ТОНКИЕ И ГИБКИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ НА ТРЕХМЕРНЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ
THIN AND FLEXIBLE SEMICONDUCTOR ELEMENTS ON THREE-DIMENSIONAL SURFACES

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА СМЕЖНЫЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение испрашивает преимущество заявки на патент США номер 61/674887, поданной 24 июля 2012 г.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Область применения изобретения
Настоящее изобретение описывает способы получения устройства, включающего в себя гибкие полупроводниковые элементы, расположенные поверх электрических контактов. Более конкретно, эти гибкие полупроводниковые элементы могут деформироваться или изгибаться для закрепления на участках трехмерной формы. Способы, описанные в настоящем документе, могут применяться, например, в сфере запитываемых энергией офтальмологических устройств.
2. Описание смежной области
Традиционно офтальмологическое устройство, такое как контактная линза, интраокулярная линза или пробка для слезной точки, включало в себя биосовместимое устройство с корректирующим, косметическим или терапевтическим свойством. Например, контактная линза может выполнять одно или более из коррекции зрения, косметической коррекции и терапевтической функции. Каждая функция обеспечивается определенной физической характеристикой линзы. Конфигурация линзы с учетом свойства светопреломления позволяет корректировать характеристики зрения. Внедрение в материал линзы пигментов позволяет получить косметический эффект. Внедрение в материал линзы активного препарата позволяет использовать линзу в терапевтических целях. Такие физические характеристики реализуются без запитывания линзы энергией.
В последнее время высказываются предположения о возможности встраивания в контактную линзу активных компонентов. Такие компоненты могут включать, например, полупроводниковые устройства. Описано несколько примеров контактной линзы со встроенными полупроводниковыми устройствами, помещенной на глаза животного. Также описана возможность запитывания энергией и активации активных компонентов несколькими способами внутри структуры самой линзы. Топология и размер пространства, доступного в пределах структуры линзы, создает новые сложные условия для реализации различных функциональных возможностей линзы. Во многих вариантах осуществления необходимо предложить надежные, компактные и малозатратные средства для внедрения компонентов в офтальмологическое устройство. В некоторых вариантах осуществления может быть выгодно внедрять компоненты, которые могут быть тонкими и гибкими. Следовательно, желательно получить новые способы и системы форм-факторов, позволяющие создавать тонкие и гибкие компоненты с целью совершенствования производства офтальмологических устройств, а также общего совершенствования встраивания электронных компонентов в неплоские объекты. Важно отметить, что эти улучшения также могут применяться и в областях, не связанных с офтальмологией. Также желательно разработать способы для удовлетворения требований, предъявляемых офтальмологической и неофтальмологической сферами к электронным компонентам на трехмерных подложках.
ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Выполненные тонкими и гибкими полупроводниковые элементы, соответствующие настоящему изобретению, позволяют преодолеть недостатки предыдущего уровня техники, коротко описанные выше.
В настоящем изобретении описываются способы и устройства, относящиеся к использованию тонких гибких компонентов. В некоторых примерах осуществления полученные устройства могут быть внедрены в запитываемую энергией офтальмологическую линзу, обладающую дополнительной функциональностью. Например, тонкие гибкие компоненты могут быть включены в запитываемую энергией офтальмологическую линзу, содержащую участок переменной оптики, способный дискретно изменять оптические свойства линзы. Кроме этого, в настоящем изобретении предлагаются способы внедрения тонких и гибких полупроводниковых устройств и элементов в организующее пространство и/или функциональные структуры. В некоторых примерах осуществления к сфере действия изобретения могут относиться неполупроводниковые элементы. Например, в некоторых примерах осуществления может быть желательно использовать в качестве элемента тонкий гибкий фрагмент из двуокиси кремния со сквозной областью.
В некоторых примерах осуществления в таких структурах могут быть неплоские участки, т.е. имеющие трехмерную форму. В этих вариантах осуществления на сложную поверхность таких участков могут быть нанесены металлические контакты и элементы электрической разводки. Тонкие и гибкие полупроводниковые компоненты могут быть размещены поверх металлических контактов, элементов электрической разводки и сложных поверхностей. Для закрепления гибких устройств иногда может потребоваться изогнуть или деформировать эти устройства относительно их нормального покоящегося состояния, чтобы они прилегали к сложной поверхности.
В зависимости от требуемых характеристик устройства, возможно множество различных конфигураций структур, организующих пространство и входящих в них областей. У разных конфигураций в этих областях могут быть сформированы сложные трехмерные поверхности, что иногда может потребовать гибкости некоторых или всех компонентов устройства. Например, в цилиндрических конфигурациях, рассчитанных на размещение вокруг какого-либо компонента офтальмологического устройства, гибкая поверхность может окружать по меньшей мере часть радиального контура компонента офтальмологического устройства. Если плоскую поверхность свернуть по радиальному контуру с получением цилиндрической формы, ось этой цилиндрической конфигурации можно определить как направление, перпендикулярное этому радиальному контуру.
Для размещения тонких и гибких полупроводниковых элементов в/на различных трехмерных поверхностях можно применять различные способы и конфигурации, и это будет очевидно для специалиста в данной области на основании способов и примеров, приведенных в настоящем описании. В некоторых аспектах настоящего изобретения способы и конфигурации могут обеспечивать дополнительную или улучшенную функциональность самого устройства, т.е. конструкционных особенностей. В некоторых примерах осуществления, относящихся, в частности, к офтальмологическим линзам, примером конфигурации, используемой для предотвращения непредусмотренного рассеяния света полупроводниковыми элементами и удовлетворяющей требованиям по занимаемому в устройстве месту, является цилиндрическая конфигурация, расположенная вокруг компонента, например, компонента переменной оптики, и ось этой конфигурации может быть ориентирована по направлению, по которому может проникать луч света при прохождении по меньшей мере через некоторые части офтальмологического устройства к глазу. Это направление может быть названо осью оптического пути.
Другие типы характеристик устройства могут определять, к какой области поверхности возможно прикрепление гибких устройств. В некоторых примерах осуществления к этим областям поверхности могут относиться конфигурации, имеющие коническую или конусообразную форму. Особенности цилиндрических конструкционных элементов в некоторой степени сходны с особенностями конических элементов; однако они отличаются тем, что в коническом элементе размер верхнего радиального контура изогнутого полупроводника может отличаться от размера нижнего радиального контура. Это понятно, если рассмотреть характеристики простого усеченного конуса, где один конец имеет меньший радиус, чем второй. Тонкие полупроводниковые устройства могут быть изогнуты в конус; однако, в отличие от цилиндрического элемента, исходная форма гибкого устройства, изгибаемая в конус, не является прямолинейной - то есть не имеет прямых периферических сторон. Вместо этого используются изогнутые или криволинейные стороны.
Другой тип элементов, используемый в офтальмологических устройствах и способный описать область поверхности, к которой могут крепиться гибкие компоненты, может являться производным от форм, именуемых клапанами. Клапаны представляют собой области, которые могут располагаться вдоль общей поверхности офтальмологического устройства. Клапаны могут быть плоскими и не плоскими. В случае неплоских клапанов топология поверхности клапана может меняться во множестве направлений; однако типичным является изменение как в направлении радиуса офтальмологического устройства, так и в направлении, проходящем перпендикулярно кнаружи от радиального направления. Гибкие устройства могут быть установлены на поверхности этих клапанов и соединяться несколькими способами, в том числе при помощи соединительных деталей, выполненных на более крупных поверхностях клапанных элементов. В соответствующих аспектах изобретения в офтальмологических устройствах могут использоваться различные конфигурации клапанов для улучшения снабжения глаза кислородом.
