Micro LED的激光巨量轉移技術介紹

01

引言

　　Micro LED技(ji)術作為下(xia)一代顯示技(ji)術的(de)(de)前沿領域(yu)，正(zheng)受到廣泛的(de)(de)關注和(he)(he)研(yan)究(jiu)。與(yu)傳統的(de)(de)液晶顯示和(he)(he)有(you)機發光二極管(OLED)相比，Micro LED具有(you)更(geng)高的(de)(de)亮度、更(geng)高的(de)(de)對比度和(he)(he)更(geng)寬的(de)(de)色域(yu)，同時具備更(geng)低的(de)(de)能耗和(he)(he)更(geng)長的(de)(de)壽命。這使得Micro LED在電(dian)視、智能手(shou)機、小尺寸智能穿(chuan)戴設備、車(che)載和(he)(he)AR/VR等領域(yu)具有(you)巨(ju)大的(de)(de)潛力，Micro LED與(yu)LCD、OLED的(de)(de)參數(shu)對比如(ru)圖1所示。

圖1.LCD、OLED與Micro LED的參數對比

　　巨(ju)量轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)移(yi)(yi)(yi)是將Micro LED芯(xin)片(pian)從生長基(ji)(ji)板(ban)(ban)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)移(yi)(yi)(yi)到(dao)目標基(ji)(ji)板(ban)(ban)上的(de)關(guan)鍵步驟。由(you)于Micro LED芯(xin)片(pian)密(mi)度(du)高、尺寸(cun)小(xiao)，傳統的(de)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)移(yi)(yi)(yi)方法難以(yi)滿足高精(jing)度(du)的(de)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)移(yi)(yi)(yi)要(yao)求。實現(xian) Micro LED與電路(lu)驅動結(jie)合(he)的(de)顯示陣(zhen)列，需(xu)要(yao)對(dui) Micro LED芯(xin)片(pian)進行多(duo)次巨(ju)量轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)移(yi)(yi)(yi)(至少需(xu)要(yao)從藍(lan)寶石(shi)(shi)襯(chen)(chen)底(di)→臨(lin)時襯(chen)(chen)底(di)→新襯(chen)(chen)底(di))，且每次轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)移(yi)(yi)(yi)芯(xin)片(pian)量大，對(dui)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)移(yi)(yi)(yi)工(gong)藝的(de)穩(wen)定性(xing)和精(jing)確(que)度(du)要(yao)求高。激光巨(ju)量轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)移(yi)(yi)(yi)是一種將Micro LED芯(xin)片(pian)從原(yuan)生藍(lan)寶石(shi)(shi)基(ji)(ji)板(ban)(ban)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)移(yi)(yi)(yi)到(dao)目標基(ji)(ji)板(ban)(ban)的(de)技術。首先，通(tong)過激光剝(bo)離將芯(xin)片(pian)從原(yuan)生藍(lan)寶石(shi)(shi)基(ji)(ji)板(ban)(ban)上分(fen)離出來;然后，在(zai)目標基(ji)(ji)板(ban)(ban)上進行燒蝕處理，以(yi)便將芯(xin)片(pian)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)移(yi)(yi)(yi)到(dao)帶(dai)有(you)黏性(xing)材料(liao)(如聚二(er)甲基(ji)(ji)硅氧(yang)烷)的(de)基(ji)(ji)板(ban)(ban)上。最后，利用TFT背(bei)板(ban)(ban)上的(de)金屬鍵合(he)力(li)，將芯(xin)片(pian)從PDM基(ji)(ji)板(ban)(ban)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)移(yi)(yi)(yi)到(dao)TFT背(bei)板(ban)(ban)上。

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02

激光剝離技術

　　激(ji)光(guang)(guang)巨量轉移(yi)的第 1 步為(wei)激(ji)光(guang)(guang)剝離(LLO)。激(ji)光(guang)(guang)剝離的良(liang)率直接決定了整(zheng)個(ge)激(ji)光(guang)(guang)轉移(yi)的最(zui)終良(liang)率。Micro LED通常使用Si和藍寶石等襯底(di)來生(sheng)長GaN外延層以制備(bei)。Si材料與GaN之間存在較大晶格失配和熱膨脹系數差異等問題，因此在制備(bei)Micro LED芯片時藍寶石襯底(di)更為(wei)常用。

