1. Die Mikro-LED-Technologie als Grenzgebiet der Display-Technologie der nächsten-Generation erfährt breite Aufmerksamkeit und Forschung. Im Vergleich zu herkömmlichen Flüssigkristallanzeigen und organischen Leuchtdioden (OLED) bietet Micro LED eine höhere Helligkeit, einen höheren Kontrast und einen größeren Farbraum, während es gleichzeitig einen geringeren Energieverbrauch und eine längere Lebensdauer hat. Dies bietet Micro LED ein enormes Potenzial in Bereichen wie Fernsehern, Smartphones, kleinen Smart Wearables, Autobildschirmen und AR/VR. Der Parametervergleich zwischen Micro-LED, LCD und OLED ist in Abbildung 1 dargestellt.
Der Stofftransfer ist ein wichtiger Schritt bei der Übertragung von Mikro-LED-Chips vom Wachstumssubstrat auf das Zielsubstrat. Aufgrund der hohen Dichte und geringen Größe von Micro-LED-Chips können herkömmliche Übertragungsmethoden die hohen Präzisionsanforderungen nur schwer erfüllen. Um ein Display-Array zu erhalten, das Mikro-LEDs mit Schaltkreistreibern kombiniert, sind mehrere Massentransfers der Mikro-LED-Chips erforderlich (zumindest vom Saphirsubstrat zum temporären Substrat zum neuen Substrat), wobei jedes Mal eine große Anzahl von Chips übertragen wird, was hohe Anforderungen an die Stabilität und Präzision des Übertragungsprozesses stellt. Laser-Massentransfer ist eine Technologie zur Übertragung von Mikro-LED-Chips vom nativen Saphirsubstrat auf das Zielsubstrat. Zunächst werden die Chips durch Laser-Peeling vom nativen Saphirsubstrat getrennt; Anschließend wird eine Ablationsbehandlung am Zielsubstrat durchgeführt, um die Chips auf ein Substrat mit einem klebrigen Material (z. B. Polydimethylsiloxan) zu übertragen. Schließlich werden die Chips mithilfe der Metallbindungskraft auf der TFT-Rückwandplatine vom PDM-Substrat auf die TFT-Rückwandplatine übertragen.
02Laser-Peeling-Technologie
Der erste Schritt der Laser-Massenübertragung ist das Laser-Peeling (LLO). Die Ausbeute des Laser-Peelings bestimmt direkt die Endausbeute des gesamten Laserübertragungsprozesses. Mikro-LEDs verwenden typischerweise Substrate wie Si und Saphir, um zur Vorbereitung epitaktische GaN-Schichten wachsen zu lassen. Es gibt erhebliche Probleme wie große Gitterfehlanpassungen und Unterschiede in den Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Si-Materialien und GaN; Daher werden bei der Herstellung von Mikro-LED-Chips häufiger Saphirsubstrate verwendet. Die Bandlücke von Saphir beträgt 9,9 eV, GaN 3,39 eV und AlN 6,2 eV. Das Prinzip des Laser-Peelings beinhaltet die Verwendung von Lasern mit kurzer -Wellenlänge, deren Photonenenergie größer als die GaN-Energiebandlücke, aber kleiner als die Bandlücken von Saphir und AlN ist und von der Saphirseite aus bestrahlt wird. Der Laser durchdringt Saphir und AlN und wird dann vom Oberflächen-GaN absorbiert. Während dieses Prozesses erfährt das Oberflächen-GaN eine thermische Zersetzung, und da der Schmelzpunkt von Ga etwa 30 Grad beträgt, werden N2 und flüssiges Ga erzeugt, wobei N2 anschließend entweicht, wodurch die Trennung der GaN-Epitaxieschicht vom Saphirsubstrat durch mechanische Kraft erreicht wird. Die an der Grenzfläche ablaufende Zersetzungsreaktion kann wie folgt dargestellt werden:
Gemäß der Formel für Photonenenergie sollte die optimale Laserwellenlänge, die die oben genannten Bedingungen erfüllt, im folgenden Bereich liegen: 125 nm < 209 nm Kleiner oder gleich λ Kleiner oder gleich 365 nm. Untersuchungen zeigen, dass die Laserpulsbreite, die Laserwellenlänge und die Laserenergiedichte Schlüsselfaktoren für den Laserablationsprozess sind.
