CN114050216A - 一种柔性电子器件及其激光加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于柔性电子制备相关技术领域，其公开了一种柔性电子器件及其激光加工方法，包括以下步骤：(1)在透明基底上制备牺牲层，并通过图案化工艺在牺牲层上制备图案化结构；牺牲层的材料的热膨胀系数与图案化结构的材料的热膨胀系数之差大于10‑5K‑1；(2)在牺牲层暴露的区域及图案化结构上沉积得到功能层；(3)在功能层上沉积衬底层以得到柔性带电子器件的半成品，并采用激光束对透明基底进行扫描，激光束穿过透明基底而作用于半成品的其他结构；(4)对激光作用后的半成品进行机械分离以得到图案化的柔性电子器件。本发明同时实现了功能层的图案化及剥离，简化了工艺。
Description
技术领域
本发明属于柔性电子制备相关技术领域，更具体地，涉及一种柔性电子器件及其激光加工方法。
背景技术
柔性电子器件制造是将器件建立在柔性或者可延性基板上的新兴电子技术，可以实现不同尺寸、材质的结构、器件的集成制造，由于其独特的柔性与延展性，在柔性显示、射频识别、电子皮肤等方面有着广泛应用。柔性电子器件制造的关键包括制造工艺、基板和材料等，其核心是微纳米图案化制造。图案化柔性电子器件在柔性电子中占有重大比例，随着其向集成化、智能化、多参数检测的方向发展，且根据测量条件灵活布置的需求，图案化的柔性电子也成为大势所趋。
然而，制造柔性图案化电子器件往往步骤繁琐，需经过图案化电极的制备、图案化功能层的制备、剥离、封装等过程。其中，电极与功能层的图案化过程需使其形成完全重叠的相同图案，这对图案化技术是一个十分高的要求。若采用光刻技术实现电极与功能层的图案化，则需解决多层掩膜对准的问题。目前柔性电子器件制造中，电极层、功能层的图案化技术主要有光刻、微接触印刷、喷墨打印等，实现剥离的方法主要有机械顶针剥离、化学刻蚀、激光剥离等。无论如何组合，柔性图案化传感电子器件的制备过程仍旧十分复杂。如Byun采用锆钛酸铅镧(PLZT)压电薄膜制备的柔性压电传感器时(Byun M.Poly(vinylpyrrolidone)-modification of sol-gel films for flexible piezoelectricenergy harvesting systems[J].Thin Solid Films，2018，663:31-36.)，再使用光刻技术进行PLZT功能层的图案化后，再通过激光剥离技术(LLO)实现PLZT膜从刚性基板上的剥离，才能完成图案化器件的制备。故面向柔性电子追求的低成本工业化制造，有必要寻求一种可简化的柔性图案化电子器件制备工艺。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种柔性电子器件及其激光加工方法，所述方法能够同步实现柔性电子结构的图案化及器件剥离，在一定激光参数与牺牲层厚度控制的条件下，在图案存在的界面处，由于界面相交的两种材料热膨胀系数差别较大，当承受同一高温时，两种材料产生的热变形相差较大，将导致该两种相接触的材料发生脱离，从而使该界面的粘附强度大大降低，在机械外力的作用下即可实现该图案化界面的分离，而得到在衬底上制备的二维图案化器件，如此解决了柔性图案化电子器件制备过程中，对电极层和功能层图案化对准的难题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种柔性电子器件的激光加工方法，所述方法主要包括以下步骤：
(1)在透明基底上制备牺牲层，并通过图案化工艺在所述牺牲层上制备图案化结构；其中，所述牺牲层的材料的热膨胀系数与所述图案化结构的材料的热膨胀系数之差大于10-5K-1；
(2)在牺牲层暴露的区域及所述图案化结构上沉积得到功能层，以对牺牲层暴露的区域及所述图案化结构进行填充及覆盖；
(3)在所述功能层上沉积衬底层以得到柔性带电子器件的半成品，并采用激光束对所述透明基底进行扫描，所述激光束穿过所述透明基底而作用于所述半成品的其他结构；
(4)对激光作用后的半成品进行机械分离以得到图案化的柔性电子器件。
进一步地，所述柔性电子器件的功能层图案结构的形状与所述图案化结构的形状相同。
进一步地，在所述激光束作用下，所述图案化结构与所述牺牲层之间的接触表面发生界面分离，同时牵动了功能层除掉与所述图案化结构对应的区域外的区域与衬底层的界面发生分离。
进一步地，所述牺牲层的厚度为500nm～600nm。
进一步地，激光参数：激光的能量密度50mJ/cm2～250mJ/cm2。
进一步地，所述透明基底为Al2O3、石英、蓝宝石基板或玻璃片。
进一步地，所述牺牲层的材料为电材料PZT、氧化锌或非晶硅。
进一步地，所述图案化结构的材料为Ni、Ag、Cu、Ti、Au或Pt。
