激光剥离技术在柔性电子制造领域的应用研究进展

2020年《中国激光》第1期封面文章|季凌飞,马瑞,张熙民,孙正阳,李鑫. 激光剥离技术在柔性电子制造领域的应用研究进展[J]. 中国激光, 2020, 47(1): 0100001

无论是早期的LED还是近年来获得广泛应用的有机发光二极管（OLED），终端基底材料难以承受沉积、蒸镀等高温工艺环节而极易损伤变形一直是柔性器件制造技术中的共性问题，需要在制造前期以玻璃、蓝宝石、硅片等刚性材料作为搭载基底，再通过后期的剥离工艺完成器件向柔性基底的转移。

激光剥离技术（LLO）通过脉冲激光辐照致材料烧蚀实现器件向终端基底的转移。相比于化学剥离、机械剥离和离子束等其他高能束剥离，激光剥离技术具有能量输入效率高、器件损伤小、设备开放性好、应用方式灵活等优势，已成为柔性电子器件制造的新兴关键技术。

激光剥离技术的应用研究：

随着柔性电子器件的蓬勃发展，激光剥离技术已经应用到多种类型器件的制造工艺中。生产中常用激光源为脉宽在纳秒量级的紫外准分子激光或固体激光，激光能量密度多在102 mJ/cm2量级之内，可以保证厚度在几十微米量级膜层的激光剥离效果，同时降低激光热效应造成的剥离损伤。

（1）柔性显示器制造

大尺寸柔性显示器的制造需要实现大面积基底的可靠剥离，对激光剥离技术提出了更快的剥离速度、更稳定的剥离效果等要求。将激光束整形为线形/矩形光束或直接采用未聚焦光束以增加激光作用区域来提高剥离效率是较常采用的解决方案。

柔性显示屏制造需要依靠激光能量密度、重复频率、扫描速度等激光工艺参数的优化，也需要光束整形技术提供强有力的技术支撑，同时还需要考虑剥离膜层的热物理性质。

（2）柔性能量装置制造

能量收集装置可以将温差、振动、形变等转换为电能，从而对各类电子设备提供持续的能源供应。目前大多数柔性能量收集装置多采用有机压电聚合物，需做成多层结构以提高能量转换效率，工艺复杂性和制作成本居高不下。

激光剥离技术可应用于将具有更高储能性的无机压电陶瓷薄膜材料进行转移，如采用激光剥离技术在柔性基底上制备基于锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷的大面积储能纳米发电机。经拉曼光谱分析可知，激光剥离不会影响到薄膜的电学性能，进一步体现出该技术对各种脆性薄膜材料转移的优势。

（3）柔性传感器制造

目前应用于电子传感设备触控层最广泛的氧化铟锡（ITO）透明导电薄膜是一种脆性材料，并不适合于柔性触控层，采用压电薄膜实现具有嵌入式感测功能的柔性触控层已成为该领域的努力方向。

常见的高性能压电材料，如锆钛酸铅镧（PLZT）压电薄膜，在材料制备及器件制造过程中，其含Pb成分都极易产生有毒性挥发。X射线衍射图谱分析发现，激光剥离转移前后的含Pb类膜层均未出现晶相结构变化，说明激光剥离技术可以为类似含Pb等易挥发性元素的柔性薄膜器件制造提供一种环境友好的无污染制备工艺。

（4）柔性存储器制造

以闪存、铁电存储和电阻式存储等为代表的有机材料柔性存储器可以通过旋转涂敷或辊轧工艺直接制备在柔性基底上。为了防止有机基底受热损伤，制造过程需要在低温条件下进行，而通常低温薄膜的质量会远差于高温薄膜。

相比于传统的低温条件下的旋转涂敷或辊轧工艺，以激光作为剥离技术手段可以完全实现工艺的高温制作，确保器件的高性能。

（5）晶圆级封装

发展柔性电子产品，需要超薄和高密度封装技术的支持。临时键合-解键工艺是柔性电子设备晶圆级封装技术的关键，采用激光剥离技术，可以通过调节激光输入功率和光束整形对剥离效果进行有效控制，实现无残留的载片解键合。

激光剥离技术的新方法：

近年来随着电子器件持续向轻薄化方向发展，器件功能层厚度与剥离损伤往往已经达到同一数量级，使得简单添加牺牲层的方式已不能满足要求；同时微阵列化等多种新型结构的出现，也对激光剥离技术在微尺度上的高度选择性提出了更苛刻的要求。为此，研究人员从激光-材料相互作用基本机制出发，在发展新一代激光剥离技术上进行着不懈的探索。

