用于制造并組裝可印刷半導(dǎo)體元件的方法和設(shè)備的制造方法
【專利說明】用于制造并組裝可印刷半導(dǎo)體元件的方法和設(shè)備
[0001] 本申請(qǐng)是2005年6月2日提交的題為"用于制造并組裝可印刷半導(dǎo)體元件的 方法和設(shè)備"、申請(qǐng)?zhí)枮?01210157162. 7的發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)，該分案申請(qǐng)的原申 請(qǐng)是2005年6月2日提交的題為"用于制造并組裝可印刷半導(dǎo)體元件的方法"、申請(qǐng)?zhí)枮?200580018159. 5的發(fā)明專利申請(qǐng)。
[0002] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0003] 本申請(qǐng)要求分別于2004年6月4日、2004年8月11日、2005年2月4日、2005年 3月18日以及2005年5月4日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 60/577,077、N〇. 60/601,061、 No. 60/650,305、No. 60/663,391和No. 60/677,617的優(yōu)先權(quán)，其全部?jī)?nèi)容特此通過引用的 方式以不與本申請(qǐng)所公開內(nèi)容矛盾的程度完整納入本說明書中。
【背景技術(shù)】
[0004] 自1994年第一次出現(xiàn)了印刷的全聚合物晶體管以來，一類潛在的、在塑料基片 上含有柔性集成電子器件的、新的電子系統(tǒng)引起廣泛關(guān)注[Garnier，F(xiàn).，Hajlaoui，R.， Yassar，A?和Srivastava，P. ,Science，第 265 卷，第 1684 ~1686 頁]。近來，對(duì)開發(fā)用 于柔性塑料電子器件的導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體的新的溶液可處理材料進(jìn)行了大量研究。然 而，柔性電子器件領(lǐng)域的進(jìn)步不僅依靠新的溶液可處理材料的開發(fā)來推動(dòng)，還有賴于器件 組件新的幾何結(jié)構(gòu)、有效的器件以及適用于塑料基片的器件組件處理方法和高分辨率構(gòu)圖 技術(shù)。這樣的材料、器件配置和制造方法有望在快速涌現(xiàn)的新類型的柔性集成電子器件、系 統(tǒng)和電路中發(fā)揮重要作用。
[0005] 對(duì)柔性電子器件領(lǐng)域的關(guān)注主要是由于該技術(shù)具有幾個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)。第一，塑料 基片材料的機(jī)械強(qiáng)度使得電子器件不易由于機(jī)械應(yīng)力而引起損壞和/或電子性能下降。第 二，這些基片材料固有的柔性使得它們可整合為大量有用的器件配置所需的、而脆性的常 規(guī)硅基電子器件無法實(shí)現(xiàn)的多種形狀。例如，可彎曲的柔性電子器件有望實(shí)現(xiàn)已有的硅基 技術(shù)所不易于實(shí)現(xiàn)的新器件的制造，所述新器件包括例如電子紙、可穿戴計(jì)算機(jī)（wearable computer)和大屏幕高分辨率顯示器。最后，溶液可處理組件材料與塑料基片的結(jié)合使通 過連續(xù)、高速的印刷技術(shù)進(jìn)行的制造得以實(shí)現(xiàn)，所述印刷技術(shù)能以低成本在大的基片面積 上產(chǎn)生電子器件。
