TWI390631B

TWI390631B - 製造薄膜裝置之方法

Info

Publication number: TWI390631B
Application number: TW098118319A
Authority: TW
Inventors: Sang Jin Kim; Yongsoo Oh; Hwan-Soo Lee
Original assignee: Samsung Electro Mech
Priority date: 2008-11-13
Filing date: 2009-06-03
Publication date: 2013-03-21
Also published as: JP5140635B2; JP2010118638A; KR20100054030A; TW201019395A; KR101026040B1; US7902001B2; US20100120232A1

Description

製造薄膜裝置之方法

本發明主張在2008年11月13日於韓國智財局(Korean Intellectual Property Office)所申請的韓國專利申請案No.2008-112955之優先權，該申請案的內容在此併入作為參考。

本發明係關於製造薄膜裝置的方法，尤有關於作為製造可撓性(flexible)裝置的技術中的薄膜翻錄(film transcription)製程以製造薄膜裝置的方法。

一般來說，薄膜翻錄技術已經廣泛地使用於薄膜電晶體(thin film transistor，TFT)、電子裝置和像是有機的電激發光器(electroluminescent，EL)裝置的光學裝置。

該薄膜翻錄技術係指一種藉由將形成在預備基材(preliminary substrate)中的必要薄膜翻錄至永久基材(permanent substrate)來製造所需薄膜裝置的技術。當用來形成薄膜的基材條件、與用來供薄膜裝置使用的基材條件不同時，該薄膜翻錄技術便可被有效率地使用。

例如，即便在半導體薄膜形成技術中需要相對高溫的製程，但是當使用於裝置的基材具有低耐熱特性或低軟化點和熔點時，該薄膜翻錄技術便很有用處。具體而言，於可撓性薄膜裝置中，該薄膜翻錄技術也很有用。

因為相關技術的可撓性裝置需要可撓曲性，所以例如聚合物的有機基材業已被主要地使用，而有機薄膜業已使用作為形成在該有機基材表面上的功能單元的薄膜。然而，要確保藉由該有機薄膜所實作的該功能單元的高性能是困難的，所以可撓性裝置的該功能單元需要由例如多晶矽或氧化物的無機物質來形成。在這種情況中，因為高溫的半導體薄膜製作技術難以直接施用在可撓性的有機基材，所以該薄膜翻錄技術便被用來將由例如半導體的無機物質所形成的薄膜翻錄至其它的預備基材。

然而在該薄膜翻錄技術中，從預備基材分離的表面係提供至被翻錄到永久基材的薄膜的上表面上。此外，犧牲層的殘留物會留存在該薄膜的上表面上。所以便需要移除該犧牲層殘留物的製程，以避免對該薄膜裝置造成有害影響。

另一方面，於移除該犧牲層的製程中，可以使用雷射照射或濕式蝕刻製程。然而在雷射照射的情況中，薄膜裝置在雷射照射期間卻可能受到雷射的輸出而損壞。

此外，在濕式蝕刻的情況中，不但該薄膜結構會貼附至基材，並且相對低的蝕刻選擇性會導致另一項不便，就是需要單獨的光阻製程以保護薄膜裝置的區域。

本發明的態樣提供製造薄膜裝置的方法，不但可以簡化整個製程，還可將翻錄期間該薄膜裝置的特性變異降到最低。

依據本發明的另一個態樣，提供製造薄膜裝置的方法，包含：在第一基材上形成犧牲層；在該犧牲層上形成薄膜疊片本體；形成分離溝槽以暴露出該犧牲層，用來分開該薄膜疊片本體成為至少一個薄膜裝置；使用乾式蝕刻製程部份移除該犧牲層，而在部份移除該犧牲層之後，會有留存的犧牲層區域將該薄膜裝置留在第一基材上；暫時將支撐結構結合到該薄膜裝置；從第一基材分離被結合到支撐結構的該薄膜裝置；移除該留存的犧牲層；將被結合到該支撐結構的該薄膜裝置結合至第二基材；以及從該薄膜裝置分離該支撐結構。

