為了解決氮化鎵（GaN）基發(fā)光二極管（LED）制造過程中藍寶石基底導熱、導電性能不佳的問題，Kelly等人提出了一種基于紫外波長脈沖激光的激光剝離技術（Laser Lift-Off, LLO）。該技術通過將激光作用于藍寶石基底與GaN功能層的界面，利用GaN受熱分解為金屬鎵和氮氣（N?）的現(xiàn)象。氮氣的釋放和激光產生的熱應力共同作用，使得GaN功能層能夠從藍寶石基底上剝離并轉移至終端基底。這一突破性技術有效解決了藍寶石基底導熱和導電性能不足的問題，從而誕生了激光剝離技術。

在柔性電子制造中，無論是早期的LED，還是近年來應用廣泛的有機發(fā)光二極管（OLED），制造過程中高溫工藝（如沉積、蒸鍍等）對終端柔性基底的損傷問題一直是關鍵挑戰(zhàn)。為了避免柔性基底在這些高溫工藝中損壞，通常需要在制造的初期使用玻璃、藍寶石或硅片等剛性材料作為臨時支撐基底，隨后通過剝離工藝將功能層轉移到柔性基底上。

與化學剝離、機械剝離以及離子束剝離等其他技術相比，激光剝離具有能量輸入效率高、對器件損傷小、設備通用性好、應用方式靈活等顯著優(yōu)勢。因此，激光剝離技術不僅更適合低損傷、高效的大規(guī)模工業(yè)化生產需求，而且在柔性電子器件制造領域逐漸成為研究熱點。

自2007年以來，德國的PlasticLogic公司便專注于柔性顯示屏的制造研究，并將激光剝離技術作為其核心技術之一，用于制造柔性薄膜晶體管（TFT）。2018年，LG公司展示了全球最大的柔性透明顯示屏，具備80mm的彎曲半徑和40%的透明度。該顯示屏的制造過程中，剛性玻璃基底向柔性聚酰亞胺（PI）基底的轉移，也采用了添加犧牲層的激光剝離工藝。此外，中國第一條全柔性AMOLED生產線于2017年10月正式投產，該項目標志著全球第六代柔性AMOLED量產化生產線的全面落成，進一步證明了激光剝離技術在柔性電子器件（如柔性顯示器、柔性電池、柔性傳感器等）制造領域的巨大應用潛力。

然而，激光剝離技術的快速發(fā)展也面臨諸多挑戰(zhàn)。盡管激光與材料相互作用的機理研究不斷深入，特別是近年來超快激光技術的進步，但隨著柔性電子器件的功能層厚度從幾十微米減小到微米甚至亞微米量級，這一技術的應用提出了更高的技術要求和研發(fā)難度。面對柔性電子器件的飛速發(fā)展以及全球市場的激烈競爭，進一步提升激光剝離技術的性能已成為緊迫的任務。

   激光剝離技術新方法

選擇性激光剝離技術

與目前廣泛應用于柔性顯示技術的有機發(fā)光二極管（OLED）相比，新一代顯示技術Micro-LED展現(xiàn)出諸多優(yōu)異性能。其優(yōu)勢體現(xiàn)在更廣的色域、更高的亮度、更低的能耗以及在各種環(huán)境下具備更好的穩(wěn)定性，這使得Micro-LED在未來的顯示技術中擁有巨大的發(fā)展?jié)摿?。Micro-LED的核心封裝對象是由高度集成的微型LED顆粒陣列構成，這些顆粒的最小尺寸可達到10-15μm。由于每個像素都能夠獨立尋址并驅動發(fā)光，因此實現(xiàn)顆粒單元的精準轉移、更換與修復成為可能。

傳統(tǒng)的激光剝離技術通常使用線形或矩形光斑，這種大面積剝離的方式在處理微米級的Micro-LED顆粒時面臨挑戰(zhàn)，難以滿足新一代顯示技術對定向剝離和精確轉移的要求。因此，屏幕制造中的這一新技術難題亟待激光剝離技術的革新。

