MicroLED – Laserverfahren für die Display-Herstellung

MicroLED – Potenzial und Herausforderungen

MicroLED (μLED) sind eine neue Art von beeindruckenden Bauelementen, die ein enormes Potenzial für die Displays der Zukunft bieten. Diese Bauteile, die in der Regel auf Galliumnitrid (GaN) basieren, haben derzeit eine Größe von 20 bis 50 μm, werden aber voraussichtlich auf unter 10 μm verkleinert werden. Durch den Einsatz bestehender GaN-Fertigungstechnologien auf Saphir-Wafer-Substraten lassen sich μLEDs mit einer sehr hohen Dichte und einer Street-Breite von nur wenigen Mikrometern herstellen.

미크론 치수, 고휘도, 높은 제조 밀도가 결합되면 현재 OLED와 LCD 기술로 구현되는 디스플레이 시장이 확대될 수 있습니다. 예를 들어, μLED는 AR/VR 용도에 필요한 소형(예: <1") 고선명 디스플레이 제작에 사용할 수 있습니다. 그리고 크기 스펙트럼의 반대쪽 끝에서는 실내와 실외에서 사용되는 초대형 디스플레이를 지원합니다.

Die Herstellung solcher Großdisplays mit µLED-Technologie kann wirtschaftlich vorteilhaft sein, da die Chips kleiner sind und somit deutlich mehr Chips auf einem Wafer einer bestimmten Größe hergestellt werden können. Daher ist bei Großdisplays, deren Pixelabstand weit größer ist als die Chipabmessungen, die Gesamtzahl der Pixel der Hauptfaktor, der die Herstellungskosten des Displays in die Höhe treibt. Dies steht im Gegensatz zu OLED- und anderen Technologien, bei denen die Kosten mit der Gesamtfläche des Displays steigen.

Damit sich μLED jedoch flächendeckend durchsetzen kann, müssen zunächst einige technische Herausforderungen bewältigt werden. Eine der größten Hürden ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Ablösung der Chips von den Saphir-Züchtungswafern. Eine weitere Herausforderung ist der Prozess zum Aufbringen der Chips auf die Display-Substrate mit einer Präzision und Zuverlässigkeit im Mikrometerbereich. Zudem müssen diese Verfahren mit Reparatur- und Austauschmethoden kompatibel sein, um unvermeidbare Chipfehler zu beheben. Da das Ziel der LED-Industrie derzeit darin besteht, die Gesamtkosten um bis zu 20-mal zu senken, müssen diese Verfahren zudem automatisierbar und für die Massenproduktion geeignet sein. Da zudem davon ausgegangen wird, dass die Chipgröße weiter abnehmen wird, werden Verfahren bevorzugt, die sich diesem Trend zur Miniaturisierung anpassen lassen, sodass bei jeder Verkleinerung keine kostspieligen Anlagenwechsel erforderlich sind.

Coherent hat ein UV-Transferverfahren für die LLO von μLEDs entwickelt. Das LLO-Verfahren funktioniert durch Bestrahlung des Chips von der Rückseite (durch transparentes Saphir). Bei diesem Verfahren wird eine dünne GaN-Schicht abgetragen, wobei eine geringe Menge an expandierendem Stickstoffgas entsteht, das den Chip ablöst. Die Wellenlänge (248 nm) des UV-Transferverfahrens von Coherent kann auch für μLEDs verwendet werden, die wie einige andere Materialien mit AIN gewachsen sind.

Beim UV-Transfer-Verfahren wird der UV-Laserstrahl in einen rechteckigen Strahl mit einem „Top-Hat“-Intensitätsprofil umgewandelt und anschließend durch eine Fotomaske auf den Saphirwafer projiziert. Da diese Intensität gleichmäßig ist, wird an allen Punkten innerhalb des Prozessfeldes die gleiche Leistung aufgebracht. Mehrere optische Komponenten sind so angeordnet, dass großflächige Chips durch jeweils einen Hochleistungsimpuls belichtet werden. Diese vielfältigen Vorteile bietet Coherent , der auf dem UVtransfer-Verfahren mit Hochleistungs-UV-Excimer-Laserimpulsen basiert, und sie werden ein wichtiger Faktor für Kosteneinsparungen in der Massenproduktion sein. ( Coherent ähnliches Coherent namens UVblade wird derzeit häufig für LLO bei flexiblen OLEDs eingesetzt).

LIFT (Laser-Induzierte Vorwärtsübertragung)

Das UV-Transfer-Verfahren eignet sich auch für die Massenübertragung und Anordnung von Chips nach dem LIFT-Prinzip (Laser-Induced Forward Transfer). Eine zentrale Herausforderung dabei sind die enormen Unterschiede im Rasterabstand. Derzeit sind die Chips auf Wafern und Transferträgern mit einem Rasterabstand von etwa 1.000 dpi dicht gepackt. Je nach Größe und Auflösung kann der Rasterabstand bei Displays jedoch nur 50 bis 100 dpi betragen. Außerdem müssen die Chips im Interleaving-Verfahren abgetastet werden, sodass an jeder Pixelposition rote, blaue und grüne Chips platziert werden.

Herkömmliche Nicht-Laser-Transferverfahren können weder die erforderliche Auflösung noch den erforderlichen Durchsatz gewährleisten. So sind beispielsweise mechanische Pick-and-Place-Verfahren aufgrund ihrer begrenzten Geschwindigkeit und Platzierungsgenauigkeit nicht in der Lage, den aktuellen technologischen Entwicklungsstand zu unterstützen. Flip-Chip-Bonder hingegen ermöglichen zwar eine hochpräzise Platzierung (z. B. ± 1,5 μm), können jedoch jeweils nur einen Chip bearbeiten. Im Gegensatz dazu vereint UVtransfer hohe Genauigkeit (± 1,5 μm) mit der Fähigkeit zur Massenverarbeitung, sodass mit einem einzigen Laserstrahl Tausende von Chips bewegt und platziert werden können.

