《npj Flexible Electronics》：用于柔性薄膜晶体管的大面积光子剥离工艺（IF=14.676）

发布日期：2024-06-27浏览次数：548

背景：

在塑料上制造柔性电子元件通常受到聚合物基底较差的尺寸稳定性限制。为了缓解这一问题，在制造过程中使用了玻璃载体，但如何在不损坏电子元件的情况下将塑料基底从载体上移除仍然是一个挑战。在这里，我们利用大面积、高通量的光子剥离（PLO）工艺来迅速将聚合物薄膜从刚性载体上分离。PLO使用闪光灯产生的宽带光脉冲（持续时间为150微秒）来将涂有光吸收层（LAL）的玻璃载体基底上的功能薄膜剥离。建模表明，在PLO过程中，聚合物/LAL界面温度超过800°C，但聚酰亚胺（PI）的顶面温度保持在120°C以下。在PI基底上制造了一组铟锌氧化物（IZO）薄膜晶体管（TFTs），并通过PLO技术从玻璃载体上剥离。PLO过程对TFTs的迁移率没有影响。这些柔性TFTs在机械上非常坚固，即使在弯曲时迁移率也没有降低。

文献介绍：

随着柔性电子设备（如柔性显示器和传感器）的复杂性增加，需要新型与塑料兼容的制造方法来生产高产量、低缺陷的柔性电路。虽然可以使用如印刷等溶液处理方法在低温基底上制造电路，但有些情况下印刷并不是实现复杂、高密度电路和小型器件的可行选择。特别是，高分辨率显示器应用通常需要单微米特征尺寸，并在大面积基底上保持出色的均匀性。对于这些应用，需要更精确的制造技术，如光刻。然而，由于聚合物的尺寸稳定性较差，即使在光刻过程中的低温处理（如软烘烤）也可能改变基底的尺寸。随着特征尺寸的减小，基底尺寸上的微米级变化也可能在后续的对准步骤中产生误差。解决这一问题的一个方法是转移印刷，其中材料在一个基底上制造，然后转移到接收基底上。但是，转移印刷通常需要使用粘附层或对基底表面进行仔细修改以促进油墨转移。或者，通过在设备制造过程中将聚合物薄膜附着在刚性载体上，然后释放制造完成的设备层的聚合物基底，可以克服尺寸稳定性问题。因此，从刚性载体上分离聚合物薄膜是生产下一代柔性电子产品的关键步骤。

已经研究了多种方法，用于从刚性载体上释放塑料基底。利用准分子激光的激光剥离（Laser Lift-off，简称LLO）长期以来一直是业界用于在电子制造过程中从刚性载体上剥离聚合物薄膜的方法。剥离机制基于在聚合物和刚性载体界面处选择性烧蚀聚合物薄膜。聚合物与激光之间的相互作用已被广泛研究，这些研究导致了LLO技术的产生。在LLO中，激光扫描玻璃基底的背面，通过聚合物基底本身发生的吸收来实现烧蚀，因为聚合物通常吸收光谱中的紫外线（UV）区域波长。吸收的激光能量加热聚合物并在玻璃/聚合物界面处引发烧蚀。准分子激光剥离具有几个吸引人的特性，例如能够维持局部辐射和实现低全局温度。然而，需要昂贵的激光系统，并且剥离过程对激光参数的变化很敏感。激光系统的功率波动和非均匀光栅扫描可能导致缺陷并降低产量。LLO也是一个耗时的光栅扫描过程，这在大面积基底上工作时转化为更高的生产成本。

为了克服LLO的挑战，已经研究了替代的剥离技术。在制造过程中，使用了如胶带和粘合剂等临时粘合层来将塑料薄膜附着在载体上，但是这一些粘合材料本身也会产生微小的尺寸变化。许多方法还需要紫外线或热能、溶剂或机械力来剥离样本。氧化钨等无机分离层在高加工温度下比粘合剂更稳定，但仍然需要相当大的分层力。还有通过焦耳加热的热烧蚀，但这种方法并不常用。

在这项研究中，我们利用非激光光子剥离（PLO）过程来克服之前用于从刚性载体上分离聚合物薄膜的技术所面临的挑战。PLO利用闪光灯产生的宽带光（200–1100nm）从涂有LAL的刚性载体上剥离聚合物薄膜，其中聚合物薄膜可能包含功能器件。最近报道了使用闪光灯而不是激光器进行聚合物剥离的初步结果，但没有包括有源器件或TFTs。与这些结果相比，本工作中的PLO使用简单的单层金属吸收器，而不是四层结构，并且使用超快脉冲持续时间，仅为之前报道的脉冲长度的2–5%。最近使用PLO展示了柔性纳米晶体光伏器件。与LLO这样的光栅扫描过程相比，PLO过程具有优势，因为它可以在一次持续100–200µs的闪光中实现大面积剥离（150mm×75mm），从而提高了处理量。此外，LAL的存在在剥离过程中防止了聚合物基底的直接照射，并促进了更干净的剥离，无需聚合物灰化，这是LLO的一个常见问题。LAL的存在使PLO成为一种与聚合物无关的过程，能够剥离各种聚合物。

在这里，我们报告了使用PLO技术制造柔性TFTs的方法。使用了具有低热膨胀系数（CTE）的PI来最小化残余薄膜应力。在PI薄膜上制造了IZO TFTs，随后使用PLO技术从载体上释放。释放后的器件在PLO过程后未显示显著变化，剥离前后的迁移率约为3cm²V^-1s^-1。这些柔性TFTs具有很强的弯曲应力，在弯曲半径为10mm时迁移率没有显著下降。当与成功将PI从载体上分离的能力相结合时，低CTE PI为柔性电子器件创建了一个坚固的制造平台，允许在塑料基板上使用传统的图案化和沉积技术，同时保持高达380°C的尺寸稳定性。开发了一个3D有限元模型来验证剥离过程中基板的热响应。模拟显示在PI薄膜中的温度在消融层达到865°C，但在器件层保持在120°C以下，这个温度足够低，可以避免对薄膜晶体管造成损害或引起化学变化。模型显示，PLO过程中器件层的最高温度受到聚合物薄膜厚度和材料特性的强烈影响，突出了该模型在指导PLO器件设计中的价值。这项工作展示了PLO在承受传统光刻加工方法后，成功从玻璃载体上释放包含柔性电子器件的聚酰亚胺基板的可行性。