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激光器在显示屏制造中的应用：Micro LED剥离、转移和修复

近眼显示

2022-11-30

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前言

在平板显示屏生产系列的第六篇分享中，我们将展望未来，看看激光如何实现基于MicroLED的下一代显示屏自动化批量生产。

当前，AMOLED 技术为我们提供了适用于智能手机和电视的超薄显示屏，可以实现极为出众的色彩和分辨率。与此同时，显示屏制造商已经开始筹谋新型显示技术的量产大事件：MicroLED显示。

这项快速兴起的技术基于小型（<50 μm）无机 LED，具有多种优势。首先，它没有提前老化问题。有些情况下，提前老化会对 OLED 发光单元造成影响。此外，它可以提供更高的亮度和对比度。同时，这种技术的可扩展性使其能够应用于各类尺寸的屏幕，既有可能以更经济的价格生产大型电视和公共显示屏，又可生产用于 VR/AR 设备的超紧凑型显示屏。

实际上，MicroLED 显示屏的面世已有一段时间，只不过出货量有限。目前，显示屏制造商正在研究如何将其投入全面量产。事实证明，激光在其中发挥着关键作用。我们来详细了解一下。

晶圆助力实现规模经济

无机（半导体）LED 支持高流明光输出，比如它们可应用于高亮度汽车前照灯。因此，作为无机 LED 的 MicroLED 就可以做到尺寸虽小，但非常明亮。目前，较先进的 MicroLED 尺寸约为 50 x 50 微米，预计最终将接近 10 x 10 微米。

这些有源发光单元分为三种类型：红光、绿光和蓝光。每种类型的有源发光单元都是在密集图案化的蓝宝石晶圆上批量生产的（采用外延生长技术）。因此，一张 6 寸晶圆可以生产得到数百万颗 MicroLED 裸芯片，从而实现规模经济。

这些 MicroLED 裸芯片最终被放置在一块相对便宜的大尺寸玻璃基板上，再配上必要的电路，就可以形成显示屏了。由一些较小尺寸的面板拼接成的大型显示屏，其尺寸可能达到有两米宽，像素间距可能是一毫米或更大。即使在每个像素点有三个这样的微型发光单元，显示屏的大部分区域都是空着的。对于屏幕尺寸的进一步扩展，主要成本驱动因素是像素数量，因此这种技术有望最终降低成本。

这个概念看似简单，但实际实施起来绝非如此！

实现剥离

实际上，要完成所有这些工作，存在一个贯穿始终的巨大挑战。必须将数百万颗 MicroLED 裸芯片从蓝宝石生长晶圆上移除，并精确地放置在大型显示面板上。也许您想不到，在早期的一些原型验证中，每颗裸芯片都是通过机械方式拾取和放置的，例如借助真空机器装置。但这对于最终生产来说太慢了。而且，随着裸芯片尺寸变得更小，很难做到既能快速拾取和放置，又能完全不损坏这些芯片。良率必须非常高，因为裸芯片数量非常大，以 8K 显示屏为例，它有超过 3000 万像素，也就是近 1 亿颗裸芯片。

解决方案是在自动化多重工艺（涉及本系列之前几篇文章中介绍的一些成熟技术）中采用激光技术。

实际上，其涉及三项独立工艺：剥离、转移和修复。首先，使用一项基于激光的传统技术，即激光剥离技术（LLO），将 MicroLED 裸芯片与蓝宝石生长晶圆分离，然后将其转移到临时载板上，以便于处理。载板涂有粘合剂，并与裸芯片顶部接触。准分子激光器发出的紫外光从蓝宝石晶圆背面照射，将裸芯片与晶圆之间的牺牲层汽化，这层薄薄的牺牲层在芯片材料外延生长之前就已经沉积在晶圆上。这样一来，MicroLED 裸芯片就以其在晶圆上生长时的间距转移到了临时载板上。

LIFT——改变间距

接下来是激光诱导前向转移（LIFT）。在这一步，来自准分子激光器的紫外光脉冲会从透明载板的背面入射。激光穿过载板和粘合剂，并与剩余的 GaN 缓冲层发生作用。如果使用短波长的紫外光，则可以实现几乎没有残留物的转移，并且对 MicroLED 芯片的发光表面几乎没有影响！这实际上是将裸芯片从载板上通过GaN气化产生的气体将其吹离，并将它们推到最终显示基板上。最终显示基板与载板是紧挨着放置的，但有一定间隙，这个间隙必须大于 MicroLED 芯片的厚度以避免碰撞。最终玻璃基板上的粘合剂会将 MicroLED 芯片固定在位。

基于 LIFT 的 MicroLED 巨量转移。如上图，使用 LIFT 工艺时，大面积光斑穿过掩膜板，以便仅释放特定的裸芯片并将其推到显示基板上。所谓的均匀平顶光束对于精确放置来说至关重要（不按比例）。

现在来到了“魔法”的关键部分，即改变间距（裸芯片间距）。矩形光斑穿过开孔的掩膜板。然后，将光斑做 2.5 倍或 5 倍缩放，以便投影的开孔图案与最终显示屏中的像素间距相同。通过这种方式，可以按每 5 个，甚至每 10 个，或其他任意整数个 LED 间距，将外延片晶圆上的 LED 芯片经过几微米的微小间隙推到显示屏。然后，载板相对于固定光斑和掩膜板做小幅度移动，以转到相邻的 MicroLED 芯片组。显示基板则会移动较远的距离。然后再重复这一过程。

另外，一些制造商正在研究一种略微不同的方法，这种方法是将裸芯片从外延片晶圆上剥离而改变间距。这称为选择性激光剥离。但总体结果是一样的。

高吞吐量和强修复能力

首先在相对较小的蓝宝石晶圆上经济地生产大量 MicroLED 芯片，然后采用 LIFT 工艺以更大的间隔（即芯片间距）放置它们，从而制造出大幅面显示屏。此外，LIFT 的另一个显著优势是速度快。每次脉冲可以转移数以千计的 MicroLED 芯片。

在当前面向研发的工艺中，准分子激光脉冲频率可以达到 20 Hz (即20个脉冲/秒)，这意味着可以在一秒钟内将 MicroLED 芯片转到到640 mm2 的区域！而且在激光退火应用中，使用更高的脉冲能量（超过 1 J）和更高的重复频率，准分子激光技术也表现出了极为出色的功率可扩展能力。使用 LIFT 工艺，可以采用更高的脉冲能量来匹配更大的掩膜板和光斑尺寸。

现在，对于制造相对简单的半导体器件（如无机 MicroLED 芯片），其良率已经达到了非常高的水平。但是每个显示屏上有数百万个发光器件，因此存在像素有缺陷或工艺误差的可能性，即其中有个别 RGB 器件无法正常工作。不过这种可能性很小，并且数量有限。通过使用带有单个开孔的掩膜板或基于振镜的系统可以添加用于替换的裸芯片，这种修复很容易用自动激光工艺来完成。

Coherent高意公司现已提供一款名为 UVtransfer 的 MicroLED 生产工具。该工具可执行全部三项工艺：激光剥离（LLO）、激光诱导前向转移（LIFT）以及缺陷像素的修复和修整。这款三合一工具将助力 MicroLED 显示屏制造，生产出实用且经济的屏幕。