CN106183382A - 一种基于可热降解柔性印章的薄膜转印装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于柔性电子制备技术领域，具体为一种基于可热降解柔性印章的薄膜转印装置与方法。本发明的薄膜转印装置，包括：伺服电机平台系统、衬底微调系统、印章装载系统、旋涂系统和加热板；利用上述装置，将加载在加热板上的聚α‑甲基苯乙烯聚合物作为转移印章，通过全局加热致聚合物热降解，使柔性印章上的薄膜或器件功能层以一种简易、可控的方式剥落至目标衬底，从而将功能单元选择性地转印到目标衬底上。本发明适用于自动化控制的大规模无机柔性可延展电子器件的制备。
Description
技术领域
本发明属于柔性电子制备技术领域，具体涉及一种基于可热降解柔性印章的薄膜转印装置与方法。
背景技术
基于无机半导体薄膜的电子集成器件具有性能好、可靠性高等特点，在推动信息技术的发展中起着关键性作用，是现代信息系统重要的组成部分，对于柔性电子器件有着重要意义。对于柔性电子器件的制备，采用转移印刷方法将功能单元从传统的刚性衬底转移到柔性衬底，并通过结构设计等方法实现可延展。关键是通过转移的手段将目标器件从源衬底上剥离，并印刷到目标衬底。该技术也被称为转印技术，且理论上可以定位到目标衬底的任意位置。目前，国际上通常采用PDMS聚合物印章对源衬底上功能层进行转移，进一步通过谨慎的速度控制，向目标衬底进行薄膜或器件的进一步印刷。整个转印过程需要对揭起的速度进行严格的控制，这个方法可视作低成本高效无污染的绿色方法。然而，这个机械过程的转移对于源衬底/目标衬底的表面要求严格平整，无污染，且拥有特定值的表面粘附力等要求，有一定的局限性。同时，如何精确、高效和可控地将功能单元从生长衬底完整转印到柔性衬底，是可延展柔性无机电子制备面临的一个难题。因此，一种利用可热降解的聚合物印章替代传统机械移动的聚合物印章，同时将其装配在可重复动作的精确调控的转印设备上显得尤有重要。
聚α-甲基苯乙烯聚合物（PAMS）是一种新型的功能高分子聚合物，受热到一定温度后可迅速热降解，并且其表面具有一定的粘附性。因此，可以替代传统转印技术的PDMS印章，实现更可控的薄膜的转移和剥落。
此外，将源衬底、柔性印章、目标衬底继承装配在三轴位移平台，能够实现薄膜或器件的精确转印，为柔性电子技术的进一步发展提供强有力的技术支撑。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于可热降解柔性印章的薄膜转印装置与方法。
本发明提供的基于可热降解柔性印章的薄膜转印方法，是将加载在Z轴加热板的聚α-甲基苯乙烯聚合物作为转移印章，通过全局加热致聚合物热降解，使柔性印章上的薄膜或器件功能层以一种简易、可控的方式剥落至目标衬底。过程中，利用固化聚α-甲基苯乙烯聚合物表面粘附力作用使薄膜或器件能够从源衬底转移并附着于聚α-甲基苯乙烯聚合物表面，之后通过水平XY平台将印章对准目标衬底的位置，轻微施加Z轴压力使两者之间形成力学接触，利用加热使得聚α-甲基苯乙烯聚合物印章迅速热降解，从而使器件附着在目标衬底上，实现将功能单元选择性地转印到目标衬底上。
本发明提供的基于可热降解柔性印章的薄膜转印装置，包括：伺服电机平台系统、衬底微调系统、印章装载系统、旋涂系统和加热板；其中：
所述加热板感应加热，用于承载聚合物柔性印章，通过控制线圈的通电电流大小实现对于印章的热传导使聚合物印章受热降解；
所述伺服电机平台系统，包括X-Y伺服电机平台和Z轴运动平台；其中，X-Y伺服电机平台在伺服电机控制下沿X-Y轨道在水平方向运动，用于控制源衬底/目标衬底的水平位置，以微米的步长在水平面移动到Z轴运动平台下方，使源衬底/目标衬底水平定位至印章装载系统的下方；Z轴运动平台伺服电机控制下沿Z轴轨道在垂直方向运动，用于控制印章在源衬底/目标衬底的上下作直线运动，实现剥离/刷印操作；
