文章/美國科希倫（臺灣）分公司(Coherent Taiwan)

高能量的紫外光激光束在顯示屏制造中用于 UVtransfer 工藝，明確地說就是激光剝離技術(shù) (LLO) 和巨量轉(zhuǎn)移 (LIFT) 以及像素修復(fù)。本文檔介紹了隨著芯片尺寸的不斷縮小，UVtransfer 如何確保這些巨量轉(zhuǎn)移和生產(chǎn)步驟仍將滿足未來需求。此外，該工藝還具有與各種修復(fù)方案兼容的優(yōu)勢，可滿足預(yù)期的實際芯片成品率。

MicroLEDs – 潛力與挑戰(zhàn)

MicroLED (μLED) 是一類新興設(shè)備，具有打造未來顯示屏的巨大潛力，十分值得期待。這些設(shè)備通常基于氮化鎵 (GaN)，目前的尺寸在 20-50 μm 范圍內(nèi)，并有望縮小到 10 μm 或更小。在藍寶石晶圓生長基板上使用現(xiàn)有 GaN 制造技術(shù)，能夠以非常高的密度制造具有幾微米切割道寬度的μLED。

微米尺寸、高亮度和高制造密度的結(jié)合可以拓展顯示屏市場，使其不局限于目前使用的 OLED 和 LCD 技術(shù)。例如，μLED 可用于為 AR/VR 應(yīng)用創(chuàng)建微型（例如，<1"）高清顯示屏。與此同時，它們也可用于室內(nèi)和室外的超大尺寸顯示屏。

使用μLED 能夠經(jīng)濟實惠地制造這種大型顯示屏，因為隨著芯片尺寸的縮小，給定尺寸的晶圓上生長的芯片數(shù)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?yōu)橄袼乜倲?shù)。這與 OLED 和其他技術(shù)形成對比，這些技術(shù)的成本會隨顯示面積增加。

圖 1. 大型直視 MicroLED 顯示屏的圖標

但是，在廣泛部署μLED 之前，有幾項技術(shù)挑戰(zhàn)需要克服。一個重大障礙是要開發(fā)一種從藍寶石生長晶圓上剝離芯片的工藝。另一個障礙是以微米級的精度和可靠性將芯片轉(zhuǎn)移到顯示基板上的工藝。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芯片問題。同時，它們必須與自動化兼容并提供高吞吐量，因為 LED 行業(yè)的目標是將當前的總體成本降低 20 倍。而且，該工藝順應(yīng)了微型化趨勢，而預(yù)期會不斷縮小的芯片尺寸正對此大有好處，這就不需要為未來尺寸減小而耗費大量資本來改進工具。

激光工藝背景

具有納秒脈沖持續(xù)時間的高能紫外光激光脈沖用于激光加工，這種工藝有多項獨特優(yōu)勢，可以應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。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(jié)合較窄的脈沖寬度，這種冷光燒蝕工藝可避免引起熱沖擊和對底層材料的損壞。大脈沖能量具有獨特的多用途工藝優(yōu)勢，由于光束可用于投射光掩膜，因此每個脈沖可處理數(shù)百甚至數(shù)千個芯片。因此，顯示屏行業(yè)廣泛使用這些類型的激光器作為批量生產(chǎn)工具來生產(chǎn)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(xù)采用這一技術(shù)。

目前，激光工藝為μLED 顯示屏生產(chǎn)帶來的優(yōu)勢包：

?激光剝離技術(shù) (LLO) 將成品μLED 與藍寶石生長晶圓分離

?巨量轉(zhuǎn)移 (LIFT) 將μLED 從供體移至基板

?μLED 的激光修復(fù)功能可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

Here are recent key developments in some of these areas.

