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OLED\Micro LED\晶圆封装激光剥离核心工艺技术前沿

发表时间:2022-03-23 12:47

   无论是早期的LED还是近年来获得广泛应用的有机发光二极管(OLED),到现在的先进芯片封装工艺,终端基底材料难以承受沉积、蒸镀等高温工艺环节而极易损伤变形一直是柔性器件制造技术中的共性问题,需要在制造前期以玻璃、蓝宝石、硅片等刚性材料作为搭载基底,再通过后期的剥离工艺完成器件向柔性基底的转移。


  柔性OLED显示屏采用柔性PI(聚酰亚胺)薄膜作为基板,玻璃基板则被作为载板来使用,因此,激光剥离(LLO)成为生产柔性OLED屏的关键工艺之一,旨在从玻璃载体上剥离用作基板的PI薄膜。


   激光剥离技术(LLO)通过脉冲激光辐照致材料烧蚀实现器件向终端基底的转移。相比于化学剥离、机械剥离和离子束等其他高能束剥离,激光剥离技术具有能量输入效率高、器件损伤小、设备开放性好、应用方式灵活等优势,已成为柔性电子器件制造的新兴关键技术。


随着柔性电子器件的蓬勃发展,激光剥离技术已经应用到多种类型器件的制造工艺中。生产中常用激光源为脉宽在纳秒量级的紫外准分子激光或固体激光,激光能量密度多在102 mJ/cm2量级之内,可以保证厚度在几十微米量级膜层的激光剥离效果,同时降低激光热效应造成的剥离损伤。


柔性显示器制造激光剥离工艺

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    大尺寸柔性显示器的制造需要实现大面积基底的可靠剥离,对激光剥离技术提出了更快的剥离速度、更稳定的剥离效果等要求。将激光束整形为线形/矩形光束或直接采用未聚焦光束以增加激光作用区域来提高剥离效率是较常采用的解决方案。


柔性显示屏制造需要依靠激光能量密度、重复频率、扫描速度等激光工艺参数的优化,也需要光束整形技术提供强有力的技术支撑,同时还需要考虑剥离膜层的热物理性质。


激光诱导的界面剥落(LIIS)工艺,该工艺具有创新的操作模式和剥落机制,可实现具有可控表面微观形貌和极薄厚度(1μm)的柔性电子器件的可靠剥离。观察到激光辐照后界面微观形貌的显着变化,并对界面PI的烧蚀进行了理论研究,以揭示通过熔融PI在界面周围的流体动力散裂过程使界面附着力减弱。PI-玻璃界面的分层程度可以根据内部空腔的体积计算得出,并且可以实现可控且通用的界面分层。通过不同界面状态之间的转换,超薄柔性电子器件可以从具有可控纳米结构表面形貌的施主刚性基板中释放出来,这可以赋予柔性电子器件以非凡的功能,例如可调光阱、疏水性等。


OLED激光剥离工艺要点

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LLO制程的特征与优势


(1)UV Pulse Laser作业制程

此激光对PI膜的穿透深度较浅、Pulse时间宽度较短, 因此对器件几乎无产生热效应影响(低温制程)。


(2)从基板背面方向开始照射

制程不会受组件损坏限制、剥离反应的型成可以在制程过程结束时完成。


(3)1 shut / 能量密度门坎必须高达到PI界面分离的能量通量。


LLO制程用激光所需特性描述


(1)大面积制程需高能量/高输出脉冲激光


例G6H尺吋(925mm×1500mm)可处理最大尺吋750mm或950mm长度, 能量密度线光斑需达数百mJ/cm2。以对应显示器制程线光斑长度之需求能量。


(2) PI层使用紫外线波长用于浅穿透度*


*取决于PI特性(可视区域), 透明PI上限为 355nm (Nd:YAG激光的3倍波)。


(3) 可通过玻璃基板波长


无碱玻璃的可穿透范围 (308nm XeCl准分子激光波长)以上的波长。


LLO制程的照射光束


激光振荡器的输出光束形状取决于放电强度分布/YAG结晶激发介质/共振器的构造, 通常以不均匀的光束形状照射PI界面,整个照射区域都会产生较 大的能量密度变化、在能量密度高的区域进行了强力处理反应, 而在能量密度低的区域中, 则存留未完全剥离现象。



