CN110752145B - 基于液体毛细力和表面张力的转印方法和转印头 - Google Patents

Abstract

提供了一种基于液体毛细力和表面张力的转印方法和转印头。转印方法包括：液膜形成步骤：在转印头的转印面施加液体，液体能够在转印面与薄膜器件之间形成液膜，液膜的毛细力和表面张力用作转印面与薄膜器件之间的结合力；提起步骤：利用液体在转印面与薄膜器件之间形成第一结合力，第一结合力大于薄膜器件与原衬底之间的结合力，移动转印头而使薄膜器件从原衬底脱离；放下步骤：使薄膜器件接触目标衬底，调整转印面的形状和/或液膜的液体量以在转印面与薄膜器件之间形成第二结合力，第二结合力小于薄膜器件与目标衬底之间的结合力，移动转印头而使薄膜器件从转印头脱离。该转印方法简单易行，依靠液体的效应实现转印，成品率高。

Description

基于液体毛细力和表面张力的转印方法和转印头

技术领域

本发明涉及转印技术领域，且特别涉及一种基于液体毛细力和表面张力的转印方法和转印头。

背景技术

柔性电子器件往往制备在平整的硅衬底之上，然而，在IC(Integrated Circuit集成电路)工艺中，硅本身是脆性材料，并不能实现可延展或可弯曲，因而需要将制备好的薄膜器件从硅衬底上转移到可变形的柔性衬底，这个转移的过程称之为转印。

现有的转印方法容易对柔性电子器件或者薄膜器件造成损伤，造成成品率低、转印效果不理想。亟待本领域技术人员解决的技术问题是如何提供一种对于薄膜器件具有良好的转印效果的转印方法。

发明内容

鉴于上述现有技术的状态而做出本发明。本发明的目的在于提供一种基于液体毛细力和表面张力的转印方法和转印头，该转印方法和转印头能够对薄膜器件产生良好的转印效果。

提供一种基于液体毛细力和表面张力的转印方法，其利用转印头将薄膜器件从原衬底转印到目标衬底，其包括以下步骤：

液膜形成步骤：在所述转印头的转印面施加液体，所述液体能够在所述转印面与所述薄膜器件之间形成液膜，所述液膜的毛细力和表面张力用作所述转印面与所述薄膜器件之间的结合力；

提起步骤：利用所述液体在所述转印面与所述薄膜器件之间形成第一结合力，所述第一结合力大于所述薄膜器件与所述原衬底之间的结合力，移动所述转印头而使所述薄膜器件从所述原衬底脱离；

放下步骤：使所述薄膜器件接触所述目标衬底，调整所述转印面的形状和/或所述液膜的液体量以在所述转印面与所述薄膜器件之间形成第二结合力，所述第二结合力小于所述薄膜器件与所述目标衬底之间的结合力，移动所述转印头而使所述薄膜器件从所述转印头脱离。

在至少一个实施方式中，在所述液膜形成步骤或者在所述提起步骤中，调整所述转印面的形状和/或所述液膜的液体量而在所述转印面与所述薄膜器件之间形成所述第一结合力。

在至少一个实施方式中，所述转印头具有贯通孔，所述贯通孔从与所述转印面相反的一侧贯通至所述转印面，在所述液膜形成步骤中，经由所述贯通孔向所述转印面输送所述液体以形成所述液膜。

在至少一个实施方式中，在所述放下步骤之后还包括蒸干步骤：蒸干所述薄膜器件的表面的残留的液体。

在至少一个实施方式中，所述液体为有机物，所述蒸干步骤包括：

用丙酮溶解残留的所述有机物；

用乙醇清理所述丙酮；以及

蒸干在所述薄膜器件上残留的所述乙醇。

在至少一个实施方式中，在大致80摄氏度的温度下进行所述乙醇的蒸干。

在至少一个实施方式中，在所述液膜形成步骤之前，使所述转印头与所述薄膜器件靠近以使得二者具有预定间隙，或者，在所述液膜形成步骤之后，使所述转印头与所述薄膜器件靠近以使得二者具有预定间隙，

所述预定间隙设置为能够使所述液体形成所述液膜。

在至少一个实施方式中，以气致动的方式，或者力学屈曲变形的方式调整所述转印面的形状，或者以形状记忆聚合物制成所述转印面从而调整所述转印面的形状。

在至少一个实施方式中，所述转印面经亲水处理或者采用亲水材料制成以使所述液体在所述转印面上的接触角小于90度，且所述液体的粘度小于15厘泊。

在至少一个实施方式中，所述转印面为球面，在所述提起步骤和/或所述放下步骤中，调整所述转印面的半径。

提供一种转印头，用于转印薄膜器件，所述转印头带有贯通孔，所述贯通孔从所述转印头的转印面所在的一侧贯穿至相反的一侧，所述贯通孔用于向所述转印面输送液体从而在所述薄膜器件和所述转印面之间形成液膜，所述转印面经亲水性处理或者采用亲水材料制成以使所述液体在所述转印面上的接触角小于90度。