[0006] 然而，表現(xiàn)出良好的電子性能的柔性電子器件的設(shè)計(jì)和制造面臨許多重大挑戰(zhàn)。 首先，已開發(fā)完善的制造常規(guī)硅基電子器件的方法與大多數(shù)塑料基片均不兼容。例如，傳統(tǒng) 的高質(zhì)量無機(jī)半導(dǎo)體組件，如單晶硅或鍺半導(dǎo)體，通常通過在遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過大多數(shù)塑料基片的 熔化或分解溫度的溫度（>1000°c)下生長(zhǎng)薄膜進(jìn)行處理。此外，大多數(shù)無機(jī)半導(dǎo)體本身 不溶于便于進(jìn)行基于溶液的處理和傳送的方便溶劑中。其次，雖然很多無定形硅、有機(jī)或混 合有機(jī) _無機(jī)半導(dǎo)體（hybridorganic-inorganicsemiconductor)可兼容納入塑料基片 中并可在較低溫度下進(jìn)行處理，但這些材料并不具有能使集成電子器件表現(xiàn)出良好的電子 性能的電子特性。例如，具有由這些材料制成的半導(dǎo)體元件的薄膜晶體管表現(xiàn)出比單晶硅 基互補(bǔ)器件小約三個(gè)數(shù)量級(jí)的場(chǎng)效應(yīng)遷移率。這些限制導(dǎo)致柔性電子器件目前僅限于不需 要高性能的特定應(yīng)用中，例如用于具有非發(fā)射像素（non-emissivepixel)的有源矩陣平 板顯示器的開關(guān)元件中以及發(fā)光二極管中。
[0007] 近來在擴(kuò)展塑料基片上集成電子器件的電子性能能力以拓寬其對(duì)電子器件應(yīng)用 的適用范圍方面已經(jīng)取得了進(jìn)步。例如，已經(jīng)涌現(xiàn)了數(shù)種新的薄膜晶體管（TFT)，它們與在 塑料基片材料上進(jìn)行的處理方法兼容，并且表現(xiàn)出明顯高于具有無定形硅、有機(jī)或混合有 機(jī)-無機(jī)半導(dǎo)體元件的薄膜晶體管的器件性能特性。一類運(yùn)行較好的柔性電子器件基于由 脈沖激光對(duì)無定形硅薄膜進(jìn)行退火制得的多晶硅薄膜半導(dǎo)體元件。雖然這類柔性電子器件 提供了提高的器件電子性能特性，但脈沖激光退火處理的使用限制了這類器件制造的簡(jiǎn)易 程度和靈活性，從而顯著增大成本。另一類有前景的、運(yùn)行較好的、新型柔性電子器件是在 許多大型電子（macroelectronic)器件和微電子器件中采用溶液可處理納米級(jí)材料，例如 納米線（nanowire)、納米帶（nanoribbon)、納米顆粒和碳納米管作為有源功能組件的器 件。
[0008] 分立單晶納米線或納米帶的使用已被評(píng)價(jià)為在塑料基片上提供表現(xiàn)出提高的器 件性能特性的可印刷電子器件的可能途徑。Duan等描述了具有多個(gè)選擇性取向的單晶硅納 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.，Parce，J.，Empedocles,S?和Goldman,J.，Nature,第 425卷，第 274~278 頁]。這些作者 報(bào)道了一種據(jù)稱與塑料基片上的溶液處理方法兼容的制造方法，該方法將厚度小于或等于 150納米的單晶娃納米線或CdS納米帶分散到溶液中，并采用導(dǎo)流排列法（flow-directed alignmentmethod)將其組裝至基片表面，以生產(chǎn)薄膜晶體管半導(dǎo)體元件。作者提供的光學(xué) 顯微照片表明所公開的制造方法以基本平行的取向制備間隔約500納米至約1000納米的 納米線或納米帶的單層。雖然作者報(bào)道單獨(dú)的納米線或納米帶具有較高的本征場(chǎng)效應(yīng)遷移 率Iigcm2W1jT1)，但近來已測(cè)得整個(gè)器件的場(chǎng)效應(yīng)遷移率比Duan等報(bào)道的本征場(chǎng)效應(yīng) 遷移率的值"低約兩個(gè)數(shù)量級(jí)" [Mitzi，D.B，Kosbar，L.L.，Murray，C.E.，Copel，M.Afzali, A.，Nature，第428卷，第299~303頁]。該器件的場(chǎng)效應(yīng)遷移率比常規(guī)的單晶無機(jī)薄膜 晶體管的器件場(chǎng)效應(yīng)遷移率低幾個(gè)數(shù)量級(jí)，并且很可能是因?yàn)椴捎肈uan等所公開的方法 和器件配置在分立的納米線或納米管的排列、緊密堆積和電接觸方面面臨實(shí)際挑戰(zhàn)。
