TWI420237B - 藉由對彈性印模之黏著性動力控制之圖案轉印印刷 - Google Patents

藉由對彈性印模之黏著性動力控制之圖案轉印印刷 Download PDF

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Description

藉由對彈性印模之黏著性動力控制之圖案轉印印刷
有愈來愈多之技術需要將完全不同類別且單獨製成之物體大規模地整合入經過空間組織之功能系統內。在本文中，介紹一種根據在將固態物體黏著至一彈性印模與自該彈性印模釋脫該固態物體之間進行以動力控制之切換來實施異質整合之方法。本文將說明支配該製程之軟黏著物理學並藉由在各種各樣的不具有經專門設計之化學性質或單獨黏著層之基板上印刷具有各種各樣之尺寸及形狀且由單晶矽及GaN、雲母、高度有序之熱解石墨、矽石及花粉製成之物體來證明該方法。直接固定於高度彎曲之表面上之所印製p－n接面及光電二極體顯示了此種方法之某些獨特之器件階能力。
極度依賴於異質整合之系統之實例自將雷射、透鏡及光纖與控制電子器件相整合之光電系統一直到用於神經學研究之工具(其涉及到介接至無機感測器陣列之細胞)、撓性「巨電子」電路及將無機器件組件與薄塑膠基板相結合之致動器。與達成此等類型之系統相關聯之最大挑戰係因該等材料之性質完全不同及為將該等材料處理成器件所需之技術常常差別很大而引起。因此，所有廣泛使用之整合策略皆首先分別製作各個組件並隨後組裝至單個器件基板上。本發明即滿足了此項技術中對一種可將完全不同之組件組合至單個裝置基板上之可靠且健壯之轉印印刷方法之需要。
本發明囊括一種用於調處及異質整合之確定性、高速方法，其使用相對於彈性轉印元件或印模的以動力控制之黏著性將所印刷固態物體自一個基板轉印至另一個基板。此種技術提供一種重要的能力組合，此種能力組合係其他組裝方法(例如基於「取放」技術、晶圓結合或定向自組裝之方法)所不具備的。
此處所提供之方法能夠以大規模平行且確定性之方式根據對於黏彈性印模之動力可控黏著性來操縱物體陣列。此種技巧提出了以在軟微影術或相關領域中尚未利用之方式使印模之材料性質最佳化之途徑。甚至對於現有材料，該印刷程序亦提供了用於在不使用精確移動部件、所施加電場或磁場之情況下產生微結構化混合材料系統及器件陣列之健壯能力，該等微結構化混合材料系統及器件陣列應用於光電子學、光子學、非平坦化製作技術及生物技術中。基於印模之本發明方法係用於處理奈米技術及其他新興技術之構建塊以根據該等技術來構造裝置的無比寶貴之工具。
本發明提供用於轉印、組合及整合具有所選奈米尺寸及/或微米尺寸實體尺寸、形狀及空間定向之特徵及特徵陣列之方法、系統及系統組件。本發明之方法利用‘軟黏著'原理來引導例如可印刷半導體元件或其他電子裝置組件等特徵之轉印、組合及/或整合。本發明之方法適用於將特徵自一施體基板轉印至一彈性轉印裝置之轉印表面上及視需要自一彈性轉印裝置之轉印表面轉印至一接收基板之接收表面上。本發明之方法及系統以一種能保持所轉印特徵之相對空間定向之協調方式達成例如可印刷半導體元件等特徵及特徵陣列之高效且對齊之轉印。
在一實施例中，本發明方法及系統利用彈性轉印裝置之黏彈性性質來達成對轉印裝置之轉印表面與藉由轉印、組合或整合接受處理之特徵之間黏著性之動力控制。該轉印裝置之黏彈性材料之黏彈性性質會產生一黏著力，該黏著力至少部分地相依於使該轉印表面自一上面帶有特徵之施體基板剝離或以其他方式分離之速率或者使上面帶有特徵之轉印表面自一接收基板剝離之速率。舉例而言，在本發明中使用高的分離速率來產生足夠大之黏著力以將例如可印刷半導體元件等特徵自一施體基板轉印至一彈性轉印裝置之轉印表面上。舉例而言，在本發明中使用低的分離速率來產生足夠小之黏著力，以利於將設置於一彈性轉印裝置之轉印表面上之例如可印刷半導體元件等特徵轉印至一施體基板上。本發明此種態樣之方法適用於以高的放置精確度及圖案保真度將各種各樣之適用材料及結構、裝置組件及/或功能裝置轉印至接收基板上或接收基板內，特別係在轉印接觸印刷情況下。本發明之方法及系統與包括聚合物、陶瓷、金屬、半導體、紙張及玻璃基板在內的一系列接收基板成分、包括平坦基板及成型基板在內之基板幾何形狀、及包括光滑及粗糙基板在內之基板表面形態相容。
本發明尤其適用於在基板表面上產生具有優異可再現性、圖案保真度及解析度之特徵圖案。本發明能夠對大的接收基板面積(大於或等於約232 cm2 )實施高產量圖案化並因而能夠達成一種用於製造包括如下在內之各種功能系統及裝置的健壯且在商業上具有吸引力之製造方式：電子裝置陣列、奈米及微機電系統、奈米及微米生物系統、感測器、能量儲存裝置及積體電子電路。進一步，本發明之奈米圖案化及微米圖案化方法及系統與包括半導體、晶圓、金屬、金屬合金、半金屬、絕緣體、晶體材料、非晶態材料、生物材料在內之各種各樣之基板及材料相容，且該等方法可在各種各樣之處理條件下使用，包括在低溫(<約400攝氏度)處理條件下使用。
在一實施例中，本發明提供使用一彈性轉印裝置來轉印包括奈米尺寸及/或微米尺寸結構之特徵之方法，該彈性轉印裝置藉由對基板表面應用不同之動力分離(例如「剝離速率」)以對該特徵相對於彈性轉印裝置之轉印表面之黏著性實施可變控制而將一特徵自一第一基板表面轉印至一第二基板表面。
在一態樣中，本發明提供一種將一特徵自一施體基板表面轉印至一接收基板表面、視需要將特徵及特徵陣列自該施體基板對齊地轉印至該接收基板之方法。在一實施例中，本發明此種態樣之方法包括如下步驟：提供一具有一轉印表面之彈性轉印裝置及提供一具有一施體表面之施體基板。該施體表面上面設置有至少一特徵。該方法進一步包括如下步驟：使該轉印表面之至少一部分接觸該施體表面特徵之至少一部分並以一第一速率使該轉印表面在實體上自該施體表面分離，以使該特徵之至少一部分自該施體表面轉印至該轉印表面上。該方法進一步包括如下步驟：提供一具有一接收表面之接收基板，及使位於該轉印表面上之該特徵之至少一部分接觸該接收表面。以一低於該第一分離速率之第二分離速率使上面帶有特徵之該轉印表面自該接收表面分離，以使該印模表面特徵之至少一部分轉印至該接收表面，藉以將一特徵自該施體表面轉印至該接收表面上。在該實施例中，使用一大於該第二分離速率之第一分離速率有利於達成自施體基板向接收基板之有效轉印。
在本說明之上下文中，「特徵」係指一位於施體表面上或作為施體表面之整體組成部分的欲轉印至一彈性轉印裝置及/或一接收基板之接收表面上的結構。術語「特徵」囊括由施體表面支撐之自立式結構(例如一完全受到底切之自立式結構)並囊括以成一體方式連接至施體表面上之特徵(例如單塊式結構，或藉由黏著層或藉由包括van der Waals力在內之表面力來連接之分立結構，等等)，例如藉由橋接元件或其他對準保持元件連接至施體表面且完全或局部受到底切之結構。在某些適用之實施例中，特徵包括一個或多個可印刷半導體元件、可印刷半導體元件圖案及可印刷半導體元件陣列。適用於本發明中之某些特徵係微米尺寸之結構或奈米尺寸之結構。本文中所用術語「特徵」亦指一結構圖案或結構陣列，且囊括奈米結構圖案、微米結構圖案或微米結構與奈米結構圖案。在一實施例中，特徵包括功能裝置組件或功能裝置。
在本發明之方法中，彈性轉印裝置之黏彈性性質使得能夠精確度控制在將特徵自施體基板轉印至轉印裝置之轉印表面上時及自轉印裝置之轉印表面轉印至一接收基板上時所涉及之黏著力。本發明之彈性轉印裝置可包含任何彈性材料，包括複合材料，只要轉印裝置表現出黏彈性行為以使特徵與轉印裝置之間的黏著性對速率敏感即可。相應地，對本發明方法中所用彈性轉印裝置之成分、實體尺寸(例如厚度)及機械性質之選取對於達成高良率轉印效率及視需要達成對齊轉印而言甚為重要。在一實施例中，該彈性轉印裝置包括至少一個其楊氏模量(Young's modulus)介於約1 Mpa與約20 MPa之間的彈性層。在一實施例中，該彈性轉印裝置包括至少一個其厚度介於約1微米與約100微米之間的彈性層。在一實施例中，該彈性轉印裝置包括一彈性印模、彈性塑模或彈性光罩。在另一實施例中，該轉印裝置包括聚二甲基矽氧烷。在另一實施例中，該轉印裝置包括全氟聚醚。在另一實施例中，該轉印裝置包括scotch帶。
在本發明之方法中使用彈性轉印裝置之所以有利，還因為其能夠與特徵、施體基板及/或接收基板之表面達成保形接觸。在一實施例中，在彈性轉印裝置之轉印表面與特徵之一外表面之間形成保形接觸，且視需要，在上面帶有特徵之轉印表面與接收基板之接收表面之間形成保形接觸。在本說明之上下文中，術語「外表面」係指一可接觸到轉印表面之特徵表面。
在本發明中，將彈性轉印裝置自基板及/或基板上之特徵分離之速率選擇成能產生適用於轉印、組合及整合特徵之黏著力。在一實施例中，第一分離速率較第二剝離速率高約100倍以上。在一實施例中，該第一分離速率大於或等於約10厘米/秒，以便達成一個或多個特徵自施體基板之表面向轉印裝置之轉印表面之有效轉印，且第二分離速率小於或等於約1毫米/秒，以便達成一個或多個特徵自轉印裝置之轉印表面向接收基板之接收表面之有效轉印。在一實施例中，接受轉印之特徵之長度選擇成處於約100奈米至約1000微米範圍內、寬度選擇成處於約100奈米至約1000微米範圍內且厚度選擇成處於約1奈米至約1000微米範圍內，且第一分離速率選擇成處於約100厘米/秒至0.1毫米/秒範圍內及/或第二剝離速率選擇成處於約0.1毫米/秒至100厘米/秒範圍內。在一實施例中，該第一剝離速率選擇成能在該特徵與該彈性轉印裝置之轉印表面之間產生等於或大於每單位面積4 J/m2 之分離能量。
適用於本發明中之分離速率可相對於時間恆定不變、基本上恆定不變、或者變化。在本文中，用語「相對於時間基本上恆定不變」係指剝離速率在一剝離時間間隔內之變化小於10%。類似地，分離速率「基本上恆定不變」係指分離速率在一分離時間間隔內之變化小於10%或者在一分離區域內之變化小於10%。本發明視需要進一步包括使用基本上隨時間恆定不變之第一分離速率、第二分離速率或第一與第二分離速率二者。在另一實施例中，第一分離速率、第二分離速率或第一與第二分離速率二者選擇性地隨時間變化，例如增大、減小、或者隨著分離的進行在距離或時間上具有一其中該速率增大之間隔或區域及一其中該速率減小之第二間隔或區域。
