《npj Flexible Electronics》：用於柔性薄膜晶體管的大麵積光子剝離工藝（IF=14.676）

背景：

 在zai塑su料liao上shang製zhi造zao柔rou性xing電dian子zi元yuan件jian通tong常chang受shou到dao聚ju合he物wu基ji底di較jiao差cha的de尺chi寸cun穩wen定ding性xing限xian製zhi。為wei了le緩huan解jie這zhe一yi問wen題ti，在zai製zhi造zao過guo程cheng中zhong使shi用yong了le玻bo璃li載zai體ti
，但dan如ru何he在zai不bu損sun壞huai電dian子zi元yuan件jian的de情qing況kuang下xia將jiang塑su料liao基ji底di從cong載zai體ti上shang移yi除chu仍reng然ran是shi一yi個ge挑tiao戰zhan。在zai這zhe裏li
，我wo們men利li用yong大da麵mian積ji、高通量的光子剝離（PLO）工藝來迅速將聚合物薄膜從剛性載體上分離。PLO使用閃光燈產生的寬帶光脈衝（持續時間為150微秒）來將塗有光吸收層（LAL）的玻璃載體基底上的功能薄膜剝離。建模表明
，在PLO過程中
，聚合物/LAL界麵溫度超過800°C

，但聚酰亞胺（PI）的頂麵溫度保持在120°C以下。在PI基底上製造了一組銦鋅氧化物（IZO）薄膜晶體管（TFTs），並通過PLO技術從玻璃載體上剝離。PLO過程對TFTs的遷移率沒有影響。這些柔性TFTs在機械上非常堅固，即使在彎曲時遷移率也沒有降低。

文獻介紹：

 隨著柔性電子設備（如柔性顯示器和傳感器）的複雜性增加，需要新型與塑料兼容的製造方法來生產高產量、低缺陷的柔性電路。雖然可以使用如印刷等溶液處理方法在低溫基底上製造電路
，但有些情況下印刷並不是實現複雜

、高gao密mi度du電dian路lu和he小xiao型xing器qi件jian的de可ke行xing選xuan擇ze。特te別bie是shi
，高gao分fen辨bian率lv顯xian示shi器qi應ying用yong通tong常chang需xu要yao單dan微wei米mi特te征zheng尺chi寸cun，並bing在zai大da麵mian積ji基ji底di上shang保bao持chi出chu色se的de均jun勻yun性xing。對dui於yu這zhe些xie應ying用yong
，需xu要yao更geng精jing確que的de製zhi造zao技ji術shu
，如ru光guang刻ke。然ran而er
，由you於yu聚ju合he物wu的de尺chi寸cun穩wen定ding性xing較jiao差cha
，即ji使shi在zai光guang刻ke過guo程cheng中zhong的de低di溫wen處chu理li（如軟烘烤）也(ye)可(ke)能(neng)改(gai)變(bian)基(ji)底(di)的(de)尺(chi)寸(cun)。隨(sui)著(zhe)特(te)征(zheng)尺(chi)寸(cun)的(de)減(jian)小(xiao)，基(ji)底(di)尺(chi)寸(cun)上(shang)的(de)微(wei)米(mi)級(ji)變(bian)化(hua)也(ye)可(ke)能(neng)在(zai)後(hou)續(xu)的(de)對(dui)準(zhun)步(bu)驟(zhou)中(zhong)產(chan)生(sheng)誤(wu)差(cha)。解(jie)決(jue)這(zhe)一(yi)問(wen)題(ti)的(de)一(yi)個(ge)方(fang)法(fa)是(shi)轉(zhuan)移(yi)印(yin)刷(shua)，其(qi)中(zhong)材(cai)料(liao)在(zai)一(yi)個(ge)基(ji)底(di)上(shang)製(zhi)造(zao)，然(ran)後(hou)轉(zhuan)移(yi)到(dao)接(jie)收(shou)基(ji)底(di)上(shang)。但(dan)是(shi)，轉(zhuan)移(yi)印(yin)刷(shua)通(tong)常(chang)需(xu)要(yao)使(shi)用(yong)粘(zhan)附(fu)層(ceng)或(huo)對(dui)基(ji)底(di)表(biao)麵(mian)進(jin)行(xing)仔(zai)細(xi)修(xiu)改(gai)以(yi)促(cu)進(jin)油(you)墨(mo)轉(zhuan)移(yi)。或(huo)者(zhe)
，通(tong)過(guo)在(zai)設(she)備(bei)製(zhi)造(zao)過(guo)程(cheng)中(zhong)將(jiang)聚(ju)合(he)物(wu)薄(bo)膜(mo)附(fu)著(zhe)在(zai)剛(gang)性(xing)載(zai)體(ti)上(shang)，然(ran)後(hou)釋(shi)放(fang)製(zhi)造(zao)完(wan)成(cheng)的(de)設(she)備(bei)層(ceng)的(de)聚(ju)合(he)物(wu)基(ji)底(di)，可(ke)以(yi)克(ke)服(fu)尺(chi)寸(cun)穩(wen)定(ding)性(xing)問(wen)題(ti)。因(yin)此(ci)，從(cong)剛(gang)性(xing)載(zai)體(ti)上(shang)分(fen)離(li)聚(ju)合(he)物(wu)薄(bo)膜(mo)是(shi)生(sheng)產(chan)下(xia)一(yi)代(dai)柔(rou)性(xing)電(dian)子(zi)產(chan)品(pin)的(de)關(guan)鍵(jian)步(bu)驟(zhou)。

