激光在Micro LED显示技术的应用情况

探索激光技术的多元应用与前沿进展

今天研习激光在微加工领域的应用，核心内容为激光在Micro LED显示技术的应用情况。《Recent progress of laser processing technology in micro-LED display manufacturing: A review》

应用背景

Micro LED 作为下一代显示技术的重要发展方向，在众多领域展现出了广阔的应用前景，但同时也面临着一些挑战。

随着消费者对显示质量要求的不断提高，如在智能手机、电视等消费电子领域，人们渴望更清晰、更逼真、更节能的显示效果，Micro LED 凭借其出色的色彩表现、高对比度、快速响应时间、高亮度和能效等优势，能够满足这些需求，为用户带来卓越的视觉体验。

在可穿戴设备、汽车显示、AR/VR 等新兴领域，对小型化、高分辨率、高可靠性和柔性显示的需求日益增长。Micro LED 的特性使其成为这些领域的理想选择，例如在智能手表中实现精准的信息显示，在汽车仪表盘上提供清晰的驾驶信息，以及在 AR/VR 设备中增强沉浸感。

但是，Micro LED的制造工艺复杂，包括高精度的芯片制造、微纳米级的蚀刻和转移技术等，这些过程对设备和技术要求极高，且容易出现缺陷，导致生产良率较低，增加了制造成本。

目前 Micro LED 的大规模量产存在困难，如芯片巨量转移等问题，限制了其产量的提升。同时，由于生产过程复杂和产量有限，Micro LED 的成本居高不下，这在一定程度上阻碍了其在市场上的广泛应用。 * 激光在Micro LED的应用

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激光外延生长（Substrate Epitaxy）

原理：利用激光加热、材料沉积，在衬底上生长 Micro LED 芯片。如脉冲激光沉积（Pulsed Laser Deposition, PLD）技术，通过激光脉冲照射靶材，使靶材表面原子和分子获得足够动能，形成等离子体羽状物并沉积在衬底上形成薄膜；激光分子束外延（Laser Molecular Beam Epitaxy, LMBE）技术则是利用激光蒸发将金属镓和氮气转化为高能原子和分子束，通过精确控制激光束来实现原子和分子束的方向、强度等，从而在衬底表面进行沉积生长。脉冲激光沉积（PLD）材料精确控制：能实现微米级的局部生长和沉积，对结构控制更精准，如在制备光学薄膜和 GaN 薄膜时可精确控制材料生长位置和厚度。 生长温度相对较低：与传统化学气相沉积（MOCVD）相比，PLD 可在较低温度下进行材料生长，减少热分解和不均匀生长问题。 适用材料和衬底广泛：可用于多种类型材料和衬底，包括硅、蓝宝石等。 但在大规模生产中，可能面临生长速率慢和均匀性控制难的问题，适用于研究和小批量生产，可快速制备样品。 *PLD技术原理

 激光分子束外延（LMBE）

高质量生长：基于对原子和分子束的精确控制，可实现高质量晶体生长，提高 Micro LED 器件性能和可靠性。

生长变量多：生长温度、氮气流量和激光扫描频率等参数对生长过程影响显著。生长温度影响材料结构、质量和生长速率；氮气流量决定氮化物材料中氮含量，影响材料组成和性能；激光扫描频率影响生长速率、晶体质量和表面形貌。

具备量产优势：生长速率高、均匀性和重复性好，适合大规模生产 Micro LED 外延层，如在蓝宝石衬底上生长 GaN 时，能有效减少极化效应影响，制备出高质量、低应力的 GaN 层。

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激光蚀刻（Laser Etching）

原理：将高能量激光束聚焦在芯片表面特定区域，使材料受热发生化学或物理变化实现去除。

激光辅助干蚀刻（Laser-assisted dry etching）

性能优势：与传统电感耦合等离子体（ICP）/ 反应离子蚀刻（RIE）干蚀刻相比，具有更高的蚀刻速率（约为ICP/RIE 的16倍）、更好的蚀刻均匀性（空间均匀性可达 1-3%，优于 ICP/RIE 的3-5%）、更高的吞吐量（可达50-100 片 / 小时，而 ICP/RIE 为10-20片 / 小时）以及更优的器件侧壁质量控制（侧壁垂直度可达8-80°，表面粗糙度RMS可达0.5-1nm，均优于 ICP/RIE）。

工艺复杂：光刻是半导体微纳结构制造的关键步骤，激光辅助干蚀刻中的光刻过程包括曝光、显影、蚀刻和剥离四个主要步骤，需要精确对准掩模和图案，且使用的UV激光能量吸收特性导致蚀刻深度相对较浅，对于需要较大深度的Micro LED可能需要多次处理。