在本發明中使用大的第一分離速率亦適用於釋脫連接至施體基板及/或由施體基板支撐之特徵。本發明包括其中該特徵例如藉由一個或多個橋接元件或其他對準保持元件連接至施體表面且該第一分離速率大至足以使該特徵自該施體表面釋脫之方法。在一實施例中，舉例而言，該特徵藉由至少一個橋接元件連接至該施體表面且該第一分離速率大至足以使該(該等)橋接元件破裂，藉以使該特徵自該施體表面釋脫。另一選擇為，本發明包括其中該特徵係一由該施體表面支撐之自立式結構且其中該第一分離速率大至足以使該結構自該施體表面釋脫至轉印元件之轉印表面上之方法。
在一實施例中，本發明包括如下步驟：使該轉印表面之至少一部分接觸該特徵之至少一部分；使該轉印表面以該第一分離速率自該施體表面分離；使位於該轉印表面上之該特徵之至少一部分接觸該接收基板之該接收表面；以一第二分離速率使該轉印表面自該特徵分離或該等步驟之任一組合係藉由一致動器實施，例如藉由一以可運作方式連接至該轉印裝置之輥筒印刷或橡皮凸版印刷總成或一機械平臺來實施。
在一實施例中，本發明進一步包括如下步驟：提供複數個可印刷半導體元件，其中每一可印刷半導體元件皆視需要藉由至少一個橋接元件連接至該施體基板；該方法進一步包括如下步驟：使該轉印表面之至少一部分接觸該可印刷半導體元件圖案之至少一部分；以一第一剝離速率自該施體表面剝離該轉印表面，以使該等橋接元件之至少一部分破裂且將該可印刷半導體元件圖案之至少一部分自該施體表面轉印至該轉印表面，藉以形成上面帶有該等可印刷半導體元件之轉印表面；使位於該轉印表面上之該等可印刷半導體元件之至少一部分接觸該接收基板之接收表面；及使該轉印表面以一第二速率自該特徵分離，其中該第一速率大於該第二速率，藉以將該可印刷半導體元件圖案之至少一部分轉印至該接收表面上。在一實施例中，該可印刷半導體元件藉由一個或多個橋接元件(或其他對準保持元件)連接至該施體基板，其中該分離速率大至足以使該(該等)橋接元件(或其他對準保持元件)破裂，藉以使該可印刷半導體元件自該施體表面上釋脫並轉印至該彈性轉印裝置之轉印表面上。在一實施例中，該可印刷半導體元件圖案之該部分以良好之保真度得到轉印。在另一實施例中，該可印刷半導體元件圖案之該部分以一在等於約5 cm2 之接收表面面積上好於或等於約25微米之放置精確度轉印至該接收表面上之一所選區域中。
在一實施例中，該所轉印特徵包括一包含由如下中之一種或多種構成之結構之半導體：矽，單晶矽，多晶矽，經摻雜之矽，n型矽，p型矽，GaN(氮化鎵)，GaAs(砷化鎵)，InP(磷化銦)，雲母，高度有序之熱解石墨，矽石，或花粉。在一實施例中，該所轉印特徵包括一矽光電二極體。在一實施例中，該特徵係選自由如下組成之群組：電子裝置，電子裝置之組件，二極體，電晶體，光電裝置，感測器，發光二極體，微機電裝置，奈米機電裝置，光電二極體，雷射，P－N接面，導線，丸狀物，及小容器。在一實施例中，該特徵包括一微米結構圖案、奈米結構圖案或同時包括二者；且本發明進一步包括將該微米結構圖案、奈米結構圖案或二者自該施體表面轉印至該接收表面上。在一實施例中，該特徵包括一其中基本上所有接觸該轉印表面之結構皆轉印至該接收表面之結構圖案。
本文所揭示之所有方法皆可進一步包括重複該等步驟中之至少一部分。在某些實施例中，舉例而言，重複若干處理步驟以在一接收表面上產生多層式結構。在某些方法中，重複本發明之某些處理步驟以將視需要來自不同施體表面之不同特徵轉印、組合及整合至一多組件式電子裝置或電子裝置陣列內。
本文所揭示之發明進一步包括一種製造如下裝置之方法：電子裝置，電子裝置陣列或一電子裝置中之組件，例如p－n接面；光電二極體，電晶體，發光二極體，雷射，光電裝置，記憶體裝置，微機電裝置；奈米機電裝置；及互補邏輯電路。
在一實施例中，該製程包括一包含例如PDMS等彈性層之轉印裝置，自一施體表面或接收表面移開該轉印表面之速率(例如「剝離速率」或「分離速率」)係可選擇性控制的。在某些實施例中，本發明之轉印裝置能夠使該轉印表面自一施體表面上分離之速率約為10厘米/秒或以上並使上面帶有特徵之該轉印表面自該接收表面上分離之速率約為1毫米/秒或以下。
在一實施例中，該特徵之僅一部分轉印至該接收基板上。在一實施例中，基本上所有與該轉印表面相接觸之特徵皆轉印至該轉印表面上。在一實施例中，基本上所有與該接收表面相接觸之特徵皆自該轉印表面轉印至該接收表面上。
在一實施例中，該施體表面及/或該接收表面基本上平整。可藉由量測相對於一位於平均表面位置處之基準線之表面高度並根據該表面之長度將最大偏差歸一化來評價平整性。「基本上平整」係指相對於該基準線之歸一化最大偏差小於1%。並非基本平整之表面係帶造型表面。在一實施例中，該施體表面、接收表面及/或轉印表面中之一個或多個係帶造型表面。適用於本發明中之施體表面、接收表面及轉印表面可既具有帶造型部分亦具有平整部分。
在一實施例中，施體基板、接收基板、可轉印特徵、轉印元件、或上面各項之任一組合皆可包括模製、模壓、機加工或以其他方式界定而成之表面形貌凸版特徵，該等表面形貌凸版特徵可有助於在本發明中所述之製造製程或者有助於藉由本發明所述方法製成之裝置及系統之功能。
在一實施例中，本發明係一種製造一裝置之方法，其包括：提供具有一印模表面之彈性印模；提供一具有一施體表面之施體基板，其中該施體表面具有至少一個特徵；使該印模表面之至少一部分接觸該施體表面特徵之至少一部分；使該印模表面以一第一分離速率自該施體表面分離，以使該特徵之至少一部分自該施體表面轉印至該印模表面上；提供一具有一裝置表面之裝置基板；使具有該所轉印特徵之該印模表面之至少一部分接觸該裝置表面；及使該印模表面以一第二分離速率自該裝置表面分離，以使該印模表面特徵之至少一部分轉印至該裝置表面，從而在該裝置基板上產生一裝置。
在一實施例中，該裝置包括一p－n接面。在一實施例中，該裝置係一光電二極體。在一實施例中，該裝置係一光電子系統之組件，在一實施例中，該裝置包括一致動器。在一實施例中，該裝置包括一係一生物實體之特徵且該裝置與一生物系統(包括與身體相隔絕之細胞)交互作用。
在一實施例中，本發明包括此項技術中習知之藉由受控分離速率來實施分離之手段及方法。藉由受控速率實施分離之實例性途徑及方法包括但不限於使用輥筒式及橡皮凸版印刷機構造、軸向對稱分離、及非軸向對稱分離。「軸向對稱分離」係指一種藉由在被接觸區域中施加一大致(在10%以內)均勻之分離力而使一轉印元件自一施體基板或接收基板分離之手段。「非軸向對稱」係指一種藉由在被接觸區域中施加一不均勻之分離力(舉例而言，藉由例如使用「剝離」運動在被接觸區域之邊緣或拐角處施加一更大之分離力)而使轉印元件自一施體基板或接收基板分離之手段。
在一實施例中，對該等轉印元件之彎曲半徑或所引起之彎曲半徑加以控制，以利於達成特徵轉印，特別係剛性特徵之轉印。
與此項技術中所習知之傳統印刷技術相比，本發明具有重要之功能優點，包括：(1)較佳之放置精確度，(2)高的圖案保真度，(3)廣泛適用於各種系統，而無論其表面化學性質如何，(4)可切換/可控制所印刷材料與印刷元件之黏著強度水準，及(5)較佳之轉印效率(即自施體表面轉印至接收表面之元件之百分比)。
接收表面及/或接收基板可係任何成分，只要欲印刷之特徵能夠以第二分離速率自轉印表面轉印至接收表面即可。另外，該接收表面可係任意形狀，包括但不限於平坦、具有造型、凸、凹或凸凹相組合。該表面既可光滑亦可粗糙。當藉由原子力顯微鏡方法在一面積為1 μm2 之區域中所確定出之表面高度變化小於約3 nm時，即稱該表面「光滑」。在一實施例中，該接收表面既不具有經過專門設計之表面化學性質，亦不具有單獨之黏著層。另一選擇為，該接收表面可具有一個或多個平坦化層或光滑層(例如旋塗玻璃)、黏著層(例如保形層)、或功能化區域(例如親水性或疏水性區域)以利於轉印、組合及整合特徵。因此，本發明此種態樣之實施例可進一步包括在該接收表面上提供一個或多個黏著層或功能化區域之步驟，其中位於該轉印表面上之特徵接觸該黏著層。在一實施例中，該接收基板係一選自由如下組成之群組之材料：聚合物，半導體晶圓，陶瓷材料，玻璃，金屬，紙張，介電材料或該等材料之任意組合。在一實施例中，該接收基板包含半導體，例如矽、GaAs或InP。在一實施例中，該接收基板包含一晶圓，包括單晶體晶圓。
該接收基板可包括一個或多個表現出可用動力控制之黏著強度之黏彈性及/或彈性黏著層。在一實施例中，接收基板塗覆有薄的PDMS層。在該實施例中，特徵轉印至接收基板之效率取決於轉印元件與接收基板之間的分離速率並取決於薄PDMS層之厚度(通常自10至100000 nm)。在該實施例中，轉印印刷效率既可能在高速率下最佳亦可能在低速率下最佳，此視薄PDMS層之厚度而定。
該接收基板可包含一局部或完全塗覆有金之軟保形層，以按一種能夠電連接至該等特徵與該接收基板之間的介面之方式來接納各特徵。在一實施例中，該等特徵可塗覆有金，以便能夠在印刷期間藉由所結合金層之冷銲接而使該等特徵與該接收基板很強地結合於一起。
本發明之轉印裝置包括使用一為印模、遮罩、或塑模之轉印裝置。在一實施例中，該轉印裝置包括單個彈性層。在一實施例中，該轉印裝置包括多個彈性層。在一實施例中，任一轉印裝置皆包含帶脊之背襯以利於操縱。在一實施例中，本發明進一步包括併入有一致動器以利於表面特徵之接觸，包括但不限於一作為輥筒印刷總成之致動器、或者一為作為橡皮凸版印刷機總成之輥筒。在一實施例中，移動該轉印裝置來接觸一施體表面/接收表面。在另一實施例中，移動該接收表面/施體表面來接觸該轉印裝置。在又一實施例中，同時移動該轉印印模與該接收表面/施體表面二者來相接觸。
本發明特別適用於轉印、組合及/或整合可印刷半導體元件之方法。在一實施例中，本發明藉由接觸印刷(包括乾接觸印刷)來轉印特徵。在一實施例中，本發明藉由對齊轉印、組合及/或整合製程來轉印特徵。在一實施例中，本發明轉印塗覆有用於使特徵自轉印元件表面隔開之層(視需要為犧牲層，包括但不限於由聚合物或介電材料構成之層)之特徵，藉以防止轉印元件可能對特徵造成之污染。
