軟性、印刷且有機的電子產品(flexible, printed, and organic electronics, FPOE)開發商，在進行實際的量產作業時遭遇重大的挑戰。塗佈與沈積製程扮演了重要的角色，不論該項技術是用來沈積較傳統的薄膜或是新型奈米尺寸的功能化墨水膜。
在軟性基板上替例如智慧卡、射頻識別(RFID)標籤以及其他相對簡單的電子元件列印出數位迷你顯示器是一回事；但是開發，乃至於最終要生產出整合式、低功率、全彩的軟性顯示模組、塑膠記憶體、邏輯線路，以及其他更複雜的元件時，可就不是一件簡單的任務了。生產的方式有許多種，從捲筒到捲筒(roll-to-roll)的方式到批次式/片式的工具組；操作環境可分為在真空中或大氣條件下進行，以及是要升溫或是大氣溫度即可；基板材料可選用塑膠、不銹鋼薄片，甚至是紙；製程設備可採用類似半導體工業的設備，或是採用經過改造的印刷設備。
無論採用哪一種製造方法，軟性、印刷、有機電子產品(FPOE)的開發商和製造商在投入實際的大量生產時都面臨重大的挑戰，並且意識到這是一個價值數十億美元的市場，而分析師對於這個市場規模的預測還在不斷地提高。正如其他的薄膜製造業一樣，塗佈與沉積技術在FPOE元件製造過程中扮演十分重要的角色，不論這些製造技術是採用CVD、PVD或是噴霧式設備、或者與噴墨頭結合、或是其他影像技術以沈積出奈米級的功能性墨水層。
軟性顯示器的展望
在位於亞利桑那州立大學的軟性顯示器中心裡，學術界、政府單位以及工業界的研究夥伴正在開發可量產的高資訊容量軟性顯示器，而他們遇到的是一個既困難又複雜的挑戰矩陣(matrix)。從2005年初該中心啟用至今，他們已經取得長足的研發進展。多種類型的材料已經開發成功並且整合在一起，另外，他們的低溫非晶矽(a-Si)TFT引導線製程已經獲得很高的穩定性。該中心的營運處長Shawn O’Rourke談到軟性顯示器領域在塗佈與沉積技術方面所面臨的挑戰：
“你所採用的架構與製程溫度對製程缺陷的程度以及所沉積材料的性能具有十分重要的影響性。我們看到以我們現有的黏合/去黏合(bond/debond)方法，黏結劑對溫度的變化是穩定的，而PEN塑膠基板會隨溫度變化而出現變形，還有薄膜沉積是在較低的溫度下進行。你必須針對這些狀況去開發新的製作方法，因為薄膜的階梯覆蓋效果可能不夠理想，所以最後總體的結果可能是高缺陷率、低良率以及元件性能不佳等問題。”
圖一：Aveso 使用印刷電子技術和電致變色墨水所製作的可塑性顯示器
一個更屬於全球性的挑戰是開發黏結劑，我們中心已經對此展開研究。我們開發的黏結劑可以將不銹鋼薄片黏結到載體基板上，在整間工廠裡的裝卸(handling)成功率是100%，可以說是非常成功。在6吋生產線上我們使用Rite-Track提供的標準型碗式塗佈機；在二代線上，我們正評估EVG噴霧式黏結劑塗佈系統。除了黏結劑之外，另一個挑戰是在要較低的溫度下(180°C到185°C)沈積出高品質的元件薄膜，並且要獲得一個穩定的、高性能的製程來製作驅動多個不同種類的光電元件的晶體管。”
Polymer Vision在位於英國南安普頓的工廠中已經生產了“數以千計”的可捲曲電子紙顯示器模組。他們所使用的混合式半導體製程，採用該公司在荷蘭Eindhoven研發團隊所開發完成的載體基板方案。根據技術長Edzer Huitema的說法，“毫無疑問，最關鍵的薄膜層是介質層與半導體層”，“兩者都是有機物質，都從溶液中取出再經過微影製程形成圖案。這二層薄膜的關鍵之處是具有良好均勻性以及非常低的缺陷率。”
