柔性電子產(chǎn)品的激光傳輸、打印和組裝技術(shù)（1）

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：據(jù)悉，本文綜述了這些基于激光的柔性電子產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)的最新進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了激光剝離、激光輔助打印和激光輔助轉(zhuǎn)移打印技術(shù)的關(guān)鍵進(jìn)展。本文為第一部分。

在工業(yè)規(guī)模上制造大面積、超薄、靈活/可伸縮的電子產(chǎn)品具有挑戰(zhàn)性。柔性電子產(chǎn)品制造的最新突破性進(jìn)展是基于強(qiáng)大的激光工藝。激光通過透明襯底照射在內(nèi)吸收界面上，會(huì)在界面上產(chǎn)生各種物理變化和化學(xué)反應(yīng)，并伴隨著不同的現(xiàn)象。從這些現(xiàn)象衍生出的許多技術(shù)具有在柔性基板上制造材料、結(jié)構(gòu)和器件的獨(dú)特能力，這些技術(shù)具有非接觸式加工、高效率、從微觀到宏觀的可調(diào)節(jié)覆蓋范圍以及與有機(jī)和無機(jī)材料的兼容性等優(yōu)點(diǎn)。綜述了這些基于激光的柔性電子產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)的最新進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了激光剝離、激光輔助打印和激光輔助轉(zhuǎn)移打印技術(shù)的關(guān)鍵進(jìn)展。討論了這些技術(shù)的基本原理及其基本機(jī)理，并對該領(lǐng)域的最新進(jìn)展和未來前景進(jìn)行了探討。這些技術(shù)的獨(dú)特特性以及與柔性電子相關(guān)的最新應(yīng)用也被強(qiáng)調(diào)。最后，探討了這些技術(shù)的挑戰(zhàn)和未來前景，從基本力學(xué)、工程工作和新方法，到與創(chuàng)新制造概念和器件結(jié)構(gòu)的全面結(jié)合。

1 介紹
柔性電子技術(shù)是下一代微電子技術(shù)的主要發(fā)展趨勢，它提供了與傳統(tǒng)平面集成電路技術(shù)類似的電子功能，能夠在任意曲面上彎曲、壓縮、扭曲、拉伸和變形。這些能力克服了不同組件材料的機(jī)械失配，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)前微電子技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的創(chuàng)新應(yīng)用。例如用于臨床診斷和治療的生物集成設(shè)備、電子皮膚（E-skin）、能量收集/存儲(chǔ)設(shè)備和汗液傳感器、柔性顯示器和RFID標(biāo)簽等。

（a）三種硬PZT基壓電材料的堆疊和彎曲試驗(yàn)。（b）多層結(jié)構(gòu)的適形壓電壓力傳感器。（c）具有多層結(jié)構(gòu)的指尖電子設(shè)備。（d）具有多層結(jié)構(gòu)的柔性玻璃光子器件。

多層結(jié)構(gòu)在各種工程應(yīng)用中都會(huì)遇到，例如航空航天車輛、船舶和民用基礎(chǔ)設(shè)施。近年來，人們對此類結(jié)構(gòu)進(jìn)行了廣泛的研究，重點(diǎn)是靜態(tài)和動(dòng)態(tài)行為、機(jī)械故障、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造。最流行的多層結(jié)構(gòu)是輕質(zhì)夾層板，其基于兩塊由軟泡沫芯隔開的剛性面板，具有獨(dú)特的機(jī)械性能。在柔性電子和光子學(xué)中，軟（柔性）和硬（剛性）材料的多層結(jié)構(gòu)也被廣泛使用，以減少硬層中的應(yīng)變，硬層通常由功能器件組成。此類應(yīng)用包括柔性壓電機(jī)械能采集器（MEH）（上圖a）、適形壓電壓力傳感器（圖b）、指尖電子學(xué)（圖c）、柔性玻璃光子器件（圖d）等。

針對柔性電子產(chǎn)品開發(fā)了兩種主要的微加工工藝，包括溶液可加工方法和基于真空的方法（光刻圖案化和咬邊蝕刻）。前者與柔性基板自然兼容，可以一步沉積和圖案化功能材料。制造了各種性能不斷提高的打印電子產(chǎn)品，如導(dǎo)電金屬線、薄膜晶體管（TFT）和壓電器件。然而，相對于標(biāo)準(zhǔn)的微加工工藝，電子性能仍然受到溶液可加工功能材料特性和打印技術(shù)低分辨率的限制。另一方面，真空微加工技術(shù)為實(shí)現(xiàn)高性能電子產(chǎn)品提供了成熟的途徑，但通常與大面積柔性（聚合物基底）不兼容。理想情況下，高性能柔性電子系統(tǒng)通常通過組合工藝制造，該工藝從獨(dú)立制造高模量、易碎、芯片級元件（例如 IC 芯片、MEMS、傳感器和電源）或柔性設(shè)備（例如、柔性傳感器、柔性顯示器和 TFT 陣列）在供體晶圓上，然后轉(zhuǎn)移到柔性/可拉伸基板上。

