《npj Flexible Electronics》：用于柔性薄膜晶體管的大面積光子剝離工藝（IF=14.676）

背景：

 在塑料上制造柔性電子元件通常受到聚合物基底較差的尺寸穩(wěn)定性限制。為了緩解這一問題，在制造過程中使用了玻璃載體，但如何在不損壞電子元件的情況下將塑料基底從載體上移除仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。在這里，我們利用大面積、高通量的光子剝離（PLO）工藝來迅速將聚合物薄膜從剛性載體上分離。PLO使用閃光燈產(chǎn)生的寬帶光脈沖（持續(xù)時(shí)間為150微秒）來將涂有光吸收層（LAL）的玻璃載體基底上的功能薄膜剝離。建模表明，在PLO過程中，聚合物/LAL界面溫度超過800°C，但聚酰亞胺（PI）的頂面溫度保持在120°C以下。在PI基底上制造了一組銦鋅氧化物（IZO）薄膜晶體管（TFTs），并通過PLO技術(shù)從玻璃載體上剝離。PLO過程對(duì)TFTs的遷移率沒有影響。這些柔性TFTs在機(jī)械上非常堅(jiān)固，即使在彎曲時(shí)遷移率也沒有降低。

文獻(xiàn)介紹：

 隨著柔性電子設(shè)備（如柔性顯示器和傳感器）的復(fù)雜性增加，需要新型與塑料兼容的制造方法來生產(chǎn)高產(chǎn)量、低缺陷的柔性電路。雖然可以使用如印刷等溶液處理方法在低溫基底上制造電路，但有些情況下印刷并不是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、高密度電路和小型器件的可行選擇。特別是，高分辨率顯示器應(yīng)用通常需要單微米特征尺寸，并在大面積基底上保持出色的均勻性。對(duì)于這些應(yīng)用，需要更精確的制造技術(shù)，如光刻。然而，由于聚合物的尺寸穩(wěn)定性較差，即使在光刻過程中的低溫處理（如軟烘烤）也可能改變基底的尺寸。隨著特征尺寸的減小，基底尺寸上的微米級(jí)變化也可能在后續(xù)的對(duì)準(zhǔn)步驟中產(chǎn)生誤差。解決這一問題的一個(gè)方法是轉(zhuǎn)移印刷，其中材料在一個(gè)基底上制造，然后轉(zhuǎn)移到接收基底上。但是，轉(zhuǎn)移印刷通常需要使用粘附層或?qū)妆砻孢M(jìn)行仔細(xì)修改以促進(jìn)油墨轉(zhuǎn)移?；蛘?，通過在設(shè)備制造過程中將聚合物薄膜附著在剛性載體上，然后釋放制造完成的設(shè)備層的聚合物基底，可以克服尺寸穩(wěn)定性問題。因此，從剛性載體上分離聚合物薄膜是生產(chǎn)下一代柔性電子產(chǎn)品的關(guān)鍵步驟。

  已經(jīng)研究了多種方法，用于從剛性載體上釋放塑料基底。利用準(zhǔn)分子激光的激光剝離（Laser Lift-off，簡(jiǎn)稱LLO）長(zhǎng)期以來一直是業(yè)界用于在電子制造過程中從剛性載體上剝離聚合物薄膜的方法。剝離機(jī)制基于在聚合物和剛性載體界面處選擇性燒蝕聚合物薄膜。聚合物與激光之間的相互作用已被廣泛研究，這些研究導(dǎo)致了LLO技術(shù)的產(chǎn)生。在LLO中，激光掃描玻璃基底的背面，通過聚合物基底本身發(fā)生的吸收來實(shí)現(xiàn)燒蝕，因?yàn)榫酆衔锿ǔＮ展庾V中的紫外線（UV）區(qū)域波長(zhǎng)。吸收的激光能量加熱聚合物并在玻璃/聚合物界面處引發(fā)燒蝕。準(zhǔn)分子激光剝離具有幾個(gè)吸引人的特性，例如能夠維持局部輻射和實(shí)現(xiàn)低全局溫度。然而，需要昂貴的激光系統(tǒng)，并且剝離過程對(duì)激光參數(shù)的變化很敏感。激光系統(tǒng)的功率波動(dòng)和非均勻光柵掃描可能導(dǎo)致缺陷并降低產(chǎn)量。LLO也是一個(gè)耗時(shí)的光柵掃描過程，這在大面積基底上工作時(shí)轉(zhuǎn)化為更高的生產(chǎn)成本。

