KR101636750B1 - 프린팅­기반 어셈블리에 의해 제조되는 광학 시스템 - Google Patents

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존 로저스
랄프 뉴조
매튜 메이틀
에티엔느 메나르
알프레드 제이. 바카
마이클 모탈라
종현 안
상일 박
창재 유
흥조 고
마크 스토이코비치
종승 윤
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더 보오드 오브 트러스티스 오브 더 유니버시티 오브 일리노이즈
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    • H01L31/0693—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN homojunction type, e.g. bulk silicon PN homojunction solar cells or thin film polycrystalline silicon PN homojunction solar cells the devices including, apart from doping material or other impurities, only AIIIBV compounds, e.g. GaAs or InP solar cells
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    • H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
    • H01L31/072—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type
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    • H01L31/16—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto the semiconductor device sensitive to radiation being controlled by the light source or sources
    • H01L31/167—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto the semiconductor device sensitive to radiation being controlled by the light source or sources the light sources and the devices sensitive to radiation all being semiconductor devices characterised by potential barriers
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    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/1804—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof comprising only elements of Group IV of the Periodic Table
    • H01L31/182—Special manufacturing methods for polycrystalline Si, e.g. Si ribbon, poly Si ingots, thin films of polycrystalline Si
    • H01L31/1824—Special manufacturing methods for microcrystalline Si, uc-Si
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    • H01L31/1876—Particular processes or apparatus for batch treatment of the devices
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    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/1892—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof methods involving the use of temporary, removable substrates
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    • H01L33/005—Processes
    • H01L33/0093—Wafer bonding; Removal of the growth substrate
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    • H01L33/005—Processes
    • H01L33/0095—Post-treatment of devices, e.g. annealing, recrystallisation or short-circuit elimination
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    • H01L33/04—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction
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    • H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
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    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
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    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/34326—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser with a well layer based on InGa(Al)P, e.g. red laser
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    • B81C2201/0174—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems in or on a substrate for making multi-layered devices, film deposition or growing
    • B81C2201/0183—Selective deposition
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/29001—Core members of the layer connector
    • H01L2224/29099—Material
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    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/321—Disposition
    • H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32225—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
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    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/74—Apparatus for manufacturing arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and for methods related thereto
    • H01L2224/75—Apparatus for connecting with bump connectors or layer connectors
    • H01L2224/757—Means for aligning
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    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/74—Apparatus for manufacturing arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and for methods related thereto
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Abstract

본 발명은 장치 부품의 프린팅-기반의 어셈블리 및 집적을 통해서, 적어도 일부, 제조된 광학 장치 및 시스템을 제공한다. 본 발명의 광학 시스템은 종래의 높은 온도 공정 방법을 사용하여 제조된 장치에 기반하는 10 단결정 반도체에 비교되는 성능 특성 및 기능성을 보여주는 프린팅 기술을 통해서 조립되고, 조직된 및/또는 다른 장치 부품과 집적된 반도체 소자를 포함한다. 본 발명의 광학 시스템은 많은 유용한 장치 기능을 제공하는 프린팅에 의해서 입수되는 폼 팩터, 부품 밀도 및 부품 위치 같은 장치 지오메트리 및 구성을 갖는다.

Description

프린팅­기반 어셈블리에 의해 제조되는 광학 시스템{Optical systems fabricated by printing-based assembly}
이 출원은 2007년 1월 17일에 출원된 미국 가특허 출원 제60/885,306호 및 2007년 6월 18일에 출원된 제60/944,611호에 우선권을 주장하며, 두 출원 모두 이 명세서와 모순되지 않는 범위 내에서 전체로서 참조되어 여기에서 병합된다. 이 발명의 적어도 일부는 미국 에너지부에서 재정된 DEFG02-91-ER45439 하에서 미국 정부의 지원을 받아 완성되었다. 미국 정부는 이 발명에 대한 일정한 권리를 갖는다.
프린트된, 모든 중합체(polymer) 트랜지스터의 1994년 첫 발표 이래로, 많은 관심이 플라스틱 기판상의 플렉서블 집적 전자 장치를 포함하는 새로운 종류의 전자 시스템을 개발에 기울여져 왔다.[Garnier, F., Hajlaoui, R., Yassar, A. and Srivastava, P.,Science, Vol.265, pgs 1684-1686] 많은 연구가 플렉서블 중합체-기반 전자 장치를 위한 전도체, 유전체 및 반도체 소자의 가공할 수 있는 재료를 위해 새로운 해결책을 개발하기 위해 지난 십 년간 기울여져 왔다. 플렉서블 전자 장치 분야에서의 진보는 가공할 수 있는 재료의 새로운 해결책의 개발에 의해서뿐만 아니라, 새로운 장치 구조, 높은 해상도 기술, 넓은 기판 영역의 조밀한 패터닝, 플라스틱 기판과 양립할 수 있는 높은 작업 처리량의 가공 전략에 의해서도 이루어질 수 있다. 새로운 재료, 장치 구성 및 제조 방법의 계속되는 개발은 플렉서블 집적 전자 장치, 시스템 및 회로의 새로운 종류의 빠른 출현에 본질적인 역할을 할 것이 기대되고 있다.
플렉서블 전자 장치 분야에서의 관심은 이 기술에 의해 제공되는 몇 가지 중요한 장점들에서 비롯된다. 첫째, 플라스틱 기판의 기계적인 내구성은 손상 및/또는 기계적인 응력에 기인하는 전자 성능 저하에 덜 민감한 전자 장치 플랫폼을 제공한다. 둘째, 플라스틱 기판 재료 고유의 유연함과 변형성은 이 재료가 기존의 깨지기 쉬운 실리콘 기반의 전자 장치에서는 가능하지 않은 유용한 형태, 형상 인자 및 구성에 집적되게 해준다. 예를 들어, 유연하고, 형태를 이룰 수 있고 및/또는 구부릴 수 있는 플라스틱 기판에서의 장치 제조는 전자 종이, 입을 수 있는 컴퓨터, 대면적 센서 및 고해상도의 디스플레이 같은 혁명적인 기능적 능력을 가지며, 기존의 실리콘-기반 기술에서는 실행하기 어려운 종류의 기능성 장치를 가능하게 하는 잠재력이 있다. 마지막으로, 플렉서블 플라스틱 기판의 전자 장치 조립품은 넓은 기판 영역에서 전자 장치를 조립할 수 있는 프린팅 같은 빠른 속도의 가공 기술을 통해서 낮은 비용의 상업적 구현에 대한 잠재력이 있다.
플렉서블 전자 장치를 위한 상업적으로 수행가능한 플랫폼을 개발하려는 상당한 동기에도 불구하고, 좋은 전자 성능을 보여주는 플렉서블 전자 장치의 설계 및 제조는 많은 상당한 기술적 난제를 계속 주고 있다. 첫째, 단결정 실리콘 기반의 전자 장치를 만드는 종래의 확립된 방법들은 대부분의 플라스틱 재료와 양립할 수 없다. 예를 들어, 단결정 실리콘이나 게르마늄 반도체 같은 전통적인 고품질의 무기물 반도체 부품은 전형적으로 모든 또는 대부분의 플라스틱 기판의 녹는점 또는 변질 온도를 상당히 넘어서는 온도( > 1000℃)에서 박막을 성장시켜 가공된다. 게다가, 많은 무기물 반도체는 용해 기반의 가공과 공급을 가능하게 하는 입수 용이한 용매에 본질적으로 녹지 않는다. 둘째, 비록 비정질 실리콘, 유기물 또는 하이브리드 유기물-무기물 반도체가 낮은 온도의 공정과 플라스틱 기판에 집적에 양립하도록 발전해 왔지만, 이 재료들은 전통적인 단결정 반도체 기반 시스템과 유사한 전자적 특성들을 보여주지 않는다. 따라서, 이런 대안적인 반도체 재료로 만들어진 전자 장치의 성능은 높은 성능의 반도체 장치 기술의 현재 상태보다 못하다. 이런 제한들의 결과로서, 플렉서블 전자 시스템은 비발광성 픽셀을 가지는 능동 매트릭스 평판 패널 디스플레이의 스위칭 소자와 발광 다이오드에서의 사용과 같은, 높은 성능을 요구하지 않는 특정 응용에 현재 제한된다.
매크로 전자공학은 상업적으로 수행가능한 플렉서블 전자 시스템과 공정 전략을 개발하는데 상당한 관심을 유발하고 있는 빠르게 확장되고 있는 기술 영역이다. 매크로 전자공학 분야는 마이크로 전자 장치 및 장치 어레이가 종래의 반도체 웨이퍼의 물리적 크기를 상당히 넘어서는 넓은 영역의 기판에 분포되고 집적되는 마이크로 전자 시스템과 관련이 있다. 많은 매크로 전자 제품은 넓은 영역의 매크로 전자 평판 패널 디스플레이 생산품을 포함하여 성공적으로 상업화되어 왔다. 이 디스플레이 시스템의 주류는 단단한 유리 기판에 패터닝된 비정질 또는 다결정 실리콘 박막 트랜지스터를 포함한다. 100 ㎡ 크기의 기판 넓이를 갖는 매크로 전자 디스플레이 장치가 달성되었다. 개발중인 다른 매크로 전자 제품은 광전 소자 어레이(photovoltaic device array), 대면적 센서 및 RFID 기술을 포함한다.
이 분야에서의 상당한 진보에도 불구하고, 강화된 내구성, 기계적인 유연함 및 구부릴 수 있는 성질 같은 새로운 장치 기능을 덧붙이기 위해서 매크로 전자 시스템에 플렉서블 기판과 장치 구조물을 집적하려는 계속된 동기 부여가 있다. 이런 필요를 처리하기 위해서, 플렉서블 매크로 전자 시스템을 위한 많은 재료 전략이 유기물 반도체 박막 트랜지스터 기술, 나노-와이어와 나노입자 기반 플렉서블 전자 장치 및 유기물/무기물 반도체 하이브리드 기술을 포함하여 현재 추구되고 있다. 게다가, 상당한 연구가 매크로 전자 시스템의 높은 작업 처리량 이용과 낮은 비용의 제조를 위한 새로운 제조 공정을 개발하는데 현재 이뤄지고 있다.
2005년 6월 2일에 출원된, 미국 특허 제11/145,574호 및 제11/145,542호는 다용도의, 낮은 비용 및 높은 영역의 프린팅 기술에 의해서 전자 장치, 광전자 장치 및 다른 기능적 전자 조립체를 만들기 위해 프린트 가능한 반도체 소자를 사용하는 높은 수율의 제조 플랫폼을 개시한다. 개시된 방법 및 구성물은 넓은 기판 영역에 좋은 배치 정확성, 레지스트레이션(registration) 및 패턴 정확성을 제공하는 건식 전사 접촉 프린팅 및/또는 용해 프린팅 기술을 사용하는 전사, 조립 및/또는 마이크로 크기의 및/또는 나노 크기의 반도체 소자의 집적을 제공한다. 개시된 방법은 플렉서블 플라스틱 기판을 포함한 유용한 기판 재료의 범위와 양립하는 비교적 낮은 온도( < 약 400℃)에서 독립적으로 수행될 수 있는 프린팅 기술에 의해서 기판에 종래의 높은 온도 공정 방법을 사용하여 제조되는 고품질의 반도체 재료의 집적을 가능하게 하는 중요한 공정상의 장점을 제공한다. 프린트 가능한 반도체 재료를 사용하여 제조된 플렉서블 박막 트랜지스터는 구부려진 그리고 구부려지지 않은 형태에서, 300 ㎠ V-1 s-1보다 큰 장치 필드 효과 이동도(device field effect mobilities)와 103 보다 큰 온/오프 비율 같은 좋은 전자 성능 특성을 보여준다.
상기로부터 매크로 전자 시스템을 포함하는 넓은 영역의 집적 전자 장치를 만드는 방법을 위한 필요가 존재한다고 이해될 수 있을 것이다. 특히, 이런 시스템의 제조 방법은 높은 작업 처리량과 낮은 비용의 구현을 가능하게 하는데 필요하다. 게다가, 좋은 전자 장치 성능과 유연성(flexibility), 형태성(shapeability), 구부릴수 있는 성질(bendability) 및/또는 신축성(stretchability) 같은 강화된 기계적 기능을 결합하는 매크로 전자 시스템을 위한 필요가 현재 있다.
본 발명은 적어도 일부분 프린팅-기반의 조립과 프린트 가능한 기능적 재료의 집적에 의해서 제조된 광학 장치 및 시스템 및/또는 반도체-기반 장치와 장치 부품을 제공한다. 특정 실시예에서, 본 발명은 넓은 영역의 높은 성능의 매크로 전자 장치를 포함하는 프린트 가능한 반도체 소자를 포함하는 발광 시스템, 광수집 시스템, 광센싱 시스템 및 광전 시스템을 제공한다. 본 발명의 광학 시스템은 종래 높은 온도 공정 방법을 사용하여 제조된 단결정 반도체 기반 장치에 비교되는 성능 특성과 기능을 보여주는 프린팅 기술을 통해서 조립되거나, 조직되거나 및/또는 다른 장치 부품들과 집적되는 구조물(예를 들어, 프린트 가능한 반도체 소자)을 포함하는 프린트 가능한 반도체를 포함한다. 본 발명의 광학 시스템은 유용한 장치 기능성 범위를 제공하는 프린팅에 의해서 이용할 수 있는 형태 인자, 부품 밀도 및 부품 위치 같은 장치 형상과 구성을 갖는다. 본 발명의 광학 시스템은 유연성(flexibility), 형태성(shapeability), 변형가능성(conformability) 및/또는 신축성(stretchability)을 포함하는 유용한 물리적 및 기계적인 특성의 범위를 보여주는 장치 및 장치 어레이를 포함한다. 하지만, 본 발명의 광학 시스템은 유연하고, 형체를 이룰 수 있고 및/또는 신축성 있는 기판에 제공된 장치 및 장치 어레이에 더하여, 종래의 강성 또는 반강성의 기판에 제공되는 장치 및 장치 어레이를 포함한다.
본 발명은 또한 탄성 전사 장치(예를 들어 탄성체층(elastomer layer) 또는 스탬프) 같은 예를 들어 변형가능한(conformable) 전사 장치를 사용하여 접촉 프린팅을 포함하는 프린팅 기술을 통하여 광학 시스템의 적어도 일부분을 만드는 장치 제조와 공정 단계, 방법과 재료 전략을 제공한다. 특정 실시예에서, 본 발명의 방법은 발광 시스템, 광수집 시스템, 광센싱 시스템 및 광전 시스템을 포함하는 높은 성능의 광학 시스템의 범위를 만드는 높은 작업 처리량과 적은 비용의 제조 플랫폼을 제공한다. 본 방법에 의해 제공되는 공정은 마이크로 전자공학 장치, 어레이 및 시스템을 위한 장치 기판과 같이 넓은 영역의 기판과 양립가능하고, 전자 및 전자 광학 장치를 위한 패터닝 프린트 가능한 구조물 및/또는 박막층 같은 패터닝된 층 재료를 요구하는 제조 응용에 유용하다. 본 발명의 방법은 종래의 마이크로 제조 및 나노 제조 플랫폼에 보완적이고, 기존의 포토리소그래피, 에칭, 및 박막 증착 장치 패터닝 전략, 시스템 및 기반 시설에 효과적으로 집적될 수 있다. 본 장치 제조 방법은 단결정 반도체 및 반도체-기반 전자 장치/장치 부품 같은 매우 고품질의 반도체 재료를 넓은 영역의 기판, 중합체 장치 기판 및 형태 윤곽이 그려진 기판에 집적하는 능력을 포함하는 종래의 제조 플랫폼을 넘어서는 많은 장점들을 제공한다.
한 관점에서, 본 발명은 프린팅을 통해서 광학 시스템에 그 다음 전사되고, 조립되고, 집적될 수 있는 미리 선택된 물리적 크기와 형상을 갖는 고품질의 프린트 가능한 반도체 소자의 많은 산출량을 제공하기 위해 가공되는 시작 재료인 벌크 반도체 웨이퍼를 사용하는 공정 방법을 제공한다. 본 프린팅-기반의 장치 제조 방법에 의해 제공되는 장점은 플렉서블 전자 장치 같은 목표 응용에 유용한 다른 기계적인 특성(예를 들어, 유연성, 신축성 등)을 가짐과 동시에 프린트 가능한 반도체 소자가 바람직한 전자 특성, 광학 특성 및 시작 재료인 고품질의 벌크 웨이퍼의 구성(예를 들어, 전사도, 순수도 및 도핑 등)을 계속 유지하는 점이다. 게다가, 프린팅-기반의 조립 및 집적의 사용은 예를 들어, 접촉 프린팅이나 용해 프린팅을 통한 것은 시작 재료인 벌크 웨이퍼의 크기를 많이 초과하는 영역을 포함하는 넓은 영역에서의 장치 제조와 양립한다. 본 발명의 이런 측면은 매크로 전자에서의 응용에 대해 특히 매력적이다. 게다가, 본 반도체 공정 및 장치 조립 방법은 많은 장치나 장치 부품과 조립되고 집적될 수 있는 프린트 가능한 반도체 소자를 만들기 위해 전체 시작 반도체 재료를 사실상 매우 효율적으로 사용하는 것을 대비한다. 본 발명의 이런 측면은 시작 재료인 고품질의 반도체 웨이퍼가 거의 낭비되지 않거나 공정 중에 버려지지 않아서, 광학 시스템의 저 비용 제조를 가능하게 해주는 공정 플랫폼을 제공해 주기 때문에 유리하다.
한 측면에서, 본 발명은 접촉 프린팅을 사용하여 조립되고, 조직되고 및/또는 집적되는 프린트 가능한 반도체-기반 전자 장치/장치 부품을 포함하는 프린트 가능한 반도체 소자를 포함하는 광학 시스템을 제공한다. 이런 측면의 실시예에서, 본 발명은 (ⅰ) 수용면을 갖는 장치 기판을 제공하는 단계; 및 (ⅱ) 접촉 프린팅을 통해서 기판의 수용면에 하나 이상의 복수의 프린트 가능한 반도체 소자를 조립하는 단계를 포함하는 방법에 의해 만들어진 반도체-기반 광학 시스템을 제공한다. 실시예에서, 본 발명의 이런 측면의 광학 시스템은 접촉 프린팅을 통해서 기판의 수용면에 조립된 반도체-기반 장치나 장치 부품의 어레이를 포함한다. 특정 실시예에서, 광학 시스템의 프린트 가능한 반도체 소자 각각은 0.0001 ㎜에서 1000 ㎜의 범위에서 선택된 길이, 0.0001 ㎜에서 1000 ㎜의 범위에서 선택된 너비 및 0.00001 ㎜에서 3 ㎜의 범위에서 선택된 두께를 갖는 반도체 구조물을 포함한다. 이런 측면의 실시예에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 0.0001 ㎜에서 1000 ㎜의 범위에서 선택된 길이, 0.0001 ㎜에서 1000 ㎜의 범위에서 선택된 너비 및 0.00001 ㎜에서 3 ㎜의 범위에서 선택된 두께를 갖고, LED, 태양 전지, 다이오드, p-n 접합, 광전 시스템, 반도체-기반 센서, 레이저, 트랜지스터 및 포토다이오드로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 반도체 장치를 포함한다. 실시예에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 0.02 ㎜에서 30 ㎜의 범위에서 선택된 길이 및 0.02 ㎜에서 30 ㎜의 범위에서 선택된 너비를, 바람직하게 몇몇 응용에서는 0.1 ㎜에서 1 ㎜의 범위에서 선택된 길이 및 0.1 ㎜에서 1 ㎜의 범위에서 선택된 너비를, 바람직하게 몇몇 응용에서는 1 ㎜에서 10 ㎜의 범위에서 선택된 길이 및 1 ㎜에서 10 ㎜의 범위에서 선택된 너비를 갖는 반도 반도체 구조물을 포함한다. 실시예에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 0.0003 ㎜에서 0.3 ㎜의 범위에서 선택된 두께를, 바람직하게 몇몇 응용에서는 0.002 ㎜에서 0.02 ㎜의 범위에서 선택된 두께를 갖는 반도체 구조물을 포함한다. 실시예에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 100 ㎚에서 1000 ㎛의 범위에서 선택된 길이, 100 ㎚에서 1000 ㎛의 범위에서 선택된 너비 및 10㎚에서 1000 ㎛의 범위에서 선택된 두께를 갖는 반도체 구조물을 포함한다.
실시예에서, 프린트 가능한 반도체 소자(들)는 전자 장치 또는 전자 장치의 부품이다. 실시예에서, 프린트 가능한 반도체 소자(들)는 LED, 레이저, 태양 전지, 센서, 다이오드, 트랜지스터 및 포토다이오드로 구성된 군에서 선택된다. 실시예에서, 프린트 가능한 반도체 소자(들)는 다른 반도체 구조물, 유전체 구조물, 전도성 구조물 및 광학 구조물로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나의 부가적인 구조물과 집적되는 반도체 구조물을 포함한다. 실시예에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 전극, 유전체층, 광학 코팅, 금속 접촉 패드 및 반도체 채널로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나의 전자 장치 부품과 집적된 반도체 구조물을 포함한다. 실시예에서, 시스템은 상기 프린트 가능한 반도체 소자의 적어도 일부분과 전기적으로 접촉하여 제공되는 전기적 전도성 그리드(grid)나 메쉬(mesh)를 더 포함하며, 전기적 전도성 그리드나 메쉬는 상기 시스템에 적어도 하나의 전극을 제공한다.
이런 측면의 프린트 가능한 반도체 소자를 조립하고 조직하고 및/또는 집적하기 위한 접촉 프린팅 방법을 사용하는 것은 건식 전사 접촉 프린팅, 마이크로접촉 또는 나노접촉 프린팅, 마이크로전사 또는 나노전사 프린팅 및 자기 조립 보조 프린팅(self assembly assisted printing)을 포함한다. 접촉 프린팅의 사용은 서로에 대하여 선택된 방위 및 위치에서 복수의 프린트 가능한 반도체의 조립 및 집적을 허용하기 때문에 본 광학 시스템에서 유리하다. 본 발명의 접촉 프린팅은 또한 반도체(예를 들어, 무기물 반도체, 단결정 반도체, 유기물 반도체, 탄소 나노재료 등), 유전체 및 전도체를 포함하는 다양한 종류의 재료 및 구조들의 효율적인 전사, 조립 및 집적을 가능하게 해준다. 본 발명의 접촉 프린팅 방법은 장치 기판에 미리 패터닝된 하나 이상의 장치 부품에 대하여 미리 선택된 위치 및 공간 방위에서 프린트 가능한 반도체 소자의 매우 정밀하게 위치가 지정된 전사 및 조립을 선택적으로 제공한다. 접촉 프린팅은 또한 유리, 세라믹 및 금속 같은 종래의 강성 또는 반강성 기판과 플렉서블 기판, 구부릴 수 있는 기판, 형체를 이룰 수 있는 기판, 변형가능한 기판 및/또는 신축성 있는 기판 같은 특정 응용에 매력적인 물리적 및 기계적 특성을 갖는 기판을 포함하는 넓은 범위의 기판 유형과 양립할 수 있다. 프린트 가능한 반도체 구조물의 접촉 프린팅 조립은 예를 들어, 낮은 온도 공정(예를 들어, 298K 이하)과 양립할 수 있다. 이 특성은 본 광학 시스템이 중합체 및 플라스틱 기판과 같은 높은 온도에서 분해되거나 붕괴 되는 것을 포함하는 종류의 기판 재료를 사용하는 것을 이행하게 갖추게 해준다. 장치 소자의 접촉 프린팅 전사, 조립 및 집적은 또한 롤-투-롤(roll-to-roll) 프린팅과 플렉소그래픽(flexographic) 프린팅 방법 및 시스템 같은 낮은 비용과 높은 작업처리량의 프린팅 기술 및 시스템을 통해서 이행될 수 있기 때문에 또한 유리하다. 본 발명은 접촉 프린팅이 프린트 가능한 반도체 소자의 외부 표면과 공형 접촉을 성립시킬 수 있는 탄성 전사 장치 같은 변형가능한 전사 장치를 사용하여 수행되게 하는 방법을 포함한다. 몇몇 장치 제조 응용에 유용한 실시예에서 접촉 프린팅은 탄성 스탬프를 사용하여 수행된다.
실시예에서, 프린트 가능한 반도체의 접촉 프린팅-기반의 조립 단계는 (ⅰ) 하나 이상의 접촉 표면을 갖는 변형가능한 전사 장치를 제공하는 단계; (ⅱ) 프린트 가능한 반도체 소자의 외부 표면 및 변형가능한 전사 장치의 접촉 표면 사이의 공형 접촉을 성립시키는 단계, 공형 접촉은 프린트 가능한 반도체 소자를 접촉 표면에 본딩하고; (ⅲ) 접촉 표면 및 장치 기판의 수용면에 본딩된 프린트 가능한 반도체 소자를 접촉시키는 단계; 및 (ⅳ) 프린트 가능한 반도체 소자 및 변형가능한 전사 장치의 접촉 표면을 분리하여, 프린트 가능한 반도체 소자를 장치 기판의 수용면에 조립하는 단계를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 접촉 표면 및 장치 기판의 수용면에 본딩된 프린트 가능한 반도체 소자를 접촉시키는 단계는 프린트 가능한 반도체 소자(들)를 갖는 전사 장치의 접촉 표면 및 수용면 사이의 공형 접촉을 성립시키는 단계를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 접촉 표면의 프린트 가능한 반도체 소자(들)는 장치 기판에서의 분리(release) 및 조립을 촉진하기 위해서 수용면에 제공된 접착제 및/또는 평탄화층과 접촉하게 된다. 탄성체층이나 PDMS 스탬프 및 층을 포함하는 스탬프 같은 탄성 전사 장치를 사용하는 것은 이런 장치의 프린트 가능한 반도체 소자와, 장치 기판의 수용면, 외부 표면 및 내부 표면 그리고 광학 부품과 공형 접촉을 성립시키는 능력을 주는 몇몇 방법에서 유용하다.
이런 측면의 실시예에서, 프린트 가능한 반도체 재료 및 프린트 가능한 반도체-기반 전자 장치/장치 부품의 사용은 훌륭한 장치 성능과 기능을 보여주는 광학 시스템의 제조를 위한 고품질의 반도체 재료와 집적할 수 있는 능력을 제공한다. 유용한 프린트 가능한 반도체 소자는 단결정 반도체, 다결정 반도체 및 도핑된 반도체를 포함하는 고품질 반도체 웨이퍼 소스로부터 얻어진 반도체 소자를 포함한다. 본 발명의 시스템에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 하나의 단위 무기물 반도체 구조물을 포함한다. 본 발명의 시스템에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 단결정 반도체 재료를 포함한다. 게다가, 프린트 가능한 반도체 구조물의 사용은 높은 온도에서 가공된 다음 프린팅을 통해서 기판에 조립되어 만들어진 하이브리드 재료 같은, 반도체 전자, 광학 및 광전자 장치, 장치 부품 및 반도체 헤테로 구조를 포함하는 프린트 가능한 구조물에 집적할 수 있는 능력을 제공한다. 몇몇 실시예에서, 본 발명의 프린트 가능한 반도체 소자는 p-n 접합, 반도체 다이오드, 발광 다이오드, 반도체 레이저(예를 들어, 수직-공동 표면-방출 레이저(Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers(VCSEL)) 및/또는 광전 전지 같은 기능성 전자 장치 또는 장치 부품을 포함한다.
실시예에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 상기 수용면에 다층 구조를 만들기 위해서 상기 장치 기판에 조립된다. 실시예에서, 예를 들어, 다층 구조는 기계적으로 쌓아진 태양 전지를 포함한다. 실시예에서, 예를 들어, 프린트 가능한 반도체 소자는 다른 밴드-갭을 갖는 태양 전지이다.
본 발명의 이런 측면에서의 광학 시스템은 광학 부품, 유전체 구조물, 전도성 구조물, 접착층 또는 구조물, 연결 구조물, 밀봉 구조물, 평탄화 구조물, 전자-광학 소자 및/또는 박막 구조물 그리고 이런 구조물들의 어레이를 포함하며 이에 한정되지 않는 다양한 추가적인 장치 소자를 선택적으로 포함한다. 실시예에서, 예를 들어, 수집 광학계, 집속 광학계, 확산 광학계, 분산 광학계, 광섬유 및 그것들의 어레이, 렌즈와 그 어레이, 확산기, 반사경, 브래그 반사경, 도파관(waveguide)(광-파이프) 및 광학 코팅(예를 들어, 반사 코팅 또는 비반사 코팅)으로 구성되는 군에서 선택된 하나 이상의 수동 또는 능동 광학 부품을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 능동 및/또는 수동 광학 부품은 장치 기판에 제공된 프린트 가능한 반도체 소자 중 적어도 하나에 대하여 공간적으로 정렬된다. 본 발명의 이런 측면에서의 광학 시스템은 전기적 상호 연결, 전극, 절연체 및 전자-광학 소자를 포함하며 이에 한정되지 않는 다양한 부가적인 장치 부품을 선택적으로 포함할 수 있다. 프린팅-기반의 조립은 광학 포토리소그래피, 증착 기술(예를 들어, 화학적 증기 증착, 물리적 증기 증착, 원자 층 증착, 스퍼터링 증착 등), 소프트 리소그래피, 스핀 코팅 및 레이저 제거 패터닝을 포함하며 이에 한정되지 않는 마이크로 전자공학 분야에서 잘 알려진 다양한 기술들에 의해 이 부가적인 소자들을 조립하고 집적하는데 더하여, 부가적인 장치 소자 및 부가적인 장치 부품을 조립하고 집적하는데 사용될 수 있다.
