的掐 斷電壓為-2. 7V。根據(jù)許多設(shè)備上的平均測(cè)量值確定的開(kāi)/關(guān)電流比值 為約106。這些設(shè)備展示可以忽略的磁滯現(xiàn)象(小插圖)，這對(duì)于高速 響應(yīng)來(lái)說(shuō)是特別重要的。這些設(shè)備顯示出良好的設(shè)備到設(shè)備 (device-to-device )的一致性；表格1列出了具有50微米的通道長(zhǎng) 度以及不同的柵極長(zhǎng)度的MESFET的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(設(shè)備數(shù)目〉50)。該DC 特征幾乎獨(dú)立于柵極長(zhǎng)度，除了具有較大柵極長(zhǎng)度的設(shè)備表現(xiàn)出稍低
的開(kāi)/關(guān)比外。然而，如下面所要描述的，該柵極長(zhǎng)度在確定運(yùn)行頻率 時(shí)扮演一個(gè)關(guān)鍵角色。
表格1 從具有不同柵極長(zhǎng)度的MESFET提取的參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果
柵極長(zhǎng)通道阻抗飽和電流掐斷開(kāi)/關(guān)比值最大跨導(dǎo)
度(kQ)(mA)電壓
(nm )@Vgs=0 V(V)log (r0N/0FF)
21.5±0.51.4±0.5-2.41 ±0.356.2±0,7796±295
51.3±0.21.6±0.5-2.49±0.256.1±0.5904±337
101.5±0.21.3±0.3-2.54±0.145.8±0.5772±185
151.6±0.21.1 ±0.2-2.69±0.055.3±0.8749±188
*所有晶體管由IO根并聯(lián)的GaAs線組成，其通道長(zhǎng)度為50jim.
圖8A的小插圖顯示了被設(shè)計(jì)為用于微波測(cè)試的設(shè)備的布局。該測(cè) 試結(jié)構(gòu)的每個(gè)單元包含兩個(gè)相同的MESFET,該MESFET柵極長(zhǎng)度為2 微米以及通道長(zhǎng)度為50微米的，這兩個(gè)MESFET具有一個(gè)公共的柵極， 以及探測(cè)墊(pad)被配置成和RF探測(cè)針的布局匹配。在測(cè)量中，漏 極(D)端保持在4V (相對(duì)于源極(S))以及柵極(G)由0. 5V的偏 壓來(lái)驅(qū)動(dòng)，耦接有等效電壓幅度為224mV、具有50J1的OdB的RF功率。 該測(cè)量利用HP8510C Network Analyzer來(lái)進(jìn)行，利用標(biāo)準(zhǔn)的SQLT (Short-Open-Load-Through)技術(shù)在CascadeMicrotech 101-190B ISS基片(一片覆蓋有激光修整的金圖樣的陶瓷芯片)上通過(guò)WinCal 3. 2對(duì)該HP8510C Network Analyzer在50 MHz到1 GHz內(nèi)進(jìn)行誤差 校準(zhǔn)。換言之，短校準(zhǔn)(short calibration)被視為是理想短，以及開(kāi) 》文校準(zhǔn)(open calibration) 4皮視為是理想的開(kāi)放。由于完成該校準(zhǔn) 不用進(jìn)一步的去嵌入(de-embedding),所以測(cè)量的參考平面設(shè)置在 輸入探針和輸出探針之間。換言之，接觸墊上的這些寄生組件被包括 在測(cè)量中。然而，考慮到頻率為1GHz的RF信號(hào)的波長(zhǎng)為300mm，而 接觸墊的長(zhǎng)度為200微米的事實(shí)，這些寄生組件對(duì)接觸墊的影響可以 忽略。由于接觸墊近是波長(zhǎng)的1/1500，因此該接觸墊的阻抗變換效應(yīng) 是可以忽略的。
該小信號(hào)電流增益(h21)可以從所測(cè)量的該設(shè)備的S-參數(shù)來(lái)提取。 這個(gè)量展示對(duì)輸入的RF信號(hào)的信號(hào)有對(duì)數(shù)依賴(lài)性(圖9A)。該單元 電流增益頻率(fT)被限定為短路電流增益變?yōu)?時(shí)所處的頻率。該 量可以通過(guò)根據(jù)最小平方擬合20 dB/decade線對(duì)圖9A的曲線進(jìn)行外 推以及找出它的x軸交叉來(lái)確定。以這種方式確定的值為fT=l. 55GHz。 據(jù)我們所知的，該設(shè)備代表了塑料上的最快的具有機(jī)械柔性的晶體管 以及fT處于千兆赫區(qū)域的第一個(gè)晶體管。我們還根據(jù)與小信號(hào)等效電 路模型，利用所測(cè)的DC參數(shù)以及所計(jì)算的電極之間的電容估計(jì)GaAs MESFETD的RF響應(yīng)。根據(jù)模擬結(jié)果所得的圖和實(shí)驗(yàn)結(jié)果所得的 fT=l. 68GHZ非常相符。該模型也很好地適用于具有不同的柵極長(zhǎng)度的 晶體管，例如，柵極長(zhǎng)度為5微米的MESFET的實(shí)驗(yàn)fT(730匪z)和模擬 所得的量(795MHz)接近(圖9B)。在該模型中，只考慮了MESFET的 本征參數(shù)，因?yàn)榉潜菊鲄?shù)(即和探測(cè)墊相關(guān)的電感和阻抗)被認(rèn)為 是可忽略的?？鐚?dǎo)(gm)、輸出阻抗(Rds)以及充電電阻(Ri,說(shuō)明了 通道上的電荷不能瞬時(shí)地響應(yīng)V。s的變化的事實(shí))可以從DC測(cè)量結(jié)果 提取。與該MESFET相關(guān)的本征電容包括來(lái)自衰減層、邊緣以及幾何邊 緣電容的貢獻(xiàn)。其中每一個(gè)都利用用于對(duì)通道寬度等于單個(gè)GaAs線的 總和寬度的常規(guī)設(shè)備進(jìn)行計(jì)算的等式來(lái)計(jì)算。衰減層的電容用柵極長(zhǎng) 度(LJ 、有效設(shè)備寬度(W)以及衰減高度來(lái)表征<formula>formula see original document page 46</formula>在該等式中:<formula>formula see original document page 46</formula>
其中假設(shè)衰減層作為一個(gè)平行板形電容器來(lái)工作。該邊緣電容 (edge fringing capacitance)以及幾何學(xué)邊緣電容(geometric fringing capacitance)分另'J由<formula>formula see original document page 46</formula>
來(lái)確定。150nm和200nm分別是源極或漏極墊的寬度和長(zhǎng)度。K(k) 是第一種的橢圓積分以及<formula>formula see original document page 46</formula>
CGS，柵極和源極之間的電容，包括所有這三種電容；而Cds以及
C。g只包括邊緣電容以及幾何學(xué)邊緣電容。在多數(shù)情況下，Cedge以及 C^。^ri。的貢獻(xiàn)可以被忽略，而對(duì)模擬結(jié)果沒(méi)有有顯著影響，因?yàn)樗麄?br> 遠(yuǎn)小于與柵極長(zhǎng)度成比例的cdepleti。。該模型說(shuō)明了塑料板上的線陣列
設(shè)備的性能，包括fT隨柵極長(zhǎng)度的變化。圖8C將具有不同柵極長(zhǎng)度 和50樣i米通道長(zhǎng)度的GaAs-線MESFET的所測(cè)的(符號(hào))和所計(jì)算的 (虛線)"進(jìn)行比較。該模型指示通過(guò)減少柵極長(zhǎng)度或通過(guò)進(jìn)一步優(yōu) 化GaAs母晶片中的層設(shè)計(jì)可以明顯增加卜的值。
