专利名称：二维器件阵列的制作方法
二维器件阵列本申请是申请日为2007年9月6日、名称为“在用于可拉伸电子元件的半导体互连和纳米膜中的受控弯曲结构”的第200780041127.6号发明专利申请的分案申请。相关申请的交叉引用本申请要求享有在2007年6月18日提交的美国临时专利申请60/944，626和在2006年9月6日提交的美国临时专利申请60/824，683的权益。
背景技术：
自从1994年首次展示印刷的全聚合物晶体管以来，人们大量的关注已被导向电子系统的可能的新类别，其包括塑料衬底上的柔性集成电子器件。[Science第265卷第1684 - 1686 页，作者 Garnier F.、Hajlaoui R.、Yassar A.和 Srivastava P.]最近，大量研究已被导向开发新的溶液可加工(solution processable)的材料,其用于柔性塑料电子器件的导体、电介质和半导体的元件。然而，柔性电子元件领域中的进步，不仅是由新的溶液可加工材料的发展所驱动，而且还是由可应用于柔性电子器件系统的新的器件组件(component)几何形状、器件和器件组件的高效加工方法、以及高分辨率图案化技术所驱动。预期的是，此类材料、器件结构和制造方法将在迅速崛起的新类别的柔性集成电子器件、系统和电路中扮演重要角色。柔性电子元件领域中的关注点来自此技术所提供的几种重要的优势。例如，这些衬底材料固有的柔性，而允许它们被集成为许多形状，这提供了大量的有用的器件结构，然而这些器件结构对于传统的脆性硅基电子器件是不可能实现的。此外，溶液可加工组件材料和柔性衬底的结合，使得能够通过连续、高速的印刷技术进行制造，这能够以低成本在较大的衬底区域上产生电子器件。柔性电子器件的设计和制造表现出良好的电子性能，但也存在一些重大的挑战。首先，制作传统硅基电子器件的成熟方法与大多数柔性材料不兼容。例如，传统的高质量无机半导体组件，诸如单晶硅或锗半导体，通常通过在显著超过大多数塑料衬底的融化温度或分解温度的温度(>1000摄氏度)下生长薄膜而被加工而成。此外，大多数无机半导体本质上不可溶于便于对溶液进行加工和传送的溶剂。其次，虽然许多无定形硅、有机或混合有机-无机半导体适合纳入柔性衬底且可以在相对低的温度下加工，但这些材料不具有能够为集成电子器件提供良好电子性能的电子特性。例如，具有由这些材料制成的半导体元件的这些薄膜晶体管，展现了比互补单晶硅基器件小大约三个数量级的场效应迁移率。由于这些限制，柔性电子器件目前仅限于不要求高性能的特定应用，诸如用在用于具有非发光型像素的主动式矩阵平板显示器的开关元件中以及用在发光二极管之中。柔性电子电路在多个领域中都是活跃的研究区域，包括柔性显示器、任意形状的电活化表面，诸如电子纺织品和电子皮肤。这些电路经常因其无法响应于构造的改变而使得导电组件拉伸，而不能充分适应它们的周围环境。从而，在严重的和/或反复的构造改变下，这些柔性电路易于受损、电子退化以及可能会不可靠。柔性电路需要可拉伸和可弯曲的互连(interconnect),该互连在循环地经过拉伸和松弛的同时保持完好。
既能够弯曲又具有弹性的导体，通常是通过在诸如硅之类的弹性体中嵌入金属颗粒来制造的。这些导电橡胶既具有机械弹性又具有导电性。导电橡胶的缺点包括在拉伸状态下的高电阻率以及显著的电阻变化，从而导致整体的互连性能和可靠性欠佳。Gray等人讨论了使用封装在硅弹性体中的微加工弯曲电线来构造弹性体电子器件，其能够在保持导电性的同时承受高达54%的线性应变。在此研究中，电线被形成为螺旋弹簧形。与在低应变(例如，2.4%)下即告断裂的直线形电线相比，弯曲电线在明显更高的应变(例如，27.2%)下仍然保持导电性。这样的电线几何形状依赖于电线通过弯曲而非拉伸而伸长的能力。此系统在可控制地且精确地在不同形状中和不同平面内图案化的能力方面受到限制，从而限制了将系统适应于不同应变和弯曲方案的能力。研究表明，弹性可拉伸的金属互连在对机械应变的抗性上有所增加(Mandlik等人，2006)。Mandlik等人试图通过在金字塔形纳米图案化表面上沉积金属膜来最小化这种电阻变化。然而，这项研究依赖于起伏特征部分(relief feature),其产生微裂纹而使细金属电线具备可拉伸性。这些微裂纹通过平面扭曲和变形而促进金属弹性变形。然而，这些金属裂纹不适合厚的金属膜，相反，仅适合于沉积在图案化的弹性体之上的相当窄范围的薄的金属膜(例如，在小于30nm的数量级)。使金属互连具备可拉伸性的一种方式是，在导体(例如，金属)应用期间向衬底预加应变(例如，15% 25%)，继而进行预加应变的自然起伏，从而对金属导体互连引入波纹形(例如见 Lacour 等人(2003 年)；(2005 年)；(2004 年)，Jones 等人(2004 年)；Huck等人(2000年);Bowden等人(1998年))。Lacour等人(2003年)报告,通过首先压缩金条以产生自发起皱的金条，从而在高达22%的应变下(对比弹性体衬底上的金薄膜仅为百分之几的破裂应变)保持电导通性。然而，这项研究使用相对薄层(例如，大约105nm)的金属膜，且该研究较为局限，因为该系统本可以形成可被拉伸大约10%的电导体。从上文中，很明显地存在对具有改善的可拉伸性、电特性以及在不同结构下用于快速且可靠地制造可拉伸互连的相关过程的互连和器件组件的需要。在柔性电子元件领域中的进展，预期将在多项新兴的和成熟的重要技术中扮演重要角色。然而，这些柔性电子元件技术的应用的成功，强烈地依赖于对新的材料、器件结构和商业上可行的对在弯曲、变形和倾斜构造下表现出良好的电子、机械和光属性的集成电子电路和器件的制造途径的发展。具体而言，高性能、可机械拉伸的材料和器件的结构，需要在拉伸或压缩构造中表现出有用的电子和机械特性。