Настоящее описание позволяет получить ряд преимуществ в различных типах устройств, где гибкость может оказаться благоприятной и где присутствует общая ограниченность пространства. Одним типом устройств являются полупроводниковые устройства с находящимися на них и внутри них интегральными схемами. Возможно применение множества полупроводниковых устройств, в том числе изготовленных из кремния в различных его формах, в том числе кристаллических, поликристаллических и аморфных, а также из других полупроводников, таких как кремний-германиевый сплав и арсенид галлия. Также сложная структура устройства может быть сформирована из подложек, в которых полупроводниковый слой может быть весьма тонким и изготовленным с размещением поверх слоя изолятора. Тонкие варианты слоев типа «полупроводник на изоляторе» могут обладать такими характеристиками, как тонкость и относительная прозрачность, полезными для случаев, где взаимодействие света с массой полупроводника или устройством типа «полупроводник на изоляторе» может иметь дополнительную значимость для функционирования устройства. Так, в некоторых примерах осуществления дополнительную важность с точки зрения функционирования может иметь возможность конфигурирования устройств, предусматривающих использование световых сигналов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
Вышеизложенные и прочие характеристики и преимущества настоящего изобретения станут очевидными после следующего более подробного описания предпочтительных вариантов осуществления изобретения, проиллюстрированных с помощью прилагаемых фигур.
На фиг. 1A и 1B представлен пример трехмерной подложки, которую можно применять в некоторых офтальмологических устройствах.
На фиг. 2A и 2B представлены примеры особенностей утончения подложек из полупроводника и полупроводника на изоляторе.
На фиг. 3A и 3B представлен пример структуры с клапанами, включенной в офтальмологическое устройство.
На фиг. 4A и 4B представлены примеры вертикальных конструкционных элементов, расположенных на структурах офтальмологического устройства.
На фиг. 5A и 5B представлены примеры конических конструкционных элементов, расположенных на структурах офтальмологического устройства.
На фиг. 6 представлен пример радиального бороздчатого конструкционного элемента, расположенного на структурах офтальмологического устройства.
На фиг. 7 представлена оптическая область офтальмологического устройства с примером осуществления прозрачных полупроводниковых элементов.
На фиг. 8A–8D представлены особенности статического сгибания примерных вариантов клапанных, вертикальных, радиальных, бороздчатых и конических конфигураций.
На фиг. 9A–9D показаны примерные особенности создания контактов в различных типах конфигураций.
На фиг. 10A–10C показаны примеры особенностей, связанных с надежностью и конфигурацией схем и элементов схемы.
На фиг. 11A–11C показаны примеры особенностей, связанных с надежностью и конфигурацией соединительных деталей схемы.
На фиг. 12A–12C представлен пример спиральной структуры, встроенной во вставляемое офтальмологическое устройство.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к способам и устройствам, которые могут применяться при использовании тонких и гибких полупроводниковых устройств на трехмерных поверхностях. В следующих далее разделах приведено подробное описание примеров вариантов осуществления настоящего изобретения. Описания как предпочтительных, так и альтернативных вариантов осуществления изобретения являются только примерами осуществления изобретения. Предполагается, что специалисту в данной области будут понятны возможности создания модификаций и других вариантов осуществления изобретения. Поэтому необходимо учитывать, что объем представленного изобретения не ограничен приведенными примерами осуществления.
ОПРЕДЕЛЕНИЯ
В приведенном описании и пунктах формулы, относящихся к настоящему изобретению, используется ряд терминов, для которых будут приняты следующие определения:
«Цилиндрической формой» и иногда «формой цилиндра» в настоящем документе именуют гибкий компонент, имеющий по существу плоскую поверхность и охватывающий по меньшей мере часть радиального контура таким образом, что по меньшей мере часть поперечного сечения прямолинейной цилиндрической формы может образовывать круг, эллипс или овал. В некоторых цилиндрических формах ось цилиндрической конфигурации может быть образована направлением, перпендикулярным к радиальному контуру.
Термин «запитываемый энергией» в настоящем документе обозначает состояние, которое способно обеспечить подачу электрического тока или хранение в себе запаса электрической энергии.
Термин «энергия» в настоящем документе относится к способности физической системы совершать работу. В рамках настоящего изобретения упомянутая способность, как правило, может относиться к способности выполнения электрических действий при совершении работы.
Термин «источник энергии» в настоящем документе относится к устройству или слою, который может снабжать устройство энергией или переводить логическое или электрическое устройство в состояние запитываемого энергией устройства.
Термин «устройства сбора энергии» в настоящем документе относится к устройству, способному извлекать энергию из окружающей среды и преобразовывать ее в электрическую энергию.
Термин «функционализированный» в настоящем документе обозначает получение слоя или устройства, способного выполнять некоторую функцию, включая, например, запитывание энергией, активацию или управление.
Термин «клапан» в настоящем документе обозначает область поверхности, к которой могут крепиться гибкие компоненты. В различных примерах осуществления клапаны могут быть плоскими или неплоскими. В случае неплоских клапанов топология поверхности клапана может меняться во множестве направлений; однако типичным является изменение как в радиальном направлении, так и в направлении, проходящем перпендикулярно кнаружи от радиального направления. Гибкие устройства могут быть установлены на поверхности этих клапанов и соединяться несколькими способами, в том числе при помощи соединительных деталей, выполненных на более крупных поверхностях клапанных элементов. Например, в различных конфигурациях запитываемых энергией офтальмологических устройств клапаны могут обеспечивать улучшенное снабжение кислородом поверхности глаза, на который может быть помещено офтальмологическое устройство.
Термин «гибкий» в настоящем документе означает способность элемента подвергаться пространственной деформации или изгибанию из состояния с первой трехмерной формой в состояние со второй, отличной трехмерной формой, причем деформируемый элемент не должен макроскопически разламываться при деформации.
Термин «линза», а также иногда применяемый термин «офтальмологическое устройство» относятся к любому офтальмологическому устройству, находящемуся в или на глазу. Такие устройства могут обеспечить возможность оптической или косметической коррекции. Например, термин «линза» может относиться к контактной линзе, интраокулярной линзе, накладной линзе, глазной вставке, оптической вставке или другому аналогичному устройству, которое используется для коррекции или модификации зрения или для косметической коррекции физиологии глаза (например, изменения цвета радужной оболочки) без ущерба для зрения. В некоторых примерах осуществления предпочтительные линзы настоящего изобретения представляют собой запитываемые энергией по существу мягкие контактные линзы, изготовленные из кремниевых эластомеров или гидрогелей, включающих в себя, без ограничений, силикон-гидрогели и фторсодержащие гидрогели.
Термин «линзообразующая смесь» или «реакционная смесь мономера» (RMM) в настоящем документе относится к мономерному или преполимерному материалу, который может быть полимеризован и сшит или сшит с образованием офтальмологической линзы. Различные варианты осуществления могут включать линзообразующие смеси с одной или более добавками, такими как УФ-блокаторы, оттеночные добавки, фотоинициаторы или катализаторы, а также прочие желаемые добавки для офтальмологических линз, таких как контактные или интраокулярные линзы.
Термин «линзообразующая поверхность» относится к поверхности, которая используется для литья линзы. В некоторых примерах осуществления любая такая поверхность может иметь оптическое качество поверхности, что означает, что данная поверхность является достаточно гладкой и получена таким образом, что поверхность линзы, изготовленной путем полимеризации линзообразующего материала, который находится в контакте с формирующей поверхностью, была оптически приемлемого качества. Кроме того, в некоторых примерах осуществления линзообразующая поверхность может иметь такую геометрию, которая необходима для придания поверхности линзы желаемых оптических характеристик, включая коррекцию сферических, асферических и цилиндрических аберраций, коррекцию аберраций волнового фронта, коррекцию топографии роговицы и т.п., а также любых их комбинаций.
