Weißbuch
MicroLED – Laserbearbeitung für die Display-Herstellung
Überblick
Hochenergetische UV-Laserstrahlen werden bei der Displayherstellung für UV-Transfer-Verfahren eingesetzt, genauer gesagt für die Laser-Abtrenntechnik (LLO) und den laserinduzierten Vorwärtstransfer (LIFT) sowie für die Pixelreparatur. Dieses Dokument stellt die neuesten Entwicklungen vor, darunter: Wie der UV-Transfer angesichts der stetigen Verkleinerung der Chips sicherstellt, dass diese Massen-Transfer- und Platzierungsschritte auch künftig den Anforderungen gerecht werden. Darüber hinaus bietet das Verfahren den Vorteil der Kompatibilität mit verschiedenen Reparaturlösungen, wodurch die erwartete tatsächliche Chip-Ausbeute erreicht werden kann.
MicroLED – Potenzial und Herausforderungen
MicroLED (μLED) sind eine neue Art von Bauelementen, die ein enormes Potenzial für die Entwicklung zukünftiger Displays bergen und mit Spannung erwartet werden. Diese Bauelemente basieren in der Regel auf Galliumnitrid (GaN), haben derzeit eine Größe im Bereich von 20 bis 50 μm und sollen voraussichtlich auf 10 μm oder weniger verkleinert werden. Durch den Einsatz bestehender GaN-Fertigungstechnologien auf Saphir-Wachstumssubstraten lassen sich μLEDs mit einer Schnittbreite von wenigen Mikrometern in sehr hoher Dichte herstellen.
微米尺寸、高亮度和高制造密度的结合可以拓展显示屏市场，使其不局限于目前使用的 OLED 和 LCD 技术。 例如，μLED 可用于为 AR/VR 应用创建微型（例如，<1"）高清显示屏。 与此同时，它们也可用于室内和室外的超大尺寸显示屏。
Der Einsatz von µLEDs ermöglicht eine kostengünstige Herstellung solcher Großbildschirme, da mit der Verkleinerung der Chipgröße die Anzahl der auf einem Wafer einer bestimmten Größe hergestellten Chips erheblich zunimmt. Daher wird bei Großbildschirmen, deren Pixelabstand weit größer ist als die Chipgröße, die Gesamtzahl der Pixel zum entscheidenden Faktor für die Kosten des Bildschirms. Dies steht im Gegensatz zu OLED und anderen Technologien, bei denen die Kosten mit zunehmender Gesamtanzeigefläche steigen.
Vor einer breiten Einführung von μLED müssen jedoch einige technische Herausforderungen bewältigt werden. Ein wesentliches Hindernis ist die Entwicklung eines Verfahrens zum Ablösen der Chips von den auf Saphir gewachsenen Wafern. Ein weiteres Hindernis ist das Verfahren zum Transferieren der Chips auf die Display-Substrate mit einer Genauigkeit im Mikrometerbereich und unter Gewährleistung der Zuverlässigkeit. Zudem müssen diese Verfahren mit Reparatur- und Austauschkonzepten kompatibel sein, um das unvermeidliche Problem fehlerhafter Chips zu lösen. Gleichzeitig müssen sie mit der Automatisierung kompatibel sein und einen hohen Durchsatz bieten, da die LED-Branche das Ziel verfolgt, die derzeitigen Gesamtkosten um das 20-Fache zu senken. Darüber hinaus folgt der Prozess dem Trend zur Miniaturisierung, wovon die voraussichtlich immer kleiner werdenden Chipgrößen erheblich profitieren, sodass keine hohen Investitionen in die Verbesserung der Werkzeuge erforderlich sind, um zukünftige Verkleinerungen zu ermöglichen.