以下是其中一些領(lǐng)域的最新重要發(fā)展

LLO最新動態(tài)

激光剝離技術(shù) (LLO) 可以將成品μLED 與藍寶石生長晶圓分離，前面的微型 LED 的激光工藝中已經(jīng)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(yōu)勢，包括最新的自動對準功能，該功能現(xiàn)已成為開發(fā)工具的一部分。

通常將藍寶石作為最佳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(jié)構(gòu) LED 創(chuàng)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 至 100 倍。這就需要從藍寶石基板上移走高密度μLED 并將其轉(zhuǎn)移到臨時載體上。

圖 2. 用于從藍寶石晶圓上剝離 GaN 膜的 LLO 工藝示意圖

針對μLED 的 LLO，相干公司開發(fā)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(chǎn)生少量膨脹的氮氣，從而釋放芯片。UVtransfer 工藝的 (248 nm) 波長使其還可用于生長于其他種類材料（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圓之前，會將其形狀改變?yōu)榫哂小案唔敗睆姸炔ㄐ蔚木匦喂馐?。這種均勻的強度可確保在加工區(qū)域內(nèi)的每個點上施加相同的力。光學(xué)器件經(jīng)過配置，使得每個高能脈沖都會剝離大面積芯片。我們的 UVtransfer 工藝在 LLO 中應(yīng)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(yōu)勢，此優(yōu)勢對于降低批量生產(chǎn)成本將發(fā)揮重大作用。（相干公司的另一個類似系統(tǒng) UVblade 現(xiàn)在已廣泛用于柔性 OLED 的 LLO 中。）

圖 3. 在 UVtransfer 工藝中，“芯片上加工”功能可確保激光場的邊緣始終與切割道的中間重合。

基于準分子的 LLO 系統(tǒng)已經(jīng)在多個μLED 試點產(chǎn)品線中運行。最初，晶圓相對于投射（掩膜）光束的運動僅由平移臺上的編碼器控制。“芯片上加工”是最近的一項技術(shù)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(xiàn)更小的芯片和更窄的切割道。

“芯片上加工”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(jiān)視粗略對準。但是，精細對準是使用死循環(huán)的智能視覺系統(tǒng)實現(xiàn)的，該系統(tǒng)使用芯片的棋盤圖案使晶圓相對于光束對準。這樣可以確保激光場的邊緣始終與切割道的中間重合，并且永遠不會橫穿芯片。

激光誘導(dǎo)巨量轉(zhuǎn)移

UVtransfer 工藝利用巨量轉(zhuǎn)移 (LIFT) 的原理，也非常適合巨量轉(zhuǎn)移和放置所選芯片。這里的主要挑戰(zhàn)是間距差異巨大。芯片在晶圓和轉(zhuǎn)移載體上排列十分緊密，目前的間距約為 1000 dpi。但根據(jù)尺寸和分辨率的不同，顯示屏上的間距可能只有 50-100 dpi。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。

圖 4. UVtransfer 對掩膜使用步進掃描工藝，以在顯示屏上創(chuàng)建正確的間距

現(xiàn)有的非激光轉(zhuǎn)移方法在所需的分辨率下無法提供必要的吞吐量。例如，機械拾取和放置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(shù)趨勢。另一方面，倒裝貼片機雖然能夠進行高精度貼片（例如，±1.5 pm），但一次只能處理一個芯片。相比之下，UVtransfer 既可以提供高精度 (±1.5 pm)，又可以憑借多用途的特性提供大量吞吐量，一次激光照射可移動并放置數(shù)千個芯片。

圖 4 示意圖顯示了該方法的操作過程。 LLO 通過動態(tài)釋放層將芯片保留在臨時載體上。這是一種可大量吸收紫外光的溫和粘合劑。臨時載體和芯片與最終載體幾乎接觸，最終載體通常是已經(jīng)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(tài)釋放層吸收，動態(tài)釋放層因而被蒸發(fā)。由于蒸氣膨脹壓力而產(chǎn)生的沖擊力會將芯片從載體推到最終基板上，理想情況下芯片上不會有任何殘留物。

