（本文作者：OPTOPIA株式会社清水 宏；供稿公司：铨宸科技有限公司）

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引言

近来在玻璃基板上制造组件, 如柔性显示设备和超薄芯片, 在基板的背面通过雷射照射之雷射剥离制程Laser Lift-Off process (LLO)引起业界关注。

基板透过适合的雷射波长、于组件之界面处作业形成以雷射烧蚀（蒸散）加工出来的高分子膜形成比较容易的将其剥离、并且作为多様薄膜器件的制程, 其应用范围正在扩大。

作为雷射剥离制程,在较早期应用在LED制程中, 将小的均匀光束照射到晶粒尺寸为几毫米的GaN材料上即可达成。然而,于FPD应用上、和大尺吋芯片(～12英寸), 则必须均匀的大面积处理, 并且使用线光班(Line Beam)才能使剥离制程有效作业。

本文提到了LLO制程的原理, 制程所需的条件, LLO制程后的材料评估, 得以实际生产设备性能实现。

图1、玻璃基板上雷射剥离制程

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为何要使用LLO雷射剥离制程?

说明需要更新到用LLO制程的背景。

(1) 对于玻璃基板的附着力(以柔性显示器为例)

用于智能电话的高清小型显示器的像素尺寸为几十微米, 并于柔性显示器上的高分子膜(PI), 相对要求对次微米级的TFT电路图案的对准精度。因此, 必须通过将具有优异机械/电性性能材料涂布于基材, 然后进行烧结(重合), 从而牢固地固定在玻璃基板上。有机EL层组件完成后, 需要从玻璃基板上不被破坏组件情况下剥离, 但是如上所述, 高分子膜和玻璃基板之间的粘附力非常强, 并且难以通过机械或化学方法剥离, 因此只能透过雷射剥离将其无损坏的分离。

(2) 另一方面, 剥离作业是雷射烧蚀制程, 一方高分子膜(PI)材料是印刷基板穿孔加工, 喷墨打印机喷墨孔加工处理为代表, 紫外光脉冲雷射可以进行烧蚀ablation(蒸散)加工处理。

玻璃和PI膜界面则通过以激光束照射表面, 发 现可以比上述钻孔加工低一位数的烧蚀门坎值能量密度进行剥离, 并引入了该方法。

图2 、Laser operation process

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LLO制程的特徴

LLO制程的特徴与优势。

(1)UV Pulse Laser作业制程

此雷射对PI膜的穿透深度较浅、Pulse时间宽度较短, 因此对器件几乎无产生热效应影响(低温制程)。

(2)从基板背面方向开始照射

制程不会受组件损坏限制、剥离反应的型成可以在制程过程结束时完成。

(3)1 shut / 能量密度门坎必须高达到PI界面分离的能量通量。

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LLO制程的必要条件

LLO制程用雷射所需特性描述。

(1)大面积制程需高能量/高输出脉冲雷射

例G6H尺吋(925mm×1500mm)可处理最大尺吋750mm或950mm长度, 能量密度线光斑需达 数百mJ/cm2。以对应显示器制程线光斑长度之需求能量。

(2) PI层使用紫外线波长用于浅穿透度*

*取决于PI特性(可视区域), 透明PI上限为 355nm (Nd:YAG雷射的3倍波)。

(3) 可通过玻璃基板波长

无碱玻璃的可穿透范围 (308nm XeCl准分子雷射波长)以上的波长。

图3、PI吸收率(1)

图4、一般无碱玻璃的穿透率

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LLO制程的照射光束

雷射振荡器的输出光束形状取决于放电强度分布/YAG结晶激发介质/共振器的构造, 通常以不均匀的光束形状照射PI界面, 整个照射区域都会产生较 大的能量密度变化、在能量密度高的区域进行了强力处理反应, 而在能量密度低的区域中, 则存留未完全剥离现象。

图5、典型的YAG激光束形状图

图6、典型的准分子激光束形状

因此, 使用分散均质器光学系统剥离(ablation)制程门坎, 需要以更高能量密度照射。

图7、分散型均质器和均匀线光斑之形状原理

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PI 材料的条件

作为雷射烧蚀制程的条件、由于脉冲雷射的光吸收, 材料需要迅速升高至汽化温度。因此在几十纳秒的辐照时间范围内, 材料的光穿透深度必须浅(数百nm～)、且在几时纳秒的雷射辐照时间范围内导热系数低 (难以冷却)必要条件。如果组件底部材料条件不足此要求, 则可以使用吸收雷射光的牺牲膜, 例如a-Si 膜。