在本發明方法中使用受控剝離速率之優點在於，可按一種能保持所選半導體元件空間定向(其界定可印刷半導體元件圖案)之方式將可印刷半導體元件圖案轉印及組合至基板表面上。本發明之此種態樣特別有利於其中在直接對應於一所選裝置組態或裝置陣列組態的明確界定之位置及相對空間定向上製成複數個可印刷半導體元件之應用。本發明之轉印印刷方法能夠轉印、定位及組合可印刷半導體元件及/或包含功能裝置之可印刷半導體，包括但不限於：電晶體，光波導，微機電系統，奈米機電系統，雷射二極體，或完全製成之電路。
在轉印方法中使用受控分離速率之另一優點在於，無需對轉印元件或對特徵自身實施化學改性即可達成為自施體基板移開某些相對強地結合之特徵(包括藉由橋接元件結合至SOI基板的相對厚(>2 μm)之矽束及在其整個覆蓋區上以離子方式結合至雲母基板之雲母薄片)所需之黏著程度。因此，可使用一相對弱地黏著之介面(例如藉由van der Waals力結合之介面)來按厚度分開及印刷由分層式材料(包括雲母、石墨、及過渡金屬之硫屬化物)構成之特徵。
在一實施例中，可對轉印元件之表面實施化學或物理處理(例如藉由電漿蝕刻、金屬化、氧化、化學功能化使其粗糙化)，以微調特徵對轉印表面之黏著強度。在一實施例中，可藉由以臭氧處理轉印元件來增強特徵對轉印表面之黏著強度。在另一實施例中，可藉由在轉印元件上沈積一薄的金屬層(0.1至1000 nm)來減小特徵對轉印表面之黏著強度。
在另一實施例中，本發明提供選擇性轉印及組合方法，其中將所提供可印刷半導體中之某些而非全部轉印及組合至基板上或基板內。在該實施例中，該彈性轉印裝置能夠選擇性地結合至所提供之特定可印刷半導體元件。舉例而言，該彈性轉印裝置可在其具有凹陷區域或凹凸特徵之外表面上具有一所選之三維凹凸圖案。在該實施例中，可將凹陷區域及凹凸特徵定位成使僅所選之可印刷半導體元件被該凹凸圖案所提供之一個或多個接觸表面接觸，並隨後被轉印及組合至基板表面上。另一選擇為，該彈性轉印裝置可有一個或複數個接觸表面具有所選之結合區域圖案，例如自接觸表面延伸出之具有烴基之經化學改性區域及/或具有一個或多個黏著性表面塗層之區域。在該實施例中，僅彼等與該(該等)接觸表面上之結合區域相接觸之半導體元件結合至轉印裝置上，並隨後轉印及組合至基板表面上。在另一實施例中，該彈性轉印裝置可具有一個或複數個接觸表面具有一所選之抗結合區域，例如具有例如自該接觸表面延伸出之金屬化區域之經化學或物理改性之區域及/或具有一個或多個抗黏著表面塗層之區域。在該實施例中，僅彼等與該(該等)未經抗結合改性處理之接觸表面上之區域相接觸之半導體元件結合至轉印裝置，並隨後轉印及組合至基板表面上。本發明之選擇性轉印及組合方法之一優點在於，可使用由一第一組位置及空間定向表徵之第一可印刷半導體元件圖案來產生一不同於該第一圖案且由一第二組位置及空間定向表徵之第二可印刷半導體元件圖案，該第二可印刷半導體元件圖案對應於一所選裝置組態或裝置組態陣列。本發明中之選擇性轉印及組合之另一優點在於，本文所述之方法可用於藉由連續地重複如下步驟而將一既定施體基板上之特徵分佈至一更大之接收基板上：使用一適用於選擇性轉印之轉印元件自該施體擷取該等特徵並將該等特徵轉印至該更大之接收基板上。
本發明之一實例性彈性轉印裝置包括乾轉印印模，例如彈性轉印印模或者複合的多層式轉印裝置或其他圖案化裝置。適用於本發明之彈性轉印裝置包括包含複數個聚合物層之轉印裝置，如在2005年4月27日向美國專利及商標事務局提出申請且名稱為「用於軟微影術之複合圖案化裝置(Composite Patterning Devices for Soft Lithography)」之第11/115,954號美國專利申請案，其全文以引用方式併入本文中。一可在本發明方法中用作轉印裝置之實例性圖案化裝置包括一具有低楊氏模量(Young's Modulus)之聚合物層，例如聚(二甲基矽氧烷)(PDMS)層，較佳在某些應用中具有選自約1微米至約100微米範圍之厚度。使用低模量聚合物層較為有利，乃因其會提供能夠與一個或多個可印刷半導體元件、尤其係具有彎曲、粗糙、平整、光滑及/或帶造型外露表面之可印刷半導體元件形成良好保形接觸、並能夠與具有各種各樣表面形態之基板表面(例如彎曲、粗糙、平整、光滑及/或帶造型基板表面)形成良好保形接觸之轉印裝置。
視需要，本發明之轉印裝置可進一步包括一第二層，該第二層具有一與一內表面對置之外表面並具有高的楊氏模量，例如高模量聚合物層、陶瓷層、玻璃層或金屬層。在該實施例中，該第一聚合物層之內表面及該第二高模量層之內表面佈置成使施加至該第二高模量層外表面之力傳遞至第一聚合物層。在本發明之轉印裝置中使用高模量第二聚合物層(或背襯層)較為有利，乃因其會提供具有足以達成良好結合、轉印及組合特性之淨抗撓剛度之轉印裝置。舉例而言，使用一具有選自約1×10－ 7 Nm至約1×10－ 5 Nm之範圍之淨抗撓剛度之轉印裝置會使結合至該(該等)接觸表面之半導體元件及/或其他結構在與一基板表面形成保形接觸時之位置畸變最小化。使用高模量剛性背襯層亦有利於在轉印過程中防止可印刷半導體元件劣化，例如藉由防止可印刷半導體層出現裂紋。此種屬性會提供能表現出高之放置精確度及較佳圖案保真度之可印刷半導體元件組合方法及裝置。本發明之轉印裝置可包含其他層，包括聚合物層，以便易於操縱及維護、提供較佳之熱特性及使施加至轉印裝置之力均勻地分佈至整個接觸表面上，如在2005年4月27日向美國專利及商標事務局提出申請且名稱為「用於軟微影術之複合圖案化裝置(Composite Pattering Devices for Soft Lithography)」之第11/115,954號美國專利申請案中所教示，其全文以引用方式併入本文中。
在一態樣中，本發明提供一種將一特徵自一施體基板表面轉印至一接收基板之一接收表面之方法，該方法包括：提供一具有一轉印表面之彈性轉印裝置；提供一具有一施體表面之施體基板，該施體表面具有至少一個特徵；使該轉印表面之至少一部分接觸該特徵之至少一部分；使該轉印表面以一第一分離速率自該施體表面分離，以使該特徵之至少一部分自該施體表面轉印至該轉印表面上，藉以形成上面帶有該特徵之轉印表面；使位於該轉印表面上之該特徵之至少一部分接觸該接收基板之該接收表面；及使該轉印表面以一第二分離速率自該特徵分離，其中該第一速率大於該第二速率，藉以將該特徵轉印至該接收表面上。
在另一態樣中，本發明提供一種將一特徵自一施體基板表面暫時轉印至一接收基板之一接收表面上以便實施處理、並隨後自該接收基板移開該特徵之方法，該方法包括：提供一具有一轉印表面之彈性轉印裝置；提供一具有一施體表面之施體基板，該施體表面具有至少一個特徵；使該轉印表面之至少一部分接觸該特徵之至少一部分；使該轉印表面以一第一分離速率自該施體表面分離，以使該特徵之至少一部分自該施體表面轉印至該轉印表面上，藉以形成上面帶有該特徵之轉印表面；使位於該轉印表面上之該特徵之至少一部分接觸該接收基板之該接收表面；及使該轉印表面以一第二分離速率自該特徵分離，其中該第一速率大於該第二速率，藉以將該特徵轉印至該接收表面上；在該接收表面上處理該特徵；使該轉印表面之至少一部分接觸該特徵之至少一部分；使該轉印表面以一第三速率自該接收表面分離，以使該特徵之至少一部分自該接收表面轉印至該轉印表面上，藉以自該接收表面移開該特徵。在一實施例中，使用同一轉印裝置將該特徵應用至該接收表面上及自該接收表面上移開經處理之特徵。另一選擇為，使用一不同之轉印裝置。
在另一態樣中，本發明提供一種將一特徵自一施體基板表面轉印至一接收基板之一接收表面上、並隨後若在該接收基板上不希望具有該特徵則自該接收基板移開該特徵之方法，該方法包括：提供一具有一轉印表面之彈性轉印裝置；提供一具有一施體表面之施體基板，該施體表面具有至少一個特徵；使該轉印表面之至少一部分接觸該特徵之至少一部分；使該轉印表面以一第一分離速率自該施體表面分離，以使該特徵之至少一部分自該施體表面轉印至該轉印表面上，藉以形成上面帶有該特徵之轉印表面；使位於該轉印表面上之該特徵之至少一部分接觸該接收基板之該接收表面；及使該轉印表面以一第二分離速率自該特徵分離，其中該第一速率大於該第二速率，藉以將該特徵轉印至該接收表面上；使該轉印表面之至少一部分接觸一不希望有之特徵之至少一部分；使該轉印表面以一第三分離速率自該接收表面分離，以使該不希望有之特徵之至少一部分自該接收表面轉印至該轉印表面上，藉以自該接收表面移開該不希望有之特徵之至少一部分。
在另一態樣中，本發明提供一種在一接收基板之一接收表面上組合一可印刷半導體元件之方法，該方法包括：提供一具有一轉印表面之彈性轉印裝置；提供一具有一施體表面之施體基板，該施體表面具有至少一個可印刷半導體元件，其中該可印刷半導體元件藉由至少一個橋接元件連接至該施體基板；使該轉印表面之至少一部分接觸該可印刷半導體元件之至少一部分；使該轉印表面以一第一分離速率自該施體表面分離，以使該橋接元件破裂且使該可印刷半導體元件自該施體表面轉印至該轉印表面上，藉以形成上面帶有該可印刷半導體元件之轉印表面；使位於該轉印表面上之該可印刷半導體元件之至少一部分接觸該接收基板之該接收表面；及使該轉印表面以一第二速率自該特徵分離，其中該第一速率大於該第二速率，藉以將該可印刷半導體元件轉印至該接收表面上。視需要，本發明提供一種在一基板之一接收表面上組合一可印刷半導體元件圖案陣列之方法。
在另一態樣中，本發明係一種用於將一可印刷半導體元件自一施體基板表面轉印至一彈性轉印裝置之一轉印表面上之方法，該方法包括：提供一具有一轉印表面之彈性轉印裝置；提供一具有一施體表面之施體基板，該施體表面具有該可印刷半導體元件；使該轉印表面之至少一部分接觸該可印刷半導體元件之至少一部分；以一大於或等於約10厘米/秒之分離速率自該施體表面上剝離該轉印表面，以使該可印刷半導體元件之至少一部分自該施體表面轉印至該轉印表面上。
在另一態樣中，本發明提供一種將一可印刷半導體元件陣列自一施體基板表面轉印至一彈性轉印裝置之轉印表面上之方法，該方法包括：提供一具有一轉印表面之彈性轉印裝置；提供一具有一施體表面之施體基板，該施體表面具有該可印刷半導體元件陣列；使該轉印表面之至少一部分接觸該可印刷半導體元件陣列之至少一部分；以一大於或等於約10厘米/秒之分離速率自該施體表面上分離該轉印表面，以使該可印刷半導體元件陣列之至少一部分自該施體表面轉印至該轉印表面上。
