本文綜述了這些基于激光的柔性電子產品生產技術的最新進展，重點介紹了激光剝離、激光輔助打印和激光輔助轉移打印技術的關鍵進展。本文為第一部分。
摘要
在工業規模上制造大面積、超薄、靈活/可伸縮的電子產品具有挑戰性。柔性電子產品制造的最新突破性進展是基于強大的激光工藝。激光通過透明襯底照射在內吸收界面上，會在界面上產生各種物理變化和化學反應，并伴隨著不同的現象。從這些現象衍生出的許多技術具有在柔性基板上制造材料、結構和器件的獨特能力，這些技術具有非接觸式加工、高效率、從微觀到宏觀的可調節覆蓋范圍以及與有機和無機材料的兼容性等優點。綜述了這些基于激光的柔性電子產品生產技術的最新進展，重點介紹了激光剝離、激光輔助打印和激光輔助轉移打印技術的關鍵進展。討論了這些技術的基本原理及其基本機理，并對該領域的最新進展和未來前景進行了探討。這些技術的獨特特性以及與柔性電子相關的最新應用也被強調。最后，探討了這些技術的挑戰和未來前景，從基本力學、工程工作和新方法，到與創新制造概念和器件結構的全面結合。
1 介紹
柔性電子技術是下一代微電子技術的主要發展趨勢，它提供了與傳統平面集成電路技術類似的電子功能，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械失配，實現了當前微電子技術難以實現的創新應用。例如用于臨床診斷和治療的生物集成設備、電子皮膚（E-skin）、能量收集/存儲設備和汗液傳感器、柔性顯示器和RFID標簽等。
（a）三種硬PZT基壓電材料的堆疊和彎曲試驗。（b）多層結構的適形壓電壓力傳感器。（c）具有多層結構的指尖電子設備。（d）具有多層結構的柔性玻璃光子器件。
多層結構在各種工程應用中都會遇到，例如航空航天車輛、船舶和民用基礎設施。近年來，人們對此類結構進行了廣泛的研究，重點是靜態和動態行為、機械故障、結構設計和制造。最流行的多層結構是輕質夾層板，其基于兩塊由軟泡沫芯隔開的剛性面板，具有獨特的機械性能。在柔性電子和光子學中，軟（柔性）和硬（剛性）材料的多層結構也被廣泛使用，以減少硬層中的應變，硬層通常由功能器件組成。此類應用包括柔性壓電機械能采集器（MEH）（上圖a）、適形壓電壓力傳感器（圖b）、指尖電子學（圖c）、柔性玻璃光子器件（圖d）等。
針對柔性電子產品開發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品，如導電金屬線、薄膜晶體管（TFT）和壓電器件。然而，相對于標準的微加工工藝，電子性能仍然受到溶液可加工功能材料特性和打印技術低分辨率的限制。另一方面，真空微加工技術為實現高性能電子產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通常通過組合工藝制造，該工藝從獨立制造高模量、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，然后轉移到柔性/可拉伸基板上。
上述柔性電子產品的制造路線可歸納為將材料、組件和器件從原始制造/制備的基板轉移到柔性基板。傳輸中最重要的內在挑戰是控制接口狀態，以適應從供體晶圓/基板傳輸的對象的不同性質。基于應力誘導界面斷裂的獨特組裝技術已被發明，以適應導致機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芯片這樣的傳統剛性電子元件，它們通過標準的單噴射針拾取和放置技術進行轉移。隨著尺寸與厚度比的增加，開發了改進的多個噴射針，以克服芯片日益增加的靈活性。
然而，這些技術與厚度減至50μm或以下的物體不兼容。轉移打印技術可以處理厚度比上述技術小一個數量級的物體。這些技術中的大多數是基于粘性壓印的界面粘彈性效應，這降低了過程的可控性。此外，密鑰剝落過程容易損壞設備。然而，濕法化學蝕刻和陽極蝕刻等犧牲層的蝕刻是控制界面狀態的另一種嘗試，其效率低、復雜且不環保。盡管上述可用方法提供了強大的工具，但在可獲得的材料、可實現的幾何形狀和特征尺寸以及工業生產率和效率方面，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品工業化制造的需要，尤其是在大面積應用中。
三層夾層結構的理論模型。（a）自然、無壓力的狀態。（b）圓柱體上的變形狀態。
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，解決這些挑戰需要在工藝機制和工程方面取得根本性的創新性進展。與傳統工藝顯著不同的是，激光工藝具有獨特的優勢，如快速加工、多材料系統中的高材料選擇性、靈活可控的加工區域、非接觸交互模式、高度局部化的影響區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行退火、燒結和圖案制作，或通過直接輻照材料，對材料進行與其初始狀態不同的重大修改。在以前的許多綜述中，已經很好地總結了柔性電子領域在這些案例中取得的令人印象深刻的進展。
除了直接照射材料外，另一種激光加工技術提供了額外的獨特選擇。這些技術基于激光通過透明基底照射界面，這會在界面材料上引起幾次激光誘導的物理變化和/或化學反應，并伴隨各種有趣的現象。最近，基于這些現象的各種技術都取得了進展，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總結了關鍵技術進步和代表性應用的簡要年表。近年來，由于新的技術進步和應用不斷涌現，這一領域的進展速度急劇加快。各種巧妙的技術，包括激光剝離（LLO）、激光誘導正向轉移（lift）、激光輔助轉移和圖案化、激光輔助模具轉等。
圖1 基于激光-材料界面相互作用的柔性電子應用技術發展的簡要年表。