进一步地，所述衬底层的材料为聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷或聚对苯二甲酸乙二醇酯材料。
按照本发明的另一个方面，提供了一种柔性电子器件，所述柔性电子器件是采用如上所述的柔性电子器件的激光加工方法制备而成的，所述柔性电子器件包括衬底层及形成在所述衬底层上的功能层图案结构，所述功能层图案结构包括所述图案化结构及所述功能层对应所述图案化结构的区域。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的柔性电子器件及其激光加工方法主要具有以下有益效果：
1.所述激光束穿过所述透明基底而作用于所述半成品的其他结构，在所述激光束作用下，所述图案化结构与所述牺牲层之间的接触表面发生界面分离，同时牵动了功能层除掉与所述图案化结构对应的区域外的区域与衬底层的界面发生分离，如此简化了工艺流程，利用激光剥离工艺在完成电子器件从刚性基板剥离的过程中，可以同时实现功能层的图案化，使得剥离与功能层的图案化的两步工艺合并为一步，大大简化了工艺过程，提高了制备效率。
2.所述牺牲层的材料的热膨胀系数与所述图案化结构的材料的热膨胀系数之差在一个量级(即10-5/K-1)以上，继而在激光作用下，如此较大的热膨胀率系数之差使得两者在较高温度下所产生的热应力不匹配，从而推动发生界面分离。
3.所述牺牲层的厚度为500m～600nm，激光能量密度参数区间为50mJ/cm2～250mJ/cm2，如此在合适的激光参数及牺牲层厚度的条件下，使得激光束穿过所述透明基底后作用于其上方的其他层结构，由于图案化结构的材料与所述牺牲层的材料的热膨胀系数相差较大，导致对应的热变形相差也较大，继而导致所述图案化结构与所述牺牲层之间的界面的粘附强度大大降低。
4.解决了柔性图案化电子器件制备过程中，对电极层和功能层图案化对准的难点，本发明通过调控激光参数，在激光剥离过程中可直接实现功能层从图案化结构的边缘处断裂，得到与图案化结构完全重叠的相同图案，从而无需再执行功能层的图案化工艺过程，有效避免了图案化结构与功能层需实现图案对准的问题。
附图说明
图1是本发明提供的柔性电子器件的激光加工方法的流程示意图；
图2是本发明提供的柔性电子器件的激光加工方法涉及的透明基底的结构示意图；
图3是在图2的透明基底上制备牺牲层后的结构示意图；
图4-1是在图3的牺牲层上制备图案化结构后的结构示意图；
图4-2是图4-1的结构沿A-A方向的剖视图；
图5是在图4-1的图案化结构上制备功能层后的结构示意图；
图6是在图5的功能层上制备衬底层后的结构示意图；
图7是激光对图6中的结构进行作用的示意图；
图8是图6中的结构经激光作用后的示意图；
图9是图8中的结构进行机械剥离时的示意图；
图10-1是采用图1所示的柔性电子器件的激光加工方法加工得到的柔性电子器件的示意图；
图10-2是图10-1中的柔性电子器件沿B-B方向的剖视图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：10-透明基底，20-牺牲层，30-图案化结构，40-功能层，50-衬底层，60-激光束，41-功能层图案结构。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的柔性电子器件的激光加工方法采用了激光。其中，激光剥离技术是广泛应用于柔性电子制造中的一种新工艺，可用于分离多层薄膜结构，其通过激光透过透明基板后照射到界面物质，界面材料吸收激光而发生烧蚀、融化、分解、蒸发、淬火等界面反应，导致界面的黏附强度下降，从而导致界面分离。
利用激光穿过透明基板而作用于多层结构的界面，通过调控牺牲层的厚度与激光照射参数(如照射能量和照射次数)，多层结构在受到不同能量的激光作用下，界面层剥离会产生不同的结果。激光剥离技术采用激光加工，具有加工速度快，易于控制加工位置，符合高效率、自动化、大批量生产的发展趋势。利用该技术，可以实现高效率、大面积、低成本的柔性图案化电子器件制备，且激光剥离工艺可有效减少电子器件的化学污染等问题，极大地简化了工艺过程。
请参阅图1，所述激光加工方法主要包括以下步骤：
S11，提供透明基底，并在所述透明基底的表面上沉积得到牺牲层。其中，牺牲层应保证具有预定的厚度，使得激光束60的能量密度过大时，所述牺牲层可以阻隔大部分的激光能量，从而防止器件受到损伤。本实施方式中，所述牺牲层的厚度为500nm。
具体地，请参阅图2及图3，首先，清洗透明基底10，该透明基底10需要对设定波长具有透过性，如针对308nm波长准分子激光，可以选用石英玻璃或者蓝宝石玻璃，其对308nm波长的紫外激光具备高透过性；所述透明基板10可为Al2O3、石英、蓝宝石基板或玻璃片.
