With the advent of the Internet of things era, portable electronic devices, one of the most important information processing devices, have become an indispensable part of human life. Wearable electronics are a type of portable electronic device that integrates with clothing or that directly touches the skin. Through the integrated design, processing information will become more convenient and your lifestyle will change significantly. The research of wearable electronic devices to meet the growing demand of vast consumers has become an irresistible trend. Traditional electronics are mainly based on integrated circuits that are manufactured from solid flat semiconductor wafers and are not suitable for irregular, soft or moving objects such as wrinkled clothing or human skin. The dilemma of traditional electronics leads to the birth of flexible electronics. In this regard, transfer printing technology has drawn great interest throughout the world due to its capability to go beyond the limits of conventional CMOS manufacturing such as high temperature and harsh chemical etching. Transfer printing allows micro and nano-sized devices to be deterministically assembled, allowing material grades to be heterogeneously integrated into the desired functional layout. Not only does it offer the same performance as traditional wafer-based devices, but it also creates engineering opportunities in the field of flexible and flexible inorganic electronics. To date, various methods have been proposed for transfer printing techniques, such as micro-contact printing with elastomeric stamps, laser ablation transfer, electro-static/-magnetic transfer, fluidic self-assembly, and stress layer exfoliation transfer. However, none of these methods have completely solved some serious drawbacks such as fast processing time, misalignment, chip damage, complicated fabrication methods and expensive cost. Therefore, in order to solve the enemies mentioned above, a new type of transfer printing method must be developedTo solve above mentioned limitations, we suggest vacuum transfer printing to integrate microchips on deformable substrates for the future wearable electronics. The pressure difference can generate suction force that reaches a pressure of up to 1 atm, so it can be applied to the transfer printing process with simple vacuum controllable system. By only utilizing the pressure based force, the microchips are not physically or electrically damaged during the transfer printing process. In the following paragraphs, the manufacturing method for vacuum transfer printing module, the chip preparation method, and the result of the transfer process are mentioned.In Chapter 2, fabrication methods of vacuum transfer printing module are described with conventional photolithographic technique. To induce vacuum suction force directly on targeted microchips, micro channel paths connected to external pumping unit is the most crucial point in the vacuum module fabrication process. Also, the micro channel containing chamber structure need to maintain its’ original shape during pressure change process. To make the concrete channel structure, conventional Polydimethylsiloxane (PDMS) demolding process was carried out by using hard PDMS (h-PDMS). After demolding process, a thin glass containing micro hole array was attached H-PDMS where the concave channel pattern exists. Ring-shaped column patterns around each micro-holes are fabricated by a photolithography process to extend and protrude a portion that can generate suction force.Chapter 3 describes the fabrication of free-standing microchips supported by a single bridged structure. For easier and precise pick up procedure, the number of sustaining bridge structure needs to be small as possible. In order to achieve 100% yield free standing chips, etching depth and bridge width was optimized. Also, FEM simulation analysis was carried out to manifest vacuum suction force is large enough for selective pick up from the donor wafer.In Chapter 4, the result of vacuum transfer printing is represented with numerous scanning electron microscope (SEM) and optical images. To demonstrate versatility of vacuum transfer printing, disparate types, thickness, shapes, sizes, and processed microchips are integrated on a single substrate. Also microchips are transferred on diverse substrate such as Polyimide (PI), paper, and PDMS. The result clearly exhibits that heterogeneous integration is possible with the vacuum transfer technique. Finally, 10×10 μLED array and transistor array were successfully transferred on flexible substrate followed by thermo-compressive bonding procedure for the electrical/physical interconnection with the target substrate. The transferred μLED array showed no significant electrical/optical degradation compared to the epitaxial film on the GaAs as-grown wafer. Also, flexible transistor array was fabricated in the similar method as μLED array.