Um eine vollfarbige Micro-LED-Beleuchtung zu realisieren, ist es notwendig, Micro-LED-Chips in Rot, Grün und Blau präzise auf demselben Substrat anzuordnen und zu integrieren, um ein kleines Farbanzeigepixel mit hoher Auflösung zu erzeugen. Die Laser Lift-Off (LLO)-Methode eignet sich nicht für die selektive Integration un-einheitlicher roter, grüner und blauer Micro-LED-Geräte. Darüber hinaus ist die selektive Reparatur einer kleinen Anzahl beschädigter Micro-LED-Chips entscheidend für die Verbesserung der Ausbeute von Displayprodukten. Aus diesem Grund ist die Technologie des Selective Laser Lift-Off (SLLO) entstanden. Diese Technologie ist auf die heterogene Integration und selektive Reparatur anwendbar, ohne dass ein komplexes Stapelverarbeitungsverfahren erforderlich ist. Es kann auch selektiv bestimmte vorab festgelegte LEDs übertragen und beschädigte LEDs reparieren. SLLO nutzt Laserbestrahlung, um Mikro-LED-Chips selektiv von der Schnittstelle zum Substrat abzuziehen. Als Lichtquelle wird typischerweise ultraviolettes Licht verwendet. Das Licht mit kürzerer Wellenlänge interagiert stärker mit den Materialien und ermöglicht so einen präziseren Schälvorgang. Darüber hinaus ist die beim Schälvorgang mit ultraviolettem Licht erzeugte Wärme relativ gering, wodurch das Risiko einer thermischen Schädigung verringert wird.
Uniqarta hat ein Verfahren zum parallelen Laserschälen im großen Maßstab vorgeschlagen, wie in Abbildung 4 dargestellt. Durch Hinzufügen eines X-Y-Laserscanners zum Einzelpulslaser wird ein einzelner Laserstrahl in mehrere Laserstrahlen gebeugt, was das Schälen von Chips im großen Maßstab ermöglicht. Dieses Schema erhöht die Anzahl der in einem einzigen Arbeitsgang geschälten Späne erheblich und erreicht eine Schälrate von 100 M/h bei einer Übertragungsgenauigkeit von ±34 μm. Außerdem verfügt es über gute Fehlererkennungsfähigkeiten, wodurch es derzeit für den Transfer verschiedener Größen und Materialien geeignet ist.
3Lasertransfertechnologie
Der zweite Schritt des Laser-Massentransfers ist der Lasertransfer, bei dem die abisolierten Chips vom temporären Substrat auf die Rückwandplatine übertragen werden. Die von Coherent vorgeschlagene laserinduzierte Vorwärtstransfertechnologie (LIFT) ist eine Methode, mit der verschiedene Funktionsmaterialien und Strukturen in benutzerdefinierten Mustern platziert werden können, was die Platzierung von Strukturen oder Geräten mit kleiner Strukturgröße in großem Maßstab ermöglicht. Derzeit ist es der LIFT-Technologie gelungen, verschiedene elektronische Komponenten mit Größen von 0,1 bis über 6 mm² zu übertragen. Abbildung 5 zeigt einen typischen LIFT-Prozess. Beim LIFT-Verfahren durchdringt der Laser das transparente Substrat und wird von der dynamischen Trennschicht absorbiert. Aufgrund der Ablations- oder Verdampfungswirkung des Lasers steigt der von der dynamischen Trennschicht erzeugte hohe Druck schnell an und überträgt so den Chip vom Stempel auf das Empfangssubstrat.