所述衬底微调系统，主要由装有真空吸附孔的两个旋转平台组成，装载于X-Y伺服电机平台，用于吸附并旋转源衬底/目标衬底，使源衬底/目标衬底在旋转维度上准确定位；系统中所有衬底、器件的转移和印刷过程均在X-Y平台的衬底微调系统上完成；Z轴运动平台从源衬底旋转平台转移器件之后，通过X-Y平台的水平运动使吸附于目标衬底旋转平台的目标衬底位于Z轴下方，进行印刷过程。整个系统通过真空导管使衬底吸附在橡胶圈上。衬底装载系统的橡胶圈与Z轴轨道印章装载系统的吸盘把衬底和印章相互接触之后由于橡胶的微型形变可以使印章盒衬底有更好的接触，避免“硬接触”产生的器件断裂等问题。
所述印章装载系统，为具有真空吸附孔的平台，加载于Z轴的平台的前端，用于吸附加热板以及聚合物柔性印章；
所述旋涂系统，由真空吸附管以及可调节转速的转子组成，装载于X-Y平台的最末端。通过真空吸附孔吸附加热板，滴入聚合物印章，调节转子转速至一定值获得一定厚度的印章；之后倒置吸附于Z轴运动平台的印章装载系统。
以上四大部分为机械系统，保证达到2微米的水平步长后，即可进行转移印刷过程的材料制备。
聚合物柔性印章采用可热降解材料，其中，主要有聚α-甲基苯乙烯聚合物（PAMS）等；
基于上述薄膜转印装置的薄膜转印方法，具体步骤为：
（1）通过湿法腐蚀或干法刻蚀等半导体标准工艺去除原来为三明治结构源衬底中间层，使得处理后的源衬底顶层微电子器件与底部支撑层机械上没有键和力；
（2）通过旋涂系统，将PAMS聚合物溶液水平滴于加热板上，并旋涂，调节旋涂系统的转子转速至一定值，获得一定厚度的印章；室温固化后形成50微米至3毫米柔性印章；柔性印章连同加热板一起倒置吸附在Z轴运动平台前端的印章装载系统；Z轴运动平台以一定速率向上运动，由于Z轴前端的真空吸附力以及柔性印章的粘附力，使被去除中间层的源衬底的顶层微电子器件转移脱离源衬底至印章；同时，通过控制X-Y平台的运动，使放置目标衬底的转动平台置于Z轴运动平台下方，调节转动平台的X-Y平台位置以及转动平台的转动角度，校准微电子器件相对于目标衬底的位置；
（3）控制Z轴运动平台向下缓慢运动，保持印章与微电子衬底轻微接触，然后通过加热板对印章进行加热，控制加热开关至300℃，使加热板升温至聚合物柔性印章的热降解温度，印章在该温度下发生热降解反应，需要转移的器件失去了印章粘附，从而剥落至目标衬底，实现薄膜或器件的转印制备；
使聚合物印章受热降解，此时原本吸附于印章上的微电子器件脱离印章以及加热板，剥落并固定在目标衬底上；
驱动加热板回复至旋涂系统，重复上述步骤，实现功能性薄膜或器件层转移印刷制备的流水线操作。
本发明中，所述的衬底上的微电子器件（薄膜）需要做前期的处理，使得微电子器件与源衬底之间以微弱的范德瓦尔斯力相互接触，处理的方法可采用选择性腐蚀/刻蚀牺牲层。所述的目标衬底采用刚性衬底或柔性衬底。
本发明中，所述的X-Y平台及轨道均放置在一光学平台底座上；所述的衬底微调系统水平放置于X-Y轨道上。所述的Z轴轨道的重力负载均在龙门架上；印章装载系统固定在Z轴轨道上随动。Z轴轨道的运动速率可自由调节。龙门架选择厚铝合金。300 mm至800mm龙门架，选用7075航空铝合金制作底座以及龙门架。
本发明中，所述印章装载系统为真空吸附模式，用以吸附加热板以及印章。
本发明中，聚合物柔性印章除了可采用热致降解材料外，还可以采用其他类型可降解聚合物，如光致降解、电致降解聚合物等。
本发明中，所述源衬底为具有三明治结构的材料，包括底层支撑层（衬底），中间层牺牲层（主要为可选择性腐蚀/刻蚀的氧化物、化合物层），顶层薄膜（功能层/器件层，该专利中所要转移的）。
