Micro LED的激光巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)介紹
來源:高能束加工技術(shù)及應(yīng)用 編輯:站臺丶 2024-03-04 09:15:29 加入收藏
01
引言
Micro LED技術(shù)作為下一代顯示技術(shù)的前沿領(lǐng)域,正受到廣泛的關(guān)注和研究。與傳統(tǒng)的液晶顯示和有機發(fā)光二極管(OLED)相比,Micro LED具有更高的亮度、更高的對比度和更寬的色域,同時具備更低的能耗和更長的壽命。這使得Micro LED在電視、智能手機、小尺寸智能穿戴設(shè)備、車載屏幕和AR/VR等領(lǐng)域具有巨大的潛力,Micro LED與LCD、OLED的參數(shù)對比如圖1所示。
圖1.LCD、OLED與Micro LED的參數(shù)對比
巨量轉(zhuǎn)移是將Micro LED芯片從生長基板轉(zhuǎn)移到目標基板上的關(guān)鍵步驟。由于Micro LED芯片密度高、尺寸小,傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)移方法難以滿足高精度的轉(zhuǎn)移要求。實現(xiàn) Micro LED與電路驅(qū)動結(jié)合的顯示陣列,需要對 Micro LED芯片進行多次巨量轉(zhuǎn)移(至少需要從藍寶石襯底→臨時襯底→新襯底),且每次轉(zhuǎn)移芯片量大,對轉(zhuǎn)移工藝的穩(wěn)定性和精確度要求高。激光巨量轉(zhuǎn)移是一種將Micro LED芯片從原生藍寶石基板轉(zhuǎn)移到目標基板的技術(shù)。首先,通過激光剝離將芯片從原生藍寶石基板上分離出來;然后,在目標基板上進行燒蝕處理,以便將芯片轉(zhuǎn)移到帶有黏性材料(如聚二甲基硅氧烷)的基板上。最后,利用TFT背板上的金屬鍵合力,將芯片從PDM基板轉(zhuǎn)移到TFT背板上。
Laser & Electron Beam Processing
02
激光剝離技術(shù)
激光巨量轉(zhuǎn)移的第 1 步為激光剝離(LLO)。激光剝離的良率直接決定了整個激光轉(zhuǎn)移的最終良率。Micro LED通常使用Si和藍寶石等襯底來生長GaN外延層以制備。Si材料與GaN之間存在較大晶格失配和熱膨脹系數(shù)差異等問題,因此在制備Micro LED芯片時藍寶石襯底更為常用。
藍寶石帶隙為9.9eV,GaN為3.39eV,AIN為6.2eV。激光剝離原理為利用光子能量大于GaN能量帶隙而小于藍寶石和AlN帶隙的短波長激光,從藍寶石一側(cè)開始輻照,激光透過藍寶石及AlN后,被表層GaN吸收。在這個過程中,表面的GaN發(fā)生熱分解,由于Ga的熔點約為30℃,產(chǎn)生N2和液態(tài)Ga,N2隨之逸出,從而通過機械力實現(xiàn)GaN外延層與藍寶石襯底的分離。交界面處發(fā)生的分解反應(yīng)可表示為:
根據(jù)光子能量的公式,可計算出滿足上述條件的較佳激光波長應(yīng)為以下范圍:125 nm < 209 nm≤λ≤ 365 nm。研究表明,激光脈寬、激光波長、激光能量密度是實現(xiàn)激光剝離工藝的關(guān)鍵因素。
圖2.LLO原理圖
為了實現(xiàn)Micro LED全彩發(fā)光,需要將紅、綠、藍三色的Micro LED芯片精確地排列和集成在同一基板上,從而創(chuàng)建一個細小且高分辨率的彩色顯示像素。而LLO不適合非均勻的紅、綠、藍Micro LED器件的選擇性集成。而且,選擇性修復(fù)少量受損Micro LED芯片對提高顯示產(chǎn)品的成品率至關(guān)重要。因此,激光選擇性轉(zhuǎn)移(SLLO)技術(shù)應(yīng)運而生。該技術(shù)適用于異構(gòu)集成和選擇性修復(fù),不需要復(fù)雜的批處理過程。它還可以選擇性地轉(zhuǎn)移一些預(yù)先指定的LED和修復(fù)受損的LED。
SLLO是通過激光照射選擇性剝離Micro LED芯片與襯底之間的界面。通常使用紫外光作為光源。短波長的光與材料相互作用更強,能夠?qū)崿F(xiàn)更精確的剝離過程。此外,紫外光在剝離過程中產(chǎn)生的熱量相對較少,降低了熱損傷的風險。
圖3.SLLO示意圖