可藉由下文中之非限定性實例來進一步瞭解本發明。本文中所提及之所有參考文獻皆在不與本文之揭示內容不一致之限度內以引用方式併入本文中。儘管本文之說明包含許多具體細節，然而該等具體細節不應視為限定本發明之範疇，而只是提供對本發明某些當前較佳實施例之說明。舉例而言，因此本發明之範疇應由隨附權利要求書及其等價範圍而非由所給出之實例來加以確定。
在本發明之上下文中，措詞「轉印(transferring或transfer)」係關於將特徵、材料、結構、裝置組件及/或積體功能裝置自一個基板之表面上移開並「印刷」或應用至另一基板之表面上。
本文中所述之「特徵」係用於廣泛地指代欲例如藉由接觸式印刷等印刷技術來轉印之材料、結構、裝置組件及/或功能裝置。特徵之定義囊括了可自一施體基板轉印至印模並隨後印刷至一接收表面上之任何元件，包括但不限於半導體結構、金屬結構、陶瓷結構、介電結構、複合結構。在某些實施例中，本發明之特徵係可印刷半導體元件及可印刷半導體元件圖案。該結構可係三維圖案，使圖案位於一具有垂直於該圖案之深度及/或高度之表面上。相應地，措詞「特徵」囊括幾何特徵，包括但不限於任何二維圖案或形狀(圓形、三角形、矩形、正方形)、三維體積(任何具有深度或高度之二維圖案或形狀)、以及由互連之經蝕刻「溝道」或所沈積「壁」形成之系統。在一實施例中，特徵包含一生物材料或元件。在一實施例中，特徵係球狀的。球狀特徵係指一大體圓形之材料，例如微球體、種子及其他彎曲之物體。特徵之尺寸可係微米尺寸、奈米尺寸、或兼為微米尺寸與奈米尺寸二者。微米結構係一種其尺寸處於微米以上數量級(包括毫米及數毫米)之特徵。在一實施例中，所轉印特徵包含複數個矽微米結構。奈米結構係一種其尺寸處於約1微米以下之特徵。在一實施例中，奈米尺寸之特徵小於約100 nm。「橫向尺寸」係指平行於相接觸轉印表面及配對表面之距離。「豎向尺寸」係指相對於支撐表面之垂直特徵尺寸。
在一實施例中，特徵包含「微米結構」及/或「奈米結構」。本文中所用術語「微米結構」及「微米尺寸結構」係同義的，且術語「奈米結構」與「奈米尺寸結構」亦係同義的。本文中所述「奈米結構」係指其至少一個尺寸處於奈米至微米數量級(包括處於數十奈米至數百奈米範圍內)之結構。在一實施例中，奈米結構具有至少一個特徵處於數十nm或以下數量級。舉例而言，該結構之寬度可處於數十至數百nm數量級且襯底可處於數微米至數千微米數量級。在一實施例中，奈米結構具有一個或多個特徵處於數十nm至數百nm數量級範圍內。本文中所述之微米結構係指大於奈米結構之結構。在一實施例中，微米結構具有至少一個特徵實體尺寸介於約1微米至約5000微米範圍內。
特徵囊括一個層或一個層部分，其中該層或層部分之厚度介於奈米至微米數量級，包括但不限於介於約3 nm與12 nm之間。特徵轉印可涉及到轉印一個或多個生物元件、化學元件或幾何元件。生物特徵係一種可在用於研究生物系統之裝置中使用之特徵，且囊括DNA、RNA、蛋白質及多肽。本發明之裝置據信在該裝置可偵測與細胞相關聯之物理性質時與細胞交互作用。在一實施例中，將生物特徵或化學特徵整合於另一特徵中，以利於將該生物或化學特徵自一施體表面轉印至一轉印裝置表面上、並隨後轉印至一接收表面上。
「圖案」係指沈積及/或蝕刻於一施體表面上之複數個特徵。相應地，該術語囊括蝕刻於一表面上之複數個幾何特徵、以及沈積至一表面上之複數個幾何特徵和自立於一表面上之複數個幾何特徵。本發明之方法及系統能夠轉印印刷具有明確界定及選擇之實體尺寸、空間定向及位置之結構圖案(包括本文中所述之特徵)。
「電路」係指一種作為一電網路之特徵並囊括積體電路及積體電路陣列。
本文中所述「基板」係指一種具有至少一個含有一特徵之表面或至少一個用於接收特徵之表面之材料。在一實施例中，用於接收特徵之表面係光滑的，且在1 μm2 區域上之粗糙度小於約3 nm。
「彈性轉印裝置」係指一種具有一可接收以及轉印特徵之表面之彈性材料。實例性彈性轉印裝置包括印模、塑模及遮罩。轉印裝置會影響及/或有利於將特徵自一施體材料轉印至一接收材料上。「彈性體」或「彈性的」係指一種可拉伸或變形並返回至其原始形狀而不存在明顯之永久性變形之聚合物材料。彈性體通常能經受明顯之彈性變形。適用於本發明中之實例性彈性體可包括聚合物、共聚物、或者聚合物與共聚物之複合材料或混合物。彈性層係指包含至少一種彈性體之層。彈性層亦可包含摻雜劑及其他非彈性材料。適用於本發明中之彈性體可包括但不限於：熱塑性彈性體、苯乙烯材料、烯烴材料、聚烯烴、聚氨基甲酸酯熱塑性彈性體、聚醯胺、合成橡膠、包含聚二甲基矽氧烷(PDMS)的基於矽之有機聚合物、聚丁二烯、聚異丁烯、聚(苯乙烯－丁二烯－苯乙烯)、聚氨基甲酸酯、聚氯丁烯及聚矽氧。
「接觸」係指兩個或更多個表面構造成使一個元件之表面上之特徵能夠轉印至另一表面上。舉例而言，一印模或轉印裝置在一面對施體表面之轉印表面與該施體表面進行實體接觸時與一施體材料相接觸。類似地，一轉印表面在該轉印表面在實體上接觸一接收基板表面時與該接收基板表面相接觸。在一實施例中，接觸係指特徵之至少一部分在實體上接觸另一表面之至少一部分。在一實施例中，接觸係指一表面上之基本所有特徵皆與另一表面相接觸。各元件在可觀察到其觸碰到時在實體上相接觸。較佳地，在所施加力作用下出現實體接觸，以確保在相接觸表面之部分上進行均勻且緊密之接觸。
「圖案」係指一對表面具有存在實體接觸之區域及不存在實體接觸之區域。舉例而言，在本文所揭示之製程中，將本發明之轉印裝置說成具有一與一施體表面相接觸之「接觸圖案」，以便產生一具有一帶凹凸特徵之表面之經塗蘸轉印表面。
轉印裝置具有按在此項技術中所習知之方式最佳化之機械性質及特性，包括楊氏模量、抗壓模量、抗撓剛度，以確保自本文所揭示之任一製程獲得適合之結構。轉印裝置之至少一部分係彈性及/或黏彈性的，以使固態物體與轉印裝置之間的黏著力對速率敏感。本文中所述「分離(separation)」或「剝離(peeling)」係指其中使一與一第二表面相接觸之第一表面自該第二表面分離之製程。可藉由垂直移動、水平移動、自兩個表面之端部處開始之移動以及自兩個表面內側開始之移動來實施分離。分離囊括軸向對稱及非軸向對稱(「軸向不對稱」)分離，如在圖20中所示。對於本文所述之系統，通常(但並非總是如此)在剝離速率愈快時，特徵與彈性轉印裝置之間的黏著力愈大。在一實施例中，轉印裝置包含單種材料，其中該材料係彈性的。該轉印裝置之材料性質確保在進行沈積及/或移開製程時，在特徵轉印過程中保持轉印裝置與表面之間的實體接觸。在一實施例中，一力致動器連接至該轉印裝置以在該轉印裝置與配對基板之間施加一恆定且均勻之力及對應之壓力。據說一力被均勻地施加至一表面上，以使轉印裝置之壓印表面與配對表面之間的壓力分佈基本上均勻，藉以確保轉印裝置相對於該配對表面保持水平。該轉印裝置自配對基板之移開係藉由在此項技術中所習知之任一種方法來實施，包括但不限於用手或可控位移速率致動器(參見圖20A及21A)移開，只要移開速率可控即可。其他用於移開轉印元件之方法包括滾動方法(圖20D)或剝離方法(圖20B－C)，其中藉由非軸向對稱分離來分離轉印裝置與施體基板或接收基板，例如藉由滾動－其中一個或多個接觸體帶有造型(圖20D)，或者藉由剝離一其中一個或多個接觸體係撓性的(圖20B或C)。在一實施例中，該轉印裝置包含一彈性層及至少一個其他材料。
本文中所述轉印「基本上所有」與轉印表面相接觸之特徵係指與轉印表面相接觸之特徵中之至少90%、至少95%及至少99%得到轉印。
「多層式特徵」係指將若干特徵依序印刷至一接收表面上，以使一第一印刷層對應於一第一施體表面上之特徵且一第二印刷層對應於一第二施體表面。另一選擇為，該等施體表面可完全相同，且轉而使轉印裝置接觸不同之施體表面位置。
「基本恆定之剝離速率」係指表面特徵之分離速率在剝離時間內不顯著變化。「基本恆定」係指在剝離時間期間剝離速率相對於平均剝離速率之變化不超過2%，包括變化小於1%。
「可印刷」係指能夠藉由印刷技術(包括但不限於接觸式印刷及溶液印刷)轉印、組合、圖案化、組織及/或整合至基板上或基板內之材料、結構、裝置組件及/或積體功能裝置。
本發明之「可印刷半導體元件」包括能夠例如藉由乾轉印接觸式印刷及/或溶液印刷方法組合及/或整合至基板表面上之半導體結構。在一實施例中，本發明之可印刷半導體組件係整體之單晶體、多晶體或微晶體無機半導體結構。在一實施例中，可印刷半導體組件經由一個或多個橋接組件連接至一基板，例如一母晶圓。在本說明之上下文中，一整體結構係一具有若干以機械方式相連之特徵之單塊式組件。本發明之半導體組件既可經過摻雜亦可不經過摻雜，可具有一所選之摻雜劑空間分佈並可摻雜有複數種不同之摻雜劑材料，包括P型及N型摻雜劑。本發明包括截面尺寸大於或等於約1微米之微結構化可印刷半導體組件及截面尺寸小於或等於1微米之奈米結構化可印刷半導體組件。適用於許多應用中之可印刷半導體元件包括藉由由上至下處理高品質成塊材料(例如使用傳統之高溫處理技術而產生之高純度晶體半導體晶圓)而得到之組件。在一實施例中，本發明之可印刷半導體元件包括複合結構，其具有一可以運作方式連接至至少一個其它裝置組件或結構(例如一導電層、介電層、電極、其它半導體結構或該等裝置組件或結構之任意組合)之半導體。在一實施例中，本發明之可印刷半導體元件包括可拉伸之半導體元件件及/或異質半導體元件。
「由一基板支撐」係指一結構至少部分地存在於一基板表面上或者至少部分地存在於一個或多個位於該結構與該基板表面之間的中間結構上。措詞「由一基板支撐」亦可指結構部分地和完全地嵌於一基板內。