[0009] 使用納米晶體溶液作為多晶無機(jī)半導(dǎo)體薄膜的前體已被挖掘?yàn)樵谒芰匣咸?供表現(xiàn)出較高的器件性能特性的可印刷電子器件的可能途徑。Ridley等公開了一種溶液 處理制造方法，該方法在與塑料相適應(yīng)的溫度下處理尺寸為約2納米的硒化鎘納米晶體的 溶液，以提供用于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的半導(dǎo)體元件。作者報(bào)道了一種如下所述的方法，在該方 法中，硒化鎘納米晶體溶液中低溫晶粒的生長(zhǎng)提供含有數(shù)百個(gè)納米晶體的單晶區(qū)。雖然 Ridley等報(bào)道了比具有有機(jī)半導(dǎo)體元件的類似器件改善的電特性，但通過這些技術(shù)達(dá)到的 器件遷移率Icm2W15T1)比常規(guī)的單晶無機(jī)薄膜晶體管的器件場(chǎng)效應(yīng)遷移率低幾個(gè)數(shù)量 級(jí)。對(duì)Ridley等的器件配置和制造方法所達(dá)到的場(chǎng)效應(yīng)遷移率的限制很可能是因?yàn)閱蝹€(gè) 納米顆粒之間建立的電接觸。用于穩(wěn)定納米晶體溶液并防止聚集作用（agglomeration) 的有機(jī)端基的使用可能妨礙在相鄰的納米顆粒之間建立良好的電接觸，而這是提供高的器 件場(chǎng)效應(yīng)遷移率所必須的。
[0010] 雖然Duan等和Ridley等提供了在塑料基片上制造薄膜晶體管的方法，但所述的 器件配置采用了含有機(jī)械剛性器件組件--例如電極、半導(dǎo)體和/或絕緣體--的晶體管。 選擇具有良好的機(jī)械性能的塑料基片可使電子器件能在撓曲或變形的取向上運(yùn)行。然而， 這種動(dòng)作預(yù)計(jì)會(huì)對(duì)單個(gè)剛性晶體管器件組件產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)變。這種機(jī)械應(yīng)變可能通過例如使 其破裂而導(dǎo)致單個(gè)組件損壞，并且也可能降低或破壞器件組件之間的電接觸。
[0011] 由前述內(nèi)容將領(lǐng)會(huì)目前本領(lǐng)域需要用于制造在塑料基片上含有集成電子半導(dǎo)體 的器件的方法和器件配置。需要具有良好電特性的可印刷半導(dǎo)體元件，以實(shí)現(xiàn)在與塑料聚 合物基片上的組件相適應(yīng)的溫度下進(jìn)行有效的器件制造。另外，需要將半導(dǎo)體材料印刷至 大面積的塑料基片上的方法，以實(shí)現(xiàn)在大的基片面積上連續(xù)、高速地印刷復(fù)雜的集成電路。 最后，需要在撓曲或變形的器件取向上具有良好的電子性能的全柔性電子器件，以獲得多 種新的柔性電子器件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明提供用于在基片表面--例如塑料基片--上制造結(jié)構(gòu)和/或器件--例 如含有半導(dǎo)體的電子器件一的方法、設(shè)備和設(shè)備組件。具體而言，本發(fā)明提供用于通過 靈活的低成本印刷方法制造電子器件、光電子器件和其他功能電子組件的可印刷半導(dǎo)體元 件。本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供用于制造能通過一系列印刷技術(shù)在基片表面上實(shí)現(xiàn)高精度 組裝的半導(dǎo)體元件的方法和設(shè)備，所述半導(dǎo)體元件例如具有約10納米至約10厘米范圍內(nèi) 的選定的物理尺寸的整體（unitary)單晶無機(jī)半導(dǎo)體。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供采用 干式接觸轉(zhuǎn)?。╠rytransfercontactprinting)和/或溶液印刷（solutionprinting) 技術(shù)組裝可印刷半導(dǎo)體元件和/或?qū)捎∷雽?dǎo)體元件進(jìn)行構(gòu)圖的方法，所述方法在大的 基片面積上提供良好的放置準(zhǔn)確度和圖案保真度。本發(fā)明的再一個(gè)目的在于提供含有由塑 料基片支承的一個(gè)或多個(gè)可印刷半導(dǎo)體元件的、電子性能良好的集成電子和/或光電子器 件，特別是具有可印刷半導(dǎo)體元件的、表現(xiàn)出良好的電子性能特性的全柔性薄膜晶體管，所 述電子性能特性例如場(chǎng)效應(yīng)遷移率、閾電壓和開關(guān)比。