這些技術使柔性電子技術的大量新興應用得以實現，這些應用過去是其他傳統技術無法實現的，包括用于將人體微小運動轉化為電能的高功率納米發電機、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器/TFT陣列。這篇綜述重點介紹了這類技術的最新研究成果和發展，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和機遇。
2激光與材料界面相互作用的基本知識
與激光直接照射靶材料不同，所有引入的技術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。產生的不同現象，包括局部變形、相位和微觀結構修改、熔化/液化、蒸發/燒蝕和分解，主要取決于激光特性，如激光波長、通量/強度和脈沖持續時間，以及吸收材料的物理/化學性質。根據其預期用途分為三類技術：1）成型激光束通過透明基板掃描整個界面材料，稱為激光剝離（圖2b），這將導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移到接收器基板上（圖2c）。這種激光輔助打印工藝實現了許多與傳統打印技術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移到接收基板上（圖2d）。激光輔助轉移打印技術與接收基板的性質或制備無關，并且在粘附可調性、效率和穩定性方面具有更好的性能，以及向納米級/大規模擴展的能力。為了實現特定技術所需的界面現象，本節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：b) 激光剝離、c) 激光輔助打印和 d) 激光輔助轉移打印。
第一個問題是相關材料的光學性質和激光波長。具有特定波長的激光應該被預定的激光活性層而不是襯底強烈吸收。這一過程最終取決于兩種材料之間的帶隙不連續性。熱導率等物理性能和激光加工參數（如激光注量（強度）、激光相互作用時間、重復頻率和掃描策略等）對最終技術效果有重大影響。熱擴散長度 lthermal 是另一個需要考慮的重要因素，它代表激光照射時間內的能量（熱）傳導距離。具有較高熱擴散率的材料可以更快地傳導熱量，從而產生更大的溫度深度梯度，這最終會影響輻照界面材料的成分和結構。lthermal 也由 tpulse（CW 激光器的激光束停留時間，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以及非常局部的熱影響區域的應用，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）通過消除熱影響區來實現超高分辨率，對精密加工特別有效。此外，可根據所采用的激光強度調節界面處的峰值溫度，這提供了明顯的溫度依賴性現象的可能性，例如輻照界面處的熱誘導局部變形、熱誘導相和微觀結構修改和界面材料的熱化學分解。因此，應小心控制注量，以避免不完全反應（過低）或損傷（過高）。有時，激光輻射的多次曝光對于產生連續的物理/化學反應或為特定目的積累反應產物是必不可少的。在這種情況下，應考慮掃描過程中輻照界面經歷的總累積曝光時間和頻率，這取決于激光重復頻率、光束形狀和掃描策略。
熔點、熱膨脹系數和機械性能等其他物理特性顯著影響由激光引起的熱效應引起的物理現象。化學成分、光化學穩定性和熱化學穩定性等化學性質會影響化學反應類型及其產物。總之，不同現象的發生取決于材料系統和激光加工參數的具體組合。這些現象和反應的詳細機制將在下一節討論具體技術時進行描述。
3激光發射過程
從機械柔性的角度來看，最初制作的大量所需材料和結構的基板，如硅、藍寶石和玻璃基板，并不是柔性電子的理想基板。在將異質結構/器件轉移到新襯底（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、大規模的覆蓋范圍以及傳統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。將要分層的結構/器件制造在透明襯底（例如石英和藍寶石）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間，以減少熱效應，保護上部結構。因此，紫外波長和納秒脈沖寬度的準分子激光器是常見的選擇。在完全掃描基板后，可以將結構從其原始基板上分離，然后將其連接到柔性基板或轉移工具上。激光剝落的機理由激光類型、剝落層材料和工藝參數決定，非常復雜，包括激光誘導的化學反應（如熱化學分解或燒蝕），或激光誘導的物理變化（如剝落層的淬火、熔化和汽化）。
圖3 a）激光發射過程的處理步驟。b） LLO工藝的典型激光投影系統示意圖。c） LLO過程的基本掃描策略。
基本上采用了兩種光學處理策略，即使用寬線光束（線掃描方法）和矩形激光光斑（步進重復方法）掃描基板，如圖3c所示。激光束由望遠鏡定形，望遠鏡將原始激光束輪廓轉換為線形光束輪廓。均化器光學導致均勻和穩定的形狀場。對于分步重復掩模投影，唯一的區別是包含圖案信息的掩模被成像到基板上。激光投影系統的示意圖如圖3b所示。目前，最先進的準分子激光系統的延長線長度可達750毫米，寬度為≈0.4毫米的智能手機每小時可以處理大約10000個靈活的智能手機顯示屏。為滿足大規模電子產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顯微圖：a）微流控天線的制造工藝；b）蛇形微流控天線的設計參數；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：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.
轉載請注明出處。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