該犧牲層是由非晶矽所形成。在此例中，乾式蝕刻製程可使用Xe₂ F氣體作為蝕刻劑。

該方法復包括在第一基材的上表面上形成絕緣層，以便在形成該犧牲層之前保護第一基材。該方法復包含在該犧牲層上形成絕緣層，以便在形成該薄膜疊片本體之前用來支撐該薄膜裝置。在此例中，該絕緣層包括氧化物或氮化物。

暫時結合該支撐結構可包括：將該支撐結構壓在該薄膜裝置上，以便暫時將該支撐結構的表面結合到該薄膜裝置的表面。在此例中，該支撐結構是由以聚二甲基矽氧烷(poly dimethyl siloxane，PDMS)為基礎或以矽橡膠(silicon rubber)為基礎的聚合物所形成。

分離該薄膜裝置包括照射雷射以分解該留存的犧牲層區域；另一種分離該薄膜裝置的作法包括施加外力以破壞該留存的犧牲層區域，而從第一基材分離該薄膜裝置。

結合該薄膜裝置可包括使用接合材料層以將該薄膜裝置結合至第二基材。

第二基材包括可撓性基材。該薄膜裝置可包括薄膜電晶體、太陽能電池或生物感測器。

本發明的以上和其它的態樣、特徵以及其它優點經由以下的細節描述伴隨結合隨附的圖示將會更清楚的被瞭解。

現在將參照附圖來詳述本發明的例示實施例。

第1A至1C圖是剖面圖，依據本發明實施例之製造薄膜裝置的方法，說明形成翻錄目標(transcription target)的製程。

如同第1A圖的描述，準備第一基材11。為了在後續移除該第一基材11上表面上之犧牲層的製程中保護該第一基材11，可額外形成絕緣層12。該絕緣層12是由例如SiO₂ 的氧化物或例如SiN_X 的氮化物所形成。

該第一基材11可以是用於形成特定功能裝置薄膜的適合基材。例如，當需要的薄膜是半導體或金屬，一般會需要高溫的薄膜製程以生長出該半導體或金屬。因此，該薄膜便由具有耐熱特性並滿足生長表面條件的材料所形成。

例如，當在薄膜裝置的分離製程中使用雷射剝離(laser lift-off)製程時，另外需要選擇第一基材11的材料。也就是第一基材11可由具有較對應該雷射光束波長的能量更大能帶隙的材料所形成，才能使該雷射得以穿越該第一基材11。該第一基材11可以是透明的基材，並且包含(但不限於)藍寶石、石英、玻璃、氧化鎂、鋁酸鑭(LaAlO₃ )、熔凝矽土(fused silica)或氧化鋯。

如同第1B圖所描述，於形成在第一基材11上的絕緣層12上，形成有犧牲層13。

依據本發明的實施例，該犧牲層13包含對於形成該薄膜裝置的材料具有高選擇性的蝕刻材料。非晶矽(α-Si)可用作該犧牲層13。該非晶矽藉由XeF₂ 氣體可輕易被蝕刻，並且相對於典型的半導體材料和電極材料具有高選擇性。

此外，該犧牲層13視需要可以是能藉由雷射分解的材料。這對應一種狀況，其中部分的留存區域需要經由隨後的製程採用雷射來移除。

接下來，如同第1C圖所描述，至少有一個薄膜裝置15形成在該犧牲層13上。

該薄膜裝置15可由像是半導體或多晶矽、或金屬的無機物所形成。為了形成該薄膜裝置15的層(15a、15b和15c)，可以使用例如濺鍍、蒸鍍、化學汽相沉積(CVD)的已知薄膜形成方法。為了形成裝置區域，可以使用藉由光刻(lithography)的選擇性蝕刻技術。如同在這個製程所描述的，犧牲層13係被部份地暴露，以便於形成用來分開該裝置區域的分離溝槽的製程中可被乾蝕刻。

