在2000年代初期，德克萨斯理工大学的江红星和林静宇这对夫妻团队首次展示了Micro-LED显示器提供的一系列突出功能。从那时起，该技术越来越多地被越来越多的流行电子设备的显示屏采用。它们的应用范围从大型视频墙到可穿戴设备和 AR/VR 设备的微型显示器。随着深紫外激光制造系统的进一步发展，专家预测 micro-LED 将进一步扰乱显示器市场，并有助于在屏幕上添加相机和传感器等新功能。
Micro-LED 具有与传统 LED 相同的特性，但它们的尺寸为 <50 μm，甚至低至 3 μm。每个像素都可以使用RGB LED芯片单独控制，这些芯片可以发出三种不同颜色的光。
由于其小尺寸允许的像素间距，micro-LED 可以提供高达 10K 像素/英寸的分辨率，并以 50% 的低功率率提供至少 100× OLED 的亮度。它们的消耗量仅为传统LCD的
10%。
“Micro-LED显示器提供了消费者想要的一系列性能标准，这是其他现有显示技术无法实现的，”江说。“这些包括高亮度、高效率、自发射率、超高空间分辨率和对比度、超低功耗、宽视角和色域、快速运行速度和环境稳定性。”
micro-LED的独特优势和日益普及正在影响其制造中使用的激光系统的发展。制造micro-LED显示器可能涉及多种激光工艺，以准备、操纵和组装微小的像素和构成显示器的层。具体来说，激光用于对硅晶圆进行退火，在转移过程中将micro-LED与玻璃载体分离，并从显示器上修剪有缺陷的LED。优化激光源以提高所有这些工艺的吞吐量和成本效益是一项持续的挑战。
准分子和固态激光器是最常用的光源。准分子具有更高的脉冲能量，可以减少材料加工应用过程中的热影响区。然而，它们相对昂贵，特别是由于它们所需的光束传输光学器件的高成本和复杂性。它们也难以维护，使用有毒气体，并且需要昂贵的服务。
尽管准分子的渐进式改进是可能的，但一些用户质疑这些光源在降低micro-LED生产成本方面是否能像固态光源一样。
固态光源通常依靠二极管激光器泵浦晶体或掺杂光纤介质来产生近红外光。然后，非线性晶体可以将其光束频率提高到紫外波长的三倍。为了使DUV光源更适合Micro-LED生产应用，供应商正在寻求增加脉冲能量并延长使用寿命。提高它们的重复率也是有用的，因为它可以转化为更高的平均功率，从而提高生产力。
Micro-LED显示器更广泛采用的主要障碍之一是其制造过程的复杂性。Lin说，这一过程中的一个主要瓶颈是数百万个micro-LED从生长它们的半导体晶圆到显示面板背板的难度转移。“创新的传质工艺将实现高产量和产量，但仍需要改进和优化，以提高成本效益并降低最终产品价格。”
3D-Micromac AG 首席执行官 Uwe Wagner 也认为，尽管 micro-LED 具有潜在的性能优势，但它们的生产成本有助于保持更成熟的 mini-LED、LED 和 OLED 的竞争力。
“Micro-LED提供了高分辨率和绚丽显示的可能性。每个像素由三个、四个或更多 LED 组成这一事实导致每个显示器的 LED 数量极多，“Wagner 说。“但仍然不可能将制造成本降低到适销对路的水平。
激光转移技术 与通过蓝宝石晶片上的外延技术
制造的 mini-LED 不同，micro-LED 必须通过激光剥离工艺与其生长基板分离。由于Micro-LED的外延层只有几微米厚，因此转移过程需要一种精细而精确的方法。
DUV 激光器是唯一能够提供将氮化镓 micro-LED 的外延层与其生长基板分离所需的能量和微米级精度的选择。事实上，外延晶圆是粘合到可以多次重复使用的手柄晶圆上的。Wagner说：“氮化镓层吸收了蓝宝石晶圆和micro-LED堆栈之间施加的激光能量，从而导致氮化物的蒸发。“因此，蓝宝石晶圆从micro-LED结构上抬起，所谓的供体晶圆仍然存在。
尽管 LLO 技术比非激光方法提供更高的吞吐量，但它们对相干光束的依赖使其对激光的稳定性、光束均匀性、脉冲重叠和脉冲边缘效应敏感。因此，均匀地传递激光束的能量至关重要。
总部设在日本的材料研发公司信越化学利用248纳米准分子激光器的特性和光束整形技术来帮助克服这些挑战。
