DE102021206403A1 - Verfahren und System zur Herstellung mikrostrukturierter Komponenten - Google Patents

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung einer mikrostrukturierten Komponente, die eine Vielzahl von Mikro-Funktionselementen auf einem Substrat aufweist, wird in wenigstens einer Verfahrensstufe in einer Laserbearbeitungsstation unter der Steuerung durch eine Steuereinheit eine Laserbearbeitung durchgeführt. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Bereitstellen eines ersten Substrats, welches eine Vielzahl von Mikro-Funktionselementen trägt, die auf einer ersten Seite des ersten Substrats in einer ersten räumlichen Anordnung angeordnet sind; Übertragen von Mikro-Funktionselementen in einem ersten Übertragungsschritt von dem ersten Substrat auf ein Transfersubstrat; und Übertragen von Mikro-Funktionselementen in einem zweiten Übertragungsschritt von dem Transfersubstrat auf ein zweites Substrat derart, dass die Mikro-Funktionselemente auf dem zweiten Substrat in einer zweiten räumlichen Anordnung angeordnet sind. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass als Transfersubstrat (250) eine in einem Spannrahmen (200) gedehnt eingespannte Sägefolie (100) verwendet wird, die eine unter Flächenspannung stehende elastisch dehnbare Basisfolie (102) mit einer an der Basisfolie angebrachten Klebeschicht (104) zum temporären Fixieren von Mikro-Funktionseinheiten an der Sägefolie (100) aufweist. Das Verfahren kann zur Herstellung eines Micro-LED-Displays eingesetzt werden, welches ein Substrat aufweist, das ein Array von Pixel bildenden Micro-Leuchtdioden auf einer elektrischen Versorgungsstruktur trägt.

Description

  • ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIK
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Herstellung einer mikrostrukturierten Komponente, die eine Vielzahl von Mikro-Funktionselementen auf einem Substrat aufweist, worin in wenigstens einer Verfahrensstufe in einer Laserbearbeitungsstation unter der Steuerung durch eine Steuereinheit eine Laserbearbeitung durchgeführt wird. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Herstellung eines Micro-LED-Displays, welches ein Substrat aufweist, das ein Array von Pixel bildenden Micro-Leuchtdioden trägt, die auf einer auf dem Substrat angeordneten elektrischen Versorgungsstruktur angeordnet sind.
  • Der Begriff Micro-LED - manchmal auch Mikro-LED oder µLED genannt - steht für eine Flachbildschirmtechnologie auf Basis von Leuchtdioden (light emitting diode, LED). Micro-LED-Displays sind mikroelektronische Komponenten, die auf Anordnungen (Arrays) mikroskopisch kleiner Leuchtdioden basieren, die die Bildelemente des Displays, auch als Pixel bezeichnet, bilden. Zwischen den einzelnen µLEDs liegen jeweils Zwischenräume. Einzelne Pixel können aus drei Subpixeln, d.h. drei µLEDs für Rot (R), Grün (G) und Blau (B) bestehen, so dass auch innerhalb eines Pixels Zwischenräume zwischen den µLEDs bestehen. Die Micro-LEDs sind selbstleuchtend, dimmbar und komplett abschaltbar und benötigen deshalb keine Hintergrundbeleuchtung wie bei Flüssigkristallanzeigen (Liquid Crystal Displays, kurz: LCDs). Micro-LEDs sind ein Beispiel für mehrschichtig aufgebaute optoelektronische Mikro-Funktionselemente.
  • Lichtemittierende Dioden (LEDs) werden heutzutage häufig hergestellt, indem auf einem als Aufwachssubstrat dienenden Saphirwafer durch epitaktisches Wachstum p- und n-dotierte Halbleiterschichten aus Galliumnitrid (GaN) gebildet werden. Diese Schichten haben jeweils eine Dicke von wenigen µm die Gesamtdicke der verschiedenen GaN-Schichten kann z.B. weniger als 10 µm betragen. Vor der weiteren Bearbeitung kann eine Strukturierung der GaN-Schichten, beispielsweise durch Laserbearbeitung, erfolgen, um einzelne Bauelemente herzustellen oder deren Herstellung vorzubereiten. Auf den GaN-Schichtstapel wird eine dünne, in der Regel metallische Verbindungsschicht beispielsweise durch Aufdampfen aufgebracht. Mit Hilfe dieser Verbindungsschicht wird das Aufwachssubstrat mit dem darauf befindlichem GaN-Schichtstapel mit einem weiteren flachen Substrat verbunden, auf das die optoelektronisch aktiven Mikro-Funktionselemente übertragen werden sollen. Dazu wird die flächige Verbindung zwischen dem Aufwachssubstrat und dem GaN-Stapel gelöst. Dadurch wird der GaN-Stapel auf das weitere Substrat übertragen. Das weitere Substrat mit dem davon getragenen GaN-Stapel dient dann als Basis für weitere Schritte zur Herstellung der mikroelektronischen Komponente. Es kann als temporär genutztes Transfersubstrat dienen, um einige oder alle der übertragenen Mikro-Funktionselemente in geordneter Anordnung einem nachgeschalteten Prozessschritt zuzuführen.
  • Das Trennen des das weitere Substrat und den GaN-Schichtstapel aufweisenden Funktions-Schichtstapels vom Aufwachssubstrat erfolgt heutzutage meist mithilfe des sogenannten Laser-Lift-Off-Verfahrens (LLO-Verfahren). Dabei wird eine Pufferschicht, die sich im Grenzbereich zwischen dem Aufwachssubstrat und den GaN-Schichten befindet, durch Laserbestrahlung zerstört bzw. zersetzt, so dass eine dünne Ga-Schicht und gasförmiger Stickstoff verbleiben. Die Bestrahlung erfolgt dabei von der Rückseite des Aufwachssubstrats und durch dieses hindurch, wobei der Laserstrahl auf die Pufferschicht bzw. den Grenzbereich fokussiert ist. Anschließend kann das Aufwachssubstrat durch externe Krafteinwirkung von den anderen Schichten getrennt werden.
  • Im Rahmen der Micro-LED-Technologie gibt es weitere Nutzungsmöglichkeiten für die Laserbearbeitung. Dazu gehört der Laser-Induced-Forward-Transfer (LIFT). Der laserinduzierte Vorwärtstransfer (LIFT) ist eine Klasse von Verfahren, bei denen mittels Laserstrahlung Material von einem Ausgangssubstrat (Donor) über eine gewisse Flugstrecke auf ein Zielsubstrat (Akzeptor) übertragen wird. Diese Übertragungstechnik kann z.B. alternativ zum LLO-Verfahren genutzt werden, die Mikro-Funktionselemente vom Aufwachssubstrat auf ein Transfersubstrat zu übertragen. LIFT kann auch genutzt werden, um die µLEDs von einem Transfersubstrat auf das Substrat der mikrostrukturierten Komponente zu übertragen.
  • In jedem Fall wird eine massive Parallelbearbeitung realisiert, um eine große Anzahl an µLED wirtschaftlich übertragen zu können. Dazu werden Masken mit einer Vielzahl von Öffnungen bzw. Aperturen verwendet, die einen aufbereiteten Laserstrahl in eine entsprechende Vielzahl von Teilstrahlen aufteilen. Die Laserstrahlung emittierenden Maskenöffnungen werden dann auf die Bearbeitungsebene der Laserbearbeitungseinheit abgebildet.
  • Eine Übersicht zum Einsatz von laserbasierten Technologien bei der Fertigung von Micro-LEDs findet man in dem Whitepaper „MicroLEDs - Laser Processes for Display Production“ über die Homepage der Firma Coherent unter https://de.coherent.com/microled, betrieben von Coherent Shared Services B.V., Dieselstraße 5b, D-64807 Dieburg.
  • Die EP 3 742 477 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Übertragen von Bauelementen, wie z.B. Mikro-LEDs. Ein erstes Substrat wird mit den Bauelementen bestückt. Ein zweites Substrat ist mit einer Klebeschicht versehen, die ein Schmelzklebematerial umfasst. Die Bauteile auf dem ersten Substrat werden mit der Klebeschicht auf dem zweiten Substrat kontaktiert, während die Klebeschicht geschmolzen wird. Man lässt die Klebeschicht erstarren, um eine Klebeverbindung zwischen den Komponenten und dem zweiten Substrat zu bilden. Das erste und das zweite Substrat werden auseinander bewegt, um die Komponenten von dem ersten Substrat auf das zweite Substrat zu übertragen. Mindestens eine Teilmenge der Komponenten wird von dem zweiten Substrat auf ein drittes Substrat übertragen, indem Licht auf die Klebstoffschicht gestrahlt wird, um einen Strahl aus geschmolzenem Klebstoff zu bilden, der die Komponenten trägt. Es können weitere Übertragungsschritte vorgesehen sein.
