TWI500364B - 可延展且可折疊的電子裝置 - Google Patents

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TWI500364B
TWI500364B TW098107219A TW98107219A TWI500364B TW I500364 B TWI500364 B TW I500364B TW 098107219 A TW098107219 A TW 098107219A TW 98107219 A TW98107219 A TW 98107219A TW I500364 B TWI500364 B TW I500364B
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約翰Ａ 羅傑斯
黃永剛
高興助
馬克 史托科維奇
崔元文
宋吉舟
安鍾賢
金大亨
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美國伊利諾大學理事會
美國西北大學
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    • Y10T29/49146—Assembling to base an electrical component, e.g., capacitor, etc. with encapsulating, e.g., potting, etc.

Description

可延展且可折疊的電子裝置
此申請案主張2008年3月5日所申請之美國臨時專利申請案第61/033,886號、2008年6月16日申請之第61/061,978號及2008年7月28日申請之第61/084,045號，其每一者係在與本申請案一致的程度上以引用方式明確併入本文內。
從1994年首次展示一印刷、全聚合物電晶體以來，已將大量興趣投入到一潛在新種類電子系統，其在塑膠基板上包含撓性整合電子裝置。[Garnier,F.、Hajlaoui,R.、Yassar,A.及Srivastava,P.，Science，第265卷，第1684至1686頁]近年來，大量研究已投入於為用於撓性塑膠電子裝置之導體、介電質及半導體元件發展新溶液可處理材料。然而，撓性電子領域的進步不僅受新溶液可處理材料發展的驅動，而且還受新裝置組件幾何形狀、高效率裝置及裝置組件處理方法與適用於撓性電子系統之高解析度圖案化技術的驅動。預期此類材料、裝置組態及製作方法將會在快速新興新種類撓性整合電子裝置、系統及電路中具有一必不可少的作用。
對撓性電子領域的興趣起因於由此項技術所提供之數個重要優點。例如，該些基板材料之固有撓性允許其整合成許多形狀，其提供用於易碎習知以矽為主的電子裝置辦不到之大量有用裝置組態。此外，溶液可處理組件材料與撓性基板之組合實現藉由能夠在較大基板面積上以低成本產生電子裝置之連續、高速印刷技術來進行製作。
然而，展現較佳電子效能之撓性電子裝置的設計及製作呈現若干明顯的挑戰。首先，製造習知以矽為主的電子裝置的良好發展方法不相容於大多數撓性材料。例如，傳統高品質無機半導體組件(諸如單晶矽或鍺半導體)一般係藉由在明顯超過大多數塑膠基板之熔化或分解溫度的溫度(>攝氏1000度)下生長薄膜來加以處理。此外，大多數無機半導體係本質上不可溶於允許以溶液為主的處理及遞送之便利溶劑。其次，儘管許多非晶矽、有機或摻合有機-無機半導體係相容於併入至撓性基板內並可在相對較低溫度下加以處理，但該些材料不具有能夠提供具有較佳電子效能能力之整合電子裝置的電子性質。例如，具有由該些材料所製造之半導體元件的薄膜電晶體展現比互補型以單晶矽為主的裝置小大致三個數量級的場效遷移率。由於該些限制，撓性電子裝置目前限於不要求較高效能之特定應用中，諸如用於具有非發射性像素之主動矩陣平板顯示器的切換元件中以及在發光二極體中。
撓性電子電路在若干領域內正成為一積極研究方面，包括撓性顯示器、任意形狀的電活性表面(諸如電子紡織品與電子表皮)。該些電路時常因為該等傳導組件不能夠回應形體變化延展而無法充分順應其環境。據此，該等撓性電路易於損壞、電子劣化並可能在嚴苛及/或重複形體變化下不可靠。撓性電路要求在重覆循環延展與鬆弛時保持完整的可延展且可彎曲的互連。
具有彎曲與彈性兩者能力的導體一般係藉由在一彈性體 (諸如聚矽氧)內嵌入金屬微粒來加以製造。該等傳導橡膠既具機械彈性又具導電性。一傳導橡膠之缺點包括高電阻率與在延展下明顯的電阻變化，由此導致整體較差的互連效能及可靠性。
Gray等人論述使用包裹於一聚矽氧彈性體內的微製作曲折導線來構造彈性體電子器件，該聚矽氧彈性體能夠線性應變多達54%，同時仍維持傳導性。在該研究中，該等導線係形成為一螺旋狀彈簧形狀。與在低應變(例如，2.4%)下斷裂之直線導線對比，曲折導線在明顯更高的應變(例如，27.2%)下仍保持傳導性。此一導線幾何形狀依賴於導線由於彎曲而非延展來伸長之能力。該系統在以不同形狀並在額外平面內可控制且精確圖案化之能力上受到限制，由此限制使系統調適不同應變及彎曲體系之能力。
研究表明可彈性延展金屬互連由於機械應變而經歷一電阻增加。(Mandlik等人，2006)。Mandlik等人試圖在錐形奈米圖案化表面上沈積金屬膜來最小化此電阻變化。然而該研究依賴於浮凸特徵來產生賦予細金屬線可延展性之微裂縫。該等微裂縫促進由於平面外扭曲及變形所致之金屬彈性變形。然而，該等金屬裂縫係不相容於較厚金屬膜，而是相容於沈積於圖案化彈性體之頂部上的一相當窄範圍的薄金屬膜(例如，約小於30nm)。
將可延展性賦予金屬互連之一方式係藉由在導體(例如，金屬)施加期間預應變(例如，15%至25%)基板，隨後自發消除該預應變，由此引發一波紋至該等金屬導體互 連。(例如，參見Lacour等人(2003)、(2005)、(2004)；Jones等人(2004)；Huck等人(2000)；Bowden等人(1998))。Lacour等人(2003)報告藉由最初壓縮金條以產生自發起皺金條，在多達22%之應變的情況下仍維持電連續性(與數百分比之在彈性基板上的金膜之斷裂應變相比)。然而該研究使用金屬膜之相當薄層(例如，約105nm)且相對受限制，因為該系統可能潛在地製造可能延展約10%的電導體。
根據前述，顯然需要具有改良可延展性、電氣性質之電子裝置(諸如互連及其他電子組件)及用於在各種不同組態下快速且可靠製造可延展互連之相關程序。預期撓性電子領域之進步在若干重要的新興及已建立技術中具有關鍵作用。然而撓性電子技術之該些應用之成功強烈取決於新材料、裝置組態及用於製造在撓曲、變形且彎曲形體下仍展現較佳電子、機械及光學性質之整合電子電路及裝置之商業可行製作路徑的不斷發展。特定言之，需要在折疊、延展及/或縮小形體下仍展現有用電子及機械性質的高效能、機械可延伸材料及裝置組態。
高度可彎曲且可延展電子裝置及用於製造此類裝置之方法係藉由控制一中性機械表面之位置以對應於應變敏感層或藉由選擇性使用應變隔離層來隔離應變敏感層與施加應力及應變來取得。該等程序及裝置在各式各樣應用及裝置中較有用，諸如在曲狀系統及經歷機械變形之系統中的電 子及光電子系統。該等程序及裝置在多層中性機械平面設計中並使用一可選「波狀」結構佈局來組合高品質電子材料(諸如矽奈米帶與其他無機奈米材料之對齊陣列)與超薄且彈性體基板。在詳細的力學模型引導下，此類方案促進使用良好發展電子材料來設計及製造不同種類積體電路以及高度整合光電子系統，該等良好發展電子材料之本質易碎、脆弱機械性質會以其他方式排除其在此類應用中的使用。該等系統及程序能夠在與構建於易碎半導體晶圓上之最先進裝置相當的一效能位準上提供應變獨立電裝置。例如，本文中所提供之系統最小化或排除機械應變對裝置效能之影響，由此在各式各樣的應用及任一任意幾何形狀中使用此類裝置。在其他態樣中，本文中所提供之系統取得將會以其他方式經歷應變引發機械故障的形狀保形電子裝置。
本文中所提供之程序視需要地相容於習知電子製程，其由於在該等現有製作程序中的圖案化、沈積、蝕刻、材料生長及摻雜方法而性質上為本質上平面。本文中所提供之可延展且可壓縮系統藉由促進習知平面幾何製造系統幾何變換至一任意曲線形狀用於要求非線性幾何之應用來避免平面幾何限制。據此，本文中所提供之程序准許將平面裝置技術整合至複雜曲線物體之表面上。
空間上不均勻層及此類層之圖案化提供需要時定位一中性機械表面(NMS)之能力，諸如接近、重合或相鄰含有一應變敏感材料之一層(諸如一功能層)。在此態樣中，「應變 敏感」引用一種回應於一相對較低位準應變而斷裂或另外損傷之材料。在一態樣中，該NMS重合或接近一功能層。在一態樣中，該NMS重合一功能層，引用針對沿該NMS之所有橫向位置，該NMS之至少一部分位於含有一應變敏感材料的功能層內。在一態樣中，該NMS接近一功能層，其中儘管該NMS可能不重合該功能層，但該NMS之位置仍提供一機械好處給該功能層，諸如若非該NMS之位置則實質上降低會以其他方式施加於該功能層上的應變。例如，一接近NMS之位置係視需要定義為距該應變敏感材料之距離，其針對一給定折疊組態(諸如一裝置係折疊使得曲率半徑約在公釐或公分尺度上)在該應變敏感材料內提供至少10%、20%、50%或75%的應變降低。在另一態樣中，一接近NMS之位置可以絕對術語來定義，諸如距該應變敏感材料之一距離，諸如小於數mm、小於2mm、小於10μm、小於1μm或小於100nm。在另一態樣中，一接近層之位置係相對於相鄰該應變敏感材料之層來定義，諸如在最靠近該含應變敏感層之層的50%、25%或10%內。在一態樣中，在相鄰該功能層的一層內含有該接近NMS。
此外，在該功能層內的裝置幾何形狀在一態樣中用以提供可延展性與可壓縮性。在一具體實施例中，該等系統係多層裝置，其利用組態成結構形狀的無機半導體奈米材料，該等結構形狀可幾何上容納較大機械變形而不在該等材料自身內賦予明顯應變。例如，連接剛性裝置島之互連可成波狀或皺曲，如美國專利申請案第11/851,182號(美國 公開案第2008/0157235號)中進一步說明，其以引用方式併入本文內。類似地，上面擱置裝置組件之層可能成波狀。此類幾何形狀在可容納此類力之區域內提供可逆可延展性，同時在其他相對剛性區域內最小化或減輕對可延展性之需要。
在一態樣中，本發明係一種藉由提供一多層裝置來製造一可延展且可折疊電子裝置之方法，該多層裝置包含一基板層、一功能層及一或多個中性機械表面調整層，其中該功能層係由一基板層來支撐，該多層之至少一層具有一空間上不均勻的性質，其中該空間上不均勻性質定位重合或接近一功能層的一中性機械表面。可提供空間不均勻以實現一NMS位置變化的一性質之範例包括(但不限於)以下一或多者：楊氏模數(Young's modulus)；沈積一添加層；層厚度；凹陷特徵；在該功能層內的空間上圖案化裝置組件；及功能層幾何形狀。可空間上修改實現該些性質之一或多個之一變化的任一性質。據此，可空間上變動一層之多孔性或交叉連結以由此空間上修改該層之楊氏模數，由此空間上修改該NMS之位置。
在一具體實施例中，該空間不均勻性係藉由包含橫向圖案化該等層之任一者的一步驟來提供。橫向引用在一x-y平面座標系統上的一變動，其中層厚度係定義於正交於x-y平面的z軸內。此類橫向圖案化提供橫向空間不均勻性以影響該NMS之位置。在一態樣中，該橫向圖案化係藉由使用包含薄膜或添加層之一或多個中性機械表面調整層圖案 化一基板來提供。該圖案化視需要地包含一或多個囊封層、一或多個凹陷特徵(諸如蝕刻孔)或兩者。
空間不均勻性係視需要地藉由一橫向圖案化來達到，該橫向圖案化係選擇性變動一基板層或一或多個中性機械表面調整層之厚度，或另外空間上調變一基板層或一或多個中性機械表面調整層之一機械性質(諸如藉由調變多孔性、交叉連結程度或楊氏模數)。
在一態樣中，該一或多個中性機械表面調整層係一或多個囊封層。此類囊封層在其中裝置係置於可能以其他方式損壞裝置操作的一環境中的應用中進一步用於裝置隔離。該囊封層視需要地具有在一橫向方向上選擇性變動的一厚度。如本文中所使用，囊封層引用完整塗布裝置、僅塗布上面擱置電子裝置之一頂部表面或其部分。
在一態樣中，該中性機械表面具有一幾何形狀，諸如一平面或非平面形狀。在另一態樣中，包括由本文中所揭示之方法之任一者所製造之一裝置的該等裝置之任一者均具有一不均勻斷面。
在一具體實施例中，該不均勻層係藉由選擇性圖案化該功能層、基板層或一添加層來加以製造，諸如一圖案化步驟，其包含在該功能層上轉印印刷一被動或一主動電子組件。在一範例中，該圖案化步驟包含在一或多個層內選擇性放置蝕刻孔以提供高度可折疊性且可延伸性的對應局部化裝置區域。在另一範例中，該等方法之任一者進一步包含在一或多個橫向方向上圖案化一層以提供一中性機械表 面，其重合或接近一功能層，其中該功能層係對應變引發斷裂最敏感。
在一具體實施例中，該等方法之任一者提供一中性機械表面，其重合一功能層。
在另一態樣中，該等方法及裝置之任一者係根據一機械特性(諸如可折疊性)來加以說明。在一態樣中，該方法提供一功能層，其能夠折疊至1至5mm或更大的一曲率半徑而不會不利地劣化電子效能且無機械故障。
在一態樣中，本文中所揭示之方法之任一者係關於一種裝置，其包含複數個功能層與分離該等功能層之基板層，其中功能層之數目係大於或等於2且小於或等於20。
在一態樣中，本文中所提供之方法之任一者係關於製造一超薄裝置，諸如具有一小於或等於10μm之厚度的一裝置。本文中所揭示之基板之任一者均包含PDMS。
在一具體實施例中，該功能層包含該可延展且可折疊電子裝置所依賴之電子裝置組件。在一態樣中，該裝置組件包含美國專利申請案第11/851,182號中所揭示之可延展組件之一或多個並由本文中所揭示之程序之一或多個來加以製造。美國專利申請案第11/851,182號係針對可延展組件、裝置及用於製造在製造幾何上波狀或彎曲功能層中所使用之此類可延展裝置及組件之相關程序以引用方式明確併入。在一態樣中，該裝置包含複數個功能層，例如大於2、大於8或在2與20之間。
還提供藉由提供一多層裝置來製造一具有一曲狀表面之 電子裝置之方法，該多層裝置包含一基板層、一功能層及一或多個中性機械表面調整層，其中該功能層係由一基板層來支撐，該多層之至少一層具有一空間上不均勻的性質，其中該空間上不均勻性質定位重合或接近一功能層的一中性機械表面。該多層裝置可由本文中所揭示之程序之任一者來加以製造。因為該多層裝置係可折疊且可彎曲，使用該多層裝置保形包覆一曲線表面提供具有一對應曲狀表面的一電子裝置。因為本文中所提供之該等裝置之可彎曲性、可延展性及可折疊性，任意形狀的任一曲狀表面均相容於該些程序，包括(但不限於)一任意曲線表面、一半球形或一圓柱形表面。在一範例中，該裝置係一半球形光學成像器或一電子眼。此外，提供具有曲狀幾何形狀之精密相機，與習知平面組態相機相比，該等精密相機提供相當或改良的影像捕捉及呈現。由於具有較佳敏感度及操作特性，此類相機可用於若干目標應用中，例如視網膜植入。
在一具體實施例中，提供用於製造一電子裝置之薄片之方法，諸如一超薄撓性且可折疊電路或CMOS電路。該方法之一範例係提供一載體層表面，使用一犧牲層塗布該載體層表面之至少一部分，將一基板層附著至該犧牲層，其中該基板層支撐該電子裝置之至少一組件，透過該基板層圖案化複數個犧牲層出入開口，並藉由經由該等出入開口引入一犧牲移除材料至該犧牲層從該載體層表面釋放該基板，由此獲得一可折疊電子裝置。在一態樣中，該電路係 超薄，諸如小於10μm，小於5μm或小於2μm。可使用任一犧牲層材料，諸如藉由透過該等出入開口來引入一溶劑可溶解的犧牲層。例如，一PMMA的犧牲層可使用丙酮來溶解以提供一可彎曲的獨立片。一般而言，更薄的片有更高彎曲能力。
在一態樣中，該犧牲層包含PMMA且該犧牲移除材料係一PMMA溶劑。在另一態樣中，該可折疊電子裝置係超薄。
在另一態樣中，該製造一可折疊電子裝置之方法進一步包含使該已釋放基板層保形接觸具有一第一位準應變之一彈性體印模以將一或多個組件接合至該印模並將一力施加至該彈性體印模，該力從該第一位準至不同於該第一位準的一第二位準應變來產生該印模之一應變變化。在該印模中位準應變從該第一位準變化至該第二位準引起一或多個組件彎曲，由此產生一或多個可延展組件，每一者具有接合至該基板的一第一末端及第二末端與在一彎曲組態下提供的一中心區域。在一具體實施例中，該接合步驟包含以下步驟：在該組件、該印模表面或該組件與該印模表面兩者上產生接合及非接合區域之一圖案以產生彎曲的組件之一空間圖案。在一態樣中，該裝置係一電路片。
在一具體實施例中，取代一獨立具體實施例，可處理該已釋放電子裝置以獲得一波狀組態。如在美國公開案第2008/0157235號中所提供，此一方法之一範例係使該已釋放基板層保形接觸具有一第一位準應變之一彈性體印模以 將一或多個組件接合至該印模，並施加一力至該彈性體印模，該力從一第一位準至不同於該第一位準之一第二位準應變來產生該印模之一應變變化，其中在該印模中位準應變從該第一位準變化至該第二位準引起一或多個組件彎曲，由此產生一或多個可延展組件，每一者具有接合至該基板的一第一末端及第二末端與在一彎曲組態下提供的一中心區域。此程序係用於藉由波狀特徵之幾何構造來提供具有相對高度可延展的局部化區域之電子裝置的一構件。為了促進控制接合區域，將一黏著劑圖案化於該組件之一或兩個印模表面上。
在另一態樣中，提供藉由使用錨及支撐結構來促進可印刷元件(諸如一電子組件陣列或元件圖案(例如，半導體))之高保真度剝離來製造可折疊電子裝置之方法。「高保真度」引用可印刷元件及其至一所需接收基板之相關轉印的大於約90%剝離、大於95%或大於97%移除。此程序特別適用於其中一犧牲層係溶解於一蝕刻溶劑內以最小化至該溶液的可印刷元件損失及/或減少由於在可印刷元件與下面支撐基板晶圓之間的黏著所引起的不必要黏著損失的該等應用。在此態樣中，一種方法係在一支撐基板表面上提供一功能層，其中該功能層包含一電子裝置陣列，在該功能層內蝕刻一或多個出入開口，正對著該功能層與出入開口澆鑄一聚合物材料，其中在該等出入開口內的該澆鑄聚合物產生錨，該等錨促進該陣列從該支撐基板表面之高保真度剝離，並將一彈性體印模接觸該聚合物材料，並在一 離開該支撐基板之方向上移除該彈性體印模以從該基板移除該聚合物材料並由此從該支撐基板移除錨定至該聚合物材料的該陣列。「陣列」用以引用複數個空間上變動元件或在層內具有完全不同形狀元件之一連續薄膜層。
在此態樣之一具體實施中，該等出入開口係蝕刻孔。視需要地，該方法進一步包含將該已移除裝置陣列印刷至一裝置基板表面。在一具體實施例中，重複該程序以製造一多層電子裝置。本文中所揭示之方法之任一者視需要地用於一印刷裝置，其係一GaAs多層太陽能電池。
在一具體實施例中，該方法係關於將具有一平面幾何形狀之電子裝置或其組件印刷至一曲狀表面。例如，該平面幾何形狀裝置可併入於藉由本發明之一程序所製造的一可折疊裝置內並在其內轉印至一曲線表面。在一態樣中，一轉移印模之鬆弛形狀對應於在該曲狀印模上的該等裝置所轉印之一裝置基板之形狀，諸如正對著該電子裝置或其組件所轉印之一曲狀接收基板所澆鑄的一轉移元件或印模。一方法之一範例係在一實質上平面基板表面上提供一裝置，提供具有一曲線幾何形狀的一彈性體印模，變形該彈性體印模以提供一實質上平坦印模表面，使該實質上平坦印模表面接觸在該基板表面上的該裝置，並藉由在一遠離該基板之方向上抬起該印模來從該基板表面移除該裝置，由此將該組件從該基板表面轉印至該實質上平坦印模表面，並鬆弛該彈性體印模，由此將該實質上平坦印模表面變換至具有一曲狀幾何形狀的一表面。
在另一態樣中，本發明係一種用於將一曲狀表面變換至實質上平面表面之裝置。「實質上平面」引用一接觸表面，其與真正平面具有小於10%、小於5%或小於1%的一最大偏差。該裝置視需要包含一支架，其用於可穩固地接收一彈性體印模；及一力產生器，其可操作地連接至該支架用於在一可穩固地接收彈性體印模上產生一力，該力能夠實質上平坦化該曲線印模。可使用用於平坦化表面的任一構件。在一範例中，調整以調整該支架所定義之佔用面積的一拉緊級提供對應幾何形狀。該支架之幾何形狀可取決於該曲狀表面之幾何形狀來加以選擇。對於一半球形曲狀表面，該佔用面積可為圓形以提供一徑向力以平坦化該半球形表面。一部分圓柱形表面可能具有一單軸力產生器，其具有一矩形佔用面積以平坦化該曲狀表面。
該裝置視需要地進一步包含一垂直平移器，其可操作地連接至該支架用於在該可穩固地接收彈性體印模與在一實質上平坦基板上的一電子組件之間建立保形接觸。在一態樣中，該支架具有一圓形幾何形狀。在一態樣中，該力產生器包含一拉緊級，其可操作地連接至該支架。在一態樣中，該拉緊級包含複數個槳臂，用於將該彈性體印模穩固至該支架並用於傳輸一徑向引導力以平坦化該曲狀表面。
在另一態樣中，本發明係可延展且可折疊裝置，其具有一支撐層，其中該層係彈性體；一功能層，其係由該支撐層來支撐；及一或多個中性機械表面調整層，其中該等層之任一者之至少一或多個具有一空間上不均勻的性質，由 此產生重合或接近該功能層的一中性機械表面。
在一態樣中，該不均勻性質係選自以下之一或多個：楊氏模數、層厚度、空間上圖案化添加層、凹陷特徵、功能層元件放置及功能層幾何形狀。
在一態樣中，該裝置係選自由以下所組成的群組：一積體電路、半導體、電晶體、二極體、邏輯閘、電子組件陣列及一光學系統。
在一態樣中，該功能層可能具有一奈米帶陣列，諸如具有接合至該基板或一剛性島(諸如用於接收一電子裝置之一接觸墊)之末端與中間未接合區域而皺曲的奈米帶。此賦予進一步可延展性至該功能層。
在另一具體實施例中，本發明係一種在各式各樣非習知基板上製造一可延展、可彎曲及/或可折疊電子裝置之方法。該等裝置可能係高效能並藉由使用在該電子裝置上且明確而言在易受應變引發故障的該裝置之一功能層上減輕另外不適當應變及應力的一策略放置應變隔離層來達到。在一態樣中，該方法包含使用具有一第二楊氏模數之一隔離層來塗布具有一第一楊氏模數的一接收基板，該隔離層具有一接收表面用於接收該電子裝置，且該第二楊氏模數係小於該第一楊氏模數。在一具體實施例中，該隔離層係一聚合物或一彈性體。該電子裝置係在一可印刷組態下設於一支撐基板上。一「可印刷電子裝置」引用能夠(諸如)藉由接觸轉印印刷將一基板轉印至另一基板的一電子裝置或其一組件(例如，電路、CMOS電路、互連、裝置島、半 導體元件/層、電晶體、邏輯電路及其陣列)。該可印刷電子裝置係從該支撐基板轉印至該隔離層接收表面，諸如藉由接觸轉印印刷。該隔離層隔離該已轉印電子裝置之至少一部分與一施加應變，諸如施加至該裝置之接收基板的一應變。