經由這些製程，便可以製備出本發明實施例的製造薄膜裝置的方法所需要的薄膜裝置與翻錄目標。使用在本發明實施例的該薄膜裝置15可以是薄膜電晶體(TFT)、太陽能電池、或生物感測器。第2A圖至2D圖是剖面圖，說明形成第1C圖中薄膜裝置的製程。

如同第2A圖中所描述，在犧牲層13上，薄膜疊片本體15’具有下層電極15a、壓電層15b和上層電極15C由下至上依序堆疊。此外，第一光阻圖案P1係形成在該薄膜疊片本體15’上。

該下層電極15a可以藉由使用濺鍍機沈積Ti/Pt層而形成。該壓電層15b可以經由溶膠-凝膠法(sol-gel method)而鍍上。該上層電極15c則是藉由濺鍍機沈積Pt而形成。接下來，形成光阻圖案P1以暴露出上層電極15c的一塊區域並移除壓電層15b。

雖然未於本實施例中描述，但可以視需要製作絕緣層(未顯示)以形成用來製作下層電極15a的裝置。

如同第2B圖中所描述，使用第一光阻圖案P1而選擇性地移除上層電極15c和壓電層15b。此移除製程可使用對於形成下層電極15a的材料具有低蝕刻率的蝕刻氣體，經由乾式蝕刻製程而執行。

接下來，如同第2C圖所描述，形成第二光阻圖案P2以暴露下層電極15a要被移除的區域，然後以乾式蝕刻製程選擇性地移除下層電極15a。經由這個移除下層電極15a的製程，便可以形成複數個薄膜裝置15，並且也可以提供犧牲層13的暴露區域e2。

第3A圖至3E圖是剖面圖，說明依據本發明實施例的製造薄膜裝置的方法中翻錄目標的翻錄製程。

如同第3A圖中所描述，使用乾式蝕刻製程以部份移除犧牲層13，而剩下留存的犧牲層區域13’。

該留存的犧牲層區域13’在隨後的製程中可以維持該薄膜裝置15於該第一基材11上。更具體而言，係在實施支撐結構17的暫時接合製程期間(見第3B圖)，於該第一基材11上以留存的犧牲層區域13’來維持該薄膜裝置15，並使得薄膜裝置15經由分離製程而能輕易地從第一基材11移除(見第3C圖)。

如前所述，於這個實施例中係使用蝕刻製程。假如是使用非晶矽(α-Si)作為犧牲層13，則該非晶矽可藉由對於典型的半導體材料和電極材料具有高選擇性的XeF₂ 氣體而輕易地被蝕刻。在此例中，該高選擇性係用來穩定地保護該薄膜層裝置15，並且也克服了在相關技術的濕式蝕刻製程中，薄膜裝置15係貼附至該第一基材11的限制。

如同第3B圖所描述：支撐結構17係暫時性地結合至該薄膜裝置15。

該支撐結構17是暫時的支撐結構，只使用到該薄膜裝置15被翻錄至第二基材(永久基材)之前。應瞭解的是「暫時接合」一詞意指比被翻錄的該第二基材的接合強度還要弱的接合狀態，但卻至少在翻錄製程之前，同時又能保持足以維持/處理該薄膜裝置15的接合強度。

也就是說，「暫時接合」製程意指接合沒有使用額外像是黏著劑的方式，或是經由高溫熱處理製程的熔焊(fusion welding)。作為例示實施例，該暫時接合是一種狀態，在此狀態中薄膜裝置15和支撐結構17係藉由凡得瓦力(van der Waals force)暫時互相結合。即便在室溫及低壓下仍足以執行這個暫時接合製程。

因此，在薄膜裝置15翻錄至第二基材後，支撐結構17便能輕易地從薄膜裝置15分離。並且即便在該支撐結構17分離後仍可確保分離表面的清潔狀態。

為了能以凡得瓦力輕易實施該暫時接合，支撐結構17可以由例如聚二甲基矽氧烷(PDMS)或矽橡膠基礎的聚合物材料形成。應瞭解經由相似的界面交互作用而有助於上述暫時接合的任何材料都可以替換使用，而不受限於上述材料。

