（本文作者：OPTOPIA株式會社清水 宏；供稿公司：銓宸科技有限公司）

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引言

近來在玻璃基板上制造組件, 如柔性顯示設備和超薄芯片, 在基板的背面通過雷射照射之雷射剝離制程Laser Lift-Off process (LLO)引起業界關注。

基板透過適合的雷射波長、于組件之界面處作業形成以雷射燒蝕（蒸散）加工出來的高分子膜形成比較容易的將其剝離、并且作為多様薄膜器件的制程, 其應用范圍正在擴大。

作為雷射剝離制程,在較早期應用在LED制程中, 將小的均勻光束照射到晶粒尺寸為幾毫米的GaN材料上即可達成。然而,于FPD應用上、和大尺吋芯片(～12英寸), 則必須均勻的大面積處理, 并且使用線光班(Line Beam)才能使剝離制程有效作業。

本文提到了LLO制程的原理, 制程所需的條件, LLO制程后的材料評估, 得以實際生產設備性能實現。

圖1、玻璃基板上雷射剝離制程

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為何要使用LLO雷射剝離制程?

說明需要更新到用LLO制程的背景。

(1) 對于玻璃基板的附著力(以柔性顯示器為例)

用于智能電話的高清小型顯示器的像素尺寸為幾十微米, 并于柔性顯示器上的高分子膜(PI), 相對要求對次微米級的TFT電路圖案的對準精度。因此, 必須通過將具有優異機械/電性性能材料涂布于基材, 然后進行燒結(重合), 從而牢固地固定在玻璃基板上。有機EL層組件完成后, 需要從玻璃基板上不被破壞組件情況下剝離, 但是如上所述, 高分子膜和玻璃基板之間的粘附力非常強, 并且難以通過機械或化學方法剝離, 因此只能透過雷射剝離將其無損壞的分離。

(2) 另一方面, 剝離作業是雷射燒蝕制程, 一方高分子膜(PI)材料是印刷基板穿孔加工, 噴墨打印機噴墨孔加工處理為代表, 紫外光脈沖雷射可以進行燒蝕ablation(蒸散)加工處理。

玻璃和PI膜界面則通過以激光束照射表面, 發 現可以比上述鉆孔加工低一位數的燒蝕門坎值能量密度進行剝離, 并引入了該方法。

圖2 、Laser operation process

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LLO制程的特徴

LLO制程的特徴與優勢。

(1)UV Pulse Laser作業制程

此雷射對PI膜的穿透深度較淺、Pulse時間寬度較短, 因此對器件幾乎無產生熱效應影響(低溫制程)。

(2)從基板背面方向開始照射

制程不會受組件損壞限制、剝離反應的型成可以在制程過程結束時完成。

(3)1 shut / 能量密度門坎必須高達到PI界面分離的能量通量。

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LLO制程的必要條件

LLO制程用雷射所需特性描述。

(1)大面積制程需高能量/高輸出脈沖雷射

例G6H尺吋(925mm×1500mm)可處理最大尺吋750mm或950mm長度, 能量密度線光斑需達 數百mJ/cm2。以對應顯示器制程線光斑長度之需求能量。

(2) PI層使用紫外線波長用于淺穿透度*

*取決于PI特性(可視區域), 透明PI上限為 355nm (Nd:YAG雷射的3倍波)。

(3) 可通過玻璃基板波長

無堿玻璃的可穿透范圍 (308nm XeCl準分子雷射波長)以上的波長。

圖3、PI吸收率(1)

圖4、一般無堿玻璃的穿透率

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LLO制程的照射光束

雷射振蕩器的輸出光束形狀取決于放電強度分布/YAG結晶激發介質/共振器的構造, 通常以不均勻的光束形狀照射PI界面, 整個照射區域都會產生較 大的能量密度變化、在能量密度高的區域進行了強力處理反應, 而在能量密度低的區域中, 則存留未完全剝離現象。