　　藍(lan)(lan)(lan)寶石帶隙為(wei)9.9eV，GaN為(wei)3.39eV，AIN為(wei)6.2eV。激(ji)光(guang)剝離(li)原理(li)為(wei)利用光(guang)子(zi)能量(liang)大于(yu)(yu)GaN能量(liang)帶隙而小于(yu)(yu)藍(lan)(lan)(lan)寶石和(he)AlN帶隙的(de)(de)短波長激(ji)光(guang)，從(cong)藍(lan)(lan)(lan)寶石一(yi)側(ce)開始輻照，激(ji)光(guang)透過藍(lan)(lan)(lan)寶石及AlN后，被表(biao)(biao)層GaN吸收。在這個過程中，表(biao)(biao)面的(de)(de)GaN發生(sheng)(sheng)熱分解，由于(yu)(yu)Ga的(de)(de)熔(rong)點約為(wei)30℃，產生(sheng)(sheng)N2和(he)液態Ga，N2隨之逸出，從(cong)而通(tong)過機(ji)械力實現GaN外延(yan)層與藍(lan)(lan)(lan)寶石襯底的(de)(de)分離(li)。交界面處發生(sheng)(sheng)的(de)(de)分解反應可(ke)表(biao)(biao)示為(wei)：

　　根據光子(zi)能量的公(gong)式(shi)，可計算出滿(man)足上述(shu)條件的較佳(jia)激(ji)(ji)光波長應為以下范圍：125 nm < 209 nm≤λ≤ 365 nm。研究表明，激(ji)(ji)光脈寬、激(ji)(ji)光波長、激(ji)(ji)光能量密度是實現(xian)激(ji)(ji)光剝離工(gong)藝的關鍵因(yin)素。

圖(tu)2.LLO原理圖(tu)

　　為了實現Micro LED全彩(cai)發光(guang)，需(xu)要將紅、綠、藍三色的(de)(de)Micro LED芯片(pian)精確地排列(lie)和(he)集(ji)成(cheng)在同一基板上，從而(er)創建一個細小且高分辨率的(de)(de)彩(cai)色顯示像素。而(er)LLO不適合非均勻的(de)(de)紅、綠、藍Micro LED器件的(de)(de)選擇(ze)性(xing)集(ji)成(cheng)。而(er)且，選擇(ze)性(xing)修(xiu)復少量受損Micro LED芯片(pian)對提高顯示產品(pin)的(de)(de)成(cheng)品(pin)率至(zhi)關重要。因此，激光(guang)選擇(ze)性(xing)轉移(yi)(SLLO)技(ji)術應(ying)運而(er)生。該技(ji)術適用于異構集(ji)成(cheng)和(he)選擇(ze)性(xing)修(xiu)復，不需(xu)要復雜的(de)(de)批處理過程。它還可以選擇(ze)性(xing)地轉移(yi)一些(xie)預(yu)先(xian)指(zhi)定的(de)(de)LED和(he)修(xiu)復受損的(de)(de)LED。

　　SLLO是通(tong)過激光(guang)(guang)照射選(xuan)擇(ze)性(xing)剝離Micro LED芯片與襯(chen)底之間(jian)的(de)(de)界面。通(tong)常使用紫外光(guang)(guang)作為光(guang)(guang)源。短波(bo)長的(de)(de)光(guang)(guang)與材料相互作用更(geng)強，能夠實現(xian)更(geng)精(jing)確的(de)(de)剝離過程。此外，紫外光(guang)(guang)在剝離過程中(zhong)產生的(de)(de)熱量相對較(jiao)少，降低了熱損傷(shang)的(de)(de)風險。