Nach Verbesserungen entwickelte Uniqarta eine laserinduzierte Vorwärtstransfertechnologie auf Basis von Blasen (BB-LIFT). Wie in Abbildung 6 dargestellt, besteht der Unterschied darin, dass während der Laserbestrahlung nur ein kleiner Teil des DRL abgetragen wird und Gas erzeugt, um Aufprallenergie bereitzustellen. Der DRL kann die Stoßwelle in einem expandierenden Blister einkapseln und den Chip sanft in Richtung des empfangenden Substrats drücken, was die Übertragungsgenauigkeit verbessern und Schäden reduzieren kann.
Die Nicht-Wiederverwendbarkeit des Stempels ist ein wesentlicher Faktor, der die Anwendung von BB-LIFT einschränkt. Um die Kosteneffizienz zu verbessern, entwickelten Forscher eine wiederverwendbare BB-LIFT-Technologie, die auf dem Design wiederverwendbarer Stempel basiert, wie in Abbildung 7 dargestellt. Der Stempel besteht aus Mikrokavitäten mit einer Metallschicht, wobei die Hohlraumwände und eine elastische Klebeform mit Mikrostrukturen zum Einkapseln der Mikrokavitäten und zum Bonden des Chips verwendet werden. Bei der Bestrahlung mit einem 808-nm-Laser absorbiert die Metallschicht den Laser und erzeugt Wärme, wodurch sich die Luft im Hohlraum schnell ausdehnt, was zu einer Verformung des Stempels führt und seine Haftung deutlich verringert. Zu diesem Zeitpunkt führt der durch die Blasenbildung erzeugte Stoß dazu, dass sich der Chip vom Stempel löst.
Bei der Übertragung im großen Maßstab ist beim Pflücken eine starke Haftung erforderlich, um eine zuverlässige Erfassung zu gewährleisten. Während der Platzierung muss die Adhäsion so gering wie möglich sein, um eine Übertragung zu erreichen. Daher liegt der Kern der Technologie in der Verbesserung des Adhäsionskraft-Umschaltverhältnisses. Die Forscher betteten expandierbare Mikrokügelchen in die Klebeschicht ein und erzeugten mithilfe eines Laserheizsystems externe thermische Reize. Während des Aufnahmevorgangs sorgen die kleinen eingebetteten expandierbaren Mikrokügelchen für die Ebenheit der Oberfläche der Klebeschicht, während der Einfluss auf die starke Haftung der Klebeschicht vernachlässigt werden kann. Während des Übertragungsprozesses überträgt sich der vom Laserheizsystem erzeugte äußere thermische Reiz von 90 Grad jedoch schnell auf die Klebeschicht, wodurch sich die inneren Mikrokügelchen schnell ausdehnen, wie in Abbildung 8 dargestellt. Dies führt zu einer geschichteten mikro{7}}rauhen Struktur auf der Oberfläche, wodurch die Oberflächenhaftung erheblich verringert und eine zuverlässige Ablösung erreicht wird.
Um eine groß angelegte Übertragung zu erreichen, fanden die Forscher heraus, dass die Übertragung von der Änderung der Haftung zwischen dem TRT und dem Funktionsgerät abhängt und durch Temperaturparameter gesteuert wird, wie in Abbildung 9 dargestellt. Wenn die Temperatur unter der kritischen Temperatur Tr liegt, ist die Energiefreisetzungsrate des TRT/Funktionsgeräts größer als die kritische Energiefreisetzungsrate des Funktionsgeräts/Quellensubstrats, was dazu führt, dass sich Risse tendenziell an der Schnittstelle zwischen TRT und Funktionsgerät ausbreiten, wodurch das Funktionsgerät aufgenommen werden kann. Während des Übertragungsprozesses wird die Temperatur durch Lasererwärmung über die kritische Temperatur Tr angehoben, und die Energiefreisetzungsrate des TRT/funktionellen Geräts ist geringer als die kritische Energiefreisetzungsrate des funktionalen Geräts/Zielsubstrats, sodass das funktionelle Gerät erfolgreich auf das Zielsubstrat übertragen werden kann.