프린팅-기반 조립은 본 광학 시스템에 조립되고 집적된 프린트 가능한 반도체 소자의 물리적 크기, 구성, 상대 공간 방위와 조직, 도핑 수준 및 재료 순수도에 대해 매우 높은 정도의 제어를 제공한다. 실시예에서, 광학 시스템의 프린트 가능한 반도체 소자는 5 반도체 소자 ㎜-1 이상의 밀도, 몇몇 실시예를 위해서 바람직하게는 50 반도체 소자 ㎜-1 이상의 밀도, 몇몇 응용을 위해서는 바람직하게 100 반도체 소자 ㎜-1 이상의 밀도를 갖는 기판의 수용면에 제공된다. 다른 실시예에서, 광학 시스템의 프린트 가능한 반도체 소자는 2000 ㎚ 이하의 몇몇 실시예에서는 500 ㎚ 이하의, 최소한 하나의 길이 물리적 크기(예를 들어, 길이, 너비 등), 선택적으로 두 개의 길이 물리적 크기를 갖는다. 다른 실시예에서, 광학 시스템의 프린트 가능한 반도체 소자 각각은 100 ㎛ 이하의, 몇몇 응용을 위해 바람직하게는 10 ㎛ 이하의, 몇몇 응용을 위해서는 바람직하게는 1 ㎛ 이하의, 적어도 하나의 단면 물리적 크기(예를 들어, 두께)를 갖는다. 다른 실시예에서, 광학 시스템에서 서로에 대하여 프린트 가능한 반도체 소자의 위치는 10,000 ㎚ 이내에서 선택된다.
프린트 가능한 반도체 소자는 본 발명의 광학 시스템의 서로 또는 다른 장치 소자에 대하여 선택된 방위에서 조립될 수 있다. 다른 실시예에서, 광학 시스템의 프린트 가능한 반도체 소자는 서로에 대하여 길이 방향으로 정렬된다. 본 발명은 예를 들어, 프린트 가능한 반도체 소자가 서로 3°이내의 평행한 길이를 연장하는 광학 시스템을 포함한다. 다른 실시예에서, 광학 시스템은 수용면에 제공된 제1 및 제2전극을 더 포함하며, 프린트 가능한 반도체 소자는 적어도 하나의 전극과 전기적 접촉을 하고, 프린트 가능한 반도체 소자는 10% 이상의, 몇몇 실시예를 위해서는 바람직하게 50% 이상의 제1 및 제2 전극 사이의 필 팩터(fill factor)를 제공한다.
본 발명은 또한 낮은 밀도(드문드문한)의 구성에서 배열된 프린트 가능한 반도체 소자를 포함하는 광학 시스템을 포함한다. 낮은 밀도의 구성의 사용은 장치에 결합되는 반도체 소자의 양이 적어서 낮은 비용이 부과되기 때문에, 몇몇 응용을 위한 장점을 갖는다. 이런 구성에서, 반도체 소자는 선택된 파장에 시스템이 광학적으로 투명하도록, 몇몇 실시예에서 바람직하게 50% 이상 광학적으로 투명하도록 반도체 소자의 밀도가 충분히 낮게 기판에 배열될 수 있다. 실시예에서, 광학 시스템의 프린트 가능한 반도체 소자는 1000 반도체 소자 ㎜-1 이하의 밀도, 몇몇 실시예를 위해서 바람직하게는 500 반도체 소자 ㎜-1 이하의 밀도, 및 몇몇 실시예를 위해 더 바람직하게는 50 반도체 소자 ㎜-1 이하의 밀도를 갖는 기판의 수용면에 제공된다. 드문드문한 구성을 할당할 수 있는 본 방법과 시스템의 실시예에서, 반도체 소자는 목표 기판의 수용면의 10% 이하; 다른 실시예에서는 1% 이하; 또 다른 실시예에서는 0.1% 이하를 덮게 된다. 다른 실시예에서, 광학 시스템은 수용면에 제공된 제1 및 제2전극을 더 포함하며, 프린트 가능한 반도체 소자는 적어도 하나의 전극과 전기적 접촉을 하고, 프린트 가능한 반도체 소자는 10% 이하의, 몇몇 실시예를 위해서는 바람직하게 5% 이하의 제1 및 제2 전극 사이의 필 팩터(fill factor)를 제공한다.
본 발명은 유리 기판, 중합체 기판, 플라스틱 기판, 금속 기판, 세라믹 기판, 웨이퍼 기판 및 합성 기판을 포함하는 다양한 유용한 기판 재료에 조립되고 집적되는 프린트 가능한 반도체 소자를 포함하는 광학 시스템을 포함한다. 본 광학 시스템에서 유용한 기판들은 유연성, 형태성, 신축성, 기계적 내구성 및 선택된 파장에 대한 광학 투명도 같은 유용한 기계적 및/또는 물리적 특성을 갖는 것들을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 본 발명의 광학 시스템은 장치 부품을 미리 패터닝한 장치 기판에 조립되고 집적된 프린트 가능한 반도체 소자를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 본 발명의 광학 시스템은 렌즈, 렌즈 어레이, 광학 창, 반사경, 광학 코팅, 광학 코팅의 시리즈, 또는 반사 코팅이나 비반사 코팅 같은 하나 이상의 광학 코팅을 선택적으로 갖는 광학적으로 투명한 기판 같은 광학적으로 선택된 기능성을 갖는 장치 기판에 조립되고 집적된 프린트 가능한 반도체 소자를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 본 발명의 광학 시스템은 오목 수용면, 볼록 수용면, 구형 표면, 타원형 표면 또는 오목 영역과 볼록 영역을 모두 갖는 복잡한 외형을 갖는 수용면 같은 외형이 그려진 수용면을 갖는 장치 기판에 조립되고 집적된 프린트 가능한 반도체 소자를 포함한다.
본 발명의 광학 시스템은 하나 이상의 밀봉층(encapsulating layer), 평탄화층(planarizing layer), 라미네이트층(laminating layer), 덮개층(cover layer) 및/또는 본딩층(bonding layer)을 더 포함할 수 있다. 밀봉층, 라미네이트층, 평탄화층, 덮개층 또는 본딩층은 강화된 기계적 안정성과 내구성을 제공하기 위해 프린트 가능한 반도체 소자나 다른 장치 부품의 상부에 제공될 수 있다. 밀봉층, 라미네이트층, 평탄화층, 덮개층 또는 본딩층은 장치 부품과 본 광학 시스템을 기계적, 광학적 및/또는 전기적으로 상호연결시키기 위해 구성에 제공될 수 있다.밀봉층, 라미네이트층, 덮개층, 평탄화층 또는 본딩층은 증착된 재료층, 스핀 코팅층 및/또는 몰딩된 층을 포함할 수 있다. 밀봉층, 라미네이트층, 덮개층, 평탄화층 또는 본딩층은 본 발명의 몇몇 광학 시스템 및 응용에 바람직하게 최소한 부분적으로 광학적으로 투명하다. 유용한 밀봉층, 라미네이트층, 평탄화층, 덮개층 또는 본딩층은 하나 이상의 중합체, 합성 중합체, 금속, 유전체 재료, 에폭시 재료 및 선(先)중합체(prepolymer) 재료를 포함할 수 있다. 실시예에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 (ⅰ) 반도체 소자를 프린트 가능한 반도체 소자 및 수신층 사이에 제공된 금속층을 통하여 수용면에 냉간 용접(cold welding)하거나; (ⅱ) 프린트 가능한 반도체 소자 및 수신층 사이에 제공된 접착층을 통해서 제공되거나; (ⅲ) 프린트 가능한 반도체 소자 및 수신층 상부에 제공된 라미네이트, 밀봉 또는 평탄화층에 의해서 제공되는 것 중 하나 이상을 통하여 수용면에 본딩되거나 집적된다. 접착층이 금속이라면, 이 층은 프린팅-기반의 조립 및 집적 동안 프린트 가능한 반도체 소자에 전기적 접촉을 성립시키는데 또한 기여할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 밀봉, 라미네이트 또는 평탄화층의 구성과 두께는 프린트된 반도체 장치 및/또는 장치 부품 같은 프린트 가능한 반도체 소자를 중립의 기계적 평면에 또는 근처에 위치한 장치 기판에 조립되게 선택된다. 실시예에서, 예를 들어, 밀봉 또는 라미네이트층은 조립된 프린트 가능한 반도체 소자의 상부에 제공되며, 밀봉 또는 라미네이트층은 장치 기판의 그것과 비슷한 구성 및 두께를 갖는다. 이런 실시예에서, 밀봉 및/또는 라미네이트층 구성과 두께 크기를 장치 기판의 그것과 매칭시키는 것은 프린트 가능한 반도체 소자가 중립의 기계적 평면에 존재하게 만든다. 대신에, 밀봉 및/또는 라미네이트층의 두께와 영의 계수(Young's modulus)는 프린트 가능한 반도체 소자가 중립의 기계적 평면 근처에 존재하도록 선택될 수 있다. 프린트 가능한 반도체 소자가 장치의 중립의 기계적 평면 근처에 존재할 때의 공정 방법 및 장치 형상의 장점은 이런 소자에서의 변형이 구부리거나 변형시키는 동안 줄어든다는 점이다. 구부리는 동안 발생하는 변형을 다루는 이런 전략은 구부리면서 유발된 변형에서 기인하는 장치의 탈라미네이트나 다른 붕괴를 줄여주는 이점이 있다.
몇몇 실시예에서, 본 발명의 광학 시스템은 진보된 광 시스템, 발광 다이오드 어레이, 반도체 레이저 어레이(예를 들어, VCSELs), 수동 매트릭스 LED(발광 다이오드) 디스플레이, 능동 매트릭스 LED 디스플레이, ILED(무기물 발광 다이오드) 디스플레이, 매크로 전자 디스플레이 장치 및 평면 패널 디스플레이를 포함하나 이에 제한되지 않는 발광 광학 시스템을 제공한다. 몇몇 실시예에서, 본 발명의 광학 시스템은 광학 센서와 센서 어레이, 플렉서블 센서, 신축성 있는 센서, 공형 센서 및 센서 스킨을 포함하는 광 감지 광학 시스템을 제공한다. 몇몇 실시예에서, 본 발명의 광학 시스템은 시트 스캐너(sheet scanner) 같은 발광 및 광 감지 기능을 모두 제공하는 광학 시스템을 제공한다. 본 발명의 광학 시스템은 광전 소자, 장치 어레이 및 태양 전지 어레이를 포함하는 시스템을 포함하는 에너지 변환 및 저장 시스템을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 본 발명의 광학 시스템은 200 ㎛ 이하의 적어도 두 개의 물리적 크기(예를 들어, 길이, 너비, 지름 또는 두께)를 갖는 다수의 하나 이상의 LED, 광전 전지, 반도체 레이저, 포토다이오드 및 전자-광학 소자를 포함한다. 실시예에서, 예를 들어, 본 발명은 태양 전지 어레이를 포함하는 광학 시스템을 제공하며, 어레이에서 각 전지는 200 ㎛ 이하의 적어도 두 개의 물리적 크기(예를 들어, 길이, 너비, 지름 또는 두께)를 갖는다. 다른 실시예에서, 예를 들어, 본 발명은 LED 어레이를 포함하는 광학 시스템을 제공하며, 어레이에서 각 LED는 3 ㎛ 이하의, 몇몇 응용을 위해서 바람직하게는 1 ㎛ 이하의 두께를 갖는다.
다른 측면에서, 본 발명은 (ⅰ) 수용면을 갖는 장치 기판을 제공하는 단계; 및 (ⅱ) 접촉 프린팅을 통해서 기판의 수용면에 하나 이상의 프린트 가능한 반도체 소자를 조립하는 단계;를 포함하는 광학 시스템을 제조하는 방법을 제공하며, 프린트 가능한 반도체 소자 각각은 0.0001 ㎜에서 1000 ㎜의 범위에서 선택된 길이, 0.0001 ㎜에서 1000 ㎜의 범위에서 선택된 너비 및 0.00001 ㎜에서 3 ㎜의 범위에서 선택된 두께를 갖는 반도체 구조물을 포함한다. 실시예에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 0.02 ㎜에서 30 ㎜의 범위에서 선택된 길이 및 0.02 ㎜에서 30 ㎜의 범위에서 선택된 너비를, 바람직하게 몇몇 응용에서는 0.1 ㎜에서 1 ㎜의 범위에서 선택된 길이 및 0.1 ㎜에서 1 ㎜의 범위에서 선택된 너비를, 바람직하게 몇몇 응용에서는 1 ㎜에서 10 ㎜의 범위에서 선택된 길이 및 1 ㎜에서 10 ㎜의 범위에서 선택된 너비를 갖는 반도 반도체 구조물을 포함한다. 실시예에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 0.0003 ㎜에서 0.3 ㎜의 범위에서 선택된 두께를, 바람직하게 몇몇 응용에서는 0.002 ㎜에서 0.02 ㎜의 범위에서 선택된 두께를 갖는 반도체 구조물을 포함한다. 실시예에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 100 ㎚에서 1000 ㎛의 범위에서 선택된 길이, 100 ㎚에서 1000 ㎛의 범위에서 선택된 너비 및 10㎚에서 1000 ㎛의 범위에서 선택된 두께를 갖는 반도체 구조물을 포함한다.
본 발명의 이런 측면에서 유용한 접촉 프린팅 방법은 건식 전사 접촉 프린팅, 마이크로접촉 또는 나노접촉 프린팅, 마이크로전사 또는 나노전사 프린팅 및 자기 조립 보조 프린팅을 포함한다. 선택적으로, 본 발명의 방법은 탄성 전사 장치(예를 들어, 탄성 스탬프, 합성 스탬프나 층) 같은 변형가능한 전사 장치를 사용하여 구현하도록 접촉 프린팅을 채용한다. 선택적으로 다수의 프린트 가능한 반도체 소자는 예를 들어, 밀집한 또는 드문한 구성으로 기판의 수용면에 조립된다. 선택적으로, 본 발명의 이런 측면의 방법은 하나 이상의 장치 부품을 갖는 장치 기판을 미리 패터닝하는 단계를 더 포함한다. 선택적으로, 본 발명의 이런 측면의 방법은 광통신이나 광학적 레지스트레이션(optical registration)에서의 하나 이상의 광학 부품에 프린트 가능한 반도체 소자를 제공하는 단계를 더 포함한다. 본 발명의 방법에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 하나의 단위 무기물 반도체 구조물을 포함한다. 본 발명의 방법에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 단결정 반도체 재료를 포함한다.
선택적으로, 본 발명의 방법은 중합체 또는 탄성체층 같은 라미네이트층을 기판의 수용면에 조립된 프린트 가능한 반도체 소자의 적어도 일부의 상부에 제공하는 단계를 포함한다. 선택적으로, 본 발명의 방법은 기판의 수용면에 조립된 프린트 가능한 반도체 소자의 적어도 일부를 평탄화하는 단계를 포함한다. 선택적으로, 본 발명의 방법은 (ⅰ) 수용면에 평탄화층을 제공하는 단계 및 (ⅱ) 프린트 가능한 반도체 소자의 적어도 일부를 평탄화층에 임베딩시키는 단계를 포함한다. 선택적으로, 본 발명의 방법은 하나 이상의 전기적 접촉, 전극, 접촉 패트 또는 다른 전기적 상호 연결 구조물을 프린트 가능한 반도체 소자의 적어도 일부분에 패터닝하는 단계를 포함한다.
본 발명의 이런 측면의 방법은 광학 부품, 전자 부품 및/또는 전자-광학 부품 같은 하나 이상의 부가적 장치 부품을 장치 기판에 조립하는 및/또는 집적하는 단계를 더 포함한다. 본 방법에서 부가적인 장치 부품을 조립 및/또는 집적하는 것은 리소그래픽 패터닝(예를 들어, 광학 리소그래프 및 소프트 리소그래프), 증착 기술(예를 들어, CVD, PVD, ALD 등), 레이저 제거 패터닝, 몰딩 기술(예를 들어, 레플리카 몰딩), 스핀 코팅, 자기 조립, 접촉 프린팅 및 용해 프린팅들을 포함하나 이에 제한되지 않는 많은 다른 제조 기술과 조합하여 구현될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 플라즈마 처리, 에칭, 금속화 및 냉간 용접 같은 다른 공정 기술이 프린트 가능한 반도체 소자를 포함하는 장치 부품을 생성하고, 조립하거나 집적하는데 사용된다.
실시예에서, 예를 들어, 광학 리소그래피 및 증착 기술의 조합은 프린트 가능한 반도체 소자의 프린팅-기반의 조립 전 또는 후에 장치 기판을 패터닝하는데 사용된다. 다른 실시예에서, 예를 들어, 레플리카 몰딩이 렌즈 어레이나 확산기 같은 광학 소자를 생성하는데 사용되며, 그 다음에 접촉 프린팅을 통해서 프린트 가능한 반도체 소자에 패터닝된다. 다른 실시예에서, 예를 들어, 장치 기판에 제공된 프린트 가능한 반도체 소자는 광학 리소그래피 및 증착 기술의 조합을 사용하여 장치 기판에 패터닝된 전극 및 전기적 상호 연결에 전기적으로 연결된다. 다른 실시예에서, 예를 들어, 다층 구조를 포함하는 광학 시스템은 박막 트랜지스터, LED, 반도체 레이저 및/또는 광전 소자 같은 장치 기판에 프린트된 프린트 가능한 반도체 소자를 반복적으로 전사시키고 조립하는 단계에 의해서 전극, 상호 연결, 접착층, 라미네이트층, 광학 부품 및 빌봉 또는 평탄화층과 같은 부가적인 장치 부품을 집적시키기 위해 선택적으로 스핀 코팅, 증착 및 밀봉/평탄화 단계를 통해서 수행된 부가적 공정과 조합으로 생성된다.
실시예에서, 이런 측면에서의 방법은 광통신 또는 광학적 레지스트레이션에서의 하나 이상의 광학 부품에 프린트 가능한 반도체 소자, 예를 들어 수집 광학계, 확산 광학계, 분산 광학계, 광섬유 및 광섬유 어레이, 렌즈 및 렌즈 어레이, 확산기, 반사경, 브래그 반사경 및 광학 코팅(예를 들어, 반사 코팅 또는 비반사 코팅)을 제공하는 단계를 더 포함한다. 예를 들어, 본 발명의 방법은 프린트 가능한 반도체 소자의 적어도 일부와 광통신 또는 광학적 레지스트레이션에서 광학 부품의 어레이를 제공하는 단계를 선택적으로 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서, 어레이의 광학 부품은 프린트 가능한 반도체 소자 각각에 개별적으로 위치가 지정된다. 특정 실시예에서, 광학 부품의 어레이는 레플리카 몰딩을 통해서 제조되며, 프린트 가능한 반도체 소자는 접촉 프린팅을 통해서 광학 부품의 어레이의 수용면에 조립된다.
실시예에서, 본 발명의 방법은 장치 기판에 제공된 프린트 가능한 반도체 소자와 전기적 접촉으로 하나 이상의 전극을 제공하는 것을 포함한다. 실시예에서, 전극은 광학 리소그래픽 패터닝 및 증착 기술(예를 들어, 열적 증착, 화학 증기 증착 또는 물리적 증기 증착)의 조합을 사용하여 광학 시스템에 집적되고 정의된다. 다른 실시예에서, 전극은 프린팅을 사용해서 장치 소자들과 조립되고 상호연결된다.
본 발명의 방법은 기판의 수용면의 넓은 영역에 광학 시스템을 제공하는데 유용하다. 넓은 어레이 광학 시스템을 제조하는데 유용한 실시예에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 0.05 ㎡에서 10 ㎡의 범위에서 선택된, 바람직하게 몇몇 응용을 위해서는 0.05 ㎡에서 1 ㎡의 범위에서 선택된 수용 기판의 영역에 제공된다.
실시예에서, 본 방법은 조립 단계 전에 수용면에 접착층을 제공하는 단계를 더 포함한다. 접착층은 본 발명에서 프린트 가능한 반도체 소자 및 다른 장치 소자를 기판의 수용면에 본딩하거나 다른 부착하는 유용하다. 유용한 접착층은 하나 이상의 금속층 또는 중합체층을 포함하나 이에 제한되지 않는다. 실시예에서, 본 방법은 프린트 가능한 반도체 소자에 라미네이트, 평탄화 또는 밀봉층을 제공하는 단계를 더 포함한다. 라미네이트, 평탄화 또는 밀봉층은 본 방법에서 프린트 가능한 반도체 소자와 다른 소자를 수용면에 적어도 부분적으로 밀봉하거나 라미네이트하는데 유용하다.
선택적으로, 본 발명의 방법은 (ⅰ) 무기물 반도체 웨이퍼를 제공하는 단계; (ⅱ) 다수의 프린트 가능한 반도체 소자를 웨이퍼로부터 생성하는 단계; 및 (ⅲ) 다수의 프린트 가능한 반도체 소자를 웨이퍼로부터 수용면에 접촉 프린팅을 통해서 전사시켜, 다수의 프린트 가능한 반도체 소자를 기판의 수용면에 조립하는 단계를 더 포함한다. 실시예에서, 다수의 프린트 가능한 반도체 소자는 기판의 수용면 및 하나 이상의 부가적인 기판의 수용면에 조립되며, 기판에 조립된 다수의 프린트 가능한 반도체 소자는 반도체 웨이퍼 양에 적어도 5%에서 50%를 포함한다. 본 발명의 이런 측면은 광학 시스템의 낮은 비용의 제조를 초래하는 반도체 웨이퍼 시작 재료를 매우 효율적으로 사용하게 하므로 유리하다. 몇몇 실시예에서, "기판에 조립된 다수의 프린트 가능한 반도체 소자"는 마지막 장치 기판의 매우 적은 일부( < 양 또는 영역으로 약 5%)를 포함할 수 있다. 즉, 프린트된 시스템은 반도체의 낮은 필-팩터를 보여줄 수 있다. 낮은 필-팩터의 장점은 적은 양의 반도체 재료를 필요로 한다는 점이며, 이런 경우 마지막 장치 기판(들)의 넓은 영역을 차지하는데 단위 영역에 기초하여 비싸게 된다.
다른 실시예에서, 본 발명은 (ⅰ) 외부 표면 및 내부 표면을 갖는 광학 부품을 제공하는 단계; (ⅱ) 광학 부품의 내부 표면에 전기적 전도성 그리드나 메쉬를 제공하는 단계; (ⅲ) 수용면을 갖는 장치 기판을 제공하는 단계; (ⅳ) 접촉 프린팅을 통해서 기판의 수용면에 다수의 프린트 가능한 반도체 소자를 조립하는 단계; 및 (ⅴ) 기판에 그리드나 메쉬를 갖는 광학 소자를 전사시키는 단계를 포함하는 반도체-기반 광학 시스템을 제조하는 방법을 제공하는데, 프린트 가능한 반도체 소자 각각은 0.0001 ㎜에서 1000 ㎜의 범위에서 선택된 길이, 0.0001 ㎜에서 1000 ㎜의 범위에서 선택된 너비 및 0.00001 ㎜에서 3 ㎜의 범위에서 선택된 두께를 갖는 하나의 단위 무기물 반도체 구조물을 포함하며, 그리드나 메쉬는 광학 부품 및 반도체 소자 사이에 제공된다. 실시예에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 0.02 ㎜에서 30 ㎜의 범위에서 선택된 길이 및 0.02 ㎜에서 30 ㎜의 범위에서 선택된 너비를, 바람직하게 몇몇 응용에서는 0.1 ㎜에서 1 ㎜의 범위에서 선택된 길이 및 0.1 ㎜에서 1 ㎜의 범위에서 선택된 너비를, 바람직하게 몇몇 응용에서는 1 ㎜에서 10 ㎜의 범위에서 선택된 길이 및 1 ㎜에서 10 ㎜의 범위에서 선택된 너비를 갖는 반도 반도체 구조물을 포함한다. 실시예에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 0.0003 ㎜에서 0.3 ㎜의 범위에서 선택된 두께를, 바람직하게 몇몇 응용에서는 0.002 ㎜에서 0.02 ㎜의 범위에서 선택된 두께를 갖는 반도체 구조물을 포함한다. 실시예에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 100 ㎚에서 1000 ㎛의 범위에서 선택된 길이, 100 ㎚에서 1000 ㎛의 범위에서 선택된 너비 및 10㎚에서 1000 ㎛의 범위에서 선택된 두께를 갖는 반도체 구조물을 포함한다.
본 발명의 방법에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 하나의 단위 무기물 반도체 구조물을 포함한다. 본 발명의 방법에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 단결정 반도체 재료를 포함한다.
도 1은 본 발명에 의해 제공되는 광학 시스템을 보여주는 개략도를 제공한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 레지스트리(registry)에서 집적 광학 부품을 갖는 프린트된 무기물 광전자 시스템을 포함하는 광 발생을 위한 시스템 및 광 수확을 위한 시스템을 포함하는 많은 종류의 광학 시스템 및 이 시스템의 관련 제조 방법을 제공한다.
도 2 a-e는 프린트 가능한 반도체 소자를 포함하는 본 발명의 광학 시스템의 개략적인 도표를 제공한다. 도 2a는 집적 광학 확산기를 갖는 프린트된 LED 어레이를 도시한다. 도 2b는 집적 광섬유를 갖는 실리콘 칩 위의 VCSEL 어레이를 도시한다. 도 2c는 집적 광학 수집기를 갖는 프린트된 광전 어레이를 도시한다. 도 2d는 수집 렌즈 위에 프린트된 포토다이오드 어레이를 포함하는 인공 눈 센서를 도시한다. 도 2e는 광 센싱 및 광 발생 기능을 모두 갖고 프린트된 어레이 LED 및 포토다이오드 부품 그리고 중합체나 다른 저비용의 기판에 제공되고 집적 수집 광학계를 포함하는 광 시트 스캐너를 도시한다.
도 3은 본 발명의 프린트된 무기물 능동 매트릭스 LED 디스플레이의 단일 픽셀 소자의 제조를 위한 공정 흐름 개략도를 제공한다.
도 4는 유리 기판 위에 프린트된 능동 매트릭스 LED 디스플레이의 개략적인 도해(스케일 제외)를 제공한다. 도시된 디스플레이는 100개의 픽셀을 포함하며, 약 11인치 디스플레이이다. 장치의 박막 트랜지스터(TFT) 소자, LED 소자, 게이트 라인, 양극 라인 및 데이터 라인이 도 4에 도시되어 있다.
도 5는 (투명한) 유리 기판 위의 능동 매트릭스 LED 디스플레이의 단일 픽셀의 사진(도 5a) 및 작동 전류-전압 특성(도 5b)을 제공한다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 능동 매트릭스 LED 디스플레이의 단일 픽셀은 프린트된 TFT 구조물, LED 구조물, 게이트 전극 및 전기적 상호 연결을 포함한다. 도 5b는 능동 매트릭스 LED 디스플레이의 단일 픽셀에 대한 전류(A) 대 구동 바이어스(V)의 곡선을 제공한다.
도 6은 (투명한) 유리 기판 위의 64 픽셀 능동 매트릭스 LED 디스플레이의 사진을 제공한다. 도 6a는 기판에 인력으로 위치된 ILEDs 및 장치 기판에 프린트된 1 ㎜의 트랜지스터를 포함하는 64 픽셀 부분 LED 디스플레이(주의: 상부 접촉이 빠짐)를 제공한다. 도 6a에 도시된 장치에서, 픽셀은 4 ㎜ 정도로 제공된다. 도 6b는 높은-전류 작동에 대한 채널(가는 초록색 선)과 서로 맞물린 프린트된 실리콘 TFT의 사진을 제공한다. 도 6c는 LED에 대항하는 투명한 일반 양극 전기적 접촉을 위치하게 하여 빛을 발하는 두 픽셀의 사진을 제공한다.
도 7a는 프린트된 무기물 수동 매트릭스 LED 디스플레이의 단일 픽셀 소자의 제조를 위한 공정 흐름 개략도를 제공한다.
도 7b는 (소프트한) 기판/층의 압축에 의해 전기적 접촉을 성립시키기 위한 공정 흐름 개략도를 제공한다.
도 8은 프린트된 수동 매트릭스 프린트된 무기물 LED 디스플레이의 개략적인 도해(스케일 제외)를 제공한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 디스플레이는 하부 기판, 전극 네트워크, 프린트된 ILED, PDMS층 및 상부 기판을 포함한다.
도 9는 유리 및 플렉서블 PET 기판에 수동으로 위치가 지정된 프린트된 무기물 LED 디스플레이/어레이의 사진을 제공한다.
도 10은 냉간-용접 본딩 기술을 통해서 무기물 광 방출기 및 수집기를 프린팅하기 위한 공정 흐름 개략도를 제공한다.
도 11은 도너 카트리지 및 냉간-용접 본딩 기술을 사용하여 프린팅하기 위한 공정 흐름 개략도를 제공한다. 이 방법에서 카트리지는 SU-8로 패터닝된다. ILED 구조물은 카트리지의 패터닝된 표면에 위치한다. 스탬프가 ILED 구조물을 들어올린 다음 전사 프린팅을 통해서 전극이 미리 패터닝되어 있는 기판에 ILED 구조물을 프린팅하는데 사용된다. 도 11의 하부 패널은 이 방법을 사용하여 프린트된 LED 구조물의 예를 보여준다.