圖3.SLLO示(shi)意圖

　　Uniqarta公司提出一種(zhong)大規模(mo)(mo)并行激(ji)光(guang)(guang)(guang)剝離(li)方法，如圖4所示(shi)。在(zai)單脈沖(chong)激(ji)光(guang)(guang)(guang)的基礎上添加 X-Y 激(ji)光(guang)(guang)(guang)掃描(miao)儀，將單束激(ji)光(guang)(guang)(guang)衍射為多束激(ji)光(guang)(guang)(guang)，實(shi)現了芯片(pian)的大規模(mo)(mo)剝離(li)。該方案大大提高了單次剝離(li)芯片(pian)的數量，其(qi)剝離(li)速率達(da)100 M/h，轉(zhuan)移精度達(da)±34 μm，且具備良好(hao)的缺陷檢測(ce)能力，適用于目前多種(zhong)尺寸(cun)和(he)材料的轉(zhuan)移。

圖4. 大規模并行激光剝離

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03

激光轉移技術

　　激光巨量轉(zhuan)(zhuan)移(yi)的(de)第 2步(bu)為激光轉(zhuan)(zhuan)移(yi)，將剝離下(xia)的(de)芯片(pian)從臨時(shi)基(ji)板轉(zhuan)(zhuan)移(yi)到背板上(shang)。Coherent公(gong)司(si)提出的(de)激光誘導前向轉(zhuan)(zhuan)移(yi)技(ji)術(shu)(LIFT)，是(shi)一(yi)種能夠將各(ge)種功能材(cai)料和結構(gou)以用(yong)(yong)戶定義的(de)圖案放(fang)(fang)置的(de)技(ji)術(shu)，可以實現大規模放(fang)(fang)置微(wei)小特征尺(chi)寸的(de)結構(gou)或器件。目(mu)前，LIFT技(ji)術(shu)已經成功實現了各(ge)種電子元(yuan)件的(de)轉(zhuan)(zhuan)移(yi)，其尺(chi)寸范圍從0.1到6mm2以上(shang)。圖5顯示了典型的(de)LIFT過(guo)程(cheng)。在LIFT過(guo)程(cheng)中，激光穿(chuan)過(guo)透板并被動(dong)態(tai)(tai)釋放(fang)(fang)層(ceng)吸收。通過(guo)激光的(de)燒(shao)蝕或汽化作用(yong)(yong)，動(dong)態(tai)(tai)釋放(fang)(fang)層(ceng)產生的(de)高壓迅速增(zeng)加，從而將芯片(pian)從圖章轉(zhuan)(zhuan)移(yi)到接(jie)收基(ji)板上(shang)。

圖5. LIFT轉移(yi)原(yuan)理圖

　　經過改進后(hou)，Uniqarta公司(si)開發了基(ji)于泡(pao)罩(Blister)的激光誘導(dao)前向轉(zhuan)(zhuan)移(yi)技術(shu)(BB-LIFT)。如圖6所示，區別在于激光照射期(qi)間(jian)，只有一小部(bu)分 DRL被(bei)燒蝕并產生氣(qi)體提供沖擊(ji)能量。DRL可以通(tong)過創建一個膨脹的泡(pao)罩將沖擊(ji)波封(feng)裝(zhuang)在內部(bu)，將芯片更(geng)柔(rou)和地推(tui)向接收基(ji)板，可以提高(gao)轉(zhuan)(zhuan)移(yi)精度并減少損(sun)壞。

圖(tu)6.BB-LIFT 轉移原理圖(tu)

　　圖(tu)(tu)章(zhang)的(de)不(bu)可(ke)重復(fu)使(shi)用(yong)是(shi)限制BB-LIFT應用(yong)的(de)重要因素。為了提高(gao)成本效益，研究人員(yuan)基于(yu)可(ke)重復(fu)使(shi)用(yong)印模的(de)設計，開發了一種可(ke)重復(fu)使(shi)用(yong)的(de)BB-LIFT技術，如(ru)圖(tu)(tu)7所示。該圖(tu)(tu)章(zhang)由帶(dai)有金屬(shu)層的(de)微腔(qiang)組成，腔(qiang)壁和(he)具有微結構的(de)彈性粘合劑(ji)印模用(yong)于(yu)封裝微腔(qiang)和(he)粘合芯(xin)片。在(zai)808 nm激(ji)(ji)光的(de)照(zhao)射(she)下(xia)，金屬(shu)層吸(xi)收激(ji)(ji)光并產生(sheng)熱量，導致腔(qiang)體(ti)內部空(kong)氣迅(xun)速膨脹，使(shi)圖(tu)(tu)章(zhang)變(bian)形，從而大大降低其附著力(li)。此時，通過鼓泡產生(sheng)的(de)沖擊(ji)促使(shi)芯(xin)片脫離(li)圖(tu)(tu)章(zhang)。

