CN113284989A - 一种Micro LED芯片剥离装置、剥离机及剥离机使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种Micro LED芯片剥离装置，包括：激光器；激光衰减器，激光衰减器设置于激光器出光方向；激光扩束器，激光扩束器设置于激光衰减器出光方向；光束整形装置，光束整形装置设置于激光扩束器出光方向，光束整形装置用于使激光的能量从非均匀分布转化为均匀分布，并通过掩模版得到能量分布均匀的图形化激光光斑；以及投影物镜，投影物镜设置于光束整形装置出光方向，用于将光束整形装置输出的能量分布均匀的图形化激光光斑缩倍投影至待剥离样品上，提高目标点的激光能量密度，并实现图形化批量加工，提高Micro LED剥离的精度和效率。
Description
技术领域
本发明属于半导体设备技术领域，具体涉及一种Micro LED芯片剥离装置、剥离机及剥离机使用方法。
背景技术
Micro LED是一种将LED结构进行微小化、阵列化的新型LED器件，其尺寸是传统LED的百分之一，可以低至微米量级，通常在3-30微米左右，在分辨率、亮度、能耗等方面有着巨大的优势，可以摆脱传统LED对显示尺寸的限制，因此能用于制作更大尺寸显示屏等，也可以用来发展柔性屏和可穿戴设备等，是目前LED的热门领域。制作Micro LED首先是在蓝宝石基底上生长氮化镓等半导体材料，并通过半导体工艺形成独立的发光单元，然后将独立的发光单元，从基底上剥离下来，再转移到合适的基底材料上，通常使用化学剥离、机械剥离、热剥离和激光剥离等方式。
相比其他方式，激光剥离技术具有效率高、无污染、器件损伤小、成品率高等特点，能满足现在工业化的要求。激光剥离技术主要是利用蓝宝石基底和氮化镓等材料对紫外光吸收的不同，来实现剥离的目的。蓝宝石基底对紫外光吸收率较低，光束可以直接透过蓝宝石基底被氮化镓材料吸收，与蓝宝石基底接触部分的氮化镓吸收紫外光后会分解为液态的镓和氮气，分解产生的气体将氮化镓层推离玻璃基底，基本无需借助外力实现剥离。紫外激光波长较短，可以实现更高的加工精度，尤其适合于微小尺度的Micro LED的剥离。
现有的激光剥离技术由于激光光束能量分布不够均匀，待剥离样品上的激光光斑质量较差，导致剥离效果不够理想，不利于剥离后的Micro LED单元后续使用，浪费资源；并且现有的激光剥离技术面对复杂的加工要求时不够灵活，影响剥离的效果。
发明内容
为此，本发明提供一种Micro LED芯片剥离装置、剥离机及剥离机使用方法，以解决上述问题。
为了实现上述目的，本公开的一实施例中提供如下技术方案：一种Micro LED芯片剥离装置，包括：激光器；激光衰减器，激光衰减器设置于激光器出光方向；激光扩束器，激光扩束器设置于激光衰减器出光方向；光束整形装置，光束整形装置设置于激光扩束器出光方向，光束整形装置用于使激光的能量从非均匀分布转化为均匀分布，并通过掩模版得到能量分布均匀的图形化激光光斑；以及投影物镜，投影物镜设置于光束整形装置出光方向，用于将光束整形装置输出的能量分布均匀的图形化激光光斑缩倍投影至待剥离样品上，提高加工目标点的激光能量密度，并实现图形化批量加工，提高Micro LED剥离的精度和效率。
本公开的一实施例中，光束整形装置包括沿激光路径方向依次设置的第一微透镜阵列、第二微透镜阵列、傅立叶镜、场镜和掩模版。
本公开的一实施例中，第一微透镜阵列和第二微透镜阵列之间距离为300-500mm。
本公开的一实施例中，傅立叶镜和场镜之间距离为1000-1200mm。
本公开的一实施例中，还包括视觉系统，视觉系统包括：摄像头，用于获取加工情况；以及显示器，显示器与摄像头电连接。
本公开的一实施例中，视觉系统还包括照明灯，用于加工时照明。
本公开的一实施例中提供一种Micro LED芯片剥离机，包括：
上述任一实施例中Micro LED芯片剥离装置；
承载平台，承载平台位于投影物镜的下方；承载平台上设置有真空吸附台，用以固定待剥离样品；
