軟性電子的制程大致分為兩大類(lèi)，一是將軟性基板搭玻璃上，在現(xiàn)有制程設(shè)備下制造元件后，再予剝離(Lift-off)的制程；一種是直接以卷對(duì)卷(Roll to roll , R2R)的軟性基板制作元件制程。
可以想見(jiàn)第一種制程是搭載在現(xiàn)有的制程上，因此設(shè)備與制程開(kāi)發(fā)的幅度較小，產(chǎn)品也比較局限在不破(Unbreakable)與有弧度(Curvable)的產(chǎn)品，對(duì)于可彎曲(Bendable)與可撓曲(Foldable)的產(chǎn)品比較難以因應(yīng)；而直接在軟性基板制作元件的R2R制程則是大家期待，具有極大經(jīng)濟(jì)效益的軟性制程與軟性元件，真正能滿(mǎn)足可彎曲與撓曲的最終需求。
滿(mǎn)足圖案化制程需求印刷軟性電子效率佳
剝離制程開(kāi)發(fā)的很早，1999年Seiko Epson即開(kāi)發(fā)Surface Free Technology by Laser Annealing(SUFTLA)的技術(shù)(1)，將TFT等元件制作在以非晶矽的剝離層薄膜上，再用準(zhǔn)分子雷射將非晶矽層剝離，然后黏附在塑膠基板上，這樣只需要開(kāi)發(fā)剝離的制程即可以達(dá)到在塑膠基板制作電子元件的目的。剝離層材料是剝離制程的關(guān)鍵，最主要的是要能夠耐后續(xù)制程的溫度，隨著PI材料高溫特性的改善，PI在400℃已有一定的安定性，因此是剝離層的適合材料。剝離制程有目前三星(Samsung)使用的雷射剝離與工研院開(kāi)發(fā)邊緣機(jī)械剝離多用途軟性電子基板技術(shù)(FlexUP)技術(shù)(圖1)。
圖1 各種剝離技術(shù)(A)Seiko Epson之SUFTLA(1);(B)雷射剝離技術(shù)(Laser lift-off)(2)(C)工研院之FlexUP(3)
直接在軟性基板上制作電子元件最大的制程挑戰(zhàn)，是各個(gè)功能材料的圖案化(Patterning)，傳統(tǒng)制程是用曝光、顯影、蝕刻、剝膜的制程來(lái)制作電子元件。很顯然，直接把圖案“印”到軟性基材是軟性電子最有效率的加工方式。印刷有許多技術(shù)可以應(yīng)用，但是不同的技術(shù)對(duì)于墨水特性要求與印出來(lái)的分辨率各異，圖2(4)是文獻(xiàn)整理應(yīng)用于軟性電子圖案化制程之技術(shù)比較表。
由圖2可以看出，相對(duì)于傳統(tǒng)的黃光技術(shù)，印刷技術(shù)在分辨率部份比較弱，以2010年推出iPhone 4使用的強(qiáng)調(diào)高分辨率屏幕的視網(wǎng)膜分辨率(Retina,326 ppi)為例，每個(gè)顏色的單色畫(huà)素(Sub-pixel)小于30μm，對(duì)照上表可以發(fā)現(xiàn)元件分辨率會(huì)是印刷制程的挑戰(zhàn)，對(duì)于需要高分辨率的電子元件來(lái)說(shuō)，噴墨(Inkjet)與微觸印刷法(Micro Contact Print)、納米壓印(Nano Imprint Lithography, NIL)比較能夠達(dá)到高分辨率，而一般分辨率在幾十微米甚至到百微米的元件，如無(wú)線(xiàn)射頻辨識(shí)系統(tǒng)(RFID)就適用加工速度非常快的凹版(Gravure Printing)或柔版印刷(Flexographic Printing)。
圖2 各種可應(yīng)用于軟性電子圖案化制程之技術(shù)
噴印范圍大噴墨印刷發(fā)展速度快
噴墨印刷是最被寄予厚望應(yīng)用在軟性電子的成膜制程，這除了前面提到分辨率高以外，利用噴嘴陣列(Nozzle Array)的設(shè)計(jì)可以具有大面積的噴印范圍，達(dá)到快速、大面積制程的生產(chǎn)。大日本印刷(DNP)在2007年即推出面板十代尺寸的彩色濾光片生產(chǎn)用噴墨印表機(jī)，可見(jiàn)噴墨技術(shù)已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化到工業(yè)生產(chǎn)制造應(yīng)用，是目前軟性電子圖案化進(jìn)展較快的制程。
