超薄聚合物薄膜准分子激光烧蚀微观机理与可控剥离

The flexible electronics manufacturing is moving toward the large-area (area>1m*1m) and ultra-thin (thickness<10μm) direction. It has important application in the field of flexible display, aircraft smart skin, etc. It is necessary to peel the flexible devices from the glass substrate in the manufacturing process. At present, the peeling process based on chemical etching is close to the limit. In this project, the excimer laser (wavelength 308nm) will be used to reveal the microscopic mechanism of laser ablation of ultra-thin polyimide (PI) film. The controllable peeling of large-area flexible electronic devices from the glass substrate will be realized. The photofragmentation reaction mechanism of PI induced by the excimer laser ablation will be revealed by the reactive molecular dynamics model. The influence of laser process parameters on the ablation thickness of PI film will be studied, and the strategy of process parameters determination under a specified ablation thickness will be established. Effect of laser process parameters, ablation thickness and interfacial energy release rate on the residual interface adhesion strength will be studied. A controllable adjustment of interface adhesion strength will be realized. The laser lift-off process based on a fine patterned mask (line width<2μm) will be put forward. The laser lift-off experiment on large-area flexible display and aircraft smart skin will be conducted. This project is focused on the microscopic mechanism, process optimization, interface control of laser lift-off process, which can provide theoretical and technical support for the reliable and efficient peeling of large-area and ultra-thin flexible electronic devices.

柔性电子正在向大面积（面积>1m*1m）、超薄化（厚度<10μm）方向发展，在柔性显示、飞行器智能蒙皮等领域具有重要应用，制造过程中需要将柔性电子从玻璃衬底上进行剥离，目前溶液刻蚀剥离工艺等已经接近极限。本项目研究准分子激光（波长308nm）剥离工艺，揭示超薄聚酰亚胺（PI）薄膜激光烧蚀微观机理，实现玻璃衬底上大面积柔性电子的可控剥离。建立激光烧蚀聚合物的反应分子动力学模型，揭示激光诱导PI裂解微观机理；研究激光工艺参数对PI薄膜烧蚀厚度的影响，实现给定烧蚀厚度的激光工艺参数选取；揭示激光辐照、烧蚀厚度、界面能量释放率对界面剩余黏附强度的影响关系，实现界面黏附强度调控；提出基于精细掩膜版（线宽<2μm）的激光剥离工艺，开展大面积柔性显示、智能蒙皮等器件的剥离工艺实验。本项目研究了激光剥离微观机理、工艺优化、界面调控等问题，为大面积超薄柔性电子的可靠、高效剥离提供理论和技术支持。

柔性电子制造目前正在向大面积和超薄化方向发展，激光剥离是一种在该领域中应用越来越广泛的技术，但目前仍有诸多问题有待解决。本项目主要研究内容包括：.首先研究了308nm准分子激光剥离工艺，实现了将不同厚度的聚酰亚胺（PI）薄膜从玻璃衬底上无损剥离，从多个角度（包括阈值激光能量密度、粘结界面形貌、界面粘附强度、界面分离模式、工艺窗口等）揭示了PI/玻璃界面分离的机理，找出了影响界面分离的关键因素，提出了使PI薄膜可靠剥离的激光工艺解决方案。结果表明：激光辐照产生的气体产物的冲击效应促进了PI/玻璃界面微观结构的变化，导致界面结合强度降低；由于激光烧蚀气体产物的形成，在PI/玻璃界面上观测到了纳米柱状结构，也因此残留了一部分界面黏附强度；采用低能量激光多次照射的方法，实现了超薄PI膜的可靠激光剥离分离；发现超薄PI薄膜的激光剥离工艺窗口远小于传统厚膜的激光剥离工艺窗口。.进一步以激光剥离制备PI柔性基底实验为基础，建立理论预测分析模型，描述了不同工况下的基底/粘结层/器件层粘结结构的应力状态，能够快速有效描述粘结结构的应力状态，同时能够为实现粘结结构的界面调控提供理论依据。具体包括：针对均布气压载荷作用下的基底/粘结层/器件层结构，建立了控制微分方程，得到了具有普适性的粘结结构应力解析解，对比有限元计算结果，解释了粘结结构的整体应力和内力分布；考虑基底水平方向变形，研究了粘结结构的几何参数、材料参数、外部载荷等因素对应力分布的影响，为不同需求条件下的参数设计提供了理论建议；分析了不同温度载荷作用下的粘结界面应力响应，根据需求合理设计了工艺参数，能够保证实现粘结结构完整性或粘结界面剥离的同时避免器件层发生弯曲断裂。.项目研究成果能够实现玻璃衬底上大面积PI薄膜的可控剥离，为大面积超薄柔性电子的可靠、高效剥离提供理论和技术支持，并为实现复杂表面柔性器件的可靠制备提供了一条有效的实现途径。