Micro LED的潛力與挑戰(zhàn)
Micro LED是一類(lèi)新興器件,具有打造未來(lái)顯示屏的巨大潛力,十分值得期待。這些器件通?;诘?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(lán)寶石晶元生長(zhǎng)基板上使用現(xiàn)有的GaN制造技術(shù),能夠產(chǎn)出幾個(gè)微米間距的高密度Micro LED。
微米尺寸、高亮度和高制造密度的結(jié)合,使Micro LED極大地拓展顯示屏市場(chǎng),使其不局限于目前使用的 OLED 和 LCD 技術(shù)。例如,Micro LED 可為 AR/VR 應(yīng)用創(chuàng)建微型(例如,<1")高清顯示屏。與此同時(shí),它們也可用于室內(nèi)和室外的超大尺寸顯示屏。
使用 Micro LED能夠以高性?xún)r(jià)比生產(chǎn)大型顯示屏,因?yàn)殡S著芯片尺寸的縮小,給定尺寸晶元上生長(zhǎng)的芯片數(shù)量將大大增加。因此,對(duì)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(duì)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 Micro LED 之前,有幾項(xiàng)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(jí)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(wèn)題。同時(shí),它們必須與自動(dòng)化兼容并確保高產(chǎn)出,因?yàn)?LED 行業(yè)的目標(biāo)是將當(dāng)前的總體成本降低 20 倍。Micro LED順應(yīng)了微型化趨勢(shì),不需要為減小尺寸而耗費(fèi)大量成本改進(jìn)工具。
激光工藝背景
具有納秒脈沖持續(xù)時(shí)間的高能紫外光激光,用于激光加工有多項(xiàng)獨(dú)特優(yōu)勢(shì),可以應(yīng)對(duì) Micro LED加工過(guò)程中的挑戰(zhàn)。短波長(zhǎng)紫外光可以直接燒蝕界面和表面的材料薄層,而不會(huì)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(duì)底層材料的損壞。高脈沖能量具有獨(dú)特的多用途工藝優(yōu)勢(shì),由于光束可用于投射光掩膜,因此每個(gè)脈沖可以處理數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)晶粒。因此,顯示屏行業(yè)廣泛使用這些類(lèi)型的激光器作為批量生產(chǎn)工具,來(lái)生產(chǎn)用于 OLED 和高性能 LCD 顯示屏的 TFT 硅背板——毫無(wú)疑問(wèn),下一代 MicroLED顯示屏也會(huì)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(lái)的優(yōu)勢(shì)包括:
激光剝離技術(shù)(LLO)將成品 Micro LED 晶粒從藍(lán)寶石外延片剝離;
巨量轉(zhuǎn)移(LIFT)將Micro LED晶粒從載板/基板轉(zhuǎn)移到最終顯示基板;
Micro LED 的激光修復(fù)功能可以解決良率問(wèn)題并降低缺陷率;
準(zhǔn)分子激光退火(ELA)用于制造 LTPS-TFT 背板;
按不同的聚合程度進(jìn)行激光切割。
以下是其中一些領(lǐng)域的最新重要發(fā)展。
LLO最新動(dòng)態(tài)
激光剝離技術(shù)(LLO)可以將成品 Micro LED 晶粒從藍(lán)寶石外延片剝離,前面的Micro LED 激光工藝中已經(jīng)介紹過(guò)這一點(diǎn)。因此,在這里,我們只簡(jiǎn)要回顧一下LLO 對(duì)藍(lán)色和綠色芯片的主要優(yōu)勢(shì),包括最新的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)功能,該功能現(xiàn)已成為開(kāi)發(fā)工具的一部分。
通常將藍(lán)寶石作為最佳生長(zhǎng)基板來(lái)批量制造 GaN Micro LED。但是,隨后必須將薄LED 與藍(lán)寶石分開(kāi),以便為垂直結(jié)構(gòu) LED 創(chuàng)建第二個(gè)接觸點(diǎn)。此外,對(duì)于下游加工過(guò)程而言,藍(lán)寶石體積過(guò)于龐大,其厚度是 Micro LED 芯片的50~100倍。這就需要從藍(lán)寶石基板上移走高密度 Micro LED,并將其轉(zhuǎn)移到臨時(shí)載體上。
針對(duì) Micro LED 的 LLO,相干公司開(kāi)發(fā)了UVtransfer工藝。LLO工藝的工作方式是從后表面(通過(guò)透明藍(lán)寶石)照射芯片。這會(huì)燒蝕GaN 的微小層,產(chǎn)生少量膨脹的氮?dú)?,從而釋放芯片。UVtransfer工藝的波長(zhǎng)(248nm)還能加工基于其他材料(包括AlN)的Micro LED 。
在UVtransfer工藝中,將紫外光激光束通過(guò)光掩膜投射到藍(lán)寶石晶元之前,會(huì)將其形狀改變?yōu)榫哂小捌巾敗钡木匦喂馐?。這種均勻的強(qiáng)度可以確保在加工區(qū)域內(nèi)的每個(gè)點(diǎn)上施加相同的力。光學(xué)器件經(jīng)過(guò)配置,使得每個(gè)高能脈沖都會(huì)剝離大面積芯片。UVtransfer工藝在LLO 中應(yīng)用高能量、紫外光準(zhǔn)分子激光脈沖,因此具備這種獨(dú)特的多用途優(yōu)勢(shì),此優(yōu)勢(shì)對(duì)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(gè)類(lèi)似系統(tǒng) UVblade 現(xiàn)在已廣泛用于柔性 OLED 的 LLO 中。
在 UVtransfer工藝中,“芯片上加工”功能,可以確保激光場(chǎng)的邊緣始終與走道的中間重合。
基于準(zhǔn)分子的LLO系統(tǒng)已經(jīng)在多個(gè) Micro LED 試驗(yàn)線(xiàn)中運(yùn)行。最初,晶元相對(duì)于投射(掩蓋)光束的運(yùn)動(dòng)僅由平移臺(tái)上的編碼器控制。“精準(zhǔn)對(duì)位,一次掃描”是最近的一項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步,也是UVtransfer工藝的核心,可以進(jìn)一步提高對(duì)準(zhǔn)精度,從而實(shí)現(xiàn)更小的芯片和更窄的走道。