在一態樣中，該方法係用以在一非習知基板上提供電子裝置及其組件，包括(但不限於)一接收基板，例如其為織物、乙烯、皮革、乳膠、彈性纖維、紙張。在此態樣中，高效能電子電路可併入至若干不同應用，範圍涉及手套、服裝、建築材料(諸如窗口、屋頂、壁紙)、製造系統及其他要求在一曲線幾何形狀及/或一重複應變系統中要求電子器件之應用。在一具體實施例中，該基板包含織物。在另一態樣中，該方法係關於更習知基板材料，諸如聚合物、無機聚合物、有機聚合物、半導體材料、彈性體、晶圓、陶瓷、玻璃或金屬。
在一態樣中，該聚合物包含PDMS。在一態樣中，該隔離層楊氏模數(「第二楊氏模數」)係相對於該接收基板楊氏模數(「第一楊氏模數」)來說明，諸如大於或等於約10的第一楊氏模數與第二楊氏模數之一比率(例如，該隔離層具有比該接收基板之楊氏模數小至少十倍的一楊氏模數)。在一態樣中，該隔離層具有一楊氏模數，其小於或等於5MPa、小於或等於1MPa、在0.01MPa與100MPa之間或在約0.1MPa與5MPa之間。在一態樣中，該隔離層具有一厚度，其係小於或等於2mm，小於或等於200μm， 小於或等於100μm或小於或等於20μm。在一態樣中，該隔離層具有一厚度，其係選自在10μm與2mm之間、在40μm與200μm之間或在50μm與150μm之間的一範圍。
在一具體實施例中，本文中所說明之方法及裝置係關於提供某一位準應變隔離。在一態樣中，與不具有該應變隔離層的一對應系統相比，該隔離層提供至少20%或更大、或90%或更大的應變隔離。在一態樣中，應變隔離之上限係一實際可實現的值。在一態樣中，與不具有該應變隔離層之系統相比，在一應變敏感組件上的應變隔離係小於或等於一100因數(例如，多達約99%的應變隔離)。
在一態樣中，該可印刷電子裝置係一電子裝置之一組件，諸如一電路係具有額外電路或其他組件以形成整體電子裝置之一電子裝置之一部分。在一態樣中，該組件包含複數個互連，諸如具有一曲狀幾何形狀的複數個互連，該等互連可操作地連接至應變敏感區域，例如裝置島。該曲線可相對於該隔離層接收表面在平面內、平面外或其一組合。
在一具體實施例中，該隔離層至少部分滲入該接收基板。此類滲入可能有用於其中期望在隔離層與下面基板之間具有一更高黏著力的應用，諸如在其中該等機械應變及應力相對較高，由此提升在操作期間分層之風險的情形下。在一態樣中，該接收基板具有一表面紋理以增加在該隔離層與該接收基板之間的接觸面積。「表面紋理」廣泛用以引用功能上導致增加表面面積之任一技術。例如，該 基板可能本質上或非本質上具有浮凸特徵或其他表面粗糙度。在一態樣中，該接收基板具有細孔，其中該等細孔促進該隔離層滲入至該接收基板內，諸如具有大於或等於10%、大於或等於5%或大於或等於1%或在約1%與10%之間的一表面多孔性的一接收基板。百分比多孔性引用具有一細孔或一開口之總表面面積的百分比。在另一態樣中，該接收基板包含纖維，由此促進該聚合物滲入至該接收基板內。在此態樣之一具體實施例中，該等纖維之至少一部分係嵌入於該聚合物層內，諸如完整嵌入於已滲入該基板表面之聚合物內的更靠近該基板表面的該等纖維之至少一部分。
本文中所揭示之裝置及方法之任一者視需要地包括一囊封層，諸如部分覆蓋該裝置之部分或完整囊封該裝置的一囊封層。在一態樣中，該囊封層具有一選定楊氏模數，諸如小於該接收基板楊氏模數或小於該隔離層楊氏模數的一楊氏模數。在一態樣中，該囊封層具有一不均勻的楊氏模數。在此態樣中，一「不均勻楊氏模數」引用一空間上變動的楊氏模數，諸如由於引入特徵(例如，浮凸特徵)或在該囊封層之一表面上或其內選擇性定位其他結構。
在另一具體實施例中，本發明係一種可延展且可折疊電子裝置，諸如藉由本文中所揭示之方法之任一者(包括方法之一組合)所製造的裝置。例如，利用中性機械平面力學之方法可組合作為聚合物薄層之應變隔離層來進一步改良電子裝置力學。
在一具體實施例中，該可延展且可折疊電子裝置包含一支撐基板；一隔離層，其至少部分地塗布該支撐基板之一表面；及一電子裝置，其係由該隔離層至少部分地支撐。該隔離層係經組態使得該電子裝置(諸如其一功能層)經歷一應變隔離，諸如與在不具有該隔離層之一裝置中的應變相比，降低至少20%或至少90%的一應變隔離。在一態樣中，該隔離層具有小於或等於2mm的厚度與小於或等於100MPa的一楊氏模數。有用裝置之範例包括與該隔離層具有接合區域的電子裝置或功能層，諸如對應於塗布一黏著劑或黏著劑先驅物之裝置島之背側的共價鍵。例如，一主動裝置島之背側可塗布一Cr/SiO2雙層以在由PSMD聚合物所製造之一隔離層與該等電子裝置接合區域之間形成包含Si-O-Si鍵的共價鍵。據此，非接合區域引用其中在電子裝置與隔離層之間的黏著力(每單位接觸面積)實質上小於接合區域內黏著力的區域。例如，該等非接合區域可能不塗布一黏著劑或黏著劑先驅物(諸如Cr/SiO2)。該等非接合區域視需要地對應於彎曲互連，其連接應變敏感的相對剛性相鄰裝置島。此類彎曲組態進一步隔離功能層(諸如相對剛性裝置島)與應變或應變引發應力。該等裝置之任一者視需要地進一步包含一囊封層，諸如具有一不均勻楊氏模數的一囊封層。
術語「可折疊」、「撓性」及「可彎曲」在本說明書中同義使用且引用一材料、結構、裝置或裝置組件變形成一曲 狀形狀而不經歷引入明顯應變(諸如特徵化一材料、結構、裝置或裝置組件之故障點的應變)之一變換的能力。在一範例性具體實施例中，一撓性材料、結構、裝置或裝置組件可變形成一曲狀形狀而不在應變敏感區域內引入大於或等於約5%，對於一些應用較佳的係大於或等於約1%，且對於一些應用更佳的係大於或等於約0.5%的應變。
「可延展」引用一材料、結構、裝置或裝置組件能夠應變而不經歷斷裂的能力。在一範例性具體實施例中，一可延展材料、結構、裝置或裝置組件可能經歷大於約0.5%的應變而無斷裂，對於一些應用較佳的係大於約1%的應變而無斷裂且對於一些應用更佳的係大於約3%的應變而無斷裂。
「功能層」引用將一些功能性賦予裝置的一含裝置層。例如，該功能層可能係一薄膜，諸如一半導體層。或者，該功能層可能包含多個層，諸如由支撐層分離的多個半導體層。該功能層可能包含複數個圖案化元件，諸如在裝置接收墊或島之間運行的互連。該功能層可能係異質或可能具有一或多個不均勻的性質。「不均勻性質」引用一實體參數，其可空間上變動，由此影響在多層裝置內的中性機械表面(NMS)的位置。
「重合」引用定位於一層(諸如一功能層、基板層或其他層)內或相鄰其的一表面(諸如一NMS)。在一態樣中，NMS係定位以對應於在層內的最應變敏感層或材料。
「接近」引用緊密跟隨一層(諸如一功能層、基板層或其他層)之位置，同時仍提供所需可折疊性或可彎曲性而不會不利影響該等應變敏感材料實體性質的一NMS。一般而言，具有一高應變敏感度並因此易於成為最先斷裂層的一層係位於功能層內，諸如含有一相對易碎半導體或其他應變敏感裝置元件的一功能層。接近一層的一NMS不必約束於該層內，而可接近或充分靠近定位以提供在折疊裝置時降低在應變敏感裝置元件上應變的一功能好處。
「電子裝置」在本文中廣泛用以引用諸如積體電路、成像器或其他光電子裝置之裝置。電子裝置亦引用一電子裝置之一組件，諸如被動或主動組件，諸如一半導體、互連、接觸墊、電晶體、二極體、LED、電路等。本發明係關於下列領域：收集光學器件、擴散光學器件、顯示器、拾取及放置裝配件、垂直腔表面發射雷射(VCSELS)及其陣列、其LED及陣列、透明電子器件、光伏打陣列、太陽能電池及其陣列、撓性電子器件、微操縱、塑膠電子器件、顯示器、拾取及放置裝配件、轉印印刷、LED、透明電子器件、可延展電子器件及撓性電子器件。
一「組件」廣泛用以引用在一裝置內所使用的一材料或個別組件。一「互連」係一組件之一範例且引用能夠與組件或組件之間建立一電連接的一導電材料。特定言之，互連可在分離及/或可相對於彼此移動的組件之間建立電接觸。取決於所需裝置規格、操作及應用，互連係由一適當材料製造。對於其中要求一高傳導率的應用，可使用典型 互連金屬，包括(但不限於)銅、銀、金、鋁等、合金。適當傳導材料可能包括一半導體，如矽、氧化銦錫或GaAs。
一「可延展」的互連在本文中用以廣泛引用能夠在一或多個方向上經歷各種力及應變(諸如延展、彎曲及/或壓縮)而不會不利影響至一裝置組件之電連接或來自其之導電的一互連。據此，一可延展互連可由一相對易碎材料(諸如GaAs)所形成，甚至在由於互連之幾何組態曝露於一明顯變形力(例如，延展、彎曲、壓縮)時仍能夠繼續工作。在一範例性具體實施例中，一可延展互連可能經歷大於約1%、10%或約30%或多達約100%的應變而不斷裂。在一範例中，該應變係藉由於延展該互連之至少一部分所接合之一下面彈性體基板來產生。
一「裝置組件」用以廣泛引用在一電性、光學、機械或熱裝置內的一個別組件。組件可以係以下之一或多個：能夠接收一裝置組件、薄膜裝置、電路元件、控制元件、微處理器、傳感器及其組合的一光二極體、LED、TFT、電極、半導體、其他光收集/偵測組件、電晶體、積體電路、接觸墊。一裝置組件可連接至此項技術者所習知的一或多個接觸墊，例如金屬蒸鍍、線接合、施加固體或傳導膏。電裝置一般引用併入複數個裝置組件的一裝置並包括大面積電子器件、印刷線路板、積體電路、裝置組件陣列、生物及/或化學感測器、實體感測器(例如，溫度、光、輻射等)、太陽能電池或光伏打陣列、顯示陣列、光學收集器、系統及顯示器。
「基板」引用一材料，其具有能夠支撐一組件(包括一裝置、組件或一互連)的一表面。「接合」至基板的一互連引用實體接觸基板且無法相對於其所接合之基板表面實質上移動的互連之一部分。作為對比，未接合部分能夠相對於基板實質上移動。互連之未接合部分一般對應於具有「彎曲組態」之該部分，諸如由於應變引發互連彎曲。
一「NMS調整層」引用一層，其主要功能係調整在裝置內NMS之位置。例如，該NMS調整層可能係一囊封層或一添加層，諸如一彈性體材料。
在此說明書之背景下，一「曲狀組態」引用一結構，其具有由於施加一力所導致的一彎曲形體。在本發明中彎曲結構可能具有一或多個折疊區域、凸面區域、凹面區域及其任何組合。例如，在本發明中較有用之彎曲結構可能在一捲繞形體、一起皺形體、一皺曲形體及/或一波狀(即，波形)形體下提供。
彎曲結構(諸如可延展彎曲互連)可在其中該彎曲結構正遭受應變的一形體下接合至一撓性基板，諸如一聚合物及/或彈性基板。在一些具體實施例中，對於較佳用於一些應用的具體實施例中，該彎曲結構(諸如一彎曲帶狀結構)正遭受等於或小於約30%的一應變、等於或小於約10%的一應變、等於或小於約5%的一應變及等於或小於約1%的一應變。在一些具體實施例中，該彎曲結構(諸如一彎曲帶狀結構)正遭受選自約0.5%至約30%之範圍的一應變，選自約0.5%至約10%之範圍的一應變，選自約0.5%至約5%之範 圍的一應變。或者，可將該可延展彎曲互連接合至作為一裝置組件之一基板的一基板，包括自身非撓性的一基板。該基板自身可能係平面、實質上平面、曲狀，具有銳利邊緣或其任一組合。可延展彎曲互連可用於轉印至該些複雜基板表面形狀之任一或多個。
一「接合場所圖案」引用空間施加接合構件至一支撐基板表面及/或該等互連使得一已支撐互連具有與基板的接合區域與非接合區域。例如，在其末端處接合至基板且在一中心部分內不接合的一互連。進一步形狀控制係藉由在一中心部分內提供一額外接合場所，使得將未接合區域劃分成兩個完全不同中心部分來進行。接合構件可包括黏著劑、黏著劑先驅物、熔接、光微影術、光可固化聚合物。一般而言，接合場所可藉由各種技術來加以圖案化，並可根據能夠在基板與特徵(例如，互連)之間提供強黏著力之表面活化(Wact)面積與其中該等黏力相對較弱之表面非活性(Win)來加以說明。以線黏著地圖案化的一基板可根據Wact與Win尺寸來加以說明。該等變數連同預應變之量值εpre影響互連之幾何形狀。
「超薄」引用展現極端位準可彎曲性之薄幾何形狀之裝置。在一態樣中，超薄引用具有小於1μm、小於600nm或小於500nm之一厚度的電路。在一態樣中，一超薄的多層裝置具有小於200μm、小於50μm或小於10μm的一厚度。
「彈性體」引用可延展或變形並回復其原始形狀而無實 質永久性變形的一聚合物材料。彈性體通常會經歷實質上彈性變形。在本發明中有用的範例性彈性體可能包含聚合物、共聚物、複合材料或聚合物與共聚物之混合物。彈性體層引用包含至少一彈性體的一層。彈性體層還可包括摻雜物及其他非彈性體材料。在本發明中有用的彈性體可包括(但不限於)熱塑性彈性體、苯乙烯材料、烯烴材料、聚烯烴、聚氨酯熱塑性彈性體、聚醯胺、合成橡膠、PDMS、聚丁二烯、聚異丁烯、聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)、聚氨酯、聚氯丁二烯及聚矽氧。彈性體提供在本方法中有用的彈性體印模。
「彈性體印模」或「彈性體轉移裝置」可互換使用且引用具有可接收以及轉移一特徵之一表面的彈性體材料。範例性彈性體轉移裝置包括印模、模具及遮罩。該轉移裝置影響及/或促進特徵從一施體材料轉移至一受體材料。「彈性體」引用可延展或變形並回復其原始形狀而無實質永久性變形的一聚合物材料。彈性體一般經歷實質上彈性變形。在本發明中有用的範例性彈性體可能包含聚合物、共聚物、複合材料或聚合物與共聚物之混合物。彈性體層引用包含至少一彈性體的一層。彈性體層還可包括摻雜物及其他非彈性體材料。在本發明中有用的彈性體包括(但不限於)熱塑性彈性體、苯乙烯材料、烯烴材料、聚烯烴、聚氨酯熱塑性彈性體、聚醯胺、合成橡膠、以矽為主的有機聚合物(包括聚二甲基矽氧烷(PDMS))、聚丁二烯、聚異丁烯、聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)、聚氨酯、聚氯丁二烯 及聚矽氧。
「保形包覆」引用在表面、塗布表面及/或具有材料沈積於其上之表面之間建立的接觸，該等材料可用於在一基板表面上轉印、裝配、組織及整合結構(諸如可印刷半導體元件)。在一態樣中，保形接觸涉及巨觀調適一可保形轉移裝置之一或多個接觸表面至一基板表面或一物體(諸如一可印刷半導體元件)之表面的整體形狀。在另一態樣中，保形接觸涉及微觀調適一可保形轉移裝置之一或多個接觸表面至一基板表面，從而導致一不具有空隙的密切接觸。希望術語保形接觸與在軟微影術技術中的此術語之用法一致。保形接觸可建立於一可折疊裝置之一或多個裸露接觸表面與一基板表面之間。或者，保形接觸可建立於一可保形轉移裝置之一或多個塗布接觸表面(例如具有一轉印材料、可印刷半導體元件、裝置組件及/或裝置沈積於其上的接觸表面)與一基板表面之間。或者，保形接觸可建立於一可保形轉移裝置之一或多個裸露或塗布接觸表面與塗布一材料(諸如一轉印材料、固體光阻層、預聚物層、液體、薄膜或流體)之一基板表面之間。
「低模數」引用具有一小於或等於10Mpa、小於或等於5MPa或小於或等於1MPa之楊氏模數的材料。
「楊氏模數」係一材料、裝置或層之一機械性質，其引用針對一給定物質的應力與應變的比率。楊氏模數可由以下表達式來提供： 其中E為楊氏模數，L0為平衡長度，△L為在施加應力下的長度變化，F為施加的力而A為上面施加力的面積。楊氏模數還可經由以下等式根據拉姆(Lame)常數來加以表達： 其中λ與μ均為拉姆常數。高楊氏模數(或「高模數」)與低楊氏模數「或「低模數」」在一給定材料、層或裝置中楊氏模數之量值的相對描述符。在本發明中，一高楊氏模數係大於一低楊氏模數，對於一些應用較佳的係約10倍大，對於其他應用更佳的係約100倍大且對於其他應用甚至更佳的係約1000倍。
「薄層」引用至少部分覆蓋一下面基板的一材料，其中厚度係小於或等於300μm、小於或等於200μm或小於或等於50μm。或者，該層係根據一功能參數來加以說明，諸如足以隔離或實質上降低電子裝置(且更特定言之在電子裝置內一對應變敏感的功能層)上之應變的一厚度。「隔離」引用一彈性體層之存在，該彈性體層在裝置經歷折疊變形之一延展時實質上降低強加於一功能層上的應變或應力。在一態樣中，認為在與不具有彈性體層之相同系統內的應變相比，應變降低至少一20因數、至少一50因數或至少一100因數倍時應變係「實質上」降低。
範例1：可延展且可折疊矽積體電路
本文中揭示用以取得高效能、可延展且可折疊積體電路(IC)之方案。該等系統整合無機電子材料(包括單晶矽之奈米帶之對齊陣列)與超薄塑膠及彈性體基板。該等設計在矽互補型邏輯閘、環形振盪器及差動放大器中組合多層中性機械平面佈局及「波狀」結構組態。在該些IC中變形力學之三維分析及計算模型化連同電路模擬闡明促使該等測量行為的態樣。該等策略表示通往高效能、可折疊且可延展光電子裝置之一般且可縮放途徑，該等光電子裝置可併入已建立、高效能無機電子材料，其脆弱、易碎機械性質會以其他方式排除其在此類系統內的使用。
實現效能等於使用剛性半導體晶圓之已建立技術，但採取輕型、可折疊且可延展格式之電子器件促進新應用之發展。範例包括用於個人健康監控及治療之可穿戴系統、具有整合電子器件之「智慧型」外科手套及在半球形基板(1-3)上併入焦平面陣列之電子眼型成像器。在塑膠或鋼箔基板上使用有機(4,5)或某些種類無機(6-13)電子材料之電路可提供某程度的機械撓性，但其無法折疊或延展。並且，很少例外(11-13)，此類系統僅提供適度電氣效能。具有剛性(14)或可延展(15-17)無機裝置組件之可延展金屬互連表示還可在某些情況下提供高效能之替代性策略。然而在其現有形式中，該些方案沒有一者允許比例縮放至具有實用位準功能性之電路系統。
此範例呈現通往可逆可折疊且可延展之高效能、單晶矽互補型金氧半導體(Si-CMOS)積體電路(IC)之途徑。該些 系統在多層中性機械平面設計中並使用「波狀」結構佈局來組合高品質電子材料(諸如矽奈米帶之對齊陣列)與超薄且彈性體基板。全部具有與構建於習知絕緣物上矽(SOI)晶圓上之類比系統一樣好的電氣性質，高效能n及p通道金氧半導體場效電晶體(MOSFET)、CMOS邏輯閘、環形振盪器及差動放大器展示該等概念。力學之分析且有限元素方法(FEM)模擬連同電路模擬揭露關鍵物理特性。該些方案不僅對於Si-CMOS，而且對於其至具有其他不同種類電子材料(其本質易碎、脆弱機械性質會以其他方式排除其在此類應用的使用)之遠更高度整合系統之直接可縮放性較重要。
圖1A示意性概述用於形成超薄、可折疊且可延展電路之步驟，並呈現在該程序之不同階段代表性系統之光學影像。該程序開始於在一Si晶圓上旋鑄一聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)犧牲層(約100nm)，隨後旋鑄一聚醯亞胺(PI)薄基板層(約1.2μm)，該Si晶圓用作一暫時載體。使用一聚(二甲基矽氧烷)(PDMS)印模(18,19)之一轉印印刷程序將具有整合接點之n及p摻雜Si奈米帶之有組織陣列(圖1B之插圖)遞送至該PI之表面，該等奈米帶係由n型來源晶圓單獨形成。沈積並圖案化用於閘極介電質及互連跨接之SiO2(約50nm)與用於源極、汲極及閘極電極及互連之Cr/Au(5/145nm)產生完全整合的Si-CMOS電路，其具有與形成於SOI晶圓上之類似系統相當之效能(圖5)。圖1C顯示依此方式形成，但仍在載體基板上的Si-CMOS反相器與隔 離n及p通道MOSFET(分別為n-MOSFET與p-MOSFET)之一陣列的一影像。在下一步驟中，反應性離子蝕刻形成小孔(約50μm直徑，分離800μm)的一方形陣列，該等小孔延伸穿過該等電路之非功能區域及該薄PI層，至下面PMMA內。浸沒於丙酮內藉由將溶劑流過該等蝕刻孔來溶解該PMMA以一不劣化該等裝置之性質的方式來釋放超薄、撓性電路。該些系統可作為撓性、獨立片來實施，或其可以波狀佈局整合於彈性體基板上以提供完全可逆可延展性/可壓縮性。圖1A之圖框顯示該兩個可能性。在右下角處的示意性斷面圖解說此Si-CMOS/PI系統之各種層(總厚度約1.7μm)。此類超薄電路展現極端位準可彎曲性，如圖1C中所解說，而不危及該等電子性質(圖6)。存在用於此行為的兩個主要原因。第一者源自薄膜內的基本彎曲力學，其中表面應變係由薄膜厚度t除以與該彎曲相關聯之曲率半徑r(20)兩倍來決定。具有t=1.7μm的膜可在該等表面應變針對此處所使用之高效能無機電子材料種類到達一典型斷裂應變(張力上約1%)之前彎曲至r小至約85μm。一第二且可微妙特徵從在該等電路之實際材料堆疊中的彎曲力學之完全分析顯露。該等結果指示定義對於任意小r應變為零的透過基板之厚度之位置的中性機械平面(NMP)或中性機械表面(NMS)針對此處所實施之設計位於該等電子裝置層內(圖7)。換言之，該等電子材料之高模數將該中性機械平面從位於該PI內的幾何中間平面移動至該等裝置或「功能」層。在圖1之右下角處的圖解使用虛線指示在該系統 之不同區域內此中性機械平面之大致位置。此情形高度有利，因為在該等電路內所使用之該等材料之斷裂應變實質上低於在該PI內用於斷裂或塑膠變形之該等者(約7%)。此類電路之兩個缺點係其缺少延展性且對於某些應用其較低撓曲剛性。該些限制可藉由實施在圖1A之底部圖框中所解說之一程序中達到矽及砷化鎵(15,16)之片及帶之可延展、「波狀」組態的概念之延伸來加以阻止。該製作開始於使用一PDMS印模從該載體基板移除該超薄電路，將一Cr/SiO2薄層(3/30nm)蒸鍍至曝露的PI表面(即接觸該PMMA的表面)，並接著藉由曝露於使用一紫外線燈所引發之臭氧來在該SiO2與一雙軸預應變PDMS基板(εpre=εxx=εyy，其中該等x及y座標位於電路之平面內)之該等表面上產生-OH基。將該電路轉印印刷至該PDMS基板上，隨後輕微加熱建立共價結合以在該Si CMOS/PI/Cr/SiO2與該PDMS之間形成較強機械接合。鬆弛該預應變引發在該等電路上的壓縮力，其導致經由非線性皺曲程序來形成浮凸之複雜「波狀」圖案。如先前所述，在該等裝置層內中性機械平面的位置促進要求以形成該些波狀圖案之非破壞性彎曲。採取此幾何形狀的電路提供完全可逆延展性/可壓縮性而無在該等電路材料自身內的實質應變。該等波圖案之振幅及週期變化以容納施加應變(εappl，在電路之平面內的任一方向上)，其具有類似於一手風琴風箱(21)的物理特性。圖1D呈現使用一雙軸預應變約5.6%所形成的在PDMS上的一波狀Si-CMOS電路之一光學影像。該PDMS之厚度可選擇 以達到任一所需位準撓曲剛性而不危及可延展性。