「半導體」係指任何如下材料：其在極低溫度下係絕緣體，但在約300開爾文之溫度下具有可觀之電導率。在本說明中，術語「半導體」之使用旨在與該術語在微電子及電子裝置領域中之使用相一致。適用於本發明中之半導體可包括例如矽、鍺及金剛石等元素半導體及例如以下等化合物半導體：IV族化合物半導體，例如SiC及SiGe；III－V族半導體，例如AlSb、AlAs、Aln、AlP、BN、GaSb、GaAs、GaN、GaP、InSb、InAs、InN及InP；III－V族三元半導體合金，例如Alx Ga1 － x As；II－VI族半導體，例如CsSe、CdS、CdTe、ZnO、ZnSe、ZnS及ZnTe；I－VII族半導體CuCl；IV－VI族半導體，例如PbS、PbTe及SnS；層式半導體，例如Pbl2 、MoS2 及GaSe；氧化物半導體，例如CuO及Cu2 O。術語「半導體」包括本質半導體及摻雜有一種或多種所選材料之外質半導體，包括具有p型摻雜材料及n型摻雜材料之半導體，以提供適用於既定應用或裝置的有利之電特性。術語「半導體」包括包含半導體及/或摻雜劑之混合物之複合材料。適用於本發明某些應用中之特定半導體材料包括但不限於：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，及GaInAsP。多孔矽半導體材料適用於本發明在感測器及發光材料中之應用，例如在發光二極體(LED)及固態激光器中之應用。半導體材料中之雜質係除半導體材料自身以外之原子、元素、離子及/或分子，或者任何提供至半導體材料中之摻雜劑。雜質係半導體材料中所存在的非吾人所期望之材料，其可能會不利地影響半導體材料之電特性，其包括但不限於氧、碳、及金屬，包括重金屬。重金屬雜質包括但不限於：元素週期表上位於銅與鉛之間的元素族、鈣、鈉、及其所有離子、化合物及/或錯合物。
「保形接觸」係指在各表面、經塗覆表面及/或上面沈積有材料之表面之間形成的接觸，其中表面上所沈積之材料可適用於轉印、組合、組織及整合一基板表面(例如接收基板表面)上之結構(例如可印刷半導體組件)。在一態樣中，保形接觸涉及到使一彈性轉印裝置之一個或多個接觸表面在宏觀上適合於基板表面之總體形狀。在另一態樣中，保形接觸涉及到使一彈性轉印裝置之一個或多個接觸表面在微觀上適合於一基板表面從而形成無空隙之緊密接觸。用語「保形接觸」旨在與該用語在軟微影術領域中之用法相一致。可在一彈性轉印裝置之一個或多個裸露接觸表面與一基板表面之間形成保形接觸。另一選擇為，可在一彈性轉印裝置之一個或多個經塗覆表面(例如上面沈積有一轉印材料、可印刷半導體元件、裝置組件及/或裝置之接觸表面)與一基板表面之間形成保形接觸。另一選擇為，可在一彈性轉印裝置之一個或多個裸露表面或經塗覆接觸表面與一塗覆有一材料(例如轉印材料、固態光阻劑層、預聚物層、液體、薄膜或流體)之基板表面之間形成保形接觸。
「放置精確度」係指一種轉印方法或裝置將一可印刷元件(例如一可印刷半導體元件)相對於例如電極等其他裝量組件之位置或相對於一接收表面中之所選區域轉印至一所選位置之能力。「良好之放置」精確度係指方法或裝置能夠將一可印刷元件相對於另一裝置或裝置組件或相對於一接收表面中之所選區域轉印至一所選位置，而相對於絕對準確位置之空間偏差小於或等於50微米、更佳在某些應用中小於或等於20微米且甚至更佳地在某些應用中小於或等於5微米。本發明提供包含至少一個以良好之放置精確度轉印之可印刷元件之裝置。
「保真度」係指一所選元件圖案(例如一可印刷半導體元件圖案)如何好地轉印至一基板之接收表面上之量度。良好之保真度係指在轉印一所選元件圖案時在轉印過程中保持各個元件之相對位置及定向，舉例而言，其中使各個元件相對於其在所選圖案中之位置之空間偏差小於或等於500奈米、更佳小於或等於100奈米。
「楊氏模量(Young's modulus)係一材料、裝置和層之機械性質，其係指一給定物質之應力對應變之比率。楊氏模量可由如下表達式來提供： 其中E係楊氏模量，L0 係平衡長度，△L係在所施加應力作用下之長度變化量，F係所施加之力，A係施加有該力之面積。在一實施例中，楊氏模量隨應力而變化。楊氏模量亦可藉由如下方程式用拉梅(Lame)常數形式來表達： 其中λ及μ係拉梅常數。高楊氏模量(或「高模量」)及低楊氏模量(或「低模量」)係對一給定材料、層或裝置之楊氏模量大小之相對性描述。在本發明中，高楊氏模量高於低楊氏模量，較佳在某些應用中高約10倍，更佳在其他應用中高約100倍且甚至更佳地在又一些應用中高約1000倍。
「聚合物」係指一種包含複數個重複之化學基團(通常稱作單體)之分子。聚合物之特徵通常在於具有高分子量。可用於本發明中之聚合物既可係有機聚合物亦可係無機聚合物且可為非晶態、半非晶態、晶態或局部為晶態。聚合物可包含具有相同化學成分之單體，或者可包含複數種具有不同化學成分之單體(例如共聚物)。具有相聯接單體鏈之交聯聚合物尤其適用於本發明之某些應用。可用於本發明之方法、裝置及裝置組件中之聚合物包括但不限於：塑膠，彈性體，熱塑性彈性體，彈性塑膠，熱固性塑膠，熱塑性塑膠及丙烯酸酯。實例性之聚合物包括但不限於：縮醛聚合物，生物可降解聚合物，纖維素聚合物，氟聚合物，耐綸，聚丙烯腈聚合物，聚醯胺醯亞胺聚合物，聚醯亞胺，芳香族聚酯，聚苯并咪唑，聚丁烯，聚碳酸酯，聚酯，聚醚醯亞胺，聚乙烯，聚乙烯共聚物及經改性之聚乙烯，聚酮，聚甲基丙烯酸甲酯，聚甲基戊烯，聚苯醚及聚苯硫醚，聚鄰苯二甲醯胺，聚丙烯，聚胺基甲酸酯，苯乙烯樹脂，以碸為主之樹脂，以乙烯基為主之樹脂，或該等聚合物之任意組合。
在本說明之上下文中，用語「對齊地轉印」、「對齊地組合」、「對齊地整合」係指使所轉印元件之相對空間定向保持較佳處於約50%以內且在某些應用中更佳處於約1%以內之協調過程。本發明之對齊製程亦可係指本發明方法能夠將可印刷半導體元件轉印、組合及/或整合至一預選定為100微米且在某些實施例中較佳為50奈米之接收基板之特定區域內之能力。
橋接元件係用於將例如可印刷半導體元件等特徵連接至例如半導體晶圓等施體基板之對準保持元件。在一實施例中，橋接元件係用於將特徵中一個或多個端部連接至一施體基板的局部或完全受到底切之結構。在另一實施例中，橋接元件將特徵之底部連接至施體基板。橋接元件適用於在轉印、組合及/或整合處理步驟過程中保持例如可印刷半導體元件等特徵之所選定向及/或位置。橋接元件亦適用於在轉印、組合及/或整合處理步驟過程中保持例如可印刷半導體元件等特徵圖案或陣列之相對位置及定向。在本發明之方法中，在涉及到一轉印裝置(例如一保形彈性印模)之接觸表面的接觸、結合、轉印及整合製程期間，橋接元件會保持例如可印刷半導體元件等特徵之位置及空間定向，藉以達成自一母晶圓至該轉印裝置之對齊轉印。本發明此種態樣之橋接元件能夠自可印刷半導體元件脫離而不會在接觸及/或移動轉印裝置時使可印刷半導體元件之位置及定向發生明顯改變。通常藉由在接觸及/或移動轉印裝置期間使橋接元件破裂及/或斷開來達成脫離。
在下文說明中，將提及本發明裝置、裝置組件及方法之諸多具體細節，藉以提供對本發明確切性質之透徹闡釋。然而，熟習此項技術者將易知，無需使用該等具體細節即可實施本發明。
本發明提供用於轉印包括微米圖案、奈米圖案及微米與奈米圖案之組合在內之特徵之方法。本發明提供藉由彈性壓印來實施圖案化之方法，以在表面上直接提供凹凸及/或凹陷特徵。轉印裝置之表面材料之黏彈性性質導致相依於分離速率之分離力(即，可使物體自表面上剝離之力)。在一項適用之實施例中，在高分離速率下，該力大至足以將物體移離基板並將其轉印至一轉印裝置上，甚至當轉印裝置之靜態表面能量低於基板之靜態表面能量時亦如此。而在低分離速率下，該分離力偏低。藉由使一支撐一物體陣列之轉印裝置觸抵一最終基板並隨後使該元件緩慢地分離，即會使該等物體自轉印裝置轉印至基板上。本文所揭示之受控分離速率轉印印刷製程可與其他轉印方法結合使用，包括與在2005年6月2日提出申請之第11/145,542號美國專利申請案中所述之彼等轉印方法，該美國專利申請案以引用方式併入本文中。
圖1示意性地例示一種用於將固態物體自一個基板轉印印刷至另一基板之製程。圖1A例示該製程首先製備用於支撐已完全成形的經組織之固態物體陣列(「特徵」40)(例如裝置、材料、元件、生物實體等等)之施體基板20。可利用由上至下製造、由下至上生長、自組裝或其他方法來製備該施體基板。使一軟的彈性轉印裝置(印模)10觸抵該等固態物體會形成保形接觸，此種保形接觸係由通常受van derWaals交互作用主導之廣義黏著力而引起。因彈性體之黏彈性行為，特徵40與轉印表面15之間的黏著性係對速率敏感的(換言之，可用動力控制的)。使轉印裝置10以夠高之分離速度(對於本文所提供之系統而言通常為約10厘米/秒或更快)自施體基板20分離，會使黏著性強至足以優先將特徵40黏著至轉印裝置10之表面15上，從而使其自施體基板表面25剝離(圖1B)。然後，使此時「塗蘸」有該等特徵40之轉印裝置10接觸一接收(器件)基板30(圖1C)。以夠低之分離速度(約1毫米/秒或更慢)移開轉印裝置10，則會使特徵40優先黏著至接收基板表面35上並自轉印表面15分離(圖1D)。可使用一平整之印模均勻地實施轉印或使用一接觸且自施體基板轉印僅若干組物體之結構化元件來實施轉印。圖1中所示之實施例係繪示平整表面(當表面未承受應力時)。然而，如在下文中所論述，轉印表面15、施體表面25、及接收表面35中之任一者皆可為彎曲狀的(參見圖20D)。
支配該黏著製程之動力相依性之物理學起源於彈性印模之黏彈性反應。吾人曾在市售聚二甲基矽氧烷(PDMS)橡膠(Sylgard184，DowCorning)情況下實施滾動實驗來得到關於此種相依性之定量資訊。在兩個使用PDMS間隔件隔開約7毫米之200毫米矽晶圓之間澆鑄一PDMS(Dow－Sylgard 184)厚片並在65℃下固化之。在真空乾燥器中以(十三氟－1,1,2,2－四氫辛基)－1－三氯甲矽烷(United Chemical Technologies)將該等晶圓處理1小時，以利於移除該PDMS厚片。將該厚片抵靠一堅固之傾斜玻璃板放置，相對於一水平工作臺面量測該玻璃板之傾斜度。在該厚片頂部放置一鋼筒(McMaster－Carr，直徑為12.7毫米，長度為75.5毫米，75.2 g)並使其滾動。在各次連續之滾動試驗之間以一棉絨輥子(3M)清理該厚片。以一尺子及秒錶量測滾動速度。拍攝視頻電影腳片並分析之，以確認該鋼筒以一恆定速度相對於該厚片滾動。
在該等實驗中，一沿一傾斜之PDMS厚橡膠片滾下之鋼筒達到一收尾速度，其中重力之作用使鋼筒在接觸區域之後緣處自PDMS分離。將重力勢之損失視為在所測滾動或分離速度v 下之黏著能量滯後(為使鋼筒自PDMS分離所需之功與在前進接觸邊緣處演化出之能量之差)。與滾筒前面之前進接觸區域相關聯之能量通常較小，因而將黏著能量滯後視為分離能量，或者能量釋脫速率G。圖2顯示G 對v 之相依性。對於此處所量測之速度範圍(0.02至4.8厘米/秒)而言，能量釋放速率之變化不會超過一個數量級。
