利用準分子激光器的超高脈衝(chong) 紫外光功率，人們(men) 可以高效、安全地將超薄功能元件從(cong) 剛性晶元或麵板載體(ti) 上剝離出來，從(cong) 而有效地提高新一代超薄柔性零部件和元器件生產(chan) 率，降低製造成本。

激光加工一直是微電子器件生產(chan) 實現突破性發展的關(guan) 鍵技術。隨著微電子器件的結構尺寸不斷縮小，利用短波長紫外激光器加工逐漸成為(wei) 行業(ye) 主流趨勢，因其可以在橫向和縱向上實現極高的加工分辨率。作為(wei) 紫外激光器的一員，準分子激光器具有優(you) 良的性能，配合大尺寸光學器件，能夠實現“加工效率”和“加工精度”的完美兼容，這得益於(yu) 其巨大的有效加工麵積，幾乎可達其分辨率的1 萬(wan) 倍。美國Coherent公司開發了可穩定運行的大光斑激光係統，完美適用於(yu) 各種尺寸的晶元和麵板的激光剝離工藝，有力地促進了顯示屏和其他電子設備向柔性方向發展的轉變。

從(cong) 剛性載體(ti) 到柔性微電子器件製造的轉變

用於(yu) 智能手表、可穿戴設備或曲麵智能手機的柔性顯示屏具有巨大的商業(ye) 潛力，但它的製造仍然存在重大技術挑戰。通常而言，用於(yu) 柔性顯示屏的薄塑料基板比較脆弱，無法使用常規加工工藝處理，尤其是在幾個(ge) 生產(chan) 流程中經過高溫處理後，材料會(hui) 失去韌性。在加工薄晶片時也會(hui) 遇到類似的挑戰，晶元貼片將被盡量薄化，以至於(yu) 達到柔軟的程度，用以滿足在高性能移動設備內(nei) 封裝垂直堆疊邏輯和存儲(chu) 器芯片架構的空間需求。

圖1： 采用剛性載體(ti) 和準分子激光器剝離工藝製備柔性顯示屏的示意圖。

柔性顯示麵板或超薄半導體(ti) 晶片批量生產(chan) 的常規方法為(wei) ：先在塗覆聚合物的剛性玻璃載體(ti) 上刻寫(xie) 電路，並在最終工藝步驟中將器件從(cong) 載體(ti) 上剝離。其技術方案為(wei) ——將紫外準分子激光器的線光束透過玻璃基板載體(ti) ，照射在聚合物層上。由於(yu) 激光的波長很短，材料對激光的吸收率很高，隻有緊鄰玻璃基板的聚合物被蒸發，從(cong) 而實現了基板與(yu) 器件的分離。采用308nm準分子激光器進行激光剝離時，激光脈寬約為(wei) 25ns，需要的能量密度約為(wei) 200J/cm2。此外，由於(yu) 激光波長較短，吸收率很高，剝離過程中無需製備額外的過渡層來增強激光吸收。

紫外激光器彰顯優(you) 異性能和高可靠性

實踐證明，許多常規的剛性載體(ti) 分離技術並不適合用於(yu) 規模化生產(chan) 。例如，機械剝離技術和化學蝕刻工藝，其生產(chan) 效率低，局限性大，而且生產(chan) 良率也不高。甚至，後一種方法還會(hui) 對環境產(chan) 生危害。相比之下，激光剝離工藝則是更好的選擇。為(wei) 了將激光吸收限製在聚合物與(yu) 玻璃載體(ti) 界麵附近，該工藝要求使用波長盡量短的激光（波長短於(yu) 350nm）。由於(yu) 準分子激光器具有波長短（激光剝離工藝中常用的是308nm以及248nm）、能量和功率高的特點，因此在精密微電子器件生產(chan) 中，采用準分子激光器進行激光剝離，不僅(jin) 良率高，而且產(chan) 量大，完全可以滿足微電子市場的批量化生產(chan) 需求。事實上，短波長準分子激光器係統配合高質量的線光束光學器件，對於(yu) 批量化生產(chan) 而言是至關(guan) 重要的：