В настоящем документе «литий-ионный элемент» означает электрохимический элемент, в котором электрическая энергия вырабатывается в результате движения ионов лития через элемент. Такой электрохимический элемент, как правило, называемый батареей, в своей типичной форме может быть возвращен в состояние с более высоким зарядом или перезаряжен.
В настоящем документе «вставка подложки» означает формуемую или жесткую подложку, способную нести источник энергии в офтальмологической линзе. В некоторых примерах осуществления вставка подложки также несет один или более компонентов.
Используемый в настоящем документе термин «форма для литья» означает жесткий или полужесткий объект, который может использоваться для формования линз из неполимеризованных составов. Некоторые предпочтительные формы для литья включают в себя две части, образующие переднюю изогнутую часть формы для литья и заднюю изогнутую часть формы для литья.
Термин «оптическая зона» в настоящем документе означает участок офтальмологической линзы, через который пользователь офтальмологической линзы может видеть.
В настоящем документе термин «мощность» означает совершаемую работу или переданную энергию за единицу времени.
Термин «перезаряжаемый» или «повторно заряжаемый» в настоящем документе обозначает возможность восстановления состояния повышенной способности к совершению работы. В рамках настоящего изобретения упомянутая способность, как правило, может относиться к восстановлению способности испускать электрический ток определенной величины с определенной скоростью в течение определенного промежутка времени.
Термин «перезарядка» или «повторная зарядка» в настоящем документе означает восстановление запаса энергии до состояния повышенной способности к совершению работы. В рамках настоящего изобретения указанная способность может относиться к восстановлению способности устройства испускать электрический ток определенной величины с определенной скоростью в течение определенного промежутка времени.
Используемый в настоящем документе термин «извлеченная из формы для литья» означает, что линза либо полностью отделена от формы для литья, либо лишь слабо прикреплена к ней и может быть легко отсоединена легким встряхиванием или сдвинута с помощью тампона.
Используемый в настоящем документе термин «наложение» означает размещение по меньшей мере двух слоев-компонентов в непосредственной близости друг к другу таким образом, что по меньшей мере часть одной поверхности одного из слоев находится в контакте с первой поверхностью второго слоя. В некоторых примерах осуществления между двумя слоями может находиться пленка, обеспечивающая сцепление или выполняющая иные функции, так что слои находятся в контакте друг с другом через указанную пленку.
Используемый в настоящем документе термин «многослойные интегрированные многокомпонентные устройства», иногда именуемые SIC-устройствами, относится к результату применения технологий упаковки, позволяющих собирать тонкие слои подложек, которые могут включать электрические и электромеханические устройства, в функциональные интегрированные устройства путем наложения по меньшей мере части каждого слоя друг на друга. Такие слои могут включать изготовленные из различных материалов устройства различных типов, форм и размеров. Кроме того, слои могут быть выполнены по различным технологиям изготовления устройств для получения различных желаемых форм.
Термин «трехмерные поверхности» в настоящем документе обозначает свойство поверхности быть на макроскопическом уровне неплоской в некоторых своих частях. Поверхность сферы или человеческого глаза, например, будет трехмерной, поскольку точки данной поверхности по существу находятся не в одной плоскости. Поверхность типовой электронной платы может не быть трехмерной поверхностью, поскольку такие платы обычно являются плоскими, даже если на микроскопическом уровне они не являются идеально плоскими.
Трехмерные устройства со встроенными полупроводниковыми устройствами
В результате интеграции тонких и гибких фрагментов полупроводников в компоненты и устройства, которым требуется определенная трехмерная форма, могут быть получены многочисленные новые устройства. В качестве примера одного такого типа устройства рассматриваются офтальмологические устройства, которые могут содержать электроактивные компоненты.
На фиг. 1A и 1B показан пример трехмерной подложки 100 для примера офтальмологического устройства. На основе этого примера трехмерной подложки могут быть созданы различные варианты осуществления офтальмологического устройства, которые могут быть функционализированы для включения активного фокусирующего элемента. Активное фокусирующее устройство может функционировать, используя энергию, хранящуюся в одном или более элементах питания. Дорожки, присутствующие на трехмерной подложке, могут использоваться для получения подходящего основания для формирования элементов питания, служащих для крепления, присоединения или опоры полупроводников. Полупроводниковые устройства могут быть выполнены весьма тонкими для обладания некоторой способностью к изгибанию или иной деформации с целью лучшего прилегания к трехмерным поверхностям. Кроме этого, будут описаны общие аспекты примеров трехмерных систем, способов, устройств и получающихся образцов устройств, связанных с этими концепциями.
В примере офтальмологического устройства, показанном на фиг. 1, трехмерная подложка может включать в себя область 110, являющуюся оптически активной. Если устройство представляет собой фокусирующий элемент, область 110 может представлять собой переднюю поверхность вставляемого устройства, содержащую фокусирующий элемент, через который свет попадает в глаз пользователя. За пределами этой области, как правило, может находиться периферическая область офтальмологического устройства, не попадающаяся на оптически значимом пути. Соответственно, вполне возможно разместить в этой периферической области компоненты, относящиеся к функции активной фокусировки. В некоторых примерах осуществления эти компоненты могут быть изготовлены из тонких и гибких полупроводников. Кроме этого, компоненты могут электрически соединяться друг с другом посредством металлических или иных проводящих дорожек. Эти дорожки могут использоваться в качестве опоры для внедрения в офтальмологическое устройство элементов питания.
В некоторых примерах осуществления элемент питания может представлять собой батарею. Например, батарея может представлять собой твердотельную батарею или, как вариант, батарею жидкостных элементов. В любом из этих примеров возможны по меньшей мере две электропроводящие дорожки, создающие электрический ток между анодом батареи и катодом батареи. Батарея может обеспечивать электрический потенциал и ток для других активных элементов устройства, предоставляя им питание. В примере устройства, показанном на фиг. 1, один контакт батареи может быть выполнен в области электрической дорожки 150. Для примера, электрическая дорожка 150 может представлять собой анодный контакт и являться отрицательным (–) полюсом элемента питания для встроенных полупроводниковых устройств. Может существовать и другой контакт 160 батареи или элемента питания. Снова для примера, этот контакт может представлять собой катодный контакт. Этот контакт 160 также может представлять собой положительный (+) полюс элемента питания для встроенных полупроводниковых устройств.
На элементе 100 видно, что электрические дорожки могут соединяться с элементами 150 и 160, а также с элементами 140 и 170 соответственно. Можно видеть, что обе дорожки 140 и 170 могут являться изолированными дорожками, которые могут быть проложены вблизи соседней дорожки. Соседней дорожкой для 140 может быть 130, а соседней дорожкой для 170 может быть 180. Соседние дорожки 130 и 180 при создании на них батарейных элементов могут соответствовать противоположным химическим реакциям или типам электродов. Таким образом, дорожка 130 может быть соединена с химическим слоем, заставляющим ее функционировать в качестве катода элемента батареи, расположенного между дорожками.
Дорожки 130 и 180 могут соединяться друг с другом в области 120. Область 120 в некоторых примерах осуществления может быть не покрыта химическими слоями или покрыта частично. Следовательно, она может использоваться в качестве электрического контакта. Из этого примера будет очевидно, что возможно получить две пары электрических ячеек, выполненных в виде батареи, и что расположение и конфигурация соединяют эти батареи последовательным подключением. Следовательно, общие электрические характеристики между контактами 150 и 160 можно считать комбинацией двух элементов батареи.