工程人員認為Polymer Vision的低溫度預算是他們技術上的一大優勢。“這使得在薄塑膠基板上(25微米)進行製程時不會產生定位(registration)問題。我們產品的特徵尺寸是5微米，在整個顯示區域的定位精度優於1微米。我們更改了大多數的關鍵介質層與半導體層的材料，因此將所有PECVD步驟改為旋轉塗佈(或噴霧塗佈)步驟。更改這些材料的主要目的是為了達成低溫製程的要求，以及所使用的材料能夠承受更高的應力(機械的柔軟度)。至於避免使用到PECVD則是額外的收穫。”
印刷電子的前景
在追求更低的製造成本與設備成本、更高的生產率以及更大面積的製程能力的過程中，許多公司已經透過凹版印刷(gravure)、軟性印刷(flexographic)或其他平移印刷技術來沉積奈米顆粒的墨水，進而在製造印刷式元件上取得了顯著的進步。雖然許多困難的挑戰還是存在，好比摩托羅拉印刷電子部門的處長Dan Gamota所說的：“關鍵的挑戰是在高生產率(不是每天印多少英吋而是每分鐘能印多少英尺)下印刷的定位精度和印刷的解析度，以及基板的溫度穩定性(熱膨脹係數、熱模量、玻璃化轉換溫度Tg等)。有機材料通常比較容易用溶液式的製程來進行，但是會受到濕氣影響以及有暴露在空氣中的穩定性問題。無機材料則需要在高溫環境下製作，因此需要Tg材料。
Gamota還指出一些成功的研究成果以及可以改進的領域，特別是在生產設備的基礎項目方面。“在2003年，摩托羅拉以傳統印刷設備平臺印出超過3英里的環形振盪器。自那以後，我們與印刷設備供應商共同合作把圖形的解析度降低到50微米以下(目標是5微米)，把定位參數縮小到75微米以下(目標是1微米)。”
為了達到這些尺寸上的要求，我們需要更多的設備供應商來加入開發新的印刷平臺、即時和離線的測試設備/軟體、解析度更微細的印刷耗材，例如凹版印刷圓柱和軟性印刷板等。最有前景的製造平臺將是結合了軟性印刷單元與凹版印刷單元的自然化模組平臺(modular in nature)。今日，只有非常少的組合平臺可供使用。我們正聯合內部的力量與外部的客戶一起開發原型產品和觀念。”
對於印刷電子中的R2R製程而言，什麼才是Gamota認為理想的交鑰匙式(turnkey)設備解決方案？“交鑰匙式(turnkey)的設備系統必須在合理的產量下仍具有可接受的分辨率，以提供足夠的經濟規模效益以將此技術與產品商業化。必須在新設備的開發上進行投資，開發出符合印刷電子墨水以及設計特徵要求的設備。目前還缺乏即時的製程控制工具，以及在製程結束端，大量線路(印刷積體電路)與產品所需要的量測設備。”
圖二：製程工程師將玻璃面板送入應用材料公司製造的AKT 1600，五腔室集叢式設備中。該設備是設計在無需破壞真空情況下就可以進行薄膜電晶體(TFT)的薄膜沉積和蝕刻製程。(感謝亞利桑那州立大學軟性顯示器中心提供)
智慧卡的印刷技術
Aveso是一家從Dow Chemical分離出來的公司，他們已經使用大部分屬於印刷電子技術的方式來製造產品。該公司的總裁及執行長Dennis Brestovansky提到他們公司用來製造塑膠顯示模組的製程可用於下一代智慧型信用卡以及其他產品中。“我們的顯示器包含有一層具有專利權的電致變色(electrochromic)“墨水”，夾在一層導電背板與一層透明導電頂板(塗佈ITO的聚酯片)之間。生產顯示器所需要的製程、材料與印刷能力，與用於印刷電子元件時的需求幾乎相同，例如都使用到電致發光(electroluminescent)燈和薄膜開關。”
公司使用標準的印刷技術來沉積墨水。對於像是Primero 6/7模組這樣的產品，我們使用單片式饋送製程。各種薄層可用網版(screen)印刷、模版(stencil)印刷、分散法或層壓法來形成。典型元件裡墨水厚度小於100微米。除了模版印刷法，也可藉由凹版印刷與軟性印刷法將墨水印在”捲筒到捲筒”製程中”