我們已經(jīng)報(bào)道了拉應(yīng)力對(duì)柵極長(zhǎng)度為15微米的基于線的MESFET 的影響。在該實(shí)施例中，我們考查處于壓力和處于拉伸中的高速設(shè)備 的性能，該壓力和拉力高達(dá)折斷點(diǎn)。該測(cè)量結(jié)果包括全部的DC電學(xué)特不同曲率半徑的凹形和凸形形狀(見(jiàn)圖
9)的函數(shù)。該彎曲半徑通過(guò)對(duì)彎曲樣本的側(cè)視圖像進(jìn)行幾何擬合來(lái)提 取。凹形和凸形彎曲表面在設(shè)備上產(chǎn)生拉應(yīng)力(被分配一個(gè)正值)和 壓應(yīng)力(被分配一個(gè)負(fù)值)。利用與圖8A所示設(shè)備類(lèi)似的設(shè)備來(lái)估計(jì) 由彎曲導(dǎo)致的應(yīng)力對(duì)性能的影響。隨著拉應(yīng)力增加到0.71% (對(duì)應(yīng)于 該工作中所用的200微米厚基片的彎曲半徑為14mm)，該飽和電流(即 VDS=4v, VGS=OV)增加約10%以及隨著壓應(yīng)力增加到0.71%，該飽和電 流降低約20% (圖9B)。當(dāng)該基片在彎向任一方向彎曲后被釋放時(shí)， 該電流恢復(fù)，從而表示塑料基片和該設(shè)備其他組件的變形在該區(qū)域內(nèi) 是彈性的。(預(yù)計(jì)PET和PU在應(yīng)力〉約2%處發(fā)生塑料變形)。對(duì) GaJni-xAs或(100)GaAs晶片上的GaxIn^As的受應(yīng)力上層的研究表明， 雙軸應(yīng)力以及外部施加的單軸向應(yīng)力(該情形和本實(shí)施例類(lèi)似)可以 導(dǎo)致上層中帶隙能量的顯著飄移和價(jià)帶分裂。拉應(yīng)力降低帶隙能量， 從而增加總的載流子濃度(電子和空穴)以及提高電流。相反，壓應(yīng) 力增加了帶隙能量以及降低了電流。這些現(xiàn)象和我們?cè)O(shè)備的觀察結(jié)果 相一致。在利用SEM顯微鏡對(duì)彎曲過(guò)程的原位測(cè)量成像證實(shí)了在應(yīng)力 <+/-0. 71%處沒(méi)有GaAs線斷裂。在拉應(yīng)力為約1%以上時(shí)，由于一些線 的折斷(或柵電極的裂縫)，設(shè)備出現(xiàn)衰退。對(duì)于那些寬度比此處所 用的更寬的線(例如，IO微米寬)，由于它們相對(duì)較高的抗彎剛度， 線從塑料分離，以釋放拉應(yīng)力的彎曲壓力，而不是折斷。
由于彎曲應(yīng)力對(duì)飽和電流的改變少于20%，所以開(kāi)/關(guān)比的變化主 要由關(guān)電流的變化來(lái)確定。價(jià)帶中空穴濃度的變化以及由應(yīng)力引起的 n-GaAs層的錯(cuò)位和表面缺陷的數(shù)目可能對(duì)晶體管關(guān)電流的變化有貢 獻(xiàn)。拉應(yīng)力和壓應(yīng)力兩者都可以增加錯(cuò)位和表面缺陷的數(shù)目，從而增 加該設(shè)備的關(guān)電流。拉應(yīng)力產(chǎn)生附加的空穴以及電子，這也增加關(guān)電 流。另一方面，壓應(yīng)力降低空穴濃度。結(jié)果，可以預(yù)計(jì)處于拉力中的 MESFET的關(guān)電流比沒(méi)有應(yīng)變的i殳備的要高。壓應(yīng)力對(duì)i殳備的關(guān)電流具 有次要的影響。因此，相應(yīng)的開(kāi)/關(guān)電流比將在拉力下降低，而在壓力 下基本保持不變。圖9C給出了飽和區(qū)域內(nèi)所測(cè)開(kāi)/關(guān)電流比對(duì)應(yīng)力的 依賴(lài)性，顯示和以上討論的定性符合。
總之，該實(shí)施例的結(jié)果顯示，由彎曲導(dǎo)致的表面應(yīng)力(在拉力和壓力中，高達(dá)0. 71%)沒(méi)有顯著衰減由修改過(guò)的工藝制造而來(lái)的MESFET 的性能。更重要的是，在彎曲狀態(tài)下釋放樣本使設(shè)備性能恢復(fù)到它原 始狀態(tài)。這些觀察指示了在PU/PET基底上的基于GaAs線的MESFET 具有符合很多預(yù)想的宏電子設(shè)備應(yīng)用的要求的機(jī)械性能。此外，這些 類(lèi)型的TFT表現(xiàn)出高的速度，這些速度逼近于那些適合于RF通信設(shè)備 的以及適合于其他要求有機(jī)械柔韌度、輕質(zhì)結(jié)構(gòu)以及與大面積、類(lèi)似 于印刷的處理兼容的應(yīng)用的速度。對(duì)于使用是本工作焦點(diǎn)的薄的、可 彎曲的、具有合適密度的和大面積電路類(lèi)型的線或帶的設(shè)備來(lái)說(shuō)，GaAs 的一些缺點(diǎn)與用于常規(guī)集成電路中的Si (即晶片成本高，不能構(gòu)建可 靠的互補(bǔ)電路，機(jī)械上易碎等)相比，就只有較輕的重要性了。
實(shí)施例3使用從體晶片獲取的超薄硅帶的具有機(jī)械柔性的薄膜晶體管 該實(shí)施例介紹了一種薄膜晶體管，該晶體管使用單晶硅薄(亞微 米)帶的準(zhǔn)直陣列，這些單晶硅薄(亞微米)帶的準(zhǔn)直陣列是通過(guò)平 版印刷構(gòu)圖和體硅(111)晶片的各向異性刻蝕產(chǎn)生的。將這種帶并入印 刷到薄塑料基片上的設(shè)備顯示出良好的電學(xué)特性以及機(jī)械柔韌度。有 效的設(shè)備遷移率，如在線性區(qū)域所估計(jì)的，高達(dá)360 cm2V_1s_1以及開(kāi) /關(guān)比>103。這些結(jié)果表現(xiàn)了在以低成本方法制造用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、 傳感器、顯示器以及其他應(yīng)用上的大面積、高性能、具有機(jī)械柔韌性 的電子學(xué)系統(tǒng)方向上的重要進(jìn)步。
密集相關(guān)特性(Confinement-related properties )以及應(yīng)用廣 泛的形式因素(form factors )使得低維材料有望在電子學(xué)、光子學(xué)、 微電機(jī)械系統(tǒng)以及其他領(lǐng)域中有新的應(yīng)用。例如，高性能柔性電子設(shè) 備(例如晶體管，樣本電路元件等)可以通過(guò)使用那些被放在、涂覆 在或印刷在塑料基片上的微/納米線、帶或管來(lái)構(gòu)造。薄的、高縱橫比 材料結(jié)構(gòu)使材料在單晶半導(dǎo)體材料中具有彎曲能力以及，在某些結(jié)構(gòu) 形式下，具有拉伸能力，這些材料在體中本來(lái)為易碎和脆弱的。結(jié)果， 這些類(lèi)型的半導(dǎo)體材料提供了對(duì)真空以及溶液可處理的聚合/非晶有 機(jī)材料的有魅力的替代，這些真空以及溶液可處理的聚合/非經(jīng)有機(jī)材 料在栽流子遷移率方面通常表現(xiàn)出明顯較低的性能。最近描述的自頂 向下方法從硅基材料源產(chǎn)生半導(dǎo)體線、帶以及板。該方法提供了對(duì)結(jié)果結(jié)構(gòu)的幾何形狀、空間組織、摻雜水平以及材料純度的高度控制。 然而，該方法的經(jīng)濟(jì)吸引力，特別是對(duì)于那些需要大面積覆蓋的應(yīng)用 來(lái)說(shuō)，受到晶片(絕緣硅，生長(zhǎng)基片上的外延層等)單位面積成本的限制。
在該實(shí)施例中，我們報(bào)道了一種不同的方法。具體地，我們給出
