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(jī)發(fā)光二極管(OLED)相比，Micro LED具有更高的亮度、更高的對(duì)比度和更寬的色域，同時(shí)具備更低的能耗和更長(zhǎng)的壽命。這使得Micro LED在電視、智能手機(jī)、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(duì)比如圖1所示。

圖1.LCD、OLED與Micro LED的參數(shù)對(duì)比

　　巨量轉(zhuǎn)移是將Micro LED芯片從生長(zhǎng)基板轉(zhuǎn)移到目標(biāo)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(shí)現(xiàn) Micro LED與電路驅(qū)動(dòng)結(jié)合的顯示陣列，需要對(duì) Micro LED芯片進(jìn)行多次巨量轉(zhuǎn)移(至少需要從藍(lán)寶石襯底→臨時(shí)襯底→新襯底)，且每次轉(zhuǎn)移芯片量大，對(duì)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(lán)寶石基板轉(zhuǎn)移到目標(biāo)基板的技術(shù)。首先，通過(guò)激光剝離將芯片從原生藍(lán)寶石基板上分離出來(lái);然后，在目標(biāo)基板上進(jìn)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(gè)激光轉(zhuǎn)移的最終良率。Micro LED通常使用Si和藍(lán)寶石等襯底來(lái)生長(zhǎng)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(wèn)題，因此在制備Micro LED芯片時(shí)藍(lán)寶石襯底更為常用。

　　藍(lán)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(lán)寶石和AlN帶隙的短波長(zhǎng)激光，從藍(lán)寶石一側(cè)開(kāi)始輻照，激光透過(guò)藍(lán)寶石及AlN后，被表層GaN吸收。在這個(gè)過(guò)程中，表面的GaN發(fā)生熱分解，由于Ga的熔點(diǎn)約為30℃，產(chǎn)生N2和液態(tài)Ga，N2隨之逸出，從而通過(guò)機(jī)械力實(shí)現(xiàn)GaN外延層與藍(lán)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(jì)算出滿足上述條件的較佳激光波長(zhǎng)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(zhǎng)、激光能量密度是實(shí)現(xiàn)激光剝離工藝的關(guān)鍵因素。

圖2.LLO原理圖

　　為了實(shí)現(xiàn)Micro LED全彩發(fā)光，需要將紅、綠、藍(lán)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(gè)細(xì)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(lán)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(duì)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(yùn)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(guò)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(guò)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(zhǎng)的光與材料相互作用更強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)更精確的剝離過(guò)程。此外，紫外光在剝離過(guò)程中產(chǎn)生的熱量相對(duì)較少，降低了熱損傷的風(fēng)險(xiǎn)。

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(shí)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(dá)100 M/h，轉(zhuǎn)移精度達(dá)±34 μm，且具備良好的缺陷檢測(cè)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(shí)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(shí)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(shí)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(guò)程。在LIFT過(guò)程中，激光穿過(guò)透明基板并被動(dòng)態(tài)釋放層吸收。通過(guò)激光的燒蝕或汽化作用，動(dòng)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(guò)改進(jìn)后，Uniqarta公司開(kāi)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(guò)創(chuàng)建一個(gè)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(jì)，開(kāi)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(shí)，通過(guò)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(shí)需要較強(qiáng)黏附力以保證拾取可靠; 放置時(shí)黏附力則需要盡可能小，以實(shí)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(guò)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(guò)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(duì)黏合層的強(qiáng)黏合力影響可以忽略不計(jì)。而在轉(zhuǎn)移過(guò)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(shí)現(xiàn)了可靠的釋放。

圖8.膨脹微球示意圖

　　為實(shí)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(jìn)行控制，如圖9所示。當(dāng)溫度低于臨界溫度Tr時(shí)，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(shí)現(xiàn)了功能器件的拾取。而在轉(zhuǎn)移過(guò)程中，通過(guò)激光加熱使溫度升高超過(guò)臨界溫度Tr，TRT/功能器件的能量釋放率小于功能器件/目標(biāo)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(biāo)基板上。

圖9.TRT轉(zhuǎn)移示意圖