Z轴升降平台，投影物镜安装于Z轴升降平台升降端上；以及
控制器，与Z轴升降平台和承载平台电连接。
本公开的一实施例中，承载平台为三轴位移台，由XY轴位移台和旋转位移台叠加组成，以及控制器，XY轴位移台与控制器电连接，以带动待剥离样品的运动，控制待剥离样品位置；旋转位移台与控制器电连接，以带动待剥离样品转动。
上述任一实施例中的一种Micro LED芯片剥离机的使用方法，包括以下步骤：
将待剥离样品通过真空吸附台固定在承载平台上，等待加工；
启动视觉系统，启动激光器；
调整XY轴位移台，并上下调整投影物镜位置，使待剥离样品处于图形化均匀光斑的投影像面位置；
控制XY轴位移台及旋转位移台运动，带动待剥离样品运动，实现高精度批量化快速剥离。
直至整片晶圆加工完成。
由于上述技术特征，本发明具有如下优点：全过程为激光加工，污染小，并且激光的光束经过第一微透镜阵列、第二微透镜阵列、傅立叶镜使激光的能量从非均匀分布转化为均匀分布，经过场镜和掩模版后得到能量分布均匀的图形化激光光斑。投影物镜固定在一维Z轴平移台上，实现垂直方向的移动，将光束整形装置输出的能量分布均匀的图形化激光光斑缩倍投影至待剥离样品上，提高加工点的激光能量密度，并实现图形化批量加工，提高Micro LED剥离的精度和效率。真空吸附台固定在三轴位移台上，可以精确控制待剥离样品的加工位置，实现高精度快速加工。同轴视觉系统能实时拍摄样品加工过程并在显示器上显示，便于观察。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
图1是本发明具体实施方式提供的一种Micro LED芯片剥离装置的结构示意图；
图2是本发明具体实施方式提供的一种Micro LED芯片剥离装置的光束整形装置结构示意图；
图3是本发明具体实施方式提供的一种Micro LED芯片剥离装置的视觉系统结构示意图；
图4是本发明具体实施方式提供的一种Micro LED芯片剥离装置的Z轴升降平台与投影物镜连接结构示意图；
图5是本发明具体实施方式提供的一种Micro LED芯片剥离装置的XY轴位移台、旋转位移台和真空吸附台连接结构示意图。
图6是本发明具体实施方式提供的一种Micro LED芯片剥离装置的匀光原理结构示意图。
图7是本发明具体实施方式提供的一种Micro LED芯片剥离装置的匀光前后光斑能量分布示意图。
图8是本发明具体实施方式提供的一种Micro LED芯片剥离装置的多个通孔阵列的掩模版结构示意图。
图9是本发明具体实施方式提供的使用时点扫描光斑结构示意图。
图10是本发明具体实施方式提供的使用时线扫描光斑结构示意图。
图11是本发明具体实施方式提供的使用时大尺寸线扫描光斑结构示意图。
图中：控制器1、激光器2、激光衰减器3、激光扩束器4、光束整形装置5、第一微透镜阵列51、第二微透镜阵列52、傅立叶镜53、场镜54、掩模版55、投影物镜6、XY轴位移台7、视觉系统8、摄像头81、显示器82、照明灯83、Z轴升降平台9、真空吸附台10、旋转位移台11。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
本发明实施例1提供的一种Micro LED芯片剥离装置，请参阅图1所示，包括：
激光器2，激光器2采用准分子激光器，激光波长在157nm-351nm之间，属于紫外脉冲激光器，具有波长短、脉宽短、脉冲能量高等特点。Micro LED是一种将LED结构进行微小化、阵列化的新型LED器件，其尺寸是传统LED的百分之一，可以低至微米量级，通常在3-30微米左右。而紫外波长在加工过程中有更高的分辨率，适合于微小尺度的加工。制做MicroLED首先是在蓝宝石基底上生长氮化镓等半导体材料，并通过半导体工艺形成独立的发光单元，然后将独立的发光单元，从蓝宝石基底上剥离下来。由于蓝宝石对紫外光吸收率较小，准分子激光光束可穿透基板，直接作用在氮化镓层上，氮化镓与蓝宝石基底接触面上很薄的一层材料吸收足够能量的紫外光后，分解为液态的镓和氮气，产生的气体把Micro LED器件直接推离基板，基本无需外力实现Micro LED单元从蓝宝石基板上剥离。