了一種薄膜晶體管(TFT),該TFT使用從低成本的體硅(111)晶片 獲取的亞微米厚的硅帶準(zhǔn)直陣列。我們開(kāi)始描述制造這些結(jié)構(gòu)以及將 它們通過(guò)彈性印模轉(zhuǎn)移印刷到塑料基片上的工藝。我們給出了這些帶 的形狀的結(jié)構(gòu)特征，它們的厚度以及表面形態(tài)。對(duì)由這些印刷帶形成 的肖特基勢(shì)壘TFT所做的電學(xué)測(cè)量表明這些印刷的帶具有n型場(chǎng)效應(yīng) 遷移率為360cm2V—、_1以及開(kāi)/關(guān)比為4000。
圖10圖解了一種從Si ( 111)晶片(Montco， Inc. ， n型， 0. 8-1.8Q.cm)的表面產(chǎn)生薄(<1微米)的帶的從上到下方法。該方 法從近場(chǎng)相移掩模光刻開(kāi)始13，接著是金屬剝離以及SF6等離子刻蝕
(Plasmatherm RIE系統(tǒng)，40 sccm SF6， 30 mTorr， 200 W RF功率， 45秒)，以在Si表面產(chǎn)生深為約l微米，寬為l微米的溝道的陣列
(圖l(a))。溝道之間的間距限定了帶的寬度(通常為IO微米)。 接著，在1100'C下在晶片上生長(zhǎng)100nm的熱氧化物。通過(guò)成角度電子 束蒸發(fā)Ti/Au (3/30nm)來(lái)執(zhí)行的兩個(gè)金屬沉積步驟，提供了對(duì)溝道 側(cè)面的部分覆蓋(圖10B)。這些在成角度蒸發(fā)期間投下"遮蔽"限 定帶的厚度。溝道刻蝕的條件、蒸發(fā)角度以及金屬流準(zhǔn)直的程度控制 了該遮蔽的范圍，以及因此控制了帶的厚度。CF4等離子刻蝕(40 sccm C F4， 2 sccm 02， 50 mTorr基本壓力，150 W RF功率，5 min)除 去曝光的氧化物。最后，熱KOH溶液底刻這些帶(質(zhì)量比為3:1:1的 H20:K0H:IPA， lOOt:)?？涛g前端沿〈110〉方向進(jìn)行，并保留(lll)平 面(圖10C)以及形成那些占了原晶片大部分(75-90%)的無(wú)支撐地 存在的帶?？涛g掩模被設(shè)計(jì)成使每個(gè)帶在溝道的末端處錨到晶片上(圖 12A以及圖12B )。利用水中的KI/I2 ( 2. 67/0. 67wt% )除去該掩模， 并繼以HF，從而完成該制造。以這種方式產(chǎn)生的帶是薄的、平坦的、 以及是機(jī)械柔性的(圖10E),與那些使用之前描述過(guò)利用了昂貴絕 緣硅晶片的方法s'7'n產(chǎn)生的帶相似。原子力顯微鏡(圖11A)顯示一般的帶的厚度從約115至約130nm。這些變化在光學(xué)顯微照片(圖12E) 中顯示為輕微的色彩變化。如AFM對(duì)顯示在圖12B中的帶中的其中一 個(gè)的下側(cè)的5nmx 5fim區(qū)域所測(cè)量的粗糙度為0. 5nm。該值大于頂部拋 光的表面(0.12nm)或者大于采用相同方法從SOI硅片產(chǎn)生的帶的下 側(cè)(0. 18認(rèn))。有興趣的是采用其他各向異性刻蝕劑來(lái)降低該粗糙度。 厚度變化以及，在較小的范圍內(nèi)，粗糙度的來(lái)源部分是溝道中的邊緣 粗糙度，它進(jìn)而導(dǎo)致成角度蒸發(fā)過(guò)程中在側(cè)面鈍化中的粗糙度。提高 側(cè)面質(zhì)量可以減少帶的厚度起伏。然而，如我們?cè)谝韵滤镜?，利?此處描述的工藝制造的那些帶可以構(gòu)造具有良好性能的晶體管設(shè)備。
通過(guò)高(>95%)產(chǎn)率的印刷處理，可以將帶轉(zhuǎn)移到另一個(gè)(柔性) 基片上，如圖12所給的略圖。為了執(zhí)行該印刷處理，將PDMS印模碾 壓在該硅片上以及接著快速剝回，以重新獲取該帶。這種處理依賴(lài)于 對(duì)至該印模的粘附的動(dòng)力學(xué)控制。該印模，被如此"浸過(guò)，，的，(圖 12B和12E)可以通過(guò)與另一個(gè)基片接觸而印刷這些帶。印刷到一個(gè)涂 覆有ITO的0. 2mm厚的PET基片上的帶可以用來(lái)在塑料上制造高性能 的柔性底柵TFT,其中ITO作為柵極電極。在印刷之前沉積到ITO柵 極上的一層SU-8起柵極介質(zhì)的作用以及作為一種膠合劑來(lái)促進(jìn)帶轉(zhuǎn) 移。在印刷過(guò)程中，這些帶浸入沒(méi)有處理過(guò)的SU-8,使得它們的頂部 埋入膠合劑表面，在帶的底表面和ITO之間留下約2微米的介質(zhì)。由 平板印刷(10(Vm長(zhǎng)xl00nm寬)以及利用HF/HA的濕式刻蝕限定的 厚(約0. 2jim)的Ti源極和漏極觸頭形成源極和漏極電極的肖特基勢(shì) 壘觸頭。這些底柵設(shè)備顯示出特征性的n型增強(qiáng)模式MOSFET柵調(diào)制。 晶體管獲取約103的開(kāi)/關(guān)比值，以及設(shè)備水平遷移率，如對(duì)金屬氧化 物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管使用標(biāo)準(zhǔn)方程所確定的，14高達(dá)約360 cm2V—、一1 (線性的)以及IOO cm2V—、1 (飽和，在V(KV處估計(jì))。該帶本身 的遷移率應(yīng)比設(shè)備水平遷移率高約20%( 440 cm、、^線性的，以及120 cm2V_1s—i飽和)，由于它們之間的間距使得它們只填充約83%的通道。 對(duì)于0.2m邁厚的基片，當(dāng)基片彎曲到有限的半徑(15mm)時(shí)，該帶設(shè) 備能夠完好，但在更尖銳的彎曲中(5mm),嚴(yán)重地衰退。
總之，該實(shí)施例證實(shí)了一種高產(chǎn)率的用于從體硅(111)晶片產(chǎn) 生可印刷單晶硅帶的制造策略。在制造之后對(duì)體晶片表面進(jìn)行精制使得可以多次重復(fù)，因而可以從一平方英尺的起始原料生產(chǎn)出幾十或甚
至上百平方英尺的帶。塑料上從這些帶制造的TFT證實(shí)了它們作為高 性能柔性半導(dǎo)體的應(yīng)用。這些設(shè)備以及制造它們的策略不但可用于大 面積柔性電子設(shè)備，還可以用于需要三維的或者異構(gòu)的集成或利用常 規(guī)硅微制備方法下難以獲取的其它特性的應(yīng)用中。
實(shí)施例4 塑料基底上的可彎曲GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)
新興的宏電子設(shè)備領(lǐng)域內(nèi)所包含的柔性大面積的電子學(xué)設(shè)備、技 術(shù)在過(guò)去的幾年里見(jiàn)證了可觀的進(jìn)步，并具有幾個(gè)主要的用戶以及具 有軍事上的應(yīng)用，在不久的將來(lái)，它們有望被商業(yè)化。具有新穎形式 因素的微電子電路是這些系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，并且將可能需要新的制造 方法(特別是印刷方法)來(lái)制造它們。由于該原因，已有大量注意力 投入到半導(dǎo)體的可印刷形式中，以及有機(jī)(例如苯，聚硫脲等)和無(wú) 機(jī)(諸如多晶硅，無(wú)機(jī)納米線)材料都被加以考查。該工作已顯示出 一些對(duì)集成在塑料基片上的設(shè)備來(lái)說(shuō)很看好的結(jié)果。然而，應(yīng)用的電 流范圍卻受到由半導(dǎo)體制備的設(shè)備的先天不良性能的限制，其先天的 不良性能諸如它們低的有效設(shè)備遷移率以及運(yùn)行頻率。