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Introduzione
La tecnologia micro LED, in quanto campo-all'avanguardia della tecnologia display di prossima-generazione, sta ricevendo ampia attenzione e ricerca. Rispetto ai tradizionali display a cristalli liquidi e ai diodi organici-emettitori di luce (OLED), i micro LED offrono una luminosità più elevata, un contrasto più elevato e una gamma di colori più ampia, consumando anche meno energia e avendo una durata più lunga. Ciò offre ai Micro LED un potenziale significativo nei televisori, negli smartphone, nei piccoli dispositivi indossabili, negli-schermi dei veicoli e nelle applicazioni AR/VR. Un confronto dei parametri tra Micro LED, LCD e OLED.
Il trasferimento di massa è un passaggio fondamentale nel trasferimento dei chip Micro LED dal substrato di crescita al substrato target. A causa dell'elevata densità e delle dimensioni ridotte dei chip Micro LED, i metodi di trasferimento tradizionali faticano a soddisfare i requisiti di trasferimento ad alta-precisione. Il raggiungimento di un array di display che combina Micro LED con l'azionamento del circuito richiede più trasferimenti di massa di chip Micro LED (almeno dal substrato in zaffiro → substrato temporaneo → nuovo substrato), con un gran numero di chip trasferiti ogni volta, richiedendo elevata stabilità e precisione del processo di trasferimento. Il trasferimento di massa laser è una tecnica per trasferire i chip Micro LED dal substrato nativo di zaffiro al substrato target. Innanzitutto, i chip vengono separati dal substrato nativo di zaffiro tramite laser lift-off; quindi, viene eseguita l'ablazione sul substrato target per consentire il trasferimento dei trucioli su un substrato con materiali adesivi (come il polidimetilsilossano). Infine, utilizzando la forza di collegamento del metallo sul backplane TFT, i chip vengono trasferiti dal substrato PDM al backplane TFT.
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Tecnologia Laser Lift-Off
Il primo passaggio del trasferimento di massa laser è il laser lift-off (LLO). La resa del laser lift-off determina direttamente la resa finale dell'intero processo di trasferimento laser. I micro LED utilizzano tipicamente substrati come Si e zaffiro per far crescere strati epitassiali di GaN per la fabbricazione. Esistono notevoli disallineamenti reticolari e differenze nel coefficiente di dilatazione termica tra Si e GaN, quindi i substrati di zaffiro sono più comunemente utilizzati nella preparazione dei chip Micro LED.
Il bandgap dello zaffiro è 9,9 eV, GaN è 3,39 eV e AlN è 6,2 eV. Il principio del laser lift-off consiste nell'utilizzare un laser a lunghezza d'onda corta-con energia fotonica maggiore della banda proibita del GaN ma inferiore alla banda proibita dello zaffiro e dell'AlN, che si irradia dal lato dello zaffiro. Il laser passa attraverso lo zaffiro e l'AlN e viene assorbito dallo strato superficiale di GaN. Durante questo processo, il GaN superficiale subisce una decomposizione termica. Poiché il punto di fusione del Ga è di circa 30 gradi, vengono generati N2 e Ga liquido e N2 fuoriesce, separando così meccanicamente lo strato epitassiale di GaN dal substrato di zaffiro. La reazione di decomposizione che avviene all'interfaccia può essere rappresentata come:
Secondo la formula dell'energia fotonica, la lunghezza d'onda laser ottimale che soddisfa le condizioni di cui sopra dovrebbe essere compresa nel seguente intervallo: 125 nm < 209 nm Inferiore o uguale a λ Inferiore o uguale a 365 nm. La ricerca mostra che l’ampiezza dell’impulso laser, la lunghezza d’onda del laser e la densità dell’energia laser sono fattori chiave per ottenere il processo di ablazione laser.
Per ottenere l'emissione di colori-completa con i Micro LED, è necessario disporre e integrare con precisione i chip Micro LED rossi, verdi e blu sullo stesso substrato per creare minuscoli pixel di visualizzazione a colori ad alta-risoluzione. Tuttavia, LLO non è adatto per l'integrazione selettiva di dispositivi Micro LED rossi, verdi e blu non uniformi. Inoltre, riparare selettivamente un piccolo numero di chip Micro LED danneggiati è fondamentale per migliorare la resa dei prodotti display. Pertanto è emersa la tecnologia Laser Selective Lift-Off (SLLO). Questa tecnologia è adatta per l'integrazione eterogenea e la riparazione selettiva, senza richiedere processi batch complessi. Può anche trasferire selettivamente alcuni LED pre-specificati e riparare i LED danneggiati.
SLLO si ottiene utilizzando un laser per separare selettivamente l'interfaccia tra i chip Micro LED e il substrato. La luce ultravioletta è comunemente usata come sorgente luminosa. La luce a-lunghezza d'onda corta interagisce in modo più forte con il materiale, consentendo un processo di decollo-più preciso. Inoltre, il calore generato dalla luce ultravioletta durante il processo di decollo-è relativamente basso, riducendo il rischio di danni termici.