成膜制程是噴墨印刷在軟性電子制造時(shí)的一個(gè)挑戰(zhàn)，液滴成膜牽涉到復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)，當(dāng)溶液揮發(fā)時(shí)，溶質(zhì)析出成膜的平整度與溶劑種類(lèi)、揮發(fā)溫度與揮發(fā)速度息息相關(guān)，一般所謂的成膜咖啡環(huán)(Coffee Ring)是噴墨制程最容易碰到的問(wèn)題如下圖3所示，透過(guò)成膜制程條件的優(yōu)化，可以在成膜溫度、噴印速度、溶劑揮發(fā)速率與干燥溫度間找到平整成膜的工作條件。
圖3 噴墨印刷成膜的咖啡環(huán)，可以借由溶劑揮發(fā)溫度的調(diào)整來(lái)改善(5)
微觸印刷法(Micro Contact Print, μCP)是哈佛大學(xué)Whitesides教授提出來(lái)精密的圖案化方法，其概念如下圖4(6)所示，由于微觸印刷的印模(Stamp)是利用微影蝕刻的方式翻印而來(lái)，因此其分辨率可以到微影蝕刻的等級(jí)，后續(xù)應(yīng)用時(shí)就如同蓋印章般的將圖案轉(zhuǎn)移，因此可以得到非常精細(xì)的圖案，本法對(duì)于具有自組單分子層(Self -assembled Monolayers, SAMs)的材料圖案化更具效益。μCP的方法是精細(xì)、高分辨率的圖案法，但是本法與材料的關(guān)聯(lián)性極高，奧地利的微機(jī)電(MEMS)、納米技術(shù)、半導(dǎo)體晶圓設(shè)備廠(chǎng)EV Group(EVG)即有晶圓相關(guān)的μCP設(shè)備，但是筆者并未看到有微觸印刷法的卷對(duì)卷設(shè)備。
圖4 微觸印刷法(micro contact print, μCP)流程(a)利用微影蝕刻制作圖案印模， (b)將墨水印至機(jī)材表面
獲取納米級(jí)圖案很輕松納米壓印備受重視
納米壓印(NIL)是1995年普林斯頓大學(xué)周郁教授(Stephen Chou)開(kāi)發(fā)出來(lái)，由于技術(shù)的制程簡(jiǎn)單，卻能獲取納米級(jí)圖案，深獲各界重視。納米壓印仍是應(yīng)用微影蝕刻的方式制作相對(duì)應(yīng)的壓印圖案，然后將圖案壓印到光阻材料上，再將光阻硬化(Curing)后脫膜得到精密圖案。光阻硬化的方法可以熱硬化或是光硬化或是結(jié)合光、熱硬化的方式，其機(jī)制如圖5(7)所示。
圖5 納米壓印(NIL)流程(a)熱固化，(b)UV固化
納米壓印可使用的印制材料比較多元，并且可以制作光學(xué)微結(jié)構(gòu)，因此發(fā)展速度很快，目前有包括周教授1999年創(chuàng)建的Nanonex Corp；德克薩斯大學(xué)授權(quán)，創(chuàng)立的Molecular Imprint Inc( MII)；奧地利的EVG、德國(guó)SUSS MicroTec以及瑞典Obducat、ASML等公司都有相關(guān)的制程、材料與設(shè)備；臺(tái)灣有設(shè)備廠(chǎng)商提供相關(guān)的制程與設(shè)備利用納米壓印的技術(shù)制作LED的藍(lán)寶石晶圓圖樣化(Patterned Sapphire Substrate, PSS)以增加LED出光效率。
納米壓印須要施加壓力于模具上，利用卷對(duì)平面(Roll To Plate, R2P)與卷對(duì)卷(R2R)能夠更精準(zhǔn)的掌控施加的壓力，因此納米壓印特別適用于軟性電子卷對(duì)卷的制程，其制程概念如圖6(a)(8)所示，利用印模輪進(jìn)行印制，在軟性基板上也可以得到非常精細(xì)的圖案圖6(b)(9)。