我們已經(jīng)考查 了一種被稱(chēng)為微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體(US-Sc)的新形式可印刷無(wú)機(jī)半導(dǎo)體，其 可以在常規(guī)的和有機(jī)聚合物基片上實(shí)現(xiàn)制造異常高性能設(shè)備。我們還 示出，使用jiS-Sc作為基礎(chǔ)，可以在半導(dǎo)體晶片上制備完全開(kāi)發(fā)的設(shè) 備，并且隨后將轉(zhuǎn)移到柔性基片上，而不降低它們的性能。該方法利 用晶片級(jí)半導(dǎo)體的高質(zhì)量，但使它們可以順從基于印刷的制造方法。 在這些材料中，單晶ns-GaN有很大的吸引力，由于他具有優(yōu)越的材料 性能，包括寬的帶帶隙(3.4 eV對(duì)GaAs的1.4 eV)，從而導(dǎo)致高的 擊穿電場(chǎng)(3MV cm—工對(duì)GaAs的0. 4MV cm—1),高的飽和栽流子速度 (2. 5*107cm s刁對(duì)GaAs的107cm s-1),以及良好的導(dǎo)熱率(1. 3W cm-1 對(duì)GaAs的O. 5W cm—1)。此外，具有AIGaN/GaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)形式的異
質(zhì)結(jié)集成產(chǎn)生具有高的導(dǎo)帶偏移以及壓電響應(yīng)的，表面載流子密度位 于1. Ox 1013 cnf2范圍的設(shè)備衰減材料。這些具吸引力的特性使得GaN 適合用于那些要求有高頻率以及高功率性能的設(shè)備中，諸如用于無(wú)線 通信的電子設(shè)備、全彩發(fā)光設(shè)備以及用于光電系統(tǒng)的UV光電探測(cè)器。自從第一次證實(shí)AlGaN/GaN的高電子遷移率晶體管(HEMT)以來(lái)， 已有很多基本研究活動(dòng)聚焦于該領(lǐng)域。這些努力已經(jīng)促使設(shè)備集成到 各種基片上，這些基片包括蘭寶石、SiC、 Si以及A1N。在該實(shí)施例中， 我們描述柔性AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)高電子遷移率晶體管(HEMT，圖 14概要示出了該工藝)的制造，其中的一些晶體管被處理以及隨后通 過(guò)基于接觸印刷的方案(protocol)將其從它們的Si (111)生長(zhǎng)基
片轉(zhuǎn)移到塑料板上。該工作提供了將基于異質(zhì)結(jié)構(gòu)的ni-v半導(dǎo)體材
料的高性能HEMT設(shè)備集成到塑料基片上的工藝的描述。
圖15示意性地圖解了用于HEMT設(shè)備的步驟。該過(guò)程開(kāi)始于利用 標(biāo)準(zhǔn)序列光刻以及剝離步驟在體GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)晶片上形成歐姆觸頭 (Ti/Al/Mo/Au)(圖15A)。然后沉積PECVD氧化層以及Cr金屬，以 作為隨后干式刻蝕的掩模。對(duì)Cr和PECVD氧化物的光刻以及刻蝕限定 了 GaN帶所需的幾何形狀，這些帶在隨后的印刷中用作固體墨(圖 15B)。在剝?nèi)ロ敳康墓庵驴刮g劑后，利用ICP干式刻蝕來(lái)除去曝光的 GaN(圖15C)。通過(guò)該ICP刻蝕步驟除去該Cr層，但較厚的PECVD 氧化層基本完好地留在GaN的頂部。利用氫氧化四甲基銨(TMAN)的 各向異性濕式刻蝕(圖15D)從母基片上除去位于下面的Si以及分離 GaN帶。在該強(qiáng)堿刻蝕過(guò)程中，PECVD氧化物起保護(hù)歐姆觸頭不衰退的 作用。已經(jīng)被等離子和濕式刻蝕步驟嚴(yán)重粗糙化的剩余PECVD氧化物， 接著利用B0E (緩沖氧化刻蝕劑)處理步驟被除去。隨后通過(guò)電子束 蒸發(fā)將一新的光滑的、犧牲硅氧化層沉積到GaN帶的頂部。到GaN的 印刷，將該晶片和聚二曱基硅氧烷(PDMS)板接觸(圖15E)，以及將 該板從母基片上快速除去，以此獲取jis-GaN到PDMS的完全轉(zhuǎn)移。該 "被浸"的板接著被碾壓在涂有聚氨酯(PU)的聚對(duì)苯二曱酸乙二酯 (PET)板上(圖15F)，以及從頂側(cè)開(kāi)始，利用UV光來(lái)處理PU(圖 15H)。剝離PDMS實(shí)現(xiàn)ns-GaN元件到塑料基片的轉(zhuǎn)移。該轉(zhuǎn)移在GaN 帶頂部留下了殘余的PU。當(dāng)利用B0E剝離圖15E的步驟中蒸發(fā)的電子 束沉積的Si02層時(shí)，該殘余被除去。該處理的最后步驟包括形成源極 /漏極連接以及肖特基柵極金屬觸頭(Ni/Au)，通過(guò)電子束蒸發(fā)沉積 和使用標(biāo)準(zhǔn)的剝離處理來(lái)構(gòu)圖的層(圖15F)。
為了在除去下面的Si (圖ld)后保持無(wú)支撐地存在的ns-GaN的原始位置，我們采用了如圖14所列處理所示的微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體(jis-Sc) 的新幾何形狀。該ns-GaN帶在GaN的末端具有兩個(gè)窄的橋(即兩個(gè)拆 斷點(diǎn)，如圖14C的箭頭所示)，以有助于將它們調(diào)準(zhǔn)轉(zhuǎn)移到PDMS印刷 工具(圖15E)。該結(jié)構(gòu)相對(duì)于之前報(bào)道的"花生"設(shè)計(jì)表現(xiàn)出顯著 的改善。在該設(shè)計(jì)下，發(fā)現(xiàn)引起轉(zhuǎn)移處理的折斷非常有效。較早的"花
高度一致，以產(chǎn)生適合于印刷的ns-Sc帶。當(dāng)前的"窄橋，，設(shè)計(jì)對(duì)刻 蝕速度差異不很敏感。為了圖解后一情況，圖16A和16B分別顯示了 在TMAH各向異性刻蝕步驟之前和之后取的GaN晶片光學(xué)圖像。在這些 圖中很容易識(shí)別無(wú)支持和被支持GaN微結(jié)構(gòu)的不同色彩。圖16C和16D 顯示了在切割下面的Si的TMAH刻蝕步驟中間階段中所取的掃描電子 顯微鏡圖像(SEM)。圖16D的放大圖像以及圖16B的虛線區(qū)域有力地 說(shuō)明了 Si刻蝕過(guò)程是基本僅沿垂直于GaN帶取向的方向傳遞的高度各 向異性本質(zhì)。在該特殊的系統(tǒng)中，優(yōu)先的刻蝕是沿(110)方向發(fā)生； Si(lll)表面，如圖14C所示的，作為固有的刻蝕隔離掩模。圖16E 顯示了被浸過(guò)的PDMS板的SEM圖像，其中利用在其晶片配準(zhǔn)的全張力 (full-tension)轉(zhuǎn)移jis-GaN。圖16F的圖像顯示了被印刷結(jié)構(gòu)的SEM 顯微圖像，其中，最后的步驟為將fis-GaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)備轉(zhuǎn)移到涂覆 有PET基片的PU上。這些圖像證實(shí)了基于"窄橋"的jis-GaN圖形的
轉(zhuǎn)移沒(méi)有損壞異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)帶。