Элементом 190 представлено поперечное сечение через область по пунктирной линии. На нижнем изображении элемента 100 показан ряд элементов, относящихся к обсуждаемым тонким полупроводникам. В настоящем примере осуществления элементом 160 показан один из двух контактов питания, описанных выше, а контакты питания элемента 150 могут быть не видны за контактом питания 160. На фигуре полупроводник показан в виде кристалла 191. Для иллюстрации, полупроводник может быть подключен с помощью шарикового вывода или соединений из проводящей эпоксидной смолы к проводящим элементам, находящимся на корпусе полупроводника. Полупроводниковый кристалл может располагаться внутри корпуса полупроводника, или же полупроводниковый кристалл может представлять собой бескорпусный кристалл. Возможно применение перевернутого кристалла. Устройство такого типа может хорошо соответствовать целям примеров офтальмологических устройств; однако в других областях применения для такого толстого полупроводникового кристалла в корпусе может потребоваться дополнительная толщина и размеры соответствующей области. Прямое присоединение утонченного полупроводника к трехмерной подложке может способствовать получению устройств меньшей толщины, встраиванию большего количества полупроводниковых устройств и другим усовершенствованиям, связанным как с тонким форм-фактором, так и с гибкостью тонких бескорпусных полупроводников. Притом что утонченным фрагментам полупроводника может быть придана форма, сходная с формой кристалла 191, на практике возможны многие другие формы и размеры, если учесть гибкость тонких полупроводников.
Как показано в элементе 192, возможно наличие области офтальмологического устройства, в которой передний оптический фрагмент, показанный в верхней части элемента 100, может соединяться с задним оптическим фрагментом. Элементом 192 показан задний оптический фрагмент, и область 192 представляет собой комбинацию переднего и заднего оптических фрагментов с топологией, позволяющей с помощью одного или нескольких элементов запечатать компоненты между двумя оптическими фрагментами. Набор элементов этой области, в которой будет производиться запечатывание, называется клеевой канавкой. Как дополнительно описано в дальнейших разделах, область клеевой канавки также может быть важной и для других примеров осуществления, в которых утонченные полупроводниковые устройства могут встраиваться в другие трехмерные структуры.
Утончение полупроводниковых элементов
На фиг. 2, элемент 200, показана общая суть процессов утончения полупроводниковых устройств, которые могут использоваться в некоторых примерах осуществления настоящего изобретения. Элементом 210 показана часть подложки полной толщины, проходящей обработку на линии производства полупроводников. Как правило, толщина таких подложек (показана не в масштабе) может составлять 500–900 микрон в зависимости от ряда факторов, известных специалистам в данной области. Подложка 210 может представлять собой полупроводниковую подложку монолитного или «массивного» типа. Например, большая часть толщины подложки 210 может состоять из высокочистого, допированного, кристаллического кремния, и лишь тонкий слой подложки содержит устройства и контакты.
В силу различных причин по существу стандартом в промышленности является утончение кристаллических пластин перед использованием устройств на подложке. В элементе 220 после утончения подложка может приобрести толщину, в несколько раз меньшую исходной толщины. В результате можно получать очень тонкие подложки. Соответственно, утонченный материал представлен на «увеличенном» поперечном сечении, состоящем из слоев 235 и 230. В настоящее время существуют и известны специалистам в данной области способы получения очень тонкого изделия, где конечная толщина может достигать 30 микрон и даже меньше. В одном примере такого утонченного изделия два слоя могут представлять собой очень тонкий массивный слой полупроводника 230 и слой, образованный из металлических напылений или соединений 235 для полупроводникового устройства.
На фиг. 2B показано описание сходного процесса утончения, но для случая использования подложки типа «кремний на изоляторе». В подложке, образованной слоями 250, 251 и 252, представлен вариант типа «полупроводник на изоляторе». Как известно специалистам в данной области, возможно существование многих типов подложек «полупроводник на изоляторе». В качестве примера может служить массивный слой 250 очень чистого кристаллического кремния, на котором находится область изолятора, например, диоксида кремния 251. На области изолятора 251 может находиться другой слой полупроводника 252, который, например, может представлять собой слой кремния толщиной в пару сотен ангстрем. Такая комбинация слоев является примером подложки из полупроводника (кремний) на изоляторе (диоксид кремния).
Поскольку верхний слой полупроводника (кремний) может быть очень тонким, можно использовать множество способов утончения всей подложки в целом. Например, оборотный слой кремния 250 может стачиваться при помощи шлифовки до тех пор, пока остаточная толщина не будет по существу нулевой. На практике такая шлифовка может быть неравномерной, и на оборотной стороне могут остаться следы кремния. В результате может использоваться дополнительная обработка, например реактивное ионное травление, для избирательного удаления кремния с сохранением слоя диоксида кремния. После обработки оставшаяся подложка 260 может представлять собой очень тонкую комбинацию слоя устройств 272 и слоя изолятора 271, который остался от слоя 251. Поверх тонкого слоя оксида может размещаться тонкий слой полупроводника 272 (ранее 252, до показанного утончения). Поверх этого слоя может размещаться металлическое напыление или слои контактов 275 полупроводникового устройства.
При утончении устройства, представленного слоями 230 и 235 или слоями 271, 272 и 275, возможно проявление ряда особенностей. В качестве первого главного для данного обсуждения пункта, тонкая подложка может приобрести гибкость, не характерную для подложек, имеющих полную толщину. С некоторыми ограничениями эту тонкую подложку можно деформировать, чтобы она прилегала к другим трехмерным подложкам, к которым она может прикрепляться. В процессе деформации возможно некоторое дополнительное повреждение устройства, которое, среди прочего, зависит от степени изгиба и от конфигурации схемы. В некоторых примерах осуществления возможно встраивание различных компенсирующих конструкционных элементов, и в этом случае степень деформации, необходимая для применения, приведет к небольшому, но приемлемому повышению уровня повреждений.
Другим важным аспектом тонких подложек является то, что свет, даже видимого диапазона, может в какой-то мере взаимодействовать с утонченными подложками. Даже в тех случаях, где толщина полупроводниковой подложки после утончения может все же быть достаточной для поглощения падающего света, как, например, в случае слоя 230, в таком слое может возникать значительный фототок, который может потребовать изменения конфигурации или других мер для защиты тонких слоев от взаимодействия со светом. В качестве не ограничивающего изобретение примера возможно защитить по меньшей мере части конфигурации при помощи некоторых соединительных элементов, установленных поверх трехмерных подложек, например, при помощи элемента 170 на фиг. 1.
Как показано на фиг. 2B, слой 272, представляющий собой тонкий слой полупроводника, находящийся поверх слоя изолятора 271, может быть прозрачен для падающего света. Более того, возможно, чтобы значительная часть падающего света проходила и сквозь слой изолятора 271, и сквозь слой полупроводника 272. При использовании специализированной металлургии, например, деталей, изготовленных из оксида индия-олова или из других «прозрачных металлов», можно создавать гибкие электронные слои и использовать подложки из полупроводника на изоляторе, где слой полупроводника является очень тонким и прозрачным. Кроме этого, при использовании данного типа тонкого и прозрачного устройства возможно прикреплять электронные слои в тех частях офтальмологического устройства, где свет может проходить через офтальмологическое устройство в глаз.
Когда полупроводниковые устройства становятся тонкими, они могут становиться гибкими. Эта гибкость является фактором, рассматриваемым в настоящем изобретении. Тем не менее возможны некоторые ограничения по изгибанию устройств или, в качестве альтернативы, возможны некоторые дополнительные режимы повреждений, происходящих в сгибаемых устройствах. Следовательно, хотя описаны и в дальнейших разделах будут описываться некоторые варианты сгибания полупроводниковых устройств с применением значительных изгибов, для стабилизации устройства в относительно жесткий элемент после того, как оно было пригнано к трехмерной структуре, большое значение может иметь задняя опора для изогнутых элементов.
