CN113399822A - 一种激光辅助原位巨量转移方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光辅助原位巨量转移方法及系统，主要包括以下内容：利用红外激光波长较长，在保证激光能量密度的前提下激光光斑半径较大的特点对生长有Micro‑LED芯片的GaN/蓝宝石衬底利用激光振镜进行扫描，将Micro‑LED芯片从该衬底上剥离转移至临时转移结构上；利用超短脉冲激光的“冷加工”效应及多脉冲作用的能量累计原理对临时转移结构，利用激光振镜进行逐点快速扫描，实现将Micro‑LED芯片对目标基板的高速定点巨量转移；采用半反射镜将两种激光引入同一条激光加工光路中，在未被利用激光出光口处设置激光扩束装置。本发明通过采用双激光束扫描、脉冲激光逐点扫描进行Micro‑LED芯片巨量转移，转移速率高且良品率得到保证。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电技术领域，尤其涉及一种激光辅助原位巨量转移方法及系统。
背景技术
Micro-LED即微型发光二极管，是指高密度集成的LED阵列，其中阵列中的LED像素点距离在10μm量级，且每个LED像素都能自发光。相比LCD和OLED技术，Micro-LED凭借其高解析度、低功耗、高亮度、高色彩饱和度、反应速度快、厚度薄、寿命长等特性成为业界公认的下一代显示技术。
Micro-LED制程主要包含四大关键技术，即磊晶与芯片技术、巨量转移技术、键结技术、彩色化方案。其中巨量转移技术主要是指将生长在外延衬底上的Micro-LED阵列快速精准地转移到驱动电路基板上，并与驱动电路之间形成良好的电气连接和机械固定的技术。然而由于所需转移的Micro-LED芯片数量庞大，且需要快速且准确的转移，因此采用传统的转移方案存在耗时过长且准确度不足的问题，因此需要一种高时效且准确度高的巨量转移方法。
现有的巨量转移方法主要有弹性印章法、激光辅助转移法、静电转移法、电磁转移法及流体自组装法等。其中，弹性印模法的转移良率目前可达99.99％，但由于其每小时转移量仅能达到1.0～2.5×104个单元体，转移面积较小且由于存在印章变形而容易产生转移误差；静电转移法由于其电压过高容易导致LED芯片被损坏，并且电磁转移法需要额外的铁磁层；激光辅助转移法在较小的转移误差下，其每小时转移量可达1×108个单元体，但其转移良率仅能到达90％。
因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域技术人员需要解决的问题。
发明内容
为解决现有巨量转移环节中存在的良率、效率的问题，本发明提供一种激光辅助原位巨量转移方法及系统。
本发明提供一种激光辅助原位巨量转移方法，该巨量转移方法包括以下步骤：
S1、准备原位生长有Micro-LED芯片的衬底、临时转移结构、目标基板、激光振镜系统、激光器及运动台，所述临时转移结构包括透明基板、热敏层及粘结层；
S2、将原位生长在所述衬底上的Micro-LED芯片粘接在所述临时转移结构的粘接层上，通过使用所述激光振镜系统采用连续扫描的方式将红外激光作用于所述衬底的GaN/蓝宝石界面上，使得靠近界面处的GaN吸收激光能量被分解，从而使得Micro-LED芯片从所述衬底上剥离；
S3、将粘接有Micro-LED芯片的所述临时转移结构放置于所述目标基板正上方，利用所述运动台保证所述目标基板上所需放置Micro-LED芯片的位置与所述临时转移结构上的待转移Micro-LED芯片位置对准；
S4、将脉冲激光束通过所述激光振镜系统后直接作用于所述临时转移结构上的待转移Micro-LED芯片位置处，采用逐点扫描的激光扫描方式，即在所述临时转移结构上每个待转移Micro-LED芯片位置使用所述脉冲激光连续作用多个脉冲，利用激光能量累计原理使得激光能量作用于所述透明基板与所述热敏层的界面处，使得Micro-LED芯片选择性的落入所述目标基板上。
进一步地，在步骤S1中，所述临时转移结构中的所述热敏层材料为聚酰亚胺。
