【摘要】：聚酰亞胺(Polyimide,PI)由于其耐高溫、熱變形小、使用壽命長、生物兼容性強等優(yōu)點,是柔性電子制造工藝中理想的柔性目標基板。為了解決將以PI為基底的超薄功能器件從源生基板大面積、高效率、無損傷地剝離與轉(zhuǎn)移這一技術(shù)挑戰(zhàn),激光剝離工藝應(yīng)運而生。目前,關(guān)于PI體系的激光剝離工藝研究尚不充分,為了增進對工藝的理解,增加工藝的可靠性以更好地指導(dǎo)實際應(yīng)用,本文對激光剝離PI薄膜的閾值、機理、調(diào)控、監(jiān)測四個重要環(huán)節(jié)進行了系統(tǒng)地研究,主要工作包括:(1)搭建了激光剝離工藝實驗原型裝備,并依托該實驗裝備對不同PI厚度和不同激光重復(fù)照射次數(shù)兩種工況下PI薄膜能夠被剝離的激光能量密度閾值進行了測定。測定結(jié)果表明激光剝離PI薄膜存在一個動態(tài)閾值,該閾值能量密度隨PI厚度增大而升高,隨激光重復(fù)照射次數(shù)增大而降低。(2)觀測了PI-玻璃界面的微觀形貌演化,發(fā)現(xiàn)PI脫離玻璃基板前界面會產(chǎn)生大量納米柱狀微連接。通過理論模型對激光輻照下界面溫度場進行數(shù)值仿真,發(fā)現(xiàn)該微連接結(jié)構(gòu)的尺度遠超激光的熱穿透深度。通過測試界面在激光照射后的殘余粘附能與表面微觀形貌,證實微連接結(jié)構(gòu)的消失降低了界面粘附能并最終使PI脫離。以此為依據(jù)提出了激光剝離PI薄膜機理,激光燒蝕PI過程中的氣體產(chǎn)物形成的極高氣壓頂起了薄膜并最終促使薄膜脫離。這一機理對動態(tài)閾值可以予以合理解釋。(3)測定了激光剝離后的PI薄膜發(fā)生質(zhì)量降級前激光能量密度和重復(fù)照射次數(shù)兩個工藝參數(shù)的上限,發(fā)現(xiàn)較厚的薄膜相比較薄的薄膜具有更大的工藝窗口。通過對激光照射后薄膜鼓泡高度和輪廓的觀測,發(fā)現(xiàn)兩者工藝窗口區(qū)別的原因是較厚的薄膜具有更大的剛度,不易發(fā)生過量的塑性變形。據(jù)此分別提出了基于控制兩個工藝參數(shù)和基于上層約束兩種工藝調(diào)控策略,顯著提升了超薄PI薄膜的剝離質(zhì)量和剝離效率。(4)基于聚偏氟乙烯(PVDF)壓電片實現(xiàn)了對激光剝離PI過程中氣體沖擊效應(yīng)的實時監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)其與激光能量密度存在良好的線性關(guān)系,且上層約束能有效增強薄膜抵抗氣體沖擊的能力。基于電阻應(yīng)變片實現(xiàn)了激光剝離PI過程中薄膜變形的實時監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)薄膜能夠剝離的工藝參數(shù)下測試信號存在一個階躍特征,為直觀判斷薄膜是否剝離提供了可能。兩個實驗得到的信號均呈現(xiàn)出顯著的識別特征和良好的一致性,并對本文的諸多研究結(jié)果予以了有力佐證。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB383.2
【圖文】：

以下項目的資助：科學(xué)基金重點項目 大面積柔性電子曲面共形制造及智能蒙1635007。然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目 超薄聚合物薄膜準分子激光燒離 ，批準號：51705180。景與意義來半導(dǎo)體工藝制程已經(jīng)逐漸逼近器件的物理極限，以光刻等藝開始陷入瓶頸，曾經(jīng)嚴格遵循 摩爾定律 的傳統(tǒng)微電子行而以圖 1-1 所示的柔性顯示[1, 2]、表皮電子[3-6]、智能蒙皮[7]、為代表的柔性電子器件則開始成為行業(yè)領(lǐng)域新的技術(shù)風口。統(tǒng)微電子制造，柔性電子制造的對象具有面積大、延展強、特性，因此需要采用不同的制造工藝流程。

華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文柔性電子制造的主流工藝方法主要分為兩種，如圖 1-2(a)所示，其一是直接標基底上采用絲網(wǎng)印刷、電流體噴印等基于溶液型功能材料的增材制造技子器件，例如無線射頻識別標簽(RFID)[11]、薄膜晶體管(TFT)[12]等。這種方是自然兼容柔性目標基底，且流程簡單、成本低廉，但電子器件性能嚴重受材料的性能，相關(guān)制造技術(shù)的分辨率不足，對于顯示屏幕之類的高性能電子直接制造，仍需要依賴傳統(tǒng)半導(dǎo)體制造工藝。為了解決這些缺陷，目前行業(yè)另一種折中路線，即先在硬質(zhì)源生基板上利用成熟的半導(dǎo)體制造工藝制造子器件，再通過剝離與轉(zhuǎn)移技術(shù)將目標器件從源生基板上分離并轉(zhuǎn)移到可性基底上，如圖 1-2(b)所示。這一工藝路線雖然能較好地兼顧器件的使用性的需求，但同時對大面積、高效率、高質(zhì)量的剝離與轉(zhuǎn)移技術(shù)這一關(guān)鍵工藝了嚴峻的挑戰(zhàn)。

華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文移定位的精度控制上較為困難；基于溶液的濕法化學(xué)刻蝕工藝雖然可以兼的薄膜器件，但是通�？涛g的速率較低，刻蝕的面積越大內(nèi)部犧牲層的刻蝕，難以保證刻蝕的均一性且對環(huán)境存在較大的污染；基于應(yīng)力、光或熱等特使臨時鍵合的界面發(fā)生分離的晶元鍵合工藝在微電子制造里具有較長的應(yīng)但其適用面積嚴格受晶圓盤大小的限制。

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本文編號：2770919