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當(dāng)前，LCD面板仍需要背光照明才能顯示，而有源元件OLED和LED則通過(guò)自身發(fā)光消除對(duì)背光的依賴。與LED相比，OLED有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)是老化效應(yīng)，從而限制了顯示壽命。在所有這些選項(xiàng)中，Micro-LED（顯示矩陣中的Micro-LED）為顯示應(yīng)用提供了最多的優(yōu)勢(shì)，包括更高的發(fā)光效率、亮度和對(duì)比度；更廣的視角；由于像素密度更高，分辨率更高；使用壽命更長(zhǎng)，可靠性和環(huán)境穩(wěn)定性更高；更快的刷新率，響應(yīng)時(shí)間以納秒為單位；無(wú)背光，從而以更低的功耗實(shí)現(xiàn)更薄、更輕的顯示器。

然而，微型LED（Micro-LED）顯示器并非沒(méi)有自己的挑戰(zhàn)，大批量制造就是其中之一。與LCD和OLED顯示器相比，當(dāng)前的Micro-LED顯示器具有較大的像素尺寸。2021年第四季度，三星推出了一款名為“The Wall”的Micro-LED顯示器，像素間距為0.8mm?，F(xiàn)代手機(jī)顯示屏需要0.03mm-0.06 mm的更小間距和每英寸400-800 PPI（像素）。因此，35μm×20μm的Micro-LED尺寸對(duì)于滿足顯示器制造商的需求是必要的。

目前，機(jī)械式取放的精度不適合如此小尺寸的芯片。因此，需要基于激光技術(shù)轉(zhuǎn)移Micro-LED晶粒。事實(shí)證明，激光輔助技術(shù)是唯一能夠滿足高像素密度Micro-LED多步制造過(guò)程中嚴(yán)苛工藝的方法。

制造Micro-LED顯示器

激光是實(shí)現(xiàn)Micro-LED顯示器大規(guī)模制造的基本工具。單獨(dú)著色的紅色、綠色和藍(lán)色micro-LED通?；跓o(wú)機(jī)III-V族半導(dǎo)體氮化鎵，首先是在單獨(dú)的外延片上生長(zhǎng)，通常為藍(lán)寶石，密度約為每6英寸晶圓片上有800萬(wàn)顆晶粒，如圖2左側(cè)所示。

接下來(lái)是將不同顏色的Micro-LED轉(zhuǎn)移并交織到具有更高導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性的基板上，以形成彩色顯示器。期間就包括了各種基于激光的工藝技術(shù)，如圖2右側(cè)所示。

最初，在使用激光剝離技術(shù)剝離藍(lán)寶石晶片之前，臨時(shí)載體附在Micro-LED上。高通量掃描策略使用XY平臺(tái)在激光線下移動(dòng)基板，該激光線跨越晶片長(zhǎng)度，具有頂帽強(qiáng)度分布，以產(chǎn)生均勻的材料相互作用。

有必要使用紫外光譜中低于GaN的3.3-eV (376-nm)帶隙但高于藍(lán)寶石的9.9-eV (125-nm)帶隙的波長(zhǎng)，其中藍(lán)寶石襯底是透明的，而LED是非透明的。脈沖紫外激光器，例如248nm準(zhǔn)分子激光器或266nm皮秒激光器，能夠?qū)⑾嗷プ饔皿w積限制在幾納米內(nèi)，從而最大限度地減少器件層上的應(yīng)力。

在臨時(shí)載體上制備Micro-LED后，基于現(xiàn)代準(zhǔn)分子激光器的掩模技術(shù)的激光誘導(dǎo)正向轉(zhuǎn)移方法，能夠在最終的顯示基板上進(jìn)行選擇性轉(zhuǎn)和紅綠藍(lán)排列。為了對(duì)Micro-LED進(jìn)行質(zhì)量轉(zhuǎn)移，用大頂帽光束輪廓照亮掩?？商峁┚鶆虻牧?，以實(shí)現(xiàn)幾微米的單獨(dú)定位精度。

根據(jù)間距和特定的工藝條件，每次最多可轉(zhuǎn)移1萬(wàn)顆晶粒?，F(xiàn)代準(zhǔn)分子激光器的重復(fù)頻率只有幾百赫茲。由于一次性相互作用和大的照射面積，需要具有優(yōu)異的脈沖到脈沖穩(wěn)定性和高脈沖能量的激光器。

制造瓶頸依然存在，即使產(chǎn)量很高，大量轉(zhuǎn)換過(guò)程還是容易導(dǎo)致每塊晶圓出現(xiàn)數(shù)千個(gè)壞點(diǎn)。每一個(gè)壞點(diǎn)都必須進(jìn)行更換，從而還需要快速且單獨(dú)的定位工藝技術(shù)。這些工藝對(duì)光束質(zhì)量和高產(chǎn)量提出了與制造步驟相同的要求。

