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npj Flexível Electronics volume 6, Número do artigo: 44 (2022) Cite este artigo

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A montagem programável e de grande área de diversos microobjetos em substratos arbitrários é uma tarefa fundamental, porém desafiadora. Aqui é proposta uma técnica simples de micromontagem em nível de wafer baseada na mudança desencadeada por luz na topografia da superfície e na adesão interfacial de um polímero fotossensível macio. Em particular, o crescimento do polímero regulado pela luz cria zonas localmente indentadas e elevadas na superfície do carimbo. A redução da adesão mediada pela luz, por outro lado, facilita a liberação das tintas do polímero. A interação desses dois efeitos possibilita a montagem programável de componentes ultrapequenos em vários substratos revestidos com camadas adesivas suplementares. A fidelidade desta técnica é validada pela união de diversos materiais e dispositivos funcionais, com tamanho de impressão de até 4 polegadas. Este trabalho fornece uma estratégia racional para montagem em grande escala e programável de diversos micro-objetos delicados, contornando os problemas comuns de algumas técnicas existentes, como baixa uniformidade de transferência, pequena área de impressão e alto custo.

Técnicas para integração heterogênea de diversos materiais de seus substratos cultivados para receber substratos de interesse em layouts desejados foram exploradas extensivamente nas últimas décadas1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12, 13,14,15,16,17,18,19,20,21. Graças ao avanço em várias técnicas de micromontagem, uma ampla gama de dispositivos de prova de conceito e sistemas funcionais foi demonstrada, abrindo um grande potencial em várias aplicações, como telas de alta resolução2,10,22,23,24, optoeletrônica flexível25,26,27, eletrônica biointegrada28,29, eletrônica curvilínea30 e muitas outras aplicações avançadas19,31,32,33. Esses métodos de micromontagem ainda estão, no entanto, em seu estágio inicial de desenvolvimento. A falta de técnicas de montagem maduras dificultou o caminho para a comercialização de muitos dispositivos e aplicativos diferentes.

A capacidade de montagem programável de minúsculos chips é de vital importância7,9,13,14,20. Um mérito notável dessa transferência programável é o controle de custo eficaz. A transferência programável permite que uma pequena porção dos componentes seja transferida por vez, enquanto os demais dispositivos ainda são mantidos no substrato doador5,14,20. Consequentemente, qualquer risco potencial de desperdício do dispositivo pode ser minimizado. Outro mérito é o gerenciamento de defeitos. Os dispositivos defeituosos podem ser excluídos e apenas os dispositivos funcionais são transferidos seletivamente para o substrato alvo. Mais importante ainda, a micromontagem programável permite que os componentes sejam dispostos em um formato diferente do original7,9,22. Por exemplo, o espaçamento e a inclinação dos objetos transferidos podem ser ajustados com base na necessidade de um usuário individual. Um exemplo de aplicações que requerem montagem programável é o display de diodo emissor de luz em microescala (Micro-LED)7,22,24,29,34,35, que tem recebido intenso interesse de pesquisa da indústria de display devido ao seu alto brilho, baixo consumo de energia e velocidade de comutação rápida. Para esta aplicação específica, milhões de chips Micro-LED com tamanho reduzido a algumas dezenas de mícrons devem ser preparados densamente em wafers de origem para economia de custos e, em seguida, transferidos e impressos em um backplane acionado com layouts desejados em uma forma relativamente esparsa. Embora esses chips ultrapequenos sejam favoráveis para maximizar a densidade de cavacos por área, eles impõem sérios desafios para a montagem de precisão. Ao reduzir o tamanho do chip para 100 µm ou menos, é relatado que a força de Van Der Waals (VDW) e/ou a força eletrostática na superfície do chip podem dominar a força gravitacional36. Como resultado, a liberação precisa e rápida desses minúsculos dispositivos com base em técnicas convencionais de pegar e colocar usando garras robóticas e bocais a vácuo torna-se cada vez mais difícil. Por essas razões, o desenvolvimento de técnicas alternativas para montagem programável de alto rendimento de componentes ultrapequenos com alto rendimento e alta velocidade é altamente desejável.

can then be readily released by breaking the tethers and then transferred to a target transparent glass coated with a SU8 as the adhesion layer (Fig. 6b). Thanks to the robust transfer process and large adhesion switchability of the photo-sensitive stamp, nearly 100% transfer yield of the Micro-LED has been achieved. SEM inspection and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) analysis confirm the transferred chips are free from contamination (Supplementary Fig. 18). Minimized electrical degradation is confirmed by comparing the I-V characteristic of Micro-LEDs on the original growth Si <111> wafer with those transferred to the glass substrate, indicating the transfer process has minimized side-effect on the device performance (Fig. 6c). However, the emission wavelength is slightly redshifted, owning to the strain release during undercutting the LED devices55 and/or junction heating56 (Fig. 6d)./p> wafer using a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) system (Oxford Plasmalab 800Plus). On top of the SiO2 film, an AZ2035 photoresist layer was then spun coated, and patterned by optical lithography. The next step was to deposit 250 nm, Au, using a Metal E-beam Evaporator (DE400) at a base pressure of <5 × 10−7 Torr, followed by a metal lift-off process using acetone solvent to strip off the photoresist. The sacrificial SiO2 layer was then undercut by diluted BOE etch for 60 s using the patterned Au as a mask, resulting in form of suspended Au membrane arrays weakly bonded to the substrate and ready for printing./p> wafers, with epi-stacks consisting of 150 nm p-GaN dopped with Mg, 200-nm InGaN/GaN Multiple Quantum Wells (MQWs), 1600-nm n-GaN dopped with Si and 1450-nm GaN buffer (Supplementary Fig. 15). The fabrication procedure is schematically shown in Supplementary Fig. 16. The process began with depositing a transparent conducting film ITO (250 nm) on p-GaN by using a sputter system, followed by rapid thermal annealing at 550 °C for 5 min in O2 ambient to form an ohmic contact to p-GaN. A wet etching using HCl solution was conducted to form well-defined ITO pattern using photolithographic defined AZ4620 resist as a mask. The same photo-resist AZ4620 mask was then used to expose the regions of n-GaN by dry etching using an inductively coupled plasma (ICP) system (Oxford Plasmalab system 133). After stripping off the residual resist, A 500 nm layer of SiO2 was deposited by PECVD, followed by BOE wet etching to form a patterned SiO2 mask using lithography defined AZ 4620 photoresist. This SiO2 mask was then used to define isolated GaN mesa array structures, which also define the emission area (50 μm × 80 μm). A 300 nm SiO2 passivation layer was deposited by PECVD and patterned by photo-lithography. Both p-contact and n-contact metal pads (Ti:10 nm/Au:350 nm) are deposited via e-beam evaporator, followed by a lift-off process using a patterned AZ2035 photoresist. The formed contact pads were then annealed at 450 °C for 45 s in O2 ambient. Finally, anisotropic undercut etching of the silicon was performed by immersing the sample in a solution of TMAH at 85 °C for 30 min to form tethered Micro-LED structures for transfer printing./p>. The formed GaN mesas were then served as masks to undercut the silicon underneath, results in forming printable GaN inks weakly bonded to the substrate./p>