（本文作者：OPTOPIA株式會(hui) 社清水 宏；供稿公司：銓宸科技有限公司）

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引言

近來在玻璃基板上製造組件, 如柔性顯示設備和超薄芯片, 在基板的背麵通過雷射照射之雷射剝離製程Laser Lift-Off process (LLO)引起業(ye) 界關(guan) 注。

基板透過適合的雷射波長、於(yu) 組件之界麵處作業(ye) 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、並且作為(wei) 多様薄膜器件的製程, 其應用範圍正在擴大。

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

本文提到了LLO製程的原理, 製程所需的條件, LLO製程後的材料評估, 得以實際生產(chan) 設備性能實現。

圖1、玻璃基板上雷射剝離製程

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為(wei) 何要使用LLO雷射剝離製程?

說明需要更新到用LLO製程的背景。

(1) 對於(yu) 玻璃基板的附著力(以柔性顯示器為(wei) 例)

用於(yu) 智能電話的高清小型顯示器的像素尺寸為(wei) 幾十微米, 並於(yu) 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(you) 異機械/電性性能材料塗布於(yu) 基材, 然後進行燒結(重合), 從(cong) 而牢固地固定在玻璃基板上。有機EL層組件完成後, 需要從(cong) 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, 並且難以通過機械或化學方法剝離, 因此隻能透過雷射剝離將其無損壞的分離。

(2) 另一方麵, 剝離作業(ye) 是雷射燒蝕製程, 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(wei) 代表, 紫外光脈衝(chong) 雷射可以進行燒蝕ablation(蒸散)加工處理。

玻璃和PI膜界麵則通過以激光束照射表麵, 發 現可以比上述鑽孔加工低一位數的燒蝕門坎值能量密度進行剝離, 並引入了該方法。

圖2 、Laser operation process

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LLO製程的特徴

LLO製程的特徴與(yu) 優(you) 勢。

(1)UV Pulse Laser作業(ye) 製程

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(chan) 生熱效應影響(低溫製程)。

(2)從(cong) 基板背麵方向開始照射

製程不會(hui) 受組件損壞限製、剝離反應的型成可以在製程過程結束時完成。

(3)1 shut / 能量密度門坎必須高達到PI界麵分離的能量通量。

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LLO製程的必要條件

LLO製程用雷射所需特性描述。

(1)大麵積製程需高能量/高輸出脈衝(chong) 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。以對應顯示器製程線光斑長度之需求能量。

(2) PI層使用紫外線波長用於(yu) 淺穿透度*

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

(3) 可通過玻璃基板波長

無堿玻璃的可穿透範圍 (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製程的照射光束

雷射振蕩器的輸出光束形狀取決(jue) 於(yu) 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界麵, 整個(ge) 照射區域都會(hui) 產(chan) 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係統剝離(ablation)製程門坎, 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(wei) 雷射燒蝕製程的條件、由於(yu) 脈衝(chong) 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範圍內(nei) , 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範圍內(nei) 導熱係數低 (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 製程結果

在無堿玻璃上塗布三井化學的透明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麵上的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。您還可以看到由於(yu) 燒蝕對流產(chan) 生部份碎片 (付著物)。這種對流是由1Shut 激光脈衝(chong) 產(chan) 生的、 剝離後PI 膜會(hui) 有一定程程度的膨脹厚度的可能性。而這種衝(chong) 擊可能會(hui) 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(nei) 、區域間剝離能量密度的差異, 被認為(wei) 是由於(yu) 玻璃和PI之間界麵粘合度變化所致。

LLO剝離製程於(yu) 透明ＰＩ膜、其機械性或熱物性性質幾乎沒有變化。

關(guan) 於(yu) 光學物性當能量密度增加和重迭增加時, 色相會(hui) 變差。

圖8、LLO剝離後透明PI的機械物性變化(拉申試驗)

圖9、LLO 剝離後透明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; 線膨張係數(100-200℃))

圖10、LLO剝離後透明PI的光學物性變化

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LLO製程的Throughput

敝司現在製造的固態UV Pulse雷射設備應用於(yu) LLO製程係統, 包含RD機型及可供應量產(chan) 係統需求, 如圖11所示。

表2、敝司LLO 係統之Throughput

用線光斑照射在玻璃基板和PI 的界麵層時, 以略高於(yu) 製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) 以達成被照射的表麵完全剝離。

圖 11、Line Beam 線光班的掃描與(yu) 重迭

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LLO的外圍製程

LLO處理後, 需要將在玻璃基板上的顯示組件進行切割為(wei) 單一顯示組件。該製程使用高重複短脈衝(chong) 時間寬度的固態UV雷射。通過工作台或掃描台, 可以達到高速(～1m/s) 切割PI膜 + PET膜(完全切割)。

圖12、LLO 製程後, 使用皮秒雷射做高速PI 膜切割, 敝司製造複合型生產(chan) 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 顯示敝司於(yu) 此製程的多功能裝置之構成。另外, 在LLO 製程前/後必須層壓保護和柔性基板, 並且如何處理剝離的組件是一個(ge) 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(yu) 挑戰

使用紫外光雷射, 通過線束光斑於(yu) 玻離基板的背麵剝離有機膜。

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(chan) 率。

盡管此製程是一種燒蝕過程, 但與(yu) 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, 因此裏麵剝離門坎值的變化取決(jue) 於(yu) 所提供的材料 (110～150mJ/cm2)。

另一方麵, 當照射能量密度增加時, 反應於(yu) 該增加而產(chan) 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衝(chong) 衝(chong) 影響也將減小。

隨著界麵條件的變化, 門坎值也會(hui) 發生變化, 為(wei) 將來改善該門坎值的變化, 我們(men) 將與(yu) 有機薄膜材料製造商和各行各業(ye) 合作, 以獲得玻璃基板材/洗淨/塗層必要條件。

最後, 我們(men) 感謝三井化學株式會(hui) 杜提供並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ポリイミド係透明?白色材料

https://jp.mitsuichem.com/techno/develop/pi/spec.htm

RichEnergy Technology Co., Ltd.

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