于無機(jī) III－V 半導(dǎo)體（例如 GaN）的 Micro－LED （μLED） 可用于制造電效率、亮度、像素密度、使用壽命和應(yīng)用范圍遠(yuǎn)超現(xiàn)有技術(shù)的顯示屏，前景可觀。然而，要實(shí)現(xiàn)從當(dāng)前 LED 器件（約 200 μm）到 μLED（約 20 μm）的過渡，必須有技術(shù)創(chuàng)新的支撐，尤其是實(shí)現(xiàn) μLED 顯示屏組裝方面的創(chuàng)新。本文將介紹如何通過準(zhǔn)分子激光器解決此加工過程中最為棘手的兩個(gè)難題。
圖1． 通過激光剝離技術(shù)去除藍(lán)寶石基板的流程示意圖 a） 器件晶體生長并附著到載體基板 b） 激光束穿透藍(lán)寶石基板 c） 去除藍(lán)寶石基板
圖2． UVblade （248 nm） 的 155 mm 激光束輪廓，含短軸 （SA） 和長軸 （LA）。
圖3． 配備 LEAP 準(zhǔn)分子激光器和光束光學(xué)元件的 UVblade LLO 系統(tǒng)。
圖4． μLED 組裝流程（使用 LLO 和 LIFT）示意圖。
激光剝離技術(shù) （LLO）
由于藍(lán)寶石晶片的晶格失配度和成本均相對較低，因此當(dāng)前大多數(shù) LED 制造工藝采用藍(lán)寶石晶片作為 MOCVD 晶體生長的基板。但由于藍(lán)寶石的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性較差，會(huì)限制可提取的光通量，因此藍(lán)寶石并非成品 GaN LED 的理想載體材料。其結(jié)果導(dǎo)致，在生產(chǎn)高亮度 GaN LED 的過程中，最后需要添加一步操作，將器件粘合到最終或臨時(shí)載體上，然后再將器件與“犧牲層”藍(lán)寶石基板分離。對于 μLED 而言，為了制造組成柔性顯示屏的小尺寸薄型器件，顯然必須去除藍(lán)寶石基板。
圖1． 通過激光剝離技術(shù)去除藍(lán)寶石基板的流程示意圖 a） 器件晶體生長并附著到載體基板 b） 激光束穿透藍(lán)寶石基板 c） 去除藍(lán)寶石基板
利用準(zhǔn)分子激光器進(jìn)行激光剝離是去除藍(lán)寶石基板的最常用方法。在加工過程中，高強(qiáng)度激光脈沖會(huì)穿透藍(lán)寶石基板（波長 248 nm 的準(zhǔn)分子激光束可以穿透），直接照射到 LED 晶片上。同時(shí)，GaN 層大量吸收紫外光，并有很薄的一層分解成鎵和氮?dú)?。所形成的氣壓?huì)把器件推離基板，在幾乎不對器件產(chǎn)生任何作用力的情況下實(shí)現(xiàn)器件與基板的分離。鎵可以用水或稀鹽酸洗掉，以保持器件表面的清潔。
除波長外，準(zhǔn)分子激光器的另外一個(gè)重要特性是脈沖短（約 10－20 ns），這有助于抑制熱擴(kuò)散并最大限度降低器件的熱負(fù)荷。此外，準(zhǔn)分子激光器輸出的激光可以形成沿兩個(gè)軸能量均勻分布的細(xì)長光束（平頂光束）。（圖 2）例如，相干公司 UVblade 系統(tǒng)提供的 155 mm x ～0．5 mm 光束的能量均勻度優(yōu)于 2％ 標(biāo)準(zhǔn)方差（sigma）。如此一來，所有加工區(qū)域?qū)⒔邮芟嗤易罴训哪芰客浚瑥亩苊庠诩庸み^程中遇到能量過沖或過大熱負(fù)荷的問題，這個(gè)問題在能量強(qiáng)度呈高斯分布的其他激光加工中經(jīng)常出現(xiàn)。
圖2． UVblade （248 nm） 的 155 mm 激光束輪廓，含短軸 （SA） 和長軸 （LA）。
請注意，兩個(gè)軸刻度的差異達(dá)到了兩個(gè)數(shù)量級。