  • Es besteht ein Bedarf an Verfahren und Einrichtungen, die eine kostengünstige und dennoch hochpräzise Massenfertigung von Micro-LED-Displays und/oder anderen mikrostrukturierten Komponenten mit einer Vielzahl von Mikro-Funktionselementen auf einem Substrat ermöglichen.
  • AUFGABE UND LÖSUNG
  • Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren und ein System zur Herstellung mikrostrukturierter Komponenten bereitzustellen, die eine wirtschaftliche Fertigung solcher Komponenten bei hoher Qualität erlauben.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 bereit. Weiterhin wird ein System mit den Merkmalen von Anspruch 13 sowie eine neuartige Verwendung einer Sägefolie mit den Merkmalen von Anspruch 11 bereitgestellt. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
  • Das Verfahren dient zur Herstellung einer mikrostrukturierten Komponente, die eine Vielzahl von Mikro-Funktionselementen auf einem Substrat aufweist. Dabei wird in wenigstens einer Verfahrensstufe in einer Laserbearbeitungsstation unter der Steuerung durch eine Steuereinheit eine Laserbearbeitung durchgeführt. Das Verfahren sieht eine indirekte Übertragung von Mikro-Funktionselementen von einem ersten Substrat auf ein zweites Substrat mithilfe eines Transfersubstrats vor. Ein Transfersubstrat ist ein nur temporär genutztes Substrat, das als Fertigungs-Hilfsmittel im Übertragungsprozess dient und geeignet ist, die Flexibilität der Übertragung zu erhöhen.
  • Mikro-Funktionselemente im Sinne dieser Anmeldung sind in erster Linie elektrisch betreibbare, mehrschichtig aufgebaute Bauelemente auf Halbleiterbasis, z.B. optoelektronische Funktionselemente wie z.B. µLEDs oder auch lichtempfindliche Sensoren, ggf. auch andere elektronische Bauelemente mit typischen Abmessungen (Länge und Breite bzw. Durchmesser) von einigen wenigen Mikrometern bis zu einigen hundert Mikrometern (z.B. von 20 µm bis zu 1 mm).
  • Bei dem Verfahren wird ein erstes Substrat bereitgestellt, das eine Vielzahl von Mikro-Funktionselementen trägt, die auf einer ersten Seite des ersten Substrats in einer ersten räumlichen Anordnung angeordnet sind. In einem ersten Übertragungsschritt werden Mikro-Funktionselemente von dem ersten Substrat auf ein Transfersubstrat übertragen. Dabei können alle auf dem ersten Substrat vorhandenen Mikro-Funktionselemente mittels desselben Übertragungsschritts übertragen werden, gegebenenfalls aber auch nur ein Subset bzw. eine Auswahl der Mikro-Funktionselemente, so dass andere vorerst auf dem ersten Substrat verbleiben. Zeitlich danach werden Mikro-Funktionselemente in einem zweiten Übertragungsschritt von dem Transfersubstrat auf ein zweites Substrat übertragen in der Weise, dass die übertragenen Mikro-Funktionselemente auf dem zweiten Substrat in einer zweiten räumlichen Anordnung angeordnet sind. Die zweite räumliche Anordnung kann der ersten räumlichen Anordnung entsprechen. Durch die indirekte Übertragung mittels eines Transfersubstrats ist es jedoch auch möglich, eine gegenüber der ersten räumlichen Anordnung veränderte zweite räumliche Anordnung zu realisieren.
  • Eine Besonderheit des Verfahrens besteht darin, dass als Transfersubstrat eine in einem Spannrahmen gedehnt eingespannte Sägefolie verwendet wird, die eine unter Flächenspannung stehende elastisch dehnbare Basisfolie mit einer an der Basisfolie angebrachten Klebeschicht zum temporären Fixieren von Mikro-Funktionseinheiten an der Sägefolie aufweist.
  • Der Begriff „Sägefolie“ steht in diese Anmeldung für bestimmte elastisch expandierbare bzw. dehnbare Folien, die im Bereich der Herstellung von Halbleiterchips meist mit dem englischen Begriff „Dicing Tape“ bezeichnet werden. Eine Sägefolie weist eine elastisch dehnbare Basisfolie und eine an einer Seite der Basisfolie angebrachte Klebeschicht bzw. Haftschicht auf. Der Basisfilm kann z.B. aus einem elastisch dehnbaren Polymer, wie z.B. PVC oder einem Polyolefin (PO) bestehen. Die Klebeschicht kann eine einzige oder mehreren Lagen umfassen. Als Klebermaterial kann z.B. Acryl genutzt werden.
  • Die Erfinder haben erkannt, dass handelsübliche Sägefolien aufgrund ihrer bestimmungsgemäßen Aufgaben strukturelle und funktionale Eigenschaften aufweisen, die bei der Herstellung von mikrostrukturierten Komponenten mit einer Vielzahl von Mikro-Funktionselementen auf einem Substrat auf eine bisher nicht bekannte Weise mit Vorteil genutzt werden können. Außerdem gibt es kommerziell erhältliche Zusatzgeräte zur Handhabung der Sägefolien. Diese können im Rahmen erfindungsgemäßer Verfahren ggf. ohne Modifikation für neue Zwecke genutzt werden.
  • Die herkömmliche bestimmungsgemäße Nutzung von Sägefolien bzw. Dicing Tapes liegt im Bereich der Assemblierung von Halbleiterchips. Für diesen Bereich sind Verfahren und Einrichtungen entwickelt worden, die eine Fertigung mit höchster Präzision bei großem Fertigungsvolumen und geringen Kosten gestatten. Eine Grundlage hierfür ist der sogenannte Dicing-Prozess, bei dem ein Wafer nach der lithographischen Strukturierung z.B. durch Trennschleifen oder Sägen in Chips (sogenannte Dies) vereinzelt wird und die Chips außerdem noch positions- und lagegenau für den nächsten Verarbeitungsschritt vorbereitet werden. Als dominierender Prozess für diese Fertigungsstufe hat sich das Sägen (bzw. Trennschleifen) auf Dicing Tape (Sägefolie) etabliert. Dabei dient eine Sägefolie zum direkten Laminieren auf die Rückseite eines Wafers. Die Klebeschicht hat eine dafür geeignete Klebkraft. Das Auflaminieren wird meist manuell oder halbautomatisch mithilfe eines „Wafer Mounters“ durchgeführt.
  • Danach (nach dem Vereinzeln) wird die elastische Sägefolie mit den darauf haftenden Chips allseitig gleichmäßig expandiert bzw. auseinandergezogen, um die Zwischenräume zwischen den Dies des gesägten Wafers zu vergrößern, dadurch ein Abplatzen der Chipkanten während des Transports oder der Bestückung zu verhindern und nachfolgende Pick-up-Operationen zu erleichtern. Nach der Expansion hält ein Spannrahmen die Sägefolie mit den daran anhaftenden Chips bzw. Dies im expandierten Zustand. Dazu wird die Sägefolie durch Verklemmung zwischen einem Innenring und einem Außenring gehalten. Zum Aufziehen von Sägefolien auf Spannringe und zum Expandieren von gesägten Wafern von Waferframes auf Spannringe gibt es spezielle Dicing-Zusatzgeräte, die meist als „Die-Matrix-Expander“ oder „Expandierer“ bezeichnet werden.
  • Eine Besonderheit des in dieser Anmeldung beschriebenen Verfahrens besteht nun darin, dass eine in einem Spannrahmen gedehnt bzw. expandiert eingespannte Sägefolie als Transfersubstrat verwendet wird. Die Sägefolie steht bei der erfindungsgemäßen Verwendung aufgrund der Einspannung in dem ebenen Spannrahmen ähnlich wie ein gespanntes Trommelfell unter einer Flächenspannung und nimmt dadurch im ansonsten unbelasteten Zustand eine ebene Form an, so dass die gedehnte Sägefolie ein ebenes Transfersubstrat bilden kann. Die Sägefolie ist während des Aufspannens noch leer, trägt also noch keine Komponenten. Die Klebeschicht, die bei Sägefolien aufgrund ihrer üblichen Bestimmung ohnehin vorhanden ist, verleiht der Sägefolie Hafteigenschaften, die bei der Verwendung als Transfersubstrat in einem gattungsgemäßen Herstellungsverfahren auf bisher nicht bekannte Weise genutzt werden können. Die zu übertragenden Mikro-Funktionseinheiten können nämlich mittels der Klebeschicht temporär bzw. vorübergehend an der Sägefolie fixiert und bei Bedarf relativ leicht wieder von der Sägefolie gelöst werden. Der Nutzen dieses neuen Konzepts wird dadurch erhöht, dass Sägefolien mit Klebeschichten unterschiedlicher Klebekraft verfügbar sind, so dass für jeden Anwendungsfall eine Sägefolie ausgewählt werden kann, die eine für die Übernahme von Mikro-Funktionseinheiten optimale Klebekraft besitzt. Außerdem sind Sägefolien verfügbar, bei denen die Klebekraft der Klebeschicht gezielt verändert werden kann, z.B. durch Bestrahlung mit Ultraviolettlicht (UV-Licht) und/oder durch Wärmebehandlung. Dadurch kann die Klebekraft bzw. die Haftkraft bei Bedarf gezielt reduziert werden, um die Übergabe anhaftender Mikro-Funktionseinheiten auf ein anderes Substrat (insbesondere auf das Substrat der herzustellenden mikrostrukturierten Komponente) zu erleichtern.
