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紫外激光系统在微电子制造中的应用实现从刚性到柔性制造的转变

来源:工业激光解决方案

  发布:Johnny

关键词:紫外激光 微电子制造 柔性制造

2018-01-30

利用准分子激光器的超高脉冲紫外光功率,人们可以高效、安全地将超薄功能元件从刚性晶元或面板载体上剥离出来,从而有效地提高新一代超薄柔性零部件和元器件生产率,降低制造成本。

激光加工一直是微电子器件生产实现突破性发展的关键技术。随着微电子器件的结构尺寸不断缩小,利用短波长紫外激光器加工逐渐成为行业主流趋势,因其可以在横向和纵向上实现极高的加工分辨率。作为紫外激光器的一员,准分子激光器具有优良的性能,配合大尺寸光学器件,能够实现“加工效率”和“加工精度”的完美兼容,这得益于其巨大的有效加工面积,几乎可达其分辨率的1 万倍。美国Coherent公司开发了可稳定运行的大光斑激光系统,完美适用于各种尺寸的晶元和面板的激光剥离工艺,有力地促进了显示屏和其他电子设备向柔性方向发展的转变。

从刚性载体到柔性微电子器件制造的转变

用于智能手表、可穿戴设备或曲面智能手机的柔性显示屏具有巨大的商业潜力,但它的制造仍然存在重大技术挑战。通常而言,用于柔性显示屏的薄塑料基板比较脆弱,无法使用常规加工工艺处理,尤其是在几个生产流程中经过高温处理后,材料会失去韧性。在加工薄晶片时也会遇到类似的挑战,晶元贴片将被尽量薄化,以至于达到柔软的程度,用以满足在高性能移动设备内封装垂直堆叠逻辑和存储器芯片架构的空间需求。

图1: 采用刚性载体和准分子激光器剥离工艺制备柔性显示屏的示意图。

柔性显示面板或超薄半导体晶片批量生产的常规方法为:先在涂覆聚合物的刚性玻璃载体上刻写电路,并在最终工艺步骤中将器件从载体上剥离。其技术方案为——将紫外准分子激光器的线光束透过玻璃基板载体,照射在聚合物层上。由于激光的波长很短,材料对激光的吸收率很高,只有紧邻玻璃基板的聚合物被蒸发,从而实现了基板与器件的分离。采用308nm准分子激光器进行激光剥离时,激光脉宽约为25ns,需要的能量密度约为200J/cm2。此外,由于激光波长较短,吸收率很高,剥离过程中无需制备额外的过渡层来增强激光吸收。

紫外激光器彰显优异性能和高可靠性

实践证明,许多常规的刚性载体分离技术并不适合用于规模化生产。例如,机械剥离技术和化学蚀刻工艺,其生产效率低,局限性大,而且生产良率也不高。甚至,后一种方法还会对环境产生危害。相比之下,激光剥离工艺则是更好的选择。为了将激光吸收限制在聚合物与玻璃载体界面附近,该工艺要求使用波长尽量短的激光(波长短于350nm)。由于准分子激光器具有波长短(激光剥离工艺中常用的是308nm以及248nm)、能量和功率高的特点,因此在精密微电子器件生产中,采用准分子激光器进行激光剥离,不仅良率高,而且产量大,完全可以满足微电子市场的批量化生产需求。事实上,短波长准分子激光器系统配合高质量的线光束光学器件,对于批量化生产而言是至关重要的:

● 激光剥离技术通常用于高价值元器件的制备;

● 激光剥离工艺位于一系列高成本工艺步骤之后;

● 激光剥离工艺是许多高价值元器件和相应的零部件制备的核心技术;

● 在柔性屏的制备中,激光剥离工艺1% 的不良率,就会造成每年高达数百万美元的利润损失。

大尺寸紫外激光剥离工艺

显示屏制造商使用尺寸从1到约5平方米的矩形玻璃载板。柔性显示屏制造的基本剥离工艺步骤如图1所示。首先,以玻璃基板为临时载体,涂覆上聚合物薄膜,然后将其固化。接着,在聚合物薄膜上面,构建电路背板(即薄膜晶体管矩阵),随后覆盖上包含发光层的前面板。最后,通过激光剥离工艺去除玻璃临时载体,从而实现柔性显示屏的制备。