圖2A之左、中及右圖框顯示分別使用εpre=2.7%、3.9%及5.7%所形成之波狀Si-CMOS反相器之光學顯微圖。該等波結構具有複雜佈局，其與在一機械異質系統內的非線性皺曲物理特性相關聯。三個特徵較顯著。首先，該等波在最小撓曲剛性區域內最容易形成：該互連位於該反相器之p-MOSFET與n-MOSFET側與該電路片之電子非活性部分之間。第二，隨著εpre增加，該等波結構開始從該些位置延伸至該電路之所有部分，包括該等相對剛性裝置區域。第三，該等蝕刻孔(其代表者出現於該些影像之中心處)對該等波具有一較強影響。特定言之，波傾向於在該些位置處成核；由於在該些位置處的無牽引力邊緣，其採用正切於該等孔之周長而定向的波向量。前兩個行為可使用分析處理與FEM模擬來定量捕捉；第三者藉由FEM。例如，分析指示該等p-MOSFET與n-MOSFET區域(SiO2/金屬/SiO2/Si/PI：約0.05μm/0.15μm/0.05μm/0.25μm/1.2μm)採用在160與180μm之間的週期而該等金屬互連(SiO2/金屬/SiO2/PI：約0.05μm/0.15μm/0.05μm/1.2μm)採用在90與110μm之間的週期，全部均定量與實驗一致。圖2B顯示完全三維FEM模型化之結果連同一樣本之一掃描電子顯微圖。對應性明顯較佳，與該些系統之確定性、線性彈性回應一致。(略微差異係由於該等皺曲圖案對該等蝕刻孔之精確位置及詳細形狀之敏感度以及各種層之機械性質之一些不確定性。)該分析及該FEM兩者指示，對於多達10%的 εpre且0%<εappl-εpre<10%，取決於該電路之區域與該金屬，在該等裝置層內的該等材料應變分別保持低於0.4%與1%。此機械優點促使在含有本質上易碎電子材料(諸如SiO2與Si)之系統內達到可逆可延展/可壓縮性的能力。
圖2C及D顯示針對使用εpre=3.9%所製作之一波狀電路，在不同拉伸、單軸施加應變下反相器之影像及電氣測量。如所可能預期的，沿施加力之方向定位之波的該等振幅及週期分別減少及增加以容納所得應變(圖9)。帕松(Poisson)效應引起在正交方向上的壓縮，從而分別導致具有此取向之波之振幅及週期增加及減少。電氣測量指示該等Si-CMOS反相器遍及此施加應變範圍工作良好。圖2D之左圖框顯示測量及模擬的轉移曲線，具有一插圖圖表分別呈現具有300μm與100μm之通道寬度(W)以匹配電流輸出以及13μm之通道長度(Lc)之個別n-MOSFET與p-MOSFET裝置之電氣性質。該些資料分別針對該等n及p通道裝置指示290cm2/Vs、140cm2/Vs的有效遷移率；在兩者情況下開/關比為>105。該等反相器所展現之增益在5V供應電壓(VDD)下高達100，與使用該等個別電晶體回應之電路模擬一致。圖2D之右圖框概述針對沿x及y的不同εappl在最大增益下的電壓(VM)。平行於該等電晶體通道(即沿y)之拉伸應變傾向於降低在該些位置內與該等波狀結構相關聯之壓縮應變，由此分別增加並減少來自該等n-MOSFET與p-MOSFET之電流。由於帕松效應，垂直拉伸應變引起相對變化。該等結果分別係隨著平行及垂直應變之VM減少及增 加。在該些各種應變狀態下該等電晶體之個別測量實現在該等反相器(圖9)內的變化模擬；也包括於圖2D之右圖框中的該等結果與實驗一致。該等裝置還顯示在機械/熱循環(多達30個循環)下的較佳行為(圖10)。
更複雜可延展電路可使用該些反相器作為構建區塊來加以製作。例如，圖3A顯示在使用與圖2中該等者完全相同之三個反相器之Si-CMOS環形振盪器上的光學影像、電氣測量及延展測試。該等機械回應與該等反相器之論述中所說明之考量定性一致。該等電氣測量指示在10V供應電壓下，甚至在5%且更大之嚴重皺曲變形及應變下約3.0MHz的穩定振盪頻率。吾人咸信該振盪頻率顯示很少變化，因為該等p及n通道裝置之遷移率變動有效地相互補償，使得透過反相器之延遲保持粗略相同。其他(更一般)種類電路係相容於本文中所揭示之程序。例如，圖3B顯示用於一結構健康監控器之一差動放大器(22)，其整合四個組件：一電流源(具有Lc=30μm與W=80μm的三個電晶體)、一電流鏡(具有Lc=40μm、W=120μm與Lc=20μm、W=120μm的兩個電晶體)、一差動對(具有Lc=30μm與W=180μm的兩個電晶體)及一負載(具有Lc=40μm與W=80μm的兩個電晶體)。右圖框顯示對應波狀電路(圖11)之一光學影像。此放大器係設計以針對一500mV峰值至峰值輸入信號來提供一約1.4的電壓增益。沿紅色箭頭在各種拉伸應變下的測量顯示變動小於約15%的增益：未施加應變(0%s；黑色)1.01，在2.5%應變(紅色)下1.14，在5%應變(藍色)下 1.19及在釋放(0%e；綠色)之後1.08。
儘管以上所說明的超薄且波狀電路設計提供非尋常較好的機械性質，但兩個額外最佳化提供進一步改良。在高施加應變(εappl-εpre>約10%)或彎曲程度(r<約0.05mm)下所觀察到的支配性故障模式係(i)該等裝置層之分層及/或(ii)該等金屬互連之斷裂。解決該些故障的一設計修改涉及在該等完成電路之頂部上沈積一囊封層。圖4解說一代表性佈局，其包括在一超薄Si-CMOS/PI電路之頂部上的一PI薄(約1.2μm)層。如在圖4A中緊密包覆於一顯微鏡蓋玻片(厚度約100μm)之邊緣之上的PI/Si-CMOS/PI電路內所展示，所得系統係極端可彎曲，故吾人將其稱為「可折疊」。甚至在此組態下，該等反相器係可操作且展現較佳電氣性質(圖12)。此類可折疊性係藉由頂部PI層之兩個主要效應來實現：(i)其較佳黏著及囊封該等下面層防止其分層及(ii)其將該等金屬互連定位於該中性機械平面處而未將此平面從在該等電路之其他區域內的該等矽層中移出(圖12)。此類設計還可併入可延展、波狀組態內以實現可延展性/可壓縮性。然而該等可延展系統呈現另一挑戰。如先前所提及，該Si-CMOS/PI/PDMS之可彎曲性較強地受到該PDMS之厚度的影響。在此範例中同時可延展且高度可彎曲之系統要求使用薄PDMS。在使用一薄PDMS基板時鬆弛預應變會導致系統之一不必要、整體翹曲而不是形成波狀電路結構。此回應由於薄PDMS之極低彎曲硬度而發生，與PI/Si-CMOS/PI相比，其進而由於其較小厚度及極低模數之組合 效應所導致。中性機械平面概念可避免此問題，其涉及在該PI/Si-CMOS/PI/PDMS系統之頂部上添加一PDMS補償層。圖4B解說此類型的完全最佳化、雙中性機械平面佈局(即PDMS/PI/Si-CMOS/PI/PDMS)及其延展及彎曲能力。在圖4B之左下角與右小角處的光學顯微圖解說在此系統之極端扭曲及延展下所觀察到的各種組態。
在此範例中所呈現之該等策略展示可藉由使用最佳化結構組態及多層佈局，甚至使用本質上易碎但高效能無機電子材料在完全形成、高效能積體電路內達到極端機械性質(即可延展性、可折疊性)之程度。在此方案中，所需機械性質係藉由不必提供任一主動電子器件功能性之材料(例如PDMS、薄PI及其多層裝配件)來實現。此類設計提供直接整合電子與生物系統、醫學修復術及監控裝置、複雜機器零件或用於其他裝置之機械堅固、輕型包裝之可能性。
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裝置製作：該等電晶體使用摻雜的矽奈米帶用於半導體。該製作涉及三個步驟。首先，在大約550℃至600℃的一擴散溫度下經由一旋塗摻雜物(B153，Filmtronics，美國)輕度摻雜硼的一n型絕緣物上矽(摻雜2.7-5.2x1015cm-3的Si(260nm)/SiO2(1000nm)/Si)SOI晶圓(SOITEC，法國)以定義p井。藉由電漿增強型化學汽相沈積(PECVD)所形成之SiO2(約300nm)係用作一擴散遮罩。針對此微影術程序，以3000rpm旋塗AZ5214光阻(Clariant，美國)達30秒。接下來，此次在1000℃至1050℃的一溫度下，使用相同的硼旋塗摻雜物在該等p井旁邊形成高度摻雜的p型源極/汲極電極。接著，藉由使用相同的擴散遮罩及光微影術程序在950℃下使用磷旋塗摻雜物(P509，Filmtronics，美國)在該p井內部定義重度摻雜的n型源極及汲極區域。在摻雜之後，Si帶之所需結構係使用一SF6電漿(Plasmatherm RIE系統，40Sccm SF6流量，具有室壓50mTorr、100W rf功率達30秒)藉由微影及乾式蝕刻步驟來加以定義。下面SiO2係藉由濃縮(49%)HF來移除以釋放此半導體帶。該些釋放Si帶可接著使用一彈性體印模作為轉移元件以有組織陣列從該SOI晶圓轉印至該載體晶圓，其塗布PMMA(MicroChem,USA)(約100nm，以3000rpm旋塗達30秒)及聚醯胺酸(即PI之先驅物[聚醯胺酸，Sigma Aldrich](約1.2μm，以4000 rpm旋塗達60秒)的薄層。在300℃下達1至1.5小時完整固化PI之後，該等裝置之主動區域係藉由SF6電漿來隔離並使用PECVD來沈積一薄閘極氧化物SiO2(約50nm)。在該等源極/汲極接觸區域上的PECVD SiO2接著透過在由光微影術所圖案化之一光阻層內的開口藉由RIE或緩衝氧化物蝕刻劑來加以移除。用於源極、汲極及閘極電極與金屬互連之Cr/Au(約5nm/約145nm)係使用電子束蒸鍍來沈積並藉由光微影術及濕式蝕刻來加以圖案化。一均勻層SiO2(約50nm)係藉由PECVD沈積以形成一鈍化層。蝕刻掉此層以獲得接觸窗口實現與該等裝置及電路之電接觸以完成該製作。
移除超薄電路片並整合於PDMS上的波狀佈局內：在電路製作之後，在非功能面積內定義一孔陣列(其半徑為30μm且距離為800μm)以將下面PMMA曝露於丙酮下。浸沒於丙酮內移除該犧牲PMMA層以將具有PI基板之一超薄電路從該載體基板釋放。此一電路可以一獨立形式使用，或其可藉由使用轉印印刷技術來操縱並轉印至另一基板。為了形成可延展、波形佈局，將該電路轉印至一PDMS彈性體基板，其一般係藉由熱膨脹來雙軸預應變。為了增強在該電路與PDMS之間的黏著，在主動裝置之相對側處的裸露PI上沈積Cr(約3nm)與SiO2(約30nm)之薄層。表面活化可藉由曝露於UV/臭氧達3分鐘來加速。較強化學鍵結可藉由將在此SiO2層上的-OH基與該熱預應變PDMS之表面上的該等者反應來完成。在轉印印刷至該預應變PDMS上之 後，自然冷卻可使PDMS及超薄裝置收縮並將形成波狀結構。
延展測試及測量：使用能夠在任一方向上施加單軸拉伸或壓縮應變之機械彎曲級來執行。該些級直接安裝於耦合半導體參數分析儀(Agilent，5155C)之電探測站內。
輪廓之測量：為了測量波長及振幅，使用一表面輪廓儀(Sloan Dektak3)。接觸一樣本表面的一金剛石探針移動並跟隨樣本表面之輪廓並測量在不同位置處的實體表面變動。
疲勞測試：為了評估波狀電路在重複延展及釋放下的效能，執行多個循環的加熱及冷卻測試。波狀電路係加熱160℃達5分鐘並接著在每一電氣測量之前冷卻達10分鐘。
多層堆疊之中性機械平面：該中性機械平面或NMS定義該等應變為零之位置。圖7B顯示第一層在頂部而第n層在底部的多層堆疊。在一態樣中，該等不同層包括一支撐層200、一功能層210、一中性機械表面調整層220及一囊封層450及在此範例中重合功能層210的一所得中性機械表面230。在一態樣中，該功能層包含撓性或彈性裝置區域240與相對機械剛性島區域250(例如，參見圖64)。參考圖64，具有連接至一第一剛性區域280的一第一末端270與連接至一第二剛性區域300的一第二末端290的奈米帶260之一陣列提供額外裝置可延展性、可折疊性及可彎曲性。
相對於中性機械表面230之定位(由虛線所指示)，每一層之(平面應變)模數及厚度係分別表示為,...與h 1,...h n 。 該中性平面的特徵為距頂部表面之距離b，且b係給出為：
對於該等p-MOSFET及n-MOSFET區域(n=5，SiO2/金屬/SiO2/Si/PI：約0.05μm/0.15μm/0.05μm/0.25μm/1.2μm，參見圖7A中的中心圖及右圖)，圖7C顯示該中性平面之位置。其彈性模數及帕松比為=70GPa、=0.17、E metal =78GPA、ν metal =0.44、E Si =130GPa、ν Si =0.27、E PI =2.5GPa且ν PI =0.34。圖7D顯示用於金屬互連(n=4，SiO2/金屬/SiO2/PI：約0.05μm/0.15μm/0.05μm/1.2μm)之中性平面的位置，其對應於圖7A中的左圖。
對於圖4A中所示之該等PI層所夾置之Si-CMOS，圖7E顯示用於該等p-MOSFET及n-MOSFET區域(n=5，PI/金屬/SiO2/Si/PI：約1.2μm/0.15μm/0.05μm/0.25μm/1.2μm)之中性平面的位置。該頂部PI敷蓋層將該中性機械平面朝該SiO2/Si介面移動並因此降低分層之裝置故障。圖7F顯示用於金屬互連(n=4，PI/金屬/SiO2/PI：約1.2μm/0.15μm/0.05μm/1.2μm)之中性平面的位置。該頂部PI敷蓋層將該中性機械平面朝該金屬層之中心移動並因此降低金屬互連之故障。該頂部PI敷蓋層之厚度可最佳化以降低裝置層之分層及金屬互連之故障。
波狀系統之皺曲波長及振幅。等效張力及彎曲剛性：該等多層堆疊係模型化為一樑。其等效張力剛性為： 其中如圖S8a中所示，第一層在頂部且第n層在底部，且其模數及厚度係分別表示為,...與h 1,...h n 。等效彎曲剛性給出為： 其中b為等式(1)中所給出的中性機械平面與頂部表面之距離。
在PDMS基板上的金屬互連：針對n=4(SiO2/金屬/SiO2/PI)，由等式(2)及(3)獲得金屬互連之等效張力剛性與彎曲剛性。該PDMS基板係模型化為一半無限固體，由於其厚度比金屬互連厚約4個數量級。圖5(左圖)顯示皺曲圖案主要係一維，並因此平面外位移可表示為w=A cos(kx1)，其中x1為沿互連之方向之座標，而振幅A與波數目k將由系統之總能量之最小化來決定，系統之總能量由薄膜之彎曲及隔膜能量與基板內的應變能量所組成。此給出波數目及振幅之分析表達式為 其中為基板之平面應變模數，ε pre 為等雙軸預應變，而 為臨界皺曲應變。對於PDMS模數Es=1.8 MPa而帕松比νs=0.48，在等式(4)內的波長為96μm，其完 全符合實驗(約100μm)。
在金屬互連內的最大應變係由皺曲幾何形狀所引發之隔膜應變與彎曲應變的和。圖8A顯示在不同裝置層內的最大應變對預應變。在金屬與SiO2層內的材料應變甚至對於10%預應變仍低於1%。
在PDMS基板上的p-MOSFET與n-MOSFET：該等p-MOSFET與n-MOSFET區域(SiO2/金屬/SiO2/Si/PI，n=5)係緊靠該等非金屬區域(SiO2/SiO2/PI，n=3)，如圖8中所解說。其皺曲係耦合並因此相當複雜。在每一區域內，平面外位移具有其自己的波長與振幅，並橫跨該等區域，位移與旋轉係連續。由薄膜之彎曲及隔膜能量與基板內應變能量所組成之總能量的最小化給出在所有區域內的波長與振幅。在該等p-MOSFET與n-MOSFET區域內的波長為約140μm，其完全合理地符合實驗(約180μm)。
圖8B顯示在不同裝置層內的最大應變對預應變。在金屬、SiO2及Si層內的材料應變甚至對於10%預應變仍低於0.5%，使得該等電路可延展。
有限元素模擬：使用商用ABAQUS®套裝軟體來執行該系統之三維有限元素模型化(FEM)模擬。分別使用具有四節點多層外殼元素之八節點、六面體塊狀元素用於該基板與該薄膜。選取適當模型尺寸以對應於反相器電路元件與周圍基板，如在圖13中。實驗觀察指示，該些元件展現類似皺曲圖案且其充分遠分開以一機械獨立方式表現。由此，該等週期性邊界條件也適用於該基板之外部邊界。該 多層外殼係透過共用節點來接合至該基板表面。該底部基板之節點沿垂直方向受到約束。薄膜(Si-CMOS/PI系統)之每一層係模型化為一線性彈性材料；該軟、彈性體基板係模型化為非壓縮性超彈性材料。此超彈性材料模型使用新虎克(neo-Hookean)組成定律，其以一簡單方式說明應力應變關係非線性。
該等模擬係執行以確切同時對應於該等材料佈局以及用於該等超薄CMOS電路之製作程序。該皺曲模式形狀係由具有一多層薄膜(Si-CMOS/PI系統)與一軟PDMS基板之三維模型之擾動分析來加以決定。在幾何形狀擾動所引入之一缺陷的影響下，該基板(不具有該薄膜)由於溫度(熱負載)之一增加而膨脹。當溫度到達160℃(約3.9%應變)時，將該多層薄膜(外殼元素)接合至該PDMS基板(固體元素)。隨著溫度減少，模擬顯示該薄膜隨著該基板而皺曲，與非線性皺曲分析一致。此模型要求大量元素來達到合理較佳的準確度。目前模型包括約200,000個元素且大得足以容納皺曲波。皺曲圖案、波長及振幅及其空間分佈可從此分析中發現。該些模擬洞察皺曲圖案之形成、薄膜之力學行為及結構之嵌套階層。
範例2：基於可壓縮矽光電子器件之半球形電子眼相機。人眼表示一突出成像裝置，其具有許多有吸引力的設計特徵。1,2其中著名的係一半球形偵測器幾何形狀，類似於許多其他生物系統中所見到者，其使用簡單、較少組件、成像光學器件來實現寬視野與低像差。由於存在用於 製作此類系統之圖案化、沈積、蝕刻、材料生長及摻雜方法之本質上平面性質，使用已建立光電子技術極難達到此類型組態。此範例提供避免該些明顯限制之程序及相關系統。該些裝置及程序用以基於單晶矽技術來產生高效能、半球形電子眼相機。該方案使用採用非尋常、二維可壓縮組態所形成的晶圓級光電子器件與能夠將最初製作該等系統所採用之平面佈局變換成半球形幾何形狀用於其最終實施的彈性體轉移元件。本文中所提供之程序連同其相關聯力學之計算分析提供用於整合良好發展平面裝置技術至複雜曲線物體之表面上的實用途徑，適用於無法使用習知構件解決之不同應用。
在非平面表面上實施電子及光電子系統之能力不僅有用於半球形相機及其他種類生物啟發性裝置設計，而且用於保形整合於生物系統上或內作為監控裝置、修復術及其他。遺憾的係，現有技術僅已針對剛性半導體晶圓或玻璃板且在最近工作中平坦塑膠片之表面而發展。沒有一者適用於此處所期許之應用種類，因為需要機械應變來完成平面至半球形幾何變換，例如對於小型眼睛型相機多達約40%，大大超過所有已知電子材料之斷裂應變(例如數百分比)，特別係最良好發展無機物3,4，甚至在波狀結構佈局中亦如此。用以阻止該些限制的一策略涉及調適所有半導體處理及微影術以直接用於曲線表面上。甚至一丁點此類型的多方面努力(例如在此類表面5-14上的微影圖案化，其具有位準解析度及多層對準開始靠近該等可在平面表面上 輕易達到者)也要求解決極困難的技術挑戰。儘管基於平面片之塑膠變形15,16、小晶片之自裝配17,18及彈性隔膜之折疊19,20的一些工作已顯示一些前景，但每一者均具有若干缺點且全部均要求在一半球形或曲狀表面上執行某些處理步驟。部分由此，沒有一者已用以達到此處所期許之相機類型。此範例引入通往曲線光電子器件及電子眼成像器之一途徑，其開始於完全已建立電子材料與平面處理方案以在允許完全可壓縮性/可延展性至較大位準應變(約50%或更多)的非尋常設計中在平坦、二維表面上建立光電子系統。此特徵實現幾何變換(即保形包覆)平面佈局至幾乎任意曲線形狀。此範例使用一半球形、彈性體轉移元件以完成與在一被動矩陣佈局內所裝配之單晶矽光二極體與電流阻隔p-n接面二極體之一電互連陣列之此變換。當組合成像光學器件與半球形外罩時，所得半球形焦平面陣列產生具有相當於人眼之整體大小及形狀的電子相機。實驗展示及理論分析揭露該些系統之關鍵態樣。
圖14示意性解說在製作中的主要步驟。該程序開始於藉由在具有匹配曲率半徑(約1cm)之相對凸及凹透鏡之間的間隙內澆鑄並固化一液體預聚物至聚(二甲基矽氧烷)(PDMS；Dow Corning)來形成一半球形、彈性體轉移元件。用以保持該些透鏡之一特殊設計治具還在所得PDMS件周長周圍提供一凸起邊。此轉移元件安裝至一機械夾具內，該機械夾具提供十個獨立槳臂之協調徑向運動，每一槳臂插入於該邊內。向外平移此徑向拉緊級之該等臂擴展 該半球。在充分大拉緊下，在該PDMS內的相關聯可逆、彈性變形將此半球變換成一「鼓面」之平面形狀，使得在該PDMS內的所有點均處於雙軸張力下。膨脹程度與下面力學決定此張力之整體量值。單獨地，習知平面處理在一絕緣物上矽(SOI；Soitec)晶圓上形成一被動矩陣焦平面陣列，其係由單晶矽光偵測器、電流阻隔p-n接面二極體、用於互連之金屬(Cr/Au/Cr)所組成，使用聚合物(聚醯亞胺)之膜來支撐某些區域並囊封整個系統。一重要設計特徵係使用細窄線來連接最近相鄰像素元件；該些結構促進在該系統內的彈性可壓縮性，如隨後所說明。藉由以留下聚合物支柱所支撐但另外在下面矽「處置」晶圓上方凸起之焦平面陣列的一方式使用濃縮HF進行蝕刻來移除該SOI晶圓之埋入氧化物層完成裝置處理。使用已建立處理技術在剛性、平面基板上製作該等互連像素陣列避免在軟電子器件中時常碰到的限制，例如對準。
正對著此晶圓接觸在其拉緊、平面「鼓面」形狀下的該轉移元件並接著將其剝離抬起該焦平面陣列，透過非特定凡得瓦(van der Waals)相互作用使其黏著至該彈性體之軟表面。21,22在下一步驟中，將該拉緊級之葉臂向內移動至其初始位置引起該彈性體大致鬆弛回到其初始半球形形狀，但具有一略微(對於此處所調查之系統約10%)更大曲率半徑。在此程序中，壓縮力作用在該焦平面陣列上以使該等像素元件靠近在一起，具有對應於明顯壓縮應變之量值(即取決於拉緊多達10至20%)。使用概念上類似於可延 展半導體帶中相關回應之一力學，該等窄細連接線藉由從該彈性體之表面局部分層以採用在該等末端上由該等偵測器像素所釘住之弧形來容納該些較大應變(即在該等互連內所容納之應變係更大且多達約30至40%)。23此程序允許完成平面至球形幾何變換而不在該焦平面陣列之該等主動組件之任一者內建立實質應變，如隨後所論述。依此方式使用該焦平面陣列「上墨」後，該半球形、彈性體轉移元件接著實現轉印「印刷」至一半球形玻璃基板上，該半球形玻璃基板具有一匹配曲率半徑並塗布一光可固化黏著劑(NOA 73，Norland)之一薄層。將所得系統安裝於具有至外部控制電子器件之匯流排線的一印刷電路板上，建立電連接至沿該偵測器陣列之周長定位的接針輸出，並整合裝有一簡單成像透鏡之一半球形帽蓋完成該半球形電子眼相機。
