專利名稱：可印刷半導體結構以及相關制造和組裝方法
可印刷半導體結構以及相關制造和組裝方法 相關申請的交叉援引
本申請要求于2005年6月2日提交的美國專利申請 No. 11/145， 542、 2005年6月2日提交的美國專利申請No. 11/145， 574 以及2005年6月2日提交的國際PCT申請No.PCT/US05/19354的優(yōu)先 權，此處通過引用的方式，以不與此處公開的內(nèi)容不一致為限，將所 有這些申請的內(nèi)容納入本文。
背景技術：
自從1994年首次演示印刷的全聚合物晶體管以來，那些在塑料基 片上包括柔性集成的電子設備的潛在新類型電子系統(tǒng)引起了人們的廣 泛關注。[Gamier, F. , Hajlaoui， R. ， Yassar， A. and Srivastava， P. ， Science,第265巻，第1684 - 1686頁]。最近，基本研究已經(jīng) 著眼于開發(fā)新的用于半導體、絕緣體以及半導體元件的可溶液處理材 料來用于柔性塑料電子設備。然而，柔性電子設備領域的進展并不是 僅由新的可溶液處理材料的開發(fā)來推動的，而且還受到新的設備組件 的形狀、高效設備、設備組件處理方法以及可應用于塑料基片的高分 辨率成圖技術的推動?？梢灶A期，這類材料、設備構造以及制造方法 將在迅速崛起的新類型柔性集成電子設備、系統(tǒng)和電路中扮演一實質 性的角色。
對柔性電子設備的興趣主要起因于該技術提供的幾個重要優(yōu)點。 首先，該塑料基片材料的機械耐用性使電子設備較不易于受到因機械 壓力而引起的損毀和/或電子性能降低。第二，這些基片材料的固有柔 韌性使得它們可以以多種形狀來集成，以此提供了大量有用的設備構 造，而利用脆性的常規(guī)硅基底電子設備是不可能做到的。例如，可以 預料到可彎曲的柔性電子設備使能夠制造諸如電子紙張、可佩戴的計 算機以及大面積高分辨率顯示器之類的新設備，這些設備在已有的硅 基技術下是不易實現(xiàn)的。最后，可溶液處理組件材料以及塑料基片的 結合使得通過這些能夠以低成本在大基片面積上生產(chǎn)電子設備的連續(xù)、高速、印刷技術來進行制造。
然而，展示優(yōu)良電子性能的柔性電子設備的設計和制造存在很多 艱巨的挑戰(zhàn)。首先，已開發(fā)得很好的常規(guī)硅基電子設備的制造方法與 大多數(shù)塑料材料不兼容。例如，傳統(tǒng)的高品質無機半導體組件，諸如 單晶硅或鍺半導體， 一般是通過在顯著超過大多數(shù)塑料基片的熔化或
分解溫度(> 1000攝氏度)下生長薄膜來處理的。此外，多數(shù)無機半
導體本質上在常規(guī)溶液中是不可溶解的，這允許基于溶液的處理和傳 輸。第二，盡管很多非晶硅、有機或者混合的有機-無機半導體可以兼 容地納入到塑料基片中，并且可以在相對低的溫度下處理，但是這些 材料不具有可以提供具有良好電子性能的集成電子設備的電子特性。 例如，由這些材料制成的具有半導體元件的薄膜晶體管展示的場效應 遷移率比其余的基于單晶硅的設備低約三個量級。由于這些限制，柔 性電子設備目前只限于那些不需要高性能的特定應用中，諸如用于具 有非發(fā)射像素的有源矩陣平面顯示器的開關元件中以及用于發(fā)光二極管中。
最近，在擴展集成于塑料基片上的電子設備的電子性能方面已經(jīng) 取得了進展，以使其應用拓展到一較寬的電子應用范圍。例如，已經(jīng)
出現(xiàn)幾種與對塑料基片材料上的處理兼容的新的薄膜晶體管(TFT )設 計，并且這些新的薄膜晶體管(TFT)設計表現(xiàn)出比具有非晶硅、有機 或混合的有機-無機半導體元件的薄膜晶體管明顯高的設備性能特征。 一種更高性能的柔性電子設備是基于通過對非晶硅薄膜進行脈沖激光 退火而制造的多晶硅薄膜半導體元件。雖然這種柔性電子設備提供了 增強的設備電子性能特征，但是利用脈沖激光的退火限制了這種設備 制造的簡易度和靈活性，從而顯著增加了成本。另一種看好的新類型 更高性能柔性電子設備是那些將可溶液處理的納米級材料，諸如納米 線、納米帶、納米顆粒以及碳納米管作為許多宏電子和微電子設備中 的有源功能組件。
評估認為使用分散的單晶納米線或納米帶可作為一種在塑料基片 上提供展示增強的設備性能特征的可印刷電子設備的可行方式。Duan 等人描述了將多個選擇取向的單晶硅納米線或CdS納米帶作為半導體 通道的薄膜晶體管設計[Duan， X. ， Niu， C， Sahl, V. ， Chen, J. ， ParceJ. , Empedocles, S. and Goldman, J., Nature,第425巻，第274 -278 頁]。作者報道了一種據(jù)其所述與塑料基片上的溶液處理兼容的制造工 藝，其中，將厚度少于或等于150納米的單晶硅納米線或CdS納米帶 分散到溶液中，并且使用流導向準直方法將其組裝到基片表面上，以 產(chǎn)生在薄膜晶體管上的半導體元件。由作者提供的光學顯微照片表明
布置單層的納米線或納;帶。'盡管i作者報:對于單獨的納米線或納
米帶具有相對較高的本征場效應遷移率(《 119cm、—18—1),但最近確 定整個設備場效應遷移率比Duan等人，艮道的本征場效應遷移率值"約 小兩個量級，，[Mitzi， D. B， Kosbar， L丄，Murray, C. E. ， Copel， M.Afzali， A. ， Nature,第428巻，第299-303頁]。該設備場效應遷 移率比常規(guī)的單晶無機薄膜晶體管低幾個量級，很可能是由于在利用 Duan等人公開的方法以及設備構造時的準直、密集封裝以及分散納米 線或納米帶電接觸上的實踐挑戰(zhàn)而引起的。
使用納米晶溶液作為多晶無機半導體薄膜的前體(precursor )已 被探索為一種可在塑料基片上提供展示更高的設備性能特征的可印刷 電子設備的可行方法。Ridley等人公開了一種溶液處理制造方法，其 中在塑料可兼容的溫度下處理具有約2納米尺寸的硒化鎘納米晶溶 液，以為場效應晶體管提供半導體元件。[Ridley, B. A. ， Nivi， B. and Jacobson, J. M. ， Science,第286巻，第746 - 749頁(1999)]。 作者報道了 一種方法，其中硒化鎘納米晶溶液中的低溫晶粒生長提供 了包括有幾百個納米晶的單晶面積。盡管Ridley等人報道了改進的電 學特性可與具有有機半導體元件的設備相比，但是由這些技術獲得的
設備遷移率(《lcm2V_1s—"比常規(guī)的單晶無機薄膜晶體管的設備場效 應遷移率低幾個量級。由Ridley等人的設備構造以及制造方法所獲得 的場效率遷移率的限制很可能是由在各個納米顆粒之間建立的電接觸 引起的。具體地，將有機端末基團用于穩(wěn)定納米晶溶液以及阻止凝聚， 可能妨礙在相鄰納米顆粒之間建立對于提供高設備場效應遷移率是必 要的良好電接觸。
盡管Duan等人以及Ridley等人提供了用于在塑料基片上制造薄 膜晶體管的方法，但是所描述的設備構造采用了包括諸如電極、半導體和/或絕緣體之類的機械剛性的設備組件的晶體管。選擇具有良好機 械性能的塑料基片可以提供能夠在可變的或者扭曲的方向進行操作的 電子設備。然而，可以預料到這種運動會在各個剛性晶體管設備組件 上產(chǎn)生機械應力。該機械應力可能導致對各個組件的損壞，例如破裂， 以及還可能使設備組件之間的電接觸衰退或破壞。
都于2005年6月2日提交的美國專利11/145， 574以及 11/145， 542公開了一種使用可印刷半導體元件的高產(chǎn)率制造平臺來 通過多用途、低成本以及大面積的印刷技術制備電子設備、光電設備 以及其他功能電子裝置。所公開的方法和成分提供了使用提供在大的 基底面積上的良好安放準確度、配準以及圖樣再現(xiàn)度的熱轉接觸印刷
組^和/或集成。所公開的方法提供一了重^^的處理優(yōu)點，使能夠使用常 規(guī)的高溫處理方法通過下面的印刷技術在基片上制造高品質半導體材 料的集成該印刷技術可以在與包括柔性塑料基片的一定范圍內(nèi)的有 用基片材料兼容的相對低的溫度下(<約400攝氏度)獨立進行。利用 可印刷半導體材料制造的柔性薄膜晶體管當在彎曲和非彎曲形狀下時 展示良好的電學性能特征，諸如大于300 cm2V—、—工的設備場效應遷移 率以及大于103的開/關比。
從上面可以理解，以低成本、起于體材料制造高品質可印刷半導 體元件的方法將提高用于生產(chǎn)大面積柔性電子和光電設備以及設備陣 列的印刷技術的商業(yè)吸引力。而且，使能夠對印刷到基片上的半導體 元件的物理尺寸、空間取向以及配準進行高度控制的可印刷半導體成 分以及基于印刷的組裝方法也將提高這些方法用于制造寬范圍的功能 設備的適用性。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于加工、轉移以及組裝具有所選擇的物理尺 寸、形狀、成分以及空間取向的高品質可印刷半導體元件的高產(chǎn)率途 徑。本發(fā)明的成分以及方法提供了將微小尺寸和/或納米尺寸半導體結 構的陣列高度精確的配準轉移以及集成到包括到大面積基片和/或柔 性基片的基片上。此外，本發(fā)明提供了以諸如體硅晶片(bulk siliconwafer )的低成本體(bulk )材料以及智能材料處理策略來制備可印刷 半導體元件的方法，該智能材料處理策略實現(xiàn)了一種用于制備寬范圍 功能半導體設備的多用途、具有商業(yè)吸引力的基于印刷的制造平臺。 本半導體制造、轉移以及集成平臺提供了多個優(yōu)點，這些優(yōu)點包括對 可印刷半導體結構的幾何形狀、相對空間取向以及組織、摻雜水平以 及材料純度的高度控制。
本發(fā)明方法以及成分使得能夠進行復雜集成的電子或光電設備或 設備陣列范圍的制造，包括大面積、柔性、高性能宏電子設備，這些 電子設備展示可以與那些利用常規(guī)高溫處理方法來制造的基于單晶半 導體的設備相比擬的性能特征。將可印刷半導體元件集成、定位、組 織、轉移、成圖和/或集成到基片上或內(nèi)的本發(fā)明制造成分以及相關方 法實際上可以用于制造包括一個或更多個半導體元件的任何結構。然 而這些方法對于制造復雜集成的電子或光電設備或設備陣列，諸如二 極管陣列、發(fā)光二極管、太陽能電池以及晶體管(例如，薄膜晶體管 (TFT)、金屬-半導體場效應晶體管(MESFET) TET以及雙極晶體管)
特別有用。本發(fā)明的成分以及相關方法對于用于制造系統(tǒng)級集成的電 路，諸如NOA和MND邏輯門以及互補邏輯電路也是有用的，其中可印 刷半導體元件沿一充分限定的空間取向被印刷到基片上以及被互連，
以形成所需的電路設計。
在一方面，本發(fā)明提供了使用體硅晶片起始材料的處理方法，這 些材料被重復處理以提供高產(chǎn)率的具有精確選取的物理尺寸、形狀以 及空間取向的可印刷半導體元件。在本發(fā)明該方面的一個實施方案中， 提供了一個具有(lll)取向以及具有一個外表面的硅晶片。在具有商業(yè) 吸引力的實施方案中，該晶片是低成本、體(lll)硅晶片。在(lll)硅 晶片外表面產(chǎn)生多個凹槽特征，其中每個凹槽特征包括被曝露的硅晶 片的一底面以及一側面。凹槽特征的側面的至少一部分,皮遮蓋。在本 說明書的上下文中，"遮蓋"指的是提供遮蓋材料，諸如可以防止或 阻止刻蝕或者可以降低被遮蓋表面的刻蝕速度的耐刻蝕遮蓋材料。凹 槽特征之間的區(qū)域被刻蝕，使得該刻蝕沿(111)硅晶片的< 110>方向發(fā) 生，以此制造出一個或更多個包括^皮部分底刻(undercut )或完全底 切的硅結構的可印刷半導體元件。在一實用的實施方案中，沿硅晶片的<110>方向在相鄰位置凹槽特征之間進行底刻，以此來產(chǎn)生可印刷的
半導體元件。可選地，選擇凹槽特征的位置、形狀以及空間取向以形
成對準維持元件(alignment maintenance element), 諸如將可印岸寸 半導體元件連接到晶片的橋元件。
在一個實施方案中，凹槽特征側面的一部分，但不是全部，被遮 蓋，以此產(chǎn)生側面的被遮蓋區(qū)域以及沒有被遮蓋的區(qū)域。側面的沒有 被遮蓋的區(qū)域被刻蝕，例如，通過各向異性刻蝕方法，以此導致底刻 位于凹槽特征之間的(lll)硅晶片區(qū)域。在本發(fā)明的該實施方案中，刻 蝕沿硅晶片<110>方向在凹槽特征之間發(fā)生，以此制造出包括被部分底 刻或完全底刻的硅結構的可印刷半導體元件。
在又一個實施方案中，凹槽特征的側面被完全遮蓋并且凹槽特征 之間的區(qū)域被刻蝕，其刻蝕沿硅晶片的〈110〉方向發(fā)生，例如，對被遮 蓋區(qū)域下面的材料進行刻蝕，這導致底刻位于凹槽特征之間的(111) 硅晶片的區(qū)域。該處理制造包括被部分底刻或全部底刻的硅結構的可 印刷半導體元件。在一些實施方案中，位于凹槽特征的底板(floor) 下面的材料被除去，例如，通過各向異性刻蝕方法?？蛇x地，該凹槽 特征的底板^皮部分遮蓋，因而為蝕刻劑留出入口，其中該入口位于凹槽 特征的底板上。其中凹槽特征的側面被完全遮蓋的制造方法可以比采 用部分遮蓋側面的一些方法更為精確地限定和選擇可印刷元件的厚 度。
可選地，本方法還可以包括在制造可印刷半導體元件之前，對凹 槽特征的幾何形狀、物理尺寸以及形態(tài)進行精制的步驟。在上下文中， 精制指代諸如凹槽的側面和底板等凹槽特征的表面的材料除去處理。
物理尺寸和表面形態(tài)的凹槽特征的處理，從而導致可印刷半導體元件 具有更光滑的表面和特征和/或具有更均勻的物理尺寸和形態(tài)。在一個 實施方案中，利用各向異性刻蝕技術，例如利用熱K0H溶液的刻蝕， 對幾何形狀、物理尺寸和/或形態(tài)進行精制。本發(fā)明方法包括涉及精制 凹槽特征的幾何形狀、物理尺寸和/或形態(tài)處理步驟對于制備微電子機 械系統(tǒng)(MEMS)和納米電子機械系統(tǒng)(NEMS)的制造途徑上是有用的。 對具有所選擇的物理尺寸、位置以及相對空間取向的多個凹槽特征的(111)晶片的外表面進行構圖在本方法用于同時制造大量(例如，
約1 x 103到約1. Ox 10lfl)可印刷半導體元件陣列方面是有用的，所述
可印刷半導體元件被放置在精確選擇的位置和空間取向上，以便于它 們最終組裝和集成到設備系統(tǒng)中。本發(fā)明的方法可以生產(chǎn)出與硅晶片
外表面的大部分(例如約75%-約95%)相應的可印刷半導體元件陣列。 本發(fā)明包括其中在相鄰凹槽特征之間沿(lll)硅晶片的<110>方向 進行到完全刻蝕的方法，因而完全底刻凹槽特征之間的(111)硅晶片的 區(qū)域，因而制備可印刷半導體元件。替代地，本發(fā)明包括其中在相鄰 凹槽特征之間沿硅晶片〈110〉方向的不完全刻蝕，因而部分地底刻凹槽 特征之間的(lll)硅晶片的區(qū)域，并且因而產(chǎn)生部分底刻的可印刷半導 體元件。在一些其中通過該刻蝕處理步驟完全底刻可印刷半導體元件 的方法中，選擇硅片外表面上的凹槽特征的空間取向和物理尺寸，使 得所制造的可印刷半導體元件在該可印刷半導體元件的一個或更多個 端上保持連接到、可選地集成連接到硅晶片上。在一些實施方案中， 該可印刷半導體元件直接連接到硅晶片上，而在其他實施方案中，該 可印刷半導體元件通過諸如橋元件的一個或更多個對準維持元件連接 到硅晶片上。
具有(lll)取向的硅晶片與本發(fā)明的刻蝕系統(tǒng)結合使用，提供一種
類的維l元^有;的本:刻蝕停止。例如，:一些實施方案中，選擇 一個提供沿硅晶片〈110〉方向的優(yōu)選刻蝕的各向異性刻蝕系統(tǒng)。在這些 實施方案中，沿著比沿硅晶片<111>方向更快的速度的硅晶片<110>方 向進行刻蝕，以及在一些應用中，優(yōu)選地，沿著以比沿珪晶片<111> 方向快100倍的速度的硅晶片<110>方向進行刻蝕，以及在一些實施方 案中，沿著比沿硅晶片<111>方向快600倍的速度的硅晶片<110>方向 進行刻蝕。在一些處理條件下，使用一個各向異性刻蝕系統(tǒng)，使刻蝕 基本不沿硅晶片的<111>方向進行。在本說明書的上下文中，"刻蝕基 本不沿硅晶片的<111>方向進行"的表達指的是低于一般印刷用半導體 元件制造處理的約幾個百分點的刻蝕程度。用于該底刻處理步驟的有 效刻蝕系統(tǒng)產(chǎn)生具有光滑的、底刻的底面的可印刷半導體元件，例如 底刻底面具有低于或等于0. 5納米的表面粗糙度。在本方法中有用的各向異性蝕刻劑系統(tǒng)包括但不限于在室溫或大于298K溫度下使用堿 性溶液的濕式化學刻蝕，所述堿性溶液諸如KOH、堿金屬類氫氧化物 溶液，EDP (ethylene diamine pyrochatechol ) , TMAH (四甲基氬 氧化銨)，鎵胺(amine gallate)(鎵酸、乙醇胺、對二氮雜苯 (pyrazine)、表面活性劑溶液)以及聯(lián)氨。
用于遮蓋凹槽特征側面的有用方法包括對諸如金屬或金屬的混合 的遮蓋材料進行成角度的電子束沉積、化學氣相沉積、熱氧化、以及 遮蓋材料的溶液沉積。示例方法包括兩個金屬Ti/Au的成角度電子束 沉積，用于提供凹槽特征側面的部分覆蓋。這些在成角度蒸發(fā)過程中 投下的"隱蔽"，在本實施方案中，至少部分地限定了可印刷半導體 元件的厚度。本方法包括完全遮蓋凹槽特征側面的處理步驟以及，替 代地，只是部分地遮蓋凹槽特征側面的處理步驟，例如遮蓋側面中所