上述技术方案至少具有以下有益效果：

该转印方法利用液体的毛细力和表面张力形成薄膜器件与转印头的结合力，实现对薄膜器件的轻柔的转移，不会对薄膜器件造成损伤。该转印方法简单易行，依靠液体的效应实现转印，成品率高，操作方便，适用于多种薄膜器件的转印。

上述技术方案还可以具有以下有益效果：

该转印方法还可以包括蒸干步骤：蒸干薄膜器件的表面的残留的液体。在放下步骤之后进行该蒸干步骤。这样，可以温和地清除液体表面的残留的液体，尽量不对薄膜器件造成损伤。

附图说明

图1是采用本公开提供的转印方法的转印流程的示意图。

图2是采用本公开提供的转印方法的转印流程的框图。

图3是球形的转印面的半径与结合力的关系图。

图4是液膜的液体量与结合力的关系图。

图5是本公开提供的转印头的一个具体实施方式的立体图。

图6是本公开提供的转印头的一个具体实施方式的剖面图。

图7是本公开提供的转印头的又一个具体实施方式的剖面图。

附图标记说明：

1转印头、11贯通孔、12气腔、120注气口、13液腔、2薄膜器件、3液膜、4残留的液体。

具体实施方式

下面参照附图描述本发明的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本发明，而不用于穷举本发明的所有可行的方式，也不用于限制本发明的范围。

如图1和图2所示，本公开提供一种基于液体毛细力和表面张力的转印方法，其利用转印头1将薄膜器件2从原衬底分离。在一个具体实施方式中，该转印方法包括以下步骤：

薄膜器件2制备步骤：在原衬底上形成薄膜器件2。

液膜3形成步骤：在转印头1的转印面施加液体，液体能够在转印头1的转印面与薄膜器件2之间形成液膜3，液膜3的毛细力和表面张力用作转印面与薄膜器件2之间的结合力；

提起步骤：利用液体在转印面与薄膜器件2之间形成第一结合力，第一结合力大于薄膜器件2与原衬底之间的结合力，移动转印头1使薄膜器件2从原衬底脱离；

放下步骤：使薄膜器件2接触目标衬底，调整转印面的形状或者液膜3的液体量以在转印面与薄膜器件2之间形成第二结合力，第二结合力小于薄膜器件2与目标衬底之间的结合力，移动转印头1使薄膜器件2从转印头1脱离。

在液膜3形成步骤中，或者提起步骤中，例如可以根据薄膜器件2的重量、大小，薄膜器件2与原衬底或者转印头1之间的结合紧密程度，来调整转印面的形状或者液膜3的液体量，从而获得第一结合力。

该转印方法利用液体的毛细力和表面张力形成薄膜器件2与转印头1的结合力，薄膜器件2厚度较小，一般而言功能层在几个微米之内，总体厚度几十微米的量级内，且衬底材料为柔性材料，因此弯曲刚度较低，在表面有液体的情况下极易发生弯曲，便于采用该转印方法进行转印。

该转印方法依靠液体的效应对薄膜器件2实现轻柔的转印，不会对薄膜器件2造成损伤，相比于传统的柔性图章转印，该转印方法施加相对均匀的液体抓力，不会造成应力集中或薄膜器件2的面内应力过大，因此具有很高的转印成功率。而且该转印方法简单易行、操作方便。

薄膜器件2可以为柔性电子器件，原衬底可以为硅衬底，可以通过电子束蒸镀、光刻、刻蚀等一系列工艺制备成该柔性电子器件。柔性电子器件的厚度在微米量级，借此实现柔性，由于平面IC(芯片)工艺的要求，制备平面需要有相当的平整度，故整个柔性电子器件和硅衬底之间有一定的粘附性。

该转印方法在实现柔性电子器件的转印方面尤其具有优势，在转印过程中不会损伤柔性电子器件(电路)。

该转印方法通过控制转印头1的形状或转印头1上附着的液体量来对结合力(液体的抓力)进行调控，并在从原衬底抓取薄膜器件2时，使结合力大于原衬底和薄膜器件2之间的界面黏附，在放下薄膜器件2时，使结合力小于薄膜器件2和目标衬底之间的界面黏附，以此完成薄膜器件2(柔性电子器件)的转印。