进一步地，在步骤S2中，将粘接有所述临时转移结构的衬底放置于所述激光振镜系统正下方，所述临时转移结构中Micro-LED芯片面位于所述激光振镜系统中激光扫描面的背面，使得所述激光振镜系统的扫描范围可以最大限度的作用于所述衬底的GaN/蓝宝石界面。
进一步地，在步骤S3中，粘接有Micro-LED芯片的所述临时转移结构与目标基板之间的距离d≈1.2h，其中h为所放置所述Micro-LED芯片的最大厚度。
进一步地，在步骤S4中，需根据Micro-LED的尺寸，利用
来确定所应用所述激光振镜系统所需要的焦距；其中，r为所述Micro-LED芯片中心位置至边缘的最大距离，λ为所述激光波长，f为激光振镜的焦距。
进一步地，在步骤S4中，所述激光振镜系统在一个Micro-LED芯片转移位置停留多个脉冲过后直接转移到下一个Micro-LED芯片转移位置，期间不需要改变激光的通断。
相应的，本发明还提供一种激光辅助原位巨量转移系统，其特征在于，包括红外激光器、超短脉冲激光器、光闸、半反射镜系统、激光扩束镜、激光振镜系统、临时转移结构、目标基板、运动台；
进一步地，所述超短脉冲激光器出射激光脉宽小于等于10ps。
进一步地，所述临时转移结构包括透明基板、热敏层及粘结层；所述目标基板上设有用于接收Micro-LED芯片的凹槽。
进一步地，所述运动台为xyz三维精密运动台。
进一步地，所述运动台用于调整目标基板与临时转移结构之间的相对位置关系，使所述目标基板上的待转移Micro-LED芯片凹槽对准待转移Micro-LED芯片。
进一步地，所述半反射镜系统包括互相垂直的两个进光口以及两个出光口，两个进光口对准于所述红外激光器和所述超短脉冲激光器，使得其所出射激光可以直接传输至所述半反射镜系统；其中一个出光口对准于激光振镜，使其激光光束应用于Micro-LED芯片的巨量转移中，另一出光口处设置一扩束镜，对所产生的分束激光进行扩束从而使得其能量密度降低，防止产生危险，保证该装置的应用安全。
本发明产生的有益效果是：本发明通过同时使用红外激光器和超短脉冲激光器并行加工的加工方式，其中利用长波长的红外激光可以在保证激光能量传输效率的同时扩大激光光斑扫描面积，有效提高Micro-LED芯片的分离效率；利用超短脉冲激光器进行Micro-LED芯片的定位转移，其中，利用超短脉冲激光加工的“冷加工”效应可以有效保护临时转移结构的未加工区域以及极大地避免了对Micro-LED芯片产生污染；利用超短脉冲激光器进行Micro-LED芯片的定位转移，其中，利用超短脉冲激光加工的多脉冲作用时的能量累积效应将Micro-LED芯片选择性地转移至目标基板，由于超短脉冲激光的脉冲宽度仅为皮秒量级甚至飞秒量级，且其多脉冲激光作用能量累计所需激光脉冲数较小，因此利用该方式进行Micro-LED芯片的巨量转移可以在有效提升加工良率的基础上极大的增加转移效率；利用激光振镜系统来进行激光束的定位与运动可以更好地满足所需加工精度及所需激光束移动速度，更好地实现高效率的Micro-LED芯片巨量转移；对于双激光同轴加工系统采用半反射镜系统进行两种激光束的转换，可以满足利用同一激光加工光路进行双光束的使用的基础上，避免因光路的改变而造成的光路调解困难；对于双激光同轴加工系统中所产生的额外激光分量加持了激光扩束系统，以此来使其能量密度保持在较低水准，保证加工过程中的安全。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明一种激光辅助原位巨量转移系统实施例的结构示意图；
图2～图3为利用红外激光将衬底上的Micro-LED芯片转移到临时转移结构上的过程示意图；
图4～图6为利用超短脉冲激光将Micro-LED芯片转移到目标基板的过程示意图。
图中：1-红外激光器；2-超短脉冲激光器；3、4-光闸；5-半反射镜系统；6-激光扩束镜；7-激光振镜系统；8-临时转移结构；9-目标基板；10-微调整运动台；11-原位生长有Micro-LED芯片的衬底；801-粘结层；802-热敏层；803-透明基板；1101-蓝宝石基底；1102-GaN层；1103-Micro-LED芯片。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。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的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。
