制造半导体基光学系统的方法

制造半导体基光学系统的方法
【专利说明】制造半导体基光学系统的方法
[0001] 本申请是于2011年3月24日提交的国家申请号为201110076041.5、标题为"通 过基于印刷的组装制造的光学系统"的分案专利申请的分案申请。该分案专利申请是国际 申请日为2007年10月31日、国家申请号为200780049982. 1、标题为"通过基于印刷的组 装制造的光学系统"的专利申请的分案申请。
[0002] 相关申请的交叉引用
[0003] 本申请要求2007年1月17日提交的美国临时专利申请60/885,306和2007年6 月18日提交的美国临时专利申请60/944, 611的优先权，该两个文献均通过引用整体纳入 本文，只要不与本文的公开内容冲突。
[0004] 关于联邦政府资助的研究或开发的声明
[0005] 本发明至少部分地在美国政府的支持下、由美国能源部提供的 DEFG02-91-ER45439下做出。美国政府对本发明拥有某些权利。
【背景技术】
[0006] 自从1994年首次展示印刷的、全聚合物晶体管W来，人们对开发包含塑料衬底上 的柔性集成电子器件的新一类电子系统产生了巨大兴趣。[Gamier, F.，化jlaoui, R.，化S sar, A.和 Srivastava, P. , Science, Vol. 265,第 1684 - 1686 页]最近十年来，针对开发用 于柔性聚合物基电子器件的用于导体、电介质和半导体元件的新的溶液可处理材料，已进 行了大量的研究。柔性电子器件领域的进步不仅被新的溶液可处理材料的发展所驱动，而 且被新的器件几何形态、高分辨率技术、大衬底面积的密集布线图案制作和与塑料衬底兼 容的高产量处理策略所驱动。预计，新材料、器件配置和制造方法的持续发展将在新一类柔 性集成电子器件、系统和电路的迅速涌现中扮演重要角色。
[0007] 对柔性电子器件领域的兴趣缘于该技术所能提供的几个重要优点。首先，塑料衬 底的机械耐用性提供了使电子器件不易遭受破坏和/或由机械应力导致的电子性能退化 的平台。其次，塑料衬底材料固有的柔性和可变形性允许该些材料W常规的脆性的娃基电 子器件不可能实现的有用的形状、形状因素和配置来集成。例如，在柔性的、可成形的和/ 或可弯曲的塑料衬底上进行器件制造具有该样的潜力；使一类使用既有的娃基技术是不可 行的具有革命性的功能能力的功能器件成为可能，诸如电子纸、可穿着计算机、大面积传感 器和高分辨率显示器等。最后，在柔性塑料衬底上进行电子器件组装具有该样的潜力：经 由能够在大衬底面积上组装电子器件的高速处理技术（诸如印刷等）来实现低成本商业实 施。
[0008] 尽管有相当大的动机来开发商业上可行的用于柔性电子器件的平台，但展现出良 好电子性能的柔性电子器件的设计和制造不断地提出了许多重大的技术挑战。首先，常规 的已充分开发的制造单晶娃基电子器件的方法与大多数塑料材料不兼容。例如，常规高品 质无机半导体构件，诸如单晶娃或错半导体，通常通过在大大超过大多数或全部塑料衬底 的烙点或分解温度的温度（>1000摄氏度）下生长薄膜来处理。另外，许多无机半导体并不 固有地可溶于能够实现基于溶液的处理和运输的便利溶剂中。其次，虽然已经开发了与低 温处理和到塑料衬底中的集成兼容的无定形娃、有机物或混合有机-无机半导体，但该些 材料没有展现出堪比常规单晶半导体基系统的电子特性。据此，由该些替代性半导体材料 制成的电子器件的性能低于高性能半导体器件领域的当前水平。该些局限的结果是，柔性 电子系统目前仅限于不要求高性能的特定应用，诸如用在一些具有非发射像素的有源矩阵 平板显示器的开关元件中，W及用在发光二极管中。
[0009] 宏电子学（macroelectronics)是一个迅速扩张的技术领域，其引发了对开发商 业上可行的柔性电子系统和处理策略的浓厚兴趣。宏电子学领域涉及其中微电子器件和器 件阵列被分配和集成在显著超过常规半导体晶片物理尺寸的大面积衬底上的微电子系统。 许多宏电子产品已被成功地商业化，包括大面积宏电子平板显示器产品。该些显示系统大 多数包含被图案化在刚性玻璃衬底上的无定形或多晶娃薄膜晶体管阵列。具有数百平方米 的衬底尺寸的宏电子显示器件已被实现。其他正在开发中的宏电子产品包括光生伏打器件 阵列、大面积传感器和RFID技术。
