1.引言
近來在玻璃基板上制造組件(jian), 如柔(rou)性(xing)顯示設(she)備和超薄(bo)芯片, 在基(ji)板(ban)的(de)背面通過雷射(she)(she)照射(she)(she)之激光(guang)剝(bo)離制程Laser Lift-Off process (LLO)引起業(ye)界關注(zhu)。
基(ji)板透過適(shi)合(he)的(de)雷射(she)波(bo)長(chang)、于組件之(zhi)界面處作(zuo)業形成(cheng)以雷射(she)燒蝕（蒸散(san)）加(jia)工出來(lai)的(de)高分子膜(mo)形成(cheng)比較(jiao)容易的(de)將(jiang)其剝(bo)離、并且作(zuo)為多様(yang)薄膜(mo)器件的(de)制程, 其應用(yong)范圍正在擴大。
作為雷射剝(bo)離制程,在較早期應(ying)用在LED制程中, 將(jiang)小的均勻光(guang)束照射(she)到(dao)晶粒(li)尺寸為幾毫米的GaN材料上(shang)即可達成。然而(er),于(yu)FPD應(ying)用上、和(he)大尺吋(cun)芯片(～12英寸(cun)), 則必須均勻的大面積處理, 并且使用線光班(Line Beam)才能使剝離(li)制程有(you)效作(zuo)業。
本文提到了LLO制程的原(yuan)理, 制程所需的條(tiao)件, LLO制程后的(de)材料評估, 得(de)以實際(ji)生產(chan)設備性能實現(xian)。
圖1玻璃基(ji)板上雷射剝離制程
2.為何要(yao)使用LLO雷(lei)射剝離制(zhi)程(cheng)
(1) 對(dui)于玻璃(li)基板(ban)的附著力(以(yi)柔性顯(xian)示器(qi)為例)
用于(yu)智能電話的(de)高清小型顯示器的(de)像素尺寸為幾十微米, 并于柔性顯(xian)示器上的(de)高分(fen)子膜(PI), 相對要求對次微米級的TFT電路圖案的對準精度。因(yin)此, 必須通過將(jiang)具有優(you)異機械/電性(xing)性(xing)能(neng)材(cai)料(liao)涂布(bu)于基材(cai), 然后(hou)進行(xing)燒(shao)結(重合), 從(cong)而牢固地固定(ding)在玻璃基板上。有機(ji)EL層組件完成后, 需要從玻璃基板上(shang)不被破壞(huai)組件(jian)情況下剝離, 但是如上所(suo)述, 高分子膜和玻璃基(ji)板之間的粘附力非常(chang)強, 并且難以通過機械(xie)或化學方法剝離, 因(yin)此只能透過雷射(she)剝離(li)(li)將其無損壞的(de)分離(li)(li)。
(2) 另一方面(mian), 剝(bo)離作業是雷射燒蝕(shi)制程, 一方高分子膜(PI)材料(liao)是印刷基板穿孔(kong)加工, 噴墨打印(yin)機噴墨孔加工處理為(wei)代表, 紫外光脈沖雷射可以進行燒(shao)蝕ablation(蒸散)加工處理。
玻璃和PI膜界(jie)面則通過(guo)以激(ji)光束照(zhao)射表面, 發現可以(yi)比上述鉆(zhan)孔(kong)加工低(di)一位數的燒蝕門坎值(zhi)能量密度進行剝離, 并引入了該方法。
圖(tu)2 Laser operation process
3.LLO制程(cheng)的特征
(1)UV Pulse Laser作(zuo)業制程
此雷(lei)射對PI膜(mo)的穿透深度較淺、Pulse時間寬度(du)較短, 因此對器(qi)件幾乎無(wu)產生熱(re)效應影響(低溫(wen)制程)。
(2)從基板背面方向(xiang)開始照(zhao)射
制程不會(hui)受組件(jian)損壞限制、剝離反應的(de)型(xing)成(cheng)(cheng)可以在制程過程結束時完成(cheng)(cheng)。
(3)1 shut / 能量(liang)密度門坎必(bi)須高達(da)到PI界面分離的能量通量。
4.LLO制程的(de)必要(yao)條件
