全面了解激光技术在MicroLED制造中的应用与优势
MicroLED作为下一代显示技术的重要发展方向,凭借其卓越的色彩表现、高对比度、快速响应时间、高亮度和能效等优势,在智能手机、电视、可穿戴设备、汽车显示、AR/VR等诸多领域展现出广阔的应用前景。然而,MicroLED的制造工艺复杂,涉及高精度的芯片制造、微纳米级的蚀刻和转移技术等,这些过程对设备和技术要求极高,容易出现缺陷,导致生产良率较低,增加了制造成本,限制了其大规模量产和市场应用的推广。
在这一背景下,激光技术凭借其高精度、高效率、灵活性强等特点,在MicroLED制造中发挥着至关重要的作用,涵盖了激光外延生长、激光蚀刻、激光剥离、激光巨量转移、激光辅助键合、激光检测与修复等多个环节,为MicroLED的生产提供了强有力的技术支持和解决方案。
一、激光外延生长
1.激光外延生长的原理与优势
激光外延生长主要包括脉冲激光沉积(PLD)和激光分子束外延(LMBE)两种技术。
1)脉冲激光沉积(PLD):通过激光脉冲照射靶材,使靶材表面原子和分子获得足够动能,形成等离子体羽状物并沉积在衬底上形成薄膜。PLD技术能够实现微米级的局部生长和沉积,对结构控制更精准,适用于制备光学薄膜和GaN薄膜等。与传统化学气相沉积(MOCVD)相比,PLD可在较低温度下进行材料生长,减少热分解和不均匀生长问题,且适用材料和衬底广泛,包括硅、蓝宝石等。但在大规模生产中,PLD可能面临生长速率慢和均匀性控制难的问题,更适用于研究和小批量生产,可快速制备样品。
2)激光分子束外延(LMBE):利用激光蒸发将金属镓和氮气转化为高能原子和分子束,通过精确控制激光束来实现原子和分子束的方向、强度等,从而在衬底表面进行沉积生长。LMBE技术基于对原子和分子束的精确控制,可实现高质量晶体生长,提高MicroLED器件性能和可靠性。生长参数如生长温度、氮气流量和激光扫描频率等对生长过程影响显著,具备量产优势,生长速率高、均匀性和重复性好,适合大规模生产MicroLED外延层,如在蓝宝石衬底上生长GaN时,能有效减少极化效应影响,制备出高质量、低应力的GaN层。
2.激光外延生长在MicroLED制造中的应用
激光外延生长技术在MicroLED制造中主要用于制备高质量的外延层,这是MicroLED芯片制造的关键步骤之一。通过激光外延生长,可以精确控制外延层的材料组成、结构和厚度,从而优化MicroLED的发光效率、亮度和寿命等性能。例如,在蓝宝石衬底上生长GaN外延层时,激光外延生长能够有效减少外延层中的缺陷密度和应力,提高外延层的晶体质量,为后续的芯片制造和器件性能提升奠定坚实的基础。
二、激光蚀刻
1.激光蚀刻的原理与优势
激光蚀刻是将高能量激光束聚焦在芯片表面特定区域,使材料受热发生化学或物理变化实现去除的过程。主要包括激光辅助干蚀刻和激光直写(LDW)两种方法。
1)激光辅助干蚀刻:与传统电感耦合等离子体(ICP)/反应离子蚀刻(RIE)干蚀刻相比,具有更高的蚀刻速率(约为ICP/RIE的16倍)、更好的蚀刻均匀性(空间均匀性可达1-3%,优于ICP/RIE的3-5%)、更高的吞吐量(可达50-100片/小时,而ICP/RIE为10-20片/小时)以及更优的侧壁质量控制(侧壁垂直度可达8-80°,表面粗糙度RMS可达0.5-1nm)。但工艺复杂,光刻过程包括曝光、显影、蚀刻和剥离四个主要步骤,需要精确对准掩模和图案,且使用的UV激光能量吸收特性导致蚀刻深度相对较浅,对于需要较大深度的MicroLED可能需要多次处理。
2)激光直写(LDW):无需传统光刻掩模,直接通过控制激光束定位在材料表面形成图案,可实现单步高精度、高效率的微纳尺度制造,适用于GaN薄膜的多重和选择性图案化,能制造出更小的微结构。加工效率高,适用于多种激光加工材料。超快LDW(如飞秒激光)具有更高精度和更少热损伤,飞秒激光脉冲极短,能避免热传导造成的热损伤,已成为加工GaN薄膜的新手段。