2016年，Kim等人針對生長在藍寶石基底上的GaN層Micro-LED陣列開展了選擇性激光剝離（SLLO）的研究。GaN層厚度為5μm，研究人員通過不同尺寸的光斑進行剝離實驗，以探索在微小區(qū)域結構單元上實現(xiàn)Micro-LED陣列的精確更換和修復的可行性。在該實驗中，研究對象的像素結構尺寸為100μm×100μm，通過調整光斑大小，初步實現(xiàn)了對這些微小單元的高選擇性剝離。

與傳統(tǒng)激光剝離技術注重大面積剝離不同，選擇性激光剝離（SLLO）更加強調剝離的精準性。其主要特點是通過聚焦光束，將光斑尺寸控制在與待剝離器件相匹配的微米級范圍內。然而，隨著轉移對象器件尺寸不斷縮小，聚焦光斑尺寸也需要達到微米級別，這就導致輻照區(qū)域的能量密度急劇增加，要求激光輸出功率必須保持在較低水平。然而，激光器在低功率輸出條件下的穩(wěn)定性通常較差，激光參數(shù)的波動性也會增大，因此，嚴格控制激光的能量輸入并合理選擇犧牲層材料成為推動SLLO技術進一步發(fā)展的關鍵。

雖然選擇性激光剝離技術仍處于研發(fā)的初期階段，但其在微型器件及陣列的精準轉移上展現(xiàn)出的巨大潛力，為其在大規(guī)模集成電路和芯片制造領域的推廣應用提供了廣闊的前景。

選擇性激光剝離示意 圖源：公開網絡

激光誘導前向轉移技術

激光誘導前向轉移（Laser-Induced Forward Transfer, LIFT）技術于2002年首次問世，其原理是通過激光脈沖輻照透明基底表面的薄膜吸收層，促使吸收層熔融液化并形成液滴射流。射流的動能推動功能層從基底上分離并完成轉移。與傳統(tǒng)的激光剝離技術（LLO）不同，LLO技術通常避免使用高黏性材料以減少剝離過程中的損傷，而LIFT技術恰好利用了熔融膜層的流動特性，在高黏性材料轉移方面展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。此外，由于LIFT技術能夠對液滴的形成與轉移進行局部精確控制，它在小尺寸圖形和微結構的轉移中表現(xiàn)出極高的精準性，尤其適用于聚合物等材料的精細加工。

LIFT技術的研究重點在于對燒蝕液滴射流行為的精確調控。相較于傳統(tǒng)LLO技術，LIFT所需的激光能量強度大約只有LLO的1/20至1/5，且對材料的剝離損傷明顯較小。其低損傷的特性引發(fā)了科學界的關注，曾有人嘗試將LIFT技術應用于生物細胞的轉移研究領域，以驗證其對生物組織的潛在影響和應用前景。

2012年，美國北達科他州立大學（North Dakota State University）的納米科學與工程中心報道了另一種新的前向轉移工藝，稱為熱機械選擇性激光輔助模轉移（Thermomechanical Selective Laser-Assisted Die Transfer, tmSLADT）。該技術與LIFT技術有所不同，它通過在材料中添加一個具有彈性的動力釋放層（Dynamic Release Layer, DRL）。當脈沖激光輻照該層的淺表區(qū)域時，高壓氣體被瞬時產生，而后借助釋放層的彈性特質，通過氣泡膨脹和推送作用將功能層從基底上精確分離和轉移。與LIFT技術相比，tmSLADT技術在轉移過程中的器件損傷率更低，適合更精細的微型結構轉移應用。和選擇性超快激光脈沖前沿通過多光子電離與碰撞電離產生高密度等離子體，這些等離子體成為后續(xù)激光能量的吸收源，將激光能量集約在幾納米的空間尺度上，以高溫的集約式膨脹等離子體態(tài)在界面處產生高壓，推動薄膜脫落。如圖所示為皮秒、飛秒激光剝離薄膜的橫截面透射電鏡圖，通過測量 圖中不同區(qū)域的厚度，可以得出皮秒激光與飛秒激光對薄膜的改性區(qū)深度分別為100nm與80nm?？梢钥闯?，皮秒激光具有更高的剝離效率。但同時也應注意到，與飛秒激光作用區(qū)域相比，皮秒激光作用區(qū)域的硅空隙（圖中所示的Sivoid區(qū)）尺寸更大，數(shù)量更多，說明材料在皮秒激光剝離過程中的氣化膨脹程度更加劇烈，熱效應更明顯，需要在兼顧剝離效率的同時合理調控能量輸入。

