探索激光技術(shù)的多元應用與前沿進展

今天研習激光在微加工領域的應用，核心內(nèi)容為激光在Micro LED顯示技術(shù)的應用情況。《Recent progress of laser processing technology in micro-LED display manufacturing: A review》

應用背景

Micro LED 作為下一代顯示技術(shù)的重要發(fā)展方向，在眾多領域展現(xiàn)出了廣闊的應用前景，但同時也面臨著一些挑戰(zhàn)。

隨著消費者對顯示質(zhì)量要求的不斷提高，如在智能手機、電視等消費電子領域，人們渴望更清晰、更逼真、更節(jié)能的顯示效果，Micro LED 憑借其出色的色彩表現(xiàn)、高對比度、快速響應時間、高亮度和能效等優(yōu)勢，能夠滿足這些需求，為用戶帶來卓越的視覺體驗。

在可穿戴設備、汽車顯示、AR/VR 等新興領域，對小型化、高分辨率、高可靠性和柔性顯示的需求日益增長。Micro LED 的特性使其成為這些領域的理想選擇，例如在智能手表中實現(xiàn)精準的信息顯示，在汽車儀表盤上提供清晰的駕駛信息，以及在 AR/VR 設備中增強沉浸感。

但是，Micro LED的制造工藝復雜，包括高精度的芯片制造、微納米級的蝕刻和轉(zhuǎn)移技術(shù)等，這些過程對設備和技術(shù)要求極高，且容易出現(xiàn)缺陷，導致生產(chǎn)良率較低，增加了制造成本。

目前 Micro LED 的大規(guī)模量產(chǎn)存在困難，如芯片巨量轉(zhuǎn)移等問題，限制了其產(chǎn)量的提升。同時，由于生產(chǎn)過程復雜和產(chǎn)量有限，Micro LED 的成本居高不下，這在一定程度上阻礙了其在市場上的廣泛應用。 * 激光在Micro LED的應用

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激光外延生長（Substrate Epitaxy）

原理：利用激光加熱、材料沉積，在襯底上生長 Micro LED 芯片。如脈沖激光沉積（Pulsed Laser Deposition, PLD）技術(shù)，通過激光脈沖照射靶材，使靶材表面原子和分子獲得足夠動能，形成等離子體羽狀物并沉積在襯底上形成薄膜；激光分子束外延（Laser Molecular Beam Epitaxy, LMBE）技術(shù)則是利用激光蒸發(fā)將金屬鎵和氮氣轉(zhuǎn)化為高能原子和分子束，通過精確控制激光束來實現(xiàn)原子和分子束的方向、強度等，從而在襯底表面進行沉積生長。脈沖激光沉積（PLD）材料精確控制：能實現(xiàn)微米級的局部生長和沉積，對結(jié)構(gòu)控制更精準，如在制備光學薄膜和 GaN 薄膜時可精確控制材料生長位置和厚度。 生長溫度相對較低：與傳統(tǒng)化學氣相沉積（MOCVD）相比，PLD 可在較低溫度下進行材料生長，減少熱分解和不均勻生長問題。 適用材料和襯底廣泛：可用于多種類型材料和襯底，包括硅、藍寶石等。 但在大規(guī)模生產(chǎn)中，可能面臨生長速率慢和均勻性控制難的問題，適用于研究和小批量生產(chǎn)，可快速制備樣品。 *PLD技術(shù)原理

激光分子束外延（LMBE）

高質(zhì)量生長：基于對原子和分子束的精確控制，可實現(xiàn)高質(zhì)量晶體生長，提高 Micro LED 器件性能和可靠性。

生長變量多：生長溫度、氮氣流量和激光掃描頻率等參數(shù)對生長過程影響顯著。生長溫度影響材料結(jié)構(gòu)、質(zhì)量和生長速率；氮氣流量決定氮化物材料中氮含量，影響材料組成和性能；激光掃描頻率影響生長速率、晶體質(zhì)量和表面形貌。

具備量產(chǎn)優(yōu)勢：生長速率高、均勻性和重復性好，適合大規(guī)模生產(chǎn) Micro LED 外延層，如在藍寶石襯底上生長 GaN 時，能有效減少極化效應影響，制備出高質(zhì)量、低應力的 GaN 層。

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激光蝕刻（Laser Etching）

原理：將高能量激光束聚焦在芯片表面特定區(qū)域，使材料受熱發(fā)生化學或物理變化實現(xiàn)去除。

激光輔助干蝕刻（Laser-assisted dry etching）

性能優(yōu)勢：與傳統(tǒng)電感耦合等離子體（ICP）/ 反應離子蝕刻（RIE）干蝕刻相比，具有更高的蝕刻速率（約為ICP/RIE 的16倍）、更好的蝕刻均勻性（空間均勻性可達 1-3%，優(yōu)于 ICP/RIE 的3-5%）、更高的吞吐量（可達50-100 片 / 小時，而 ICP/RIE 為10-20片 / 小時）以及更優(yōu)的器件側(cè)壁質(zhì)量控制（側(cè)壁垂直度可達8-80°，表面粗糙度RMS可達0.5-1nm，均優(yōu)于 ICP/RIE）。

工藝復雜：光刻是半導體微納結(jié)構(gòu)制造的關鍵步驟，激光輔助干蝕刻中的光刻過程包括曝光、顯影、蝕刻和剝離四個主要步驟，需要精確對準掩模和圖案，且使用的UV激光能量吸收特性導致蝕刻深度相對較淺，對于需要較大深度的Micro LED可能需要多次處理。

