CN109916903A - 可延展柔性集成器件转印技术测试表征和转印自动化平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可延展柔性集成器件转印技术测试表征和转印自动化平台，包含通用系统和专用系统两大部分，其中通用系统包括位移与对准系统、监测系统和控制系统，专用系统包括印章和驱动系统；其中，位移与对准系统用来实现印章‑元件‑基底的对准；监测系统包括力学和光学监测系统，力学监测系统用于监测测试或转印过程中印章与元件间作用力；光学监测系统用于实时观测测试或转印过程；驱动系统用于向印章施加载荷以调控印章与元件之间的粘附作用；控制系统用于控制位移与对准系统、监测系统及驱动系统。该平台可完成转印印章粘附测试表征实验，兼具自动化转印功能。

Description

可延展柔性集成器件转印技术测试表征和转印自动化平台

技术领域

本发明涉及一种可延展柔性集成器件转移印刷技术测试表征系统和转印自动化平台，用于新型转印方法的开发、测试表征、优化和应用。

背景技术

可延展柔性集成器件技术是将有机或无机光/电子器件经过特殊力学结构设计后制作在柔性基底上，从而实现可延展柔性化的新兴光/电子集成器件技术。与传统的光/电子集成器件相比，可延展柔性集成器件以柔性基底代替传统的刚性基底，从而克服了传统电子器件固有的硬、脆等局限，能够承受拉伸、弯曲、扭转等各种复杂变形，在显示、能源、医疗健康、人机交互等领域具有广泛的应用前景，成为了学术界和工业界关注的焦点。由于柔性基底往往不能承受传统微纳加工工艺的加工环境(如高温条件、物理化学腐蚀等)，因此元件无法在柔性基底上直接生长和加工。为实现元件与柔性基底的集成，研究者发展了转移印刷技术(Transfer Printing)，将元件从其生长基底(或称施主基底，Donor)上拾取，然后印制到柔性基底(或受主基底，Receiver)上，来完成可延展柔性集成器件的制备。

转移印刷过程包括两个重要的步骤，即拾取(Pick-up)和印制(Printing)。拾取过程中，使用高聚物印章与制备在传统刚性基底(施主基底，如硅片，蓝宝石等)上的元件接触，依靠印章与元件之间的粘附力,把元件从施主基底上拾取起来；印制过程中，带元件的印章与高分子柔性衬底(受主基底)接触后，调节印章与元件的粘附使得印章/元件粘附小于印章/受主基底粘附，从而将元件印刷在受主基底上。转印的本质问题是如何调控印章/元件界面黏附的强弱转化。

根据界面调控黏附机理的不同，目前主要有以下几种转印技术。

1)动态可控转印技术。动态可控转印技术利用高聚物印章与元件界面粘附力的率相关特性，高速拾取，低速印刷。动态可控转印操作简单，但通过速度能调控的黏附范围有限，当元件与施主基底粘附较强时无法拾取，当元件与受主基底粘附较弱时无法印刷。

2)载荷增强转印技术。载荷增强转印技术使用表面具有矩形柱(Post)的印章，通过对印章施加剪切载荷来降低印刷时印章与元件间的粘附力，从而实现印刷。载荷增强转印技术需要对印章施加剪应变进行粘附力调控，这增加了转印过程的复杂性；此外，要达到较好的转印效果需要对印章施加较大的剪应变，这会造成元件的侧向滑动从而影响印刷时的元件的位置控制精度。

3)激光驱动转印技术。激光驱动转印技术采用脉冲激光加热印章/元件界面，依靠印章与元件之间的热失配脱粘，从而实现非接触的印刷。由于脱粘需要的界面温升较高(通常需要300度以上)，该技术会对印章和元件造成损坏。

现有的转印技术存在各自的缺陷，难以满足工业化应用的需求，因此，亟需开发新型的低成本、高效率、大规模、可编程、适用范围广的转移印刷方法，以推动可延展柔性集成器件的工业化应用进程。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种可延展柔性集成器件转印技术测试表征和转印自动化平台，用于新型转印方法的开发、测试表征、优化和应用。

