导读

将微型芯片大规模集成到异质基底，是微型发光二极管（MicroLED）显示、先进芯粒封装、柔性高密度传感阵列、可调电磁超表面等新型微纳器件制造的核心环节。激光在能量、时间和空间具有高度可控性，通过激光与印章界面材料相互作用推动芯片向基板转移，被视为最具潜力的解决方案。然而，目前的激光转印技术在高速扫描过程中对光斑与芯片的对准精度要求极为苛刻，微小的偏差都会导致芯片“脱靶”。

为此，华中科技大学黄永安教授团队研发了一种自对准激光转印技术（SALT）。团队巧妙地在印章中引入了“热导率梯度石墨烯”，利用材料的梯度导热特性实现了光热的“自动匀化”，实现非均匀光场输入转换为均匀热场输出。即使在激光打偏的情况下，碳层的智能纠偏作用也能保证芯片精准、垂直地释放。研究发现，该技术在展现了对激光照射偏差的极高的容错能力(在偏移芯片尺寸30%时保持转移精度<5 µm)以及良好的尺寸兼容性(可转移尺寸100 µm~1 mm)，为MicroLED显示、柔性传感等大规模制造提供了全新的解决方案。

相关研究成果以“Gradient-graphene-enabled Directional Photothermal Regulation for Self-aligned Laser Transfer Printing”为题发表于Light: Science & Applications，华中科技大学黄永安教授和南京理工大学卞敬副教授为共同通讯作者，机械学院博士生盖梦欣为第一作者。

随着微电子器件向超薄化、高密度集成发展，新一代MicroLED显示技术由千万级数量的微米级芯片组成。为了满足规模化制造，行业亟需一种兼具高效率（~100万/h）、高精度（~5 µm）和高良率（~99.99%）的巨量转移技术。利用微小光斑结合多光束高速扫描的激光辅助转移技术，因其超高的效率被寄予厚望。

虽然激光转印在效率上极具优势，但目前的激光巨量转移技术对照射偏差非常敏感。具体而言，在激光高速扫描时，由于光斑畸变、视觉对准误差等因素，难以避免地出现照射偏差(非均匀/非对准照射)。这将导致印章-芯片界面温度分布不均匀，芯片受到的释放力不平衡，从而会偏移、翻转现象，最终偏离预定位置。这种对激光对准精度的极度依赖，极大地限制了激光转印在工业级大规模制造中的良率和效率。因此，开发一种能够内在补偿激光照射偏差、具有高冗余度的激光转印技术具有重要意义。

梯度石墨烯碳层辅助的自对准激光转印机理

光场畸变/对准误差等因素导致的非均匀辐照，是光热驱动芯片转移误差的主要原因。本研究通过激光诱导聚合物限域改性制备梯度石墨烯光热转换层（上层高导热石墨烯，下层低导热无定形碳）。利用碳同素异构体热导率上的跨量级差异，构建了定向热传导路径，将非均匀光场输入转化为均匀温度场输出。当激光照射时，上层高导热石墨烯从无定形碳中将大部分热量（80%）吸收并快速横向扩散，通过“疏堵结合”的机制实现热量“自动找平”（图1a）。

图1：自对准激光转印技术原理

该转印过程主要分为两步：光热自匀化和芯片热致剥离。如图1b所示，印章由准分子激光制备的梯度碳层与微空腔阵列的粘附层组成，通过温度调节空腔内部负压实现芯片拾取。即便红外激光照射发生偏移，梯度碳层的光热自匀化效应也能保证芯片的定向精准释放。系统的实验证明，SALT技术可以实现高粘附切换比（~650），对激光照射的高容错率（精度相对传统光热转移方法提升6倍）和良好的尺寸兼容性（100 µm~1 mm）。

梯度碳层印章制备与优化

高质量的印章制备是实现自对准效果的关键。如图2所示，转印图章由透明石英基板、光热转换石墨烯碳层和微空腔粘附层组成。准分子激光透过石英基板照射聚酰亚胺（PI）薄膜，独特的封闭环境保证了碳化过程的自限性，为梯度结构的形成提供了条件。在较大的激光辐射通量下，上层PI由紫外激光诱导产生无定形碳，并在持续照射的高温下转化为石墨烯；而下层PI则只能通过上层碳化产物的热传导生成无定形碳。拉曼光谱表征证实了碳层自上而下由石墨烯过渡到无定形碳、缺陷逐渐增多的梯度结构。此外，通过优化设计温控粘附层的结构，并在转移精度、粘附强度及推力测试的验证下，获得了性能最佳的微空腔粘附层。

图2：梯度碳层印章制备与表征

定向热调控实现自对准机理

为了深入解析梯度碳层通过定向热调控实现光热自匀化的机理，图3展示了不同吸光层在转移过程中的模拟与实验对比。相比于无碳层（纯芯片吸光）和纯石墨烯层，梯度结构能显著减缓由激光偏移照射引起的温度不均匀性。在该结构中，无定形碳作为“热源”，石英基板作为“散热片”，而石墨烯层则充当了高效的“热界面材料”，三者协同作用确保了PI底层的温度均匀分布。此外，激光偏移的高速观测实验进一步验证了这一热匀化效应（图3c）。结合模拟与转移精度统计实验，研究建立了激光偏移程度、碳层吸光度与转移误差之间的定量关系：即使红外激光偏移量达到芯片尺寸的30%，也能保证芯片转移精度优于5 µm。

图3：梯度碳层定向热调控机理

灰度控制的梯度碳层实现选择性转移

在MicroLED芯片的大规模集成中，转印工艺的选择性至关重要，它决定了能否制备出按需布局的显示阵列。如图4所示，通过控制准分子激光的碳化过程的参数，可以制造出具有不同激光吸收率（即不同“灰度”）的梯度碳层阵列。由于不同灰度的碳层对红外激光的光热转换效率不同，芯片热致剥离的温度阈值便与灰度直接相关。在特定强度的红外激光全域扫描下，只有位于达到吸光度阈值的碳层下的芯片才能被转移，从而实现选择性释放。利用这种灰度调控印章，研究实现了6种不同模式的芯片选择性转移（图4e）。此外，异形芯片的集成结果展现了该工艺在批量选择性和异质集成领域的独特优势和应用前景（图4f，g）。

图4：灰度控制的梯度碳层实现批量选择性转移

微芯片与MicroLED显示集成

为了验证SALT技术具有可编程、大面积微芯片的选择性集成功能，本研究通过自主搭建的巨量转移装备（iGreatTransfer），将钛金属膜、不锈钢微球、硅片、玻璃片等多种微芯转印到不同无粘性基底上，展现了该技术对基底和芯片材料的普适性。此外，MicroLED三色芯片的集成显示器件的成功制备及可控编程显示，充分证明了自对准激光转移工艺在柔性显示领域的重大潜力。

图5：微芯片和MicroLED芯片的显示集成应用

总结与展望

华中科技大学黄永安教授团队提出的自对准转印技术，巧妙利用碳层的梯度导热属性，从物理层面解决了激光转印中长期存在的对准难题。该技术不仅实现了高精度的自对准转印，还通过灰度控制实现了高效的批量选择性芯片组装集成。这为MicroLED巨量转移、柔性电子制造等领域提供了一种低成本、高可靠性的解决方案。未来，随着对超小尺寸芯片（<50 µm）转印能力的进一步优化，SALT技术有望在下一代高性能光电子器件的规模化制造中发挥关键作用。（来源：中国光学微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02170-9