  • Gemäß einer anderen Formulierung wird somit die Verwendung einer Sägefolie mit einer elastisch dehnbaren Basisfolie und einer an der Basisfolie angebrachten Klebeschicht zur Herstellung eines Transfersubstrat zum temporären Fixieren von Mikro-Funktionselementen in einem Verfahren zur Herstellung einer mikrostrukturierten Komponente vorgeschlagen, die eine Vielzahl von Mikro-Funktionselementen auf einem Substrat aufweist.
  • Im Rahmen der Verwendung wird die Sägefolie im leeren Zustand flächig expandiert bzw. ausgedehnt und in einen Spannrahmen derart eingespannt, dass die in den Spannrahmen eingespannte Sägefolie in einem von dem Spannrahmen umgebenen Nutzbereich unter einer Flächenspannung steht und ein ebenes, begrenzt elastisch nachgiebiges Transfersubstrat bildet, das an einer zur Aufnahme von Mikro-Funktionselementen vorgesehenen Seite eine Klebeschicht aufweist.
  • Bei bevorzugten Verfahrensvarianten wird das erste Substrat durch ein sogenanntes Aufwachssubstrat gebildet und die Mikro-Funktionselemente werden auf dem ersten Substrat erzeugt. Das Verfahren umfasst somit das Erzeugen einer Vielzahl von Mikro-Funktionselementen in der ersten räumlichen Anordnung auf dem ersten Substrat bzw. Aufwachssubstrat. Diese werden damit auf das Transfersubstrat übertragen und mithilfe des Transfersubstrats weiteren Verfahrensschritten zugeführt.
  • Bei dem zweiten Substrat kann es sich bereits um das Substrat der herzustellenden mikrostrukturierten Komponente handeln, z.B. das Display-Substrat eines µLED-Displays. Es kann somit sein, dass das Verfahren lediglich genau einen ersten Übertragungsschritt (vom Aufwachssubstrat auf das Transfersubstrat) und einen zweiten Übertragungsschritt (vom Transfersubstrat auf das herzustellende Zwischenprodukt oder Endprodukt (die mikrostrukturierte Komponente)) umfasst. Es sind jedoch auch weitere Zwischenschritte (einer oder mehrere) möglich, beispielsweise unter Verwendung eines weiteren Transfersubstrats, so dass der Herstellprozess auch mehr als zwei Übertragungsschritte umfassen kann.
  • In jedem Fall bietet die indirekte Übertragung vom Aufwachssubstrat zum Substrat der herzustellenden mikrostrukturierten Komponente unter Verwendung (wenigstens) eines Transfersubstrats die Möglichkeit, mikrostrukturierte Komponenten herzustellen, bei denen sich die Anzahl und/oder die Anordnung von darauf angebrachten Mikro-Funktionselementen von derjenigen Anzahl und/oder Anordnung unterscheidet, die bei der Herstellung der Mikro-Funktionselemente vorliegt. Bei dem Aufwachssubstrat kann es sich beispielsweise um einen Saphir-Wafer handeln, also um ein scheibenförmiges Substrat, das im Wesentlichen aus Korund (Aluminiumoxid) in hochreiner einkristalliner Form besteht. Es sind jedoch auch Aufwachssubstrate aus anderen Aufwachssubstratmaterialien möglich, beispielsweise aus einem Halbleitermaterial, wie zum Beispiel einem Silicium-basierten Halbleitermaterial oder einem Germanium-basierten Halbleitermaterial oder aus einem Glasmaterial.
  • Bei manchen Verfahrensvarianten wird als Sägefolie eine UV-empfindliche Sägefolie verwendet, also eine Sägefolie, die eine Klebeschicht aufweist, deren Haftkraft gegenüber Festkörpern durch Einstrahlen von Ultraviolettlicht von einer im unbestrahlten Zustand vorliegenden ersten Haftkraft zu einer gegenüber der ersten Haftkraft reduzierten zweiten Haftkraft abgesenkt werden kann. Diese Eigenschaft kann speziell im zweiten Übertragungsschritt nützlich sein, um das Ablösen der zu übertragenden Mikro-Funktionselemente vom Transfersubstrat auf das zweite Substrat zu erleichtern.
  • Bei anderen Verfahrensvarianten wird als Sägefolie eine Thermal Release-Sägefolie verwendet, die eine Klebeschicht aufweist, deren Haftkraft gegenüber Festkörpern durch Aufheizen von einer bei Raumtemperatur vorliegenden ersten Haftkraft zu einer gegenüber der ersten Haftkraft reduzierten zweiten Haftkraft abgesenkt werden kann. Dann kann das Ablösen der vom Transfersubstrat zu übertragenden Mikro-Funktionselemente durch eine vorgeschaltete Wärmebehandlung erleichtert werden.
  • Im Rahmen des ersten Übertragungsschritts wird vorzugsweise in einem Bonding-Schritt das Transfersubstrat mit dem die Mikro-Funktionselemente tragenden ersten Substrat zu einer Verbundanordnung verbunden, indem dem ersten Substrat abgewandte freie Oberflächen der Mikro-Funktionselemente unter Einwirkung einer Andrückkraft mit der Klebeschicht der Sägefolie in Haftkontakt gebracht werden. Für diesen Bonding-Schritt gibt es unterschiedliche externe Einflussmöglichkeiten, die resultierende Adhäsionsstärke bzw. Haftkraft zwischen den zu übertragenden Mikro-Funktionselementen und dem (selbstklebenden) Transfersubstrat einzustellen. Zum einen bietet sich die Möglichkeit, das Transfersubstrat mit einer Sägefolie aufzubauen, deren Klebeschicht in Bezug auf das Material der Oberflächen der Mikro-Funktionselemente eine geeignete Haftkraft bereits mitbringt. Außerdem kann über die Andrückkraft beim Bonden die Haftstärke beeinflusst werden, so dass prozessabhängig zahlreiche Optimierungsmöglichkeiten beim Bonding-Schritt existieren.
  • Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der erste Übertragungsschritt, also die Übertragung von Mikro-Funktionselementen vom ersten Substrat auf das Transfersubstrat, eine Bestrahlung mit Laserstrahlung in einer Laserbearbeitungsstation umfasst, (bevorzugt als LLO-Prozess) wobei mittels räumlich selektiver oder flächendeckender Laserstrahlung eine Haftkraft zwischen dem ersten Substrat und den zu übertragenden Mikro-Funktionselementen reduziert wird.
  • Die Laserbestrahlung wird dabei vorzugsweise so durchgeführt, dass dadurch die zwischen dem ersten Substrat und den zu übertragenden Mikro-Funktionselementen wirkende Haftkraft kleiner wird als die zwischen den zu übertragenden Mikro-Funktionselementen und der Klebeschicht wirkende Haftkraft. Vorzugsweise wird dabei ultraviolette Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von weniger als 360 nm verwendet, beispielsweise Laserstrahlung eines 248 nm Excimer-Lasers.
  • Die Laserbearbeitung kann so durchgeführt werden, dass allein durch die Laserbestrahlung die Verbindung zwischen den zu übertragenden Mikro-Funktionselementen und dem ersten Substrat so weit geschwächt wird, dass beim Ablösen des Transfersubstrats von der Verbundanordnung die zu übertragenden Mikro-Funktionselemente ausnahmslos mitgenommen werden.
  • In anderen Fällen kann es zweckmäßig sein, zusätzlich zu der Laserbestrahlung die Verbundanordnung einer Wärmebehandlung zu unterziehen, wobei ein Temperaturprofil und eine Dauer der Wärmebehandlung derart ausgelegt sind, dass die zwischen dem ersten Substrat und den zu übertragenden Mikro-Funktionselementen wirkende Haftkraft durch die Wärmebehandlung reduziert wird.