上述柔性電子產(chǎn)品的制造路線可歸納為將材料、組件和器件從原始制造/制備的基板轉(zhuǎn)移到柔性基板。傳輸中最重要的內(nèi)在挑戰(zhàn)是控制接口狀態(tài)，以適應(yīng)從供體晶圓/基板傳輸?shù)膶ο蟮牟煌�性質(zhì)�；�于應(yīng)力誘導(dǎo)界面斷裂的獨(dú)特組裝技術(shù)已被發(fā)明，以適應(yīng)導(dǎo)致機(jī)械性能巨大差異的材料性能和幾何尺寸的多樣性。對于像IC芯片這樣的傳統(tǒng)剛性電子元件，它們通過標(biāo)準(zhǔn)的單噴射針拾取和放置技術(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)移。隨著尺寸與厚度比的增加，開發(fā)了改進(jìn)的多個(gè)噴射針，以克服芯片日益增加的靈活性。

然而，這些技術(shù)與厚度減至50µm或以下的物體不兼容。轉(zhuǎn)移打印技術(shù)可以處理厚度比上述技術(shù)小一個(gè)數(shù)量級的物體。這些技術(shù)中的大多數(shù)是基于粘性壓印的界面粘彈性效應(yīng)，這降低了過程的可控性。此外，密鑰剝落過程容易損壞設(shè)備。然而，濕法化學(xué)蝕刻和陽極蝕刻等犧牲層的蝕刻是控制界面狀態(tài)的另一種嘗試，其效率低、復(fù)雜且不環(huán)保。盡管上述可用方法提供了強(qiáng)大的工具，但在可獲得的材料、可實(shí)現(xiàn)的幾何形狀和特征尺寸以及工業(yè)生產(chǎn)率和效率方面，沒有一種方法是沒有限制的。這些方法很難滿足柔性電子產(chǎn)品工業(yè)化制造的需要，尤其是在大面積應(yīng)用中。

三層夾層結(jié)構(gòu)的理論模型。（a）自然、無壓力的狀態(tài)。（b）圓柱體上的變形狀態(tài)。

大面積、高性能、柔性電子器件的高效組裝和制造面臨著諸多挑戰(zhàn)，解決這些挑戰(zhàn)需要在工藝機(jī)制和工程方面取得根本性的創(chuàng)新性進(jìn)展。與傳統(tǒng)工藝顯著不同的是，激光工藝具有獨(dú)特的優(yōu)勢，如快速加工、多材料系統(tǒng)中的高材料選擇性、靈活可控的加工區(qū)域、非接觸交互模式、高度局部化的影響區(qū)域以及顯著的高水平可控性。激光可作為熱源，在柔性基板上對材料進(jìn)行退火、燒結(jié)和圖案制作，或通過直接輻照材料，對材料進(jìn)行與其初始狀態(tài)不同的重大修改。在以前的許多綜述中，已經(jīng)很好地總結(jié)了柔性電子領(lǐng)域在這些案例中取得的令人印象深刻的進(jìn)展。

除了直接照射材料外，另一種激光加工技術(shù)提供了額外的獨(dú)特選擇。這些技術(shù)基于激光通過透明基底照射界面，這會(huì)在界面材料上引起幾次激光誘導(dǎo)的物理變化和/或化學(xué)反應(yīng)，并伴隨各種有趣的現(xiàn)象。最近，基于這些現(xiàn)象的各種技術(shù)都取得了進(jìn)展，在柔性電子器件的制造方面具有令人印象深刻的能力。圖1總結(jié)了關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)步和代表性應(yīng)用的簡要年表。近年來，由于新的技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，這一領(lǐng)域的進(jìn)展速度急劇加快。各種巧妙的技術(shù)，包括激光剝離（LLO）、激光誘導(dǎo)正向轉(zhuǎn)移（lift）、激光輔助轉(zhuǎn)移和圖案化、激光輔助模具轉(zhuǎn)等。

圖1 基于激光-材料界面相互作用的柔性電子應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的簡要年表。

