MicroLEDs——用于显示器生产的激光工艺

MicroLED——潜力与挑战

MicroLED（μLED）是一种极具前景的新兴器件类型，在未来显示具有巨大的潜力。这类器件通常基于氮化镓（GaN）材料，目前尺寸在20至50微米之间，预计未来将缩小至10微米及以下。 利用现有的氮化镓（GaN）制备技术，以sapphire 为生长基板，μLED可实现极高的像素密度，且像素间距仅为几微米。

The combination of micron dimensions, high brightness and high fabrication density can expand the display market beyond that presently enabled by OLED and LCD technologies. For instance, μLEDs can be used to create miniaturized (e.g., <1“), high definition displays for AR/VR applications. And, at the other end of the size spectrum, they support very large displays for indoor and outdoor use.

利用μLED显示 经济高效地制造此类大尺寸显示 因为随着芯片尺寸的缩小，在给定尺寸的晶圆上可生长出的芯片数量会显著增加。因此，对于像素间距远大于芯片尺寸的大尺寸显示而言，显示成本的主要驱动因素变成了像素总数。这与OLED及其他技术形成鲜明对比，在这些技术中，成本与显示屏的总面积成正比。

然而，在μLED实现大规模应用之前，仍需克服若干技术挑战。其中一个关键难点是开发一种将芯片从sapphire 晶圆上剥离下来的工艺。另一个难点则是开发一种能够以微米级精度和可靠性将这些芯片转移到显示基板上的工艺。 此外，这些工艺必须与维修/更换方案兼容，以应对芯片缺陷这一不可避免的问题。与此同时，鉴于LED行业旨在将当前总体成本降低20倍，这些工艺还必须支持自动化并实现高产量。此外，随着芯片尺寸持续缩小的趋势，行业将更倾向于采用能够适应这一微型化趋势的工艺，从而避免因每次尺寸缩减而进行资本密集型的设备改造。

针对μLED的LLO工艺高意 UV传递 。该LLO工艺的工作原理是从背面（穿过透明sapphire）对芯片进行照射。这会烧蚀掉一层微小的GaN，从而产生少量膨胀的氮气，使芯片脱离基板。我们UV传递 波长（248 nm）还使其能够应用于采用其他材料（包括AlN）生长的μLED。

在UVtransfer工艺中，紫外激光束 重塑为具有“礼帽”强度分布的矩形光束，然后通过光掩模投射到sapphire 上。这种均匀的强度确保了在工艺区域内的每个点都受到相同的力。光学元件 每次高能脉冲光学元件 抬起大面积的芯片。这种多路复用优势是采用基于高能紫外准分子 脉冲的UVtransfer工艺的LLO所独有的，并将成为关键的推动因素，助力降低大规模生产的成本。（高意 的一款类似系统高意 柔性OLED的LLO中得到广泛应用。）

激光诱导前向转移（LIFT）

UVtransfer工艺同样非常适合利用激光诱导正向转移（LIFT）原理进行选定芯片的大规模转移与贴装。在此过程中，关键挑战在于像素间距的巨大差异。在晶圆和转移载体上，芯片排列紧密，当前像素间距约为1000 dpi。但在显示屏上，根据尺寸和分辨率的不同，像素间距可能仅为50-100 dpi。 此外，芯片必须采用交错排列，即每个像素位置放置一个红、蓝、绿三色芯片。

现有的非激光转移方法无法在所需的分辨率下提供必要的吞吐量。例如，机械拾放方法在速度和放置精度方面存在局限，因此无法支持 当前支持 。另一方面，倒装芯片键合机虽然能够实现高精度放置（例如 ±1.5 μm），但每次只能处理一个芯片。 相比之下，UV转移技术既能提供高精度（±1.5 μm），又能实现大规模多路处理，仅需一次激光照射即可移动并放置数千个芯片。

与 LLO 工艺不同，后者是同时处理相邻芯片的整个区域，而转移工艺则是将芯片间距从原始晶圆的紧密间距调整为最终显示器像素间距的步骤。该步骤使用带有特定图案的光掩模来实现，例如，该图案仅对每第 5 个或每第 10 个芯片进行曝光。 当显示屏的下一区域被移位到位以填充芯片时，光掩模会相对于临时载体按晶圆间距移动一个单位，从而实现整组新芯片的转移。

LLO与转移工艺之间的另一个区别在于，后者涉及粘合剂的去除，所需的激光通量比III-V族半导体低5至20倍。这种高效率意味着仅需中等激光功率即可实现高吞吐量。

我们UVtransfer工艺的其他几个特点对其实施至关重要。例如，尽管载板上的芯片与TFT基板之间的间隙接近于零，但仍需对冲击力进行管理和控制，以确保每个芯片都能成功转移，且定位精确、无损伤。具体而言，必须优化力的大小和方向，并确保其在整个显示屏范围内保持一致，以免影响转移工艺的工艺窗口。

要在工艺区域内实现高度均匀且一致的芯片转移，必须具备高度均匀的激光照射能力——这正是高意 核心竞争力高意 广泛应用于各类场景。该技术可生成高度均匀的二维光场，随后通过光学重塑将其转换为高长宽比的正方形或矩形，以适应具体应用需求。 以6英寸晶圆的转移为例，晶圆上的有效加工区域约为100毫米×100毫米。 如图 4 所示强度均匀性 局部（单个芯片）强度均匀性 具有强度均匀性 意味着芯片在其整个区域内受到均匀的推力。因此，作用力始终垂直，不会出现高斯或倾斜强度分布光束所引起的横向偏移。在更大尺度（晶圆宽度）上保持均匀的光束强度同样重要，因为这能确保每个芯片受到相同大小的推力。

Importantly, the UVtransfer process can easily support much smaller dies (<5 microns) and narrower streets than currently in pilot production. Indeed, future micron scale resolution is achievable because of the short UV wavelength. All that is required for smaller dies is a different projection mask.

故障模具的维修/更换

显示 μLED显示 要取得市场成功，既需要大幅降低生产成本，又必须不懈地追求100%的良率。否则，像素显示 数亿显示 将难以实现。但芯片缺陷在所难免，因此制造商只能采用与维修/更换方案兼容的生产技术平台。高意应用于LLO和转印工艺的UVtransfer技术，与目前正在研究的更换方案是兼容的。

该流程的第一步是定位并从晶圆上移除不良芯片。但这会在临时载体上留下空缺（这些位置原本应由被移除的芯片占据）。因此，在最终基板上必须填补这些空缺。

在进行LLO之前，可以通过仅对选定区域（甚至精确到单个芯片）施加该工艺，将故障芯片从晶圆上移除。 随后，将每片晶圆上已移除芯片的分布图进行正向转移，并转化为基板上缺失芯片的分布图。在批量转移完成后，可通过类似的正向紫外线转移工艺将这些芯片逐一插入，但此次需使用预先定义的单束紫外线。激光功率需根据激光是用于烧蚀III-V族材料还是牺牲粘合剂的情况进行匹配。