1. La tecnología micro LED, como campo de frontera en la tecnología de visualización de próxima-generación, está recibiendo amplia atención e investigación. En comparación con las tradicionales pantallas de cristal líquido y los diodos emisores de luz orgánicos-(OLED), Micro LED ofrece mayor brillo, mayor contraste y una gama de colores más amplia, además de tener un menor consumo de energía y una vida útil más larga. Esto le da a Micro LED un enorme potencial en campos como televisores, teléfonos inteligentes, dispositivos portátiles inteligentes de pequeño-tamaño, pantallas de-automóviles y AR/VR. La comparación de parámetros entre Micro LED, LCD y OLED se muestra en la Figura 1.
La transferencia de masa es un paso clave en la transferencia de chips Micro LED desde el sustrato de crecimiento al sustrato objetivo. Debido a la alta densidad y al pequeño tamaño de los chips Micro LED, los métodos de transferencia tradicionales tienen dificultades para cumplir con los requisitos de alta precisión. Lograr una matriz de pantalla que combine Micro LED con controladores de circuito requiere múltiples transferencias masivas de los chips Micro LED (al menos desde un sustrato de zafiro hasta un sustrato temporal y luego un sustrato nuevo), con una gran cantidad de chips transferidos cada vez, lo que impone altas exigencias en la estabilidad y precisión del proceso de transferencia. La transferencia de masa por láser es una tecnología para transferir chips Micro LED desde el sustrato de zafiro nativo al sustrato objetivo. Primero, los chips se separan del sustrato de zafiro nativo mediante pelado con láser; luego, se lleva a cabo un tratamiento de ablación sobre el sustrato objetivo para transferir los chips a un sustrato con un material pegajoso (tal como polidimetilsiloxano). Finalmente, los chips se transfieren desde el sustrato PDM al backplane TFT utilizando la fuerza de unión del metal en el backplane TFT.
02Tecnología de pelado láser
El primer paso de la transferencia masiva por láser es el pelado con láser (LLO). El rendimiento del pelado con láser determina directamente el rendimiento final de todo el proceso de transferencia por láser. Los micro LED suelen utilizar sustratos como Si y zafiro para hacer crecer capas epitaxiales de GaN para su preparación. Existen problemas importantes, como un gran desajuste de la red y diferencias en los coeficientes de expansión térmica entre los materiales de Si y GaN; por lo tanto, los sustratos de zafiro se usan más comúnmente al preparar chips Micro LED. La banda prohibida del zafiro es 9,9 eV, GaN es 3,39 eV y AlN es 6,2 eV. El principio del peeling láser implica el uso de láseres de longitud de onda corta-con energía de fotón mayor que la banda prohibida de energía de GaN pero menor que las bandas prohibidas del zafiro y AlN, irradiando desde el lado del zafiro. El láser pasa a través de zafiro y AlN y luego es absorbido por la superficie GaN. Durante este proceso, la superficie del GaN sufre descomposición térmica y, dado que el punto de fusión del Ga es de aproximadamente 30 grados, se generan N2 y Ga líquido, escapando posteriormente el N2, logrando así la separación de la capa epitaxial de GaN del sustrato de zafiro mediante fuerza mecánica. La reacción de descomposición que ocurre en la interfaz se puede representar como:
Según la fórmula para la energía de los fotones, la longitud de onda óptima del láser que cumple las condiciones anteriores debe estar dentro del siguiente rango: 125 nm < 209 nm Menor o igual a λ Menor o igual a 365 nm. Las investigaciones muestran que el ancho del pulso del láser, la longitud de onda del láser y la densidad de energía del láser son factores clave para lograr el proceso de ablación con láser.
Para lograr una iluminación Micro LED a todo-color, es necesario organizar e integrar con precisión los chips Micro LED en rojo, verde y azul en el mismo sustrato para crear un pequeño píxel de pantalla en color de alta-resolución. El método Laser Lift-Off (LLO) no es adecuado para la integración selectiva de dispositivos Micro LED rojos, verdes y azules no uniformes. Además, reparar selectivamente una pequeña cantidad de chips Micro LED dañados es crucial para mejorar el rendimiento de los productos de visualización. Por lo tanto, ha surgido la tecnología de Selective Laser Lift-Off (SLLO). Esta tecnología es aplicable a la integración heterogénea y la reparación selectiva, sin necesidad de un complejo procedimiento de procesamiento por lotes. También puede transferir selectivamente LED pre-específicos y reparar LED dañados. SLLO funciona mediante irradiación láser para pelar selectivamente chips Micro LED de la interfaz con el sustrato. Normalmente se utiliza luz ultravioleta como fuente de luz. La luz de longitud de onda más corta interactúa más fuertemente con los materiales, lo que permite un proceso de pelado más preciso. Además, el calor generado durante el proceso de pelado con luz ultravioleta es relativamente bajo, lo que reduce el riesgo de daño térmico.