本发明目的在于搭建可延展柔性集成器件转移印刷技术测试表征系统，通过力学与光学的监测，测试表征新型转印技术的性能，研究其内在机理以指导转印方法的优化；进一步地，在测试表征系统的基础上搭建自动转印平台，集成新开发的转印技术，实现自动化转印，完成高性能光电子集成器件的制备，推进转印技术的工业化实现。

可延展柔性集成器件转印测试表征和自动化平台包含通用系统和专用系统两大部分，其中通用系统包括位移与对准系统、监测系统和控制系统，专用系统包括印章和驱动系统；包括标准阻尼隔振光学平台和安装于该平台上的龙门架，在标准阻尼隔振光学平台上，安装有x轴、y轴高精密电动平移台用于转印时候的平面位置对准,在x轴、y轴高精密电动平移台上，从下至上依次安装有手动升降台、精密电动旋转台和二维倾斜台，在龙门架上安装有z轴高精密电动升降台；监测系统包括力学监测系统和光学监测系统，其中力学监测系统采用力传感器实现，监测并控制测试或转印过程中印章与元件之间的作用力；光学监测系统用于实时观测测试或转印过程，可以使用长焦距工业显微镜实现，可实时观测印章-元件-基底对准情况和界面变化；驱动系统用于向印章施加载荷以调控印章与元件之间的粘附作用；所述的驱动系统其驱动形式与印章设计相关，如使用磁控印章，则可以使用能提供局域磁场的电磁铁；如使用热控印章，则可以使用可局部加热的激光器；控制系统用于控制位移与对准系统、监测系统及驱动系统，可基于LabView开发，实现力学信号、位移信号和光学图像/录像的通信、同步与控制。

优选地，所述的位移与对准系统，其x轴、y轴高精密电动平移台位移精度小于5um，用于转印时候的平面位置对准；z轴高精密电动升降台位移精度小于3um，可采用闭环控制，便于印章-元件间距的精确控制以及用于印章与元件之间粘附的精确测试。

所述的位移与对准系统中二维倾斜台和精密电动旋转台可实现印章与基底的平行对准。

所述的位移与对准系统中采用固有频率小于7～18Hz的标准阻尼隔振光学平台和龙门架来安装位移平台，可最大限度地降低测试或转印过程中的振动。

所述的光学监测系统可以包括工业相机、显微镜、万象支架，万象支架固定于标准阻尼隔振光学平台上，工业相机与显微镜安装于万象支架上。当驱动系统为激光器时，所述的光学监测系统还包括观测光路，观测光路通过一块二向色镜实现，二向色镜与入射激光呈45°设置，用于同时实现激光载荷的施加与显微观测的功能。

为了能清楚观测测试或转印的实际情况，优选地，光学显微镜分辨率应小于1um，总体放大倍数不小于100倍；为了跟踪测试或转印时界面的变化，优选地，配套的工业相机频率大于50HZ。

所述的力学监测系统，主要由力传感器实现。为了监测测试或转印过程中力学信号的变化，优选地，力传感器的分辨率应小于1mN，采样频率高于500HZ，以用于测试或转印过程中微小作用力的监测与表征，实现力信号与位移信号的精确交互控制。

本发明的平台用于测试表征时，可进行拉开实验与剥离实验；

拉开实验适用于块体状印章样品与压头的粘附测试，测试时，将压头固定于z轴高精密电动升降台，力传感器与压头相连，块体状印章样品固定于二维倾斜台上；控制压头压入样品后形成样品/压头界面再拔出压头，并实时记录作用力，拉开界面所需要的作用力除以界面面积即可得到界面粘附强度；

剥离实验适用于条带状印章样品与测试基底的粘附测试，测试前，首先测试基底固定在二维倾斜台上，将样品贴在测试基底表面，样品一端夹持在z轴高精密电动升降台的夹具上，夹具与力传感器相连，夹持部分与测试基底保持90度；测试时，z轴高精密电动升降台以固定速度带动夹具剥离样品，y轴高精密电动平移台以同样速度沿着剥离方向移动，保证剥离部分和测试基底保持90度夹角，记录剥离过程中作用力的大小，得到稳定剥离阶段拉力值，该拉力除以条带状印章样品的宽度便得到了样品与测试基底之间的能量释放率。