圖17A和17B給出了基于jis-GaN的HEMT在轉(zhuǎn)移到PET基片上后 的代表性光學(xué)圖像。各種對(duì)比對(duì)應(yīng)于圖14B所示的設(shè)備示意橫截面的 各種成分(lend)。在該幾何形狀中，有源電子通道(active electron channel )形成于兩個(gè)歐姆觸頭(Ti/Al/Mo/Au )之間以及電子流速(或 電流)受肖特基(Ni/Au)柵極接觸的控制。圖17B所示設(shè)備的通道長(zhǎng) 度、通道寬度以及柵極寬度分別為2t)、170和5微米。與之前的jis-GaN 處理不可避免地受側(cè)面濕式刻蝕造成的小填充因數(shù)(filling factor) 限制不同，這些設(shè)備對(duì)應(yīng)的填充因數(shù)非常高，相比于較早的對(duì)印刷的 III-V結(jié)構(gòu)(67。/。對(duì)ns-GaAs的13%)的才艮道而言。圖17C顯示了由塑 料支撐的GaNHEMT設(shè)備的典型漏極電流-電壓(I-V)特性；該柵極以步 長(zhǎng)IV從-3V偏置到IV。該設(shè)備在柵極偏壓為IV以及漏極偏壓為5V處表現(xiàn)出最大漏極電流約5mA。圖17D顯示了在恒定的漏極電壓(Vd=2V) 下測(cè)得的傳輸特性。該設(shè)備表現(xiàn)出-2. 7V的閾值電壓(Vth) 、 103的開(kāi) /關(guān)比以及1. 5mS的跨導(dǎo)。但是在轉(zhuǎn)移之前具有同樣的幾何形狀的的 GaN HEMT的跨導(dǎo)具有2. 6邁S的跨導(dǎo)。該轉(zhuǎn)移過(guò)程呈現(xiàn)為使該值減少約 38%。
使用彎曲階段來(lái)研究GaN HEMT的機(jī)械柔韌度，如圖18A,圖18B 所示。圖18B顯示了一系列所測(cè)的作為彎曲半徑(以及相應(yīng)的應(yīng)力) 的函數(shù)的傳輸特性曲線。將半徑彎曲到l. 1 cm (對(duì)應(yīng)于0. 46%量級(jí)的 應(yīng)力)時(shí)，我們觀察到所測(cè)的跨導(dǎo)、閾值電壓以及開(kāi)/關(guān)比中的非常穩(wěn) 定的響應(yīng)。圖18C顯示了一序列在最大應(yīng)力處和釋放該應(yīng)力后兩個(gè)位 置測(cè)得的電流-電壓(I-V)曲線。如上面所提到的，所發(fā)現(xiàn)的影響是 相對(duì)有限的，以及圖17B和圖18B的三個(gè)I-V曲線之間所見(jiàn)到的小差 別表明ps-GaN HEMT設(shè)備沒(méi)有被剛性的彎曲循環(huán)損壞。
總之，該實(shí)施例描述了 一種適合于以柔性形式的高性能GaN HEMT 印刷到塑料基片上的處理。我們進(jìn)一步證實(shí)了 一種有助于轉(zhuǎn)移印刷方 案的有效的us-Sc幾何形狀，以及用于通過(guò)各向異性濕式刻蝕除去犧 牲層的智能材料策略。我們的結(jié)果表明ns-GaN技術(shù)為開(kāi)發(fā)諸如高性能 移動(dòng)計(jì)算以及高速通信系統(tǒng)的下一代宏電子設(shè)備提供了有意義的機(jī)會(huì)。
方法在硅(100)晶片(Nitronex)上的異質(zhì)結(jié)GaN上制造GaN 微結(jié)構(gòu)，該GaN微結(jié)構(gòu)由三層III-V半導(dǎo)體組成AlGaN層(18nm, 未摻雜)；GaN緩沖層(0. 6微米，未摻雜)；以及A1N過(guò)渡層(0.6 微米)。使用AZ 5214光致刻蝕劑，打開(kāi)歐姆觸頭區(qū)域以及利用02等 離子來(lái)清洗該暴露區(qū)域。(Plasmatherm， 50 mTorr， 20 sccm， 300 W， 30秒)。為了獲取低的接觸電阻，在金屬化步驟之前，利用RIE系統(tǒng) 中的SiCh等離子對(duì)歐姆觸頭區(qū)域進(jìn)行預(yù)處理。然后沉積Ti/Al/Mo/Au (從底到頂15/60/35/50nm)金屬層。利用電子束蒸發(fā)來(lái)沉積Ti、 Al 以及Mo，而用熱蒸發(fā)來(lái)沉積Au。利用剝離處理來(lái)限定這些觸頭。這些 觸頭在使用N2為周?chē)h(huán)境的快速熱退火系統(tǒng)中在850TC下退火30秒。 該P(yáng)ECVD氧化物(Plasmatherm， 400 nm, 900 mTorr， 350 sccm 2% SiHjHe， 795 sccm N02， 250 °C )以及Cr金屬(電子束蒸發(fā)，150nm)層被沉積作為用于隨后的ICP刻蝕的掩模材料。光刻、濕式刻蝕 (Cyantek Cr刻蝕劑)以及RIE處理((50 mTorr， 40 sccm CF4， 100 W， 14min)限定了 GaN的幾何形狀。在利用丙酮除去光致刻蝕劑后， 利用ICP干式刻蝕(3.2 mTorr， 15 sccm Cl2， 5 sccm Ar， -100V偏 壓，14 min)除去曝光的GaN，以及接著利用TMAH濕式刻蝕溶液 (Aldrich， 160°C， 5 min )刻蝕掉下面的硅。將該樣本浸入BOE ( NH4F: HF為6:1)持續(xù)90秒，以除去PECVD氧化物以及在GaN帶頂部新沉積 50nm的電子束蒸發(fā)的Si02。然后將該GaN晶片和PDMS板(Sylgard 184， Dow corning)接觸，然后將該P(yáng)薦板以>0. 01ms-1的剝離速度孝'J離以 取回這些us-GaN元件。浸有jis-GaN的PDMS板然后被碾壓在涂覆有 聚氨酯(PU， Norland光學(xué)膠粘劑，No. 73))的聚對(duì)苯二甲酸乙二酯 板(PET，厚度IOO二微米，Glafix Plastic )上。從頂部開(kāi)始將樣本曝 光在UV光(家用的臭氧活性汞燈173nWcm—2)下，以烘焙PU。通過(guò)在 BOE中浸30秒剝回PDMS以及將電子束氧化物除去，可以實(shí)現(xiàn)將ns-GaN 元件轉(zhuǎn)移到塑料基片上。使用負(fù)的光致刻蝕劑(AZnL0F2020 )來(lái)構(gòu)圖 肖特基觸頭區(qū)域的圖樣以及接著利用電子束蒸發(fā)來(lái)沉積N i /Au (80/100nm)層。利用剝離處理以及結(jié)合AZ剝離劑(KWIK持續(xù)5小 時(shí))來(lái)除去該P(yáng)R。
實(shí)施例5 從具有多個(gè)外延層的GaAs體晶片獲取的可印刷半導(dǎo)體元 件
本發(fā)明包括利用GaAs體晶片作為起始材料來(lái)制備可印刷半導(dǎo)體 帶的方法。在一個(gè)實(shí)施方案中，從具有多個(gè)外延層的高質(zhì)量GaAs體晶 片產(chǎn)生帶。通過(guò)在(100)半絕緣GaAs (SI-GaAs)晶片上生長(zhǎng)MOnm厚 的AlAs，隨后是順序沉積厚度為150nm的SI-GaAs層以及厚度為120nm 以及載流子濃度為4 x 10"cm—3的摻雜有Si的n型GaAs層，來(lái)制備晶 片。限定為平行于(Oll)結(jié)晶取向的光致抗蝕劑線的圖樣起作用于化 學(xué)刻蝕外延層(包括GaAs以及AlAs)中的掩模。利用H3P04和H202的 含水刻蝕劑的各向異性刻蝕將這些頂層分離成具有被光致刻蝕劑限定 的長(zhǎng)度和取向的，以及具有與晶片表面成一銳角的側(cè)面的各個(gè)條。在 各向異性刻蝕之后除去光致刻蝕劑，以及接著將該晶片浸泡在HF的乙醇溶液中(乙醇和49%的含水HF體積比為2: 1 )除去AlAs層以及釋放 的GaAs帶(w-GaAs/SI-GaAs )。在該步驟中，用乙醇來(lái)代替水可以減 少由干燥過(guò)程中的毛細(xì)作用力引起易碎帶中的裂縫。乙醇相比于水的 較低表面張力還使干燥導(dǎo)致的GaAs帶空間布局無(wú)序最小化。
具有定制的外延層的GaAs晶片從IQE Inc., Bethlehem, PA.購(gòu) 得。該平版印刷處理采用了 AZ光致抗蝕劑，即對(duì)正和負(fù)成像分別采 用了 AZ 5214和AZ nL0F 2020。該具有光致抗蝕劑掩模圖樣的GaAs 晶片在刻蝕劑(4 mL H3P04 (85 wt%) ， 52 mL H202 (30 wt%)，以及48 mL去離子水)中被各向異性地刻蝕，所述蝕刻劑在水水浴中冷卻過(guò)。 利用在乙醇中稀釋的HF溶液(Fisher Chemicals)(體積比為l: 2) 來(lái)溶解AlAs層。在通風(fēng)櫥里干燥在母晶片上具有釋放的帶的樣本。該 高燥的樣本被放置在電子束蒸發(fā)器(Temescal FC-1800 )的腔內(nèi)并且 被涂覆有2nm的Ti和28nm的Si02的序列層。 實(shí)施例6從Si(lll)晶片獲取的多層可印刷半導(dǎo)體元件陣列