Uniqarta ha propuesto un método de pelado por láser paralelo a gran-escala, como se muestra en la Figura 4. Al agregar un escáner láser X-Y al láser de pulso único, un solo rayo láser se difracta en múltiples rayos láser, lo que permite el pelado de chips a gran-escala. Este esquema aumenta significativamente el número de chips pelados en una sola operación, logrando una velocidad de pelado de 100 M/h, con una precisión de transferencia de ±34 μm, y posee buenas capacidades de detección de defectos, lo que lo hace adecuado para la transferencia de varios tamaños y materiales actualmente.
3Tecnología de transferencia láser
El segundo paso de la transferencia masiva por láser es la transferencia por láser, que implica transferir los chips pelados del sustrato temporal al backplane. La tecnología de transferencia directa inducida por láser (LIFT)-propuesta por Coherent es un método que puede colocar diversos materiales y estructuras funcionales en patrones definidos por el usuario-, lo que permite la colocación a gran-escala de estructuras o dispositivos de tamaño pequeño. Actualmente, la tecnología LIFT ha logrado con éxito la transferencia de diversos componentes electrónicos, con tamaños que van desde 0,1 hasta más de 6 mm². La Figura 5 muestra un proceso LIFT típico. En el proceso LIFT, el láser pasa a través del sustrato transparente y es absorbido por la capa de liberación dinámica. Debido al efecto ablativo o de vaporización del láser, la alta presión generada por la capa de liberación dinámica aumenta rápidamente, transfiriendo así el chip del sello al sustrato receptor.
Después de realizar mejoras, Uniqarta desarrolló una tecnología de transferencia directa inducida por láser-basada en ampollas (BB-LIFT). Como se muestra en la Figura 6, la diferencia es que durante la irradiación con láser, solo se elimina una pequeña porción del DRL y se produce gas para proporcionar energía de impacto. El DRL puede encapsular la onda de choque dentro de una ampolla en expansión, empujando suavemente el chip hacia el sustrato receptor, lo que puede mejorar la precisión de la transferencia y reducir el daño.
La no-reutilización del sello es un factor importante que limita la aplicación de BB-LIFT. Para mejorar la rentabilidad-, los investigadores desarrollaron una tecnología BB-LIFT reutilizable basada en el diseño de sellos reutilizables, como se muestra en la Figura 7. El sello consta de microcavidades con una capa de metal, con las paredes de la cavidad y un molde adhesivo elástico con microestructuras utilizadas para encapsular las microcavidades y unir el chip. Cuando se irradia con un láser de 808 nm, la capa de metal absorbe el láser y genera calor, lo que hace que el aire dentro de la cavidad se expanda rápidamente, lo que provoca la deformación del sello y reduce significativamente su adherencia. En este punto, el choque generado por el burbujeo hace que el chip se desprenda del sello.
En la transferencia a gran-escala, se requiere una fuerte adhesión durante la recolección para garantizar una captura confiable; Durante la colocación, la adhesión debe ser lo más mínima posible para lograr la transferencia, por lo que el núcleo de la tecnología radica en mejorar la relación de cambio de la fuerza de adhesión. Los investigadores incorporaron microesferas expandibles en la capa adhesiva y utilizaron un sistema de calentamiento láser para generar estímulos térmicos externos. Durante el proceso de recogida, las microesferas expandibles incrustadas de pequeño tamaño- aseguran la planitud de la superficie de la capa adhesiva, mientras que el efecto sobre la fuerte adhesión de la capa adhesiva puede despreciarse. Sin embargo, durante el proceso de transferencia, el estímulo térmico externo de 90 grados generado por el sistema de calentamiento láser se transfiere rápidamente a la capa adhesiva, lo que hace que las microesferas internas se expandan rápidamente, como se muestra en la Figura 8. Esto da como resultado una estructura micro-en capas en la superficie, lo que reduce significativamente la adhesión a la superficie y logra una liberación confiable.
Para lograr una transferencia a gran-escala, los investigadores descubrieron que la transferencia depende del cambio en la adhesión entre el TRT y el dispositivo funcional, y está controlada por parámetros de temperatura, como se muestra en la Figura 9. Cuando la temperatura está por debajo de la temperatura crítica Tr, la tasa de liberación de energía del TRT/dispositivo funcional es mayor que la tasa de liberación de energía crítica del dispositivo funcional/sustrato fuente, lo que hace que las grietas tiendan a propagarse en la interfaz TRT/dispositivo funcional, lo que permite que el dispositivo funcional sea recogido. Durante el proceso de transferencia, la temperatura se eleva por encima de la temperatura crítica Tr mediante calentamiento por láser, y la tasa de liberación de energía del TRT/dispositivo funcional es menor que la tasa de liberación de energía crítica del dispositivo funcional/sustrato objetivo, lo que permite que el dispositivo funcional se transfiera con éxito al sustrato objetivo.