LLO制程用雷射所(suo)需特性描述。
(1)大面(mian)積制程需高能量/高輸出脈沖雷射
例G6H尺吋(cun)(925mm×1500mm)可處理最大(da)尺(chi)吋(cun)750mm或950mm長度, 能量(liang)密度線光斑(ban)需(xu)達 數百mJ/cm2。以(yi)對應顯示器制程線(xian)光斑長度之需求能(neng)量。
(2) PI層使用紫外線(xian)波長用于淺(qian)穿(chuan)透度(du)
取決于(yu)PI特性(xing)(可視(shi)區域), 透明PI上限為(wei) 355nm (Nd:YAG雷射的3倍(bei)波)。
(3) 可通過玻璃(li)基板波長
無堿玻璃的可穿透范(fan)圍 (308nm XeCl準分子雷(lei)射(she)波(bo)長)以(yi)上(shang)的波長。
圖(tu)3 PI吸(xi)收率(1)
圖4 一般無(wu)堿(jian)玻(bo)璃的穿(chuan)透率
5.LLO制程的照射光束(shu)
雷射振蕩器的(de)輸出(chu)光束形(xing)狀取(qu)決于放電強度分布/YAG結晶(jing)激(ji)發(fa)介質(zhi)/共振器的構造(zao), 通常以不均(jun)勻的光束形狀(zhuang)照射PI界面, 整個照射區(qu)域(yu)都會(hui)產(chan)生較(jiao)大的能量密度變化、在能量密度高的區(qu)域(yu)進行了強力處理反(fan)應, 而在能量密度低的區域中(zhong), 則存(cun)留未完全(quan)剝離現象。
圖(tu)5 典型的(de)YAG激(ji)光束(shu)形狀(zhuang)圖(tu)
圖6 典(dian)型的準分子激(ji)光束形狀
因此, 使用分(fen)散均(jun)質器光學系(xi)統(tong)剝離(ablation)制程門坎, 需要以更高(gao)能量密度照射。
圖7 分散(san)型均質器(qi)和均勻(yun)線(xian)光斑(ban)之形狀原理
63.PI 材料的條件
作為雷射燒蝕制程的條件(jian)、由于脈沖雷射的光吸收, 材(cai)料(liao)需要迅速(su)升高至(zhi)汽化(hua)溫度。因此在幾十納(na)秒的輻照時間范圍內, 材料(liao)的光穿(chuan)透深(shen)度必須淺(數百nm～)、且在幾時(shi)納秒(miao)的雷射輻(fu)照時(shi)間(jian)范圍內導熱系數低(di) (難以冷卻)必要條件。如果組件底部材料(liao)條件不足此要求, 則(ze)可以使用(yong)吸收雷射光的犧牲膜, 例如a-Si 膜(mo)。
7.線(xian)光(guang)班LLO 制(zhi)程結果
在無堿玻璃上涂布三井化學的透(tou)明PI VICT-C, 用波長308nm 的均勻光(guang)束(shu)照射實驗結果130mJ/cm2 以上的能量密度剝離結果如下。
表1 能(neng)量(liang)密度的剝離結果(guo)
照(zhao)射區域的照(zhao)片是玻璃表(biao)面上的PI 膜(mo)觀察。120mJ/cm2 由牛(niu)頓環觀察到的部份區域已開始(shi)剝離(li)、150mJ/cm2 大部(bu)份(fen)已剝離(li)。您還可以看到由于燒蝕對流(liu)產(chan)生部(bu)份(fen)碎(sui)片 (付著物(wu))。這種對流是由1Shut 激(ji)光脈沖產生的(de)、 剝離后PI 膜(mo)會有一定程程度的膨脹(zhang)厚度的可(ke)能性。而這種沖擊可(ke)能會損壞組件, 照(zhao)射能(neng)量門坎(kan)應設置到非(fei)常接近剝離的(de)值。照(zhao)射光束的(de)均勻度在±5%以內、區域(yu)間(jian)剝離能(neng)量(liang)密度的差異, 被認為(wei)是由于玻(bo)璃和PI之間(jian)界面(mian)粘合度變化所致。
LLO剝(bo)離制(zhi)程于(yu)透明PI膜、其機械性或(huo)熱物(wu)性性質幾(ji)乎沒有變化。
