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激光轉(zhuǎn)印技術(shù)研究取得新成果

來源:華中科技大學 卞敬2023-11-03 我要評論(0 )   

10月27日,國際權(quán)威期刊《Science Advances》上在線發(fā)表了題為“Laser-driven hierarchical gas-needles for programmable and high-precision proximity transfer prin...

10月27日,國際權(quán)威期刊《Science Advances》上在線發(fā)表了題為“Laser-driven hierarchical "gas-needles" for programmable and high-precision proximity transfer printing of microchips(激光驅(qū)動多級氣體頂針用于可編程、高精度的接近式微型芯片轉(zhuǎn)印)”的最新研究成果。華中科技大學智能制造裝備與技術(shù)全國重點實驗室為論文第一完成單位,華中科技大學博士生陳福榮為本文的第一作者,黃永安教授和團隊合作教師南京郵電大學卞敬博士為本文共同通訊作者。華中科技大學博士生蓋夢欣、余海洋,許章宇,碩士生孫寧寧、劉磊等參與了此項研究。

轉(zhuǎn)印印刷技術(shù)(即微轉(zhuǎn)印,Micro-transfer printing)是微電子/柔性電子實現(xiàn)異質(zhì)集成的關鍵技術(shù),如何高效率、高精度地將微尺度異質(zhì)元器件批量地、精確地組裝到任意接收基底極具挑戰(zhàn)。例如新一代MicroLED顯示技術(shù),其由上千萬個微尺度MicroLED 自發(fā)光芯片組成,亟需發(fā)展一種兼具高轉(zhuǎn)移效率(~100萬/h)、高轉(zhuǎn)移精度(~5 μm)和高良率(~99.99%)的巨量轉(zhuǎn)移技術(shù),以滿足其規(guī)?;圃煨枨?。激光輔助轉(zhuǎn)移技術(shù)利用微小尺寸光斑,結(jié)合多光束高速掃描,可實現(xiàn)超高的芯片轉(zhuǎn)移效率,被認為是最具潛力的巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)。傳統(tǒng)激光轉(zhuǎn)印技術(shù)分為接觸式(芯片與接收基底接觸)與非接觸式(轉(zhuǎn)移前與接收基底存在間距)兩種。由于轉(zhuǎn)移原理限制,目前的接觸式/非接觸式轉(zhuǎn)印技術(shù)無法同時實現(xiàn)高選擇性(可編程性)和高轉(zhuǎn)移精度,特別在非粘性接收基板上。因此,如何將高精度轉(zhuǎn)移與單芯片獨立控制相結(jié)合,是激光轉(zhuǎn)移技術(shù)走向應用的關鍵瓶頸之一。

該工作首次提出了一種新型的芯片轉(zhuǎn)移模式——投影接近式轉(zhuǎn)移(LaserPPT)。該模式利用了一種獨特的彈出式多級“氣體頂針”結(jié)構(gòu),一級頂針先彈出將微尺度芯片推頂至接收基板,隨后表面的二級小尺寸頂針彈出實現(xiàn)芯片釋放。這種方式同時實現(xiàn)了芯片-接收基板間距控制和界面黏附調(diào)控,通過“先接近-再釋放”方式組裝微型芯片,將芯片和接收基底接觸模式由原先的從無接觸變?yōu)榻佑|模式,避免芯片“亂飛”等現(xiàn)象,可高效率、高精度地將各種微尺度異質(zhì)元器件批量地、精確地組裝到任意接收基底。

具體而言,該技術(shù)先利用紫外激光在界面生成帶有碳黑光熱轉(zhuǎn)換層的微空腔,作為一級“氣體頂針”。隨后利用碳黑光熱轉(zhuǎn)換成吸收紅外激光,通過熱量傳遞,促使圖章表面的熱發(fā)泡微球發(fā)泡,以此形成了彈出式的第二級“氣體頂針”結(jié)構(gòu)。通過雙激光來依次誘導多級“氣體頂針”依次膨脹,從而同時實現(xiàn)了界面黏附調(diào)控和芯片-接收基板的間距控制。系統(tǒng)的實驗表明,LaserPPT可以實現(xiàn)~1000倍的界面粘附調(diào)控范圍,~ 4 μm 的超高轉(zhuǎn)移精度和超小的芯片尺寸兼容性(< 100 μm)。

為了驗證LaserPPT 技術(shù)具有實現(xiàn)可編程、大面積微尺度芯片的選擇性集成的功能。研究團隊通過自主研制的巨量轉(zhuǎn)移實驗平臺(iGreatTransfer),將微尺度的“芯片”批量地集成在無粘附性接收基板上,最終形成“五宮格”、“蜂窩形”、“樹狀形”等轉(zhuǎn)移圖案。該工作進一步將MicroLED芯片集成到柔性電路板,驗證了了激光投影接近式技術(shù)可以成功集成MicroLED柔性顯示器件能力。

該工作不僅提出了“先接近-再釋放”的激光接近式轉(zhuǎn)移新模式,而且首次實現(xiàn)了高精度并行化轉(zhuǎn)移與單芯片可獨立編程控制的轉(zhuǎn)移效果,為激光轉(zhuǎn)印工藝走向?qū)嶋H應用指明了方向。

上述研究工作獲得了國家自然科學基金項目的資助。

論文鏈接:

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk0244


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激光轉(zhuǎn)印技術(shù)激光技術(shù)
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