第一章 緒論
1.1 研究背景
第一章 緒論
1.1 研究背景
科技不斷進步，日新月異的科學技術，生活水準的提升，人們對物質生活的 要求也越來越高，對於各種電子產品的要求，除了頇具備以往的輕薄短小等特性 之外，更要求人性化與便利性。因此薄膜相關技術以及可撓式元件的開發更是當 代科技發展的主要目標(參見圖 1-1)，像是近年來各大廠商的通訊產品，PDA、LCD 或是 3C 產品的整合、生醫技術的應用等等，即是為了滿足這種需求的條件下所產 生，如此趨勢促成電子產業蓬勃發展[1][2][3][4]。
圖 1-1 可撓式矩陣電路[1]
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矽電子在現今是非常重要的產業，因為矽微加工技術具有無與倫比的性能，
包括了成本及產量的優點，但由於矽質地較為脆，無法用於許多醫療及電子應用，
大多數生物器官本質上為不規則形狀，因此醫療電子供植入主機的功能，如眼球 及耳朵，因此對於低成本，簡單的解決方案為使用朔料作為基材和在有機材料上 製作靈活可彎曲的電子產品，這項技術基本的挑戰為精密且靈活的矽電子元件電 子遷移率與預算的帄衡，這兩個挑戰阻礙了矽電子元件的發展潛力，G. A. Torres Sevilla 研究團隊利用 SO I 基板製作透明且可彎曲的矽電子元件，圖 1-2 為靈活及 透光之電子元件，(a) 2 cm × 1.5 cm 厚度為 18m 單晶矽生醫薄膜，(b) 矽薄膜因凡 得瓦爾力貼附在塑料棒上，(c) 矽薄膜可服貼在手指上代表生穿戴醫療電子的潛力，
(d)(e) 矽薄膜可以貼在光源上讓當作濾光器，用途可為手腕皮膚能量收集、極端的 彎曲角度因凡德瓦力圍繞著朔料原子筆而不破裂、濾光元件，除了彎曲，耐久性、
元件的壽命也是研發的重點之一[5][6]。
圖 1-2 為矽薄膜之生醫應用[5]
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德克薩斯大學的 Nanshu Lu 等人，對超薄生醫技術貢獻良多，圖 1-3 為矽最大 允許彎曲曲率及其厚度之關係圖，膜厚從毫米到奈米如此多數量級的變化，曲率 也提高了五個數量級，厚度為 100 奈米的矽薄膜可以輕易的拱到折疊且不會破裂，
圖 1-4 為超薄矽的生醫應用，可用於人體不同部位並展現優異的可撓性能[7]。
圖 1-3 矽最大允許彎曲曲率及其厚度之關係圖[7]
圖 1-4 超薄前額表皮電子系統及可穿戴式、貼合手指的電觸覺電路[7]
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而光電檢測器是大多數光電應用中不可缺少的組成部分之一，尤其是光信號 轉換成電信號的能力，與著名 III- V 族化合物的光電檢測器相比，矽（Si）光電檢 測器可以很容易地用傳統的互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術，而這兼容性解 釋了為什麼矽光子學更是吸引近幾年越來越多的學者研究，雖然近年來金屬氧化 物半導體場效電晶體(MOSFET)表現出優異的光感測能力，具有高光敏性和響應的 優點，但缺點仍然存在諸如有限光感測區及通過柵電極的光阻擋結構的限制，更 重要的是，這些 Device 已經建立在剛性基片上，使得它難以操作光檢測器的物理 形狀，同時保持高性能以及機械的靈活性是設計薄膜電晶體的重要目標，在薄膜 轉移的技術上，p–i–n photodiodes、thin- film transistors and solar cells 都可以證實 這些元件具有彎曲和拉伸特性以及俱備優良的電學和光學特性，Jung-Hun Seo 團 隊將光電晶體管轉移到矽奈米薄膜上，並在可彎曲下保有其性能，總體而言，靈 活的薄膜電晶體具備高靈敏度光電探測的功能(參見圖 1-5)，彎曲條件下的穩定性 能提供了高性能和靈活的光檢測電位[8]。
圖 1-5 轉移到可撓式基板上的薄膜電晶體[8]
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而相對以往的矽半導體產業，超薄矽有了更多的應用及技術開發，包括了新 型的電子型態、生物技術及能源等，Shuang Wang 等人利用蝕刻大面積的矽基板製 作，超薄矽具有優異的機械柔軟性及可彎曲，更可以用剪刀切割、鑷子處理、旋 轉塗佈、摻雜、沉積、乾濕蝕刻及退火(參見圖 1-6)，證明了超薄矽材料有趣的 特性與令人興奮的應用以及利用不同厚度的矽薄膜對應不同波長的吸收深 度，顏色隨著膜厚增加逐漸變深，由於光吸收不足，當矽薄膜被厚度降至 1.6 微米，光吸收深度為波長為 552 奈米亮黃色光，而矽薄膜厚度增加為 10.7 微米時，透過的光為深紅色，因為黃光被吸收，薄膜厚度相當於波長為 789 奈米吸收深度(參見圖 1-7)，不同的厚度對應不同的吸收深度[9]。
圖 1-6 矽薄膜可用來做各種製成加工[9]
圖 1-7 不同厚度的矽對應的透光顏色[9]
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Sumeet Walia 等人，則是致力開發光學超材料的靈活及彈性，對機械靈活性及 電效能中做最佳帄衡，圖 1-8 為使用微加工技術的可撓式超材料基板，圖 1-9 為先 進的 3D 製造技術製造的可撓式超材料微結構，如壓印及光蝕刻技術，但對於挑戰 複雜性結構及薄膜轉移，超材料還有很大的進步空間[10]。
圖 1-8 可撓式超材料基板[10]
圖 1-9 (a)獨立的三微結構，(b)聚酰亞胺基板定義的超材料[10]
7 最主要的方法還是利用絕緣層上覆矽(Silicon On Insulator, SOI)結構為基底，選擇 其絕緣層為蝕刻犧牲層，將其上層奈米矽薄膜掀離，此一製程稱為磊晶層剝離技 術(epitaxial lift-off, ELO) [11][12][13]。
目前二氧化矽的 ELO 幾乎僅能依靠溼蝕刻技術，蝕刻是以化學藥品與材料產