도 12는 본 발명의 광학 시스템의 개략도를 제공하며, 확산 광학계는 프린트 가능한 LED 구조물과 집적된다. 이 실시예에서, PDMS는 거친 폴리스티렌에서 몰딩된다. 패널(들) (a) 및 (b)의 비교는 이 광학 시스템에서 확산기의 결합의 영향을 보여준다. 확산기는 거친 몰딩된 PDMS 구조물일 수 있다. 이 도면은 확산기가 빛을 내는 영역의 크기를 효과적으로 크게 할 수 있다는 것을 설명한다.
도 13은 본 발명의 LED 광 시스템에 유용한 광선 밀도 증감 산란 중심을 포함하는 확산 광학계의 개략도를 제공한다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 금속 아래에 프린트된 LED 구조물은 다수의 광학 산란 중심과 광통신 하도록 제공된다. 도 13의 하부 패널은 투명한 기판에서의 구조 특징부를 포함하는 산란 중심의 단면도를 보여준다.
도 14a는 프린트 가능한 마이크로-LED의 제조를 위한 예시적인 에피층(epilayer) 구조물을 제공한다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 에피층 구조물은 장치층, 희생층 및 핸들 웨이퍼의 시리즈를 포함한다. 에피층 구조물에서 개별 층은 도 14a의 하부 패널에 도시되어 있다. 도 14b는 양자 우물 방사층을 포함하는 프린트 가능한 마이크로-LED의 제조를 위한 예시적인 에피층의 구조물을 제공한다. 에피층 구조물은 p-클래딩 및 n-클래딩층 사이에 제공된 반도체층의 시리즈를 포함한다. 에피층 구조물에서 각 층의 특정 구성이 제공된다. 도 14c는 프린트 가능한 마이크로-LED의 제조를 위한 에피층 구조에서 각 층의 구성, 두께, 도핑 및 기능을 나타내는 테이블을 제공한다. 도 14d는 프린트 가능한 p-온-n GaAs 태양 전지가 9에서 4층을 포토리소그래피와 식각하고 습식 화학 식각으로 3층을 선택적으로 제거하여 만들어질 수 있는 마더 웨이퍼의 예를 도시한다. 도 14e는 프린트 가능한 n-온-p GaAs 태양 전지가 9에서 4층을 포토리소그래피와 식각하고 습식 화학 식각으로 3층을 선택적으로 제거하여 만들어질 수 있는 마더 웨이퍼의 다른 예를 제공한다.
도 15는 낮은 필-팩터, 마이크로-크기( < ~ 100 ㎛ 발자국)의 LED로부터 미세한 픽실레이션/높은 투명도를 설명하는 개략적인 도표를 제공한다. 이 도면의 상부 패널에 도시된 바와 같이, 광학 시스템은 (ⅰ) 제1 유리 코팅된 ITO 또는 낮은 필-팩터의 금속 메쉬층; (ⅱ) 프린트된 마이크로 LED 구조물; 및 (ⅲ) 제2 유리 코팅된 ITO 또는 낮은 필-팩터의 금속 메쉬층을 포함한다. 오프 상태 및 온 상태에 대응하는 평면도가 제공되어 있다. 평면도의 확대도 또한 마이크로 LED 구조물의 위치를 보여주기 위해 제공되어 있다.
도 16은 프린트 가능한 발광 무기물 반도체 마이크로-소자: 마이크로-LED 또는 VCSEL의 분리(release)를 위한 방법을 제공한다. 방법 1은 예를 들어, 그것들을 포토레지스트 같은 중합체에 밀봉하고 그것들이 성장되었던 웨이퍼로부터 불화수소산(hydrofluoric acid)을 사용하여 AlxGa1 -xAs( x > 약 70%) 희생층을 선택적으로 식각하여 그것들을 분리함으로써 그런 소자들을 분리하는 것을 설명한다. 방법 2는 변형가능한(conformable) 유전체(예를 들어, 실리콘 질화물)에서 그것들을 밀봉하고 수용 수산화 칼륨을 사용하여 AlGaAs를 선택적으로 산화하고 산화된 재료를 식각한 웨이퍼로부터 그것들을 분리하는 분리를 설명한다. 방법 3은 예를 들어, 포로레지스트 같은 중합체로 그것들을 밀봉하고 구연산 및 과산화 수소의 수용 혼합물을 사용하여 묻혀있는 GaAs 희생층을 선택적인 식각하는 분리를 설명한다. 방법 3에서, AlGaAs는 구연산-기반 식각액으로부터 발광 소자의 아래쪽을 보호한다.
도 17a는 프린트 가능한 태양 전지에 의해 집적 태양 전지/수집기 어레이의 제조를 설명하는 개략적인 공정 흐름 도표를 제공한다. 도 17b는 광학 어레이의 레지스트리의 상호 연결을 통해서 집적 태양 전지/수집기 어레이의 제조를 설명하는 개략적인 공정 흐름 도표를 제공한다. 도 17c는 집적 태양 전지/수집기 어레이의 작동을 설명하는 개략적인 공정 흐름 도표를 제공한다.
도 18a는 본 발명의 집적된 낮은 수준의 수집 광학계 (렌즈) 및 광학 시스템의 태양-전지 어레이의 작동을 보여주는 개략적인 광선 도표(스케일 제외)를 제공한다. 도 18a에 도시된 바와 같이 복사는 집속기에 의해 수집되고 프린트된 마이크로태양 전지에 초점이 맞춰진다. 도 18b는 비반사층, 상부 접촉 및 p-n 접합을 포함하는 본 발명의 마이크로전지의 확대도를 보여준다.
도 19는 시트(sheet) 같은 폼 팩터(form factor)에서 반도체 재료 비용을 감소시켜 광 수확하는 개략적인 도표 설명을 제공한다. 수집기 크기는 대략 2 mm이고, 태양 전지 크기는 대략 0.1 mm이며, 영역 증가(수집기 영역 및 태양 전지 영역의 비율)은 대략 400이다. 이 도면에서 도시된 계산에 의해 설명된 바와 같이 가공된 반도체 웨이퍼 1ft2는 대략 400 ft2의 광-수확 영역을 결과적으로 생기게 한다. 이 계산은 본 발명의 방법 및 광학 시스템이 고성능의 광전 소자 및 시스템을 위해 고효율과 저비용의 제조 전략을 제공한다는 것을 설명해준다.
도 20은 본 발명의 수집 광학계 및 태양 전지 어레이의 외래적으로 구성된 태양 전지(sympevolent/diventegration)의 개략적인 도표를 제공한다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 수집 광학계가 접촉 프린팅을 통해서 장치 기판에 조립된 질화물/인화물 및/또는 비화물 태양 전지 및 실리콘 태양 전지와의 광통신에 제공된다. 도 20은 또한 수집기의 수집 및 초점 기능과 개별적으로 위치가 지정된 태양 전지를 보여주는 입사광의 광선 도표를 제공한다. 단결정 멀티층 태양 전지(예를 들어, 제3세대 태양 전지)는 대개 MOCVD에 의해서 성장하고, 층 사이의 결정 그리드 미스매치의 불가피성에 의해서 압박받는다. 우리 시스템에서 다른 흡수층은 임의의 그리드를 가질 수 있고, 재료는 각 층을 위해 최적 스펙트럼 흡수를 위해 선택된다.
도 21은 레플리카 몰딩 방법 및 접촉 프린팅의 조합을 사용하는 집적 태양 전지 및 렌즈 어레이의 제조를 위한 개략적인 공정 흐름 도표를 제공한다. 이 도면에 도시된 바와 같이 마스터 렌즈 어레이는 예를 들어, 레플리카 몰딩이나 각인 기술 같은 네거티브 레플리카 몰드를 생성하는데 사용된다. 다음, 몰딩된 PDMS층은 네거티브 레플리카에 대해서 중합체를 주조하여 평요의 중합체 렌즈 어레이를 생성하는데 사용된다. 도 21에 도시된 바와 같이, 장치 기판에 프린트된 태양 전지는 본 발명의 광학 시스템을 생성하기 위하여 렌즈 어레이와 광통신 하는데 제공된다.
도 22는 본 발명에 의해 기술되는 광 수집 시스템에서의 사용을 위한 작은 영역에 광을 초점 맞추는 집속/수집 광학계 형태, 프레스넬(Fresnel) 렌즈의 성능을 설명해준다. 프레스넬 렌즈 어레이는 종래 렌즈에 비해 얇은 폼 팩터 및 가벼운 무게 같은 유리한 특징 때문에 광학 집속기로서 사용될 수 있다. 도면은 구형 및 실린더형의 프레스넬 렌즈의 초점 영역 측정을 보여준다.
도 23은 본 발명의 광학 시스템을 설명하는 개략적인 도표를 제공하며, 수평의 광 파이프 및/또는 도파관은 광 수집을 위해 제공된다. 이 광학 시스템은 수직으로 또는 비스듬히 입사하는 광을 포획하고 태양 전지 또는 태양 전지 어레이에 기판의 평면에 인도하기 위해 적절한 굴절률의 투명하고 구조화된 매질을 사용한다.
도 24는 실리콘 온 절연체 SOI 웨이퍼에 실리콘을 사용하는 예시적인 프린트 가능한 실리콘 태양 전지 제조를 보여주는 개략도를 제공한다. 태양 전지는 P/As 혼합물로 도핑된 상부 표면을 포함하며, SOI 웨이퍼의 묻혀 있는 산화층에 의해 지지된다. 도 24는 n+-Si(P/As)층 및 p-Si(B)층을 포함하는 태양 전지의 다층 구조를 보여준다.
도 25는 태양 전지를 장치 기판에 붙이기 위해 접촉 프린팅과 그 후의 냉간 용접 공정을 사용하여 프린트 가능한 태양 전지를 전사시키는 방법을 설명하는 개략적인 공정 흐름 도표를 제공한다.
도 26은 본 발명의 태양 전지 어레이에 상부 접촉을 위한 예시적인 구성의 평면도(평행하게)를 보여주는 개략적인 도표(스케일 제외)를 제공한다. (회색으로 도시된) 대략 120 ㎛의 너비 및 대략 1 ㎜의 길이를 갖는 마이크로 태양 전지는 장치 기판에 어레이 포맷으로 제공된다. 금속 특징부는 1인치 차수의 길이 및 약 60 ㎛의 너비를 갖도록 제공된다. 금속 특징부는 본 발명의 태양 전지 장치 어레이의 상부 접촉을 제공한다. 이 도면은 0.85 ㎝의 구부려진 반지름으로 청색 LED 및 얇은 캡톤(kapton) 기판으로 만들어진 플렉서블 스트립 광(strip light)을 보여준다.
도 27은 본 발명의 "인공 눈" 센서의 개략적인 도표를 제공한다. 센서는 구형 곡률을 갖는 렌즈에 분배된 무기물 포토다이오드 어레이를 포함한다. 다양한 렌즈 형상 및 국면이 도 27에 도시되어 있다.
도 28은 예시적인 "인공 눈" 센서에서 신축성의 필요성을 설명하는 구형 표면 주위의 평평한 시트를 감싸는 것을 설명하는 개략적인 도표를 제공한다. 도 28에 도시된 바와 같이, 평평한 시트의 공형 위치는 실패를 피하기 위해서 어느 정도의 신축성을 요구한다.
도 29는 본 발명의 마이크로태양 전지 어레이를 만드는 방법을 보여주는 공정 흐름 도표의 개략도를 제공한다.
도 30. 실리콘 두께의 기능으로서 추정된 단락 회로 전류(Jsc) 및 AM 1.5 효율.
도 31. Si 다층 리본 스택의 연속 형성을 보여주는 주사형 전자 현미경 사진.
도 32는 얇은 n-타입층 상부에 에미터를 형성하기 위해 p-타입 실리콘을 포함하는 Si 리본의 연결 도해의 개략적인 도표를 제공한다. 왼쪽은 이와 같이 전사된 Si 리본을 보여주고, 오른쪽은 연결을 보여준다(직접-쓰기 또는 스크린-프린팅). 오직 4개의 Si 리본이 명쾌함을 위해 도시되어 있다.
도 33은 태양 빛을 집속시키기 위해 PDMS를 사용하는 본 발명의 태양 전지 어레이의 개략도를 제동한다.
도 34는 단결정 실리콘을 플라스틱, 유리, Si 웨이퍼, InP 웨이퍼 및 박막 비정질 Si에 프린팅하는 결과를 보여주는 이미지를 제공한다. 본 발명의 마이크로스탬핑 공정은 넓은 범위의 기판과 호환될 수 있다.
도 35는 프린트 가능한 무기물 반도체-기반의 LED에 적용되는 본 발명의 예시적인 공정의 개략적인 도해를 보여준다.
도 36은 변형가능한 LED 광 시스템을 제조하는 본 방법에서 유용한 프린터의 개략적인 도해 및 이미지를 제공한다.
도 37은 접촉 프린팅을 통해서 플라스틱 기판에 조립되고 수동으로 위치가 지정된 청색 무기물 LED를 포함하는 정사각형(a 부분) 및 선형(b 부분) 광 장치의 이미지를 제공한다. b 부분의 장치는 본 발명의 공형 ILED-기반의 광 시스템을 포함하는 박막 광 장치의 설명을 나타낸다.
도 38은 본 발명의 변형가능한 LED 광 시스템의 제조 방법의 개략적인 공정 흐름 도표를 제공한다.
도 39는 플렉서블 스트립(strip)을 포함하는 본 발명의 ILED 광 장치의 제조를 위한 공정 흐름 개략도를 제공한다.
도 40은 상부 및 하부 PET 기판(대략 175 ㎛의 두께)), ILED 구조물(대략 100 ㎛의 두께), 전극 및 PDMS 밀봉 코팅을 포함하는 본 발명의 공형 ILED 광 시스템의 단면도를 제공한다.
도 41a 및 도 41b는 안 구부려진 상태, 7 ㎝의 구부려진 반지름을 갖는 제1구부려진 상태, 5 ㎝의 구부려진 반지름을 갖는 제2구부려진 상태, 4.5 ㎝의 구부려진 반지름을 갖는 제3구부려진 상태, 3 ㎝의 구부려진 반지름을 갖는 제4구부려진 상태 및 구부려지는 스트레스를 방출한 상태에서의 본 발명의 ILED 광 시스템의 이미지를 제공한다. 도 42의 이미지는 본 발명의 공형 ILED 광 시스템이 구부려진 구성에서 유용한 광학 특성을 제공하는 것을 확인시켜 준다.
도 42는 청색 LED 및 0.85 ㎝와 같은 구부려진 반지름을 갖는 얇은 캡톤 기판으로 만들어진 플렉서블 스트립 광의 이미지를 제공한다.
도 43은 장치 기판에 ILED 구조물의 조립을 위한 두 가지 방법을 보여주는 개략도를 제공한다.
도 44는 낮은 레벨의 집속기 렌즈를 갖는 마이크로 단결정 실리콘 태양 전지의 형성을 위한 개략도를 제공한다. 제1단계 (a)에서 마이크로 구조물은 PDMS로부터 장치를 위한 뒷면 전기 접촉으로서 작용하는 임베딩된 전극으로 전사된다. 실리콘은 전극 표면에 PDMS를 라미네이트하고 천천히 PDMS 뒷면을 벗겨서 전사된다. 다음, 단계 (b)에서 상부 금속 접촉의 형성이 뒤따르는 평탄화가 수행된다. 장치는 PDMS로부터 만들어진 낮은 집속 실린더 렌즈 어레이와 집적되어 완성된다(단계 c). 이 마지막 단계에서, 장치는 실리콘 전지들의 줄이 렌즈 어레이의 초점과 정렬되도록 설계되었다는 것을 알 수 있다.
도 45는 유리 기판에 전사된 실리콘 태양 전지의 이미지를 제공한다. (a) 상부 및 하부 전기 접촉을 모두 갖는 유리 기판 위의 단일 전지의 광학 이미지. (b) 전류 전압 특성 - AM 1.5에서 (a)에 도시된 장치의 전형적인 Ⅰ-Ⅴ 반응.
도 46은 실린더 수집 광학계에 결합된 태양 전지 어레이의 이미지를 제공한다. (a) 실린더 렌즈 어레이에 완전히 집적된 최종 장치의 사진. (b) 렌즈 어레이와 결합되지 않은 상기와 같은 장치의 사진.
도 47은 mS-실리콘 태양 전지(마이크로-실리콘 태양 전지)에 집적 금속 접촉을 갖는 광학 집속기 어레이를 만드는 개략적인 도표를 제공한다. 공정은 PDMS 몰딩된 렌즈 어레이를 통해서 (암청색으로 표시된) 기판으로부터 금속 메쉬 패턴의 회수로부터 시작된다. 렌즈 어레이/메쉬 패턴은 실리콘 태양 전지 어레이의 레지스트리에 라미네이트될 수 있다.
도 48은 태양 전지 및 집적 집속 광학계의 제조를 위한 공정 흐름을 기술하고 있다.
도 49는 얇은 PDMS 접착층을 통해서 유리 기판에 금 버스 라인에 프린트된 마이크로 태양 전지 어레이의 이미지를 제공한다. 또한 태양 전지 어레이에 대한 전류 - 전압 특성이 도시되어 있다.
도 50은 (a) 수직-형태, (b) 수평-형태, (c) 두 형태의 조합의 마이크로전지의 개략적인 도해를 제공한다.
도 51은 접촉 프린팅을 통해서 현미 조작을 사용하는 넓은 영역의 광학 시스템을 만들기 위한 본 발명의 방법을 설명하는 개략적인 도표를 제공한다. 이 기술은 마이크로-크기 및/또는 나노-크기의 물리적 크기를 갖는 무기물 반도체 소자 및 반도체 장치의 대량으로 평행한 조립품에 제공된다.
도 52는 전사 프린팅을 통해서 조립된 무기물 LED 장치를 위한 전류(A) 대 적용된 전압(V)의 플롯을 제공한다.
도 53a는 전사 프린팅을 통해서 플라스틱 기판에 조립된 프린트된 박막 무기물 LED 장치에 대한 전류(A) 대 적용된 전압(V)의 플롯을 제공한다. 도 53a는 또한 조립된 장치의 개략적인 도표를 제공한다. 도 53a는 본 발명에서 유용한 예시적인 ILED 에피층 구조물을 보여주는 개략적인 도표를 제공한다.
도 54a 및 54b는 평탄화된 프린트 가능한 반도체 소자를 포함하는 본 발명의 시스템의 개략적인 도표를 제공한다.
도 55는 프린트 가능한 반도체-기반의 전자 장치 및 장치 부품 같은 평탄화된 프린트 가능한 반도체 소자를 포함하는 반도체-기반의 광학 시스템을 만들기 위한 본 발명의 방법의 공정 단계를 설명하는 흐름 도표를 제공한다.
도 56은 프린트 가능한 반도체 소자에 및/또는 사이에 전기적 접촉을 성립시키는 단계 에지의 영향을 특징짓는 실험적 결과를 제공한다.
도 57은 태양 전지 어레이를 제조하기 위해 다음으로 조립되고 상호 연결될 수 있는 수직 태양 전지를 포함하는 프린트 가능한 반도체 소자를 만들기 위한 공정 흐름 도표를 제공한다.
도 58은 벌크 웨이퍼로부터 제조단 다른 두께의 마이크로태양 전지의 SEM 이미지를 제공한다.(상부에서 하부로: 8 ㎛, 16 ㎛, 22 ㎛의 두께).
도 59는 본 공정 플랫폼을 사용하여 제조된 개별 태양 전지 장치의 IV 특징을 보여주는 플롯을 제공한다.
도 60은 수직 태양 전지 및 관련된 전자 성능 데이터를 위한 상부 접촉을 만들기 위한 공정을 보여준다.
도 61은 <111> p-타입 Si 웨이퍼에 패터닝되고 접촉 프린팅을 통해서 다음 조립 및 집적될 수 있는 수평 형태 태양 전지의 태양 전지 레이아웃을 보여주는 개략도를 제공한다.
도 62는 보론(p+) 및 인(n+) 도핑된 영역이 패터닝된 반도체 리본의 외부 표면에 패터닝된 도핑 개요를 보여주는 개략도를 제공한다.
도 63은 전지 패터닝 및 도핑 단계를 위한 공정 흐름을 보여주는 개관 개략도를 제공한다.
도 64는 포토리소그래피 및 STS 깊은 RIE 식각 공정 단계를 설명하는 태양 전지 리본을 패터닝하기 위한 공정 단계를 보여주는 개략적인 도표를 제공한다.
도 65는 패터닝된 리본의 측벽의 KOH 정련 공정으로부터의 결과를 보여준다.
도 66은 보론 도핑 공정을 위한 개략적인 도표를 제공한다. KOH 정련 단계 후에, 보론 도핑이 상부 p+ 접촉의 형성을 위해 행해진다.
도 67은 인 도핑 공정을 위한 개략적인 도표를 제공한다.
도 68은 측벽 패시베이션(passivation) 공정을 보여주는 개략적인 도표를 제공한다.
도 69는 KOH 식각 창 형성을 위한 공정을 보여주는 개략적인 도표를 제공한다.
도 70은 KOH 식각 공정 및 하부 보론 도핑 공정을 보여주는 현미경사진을 제공한다.
도 71은 PDMS 전사 장치를 사용하는 소스 웨이퍼로부터 태양 전지 리본의 전사를 보여주는 이미지를 제공한다.
도 72는 접촉 프린팅 및 평탄화 공정 단계를 설명하는 개략적인 도표를 제공한다.
도 73은 금속화 공정의 결과를 보여주는 이미지를 제공한다.
도 74는 Al 금속층, SiO2 유전체층, Cr/Au층, 태양 전지, 평탄화층 및 장치 기판을 보여주는 금속화 단계의 개략적인 도표를 제공한다.
도 75a 및 75b는 본 명세서에서 사용된 바와 같이 "측면 크기" 및 "단면 크기"라는 표현을 예시하는 개략적인 도표를 제공한다. 도 75a는 4개의 반도체 리본(6005)을 포함하는 프린트 가능한 반도체 소자의 평면도를 제공한다. 이 명세서의 문맥에서, "측면 크기"란 표현은 반도체 리본(6005)의 길이(6000) 및 너비(6010)에 의해서 예시된다. 도 75b는 4개의 반도체 리본(6005)을 포함하는 프린트 가능한 반도체 소자의 단면도를 제공한다.
도 76은 PET 기판에 프린트된 프린트 가능한 GaAs/GaAIP 적색 LED의 어레이를 보여준다.
도면을 참조하면, 같은 번호는 같은 소자를 가리키며, 하나 이상의 도면에서 나타나는 같은 번호는 같은 소자를 지시한다. 게다가, 여기서 다음 정의가 적용된다:
광학계 및 광학 부품에 적용되는 것처럼 "수집" 및 "집속"은 비교적 넓은 영역으로부터 빛의 방향을 돌려서 그 빛을 다른 영역, 몇몇 경우에는 더 작은 영역으로 향하게 하는 광학 부품 및 장치 부품의 특성을 나타낸다. 몇몇 실시예의 문맥에서, 광학 부품의 수집 및 집속 및/또는 광학 부품은 광 감지 또는 프린트된 무기물 태양 전지나 포토다이오드에 의한 전력 수확에 용이하다.
"프린트 가능한"은 높은 온도(예를 들어, 약 400℃ 이하의 온도)로 기판의 노출 없이 기판에 또는 기판 위에 전사, 조립, 패터닝, 조직 및/또는 집적할 수 있는 재료, 구조, 장치 부품 및/또는 집적 기능성 장치와 관련 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 프린트 가능한 재료, 소자, 장치 부품 및 장치는 용해 프린팅 또는 접촉 프린팅을 통해서 기판에 또는 기판 위에 전사, 조립, 패터닝, 조직화 및/또는 집적을 할 수 있다.
본 발명의 "프린트 가능한 반도체 소자"는 기판 표면에 조립 및/또는 집적될 수 있는 예를 들어, 건식 전사 접촉 프린팅 및/또는 용해 프린팅 방법을 사용하여 반도체 구조물을 포함한다. 일 실시예에서, 본 발명의 프린트 가능한 반도체 소자는 단위 단결정, 다결정, 마이크로결정 무기물 반도체 구조물이다. 일 실시예에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 하나 이상의 다리(bridge) 소자를 통해서 마더 웨이퍼 같은 기판에 연결된다. 이 명세서의 문맥에서, 하나의 단위 구조물은 기계적으로 연결된 특징들을 갖는 단일 결정으로 된 소자가다. 본 발명의 반도체 소자는 도핑되거나 도핑되지 않을 수 있으며, 도펀트의 선택된 공간 분포를 가질 수 있고, P 및 N 형 도펀트를 포함하는 다수의 다른 도펀트 재료로 도핑될 수 있다. 본 발명의 프린트 가능한 반도체 소자 및 구조물은 화학적 분리 약품의 소개에 의해 웨이퍼로부터 그들의 분리를 쉽게 하기 위하여 소자의 하나의 크기를 통해서 홀(hole)이나 구멍(perforation)을 포함할 수 있다. 본 발명은 1 ㎛에서 1000 ㎛의 범위에서 선택된 적어도 하나의 단면 크기(예를 들어, 두께)를 갖는 마이크로구조의 프린트 가능한 반도체 소자를 포함한다. 본 발명은 1에서 1000 ㎚의 범위에서 선택된 적어도 하나의 단면 크기(예를 들어, 두께)를 갖는 나노구조의 프린트 가능한 반도체 소자를 포함한다. 일 실시예에서, 본 발명의 프린트 가능한 반도체 소자는 1000 ㎛ 이하의 두께 크기, 바람직하게 몇몇 실시예를 위해서는 100 ㎛ 이하의 두께 크기, 바람직하게 몇몇 실시예를 위해서는 10 ㎛ 이하의 두께 크기 및 바람직하게 몇몇 실시예를 위해서는 1 ㎛ 이하의 두께 크기를 갖는다.
많은 응용에서 유용한 프린트 가능한 반도체 소자는 종래 높은 온도 공정 기술을 사용하여 산출된 높은 순도의 결정 반도체 웨이퍼 같은 높은 순도의 벌크 재료의 "탑 다운(top down)" 공정으로부터 유도된 소자를 포함한다. 본 발명의 몇몇 방법 및 시스템에서, 본 발명의 프린트 가능한 반도체 소자는 전도체층, 유전체층, 전극, 부가적인 반도체 구조물 또는 이것들의 몇몇 조합 같은 적어도 하나의 부가적인 장치 부품 또는 구조물에 작동상 연결되거나 집적 반도체를 갖는 혼성 구조물을 포함한다. 본 발명의 몇몇 방법 및 시스템에서, 본 발명의 프린트 가능한 반도체 소자(들)는 다른 반도체 구조물, 유전체 구조물, 전도체 구조물 및 광학 구조물(예를 들어, 광학 코팅, 반사기, 창, 광학 필터, 집광, 확산 또는 집속 광학계 등)로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나의 부가적인 구조물에 집적 반도체 구조물을 포함한다. 본 발명의 몇몇 방법 및 시스템에서, 프린트 가능한 반도체 소자(들)는 전극, 유전체층, 광학 코팅, 금속 접촉 패드 및 반도체 채널로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나의 전자 장치 부품에 집적된 반도체 구조물을 포함한다. 본 발명의 몇몇 방법 및 시스템에서, 본 발명의 프린트 가능한 반도체 소자는 신축성 있는 반도체 소자, 구부릴 수 있는 반도체 소자 및/또는 혼성 반도체 소자( 예를 들어, 유전체, 다른 반도체, 전도체, 세라믹 등과 같은 하나 이상의 부가적인 재료에 집적된 반도체 구조물)를 포함한다. 프린트 가능한 반도체 소자는 프린트 가능한 LED, 레이저, 태양 전지, p-n 접합, 광전, 포토다이오드, 다이오드, 트랜지스터, 집적 회로 및 센서를 포함하며 이에 제한되지 않는 프린트 가능한 반도체 장치 및 그것의 부품을 포함한다.
"단면 크기"는 장치, 장치 부품 또는 재료의 단면의 크기를 나타낸다. 단면 크기는 프린트 가능한 반도체 소자의 두께, 반지름 또는 지름을 포함한다. 예를 들어, 리본 형상을 갖는 프린트 가능한 반도체 소자는 두께 단면 크기에 의해 특징지을 수 있다. 예를 들어, 실린더 형상을 갖는 프린트 가능한 반도체 소자는 지름(양자택일적으로 반지름) 단면 크기에 의해 특징지을 수 있다.
"실질상 평행한 구성에서 세로로 방위가 맞춰진"은 프린트 가능한 반도체 소자 같은 소자의 군집의 세로축이 선택된 정렬축에 실질상 평행하게 방위가 맞춰진 방위를 나타낸다. 이 정의의 문맥에서, 선택된 축에 실질상 평행한 것은 절대 평행 방위에 10°이내의, 더 바람직하게는 절대 평행 방위에 5°이내의 방위를 나타낸다.
용어 "플렉서블" 및 "구부릴 수 있는"은 본 명세서에서 동의어로 사용되며, 재료, 구조물, 장치 또는 장치 부품의 불충분 점을 특징짓는 변형 같은 상당한 변형을 가져오는 변환을 겪지 않고 구부러진 형상으로 변형되는 재료, 구조물, 장치 또는 장치 부품의 능력을 나타낸다. 예시적인 실시예에서, 플렉서블 재료, 구조물, 장치 또는 장치 부품은 5% 이상, 바람직하게 몇몇 응용을 위해서는 1% 이상 및 더 바람직하게는 0.5% 이상의 변형 유도 없이 구부러진 형상으로 변형될 수 있다.