Uniqarta ha proposto un metodo di esfoliazione laser parallelo su larga-scala, come mostrato nella Figura 4. Aggiungendo uno scanner laser X-Y sulla base di un laser a-singolo impulso, un singolo raggio laser viene diffratto in più raggi, consentendo l'esfoliazione di chip su larga-scala. Questo schema aumenta significativamente il numero di trucioli esfoliati in una singola esecuzione, raggiungendo una velocità di esfoliazione di 100 M/h, una precisione di trasferimento di ±34 μm e una buona capacità di rilevamento dei difetti, adatta per il trasferimento di varie dimensioni e materiali di corrente.
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Tecnologia di trasferimento laser
La seconda fase del trasferimento massivo laser è il trasferimento laser, che trasferisce il chip delaminato dal substrato temporaneo al backplane. La tecnologia di trasferimento in avanti indotto dal laser (LIFT) proposta da Coherent è una tecnica in grado di posizionare vari materiali e strutture funzionali in modelli definiti dall'utente-, consentendo il posizionamento su larga-scala di strutture o dispositivi con caratteristiche di piccole dimensioni. Attualmente la tecnologia LIFT ha realizzato con successo il trasferimento di vari componenti elettronici, con dimensioni che vanno da 0,1 a oltre 6 mm2. La Figura 5 mostra un tipico processo LIFT. Nel processo LIFT, il laser attraversa il substrato trasparente e viene assorbito dallo strato a rilascio dinamico. Attraverso l'ablazione laser o la vaporizzazione, l'alta pressione generata dallo strato di rilascio dinamico aumenta rapidamente, trasferendo così il chip dallo stampo al substrato ricevente.
Dopo i miglioramenti, Uniqarta ha sviluppato una tecnologia di trasferimento in avanti indotta da blister-basata su laser-(BB-LIFT). Come mostrato nella Figura 6, la differenza sta nel fatto che durante l'irradiazione laser, solo una piccola porzione del DRL viene ablata per generare gas per fornire energia d'impatto. Il DRL può incapsulare l'onda d'urto all'interno creando una bolla espansa, spingendo il chip più delicatamente verso il substrato ricevente, il che può migliorare la precisione del trasferimento e ridurre i danni.
La non-riutilizzabilità del timbro è un fattore importante che limita l'applicazione del BB-LIFT. Per migliorare l'efficacia in termini di costi-, i ricercatori hanno sviluppato una tecnica BB-LIFT riutilizzabile basata sulla progettazione di stampi riutilizzabili, come mostrato nella Figura 7. Il timbro è costituito da una microcavità con uno strato metallico, con pareti della cavità e uno stampo adesivo elastico microstrutturato utilizzato per incapsulare la microcavità e incollare il chip. Sotto l'illuminazione di un laser da 808 nm, lo strato metallico assorbe il laser e genera calore, provocando una rapida espansione dell'aria all'interno della cavità, deformando il timbro e riducendone notevolmente l'adesione. A questo punto l'impatto generato dalla formazione delle bolle facilita il distacco del chip dal timbro.
Nel trasferimento su larga-scala, è necessaria una forte adesione durante il prelievo-per garantire un'acquisizione affidabile, mentre l'adesione deve essere la più bassa possibile durante il posizionamento per ottenere il trasferimento. Pertanto, la tecnologia chiave sta nel migliorare il rapporto di commutazione dell'adesione. I ricercatori hanno incorporato microsfere espandibili nello strato adesivo e hanno utilizzato un sistema di riscaldamento laser per generare una stimolazione termica esterna. Durante il processo di prelievo, le microsfere espandibili incorporate di piccole dimensioni-garantiscono la planarità della superficie dello strato adesivo, mentre l'effetto sulla forte adesione dello strato adesivo può essere trascurato. Durante il processo di trasferimento, la stimolazione termica esterna a 90 gradi generata dal sistema di riscaldamento laser viene rapidamente trasferita allo strato adesivo, provocando una rapida espansione delle microsfere interne, come mostrato nella Figura 8. Ciò si traduce in una struttura di micro-sollevamento sulla superficie, riducendo significativamente l'adesione superficiale e ottenendo un rilascio affidabile.
Per ottenere un trasferimento su larga scala-, i ricercatori hanno scoperto che il trasferimento dipende dalla variazione dell'adesione tra il TRT e il dispositivo funzionale ed è controllato da parametri di temperatura, come mostrato nella Figura 9. Quando la temperatura è inferiore alla temperatura critica Tr, il tasso di rilascio di energia del TRT/dispositivo funzionale supera il tasso di rilascio di energia critica del dispositivo funzionale/substrato sorgente, provocando la propagazione delle crepe nell'interfaccia TRT/dispositivo funzionale, raccogliendo così il dispositivo funzionale. Durante il processo di trasferimento, il riscaldamento del laser aumenta la temperatura al di sopra della temperatura critica Tr, rendendo il tasso di rilascio di energia del TRT/dispositivo funzionale inferiore al tasso di rilascio di energia critica del dispositivo funzionale/substrato target, trasferendo così con successo il dispositivo funzionale sul substrato target.