本發(fā)明還包括從Si (111)晶片前體材料提供多層可印刷半導(dǎo)體元 件陣列的方法和成分。圖19提供了圖解本發(fā)明用于制造多層可印刷半 導(dǎo)體元件陣列的方法的示意處理流程。如圖19畫(huà)面1所示，提供了具 有(lll)取向的硅晶片。晶片的外表面被構(gòu)圖有抗蝕劑掩模，從而產(chǎn)生 具有選定尺寸的的被遮蓋區(qū)域，這些選定的尺寸限定了該多層陣列中 的可印刷半導(dǎo)體帶的長(zhǎng)度和寬度。在圖19所示的實(shí)施例中，抗蝕的掩
模是熱生長(zhǎng)的Si02層。
如畫(huà)面2所示，硅晶片主要在與被構(gòu)圖的外表面垂直的方向上被 刻蝕。所采用的刻蝕系統(tǒng)產(chǎn)生具有波狀側(cè)面的凹槽特征。在一有效的 實(shí)施方案中，該凹槽特征的側(cè)面具有一選定的、空間變化的輪廓分布， 該輪廓分布具有多個(gè)輪廓特征，諸如具有周期性的扇形輪廓分布的側(cè) 面和/或出現(xiàn)在凹槽特征側(cè)面上的深脊輪廓分布。用于產(chǎn)生具有選定的 輪廓分布的凹槽特征的示例裝置包括STS-ICPRIE和BOE刻蝕系統(tǒng)， 這些系統(tǒng)提供將硅晶片循環(huán)地曝光在反應(yīng)離子刻蝕劑氣體以及抗蝕劑 下。如圖19畫(huà)面3所示，該處理步驟產(chǎn)生多個(gè)被定位在臨近凹槽特征 的具有所選的輪廓的側(cè)面的硅結(jié)構(gòu)。
如圖19畫(huà)面3所示，被處理過(guò)的具有凹槽特征和硅結(jié)構(gòu)的硅晶片受抗蝕劑掩模材料的沉積，使得凹槽特征的輪廓側(cè)面只是部分被涂覆 有沉積材料。在本發(fā)明的該方面，凹槽特征側(cè)面的所選輪廓分布，至 少部分地確定了側(cè)面上掩模材料的空間分布。因此，該處理步驟限定 了多層疊層中可印刷半導(dǎo)體的厚度。例如，可以將片曝光在金屬或金 屬化合物的成角度蒸發(fā)沉積中，導(dǎo)致材料主要沉積存在于凹槽特征的 輪廓表面的脊上，而在脊的"隱蔽"中的，例如側(cè)壁的凹槽區(qū)域，輪 廓表面區(qū)域基本沒(méi)有沉積。因此，由所選輪廓側(cè)面中諸如脊、波紋以 及扇形特征投影的"隱蔽"至少部分地限定了多層陣列中可印刷半導(dǎo) 體元件的厚度。由于金沉積材料對(duì)暴露的硅表面具有良好的附著力， 所以使用它是有益的。
如圖19的畫(huà)面4所示，晶片接著受到各向異性刻蝕，例如通過(guò)啄 光在諸如KOH的堿性溶液。凹槽特征之間的區(qū)域被刻蝕，使得刻蝕沿 硅晶片的〈110〉方向發(fā)生，從而制造一個(gè)多層的可印刷半導(dǎo)體元件陣 列，每個(gè)元件包括部分或完全底刻的硅結(jié)構(gòu)。本發(fā)明包括其中沿硅晶 片的<110>方向進(jìn)行刻蝕以在相鄰凹槽特征之間完成，因而完全底刻可 印刷半導(dǎo)體元件的方法。如上面所詳細(xì)描述的，所選的刻蝕系統(tǒng)與硅 晶片(111)取向的結(jié)合導(dǎo)致沿晶片<110>取向的刻蝕速度比沿晶片 <111>取向的刻蝕速度快。可選地，選擇凹槽特征的位置、形狀以及空 間取向，以形成諸如橋元件的準(zhǔn)直維持元件，所述橋元件將可印刷半 導(dǎo)體元件連接到晶片上。在畫(huà)面4所示的多層結(jié)構(gòu)中，提供將多層陣
列中的半導(dǎo)體帶的末端連接到硅晶片的橋元件。
圖19的畫(huà)面5顯示了一個(gè)可選的處理步驟，其中橋元件從硅晶片 釋放，例如通過(guò)清洗、刻蝕或者其他材料移除處理，以此產(chǎn)生多層的 可印刷半導(dǎo)體元件疊層。替代地，陣列中的可印刷半導(dǎo)體元件可以通 過(guò)接觸印刷方法來(lái)釋放。例如，在一個(gè)實(shí)施方案中，通過(guò)重復(fù)地使可 印刷半導(dǎo)體元件與諸如彈性印模的轉(zhuǎn)移設(shè)備接觸，可以依次將多層陣 列中的可印刷半導(dǎo)體元件從硅晶片釋放和轉(zhuǎn)移。
圖20提供了在成角度觀察下(a， c， e， g)以及在橫截面觀察時(shí) (b,d,f，h)的Si(lll)的SEM圖像(a和b)為STS-ICPRIE以及BOE 刻蝕之后，(c和d)為側(cè)面經(jīng)過(guò)金屬保護(hù)后，(e到h)為KOH刻蝕 2分鐘并接著進(jìn)行金屬清洗(e和f )以及刻蝕5min后并接著進(jìn)行金屬清洗(g和h)。
圖21提供了 (a)提供了大規(guī)格的四層Si(lll)帶的準(zhǔn)直陣列的圖 片。(b和c)為圖(a)所示的四層Si(lll)的俯視SEM圖像，以及(d和 e)圖(a)所示的四層Si(lll)的成角度觀察的SEM圖像。
圖22提供了釋放的柔性Si(lll)帶的相片(a)以及OM圖像(b和 c)。
(d至f)為(a)中所示的帶的SEM圖像。
圖23提供了 (a)轉(zhuǎn)移到PDMS基片上的準(zhǔn)直的Si(lll)帶的光學(xué) 圖像。(b)為來(lái)自于圖(a)所示的陣列中的四個(gè)帶的AFM圖像。(c)安放 四個(gè)來(lái)自于單個(gè)Si片的四個(gè)轉(zhuǎn)移循環(huán)的Si(lll)陣列圖樣的柔性聚酯 膜的圖片。參考資料 X. Duan， C. Niu， V. Sahi，丄Chen,丄W. Parce, S. Empedocles,丄L Goldman, /Vaf"re 2003, 425， 274.
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關(guān)于引用部分以及變動(dòng)的說(shuō)明
以下參考文獻(xiàn)涉及自組裝技術(shù)，這些技術(shù)可以被應(yīng)用到本發(fā)明方 法中，通過(guò)接觸印刷和/或溶液印刷技術(shù)轉(zhuǎn)移、組裝以及互連可印刷半 導(dǎo)體元件，以及此處通過(guò)引用的方式將其納入(1) "Guided molecular self-assembly: a review of recent efforts", Jiyun C Huie Smart Mater. Struct. (2003) 12， 264-271 ; (2) "Large-Scale Hierarchical Organization of Nanowire Arrays for Integrated Nanosystems"， Whang, D.; Jin， S.; Wu， Y.; Lieber， C. M. Nano Lett. (2003) 3(9)， 1255- 1259; (3) "Directed Assembly of 0ne-Dimensiona1 Nanostructures into Functional Networks", Yu Huang, Xiangfeng Duan， Qingqiao Wei， and Charles M. Lieber， Science (2001) 291 ， 630-633;以及(4) "Electric-field assisted assembly and alignment of metallic nanowires"， Peter A. Smith et al.， Appl. Phys. Lett. (2000) 77 (9)， 1399-1401.