"반도체"는 매우 낮은 온도에서는 절연체이나 약 300K의 온도에서는 상당한 전기적 전도성을 갖는 몇몇 재료를 나타낸다. 본 명세서에서, 용어 반도체의 사용은 마이크로전자공학 및 전기 장치 분야에서의 이 용어의 사용과 일관되도록 의도된다. 본 발명에서 유용한 반도체는 실리콘, 게르마늄 및 다이아몬드 같은 원소 반도체, SiC 및 SiGe 같은 Ⅳ족 합성 반도체, AlSb, AlAs, AlN, AlP, BN, GaSb, GaAs, GaN, GaP, InSb, InAs, InN 및 InP 같은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체, AlxGa1 - xAs 같은 Ⅲ-Ⅴ족 3원 반도체 합금, CsSe, CdS, CdTe, ZnO, ZnSe, ZnS 및 ZnTe 같은 Ⅱ-Ⅵ족 반도체, CuCl 같은 Ⅰ-Ⅶ족 반도체, PbS, PbTe 및 SnS 같은 Ⅳ-Ⅵ족 반도체, PbI2, MoS2 및 GaSe 같은 층 반도체, CuO 및 Cu2O 같은 산화 반도체 같은 합성 반도체를 포함할 수 있다. 용어 반도체는 진성 반도체 및 주어진 응용 또는 장치에 유용한 유리한 전기적 특성을 제공하기 위해 p-형 도핑 재료 및 n-형 도핑 재료를 갖는 반도체를 포함하는 하나 이상의 선택된 재료로 도핑된 외인성 반도체를 포함한다. 용어 반도체는 반도체 및/또는 도펀트의 합성물을 포함하는 합성 재료를 포함한다. 본 발명의 몇몇 응용에 유용한 특정 반도체 재료는 Si, Ge, SiC, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, GaSb, InP, InAs, InSb, ZnO, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, HgS, PbS, PbSe, PbTe, AlGaAs, AlInAs, AlInP, GaAsP, GaInAs, GaInP, AlGaAsSb, AlGaInP, 및 GaInAsP를 포함하며, 이에 제한되지 않는다. 다공성 실리콘 반도체 재료는 센서 및 발광 다이오드(LED)와 고체 상태 레이저 같은 발광 재료의 분야에서 본 발명의 응용에 유용하다. 반도체 재료의 불순물은 반도체 재료 그 자체 또는 반도체 재료에 제공되는 몇몇 도펀트와 다른 원자, 원소, 이온 및/또는 분자이다. 불순물은 반도체 재료의 전기적 특성에 부정적인 영향을 줄 수 있는 반도체 재료에 있어서 바람직하지 않은 재료이며, 산소, 탄소 및 중금속을 포함하는 금속을 포함하나 이에 제한되지 않는다. 중금속 불순물은 주기율표에서 구리 및 납 사이의 원소들의 군, 칼슘, 나트륨 및 모든 이온, 화합물 및/또는 그들의 합성물을 포함하나 이에 제한되지 않는다.
"플라스틱"은 일반적으로 열이 가해졌을 때 몰딩되거나 형상을 만들 수 있으며, 원하는 형상으로 경화될 수 있는 몇몇 합성 또는 자연 발생 재료 내지 그 재료들의 조합을 나타낸다. 본 발명의 장치 및 방법에 유용한 예시적인 플라스틱은 중합체, 합성 수지 및 셀룰로오스 유도체를 포함하나 이에 제한되지 않는다. 본 명세서에서, 용어 플라스틱은 원하는 화학적 또는 물리적 특성을 제공할 수 있는 구조 강화제(structural enhancers), 충전제(fillers), 섬유(fibers), 가소제(plasticizers), 안정제(stabilizer) 또는 첨가제(additives) 같은 하나 이상의 첨가제와 하나 이상의 플라스틱을 포함하는 합성 플라스틱 재료를 포함하는 것이 의도된다.
"탄성체(elastomer)"는 늘여지거나 변형되고 실질상 영구적인 변형 없이 원래 형상으로 돌아올 수 있는 중합체 재료를 나타낸다. 탄성체는 실질상 탄력적인 변형을 일반적으로 겪는다. 본 발명에 유용한 예시적인 탄성체는 중합체, 혼성 중합체, 합성 재료 또는 중합체 및 혼성 중합체의 혼합물을 포함할 수 있다. 탄성체층은 적어도 하나의 탄성을 포함하는 층을 나타낸다. 본 발명에서 유용한 탄성체는 열가소성(thermoplastic) 탄성체, 스티렌 재료, 올레핀 재료, 폴리올레핀, 폴리우레탄 열가소성 탄성체, 폴리아미드, 합성 고무, PDMS, 폴리부타디엔, 폴리이소부틸렌, 폴리(스티렌-부타디엔-스티렌), 폴리우레탄, 폴리클로로프렌 및 실리콘을 포함하나 이에 제한되지 않는다. 탄성체는 본 방법에서 유용한 탄성 스탬프를 제공한다.
"전사 장치"는 하나 이상의 프린트 가능한 반도체 소자 같은 소자 또는 소자의 어레이를 수신, 재배치, 조립 및/또는 집적할 수 있는 장치 또는 장치 부품을 나타낸다. 본 발명에서 유용한 전사 장치는 전사를 겪고 있는 소자와 공형 접촉을 성립시킬 수 있는 하나 이상의 접촉 표면을 갖는 변형가능한 전사 장치를 포함한다. 본 방법 및 구성은 탄성 전사 장치를 포함하는 전사 장치와 연결된 구현에 특히 적합하다. 유용한 탄성 전사 장치는 탄성 스탬프, 합성 탄성 스탬프, 탄성체층, 다수의 탄성체층 및 유리, 세라믹, 금속 또는 중합체 기판 같은 기판에 연결된 탄성체층을 포함한다.
"넓은 영역"은 36 제곱 인치 이상의 장치 제조에 사용되는 기판의 수용면의 영역 같은 영역을 나타낸다.
"공형 접촉"은 표면, 코팅된 표면 및/또는 기판 표면에 구조물을 전사시키고, 조립하고, 조직하고 및 집적하는데 유용할 수 있는 그 위에 증착된 재료를 갖는 표면 사이에 성립된 접촉을 나타낸다. 한 측면에서, 공형 접촉은 기판 표면 또는 프린트 가능한 반도체 소자 같은 물체의 표면의 전체 형상에 변형가능한 전사 장치의 하나 이상의 접촉 표면의 거시적인 개조를 포함한다. 다른 측면에서, 공형 접촉은 공간 없이 밀접한 접촉을 이끄는 기판 표면에 변형가능한 전사 장치의 하나 이상의 접촉 표면의 미시적인 개조를 포함한다. 용어 공형 접촉은 소프트 리소그래피 분야에서 이 용어의 사용과 일관되도록 의도된다. 공형 접촉은 변형가능한 전사 장치의 하나 이상의 노출된 접촉 표면 및 기판 표면 사이에 성립될 수 있다. 대안으로, 공형 접촉은 변형가능한 전사 장치 및 기판 표면의 예를 들어, 전사 재료, 프린트 가능한 반도체 소자, 장치 부품 및/또는 그 위에 증차된 장치 같은 하나 이상의 코팅된 접촉 표면 사이에 성립될 수 있다. 대안으로, 공형 접촉은 변형가능한 전사 장치 및 전사 재료, 고체 포토레지스트층, 선중합체층, 액체, 박막 또는 유동체 같은 재료로 코팅된 기판 표면 및 변형가능한 전사 장치의 하나 이상의 텅 비거나 코팅된 접촉 표면 사이에 성립될 수 있다.
"배치 정확성"은 프린트 가능한 반도체 소자 같은 프린트 가능한 소자를 전극 같은 다른 장치 부품의 위치에 대하여 또는 수용면의 선택된 영역에 대하여 선택된 위치에 전사시키는 전사 방법 또는 장치의 능력을 나타낸다. "좋은 배치" 정확성은 절대로 정확한 위치로부터 50 ㎛ 이하, 더 바람직하게는 몇몇 응용에 대해서 20 ㎛ 이하 및 훨씬 더 바람직하게는 몇몇 응용에 대해서 5 ㎛ 이하의 공간적 편차를 갖고 다른 장치나 장치 부품에 대하여 또는 수용면의 선택된 영역에 대하여 선택된 위치에 프린트 가능한 소자를 전사시킬 수 있는 방법 및 장치를 나타낸다. 본 발명은 좋은 배치 정확성을 갖고 전사된 적어도 하나의 프린트 가능한 소자를 포함하는 장치를 제공한다.
"광통신"이란 하나 이상의 전자기 복사 빔이 한 소자로부터 다른 소자로 전파할 수 있는 두 개 이상의 소자의 구성을 나타낸다. 광통신에서 소자는 직접 광통신 또는 간접 광통신일 수 있다. "직접 광통신"은 전자기 복사의 하나 이상의 빔이 빔을 조정 및/또는 결합하기 위하여 광학 부품을 사용하지 않고 제1장치 소자로부터 다른 소자로 직접 전파하는 두 개 이상의 소자의 구성을 나타낸다. 반면에 "간접 광통신"은 전자기 복사의 하나 이상의 빔이 도파관, 광섬유 소자, 반사기, 필터, 프리즘, 렌즈, 격자(grating) 및 이런 장치 부품들의 몇몇 조합을 포함하나 이에 제한되지 않는 하나 이상의 장치 부품을 통해서 두 소자 사이에 전파하는 두 개 이상의 소자의 구성을 나타낸다.
본 발명은 수집 광학계, 확산 광학계, 디스플레이, 픽 앤드 플레이스 조립, 수직 공동 표면-발광 레이저(VCSELS) 및 그 어레이, LED 및 그 어레이, 투명 전자공학, 광전 어레이, 태양 전지 및 그 어레이, 플렉서블 전자공학, 현미조작, 플라스틱 전자공학, 디스플레이, 전사 프린팅, LED, 투명 전자공학, 신축성 있는 전자공학 및 플렉서블 전자공학 분야와 관련 있다.
본 발명은 전사 프린팅 기술을 통해서 조립되고 집적된 프린트 가능한, 고품질의 무기물 반도체 소자를 포함하는 예를 들어, LED 어레이, 레이저 어레이, 광학 센서 및 센서 어레이와 광전 어레이 같은 광학 장치 및 장치 어레이를 제공한다. 본 발명의 조립 및 집적 방법은 프린트 가능한 반도체 소자의 건식 접촉 프린팅, 광학 부품(예를 들어, 렌즈 어레이)을 집적시킨 장치 기판 같은 장치 기판을 만들기 위한 레플리카 몰딩 및 라미네이션 공정 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 본 발명은 발광 다이오드(LED) 또는 다른 발광 또는 수집 장치의 조립체의 공동 작동에 의해서 이미지를 생성하는 새로운 형태의 디스플레이를 제공한다. 이미지는 컴퓨터 모니터나 텔레비전의 이미지 같이 높은 선명도를 가지거나, 형광과 유사한 방법으로 단순한 조명을 제공한다. 본 발명은 작은 무기물 발광 장치, 트랜지스터 및 전기적 전도체 상호 연결의 조립체로서 형성된다. 전사 프린팅 및 다른 새로운 제조 공정은 이 부품들의 조립을 수행하고 예를 들어, 신축성 같은 새로운 기능성을 부가하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명은 단단한 재료(예를 들어, 유리), 플렉서블 재료(예를 들어, 얇은 플라스틱), 및 심지어 신축성 있는 재료(예를 들어, 탄성체)를 포함하며, 이 디스플레이 및 조명 제품에 기계적 인성(toughness) 및 가벼운 무게뿐만 아니라 높은 투명도, 유연성 및/또는 신축성을 포함하는 많은 장점을 부가하는 범위의 기판에 조립될 수 있다. 그러므로 본 발명은 예를 들어, 항공우주, 수송, 의료 및 패션 산업에서 사물의 복잡한 윤곽선에 다이내믹하게 합치할 수 있는 구성적인 소자 및 장치를 포함하는 많은 응용들에 유용하다. 사용되는 발광기(LED)는 심지어 강렬한 태양광에서도(예를 들어, 야외 디스플레이를 위한) 이미지의 효율적인 디스플레이를 가능하게 하도록 빠른 스피드 작동 및 높은 휘도가 가능하다.
본 발명의 새로운 전사 프린팅 및 다른 제조 공정은 디스플레이에 기능성을 부가하는 것에 덧붙여, 다른 덜 다재다능한 형태의 디스플레이(예를 들어, 종래 LED 디스플레이)를 생산하는데 요구되는 비용보다 적은 비용으로 본 발명의 시스템을 생산할 수 있게 해준다. 새로운 전사 프린팅 및 다른 제조 공정은 또한 본 발명의 시스템이 다른 디스플레이 기술(액정 디스플레이, 유기물 LED 디스플레이, 종래 LED 디스플레이, 음극선관 디스플레이 등)에서는 이용할 수 없는 휘도의 정도, 넓은 영역의 적용 범위, 투명도, 기계적 특성, 작동 수명 및/또는 해상도 조합을 성취할 수 있게 한다.
도 1은 본 발명에 의해 제공되는 광학 시스템을 보여주는 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 레지스트리에 집적 광학 부품을 갖는 프린트된 무기물 광학 및 광전자 시스템을 포함하는, 광 생성을 위한 시스템 및 광 수확을 위한 시스템을 포함하는 많은 종류의 광학 시스템 및 이 시스템을 제조하는 관련 방법을 제공한다. 광 생성 시스템은 선택적으로 광 확산 광학계, 광 포커싱 광학계 및/또는 광 필터링 광학계를 포함하는 프린트된 LED 디스플레이, 프린트된 VCSEL 시스템 및 프린트된 반도체 레이저 어레이를 포함한다. 광 수확 시스템은 선택적으로 수집 광학계를 포함하는 인공 눈 센서, 구형/평면형을 바꿀 수 있는 스탬프 센서와 구형 변형가능한 신축성 있는 반도체 기반 센서 같은 센서 및 광전 어레이, 마이크로 태양 전지 같은 광전 시스템을 포함한다. 본 발명의 광학 시스템은 신축성 있는 장치와 시스템, 플렉서블 장치와 시스템 및 강성의 장치와 시스템을 포함한다.
도 2a 내지 2e는 프린트 가능한 반도체 소자를 포함하는 본 발명의 광학 시스템의 개략적인 도표를 제공한다. 도 2a는 집적 광학 확산기를 갖는 프린트된 LED 어레이를 보여준다. 도 2b는 집적 광섬유를 갖는 실리콘 칩 위의 VCSEL 어레이를 보여준다. 도 2c는 집적 광학 수집기를 갖는 프린트된 광전 어레이를 보여준다. 도 2d는 수집 렌즈 위의 프린트된 포토다이오드 어레이를 포함하는 인공 눈 센서를 보여준다. 도 2e는 광 센싱 및 광 생성 기능을 모두 갖고 프린트된 어레이 LED와 포토다이오드 부품 및 중합체나 다른 적은 비용의 기판에 제공된 집적 수집 광학계를 포함하는 시트 스캐너를 보여준다.
도 3은 본 발명의 프린트된 무기물 능동 매트릭스 LED 디스플레이의 단일 픽셀 소자의 제조를 위한 공정 흐름 개략도를 제공한다. 패널 1은 기판에 게이트 전극을 준비하는 단계를 설명한다. 패널 2는 패터닝된 기판에 박막 접착제를 스핀-코팅하는 단계를 설명한다. 패널 3은 예를 들어, 접촉 프린팅을 사용하여 접착층에 박막 트랜지스터 구조물을 프린팅하는 단계를 설명한다. 패널 4는 프린트된 트랜지스터 구조물을 상호연결하기 위해서 전극선을 증착(또는 프린팅)하는 단계를 설명한다. 패널 5는 하나 이상의 전극에 LED 구조물을 프린팅하는 단계를 설명한다. 몇몇 실시예에서, 이 소자들의 본딩은 냉간-용접에 의해 이루어진다. 패널 6은 예를 들어, 광치유 가능한 에폭시를 사용하여 장치 부품을 밀봉하거나 평탄화하는 단계를 설명한다. 패널 7은 LED 전극 구조물의 상부에 전기적 접촉을 증착하거나 프린팅하는 단계를 설명한다.
도 4는 유리 기판에 프린트된 능동 매트릭스 LED 디스플레이의 개략적인 도해(스케일 제외)를 제공한다. 도시된 디스플레이는 100개의 픽셀을 포함하며, 약 11 인치 디스플레이이다. 장치의 박막 트랜지스터(TFT) 소자, LED 소자, 게이트 라인(gate line), 아노드 라인(anode line) 및 데이터 라인(data line)이 도 4에 지시되어 있다. TFT 및 LED 구조물은 예를 들어, 하나 이상의 탄성 스탬프를 사용하여 프린팅을 통해서 조립된다. 금속 라인은 쉐도우 마스크로 패터닝된다. 하부판은 LED 구조물, 데이터 및 게이트 라인과 TFT 구조물을 지지한다. 상부판은 아노드 라인을 지지한다.
도 5는 (투명한) 유리 기판에 능동 매트릭스 LED 디스플레이의 단일 픽셀의 사진(도 5a) 및 작동 전류-전압 특성을 제공한다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 능동 매트릭스 LED 디스플레이의 단일 픽셀은 프린트된 TFT 구조물, LED 구조물, 게이트 전극 및 전기적 상호 연결을 포함한다. 도 5b는 능동 매트릭스 LED 디스플레이의 단일 픽셀에 대해 전류(A) 대 구동 바이어스(V)의 곡선을 제공한다.
도 6은 (투명한) 유리 기판에 64 픽셀 능동 매트릭스 LED 디스플레이의 사진을 제공한다. 도 6a는 장치 기판에 프린트된 1 ㎜ 트랜지스터 및 기판에 수동으로 위치된 ILED를 포함하는 64 픽셀 부분 LED 디스플레이(상부 접촉 생략)의 사진을 제공한다. 도 6a에 도시된 장치에서, 픽셀은 4 ㎜ 정도로 제공된다. 도 6b는 높은-전류 작동에 대한 채널(가는 초록색 선)과 서로 맞물린 프린트된 실리콘 TFT의 사진을 제공한다. 도 6c는 LED에 대항하는 투명한 일반 양극 전기적 접촉을 위치하게 하여 빛을 발하는 두 픽셀의 사진을 제공한다.
도 7a는 프린트된 무기물 수동 매트릭스 LED 디스플레이의 단일 픽셀 소자의 제조를 위한 공정 흐름 개략도를 제공한다. 패널 1은 기판의 수용면에 탄성 전구체(precursor)층을 스핀 코팅하는 단계를 설명한다. 스핀 캐스팅 후에 탄성 전구체층이 적어도 부분적으로 양생된다. 패널 2는 전극을 증착하는 단계를 설명한다. 패널 3은 예를 들어, 접촉 프린팅을 통해서 전극에 ILED 구조물을 프린팅하는 단계를 설명한다. 패널 4는 상부 전극을 라미네이트하는 단계를 설명하며, 상부 전극은 제2기판에 위치한다. 이 공정 단계들은 프린트된 LED 구조물의 접촉을 달성한다.
도 7b는 (소프트한) 기판/층의 압축에 의해 전기적 접촉을 성립시키기 위한 공정 흐름 개략도를 제공한다. 패널 1은 집적 전극으로 선패터닝된(prepatterned) 두 기판(적어도 하나의 소프트한 예를 들어, 탄성체) 사이에 부품을 위치시키는 단계를 설명한다. 패널 2는 예를 들어, PDMS를 PDMS에 또는 PDMS를 유리에 본딩하기 위해 산소 플라즈마 처리를 통해서 접촉에 강한 본딩을 위해 기판 표면을 활성화하는 단계를 설명한다. 도 3은 예를 들어, 부품을 "샌드위칭" 시켜 두 기판을 함께 압착하는 단계를 설명한다. 이 공정 단계에서 충분한 압력이 소프트층을 변형시키고 두 표면에 접촉을 가져오도록 적용된다. 본딩 후에, 전기적 접촉은 나머지 압력에 의해 유지된다. 패널 4는 예를 들어, 압력 집속 점의 축소를 통해서 접촉을 용이하게 하고 더 강한 본딩 경계면을 만들기 위해 선택적인 구조 특징을 사용하는 패널 3에서 도시된 것과 유사한 공정을 설명한다.
도 8은 프린트된 수동 매트릭스 프린트된 무기물 LED 디스플레이의 개략적인 도해(스케일 제외)를 제공한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 디스플레이는 하부 기판, 전극 네트워크, 프린트된 ILED, PDMS층 및 상부 기판을 포함한다.
도 9는 유리 및 플렉서블 PET 기판에 수동으로 위치가 지정된 프린트된 무기물 LED 디스플레이/어레이의 사진을 제공한다.
도 10은 냉간-용접 본딩 기술을 통해서 무기물 광 방출기 및 수집기를 프린팅하기 위한 공정 흐름 개략도를 제공한다. 패널 1은 전사 장치(예를 들어, 탄성 스탬프)에 증착된 무기물 소자에 금속(예를 들어, 금, 인듐, 은 등)을 기화시키는 단계를 설명한다. 패널 2는 수용면에 스탬프 및 무기물 소자를 접촉시키고 금속막의 냉간-용접을 야기하기 위해 열이나 압력을 선택적으로 적용하는 단계를 설명한다. 패널 3은 스탬프를 제거하여 접촉 프린팅을 통해서 무기물 소자의 전사 및 조립을 초래하는 단계를 설명한다.
도 11은 도너 카트리지 및 냉간-용접 본딩 기술을 사용하여 본 발명의 기술을 프린팅하기 위한 공정 흐름 개략도를 제공한다. 이 방법에서 카트리지는 SU-8로 패터닝된다. ILED 구조물은 카트리지의 패터닝된 표면에 위치한다. 스탬프가 ILED 구조물을 들어올린 다음 전사 프린팅을 통해서 전극으로 미리 패터닝된 기판에 ILED 구조물을 프린팅하는데 사용된다. 도 11의 하부 패널은 이 방법을 사용하여 프린팅되고 조립된 LED 구조물의 예를 보여준다.
도 12는 본 발명의 광학 시스템의 개략도를 제공하며, 확산 광학계는 프린트 가능한 LED 구조물과 집적된다. 이 실시예에서, PDMS는 거친 폴리스티렌에서 몰딩된다. 패널(들) (a) 및 (b)의 비교는 이 광학 시스템에서 확산기의 결합의 영향을 보여준다. 확산기는 거친 몰딩된 PDMS 구조물일 수 있다. 이 도면은 확산기가 빛을 내는 영역의 크기를 효과적으로 크게 할 수 있다는 것을 설명한다.
도 13은 본 발명의 LED 광 시스템에 유용한 다수의 광선 밀도 증감 산란 중심을 포함하는 확산 광학계의 개략도를 제공한다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 금속 아래에 프린트된 LED 구조물은 다수의 광학 산란 중심과 광통신 하도록 제공된다. 도 13의 하부 패널은 투명한 기판에서의 구조 특징부를 포함하는 산란 중심의 단면도를 보여준다.
도 14a는 프린트 가능한 마이크로-LED의 제조를 위한 예시적인 에피층 구조물을 제공한다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 에피층 구조물은 장치층, 희생층 및 핸들 웨이퍼의 시리즈를 포함한다. 에피층 구조물에서 개별 층은 도 14a의 하부 패널에 도시되어 있다. 도 14b는 양자 우물 방사층을 포함하는 프린트 가능한 마이크로-LED의 제조를 위한 예시적인 에피층의 구조물을 제공한다. 에피층 구조물은 p-클래딩 및 n-클래딩층 사이에 제공된 반도체층의 시리즈를 포함한다. 에피층 구조물에서 각 층의 특정 구성이 제공된다. 도 14c는 프린트 가능한 마이크로-LED의 제조를 위한 에피층 구조물에서 각 층의 구성, 두께, 도핑 및 기능을 나타내는 테이블을 제공한다.
도 14d는 프린트 가능한 p-온-n GaAs 태양 전지가 9에서 4층을 포토리소그래피와 식각하고 습식 화학 식각으로 3층을 선택적으로 제거하여 만들어질 수 있는 마더 웨이퍼의 예를 도시한다.
도 14e는 프린트 가능한 n-온-p GaAs 태양 전지가 9에서 4층을 포토리소그래피와 식각하고 습식 화학 식각으로 3층을 선택적으로 제거하여 만들어질 수 있는 마더 웨이퍼의 다른 예를 제공한다.
도 15는 낮은 필-팩터, 마이크로-크기( < ~ 100 ㎛ 발자국)의 LED로부터 미세한 픽실레이션/높은 투명도를 설명하는 개략적인 도표를 제공한다. 이 도면의 상부 패널에 도시된 바와 같이, 광학 시스템은 (ⅰ) 제1 유리 코팅된 ITO 또는 낮은 필-팩터의 금속 메쉬층; (ⅱ) 프린트된 마이크로 LED 구조물; 및 (ⅲ) 제2 유리 코팅된 ITO 또는 낮은 필-팩터의 금속 메쉬층을 포함한다. 오프 상태 및 온 상태에 대응하는 평면도가 제공되어 있다. 평면도의 확대도 또한 마이크로 LED 구조물의 위치를 보여주기 위해 제공되어 있다.
도 16은 프린트 가능한 발광 무기물 반도체 마이크로-소자: 마이크로-LED 또는 VCSEL의 분리를 위한 방법을 제공한다. 방법 1은 예를 들어, 포토레지스트 같은 중합체에서 그것들을 밀봉하고 그것들이 불화수소산(hydrofluoric acid)을 사용하여 AlxGa1 -xAs( x > 약 70%) 희생층을 선택적으로 식각하여 성장한 웨이퍼로부터 그것들을 분리하여 그런 소자들을 분리하는 것을 설명한다. 방법 2는 공형 유전체(예를 들어, 실리콘 질화물)에서 그것들을 밀봉하고 수용 수산화 칼륨을 사용하여 AlGaAs를 선택적으로 산화하고 산화된 재료를 식각한 웨이퍼로부터 그것들을 분리하는 분리를 설명한다. 방법 3은 예를 들어, 포로레지스트 같은 중합체로 그것들을 밀봉하고 구연산 및 과산화 수소의 수용 혼합물을 사용하여 묻혀있는 GaAs 희생층을 선택적인 식각하는 분리를 설명한다. 방법 3에서, AlGaAs는 구연산-기반 식각액으로부터 발광 소자의 아래쪽을 보호한다.
도 17a는 프린트 가능한 태양 전지에 의해 집적된 태양 전지/수집기 어레이의 제조를 설명하는 개략적인 공정 흐름 도표를 제공한다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 태양 마이크로 전지는 웨이퍼에 조밀한 어레이로 제조된다. 스탬프는 조밀한 태양 전지 어레이와의 접촉에 가져와 져서 웨이퍼로부터 목표 조립 구조물로 태양 전지를 전사시키는데 사용된다. 도 17a에 도시된 바와 같이, 어레이에서 태양 마이크로 전지는 접촉 프린팅을 통해서 목표 조립 구조물의 뒷면 전극에 전사된다. 도 17b는 광학 어레이의 레지스트리의 상호 연결을 통해서 집적된 태양 전지/수집기 어레이의 제조를 설명하는 개략적인 공정 흐름 도표를 제공한다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 태양 마이크로 전지는 목표 기판에 프린트된다. 기판은 앞면 전극 및 절연층을 제공하도록 더 가공된다. 다음, 마이크로렌즈의 몰딩된 마이크로 어레이는 어레이에서 각각의 렌즈가 적어도 하나의 태양 마이크로전지에 개별적으로 위치가 지정된 광학 시스템에 집적된다. 도 17c는 집적된 태양 전지/수집기 어레이의 작동을 설명하는 개략적인 공정 흐름 도표를 제공한다. 이 실시예에서, 각각의 마이크로렌즈 수집기/집속기는 도 17c의 상부 패널에 도시된 바와 같이, 단결정 태양 전지에 개별적으로 위치가 지정되고 광학적으로 정렬된다. 앞면 전극, 절연층 및 뒷면 전극 또한 이 도면에 도시되어 있다. 도 17c의 하부 패널은 태양 광과 광학 시스템의 상호 작용을 개략적으로 보여준다.
도 18a는 집적 수집/집속 광학계 (렌즈) 및 본 발명의 광학 시스템의 태양-전지의 작동을 보여주는 개략적인 도표(스케일 제외)를 제공한다. 입사광의 수집 및 포커싱은 이 도면에 제공된 광선 도표에 의해 제공되며, 이는 광학 집속기에 입사하는 광이 광학 집속기에 위치가 지정된 프린트된 마이크로 태양 전지의 활성 영역에 초점이 맞춰지는 것을 보여준다. 금으로 된 층이 마이크로 태양 전지를 장치 기판에 붙이는 본딩층을 제공한다. 도 18b는 프린팅을 통해서 조립된 본 발명의 마이크로 태양 전지의 확대된 도면을 보여준다. 태양 전지는 비반사층, 상부 접촉, p-n 접합 및 하부 알루미늄층을 포함하는 다층 구조이다.
도 19는 시트 같은 폼 팩터(form factor)에서 반도체 재료 비용을 감소시켜 광 수집하는 본 발명의 전략 설계 및 제조를 설명해주는 개략적인 도표를 제공한다. 수집기 크기는 대략 2 mm이고, 태양 전지 크기는 대략 0.1 mm이며, 영역 증가(수집기 영역 대 태양 전지 영역의 비율)는 대략 400이다. 이 도면에서 도시된 계산에 의해 설명된 바와 같이 가공된 반도체 웨이퍼 1ft2는 대략 400 ft2의 광-수확 영역을 결과적으로 생기게 한다. 이 계산은 본 발명의 방법 및 광학 시스템이 고성능의 광전 장치 및 시스템에 고효율과 저비용의 제조 전략을 제공한다는 것을 설명해준다.