Uniqarta公司提出一種大規(guī)模并行激光剝離方法,如圖4所示。在單脈沖激光的基礎(chǔ)上添加 X-Y 激光掃描儀,將單束激光衍射為多束激光,實現(xiàn)了芯片的大規(guī)模剝離。該方案大大提高了單次剝離芯片的數(shù)量,其剝離速率達100 M/h,轉(zhuǎn)移精度達±34 μm,且具備良好的缺陷檢測能力,適用于目前多種尺寸和材料的轉(zhuǎn)移。
圖4. 大規(guī)模并行激光剝離
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03
激光轉(zhuǎn)移技術(shù)
激光巨量轉(zhuǎn)移的第 2步為激光轉(zhuǎn)移,將剝離下的芯片從臨時基板轉(zhuǎn)移到背板上。Coherent公司提出的激光誘導(dǎo)前向轉(zhuǎn)移技術(shù)(LIFT),是一種能夠?qū)⒏鞣N功能材料和結(jié)構(gòu)以用戶定義的圖案放置的技術(shù),可以實現(xiàn)大規(guī)模放置微小特征尺寸的結(jié)構(gòu)或器件。目前,LIFT技術(shù)已經(jīng)成功實現(xiàn)了各種電子元件的轉(zhuǎn)移,其尺寸范圍從0.1到6mm2以上。圖5顯示了典型的LIFT過程。在LIFT過程中,激光穿過透明基板并被動態(tài)釋放層吸收。通過激光的燒蝕或汽化作用,動態(tài)釋放層產(chǎn)生的高壓迅速增加,從而將芯片從圖章轉(zhuǎn)移到接收基板上。
圖5. LIFT轉(zhuǎn)移原理圖
經(jīng)過改進后,Uniqarta公司開發(fā)了基于泡罩(Blister)的激光誘導(dǎo)前向轉(zhuǎn)移技術(shù)(BB-LIFT)。如圖6所示,區(qū)別在于激光照射期間,只有一小部分 DRL被燒蝕并產(chǎn)生氣體提供沖擊能量。DRL可以通過創(chuàng)建一個膨脹的泡罩將沖擊波封裝在內(nèi)部,將芯片更柔和地推向接收基板,可以提高轉(zhuǎn)移精度并減少損壞。
圖6.BB-LIFT 轉(zhuǎn)移原理圖
圖章的不可重復(fù)使用是限制BB-LIFT應(yīng)用的重要因素。為了提高成本效益,研究人員基于可重復(fù)使用印模的設(shè)計,開發(fā)了一種可重復(fù)使用的BB-LIFT技術(shù),如圖7所示。該圖章由帶有金屬層的微腔組成,腔壁和具有微結(jié)構(gòu)的彈性粘合劑印模用于封裝微腔和粘合芯片。在808 nm激光的照射下,金屬層吸收激光并產(chǎn)生熱量,導(dǎo)致腔體內(nèi)部空氣迅速膨脹,使圖章變形,從而大大降低其附著力。此時,通過鼓泡產(chǎn)生的沖擊促使芯片脫離圖章。
圖7.可重復(fù)圖章BB-LIFT轉(zhuǎn)移原理圖
在巨量轉(zhuǎn)移中, 拾取時需要較強黏附力以保證拾取可靠; 放置時黏附力則需要盡可能小,以實現(xiàn)轉(zhuǎn)移,因此技術(shù)的核心在于提高黏附力切換比。研究人員通過在黏合層中嵌入可膨脹微球并利用激光加熱系統(tǒng)產(chǎn)生外部熱刺激。在拾取過程中,小尺寸的嵌入式可膨脹微球確保了黏性層表面的平整,而對黏合層的強黏合力影響可以忽略不計。而在轉(zhuǎn)移過程中,激光加熱系統(tǒng)產(chǎn)生的90°C外部熱刺激快速傳遞到黏性層,導(dǎo)致內(nèi)部微球迅速膨脹,如圖8所示。使得表面發(fā)生了分層的微隆起結(jié)構(gòu),從而顯著降低了表面的黏附力,實現(xiàn)了可靠的釋放。
圖8.膨脹微球示意圖
為實現(xiàn)大批量轉(zhuǎn)移,研究人員發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移取決于TRT與功能器件之間黏附力的變化,并由溫度參數(shù)進行控制,如圖9所示。當溫度低于臨界溫度Tr時,TRT/功能器件的能量釋放率大于功能器件/源基板的臨界能量釋放率,裂紋傾向于在TRT/功能器件界面處傳播,從而實現(xiàn)了功能器件的拾取。而在轉(zhuǎn)移過程中,通過激光加熱使溫度升高超過臨界溫度Tr,TRT/功能器件的能量釋放率小于功能器件/目標基板的臨界能量釋放率,從而使功能器件成功轉(zhuǎn)移到目標基板上。
圖9.TRT轉(zhuǎn)移示意圖
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