„……immer kleinere Formen werden dazu beitragen, dass sich die Verfahren an diesen Trend zur Miniaturisierung anpassen.“
Abb. 1: Schematische Darstellung eines großen MicroLED-Displays für den direkten Blick
Hintergrund der Laserbearbeitung
Hochenergetische UV-Laserimpulse mit einer Impulsdauer im Nanosekundenbereich werden für die Laserbearbeitung eingesetzt; dieses Verfahren bietet zahlreiche einzigartige Vorteile, mit denen sich diese Herausforderungen bewältigen lassen. Kurzwelliges UV-Licht kann dünne Materialschichten an Grenzflächen und Oberflächen direkt abtragen, ohne tief in das Material einzudringen. In Kombination mit einer schmalen Impulsbreite verhindert dieses Kaltabtragungsverfahren thermische Schocks und Schäden am darunterliegenden Material. Die hohe Impulsenergie bietet einzigartigevielseitigeProzessvorteile, da der Strahl zur Projektion von Lichtmasken genutzt werden kann und somit pro Impuls Hunderte oder sogar Tausende von Chips bearbeitet werden können. Daher werden diese Lasertypen in der Displayindustrie in großem Umfang als Werkzeuge für die Massenproduktion von TFT-Silizium-Backplanes für OLED- und Hochleistungs-LCD-Displays eingesetzt – und zweifellos wird diese Technologie auch bei der nächsten Generation von μLED-Displays zum Einsatz kommen.
Derzeit bietet die Lasertechnik bei der Herstellung von μLED-Displays folgende Vorteile:
- Durch Laser-Laminat-Abtrennung (LLO) werden die fertigen μLEDs vom Saphir-Wachstumssubstrat getrennt
- Laser-induzierter Vorwärtstransfer (LIFT) zum Übertragen von μLEDs vom Spender auf das Substrat
- Die Laser-Reparaturfunktion von μLED kann Produktionsprobleme lösen und die Fehlerquote senken
- Exzimerlaser-Annealing (ELA) zur Herstellung von LTPS-TFT-Backplanes
- Laserschneiden nach unterschiedlichem Polymerisationsgrad
Im Folgenden werden einige der jüngsten bedeutenden Fortschritte in diesen Bereichen vorgestellt.
Aktuelles zur Laser-Abtrenntechnologie (LLO)
Die Laser-Laminierung (LLO) ermöglicht die Trennung der fertigen μLEDs vom Saphir-Wachstumschip, wiebereits im vorangegangenen Abschnitt über den Laserprozess bei MicroLEDs erläutert wurde. Daher beschränken wir uns hier auf einen kurzen Überblick über die wichtigsten Vorteile der LLO für blaue und grüne Chips, einschließlich der neuesten automatischen Ausrichtungsfunktion, die nun fester Bestandteil der Entwicklungswerkzeuge ist.
Saphir wird üblicherweise als optimales Substrat für die Massenfertigung von GaN-μLEDs verwendet. Anschließend müssen die dünnen LEDs jedoch vom Saphir getrennt werden, um einen zweiten Kontaktpunkt für vertikal aufgebaute LEDs zu schaffen. Zudem ist Saphir für die nachfolgenden Verarbeitungsprozesse zu voluminös, da seine Dicke das 50- bis 100-fache der μLED-Chips beträgt. Dies erfordert das Ablösen der hochdichten μLEDs vom Saphirsubstrat und deren Übertragung auf einen temporären Träger.
Abb. 2: Schematische Darstellung des LLO-Verfahrens zum Ablösen von GaN-Schichten von Saphirwafern.
Für die LLO-Technik bei μLEDsCoherent den UVtransfer-ProzessCoherent . Bei diesem Verfahren wird der Chip von der Rückseite (durch transparentes Saphirglas) bestrahlt. Dadurch wird eine winzige Schicht des GaN abgetragen, wodurch eine geringe Menge an expandierendem Stickstoff entsteht, der den Chip freisetzt. Dank der Wellenlänge (248 nm) des UVtransfer-Prozesses eignet er sich auch für μLEDs, die auf anderen Materialien (einschließlich AlN) gewachsen sind.