“由于芯片尺寸极小，需要处理的芯片数量极小，因此与其他显示器相比，Micro-LED显示器具有更大的复杂性，”Shin-Etsu的经理Eiichiro Yamasaki说 创新显示材料与技术部门。“248纳米准分子激光器使用光掩模实现均匀的礼帽形线束，使micro-LED芯片能够用均匀的激光照射。”
与使用固态激光器的传统 LLO 工艺不同，DUV 准分子激光器可以帮助消除对粘合剂的需求，以保护芯片免受开裂和碎裂。如今，信越的工艺以1μm的精度高速传输micro-LED芯片。
该公司系统的处理时间需要 ~30 秒才能在 8 英寸上传输 >7000 万颗 micro-LED 芯片。Yamasaki说，x/y芯片间距为20×20μm的晶圆。
尽管固态 DUV 激光器中的转换晶体会老化，但 IPG Photonics 的最新发展表明，DUV 晶体寿命得到了显着改善。其结果是光束质量参数的稳定性更高。
IPG Photonics 营销开发经理 Alexei Markevitch 表示，这项新技术允许用户在不发生晶体偏移的情况下操作激光器，从而消除了对光束质量随时间变化的担忧。“它使激光操作更简单，并降低了维护成本，”他说。
准分子激光器以亚微米吸收深度的单脉冲工艺工作。相比之下，光纤或二极管泵浦固态激光器通常在芯片上光栅扫描它们的光束，并产生一些预期的脉冲重叠。这可能会导致更深的总吸收深度。
如今的 DUV 激光器可以处理小至 5 μm 尺寸的 micro-LED，满足当前的应用需求。未来的主要重点是降低材料成本和提高重复率。尽管随着micro-LED尺寸减小到个位数微米级，材料成本将会降低，但Markevitch强调，提高重复率几乎总是很重要的。
“准分子或固态DUV激光器中较高的重复率会增加平均功率，”他说。“生产力总是随着平均功率的增加而增加。然而，为了有用，更高的重复率应该由光束传输和定位级支持。
在 LLO 工艺将 GaN micro-LED 从蓝宝石晶圆释放到临时载体上后，必须将 LED 整体转移到显示器上。所讨论的micro-LED的规模使这一过程成为一个微妙而精确的过程，甚至挑战了传统的LLO转移方法，从而引发了对替代方法的兴趣。
Coherent Corp 显示器垂直营销总监 Oliver Haupt 表示：“Micro-LED 尺寸正在进一步缩小，小至 3 至 5 μm，而这正是激光传输是满足消费类显示器制造吞吐量和规模要求的最佳和唯一选择。这一过程，更具体地说是激光诱导前向转移，可以将数百万个单独的micro-LED以微米级的精度放置在显示器上。随着市场要求每小时转移 >1 亿个芯片，同时保持优于 1.5 μm 的贴装精度，DUV 准分子激光器可为行业所需的吞吐量提供最佳的能量稳定性。
“准分子激光器已被证明可用于显示应用，具有数十年的同类最佳性能，”Haupt说。“特别是他们的高脉冲能量能够实现最高的吞吐量和真正的工业制造。”
维修和翻新 激光器还可用于维修和翻新
过程，以纠正 micro-LED 显示器的缺陷或损坏。炬光科技泛半导体解决方案事业部副总裁顾伟义表示，传质工艺必须将每个芯片的LED贴装精度保持在±0.5μm以内，以确保良率。但即使良品率高达 99.999%，4K 电视仍然会有 ~260 个坏点需要维修。
“这就是激光的高精度和方向性发挥重要作用的地方，”顾说。
通常，芯片修复过程涉及检查、检测、激光去除和激光焊接步骤。除了在大规模转移生产中的作用外，LLO 和 LIFT 技术还可以应用于用功能性 LED 替换故障的 micro-LED。
最初，在这个过程中，高精度光学检测设备识别并定位芯片上的死角。然后，高峰值能量激光束去除这些死点，然后单个芯片转移到空点，激光将它们焊接到位。
尽管激光对于微型LED的转移和修复都至关重要，但这两项任务优先考虑所用光源的不同性能参数。“全晶圆 LLO 工艺需要高脉冲能量才能实现全晶圆加工所需的吞吐量。通过增加脉冲能量，可以增加照射面积，从而实现更高的吞吐量，“3D-Micromac的Wagner说。“相比之下，微调需要激光照射到单个micro-LED上，而时间或定位的任何不稳定性都可能导致激光光斑错过micro-LED。”
折射光学元件将激光输出塑造成正方形、线性和矩形几何形状的大或精确的小光斑。
“最小光束长度可达50μm，而长度和宽度方向的能量输出仍可达到97%以上的均匀性，是...一对不同尺寸的micro-LED芯片，“顾说。