도 20은 본 발명의 수집/집속 광학계 및 태양 전지 어레이의 외래적으로 구성된 태양 전지(sympevolent/diventegration)의 개략적인 도표를 제공한다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 수집 광학계가 접촉 프린팅을 통해서 장치 기판에 조립된 질화물/인화물 및/또는 비화물(arsenide) 태양 전지 및 실리콘 태양 전지와의 광통신에 제공된다. 도 20은 또한 수집기의 수집 및 초점 기능과 개별적으로 위치가 지정된 태양 전지를 보여주는 입사광의 광선 도표를 제공한다. 단결정 멀티층 태양 전지(예를 들어, 제3세대 태양 전지)는 대개 MOCVD에 의해서 성장하고, 층 사이의 결정 그리드 미스매치(mismatch)의 불가피성에 의해서 압박받는다. 우리 시스템에서 다른 흡수층은 임의의 그리드를 가질 수 있고, 재료는 각 층을 위해 최적 스펙트럼 흡수를 위해 선택된다.
도 21은 레플리카 몰딩 방법 및 접촉 프린팅의 조합을 사용하는 집적 태양 전지 및 렌즈 어레이의 제조를 위한 개략적인 공정 흐름 도표를 제공한다. 이 도면에 도시된 바와 같이 마스터 렌즈 어레이는 예를 들어, 레플리카 몰딩이나 각인 기술 같은 네거티브 레플리카 몰드를 생성하는데 사용된다. 다음, 몰딩된 PDMS층은 네거티브 레플리카에 대해서 중합체를 주조하여 평요의(plano-concave) 중합체 렌즈 어레이를 생성하는데 사용된다. 도 21에 도시된 바와 같이, 장치 기판에 프린트된 태양 전지는 본 발명의 광학 시스템을 생성하기 위하여 렌즈 어레이와 광통신 하는데 제공된다.
도 22는 본 발명에 의해 기술되는 광 수집 시스템에서의 사용을 위한 작은 영역에 광을 초점 맞추는 집속/수집 광학계 형태, 프레스넬(Fresnel) 렌즈의 성능을 설명해준다. 프레스넬 렌즈 어레이는 종래 렌즈에 비해 얇은 폼 팩터 및 가벼운 무게 같은 유리한 특징 때문에 광학 집속기로서 사용될 수 있다. 도 22는 구형 및 실린더형의 프레스넬 렌즈의 초점 영역 측정을 보여준다.
도 23은 본 발명의 광학 시스템을 설명하는 개략적인 도표를 제공하며, 수평의 광 파이프 및/또는 도파관은 광 수집을 위해 제공된다. 이 광학 시스템은 수직으로 또는 비스듬히 입사하는 광을 포획하고 태양 전지 또는 태양 전지 어레이에 기판의 평면에 인도하기 위해 적절한 굴절률의 투명하고 구조화된 매질을 사용한다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 광 파이프 같은 다수의 도파관 구조물이 광통신 및 개별적으로 위치가 지정된 태양 전지에 있으며, 각 도파관에 수집된 광은 태양 전지로 유도된다.
도 24는 실리콘 온 절연체 SOI 웨이퍼를 사용하는 예시적인 프린트 가능한 실리콘 태양 전지 제조를 보여주는 개략도이다. 태양 전지는 P/As 혼합물로 도핑된 상부 표면을 포함하며, SOI 웨이퍼의 묻혀 있는 산화층에 의해 지지된다. 도 24는 n+-Si(P/As)층 및 p-Si(B)층을 포함하는 태양 전지의 다층 구조를 보여준다. 실시예에서, 실리콘 태양 전지는 (ⅰ) 하나 이상의 프린트 가능한 태양 전지 구조물의 물리적 크기를 정의하기 위해 예를 들어, ICP-RIE를 사용하여 SOI 웨이퍼의 표면에 패터닝하는 단계; (ⅱ) 프린트 가능한 태양 전지 구조물을 예를 들어, HF 언더컷(undercut) 식각 공정을 통해서 분리하는 단계, 묻혀 있는 산화층은 선택적으로 식각되어 프린트 가능한 태양 전지 구조물을 분리하게 되며, (ⅲ) 실리콘 프린트 가능한 구조물을 예를 들어, 분리된 프린트 가능한 태양 전지 구조물에 접촉되어 있고 SOI 기판으로부터 잡아떼어지는 탄성(예를 들어, PDMS) 스탬프를 사용하여 회수하여, 프린트 가능한 태양 전지 구조물을 기판으로부터 탄성 스탬프에 전사시키는 단계; (ⅳ) 예를 들어, CVD, PVD 또는 열 증착 방법을 사용하여 프린트 가능한 태양 전지 구조물의 뒷면 금속화(back metalization) 증착하는 단계; (ⅴ) 접촉 프린팅, 선택적으로 냉간-용접 본딩 단계를 조합을 통해서 탄성 스탬프로부터 금속화된 장치 기판으로 뒷면 금속화된 프린트 가능한 실리콘 구조물을 전사시키는 단계; (ⅵ) Al-도핑된 p+ 영역을 활성화시키기 위해 장치 기판에 프린트된 태양 전지 구조물을 어닐링(annealing)하는 단계; (ⅶ) 프린트된 태양 전지 구조물에 절연/평탄화층을 주조하는 단계; (ⅷ) 상부 전기적 접촉을 프린트된 태양 전지에 예를 들어, 포토리소그래피 및 증발 공정의 조합을 사용하여 증착하는 단계; (ⅸ) 태양 전지에 Si3N4 비반사 코팅을 증착하는 단계; 및 (ⅹ) 렌즈 어레이 같은 집속기 광학계를 마이크로-태양 전지 어레이의 상부에 집적하는 단계를 포함하는 방법을 통해서 광전 시스템에 조립된다.
도 25는 태양 전지를 장치 기판에 붙이기 위해 접촉 프린팅과 그 후의 냉간 용접 공정을 사용하여 프린트 가능한 태양 전지를 기판에 전사시키는 방법을 설명하는 개략적인 공정 흐름 도표를 제공한다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 태양 전지는 탄성 스탬프(예를 들어, PDMS 스탬프)와 접촉되어 있다. 얇은 금으로 된 층이 프린트 가능한 태양 전지의 외부 알루미늄층에 제공되어 있다. 얇은 금으로 된 층을 갖는 태양 전지의 표면은 장치 기판의 금속화 된 수용면과 접촉된다. 탄성 스탬프는 그 다음 기판으로부터 제거되어 프린트 가능한 태양 전지를 장치 기판에 결과적으로 전사시킨다. 마지막으로 전사된 태양 전지는 알루미늄으로 도핑된 p+ 영역을 활성화시키기 위해 어닐링된다.
도 26은 본 발명의 태양 전지 어레이에 상부 접촉을 위한 예시적인 구성의 평면도(평행하게)를 보여주는 개략적인 도표(스케일 제외)를 제공한다. (회색으로 도시된) 대략 100 ㎛의 너비 및 대략 1 ㎜의 길이를 갖는 마이크로 태양 전지는 장치 기판에 어레이 포맷으로 제공된다. 금속 특징부는 1인치 차수의 길이 및 약 60 ㎛의 너비를 갖도록 제공된다. 금속 특징부는 본 발명의 태양 전지 장치 어레이의 상부 접촉을 제공한다.
도 27은 본 발명의 "인공 눈" 센서의 개략적인 도표를 제공한다. 센서는 구형 곡률을 갖는 렌즈에 분배된 무기물 포토다이오드 어레이를 포함한다. 다양한 렌즈 형상 및 국면이 도 27에 도시되어 있다. 도 28은 예시적인 "인공 눈" 센서에서 신축성의 필요성을 설명하는 구형 표면 주위의 평평한 시트를 감싸는 공정을 설명하는 개략적인 도표를 제공한다. 도 28에 도시된 바와 같이, 구형의 수용면에 평평한 시트의 공형 위치는 실패를 피하기 위해서 어느 정도의 신축성을 요구한다.
예 1. 매우 얇은 플렉서블 태양 ( UTFS ) 장치 및 방법
광전(PV) 에너지 변환은 반도체 장치 구조물을 사용하여 전기로의 태양광의 직접적인 변환이다. PV 산업에서 가장 일반적인 기술은 단결정 및 다결정 실리콘 기술에 기초한다. 현재, 실리콘 PV 기술은 벌크 실리콘 재료의 비교적 비효율적인 사용 때문에 많은 재료비를 갖는다. 종래의 방법에서, 벌크 결정 실리콘은 웨이퍼로 베어지고, 이는 태양 전지로 가공된 후 최종 모듈을 형성하기 위해 함께 납땜된다. 전형적인 다결정의 효율성은 15%의 오더(order)에 있으며; 고성능의 단결정 실리콘은 20%의 효율성으로 생산되어왔다. 이런 타입의 태양 전지에서 비용의 57%는 재료에 해당하며, 총 재료비의 42%는 결정 Si로부터 나온다. 게다가, 이런 모듈은 딱딱하고 무겁다.
현재 박막 PV 기술에 대한 관심들이 있는데, 이는 이런 시스템이 적은 비용(적은 활성 재료 사용 때문에)을 위한 잠재성을 갖고 있으며, 또한 적은 무게와 유연성을 갖고 중합체 기판에 증착될 수 있는 능력을 갖고 있기 때문이다. 현재, 비정질 실리콘, 카드뮴 텔루르 화합물(CdTe) 및 구리 인듐 갈륨 디셀레나이드(CIGS) 같은 박막 재료에서의 연구가 진행중이다. CIGS-기반의 PV 전지는 어느 다결정 박막 재료 중 최고인 19.2%의 전지 효율성을 보여왔다. 이런 전지는 작고, 실험실-스케일의 장치이며; 가장 높은 넓은 영역의 플렉서블 모듈 효율성은 10%의 오더에 있다. 더 싼 얇은 막 반도체는 재료 비용을 절약하게 해주나, 전지가 넓은 영역의 기판에 제조/가공될 필요가 있기 때문에 높은 공정 비용을 초래한다. 또한, 오직 낮은/보통의 온도 공정이 마지막 조립 기판에 사용될 수 있다.
이상적으로, 누구나 높은 효율성과 넓은 산업 지식 기반을 갖는 단결정 기술과 박막 기술의 저비용, 가벼움 및 플렉서블 특성을 결합하고 싶어한다. 본 매우 얇은 플렉서블 태양(UTFS) 기술은 높은 효율성과 낮은 재료 비용을 모두 갖는 가볍고, 플렉서블 태양 모듈을 달성하는 수단을 제공한다. 우리는 순수한 실리콘 기반에서 시작하기 때문에, 최신식 성능의 태양 전지를 제조하는데 높은 정밀도와 높은 온도 웨이퍼 고정을 사용할 수 있다.
본 발명은
1. 단결정 실리콘 웨이퍼에서 성장하고 식각된 매우-얇은(20 ㎛ 두께 미만의) 결정 실리콘 태양 전지. 이 전지의 크기는 예를 들어 태양 전지가 몇몇 실시예에서 100 ㎛ 크기의 길이와 너비를 갖는 이전의 실리콘-전사 공정에서 사용되던 전지보다 훨씬 더 작다(예를 들어, 100배의 크기).
2. 혁신적인 실리콘 태양 전지를 마더 웨이퍼로부터 제거하고 그것을 플렉서블 중합제 기판에 전사시키는 마이크로스탬핑 공정; 및
3. 필요한 경우, 최종 모듈을 형성하기 위해 전사된 전지를 자동 상호연결시키는 단계를 포함하는 새로운 제조 플랫폼을 통해서 매우 얇은 플렉서블 태양(UFTS) 장치를 제공한다.
본 발명의 방법 및 시스템은 과거 실리콘 전사과 연관된 몇몇 문제들; 즉, 실리콘의 비교적 큰 조각의 전사를 시도하다가 형성되는 갈라짐과 결함을 피하는 마이크로스탬핑 접촉 프린팅 공정을 이용한다. 본 마이크로스탬핑 접촉 프린팅 공정은 또한 수천개의 마이크로-전지가 평행하게 전사-프린팅될 수 있으므로, 총 모듈 조립 비용을 줄인다(종래의 다이(die) 픽-앤드-플레이스(pick-and-place) 기술에 비하여).
본 발명의 태양 전지 장치 및 제조 방법은 갈륨 비소(GaAs) 같은 단결정 실리콘 및 다른 고효율의 재료를 포함하나 이제 제한되지 않는 다양한 고품질의 결정 반도체에 응용가능한 것을 포함하여 여러 장점들을 가지고 있다. 게다가, 매우-얇은 태양 전지 및 중합체 기판의 조합은 가벼운 무게와 좋은 기계적 유연성을 갖는 장치 및 시스템을 제공한다. 폴리프로필렌은 본 시스템 및 방법의 이런 측면에 유용한 중합체이다.
도 29는 본 발명의 마이크로태양 전지 어레이를 만드는 방법을 보여주는 공정 흐름 도표의 개략도를 제공한다. 도 29에 도시된 바와 같이, Si 웨이퍼는 다수의 실리콘-기반 마이크로태양 전지 리본을 만들기 위해 가공된다. 실리콘-기반 마이크로태양 전지 리본은 기판으로부터 분리된다. 분리된 리본은 들어 올려져서 탄성 전사 장치를 사용하여 접촉 프린팅을 통해서 중합체 장치 기판에 전사된다. 실리콘 리본은 장치 상호 연결을 마이크로태양 전지와 선택적으로 렌즈 어레이 같은 광 수집 및 집속 광학계에 제공하는 단계를 포함하는 다음 공정을 통해서 광전 소자 어레이에 조립된다.
도 29에 도시된 바와 같이, 얇은(~ 10 ㎛) 실리콘 태양 전지는 중합체 기판에 전사되고, 유연성을 유지하는 방법으로 모듈을 형성하도록 상호연결된다. 실리콘 태양 전지의 실리콘 부품의 두께의 선택은 본 발명에서 중요한 매개변수이다. 실시예에서, 예를 들어, 얇은 실리콘 부품은 ~ 15%의 바람직한 효율성을 달성하기에 충분히 얇다. 전지 성능에서 두께의 주된 효과는 수집된 전류에 있다; 얇은 전지에서 적은 광자가 흡수되고 따라서 적은 전류가 생성된다. 도 30은 육상-기반의 태양 전지에 사용되는 AM 1.5 표준 스펙트럼에 노출된 모의 실험 Si 전지를 위해 계산된 Si층의 두께 대 단락 전류(Jsc)의 플롯을 제공한다. 이 계산에서, 우리는 광이 Si층을 통해서 3개의 총 통로를 만들고(초기에 한번, 뒷면에서의 반사 후에 한번 및 전면의 다음 반사 후에 다시), 전지의 양자 효율은 비교적 높다(90%)고 가정한다.
상기 계산 결과로부터, 10 - 15 ㎛ 크기에서의 실리콘 두께는 15%의 원하는 AM 1.5 효율을 달성하기 위해 본 발명의 몇몇 실시예에서 요구된다. 이 비교적 두꺼운 흡수층은 실리콘이 간접-밴드갭 재료라는 사실에 기인한다는 것을 주목해야 한다. 갈륨 비소 같은, 직접-밴드갭 재료를 사용하는 유사한 태양 전지는 더 얇을 수 있다.
프린트 가능한 실리콘 리본의 다층 스택은 RIE 및 습식 식각의 조합을 사용하여 형성될 수 있다. 도 31은 본 발명의 몇몇 실시예에 유용한 Si 다층 리본 스택의 연속적인 형성을 보여주는 주사형 전자 현미경 사진을 제공한다. 이는 고품질의 크기가 동일한 리본이다. p-n 접합에 적절한 공정에 의해, 이는 실리콘 태양 전지로 전환될 수 있다.
이전 실리콘 전사 기술은 대체로 리프트오프층을 유리 캐리어에 붙이고, 또한 비교적 넓은 영역(~5 ㎠)의 실리콘에 전사시킨다. 이런 전사 기술에 대한 주된 논란 중 하나는 Si층에 형성되는 갈라짐과 결함이다.
Si의 더 작은 조작을 전사시켜서, 우리는 전사된 Si층의 갈라짐을 피한다. 우리는 또한 실리콘을 중합체 기판에 잡고 전사시키기 위해 폴리-디메틸실록산(PDMS) 재료를 사용하여 혁신적인 '스탬핑' 고정을 사용한다.
PET 또는 PEN 같은 중합체는 육상 응용에서의 기판에 유용하다. 우주-기반의 응용을 위해서는, 캡톤 같은 우주-규격의 폴리아미드가 기판 재료로 사용될 수 있다. 캡톤은 비록 산소 원자(AO)의 존재 때문에 낮은 지구 궤도에서 붕괴된다고 알려져 있지만, 우주 응용에 기계적으로 적절하다.
Si 리본의 중합체 기판으로의 전사 후에, 그것들은 최종 태양 전지를 형성하기 위하여 전기적으로 상호연결된다. 몇몇 실시예에서, 개별 Si 리본은 시리즈 연결로 연결된다. 도 32는 Si 리본이 p-타입 실리콘 상부에 에미터를 형성하기 위해 얇은 n-타입층을 포함하는 연결 도해의 개략적인 도표를 제공한다. 전사 후에, 도전성 잉크를 포함하는 연결 선은 직접-쓰기 공정 또는 스크린-프린팅을 통해서 리본에 프린트된다. 하부 패널은 이와 같이 전사된 Si 리본을 보여주고, 상부 패널은 연결을 보여준다(직접-쓰기 또는 스크린-프린팅). 오직 4개의 Si 리본이 명쾌함을 위해 도시되어 있다.
본 기술의 매력 중 하나는 다른 흡수 재료에 응용 가능하다는 점이다; 예를 들어, 상기와 같은 마이크로스탬핑 공정이 갈륨 비소를 전사시키는데 사용되어 왔다. 이런 재료의 사용은 집속 태양 모듈에서 설명되어 왔다. 도 33은 태양 빛을 집속시키기 위한 PDMS 집속기 어레이를 사용하는 본 발명의 태양 전지 어레이의 개략도를 제공한다.
벌크 결정 실리콘은 킬로그램 당 50$ 이상으로 팔리고 있다. 현재, 실리콘 공장은 PV 및 마이크로전자 산업 모두의 필요를 충족시키기 위해 온라인으로 변하고 있다. 비록 벌크 Si가 20$/kg의 2001년 이전 가격으로 떨어지더라도, 생산 능력이 수요를 따라잡기 때문에, 총 비용은 높은 상태를 유지할 것이다. 앞서 언급한 바와 같이, 현재 Si PV는 결정 잉곳(ingot)을 웨이퍼로 자른 뒤, 웨이퍼를 전지로 가공하고, 최종 모듈을 형성하기 위해 전지들을 납땜한다. 본 산업의 트렌드는 더 얇은 전지를 향하고 있으며, ~50 ㎛를 넘는 Si 두께는 더 이상 광을 흡수하지 않는다(도 30 참조). 현재, 가장 얇은 Si PV 전지는 250 ㎛ 두께의 오더에 있다(약 1/4 ㎜). '수직' PV 전지 공정 및 집적에서 그런 얇은 웨이퍼를 다루는 일은 도전이다.
종래 와이어-톱질 기술은 대략 60%의 낭비를 초래한다; 즉, 원래 실리콘 잉곳의 60%가 먼지로서 날라간다. 250-㎛-두께의 웨이퍼에서 형성된 20% 효율의 모듈에서, 실리콘 재료 비용은 $0.40/와트로 추정된다. PV 산업의 최종 목표가 $1/와트를 달성하는 것임을 고려하면, 그런 모듈을 위한 재료비는 중요하다.
본 UFTS 기술을 위해, 반도체 재료 비용은 훨씬 적다. 50%의 낭비를 추정하더라도, 15-㎛ 두께의 실리콘을 갖는 15% 모듈의 재료 비용은 ~$0.02/와트로 추정된다. 이 비용 절약은 주로 실리콘의 더 좋은 이용에 기인한다; 사실상, 우리는 종래 방법 및 장치에서보다 더 넓은 영역에 걸쳐 실리콘을 '펼치고(spreading)' 있다.
프린팅 공정은 마더 기판으로부터 스탬프로 장치 소자의 리프트오프를 포함하며, 스탬프 표면으로부터 목표 기판에 이 소자들을 배달이 뒤따른다. 마더 기판으로부터의 이론 소자들의 언더컷 식각 및 리프트오프의 적절한 설계에 의해, 리프트오프 단계를 높은 수율로 행하는 것이 가능하다. 전사는 소자와 스탬프 사이보다 더 강한 소자와 목표 기판 사이의 반 데르 발스 결합에 의해서 또는 목표 기판의 강한 접착층의 사용에 의해서 달성된다. 두 경우에, 소자와 목표 기판의 코팅된 또는 코팅되지 않은 표면 사이의 접촉 영역은 효율적인 전사가 가능하도록 충분히 넓어야 한다. 대부분의 경우, 소자의 하부 표면과 목표 기판의 상부 표면에 대한 주요 요구사항은 넓은 접촉 영역을 가능하게 할 만큼 충분히 부드러워야 한다는 것이다. 이 요구는 관심 있는 시스템의 넓은 범위에서 만족 될 수 있다. 이 예에서 고려되는 시스템은 이 평평함 요구를 극도로 잘 만족시키는 상태에 있는데, 그것들이 연마된 뒷 표면 및 연마된 반도체 웨이퍼로 구성된 목표 기판을 갖는 소자를 포함하기 때문이다.
도 34는 단결정 실리콘을 플라스틱, 유리, Si 웨이퍼, InP 웨이퍼 및 박막 비정질 Si에 프린팅하는 결과를 보여주는 이미지를 제공한다. 본 발명의 마이크로스탬핑 공정은 넓은 범위의 기판과 호환될 수 있다.
실시예에서, '칩플릿(chiplet)' 픽-업 및 전사에 사용되는 스탬프는 전형적으로 "마스터" 기판에 대항하여 ~ 1 ㎝ 두께의 고무 조각을 주조하고 양생하여 만들어진다. "마스터"의 표면에 있는 패턴은 폴리-디메틸실록산(PDMS) 같은 낮은 계수의 실리콘이 스탬프를 제조하는데 사용될 때, 최대로 높은 충실도(나노미터 스케일 아래로)로 복제될 수 있다. 하지만, 이런 부드러운 재료로 만들어진 단층 스탬프는 프린팅 공정 중에 쉽게 변형될 수 있다. 결과적으로, 조악한 배치 정확성이 때때로 이 부드러운 스탬프에 실현된다. 본 발명은 그러나 훌륭한 배치 정확성과 패턴 충실도를 제공하는 합성 스탬프의 사용을 포함한다. 미국 특허 출원 번호 제11/115,954호, "소프트 리소그래피를 위한 합성 패터닝 장치"에 대한, 미국 특허 등록 제7,195,733호는 본 발명에서 유용한 합성 스탬프 설계 및 방법에 대해서 기술하고 있으며, 전체로서 참조에 의해 여기에 병합된다.
PDMS 같은 낮은 계수의 재료는 제1층이 반도체 장치 부품의 상부 표면과 공형(즉, 공기 공간이 없는) 접촉을 하는데 사용된다. 높은 인-플레인 계수(in-plane modulus)를 갖는 부가적인 얇은 층(플라스틱 막 또는 유리 섬유 같은)은 전사 동안에 인-플레인의 기계적인 변형을 막는데 사용된다. 그런 합성 스탬프 설계를 사용하여, ~ 16 X 16 ㎠의 영역 이상에서 5 ㎛보다 작은 (고배율의 현미경에서 관찰할 수 있는) 인-플레인 뒤틀림이 소프트 리소그래피 프린팅 기술에서 달성가능하다.
실시예에서, 프린팅 시스템은 (1) 프린트된 소자의 배치에서 효율적인 전사 및 최소의 뒤틀림 위해 최적으로 설계된 스탬프, (2) 이런 스탬프를 위한 물리적 설치 지그(jig) 및 마이크로미터 이하의 정밀도를 갖고 기판 및 스탬프를 이동시키기 위한 이전 단, (3) '잉킹(inking)' 및 '프린팅' 단계 동안 접촉의 힘 피드백 조절을 위한 스탬프와 연결된 로드 셀(load cell) 및 (4) 다단계 레지스트레이션을 허여하는 시각 시스템을 포함한다. 어떤 실시예에서, 본 발명에서 유용한 프린팅 시스템은 300 X 400 mm에 달하는 크기를 갖는 목표 장치 기판 및 4 인치에 달하는 지름을 갖는 도너 웨이퍼를 다룰 수 있다. 레지스트레이션은 정렬 마크가 도너 웨이퍼 및 목표 기판에 등록되도록 투명한 스탬프의 표면에 정렬 마크를 허여해주는 긴 초점 거리를 갖는 현미경 및 CCD 카메라로 달성된다. 스탬프가 위치되고 정렬될 수 있는 정확성은 ~ 0.5 ㎛이다. 새로운 형태의 뒤틀림 없는 합성 스탬프로 구현되는 레지스트레이션 정확성 역시 이 범위이다.
예 2. 변형가능한 박막 LED 광 시스템
본 발명은 무기 광 방출 다이오드를 얇고 플렉서블 기판에 집적시키는 수단을 제공하는 기술에 기초한 프린팅을 제공한다. 자동화 고정밀도 프린터 시스템에서 구현되는 것처럼, 이런 접근은 자동차 및 다른 응용을 위해서, 저비용의 제조와 합치하는 방법으로, 가볍고 기계적으로 변형가능한 내부 광 소자를 제조하는데 유용하다.
본 방법 및 시스템은 접착제 본딩을 사용하는 표면에 대한 응용이 뒤따르는 변형가능한 ILED-기반의 박막 광 장치의 제조를 포함한다. 방법은 또한 시스템의 기계적 특성을 강화하기 위하여 밀봉 및 평탄화 재료, 코팅 및 층의 결합을 포함하는 공정을 선택적으로 포함한다. 박막 구조의 크기, ILED의 개수와 공간 및 다른 측면들이 특정 응용을 위한 장치 설계를 결정한다.
소스 웨이퍼로부터 얇은 플라스틱 시트를 포함하는 넓은 범위의 종류의 목표 기판으로 마이크로/나노스케일 반도체 장치의 전사 프린팅이 본 발명에서 변형가능한 LED 광 시스템을 제조하는데 사용된다. 도 35는 프린트 가능한 무기물 반도체-기반의 LED의 프린팅에 적용된 본 발명의 예시적인 공정의 개략적인 도해를 보여준다. 탄성 스탬프로의 및 그로부터의 잉크의 전사는 스탬프-'잉크' 및 '잉크'-기판 표면에서 접착 에너지를 동역학적으로 조정하는 것으로서 영향을 받는다. 도 35의 경우, 프린트 가능한 무기물 반도체-기반의 LED는 '잉크'의 역할을 한다. 이런 형태의 공정은 반도체 재료나 장치를 100 ㎚와 수백 ㎛ 사이의 측면 크기 및 20 ㎚와 수백 ㎛ 사이의 두께를 갖도록 조절할 수 있다. 다양한 형태의 전자 및 광전자 시스템은 단단한 유리, 중합체 및 반도체 웨이퍼에서 얇고 플렉서블 플라스틱 시트까지 범위의 기판에서 이런 접근으로 설명되어 왔다. 프린팅 그 자체는 정렬을 위해 현미경 기반의 시야 시스템과 함께 전사 공정의 힘과 피드백 조절을 모두 제공하는 완전 자동화된 프린터로 수행된다. 도 36은 변형가능한 ILED-기반의 박막 광 시스템을 제조하는 본 발명에 유용한 프린터의 이미지와 개략적인 도해를 제공한다.
그런 접근을 사용하여, 작은 수동 매트릭스 8 X 8 광 패드가 미리 패터닝된 금속 상호 연결을 갖는 폴리카보네이트 기판에 조립된 청색 무기물 LED와 조립되어 왔다. 도 37은 접촉 프린팅을 통해서 플라스틱 기판에 조립되고 수동으로 위치가 지정된 청색 무기물 LED를 포함하는 정사각형(a 부분) 및 선형(b 부분) 광장치의 이미지를 제공한다. b 부분의 장치는 본 발명의 변형가능한 ILED-기반의 광 시스템을 포함하는 박막 광장치의 설명을 나타낸다. 청색 ILED-기반의 박막 광장치의 작은 버전이 또한 도 37에 도시되어 있다.
어떤 실시예에서, 본 발명의 변형가능한 LED 광 시스템은 자동차 및 다른 운송 수단을 위한 광 응용에 대해 효용을 가지고 있다. 어떤 실시예에서, 예를 들어, 본 발명은 자동차나 다른 운송 수단의 상응하는 표면에 공형 방법으로 집적될 수 있는 믿을 수 있고 비용이 적게 드는 ILED-기반의 박막 광장치를 제공한다.
도 39는 본 발명의 변형가능한 LED 광 시스템을 제조하는 방법의 개략적인 공정 흐름 도표를 제공한다. 도 39에 도시된 바와 같이, 접착 물질(NOA)은 PDMS 주입 전에 ILED 및 상/하부 기판을 고정시키는데 사용된다. 어떤 실시예에서, 외부 전력 선은 외부 패드 영역의 오염을 막기 위해 도 39에 도시된 바와 같이, PDMS 주입 전에 설치된다. 어떤 실시예에서, 압력이 ILED 및 전극 사이의 접촉을 유지하기 위해서 두 기판 사이에 도 39에 도시된 바와 같이 적용된다. PDMS 밀봉층의 주입은 장치의 구부려지는 특성을 개선하는데 유용하며(특히 느리게 구부려지는 동작에서), PDMS의 주입은 안정한 접촉 특성을 달성한다.