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线光班LLO 制程结果

在无碱玻璃上涂布三井化学的透明PI VICT-C, 用波长308nm 的均匀光束照射实验结果130mJ/cm2 以上的能量密度剥离结果如下。

表1、能量密度的剥离结果

照射区域的照片是玻璃表面上的PI 膜观察。120mJ/cm2 由牛顿环观察到的部份区域已开始剥离、150mJ/cm2 大部份已剥离。您还可以看到由于烧蚀对流产生部份碎片 (付着物)。这种对流是由1Shut 激光脉冲产生的、 剥离后PI 膜会有一定程程度的膨胀厚度的可能性。而这种冲击可能会损坏组件, 照射能量门坎应设置到非常接近剥离的值。照射光束的均匀度在±5%以内、区域间剥离能量密度的差异, 被认为是由于玻璃和PI之间界面粘合度变化所致。

LLO剥离制程于透明ＰＩ膜、其机械性或热物性性质几乎没有变化。

关于光学物性当能量密度增加和重迭增加时, 色相会变差。

图8、LLO剥离后透明PI的机械物性变化(拉申试验)

图9、LLO 剥离后透明PI 的热效应物性变化 (Tg; 玻璃转移温度、Td1; 1%重量减少温度、 CTE; 线膨张系数(100-200℃))

图10、LLO剥离后透明PI的光学物性变化

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LLO制程的Throughput

敝司现在制造的固态UV Pulse雷射设备应用于LLO制程系统, 包含RD机型及可供应量产系统需求, 如图11所示。

表2、敝司LLO 系统之Throughput

用线光斑照射在玻璃基板和PI 的界面层时, 以略高于制程门坎值的能量密度进行照射, 必须以2-10 shuts 重迭进行扫描 (移动玻璃基板) 以达成被照射的表面完全剥离。

图 11、Line Beam 线光班的扫描与重迭

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LLO的外围制程

LLO处理后, 需要将在玻璃基板上的显示组件进行切割为单一显示组件。该制程使用高重复短脉冲时间宽度的固态UV雷射。通过工作台或扫描台, 可以达到高速(～1m/s) 切割PI膜 + PET膜(完全切割)。

图12、LLO 制程后, 使用皮秒雷射做高速PI 膜切割, 敝司制造复合型生产装置

还可以用对PET 具有强吸收光谱的9.3μ m CO2 雷射选择性的切割(Half Cut)、可以剥开特定区域。图12 显示敝司于此制程的多功能装置之构成。另外, 在LLO 制程前/后必须层压保护和柔性基板, 并且如何处理剥离的组件是一个问题, 使用这些雷射工程技术具有高灵活性的, 切割粘贴剥离, 工程似乎将变得越驱重要。

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总结与挑战

使用紫外光雷射, 通过线束光斑于玻离基板的背面剥离有机膜。

130mJ/cm2程度比较的低门坎値值50%的低重迭率, 可以预期极高的生产率。

尽管此制程是一种烧蚀过程, 但与空气或真空中的已知过程不同, 它是PI膜粘在玻璃上的特殊条件, 因此里面剥离门坎值的变化取决于所提供的材料 (110～150mJ/cm2)。

另一方面, 当照射能量密度增加时, 反应于该增加而产生碎屑(附着物), 因此需要以尽可能接近门坎值的能量密度进行照射, 此外通过可能接近门坎值, 可预期消减对组件的冲冲影响也将减小。

随着界面条件的变化, 门坎值也会发生变化, 为将来改善该门坎值的变化, 我们将与有机薄膜材料制造商和各行各业合作, 以获得玻璃基板材/洗净/涂层必要条件。

最后, 我们感谢三井化学株式会杜提供并评估此次剥离的透明PI膜样品。

参考文献

(1)三井化学 透明PIポリイミド系透明?白色材料

http://jp.mitsuichem.com/techno/develop/pi/spec.htm

RichEnergy Technology Co., Ltd.

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