MicroLEDs – Laserverfahren für die Display-Herstellung

MicroLEDs – Das Potenzial und die Herausforderungen

MicroLEDs (μLEDs) stellen einen vielversprechenden neuen Bauteiltyp mit enormem Potenzial für zukünftige Displays dar. Diese Bauteile basieren in der Regel auf Galliumnitrid (GaN) und haben derzeit Abmessungen im Bereich von 20 bis 50 μm, wobei erwartet wird, dass sie auf 10 μm und kleiner schrumpfen werden. Unter Verwendung bestehender GaN-Fertigungstechnologie auf sapphire können μLEDs in sehr hoher Dichte mit Street-Breiten von wenigen Mikrometern hergestellt werden.

The combination of micron dimensions, high brightness and high fabrication density can expand the display market beyond that presently enabled by OLED and LCD technologies. For instance, μLEDs can be used to create miniaturized (e.g., <1“), high definition displays for AR/VR applications. And, at the other end of the size spectrum, they support very large displays for indoor and outdoor use.

Solche großen Displays lassen sich kostengünstig aus μLEDs herstellen, da mit abnehmender Chipgröße die Anzahl der Chips, die auf einem Wafer bestimmter Größe hergestellt werden können, deutlich zunimmt. Folglich wird bei großen Displays, bei denen der Pixelabstand weit größer ist als die Chipabmessungen, die Gesamtzahl der Pixel zum wichtigsten Kostenfaktor. Dies steht im Gegensatz zu OLEDs und anderen Technologien, bei denen die Kosten proportional zur Gesamtfläche des Displays steigen.

Allerdings müssen vor dem flächendeckenden Einsatz von μLEDs noch einige technische Herausforderungen bewältigt werden. Eine zentrale Hürde ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Ablösung der Chips vom sapphire . Eine weitere Herausforderung ist ein Verfahren, um diese mit Präzision im Mikrometerbereich Präzision hoher Zuverlässigkeit auf das Displaysubstrat zu übertragen. Zudem müssen diese Verfahren mit Reparatur- und Austauschkonzepten kompatibel sein, um das unvermeidliche Problem defekter Chips zu lösen. Gleichzeitig müssen sie automatisierungsfähig sein und einen hohen Durchsatz gewährleisten, da die LED-Branche eine Senkung der aktuellen Gesamtkosten um das bis zu 20-Fache anstrebt. Darüber hinaus wird die Erwartung einer kontinuierlichen Entwicklung hin zu immer kleineren Chips Verfahren begünstigen, die diesem Miniaturisierungstrend Rechnung tragen, ohne dass für jede weitere Verkleinerung eine kapitalintensive Umrüstung erforderlich ist.

Für die LLO-Technologie bei μLEDs Coherent das UV-Transferverfahren entwickelt. Bei diesem Verfahren werden die Chips von der Rückseite (durch das transparente sapphire) bestrahlt. Dadurch wird eine mikroskopisch dünne GaN-Schicht abgetragen, wodurch eine geringe Menge an sich ausdehnendem Stickstoffgas entsteht, das den Chip freisetzt. Die Wellenlänge (248 nm) Wellenlänge UV-Transferverfahrens ermöglicht zudem den Einsatz bei μLEDs, die mit anderen Materialvarianten, darunter AlN, hergestellt wurden.

Beim UVtransfer-Verfahren Laserstrahl der Laserstrahl zu einem rechteckigen Strahl mit einem „Top-Hat“-Intensitätsprofil umgeformt, bevor er durch eine Fotomaske auf den sapphire projiziert wird. Diese gleichmäßige Intensität gewährleistet, dass an jedem Punkt innerhalb des Prozessfeldes die gleiche Kraft ausgeübt wird. Die Optik ist so konfiguriert, dass mit jedem hochenergetischen Impuls eine große Fläche von Chips angehoben wird. Dieser Multiplex-Vorteil ist einzigartig für unser LLO, das den UVtransfer-Prozess auf Basis hochenergetischer Excimerlaser nutzt, und wird ein entscheidender Faktor sein, der Kostensenkungen in der Massenproduktion ermöglicht. (Ein ähnliches System von Coherent UVblade wird mittlerweile in großem Umfang im LLO für flexible OLEDs eingesetzt).

Laserinduzierter Vorwärtstransfer (LIFT)

Das UVtransfer-Verfahren eignet sich zudem hervorragend für den Massentransfer und die Platzierung ausgewählter Chips nach dem Prinzip des Laser Induced Forward Transfer (LIFT). Eine zentrale Herausforderung dabei ist der enorme Unterschied im Rasterabstand. Auf dem Wafer und dem Transferträger sind die Chips dicht gepackt, derzeit mit einem Rasterabstand von etwa 1000 dpi. Je nach Größe und Auflösung beträgt der Rasterabstand auf dem Display jedoch möglicherweise nur 50–100 dpi. Zudem müssen die Chips verschachtelt angeordnet sein, wobei an jeder Pixelposition ein roter, ein blauer und ein grüner Chip platziert wird.

Bestehende Transferverfahren ohne Lasereinsatz können den erforderlichen Durchsatz bei der geforderten Auflösung nicht gewährleisten. So sind beispielsweise mechanische Bestückungsverfahren in ihrer Geschwindigkeit und Platziergenauigkeit begrenzt und können daher den aktuellen technologischen Entwicklungstrend nicht unterstützen. Flip-Chip-Bonder hingegen ermöglichen eine hochpräzise Platzierung (z. B. ±1,5 μm), können jedoch jeweils nur einen Chip bearbeiten. Im Gegensatz dazu bietet UVtransfer sowohl eine hohe Genauigkeit (±1,5 μm) als auch einen enormen Multiplex-Durchsatz, indem Tausende von Chips mit einem einzigen Laserstrahl bewegt und platziert werden.

