二维器件阵列制造技术

本发明专利技术提供二维器件阵列。在一方面，本发明专利技术提供了可拉伸的且可选地为可印刷的组件，例如半导体或电子元件，其能够在拉伸、压缩、弯曲或变形时提供良好性能，以及制造或调节这样的可拉伸组件的相关方法。为某些应用而优选的可拉伸的半导体和电子电路为柔性，此外也是可拉伸的，且因此能够显著地沿着一个或更多个轴线延长、挠曲、弯曲或其他变形。此外，本发明专利技术的可拉伸的半导体和电子电路适于范围宽泛的器件结构，以提供完全柔性的电子和光电子器件。

【技术实现步骤摘要】
二维器件阵列本申请是申请日为2007年9月6日、名称为“在用于可拉伸电子元件的半导体互连和纳米膜中的受控弯曲结构”的第200780041127.6号专利技术专利申请的分案申请。相关申请的交叉引用本申请要求享有在2007年6月18日提交的美国临时专利申请60/944,626和在2006年9月6日提交的美国临时专利申请60/824,683的权益。
技术介绍
自从1994年首次展示印刷的全聚合物晶体管以来，人们大量的关注已被导向电子系统的可能的新类别，其包括塑料衬底上的柔性集成电子器件。[Science第265卷第1684–1686页，作者GarnierF.、HajlaouiR.、YassarA.和SrivastavaP.]最近，大量研究已被导向开发新的溶液可加工(solutionprocessable)的材料，其用于柔性塑料电子器件的导体、电介质和半导体的元件。然而，柔性电子元件领域中的进步，不仅是由新的溶液可加工材料的发展所驱动，而且还是由可应用于柔性电子器件系统的新的器件组件（component）几何形状、器件和器件组件的高效加工方法、以及高分辨率图案化技术所驱动。预期的是，此类材料、器件结构和制造方法将在迅速崛起的新类别的柔性集成电子器件、系统和电路中扮演重要角色。柔性电子元件领域中的关注点来自此技术所提供的几种重要的优势。例如，这些衬底材料固有的柔性，而允许它们被集成为许多形状，这提供了大量的有用的器件结构，然而这些器件结构对于传统的脆性硅基电子器件是不可能实现的。此外，溶液可加工组件材料和柔性衬底的结合，使得能够通过连续、高速的印刷技术进行制造，这能够以低成本在较大的衬底区域上产生电子器件。柔性电子器件的设计和制造表现出良好的电子性能，但也存在一些重大的挑战。首先，制作传统硅基电子器件的成熟方法与大多数柔性材料不兼容。例如，传统的高质量无机半导体组件，诸如单晶硅或锗半导体，通常通过在显著超过大多数塑料衬底的融化温度或分解温度的温度(>1000摄氏度)下生长薄膜而被加工而成。此外，大多数无机半导体本质上不可溶于便于对溶液进行加工和传送的溶剂。其次，虽然许多无定形硅、有机或混合有机-无机半导体适合纳入柔性衬底且可以在相对低的温度下加工，但这些材料不具有能够为集成电子器件提供良好电子性能的电子特性。例如，具有由这些材料制成的半导体元件的这些薄膜晶体管，展现了比互补单晶硅基器件小大约三个数量级的场效应迁移率。由于这些限制，柔性电子器件目前仅限于不要求高性能的特定应用，诸如用在用于具有非发光型像素的主动式矩阵平板显示器的开关元件中以及用在发光二极管之中。柔性电子电路在多个领域中都是活跃的研究区域，包括柔性显示器、任意形状的电活化表面，诸如电子纺织品和电子皮肤。这些电路经常因其无法响应于构造的改变而使得导电组件拉伸，而不能充分适应它们的周围环境。从而，在严重的和/或反复的构造改变下，这些柔性电路易于受损、电子退化以及可能会不可靠。柔性电路需要可拉伸和可弯曲的互连（interconnect），该互连在循环地经过拉伸和松弛的同时保持完好。既能够弯曲又具有弹性的导体，通常是通过在诸如硅之类的弹性体中嵌入金属颗粒来制造的。