发明内容
本发明提供拉伸器件和器件组件，例如半导体和可拉伸的电子器件，以及电路。需要可拉伸、可弯曲和一致的电子器件和器件组件用来制造适于在各种曲面表面上印刷的电子器件。形状一致的器件具有各种各样的应用范围，从柔性显示器和电子纺织品，到一致的生物和物理传感器。从而，本发明的一个实施方案是柔性和可弯曲的电子器件、器件组件以及用于制造柔性和可弯曲器件的相关方法。这种柔性和可弯曲性，通过提供具有波状或翘棱几何形状的互连或半导体膜而实现。这种几何形状提供如下方式，用于确保系统可拉伸且可弯曲，且对性能无不利影响，即使在强劲和反复的拉伸和/或弯曲循环下亦是如此。此夕卜，所述方法提供使几何结构精确化和准确化的能力，以使得器件和/或器件组件的物理特性(例如，可拉伸性、可弯曲性)可调整适应于适合系统的运行条件。本发明的另一方面是具有与应变至少部分相关的物理特性的可拉伸组件，以使得能够通过向组件施加数量变化的应变而调节参数。器件组件的阵列可由翘棱组件或互连彼此连接，以使器件组件易于进行相对彼此的不相关移动。然而，在该阵列之内的局部区域，可具有不同于其他区域的弯曲或拉伸要求。在此所述的器件和方法促进创建柔性系统，其可具有在翘棱组件中或互连几何形状中的局部变化，例如包括组件或互连的:尺寸、周期、幅度、取向、以及在特定区域中组件或互连的总数。产生具有可控制取向的多个组件或互连，易于使组件或互连针对该器件的操作条件进行调节适应。在一个实施方案中，本发明是器件的可拉伸组件，其中所述组件包含第一端、第二端、和布置于第一端和第二端之间的中央区域。组件由一衬底所支撑，其中组件的第一端和第二端结合到衬底，且组件的中央区域的至少一部分具有弯曲结构。在一方面，该组件的中央区域不与该衬底物理接触。在另一方面，组件的中央区域处于应变下。在一方面，中央区域的应变小于10%,在0.1%和5%之间，0.2%和2%之间，或其中任何子范围。在一个实施方案中，可拉伸组件中央部分为曲面或弧形。在一方面，曲面具有幅度，例如介于大约IOOnm和Imm之间的幅度。在一方面，分立的组件或互连的结合区域的数量可以共计多于两个，诸如三个、四个或五个。在此方面，位于组件的第一端和第二端之间的中央区域实际上被再分成多个弯曲结构区域，以使得所形成的多个分立的曲面部分区域不与衬底物理接触。在这样的配铬中，幅度和/或周期在组件或互连的整个纵向长度上可恒定也可变化。组件自身可以是任意形状，例如膜、线或带。在一方面，在组件是带的情况下，该带可具有介于大约300nm和Imm之间的厚度。为了便于放置另外的器件组件，组件端所电连接到的器件组件可以是触垫。在一方面，另外的器件组件与触垫电连接。可拉伸组件可选地包括一种或多种材料，其为金属、半导体、绝缘体、压电材料、铁电材料、磁致伸缩材料、电致伸缩材料、超导体、铁磁材料、和热电材料。在另一方面，可拉伸组件包括选自下列的组中的器件的组件:电子器件、光学器件、光电器件、机械器件和热器件。如所述，支撑组件的衬底可以由任何期望的材料制成，这取决于并入该组件的器件。在一个实施方案中，衬底包括弹性体材料，例如PDMS。衬底可以可逆可变形(例如，PDMS )或不可逆可变形(例如:塑料)。在一个实施方案中，衬底自身是层或涂层。在一个实施方案中，可以基于器件的物理特性进一步描述器件。例如，在此提供的组件和/或互连，能够经受高达25%的应变，同时保持与器件组件的电导通和电连接。在此情况中“保持”指的是在承受应变期间，电导通性的降低小于20%、10%或5%。在另一实施方案中，本发明提供一种可拉伸组件或互连，用于建立与器件组件的电连接。器件或互连具有第一端、第二端、以及设置于第一端和第二端之间的中央部分。所述端被结合到衬底，诸如柔性(例如，可拉伸)衬底、弹性体衬底、刚性衬底、非弹性体衬底、或希望在其上印刷电子器件、器件组件或其阵列的衬底。组件或互连的每个端均被附接到其自身由衬底支撑的不同的器件组件。组件或互连的中央部分处于弯曲结构，且不与衬底物理接触(例如，未结合)。在一方面，弯曲结构缘于中心区域处于应变之下。在此方面，弯曲结构通常为曲面，以使得如果采用使器件组件分隔的方式将力施加到一个或多个器件组件(或下方衬底)，则组件和互连曲面部分可以至少部分拉直以适应在器件组件之间的相对移动，同时保持在器件组件之间的电接触。组件或互连可选地以诸如桥形、花形的多种几何结构中的任意一种和/或通过多个组件或互连将相邻的岛或触垫电连接。在一方面，器件组件和触垫电连接。此处公开的任何可拉伸组件可选地还包括电子器件的可调节器件组件。可调节组件具有至少一种如下电子特性，其选择性地随着由弯曲结构所提供的中央区域的应变而变化。例如，电子特性可选地是电子迁移率、谐振频率、电导和电阻中的一种或多种。在一方面，可调节器件组件包括晶体管的半导体沟道。在一个实施方案中，所述组件具有应变系数光学耦合，其中可调节组件具有至少一种如下光学特性，其随着由弯曲结构所提供的中央区域的应变程度而选择性地变化。应变系数的光学耦合的实施例包括但不仅限于，可调节器件组件的折射率，或电磁辐射的入射波束相对于所述可拉伸组件的中央部分的表面的入射角。在另一实施方案中，可调节器件组件包括波导、光调制器、光开关或滤光器。在另一实施方案中，可拉伸组件是器件的可调节器件组件，其导热性选择性地随着由所述弯曲结构提供的中央区域的应变程度而改变。在另一实施方案中，可拉伸组件是器件的热绝缘组件，其中所述中央区域不与所述衬底物理接触。