可以选择易清洗、对电子器件不产生破坏的液体形成上述液膜3，例如酒精，这类液体容易在后续操作中被有机溶剂清洗。

由于毛细力和表面张力的大小与液体本身的表面张力系数有关，因而可以根据表面张力系数来选取液体并调整液体的抓力，尤其是对于与原衬底结合较紧的薄膜器件2。

在放下步骤之后，还可以对薄膜器件2进行后处理，例如该转印方法包括蒸干步骤：蒸干薄膜器件2的表面的残留的液体4。这样，可以温和地清除液体表面的残留的液体4，尽量不对薄膜器件2造成损伤。

在蒸干步骤中，可以依次进行以下步骤：

用丙酮溶解残留的有机物；

用乙醇清理丙酮；

蒸干在薄膜器件2上残留的乙醇。

在上述蒸干步骤中，使薄膜器件2处于大致80摄氏度的温度。这样，蒸发温度适宜，乙醇的蒸发不会过于剧烈，不会给薄膜器件2表面带来残余应力，待乙醇被完全蒸干以后，薄膜器件2的平整性得以保证。

在液膜3形成步骤之前还可以具有以下步骤：使转印头1与薄膜器件2靠近以使得二者具有预定间隙，该预定间隙设置为能够使上述液体形成液膜3，从而在转印头1与薄膜器件2之间形成毛细力和表面张力。

先将转印头1和薄膜器件2安置到位然后施加液体并形成液膜3，能够在液膜3形成步骤中一并调整液膜的液体量而获得第一结合力，与先施加液体形成液膜3然后安置到位的方案相比，省去了在安置到位后调整液膜3的液体量的步骤，从而能够快速地获取适量的液体从而快速的形成合适的第一结合力。

在其他实施方式中，还可以以预设的转印头1的形状和预设的液膜3的液体量进行操作，这样避免在大量的工业生产中临时调整，提高转印效率。

如图5至图6所示，该转印方法可以采用带有液腔13和贯通孔11的转印头1，贯通孔11从转印头1的转印面所在的一侧贯穿至相反的一侧(液腔13的内部)。在液膜3形成步骤中，经由液腔13的注液口注液，液体通过贯通孔11向转印面输送液体从而在薄膜器件2和转印面之间形成液膜3。如图7所示，在又一个实施方式中，该转印方法可以采用带有气腔12和贯通孔11的转印头1，气腔12的注气口120与转印面位于转印头1的相反的两侧，贯通孔11从转印头1的转印面所在的一侧贯穿至相反的一侧(注气口120所在的一侧)。贯通孔11在转印头1的本体内部形成，即贯通孔11不连通气腔12和转印头1的外部。

可以通过气致动方式调整转印面的形状。例如，在提起步骤和放下步骤中，可以通过向气腔12充气或者使气腔12放气来调整转印面的形状从而调整结合力。气致动方式具有效果稳定、操作简单的特点。

在该实施方式中，可选地，还可以通过调整液体量的方式调整结合力。

转印头1可以由不同的材料制成，比如转印面由弹性材料制成，其他部分由非弹性材料制成。

贯通孔11可以形成于气腔12的腔壁，应当理解，具有气腔12的腔壁的厚度可以较其他部分的腔壁的厚度更大。

贯通孔11可以例如为毛细孔，毛细孔有利于更精确地控制液体量。

该转印方法可以通过以下两种方式调整结合力，获得上述第一结合力和第二结合力：第一，调整转印面的形状；第二，调整液膜3的液体量。

对于调整转印面的形状，具体地，可以调整转印面的曲率半径。例如，转印面可以为球面，那么通过调整转印面的半径来获得合适的结合力。

具体地，在提起步骤中，调整转印面具有较小的半径从而形成较大的结合力或者调整液膜3具有较少的液体量从而形成较大的结合力；在放下步骤中，调整转印面具有较大的半径从而形成较小的结合力或者调整液膜3具有较多的液体量从而形成较小的结合力。

图3显示在液体量和转印面与薄膜器件2的距离固定的情况下，转印头的无量纲半径

变化时对应的无量纲结合力

的变化。

其中，横坐标为转印头1的无量纲半径

纵坐标为无量纲结合力

R为转印头的半径，D为转印面与薄膜器件2之间的固定距离，F为结合力，γ为表面张力系数。

图4显示在转印面与薄膜器件2的接触面积和转印头1的半径固定的情况下，无量纲液体体积

变化时对应的无量纲结合力

的变化。

其中，横坐标为无量纲液体体积

纵坐标为无量纲结合力

R为转印头的半径，V为转印头1与薄膜器件2之间的液体的体积，F为结合力，γ为表面张力系数。

可以对转印面进行亲水处理或者采用亲水材料制成转印面，以使液体在转印面上的接触角小于90度，且形成液膜3液体的粘度小于15厘泊。这样，能够避免在转印过程中，液膜3受微小的扰动而带动薄膜器件2在转印头1上流动，避免转印错位，保证转印的精确性。