在千赫茲范圍內(nèi)工作的固態(tài)超短脈沖激光器與掃描技術(shù)相結(jié)合，提供了一種功能強(qiáng)大且具有成本效益的解決方案。更高的重復(fù)率還需要仔細(xì)考慮掃描技術(shù)，因?yàn)閄Y平臺(tái)無(wú)法提供所需的加速度。

Micro-LED維修

為確保準(zhǔn)確和精確的加工，每個(gè)Micro-LED修復(fù)部位的聚焦激光束的強(qiáng)度分布必須得到明確定義。具體而言，輪廓應(yīng)呈現(xiàn)出具有3μm-5μm陡峭邊緣和均勻平坦區(qū)域的小矩形形狀，這可以通過(guò)使用短焦距f-theta鏡頭和定制的銳邊頂帽光束整形器來(lái)實(shí)現(xiàn)。（f-Theta鏡頭通常用于高性能激光掃描系統(tǒng)中，產(chǎn)生焦點(diǎn)）
這種衍射光學(xué)元件提供了平頂強(qiáng)度分布，其平坦區(qū)域尺寸僅比衍射極限光斑大幾倍，并且具有改進(jìn)的銳邊，寬度為衍射極限光斑的一半。滿足這些條件的銳邊頂帽輪廓出現(xiàn)在圖3中，它是使用HOLO/OR光束整形器衍射光學(xué)元件與f-theta透鏡（f = 65.5mm）結(jié)合聚焦355nm激光的高斯光束（Coherent HyperRapid 50 classic）和SCANLAB excelliSCAN 14振鏡掃描儀而實(shí)現(xiàn)的。

高度精確的光束尺寸、良好的光束中心和精確的聚焦對(duì)于獲得最佳性能至關(guān)重要。使用 Pulsar Photonics模塊可以實(shí)現(xiàn)這種性能，該模塊具有自動(dòng)測(cè)量程序和執(zhí)行器，可自動(dòng)將激光束對(duì)準(zhǔn)頂帽整形器并校準(zhǔn)系統(tǒng)。自動(dòng)校準(zhǔn)可確保在更長(zhǎng)的處理時(shí)間內(nèi)進(jìn)行穩(wěn)定校準(zhǔn)。

使用成形光束進(jìn)行激光掃描的挑戰(zhàn)在于，圖像域的邊緣越來(lái)越多地發(fā)生畸變，如圖4a所示。這種失真是由振鏡布置和f-theta透鏡的成像特性所造成的。對(duì)于圖3中所示的頂帽光束輪廓，在均勻性下降和形狀變形發(fā)生在不適合Micro-LED加工水平之前，只有16mm2圖像域的中心區(qū)域是可以掃描的。為了克服這個(gè)限制，有必要使用XY平臺(tái)在處理過(guò)程中對(duì)晶片進(jìn)行光柵化處理，如圖4b所示。

為了實(shí)現(xiàn)高處理速度，可以使用SCANLAB和ACS Motion Control開(kāi)發(fā)的創(chuàng)新解決方案同步平臺(tái)和掃描儀運(yùn)動(dòng)?？刂栖浖械奶厥馑惴閽呙鑳x和載物臺(tái)生成了同步軌跡。這種聯(lián)動(dòng)策略消除了縫合錯(cuò)誤并提高了抓取的準(zhǔn)確性。當(dāng)在6mm2的掃描場(chǎng)上采用這種方法處理1萬(wàn)顆晶粒時(shí)，絕對(duì)定位誤差僅為2.82μm（圖5顯示）。
圖6顯示了晶圓5mm2視場(chǎng)的掃描策略。幾秒內(nèi)就能處理一塊6英寸晶圓，滿足行業(yè)對(duì)吞吐量的需求。原則上，采用這種方法可以處理直徑為平臺(tái)移動(dòng)范圍的晶片。然而實(shí)際上8英寸是Micro-LED顯示器的當(dāng)前上限，因?yàn)樗鼈兙哂懈咂教苟群蛯泳鶆蛐缘囊蟆?/p>

Micro-LED是未來(lái)的顯示技術(shù)，與LCD和OLED顯示器相比具有顯著優(yōu)勢(shì)。但它們也需要目前仍在開(kāi)發(fā)中的苛刻制造技術(shù)。激光工藝是這些制造技術(shù)的核心，而激光剝離和激光誘導(dǎo)正向轉(zhuǎn)移技術(shù)的組合對(duì)于Micro-LED的大批量生產(chǎn)至關(guān)重要。

然而在實(shí)際制造過(guò)程中，通常會(huì)有數(shù)千個(gè)模具出現(xiàn)缺陷并需要更換。使用紫外皮秒激光器可以滿足這種修復(fù)過(guò)程的要求。從本質(zhì)上講，基于低失真、頂帽光束整形的掃描技術(shù)與此處介紹的掃描策略相結(jié)合，看起來(lái)是一個(gè)有效的解決方案。