在此实施方案的一方面，中央区域不与衬底热接触，且中央区域支撑一个或多个器件组件，从而使得由中央区域支撑的一个或多个器件组件与衬底热隔离。这方面的一个有用的应用是用于作为长波长成像系统的器件。在另一实施方案中，可拉伸组件是机械器件的致动器，其中中央区域为曲面，且其幅度能够通过压缩或拉伸可拉伸组件或通过向中央区域施加电势而调节。此实施方案中的一种有用应用是一种机械器件，其选自由下列各项组成的组:微机电器件、纳米机电器件、以及微流控器件。在一实施方案中，通过将在此公开的任意可拉伸组件纳入具有多个组件和多于两个器件组件的器件阵列，提供多轴向拉伸和弯曲。在这个实施方案中，每个组件提供了在一对器件组件之间的电接触。根据所希望的拉伸、弯曲和/或压缩操作条件，器件阵列可具有处于栅格、花形、桥形或其任意组合(例如，一个区域处于栅格结构，另一区域处于桥形结构)的几何结构。此外，通过使相邻器件组件能够连接到多于一个组件(例如，多个互连)，诸如二、三、四个组件，提供了进一步的对拉伸和可弯曲性的控制。例如，正方形或矩形的器件组件，可与四个其他器件组件相邻。如果每个相邻对由两个互连所连接，则器件组件将具有八个从其中伸出的互连。在一实施方案中，器件阵列具有沿着至少两个不同方向取向的多组组件。例如，在栅格结构中，组件可具有两个彼此垂直或正交的取向以提供沿两个方向拉伸的能力。在另一实施方案中，器件阵列可包括全部相对彼此对齐的组件。这一实施方案可用在拉伸或弯曲被限制于单一方向的情况下(例如:将电子器件构造弯曲为圆柱表面)。通过使组件沿三个或更多个方向取向，例如沿三个方向或四个方向取向，就提供了额外的弯曲和/或拉伸能力。在一实施方案中，通过使器件阵列中的组件置于任意数量的不同层中，例如彼此相邻的两个层中，就提供了额外的控制和稳定性。
在一个实施方案中，器件阵列能够经受高达150%的应变而不断裂。通过针对运行条件(例如，单轴向对比多轴向拉伸和/或弯曲)调节互连的几何形状、取向、幅度、周期和数量，使断裂应变最大化。在其上支撑互连或器件阵列的衬底可具有至少一个曲面的部分，例如凹面、凸面、半球面形状或其组合。在一实施方案中，包含组件的器件是下列可拉伸器件中的一种或多种:光电探测器、显不器、发光器件、光电器件、片扫描仪、LED显不屏、半导体激光器、光学系统、大面积电子器件、晶体管、或集成电路。在另一方面，本发明涉及用于调节器件的可拉伸组件的特性的各种不同方法。例如，一种调节方法可以包括提供如下器件，其具有可拉伸组件，如此处公开，例如如下组件，其具有第一端；第二端；以及置于所述第一端和第二端之间的中央区域，且该组件由衬底支撑。具体而言，组件的第一端和第二端结合到所述衬底，且组件的中央区域的至少一部分具有弯曲结构且处于特定应变程度下。通过压缩、伸长和/或拉伸可拉伸组件，在可拉伸组件中调整应变程度，从而调节器件的可拉伸组件的特性。在一方面，所述特性是光特性、电特性和机械特性中的一种或多种，诸如光耦合、机械耦合或电耦合的应变参数，其中相应特性的幅度至少部分地取决于应变。在另一方面，所述特性选自共振频率、电子迁移率、电阻、电导、折射率、导热性、以及电磁辐射的入射波束相对于所述可拉伸组件的中央部分的表面的入射角组成的组。在一方面，提供了一种制造器件的可拉伸组件的方法。在该实施方案中，提供具有接纳表面的弹性体衬底，该接纳表面具有第一应变程度，其中应变可选地是零、压缩或伸长。一个或多个器件组件被结合到具有第一应变程度的接纳表面。向弹性体衬底施加力，从而产生应变程度的从第一应变程度到第二应变程度的改变。这种改变的幅度，或如何完成改变，不是很重要，只要应变程度从第一程度到第二程度的改变导致组件弯曲，从而产生所述一个或多个可拉伸组件，每个都具有结合到衬底的第一端和第二端以及在弯曲结构中提供的中央区域。通过任何适合方式将器件组件结合到所述衬底。在一实施方案中，结合步骤包括，产生可拉伸组件的结合与未结合区域的图案，其中可拉伸组件的结合区域被结合到弹性体衬底，且其中所述可拉伸组件的未结合区域不结合到弹性体衬底。在另一方面，未结合区域对应于可拉伸组件的中央区域，其中将力施加到弹性体衬底的步骤导致中央区域弯曲，以使得每个可拉伸组件的至少一部分中央区域不与衬底物理接触。在一方面，将力施加到弹性体衬底的步骤，导致中央区域弯曲，以使得每个可拉伸组件的中央区域的至少一部分不与衬底物理接触。在一实施方案中，用于制造可拉伸组件的任一种方法还包括在可拉伸组件上、在弹性体衬底的接纳表面上、或既在可拉伸组件上又在弹性体衬底的接纳表面上，产生结合位点的图案。在另一实施方案中，任何所述方法或器件均具有带有多个柔性区域和多个刚性区域的弹性体衬底。这种衬底使柔性区域的抗挠刚度小于刚性区域的抗挠刚度，且可选地具有:每个可拉伸组件的第一和第二端，其结合到至少一个刚性区域；以及每个可拉伸组件的中央区域，其结合到至少一个柔性区域。使用此衬底类型就能够基于下方衬底的柔性的图案来实现该组件的可控制翘棱。
