本文作者：Marie Freebody
2000年代初，德克薩斯理工大學江紅星教授與林靖宇教授夫婦團隊首次展示了micro-LED顯示器的一系列突出功能。從那時起，該技術在越來越多的流行電子設備的顯示屏中得到越來越多的采用。它們的應用范圍從大型視頻墻到可穿戴設備和AR/VR設備的微型顯示器。隨著深紫外(DUV)激光制造系統的進一步發展，專家預測，micro-LED將進一步顛覆顯示器市場，并有助于在屏幕上添加攝像頭和傳感器等新功能。
micro-LED具有與傳統LED相同的特性，但尺寸小于50 μm，甚至可小至3 μm。每個像素都可以使用RGB LED芯片單獨控制，該芯片可以發出三種不同顏色的光。
由于尺寸較小，像素間距較小，micro-LED 可以提供高達10K每英寸像素(PPI)的分辨率，并以低50%的功耗提供至少100倍的OLED 亮度。它們的功耗僅為傳統液晶顯示器的10%。
“micro-LED顯示器提供了消費者想要的一系列性能標準，這是其他現有顯示技術無法實現的，”江紅星教授說， “這包括高亮度、高效率、自發射率、超高空間分辨率和對比度、超低功耗、寬視角和色域、快速運行速度和環境穩定性。”
micro-LED的獨特優勢和日益普及正在影響其制造中使用的激光系統的發展。制造micro-LED顯示器可能涉及多種激光工藝，以制備、操作和組裝構成顯示器的微小像素以及層。具體來說，激光用于對硅晶圓進行退火，在轉移過程中將micro-LED與玻璃載體分離，并從顯示器上修整有缺陷的LED。優化激光源以提高所有這些工藝的產量和成本效率是一項持續的挑戰。
準分子和固態激光器是最常用的光源。準分子具有更高的脈沖能量，可以減少材料加工應用中的熱影響區。然而，準分子光源相對昂貴，特別是由于它所需的光束傳輸光學器件成本高且復雜，還難以維護，又使用有毒氣體并且需要昂貴的維修費用。
盡管準分子的漸進式改進是可能的，但一些用戶質疑這些光源是否能夠像固態光源一樣降低micro-LED生產成本。
固態源通常依靠二極管激光器來泵浦晶體或摻雜光纖介質來產生近紅外光。然后，非線性晶體可以將其光束頻率增加到紫外線波長的三倍。為了使DUV光源更適合micro-LED生產應用，供應商正在尋求增加脈沖能量并延長使用壽命。提高重復率也很大有助益，因為它可以轉化為更高的平均功率，從而提高生產率。
更廣泛地采用micro-LED顯示器的主要障礙之一是其制造工藝的復雜性。林靖宇教授表示，這一過程的一個主要瓶頸是數百萬個micro-LED從生長它們的半導體晶圓到顯示面板背板的大規模轉移。“創新的傳質工藝可以實現高吞吐量和產量，但仍需要改進和優化，以提高成本效率并降低最終產品價格。”
3D-Micromac AG 首席執行官Uwe Wagner同意，盡管micro-LED具有潛在的性能優勢，但其生產成本有助于保持更成熟的mini-LED、LED 和 OLED 的競爭力。
“micro-LED 提供了高分辨率和明亮顯示的可能性。每個像素都由三個、四個或更多LED 組成，這導致每個顯示器的LED數量達到極限。”Wagner說道。“但目前還不可能將制造成本降低到可銷售的水平。”
與通過藍寶石晶圓上的外延技術制造的micro-LED不同，micro-LED必須通過激光剝離 (LLO) 工藝將其與其生長基板分離。由于micro-LED的外延層只有幾微米厚，因此轉移過程需要精細且精確的方法。
DUV激光器是唯一能夠提供將氮化鎵(GaN)micro-LED外延層與其生長基板分離所需的能量和微米級精度的選擇。事實上，外延晶圓被鍵合到可以多次重復使用的處理晶圓上。Wagner 說：“GaN 層吸收藍寶石晶圓和micro-LED堆疊之間施加的激光能量，從而導致氮化物蒸發。” “因此，藍寶石晶圓被從micro-LED結構上剝離，而所謂的供體晶圓仍然存在。”
盡管 LLO 技術比非激光方法提供更高的吞吐量，但它們對相干光束的依賴使其對激光器的穩定性、光束均勻性、脈沖重疊和脈沖邊緣效應敏感。這使得均勻地傳遞激光束的能量變得至關重要。
總部位于日本的材料研發公司信越化學工業株式會社利用248 nm準分子激光器的特性和光束整形技術來幫助克服這些挑戰。
信越創新顯示材料與技術部門經理 Eiichiro Yamasaki 表示：“由于芯片尺寸極小，而且需要處理的芯片數量也非常多，因此與其他顯示器相比，micro-LED 顯示器更加復雜。” “248 nm 準分子激光器使用光掩模實現均勻的高帽形線光束，使micro-LED芯片能夠用均勻的激光照射。”
盡管固態DUV激光器中的轉換晶體容易退化，但IPG Photonics的最新發展表明DUV晶體壽命得到了顯著改善。其結果是光束質量參數具有更高的穩定性。
IPG Photonics市場開發經理Alexei Markevitch表示，新技術允許用戶在不發生晶體移位的情況下操作激光器，從而消除了光束質量隨時間變化的擔憂。“它使激光操作變得更簡單，并降低了維護成本！”
