MicroLED的潛力與挑戰(zhàn)

MicroLED（μLED）是一類新興器件，具有打造未來顯示屏的巨大潛力，十分值得期待。這些器件通常基于氮化鎵（GaN），目前的尺寸在 20~50µm 范圍內(nèi)，并有望縮小到 10µm 或更小。在藍寶石晶元生長基板上使用現(xiàn)有的GaN制造技術(shù)，能夠產(chǎn)出幾個微米間距的高密度μLED。

微米尺寸、高亮度和高制造密度的結(jié)合，使μLED極大地拓展顯示屏市場，使其不局限于目前使用的 OLED 和 LCD 技術(shù)。例如，μLED 可為 AR/VR 應用創(chuàng)建微型（例如，<1"）高清顯示屏。與此同時，它們也可用于室內(nèi)和室外的超大尺寸顯示屏。

使用 μLED能夠以高性價比生產(chǎn)大型顯示屏，因為隨著芯片尺寸的縮小，給定尺寸晶元上生長的芯片數(shù)量將大大增加。因此，對于像素間距比芯片尺寸大得多的大型顯示屏，影響顯示屏成本的主要因素將變?yōu)橄袼乜倲?shù)。相反，對OLED 和其他技術(shù)而言，影響顯示屏成本的主要因素是顯示屏面積。

但是，在廣泛部署 μLED 之前，有幾項技術(shù)挑戰(zhàn)需要克服。一是從外延片分離晶粒，二是以微米級的精度和可靠性將晶粒傳送到基板。并且，這些工藝必須與維修/更換方案兼容，以解決不可避免的瑕疵晶粒問題。同時，它們必須與自動化兼容并確保高產(chǎn)出，因為 LED 行業(yè)的目標是將當前的總體成本降低 20 倍。μLED順應了微型化趨勢，不需要為減小尺寸而耗費大量成本改進工具。

激光工藝背景

具有納秒脈沖持續(xù)時間的高能紫外光激光，用于激光加工有多項獨特優(yōu)勢，可以應對μLED加工過程中的挑戰(zhàn)。短波長紫外光可以直接燒蝕界面和表面的材料薄層，而不會深入到材料中。結(jié)合較窄的脈沖寬度，這種冷光燒蝕工藝可以避免引起熱沖擊和對底層材料的損壞。高脈沖能量具有獨特的多用途工藝優(yōu)勢，由于光束可用于投射光掩膜，因此每個脈沖可以處理數(shù)百甚至數(shù)千個晶粒。因此，顯示屏行業(yè)廣泛使用這些類型的激光器作為批量生產(chǎn)工具，來生產(chǎn)用于 OLED 和高性能 LCD 顯示屏的 TFT 硅背板——毫無疑問，下一代 μLED顯示屏也會繼續(xù)采用這一技術(shù)。

目前，激光工藝為 μLED 顯示屏生產(chǎn)帶來的優(yōu)勢包括：

激光剝離技術(shù)（LLO）將成品 μLED 晶粒從藍寶石外延片剝離；

巨量轉(zhuǎn)移（LIFT）將μLED晶粒從載板/基板轉(zhuǎn)移到最終顯示基板；

μLED 的激光修復功能可以解決良率問題并降低缺陷率；

準分子激光退火（ELA）用于制造 LTPS-TFT 背板；

按不同的聚合程度進行激光切割。

以下是其中一些領(lǐng)域的最 新重要發(fā)展。

LLO新動態(tài)

激光剝離技術(shù)（LLO）可以將成品 μLED 晶粒從藍寶石外延片剝離，前面的μLED 激光工藝中已經(jīng)介紹過這一點。因此，在這里，我們只簡要回顧一下LLO 對藍色和綠色芯片的主要優(yōu)勢，包括新的自動對準功能，該功能現(xiàn)已成為開發(fā)工具的一部分。

通常將藍寶石作為非常好的生長基板來批量制造 GaN μLED。但是，隨后必須將薄LED 與藍寶石分開，以便為垂直結(jié)構(gòu) LED 創(chuàng)建第二個接觸點。此外，對于下游加工過程而言，藍寶石體積過于龐大，其厚度是 μLED 芯片的50~100倍。這就需要從藍寶石基板上移走高密度 μLED，并將其轉(zhuǎn)移到臨時載體上。