  已經研究了多種方法，用於從剛性載體上釋放塑料基底。利用準分子激光的激光剝離（Laser Lift-off，簡稱LLO）長(chang)期(qi)以(yi)來(lai)一(yi)直(zhi)是(shi)業(ye)界(jie)用(yong)於(yu)在(zai)電(dian)子(zi)製(zhi)造(zao)過(guo)程(cheng)中(zhong)從(cong)剛(gang)性(xing)載(zai)體(ti)上(shang)剝(bo)離(li)聚(ju)合(he)物(wu)薄(bo)膜(mo)的(de)方(fang)法(fa)。剝(bo)離(li)機(ji)製(zhi)基(ji)於(yu)在(zai)聚(ju)合(he)物(wu)和(he)剛(gang)性(xing)載(zai)體(ti)界(jie)麵(mian)處(chu)選(xuan)擇(ze)性(xing)燒(shao)蝕(shi)聚(ju)合(he)物(wu)薄(bo)膜(mo)。聚(ju)合(he)物(wu)與(yu)激(ji)光(guang)之(zhi)間(jian)的(de)相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)已(yi)被(bei)廣(guang)泛(fan)研(yan)究(jiu)，這(zhe)些(xie)研(yan)究(jiu)導(dao)致(zhi)了(le)LLO技術的產生。在LLO中，激光掃描玻璃基底的背麵
，通過聚合物基底本身發生的吸收來實現燒蝕
，因為聚合物通常吸收光譜中的紫外線（UV）區域波長。吸收的激光能量加熱聚合物並在玻璃/聚(ju)合(he)物(wu)界(jie)麵(mian)處(chu)引(yin)發(fa)燒(shao)蝕(shi)。準(zhun)分(fen)子(zi)激(ji)光(guang)剝(bo)離(li)具(ju)有(you)幾(ji)個(ge)吸(xi)引(yin)人(ren)的(de)特(te)性(xing)，例(li)如(ru)能(neng)夠(gou)維(wei)持(chi)局(ju)部(bu)輻(fu)射(she)和(he)實(shi)現(xian)低(di)全(quan)局(ju)溫(wen)度(du)。然(ran)而(er)

，需(xu)要(yao)昂(ang)貴(gui)的(de)激(ji)光(guang)係(xi)統(tong)，並(bing)且(qie)剝(bo)離(li)過(guo)程(cheng)對(dui)激(ji)光(guang)參(can)數(shu)的(de)變(bian)化(hua)很(hen)敏(min)感(gan)。激(ji)光(guang)係(xi)統(tong)的(de)功(gong)率(lv)波(bo)動(dong)和(he)非(fei)均(jun)勻(yun)光(guang)柵(zha)掃(sao)描(miao)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)缺(que)陷(xian)並(bing)降(jiang)低(di)產(chan)量(liang)。LLO也是一個耗時的光柵掃描過程