選的部分、區(qū)域、面積或深度的處理步驟。
在本發(fā)明該方面的一個實施方案中，將具有所選尺寸、取向和位 置的凹槽特征的圖樣提供到外表面。在該實施方案中，外表面上的凹 槽特征具有被選擇為至少部分限定可印刷半導體元件的物理尺寸、形 狀、位置和空間取向以及可選擇地限定橋元件的物理尺寸(即長度、 寬度和深度)、形狀、位置以及相對空間取向。選取相鄰凹槽特征的 相對位置(例如間距)、形狀以及空間取向，以限定可印刷半導體元 件的形狀、寬度或長度。例如，該相鄰凹槽特征之間的間距限定了可 印刷半導體元件的寬度或長度，可以選擇凹槽特征的深度，以至少部 分地確定可印刷半導體元件的厚度。在一些實施方案中，具有一個或 更多個基本均勻(即在約5%以內(nèi))的物理尺寸的凹槽特征是優(yōu)選的， 以便產(chǎn)生具有一個或更多個均勻的物理尺寸，諸如均勻的厚度、寬度 或長度的可印刷半導體元件?？梢酝ㄟ^現(xiàn)有技術中已知的任何方法來 制造凹槽特征，包括但不限于，諸如近場相移光刻的光刻處理、軟刻 蝕處理、剝離方法、干式化學刻蝕、等離子刻蝕、濕式化學刻蝕、微 機械加工、電子束寫入、以及無源離子刻蝕。在一個能夠提供具有所 選的物理尺寸和相對空間取向的凹槽特征圖樣的有效實施方案中，在 硅晶片的外表面產(chǎn)生一個或更多個凹槽特征的步驟包括以下步驟(i) 通過應用 一個掩模來遮蓋外表面的一個或更多個區(qū)域，因而產(chǎn)生外表面的被遮蓋的區(qū)域和沒有被遮蓋的區(qū)域；以及(ii)刻蝕晶片外表面至 少一部分沒有被遮蓋的區(qū)域，例如利用各向異性干式刻蝕或各向同性 干式刻蝕技術。
在本發(fā)明該方面的一個實施方案中，凹槽特征包括晶片外表面中 的具有所選物理尺寸、位置以及相對空間取向的多個通道。例如，包 括第一和第二通道的凹槽特征可以被構圖到硅晶片上，使它們彼此物 理分開。在該實施方案中，在凹槽特征之間刻蝕的步驟沿硅晶片的 <110>方向從第一通道進行到第二通道，因而底刻位于相鄰通道之間的 硅晶片的至少一部分，以便于從(lll)硅晶片制造在第一和第二通道 之間的可印刷半導體元件，以及可選的橋元件。該處理產(chǎn)生包括位于 第一和第二通道之間的部分或完全底刻的硅結構。在用于制備可印刷
半導體元件陣列的有效實施方案中，在硅晶片外表面產(chǎn)生一個包括大 量具有充分限定的位置和尺寸的通道的圖樣，因而使得能夠在單個處 理方式下同時制造出大量可印刷半導體元件。
在一個實施方案中，晶片外表面上的第一和第二通道縱向上的取 向處于基本平行的構造中。在該實施方案中，在凹槽特征之間刻蝕步 驟產(chǎn)生位于第一和第二通道之間的、部分地或者完全底刻的可印刷半 導體帶。對于一些實施方案來說優(yōu)選的是，第一和第二通道的位置和 物理尺寸被選取為使可印刷半導體帶保持集成連接到硅晶片上，直到 進一步的處理，諸如涉及與轉移設備接觸的處理步驟，該轉移設備包 括但不限于彈性印模。例如，在一個實施方案中，第一通道終止于第 一末端，而第二通道終止于第二末端，可印刷半導體帶保持直接或通 過諸如橋元件之類的對準維持元件連接到在所述第一通道的第一末端 和該通道的第二末端之間區(qū)域的硅晶片。此外。該第一通道和第二通 道可以分別終止于第三和第四末端，以及可選地，可印刷半導體帶還 可以直接或通過諸如橋元件之類的對準維持元件連接第三和第四末端 之間區(qū)域的硅晶片。
本發(fā)明該方面的方法還包括許多可選的處理步驟，包括但不限于 材料沉積和/或用于將諸如電接觸之類的導電結構、絕緣結構和/或附 加的半導體結構形成在可印刷半導體元件上的構圖；退火步驟；晶片
清洗；表面處理，例如對表面進行刨光以降低外表面的粗糙度；材料摻雜處理；使用諸如彈性印模之類的轉移設備或使用溶液印刷技術轉 移、構圖、組裝和/或集成可印刷半導體元件；晶片表面修整；使可印 刷半導體元件功能化，例如，制備親水或憎水基團；例如利用刻蝕移 除材料；生長和/或移除可印刷半導體元件上的熱氧化層，和對這些可 選處理步驟的任意組合。
元件從硅晶片釋放的步驟。在本說明書的上下文中，"釋放，，指的是 將可印刷半導體元件從硅晶片上分離的處理。在本發(fā)明中的釋放處理 可以包括拆掉諸如橋元件之類的將可印刷半導體元件的一個或更多個 末端連接到母基片(mother substrate)的對準維持元件?？捎∷?導體元件從硅晶片上的釋放可以通過使可印刷半導體元件接觸諸如可 用于接觸印刷轉移處理的彈性印模的轉移設備來進行，諸如干式轉移 印刷。在一些實施方案中，半導體元件的外表面和諸如一致的彈性印 模之類的轉移設備的接觸表面接觸，可選地為一致接觸，使得半導體 元件粘合到接觸表面?？蛇x地，本發(fā)明該方面的方法還包括將半導體 元件配準轉移到轉移設備的步驟?？蛇x地，本發(fā)明該方面的方法還包 括利用受動力學控制的分離速度來促進將可印刷半導體元件配準轉移 到彈性印模上。
用于制造可印刷半導體元件的本方法的一個優(yōu)點在于使用諸如體 (111)硅晶片的給定(lll)硅晶片起始原料，該方法可以被進行一次 以上。本方法的重復處理能力是有益的，因為它使得本方法的使用單 個起始硅片的多次重復成為可能，因而使得能夠從一平方英尺的體硅
在一個實施方案中，該方法還包括在釋放和轉移可印刷半導體元件后 修整硅晶片的外表面的步驟。在本說明書的上下文中，表達"修整硅 晶片"指的是產(chǎn)生一個平坦的、以及可選地為光滑的硅晶片外表面的 處理步驟，例如在釋放和/或轉移一個或更多個可印刷半導體元件后。 修整可以通過現(xiàn)有技術的任何已知技術來進行，包括但不限于，拋光、 刻蝕、研磨、微機械加工、化學-機械拋光；各向異性濕式刻蝕。在一 個有效的實施方案中，處理步驟(i)在硅晶片外表面產(chǎn)生多個凹槽特 征，(ii)遮蓋凹槽特征的至少一部分側面，以及可選地遮蓋凹槽形貌
17的整個側面，以及(iii)在側面之間進4亍刻蝕，因而產(chǎn)生附加的可印刷 半導體元件，在修整外表面后被重復上述步驟。使用單個硅晶片起始 原料，可以重復進行包括釋放和精制處理步驟的本發(fā)明方法很多次。
在又一方面，本發(fā)明提供了能夠高精度配準轉移、配準組裝和/ 或配準集成到接收基底上的可印刷半導體成分和結構。在本說明書的 上下文中，表達"配準轉移"、"配準組裝，，、"配準集成，，指的是 保持被轉移元件的相對空間取向的協(xié)調處理，優(yōu)選地為約5微米以及 對于一些應用更優(yōu)選地為約0. l孩i米范圍內(nèi)。本發(fā)明的配準處理還可 以指的是本發(fā)明方法在預選為5微米以及對一些實施方案優(yōu)選地為 500納米下將可印刷半導體元件轉移、組裝和/或集成到接收基底的特 定區(qū)域上的能力。本發(fā)明該方面的可印刷半導體成分和結構增強了轉 移印刷組裝以及集成技術的精確度、準確度以及重現(xiàn)精度，因而提供 了一種用于制備高性能電子和光電設備的健壯并具有商業(yè)化可行性的 制造平臺。本發(fā)明中的配準處理可以使用各種轉移設備來執(zhí)行，這些 轉移設備包括，但不限于，可用于諸如干式接觸印刷的接觸印刷轉移 處理的諸如彈性和非彈性印模的印模轉移設備。
在該方面的一個實施方案中，本發(fā)明提供了一種包括可印刷半導 體元件的可印刷半導體結構；以及連接到、可選地集成連接到可印刷 半導體結構以及連接到母晶片的一個或更多個橋元件。選擇該可印刷
半導體元件的物理尺寸、成份、形狀和幾何形狀，以及橋元件，使得 將可印刷半導體與諸如彈性印模的轉移設備接觸能夠折斷橋元件，因 而以可控的方式將可印刷半導體結構從母晶片釋放。
在一個實施方案中，橋元件、可印刷半導體元件和母晶片被集成 地連接，以^更包括一整體(unitary )結構。在本"^兌明書的上下文中， "整體結構"指的是其中母晶片、橋元件以及可印刷半導體元件包括 單塊結構的成分。例如，在一個實施方案中， 一整體結構包括一單個 的、連續(xù)的半導體結構，其中一個或更多個橋元件集成連接到母晶片 和連接到可印刷半導體元件。然而，本發(fā)明還包括可印刷半導體結構， 其中該橋元件、可印刷半導體元件以及母硅片不包括一整體結構，而 是通過諸如共價鍵結合、附著和/或分子間作用力(例如，范德瓦斯力、 氫鍵結合、偶極間作用力、色散力)之類的結合力彼此連接在一起的。本發(fā)明該方面的可印刷半導體結構可以包括一單個或多個連接 到、優(yōu)選地為集成連接到可印刷半導體元件和母晶片的橋元件。本發(fā) 明的橋元件包括將可印刷半導體元件的表面連接到母晶片的結構。在 一個實施方案中， 一個或更多個橋元件將可印刷半導體元件的末端和/ 或底部連接到母晶片。在一個實施方案中，橋元件將一個或兩個終止 可印刷半導體帶的長度的末端連接到母晶片。在一些實施方案中，可 印刷半導體元件和橋元件至少部分從母晶片底刻。在一個能夠高精度 配準轉移的實施方案中，可印刷半導體元件和橋元件完全從母晶片底 刻。然而，本發(fā)明還包括將可印刷半導體元件連接到母晶片的、不是 被底刻的結構的橋元件。這種非底刻構造的一個示例是將可印刷半導 體元件的底部連接和/或錨到母晶片上的橋元件。
端或表面連接到母晶片的實施方案。具有多個橋元件的可印刷半導體 結構對于那些需要改進的、高精度的配準轉移的應用來說是有用的，
供了半導體元件的對準、空間取向和^置的^大穩(wěn)定性。
本發(fā)明該方面的橋元件是對準維持元件，該對準維持元件將可印 刷半導體元件連接和/或錨到母基片上，諸如半導體晶片。橋元件對于 在轉移、組裝過程中和/或集成處理步驟中維持可印刷半導體元件的所 選取向和/或位置是有用的。橋元件對于在轉移、組裝期間和/或集成 處理步驟中維持半導體元件圖樣或陣列的相對位置和取向也是有用 的。在本發(fā)明的方法中，橋元件在涉及對諸如一致彈性印模等轉移設 備的接觸表面的接觸、粘合、轉移和集成處理期間保持可印刷半導體 元件的位置和空間取向，因而使能夠從母晶片配準轉移到轉移設備。
本發(fā)明該方面的橋元件可以從可印刷半導體元件分離，而不會在 轉移設備的接觸和/或移動時明顯改變可印刷半導體元件的位置和空 間取向。通過在轉移設備的接觸和/或移動期間，例如在干式轉移接觸 印刷過程中，將橋元件折斷和/或斷開連接可以實現(xiàn)分離。由折斷導致 的分離可以通過使用諸如彈性印模和/或使用可促進轉移到轉移設備 接觸表面的受動力學控制的分離速度而得到提高。
在本發(fā)明該方面的一個實施方案中，選擇橋元件的空間配置、幾
19何形狀、成分以及物理尺寸，以提供高精度的配準轉移。在該說明書 的上下文中，表達"高精度配準轉移"指的是其中可印刷半導體元件
的相對空間取向和相對位置變化低于約10%的可印刷半導體元件的轉
移。高精度的配準轉移也指的是可印刷半導體元件轉移到轉移設備和/ 或接收基片具有良好的安放準確度。高精度的配準轉移也指的是可印 刷半導體元件的圖樣轉移到轉移設備和/或接收基片具有良好的重現(xiàn) 精度。
本發(fā)明的橋元件可以包括部分或完全底刻的結構。在本發(fā)明中有 效的橋元件可以具有一致的寬度或對稱變化的寬度，諸如逐漸變細成 窄頸的寬度，該寬度有助于通過折斷來釋放橋元件。在一些實施方案
中，該橋元件具有選自約IOO納米至約IOOO微米范圍的平均寬度，具 有選自約1納米到約iooo微米范圍的平均厚度，以及具有選自約100 納米到約IOOO微米范圍的平均長度。在一些實施方案中，該橋元件的
物理尺寸和形狀是相對于由該橋元件連接到母晶片的可印刷半導體元 件的物理尺寸來限定的。，例如，使用平均寬度至少比可印刷半導體
元件的平均寬度至少小2倍，對于有些應用優(yōu)選地為小10倍，和/或 平均厚度比可印刷半導體元件的平均厚度小1.5倍的橋元件，可以獲 得配準轉移。還可以對橋元件提供尖特征，以有助于它們的折斷和可 印刷版導體元件從母晶片配準轉移到轉移設備和/或接收基片。
在該方面的一個實施方案中，該可印刷半導體元件包括其長度沿 一主縱軸線延伸的、終止于一個第一末端和第二末端的可印刷半導體 帶。第一橋元件將可印刷半導體帶的第一末端連接到母晶片，第二橋 元件將半導體帶的第二末端連接到母晶片。可選地，該可印刷半導體 帶、第一橋元件以及第二橋元件是被完全底刻的結構。在一個實施方 案中，第一橋元件、第二橋元件、可印刷半導體帶以及母晶片包括一 整體半導體結構。在一個實施方案中，第一和第二橋元件的平均寬度 約比可印刷半導體帶的平均寬度小約l到約20倍。在一個實施方案中， 第一和第二橋元件中的每一個分別連接到小于可印刷半導體帶的第一
末端和第二末端的橫截面面積的1%到約10oy。。本發(fā)明包括其中第一和 第二橋元件具有彼此鄰近或遠離的空間構造的實施方案。
在本發(fā)明中，可印刷半導體元件和/或橋元件的外表面可以被功能化，以提高到諸如彈性印模的轉移設備的配準轉移。可用于配準轉移 的功能方案包括將親水和/或憎水基團添加到可印刷半導體元件表面， 以提高與轉移設備接觸表面的粘合。 一個可替代的化學策略是對一個 或更多個接觸表面(可印刷元件上的表面和/或接收表面)涂覆金屬， 這些金屬包括但不限于金。這些金屬可以被處理成具有自組裝單層， 這些單層可以以化學方式將接收表面橋接到可印刷元件。此外，兩個 所謂的棵金表面可以在一接觸時(例如，通過冷焊)就可以形成一個 金屬焊接的結合。
本發(fā)明的可印刷半導體元件可以用寬范圍內(nèi)的材料制造。用于制
造可印刷半導體元件的有效前體材料包括半導體晶片源(wafer source)，該半導體晶片源包括諸如單晶硅晶片、多晶硅晶片、鍺晶 片的體半導體晶片；諸如超薄硅晶片之類的超薄半導體晶片；諸如P 型或N型摻雜晶片的摻雜半導體硅片以及具有所選擇的摻雜物空間分 布的晶片(位于絕緣晶片上的半導體，諸如絕緣體上的硅(例如 Si-Si02， SiGe));以及位于基片晶片上的半導體，諸如位于基片晶 片上的硅以及絕緣體上的硅。而且，本發(fā)明的可印刷半導體元件可以 從利用常規(guī)方法處理的半導體設備上留置出的刮下的或未被使用的高 質量的或重新處理過的半導體材料制造而得。此外，本發(fā)明的可印刷 半導體元件可以從諸如非晶、多晶和單晶半導體材料(例如，多晶硅、 非晶硅、多晶GaAs和非晶GaAs )薄膜的位于犧牲層或基底(例如SiN 或Si0j上的，并隨后被退火的各種納米晶片源以及其他體晶制造而 來，所述體晶包括但不限于石墨、MoSe2以及過渡金屬硫化物和溴化釔 氧化銅。
本發(fā)明的示例轉移設備包括諸如彈性轉移印模的干式轉移印模、 復合式轉移印模、諸如一致式彈性印模之類的一致式轉移設備，以及 諸如多層彈性印模的多層轉移設備。諸如彈性印模的轉移設備對于接 觸印刷處理是有用的，諸如干式轉移接觸印刷。本發(fā)明的轉移設備可 選地為一致式的?？捎糜诒景l(fā)明的轉移設備包括含有如于2005年4月 27日向美國專利與商標局提交的、名稱為"Composite Patterning Devices for Soft Li thography"的、美國專利申請序列號11/115， 954 中所描述的多個聚合物層的轉移設備，此處通過引用將其納入。本發(fā)明方法中可用的示例構圖設備包括一個具有低楊氏模數(shù)的聚合物層，
諸如聚(二曱基硅氧烷)(PDMS)層，對于一些應用優(yōu)選地，厚度選 自約l微米到約IOO微米的范圍。使用低模數(shù)聚合物層是有益的，因 為它提供了可以與一個或者更多個可印刷半導體元件，特別是具有彎 曲的、粗糙的、平坦的、光滑的和/或波形的膝光面的可印刷半導體元 件建立良好的一致接觸，以及可以與具有寬范圍的起伏幅度的表面形 態(tài)的基片表面，諸如彎曲的、粗糙的、平坦的、光滑的和/或波形的基 片表面，建立良好接觸的轉移設備。
本發(fā)明還包括將可印刷半導體元件轉移，包括高精度配準轉移， 到諸如彈性印模的轉移設備上的方法，和/或將可印刷半導體元件組裝 和/或集成，包括高精度配準組裝和/或集成到接收基片上的方法。本 發(fā)明的印刷方法和成分的一個優(yōu)點是，可以以一種保持半導體元件的 所選空間取向的方式將可印刷半導體元件的圖樣轉移和組裝到基片表 面上，其中半導體元件的所選空間取向限定圖樣。本發(fā)明的該方面對 于多個可印刷半導體元件被制造在充分限定的位置中以及相對空間取 向上的應用來說是特別有益的，其中這些充分限定的位置以及相對空 間取向直接對應于所選的設備構造以及設備構造陣列。本發(fā)明的轉移 印刷方法可以轉移、定位以及組裝可印刷半導體元件和/或可印刷功能 設備，包括但不限于，晶體管、光學波導管、微電子機械系統(tǒng)、納米 電子機械系統(tǒng)、激光二極管或完全形成的電路。
本處理方法和成分除了可應用于半導體材料外，還可以應用于體 半金屬材料。例如，本方法、成分以及結構可以利用含碳材料，諸如 石墨單層和石墨層，以及其他諸如云母之類的層狀材料。
在一個實施方案中，本發(fā)明提供了一種用于將可印刷半導體元件 轉移到轉移設備的方法，該方法包括步驟(i)提供包括可印刷半導體 元件的可印刷半導體結構；以及至少一個連接到可印刷半導體結構和 連接到母晶片的橋元件，其中該可印刷半導體元件以及該橋元件至少 部分從母晶片底刻；(i i)將可印刷半導體元件與具有接觸表面的轉移 設備接觸，其中在接觸表面和可印刷半導體元件之間的接觸將可印刷 半導體元件結合到接觸表面；以及(iiO以一種可導致橋元件折斷的方 式移動轉移設備，因而將可印刷半導體結構從母晶片轉移到轉移設備