這些技術(shù)使柔性電子技術(shù)的大量新興應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)，這些應(yīng)用過去是其他傳統(tǒng)技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的，包括用于將人體微小運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能的高功率納米發(fā)電機(jī)、用于檢測甚至治療人類疾病的柔性光電器件/傳感器、可打印的生物可吸收電子器件和具有高封裝密度的靈活存儲(chǔ)器/TFT陣列。這篇綜述重點(diǎn)介紹了這類技術(shù)的最新研究成果和發(fā)展，作為制造柔性電子器件的途徑。還討論了未來研究的一些挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

2激光與材料界面相互作用的基本知識(shí)

與激光直接照射靶材料不同，所有引入的技術(shù)都是基于界面材料通過透明基板吸收激光照射，如圖2a所示。產(chǎn)生的不同現(xiàn)象，包括局部變形、相位和微觀結(jié)構(gòu)修改、熔化/液化、蒸發(fā)/燒蝕和分解，主要取決于激光特性，如激光波長、通量/強(qiáng)度和脈沖持續(xù)時(shí)間，以及吸收材料的物理/化學(xué)性質(zhì)。根據(jù)其預(yù)期用途分為三類技術(shù)：1）成型激光束通過透明基板掃描整個(gè)界面材料，稱為激光剝離（圖2b），這將導(dǎo)致上層薄膜以無缺陷的方式從基板上釋放。2）激光通過透明施主基板照射，使沉積在施主基板上的材料轉(zhuǎn)移到接收器基板上（圖2c）。這種激光輔助打印工藝實(shí)現(xiàn)了許多與傳統(tǒng)打印技術(shù)不兼容的功能材料的沉積和圖案化。3）激光脈沖用于控制透明基板和微小物體之間的界面粘附，以將微小物體微妙地轉(zhuǎn)移到接收基板上（圖2d）。激光輔助轉(zhuǎn)移打印技術(shù)與接收基板的性質(zhì)或制備無關(guān)，并且在粘附可調(diào)性、效率和穩(wěn)定性方面具有更好的性能，以及向納米級/大規(guī)模擴(kuò)展的能力。為了實(shí)現(xiàn)特定技術(shù)所需的界面現(xiàn)象，本節(jié)討論了選擇合適的激光輻射和激光活性材料的一些考慮因素。

圖2 a）通過透明基板的激光照射界面示意圖。三種衍生技術(shù)：b) 激光剝離、c) 激光輔助打印和 d) 激光輔助轉(zhuǎn)移打印。

第一個(gè)問題是相關(guān)材料的光學(xué)性質(zhì)和激光波長。具有特定波長的激光應(yīng)該被預(yù)定的激光活性層而不是襯底強(qiáng)烈吸收。這一過程最終取決于兩種材料之間的帶隙不連續(xù)性。熱導(dǎo)率等物理性能和激光加工參數(shù)（如激光注量（強(qiáng)度）、激光相互作用時(shí)間、重復(fù)頻率和掃描策略等）對最終技術(shù)效果有重大影響。熱擴(kuò)散長度 lthermal 是另一個(gè)需要考慮的重要因素，它代表激光照射時(shí)間內(nèi)的能量（熱）傳導(dǎo)距離。具有較高熱擴(kuò)散率的材料可以更快地傳導(dǎo)熱量，從而產(chǎn)生更大的溫度深度梯度，這最終會(huì)影響輻照界面材料的成分和結(jié)構(gòu)。lthermal 也由 tpulse（CW 激光器的激光束停留時(shí)間，脈沖激光器的脈沖寬度）決定。

使用短脈沖激光有利于需要快速加熱和冷卻循環(huán)以及非常局部的熱影響區(qū)域的應(yīng)用，以避免對熱敏性材料造成熱損傷。超短脈沖激光器（皮秒、飛秒）通過消除熱影響區(qū)來實(shí)現(xiàn)超高分辨率，對精密加工特別有效。此外，可根據(jù)所采用的激光強(qiáng)度調(diào)節(jié)界面處的峰值溫度，這提供了明顯的溫度依賴性現(xiàn)象的可能性，例如輻照界面處的熱誘導(dǎo)局部變形、熱誘導(dǎo)相和微觀結(jié)構(gòu)修改和界面材料的熱化學(xué)分解。因此，應(yīng)小心控制注量，以避免不完全反應(yīng)（過低）或損傷（過高）。有時(shí)，激光輻射的多次曝光對于產(chǎn)生連續(xù)的物理/化學(xué)反應(yīng)或?yàn)樘囟�目的積累反應(yīng)產(chǎn)物是必不可少的。在這種情況下，應(yīng)考慮掃描過程中輻照界面經(jīng)歷的總累積曝光時(shí)間和頻率，這取決于激光重復(fù)頻率、光束形狀和掃描策略。