本發明在沒有受限於上述的暫時接合之條件下，可以使用例如可以提供用於翻錄所需的弱接合強度的黏著劑之其它額外的方式。

如第3C圖所描述，從第一基材11分離出結合至支撐結構17的薄膜裝置15。

在這個製程期間可以移除留存的犧牲層區域13’。依據本發明的實施例，使用雷射移除留存的犧牲層區域13’，使得薄膜裝置15可完全從第一基材11分離。因為大部分的犧牲層13是經由先前的乾式蝕刻製程而移除，所以在這個製程中僅需在留存的犧牲層區域13’非常小的面積上以雷射照射。因此，可以大幅減低由於雷射照射所導致薄膜裝置15損壞的可能性。

若不像這種採用額外的移除製程的方式，留存的犧牲層區域13’也可以藉由使用外力來將薄膜裝置15從第一基材11分離而機械式地移除。

如同第3D圖所描述，將結合至支撐結構17的該薄膜裝置再結合至第二基材21。

術語「第二基材」和「永久基材」意指用來作為被翻錄之處的一種基材，相當於包含該薄膜裝置的基材。在這個製程中，薄膜裝置15和第二基材21互相結合從而具有比介於該支撐結構17和該薄膜裝置15的該暫時接合的強度還要強的接合強度。為達此目的，依據本發明的這個實施例，介於該薄膜裝置15和該第二基材21之間的接合可使用單獨的接合材料層22。

更具體而言，在鍍上一層包含前導物(precursor)的結合材料之後，且該前導物所具有的接合強度比介於薄膜裝置15和支撐結構17之間的接合強度更強，便可以結合該薄膜裝置。

另一方面，可能沒有完全移除該犧牲層13，因此導致細微的殘留物保留在薄膜裝置15的分離表面上。然而，在薄膜裝置15的該分離表面並沒有直接接觸第二基材21，但卻暫時結合至支撐結構17(一種暫時的支撐結構)之後，該殘留物存在的該分離表面會結合至該第二基材21。因此，便能克服犧牲層13的殘留物污染該表面的缺陷。

如同第3E圖所描述，從薄膜裝置15分離支撐結構17。

如同上述，因為薄膜裝置15係接合至第二基材，並經由接合材料層22而具有相對較高的接合強度，所以支撐結構17對於薄膜裝置15具有相對較低的接合強度，故可從薄膜裝置15輕易地被分離。特別是假如支撐結構17和薄膜裝置15係藉由凡得瓦力暫時互相結合的話，從支撐結構17所分離的薄膜裝置15的該分離表面可以維持得非常乾淨。

這種薄膜翻錄技術可廣泛使用於多種薄膜裝置。更具體而言，像是在半導體薄膜形成技術中需要相對高溫的製程，但是當使用在裝置中的基材具有低耐熱特質、或低軟化點和熔點時，該薄膜翻錄技術可以被有效地使用。特別是該薄膜翻錄技術對於可撓性薄膜裝置也很有用處。

此例中，第二基材21可以是由聚合物材料所形成的可撓性基材。薄膜裝置15可以是由例如多晶矽或金屬的無機材料所形成的裝置。例如，薄膜裝置15可包含TFT、太陽能電池和生物感測器。

依據本發明的實施例，藉由提供薄膜表面、或結合至永久基材的薄膜圖案作為分離表面，便有可能省略移除犧牲層殘留物的製程，並且克服由該殘留物所造成的缺陷。

再者，介於薄膜結構和基材之間的黏著以及由雷射照射所導致裝置特性之變異，從薄膜裝置移除犧牲層的製程中得以最小化；而該薄膜裝置的製作則是經由互連(interconnection)和半導體製程、以及翻錄該薄膜裝置至所需的基材(例如，可撓性基材)。

