美國業者研發可實現高速電晶體的新式印刷製程

一種用於印刷可撓性金屬薄片基板(foil substrates)電路的矽墨水(silicon ink)最近問世；研發該產品的美國業者Kovio表示，這種能應用於薄膜電晶體(thin-film transistor，TFT)的環保矽墨水能實現多晶矽電晶體的性能，不過價格只有三分之一，且消耗的化學物和能源分別只有單晶矽的5%和25%。 Kovio並預期，到2008年採用這種矽墨水的RFID標籤開始量產時，其價格將從目前的15美分(cent)降到僅5美分。該公司執行長兼董事長Amir Mashkoori表示：「我們已研發出全球首顆全印刷式(all-printed)矽電晶體。我們的薄膜矽電晶體具備高遷移率(mobilities)，而且我們可生產用於CMOS電路的p類和n類兩種元件。」 「目前我們的設計規格是20微米(micron)，但我們的實驗室已研發出10微米方案。英特爾(Intel)的第一款微處理器只採用了2,000多個電晶體，而類似地，等明年年底我們的第一款RFID標籤元件開始量產時，將只使用大概不到1,000個電晶體。」Mashkoori補充。 低生產成本、高電子遷移率 Kovio目前正在興建自有晶圓廠，雖然晶圓廠內的溫度對塑膠基板來說太高了(這也是該公司採用不鏽鋼金屬薄片基版的原因)，但不需要單晶矽晶圓廠的昂貴處理設備和無塵室環境。矽墨水元件可在卷軸式(roll-to-roll)印刷設備上生產，而Kovio正打算透過這種方式來大幅降低RFID標籤和所有類似應用的可撓性電子元件之價格。 Mashkoori表示：「以資本的角度來看，我們能以大約1,000萬美元的資金興建一座印刷矽晶圓廠；而傳統矽晶圓廠則需要10億美元的資金。當然，隨著需求量的增加，我們會需要更多晶圓廠，但重點是成本小得多，而且我們的材料消耗量僅5%左右(基板費用是傳統的1%，生產週期則為傳統製程的3%)。」 透過比較發現，目前的單晶矽電晶體可實現高達每伏秒(volt secomd) 600平方公分(sq cm/Vs)的遷移性，而液晶顯示器等產品中所用的多晶矽電晶體遷移率僅約100 sq cm/Vs。可惜的是，單晶矽和全世界眾多實驗室曾發表的可印刷有機電晶體之間有太大的差距；有機電晶體的電子遷移率還不到1 sq cm/Vs。 不過Kovio的矽墨水的電子遷移率，號稱可達到和多晶矽相當的80 sq cm/Vs。值得一提的是，矽墨水可以製造夠快速的電晶體，以因應RFID與大多數電子介面協議的應用需求。 目前Kovio矽墨水的唯一對手，是Seiko Epson去年展開的一個研究計畫；該計畫採用了一種名為聚矽烷(polysilane)，含有氫(hydrogen)與矽(silicon)的矽烷(silane)聚合物，這種聚合物能在氮氣(nitrogenous atmosphere)中進行噴墨印刷，隨後以500℃高溫烘烤、並以準分子雷射退火(excimer-laser annealing)。 可惜Seiko Epson方案用來製作噴墨電晶體時的電子遷移率只有6.8 sq cm/Vs，對於RFID應用來說太慢了，而且比Kovio方案80 sq cm/Vs的電子遷移率水準慢了幾乎12倍。 Kovio業務開發副總裁Vik Pavate表示：「我們的方案在電子活動性上確實比單晶矽慢，但已經比目前所有的有機和可印刷矽電路要快了。最重要的是，我們的可印刷矽遷移率速度已經足夠RFID應用所需；事實上，我們的RFID標籤速度已經超越了HF (13.56MHz高頻)和UHF (900 MHz超高頻)頻段的規格要求。」 具環保概念 這種矽墨水原來是美國麻省理工學院(MIT)教授Joe Jacobso，以及他的學生Colin Bulthaup的發明 ──Jacobso亦是Kovio在2001年脫離MIT獨立的共同創辦人之一。Kovio的矽墨水除了具有足夠的速度，可輕鬆整合與現有RFID架構整合之外，還比單晶矽環保。 該款矽墨水採用附加模式(additive approach)生產，也就是所消耗的材料會完全融入電路構造中。而傳統的矽製程都是採用逆反法(opposite)或消減(subtractive)法，即將材料鋪滿整片晶圓，然後蝕刻掉不用的材料，讓大部份材料都成了廢棄物。Pavate表示：「我們所採用的方法無論是在成本還是資源保存上都更經濟。」 由於電路已經被Kovio的製程印刷到可撓性基板上，它可以透過連續卷軸式印刷設備附加到一個RFID標籤的天線上，而不需要透過製作單晶矽RFID標籤的昂貴拾放式(pick-and-place)半導體晶片處理設備。 Kovio已經為該技術申請了超過86項專利，目前已取得12項，使其透過矽墨水印刷式電晶體實現多晶矽電晶體性能的製程，在知識產權上得到了保護。Kovio還將其製程的一部份保留為商業秘密，以維持競爭優勢，同時讓其它公司很難對其製程進行反向工程。 目前Kovio已有包括日本業務用印表機供應商Toppan Forms，以及公共交通工具自動收費系統設備業者Cubic Transportation Systems兩家客戶；這兩家公司都已與Kovio簽署共同開發與供應協議。。 Kovio目前有31名員工，其中22名是工程師，並有數位投資者，包括大型風險資本公司Kleiner Perkins Caufield & Byers，以及松下(Panasonic)等業界大廠。 (R. Colin Johnson) 參考原文：Silicon circuits made ink-jet printable 原文網址: http://www.eetimes.com/showArticle.jhtml?articleID=202805929 資料來源: eetTaiwan 2007/11/30