Micro LED的潛力與(yu) 挑戰

　　Micro LED是一類新興(xing) 器件，具有打造未來顯示屏的巨大潛力，十分值得期待。這些器件通常基於(yu) 氮化镓(GaN)，目前的尺寸在 20~50µm 範圍內(nei) ，並有望縮小到 10µm 或更小。在藍寶石晶元生長基板上使用現有的GaN製造技術，能夠產(chan) 出幾個(ge) 微米間距的高密度Micro LED。

　　微米尺寸、高亮度和高製造密度的結合，使Micro LED極大地拓展顯示屏市場，使其不局限於(yu) 目前使用的 OLED 和 LCD 技術。例如，Micro LED 可為(wei) AR/VR 應用創建微型(例如，<1")高清顯示屏。與(yu) 此同時，它們(men) 也可用於(yu) 室內(nei) 和室外的超大尺寸顯示屏。

　　使用 Micro LED能夠以高性價(jia) 比生產(chan) 大型顯示屏，因為(wei) 隨著芯片尺寸的縮小，給定尺寸晶元上生長的芯片數量將大大增加。因此，對於(yu) 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為(wei) 像素總數。相反，對OLED 和其他技術而言，影響顯示屏成本的主要因素是顯示屏麵積。

　　但是，在廣泛部署 Micro LED 之前，有幾項技術挑戰需要克服。一是從(cong) 外延片分離晶粒，二是以微米級的精度和可靠性將晶粒傳(chuan) 送到基板。並且，這些工藝必須與(yu) 維修/更換方案兼容，以解決(jue) 不可避免的瑕疵晶粒問題。同時，它們(men) 必須與(yu) 自動化兼容並確保高產(chan) 出，因為(wei) LED 行業(ye) 的目標是將當前的總體(ti) 成本降低 20 倍。Micro LED順應了微型化趨勢，不需要為(wei) 減小尺寸而耗費大量成本改進工具。

　　激光工藝背景

　　具有納秒脈衝(chong) 持續時間的高能紫外光激光，用於(yu) 激光加工有多項獨特優(you) 勢，可以應對 Micro LED加工過程中的挑戰。短波長紫外光可以直接燒蝕界麵和表麵的材料薄層，而不會(hui) 深入到材料中。結合較窄的脈衝(chong) 寬度，這種冷光燒蝕工藝可以避免引起熱衝(chong) 擊和對底層材料的損壞。高脈衝(chong) 能量具有獨特的多用途工藝優(you) 勢，由於(yu) 光束可用於(yu) 投射光掩膜，因此每個(ge) 脈衝(chong) 可以處理數百甚至數千個(ge) 晶粒。因此，顯示屏行業(ye) 廣泛使用這些類型的激光器作為(wei) 批量生產(chan) 工具，來生產(chan) 用於(yu) OLED 和高性能 LCD 顯示屏的 TFT 矽背板——毫無疑問，下一代 MicroLED顯示屏也會(hui) 繼續采用這一技術。

　　目前，激光工藝為(wei) μLED 顯示屏生產(chan) 帶來的優(you) 勢包括：

　　激光剝離技術(LLO)將成品 Micro LED 晶粒從(cong) 藍寶石外延片剝離;

　　巨量轉移(LIFT)將Micro LED晶粒從(cong) 載板/基板轉移到最終顯示基板;

　　Micro LED 的激光修複功能可以解決(jue) 良率問題並降低缺陷率;

　　準分子激光退火(ELA)用於(yu) 製造 LTPS-TFT 背板;

　　按不同的聚合程度進行激光切割。

　　以下是其中一些領域的最新重要發展。

　　LLO最新動態

　　激光剝離技術(LLO)可以將成品 Micro LED 晶粒從(cong) 藍寶石外延片剝離，前麵的Micro LED 激光工藝中已經介紹過這一點。因此，在這裏，我們(men) 隻簡要回顧一下LLO 對藍色和綠色芯片的主要優(you) 勢，包括最新的自動對準功能，該功能現已成為(wei) 開發工具的一部分。

　　通常將藍寶石作為(wei) 最佳生長基板來批量製造 GaN Micro LED。但是，隨後必須將薄LED 與(yu) 藍寶石分開，以便為(wei) 垂直結構 LED 創建第二個(ge) 接觸點。此外，對於(yu) 下遊加工過程而言，藍寶石體(ti) 積過於(yu) 龐大，其厚度是 Micro LED 芯片的50~100倍。這就需要從(cong) 藍寶石基板上移走高密度 Micro LED，並將其轉移到臨(lin) 時載體(ti) 上。

　　針對 Micro LED 的 LLO，相幹公司開發了UVtransfer工藝。LLO工藝的工作方式是從(cong) 後表麵(通過透明藍寶石)照射芯片。這會(hui) 燒蝕GaN 的微小層，產(chan) 生少量膨脹的氮氣，從(cong) 而釋放芯片。UVtransfer工藝的波長(248nm)還能加工基於(yu) 其他材料(包括AlN)的Micro LED 。

　　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(hui) 將其形狀改變為(wei) 具有“平頂”的矩形光束。這種均勻的強度可以確保在加工區域內(nei) 的每個(ge) 點上施加相同的力。光學器件經過配置，使得每個(ge) 高能脈衝(chong) 都會(hui) 剝離大麵積芯片。UVtransfer工藝在LLO 中應用高能量、紫外光準分子激光脈衝(chong) ，因此具備這種獨特的多用途優(you) 勢，此優(you) 勢對於(yu) 降低批量生產(chan) 成本將發揮重大作用。相幹公司的另一個(ge) 類似係統 UVblade 現在已廣泛用於(yu) 柔性 OLED 的 LLO 中。