接着，以沉积工艺在所述透明基底10上沉积得到牺牲层20。所述牺牲层20的材料为PZT，牺牲层20需保证一定厚度，以使在激光能量较高时可直接吸收大部分激光能量，减少激光的高能量对内部器件产生的烧蚀或热损伤，以起到保护器件层的作用。该牺牲层20的材料可由化学气相沉积法(CVD)、等离子体辅助化学沉积法(PECVD)、原子层沉积法(ALD)、物理气相沉积法(PVD)、旋转涂布法或其它工艺方法形成。牺牲层20的材料可为压电材料PZT、氧化锌(ZnO)或非晶硅(α-Si)。
S12，通过图案化工艺在所述牺牲层上制备得到所需图案化的图案化结构，并使得部分所述牺牲层暴露。
具体地，请参阅图4-1及图4-2，采用带物理掩膜的磁控溅射工艺在所述牺牲层20上溅射得到以金属层图案(如电极层)，即图案化结构30，所述图案化结构30为矩形岛状二维阵列结构，岛状的阵列结构可以与其他结构的互联变得简单易行，有利于多功能、一体化器件的制备。在磁控溅射工艺中，也可以通过更换不同掩膜版来沉积得到不同图案的图案化结构，以最终得到不同图案化或者不同功能应用的电子器件。
其中，所述牺牲层20的材料的热膨胀系数与所述图案化结构30的材料的热膨胀系数之差在10-5K-1以上，如此较大的热膨胀率系数之差使得两者在较高温度下所产生的热应力不匹配，从而推动发生界面分离。图案化结构的材料为Ni、Ag、Cu、Ti、Au或Pt的纯金属或其复合金属；图案化工艺可以为光刻、压印、微接触印刷或喷墨打印技术。
S13，在牺牲层暴露的区域及所述图案化结构上沉积得到功能层，以对牺牲层暴露的区域及所述图案化结构进行填充及覆盖。
具体地，请参阅图5，以沉积工艺在所述牺牲层20暴露的区域及所述图案化结构30上沉积一层功能层40，所述功能层40是实现电子器件功能的关键，其材料可以为PZT功能层材料，具有压电效应，在压力作用下可产生电信号的效应，或者在电场作用下，材料可发生机械形变，可作为在驱动器、传感器、微位移器等电子器件中的应用。所述功能层40的材料具体可以为氮化铝((A1N)、氧化锌(ZnO)、错钦酸铅(PZT)、抗掺杂氮化铝((AlScN)。
S14，在所述功能层上沉积衬底层，由此得到柔性带电子器件的半成品。
具体地，请参阅图6，在所述功能层40上沉积衬底层50，所述衬底层50起到连接器件支撑及保护器件的作用，同时可以保证器件整体转移过程的高效与简便。所述衬底层50的材料可以为聚酰亚胺(PI)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)材料。
S15，采用激光束对所述透明基底进行扫描，所述激光束穿过所述透明基底而作用于所述半成品的其他结构。其中，采用激光剥离工艺，在合适的激光参数及牺牲层厚度的条件下，使得激光束穿过所述透明基底后作用于其上方的其他层结构，由于图案化结构的材料与所述牺牲层的材料的热膨胀系数相差较大，导致对应的热变形相差也较大，继而导致所述图案化结构与所述牺牲层之间的界面的粘附强度大大降低。
具体地，请参阅图7及图8，采用激光剥离工艺，使得激光束60对透明基底10的底面进行线性扫描，由于所述透明基底10对激光束60具有高透光率，所述激光束60穿过所述透明基底10而作用于所述半成品的其他结构。通过控制所述牺牲层20的厚度及激光作用参数可以对激光剥离界面层进行调控。当激光能量密度较高时，激光的大部分能量将被牺牲层20吸收，牺牲层20的温度升高而发生一系列熔融、分解、烧蚀等反应，此时牺牲层20与透明基板10的界面黏附强度降低，将在此界面发生分离；当激光能量密度较低时，激光光子无法直接被牺牲层20吸收，故有机会穿透牺牲层20作用于图案化结构30，激光作用于图案化结构30可在图案化结构30的表面产生大量载流子，载流子增强了图案化结构30的表面对激光的吸收，于是在图案化结构30与牺牲层20的界面产生过热效应，温度升高；又由于图案化结构30与牺牲层20的热膨胀系数相差较大，故在同一较高温度下图案化结构30与牺牲层20的界面处，图案化结构30和牺牲层20产生的热应力将不匹配，从而推动发生界面分离。