[0013] 一方面，本發(fā)明提供具有一個(gè)或多個(gè)可印刷組件--例如可印刷半導(dǎo)體元件-- 的高性能電子和/或光電子器件或器件組件的制造方法?？捎杀景l(fā)明方法制造的電子 和光電子器件包括但不限于晶體管、二極管、發(fā)光二極管（LED)、激光器、有機(jī)發(fā)光二極管 (OLED)、微米機(jī)電系統(tǒng)（MEMS)以及納米機(jī)電系統(tǒng)（NEMS)。特別地，本發(fā)明提供通過印刷技 術(shù)將半導(dǎo)體元件和/或其他器件組件組裝至電子和/或光電子器件或器件組件中的方法， 所述器件或器件組件表現(xiàn)出可與常規(guī)高溫處理方法制造的、基于單晶半導(dǎo)體的器件相比的 性能特性。
[0014] 在本發(fā)明一個(gè)可用于在具有低熔化溫度或分解溫度的基片上，例如塑料基片和半 導(dǎo)體基片上進(jìn)行器件制造的實(shí)施方案中，本發(fā)明方法包括如下可獨(dú)立執(zhí)行的制造步驟：（1) 形成一個(gè)或多個(gè)分立的高質(zhì)量半導(dǎo)體元件；以及（2)在基片表面上對(duì)這些半導(dǎo)體元件和其 他器件組件進(jìn)行組裝和/或構(gòu)圖。例如，本發(fā)明包括如下方法，該方法通過對(duì)常規(guī)高溫處理 方法制成的大塊單晶無機(jī)半導(dǎo)體材料進(jìn)行掩模和蝕刻來生產(chǎn)獨(dú)立的、高質(zhì)量的可印刷無機(jī) 半導(dǎo)體，所述高溫處理方法例如高溫（>KKKTC)薄膜生長(zhǎng)、摻雜和其他處理技術(shù)。這樣 的可印刷無機(jī)半導(dǎo)體在制成后，通過可在較低溫度（ <約400°C)下實(shí)施的印刷技術(shù)組裝 至一個(gè)或多個(gè)基片表面上。具有可獨(dú)立執(zhí)行的制備和構(gòu)圖/組裝步驟的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于各步 驟可在環(huán)境條件下如室溫下，以及環(huán)境污染水平（即如果需要潔凈的室內(nèi)條件）下執(zhí)行，這 優(yōu)化了各個(gè)可獨(dú)立執(zhí)行的制造步驟的效率、靈活性以及效用。例如，本發(fā)明方法能在生產(chǎn)高 質(zhì)量單晶半導(dǎo)體所需的高溫下制造半導(dǎo)體材料。然而，半導(dǎo)體元件的構(gòu)圖和/或組裝可隨 后在有利于在具有低熔化溫度或分解溫度的基片上、例如塑料基片上制造器件的、顯著降 低的溫度下進(jìn)行。通過上述方式可在寬范圍的基片表面上制造高性能器件，而不顯著熔化、 分解或損壞基片表面。將半導(dǎo)體的制造與半導(dǎo)體/器件的組裝分離的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于可通 過各種靈活的、低成本組裝方法，例如干式轉(zhuǎn)印以及溶液印刷技術(shù)，將半導(dǎo)體元件集成至高 性能器件和器件組件中，這些組裝方法不需要潔凈的室內(nèi)條件并且可與大面積基片上的連 續(xù)、高速的器件制造方法兼容。就本發(fā)明這一方面而言，本發(fā)明方法實(shí)際上可與含有任何材 料的基片上所進(jìn)行的印刷相兼容，所述基片包括塑料基片和非塑料基片，后者例如半導(dǎo)體 晶片 如娃晶片或GaAs晶片。