在轉印印刷實驗中所觀察到之拾取及印刷效率定性地遵循一類似之趨勢。當一PDMA印模緩慢地自一支撐微米結構之基板上層離時，彈性體－微米結構介面之分離能量G P D M S 小於微米結構與基板之間介面處對應之G s u b s t r a t e 。因此，彈性體－微米結構介面較微米結構－基板介面更容易分開。然而，由於PDMS之黏性行為，分離能量G P D M S 非常強地相依於層離速度(或「剝離速率」)v (例如參見圖2)。分離能量與層離速度可表達為：G P D M S ＝G 0 [1＋Φ(v )]
其中Φ係v 的一增函數且G0 係常數。
相反，微米結構－基板介面G s u b s t r a t e 之分離能量通常與速率無關。當層離速度增大時，G P D M S 會相對於G s u b s t r a t e 增大，直至彈性體－微米結構介面變得強至足以分開微米結構－基板介面為止。判定哪一介面斷開相依於微米結構之幾何形狀並可藉由與用於比較分層式材料中之競爭破裂模式時所用論證類似的基於能量之論證來作出。幾何設計考量因素可有助於引導微米機構之轉印，例如藉由提供應力集中區以利於受控破裂或藉由對接觸區面積實施工程設計以改變黏著水準。轉印印刷判據之主要概念係固態物體自彈性體之分離能量非常強地相依於速率且固態物體自基板介面之分離相依於速率。
圖3提供一可自一施體基板轉印至一印模之特徵之實例。圖3A顯示自一絕緣層上矽(SOI)晶圓以微機械加工製成之自立式矽束，該等自立式矽束連接至晶圓中一錨固該等矽束之端部之未蝕刻部分。在該等健壯之自立式結構上應用印模並自其緩慢移開印模會使其仍保持完好無損(圖3A)。然而，快速移開印模卻會使該等結構在其端部處完全破裂(圖3B)並使其黏著至印模上。由此「蘸」有矽束之印模可藉由接觸並緩慢移離一接收基板來轉印彼等矽束。
分離速度對特徵移開效率之影響顯示於圖22及23中。在愈高之分離速度下，能移走愈多之特徵(比較22d－f)。圖23A亦例示彈性層或膜(在本實例中係PDMS)之厚度對印刷效率之影響。
實例1：轉印印刷至半導體晶圓上
本發明囊括將複數個結構自一施體基板表面轉印印刷至一接收基板表面上之方法。舉例而言，圖4顯示一藉由單個彈性印模而印刷有一I形矽微米結構(參見插圖)之30毫米×38毫米GaAs晶圓。在單個步驟中，由一經塗蘸之彈性印模在環境條件下將該圖案直接印刷至一100毫米GaAs晶圓上。該陣列含有大約24,000個微結構；包括微機械加工、拾取及印刷在內之整個製程之良率大於99.5%(對應於自該陣列中丟失不到100個微米結構)。接收基板表面上之微粒通常係最主要之缺陷成因。藉由精心作業，包括仔細處理及拿放接收基板，印刷效率可達到100%。
不同於用於半導體材料整合之晶圓結合方法，本文所揭示之印刷製程具有面積倍增之潛力－其中單個既定面積之施體基板可向數個相同面積之接收基板或向單個面積明顯更大之接收基板提供微米結構。當所印刷之材料很昂資且期望達成大面積之稀疏覆蓋時，此種能力頗為重要。如在圖5中所示印刷至矽(100)上之GaN微米結構(如下文所述製備而成)係其中一個該等系統之實例。
當轉印製程純粹呈加性時，本發明之實施例囊括重複印刷。此等重複印刷步驟能以非常少之處理步驟容易地製成大面積甚至多層式總成(圖6)，並可用於各種各樣之應用中，包括但不限於例如光子帶隙材料或多層式電子系統等應用。
本文所揭示之技術可在實際上任何光滑之基板上印刷具有各種各樣形狀及尺寸之物體。舉例而言，圖7顯示使用本發明印刷至InP上之亞微米(0.3 μm×20 μm×0.1 μm)矽結構。本發明能夠沈積具有奈米及/或微米數量級規模之奈米結構及/或微米結構之能力表明基於印模之轉印印刷適用於器件規模或更小之物體。
本發明囊括印刷更大之尺寸(例如100 μm×100 μm×2.5 μm)時。此種印刷尺寸適用於用於支撐精細電路之結構(圖8)。在印刷大的物體時之良率通常低於在印刷小的物體時之良率，乃因所印刷物體與接收基板之間的單個不平部位即可能會阻礙轉印。然而，當接收基板光滑時，甚至當在清潔室環境之外實施印刷時，亦可在所有由晶圓產生之幾何形狀情況下容易地獲得95%或更佳之良率。在1 μm2 內之表面粗糙度小於約3 nm之基板可用作用於自彈性印模接收結構之有效表面，而基本上與化學成分或表面能量無關。舉例而言，矽微米結構可可靠地轉印至例如SiO2 、NaCl及MgO等親水性表面(圖9)上或者疏水性表面(包括但不限於聚苯乙烯、或新近被剝除自然氧化物之矽)上。當在1 μm2 內之表面粗糙度超過約3 nm時，良率通常會降低。
本發明無需使用傳統之黏著劑或專門之表面化學性質即可達成可靠之印刷。此在基於晶圓之微米結構印刷情況下頗為重要，乃因其容許進行中溫至高溫處理(~150℃及以上)並在所印刷結構與接收基板之間達成良好之電接觸。藉由將n型矽微米結構轉印至p型矽基板(圖10)上所形成之所印刷p－n接面即同時利用了該兩個特點。將該接面退火及金屬化即會形成一整流器件，該整流器件之特性可藉由在所施加偏壓自－1 V變至1 V(圖10)時一單片式p－n接面之擬合曲線來相當好地加以描述。圖10中之擬合曲線係一理想因數為1.7、反向飽和電流為0.9 nA之二極體與一2 GΩ之電阻器並聯且再與一400 Ω電阻器串聯時之特性。在偏壓為1 V時，該所印刷接面支援約6.7 A cm－ 2 之電流。
實例2：波片狀幾何形狀之轉印印刷
在高剝離速率下使特徵相當強地黏著至印模對於達成在實例1中所示物體類別之可靠、高良率印刷而言至關重要。此種黏著可事實上強至足以移開彼等以離子方式沿其整個長度結合至施體基板上之材料結構。作為一實例，圖11顯示一藉由以夠高之剝離速率移開與雲母接觸之印模從而使圖案化條帶自一由整塊雲母形成之施體基板分離來印刷之高品質薄白雲母(V－1級雲母)之圖案。PDMS印模亦可自未圖案化之V－1級雲母或石墨上分離薄片(圖12)及剝離結合至SiO2 之雲母薄片，此表明印模－微米結構介面在高剝離速率下強至足以移開以至少6 J/m2 之強度接合至施體基板之結構。在高剝離速率下所存在之高黏著強度在低速率下會降低至最低水準。
實例3：球形幾何形狀之轉印印刷
本文所揭示之轉印裝置可拾取及釋脫(舉例而言)例如矽石微球體(圖13)及花粉顆粒(圖14)等與剛性接收基板之接觸面積極小的非常不平坦之球狀結構。
實例4：藉由輥壓將矽微米結構及太陽能電池轉印印刷至彎曲表面上
本文所揭示之轉印印刷製程在已知技術中具有許多應用：其不同尋常之能力可創造製成其他器件之機會。為例示一此種能力，吾人曾在彎曲之透鏡表面上印刷矽結構及光電二極體。藉由在一平整之依順性印模上滾動一圓筒形基板或者藉由將一球形基板壓抵於該印模上而繼續進行非平坦化印刷。圖15顯示印刷至一圓筒形玻璃透鏡上之矽微米結構陣列。圖16顯示印刷至一低成本球形聚碳酸酯透鏡上之矽微米結構陣列。圖17例示印刷至一玻璃透鏡上的具有通常器件之電流－電壓特性(圖18)之完整功能單晶矽光電二極體。此種非平坦化微米製作對於包括在彎曲之聚焦或成像光學器件上偵測光及產生能量在內之應用而言將頗為重要。
施體基板製備：在一實施例中，自藉由傳統光刻法及移相光刻法2 7 以Shipley 1805光阻劑(PR)實施圖案化之SOI晶圓(Shin－Etsu，頂部之矽為3.0 μm，隱埋氧化物1.1 μm，n型電阻率5－20 Ω cm；或者Soitec，頂部之矽為100 nm，隱埋氧化物200 nm，P型電阻率)產生矽微結構。使用PR作為一蝕刻遮罩藉由SF6 電漿(30 mtorr，40 s.c.c.m.SF6 ，50 W)或使用一藉由電子束蒸發沈積而成之Ti/Au蝕刻遮罩(3/30 nm)藉由KOH水溶液(20重量%，100℃)來蝕刻頂部之矽。在KOH蝕刻之後使用溶於水中之KI/I2 (2.67/0.67重量%)移除Ti/Au蝕刻遮罩。然後在濃的HF中蝕刻隱埋氧化物。
自一矽上覆GaN(111)晶圓(Nitronex)產生GaN微結構。使用PECVD SiOx (500 nm)及Cr(150 nm)作為蝕刻遮罩在一感應性耦合之電漿反應性離子蝕刻機中蝕刻氮化物(3 mtorr，15 s.c.c.m.Cl2 ，5 s.c.c.m.Ar，－100 V偏壓)。然後，藉由在KOH水溶液(20重量%，100℃)中蝕刻矽對微米結構實施底切。
使用電子束蒸發之Cr(100 nm)及PR作為遮罩在一感應性耦合之電漿反應性離子蝕刻機(3 mtorr，15 s.c.c.m.BCl3 ，5 s.c.c.m.Ar，－90 V偏壓)中使雲母(V－1級，Structure Probe)軟化。以接收狀態使用未經圖案化之V－1級雲母及石墨基板(SPI－1級，Structure Probe)。
藉由在一矽晶圓上澆鑄IPA小液滴及矽石微球體之懸浮水溶液並使其乾燥來製備矽石微球體膜。亦藉由在一矽晶圓上澆鑄懸浮液並使之乾燥來製備花粉膜。
PDMS轉印準備：在平整基板(例如聚苯乙烯培養皿，Fisher Scientific)上澆鑄PDMS印模(Dow－Sylgard 184)並將其切割成通常約2 cm×2 cm×7毫米厚之尺寸。將印模層壓於施體基板上以便達成覆形接觸，並隨後以一使層離前端以10厘米/秒或更快之速度移動之剝離方式用手移除之。然後，將由此「塗蘸」有施體上之物體之印模層壓至接收基板上並隨後藉由緩慢地(約1毫米/秒)用手剝離來移除之，以完成該轉印印刷製程。
所印刷接面二極體之製作：在SOI晶片(Shin－Etsu)之頂面上以旋塗摻雜劑(Zhue等人)(P509，Filmtronics)實施重n摻雜並在950℃下活化5 s。將如上所述產生之微米結構印刷至摻雜有硼之試驗級矽晶片(Montco，電阻率為1－100 Ω cm)上。在印刷之前，將接收基板浸入約1%之HF中以移除自然氧化物、以去離子水沖洗並在N2 中乾燥之。然後，在600℃下在N2 中將所印刷之接面退火2分鐘。以Shipley 1818藉由光刻法並藉由剝除經電子束蒸發而成之Al/Au(20/50 nm)來界定金屬接點。藉由在500℃下退火4分鐘而將該等觸點製作成非整流式。
