Coherent：准分子激光技术用于MicroLED批量转移工艺，优于其他方案
2024-10-09
Coherent是显示行业的主要设备供应商，并已将其在准分子激光方面的专业知识应用于创建MicroLED的批量转移功能。该公司最近发表了一篇关于其MicroLED批量转移工艺（LIFT）的白皮书，我们以此为基础来探讨与该工艺相关的机遇和挑战。
Coherent已经为OLED和高性能LCD显示屏生产用于生成TFT硅背板的大规模生产设备，而这一功能无疑也将延续至下一代μLED显示屏。激光处理为μLED显示屏的生产带来了多种可能性：
- 激光剥离（LLO）技术，用于将成品μLED从蓝宝石生长晶片上分离出来
- 激光诱导正向转移（LIFT）技术，用于将μLED从供体转移到基板
- μLED激光修复，以解决良率问题和缺陷率
- 准分子激光退火（ELA）技术，用于制造LTPS-TFT背板
- 不同聚合度级别的激光切割
经过近10年的发展，MicroLED面临的挑战如今已得到充分了解：
- 将芯片尺寸缩小到10微米或以下，以实现所需的单片成本，同时提供具有竞争力的外量子效率（EQE）
- 将用于分离芯片的所需空间从50微米减少到小于5微米
- 在批量转移速度和工具成本之间取得平衡，以满足显示屏2分钟的总体测试时间（TACT）
- 使用氮化镓（GaN）生产RGB芯片以实现全彩显示
- 以5个9的良率将μLED精确（1微米）地批量转移并放置在显示基板上
- 与OLED相比，实现基于LED的增量成本，3K分辨率（智能手机）为5美元以下，4K（电视）为50美元，笔记本电脑、平板电脑和显示器的成本介于两者之间，而与LCD相比，成本则为一半
至少有6种转移方法和20家公司提供解决方案，而Coherent相信其LIFT工艺将优于其他所有方法，如下所示。
MicroLED的生产始于在单独基板上制造红色、绿色和蓝色LED，然后将它们转移到最终的显示电路板上，并按每组三个（一个红色、一个绿色和一个蓝色）排列，以形成显示屏的每个像素。由于红色LED的生产难度极大且EQE极低，因此有些方法仅使用蓝色μLED和量子点色彩转换器（CC），因为CC中约15%的损失要小于使用EQE低于5%的红色μLED，但放置QD的成本会增加，因为必须生长和移动相同数量的LED。在某些方法中，LED首先从其原始基板移动到“临时载体”上，在那里它们通过粘合剂固定。然后，它们被转移到显示面板上。其他方法则是将LED直接从其原始基板移动到显示面板上，无需中间步骤。
下表显示了处理智能手机和电视所需的批量转移工具数量，假设标准分辨率没有冗余或错误校正，且转移速度分别为每小时2.5亿、5亿和10亿个μLED。显然，智能手机的小尺寸和高密度使得使用MicroLED变得不切实际，但电视则完全有可能实现。
批量转移的挑战：
- 首先，LED必须以微米级的精度放置。
- 其次，必须转移大量的LED，因此该过程必须快速。例如，即使是500×500像素的显示屏也需要转移75万个单独的LED（500x500x3）。
- 第三，该过程必须可靠，才能实现最高良率（4个9）并避免大量修复。
- 第四，随着MicroLED技术的发展，μLED的尺寸会变小以满足成本目标。目前，它们的尺寸约为50×50微米，最终将达到10×10微米甚至更小。LED越小，EQE越低，且在不损坏的情况下移动它们并在目标基板上以所需精度放置它们就越具挑战性。
Coherent开发了一种用于μLED LLO的紫外转移工艺。LLO工艺通过从后表面（穿过透明的蓝宝石）照射芯片来工作。这会烧蚀一层微观的GaN，产生少量膨胀的氮气，从而释放芯片。我们紫外转移工艺的（248纳米）波长还使其能够与用包括氮化铝（AlN）在内的其他材料变体生长的μLED一起使用。在紫外转移过程中，紫外激光束被重塑为具有“平顶帽”强度分布的矩形光束，然后通过光掩模投射到蓝宝石晶片上。这种均匀强度可确保在工艺场的每个点上都施加相同的力。光学元件的配置使得每次高能脉冲都能提升大片芯片。这一多重优势是我们基于高能紫外准分子激光脉冲的紫外转移工艺LLO所独有的，将成为支持大规模生产降低成本的关键因素。
Coherent的类似系统UVblade现在已广泛用于柔性OLED的LLO。
基于准分子的LLO系统已在多个μLED试点生产线中运行。最初，晶片相对于投射（掩模）光束的运动仅由平移台上的编码器控制。“芯片上处理”是最近的一项进展，也是紫外转移工艺的核心，现在进一步提高了对准精度，从而能够使用更小的芯片和更窄的街道。“芯片上处理”还消除了激光线边缘芯片部分照明的可能性。在这种情况下，粗对准仍然由平移台上的编码器监控。但细对准是通过闭环智能视觉系统实现的，该系统使用芯片的棋盘格图案将晶片相对于光束对准。这确保了激光场的边缘始终与街道的中部重合，而绝不会跨越芯片。
