利用卷筒狀塑膠基板與印刷技術，直接將矽半導體或是金屬材料，如同印刷報張雜誌般，製作類似厚度只有0.6mm的液晶顯示器、1/10重量的太陽光電板，以及如同衣服般柔軟的感測器等電子產品，如(圖一)，進而取代傳統真空、濺鍍、光阻、蝕刻等製程，亦即所謂的「次世代科技－電子元件印刷技術」，最近幾年成為全球囑目的焦點。利用上述全新的製作觀念製成的電子產品，具有輕薄、可撓曲，以及低單位面積製作成本、可大型化等特點，未來甚至可應用於非揮發性記憶體，與高頻無線tag等領域，如(圖二)，因此國外各大公司相繼加入研發行列，有鑑於此本文將介紹電子元件印刷技術的最新發展動向。

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印刷技術發展經緯

如(圖三)所示利用印刷方式製作電子元件，主要理由是它可以大幅改變傳統技術的製作方法與使用的材料，尤其是材料的改變更可獲得單位面積的製作成本，與輕巧薄型化雙重效益，如(圖四)。

製程上的變革有兩項，分別是電路pattern的製造方式的改變與基板結構的改變。第一項是利用半導體或是金屬材料，在基板上直接描繪電路亦即「直接描繪技術」；另一項是基板結構改變，它是改採長達數百公尺卷筒狀基板，利用所謂的role to role方式，以連續複數製程完成元件的製作。

傳統電子元件的製作為了形成電路pattern，必需使用非常複雜的製程技術，通常會先在基板上製作由半導體或是金屬構成的電路膜層，接著在膜層上描繪電路應用範圍，最後再刻繪成電路，整個過程如同先將紙張表面塗黑，再逐一去除文字以外的黑色部位。

《圖二　印刷技術製作電子元件的特點》

為了達成上述目的，電子元件的場合必需使用高單價，且體積龐大的真空設備，相較之下直接描繪方法有如直接描繪文字，它可以利用轉寫手段描繪出電路pattern，使得傳統濺鍍、光罩、蝕刻三個工程被簡化成一個，而且製作過程可在大氣環境下完成，不需使用任何高單價真空設備。除此之外傳統製程的基板處理所需的over head非常大，主要原因是製程上使用切割狀的基板，因此必需設置各工程之間的基板搬移，以及基板的進出空間。

role to role方式的基板則是在各設備之間連續移動，加上製作設備被連成一體，所以空間以及基板搬送等問題都可獲得徹底解決，如果合併使用role to role與直接描繪兩技術時，更可以大幅簡化繁瑣的程序與設備投資並提高量產性。

有關印刷技術的單位面積製作成本，雖然會隨著元件的種類與量產規模而異，根據初步試算結果顯示，例如以印刷電路為例，合併使用role to role與直接描繪技術，可使製作成本降至1/3以下，若是製作液晶顯示器與LSI的場合，製作成本可望壓縮至千分之一甚至萬分之一以下。

《圖三　利用印刷技術製作電子元件的優點》

值得一提的是利用次世代印刷技術是製作電子元件時，基於輕薄可撓曲等訴求，傳統的半導體、導線與基板使用的材料必需改變，例如玻璃、半導體基板會變成塑膠基板，半導體與導線則變成有機半導體與金屬微粒子。尤其塑膠基板的厚度比矽半導體基板與玻璃基板少一位數，比重只有一半左右，因此製成的電子元件非常輕巧。

東京大學利用塑膠基板與有機半導體試作的壓力感測器，即使捲繞於鉛筆上亦無破損之虞、此外飛利浦即將量產的電子紙，安全撓曲曲率半徑更高達2cm。

未來發展動向

如上所述印刷技術製作電子元件具有許多優點，不過反面是距離實用化仍有幾項障礙（hurdle）有待克服，因此部份廠商計劃先建立關鍵技術，日後再與周邊技術整合，事實上即使是部份印刷技術，已經對廠商產生實質助益。富士電機將太陽光電板與TRADIM（次世代可攜式顯示用材料技術研究小組），將液晶顯示器用的role to role技術列為最優先研發項目，有機半導體的直接描繪技術更被列為前瞻研究範疇；Albac、Epson、大日本印刷等公司，則是全力投入直接描繪技術實用化的研究。

不論是「role to role」方式或是「直接描繪方式」，兩者面臨最大問題是如何建立高頻電晶體的製作技術。計劃採用role to role方式的廠商，試圖利用真空製膜技術解決上述問題；採用直接描繪方式的廠商，則以各別塑膠基板提高性能的手法因應，不過以上兩者卻不約而同計劃以製作上比較容易的簡易matrix type EL有機顯示器、太陽光電板、電子紙作起始，再逐步朝結構複雜的高速電子元件，以及液晶顯示器方向發展。

雖然role to role方式未來可應用於電晶體的製作，不過目前TFT電路仍以矽半導體電晶體為主，一般認為未來液晶顯示器相關元件，可望全部利用role to role方式貼合製成，只有彩色濾光膜片（color filter）基於製程上受限於真空設備，因此只能使用直接描繪技術製作。

