CN117374174A - 利用微轴锥镜产生的阵列光场作为光源的Micro-LED巨量转移系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及Micro‑LED芯片显示、Micro‑LED芯片制造领域，公开了一种巨量转移Micro‑LED芯片的工作系统及其工作方法，提出用微轴锥镜阵列产生的高均匀性光束阵列作为巨量转移的转印头光源，微轴锥镜阵列产生的贝塞尔光束阵列在照射转移头时吸收光产生电荷，将转移头接近源基板形成电子‑空穴对，实现对Micro‑LED芯片的精准吸附、抓取，使得Micro‑LED芯片与目标基板行物理接触并粘合至目标基板，实现Micro‑LED芯片高效转移、可靠键合。既满足了时效性，保证了极高的准确率，简化了现有技术中的复杂工序，提高效率，节约成本。
Description
技术领域
本发明涉及激光的微/纳米加工、半导体相关技术领域，尤其涉及利用微轴锥镜产生的阵列光场作为光源的Micro-LED巨量转移系统。
背景技术
微型发光二极管(Micro-LED)显示具有亮度高、开关速度快、功耗低等优点，是一种新兴的显示技术。通过开发工业规模的先进加工技术，这项技术正在探索商业化。近年来，Micro-LED制造的突破性进展主要基于强大的激光微纳米加工技术，该技术具有制造材料、结构和器件的独特能力，具有非接触加工、高效率、从微观到宏观范围可调以及与有机和无机材料兼容的优点，有着十分重要的意义和研究价值。
巨量转移技术是指将生长在原生衬底上的巨量Micro-LED芯片批量转移到电路基板上的技术。每个Micro-LED芯片对应电路基板上的一个亚像素，由于Micro-LED尺寸小，定位精度要求高，一个电路基板上往往需要数以十万、百万计的Micro-LED芯片。因此，如何高效率、高成品率的将Micro-LED芯片批量转移到电路基板上成为亟需解决的问题。
现有的印花转移、流体转移、静电转移、磁转移等大规模转移技术，尽管在方法原则上都有效，但它们在硅背板上高产量组装的商业可行性值得有待进一步研究，这些技术大多存在传输精度差和传输收率较低的问题。利用微轴锥镜产生的阵列光场作为光源的Micro-LED巨量转移系统具有加工速度快、材料选择性高、加工区域灵活可控、非接触交互方式、影响区域高度局域化、可控性高等独特优势。
由于Micro-LED的特征尺寸小于100μm，现有的转移技术在转移效率、转移精度上很难达到要求。传统转移技术对单颗芯片的尺寸要求存在物理极限，芯片太小无法转移，转移精度也难以满足，因此，巨量转移技术应运而生。Micro-LED的巨量转移技术已被证明是能够克服组装Micro-LED的芯片极端要求的有效解决方案。本发明利用微轴锥镜产生的阵列光场照射转移头中，存在着一层可以吸收光而产生电荷的材料，采用光照的方式，使照射的部位产生静电，从而可以对Micro-LED的器件进行转移。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种利用微轴锥镜产生的阵列光场作为光源的Micro-LED巨量转移系统，能够解决巨量转移的技术与工艺瓶颈，提高Micro-LED巨量转移中精度，从而实现大量、高速、准确地转移Micro-LED芯片。
上述目的是通过如下技术方案实现的：
一种利用微轴锥镜产生的阵列光场作为光源的Micro-LED巨量转移系统，其步骤如下：
步骤一：本发明提供了一种微轴锥镜阵列器件，产生具有长工作距离的贝塞尔照明光束；
步骤二：利用连续激光器作为激发光源，经空间滤波器扩束准直后，通过偏振镜过滤高斯光束，利用微轴锥镜产生目标结构光场，将微轴锥镜产生的阵列光场作为光的Micro-LED巨量转移系统，目标结构光场经凸透镜组调整光束直径后，再利用分光镜将激发光源和照明光源分别通过光学显微物镜辐射到转移头；
步骤三：利用步骤二中产生的目标结构光场照射转移头使转移头带电；将转移头接近源基板，然后转移头拾取Micro-LED器件并将Micro-LED器件转移到目标基板上。所述转移头由透明吸收光基板、透明导电层、电荷的产生层、电荷的转移层等结构组成，其电荷的转移层是可以进行光电转化的材料，且保持电荷的时间足够长。
进一步的，本发明还公开了一种微轴锥镜阵列器件，可以产生类贝塞尔光束，在传播时会在出射平面附近形成工作距离较长、穿透能力好、强度分布均匀的光片。
进一步的，步骤一中，所述微轴锥镜阵列由排列紧凑的小微轴锥镜组成。
进一步的，步骤二中，所述目标结构光场的产生器件还包括使用光阑、分光镜。
进一步的，步骤二中，所述光学显微物镜的倍数为40倍。
进一步的，步骤二中，所述数字采集相机为CCD相机或CMOS相机。