通过调控合适的牺牲层厚度与激光剥离工艺中的激光参数，如能量密度、照射次数，可使激光在图案化结构30与牺牲层20的表面发生分离。本实施方式中，激光能量密度调控区间为50mJ/cm2～250mJ/cm2，照射次数区间为10～300次。
沉积的图案化结构30为矩形岛状二维阵列结构，此界面吸收来自透过上层介质传来的紫外激光，导致该界面处温度升高，由于图案化结构所用金属材料与牺牲层材料的热膨胀系数相差较大，在较大的热应力作用下，在图案化结构30与牺牲层20的接触表面发生界面分离，同时牵动了功能层除掉与所述图案化结构对应的区域之外的区域与衬底层的界面发生分离。
S16，对激光作用后的半成品进行机械分离以得到图案化的柔性电子器件。其中，所述柔性电子器件包括衬底层及形成在所述衬底层上的功能层图案结构，所述功能层图案结构包括所述图案化结构及所述功能层对应所述图案化结构的区域。
具体地，请参阅图9，在激光扫描完毕后，实现了图案化结构30与牺牲层20之间的界面分离，但此时图案化结构30与牺牲层20间的粘结强度虽然下降，界面粘附依然存在，使图案化器件未与牺牲层完全分离，故后续需通过机械分离等手段将上层图案化器件与下层牺牲层分离开以得到功能层图案结构41，进而得到图案化的柔性电子器件，如图10-1与图10-2所示。
本发明还提供了一种柔性电子器件，所述柔性电子器件是采用如上所述的柔性电子器件的激光加工方法制备而成的，所述柔性电子器件包括衬底层及形成在所述衬底层上的功能层图案结构，所述功能层图案结构包括所述图案化结构及所述功能层对应所述图案化结构的区域。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种柔性电子器件的激光加工方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)在透明基底上制备牺牲层，并通过图案化工艺在所述牺牲层上制备图案化结构；其中，所述牺牲层的材料的热膨胀系数与所述图案化结构的材料的热膨胀系数之差大于10- 5K-1；
(2)在牺牲层暴露的区域及所述图案化结构上沉积得到功能层，以对牺牲层暴露的区域及所述图案化结构进行填充及覆盖；
(3)在所述功能层上沉积衬底层以得到柔性带电子器件的半成品，并采用激光束对所述透明基底进行扫描，所述激光束穿过所述透明基底而作用于所述半成品的其他结构；
(4)对激光作用后的半成品进行机械分离以得到图案化的柔性电子器件。
2.如权利要求1所述的柔性电子器件的激光加工方法，其特征在于：所述柔性电子器件的功能层图案结构的形状与所述图案化结构的形状相同。
3.如权利要求1所述的柔性电子器件的激光加工方法，其特征在于：在所述激光束作用下，所述图案化结构与所述牺牲层之间的接触表面发生界面分离，同时牵动了功能层除掉与所述图案化结构对应的区域外的区域与衬底层的界面发生分离。
4.如权利要求1所述的柔性电子器件的激光加工方法，其特征在于：所述牺牲层的厚度为500nm～600nm。
5.如权利要求4所述的柔性电子器件的激光加工方法，其特征在于：激光的能量密度为50mJ/cm2～250mJ/cm2。
6.如权利要求1-5任一项所述的柔性电子器件的激光加工方法，其特征在于：所述透明基底为Al2O3、石英、蓝宝石基板或玻璃片。
7.如权利要求1-5任一项所述的柔性电子器件的激光加工方法，其特征在于：所述牺牲层的材料为电材料PZT、氧化锌或非晶硅。
8.如权利要求7所述的柔性电子器件的激光加工方法，其特征在于：所述图案化结构的材料为Ni、Ag、Cu、Ti、Au或Pt。
9.如权利要求8所述的柔性电子器件的激光加工方法，其特征在于：所述衬底层的材料为聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷或聚对苯二甲酸乙二醇酯材料。
10.一种柔性电子器件，其特征在于：所述柔性电子器件是采用权利要求1-9任一项所述的柔性电子器件的激光加工方法制备而成的，所述柔性电子器件包括衬底层及形成在所述衬底层上的所述功能层图案结构，所述功能层图案结构包括所述图案化结构及所述功能层对应所述图案化结构的区域。
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