[0010] 尽管该领域有可观的进步，但仍一直希冀将柔性衬底和器件结构集成到宏电子系 统中，W赋予新的器件功能，诸如加强的耐用性、机械柔性和可弯曲性。为了解决该个需要， 当前人们致力于许多用于柔性宏电子系统的材料策略，包括有机半导体薄膜晶体管技术、 基于纳米线和纳米粒子的柔性电子器件、和有机/无机半导体混合技术。另外，当前人们对 开发用于实现宏电子系统的高产量和低成本生产的新的制造过程已进行了大量研究。
[0011] 均于2005年6月2日提交的美国专利11/145,574和11/145,542公开了 一种使 用可印刷半导体元件的高产量制造平台，用于通过多功能的、低成本和大面积的印刷技术 来制造电子器件、光电子器件和其他功能性电子组件。所公开的方法和构成，使用在大衬底 面积上提供良好的放置准确度、配准（registration)和图案保真度的干式转移接触印刷 和/或溶液印刷技术，提供了微尺寸和/或纳尺寸的半导体元件的转移、组装和/或集成。 所公开的方法提供了重要的处理优点，使得能够通过可W在与多种有用的衬底材料一包 括柔性塑料衬底一相兼容的相对低的温度（< 大约400摄氏度）下独立地实施的印刷技 术，将使用常规高温处理方法制造的高品质半导体材料集成在衬底上。当在弯曲和非弯曲 构造中，使用可印刷半导体材料制造的柔性薄膜晶体管展现出良好的电子性能特征，诸如 大于300cm 2V4s^i的器件场效应迁移率和大于10 3的开/关率（on/off ratio)。
[0012] 可从前述应意识到，需要一些制造大面积集成电子器件一包括宏电子系统一 的方法。特别地，需要一些具备高产量和低成本实施优势的制造该些系统的方法。此外，当 前需要该样的宏电子系统；其结合了良好的电子器件性能和诸如柔性、可成形性、可弯曲性 和/或可拉伸性等的加强的机械功能性。

【发明内容】

[0013] 本发明提供了 W下光学器件和系统，该光学器件和系统至少部分经由可印刷功能 性材料和/或半导体基器件及器件构件的基于印刷的组装和集成而制造。在具体实施方案 中，本发明提供了包含可印刷半导体元件的发光系统、聚光系统、感光系统和光伏系统，包 括大面积、高性能宏电子器件。本发明的光学系统包含该样的可印刷半导体，其含有经由印 刷技术与其他器件构件组装、组织和/或集成的结构（例如，可印刷半导体元件），所述结构 展现出与使用常规高温处理方法制造的单晶半导体基器件相当的性能特性和功能。本发明 的光学系统具有通过提供了多种适用的器件功能的印刷而达成的器件几何形态和配置，诸 如形状因素、构件密度和构件位置。本发明的光学系统包括展现出多种适用的物理和机械 特性-包括柔性、可成形性、顺应性（conformability)和/或可拉伸性-的器件和器 件阵列。然而，除了被提供在柔性、可成形性和/或可拉伸性衬底上的器件和器件阵列外， 本发明的光学系统还包括被提供在常规刚性或半刚性衬底上的器件和器件阵列。
[0014] 本发明还提供了用于至少部分经由印刷技术一包括接触印刷一制造光学系 统的器件制造及处理步骤、方法和材料策略，例如使用顺应性转移器件诸如弹性转移器件 (例如，弹性体层或印模）。在具体实施方案中，本发明的方法提供了高产量、低成本的制造 平台，用于制造多种高性能光学系统，包括发光系统、聚光系统、感光系统和光伏系统。本方 法提供的处理与大面积衬底一诸如用于微电子器件、阵列和系统的器件衬底一兼容， 并适用于一些要求对分层的材料进行图案化一诸如对用于电子器件和电-光器件的可印 刷结构和/或薄膜层进行图案化一的制造应用。本发明的方法是对常规微制造和纳米制 造平台的补充，并且可W有效地集成到现有的光刻、蚀刻和薄膜沉积器件图案化策略、系统 和设施中。本器件制造方法提供了多个超越常规制造平台的优点，包括该样的能力；将非常 高品质的半导体材料一诸如单晶半导体和半导体基电子器件/器件构件一集成到被设 置在大面积衬底、聚合物器件衬底和具有波状外形构造的衬底上的光学系统中。