22上。
在一個實施方案，本發(fā)明提供一種用于將可印刷半導體元件組裝
到基片的接收表面上的方法，該方法包括步驟(i)提供可印刷半導體 元件；以及至少一個連接到所述可印刷半導體結構和連接到母晶片的
母硅片底刻；(i i)將所述可印刷半導體元件與具有接觸表面的轉移設 備接觸，其中在所述接觸表面和所述可印刷半導體元件之間的接觸將 所述可印刷半導體元件結合到所述接觸表面；(iii)以一種可導致所述 橋元件折斷的方式移動所述轉換設備，因而將所述可印刷半導體結構 從所述母晶片轉移到所述轉移設備上，因而形成其上分布有所述可印 刷半導體元件的所述接觸表面；(iv)將放置于所述接觸表面上的所述 可印刷半導體元件與所述基片的所述接收表面接觸；以及(v)將所述一 致式轉移設備的所述接觸表面與所述可印刷半導體元件分離，其中所 述可印刷半導體元件被轉移到所述接收表面，因而將所述可印刷半導 體元件組裝到所述基片的所述接收表面上。
在一個實施方案中，本發(fā)明提供了 一種用于制造可印刷半導體元 件的方法，包括步驟(l)提供具有(lll)取向以及具有外表面的硅晶 片；(2)在所述硅晶片的所述外表面產(chǎn)生多個凹形特征，其中每個所述 凹形特征包括曝光的硅晶片的底面以及側面；(3)遮蓋所述凹槽特征的 所述側面的至少一部分；以及(4)在所述凹槽特征之間進行刻蝕，其中 刻蝕沿所述硅晶片的〈110〉方向發(fā)生，因而制造所述的可印刷半導體元 件。
圖1A提供了圖解本發(fā)明的用于制造可印刷半導體元件的示例方
法的示意橫截面視圖，所述可印刷半導體元件包括來自具有(lll)取向 的體硅晶片的單晶硅帶。圖1B提供了闡述本方法中用于從體硅晶片產(chǎn)
生可印刷半導體元件的處理步驟的流程圖。
圖1C提供了橫截面圖處理示意圖，該解了其中部分地遮蓋、 但不是完全遮蓋凹槽特征的側面的制造方法。圖1D提供了橫截面圖示 意處理圖，該解了其中完全遮蓋凹槽特征的側面的制造方法。圖1E提供了硅(111)內(nèi)的具有溝道構造但沒有精制側面的凹槽特 征的圖像。圖1E所示的凹槽特征由相移光刻、金屬剝離以及無源離子 刻蝕和隨后的金屬刻蝕掩模的除去來限定。圖1F提供了硅(111)內(nèi)的 具有溝道構造并且精制側面的凹槽特征的圖像。
圖2A和2B提供了本發(fā)明的可印刷半導體結構的示意俯視圖，該 可印刷半導體結構包括一個可印刷半導體元件和兩個橋元件。在圖2A 所示的結構中，這些橋元件彼此遠離地放置，而在圖2B的結構中，這 些橋元件彼此鄰近地it置。
圖2C和2D提供了將可印刷半導體元件連接到母晶片的橋元件的 圖像。
圖3(a)示意地圖解了一種使用集成有電阻帶的轉移印刷的GaAs 線的，在塑料上制造晶體管、二極管以及邏輯電路的處理，這些GaAs 線是由單晶GaAs母晶片制備的。(b)—列GaAs線(具有電阻帶)陣列 的SEM圖像，這些GaAs線的末端連接到母晶片上。由箭頭表示的這部 分線位于陣列線的下面，表示GaAs線與體硅上分開。該插入圖給出了 無支撐地存在的各根線，清楚地示出了它的三角形截面。(c)利用轉移 印刷到PET基片上的如(b)所示的GaAs線陣列形成的、通道長度為50 孩炎米以及柵長度為5孩i:米的各個MESFET的SEM圖4象。(d)將Ti/n-GaAs 肖特基二極管光學顯微成像到PET板上。這些插入圖顯示一個電極墊 連接位于這些線一端的電阻帶上，而另一個電極(150nmTi/150nm Au ) 墊直接連接到用于形成肖特基觸頭的GaAs線上。(e，f)對具有各種邏 輯門的以及安裝在平坦表面(e)上和位于彎曲的白色標記軸(f)上的各 個MESFET的PET基片的光學成像。
圖4:柵長度為5微米以及具有不同的通道長度的GaAs線MESFET 的特性；(a，b)50微米以及(c)位于PU/PET基片上25微米。(a)圖3c
所示的晶體管在不同柵電壓(Vgs)下的電流-電壓(即Ins對V。s)曲線。 從上往下看，Vgs從0. 5 V降低到-3. OV,步長為O. 5V。 (b)同一晶體管 在VDS=4V的飽和區(qū)域內(nèi)的傳輸特性曲線。該插入圖顯示傳輸特性曲線 的導數(shù)，揭示了跨導對柵電壓的依賴性。(c)通道長度為25微米的晶
體管在不同Ves下的源極-漏極電流。從上往下看，該V(;s從O. 5V降低
到-5V，步長為0. 5V。
(d)所制造的Au/Ti-GaAs肖特基二極管的I-V特性，表現(xiàn)出良好的整流特性。
圖5:反相器的電路圖(a)、光學圖像(b)以及輸出-輸入特性(c)。 所有MESFET柵長度為5微米。該Vda相對于地(GND )偏置到5V。
圖6:不同邏輯門的電路圖、光學圖像以及輸出-輸入特性(a，b，c) 或非門；(d，e，f)與非門。所有MESFET的柵長度為5微米。該比例標 尺表示IOO微米。施加到這些邏輯門上的Vdd相對于地(GND)為5V。 該或非門和與非門的邏輯"0"和"1"輸入信號分別由-5V和2V來驅 動。該或非門的邏輯"0"和"1"輸出分別是1. 58-1. 67V和4. IV。 該與非門的邏輯"0"和T輸出分別是2. 90V和4. 83-4. 98V。
圖7: (a)位于PU/PET基片上的、通道長度為50微米以及柵長度 為2微米的各個GaAs線MESFET的SEM圖像，顯示每個晶體管由十根 準直的GaAs線形成。(b)圖(a)所示的晶體管的電流-電壓(即1。s對 VDS)曲線。從上往下看，該Ves從O. 5 V降低到-3. 0V,步長為O. 5V。 該插圖顯示該晶體管在VDS=4V的飽和區(qū)域內(nèi)的傳輸特性曲線。
圖8: (a， b)柵長度不同的GaAs-線MESFET的RF響應的實驗(藍 色)以及模擬(紅色)結果2微米(a)以及5微米(b)。該測量值是 利用(a)中插圖所示的探測構造進行的。(c)fT對柵長度的依賴性。該 不同的符號表示不同設備上的測量結果；該虛線對應于模擬。
圖9:位于PU/PET基片上的高速GaAs-線MESFET (柵長度為2孩i: 米)的機械柔韌性特性。(a)對測量裝置安裝的光學圖像。Vd^4V以及 Vcs-OV下，表面應力效應(正值和負值分別對應于拉伸和壓縮的應力) 對流過源極到漏極的飽和電流(b)的影響；以及(c)在VDS=4V的飽和區(qū) 域內(nèi)的開/關電流比。
圖10:制造單晶硅帶的示意處理流程。(a)SF6等離子刻蝕(111) 硅表面中的溝道。(b)熱氧化和成角度蒸發(fā)Ti/Au層鈍化側面。(c)最 后，由熱KOH/IPA/H20溶液底刻該硅帶。(d)部分底刻的帶的橫截面SEM 圖像。(e)釋放柔性帶。
圖11:由各向異性濕式刻蝕底刻產(chǎn)生的微結構硅的原子力顯微鏡 圖。(a)PDMS印模上的帶的AFM高度圖像，下側被膝光。在對這些帶 的邊緣處進行測量時，這些帶為115到130納米厚，在中間弓形下降。 (b) 500納米厚的帶的下側的AFM圖像，揭示了由KOH/IPA/H20溶液底
25刻引入的納米級粗糙度。
圖12:用于將微結構硅從"供體，，晶片轉移到塑料基片上的示意 處理流程。(a) PDMS印?？恐酒雺?，該芯片具有錨在晶片上的底 刻的帶。(b)帶結合在印模上并且可以通過剝離印模而從該晶片上除 去。(c)接著將帶從印模印刷到塑料基片上。(d)錨在供體晶片上的幾 乎完全底刻的帶的SEM圖像。(e)從供體上除去的并且粘貼到印模上 的帶的光學顯微圖。(f)安放由轉移的硅帶制備得來的TFT的柔性塑料 "芯片"相片。
圖13:位于PET/ITO基片上的單晶硅底柵晶體管電子特性；L=100 微米KOO微米，線性遷移率360cm2V—Y、飽和遷移率100cm2V—、—1 (a) 傳輸特性(VD^. 1)，顯示開/關比值約為4000,插圖為設備的俯視圖。 (b)電流電壓(I-V)特性。
圖14: (a)用于制造高電子遷移率晶體管(HEMT，在ALGaN和GaN 界面形成的二維電子氣(2 DEG))的異質結GaN晶片示意圖；(b)塑料 基片上的HEMT幾何形狀；(c)在Ws-GaN帶末端用兩個"窄橋"支撐的 Ws-GaN設計。利用靈活的各向異性刻蝕取向來制造無支撐地存在的 Ws-GaN元件。
圖15:將Ws-GaN HEMT制造到塑料基片上的步驟的示意圖解。
圖16: (a)TMAH濕式刻蝕下面的Si之前的GaN晶片。(b) TMAH 刻蝕之后的無支撐地存在的GaN帶。注意犧牲Si層的刻蝕和未刻蝕區(qū) 域之間的顏色差別。(c-d)TMAH各向異性刻蝕下面的Si的中間步驟的 SEM圖像。(e)浸有由范德瓦斯力結合的^s-GaN對象的PDMS板的SEM 圖像。(f)轉移到涂有PU的PET的ns-GaN的SEM圖像。該金屬和聚合 物區(qū)域被人為地著上顏色，便以查看。
圖17:由位于塑料基片上的Ws-GaN形成的高性能的HEMT。 (a-b) 實際的柔性Ws-GaN設備的光學顯微圖片。圖14B示出了橫截面設備幾 何形狀的示意圖解。(c)基于Ws-GaN的HEMT在一定范圍的柵電壓 (Vg=-4V至IV)下的I-V曲線。該設備的通道長度、通道寬度以及柵 寬度分別為20Wm、170Wm以及5Wm。 (d)在恒定的源極-漏極電壓(Vds=2V ) 下測量的傳輸特性，指示跨導為1.5 mS。
圖18(a)實際彎曲的平臺(stage)和塑料設備的光學圖像。(b)不同彎曲半徑(以及其相應的應力)下獲取的傳輸特性曲線。(C)當塑
料板彎曲到最大彎曲半徑時所獲得的I-V曲線(橙色)以及在彎曲循 環(huán)后塑料板被展平時所獲得的I-V曲線(藍色的)。
圖19提供了圖解本發(fā)明的用于制造多層可印刷半導體元件陣列 的方法的處理流程示意圖。
圖20提供了在成角度觀察下(a， c， e， g) Si (111)的SEM圖像以及在 橫截面觀察時(b, d，f，h) Si(lll)的SEM圖像(a和b )是在 STS-ICPRIE以及BOE刻蝕之后，(c和d)是在側面經(jīng)過金屬保護之 后，(e至h )是在KOH刻蝕2分鐘之后(e和f )以及跟隨5分鐘金 屬清洗之后(g和h)。
圖21提供了 (a)提供了大規(guī)格的四層Si(lll)帶準直陣列的圖片。 (b和c)俯視觀察以及(d和e)成角度觀察時的圖(a)所示的四層 Si (111)的SEM圖1象。
圖22提供了釋放的柔性Si(lll)帶的圖片(a)以及OM圖像(b和 c)。
(d到f)為(a)中所示的帶的SEM圖像。
圖23提供了轉移到PDMS基片上的準直的Si(lll)帶的光學圖像 (a)。
(b)來自于圖(a)所示的陣列中的四個帶的AFM圖像。(c)安放 四個來自于單個Si片的四個轉移循環(huán)的Si(lll)陣列圖樣的柔性聚酯 薄膜的圖片。
具體實施例方式
參見附圖，相同的數(shù)字表示相同的元件以及出現(xiàn)在一個以上的附 圖中的相同數(shù)字指示相同的元件。而且，下文中應用以下這些定義
"可印刷"涉及可以在不將基片曝光在高溫下(即在低于或等于約 400攝氏度的溫度下)實現(xiàn)轉移、組裝、構圖、組織和/或集成到基片 上或內(nèi)部的材料、結構、設備組件和/或集成的功能設備，在本發(fā)明的 一個實施方案中，可印刷材料、元件、設備組件以及設備可以通過溶 液印刷或干式轉移接觸印刷轉移、組裝、構圖、組織和/或集成到基片 上或內(nèi)部。
本發(fā)明的"可印刷半導體元件"包括例如通過使用干式轉移接觸 印刷和/或溶液印刷方法被組裝和/或集成到基片表面上的半導體結構。在一個實施方案中，本發(fā)明的可印刷半導體元件是整體的單晶、 多晶或微晶無機半導體結構。在一個實施方案中，可印刷半導體元件 通過一個或更多個橋元件連接到諸如母晶片的基片上。在該說明書的 上下文中，整體結構是具有機械連接的特征的單塊結構。本發(fā)明的半 導體元件可以是未摻雜的或者是摻雜的，可以具有所選的摻雜物空間
分布，以及可以摻雜多種不同的摻雜物材料，包括P和N型摻雜物。 本發(fā)明包括至少一個橫截面尺寸大于或等于約1微米的微結構可印刷 半導體元件以及至少一個橫截面尺寸小于或等于約1微米的納米結構 可印刷半導體元件。在很多應用中有用的可印刷半導體元件包括那些 從高純度體材料的"自頂向下的，，加工中獲取的元件，所述高純度體 材料諸如那些利用常規(guī)的高溫處理技術生產(chǎn)的高純度晶體半導體晶 片。在一個實施方案中，本發(fā)明的可印刷半導體元件包括復合結構， 該復合結構具有一個可操作地連接到至少一個附加的設備組件或結構 的半導體，該附加的設備組件或結構如導體層、介質層、電極，附加 的半導體結構或它們的任意組合。在一個實施方案中，本發(fā)明的可印 刷半導體元件包括可伸長的半導體元件和/或異質結半導體元件。
"橫截面尺寸"指的是設備、設備組件或材料的橫截面的尺寸。 橫截面尺寸包括寬度、厚度、半徑以及直徑。例如，具有帶狀的可印 刷半導體元件用長度和兩個橫截面尺寸來表征；厚度和寬度。例如， 具有柱狀的可印刷半導體元件用長度和橫截面尺寸直徑(替代地用半 徑)來表征。
"縱向上的取向處于基本平行的構造中"指的是一種取向，即諸 如可印刷半導體元件的一群元件的縱軸基本平行于所選準直軸取向。 在該定義的上下文中，基本平行于所選軸指的是在絕對平行取向10度 以內(nèi)的取向，更優(yōu)選地為在絕對平行取向5度以內(nèi)。
在本說明書中，術語"柔性的，，以及"可彎曲的"是作為同一意 思來使用的，并且指的是材料、結構、設備或設備組件變形到彎曲形 狀時不至于經(jīng)歷產(chǎn)生顯著應力的變形的能力，該顯著應力諸如是表征 材料、結構、設備或設備組件的失效點之類的應力。在一個示例實施 方案中，柔性材料、結構、設備或設備組件可以變形成彎曲形狀，而 不產(chǎn)生大于或等于約5%的應力，對于一些應用來說優(yōu)選地是大于或等于約1%，以及對于一些應用來說更優(yōu)選地是大于或等于約0.5%。
"半導體"指的是任何一種在很低的溫度下為絕緣體、而在約300K
的溫度處具有明顯的電導性的材料。在本說明書中，術語半導體的使 用意在與微電子和電子設備中該術語的使用相一致。用于本發(fā)明中的 半導體可以包括諸如硅、鍺和金剛石的元素半導體，諸如SiC和SiGe 的IV族化合物半導體，諸如AlSb、 AlAs、 Aln、 A1P、 BN、 GaSb、 GaAs、 GaN、 GaP、 InSb、 InAs、 InN和InP的III-V族半導體，諸如Al,Ga卜xAs 的n卜V族三重半導體合金，諸如CsSe、 CdS、 CdTe、 Zn0、 ZnSe、 ZnS 和ZnTe之類的II-VI族半導體，I-VII族半導體CuCl，諸如PbS、 PbTe 和SnS的IV-VI族半導體，諸如Pbl2、 MoS2以及GaSe的層半導體， 諸如Cu0以及Cu20的氧化物半導體。術語半導體包括本征半導體 (intrinsic semiconductor )以及摻雜有一種或更多種所選材料的非 本征半導體(extrinsic semiconductor)，包括具有p型摻雜材料的 半導體和n型摻雜材料的半導體，以提供對給定應用或設備有用的有 益電子特性。術語半導體包括復合材料，該復合材料包括多個半導體 和/或摻雜物的混合物。對本發(fā)明的一些應用有用的特定半導體材料包 括，但不限于，Si、 Ge、 SiC、 A1P、 AlAs、 AlSb、 GaN、 GaP、 GaAs、 GaSb、 InP、 InAs、 GaSb、 InP、 InAs、 InSb、 Zn0、 ZnSe、 ZnTe、 CdS、 CdSe、 ZnSe、 ZnTe、 CdS、 CdSe、 CdTe、 HgS、 PbS、 PbSe、 PbTe、 AlGaAs、 AlInAs、 AlInP、 GaAsP、 GalnAs、 GaInP、 AlGaAsSb、 AlGalnP和GalnAsP。多孔硅半導體材料對于本發(fā)明在傳感 器和發(fā)光材料領域的應用中是有用的，諸如發(fā)光二極管(LED)以及固態(tài) 激光器。半導體材料的雜質是除該半導體材料本身之外的原子、元素、 離子和/或分子，或者是任何提供到半導體材料的摻雜物。雜質是出現(xiàn) 在半導體材料中的不想要的材料，它們可能對半導體材料的電學特性
造成負影響，這些雜質包括但不限于，氧、碳以及包括重金屬在內(nèi)的 金屬。重金屬雜質包括，但不限于，周期表上位于銅和鉛之間的元素 族，鉤，鈉以及所有離子，化合物和/或其復合體。
在本說明書中，術語"良好的電子性能，，以及"高性能"是作為 同一意思來使用的，并且指的是具有諸如場效應遷移率、閾值電壓以 及開-關比的電子特性的，能提供諸如電子信號開關和/或放大等所需功能的設備和設備組件。本發(fā)明的展示良好的電子性能的示例可印刷
半導體元件可以具有大于或等于100cm'V^s^的本征場效應遷移率，對 于一些應用來說優(yōu)選地，本征場效應遷移率大于或等于約300cm2V—^人
本發(fā)明的展示良好的電子性能的示例晶體管可以具有大于或等于約 100cm2V—、—1的本征場效應遷移率，對于一些應用來說優(yōu)選地，本征場 效應遷移率大于或等于約300cm2V—、_1，以及對于一些應用來說更優(yōu)選 地，固有場效應遷移率大于或等于約800cm2V—、—\本發(fā)明的展示良好 的電子性能的示例晶體管可以具有低于約5伏的閾值電壓和/或大于 約1 x l(T的開-關比。