“精準(zhǔn)對(duì)位,一次掃描”還消除了激光線(xiàn)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(guò)平移臺(tái)上的編碼器監(jiān)視粗略對(duì)準(zhǔn)。但是,精細(xì)對(duì)準(zhǔn)是使用閉環(huán)的智能視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的,該系統(tǒng)使用芯片的棋盤(pán)圖案使晶元相對(duì)于光束對(duì)準(zhǔn)。這樣可以確保激光場(chǎng)的邊緣始終與走道的中間重合,并且永遠(yuǎn)不會(huì)橫穿芯片。
巨量轉(zhuǎn)移LIFT
UVtransfer工藝?yán)眉す庹T導(dǎo)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(gè)像素位置都要放置紅色、藍(lán)色和綠色芯片各一片。
現(xiàn)有的非激光轉(zhuǎn)移方法在所需的分辨率下無(wú)法達(dá)到必要的產(chǎn)量。例如,機(jī)械取放方法的速度和放置精度都很有限,因此無(wú)法跟上當(dāng)前的技術(shù)趨勢(shì)。另一方面,倒裝貼片機(jī)雖然能夠進(jìn)行高精度貼片(如精度達(dá)±1.5pm),但一次只能處理一個(gè)芯片。相比之下,UVtransfer既可以提供高精度(±1.5pm),又可以達(dá)到高產(chǎn)量,一次激光照射可轉(zhuǎn)移數(shù)千個(gè)芯片。
LLO 通過(guò)動(dòng)態(tài)釋放層將晶粒貼附在臨時(shí)載體上。這是一種可大量吸收紫外光的溫和粘合劑。臨時(shí)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(pán)的玻璃或柔性面板。紫外光從載體的背面照射進(jìn)來(lái)。幾乎所有激光能量都被動(dòng)態(tài)釋放層吸收,動(dòng)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(huì)將晶粒從載體推到最終基板上,理想情況下晶粒上不會(huì)有任何殘留物。
LLO工藝同時(shí)處理整個(gè)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(huì)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(gè)晶粒或每隔10個(gè)晶粒才照射一次的模式。然后,當(dāng)顯示屏的下一個(gè)區(qū)域平移到位等待晶粒填充時(shí),就會(huì)對(duì)掩膜進(jìn)行分度,使其相對(duì)于臨時(shí)載體移動(dòng)一個(gè)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(duì)于精確放置至關(guān)重要,但對(duì)處理規(guī)模卻沒(méi)有多大作用。
LLO和轉(zhuǎn)移之間的另一個(gè)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(dǎo)體低 5~20倍。這種高效率意味著較小的激光功率即可實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量。
UVtransfer工藝還有其他幾個(gè)特性也對(duì)其運(yùn)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(gè)晶粒,同時(shí)確保放置準(zhǔn)確且無(wú)損壞。具體而言,必須在整個(gè)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(jìng)爭(zhēng)力。這將形成高度均勻的2D場(chǎng),然后通過(guò)光學(xué)方式將其重塑為正方形或長(zhǎng)寬比較大的矩形,以符合應(yīng)用需要。例如,對(duì)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(gè)晶粒)區(qū)域強(qiáng)度均勻,就可以在整個(gè)區(qū)域中均勻地推出晶粒。因此,力始終是垂直的,不會(huì)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(qiáng)度同樣重要,因?yàn)檫@樣可以確保以相同大小的力推動(dòng)每個(gè)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(shí)際上,由于紫外光波長(zhǎng)較短,將來(lái)可以實(shí)現(xiàn)微米級(jí)分辨率。較小的晶粒所需的只是一個(gè)不同的投影掩膜。
Micro LED顯示屏要想在市場(chǎng)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(wú)法實(shí)現(xiàn)。但問(wèn)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(tái)。相干公司適用于LLO和轉(zhuǎn)移的UVtransfer與目前研究中的修復(fù)概念兼容。
該工藝的第一步是在晶元上找到并去除缺陷晶粒。但是,這樣會(huì)在臨時(shí)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(yīng)用于選定區(qū)域,或僅應(yīng)用于單個(gè)晶粒,就可以在LLO之前從晶元上去除缺陷晶粒。然后,每個(gè)晶元上去除的晶粒會(huì)形成一張地圖,并進(jìn)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(guò)類(lèi)似的前向UVtransfer工藝分別插入缺失的晶粒,只不過(guò)此時(shí)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)
Micro LED是一項(xiàng)激動(dòng)人心的開(kāi)發(fā)技術(shù),可以拓展微型和大型顯示屏的性能和應(yīng)用范圍。毫無(wú)疑問(wèn),在實(shí)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(yàn)線(xiàn)證明了其強(qiáng)大的功能。更重要的是,UVtransfer是完全可擴(kuò)展的,可以對(duì)應(yīng)越來(lái)越小的Micro LED芯片的趨勢(shì),而無(wú)需進(jìn)行成本高昂的再投資或工藝更換??蛻?hù)工藝一旦開(kāi)發(fā)完畢,由于高能量紫外光激光器的可擴(kuò)展性,這種經(jīng)過(guò)實(shí)際考驗(yàn)的解決方案就能輕松地轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)線(xiàn),并符合當(dāng)今和未來(lái)的精度要求。
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