Im Gegensatz zum LLO-Verfahren, bei dem ganze Bereiche benachbarter Chips gleichzeitig bearbeitet werden, ist der Transferprozess der Schritt, bei dem der Abstand der Chips von der engen Anordnung auf dem ursprünglichen Wafer auf den Pixelabstand des fertigen Displays geändert wird. Dies geschieht mithilfe einer Fotomaske mit einem Muster, das beispielsweise nur jeden fünften oder jeden zehnten Chip belichtet. Wenn der nächste Bereich des Displays dann zur Bestückung mit Chips in Position gebracht wird, wird die Maske um eine Einheit des Wafer-Abstands relativ zum temporären Träger verschoben, wodurch eine ganz neue Anordnung von Chips übertragen werden kann.

Ein weiterer Unterschied zwischen LLO und Transfer besteht darin, dass bei letzterem ein Klebstoff abgetragen wird, wofür eine 5- bis 20-mal geringere Laserfluenz erforderlich ist als bei einem Halbleiter. Dank dieser hohen Effizienz lässt sich bereits mit relativ geringen Laserdaten ein hoher Durchsatz erzielen.

Mehrere weitere Merkmale unseres UVtransfer-Verfahrens sind für dessen Umsetzung von entscheidender Bedeutung. So muss beispielsweise, obwohl der Abstand zwischen den auf dem Träger montierten Chips und dem TFT-Substrat nahezu null ist, die Impulskraft gesteuert und kontrolliert werden, um eine erfolgreiche Übertragung jedes einzelnen Chips mit präziser Platzierung und ohne Beschädigungen zu gewährleisten. Insbesondere müssen sowohl die Stärke als auch die Richtung der Kraft über das gesamte Display hinweg optimiert und konsistent sein, um das Prozessfenster für die Übertragung nicht zu beeinträchtigen.

Eine äußerst gleichmäßige und konsistente Übertragung der Chips im Prozessfeld erfordert eine hochgradig gleichmäßige Laserbestrahlung – eine Kernkompetenz von Coherent in vielfältigen Anwendungen zum Einsatz kommt. Dadurch entsteht ein äußerst gleichmäßiges 2D-Feld, das anschließend optisch in eine quadratische oder rechteckige Form mit hohem Seitenverhältnis umgewandelt wird, um es an die jeweilige Anwendung anzupassen. Für die Übertragung auf 6-Zoll-Wafer beispielsweise beträgt das nutzbare Feld auf dem Wafer etwa 100 mm x 100 mm. Wie in Abbildung 4 schematisch dargestellt, bedeutet Gleichmäßigkeit der Intensität lokaler Ebene (einzelner Chip), dass der Chip über seine gesamte Fläche gleichmäßig gedrückt wird. Somit wirkt die Kraft stets senkrecht, ohne die seitlichen Verschiebungen, die durch einen Strahl mit einem gaußförmigen oder geneigten Intensitätsprofil hervorgerufen würden. Eine homogene Strahlintensität auf der größeren (Waferbreite) Skala ist ebenso wichtig, da dies sicherstellt, dass jeder Chip mit derselben Kraftstärke verschoben wird.

Importantly, the UVtransfer process can easily support much smaller dies (<5 microns) and narrower streets than currently in pilot production. Indeed, future micron scale resolution is achievable because of the short UV wavelength. All that is required for smaller dies is a different projection mask.

Reparatur/Austausch defekter Stempel

Der Markterfolg von Displays auf Basis von μLEDs erfordert sowohl eine deutliche Senkung der Produktionskosten als auch unermüdliche Bemühungen um eine Ausbeute von 100 %. Andernfalls wären Displays mit potenziell Hunderten von Millionen Pixeln nicht praktikabel. Da defekte Chips jedoch unvermeidbar sind, können Hersteller nur Produktionstechnologieplattformen einsetzen, die mit Reparatur- und Austauschkonzepten kompatibel sind. CoherentUVtransfer-Technologie, die sowohl bei LLO als auch beim Transfer zum Einsatz kommt, ist mit den bereits untersuchten Austauschkonzepten kompatibel.

Der erste Schritt in diesem Prozess besteht darin, fehlerhafte Chips auf dem Wafer zu lokalisieren und zu entfernen. Dadurch entstehen jedoch Lücken (an den Stellen, an denen sich die entfernten Chips befunden hätten) auf dem temporären Träger. Diese Lücken müssen daher auf dem endgültigen Substrat wieder aufgefüllt werden.

Die fehlerhaften Chips können vor dem LLO vom Wafer entfernt werden, indem der Prozess nur auf einen ausgewählten Bereich angewendet wird, bis hinunter auf einen einzelnen Chip. Die Karte der entfernten Chips von jedem Wafer wird dann weitergeleitet und in eine Karte der fehlenden Chips auf dem Substrat umgewandelt. Diese können nach dem Massentransfer einzeln durch einen ähnlichen Vorwärts-UV-Transferprozess eingefügt werden, diesmal jedoch unter Verwendung eines definierten einzelnen Ultraviolettstrahls. Die Laserleistung wird darauf abgestimmt, ob der Laser ein III-V-Material oder einen Opferklebstoff abträgt.