在一实施方案中，施加到弹性体衬底的力机械实现。在本发明的一方面，第一应变程度、第二应变程度、或两者，通过如下方式产生:拉伸或压缩弹性体衬底，固化弹性体衬底，或通过热方式，例如通过提高或降低所述弹性体衬底的温度，或通过弹性体衬底的热膨胀或热诱发收缩。在另一实施方案中，将一个或多个器件组件结合到弹性体衬底的接纳表面这一步骤，在如下步骤之前执行，即，向弹性体衬底施加力，该力使在衬底的应变程度产生从第一程度到不同于第一程度的第二应变程度的改变。替代地，这个结合步骤在如下步骤之后执行，即，向弹性体衬底施加力，该里使在衬底的应变程度产生从第一程度到不同于第一程度的第二应变程度的改变。在一实施方案中，第一应变程度或第二应变程度中任意一个等于O。在一方面，任意一个器件组件包括互连或电极。在另一实施方案中，本发明涉及用于制造能够构建与器件组件的电连接的翘棱组件或互连的各种不同方法。在一方面，结合位点的图案被应用于弹性体衬底表面、组件或互连、或两者。施加力以使衬底以及与该衬底相接触的组件或互连产生应变。结合位点的图案在特定组件或互连位置与衬底之间提供结合。一旦(通过消除力)松弛衬底，就产生翘棱组件或互连。将预加应变的幅度、结合位点图案、几何形状以及间隔中的一种或多种进行变化，就产生具有不同的翘棱或波状的几何形状的组件或互连。例如，交错结合位点的位置，以使得相邻的组件或互连在不同的位置结合到衬底，就提供“异相”互连几何形状。结合位点图案化采用本领域公知的任何方式，例如将可固化光敏聚合物应用于弹性体衬底表面。组件或互连可选地通过将组件或互连的至少一部分封装在诸如弹性体材料的封装材料中来保护。翘棱组件或互连可具有适于此应用的任何图案。在一实施方案中，图案是栅格结构、花状结构、桥形结构或其任意组合。所述方法和器件可以具有任何尺寸的组件，例如从10纳米到大约I毫米范围内的厚度，或者大于约300nm的厚度。在一方面，翘棱组件具有与互连从衬底开始的最大垂直位移相对应的幅度，且该幅度选自介于IOOnm和Imm之间的范围。对于具有长度和宽度的组件带，宽度、幅度、或宽度和幅度，可选地沿着互连的长度变化。影响幅度的一个因素在于，在组件结合之前或组件结合之后施加到弹性体衬底的应变。通常，应变越高，幅度越大。在一实施方案中，所施加的力在弹性体衬底中产生应变，应变选自介于20%和100%之间的范围。在一实施方案中，组件是电连接到器件组件的互连。在此所展现的任何系统和过程选择性地提供一种衬底，其能够拉伸高达大约100%，压缩高达大约50%，或弯曲为低达5mm的曲率半径，而不致组件断裂。所述组件由任意适合的材料制成，诸如金属、半导体一包括GaAs或S1、绝缘体,压电材料、铁电材料、磁致伸缩材料、电致伸缩材料、超导、铁磁材料、和热电材料。在一实施方案中，所述方法用于将翘棱组件从诸如印模(stamp)的弹性体衬底转印到诸如曲面器件衬底的器件衬底。可以通过将组件材料涂敷到接纳表面，诸如具有起伏特征的接纳表面，例如波状表面，来制造可拉伸和可弯曲的互连，而不是通过向弹性体衬底施加力或应变来产生突起或翘棱的组件。在一实施方案中，为制造可拉伸和可弯曲组件，在表面上具有波状特征的衬底被平滑化，例如旋涂聚合物以部分地填充凹陷特征。部分填充产生平滑波状的衬底。随后，包括但不限于金属特征的组件，根据需要被沉积和图案化到平滑波状衬底上。在接纳表面衬底上的组件，可用于随后对着被至少涂覆以组件的衬底来塑造聚合体印模。通过从衬底移除聚合体印模，将组件转印到弹性体衬底，以制造可拉伸和可弯曲的组件。在一实施方案中，在组件和衬底之间的界面是Au/Su-8环氧树脂光致抗蚀剂。组件可以是分层金属，例如，AWkl0衬底可以类似地分层，例如玻璃层支撑Su-8层，而在金属和衬底之间的实际界面是 Au/Su_8。用于在印模表面制造诸如突起互连的突起组件的一种替代性方法，依赖于:将曲面衬底表面平坦化，将组件接触到被平坦化的表面，然后允许衬底表面松弛回到其曲面几何形状。在一实施方案中，所述方法还在接触之前提供对结合位点的空间图案化，如在此所述。在该实施方案中，所述方法尤其适于将互连和器件组件转印到对应的第二曲面衬底表面。在一方面，结合方式，例如粘合剂或粘合剂前体，产生在第一曲面衬底上的互连系统与第二曲面衬底之间的结合，足以允许将互连系统转印到第二衬底，即便是在弹性体印模被移除之后亦是如此。在一方面，本发明的任意方法和器件具有印模或弹性体衬底，其为PDMS，对于高达大约40%的应变具有线性和弹性响应。本发明的互连可选地是可拉伸电极、可拉伸被动式矩阵LED显示器或光电探测器阵列的一部分。在一实施方案中，本发明是一种拉伸电子器件，其带有由本发明的方法制成的任意一个或多个互连，其中电子器件是可拉伸或可弯曲的:电极、被动式矩阵LED、太阳能电池、光收集器阵列、生物传感器、化学传感器、光电二极管阵列、或半导体阵列。在一方面，电连接到翘棱互连的器件组件，是薄膜、传感器、电路元件、控制元件、微处理器、变换器或其组合。在一方面，通过将互连的一端电连接到器件组件，来接通互连。在一实施方案中，本发明涉及具有诸如波状半导体纳米膜的波状纳米膜的方法和结构。这样的波状纳米膜易于使器件组件自身具备柔性(相对于将器件组件连接起来的互连的柔性)。在一方面，本发明是一种制造双轴向可拉伸半导体膜的方法，其将半导体纳米膜材料从第一衬底转印到变形的第二衬底，其中在转印之后变形的衬底被允许松弛回到其闲置结构。在一方面，半导体材料的厚度介于大约40nm和600nm之间。释放二维变形力，产生具有二维波状结构的纳米膜。在一方面，变形力由改变弹性体衬底的温度而产生。在一实施方案中，提供一种用于制造可拉伸和可弯曲的衬底的方法，包括:提供如下衬底，其具有带一个或多个起伏特征的接纳表面；通过旋涂聚合物来使得起伏特征平滑，以至少部分地共形涂覆接纳表面；对着被旋涂的衬底塑造聚合物印模；从衬底移除聚合物印模，以暴露具有起伏特征的聚合物印模；并且在具有起伏特征的所述聚合物印模表面沉积器件组件；从而制造在可拉伸和可弯曲器件中使用的可拉伸和可弯曲组件。在一方面，起伏特征为波状状。在一实施方案中，所述组件包括金属，该金属通过电极沉积的方法沉积，或者通过:提供荫罩掩模；将荫罩掩模与波状表面接触；并且通过荫罩掩模蒸发金属，以在波状表面上产生对应的金属图案。