（A）选择性激光剥离技术

与目前广泛应用于柔性显示的OLED相比，新一代显示技术Micro-LED具有更宽的色域、更高的亮度、更低的功耗和更好的环境稳定性，技术优势和提升空间不言而喻。传统激光剥离技术的光斑形状主要为线形光束或矩形光束，无法对微米级Micro-LED颗粒进行定向转移或剥离。选择性激光剥离（SLLO）技术更注重器件剥离的精准，由所剥离器件单元或区域的大小确定光斑尺寸大小。

严格控制激光能量的输入及添加合适的牺牲层是推动SLLO技术发展的关键。虽然该技术尚处研发初期阶段，但其在微小器件单元及阵列转移上所体现出的精准可控优势，使其在大规模集成电路与芯片制造领域具有极大的推广可能性。

（B）激光诱导前向转移技术

激光诱导前向转移（LIFT）技术通过激光脉冲辐照透明基底表面的薄膜吸收层，控制吸收层熔融液化，以烧蚀液滴射流动力推动功能层的转移。

传统LLO技术为实现器件剥离，会避免使用高粘性材料，但LIFT技术却恰好利用了烧蚀膜层的熔融液相动力，因此在转移高粘性材料方面具有独特的优势。相比传统LLO技术，LIFT技术具有更精准的转移选择性，非常有利于实现高分子聚合物小尺寸图形和微结构的转移。另外，LIFT技术所需的激光能量强度大致只有常规LLO技术的二十分之一到五分之一，对材料的剥离损伤远小于LLO技术。

（C）超快激光剥离技术

正文目前主流的激光剥离技术采用准分子纳秒脉冲激光，其主要剥离机制是热作用，会引发剥离损伤，涉及激光束能量分布不均及扫描不稳定造成的损伤、激光辐照热应力的释放损伤、膜层应力分布不均或残余应力损伤等。研究人员针对这些热损伤问题，提出采用脉宽小于10-11 s具有“冷”加工特性的超快激光源来改善纳秒脉宽激光源的热损伤。

北京工业大学季凌飞研究员课题组凭借在超快激光非线性效应及材料激光高精制造方面的多年研究积累，探索超快激光应用于LLO技术的机理与可行性。该课题组在研究中发现，由于脉冲的累计作用，超快激光作用的热效应仍然存在，但适当的热效应可以提高剥离效率，这是因为适当的热效应可以促进烧蚀材料气化，加快高密度等离子体的形成。高密度等离子体对激光的吸收系数远大于介质的吸收系数，可以防止功能层对激光能量的冗余吸收，将激光能量集约在几纳米的空间尺度上。

基于超快激光的剥离技术具有高效、零损伤、高度选择性等优势，有望成为柔性电子器件和Micro-LED巨量转移与组装技术瓶颈的关键突破点。

展望：

（a）技术方面

目前激光剥离技术最常用的能量源是紫外波长的准分子激光，但其纳秒级脉宽能量注入会带来热损伤。超快激光的输入能量直接作用于材料分子振动的时间尺度，对辐照热效应具有突出的抑制效果，更适应于柔性器件的低损伤、高选择性制造，有望取代纳秒级脉宽激光成为未来激光剥离技术的主流激光源。

但超快激光剥离技术的高峰值功率、短焦深等特点会增加光束传输及调控的研发难度，目前其研究尚未走出实验室，其应用发展的突破依赖于对超快激光在材料交界面作用机理的研究与认知，以及超快激光非线性效应的有效调控。

（b）产业应用方面

基于新型激光源的飞速发展水平和微型器件与大规模集成技术的需求提升，激光剥离技术将逐渐向高度选择性方向发展。依靠超快激光实现高精准的选择性批量剥离有极大可能成为本领域的关键突破点。

智能自动化是电子器件制造必然的发展方向，将激光剥离技术引入自动生产线的某一节点，需要激光剥离系统具有实时检测与反馈功能，实现对工艺参数的自动调节，不受待剥离器件微小厚度变化的影响，在实现对观测区域的精准剥离的基础上，保证剥离过程的稳定。

总之，电子产品小型化、智能化、高性能和可挠曲化的必然发展趋势，不断挑战着制造行业的加工精度极限，相信随着研究人员对激光与材料相互作用过程越来越全面的揭示，激光剥离技术，特别是超快激光的引入，将会在激光技术、材料科学等学科发展的支撑下不断拓展功能、扩大应用领域，为柔性电子领域新型功能器件制造技术提供核心动力。