  • In jedem dieser Fälle wird zum Abschluss des ersten Übertragungsschritts das mit übertragenen Mikro-Funktionseinheiten versehene Transfersubstrat unter Trennen der Verbindung zwischen den übertragenen Mikro-Funktionseinheiten und dem ersten Substrat von dem ersten Substrat und gegebenenfalls von darauf verbleibenden Mikro-Funktionseinheiten abgelöst.
  • Es ist auch möglich, den ersten Übertragungsschritt im Wege eines LIFT-Verfahrens durchzuführen. Dazu wird kein Berührungskontakt zwischen den Mikro-Funktionselementen des Aufwachssubstrats und dem Transfersubstrat benötigt. Varianten mit LIFT für den ersten Übertragungsschritt können z.B. dann bevorzugt sein, wenn sich die erste und die zweite räumliche Anordnung der Mikro-Funktionselemente unterscheiden sollen.
  • Bei manchen Verfahrensvarianten ist vorgesehen, dass das Übertragen von Mikro-Funktionselementen in dem zweiten Übertragungsschritt vom Transfersubstrat auf das zweite Substrat in einer Laserbearbeitungsstation unter Einwirkung von Laserstrahlung durchgeführt wird. Insbesondere können hierzu Verfahrensvarianten des an sich bekannten Laser-Induced-Forward-Transfer (LIFT) genutzt werden, indem mittels Laserstrahlung einzelne oder alle vom Transfersubstrat getragenen Mikro-Funktionseinheiten von dem als Ausgangssubstrat bzw. Donorsubstrat dienenden Transfersubstrat auf ein Zielsubstrat bzw. einen Akzeptor übertragen werden, insbesondere auf das zweite Substrat.
  • Es ist jedoch nicht zwingend, die Übertragung von Mikro-Funktionselementen in dem zweiten Übertragungsschritt unter Verwendung von Laserstrahlung durchzuführen. Bei manchen Verfahrensvarianten ist vorgesehen, dass im zweiten Übertragungsschritt ohne Einsatz von Laserstrahlung ein Bonding-Schritt durchgeführt wird, indem das Transfersubstrat mit den zu übertragenden Mikro-Funktionselementen mit dem zweiten Substrat zu einer Verbundanordnung verbunden wird, indem dem Transfersubstrat abgewandte freie Oberflächen der Mikro-Funktionselemente mit einer Klebeschicht des zweiten Substrats in Haftkontakt gebracht werden und danach die Verbindung zwischen den zu übertragenden Mikro-Funktionselementen und dem Transfersubstrat gelöst wird.
  • Dies kann z.B. unter Nutzung einer UV-Sägefolie als Transfersubstrat realisiert werden, dessen Haftkraft durch Bestrahlung mit Hilfe einer geeigneten UV-Lampe ausreichend reduziert werden kann. Gegebenenfalls kann auch eine Sägefolie verwendet werden, deren Haftkraft deutlich geringer ist als die Haftkraft der Klebeschicht des zweiten Substrats. Dann kann die Folie ohne Verringerung der Haftkraft abgezogen werden. Gegebenenfalls können dazu Standard Dicing Tapes verwendet werden, deren Haftung hoch genug ist, um den Die während des Sägens festzuhalten, aber niedrig genug, um den Die mit Die-Bondern oder Pick & Place-Geräten leicht zu entfernen. Bei Bedarf können an sich bekannte Hilfsmittel zum schonenden Abziehen eines Dicing-Tapes verwendet werden.
  • Die Erfindung betrifft auch ein System zur Herstellung einer mikrostrukturierten Komponente. Das System umfasst eine Steuereinheit, eine Laserbearbeitungsstation mit einer durch die Steuereinheit steuerbaren Laserbearbeitungseinheit, eine Werkstück-Halteeinrichtung zur Aufnahme eines zu bearbeitenden Werkstücks sowie ein Werkstück-Bewegungssystem zum Positionieren eines zu bearbeitenden Werkstücks in einer Bearbeitungsposition der Laserbearbeitungsstation in Reaktion auf Bewegungssignale der Steuereinheit. Das System ist gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Herstellung und zur Handhabung eines Transfersubstrats, das eine in einem Spannrahmen gedehnt eingespannte Sägefolie aufweist, die eine unter Flächenspannung stehende elastisch dehnbare Basisfolie mit einer an der Basisfolie angebrachten Klebeschicht zum temporären Fixieren von Mikro-Funktionseinheiten an der Sägefolie aufweist.
  • Die Einrichtungen können eine oder mehrere der folgenden Komponenten umfassen: einen Wafer Mounter zum Montieren einer ungedehnten Sägefolie auf einen Rahmen sowie zum Montieren des Aufwachssubstrats auf die bereits gedehnte Sägefolie; einen Die-Matrix-Expander zum Dehnen und Aufziehen von Sägefolien auf einen Spannrahmen; ein Heizsystem zum Reduzieren der Haftkraft zwischen Aufwachssubstrat und den Mikro-Funktionseinheiten bzw. zum Reduzieren der Haftkraft von thermischen Sägefolien; eine UV-Lampe zum Reduzieren der Haftkraft von UV-empfindlichen Sägefolien.
  • Figurenliste
  • Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die nachfolgend anhand der Figuren erläutert sind.
    • 1 zeigt eine nicht gedehnte Sägefolie, die auf einem Metallrahmen montiert ist;
    • 2 zeigt eine Expandieroperation, in der eine Sägefolie gedehnt und dann im gedehnten Zustand in einem Spannrahmen fixiert wird;
    • 3 zeigt ein fertiges Transfersubstrat gemäß einen Ausführungsbeispiel;
    • 4 und 5 zeigten zwei Phasen eines ersten Übertragungsschritts von Mikro-Funktionselementen von einem Aufwachssubstrat auf das Transfersubstrat (Montieren/ Aufsetzen und Andrücken des Aufwachssubstrats mit der Vorderseite auf das Transfersubstrat;
    • 6 und 7 zeigen schematisch Komponenten einer Laserbearbeitungsstation, die in 6 für ein Laser-Lift-Off (LLO) zwischen Aufwachssubstrat und Transfersubstrat und in 7 für einen laserinduzierten Vorwärtstransfer (LIFT) zwischen Aufwachssubstrat und Transfersubstrat genutzt wird;
    • 8 zeigt die Laserbearbeitungsstation bei der Bestrahlung eines Schichtverbunds, der ein oben liegendes Transfersubstrat mit noch daran haftenden Mikro-Funktionselementen und ein unten liegendes Display-Substrat mit einer nach oben gerichteten Verbindungsstruktur umfasst;
    • 9 und 10 zeigen schematisch einen ersten Übertragungsschritt, der als LLO-Schritt ausgeführt wird;
    • 11 zeigt schematisch einen Schichtverbund analog zu 8 während der Bestrahlung mit UV-Strahlung; und
    • 12 zeigt schematisch einen zweiten Übertragungsschritt, der als LIFT-Schritt ausgeführt wird.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele von Verfahren und Systemen zur Herstellung mikroelektronischer Komponenten unter Verwendung von Laserbearbeitungsverfahren dargestellt. Die mikroelektronischen Komponenten weisen jeweils eine Vielzahl von Mikro-Funktionselementen auf, die auf einem Substrat aufgebracht sind. Das bei den Ausführungsbeispielen im Vordergrund stehende Anwendungsgebiet ist die Herstellung eines Mikro-LED-Displays. Ein solches Display umfasst ein Substrat (Display-Substrat), das ein Array von Mikro-Leuchtdioden (µLEDs) trägt, die die einzelnen Bildelemente bzw. Pixel des Displays bilden sollen. Diese sind auf einer elektrischen Versorgungsstruktur aufgebracht. Die Micro-LEDs sind mehrschichtig aufgebaute optoelektronische Mikro-Funktionselemente.
  • In wenigstens einer Verfahrensstufe wird in einer Laserbearbeitungsstation eine Laserbearbeitung durchgeführt, die auch als Lasermikrobearbeitung bezeichnet werden kann, da damit feine Strukturen mit typischen Strukturgrößen in der Größenordnung von einem oder wenigen Mikrometern bearbeitet und/oder erzeugt werden können.
  • Bei den nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispielen werden kommerziell erhältliche Sägefolien (Dicing Tapes) in einer neuartigen Verwendung genutzt, nämlich als Transfersubstrat.
  • Bei dem traditionellen Verbinden eines Dicing-Tapes mit einem Wafer handelt es sich um eine temporäre Verbindung, die dahingehend optimiert wurde, dass eine rückstandsfreie Entfernung des Dicing-Tapes nach der Waferprozessierung möglich ist. Dicing-Tapes sind außerdem so ausgelegt, dass sie sich um einen erheblichen Betrag dehnen / strecken lassen, ohne zu zerreißen. Dehnungen um mindestens 100% sind meist möglich, maximale Dehnungen können bei bis zu 300% oder bis zu 500% oder darüber liegen.