光電二極體之製作：藉由對所選區域實施高度n摻雜(P509，Filmtronics)並對其他區域實施高度p摻雜(B－75X，Honeywell)而自一n型SOI晶圓(Shin－Etsu)產生矽光電二極體。在一旋塗玻璃(700B，Filmtronics)中使用窗口來界定摻雜區域並藉由如上文針對印刷接面製作所述使摻雜劑活化一首先活化n型，然後活化p型。隨後使用SF6 電漿對結構實施微機械加工並以HF實施底切。
實例5：以可藉由動力控制之深度實施分層式圖案之轉印印刷
本發明之另一態樣係使用本發明之彈性及/或黏彈性轉印裝置來轉印若干層，其中所轉印層之深度或厚度係可藉由動力控制(圖28)。一般而言，分離速率愈快，轉印層厚度即愈大。相應地，藉由控制分離速率來控制轉印層之厚度或深度。
轉印層之成分係一種包含若干層(包括但不限於石墨、飽和石墨及雲母)之材料。該等層可具有一包含一系列重複之平坦層之結構，就石墨而言，其中該等層係藉由van der Waals力交互作用相結合。本發明之方法亦適用於轉印來自包含一系列非平坦層之材料之材料及結構。該等層亦可藉由一種或多種其他力(包括London力、氫鍵鍵結、共價鍵結及離子鍵結)來結合。各個層之間之結合強度將會影響為剝離某一深度之層所需之分離速率：具有愈強黏著性之層需要愈高之分離速率。
圖28A歸納了一般製程。首先，對一包含一分層式結構之基板(例如石墨、飽和石墨或雲母)之適宜外表面實施圖案化遮罩。在一實施例中，該圖案係具有所選實體尺寸、空間定向及位置之一個或多個被遮罩區域。實例性圖案包括條帶、小板、長條、圓盤或該等圖案之任一組合。該實施例中之遮罩區域之幾何形狀及實體尺寸界定了所要轉印之特徵之幾何形狀及實體尺寸。然後，藉由@乾式或濕式製程來蝕刻及/或軟化未被遮罩區域，以按化學方式修改未被遮罩區域。可視需要移除基板外表面上之遮罩。使一彈性裝置接觸該圖案以便剝離或釋脫該圖案。藉由改變轉印表面與圖案相分離之分離速率，改變轉印圖案之厚度。針對一石墨層(圖12)以及一雲母層(圖28B及C)對此加以顯示。
剝離圖案或層之厚度相依於諸多因素，包括：(1)被遮罩區域之實體尺寸：(ii)圖案之成分：(iii)所用之蝕刻或化學蝕變(chemical alternation)系統：及(iv)轉印裝置相對於包含圖案之施體表面之動力速率或分離速率：愈快之拉離速率會使被剝離及轉印至轉印裝置表面之層之數量愈大。
關於以引用方式併入參考文獻及修改之聲明
本申請案中通篇所引用之所有參考文獻，例如包含所頒予或所授予之專利或等效文件、專利申請公開案、及非專利文獻或其他材料來源，皆彷佛單獨以引用方式併入一般將其全文以引用方式併入本文中，其引用程度使每一參考文獻皆至少部分地與本申請案中之揭示內容相一致(例如，將一篇部分地不一致之參考文獻中除該參考文獻中所述部分地不一致部分以外的部分以引用方式併入)。
除另外指明外，本文所述或所例示組件之每一種調配物或組分組合皆可用於實踐本發明。
每當在本說明書中給出一範圍(例如溫度範圍、尺寸範圍、導電率範圍、或成分或濃度範圍)時，皆旨在在本揭示內容中包含所有中間範圍及子範圍、以及包含於所給出範圍中之所有單個值。應瞭解，包含於本文說明中的屬於一範圍或子範圍中之任何子範圍或單個值皆可排除出本文之申請專利範圍之外。
本說明書中所提及之所有專利及公開案皆表示熟習本發明所屬技術者之熟習程度。本文所提及之各參考文獻皆以引用方式全文併入本文中以顯示在其公開或提交日期時之最新技術，且旨在可在本文中使用該資訊(若需要)以排除先前技術中之具體實施例。
本文中所述「包含(comprising)」係與「包括(including)」、「含有(containing)」或「其特徵在於」同義，且係包羅性或者無限定性的，其不排除其他未提及之元件或方法步驟。本文中所述「由...組成(consisting of)」則排除了在該請求項中未規定之任何元件、步驟或成分。本文中所述之「基本上由...組成(consisting essentially of)」則不排除不會顯著影響該請求項之基本特徵及新穎特徵之材料或步驟。在本文中之每一情形中，用語「包含(comprising)」、「基本上由...組成(consisting essentially of)」及「由...組成(consisting of)」中之任一者皆可由其他兩種用語代替。本文所適當地例示性說明之發明可在不存在未在本文中具體揭示之任何元件、限制情況下實施。
熟習此項技術者應瞭解，無需藉助過多之實驗即可在本發明之實施中使用除所具體例示者以外之起始材料、材料、試劑、合成方法、純化方法、分析方法、化驗方法及諸多方法。本發明意欲包含任何此等材料及方法之所有為此項技術所習知之功能等效材料或方法。本文中所用之措詞及用語係用作說明性而非限定性措詞，且並非旨在藉由使用此等措詞及用語來排除所示及所述特徵或其某些部分之任何等效物，而是應瞭解，在所請求之方法之範疇內亦可存在各種修改形式。因此，應瞭解，儘管已藉由較佳實施例來具體揭示本發明，然而熟習此項技術者亦可採取本文所揭示概念之可選特徵、修改及變化形式，且此等修改及變化形式仍視為歸屬於由隨附申請專利範圍所界定之本發明範疇內。
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10．．．轉印裝置
15．．．轉印表面
20．．．施體基板
25．．．施體基板表面
30．．．接收基板
35．．．接收表面
40．．．特徵
圖1係一用於轉印所印刷固態物體之一般過程之示意圖。圖1A例示一位於一施體基板表面上之特徵及一靠近該施體基板之印模。使該印模在實體上接觸該施體基板上之特徵之至少一部分且隨後使該印模迅速地自該施體基板上分離，以便使特徵自施體基板上移開(例如分離)(圖1B)。圖1C繪示使含有該特徵之印模接觸一接收基板。在圖1D中，使該印模緩慢地分離，以將特徵自印模轉印至接收基板表面上。
圖2藉由評價一鋼筒沿一傾斜之聚二甲基矽氧烷(PDMS)厚片向下滾動時之速度(參見插圖)以曲線圖形式例示印模黏著性對速率之相依性。該曲線圖係繪示分離能量或能量釋放速率G(J/m2 )隨分離速度v(cm/s)之變化。藉由改變PDMS厚片之傾斜角度來改變分離速度，且藉由鋼筒之重力勢能之損失來計算對應之G。在該示範中所量測之速度範圍內，G之變化超過一個數量級。因此，PDMS轉印元件根據分離速度而更強或更弱地黏著至可印刷特徵上。適用於在特定系統中自轉印元件擷取及釋脫特定特徵之分離速度範圍可藉由詳細建模來加以計算，但在實際中係以實驗方式來確定擷取及釋脫速度範圍。
圖3提供用於例示自微機械加工製成之矽束緩慢(圖3A)及快速(圖3B)移開PDMS印模之效果之照片。緩慢移開PDMS會使特徵完好無損(圖3A)，但與快速(約10厘米/秒)移開印模相關聯之高得多之黏著力則會使特徵自其錨固件上完全斷開(圖3B)。
圖4係一藉由一對應之「經塗蘸」PDMS印模印刷至一100毫米GaAs晶圓上的由約24,000個矽微結構形成之30毫米×38毫米陣列之影像。該插圖係晶圓之一部分之SEM影像。對該等SEM影像之分析表明，在所印刷陣列中丟失之微結構少於100個。
圖5係一使用本發明之製程印刷至一矽(100)晶圓上之GaN條帶之影像。
圖6係一藉由在一矽晶圓上重複印刷矽特徵而產生之多層式總成之SEM影像。
圖7係一印刷至InP基板上之P型矽特徵之SEM影像。
圖8係一印刷至P型矽基板上之n型矽特徵之SEM影像。
圖9係一印刷至一半透明親水性(MgO)基板上之矽結構之影像。
圖10係一藉由本發明直接印刷至一P型矽晶圓上之n型矽特徵之電流(安培)－電壓(伏特)曲線圖。藉由在此種印刷後實施退火會形成可在1伏特之正向偏壓下載送6.7 A/cm2 之p－n接面。該線係對以實驗獲得之資料點之最佳擬合。
圖11係一藉由一PDMS印模以高分離速率自雲母基板上分開、並隨後以低分離速率轉印印刷至SiO2 (藍色)上之100 nm厚白雲母(V－1級雲母)之影像。該插圖輪廓概示了印刷至SiO2 上之結構之AFM線軌跡。
圖12係一厚度介於小於約3 nm至12nm範圍內之石墨薄片之影像，該石墨薄片係藉由一印模、使用低分離速率自一高度有序之熱解石墨基板上分離出並印刷至SiO2 上。
圖13係一藉由PDMS印模及受控分離速率自矽晶圓上獲得並隨後印刷至矽晶圓上之矽石微球體之影像。該印模中之凹凸特徵在基板表面上界定長條圖案。
圖14係一藉由PDMS印模及受控分離速率自矽晶圓上獲得並隨後印刷至矽晶圓上之非洲紫羅蘭花粉顆粒之影像。
圖15係一藉由使一圓柱形玻璃透鏡在一塗蘸有微結構之印模上滾動而形成之印刷陣列之影像。該插圖係塗蘸有微結構之印模之SEM影像。
圖16係一藉由將一雙凸聚碳酸酯放大透鏡壓入軟的經塗蘸印模內而形成之印刷陣列之影像。
圖17係一印刷於一球形玻璃表面上之矽光電二極體之影像(p摻雜區看起來更亮)。
圖18係類似於圖17所示之所印刷矽光電二極體在各種照明條件下之電流隨電壓偏壓之變化之曲線圖。
圖19係一印刷至紙張上之相對大(約1毫米)矽特徵之影像。使用快速分離速率自一施體基板上移開矽特徵以有效地擷取至一PDMS轉印元件上，並隨後印刷至塗覆有一薄(約10微米)PDMS塗層(塗覆有Ti/Au)之紙張上。該等矽特徵之底面塗覆有Ti/Au，以藉由金的冷銲接在紙張與該等特徵之間形成強的結合。
圖20係一種用於使轉印元件自接收基板或施體基板分離之不同方法之示意圖。A.繪示軸向對稱分離。B及C繪示以剝離運動實施之非軸向對稱分離，其中剝離轉印元件(B)或剝除基板(C)。D.例示藉由對一彎曲元件(在本實例中係一彎曲之轉印元件)施加一滾動力來提供另一種類型之非軸向對稱分離。
圖21(a)顯示一致動器平臺，其使施體基板及接收基板在x－y平面中相對於轉印元件移動並使轉印元件以可控分離速率沿z方向移動(比例尺為2英吋)。(b)及(c)顯示印刷於矽晶圓上之矽多層式結構之掃描電子顯微照片，該等矽多層式結構係藉由連續四次重複如下作業印刷而成：使一PDMS轉印元件緩慢地自接收基板上分離，從而每次一個層地將矽特徵轉印至基板上。
