柔性聚酰亚胺薄膜的高可靠激光剥离工艺研究

发布时间：2020-07-26 15:07

【摘要】：聚酰亚胺(Polyimide,PI)由于其耐高温、热变形小、使用寿命长、生物兼容性强等优点,是柔性电子制造工艺中理想的柔性目标基板。为了解决将以PI为基底的超薄功能器件从源生基板大面积、高效率、无损伤地剥离与转移这一技术挑战,激光剥离工艺应运而生。目前,关于PI体系的激光剥离工艺研究尚不充分,为了增进对工艺的理解,增加工艺的可靠性以更好地指导实际应用,本文对激光剥离PI薄膜的阈值、机理、调控、监测四个重要环节进行了系统地研究,主要工作包括:(1)搭建了激光剥离工艺实验原型装备,并依托该实验装备对不同PI厚度和不同激光重复照射次数两种工况下PI薄膜能够被剥离的激光能量密度阈值进行了测定。测定结果表明激光剥离PI薄膜存在一个动态阈值,该阈值能量密度随PI厚度增大而升高,随激光重复照射次数增大而降低。(2)观测了PI-玻璃界面的微观形貌演化,发现PI脱离玻璃基板前界面会产生大量纳米柱状微连接。通过理论模型对激光辐照下界面温度场进行数值仿真,发现该微连接结构的尺度远超激光的热穿透深度。通过测试界面在激光照射后的残余粘附能与表面微观形貌,证实微连接结构的消失降低了界面粘附能并最终使PI脱离。以此为依据提出了激光剥离PI薄膜机理,激光烧蚀PI过程中的气体产物形成的极高气压顶起了薄膜并最终促使薄膜脱离。这一机理对动态阈值可以予以合理解释。(3)测定了激光剥离后的PI薄膜发生质量降级前激光能量密度和重复照射次数两个工艺参数的上限,发现较厚的薄膜相比较薄的薄膜具有更大的工艺窗口。通过对激光照射后薄膜鼓泡高度和轮廓的观测,发现两者工艺窗口区别的原因是较厚的薄膜具有更大的刚度,不易发生过量的塑性变形。据此分别提出了基于控制两个工艺参数和基于上层约束两种工艺调控策略,显著提升了超薄PI薄膜的剥离质量和剥离效率。(4)基于聚偏氟乙烯(PVDF)压电片实现了对激光剥离PI过程中气体冲击效应的实时监测,发现其与激光能量密度存在良好的线性关系,且上层约束能有效增强薄膜抵抗气体冲击的能力。基于电阻应变片实现了激光剥离PI过程中薄膜变形的实时监测,发现薄膜能够剥离的工艺参数下测试信号存在一个阶跃特征,为直观判断薄膜是否剥离提供了可能。两个实验得到的信号均呈现出显著的识别特征和良好的一致性,并对本文的诸多研究结果予以了有力佐证。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2
【图文】：

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以下项目的资助：科学基金重点项目大面积柔性电子曲面共形制造及智能蒙1635007。然科学基金青年科学基金项目超薄聚合物薄膜准分子激光烧离，批准号：51705180。景与意义来半导体工艺制程已经逐渐逼近器件的物理极限，以光刻等艺开始陷入瓶颈，曾经严格遵循摩尔定律的传统微电子行而以图 1-1 所示的柔性显示[1, 2]、表皮电子[3-6]、智能蒙皮[7]、为代表的柔性电子器件则开始成为行业领域新的技术风口。统微电子制造，柔性电子制造的对象具有面积大、延展强、特性，因此需要采用不同的制造工艺流程。

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华中科技大学硕士学位论文柔性电子制造的主流工艺方法主要分为两种，如图 1-2(a)所示，其一是直接标基底上采用丝网印刷、电流体喷印等基于溶液型功能材料的增材制造技子器件，例如无线射频识别标签(RFID)[11]、薄膜晶体管(TFT)[12]等。这种方是自然兼容柔性目标基底，且流程简单、成本低廉，但电子器件性能严重受材料的性能，相关制造技术的分辨率不足，对于显示屏幕之类的高性能电子直接制造，仍需要依赖传统半导体制造工艺。为了解决这些缺陷，目前行业另一种折中路线，即先在硬质源生基板上利用成熟的半导体制造工艺制造子器件，再通过剥离与转移技术将目标器件从源生基板上分离并转移到可性基底上，如图 1-2(b)所示。这一工艺路线虽然能较好地兼顾器件的使用性的需求，但同时对大面积、高效率、高质量的剥离与转移技术这一关键工艺了严峻的挑战。

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华中科技大学硕士学位论文移定位的精度控制上较为困难；基于溶液的湿法化学刻蚀工艺虽然可以兼的薄膜器件，但是通常刻蚀的速率较低，刻蚀的面积越大内部牺牲层的刻蚀，难以保证刻蚀的均一性且对环境存在较大的污染；基于应力、光或热等特使临时键合的界面发生分离的晶元键合工艺在微电子制造里具有较长的应但其适用面积严格受晶圆盘大小的限制。

【参考文献】