"塑料"指的是一般在被加熱時可以被模制或成形，以及硬化成 所需形狀的任何合成的或天然存在的材料，或任何這些材料的組合。 可用于本發(fā)明的設備和方法中的示例塑料包括，但不限于，聚合物、 樹脂以及纖維衍生物。在本說明書中，術語塑料意指包括合成塑料材 料，該合成塑料材料包括一個或更多個具有一種或多種添加劑的塑料， 諸如結構增強劑、濾劑、纖維、增塑劑、穩(wěn)定劑或可以提供所需的化 學或物理性能的添加劑。
"彈性體，，指的是可以被拉伸或變形的，并且能夠回復到它的原始 形狀而沒有基本永久的形變的聚合物材料。彈性體通常經(jīng)歷基本為彈 性的形變?？捎糜诒景l(fā)明的示例彈性體可以包括聚合物、共聚物、合 成材料或聚合物和共聚物的混合物。彈性層指的是包括至少一個彈性 體的層。彈性層還可以包括摻雜物以及其他非彈性材料?？捎糜诒景l(fā) 明的彈性體可以包括但不限于，熱塑性彈性體、苯乙烯材料、烯烴材 料、聚烯烴、熱塑性聚氨酯彈性體、聚酰胺、合成膠、PDMS、聚丁二 烯、聚異丁烯以及聚(乙烯-丁二烯-苯乙烯)、聚氨酯、聚氯丁烯和硅 樹脂。彈性體提供對本方法有用的彈性印模。
"轉移設備，，指的是可以接收和/或重新放置諸如可印刷半導體元 件的元件或元件陣列的設備或設備組件?？捎糜诒景l(fā)明的轉移設備包 括具有一個或更多個可以與那些要進行轉移的元件建立一致接觸的接 觸表面的一致轉移設備。本方法和成分特別適合于與轉移設備結合使 用，該轉移設備包括可用于接觸印刷處理的彈性印模。
"大面積"指的是大于或等于約36平方英寸的面積，諸如用于設備制造的基片的接收表面。
"設備場效應遷移率"指的是諸如晶體管的電子設備的場效應遷 移率，如利用與該電子設備對應的輸出電流數(shù)據(jù)來計算。
"一致接觸"指的是表面、涂覆表面和/或其上沉積有材料的表面 之間建立的接觸，所沉積的材料可能對于基片表面上轉移、組裝、組 織和集成結構(諸如可印刷半導體元件)是有用的。在一個方面，一 致接觸涉及將一致轉移設備的一個或更多個接觸表面宏觀適應基片表 面或適應諸如可印刷半導體元件的物體的表面的整體形狀。在又一個 方面， 一致接觸涉及將一致轉移設備的一個或更多個接觸表面微觀適 應基片表面，使形成沒有空隙的緊密接觸。術語一致接觸的使用與在 軟印刷領域中該術語的使用一致?？梢栽谝恢罗D移設備的一個或更多 個棵接觸表面和基片表面之間建立一致接觸。替代地，可以在一個或 更多個涂覆接觸表面，如一種轉移設備的具有轉移材料、可印刷半導 體元件、設備組件和/或沉積在其上的設備的接觸表面，和基片表面之 間建立一致接觸。替代地，可以在一致轉移設備的一個或更多個棵的 或涂覆的接觸表面和涂覆有諸如轉移材料、固體光致抗蝕劑層、預聚 物層、液體、薄膜或流體的材料的基片表面之間建立一致接觸。
"安放準確度"指的是轉移方法或設備將諸如可印刷半導體元件 的元件轉移到選定位置的能力，該選定位置要么相對于諸如電極的其 他設備組件的位置，或相對于接收表面的選定區(qū)域的位置。"良好安 放"準確度指的是設備和方法可以將可印刷元件轉移到相對于另一設 備或設備組件或相對于接收表面所選區(qū)域的所選位置，同時相對于絕
對正確位置的空間偏離低于或等于50微米，對于一些應用來說更優(yōu)選 地為低于或等于20微米，以及對于一些應用來說更為優(yōu)選的是低于或 等于5微米。本發(fā)明提供了包括至少一個以良好安放準確度轉移的可 印刷元件的i殳備。
"再現(xiàn)度"指的是諸如可印刷半導體元件圖樣的所選元件圖樣很 好地轉移到基片接收表面的的程度的量度。良好再現(xiàn)度指的是其中在 轉移過程中保留各個元件的相對位置和取向的所選元件圖樣轉移，例 如各個元件相對于它們在所選圖樣中的位置的空間偏移量少于或等于 500納米，更優(yōu)選地為少于或等于100納米。"底刻"指的是其中諸如可印刷半導體元件、橋元件或兩者的元 件的底面至少部分與諸如母晶片或體材料的另一結構分離或不固定的 結構構造。完全底刻指的是其中諸如可印刷半導體元件、橋元件或兩 者的元件的底面完全從諸如母晶片或體材料的另一結構分離的結構構 造。底刻結構可以是部分或完全無支撐地存在的結構。底刻結構可以 部分或完全由它們與之分離的諸如母晶片或體材料的另 一結構支撐。 底刻結構可以在除底面以外的表面處連附、粘貼和/或連接諸如晶片或 其他體材料的另一結構。例如，本發(fā)明包括其中可印刷半導體元件和/ 或橋元件在末端處連接到晶片的方法和成分，該末端位于除底面以外
的表面上(例如，見圖2A和2B)。
在以下說明書中，為了提供本發(fā)明精確本質的徹底解釋，闡述了 本發(fā)明的設備、設備組件和方法的大量具體細節(jié)。然而對于本領域技 術人員來說，將變得很明顯的是，可以不用這些具體細節(jié)實踐本發(fā)明。
件和可印刷;導體元件的圖;羊組裝到基片表面上的方:和設備。提供
了用低成本體半導體材料制造高質量可印刷半導體元件的方法。本發(fā) 明還提供了提供將可印刷半導體元件從母晶片高精度配準轉移到轉移 設備和/或接收基片的半導體結構和方法。本發(fā)明的這些方法、設備和 設備組件可以在柔性塑料基片上生產(chǎn)高性能電子和光電設備以及設備 陣列。
圖1A提供了圖解本發(fā)明的用于制備可印刷半導體元件的示例方 法的示意截面圖，該可印刷半導體元件包括來自具有(lll)取向的體硅 晶片的單晶硅的可印刷半導體帶。圖1B提供了一流程，該流程闡述了
在用于從體硅晶片生產(chǎn)可印刷半導體元件的本方法中的處理步驟，包 括可重復的處理步驟在內(nèi)。
如圖1A(畫面l)和1B所示，提供了具有(111)取向的硅晶片100。 具有(lll)取向的硅晶片100可以是體硅晶片。具有預選的物理尺寸、 間距和空間取向的多個通道110凈皮刻蝕到硅晶片IOO的外表面120中， 例如結合使用近場光刻、剝離以及干式刻蝕技術。在該實施方案中， 位于通道之間的間距130限定使用該方法制造的可印刷半導體帶的寬 度。面 120上生長一熱氧化層140，例如通過加熱(lll)硅晶片100。接著， 將一掩模150沉積在通道110的側面以及外表面120上，例如通過利 用一種或更多種諸如金屬或金屬組合物的掩模材料的成角度電子束蒸 發(fā)，從而產(chǎn)生硅晶片100上遮蓋的和未遮蓋的區(qū)域。該遮蓋步驟產(chǎn)生 通道110的側面被遮蓋的區(qū)域160和側面未被遮蓋區(qū)域170。本發(fā)明 包括其中通道110沿深度135方向的整個側面被遮蓋的實施方案(例 如見圖1D)。在一些實施方案中，被遮蓋區(qū)域沿側面向下延伸的程度 受掩模材料蒸發(fā)角度、表面特征在晶片100外表面120上投下的"隱 蔽"、以及掩模材料流動的準直程度控制。溝道110的深度135以及側 面被遮蓋區(qū)域160的程度，至少部分地限定了由這些方法產(chǎn)生的可印 刷半導體帶的厚度?？蛇x地，熱氧化層140的膝光區(qū)域在附加處理之 前被移走，例如利用干式化學刻蝕技術。
如圖1A (畫面3)和1B所示，通道IIO側面的未被遮蓋區(qū)域170 被刻蝕。在一示例實施方案中，通道110側面的未被遮蓋區(qū)域170被 各向異性地刻蝕，使該在通道之間的刻蝕優(yōu)選地沿硅晶片100的<110> 方向發(fā)生，從而底刻相鄰通道IIO之間的(lll)硅晶片100區(qū)域?？涛g 前端<110>方向的方向由圖1B畫面3中的虛箭頭來示意性地表示。在 一個實施方案中，選擇各向異性刻蝕系統(tǒng)，使刻蝕沿硅晶片100的 <111>方向基本不發(fā)生。各向異性刻蝕系統(tǒng)和硅晶片100的(111)取向 的選取提供了如點線175示意表示的本征刻蝕停止。對本發(fā)明該方面
在一些實施方案中，選則可產(chǎn)生具有相對光滑的(例如，粗糙度低于 1納米)下側的可印刷半導體帶的刻蝕系統(tǒng)用于該處理步驟。
如圖1A (畫面4 )和1B所示，通道之間的刻蝕產(chǎn)生了可印刷半導 體帶200，這些帶完全從硅晶片100底刻。在一個實施方案中，選擇 通道110的物理尺寸、形狀和空間取向，使刻蝕處理步驟產(chǎn)生在一個 或更多個末端處連接到硅晶片100的可印刷半導體帶200。由本方法 產(chǎn)生的可印刷半導體帶200可以是平坦的、薄的以及具有機械柔韌性 的?？蛇x地，除去該掩模150,例如，通過濕式化學刻蝕技術。
參見圖1B的流程圖，可選地，本方法包括將可印刷半導體元件從硅晶片釋放的步驟，例如，通過與彈性印模接觸。在示例方法中，可 印刷半導體元件與彈性印模的接觸折斷一個或更多個將可印刷半導體
元件連接到硅晶片100的橋元件，從而實現(xiàn)可印刷半導體元件從硅晶 片100配準轉移到彈性印模。本發(fā)明的方法包括利用受動力學控制的 剝離速度，以有助于從硅晶片100配準轉移到彈性印模轉移設備。
可選地，本發(fā)明包括高產(chǎn)率的制造方法，還包括對硅晶片外表面
進行修整的步驟，例如，通過可產(chǎn)生硅晶片100的平坦和/或光滑的外
表面的表面處理步驟(例如，拋光、研磨、刻蝕、微機械加工等)。如
圖1B所示，對硅晶片100進行修整可以使制造處理可以被重復多次， 從而使得可以從單個硅晶片起始材料提供高產(chǎn)率的可印刷半導體帶。
圖1C提供了橫截面示意處理圖，該解了凹槽特征的側面部分 地而不是全部地被遮蓋的制造方法。圖1D提供了橫截面示意處理圖， 該解了其中凹槽特征的側面被完全遮蓋的制造方法。如圖1D所 示，還遮蓋凹槽特征底板的一部分，而不是全部。在該實施方案中， 該方法包括刻蝕在凹槽特征的被遮蓋側面的下面的材料的步驟。該部 分遮蓋的底板構造為蝕刻劑提供了一個入口 ，從而使蝕刻可以發(fā)生在 凹槽特征之間，諸如相鄰凹槽特征之間。采用完全遮蓋凹槽特征的側 面的本發(fā)明方法在對可印刷半導體元件厚度的限定和選擇上提供改進 的準確度和精度上是有益的。在一個實施方案中，側面被完全遮蓋起 來，從而使鈍化邊界只出現(xiàn)在凹槽特征的底板上。在這些方法中，帶 的厚度不是由鈍化邊界來限定的，而是由底板的高度，溝道的高度以 及硅片的頂面限定的。
何形狀、物理尺寸以及形態(tài)進行精制的步驟。對凹槽特征的精制可以
的制造處理的任何一刻進行。在一個有效的實施方案中，在涉及部分 或完全地遮蓋凹槽特征側面的處理步驟之前對凹槽特征進行精制。圖 1E提供了硅(111)內(nèi)的具有所產(chǎn)生的溝道構造未被精制的凹槽特征圖 像。圖1E所示的凹槽特征由相移光刻、金屬剝離以及無源離子刻蝕和 隨后除去金屬刻蝕掩模來限定。圖1F提供了硅(111)內(nèi)的具有溝道配 置側面被精制的凹槽特征圖像。圖1F所示的凹槽特征由相移光刻、金屬剝離以及無源離子刻蝕，借助于在熱KOH溶液中各向異性刻蝕的精 制，和隨后除去金屬刻蝕掩模來限定。該樣本也用成角度金屬蒸發(fā)來 處理。如這些圖像對比所示，圖IF中溝道的底板和側面比圖IE中溝 道的底板和側面限定得更為光滑。
在該上下文中，精制指的是諸如凹槽特征的側面和底板的凹槽特 征表面的材料除去處理。精制包括導致更為光滑的凹槽特征表面的處 理和/或導致具有更均勻的物理尺寸和表面形態(tài)的凹槽特征的處理。在 一個實施方案中，利用各向異性刻蝕技術，例如利用熱KOH溶液的刻 蝕，對幾何形狀、物理尺寸和/或形態(tài)進行精制。對溝道的各向異性濕 式刻蝕對于可配準轉移的(111)硅帶的產(chǎn)生特別有用。該精制處理步驟 的優(yōu)點包括(l)提供改進的根據(jù)母晶片的晶軸來確定的溝道底板的限 定，以及(2)通過母晶片的晶軸提供改進的溝道側面限定。
圖2A和2B提供了本發(fā)明的可印刷半導體結構的示意俯視圖，該 可印刷半導體結構包括一個可印刷半導體元件和兩個橋元件。在圖2A 所示的結構中，這些橋元件彼此遠離地放置，而在圖2B所示的結構中， 這些橋元件彼此鄰近地放置。如圖2A和2B所示，可印刷半導體結構 290包括可印刷半導體元件300和橋元件310。橋元件310是準直維持 元件，該元件將半導體元件300連接到，可選地集成連接到母晶片320 上。在一個實施方案中，可印刷半導體元件300和橋元件310從母晶 片320部分或完全底刻。在一個實施方案中，可印刷半導體元件300、 橋元件310以及母晶片320是一整體結構，諸如一單個的、連續(xù)的半 導體結構。
可印刷半導體元件300沿縱軸340縱向延伸長度330，以及延伸 寬度350。長度330終止于被連接到橋元件310的第一和第二末端400。 橋元件310延伸長度360以及延伸寬度370。在圖1A和1B所示的實 施方案中，橋元件連接到小于可印刷半導體元件300的末端400的整 個寬度和/或橫截面面積。如圖2A和2B所示，橋元件310的寬度370 小于可印刷半導體元件300的寬度350，以有助于配準轉移。此外， 半導體元件300具有曝光的外表面的表面面積，該面積大于橋元件310 曝光外表面的表面面積。對于本發(fā)明的一些處理和轉移方法來說，橋 元件310和可印刷半導體元件300的這些尺寸分布有助于可印刷半導體元件300的高精度配準轉移，組裝和/或集成。
橋元件310提供的結構支撐使半導體元件300在從硅片320轉移 之前和/或期間保持在預選的空間取向上，該轉移例如可利用彈性印模 轉移設備。在其中一個或更多個可印刷半導體元件的相對位置、間距 和空間取向對應于所需功能設備和/或電路設計的很多制造應用中，橋 元件的錨定功能是需要的。選擇橋元件的物理尺寸、空間取向和幾何 形狀，使半導體元件300可以在一接觸轉移設備就實現(xiàn)釋放。在一些 實施方案中，例如通過沿圖2B和2B所示虛線折斷來實現(xiàn)釋放。對于 一些應用來說，重要的是，折斷橋元件310所需的力低，使得半導體 元件300的位置和空間取向在轉移期間基本不被破壞。
本發(fā)明中，選擇橋元件的空間布置、幾何形狀、成份和物理尺寸 或這些的任意組合，以提供高精度的配準轉移。圖2C和2D提供了橋 元件的圖像，這些橋元件將可印刷半導體元件連接到母晶片。圖2C示 出了可印刷硅元件和將可印刷元件連接到母(SOI)晶片的(窄)橋元 件?？捎∷雽w元件和橋元件的幾何形狀由SF6刻蝕來限定。如圖 2C所示，可印刷半導體元件和橋元件固定處具有圓形轉角。這些轉角 的圓度以及這些元件的整體幾何形狀降低了在利用PDMS轉移設備時 釋放可印刷半導體元件的能力。圖2D中也示出了可印刷硅元件和將可 印刷元件連接到母(SOI)晶片的(窄)橋元件。幾何形狀由熱KOH 各向異性刻蝕來限定。如圖2D所示，該可印刷半導體元件和橋元件固 定處具有尖銳的轉角。那些轉角的尖銳性將應力集中到充分限定的拆 斷點上，以及因此增強了利用PDMS轉移設備釋放這些元件的能力。
實施例1 印刷在塑料基片上的用于柔性晶體管、二極管和電路的準 直GaAs線陣列
利用光刻和各向異性化學刻蝕從高質量單晶晶片產(chǎn)生的具有集成 的歐姆觸頭(ohmic contact)的GaAs線準直陣列提供了 一種,皮看好 的可用于柔性塑料基片上的晶體管、肖基特二極管、邏輯門和甚至更 為復雜的電路的材料。這些設備表現(xiàn)出優(yōu)秀的電學和機械學特性，這 兩個性能對于新興的低成本、通常稱為宏電子學的大面積柔性電子學 領域來說都很重要。對于可以用于很多應用中的功能設備(例如，光學器件、光電學 器件、電子學器件、傳感器件等)而言，單晶無機半導體的微米以及 納米級線、帶、小板等是具吸引力的構建單元。例如，由"自底向上"
方法合成的Si納米線可以通過朗繆爾/布羅杰特技術(或微流體技術) 被組裝成準直的陣列以及用作塑料基片上柔性薄膜晶體管(TFT)的傳 輸通道。在一個不同的方法中，以厚度為約lOOnm以及寬度在幾孩吏米 到幾百微米范圍內(nèi)的帶的形式的微米/納米級Si元件(微結構硅； ^s-Si)可以通過"自頂向下"方法從高質量、單晶體源(例如，絕緣 硅(silicon-on-insulator ) ， S0I晶片，或體晶片)產(chǎn)生。這種類 型的材料可以用來制造在塑料基片上的柔性TFT,設備遷移率高達 300cm2V—、—\該基于高質量晶片的源材料(在充分限定的摻雜水平、 摻雜均勻、表面粗糙度低以及低的表面缺陷密度方面)導致具有類似 良好性能的硅基半導體材料，這些良好性能對于可靠的、高性能的設 備操作來說是有益的。該"自頂向下"制造處理具有吸引力還是因為 它提供了在"干式印刷"過程中將限定在晶片級別的高度有序組織納 米/微米結構保留到最終的(例如塑料或其他)設備基片上的可能性。 盡管利用硅可能獲得高性能，但利用GaAs可以獲得更好的特性(例如 運行速度)，例如，由于GaAs高的本征電子遷移率約8500cm"V—18—1。 之前的研究證實了，利用各向異性化學刻蝕步驟，通過"自頂向下" 制造步驟從GaAs晶片產(chǎn)生具有三角形橫截面的納米/微米線的技術。 通過GaAs線都還系連在晶片上時在這些GaAs線上形成歐姆觸頭，并 接著將它們轉移印刷到塑料基片上來構建具有優(yōu)秀性能的可機械彎曲 的金屬半導體場效應晶體管(MESFET)。這些晶體管在千兆赫區(qū)域顯示 單一的小信號增益。該例子證實了在將轉移印刷作為組裝/集成策略 時，將這些類型的MESFET以及基于GaAs線的二極管作為有源組件在 塑料基片上構建諸如反相器以及邏輯門之類的各種功能電路元件單元 的能力。這些類型的系統(tǒng)在用于可控天線、結構健康監(jiān)測器以及要求 在輕質塑料基片上有高速、高性能柔性設備的其他設備的大面積電子 電路中是重要的。