  • Ein Vorteil der Verwendung von Dicing-Tapes im Rahmen der beanspruchten Erfindung besteht darin, dass diese für die Anwendung in der Mikroelektronik, in reinsten Umgebungen und mit höchster Präzision hinsichtlich der Abmessungen und Eigenschaften entwickelt wurden und in entsprechend hoher Qualität und großer Quantität (z.B. als Rollenware) preiswert zur Verfügung stehen. Des Weiteren sind industrielle Lösungen in Form von Dicing-Zusatzgeräten für das Aufbringen und Dehnen (expandieren, stretchen) der Folien sowohl als manuelle als auch als automatisierte Lösungen am Markt verfügbar.
  • Die Erfinder haben erkannt, dass mit Dicing Tapes ein hochentwickeltes Produkt zur Verfügung steht, das vorteilhaft als temporärer Träger bzw. als Transfersubstrat verwendet werden kann. Die Entwicklung einer eigenen Folie bzw. eines eigenen Klebstoffs zum temporären Montieren der Wafer für den µ-LED-Transfer würde dagegen hohe Kosten verursachen und eine zeitaufwändige Entwicklung bedeuten. Diese Kosten können eingespart werden, um die Fertigung der hergestellten Komponenten bei mindestens gleichbleibender Qualität des Endprodukts kostengünstiger als bisher zu realisieren.
  • Anhand der 1 bis 3 werden zunächst vorbereitende Verfahrensschritte zum Herstellen eines Transfersubstrats 250 (fertiges Transfersubstrat in 3) erläutert.
  • Die in 1 verwendete Sägefolie 100 weist eine elastisch dehnbare Basisfolie 102 auf, die z.B. aus einem elastisch dehnbaren Polymer, wie z.B. PVC bestehen kann. An einer Seite der Basisfolie 102 ist eine Klebeschicht 104 bzw. Haftschicht aufgebracht, die einlagig oder mehrlagig aufgebaut sein kann. Typische Foliendicken (Basisfolie plus Klebeschicht) können z.B. im Bereich von 80µm bis 150 µm liegen, wobei die Klebeschicht nur einen Bruchteil der gesamten Foliendicke (z.B. zwischen 10 µm und 20 µm) einnimmt.
  • Bei der hier beschriebenen Ausführungsform wird die Sägefolie 100 (bzw. das Dicing Tape 100) zunächst mit Hilfe eines (nicht dargestellten, aber dem Fachmann bekannten) Wafer/Film Frame Tape Applicators mit der adhäsiven Klebeseite 104 auf einen ebenen ringförmigen Metallrahmen bzw. Frame 110 montiert. Danach liegt eine gerahmte Sägefolie 100 vor, also eine flexible Sägefolie 100, die durch den Metallrahmen 110 stabilisiert ist (1). Die noch nicht unter Spannung stehende Sägefolie 100 liegt glatt auf, kann sich bei Belastung jedoch verformen. Beispielsweise würde das Gewicht eines montierten EPI-Wafers zu einem Durchhängen führen.
  • Damit die Sägefolie 100 auch bei Belastung formstabil bleibt, wird sie im zweiten Schritt unter Verwendung eines (nicht komplett dargestellten, aber dem Fachmann bekannten) Die-Matrix-Expanders allseitig gedehnt bzw. expandiert. Diese Expandieroperation wird auch als „stretching“ bezeichnet und ist in 2 schematisch dargestellt. Hierfür wird zunächst ein vorzugsweise kreisförmig geschlossener Haltering 202 (z.B. aus Kunststoff) in den vertikal verfahrbaren Stempel 210 des Die-Matrix-Expanders eingelegt. Dann wird die gerahmte Sägefolie 100 eingelegt und der Rahmen 110 im Die-Matrix-Expander fixiert. Danach wird der Stempel 210 mit dem darin eingelegten Haltering 202 um einen definierten Betrag relativ zum Metallrahmen 110 nach oben gefahren, so dass die Sägefolie 100 die gewünschte Dehnung erfährt und unter einer gleichmäßig in allen Richtungen wirkenden Flächenspannung steht. Die Dehnung kann bei 100% oder mehr liegen, z.B. im Bereich von 200% bis 500%, ggf. auch darüber oder darunter.
  • Nun wird ein zweiter Haltering 204 (z.B. ein Kunststoffring) bereitgestellt, dessen Innendurchmesser minimal größer ist als der Außendurchmesser des ersten Halterings 202. Der zweite Haltering wird straff auf die Kante der Sägefolie 100 geschoben, so dass die Sägefolie 100 zwischen den beiden Kunststoffringen (erster Haltering bzw. Innenring 202 und zweiter Haltering bzw. Außenring 204) unter Spannung geklemmt ist und sich nach der Entnahme nicht wieder entspannt. Die nicht unter Spannung gehaltenen äußeren Teile der Sägefolie mit dem Rahmen 110 werden jetzt abgeschnitten und die innere gespannte Sägefolie, die durch die beiden Ringe 202, 204 unter Flächenspannung gehalten wird, entnommen.
  • Die beiden Halteringe (Innenring 202, Außenring 204) bilden eine verwindungssteife Spanneinrichtung 200, die die Sägefolie 100 in dem durch die Ringe bzw. die Spanneinrichtung umschlossenen Bereich ähnlich wie bei einem gespannten Trommelfell unter allseitiger Flächenspannung hält. In Abwesenheit äußerer Kräfte nimmt die gespannte dünne Sägefolie eine ebene Gestalt an, sie kann nun als Transfersubstrat verwendet werden.
  • Die 3 zeigt das fertige Transfersubstrat 250 und einen vergrößerten Detailausschnitt zur Darstellung der Schichtstruktur des Transfersubstrats 250. Das ebene Transfersubstrat 250 wird durch die in dem ebenen Spannrahmen 200 gedehnt eingespannte und dadurch unter Flächenspannung stehende Sägefolie 100 gebildet, die eine elastisch gedehnte Basisfolie 102 und die daran einseitig angebrachte adhäsive Klebeschicht 104 aufweist. Dieses Transfersubstrat 250 kann bei verschiedenen Verfahrensvarianten im Rahmen der Übertragung von Mikro-Funktionselementen zwischen anderen Substraten als temporärer Träger für Mikro-Funktionselementen verwendet werden.
  • Es ist möglich, dass die Klebeschicht 104 der Sägefolie 100 (in dem Bereich, wo später das erste Substrat montiert wird) während dieser Herstellungsschritte noch eine dünne Schutzfolie trägt, die die adhäsive Seite der Sägefolie vor Verschmutzung und Beschädigung schützt und die erst vor dem Gebrauch des Transfersubstrats abgenommen wird. Hierzu wird in der Regel der Liner (Schutzfolie) beispielsweise mittels Messer oder Laser kreisförmig selektiv geschnitten, so dass beim anschließenden Abziehen nur der äußere Bereich des Liners entfernt wird (zum Montieren des Rahmens und der Spannringe) und der Bereich, wo später das erste Substrat montiert wird, noch geschützt bleibt. Alternativ kann der Liner auch komplett abgezogen und ein vorbereitetes kreisförmiges Stück der Schutzfolie erneut aufgebracht werden.
  • Nachfolgend wird anhand der 4 und 5 ein erster Übertragungsschritt erläutert, in welchem Mikro-Funktionselemente 450 in Form von mehrlagig aufgebauten µLEDs von einem ersten Substrat 400 auf das Transfersubstrat 250 übertragen werden. Vorbereitend dazu wird im Ausführungsbeispiel ein erstes Substrat 400 in Form eines Aufwachssubstrats 400 bereitgestellt, das eine Vielzahl von Mikro-Funktionselementen 450 trägt, die auf einer ersten Seite 402 des ersten Substrats 400 in einer ersten räumlichen Anordnung angeordnet sind.
  • 4 zeigt im oberen Teil ein Aufwachssubstrat 400 in Form eines flachen Saphir-Wafers. Auf die mit hoher Präzision eben bearbeitete Vorderseite 402 (erste Seite) des Aufwachssubstrats 400 werden durch epitaktisches Wachstum p-dotierte und n-dotierte Halbleiterschichten aus Galliumnitrid (GaN) gebildet. Daher wird das Aufwachssubstrat auch als EPI-Wafer bezeichnet.
