CN113830725A - 基于柔性衬底的有机半导体阵列转移方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于柔性衬底的有机半导体阵列转移方法，根据预设阵列形式，制备获得包括硅柱阵列的硅片；对所述硅柱进行表面处理，使所述硅柱的表面顶端亲水且侧壁疏水；在表面处理后的所述硅柱的顶端表面覆盖有机半导体溶液；将中间衬底镀有金属薄膜的表面与覆盖有机半导体溶液的所述顶端表面贴合后进行处理，使所述有机半导体溶液自组装在所述金属薄膜的表面，在所述金属薄膜的表面形成半导体阵列；然后，将所述半导体阵列转移到柔性衬底上。该方法通过中间衬底上的金属薄膜为中间媒介，解决了柔性衬底不耐高温不能直接作为衬底制备有机微纳阵列的问题，从而提供了一种新的有机半导体阵列制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及基于柔性衬底的有机半导体阵列转移方法。
背景技术
目前，液相微纳加工技术已经取得了很大技术突破，尤其毛细液桥诱导法在可控阵列、图案化方面有很大建树。但是，对于有机半导体溶液，无法直接在柔性衬底表面生长，形成微纳阵列。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的基于柔性衬底的有机半导体阵列转移方法。
一方面，本申请通过本申请的一实施例提供如下技术方案：
基于柔性衬底的有机半导体阵列转移方法，所述方法包括：
根据预设阵列形式，制备获得包括硅柱阵列的硅片；
对所述硅柱进行表面处理，使所述硅柱的表面顶端亲水且侧壁疏水；
在表面处理后的所述硅柱的顶端表面覆盖有机半导体溶液；
将中间衬底镀有金属薄膜的表面与覆盖有机半导体溶液的所述顶端表面贴合后进行处理，使所述有机半导体溶液自组装在所述金属薄膜的表面，在所述金属薄膜的表面形成半导体阵列；
将所述半导体阵列转移到柔性衬底上。
可选的，所述对所述硅柱进行表面处理，包括：
在真空条件下，使疏水处理剂附着在所述硅柱的侧壁；
对已附着所述疏水处理剂的所述硅柱加热至80-120℃并保持2-4h。
可选的，所述疏水处理剂为氟硅烷或十八烷基三氯硅烷。
可选的，所述将中间衬底镀有金属薄膜的表面与覆盖有机半导体溶液的所述顶端表面贴合后进行处理，包括：
对贴合的所述中间衬底与所述硅片施加35-90N的第一压力，并在60-80℃的环境中干燥18-48h。
可选的，所述将所述半导体阵列转移到柔性衬底上，包括：
在所述柔性衬底处于未凝固状态时，将形成所述半导体阵列的中间衬底表面与所述柔性衬底贴合，并施加45-90N的第二压力；
保持所述第二压力预设时间，在所述柔性衬底凝固后，通过化学反应除去所述金属薄膜，在所述柔性衬底上获得具有所述预设阵列形式的半导体阵列。
可选的，所述柔性衬底包括聚二甲基硅氧烷；
在所述将所述半导体阵列转移到柔性衬底上之前，所述方法还包括：
将聚二甲基硅氧烷与硬化剂按10∶1比例混合，获得混合物；
将所述混合物加热至60-100℃并保持2-4h，使所述柔性衬底软化。
可选的，所述金属薄膜为铜薄膜。
可选的，所述通过化学反应除去所述金属薄膜，包括：
利用氯化铁溶液与所述金属薄膜反应，除去所述金属薄膜。
可选的，所述方法还包括：
通过原子层沉积在所述中间衬底表面沉积获得金属薄膜。
另一方面，本申请通过本申请的另一实施例提供一种半导体材料阵列，所述半导体材料阵列根据上述的基于柔性衬底的有机半导体阵列转移方法制备获得。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
