Micro LED的激光巨量转移技术介绍

01

引言

　　Micro LED技术作为下一代显示技术的前沿领域，正受到广泛的关注和研究。与传统的液晶显示和有机发光二极管(OLED)相比，Micro LED具有更高的亮度、更高的对比度和更宽的色域，同时具备更低的能耗和更长的寿命。这使得Micro LED在电视、智能手机、小尺寸智能穿戴设备、车载屏幕和AR/VR等领域具有巨大的潜力，Micro LED与LCD、OLED的参数对比如图1所示。

图1.LCD、OLED与Micro LED的参数对比

　　巨量转移是将Micro LED芯片从生长基板转移到目标基板上的关键步骤。由于Micro LED芯片密度高、尺寸小，传统的转移方法难以满足高精度的转移要求。实现 Micro LED与电路驱动结合的显示阵列，需要对 Micro LED芯片进行多次巨量转移(至少需要从蓝宝石衬底→临时衬底→新衬底)，且每次转移芯片量大，对转移工艺的稳定性和精确度要求高。激光巨量转移是一种将Micro LED芯片从原生蓝宝石基板转移到目标基板的技术。首先，通过激光剥离将芯片从原生蓝宝石基板上分离出来;然后，在目标基板上进行烧蚀处理，以便将芯片转移到带有黏性材料(如聚二甲基硅氧烷)的基板上。最后，利用TFT背板上的金属键合力，将芯片从PDM基板转移到TFT背板上。

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02

激光剥离技术

　　激光巨量转移的第 1 步为激光剥离(LLO)。激光剥离的良率直接决定了整个激光转移的最终良率。Micro LED通常使用Si和蓝宝石等衬底来生长GaN外延层以制备。Si材料与GaN之间存在较大晶格失配和热膨胀系数差异等问题，因此在制备Micro LED芯片时蓝宝石衬底更为常用。

　　蓝宝石带隙为9.9eV，GaN为3.39eV，AIN为6.2eV。激光剥离原理为利用光子能量大于GaN能量带隙而小于蓝宝石和AlN带隙的短波长激光，从蓝宝石一侧开始辐照，激光透过蓝宝石及AlN后，被表层GaN吸收。在这个过程中，表面的GaN发生热分解，由于Ga的熔点约为30℃，产生N2和液态Ga，N2随之逸出，从而通过机械力实现GaN外延层与蓝宝石衬底的分离。交界面处发生的分解反应可表示为：

　　根据光子能量的公式，可计算出满足上述条件的较佳激光波长应为以下范围：125 nm < 209 nm≤λ≤ 365 nm。研究表明，激光脉宽、激光波长、激光能量密度是实现激光剥离工艺的关键因素。

图2.LLO原理图

　　为了实现Micro LED全彩发光，需要将红、绿、蓝三色的Micro LED芯片精确地排列和集成在同一基板上，从而创建一个细小且高分辨率的彩色显示像素。而LLO不适合非均匀的红、绿、蓝Micro LED器件的选择性集成。而且，选择性修复少量受损Micro LED芯片对提高显示产品的成品率至关重要。因此，激光选择性转移(SLLO)技术应运而生。该技术适用于异构集成和选择性修复，不需要复杂的批处理过程。它还可以选择性地转移一些预先指定的LED和修复受损的LED。

　　SLLO是通过激光照射选择性剥离Micro LED芯片与衬底之间的界面。通常使用紫外光作为光源。短波长的光与材料相互作用更强，能够实现更精确的剥离过程。此外，紫外光在剥离过程中产生的热量相对较少，降低了热损伤的风险。

图3.SLLO示意图

　　Uniqarta公司提出一种大规模并行激光剥离方法，如图4所示。在单脉冲激光的基础上添加 X-Y 激光扫描仪，将单束激光衍射为多束激光，实现了芯片的大规模剥离。该方案大大提高了单次剥离芯片的数量，其剥离速率达100 M/h，转移精度达±34 μm，且具备良好的缺陷检测能力，适用于目前多种尺寸和材料的转移。

图4. 大规模并行激光剥离

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03

激光转移技术

　　激光巨量转移的第 2步为激光转移，将剥离下的芯片从临时基板转移到背板上。Coherent公司提出的激光诱导前向转移技术(LIFT)，是一种能够将各种功能材料和结构以用户定义的图案放置的技术，可以实现大规模放置微小特征尺寸的结构或器件。目前，LIFT技术已经成功实现了各种电子元件的转移，其尺寸范围从0.1到6mm2以上。图5显示了典型的LIFT过程。在LIFT过程中，激光穿过透明基板并被动态释放层吸收。通过激光的烧蚀或汽化作用，动态释放层产生的高压迅速增加，从而将芯片从图章转移到接收基板上。

图5. LIFT转移原理图

　　经过改进后，Uniqarta公司开发了基于泡罩(Blister)的激光诱导前向转移技术(BB-LIFT)。如图6所示，区别在于激光照射期间，只有一小部分 DRL被烧蚀并产生气体提供冲击能量。DRL可以通过创建一个膨胀的泡罩将冲击波封装在内部，将芯片更柔和地推向接收基板，可以提高转移精度并减少损坏。

图6.BB-LIFT 转移原理图

　　图章的不可重复使用是限制BB-LIFT应用的重要因素。为了提高成本效益，研究人员基于可重复使用印模的设计，开发了一种可重复使用的BB-LIFT技术，如图7所示。该图章由带有金属层的微腔组成，腔壁和具有微结构的弹性粘合剂印模用于封装微腔和粘合芯片。在808 nm激光的照射下，金属层吸收激光并产生热量，导致腔体内部空气迅速膨胀，使图章变形，从而大大降低其附着力。此时，通过鼓泡产生的冲击促使芯片脱离图章。

图7.可重复图章BB-LIFT转移原理图

　　在巨量转移中, 拾取时需要较强黏附力以保证拾取可靠; 放置时黏附力则需要尽可能小，以实现转移，因此技术的核心在于提高黏附力切换比。研究人员通过在黏合层中嵌入可膨胀微球并利用激光加热系统产生外部热刺激。在拾取过程中，小尺寸的嵌入式可膨胀微球确保了黏性层表面的平整，而对黏合层的强黏合力影响可以忽略不计。而在转移过程中，激光加热系统产生的90°C外部热刺激快速传递到黏性层，导致内部微球迅速膨胀，如图8所示。使得表面发生了分层的微隆起结构，从而显著降低了表面的黏附力，实现了可靠的释放。

图8.膨胀微球示意图

　　为实现大批量转移，研究人员发现转移取决于TRT与功能器件之间黏附力的变化，并由温度参数进行控制，如图9所示。当温度低于临界温度Tr时，TRT/功能器件的能量释放率大于功能器件/源基板的临界能量释放率，裂纹倾向于在TRT/功能器件界面处传播，从而实现了功能器件的拾取。而在转移过程中，通过激光加热使温度升高超过临界温度Tr，TRT/功能器件的能量释放率小于功能器件/目标基板的临界能量释放率，从而使功能器件成功转移到目标基板上。

图9.TRT转移示意图