 為了克服LLO的挑戰(zhàn)，已經(jīng)研究了替代的剝離技術(shù)。在制造過程中，使用了如膠帶和粘合劑等臨時(shí)粘合層來將塑料薄膜附著在載體上，但是這一些粘合材料本身也會(huì)產(chǎn)生微小的尺寸變化。許多方法還需要紫外線或熱能、溶劑或機(jī)械力來剝離樣本。氧化鎢等無機(jī)分離層在高加工溫度下比粘合劑更穩(wěn)定，但仍然需要相當(dāng)大的分層力。還有通過焦耳加熱的熱燒蝕，但這種方法并不常用。

 在這項(xiàng)研究中，我們利用非激光光子剝離（PLO）過程來克服之前用于從剛性載體上分離聚合物薄膜的技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)。PLO利用閃光燈產(chǎn)生的寬帶光（200–1100nm）從涂有LAL的剛性載體上剝離聚合物薄膜，其中聚合物薄膜可能包含功能器件。最近報(bào)道了使用閃光燈而不是激光器進(jìn)行聚合物剝離的初步結(jié)果，但沒有包括有源器件或TFTs。與這些結(jié)果相比，本工作中的PLO使用簡(jiǎn)單的單層金屬吸收器，而不是四層結(jié)構(gòu)，并且使用超快脈沖持續(xù)時(shí)間，僅為之前報(bào)道的脈沖長(zhǎng)度的2–5%。最近使用PLO展示了柔性納米晶體光伏器件。與LLO這樣的光柵掃描過程相比，PLO過程具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗梢栽谝淮纬掷m(xù)100–200μs的閃光中實(shí)現(xiàn)大面積剝離（150mm×75mm），從而提高了處理量。此外，LAL的存在在剝離過程中防止了聚合物基底的直接照射，并促進(jìn)了更干凈的剝離，無需聚合物灰化，這是LLO的一個(gè)常見問題。LAL的存在使PLO成為一種與聚合物無關(guān)的過程，能夠剝離各種聚合物。

 在這里，我們報(bào)告了使用PLO技術(shù)制造柔性TFTs的方法。使用了具有低熱膨脹系數(shù)（CTE）的PI來最小化殘余薄膜應(yīng)力。在PI薄膜上制造了IZO TFTs，隨后使用PLO技術(shù)從載體上釋放。釋放后的器件在PLO過程后未顯示顯著變化，剝離前后的遷移率約為3cm2V^-1s^-1。這些柔性TFTs具有很強(qiáng)的彎曲應(yīng)力，在彎曲半徑為10mm時(shí)遷移率沒有顯著下降。當(dāng)與成功將PI從載體上分離的能力相結(jié)合時(shí)，低CTE PI為柔性電子器件創(chuàng)建了一個(gè)堅(jiān)固的制造平臺(tái)，允許在塑料基板上使用傳統(tǒng)的圖案化和沉積技術(shù)，同時(shí)保持高達(dá)380°C的尺寸穩(wěn)定性。開發(fā)了一個(gè)3D有限元模型來驗(yàn)證剝離過程中基板的熱響應(yīng)。模擬顯示在PI薄膜中的溫度在消融層達(dá)到865°C，但在器件層保持在120°C以下，這個(gè)溫度足夠低，可以避免對(duì)薄膜晶體管造成損害或引起化學(xué)變化。模型顯示，PLO過程中器件層的最高溫度受到聚合物薄膜厚度和材料特性的強(qiáng)烈影響，突出了該模型在指導(dǎo)PLO器件設(shè)計(jì)中的價(jià)值。這項(xiàng)工作展示了PLO在承受傳統(tǒng)光刻加工方法后，成功從玻璃載體上釋放包含柔性電子器件的聚酰亞胺基板的可行性。

引用：

https://www.nature.com/articles/s41528-022-00145-z