激光衰减器3，激光衰减器3设置于激光器2出光方向。
激光扩束器4，激光扩束器4设置于激光衰减器3出光方向。
光束整形装置5，光束整形装置5设置于激光扩束器4出光方向，光束整形装置用于使激光的能量从非均匀分布转化为均匀分布，并通过掩模版得到能量分布均匀的图形化激光光斑；以及投影物镜6，投影物镜设置于光束整形装置5出光方向，用于将光束整形装置5输出的能量分布均匀的图形化激光光斑缩倍投影至待剥离样品上，提高目标点的激光能量密度，并实现图形化批量加工，提高Micro LED剥离的精度和效率。
进一步说明，请参阅图2所示，光束整形装置5包括沿激光路径方向依次设置的第一微透镜阵列51、第二微透镜阵列52、傅立叶镜53、场镜54和掩模版55。
具体说明，请参阅图6，经过准直扩束后的激光，经过第一微透镜阵列(由多个微小的透镜组成的阵列)，每个子透镜分别将照射其上的激光进行聚焦，相当于所有的子透镜将原光束打散为多个细小的子光束，所有子光束通过第二个微透镜阵列和傅里叶镜会聚后，在场镜和掩模版附近所有小光束光斑相互重叠，整个光束的能量不均匀性被抵消掉，从而得到理想的均匀光斑，请参阅图7。
光束通过掩模版后，得到具有图形化的均匀光斑。匀化后的光束具有一定的发散角，场镜能压缩投影光束的尺寸且不会影响投影光束的特质，可以减小对后方投影物镜口径的限制；某些特殊情况也可以通过合理化的设计场镜和投影物镜的距离，改变样品加工面上投影图案的方向。
传统的激光加工方式多为将激光聚焦在焦点上，通过焦点处功率高的特点，对样品进行逐点加工。本系统使用的是掩模投影的方式进行加工，效率更高，精度更好，有很好的的灵活性。
具体说明，掩模版是在不透明材料上，制作一些透光的图形，或者在透明材料上制作一些不透光的图形；可以是单一图形，也可以是各种复杂图形。通过投影物镜将掩模版的图形信息投影在待加工表面上，相当于将掩模版信息‘复印’到样品上，进行整体加工，大大提高了加工的效率和精度。
例如有多个通孔阵列的掩模版，请参阅图8所示，可以一次性剥离基板上的多个Micro LED微单元，提高加工效率。对于有复杂要求加工需求时，掩模投影的加工方式有着巨大优势。
通过系统的合理化设计，调整投影物镜参数，结合不同的物距像距设计，可以实现不同的缩倍比，提高样品加工点的能量密度，实现高精度的图形化加工，最小可实现微米量级的加工精度，并确保加工面的能量仍然处于均匀分布，非常适合于Mirco LED的剥离。也可以通过移动掩模板，改变激光光斑在掩模版上的位置，实现大尺度加工图形的动态拼接加工。
第一微透镜阵列51和第二微透镜阵列52之间距离为400mm。
第二微透镜阵列52和傅立叶镜53之间距离为2-10mm。本实施例次采用2mm。
傅立叶镜53和场镜54之间距离为1200mm。
场镜54和掩模版55之间距离为5mm。
Micro LED芯片剥离装置还包括视觉系统8，请参阅图3所示，视觉系统8包括：
摄像头81，用于获取加工情况。以及
显示器82，显示器82与摄像头81电连接。
视觉系统8还包括照明灯83，用于加工时照明。
激光器发出紫外激光，经激光衰减器衰减至适合功率，(功率根据使用时具体情况选定，下同)，经激光扩束器将激光光束扩展至适合的宽度，进入光束整形装置，光束经过第一微透镜阵列、第二微透镜阵列、傅立叶镜使激光的能量从非均匀分布转化为均匀分布，经过场镜和掩模版后得到能量分布均匀的图形化激光光斑，投影物镜将能量分布均匀的图形化激光光斑缩倍投影至待剥离样品上，提高目标点的激光能量密度，并实现图形化批量加工，提高Micro LED剥离的精度和效率，其中视觉系统，能实时拍摄样品加工过程并在显示器上显示，便于观察。控制器能同时控制激光器、位移台、及照明系统。
准分子激光发出的紫外脉冲光，通过衰减器，将激光功率调整到适合的大小。经过扩束器、光束整形装置和投影物镜将能量分布均匀的图形化激光光斑缩倍投影至待剥离样品上，提高加工的精度，最小尺寸可投影至1um。
