當(dāng)前，AMOLED 技術(shù)為我們提供了適用于智能手機(jī)和電視的超薄顯示屏，可以實現(xiàn)極為出眾的色彩和分辨率。與此同時，顯示屏制造商已經(jīng)開始籌謀新型顯示技術(shù)的量產(chǎn)大事件：MicroLED顯示。
這項快速興起的技術(shù)基于小型（<50 μm）無機(jī) LED，具有多種優(yōu)勢。首先，它沒有提前老化問題。有些情況下，提前老化會對 OLED 發(fā)光單元造成影響。此外，它可以提供更高的亮度和對比度。同時，這種技術(shù)的可擴(kuò)展性使其能夠應(yīng)用于各類尺寸的屏幕，既有可能以更經(jīng)濟(jì)的價格生產(chǎn)大型電視和公共顯示屏，又可生產(chǎn)用于 VR/AR 設(shè)備的超緊湊型顯示屏。
實際上，MicroLED 顯示屏的面世已有一段時間，只不過出貨量有限。目前，顯示屏制造商正在研究如何將其投入全面量產(chǎn)。事實證明，激光在其中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。我們來詳細(xì)了解一下。
晶圓助力實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)
無機(jī)（半導(dǎo)體）LED 支持高流明光輸出，比如它們可應(yīng)用于高亮度汽車前照燈。因此，作為無機(jī) LED 的 MicroLED 就可以做到尺寸雖小，但非常明亮。目前，較先進(jìn)的 MicroLED 尺寸約為 50 x 50 微米，預(yù)計最終將接近 10 x 10 微米。
這些有源發(fā)光單元分為三種類型：紅光、綠光和藍(lán)光。每種類型的有源發(fā)光單元都是在密集圖案化的藍(lán)寶石晶圓上批量生產(chǎn)的（采用外延生長技術(shù)）。因此，一張 6 寸晶圓可以生產(chǎn)得到數(shù)百萬顆 MicroLED 裸芯片，從而實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)。
這些 MicroLED 裸芯片最終被放置在一塊相對便宜的大尺寸玻璃基板上，再配上必要的電路，就可以形成顯示屏了。由一些較小尺寸的面板拼接成的大型顯示屏，其尺寸可能達(dá)到有兩米寬，像素間距可能是一毫米或更大。即使在每個像素點(diǎn)有三個這樣的微型發(fā)光單元，顯示屏的大部分區(qū)域都是空著的。對于屏幕尺寸的進(jìn)一步擴(kuò)展，主要成本驅(qū)動因素是像素數(shù)量，因此這種技術(shù)有望最終降低成本。
這個概念看似簡單，但實際實施起來絕非如此！
實現(xiàn)剝離
實際上，要完成所有這些工作，存在一個貫穿始終的巨大挑戰(zhàn)。必須將數(shù)百萬顆 MicroLED 裸芯片從藍(lán)寶石生長晶圓上移除，并精確地放置在大型顯示面板上。也許您想不到，在早期的一些原型驗證中，每顆裸芯片都是通過機(jī)械方式拾取和放置的，例如借助真空機(jī)器裝置。但這對于最終生產(chǎn)來說太慢了。而且，隨著裸芯片尺寸變得更小，很難做到既能快速拾取和放置，又能完全不損壞這些芯片。良率必須非常高，因為裸芯片數(shù)量非常大，以 8K 顯示屏為例，它有超過 3000 萬像素，也就是近 1 億顆裸芯片。
解決方案是在自動化多重工藝（涉及本系列之前幾篇文章中介紹的一些成熟技術(shù)）中采用激光技術(shù)。
實際上，其涉及三項獨(dú)立工藝：剝離、轉(zhuǎn)移和修復(fù)。首先，使用一項基于激光的傳統(tǒng)技術(shù)，即激光剝離技術(shù)（LLO），將 MicroLED 裸芯片與藍(lán)寶石生長晶圓分離，然后將其轉(zhuǎn)移到臨時載板上，以便于處理。載板涂有粘合劑，并與裸芯片頂部接觸。準(zhǔn)分子激光器發(fā)出的紫外光從藍(lán)寶石晶圓背面照射，將裸芯片與晶圓之間的犧牲層汽化，這層薄薄的犧牲層在芯片材料外延生長之前就已經(jīng)沉積在晶圓上。這樣一來，MicroLED 裸芯片就以其在晶圓上生長時的間距轉(zhuǎn)移到了臨時載板上。