圖14中所概述之製作方案可應用於具有幾乎任意材料種類及裝置的平面電子器件及光電子技術(例如，複雜相機、視網膜植入)，假定其併入適當組態的可壓縮互連。該策略之一關鍵優點係該程序(即該等像素陣列自身之形成)之最勞動密集部分係完全相容於現有、平面矽裝置製造設施之能力。如使用被動矽元件(20x20μm，具有50nm厚度)與最近相鄰互連(20x4μm，具有50nm厚度)之一高密度陣列所揭露，全部出於簡化解說而設計，圖15概述此程序之力學之關鍵態樣。圖15A顯示轉印至一半球形、彈性體轉移元件之表面上的此一陣列之一光學影像，其對應於 圖14中的緊接最後圖框。從在此影像中所示之結構之均勻度證實在該程序上的高位準設計控制。圖15B呈現從圖15A中樣本所收集的該陣列之一較小區域之一掃描電子顯微圖(SEM)。可清楚看見負責可壓縮性的弧形連接。與該些類型連接之轉印及形成相關聯的該等良率可較高；在圖15B中僅呈現約5個缺陷，其針對此視野對應於>90%的一良率。圖15C顯示在一類似轉印陣列內的元件空間分佈。基於板理論23並使用已建立有限元分析技術24-26的一簡單力學模型顯示如何將該等矽元件從平坦映射至半球。如圖15C中所示，該些模型所給出之像素位置完全符合該等實驗而無參數擬合。該些力學模型指示橫跨整個面積局部間距的極小(約3%)變化(最大值至最小值)，在此數量上具有平滑、確定性變動。相對均勻間距比在鬆弛該PDMS之前的初始值小約10%。如同於該程序之力學之此部分，在相鄰單位單元之間的窄細互連所提供之可壓縮性之性質可透過理論分析來加以理解。圖15D之SEM提供圖15A及B中所示之陣列之一高度放大圖，分析結果採取該等弧形與該等應變分佈之重疊的形式。該等弧形連接之平面外位移w採 取形式，其中A為振幅，x為沿連接之位置而 L為在相鄰像素元件之間的橫向分離距離；如在預製平面組態中所測量，此距離為L0=20μm。最小化在該等連接條內的隔膜及彎曲能量產生用於振幅的一分析表達式 ，其中臨界皺曲應變εc係由εc=π 2 h 2/(3)給 出，其中h為厚度；針對此處所示之系統，其值為0.0021%。對於L=17.5μm，振幅A=4.50μm完全符合該等實驗A=4.76μm。在該等連接內的最大應變為約0.5%，實質上低於用於矽的斷裂應變。力學模型還揭露在該等方形矽元件內應變及位移之分佈。如圖15D中所示，如同應變εxx與εyy(<0.08%)，最大平面外位移係極小(<0.1μm)。在Si元件內的應變εxx在x方向上的該等互連附近到達峰值，而εyy峰值在y方向上的該等者附近發生。
圖14及15中所概述之方案及相關聯力學可應用於具有幾乎任意材料種類及裝置之平面電子器件及光電子技術，假定其併入適當組態的可壓縮互連。圖16描述實施用於此處所說明之相機的設計。在陣列內的每一像素支撐兩個裝置：一光偵測器與一pn接面二極體，其係單石形成於一單一片單晶矽(500x500μm；1.2μm厚)內，該片單晶矽具有一聚醯亞胺敷蓋層(560x560μm；1-1.5μm厚)；該第一裝置提供局部光偵測；該第二者實現用於被動矩陣讀出的電流阻隔及增強隔離。吾人將該些裝置分別稱為PD(光二極體)與BD(阻隔二極體)。在該等BD之每一者上方的金屬層為其遮蔽光，由此移除其光回應。此金屬、該兩個裝置及該等電互連之佈局係解說於圖16A之「分解」示意圖中。該等像素至像素互連由在以習知方式旋鑄並圖案化之聚醯亞胺薄層(360x110μm；1-1.5μm厚)上的圖案化金屬薄層(360x50μm寬度；Cr/Au/Cr 3/150/3nm厚)所組成。
圖16D、16E內的SEM影像顯示轉印至一半球形、彈性體 轉移元件之表面上的PD-BD像素之一16乘16陣列，其對應於圖14中的緊接最後圖框。可清楚看見實現平面至半球形變換之弧形互連。與該轉印程序及該些類型可延展連接之形成相關聯的該等良率係較高；在該等16乘16陣列之情況下100%的像素及互連已可再造地轉印。還已展現大於95%的良率用於轉印被動矽元件(20乘20μm，具有50nm厚度)與最近相鄰連接(20乘4μm，具有50nm厚度)之更高密度陣列(參見圖52)。
在該轉印程序期間，明確而言在該彈性體轉移元件之平面至半球形變換期間產生在該等成像陣列內的明顯機械變形。已發展基於板理論及使用已建立有限元分析技術確認的簡單力學模型來決定在該轉印程序期間的像素空間分佈，以及在該等互連及矽像素中應力及位移之分佈。該些模型指示，在該半球形表面上的該等成像陣列具有1)極小局部間距變動(約3%最大值至最小值)及2)相對均勻的間距比該平面預製幾何形狀內的該等陣列小約10%。此外，針對在該些系統內所觀察到的約20%互連長度變化(約10%間距變化)，該等力學模型預測在該等Si像素內約0.01%的最大應變與在該等弧形互連之金屬內的約0.3%。圖16C呈現在一半球形玻璃基板上的一完成陣列之一光學影像，其對應於圖14中的最後圖框。從可轉印至該半球形基板之該等結構之均勻度中證實在該製作程序的高位準設計控制。
圖16B顯示在一半球形偵測器陣列內的一代表性個別像素之電流/電壓回應(黑色實曲線：在黑暗中；紅色虛曲 線：曝露於光)，該像素透過在該16x16陣列之周長處的接觸墊經由列及行電極來定址。針對在平面成像陣列內的個別像素達到類似的回應。關鍵特徵係較強光回應(主圖框)、極低反向偏壓電流(右插圖)及在被動矩陣定址中在像素間的較低串擾(右插圖)。圖16C顯示在一半球形玻璃基板上的一完成陣列之光學影像。左上角及右上角插圖分別提供該陣列之部分之電路示意圖(紅色：PD；黑色：BD)與一放大圖。如應用於圖16中所示之裝置的用於該Si系統之力學模型(圖15)針對在該些系統內所觀察到的約12.5%連接長度變化給出約0.01%的Si內的最大應變(εxx或εyy)。在該等弧形互連之金屬內的最大應變為約0.3%。
透過一撓性陰影遮罩在該玻璃基板之邊緣之上蒸鍍金屬提供至在該被動矩陣陣列之周邊處的該等列及行接點的電連接。該些連接導致在一印刷電路板上的預圖案化線，其終止於一34接針連接器內，該連接器提供一帶狀電纜介面至一電腦，該電腦具有用於該相機獲取影像之特殊設計軟體。所得系統顯現於圖17A中。目前，連接該像素陣列之周邊至單獨控制電子器件的該等電極線限制良率並在像素計數上設定實用邊限。由於未最佳化的手動系統，從該像素陣列之周邊至該印刷電路板的該等互連可對準至±200μm的一準確度。整合配備提供成像光學器件之一簡單、單一元件透鏡的一半球形帽蓋完成該相機，如圖17B、C之影像中所解說。
圖17D、E顯示使用此設計之一相機(「半球形電子眼相 機」)及在一習知平面佈局中的一類似者所收集之一測試圖案之一影像，其在具有該等焦平面陣列之幾何形狀的表面上呈現為灰階表示。該些結果實施從生物學調適以克服有限解析度及像素缺陷的一策略。特定言之，隨著該等相機移動(在平面情況下平移，而在半球形情況下旋轉)，收集一影像序列。圖17D、E之影像對應於依此方式所獲得的來自一些像素的個別影像之組合集。
圖17F顯示使用圖17A至C之半球形電子眼相機所收集之影像。用於該些結果之光學設置使用準直綠光(Ar離子雷射)來照明在一透明膜上的一印刷圖案。所發射的光穿過一簡單平凸透鏡(直徑=25.4mm；焦距=35mm)以在該半球形相機上形成一影像(參見圖31)。圖17F之左圖框顯示對於標準視力檢查表之頂部兩列之一影像的情況該相機之直接輸出。儘管清楚解析該等字母之形狀，但由於在該些相機內相對較低的像素數目，未準確地表示更小文字之精細空間特徵。影像品質可藉由實施從生物系統調適的一策略來加以改良，其中隨著相機相對於物體在θ與φ方向上偏心旋轉，收集一影像序列。使用利用本文中所說明之力學模型所預測之在半球形表面上的像素位置，重建產生高解析度影像。圖17F之右圖框係藉由以0.4°增量快速掃描一較小範圍角度(在θ與φ兩者方向上從-2至2°)所獲取的一圖像。
如圖53A至B中所示，可使用此簡單掃描方案(在θ與φ方向上從-2至2°，0.4°增量)高解析度地獲得甚至更複雜的圖 像。檢查該等影像表明，與此程序相關聯之縫合誤差為<40μm，由此驗證該些模型之準確度。在該半球形相機內的該等最近相鄰像素係分離約4°，從而導致在產生平鋪圖像中的零冗餘。該些結果還展示功能像素之較高良率>99%(256中254)。提供在掃描掠過整個投影影像(在θ與φ兩個方向上從-40至40°)時從每一像素所獲取之影像，進一步展示在該陣列內的該等像素之高品質及均勻度。
此處所考量之簡單、單透鏡系統提供曲狀偵測器如何可改良相機效能的一清楚範例。使用製作裝置、光線追蹤軟體及商用相機在圖53c至53f中比較半球形及平面相機之聚焦能力。一理想成像系統將會在偵測器表面上完美地重製影像；然而透鏡會引入劣化影像品質的像差。複雜且昂貴的光學器件可為平面偵測器表面降低第三階賽德爾(Seidel)像差，但此類像差在此處相關簡單、單透鏡配置之聚焦能力中具有一明顯作用。展示聚焦能力要求非準直光源與用於一較大視野的一較寬孔徑；因而用於圖53c至f之光學測試設置使用利用鹵素燈與一高數值孔徑平凸透鏡(直徑=12mm；焦距=12mm)來後照明印刷於一紙張上的一圖案。使用濾光器將入射光波長限制至約620-700nm最小化來自色差之貢獻。圖53c顯示用以計算曲線影像表面之光學配置及代表性光線跡線。所計算的表面較佳近似地對應於一迴轉拋物面(參見圖53d)且比該平面偵測器形狀更靠近該半球形偵測器。圖53e顯示投影在一平面螢幕(攝影塑膠膜)上的影像，其係在該螢幕與透鏡之間的兩個不同 距離(z；左邊，14.40mm且右邊，16.65mm)下使用一商用相機來獲得。最佳聚焦之位置隨著z減少從該影像之中心偏移至邊緣。使用一系列此類照片所估計之影像表面係類似於光線追蹤理論所預測者(參見圖53d及56)。圖53f及53g分別比較使用該等製作平面及半球形相機所獲取之影像。該半球形系統具有若干優點，包括從中心至邊緣的更均勻聚焦、一更寬視野、遍及影像之更均質強度及降低的幾何失真。該些特徵之許多者明示於圖53f、g中，甚至具有與該些特定裝置相關聯之適度位準解析度。
總而言之，此處所引入之可壓縮光電子器件及彈性體轉移元件策略係相容於高解析度焦平面陣列、其他更先進材料系統及裝置設計，以及精細基板形狀(例如非球面表面)。
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材料及方法：幾乎所有的材料及方法均使用明確設計用於此特定範例之設置，包括該等平面處理步驟及電路剝離策略之某些者、該等可壓縮互連佈局、該等半球形PDMS轉移元件、該等徑向拉緊級、該等夾具及透鏡系統、該多 工/解多工介面及電腦軟體控制且本文中作進一步說明。
焦平面陣列之平面處理：用於形成該等焦平面陣列之處理步驟序列下面顯現於表1及2中。該製作之一關鍵部分係形成在埋入氧化物之底切蝕刻(步驟34至37)期間支撐陣列之聚合物支柱。圖18突顯此處理。圖19示意性解說該陣列之佈局，並提供關鍵尺寸。圖20針對使用另外類似於該等用於該半球形系統者之設計的一平面相機之簡單系統來呈現一完整陣列之影像與單位單元之特徵之顯微圖。
製作該半球形PDMS轉移元件：澆鑄及固化程序從獲得自一商用供應商之PDMS(Sylgard 184，Dow Corning)來形成該些轉移元件或印模。圖21顯示用於此用途之治具及相對凸及凹透鏡(曲率半徑為12.9mm且直徑為25.4mm)。該凸透鏡係由PDMS所製造且由該凹玻璃透鏡所模製。圖22使用該等重要尺寸來提供半球形轉移元件之一斷面圖解。應注意在該元件之周長周圍的較大凸起邊(邊寬度為1.5、 2.0或2.5mm)。此特徵匹配在接下來所說明之拉緊級中的漿臂。圖23顯示該PDMS轉移元件在其鬆弛及拉緊狀態下的一俯視圖圖解，其重疊焦平面陣列之一比例縮放圖解。
延展該PDMS轉移元件及轉印印刷：一特殊設計徑向拉緊級提供一可再造、受控構件來將該半球形PDMS轉移元件擴展至一平坦、鼓面狀態。圖24提供基於一捲動板設計的此系統之一電腦輔助設計圖式。十個單獨在徑向方向上以一協調方式移動一數量，該數量可使用一手動旋轉級來加以控制。該PDMS元件之凸起邊安裝至該等槳上。圖25顯示該級及在該延展程序之各級中一元件之影像。參考圖25，支架110能夠可穩固地接收一印模100。力產生器120可操作地連接至支架110用於在其內所安裝之一印模上產生一力以實質上平坦化該印模(參見最右邊面板)。圖25顯示一印模，其係一半球狀PDMS轉移元件；及一力產生器120，其包含具有十個槳臂的一徑向拉緊級。圖26顯示在剝離該陣列並從該拉緊級移除之後的一影像，其對應於圖14中的緊接最後圖框。應注意，此陣列係被動矽元件(20x20μm，具有50nm厚度)與最近相鄰連接(20x4μm，具有50nm厚度)之一更高密度陣列。
量化並理解在此一陣列中該等像素之空間分佈係較重要。圖27顯示一圖框序列，其對應於吾人用以評估該些分佈之程序。一俯視圖光學影像(頂部圖框)係轉換成二進制格式(中間圖框)，從其特殊發展的軟體定位該等像素之中心並返回該等座標(底部圖框)。
整合半球形帽蓋及成像透鏡：圖28使用關鍵尺寸顯示半球形帽蓋及整合成像透鏡之斷面示意性圖解及電腦輔助設計圖式。該些組件完成該相機，但其不表示關鍵性設計組件。
使用該相機成像：將該等焦平面陣列安裝在特殊設計印刷電路板上，形成互連並整合多工/解多工電子器件及軟體控制系統實現影像獲取。對於至電路板之電連接，吾人透過在該半球形相機基板之邊緣之上垂懸的撓性遮蔽光罩來電子束蒸鍍Cr/Au。圖29顯示該等多工/解多工電子器件，而圖30提供該些系統之一電路圖。針對用以產生圖17之結果的在16乘16半球形相機內的所有像素來測量在一4V施加偏壓下的電流回應。參見圖57。已使用在範圍從明亮雷射光(514.5nm)至全黑的三個不同光強度來測試該等偵測器陣列。已針對該等光偵測像素從在最高亮度下的400至800nA的電流回應至在黑暗狀態下的0.5至2nA達到一較佳敏感度範圍。該等映射解說遍及該半球形偵測器陣列的測量回應之分佈並突顯回應均勻度(此處可看見在黑暗中具有較大電流之非理想回應的兩個像素)。該等灰階影像(例如，圖17F及圖53a、b)表示在使用等式信號=(Isignal-Imin)/(Imax-Imin)正規化之後用於每一像素的回應信號，其中Isignal為在曝光條件下的測量電流，Imax為在最明亮條件下的測量參考電流(最大電流)，而Imin為在黑暗條件下的測量參考電流(最小電流)。圖58含有在該16乘16平面相機中該等像素之一電回應特性；在具有此幾何形狀之相機中還 達到高像素良率(256個像素中3個具有一更少敏感回應)。
圖31展示用以使用該半球形偵測器來成像之光學設置。綠色雷射光(514.5nm)係透過一光纖來饋送至一光纖耦合器與一擴束器(Thorlabs BE15M)，並接著至一透明膜上，該膜具有使用一商用雷射印刷機所產生的一約1cm2面積印刷影像(1200dpi)。該透射影像穿過一平凸透鏡(Thorlabs BPX055)並至該半球形電子眼相機上。兩個旋轉馬達係用以在該偵測器之幾乎整個表面之上掃描該影像並在光軸處維持一偏心點。圖32顯示電腦使用者介面。用以使用該等相機捕捉影像之電腦使用者介面係以National Instruments LabView來編寫並顯示於圖32中。該相機之最大獲取速率(每秒約1圖框)係受到控制系統限制並可藉由添加更多複雜電子器件來加以改良。如控制電子器件所限制，用於一個別像素之最小獲取時間係決定為15ms。視訊展示使用一半球形相機之資料獲取程序，以及達到更高解析度影像所必需之偵測器旋轉。
圖54及55呈現在半球形16乘16偵測器陣列中每一像素掃描掠過整個影像時其所獲取之影像。該相機以0.5°增量在θ與φ兩個方向上從-40掃描至40°，該偵測器陣列之中心係定位於θ=0°與φ=0°處。此0.5°掃描解析度對應於在該偵測器陣列內的像素之間的約7-8個步階。功能像素之良率係較高；256個像素中僅2個(即在(列，行)位置(2,1)與(4,7)處的該等者)在成像期間具有一更少敏感回應且不應被採用。
在半球形及平面偵測器內像差/失真之比較：用於半球形及平面偵測器之聚焦能力之實驗A比較要求非準直光源與用於一較大視野的一較寬孔徑。該兩個條件允許使用非近軸且模擬攝影相機之標準操作模式之光來成像。用於在圖53c至f中進行聚焦比較之光學測試設置使用利用鹵素燈來後照明印刷於紙張上的一黑色及白色圖案。一對濾光器將入射光波長限制至約620-700nm並最小化來自色差之貢獻。該紙張輔助光從該等燈之擴散。一高數值孔徑平凸透鏡(Edmund Optics PCX NT45-083；直徑=12mm；焦距=12mm)係用以具有朝向光源之凸側的成像光學器件。透鏡至物體距離係固定在62.85mm處。
兩類型的平面螢幕係用以展示最佳聚焦表面之曲線形狀。圖56顯示使用一商用相機(Canon EOS30D，其具有一Canon Macro Lens EF 100mm f/1：2.8 USM)所獲得的在一平面螢幕(35mm攝影塑膠膜)上的該等投影影像之高解析度照片。圖59含有在以92μm增量從-460至460μm在x及y方向上掃描時使用該等製作平面相機(16乘16像素)所獲取之影像。針對在從5.85至22.05mm之範圍內變化的偵測器至透鏡(平面側)距離來收集一系列此類影像。最佳聚焦之位置隨著偵測器至透鏡距離減少從影像之中心偏移至邊緣，由此指示最佳聚焦表面高度曲狀且非平面。
該製作半球形相機(16乘16像素)還用以沿光軸在變動位置處成像此相同設置(圖60)。以0.4°增量在θ與φ兩個方向上從-2至2°掃描該偵測器，隨後進行影像重建產生高解析 度照片。所獲得的聚焦品質係遍及每一影像而一致，針對偵測器位置z16.65mm達到一最佳聚焦。與平面偵測器相比，該半球形偵測器表面由於更佳聚焦、更少失真及一更寬視野而提供改良成像。
在半球形及平面偵測器中像差/失真之比較：理論：幾何光學定律允許將單一平面或曲狀物體表面完美成像至一曲狀影像平面上，儘管該影像可能失真。失真係不影響影像之銳利度並可移除的一純幾何效應。吾人使用一商用軟體程式(Rayica)執行光線追蹤以比較在該等製作半球形及平面偵測器上的失真及散焦。該等光線穿過一平凸透鏡(Edmund Optics PCX NT45-803)並至該等螢幕上。最佳影像表面的一近似係藉由將一回轉抛物面(具有一般形式z=16.65-0.105r2)擬合至最小焦點之位置(最小化強度之均方根)來加以構造，該等最小焦點係藉由在透過聚焦表面的一線上排列的一設定點物體來形成。儘管該等製作半球形偵測器及該等光學器件不匹配以達到完美成像，但觀察到在平面偵測器之上失真與散焦兩者之明顯降低。
該單一透鏡系統可能係一曲狀偵測器如何可用以改良相機效能之最簡單範例。由於引入平坦電子偵測器，已存在甚至在可能在處理之前不將偵測器所記錄之信號辨識為一影像的程度上以一整合方式設計相機之光學及信號處理兩者的一傾向。吾人期望吾人製作技術(其移除偵測器陣列為平面之設計限制)允許進行進一步最佳化。
矽元件映射至一半球上：基於板理論並使用已建立有限 元分析技術所確認的一簡單力學模型顯示如何將該等矽元件從平坦映射至半球。圖33解說矽元件至一半球之映射。先將一半徑R之PDMS半球形帽蓋(圖33A)延展至一半徑r1之平板(圖33B)，其進一步延展至半徑r2(圖33C)以轉印大小LSi與間隔L0的矽元件(圖33D)。張力釋放先導致一半徑r1 '之大致平坦板(圖33E)，且進一步釋放導致一半徑R'之新半球(圖33F)。
已經由有限元素方法來研究以上映射程序。外殼元素係用以模型化該PDMS半球形帽蓋。圖34A顯示用於圖33A中PDMS半球形帽蓋之原始網目，而圖34B顯示在將該半球剛平坦化至一板時(在變形半球之邊緣大致到達與板中心相同高度時)的變形網目，其對應於圖33B。圖34C中所示的在平坦化板內的(軸對稱)應變分佈清楚地表明子午線應變可忽略不計(<<圓周應變)，εmeridional 0。此給出該半球之弧長Rφ與該平坦化板之半徑r1相同。
Rφ=r1。
此藉由圖34D中所示之有限元素分析來加以驗證。接著 圓周應變係給出為，其完全符合該有限元 素分析，如圖34C中所示。
由於圖33C中進一步延展所引起之額外應變係遍及該板而均勻。在圖33D內的矽元件的轉印不引入任何應變。
由於矽之楊氏模數(130GPa)比PDMS之楊氏模數(2MPa)硬5個數量級，故在矽元件內的該等應變係相當小，從而防止在該等矽元件底下的PDMS在鬆弛至圖33E所示之平坦 級期間釋放。對於未由該等矽元件所覆蓋之PDMS，其長 度從L0降低至。因此，在圖33E中的鬆弛板之半徑變成 對於在圖22內的半球形PDMS轉移元件且LSi=500μm，L0=420μm，以上公式給出r1 '=7.83mm，其完全符合該有限元素方法藉由該外殼來模型化該PDMS及矽所獲得之半徑r1'=7.71mm。圖35A顯示該平坦、鬆弛PDMS及矽之變形形狀。
為了進一步釋放至該半球形帽蓋(圖33F)，圖35B給出該半球形、鬆弛PDMS及矽之變形形狀。其大致為由於矽元件之硬化效應而具有略微更大的半徑R'=13.4mm的一半球。力學分析給出新半徑 其為R'=14.3mm，其完全合理地符合該有限元素分析，其 中為該等矽元件在該PDMS表面上的面積分率，且N 為矽元件之數目。
圖36顯示藉由圖33中示意性解說之映射程序之有限元素方法所獲得之影像。圖61顯示如該力學模型所預測且如在製作(參見圖27)期間所測量在轉印至一半球形PDMS元件之一16乘16陣列內的元件之空間分佈。由該力學模型所給出之像素位置完全符合該等實驗而無參數擬合。該些力學模型指示橫跨整個面積局部間距的極小(約3%)變化(最大 值至最小值)，在此數量上具有平滑、確定性變動。相對均勻間距比在鬆弛該PDMS之前的初始值小約10%。
在矽元件之間的弧形連接：還可透過理論分析來理解藉由相鄰單位單元之間的窄細互連所提供之可壓縮性之性質(參見圖37)。圖37中的SEM影像提供在轉印至一半球形表面之一高密度被動Si陣列內的一單位單元之一高放大圖(從圖52)；虛擬分析採取該等弧形及該等應變分佈之色彩重疊之形式來提供結果。在圖37A中所示在矽元件之間的連接之弧形可表示為該等弧形連接之一平面外位移ω，其採 取形式：，其中A為振幅，x為沿連接之位置 而L為在相鄰像素元件之間的橫向分離距離。距離L0=20μm係在預製平面組態下測量。此等式滿足在兩端處的消失位移及斜率(x=±L/2)。該平面內位移可接著從力平衡獲 得。該些給出彎曲能量與隔膜能量 。能量最小化給出振幅 A，產生用於振幅之一分析表達式，其中臨 界皺曲應變εc係給出為εc=π2 h2/(3Lo 2)，其中h為厚度；對於此處所示之系統，其值為0.0021%。對於L=17.5μm，振幅A=4.50μm完全符合該等實驗A=4.76μm。在該等連接內的最大應變為約0.5%，實質上低於用於矽的斷裂應變。