圖3A描繪了在塑料上制造GaAs晶體管、二極管以及邏輯門的主 要步驟。該基本方法依賴于"自頂向下，，制造技術，以從體單晶GaAs晶片產(chǎn)生具有高純度以及眾所周知的摻雜分布的微米/納米線。在制造
線之前形成于晶片上的歐姆觸頭由在150 nm /7"GaAs外延層上沉積和 退火(在具有N2流的石英管中，在450X:、下退火1分鐘)的120 nm AuGe/20認Ni/120 nm Au組成，該150 nm / "GaAs夕卜延層位于(100) 半絕緣的GaAs (SI-GaAs)基片上。接觸條沿(0 11)結晶取向排放，并 且具有2微米的寬度。在晶體管的情況下，歐姆條之間的間隙限定了 通道長度。光刻和各向異性化學刻蝕產(chǎn)生具有三角形橫截面(圖3B的 小插圖)并且寬度為約2微米GaAs線陣列，其末端連接到晶片(圖 3B)。這些連接發(fā)揮維持充分限定線的取向以及空間位置的"錨"作 用，如被刻蝕掩模的布局所限定的(即光致抗蝕劑圖樣)。除去刻蝕 掩模以及通過電子束蒸發(fā)沉積Ti (2 nm) /Si02 (50 nm)雙分子層來準備 用于轉移印刷的線表面。該三角形橫截面確保了線表面上的Ti/ Si02 膜不會連接母晶片上的膜，從而有助于轉移印刷的產(chǎn)率。將輕微氧化 的聚二曱基硅氧烷(PDMS)印模碾壓到晶片表面導致PDMS印模的表面 和新的Si02膜之間通過縮合反應形成化學連接。見圖3A頂部結構。 剝離PDMS印模將線從晶片上拉開以及使這些線粘在印模上。將該"被 浸過(inked)"的印模接觸涂覆有一薄層液態(tài)聚氨酯(PU)的聚對苯 二曱酸乙二酯(PET)板，烘焙該PU,剝離印模以及接著在1: 10的HF 溶液中除去Ti/Si02層，由此在PU/PET基底上留下有序的GaAs線陣 列，如圖3A中部結構所圖解的。Ti/Si02不只是作為粘合層起連接GaAs 線和PDMS的作用，而且還保護GaAs線的表面在處理過程中不受到潛 在的污染(例如，被溶劑和PU)。
在該設計中，線和歐姆條的原始、棵露表面被曝光，以用于進一 步的平版印刷(lithographic)處理和金屬化，以限定源極和漏極電 極(250認Au),源極和漏極電極連接集成在線上的歐姆觸頭。對于 晶體管，這些電極限定了源極和漏極；對于二極管，它們表示歐姆電 極。由光刻形成的并且在線和塑料基片集成在一起時被剝離到線的棵 部分上的觸頭限定了用于二極管的肖特基觸頭以及用于MESFET的柵
極電極。對塑料基片的所有處理都是在iion以下的溫度發(fā)生的。我
們沒有觀察到由于熱膨脹系數(shù)的不匹配或其他可能效應而引起GaAs 線從基片剝離。在晶體管中，柵極電極的寬度表示用于控制運行速度的臨界尺寸。源極和漏極之間的電極位置在該工作中相對不重要。這 種對不良配準的容納度對于在塑料基片上可靠地獲取高速運行是非常 重要的，其中由于處理過程中塑料會發(fā)生輕微的不可控制的變形，精
確配準經(jīng)常是個挑戰(zhàn)或是不可能的，非自準直高速MOSFET (金屬-氧 化物-半導體場效應晶體管)類型的設備中不存在對不良配準的容納 度。以合適的幾何形狀將多個晶體管和二極管連接在一起產(chǎn)生了功能 邏輯電路。圖3A示意顯示了或非門。
掃描電子顯微鏡(SEM)圖像(圖3C)顯示十個平行的線，這些 線形成晶體管的半導體組件。該設備的通道長度和柵極長度分別是50 微米和5微米。這些幾何形狀用于構建簡單的集成電路，即邏輯門。 在源極和漏極電極之間的間隙中的T i /Au條形成與n-GaAs表面的肖特 基接觸。該電極起一個柵極的作用，用于調制電流在源極和漏極之間 的電流。二極管(圖3D)使用在一端具有歐姆條在另一端具有肖特基 觸頭的線。圖3E和3F顯示了 PET基片上的GaAs晶體管、二極管和簡 單電路集合的圖像。圖3F中，具有電路的PET板繞白色標記的軸彎曲， 指示了這些電子單元的柔韌性。
塑料上的基于線的MESFET的DC特征(圖3C )定性地顯示出與形 成于晶片上的MESFET具有相同的特性(圖4A)。源極和漏極之間電
流(Ids)被施加在柵極上的偏壓(Ves)很好地調制，即Ids隨Vm的降 低而降低。在該方面，負的Ves衰減通道區(qū)域中的有效載流子(即用
于"-GaAs的電子)并且降低通道厚度。 一旦Vw負到一定程度，衰減 層等于/7-GaAs層的厚度，并且源極和漏極之間的電流被夾斷(即Ids 基本變?yōu)榱?。如圖4A所示，在乙小于-2. 5V處，lDs幾乎降為零。 在源極-漏極電壓(vDS)為0. IV時(即線形區(qū)域)，該夾斷電壓(即 柵極電壓Vcs)為2. 7V。在飽和區(qū)域(VDS=4V)，圖4B示出了晶體管的 傳輸特性曲線。根據(jù)圖4B，開/關電流比和最大跨導被分別確定為約 1()6和約880nS。該整個源極-漏極電流是線的數(shù)目(即有效通道寬度) 和源極與漏極之間的間距(即通道長度)的函數(shù)。在通道寬度恒定時，
具有短通道的晶體管可以提供相對高的電流。例如，在Vg^o.sv以及
VDS=4V時，晶體管飽和1。s從其通道長度為50jim時的1.75mA增加到其 通道長度為25jim時的3.8mA (圖4C)。對于某些應用來說，盡管具有短通道的晶體管可以提供高的電流，但是由于完全掐斷電流是有難
度的，開/關電流比趨于下降。如圖4C所示，具有25nm的通道長度
的晶體管的1。s甚至對于Ves為-5V時也還是幾個微安的量級。
塑料上的GaAs-線肖特基二極管表現(xiàn)出整流管的典型性能(圖 4D)，即正向電流(I)隨著正向偏置電壓(V)的增加而快速增加，而反向 電流甚至在反向偏置大到5V時還保持很小。這些肖特基二極管的I-V 特性可以由熱離子發(fā)射模型來描述，該模型在V 3KT/q時，可以以下
式表示:J-J。exp f^〕 (1)
i、
,.2W "和 J?！禔*T2expi (2)
l 虹y1
其中，J表示施加偏置電壓(V)的正向二級管電流密度，k是玻爾 茲曼常數(shù)，T是絕對溫度(即實驗中的298K) , ^是肖特基勢壘高度 以及A"是GaAs的有效瑞查生常數(shù)(即8.64A cnT2 K_2)。通過繪制 In/和偏壓(V)之間的關系圖(小插圖)，根據(jù)線性關系(小插圖的直 線)的截距和斜度來確定飽和電流J。和理想因子n。 ^的量通過等式 (2)來估計。^和n共同用作肖特基界面特性的評估標準。兩個都高度 i也依賴于金屬和GaAs之間的界面電荷態(tài)(charge state )，即電荷 態(tài)的增加將導致么的降低和n值的增加。對于該工作中制造的二極管， 根據(jù)圖4D的小插圖確定&和n分別為512meV以及1. 21。這些設備與 構建在晶片上的二極管相比，具有稍低一些的肖特基勢壘(512meV對 約880meV)以及較大的理想因子(1. 21對約1. 10)。
這些GaAs-線i殳備(即MESFET和二極管)可以集成形成到用于復 雜電路的邏輯門中。例如，連接兩個通道長度不同的、具有不同飽和 電流的MESFET，形成一個反相器(邏輯非門)(圖5A和5B)。該負 載晶體管(上部)以及開關晶體管(底部)分別具有IOO和50微米的 通道長度，以及150微米的通道寬度和5微米的柵極長度。該設計導 致來自負載晶體管的飽和電流為開關晶體管的飽和電流的約50%,這 確保負載線和開關晶體管的Ves=0曲線在線性區(qū)域相交于一個小的開 啟電壓。在飽和區(qū)域中，即Vdd被偏置成5V，測量反向器。當向開關 晶體管的柵極(Vin)施加一大的負電壓(邏輯O)來將該晶體管關閉時，輸出節(jié)點上的電壓(v。ut)等于Vdd (邏輯l,高的正電壓)，因為
負載晶體管一直是開的。Vin的增加使開關晶體管打開以及提供大電流 穿過開關晶體管和負栽晶體管。當開關晶體管完全打開時，即Vin是大
的正電壓(邏輯l)時，V。ut降低到一低的正電壓(邏輯0)。圖5C
顯示了傳輸特性曲線。該反相器表現(xiàn)出大于1的最大電壓增益(即
(dV。ut/dVin)max=l. 52)。通過增加一個包括肖特基二極管的電平轉換支 路(如圖3D所示)，將V。ut的邏輯狀態(tài)轉換成適合于進一步電路集成 的電壓。
將該類型的多個設備并聯(lián)或串聯(lián)組合獲取更復雜的邏輯功能，諸 如或非門或與非門。對于如圖6A和6B所示的或非門，并聯(lián)連的兩個 相同MESFET起開關晶體管的作用。通過施加一高的正電壓(邏輯l) 而打開任意一個開關晶體管(Va或Vb),可以提供一穿過負載晶體管 的漏極(Vdd)而到達地(GND)的大電流，從而導致輸出電壓(V。)處 于低電平(邏輯0)。只有在兩個輸入都處于高的負電壓時(邏輯0) 才可以獲得高的正輸出電壓(邏輯1)。圖6C顯示了輸出對或非門的 輸入的依賴性。在與非門的構造(圖6D和6E)中，只有通過施加高 的正電壓(邏輯l)使兩個開關晶體管都打開時，穿過所有晶體管的 電流很大。在該構造中，輸出電壓表現(xiàn)出相對低的值(邏輯0)。在 其他輸入組合下，幾乎沒有電流流過晶體管，導致可與Vdd相當?shù)母叩?正輸出電壓(邏輯1)(圖6F)。該類型邏輯門和/或無源元件(例如， 電阻器、電容器、導體等)的進一步集成有望在塑料上提供高速、大 面積電子系統(tǒng)。
總之，利用高質量、體單晶晶片，使用"自頂向下"工藝制造的 具有集成歐姆觸頭的GaAs線提供了高性能"可印刷"半導體材料以及 提供了一種在柔性塑料基片上實現(xiàn)晶體管、二極管以及集成邏輯門的 相對簡易的途徑。高溫處理步驟(例如歐姆觸頭的形成)從塑料基片 的分離以及使用PDMS印模來轉移印刷非常有序的GaAs線陣列，是此 處所述方法的關鍵特征。對于那些對運行速度有要求的大面積印刷電 子設備來說，將GaAs線用作半導體是具有吸引力的，因為(i)GaAs具 有高的本征電子遷移率(約8500 cm2V—以及已經(jīng)在常規(guī)的高頻電 路中建立了應用，(ii)用GaAs構建的MESFET提供了比M0SFET更為簡單的處理，因為MESFET不需要柵極絕緣體，(iii)GaAs MESFET不受 在非自準直MOSFET發(fā)生的寄生重疊能力的困擾中，(iv)即使在大面
積塑料基片上可輕易獲取的有限級別的構圖配準和分辨率下，也可以 實現(xiàn)GaAs MESFET中的高速運4亍。GaAs相對高的成本(相比于Si )以 及難于利用GaAs生產(chǎn)互補電路，表現(xiàn)出一些缺點。然而，在塑料基片 上構建高性能晶體管和二極管的相對容易性，以及將這些組件集成到 功能電路中的能力指示了該方法有望用于要求有機械柔韌度，輕質結 構以及可以與大面積的、類似印刷的處理兼容的電子系統(tǒng)。
實驗部分GaAs晶片(IQE Inc., Bethlehem, PA )具有一個通 過在高真空腔中的分子束外延(MBE)沉積生長在(100)半絕緣GaAs 晶片上的外延摻雜Si的n型GaAs層(載流子濃度為4. 0 x io17 cm—3)。 該平版印刷處理采用了 AZ光致抗蝕劑(分別用于正和負成像的AZ 5214和AZ nLOF 2020 )，這是在與塑料基片兼容的溫度下(<110匸) 進行的，該塑料基片即為涂覆有處理過的(cured )聚氨酯(PU， NEA 121 Norland Products Inc., Cranbury， NJ )的聚對苯二甲酸乙二酯(約 175微米厚的PET，聚酯薄膜，Southwall Technologies, Palo Alto， CA)板。具有光致抗蝕劑掩模圖樣的GaAs晶片在蝕刻劑(4mLH3P04 (85 wt%), 52 mL H202 (30 wt%),以及48 mL去離子水)中被各向異性地 刻蝕，所述蝕刻劑在冰水浴中冷卻過。所有這些金屬由電子束蒸發(fā)器 (Temescal)以約4A/s的速度蒸發(fā)。當沉積了 50nm厚的金屬時，該 蒸發(fā)孔(os)停止工作，以冷卻樣本(5min)防止塑料基片熔化。在 樣本冷卻后，重復蒸發(fā)/冷卻循環(huán)以沉積更多金屬。
實施例2:柔性塑料基片上的機械柔性晶體管的千兆赫運行
GaAs線與從體晶片、軟平版轉移印刷技術形成的歐姆觸頭的結合 使用，以及優(yōu)化的設備設計使機械柔性晶體管能夠形成于低成本塑料 基片上，其各個設備速度在千兆赫范圍內(nèi)以及具有高度的機械可彎曲 能力。此處公開的方法包括在簡單版面設計中被制造為具有有限的平 版圖像形成分辨率和配準的材料。該實施例描述了高性能晶體管的電 學和機械學特性。這些結果在某些應用中是非常重要的，這些應用包 括，但不限于，高速通信和計算，以及大面積電子系統(tǒng)新興類型("宏電子設備")。
由高遷移率半導體形成的大面積柔性電子系統(tǒng)(即宏電子設備) 是引人注意的，因為這些電路的一些潛在應用要求高速通信和/或計算 能力。利用諸如非晶/多晶氧化物和硫族化物、多晶硅以及單晶硅納米
線和微結構帶之類的各種無機材料構建的柔性薄膜晶體管(TFT展示 比多晶有機薄膜的遷移率(通常〈lcm2 V—1 s—。更高的遷移率(10~ 300 cm2 . V 1 ■ s—"。之前的工作已經(jīng)證實，具有非常高的本征電子遷 移率(約8500cm2 ■ V—1 . s—1)的單晶GaAs線陣列，在金屬半導體場效 應晶體管(MESFET)的排列(geometry)中可以起用于TFT的傳輸通 道的作用。該實施例顯示在優(yōu)化設計下，類似的設備可以工作在GHz 區(qū)域的頻率下，甚至具有有限的平版印刷分辨率，并且具有好的可彎 曲能力。具體地，實驗結果顯示塑料基片上的基于GaAs線的MESFET 對于柵極長度為2微米的晶體管表現(xiàn)出截斷頻率高于1. 5GHz，以及當 使用約200mm厚的基片時，半徑彎曲到約lcm時，其電子特性具有有 限的改變。對設備性能的簡單模擬和實驗觀察非常符合，并且可以獲 取S-頻帶(5GHz)的運行頻率。
該基本制造策略類似于別處所描述的策略，但具有優(yōu)化的設備幾 何形狀以及處理方法，可實現(xiàn)高速運行。具有集成的歐姆條(通過在 N2氣氛下，在450。C對120 nm AuGe/20 nm Ni/120 nm Au退火1分 鐘來形成)的GaAs線(寬度約2微米)陣列是通過光刻和各向異性化 學刻蝕從具有150nm n-GaAs外延層的(100)半絕緣GaAs ( SI-GaAs ) 晶片制造而來。在底刻的GaAs線上沉積Ti (2 nm)/SiO2(50 nm)雙分 子層，以作為粘附層來促進轉移印刷處理，以及保護線的平坦表面和 歐姆觸頭不受處理中涉及的有機物(主要是從印模表面轉移的有機物) 的污染。通過將這些樣本浸入1: 10的HF溶液以移去該層，以在隨后 的步驟中將GaAs線的干凈表面暴露用于設備制造。此外，該Ti/Si02 薄的厚度(相比于我們之前的工作中在轉移印刷中用作粘附層的光致 刻蝕劑的厚度而言)導致相對平坦表面的塑料聚對苯二曱酸乙二酯 (PET)板，在一薄層旋涂的聚氨酯(PU)的輔助下，在所述板上印刷 GaAs線陣列。該改進的表面平坦度使能夠沉積窄的柵極電極的而縱向 沒有裂縫，從而提供一種有效的增加設備的運行速度的途徑。所獲得的位于PET基片上的MESFET (見柵極長度為2微米的一般 晶體管的SEM圖像，如圖7A所示)展示與構建在母晶片上的晶體管類 似的DC傳輸特性。圖7B顯示了對柵極長度為2微米的設備，源極和 漏極之間的電流(IDS)作為柵極電壓(Ves)(小插圖)的函數(shù)和在不 同Vcs下作為源極/漏極電壓的函數(shù)。V。s為0. 1V處(即線性區(qū)域)的掐 斷電壓為-2. 7V。根據(jù)許多設備上的平均測量值確定的開/關電流比值 為約106。這些設備展示可以忽略的磁滯現(xiàn)象(小插圖)，這對于高速 響應來說是特別重要的。這些設備顯示出良好的設備到設備 (device-to-device )的一致性；表格1列出了具有50微米的通道長 度以及不同的柵極長度的MESFET的統(tǒng)計結果(設備數(shù)目〉50)。該DC 特征幾乎獨立于柵極長度，除了具有較大柵極長度的設備表現(xiàn)出稍低
的開/關比外。然而，如下面所要描述的，該柵極長度在確定運行頻率 時扮演一個關鍵角色。
表格1 從具有不同柵極長度的MESFET提取的參數(shù)的統(tǒng)計結果
柵極長通道阻抗飽和電流掐斷開/關比值最大跨導
度(kQ)(mA)電壓
(nm )@Vgs=0 V(V)log (r0N/0FF)
21.5±0.51.4±0.5-2.41 ±0.356.2±0,7796±295
51.3±0.21.6±0.5-2.49±0.256.1±0.5904±337
101.5±0.21.3±0.3-2.54±0.145.8±0.5772±185
151.6±0.21.1 ±0.2-2.69±0.055.3±0.8749±188
*所有晶體管由IO根并聯(lián)的GaAs線組成，其通道長度為50jim.