準分子激光器在具有亞微米吸收深度的單脈沖過程中工作。相比之下，光纖或二極管泵浦固態 (DPSS) 激光器通常在芯片上光柵掃描光束，從而產生一些預期的脈沖重疊。這可能會導致更深的總吸收深度。
如今的 DUV 激光器可以加工尺寸小至5 μm的micro-LED，滿足當前的應用需求。未來的主要重點是降低材料成本并提高重復率。盡管隨著micro-LED尺寸縮小到個位數微米級，材料成本會下降，但Markevitch強調，提高重復率還是很重要的。
“準分子或固態 DUV 激光器的重復率越高，平均功率就越高，”他說。“生產力總是與平均功率成正比。然而，為了發揮作用，更高的重復率應該得到光束傳輸和定位平臺的支持。”
LLO 工藝將GaNmicro-LED從藍寶石晶圓釋放到臨時載體上后，必須將LED整體轉移到顯示器上。所討論的micro-LED的規模使得這是一個微妙而精確的過程，甚至挑戰了傳統的LLO轉移方法，從而引起人們對替代方法的興趣。
相干公司顯示器垂直市場營銷總監Oliver Haupt表示：“micro-LED尺寸正在進一步縮小，小至3至5 μm，而激光轉移是滿足消費類顯示器制造的吞吐量和規模要求的最佳且唯一的選擇。”
具體一點的話，這一工藝更應該稱為激光誘導正向傳輸 (LIFT)，可以以微米級精度將數百萬個單獨的micro-LED放置在顯示器上。隨著市場要求每小時轉移超過1億個芯片，同時保持優于1.5 μm的貼裝精度，DUV準分子激光器可提供最佳的能量穩定性，滿足行業所需的吞吐量。
Haupt說：“準分子激光器已被證明具有數十年來同類最佳性能，可用于顯示器應用。”。“它們的高脈沖能量尤其能夠實現最高的吞吐量和真正的工業制造。”
激光還可用于修復和翻新過程，以糾正micro-LED顯示器中的缺陷或損壞。炬光科技泛半導體制程事業部副總經理顧維一表示，巨量轉移工藝必須將LED芯片的貼裝精度保持在±0.5μm以內，才能保證良率。但即使良率高達99.999%，4K電視仍會有約260個壞點需要修復。
“這就是激光的高精度和指向性發揮重要作用的地方。”顧維一說。
通常，芯片修復過程包括檢查、檢測、激光去除和激光焊接步驟。除了在巨量轉移生產中發揮作用外，LLO和LIFT技術還可用于用功能正常的micro-LED替換故障的micro-LED。
在此過程的最初階段，高精度光學檢測設備識別并定位芯片上的死點。然后，在單個芯片轉移到激光將其焊接到位的空點之前，高峰值能量激光束去除這些死點。
盡管激光器對于micro-LED的轉移和修復都至關重要，但這兩項任務優先考慮所用光源的不同性能參數。3D-Micromac的Wagner表示： “全晶圓LLO工藝需要高脈沖能量才能實現全晶圓處理所需的吞吐量。通過增加脈沖能量，可以增加照射面積，從而提高吞吐量。相比之下，修整需要將激光曝光到單個micro-LED上，任何定時或定位的不穩定都可能導致激光點錯過micro-LED。”
折射光學元件將激光輸出整形為方形、線性和矩形幾何形狀的大或精確的小光束點。
“最小光束長度可短至50μm，而長寬方向的能量輸出仍可達到超過97%的均勻度，是修復不同尺寸的micro-LED芯片最佳解決方案。”顧維一說。
由于micro-LED顯示器處于產品生命周期的早期階段，制造標準尚未確定。幾乎可以肯定的是，在未來，這些顯示器的大規模生產操作將對 DUV光源提出目前無法滿足的要求。激光器將面臨持續的壓力，要求提供更高的重復率和更好的光束均勻性，以提高吞吐量，從而降低這些顯示器的成本。
與此同時，DUV激光技術本身的發展將提高這些光源的標準。目前用于micro-LED制造的固態DUV激光器可提供10 W的輸出功率。隨著輸出功率的增加，這些激光器可能成為顯示器制造的首選激光器。除了激光源的進步之外，專家強調，光束傳輸系統、光學器件和材料兼容性對于micro-LED顯示器的成功同樣重要。
Yamasaki表示：“僅僅開發DUV光源并不能實現micro-LED顯示器的量產，材料技術和裝備技術很重要，材料和裝備的兼容性也很重要。”
人們對DUV光源的未來及其在制造micro-LED顯示器中發揮的關鍵作用寄予厚望。這兩種技術之間的共生關系將繼續促進兩者的發展。
Wagner表示：“我個人堅信，micro-LED顯示屏市場最終將取得重大的市場成功。這將導致需求增加，進而加速DUV光源的未來開發和性價比優化。”
全球顯示器制造商的注意力日益轉向micro-LED技術，幾乎所有供應商都展示了第一批原型機。隨著micro-LED應用的增長，生產設備的規模化將成為關鍵。
相干公司的Haupt表示： “我們的工業紫外線激光器和光學系統如今能夠全天候生產高分辨率OLED顯示器，我們正在致力于開發下一代技術。我們已經在OLED顯示器上證明了這一點，并將在micro-LED上再次證明這一點。”
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