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

　　基於(yu) 準分子的LLO係統已經在多個(ge) Micro LED 試驗線中運行。最初，晶元相對於(yu) 投射(掩蓋)光束的運動僅(jin) 由平移台上的編碼器控製。“精準對位，一次掃描”是最近的一項技術進步，也是UVtransfer工藝的核心，可以進一步提高對準精度，從(cong) 而實現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，仍然通過平移台上的編碼器監視粗略對準。但是，精細對準是使用閉環的智能視覺係統實現的，該係統使用芯片的棋盤圖案使晶元相對於(yu) 光束對準。這樣可以確保激光場的邊緣始終與(yu) 走道的中間重合，並且永遠不會(hui) 橫穿芯片。

　　巨量轉移LIFT

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

　　現有的非激光轉移方法在所需的分辨率下無法達到必要的產(chan) 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趨勢。另一方麵，倒裝貼片機雖然能夠進行高精度貼片(如精度達±1.5pm)，但一次隻能處理一個(ge) 芯片。相比之下，UVtransfer既可以提供高精度(±1.5pm)，又可以達到高產(chan) 量，一次激光照射可轉移數千個(ge) 芯片。

　　LLO 通過動態釋放層將晶粒貼附在臨(lin) 時載體(ti) 上。這是一種可大量吸收紫外光的溫和粘合劑。臨(lin) 時載體(ti) 和晶粒與(yu) 最終載體(ti) 接近放置，最終載體(ti) 通常是已經用TFT背板製圖、並覆蓋有粘合層或焊盤的玻璃或柔性麵板。紫外光從(cong) 載體(ti) 的背麵照射進來。幾乎所有激光能量都被動態釋放層吸收，動態釋放層因而被蒸發。由於(yu) 蒸氣膨脹壓力而產(chan) 生的衝(chong) 擊力會(hui) 將晶粒從(cong) 載體(ti) 推到最終基板上，理想情況下晶粒上不會(hui) 有任何殘留物。

　　LLO工藝同時處理整個(ge) 區域內(nei) 的所有相鄰晶粒，而轉移工藝則與(yu) 此不同，它會(hui) 將晶粒的間距從(cong) 原始晶片的緊密間距，更改為(wei) 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(ge) 晶粒或每隔10個(ge) 晶粒才照射一次的模式。然後，當顯示屏的下一個(ge) 區域平移到位等待晶粒填充時，就會(hui) 對掩膜進行分度，使其相對於(yu) 臨(lin) 時載體(ti) 移動一個(ge) 單位的晶粒間距，以便轉移新的一列晶粒。

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

　　LLO和轉移之間的另一個(ge) 區別是：後者涉及到粘合劑的燒蝕，所需激光通量比III-V族半導體(ti) 低 5~20倍。這種高效率意味著較小的激光功率即可實現高產(chan) 量。

　　UVtransfer工藝還有其他幾個(ge) 特性也對其運作十分關(guan) 鍵。例如，即使貼附在載體(ti) 上的晶粒與(yu) TFT基板之間的間隙接近於(yu) 零，也必須管理和控製衝(chong) 力，以成功轉移每個(ge) 晶粒，同時確保放置準確且無損壞。具體(ti) 而言，必須在整個(ge) 顯示屏上優(you) 化力的大小和方向，並保持一致，以便確保傳(chuan) 輸工藝質量。

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

　　重要的是，UVtransfer工藝可以輕鬆支持比目前試生產(chan) 更小的晶粒(<5μm)和更狹窄的間距。實際上，由於(yu) 紫外光波長較短，將來可以實現微米級分辨率。較小的晶粒所需的隻是一個(ge) 不同的投影掩膜。

　　Micro LED顯示屏要想在市場上獲得成功，既需要大幅降低生產(chan) 成本，又要不遺餘(yu) 力地朝著100%良率努力。若非如此，生產(chan) 出數億(yi) 像素的顯示屏將無法實現。但問題晶粒是不可避免的，因此製造商隻能采用與(yu) 維修/更換方案兼容的生產(chan) 技術平台。相幹公司適用於(yu) LLO和轉移的UVtransfer與(yu) 目前研究中的修複概念兼容。

　　該工藝的第一步是在晶元上找到並去除缺陷晶粒。但是，這樣會(hui) 在臨(lin) 時載體(ti) 上留下空缺(原本由缺陷晶粒所占據)。因此，必須在最終基板上重新填充這些空缺。

　　將該工藝僅(jin) 應用於(yu) 選定區域，或僅(jin) 應用於(yu) 單個(ge) 晶粒，就可以在LLO之前從(cong) 晶元上去除缺陷晶粒。然後，每個(ge) 晶元上去除的晶粒會(hui) 形成一張地圖，並進一步形成基板上缺失晶粒的地圖。可以在巨量轉移後通過類似的前向UVtransfer工藝分別插入缺失的晶粒，隻不過此時要使用指定的單束紫外光。激光功率取決(jue) 於(yu) 激光燒蝕的是 III-V族材料，還是可蒸發粘合劑。

　　總結

　　Micro LED是一項激動人心的開發技術，可以拓展微型和大型顯示屏的性能和應用範圍。毫無疑問，在實現量產(chan) 之前，有許多障礙需要克服。但是，使用紫外光激光束的兩(liang) 種多用途工藝已經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。客戶工藝一旦開發完畢，由於(yu) 高能量紫外光激光器的可擴展性，這種經過實際考驗的解決(jue) 方案就能輕鬆地轉移到生產(chan) 線，並符合當今和未來的精度要求。