  • Im Grenzbereich zum Aufwachssubstrat 400 wird eine dünne Pufferschicht 452 gebildet. Bei der Pufferschicht kann es sich um eine gesonderte Schicht, z.B. aus undotiertem GaN, oder um eine dünne Teilschicht der ersten GaN-Schicht handeln. Die GaN-Schichten haben in der Regel jeweils eine Dicke von wenigen µm, die Gesamtdicke der verschiedenen GaN-Schichten kann z.B. weniger als 10 µm betragen. Vor der weiteren Bearbeitung kann eine Strukturierung der GaN-Schichten, beispielsweise durch Laserbearbeitung, erfolgen, um einzelne Bauelemente herzustellen oder deren Herstellung vorzubereiten.
  • Auf den GaN-Schichtstapel wird eine in der Regel wenige µm dicke Verbindungsschicht aufgebracht, beispielsweise durch Aufdampfen. Diese Verbindungschicht kann z.B. aus Gold, Platin, Chrom oder anderen Metallen bestehen. Mit Hilfe dieser Verbindungsschicht wird das Aufwachssubstrat 400 mit dem darauf befindlichem Mikro-Funktionselementen 450, also den GaN-Schichtstapeln, mit der adhäsiv wirkenden Klebeschicht 104 des Transfersubstrats 250 verbunden. Dieser Montageschritt wird halbautomatisch mit Hilfe eines Wafer/Film Frame Tape Applicators durchgeführt. Dazu wird zunächst die Sägefolie 100 mit der Klebefläche bzw. der Klebeschicht 104 nach oben eingelegt. Dann wird der Wafer mit den µ-LED-Dies zur Klebefläche der Folie platziert (4). Der Wafer wird nun mit Hilfe einer Rolle 460 unter einer Andrückkraft F fest an die adhäsive Fläche der Sägefolie 100 angedrückt (5).
  • Dadurch entsteht das in 5 gezeigte Werkstück 500 in Form eines montierten Wafers, also eines Schichtverbunds mit dem Aufwachssubstrat 400 und den daran aufgewachsenen Mikro-Funktionselementen 450, die mit ihren freien Oberseiten an der Klebeschicht 104 des Transfersubstrats 250 haften.
  • Der montierte Wafer wird nun in die Werkstückhaltevorrichtung einer Laserbearbeitungsstation 600 für den LLO-Prozess eingelegt. Die Werkstückhaltevorrichtung hat an ihrer Oberseite eine ringförmige Aufnahmenut, um den Spannrahmen 200 des Werkstücks 500 lagedefiniert aufnehmen zu können.
  • 6 und 7 zeigen schematisch einige Komponenten einer geeigneten Laserbearbeitungsstation 600. Im Fall der 6 ist die Laserbearbeitungsstation für das Verfahren des Laser-Lift-Off (LLO) zwischen Aufwachssubstrat und Transfersubstrat konfiguriert, in 7 für den laserinduzierten Vorwärtstransfer (Laser-Induced Forward-Transfer, LIFT) zwischen Aufwachssubstrat und Transfersubstrat.
  • Die Laserbearbeitungsstation 600 weist eine Laserbearbeitungseinheit 610 auf, die mit Laserstrahlung einer Laserstrahlungsquelle 612 in Form eines KrF-Excimerlasers arbeitet, der einen Laserstrahl 605 mit einer Laserwellenlänge von ca. 248 nm abgibt, also Laserstrahlung im tiefen Ultraviolettbereich (DUV). Der Laserstrahl wird in horizontaler Richtung parallel zur x-Achse des Systemkoordinatensystems eingestrahlt.
  • Der aufgeweitete und/oder auf andere Weise aufbereitete Laserstrahl durchtritt eine Maske 607, die in einer Maskenebene 608 angeordnet ist und eine Rasteranordnung von Aperturen bzw. Öffnungen 609 aufweist, die jeweils Teilbündel hindurchlassen, so dass eine Gruppe von Teilbündeln austritt, die eine Parallelbearbeitung (gleichzeitige Bearbeitungen an einer Vielzahl von Stellen am Werkstück) ermöglichen. Die Maske kann mehrere Hundert oder mehrere Tausend in der Regel gleichartig gestaltete Maskenöffnungen 609 aufweisen (vgl. Detail). Die Maskenöffnungen können unterschiedliche Form haben, z.B. quadratisch, ungleichseitig rechteckig o. dgl.
  • Die Strahlen der Teilbündel werden an einer Strahlumlenkeinrichtung 615 umgelenkt und propagieren dann im Wesentlichen vertikal bzw. parallel zu einer Hauptachse 616 der Laserbearbeitungseinheit 610 (parallel zur z-Richtung) oder in mehr oder weniger spitzen Winkeln dazu nach unten in Richtung eines zu bearbeitenden Werkstücks 500. Die Strahlumlenkeinrichtung 615 hat ein aus synthetischem Quarzglas bestehendes, planparalleles Substrat, an dem eine Planfläche als reflektive Strahlumlenkfläche 618 ausgebildet ist, indem sie mit einer für die Laserstrahlung hochreflektierenden dielektrischen Beschichtung beschichtet ist. Die Anordnung ausgeleuchteter Maskenöffnungen 609 in der Maskenebene 608 wird mithilfe eines Abbildungsobjektivs 620 in die Bearbeitungsebene 622 der Laserbearbeitungseinheit 610 abgebildet. Die optische Achse des Abbildungsobjektivs 620 definiert die Hauptachse 616 der Laserbearbeitungseinheit bzw. entspricht dieser. Die Abbildung kann vergrößernd, verkleinernd oder größenerhaltend (1:1-Abbildung) sein. Im Beispiel liegt in der Bearbeitungsebene die gleiche Intensitätsverteilung wie in der Maskenebene vor, allerdings im Maßstab verkleinert.
  • Die Laserbearbeitungsstation 600 umfasst ein Werkstück-Bewegungssystem 660, welches dafür eingerichtet ist, in Reaktion auf Bewegungssignale der Steuereinheit 690 ein zu bearbeitendes Werkstück in einer gewünschten Bearbeitungsposition der Laserbearbeitungsstation zu positionieren.
  • Bei der Konfiguration von 6 umfasst das Werkstück-Bewegungssystem 660 einen als Werkstückhaltevorrichtung dienenden ersten Substrattisch 665, der parallel zur (horizontalen) x-y-Ebene des Systemkoordinatensystems sowie in Höhenrichtung (parallel zur z-Richtung) sehr genau auf eine gewünschte Position verfahren sowie um eine vertikale Rotationsachse gedreht werden kann (PHI-Achse). Hierzu sind im Beispielsfall präzise ansteuerbare elektrische Direktantriebe vorgesehen.
  • In der Konfiguration von 7 ist oberhalb des ersten Substrattisches 665 ein zweiter Substrattisch 670 angeordnet, der ebenfalls in beliebige Richtungen horizontal (parallel zur x-y-Ebene) sowie vertikal (parallel zur z-Richtung) gesteuert verfahren sowie um eine vertikale Achse gedreht werden kann. Die Laserbearbeitungsstation 600 kann beide Substrattische enthalten, in der Verfahrensstufe von 6 wird der zweite Substrattisch jedoch nicht genutzt und ist daher nicht dargestellt.
  • Die Maske 607 wird von einem nicht dargestellten Masken-Bewegungssystem getragen, welches unter der Steuerung durch die Steuereinheit eine Verlagerung der Maske 607 in der Maskenebene 608 (parallel zur y-z-Ebene) sowie eine Drehung der Maske um eine zur x-Richtung parallele Achse erlaubt.
  • In der Situation von 6 ist die Laserbearbeitungsstation 600 für einen Laser-Lift-Off (LLO) eingerichtet. Der montierte Wafer, also das Werkstück 500 in Form des flächigen Verbunds aus Transfersubstrat 250 und Aufwachssubstrat 400 sowie den zwischen den Substraten angeordneten und daran gehaltenen Mikro-Funktionselementen 450, wird nun in die Werkstückhaltevorrichtung der Laserbearbeitungsstation für den LLO-Prozess eingelegt. Die Rückseite des Aufwachssubstrats 400 ist dabei nach oben gerichtet und dient als Eintrittsfläche für die Laserstrahlung.
  • Danach wird der LLO-Prozess durchgeführt. Im Beispielsfall werden alle Dies lokal bestrahlt, also nur die Dies, nicht die Zwischenräume.
  • 6 zeigt das Werkstück bzw. die Anordnung vor dem Lösen der flächigen Verbindung (vergleiche auch 9). Das obere flache Substrat 400 ist das Aufwachssubstrat 400, das in diesem Fall auch als Donor-Substrat bezeichnet wird, weil es die darauf aufgebrachten Mikro-Funktionselemente 450 später abgibt. Das auf dem ersten Substrattisch 665 aufliegende Transfersubstrat 250 fungiert hier als Akzeptor-Substrat, weil es die Funktionselemente 450 akzeptiert bzw. aufnimmt. Das Akzeptor-Substrat (Transfersubstrat 250) mit den davon getragenen GaN-Stapeln dient dann als Basis für die weiteren Schritte der Herstellung der mikroelektronischen Komponente.
