了得網工業技術_柔性電子制造：材料、器件與工藝

編輯推薦

電子器件設計與制造、MEMS與微納制造、光機電一體化等領域的科研和工程人員，機械制造、電子信息、材料、物理、化學等高等院校相關專業的研究生

內容簡介

《柔性電子制造：材料、器件與工藝》針對柔性顯示、能源、傳感等新型電子器件高效高精制造需求，從材料、器件與工藝等方面繫統介紹了柔性電子制造的前沿研究領域及其進展，主要內容包括：柔性電子的功能材料、柔性功能器件、柔性電子力學與表征、薄膜沉積與器件封裝、微納圖案化工藝、卷到卷制造繫統以及柔性電子技術應用與展望。

作者簡介

《從一到無窮大》作者喬治·伽莫夫（1904-1968）（George Gamow）世界著名物理學家和天文學家，科普界一代宗師。1904年生於俄國敖德薩市。1928年獲蘇聯列寧格勒大學物理學博士學位。先後在丹麥哥本哈根大學和英國劍橋大學（師從著名物理學家玻爾和盧瑟福），以及列寧格勒大學、巴黎居裡研究所
《啊哈，靈機一動》、《物理世界奇遇記》（美）伽德納，1914年生於美國俄克拉荷馬州的塔爾薩，1936畢業於芝加哥大學哲學繫。 1957年，加德納在《科學美國人》雜志上開設了一個數學遊戲專欄，這個專欄一直延續了四分之一個世紀，成為雜志的一個招牌欄目。他的數學科普著作被翻譯成多國文字出版。由於數學科普方面的貢獻。
《啊哈，原來如此》（中文版）作者馬丁·伽德納（Martin Gardner），1914年生於美國俄克拉荷馬州的塔爾薩，1936畢業於芝加哥大學哲學繫。l957年，伽德納在《科學美國人》雜志上開設了一個數學遊戲專欄，這個專欄一直延續了四分之一個世紀，成為雜志的一個招牌欄目。

《從一到無窮大》作者喬治·伽莫夫（1904-1968）（George Gamow）世界著名物理學家和天文學家，科普界一代宗師。1904年生於俄國敖德薩市。1928年獲蘇聯列寧格勒大學物理學博士學位。先後在丹麥哥本哈根大學和英國劍橋大學（師從著名物理學家玻爾和盧瑟福），以及列寧格勒大學、巴黎居裡研究所

《啊哈，靈機一動》、《物理世界奇遇記》（美）伽德納，1914年生於美國俄克拉荷馬州的塔爾薩，1936畢業於芝加哥大學哲學繫。 1957年，加德納在《科學美國人》雜志上開設了一個數學遊戲專欄，這個專欄一直延續了四分之一個世紀，成為雜志的一個招牌欄目。他的數學科普著作被翻譯成多國文字出版。由於數學科普方面的貢獻。

1904年生於俄國的敖德薩市，繫天纔的俄裔美籍科學家。在原子核物理學和宇宙學方面成就斐然，“大爆炸”宇宙理論的創始人之一，在生物學上首先提出“遺傳密碼”理論。他還是一位傑出的科普作家，許多科普作品風靡全球。《從一到無窮大》、《物理世界奇遇記》是他著名的科普作品。羅素·斯坦納德，1931年生於英國，1956年在倫敦大學大學學院獲得物理學博士學位，1971年起任英國開放大學物理學教授。他一貫熱心科普工作，曾獲得英、美兩國的多項科普圖書獎。

《啊哈，原來如此》（中文版）作者馬丁·伽德納（Martin Gardner），1914年生於美國俄克拉荷馬州的塔爾薩，1936畢業於芝加哥大學哲學繫。l957年，伽德納在《科學美國人》雜志上開設了一個數學遊戲專欄，這個專欄一直延續了四分之一個世紀，成為雜志的一個招牌欄目。

