1. Micro-LED-technologie krijgt als grensgebied in de volgende-generatie displaytechnologie brede aandacht en onderzoek. Vergeleken met traditionele LCD-schermen en organische licht{3}}emitterende diodes (OLED), biedt Micro LED een hogere helderheid, een hoger contrast en een breder kleurengamma, terwijl het ook een lager energieverbruik en een langere levensduur heeft. Dit geeft Micro LED een enorm potentieel op gebieden als televisies, smartphones, kleine- slimme wearables,- autoschermen en AR/VR. De parametervergelijking tussen Micro LED, LCD en OLED wordt getoond in Figuur 1.
Massaoverdracht is een belangrijke stap bij het overbrengen van Micro LED-chips van het groeisubstraat naar het doelsubstraat. Vanwege de hoge dichtheid en het kleine formaat van Micro LED-chips hebben traditionele overdrachtsmethoden moeite om aan de hoge precisie-eisen te voldoen. Het realiseren van een displayarray die Micro-LED's combineert met circuitdrivers vereist meerdere massaoverdrachten van de Micro LED-chips (tenminste van saffiersubstraat naar tijdelijk substraat naar nieuw substraat), waarbij elke keer een groot aantal chips wordt overgedragen, wat hoge eisen stelt aan de stabiliteit en precisie van het overdrachtsproces. Lasermassaoverdracht is een technologie voor het overbrengen van micro-LED-chips van het oorspronkelijke saffiersubstraat naar het doelsubstraat. Eerst worden de chips via laserpeeling gescheiden van het oorspronkelijke saffiersubstraat; vervolgens wordt een ablatiebehandeling uitgevoerd op het doelsubstraat om de chips over te brengen op een substraat met een kleverig materiaal (zoals polydimethylsiloxaan). Ten slotte worden de chips overgebracht van het PDM-substraat naar de TFT-backplane met behulp van de metaalbindingskracht op de TFT-backplane.
02Laser Peeling-technologie
De eerste stap bij laserbulkoverdracht is laserpeeling (LLO). De opbrengst van laserpeeling bepaalt direct de uiteindelijke opbrengst van het gehele lasertransferproces. Micro-LED's gebruiken doorgaans substraten zoals Si en saffier om GaN-epitaxiale lagen te laten groeien ter voorbereiding. Er zijn aanzienlijke problemen, zoals een grote mismatch in het rooster en verschillen in thermische uitzettingscoëfficiënten tussen Si-materialen en GaN; daarom worden saffiersubstraten vaker gebruikt bij het vervaardigen van Micro LED-chips. De bandafstand van saffier is 9,9 eV, GaN is 3,39 eV en AlN is 6,2 eV. Het principe van laserpeeling omvat het gebruik van lasers met korte-golflengte met fotonenenergie die groter is dan de bandafstand van de GaN-energie, maar kleiner dan de bandafstand van saffier en AlN, die uitstralen vanaf de saffierzijde. De laser gaat door saffier en AlN en wordt vervolgens geabsorbeerd door het GaN-oppervlak. Tijdens dit proces ondergaat het GaN-oppervlak thermische ontbinding, en aangezien het smeltpunt van Ga ongeveer 30 graden bedraagt, worden N2 en vloeibaar Ga gegenereerd, waarbij N2 vervolgens ontsnapt, waardoor de scheiding van de epitaxiale GaN-laag van het saffiersubstraat wordt bereikt door mechanische kracht. De ontledingsreactie die optreedt op het grensvlak kan worden weergegeven als:
Volgens de formule voor fotonenenergie moet de optimale lasergolflengte die aan de bovenstaande voorwaarden voldoet binnen het volgende bereik vallen: 125 nm < 209 nm Kleiner dan of gelijk aan λ Kleiner dan of gelijk aan 365 nm. Onderzoek toont aan dat laserpulsbreedte, lasergolflengte en laserenergiedichtheid sleutelfactoren zijn bij het bereiken van het laserablatieproces.
Om micro-LED-verlichting in volledige-kleuren te realiseren, is het noodzakelijk om Micro LED-chips in rood, groen en blauw nauwkeurig te rangschikken en te integreren op hetzelfde substraat om een kleine kleurenweergavepixel met hoge- resolutie te creëren. De Laser Lift-Off (LLO)-methode is niet geschikt voor de selectieve integratie van niet-uniforme rode, groene en blauwe Micro LED-apparaten. Bovendien is het selectief repareren van een klein aantal beschadigde Micro LED-chips cruciaal voor het verbeteren van de opbrengst van displayproducten. Daarom is de technologie van Selective Laser Lift-Off (SLLO) ontstaan. Deze technologie is toepasbaar op heterogene integratie en selectieve reparatie, zonder de noodzaak van een complexe batchverwerkingsprocedure. Het kan ook selectief specifieke vooraf{10}}aangewezen LED's overbrengen en beschadigde LED's repareren. SLLO werkt door laserbestraling te gebruiken om micro-LED-chips selectief van de interface met het substraat af te pellen. Meestal wordt ultraviolet licht als lichtbron gebruikt. Het licht met de kortere golflengte heeft een sterkere wisselwerking met de materialen, waardoor een nauwkeuriger afpelproces mogelijk is. Bovendien is de warmte die wordt gegenereerd tijdens het pelproces met ultraviolet licht relatief laag, waardoor het risico op thermische schade wordt verminderd.