圖6 (a)卷對(duì)卷納米壓印之概念(8) (b)軟性納米壓印的精細(xì)圖案(9)
總之，軟性電子的圖案制化程是根據(jù)元件分辨率的需求來(lái)選擇技術(shù)，低分辨率則只要材料黏度、表面張力、流變性等特性能掌握，一般的印刷技術(shù)即可以滿(mǎn)足，高分辨率的制程在噴墨、微觸印刷法則必須有相對(duì)應(yīng)的材料搭配，相對(duì)應(yīng)用的空間比較受限制；而納米壓印則已經(jīng)有多年的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，在晶圓的制程已經(jīng)有應(yīng)用的實(shí)例，是軟性電子圖案化有潛力的技術(shù)。
墨滴著陸精準(zhǔn)度難掌握EHD-injet將成精密涂布利器
軟性電子的制程設(shè)備可大致分為兩大部份，一是與軟性基板傳輸?shù)葯C(jī)械動(dòng)作相關(guān)，包括卷對(duì)卷傳輸、張力控制、糾偏尋邊與導(dǎo)正；另一部份與制程相關(guān)，包括真空制程、圖案化制程等。對(duì)于軟性基板傳輸部份過(guò)去在軟性膜材的光學(xué)涂布產(chǎn)業(yè)已經(jīng)發(fā)展非常成熟，只是未來(lái)使用到納米壓印等高分辨率的制程時(shí)，對(duì)于對(duì)位、基板變形補(bǔ)償?shù)葧?huì)面臨一些挑戰(zhàn)外，基本上問(wèn)題不大。至于制程部份就會(huì)面臨比較多的挑戰(zhàn)，就前述噴墨制程與納米壓印制程對(duì)于軟性基板設(shè)備之挑戰(zhàn)分述如下。
軟性電子生產(chǎn)用噴墨印表機(jī)最大的挑戰(zhàn)在于噴印時(shí)墨滴著陸的精準(zhǔn)度，墨滴著陸的精準(zhǔn)度取決于噴墨頭液滴控制最小噴出墨滴的體積，與墨滴著陸的偏移度。噴墨頭的加工與電控技術(shù)，是左右墨滴體積的最大關(guān)鍵，由于微機(jī)電技術(shù)越來(lái)越成熟，墨滴的體積也從2000年30pl(pico liter, pico:10-12)發(fā)展至今已經(jīng)可以達(dá)到1pl (Konica Minolta)。圖7是不同墨滴大小與畫(huà)素、分辨率的相對(duì)比例圖。
圖7 噴印墨滴體積與顯示器畫(huà)素大小的關(guān)系
墨滴在30pl時(shí)直徑約39μm，墨滴著陸時(shí)會(huì)展開(kāi)到約直徑2倍的范圍就是約80μm，不計(jì)噴印軌跡的誤差，80μm的分辨率換算成顯示器分辨率時(shí)約為90ppi，若1pl則約為350ppi，因此，噴墨印刷的機(jī)械分辨率目前大約到30μm左右，若是在高的分辨率就會(huì)受到限制。若在基板上做一些表面處理或是檔墻(Rib)來(lái)限制墨滴的位置，則可以提高一些分辨率。
墨滴著陸的偏移度是造成誤差的另一個(gè)原因，著陸偏移度一方面是噴墨頭快速移動(dòng)造成的偏差，一方面是墨滴在飛行時(shí)受到氣流影響造成的偏差，提高墨滴的飛行速度對(duì)于著陸偏差會(huì)有改善。制程實(shí)際狀況要根據(jù)墨滴的特性(如表面張力)、印頭電控參數(shù)(電壓、頻率)、基板平整度等參數(shù)做優(yōu)化。
一個(gè)由靜電紡織技術(shù)演化而來(lái)的電流體動(dòng)力噴墨列技術(shù)(圖8)(10) (Electrohydrodynamic Inkjet Printing, EHD-injet)，利用靜電與噴墨的特性來(lái)使液滴更微細(xì)，經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)也可以使墨滴著陸更精準(zhǔn)，Illinois大學(xué)實(shí)驗(yàn)室利用5μm的噴嘴噴印出2.8μm的墨滴，墨滴只有噴嘴的一半(12)，這顯示透過(guò)導(dǎo)入電壓的變數(shù)可以將倚賴(lài)微機(jī)電制作的噴墨頭精度放寬，同時(shí)也可提高噴印的精準(zhǔn)度。EHD-inkjet的技術(shù)近年來(lái)在國(guó)外許多實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)出研發(fā)機(jī)臺(tái)，并且嘗試商品化，估計(jì)是未來(lái)軟性電子精密涂布的利器。