矽元件內的應變分佈：力學模型還可揭露在該等方形矽元件內的應變分佈與位移。如圖37B中所示，在連接中的平面外位移將彎曲動量M(及軸向力F)強加至模型化為二維 板的該等矽元件。在該等矽元件內的彎曲能量係經由板理論根據其平面外位移w來獲得。該PDMS基板係模型化為經受表面位移w的一半無限固體，且其應變能量還根據w來獲得。位移w可擴展至傅立葉(Fourier)級數，該等係數藉由最小化總能量來加以決定。在矽元件的該等彎曲應變可接著從該等曲率獲得，該等曲率為w的第二階導數。顯示與該等彎曲應變相比由於軸向力所引起之應變可忽略不計。如本文中所說明之虛擬實驗所決定，如同應變εxx與εyy(<0.08%)，最大平面外位移係極小(<0.1μm)。在Si元件內的應變εxx在x方向上的該等互連附近到達峰值，而εyy之峰值在y方向上的該等者附近發生。
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圖46至51概述一種用於藉由逐層圖案化並印刷來製造一多層功能層裝置之程序。
範例3：具有單石整合可延展波狀互連之CMOS積體電路。
呈現包含藉由窄金屬線及聚合物橋接結構所機械且電連接之超薄主動裝置的可延展CMOS電路。此佈局連同在該等關鍵性電路層附近定位該中性機械平面之設計產生應變 獨立電氣效能及電路整合之現實路徑。機械及電氣模型化及實驗特性揭露該些系統之下面物理特性。
可延展電子器件正作為可能對於各種應用較有價值之一技術而新興，諸如保形個人或結構健康監控器及半球形偵測器陣列。此類裝置無法使用習知以晶圓為主的電路或甚至使用提供簡單機械彎曲性之最近系統來完成。目前，存在兩個方案用於經由使用彈性體基板來實現可延展性：一者使用剛性裝置島，其藉由單獨製作的可延展互連來加以互連；另一者利用完全可延展裝置及積體電路系統。前者的一缺點係，由於該等製作程序之性質，大規模整合可能較困難。後者受到可能由於與延展相關聯之應變所引發的略微裝置特性變化影響。此處吾人呈現一方案，其以自然併入每一者之強度的一方式來組合該兩個概念。該些系統包含形成於超薄撓性塑膠支撐物上的完整積體電路，該等支撐物係以隔離該等互連及機械橋接結構之一方式來加以圖案化。接合至一預應變橡膠基板，隨後鬆弛此預應變導致具有單石整合、可延展「波狀」互連及橋之系統。延展之機械回應主要涉及僅在該些互連及橋內的變形，由此避免該等主動裝置之區域內的不必要應變。吾人透過基於單晶矽之可延展互補型金氧半導體(CMOS)電路之綜合機械分析及電氣特性來展示該些概念。
圖62A顯示使用源自本文中所提供之該等者的程序，對於CMOS反相器邏輯閘之情況來製作此類型系統之一示意性圖解。該半導體由單晶矽之摻雜奈米帶所組成，該等奈 米帶係轉印印刷至一載體晶圓上，該載體晶圓塗布具有厚度100nm與1.2μm的聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA，MicroChem，USA)與聚醯亞胺(PI，Sigma Aldrich，美國)之一雙層。接著使用習知半導體程序來製作閘極介電質、源極、汲極及閘極電極及適當互連及通孔。使用一PI層(約1.2μm)之一層來旋塗所得電路將該等電路層定位於該複合結構之中性機械平面附近。接下來，使用光阻與SiO2作為遮罩層之一反應性離子蝕刻程序移除該PI囊封劑、基板及下面PMMA層之區域，以隔離該等互連線來定義結構橋並建立圓形開口之一週期性陣列。該些開口促進使用丙酮溶解該PMMA，以釋放「分段」超薄電路。將Cr/SiO2(3nm/30nm)沈積至剝離電路之背側實現共價鍵結至一件預應變聚二甲基矽氧烷(PDMS，Dow Corning，美國)，其表面係藉由曝露於紫外線引發臭氧下來加以化學活化。該PDMS之熱膨脹(至160℃)提供約3.9%的雙軸預應變。釋放該預應變導致在該等窄互連及結構橋內形成「波狀」結構，如圖62A及62B之第二圖框中所示。含有該等活動裝置的該等「島」區域保持未大幅受擾動。圖62C提供此類型波狀CMOS反相器之一放大圖，其清楚顯示具有波狀金屬及PI互連之平坦島區域。如圖62A之底部圖框中示意性所示，頂部層PI提供一中性機械平面設計以幫助避免與彎曲成波狀形狀之金屬相關聯的破裂。如圖62D中所示，此系統之完全三維有限元素模型化展現較佳地符合觀察。該等模擬係使用非線性有限元素分析套裝軟體ABAQUS 3來 執行以遵照與該等實驗中相同的製作步驟。
吾人在x及y兩個方向上在該些反相器上執行延展測試(圖44A)。由於該等波狀互連及橋吸收施加應變之能力，該等島不會顯示明顯變形，甚至對於局部應變3.7%亦如此。與帕松效應一致的行為還可在圖44B之變量曲線中觀察到。特定言之，當吾人在y方向上延展該PI橋時，該金屬橋經歷壓縮(且反之亦然)，使得波長從120μm減少至116μm，而振幅從17μm增加至26μm，如圖44B之頂部兩個圖框中所示。還當在x方向上延展該金屬橋時，該PI橋係壓縮，由此PI橋之波長從122μm變化至103μm且振幅從18μm變化至24μm，如在圖44B之底部圖框中。該等電氣性質係與此變形力學一致。在預製狀態下，未施加應變的情況下，該等反相器顯示具有高達約70增益的期望轉移特性，與基於個別電晶體之單獨測量的PSPICE模擬一致(圖63，左上角)。針對nMOS與pMOS裝置，該等遷移率為約310cm2/Vs與約150cm2/Vs，針對兩類型的裝置，開/關比>105(圖63，右上角插圖)。對於該等CMOS反相器，分別地對於nMOS，通道長度及寬度為13μm與100μm而對於pMOS為13μm與300μm。在各種施加應變下，該等電氣性質顯示很少變動。例如，該反相器臨限電壓對於在x方向上的約3.7%與在y方向上的約3.7%之間的應變而變化小於約0.5V，如圖63之右上角圖框中所示。並且圖63(底部圖框)顯示IV曲線，其中實線為實驗結果而虛線為PSPICE之估計模擬結果。該些應變獨立行為表示在不使用隔離互連 及橋結構之類似電路上的明顯改良，由此驗證此處所引入之設計。力學分析與該些觀察一致。對於實驗中的預應變3.9%，基於能量最小化之力學分析針對該金屬橋分別給出波長127μm與振幅18.6μm，其完全符合實驗值120μm與17μm。在該Si層內的最大應變僅為0.04%。甚至對於一遠更大的預應變10%，在該等Si、金屬及SiO2層內的最大應變分別為0.07%、0.50%及0.73%，其為其不具有隔離互連及橋結構之類似物之三分之一至二分之一。此結果發生，因為該等橋結構皺曲以容納較大預應變，從而保護該等裝置島免於皺曲並因此降低應變。並且，該頂部PI層以進一步降低應變之一方式來偏移該中性機械平面。
在圖44、62及63中的該等反相器還可以任一角度來延展。成角度延展相當於沿橋方向x及y的延展加上一平面內剪切。由於厚度(約2.5μm)遠小於寬度(約100μm)，故較大平面內剪切導致平面外「橫向皺曲」使得該等應變保持較小。此力學係關於Someya等人所說明之一以網目為主的方案之力學。在該等系統中，在網目內的支桿之旋轉及彎曲在某些(但並非全部)方向上提供較大程度的可延展性。感興趣且有用用於許多應用的此類型方案係完全相容於此處所呈現之佈局及製作方案。
此策略可不僅應用於反相器，而且還應用於更複雜的電路。作為一範例，圖45顯示三級CMOS環形振盪器及在x及y方向上的延展測試。該等電晶體之幾何形狀及PDMS預應變與用於先前所論述之反相器之該等者相同。在此電路 中，所有nMOS及pMOS島使用4個水平及3個垂直互連來加以互連，且每一環形振盪器係使用結構橋來加以連接，如圖45中所解說。振盪頻率在供應電壓10V下係約2.3MHz。隨著延展之頻率變化係小於0.3MHz，至直幾乎4%的應變(圖45C)。如同個別反相器，此位準應變獨立效能表示在先前結果上的一重要改良。
總而言之，藉由結構化在單獨報告可延展電路設計內所實施的該等類型超薄基板，可在非關鍵性區域內局部化機械變形以移除電氣效能對施加應變的任何可測量相依性。此簡單設計概念係藉由對代表性電路的力學分析及電氣測量來加以驗證。
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範例4：具有極端機械變形線性彈性回應之積體電路之材料及非共面網目設計
由於其實現新生物醫學裝置及其他無法使用習知以晶圓為主的技術或甚至提供簡單可彎曲性之該等技術滿足其要求之應用的能力，對提供高應變變形之彈性機械回應之電子系統的興趣不斷增長。此範例引入用於若干種類電子電路之材料及機械設計策略，該等電子電路提供極高可延展性，從而使其能夠容納甚至嚴苛組態，諸如具有緊密間距(例如在約1cm中90度)之螺旋狀扭曲與至「橡膠帶」位準應變(例如多達約140%)的線性延展。使用單晶矽奈米材料用於半導體在可延展互補型金氧半導體(CMOS)積體電路中提供接近具有形成於矽晶圓上之相當特徵大小之習知裝置之效能的效能。力學之綜合理論研究揭露該等結構設計實現該些極端機械性質而未斷裂該等本質上易碎主動材料或甚至引發其電氣性質明顯變化所採取的方式。如透過電晶體、CMOS反相器、環形振盪器及差動放大器之陣列之電氣測量所展示，該等結果表明通往高效能可延展電子器件的一有價值路徑。
存在若干種類日益重要的應用用於在半導體晶圓上無法以尋常方式形成的電子系統。最著名的範例係在大面積電子器件(例如用於液晶顯示器之底板)中，其中整體系統大小而非操作速度或整合密度成為最重要的渡量。由於其在耐久度、重量及運輸/使用方便方面所提供之優點，使用撓性基板之類似系統目前正成為廣泛研究及商用化努力之課題。1,2可延展電子器件表示一根本不同且甚至更具挑戰性的技術，其由於其撓曲且順應於複雜曲線表面(諸如人 體之該等表面)的能力而引起吾人興趣。存在數個有前景方案，範圍從在剛性非晶矽裝置3至在單晶矽CMOS電路4內的「波狀」佈局(兩者均在彈性體基板上)至在塑膠片5上的有機電子器件內的網狀結構。然而，無一者提供最嚴苛且最感興趣系統之一些者所要求之電氣效能、可縮放性及機械性質的組合。此處，吾人引入用於可延展電子器件之設計概念，其利用在以非共面網目設計整合於彈性體基板上之超薄、機械中性電路佈局內的半導體奈米材料(即矽奈米帶)，某些特徵受到最近報告用於將平面光電子器件變換成半球形形狀用於電子眼相機6之方法啟發。如在不同電路範例中所展示，該些理念完成可延展電子器件之一形式，其獨特地提供高效能與容納幾乎任一類型機械變形至高位準應變之一能力兩者。該等電及機械回應之實驗及理論研究闡明與此新類型技術相關聯之關鍵材料及物理態樣。
圖64(a)示意性解說用於製作一代表性系統之步驟，該代表性系統由CMOS反相器之一方形陣列所組成。整體程序可劃分成兩個部分。依據先前所說明之程序7，第一部分使用印刷方法及單晶矽奈米帶在超薄塑膠基板上定義CMOS電路。對於此處所報告之所有結果，對於p通道與n通道金氧半導體場效電晶體(MOSFET)，該等帶均分別具有厚度260nm與290nm。閘極介電質由電漿增強化學汽相沈積所沈積的一50nm SiO2厚層所組成。相同類型的膜形成用於金屬(Ti：5nm/Au：150nm)互連線及電極的一層間介 電質。該塑膠基板由一聚醯亞胺(PI)薄層(1.2μm)所組成，該薄層係由一載體晶圓(測試級矽)所支撐，該載體晶圓係塗布一聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)8膜(100nm)。具有用於電存取之蝕刻(反應性離子蝕刻：RIE)孔的一薄頂部PI塗層(1.2μm)保護該等電路並將最脆弱的組件放置在中性機械平面4附近。針對p通道及n通道MOSFET，依此方式製作之個別裝置分別展現約130與約370cm2/Vs的裝置遷移率，開/關比>106且操作電壓在<5V之範圍內。該製作程序之第二部分涉及將該等電路結構化至最終整合彈性體基板之非共面佈局內以產生具有極端機械變形之可逆、彈性回應的系統。在朝實現此結果之第一步驟中，在該系統之電子組件之間的PI/PMMA之某些區域係藉由透過一圖案化光阻層之RIE來加以移除。該結果係一分段網目，其具有分別由具有或不具有金屬互連線之薄聚合物橋所電及/或機械連接的主動裝置島。浸沒於丙酮內洗掉該PMMA層以從該載體釋放該系統。剝離該圖案化電路片至一聚(二甲基矽氧烷)(PDMS)厚板曝露其底側用於藉由透過一對齊陰影遮罩之電子束蒸鍍在該等島之位置處沈積一Cr/SiO2薄層(3nm/30nm)。將該電路遞送至一雙軸預應變PDMS基板，藉由曝露於臭氧來活化其表面導致在該等島之位置處形成較強的機械接合。類似於最近針對在收集半導體奈米帶8中控制皺曲所說明者，負責此接合之界面化學涉及在SiO2上的氫氧基與PDMS4之間縮合反應以形成-O-Si-O-結合。釋放預應變導致壓縮力，其引起該等連接橋垂直剝離 PDMS，由此形成弧形結構。吾人將此佈局稱為一非共面網目設計。與該等裝置島相比，該等橋之此平面外機械回應之局部化部分由於其對PDMS之較差黏著且部分由於其較窄幾何形狀及較低彎曲硬度而導致。(此後者態樣允許甚至不使用圖案化SiO2黏著層來形成類似結構。)圖64(a)及圖64(b)之底部圖框顯示示意性圖解及掃描電子顯微鏡(SEM)影像。在此格式中，根據允許複雜扭曲、剪切及其他種類變形可能要求的，可在同時在電路之平面內及平面外在任一方向或方向組合上延展或壓縮該系統至高位準應變(多達100%，且在一些情況下更高，如隨後所說明)。圖64(b)及64(c)之頂部圖框顯示若干影像，其解說在使用一厚度約1mm PDMS基板與一預應變約17%之電路內的該些能力之一些者，如在相鄰裝置島之內邊緣之間的分離變化所定義。對於實際應用，此類系統以不明顯改變該等機械性質之一方式來塗布一PDMS保護層，如隨後所主張。為了方便成像及電探測，下列所說明之電路係未全部囊封。
與施加沿該等橋之方向所定向之拉伸或壓縮力相關聯的變形之物理特性係類似於在圖64之電路製作程序中鬆弛預應變中所涉及者類似。該橋隨著壓縮或延展該系統而分別向上或向下移動(分別對應於末端至末端長度增加或減少)。另一較不明顯特徵係，該些橋之薄、窄構造還實現其以可容納更複雜應變分佈之方式來扭曲並剪切。圖64(c)針對在一複雜、扭曲變形下一系統之不同區域顯示一些代表性情況(隨後更詳細地說明)。基本力學係類似於PDMS 所囊封之系統之基本力學。例如，如圖64(b)之底部圖框中所示，計算指示可施加至該系統之最大應變由於添加PDMS之一約1mm保護膜而降低僅約2.5%。
該些設計導致大幅獨立於應變之電子性質，甚至在諸如圖64(b)及64(c)中所解說之該等者的極端組態下亦如此。此特徵可針對使用機械級之自訂裝配件所引發之各種、良好定義機械變形透過在系統上的裝置及電路測量來明確展示。最簡單的情況對應於在平行於橋之方向上的平面內延展。此變形模式之測試係使用三級環形振盪器來執行，其中每一島支撐一n通道及一p通道MOSFET(通道寬度分別為100μm及300μm；通道長度為13μm)。在該等橋上的金屬電極形成所需互連。圖65(a)顯示對於使用一預應變約17%所製作之一系統之一典型回應之光學顯微圖。隨著在x方向上延展，沿x定向的該等橋逐漸平坦化，而沿y的該等者由於帕松效應而略微上升，且反之亦然。圖64中所描述之策略之一關鍵性態樣係該等非共面結構容納與該製作程序及可在使用期間發生之變形相關聯的幾乎全部應變的能力。
此機械隔離可透過在該電路內的金屬層之厚度透過在頂部及底部表面及中點處的拉伸應變分佈之有限元素模型化(FEM)分析來清楚地看見(圖65(b)。對於該中間層，所有面積由於該中性機械平面設計而經歷幾乎零應變。遍及厚度且在該等島之所有區域內的可忽略不計應變導出自在該非共面網目佈局內的該等橋/互連所提供之應變鬆弛。對 於此範例，島之分離變化(即，預應變)為約17%，其對應於系統位準應變約11%，如距相鄰裝置島之外部邊緣之距離之變化所定義。基於能量最小化之力學分析(補充資訊)針對445μm長的橋給出一振幅116.3μm，其完全符合實驗值約115μm。針對該等橋及島內的金屬層所計算之最大拉伸應變分別為約0.11%與約0.01%，而在該等島之Si層內者為約0.01%。該些值係全部遠小於在該些材料內的斷裂應變(約1%)。圖65(b)之有限元素分析結果係與此分析一致。對於在-40%(即壓縮)與17%(拉伸)之間的施加應變，其對應於一應變範圍57%，由該非共面網目佈局所提供之機械優點係約180，如系統位準應變與峰值材料應變之比率所定義。在該些振盪器上的測量顯示在該些應變條件下的良好表現回應且其他者在中間。在此範例中此處及別處所報告之該等電路及個別裝置的該等觀察頻率(約2MHz，圖65(c))及其他性質係與該等在從該載體基板移除(圖64(a))之前在該初始平面組態中所測量者相當。
涉及沿一不對齊該等橋之軸之平面內延展的一有些更複雜變形模式解說該非共面設計之額外能力。此類施加應變不僅如同針對圖65(a至c)之情況引起該等橋平坦化，而且還平面外旋轉並扭曲(圖65(d))。此變形係稱為橫向皺曲11，且此變形的特徵可為一貝塞爾(Bessel)函數(用於傾斜)與一正弦函數(用於平坦化)以容納軸外延展(補充資訊)。由於此類型延展涉及明顯剪切，組合該等拉伸及剪切應變(參見補充資訊)的基本應變替代拉伸應變以說明變形之程 度。對於導致14%橋內延展及7.5%剪切的軸外延展，能量(包括扭曲能量)最小化分別在該等橋及島之金屬層內給出一最大主應變2%與0.8%，並在島之Si層內給出0.6%。如圖65(e)中所解說，該些系統之FEM模擬進一步量化下面力學。該等橋能夠吸收幾乎所有該些軸外應變之能力幾乎不相依於應變地實現極佳裝置及電路效能。作為一範例，圖65(f)顯示在CMOS反相器上所測量之轉移特性及增益(多達約100)，該等CMOS反相器係在相鄰島之間的橋上藉由電互連來形成，每一相鄰島支撐一p通道與一n通道MOSFET。並且使用個別電晶體資料，該等反相器之電氣模擬符合該等測量結果(參見圖73)。該些電晶體具有與圖65(a)之環形振盪器中該等者完全相同的佈局。儘管圖65之變形模式還可使用最近報告的「波狀」設計4來進行，但該等非共面網目佈局將可容納的位準應變增加五倍以上且其實質上降低對應變電回應之敏感度(即至靠近用於圖65之情況之測量可重複性限制的值)。在所有情況下，由與該等電子材料內較小應變與該PDMS之線性回應(多達110%應變)9的下面力學之確定性、線性彈性性質導致很少性質變化，甚至在廣泛機械循環上亦如此，如隨後所展示(圖68(e))。
部分涉及圖64中所示之組態的一極端類型變形涉及扭曲成具有緊密間距之螺旋形狀。在此類施加應變下，該等橋主要由於平面內剪切而變形，該等平面內剪切具有約厚度與長度(橋或島)之比率乘以旋轉角之一量值。此類扭曲變 形係不同於軸外延展，因為其不涉及皺曲並因此易接受線性分析。對於對應於一對橋與一島之一距離上的一90度旋轉，對於445μm長橋及260μm長島，在該等金屬及Si層內的最大剪切應變分別為0.08%與0.02%。圖66(a)之左圖框以一扭曲幾何形狀來顯示在薄PDMS內的一電路之一影像；右圖框顯示在此系統內的一CMOS反相器之一放大圖。如對於先前說明情況，FEM模擬(圖66(b))支援該等實驗觀察並揭露位準主應變在橋及島之金屬層內為0.3%。用於一環形振盪器之反相器之一互連陣列的一SEM影像(圖66(c))顯示該等扭曲橋之形狀。電氣測量指示同時針對反相器(圖66(d)之頂部圖框)與環形振盪器(圖66(d)之底部圖框)在扭曲之前及之後的穩定電氣效能。在所有情況下，該等電氣性質係與該等先前所說明的者相當。換言之，在實驗不確定性範圍內，對於此處所研究之所有組態，該等系統不為變形模式所知。
圖64至66解說用於簡單重複排列佈局實施之電路(諸如反相器及環形振盪器)之範例。可能在許多實際重要情況下要求更複雜不規則設計；該些者還可以非共面網目設計來實施。吾人針對一差動放大器10來展示此概念，其中吾人將該電路劃分成四個區段，其中每一者形成一島，其係由彈出橋上的金屬線來加以連接。在圖67(a)之左圖框內的虛方塊突顯該四個區域；在插圖內的一成角度視圖SEM影像顯示該結構。該等橋提供一力學，其概念上類似於在該等規則陣列佈局內的該等者，即使細節有些不同。由此， 此不規則電路可可逆地延展或扭曲，分別如圖67(b)及(c)中所示。圖67(d)顯示在x及y方向上延展之放大影像。電氣測量驗證該等放大器在該些變形下工作良好。用於具有一長度約2cm之一PDMS基板之0%、17% x延展、17% y延展及扭曲至一完全180度旋轉的增益分別為1.15、1.12、1.15及1.09(設計值約1.2)。還可自由變形此類系統，如圖67(f)中所示。
儘管先前所說明之材料及機械設計可在與先前展示相比更不同組態下容納更大應變，但其可能不滿足用於某些先進裝置概念之要求，諸如用於「智慧型」外科手套之電子器件，其中需要真正「橡膠帶狀」可延展性(例如至>50%應變)。用以增加可延展性而不改變組成該等電路之堆疊內的該等材料或佈局的一簡單方法涉及增加在該等裝置島之間的分離並減少該等橋之厚度。該些參數對峰值材料應變之定量效應可針對該等島嚴格剛性且保持平面之近似情況來表示為一簡單分析關係(在該補充資訊中呈現)。作為一範例，對於具有寬度/長度260μm且間隔445μm之方形島，針對從一平坦平面狀態開始施加至系統的50%壓縮應變，在具有厚度0.8μm之橋之該等表面處在該等材料內的峰值應變為1%。若在該等橋內的該等材料在約1%應變下故障(即一最壞情況情景，其中不使用中性機械設計)，則最大系統應變為50%。增加間隔至約604μm或減少橋厚度至約0.56μm均將最大系統應變改良至約100%。為了甚至進一步擴展可變形性，不增加島分佈之稀疏性，可使用蜿 蜒橋。圖68(a)顯示在實行圖64之製作程序之後此一設計之SEM影像。當沿該等x或y方向施加外部應變時，該些非共面蜿蜒橋不僅透過高度變化，而且還藉由蜿蜒形狀之幾何形狀變化來有效地補償施加應變。圖68(b)顯示針對使用35%預應變所構建之一系統一代表性裝置對多達70%之軸上延展應變之回應的影像，其中該等蜿蜒橋之變形展現可能直觀期望之組態之變化。突出地，有限元素模型化揭露，甚至至70%的延展應變，在該等橋及島內的金屬層內的峰值應變分別為0.2%與0.5%且在矽內的應變為0.15%，如圖68(c)中所指示。(該應變在該PI之某些位置內到達約3%。)為了利用該些限制，吾人使用薄PDMS基板(0.2mm)以促進延展至甚至更大應變。圖68(d)顯示對應於約90%預應變之一情況，該預應變允許延展至約140%應變並對應於約100%系統應變。與在由FEM所揭露之主動材料內的該等較小應變一致，該等電氣性質接近該等對應未應變平面系統之該等者；操作還在許多延展循環(多達1000，此處所評估)上較穩定，如圖68(e)中所指示。