此外，本发明的平台还可用于自动化转印过程，将力传感器安装于二维倾斜台上，在力传感器上固定基底；将印章通过夹具固定于z轴高精密电动升降台上，通过控制系统控制位移与对准系统的运动，并通过驱动系统在印章上特定的位置施加驱动载荷，调节印章粘附变化实现印刷。

本发明的有益效果是：

本发明通过将测试表征模块与自动化转印技术集成于同一平台，可用于新型转印技术的研发与应用，具有低成本、高效率、大规模、可编程、适用范围广等优点，有利于推动可延展柔性集成器件的工业化应用进程。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1是本发明中的可延展柔性集成器件转移印刷技术测试表征和转印自动化平台的系统构成框图。

图2是本发明中的可延展柔性集成器件转移印刷技术测试表征和转印自动化平台整体结构示意图。

图3是本发明中的可延展柔性集成器件转移印刷技术测试表征和转印自动化平台的剥离实验示意图。

图4是本发明中的可延展柔性集成器件转移印刷技术测试表征和转印自动化平台对热释放胶带进行剥离实验测试粘附的实施例结果展示图。

图5是本发明中的可延展柔性集成器件转移印刷技术测试表征和转印自动化平台的拉开实验示意图。

图6是本发明中的可延展柔性集成器件转移印刷技术测试表征和转印自动化平台对形状记忆聚合物印章进行拉开实验测试其粘附的实施例结果展示图。

图7是本发明中的可延展柔性集成器件转移印刷技术测试表征和转印自动化平台的监测系统的光路设计示意图。

图8是本发明可延展柔性集成器件转移印刷技术测试表征和转印自动化平台的实物展示图。

图9所示为本发明中的可延展柔性集成器件转移印刷技术测试表征和转印自动化平台集成热释放胶带印章实现选择性转印的实施例的原理示意图(a)、程序流程图(b)。

图10所示为本发明中的可延展柔性集成器件转移印刷技术测试表征和转印自动化平台集成热释放胶带印章实现选择性转印的实施例的光学监测作用展示图(a)以及结果展示图(b)。

图11所示为本发明可延展柔性集成器件转移印刷技术测试表征和转印自动化平台集成形状记忆聚合物印章实现选择性转印的实施例结果展示图。

图中：1.龙门架 2.激光器光纤 3.激光器驱动开关 4.z轴高精密电动升降台 5.工业相机 6.显微镜 7.印章夹具 8.精密电动旋转台 9.x轴高精密电动平移台 10.y轴高精密电动平移台 11.激光器系统 12.力传感器 13.二维倾斜台 14.手动升降台 15.万象支架 16.标准阻尼隔振光学平台 17.激光器 18.笼式外框 19.二向色镜 20.热释放胶带21.待转印元件 22.受主基底。

具体实施方式

图1为本平台系统构成图，本平台系统主要分为通用部分和专用部分，其中通用部分分为位移与对准系统、监测系统和控制系统，专用部分分为印章和驱动系统。

作为一个实施例，但并不限制本发明范围，图2展示的是本平台的整体结构示意图，其中，位移与对准系统中采用了高精度电动平移台，其中X轴直线位移平台9和Y轴10直线位移平台位移精度小于5um，用于转印时候的横向位置对准；Z轴直线位移平台4位移精度小于3um，并具有光栅尺实现闭环控制，便于印章-元件间距的精确控制以及用于印章与元件之间粘附的精确测试；二维倾斜台13和旋转台8实现印章与基底的平行对准。同时，本发明采用标准阻尼隔振光学平台16和龙门架1来安装位移平台，最大限度地降低了转移过程中的振动。光学监测系统采用显微镜6与工业相机5实现，力学监测系统部分采用了台湾一诺Z2-DPU系列高精度推拉力计，其分辨率1mN，采样频率1000HZ，量程5N，可用于转印过程中的微小作用力进行监测与表征，以实现力信号与位移信号的精确交互控制。驱动系统部分采用了中心波长808nm，时间控制精度小于1ms，激光光斑小于400um的激光器11。