圖8A的小插圖顯示了被設計為用于微波測試的設備的布局。該測 試結構的每個單元包含兩個相同的MESFET,該MESFET柵極長度為2 微米以及通道長度為50微米的，這兩個MESFET具有一個公共的柵極， 以及探測墊(pad)被配置成和RF探測針的布局匹配。在測量中，漏 極(D)端保持在4V (相對于源極(S))以及柵極(G)由0. 5V的偏 壓來驅動，耦接有等效電壓幅度為224mV、具有50J1的OdB的RF功率。 該測量利用HP8510C Network Analyzer來進行，利用標準的SQLT (Short-Open-Load-Through)技術在CascadeMicrotech 101-190B ISS基片(一片覆蓋有激光修整的金圖樣的陶瓷芯片)上通過WinCal 3. 2對該HP8510C Network Analyzer在50 MHz到1 GHz內(nèi)進行誤差 校準。換言之，短校準(short calibration)被視為是理想短，以及開 》文校準(open calibration) 4皮視為是理想的開放。由于完成該校準 不用進一步的去嵌入(de-embedding),所以測量的參考平面設置在 輸入探針和輸出探針之間。換言之，接觸墊上的這些寄生組件被包括 在測量中。然而，考慮到頻率為1GHz的RF信號的波長為300mm，而 接觸墊的長度為200微米的事實，這些寄生組件對接觸墊的影響可以 忽略。由于接觸墊近是波長的1/1500，因此該接觸墊的阻抗變換效應 是可以忽略的。
該小信號電流增益(h21)可以從所測量的該設備的S-參數(shù)來提取。 這個量展示對輸入的RF信號的信號有對數(shù)依賴性(圖9A)。該單元 電流增益頻率(fT)被限定為短路電流增益變?yōu)?時所處的頻率。該 量可以通過根據(jù)最小平方擬合20 dB/decade線對圖9A的曲線進行外 推以及找出它的x軸交叉來確定。以這種方式確定的值為fT=l. 55GHz。 據(jù)我們所知的，該設備代表了塑料上的最快的具有機械柔性的晶體管 以及fT處于千兆赫區(qū)域的第一個晶體管。我們還根據(jù)與小信號等效電 路模型，利用所測的DC參數(shù)以及所計算的電極之間的電容估計GaAs MESFETD的RF響應。根據(jù)模擬結果所得的圖和實驗結果所得的 fT=l. 68GHZ非常相符。該模型也很好地適用于具有不同的柵極長度的 晶體管，例如，柵極長度為5微米的MESFET的實驗fT(730匪z)和模擬 所得的量(795MHz)接近(圖9B)。在該模型中，只考慮了MESFET的 本征參數(shù)，因為非本征參數(shù)(即和探測墊相關的電感和阻抗)被認為 是可忽略的?？鐚?gm)、輸出阻抗(Rds)以及充電電阻(Ri,說明了 通道上的電荷不能瞬時地響應V。s的變化的事實)可以從DC測量結果 提取。與該MESFET相關的本征電容包括來自衰減層、邊緣以及幾何邊 緣電容的貢獻。其中每一個都利用用于對通道寬度等于單個GaAs線的 總和寬度的常規(guī)設備進行計算的等式來計算。衰減層的電容用柵極長 度(LJ 、有效設備寬度(W)以及衰減高度來表征<formula>formula see original document page 46</formula>在該等式中:<formula>formula see original document page 46</formula>
其中假設衰減層作為一個平行板形電容器來工作。該邊緣電容 (edge fringing capacitance)以及幾何學邊緣電容(geometric fringing capacitance)分另'J由<formula>formula see original document page 46</formula>
來確定。150nm和200nm分別是源極或漏極墊的寬度和長度。K(k) 是第一種的橢圓積分以及<formula>formula see original document page 46</formula>
CGS，柵極和源極之間的電容，包括所有這三種電容；而Cds以及
C。g只包括邊緣電容以及幾何學邊緣電容。在多數(shù)情況下，Cedge以及 C^。^ri。的貢獻可以被忽略，而對模擬結果沒有有顯著影響，因為他們
遠小于與柵極長度成比例的cdepleti。。該模型說明了塑料板上的線陣列
設備的性能，包括fT隨柵極長度的變化。圖8C將具有不同柵極長度 和50樣i米通道長度的GaAs-線MESFET的所測的(符號)和所計算的 (虛線)"進行比較。該模型指示通過減少柵極長度或通過進一步優(yōu) 化GaAs母晶片中的層設計可以明顯增加卜的值。
我們已經(jīng)報道了拉應力對柵極長度為15微米的基于線的MESFET 的影響。在該實施例中，我們考查處于壓力和處于拉伸中的高速設備 的性能，該壓力和拉力高達折斷點。該測量結果包括全部的DC電學特不同曲率半徑的凹形和凸形形狀(見圖
9)的函數(shù)。該彎曲半徑通過對彎曲樣本的側視圖像進行幾何擬合來提 取。凹形和凸形彎曲表面在設備上產(chǎn)生拉應力(被分配一個正值)和 壓應力(被分配一個負值)。利用與圖8A所示設備類似的設備來估計 由彎曲導致的應力對性能的影響。隨著拉應力增加到0.71% (對應于 該工作中所用的200微米厚基片的彎曲半徑為14mm)，該飽和電流(即 VDS=4v, VGS=OV)增加約10%以及隨著壓應力增加到0.71%，該飽和電 流降低約20% (圖9B)。當該基片在彎向任一方向彎曲后被釋放時， 該電流恢復，從而表示塑料基片和該設備其他組件的變形在該區(qū)域內(nèi) 是彈性的。(預計PET和PU在應力〉約2%處發(fā)生塑料變形)。對 GaJni-xAs或(100)GaAs晶片上的GaxIn^As的受應力上層的研究表明， 雙軸應力以及外部施加的單軸向應力(該情形和本實施例類似)可以 導致上層中帶隙能量的顯著飄移和價帶分裂。拉應力降低帶隙能量， 從而增加總的載流子濃度(電子和空穴)以及提高電流。相反，壓應 力增加了帶隙能量以及降低了電流。這些現(xiàn)象和我們設備的觀察結果 相一致。在利用SEM顯微鏡對彎曲過程的原位測量成像證實了在應力 <+/-0. 71%處沒有GaAs線斷裂。在拉應力為約1%以上時，由于一些線 的折斷(或柵電極的裂縫)，設備出現(xiàn)衰退。對于那些寬度比此處所 用的更寬的線(例如，IO微米寬)，由于它們相對較高的抗彎剛度， 線從塑料分離，以釋放拉應力的彎曲壓力，而不是折斷。
由于彎曲應力對飽和電流的改變少于20%，所以開/關比的變化主 要由關電流的變化來確定。價帶中空穴濃度的變化以及由應力引起的 n-GaAs層的錯位和表面缺陷的數(shù)目可能對晶體管關電流的變化有貢 獻。拉應力和壓應力兩者都可以增加錯位和表面缺陷的數(shù)目，從而增 加該設備的關電流。拉應力產(chǎn)生附加的空穴以及電子，這也增加關電 流。另一方面，壓應力降低空穴濃度。結果，可以預計處于拉力中的 MESFET的關電流比沒有應變的i殳備的要高。壓應力對i殳備的關電流具 有次要的影響。因此，相應的開/關電流比將在拉力下降低，而在壓力 下基本保持不變。圖9C給出了飽和區(qū)域內(nèi)所測開/關電流比對應力的 依賴性，顯示和以上討論的定性符合。
總之，該實施例的結果顯示，由彎曲導致的表面應力(在拉力和壓力中，高達0. 71%)沒有顯著衰減由修改過的工藝制造而來的MESFET 的性能。更重要的是，在彎曲狀態(tài)下釋放樣本使設備性能恢復到它原 始狀態(tài)。這些觀察指示了在PU/PET基底上的基于GaAs線的MESFET 具有符合很多預想的宏電子設備應用的要求的機械性能。此外，這些 類型的TFT表現(xiàn)出高的速度，這些速度逼近于那些適合于RF通信設備 的以及適合于其他要求有機械柔韌度、輕質結構以及與大面積、類似 于印刷的處理兼容的應用的速度。對于使用是本工作焦點的薄的、可 彎曲的、具有合適密度的和大面積電路類型的線或帶的設備來說，GaAs 的一些缺點與用于常規(guī)集成電路中的Si (即晶片成本高，不能構建可 靠的互補電路，機械上易碎等)相比，就只有較輕的重要性了。
實施例3使用從體晶片獲取的超薄硅帶的具有機械柔性的薄膜晶體管 該實施例介紹了一種薄膜晶體管，該晶體管使用單晶硅薄(亞微 米)帶的準直陣列，這些單晶硅薄(亞微米)帶的準直陣列是通過平 版印刷構圖和體硅(111)晶片的各向異性刻蝕產(chǎn)生的。將這種帶并入印 刷到薄塑料基片上的設備顯示出良好的電學特性以及機械柔韌度。有 效的設備遷移率，如在線性區(qū)域所估計的，高達360 cm2V_1s_1以及開 /關比>103。這些結果表現(xiàn)了在以低成本方法制造用于結構健康監(jiān)測、 傳感器、顯示器以及其他應用上的大面積、高性能、具有機械柔韌性 的電子學系統(tǒng)方向上的重要進步。
密集相關特性(Confinement-related properties )以及應用廣 泛的形式因素(form factors )使得低維材料有望在電子學、光子學、 微電機械系統(tǒng)以及其他領域中有新的應用。例如，高性能柔性電子設 備(例如晶體管，樣本電路元件等)可以通過使用那些被放在、涂覆 在或印刷在塑料基片上的微/納米線、帶或管來構造。薄的、高縱橫比 材料結構使材料在單晶半導體材料中具有彎曲能力以及，在某些結構 形式下，具有拉伸能力，這些材料在體中本來為易碎和脆弱的。結果， 這些類型的半導體材料提供了對真空以及溶液可處理的聚合/非晶有 機材料的有魅力的替代，這些真空以及溶液可處理的聚合/非經(jīng)有機材 料在栽流子遷移率方面通常表現(xiàn)出明顯較低的性能。最近描述的自頂 向下方法從硅基材料源產(chǎn)生半導體線、帶以及板。該方法提供了對結果結構的幾何形狀、空間組織、摻雜水平以及材料純度的高度控制。 然而，該方法的經(jīng)濟吸引力，特別是對于那些需要大面積覆蓋的應用 來說，受到晶片(絕緣硅，生長基片上的外延層等)單位面積成本的限制。
在該實施例中，我們報道了一種不同的方法。具體地，我們給出
了一種薄膜晶體管(TFT),該TFT使用從低成本的體硅(111)晶片 獲取的亞微米厚的硅帶準直陣列。我們開始描述制造這些結構以及將 它們通過彈性印模轉移印刷到塑料基片上的工藝。我們給出了這些帶 的形狀的結構特征，它們的厚度以及表面形態(tài)。對由這些印刷帶形成 的肖特基勢壘TFT所做的電學測量表明這些印刷的帶具有n型場效應 遷移率為360cm2V—、_1以及開/關比為4000。
圖10圖解了一種從Si ( 111)晶片(Montco， Inc. ， n型， 0. 8-1.8Q.cm)的表面產(chǎn)生薄(<1微米)的帶的從上到下方法。該方 法從近場相移掩模光刻開始13，接著是金屬剝離以及SF6等離子刻蝕
(Plasmatherm RIE系統(tǒng)，40 sccm SF6， 30 mTorr， 200 W RF功率， 45秒)，以在Si表面產(chǎn)生深為約l微米，寬為l微米的溝道的陣列
(圖l(a))。溝道之間的間距限定了帶的寬度(通常為IO微米)。 接著，在1100'C下在晶片上生長100nm的熱氧化物。通過成角度電子 束蒸發(fā)Ti/Au (3/30nm)來執(zhí)行的兩個金屬沉積步驟，提供了對溝道 側面的部分覆蓋(圖10B)。這些在成角度蒸發(fā)期間投下"遮蔽"限 定帶的厚度。溝道刻蝕的條件、蒸發(fā)角度以及金屬流準直的程度控制 了該遮蔽的范圍，以及因此控制了帶的厚度。CF4等離子刻蝕(40 sccm C F4， 2 sccm 02， 50 mTorr基本壓力，150 W RF功率，5 min)除 去曝光的氧化物。最后，熱KOH溶液底刻這些帶(質量比為3:1:1的 H20:K0H:IPA， lOOt:)。刻蝕前端沿〈110〉方向進行，并保留(lll)平 面(圖10C)以及形成那些占了原晶片大部分(75-90%)的無支撐地 存在的帶?？涛g掩模被設計成使每個帶在溝道的末端處錨到晶片上(圖 12A以及圖12B )。利用水中的KI/I2 ( 2. 67/0. 67wt% )除去該掩模， 并繼以HF，從而完成該制造。以這種方式產(chǎn)生的帶是薄的、平坦的、 以及是機械柔性的(圖10E),與那些使用之前描述過利用了昂貴絕 緣硅晶片的方法s'7'n產(chǎn)生的帶相似。原子力顯微鏡(圖11A)顯示一般的帶的厚度從約115至約130nm。這些變化在光學顯微照片(圖12E) 中顯示為輕微的色彩變化。如AFM對顯示在圖12B中的帶中的其中一 個的下側的5nmx 5fim區(qū)域所測量的粗糙度為0. 5nm。該值大于頂部拋 光的表面(0.12nm)或者大于采用相同方法從SOI硅片產(chǎn)生的帶的下 側(0. 18認)。有興趣的是采用其他各向異性刻蝕劑來降低該粗糙度。 厚度變化以及，在較小的范圍內(nèi)，粗糙度的來源部分是溝道中的邊緣 粗糙度，它進而導致成角度蒸發(fā)過程中在側面鈍化中的粗糙度。提高 側面質量可以減少帶的厚度起伏。然而，如我們在以下所示的，利用 此處描述的工藝制造的那些帶可以構造具有良好性能的晶體管設備。
通過高(>95%)產(chǎn)率的印刷處理，可以將帶轉移到另一個(柔性) 基片上，如圖12所給的略圖。為了執(zhí)行該印刷處理，將PDMS印模碾 壓在該硅片上以及接著快速剝回，以重新獲取該帶。這種處理依賴于 對至該印模的粘附的動力學控制。該印模，被如此"浸過，，的，(圖 12B和12E)可以通過與另一個基片接觸而印刷這些帶。印刷到一個涂 覆有ITO的0. 2mm厚的PET基片上的帶可以用來在塑料上制造高性能 的柔性底柵TFT,其中ITO作為柵極電極。在印刷之前沉積到ITO柵 極上的一層SU-8起柵極介質的作用以及作為一種膠合劑來促進帶轉 移。在印刷過程中，這些帶浸入沒有處理過的SU-8,使得它們的頂部 埋入膠合劑表面，在帶的底表面和ITO之間留下約2微米的介質。由 平板印刷(10(Vm長xl00nm寬)以及利用HF/HA的濕式刻蝕限定的 厚(約0. 2jim)的Ti源極和漏極觸頭形成源極和漏極電極的肖特基勢 壘觸頭。這些底柵設備顯示出特征性的n型增強模式MOSFET柵調制。 晶體管獲取約103的開/關比值，以及設備水平遷移率，如對金屬氧化 物半導體場效應晶體管使用標準方程所確定的，14高達約360 cm2V—、一1 (線性的)以及IOO cm2V—、1 (飽和，在V(KV處估計)。該帶本身 的遷移率應比設備水平遷移率高約20%( 440 cm、、^線性的，以及120 cm2V_1s—i飽和)，由于它們之間的間距使得它們只填充約83%的通道。 對于0.2m邁厚的基片，當基片彎曲到有限的半徑(15mm)時，該帶設 備能夠完好，但在更尖銳的彎曲中(5mm),嚴重地衰退。
總之，該實施例證實了一種高產(chǎn)率的用于從體硅(111)晶片產(chǎn) 生可印刷單晶硅帶的制造策略。在制造之后對體晶片表面進行精制使得可以多次重復，因而可以從一平方英尺的起始原料生產(chǎn)出幾十或甚
至上百平方英尺的帶。塑料上從這些帶制造的TFT證實了它們作為高 性能柔性半導體的應用。這些設備以及制造它們的策略不但可用于大 面積柔性電子設備，還可以用于需要三維的或者異構的集成或利用常 規(guī)硅微制備方法下難以獲取的其它特性的應用中。
實施例4 塑料基底上的可彎曲GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)
新興的宏電子設備領域內(nèi)所包含的柔性大面積的電子學設備、技 術在過去的幾年里見證了可觀的進步，并具有幾個主要的用戶以及具 有軍事上的應用，在不久的將來，它們有望被商業(yè)化。具有新穎形式 因素的微電子電路是這些系統(tǒng)的關鍵部件，并且將可能需要新的制造 方法(特別是印刷方法)來制造它們。由于該原因，已有大量注意力 投入到半導體的可印刷形式中，以及有機(例如苯，聚硫脲等)和無 機(諸如多晶硅，無機納米線)材料都被加以考查。該工作已顯示出 一些對集成在塑料基片上的設備來說很看好的結果。然而，應用的電 流范圍卻受到由半導體制備的設備的先天不良性能的限制，其先天的 不良性能諸如它們低的有效設備遷移率以及運行頻率。我們已經(jīng)考查 了一種被稱為微結構半導體(US-Sc)的新形式可印刷無機半導體，其 可以在常規(guī)的和有機聚合物基片上實現(xiàn)制造異常高性能設備。我們還 示出，使用jiS-Sc作為基礎，可以在半導體晶片上制備完全開發(fā)的設 備，并且隨后將轉移到柔性基片上，而不降低它們的性能。該方法利 用晶片級半導體的高質量，但使它們可以順從基于印刷的制造方法。 在這些材料中，單晶ns-GaN有很大的吸引力，由于他具有優(yōu)越的材料 性能，包括寬的帶帶隙(3.4 eV對GaAs的1.4 eV)，從而導致高的 擊穿電場(3MV cm—工對GaAs的0. 4MV cm—1),高的飽和栽流子速度 (2. 5*107cm s刁對GaAs的107cm s-1),以及良好的導熱率(1. 3W cm-1 對GaAs的O. 5W cm—1)。此外，具有AIGaN/GaN異質結結構形式的異
質結集成產(chǎn)生具有高的導帶偏移以及壓電響應的，表面載流子密度位 于1. Ox 1013 cnf2范圍的設備衰減材料。這些具吸引力的特性使得GaN 適合用于那些要求有高頻率以及高功率性能的設備中，諸如用于無線 通信的電子設備、全彩發(fā)光設備以及用于光電系統(tǒng)的UV光電探測器。自從第一次證實AlGaN/GaN的高電子遷移率晶體管(HEMT)以來， 已有很多基本研究活動聚焦于該領域。這些努力已經(jīng)促使設備集成到 各種基片上，這些基片包括蘭寶石、SiC、 Si以及A1N。在該實施例中， 我們描述柔性AlGaN/GaN異質結結構高電子遷移率晶體管(HEMT，圖 14概要示出了該工藝)的制造，其中的一些晶體管被處理以及隨后通 過基于接觸印刷的方案(protocol)將其從它們的Si (111)生長基
片轉移到塑料板上。該工作提供了將基于異質結構的ni-v半導體材
料的高性能HEMT設備集成到塑料基片上的工藝的描述。
圖15示意性地圖解了用于HEMT設備的步驟。該過程開始于利用 標準序列光刻以及剝離步驟在體GaN異質結構晶片上形成歐姆觸頭 (Ti/Al/Mo/Au)(圖15A)。然后沉積PECVD氧化層以及Cr金屬，以 作為隨后干式刻蝕的掩模。對Cr和PECVD氧化物的光刻以及刻蝕限定 了 GaN帶所需的幾何形狀，這些帶在隨后的印刷中用作固體墨(圖 15B)。在剝?nèi)ロ敳康墓庵驴刮g劑后，利用ICP干式刻蝕來除去曝光的 GaN(圖15C)。通過該ICP刻蝕步驟除去該Cr層，但較厚的PECVD 氧化層基本完好地留在GaN的頂部。利用氫氧化四甲基銨(TMAN)的 各向異性濕式刻蝕(圖15D)從母基片上除去位于下面的Si以及分離 GaN帶。在該強堿刻蝕過程中，PECVD氧化物起保護歐姆觸頭不衰退的 作用。已經(jīng)被等離子和濕式刻蝕步驟嚴重粗糙化的剩余PECVD氧化物， 接著利用B0E (緩沖氧化刻蝕劑)處理步驟被除去。隨后通過電子束 蒸發(fā)將一新的光滑的、犧牲硅氧化層沉積到GaN帶的頂部。到GaN的 印刷，將該晶片和聚二曱基硅氧烷(PDMS)板接觸(圖15E)，以及將 該板從母基片上快速除去，以此獲取jis-GaN到PDMS的完全轉移。該 "被浸"的板接著被碾壓在涂有聚氨酯(PU)的聚對苯二曱酸乙二酯 (PET)板上(圖15F)，以及從頂側開始，利用UV光來處理PU(圖 15H)。剝離PDMS實現(xiàn)ns-GaN元件到塑料基片的轉移。該轉移在GaN 帶頂部留下了殘余的PU。當利用B0E剝離圖15E的步驟中蒸發(fā)的電子 束沉積的Si02層時，該殘余被除去。該處理的最后步驟包括形成源極 /漏極連接以及肖特基柵極金屬觸頭(Ni/Au)，通過電子束蒸發(fā)沉積 和使用標準的剝離處理來構圖的層(圖15F)。
為了在除去下面的Si (圖ld)后保持無支撐地存在的ns-GaN的原始位置，我們采用了如圖14所列處理所示的微結構半導體(jis-Sc) 的新幾何形狀。該ns-GaN帶在GaN的末端具有兩個窄的橋(即兩個拆 斷點，如圖14C的箭頭所示)，以有助于將它們調準轉移到PDMS印刷 工具(圖15E)。該結構相對于之前報道的"花生"設計表現(xiàn)出顯著 的改善。在該設計下，發(fā)現(xiàn)引起轉移處理的折斷非常有效。較早的"花
高度一致，以產(chǎn)生適合于印刷的ns-Sc帶。當前的"窄橋，，設計對刻 蝕速度差異不很敏感。為了圖解后一情況，圖16A和16B分別顯示了 在TMAH各向異性刻蝕步驟之前和之后取的GaN晶片光學圖像。在這些 圖中很容易識別無支持和被支持GaN微結構的不同色彩。圖16C和16D 顯示了在切割下面的Si的TMAH刻蝕步驟中間階段中所取的掃描電子 顯微鏡圖像(SEM)。圖16D的放大圖像以及圖16B的虛線區(qū)域有力地 說明了 Si刻蝕過程是基本僅沿垂直于GaN帶取向的方向傳遞的高度各 向異性本質。在該特殊的系統(tǒng)中，優(yōu)先的刻蝕是沿(110)方向發(fā)生； Si(lll)表面，如圖14C所示的，作為固有的刻蝕隔離掩模。圖16E 顯示了被浸過的PDMS板的SEM圖像，其中利用在其晶片配準的全張力 (full-tension)轉移jis-GaN。圖16F的圖像顯示了被印刷結構的SEM 顯微圖像，其中，最后的步驟為將fis-GaN異質結結構設備轉移到涂覆 有PET基片的PU上。這些圖像證實了基于"窄橋"的jis-GaN圖形的
