01

引言

　　Micro LED技術作為下一代顯示技術的前沿領域，正受到廣泛的關注和研究。與傳統的液晶顯示和有機發光二極管(OLED)相比，Micro LED具有更高的亮度、更高的對比度和更寬的色域，同時具備更低的能耗和更長的壽命。這使得Micro LED在電視、智能手機、小尺寸智能穿戴設備、車載屏幕和AR/VR等領域具有巨大的潛力，Micro LED與LCD、OLED的參數對比如圖1所示。

圖1.LCD、OLED與Micro LED的參數對比

　　巨量轉移是將Micro LED芯片從生長基板轉移到目標基板上的關鍵步驟。由于Micro LED芯片密度高、尺寸小，傳統的轉移方法難以滿足高精度的轉移要求。實現 Micro LED與電路驅動結合的顯示陣列，需要對 Micro LED芯片進行多次巨量轉移(至少需要從藍寶石襯底→臨時襯底→新襯底)，且每次轉移芯片量大，對轉移工藝的穩定性和精確度要求高。激光巨量轉移是一種將Micro LED芯片從原生藍寶石基板轉移到目標基板的技術。首先，通過激光剝離將芯片從原生藍寶石基板上分離出來;然后，在目標基板上進行燒蝕處理，以便將芯片轉移到帶有黏性材料(如聚二甲基硅氧烷)的基板上。最后，利用TFT背板上的金屬鍵合力，將芯片從PDM基板轉移到TFT背板上。

Laser & Electron Beam Processing

02

激光剝離技術

　　激光巨量轉移的第 1 步為激光剝離(LLO)。激光剝離的良率直接決定了整個激光轉移的最終良率。Micro LED通常使用Si和藍寶石等襯底來生長GaN外延層以制備。Si材料與GaN之間存在較大晶格失配和熱膨脹系數差異等問題，因此在制備Micro LED芯片時藍寶石襯底更為常用。

　　藍寶石帶隙為9.9eV，GaN為3.39eV，AIN為6.2eV。激光剝離原理為利用光子能量大于GaN能量帶隙而小于藍寶石和AlN帶隙的短波長激光，從藍寶石一側開始輻照，激光透過藍寶石及AlN后，被表層GaN吸收。在這個過程中，表面的GaN發生熱分解，由于Ga的熔點約為30℃，產生N2和液態Ga，N2隨之逸出，從而通過機械力實現GaN外延層與藍寶石襯底的分離。交界面處發生的分解反應可表示為：

　　根據光子能量的公式，可計算出滿足上述條件的較佳激光波長應為以下范圍：125 nm < 209 nm≤λ≤ 365 nm。研究表明，激光脈寬、激光波長、激光能量密度是實現激光剝離工藝的關鍵因素。

圖2.LLO原理圖

　　為了實現Micro LED全彩發光，需要將紅、綠、藍三色的Micro LED芯片精確地排列和集成在同一基板上，從而創建一個細小且高分辨率的彩色顯示像素。而LLO不適合非均勻的紅、綠、藍Micro LED器件的選擇性集成。而且，選擇性修復少量受損Micro LED芯片對提高顯示產品的成品率至關重要。因此，激光選擇性轉移(SLLO)技術應運而生。該技術適用于異構集成和選擇性修復，不需要復雜的批處理過程。它還可以選擇性地轉移一些預先指定的LED和修復受損的LED。

　　SLLO是通過激光照射選擇性剝離Micro LED芯片與襯底之間的界面。通常使用紫外光作為光源。短波長的光與材料相互作用更強，能夠實現更精確的剝離過程。此外，紫外光在剝離過程中產生的熱量相對較少，降低了熱損傷的風險。

圖3.SLLO示意圖

　　Uniqarta公司提出一種大規模并行激光剝離方法，如圖4所示。在單脈沖激光的基礎上添加 X-Y 激光掃描儀，將單束激光衍射為多束激光，實現了芯片的大規模剝離。該方案大大提高了單次剝離芯片的數量，其剝離速率達100 M/h，轉移精度達±34 μm，且具備良好的缺陷檢測能力，適用于目前多種尺寸和材料的轉移。

圖4. 大規模并行激光剝離

Laser & Electron Beam Processing

03

激光轉移技術

　　激光巨量轉移的第 2步為激光轉移，將剝離下的芯片從臨時基板轉移到背板上。Coherent公司提出的激光誘導前向轉移技術(LIFT)，是一種能夠將各種功能材料和結構以用戶定義的圖案放置的技術，可以實現大規模放置微小特征尺寸的結構或器件。目前，LIFT技術已經成功實現了各種電子元件的轉移，其尺寸范圍從0.1到6mm2以上。圖5顯示了典型的LIFT過程。在LIFT過程中，激光穿過透明基板并被動態釋放層吸收。通過激光的燒蝕或汽化作用，動態釋放層產生的高壓迅速增加，從而將芯片從圖章轉移到接收基板上。

圖5. LIFT轉移原理圖

　　經過改進后，Uniqarta公司開發了基于泡罩(Blister)的激光誘導前向轉移技術(BB-LIFT)。如圖6所示，區別在于激光照射期間，只有一小部分 DRL被燒蝕并產生氣體提供沖擊能量。DRL可以通過創建一個膨脹的泡罩將沖擊波封裝在內部，將芯片更柔和地推向接收基板，可以提高轉移精度并減少損壞。

圖6.BB-LIFT 轉移原理圖

　　圖章的不可重復使用是限制BB-LIFT應用的重要因素。為了提高成本效益，研究人員基于可重復使用印模的設計，開發了一種可重復使用的BB-LIFT技術，如圖7所示。該圖章由帶有金屬層的微腔組成，腔壁和具有微結構的彈性粘合劑印模用于封裝微腔和粘合芯片。在808 nm激光的照射下，金屬層吸收激光并產生熱量，導致腔體內部空氣迅速膨脹，使圖章變形，從而大大降低其附著力。此時，通過鼓泡產生的沖擊促使芯片脫離圖章。

圖7.可重復圖章BB-LIFT轉移原理圖

　　在巨量轉移中, 拾取時需要較強黏附力以保證拾取可靠; 放置時黏附力則需要盡可能小，以實現轉移，因此技術的核心在于提高黏附力切換比。研究人員通過在黏合層中嵌入可膨脹微球并利用激光加熱系統產生外部熱刺激。在拾取過程中，小尺寸的嵌入式可膨脹微球確保了黏性層表面的平整，而對黏合層的強黏合力影響可以忽略不計。而在轉移過程中，激光加熱系統產生的90°C外部熱刺激快速傳遞到黏性層，導致內部微球迅速膨脹，如圖8所示。使得表面發生了分層的微隆起結構，從而顯著降低了表面的黏附力，實現了可靠的釋放。

圖8.膨脹微球示意圖

　　為實現大批量轉移，研究人員發現轉移取決于TRT與功能器件之間黏附力的變化，并由溫度參數進行控制，如圖9所示。當溫度低于臨界溫度Tr時，TRT/功能器件的能量釋放率大于功能器件/源基板的臨界能量釋放率，裂紋傾向于在TRT/功能器件界面處傳播，從而實現了功能器件的拾取。而在轉移過程中，通過激光加熱使溫度升高超過臨界溫度Tr，TRT/功能器件的能量釋放率小于功能器件/目標基板的臨界能量釋放率，從而使功能器件成功轉移到目標基板上。

圖9.TRT轉移示意圖