图2:柔性显示屏的激光剥离工序中载体面板在准分子激光线光束下移动。

经过实践证明,对于激光剥离大尺寸面板的工业化生产,基于准分子激光器以及线光束扫描光学系统的工艺技术已经成为行业首选的加工策略。从最初提供的250mm长度的线光斑激光剥离系统开始,如今,长度扩展到750mm 线光斑的准分子激光系统已经应用于柔性显示屏的生产车间(参见图2)。以大约0.4mm 的线宽来计算其相应的加工面积(即每个激光脉冲内覆盖的基板面积),长度250mm 线光斑约为1cm2,而长度750mm 的线光斑可达3cm2。由于每个区域只需单脉冲照射,且脉冲之间的重叠仅为线束宽度百分之几的量级,所以面板加工速度与激光重复频率成正比。根据面板尺寸和线光束长度来计算,激光剥离加工速度可达到每小时约10,000个柔性智能手机显示屏的产量。

平顶光在加工中的优势

准分子激光剥离采用单脉冲剥离+ 逐行扫描的工艺,因此要求输出的的平顶光束具有稳定的脉冲能量。在这种模式下,准分子激光器输出的脉冲能量可达1J,这足以保证输出的大光斑具有足够的能量密度。如果能量密度不足会导致剥离不完全,而能量密度过大则会导致热负荷过高,甚至可能导致薄膜翘曲或碳化。固体紫外激光系统的一个致命缺陷在于,其输出光斑在某一方向上为高斯分布,必须采用高叠加率进行扫描,从而其激光剥离有效光斑利用率只有25%。而准分子激光器由于输出的是平顶光斑,因此在激光剥离的过程中,在保证单脉冲具有足够的能量密度进行有效剥离的前提下,脉冲间的叠加率可以控制的非常小,其光斑有效利用率可达80%以上,并能最大程度上减少激光剥离所需要的脉冲数量。

图3 :750 mm 长准分子激光线光束的水平轴和垂直轴的横截面。

实时脉冲控制—有效提升激光利用效率

激光脉冲,尤其是紫外激光脉冲,具有相对高昂的成本。这些成本主要是由激光器运行时配件损耗产生的,比如各种光学零部件。在Coherent的准分子激光剥离系统中(如UVblade系列),激光器可以在脉冲实时控制输出的模式下工作。在实际生产中,在柔性显示屏制造进行激光剥离的加工工序期间,紫外激光器的实际工作时间不到整套工艺流程时间的40%。利用准分子激光器的脉冲实时控制输出的模式,激光剥离系统仅仅需要在面板剥离时输出激光脉冲,而在系统上、下料以及面板移动时,以及其它空闲时间,激光器无需输出激光脉冲(参见图4)。

图4: 准分子激光器脉冲实时控制输出模式与固体激光器连续模式在激光剥离加工中的对比

因此,脉冲实时控制输出模式可以大大减少每个面板加工时所需要的激光脉冲数量,从而降低了单个面板的加工成本。这样一来,柔性屏制造商就可以通过降低激光系统的操作成本而获得更多的收益。与此同时,利用脉冲实时控制输出功能,可以在加工期间尽量减少激光器的脉冲输出数量,从而延迟激光器的使用寿命。通常情况下,在脉冲实时控制输出模式下运行,准分子激光系统在工业生产条件下通常能够运行五年以上,无需重大维护,而且设备总体正常运行时间大于95%。

焦深—大幅面工作范围内高度偏差补偿的利器

批量化加工大尺寸柔性显示屏面板的重要因素之一是激光剥离系统的焦深。由于准分子激光器输出的高能量脉冲的优异特性,线光束成像系统采用了低数值孔径的聚焦系统,从而产生的激光焦深可高达约±150μm(参见图5)。在剥离工艺进行期间,基板需要保持在线光束聚焦焦斑范围内,焦斑的深度与线光束的线宽成正比。通过在50%、90% 和96%线宽条件下测量发现,线宽变化对于焦深变化的影响率只有2%。因此,在面板加工的过程中,即使因为面板高度的波动,也能够使加工平面保持在焦深范围内,不会影响激光剥离的加工效果。与此相反,三倍频固体激光器由于输出的脉冲能量较低,需要将光束聚焦为更小的光斑以保持剥离必须的能量密度。因此,固体激光器的剥离系统仅仅只有约20μm的焦深,在大幅面工作范围条件下,为了保证加工精度,不得不减少其“工艺窗口”。

图5 :作为移动垂直基板位置的函数测量的短轴线宽度。

总结

综上所述,采用高功率准分子激光器的激光剥离系统已成为制造下一代轻质柔性微电子器件量产的关键技术。而准分子激光器所特有的大焦深、平顶光束和优异的脉冲稳定性等特点,使得准分子激光剥离系统成为工业生产中最完美的剥离工具。准分子激光器能够提供独一无二的超高脉冲能量以及优异的光学性能,可以整形成优良的矩形光斑,以达到平方厘米量级的大加工面积,并且能够实现直径300mm的晶元和大尺寸柔性显示屏玻璃基板的快速剥离。