*激光輔助干蝕刻工藝

激光直接寫入（Laser Direct Writing，LDW）

高精度無掩模蝕刻：無需傳統(tǒng)光刻掩模，直接通過控制激光束定位在材料表面形成圖案，可實現(xiàn)單步高精度、高效率的微納尺度制造，適用于GaN薄膜的多重和選擇性圖案化，能制造出更小的微結(jié)構(gòu)。

加工效率高：加工速度快，適用于多種類型材料。與傳統(tǒng)LDW相比，超快 LDW（如飛秒激光）具有更高精度和更少熱損傷，飛秒激光脈沖極短，能避免熱傳導造成的熱損傷，已成為加工GaN薄膜的新手段。

*蝕刻后Micro LED示意圖

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激光剝離（Laser Lift-Off）

原理：利用短波長激光（光子能量高于 GaN 能帶隙但低于藍寶石和 AIN 能帶隙）從藍寶石側(cè)照射，激光能量被 GaN 外延層吸收，使表面 GaN 發(fā)生熱分解，產(chǎn)生的氮氣和液態(tài)鎵導致界面應力變化，促使外延層從襯底釋放。

*LLO原理

效率較高：已廣泛應用于 LED 和 Micro LED 生產(chǎn)中的襯底去除過程，轉(zhuǎn)移效率可達99.9%，但轉(zhuǎn)移精度相對略粗（約 ±10μm）。 *LLO后SEM-PSS結(jié)構(gòu)

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激光巨量轉(zhuǎn)移（Laser Mass Transfer）

原理：通過激光照射透明基板上的動態(tài)釋放層（DRL），使局部能量吸收、消融和分解，產(chǎn)生的氣體壓力將界面材料和附著的器件轉(zhuǎn)移到目標基板。

激光誘導前向轉(zhuǎn)移（LIFT）

DRL 材料選擇： DRL 材料需具備在激光作用下能產(chǎn)生合適的粘附和釋放特性。 ①單層金屬膜（如 Au-DRL）曾被用于轉(zhuǎn)移熒光粉粉末，但可能殘留材料污染器件。 ②單層聚合物材料（如光分解性三嗪聚合物TP或聚酰亞胺PI）可分解成揮發(fā)性產(chǎn)物，減少污染，但TP產(chǎn)生的沖擊波可能損壞器件，PI通過熱分解產(chǎn)生氣體和機械能，實現(xiàn)高效高精度轉(zhuǎn)移。

為克服傳統(tǒng) LIFT 技術(shù)的局限性，如低放置精度和芯片損傷問題，研究人員不斷嘗試新的方法。如激光誘導熱氣泡轉(zhuǎn)移技術(shù)，通過控制激光照射產(chǎn)生氣體形成氣泡護盾，溫和推動芯片轉(zhuǎn)移，提高了轉(zhuǎn)移精度并減少了損傷；還有通過優(yōu)化 DRL 材料和結(jié)構(gòu)、改進激光參數(shù)控制等手段，提升技術(shù)的穩(wěn)定性和可靠性。

*LIFT原理

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激光輔助鍵合（Laser-assisted Bonding）

原理：利用高強度激光束照射金屬表面，使其熔化從而實現(xiàn)電氣連接。通過激光束的高精度和聚焦能力，對特定區(qū)域進行選擇性加熱和鍵合，增強鍵合精度和穩(wěn)定性。

優(yōu)勢： ①具有選擇性鍵合、局部加熱等優(yōu)點，適用于小間距 Micro LED 的鍵合。 ②可減少熱應力和晶圓翹曲風險，提高生產(chǎn)效率，確保鍵合精度和穩(wěn)定性，同時因其非接觸特性降低了芯片受損風險，提高了鍵合可靠性和成品率。 *激光輔助鍵合原理

*Au/Sn激光輔助鍵合

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激光檢測與修復（Laser Detection and Repair）

激光檢測原理：基于光致發(fā)光（PL）現(xiàn)象，當 Micro LED 被高能量激光束激發(fā)時，電子從導帶躍遷到價帶，發(fā)生輻射產(chǎn)生光子，通過檢測光子的特性（如波長、強度等）來評估 Micro LED 的性能。 非接觸性：激光檢測無需與 Micro LED 芯片直接接觸，避免對芯片造成物理損傷，保證了芯片的完整性和性能。 高精度：能夠精確檢測芯片的發(fā)光性能，通過調(diào)整激光光斑大?。山抵?2μm 以下），可實現(xiàn)對 Micro LED 的精確分析，對微小缺陷也能有效識別。 掃描檢測：對 Micro LED 進行掃描檢測，獲得PL 強度映射圖像，從而快速定位缺陷芯片的位置，提高檢測效率，如通過比較不同芯片的 PL 強度，可直觀發(fā)現(xiàn)強度較低的缺陷芯片。 * 激光檢測-PL強度

激光修復

利用高能量的紫外激光在缺陷區(qū)域進行消除，去除或修復 Micro LED 中的缺陷部分，該方法速度快、效率高，能夠在較短時間內(nèi)去除芯片缺陷。 通過修復缺陷芯片，以提高 Micro LED 芯片的良率，減少廢品率，從而提升整個產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，降低生產(chǎn)成本，增強產(chǎn)品競爭力。 *激光修復流程

啟發(fā)：

① 激光在Micro LED領域的應用廣泛，以紫外激光為主，即波長范圍355nm、266nm、248nm等，傳統(tǒng)紅激光1064nm應用較少，這與Micro LED芯片自身特性及制造過程密切相關。

② 激光在該領域的應用是傳統(tǒng)激光應用的精細化，本質(zhì)上相差不大。

③ 激光協(xié)同其他領域的技術(shù)是解決實際問題的關鍵。