通过本实施例，在使用时，Micro LED发光单元的剥离速率提高至1000亿个/小时，样品损坏率为0.01％。
实施例2
本发明实施例2提供的一种Micro LED芯片剥离装置，请参阅图1所示，包括：激光器2。激光衰减器3，激光衰减器3设置于激光器2出光方向。激光扩束器4，激光扩束器4设置于激光衰减器3出光方向。光束整形装置5，光束整形装置5设置于激光扩束器4出光方向，光束整形装置用于使激光的能量从非均匀分布转化为均匀分布，并通过掩模版得到能量分布均匀的图形化激光光斑；以及投影物镜6，投影物镜设置于光束整形装置5出光方向，用于将光束整形装置5输出的光束投影照射至待剥离样品上。光束整形装置5包括沿光线路径方向依次设置的第一微透镜阵列51、第二微透镜阵列52、傅立叶镜53、场镜54和掩模版55。第一微透镜阵列51和第二微透镜阵列52之间距离为300mm。第二微透镜阵列52和傅立叶镜53之间距离为3mm。傅立叶镜53和场镜54之间距离为1000mm。场镜54和掩模版55之间距离为5mm。
Micro LED芯片剥离装置还包括视觉系统8，视觉系统8包括：摄像头81，用于获取加工情况。以及显示器82，显示器82与摄像头81电连接。视觉系统8还包括照明灯83，用于加工时照明。激光器发出紫外激光，经激光衰减器衰减至适合功率，(功率根据使用时具体情况选定，下同)，经激光扩束器将激光光束扩展至适合的宽度，进入光束整形装置，光束经过第一微透镜阵列、第二微透镜阵列、傅立叶镜使激光的能量从非均匀分布转化为均匀分布，经过场镜和掩模版后得到能量分布均匀的图形化激光光斑，投影物镜将能量分布均匀的图形化激光光斑缩倍投影至待剥离样品上，提高目标点的激光能量密度，并实现图形化批量加工，提高Micro LED剥离的精度和效率，其中视觉系统，能实时拍摄样品加工过程并在显示器上显示，便于观察。控制器能同时控制激光器、位移台、及照明系统。
为了更好实施本实施例，降低在装置的空间占用，可通过反光镜A改变光线路径，以减少装置安装时避免直线安装导致的直线空间占用较大。
实施例3
本发明实施例3提供的一种Micro LED芯片剥离机，包括：上述实施例中的MicroLED芯片剥离装置；承载平台，承载平台位于投影物镜的下方，旋转平移台11上设置有真空吸附台10，用于承载待剥离的样品，承载平台为三轴载物台，由XY轴位移台7和旋转平移台11组成，XY轴位移台7与控制器1电连接，用以控制待剥离样品的位置，旋转位移平台11与控制器1电相连，用以带动待剥离样品旋转。请参阅图4和图5所示；Z轴升降平台9，投影物镜6安装于Z轴升降平台9上；控制器1与Z轴升降平台9电连接，用于控制Z轴升降平台9上下移动，以带动投影物镜6移动。
激光器发出紫外激光，经激光衰减器衰减至适合功率，经激光扩束器将激光光束扩展至适合的宽度，经反射镜，进入光束整形装置，经反射镜，进入投影物镜台后投影，投影物镜台通过Z轴升降平台沿垂直方向上下移动，改变光束投影位置，待剥离样品处于图形化均匀光斑的投影像面位置，对样品Micro LED层进行剥离。其中视觉系统，能实时拍摄样品加工过程并在显示器上显示，便于观察。控制器能同时控制激光器、位移台、及视觉系统。样品台将真空吸附台固定在承载平台上，可以精确改变被加工样品的位置，实现高精度快速加工。视觉系统可根据实际情况调整照明光源的亮度。
实施例4
本发明实施例4提供的一种Micro LED芯片剥离机的使用方法，包括以下步骤：
将待剥离样品通过真空吸附台固定在承载平台上，等待加工；
启动视觉系统，启动激光器；
调整XY轴位移台，并上下调整投影物镜位置，使待剥离样品处于图形化均匀光斑的投影像面位置；
控制XY轴位移台及旋转位移台运动，带动待剥离样品运动，实现高精度批量化快速剥离。
直至整片晶圆加工完成。
实施例5
本发明实施例5提供的一种Micro LED芯片剥离机的具体实施方案，
对于不同的样品需求，结合运动控制和激光器情况，可以提供不同的剥离方案：
