01
導入
マイクロ LED テクノロジーは、次世代ディスプレイ技術の最先端分野として広く注目され、研究されています。{0}{1}従来の液晶ディスプレイや有機発光ダイオード (OLED) と比較して、マイクロ LED は高輝度、高コントラスト、より広い色域を実現すると同時に、消費電力も少なく、寿命も長くなります。これにより、マイクロ LED はテレビ、スマートフォン、小型ウェアラブル デバイス、車載スクリーン、AR/VR アプリケーションにおいて大きな可能性を秘めています。- Micro LED、LCD、OLED のパラメータの比較。
物質転写は、マイクロ LED チップを成長基板からターゲット基板に転写する際の重要なステップです。マイクロ LED チップは高密度でサイズが小さいため、従来の転写方法では高精度の転写要件を満たすことが困難でした。- Micro LEDと回路駆動を組み合わせたディスプレイアレイを実現するには、Micro LEDチップの複数回の大量転送（少なくともサファイア基板→仮基板→新しい基板）が必要であり、毎回大量のチップが転送されるため、転送プロセスの高い安定性と精度が要求されます。レーザー物質転写は、マイクロ LED チップをネイティブのサファイア基板からターゲット基板に転写する技術です。まず、レーザーリフトオフによってチップがネイティブのサファイア基板から分離されます。-次に、ターゲット基板上でアブレーションが実行され、接着材料 (ポリジメチルシロキサンなど) を使用してチップを基板上に転写できるようになります。最後に、TFT バックプレーン上の金属結合力を利用して、チップは PDM 基板から TFT バックプレーンに転写されます。
02
レーザー リフトオフ テクノロジー-
レーザー物質移動の最初のステップはレーザー リフトオフ (LLO) です。{0}レーザー リフトオフの歩留まりは、レーザー転写プロセス全体の最終的な歩留まりを直接決定します。-マイクロ LED は通常、Si やサファイアなどの基板を使用して、製造のために GaN エピタキシャル層を成長させます。 Si と GaN の間には大きな格子不整合と熱膨張係数の違いがあるため、マイクロ LED チップの製造にはサファイア基板がより一般的に使用されます。
サファイアのバンドギャップは9.9eV、GaNは3.39eV、AlNは6.2eVです。レーザー リフトオフの原理-は、GaN のバンドギャップよりも大きく、サファイアや AlN のバンドギャップよりも小さい光子エネルギーを持つ短波長レーザーを使用し、サファイア側から照射することです。-レーザーはサファイアと AlN を通過し、GaN 表面層に吸収されます。このプロセス中に、表面の GaN は熱分解を受けます。 Ga の融点は約 30 度であるため、N2 と液体 Ga が生成し、N2 が逃げて、GaN エピタキシャル層をサファイア基板から機械的に分離します。界面で起こる分解反応は次のように表すことができます。
光子エネルギーの式によれば、上記の条件を満たす最適なレーザー波長は次の範囲にあるはずです: 125 nm < 209 nm λ 以下 365 nm 以下。研究によると、レーザー パルス幅、レーザー波長、レーザー エネルギー密度がレーザー アブレーション プロセスを達成するための重要な要素であることがわかっています。
マイクロ LED でフルカラー発光を実現するには、同じ基板上に赤、緑、青のマイクロ LED チップを正確に配置して統合し、小型で高解像度のカラー ディスプレイ ピクセルを作成する必要があります。-ただし、LLO は、不均一な赤、緑、青のマイクロ LED デバイスの選択的統合には適していません。-さらに、少数の破損したマイクロ LED チップを選択的に修復することは、ディスプレイ製品の歩留まりを向上させるために重要です。したがって、レーザー選択的リフトオフ (SLLO) テクノロジーが登場しました。このテクノロジーは、複雑なバッチプロセスを必要とせず、異種統合や選択的修復に適しています。また、事前に指定された一部の LED を選択的に転送し、損傷した LED を修復することもできます。-
SLLO は、レーザーを使用してマイクロ LED チップと基板の間の界面を選択的に分離することによって実現されます。光源としては紫外線がよく使われます。短波長の光は材料とより強く相互作用するため、より正確なリフトオフ プロセスが可能になります。-さらに、リフトオフプロセス中に紫外線によって発生する熱は比較的低く、熱損傷のリスクが軽減されます。
