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MicroLED的潛力與挑戰

MicroLED（μLED）是一類新興器件，具有打造未來顯示屏的巨大潛力，十分值得期待。這些器件通常基于氮化鎵（GaN），目前的尺寸在 20~50µm 范圍內，并有望縮小到 10µm 或更小。在藍寶石晶元生長基板上使用現有的GaN制造技術，能夠產出幾個微米間距的高密度μLED。
    微米尺寸、高亮度和高制造密度的結合，使μLED極大地拓展顯示屏市場，使其不局限于目前使用的 OLED 和 LCD 技術。例如，μLED 可為 AR/VR 應用創建微型（例如，<1'）高清顯示屏。與此同時，它們也可用于室內和室外的超大尺寸顯示屏。
    使用 μLED能夠以高性價比生產大型顯示屏，因為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為像素總數。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面積。
    但是，在廣泛部署 μLED 之前，有幾項技術挑戰需要克服。一是從外延片分離晶粒，二是以微米級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題。同時，它們必須與自動化兼容并確保高產出，因為 LED 行業的目標是將當前的總體成本降低 20 倍。μLED順應了微型化趨勢，不需要為減小尺寸而耗費大量成本改進工具。
    激光工藝背景

具有納秒脈沖持續時間的高能紫外光激光，用于激光加工有多項獨特優勢，可以應對μLED加工過程中的挑戰。短波長紫外光可以直接燒蝕界面和表面的材料薄層，而不會深入到材料中。結合較窄的脈沖寬度，這種冷光燒蝕工藝可以避免引起熱沖擊和對底層材料的損壞。高脈沖能量具有獨特的多用途工藝優勢，由于光束可用于投射光掩膜，因此每個脈沖可以處理數百甚至數千個晶粒。因此，顯示屏行業廣泛使用這些類型的激光器作為批量生產工具，來生產用于 OLED 和高性能 LCD 顯示屏的 TFT 硅背板——毫無疑問，下一代 μLED顯示屏也會繼續采用這一技術。
    目前，激光工藝為 μLED 顯示屏生產帶來的優勢包括：

激光剝離技術（LLO）將成品 μLED 晶粒從藍寶石外延片剝離；

巨量轉移（LIFT）將μLED晶粒從載板/基板轉移到最終顯示基板；

μLED 的激光修復功能可以解決良率問題并降低缺陷率；

準分子激光退火（ELA）用于制造 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新動態

激光剝離技術（LLO）可以將成品 μLED 晶粒從藍寶石外延片剝離，前面的μLED 激光工藝中已經介紹過這一點。因此，在這里，我們只簡要回顧一下LLO 對藍色和綠色芯片的主要優勢，包括新的自動對準功能，該功能現已成為開發工具的一部分。
    通常將藍寶石作為非常好的生長基板來批量制造 GaN μLED。但是，隨后必須將薄LED 與藍寶石分開，以便為垂直結構 LED 創建第二個接觸點。此外，對于下游加工過程而言，藍寶石體積過于龐大，其厚度是 μLED 芯片的50~100倍。這就需要從藍寶石基板上移走高密度 μLED，并將其轉移到臨時載體上。

用于從藍寶石晶外延片上剝離GaN 膜的LLO工藝示意圖。

針對μLED的LLO，相干公司開發了UVtransfer工藝。LLO工藝的工作方式是從后表面（通過透明藍寶石）照射芯片。這會燒蝕GaN 的微小層，產生少量膨脹的氮氣，從而釋放芯片。UVtransfer工藝的波長（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光掩膜投射到藍寶石晶元之前，會將其形狀改變為具有“平頂”的矩形光束。這種均勻的強度可以確保在加工區域內的每個點上施加相同的力。光學器件經過配置，使得每個高能脈沖都會剝離大面積芯片。UVtransfer工藝在LLO 中應用高能量、紫外光準分子激光脈沖，因此具備這種獨特的多用途優勢，此優勢對于降低批量生產成本將發揮重大作用。相干公司的另一個類似系統 UVblade 現在已廣泛用于柔性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走道的中間重合。