В любых различных примерах осуществления, связанных с изгибанием утонченного полупроводникового элемента таким образом, чтобы он прилегал к трехмерной поверхности, изогнутое устройство необходимо приклеить, чтобы зафиксировать изогнутую конфигурацию на своем месте. В некоторых примерах осуществления устройство может быть прикреплено с использованием технологии создания соединений. Например, можно использовать технологию шариковых выводов и крепить контакты гибкого полупроводникового элемента к соответствующим контактным элементам, которые могут размещаться на трехмерной поверхности. В некоторых случаях эти точки контакта могут выполнять электрическую функцию, в других случаях они могут использоваться в качестве способа крепления гибкого элемента, а в других случаях они могут выполнять обе функции. После закрепления контактных элементов на полученную структуру можно нанести покрытие из клеевого материала. При нанесении такого покрытия можно ввести клей в свободное пространство между гибким элементом и трехмерной подложкой. В некоторых примерах осуществления, в которых связь между гибким элементом и электрическими контактами в устройстве осуществляется не через контакт поверхности гибкого устройства с соответствующим элементом поверхности на трехмерной подложке, способом фиксации элемента может послужить присоединение гибкой подложки к трехмерной поверхности посредством клея. Для фиксации и стабилизации гибкого утонченного полупроводникового элемента могут использоваться различные способы соединения и склеивания.
Применимость трехмерных офтальмологических устройств к гибким элементам
На фиг. 3A и 3B, элемент 300, показано второе трехмерное устройство для использования в офтальмологическом устройстве. Элемент 302 обозначает материал, предпочтительно содержащий гидрогелевый полимер, из которого может быть изготовлено офтальмологическое устройство. Полимеризованный гидрогелевый материал 302 может содержать вставку, включающую электроактивную оптическую область 303. Соединительное устройство 301 может окружать край электроактивной оптической вставки. В некоторых примерах соединительное устройство может полностью окружать вставку, а в других примерах соединительное устройство может окружать вставку частично. Соединительное устройство может представлять собой трехмерный полимерный элемент, на который напылены или иным способом нанесены соединительные контакты. При образовании фрагмента 301 он может быть выполнен с элементами, которые могут быть названы клапанами 304. Эти клапаны 304 также можно наблюдать в поперечном сечении на элементе 306 на фиг. 3B, где образованная цилиндрическая конфигурация 305 окружает вставку с электроактивным устройством 307.
Клапаны и нанесенные контакты могут образовывать подходящие поверхности, на которые следует крепить и присоединять гибкие тонкие полупроводниковые устройства. Как видно на фигуре, гибкое полупроводниковое устройство 341 может представлять собой относительно большое устройство, крепящееся на один из клапанных элементов. В качестве альтернативы в некоторых примерах осуществления к клапанному элементу могут быть присоединены несколько тонких полос полупроводникового устройства, как показано пунктами 321 и 322. В каждом из этих случаев вследствие гибкости клапанов и электронных устройств электронным устройствам может быть придана трехмерная форма посредством изгибания. Возможно, будет полезным представить такое изгибание как происходящее в двух направлениях, например, в радиальном направлении, от центра офтальмологического устройства, а также в направлении, перпендикулярном радиальному направлению. Поскольку между клапанными элементами имеется значительное расстояние, еще одной характерной особенностью такой опорной и сборочной конфигурации может быть то, что значительная часть тела офтальмологической линзы может быть изготовлена из проницаемого для кислорода гидрогелевого материала, обеспечивающего благоприятное поступление кислорода к глазу.
На фиг. 4A и 4B, элемент 400, показан другой пример типа монтажа тонких и гибких устройств. В этих примерах тонкое и гибкое устройство может крепиться радиально вдоль частей вставки офтальмологической линзы. То есть гибкий полупроводник может окружать кольцевые элементы, образуя, например, трубкообразную структуру, если гибкий полупроводник имеет достаточную длину для выполнения полного оборота. Элементом 410 показано поперечное сечение, демонстрирующее часть гибкого тонкого полупроводника, охватывающего и приклеенного к трехмерному элементу поверхности клеевой канавки (см. элемент 192) переднего оптического фрагмента (см. элемент 100). В другом сходном примере осуществления (элемент 440) гибкий полупроводник может охватывать более наружно расположенную кромку 450, обеспечивая доступ к большей площади посредством увеличения диаметра и, следовательно, окружности.
Если полупроводниковые элементы расположены таким трубкообразным способом, изгибание полупроводника можно охарактеризовать как происходящее в одной плоскости. Детали, показанные на фиг. 4a и 4B, можно описать как цилиндрические элементы, в которых полупроводник ориентирован вертикально. В любой локальной области или точке вдоль поверхности гибкого полупроводника при таком вертикальном расположении поверхность «оказывается» плоской в вертикальном направлении, но в перпендикулярном направлении она изгибается. Величина изгиба определяется радиусом кривизны поверхности, на которую может прикрепляться полупроводник, и, следовательно, полупроводник 420 может быть более изогнут или может испытывать большее напряжение, чем полупроводник 450. На микроскопическом уровне в толще полупроводника и других соответствующих элементов устройства, например, металлических контактов, возможно появление ассиметричных напряжений.
На фиг. 5A и 5B, элемент 500, представлен другой тип подвесного полупроводника. Как в ориентации, показанной пунктом 520 на поперечном сечении 510, так и в ориентации, показанной пунктом 550 на поперечном сечении 540, гибкий полупроводник может быть расположен по конусу. Однако исходные кремниевые элементы, из которых формируют конус, могут иметь не прямолинейную, а криволинейную форму. Величина изгиба полупроводникового слоя может быть сходной с таковой у радиально изогнутых полупроводниковых устройств, упомянутых выше. Однако, поскольку элементы до их прикрепления имеют криволинейную форму, характер изгиба на микроскопическом уровне будет иным, и в некоторых примерах осуществления это может оказывать благоприятный эффект в плане уровня повреждений.
Возможны и другие физические преимущества конического размещения гибких тонких электронных элементов. В некоторых примерах осуществления трехмерного объекта, на который устанавливаются утонченные полупроводниковые устройства, важное значение может иметь общая толщина трехмерного объекта, включая опору и закрепленные на ней устройства. В вариантах с использованием клапанов дополнительная толщина прикрепленных к клапану подложки электронных компонентов может быть минимальной, и в некоторых вариантах осуществления эта минимальная дополнительная толщина может быть близкой к толщине электронного устройства. В вариантах с клапанами ограничения по размерам детали с полупроводниковыми устройствами могут быть не строгими. С другой стороны, в случае гибкого полупроводника цилиндрической формы, по существу, возможны варианты осуществления, в которых толщина полупроводника не вносит никакого вклада в толщину офтальмологического устройства, поскольку толщина устройства и контактов распределена в радиальном направлении. Однако в некоторых примерах осуществления, включающих радиальное расположение элементов, максимальная ширина (произвольно указываемая как размер в упомянутом вертикальном направлении) утонченного полупроводникового устройства может иметь жесткие ограничения и составлять менее 50 микрон. Вариант осуществления конической формы может иметь характеристики, промежуточные между двумя упомянутыми вариантами осуществления. Возможно некоторое увеличение высоты офтальмологического устройства, поскольку, учитывая угол конической части, не вся толщина будет распределяться в радиальном направлении. В альтернативном варианте с учетом того же влияния угла конической части, ширина полупроводникового устройства также может быть больше, чем в варианте с чисто радиальным или цилиндрическим типом формы.
Как показано на фиг. 6, элемент 600, ориентация, которая служила примером многослойных интегрированных устройств в предшествующих описаниях того же объекта изобретения, может быть уместной для рассмотрения в контексте трехмерных прикрепленных полупроводниковых устройств. Из этого описания специалисту в данной области будет понятно, что все примеры осуществления, описанные к настоящему моменту, уместны для вариантов с многослойными устройствами, но для простоты описания при изложении сути изобретения использовались варианты осуществления с одним слоем. Тем не менее эти описания не следует считать ограничениями изобретения, и варианты с многослойными устройствами являются соответствующими изобретению.