● 激光剝離技術通常用於(yu) 高價(jia) 值元器件的製備；

● 激光剝離工藝位於(yu) 一係列高成本工藝步驟之後；

● 激光剝離工藝是許多高價(jia) 值元器件和相應的零部件製備的核心技術；

● 在柔性屏的製備中，激光剝離工藝1% 的不良率，就會(hui) 造成每年高達數百萬(wan) 美元的利潤損失。

大尺寸紫外激光剝離工藝

顯示屏製造商使用尺寸從(cong) 1到約5平方米的矩形玻璃載板。柔性顯示屏製造的基本剝離工藝步驟如圖1所示。首先，以玻璃基板為(wei) 臨(lin) 時載體(ti) ，塗覆上聚合物薄膜，然後將其固化。接著，在聚合物薄膜上麵，構建電路背板（即薄膜晶體(ti) 管矩陣），隨後覆蓋上包含發光層的前麵板。最後，通過激光剝離工藝去除玻璃臨(lin) 時載體(ti) ，從(cong) 而實現柔性顯示屏的製備。

圖2：柔性顯示屏的激光剝離工序中載體(ti) 麵板在準分子激光線光束下移動。

經過實踐證明，對於(yu) 激光剝離大尺寸麵板的工業(ye) 化生產(chan) ，基於(yu) 準分子激光器以及線光束掃描光學係統的工藝技術已經成為(wei) 行業(ye) 首選的加工策略。從(cong) 最初提供的250mm長度的線光斑激光剝離係統開始，如今，長度擴展到750mm 線光斑的準分子激光係統已經應用於(yu) 柔性顯示屏的生產(chan) 車間（參見圖2）。以大約0.4mm 的線寬來計算其相應的加工麵積（即每個(ge) 激光脈衝(chong) 內(nei) 覆蓋的基板麵積），長度250mm 線光斑約為(wei) 1cm2，而長度750mm 的線光斑可達3cm2。由於(yu) 每個(ge) 區域隻需單脈衝(chong) 照射，且脈衝(chong) 之間的重疊僅(jin) 為(wei) 線束寬度百分之幾的量級，所以麵板加工速度與(yu) 激光重複頻率成正比。根據麵板尺寸和線光束長度來計算，激光剝離加工速度可達到每小時約10,000個(ge) 柔性智能手機顯示屏的產(chan) 量。

平頂光在加工中的優(you) 勢

準分子激光剝離采用單脈衝(chong) 剝離+ 逐行掃描的工藝，因此要求輸出的的平頂光束具有穩定的脈衝(chong) 能量。在這種模式下，準分子激光器輸出的脈衝(chong) 能量可達1J，這足以保證輸出的大光斑具有足夠的能量密度。如果能量密度不足會(hui) 導致剝離不完全，而能量密度過大則會(hui) 導致熱負荷過高，甚至可能導致薄膜翹曲或碳化。固體(ti) 紫外激光係統的一個(ge) 致命缺陷在於(yu) ，其輸出光斑在某一方向上為(wei) 高斯分布，必須采用高疊加率進行掃描，從(cong) 而其激光剝離有效光斑利用率隻有25%。而準分子激光器由於(yu) 輸出的是平頂光斑，因此在激光剝離的過程中，在保證單脈衝(chong) 具有足夠的能量密度進行有效剝離的前提下，脈衝(chong) 間的疊加率可以控製的非常小，其光斑有效利用率可達80%以上，並能最大程度上減少激光剝離所需要的脈衝(chong) 數量。

