MicroLED的潛力與挑戰(zhàn)

MicroLED（μLED）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。這些器件通常基于氮化鎵（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μLED。
    微米尺寸、高亮度和高制造密度的結(jié)合，使μLED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，μLED 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 μLED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 μLED 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。μLED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)μLED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 μLED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 μLED 晶粒從藍(lán)寶石外延片剝離；

巨量轉(zhuǎn)移（LIFT）將μLED晶粒從載板/基板轉(zhuǎn)移到最終顯示基板；

μLED 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新動(dòng)態(tài)

激光剝離技術(shù)（LLO）可以將成品 μLED 晶粒從藍(lán)寶石外延片剝離，前面的μLED 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)寶石作為非常好的生長(zhǎng)基板來(lái)批量制造 GaN μLED。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 μLED 芯片的50~100倍。這就需要從藍(lán)寶石基板上移走高密度 μLED，并將其轉(zhuǎn)移到臨時(shí)載體上。

用于從藍(lán)寶石晶外延片上剝離GaN 膜的LLO工藝示意圖。

針對(duì)μLED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)猓瑥亩�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μLED。
    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O(shè)LED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)μLED試驗(yàn)線中運(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)�用激光誘導(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。

UVtransfer對(duì)掩膜使用步進(jìn)掃描工藝，以在顯示屏上創(chuàng)建正確的間距。

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。
    圖 4中顯示了該方法的操作過(guò)程。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。
    μLED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1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。可以在巨量轉(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)

MicroLED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。客戶(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，并符合當(dāng)今和未來(lái)的精度要求。