作为一个实施例，但并不限制本发明范围，图3所示为平台的剥离实验模块实现的胶带粘附力测试表征实验示意图。将测试基底固定在二维倾斜台上，样品贴在测试基底表面，样品一端夹持在z轴高精密电动升降台的夹具上，夹具与力传感器相连，在90度剥离过程中，实时监测拉力大小，得到稳定剥离阶段拉力值，该拉力除以胶带的宽度便得到了样品与基底之间的能量释放率(界面粘附的一种表征指标)。在剥离实验过程中，为了保证胶带始终以90度竖直向上剥离，需要在z轴向上抬升的同时，y轴(胶带粘贴方向)也要以相同速度前进/后退。

作为一个实施例，但并不限制本发明范围，图4所示为剥离实验模块的实际操作图与测试结果图。图4(b)所示为热释放胶带90度剥离实验的力-位移曲线，图4(c)所示为能量释放率-温度关系图。

作为一个实施例，但并不限制本发明范围,图5所示为利用LED芯片做了压头(1mm×1mm×150um)，以测量形状记忆聚合物块体(shape memory polymer，SMP，样品尺寸：10mm×10mm×2mm)与LED芯片底面之间的粘附强度。将LED芯片固定在金属探针上(金属探针安装于z轴高精密电动升降台)作为测量探头，并连接到力传感器上；SMP放在热板上；热板底部的二维倾斜台及旋转台可以实现SMP样品和LED压头的平行对准。测试步骤为：1、将SMP加热到预定温度，调整倾斜台使LED与SMP表面对准；2、下降升降轴，施加一定的预载荷，并保持一定时间，使LED与SMP表面充分接触形成界面；3、抬升升降轴，拉开SMP/LED芯片界面。该过程中测得的拉力最大值即为粘附力值。具体实验时，调节热板温度为60℃，保持时间为30s，下压和上拉的速率均为2um/s.

作为一个实施例，但并不限制本发明范围,图6(a)展示了100mN预载荷下测得的典型时间-载荷曲线。实验测量了不同预载荷下的粘附力值，得到了LED与SMP充分粘附所需的预载荷，以及LED与SMP表面之间的最大粘附力。图6(b)所示为预载荷-粘附力结果图，结果表明当预载荷达到100mN时，SMP与LED芯片充分接触，粘附力达到最大值，约为30mN。

作为一个实施例，但并不限制本发明范围,图7所示为本发明提出的可延展柔性集成器件转移印刷技术测试表征和转印自动化平台中光学监测系统的光路示意图，本发明采用光学显微镜6分辨率小于1um，最大视场范围直径为2.5mm，最大放大倍数为100倍，配套的工业相机5频率60HZ，使用光学支架安装，便于观测位置变换。在物镜的选择上，光学显微镜配套有两副物镜，一副为两倍放大物镜，工作距离为82mm，该物镜视场大，便于对象寻找与对准；一副为5倍放大物镜，工作距离为35mm，该物镜放大倍数大，分辨率高，便于进行精细观测。所采用的激光器能够发射波长为808nm的激光，并利用二向色镜19(对808nm光波的反射率达到95％，并能直接透过可见光)实现了在施加激光载荷的同时又能进行观测的功能。

作为一个实施例，但并不限制本发明范围,图8所示为本发明提出的可延展柔性集成器件转移印刷技术测试表征和转印自动化平台的实物图。

作为一个实施例，但并不限制本发明范围,图9所示为本发明提出的自动化转印技术实现示意图(a)、程序流程图(b)。该实施例基于热释放胶带，通过位移平台与激光脉冲之间的信号通讯与交互控制，实现薄膜结构元件的高速高分辨率的选择性转印。

作为一个实施例，但并不限制本发明范围,图10所示为本发明提出的自动化转印技术光学监测作用展示图(a)以及转印结果图(b),光学监测显示，受到激光加热后的元件与未受激光加热后的元件在显微镜下显示出不同的特征，较为容易分辨。转印结果为微型硅片阵列的“ZJU”图案化转印。