最後，彈出電路之一實際應用在裝置之頂部上併入一額外鈍化層(例如「囊封層」)以保護主動區域免受不必要損壞。因此，吾人使用PDMS塗布彈出電路並在藉由流動PDMS來嵌入所有橋及島之後固化其。此額外囊封方案防止在裝置表面上的損壞。此外，該雙重中性機械平面可藉由控制頂部及底部PDMS厚度來形成，從而為撓曲4提供額外機械強度。甚至在此囊封之後，延展性仍不會太多變 化，除了由於在固化PDMS內部的受限制變形所引起的橋上略微更大應變外。然而，使用具有極低固化劑含量或不具有固化劑之低模數PDMS，可最小化此囊封差異。
共同地，此處所呈現之結果提供用於提供極佳電氣效能與在不同組態下彈性變形至高位準應變之能力兩者的電路的設計規則。在許多情況下，相同理念可有利地用以其他習知剛性、平面技術中，諸如光伏打、微流體、感測器網路、光子器件及其他。該些及相關類型系統獲取使用其他方案無法解決之許多重要新應用。
方法 摻雜矽奈米帶之製備
摻雜矽奈米帶之製備開始於在絕緣物上矽(SOI)晶圓上摻雜頂部矽：使用p型SOI晶圓(SOITEC，法國)之nMOS源極/汲極摻雜與使用n型SOI晶圓(SOITEC，法國)之pMOS源極/汲極摻雜。此程序使用電漿增強化學汽相沈積(PECVD)二氧化矽(SiO2)用於一擴散光罩，使用光微影術及使用CF4/O2氣體之RIE用於圖案化，對於p型在1000至1050℃下旋塗並高溫擴散硼旋塗摻雜物(B153，Filmtronics，美國)及對於p型在950℃下磷旋塗摻雜物(P509，Filmtronics，美國)。在摻雜之後，藉由光微影術與RIE來定義帶；其係藉由移除該等SOI晶圓之埋入氧化物層從母晶圓釋放。該些摻雜奈米帶係藉由PDMS拾取並轉印印刷至一載體晶圓用於電路整合。
可延展電路之製作
將摻雜n型及p型奈米帶循序轉印印刷至一載體晶圓，其塗布PMMA薄層(約100nm)作為一犧牲層與PI(約1.2μm)作為一超薄基板。在轉印印刷之後，沈積50nm PECVD SiO2用於閘極介電質，使用緩衝氧化物蝕刻劑來蝕刻用於源極及汲極之接觸窗口，蒸鍍並圖案化150nm金屬電極並旋鑄另一PI層用於鈍化及中性機械平面位置之控制。在電路製作之後，氧RIE定義網目格式。使用丙酮溶解該PMMA層將該等電路從該載體晶圓釋放。此類電路係轉印至機械預應變PDMS用於形成非共面「彈出」佈局。為了幫助定義該等彈出區域之位置，藉由透過一陰影遮罩之蒸鍍在主動島之底部上選擇性沈積Cr與SiO2薄層，以增強在該電路與PDMS之該些區域之間的黏著。
延展測試及電氣測量
使用平移級之自動化裝配件來執行延展測試，該等平移級能夠在x、y或對角方向上施加拉伸或壓縮應變。對於扭曲，使用一180°扭曲角來機械夾持該PDMS之邊緣。在拉伸或扭曲變形下時直接使用一探測站(Agilent，5155C)執行電氣測量。
該等非共面橋結構之分析計算
該橋係模型化為一複合樑。其平面外位移具有一正弦形式，其振幅係由能量最小化來決定。該島係模型化為一複合板。其平面外位移擴展為一傅立葉級數，該等係數係由能量最小化來決定。該PDMS基板係模型化為一半無限固體，其經歷一表面位移，該表面位移與島之平面外位移相 同。該系統之總能量由在該等橋內的隔膜及彎曲能量、在該等島內的隔膜及彎曲能量與在該基板內的應變能量所組成。最小化該總能量給出在橋與島內的該等位移及應變分佈。
有限元素模型化
該等系統之三維有限元素模型已使用商用ABAQUS套裝軟體來發展。分別使用具有四節點多層外殼元素之八節點、六面體塊狀元素用於該基板與該薄膜。該多層外殼係藉由共用該等節點來接合至該基板。薄膜之每一層係模型化為一線性彈性材料；該軟、彈性體基板係模型化為一不可壓縮性超彈性材料。吾人先決定該系統之本徵值與本徵模。該本徵模接著用作初始較小幾何缺陷來觸發該系統之皺曲。該等缺陷係始終小得足以確保解答較準確。該等模擬係在與積體電路系統之關鍵製作步驟相同的程序中執行。該些模擬洞察皺曲圖案之形成、薄膜之力學行為及結構之嵌套階層。
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多層堆疊之有效拉伸及彎曲硬度：
圖69顯示第一層在頂部而第n層在底部的多層堆疊。其(平面應變)模數及厚度分別表示為、...與h 1、...h n 。長度與寬度表示為L s 與w s 。該等多層堆疊模型化為一複合樑，其具有有效拉伸硬度1 與有效彎曲硬度1 其中b為在中性機械平面至頂部表面之間的距離，且由以下給出1
在島之間的非共面橋：
由圖64(b)中的SEM影像所示，從連接相鄰島之非共面橋所獲得之可壓縮性之性質可透過理論分析來理解(參見圖 69)。該等橋(n=4，PI/金屬/SiO2/PI：約1.2μm/0.15μm/0.05μm/1.2μm)係模型化為一複合樑，其具有針對n=4 從等式(S.1)及(S.2)所獲得之有效拉伸與彎曲硬度 。該彈性模數及帕松比為=70GPa、=0.17、 E metal =78GPA、ν metal =0.44、E PI =2.5GPa且ν PI =0.34。
該等非共面橋之平面外位移u採取形式 ，其滿足在兩個末端的消失位移及斜率 (x=±L bridge /2)，其中A為振幅，x為沿橋之位置，而L bridge 為在相鄰島之間的橫向分離距離。初始距離=445μm係在預製組態下測量。該平面內位移可接著從力平衡獲得。 該些給出彎曲能量與隔膜能量 。能量最小化 產生用於振幅的一分析表達式，其中 為臨界皺曲應變，且對於以上所示之系統為 0.0034%。對於L bridge =370μm，以上分析表達式給出振幅A=116.3μm，其完全符合實驗A=115μm。在橋之金屬層內的對應最大應變為約0.11%，其實質上低於用於該金屬之斷裂應變。
在島內的應變分佈：
該等島(n=5，PI/金屬/SiO2/Si/PI：約1.2μm/0.15μm/0.05μm/0.25μm/1.2μm)係模型化為一複合樑，其具有針對n=5從 等式(S.1)及(S.2)所獲得之有效拉伸硬度與有效彎曲 硬度。超出該等以上給出者的額外彈性性質為 E si =130GPa與ν Si =0.27。
力學模型給出在該等島內應變及位移之分佈。如圖70(b)中所示，在橋內的該等平面外位移將彎曲動量M(及軸向力F)強加至該島。在該島內的彎曲能量係經由板理論根據其平面外位移u來獲得。該PDMS基板係模型化為經歷表面位移u的一半無限固體，且其應變能量也根據u來獲得。位移u係擴展至傅立葉級數，該等係數係藉由最小化總能量來加以決定。在該等島之每一層內的該等彎曲應變係從該等曲率獲得，該等曲率為u的第二階導數。如同在Si層內的該等應變εyy與εzz(約0.01%)，該等最大平面外位移係極小(<0.4μm)。在Si元件內的應變εyy在y方向上的該等互連附近到達峰值，而εzz之峰值在z方向上的該等者附近發生。
軸外延展
軸外延展具有兩個效應，即沿橋方向之軸延展與垂直於橋方向之剪切。此變形係由橫向皺曲來容納，該橫向皺曲的特徵為圖S2b中所示之正弦函數(對於軸延展)與貝塞爾函數(對於剪切)。由於橫向皺曲所引起之平面外旋轉對於對稱皺曲模式採取形式 且對於非對稱模式採取形式 其中J α (x)為階α的貝塞爾函數，B為待由能量最小化所決定之振幅，且(x)採取形式 其中Hypergeom(a 1,a 2,...；b 1,b 2,...；x)為廣義超幾何函數，Γ(x)為伽瑪函數，而LommelS1(μ,ν,x)為洛默爾(Lommel)函數。此處a 1,a 2,...,b 1,b 2,...,μ,ν為用於該等特殊函數之參數。
吾人先相對於兩個振幅A及B藉由能量最小化(包括扭曲能量)來獲得用於經受軸外延展之橋的解答。接著將在該等橋/島互連處的反作用力、彎曲動量及扭矩施加至該等島以決定在島內應變及位移之分佈。
主應變：
對於經受ε yy 、ε zz 及ε yz 之結構，該等主應變為
在紙張中所呈現之主應變為ε 1。
扭曲
圖66中所示之扭曲係不同於軸外延展，因為其不涉及橫向皺曲。對於經受一扭矩M x 的圖69中所示之多層堆疊(堆疊寬度>>堆疊厚度)，僅剪切應變ε yz 存在且給出為2 其中為等效扭轉硬度且給出為 其中G i 為用於每一層之剪切模數。
對彈出互連結構之可延展性的空間效應：
圖71顯示具有長度之橋與長度之島的互連結構。該等橋在預應變釋放之後彈出且橋長度變成L bridge ，但島長度保持基本上不變，因為島之彈性剛性比橋之彈性剛性大許多倍。在該彈出結構之系統位準處的預應變接著給出 為。
假使ε fracture (約1%)表示橋材料之臨界斷裂應變，則可在該系統內施加的最大預應變給出為 其中h bridge 為橋厚度且其清楚顯示較大間隔(即)與較小橋厚度增加系統位準的最大預應變。系統之可延展性僅為+ε fracture 。
囊封情況：
該等非共面橋可藉由使用一頂部、旋鑄PDMS層之囊封來加以保護。橋及島之後皺曲分析係耦合。在每一區域內的平面外位移具有其自己的波長與振幅，並橫跨該等區域，位移、旋轉、動量及剪切力係連續。由該等橋及該等島之彎曲及隔膜能量與基板內應變能量所組成之總能量的最小化給出在所有區域內的波長與振幅。例如，對於在預應變10.7%時的一系統位準施加應變-20%，橋之振幅為196μm，而島之振幅僅為1μm。
圖72顯示在不同裝置層內的最大應變對系統位準施加應變。該囊封系統在該施加應變到達該預應變之前故障，其係不同於不具有封裝(即，預應變加上材料之斷裂應變之1%或2%)。
參考文獻
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範例5：具有用於織物、乙烯、皮革及紙張上之高效能電子器件之應變隔離層及網目佈局的超薄矽電路
構建於塑膠片、金屬箔、橡皮厚板及其他非尋常基板上的電子系統具有巨大潛力用於保形影像感測器、撓性顯示器、生物醫療裝置及其他新興應用。在此方面內的研究包 括發展有機導體與半導體材料，其極佳機械撓性及低溫可處理性對於該些系統係有吸引力的。可使用此類材料實現之裝置之特性達到電子紙張顯示器及其他重要產品，但不容易實現該等要求(例如)射頻操作者。較新的研究旨在藉由利用無機材料之薄膜或碳奈米管、石墨小板、奈米微粒、奈米線、奈米帶或奈米隔膜之裝配件用於半導體來避免此限制。使用該些材料之某些者，可構建高效能電路，其不僅可彎曲，而且在一些情況下可逆延展，具有100%或更多的壓縮及拉伸應變之彈性回應。一延展性方案依賴於採取皺曲或波狀形狀之半導體隔膜或帶，該等形狀容納具有類似於一手風琴風箱之一物理特性的施加應變。高效能電晶體及其在邏輯閘、環形振盪器及差動放大器內的使用表明用於現實應用之可能性；用於電子眼相機之半球形光二極體陣列提供一系統位準展示之一範例。此處，吾人延伸該些概念並使用一新技術來實施其，該新技術涉及薄、低模數彈性體來隔離主動電路材料與施加應變。結果係通往能夠整合於不同種類基板上的高效能矽互補型金氧半導體(CMOS)電路(或其他裝置技術)之一路徑。如本文中所呈現，用於電子器件之感興趣基板之範例包括(但不限於)紙張、織物、皮革及乙烯。資料指示在該些基板上的代表性CMOS組件及邏輯閘之電氣效能可接近在矽晶圓上的類似裝置之該等者而在彎曲、折疊、懸垂及其他變形模式時不會劣化。本文中所說明之實驗及理論研究支援該些結果並揭露該等材料及力學之重要特徵。
在此範例中，製作開始於使用與該等最近報告者(Kim等人，PNAS USA 2008，55，2859)相關之程序以平面、蜿蜒網目幾何形狀來形成超薄CMOS電路。藉由溶解一聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA，MicroChem，美國)下面層將該等電路從上面形成其(圖74A)之載體晶圓釋放，將其抬起至一聚二甲基矽氧烷(PDMS，Dow Corning，美國)印模之表面上，藉由透過一對齊陰影遮罩之蒸鍍將一Cr/SiO2(3nm/30nm)雙層選擇性沈積至對應於該等主動裝置島的該電路之區域之背側，並最後轉印印刷至塗布一固化PDMS薄層的一基板上完成該程序(圖74B)。依此方式所形成之個別電晶體之測量(圖74D)指示對於n型MOS(nMOS)與p型MOS(pMOS)電晶體，電子及電洞遷移率分別為約530與約150cm2/Vs，且在兩者情況下開/關比>105。用於此處所報告之裝置的通道長度及寬度對於nMOS為13μm與100μm而對於pMOS為13μm與300μm。經由蜿蜒互連來連接nMOS與pMOS裝置產生具有高達150之增益的反相器，與PSPICE模擬(圖74D)一致。可使用類似佈局來達到完全積體電路。
以上所說明之PDMS薄層服務於兩個重要作用。首先且最簡單地，其提供一黏著劑，該黏著劑以平坦或曲狀、氣球狀形狀將該等電路之某些策略區域接合至各式各樣表面，包括織物、乙烯、皮革及紙張，如此處所報告。特定言之，與該等島之背側上的SiO2相關聯之-OH基與該PDMS共價反應以形成Si-O-Si連結。此類-OH基自然存在於SiO2 與PDMS上。其密度可藉由曝露於臭氧、氧電漿或其他相關程序來增加。在該等蜿蜒互連上缺少SiO2導致在該些區域內的僅較弱凡得瓦(VdW)相互作用(圖1(C)之左圖框)。由此，在延展、壓縮或極端彎曲時，該等互連抬起而不接觸該PDMS以採用非共面幾何形狀，如圖74(C)之右掃描電子顯微鏡(SEM)影像中所示。此運動以避免該等互連之斷裂或在該等島內明顯應變之一方式來容納較大拉伸或壓縮應變。在所有區域內接合至該PDMS之類似電路佈局顯示耐受施加應變之遠降低(低2至3倍)能力。圖74之方案提供較大可延展性，同時避免使用預應變來建立該等非共面佈局之步驟。
該PDMS層之第二重要作用係藉由檢查力學來闡明。圖75A顯示光學顯微圖及類似於圖74所示者之一系統對單軸拉伸應變之回應的有限元素模型化。在此處所探究之最大延伸下，該模型化指示在該等互連之金屬層內及在該等主動島之矽內的峰值應變分別為0.20%與0.46%，即比施加應變小>200倍。此行為提供在大於一對島之長度尺度上延展/壓縮之效用；其無法容納在(例如)藉由使用一紙張基板之一銳利折疊變形所產生之在個別島上局部化的應力。該低模數PDMS黏著層藉由提供應變隔離來解決此問題。為了得到一定性理解，考量限制情況，其中此層之模數係等於下面基板且當其係任意小時。在第一情形下，在表面安裝電路內的彎曲引發應變大致取決於系統之總厚度除以彎曲之曲率半徑之比率。對於一銳利折疊變形，此半徑可極 小。由此，在位於此一折疊之位置處的一島內的應變可對於除最薄系統外的所有系統(或具有夾置型中性機械平面佈局的該等者)超過該等電子材料之斷裂點。在該第二情況下，該基板係弱機械耦合至該等電路組件，使得彎曲該基板導致該等島之僅相對較小彎曲。由於此力學，在該等電子材料內的彎曲引發應變係遠小於會以其他方式期望者。在此意義上，該低模數層提供應變隔離。類似論點可用以理解應變對此層之厚度之相依性。在一實際系統中，所有層之模數及厚度係重要變數。可在一簡化系統內解說關鍵相依性，該簡化系統由一塑膠基板、一PDMS黏著層及一薄矽層所組成。PDMS之彈性模數比塑膠與矽之該等者小數個數量級。以一縝密方式包括所有力學之分析計算之顯著發現顯現於圖75B內。此標繪圖顯示用於由在一塑膠片(100μm厚)上之一PDMS層上的一矽島(300nm厚)所組成的一二維系統之表面應變的比率與矽之寬度及PDMS之厚度成一函數關係。該等結果指示隔離效率隨著PDMS厚度增加且矽寬度減少而增加。對於與此處所研究之電路之該等參數相當之參數，該隔離提供約100×應力降低，由此實現極端彎曲程度，甚至無超薄佈局或中性機械平面設計亦如此。配合蜿蜒網目使用此策略同時達到高可彎曲性及可延展性。
一可延展且可折疊裝置390之一示意概略圖係提供於圖75C至E內。圖75C係顯示在一隔離層410之一接收表面415上的一電子裝置420之一俯視圖。電子裝置420具有至隔離 層410的接合區域430(對應於相當剛性裝置島)與非接合區域440(對應於曲狀互連)。隔離層410係由接收基板400來支撐。圖75D解說在裝置390之頂部表面上的一囊封層450而圖75E解說囊封整個裝置之一囊封層450。
圖76A顯示該等蜿蜒對彎曲在一PDMS薄片上之一電路所產生之空間上非均勻應變的回應。可在折疊角落(右上角SEM影像)及該等側(右下角SEM影像)處看見可變位準變形。如上所說明將該電路接合至一較薄、低模數應變隔離及黏著層提供用於整合各種其他類別基板的一策略。圖76(B)之頂部及左下角圖框顯示在織物上的CMOS反相器之影像及示意圖。「織物」引用由一紡織品(諸如一編織紡織品或布)所製造的一材料且一般包含個別纖維。插圖顯示一放大圖。甚至在接合至半徑約5mm之後，該反相器仍工作良好，如圖76(B)之右下角圖框中所示。儘管此類別電子紡織品比基於主動線或纖維之替代方案提供遠更佳效能，但其不會提供製造之潛在有吸引力編織模式。在此意義上，此處所呈現之系統可補充此類以纖維為主方案。
圖76B之範例之一關鍵特徵係該PDMS黏著層滲入至織物之纖維內以產生較強黏著而無化學鍵結，由此提供通往不關鍵性取決於化學之整合的一途徑。圖77之左圖框顯示乙烯(圖77(A))、皮革(圖77(B))、紙張(圖77(C))及織物(圖77(D))之表面之SEM影像。多孔性及粗糙度從圖77(A)增加至77(D)。
圖77之右圖框顯示在一浸漬澆鑄及熱固化程序中在塗布 PDMS之後每一表面之斷裂斷面(針對乙烯、皮革、紙張及織物，PDMS之大致厚度分別為約200μm、約100μm、約80μm及約50μm)。隨著表面多孔性增加，PDMS滲入至基板內的程度增加，由此改良黏著強度。在乙烯之情況下，該PDMS塗層在凍結斷裂時分層(圖77(A))。在織物之情況下，該等構成纖維由該PDMS完整嵌入，導致較強接合，如圖77(D)中斷裂表面所指示。皮革及紙張之中間情況展現較強黏著。
如在皮革及乙烯上的CMOS電路之一展示，吾人在手套內的手指關節處整合反相器陣列，如圖78(A)及(B)中所示。移動該等手指引起該等電路延展並釋放，無該等電子性質之顯著變化。為了檢查疲勞，吾人重覆循環此類運動1000次，並在該測試之各種級測量該等電氣性質，如圖78(C)所示。對於此範例，反相器臨限電壓與增益分別變化小於±0.4V與±5%。在紙張上的類似電路不僅對於在智慧卡及相關技術內的應用，而且對於其增加功能性至以紙張為主的微流體診斷裝置之能力特別令人感興趣。圖79(A)及圖79(B)之左圖框顯示在一系列彎曲、折疊及展開測試中在紙張上的CMOS反相器及其性質。與該些變形之1000個循環相關聯之電氣測量指示穩定、高效能操作(反相器臨限電壓變化<±0.4V，增益變化<±10%)且在折疊及極端彎曲(圖79(A)之右下圖框)時甚至較佳特性。此紙張上電子器件的方案提供該等依賴於有機或無機電子材料之直接薄膜沈積者的一替代方案。
概述而言，電路與非共面蜿蜒網目設計及較薄、低模數應變隔離層之組合使用允許在不同基板上整合高效能電子裝置及組件，諸如矽CMOS積體電路。該等裝置視需要地具有一頂部囊封層以提供機械保護與一環境阻障。儘管該些層不會在適度應變(<50%)下明顯影響非共面互連之力學，但其可在高應變(>50%)下仍具有一明顯影響。具有低模數之囊封劑提供最大運動自由度並因此最高位準可延展性。PDMS之低模數(約0.5MPa)配方(例如)將可延展性範圍從60%(對應於類似於用於黏性/隔離層者之PDMS之情況(1至2MPa))增加至120%。該等囊封劑材料及蜿蜒幾何形狀之進一步最佳化可產生進一步改良。
實驗：超薄、可延展CMOS電路之製作。在此範例中，CMOS電路之製作開始於摻雜源自n型SOI晶圓(SOITEC，法國)之單晶矽奈米帶(260nm)。P井、pMOS及nMOS源極/汲極摻雜係藉由使用藉由電漿增強化學汽相沈積(PECVD)所形成之一300nm二氧化矽(SiO2)層作為一擴散遮罩以及硼(B153，Filmtronics，美國)及磷(P509，Filmtronics，美國)旋塗摻雜物來完成。對於p井、p型源極/汲極及n型源極/汲極摻雜在550至600℃、1000至1050℃及950至1000℃下實施擴散。該等摻雜帶係藉由蝕刻埋入氧化物從該SOI晶圓釋放，並接著循序將其轉印印刷至一載體晶圓上，該載體晶圓塗布PMMA(約100nm)薄層作為一犧牲層與PI(約1.2μm)作為一超薄基板。隔離nMOS及pMOS源極/汲極圖案係使用光微影術及反應性離子蝕刻(RIE)來加以定義。 PECVD SiO2(約40nm)之圖案化蝕刻提供閘極介電質；藉由電子束蒸鍍並藉由濕式蝕刻所圖案化之金屬電極(Cr/Au，約5nm/約1500nm)定義用於該等電路之源極、汲極、閘極及互連。在所得電路之頂部上旋塗PI(1.2μm)形成一鈍化層並還將該中性機械平面定位於該等易碎電子材料附近。最後，透過一圖案化遮罩之氧RIE定義該等蜿蜒橋。
轉印印刷：使用丙酮溶解該PMMA層將該等電路從該載體晶圓釋放。抬起該等電路至一PDMS印模曝露其背側以藉由透過一對齊陰影遮罩之電子束蒸鍍來在該等島處沈積一Cr/SiO2(3nm/30nm)薄層。將該電路轉印印刷至藉由曝露於UV/臭氧所活化之一PDMS塗布表面(紙張、乙烯、皮革或織物)導致在該等島之位置處的-O-Si-O-鍵結。
循環測試及測量：在穿戴CMOS電路所轉印其上之手套之後透過重複彎曲關節來執行針對手套之循環測試。在一系列循環測試之後使用一探測站(Agilent，4155C)來實施電氣測量。用於紙張之循環係類似。重複折疊並展開紙張並使用該探測站進行測量。
範例5之參考文獻
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關於以引用方式併入及變更之聲明
遍及此申請案之所有參考文獻，例如包括公佈或授權專利或等效內容之專利文件、專利申請公開案及非專利文獻文件或其他來源材料，在每一參考文獻至少部分與此申請案中揭示內容一致的程度上(例如一部分不一致參考文獻係以引用方式併入，除了該參考文獻之部分不一致部分外)，如同個別以引用方式併入般地全部內容均以引用方式併入本文內。