首先，根据预设阵列形式，制备获得包括硅柱阵列的硅片；然后，对所述硅柱进行表面处理，使所述硅柱的表面顶端亲水且侧壁疏水；在表面处理后的所述硅柱的顶端表面覆盖有机半导体溶液；然后，将中间衬底镀有金属薄膜的表面与覆盖有机半导体溶液的所述顶端表面贴合后进行处理，使所述有机半导体溶液自组装在所述金属薄膜的表面，在所述金属薄膜的表面形成半导体阵列；然后，将所述半导体阵列转移到柔性衬底上。由此可见，该方法通过中间衬底上的金属薄膜为中间媒介，代替柔性衬底与硅柱接触，使有机半导体溶液自组装在金属薄膜上，然后转移到柔性柔性衬底上。避免柔性衬底直接与硅柱接触转移阵列导致长时间高温和压力环境下柔性衬底软化变形，无法获得有机半导体阵列，因此，解决了柔性衬底不耐高温不能直接作为衬底制备有机微纳阵列的问题，从而提供了一种新的有机半导体阵列制备方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明一种实施例的基于柔性衬底的有机半导体阵列转移方法流程示意图；
图2是图1中的硅片和中间衬底的三维示意图；
图3是图1中有机半导体材料自组装在所述金属薄膜的表面的过程示意图；
图4是图1中在金属薄膜的表面形成的半导体阵列示意图；
图5是图1中半导体阵列向柔性衬底转移的过程示意图。
具体实施方式
本申请实施例通过提供基于柔性衬底的有机半导体阵列转移方法，解决了柔性衬底不耐高温不能直接作为衬底制备有机微纳阵列的问题。
本申请实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
首先，根据预设阵列形式，制备获得包括硅柱阵列的硅片；然后，对所述硅柱进行表面处理，使所述硅柱的表面顶端亲水且侧壁疏水；在表面处理后的所述硅柱的顶端表面覆盖有机半导体溶液；然后，将中间衬底镀有金属薄膜的表面与覆盖有机半导体溶液的所述顶端表面贴合后进行处理，使所述有机半导体溶液自组装在所述金属薄膜的表面，在所述金属薄膜的表面形成半导体阵列；然后，将所述半导体阵列转移到柔性衬底上。
由此可见，该方法通过中间衬底上的金属薄膜为中间媒介，代替柔性衬底与硅柱接触，使有机半导体溶液自组装在金属薄膜上，然后转移到柔性柔性衬底上。避免柔性衬底直接与硅柱接触转移阵列导致长时间高温和压力环境下柔性衬底软化变形，无法获得有机半导体阵列，因此，解决了柔性衬底不耐高温不能直接作为衬底制备有机微纳阵列的问题，从而提供了一种新的有机半导体阵列制备方法。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
首先说明，本文中出现的术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
另外，文本中出现的“内”和“外”是常规意义的内和外，是为了便于描述清楚，并不是任何限定。
实施例一
参见图1所示，本实施例提供一种基于柔性衬底的有机半导体阵列转移方法，所述方法包括：
S101、根据预设阵列形式，制备获得包括硅柱阵列的硅片；
S102、对所述硅柱进行表面处理，使所述硅柱的表面顶端亲水且侧壁疏水；
S103、在表面处理后的所述硅柱的顶端表面覆盖有机半导体溶液；
S104、将中间衬底镀有金属薄膜的表面与覆盖有机半导体溶液的所述顶端表面贴合后进行处理，使所述有机半导体溶液自组装在所述金属薄膜的表面，在所述金属薄膜的表面形成半导体阵列；
S105、将所述半导体阵列转移到柔性衬底上。
在本实施例方法，可以对实现液相加工的有机半导体材料转移到柔性衬底上。
首先，执行S101，根据预设阵列形式，制备获得包括硅柱阵列的硅片。
在具体实施过程中，预设阵列形式可根据产品对半导体阵列的需要进行设置。需要说明的是，在半导体领域，由于功能的需要，经常会涉及有机半导体材料在柔性衬底上的阵列加工，或是图案化加工的情况。因此，本实施例中的阵列不仅包括传统定义的规则排布的图形，还包括利用阵列形成的规则或不规则图案，甚至包括非阵列形成的图案。
具体的，在S101中，制备获得包括硅柱阵列的硅片，是为了后续在硅柱表面附着有机半导体材料，并实现转移。因此，需要根据设计的最终要加工的预设阵列形式，来制备获得与该预设阵列形式匹配的包括硅柱阵列的硅片。其中，硅柱的数量、尺寸、间距，都需要根据预设阵列形式进行加工。
示例性的，采用单晶硅片，4英寸，N掺杂，＜100＞，525μm厚，每版硅片上切割为尺寸1cm×1cm小硅片，每片上有预设阵列形式的硅柱阵列。其中：每列硅柱间间距5μm，每列硅柱宽2μm，纵深20μm。可采用光刻、刻蚀的方法制备获得硅柱阵列。