Как показано на фиг. 6, элемент 610, возможно, что часть вставки, представляющая собой активное офтальмологическое устройство, будет управляться тонкими и гибкими полупроводниковыми устройствами и запитываться энергией от элементов питания, содержащихся в офтальмологическом устройстве. Тип осуществления, представленный на элементе 600, в настоящем описании также может называться бороздчатым вариантом осуществления. В некоторых таких вариантах осуществления активный элемент и тонкие полупроводниковые устройства заключены во вкладыш-субстрат 620. Элементом 660 показано утонченное и гибкое полупроводниковое устройство. В этих вариантах осуществления полупроводник может иметь приблизительно ровную или плоскую ориентацию, поскольку он может прикрепляться к почти плоским поверхностям офтальмологического устройства. Чем тоньше устройство, тем меньше оно будет оказывать влияния на общую толщину офтальмологического устройства. Однако для минимального влияния на офтальмологическое устройство можно ограничить ширину, в данном случае ширину кольцевой полупроводниковой области. В некоторых примерах осуществления элементы могут достигать ширины 0,25 мм и, тем не менее, не оказывать существенного влияния на размеры всего офтальмологического устройства. Важно отметить, что в альтернативных вариантах осуществления в подходе с накладываемыми друг на друга пластинами могут использоваться конические структуры с увеличением и/или уменьшением диаметров. Подобно осуществлениям конического типа, однако исходные фрагменты кремния, которые следует нарезать перед установкой в офтальмологическое устройство, должны иметь криволинейную, а не более распространенную в полупроводниковых устройствах прямолинейную форму. Поскольку изгибание полупроводника в этом варианте осуществления, в отличие от ранее описанных, может не производиться, эффект, индуцируемый напряжением, в подложке может быть небольшим.
В приведенной ниже таблице 1 представлены некоторые приводимые для справки оценочные и репрезентативные величины для некоторых типичных аспектов различных вариантов осуществления. Эти цифры являются типовыми, и их не следует считать ограничивающими объем настоящего изобретения. Тем не менее они могут показать различия между типами вариантов осуществления и относительными преимуществами, применительно к определенным параметрам.
Таблица 1Сравнение разных вариантов осуществления тонких гибких элементов на трехмерных поверхностях
Тип
НапряжениеX
НапряжениеY
Высота
Форма
Длина,мм
Ширина,мм
Площадь,мм<sup>2</sup>
Кислород
Цилиндрическийрадиус 7 мм
0,15
0
Переменная
Прямолинейная
~110
~0,1
~11
Лучше
Цилиндрическийрадиус 9 мм
0,12
0
Переменная
Прямолинейная
~250
~0,1
~25
Номинально
Клапан
~0,15
~0,15
Близкок нулю
Прямая
~4
~4
~16
Наилучшее
Коническийрадиус 6 мм
0 < X < 0,15
0
Переменная
Криволинейная
~110
~1
~25
Лучше
Бороздчатыйрадиус 6 мм
0
0
Близкок нулю
Криволинейная
~110
~1
~110
Лучше
В таблице 1 приводится параметр «Напряжение». Этот параметр может служить «показателем качества» при сравнении. По существу данный параметр должен показывать, какой изгиб может иметь подложка в данном типе осуществления, причем мерой напряжения является то, насколько подложка изогнута от прямолинейного плоского состояния (для заданного смещения в одном направлении на один мм). Первым направлением лучше всего следует считать направление Х, в котором осуществляется максимальное изгибание. Второй параметр напряжения, Y, может основываться на тех же измерениях, что и Х, но в перпендикулярном направлении в отношении «неизогнутой» подложки.
Параметр «высота» обозначает, насколько дополнительно увеличится высота офтальмологического устройства при данной ориентации. Этот параметр является относительной мерой реального влияния на высоту, который усложняется другими факторами, в том числе требованиями к высоте, предъявляемыми другими компонентами офтальмологической линзы. Если ширина полупроводникового элемента, например, при цилиндрической форме ориентации, меньше необходимой высоты активного офтальмологического компонента внутри вставки линзы, то полупроводниковый элемент может не влиять на высоту офтальмологического устройства, и его ширина не учитывается.
Параметр «форма» показывает характеристики фрагментов тонкого гибкого полупроводника после их окончательного нарезания. Прямолинейный тип нарезки более типичен для полупроводниковых устройств, в отличие от криволинейного типа, где разрез подложки для создания устройств происходит по изогнутым, а не по прямым линиям. Параметры «длина» и «ширина» являются для вариантов осуществления офтальмологических устройств оценкой длины и ширины тонкого фрагмента кремния, который может подходить для данного варианта осуществления. Оценка площади представляет собой простой расчет по оценочным значениям длины и ширины. В самом правом столбце приводится относительная оценка связи конкретной конфигурации с диффузией кислорода под используемое офтальмологическое устройство к центральной зоне оптически активной части офтальмологического устройства.
Особые случаи относительно прозрачных, тонких и гибких полупроводников
Как отмечалось в настоящем документе, для создания относительно прозрачного устройства могут использоваться некоторые способы, в том числе применение подложек типа «кремний на изоляторе» и прозрачных проводящих или «металлических» пленок при создании металлических частей устройства. Если устройство создается с использованием описанных в настоящем документе способов, возможно поместить все гибкое устройство или его часть в область офтальмологического устройства, находящуюся на оптическом пути или его части. В некоторых примерах осуществления гибкое устройство такого типа может иметь, в качестве неограниченного примера, бороздчатый тип размещения, где бороздка размещается в оптической зоне, как показано на фиг. 7, элемент 700.
На фиг. 7, элемент 100, представлено изображение трехмерной поверхности, которая может представлять собой переднюю оптическую часть электроактивного оптического компонента офтальмологического устройства. В данном случае, помимо рассмотренных элементов, в более оптически активной области 710 может размещаться цилиндрический элемент. Возможно несколько способов размещения гибкой подложки в соответствии с фигурой, в том числе выполнение элемента в виде конуса или, в качестве альтернативы, формирование трехмерной формы 700 таким образом, чтобы она имела плоскую область, служащую опорой для 710. Как отмечалось ранее, при использовании специальных методов, придающих прозрачность гибкому устройству, оно может не создавать помех прохождению света по оптическому пути. Такое тонкое и относительно прозрачное устройство может не создавать зрению существенных помех.
Напряжение после сгибания и прикрепления гибких полупроводниковых устройств
В таблице 1 приведены параметры «оценки напряжения» для различных вариантов осуществления. Эти параметры были получены на основе возможных изменений при изгибе нормальной плоской кремниевой пластины на величину 1 мм вдоль гибкого устройства. На фиг. 8 представлен другой способ отображения этих концепций.
На фиг. 8A–8D, элемент 800, показан пример особенностей статического изгибания конфигураций с клапаном, вертикальной, радиальной, бороздчатой и конической конфигураций. Элементом 810 представлен вариант осуществления с клапаном. При таком варианте осуществления гибкая подложка может испытывать напряжение от сгибания в двух перпендикулярных направлениях. Изображение клапана представлено пунктом 811, в котором изгибающее напряжение 815 и 816 может проявляться в двух перпендикулярных направлениях. Учитывая характерные особенности клапана, в некоторых вариантах осуществления для максимального уменьшения занимаемого места клапану может быть придана форма, соответствующая форме офтальмологического устройства. Такая форма может иногда изгибаться как в радиальном направлении, так и в направлении, перпендикулярном радиальному.