所有涉及該應(yīng)用的參考資料，例如，包括公開(kāi)的或授權(quán)的專(zhuān)利或 等效物的專(zhuān)利文本；專(zhuān)利申請(qǐng)出版物；未公布的專(zhuān)利申請(qǐng)；以及非專(zhuān) 利文獻(xiàn)類(lèi)文本，或其他來(lái)源的材料；此處都以援引的方式被納入，盡 管分別以援引的方式被納入，但納入的程度以每個(gè)資料至少部分與本 申請(qǐng)相互一致為限。(例如，參考，部分不一致的引用通過(guò)對(duì)該引用 中部分不一致部分以外的內(nèi)容以援引的方式納入)
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此處使用了術(shù)語(yǔ)"包括"和"被包括"，它們被解釋用作說(shuō)明所 述特征、整體、步驟、或所指組件的存在，但不排除存在或附加的一個(gè)或更多個(gè)其他特征，整體、步驟、組件，或者這些的組合。還要提 到的是本發(fā)明的各個(gè)分開(kāi)的實(shí)施方案中，術(shù)語(yǔ)"包括，，或"被包括" 可選地可以由語(yǔ)法上相似的術(shù)語(yǔ)來(lái)替換，例如由"由……組成"或"基 本由……組成，，，借以描述那些沒(méi)有必要擴(kuò)展的其他實(shí)施方案。
已經(jīng)通過(guò)參考各種具體的以及優(yōu)選的實(shí)施方案和技術(shù)對(duì)本發(fā)明作 了描述。然而，應(yīng)該理解的是可以進(jìn)行很多變化以及修改，但都落在 本發(fā)明的旨意和范圍內(nèi)。對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)很明顯的是， 除在此具體描述以外的成分、方法、設(shè)備、設(shè)備元件、材料、工藝以 及技術(shù)，也可以用于實(shí)踐本發(fā)明，作為此處充分公開(kāi)而不必求助于不 恰當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)。所有本領(lǐng)域公知的與此處公開(kāi)的成分、方法、設(shè)備、設(shè) 備元件、材料、工藝以及技術(shù)在功能上等價(jià)的事物都有意于被本發(fā)明 涵蓋在內(nèi)。當(dāng)公開(kāi)范圍時(shí)，意指包括所有次范圍以及每個(gè)值，如同被 分別闡述它們一樣。本發(fā)明不受限于所公開(kāi)的實(shí)施方案，包括任何在 附圖中顯示的或在說(shuō)明書(shū)示例化的，這些示例化的以例子或例證的方 式給出，不構(gòu)成限制。本發(fā)明的范圍只由權(quán)利要求書(shū)來(lái)限定。
權(quán)利要求
1.一種用于制造可印刷半導(dǎo)體元件的方法，所述方法包括以下步驟提供具有(111)取向以及具有外表面的硅晶片；在所述硅晶片的所述外表面上產(chǎn)生多個(gè)凹槽特征，其中每個(gè)所述凹槽特征包括被曝光硅晶片的底面以及側(cè)面；遮蓋所述凹槽特征的所述側(cè)面的至少一部分；在所述凹槽特征之間進(jìn)行刻蝕，其中刻蝕沿所述硅晶片的&lt;110&gt;方向進(jìn)行，由此制造所述可印刷半導(dǎo)體元件。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中所述凹槽特征的所述側(cè)面被完全 遮蓋。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中所述凹槽特征的所述側(cè)面被部分遮蓋。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中刻蝕沿著比沿所述硅晶片<111> 方向速度更快的所述硅晶片〈110〉方向進(jìn)行。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中刻蝕沿所述硅晶片的<111>方向 基本不進(jìn)行。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中所述在凹槽特征之間進(jìn)行刻蝕的 步驟包括所述硅晶片的各向異性刻蝕。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中所述在凹槽特征之間進(jìn)行刻蝕的 步驟沿所述硅晶片的<110>方向在相鄰凹槽特征之間進(jìn)行，因而至少部 分地底刻位于所述相鄰凹槽特征之間的所述可印刷半導(dǎo)體元件。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中所述在凹槽特征之間進(jìn)行刻蝕的 步驟不完全從所述硅晶片釋放所述可印刷半導(dǎo)體元件，其中所述可印 刷半導(dǎo)體元件的至少一個(gè)末端集成連接到所述硅晶片。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中所述在凹槽特征之間進(jìn)行刻蝕的 步驟包括使用各向異性蝕刻劑的濕式化學(xué)刻蝕。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中所述各向異性蝕刻劑是堿性溶液。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述凹槽特征包括彼此分開(kāi)的 第一和第二通道，其中所述在凹槽特征之間進(jìn)行刻蝕的步驟沿所述硅晶片的〈110〉方向從所述第一通道進(jìn)行到所述第二通道，因而從所述硅晶片底刻在第 一和第二通道之間的所述可印刷半導(dǎo)體元件的至少 一部 分。
12. 根據(jù)權(quán)利要求ll的方法，其中所述第一通道和所述第二通道 縱向上的取向處于基本平行的構(gòu)造中，其中所述在凹槽特征之間進(jìn)行 刻蝕的步驟產(chǎn)生位于所述第一和第二通道之間的至少被部分底刻的可 印刷半導(dǎo)體帶。
13. 根據(jù)權(quán)利要求ll的方法，其中所述第一通道和所述第二通道 縱向上的取向處于基本平行的構(gòu)造中，其中所述在凹槽特征之間進(jìn)行 刻蝕的步驟產(chǎn)生位于所述第一和第二通道之間的被完全底刻的可印刷 半導(dǎo)體帶。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述可印刷半導(dǎo)體帶的至少一 個(gè)末端集成連接到所述硅晶片。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中所述第一通道終止于第一末端， 所述第二通道終止于第二末端，并且其中所述可印刷半導(dǎo)體帶集成連 接到在所述第一通道的所述第一末端和所述通道的所述第二末端之間 的所述硅晶片。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中所述第一通道終止于第三末端， 所述第二通道終止于第四末端，并且其中所述可印刷半導(dǎo)體帶集成連 接到所述第一通道的所述第三末端和所述通道的所述笫四末端之間的 所述硅晶片。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述凹槽特征包括縱向上的取 向處于基本平行的構(gòu)造中的通道陣列，所述方法包括產(chǎn)生多個(gè)可印刷 半導(dǎo)體元件的方法。
18. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括以下步驟在所述的在所述 外表面上產(chǎn)生一個(gè)或更多個(gè)凹槽特征的步驟之后，在所述硅晶片的所 述外表面上生長(zhǎng)熱氧化層。
19. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括將所述可印刷半導(dǎo)體元件從 所述硅晶片釋放的步驟。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中所述的將所述可印刷半導(dǎo)體元 件從所述硅晶片釋放的步驟通過(guò)將所述可印刷半導(dǎo)體元件與轉(zhuǎn)移設(shè)備接觸來(lái)進(jìn)行。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中所述轉(zhuǎn)移設(shè)備是彈性印模。
22. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，利用具有所述(lll)取向的所述硅晶 片，該方法可以?xún)羝みM(jìn)行多于一次。
23. 根據(jù)權(quán)利要求19的方法，還包括對(duì)所述硅晶片進(jìn)行修整的步 驟，使所述外表面在釋放所述可印刷半導(dǎo)體元件之后變得平坦，所述 方法還包括重復(fù)所述步驟(i)在所述硅晶片的所述外表面上產(chǎn)生多個(gè) 凹槽特征；(ii)遮蓋所述凹槽特征的所述側(cè)面的至少一部分；以及(iii) 在所述凹槽特征之間進(jìn)行刻蝕，由此產(chǎn)生附加的可印刷半導(dǎo)體元件。
24. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中所述硅晶片是體硅晶片。
25. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述硅晶片是未摻雜的硅晶片 或摻雜的硅晶片。
26. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述的在所述硅晶片的所述外 表面上產(chǎn)生所述多個(gè)凹槽特征的步驟通過(guò)使用一種或更多種選自包括 以下項(xiàng)的組中的方法來(lái)進(jìn)行光刻處理、干式化學(xué)刻蝕、等離子刻蝕、 濕式化學(xué)刻蝕、微j幾械加工、電子束寫(xiě)入、反應(yīng)離子刻蝕、軟刻蝕處 理、激光微機(jī)械加工、消融(ablation )、機(jī)械加工、切除、機(jī)械剝蝕(mechanical abras ion )或刻劃(scratching )、機(jī)械鉆孑L以及離子束 研磨。
27. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述遮蓋所述凹槽特征的所述 側(cè)面至少一部分的步驟通過(guò)一種或更多種選自包括以下項(xiàng)的組中的方 法來(lái)進(jìn)行掩模材料的成角度電子束蒸發(fā)、化學(xué)氣相沉積、熱氧化以 及掩模材料的溶液沉積。
28. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述凹槽特征的所述側(cè)面具有 空間變化的輪廓分布。
29. 根據(jù)權(quán)利要求28的方法，其中所述空間變化的輪廓分布具有 多個(gè)脊、凹槽特征或具有扇形形狀。
30. 根據(jù)權(quán)利要求29的方法，其中具有所選輪廓分布的所述側(cè)面 的所選部分而不是全部被遮蓋，其中所述刻蝕處理步驟產(chǎn)生多層可印 刷半導(dǎo)體元件陣列。