圖3 ：750 mm 長準分子激光線光束的水平軸和垂直軸的橫截麵。

實時脈衝(chong) 控製—有效提升激光利用效率

激光脈衝(chong) ，尤其是紫外激光脈衝(chong) ，具有相對高昂的成本。這些成本主要是由激光器運行時配件損耗產(chan) 生的，比如各種光學零部件。在Coherent的準分子激光剝離係統中（如UVblade係列），激光器可以在脈衝(chong) 實時控製輸出的模式下工作。在實際生產(chan) 中，在柔性顯示屏製造進行激光剝離的加工工序期間，紫外激光器的實際工作時間不到整套工藝流程時間的40%。利用準分子激光器的脈衝(chong) 實時控製輸出的模式，激光剝離係統僅(jin) 僅(jin) 需要在麵板剝離時輸出激光脈衝(chong) ，而在係統上、下料以及麵板移動時，以及其它空閑時間，激光器無需輸出激光脈衝(chong) （參見圖4）。

圖4： 準分子激光器脈衝(chong) 實時控製輸出模式與(yu) 固體(ti) 激光器連續模式在激光剝離加工中的對比

因此，脈衝(chong) 實時控製輸出模式可以大大減少每個(ge) 麵板加工時所需要的激光脈衝(chong) 數量，從(cong) 而降低了單個(ge) 麵板的加工成本。這樣一來，柔性屏製造商就可以通過降低激光係統的操作成本而獲得更多的收益。與(yu) 此同時，利用脈衝(chong) 實時控製輸出功能，可以在加工期間盡量減少激光器的脈衝(chong) 輸出數量，從(cong) 而延遲激光器的使用壽命。通常情況下，在脈衝(chong) 實時控製輸出模式下運行，準分子激光係統在工業(ye) 生產(chan) 條件下通常能夠運行五年以上，無需重大維護，而且設備總體(ti) 正常運行時間大於(yu) 95%。

焦深—大幅麵工作範圍內(nei) 高度偏差補償(chang) 的利器

批量化加工大尺寸柔性顯示屏麵板的重要因素之一是激光剝離係統的焦深。由於(yu) 準分子激光器輸出的高能量脈衝(chong) 的優(you) 異特性，線光束成像係統采用了低數值孔徑的聚焦係統，從(cong) 而產(chan) 生的激光焦深可高達約±150μm（參見圖5）。在剝離工藝進行期間，基板需要保持在線光束聚焦焦斑範圍內(nei) ，焦斑的深度與(yu) 線光束的線寬成正比。通過在50%、90% 和96%線寬條件下測量發現，線寬變化對於(yu) 焦深變化的影響率隻有2%。因此，在麵板加工的過程中，即使因為(wei) 麵板高度的波動，也能夠使加工平麵保持在焦深範圍內(nei) ，不會(hui) 影響激光剝離的加工效果。與(yu) 此相反，三倍頻固體(ti) 激光器由於(yu) 輸出的脈衝(chong) 能量較低，需要將光束聚焦為(wei) 更小的光斑以保持剝離必須的能量密度。因此，固體(ti) 激光器的剝離係統僅(jin) 僅(jin) 隻有約20μm的焦深，在大幅麵工作範圍條件下，為(wei) 了保證加工精度，不得不減少其“工藝窗口”。

圖5 ：作為(wei) 移動垂直基板位置的函數測量的短軸線寬度。

總結

綜上所述，采用高功率準分子激光器的激光剝離係統已成為(wei) 製造下一代輕質柔性微電子器件量產(chan) 的關(guan) 鍵技術。而準分子激光器所特有的大焦深、平頂光束和優(you) 異的脈衝(chong) 穩定性等特點，使得準分子激光剝離係統成為(wei) 工業(ye) 生產(chan) 中最完美的剝離工具。準分子激光器能夠提供獨一無二的超高脈衝(chong) 能量以及優(you) 異的光學性能，可以整形成優(you) 良的矩形光斑，以達到平方厘米量級的大加工麵積，並且能夠實現直徑300mm的晶元和大尺寸柔性顯示屏玻璃基板的快速剝離。