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利用準(zhǔn)分子激光器的超高脈沖紫外光功率，人們可以高效、安全地將超薄功能元件從剛性晶元或面板載體上剝離出來(lái)，從而有效地提高新一代超薄柔性零部件和元器件生產(chǎn)率，降低制造成本。

激光加工一直是微電子器件生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)突破性發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。隨著微電子器件的結(jié)構(gòu)尺寸不斷縮小，利用短波長(zhǎng)紫外激光器加工逐漸成為行業(yè)主流趨勢(shì)，因其可以在橫向和縱向上實(shí)現(xiàn)極高的加工分辨率。作為紫外激光器的一員，準(zhǔn)分子激光器具有優(yōu)良的性能，配合大尺寸光學(xué)器件，能夠?qū)崿F(xiàn)“加工效率”和“加工精度”的完美兼容，這得益于其巨大的有效加工面積，幾乎可達(dá)其分辨率的1 萬(wàn)倍。大光斑激光系統(tǒng)，完美適用于各種尺寸的晶元和面板的激光剝離工藝，有力地促進(jìn)了顯示屏和其他電子設(shè)備向柔性方向發(fā)展的轉(zhuǎn)變。

從剛性載體到柔性微電子器件制造的轉(zhuǎn)變

用于智能手表、可穿戴設(shè)備或曲面智能手機(jī)的柔性顯示屏具有巨大的商業(yè)潛力，但它的制造仍然存在重大技術(shù)挑戰(zhàn)。通常而言，用于柔性顯示屏的薄塑料基板比較脆弱，無(wú)法使用常規(guī)加工工藝處理，尤其是在幾個(gè)生產(chǎn)流程中經(jīng)過(guò)高溫處理后，材料會(huì)失去韌性。在加工薄晶片時(shí)也會(huì)遇到類(lèi)似的挑戰(zhàn)，晶元貼片將被盡量薄化，以至于達(dá)到柔軟的程度，用以滿(mǎn)足在高性能移動(dòng)設(shè)備內(nèi)封裝垂直堆疊邏輯和存儲(chǔ)器芯片架構(gòu)的空間需求。

圖1： 采用剛性載體和準(zhǔn)分子激光器剝離工藝制備柔性顯示屏的示意圖。

柔性顯示面板或超薄半導(dǎo)體晶片批量生產(chǎn)的常規(guī)方法為：先在涂覆聚合物的剛性玻璃載體上刻寫(xiě)電路，并在最終工藝步驟中將器件從載體上剝離。其技術(shù)方案為——將紫外準(zhǔn)分子激光器的線(xiàn)光束透過(guò)玻璃基板載體，照射在聚合物層上。由于激光的波長(zhǎng)很短，材料對(duì)激光的吸收率很高，只有緊鄰玻璃基板的聚合物被蒸發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)了基板與器件的分離。采用308nm準(zhǔn)分子激光器進(jìn)行激光剝離時(shí)，激光脈寬約為25ns，需要的能量密度約為00J/cm2。此外，由于激光波長(zhǎng)較短，吸收率很高，剝離過(guò)程中無(wú)需制備額外的過(guò)渡層來(lái)增強(qiáng)激光吸收。

紫外激光器彰顯優(yōu)異性能和高可靠性

實(shí)踐證明，許多常規(guī)的剛性載體分離技術(shù)并不適合用于規(guī)模化生產(chǎn)。例如，機(jī)械剝離技術(shù)和化學(xué)蝕刻工藝，其生產(chǎn)效率低，局限性大，而且生產(chǎn)良率也不高。甚至，后一種方法還會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生危害。相比之下，激光剝離工藝則是更好的選擇。為了將激光吸收限制在聚合物與玻璃載體界面附近，該工藝要求使用波長(zhǎng)盡量短的激光（波長(zhǎng)短于350nm）。由于準(zhǔn)分子激光器具有波長(zhǎng)短（激光剝離工藝中常用的是308nm以及248nm）、能量和功率高的特點(diǎn)，因此在精密微電子器件生產(chǎn)中，采用準(zhǔn)分子激光器進(jìn)行激光剝離，不僅良率高，而且產(chǎn)量大，完全可以滿(mǎn)足微電子市場(chǎng)的批量化生產(chǎn)需求。事實(shí)上，短波長(zhǎng)準(zhǔn)分子激光器系統(tǒng)配合高質(zhì)量的線(xiàn)光束光學(xué)器件，對(duì)于批量化生產(chǎn)而言是至關(guān)重要的：