Uniqarta heeft een parallelle laserafpelmethode op grote schaal- voorgesteld, zoals weergegeven in figuur 4. Door een X-Y-laserscanner toe te voegen aan de laser met enkele puls, wordt een enkele laserstraal in meerdere laserstralen gebogen, waardoor het afpellen van chips op grote- schaal mogelijk wordt. Dit schema verhoogt het aantal chips dat in één enkele bewerking wordt geschild aanzienlijk, waardoor een afpelsnelheid van 100 M/u wordt bereikt, met een overdrachtsnauwkeurigheid van ±34 μm, en beschikt over goede defectdetectiemogelijkheden, waardoor het momenteel geschikt is voor de overdracht van verschillende formaten en materialen.
3Laseroverdrachttechnologie
De tweede stap van massieve laseroverdracht is laseroverdracht, waarbij de gestripte chips van het tijdelijke substraat naar de backplane worden overgebracht. De laser-geïnduceerde voorwaartse overdracht (LIFT)-technologie voorgesteld door Coherent is een methode die verschillende functionele materialen en structuren in door de gebruiker-gedefinieerde patronen kan plaatsen, waardoor plaatsing op grote- schaal van structuren of apparaten met kleine kenmerken mogelijk wordt. Momenteel heeft LIFT-technologie met succes de overdracht van verschillende elektronische componenten gerealiseerd, met afmetingen variërend van 0,1 tot meer dan 6 mm². Figuur 5 toont een typisch LIFT-proces. Bij het LIFT-proces gaat de laser door het transparante substraat en wordt geabsorbeerd door de dynamische afgiftelaag. Als gevolg van het ablatieve of verdampingseffect van de laser neemt de hoge druk die wordt gegenereerd door de dynamische lossingslaag snel toe, waardoor de chip van de stempel naar het ontvangende substraat wordt overgebracht.
Na verbeteringen ontwikkelde Uniqarta een laser-geïnduceerde voorwaartse overdrachtstechnologie op basis van blaren (BB-LIFT). Zoals weergegeven in Figuur 6 is het verschil dat tijdens laserbestraling slechts een klein deel van de DRL wordt geablateerd en gas produceert om impactenergie te leveren. De DRL kan de schokgolf inkapselen in een uitzettende blister, waardoor de chip zachtjes naar het ontvangende substraat wordt geduwd, wat de overdrachtsnauwkeurigheid kan verbeteren en schade kan verminderen.
De niet-herbruikbaarheid van de stempel is een belangrijke factor die de toepassing van BB-LIFT beperkt. Om de kosten-effectiviteit te verbeteren, ontwikkelden onderzoekers een herbruikbare BB-LIFT-technologie gebaseerd op het ontwerp van herbruikbare stempels, zoals weergegeven in figuur 7. De stempel bestaat uit microholtes met een metalen laag, met de wanden van de holte en een elastische zelfklevende mal met microstructuren die worden gebruikt voor het inkapselen van de microholtes en het hechten van de chip. Bij bestraling met een laser van 808 nm absorbeert de metaallaag de laser en genereert warmte, waardoor de lucht in de holte snel uitzet, wat leidt tot vervorming van de stempel en een aanzienlijke vermindering van de hechting. Op dit punt zorgt de schok die wordt gegenereerd door het borrelen ervoor dat de chip loskomt van de stempel.
Bij grootschalige overdracht- is een sterke hechting vereist tijdens het plukken om een betrouwbare vangst te garanderen; tijdens plaatsing moet de hechting zo minimaal mogelijk zijn om overdracht te bewerkstelligen. De kern van de technologie ligt dus in het verbeteren van de schakelverhouding van de hechtkracht. Onderzoekers hebben expandeerbare microbolletjes in de lijmlaag ingebed en een laserverwarmingssysteem gebruikt om externe thermische stimuli te genereren. Tijdens het plukproces zorgen de kleine- ingebedde expandeerbare microbolletjes voor de vlakheid van het oppervlak van de lijmlaag, terwijl het effect op de sterke hechting van de lijmlaag kan worden verwaarloosd. Tijdens het overdrachtsproces wordt de externe thermische stimulus van 90 graden, gegenereerd door het laserverwarmingssysteem, echter snel overgebracht naar de lijmlaag, waardoor de interne microbolletjes snel uitzetten, zoals weergegeven in Figuur 8. Dit resulteert in een gelaagde micro-ruwstructuur op het oppervlak, waardoor de oppervlakteadhesie aanzienlijk wordt verminderd en een betrouwbare lossing wordt bereikt.
Om overdracht op grote schaal- te bereiken, ontdekten onderzoekers dat de overdracht afhangt van de verandering in de adhesie tussen de TRT en het functionele apparaat, en wordt geregeld door temperatuurparameters, zoals weergegeven in Figuur 9. Wanneer de temperatuur onder de kritische temperatuur Tr ligt, is de energievrijgavesnelheid van de TRT/functioneel apparaat groter dan de kritische energievrijgavesnelheid van het functionele apparaat/bronsubstraat, waardoor scheuren de neiging hebben zich voort te planten op de TRT/functioneel apparaatinterface, waardoor het functionele apparaat kan worden opgepikt. Tijdens het overdrachtsproces wordt de temperatuur verhoogd tot boven de kritische temperatuur Tr door laserverwarming, en de energieafgiftesnelheid van het TRT/functionele apparaat is minder dan de kritische energieafgiftesnelheid van het functionele apparaat/doelsubstraat, waardoor het functionele apparaat met succes kan worden overgedragen naar het doelsubstraat.