[0015] 在一方面，本发明提供了该样的处理方法；使用高品质体半导体晶片原始材料 (starting material)，其被处理W提供大产量的、具有预先选定的物理尺寸和形状的可印 刷半导体元件，该可印刷半导体元件可W随后经由印刷而被转移、组装和集成到光学系统 中。本发明的基于印刷的器件制造方法提供的一个优点是，可印刷半导体元件保留了高品 质体晶片原始材料的令人满意的电子特性、光学特性和组分（例如，迁移率、纯度和惨杂等 等），同时具有适用于目标应用一诸如柔性电子器件一的不同的机械特性（例如，柔 性、可拉伸性等等）。另外，基于印刷的组装和集成一例如经由接触印刷或溶液印刷一 的使用，与大面积一包括远超过体晶片原始材料的尺寸的面积一上的器件制造兼容。 本发明的该方面对于宏电子的应用特别有吸引力。此外，本半导体处理和器件组装方法提 供了用于制造可印刷半导体元件的整个原始半导体材料的实质上非常高效率的使用，该可 印刷半导体元件可W被组装和集成到许多器件或器件构件中。本发明的该方面是有利的， 因为在处理过程中高品质半导体晶片原始材料的浪费或废料非常少，由此提供了能够W低 成本制造光学系统的处理平台。
[0016] 在一方面，本发明提供了光学系统，其包含使用接触印刷来组装、组织和/或集成 的可印刷半导体元件一包括可印刷半导体基电子器件/器件构件。在该方面的一个实 施方案中，本发明提供了通过包含W下步骤的方法制成的半导体基光学系统，该方法包括 步骤：（i)提供具有接收表面的器件衬底；和（ii)经由接触印刷将一个或多个可印刷半导 体元件组装在衬底的接收表面上。在一个实施方案中，本发明该方面的光学系统包含经由 接触印刷被组装在衬底的接收表面上的半导体基器件或器件构件的阵列。在具体实施方 案中，该光学系统的每个可印刷半导体元件包含该样的半导体结构，该半导体结构具有选 自0.0001毫米至1000毫米范围的长度、选自0.0001毫米至1000毫米范围的宽度和选自 0. 00001毫米至3毫米范围的厚度。在该方面的一个实施方案中，可印刷半导体元件包含一 个或多个半导体器件，该一个或多个半导体器件选自：LED、太阳能电池、二极管、p-n结、光 伏系统、半导体基传感器、激光器、晶体管、和光电二极管，并且其具有选自0.0001毫米至 1000毫米范围的长度、选自0. 0001毫米至1000毫米范围的宽度、和选自0. 00001毫米至3 毫米范围的厚度。在一个实施方案中，可印刷半导体元件包含该样的半导体结构，该半导体 结构具有选自0. 02毫米至30毫米范围的长度和选自0. 02毫米至30毫米范围的宽度，对 于某些应用优选地具有选自0. 1毫米至1毫米范围的长度和选自0. 1毫米至1毫米范围的 宽度，对于某些应用优选地具有选自1毫米至10毫米范围的长度和选自1毫米至10毫米 范围的宽度。在一个实施方案中，可印刷半导体元件包含该样的半导体结构，该半导体结构 具有选自0. 0003毫米至0. 3毫米范围的厚度，对于某些应用优选地具有选自0. 002毫米至 0.02毫米范围的厚度。在一个实施方案中，可印刷半导体元件包含该样的半导体结构，该半 导体结构具有选自100纳米至1000微米范围的长度、选自100纳米至1000微米范围的宽 度和选自10纳米至1000微米范围的厚度。
[0017] 在一个实施方案中，可印刷半导体元件是电子器件或电子器件的构件。在一个实 施方案中，可印刷半导体元件选自；LED、激光器、太阳能电池、传感器、二极管、晶体管和光 电二极管。在一个实施方案中，可印刷半导体元件包含与至少一个附加结构集成的半导体 结构，所述附加结构选自：另一个半导体结构、介电结构、导电结构和光学结构。在一个实施 方案中，可印刷半导体元件包含与至少一个电子器件构件集成的半导体结构，所述电子器 件构件选自：电极、介电层、光学涂层、金属接触垫和半导体沟道。在一个实施方案中，该系 统还包含被设置为与至少一部分所述可印刷半导体元件电接触的导电格或网，其中该导电 格或网为所述系统提供了至少一个电极。