圖22顯示分離速率對使用圖21(a)所示致動器平臺自施體基板上擷取矽特徵之效率之影響。圖22(a)係一固定至該致動器平臺之PDMS轉印元件之圖式(未按比例繪製)。(b)顯示在以(c)中所列之各種分離速率實施連續之擷取實驗之後之施體基板。(c)中所列之速率係垂直分離速率且不等於轉印元件與施體基板之間(在施體基板之x－y平面中)接觸區域邊界之傳播速度－在此種組態中，其通常遠快於垂直分離速率。(d)，(e)及(f)分別顯示在以1厘米/秒、1 μm/s及100 μm/s之垂直分離速度進行實驗i、iii及iv之後施體基板上各區域之光學顯微照片。(d)中之四個淺顏色之片部分係其中施體基板上之幾乎所有特徵皆因分離速率較快而被擷取至轉印元件上之區域。(e)顯示在1 μm/s之緩慢垂直分離速率下各特徵無一被擷取至轉印元件上。(f)顯示在一中等分離速率(100 μm/s)下，在施體基板與轉印元件之間先前相接觸之區域中之許多特徵中僅有幾個特徵被擷取。僅彼等處於先前相接觸區域之中心處之特徵被擷取出施體基板－大概係因接觸區域邊界(在施體基板之x－y平面中)在該位置處之傳播速度最大。
圖23顯示分離速度對在將矽特徵自一如圖22(a)所示之PDMS轉印元件印刷至一塗覆有各種厚度之PDMS薄膜之矽晶圓上時的印刷效率或品質之影響。印刷品質係由轉印至薄PDMS膜上之微結構之適當比例以自0至5(0：<1%；1：1%至10%；2：11%至50%；3：51%至90%；4：91%至99%；5：>99%)之等級來衡量。B中之畫面係顯微照片，其顯示與品質等級0，1，2，3，4，4.5，及5相關聯之印刷效率。
圖24顯示印刷至基板上之半導體(Si)特徵之顯微照片，其使用旋塗玻璃作為一光滑層以利於轉印至一接收基板上。該光滑層能夠達成(a)較佳效率之轉印及(b)，(c)在適當退火後能夠很強地黏著至接收基板上。(b)及(c)顯示在300℃下退火數小時並隨後使矽晶圓斷開之後轉印至一塗覆有旋塗玻璃之矽晶圓上之特徵。該等矽特徵沿與晶圓之破裂邊緣相同之線破裂，此表明晶圓與矽特徵之間存在健壯之結合。
圖25顯示一由塗覆有一薄層PDMS之薄kapton背襯構成之轉印元件之圖片。該轉印元件藉由捲繞於一泡沫塗料輥筒周圍來用於一輥筒組態中。該轉印元件上具有自一施體基板擷取之矽特徵。
圖26顯示使用一轉印元件及一既定分離速率(在本實例中係緩慢之分離速率)將半導體特徵印刷至一接收基板上以及隨後使用同一轉印元件但以一不同分離速率(在本實例中為快速分離速率)來移開該特徵之能力，(a)顯示使用緩慢(約1毫米/秒)之分離速度自一PDMS轉印元件轉印至一在表面形貌上呈凸凹結構之矽接收基板上之矽特徵。(b)顯示在已使用同一PDMS轉印元件以一快速之分離速度(大於10厘米/秒)移開所印刷矽特徵之後的同一在表面形貌上呈凸凹結構之矽基板。
圖27顯示藉由一scotch帶轉印元件及緩慢分離速度印刷至矽上之矽特徵(小屋狀)。
圖28A顯示一種藉由如下方式來亦可各個層之製程：在晶體上應用一圖案遮罩(畫面i)；蝕刻/軟化未被遮罩區域(畫面ii)；以一動力可控之彈性印模來接觸及移開該圖案層(畫面iii)。B.係一使用在A中所概示之製程印刷至SiO2 上之薄雲母之SEM。C.係一使用在A中所概示之製程印刷至SiO2 上之雲母條帶之截面之AFM線軌跡。
10．．．轉印裝置
20．．．施體基板
30．．．接收基板

Claims (22)

  1. 一種將一特徵自一施體基板表面轉印至一接收基板之一接收表面之方法，該方法包括：提供一具有一轉印表面之彈性轉印裝置；提供一具有一施體表面之施體基板，該施體表面具有至少一特徵；使該轉印表面之至少一部分接觸該特徵之至少一部分；使該轉印表面以一第一分離速率自該施體表面分離，以使該特徵之至少一部分自該施體表面轉印至該轉印表面上，藉以形成上面帶有該特徵之轉印表面；使位於該轉印表面上之該特徵之至少一部分接觸該接收基板之該接收表面；及使該轉印表面以一第二分離速率自該特徵分離，其中該第一分離速率大於該第二分離速率，藉以將該特徵轉印至該接收表面上。
  2. 如請求項1之方法，其中該彈性轉印裝置包括具有一在約1MPa至約20Mpa範圍內所選之楊氏模量(Young's Modulus)之至少一彈性層。
  3. 如請求項1之方法，其中該彈性轉印裝置包括具有在約1微米至約100微米範圍內所選之厚度之至少一彈性層。
  4. 如請求項1之方法，其中在該彈性轉印裝置之該轉印表面與該特徵之一外表面之間形成保形接觸。
  5. 如請求項1之方法，其中在上面帶有該特徵之該轉印表 面與該接收基板之該接收表面之間形成保形接觸。
  6. 如請求項1之方法，其中該第一分離速率大於該第二分離速率10倍以上。
  7. 如請求項1之方法，其中該第一分離速率大於或等於約1厘米/秒。
  8. 如請求項1之方法，其中該第二分離速率小於或等於約1毫米/秒。
  9. 如請求項1之方法，其中該特徵具有一在約100奈米至約1000微米範圍內所選之長度、一在約100奈米至約1000微米範圍內所選之寬度及一在約1奈米至約1000微米範圍內所選之厚度，其中該第一分離速率係在約100厘米/秒至0.1毫米/秒範圍內加以選擇。
  10. 如請求項1之方法，其中該特徵具有一在約100奈米至約1000微米範圍內所選之長度、一在約100奈米至約1000微米範圍內所選之寬度及一在約1奈米至約1000微米範圍內所選之厚度，其中該第二分離速率係在約0.1毫米/秒至100厘米/秒範圍內加以選擇。
  11. 如請求項1之方法，其中該第一分離速率經選擇，使得在該特徵與該彈性轉印裝置之該轉印表面之間產生一每單位面積等於或大於1J/m2 之分離能量。
  12. 如請求項1之方法，其中該特徵係經由至少一個橋接元件連接至該施體表面上，其中該第一分離速率大至足以使該橋接元件破裂，藉以使該特徵自該施體表面上釋脫。
  13. 如請求項1之方法，其中該特徵係一由該施體表面支撐之自立式結構，其中該第一分離速率大至足以使該結構自該施體表面上釋脫。
  14. 如請求項1之方法，其中該特徵係選自由如下組成之群組：一可印刷半導體元件、一電子裝置、一電子裝置之一組件、一二極體、一電晶體、一光電裝置、一感測器、一發光二極體、一微機電裝置、一奈米機電裝置、一光電二極體、一導線、一小容器、一丸狀物、一雷射、及一P-N接面。
  15. 如請求項1之方法，其進一步包括如下步驟：在該接收表面上提供一黏著層，其中位於該轉印表面上之該特徵接觸該黏著層。
  16. 如請求項1之方法，其中如下步驟：使該轉印表面之至少一部分接觸該特徵之至少一部分；使該轉印表面以該第一分離速率自該施體表面分離；使位於該轉印表面上之該特徵之至少一部分接觸該接收基板之該接收表面；以一第二分離速率使該轉印表面自該特徵分離或該等步驟之任一組合，係藉由一以可操作方式連接至該轉印裝置之致動器予以實施。
  17. 如請求項1之方法，其進一步包括重複該等步驟之至少一部分，使得在該接收表面上產生多層式特徵。
  18. 一種在一接收基板之一接收表面上組合一可印刷半導體元件之方法，該方法包括：提供一具有一轉印表面之彈性轉印裝置； 提供一具有一施體表面之施體基板，該施體表面具有至少一個可印刷半導體元件，其中該可印刷半導體元件係經由至少一個橋接元件連接至該施體基板；使該轉印表面之至少一部分接觸該可印刷半導體元件之至少一部分；使該轉印表面以一第一分離速率自該施體表面分離，以使該橋接元件破裂且使該可印刷半導體元件自該施體表面轉印至該轉印表面上，藉以形成上面帶有該可印刷半導體元件之該轉印表面；使位於該轉印表面上之該可印刷半導體元件之至少一部分接觸該接收基板之該接收表面；及使該轉印表面以一第二分離速率自該可印刷半導體元件分離，其中該第一分離速率大於該第二分離速率，藉以將該可印刷半導體元件轉印至該接收表面上。
  19. 如請求項18之方法，其進一步包括如下步驟：提供複數個可印刷半導體元件，其中該等可印刷半導體元件中之每一個皆係經由至少一個橋接元件連接至該施體基板上；該方法進一步包括如下步驟：使該轉印表面之至少一部分接觸該可印刷半導體元件圖案之至少一部分；以一第一分離速率自該施體表面分離該轉印表面，以使該等橋接元件之至少一部分破裂且將該可印刷半導體元件圖案之至少一部分自該施體表面轉印至該轉印表面上，藉以形成上面帶有該等可印刷半導體元件之該轉印 表面；使位於該轉印表面上之該等可印刷半導體元件之至少一部分接觸該接收基板之該接收表面；及使該轉印表面以一第二分離速率自該可印刷半導體元件分離，其中該第一分離速率大於該第二分離速率，藉以將該可印刷半導體元件圖案之至少一部分轉印至該接收表面上。
  20. 一種用於將一可印刷半導體元件自一施體基板表面轉印至一彈性轉印裝置之一轉印表面上之方法，該方法包括：提供一具有該轉印表面之彈性轉印裝置；提供一具有一施體表面之施體基板，該施體表面具有該可印刷半導體元件；使該轉印表面之至少一部分接觸該可印刷半導體元件之至少一部分；以一大於或等於約1厘米/秒之速率使該轉印表面自該施體表面上分離，以使該可印刷半導體元件之至少一部分自該施體表面轉印至該轉印表面上。
  21. 一種將一可印刷半導體元件陣列自一施體基板表面轉印至一彈性轉印裝置之一轉印表面上之方法，該方法包括：提供一具有該轉印表面之彈性轉印裝置；提供一具有一施體表面之施體基板，該施體表面具有該可印刷半導體元件陣列； 使該轉印表面之至少一部分接觸該可印刷半導體元件陣列之至少一部分；以一大於或等於約1厘米/秒之速率自該施體表面上分離該轉印表面，以使該可印刷半導體元件陣列之至少一部分自該施體表面轉印至該轉印表面上。
  22. 一種將一特徵自一施體基板表面暫時轉印至一接收基板之一接收表面上以實施處理之方法，該方法包括：提供一具有一轉印表面之彈性轉印裝置；提供一具有一施體表面之施體基板，該施體表面具有至少一特徵；使該轉印表面之至少一部分接觸該特徵之至少一部分；使該轉印表面以一第一分離速率自該施體表面分離，以使該特徵之至少一部分自該施體表面轉印至該轉印表面上，藉以形成上面帶有該特徵之該轉印表面；使位於該轉印表面上之該特徵之至少一部分接觸該接收基板之該接收表面；使該轉印表面以一第二分離速率自該特徵分離，其中該第一分離速率大於該第二分離速率，藉以將該特徵轉印至該接收表面上；在該接收表面上處理該特徵，以產生一經處理之特徵；使該轉印表面之至少一部分接觸該經處理之特徵之至少一部分；及 使該轉印表面以一第三分離速率自該接收表面分離，以使該經處理之特徵之至少一部分轉印至該轉印表面上。
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