當前，LCD面板仍需要背光照明才能顯示，而有源元件OLED和LED則通過自身發光消除對背光的依賴。與LED相比，OLED有一個明顯的缺點是老化效應，從而限制了顯示壽命。

       在所有這些選項中，MicroLED（顯示矩陣中的MicroLED）為顯示應用提供了最多的優勢，包括更高的發光效率、亮度和對比度；更廣的視角；由于像素密度更高，分辨率更高；使用壽命更長，可靠性和環境穩定性更高；更快的刷新率，響應時間以納秒為單位；無背光，從而以更低的功耗實現更薄、更輕的顯示器。

■圖1：MicroLED陣列

       然而，微型LED（MicroLED）顯示器并非沒有自己的挑戰，大批量制造就是其中之一。與LCD和OLED顯示器相比，當前的MicroLED顯示器具有較大的像素尺寸。2021年第四季度，三星推出了一款名為“The Wall”的MicroLED顯示器，像素間距為0.8mm。現代手機顯示屏需要0.03mm0.06 mm的更小間距和每英寸400-800 PPI（像素）。因此，35μm×20μm的Micro-LED尺寸對于滿足顯示器制造商的需求是必要的。

       目前，機械式取放的精度不適合如此小尺寸的芯片。因此，需要基于激光技術轉移Micro-LED晶粒。事實證明，激光輔助技術是唯一能夠滿足高像素密度Micro-LED多步制造過程中嚴苛工藝的方法。

       制造MicroLED顯示器激光是實現MicroLED顯示器大規模制造的基本工具。單獨著色的紅色、綠色和藍色MicroLED通常基于無機III-V族半導體氮化鎵，首先是在單獨的外延片上生長，通常為藍寶石，密度約為每6英寸晶圓片上有800萬顆晶粒，如圖2左側所示。

■圖2：MicroLED批量制造過程中使用的激光工藝

       接下來是將不同顏色的MicroLED轉移并交織到具有更高導熱性和導電性的基板上，以形成彩色顯示器。期間就包括了各種基于激光的工藝技術，如圖2右側所示。
最初，在使用激光剝離技術剝離藍寶石晶片之前，臨時載體附在MicroLED上。高通量掃描策略使用XY平臺在激光線下移動基板，該激光線跨越晶片長度，具有頂帽強度分布，以產生均勻的材料相互作用。

       有必要使用紫外光譜中低于GaN的3.3-eV (376-nm)帶隙但高于藍寶石的9.9-eV (125-nm)帶隙的波長，其中藍寶石襯底是透明的，而LED是非透明的。脈沖紫外激光器，例如248nm準分子激光器或266nm皮秒激光器，能夠將相互作用體積限制在幾納米內，從而最大限度地減少器件層上的應力。

       在臨時載體上制備MicroLED后，基于現代準分子激光器的掩模技術的激光誘導正向轉移方法，能夠在最終的顯示基板上進行選擇性轉和紅綠藍排列。為了對Micro-LED進行質量轉移，用大頂帽光束輪廓照亮掩模可提供均勻的力，以實現幾微米的單獨定位精度。
根據間距和特定的工藝條件，每次最多可轉移1萬顆晶粒。現代準分子激光器的重復頻率只有幾百赫茲。由于一次性相互作用和大的照射面積，需要具有優異的脈沖到脈沖穩定性和高脈沖能量的激光器。

       制造瓶頸依然存在，即使產量很高，大量轉換過程還是容易導致每塊晶圓出現數千個壞點。每一個壞點都必須進行更換，從而還需要快速且單獨的定位工藝技術。這些工藝對光束質量和高產量提出了與制造步驟相同的要求。在千赫茲范圍內工作的固態超短脈沖激光器與掃描技術相結合，提供了一種功能強大且具有成本效益的解決方案。更高的重復率還需要仔細考慮掃描技術，因為XY平臺無法提供所需的加速度。

