准分子激光器提升Micro-LED制造工艺

    于无机III-V半导体(例如GaN)的Micro-LED(μLED)可用于制造电效率、亮度、像素密度、使用寿命和应用范围远超现有技术的显示屏，前景可观。然而，要实现从当前LED器件(约200μm)到μLED(约20μm)的过渡，必须有技术创新的支撑，尤其是实现μLED显示屏组装方面的创新。本文将介绍如何通过准分子激光器解决此加工过程中最为棘手的两个难题。

激光剥离技术(LLO)

    由于蓝宝石晶片的晶格失配度和成本均相对较低，因此当前大多数LED制造工艺采用蓝宝石晶片作为MOCVD晶体生长的基板。但由于蓝宝石的导热和导电性较差，会限制可提取的光通量，因此蓝宝石并非成品GaN LED的理想载体材料。其结果导致，在生产高亮度GaN LED的过程中，最后需要添加一步操作，将器件粘合到最终或临时载体上，然后再将器件与“牺牲层”蓝宝石基板分离。对于μLED而言，为了制造组成柔性显示屏的小尺寸薄型器件，显然必须去除蓝宝石基板。

图1 通过激光剥离技术去除蓝宝石基板的流程示意图
a)器件晶体生长并附着到载体基板 b)激光束穿透蓝宝石基板 c)去除蓝宝石基板

    利用准分子激光器进行激光剥离是去除蓝宝石基板的最常用方法。在加工过程中，高强度激光脉冲会穿透蓝宝石基板(波长248nm的准分子激光束可以穿透)，直接照射到LED晶片上。同时，GaN层大量吸收紫外光，并有很薄的一层分解成镓和氮气。所形成的气压会把器件推离基板，在几乎不对器件产生任何作用力的情况下实现器件与基板的分离。镓可以用水或稀盐酸洗掉，以保持器件表面的清洁。

    除波长外，准分子激光器的另外一个重要特性是脉冲短(约10－20ns)，这有助于抑制热扩散并最大限度降低器件的热负荷。此外，准分子激光器输出的激光可以形成沿两个轴能量均匀分布的细长光束(平顶光束)。(图2)例如，相干公司UVblade系统提供的155mmx～0.5mm光束的能量均匀度优于2％标准方差(sigma)。如此一来，所有加工区域将接受相同且最佳的能量通量，从而避免在加工过程中遇到能量过冲或过大热负荷的问题，这个问题在能量强度呈高斯分布的其他激光加工中经常出现。

图2 UVblade(248nm)的155mm激光束轮廓，含短轴(SA)和长轴(LA)

    请注意，两个轴刻度的差异达到了两个数量级。

    准分子LLO实质上是一个单脉冲过程，因此对激光束均匀度和稳定性的要求极高。激光器制造商相干公司已开发了能够满足这一需求的产品，这些产品提供卓越的脉冲稳定性(例如＜1％rms)，能够大大提高加工过程中的工艺控制并帮助用户增大工艺区间。

图3 配备LEAP准分子激光器和光束光学元件的UVblade LLO系统

    作业过程中，准分子激光器光束扫掠基板，通过照射整个加工区域实现器件分离。如果要重点实现高产能，线束会相应调整，从而在单次扫描中完整覆盖蓝宝石晶片(2＂、4＂或6＂)。这种方法需要中等强度激光(例如50到100W)。有效热膨胀系数失配导致的薄膜内应力会均匀释放，从而进一步降低对器件的影响。因此，这种248nm方法是实现LLO最常用的方法。

    另外一种LLO策略是使用尺寸较小的光束和光栅扫描整个晶片。如，相干公司有一种UVblade系统产生长26mm，宽0.5mm的光束，仅需扫描两次即可覆盖2＂晶片。这种典型系统仅需要功率30W，波长248nm的激光。光栅扫描方法需要在扫描方向上实现单次照射的受控重叠，以及扫描之间的重叠。