Элементом 820 показано напряжение, возникающее при радиальном изгибании. Когда гибкий элемент сгибается в радиальном направлении 821, он испытывает изгибающее напряжение, направленное по линии, касательной к радиальному контуру 825. Однако в направлении, перпендикулярном к этому направлению, которое можно представить как направление от страницы, гибкий полупроводник может не изгибаться.
Элементом 830 показано изгибание конусообразной формы 831, вид в перспективе сверху, и, аналогично, изгибающее напряжение может быть направлено по касательной к радиусу конуса 835, а в перпендикулярном направлении конус может быть плоским и не изогнутым. Однако здесь возможны небольшие отличия. Например, конус фактически имеет два разных крайних значения радиуса изгиба. Следовательно, величина изгиба, направленного по касательной к конусу, может, в некоторой мере, отличаться в разных точках гибкого полупроводникового элемента. Поэтому при данном типе ориентации напряжение может быть несколько более сложным.
На элементе 840 показаны ориентации бороздчатого типа. В этих ориентациях подложка, как правило, имеет вырез, позволяющий плоско разместить полупроводниковый элемент 841. При таком типе плоской ориентации подложка может не испытывать изгибающего напряжения, как в других ориентациях. Однако, как указано в таблице 1, для ориентации данного типа может потребоваться формирование круглых или полукруглых полупроводниковых элементов. В некоторых случаях процесс создания полупроводниковых элементов, не имеющих прямых краев, может подвергать периферические области устройства некоторому неизбежному уровню напряжения, но этот уровень может сильно отличаться от напряжения, вызываемого изгибом при других типах ориентации.
Особенности электрических контактов. Преимущества
Разные типы ориентации могут предусматривать разные способы создания электрических соединений с другими компонентами внутри трехмерного устройства. Как отмечалось ранее, офтальмологическое устройство является хорошим примером сути нововведений, обусловленных тонкими и гибкими полупроводниками на трехмерных поверхностях. Для тонкого и гибкого полупроводникового устройства может потребоваться сформировать контакты с одним или более из: других полупроводниковых устройств внутри офтальмологического устройства, элементов питания и активных оптических компонентов.
На фиг. 9A–9D показаны примерные особенности создания контактов 900 для разных типов конфигураций. Элемент 910 показывает стратегию создания контактов для устройств на подложках клапанного типа. Элемент 911 показывает область гибкого устройства, которая может относительно легко быть соединена с соседними структурами. На основании обсуждений фиг. 1A и 1B специалисту в данной области будет понятно, что можно нанести электрические контакты на поверхности трехмерных подложек. В данном случае это может быть несколько более сложно, поскольку электрические контакты с гибкими полупроводниками могут создаваться вдоль их периферии или площади.
Примеры устройств, показанные элементами 920, 930 и 940, имеют сходное местоположение для формирования контактов. Эти местоположения показаны элементами 921, 931 и 941 соответственно. Для варианта осуществления цилиндрической формы, подобного элементу 920, фрагмент гибкого полупроводника может быть присоединен к подстилающей подложке, соединяющейся с элементами, расположенными вдоль радиуса. В этом случае при необходимости контакты могут быть выполнены в любой точке периферии и/или в верхней и нижней частях гибкого полупроводника. Следовательно, некоторые дополнительные варианты осуществления могут быть получены путем наложения друг на друга слоев тонкого полупроводника.
При цилиндрическом типе ориентации толщина контактов, которые могут быть расположены на передней и/или задней поверхности тонкого полупроводникового устройства, по существу незначительно влияет на общую толщину офтальмологического устройства, что в некоторых вариантах осуществления может быть благоприятным. Например, контакты в области 921 могут включать в себя несколько разных типов контактов, в том числе шариковые контакты, проводящую эпоксидную смолу, проволочные соединения и другие способы создания контактов. Как отмечалось ранее, в некоторых примерах осуществления контакты могут напрямую наноситься на трехмерную поверхность. Кроме этого, в некоторых случаях к трехмерной поверхности до крепления тонкого гибкого полупроводникового устройства можно прикрепить тонкую гибкую контактную подложку. В данном случае далее к этой контактной подложке может быть прикреплено гибкое полупроводниковое устройство. Этот вариант может отличаться от случаев, где гибкое полупроводниковое устройство можно прикреплять к контактам, размещенным на трехмерной поверхности подложки.
В примере, показанном элементом 930, представлен конический вариант осуществления. Данная ситуация может быть сходной с вариантами осуществления цилиндрической формы. В целом устройства из слоев тонкого полупроводника при коническом варианте осуществления могут иметь большую площадь заданного радиуса. Однако в некоторых примерах осуществления такая конфигурация может приводить к некоторому увеличению толщины офтальмологического устройства. Или, в качестве альтернативы, доступная для полупроводниковых устройств площадь может ограничиваться толщиной офтальмологического устройства. Способы создания контактов между устройством и другими компонентами также могут быть сходными с радиальными вариантами осуществления; однако в связи с получением наклонной поверхности, возможно, потребуется учитывать контакты между плоской поверхностью и другими элементами.
В примере, показанном элементом 940, представлен плоский бороздчатый вариант осуществления. Контакты для бороздчатого типа осуществления по существу могут быть более типичными по отношению к нормам, принятым в полупроводниковой промышленности, вследствие плоской формы тонкого гибкого полупроводникового устройства. Кроме этого, хотя гибкость тонких устройств в бороздчатых вариантах осуществления может не играть столь большой роли, их уменьшенная высота может предоставлять существенные преимущества. Например, это касается случая, когда друг на друга накладываются несколько устройств.
Особенности утончения устройств. Значимость фотонных эффектов
Применительно к созданию тонких полупроводниковых устройств был рассмотрен ряд принципов и передовых концепций, в том числе возможность их упаковки в области малого размера и их гибкость, что позволяет получать разнообразные новые варианты осуществления и размещения полупроводниковых устройств на трехмерных поверхностях. Однако другой аспект, касающийся утончения полупроводников, может включать изменения, возникающие в них при воздействии света. Так, в некоторых примерах осуществления взаимодействие света с полупроводниковыми устройствами может использоваться в качестве активной особенности их функционирования. Например, если устройства являются очень тонкими, их способность улавливать свет, попадающий на заднюю (без устройств) сторону полупроводникового элемента, может быть существенно улучшена. Это может быть обусловлено несколькими причинами. В целом, если подложка имеет большую толщину, она может сама по себе блокировать свет, попадающий на оборотную сторону, не позволяя ему попасть на переднюю сторону устройства. При достаточно малой толщине свет, особенно с не поглощаемой в значительной мере длиной волны, может проходить через подложку. Уровень легирования полупроводника в подложке также может влиять на характеристики поглощения. Также с помощью уровня легирования можно менять расстояние, на которое способны мигрировать носители заряда, созданные в результате поглощения света. При создании тонких подложек эти факторы имеют важное значение для обнаружения светового сигнала, падающего на заднюю сторону тонкой полупроводниковой подложки. Еще одним важным фактором является то, что на передней стороне подложки, где размещаются устройства, также расположены уровни изоляционных и металлических напылений. Эти уровни обладают высокой степенью взаимодействия с падающим светом. Поскольку на задней стороне подложки этих слоев может не быть, способность улавливать свет через заднюю поверхность также может быть более эффективной. Тем не менее при использовании достаточно тонкой подложки существует возможность улавливать свет через ее переднюю и/или заднюю поверхности. Кроме этого, геометрическое расположение устройства по отношению к источникам окружающего света может усиливать этот эффект в случае вариантов с клапанами и бороздчатых вариантов, поскольку они, как правило, имеют профиль, наиболее близкий к перпендикулярному к ожидаемому направлению света.