《奇妙的物理學》作者安德烈·瓦爾拉莫夫（Andrey Varlamov）超導理論和凝聚態物理學領域的著名科學家，1954 年出生於蘇聯基輔；1980年在阿歷克斯·阿布裡科索夫指導下獲凝聚態物理學博士學位，1986年獲蘇聯國家青年科學家物理學獎，1990~1999任莫斯科鋼鐵與合金研究所理論物理繫教授；1999年起任意大利國家研究委員會超導、新材料和器件研究所研究主任，羅馬大學教授；2009年起任意大利科學院通訊院士；有8本超導理論方面的專著和130餘篇科學論文；積極的科普作家，1986~1992年任蘇聯科學院科普雜志《量子》副主編；有50餘篇科普作品發表於《量子》等著名科普刊物，主要由這些科普作品結集成書的《奇妙的物理學》出版於1987年，在其後25年內以6種語言出版了12版。

列夫·阿斯拉馬卓夫（Lev Aslamazov） 1944 年出生於蘇聯巴頓；1980年獲數理物理學博士學位，任莫斯科鋼鐵與合金研究所教授和《量子》副主編；在超導理論上有所創新，有4本專著和若干篇科技論文；積極的科普作家；1986年英年早逝。

目錄
《微納制造的基礎研究學術著作叢書》序
序
前言
第1章柔性電子技術概述 1
1.1 引言 1
1.2 柔性電子的發展歷程 5
1.3 柔性電子器件基本結構 7
1.3.1件 8
1.3.2 柔性基板 9
1.3.3 互聯導體 10
1.3.4 密封層 11
1.4 柔性電子制造關鍵技術 12
1.4.1 多功能電子材料 12
1.4.2 低成本制造工藝 13
1.4.3 電子器件可靠性 15
1.5 柔性電子制造的挑戰 17
參考文獻 18
第2章柔性電子的功能材料 22
2.1 柔性電子的材料要求 22
2.2 材料的選擇與制備 24
2.3 柔性電子絕緣材料 28
2.3.1 絕緣性 29
2.3.2 介電性 30
2.3.3 電擊穿 32
2.3.4 電場極化 33
2.4 柔性電子半導體材料 34
2.4.1 硅半導體 35
2.4.2 金屬氧化物半導體 36
2.4.3 有機聚合物半導體 39
2.5 柔性電子導體材料 43
2.5.1 金屬導體 43
2.5.2 聚合物導體 44
2.5.3 納米材料導體 50
2.6 柔性電子基板材料 52
2.7 電致發光材料 56
2.8 光伏材料 58
2.8.1 光伏發電原理 58
2.8.2 電子給體材料與受體材料 59
2.8.3 光伏器件結構 63
參考文獻 67
第3章柔性功能器件 76
3.1 薄膜晶體管 76
3.1.1 晶體管結構形式 78
3.1.2 晶體管工作原理 83
3.1.3 有機/無機晶體管 89
3.1.4 晶體管性能表征 93
3.2 柔性傳感器 99
3.2.1 半導體傳感器 101
3.2.2 應變式傳感器 107
3.2.3 光傳感器 109
3.2.4 物理化學傳感器 113
3.2.5 電容傳感器 114
3.2.6 壓電傳感器 119
3.3 柔性太陽能電池 121
3.3.1 肖特基型太陽能電池 121
3.3.2 pn異質結太陽能電池 122
3.3.3 染料敏化太陽能電池 124
3.3.4 有機/聚合物電池 126
參考文獻 129
第4章柔性電子多層膜結構力學與表征 134
4.1 引言 134
4.2 薄膜-基板結構 134
4.2.1 膜-基結構概述 134
4.2.2 薄膜應力來源 135
4.2.3 大變形結構設計 138
4.3 膜-基結構失效模式 140
4.3.1 膜-基結構斷裂機理 140
4.3.2 膜-基結構裂紋擴展 144
4.3.3 膜-基結構分層行為 145
4.3.4 膜-基結構競爭斷裂行為 146
4.4 膜-基結構彎曲 147
4.4.1 薄膜彎曲 147
4.4.2 膜-基結構的彎曲 148
4.4.3 薄膜邊緣的應力集中 150
4.5 膜-基結構屈曲 151
4.5.1 屈曲基本理論 151
4.5.2 膜-基結構的單向屈曲 152
4.5.3 膜-基結構的雙向屈曲 155
4.5.4 膜-基結構後屈曲分析 157
4.5.5 薄膜幾何尺寸對膜-基結構屈曲的影響 159
4.5.6 膜-基結構可控屈曲 163
4.5.7 膜-基界面結合缺陷誘導屈曲 164
