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我們正處在一個不斷進步和突破的時代，眼下人們習慣使用的手機、筆記本電腦、電視等大多采用基于薄膜晶體管驅動的液晶顯示器(TFT-LCD)。針對TFT技術，金屬氧化物TFT已經吸引了國內外眾多面板制造商的關注，并有望“走出”實驗室“邁向”市場。金屬氧化物 TFT具有遷移率高，亞閾值陡，關態泄漏電流低，以及制備工藝靈活等優點。
傳統TFT鍍膜工藝通常采用以濺射為代表的物理氣相淀積（PVD）法和等離子體化學氣相淀積（PECVD）法，這些技術需要在高真空下進行，具有高成本、高污染、高能耗的缺點。另一方面，基于光刻技術的傳統微加工工藝雖能提供非常精細的圖形加工能力，但是，設備成本非常高，耗材嚴重，且套刻偏差不利于實現柔性TFT的制備。因此，無掩膜和非真空工藝已成為人們積極開展的研究方向。
那么是否存在這樣的加工技術，它能夠結合非真空工藝實現低成本，用材少的目標。隨著人們對TFT制造技術的不斷探索，印刷電子技術應運而生。
顧名思義，印刷電子技術是將電子材料配成流動性的墨水，像印刷報紙那樣采用印刷的方法大批量地制備各種電子元器件,這無疑要比傳統的方法經濟得多。圖1將印刷技術與傳統光刻技術進行了比較。從圖中可以看到，印刷技術采用按需滴液的方式，直接形成圖形化的薄膜，這種加成法的工藝與減成法的光刻技術相比，在節省材料的同時能夠大大簡化工藝步驟，減少污染，降低成本。
其中，針對金屬氧化物TFT而言，用于在襯底上形成氧化物半導體薄膜的墨水可分為兩大類，分別是溶膠-凝膠（sol-gel）型墨水和納米顆粒型墨水。前者通常是將金屬鹽作為前體溶解在溶劑中得到，后者通常是金屬氧化物納米顆粒在一定條件下均勻分散于溶劑中形成。采用溶膠-凝膠型墨水形成薄膜時，金屬鹽溶液需要進行縮合化學反應，并經過干燥、燒結固化形成金屬氧化物半導體薄膜。納米顆粒型墨水的成膜過程也需要通過高溫使有機溶劑等雜質充分揮發去除，但與溶膠-凝膠相比，納米顆粒可以在相對較低的溫度進行燒結，具有低溫制備的潛力，且納米顆粒型墨水比較穩定。
但是其弊端在于形成的薄膜比較粗糙，納米顆粒間的孔隙和有機殘留物阻礙電子傳輸，導致薄膜具有較低的遷移率和較高的電阻。需要說明的是，墨水就是可印刷的溶液，而這種由溶液經過固化成膜的方法通常被稱為溶液法。與濺射的氧化物半導體薄膜相比，采用非真空溶液法制備氧化物半導體薄膜除了低成本的優勢，還能簡單方便地調整各個溶液的配比，從而更加靈活地改變金屬氧化物中各元素所占的百分比。但是，溶液法制備氧化物TFT尚不成熟，器件的性能有待進一步提高。
此外，隨著顯示技術的蓬勃發展，消費者對于有創造力的產品設計元素越來越看重，柔性顯示能夠打破目前顯示屏平整單一的外觀，如圖2（a）所示，其可彎曲的特性將給生產商帶來更多設計的靈感，從而出現更多的新產品，比如更加貼合手腕的智能手環，更加輕薄的可穿戴設備，如圖2（b）所示，給人們的佩戴帶來更加輕便的體驗，外觀更加時尚的智能手機等。與卷對卷工藝（Roll to Roll）無縫對接的印刷技術在柔性顯示方面具有得天獨厚的優勢，因此，印刷技術的應用前景廣闊，有望在制造柔性電子器件方面大放異彩，促進柔性顯示的發展。圖3給出了采用柔性襯底的卷對卷工藝示意圖。
雖然基于溶液法的印刷技術具有直接圖形化，節省材料，和非真空等許多優點，很有希望取代傳統的鍍膜工藝（PVD、PECVD等）和光刻工藝, 擺脫昂貴復雜的真空技術。但相較于光刻工藝，當前的印刷工藝所能做到的最小線寬在微米量級，暫無法實現亞微米級的精細圖形加工能力。
需要克服的技術難點包括：墨滴成膜形態的控制，墨水的選擇，套印精度和圖案的均勻性等。
此外，在未來研究工作中需要關注的重點還包括：開發更加先進的印刷設備，從而保證墨滴在大面積襯底上能夠穩定噴涂；針對采用柔性襯底的連續卷對卷印刷工藝研制出更加合適的噴頭。相較于在高真空下沉積的薄膜，溶液法制備的薄膜通常不夠致密均勻，且制備過程需要經過高溫或者長時間的退火。目前，溶液法制備氧化物TFT尚處于實驗室研究階段，人們致力于降低處理溫度、縮短退火時間，尋找P型溝道材料等。因此，印刷技術在未來顯示中得到廣泛應用還有很長一段時間，在此期間，該技術仍須面臨諸多挑戰。
（作者：北京大學信息工程學院 邵陽博士）
