Laser in der Displayfertigung: Lift-off, Transfer und Reparatur bei MicroLEDs

In diesem sechsten Teil unserer Reihe über die Herstellung von Flachbildschirmen werfen wir einen Blick in die Zukunft und sehen uns an, wie Laser die automatisierte Serienfertigung von Displays der nächsten Generation auf Basis von MicroLEDs ermöglichen.

Die AMOLED-Technologie ermöglicht uns heute dünne Displays für Smartphones und Fernseher mit fantastischen Farben und einer hervorragenden Auflösung. Doch die Displayhersteller arbeiten bereits an der Serienfertigung der nächsten großen Innovation im Displaybereich: MicroLED-Displays.  

Based on small (<50 micron) inorganic LEDs this fast-emerging technology promises several advantages. First, it is immune to premature aging which can sometimes affect OLED emitters. In addition, it can deliver higher brightness with higher contrast. In addition, it is a scalable technology with the potential for producing large TVs and public displays at a more economical price point as well as ultra-compact displays for VR/AR applications.

MicroLED-Displays gibt es zwar schon seit einiger Zeit in begrenzten Stückzahlen, doch nun arbeiten die Displayhersteller daran, diese Technologie in die Serienproduktion zu überführen. Dabei spielen Laser offenbar mehrere entscheidende Rollen. Schauen wir uns das einmal an

Wirtschaft im Wafer-Maßstab

Anorganische (Halbleiter)LEDs ermöglichen eine hohe Lichtleistung – dies zeigt sich beispielsweise an ihrem Einsatz in hochleistungsfähigen Fahrzeugscheinwerfern. Dadurch können MicroLEDs sehr klein und gleichzeitig sehr hell sein. Die derzeitige Spitzengröße liegt bei etwa 50 x 50 Mikrometern, und es wird prognostiziert, dass sie sich letztendlich 10 x 10 Mikrometern annähern wird. 

Es gibt drei Arten dieser aktiven Emitter: rote, grüne und blaue. Jeder Typ wird (durch Epitaxie) in Massenproduktion auf einem dicht strukturierten sapphire hergestellt. So kann ein Wafer mit einem Durchmesser von 6 Zoll mit vielen Millionen einzelner MicroLEDs bestückt werden, was zu Skaleneffekten führt. 

Diese werden schließlich auf einer großen, relativ kostengünstigen Glasscheibe mit der erforderlichen Elektronik angebracht, um als dünnes Display zu fungieren. Bei einem großen Display, das aus mehreren separaten Kacheln besteht, kann die Gesamtanzeigefläche einen Durchmesser von zwei Metern haben, und der Pixelabstand kann einen Millimeter oder mehr betragen. Selbst mit drei der winzigen Emitter an jeder Pixelstelle ist der größte Teil des Displays ungenutzter Raum. Für die Skalierung auf große Formate bedeutet dies, dass der Hauptkostentreiber die Anzahl der Pixel ist, woraus sich die Aussicht auf letztendlich niedrigere Kosten ergibt. 

Das Konzept ist zwar einfach, die praktische Umsetzung ist es jedoch ganz und gar nicht!

Abheben

Tatsächlich gibt es eine große, übergreifende Herausforderung, damit das alles funktioniert. Millionen dieser MicroLEDs (Chips) müssen vom sapphire , auf dem sie hergestellt werden, abgetragen und präzise auf dem großen Displaypanel platziert werden. Man mag es kaum glauben, aber in einigen frühen Prototypen wurden die einzelnen Chips mechanisch aufgenommen und platziert, z. B. mithilfe von Vakuumrobotik. Doch das ist für die Serienfertigung einfach zu langsam. Und da die Chips immer kleiner werden, ist es schwierig, dies schnell zu erledigen, ohne das Risiko einzugehen, einige davon bei der Handhabung zu beschädigen. Die Ausbeute muss aufgrund des unglaublich hohen Volumens sehr hoch sein – bei einem 8K-Display sprechen wir von über 30 Millionen Pixeln, d. h. fast 100 Millionen Chips. 

Die Lösung besteht darin, Laser in automatisierten Multiplex-Prozessen einzusetzen, die auf einigen der bewährten Techniken basieren, die in früheren Dokumenten dieser Reihe beschrieben wurden. 

Tatsächlich sind drei separate Prozesse beteiligt: Ablösen, Übertragen und Reparieren. Zunächst werden die MicroLEDs mithilfe einer herkömmlichen laserbasierten Technik namens Laser Lift-Off (LLO) von dem sapphire , auf dem sie gewachsen sind, abgetrennt und zur leichteren Handhabung auf einen temporären Träger übertragen. Der Träger wird mit einem Klebstoff beschichtet und mit den Oberseiten der Chips in Kontakt gebracht. Ultraviolettes Licht eines Excimerlaser von hinter dem sapphire auf diesen gerichtet und verdampft eine dünne Opferschicht aus Material, die vor der Bildung der Chips auf den Wafer aufgebracht wurde. Dadurch verbleiben die MicroLEDs auf dem temporären Träger mit dem gleichen engen Abstand, den sie auf dem Züchtungswafer hatten.