1） 激光剝離技術(shù)通常用于高價(jià)值元器件的制備；

2） 激光剝離工藝位于一系列高成本工藝步驟之后；

3）激光剝離工藝是許多高價(jià)值元器件和相應(yīng)的零部件制備的核心技術(shù)；

4）在柔性屏的制備中，激光剝離工藝1% 的不良率，就會(huì)造成每年高達(dá)數(shù)百萬(wàn)美元的利潤(rùn)損失。

大尺寸紫外激光剝離工藝

顯示屏制造商使用尺寸從1到約5平方米的矩形玻璃載板。柔性顯示屏制造的基本剝離工藝步驟如圖1所示。首先，以玻璃基板為臨時(shí)載體，涂覆上聚合物薄膜，然后將其固化。接著，在聚合物薄膜上面，構(gòu)建電路背板（即薄膜晶體管矩陣），隨后覆蓋上包含發(fā)光層的前面板。最后，通過(guò)激光剝離工藝去除玻璃臨時(shí)載體，從而實(shí)現(xiàn)柔性顯示屏的制備。

圖2：柔性顯示屏的激光剝離工序中載體面板在準(zhǔn)分子激光線(xiàn)光束下移動(dòng)。

經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，對(duì)于激光剝離大尺寸面板的工業(yè)化生產(chǎn)，基于準(zhǔn)分子激光器以及線(xiàn)光束掃描光學(xué)系統(tǒng)的工藝技術(shù)已經(jīng)成為行業(yè)首選的加工策略。從最初提供的250mm長(zhǎng)度的線(xiàn)光斑激光剝離系統(tǒng)開(kāi)始，如今，長(zhǎng)度擴(kuò)展到750mm 線(xiàn)光斑的準(zhǔn)分子激光系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于柔性顯示屏的生產(chǎn)車(chē)間（參見(jiàn)圖2）。以大約0.4mm 的線(xiàn)寬來(lái)計(jì)算其相應(yīng)的加工面積（即每個(gè)激光脈沖內(nèi)覆蓋的基板面積），長(zhǎng)度250mm 線(xiàn)光斑約為1cm2，而長(zhǎng)度750mm 的線(xiàn)光斑可達(dá)3cm2。由于每個(gè)區(qū)域只需單脈沖照射，且脈沖之間的重疊僅為線(xiàn)束寬度百分之幾的量級(jí)，所以面板加工速度與激光重復(fù)頻率成正比。根據(jù)面板尺寸和線(xiàn)光束長(zhǎng)度來(lái)計(jì)算，激光剝離加工速度可達(dá)到每小時(shí)約10,000個(gè)柔性智能手機(jī)顯示屏的產(chǎn)量。

平頂光在加工中的優(yōu)勢(shì)

準(zhǔn)分子激光剝離采用單脈沖剝離+ 逐行掃描的工藝，因此要求輸出的平頂光束具有穩(wěn)定的脈沖能量。在這種模式下，準(zhǔn)分子激光器輸出的脈沖能量可達(dá)1J，這足以保證輸出的大光斑具有足夠的能量密度。如果能量密度不足會(huì)導(dǎo)致剝離不完全，而能量密度過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致熱負(fù)荷過(guò)高，甚至可能導(dǎo)致薄膜翹曲或碳化。固體紫外激光系統(tǒng)的一個(gè)致命缺陷在于，其輸出光斑在某一方向上為高斯分布，必須采用高疊加率進(jìn)行掃描，從而其激光剝離有效光斑利用率只有25%。而準(zhǔn)分子激光器由于輸出的是平頂光斑，因此在激光剝離的過(guò)程中，在保證單脈沖具有足夠的能量密度進(jìn)行有效剝離的前提下，脈沖間的疊加率可以控制的非常小，其光斑有效利用率可達(dá)80%以上，并能最大程度上減少激光剝離所需要的脈沖數(shù)量。