，這在大麵積基底上工作時轉化為更高的生產成本。

 為了克服LLOdetiaozhan，yijingyanjiuletidaidebolijishu。zaizhizaoguochengzhong，shiyonglerujiaodaihezhanhejidenglinshizhanhecenglaijiangsuliaobomofuzhezaizaitishang

，danshizheyixiezhanhecailiaobenshenyehuichanshengweixiaodechicunbianhua。xuduofangfahaixuyaoziwaixianhuoreneng、rongjihuojixielilaiboliyangben。yanghuawudengwujifenlicengzaigaojiagongwenduxiabizhanhejigengwending，danrengranxuyaoxiangdangdadefencengli。haiyoutongguojiaoerjiaredereshaoshi，danzhezhongfangfabingbuchangyong。

 在這項研究中，我們利用非激光光子剝離（PLO）過程來克服之前用於從剛性載體上分離聚合物薄膜的技術所麵臨的挑戰。PLO利用閃光燈產生的寬帶光（200–1100nm）從塗有LAL的(de)剛(gang)性(xing)載(zai)體(ti)上(shang)剝(bo)離(li)聚(ju)合(he)物(wu)薄(bo)膜(mo)
，其(qi)中(zhong)聚(ju)合(he)物(wu)薄(bo)膜(mo)可(ke)能(neng)包(bao)含(han)功(gong)能(neng)器(qi)件(jian)。最(zui)近(jin)報(bao)道(dao)了(le)使(shi)用(yong)閃(shan)光(guang)燈(deng)而(er)不(bu)是(shi)激(ji)光(guang)器(qi)進(jin)行(xing)聚(ju)合(he)物(wu)剝(bo)離(li)的(de)初(chu)步(bu)結(jie)果(guo)
，但(dan)沒(mei)有(you)包(bao)括(kuo)有(you)源(yuan)器(qi)件(jian)或(huo)TFTs。與這些結果相比
，本工作中的PLO使用簡單的單層金屬吸收器
，而不是四層結構，並且使用超快脈衝持續時間
，僅為之前報道的脈衝長度的2–5%。最近使用PLO展示了柔性納米晶體光伏器件。與LLO這樣的光柵掃描過程相比，PLO過程具有優勢，因為它可以在一次持續100–200µs的閃光中實現大麵積剝離（150mm×75mm），從而提高了處理量。此外，LAL的存在在剝離過程中防止了聚合物基底的直接照射
，並促進了更幹淨的剝離，無需聚合物灰化，這是LLO的一個常見問題。LAL的存在使PLO成為一種與聚合物無關的過程
，能夠剝離各種聚合物。

 在這裏，我們報告了使用PLO技術製造柔性TFTs的方法。使用了具有低熱膨脹係數（CTE）的PI來最小化殘餘薄膜應力。在PI薄膜上製造了IZO TFTs
，隨後使用PLO技術從載體上釋放。釋放後的器件在PLO過程後未顯示顯著變化

，剝離前後的遷移率約為3cm²V^-1s^-1。這些柔性TFTs具有很強的彎曲應力，在彎曲半徑為10mm時遷移率沒有顯著下降。當與成功將PI從載體上分離的能力相結合時
，低CTE PI為柔性電子器件創建了一個堅固的製造平台，允許在塑料基板上使用傳統的圖案化和沉積技術，同時保持高達380°C的尺寸穩定性。開發了一個3D有限元模型來驗證剝離過程中基板的熱響應。模擬顯示在PI薄膜中的溫度在消融層達到865°C
，但在器件層保持在120°C以下，這個溫度足夠低
，可以避免對薄膜晶體管造成損害或引起化學變化。模型顯示，PLO過程中器件層的最高溫度受到聚合物薄膜厚度和材料特性的強烈影響，突出了該模型在指導PLO器件設計中的價值。這項工作展示了PLO在承受傳統光刻加工方法後，成功從玻璃載體上釋放包含柔性電子器件的聚酰亞胺基板的可行性。

引用：