轉移沒有損壞異質結結構帶。
圖17A和17B給出了基于jis-GaN的HEMT在轉移到PET基片上后 的代表性光學圖像。各種對比對應于圖14B所示的設備示意橫截面的 各種成分(lend)。在該幾何形狀中，有源電子通道(active electron channel )形成于兩個歐姆觸頭(Ti/Al/Mo/Au )之間以及電子流速(或 電流)受肖特基(Ni/Au)柵極接觸的控制。圖17B所示設備的通道長 度、通道寬度以及柵極寬度分別為2t)、170和5微米。與之前的jis-GaN 處理不可避免地受側面濕式刻蝕造成的小填充因數(shù)(filling factor) 限制不同，這些設備對應的填充因數(shù)非常高，相比于較早的對印刷的 III-V結構(67。/。對ns-GaAs的13%)的才艮道而言。圖17C顯示了由塑 料支撐的GaNHEMT設備的典型漏極電流-電壓(I-V)特性；該柵極以步 長IV從-3V偏置到IV。該設備在柵極偏壓為IV以及漏極偏壓為5V處表現(xiàn)出最大漏極電流約5mA。圖17D顯示了在恒定的漏極電壓(Vd=2V) 下測得的傳輸特性。該設備表現(xiàn)出-2. 7V的閾值電壓(Vth) 、 103的開 /關比以及1. 5mS的跨導。但是在轉移之前具有同樣的幾何形狀的的 GaN HEMT的跨導具有2. 6邁S的跨導。該轉移過程呈現(xiàn)為使該值減少約 38%。
使用彎曲階段來研究GaN HEMT的機械柔韌度，如圖18A,圖18B 所示。圖18B顯示了一系列所測的作為彎曲半徑(以及相應的應力) 的函數(shù)的傳輸特性曲線。將半徑彎曲到l. 1 cm (對應于0. 46%量級的 應力)時，我們觀察到所測的跨導、閾值電壓以及開/關比中的非常穩(wěn) 定的響應。圖18C顯示了一序列在最大應力處和釋放該應力后兩個位 置測得的電流-電壓(I-V)曲線。如上面所提到的，所發(fā)現(xiàn)的影響是 相對有限的，以及圖17B和圖18B的三個I-V曲線之間所見到的小差 別表明ps-GaN HEMT設備沒有被剛性的彎曲循環(huán)損壞。
總之，該實施例描述了 一種適合于以柔性形式的高性能GaN HEMT 印刷到塑料基片上的處理。我們進一步證實了 一種有助于轉移印刷方 案的有效的us-Sc幾何形狀，以及用于通過各向異性濕式刻蝕除去犧 牲層的智能材料策略。我們的結果表明ns-GaN技術為開發(fā)諸如高性能 移動計算以及高速通信系統(tǒng)的下一代宏電子設備提供了有意義的機會。
方法在硅(100)晶片(Nitronex)上的異質結GaN上制造GaN 微結構，該GaN微結構由三層III-V半導體組成AlGaN層(18nm, 未摻雜)；GaN緩沖層(0. 6微米，未摻雜)；以及A1N過渡層(0.6 微米)。使用AZ 5214光致刻蝕劑，打開歐姆觸頭區(qū)域以及利用02等 離子來清洗該暴露區(qū)域。(Plasmatherm， 50 mTorr， 20 sccm， 300 W， 30秒)。為了獲取低的接觸電阻，在金屬化步驟之前，利用RIE系統(tǒng) 中的SiCh等離子對歐姆觸頭區(qū)域進行預處理。然后沉積Ti/Al/Mo/Au (從底到頂15/60/35/50nm)金屬層。利用電子束蒸發(fā)來沉積Ti、 Al 以及Mo，而用熱蒸發(fā)來沉積Au。利用剝離處理來限定這些觸頭。這些 觸頭在使用N2為周圍環(huán)境的快速熱退火系統(tǒng)中在850TC下退火30秒。 該PECVD氧化物(Plasmatherm， 400 nm, 900 mTorr， 350 sccm 2% SiHjHe， 795 sccm N02， 250 °C )以及Cr金屬(電子束蒸發(fā)，150nm)層被沉積作為用于隨后的ICP刻蝕的掩模材料。光刻、濕式刻蝕 (Cyantek Cr刻蝕劑)以及RIE處理((50 mTorr， 40 sccm CF4， 100 W， 14min)限定了 GaN的幾何形狀。在利用丙酮除去光致刻蝕劑后， 利用ICP干式刻蝕(3.2 mTorr， 15 sccm Cl2， 5 sccm Ar， -100V偏 壓，14 min)除去曝光的GaN，以及接著利用TMAH濕式刻蝕溶液 (Aldrich， 160°C， 5 min )刻蝕掉下面的硅。將該樣本浸入BOE ( NH4F: HF為6:1)持續(xù)90秒，以除去PECVD氧化物以及在GaN帶頂部新沉積 50nm的電子束蒸發(fā)的Si02。然后將該GaN晶片和PDMS板(Sylgard 184， Dow corning)接觸，然后將該P薦板以>0. 01ms-1的剝離速度孝'J離以 取回這些us-GaN元件。浸有jis-GaN的PDMS板然后被碾壓在涂覆有 聚氨酯(PU， Norland光學膠粘劑，No. 73))的聚對苯二甲酸乙二酯 板(PET，厚度IOO二微米，Glafix Plastic )上。從頂部開始將樣本曝 光在UV光(家用的臭氧活性汞燈173nWcm—2)下，以烘焙PU。通過在 BOE中浸30秒剝回PDMS以及將電子束氧化物除去，可以實現(xiàn)將ns-GaN 元件轉移到塑料基片上。使用負的光致刻蝕劑(AZnL0F2020 )來構圖 肖特基觸頭區(qū)域的圖樣以及接著利用電子束蒸發(fā)來沉積N i /Au (80/100nm)層。利用剝離處理以及結合AZ剝離劑(KWIK持續(xù)5小 時)來除去該PR。
實施例5 從具有多個外延層的GaAs體晶片獲取的可印刷半導體元 件
本發(fā)明包括利用GaAs體晶片作為起始材料來制備可印刷半導體 帶的方法。在一個實施方案中，從具有多個外延層的高質量GaAs體晶 片產(chǎn)生帶。通過在(100)半絕緣GaAs (SI-GaAs)晶片上生長MOnm厚 的AlAs，隨后是順序沉積厚度為150nm的SI-GaAs層以及厚度為120nm 以及載流子濃度為4 x 10"cm—3的摻雜有Si的n型GaAs層，來制備晶 片。限定為平行于(Oll)結晶取向的光致抗蝕劑線的圖樣起作用于化 學刻蝕外延層(包括GaAs以及AlAs)中的掩模。利用H3P04和H202的 含水刻蝕劑的各向異性刻蝕將這些頂層分離成具有被光致刻蝕劑限定 的長度和取向的，以及具有與晶片表面成一銳角的側面的各個條。在 各向異性刻蝕之后除去光致刻蝕劑，以及接著將該晶片浸泡在HF的乙醇溶液中(乙醇和49%的含水HF體積比為2: 1 )除去AlAs層以及釋放 的GaAs帶(w-GaAs/SI-GaAs )。在該步驟中，用乙醇來代替水可以減 少由干燥過程中的毛細作用力引起易碎帶中的裂縫。乙醇相比于水的 較低表面張力還使干燥導致的GaAs帶空間布局無序最小化。
具有定制的外延層的GaAs晶片從IQE Inc., Bethlehem, PA.購 得。該平版印刷處理采用了 AZ光致抗蝕劑，即對正和負成像分別采 用了 AZ 5214和AZ nL0F 2020。該具有光致抗蝕劑掩模圖樣的GaAs 晶片在刻蝕劑(4 mL H3P04 (85 wt%) ， 52 mL H202 (30 wt%)，以及48 mL去離子水)中被各向異性地刻蝕，所述蝕刻劑在水水浴中冷卻過。 利用在乙醇中稀釋的HF溶液(Fisher Chemicals)(體積比為l: 2) 來溶解AlAs層。在通風櫥里干燥在母晶片上具有釋放的帶的樣本。該 高燥的樣本被放置在電子束蒸發(fā)器(Temescal FC-1800 )的腔內(nèi)并且 被涂覆有2nm的Ti和28nm的Si02的序列層。 實施例6從Si(lll)晶片獲取的多層可印刷半導體元件陣列
本發(fā)明還包括從Si (111)晶片前體材料提供多層可印刷半導體元 件陣列的方法和成分。圖19提供了圖解本發(fā)明用于制造多層可印刷半 導體元件陣列的方法的示意處理流程。如圖19畫面1所示，提供了具 有(lll)取向的硅晶片。晶片的外表面被構圖有抗蝕劑掩模，從而產(chǎn)生 具有選定尺寸的的被遮蓋區(qū)域，這些選定的尺寸限定了該多層陣列中 的可印刷半導體帶的長度和寬度。在圖19所示的實施例中，抗蝕的掩
模是熱生長的Si02層。
如畫面2所示，硅晶片主要在與被構圖的外表面垂直的方向上被 刻蝕。所采用的刻蝕系統(tǒng)產(chǎn)生具有波狀側面的凹槽特征。在一有效的 實施方案中，該凹槽特征的側面具有一選定的、空間變化的輪廓分布， 該輪廓分布具有多個輪廓特征，諸如具有周期性的扇形輪廓分布的側 面和/或出現(xiàn)在凹槽特征側面上的深脊輪廓分布。用于產(chǎn)生具有選定的 輪廓分布的凹槽特征的示例裝置包括STS-ICPRIE和BOE刻蝕系統(tǒng)， 這些系統(tǒng)提供將硅晶片循環(huán)地曝光在反應離子刻蝕劑氣體以及抗蝕劑 下。如圖19畫面3所示，該處理步驟產(chǎn)生多個被定位在臨近凹槽特征 的具有所選的輪廓的側面的硅結構。
如圖19畫面3所示，被處理過的具有凹槽特征和硅結構的硅晶片受抗蝕劑掩模材料的沉積，使得凹槽特征的輪廓側面只是部分被涂覆 有沉積材料。在本發(fā)明的該方面，凹槽特征側面的所選輪廓分布，至 少部分地確定了側面上掩模材料的空間分布。因此，該處理步驟限定 了多層疊層中可印刷半導體的厚度。例如，可以將片曝光在金屬或金 屬化合物的成角度蒸發(fā)沉積中，導致材料主要沉積存在于凹槽特征的 輪廓表面的脊上，而在脊的"隱蔽"中的，例如側壁的凹槽區(qū)域，輪 廓表面區(qū)域基本沒有沉積。因此，由所選輪廓側面中諸如脊、波紋以 及扇形特征投影的"隱蔽"至少部分地限定了多層陣列中可印刷半導 體元件的厚度。由于金沉積材料對暴露的硅表面具有良好的附著力， 所以使用它是有益的。
如圖19的畫面4所示，晶片接著受到各向異性刻蝕，例如通過啄 光在諸如KOH的堿性溶液。凹槽特征之間的區(qū)域被刻蝕，使得刻蝕沿 硅晶片的〈110〉方向發(fā)生，從而制造一個多層的可印刷半導體元件陣 列，每個元件包括部分或完全底刻的硅結構。本發(fā)明包括其中沿硅晶 片的<110>方向進行刻蝕以在相鄰凹槽特征之間完成，因而完全底刻可 印刷半導體元件的方法。如上面所詳細描述的，所選的刻蝕系統(tǒng)與硅 晶片(111)取向的結合導致沿晶片<110>取向的刻蝕速度比沿晶片 <111>取向的刻蝕速度快?？蛇x地，選擇凹槽特征的位置、形狀以及空 間取向，以形成諸如橋元件的準直維持元件，所述橋元件將可印刷半 導體元件連接到晶片上。在畫面4所示的多層結構中，提供將多層陣
列中的半導體帶的末端連接到硅晶片的橋元件。
圖19的畫面5顯示了一個可選的處理步驟，其中橋元件從硅晶片 釋放，例如通過清洗、刻蝕或者其他材料移除處理，以此產(chǎn)生多層的 可印刷半導體元件疊層。替代地，陣列中的可印刷半導體元件可以通 過接觸印刷方法來釋放。例如，在一個實施方案中，通過重復地使可 印刷半導體元件與諸如彈性印模的轉移設備接觸，可以依次將多層陣 列中的可印刷半導體元件從硅晶片釋放和轉移。
圖20提供了在成角度觀察下(a， c， e， g)以及在橫截面觀察時 (b,d,f，h)的Si(lll)的SEM圖像(a和b)為STS-ICPRIE以及BOE 刻蝕之后，(c和d)為側面經(jīng)過金屬保護后，(e到h)為KOH刻蝕 2分鐘并接著進行金屬清洗(e和f )以及刻蝕5min后并接著進行金屬清洗(g和h)。
圖21提供了 (a)提供了大規(guī)格的四層Si(lll)帶的準直陣列的圖 片。(b和c)為圖(a)所示的四層Si(lll)的俯視SEM圖像，以及(d和 e)圖(a)所示的四層Si(lll)的成角度觀察的SEM圖像。
圖22提供了釋放的柔性Si(lll)帶的相片(a)以及OM圖像(b和 c)。
(d至f)為(a)中所示的帶的SEM圖像。
圖23提供了 (a)轉移到PDMS基片上的準直的Si(lll)帶的光學 圖像。(b)為來自于圖(a)所示的陣列中的四個帶的AFM圖像。(c)安放 四個來自于單個Si片的四個轉移循環(huán)的Si(lll)陣列圖樣的柔性聚酯 膜的圖片。參考資料 X. Duan， C. Niu， V. Sahi，丄Chen,丄W. Parce, S. Empedocles,丄L Goldman, /Vaf"re 2003, 425， 274.
問R. S. Friedman, M. C. McAlpine, D. S. Ricketts， D. Ham, C. M. Lieber, A/afwre 2005, 434, 1085. a) Y. Sun,丄A. Rogers, A/ano Left 2004， 4,1953. b) Y. Sun, D.-Y. Khang, F. Hua,
K. Hurley, R. G. Nuzzo,丄A, Rogers, Acfv. R/nct Mater. 2005, 75, 30.
〖11] Y. Sun， S. Kim, I. Adesida,丄A. Rogers, App/. Pftys. Left 2005， 87, 083501. S. M. Sze, Sem/cowdi/ctorDei/y'ces, P/7ys/cs anaf Tec/wo/opy (Wiley, New York, 1985).
〖16〗G. Eftekhari, PZ ys. Steft;s So//of//4->App/.尺es. 1993, 740,189, H.-l. Chen, C.-K. Hsiung， Y.-l Chou, Semfcond. Set Techno/. 2003, f8,620. S. Forment, M. Biber, R. L van Meirha印he, W. P. Leroy, A. Tiiriit, Se/n/conof. Sc/.
rec/V70/. 2004'"/9， 1391. L Stephen, S. E. Butner, Ga///w/77 >4Ase/7/flte ￡>/g /te〃/rfe/svatet/C/rcw# ￡)es/》/7. (McGraw-Hill, New York, 1990).
1R. H. Reuss, B. R. Chalamala, A. Moussessian， M. G. Kane, A. Ku'mar， D. C. Zhang,丄 A. Rogers, M. Hatalis, D. Temple, G. Moddel, B.-丄曰iasson, M.丄Estes，丄Kunze, E. S Handy, E. S. Harmon, D. B. Salzman，丄M. Woodall， M. A. Alam，丄Y- Murthy, S. C. Jacobsen, M. Olivier, D. Markus， P. M. Campbell, and E. Snow, .Proc.舊EE 39, 1239 (2005).
2K. Nomura, H. Ohta, A. Takagi， T. Kamiya' M. Hirano, and H. Hosono, Nature 432,488 (2004).
3D. B, Mfei, L L Kosbar， C. E. Murray' M. Copel, and A. Afeali, Nature 428, 299 (2004). 4S. Ucjikoga， MRS Bull. 27' 881 (2002).
5X. Duang， C. Niu， V. Sahi,丄Chen,丄W. Parce, S. Empedocles, and丄l_. Goldman, Nature 425, 274 (2003).
6R. S. Friedman, M. C. McAlpine, D. S. Ricketts， D. Ham, and C. M. Lieber, Nature 434， 1085 (2005).
7E. Menard, K.丄Lee, D.-Y. Khang, R. G. Nuzzo， and丄A. Rogers, Appl. Phys. Lett. 84, 5398 (2004).
8E. Menard, R. G. Nuzzo， and丄A. Rogers, Appl. Phys. Lett.肪，093507 (2005). 9Z.-T. Zhu, E. Menard, K- Hurley, R. G- Nuzzo, and丄A- Rogers,.Appl. Phys. Lett, 86，
133507 (2005).
10Y. Sun, S. Kim， I. Adesida， and丄A. Rogers, Appl. Phys. Lett. 87, 083501 (2005). 11Y. Sun, and丄A. Rogers,丄A. Nano Lett 4， 1953 (2004).1ZY. Sun, D.-Y. Khang, F- Hua， K. Hurley, R.Nuzzo， and丄A- Rogers, Adv. Funct Mater. 15, 30 (2005).
13A. S. Sedra, and K. C. Smith, yw/crae/ecfron/c C/rcu/te (Oxford University Press, New York, 1998).
14L Stephen, and S. E, Butner, Ga///um >AAse/)/ofe D/gte/ /"te/yrafecf C^ci//f Des/g/ (McGraw-Hill, New York, 1990).
15M. C， Lau' Sma// S/gna/ Eqw/Vatenf C/rcwff Brfractfon from a Ga股um >4rsenZc/e MESFjErofeiz/'ce (M.S. thesis, Virginia Polytechnic Institution and State University, Blacksburg， VA, 1997).
16L B. Freund， Intl.丄Solids Struct. 37,185 (2000).
17C. P. Kuo, S. K. Vong, R. M. Cohen, and G. B. Stringfellow,丄Appl. Phys. 57, 5428 (1985).
1X. Duan， C. Niu， V. Sahi，丄Chen,丄W. Parce, S. Empedocles,丄L Goldman, Nature 425, 274 (2003).
2Y. Huang, X. Duan, Q. Wei， C. M. Lleber， Science 291, 630 (2001).
3 M. A. Mertl， Y. Zhou, A. Gaur, S. Jeon, M. L. Usrey, M. S. Strano，丄A. Rogers, Nano
Lett. 4, No. 9 1643 (2004).
4R. S. Friedman, Nature 434,1085 (2005).
,-Menard, K.丄l_ee, D.-Y. Khang, R. G, Nuzzo and丄A. .Rogers, Appl. Phys- Lett 84:
7Z.-T. Zhu, E- Menard, K- Hurley, R- G. Nuzzo,丄A- Rogers, Appl. Phys. l_ett 86， 133507(2005).
3Y. Sun, S. Kim， I, Adesida,丄A. Rogers, Appl. Phys. Lett. 87, 083501 (2005).
9K.丄Lee, M.丄Motate, M. A. Meitl, W. R. Childs, E. Menard, A. K. Shim,丄A. Rogers,
R, G. Nuzzo, Adv. Mater. 17， 2332 (2005).
10 M, A. Meitl,乙-T. Zhu， V. Kumar, K.丄Lee, X. Feng, Y. Y. Huang, I. Adesida, R. G. Nuzzo, and丄A. Rogers, Nat. Mater. 5, 33 (2006).
11D.Y. Khang, H. Jiang, Y. Huang and丄A. Rogers, Science 311,208 (2006). 12S. R. Forrest, Nature 428' 911 (2004).
13丄A. Rogers' K. E, Paul, R.丄Jackman, G. M. Whitesides, Appl. Phys. Lett. 70， 2肪8 (1997).14S. Sze,, Semiconductor Devices: Physics and Technology 2nd ed. (Wiley, New York, 2002), pp. 190-192.