例如，形成液膜3的液体为水，并在固化的PDMS(聚二甲基硅氧烷)转印头1上进行亲水性修饰。

在其他实施方式中，还可以在液膜3形成步骤之后形成上述预定间隙。

在其他实施方式中，可以利用力学上的屈曲变形的方式调整转印面的形状，比如使转印面屈曲变形成所需形状；或者利用形状记忆聚合物的记忆特性来调整转印面的形状，比如以形状记忆聚合物材料制作转印面，使转印界面具有预定的初始形状。

在其他实施方式中，还可以通过蘸取液体等方式在转印面施加液体以形成液膜3。

应当理解，上述实施方式仅是示例性的，不用于限制本发明。本领域技术人员可以在本发明的教导下对上述实施方式做出各种变型和改变，而不脱离本发明的范围。

Claims (10)

1.一种基于液体毛细力和表面张力的转印方法，其利用转印头(1)将薄膜器件(2)从原衬底转印到目标衬底，其包括以下步骤：

液膜(3)形成步骤：在所述转印头(1)的转印面施加液体，所述液体能够在所述转印面与所述薄膜器件(2)之间形成液膜(3)，所述液膜(3)的毛细力和表面张力用作所述转印面与所述薄膜器件(2)之间的结合力；

提起步骤：利用所述液体在所述转印面与所述薄膜器件(2)之间形成第一结合力，所述第一结合力大于所述薄膜器件(2)与所述原衬底之间的结合力，移动所述转印头(1)而使所述薄膜器件(2)从所述原衬底脱离；

放下步骤：使所述薄膜器件(2)接触所述目标衬底，调整所述转印面的形状和/或所述液膜(3)的液体量以在所述转印面与所述薄膜器件(2)之间形成第二结合力，所述第二结合力小于所述薄膜器件(2)与所述目标衬底之间的结合力，移动所述转印头(1)而使所述薄膜器件(2)从所述转印头(1)脱离。

2.根据权利要求1所述的基于液体毛细力和表面张力的转印方法，其特征在于，在所述液膜(3)形成步骤或者在所述提起步骤中，调整所述转印面的形状和/或所述液膜(3)的液体量而在所述转印面与所述薄膜器件(2)之间形成所述第一结合力。

3.根据权利要求1所述的基于液体毛细力和表面张力的转印方法，其特征在于，所述转印头(1)具有贯通孔(11)，所述贯通孔(11)从与所述转印面相反的一侧贯通至所述转印面，在所述液膜(3)形成步骤中，经由所述贯通孔(11)向所述转印面输送所述液体以形成所述液膜(3)。

4.根据权利要求1所述的基于液体毛细力和表面张力的转印方法，其特征在于，在所述放下步骤之后还包括蒸干步骤：蒸干所述薄膜器件(2)的表面的残留的液体(4)。

5.根据权利要求4所述的基于液体毛细力和表面张力的转印方法，其特征在于，所述液体为有机物，所述蒸干步骤包括：

用丙酮溶解残留的所述有机物；

用乙醇清理所述丙酮；以及

蒸干在所述薄膜器件(2)上残留的所述乙醇。

6.根据权利要求5所述的基于液体毛细力和表面张力的转印方法，其特征在于，在80摄氏度的温度下进行所述乙醇的蒸干。

7.根据权利要求1所述的基于液体毛细力和表面张力的转印方法，其特征在于，在所述液膜(3)形成步骤之前，使所述转印头(1)与所述薄膜器件(2)靠近以使得二者具有预定间隙，或者，在所述液膜(3)形成步骤之后，使所述转印头(1)与所述薄膜器件(2)靠近以使得二者具有预定间隙，

所述预定间隙设置为能够使所述液体形成所述液膜(3)。

8.根据权利要求1所述的基于液体毛细力和表面张力的转印方法，其特征在于，以气致动的方式，或者力学屈曲变形的方式调整所述转印面的形状，或者以形状记忆聚合物制成所述转印面从而调整所述转印面的形状。

9.根据权利要求1所述的基于液体毛细力和表面张力的转印方法，其特征在于，所述转印面经亲水处理或者采用亲水材料制成以使所述液体在所述转印面上的接触角小于90度，且所述液体的粘度小于15厘泊。

10.根据权利要求1所述的基于液体毛细力和表面张力的转印方法，其特征在于，所述转印面为球面，在所述提起步骤和/或所述放下步骤中，调整所述转印面的半径。

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