[0018] 该方面的适用于组装、组织和/或集成可印刷半导体元件的接触印刷方法包括干 式转移接触印刷、微接触或纳米接触印刷、微转移或纳米转移印刷W及自组装辅助印刷。使 用接触印刷在本光学系统中是有益的，因为它允许W选定的相对方向及位置来组装和集成 多个可印刷半导体。本发明中的接触印刷还使得能够有效地转移、组装和集成多种材料和 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 和导体。本发明的接触印刷方法可选地在相对于被预先图案化在器件衬底上的一个或多个 器件构件而预先选定的位置和空间方向上，提供了可印刷半导体元件的高精度配准的转移 和组装。接触印刷还与多种衬底类型兼容，所述衬底类型包括常规刚性或半刚性衬底一 诸如玻璃、陶瓷和金属，W及具有对于特定应用有吸引力的物理和机械特性的衬底--诸 如柔性衬底、可弯曲衬底、可成形衬底、顺应性衬底和/或可拉伸衬底。可印刷半导体结构 的接触印刷组装例如与低温处理（例如小于或等于298K)兼容。该个属性允许使用多种衬 底材料来实施本光学系统，所述衬底材料包括那些在高温下分解或退化的衬底材料诸如聚 合物和塑料衬底。器件元件的接触印刷转移、组装和集成是有益的，还因为它可W经由低成 本和高产量印刷技术和系统-诸如卷到卷（roU-to-roll)印刷和苯胺（flexographic) 印刷方法和系统一来实施。本发明包括该样的方法，其中使用顺应性转移器件来实施接 触印刷，该顺应性转移器件诸如是能够与可印刷半导体元件的外表面建立共形接触的弹性 转移器件。在适用于某些器件制造应用的实施方案中，使用弹性印模来实施接触印刷。
[0019] 在一个实施方案中，可印刷半导体的基于接触印刷的组装包含W下步骤；（i)提 供具有一个或多个接触表面的顺应性转移器件；（ii)在可印刷半导体元件的外表面和顺 应性转移器件的接触表面之间建立共形接触，其中共形接触将可印刷半导体元件结合到接 触表面；（iii)使被结合到该接触表面的可印刷半导体元件和器件衬底的接收表面接触； 和（iv)使得可印刷半导体元件与顺应性转移器件的接触表面分离，由此将可印刷半导体 元件组装在器件衬底的接收表面上。在某些实施方案中，使被结合到接触表面的可印刷半 导体元件和器件衬底的接收表面接触该个步骤包含，在具有可印刷半导体元件的转移器件 的接触表面和接收表面之间建立共形接触。在某些实施方案中，使得接触表面上的可印刷 半导体元件与被提供在接收表面上的粘合剂和/或平面化层接触，W促进在器件衬底上的 释放和组装。弹性转移器件一诸如包括PDMS印模和层的弹性体层或印模一的使用在 某些方法中是有用的一如果该些器件具有与可印刷半导体元件W及器件衬底和光学构 件的接收表面、外表面和内表面建立共形接触的能力。
[0020] 在该方面的实施方案中，可印刷半导体材料和可印刷半导体基电子器件/器件构 件的使用提供了集成多种高品质半导体材料的能力，该高品质半导体材料用于制造展现出 卓越器件性能和功能性的光学系统。适用的可印刷半导体元件包括得自高品质半导体晶 片源的半导体元件，包括单晶半导体、多晶半导体和惨杂半导体。在本发明的一个系统中， 可印刷半导体元件包含一元无机半导体结构。在本发明的一个系统中，可印刷半导体元件 包含单晶半导体材料。另外，可印刷半导体结构的使用提供了将包含半导体电子、光学和 光-电器件、器件构件和/或半导体异质结构（诸如经高温处理制成并随后经由印刷组装 在衬底上的混合材料）的可印刷结构集成的能力。在特定实施方案中，本发明的可印刷半 导体元件包含功能性电子器件或器件构件，诸如p-n结、半导体二极管、发光二极管、半导 体激光器（例如，垂直腔面发射激光器（VCS化)）、和/或光生伏打电池。
[0021] 在一个实施方案中，可印刷半导体元件被组装在所述器件衬底上，W使它们在所 述接收表面上生成多层结构。例如，在一个实施方案中，该多层结构包含机械堆叠的太阳能 电池。例如，在一个实施方案中，可印刷半导体元件是具有不同带隙的太阳能电池。
[0022] 本发明该方面的光学系统可W可选地包含多种附加器件元件，包括但不限于：光 学构件、介电结构、导电结构、粘合层或结构、连接结构、封装结构、平面化结构、电-光元件 和/或薄膜结构W及该些结构的阵列。例如，在一个实施方案中，本发明的光学系统进一 步包含一个或多个无源或有源光学构件，该无源或有源光学构件选自；聚集光学器件、会聚 光学器件、漫射光学器件、色散光学器件（dispersive optics)、光纤及其阵列、透镜及其阵 列、漫射器、反射器、布拉格反射器、波导（"光管"）和光学涂层（例如，反射涂层或抗反射 涂层）。在某些实施方案中，有源和/或无源光学构件在空间上与至少一个被提供在器件 衬底上的可印刷半导体元件对准。本发明该方面的光学系统可W可选地包含多种附加器件 构件，包含但不限于：电互连件、电极、绝缘体和电-光元件。除了通过各种