31. —種可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)可印刷半導(dǎo)體元件；以及一個(gè)第一橋元件，該第一橋元件連接到所述可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)以 及連接到母晶片，其中所述可印刷半導(dǎo)體元件和所述第一橋元件被至 少部分地從所述母晶片底刻；其中將所述可印刷半導(dǎo)體和轉(zhuǎn)移設(shè)備接觸能夠折斷所述第一橋元 件，由此將所述可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)從所述母晶片釋放。
32. 根據(jù)權(quán)利要求31的可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述第一橋元件 提供了從所述可印刷半導(dǎo)體元件到所述轉(zhuǎn)移設(shè)備的配準(zhǔn)轉(zhuǎn)移。
33. 根據(jù)權(quán)利要求31的可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述轉(zhuǎn)移設(shè)備是 彈性印模。
34. 根據(jù)權(quán)利要求31的可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述可印刷半導(dǎo) 體元件和第 一橋元件被完全從所述母晶片底刻。
35. 根據(jù)權(quán)利要求31的可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述第一橋元件、 所述可印刷半導(dǎo)體元件和所述母晶片包括一整體半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
36. 根據(jù)權(quán)利要求31的可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述第一橋元件 連接到所述可印刷半導(dǎo)體元件的第 一末端。
37. 根據(jù)權(quán)利要求31的可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述可印刷半導(dǎo) 體元件具有一第一平均寬度，以及所述第一橋元件具有比所述第一平 均寬度小至少1.5倍的一第二平均寬度。
38. 根據(jù)權(quán)利要求31的可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，還包括一第二橋元件， 該第二橋元件至少部分地從所述母晶片底刻，所述第二橋元件連接到 所述可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)以及連接到所述母晶片，以及其中將所述可印 刷半導(dǎo)體與轉(zhuǎn)移設(shè)備接觸能夠折斷所述第二橋元件。
39. 根據(jù)權(quán)利要求38的可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述可印刷半導(dǎo) 體元件包括沿主縱軸延伸一長(zhǎng)度的半導(dǎo)體帶，該長(zhǎng)度終止于第一末端 和第二末端，其中所述第一橋元件連接到所述第一末端，所述第二橋 元件被連接到所述第二末端。
40. 根據(jù)權(quán)利要求38的可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述第一橋元件、 所述第二橋元件、所述半導(dǎo)體帶和所述母晶片是一整體半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
41. 根據(jù)權(quán)利要求38的可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述第一末端具 有第一橫截面面積，所述第二末端具有第二橫截面面積，其中所述第一橋元件連接到小于所述第一末端的所述第一橫截面面積的50%處， 以及其中所述第二橋元件連接到小于所述第 一末端的所述第二橫截面 面積的50%處。
42. 根據(jù)權(quán)利要求38的可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述第一和第二 橋元件彼此遠(yuǎn)離或鄰近放置。
43. 根據(jù)權(quán)利要求38的可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述第一和第二 橋元件具有選自約IOO納米至約1000微米范圍的平均寬度，具有選自 約1納米至約1000孩￡米范圍的平均厚度，以及具有選自約IOO納米至 約1000微米范圍的平均長(zhǎng)度。
44. 根據(jù)權(quán)利要求31的可印刷半導(dǎo)體元件，其中所述可印刷半導(dǎo) 體元件包括選自包括以下項(xiàng)的組中的材料Si、 Ge、 SiC、 A1P、 AlAs、 AlSb、 GaN、 GaP、 GaAs、 GaSb、 InP、 InAs、 GaSb、 InP、 InAs、 InSb、 Zn0、 ZnSe、 ZnTe、 CdS、 CdSe、 ZnSe、 ZnTe、 CdS、 CdSe、 CdTe、 HgS、 PbS、 PbSe、 PbTe、 AlGaAs、 AlInAs、 AlInP、 GaAsP、 GalnAs、 GalnP、 AlGaAsSb、 AlGalnP、 GalnAsP和GaN。
45. —種將可印刷半導(dǎo)體元件轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移設(shè)備的方法，所述方法包 括以下步驟提供一包括可印刷半導(dǎo)體元件的可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)；以及提供至 少一個(gè)連接到所述可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)以及連接到母晶片的橋元件，其 中所述可印刷半導(dǎo)體元件和所述橋元件至少部分地從所述母晶片底 刻；將所述可印刷半導(dǎo)體元件和具有接觸表面的轉(zhuǎn)移設(shè)備接觸，其中體元件結(jié)合到所述接觸表面；以導(dǎo)致所述橋元件折斷的方式移動(dòng)所述轉(zhuǎn)移設(shè)備，由此將所述可 印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)從所述母晶片轉(zhuǎn)移到所述轉(zhuǎn)移設(shè)備上。
46. 根據(jù)權(quán)利要求45的方法，包括一種配準(zhǔn)轉(zhuǎn)移到所述轉(zhuǎn)移設(shè)備 的方法。
47. 根據(jù)權(quán)利要求45的方法，其中所述轉(zhuǎn)移設(shè)備是一致轉(zhuǎn)移設(shè)備。
48. 根據(jù)權(quán)利要求45的方法，其中所述轉(zhuǎn)移設(shè)備是彈性印模。
49. 根據(jù)權(quán)利要求45的方法，其中在所述一致轉(zhuǎn)移設(shè)備的接觸表面和所述可印刷半導(dǎo)體元件的外表面之間建立一致接觸。
50. 根據(jù)權(quán)利要求45的方法，其中所述第一橋元件、所述可印刷 半導(dǎo)體元件和所述母晶片是整體半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
51. 根據(jù)權(quán)利要求45的方法，其中所述可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)還包括 第二橋元件，該第二橋元件連接到所述可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)以及連接到 母晶片，其中所述第二橋元件至少部分地從所述母晶片底刻，所述移動(dòng)所述轉(zhuǎn)移設(shè)備的步驟折斷所述第二橋元件。
52. —種將可印刷半導(dǎo)體元件組裝到基片的接收表面的方法，所述 方法包括以下步驟提供一可印刷半導(dǎo)體元件；以及連接到所述可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)以 及連接到母晶片的第一橋元件，其中所述可印刷半導(dǎo)體元件和所述第 一橋元件至少部分地從所述母晶片底刻；將所述可印刷半導(dǎo)體元件與具有接觸表面的轉(zhuǎn)移設(shè)備接觸，其中體元件結(jié)合到所述接觸表面；以導(dǎo)致所述第一橋元件折斷的方式移動(dòng)所述轉(zhuǎn)移設(shè)備，由此將所 述可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)從所述母晶片轉(zhuǎn)移到所述轉(zhuǎn)移設(shè)備上，因而形成 其上放置有所述可印刷半導(dǎo)體元件的所述接觸表面；將放置在所述接觸表面上的所述可印刷半導(dǎo)體元件與所述基片的 所述接收表面接觸；將所述一致轉(zhuǎn)移設(shè)備的所述接觸表面與所述可印刷半導(dǎo)體元件分 離，其中將所述可印刷半導(dǎo)體元件轉(zhuǎn)移到所述接收表面上，從而將所述可印刷半導(dǎo)體元件組裝到所述基片的所述接收表面上。
53.根據(jù)權(quán)利要求52的方法，其中在其上放置有所述可印刷半導(dǎo) 體元件的所述接觸表面與所述基片的所述接收表面之間建立一致接
全文摘要
本發(fā)明提供了一種高產(chǎn)率的用于加工、轉(zhuǎn)移以及組裝具有所選擇的物理尺寸、形狀、成分以及空間取向的高品質(zhì)可印刷半導(dǎo)體元件的途徑。本發(fā)明的成分以及方法提供了將微小尺寸和/或納米尺寸的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)陣列高精度配準(zhǔn)轉(zhuǎn)移和集成到基片上，所述基片包括大面積基片和/或柔性基片。此外，本發(fā)明提供了從諸如體硅晶片的低成本體材料以及智能材料處理策略來(lái)制備可印刷半導(dǎo)體元件的方法，該智能材料處理策略實(shí)現(xiàn)了一種用于制備寬范圍功能半導(dǎo)體設(shè)備的多用途的、以及具有商業(yè)吸引力的基于印刷的制造平臺(tái)。
文檔編號(hào)H01L21/302GK101632156SQ200680019640
公開(kāi)日2010年1月20日 申請(qǐng)日期2006年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月2日
發(fā)明者E·梅納德, J·A·羅杰斯, M·梅爾特, R·G·納佐, S·麥克, 姜達(dá)榮, 孫玉剛, 朱正濤, 李建宰, 高興助 申請(qǐng)人:伊利諾伊大學(xué)評(píng)議會(huì)