本文作者：Marie Freebody
2000年代初，德克薩斯理工大學(xué)江紅星教授與林靖宇教授夫婦團隊首次展示了micro-LED顯示器的一系列突出功能。從那時起，該技術(shù)在越來越多的流行電子設(shè)備的顯示屏中得到越來越多的采用。它們的應(yīng)用范圍從大型視頻墻到可穿戴設(shè)備和AR/VR設(shè)備的微型顯示器。隨著深紫外(DUV)激光制造系統(tǒng)的進一步發(fā)展，專家預(yù)測，micro-LED將進一步顛覆顯示器市場，并有助于在屏幕上添加攝像頭和傳感器等新功能。
micro-LED具有與傳統(tǒng)LED相同的特性，但尺寸小于50 μm，甚至可小至3 μm。每個像素都可以使用RGB LED芯片單獨控制，該芯片可以發(fā)出三種不同顏色的光。
由于尺寸較小，像素間距較小，micro-LED 可以提供高達(dá)10K每英寸像素(PPI)的分辨率，并以低50%的功耗提供至少100倍的OLED 亮度。它們的功耗僅為傳統(tǒng)液晶顯示器的10%。
“micro-LED顯示器提供了消費者想要的一系列性能標(biāo)準(zhǔn)，這是其他現(xiàn)有顯示技術(shù)無法實現(xiàn)的，”江紅星教授說， “這包括高亮度、高效率、自發(fā)射率、超高空間分辨率和對比度、超低功耗、寬視角和色域、快速運行速度和環(huán)境穩(wěn)定性?！?br/>
micro-LED的獨特優(yōu)勢和日益普及正在影響其制造中使用的激光系統(tǒng)的發(fā)展。制造micro-LED顯示器可能涉及多種激光工藝，以制備、操作和組裝構(gòu)成顯示器的微小像素以及層。具體來說，激光用于對硅晶圓進行退火，在轉(zhuǎn)移過程中將micro-LED與玻璃載體分離，并從顯示器上修整有缺陷的LED。優(yōu)化激光源以提高所有這些工藝的產(chǎn)量和成本效率是一項持續(xù)的挑戰(zhàn)。
準(zhǔn)分子和固態(tài)激光器是最常用的光源。準(zhǔn)分子具有更高的脈沖能量，可以減少材料加工應(yīng)用中的熱影響區(qū)。然而，準(zhǔn)分子光源相對昂貴，特別是由于它所需的光束傳輸光學(xué)器件成本高且復(fù)雜，還難以維護，又使用有毒氣體并且需要昂貴的維修費用。
盡管準(zhǔn)分子的漸進式改進是可能的，但一些用戶質(zhì)疑這些光源是否能夠像固態(tài)光源一樣降低micro-LED生產(chǎn)成本。
固態(tài)源通常依靠二極管激光器來泵浦晶體或摻雜光纖介質(zhì)來產(chǎn)生近紅外光。然后，非線性晶體可以將其光束頻率增加到紫外線波長的三倍。為了使DUV光源更適合micro-LED生產(chǎn)應(yīng)用，供應(yīng)商正在尋求增加脈沖能量并延長使用壽命。提高重復(fù)率也很大有助益，因為它可以轉(zhuǎn)化為更高的平均功率，從而提高生產(chǎn)率。
更廣泛地采用micro-LED顯示器的主要障礙之一是其制造工藝的復(fù)雜性。林靖宇教授表示，這一過程的一個主要瓶頸是數(shù)百萬個micro-LED從生長它們的半導(dǎo)體晶圓到顯示面板背板的大規(guī)模轉(zhuǎn)移?！皠?chuàng)新的傳質(zhì)工藝可以實現(xiàn)高吞吐量和產(chǎn)量，但仍需要改進和優(yōu)化，以提高成本效率并降低最終產(chǎn)品價格?！?br/>
3D-Micromac AG 首席執(zhí)行官Uwe Wagner同意，盡管micro-LED具有潛在的性能優(yōu)勢，但其生產(chǎn)成本有助于保持更成熟的mini-LED、LED 和 OLED 的競爭力。
“micro-LED 提供了高分辨率和明亮顯示的可能性。每個像素都由三個、四個或更多LED 組成，這導(dǎo)致每個顯示器的LED數(shù)量達(dá)到極限?！盬agner說道?！暗壳斑€不可能將制造成本降低到可銷售的水平?！?br/>
與通過藍(lán)寶石晶圓上的外延技術(shù)制造的micro-LED不同，micro-LED必須通過激光剝離 (LLO) 工藝將其與其生長基板分離。由于micro-LED的外延層只有幾微米厚，因此轉(zhuǎn)移過程需要精細(xì)且精確的方法。