具有波状特征的衬底可选地由各向异性蚀刻Si (100)或通过对Su-8压纹而制备。波状表面可选地具有选自50nm-lmm范围的波长；具有选自IOOnm-1mm范围的幅度；且能够拉伸高达100%而不断裂。可选地，该组件被转印到器件衬底。在一方面，器件组件包括互连，且所述方法还包括提供另外的器件组件并且创建在互连的一端和另外的器件组件之间的电连接。在另一方面，本发明提供了一种通过材料级异质集成和/或器件级异质集成技术制造器件的方法。本发明的用于制造器件的方法包括如下步骤:(i)提供如下衬底，其采用由衬底的接纳表面支撑的一个或多个器件组件预图案化；且(ii)通过将所述可印刷半导体元件接触印刷到衬底的接纳表面或其上设置的结构上，将多个可印刷半导体元件组装在衬底上，其中至少一部分可印刷半导体元件被定位以使得它们与由衬底支撑的一个或多个器件组件:空间对齐、电接触或既空间对齐又电接触。在一实施方案中，可印刷半导体元件每一个均包括单一无机半导体结构，其具有:选自大约100纳米到大约1000微米范围的长度，选自大约100纳米到大约1000微米范围的宽度，和选自大约10纳米到大约1000微米范围的厚度。在另一方面，本发明提供一种通过材料级异质集成和/或器件级异质集成技术来制造多级器件结构的方法。本发明的用于制造器件的方法包括如下步骤:(i)提供如下衬底，其采用由衬底的接纳表面所支撑的一个或多个器件组件预图案化；(ii)通过将可印刷半导体元件接触印刷到衬底的接纳表面上或设置于其上的一个或多个结构上，在衬底上组装第一组可印刷半导体元件，从而产生第一器件层；(iii)在第一组可印刷半导体元件上提供一中间层，该中间层具有一接纳表面；且(iv)通过将可印刷半导体元件接触印刷到中间层的接纳表面上或设置于其上的一个或多个结构上，在衬底上组装第二组可印刷半导体元件，从而产生第二器件层。在一实施方案中，第一器件层中的可印刷半导体元件中的至少一部分与第二器件层中可印刷半导体元件的至少一部分空间对齐、电接触或既空间对齐又电接触。本发明的这一方面的具体方法还包括如下步骤:构建在第一器件层中的可印刷半导体元件的至少一部分和在第二器件层中的可印刷半导体元件至少一部分之间的电连接。在本方法中用于组装、组织和/或集成可印刷半导体元件的有用的接触印刷方法，包括干转印接触印刷、微接触或纳米接触印刷、微转印或纳米转印、以及自组装辅助印刷。接触印刷有益于本发明，因为它允许多个可印刷半导体相对于彼此在所选取向和位置上组装和集成。在本发明中的接触印刷也允许对不同类别的材料和结构——包括半导体(例如，无机半导体、单晶半导体、有机半导体、碳纳米材料，等等)、电介质、导体——进行有效的转印、组装和集成。本发明的接触印刷方法可选地提供，在相对于一个或多个预图案化在器件衬底上的器件组件的预选位置和空间取向上，对可印刷半导体元件进行高精确度记录转印和组装。接触印刷也兼容于多种类别衬底，包括:传统的刚性或半刚性衬底，诸如玻璃、陶瓷和金属；以及具有适于特定应用的物理和机械特性的衬底，诸如柔性衬底、可弯曲衬底、可塑衬底、可变形衬底和/或可拉伸衬底。可印刷半导体结构的接触印刷组件，例如可兼容于低温处理(例如，低于298K)。这归因于允许使用多种衬底材料实现现有的光学系统，包括那些在高温下分解或退化的衬底材料，诸如聚合物衬底和塑料衬底。对器件元件进行接触印刷转印、组装和集成也是有益的，因为它可以通过低成本且高产出的印刷技术和系统来实现，例如卷对卷印刷和柔版印刷方法和系统。在当前制造器件的方法的特定实施例中，可印刷半导体元件的至少一部分包括异质半导体元件。多种异质半导体元件可用于本发明。在一实施方案或实施例中，异质半导体元件包括组合有一个或多个如下结构的无机半导体结构，所述结构包含一种选自由下列组成的组的材料:具有与所述无机半导体结构不同构成的无机半导体、具有与所述无机半导体结构不同掺杂比的无机半导体、碳纳米材料或其膜、有机半导体、介电材料、以及导体。在一实施方案中，例如，异质半导体元件包含两种不同半导体材料的组合，所述半导体材料选自由下列组成的组的组合:单晶硅、S1、Ge、SiC, A1P、AlAs, AlSb, GaN, GaP、GaAs, GaSb,InP、InAs, GaSb, InP、InAs, InSb、ZnO、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe、CdTe、HgS, PbS、PbSe、PbTe, AlGaAs, AlInAs、AlInP、GaAsP、GaInAs, GaInP、AlGaAsSb, AlGaInP、SiGe和GalnAsP。在一实施方案中,例如,异质半导体元件包含无机半导体结构,该结构组合有介电材料、导体或既有介电材料又有导体。有用的异质半导体元件还包括可印刷器件组件和可印刷器件。在一实施方案中，例如，可印刷半导体元件包含选自由下列器件组成的组中的一个或多个可印刷组件:电子器件、电子器件阵列、光学器件、光电器件、微流控器件、微机电系统、纳米机电系统、传感器、集成电路、微处理器和存储器件。在特定的方法中，至少一部分异质半导体元件包含一个或多个可印刷半导体器件，其选自由下列组成的组:二极管、晶体管、光伏电池、发光二极管、激光器、PN结、薄膜晶体管、高电子迁移率晶体管、光电二极管、金属氧化物半导体场效应晶体管、金属半导体场效应晶体管、光电探测器、逻辑门器件、以及垂直腔表面发光激光器。在一实施例中，例如，至少一部分可印刷半导体器件通过接触印刷而被组装在衬底上，以使得可印刷半导体器件被设置为与被预图案化在衬底上的电极电接触。