此外，作为一种可选的实施例，用原子层沉积的方法在中间衬底表面沉积一层金属薄膜，备用。
请参见图2，是一种硅片和中间衬底的三维示意图。
接下来，执行S102，对所述硅柱进行表面处理，使所述硅柱的表面顶端亲水且侧壁疏水。
在具体实施过程中，表面处理是指对硅柱表面进行化学修饰。
作为一种可选的实施方式，所述对所述硅柱进行表面处理，包括：
在真空条件下，使疏水处理剂附着在所述硅柱的侧壁；
对已附着所述疏水处理剂的所述硅柱加热至80-120℃并保持2-4h。
在具体实施过程中，对所述硅柱进行表面处理可以使硅柱的侧壁呈超疏水状态，而硅柱的顶端亲水，使后续有机半导体溶液通过退浸润过程按照硅柱顶部的阵列形状自组装到金属薄膜上。
示例性的，疏水处理剂为氟硅烷或十八烷基三氯硅烷，可以首先在硅柱顶部均匀涂覆光刻胶SU8，然后将硅柱放入真空干燥箱，滴加全氟硅烷(FAS)10-20μl，抽真空30min；再放入烘箱加热至80-120℃之间3h，让FAS气氛充满干燥器，并与裸露的硅柱侧壁作用，最终在侧壁形成一层全氟硅烷的单分子层，最后洗去硅柱顶部的SU8光刻胶，得到顶端亲水-侧壁疏水修饰后的硅柱。
接下来，执行S103，在表面处理后的所述硅柱的顶端表面覆盖有机半导体溶液。
在具体实施过程中，可以将硅柱模板顶端朝上放在载玻片上，滴8-15μl配好的有机半导体溶液在硅柱上面，使其均匀覆盖。
接下来，执行S104，将中间衬底镀有金属薄膜的表面与覆盖有机半导体溶液的所述顶端表面贴合后进行处理，使所述有机半导体溶液自组装在所述金属薄膜的表面，在所述金属薄膜的表面形成半导体阵列。
在具体实施过程中，在执行S103后，将硅片上镀有金属薄膜一面的中间衬底放置在硅柱表面，盖上载玻片，并用金属夹夹在两载玻片之间，压力大小在35N-90N之间。然后，放入干燥箱中，根据材料性质，温度在60℃-80℃之间，时间为18h-48h之间，使有机半导体溶液通过退浸润过程按照硅柱顶部的阵列形状自组装到金属薄膜上。然后将硅柱与中间衬底分开，由于金属薄膜的存在，可以使硅柱与中间衬底很容易的分开，在金属薄膜的表面形成带有金属薄膜的半导体阵列。作为一种可选的实施例，所述金属薄膜为铜薄膜。
图3是有机半导体材料自组装在所述金属薄膜的表面的过程示意图。
需要说明的是，由于自组装的过程需要18h-48h，且保持温度60℃-80℃，如果直接利用柔性衬底，在自组装过程中，柔性衬底在高温下软化，并在压力下会变形，导致无法获得半导体阵列。在本实施例中，通过中间衬底上的金属薄膜为中间媒介，代替柔性衬底与硅柱接触，使有机半导体溶液自组装在金属薄膜上，然后转移到柔性柔性衬底上。避免柔性衬底直接与硅柱接触转移阵列导致长时间高温和压力环境下柔性衬底软化变形，无法获得有机半导体阵列。
接下来，执行S105，将所述半导体阵列转移到柔性衬底上。
在具体实施过程中，柔性衬底可以为聚二甲基硅氧烷；为了进行阵列转移，在所述将所述半导体阵列转移到柔性衬底上之前，所述方法还包括：
将聚二甲基硅氧烷与硬化剂按10∶1比例混合，获得混合物；
将所述混合物加热至60-100℃并保持2-4h，使所述柔性衬底软化。
在具体实施过程中，聚二甲基硅氧烷(PDMS)，是有机硅的一种，具有良好的粘附性，而且具有良好的化学惰性。
具体的，可以抽真空让混合物中气泡浮至表面破裂，然后放入烘箱烘烤，80℃，3h，使所述柔性衬底软化，在柔性衬底处于未凝固状态时，将形成带有金属薄膜的半导体阵列的硅柱顶端表面与所述柔性衬底贴合，适当给予外力作用，将所述半导体阵列转移到柔性衬底上。
作为一种可选的实施例，所述将所述半导体阵列转移到柔性衬底上，包括：
在所述柔性衬底处于未凝固状态时，将形成所述半导体阵列的中间衬底表面与所述柔性衬底贴合，并施加45-90N的第二压力；
保持所述第二压力预设时间，在所述柔性衬底凝固后，通过化学反应除去所述金属薄膜，在所述柔性衬底上获得具有所述预设阵列形式的半导体阵列。
在具体实施过程中，预设时间可以根据需要进行设置，例如，30min。在判断处于未凝固状态时，可以用镊子判断压痕、粘度。半导体阵列向柔性衬底转移的过程请参见图4。