4.6 膜-基結構機械性能測量與表征 166
4.6.1 X射線衍射法表征殘餘應力 166
4.6.2 微拉曼光譜散射測殘餘應力 168
4.6.3 拉伸法表征膜-基界面機械性能 169
4.6.4 劃痕法表征膜-基界面機械性能 170
4.6.5 壓痕法表征薄膜機械性能 171
4.6.6 彎曲測試法表征薄膜機械性能 174
4.6.7 剪切法表征膜-基界面機械性能 176
4.6.8 屈曲測試法表征薄膜機械性能 177
參考文獻 179
第5章薄膜沉積與器件封裝 184
5.1 引言 184
5.2 物理氣相沉積 185
5.2.1 常規物理氣相沉積 185
5.2.2 離子鍍 188
5.3 化學氣相沉積 190
5.3.1 熱激活化學氣相沉積 192
5.3.2 等離子體增強化學氣相沉積 193
5.3.3 金屬有機化合物化學氣相沉積 194
5.3.4 光輔助化學氣相沉積 195
5.3.5 分子束外延生長工藝 196
5.4 原子層沉積 197
5.5 薄膜封裝 200
5.5.1 柔性電子器件封裝要求 200
5.5.2 柔性電子器件失效原因 205
5.5.3 薄膜封裝工藝 206
5.5.4 薄膜封裝中的干燥劑集成 215
5.6 薄膜阻隔性能檢測 216
5.6.1 濕度傳感器法 216
5.6.2 稱重法 217
5.6.3 鈣測試法 218
5.6.4 質譜法測量 220
5.6.5 氧等離子體 221
參考文獻 221
第6章微納圖案化工藝 227
6.1 引言 227
6.2 光刻工藝 228
6.3 印刷工藝 230
6.4 軟刻蝕工藝 232
6.4.1 彈性軟圖章制備 233
6.4.2 微接觸印刷工藝 234
6.4.3 轉移印刷工藝 236
6.5 納米蘸筆直寫工藝 239
6.5.1 工藝原理 239
6.5.2 熱蘸筆直寫工藝 242
6.5.3 電鍍蘸筆直寫工藝 243
6.5.4 納米自來水筆直寫工藝 244
6.5.5 DPN技術的陣列化 245
6.6 納米壓印工藝 247
6.6.1 納米壓印工藝機理 249
6.6.2 熱壓印工藝 252
6.6.3 紫外壓印工藝 255
6.7 激光直寫技術 256
6.8 噴墨打印工藝 259
6.8.1 傳統噴墨打印工藝 260
6.8.2 電流體動力噴印工藝 262
參考文獻 270
第7章卷到卷制造技術 279
7.1 R2R制造工藝概況 279
7.1.1 R2R制造的優勢與挑戰 279
7.1.2 典型R2R繫統組成 281
7.2 R2R制造對器件性能的影響 285
7.2.1 R2R工藝對幾何參數的影響 286
7.2.2 R2R對器件電參數性能的影響 289
7.2.3 R2R工藝對器件可靠性的影響 291
7.3 R2R繫統張力控制 293
7.3.1 基板張力波動機理 293
7.3.2 R2R基板張力波動控制 300
7.3.3 基板張力分布控制 303
7.4 R2R繫統糾偏控制 305
7.4.1 基板橫向動力學建模 305
7.4.2 R2R基板糾偏裝置 309
7.4.3 糾偏控制方法 312
7.5 R2R集成制造繫統 314
7.5.1 R2R薄膜沉積繫統 314
7.5.2 R2R印刷制造工藝 316
7.5.3 R2R與納米壓印/微接觸印刷 320
7.5.4 R2R流體自組裝 324
參考文獻 325
第8章柔性電子應用 332
8.1 概述 332
8.2 柔性顯示 333
8.2.1 電子紙 334
8.2.2 柔性AMOLED 338
8.2.3 可延展OLED 342
8.3 柔性能源 345
8.3.1 柔性薄膜太陽電池 346
8.3.2 智能服裝 350
8.3.3 可延展電池 351
8.4 柔性通信 358
8.4.1 柔性RFID 358
8.4.2 可延展流體天線/導體 359
8.4.3 柔性通信雷達 363
8.5 柔性傳感 365
8.5.1 人造電子皮膚 365
8.5.2 柔性光電傳感器 368
8.5.3 柔性驅動 372
8.6 柔性醫療 374
8.6.1 柔性智能服飾 375
8.6.2 柔性植入式器件 377
8.6.3 表皮電子 378
參考文獻 381
附錄中英文對照表 387
索引 394