小单元扫描，请参阅图9所示，对应需要进行小单元的剥离的需求，对掩模版单次投影进行剥离，单次投影剥离完成后，控制载物台改变样品加工位置，重复上述加工过程，以拼接方式对晶圆完成整片剥离，单次加工激光光斑典型尺寸：1000umx1000um。
线扫描，对于需要大面积剥离的情况，可以选择线扫描的方式进行剥离。激光匀化为线光斑，控制掩模版垂直于激光线的方向运动，使线光斑对掩模版进行扫描并投影至待加工样品上，同时控制载物台带动待剥离样品移动，样品运动速度与掩模版运动速度相匹配，满足以下关系，
Y＝kX。
其中，Y为掩模版运动速度，X为样品运动速度，k为系统缩倍比，
一个掩模版图形周期剥离完成后，掩模版位置还原，重复上诉扫描过程操作，直至完成整片晶圆的剥离，单次加工激光光斑典型尺寸：10mmx100um，如图10所示。也可以提供更大尺寸的线扫描方式，一次线扫描即可完成整个待剥离晶圆的剥离加工，如图11所示，单次加工激光光斑典型尺寸：50mmx1mm。
本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种Micro LED芯片剥离装置，其特征在于，包括：
激光器；
激光衰减器，所述激光衰减器设置于所述激光器出光方向；
激光扩束器，所述激光扩束器设置于所述激光衰减器出光方向；
光束整形装置，所述光束整形装置设置于所述激光扩束器出光方向，所述光束整形装置用于使激光的能量从非均匀分布转化为均匀分布，并通过掩模版得到能量分布均匀的图形化激光光斑；以及
投影物镜，所述投影物镜设置于所述光束整形装置出光方向，用于将所述光束整形装置输出的能量分布均匀的图形化激光光斑缩倍投影至待剥离样品上，提高目标点的激光能量密度，并实现图形化批量加工，提高Micro LED剥离的精度和效率。
2.根据权利要求1所述的一种Micro LED芯片剥离装置，其特征在于，所述光束整形装置包括沿激光路径方向依次设置的第一微透镜阵列、第二微透镜阵列、傅立叶镜、场镜和掩模版。
3.根据权利要求2所述的一种Micro LED芯片剥离装置，其特征在于，所述第一微透镜阵列和所述第二微透镜阵列之间距离为300-500mm。
4.根据权利要求2所述的一种Micro LED芯片剥离装置，其特征在于，所述傅立叶镜和所述场镜之间距离为1000-1500mm。
5.根据权利要求1所述的一种Micro LED芯片剥离装置，其特征在于，还包括视觉系统，所述视觉系统包括：
摄像头，用于获取加工情况；以及
显示器，所述显示器与所述摄像头电连接。
6.根据权利要求5所述的一种Micro LED芯片剥离装置，其特征在于，所述视觉系统还包括照明灯，用于加工时照明。
7.一种Micro LED芯片剥离机，其特征在于，包括：
上述权利要求1至6任一项中所述的Micro LED芯片剥离装置；
承载平台，所述承载平台位于所述投影物镜的下方，所述承载平台上设置有真空吸附台，用以固定待剥离样品；
Z轴升降平台，所述投影物镜安装于所述Z轴升降平台升降端上；以及
控制器，与所述Z轴升降平台和承载平台电连接。
8.根据权利要求7所述的一种Micro LED芯片剥离机，其特征在于，所述承载平台为三轴位移台，由XY轴位移台和旋转位移台叠加组成，XY轴位移台与控制器电连接，以带动待剥离样品的运动，控制待剥离样品位置；旋转位移台与控制器电连接，以带动待剥离样品转动。
9.一种Micro LED芯片剥离机的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
将待剥离样品通过真空吸附台固定在承载平台上，等待加工；
启动视觉系统，启动激光器；
调节XY轴位移台，并上下调整投影物镜位置，使待剥离样品处于图形化均匀光斑的投影像面位置；
控制XY轴位移台及旋转位移台运动，带动待剥离样品运动，实现高精度批量化快速剥离。
直至整片晶圆加工完成。
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