液晶顯示器的TFT電路若在大氣環境下，利用直接描繪技術製作，必需使用載子（carrier）移動度極高的有機半導體，不過目前尚未發現可以滿足所有性能要求的材料，因此Tradin改用其它方式，具體方法是在塑膠基板上製作矽膜層，然而實際上卷筒狀塑膠基板並無法承受長膜時的高溫，因此具備250度耐高溫塑膠基板問世之前，Tradin計劃開發新技術，將玻璃基板上形成的TFT電路膜層，依照(圖五)所示黏貼於塑膠基板，包含反射膜與配向膜在TFT電路膜層的總候度約為0.2mm左右。不過上述黏貼替代方案只是過渡期技術，最終目標是TFT液晶顯示器全部利用印刷技術製作。

《圖四　利用印刷技術製作液晶顯示器》

利用印刷技術製作電子元件主要得力於材料與加工技術的進步，其中又以加工技術最顯著，因此製作各種顯示器、太陽光電板、無線tag所需的高精度直接描繪技術幾乎非常完備。製作如此電子元件所需的最小加工尺寸，以電晶體為例5μm配線部份的最小加工尺寸大約是20μm。目前有機半導體與金屬微粒子直接描繪方法可分成四種，不過實際上滿足(表一)條件的技術卻遠超過上述四種。

在塑膠基板上製作有機電晶體時，材料塗佈於基板表面不可施加壓力，因為反覆塗佈複數的電極與半導體材料，若殘留應力會造成電晶體的品質劣化，這意味著符合此條件的製作方法將受到限制；此外噴墨技術（ink jet）與網版印刷以及凹版（gravure）印刷技術，相異層間的位置偏異也一直受到質疑與爭議。

《圖五　TFT膜層黏貼於塑膠基板的製作原理》

噴墨方式可根據CAD資料直接描繪pattern，由於無網版問題因此非常適合少量多樣生產；網版印刷以及凹版印刷技術有製作原版的困擾，不過反面是所有電路pattern可利用原版一次完成，因此具有極高的量產效益。除此之外也可以利用模版壓製方式，製作10μm以下的pattern線寬，亦即所謂的「Imprint技術」最近備受相關業者高度囑目，不過Imprint技術程上基板會殘留應力，所以不適合電晶體（transistor）的製作，比較適合應用於印刷電路板嶼電子元件的佈線等領域。Imprint技術可獲得與原版幾乎一致的pattern，一般認為佈線寬度可望低於10μm，事實上最小加工尺寸70nm的製作設備，已經進入商品化階段（圖六）。

《圖六　利用Imprint技術製作的寬70nm pattern外觀》

利用印刷技術在基板製作電子元件是否能實用化，取決於有機半導體與微粒子材料技術的進展，尤其是動作頻率高達MHz電晶體的有機半導體材料的開發，更是具有決定性的影響。

雖然部份廠商嘗試利用有機半導體材料在塑膠基本上製作二極體、電阻與電容等各別獨立電子元件，不過有機電晶體的動作頻率非常低，因此利用以上方式製成的電子元件即使組成電路(圖七)，往往無法獲得預期效果，嚴重時甚至不會動作。

目前利用有機半導體與直接描繪技術製成的電晶體，動作頻率大約是100kHz，雖然電晶體的動作頻率隨著用途有極大差異，不過基本上未來必需提高一位數以上。

《圖七　利用有機材料製成的電子元件》

2003年12月美國3M曾公開表示有機電晶體可作1MHz的動作，這意味著未來非結晶矽(amorphous silicon)主動式液晶顯示器、有機EL顯示器，以及電子紙甚至矽基板製成的125kHz、530kHz無線tag，都將成為有機電晶體的應用範圍，如(圖八)。

不過，目前使用的有機電晶體是利用真空設備製成，因此無法應用直接描繪技術加工，所幸的是最近五年有機半導體的載子移動度提高二位數左右，2005年已可利用直接描繪技術製作動作頻率為1MHz的有機電晶體。

《圖八　有機半導體可望取代所有傳統矽半導體電子元件》

有關佈線用金屬微粒子的發展，已經在各種用途上達到實用化水準，因此直接描繪加工技術可選擇的範圍更加寬裕，以往直接描繪大多使用Ag金屬微粒子，2004年出現的Cu金屬微粒子加入，使得流通電流的印刷電路板受益最大。

因為Ag金屬微粒子即極造成電子遷移（electro migration）與斷線，因此不適合大電流用途，如果改用Cu金屬微粒子除了可以解決上述問題之外，更可當作各種電子元件的配線，徹底杜絕斷線困擾。

利用Cu金屬微粒子製作印刷電路板的佈線時，由於電路基板必需加熱至250℃～300℃，因此無法合併使用「直接描繪加工技術」與「role to role加工技術」，因為如此高溫塑膠基板會遭到破壞無法使用，如果Ag與Cu金屬微粒子的加工溫度不超過200℃，基本上可以融著於塑膠基板表面，因此未來必需開發低溫Cu金屬微粒子。

《圖九　利用金屬微粒子製作印刷電路板的佈線pattern》

結語

隨著科技的進步小型、輕巧、可撓曲已經成為電子產品的專有名詞，這意味著傳統的電子元件加工技術與觀念即將面臨革命，今後類似印刷技術製作電子元件新技術會陸續問世。