用于從藍寶石晶外延片上剝離GaN 膜的LLO工藝示意圖。

針對μLED的LLO，相干公司開發(fā)了UVtransfer工藝。LLO工藝的工作方式是從后表面（通過透明藍寶石）照射芯片。這會燒蝕GaN 的微小層，產(chǎn)生少量膨脹的氮氣，從而釋放芯片。UVtransfer工藝的波長（248nm）還能加工基于其他材料（包括AlN）的μLED。

在UVtransfer工藝中，將紫外光激光束通過光掩膜投射到藍寶石晶元之前，會將其形狀改變?yōu)榫哂?ldquo;平頂”的矩形光束。這種均勻的強度可以確保在加工區(qū)域內(nèi)的每個點上施加相同的力。光學器件經(jīng)過配置，使得每個高能脈沖都會剝離大面積芯片。UVtransfer工藝在LLO 中應用高能量、紫外光準分子激光脈沖，因此具備這種獨特的多用途優(yōu)勢，此優(yōu)勢對于降低批量生產(chǎn)成本將發(fā)揮重大作用。相干公司的另一個類似系統(tǒng) UVblade 現(xiàn)在已廣泛用于柔性O(shè)LED的LLO中。

在UVtransfer工藝中，“芯片上加工”功能，可以確保激光場的邊緣始終與走道的中間重合。

基于準分子的LLO系統(tǒng)已經(jīng)在多個μLED試驗線中運行。最初，晶元相對于投射（掩蓋）光束的運動僅由平移臺上的編碼器控制。“精準對位，一次掃描”是最近的一項技術(shù)進步，也是UVtransfer工藝的核心，可以進一步提高對準精度，從而實現(xiàn)更小的芯片和更窄的走道。

“精準對位，一次掃描”還消除了激光線邊緣上的芯片被部分照亮的可能性。在這種情況下，仍然通過平移臺上的編碼器監(jiān)視粗略對準。但是，精細對準是使用閉環(huán)的智能視覺系統(tǒng)實現(xiàn)的，該系統(tǒng)使用芯片的棋盤圖案使晶元相對于光束對準。這樣可以確保激光場的邊緣始終與走道的中間重合，并且永遠不會橫穿芯片。

巨量轉(zhuǎn)移LIFT

UVtransfer工藝利用激光誘導轉(zhuǎn)移（LIFT）的原理，也非常適合巨量轉(zhuǎn)移和放置所選芯片。這里的主要挑戰(zhàn)是間距差異巨大。晶粒在晶元和轉(zhuǎn)移載體上排列十分緊密，目前的間距約為1000dpi。但根據(jù)尺寸和分辨率的不同，顯示屏上的間距可能只有 50~100dpi。另外，芯片必須混合放置，每個像素位置都要放置紅色、藍色和綠色芯片各一片。

UVtransfer對掩膜使用步進掃描工藝，以在顯示屏上創(chuàng)建正確的間距。

現(xiàn)有的非激光轉(zhuǎn)移方法在所需的分辨率下無法達到必要的產(chǎn)量。例如，機械取放方法的速度和放置精度都很有限，因此無法跟上當前的技術(shù)趨勢。另一方面，倒裝貼片機雖然能夠進行高精度貼片（如精度達±1.5pm），但一次只能處理一個芯片。相比之下，UVtransfer既可以提供高精度（±1.5pm），又可以達到高產(chǎn)量，一次激光照射可轉(zhuǎn)移數(shù)千個芯片。

圖 4中顯示了該方法的操作過程。LLO 通過動態(tài)釋放層將晶粒貼附在臨時載體上。這是一種可大量吸收紫外光的溫和粘合劑。臨時載體和晶粒與最終載體接近放置，最終載體通常是已經(jīng)用TFT背板制圖、并覆蓋有粘合層或焊盤的玻璃或柔性面板。紫外光從載體的背面照射進來。幾乎所有激光能量都被動態(tài)釋放層吸收，動態(tài)釋放層因而被蒸發(fā)。由于蒸氣膨脹壓力而產(chǎn)生的沖擊力會將晶粒從載體推到最終基板上，理想情況下晶粒上不會有任何殘留物。