       Micro-LED維修為確保準確和精確地加工，每個MicroLED修復部位的聚焦激光束的強度分布必須得到明確定義。具體而言，輪廓應呈現出具有3μm-5μm陡峭邊緣和均勻平坦區域的小矩形形狀，這可以通過使用短焦距f-theta鏡頭和定制的銳邊頂帽光束整形器來實現。（f-Theta鏡頭通常用于高性能激光掃描系統中，產生焦點）

       這種衍射光學元件提供了平頂強度分布，其平坦區域尺寸僅比衍射極限光斑大幾倍，并且具有改進的銳邊，寬度為衍射極限光斑的一半。滿足這些條件的銳邊頂帽輪廓出現在圖3中，它是使用HOLO/OR光束整形器衍射光學元件與f-theta透鏡（f=65.5mm）結合聚焦355nm激光的高斯光束（Coherent HyperRapid 50 classic）和SCANLAB excelliSCAN 14振鏡掃描儀而實現的。高度精確的光束尺寸、良好的光束中心和精確的聚焦對于獲得最佳性能至關重要。

■圖3：使用成形光束進行激光掃描的挑戰在于通常會在圖像域邊緣發生畸變

       使用Pulsar Photonics模塊可以實現這種性能，該模塊具有自動測量程序和執行器，可自動將激光束對準頂帽整形器并校準系統。自動校準可確保在更長的處理時間內進行穩定校準。使用成形光束進行激光掃描的挑戰在于，圖像域的邊緣越來越多地發生畸變，如圖4a所示。這種失真是由振鏡布置和f-theta透鏡的成像特性所造成的。

■圖4(a)：使用頂帽光束輪廓進行激光掃描期間，由于像差增加而發生翹曲現象；圖4(b)：這種失真可以通過在處理過程中利用XY平臺的同步運動進行補償，以將掃描場大小限制在f-theta透鏡的中心視野范圍內

       對于圖3中所示的頂帽光束輪廓，在均勻性下降和形狀變形發生在不適合MicroLED加工水平之前，只有16mm²圖像域的中心區域是可以掃描的。為了克服這個限制，有必要使用XY平臺在處理過程中對晶片進行光柵化處理，如圖4b所示。

       為了實現高處理速度，可以使用SCANLAB和ACS Motion Control開發的創新解決方案同步平臺和掃描儀運動。控制軟件中的特殊算法為掃描儀和載物臺生成了同步軌跡。這種聯動策略消除了縫合錯誤并提高了抓取的準確性。當在6mm²的掃描場上采用這種方法處理1萬顆晶粒時，絕對定位誤差僅為2.82μm（圖5顯示）。

■圖5：定位誤差的2D散點圖，其設置結合了配備f=100mm的f-theta透鏡掃描系統和同步運動的機械載物臺。沿X軸和Y軸的密度圖分別顯示并呈現出高斯分布 

       圖6顯示了晶圓5mm²視場的掃描策略。幾秒內就能處理一塊6英寸晶圓，滿足行業對吞吐量的需求。原則上，采用這種方法可以處理直徑為平臺移動范圍的晶片。然而實際上8英寸是MicroLED顯示器的當前上限，因為它們具有高平坦度和層均勻性的要求。

■圖6：為了在MicroLED修復過程中實現高吞吐量，掃描場可以限制在f-theta透鏡中央5mm²視場內。這確保了激光頂帽強度分布的良好成像性能，同時平臺運動允許處理整個外延片

        MicroLED是未來的顯示技術，與LCD和OLED顯示器相比具有顯著優勢。但它們也需要目前仍在開發中的苛刻制造技術。激光工藝是這些制造技術的核心，而激光剝離和激光誘導正向轉移技術的組合對于MicroLED的大批量生產至關重要。
然而在實際制造過程中，通常會有數千個模具出現缺陷并需要更換。使用紫外皮秒激光器可以滿足這種修復過程的要求。從本質上講，基于低失真、頂帽光束整形的掃描技術與此處介紹的掃描策略相結合，看起來是一個有效的解決方案。

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