사물 인터넷 시대의 도래와 함께 가장 중요한 정보 처리 장치 중 하나 인 휴대용 전자 장치는 인간 생활에서 없어서는 안될 부분이되었습니다. 웨어러블 전자 장치는 옷과 통합되거나 피부에 직접 닿는 일종의 휴대용 전자 장치입니다. 통합 디자인을 통해 정보 처리가 더욱 편리 해지고 라이프 스타일이 크게 변할 것입니다. 늘어나는 소비자 수요에 부응하기위한 웨어러블 전자 기기 연구는 저항 할 수없는 트렌드가되었습니다. 전통적인 전자 제품은 주로 고체 평면 반도체 웨이퍼로 제조 된 집적 회로를 기반으로하며 주름진 옷이나 사람의 피부와 같이 불규칙하거나 부드럽거나 움직이는 물체에는 적합하지 않습니다. 전통적인 전자 장치의 딜레마는 유연한 전자 장치의 탄생으로 이어집니다.이와 관련하여 전사 인쇄 기술은 고온 및 거친 화학 에칭과 같은 기존 CMOS 제조의 한계를 뛰어 넘는 능력으로 인해 전 세계적으로 큰 관심을 끌었습니다. 전사 인쇄를 사용하면 마이크로 및 나노 크기 장치를 결정적으로 조립할 수 있으므로 재료 등급을 원하는 기능 레이아웃에 이질적으로 통합 할 수 있습니다. 기존 웨이퍼 기반 장치와 동일한 성능을 제공 할뿐만 아니라 유연하고 유연한 무기 전자 공학 분야에서 엔지니어링 기회를 창출합니다. 지금까지 엘라스토머 스탬프를 사용한 마이크로 접촉 인쇄, 레이저 절제 전사, 정전기 / 자기 전사, 유체 자기 조립 및 응력 층 박리 전사와 같은 전사 인쇄 기술을위한 다양한 방법이 제안되었습니다. 그러나 이러한 방법 중 어느 것도 빠른 처리 시간, 정렬 불량, 칩 손상, 복잡한 제조 방법 및 값 비싼 비용과 같은 심각한 단점을 완전히 해결하지 못했습니다. 따라서 위에서 언급 한 적들을 해결하기 위해서는 새로운 유형의 전사 인쇄 방법이 개발되어야합니다.위에서 언급 한 한계를 해결하기 위해 미래의 웨어러블 전자 장치를 위해 변형 가능한 기판에 마이크로 칩을 통합하는 진공 전사 인쇄를 제안합니다. 압력 차는 최대 1atm의 압력에 도달하는 흡입력을 생성 할 수 있으므로 간단한 진공 제어 시스템으로 전사 인쇄 공정에 적용 할 수 있습니다. 압력 기반 힘만을 활용함으로써 마이크로 칩은 전사 인쇄 과정에서 물리적 또는 전기적으로 손상되지 않습니다. 다음 단락에서는 진공 전사 인쇄 모듈의 제조 방법, 칩 준비 방법 및 전사 공정의 결과에 대해 언급합니다.2 장에서는 기존의 포토 리소그래피 기법으로 진공 전사 인쇄 모듈의 제조 방법을 설명합니다. 대상 마이크로 칩에 직접 진공 흡입력을 유도하기 위해 외부 펌핑 장치에 연결된 마이크로 채널 경로는 진공 모듈 제조 공정에서 가장 중요한 지점입니다. 또한 챔버 구조를 포함하는 마이크로 채널은 압력 변화 과정에서 원래의 모양을 유지해야합니다. 콘크리트 채널 구조를 만들기 위해 기존의 PDMS (Polydimethylsiloxane) 탈형 공정을 하드 PDMS (h-PDMS)를 사용하여 수행했습니다. 탈형 공정 후, 미세 구멍 배열을 포함하는 얇은 유리를 오목한 채널 패턴이있는 H-PDMS에 부착했습니다. 각 마이크로 홀 주변의 고리 모양의 기둥 패턴은 포토 리소그래피 공정으로 제작되어 흡입력을 생성 할 수있는 부분을 확장 및 돌출시킵니다.3 장에서는 단일 브리지 구조로 지원되는 독립형 마이크로 칩의 제조에 대해 설명합니다. 보다 쉽고 정확한 픽업 절차를 위해서는지지 교 구조의 수가 가능한 한 적어야합니다. 100 % 수율 프리 스탠딩 칩을 달성하기 위해 에칭 깊이와 브리지 폭이 최적화되었습니다. 또한 FEM 시뮬레이션 분석을 수행하여 진공 흡입력이 도너 웨이퍼에서 선택적으로 픽업 할 수있을만큼 충분히 큰지 확인했습니다.4 장에서는 진공 전사 인쇄의 결과가 수많은 주사 전자 현미경 (SEM)과 광학 이미지로 표현됩니다. 진공 전사 인쇄의 다양성을 입증하기 위해 이기종 유형, 두께, 모양, 크기 및 처리 된 마이크로 칩이 단일 기판에 통합되었습니다. 또한 마이크로 칩은 PI (Polyimide), 종이, PDMS 등 다양한 기판에 전달됩니다. 결과는 진공 이송 기술로 이종 통합이 가능하다는 것을 분명히 보여줍니다. 마지막으로, 10 x 10 μLED 어레이와 트랜지스터 어레이가 플렉시블 기판에 성공적으로 전송 된 후 대상 기판과의 전기 / 물리적 상호 연결을위한 열 압축 접합 절차가 이어졌습니다. 전송 된 μLED 어레이는 성장한 GaAs 웨이퍼의 에피 택셜 필름에 비해 전기 / 광학적 인 열화가 크게 나타나지 않았습니다. 또한 플렉서블 트랜지스터 어레이는 μLED 어레이와 유사한 방법으로 제작되었습니다.