도 39는 플렉서블 스트립을 포함하는 본 발명의 ILED 광장치를 제조하기 위한 공정 흐름 도표를 제공한다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 얇은 PDMS층이 PET 막에 제공된다. 전극은 Ti/Au의 증발 및 쉐도우 마스크 기술을 통해서 정의되고 증착된다. 프린트 가능한 ILED 장치 소자는 접촉 프린팅을 통해서 기판에 전사되고 조립된다. 도 39에 도시된 바와 같이, 접착제(예를 들어, NOA)가 하루 기판에 제공되고, 상부 기판은 장치에 본딩된다. 외부 패드 및 와이어는 고정되고, PDMS 접착제는 ILED 구조물을 밀봉/평탄화하기 위해 선택적으로 진공 조건에서, 주입되고 양생 된다.
도 40은 상부 및 하부 PET 기판(대략 175 ㎛의 두께)), ILED 구조물(대략 100 ㎛의 두께), 전극 및 PDMS 밀봉 코팅 또는 층(대략 20-40 ㎛의 두께)을 포함하는 본 발명의 공형 ILED 광 시스템의 단면도를 제공한다.
도 41a 및 도 41b는 안 구부려진 상태, 7 ㎝의 구부려진 반지름을 갖는 제1구부려진 상태, 5 ㎝의 구부려진 반지름을 갖는 제2구부려진 상태, 4.5 ㎝의 구부려진 반지름을 갖는 제3구부려진 상태, 3 ㎝의 구부려진 반지름을 갖는 제4구부려진 상태 및 구부려지는 스트레스를 방출한 상태에서의 본 발명의 ILED 광 시스템의 이미지를 제공한다.
도 42는 청색 LED 및 0.85 ㎝와 같은 구부려진 반지름을 갖는 얇은 캡톤 기판으로 만들어진 플렉서블 스트립 광의 이미지를 제공한다.
공형 ILED 센서의 기계적 특성을 테스트하기 위한 실험 조건 요약

#		 기판 전극
 전기도금 작동 체크 1 주입
 작동 체크 2 구부려진 반지름(최대) 작동 체크 3 특징
PDMS PET
1 O O Ti/Au(5/300nm) X 50% O 50% 3cm 50% 개선
2 O O Ti/Au(5/300nm) X 90% O 90% 3cm 80%
3 O O Ti/Au(5/300nm) X 70% O 70% 3cm 70%
4 O O Al/Ti/Au(700/5/50nm) X 50% -- -- -- --
5 X O Al/Ti/Au(500/5/100nm) O 80% O 80% 3cm 80% 개선
6 X O Ti/Au(5/300nm) X 60% O 60% 3cm 50% 그러나 반복될 수 있는 테스트 후의 동작 문제
7 O O Ti/Au(5/300nm) O X X X X X 전기도금을 위해 기판으로부터 전극을 디라미네이션
실험 결과에서, 우리는 본 변형가능한 ILED-기반의 광 시스템의 동작이 PET에 더 두꺼운 전극 및 PDMS 코팅 또는 밀봉층이 있는 경우에 개선된다는 것을 관찰할 수 있다. 그러나 전극에서 (손으로) ILED의 정렬은 어렵기 때문에, 오직 더 두꺼운 전극을 가지고 스트립-광을 제조하기는 어렵다. 어떤 실시예에서, 공정은 더 안정하고 정확한 조립을 제공하기 위해서 정렬자(aligner)를 사용하는 것으로 사용한다. 어떤 실시예에서 최적화된 시스템은 PET 위의 더 두꺼운 전극, PDMS 코팅 및 손으로 제거하고 뽑는 공정을 결합한다.
도 43은 장치 기판에 ILED 구조물을 조립시키기 위한 두 방법을 보여주는 개략도를 제공한다. 아래 패널은 손으로 정렬하는 조립 방법을 보여주고, 위 패널은 정렬자를 사용하는 조립 방법을 보여준다. 우리가 전극에 ILED를 정렬시키기 위해 정렬자를 사용할 때, 작동하는 ILED의 개수가 크게 증가하는데, 전극의 손상이 핀셋을 사용할 때와 비교하여 감소하기 때문이다. 이 방법은 또한 ILED 및 전극 구조물 사이의 정렬을 강화시킨다.
예 3: 태양 전지 및 태양 전지 어레이의 프린팅 -기반의 조립
도 44는 낮은 레벨의 집속기 렌즈를 갖는 마이크로 단결정 실리콘 태양 전지의 형성을 위한 개략도를 제공한다. 제1단계 (a)에서 마이크로 구조물은 PDMS로부터 장치를 위한 뒷면 전기 접촉으로서 작용하는 임베딩된 전극으로 전사된다. 실리콘은 전극 표면에 PDMS를 라미네이트하고 천천히 PDMS 뒷면을 벗겨서 전사된다. 다음, 단계 (b)에서 상부 금속 접촉의 형성이 뒤따르는 평탄화가 수행된다. 장치는 PDMS로부터 장치로 만들어진 낮은 집속 실린더 렌즈 어레이와 집적되어 완성된다(단계 c). 이 마지막 단계에서, 장치는 실리콘 전지들의 줄이 렌즈 어레이의 초점과 정렬되도록 설계되었다는 것을 알 수 있다.
도 45는 유리 기판에 전사된 실리콘 태양 전지의 이미지를 제공한다. (a) 상부 및 하부 전기 접촉을 모두 갖는 유리 기판 위의 단일 전지의 광학 이미지. (b) AM 1.5에서 (a)에 도시된 장치의 전형적인 Ⅰ-Ⅴ 반응.
도 46은 실린더 수집 광학계에 결합된 태양 전지 어레이의 이미지를 제공한다. (a) 실린더 렌즈 어레이에 완전히 집적된 최종 장치의 사진. (b) 렌즈 어레이와 결합되지 않은 상기와 같은 장치의 사진.
도 47은 mS-실리콘 태양 전지에 집적 금속 접촉을 갖는 광학 집속기 어레이를 만드는 개략적인 도표를 제공한다. 공정은 PDMS 몰딩된 렌즈 어레이를 통해서 (암청색으로 표시된) 기판으로부터 금속 메쉬 패턴의 회수로부터 시작된다. 어떤 실시예에서, 렌즈 어레이/메쉬 패턴은 실리콘 태양 전지 어레이의 레지스트리에 라미네이트된다.
도 48은 태양 전지 및 집적 집속 광학계의 제조를 위한 공정 흐름을 기술하고 있다.
도 49는 얇은 PDMS 접착층을 통해서 유리 기판에 금 버스 라인에 프린트된 마이크로 태양 전지 어레이의 이미지를 제공한다.
도 50은 (a) 수직-형태, (b) 수평-형태, (c) 두 형태의 조합의 마이크로전지의 개략적인 도해를 제공한다. 벌크 실리콘 웨이퍼로부터 단결정 Si 마이크로-리본의 많은 양을 생산하기 위한 공정 설계는 최근에 개발되어 왔다. 상기 접근은 잘 정의된 리본 구조물을 만들기 위한 제어된 깊은 반응 이온 식각 공정(DRIE)에서 시작된다. 금속의 기울어진 전자 빔 증발 증착으로부터 또는 SiO2/Si3N4의 화학적 증기 증착으로부터의 다음 측벽 패시베이션은 고도의 이방성 습식 화학(예를 들어, KOH) 식각을 위해서 물리적인 마스크로서 기능 할 수 있다. 이 단일-단계 식각 공정은 따라서 프린팅-가능한 형태로 마이크로-리본 어레이를 생산할 수 있다. 수직 및 수평 형태의 pn-접합 모두 본 발명에 의해 제공되며, 이는 마이크로전지 구성에서 다른 것에 비해 자신 만의 장점을 가지고 있다. 수직 형태 pn-접합은 벌크 웨이퍼 및 넓은 접합 영역을 갖는 쉬운 공정 때문에 광전 응용을 위해 주로 추구되어 왔다. 한편, 수평 형태 pn-접합은 전사 방법, 사용가능한 기판 및 뒤-쪽 조명의 가능성의 점에서 더 많은 선택사항을 가지고 있으나, 이는 본질적인 작은 접합 영역 때문에 제한된 성능을 보여준다. 본 발명의 다른 설계는 수직 및 수평 접합의 조합이며, 이는 상기에서 언급된 장점들을 가질 수 있다. 모든 접합 구조물(n+-p-p+)은 선택적인 도핑 공정에 의해 쉽게 제조될 수 있으며, 스핀-온-도펀트의 열 확산이 적절한 두께 및 패턴의 PECVD-성장한 SiO2 도핑 마스크로 전도된다. 수직 형태의 전지를 위해서, n+-에미터 도핑이 마이크로전지 패턴을 만들기 전에 우선 행해지나, 뒷-표면-영역(BSF)로서 뒤 p+-도핑은 마이크로전지 패터닝 공정 후에, 패터닝된 마이크로전지를 도펀트와 다음 열 확산으로 덮힌 기판에 전사시켜서 완료된다. 이 BSF 도핑 단계 후에, 마이크로전지는 다시 어떤 원하는 기판에 전사될 수 있다. 수평 형태의 전지의 경우, 선택적인 n+ 및 p+ 도핑 공정은 단순히 패터닝된 도핑 마스크를 반복하여 사용하므로 수직 전지보다 더 수월하다. 마이크로전지는 이 도핑 고정을 마친 뒤에 만들어진다. 조합 형태의 전지의 경우, 앞쪽 도핑은 수평 형태 전지와 비슷한 방법으로 달성되나, 뒷쪽 도핑은 수직 형태 전지에서의 BSF 형성 절차를 따라서 구현된다.
본 발명은 또한 PDMS 카세트를 사용하는 방법 없는 스트립-광뿐만 아니라 매트릭스 구조물을 갖는 ILED 디스플레이를 포함한다.
예 4: 프린트된 광학 시스템을 위한 전기적 상호연결 전략
본 발명은 접촉 프린팅 방법으로 제조된 반도체-기반 광학 시스템의 양호한 전기적 연결을 성립시키는데 유용한 방법 및 시스템을 제공한다. 본 발명의 공정 단계 및 장치 지오메트리(geometry)는 접촉 프린팅을 통해서 조립된 전자 장치 및/또는 장치 부품 사이의 효율적이고, 기계적으로 강하며 고전도성 전기 연결을 제공한다. 본 공정 단계 및 장치 지오메트리는 포토리소그래피 공정, 증착 기술 및/또는 소프트 리소그래피(예를 들어, 접촉 프린팅) 패터닝을 포함하는 넓은 범위의 전기적 상호 연결 패터닝 및 공정 기술과 호환가능하다.
a. 평탄화 제조 전략 및 장치 지오메트리
한 측면에서, 본 발명은 접촉 프린팅을 통해서 장치 기판에 조립된 반도체 전자 장치 및 장치 부품 같은 반도체 소자의 스텝 에지에서 발생하는 장치 전기적 상호 연결의 전자 성능의 강등을 최소화하거나 완전히 회피하는 평탄화 공정 단계 및 평평한 장치 지오메트리를 제공한다. 이 명세서의 문맥에서, "평탄화"는 하나 이상의 프린트 가능한 반도체 소자가 표면 구조물이 실질상 평평한 지오메트리를 갖는 노출된 표면을 갖도록 형성되게 하기 위해 장치 기판에 집적되는 공정을 나타낸다. 어떤 응용에서 바람직하게는, 실질상 평평한 지오메트리를 갖는 노출된 표면은 예를 들어, 광학 리소그래피 및 증착 기술을 사용하는, 장치 전기적 상호 연결 구조물로 패터닝 될 수 있는 프린트된 반도체 소자의 하나 이상의 개별 표면을 포함한다. 평평한 지오메트리는 일반적으로 표면 위의 모든 점이 하나의 공통된 평면을 차지하는 표면 구성을 나타낸다. 어떤 실시예에서, 예를 들어, 실질적으로 평평한 지오메트리는 완전 평평한 구성으로부터 표면 위치에서 2 ㎛보다 작은 편차, 어떤 실시예에서 바람직하게는 완전 평평한 구성으로부터 표면 위치에서 1 ㎛보다 작은 편차 및 어떤 실시예에서 더 바람직하게는 완전 평평한 구성으로부터 표면 위치에서 500 ㎚보다 작은 편차를 포함한다.
본 발명에서 평탄화는 이런 구조물의 스텝 에지가 감소 되고 및/또는 최소화 되도록 하여 효율적인 패터닝 및 전기적 상호 연결 구조물의 집적을 허여하도록 프린트된 반도체 소자에 인접한 재료, 층 및/또는 구조물을 제공함으로써 성취된다. 실시예에서, 예를 들어, 인접한 프린트된 반도체 소자 사이의 공간은 장치 기판 또는 이런 조합에 제공된 장치 기판 자체, 다른 재료, 층 또는 구조물의 부분에 의해 채워지거나 차지된다. 평탄화는 본 발명에서 하나 이상의 프린트 가능한 반도체 소자를 장치 기판의 수용면 또는 그 위에 제공된 평탄화층에 임베딩하는 것을 포함하는 많은 공정 방법을 사용하여 달성된다. 대신에, 본 발명에서의 평탄화는 접촉 프린팅에 의해서 장치 기판의 수용면에 프린트 가능한 반도체 소자를 조립하고, 다음 프린트 가능한 반도체 소자와 인접한 재료 또는 층을 제공하여 달성될 수 있으며, 어떤 실시예에서 인접한 프린트된 반도체 소자들 사이에서 프린트된 구조물의 스텝 에지를 줄이거나 최소화한다.
이런 측면의 실시예에서, 본 발명은 (ⅰ) 수용면을 갖는 장치 기판을 제공하는 단계; (ⅱ) 접촉 프린팅을 통해서 하나 이상의 프린트 가능한 반도체 소자를 기판의 수용면에 조립하는 단계; 및 (ⅲ) 수용면에 조립된 프린트 가능한 반도체 소자(들)를 평탄화하여, 반도체-기반의 광학 시스템을 제조하는 단계를 포함하는 반도체-기반의 광학 시스템을 만드는 방법을 제공한다. 실시예에서, 평탄화 단계는 프린트 가능한 반도체 소자(들)를 포함하느 장치 기판에 실질적으로 평평한 및/또는 부드러운 상부 표면을 만든다. 장치 제조 응용에 유용한 방법에서, 실질적으로 평평한 및/또는 부드러운 상부 표면은 수용면에 조립된 하나 이상의 평탄화된 프린트 가능한 반도체 소자의 노출된 표면을 포함하고 만든다. 하나 이상의 평탄화된 프린트 가능한 반도체 소자의 노출된 표면을 포함하는 평평한 및/또는 부드러운 상부 표면을 갖는 방법 및 시스템은 전극/장치 상호 연결 구조물의 리소그래픽 패터닝 같은 부가적인 공정 단계를 통해서 평탄화된 프린트 가능한 반도체 소자에 전기적 접촉을 제공하는데 유리하다. 본 발명의 방법에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 하나의 단위 무기물 반도체 구조물을 포함한다. 본 발명의 방법에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 단결정 반도체 재료를 포함한다.
선택적으로, 본 발명의 방법은 거기엔 임베딩된 프린트 가능한 반도체 소자를 갖는 평탄화층을 양생, 중합 또는 교차 결합하여 프린트 가능한 반도체 소자를 평탄화층에 고정시키는 단계를 더 포함한다. 본 발명의 이런 측면의 방법 및 시스템의 평탄화층은 프린트 가능한 반도체 소자를 장치 기판에 기계적 집적하는데 또한 유용하다. 선택적으로, 본 발명의 방법은 하나 이상의 전극/전기적 상호 연결을 실질적으로 평평한 및/또는 부드러운 상부 표면에 포함된 평탄화된 프린트 가능한 반도체 소자의 하나 이상의 노출된 표면에 패터닝하는 단계를 더 포함한다. 전극과 상호 연결을 패터닝하는 것은 광학 리소그래피, 증착 기술(예를 들어, CVD, PVD, 열적 증착, 스퍼터링 증착, 플라즈마 증착 등), 소프트 리소그래피(예를 들어, 접촉 프린팅) 및 이들의 조합을 포함하나, 이에 제한되지 않는 관련 분야에서 알려진 수단에 의해 달성된다. 선택적으로, 본 발명의 방법은 (ⅰ) 접촉 프린팅을 통해서 기판의 수용면에 다수의 프린트 가능한 소자를 조립하는 단계; 및 (ⅱ) 수용면에 조립된 다수의 프린트 가능한 반도체 소자를 평탄화하는 단계를 포함한다.
실시예에서, 평탄화 단계는 프린트 가능한 반도체 소자(들)를 갖는 장치 기판에 실질적으로 평평한 상부 표면을 만든다. 어떤 응용을 위해 바람직하게는 실질적으로 평평한 상부 표면은 수용면에 조립된 프린트된 반도체 소자 각각의 노출된 표면을 포함한다. 이런 측면의 어떤 실시예를 위해 바람직하게는, 수용면에 조립된 평탄화된 반도체 소자는 2 ㎛보다 작은, 어떤 응용을 위해서 바람직하게는 1 ㎛보다 작은 및 어떤 응용을 위해서 더 바람직하게는 500 ㎚보다 작은 스텝 에지 특징을 보여준다. 본 발명의 이런 측면은 예를 들어, 리소그래픽 패터닝 및 박박 증착 방법을 사용하여 효과적으로 전기적으로 상호 연결될 수 있는 구조물을 만드는데 유용하다.
실시예에서, 이 방법의 평탄화 단계는 프린트 가능한 반도체 소자(들)를 장치 기판에 임베딩하는 단계를 포함한다. 하나 이상의 프린트 가능한 반도체 소자를 직접 장치 기판에 임베딩하기 위한 기술은 접촉 프린팅 동안 바꾸어 놓을 수 있는 물리적 상태(예를 들어, 점성률)를 달성하기 위해 중합체 장치 기판의 온도를 올리는 단계를 포함한다. 대신에, 평탄화는 수용 기판의 수용면에서 프린트 가능한 반도체 소자를 미리 패터닝되고 우묵히 들어간 특징부에 직접 집적하여 달성될 수 있다.
다른 실시예에서, 이 방법의 평탄화 단계는 장치 기판의 수용면에 제공된 평탄화층에 프린트 가능한 반도체 소자(들)를 임베딩하는 단계를 포함한다. 이 명세서의 문맥에서, 평탄화층은 프린트된 반도체 소자가 평탄화층에 임베딩될 수 있거나 심어질 수 있게 수용 기판에 의해서 지지되는 재료의 층을 나타낸다. 어떤 실시예에서, 평탄화층은 낮은 점성률을 갖는 유체 같은, 프린트된 반도체 소자를 수용하기 위해서 물리적 치환이나 재배치 할 수 있는 재료를 포함한다. 선택적으로 본 발명의 평탄화층은 임베딩된 프린트된 반도체 소자가 제자리에 고정되도록 딱딱하게 하거나, 응고시키거나 상태나 점성률을 변화시키기 위해 프린트 가능한 반도체 소자를 받은 후에 화학적 또는 물리적 변형이 가능하다. 선택적으로, 평탄화층은 프린트 가능한 반도체 소자를 받은 후에 중합된 선중합체층이다. 선택적으로, 평탄화층은 프린트 가능한 반도체 소자를 받은 후에 교차 결합된 중합체층이다.
본 발명은 평탄화층이 수용면 또는 구조믈 위에 제공되고, 다음 프린트 가능한 반도체 소자(들)와 접촉하는 방법을 포함한다. 이 실시예에서, 평탄화층은 수용면에 조립된 프린트 가능한 반도체 소자를 받는다. 대신에, 본 발명은 평탄화층이 수용면에 프린트 가능한 반조체 소자(들)를 조립하는 단계 이후에 수용면에 제공되는 방법을 포함한다. 이 실시예에서, 평탄화층은 프린트된 반도체 소자를 평탄화하도록 수용 기판의 영역을 메우거나 확립하기 위해 제공된다.
본 발명의 평탄화층은 중합체, 선중합체, 중합체 부품을 갖는 합성 재료, 젤, 접착제 및 이들의 조합을 포함하나 이에 제한되지 않는 많은 범위의 재료를 포함할 수 있다. 어떤 응용을 위해서, 평탄화층은 바람직하게는 프린트 가능한 반도체 소자를 수용하고 임베딩하기 위해 물리적 치환이나 재배치를 할 수 있는 하나 이상의 낮은 점성률을 갖는 재료를 포함한다. 실시예에서, 예를 들어, 평탄화층은 1-1000 센티푸아즈(centipoise)의 범위에서 선택된 점성률을 갖는 재료를 포함한다. 어떤 장치 제조 응용을 위해서 평탄화층은 수용면에 조립된 프린트 가능한 반도체 소자에 비슷한 두께를 가진다. 실시예에서, 본 발명의 평탄화층은 10 ㎚에서 10000 ㎛의 범위에서 선택된 두께를 가진다. 어떤 실시예에서, 본 발명의 평탄화층은 수용면에 조립된 프린트 가능한 반도체 소자의 두께와 비슷한 두께(예를 들어, 1.5 팩터 이내)를 가진다. 실시예에서, 평탄화층의 두께는 0.0003 ㎜에서 0.3㎜의 범위에서 선택되며, 어떤 응용을 위해서 바람직하게는 0.002 ㎜에서 0.02 ㎜의 범위에서 선택된다.
본 발명은 또한 평탄화된 프린트 가능한 반도체 소자를 포함하는 광학 시스템을 포함한다. 실시예에서, 본 발명의 반도체-기반의 광학 시스템은 (ⅰ) 수용면을 갖는 장치 기판; 및 (ⅱ) 수용면에 의해 지지되는 하나 이상의 평탄화된 프린트 가능한 반도체 소자를 포함하며, 하나 이상의 프린트 가능한 반도체 소자를 갖는 장치 기판은 프린트 가능한 반도체 소자의 적어도 일부를 포함하는 실질적으로 평평한 상부 표면을 갖고, 프린트 가능한 반도체 소자는 0.0001 ㎜에서 1000 ㎜의 범위에서 선택된 길이, 0.0001 ㎜에서 1000 ㎜의 범위에서 선택된 너비 및 0.00001 ㎜에서 3 ㎜의 범위에서 선택된 두께를 갖는 하나의 단위 무기물 반도체 구조물을 포함한다. 실시예에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 0.02 ㎜에서 30 ㎜의 범위에서 선택된 길이 및 0.02 ㎜에서 30 ㎜의 범위에서 선택된 너비를, 바람직하게 몇몇 응용에서는 0.1 ㎜에서 1 ㎜의 범위에서 선택된 길이 및 0.1 ㎜에서 1 ㎜의 범위에서 선택된 너비를, 바람직하게 몇몇 응용에서는 1 ㎜에서 10 ㎜의 범위에서 선택된 길이 및 1 ㎜에서 10 ㎜의 범위에서 선택된 너비를 갖는 반도체 구조물을 포함한다. 실시예에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 0.0003 ㎜에서 0.3 ㎜의 범위에서 선택된 두께를, 바람직하게 몇몇 응용에서는 0.002 ㎜에서 0.02 ㎜의 범위에서 선택된 두께를 갖는 반도체 구조물을 포함한다. 실시예에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 100 ㎚에서 1000 ㎛의 범위에서 선택된 길이, 100 ㎚에서 1000 ㎛의 범위에서 선택된 너비 및 10㎚에서 1000 ㎛의 범위에서 선택된 두께를 갖는 반도체 구조물을 포함한다.
선택적으로, 본 발명의 시스템은 장치 기판의 수용면에 제공된 평탄화층을 더 포함하며, 프린트 가능한 반도체 소자는 평탄화층에 임베딩된다. 본 발명의 시스템에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 LED, 태양 전지, 센서, 트랜지스터, 다이오드, p-n 접합, 집적 회로, 광전 시스템 또는 이들의 부품 같은 프린트 가능한 전자 장치 또는 전자 장치 부품이다.
도 54a 및 54b는 평탄화된 프린트 가능한 반도체 소자를 포함하는 본 발명 시스템의 개략적인 도표를 제공한다. 프린트 가능한 반도체 소자(5010)은 장치 기판(5000) 자체에 또는 대신에 장치 기판(5000)의 수용면에 제공된 평탄화층(5020)에 임베딩된다. 이 도 54a 및 54b에 도시된 바와 같이, 평탄화된 구성은 완전히 평평한 구성으로부터 약간의 편차를 포함하는 실질적으로 평평한 지오메트리를 갖는 상부의 노출된 표면(5015)을 생기게 한다. 이 도면들에 도시된 바와 같이, 상부의 노출된 표면(5015)은 기판(5000) 또는 평탄화층(5020)의 노출된 표면에 더하여 평탄화된 프린트 가능한 반도체 소자(5010)의 노출된 표면을 포함한다. 도 55는 프린트 가능한 반도체-기반의 전자 장치 및 장치 부품 같은 평탄화된 프린트 가능한 반도체 소자를 포함하는 반도체-기반의 광학 시스템을 만드는 본 발명의 방법에서 공정 단계를 설명하는 흐름 도표를 제공한다.
본 발명의 평탄화된 장치 구성 및 평탄화 방법을 사용하는 것의 장점은 이는 리소그래픽 및 증착 공정 같은 추가 공정 단계에서 성립된 평탄화된 프린트 가능한 반도체 소자와 양호한 전기적 접촉을 허여한다는 것이다. 도 56은 프린트 가능한 소자에 및/또는 사이에 전기적 접촉을 성립시키는데 스텝 에지의 영향을 특성 짓는 실험적 결과를 제공한다. 290 ㎚, 700 ㎚, 1.25 ㎛ 및 2.5㎛의 스텝 에지 크기를 갖는 실리콘 바를 포함하는 프린트된 반도체 소자에 대응하는 실험 결과. 도 56의 삽입도는 장치 및 전기적 접촉 지오메트리를 보여주는 마이크로그래프 및 개략도를 보여준다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 양호한 전도성(예를 들어, 10 옴보다 작은 저항)이 1.25 ㎛까지의 스텝 에지 크기에서 관찰된다. 2.5 ㎛와 같은 스텝 에지 크기에서, 그러나 전동성에서 현저한 감소(예를 들어, 1.7 메가 옴의 저항)가 관찰된다. 그러므로 본 발명의 평탄화 방법은 조립된 프린트 가능한 반도체 소자에서 스텝 에지의 크기를 최소화하여 장치 상호 연결 및 전극의 효율적인 구현이 가능한 평탄화된 장치 지오메트리를 입수하는데 중요한 가치를 가진다.
이런 측면에서의 시스템에서, 프린트 가능한 반도체 소자(들)는 0.02 ㎜에서 30 ㎜의 범위에서 선택된 길이 및 0.02 ㎜에서 30 ㎜의 범위에서 선택된 너비를 갖는 반도체 구조물을 포함한다. 이런 측면에서의 시스템에서, 프린트 가능한 반도체 소자(들)는 0.1 ㎜에서 1 ㎜의 범위에서 선택된 적어도 하나의 길이 물리적 크기를 갖는 반도체 구조물을 포함한다. 이런 측면에서의 시스템에서, 프린트 가능한 반도체 소자(들)는 1 ㎜에서 10 ㎜의 범위에서 선택된 적어도 하나의 길이 물리적 크기를 갖는 반도체 구조물을 포함한다. 이런 측면에서의 시스템에서, 프린트 가능한 반도체 소자(들)는 0.0003 ㎜에서 0.3 ㎜의 범위에서 선택된 적어도 하나의 단면 크기를 갖는 반도체 구조물을 포함한다. 이런 측면에서의 시스템에서, 프린트 가능한 반도체 소자(들)는 0.002 ㎜에서 0.02 ㎜의 범위에서 선택된 적어도 하나의 단면 크기를 갖는 반도체 구조물을 포함한다.
142. 청구항 136의 시스템은 상기 수용면에 의해 지지되는 다수의 평탄화된 프린트 가능한 반도체 소자;를 포함하며, 상기 프린트 가능한 반도체 소자를 갖는 상기 장치 기판은 상기 평탄화된 프린트 가능한 반도체 소자의 적어도 일부를 포함하는 상기 실질상 평평한 상부 표면을 가지며, 상기 프린트 가능한 반도체 소자 각각은 0.0001 ㎜에서 1000 ㎜의 범위에서 선택된 길이, 0.0001 ㎜에서 1000 ㎜의 범위에서 선택된 너비 및 0.00001 ㎜에서 3 ㎜의 범위에서 선택된 두께를 갖는 반도체 구조물을 포함한다.
이런 측면의 실시예에서, 시스템은 상기 장치 기판의 상기 수용면에 제공된 평탄화층을 더 포함하며, 상기 프린트 가능한 반도체 소자는 상기 평탄화층에 임베딩된다. 이런 측면의 실시예에서, 시스템은 상기 실질상 평평한 상부 표면에 패터닝된 하나 이상의 전극 또는 전기적 상호 연결을 더 포함한다. 이런 측면의 실시예에서, 상기 프린트 가능한 반도체 소자는 LED, 태양 전지, 레이저, 센서, 다이오드, p-n 접합, 트랜지스터, 집적 회로 또는 그들의 부품이다. 이런 측면의 실시예에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 다른 반도체 구조물; 유전체 구조물; 전도성 구조물 및 광학 구조물로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나의 부가적인 구조물과 집적된 상기 반조체 구조물을 포함한다. 이런 측면의 실시예에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 전극, 유전체층, 광학 코팅, 금속 접촉 패드 및 반도체 채널로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나의 전자 장치 부품과 집적된 상기 반도체 구조물을 포함한다. 이런 측면의 실시예에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 100 ㎚에서 100 ㎛의 범위에서 선택된 두께를 갖는다.