Brestovansky提到，如同半導體業和平面顯示業一樣，降低缺陷率、控制製程、提高良率等要求對Aveso的印刷顯示器的製造也是非常重要。“如同往常，良率是決定成本的關鍵要素。對我們而言，我們過去所克服的最重要的挑戰是能夠無暇地印出連續的、無空洞的電致變色材料層，並保證在之後的層壓製程中能與頂部電極和底部電極有良好的電性接觸。上述的層壓製程是在墨水沉積後用來密封和黏合元件的有效層(active layer)。”
圖三：Azores公司的5200步進式曝光機可以對軟性基板上的影像失真進行自動補償。(感謝亞利桑那州立大學軟性顯示器中心提供)
來自太陽能產業的經驗
複雜的捲筒到捲筒式製程在薄膜太陽能產業中相對較為成熟。PowerFilm和Uni-Solar/ECD已經製造出以公里計的單接面或多接面a-Si軟性太陽能電池與模組，而這兩家公司正將他們在這方面的經驗用於FPOE的開發項目中。
在開始進行a-Si TFT真空沉積製程時，PowerFilm所擁有的18年經驗帶給我們極為有利的優勢”，Carl Taussig如是說。他是惠普HP與此太陽能公司共同合作開發案的項目經理，該R2R製程開發合作案是計畫在塑膠基板上，以電漿製程與自我對準壓印微影技術(self-aligned imprint lithography, SAIL)製造出主動-矩陣(active-matrix)電泳顯示器背板。“然而以SAIL技術製造的TFT，它所需要符合的要求中有些是與製作太陽能電池不同的。例如TFT無法容忍百萬歐姆(mega-ohm)的並聯缺陷，然而這對於太陽能元件而言並不是問題。同樣的，R2R壓印製程所能容忍的微粒污染遠低於太陽能元件所能接受的範圍。”
PowerFilm已建造出一座鼓式塗佈設備，藉由消除滑移接觸而大幅降低微粒污染。在不到6個月的時間內，他們實機操作此一設備並且沉積出了第一個具有功能的TFT。R2R壓印製程對UV固化聚合物的塗佈均勻性要求極高，這需要採用高精度的凹版印刷塗佈製程，以及對大量的關鍵製程參數進行即時測量。在這方面，我們在一個100公釐(mm)的網上能控制均勻度在約100奈米附近。”
由於惠普HP製程和許多其他的製程一樣是一個真空與非真空環境互相混合的製程，所以Taussig團隊面臨著如何將製程步驟在大氣環境下和真空環境下進行“換手”的動作。“塑膠基板具有吸濕性。雖然SAIL製程沒有對準的問題，但基板膨脹過大會導致薄膜疊層的分離。這並不是一個大問題，我們已經開發出一個在濕式製程中以“浸入時間×溫度”的預算值方法來控制這個問題。在進行真空製程前，尤其是在進行TFT薄膜疊層的初始層沉積之前，將基板徹底地乾燥化是十分重要的步驟。在PECVD系統中，水的分壓也會影響到元件的性能。”
雖然對於在軟性基板上的R2R製程，微影製程仍然是一大挑戰，但是CVD和PVD製程在Uni-Solar/ECD的300英尺長的連續饋送式生產線上卻是”相當直覺”的設計。根據 Uni-Solar資深科學家Vincent Cannella的說法，“我們在軟性基板上進行沉積製程已有20多年，也處理過多層、三重接面的太陽能電池，其中包含9個有效層、總厚度約為1微米，我們在製程控制上掌握得很好。依據我們所處的優勢地位，無論是使用濺鍍還是PECVD製程，我們實在不認為在大量沉積製程時會有控制上的問題。”
Uni-Solar同樣也已經找到了之前所提，在大氣和真空環境間進行“換手”問題的解決方法。這個方法一部份是受益於一個具有專利權的空氣與真空之間的氣體壓力計。“我們與另一家公司合作開發了一套新的製程，首先是在空氣中進行濕式塗佈，然後在高真空下進行金屬沉積，接著再從真空回到空氣中進行層壓製程”，Cannella解釋說 “該製程中，基板材料的上表面，即有效作用面，在層壓成膜之前將不會與其他材料發生任何接觸。”
需要重申的是，我們並沒有將上述的這些問題視作大麻煩，”他總結道，“我們認為現在已經有了解決這些問題的方法。”SST-AP/Taiwan