本发明的方法还可以包括可选地为迭代的多个如下步骤，即，将可印刷半导体元件组装在衬底上或设置于其上的结构上，诸如器件组件结构、中间层结构和/或平面化层或封装层上。在一实施方案中，例如，本发明的方法还包括如下步骤:通过将另外的可印刷半导体元件接触印刷到衬底的接纳表面上所设置的半导体元件上，或者接触印刷到设置在衬底的接纳表面上的半导体元件和另外的可印刷半导体元件之间的一个或多个中间结构上，在衬底上组装另外的可印刷半导体元件，从而产生多层器件结构。由本方法制造的多层器件结构可以包括由一个或多个中间层隔开的多个器件层；其中器件层包括可印刷半导体元件。在某些实施例中，例如，器件层具有小于或等于I微米的厚度，且其中中间层具有小于或等于1.5微米的厚度。在某些实施方案中，这方面的方法还包括在设置于不同层中的可印刷半导体之间建立电连接的步骤。这方面的一种特定方法还包括如下步骤:(i)在被印刷到所述衬底的接纳表面上或被设置在其上的一个或多个结构上的可印刷半导体元件的顶部处，设置中间层；和(ii)通过将可印刷半导体元件接触印刷到中间层的接纳表面上，组装另外的可印刷半导体元件。在一实施方案中，例如，设置在中间层上的接纳表面上的至少一部分另外的可印刷半导体元件被定位，以使得它们与设置在衬底的接纳表面上的可印刷半导体元件空间对齐、电接触或既空间对齐又电接触。这方面的方法可选地还可以包括:(i)在中间层中构图出一个或多个开口，从而将设置在衬底的接纳表面上的一个或多个可印刷半导体元件或设置在该接纳表面上的一个或多个结构的区域曝光；并且(ii)通过在如下中间层中的开口，在设置在衬底上的接纳表面上的可印刷半导体元件或设置在该接纳表面上的一个或多个结构与设置在中间层的接纳表面上的半导体元件之间，建立电接触。本发明的方法可以包括多个可选的处理步骤。本发明的方法还包括如下步骤:在接纳表面上提供粘合剂层，其中可印刷半导体元件被印刷到粘合剂层上。本发明的方法还包括如下步骤:在被印刷到衬底的接纳表面上或其上设置的一个或多个结构上的可印刷半导体元件上提供封装层或平面化层。本发明的方法还包括如下步骤:将衬底的接纳表面、或一个或多个被印刷到衬底的接纳表面上的可印刷半导体元件、或一个或多个设置于该表面上的结构，采用一个或多个导体材料薄膜通过沉积方法图案化。本发明的方法可用于多种衬底，包括但不仅限于:柔性衬底；聚合物衬底、塑料衬底、可拉伸衬底；刚性衬底；半导体晶片和成型衬底。本发明还包括由本方法所制成的器件和系统。本发明的器件和系统包括但不限于:电子器件、光学器件、光电器件、微流控器件、微机电系统、纳米机电系统、传感器、集成电路、微处理器和存储器件。在另一方面，本发明是二维可拉伸和可弯曲器件。在这方面，所述器件包括:具有接触表面的衬底，在此处有组件结合到所述衬底接触表面的至少一部分，其中所述组件具有至少一个起伏特征区域和至少一个基本平坦的区域；其中所述起伏特征区域具有与所述衬底分离的部分，且所述基本平坦的区域至少部分地结合到所述衬底。在一方面，所述至少一个起伏特征区域具有在衬底上的起伏特征的二维图案，例如具有与衬底接触表面相接触的多个接触区域的波状图案。为了易于将组件结合到衬底，组件或衬底中任何一个或两者的接纳表面可具有活性区域，例如活性区域图案。“活性区域”一词用于泛指用于结合的装置和/或用于提供翘棱的装置，例如通过在所述衬底接触表面或所述组件上的一个或多个粘合剂位点图案；选择的衬底图案或组件物理参数，所述参数选自如下参数的一个或多个:衬底或组件厚度、模量、温度、组成，每个参数都具有空间变化；衬底表面的化学改变；以及与衬底接触表面上的组件的自由边缘相邻的区域。这些参数中每一个的共同用途在于，它们或者组件和衬底之间易于结合，或者提供用于产生组件的空间受控翘棱的机制。例如，将基本平坦的区域或一部分起伏特征区域定位到活性衬底区域，组件可被可控地翘起，以提供用于可拉伸组件。在此公开的任何器件和方法，可选地具有选自由下列一个或多个组成的组中的组件:金属、半导体、绝缘体、压电材料、铁电材料、磁致伸缩材料、电致伸缩材料、超导材料、铁磁材料和热电材料。在此公开的任何器件和方法，可选地用于选自由下列各项组成的组的器件，包括:电子器件、光学器件、光电器件、机械器件、以及热器件。在一方面，任何二维可拉伸和可弯曲器件包括基本平坦的区域，其包括用于接收诸如互连起伏特征的器件组件的岛，所述互连起伏特征与至少两个岛电连接。在一实施方案中，器件触垫或接纳表面中的任一个:平坦，基本平坦，具有起伏特征，具有曲面部分，具有波状部分，或者是弹性体，诸如PDMS衬底或衬底层。
图1概述了一种用于制造波状的或翘棱的可拉伸金属互连的方法。A是流程图概要，B示出流程图步骤。图2是可拉伸的波状的/翘棱的电互连的照片，其由如下形成:从刚性衬底取出到预加应变的、可拉伸的PDMS橡胶衬底，然后释放应力，引发翘棱。图3概述一种通过在波状结构弹性体衬底上沉积而制造波状可拉伸电极的方法。
