01
Invoering
Micro-LED-technologie, als een baanbrekend{0}}gebied van de volgende-generatie displaytechnologie, krijgt brede aandacht en onderzoek. Vergeleken met traditionele LCD-schermen en organische licht{3}}emitterende diodes (OLED's) bieden micro-LED's een hogere helderheid, een hoger contrast en een breder kleurengamma, terwijl ze ook minder stroom verbruiken en een langere levensduur hebben. Dit geeft micro-LED's een aanzienlijk potentieel in televisies, smartphones, kleine draagbare apparaten, in-voertuigschermen en AR/VR-toepassingen. Een vergelijking van parameters tussen Micro LED, LCD en OLED.
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 te voldoen aan de vereisten voor overdracht met hoge-precisie. Het realiseren van een displayarray die Micro LED combineert met circuitaandrijving vereist meerdere massaoverdrachten van Micro LED-chips (tenminste van saffiersubstraat → tijdelijk substraat → nieuw substraat), waarbij elke keer een groot aantal chips wordt overgedragen, wat een hoge stabiliteit en nauwkeurigheid van het overdrachtsproces vereist. Lasermassaoverdracht is een techniek voor het overbrengen van micro-LED-chips van het oorspronkelijke saffiersubstraat naar het doelsubstraat. Ten eerste worden de chips gescheiden van het oorspronkelijke saffiersubstraat door middel van laserlift-; vervolgens wordt ablatie uitgevoerd op het doelsubstraat om het mogelijk te maken dat de chips worden overgebracht naar een substraat met kleefmaterialen (zoals polydimethylsiloxaan). Ten slotte worden de chips, met behulp van de metaalbindingskracht op de TFT-backplane, overgebracht van het PDM-substraat naar de TFT-backplane.
02
Laser Lift--technologie
De eerste stap bij lasermassaoverdracht is laserlift-uit (LLO). De opbrengst van de laserlift- bepaalt rechtstreeks de uiteindelijke opbrengst van het gehele laseroverdrachtsproces. Micro-LED's gebruiken doorgaans substraten zoals Si en saffier om GaN-epitaxiale lagen te laten groeien voor fabricage. Er zijn aanzienlijke verschillen in roostermismatch en thermische uitzettingscoëfficiënt tussen Si en GaN, dus saffiersubstraten worden vaker gebruikt bij de vervaardiging 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 laserlift-is het gebruik van een laser met korte-golflengte met fotonenenergie groter dan de GaN-bandafstand maar kleiner dan de bandafstand van saffier en AlN, die uitstraalt vanaf de saffierzijde. De laser gaat door de saffier en AlN en wordt geabsorbeerd door de GaN-oppervlaktelaag. Tijdens dit proces ondergaat het GaN-oppervlak thermische ontbinding. Omdat het smeltpunt van Ga ongeveer 30 graden bedraagt, worden N2 en vloeibaar Ga gegenereerd en ontsnapt N2, waardoor de epitaxiale GaN-laag mechanisch wordt gescheiden van het saffiersubstraat. 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 liggen: 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 volledige-kleuremissie met micro-LED's te bereiken, is het noodzakelijk om rode, groene en blauwe micro-LED-chips nauwkeurig op hetzelfde substraat te rangschikken en te integreren om kleine kleurenweergavepixels met hoge- resolutie te creëren. LLO is echter 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 Laser Selective Lift-}-technologie (SLLO) ontstaan. Deze technologie is geschikt voor heterogene integratie en selectieve reparatie, zonder dat hiervoor complexe batchprocessen nodig zijn. Het kan ook selectief een aantal vooraf-gespecificeerde LED's overbrengen en beschadigde LED's repareren.
SLLO wordt bereikt door een laser te gebruiken om selectief de interface tussen de Micro LED-chips en het substraat te scheiden. Ultraviolet licht wordt vaak als lichtbron gebruikt. Licht met een korte-golflengte heeft een sterkere wisselwerking met het materiaal, waardoor een nauwkeuriger lift-proces mogelijk is. Bovendien is de warmte die wordt gegenereerd door ultraviolet licht tijdens het lift-proces relatief laag, waardoor het risico op thermische schade wordt verkleind.