如图1-图6所示，一种激光辅助原位巨量转移方法，包括以下步骤：
S1、准备原位生长有Micro-LED芯片1103的衬底11、临时转移结构8、目标基板9、激光振镜系统7、激光器1、2及运动台10，所述临时转移结构8包括透明基板801、热敏层802及粘结层803；
S2、将原位生长在所述衬底11上的Micro-LED芯片1103粘接在所述临时转移结构8的所述粘接层803上，通过使用所述激光振镜系统7采用连续扫描的方式将红外激光作用于所述衬底的GaN/蓝宝石界面上，使得靠近界面处的GaN吸收激光能量被分解，从而使得Micro-LED芯片1103从所述衬底11上剥离；
S3、将粘接有Micro-LED芯片1103的所述临时转移结构8放置于所述目标基板9正上方，利用所述运动台10保证所述目标基板9上所需放置Micro-LED芯片1103的位置与所述临时转移结构8上的待转移Micro-LED芯片1103位置对准；
S4、将脉冲激光束通过所述激光振镜系统7后直接作用于所述临时转移结构8上的待转移Micro-LED芯片1103位置处，采用逐点扫描的激光扫描方式，即在所述临时转移结构上每个待转移Micro-LED芯片位置使用脉冲激光连续作用多个脉冲，利用激光能量累计原理使得激光作用于所述透明基板801与所述热敏层802的界面处，使得Micro-LED芯片1103选择性的落入所述目标基板9上。
在本发明的优选实施例中，如图2和图3所示，步骤S1中，所述临时转移结构8中的所述热敏层802材料为聚酰亚胺。
在本发明的优选实施例中，如图2和图3所示，步骤S2中，将粘接有所述临时转移结构8的衬底11放置于所述激光振镜系统7正下方，所述临时转移结构8中Micro-LED芯片1103面位于所述激光振镜系统7中激光扫描面的背面，使得所述激光振镜系统的扫描范围可以最大限度的作用于所述衬底的GaN/蓝宝石界面。
具体的，如图2和图3所示，红外激光束通过所述激光振镜系统7快速作用于原位生长Micro-LED芯片的衬底11上，使得GaN层1102中靠近界面处的GaN吸收激光光能产生热能受热分解，从而使Micro-LED芯片1103快速从蓝宝石衬底11上分离，并使Micro-LED芯片1103通过粘接层801粘附在临时转移结构8上。
在本发明的优选实施例中，如图4所示，步骤S3中，粘接有Micro-LED芯片1103的所述临时转移结构8与所述目标基板9之间的距离d≈1.2h，其中h为所放置Micro-LED芯片1103的最大厚度。
在本发明的优选实施例中，如图4～图6所示，步骤S4中，需根据Micro-LED芯片1103的尺寸，利用
来确定所应用所述激光振镜系统7所需要的焦距；其中，r为所述Micro-LED芯片1103中心位置至边缘的最大距离，λ为所述激光波长，f为激光振镜系统7的焦距。
在本发明的优选实施例中，如图4～图6所示，步骤S4中，所述激光振镜系统7在一个Micro-LED芯片转移位置停留多个脉冲过后直接转移到下一个Micro-LED芯片转移位置，期间不需要改变激光的通断。
具体的，如图4～图6所示，超短脉冲激光器2所出射的超短脉冲激光经过激光振镜系统7后聚焦于临时转移结构8透明基板801与热敏层802的界面中待转移Micro-LED芯片1103位置处，通过激光振镜系统7的控制保持超短脉冲激光在该位置处连续作用多个脉冲，由于所采用的激光脉冲能量较低，因此只有当多个激光脉冲共同作用于该位置时所产生的的能量累计效应从而产生的热效应使得临时转移结构8中热敏层802与透明基板803之间生产气泡，将Micro-LED芯片1103转移至目标基板9中目标位置处；当多个激光脉冲连续作用使得Micro-LED芯片1103完成从临时转移结构8至目标基板9之间的转移时，通过控制激光振镜系统使超短脉冲激光束的作用位置开始运动向下一个Micro-LED芯片待转移位置点，在激光束运动过程中，由于为单个激光束与热敏层802相互作用，且由于所设置超快激光束能量较低，不足以使其发生反应在热敏层802与透明基板803之间生产气泡，因此保证了Micro-LED芯片转移过程中的良率；待转移到下一个Micro-LED芯片待转移位置点时，再次通过激光振镜系统7使得超短脉冲激光在此连续作用多个脉冲，利用前述能量累计原理完成该位置处的Micro-LED芯片转移。