LLO工藝同時處理整個區(qū)域內(nèi)的所有相鄰晶粒，而轉(zhuǎn)移工藝則與此不同，它會將晶粒的間距從原始晶片的緊密間距，更改為最終顯示屏的像素間距。這就要使用光掩膜，例如采用每隔5個晶�；蛎扛�10個晶粒才照射一次的模式。然后，當顯示屏的下一個區(qū)域平移到位等待晶粒填充時，就會對掩膜進行分度，使其相對于臨時載體移動一個單位的晶粒間距，以便轉(zhuǎn)移新的一列晶粒。

高度均勻的“平頂”光束波形對于精確放置至關(guān)重要，但對處理規(guī)模卻沒有多大作用。

LLO和轉(zhuǎn)移之間的另一個區(qū)別是：后者涉及到粘合劑的燒蝕，所需激光通量比III-V族半導體低 5~20倍。這種高效率意味著較小的激光功率即可實現(xiàn)高產(chǎn)量。

UVtransfer工藝還有其他幾個特性也對其運作十分關(guān)鍵。例如，即使貼附在載體上的晶粒與TFT基板之間的間隙接近于零，也必須管理和控制沖力，以成功轉(zhuǎn)移每個晶粒，同時確保放置準確且無損壞。具體而言，必須在整個顯示屏上優(yōu)化力的大小和方向，并保持一致，以便確保傳輸工藝質(zhì)量。

要在加工區(qū)域高度均勻且一致地轉(zhuǎn)移晶粒，就需要高度均勻的激光照射，而這正是相干公司的核心競爭力。這將形成高度均勻的2D場，然后通過光學方式將其重塑為正方形或長寬比較大的矩形，以符合應用需要。例如，對于 6" 晶粒的轉(zhuǎn)移，晶粒上的可用區(qū)域大約為100mm×100mm。如圖4所示，在局部（單個晶粒）區(qū)域強度均勻，就可以在整個區(qū)域中均勻地推出晶粒。因此，力始終是垂直的，不會因光束波形呈高斯分布或傾斜狀而引起橫向偏移。在更大的（晶元寬度）范圍內(nèi)具有均勻的光束強度同樣重要，因為這樣可以確保以相同大小的力推動每個晶粒。

重要的是，UVtransfer工藝可以輕松支持比目前試生產(chǎn)更小的晶粒（<5μm）和更狹窄的間距。實際上，由于紫外光波長較短，將來可以實現(xiàn)微米級分辨率。較小的晶粒所需的只是一個不同的投影掩膜。

μLED顯示屏要想在市場上獲得成功，既需要大幅降低生產(chǎn)成本，又要不遺余力地朝著100%良率努力。若非如此，生產(chǎn)出數(shù)億像素的顯示屏將無法實現(xiàn)。但問題晶粒是不可避免的，因此制造商只能采用與維修/更換方案兼容的生產(chǎn)技術(shù)平臺。相干公司適用于LLO和轉(zhuǎn)移的UVtransfer與目前研究中的修復概念兼容。

該工藝的第1步是在晶元上找到并去除缺陷晶粒。但是，這樣會在臨時載體上留下空缺（原本由缺陷晶粒所占據(jù)）。因此，必須在最終基板上重新填充這些空缺。

將該工藝僅應用于選定區(qū)域，或僅應用于單個晶粒，就可以在LLO之前從晶元上去除缺陷晶粒。然后，每個晶元上去除的晶粒會形成一張地圖，并進一步形成基板上缺失晶粒的地圖�？梢栽诰蘖哭D(zhuǎn)移后通過類似的前向UVtransfer工藝分別插入缺失的晶粒，只不過此時要使用指定的單束紫外光。激光功率取決于激光燒蝕的是 III-V族材料，還是可蒸發(fā)粘合劑。

總結(jié)

MicroLED是一項激動人心的開發(fā)技術(shù)，可以拓展微型和大型顯示屏的性能和應用范圍。毫無疑問，在實現(xiàn)量產(chǎn)之前，有許多障礙需要克服。但是，使用紫外光激光束的兩種多用途工藝已經(jīng)在試驗線證明了其強大的功能。更重要的是，UVtransfer是完全可擴展的，可以對應越來越小的Micro LED芯片的趨勢，而無需進行成本高昂的再投資或工藝更換�？蛻艄に囈坏╅_發(fā)完畢，由于高能量紫外光激光器的可擴展性，這種經(jīng)過實際考驗的解決方案就能輕松地轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)線，并符合當今和未來的精度要求。