因此, 使用分散均质器光学系统剥离(ablation)制程门坎, 需要以更高能量密度照射。


PI 材料的条件


作为激光烧蚀制程的条件、由于脉冲激光的光吸收, 材料需要迅速升高至汽化温度。因此在几十纳秒的辐照时间范围内, 材料的光穿透深度必须浅(数百nm~)、且在几时纳秒的激光辐照时间范围内导热系数低 (难以冷却)必要条件。如果组件底部材料条件不足此要求, 则可以使用吸收激光光的牺牲膜, 例如a-Si 膜。


线光班LLO 制程结果


在无碱玻璃上涂布三井化学的透明PI VICT-C, 用波长308nm的均匀光束照射实验结果130mJ/cm2 以上的能量密度剥离结果如下。


能量密度的剥离结果


照射区域的照片是玻璃表面上的PI 膜观察。120mJ/cm2 由牛顿环观察到的部份区域已开始剥离、150mJ/cm2 大部份已剥离。您还可以看到由于烧蚀对流产生部份碎片 (付着物)。这种对流是由1Shut 激光脉冲产生的、 剥离后PI 膜会有一定程程度的膨胀厚度的可能性。而这种冲击可能会损坏组件, 照射能量门坎应设置到非常接近剥离的值。照射光束的均匀度在±5%以内、区域间剥离能量密度的差异, 被认为是由于玻璃和PI之间界面粘合度变化所致。


LLO剥离制程于透明PI膜、其机械性或热物性性质几乎没有变化。


关于光学物性当能量密度增加和重迭增加时, 色相会变差。

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LLO剥离后透明PI的光学物性变化


用线光斑照射在玻璃基板和PI 的界面层时, 以略高于制程门坎值的能量密度进行照射, 必须以2-10 shuts 重迭进行扫描 (移动玻璃基板) 以达成被照射的表面完全剥离。


柔性能量装置制造激光剥离工艺



能量收集装置可以将温差、振动、形变等转换为电能,从而对各类电子设备提供持续的能源供应。目前大多数柔性能量收集装置多采用有机压电聚合物,需做成多层结构以提高能量转换效率,工艺复杂性和制作成本居高不下。


激光剥离技术可应用于将具有更高储能性的无机压电陶瓷薄膜材料进行转移,如采用激光剥离技术在柔性基底上制备基于锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷的大面积储能纳米发电机。经拉曼光谱分析可知,激光剥离不会影响到薄膜的电学性能,进一步体现出该技术对各种脆性薄膜材料转移的优势。


柔性传感器制造激光剥离工艺



柔性传感器的工艺与OLED柔性显示的工艺十分类似。目前应用于电子传感设备触控层最广泛的氧化铟锡(ITO)透明导电薄膜是一种脆性材料,并不适合于柔性触控层,采用压电薄膜实现具有嵌入式感测功能的柔性触控层已成为该领域的努力方向。



常见的高性能压电材料,如锆钛酸铅镧(PLZT)压电薄膜,在材料制备及器件制造过程中,其含Pb成分都极易产生有毒性挥发。X射线衍射图谱分析发现,激光剥离转移前后的含Pb类膜层均未出现晶相结构变化,说明激光剥离技术可以为类似含Pb等易挥发性元素的柔性薄膜器件制造提供一种环境友好的无污染制备工艺。


柔性存储器制造激光剥离工艺



以闪存、铁电存储和电阻式存储等为代表的有机材料柔性存储器可以通过旋转涂敷或辊轧工艺直接制备在柔性基底上。为了防止有机基底受热损伤,制造过程需要在低温条件下进行,而通常低温薄膜的质量会远差于高温薄膜。


相比于传统的低温条件下的旋转涂敷或辊轧工艺,以激光作为剥离技术手段可以完全实现工艺的高温制作,确保器件的高性能。


晶圆级封装激光剥离工艺



发展柔性电子产品,需要超薄和高密度封装技术的支持。临时键合-解键工艺是柔性电子设备晶圆级封装技术的关键,采用激光剥离技术,可以通过调节激光输入功率和光束整形对剥离效果进行有效控制,实现无残留的载片解键合。