본 발명은 프린트 가능한 반도체 소자에 및/또는 사이에 전기적 연결을 성립시키는데 스텝 에지의 효과를 회피하거나 완화하기 위한 다른 전략을 포함한다. 어떤 실시예에서, 예를 들어, 프린트 가능한 반도체 소자는 경사 또는 점점 가늘어지는 가장자리를 갖는 적어도 한 측면을 갖도록 제작된다. 경사진 가장자리는 프린트 가능한 반도체 소자의 가장자리의 변화가 급작스러운 정확한 각도 구성에 대립되어, 프린트 가능한 반도체 소자의 가장자리에 점진적인 변화를 제공한다. 이런 실시예에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 경사진 가장자리(들)를 갖는 측면이 수용면과 접촉하게 노출되도록 조립된다. 이 지오메트리는 전기적 상호 연결의 집적을 위해 경사진 가장자리를 갖는 노출된 측면에 접근 및 다음 공정을 허여한다. 그러므로 프린트 가능한 반도체 소자의 경사진 가장자리의 존재는 전기적 상호 연결 구조물 및 전극을 집적하는데 스텝 에지의 영향을 감소시킨다.
b. 메쉬 및 그리드 전극을 사용하는 전기적 상호 연결
본 발명은 또한 장치 지오메트리 및 가공 방법을 포함하며, 전기적으로 전도성 있는 메쉬 및 그리드 전극이 접촉 프린팅을 통해서 조립된 프린트 가능한 반도체 소자를 전기적으로 상호 연결하는데 사용된다. 메쉬 및 그리드 전기적 상호 연결 소자 및/또는 전극은 장치 기판, 광학 시스템 또는 광학 부품의 수용면에 접촉 프린팅 방법을 통해서 선택적으로 조립되거나, 선택적으로 변형가능한 전사 장치를 사용하여 프린트된 반도체 소자의 노출된 표면에 접촉 프린팅 방법을 통해서 조립된다. 메쉬 및 그리드 전극 사용의 장점은 이들이 넓은 영역에 효과적으로 패터닝되어 접촉 프린팅에 의해서 조립된 프린트 가능한 반도체 소자의 배치 정확성에서 더 큰 허용 오차를 가능하게 해준다. 이 공정 및 설계 장점은 프린트 가능한 반도체 소자의 접촉 프린팅-기반의 어셈블리에 관련된 공정 제약 및 장치 지오메트리 허용 오차의 완화를 초래한다. 예를 들어, 메쉬와 그리드 전극 및 장치 상호 연결의 사용은 접촉 프린팅에 의해서 조립된 프린트 가능한 반도체 소자의 정렬 및 위치에 설계 및 배치 제약을 상당히 완화시킨다. 게다가, 메쉬 및 그리드 전극의 사용은 많은 수의 프린트 가능한 반도체 소자가 단일(작은 수의) 공정 단계에서 효과적이며 전기적으로 상호 연결되도록 해준다. 게다가, 메쉬 또는 그리드 전극의 두께 및/또는 필 팩터는 그것들이 광학적으로 투명하도록 선택될 수 있으며, 이는 이런 부품이 디스플레이, 광전 시스템, 광학 센싱 시스템 및 다기능 광학 시스템 같은, 메쉬나 그리드를 통해서 전자기파 복사의 전달을 요하는 광학 시스템에서 구현되도록 허락해 준다. 어떤 실시예에서, 그리드 또는 메쉬는 전자기파 복사의 선택된 파장에서 50% 광학 투명도 이상이다.
실시예에서, 본 발명의 방법은 장치 기판의 수용면에 조립된 프린트 가능한 반도체 소자의 적어도 일부와 전기적으로 접촉하는 전기적 전도성 그리드 또는 메쉬를 제공하여, 메쉬로부터 프린트 가능한 반도체 소자의 적어도 일부에 전기적 접촉을 성립시키는 단계를 포함한다. 실시예에서, 그리드 또는 메쉬로부터 상기 프린트 가능한 반도체 소자로의 전기적 연결은 접촉 프린팅에 의해서 성립된다. 그리드나 메쉬는 본 발명의 광학 시스템 몇몇에서 하나 이상의 전극 또는 전기적 상호 연결 구조물을 제공한다. 프린트 가능한 반도체 소자의 적어도 일부와 전기적 접촉에서 그리드나 메쉬를 제공하는 단계는 예를 들어, 탄성(예를 들어, PDMS) 스탬프 같은 변형가능한 전사 장치를 사용하는 접촉 프린팅-기반의 공정을 통해서 수행될 수 있다. 어떤 실시예에서, 예를 들어, 이 공정 단계는 그리드나 메쉬를 장치 기판의 수용면에 접촉 프린팅을 통해서 전사시키고, 그 다음 프린트 가능한 반도체 소자를 프린트된 그리드나 메쉬의 하나 이상의 표면에 조립하여, 이 장치 소자들 사이에 전기적 연결을 성립시키는 단계를 포함한다. 대신에, 다른 방법에서 이 공정 단계는 접촉 프린팅을 통해서 그리드 또는 메쉬를 미리 장치 기판의 수용면에 조립된 프린트 가능한 반도체 소자의 하나 이상의 노출된 표면에 전사시켜, 이 장치 소자 사이에 전기적 연결을 성립시키는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 본 발명은 (ⅰ) 내부 표면을 갖는 광학 부품을 제공하는 단계; (ⅱ) 상기 광학 부품의 상기 내부 표면에 전기적 전도성 그리드나 메쉬를 제공하는 단계; (ⅲ) 수용면을 갖는 장치 기판을 제공하는 단계; (ⅳ) 접촉 프린팅을 통해서 상기 기판의 상기 수용면에 다수의 프린트 가능한 반도체 소자를 조립하는 단계; 및 (ⅴ) 상기 장치 기판에 상기 그리드나 메쉬를 갖는 상기 광학 부품을 전사시키는 단계를 포함하는 반도체-기반 광학 시스템을 제조하는 방법을 제공하는데, 상기 프린트 가능한 반도체 소자 각각은 0.0001 ㎜에서 1000 ㎜의 범위에서 선택된 길이, 0.0001 ㎜에서 1000 ㎜의 범위에서 선택된 너비 및 0.00001 ㎜에서 3 ㎜의 범위에서 선택된 두께를 갖는 반도체 구조물을 포함하며, 상기 광학 부품은 기판의 상기 수용면에 조립된 상기 반도체 소자의 상부에 위치하고, 상기 전기적 전도성 그리드나 메쉬는 상기 광학 부품 및 상기 반도체 소자 사이에 제공되며, 상기 금속 그리드 또는 메쉬는 상기 프린트 가능한 소자의 적어도 일부와 전기적 접촉하도록 제공된다. 실시예에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 0.02 ㎜에서 30 ㎜의 범위에서 선택된 길이 및 0.02 ㎜에서 30 ㎜의 범위에서 선택된 너비를, 바람직하게 몇몇 응용에서는 0.1 ㎜에서 1 ㎜의 범위에서 선택된 길이 및 0.1 ㎜에서 1 ㎜의 범위에서 선택된 너비를, 바람직하게 몇몇 응용에서는 1 ㎜에서 10 ㎜의 범위에서 선택된 길이 및 1 ㎜에서 10 ㎜의 범위에서 선택된 너비를 갖는 반도 반도체 구조물을 포함한다. 실시예에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 0.0003 ㎜에서 0.3 ㎜의 범위에서 선택된 두께를, 바람직하게 몇몇 응용에서는 0.002 ㎜에서 0.02 ㎜의 범위에서 선택된 두께를 갖는 반도체 구조물을 포함한다. 실시예에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 100 ㎚에서 1000 ㎛의 범위에서 선택된 길이, 100 ㎚에서 1000 ㎛의 범위에서 선택된 너비 및 10㎚에서 1000 ㎛의 범위에서 선택된 두께를 갖는 반도체 구조물을 포함한다.
선택적으로 상기에서 언급된 단계 (ⅰ) 및/또는 (ⅴ)는 예를 들어, 탄성 스탬프 같은 변형가능한 전사 장치를 사용하는 접촉 프린팅 방법을 통해서 수행된다. 실시예에서, 전기적 전도성 메쉬 또는 그리드는 하나 이상의 금속을 포함한다. 실시예에서, 전기적 전도성 메쉬 또는 그리드는 하나 이상의 반도체 재료를 포함한다. 본 발명의 방법에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 하나의 단위 무기물 반도체 구조물을 포함한다. 본 발명의 방법에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 단결정 반도체 재료를 포함한다.
어떤 방법에서, 상기 기판의 상기 수용면에 조립된 상기 반도체 소자 상부에 상기 광학 부품을 전사시키는 상기 단계는 접촉 프린팅을 사용하여 상기 기판의 상기 수용면에 조립된 상기 반도체 소자의 상부에 상기 광학 부품을 프린팅하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 본 발명의 방법은 선택적으로 탄성 전사 장치 같은 변형가능한 전사 장치를 사용하여, 건식 전사 접촉 프린팅을 통해서 상기 수용면에 프린트 가능한 반도체 소자를 조립하는 단계를 포함한다.
전기적 상호 연결 구조 및/또는 전극으로서 유용한 메쉬 또는 그리드는 금속 및 반도체(도핑된 반도체를 포함)를 포함하는 어떤 전도성 재료를 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서, 전기적 상호 연결 구조 및/또는 전극으로서 유용한 메쉬 또는 그리드는 10 ㎚에서 10000 ㎛의 범위에서 선택된 두께를 가질 수 있다. 얇고 및/또는 낮은 필 팩터의 그리드 또는 메쉬 구조의 사용은 어떤 실시예에서 유용한데, 이 구조들은 예를 들어, 선택된 파장을 갖는 입사 전자기파 복사의 10%, 30%, 50% 또는 70%보다 많이 투과시키게 광학적으로 투명하도록 구현될 수 있기 때문이다. 어떤 응용에서 메쉬 또는 그리드 구조물의 필 팩터는 5%와 80% 사이의 범위이며, 바람직하게는 10-50% 사이의 범위이다. 어떤 실시예에서, 30%보다 작은 필 팩터를 갖는 메쉬 또는 그리드 구조물의 사용이 선호된다.
본 발명의 전기적 상호 연결 구조 및/또는 전극에 유용한 메쉬 및 그리드 구조물은 선택적으로 라미네이트되고, 평탄화되고 및/또는 밀봉되는 구조물일 수 있다. 실시예에서, 예를 들어, 메쉬 또는 그리드 구조물은 취급, 전사 및/또는 집적을 용이하게 하기 위하여 예를 들어, 접촉 프린팅 방법을 사용하거나, 선택적으로 탄성 스탬프 같은 변형가능한 전사 장치를 사용하여 PDMS층 같은 탄성체층에 본딩된다. 어떤 응용에 유용한 탄성체층은 1 ㎛에서 1000 ㎛의 범위에서 두께를 갖는다. 어떤 응용에서 탄성체층의 사용은 프린트된 반도체 소자와 양호한 전기적 연결을 생성하기 위해 그리드 또는 메쉬 전극 또는 상호 연결 구조물이 변형되고 움직이게 해준다. 어떤 실시예에서, 메쉬 또는 그리드 구조물은 또한 유리 또는 중합체 기판 같은 지지부와 연결된다. 실시예에서, 예를 들어, 메쉬 또는 그리드 구조물은 유리 또는 중합체 기판에 연결된 탄성체층에 기계적으로 연결된다. 어떤 구성에서, 탄성체층은 메쉬 또는 그리드 구조물 및 유리 또는 중합체 기판 사이에 위치한다. 유리 또는 중합체 기판 같은 지지부의 사용은 그리드 또는 메쉬 전극 또는 상호 연결 구조물의 본 발명의 광학 시스템에 집적을 용이하게 해준다.
그리드 및 메쉬 전극 및/또는 전기적 상호 연결 구조물의 사용은 넓은 범위의 프린트 가능한 반도체 소자의 전기적 연결을 성립시키는데 유리하다. 선택적으로, 이 방법에서 프린트 가능한 반도체 소자는 LED, 레이저, 태양 전지, 센서, 다이오드, 트랜지스터 및 포토다이오드 같은 전자 장치 또는 전자 장치의 부품이다. 선택적으로, 이 방법에서 프린트 가능한 반도체 소자는 100 ㎚에서 100㎛의 범위에서 선택된 두께를 갖는다.
실시예에서, 본 발명은 (ⅰ) 수용면을 갖는 장치 기판; 및 (ⅱ) 상기 수용면에 의해 지지되는 다수의 프린트 가능한 반도체 소자; (ⅲ) 상기 수용면에 의해 지지되는 상기 다수의 프린트 가능한 반도체 소자와 전기적 접촉하도록 제공된 금속 그리드 또는 메쉬;를 포함하는 반도체-기반의 광학 시스템을 제공하며, 상기 프린트 가능한 반도체 소자 각각은 0.0001 ㎜에서 1000 ㎜의 범위에서 선택된 길이, 0.0001 ㎜에서 1000 ㎜의 범위에서 선택된 너비 및 0.00001 ㎜에서 3 ㎜의 범위에서 선택된 두께를 갖는 반도체 구조물을 포함한다. 실시예에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 0.02 ㎜에서 30 ㎜의 범위에서 선택된 길이 및 0.02 ㎜에서 30 ㎜의 범위에서 선택된 너비를, 바람직하게 몇몇 응용에서는 0.1 ㎜에서 1 ㎜의 범위에서 선택된 길이 및 0.1 ㎜에서 1 ㎜의 범위에서 선택된 너비를, 바람직하게 몇몇 응용에서는 1 ㎜에서 10 ㎜의 범위에서 선택된 길이 및 1 ㎜에서 10 ㎜의 범위에서 선택된 너비를 갖는 반도체 구조물을 포함한다. 실시예에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 0.0003 ㎜에서 0.3 ㎜의 범위에서 선택된 두께를, 바람직하게 몇몇 응용에서는 0.002 ㎜에서 0.02 ㎜의 범위에서 선택된 두께를 갖는 반도체 구조물을 포함한다. 실시예에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 100 ㎚에서 1000 ㎛의 범위에서 선택된 길이, 100 ㎚에서 1000 ㎛의 범위에서 선택된 너비 및 10㎚에서 1000 ㎛의 범위에서 선택된 두께를 갖는 반도체 구조물을 포함한다.
선택적으로, 프린트 가능한 반도체 소자는 접촉 프린팅에 의해서 상기 수용면에 조립된다. 선택적으로, 상기 금속 그리드 또는 메쉬는 라미네이트된 구조물이다. 선택적으로, 금속 그리드 또는 메쉬는 PDMS층 같은 탄성체층에 본딩되며, 어떤 실시예에서, 탄성체층은 유리 기판에 본딩되고, 상기 탄성체층은 상기 금속 그리드 또는 메쉬 및 상기 유리 기판 사이에 위치한다. 선택적으로, 금속 그리드 또는 메쉬는 상기 수용면 및 상기 프린트 가능한 반도체 소자 사이에 제공된다. 선택적으로, 금속 그리드 또는 메쉬는 프린트 가능한 반도체 소자의 하나 이상의 외부 표면에 제공된다. 선택적으로, 금속 그리드 또는 메쉬는 광학적으로 투명하고 및/또는 30%보다 작은 필 팩터를 갖는다. 선택적으로, 프린트 가능한 반도체 소자(들)는 하나의 단위 무기물 반도체 구조물을 포함한다.
이런 측면의 시스템에서, 프린트 가능한 반도체 소자(들)는 0.02 ㎜에서 30 ㎜의 범위에서 선택된 길이 및 0.02 ㎜에서 30 ㎜의 범위에서 선택된 너비를 갖는 반도체 구조물을 포함한다. 이런 측면의 시스템에서, 프린트 가능한 반도체 소자(들)는 0.1 ㎜에서 1 ㎜의 범위에서 선택된 적어도 하나의 길이 물리적 크기를 갖는 반도체 구조물을 포함한다. 이런 측면의 시스템에서, 프린트 가능한 반도체 소자(들)는 1 ㎜에서 10 ㎜의 범위에서 선택된 적어도 하나의 길이 물리적 크기를 갖는 반도체 구조물을 포함한다. 이런 측면의 시스템에서, 프린트 가능한 반도체 소자(들)는 0.0003 ㎜에서 0.3 ㎜의 범위에서 선택된 적어도 하나의 단면 크기를 갖는 반도체 구조물을 포함한다. 이런 측면의 시스템에서, 프린트 가능한 반도체 소자(들)는 0.002 ㎜에서 0.02 ㎜의 범위에서 선택된 적어도 하나의 단면 크기를 갖는 반도체 구조물을 포함한다. 이런 측면의 시스템에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 접촉 프린팅에 의해서 수용면에 조립된다. 이런 측면의 시스템에서, 그리드 또는 메쉬는 하나 이상의 금속을 포함한다. 이런 측면의 시스템에서, 그리드 또는 메쉬는 라미네이트된 구조물이다. 이런 측면의 시스템에서, 그리드 또는 메쉬는 탄성체층에 본딩되며, 선택적으로 탄성체층은 유리 기판에 본딩되고, 탄성체층은 그리드 또는 메쉬 및 유리 기판 사이에 위치하며, 선택적으로 그리드 또는 메쉬는 수용면 및 프린트 가능한 반도체 소자 사이에 제공된다. 이런 측면의 시스템에서, 그리드 또는 메쉬는 프린트 가능한 반도체 소자의 외부 표면에 제공된다. 이런 측면의 시스템에서, 그리드 또는 메쉬는 50% 이상 광학적으로 투명하다. 이런 측면의 시스템에서, 그리드 또는 메쉬는 30%보다 작은 필 팩터를 갖는다.
c. 프린트 가능한 반도체 소자를 위한 전극 상호 연결 지오메트리
본 발명은 또한 접촉 프린팅을 통해서 어셈블리로서 전극 패터닝 및 전기적 상호 연결을 용이하게 하는, 프린트 가능한 반도체 장치 및 장치 부품 같은, 프린트 가능한 반도체 소자를 위한 전극 상호 연결 지오메트리를 포함한다. 이런 상호 연결 지오메트리는 태양 전지, LED, 트랜지스터, 다이오드, 레이저 및 센서를 포함하는 넓은 범위의 프린트 가능한 전자 장치 및 그들의 부품에 응용이 가능하다.
실시예에서, 본 발명의 프린트 가능한 반도체 소자는 전기적 연결을 만들기 위해, 접촉 패드 또는 다른 전기적 상호 연결 구조물 같은, 접촉 구조물이 프린트 가능한 반도체 소자의 단일 측면에 제공되도록 장치 지오메트리를 갖는다. 어떤 장치 제조 응용을 위해서 바람직하게는, 전기적 접촉을 갖는 프린트 가능한 반도체 소자의 측면은 장치 기판, 광학 시스템 또는 광학 부품에 프린트 가능한 반도체 소자를 조립하는 단계에 노출되거나 접근하기 쉽다. 이 설계는 전자 장치를 포함하는 프린트 가능한 반도체 소자가 태양 전지, LED 또는 트랜지스터 같은 장치의 다른 부품에 두 개 이상의 전기적 접촉을 요구하는 것이 특히 매력적이다. 이런 측면의 프린트 가능한 반도체 장치 및 장치 부품에서, 장치 지오메트리는 두 개 이상의 상호 연결이 프린트 가능한 반도체 장치 및 장치 부품의 단일 측면에 제공되는걸 허여하도록 선택된다. 어떤 실시예에서, 예를 들어, 프린트 가능한 반도체 장치 및 장치 부품의 도핑하는 및 도핑되는 부품은 선택되고, 전기적 상호 연결이 프린트 가능한 반조체 장치 및 장치 부품의 단일 측면에 제공되는걸 허여하도록 공간적으로 배열된다.
예 5: 광학 부품에서 접촉 프린팅 기반의 조립
본 발명의 접촉 프린팅-기반의 공정 방법의 장점은 이들이 장치 조립 및 넓은 범위의 광학 시스템 및 광학 부품에 직접 집적과 호환된다는 점이다. 이는 본 발명의 제조 방법을 사용하여 넓은 범위의 유용한 구조물 및 장치 지오메트리가 효율적으로 이용되게 해준다.
이런 측면의 실시예에서, 본 발명은 (ⅰ) 수용면을 갖는 광학 시스템 또는 광학 부품을 제공하는 단계; 및 (ⅱ) 접촉 프린팅을 통해서 상기 광학 시스템 또는 상기 광학 부품의 상기 수용면에 하나 이상의 프린트 가능한 반도체 소자를 조립하는 단계를 포함하는 반도체-기반의 광학 시스템을 제조하는 방법을 제공하며, 상기 프린트 가능한 반도체 소자 각각은 0.0001 ㎜에서 1000 ㎜의 범위에서 선택된 길이, 0.0001 ㎜에서 1000 ㎜의 범위에서 선택된 너비 및 0.00001 ㎜에서 3 ㎜의 범위에서 선택된 두께를 갖는 반도체 구조물을 포함한다. 실시예에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 0.02 ㎜에서 30 ㎜의 범위에서 선택된 길이 및 0.02 ㎜에서 30 ㎜의 범위에서 선택된 너비를, 바람직하게 몇몇 응용에서는 0.1 ㎜에서 1 ㎜의 범위에서 선택된 길이 및 0.1 ㎜에서 1 ㎜의 범위에서 선택된 너비를, 바람직하게 몇몇 응용에서는 1 ㎜에서 10 ㎜의 범위에서 선택된 길이 및 1 ㎜에서 10 ㎜의 범위에서 선택된 너비를 갖는 반도체 구조물을 포함한다. 실시예에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 0.0003 ㎜에서 0.3 ㎜의 범위에서 선택된 두께를, 바람직하게 몇몇 응용에서는 0.002 ㎜에서 0.02 ㎜의 범위에서 선택된 두께를 갖는 반도체 구조물을 포함한다. 실시예에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 100 ㎚에서 1000 ㎛의 범위에서 선택된 길이, 100 ㎚에서 1000 ㎛의 범위에서 선택된 너비 및 10㎚에서 1000 ㎛의 범위에서 선택된 두께를 갖는 반도체 구조물을 포함한다.
어떤 실시예에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 렌즈, 렌즈 어레이, 도파관 또는 도파관 어레이의 곡면(들)과 같은 상기 광학 부품의 곡면의 수용면에 조립된다. 대신에, 프린트 가능한 반도체 소자는 상기 광학 부품의 평평한 수용면(들)에 조립된다.
본 방법의 접촉 프린팅 기반의 제조 플랫폼은 매우 다용도이기 때문에, 광 수집 광학 부품, 광 집속 광학 부품, 광 확산 광학 부품, 광 분산 광학 부품, 광 필터링 광학 부품 및 이들의 어레이를 포함하는 넓은 범위의 광학 부품과 호환이 가능하다. 실시예에서, 예를 들어, 프린트 가능한 반도체 기반의 잔자 장치 및/또는 장치 부품 같은, 프린트 가능한 반도체 소자는 렌즈, 렌즈 어레이, 반사기, 반사기 어레이, 도파관, 도파관 어레이, 광학 코팅, 광학 코팅 어레이, 광학 필터, 광학 필터 어레이, 광섬유 소자 및 광섬유 소자의 어레이로 구성된 군에서 선택된 광학 시스템 또는 부품의 수용면에 조립된다. 실시예에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 레플리카 몰딩에 의해 제조되는 렌즈 또는 렌즈 어레이 같은, 레플리카 몰딩에 의해서 제조되는 광학 부품 또는 시스템에 조립된다. 실시예에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 PDMS 몰딩된 렌즈 또는 렌즈 어레이 같은, PDMS 몰딩된 광학 구조물에 조립된다.
프린팅 기반의 조립은 조립된 프린트 가능한 반도체 소자가 정확하게 및/또는 정밀하게 공간적으로 정렬되게 및/또는 광학 시스템 또는 광학 부품의 특징부 및 부분에 개별적으로 위치가 지정되게 허여한다. 실시예에서, 예를 들어, 접촉 프린팅은 광학 부품의 어레이에서 부품 각각이 적어도 하나의 프린트 가능한 반도체 소자에 대하여 공간적으로 정렬되게 예를 들어, 100 ㎛이내에서 정렬되게, 바람직하게는 10 ㎛ 이내에서, 허여해준다. 실시예에서, 예를 들어, 접촉 프린팅은 광학 부품 어레이의 부품들 각각이 상기 프린트 가능한 반도체 소자 중 적어도 하나에 개별적으로 위치가 지정되게 허여해준다.
광학 시스템 및 부품의 표면에 직접 접촉 프린팅은 디스플레이 시스템, 광전 시스템, 센서 및 다기능 광학 시스템을 포함하는 넓은 범위의 시스템을 제조하게 해준다. 생성되는 광학 시스템의 형태 및 기능성은 프린트 가능한 반도체 소자를 수신하는 광학 시스템 또는 부품의 형태 및 프린트 가능한 소자의 형태에 적어도 부분적으로 의존할 것이다. 어떤 실시예에서, 광학 시스템 및 부품의 표면에 조립된 프린트 가능한 반도체 소자는 LED, 레이저, 태양 전지, 센서, 다이오드, 트랜지스터 및 포토다이오드 같은, 전자 장치 또는 전자 장치의 부품이다. 어떤 실시예에서, 프린트 가능한 광학 시스템 및 부품의 표면에 조립된 반도체 소자가 100㎚에서 100 ㎛의 범위에서 선택된 두께를 갖는다.
본 발명에서 접촉 프린팅의 사용은 넓은 범위의 광학 시스템과 프린트 가능한 반도체 소자의 직접 집적을 할 수 있게 한다. 실시예에서, 예를 들어, 프린트 가능한 반도체 소자는 건식 전사 접촉 프린팅을 통해서 광학 시스템 또는 광학 부품의 상기 수용면에 조립된다. 선택적으로, 프린트 가능한 반도체 소자는 탄성 전사 장치(예를 들어, PDMS 스탬프) 같은, 변형가능한 전사 장치를 사용하여 광학 시스템 또는 광학 부품의 상기 수용면에 조립된다. 이런 측면의 방법에서, 본 발명은 (ⅰ) 접촉 표면을 갖는 상기 변형가능한 전사 장치를 제공하는 단계; (ⅱ) 상기 프린트 가능한 반도체 소자의 외부 표면 및 상기 변형가능한 전사 장치의 상기 접촉 표면 사이에 공형 접촉을 성립시키는 단계; 상기 공형 접촉은 상기 프린트 가능한 반도체 소자를 상기 접촉 표면에 본딩시키고, (ⅲ) 상기 접촉 표면 및 상기 광학 부품의 상기 수용면에 본딩된 상기 프린트 가능한 반도체 소자를 접촉시키는 단계; 및 (ⅳ) 상기 프린트 가능한 반도체 소자 및 상기 변형가능한 전사 장치의 상기 접촉 표면을 분리하여, 상기 프린트 가능한 반도체 소자를 상기 광학 부품의 상기 수용면에 조립하는 단계를 포함한다.
예 6. 접촉 프린팅을 통한 태양 전지 어레이의 제조
본 방법은 태양 전지 어레이를 포함하는 성능 좋은 광전 시스템의 제조를 위해 효과적인 공정 플랫폼을 제공한다.
도 57은 태양 전지 어레이를 제조하기 위해 이어서 조립되고 상호 연결될 수 있는 수직 태양 전지를 포함하는 프린트 가능한 반도체 소자를 만들기 위한 공정 흐름 도표를 제공한다. 도 57에서 단계 A - E는 Si(111) p-타입 웨이퍼로부터 프린트 가능한 태양 전지 리본을 만들기 위한 다양한 공정 및 조건을 설명한다.
도 57에서 공정 단계 A는 뒷 표면 필드 형성을 위한 공정 단계 및 조건을 설명한다. 이 공정 단계에서, 3 인치의 p-타입 Si 111 웨이퍼가 6개의 동일한 부분으로 쪼개진다. 다음, 가공된 웨이퍼는 Ace/IPA 및 피라냐 클린(Piranha clean)을 사용하여 씻겨진다. 보론(B219) SOD는 웨이퍼에 스핀된다. 보론을 갖는 웨이퍼는 250℃에서 어닐링된다. 보론은 예를 들어, 1150℃에서 45분 동안 주입된다. 어느 유리 잔류물도 제거된다. 이 공정 단계는 약 1.5 ㎜ 두께의 접합을 결과로서 생기게 한다.
도 57에서 공정 단계 B 및 C는 리본 형성을 위한 공정 단계 및 조건을 설명한다. 300 ㎚ PECVD 산화물이 방염제 패턴을 만들기 위해 사용된다. PR은 리본 공간 크기 및 BOE를 갖는 산화물에 노출되는 습식 식각을 정의하기 위해 패터닝된다. 그리고 나서, ICP-DRIE ~ 25 - 30 ㎜가 노출된 실리콘에 깊은 트렌치(trench)(12분의 식각 시간)를 만들기 위해 사용된다. 예시적인 리본 크기 및 트렌치 크기는 도 57에 도시되어 있다. 가공된 웨이퍼는 몇몇 측벽 거칠기를 제거하기 위해 약 4분 동안 RCA 1 및 KOH에서 정련되어 깨끗해진다. 다음, PECVD 100 ㎚ SiO2 및 600 ㎚ SiN4가 전체에 증착된다. Ti/Au 3/ 50 ㎚의 기울어진 증발(60도 정도)이 이 공정 단계에서 사용된다. 웨이퍼는 노출된 산화물 및 질화물층의 RIE 식각에 노출된다. KOH를 사용하는 습식 식각이 다음으로 예를 들어 ~ 35% KOH 수용액을 사용하여, 리본을 언더컷하는데 사용된다. 금속 마스크층 이어서 제거된다. 산화물 및 질화물층은 이어지는 도핑 공정을 위해 유지된다.