基于準分子的LLO系統已經在多個μLED試驗線中運行。最初，晶元相對于投射（掩蓋）光束的運動僅由平移臺上的編碼器控制。“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，仍然通過平移臺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系統實現的，該系統使用芯片的棋盤圖案使晶元相對于光束對準。這樣可以確保激光場的邊緣始終與走道的中間重合，并且永遠不會橫穿芯片。
    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。這里的主要挑戰是間距差異巨大。晶粒在晶元和轉移載體上排列十分緊密，目前的間距約為1000dpi。但根據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，每個像素位置都要放置紅色、藍色和綠色芯片各一片。

UVtransfer對掩膜使用步進掃描工藝，以在顯示屏上創建正確的間距。

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。另一方面，倒裝貼片機雖然能夠進行高精度貼片（如精度達±1.5pm），但一次只能處理一個芯片。相比之下，UVtransfer既可以提供高精度（±1.5pm），又可以達到高產量，一次激光照射可轉移數千個芯片。
    圖 4中顯示了該方法的操作過程。LLO 通過動態釋放層將晶粒貼附在臨時載體上。這是一種可大量吸收紫外光的溫和粘合劑。臨時載體和晶粒與最終載體接近放置，最終載體通常是已經用TFT背板制圖、并覆蓋有粘合層或焊盤的玻璃或柔性面板。紫外光從載體的背面照射進來。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。由于蒸氣膨脹壓力而產生的沖擊力會將晶粒從載體推到最終基板上，理想情況下晶粒上不會有任何殘留物。
    LLO工藝同時處理整個區域內的所有相鄰晶粒，而轉移工藝則與此不同，它會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個晶粒或每隔10個晶粒才照射一次的模式。然后，當顯示屏的下一個區域平移到位等待晶粒填充時，就會對掩膜進行分度，使其相對于臨時載體移動一個單位的晶粒間距，以便轉移新的一列晶粒。

高度均勻的“平頂”光束波形對于精確放置至關重要，但對處理規模卻沒有多大作用。

LLO和轉移之間的另一個區別是：后者涉及到粘合劑的燒蝕，所需激光通量比III-V族半導體低 5~20倍。這種高效率意味著較小的激光功率即可實現高產量。
    UVtransfer工藝還有其他幾個特性也對其運作十分關鍵。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，以成功轉移每個晶粒，同時確保放置準確且無損壞。具體而言，必須在整個顯示屏上優化力的大小和方向，并保持一致，以便確保傳輸工藝質量。
    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，而這正是相干公司的核心競爭力。這將形成高度均勻的2D場，然后通過光學方式將其重塑為正方形或長寬比較大的矩形，以符合應用需要。例如，對于 6' 晶粒的轉移，晶粒上的可用區域大約為100mm×100mm。如圖4所示，在局部（單個晶粒）區域強度均勻，就可以在整個區域中均勻地推出晶粒。因此，力始終是垂直的，不會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）范圍內具有均勻的光束強度同樣重要，因為這樣可以確保以相同大小的力推動每個晶粒。
    重要的是，UVtransfer工藝可以輕松支持比目前試生產更小的晶粒（<5μm）和更狹窄的間距。實際上，由于紫外光波長較短，將來可以實現微米級分辨率。較小的晶粒所需的只是一個不同的投影掩膜。
    μLED顯示屏要想在市場上獲得成功，既需要大幅降低生產成本，又要不遺余力地朝著100%良率努力。若非如此，生產出數億像素的顯示屏將無法實現。但問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技術平臺。相干公司適用于LLO和轉移的UVtransfer與目前研究中的修復概念兼容。
    該工藝的第1步是在晶元上找到并去除缺陷晶粒。但是，這樣會在臨時載體上留下空缺（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。
    將該工藝僅應用于選定區域，或僅應用于單個晶粒，就可以在LLO之前從晶元上去除缺陷晶粒。然后，每個晶元上去除的晶粒會形成一張地圖，并進一步形成基板上缺失晶粒的地圖。可以在巨量轉移后通過類似的前向UVtransfer工藝分別插入缺失的晶粒，只不過此時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，還是可蒸發粘合劑。
    總結

MicroLED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范圍。毫無疑問，在實現量產之前，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，由于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方案就能輕松地轉移到生產線，并符合當今和未來的精度要求。