图4提供关于一种制造平滑波状弹性体衬底的方法的细节。A是流程图概要，B示出流程图步骤。图5提供由在图3-4中概述的方法所产生的平滑波状PDMS衬底的图像。所示的互连具有22.6%的可拉伸性，且具有约900nm厚的金属互连(700nm铝/200nm金)，波长约38微米，且幅度(从波峰到波谷的距离)大约15.6微米。B示出用于构建与器件组件电接触的互连的一端。该器件组件可定位在所述衬底的平坦部分中。图6:A示出带有尖端的商用透镜阵列(来自Edmund Optics)。B示出旋涂可照相固化的环氧树脂以制造平滑的波状衬底。C示出倚靠来自B的衬底铸造PDMS印模，以产生具有平滑特征的波状弹性体印模。图7:穿过荫罩掩模通过蒸发而沉积到平滑波状弹性体衬底上的可拉伸电极。电极在张力下在高达 10%拉伸期间保持导电性和连接性。比例尺是大约0.1mm。A是弹性体衬底上的波状的截面图。B是蒸发到波状弹性体衬底上的电极的显微照片俯视图。焦平面位于波状起伏的波峰上。C是蒸发到波状弹性体衬底上的电极的显微照片俯视图。焦平面位于波状起伏的波谷上。图8是使用可拉伸电极来制造可拉伸被动式矩阵LED显示器的过程的示意图。图9图示具有波 状电极的被动式矩阵LED显示器的机械可拉伸性。图10图示分布在具有球形曲面的透镜上的无机光电二极管阵列。所示:各种不同的透镜形状和角度。图11图示在平面薄片包裹在球形表面周围时对可拉伸性的需求。图12概括一种用于制造可拉伸翘棱半导体阵列的方案，其能够遵循球状弯曲的表面。图13:可拉伸翘棱硅阵列的光学显微镜图像，该阵列具有单连接栅格结构(A和B)、多连接(例如，两个连接)栅格结构(C)，以及花状连接结构(D)。可拉伸互连能够在例如触垫区域处电连接光电二极管，光收集/光检测器件，以及其他器件组件。这些系统能够适合于弯曲表面。在图13A-D示出的结构位于PDMS衬底上。图14:栅格结构中的可拉伸翘棱硅阵列的电子显微镜图像，该阵列能够支撑器件组件并适合于弯曲表面。比例尺是A中200 μ m，B中50 μ m。图15:栅格结构中的可拉伸翘棱硅阵列的电子显微镜图像，该阵列具有由多个(例如:2个)互连彼此相连的相邻触垫，且能够支撑器件组件并适合于弯曲表面。比例尺是A 中 200 μ m, B 中 50 μ m。图16:处于花状结构的可拉伸翘棱硅阵列的电子显微镜图像，该阵列能够支撑器件组件并适合于弯曲表面。比例尺是A中200 μ m，B中50 μ m。图17:桥形结构的可拉伸翘棱硅阵列的电子显微镜图像，该阵列能够支撑器件组件并适合于弯曲表面。比例尺是A中200 μ m，B中50 μ m。图18:在PDMS上的可拉伸翘棱硅阵列上的栅格结构中的光电二极管的照片。图19示出可拉伸互连在拉伸和松弛期间的可逆行为。该系统在图片I中松弛。该系统如图片2、3和4中的拉伸箭头所示被拉伸。在图片4中最大拉伸是大约10%，且就沿着拉伸力方向对齐的互连而言，形成了基本平坦的互连。该系统在图片5-8中松弛，且图片8具有与图片I中所示的等价的几何形状和结构。比例尺是0.2mm。
图20 气泡印模”或“气球印模”器件，其能够共形接触到曲面衬底以及平面衬底。图21:另一种能够适合于球形弯曲表面以及平坦表面的器件，是一种可拉伸球形模制的印模。该印模倚靠弯曲的表面(在此实施例中是凹透镜)铸造，并被移除。该印模被拉伸以使其表面基本展平，且互连可以被转印到该表面。图22:在“气泡”或“气球”印模上在拉伸循环期间的可拉伸翘棱硅阵列。在此实施例中，在相邻触垫之间的互连包括两个波状互连(Si厚度290nm)。该拉伸测试使用气泡膨胀，以提供多方向的拉伸。最右边的图片处于最大拉伸，而下方的两个图片示出，当拉伸力被去除时，互连松弛回到它们拉伸之前的结构，如左上图片所示。图23:通过气球印模印刷到涂覆有粘合剂(PDMS或SU_8)的玻璃透镜上的硅。图24概括了用于构造半导体纳米带中的3D翘棱形状的处理步骤。A:制造UVO掩 模，并且使用该掩模以在PDMS衬底上对表面化学物质进行图案化。B:形成翘棱GaAs带，然后将它们嵌入PDMS中。C:翘棱GaAs带对拉伸和压缩的响应。D:使用a和b中的过程形成的样品的SEM图像。用于形成此样品的预加应变是60%，其中Wact=IO μ m 且 ffin=400 μ m。图25:使用33.7%预加应变在PDMS衬底上形成的翘棱的侧视图轮廓，其中(A)Wact=IO μ m 且 Win= 190 μ m; (B)Wact=IOO μ m 且 Win=IOO μ m。因为将带从 PDMS 脱离，两个样品均展现在非活性区域中的翘棱。在Warf=IOO μ m的情况下，具有小波峰的正弦波仅仅在活性区域中形成。对这两个样品的比较，表明选择小于临界值的Wart避免了形成小的波状结构。图26:在显微镜切片之后，在PDMS中嵌入的翘棱GaAs带的侧视图像。该图像显示，PDMS完全充满带和下方衬底之间的缝隙。在此情况下的翘棱是由60%预加应变且Wact=IO μ m和Win=300 μ m形成。铸造在这些翘棱带的表面上的PDMS预聚物，在炉中在65° C固化4小时。图27: (A和D)翘棱GaAs和(B，C)硅带的侧视轮廓的光学显微照片。A:形成于PDMS上的GaAs带结构被图案化，其中Waet=IO μ m且Win=190 μ m，不同的预加应变为:11.3%、25.5%,33.7%和56.0%(自上而下)。ε pre=33.7%和56.0%的虚线是数学预测的互连几何形状。B:在PDMS衬底上形成的Si带结构，其中预加应变为50%，且以Waet=15 μ m且Win: 350、300、250、250、300和350μπι(从左至右)图案化。该图像通过将样品倾斜在45°角而拍摄。C:形成于PDMS衬底上的Si带结构，预加应变50%，且以相对于带的长度方向成30°角取向的粘合剂位点(wart=15 μ m且Win=250 μ m)的平行线进行图案化。该图像通过将样品倾斜在75°拍摄。D:形成在PDMS衬底上的GaAs带结构，预加应变60%，其中Waet=IOym以及不同的 Win 为:100、200、300 和 400 μ m (自上而下)。图28:拉伸和压缩的嵌入在PDMS中的翘棱GaAs带。A:被拉伸到不同程度的拉伸应变(正％)的单个翘棱带的图像。在50%附近发生断裂。B:被压缩到不同程度的压缩应变(负％)的单个翘棱带的图像。在压缩应变大于 -15%时，在翘棱的波峰处出现一段短小的波状几何形状。C:压缩到不同程度的压缩应变的单个翘棱带的图像。在这些情况中的翘棱以60%预加应变形成，其中Wact=IOym且Win=400ym(A，B)，以及Waet=IO μ m且ffin=300 μ m(C)0在每个图片中的红线和箭头示出在同样的带上的相同位置，以突出机械变形。插图提供以白色框标记的部分的放大图像，清晰地示出在高压缩应变下断裂的形成。对应于拉伸或压缩程度的数字是根据下列公式计算:
权利要求
1.一种二维器件阵列，包括: 具有支撑表面的柔性衬底； 被支撑在所述支撑表面上的至少一个器件组件；以及 至少两个可拉伸互连，所述至少两个可拉伸互连中的每个互连具有第一端、第二端和位于所述第一端和第二端之间的中央部分， 其中所述至少一个器件组件和所述至少两个可拉伸互连沿至少两个不同的方向取向以形成二维阵列， 其中所述至少两个可拉伸互连中的每个互连的第一端与所述至少一个器件组件电连通， 其中所述至少两个可拉伸互连中的每个互连的中央部分包括至少两个弯曲结构区域，并且 其中每个弯曲结构区域不与所述柔性衬底的支撑表面物理接触。
2.权利要求1的二维器件阵列，其中每个弯曲结构区域是曲面的。
3.权利要求1的二维器件阵列，其中所述至少两个可拉伸互连中的每个互连的中央区域包括至少一个接触区域，所述至少一个接触区域与所述衬底的支撑表面物理接触，并且其中所述至少一个接触区域位于所述至少两个弯曲结构区域之间。
4.权利要求3的二维器件阵列，其中所述至少一个接触区域被结合到所述衬底的支撑表面。
5.权利要求1的二维器件阵列，其中所述至少一个器件组件包括选自下列的一种或多种材料:金属、半导体、绝缘体、压电材料、铁电材料、磁致伸缩材料、电致伸缩材料、超导体、铁磁材料和热电材料。
6.权利要求1的二维器件阵列，其中所述至少一个器件组件是电子器件、光学器件、光电器件、机械器件、微机电器件、纳米机电器件、微流控器件和热器件。
7.权利要求6的二维器件阵列，其中所述至少两个可拉伸互连是可调的器件组件，所述可调的器件组件中的每个器件组件具有随着由所述至少两个弯曲结构区域提供的所述中央部分的应变的程度而选择性地变化的至少电特性、光特性或机械特性。
8.权利要求1的二维器件阵列，其中所述至少两个可拉伸互连中的至少一个互连是多个可拉伸互连，其中所述多个可拉伸互连具有桥接结构，所述桥接结构包括与所述支撑表面物理接触的中央区域和从该中央区域延伸的、所述多个可拉伸互连中的三个或更多个互连。
9.权利要求1的二维器件阵列，其中所述至少两个可拉伸互连中的每个互连还包括一个或多个触垫，所述一个或多个触垫与所述第一端、所述第二端或所述第一端和第二端两者电接触。
10.权利要求9的二维器件阵列，其中所述至少一个器件组件与所述一个或多个触垫电接触。
11.权利要求1的二维器件阵列，其中所述至少两个可拉伸互连中的每个互连具有螺旋构造、皱纹构造、翘棱构造和/或波状结构。
12.权利要求1的二维器件阵列，其中所述至少两个弯曲结构区域中的每个弯曲结构区域包括折叠区域、凸起区域、凹进区域或其任意组合。
13.权利要求1的二维器件阵列，其中所述柔性衬底包括弹性体材料。
14.权利要求1的二维器件阵列，其中所述至少一个器件组件是多个器件组件，并且其中所述至少两个可拉伸互连是多个可拉伸互连。
15.权利要求14的二维器件阵列，其中所述器件阵列具有栅格结构、花状结构、桥形结构或其任意组合。
16.权利要求14的二维器件阵列，其中所述多个器件组件中的一个或多个器件组件通过所述多个可拉伸互连连接到相邻的器件组件。
17.权利要求16的二维器件阵列，其中所述多个可拉伸互连中的至少一个互连沿与所述多个可拉伸互连中的另一个互连不同的方向取向。
18.权利要求14的二维器件阵列，其中所述器件阵列的至少一部分包括所述多个可拉伸互连中沿一个方向对齐的相互平行的两个或更多个互连或所述多个可拉伸互连中沿两个或更多个不同方向取向的两个或更多个互连。
19.权利要求14的二维器件阵列，其中所述器件阵列包括两个或更多个器件层，并且其中每个器件层包括多个所述器件组件和多个所述可拉伸互连。
20.权利要求14的二维器件阵列，其中所述柔性衬底的支撑表面的至少一部分是曲面的、凹面的、凸面的或半球面的。
21.权利要求14的二维器件阵 列，其中所述器件阵列包括以下中的一个或多个:光电探测器、光电二极管阵列、显示器、发光器件、光电器件、传感器阵列、片扫描仪、LED显示屏、半导体激光器阵列、光学成像系统、大面积电子器件、晶体管阵列、逻辑门阵列、微处理器、集成电路或其任意组合。
全文摘要
本发明提供二维器件阵列。在一方面，本发明提供了可拉伸的且可选地为可印刷的组件，例如半导体或电子元件，其能够在拉伸、压缩、弯曲或变形时提供良好性能，以及制造或调节这样的可拉伸组件的相关方法。为某些应用而优选的可拉伸的半导体和电子电路为柔性，此外也是可拉伸的，且因此能够显著地沿着一个或更多个轴线延长、挠曲、弯曲或其他变形。此外，本发明的可拉伸的半导体和电子电路适于范围宽泛的器件结构，以提供完全柔性的电子和光电子器件。
文档编号B81B3/00GK103213935SQ20131007584
公开日2013年7月24日 申请日期2007年9月6日 优先权日2006年9月6日
发明者J·A·罗杰斯, M·梅尔特, 孙玉刚, 高興助, A·卡尔森, W·M·崔, M·斯托伊克维奇, H·江, Y·黄, R·G·诺奥, 李建宰, 姜晟俊, 朱正涛, E·梅纳德, 安钟贤, H-S·金, 姜达荣 申请人:伊利诺伊大学评议会