2.激光蚀刻在MicroLED制造中的应用
激光蚀刻在MicroLED制造中主要用于芯片的微纳结构加工,如电极图案化、隔离结构形成等。通过激光蚀刻,可以实现高精度的微纳结构制造,提高芯片的集成度和性能。例如,在MicroLED芯片的电极图案化过程中,激光蚀刻能够精确去除多余的金属层,形成精细的电极图案,确保电极与发光区域的良好接触,降低电荷传输损耗,提高发光效率。同时,激光蚀刻还可以用于形成隔离结构,将不同颜色的MicroLED像素有效隔离,避免光串扰,提高显示质量。
三、激光剥离
1.激光剥离的原理与优势
激光剥离利用短波长激光(光子能量高于GaN能带隙但低于蓝宝石和AIN能带隙)从蓝宝石侧照射,激光能量被GaN外延层吸收,使表面GaN发生热分解,产生的氮气和液态镓导致界面应力变化,促使外延层从衬底释放。激光剥离效率较高,已广泛应用于LED和MicroLED生产中的衬底去除过程,转移效率可达99.9%,但转移精度相对略粗(约±10μm)。
激光剥离在MicroLED制造中的应用
激光剥离技术在MicroLED制造中主要用于从蓝宝石衬底上剥离GaN外延层,以便将外延层转移到其他基板上进行后续加工和封装。这一过程对于MicroLED的制造至关重要,因为蓝宝石衬底与GaN外延层之间存在较大的热膨胀系数差异,直接在蓝宝石衬底上进行后续加工容易导致芯片性能下降。通过激光剥离,可以将GaN外延层完整地从蓝宝石衬底上剥离下来,转移到其他更适合的基板上,如透明导电基板或柔性基板,从而提高MicroLED的性能和应用灵活性。
四、激光巨量转移
1.激光巨量转移的原理与优势
激光巨量转移通过激光照射透明基板上的动态释放层(DRL),使局部能量吸收、消融和分解,产生的气体压力将界面材料和附着的器件转移到目标基板。激光诱导前向转移(LIFT)是其中一种常用方法,DRL材料需具备在激光作用下能产生合适的粘附和释放特性。为克服传统LIFT技术的局限性,如低放置精度和芯片损伤问题,研究人员不断尝试新的方法,如激光诱导热气泡转移技术,通过控制激光照射产生气体形成气泡护盾,温和推动芯片转移,提高了转移精度并减少了损伤。
2.激光巨量转移在MicroLED制造中的应用
激光巨量转移技术在MicroLED制造中主要用于将MicroLED芯片从生长基板转移到显示基板上,实现芯片的巨量集成。这一过程对于MicroLED显示技术的发展至关重要,因为MicroLED芯片尺寸极小,数量众多,传统的转移方法难以满足高效率和高精度的要求。激光巨量转移能够实现快速、高效、高精度的芯片转移,提高生产效率,降低生产成本,为MicroLED显示技术的规模化应用提供了有力支持。
五、激光辅助键合
1.激光辅助键合的原理与优势
激光辅助键合利用高强度激光束照射金属表面,使其熔化从而实现电气连接。通过激光束的高精度和聚焦能力,对特定区域进行选择性加热和键合,增强键合精度和稳定性。具有选择性键合、局部加热等优点,适用于小间距MicroLED的键合,可减少热应力和晶圆翘曲风险,提高生产效率,确保键合精度和稳定性,同时因其非接触特性降低了芯片受损风险,提高了键合可靠性和成品率。
2.激光辅助键合在MicroLED制造中的应用
激光辅助键合在MicroLED制造中主要用于芯片与基板之间的电气连接,如MicroLED芯片与驱动电路的连接。通过激光辅助键合,可以实现高精度、高可靠性的电气连接,提高MicroLED器件的性能和稳定性。例如,在MicroLED芯片与柔性基板的连接过程中,激光辅助键合能够在不损伤芯片的情况下,实现芯片与基板之间的牢固连接
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