于無機 III－V 半導體（例如 GaN）的 Micro－LED （μLED） 可用于制造電效率、亮度、像素密度、使用壽命和應用范圍遠超現(xiàn)有技術(shù)的顯示屏，前景可觀。然而，要實現(xiàn)從當前 LED 器件（約 200 μm）到 μLED（約 20 μm）的過渡，必須有技術(shù)創(chuàng)新的支撐，尤其是實現(xiàn) μLED 顯示屏組裝方面的創(chuàng)新。本文將介紹如何通過準分子激光器解決此加工過程中最為棘手的兩個難題。
圖1． 通過激光剝離技術(shù)去除藍寶石基板的流程示意圖 a） 器件晶體生長并附著到載體基板 b） 激光束穿透藍寶石基板 c） 去除藍寶石基板
圖2． UVblade （248 nm） 的 155 mm 激光束輪廓，含短軸 （SA） 和長軸 （LA）。
圖3． 配備 LEAP 準分子激光器和光束光學元件的 UVblade LLO 系統(tǒng)。
圖4． μLED 組裝流程（使用 LLO 和 LIFT）示意圖。
激光剝離技術(shù) （LLO）
由于藍寶石晶片的晶格失配度和成本均相對較低，因此當前大多數(shù) LED 制造工藝采用藍寶石晶片作為 MOCVD 晶體生長的基板。但由于藍寶石的導熱和導電性較差，會限制可提取的光通量，因此藍寶石并非成品 GaN LED 的理想載體材料。其結(jié)果導致，在生產(chǎn)高亮度 GaN LED 的過程中，最后需要添加一步操作，將器件粘合到最終或臨時載體上，然后再將器件與“犧牲層”藍寶石基板分離。對于 μLED 而言，為了制造組成柔性顯示屏的小尺寸薄型器件，顯然必須去除藍寶石基板。
圖1． 通過激光剝離技術(shù)去除藍寶石基板的流程示意圖 a） 器件晶體生長并附著到載體基板 b） 激光束穿透藍寶石基板 c） 去除藍寶石基板
利用準分子激光器進行激光剝離是去除藍寶石基板的最常用方法。在加工過程中，高強度激光脈沖會穿透藍寶石基板（波長 248 nm 的準分子激光束可以穿透），直接照射到 LED 晶片上。同時，GaN 層大量吸收紫外光，并有很薄的一層分解成鎵和氮氣。所形成的氣壓會把器件推離基板，在幾乎不對器件產(chǎn)生任何作用力的情況下實現(xiàn)器件與基板的分離。鎵可以用水或稀鹽酸洗掉，以保持器件表面的清潔。
除波長外，準分子激光器的另外一個重要特性是脈沖短（約 10－20 ns），這有助于抑制熱擴散并最大限度降低器件的熱負荷。此外，準分子激光器輸出的激光可以形成沿兩個軸能量均勻分布的細長光束（平頂光束）。（圖 2）例如，相干公司 UVblade 系統(tǒng)提供的 155 mm x ～0．5 mm 光束的能量均勻度優(yōu)于 2％ 標準方差（sigma）。如此一來，所有加工區(qū)域?qū)⒔邮芟嗤易罴训哪芰客?，從而避免在加工過程中遇到能量過沖或過大熱負荷的問題，這個問題在能量強度呈高斯分布的其他激光加工中經(jīng)常出現(xiàn)。
圖2． UVblade （248 nm） 的 155 mm 激光束輪廓，含短軸 （SA） 和長軸 （LA）。
請注意，兩個軸刻度的差異達到了兩個數(shù)量級。
準分子 LLO 實質(zhì)上是一個單脈沖過程，因此對激光束均勻度和穩(wěn)定性的要求極高。激光器制造商相干公司已開發(fā)了能夠滿足這一需求的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品提供卓越的脈沖穩(wěn)定性（例如 ＜ 1％ rms），能夠大大提高加工過程中的工藝控制并幫助用戶增大工藝區(qū)間。
圖3． 配備 LEAP 準分子激光器和光束光學元件的 UVblade LLO 系統(tǒng)。
作業(yè)過程中，準分子激光器光束掃掠基板，通過照射整個加工區(qū)域?qū)崿F(xiàn)器件分離。如果要重點實現(xiàn)高產(chǎn)能，線束會相應調(diào)整，從而在單次掃描中完整覆蓋藍寶石晶片（2＂、4＂ 或 6＂）。這種方法需要中等強度激光（例如 50 到 100 W）。有效熱膨脹系數(shù)失配導致的薄膜內(nèi)應力會均勻釋放，從而進一步降低對器件的影響。因此，這種 248 nm 方法是實現(xiàn) LLO 最常用的方法。
另外一種 LLO 策略是使用尺寸較小的光束和光柵掃描整個晶片。如，相干公司有一種 UVblade 系統(tǒng)產(chǎn)生長 26 mm，寬 0．5 mm 的光束，僅需掃描兩次即可覆蓋 2＂ 晶片。這種典型系統(tǒng)僅需要功率 30 W，波長 248 nm 的激光。光柵掃描方法需要在掃描方向上實現(xiàn)單次照射的受控重疊，以及掃描之間的重疊。
激光誘導前向轉(zhuǎn)移 （LIFT）
組裝包含數(shù)百萬 μLED 芯片的高分辨率顯示屏面臨獨特的難題。在這個領(lǐng)域，248 nm 準分子激光器同樣是將GaN從原始載體精準剝離的理想選擇。生成的氮氣會膨脹并在 μLED 結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生機械力，從而把芯片從原始載體推向接收基板。通過結(jié)合使用大截面光束、掩膜板和投影光學元件，只需一次激光照射即可并行傳送多達 1000 個芯片。
該工藝還有另外一種方式，使用聚合物粘合劑把 μLED 預先組裝在臨時載體晶片或膠帶上。這些粘合劑極易吸收紫外線。在準分子激光的照射下，粘合劑會發(fā)生光化學分解反應，從而與 μLED 芯片分離并產(chǎn)生把芯片推向接收基板的作用力。照射聚合物膠帶或粘合劑所需的能量強度可能只有 LLO 所需能量的二十分之一到五分之一。這意味著只需中等強度的激光，就可以達到非常高的處理速度。
圖4． μLED 組裝流程（使用 LLO 和 LIFT）示意圖。
總之，在顯示屏加工準分子激光退火 （ELA） 和高亮度 LED 激光剝離 （LLO） 領(lǐng)域有著良好表現(xiàn)的準分子激光器，在新興的 μLED 領(lǐng)域也展現(xiàn)出了巨大潛力。準分子激光器擁有紫外線波長短、脈沖短、高能量、高功率等特性，這讓它與 LED 制造領(lǐng)域常用的 III－V 材料極為契合。尤其是 248 nm 準分子激光器，能夠打破該應用領(lǐng)域目前使用的 266 nm 或 213 nm 固態(tài)激光器在性能方面的限制。這能夠推動實現(xiàn)高生產(chǎn)率、高性價比的工藝策略。
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