Im Gegensatz zum LLO-Verfahren, bei dem der gesamte Bereich benachbarter Chips gleichzeitig bearbeitet wird, handelt es sich beim Transferverfahren um einen Schritt, bei dem der Chip-Abstand zunächst fein vom ursprünglichen Wafer getrennt ist und anschließend auf den Pixelabstand des endgültigen Displays umgestellt wird. Beispielsweise wird bei diesem Verfahren eine Fotomaske mit einem Muster verwendet, das nur den fünften oder den zehnten Chip belichtet. Wenn anschließend der nächste Bereich des Displays zur Chip-Füllposition wechselt, kann durch Maskenextraktion eine Verschiebung um eine Wafer-Abstandsmaßeinheit auf dem temporären Träger vorgenommen werden, um das gesamte neue Chip-Array zu übertragen.

Ein weiterer Unterschied zwischen LLO und dem Warrior besteht darin, dass bei letzterem der Klebstoff entfernt wird, sodass die Laserfluenz 5- bis 20-mal niedriger sein kann als bei III-V-Halbleitern. Dank dieser hohen Energieeffizienz lassen sich auch ohne hohe Laserleistung große Mengen bearbeiten.

Dazu sind einige weitere Funktionen Coherent erforderlich. So muss beispielsweise die Aufprallkraft gesteuert und kontrolliert werden, damit die einzelnen Chips auch bei einem Abstand von nahezu Null zwischen dem Trägerchip und dem TFT-Substrat unbeschädigt und präzise an der richtigen Stelle übertragen werden können. Insbesondere müssen Größe und Richtung der Aufprallkraft optimiert und über das gesamte Display hinweg konsistent gehalten werden, damit der Prozessbereich für die Übertragung nicht beeinträchtigt wird.

Damit die Chips im Prozessfeld äußerst gleichmäßig und konsistent übertragen werden, muss der Laserstrahl sehr gleichmäßig ausfallen – dies ist eine Kernkompetenz von Coherent, die in zahlreichen Anwendungsbereichen zum Einsatz kommt. Anschließend wird dieses sehr gleichmäßige 2D-Feld durch optische Vorrichtungen entsprechend der jeweiligen Anwendung in Quadrate oder Rechtecke mit großem Seitenverhältnis umgewandelt. Bei der Übertragung auf einen 6-Zoll-Wafer kann beispielsweise ein Feld von etwa 100 mm x 100 mm auf dem Wafer genutzt werden. Wie in Abbildung 4 schematisch dargestellt, ist die Intensität auf lokaler Ebene (Einzelchip) gleichmäßig, sodass über den gesamten Bereich hinweg ein gleichmäßiger Druck ausgeübt wird. Daher wirkt die Stoßkraft stets vertikal, und es kommt zu keiner seitlichen Verschiebung, wie sie bei Strahlen mit gaußförmigem oder geneigtem Intensitätsprofil auftritt. Wichtig ist auch, dass die Strahlintensität auf größerer Ebene (Waferbreite) gleich bleibt. Nur so wird jeder Chip mit derselben Kraft gedrückt.

특히 UVtransfer 공정은 현재 시험 생산에서보다 훨씬 작은 다이(<5 미크론)와 좁은 스트리트를 쉽게 지원할 수 있습니다. 실제로, 짧은 UV 파장 때문에 미래의 미크론 단위 해상도를 달성할 수 있습니다. 더 작은 다이에는 다른 투영 마스크를 사용하면 됩니다.

Reparatur/Austausch defekter Stempel

Damit μLED-basierte Displays auf dem Markt erfolgreich sein können, müssen die Produktionskosten deutlich gesenkt und eine Ausbeute von 100 % erreicht werden. Andernfalls wären Displays mit Hunderten von Millionen Pixeln nicht realisierbar. Da Defekte auf Chipebene jedoch unvermeidlich sind, können Hersteller nur Produktionsplattformen einsetzen, die mit Reparatur- und Austauschverfahren kompatibel sind. UVtransfer von Coherent, das sowohl für LLO als auch für die Übertragung eingesetzt wird, ist mit mehreren bereits untersuchten Austauschkonzepten kompatibel.

Der erste Schritt dieses Prozesses besteht darin, fehlerhafte Chips auf dem Wafer zu identifizieren und zu entfernen. Dadurch entstehen jedoch auf dem temporären Träger „Missing Spots“ (Stellen, an denen zuvor Chips saßen). Daher müssen diese Lücken auf der endgültigen Leiterplatte wieder aufgefüllt werden.

Durch die Anwendung dieses Verfahrens ausschließlich auf den ausgewählten Bereich (einzelner Chip) können fehlerhafte Chips vor dem LLO vom Wafer entfernt werden. Anschließend wird die Karte der entfernten Chips auf jedem Wafer vorwärts übertragen und in eine Karte der fehlenden Chips auf dem Substrat umgewandelt. Nach einer Massenübertragung mittels eines ähnlichen Vorwärts-UV-Transfer-Prozesses können die Chips einzeln eingesetzt werden, wobei nun ein definierter einzelner Ultraschallstrahl verwendet wird. Die Laserleistung wird entsprechend angepasst, je nachdem, ob III-V-Material oder der Opferkleber mit dem Laser entfernt werden soll.