熔點(diǎn)、熱膨脹系數(shù)和機(jī)械性能等其他物理特性顯著影響由激光引起的熱效應(yīng)引起的物理現(xiàn)象�；瘜W(xué)成分、光化學(xué)穩(wěn)定性和熱化學(xué)穩(wěn)定性等化學(xué)性質(zhì)會(huì)影響化學(xué)反應(yīng)類型及其產(chǎn)物�？傊�，不同現(xiàn)象的發(fā)生取決于材料系統(tǒng)和激光加工參數(shù)的具體組合。這些現(xiàn)象和反應(yīng)的詳細(xì)機(jī)制將在下一節(jié)討論具體技術(shù)時(shí)進(jìn)行描述。

3激光發(fā)射過程
從機(jī)械柔性的角度來看，最初制作的大量所需材料和結(jié)構(gòu)的基板，如硅、藍(lán)寶石和玻璃基板，并不是柔性電子的理想基板。在將異質(zhì)結(jié)構(gòu)/器件轉(zhuǎn)移到新襯底（柔性襯底）之前，必須移除原始襯底。LLO由于其高效、非接觸和無損傷的操作模式、大規(guī)模的覆蓋范圍以及傳統(tǒng)MEMS/CMOS工藝的高兼容性，為這種基板更換工藝提供了一條成熟的路線。

圖3a提供了LLO過程的代表性示意圖。將要分層的結(jié)構(gòu)/器件制造在透明襯底（例如石英和藍(lán)寶石）的頂面上，通常沉積有剝離層。激光通過透明基板照射，以顯著降低剝離層和基板之間的粘附力。短波長的脈沖激光器具有更高的吸收和更短的相互作用時(shí)間，以減少熱效應(yīng)，保護(hù)上部結(jié)構(gòu)。因此，紫外波長和納秒脈沖寬度的準(zhǔn)分子激光器是常見的選擇。在完全掃描基板后，可以將結(jié)構(gòu)從其原始基板上分離，然后將其連接到柔性基板或轉(zhuǎn)移工具上。激光剝落的機(jī)理由激光類型、剝落層材料和工藝參數(shù)決定，非常復(fù)雜，包括激光誘導(dǎo)的化學(xué)反應(yīng)（如熱化學(xué)分解或燒蝕），或激光誘導(dǎo)的物理變化（如剝落層的淬火、熔化和汽化）。

圖3 a）激光發(fā)射過程的處理步驟。b） LLO工藝的典型激光投影系統(tǒng)示意圖。c） LLO過程的基本掃描策略。

基本上采用了兩種光學(xué)處理策略，即使用寬線光束（線掃描方法）和矩形激光光斑（步進(jìn)重復(fù)方法）掃描基板，如圖3c所示。激光束由望遠(yuǎn)鏡定形，望遠(yuǎn)鏡將原始激光束輪廓轉(zhuǎn)換為線形光束輪廓。均化器光學(xué)導(dǎo)致均勻和穩(wěn)定的形狀場。對于分步重復(fù)掩模投影，唯一的區(qū)別是包含圖案信息的掩模被成像到基板上。激光投影系統(tǒng)的示意圖如圖3b所示。目前，最先進(jìn)的準(zhǔn)分子激光系統(tǒng)的延長線長度可達(dá)750毫米，寬度為≈0.4毫米的智能手機(jī)每小時(shí)可以處理大約10000個(gè)靈活的智能手機(jī)顯示屏。為滿足大規(guī)模電子產(chǎn)品的制造策略提供了一種高效、靈活的方法。

可拉伸微流控天線的示意圖和光學(xué)顯微圖：a）微流控天線的制造工藝；b）蛇形微流控天線的設(shè)計(jì)參數(shù)；c–e）半波偶極子天線被扭曲、彎曲和拉伸。

來源：Laser Transfer, Printing, and Assembly Techniques for Flexible Electronics，Advanced Electronic Materials, DOI: 10.1002/aelm.201800900
參考文獻(xiàn)：J. A. Rogers, T. Someya, Y. Huang, Science 2010, 327, 1603.；S. Choi, H.Lee, R. Ghaffari, T. Hyeon, D. H. Kim, Adv. Mater. 2016, 28, 4203.