  • Beim Laser-Lift-Off-Verfahren wird das Werkstück 500 so positioniert, dass die Bearbeitungsebene 622 in dem Bereich zwischen Donor-Substrat 400 und den GaN-Elementen 450 liegt, um die flächige Verbindung dazwischen mittels Laserbearbeitung zu lösen. Dabei wird die Pufferschicht 452, die sich im Grenzbereich zwischen dem Aufwachssubstrat und den GaN-Elementen befindet, durch Laserstrahlung zerstört (bzw. zersetzt, so dass eine dünne Ga-Schicht und gasförmiger Stickstoff zurückbleiben). Die Laserbestrahlung erfolgt dabei durch das lasertransparente Aufwachssubstrat 400 hindurch.
  • Es ist möglich, dass allein durch die Laserbestrahlung die Verbindung im Bereich der Pufferschicht so weit geschwächt ist, dass sich das Aufwachssubstrat und das Transfersubstrat mit den daran anhaftenden übertragenen Mikro-Funktionselementen leicht voneinander trennen lassen (vgl. 10).
  • Bei einer Verfahrensvariante wird der Verbund aus Aufwachssubstrat 400 mit den µLEDs und dem gespannten Dicing-Tape nach dem LLO einer Wärmebehandlung (Tempern) unterzogen. Diese erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur von ca. 50°C für ca. 10 Minuten. Dadurch wird die Verbindung zwischen EPI-Wafer und µLEDs weiter geschwächt, so dass der EPI-Wafer mit relativ geringer Krafteinwirkung (bei Aufrechterhaltung der Tempertemperatur) entfernt werden kann. Danach wird die Temperatur allmählich auf Raumtemperatur abgekühlt.
  • Je nach Art des Verfahrens kann die UV-Bestrahlung beim LLO auch großflächig beispielsweise mittels eines gescannten Linienstrahls erfolgen, sofern in den Zwischenräumen zwischen den µLEDs keine Schäden z.B. auf dem Akzeptorsubstrat auftreten. Man könnte auch einen quadratischen Strahl (in X und Y-Richtung) scannen.
  • Das Tape (die Sägefolie 100) wird am Anfang gestreckt. Dann liegt eine straff gespannte Folie (wie bei einer Trommel) vor, die als Transfersubstrat dient und die sich ähnlich wie eine Platte verhält, so dass sich die Positionen der Dies nach dem Entfernen des EPI-Wafers 400 nicht mehr ändern und die erforderliche hohe Genauigkeit gewährleistet ist. Die im Beispiel von 5 und 6 verwendeten µLEDs sind RGB-LEDs, so dass es nur eine Sorte EPI-Wafer gibt.
  • In der Situation von 7 ist die Laserbearbeitungsstation 600 für einen LIFT-Prozess eingerichtet, um die µLEDs vom Aufwachssubstrat 400 (Donor) über eine gewisse freie Flugstrecke auf die adhäsive Seite des Transfersubstrats 250 (Akzeptor) zu übertragen. Dieses wird vom ersten Substrattisch 655 in Position gehalten, die mit Laserdioden zu bestückenden adhäsive Oberseite ist nach oben gerichtet. Das für die Laserstrahlung transparente Aufwachsubstrat 400 wird vom zweiten Substrattisch 667 gehalten und trägt die mikroelektronischen Funktionselemente 450 nach unten gerichtet. Durch positionsgenaue Einstrahlung von Laserstrahlen werden dann die zu übertragenden Mikro-LEDs vom Donor-Substrat 400 abgelöst und auf das Akzeptor-Substrat 250 übertragen. Der Donor-Akzeptor-Abstand 658, der ein Maß für die Flugweite der zu übertragenden Mikro-Funktionselemente 450 ist, beträgt in der Regel zwischen 30 µm und 500 µm, insbesondere zwischen 80 µm und 200 µm.
  • Der LIFT-Prozess ist besonders dafür geeignet, nur ein ausgewähltes Subset von Mikro-Funktionselementen auf das Transfersubstrat 250 zu übertragen. Wenn die Übertragung vom EPI-Wafer zum Dicing-Tape mittels LIFT erfolgt, können z.B. auch µLEDs von drei verschiedenen EPI-Wafern (rot, grün und blau) übertragen werden.
  • Zur Vorbereitung des zweiten Übertragungsschritts wird das Dicing-Tape (das Transfersubstrat) mit den µLEDs nun entnommen und umgedreht, so dass die Mikro-Funktionselemente 450 nach unten weisen. Danach werden die µLEDs auf das zweite Substrat 700, im Beispielsfall also auf ein Display-Frontglas gebondet, z.B. mittels eines Klebers.
  • 8 zeigt die Konstellation des dadurch entstehenden Schichtverbunds nach dem Bonden und nach Auflegen auf den Substrattisch der Laserbearbeitungsstation. 600. Das Transfersubstrat 250 mit den noch daran haftenden Mikro-Funktionselementen liegt nun oben, das Frontglas 700 unten. Bei dieser Variante werden die µLED auf das Frontglas montiert und in einem späteren Verarbeitungsschritt das Frontglas mit den µLEDs mit der Backplane kontaktiert. Dadurch wird die Backplane nicht mit UV-Strahlung beaufschlagt. Es ist auch möglich, das Display- Frontglas 700 mit der nach oben gerichteten Verbindungsstruktur (Backplane) 702 unten anzuordnen und die µLEDs auf die Backplane zu bonden
  • Im nächsten Schritt (vgl. 8 oder 11) wird das UV-Dicing-Tape (das Transfersubstrat) von seiner oben liegenden Rückseite mit UV-Photonen (Sternchen-Symbol) bestrahlt. Dadurch wird die Adhäsionsstärke der nach unten weisenden Klebeschicht drastisch reduziert, so dass es sich mit geringer Krafteinwirkung von den µLEDs ablösen lässt.
  • Dazu genügt im Allgemeinen eine großflächige Bestrahlung mit einer geeigneten UV-Lampe. Alternativ können die Positionen, an denen sich die Dies befinden, auch wieder selektiv mittels UV-Laser bestrahlt werden, sofern dies das Ablösen deutlich erleichtert oder wenn ein selektives Ablösen eines Teils der µLEDs gefordert ist.
  • Das Verfahren kann je nach µLED-Technoiogie auch modifiziert werden. So kann die Übertragung der µLED vom Transfersubstrat 250 (vom Dicing-Tape) auf das zweite Substrat (hier z.B. das Display-Substrat 700 mit Back-Plane) auch mittels LIFT erfolgen (vgl. 12).