此外，因為改變接合表面的製程係使用容易實施的支撐結構，並非經由單獨的接合層，而是採取如凡得瓦力的材料界面交互作用，因此可以簡化整個製程。

雖然本發明係連結該例示實施例而展示及描述，但是對於熟悉該項技術之人士而言，很明顯地在不偏離由隨附的權利要求範圍所定義的本發明的精神及範疇下，可以做出更改和變動。

11‧‧‧第一基材

12‧‧‧絕緣層

13‧‧‧犧牲層

13’‧‧‧犧牲層區域

15‧‧‧薄膜裝置

15a‧‧‧下層電極

15b‧‧‧壓電層

15c‧‧‧上層電極

15’‧‧‧薄膜疊片本體

17‧‧‧支撐結構

21‧‧‧第二基材

22‧‧‧接合材料層

P1‧‧‧第一光阻圖案

P2‧‧‧第二光阻圖案

e2‧‧‧暴露區域

第1A至1C圖是剖面圖，說明依據本發明實施例之製造薄膜裝置的方法中形成翻錄目標(target)的製程；第2A圖至2D圖是剖面圖，說明第1C圖中形成薄膜裝置的製程；以及第3A圖至3E圖是剖面圖，說明依據本發明的實施例製造薄膜裝置的方法中翻錄目標的翻錄製程。

11．．．第一基材

12．．．絕緣層

13’．．．犧牲層區域

15．．．薄膜裝置

17．．．支撐結構

Claims

一種製造薄膜裝置之方法，包括：在第一基材上形成犧牲層；在該犧牲層上形成薄膜疊片本體；形成分離溝槽，用來暴露該犧牲層以分開該薄膜疊片本體成為至少一個薄膜裝置；使用乾式蝕刻製程部份移除該犧牲層，在部份移除該犧牲層後之留存犧牲層區域係維持該薄膜裝置於該第一基材上；將支撐結構暫時結合到該薄膜裝置；從該第一基材分離被結合到該支撐結構的該薄膜裝置，移除該留存犧牲層區域；將結合到該支撐結構的該薄膜裝置再結合到第二基材；以及從該薄膜裝置分離該支撐結構。
如申請專利範圍第1項之方法，其中，該犧牲層是由非晶矽形成。
如申請專利範圍第2項之方法，其中，使用Xe₂ F氣體作為蝕刻劑來執行該乾式蝕刻製程。
如申請專利範圍第1項之方法，復包括在該第一基材的上表面上形成絕緣層，以於形成該犧牲層之前保護該第一基材。
如申請專利範圍第4項之方法，其中，該絕緣層包括氧化物或氮化物。
如申請專利範圍第1項之方法，復包括在該犧牲層上形成絕緣層，以於形成該薄膜疊片本體之前支撐該薄膜裝置。
如申請專利範圍第6項之方法，其中，該絕緣層包括氧化物或氮化物。
如申請專利範圍第1項之方法，其中，暫時結合該支撐結構包括將該支撐結構壓在該薄膜裝置上，以暫時將該支撐結構的表面結合到該薄膜裝置的表面。
如申請專利範圍第8項之方法，其中，該支撐結構是以基於聚二甲基矽氧烷(PDMS)的聚合物、或基於矽橡膠的聚合物所形成。
如申請專利範圍第1項之方法，其中，分離該薄膜裝置包括照射雷射以分解該留存犧牲層區域。
如申請專利範圍第1項之方法，其中，分離該薄膜裝置包括施加外力以破壞該留存犧牲層區域而將該薄膜裝置從該第一基材分離。
如申請專利範圍第1項之方法，其中，結合該薄膜裝置包括使用接合材料層以將該薄膜裝置結合至該第二基材。
如申請專利範圍第1項之方法，其中，該第二基材包括可撓性基材。
如申請專利範圍第1項之方法，其中，該薄膜裝置包括薄膜電晶體(TFT)、太陽能電池或生物感測器。