LLO 工藝同時處理整個區(qū)域內(nèi)的所有相鄰芯片，而轉(zhuǎn)移工藝則與此不同，它會將芯片的間距從原始芯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，采用每隔 5 個芯片或每隔 10 個芯片才照射一次的模式。然后，當顯示屏的下一個區(qū)域平移到位等待芯片填充時，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圓間距，以便轉(zhuǎn)移新的一列芯片。

圖 5. 高度均勻的“平頂”光束波形對于精確放置至關(guān)重要，但對處理規(guī)模卻沒有多大作用。

LLO 和轉(zhuǎn)移之間的另一個區(qū)別是后者涉及到粘合劑的燒蝕，所需激光通量比 III-V 半導(dǎo)體低 5-20 倍。這種高效率意味著較小的激光功率即可實現(xiàn)高吞吐量。

我們 UVtransfer 工藝還有其他幾個特性也對其運作十分關(guān)鍵。例如，即使安裝在載體上的芯片與 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(zhuǎn)移每個芯片，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(yōu)化力的大小和方向，并保持一致，以便確保傳輸工藝質(zhì)量。

要在加工區(qū)域高度均勻且一致地轉(zhuǎn)移芯片，就需要高度均勻的激光照射，而這一優(yōu)勢正是相干公司的核心競爭力，正廣泛造福于各種應(yīng)用。這將形成高度均勻的 2D 場，然后通過光學(xué)方式將其重塑為正方形或長寬比較大的矩形，以符合應(yīng)用需要。例如，對于6" 晶圓的轉(zhuǎn)移，晶圓上的可用區(qū)域大約為100 mm x 100 mm。如圖4 所示，在局部（單個芯片）區(qū)域強度均勻，就可以在整個區(qū)域中均勻地推出芯片。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（晶圓寬度）范圍內(nèi)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芯片。

重要的是，UVtransfer 工藝可以輕松支持比目前試生產(chǎn)更小的芯片（<5 微米）和更狹窄的切割道。實際上，由于紫外光波長較短，將來可以實現(xiàn)微米級分辨率。較小的芯片所需的只是一個不同的投影掩膜。

修理/更換劣質(zhì)芯片

μLED 顯示屏要想在市場上獲得成功，既需要大幅降低生產(chǎn)成本，又要不遺余力地朝著 100% 良率努力。若非如此，生產(chǎn)出數(shù)億像素的顯示屏將無法實現(xiàn)。但問題芯片是不可避免的，因此制造商只能采用與維修/更換方案兼容的生產(chǎn)技術(shù)平臺。相干公司適用于 LLO 和轉(zhuǎn)移的 UVtransfer 與目前研究中的更換概念兼容。

該工藝的第一步是在晶圓上找到并去除缺陷芯片。但是，這樣會在臨時載體上留下空缺（原本由缺陷芯片所占據(jù)）。因此，必須在最終基板上重新填充這些空缺。

將該工藝僅應(yīng)用于選定區(qū)域，或僅應(yīng)用于單個芯片，就可以在 LLO 之前從晶圓上去除缺陷芯片。然后，每個晶圓上去除的芯片會形成一張地圖，并進一步形成基板上缺失芯片的地圖?？梢栽诰蘖哭D(zhuǎn)移后通過類似的前向 UVtransfer 工藝分別插入缺失的芯片，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 材料還是可蒸發(fā)粘合劑。

總結(jié)

MicroLED 是一項激動人心的開發(fā)技術(shù)，可以拓展微型和大型顯示屏的性能和應(yīng)用范圍。毫無疑問，在實現(xiàn)高吞吐量生產(chǎn)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(jīng)在試點工廠證明了其強大的功能。更重要的是，UVtransfer 是完全可擴展的，這使微型化發(fā)展趨勢能夠順利推進，而無需進行成本高昂的再投資或工藝更換?？蛻艄に囈坏╅_發(fā)完畢，由于高能量紫外光激光器的可擴展性，這種經(jīng)過實際考驗的解決方案就能輕松地轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)線，并符合當今和未來的精度要求。

本文由臺灣雷射科技應(yīng)用協(xié)會提供，刊登于《激光制造商情》