LIFT – Tonhöhe ändern

Als Nächstes folgt das Laser-Induced Forward Transfer (LIFT)-Verfahren. Dabei dringen Impulse eines Ultraviolett- (Excimer-)Lasers durch die Rückseite des Trägers, die transparent ist. Das Laserlicht durchdringt den Träger und den Klebstoff und interagiert mit der verbleibenden Pufferschicht des GaN. Dies ermöglicht bei Verwendung kurzer UV-Wellenlängen einen Transfer nahezu ohne Rückstände und ohne Beeinträchtigung der dem Kunden zugewandten Oberfläche der MicroLED! Dadurch werden die Chips physikalisch abgelöst und auf das endgültige Displaypanel gedrückt, das in engem Kontakt steht, jedoch einen gewissen Abstand aufweist, der größer sein muss als die Dicke der MicroLEDs, um Kollisionen zu vermeiden. Klebstoff auf dem endgültigen Glaspanel hält die MicroLEDs an ihrem Platz. 

Beim LIFT-Verfahren Laserstrahl ein großflächiger Laserstrahl eine Fotomaske, sodass nur bestimmte Chips freigelegt und auf das Displaysubstrat geschoben werden. Ein gleichmäßiger sogenannter „Flat-Top“-Strahl ist für eine perfekte Platzierung entscheidend. (Nicht maßstabsgetreu).

Nun kommt der entscheidende „Zaubertrick“: die Änderung des Abstands (Pitch). Der rechteckige Laserstrahl eine Maske mit Löchern. Der Strahl wird dann um das 2,5- oder 5-fache verkleinert, sodass die projizierten Lochmuster denselben Abstand zueinander haben wie die Pixel im fertigen Display. Auf diese Weise wird nur jedes fünfte oder sogar jedes zehnte oder ein beliebiges anderes ganzzahliges Vielfaches des LED-Abstands auf dem EpiWafer durch einen bestimmten Laserimpuls über einen winzigen Spalt von wenigen Mikrometern auf das Display geschoben. Der Träger wird dann relativ zum festen Strahl und zur Maske ganz leicht über die MicroLEDs bewegt, um zur nächsten Gruppe von MicroLEDs zu gelangen. Das Displaypanel wird um eine größere Strecke verschoben, und der Vorgang wird wiederholt. Machen Sie sich keine Sorgen, wenn dieser Schritt-und-Wiederholungs-Vorgang etwas verwirrend klingt; wir haben ein tolles Video, das das Ganze ganz einfach verständlich macht.

Alternativ arbeiten einige Hersteller an einem etwas anderen Ablauf, bei dem die Teilung verändert wird, während die Matrizen vom EpiWafer abgehoben werden. Dies wird als selektives LLO bezeichnet. Das Gesamtergebnis ist jedoch dasselbe. 

Hoher Durchsatz und Reparatur

Mit LIFT lässt sich eine große Anzahl von MicroLEDs kostengünstig auf einem relativ kleinen sapphire herstellen und anschließend mit deutlich größeren Abständen (Pitch) anordnen, um ein einziges großes Panel zu bilden. Ein weiterer großer Vorteil von LIFT ist seine Schnelligkeit. Mit jedem Impuls werden Tausende von MicroLEDs bewegt. 

In der aktuellen, auf die Forschung und Entwicklung ausgerichteten Umsetzung beträgt die Excimerlaser bis zu 20 Pulse pro Sekunde (20 Hz), was bedeutet, dass eine Fläche von bis zu 640 mm² in nur einer Sekunde mit Micro-LEDs bedeckt werden kann! Diese Exc Lasertechnologie jedoch extrem leistungsskalierbar, wie in Annealing-Anwendungen gezeigt wurde, bei denen hohe Pulsenergien (über 1 J) und hohe Wiederholraten zum Einsatz kommen. Bei LIFT können höhere Pulsenergien genutzt werden, um größere Masken und Feldgrößen zu ermöglichen.

Die Ausbeute bei der Herstellung relativ einfacher Halbleiter wie anorganischer Micro-LEDs ist mittlerweile unglaublich hoch. Da jedoch jedes Display Millionen davon enthält, besteht eine geringe, aber nicht vernachlässigbare Wahrscheinlichkeit, dass ein defektes oder fehlerhaft verarbeitetes Pixel dazu führt, dass eines der RGB-Bauelemente nicht korrekt leuchtet. Dies lässt sich in einem automatisierten Laserprozess leicht beheben, indem mithilfe einer Maske mit einem einzigen Loch oder eines scannerbasierten Systems ein Ersatzchip eingesetzt wird.

Coherent bereits ein Gerät namensUVtransfer fürdie Herstellungvon MicroLED-Displays, das tatsächlich alle drei dieser Prozesse ausführt –Laser Lift-Off (LLO), Laser-induced Forward Transfer (LIFT) sowie die Reparatur und das Trimmen defekter Pixel. Dieses 3-in-1-Gerät wird die Herstellung großer MicroLED-Displays praktikabel und wirtschaftlich machen.  

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