LIFT——改變間距
接下來是激光誘導(dǎo)前向轉(zhuǎn)移（LIFT）。在這一步，來自準(zhǔn)分子激光器的紫外光脈沖會從透明載板的背面入射。激光穿過載板和粘合劑，并與剩余的 GaN 緩沖層發(fā)生作用。如果使用短波長的紫外光，則可以實現(xiàn)幾乎沒有殘留物的轉(zhuǎn)移，并且對 MicroLED 芯片的發(fā)光表面幾乎沒有影響！這實際上是將裸芯片從載板上通過GaN氣化產(chǎn)生的氣體將其吹離，并將它們推到最終顯示基板上。最終顯示基板與載板是緊挨著放置的，但有一定間隙，這個間隙必須大于 MicroLED 芯片的厚度以避免碰撞。最終玻璃基板上的粘合劑會將 MicroLED 芯片固定在位。
基于 LIFT 的 MicroLED 巨量轉(zhuǎn)移。如上圖，使用 LIFT 工藝時，大面積光斑穿過掩膜板，以便僅釋放特定的裸芯片并將其推到顯示基板上。所謂的均勻平頂光束對于精確放置來說至關(guān)重要（不按比例）。
現(xiàn)在來到了“魔法”的關(guān)鍵部分，即改變間距（裸芯片間距）。矩形光斑穿過開孔的掩膜板。然后，將光斑做 2.5 倍或 5 倍縮放，以便投影的開孔圖案與最終顯示屏中的像素間距相同。通過這種方式，可以按每 5 個，甚至每 10 個，或其他任意整數(shù)個 LED 間距，將外延片晶圓上的 LED 芯片經(jīng)過幾微米的微小間隙推到顯示屏。然后，載板相對于固定光斑和掩膜板做小幅度移動，以轉(zhuǎn)到相鄰的 MicroLED 芯片組。顯示基板則會移動較遠(yuǎn)的距離。然后再重復(fù)這一過程。
另外，一些制造商正在研究一種略微不同的方法，這種方法是將裸芯片從外延片晶圓上剝離而改變間距。這稱為選擇性激光剝離。但總體結(jié)果是一樣的。
高吞吐量和強(qiáng)修復(fù)能力
首先在相對較小的藍(lán)寶石晶圓上經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)大量 MicroLED 芯片，然后采用 LIFT 工藝以更大的間隔（即芯片間距）放置它們，從而制造出大幅面顯示屏。此外，LIFT 的另一個顯著優(yōu)勢是速度快。每次脈沖可以轉(zhuǎn)移數(shù)以千計的 MicroLED 芯片。
在當(dāng)前面向研發(fā)的工藝中，準(zhǔn)分子激光脈沖頻率可以達(dá)到 20 Hz (即20個脈沖/秒)，這意味著可以在一秒鐘內(nèi)將 MicroLED 芯片轉(zhuǎn)到到640 mm2 的區(qū)域！而且在激光退火應(yīng)用中，使用更高的脈沖能量（超過 1 J）和更高的重復(fù)頻率，準(zhǔn)分子激光技術(shù)也表現(xiàn)出了極為出色的功率可擴(kuò)展能力。使用 LIFT 工藝，可以采用更高的脈沖能量來匹配更大的掩膜板和光斑尺寸。
現(xiàn)在，對于制造相對簡單的半導(dǎo)體器件（如無機(jī) MicroLED 芯片），其良率已經(jīng)達(dá)到了非常高的水平。但是每個顯示屏上有數(shù)百萬個發(fā)光器件，因此存在像素有缺陷或工藝誤差的可能性，即其中有個別 RGB 器件無法正常工作。不過這種可能性很小，并且數(shù)量有限。通過使用帶有單個開孔的掩膜板或基于振鏡的系統(tǒng)可以添加用于替換的裸芯片，這種修復(fù)很容易用自動激光工藝來完成。
Coherent高意公司現(xiàn)已提供一款名為 UVtransfer 的 MicroLED 生產(chǎn)工具。該工具可執(zhí)行全部三項工藝：激光剝離（LLO）、激光誘導(dǎo)前向轉(zhuǎn)移（LIFT）以及缺陷像素的修復(fù)和修整。這款三合一工具將助力 MicroLED 顯示屏制造，生產(chǎn)出實用且經(jīng)濟(jì)的屏幕。
（來源：Coherent高意激光）