本文中已運用的術語及表達係用作說明而非限制術語，且並不希望使用此類術語及表達排除所示及所說明之特徵或其部分之任何等效物，但應認識到，在所聲明之本發明之範疇內可進行各種修改。因而，應明白，儘管已藉由較佳具體實施例、範例性具體實施例及可選特徵來明確揭示本發明，但習知此項技術者可訴諸於本文中所揭示之概念之修改及變更，且此類修改及變動應視為在隨附申請專利範圍所定義之此發明之範疇內。本文中所提供之特定具體實施例係本發明之有用具體實施例之範例且習知此項技術者應明白，可使用本說明書中所提出之該等裝置、裝置組件、方法步驟之大量變更來實施本發明。如習知此項技術者所清楚，有用於本方法之方法及裝置可包括大量可選組成物及處理元件及步驟。
當本文中揭示一群組替代物時，應明白，該群組及所有 子群組之所有個別成員(包括該等群組成員之任一異構體、對映體及非對映異構體)係單獨揭示。當本文中使用一馬庫西(Markush)群組或其他分組時，希望該群組之所有個別成員及該群組之所有可能組合及子組合個別包括於本揭示內容內。當本文中說明一化合物使得不(例如)以一化學式或一化學名稱來指定該化合物之一特定異構體、對映體及非對映異構體時，希望該說明個別或組合地包括所說明化合物之每一異構體與對映體。此外，除非另有指定，希望本揭示內容涵蓋本文中所揭示之化合物之所有同位素變化例。例如，應明白，在所揭示之一分子中的任一或多個氫可使用氘或氚來取代。一分子之同位素變化例一般用作分子化驗及與分子或其使用相關之化學及生物研究中的標準。用於製造此類同位素變化例之方法係在此項技術中已知。由於已知習知此項技術者可不同命名相同化合物，希望化合物之特定名稱係範例性。
本文中所說明或示範之組件之每一配方或組合可用以實作本發明，除非另有聲明。
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美國專利申請案第11/981,38號、第11/851,182號(公開案第2008/0157235號)、第11/115,954號(公開案第2005/0238967號)、第11/145,574號、第11/145,542號(公開案第2006/0038182號)、第11/675,659號(公開案第2008/0055581號)、第11/465,317號、第11/423,287號(公開案第2006/0286785號)、第11/423,192號、第11/001,689號(公開案第2006/0286488號)及第11/421,654號(公開案第2007/0032089號)係在與本說明書一致的程度上以引用方式併入本文內。
如本文中所使用，「包含」與「包括」、「含有」或「特徵為」同義且係包括性或開放式的且不排除額外、未敘述元件或方法步驟。如本文中所使用，「由...組成」排除在聲明元件內未指定之任一元件、步驟或成分。如本文中所使用，「基本上由...組成」並不排除不重大影響申請項之基本及新穎特性的材料或步驟。在本文中的每一實例中，術語「包含」、「基本上由...組成」及「由...組成」之任一者可由其他兩個術語之任一者來替換。本文中適當解說性 說明之本發明可在缺少本文中未明確揭示的任一元件或多個元件、限制或多個限制的情況下實作。
習知此項技術者應瞭解，可在實作本發明中運用除該等未明確示範者外的起始材料、生物材料、試劑、合成方法、純化方法、分析方法、化驗方法及生物方法而不訴諸於不適當實驗。希望任一此類材料及方法之所有技術已知功能等效物均包括於此發明內。已運用的術語及表達係用作說明而非限制術語，且並不希望使用此類術語及表達排除所示及所說明之特徵或其部分之任何等效物，但應認識到，在所聲明之本發明之範疇內可進行各種修改。因而，應明白，儘管已藉由較佳具體實施例及可選特徵來明確揭示本發明，但習知此項技術者可訴諸於本文中所揭示之概念之修改及變動，且此類修改及變動應視為在隨附申請專利範圍所定義之此發明之範疇內。
100‧‧‧印模
110‧‧‧支架
120‧‧‧力產生器
200‧‧‧支撐層
210‧‧‧功能層
220‧‧‧中性機械表面調整層
230‧‧‧中性機械表面
240‧‧‧撓性或彈性裝置區域
250‧‧‧相對機械剛性島區域
260‧‧‧奈米帶
270‧‧‧第一末端
280‧‧‧第一剛性區域
290‧‧‧第二末端
300‧‧‧第二剛性區域
390‧‧‧可延展且可折疊裝置
400‧‧‧接收基板
410‧‧‧隔離層
415‧‧‧接收表面
420‧‧‧電子裝置
430‧‧‧接合區域
440‧‧‧非接合區域
450‧‧‧囊封層
圖1係(A)用於超薄CMOS電路之製作程序之概述，該等CMOS電路利用矽奈米帶，並實現極端位準可彎曲性(從頂部起第三圖框)或完全可逆可延展性/可壓縮性(右邊上的底部圖框)。(B-D)在載體晶圓及摻雜奈米帶上(插圖)(B)、在從此載體移除之後在一細桿上(C)及在PDMS上的一波狀組態下(D)的光學影像電路。
圖2係(A)藉由各種位準預應變εpre(左：εpre=2.7%，中心：εpre=3.9%，右：εpre=5.7%)所形成的在PDMS上的波狀Si-CMOS反相器(B)使用εpre=3.9%所形成之一系統之完全 三維有限元素模型化所決定之結構組態(左)及使用一類似條件所製作之一樣本之透視掃描電子顯微圖(右)。(C)在沿x及y方向之拉伸應變下波狀Si-CMOS反相器之光學影像。(D)波狀反相器(左)與n及p通道MOSFET(在左插圖中分別為實線與虛線)之測量(紅色及黑色)及模擬(藍色)轉移特性。用於沿x及y之不同施加應變之測量(實圓圈)及模擬(空方形)反相器臨限電壓(右)。
圖3係(A)一可延展、波狀三級CMOS環形振盪器陣列之光學影像(左上角)與在沿紅色箭頭之方向定向之不同施加應變下一典型振盪器之放大圖(右圖框)。在不同施加應變下一振盪器之測量時域與頻域回應。(B)一差動放大器之電路圖(左上角)；用於各種應變值之輸出特性(左下角)；在其預製狀態下(右上角)與在沿紅色箭頭之一方向上施加應變下(右下角)的一波狀差動放大器之光學影像。
圖4係(A)使用包覆於一顯微鏡蓋玻片之邊緣周圍之一PI囊封層的一「可折疊」超薄Si-CMOS電路之影像。插圖顯示一粗糙斷面示意圖。(B)使用一雙中性平面設計之扭曲(頂部)及彎曲(底部插圖)波狀Si-CMOS電路之影像。頂部處的插圖顯示一粗糙斷面圖。在頂部圖框中所示之扭曲組態下該樣本之中心(左下角)及邊緣(右下角)處的反相器之光學顯微圖。
圖5係用於電路製備程序之示意圖。
圖6係用於附著在一細桿上的超薄裝置之電壓轉移曲線。
圖7係(A)使用表面輪廓儀(Sloan Dektak3)之波狀超薄裝置之波長及振幅測量；薄金屬電極部分(左)、用於pmos(中心)及nmos(右)之較厚裝置部分。(B)多層堆疊之示意圖。(C)及(D)用於p-MOSFET與n-MOSFET區域及金屬互連之中性平面之位置。(E)及(F)用於具有PI敷蓋層的p-MOSFET與n-MOSFET區域及金屬互連之中性平面之位置。
圖8係最大應變對在該等電路(A)金屬互連(B)p-MOSFET與n-MOSFET區域之各種層中的預應變。
圖9係(A)用於y方向上延展測試之光學影像。(B)用於x方向上延展測試之光學影像。(C)在不同施加應變值下用於NMOS(左)及PMOS(右)裝置之轉移曲線及遷移率變化。(D)在0%應變下用於NMOS(左)及PMOS(右)之IV曲線；實線係用於測量而虛線係用於模擬。
圖10係(A)疲勞測試之光學影像。(B)在疲勞測試期間電壓轉移曲線(左)及增益值變動。
圖11係超薄波狀差動放大器之影像；在施加應變之前差動放大器之放大影像(插圖)。
圖12係(A)在折疊之前及之後反相器之放大圖。(B)折疊反相器之電壓轉移特性。(C)折疊金屬互連區域之斷面圖。(D)具有中性機械平面之示意性波狀結構。
圖13係有限元素模擬模型化及程序。
圖14係用於使用可壓縮矽焦平面陣列及半球形、彈性體轉移元件來製作電子眼相機之步驟之示意性圖解。頂部圖框顯示此一轉移元件，其藉由正對著一適當設計模板澆鑄 並固化來製作於PDMS內。在徑向方向上的延展形成一平坦鼓面隔膜，其中在該PDMS內的所有點處於張力下。從一來源晶圓抬起一預製作焦平面陣列及相關聯電子器件至此鼓面之表面上，並接著允許該PDMS鬆弛回到其初始形狀將平面裝置佈局變換成一半球形形狀。轉印印刷至一匹配半球形玻璃基板上，該基板塗布一光可固化黏著劑(粉紅色)之一薄層，添加具有整合成像透鏡之一半球形帽蓋並介接至外部控制電子器件(此處未顯示)完成該相機系統。
圖15係適用於平面至半球形變換之可壓縮矽及彈性體元件之力學。A，在一PDMS半球(中心；一高凸起邊位於周長周圍)上的一可壓縮矽結構之光學影像。該矽覆蓋該半球之中心區域，並在此影像中顯現淺灰色；可清楚看見整體結構之筆直邊緣(箭頭)。此系統由163,216個矽方形元件(20x20μm；50nm厚)所組成，該等矽方形元件係藉由採取一16.14x16.14mm方形陣列之矽帶(20x5μm；50nm厚)所連接，該等矽帶係最初形成於一絕緣物上矽晶圓之平面表面上。B，A中所示之樣本之一小區域之掃描電子顯微圖(SEM)。在該等連接帶內產生此處可見之弧形之平面外變形提供容納平面至半球形變換所必需之可壓縮性。C，橫跨具有更粗糙特徵及更少元件之一類似半球形陣列的矽元件(500x500μm；1.2μm厚)之空間位置之實驗性測量映射(黑點)。重疊網目表示從該分析力學模型用於該平面至半球形變換之預測；該等網目節點為該陣列之預測空 間位置且該等片段色彩指示與該等在平面組態下設計者相比橫跨該陣列在相鄰元件之間的距離的百分比變化。該等結果指示從最小值至最大值小於一約3%變動。D，SEM突顯在該陣列內的一單一元件，用於該等弧形及應變分佈之理論結果在色彩上重疊。
圖16係基於在一可壓縮、被動矩陣佈局中單晶矽光偵測器與電流阻隔p-n接面二極體之一半球形電子眼相機之佈局及電氣效能。A，與該陣列內一單一單位單元相關聯之矽、金屬及聚合物之佈局之分解圖示意性圖解。阻隔二極體(BD)處於該單元之中心；光偵測器(PD)在BD周圍採取一蜿蜒幾何形狀。B，一單位單元之電氣性質及光學顯微圖。該等資料係經由在該系統之周長處的襯墊藉由接觸在該半球形陣列內定址此位置的該等列及行電極來加以測量。該等資料(紅色：曝露於光；黑色：在黑暗中)顯示曝光之高對比回應。同等重要的係，來自該陣列內其他像素之反向偏壓電流及洩漏兩者均最小，如右邊上的插圖內所解說。C，整合於一半球形玻璃基板上之陣列之照片(主圖框)，該陣列之一部分之光學顯微圖(右上插圖)及顯示在該系統之一2x2區段內BD(黑色)、PD(紅色)及電極跨接(弧形)的電路圖。D在其表面上具有一可壓縮焦平面陣列之一半球形PDMS轉移元件之照片。E在D中該陣列之一部分之SEM影像，其解說該等可壓縮互連。
圖17係一半球形電子眼相機之照片及代表性輸出影像。A，安裝於一印刷電路板(綠色)上之一半球形焦平面陣列 (中心)之照片，該印刷電路板具有透過一帶狀電纜(左上角)至一電腦(未顯示)的外部連接。B，在整合具有一簡單、單一組件成像透鏡(頂部)之一透明(為了方便檢視)半球形帽蓋之後的相機之照片。C，如透過成像透鏡所直接檢視，在B中的系統之特寫照片。對於此處所使用之參數，此透鏡放大焦平面陣列以顯示一較小3x3群集的像素。D，E使用具有16x16像素之D平面與E半球形相機所獲取之灰階影像，如在匹配該等焦平面陣列之該等者的表面上所標繪。在平面情況下的底部影像顯示投影在一平面螢幕上的影像之一照片(來自一商用10 MPixel數位相機)，如沿光軸並從樣本後面所拍攝。針對此光學設置，觀察到幾何、針墊失真。F如顯示於匹配偵測器表面(頂部)之一半球形表面上並投影至一平面(底部)上的使用具有16x16像素之一半球形相機所獲取之在一視力檢查表內首兩列之灰階影像。在左及右邊的該等影像分別係不使用掃描與使用掃描(以0.4°增量在θ及φ方向上從-2至2°)所獲取。軸尺度為mm且在每一影像內完全相同。
圖18係用於從SOI晶圓有效率移除焦平面陣列之程序流程。關鍵步驟為d至h，其中聚合物(對於此處所呈現之結果為聚醯亞胺)之一旋鑄層滲入透過預定義蝕刻孔以在埋入氧化物之HF底切蝕刻之後保持該陣列之大多數從下面矽處置晶圓懸掛。此策略避免靜摩擦，其會以其他方式破壞剝離陣列之能力。藉由該等聚合物所形成之支柱防止在HF蝕刻期間陣列之不必要滑動或起皺。
圖19係焦平面陣列之佈局之示意性圖解，指示關鍵尺寸。淺棕色、深棕色及灰色區域分別對應於聚醯亞胺、Cr/Au及矽。
圖20係一平面相機之照片(頂部圖框)及光學顯微圖(底部圖框)，該平面相機使用類似於該等用於半球形相機者之處理方案、焦平面陣列設計、互連配置及其他特性。此系統係用以該等設計及製作技術之各種態樣。該些影像提供由於與光學顯微鏡相關聯之有限焦深而在半球形幾何中難以清楚顯示之某些特徵之視圖。
圖21係用於澆鑄且固化該等半球形PDMS轉移元件之安裝治具之光學影像。
圖22係半球形PDMS轉移元件之佈局之斷面示意性圖解，具有關鍵尺寸。
圖23係半球形PDMS轉移元件之佈局之俯視圖示意性圖解，具有在預製與徑向拉緊組態下的關鍵尺寸。此影像之中心部分之一重疊顯示被動矩陣陣列之佈局，按比例縮放解說。
圖24係徑向拉緊級之電腦輔助設計圖式。半球形PDMS元件安裝於中心處。該等槳臂徑向移動以將半球形擴展成一平面鼓面形狀。
圖25係徑向拉緊級及PDMS轉移元件之照片(左圖框)。安裝於該級之槳臂上的PDMS元件(中心圖框)，其對應於使用一虛線方塊所指示之左邊上的影像之區域。右圖框顯示在具有一焦平面陣列在其表面上之其平坦、鼓面組態下 的PDMS元件。
圖26係在其表面上具有一可壓縮焦平面陣列之一半球形PDMS轉移元件之照片。該SEM顯示該陣列之一部分，解說該等可壓縮互連。
圖27係用於評估在一玻璃基板上的一半球形焦平面陣列內的該等像素元件之空間分佈之程序。該程序開始於該系統之一照片(頂部圖框)，其係接著轉換成一二進制格式(中心圖框)並接著使用成像處理軟體來操縱以定位該等像素之中心之空間座標。
圖28係球形帽蓋及成像透鏡之斷面示意性圖解及電腦輔助設計圖式，具有關鍵尺寸。
圖29係用於影像獲取之多工/解多工系統之照片。
圖30係用於影像獲取之電子器件之電路圖。
圖31係用於影像獲取之光學設置之照片。
圖32係用於成像之軟體介面之螢幕捕捉。
圖33係映射矽元件至一半球之示意性圖解。(A)一半徑R的PDMS半球形帽蓋；(B)先將該帽蓋延展至一半徑r1的大致平坦板；(C)進一步將該平坦板延展至具有一半徑r2的平坦板；(D)將該等矽元件轉印至該板；(E)釋放具有Si元件之板至一半徑r1'的大致平坦板；(F)進一步釋放導致一半徑R'的新半球。
圖34係從一半球狀態映射至一大致平坦板之有限元素分析。(A)用於PDMS半球形帽蓋之原始網目；(B)用於剛平坦化板之變形網目；(C)在該平坦化板內的應變分佈；(D) 在有限元素結果與分析解答之間的映射之比較。
圖35係(A)平坦、鬆弛PDMS及矽及(B)半球形、鬆弛PDMS及矽之變形形狀，如由有限元素分析所計算。
圖36係由映射程序之有限元素方法所獲得之影像。
圖37係(A)壓縮連接之形狀與(B)在該等矽元件內的應變之分析模型。
圖38解說一種用於藉由(A)熱轉印與(B)機械變形來製造一可折疊且彈出可延展電子裝置之程序。該等裝置之照片係提供於C至E中。
圖39概述針對各種應變的可延展裝置陣列之功能特性。
圖40係經歷扭曲型變形的藉由本文中所揭示之程序所製造之裝置之照片。
圖41係用於使用摻雜矽奈米材料之波狀互連CMOS反相器之製作程序之示意性比較及概述；(a)片型波狀反相器(b)使用波狀PI橋所連接之超薄CMOS島。(c)使用波狀PI及金屬互連所連接之超薄nMOS及pMOS裝置。
圖42係(a)使用波狀聚醯亞胺橋所互連之CMOS反相器之影像。(b)延展測試之光學影像。(c)波狀反相器之電壓轉移特性(左)及針對每一施加應變的反相器臨限電壓之變動(右)；插圖顯示用於個別裝置之對數尺度轉移曲線。
圖43係(a)具有金屬及PI波狀橋之CMOS反相器之影像(b)具有SiO2敷蓋(左上角)及具有PI敷蓋(右下角)之波狀互連反相器之放大圖(c)用於SiO2敷蓋(頂部)與PI敷蓋(底部)之電極邊緣之放大圖，該電極邊緣對應於圖3(b)內的白色虛 方塊；右草圖係用於波狀互連之中性機械平面之位置的示意圖。
圖44係(a)延展測試之光學影像。(b)在y(左)及x(右)方向上施加外部應變時由於帕松效應所引起之輪廓變化。(c)波狀互連CMOS反相器之電壓轉移特性(左)及針對每一施加應變的反相器臨限電壓之變動(右)。
圖45係(a)波狀互連三級環形振盪器之影像。(b)延展測試之影像。(c)振盪特性(左：在不同應變值下的環形振盪，右：從時域至頻域之振盪的傅立葉變換)。
圖46係GaAs MESFET處理流程之示意性圖解。
圖47係GaAs MESFET處理之流程圖概述。
圖48係藉由PDMS之GaAs元件之拾取(插圖係在拾取之後的施體來源基板)。
圖49係GaAs從圖48之印模至PI塗布玻璃基板之轉印。
圖50係在清洗剩餘光阻之後施體之照片並準備程序重複用於第二功能GaAs層。
圖51係金屬化及裝置特性(對於該多層之第一層)。
圖52係在一PDMS半球(中心；一高凸起邊位於周長周圍)(頂部影像)上的一可壓縮矽結構之照片。該矽覆蓋該半球之中心區域，並在此影像中顯現淺灰色；可清楚看見整體結構之筆直邊緣(箭頭)。此系統包含163,216個矽方形元件(20×20μm；50nm厚)，該等矽方形元件係藉由在一16.14×16.14mm方形陣列內的矽帶(20×4μm；50nm厚)所連接，該等矽帶係最初形成於一絕緣物上矽晶圓之平面表 面上。該樣本之一較小區域之掃描電子顯微圖(SEM)係顯示於底部影像內。在產生此處可見之弧形之連接帶內的平面外變形提供容納平面至半球形變換所必需之可壓縮性。
圖53係與平面相機相比在半球形相機內的增強成像。使用一半球形相機所獲取之A伊利諾州立大學「I」標識及B一眼睛之一圖式之高解析度影像(右邊上的插圖顯示從透明膜所掃描之原始影像)。C，用於成像之光學設置與樣本光線跡線，其顯示一光線圖案正穿過影像及透鏡至偵測器螢幕(最佳聚焦表面及平面相機)上。D，最佳聚焦表面(綠色圓圈-計算的焦點，綠色曲線-抛物線擬合)、半球形相機之偵測器表面(藍色曲線)及一平面相機(紅色曲線)之光線追蹤預測。E，在以距透鏡變動距離定位之一平面螢幕上的投影影像之高解析度照片。該等左及右邊影像分別係在距該透鏡14.40與16.65mm處獲取，並展現一最佳聚焦偏移與偵測器位置成一函數關係。一系列此類影像係用以估計最佳曲線聚焦表面，如D中作為黑色方形所示。F、G，使用距透鏡16.65mm(沿光軸)定位之F平面及G半球形相機所獲取之高解析度影像。所有軸尺度為mm，除了對像素數目所標繪之G外，且垂直於該等影像平面之軸表示z方向(光軸)。
圖54係當掃描掠過整個投影影像(在θ與φ方向上從-40掃描至40°，1.0°增量)時在半球形相機內每一像素所成像之字元「E」。該等影像覆蓋該半球形表面之變動部分並顯示為投影至一平面表面上。
圖55係當掃描掠過整個投影影像(在θ與φ方向上從-40掃描至40°，0.5°增量)時在半球形相機內每一像素所成像之一眼睛之一圖式。該等影像覆蓋該半球形表面之變動部分並顯示為投影至一平面表面上。
圖56係在以距離透鏡變動距離定位之一平面螢幕上的高解析度照片。該等影像係在距離該透鏡在12.15(影像#1，左)與18.00mm(影像#13，右)之間獲取並展現最佳聚焦表面之曲線性質。
圖57係在一半球形相機中16乘16像素光偵測器陣列之光電子回應。已在三個不同光強度下針對所有像素測量在一施加偏壓4V下的電流回應，包括a最亮雷射光(514.5nm)、b明亮情況之大致十分之一及c全黑。左邊的直方圖顯示具有一給定電流回應之像素之分佈，而右邊的色彩圖顯示在半球形相機中具有一給定回應之像素之映射。
圖58係在一平面相機中16乘16像素光偵測器陣列之光電子回應。a，一單位單元之電氣性質。該等資料係經由在系統之周長處的襯墊藉由接觸在半球形陣列內定址此位置的該等列及行電極來加以測量。該等資料(紅色：曝露於光；黑色：在黑暗中)顯示曝光之高對比回應。已在兩個不同光強度下針對所有像素測量在一施加偏壓4V下的電流回應，包括b具有一片白紙之明亮情況，該白紙使用鹵素燈背光並光學濾波至620nm至700nm波長(用以產生圖53e至g之完全相同設置)及c全黑。左邊的直方圖顯示具有一給定電流回應之像素之分佈，而右邊的色彩圖顯示在半 球形相機中具有一給定回應之像素之映射。
圖59係在距離透鏡變動距離處使用所製作16×16平面相機所獲取之投影影像之照片。該等影像係在距離該透鏡在12.15(影像#1，左)與18.00mm(影像#14，右)之間獲取並展現最佳聚焦表面之曲線性質。
圖60係在距離透鏡變動距離處使用所製作16×16半球形相機所獲取之投影影像之照片。該等影像係距離該透鏡在13.95(影像#1，左)與19.80mm(影像#14，右)之間獲取。
圖61係橫跨在一半球形轉移元件上的一16×16陣列的矽元件(500x500μm；1.2μm厚)之空間位置之實驗性測量映射(黑點)。重疊彩色網目表示從該分析力學模型用於該平面至半球形變換之預測；該等網目節點為該陣列之預測空間位置且該等片段色彩指示與該等在平面組態下設計者相比在橫跨該陣列之相鄰元件之間距離的百分比變化。該等結果指示從最小值至最大值小於一約3%變動。
圖62係(a)製作程序之示意性圖解，包括具有可延展、「波狀」互連之CMOS反相器邏輯閘之草圖。還顯示頂部層囊封之策略以將臨界電路元件定位於中性機械平面附近以避免破裂。(b)具有波狀互連及橋結構之CMOS反相器之影像。(c)具有波狀互連之一CMOS反相器之放大圖。(d)此系統之力學之三維有限元素模擬，顯示較佳符合實驗觀察。
圖63係延展測試。可延展CMOS反相器之轉移特性(紅色及黑色：實驗，藍色：模擬，左)及針對每一施加應變的 反相器臨限電壓之變動(右)；插圖顯示用於個別電晶體之對數尺度轉移曲線。(d)一nMOS(左)及pMOS(右)電晶體之電流-電壓曲線；實線及虛線分別對應於實驗及模擬。
圖64係(a)透過使用整合彈性體基板(對於此處所示之情況為聚(二甲基矽氧烷)；PDMS)之非共面網目設計用於完成高位準可延展性之代表性電路之製作程序的示意性概述。(b)在一未變形狀態下(底部；約20%預應變)及在從一複雜扭曲運動所產生之一組態下(頂部)，從此程序所產生之CMOS反相器之一陣列之SME影像。(c)CMOS反相器之一自由變形可延展陣列之光學影像，突顯三個不同種類的變形：對角延展、扭曲及彎曲。該等插圖為每一情況提供SEM影像(為了方便檢視著色)。(d)係裝置組態之一特寫視圖。