本发明中，源衬底可经过标准硅基CMOS工艺进行加工，得到功能性薄膜或器件层，并通过干法刻蚀或者湿法腐蚀得到独立的功能层。
本发明具有以下优点及突出性的技术效果：利用水平X-Y平台和竖直Z平台机械系统，实现薄膜或者器件精确的转移和印刷；利用PAMS热降解特性，能够更为可控地将微电子功能薄膜或者器件选择性地转印到目标衬底上，特别适用于无机柔性可延展电子器件的大规模制备。
附图说明
图1为本发明所述方法的工艺流程图；其中， (a) 是在平整金属加热板上制备使表面有一定粘附性的PAMS聚合物印章；(b) 是柔性印章在Z轴载物平台的作用下，与源衬底的微电子器件接触，之后Z轴抬离使得微电子器件粘附于印章上；(c) 是附有功能性薄膜或器件的柔性印章在Z轴载物平台的作用下，与目标衬底接触；(d) 通过加热板加热印章，使印章聚合物热降解，功能性薄膜或器件剥落至目标衬底。
图2为本发明所设计的仪器平台以及轨道的45度视角图，包含铝合金龙门架底座，X-Y平台以及Z轴轨道。
图3是仪器平台以及轨道的左视图。
图4是印章装载系统45度视角图，该系统装载于Z轴轨道，通过开通的双独立真空吸附孔吸附加热板以及印章。
图5为印章装载系统吸附加热板以及印章的前视图。
图6 为衬底装载系统的左视图，加载于X-Y轨道的转动平台上，通过真空吸附孔将源衬底/目标衬底吸附于橡胶圈上。
图7 为包含印章系统、源/目标衬底装载系统以及旋涂系统的转移印刷流程图。印章从旋涂系统制备完毕后倒置加载于印章吸附系统，分别从源衬底装载系统和目标衬底装载系统完成剥离和热释放印刷动作后，从旋涂系统加载固化后的印章和加热板回到原始位置重复下一步转印动作。
图8为本发明所设计的案例图。
图中标号：1-加热板，2-聚合物印章，3-用于转移印刷的功能性薄膜或器件，4-源衬底，5-目标衬底。6-底座以及龙门架，7- X-Y轨道平台，8- Z轴轨道，9- 印章装载系统，10-衬底微调系统，11-旋涂系统。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。
图1为本发明所述方法的工艺流程图，该方法包括以下步骤：
（1）在金属加热板上制备印章：把平整的金属加热板1吸附于旋涂系统11，通过旋涂系统11在加热板上旋涂PAMS聚合物，并使其在室温下固化，形成数微米至数百微米的PAMS聚合物印章2；将加热板1以及印章2倒置吸附于印章装载系统9；
（2）将源衬底4吸附于X-Y平台7的衬底装载系统10上，并置于印章2下方，控制Z轴轨道8向下缓慢移动至拥有功能性薄膜或器件3的源衬底4，并形成紧密接触；
（3）将Z轴轨道8向上迅速抬离，由于印章2表面的粘附作用，功能性薄膜或器件3将被转移至柔性印章2；
（4）将目标衬底5吸附于X-Y平台7的衬底装载系统10上并置于粘附着功能性薄膜或器件3的印章2下方，控制Z轴轨道8使粘附着功能性薄膜或器件3的印章2向下缓慢移动，直至与目标衬底5形成紧密接触；
（5）控制加热板开关使加热板迅速升温，直至聚合物印章的降解温度（~300 ℃），柔性印章2在该温度下发生热降解反应，功能性薄膜或器件3由于失去了印章粘附，从而剥落并被印刷至目标衬底5。驱动加热板回到旋涂装置11位置，重复下一轮转移印刷过程。
图2-图7为本发明所设计的仪器图，该组成包括以下内容：
（1）Z轴轨道8上的印章装载系统9为真空吸附模式，用以吸附加热板以及印章；衬底微调系统10安装在X-Y轨道平台7上，亦采用真空吸附模式实现源衬底或者目标衬底的吸附固定；
（2）衬底微调系统10的橡胶圈与Z轴轨道印章装载系统9把衬底和印章相互接触之后，由于橡胶的微型形变可以使印章和衬底有更好的接触，系统能自动处于势能低的状态；
（3）旋涂系统11由真空吸附管以及可调节转速的转子组成。通过真空吸附孔吸附加热板，滴入聚合物印章，调节转子转速至一定值获得一定厚度的印章。