tmSLADT技術原理示意圖 圖源：公開網絡

盡管tmSLADT技術展現(xiàn)出較高的潛力，但其氣泡推送效應受限于動力釋放層的彈性和局部氣泡膨脹行為，這在轉移定位的精準度、距離和效率上仍有待進一步優(yōu)化。然而，tmSLADT技術在微小器件轉移和可重復性方面比LIFT技術更具優(yōu)勢，未來在大規(guī)模生產和微電子領域有著廣闊的應用前景。

超快激光剝離技術

目前主流的激光剝離技術主要依賴于熱作用機制，但該機制面臨的最大挑戰(zhàn)是剝離過程中產生的熱損傷問題。這些損傷可能由激光束能量分布不均、掃描過程不穩(wěn)定、激光輻照釋放的熱應力，以及膜層內應力分布不均或殘余應力等因素導致。為了解決這些問題，研究人員提出采用脈寬小于10?11秒的超快激光來減少納秒激光源帶來的熱效應，因其具有“冷加工”特性。雖然超快激光與透明介質的相互作用會引發(fā)復雜的非線性現(xiàn)象，并且一度被認為不適用于激光剝離，但其在材料高精度加工中的獨特優(yōu)勢，促使研究者不斷探索其在剝離工藝中的應用潛力。

超快激光作用于薄膜示意圖 圖源：公開網絡

Rublack等進行了超快激光對材料非線性吸收影響的實驗，采用不同波長（266nm至10μm）和脈寬（50fs至2ps）的激光束輻照覆蓋在硅基底上的超薄二氧化硅（SiO?）薄膜（厚度為100nm）。實驗結果表明，超快激光引發(fā)的非熱蒸發(fā)不會對作用區(qū)域周圍的硅造成顯著熱損傷，且SiO?薄膜的損傷深度僅為幾納米。在400nm至1030nm的較寬波長范圍內，SiO?薄膜均能實現(xiàn)無損剝離。

2016年，Krause等進一步比較了532nm波長下皮秒和飛秒激光對摻鋁氧化鋅（AZO）導電氧化物薄膜與非晶硅界面燒蝕的影響。通過對不同脈沖輻照區(qū)域的薄膜剝離形貌進行分析，發(fā)現(xiàn)超快激光剝離的薄膜大小與激光光斑幾乎一致，表明超快激光在剝離過程中具有高度的局域約束性和選擇性。

超快激光脈沖前沿通過多光子電離和碰撞電離產生高密度等離子體，這些等離子體成為激光能量的主要吸收源，將能量集中于幾納米尺度的空間內，并通過高溫膨脹等離子體在界面處產生高壓，推動薄膜脫落。下圖展示了皮秒和飛秒激光剝離薄膜的橫截面透射電子顯微圖（TEM），通過測量不同區(qū)域的厚度，發(fā)現(xiàn)皮秒激光與飛秒激光剝離后的改性區(qū)深度分別為100nm和80nm。

不同激光剝離薄膜橫截面的 TEM 圖像。(a)皮秒激光;(b)飛秒激光 圖源：公開網絡

從實驗結果來看，皮秒激光在剝離效率上略勝一籌，但與此同時，其作用區(qū)域內的熱效應也更加明顯。相比飛秒激光，皮秒激光剝離過程中產生的硅空隙（Sivoid區(qū)）數(shù)量更多且尺寸更大，說明材料在皮秒激光作用下的氣化膨脹更為劇烈。因此，雖然皮秒激光具有較高的剝離效率，但在實際應用中仍需合理調控能量輸入，以在效率和材料損傷之間找到平衡點。