Beim UVtransfer-Verfahren wird der UV-Laserstrahl, bevor er durch eine Lichtmaske auf den Saphirwafer projiziert wird, in einen rechteckigen Strahl mit einer „Top-Hat“-Intensitätswellenform umgewandelt. Diese gleichmäßige Intensität gewährleistet, dass an jedem Punkt im Bearbeitungsbereich die gleiche Kraft ausgeübt wird. Die Optik ist so konfiguriert, dass jeder hochenergetische Impuls große Chipflächen ablöst. Unser UVtransfer-Verfahren nutzt hochenergetische UV-Excimer-Laserimpulse im LLO-Prozess und bietet daher diesen einzigartigen Vorteil der Vielseitigkeit, der eine entscheidende Rolle bei der Senkung der Kosten in der Massenproduktion spielen wird. (Coherent SystemCoherent , das UVblade, wird mittlerweile häufig im LLO-Prozess für flexible OLEDs eingesetzt.)
LLO-Systeme auf der Basis von Quasimolekulartechnik sind bereits in mehreren Pilotproduktlinien für μLEDs im Einsatz. Ursprünglich wurde die Bewegung des Wafers relativ zum Projektionsstrahl (Maskenstrahl) lediglich durch einen Encoder auf einem Verschiebetisch gesteuert. „On-Chip-Bearbeitung“ ist ein neuerer technologischer Fortschritt und bildet den Kern des UVtransfer-Verfahrens. Damit lässt sich die Ausrichtungsgenauigkeit weiter verbessern, was wiederum die Herstellung kleinerer Chips und schmalerer Schneidspuren ermöglicht.
Durch die „Bearbeitung auf dem Chip“ wird zudem die Möglichkeit ausgeschlossen, dass der Chip an den Rändern des Laserstrahls nur teilweise belichtet wird. In diesem Fall wird die Grobausrichtung weiterhin über den Encoder des Verfahrtisches überwacht. Die Feinausrichtung erfolgt jedoch mithilfe eines intelligenten Bildverarbeitungssystems mit geschlossenem Regelkreis, das das Schachbrettmuster des Chips nutzt, um den Wafer relativ zum Strahl auszurichten. So wird sichergestellt, dass die Ränder des Laserfeldes stets mit der Mitte der Schnittbahn übereinstimmen und den Chip niemals quer durchschneiden.
Abb. 3: Beim UVtransfer-Verfahren sorgt die Funktion „On-Chip-Bearbeitung“ dafür, dass der Rand des Laserfeldes stets mit der Mitte der Schnittbahn übereinstimmt.
Laserinduzierte Vorwärtsübertragung (LIFT)
Das UVtransfer-Verfahren nutzt das Prinzip des laserinduzierten Vorwärtstransfers (LIFT) und eignet sich daher auch hervorragend für den Transfer und die Platzierung großer Mengen ausgewählter Chips. Eine zentrale Herausforderung in diesem Zusammenhang sind die enormen Abstandsunterschiede. Die Chips sind auf dem Wafer und dem Transferträger sehr dicht angeordnet, wobei der derzeitige Abstand bei etwa 1000 dpi liegt. Je nach Größe und Auflösung kann der Abstand auf dem Display jedoch nur 50–100 dpi betragen. Zudem müssen die Chips gemischt platziert werden, wobei an jeder Pixelposition jeweils ein roter, ein blauer und ein grüner Chip platziert werden muss.
Bestehende Nicht-Laser-Transferverfahren können bei der erforderlichen Auflösung nicht den notwendigen Durchsatz liefern. So sind beispielsweise die Geschwindigkeit und die Platziergenauigkeit mechanischer Pick-and-Place-Verfahren begrenzt, sodass sie mit den aktuellen technologischen Trends nicht Schritt halten können. Flip-Chip-Bestückungsautomaten hingegen ermöglichen zwar eine hochpräzise Bestückung (z. B. ±1,5 μm), können jedoch jeweils nur einen Chip bearbeiten. Im Vergleich dazu bietet UVtransfer sowohl eine hohe Genauigkeit (±1,5 μm) als auch einen hohen Durchsatz dank seiner Vielseitigkeit, da mit einer einzigen Laserbestrahlung Tausende von Chips bewegt und platziert werden können.