激光诱导正向转移（LIFT）
紫外转移利用激光诱导正向转移（LIFT）的原理来转移和放置所选的晶圆片，其中的挑战在于间距的差异。在晶圆和转移载体上，晶圆片紧密排列，目前的间距约为1000 dpi。但根据尺寸和分辨率的不同，显示屏上的间距可能只有50-100 dpi。此外，晶圆片必须交错排列，每个像素位置放置一个红色、蓝色和绿色的晶圆片。
现有的非激光转移方法在达到所需分辨率的同时，难以提供必要的吞吐量。例如，机械拾取和放置方法在速度和放置精度上受到限制，因此无法支持当前的技术发展轨迹。另一方面，倒装芯片键合器能够实现高精度放置（例如，±1.5 µm），但一次只能处理一个晶圆片。相比之下，紫外转移可以同时实现高精度（±1.5 µm）和大规模的多路复用吞吐量，在一次激光照射中移动和放置数千个晶圆片。
一种良性粘合剂强烈吸收紫外线。临时载体和晶圆片与最终载体近乎接触，最终载体通常是已经用TFT背板图案化并覆盖有粘合层或焊盘的玻璃或柔性面板。紫外线从载体的背面照射。几乎所有的激光能量都被动态释放层吸收，从而使其汽化。由于膨胀的蒸汽压力产生的冲力，晶圆片从载体上被推到最终基板上，理想情况下晶圆片上不会残留任何物质。
LIFT工艺正在测试中使用约20µm x 20µm的尺寸，并朝着更小的10µm x 10µm晶圆片发展。在LIFT中，准分子激光器的脉冲从透明临时载体的背面进入。光被缓冲GaN层吸收并使其汽化。这将LED晶圆片推开，并使其附着在附近的显示面板基板上。最后一步是通过键合将LED与面板基板在机械和电气上连接起来。
与其他用于制造MicroLED显示屏的大规模转移方法相比，准分子LIFT的优势包括：
- 高精度放置。LIFT可以实现低于1µm的放置精度，这对于生产小型高分辨率显示屏至关重要。这种精度水平确保每个MicroLED都能完美对齐，降低了缺陷像素的风险，从而保证了显示屏的质量。
- 高效快速。LIFT能够迅速可靠地转移数百万个MicroLED，这对于制造商在不牺牲质量的情况下扩大生产规模至关重要。
- 灵活性。由于基于激光的大规模转移可以适应不同的基板和MicroLED尺寸，因此具有灵活性。
随着MicroLED市场向使用更小、像素间距更紧密的LED发展，准分子LIFT系统能够快速适应，而无需进行大量的重新配置或停机时间，从而确保制造商在竞争激烈的市场中保持领先地位。
Coherent公司测试了LIFT在5x5x3µm（厚度）µLED上的放置精度，这是作为临时载体（持有MicroLED）与目标基板之间间隙距离的函数。实验设置使用Coherent公司的紫外转移技术，将MicroLED从4英寸的GaN供体晶圆转移到100毫米直径的石英受体晶圆上。使用显微镜和机器视觉系统自动识别晶圆片并确定每个晶圆片的中心位置，以测量（x和y方向）放置精度。对于每个间隙距离，移动了979个MicroLED。图表显示了所有979个MicroLED的放置精度（与理想位置的偏移量），其中间隙为50µm，晶圆片间距为90µm。总结这些数据，99.7%（3σ）的µLED在x方向上的放置精度在0.66µm以内，在y方向上的放置精度在0.56µm以内。
下面的图表显示了放置精度如何随间隙距离变化。在高达80µm的间隙距离下，保持了亚微米级的放置精度。这些数字表明，LIFT在这些小型MicroLED上完全实用。
与LLO工艺不同，LLO工艺会同时处理相邻晶圆片的整个区域，而转移工艺是改变晶圆片间距的步骤，即将原始晶圆片上紧密排列的晶圆片间距改变为最终显示屏的像素间距。这是通过使用具有仅辐照每第5个晶圆片或每第10个晶圆片图案的光掩模来实现的。当显示屏的下一个区域被平移到位以填充晶圆片时，相对于临时载体，光掩模会索引移动一个晶圆片间距的单位，从而能够转移一整组新的晶圆片。
LLO（激光剥离）与转移技术之间的另一个区别在于，后者涉及粘合剂的去除，所需的激光通量比III-V半导体低5-20倍。这种高效率意味着仅使用适中的激光功率即可实现高吞吐量。
紫外转移工艺的其他几个特性对其实现至关重要。尽管安装在载体上的芯片与TFT基板之间的间隙几乎为零，但为了成功转移每个芯片，实现精确放置且不受损坏，必须管理和控制冲击力。具体而言，为了不影响转移的工艺窗口，必须在整个显示屏上优化并保持冲击力的大小和方向的一致性。
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