準(zhǔn)分子 LLO 實(shí)質(zhì)上是一個(gè)單脈沖過程，因此對激光束均勻度和穩(wěn)定性的要求極高。激光器制造商相干公司已開發(fā)了能夠滿足這一需求的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品提供卓越的脈沖穩(wěn)定性（例如 ＜ 1％ rms），能夠大大提高加工過程中的工藝控制并幫助用戶增大工藝區(qū)間。
圖3． 配備 LEAP 準(zhǔn)分子激光器和光束光學(xué)元件的 UVblade LLO 系統(tǒng)。
作業(yè)過程中，準(zhǔn)分子激光器光束掃掠基板，通過照射整個(gè)加工區(qū)域?qū)崿F(xiàn)器件分離。如果要重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)能，線束會(huì)相應(yīng)調(diào)整，從而在單次掃描中完整覆蓋藍(lán)寶石晶片（2＂、4＂ 或 6＂）。這種方法需要中等強(qiáng)度激光（例如 50 到 100 W）。有效熱膨脹系數(shù)失配導(dǎo)致的薄膜內(nèi)應(yīng)力會(huì)均勻釋放，從而進(jìn)一步降低對器件的影響。因此，這種 248 nm 方法是實(shí)現(xiàn) LLO 最常用的方法。
另外一種 LLO 策略是使用尺寸較小的光束和光柵掃描整個(gè)晶片。如，相干公司有一種 UVblade 系統(tǒng)產(chǎn)生長 26 mm，寬 0．5 mm 的光束，僅需掃描兩次即可覆蓋 2＂ 晶片。這種典型系統(tǒng)僅需要功率 30 W，波長 248 nm 的激光。光柵掃描方法需要在掃描方向上實(shí)現(xiàn)單次照射的受控重疊，以及掃描之間的重疊。
激光誘導(dǎo)前向轉(zhuǎn)移 （LIFT）
組裝包含數(shù)百萬 μLED 芯片的高分辨率顯示屏面臨獨(dú)特的難題。在這個(gè)領(lǐng)域，248 nm 準(zhǔn)分子激光器同樣是將GaN從原始載體精準(zhǔn)剝離的理想選擇。生成的氮?dú)鈺?huì)膨脹并在 μLED 結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生機(jī)械力，從而把芯片從原始載體推向接收基板。通過結(jié)合使用大截面光束、掩膜板和投影光學(xué)元件，只需一次激光照射即可并行傳送多達(dá) 1000 個(gè)芯片。
該工藝還有另外一種方式，使用聚合物粘合劑把 μLED 預(yù)先組裝在臨時(shí)載體晶片或膠帶上。這些粘合劑極易吸收紫外線。在準(zhǔn)分子激光的照射下，粘合劑會(huì)發(fā)生光化學(xué)分解反應(yīng)，從而與 μLED 芯片分離并產(chǎn)生把芯片推向接收基板的作用力。照射聚合物膠帶或粘合劑所需的能量強(qiáng)度可能只有 LLO 所需能量的二十分之一到五分之一。這意味著只需中等強(qiáng)度的激光，就可以達(dá)到非常高的處理速度。
圖4． μLED 組裝流程（使用 LLO 和 LIFT）示意圖。
總之，在顯示屏加工準(zhǔn)分子激光退火 （ELA） 和高亮度 LED 激光剝離 （LLO） 領(lǐng)域有著良好表現(xiàn)的準(zhǔn)分子激光器，在新興的 μLED 領(lǐng)域也展現(xiàn)出了巨大潛力。準(zhǔn)分子激光器擁有紫外線波長短、脈沖短、高能量、高功率等特性，這讓它與 LED 制造領(lǐng)域常用的 III－V 材料極為契合。尤其是 248 nm 準(zhǔn)分子激光器，能夠打破該應(yīng)用領(lǐng)域目前使用的 266 nm 或 213 nm 固態(tài)激光器在性能方面的限制。這能夠推動(dòng)實(shí)現(xiàn)高生產(chǎn)率、高性價(jià)比的工藝策略。
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