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第1章柔性電子技術概述
1.1 引言
柔性電子（flexible electronics）技術是當今*令人激動和*有前景的信息技術（information technology，IT）之一，受到學術界和工業界的廣泛關注。柔性電子技術目前處於起步階段，還沒有統一的定義，不同領域的定義和內涵也不盡相同。柔性電子是建立在可彎曲或可延展基板（塑料基板、金屬薄板、玻璃薄板、橡膠基板等）上的新興電子技術，即將主動/被動的有機/無機電子器件制作在柔性基板（flexible substrate）上的技術及其應用，要求柔性電子產品在彎曲、卷曲、壓縮或拉伸狀態下仍能正常運行。從制造工藝方面考慮，采用印制工藝，如噴墨打印（inkjet printing）、絲網印刷（screen printing）、納米壓印（nanoimprint）或軟刻蝕（soft lithography）等工藝，在柔性基板上制備電子電路，稱為印制電子；從功能材料方面考慮，采用塑料、有機材料和聚合物作為功能層制備電子器件，稱為塑料電子（plastic electronics）、有機電子（organic electronics）或聚合物電子；從產品尺寸方面考慮，在柔性基板上制作面積較大的電子器件，如顯示器、傳感器等，則稱為宏電子（macro electronics）或大面積電子等。盡管目前還沒有統一明確定義，但是隨著電子科技的不斷進步與完善，對電子產品越來越強調人性化、移動化，輕、薄、短、小已成為發展趨勢。柔性電子產品更省電、更便宜、更多樣化，而且操作簡單、容易攜帶，更符合人體工程學設計。
自1962年首次在半導體（semiconductor）上制作晶體管開始，微電子技術主宰了過去50年電子工業的發展，成為通信和網絡技術的核心，在國民經濟、國防建設等領域中發揮著重要的作用。微電子技術以減器件特征尺寸、提高集成度為主要驅動力，達到增加運行速度和計算能力、降低操作電壓的目的。傳統微電子采用較硬的硅基板或平面玻璃，產品形狀固定而堅硬，雖然有利於保器件，使其在使用中不會輕易損壞，但不可避免地制約了產品的延展性、柔韌性以及產品開發的靈活性和應用範圍。20世紀60年代開始對有機材料電學性能進行研究，20世紀70年代以來，光導有機材料、導電聚合物、共軛半導體聚合物等的相繼發現，極大地促進了有機/柔性電子的發展。低成本產品是電子領域發展的主要驅動力，要求低成本材料、低成本工藝、高生產率制造，如卷到卷（roll-to-roll，R2R）制造平臺，集成了真空沉積、光刻（lithography）和印制等工藝平臺。
柔性電子不僅注重於集成度和性能的提高，而且注重向超輕、超薄、耐摔、耐衝擊、可以折疊、撓曲以及形狀不規則等方向發展，構造分布式主動繫統，將開創許多新的電子應用領域。柔性電子與微電子的主要區別如下：①實現目標不一樣，柔性電子以柔性基板取代傳統的剛性基板，在滿足一定集成度和性能的同時，實現可卷曲折疊、輕質、透明、大面積分布式的電子繫統；②采用不同的材料，柔性電子大量采用有機功能材料、納米功能材料，在采用硅、金屬等材料時需要進行特殊結構設計，以滿足大變形能力的要求；③采用不同的制造工藝，柔性電子更傾向於大規模采用溶液化工藝，與大面積快速印制和R2R制造兼容，極大提高了制造效率，降低了制造成本。如果采用傳統的光刻工藝，還需要轉印（transfer printing）工藝將制備好的器件或結構轉移到柔性基板上。