도 57에서 공정 단계 D 및 E는 에미터 형성을 위한 공정 단계 및 조건을 설명한다. 실시예에서, P509 같은, n-타입 도펀트가 완전히 언더컷된 리본 칩에 스핀 코팅된다. n-타입 도펀트(예를 들어, P509)는 예를 들어, 950℃에서 15분 동안 주입된다. 이는 약 500 ㎚ 두께의 접합을 만든다. 다음, 그 층은 제거되고, 메쉬나 NOA를 갖는 수용 기판에 전사 프린트된다.
도 58은 벌크 웨이퍼에서 제조된 다른 두께의 마이크로태양 전지의 SEM 이미지를 제공한다.(상부에서 하부: 8 ㎛, 16 ㎛, 22 ㎛의 두께).
도 59는 본 공정 플랫폼을 사용하여 제조된 개별 태양 전지 장치의 IV 특성을 보여주는 플롯을 제공한다. 이 예의 장치는 9%의 효율성을 보여준다. 도 59의 삽입화는 하부 버스 전극에 프린트된 수직 지오메트리를 갖는 Si 태양 전지를 보여준다.
도 60은 수직 태양 전지 및 관련 전자 성능 데이터를 위한 상부 접촉을 만들기 위한 공정을 도시한다. 첫째, 수직 태양 전지는 패널 A 및 B에 도시된 바와 같이 Au 또는 Cu 메쉬 구조물에 프린트된다. 패널 C는 프린트된 접촉의 IV 곡선 플롯을 보여주고, 이런 방법으로 제조된 모듈은 6%의 총 효율을 보여준다. 패널 C의 삽입화는 실리콘 태양 전지에 프린트된 상부 및 하부 메쉬 전극을 보여준다.
도 61은 <111> p-타입 Si 웨이퍼에 패터닝되고 이어서 접촉 프린팅을 통해서 조립 및 집적이 가능한 수평 형태의 태양 전지의 태양 전지 레이아웃을 보여주는 개략도이다. 태양 전지 리본, 브릿지 소자, 트렌치 및 마더 웨이퍼의 물리적 크기는 도 61에 제공된다. 포토리소그래피 및 건식 식각 공정을 통해서 전지 레이아웃의 패터닝을 한 후에, 도핑 고정이 행해진다. 도 62는 보론(p+) 및 인(n+) 도핑된 영역은 패터닝된 반도체 리본의 외부 표면에 패터닝되는 도핑 설계를 보여주는 개략도이다. 상부 보론 도핑은 상부 p+ 접촉을 만들기 위한 것이나, 상부 인 도핑은 pn 접합을 만들기 위한 것이다. 측벽 도핑 전략은 금속화 단계 동안 접합 영역을 증가시키고 가능한 단락-회로 형성을 방지하기 위해 의도적으로 실시된다. 하부 p+ 도핑은 KOH 식각 공정으로 하부 표면이 언더컷된 후에 뒷-표면-필드(BSF)를 만들기 위해 행해진다.
도 63은 전지 패터닝 및 도핑 단계를 위한 공정 흐름을 보여주는 개관 개략도를 제공한다. 도 63에 도시된 바와 같이, 제1태양 전지 패터닝은 포토리소그래피 및 건식 식각을 사용하여 웨이퍼에 형성된다. 다음, 공간적으로 집중된 보론 도핑이 창 형성 및 확산을 위해 행해진다. 다음, 공간적으로 집중된 인 도핑이 창 형성 및 확산을 위해 수행된다. 다음, 패터닝된 태양 전지가 상부 및 측벽 패시베이션 및 KOH 식각을 사용하기 위해 언더컷된다. 마지막으로, 하부 보론 도핑이 수행된다.
도 64는 포토리소그래피 및 STS 깊은 RIE 식각 공정 단계를 설명하는 태양 전지 리본 패터닝을 위한 공정 단계를 보여주는 개략적인 도표를 제공한다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 공정 흐름의 제1단계는 벌크 <111> Si 웨이퍼에 포토리소그패피 및 깊은 반응 이온 식각(보쉬(Bosch) 공정)을 통해서 전지 패턴을 만드는 것이다. 식각 마스크로서, PECVD SiO2 및 양성 포토레지스트가 사용된다. 건식 식각에서, SF6 및 O2가 식각을 위해 사용되며, C4H8이 패시베이션을 위해 사용된다. 보쉬 공정에서 대안적인 식각 및 패시베이션 공정의 결과로서, 식각된 구조물은 측벽 물결 모양을 가지며, 이는 이어서 KOH로 매끄럽게 된다. 도 64에는 또한 포토레지스트 및 SiO2 마스크층이 제거된 후의 공정 웨이퍼 마이크로그래프가 도시되어 있다. 도 65는 패터닝된 리본의 측벽의 KOH 정련 공정으로부터의 결과를 보여준다. 측벽 물결 모양을 제거하기 위해, 짧은 시간 KOH 정련 공정이 행해진다. 상기 공정 동안에, 상부 표면이 PECVD SiO2로 보호된다.
도 66은 보론 도핑 공정을 위한 개략적인 도표를 제공한다. KOH 정련 단계 후에, 상부 p+ 접촉 형성을 위한 보론 도핑이 행해진다. PECVD SiO2(900㎚)는 도핑 마스크층으로서 증착되고, 도핑 창은 포토리소그래피 및 BOE 습식 식각에 의해 만들어진다. 도핑 작용제로서, 스핀-온-도펀트 또는 고체 상태 도핑 소스가 사용될 수 있다. 확산 공정은 질소(고체 상태 소스) 또는 질소/산소(75/25, 스핀-온-도펀트) 환경 하에서 1000-1150℃에서 행해진다. 도 66에는 집중된 보론 도핑을 위해 도핑 창을 갖는 마스크된 리본 구조물의 마이크로그래프가 또한 도시되어 있다. 도 66에는 400 옴 저항을 나타내는 전류 대 전압의 플롯이 또한 도시되어 있다.
도 67은 인 도핑 공정을 위한 개략적인 도표를 제공한다. 인 도핑은 얕은 접합(100-300 ㎚)을 만들기 위해 보론 도핑 후에 일어난다. 보론 도핑 공정과 유사한 방법으로, 인 도핑 창이 PECVD SiO2 증착, 포토리소그래피 및 BOE 습식-식각 공정으로 만들어진다. 도핑 소스로서, 스핀-온-도펀트가 사용되며, 스핀-코팅에 의해서 도포된다. 확산은 N2/O2(75/25) 환경 하에서 950℃에서 행해진다. 도 67에는 또한 집중된 인 도핑을 위한 마스크된 리본 구조물의 마이크로그래프가 도시되어 있다. 도 67에는 또한 80 옴 저항을 나타내는 전류 대 전압의 플롯이 도시되어 있다.
도 68은 측벽 패시베이션 공정을 보여주는 개략적인 도표를 제공한다. 상부 도핑 공정이 끝난 후에, PECVD Si3N4가 KOH 언더컷 공정에서 보호층으로서 증착된다. KOH 식각이 시작되는 곳에 식각 창을 만들기 위해, 첫째, Cr 및 Au가 하부 표면을 제외한 상부 및 측벽에 금속 보호층을 만들기 위해, 샘플 표면으로부터 60°각도로 증착된다. 금속 덮개 표면은 다음 건식 식각 공정으로부터 보호되고, 따라서 KOH-습식-식각 단계를 위해 패시베이션층으로 기능한다. 전지의 두께는 금속 증착 각도를 조절하여 쉽게 제어할 수 있다. 둘째로, CHF3/O2 및 DF6를 갖는 RIE는 하부 표면에 Si를 노출시키고, 여기에서 KOH 식각이 시작될 수 있다. 도 69는 KOH 식각 창을 형성하기 위한 공정을 보여주는 개략적인 도표를 제공한다.
도 70은 KOH 식각 공정 및 하부 보론 도핑 공정을 보여주는 마이크로그래프를 제공한다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 하부 표면은 30분 동안 90℃에서 KOH로 식각되고, 이는 예를 들어, 탄성 변형가능한 전사 장치를 사용하여, 접촉 프린팅을 통해서 어셈블리될 수 있는 프린트-하기 쉬운 전지 구조물을 결과로서 생기게 한다. KOH 식각 후에, 오진 하부 Si 표면만이 노출되고 Si3N4 보호층은 여전히 보론 도핑을 위한 방벽(barrier)으로서 사용된다. 보론 도핑은 그 다음에 10분 동안 1000℃에서 행해진다.
하부 보론 도핑 후에, 패시베이션층 및 남아 있는 도펀트는 HF, 피라냐 및 BOE로 씻겨진다. PDMS 픽-업 전에, PECVD SiO2는 NOA 오염으로부터 상부-표면 패시베이션으로서 증착될 수 있다. 도 71은 PDMS 전사 장치를 사용하여 소스 웨이퍼로부터 태양 전지 리본의 전사를 보여주는 이미지를 제공한다.
도 72는 접촉 프린팅 및 평탄화 공정 단계를 설명하는 개략적인 도표를 제공한다. 도 72에는 또한 프린트 조립된 태양 전지의 이미지가 도시되어 있다. 마이크로전지가 PDMS 스탬프에 의해 픽업된 후, 이들은 접착제로서 NOA를 사용하여 유리, PET 또는 캡톤 같은 수용 기판에 프린트된다. 이 프린팅 기술은 자체로 또한 전지의 평탄화를 완료시키고, 이는 금속 상호 연결을 만드는데 중요하다. 첫째, NOA61이 UVO 처리된 기판에 코팅된 후, PDMS에 마이크로전지가 NOA의 상부에 위치되게 된다. 스탬프와 전지의 무게 때문에, 마이크로전지는 PDMS 스탬프가 덮고 있는 상부 표면을 제외하고 NOA에 완전히 임베딩된다. UV 광 하에서 부분적으로 양생된 후에, PDMS 스탬프가 회수되고, 마이크로전지가 임베딩되며 다음 금속화 단계를 위해 평평한 표면을 형성한다.
도 73은 금속화 공정의 결과를 보여주는 이미지를 제공한다. 도 74는 Al 금속층, SiO2 유전체층, Cr/Au층, 태양 전지, 평탄화층 및 장치 기판을 보여주는 금속화 공정의 개략적인 도표를 제공한다. 도 73에 도시된 바와 같이, 금속 상호 연결을 만들기 위해서, 금속이 전체 전지 표면에 증착되고, 선택적인 영역이 식각 보호층으로 포토레지스트 또는 NOA를 사용하여 금속 식각액으로 식각된다. 금속화가 수행된 후에, 이 금속 라인은 SiO2로 절연되고 밀봉되며, Al은 반사층을 형성하기 위해서 표면에 증착된다. 이런 방법으로, 우리는 보통 종래 전지 지오메트리에서 일어나는 금속 쉐도우를 본질적으로 제거할 수 있다. 비-반사 코팅이 전사 전에 기판의 하부 표면 또는 전지의 하부에 더 추가될 수 있다. 이 전지 구성 및 프린팅 전략으로, 우리는 또한 표면 조직화로서 KOH 식각 단계로부터 하부 전지 표면의 거칠기를 사용할 수 있다.
예 7. 프린트 가능한 반도체 소자의 물리적 크기
본 발명의 방법 및 시스템은 넓은 범위의 물리적 크기 및 형상을 갖는 프린트 가능한 반도체 기반의 장치 및 장치 부품을 포함하는 프린트 가능한 반도체 소자와 함께 구현할 수 있다. 접촉 프린팅을 통해서 조립된 프린트 가능한 반도체 소자의 물리적 크기 및 형상에 대하여 본 발명의 다재다능함은 넓은 범위의 장치 제조 응용을 가능하게 하고, 넓은 범위의 전자, 광학, 광-전자 장치 구성 및 레이아웃을 이용한다.
도 75a 및 75b는 본 명세서에서 사용된 바와 같이 "측면 크기" 및 "단면 크기"라는 표현을 예시하는 개략적인 도표를 제공한다. 도 75a는 4개의 반도체 리본(6005)을 포함하는 프린트 가능한 반도체 소자의 평면도를 제공한다. 이 명세서의 문맥에서, "측면 크기"란 표현은 반도체 리본(6005)의 길이(6000) 및 너비(6010)에 의해서 예시된다. 도 75b는 4개의 반도체 리본(6005)를 포함하는 프린트 가능한 반도체 소자의 단면도를 제공한다. 이 명세서의 문맥에서, "단면 크기"란 표현은 반도체 리본(6005)의 두께(6015)에 의해서 예시된다.
어떤 실시예에서, 프린트 가능한 반도체 기반 장치 및 장치 부품을 포함하는 프린트 가능한 반도체 소자의 길이 및 너비 같은, 하나 이상의 측면 크기가 0.1 ㎜에서 10 ㎜의 범위에서 선택된다. 하나 이상의 측면 크기가 어떤 응용을 위해서 0.1 ㎜에서 1 ㎜의 범위에서 선택되고, 어떤 응용을 위해서는 1 ㎜에서 10 ㎜의 범위에서 선택된다. 이런 측면 크기를 갖는 프린트 가능한 반도체 소자의 사용은 막 태양 전지 및 그의 광전 시스템을 포함하나 이에 제한되지 않는다.
어떤 실시예에서, 프린트 가능한 반도체 기반 장치 및 장치 부품을 포함하는 프린트 가능한 반도체 소자의 길이 및 너비 같은, 하나 이상의 측면 크기가 0.02 ㎜에서 30 ㎜의 범위에서 선택된다. 이런 측면 크기를 갖는 프린트 가능한 반도체 소자의 사용은 광전자 반도체 소자 및 그의 시스템을 포함하나 이에 제한되지 않는다.
어떤 실시예에서, 프린트 가능한 반도체 기반 장치 및 장치 부품을 포함하는 프린트 가능한 반도체 소자의 길이 및 너비 같은, 하나 이상의 측면 크기가 0.0001 ㎜에서 1000 ㎜의 범위에서 선택된다. 길이 및 너비 같은, 하나 이상의 측면 크기는 바람직하게는 어떤 응용을 위해서 0.0001 ㎜에서 300 ㎜의 범위에서 선택된다.
어떤 실시예에서, 프린트 가능한 반도체 기반 장치 및 장치 부품을 포함하는 프린트 가능한 반도체 소자의 두께 같은, 하나 이상의 단면 크기가 0.002 ㎜에서 0.02 ㎜의 범위에서 선택된다. 프린트 가능한 반도체 기반 장치 및 장치 부품을 포함하는 프린트 가능한 반도체 소자의 두께 같은, 하나 이상의 단면 크기가 어떤 응용을 위해서 0.0003 ㎜에서 0.3 ㎜의 범위에서 선택된다. 프린트 가능한 반도체 기반 장치 및 장치 부품을 포함하는 프린트 가능한 반도체 소자의 두께 같은, 하나 이상의 단면 크기가 어떤 응용을 위해서는 0.00001 ㎜에서 3 ㎜의 범위에서 선택된다.
본 발명의 광학 시스템에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 0.02 ㎜에서 30 ㎜의 범위에서 선택된 길이 및 0.02 ㎜에서 30 ㎜의 범위에서 선택된 너비를 갖는 반도체 구조물을 포함한다. 본 발명의 광학 시스템에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 0.1 ㎜에서 1 ㎜의 범위에서 선택된 길이 및 0.1 ㎜에서 1 ㎜의 범위에서 선택된 너비를 갖는 반도체 구조물을 포함한다. 본 발명의 광학 시스템에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 1 ㎜에서 10 ㎜의 범위에서 선택된 길이 및 1 ㎜에서 10 ㎜의 범위에서 선택된 너비를 갖는 반도체 구조물을 포함한다. 본 발명의 광학 시스템에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 0.0003 ㎜에서 0.3 ㎜의 범위에서 선택된 두께를 갖는 반도체 구조물을 포함한다. 본 발명의 광학 시스템에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 0.002 ㎜에서 0.02 ㎜의 범위에서 선택된 두께를 갖는 반도체 구조물을 포함한다. 본 발명의 광학 시스템에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 200 ㎛ 이하의 적어도 하나의 길이 물리적 크기를 갖는다. 본 발명의 광학 시스템에서, 프린트 가능한 반도체 소자는 10㎚에서 10 ㎛의 범위에서 선택된 적어도 하나의 단면 물리적 크기를 갖는다.
본 발명의은 접촉 프린팅을 통해서 조립된 프린트 가능한 전자 장치 또는 장치 부품 같은, 다수의 프린트 가능한 반도체 소자를 포함하는 광학 시스템을 포함한다. 본 발명의 실시예에서, 예를 들어, 광학 시스템은 접촉 프린팅을 통해서 상기 기판의 상기 수용면에 다수의 프린트 가능한 반도체 소자를 더 포함한다; 상기 프린트 가능한 반도체 소자 각각은 0.0001 ㎜에서 1000 ㎜의 범위에서 선택된 길이, 0.0001 ㎜에서 1000 ㎜의 범위에서 선택된 너비 및 0.00001 ㎜에서 3 ㎜의 범위에서 선택된 두께를 갖는 반도체 구조물을 포함한다.
예8. PET 기판에 프린트된 프린트 가능한 GaAs / InGaAIP 적색 LED
도 76은 PET 기판에 프린트된 프린트 가능한 GaAs/InGaAIP 적색 LED의 어레이를 도시한다. 장치를 형성하기 위해서, PET 기판은 얇은(1-2 ㎛)층의 PDMS로 코팅되고, PDMS는 열적으로 양생되며, 드문드문한 금 메쉬의 어레이는 접촉 프린팅을 통해서 기판에 프린트된다. 1㎜ X 1 ㎜ X ~0.3 ㎜ LED가 그리고 나서 메쉬 전극에 접촉 프린트된다. LED를 프린트한 뒤에, 다른 메쉬 어레이를 수용하고 있는 얇은 PDMS 기판은 LED의 상부에 전기적 접촉을 형성하고 ~5 V(상부 왼쪽 및 오른쪽)에서 작동하도록 기판에 대항하여 라미네이트된다. 얇은 PDMS 기판은 또한 LED 어레이의 기계적 밀봉제로서 작용한다.
참조 및 변형에 의한 병합에 관한 진술
미국 특허 출원 번호 제11/115,954호, 제11/145,574호, 제11/145,542호, 제60/863,248호, 제11/465,317호, 제11/423,287호, 제11/423,192 및 제11/421,654호는 본 명세서와 모순되지 않는 범위에서 참조에 의해 여기에 병합된다.
반포된 또는 등록된 특허 또는 균등물; 특허 출원 공보; 및 비-특허 문헌 문서 또는 다른 소스 재료;를 포함하는 이 출원을 통해서 모든 참조가 예를 들어, 특허 문서가 참조에 의해 여기에 완전히 병합되며, 비록 개별적으로 참조에 의해 병합되나, 내용에 있어서 각 참조는 적어도 이 출원의 명세서와 부분적으로 모순되지 않는다(예를 들어, 부분적으로 모순되는 참조는 참조의 부분적으로 모순된 부분을 제외하고 참조에 의해 병합된다).
여기에서 사용된 용어 및 표현은 설명하는 용어로서 사용되며, 제한으로서 사용되지 않고, 보여지고 설명된 특징 또는 그 일부의 어느 균등물도 배제하는 그런 용어 및 표현의 사용 의도가 없으나, 다양한 변형이 청구된 발명의 범위 내에서 가능하다는 것이 인정된다. 따라서, 비록 본 발명이 바람직한 실시예, 예시적인 실시예 및 선택적인 특징에 의해 명확히 발표되었으나, 여기서 개시된 사상의 변경 및 변형이 첨부된 청구항에 의해 정의된 본 발명의 범위 내에서 고려될 수 있다. 여기세어 제공된 특정 실시예는 본 발명의 유용한 실시예의 예시이며, 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명이 본 설명에서 개시된 장치, 장치 부품, 방법 단계들의 많은 변형을 사용하여 행해질 수 있다는 것이 명백하다. 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백하기 때문에, 본 발명에 유용한 방법 및 장치는 많은 선택적인 구성 및 공정 소자 및 단계를 포함할 수 있다.
여기에서 설명되거나 예시된 부품들의 모든 공식 또는 조합은 다른 언급이 없더라도, 본 발명을 실행하는데 사용될 수 있다.
주어진 범위에 포함되는 모든 개별 값뿐만 아니라 예를 들어, 온도 범위, 시간 범위 또는 구성 내지 집속 범위, 모든 중간체 범위 및 하부범위 같은 명세서에 주어진 범위는 명세서에 포함되는 것이 의도된다. 여기에서 어느 하부 범위 또는 범위 내의 개별 값 도는 명세서에 포함된 하부범위는 여기 청구항으로부터 배제될 수 있다는 것이 이해될 수 있다.
명세서에서 언급된 모든 특허 및 간행물은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 기술 수준을 나타낸다. 여기에서 인용된 참조는 공표 또는 출원 일자의 기술 상태를 나타내기 위해서 여기에서 전체로 참조에 의해 병합되고, 이 정보는 필요하다면 선행 기술에 있는 특정 실시예를 배제하기 위해 여기에서 사용될 수 있다는 것이 의도된다. 예를 들어, 물질 구성이 청구될 때, 권능을 부여하는 명세서가 여기에서 인용된 참조에 의해 제공되기 위해 화합물을 포함하는 출원인의 발명에 선행하는 기술에서 알려지고 이용가능한 화합물은 여기 물질 청구항의 구성에 포함되는 것이 의도되지 않는다.
여기에서 사용된 것처럼, "comprising"은 "including", "containing" 또는 "characterized by"와 동의어이고 모든 것을 포함하거나 제한이 없으며 부가적인, 열거하지 않은 소자 또는 방법 단계를 배제하지 않는다. 여기에서 사용된 것처럼,"consisting of"는 청구항 소자에서 설명되지 않은 어떤 소자, 단계 또는 성분을 배제한다. 여기에서 사용된 것처럼, "consisting essentially of"는 청구항의 기본 및 새로운 특성에 실질적으로 영향을 주지 않는 재료 또는 단계를 배제하지 않는다. 여기 각 보기에서 "comprising", "consisting essentially of" 및 "consisting of" 같은 용어는 다른 두 용어 중 하나와 대체될 수 있다. 여기에서 예를 들어 설명된 발명은 여기에서 명확하기 설명되지 않은 어떤 소자나 소자들, 제한이나 제한들의 부재에서 적당히 실행될 수 있다.
본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 명확히 예시된 것들과 다른 출발 물질, 생물학적 물질, 시약, 합성 방법, 정제 방법, 분석 방법, 검사 방법 및 생물학적 방법이 과도한 실험 의지 없이도 본 발명의 실행에 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 모든 기술 분야에서 알려져 있는 기능적 균등물 같은 재료 및 방법이 본 발명에 포함되는 것이 의도된다. 사용된 용어 및 표현은 설명의 용어로서 사용되었으며, 제한의 용어로서 사용되지 않았고, 그런 용어 및 표면의 사용에 보여지고 설명된 또는 그 일부의 특징의 어느 균등물을 배제하려는 의도는 없으나, 다양한 변경이 본 청구항의 범위 내에서 가능하다고 인식된다. 따라서, 비록 본 발명이 바람직한 실시예 및 선택적인 특징에 의해서 명확하게 설명되었지만, 여기에서 설명된 사상의 변경 및 변형이 본 기술 분야에서 통상의 기술을 가진 자에 의해 의지될 수 있으며, 그런 변경 및 변형은 첨부된 청구항에 의해 정의된 본 발명의 범위 이내라고 고려될 수 있다.

Claims (24)

  1. 집적 광학 장치를 제조하는 방법으로서,
    복수의 프린트 가능한 반도체 소자들을 장치 기판에 전사 프린팅(transfer printing)하는 단계로서, 상기 전사 프린팅하는 단계는, (i) 웨이퍼 상의 태양 전지들의 어레이를 스탬프 접촉 표면과 접촉시키는 단계; (ii) 상기 웨이퍼로부터 상기 스탬프 접촉 표면으로 상기 태양 전지들의 어레이를 전사시키기 위하여, 상기 스탬프를 상기 웨이퍼에서 멀어지는 방향으로 제거하는 단계; 및 (iii) 상기 스탬프 접촉 표면으로부터, 목표 조립(assembly) 기판에 의해 지지되는 뒷면 전극(back electrode)으로 상기 태양 전지들의 어레이를 전사시키는 단계를 포함하는 전사 프린팅 단계;
    광학 부품들의 어레이를 상기 장치 기판 상의 상기 태양 전지들의 어레이에 대하여 위치를 지정하는(addressing) 단계로서, 상기 태양 전지들의 각각을 상기 광학 부품들의 어레이의 고유의(unique) 개별 멤버에 대하여 광학적으로 위치를 지정하는 단계;
    전사된 상기 태양 전지 어레이와 전기적으로 접촉하는 앞면 전극들 및 절연층을 제공하는 단계; 및
    전사된 상기 태양 전지들의 어레이를 마이크로렌즈들의 어레이와 위치를 지정하는 단계로서, 상기 마이크로렌즈들의 어레이 내의 각 마이크로렌즈는 개별적으로 위치가 지정되어 개별 태양 전지와 광학적으로 정렬되는 단계;
    를 포함하는 집적 광학 장치의 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 마이크로렌즈 어레이는 마이크로렌즈들의 몰딩된(molded) 어레이인 것을 특징으로 하는 집적 광학 장치의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 마이크로렌즈들은 상기 마이크로렌즈가 개별적으로 위치가 지정되는 태양 전지 상에 입사광을 포커싱하는 집속(concentrating) 렌즈들을 포함하는 것을 특징으로 하는 집적 광학 장치의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 태양 전지들은:
    비반사층:
    상기 비반사층을 가로지르는 상부 접촉;
    상기 상부 접촉과 전기적으로 접촉하는 p-n 접합; 및
    상기 p-n 접합을 지지하는 하부 층을 포함하는 다층 구조인 것을 특징으로 하는 집적 광학 장치의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 마이크로렌즈들은 태양 전지들에 광을 광학적으로 포커싱하는 수집기들(collectors)를 포함하고, 각 마이크로렌즈-태양 전지가 개별적으로 위치가 지정된 쌍(each microlens - solar cell individually addressed pair)은 400 이상의 수집기 영역 대 태양 전지 영역의 비율을 갖는 것을 특징으로 하는 집적 광학 장치의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 수집기들은 2 mm의 개별 사이즈를 갖고, 상기 태양 전지들은 0.1 mm의 개별 사이즈를 갖는 것을 특징으로 하는 집적 광학 장치의 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 마이크로렌즈 어레이는 레플리카 몰딩(replica molding)에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 집적 광학 장치의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 마이크로렌즈 어레이는 평요의(plano-concave) 중합체 렌즈 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적 광학 장치의 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 마이크로렌즈 어레이는 프레넬(Fresnel) 렌즈들을 포함하는 것을 특징으로 하는 집적 광학 장치의 제조 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 마이크로렌즈 어레이는 수평 광 파이프들, 도파관들, 또는 수평 광 파이프들 및 도파관들을 포함하는 것을 특징으로 하는 집적 광학 장치의 제조 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 태양 전지들은 실리콘 온 인슐레이터(silicon on insulator) 웨이퍼로 제조된 실리콘 태양 전지들을 포함하는 것을 특징으로 하는 집적 광학 장치의 제조 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 태양 전지는 매립된 산화층에 의해 지지되는 P/As 혼합물로 도핑된 상부 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 집적 광학 장치의 제조 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 방법은:
    상기 프린팅된 태양 전지들 상에 상기 절연층을 캐스팅함으로써, 상기 프린팅된 태양 전지들을 평탄화하는 단계; 및
    상기 평탄화된 프린팅된 태양 전지들 상에 상부 전극들을 증착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 집적 광학 장치의 제조 방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 스탬프는 탄성 스탬프인 것을 특징으로 하는 집적 광학 장치의 제조 방법.
  16. 제1항에 있어서, 상기 앞면 전극들은 상기 앞면 전극들에 의한 태양 전지들의 쉐도윙(shadowing)을 최소화하기 위하여, 전사된 상기 태양 전지 어레이에 수직인 방향으로 정렬된 것을 특징으로 하는 집적 광학 장치의 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 앞면 전극들은 하부의 태양 전지의 측면 거리(lateral distance)를 광학적으로 방해하고, 상기 광학적으로 방해된 측면 거리는, 1 mm보다 큰 길이를 갖는 태양 전지에 대하여 60 μm보다 작은 것을 특징으로 하는 집적 광학 장치의 제조 방법.
  18. 제1항에 있어서, 적어도 1000개의 마이크로 태양 전지들이 평행하게 전사 프린트되는 것을 특징으로 하는 집적 광학 장치의 제조 방법.
  19. 제1항에 있어서, 상기 복수의 프린트 가능한 반도체 소자들은:
    확산 광학 렌즈에 위치가 지정된 LED(light emitting diode);
    광섬유에 위치가 지정된 VCSEL(vertical-cavity surface-emitting laser);
    수집 광학 렌즈에 위치가 지정된 포토다이오드; 또는
    수집 렌즈에 위치가 지정된 광학 센서 및 광학 생성기(generator)의 일부인 것을 특징으로 하는 집적 광학 장치의 제조 방법.
  20. 제1항에 있어서, 변형 가능한(conformable) LED 광 시스템을 제공하도록, 상기 장치 기판은 얇은 플렉서블(thin and flexible) 기판이고, 전사된 상기 반도체 소자들은 0.0003 mm 이상이고 0.3 mm 이하인 두께를 갖는 LED의 일부인 것을 특징으로 하는 집적 광학 장치의 제조 방법.
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 삭제
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