MicroLED – Laserverfahren für die Displayherstellung

Das Potenzial und die Herausforderungen von MicroLED

MicroLED (μLED) sind eine neue Art von Bauelementen, die große Möglichkeiten für die Displays der Zukunft bieten. Sie basieren in der Regel auf Galliumnitrid (GaN) und haben derzeit eine Größe von etwa 20 bis 50 µm; es wird jedoch erwartet, dass sie in Zukunft auf unter 10 µm verkleinert werden können. Durch den Einsatz bestehender GaN-Fertigungstechnologien auf einem Substrat aus gewachsenem Saphir lassen sich bei einer Linienbreite von wenigen Mikrometern sehr hohe Dichten erzielen.

Durch die Realisierung von Abmessungen im Mikrometerbereich, hoher Leuchtkraft und hoher Fertigungsdichte wird der Displaymarkt voraussichtlich über das derzeitige, durch OLED- und LCD-Displays geprägte Wachstum hinaus weiter wachsen. So können μLEDs beispielsweise zur Herstellung hochauflösender Displays für ultrakompakte AR-/VR-Anwendungen mit einer Größe von weniger als einem Zoll verwendet werden. Auch wenn es sich um das genaue Gegenteil in Bezug auf die Größe handelt, eignen sie sich ebenfalls für Großbildschirme im Innen- und Außenbereich.

Je kleiner die Chipgröße ist, desto mehr Chips lassen sich auf einem Wafer unterbringen, sodass solche Großbildschirme wirtschaftlich mit μLEDs hergestellt werden können. Da bei Großbildschirmen der Pixelabstand deutlich größer ist als die Abmessungen der Chips, ist die Gesamtzahl der Pixel der entscheidende Kostenfaktor für den Hauptbildschirm. Dies steht im Gegensatz zu Technologien wie OLED, bei denen die Kosten von der Bildschirmfläche abhängen.

Allerdings gibt es noch einige technische Herausforderungen, die bewältigt werden müssen, bevor μLEDs flächendeckend eingeführt werden können. Eine davon ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Ablösung der Chips vom Saphir-Wachstumssubstrat. Hinzu kommt der Prozess der Übertragung der Chips auf die Display-Substrate mit einer Genauigkeit und Zuverlässigkeit im Mikrometerbereich. Diese Verfahren müssen mit Reparatur- und Austauschmethoden kompatibel sein, um das unvermeidliche Problem fehlerhafter Chips zu bewältigen. Gleichzeitig müssen sie automatisiert werden und einen hohen Durchsatz gewährleisten, da die LED-Industrie eine Kostensenkung von bis zu 20-mal gegenüber den derzeitigen Gesamtkosten anstrebt. Da zudem davon auszugehen ist, dass die Chips auch in Zukunft weiter verkleinert werden, sind Verfahren wünschenswert, die dem Trend zur Miniaturisierung gerecht werden, ohne dass bei jeder Verkleinerung ein kostspieliger Austausch der Anlagen erforderlich wird.

Für die LLO-Herstellung von μLEDs hat Coherent ein UV-Transferverfahren entwickelt. Beim LLO-Verfahren wird der Chip von der Rückseite aus (durch transparentes Saphir) bestrahlt. Dadurch wird eine feine Schicht des GaN abgetragen, wobei eine geringe Menge Stickstoffgas entsteht, die den Chip ablöst. Der UV-Transfer-Prozess mit einer Wellenlänge von 248 nm kann auch für μLEDs verwendet werden, die auf anderen ähnlichen Materialien wie AlN gewachsen sind.

Beim UVtransfer-Verfahren wird der UV-Laserstrahl zunächst in einen quadratischen Strahl mit einem Top-Hat-Ausgangsprofil umgewandelt und anschließend durch eine Fotomaske auf einen Saphirwafer gerichtet. Durch diese gleichmäßige Intensität wird an jedem Punkt innerhalb des Bearbeitungsfeldes die gleiche Kraft ausgeübt. Das optische System ist so ausgelegt, dass mit jedem Hochenergieimpuls ein Chip mit großer Fläche abgehoben werden kann. Dieser Vorteil der Parallelverarbeitung ist eine Besonderheit unseres LLO-Verfahrens, das auf hochenergetischen UV-Excimer-Laserimpulsen basiert, und stellt einen wichtigen Faktor für die Kostensenkung in der Massenproduktion dar. (Das ähnliche System „UVblade“ von Coherent wird häufig für flexible OLED-LLOs eingesetzt.)

Laser-induzierte Vorwärts-Transkription (LIFT)

Das UV-Transfer-Verfahren eignet sich zudem hervorragend für die Massenübertragung und -platzierung ausgewählter Chips unter Verwendung des Prinzips der laserinduzierten Vorwärtsübertragung (LIFT). Eine zentrale Herausforderung dabei sind die drastischen Unterschiede im Pitch. Auf dem Wafer und dem Transferträger sind die Chips derzeit mit einem Pitch von etwa 1000 dpi dicht aneinander angeordnet. Je nach Größe und Auflösung beträgt der Abstand auf dem Display jedoch manchmal nur 50 bis 100 dpi. Außerdem müssen die Chips nacheinander platziert werden, wobei Rot, Blau und Grün an den jeweiligen Pixelpositionen angeordnet werden müssen.

Mit den bestehenden Transferverfahren, die nicht auf Laser basieren, lassen sich der erforderliche Durchsatz bei der erforderlichen Auflösung nicht erreichen. So stößt beispielsweise das mechanische Pick-and-Place-Verfahren an Grenzen hinsichtlich Geschwindigkeit und Platzierungsgenauigkeit und kann daher den Anforderungen der aktuellen technologischen Entwicklung nicht gerecht werden. Flip-Chip-Bonder hingegen ermöglichen zwar eine hochpräzise Platzierung (±1,5 μm), können jedoch jeweils nur einen Chip auf einmal bearbeiten. Im Gegensatz dazu bietet UVtransfer sowohl hohe Präzision (±1,5 μm) als auch die Fähigkeit zur parallelen Verarbeitung großer Mengen und ermöglicht so die Übertragung und Platzierung von Tausenden von Chips mit einer einzigen Laserbestrahlung.