關于光學物性(xing)當能量(liang)密度(du)增加(jia)和重迭(die)增加(jia)時, 色相(xiang)會變差(cha)。
圖8 LLO剝離后透明PI的機械物(wu)性(xing)變(bian)化(拉申試驗(yan))
圖(tu)9 LLO 剝離后透明PI 的熱(re)效(xiao)應物性變化 (Tg; 玻璃轉(zhuan)移溫度(du)、Td1; 1%重量(liang)減(jian)少溫度、 CTE; 線膨(peng)張系數(100-200℃))
圖10 LLO剝離后透明PI的光(guang)學(xue)物性(xing)變化
8.LLO制程的(de)Throughput
現(xian)在(zai)制造(zao)的(de)固態UV Pulse雷射設備應用于LLO制程(cheng)系(xi)統(tong), 包含RD機型及可供應量(liang)產系統(tong)需求, 如圖11所示。
表2 LLO 系統(tong)
用線光斑(ban)照射在玻璃基板和PI 的界面(mian)層時(shi), 以(yi)略高于制(zhi)程門坎值的能(neng)量密度進行(xing)照射(she), 必須以2-10 shuts 重迭進行掃描 (移動玻璃基板(ban)) 以(yi)達成(cheng)被照射的表(biao)面完(wan)全(quan)剝離。
圖 11 Line Beam 線光班(ban)的(de)掃描(miao)與重迭
9.LLO的(de)外圍(wei)制程
LLO處理后, 需要(yao)將在玻璃基板(ban)上的顯(xian)示(shi)組件進行(xing)切割為單一顯(xian)示(shi)組件。該(gai)制程使用高重復短(duan)脈沖時間寬(kuan)度的固態UV雷射。通過(guo)工(gong)作臺或(huo)掃描臺, 可以達到高速(～1m/s) 切割PI膜 + PET膜(完全切割)。
圖(tu)12 LLO 制程(cheng)后, 使用皮秒(miao)雷(lei)射(she)做高速PI 膜切割, 敝司制(zhi)造復(fu)合型生(sheng)產裝置
還可以用對PET 具(ju)有強吸收光譜的9.3μ m CO2 雷射(she)選擇性的切割(Half Cut)、可以剝開特(te)定區域(yu)。圖12 顯(xian)示敝司(si)于此制(zhi)程的(de)多功能裝置之構(gou)成。另(ling)外, 在LLO 制程前/后必須(xu)層壓保(bao)護和柔性(xing)基板, 并且如何(he)處理(li)剝離的組件是(shi)一個問題, 使用(yong)這(zhe)些雷射工程技術具(ju)有高靈活性的, 切割粘貼剝離, 工程似乎將變得越(yue)驅重要。
10.總結與挑(tiao)戰
使(shi)用(yong)紫外(wai)光雷(lei)射, 通過線束(shu)光斑于玻離(li)基板的背面剝離(li)有機膜。
130mJ/cm2程度比較的低門坎(kan)値(zhi)值50%的低重迭(die)率, 可以預期極高的生產率(lv)。
盡管此制程(cheng)是一種燒蝕(shi)過程(cheng), 但與(yu)空氣或真空中的已(yi)知過程不同, 它是(shi)PI膜(mo)粘在玻璃上(shang)的特殊條件, 因此里面剝(bo)離門(men)坎值的(de)變化取決于(yu)所提供的(de)材(cai)料 (110～150mJ/cm2)。
另一方(fang)面(mian), 當照射能量密(mi)度增加時, 反應于(yu)該增加而(er)產生碎(sui)屑(附著(zhu)物), 因此需要以盡可能(neng)接近門坎值的能(neng)量密(mi)度進行照射, 此(ci)外通(tong)過可能接近門坎(kan)值, 可預期消減對組件的沖(chong)沖(chong)影響也(ye)將減小。
隨(sui)著界面條件(jian)的(de)變化(hua), 門坎值也會發(fa)生變(bian)化, 為(wei)將來(lai)改善該門坎值的變化, 我們(men)將與有(you)機薄膜材料制造商(shang)和各行各業合作, 以(yi)獲得玻璃基板材/洗凈/涂(tu)層必(bi)要條(tiao)件(jian)。