圖(tu)7.可重復圖(tu)章BB-LIFT轉(zhuan)移原理圖(tu)

　　在(zai)巨量轉移中, 拾(shi)(shi)取時需(xu)要(yao)較(jiao)強黏附(fu)力(li)(li)以保證拾(shi)(shi)取可(ke)靠; 放置時黏附(fu)力(li)(li)則需(xu)要(yao)盡可(ke)能小，以實現轉移，因此技術的(de)核(he)心(xin)在(zai)于提(ti)高黏附(fu)力(li)(li)切(qie)換(huan)比。研究人員通過在(zai)黏合層(ceng)(ceng)中嵌入可(ke)膨脹微球(qiu)并利用激(ji)光加熱(re)系統產生(sheng)外部(bu)熱(re)刺激(ji)。在(zai)拾(shi)(shi)取過程中，小尺(chi)寸的(de)嵌入式可(ke)膨脹微球(qiu)確保了(le)黏性層(ceng)(ceng)表面(mian)的(de)平(ping)整，而對(dui)黏合層(ceng)(ceng)的(de)強黏合力(li)(li)影響可(ke)以忽(hu)略不計。而在(zai)轉移過程中，激(ji)光加熱(re)系統產生(sheng)的(de)90°C外部(bu)熱(re)刺激(ji)快速傳遞到黏性層(ceng)(ceng)，導致內(nei)部(bu)微球(qiu)迅速膨脹，如(ru)圖8所示。使得(de)表面(mian)發(fa)生(sheng)了(le)分層(ceng)(ceng)的(de)微隆(long)起結(jie)構(gou)，從(cong)而顯著(zhu)降(jiang)低(di)了(le)表面(mian)的(de)黏附(fu)力(li)(li)，實現了(le)可(ke)靠的(de)釋放。

圖8.膨脹微球示意圖

　　為實現(xian)大批量(liang)轉移，研究人員發現(xian)轉移取決于(yu)TRT與(yu)功(gong)(gong)能(neng)(neng)器(qi)件(jian)(jian)之間黏附力的(de)(de)(de)變化，并(bing)由(you)溫(wen)度(du)參數(shu)進行控(kong)制，如圖9所示。當溫(wen)度(du)低(di)于(yu)臨(lin)(lin)界溫(wen)度(du)Tr時，TRT/功(gong)(gong)能(neng)(neng)器(qi)件(jian)(jian)的(de)(de)(de)能(neng)(neng)量(liang)釋放(fang)率(lv)大于(yu)功(gong)(gong)能(neng)(neng)器(qi)件(jian)(jian)/源基板(ban)的(de)(de)(de)臨(lin)(lin)界能(neng)(neng)量(liang)釋放(fang)率(lv)，裂紋傾向于(yu)在TRT/功(gong)(gong)能(neng)(neng)器(qi)件(jian)(jian)界面處傳(chuan)播(bo)，從而(er)實現(xian)了功(gong)(gong)能(neng)(neng)器(qi)件(jian)(jian)的(de)(de)(de)拾取。而(er)在轉移過(guo)(guo)程(cheng)中，通過(guo)(guo)激光加熱使(shi)溫(wen)度(du)升高超過(guo)(guo)臨(lin)(lin)界溫(wen)度(du)Tr，TRT/功(gong)(gong)能(neng)(neng)器(qi)件(jian)(jian)的(de)(de)(de)能(neng)(neng)量(liang)釋放(fang)率(lv)小于(yu)功(gong)(gong)能(neng)(neng)器(qi)件(jian)(jian)/目標基板(ban)的(de)(de)(de)臨(lin)(lin)界能(neng)(neng)量(liang)釋放(fang)率(lv)，從而(er)使(shi)功(gong)(gong)能(neng)(neng)器(qi)件(jian)(jian)成功(gong)(gong)轉移到目標基板(ban)上。

圖(tu)9.TRT轉移示意圖(tu)