Abbildung 4 zeigt den Arbeitsablauf dieses Verfahrens. LLO hält den Chip mittels einer dynamischen Freisetzungsschicht auf dem temporären Träger. Dabei handelt es sich um einen schonenden Klebstoff, der UV-Licht in hohem Maße absorbiert. Der temporäre Träger und der Chip liegen fast direkt auf dem endgültigen Träger auf, bei dem es sich in der Regel um Glas oder eine flexible Folie handelt, die bereits mit einer TFT-Rückseite versehen und mit einer Klebeschicht oder Kontaktpads bedeckt ist. Das UV-Licht wird von der Rückseite des Trägers eingestrahlt. Nahezu die gesamte Laserenergie wird von der dynamischen Freisetzungsschicht absorbiert, wodurch diese verdampft. Die durch den Dampfausdehnungsdruck entstehende Stoßkraft drückt den Chip vom Träger auf das endgültige Substrat, wobei im Idealfall keine Rückstände auf dem Chip zurückbleiben.
Abb. 4: Bei UVtransfer wird ein schrittweises Scanverfahren für die Maske verwendet, um auf dem Display den richtigen Abstand zu erzielen.
Beim LLO-Verfahren werden alle benachbarten Chips innerhalb eines gesamten Bereichs gleichzeitig bearbeitet, während beim Transferverfahren der Abstand zwischen den Chips von dem engen Abstand auf dem Ausgangswafers auf den Pixelabstand des fertigen Displays geändert wird. Dazu wird eine Lichtmaske verwendet, die so eingestellt ist, dass sie nur alle fünf oder alle zehn Chips belichtet. Wenn dann der nächste Bereich des Displays in Position geschoben wird und auf die Bestückung mit Chips wartet, wird die Maske indexiert, sodass sie sich relativ zum temporären Träger um eine Einheit des Chipabstands verschiebt, um eine neue Reihe von Chips zu übertragen.
Ein weiterer Unterschied zwischen LLO und Transfer besteht darin, dass bei letzterem die Abtragung des Klebstoffs erfolgt, wofür eine 5- bis 20-mal geringere Laserleistung erforderlich ist als bei III-V-Halbleitern. Diese hohe Effizienz bedeutet, dass bereits mit geringer Laserleistung ein hoher Durchsatz erzielt werden kann.
Unser UV-Transfer-Verfahren weist noch einige weitere Eigenschaften auf, die für seinen Ablauf von entscheidender Bedeutung sind. So muss beispielsweise selbst bei einem Abstand von nahezu Null zwischen dem auf dem Träger montierten Chip und dem TFT-Substrat die Kraft gesteuert und kontrolliert werden, um jeden Chip erfolgreich zu übertragen und gleichzeitig eine präzise und beschädigungsfreie Platzierung zu gewährleisten. Konkret müssen Kraftstärke und -richtung über das gesamte Display hinweg optimiert und einheitlich gehalten werden, um die Qualität des Transferprozesses sicherzustellen.
Um Chips im Bearbeitungsbereich äußerst gleichmäßig und konsistent zu übertragen, ist eine hochgradig homogene Laserbestrahlung erforderlich – genau diese Stärke ist die Kernkompetenz von Coherent und kommt bereits in zahlreichen Anwendungen zum Tragen. Dadurch entsteht ein äußerst homogenes 2D-Feld, das anschließend optisch in ein Quadrat oder ein Rechteck mit großem Seitenverhältnis umgewandelt wird, um den Anforderungen der jeweiligen Anwendung gerecht zu werden. Beispielsweise beträgt bei der Übertragung von 6-Zoll-Wafern die nutzbare Fläche auf dem Wafer etwa 100 mm x 100 mm. Wie in Abbildung 4 dargestellt, bedeutet eine gleichmäßige Intensität im lokalen Bereich (einzelner Chip), dass der Chip über den gesamten Bereich hinweg gleichmäßig verschoben werden kann. Daher wirkt die Kraft stets senkrecht und es kommt zu keiner seitlichen Verschiebung, die durch eine gaußförmige oder schräge Strahlverteilung verursacht würde. Eine gleichmäßige Strahlintensität über einen größeren Bereich (Waferbreite) ist ebenfalls wichtig, da so sichergestellt wird, dass jeder Chip mit der gleichen Kraft verschoben wird.