Im Gegensatz zum LLO-Prozess, bei dem benachbarte Chips des gesamten Bereichs gleichzeitig bearbeitet werden, ändert sich beim Transferprozess der Abstand zwischen den Chips von dem ursprünglichen, engen Abstand auf dem Wafer auf den endgültigen Pixelabstand des Displays. Dies geschieht beispielsweise mithilfe einer Fotomaske mit einem Muster, bei dem jeder fünfte oder zehnte Chip bestrahlt wird. Wenn der nächste Bereich des Displays an die Position rückt, an der die Chips platziert werden sollen, wird die Maske auf dem temporären Träger um eine Wafer-Abstandsgröße verschoben, sodass eine völlig neue Anordnung von Chips übertragen wird.

Ein weiterer Unterschied zwischen LLO und dem Transferverfahren besteht darin, dass letzteres das Ablösen des Klebstoffs beinhaltet und die erforderliche Laserfluenz 5- bis 20-mal niedriger ist als bei III-V-Halbleitern. Diese hohe Effizienz bedeutet, dass auch bei geringer Laserleistung ein hoher Durchsatz erzielt werden kann.

Das UV-Transfer-Verfahren weist auch bei der Montage wichtige Merkmale auf. Selbst wenn zwischen dem auf dem Träger montierten Chip und der TFT-Platine nahezu kein Spalt vorhanden ist, muss die Aufprallkraft gesteuert und kontrolliert werden, um die Chips beschädigungsfrei und präzise zu positionieren. Insbesondere müssen Kraftstärke und -richtung über das gesamte Display hinweg optimal und gleichmäßig sein, um ein ausreichendes Zeitfenster für den Transfer zu gewährleisten.

Um eine äußerst homogene und gleichmäßige Belichtung der Chips im Bearbeitungsfeld zu gewährleisten, ist eine äußerst homogene Laserbestrahlung erforderlich. Dies ist eine Kernkompetenz von Coherent und findet in zahlreichen Anwendungsbereichen breite Nutzung. Dadurch entsteht ein äußerst homogenes 2D-Feld, dessen Form je nach Anwendungszweck in ein Quadrat oder ein Rechteck mit hohem Seitenverhältnis umgewandelt werden kann. Bei der Übertragung auf einem 6-Zoll-Wafer beträgt das effektive Feld des Wafers beispielsweise etwa 100 mm x 100 mm. Wie in Abbildung 4 dargestellt, bedeutet eine gleichmäßige Intensität im lokalen Bereich (ein einzelner Chip), dass der Chip an jeder Stelle des Bereichs gleichmäßig herausgedrückt wird. Das heißt, die Kraft wirkt stets vertikal, und es kommt zu keiner seitlichen Verschiebung, wie sie durch einen Strahl mit gaußförmigem oder geneigtem Intensitätsprofil verursacht würde. Wichtig ist auch, dass die Strahlintensität über einen großen Bereich (die Waferbreite) hinweg homogen ist. Dadurch wird jeder Chip mit derselben Kraft herausgedrückt.

Entscheidend ist, dass sich das UV-Transfer-Verfahren problemlos an extrem kleine Chips (unter 5 Mikrometer) und an engere Abstände zwischen den Leiterbahnen anpassen lässt als bei der derzeitigen Pilotproduktion. Tatsächlich ermöglicht kurzwelliges UV-Licht eine zukünftige Auflösung im Mikrometerbereich. Für die Verkleinerung der Chips sind lediglich andere Belichtungsmasken erforderlich.

Reparatur und Austausch des roten Würfels

Damit μLED-basierte Displays auf dem Markt erfolgreich sein können, müssen die Herstellungskosten drastisch gesenkt und die Ausbeute auf 100 % gesteigert werden. Gelingt dies nicht, lassen sich Displays mit einer Pixelanzahl von möglicherweise mehreren hundert Millionen nicht in die Praxis umsetzen. Da fehlerhafte Chips jedoch unvermeidbar sind, bleibt den Herstellern nichts anderes übrig, als eine Fertigungsplattform einzusetzen, die mit verschiedenen Reparatur- und Austauschverfahren kompatibel ist. Coherents UVtransfer ist sowohl bei der LLO- als auch bei der Transfer-Anwendung mit den bereits erforschten Austauschverfahren kompatibel.

Im ersten Schritt dieses Prozesses werden die fehlerhaften Chips lokalisiert und vom Wafer entfernt. Dadurch verbleibt auf dem temporären Träger eine Lücke an der Stelle, an der sich zuvor der entfernte Chip befand. Diese Lücke wird anschließend auf der endgültigen Leiterplatte geschlossen.

Dieser Prozess wird auf Chip-Ebene ausschließlich auf den ausgewählten Bereich angewendet, wobei fehlerhafte Chips zunächst vom Wafer entfernt werden, bevor die LLO durchgeführt wird. Die Karte der von jedem Wafer entfernten Chips wird vorwärts übertragen und dient als Karte der Chip-Fehlstellen auf der Substratplatte. Diese werden jeweils nach einer Massenübertragung mittels eines ähnlichen vorwärtsgerichteten UV-Übertragungsverfahrens (UVtransfer) eingefügt, wobei ein definierter einzelner UV-Strahl verwendet wird. Die Laserleistung hängt davon ab, ob der Laser III-V-Material oder den Opferklebstoff abträgt.