激光制造MICRO-LED 显示屏

基于氮化镓 (GaN) 的Micro-LED 可用于制造分辨率、能效、亮度、使用寿命和工作温度远超现有技术的显示屏,前景可观。要实现从 LED(晶元尺寸约 200 μm)到Micro-LED(晶元尺寸约 20 μm)的过渡,必须采用先进的制造方法,这就为基于激光的加工创造了新机遇。

由于蓝宝石晶片的晶格失配度和成本均相对较低,因此当今的大多数 LED 制造工艺采用蓝宝石晶片作为晶体生长基板。不过,如果使用蓝宝石作为最终(永久)载体材料,会在光效率和散热方面给 GaN LED 带来很大限制。因此,在高亮度 LED 开发与生产过程中产生了这样一个活跃领域:先通过激光剥离技术 (LLO) 实现蓝宝石非接触式分离,然后利用晶片粘合工艺将 GaN 层与异种主基板整合。为了生产薄型乃至柔性显示器件,新型Micro-LED 同样需要去除蓝宝石基板。

在 LLO 加工过程中,高强度 248 nm 脉冲会穿透蓝宝石基板,直接照射到Micro-LED 晶片上。约 10 nm 的面间 GaN 层在吸收紫外光的光子后,开始热分解成液态镓和氮气。蓝宝石晶片随即便可在几乎不产生任何作用力的情况下,实现与Micro-LED 晶元的分离。

例如,利用由相干公司与 Fraunhofer ILT(德国亚琛市)联合开发的新型 248 nm 准分子激光器光束系统,只需一次扫描即可覆盖一块 6 英寸晶片。为确保整个晶片区域接受相同且最佳的光通量照射,上例中的系统使用平顶光束轮廓。

组装包含数百万Micro-LED 芯片的高分辨率显示屏面临独特的难题。实际上,打造一块拥有 3,840 x 2,160 x 3 RGB 亚像素的 4K 显示屏需要向显示背板传送近 2400 万个Micro-LED。如果使用单独“取放”方法,打造一块显示屏将需要 6 周时间!

如今,使用大型准分子激光光束实现并行传送为解决这一挑战提供了一种高速的解决方案。在这种方案中,需要利用易于吸收紫外线的聚合物粘合薄膜,将经过处理的Micro-LED 外延片粘合到临时载体晶片。然后,在接受 248 nm 准分子激光光束照射后,粘合物便会气化。Micro-LED 芯片在实现分离的同时,会加快向接收背板传送。准分子光束脉冲的能量较高,只需一次照射就能覆盖数平方毫米范围,实现成千上万Micro-LED 的传送。换算成子像素传送速率,数值可达到每秒数百万。这种准分子激光诱导前向转移 (LIFT) 工艺可将组装一块 4K 显示屏的 LED 总传送时间压缩到一分钟以内。



聚合物树脂基体中由碳纤维组成的 CFRP 复合材料层。重量更轻,强度却是钢铁的五倍。

综合而言,准分子激光器非常适合用于满足显示屏行业中新兴应用领域的要求。准分子激光器拥有超短紫外脉冲,脉宽窄,光斑尺寸可调等特性,可以提高产能,这让它能够成为激光制造Micro-LED的关键促成技术。

文章来源:作者:相干公司Ralph Delmdahl

文章刊登于《Association of Industrial Laser Users》2018年第90期
 



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