这些导电橡胶既具有机械弹性又具有导电性。导电橡胶的缺点包括在拉伸状态下的高电阻率以及显著的电阻变化，从而导致整体的互连性能和可靠性欠佳。Gray等人讨论了使用封装在硅弹性体中的微加工弯曲电线来构造弹性体电子器件，其能够在保持导电性的同时承受高达54%的线性应变。在此研究中，电线被形成为螺旋弹簧形。与在低应变(例如，2.4%)下即告断裂的直线形电线相比，弯曲电线在明显更高的应变(例如，27.2%)下仍然保持导电性。这样的电线几何形状依赖于电线通过弯曲而非拉伸而伸长的能力。此系统在可控制地且精确地在不同形状中和不同平面内图案化的能力方面受到限制，从而限制了将系统适应于不同应变和弯曲方案的能力。研究表明，弹性可拉伸的金属互连在对机械应变的抗性上有所增加（Mandlik等人，2006）。Mandlik等人试图通过在金字塔形纳米图案化表面上沉积金属膜来最小化这种电阻变化。然而，这项研究依赖于起伏特征部分（relieffeature），其产生微裂纹而使细金属电线具备可拉伸性。这些微裂纹通过平面扭曲和变形而促进金属弹性变形。然而，这些金属裂纹不适合厚的金属膜，相反，仅适合于沉积在图案化的弹性体之上的相当窄范围的薄的金属膜(例如，在小于30nm的数量级)。使金属互连具备可拉伸性的一种方式是，在导体（例如，金属）应用期间向衬底预加应变(例如，15%～25%)，继而进行预加应变的自然起伏，从而对金属导体互连引入波纹形(例如见Lacour等人(2003年)；(2005年)；(2004年)，Jones等人(2004年)；Huck等人(2000年)；Bowden等人(1998年))。Lacour等人（2003年）报告，通过首先压缩金条以产生自发起皱的金条，从而在高达22%的应变下(对比弹性体衬底上的金薄膜仅为百分之几的破裂应变)保持电导通性。然而，这项研究使用相对薄层(例如，大约105nm)的金属膜，且该研究较为局限，因为该系统本可以形成可被拉伸大约10%的电导体。从上文中，很明显地存在对具有改善的可拉伸性、电特性以及在不同结构下用于快速且可靠地制造可拉伸互连的相关过程的互连和器件组件的需要。在柔性电子元件领域中的进展，预期将在多项新兴的和成熟的重要技术中扮演重要角色。然而，这些柔性电子元件技术的应用的成功，强烈地依赖于对新的材料、器件结构和商业上可行的对在弯曲、变形和倾斜构造下表现出良好的电子、机械和光属性的集成电子电路和器件的制造途径的发展。具体而言，高性能、可机械拉伸的材料和器件的结构，需要在拉伸或压缩构造中表现出有用的电子和机械特性。
技术实现思路
本专利技术提供拉伸器件和器件组件，例如半导体和可拉伸的电子器件，以及电路。需要可拉伸、可弯曲和一致的电子器件和器件组件用来制造适于在各种曲面表面上印刷的电子器件。形状一致的器件具有各种各样的应用范围，从柔性显示器和电子纺织品，到一致的生物和物理传感器。从而，本专利技术的一个实施方案是柔性和可弯曲的电子器件、器件组件以及用于制造柔性和可弯曲器件的相关方法。这种柔性和可弯曲性，通过提供具有波状或翘棱几何形状的互连或半导体膜而实现。这种几何形状提供如下方式，用于确保系统可拉伸且可弯曲，且对性能无不利影响，即使在强劲和反复的拉伸和/或弯曲循环下亦是如此。此外，所述方法提供使几何结构精确化和准确化的能力，以使得器件和/或器件组件的物理特性（例如，可拉伸性、可弯曲性）可调整适应于适合系统的运行条件。本专利技术的另一方面是具有与应变至少部分相关的物理特性的可拉伸组件，以使得能够通过向组件施加数量变化的应变而调节参数。器件组件的阵列可由翘棱组件或互连彼此连接，以使器件组件易于进行相对彼此的不相关移动。然而，在该阵列之内的局部区域，可具有不同于其他区域的弯曲或拉伸要求。