在先进封装工艺(FOWLP)中对激光解键合后的晶圆损伤以及晶圆本身翘曲带来的一系列问题一直没有完善的解决方案,这是因为Release材料的厚度是纳米级,且不同材料CTE不同造成的。通过激光束形技术,保证在晶圆上面激光能量的均匀性,解决了晶圆损伤的问题,针对晶圆翘曲开发的AF(自动对焦)功能,避免了晶圆Warpage影响剥离效果等问题。



临时键合需要键合(bonding)和剥离(debonding)两种工艺。从扇出型晶圆级封装(fan-out wafer-level packaging,FoWLP)到功率器件,每种应用在工艺温度、机械应力和热预算等方面都有独特的要求,因此确定合适的剥离技术比较困难。这里只是枚举了几个例子,实际情况更为复杂。我们将在本文中重点讨论激光剥离(laser debonding):如抗高温更兼容的材料可应用于哪些情况,激光剥离的特性适于哪些应用等。


为了控制剥离带来的热输入,紫外激光(UV lasers)常被用于剥离不同材料供应商提供的不同临时键合材料。为了确保最低的维护工作量,二极管泵浦固体激光器(diode-pumped solid-state,DPSS)可将高度工艺控制的光束整形光学(beam-shaping optics)与最低热输入相结合,不失为是一项正确的选择。

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扇出型晶圆级封装(FoWLP)中临时键合面临的挑战


FoWLP能在行业内收获巨大利益,一定程度上取决于其采用了载板(carrier),临时键合材料对化学和热兼容性的要求很高。某些聚酰亚胺符合这种严苛的环境,也适用于激光剥离。


尽管键合和剥离都是FoWLP的工艺,但两者的需求差异很大。通过观察各种应用中不同的半导体工艺,显然没有任何一种剥离工艺解决方案可与所有的半导体工艺兼容,多个解决方案是必然选择。这就是开发出的各种各样的剥离工艺(剥离技术是临时键合的特征)至今仍都在使用的原因。


晶圆加工中主流剥离技术的比较


最常见的方法有:热滑动剥离(thermal slide-off debonding)、机械剥离(mechanical debonding)和紫外激光剥离(UV laser debonding)。这三种方法均适用于大批量生产,在工艺兼容性方面差异巨大。


热滑动剥离(thermal slide-off debonding)是一种利用热塑材料作为器件与载板晶圆(carrier wafer)之间粘合夹层(adhesive interlayer)的方法。该方法利用了热塑材料的可逆热特性,意味着在较高的温度下,该材料的粘度会下降,从而能通过简单地滑动两边的晶圆来完成剥离。热剥离的特点是根据热塑材料的温度特性,使用范围在130°C到350°C之间,因此在较高的温度下就可完成键合与剥离。温度稳定性在很大程度上取决于机械应力,我们可以观察到这是由于热塑材料在高温下具有低粘度。


机械剥离(mechanical debonding)是一种高度依赖晶圆表面特性、临时键合材料的粘附力和内聚力的方法。对于大多数材料系统,均可使用机械释放层(mechanical release layer)来实现可控剥离。机械剥离的主要特点是:可在室温下处理,且强烈依赖机械应力。由于机械剥离需要在临时键合材料与晶圆间产生低粘附力才能成功剥离;因此,在FoWLP应用中使用这种方法是有些困难的。这是因为FoWLP工艺中产生的较高应力会导致自发性的剥离,甚至在减薄工艺中也会出现,这就会导致良率的急剧下滑。


激光剥离(laser debonding)是一种通过几种不同的变量来实现剥离的技术。该方法的剥离机制依赖于:激光种类、临时键合胶,以及用于该工艺的特定释放层。红外激光剥离依靠热过程进行工作:将光吸收并转化为热能,从而在键合界面内产生高温。紫外激光剥离则通常依靠化学过程进行工作:使用光吸收的能量来破坏化学键。破坏聚合物的化学键会导致原始聚合物进行分解。分解物包括气体,就会增加键合界面的压力,因而帮助剥离。由于在剥离工艺前,临时键合胶对晶圆具有很高的粘附力,因此这种方法非常适用于FoWLP应用中。