С другой стороны, способность улавливать фототоки, обусловленные попаданием света на оборотную сторону полупроводниковых устройств, указывает на то, что тот же эффект может возникать в областях устройства, в которых наличие фототока может быть нежелательным и может создавать непредвиденные проблемы, влияющие на работу полупроводниковых устройств. В результате в некоторых примерах осуществления большое значение может иметь экранирование тонких устройств. В качестве неограничивающего примера для экранирования света могут использоваться металлические элементы контактов. В некоторых случаях металлические элементы могут быть частью контактов. В других случаях металлические элементы могут использоваться только для защиты от попадания света в утонченное устройство. Также в некоторых вариантах осуществления может быть полезно установить для защиты от света металлические детали, имеющие окна или отверстия в тех местах, где улавливание света является желательным.
Аспекты надежности
В некоторых примерах осуществления утонченные полупроводниковые элементы, описанные в настоящем документе, могут быть изготовлены из монокристаллических подложек. Когда такая подложка становится более тонкой, ее способность к деформации без растрескивания кристаллов может увеличиваться. Тем не менее в некоторых вариантах осуществления, особенно со значительным изгибом, возможно формирование значительных напряжений от изгибающей нагрузки, которые могут привести к различным последствиям для устройства. Некоторые такие последствия могут способствовать различным дефектам, появление которых усиливается при напряжении. Примером дефекта может быть обусловленный напряжениями дефект подложки.
Другой пример дефекта может быть связан с металлизированными элементами, размещенными на полупроводниковом устройстве. Металлизированные линии могут быть спроектированы и рассчитаны на то, чтобы в стандартных условиях выдерживать определенный уровень плотности электрического тока до проявления потенциала преждевременного выхода из строя из-за таких эффектов, как электромиграция. В некоторых случаях в связи с изгибающим напряжением могут потребоваться дополнительные способы проектирования и производства тонких полупроводниковых устройств.
Существует множество способов изменения конфигурации вариантов осуществления тонких и гибких полупроводников с целью уменьшения определенных эффектов, в том числе согласование транзисторов, оксидное напряжение, пороговое напряжение и т.п. На фиг. 10A–10C, элемент 1000, показано несколько примеров подходов. Элементом 1010 показана избыточность. Показаны резервные копии одного элемента (1011, 1012, 1013 и 1014), причем элемент может представлять собой одиночный транзистор, еще одну схему или конфигурационный блок. В некоторых примерах осуществления можно использовать один или два резервных элемента, тогда как в других вариантах резервные элементы могут соединяться параллельно или последовательно, помогая скомпенсировать вызванные напряжением дефекты.
Элементом 1020 представлен другой подход к обеспечению избыточности, в котором резервные элементы (1021, 1022, 1023 и 1024) могут быть пространственно разделены. Данный подход может использоваться, если этот тип дефекта распространяется по кристаллической решетке по границам кристаллов или как-то иначе может повлиять на резервные элементы, если они не разделены пространственно. Элементом 1030 показан еще один подход, в котором множество копий (1031, 1032 и 1033) резервных элементов могут быть реализованы в разных местоположениях вдоль тонкого полупроводникового устройства.
На фиг. 11A–11C, элемент 1100, представлены примеры способов проектирования устойчивости к появлению дефектов напряжения в металлизированных элементах. В элементе 1110 металлизированная дорожка 1111 на тонком полупроводниковом устройстве может быть эффективной в нормальных условиях. В некоторых примерах осуществления, в которых формируется изгибающее напряжение, достаточное для образования дефектов, обусловленных электромиграцией в металлических деталях, одно решение может включать в себя способ, показанный элементом 1120. Элементом 1121 представлено электрическое соединение с той же функцией, но дорожка сделана более широкой, чем в исходном варианте. Такое решение будет эффективным для тех случаев, когда благоприятный эффект может обеспечить уменьшение плотности тока путем увеличения площади поперечного сечения. В качестве альтернативы представлен другой подход, показанный элементом 1130, в котором множество дорожек 1131, 1132 и 1133 могут соединяться поперечными дорожками 1135. Такая сеть может обеспечить компенсацию дефектов, обусловленных плотностью электрического тока (посредством увеличения эффективной площади поперечного сечения проводника), а также дефектов, обусловленных самим напряжением, и в этом случае резервные дорожки могут быть более важны. Существует множество способов проектирования особенностей схем, связанных с дефектами, образующимися при напряжениях в изогнутых гибких полупроводниковых устройствах.
Тонкие полупроводниковые фрагменты спиралевидной формы
На фиг. 12A–12C, элемент 1200, представлен другой трехмерный вариант осуществления, связанный с размещением полупроводников на подложках трехмерной формы. Тонкому кремниевому фрагменту при производстве может быть придана кольцевая форма (элемент 1210). При нарезании тонкому кремниевому фрагменту может быть придана сложная криволинейная форма, которая, оставаясь плоской, может иметь спиральную форму (элемент 1220). Далее спиральная форма может быть прикреплена к трехмерной поверхности вставки, например, как показано для элемента 1230. Трехмерная поверхность может иметь форму спирали. При укладке спирального кремниевого фрагмента на спиральную опорную поверхность кремниевая подложка при придании ей спиральной формы будет подвергаться относительно слабой и мягкой нагрузке. Поскольку спиральная форма способствует тому, чтобы кремниевый элемент поднимался в пространстве по мере радиального закручивания, что можно видеть по разнице вертикального положения концов 1231 и 1232, полученная спираль может лучше соответствовать типичной форме офтальмологической линзы. Результатом может стать электронный компонент, приобретающий трехмерную спиральную форму при минимальном воздействии напряжения на саму полупроводниковую подложку. На фигуре элементом 1230 показан одиночный спиральный электрический компонент в сочетании с фрагментом вставки, который может использоваться для внедрения в офтальмологические устройства. В некоторых примерах осуществления также возможны наложенные друг на друга варианты осуществления спиральных фрагментов, а также комбинации спиральных фрагментов, прикрепленных к подложке.
Спиральная форма может иметь перед вариантами бороздчатого типа преимущество, заключающееся в том, что во вставляемое устройство можно поместить множество полных оборотов, что позволит получить большую площадь схемы. В прочих аспектах данный вариант осуществления может обладать сходными особенностями с предыдущими вариантами осуществления, описанными ранее, в плане способа содержания трехмерной вставки, способа наложения друг на друга множества устройств данного типа, способа взаимодействия утонченного слоя полупроводника со светом в данной форме и способов использования для обеспечения избыточности или иных компенсирующих напряжение особенностей конфигурации. Нарезанное в форме спирали полупроводниковое устройство позволяет получить множество офтальмологических вариантов осуществления посредством установки его во вставки, имеющие поверхности спиральной формы, которые служат в качестве опоры для нарезанного полупроводника.
Описаны конкретные примеры, иллюстрирующие аспекты изобретения, относящиеся к получению, способам получения и устройству для получения, которые могут использоваться для создания функционализированных элементов, таких как элементы питания, поверх электрических контактов на трехмерных поверхностях. Приведенные примеры в сочетании с описанием способствуют лучшему пониманию и не подразумевают ни в какой мере ограничение объема изобретения. Соответственно, настоящее описание предполагает включение всех вариантов осуществления, которые могут быть очевидны для специалистов в данной области.
Несмотря на то что представленные и описанные в настоящем документе варианты осуществления считаются наиболее практичными и предпочтительными, очевидно, что специалистам в данной области будут понятны возможности отступления от конкретных конфигураций и способов, представленных и описанных в настоящем документе, которые могут быть реализованы без отступления от сущности и объема настоящего изобретения. Настоящее изобретение не ограничивается отдельными конфигурациями, описанными и показанными в настоящем документе, но все его конфигурации должны быть согласованы со всеми модификациями, которые могут входить в объем приложенной формулы изобретения.