圖3 ：750 mm 長(zhǎng)準(zhǔn)分子激光線(xiàn)光束的水平軸和垂直軸的橫截面。

實(shí)時(shí)脈沖控制—有效提升激光利用效率

激光脈沖，尤其是紫外激光脈沖，具有相對(duì)高昂的成本。這些成本主要是由激光器運(yùn)行時(shí)配件損耗產(chǎn)生的，比如各種光學(xué)零部件。準(zhǔn)分子激光剝離系統(tǒng)中，激光器可以在脈沖實(shí)時(shí)控制輸出的模式下工作。在實(shí)際生產(chǎn)中，在柔性顯示屏制造進(jìn)行激光剝離的加工工序期間，紫外激光器的實(shí)際工作時(shí)間不到整套工藝流程時(shí)間的40%。利用準(zhǔn)分子激光器的脈沖實(shí)時(shí)控制輸出的模式，激光剝離系統(tǒng)僅僅需要在面板剝離時(shí)輸出激光脈沖，而在系統(tǒng)上、下料以及面板移動(dòng)時(shí)，以及其它空閑時(shí)間，激光器無(wú)需輸出激光脈沖（參見(jiàn)圖4）。

圖4： 準(zhǔn)分子激光器脈沖實(shí)時(shí)控制輸出模式與固體激光器連續(xù)模式在激光剝離加工中的對(duì)比

因此，脈沖實(shí)時(shí)控制輸出模式可以大大減少每個(gè)面板加工時(shí)所需要的激光脈沖數(shù)量，從而降低了單個(gè)面板的加工成本。這樣一來(lái)，柔性屏制造商就可以通過(guò)降低激光系統(tǒng)的操作成本而獲得更多的收益。與此同時(shí)，利用脈沖實(shí)時(shí)控制輸出功能，可以在加工期間盡量減少激光器的脈沖輸出數(shù)量，從而延遲激光器的使用壽命。通常情況下，在脈沖實(shí)時(shí)控制輸出模式下運(yùn)行，準(zhǔn)分子激光系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)條件下通常能夠運(yùn)行五年以上，無(wú)需重大維護(hù)，而且設(shè)備總體正常運(yùn)行時(shí)間大于95%。

焦深—大幅面工作范圍內(nèi)高度偏差補(bǔ)償?shù)睦?/strong>

批量化加工大尺寸柔性顯示屏面板的重要因素之一是激光剝離系統(tǒng)的焦深。由于準(zhǔn)分子激光器輸出的高能量脈沖的優(yōu)異特性，線(xiàn)光束成像系統(tǒng)采用了低數(shù)值孔徑的聚焦系統(tǒng)，從而產(chǎn)生的激光焦深可高達(dá)約±150μm（參見(jiàn)圖5）。在剝離工藝進(jìn)行期間，基板需要保持在線(xiàn)光束聚焦焦斑范圍內(nèi)，焦斑的深度與線(xiàn)光束的線(xiàn)寬成正比。通過(guò)在50%、90% 和96%線(xiàn)寬條件下測(cè)量發(fā)現(xiàn)，線(xiàn)寬變化對(duì)于焦深變化的影響率只有2%。因此，在面板加工的過(guò)程中，即使因?yàn)槊姘甯叨鹊牟▌?dòng)，也能夠使加工平面保持在焦深范圍內(nèi)，不會(huì)影響激光剝離的加工效果。與此相反，三倍頻固體激光器由于輸出的脈沖能量較低，需要將光束聚焦為更小的光斑以保持剝離必須的能量密度。因此，固體激光器的剝離系統(tǒng)僅僅只有約20μm的焦深，在大幅面工作范圍條件下，為了保證加工精度，不得不減少其“工藝窗口”。

圖5 ：作為移動(dòng)垂直基板位置的函數(shù)測(cè)量的短軸線(xiàn)寬度。

總結(jié)

綜上所述，采用高功率準(zhǔn)分子激光器的激光剝離系統(tǒng)已成為制造下一代輕質(zhì)柔性微電子器件量產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。而準(zhǔn)分子激光器所特有的大焦深、平頂光束和優(yōu)異的脈沖穩(wěn)定性等特點(diǎn)，使得準(zhǔn)分子激光剝離系統(tǒng)成為工業(yè)生產(chǎn)中最完美的剝離工具。準(zhǔn)分子激光器能夠提供獨(dú)一無(wú)二的超高脈沖能量以及優(yōu)異的光學(xué)性能，可以整形成優(yōu)良的矩形光斑，以達(dá)到平方厘米量級(jí)的大加工面積，并且能夠?qū)崿F(xiàn)直徑300mm的晶元和大尺寸柔性顯示屏玻璃基板的快速剝離。