〖1] R. Reuss etal. Proc.舊EE. 2005, 39， 1239. (a)丄H. Sch加,S. Berg, C. Woe, B. Batlogg, Science 2000,287,1022. (b) A,
Dodabalapur, L. Torsi, H. E. Kate, Science 1995, 268， 270. B. S. Ong, Y. Wu， P. Liu, S. Gardner,丄Am. Chem. Soc. 2004,126， 3378.
問S. R, Forrest, Nature, 2004, 428, 911.
問C. R. Kagan, D. B. Mitzi, C. D. Dimltrakopoulos, Science 1999, 286， 945. X. D咖，C. Niu, V. Sahi，丄Chen,丄W. Parce, S, Empedocles，丄L Goldman,
Nature, 2003,425， 274.
問丄Kwon， D. Kim, H. Cho, K. Park,丄Jung,丄Kim, Y. Park, T. Noguchi, IEEE Trans. Electron. 2005,466, 7.
問K. Lee, M.丄Motala， M. A. Meitl, W. R. Childs, E. Menarcl， A. K. Shim,丄A. Rogers, R. G. Nuzzo， Adv. Mater. 2005' 17,2336. Z. Zhu， E. Menard, K. Hurley, R. G. Nuzzo,丄A, Rogers, App. Phys. Lett. 2005, 86, 133507. M, A. Meitl， Z. Zhu， V. Kumar, K. Lee， X. Feng, Y. Huang, R. G. Nuzzo,丄A. Rogers, Nature Mater. 2006， 5, 33. D. Khang， H.丄iang， Y. Huang,丄A- Rogers, Science, 2006， 311, 208. [13〗Y. Sun, S. Kim， I. Adesida, J .A. Rogers, App. Phys. Lett. 2005, 87， 083501. [14〗K- l_ee, Dr.丄Lele, H. Hwang,丄A- Rogers, R. G. Nuzzo， Small 2005,1, "64-[15] (a) GaN and related Materials (Eds.: S.丄Pearton), Gordon and Breach, New York,
1997. (b) Group川Nitride Semiconductor Compounds (Eds.: B. Gil), Clarendon, Oxford,
1998. (a) U. Mishra' P. Parikh, Y. Wu, Prac. IEEE. 2002,90,1022. (b) S.丄Pearton,丄C. Zolper， R.丄Shul, F- Ren，丄AppL Phys. 1999, 86,1. (c) S. C. Jain, M. Wiltender，丄 Narayan， R- Van Overstraeten,丄Appl. Phys. 2000， 87, 965. M. A. Khan, A. Bhattari,丄N. Kuznia, and D. T. Olson, App. Phys. Lett. 1993, 63，. 1214.
[18〗Typical Si anisotropic etch ratios in TMAH and H20 mixtures are reported from 12 to 50 in the direction《110>/<111 > Please see to the following references; (a)Fundamentals of Microfabrication, (Ed: M. Madou)， CRC Press, New York, 1997. (b) D. L Kendall, Ann. Rev. Mater. Sci. 1979,9， 373,
[19〗V. Kumar, L Zhou, D. Selvanathan, and I. Adesida,丄Appl. Phys. 2002, 92， 1712. [20〗Silicon Processing for the VLSI Era, Vol. 1: Process Technology, (Ed: S. Wolf, R.N. Tauber) Lattice Press, 1999.
關于引用部分以及變動的說明
以下參考文獻涉及自組裝技術，這些技術可以被應用到本發(fā)明方 法中，通過接觸印刷和/或溶液印刷技術轉移、組裝以及互連可印刷半 導體元件，以及此處通過引用的方式將其納入(1) "Guided molecular self-assembly: a review of recent efforts", Jiyun C Huie Smart Mater. Struct. (2003) 12， 264-271 ; (2) "Large-Scale Hierarchical Organization of Nanowire Arrays for Integrated Nanosystems"， Whang, D.; Jin， S.; Wu， Y.; Lieber， C. M. Nano Lett. (2003) 3(9)， 1255- 1259; (3) "Directed Assembly of 0ne-Dimensiona1 Nanostructures into Functional Networks", Yu Huang, Xiangfeng Duan， Qingqiao Wei， and Charles M. Lieber， Science (2001) 291 ， 630-633;以及(4) "Electric-field assisted assembly and alignment of metallic nanowires"， Peter A. Smith et al.， Appl. Phys. Lett. (2000) 77 (9)， 1399-1401.
所有涉及該應用的參考資料，例如，包括公開的或授權的專利或 等效物的專利文本；專利申請出版物；未公布的專利申請；以及非專 利文獻類文本，或其他來源的材料；此處都以援引的方式被納入，盡 管分別以援引的方式被納入，但納入的程度以每個資料至少部分與本 申請相互一致為限。(例如，參考，部分不一致的引用通過對該引用 中部分不一致部分以外的內(nèi)容以援引的方式納入)
自此，任何一個附錄或多個附錄以援引的方式納入作為本說明書 和/或附圖的一部分。
此處使用了術語"包括"和"被包括"，它們被解釋用作說明所 述特征、整體、步驟、或所指組件的存在，但不排除存在或附加的一個或更多個其他特征，整體、步驟、組件，或者這些的組合。還要提 到的是本發(fā)明的各個分開的實施方案中，術語"包括，，或"被包括" 可選地可以由語法上相似的術語來替換，例如由"由……組成"或"基 本由……組成，，，借以描述那些沒有必要擴展的其他實施方案。
已經(jīng)通過參考各種具體的以及優(yōu)選的實施方案和技術對本發(fā)明作 了描述。然而，應該理解的是可以進行很多變化以及修改，但都落在 本發(fā)明的旨意和范圍內(nèi)。對于本領域普通技術人員來說很明顯的是， 除在此具體描述以外的成分、方法、設備、設備元件、材料、工藝以 及技術，也可以用于實踐本發(fā)明，作為此處充分公開而不必求助于不 恰當?shù)膶嶒?。所有本領域公知的與此處公開的成分、方法、設備、設 備元件、材料、工藝以及技術在功能上等價的事物都有意于被本發(fā)明 涵蓋在內(nèi)。當公開范圍時，意指包括所有次范圍以及每個值，如同被 分別闡述它們一樣。本發(fā)明不受限于所公開的實施方案，包括任何在 附圖中顯示的或在說明書示例化的，這些示例化的以例子或例證的方 式給出，不構成限制。本發(fā)明的范圍只由權利要求書來限定。
權利要求
1.一種用于制造可印刷半導體元件的方法，所述方法包括以下步驟提供具有(111)取向以及具有外表面的硅晶片；在所述硅晶片的所述外表面上產(chǎn)生多個凹槽特征，其中每個所述凹槽特征包括被曝光硅晶片的底面以及側面；遮蓋所述凹槽特征的所述側面的至少一部分；在所述凹槽特征之間進行刻蝕，其中刻蝕沿所述硅晶片的<110>方向進行，由此制造所述可印刷半導體元件。
2. 根據(jù)權利要求l的方法，其中所述凹槽特征的所述側面被完全 遮蓋。
3. 根據(jù)權利要求l的方法，其中所述凹槽特征的所述側面被部分遮蓋。
4. 根據(jù)權利要求l的方法，其中刻蝕沿著比沿所述硅晶片<111> 方向速度更快的所述硅晶片〈110〉方向進行。
5. 根據(jù)權利要求l的方法，其中刻蝕沿所述硅晶片的<111>方向 基本不進行。
6. 根據(jù)權利要求l的方法，其中所述在凹槽特征之間進行刻蝕的 步驟包括所述硅晶片的各向異性刻蝕。
7. 根據(jù)權利要求l的方法，其中所述在凹槽特征之間進行刻蝕的 步驟沿所述硅晶片的<110>方向在相鄰凹槽特征之間進行，因而至少部 分地底刻位于所述相鄰凹槽特征之間的所述可印刷半導體元件。
8. 根據(jù)權利要求7的方法，其中所述在凹槽特征之間進行刻蝕的 步驟不完全從所述硅晶片釋放所述可印刷半導體元件，其中所述可印 刷半導體元件的至少一個末端集成連接到所述硅晶片。
9. 根據(jù)權利要求l的方法，其中所述在凹槽特征之間進行刻蝕的 步驟包括使用各向異性蝕刻劑的濕式化學刻蝕。
10. 根據(jù)權利要求9的方法，其中所述各向異性蝕刻劑是堿性溶液。
11. 根據(jù)權利要求1的方法，其中所述凹槽特征包括彼此分開的 第一和第二通道，其中所述在凹槽特征之間進行刻蝕的步驟沿所述硅晶片的〈110〉方向從所述第一通道進行到所述第二通道，因而從所述硅晶片底刻在第 一和第二通道之間的所述可印刷半導體元件的至少 一部 分。
12. 根據(jù)權利要求ll的方法，其中所述第一通道和所述第二通道 縱向上的取向處于基本平行的構造中，其中所述在凹槽特征之間進行 刻蝕的步驟產(chǎn)生位于所述第一和第二通道之間的至少被部分底刻的可 印刷半導體帶。
13. 根據(jù)權利要求ll的方法，其中所述第一通道和所述第二通道 縱向上的取向處于基本平行的構造中，其中所述在凹槽特征之間進行 刻蝕的步驟產(chǎn)生位于所述第一和第二通道之間的被完全底刻的可印刷 半導體帶。
14. 根據(jù)權利要求12的方法，其中所述可印刷半導體帶的至少一 個末端集成連接到所述硅晶片。
15. 根據(jù)權利要求14的方法，其中所述第一通道終止于第一末端， 所述第二通道終止于第二末端，并且其中所述可印刷半導體帶集成連 接到在所述第一通道的所述第一末端和所述通道的所述第二末端之間 的所述硅晶片。
16. 根據(jù)權利要求15的方法，其中所述第一通道終止于第三末端， 所述第二通道終止于第四末端，并且其中所述可印刷半導體帶集成連 接到所述第一通道的所述第三末端和所述通道的所述笫四末端之間的 所述硅晶片。
17. 根據(jù)權利要求1的方法，其中所述凹槽特征包括縱向上的取 向處于基本平行的構造中的通道陣列，所述方法包括產(chǎn)生多個可印刷 半導體元件的方法。
18. 根據(jù)權利要求1的方法，還包括以下步驟在所述的在所述 外表面上產(chǎn)生一個或更多個凹槽特征的步驟之后，在所述硅晶片的所 述外表面上生長熱氧化層。
19. 根據(jù)權利要求1的方法，還包括將所述可印刷半導體元件從 所述硅晶片釋放的步驟。
20. 根據(jù)權利要求19的方法，其中所述的將所述可印刷半導體元 件從所述硅晶片釋放的步驟通過將所述可印刷半導體元件與轉移設備接觸來進行。
21. 根據(jù)權利要求20的方法，其中所述轉移設備是彈性印模。
22. 根據(jù)權利要求l的方法，利用具有所述(lll)取向的所述硅晶 片，該方法可以凈皮進行多于一次。
23. 根據(jù)權利要求19的方法，還包括對所述硅晶片進行修整的步 驟，使所述外表面在釋放所述可印刷半導體元件之后變得平坦，所述 方法還包括重復所述步驟(i)在所述硅晶片的所述外表面上產(chǎn)生多個 凹槽特征；(ii)遮蓋所述凹槽特征的所述側面的至少一部分；以及(iii) 在所述凹槽特征之間進行刻蝕，由此產(chǎn)生附加的可印刷半導體元件。
24. 根據(jù)權利要求l的方法，其中所述硅晶片是體硅晶片。
25. 根據(jù)權利要求1的方法，其中所述硅晶片是未摻雜的硅晶片 或摻雜的硅晶片。
26. 根據(jù)權利要求1的方法，其中所述的在所述硅晶片的所述外 表面上產(chǎn)生所述多個凹槽特征的步驟通過使用一種或更多種選自包括 以下項的組中的方法來進行光刻處理、干式化學刻蝕、等離子刻蝕、 濕式化學刻蝕、微j幾械加工、電子束寫入、反應離子刻蝕、軟刻蝕處 理、激光微機械加工、消融(ablation )、機械加工、切除、機械剝蝕(mechanical abras ion )或刻劃(scratching )、機械鉆孑L以及離子束 研磨。
27. 根據(jù)權利要求1的方法，其中所述遮蓋所述凹槽特征的所述 側面至少一部分的步驟通過一種或更多種選自包括以下項的組中的方 法來進行掩模材料的成角度電子束蒸發(fā)、化學氣相沉積、熱氧化以 及掩模材料的溶液沉積。
28. 根據(jù)權利要求1的方法，其中所述凹槽特征的所述側面具有 空間變化的輪廓分布。
29. 根據(jù)權利要求28的方法，其中所述空間變化的輪廓分布具有 多個脊、凹槽特征或具有扇形形狀。
30. 根據(jù)權利要求29的方法，其中具有所選輪廓分布的所述側面 的所選部分而不是全部被遮蓋，其中所述刻蝕處理步驟產(chǎn)生多層可印 刷半導體元件陣列。
31. —種可印刷半導體結構，包括一個可印刷半導體元件；以及一個第一橋元件，該第一橋元件連接到所述可印刷半導體結構以 及連接到母晶片，其中所述可印刷半導體元件和所述第一橋元件被至 少部分地從所述母晶片底刻；其中將所述可印刷半導體和轉移設備接觸能夠折斷所述第一橋元 件，由此將所述可印刷半導體結構從所述母晶片釋放。
32. 根據(jù)權利要求31的可印刷半導體結構，其中所述第一橋元件 提供了從所述可印刷半導體元件到所述轉移設備的配準轉移。
33. 根據(jù)權利要求31的可印刷半導體結構，其中所述轉移設備是 彈性印模。
34. 根據(jù)權利要求31的可印刷半導體結構，其中所述可印刷半導 體元件和第 一橋元件被完全從所述母晶片底刻。
35. 根據(jù)權利要求31的可印刷半導體結構，其中所述第一橋元件、 所述可印刷半導體元件和所述母晶片包括一整體半導體結構。
36. 根據(jù)權利要求31的可印刷半導體結構，其中所述第一橋元件 連接到所述可印刷半導體元件的第 一末端。
37. 根據(jù)權利要求31的可印刷半導體結構，其中所述可印刷半導 體元件具有一第一平均寬度，以及所述第一橋元件具有比所述第一平 均寬度小至少1.5倍的一第二平均寬度。
38. 根據(jù)權利要求31的可印刷半導體結構，還包括一第二橋元件， 該第二橋元件至少部分地從所述母晶片底刻，所述第二橋元件連接到 所述可印刷半導體結構以及連接到所述母晶片，以及其中將所述可印 刷半導體與轉移設備接觸能夠折斷所述第二橋元件。
39. 根據(jù)權利要求38的可印刷半導體結構，其中所述可印刷半導 體元件包括沿主縱軸延伸一長度的半導體帶，該長度終止于第一末端 和第二末端，其中所述第一橋元件連接到所述第一末端，所述第二橋 元件被連接到所述第二末端。
40. 根據(jù)權利要求38的可印刷半導體結構，其中所述第一橋元件、 所述第二橋元件、所述半導體帶和所述母晶片是一整體半導體結構。
41. 根據(jù)權利要求38的可印刷半導體結構，其中所述第一末端具 有第一橫截面面積，所述第二末端具有第二橫截面面積，其中所述第一橋元件連接到小于所述第一末端的所述第一橫截面面積的50%處， 以及其中所述第二橋元件連接到小于所述第 一末端的所述第二橫截面 面積的50%處。
42. 根據(jù)權利要求38的可印刷半導體結構，其中所述第一和第二 橋元件彼此遠離或鄰近放置。
43. 根據(jù)權利要求38的可印刷半導體結構，其中所述第一和第二 橋元件具有選自約IOO納米至約1000微米范圍的平均寬度，具有選自 約1納米至約1000孩￡米范圍的平均厚度，以及具有選自約IOO納米至 約1000微米范圍的平均長度。
44. 根據(jù)權利要求31的可印刷半導體元件，其中所述可印刷半導 體元件包括選自包括以下項的組中的材料Si、 Ge、 SiC、 A1P、 AlAs、 AlSb、 GaN、 GaP、 GaAs、 GaSb、 InP、 InAs、 GaSb、 InP、 InAs、 InSb、 Zn0、 ZnSe、 ZnTe、 CdS、 CdSe、 ZnSe、 ZnTe、 CdS、 CdSe、 CdTe、 HgS、 PbS、 PbSe、 PbTe、 AlGaAs、 AlInAs、 AlInP、 GaAsP、 GalnAs、 GalnP、 AlGaAsSb、 AlGalnP、 GalnAsP和GaN。
45. —種將可印刷半導體元件轉移到轉移設備的方法，所述方法包 括以下步驟提供一包括可印刷半導體元件的可印刷半導體結構；以及提供至 少一個連接到所述可印刷半導體結構以及連接到母晶片的橋元件，其 中所述可印刷半導體元件和所述橋元件至少部分地從所述母晶片底 刻；將所述可印刷半導體元件和具有接觸表面的轉移設備接觸，其中體元件結合到所述接觸表面；以導致所述橋元件折斷的方式移動所述轉移設備，由此將所述可 印刷半導體結構從所述母晶片轉移到所述轉移設備上。
46. 根據(jù)權利要求45的方法，包括一種配準轉移到所述轉移設備 的方法。
47. 根據(jù)權利要求45的方法，其中所述轉移設備是一致轉移設備。
48. 根據(jù)權利要求45的方法，其中所述轉移設備是彈性印模。
49. 根據(jù)權利要求45的方法，其中在所述一致轉移設備的接觸表面和所述可印刷半導體元件的外表面之間建立一致接觸。
50. 根據(jù)權利要求45的方法，其中所述第一橋元件、所述可印刷 半導體元件和所述母晶片是整體半導體結構。
51. 根據(jù)權利要求45的方法，其中所述可印刷半導體結構還包括 第二橋元件，該第二橋元件連接到所述可印刷半導體結構以及連接到 母晶片，其中所述第二橋元件至少部分地從所述母晶片底刻，所述移動所述轉移設備的步驟折斷所述第二橋元件。
52. —種將可印刷半導體元件組裝到基片的接收表面的方法，所述 方法包括以下步驟提供一可印刷半導體元件；以及連接到所述可印刷半導體結構以 及連接到母晶片的第一橋元件，其中所述可印刷半導體元件和所述第 一橋元件至少部分地從所述母晶片底刻；將所述可印刷半導體元件與具有接觸表面的轉移設備接觸，其中體元件結合到所述接觸表面；以導致所述第一橋元件折斷的方式移動所述轉移設備，由此將所 述可印刷半導體結構從所述母晶片轉移到所述轉移設備上，因而形成 其上放置有所述可印刷半導體元件的所述接觸表面；將放置在所述接觸表面上的所述可印刷半導體元件與所述基片的 所述接收表面接觸；將所述一致轉移設備的所述接觸表面與所述可印刷半導體元件分 離，其中將所述可印刷半導體元件轉移到所述接收表面上，從而將所述可印刷半導體元件組裝到所述基片的所述接收表面上。
53.根據(jù)權利要求52的方法，其中在其上放置有所述可印刷半導 體元件的所述接觸表面與所述基片的所述接收表面之間建立一致接
全文摘要
本發(fā)明提供了一種高產(chǎn)率的用于加工、轉移以及組裝具有所選擇的物理尺寸、形狀、成分以及空間取向的高品質可印刷半導體元件的途徑。本發(fā)明的成分以及方法提供了將微小尺寸和/或納米尺寸的半導體結構陣列高精度配準轉移和集成到基片上，所述基片包括大面積基片和/或柔性基片。此外，本發(fā)明提供了從諸如體硅晶片的低成本體材料以及智能材料處理策略來制備可印刷半導體元件的方法，該智能材料處理策略實現(xiàn)了一種用于制備寬范圍功能半導體設備的多用途的、以及具有商業(yè)吸引力的基于印刷的制造平臺。
文檔編號H01L21/302GK101632156SQ200680019640
公開日2010年1月20日 申請日期2006年6月1日 優(yōu)先權日2005年6月2日
發(fā)明者E·梅納德, J·A·羅杰斯, M·梅爾特, R·G·納佐, S·麥克, 姜達榮, 孫玉剛, 朱正濤, 李建宰, 高興助 申請人:伊利諾伊大學評議會