圖8 (a)電流體動(dòng)力噴墨列技術(shù)(10)，(b)EHD-injet 噴印之精細(xì)圖案(11)
軟性基板易變形納米壓印自行對(duì)位幫助大
軟性電子制程對(duì)設(shè)備的精準(zhǔn)度是一大挑戰(zhàn)，對(duì)于精度要達(dá)到1~20μm的制程，基本的機(jī)臺(tái)與基材要有達(dá)到小于1μm的變動(dòng)穩(wěn)定度，目前光學(xué)機(jī)臺(tái)穩(wěn)定度已經(jīng)可以達(dá)到次微米等級(jí)以上，但是軟性基板的剛性不足，容易變形，而造成對(duì)位困難，這個(gè)問(wèn)題可以用承載基板來(lái)克服，另一方面，一般軟性基材的熱膨脹系數(shù)大于10 ppm/oC，因溫度上升造成的變形量很大，補(bǔ)償比較困難，這使得納米壓印時(shí)，不同功能材料間對(duì)位的困難。
納米壓印因?yàn)榭梢援a(chǎn)生立體的結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)壓印的幾何設(shè)計(jì)，可以產(chǎn)生自行對(duì)位(Self-align)的效果，這對(duì)需要精密對(duì)位的軟性電子元件制程來(lái)說(shuō)，是一個(gè)非常有用的優(yōu)勢(shì)。利用自行對(duì)位的特點(diǎn)，HP開(kāi)發(fā)在軟性基板上先制作完成整面導(dǎo)電層、半導(dǎo)體層、絕緣層功能材料后，再予3D納米壓印制作3階的光阻結(jié)構(gòu)，利用這個(gè)3階的光阻，分別運(yùn)用蝕刻把導(dǎo)電層、半導(dǎo)體層、與絕緣層分別圖案化，這個(gè)Top down自行對(duì)位法稱(chēng)為Self-aligned imprint lithography(SAIL)法，如圖9所示(13,14)。
圖9 3D圖案化特性使納米壓印能夠產(chǎn)生自行對(duì)位的效果的SAIL制作TFT流程(14)
荷蘭TNO-Holst Center也利用2階3D納米壓印的方式在導(dǎo)金屬/絕緣層/金屬上壓印制作3D結(jié)構(gòu)，然后利用蝕刻與噴墨噴印有機(jī)半導(dǎo)體材料制作OTFT(15)。TNO-Holst Center與ASML也合作發(fā)表達(dá)到1 μm的分辨率的納米印壓元件(16)。3D自行對(duì)位的納米壓印解決軟性電子圖案化對(duì)位的頭痛問(wèn)題，該法為軟性圖案化制作的一個(gè)重要方法。
軟性電子經(jīng)過(guò)二十幾年來(lái)的發(fā)展終于產(chǎn)品在市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下逐漸嶄露頭角，從2013年Samsung推出弧形的手機(jī)到今年挪威NEXT Biometrics ASA推出全球第一個(gè)LTPS的熱感應(yīng)可撓式指紋傳感器，都顯示軟性電子的產(chǎn)品終將逐漸一個(gè)一個(gè)商品化，在這個(gè)市場(chǎng)需求驅(qū)動(dòng)下，軟性電子相關(guān)的產(chǎn)業(yè)終將蓬勃發(fā)展，只是軟性電子產(chǎn)品角度來(lái)看，軟性電子在材料、制程與設(shè)備的關(guān)聯(lián)性更強(qiáng)，材料、制程與設(shè)備不同領(lǐng)域的整合將是成功的關(guān)鍵。
(本文作者分別為艾圖雅總經(jīng)理與副總經(jīng)理)