Abbildung 5: Eine hochgradig gleichmäßige „Flachspitzen“-Strahlform ist für die präzise Positionierung von entscheidender Bedeutung, hat jedoch kaum Auswirkungen auf den Durchsatz.
重要的是，UVtransfer 工艺可以轻松支持比目前试生产更小的芯片（<5 微米）和更狭窄的切割道。 实际上，由于紫外光波长较短，将来可以实现微米级分辨率。 较小的芯片所需的只是一个不同的投影掩膜。
Reparatur/Austausch defekter Chips
Damit μLED-Displays auf dem Markt erfolgreich sein können, müssen sowohl die Produktionskosten deutlich gesenkt als auch alles daran gesetzt werden, eine Ausbeute von 100 % zu erreichen. Andernfalls wäre die Herstellung von Displays mit mehreren hundert Millionen Pixeln nicht realisierbar. Da fehlerhafte Chips jedoch unvermeidbar sind, müssen Hersteller Produktionsplattformen einsetzen, die mit Reparatur- und Austauschkonzepten kompatibel sind. Coherent LLO und Transfer Coherent UVtransfer-Technologie Coherent ist mit den derzeit untersuchten Austauschkonzepten kompatibel.
Der erste Schritt dieses Verfahrens besteht darin, fehlerhafte Chips auf dem Wafer zu identifizieren und zu entfernen. Dadurch entstehen jedoch Lücken auf dem Zwischenträger (die ursprünglich von den fehlerhaften Chips eingenommen wurden). Daher müssen diese Lücken auf dem endgültigen Substrat wieder aufgefüllt werden.
Wendet man dieses Verfahren nur auf ausgewählte Bereiche oder auf einzelne Chips an, lassen sich fehlerhafte Chips vor dem LLO vom Wafer entfernen. Die von jedem Wafer entfernten Chips ergeben dann eine Karte, aus der sich wiederum eine Karte der fehlenden Chips auf dem Substrat ergibt. Die fehlenden Chips können nach dem Massentransfer durch ein ähnliches „Forward UVtransfer“-Verfahren einzeln eingesetzt werden, wobei hier jedoch ein bestimmter Einzelstrahl-UV-Licht verwendet wird. Die Laserleistung hängt davon ab, ob III-V-Material oder verdampfbarer Klebstoff abgetragen wird.
Zusammenfassung
MicroLED ist eine vielversprechende Technologie, die das Leistungsspektrum und die Anwendungsmöglichkeiten von Mikro- und Großbildschirmen erweitert. Zweifellos müssen noch viele Hürden überwunden werden, bevor eine Produktion mit hohem Durchsatz realisiert werden kann. Zwei vielseitige Verfahren unter Verwendung von UV-Laserstrahlen haben jedoch in Pilotanlagen ihre Leistungsfähigkeit unter Beweis gestellt. Noch wichtiger ist, dass UVtransfer vollständig skalierbar ist, wodurch der Trend zur Miniaturisierung reibungslos vorangetrieben werden kann, ohne dass kostspielige Neuinvestitionen oder Prozesswechsel erforderlich sind. Sobald der Kundenprozess entwickelt ist, lässt sich diese praxiserprobte Lösung dank der Skalierbarkeit von Hochleistungs-UV-Lasern problemlos auf die Produktionslinie übertragen und erfüllt die heutigen und zukünftigen Anforderungen an die Präzision.