柔性電子涉及新的材料及制造技術，產生了柔性通信、柔性顯示、柔性醫療、柔性傳感和柔性能源等新的應用，如圖1.1所示［1～7］，被視為下一代電子技術平臺［8］：①大面積的應用，包括柔性顯示器（flexible display）、柔性掃描儀、電子紙、盲人閱讀設備、飛機的智能蒙皮等；②優異變形性能的應用，如儀表化人造生物假體、柔性電池（flexible cell）、太空膨脹結構的電子繫統、柔性照明、仿生電子眼、柔性傳感器（flexible sensor）和驅動器等；③多功能集成應用，實現同一平面上集成多個功能，如生物體內傳感器，需要集成應變、應力、溫度等傳感器，並要求實現自供電等。柔性電子能夠做什麼，應該做什麼？這些仍是現階段值得研究的課題。
圖1.1 柔性電子的典型應用
從商業角度而言，與傳統由光學微影所支配的半導體產業相比，這些新興的柔性電子器件可采用更便宜的制造工藝方法，柔性電子與傳統微電子的比較如表1.1所示。硅互補金屬氧化物半導體（complementary metal oxide semiconductor，CMO一般造價為10＄/cm2，復合半導體甚至更貴。如果一個子繫統中需要使用非常多的晶片，其成本將非常高。柔性電子與微電子的區別在於［9］：①商業應用層面，將柔軟的基材融入電子設計，可以開闢全新的應用市場；②工藝成本層面，印刷工藝可像海報一樣快速印制，避免光刻工藝，節約材料，印刷方式會比光刻工藝的成本低很多；③從投資角度層面，柔性電子制造裝備投資遠低於硅基半導體［10］。傳統的半導體廠要數十億甚至上百億的投資，但印刷的方式隻要投資數千萬就可把基本的規模生產能力建立起來。有關微電子和柔性電子大範圍使用的價格評估如圖1.2所示［2］。例如，射頻識別（radio frequency identification，RFID）標簽在2006年是每，2008年是每片0，印制RFID價格因采用不同的基材，**僅為0，**為0.。
圖1.2 微電子和柔性電子產品大面積使用的價格評估
表1.1 柔性電子與常規電子比較
柔性電子已經表現出巨大潛力和無限商機，據IDTechEx統計，2008年柔性電子的市場銷售額高達15.，預測至2018年為469.，其應用範圍將超過傳統IC，至2028年為301，相當於目前傳統IC產業的兩倍。各國非常重視柔性電子研發。①美國較早開始研究柔性顯示器，主要經費來源於軍方，美國陸軍與亞利桑那州立大學成立柔性顯示器中心，在2006美國印刷電子產品會議上展出了柔性顯示器，並在可繞性、非玻璃基板上開發世界**個觸摸屏有源矩陣顯示器，**次實現即時輸入的柔性電子顯示器。美國陸軍ManTech計劃近期實施了全彩柔性顯示器，以滿足陸軍轉型需要。②歐洲是以歐盟主導的大型計劃（FP6 /FP7計劃的ICT項目）投入為主，主要集中在有機顯示材料、有機半導體、印刷工藝技術等方向。③日本整合產、官、學資源，成立先進移動顯示材料技術研究協會，專注於卷對卷相關工藝與材料技術的研發。④韓國以三星電子公司、LG公司為主，重點為全方位產品整合技術，在柔性顯示、柔性存儲等方面發展迅速。⑤為確保在柔性電子領域的****地位，2009年12月7日，英國商業、創新和技能部部長曼德爾森發表了題為Plastic Electronics:A UK Strategy for Success的柔性電子發展戰略，闡述了英國在柔性電子領域的優勢和未來的發展目標。⑥我國也非常重視柔性電子的發展，在科技部“十二五”規劃中，973計劃、863計劃以及國家自然科學基金委的“十二五”規劃都將柔性電子列為重要的研究內容，從基礎研究、技術攻關和產業化等方面對柔性電子的功能材料、制造工藝、創新的產品應用等開展研究。
諸多跨國企業與研究機構致力於柔性電子技術的研發。IBM、飛利浦、LG、索尼、夏普、三星、通用顯示器等公司投入了大量的人力和資金開發相關的產品，計劃將柔性顯示器普及到家庭和個人應用［11］。據Engadget報道，三星在2012年推出彎曲的柔性顯示屏，計劃在2013或2014年對其實施量產。雖然目前的OLED（organic light-emitting diode）屏可實現超薄、彎曲特性，但是它隻限於小型顯示屏，未來真正使用到像OLED電視這樣大型顯示屏上還尚需時日。通用顯示器公司研發的新一代柔性顯示屏技術，*終提供視頻、無線通信全套解決方案，現在已經被美國軍方采用，將應用於顯示地圖、武器狀態以及剩餘燃料等信息。