相应的，本发明还提供一种激光辅助原位巨量转移系统，如图1所示，包括红外激光器1；超短脉冲激光器2；光闸3、4；半反射镜系统5；激光扩束镜6；激光振镜系统7；临时转移结构8；目标基板9；微运动台10；其中，红外激光器1发射红外激光通过光闸3传输至半反射镜系统5；超短脉冲激光器2发射超短脉冲激光通过光闸4传输至半反射镜系统5。
在本发明的优选实施例中，所述超短脉冲激光器出射激光脉宽小于等于10ps。
在本发明的优选实施例中，如图1所示，所述临时转移结构8包括透明基板801、热敏层802及粘结层803；所述目标基板9上设有用于接收Micro-LED芯片的凹槽。
在本发明的优选实施例中，如图1所示，所述运动台10为xyz三维精密运动台。
在本发明的优选实施例中，如图1所示，所述运动台10用于调整所述目标基板9与所述临时转移结构8之间的相对位置关系，使所述目标基板9上的待转移Micro-LED芯片凹槽对准待转移Micro-LED芯片1103。
在本发明的优选实施例中，如图1所示，所述半反射镜系统5包括互相垂直的两个进光口以及两个出光口，两个进光口对准于所述红外激光器1和超短脉冲激光器2，使得其所出射激光经过各自的光闸3、4后可以直接传输至所述半反射镜系统5；其中一个出光口对准于激光振镜系统7，使其激光光束应用于Micro-LED芯片1103的巨量转移中，另一出光口处设置一激光扩束镜6，利用扩大激光束直径降低其激光能量密度的原理对所产生的分束激光进行扩束从而使得其能量密度降低，防止产生危险，保证该装置的应用安全。
本发明具有以下优点：
1、本发明通过同时使用红外激光器和超短脉冲激光器并行加工的加工方式，其中利用长波长的红外激光可以在保证激光能量传输效率的同时扩大激光光斑扫描面积，有效提高Micro-LED芯片的分离效率；
2、利用超短脉冲激光器进行Micro-LED芯片的定位转移，其中，利用超短脉冲激光加工的“冷加工”效应可以有效保护临时转移结构的未加工区域以及极大地避免了对Micro-LED芯片产生污染；
3、利用超短脉冲激光器进行Micro-LED芯片的定位转移，其中，利用超短脉冲激光加工的多脉冲作用时的能量累积效应将Micro-LED芯片选择性地转移至目标基板，由于超短脉冲激光的脉冲宽度仅为皮秒量级甚至飞秒量级，且其多脉冲激光作用能量累计所需激光脉冲数较少，因此利用该方式进行Micro-LED芯片的巨量转移可以在有效提升加工良率的基础上极大的增加转移效率；
4、利用激光振镜系统来进行激光束的定位与运动可以更好地满足所需加工精度及所需激光束移动速度，更好地实现高效率的Micro-LED芯片巨量转移；
5、对于双激光同轴加工系统采用半反射镜系统进行两种激光束的转换，可以满足利用同一激光加工光路进行双光束的使用的基础上，避免因光路的改变而造成的光路调解困难；
6、对于双激光同轴加工系统中所产生的额外激光分量加持了激光扩束系统，以此来使其能量密度保持在较低水准，保证加工过程中的安全。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、”“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”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。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (12)