Uniqarta は、図 4 に示すような大規模な並列レーザー剥離法を提案しました。単一パルス レーザーに基づいて X-Y レーザー スキャナを追加することで、単一のレーザー ビームが複数のビームに回折され、大規模なチップ剥離が可能になります。-このスキームにより、1 回の実行で剥離されるチップの数が大幅に増加し、100 M/h の剥離速度、±34 μm の転写精度、良好な欠陥検出能力が達成され、さまざまなサイズおよび材料の転写に適しています。
03
レーザー転写技術
レーザー大量転写の 2 番目のステップはレーザー転写で、剥離されたチップを仮基板からバックプレーンに転写します。 Coherent が提案したレーザー誘起前方転写 (LIFT) 技術は、さまざまな機能性材料や構造をユーザー定義のパターンで配置できる技術です。これにより、小さなフィーチャ サイズの構造やデバイスの大規模な配置が可能になります。{2}現在、LIFT技術は0.1mm2から6mm2超までのさまざまな電子部品の転写に成功しています。図 5 は、典型的な LIFT プロセスを示しています。 LIFT プロセスでは、レーザーは透明基板を通過し、動的剥離層に吸収されます。レーザーアブレーションまたは蒸発により、動的剥離層によって生成される高圧が急速に増加し、それによってチップがスタンプから受け取り基板に転写されます。
改良を経て、Uniqarta はブリスター-ベースのレーザー-誘起前方移動技術 (BB-LIFT) を開発しました。図 6 に示すように、違いは、レーザー照射中に DRL のごく一部だけがアブレーションされてガスを生成し、衝撃エネルギーを提供することです。 DRL は、膨張したブリスターを作成することで衝撃波を内部にカプセル化し、チップを受信基板に向かってより穏やかに押すことができ、これにより転送精度が向上し、損傷が軽減されます。
スタンプが再利用できないことは、BB-LIFT の適用を制限する重要な要素です。-費用対効果を向上させるため、研究者らは、図 7 に示すように、再利用可能な金型の設計に基づいた再利用可能な BB- リフト技術を開発しました。スタンプは、金属層を備えたマイクロキャビティ、キャビティ壁、およびマイクロキャビティのカプセル化とチップの接着に使用される微細構造の弾性接着モールドで構成されています。 808 nm レーザーの照射下では、金属層がレーザーを吸収して熱を発生し、キャビティ内の空気が急速に膨張してスタンプが変形し、粘着力が大幅に低下します。このとき、気泡の発生による衝撃により、スタンプからのチップの剥離が促進される。
大規模な転送では、信頼性の高い取得を確保するためにピックアップ中に強力な接着力が必要ですが、配置中には転送を達成するために接着力をできるだけ低くする必要があります。-したがって、接着切り替え率の向上がキーテクノロジーとなります。研究者らは、接着層に膨張性微小球を埋め込み、レーザー加熱システムを使用して外部熱刺激を生成しました。ピックアッププロセス中、小さなサイズの埋め込まれた膨張性微小球により接着剤層の表面の平坦性が保証されますが、接着剤層の強力な接着力への影響は無視できます。転写プロセス中、レーザー加熱システムによって生成された 90 度の外部熱刺激が接着層に急速に伝達され、図 8 に示すように内部の微小球が急速に膨張します。その結果、表面にマイクロリフト構造が形成され、表面接着力が大幅に低下し、信頼性の高い剥離が実現します。
大規模な転写を実現するために、研究者らは、図 9 に示すように、転写は TRT と機能デバイスの間の接着力の変化に依存し、温度パラメータによって制御されることを発見しました。温度が臨界温度 Tr を下回ると、TRT/機能デバイスのエネルギー放出速度が機能デバイス/ソース基板の臨界エネルギー放出速度を超え、TRT/機能デバイスの界面で亀裂が伝播し、それによって機能デバイスがピックアップされます。転写プロセス中、レーザー加熱により温度が臨界温度 Tr 以上に上昇し、TRT/機能デバイスのエネルギー放出率が機能デバイス/ターゲット基板の臨界エネルギー放出率よりも低くなり、機能デバイスをターゲット基板に転写することができます。