圖5、典型的YAG激光束形狀圖

圖6、典型的準分子激光束形狀

因此, 使用分散均質器光學系統剝離(ablation)制程門坎, 需要以更高能量密度照射。

圖7、分散型均質器和均勻線光斑之形狀原理

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PI 材料的條件

作為雷射燒蝕制程的條件、由于脈沖雷射的光吸收, 材料需要迅速升高至汽化溫度。因此在幾十納秒的輻照時間范圍內, 材料的光穿透深度必須淺(數百nm～)、且在幾時納秒的雷射輻照時間范圍內導熱系數低 (難以冷卻)必要條件。如果組件底部材料條件不足此要求, 則可以使用吸收雷射光的犧牲膜, 例如a-Si 膜。

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線光班LLO 制程結果

在無堿玻璃上涂布三井化學的透明PI VICT-C, 用波長308nm 的均勻光束照射實驗結果130mJ/cm2 以上的能量密度剝離結果如下。

表1、能量密度的剝離結果

照射區域的照片是玻璃表面上的PI 膜觀察。120mJ/cm2 由牛頓環觀察到的部份區域已開始剝離、150mJ/cm2 大部份已剝離。您還可以看到由于燒蝕對流產生部份碎片 (付著物)。這種對流是由1Shut 激光脈沖產生的、 剝離后PI 膜會有一定程程度的膨脹厚度的可能性。而這種沖擊可能會損壞組件, 照射能量門坎應設置到非常接近剝離的值。照射光束的均勻度在±5%以內、區域間剝離能量密度的差異, 被認為是由于玻璃和PI之間界面粘合度變化所致。

LLO剝離制程于透明ＰＩ膜、其機械性或熱物性性質幾乎沒有變化。

關于光學物性當能量密度增加和重迭增加時, 色相會變差。

圖8、LLO剝離后透明PI的機械物性變化(拉申試驗)

圖9、LLO 剝離后透明PI 的熱效應物性變化 (Tg; 玻璃轉移溫度、Td1; 1%重量減少溫度、 CTE; 線膨張系數(100-200℃))

圖10、LLO剝離后透明PI的光學物性變化

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LLO制程的Throughput

敝司現在制造的固態UV Pulse雷射設備應用于LLO制程系統, 包含RD機型及可供應量產系統需求, 如圖11所示。

表2、敝司LLO 系統之Throughput

用線光斑照射在玻璃基板和PI 的界面層時, 以略高于制程門坎值的能量密度進行照射, 必須以2-10 shuts 重迭進行掃描 (移動玻璃基板) 以達成被照射的表面完全剝離。

圖 11、Line Beam 線光班的掃描與重迭

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LLO的外圍制程

LLO處理后, 需要將在玻璃基板上的顯示組件進行切割為單一顯示組件。該制程使用高重復短脈沖時間寬度的固態UV雷射。通過工作臺或掃描臺, 可以達到高速(～1m/s) 切割PI膜 + PET膜(完全切割)。

圖12、LLO 制程后, 使用皮秒雷射做高速PI 膜切割, 敝司制造復合型生產裝置

還可以用對PET 具有強吸收光譜的9.3μ m CO2 雷射選擇性的切割(Half Cut)、可以剝開特定區域。圖12 顯示敝司于此制程的多功能裝置之構成。另外, 在LLO 制程前/后必須層壓保護和柔性基板, 并且如何處理剝離的組件是一個問題, 使用這些雷射工程技術具有高靈活性的, 切割粘貼剝離, 工程似乎將變得越驅重要。

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總結與挑戰

使用紫外光雷射, 通過線束光斑于玻離基板的背面剝離有機膜。

130mJ/cm2程度比較的低門坎値值50%的低重迭率, 可以預期極高的生產率。

盡管此制程是一種燒蝕過程, 但與空氣或真空中的已知過程不同, 它是PI膜粘在玻璃上的特殊條件, 因此里面剝離門坎值的變化取決于所提供的材料 (110～150mJ/cm2)。

另一方面, 當照射能量密度增加時, 反應于該增加而產生碎屑(附著物), 因此需要以盡可能接近門坎值的能量密度進行照射, 此外通過可能接近門坎值, 可預期消減對組件的沖沖影響也將減小。

隨著界面條件的變化, 門坎值也會發生變化, 為將來改善該門坎值的變化, 我們將與有機薄膜材料制造商和各行各業合作, 以獲得玻璃基板材/洗凈/涂層必要條件。

最后, 我們感謝三井化學株式會杜提供并評估此次剝離的透明PI膜樣品。

參考文獻

(1)三井化學 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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