*激光辅助干蚀刻工艺

激光直接写入（Laser Direct Writing，LDW）

高精度无掩模蚀刻：无需传统光刻掩模，直接通过控制激光束定位在材料表面形成图案，可实现单步高精度、高效率的微纳尺度制造，适用于GaN薄膜的多重和选择性图案化，能制造出更小的微结构。

加工效率高：加工速度快，适用于多种类型材料。与传统LDW相比，超快 LDW（如飞秒激光）具有更高精度和更少热损伤，飞秒激光脉冲极短，能避免热传导造成的热损伤，已成为加工GaN薄膜的新手段。

*蚀刻后Micro LED示意图

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激光剥离（Laser Lift-Off）

原理：利用短波长激光（光子能量高于 GaN 能带隙但低于蓝宝石和 AIN 能带隙）从蓝宝石侧照射，激光能量被 GaN 外延层吸收，使表面 GaN 发生热分解，产生的氮气和液态镓导致界面应力变化，促使外延层从衬底释放。

*LLO原理

  效率较高：已广泛应用于 LED 和 Micro LED 生产中的衬底去除过程，转移效率可达99.9%，但转移精度相对略粗（约 ±10μm）。 *LLO后SEM-PSS结构

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激光巨量转移（Laser Mass Transfer）

原理：通过激光照射透明基板上的动态释放层（DRL），使局部能量吸收、消融和分解，产生的气体压力将界面材料和附着的器件转移到目标基板。

激光诱导前向转移（LIFT）

DRL 材料选择： DRL 材料需具备在激光作用下能产生合适的粘附和释放特性。 ①单层金属膜（如 Au-DRL）曾被用于转移荧光粉粉末，但可能残留材料污染器件。 ②单层聚合物材料（如光分解性三嗪聚合物TP或聚酰亚胺PI）可分解成挥发性产物，减少污染，但TP产生的冲击波可能损坏器件，PI通过热分解产生气体和机械能，实现高效高精度转移。

为克服传统 LIFT 技术的局限性，如低放置精度和芯片损伤问题，研究人员不断尝试新的方法。如激光诱导热气泡转移技术，通过控制激光照射产生气体形成气泡护盾，温和推动芯片转移，提高了转移精度并减少了损伤；还有通过优化 DRL 材料和结构、改进激光参数控制等手段，提升技术的稳定性和可靠性。

*LIFT原理

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激光辅助键合（Laser-assisted Bonding）

原理：利用高强度激光束照射金属表面，使其熔化从而实现电气连接。通过激光束的高精度和聚焦能力，对特定区域进行选择性加热和键合，增强键合精度和稳定性。

优势： ①具有选择性键合、局部加热等优点，适用于小间距 Micro LED 的键合。 ②可减少热应力和晶圆翘曲风险，提高生产效率，确保键合精度和稳定性，同时因其非接触特性降低了芯片受损风险，提高了键合可靠性和成品率。 *激光辅助键合原理

*Au/Sn激光辅助键合

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激光检测与修复（Laser Detection and Repair）

激光检测原理：基于光致发光（PL）现象，当 Micro LED 被高能量激光束激发时，电子从导带跃迁到价带，发生辐射产生光子，通过检测光子的特性（如波长、强度等）来评估 Micro LED 的性能。 非接触性：激光检测无需与 Micro LED 芯片直接接触，避免对芯片造成物理损伤，保证了芯片的完整性和性能。 高精度：能够精确检测芯片的发光性能，通过调整激光光斑大小（可降至 2μm 以下），可实现对 Micro LED 的精确分析，对微小缺陷也能有效识别。 扫描检测：对 Micro LED 进行扫描检测，获得PL 强度映射图像，从而快速定位缺陷芯片的位置，提高检测效率，如通过比较不同芯片的 PL 强度，可直观发现强度较低的缺陷芯片。 * 激光检测-PL强度

激光修复

利用高能量的紫外激光在缺陷区域进行消除，去除或修复 Micro LED 中的缺陷部分，该方法速度快、效率高，能够在较短时间内去除芯片缺陷。 通过修复缺陷芯片，以提高 Micro LED 芯片的良率，减少废品率，从而提升整个产品的质量和可靠性，降低生产成本，增强产品竞争力。 *激光修复流程

启发：

① 激光在Micro LED领域的应用广泛，以紫外激光为主，即波长范围355nm、266nm、248nm等，传统红激光1064nm应用较少，这与Micro LED芯片自身特性及制造过程密切相关。

② 激光在该领域的应用是传统激光应用的精细化，本质上相差不大。

③ 激光协同其他领域的技术是解决实际问题的关键。