作为一个实施例，但并不限制本发明范围,图11为通过本发明集成形状记忆聚合物转印技术实现的Micro-LED图案化转印并点亮的实例，从元件功能性曲线可看出，转印对元件并没有损害。

Claims (7)

1.一种可延展柔性集成器件转印技术测试表征和转印自动化平台，其特征在于，包含通用系统和专用系统两大部分，其中通用系统包括位移与对准系统、监测系统和控制系统，专用系统包括印章和驱动系统；

位移与对准系统包括标准阻尼隔振光学平台(16)和安装于该平台上的龙门架(1)，在标准阻尼隔振光学平台(16)上安装有x轴、y轴高精密电动平移台用于平面位置对准,在x轴、y轴高精密电动平移台上，从下至上依次安装有手动升降台(14)、精密电动旋转台(8)和二维倾斜台(13)，在龙门架(1)上安装有z轴高精密电动升降台(4)；

监测系统包括光学监测系统和力学监测系统，光学监测系统用于实时观测测试或转印过程，力学监测系统主要由力传感器(12)组成，用于监测测试或转印过程中力学信号的变化；

驱动系统用于向印章施加载荷以调控印章与元件之间的粘附作用；

控制系统用于控制位移与对准系统、监测系统及驱动系统。

2.根据权利要求1所述的可延展柔性集成器件转印技术测试表征和转印自动化平台，其特征在于，所述的光学监测系统包括工业相机(5)、显微镜(6)、万象支架(15)，万象支架(15)固定于标准阻尼隔振光学平台(16)上，工业相机(5)与显微镜(6)安装于万象支架(15)上。

3.根据权利要求2所述的可延展柔性集成器件转印技术测试表征和转印自动化平台，其特征在于，当驱动系统为激光器(11)时，所述的光学监测系统还包括观测光路，观测光路通过一块二向色镜(19)实现，二向色镜(19)与入射激光呈45°设置，用于同时实现激光载荷的施加与显微观测的功能。

4.根据权利要求1所述的可延展柔性集成器件转印技术测试表征和转印自动化平台，其特征在于，所述的位移与对准系统中x轴、y轴高精密电动平移台(9、10)的位移精度小于5um。

5.根据权利要求1所述的可延展柔性集成器件转印技术测试表征和转印自动化平台，其特征在于，所述的位移与对准系统中z轴高精密电动升降台(4)位移精度小于3um。

6.根据权利要求1所述的可延展柔性集成器件转印技术测试表征和转印自动化平台，其特征在于，该平台用于测试表征时，可进行拉开实验与剥离实验；

拉开实验适用于块体状印章样品与压头的粘附测试，测试时，将压头固定于z轴高精密电动升降台(4)，力传感器(12)与压头相连，块体状印章样品固定于二维倾斜台(13)上；控制压头压入样品后形成样品/压头界面再拔出压头，并实时记录作用力，拉开界面所需要的作用力除以界面面积即可得到界面粘附强度；

剥离实验适用于条带状印章样品与测试基底的粘附测试，测试前，首先将样品贴在测试基底表面，样品一端夹持在z轴高精密电动升降台(4)的夹具上，夹具与力传感器(12)相连，夹持部分与测试基底保持90度；测试时，z轴高精密电动升降台(4)以固定速度带动夹具剥离样品，y轴高精密电动平移台(10)以同样速度沿着剥离方向移动，保证剥离部分和测试基底保持90度夹角，记录剥离过程中作用力的大小，得到稳定剥离阶段拉力值，该拉力除以条带状印章样品的宽度便得到了样品与测试基底之间的能量释放率。

7.根据权利要求1所述的可延展柔性集成器件转印技术测试表征和转印自动化平台，其特征在于，该平台用于自动化转印过程，将力传感器(12)安装于二维倾斜台(13)上，在力传感器(12)上固定基底；将印章通过夹具固定于z轴高精密电动升降台(4)上，通过控制系统控制位移与对准系统的运动，并通过驱动系统在印章上特定的位置施加驱动载荷，调节印章粘附变化实现印刷。