[0015] 另一方面，本發(fā)明提供用于集成至高性能電子和光電子器件以及器件組件中的可 印刷半導(dǎo)體元件。就本發(fā)明而言，術(shù)語"可印刷"指可轉(zhuǎn)印、組裝、構(gòu)圖、組織（organize)和/ 或集成至基片上或基片中而未使基片暴露于高溫（即在低于或等于約400°C下）的材料、結(jié) 構(gòu)、器件組件和/或集成功能器件。本發(fā)明的可印刷半導(dǎo)體可包括能通過干式接觸轉(zhuǎn)印和 /或溶液印刷法組裝和/或集成至基片表面的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。本發(fā)明示例性的半導(dǎo)體元件可 通過"自頂向下（topdown) "地處理一系列無機(jī)半導(dǎo)體材料制得，所述無機(jī)半導(dǎo)體材料包括 但不限于單晶硅晶片、絕緣體晶片上的硅、多晶硅晶片和GaAs晶片。由高質(zhì)量的半導(dǎo)體晶 片--例如使用常規(guī)的高溫氣相沉積處理技術(shù)生產(chǎn)的半導(dǎo)體晶片--制得的可印刷半導(dǎo) 體元件對(duì)于需要良好的電子性能的應(yīng)用場(chǎng)合而言是有益的，因?yàn)榕c采用"自底向上（bottom up) "的處理技術(shù)--例如用于生產(chǎn)納米晶體和納米線的常規(guī)技術(shù)--所制備的材料相比， 這些材料具有更好的純度和結(jié)晶程度。本發(fā)明的"自頂向下"處理法所提供的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn) 在于可印刷半導(dǎo)體元件和可印刷半導(dǎo)體元件的陣列可以明確限定的取向和圖案制造，這與 常用于制造納米線和納米顆粒的"自底向上"的處理法不同。例如，可將半導(dǎo)體元件制成具 有與這些元件在功能器件或功能器件陣列中的最終位置和空間取向直接對(duì)應(yīng)的位置和空 間取向的陣列，例如晶體管陣列或二極管陣列。
[0016] 可印刷半導(dǎo)體元件可包括具有各種形狀--例如帶狀（或條狀）、盤狀、小板狀、 塊狀、柱狀、筒狀或這些形狀的任意組合--的單晶無機(jī)半導(dǎo)體整體結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的可印刷 半導(dǎo)體元件可具有多種物理尺寸,例如,約10納米至約100微米范圍內(nèi)的厚度、約50納米 至約1毫米范圍內(nèi)的寬度以及約1微米至約1毫米范圍內(nèi)的長(zhǎng)度。對(duì)于某些應(yīng)用，優(yōu)選使用 厚度大于約10納米并且寬度大于約500納米的半導(dǎo)體元件，因?yàn)檫@些尺寸可使電子器件表 現(xiàn)出良好的電子性能，例如使薄膜晶體管的器件場(chǎng)效應(yīng)遷移率大于或等于約IOOcm2W1s' 優(yōu)選大于或等于約SOOcn^fs'更優(yōu)選大于或等于約SOOcn^Hs'此外，具有大于約10納 米寬度的半導(dǎo)體元件可通過一系列印刷技術(shù)，以良好的放置準(zhǔn)確度和圖案保真度組裝至基 片上。
[0017] 本發(fā)明的可印刷半導(dǎo)體元件還可具有將可印刷半導(dǎo)體元件與母片（mother substrate)-例如半導(dǎo)體晶片-連接起來的排列保持元件。排列保持元件可用于在轉(zhuǎn) 印、組裝和/或集成操作步驟中保持可印刷半導(dǎo)體元件選定的取向和/或位置。排列保持 元件還可用于在轉(zhuǎn)印、組裝和/或集成操作步驟中保持形成半導(dǎo)體元件選定圖案的多個(gè)半 導(dǎo)體元件的相對(duì)位置和取向。在本發(fā)明方法中，排列保持元件在可印刷半導(dǎo)體元件與可 適應(yīng)轉(zhuǎn)印設(shè)備的接觸面接觸（以及聯(lián)結(jié)）的過程中維持選定的位置和取向。在本發(fā)明這 一方面中所使用的排列保持元件能在移動(dòng)可適應(yīng)轉(zhuǎn)印設(shè)備后從可印刷半導(dǎo)體元件上卸除 (disengage)而不顯著改變可印刷半導(dǎo)體元件選定的位置和取向。通常通過在移動(dòng)轉(zhuǎn)印設(shè) 備的過程中使排列保持元件斷裂或脫離來實(shí)現(xiàn)卸除。
[0018] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，可印刷半導(dǎo)體元件具有特征為端部較寬而中心區(qū) 域窄的花生狀。在該實(shí)施方案中，通過對(duì)較寬端部的下方進(jìn)行不完全的各向同性蝕刻 (isotropicetching)并對(duì)中心區(qū)域的下