Micro LED显示激光剥离工艺



Micro LED显示拥有优越的性能,但是在技术层面还有待突破,其中一项关键技术是外延衬底的剥离。基于GaN发光材料的Micro LED芯片,由于GaN与蓝宝石晶格失配度较低且价格低廉,所以蓝宝石衬底成为外延生长GaN材料的主流衬底。但是,蓝宝石衬底的不导电性、差导热性影响着Micro LED器件的发光效率;同时,脆性材料蓝宝石不利于Micro LED在柔性显示方向的运用,基于以上原因及Micro LED 显示本身分辨率高、亮度高、对比度高等优势特点,激光剥离蓝宝石是必要且关键的环节,且激光剥离技术更能凸显Micro LED 的优势。


激光剥离环节实质上是一个单脉冲扫描的过程,因此对激光束的均匀度和稳定性有极高的要求。


激光剥离技术通过利用高能脉冲激光束穿透蓝宝石基板,光子能量介于蓝宝石带隙和GaN带隙之间,对蓝宝石衬底与外延生长的GaN材料的交界面进行均匀扫描;GaN层大量吸收光子能量,并分解形成液态Ga和氮气,则可以实现Al2O3 衬底和GaN薄膜或GaN-LED 芯片的分离,使得几乎可以在不使用外力的情况下,实现蓝宝石衬底的剥离。


激光剥离技术的新方法



近年来随着电子器件持续向轻薄化方向发展,器件功能层厚度与剥离损伤往往已经达到同一数量级,使得简单添加牺牲层的方式已不能满足要求;同时微阵列化等多种新型结构的出现,也对激光剥离技术在微尺度上的高度选择性提出了更苛刻的要求。为此,研究人员从激光-材料相互作用基本机制出发,在发展新一代激光剥离技术上进行着不懈的探索。


(A)选择性激光剥离技术


与目前广泛应用于柔性显示的OLED相比,新一代显示技术Micro-LED具有更宽的色域、更高的亮度、更低的功耗和更好的环境稳定性,技术优势和提升空间不言而喻。传统激光剥离技术的光斑形状主要为线形光束或矩形光束,无法对微米级Micro-LED颗粒进行定向转移或剥离。选择性激光剥离(SLLO)技术更注重器件剥离的精准,由所剥离器件单元或区域的大小确定光斑尺寸大小。


严格控制激光能量的输入及添加合适的牺牲层是推动SLLO技术发展的关键。虽然该技术尚处研发初期阶段,但其在微小器件单元及阵列转移上所体现出的精准可控优势,使其在大规模集成电路与芯片制造领域具有极大的推广可能性。


(B)激光诱导前向转移技术


激光诱导前向转移(LIFT)技术通过激光脉冲辐照透明基底表面的薄膜吸收层,控制吸收层熔融液化,以烧蚀液滴射流动力推动功能层的转移。


传统LLO技术为实现器件剥离,会避免使用高粘性材料,但LIFT技术却恰好利用了烧蚀膜层的熔融液相动力,因此在转移高粘性材料方面具有独特的优势。相比传统LLO技术,LIFT技术具有更精准的转移选择性,非常有利于实现高分子聚合物小尺寸图形和微结构的转移。另外,LIFT技术所需的激光能量强度大致只有常规LLO技术的二十分之一到五分之一,对材料的剥离损伤远小于LLO技术。


(C)超快激光剥离技术


目前主流的激光剥离技术采用准分子纳秒脉冲激光,其主要剥离机制是热作用,会引发剥离损伤,涉及激光束能量分布不均及扫描不稳定造成的损伤、激光辐照热应力的释放损伤、膜层应力分布不均或残余应力损伤等。研究人员针对这些热损伤问题,提出采用脉宽小于10-11 s具有“冷”加工特性的超快激光源来改善纳秒脉宽激光源的热损伤。


北京工业大学季凌飞研究员课题组凭借在超快激光非线性效应及材料激光高精制造方面的多年研究积累,探索超快激光应用于LLO技术的机理与可行性。该课题组在研究中发现,由于脉冲的累计作用,超快激光作用的热效应仍然存在,但适当的热效应可以提高剥离效率,这是因为适当的热效应可以促进烧蚀材料气化,加快高密度等离子体的形成。高密度等离子体对激光的吸收系数远大于介质的吸收系数,可以防止功能层对激光能量的冗余吸收,将激光能量集约在几纳米的空间尺度上。


基于超快激光的剥离技术具有高效、零损伤、高度选择性等优势,有望成为柔性电子器件和Micro-LED巨量转移与组装技术瓶颈的关键突破点。


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