圖65係(a)對於沿該等橋之延展(x及y)，具有非共面網目設計之可延展、三級CMOS環形振盪器之光學影像。(b)在電路之頂部表面(頂部)及金屬層之中點(中間)及底部表面(底部)處的應變分佈之FEM模型化。(c)在(a)內所解說之不同應變組態下在時域及頻域(插圖)內所表示之振盪器之電氣特性。此處0s與0e分別引用在測試開始及結束時的0%應變。17x與17y引用沿(a)中所指示之x及y方向的17%拉伸應變。(d)對於以45度延展至該等橋之方向(x及y)，具有非共面網目設計之可延展CMOS反相器之光學影像。(e)該些運動之FEM模擬。(f)該等反相器之轉移特性(輸出電壓Vout及增益與輸入電壓Vin成一函數關係)。18x與18y引用沿(d)中 所指示之x及y方向的18%拉伸應變。
圖66係(a)在一扭曲組態下可延展CMOS反相器之一陣列之光學影像(左)及一單一反相器之放大圖，解說變形之性質(右)。(b)在該等橋結構上扭曲的力學之FEM模擬(c)在一扭曲組態下可延展、三級CMOS環形振盪器之一陣列之SEM影像。(d)在平面及扭曲狀態下該等反相器(頂部；增益及輸出電壓Vout與輸入電壓Vin成一函數關係)及振盪器(底部；輸出電壓Vout與時間成一函數關係)之電氣特性。
圖67係在扭曲(a)及平面延展(b)佈局中的一可延展差動放大器陣列之光學影像。(c)一代表性放大器之斜視圖SEM，顯示該非共面佈局。在沿x及y方向延展下的光學影像(d)及對於一正弦輸入對應電輸出與時間成函數關係(e)。(f)在一複雜變形模式下的一裝置之光學影像。此處，17x與17y引用沿(d)中所指示之x及y方向的17%拉伸應變。
圖68係(a)一可延展CMOS反相器陣列之SEM影像，該等反相器具有非共面橋，該等橋具有蜿蜒佈局(左)及放大圖(右)。(b)在x及y方向上的延展測試之光學影像。(c)在(35%預應變)之前及在延展(70%施加應變)之後的FEM模擬。(d)在一較薄PDMS基板(0.2mm)上的反相器陣列(左)及在未延展(中間；90%預應變)與延展(右；140%拉伸應變)時的影像。(e)在延展下用於一代表性反相器之轉移特性及增益(左)與針對一類似裝置的增益及最大增益(VM)下電壓與延展循環成一函數關係之標繪圖(右)。
圖69係多層堆疊之示意圖。
圖70係(a)彈出橋及(b)島之分析模型。
圖71係島橋結構之示意圖
圖72係針對10.7%的預應變，(a)橋及(b)島對系統位準施加應變之最大應變。
圖73係CMOS反相器(a)之電壓轉移曲線及對於nMOS(b)及對於pMOS(c)用於個別裝置之IV曲線。
圖74係(A)在一處置晶圓(左)及一光學影像(右)上以一蜿蜒網目幾何形狀所製作之一超薄矽電路之示意性圖解。中心處的插圖顯示一CMOS反相器之一光學顯微圖，其對應於在右圖框上的虛方塊。(B)用於圖案化沈積Cr/SiO2之後轉印印刷電路之程序之示意性圖解(左)及在轉印之後的一光學影像(右)。中心處的插圖顯示一轉印CMOS反相器之一光學顯微圖，其對應於在右圖框上的虛方塊。(C)在該等蜿蜒電路與PDMS之間的接合的示意性圖解(左)。在一彎曲組態下的該系統之掃描電子顯微圖(右)。(D)從類似於該等在其他圖框中所示者之一電路所收集的在代表性nMOS(左)及pMOS(右)電晶體上的電流(Id；汲極電流)、電壓(Vd；汲極電壓)測量。該等實線及虛線對應於測量及PSPICE模擬。在該等曲線上的該等標記對應於閘極電壓(Vg)。在右圖框內的插圖顯示針對nMOS(虛)及pMOS(實)裝置在一半對數尺度上所標繪之轉移曲線。
圖75係(A)在各種位準拉伸應變(左上角)下一CMOS反相器電路之光學顯微圖(上部圖框)及對應力學之有限元素模 型化(下部圖框)。該等色彩指示在該電路之金屬互連位準下的峰值應變(百分比)。(B)在插圖中示意性解說之系統之矽內的表面應變之計算比率與此層之厚度(黑色實線)及矽之長度(紅色虛線；對於此情況PDMS厚度為100μm)成一函數關係。該PDMS為矽提供應變隔離，有效性隨著矽長度減少且PDMS厚度增加而增加。(C)一可延展且可折疊電子裝置之俯視圖。(D)及(E)分別係解說具有一囊封層之一可折疊且可延展裝置之部分及完整囊封之側視圖。
圖76係(A)由一CMOS反相器陣列所組成之一折疊電路之光學影像(左)及掃描電子顯微圖(中心)。該等右邊上的影像提供在折疊邊緣(右上角)及側(右下角)處的視圖。(B)整合於塗布一PDMS薄層之一織物基板之一類似電路之光學影像(頂部)及放大圖(右上角)。左下角圖框提供一示意性圖解。右下角顯示在平坦及彎曲狀態下一代表性反相器之轉移曲線，及PSPICE模擬(模型)。
圖77係在塗布PDMS之前各種基板之表面之掃描電子顯微圖(左)及針對(A)乙烯、(B)皮革、(C)紙張及(D)織物基板在PDMS塗布之後凍結斷裂邊緣之對應斜視圖(右)。
圖78係在釋放(左)及延展(右)狀態下在乙烯(A)及皮革(B)手套之手指關節上CMOS電路之光學影像。該等插圖提供放大圖。(C)電壓轉移曲線(左)及循環測試結果，其顯示在各種數目的彎曲循環之後在該等平坦狀態下所測量之反相器之增益及臨限電壓(VM)(右)。
圖79係(A)在平坦(左上角)、彎曲(右上角)、折疊(右下 角)及展開(左下角)狀態下在紙張上CMOS反相器之光學影像。該等插圖提供放大圖。(B)電壓轉移曲線(左)及循環測試結果，其顯示在各種數目的彎曲循環之後在該等平坦狀態下所測量之反相器之增益及臨限電壓(VM)(右)。

Claims (86)

  1. 一種製造一可延展且可折疊電子裝置之方法，該方法包含：提供一多層裝置，該多層裝置包含一基板層、一功能層及一或多個中性機械表面調整層，其中該功能層係由一基板層來支撐，其中該一或多個中性機械表面調整層之至少一層係安置在該功能層上；其中該多層之該一或多個中性機械表面調整層之至少一層具有一性質，該性質相對於該多層裝置中之一位置為空間上不均勻，其中該空間上不均勻性質定位重合或接近該功能層的一空間上變動中性機械表面，其中在該空間上不均勻性質中之多個空間上變動造成該空間上變動中性機械表面相對於該功能層被定位在該多層裝置之多個不同空間區域中距該多層裝置之一頂部表面之多個不同距離。
  2. 如請求項1之方法，其進一步包含：在該空間上不均勻層內產生一空間上不均勻性質圖案，以提供在該裝置內的一或多個撓性且可折疊區域與在該裝置內的一或多個剛性區域。
  3. 如請求項1之方法，其中該不均勻性質係選自以下一或多者：楊氏模數； 一添加層之沈積；層厚度；凹陷特徵；在該功能層內空間上圖案化一裝置組件，或在該功能層內的一電子組件之幾何形狀。
  4. 如請求項1之方法，其中空間不均勻係藉由包含橫向圖案化該等層之任一者的一步驟來提供。
  5. 如請求項4之方法，其中該橫向圖案化係藉由使用包含薄膜或添加層之一或多個中性機械表面調整層圖案化該基板來提供。
  6. 如請求項4之方法，其中該橫向圖案化係藉由使用包含一或多個囊封層之一或多個中性機械表面調整層圖案化該基板來提供。
  7. 如請求項4之方法，其中該橫向圖案化係藉由使用一或多個凹陷特徵圖案化該基板來提供。
  8. 如請求項7之方法，其中該一或多個凹陷特徵係蝕刻孔。
  9. 如請求項4之方法，其中該等層之每一者具有一厚度，且該橫向圖案化係藉由選擇性變動該基板層或該一或多個中性機械表面調整層之厚度來加以提供。
  10. 如請求項4之方法，其中該橫向圖案化係藉由調變該基板層或該一或多個中性機械表面調整層之一機械性質來提供；其中該機械性質係選自由以下所組成之群組：多孔性、交叉連結程度及楊氏模數。
  11. 如請求項1之方法，其中該一或多個中性機械表面調整層係一或多個囊封層。
  12. 如請求項11之方法，其中該囊封層具有一厚度，其在一橫向方向上選擇性變動。
  13. 如請求項1之方法，其中該功能層包含一彈出互連。
  14. 如請求項1之方法，其進一步包含定位該中性機械平面以重合或接近對應變引發故障最敏感之該功能層。
  15. 如請求項1之方法，其中該功能層包含一電子裝置之一組件，其中該組件包含複數個蜿蜒互連。
  16. 如請求項1之方法，其中該基底層包含一聚合物、一彈性體、一半導體、一無機聚合物、一有機聚合物、織物、乙烯、乳膠、彈性纖維、皮革及紙張。
  17. 如請求項1之方法，其中該多層裝置進一步包含散佈於該基底層之一部份及該功能層之一部份之間之一隔離層，且其中該隔離層隔離該功能層之至少一部分與一施加應變。
  18. 如請求項1之方法，其中該功能層包含一半導體薄膜層、由多個支撐層所分開之多個半導體層、或複數個圖案化元件。
  19. 如請求項18之方法，其中該功能層包含複數個圖案化元件，且其中該等圖案化元件包含多個互連。
  20. 如請求項1之方法，其中該功能層包含連接多個剛性裝置島之多個曲狀互連。
  21. 如請求項20之方法，其中該等曲狀互連係在平面內、平 面外或其一組合。
  22. 如請求項20之方法，其中該等曲狀互連係使用未固化液體預聚物囊封。
  23. 如請求項1之方法，其中該中性機械表面定位接近該功能層之一應變敏感材料以針對一給定折疊組態在該應變敏感材料內提供至少50%的應變降低。
  24. 如請求項1之方法，其中該中性機械表面定位距該功能層之一應變敏感材料小於2mm。
  25. 如請求項1之方法，其中該中性機械表面定位距該功能層之一應變敏感材料小於10μm。
  26. 如請求項1之方法，其中該中性機械表面定位在相鄰於該功能層之一層中。
  27. 如請求項1之方法，其進一步包含：提供一載體層表面及使用一犧牲層來塗布該載體層表面之至少一部分；將該基板層附著至該犧牲層，其中該基板層支撐該電子裝置之至少一組件；透過該基板層來圖案化複數個犧牲層出入開口；以及藉由經由該等出入開口引入一犧牲移除材料至該犧牲層來從該載體層表面釋放該基板層，由此獲得一可折疊電子裝置。
  28. 一種製造具有一曲狀表面之一電子裝置之方法，該方法包含：提供一多層裝置，該多層裝置包含一基板層、一功能層及一或多個中性機械表面調整層，其中該功能層係由該基板層來支撐，其中該一或多個中性機械表面調 整層之至少一層係安置在該功能層上，其中該多層裝置之該一或多個中性機械表面調整層之至少一層具有一性質，該性質相對於該多層裝置中之一位置為空間上不均勻；其中該空間上不均勻性質定位重合或接近該功能層的一空間上變動中性機械表面，其中在該空間上不均勻性質中之多個空間上變動造成該空間上變動中性機械表面相對於該功能層被定位在該多層裝置之多個不同空間區域中距該多層裝置之一頂部表面之多個不同距離，提供一曲線表面；以及使用該多層裝置保形包覆該曲線表面，由此製造具有一曲狀表面之一電子裝置。
  29. 如請求項28之方法，其中該功能層包含一電子裝置之一組件，其中該組件包含複數個蜿蜒互連。
  30. 如請求項28之方法，其中該一或多個中性機械表面調整層包含一或多個囊封層。
  31. 如請求項28之方法，其中該功能層包含一半導體薄膜層、由多個支撐層所分開之多個半導體層、或複數個圖案化元件。
  32. 如請求項31之方法，其中該功能層包含複數個圖案化元件，且其中該等圖案化元件包含多個互連。
  33. 一種製造一可折疊電子裝置的方法，該方法包括：提供一載體層表面； 使用一犧牲層來塗布該載體層表面之至少一部分；將一基板層附著至該犧牲層，其中該基板層支撐該電子裝置之至少一組件；透過該基板層來圖案化複數個犧牲層出入開口；以及藉由經由該等出入開口引入一犧牲移除材料至該犧牲層來從該載體層表面釋放該基板層，由此獲得一可折疊電子裝置。
  34. 一種在一表面上圖案化一電子裝置陣列之方法，該方法包含：在一支撐基板表面上提供一功能層，其中該功能層包含一電子裝置陣列；在該功能層內蝕刻一或多個出入開口；正對著該功能層及出入開口澆鑄一聚合物材料，其中在該等出入開口內的該澆鑄聚合物產生錨，該等錨促進該陣列從該支撐基板表面之高保真度剝離；使一彈性體印模接觸該聚合物材料；以及在一離開該支撐基板之方向上移除該彈性體印模，以從該基板移除該聚合物材料並由此從該支撐基板移除錨定至該聚合物材料之該陣列。
  35. 一種用於印刷平面電子裝置至曲狀表面之方法，該方法包含：在一實質上平面基板表面上提供一裝置，該裝置包含：一支撐層，其中該層為彈性體； 安置在該支撐層之一部份上之一隔離層；一功能層，其包含：至少一裝置島；耦合至該至少一裝置島之至少一可延展互連；其中該裝置島之至少一部份與該隔離層通信；其中該可延展互連之至少一部份並未與該隔離層實體通信；一或多個中性機械表面調整層；安置在該至少一裝置島上之一或多個囊封層；其中該多層電子裝置之該一或多個中性機械表面調整層之該一或多者之至少一者具有一性質，該性質相對於該多層電子裝置中之一位置為空間上不均勻；提供具有一曲線幾何形狀之一彈性體印模；變形該彈性體印模，其中該變形提供一實質上平坦印模表面；使該實質上平坦印模表面接觸在該基板表面上的該裝置；藉由在一離開該基板之方向上抬起該印模從該基板移除該裝置，由此將該組件從該基板表面轉印至該實質上平坦印模表面；以及鬆弛該彈性體印模，由此將該實質上平坦印模表面變換至具有一曲狀幾何形狀之一表面。
  36. 如請求項35之方法，其中在該基板表面上的該裝置包含一可壓縮互連，其具有連接至一第一剛性裝置島的一末 端與連接至一第二剛性裝置島的一第二末端。
  37. 如請求項35之方法，其中該變形步驟包含：將一橫向力施加至該曲線印模，由此實質上平坦化該印模。
  38. 如請求項35之方法，其中具有一曲線幾何形狀之該彈性體印模係藉由以下提供提供具有一曲狀表面的一接收基板；以及正對著該接收基板曲狀表面澆鑄該彈性體印模，由此提供具有一曲線幾何形狀的該印模。
  39. 一種用於施加一力至一曲線彈性體印模以實質上平坦化該印模之裝置，該裝置包含：一支架，其用於可穩固地接收該彈性體印模；以及一力產生器，其可操作地連接至該支架用於在一可穩固地接收彈性體印模上產生一力，該力能夠實質上平坦化該曲線印模。
  40. 一種可延展且可折疊電子裝置，其包含：一基底；安置在該支撐層之一部份上之一隔離層；一功能層，其包含：至少一裝置島；耦合至該至少一裝置島之至少一可延展互連；其中該裝置島之至少一部份與該隔離層通信；其中該可延展互連之至少一部份並未與該隔離層實體通信； 一或多個中性機械表面調整層；安置在該至少一裝置島上之一或多個囊封層；其中該一或多個中性機械表面調整層之該一或多者之至少一層係安置在該功能層上；其中該多層電子裝置之該一或多個中性機械表面調整層之至少一者具有一性質，該性質相對於該多層電子裝置中之一位置為空間上不均勻。
  41. 如請求項40之裝置，其中該不均勻層性質提供一或多個撓性或彈性裝置區域，其係散佈於一或多個機械剛性島區域之間。
  42. 如請求項40之裝置，其中該功能層包含一奈米帶陣列。
  43. 如請求項42之裝置，其中該等奈米係皺曲並具有連接至一第一剛性島區域的一第一末端與連接至一第二剛性島區域的一第二末端。
  44. 如請求項40之裝置，其中該空間上不均勻性質、該隔離層、該至少一可延展互連、及該一或多個囊封層定位重合或接近該功能層的一空間上變動中性機械表面。
  45. 如請求項44之裝置，其中在該空間上不均勻性質中之多個空間上變動造成該空間上變動中性機械表面相對於該功能層被定位在該多層電子裝置之多個不同空間區域中距該多層電子裝置之一頂部表面之多個不同距離。
  46. 如請求項40之裝置，其中該一或多個中性機械表面調整層之該至少一者之該空間上不均勻性質係下列之一或多者： 一空間上變動之多孔性；一空間上變動之交叉連結程度一空間上變動之楊氏模數；一空間上變動之一添加層之沈積；或一空間上變動之多個凹陷特徵放置。
  47. 如請求項46之裝置，其中該一或多個凹陷特徵係蝕刻孔。
  48. 如請求項40之裝置，其中該基底或該一或多個中性機械表面調整層之至少一者係在一橫向圖案上形成。
  49. 如請求項48之裝置，其中該多層電子裝置之每一層具有一厚度，且其中該橫向圖案包含該基底層之一選擇性變動厚度或該一或多個中性機械表面調整層之該至少一者之一選擇性變動厚度。
  50. 如請求項48之裝置，其中該橫向圖案包含該基底或該一或多個中性機械表面調整層之該至少一者之一機械性質之一調變，且其中該機械性質係選自由多孔性、交叉連結程度及楊氏模數所組成之群組。
  51. 如請求項40之裝置，其中該一或多個囊封層具有一厚度，該厚度在一橫向方向上選擇性變動。
  52. 如請求項40之裝置，其中該基底層包含一聚合物、一半導體材料、一陶瓷、一玻璃、一金屬、一織物、一乙烯材料、皮革、乳膠、彈性纖維、或紙張。
  53. 如請求項40之裝置，其中該至少一可延展互連包含一彈出互連、一曲狀互連、一蜿蜒互連，或一波狀互連。
  54. 如請求項53之裝置，其中該至少一可延展互連包含一導電可延展互連或一非導電可延展互連。
  55. 如請求項40之裝置，其中該至少一裝置島包含一電子裝置、一光學裝置、一機械裝置或一熱裝置。
  56. 如請求項40之裝置，其中該至少一裝置島之一或多者包含一裝置組件，其係選自由一光二極體、一發光二極體、一薄膜電晶體、一電極、一半導體組件、一積體電路、一接觸墊、一電路元件、一控制元件、一微處理器、一傳感器、一生物感測器、一化學感測器、一溫度感測器、一光感測器、一輻射感測器、一太陽能電池、一光伏打陣列、及其任何組合所組成之該群組。
  57. 如請求項40之裝置，其中該功能層包含一被動電子組件或一主動電子組件。
  58. 一種製造一可延展且可折疊電子裝置之方法，該方法包含：使用具有一第二楊氏模數的一隔離層來塗布具有一第一楊氏模數的一接收基板，該隔離層具有一接收表面，其中該第二楊氏模數係小於該第一楊氏模數；在一支撐基板上提供一可印刷電子裝置；將該可印刷電子裝置從該支撐基板轉印至該隔離層接收表面；其中該隔離層隔離該轉印電子裝置之至少一部分與一施加應變。
  59. 如請求項58之方法，其中該接收基板包含一材料，其係 選自由以下所組成之群組：一聚合物、一彈性體、一陶瓷、一金屬、玻璃、一半導體、一無機聚合物及一有機聚合物。
  60. 如請求項58之方法，其中該接收基板包含一材料，其選自以下所組成之群組：織物、乙烯、乳膠、彈性纖維、皮革及紙張。
  61. 如請求項58之方法，其中與不具有該應變隔離層之一裝置相比，該隔離層提供至少一20%或更大的應變隔離。
  62. 如請求項58之方法，其中該第一楊氏模數與該第二楊氏模數之比率係大於或等於10。
  63. 如請求項58之方法，其中該可印刷電子裝置包含一電子裝置之一組件，其中該組件包含複數個互連。
  64. 如請求項63之方法，其中該等互連之至少一部分具有一曲狀幾何形狀。
  65. 如請求項58之方法，其中該隔離層包含一聚合物且該聚合物至少部分地滲入該接收基板。
  66. 如請求項65之方法，其中該接收基板包含纖維，其中該等纖維之至少一部分係嵌入於該隔離層內。
  67. 如請求項58之方法，其中該接收基板具有一表面紋理以增加在該隔離層與該接收基板之間的接觸面積。
  68. 如請求項58之方法，其進一步包含在一囊封層內囊封該已轉印電子裝置之至少一部分，其中該囊封層具有一楊氏模數，其係小於或等於該第二楊氏模數。
  69. 如請求項68之方法，其中該囊封層具有一不均勻楊氏模 數。
  70. 一種可延展且可折疊電子裝置，其包含：一支撐基板；一隔離層，其至少部分地塗布該支撐基板之一表面，該隔離層具有一楊氏模數，其小於或等於該支撐基板楊氏模數；以及一電子裝置，其係由該隔離層來至少部分地支撐；其中與不具有該隔離層之一裝置相比，在該裝置延展或折疊時，該隔離層能夠提供至少20%或更大的應變隔離。
  71. 如請求項70之裝置，其中該電子裝置包含接合區域，其係接合至該隔離層。
  72. 如請求項70之裝置，其中該電子裝置包含連接相鄰接合區域的非接合區域，該等非接合區域包含彎曲互連。
  73. 如請求項70之裝置，其進一步包含一囊封層，其至少部分地囊封該電子裝置，該囊封層具有一楊氏模數，其係小於或等於該隔離層楊氏模數。
  74. 如請求項73之裝置，其中該囊封層具有一不均勻楊氏模數。
  75. 一種可延展且可折疊之多層電子裝置，其包含：一基底層；一功能層；及一或多個中性機械表面調整層，其中該功能層由該基底層支撐， 其中該一或多個中性機械表面調整層之該一或多者之至少一者係安置在該功能層上；其中該多層電子裝置之該一或多個中性機械表面調整層之至少一者具有一性質，該性質相對於該多層電子裝置中之一位置為空間上不均勻，其中一空間上變動中性機械表面基於該空間上不均勻性質定位重合或接近該功能層，且其中，基於該空間上不均勻性質中之多個空間上變動，該空間上變動中性機械表面相對於該功能層被定位在該多層裝置之多個不同空間區域中距該多層裝置之一頂部表面之多個不同距離。
  76. 如請求項75之裝置，其中該一或多個中性機械表面調整層之該至少一者之該空間上不均勻性質係下列之一或多者：一空間上變動之多孔性；一空間上變動之交叉連結程度一空間上變動之楊氏模數；一空間上變動之一添加層之沈積；或一空間上變動之多個凹陷特徵放置。
  77. 如請求項76之裝置，其中該等凹陷特徵係蝕刻孔。
  78. 如請求項75之裝置，其中該一或多個中性機械表面調整層包含多個薄膜或增加多個層。
  79. 如請求項75之裝置，其中該一或多個中性機械表面調整層包含一或多個囊封層。
  80. 如請求項75之裝置，其中該功能層包含至少一裝置島及至少一可延展互連。
  81. 如請求項80之裝置，其中該至少一可延展互連包含一彈出互連、一曲狀互連、一蜿蜒互連，或一波狀互連。
  82. 如請求項81之裝置，其中該至少一可延展互連包含一導電可延展互連或一非導電可延展互連。
  83. 如請求項80之裝置，其中該至少一裝置島包含一電子裝置、一光學裝置、一機械裝置或一熱裝置。
  84. 如請求項80之裝置，其中該至少一裝置島之一或多者包含一裝置組件，其係選自由一光二極體、一發光二極體、一薄膜電晶體、一電極、一半導體組件、一積體電路、一接觸墊、一電路元件、一控制元件、一微處理器、一傳感器、一生物感測器、一化學感測器、一溫度感測器、一光感測器、一輻射感測器、一太陽能電池、一光伏打陣列、及其任何組合所組成之該群組。
  85. 如請求項75之裝置，其中該功能層包含一被動電子組件或一主動電子組件。
  86. 如請求項75之裝置，其中該基底層包含一聚合物、一半導體材料、一陶瓷、一玻璃、一金屬、一織物、一乙烯材料、皮革、乳膠、彈性纖維、或紙張。
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