1.一种激光辅助原位巨量转移方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、准备原位生长有Micro-LED芯片的衬底、临时转移结构、目标基板、激光振镜系统、激光器及运动台，所述临时转移结构包括透明基板、热敏层及粘结层；
S2、将原位生长在所述衬底上的Micro-LED芯片粘接在所述临时转移结构的粘接层上，通过使用所述激光振镜系统采用连续扫描的方式将红外激光作用于所述衬底的GaN/蓝宝石界面上，使得靠近界面处的GaN吸收激光能量被分解，从而使得Micro-LED芯片从所述衬底上剥离；
S3、将粘接有Micro-LED芯片的所述临时转移结构放置于所述目标基板正上方，利用所述运动台保证所述目标基板上所需放置Micro-LED芯片的位置与所述临时转移结构上的待转移Micro-LED芯片位置对准；
S4、将脉冲激光束通过所述激光振镜系统后直接作用于所述临时转移结构上的待转移Micro-LED芯片位置处，采用逐点扫描的激光扫描方式，即在所述临时转移结构上每个待转移Micro-LED芯片位置使用脉冲激光连续作用多个脉冲，利用激光能量累计原理使得激光作用于所述透明基板与所述热敏层的界面处，使得Micro-LED芯片选择性的落入所述目标基板上。
2.根据权利要求1所述的一种激光辅助原位巨量转移方法，其特征在于，步骤S1中，所述临时转移结构中的所述热敏层材料为聚酰亚胺。
3.根据权利要求1所述的一种激光辅助原位巨量转移方法，其特征在于，步骤S2中，将粘接有所述临时转移结构的衬底放置于所述激光振镜系统正下方，所述临时转移结构中Micro-LED芯片面位于所述激光振镜系统中激光扫描面的背面，使得激光振镜的扫描范围可以最大限度的作用于所述衬底的GaN/蓝宝石界面。
4.根据权利要求1所述的一种激光辅助原位巨量转移方法，其特征在于，步骤S3中，粘接有Micro-LED芯片的所述临时转移结构与所述目标基板之间的距离d≈1.2h，其中h为所放置Micro-LED芯片的最大厚度。
5.根据权利要求1所述的一种激光辅助原位巨量转移方法，其特征在于，步骤S4中，需根据Micro-LED的尺寸，利用
来确定所应用所述激光振镜系统所需要的焦距；其中，r为所述Micro-LED芯片中心位置至边缘的最大距离，λ为所述激光波长，f为激光振镜的焦距。
6.根据权利要求1所述的一种激光辅助原位巨量转移方法，其特征在于，步骤S4中，所述激光振镜系统在一个Micro-LED芯片转移位置停留多个脉冲过后直接转移到下一个Micro-LED芯片转移位置，期间不需要改变激光的通断。
7.一种激光辅助原位巨量转移系统，其特征在于，包括红外激光器、超短脉冲激光器、光闸、半反射镜系统、激光扩束镜、激光振镜系统、临时转移结构、目标基板、运动台。
8.根据权利要求7所述的一种激光辅助原位巨量转移系统，其特征在于，所述超短脉冲激光器出射激光脉宽小于等于10皮秒。
9.根据权利要求7所述的一种激光辅助原位巨量转移系统，其特征在于，所述临时转移结构包括透明基板、热敏层及粘结层；所述目标基板上设有用于接收Micro-LED芯片的凹槽。
10.根据权利要求7所述的一种激光辅助原位巨量转移系统，其特征在于，所述运动台用于调整所述目标基板与所述临时转移结构之间的相对位置关系，使所述目标基板上的待转移Micro-LED芯片凹槽对准待转移Micro-LED芯片。
11.根据权利要求7所述的一种激光辅助原位巨量转移系统，其特征在于，所述运动台为xyz三维精密运动台。
12.根据权利要求7所述的一种激光辅助原位巨量转移系统，其特征在于，所述半反射镜系统包括互相垂直的两个进光口以及两个出光口，两个进光口对准于所述红外激光器和超短脉冲激光器，使得其所出射激光可以直接传输至所述半反射镜系统；其中一个出光口对准于激光扫描振镜，使其激光光束应用于Micro-LED芯片的巨量转移中，另一出光口处设置一扩束镜，对所产生的分束激光进行扩束从而使得其能量密度降低，防止产生危险，保证该装置的应用安全。
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