DUV激光器是唯一能夠提供將氮化鎵(GaN)micro-LED外延層與其生長基板分離所需的能量和微米級精度的選擇。事實上，外延晶圓被鍵合到可以多次重復(fù)使用的處理晶圓上。Wagner 說：“GaN 層吸收藍(lán)寶石晶圓和micro-LED堆疊之間施加的激光能量，從而導(dǎo)致氮化物蒸發(fā)?！?“因此，藍(lán)寶石晶圓被從micro-LED結(jié)構(gòu)上剝離，而所謂的供體晶圓仍然存在。”
盡管 LLO 技術(shù)比非激光方法提供更高的吞吐量，但它們對相干光束的依賴使其對激光器的穩(wěn)定性、光束均勻性、脈沖重疊和脈沖邊緣效應(yīng)敏感。這使得均勻地傳遞激光束的能量變得至關(guān)重要。
總部位于日本的材料研發(fā)公司信越化學(xué)工業(yè)株式會社利用248 nm準(zhǔn)分子激光器的特性和光束整形技術(shù)來幫助克服這些挑戰(zhàn)。
信越創(chuàng)新顯示材料與技術(shù)部門經(jīng)理 Eiichiro Yamasaki 表示：“由于芯片尺寸極小，而且需要處理的芯片數(shù)量也非常多，因此與其他顯示器相比，micro-LED 顯示器更加復(fù)雜?！?“248 nm 準(zhǔn)分子激光器使用光掩模實現(xiàn)均勻的高帽形線光束，使micro-LED芯片能夠用均勻的激光照射。”
盡管固態(tài)DUV激光器中的轉(zhuǎn)換晶體容易退化，但IPG Photonics的最新發(fā)展表明DUV晶體壽命得到了顯著改善。其結(jié)果是光束質(zhì)量參數(shù)具有更高的穩(wěn)定性。
IPG Photonics市場開發(fā)經(jīng)理Alexei Markevitch表示，新技術(shù)允許用戶在不發(fā)生晶體移位的情況下操作激光器，從而消除了光束質(zhì)量隨時間變化的擔(dān)憂。“它使激光操作變得更簡單，并降低了維護成本！”
準(zhǔn)分子激光器在具有亞微米吸收深度的單脈沖過程中工作。相比之下，光纖或二極管泵浦固態(tài) (DPSS) 激光器通常在芯片上光柵掃描光束，從而產(chǎn)生一些預(yù)期的脈沖重疊。這可能會導(dǎo)致更深的總吸收深度。
如今的 DUV 激光器可以加工尺寸小至5 μm的micro-LED，滿足當(dāng)前的應(yīng)用需求。未來的主要重點是降低材料成本并提高重復(fù)率。盡管隨著micro-LED尺寸縮小到個位數(shù)微米級，材料成本會下降，但Markevitch強調(diào)，提高重復(fù)率還是很重要的。
“準(zhǔn)分子或固態(tài) DUV 激光器的重復(fù)率越高，平均功率就越高，”他說?！吧a(chǎn)力總是與平均功率成正比。然而，為了發(fā)揮作用，更高的重復(fù)率應(yīng)該得到光束傳輸和定位平臺的支持。”
LLO 工藝將GaNmicro-LED從藍(lán)寶石晶圓釋放到臨時載體上后，必須將LED整體轉(zhuǎn)移到顯示器上。所討論的micro-LED的規(guī)模使得這是一個微妙而精確的過程，甚至挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的LLO轉(zhuǎn)移方法，從而引起人們對替代方法的興趣。
相干公司顯示器垂直市場營銷總監(jiān)Oliver Haupt表示：“micro-LED尺寸正在進一步縮小，小至3至5 μm，而激光轉(zhuǎn)移是滿足消費類顯示器制造的吞吐量和規(guī)模要求的最佳且唯一的選擇。”
具體一點的話，這一工藝更應(yīng)該稱為激光誘導(dǎo)正向傳輸 (LIFT)，可以以微米級精度將數(shù)百萬個單獨的micro-LED放置在顯示器上。隨著市場要求每小時轉(zhuǎn)移超過1億個芯片，同時保持優(yōu)于1.5 μm的貼裝精度，DUV準(zhǔn)分子激光器可提供最佳的能量穩(wěn)定性，滿足行業(yè)所需的吞吐量。
Haupt說：“準(zhǔn)分子激光器已被證明具有數(shù)十年來同類最佳性能，可用于顯示器應(yīng)用?！??！八鼈兊母呙}沖能量尤其能夠?qū)崿F(xiàn)最高的吞吐量和真正的工業(yè)制造。”