Uniqarta heeft een parallelle laser-exfoliatiemethode op grote schaal- voorgesteld, zoals weergegeven in figuur 4. Door een X-Y-laserscanner toe te voegen op basis van een enkele-pulslaser, wordt een enkele laserstraal in meerdere bundels gebroken, waardoor chip-exfoliatie op grote- schaal mogelijk wordt. Dit schema verhoogt het aantal chips dat in één run wordt geëxfolieerd aanzienlijk, waardoor een exfoliatiesnelheid van 100 M/u, een overdrachtsnauwkeurigheid van ± 34 μm en een goed defectdetectievermogen wordt bereikt, geschikt voor de overdracht van verschillende stroomgroottes en materialen.
03
Laseroverdrachtstechnologie
De tweede stap van massieve laseroverdracht is laseroverdracht, waarbij de gedelamineerde chip van het tijdelijke substraat naar de backplane wordt overgebracht. De laser-geïnduceerde voorwaartse overdracht (LIFT)-technologie voorgesteld door Coherent is een techniek die verschillende functionele materialen en structuren in door de gebruiker-gedefinieerde patronen kan plaatsen, waardoor grootschalige- plaatsing van structuren of apparaten met kleine kenmerkafmetingen mogelijk wordt. Momenteel heeft de 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. Door laserablatie of verdamping 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 op blaren-gebaseerde laser-geïnduceerde voorwaartse overdrachtstechnologie (BB-LIFT). Zoals weergegeven in figuur 6 ligt het verschil daarin dat tijdens laserbestraling slechts een klein deel van de DRL wordt weggenomen om gas te genereren dat impactenergie levert. De DRL kan de schokgolf binnenin inkapselen door een uitgezette blister te creëren, waardoor de chip voorzichtiger 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, hebben onderzoekers een herbruikbare BB-LIFT-techniek ontwikkeld, gebaseerd op het ontwerp van herbruikbare mallen, zoals weergegeven in figuur 7. De stempel bestaat uit een microholte met een metalen laag, met spouwwanden en een microgestructureerde elastische zelfklevende mal die wordt gebruikt om de microholte in te kapselen en de chip te verbinden. Onder verlichting door een laser van 808 nm absorbeert de metaallaag de laser en genereert warmte, waardoor de lucht in de holte snel uitzet, waardoor de stempel wordt vervormd en de hechting aanzienlijk wordt verminderd. Op dit punt vergemakkelijkt de impact die wordt gegenereerd door de vorming van bellen het losmaken van de chip van de stempel.
Bij overdracht op grote- schaal is een sterke hechting vereist tijdens het oppakken- om betrouwbare acquisitie te garanderen, terwijl de hechting tijdens plaatsing zo laag mogelijk moet zijn om overdracht te bewerkstelligen. Daarom ligt de sleuteltechnologie in het verbeteren van de hechtingsschakelverhouding. Onderzoekers hebben expandeerbare microbolletjes in de lijmlaag ingebed en een laserverwarmingssysteem gebruikt om externe thermische stimulatie te genereren. Tijdens het oppakproces- 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 stimulatie van 90 graden, gegenereerd door het laserverwarmingssysteem, snel overgebracht naar de lijmlaag, waardoor de interne microbolletjes snel uitzetten, zoals weergegeven in Figuur 8. Dit resulteert in een micro-liftstructuur 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 variatie in 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, overschrijdt de energievrijgavesnelheid van de TRT/functioneel apparaat de kritische energievrijgavesnelheid van het functionele apparaat/bronsubstraat, waardoor scheuren zich voortplanten op de TRT/functioneel apparaatinterface, waardoor het functionele apparaat wordt opgepikt. Tijdens het overdrachtsproces verhoogt laserverwarming de temperatuur boven de kritische temperatuur Tr, waardoor de energieafgiftesnelheid van het TRT/functionele apparaat lager wordt dan de kritische energieafgiftesnelheid van het functionele apparaat/doelsubstraat, waardoor het functionele apparaat met succes wordt overgedragen op het doelsubstraat.