  • Falls erforderlich, kann ein zusätzlicher Übertragungsschritt eingefügt werden, damit die richtige Orientierung der µLEDs auf dem Display gegeben ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 3742477 A1 [0008]

Claims (14)

  1. Verfahren zur Herstellung einer mikrostrukturierten Komponente, die eine Vielzahl von Mikro-Funktionselementen auf einem Substrat aufweist, insbesondere zur Herstellung eines Micro-LED-Displays, welches ein Substrat aufweist, das ein Array von Pixel bildenden Micro-Leuchtdioden auf einer elektrischen Versorgungsstruktur trägt, worin in wenigstens einer Verfahrensstufe in einer Laserbearbeitungsstation unter der Steuerung durch eine Steuereinheit eine Laserbearbeitung durchgeführt wird, das Verfahren mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines ersten Substrats (400), welches eine Vielzahl von Mikro-Funktionselementen (450) trägt, die auf einer ersten Seite (402) des ersten Substrats (400) in einer ersten räumlichen Anordnung angeordnet sind; Übertragen von Mikro-Funktionselementen (450) in einem ersten Übertragungsschritt von dem ersten Substrat (400) auf ein Transfersubstrat (250); Übertragen von Mikro-Funktionselementen (450) in einem zweiten Übertragungsschritt von dem Transfersubstrat (250) auf ein zweites Substrat (700) derart, dass die Mikro-Funktionselemente (450) auf dem zweiten Substrat (700) in einer zweiten räumlichen Anordnung angeordnet sind; dadurch gekennzeichnet, dass als Transfersubstrat (250) eine in einem Spannrahmen (200) gedehnt eingespannte Sägefolie (100) verwendet wird, die eine unter Flächenspannung stehende elastisch dehnbare Basisfolie (102) mit einer an der Basisfolie angebrachten Klebeschicht (104) zum temporären Fixieren von Mikro-Funktionseinheiten an der Sägefolie (100) aufweist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Substrat (400) ein Aufwachssubstrat ist und die Mikro-Funktionselemente auf dem ersten Substrat (400) erzeugt werden und/oder dass das zweite Substrat (700) das Substrat der mikrostrukturierten Komponente ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Sägefolie eine UV-empfindliche Sägefolie verwendet wird, die eine Klebeschicht aufweist, deren Haftkraft gegenüber Festkörpern durch Einstrahlen von Ultraviolettlicht von einer im unbestrahlten Zustand vorliegenden ersten Haftkraft zu einer gegenüber der ersten Haftkraft reduzierten zweiten Haftkraft abgesenkt werden kann oder dass als Sägefolie eine Thermal Release-Sägefolie verwendet wird, die eine Klebeschicht aufweist, deren Haftkraft gegenüber Festkörpern durch Aufheizen von einer bei Raumtemperatur vorliegenden ersten Haftkraft zu einer gegenüber der ersten Haftkraft reduzierten zweiten Haftkraft abgesenkt werden kann.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim ersten Übertragungsschritt in einem Bonding-Schritt das Transfersubstrat (250) mit dem die Mikro-Funktionselemente (450) tragenden ersten Substrat (400) zu einer Verbundanordnung verbunden wird, indem dem ersten Substrat (400) abgewandte freie Oberflächen der Mikro-Funktionselemente (450) unter Einwirkung einer Andrückkraft mit der Klebeschicht (104) der Sägefolie (100) in Haftkontakt gebracht werden.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Übertragungsschritt eine Bestrahlung der Verbundanordnung mit Laserstrahlung in einer Laserbearbeitungsstation umfasst, wobei mittels räumlich selektiver oder flächendeckender Laserstrahlung eine Haftkraft zwischen dem ersten Substrat und den zu übertragenden Mikro-Funktionselementen reduziert wird, wobei vorzugsweise die Laserbestrahlung so durchgeführt wird, dass dadurch die zwischen dem ersten Substrat und den zu übertragenden Mikro-Funktionselementen wirkende Haftkraft kleiner wird als die zwischen den zu übertragenden Mikro-Funktionselementen und der Klebeschicht (104) wirkende Haftkraft und/oder wobei vorzugsweise ultraviolette Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von weniger als 360 nm verwendet wird, insbesondere Laserstrahlung eines 248 nm Excimer-Lasers.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu der Laserbestrahlung die Verbundanordnung einer Wärmebehandlung unterzogen wird, wobei ein Temperaturprofil und eine Dauer der Wärmebehandlung derart ausgelegt sind, dass die zwischen dem ersten Substrat (400) und den zu übertragenden Mikro-Funktionselementen (450) wirkende Haftkraft durch die Wärmebehandlung reduziert wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abschluss des ersten Übertragungsschritts das mit übertragenen Mikro-Funktionseinheiten versehene Transfersubstrat (250) unter Trennen der Verbindung zwischen den übertragenen Mikro-Funktionseinheiten (450) und dem ersten Substrat (400) von dem ersten Substrat und gegebenenfalls von darauf verbleibenden Mikro-Funktionseinheiten abgelöst wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Übertragungsschritt im Wege eines LIFT-Verfahrens ohne Berührungskontakt zwischen den Mikro-Funktionselementen (450) des ersten Substrats (400) und dem Transfersubstrat (250) durchgeführt wird, wobei sich vorzugsweise die erste räumliche Anordnung und die zweite räumliche Anordnung der Mikro-Funktionselemente voneinander unterscheiden.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragen von Mikro-Funktionselementen (450) in dem zweiten Übertragungsschritt vom Transfersubstrat (250) auf das zweite Substrat (700) in einer Laserbearbeitungsstation (600) unter Einwirkung von Laserstrahlung durchgeführt wird, wobei vorzugsweise eine Verfahrensvariante aus der folgenden Gruppe ausgewählt wird: (i) es wird ein Laser-Induced-Forward-Transfer (LIFT) genutzt, indem mittels Laserstrahlung einzelne oder alle vom Transfersubstrat (250) getragenen Mikro-Funktionseinheiten von dem Transfersubstrat (250) über eine Flugstrecke auf das zweite, mit einer Haftschicht versehene Substrat (700) übertragen werden. (ii) es wird ein Laser-Lift-Off-Transfer (LLO) genutzt, indem die vom Transfersubstrat (250) getragenen Mikro-Funktionseinheiten zunächst auf das zweite Substrat gebondet werden und indem die Haftkraft einzelner oder aller vom Transfersubstrat (250) getragenen Mikro-Funktionseinheiten zum Transfersubstrat (250) mittels UV-Laserstrahlung derart reduziert wird, dass das Transfersubstrat (250) unter geringer Krafteinwirkung entfernt werden kann.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragen von Mikro-Funktionselementen (450) in dem zweiten Übertragungsschritt vom Transfersubstrat (250) auf das zweite Substrat (700) in einer Bearbeitungsstation durchgeführt wird, indem die vom Transfersubstrat (250) getragenen Mikro-Funktionseinheiten zunächst auf das zweite Substrat gebondet werden und indem die Haftkraft der vom Transfersubstrat (250) getragenen Mikro-Funktionseinheiten zum Transfersubstrat (250) mittels UV-Strahlung, insbesondere einer UV-Lampe, oder einer Temperaturerhöhung, insbesondere mittels Kontaktheizung oder Wärmestrahler, derart reduziert wird, dass das Transfersubstrat (250) unter geringer Krafteinwirkung entfernt werden kann.
  11. Verwendung einer Sägefolie (100) mit einer elastisch dehnbaren Basisfolie (102) und einer an der Basisfolie angebrachten Klebeschicht (104) zur Herstellung eines Transfersubstrats zum temporären Fixieren von Mikro-Funktionseinheiten in einem Verfahren zur Herstellung einer mikrostrukturierten Komponente, die eine Vielzahl von Mikro-Funktionselementen auf einem Substrat aufweist.
  12. Verwendung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Sägefolie (100) flächig expandiert und in einen Spannrahmen (200) derart eingespannt wird, dass die in den Spannrahmen (SR) eingespannte Sägefolie in einem von dem Spannrahmen umgebenen Nutzbereich unter einer Flächenspannung steht und ein ebenes, begrenzt elastisch nachgiebiges Transfersubstrat (250) bildet, das an einer zur Aufnahme von Mikro-Funktionselementen vorgesehenen Seite eine Klebeschicht (104) aufweist.
  13. System zur Herstellung einer mikrostrukturierten Komponente, die eine Vielzahl von Mikro-Funktionselementen auf einem Substrat aufweist, insbesondere zur Herstellung eines Micro-LED-Displays, welches ein Substrat aufweist, das ein Array von Pixel bildenden Micro-Leuchtdioden auf einer elektrischen Versorgungsstruktur trägt, umfassend: eine Steuereinheit (690); eine Laserbearbeitungsstation (600) mit einer durch die Steuereinheit steuerbaren Laserbearbeitungseinheit (610); eine Werkstück-Halteeirichtung zur Aufnahme eines zu bearbeitenden Werkstücks; ein Werkstück-Bewegungssystems (660) zum Positionieren eines zu bearbeitenden Werkstücks (500) in einer Bearbeitungsposition der Laserbearbeitungsstation in Reaktion auf Bewegungssignale der Steuereinheit (690); dadurch gekennzeichnet, dass das System Einrichtungen zur Herstellung und/oder Handhabung eines Transfersubstrats umfasst, welches durch eine in einem Spannrahmen (SR) gedehnt eingespannte Sägefolie (100) gebildet wird, die eine unter Flächenspannung stehende elastisch dehnbare Basisfolie (102) und eine an der Basisfolie angebrachte Klebeschicht (104) zum temporären Fixieren von Mikro-Funktionseinheiten an der Sägefolie aufweist.
  14. System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen zur Herstellung und/oder Handhabung eines Transfersubstrats eine oder mehrere der folgenden Einrichtungen umfassen: (i) einen Wafer/Film Frame Tape Applicator zum Montieren einer ungedehnten Sägefolie (100) auf einen Rahmen (110) sowie zum Montieren des ersten Substrats (400) auf die bereits gedehnte Sägefolie (100); (ii) einen Die-Matrix-Expander zum Dehnen und Aufziehen von Sägefolien (100) auf einen Spannrahmen (200); (iii) ein Heizsystem zum Reduzieren der Haftkraft zwischen dem ersten Substrat (400) und den Mikro-Funktionseinheiten (450) bzw. zum Reduzieren der Haftkraft von thermischen Sägefolien; (iv) eine UV-Lampe zum Reduzieren der Haftkraft von UV-empfindlichen Sägefolien; (v) eine Einrichtung zum Herstellen einer Bondverbindung zwischen den Mikro-Funktionseinheiten (450) auf dem Transfersubstrat (250) und dem zweiten Substrat (700).
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