激光還可用于修復(fù)和翻新過程，以糾正micro-LED顯示器中的缺陷或損壞。炬光科技泛半導(dǎo)體制程事業(yè)部副總經(jīng)理顧維一表示，巨量轉(zhuǎn)移工藝必須將LED芯片的貼裝精度保持在±0.5μm以內(nèi)，才能保證良率。但即使良率高達(dá)99.999%，4K電視仍會有約260個壞點需要修復(fù)。
“這就是激光的高精度和指向性發(fā)揮重要作用的地方。”顧維一說。
通常，芯片修復(fù)過程包括檢查、檢測、激光去除和激光焊接步驟。除了在巨量轉(zhuǎn)移生產(chǎn)中發(fā)揮作用外，LLO和LIFT技術(shù)還可用于用功能正常的micro-LED替換故障的micro-LED。
在此過程的最初階段，高精度光學(xué)檢測設(shè)備識別并定位芯片上的死點。然后，在單個芯片轉(zhuǎn)移到激光將其焊接到位的空點之前，高峰值能量激光束去除這些死點。
盡管激光器對于micro-LED的轉(zhuǎn)移和修復(fù)都至關(guān)重要，但這兩項任務(wù)優(yōu)先考慮所用光源的不同性能參數(shù)。3D-Micromac的Wagner表示： “全晶圓LLO工藝需要高脈沖能量才能實現(xiàn)全晶圓處理所需的吞吐量。通過增加脈沖能量，可以增加照射面積，從而提高吞吐量。相比之下，修整需要將激光曝光到單個micro-LED上，任何定時或定位的不穩(wěn)定都可能導(dǎo)致激光點錯過micro-LED?！?br/>
折射光學(xué)元件將激光輸出整形為方形、線性和矩形幾何形狀的大或精確的小光束點。
“最小光束長度可短至50μm，而長寬方向的能量輸出仍可達(dá)到超過97%的均勻度，是修復(fù)不同尺寸的micro-LED芯片最佳解決方案。”顧維一說。
由于micro-LED顯示器處于產(chǎn)品生命周期的早期階段，制造標(biāo)準(zhǔn)尚未確定。幾乎可以肯定的是，在未來，這些顯示器的大規(guī)模生產(chǎn)操作將對 DUV光源提出目前無法滿足的要求。激光器將面臨持續(xù)的壓力，要求提供更高的重復(fù)率和更好的光束均勻性，以提高吞吐量，從而降低這些顯示器的成本。
與此同時，DUV激光技術(shù)本身的發(fā)展將提高這些光源的標(biāo)準(zhǔn)。目前用于micro-LED制造的固態(tài)DUV激光器可提供10 W的輸出功率。隨著輸出功率的增加，這些激光器可能成為顯示器制造的首選激光器。除了激光源的進步之外，專家強調(diào)，光束傳輸系統(tǒng)、光學(xué)器件和材料兼容性對于micro-LED顯示器的成功同樣重要。
Yamasaki表示：“僅僅開發(fā)DUV光源并不能實現(xiàn)micro-LED顯示器的量產(chǎn)，材料技術(shù)和裝備技術(shù)很重要，材料和裝備的兼容性也很重要。”
人們對DUV光源的未來及其在制造micro-LED顯示器中發(fā)揮的關(guān)鍵作用寄予厚望。這兩種技術(shù)之間的共生關(guān)系將繼續(xù)促進兩者的發(fā)展。
Wagner表示：“我個人堅信，micro-LED顯示屏市場最終將取得重大的市場成功。這將導(dǎo)致需求增加，進而加速DUV光源的未來開發(fā)和性價比優(yōu)化。”
全球顯示器制造商的注意力日益轉(zhuǎn)向micro-LED技術(shù)，幾乎所有供應(yīng)商都展示了第一批原型機。隨著micro-LED應(yīng)用的增長，生產(chǎn)設(shè)備的規(guī)?；瘜⒊蔀殛P(guān)鍵。
相干公司的Haupt表示： “我們的工業(yè)紫外線激光器和光學(xué)系統(tǒng)如今能夠全天候生產(chǎn)高分辨率OLED顯示器，我們正在致力于開發(fā)下一代技術(shù)。我們已經(jīng)在OLED顯示器上證明了這一點，并將在micro-LED上再次證明這一點?！?/section>
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