柔性電子相對於微電子具有更加豐富的材料、結構與工藝研究內涵。聚合物實現了從絕緣體到半導體和導體演變，是形態跨度**的物質，並可與旋塗、噴印、壓印等溶液化工藝，以及R2R制造兼容，為柔性電子制造帶來了巨大的機遇與挑戰。隨著學科交叉的加深，新的應用不斷出現，在新型電子材料與結構、微納制造工藝和設備等方面不斷出現新的研究問題［12］。柔性電子產品整合光、電、感測功能，可以集成顯示、傳感、能源，形成各種不同形狀的電子產品，可以開創全新的應用。柔性電子技術整合電子電路、功能材料、微納制造等領域技術，同時橫跨半導體、封裝、檢測、材料、化工、印刷電路、顯示面板等產業，可提升傳統產業附加值。因此，柔性電子技術將為產業結構和人類生活帶來革命性的變化。
1.2 柔性電子的發展歷程
柔性電子的發展是以應用作為驅動，隨著材料的發展，為柔性電子的制造工藝提供了豐富的創新機遇。柔性電子行業目前正在不斷的發展中，新的應用和制造工藝不斷湧現，在不久的將來將會出現諸多意想不到的新產品和新技術。任何薄的物體都會變柔軟，薄膜晶體管（thin film transistor，TFT）的出現為柔性電子的發展奠定了良好的基礎。如果將薄膜（thin film）器件與柔性基板的結合視為柔性電子的開始，則柔性電子的發展歷史可追溯到20世紀60年代［1］，代表性的研究成果如下：
20世紀60年代，在星際衛星太陽能電池（solar cell）陣列中，將單晶硅晶圓加工得非常薄（～100μm），以獲得高的功率-重量比，然後組裝到塑料基板上實現柔性。
1973年，能源危機推動了薄膜太陽能電池的發展，有效降低光伏發電的成本。由於沉積溫度相對較低，氫化非晶硅（hydrogenated amorphous silicon，a-Si∶H）電池可以直接沉積在柔性金屬和聚合物基板上。
1976年，RCA實驗室的Wronski等報道了在不鏽鋼基板上制作Pt/a-Si∶H肖特基勢壘（Schottky barrier）太陽能電池。在20世紀80年代早期，Okaniwa等［13］將p+-i-n+ a-Si∶H/ITO太陽能電池制作在有機聚合物薄膜基板上，並研究了太陽能電池的變形能力。
20世紀80年代中期，采用大面積等離子增強的化學蒸發沉積來實現a-Si∶H太陽能電池的制造技術，用於AMLCD（active-matrix liquid-crystal display）工業。20世紀末，具有實際意義的有機薄膜電子器件相繼出現，如有機光伏電池（OPV cell）、OLED和有機場效應晶體管（organic field-effect transistor，OFET）。
1992年，美國加州大學Heeger 研究小組在Nature上首次報道了柔性OLED，他們采用聚苯胺(polyaniline，PAN)或聚苯胺混合物，利用旋塗法在柔性透明基板材料聚對苯二甲酸乙二酯（polyethylene terephthalate，PET）上制成導電膜，作為OLED 發光器件的透明陽極［10］，拉開了OLED 柔性顯示的序幕，在可彎曲、柔性顯示方面具有潛在優勢。
1994年，Constant等［14］首次展示了在柔性基板上制造基於薄膜晶體管技術的電路。之後，多家公司和研究團隊展示了在柔性基板上采用a-Si∶H、有機材料、有機-無機混合CMOS技術等制作電路。
1996年，Theiss等［15］首次在柔性不鏽鋼基板上成功制備高質量的非晶硅TFT，基板厚度為200 μm，TFT的開關電流比為107，關電流為1012A，具有良好的線性和飽和電流行為，次臨界閾值斜率為0.5 V/decade，線性溝道遷移率（mobility）為0.5

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