图8为本发明所设计的案例图，通过机械系统、加热系统，成功将选择性腐蚀过后的硅薄膜12转移至柔性PET衬底，大面积实现微电子器件沟道层的柔性衬底转移印刷过程，取得了较高的成功率。并且之后的源漏电极槽13的光刻过程从侧面印证了该方法转移的硅薄膜能够与PET柔性衬底有较好的键和。
Claims (4)
1.一种基于可热降解柔性印章的薄膜转印装置，其特征在于，包括：伺服电机平台系统、衬底微调系统、印章装载系统、旋涂系统和加热板；其中：
所述加热板采用感应加热方式，用于承载聚合物柔性印章并且通过控制线圈的通电电流大小实现对于印章的热传导使聚合物印章受热降解；
所述伺服电机平台系统，包括X-Y伺服电机平台和Z轴运动平台；其中，X-Y伺服电机平台在伺服电机控制下沿X-Y轨道在水平方向运动，用于控制源衬底/目标衬底的水平位置，以微米的步长在水平面移动到Z轴运动平台下方，使源衬底/目标衬底水平定位至印章装载系统的下方；Z轴运动平台伺服电机控制下沿Z轴轨道在垂直方向运动，用于控制印章在源衬底/目标衬底的上下作直线运动，实现剥离/刷印操作；
所述衬底微调系统，主要由装有真空吸附孔的两个旋转平台组成，装载于X-Y伺服电机平台，用于吸附并旋转源衬底/目标衬底，使源衬底/目标衬底在旋转维度上准确定位； Z轴运动平台从源衬底旋转平台转移器件之后，通过X-Y平台的水平运动使吸附于目标衬底旋转平台的目标衬底位于Z轴下方，进行印刷过程；
所述印章装载系统，为具有真空吸附孔的平台，加载于Z轴的平台的前端，用于吸附加热板以及聚合物柔性印章；
所述旋涂系统，由真空吸附管以及可调节转速的转子组成，装载于X-Y平台的最末端；旋涂系统通过真空吸附孔吸附加热板，并滴入聚合物印章，调节转子转速，获得一定厚度的印章；之后倒置吸附于Z轴运动平台的印章装载系统。
2.根据权利要求1所述的薄膜转印装置，其特征在于，所述的X-Y平台及轨道均放置在一光学平台底座上；所述的衬底微调系统水平放置于X-Y轨道上；所述的Z轴轨道的重力负载均在一龙门架上；印章装载系统固定在Z轴轨道上随动；Z轴轨道的运动速率可自由调节。
3.一种基于权利要求1所述的薄膜转印装置的薄膜转印方法，其特征在于，具体步骤为：
（1）通过湿法腐蚀或干法刻蚀半导体标准工艺去除原来为三明治结构源衬底中间层，使得处理后的源衬底顶层微电子器件与底部支撑层机械上没有键和力；
（2）通过旋涂系统，将PAMS聚合物溶液水平滴于加热板上，并旋涂，调节旋涂系统的转子转速至一定值，获得一定厚度的印章；室温固化后形成50微米至3毫米柔性印章；柔性印章连同加热板一起倒置吸附在Z轴运动平台前端的印章装载系统；Z轴运动平台以一定速率向上运动，由于Z轴前端的真空吸附力以及柔性印章的粘附力，使被去除中间层的源衬底的顶层微电子器件转移脱离源衬底至印章；同时，通过控制X-Y平台的运动，使放置目标衬底的转动平台置于Z轴运动平台下方，调节转动平台的X-Y平台位置以及转动平台的转动角度，校准微电子器件相对于目标衬底的位置；
（3）控制Z轴运动平台向下缓慢运动，保持印章与微电子衬底轻微接触，然后通过加热板对印章进行加热，控制加热开关至300℃，使加热板升温至聚合物柔性印章的热降解温度，印章在该温度下发生热降解反应，需要转移的器件失去了印章粘附，从而剥落至目标衬底，实现薄膜或器件的转印制备；
使聚合物印章受热降解，此时原本吸附于印章上的微电子器件脱离印章以及加热板，剥落并固定在目标衬底上。
4.根据权利要求3所述的薄膜转印方法，其特征在于，所述源衬底为具有三明治结构的材料，包括底层支撑层、中间层牺牲层和顶层薄膜；其中，中间层牺牲层主要为可选择性腐蚀/刻蚀的氧化物层或化合物层；顶层薄膜为该专利中所要转移的功能层/器件层。
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