在具体实施过程中，可以利用氯化铁(FeCl3)溶液与所述金属薄膜反应，除去金属薄膜，使得半导体阵列与中间衬底分离，将金属薄膜上面的半导体阵列转移到PDMS衬底上。半导体阵列向柔性衬底转移的过程示意图参见图5，图中，执行过程依次为a-b-c，最终在c中获得半导体阵列。
其中，反应条件根据实际材料性质选择，真空或者大气；有机半导体的材料选择应以聚合物为主，聚合物柔韧性较好，在柔性衬底上进行半导体阵列加工，为可穿戴电子设备领域提供重要的进步思路。
此外，在所述柔性衬底上获得具有所述预设阵列形式的有机半导体材料阵列之后，对得到的样品进行观测及电镜测试，具体的，利用光学显微镜观察阵列情况，AFM测厚以及阵列结晶情况，SEM测表面形貌。
实施例二
本实施例提供一种半导体材料阵列，该半导体材料阵列根据实施例一的方法获得。具体的实施方式请参见实施例一，这里不再赘述。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.基于柔性衬底的有机半导体阵列转移方法，其特征在于，所述方法包括：
根据预设阵列形式，制备获得包括硅柱阵列的硅片；
对所述硅柱进行表面处理，使所述硅柱的表面顶端亲水且侧壁疏水；
在表面处理后的所述硅柱的顶端表面覆盖有机半导体溶液；
将中间衬底镀有金属薄膜的表面与覆盖有机半导体溶液的所述顶端表面贴合后进行处理，使所述有机半导体溶液自组装在所述金属薄膜的表面，在所述金属薄膜的表面形成半导体阵列；
将所述半导体阵列转移到柔性衬底上。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述硅柱进行表面处理，包括：
在真空条件下，使疏水处理剂附着在所述硅柱的侧壁；
对已附着所述疏水处理剂的所述硅柱加热至80-120℃并保持2-4h。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述疏水处理剂为氟硅烷或十八烷基三氯硅烷。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将中间衬底镀有金属薄膜的表面与覆盖有机半导体溶液的所述顶端表面贴合后进行处理，包括：
对贴合的所述中间衬底与所述硅片施加35-90N的第一压力，并在60-80℃的环境中干燥18-48h。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述半导体阵列转移到柔性衬底上，包括：
在所述柔性衬底处于未凝固状态时，将形成所述半导体阵列的中间衬底表面与所述柔性衬底贴合，并施加45-90N的第二压力；
保持所述第二压力预设时间，在所述柔性衬底凝固后，通过化学反应除去所述金属薄膜，在所述柔性衬底上获得具有所述预设阵列形式的半导体阵列。
6.如权利要求1或5所述的方法，其特征在于，所述柔性衬底包括聚二甲基硅氧烷；
在所述将所述半导体阵列转移到柔性衬底上之前，所述方法还包括：
将聚二甲基硅氧烷与硬化剂按10：1比例混合，获得混合物；
将所述混合物加热至60-100℃并保持2-4h，使所述柔性衬底软化。
7.如权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述金属薄膜为铜薄膜。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述通过化学反应除去所述金属薄膜，包括：
利用氯化铁溶液与所述金属薄膜反应，除去所述金属薄膜。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过原子层沉积在所述中间衬底表面沉积获得金属薄膜。
10.一种半导体材料阵列，其特征在于，所述半导体材料阵列根据权利要求1-9的任一项所述的基于柔性衬底的有机半导体阵列转移方法获得。
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