在此所述的器件和方法促进创建柔性系统，其可具有在翘棱组件中或互连几何形状中的局部变化，例如包括组件或互连的：尺寸、周期、幅度、取向、以及在特定区域中组件或互连的总数。产生具有可控制取向的多个组件或互连，易于使组件或互连针对该器件本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二维器件阵列，包括：具有支撑表面的柔性衬底；被支撑在所述支撑表面上的至少一个器件组件；以及至少两个可拉伸互连，所述至少两个可拉伸互连中的每个互连具有第一端、第二端和位于所述第一端和第二端之间的中央部分，其中所述至少一个器件组件和所述至少两个可拉伸互连沿至少两个不同的方向取向以形成二维阵列，其中所述至少两个可拉伸互连中的每个互连的第一端与所述至少一个器件组件电连通，其中所述至少两个可拉伸互连中的每个互连的中央部分包括至少两个弯曲结构区域，并且其中每个弯曲结构区域不与所述柔性衬底的支撑表面物理接触。

【技术特征摘要】
2006.09.06 US 60/824,683;2007.06.18 US 60/944,6261.一种二维器件阵列，包括：具有支撑表面的柔性衬底；被支撑在所述支撑表面上的至少一个器件组件；以及至少两个可拉伸互连，所述至少两个可拉伸互连中的每个互连具有第一端、第二端和位于所述第一端和第二端之间的中央部分，其中所述至少两个可拉伸互连沿至少两个不同的方向从位于所述支撑表面的平面内的所述至少一个器件组件延伸，以形成二维阵列，其中所述至少两个可拉伸互连中的每个互连的第一端与所述至少一个器件组件电连通，其中所述至少两个可拉伸互连中的每个互连的中央部分包括至少两个弯曲结构区域和位于所述至少两个弯曲结构区域之间的至少一个触点，其中每个弯曲结构区域具有非线性构造，并且不与所述柔性衬底的支撑表面物理接触；并且其中所述至少一个触点中的每个触点与所述柔性衬底的支撑表面物理连通。2.权利要求1的二维器件阵列，其中每个弯曲结构区域是曲面的。3.权利要求1的二维器件阵列，其中所述至少一个触点被结合到所述衬底的支撑表面。4.权利要求1的二维器件阵列，其中所述至少一个器件组件包括选自下列的一种或多种材料：金属、半导体、绝缘体、压电材料、铁电材料、磁致伸缩材料、电致伸缩材料、超导体、铁磁材料和热电材料。5.权利要求1的二维器件阵列，其中所述至少一个器件组件选自由下列器件组成的组：光电器件、纳米机电器件、微流控器件和热器件。6.权利要求5的二维器件阵列，其中所述至少两个可拉伸互连是可调的器件组件，所述可调的器件组件中的每个器件组件具有随着由所述至少两个弯曲结构区域提供的所述中央部分的应变的程度而选择性地变化的至少电特性、光特性或机械特性。7.权利要求1的二维器件阵列，其中所述至少两个可拉伸互连是多个可拉伸互连，其中所述多个可拉伸互连中的至少一个互连包括与所述支撑表面物理连通的所述至少一个触点和从该至少一个触点延伸的三个或更多个弯曲结构区域。8.权利要求1的二维器件阵列，其中所述至少两个可拉伸互连中的每个互连还包括一个或多个触垫，所述一个或多个触垫与所述第一端、所述第二端或所述第一端和第二端两者电接触。9.权利要求8的二维器件阵列，其中所述至少一个器件组件与所述一个或多个触垫电接触。10...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·A·罗杰斯，M·梅尔特，孙玉刚，高興助，A·卡尔森，W·M·崔，M·斯托伊克维奇，H·江，Y·黄，R·G·诺奥，李建宰，姜晟俊，朱正涛，E·梅纳德，安钟贤，HS·金，姜达荣，
申请(专利权)人：伊利诺伊大学评议会，
类型：发明
国别省市：