进一步的，步骤三中，转移头的透明导电层的材料为石墨烯。
进一步的，步骤三中，转移头的电荷的产生层的材料为无机材料，例如非晶硅、硒化砷、硒、硒化镉等。
进一步的，步骤三中，转移头的电荷的转移层材料为常用有机材料，例如三苯甲烷、芳基胺、二苯乙烯和烯胺化合物。
进一步的，电荷的产生层和电荷的转移层可以结合在聚合物粘合剂中，例如聚醋树脂、丙烯酸树脂和丙烯基-苯乙烯树脂，用于施加到基底上。或者，电荷的产生层和电荷的转移层可以是相同的材料，例如非晶硒、硒合金、氧化锌和硫化镉。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：
1.本发明实施例通过采用微轴锥镜阵列器件产生的光场转移巨量Micro-LED芯片，微轴锥镜阵列器件产生的光场使转移头带电；将转移头接近源基板，然后转移头拾取Micro-LED器件并将Micro-LED器件转移到目标基板上；
2.本发明制备的转移装置工艺简单，不需要额外的光刻、二次倒模、键合等复杂的工艺手段，有效减少了巨量转移操作的复杂程度，提高了转移速率；
3.本发明采用微轴锥镜产生的阵列光场作为光的Micro-LED巨量转移系统，可以将光束阵列投影为多个单束激光，从而实现并行转移；
4.本发明的微轴锥镜产生的阵列光场作为光的Micro-LED巨量转移系统，具有加工速度快、材料选择性高、加工区域灵活可控、非接触交互方式、影响区域高度局域化、可控性高等优势
附图说明
图1是本发明提供的用采用微轴锥镜阵列器件产生的光场实验系统装置结构示意图。
其中1为激光器；2为衰减片；3为光束准直物镜；4为透镜1；5为偏振片；6为微轴锥镜阵列光片结构；7为偏振片；8为分光棱镜；9为小孔；10为照明显微物镜；11为透镜2；12为高速相机。
图2(a)是微轴锥孔阵列的三维图；(b)是微轴锥孔阵列的二维图；(c)是微轴锥孔阵列的二维截面图。
图3是激光经过微轴锥镜阵列结构产生的透射光场。
图4是微轴锥镜产生的阵列光场作为光源的Micro-LED巨量转移系统中转移头的结构示意图。其中，13为电荷的转移层，14为电荷的产生层，15为透明导电层，16为透明吸收光基板。
图5是通过被微轴锥镜产生的阵列光场照射产生的电信号转移头的示意图。其中，17为微轴锥镜产生的高均匀性光束阵列，18为不透明区域，19为光学掩模，20为台面，21为电荷。
图6是将Micro-LED芯片从源基板转移至转移头的示意图。其中，22为衬底，23为间隙，24为锚，25为Micro-LED芯片，26为电荷。
图7是Micro-LED芯片被转移到转移头台面顶部的示意图。
图8是Micro-LED芯片与目标基板的互连进行物理接触并粘合至目标基板的示意图。其中，27为目标基板，28为互连。
图9是Micro-LED芯片附着在目标基板上的示意图。
实施方式
为了更好的理解本发明，以下采用实施例对本发明技术方案作详细说明，但本发明要求保护的范围并不局限于下述的实施例。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
一种利用微轴锥镜产生的阵列光场作为光源的Micro-LED巨量转移系统，具体操作步骤如下：
步骤一：
1、先搭建如图1所示的微轴锥镜阵列器件产生光源的Micro-LED巨量转移系统。
2、打开电源，放置微轴锥镜阵列光片结构，同时调节两个偏振片，使出射光为结构光。
3、进行试验并重复测量，用高速相机拍摄成像，观察成像效果，得到的结果如图4所示。
步骤二：利用微轴锥镜阵列结构产生的高均匀性光束阵列照射转移头使转移头带电，将转移头接近源基板，并将Micro-LED芯片从源基板转移至转移头。
步骤三：定位转移头的台面，使其顶部的Micro-LED芯片与目标基板互连进行物理接触，并粘合至目标基板。
步骤四：完成Micro-LED芯片整体转移至接收目标基板上。
如图1所示，微轴锥镜阵列器件产生的光的Micro-LED巨量转移系统，其中， 1为连续式固体激光器；2为衰减片；3为光束准直物镜；4为透镜1；5为偏振片1；6为微轴锥镜阵列光片结构；7为偏振片2；8为分光棱镜；9为小孔；10为照明显微物镜；11为透镜2；12为高速相机。
本实施例所使用的激光器为连续式固体激光器。
本实施例所使用的CMOS相机为数字CMOS相机。
本实施例所使用的显微物镜40倍。
如图2所示，为微轴锥孔阵列，其中(a)、(b)、(c)分别显示了电感耦合等离子体蚀刻后在石英上制备的微轴锥镜阵列的三维图像、二维图像和横截面。
如图3所示，激光经过微轴锥镜阵列结构产生了高均匀性光束阵列，利用此阵列照射转移头。
如图4所示，是微轴锥镜产生的阵列光场作为光源的Micro-LED巨量转移系统中转移头的结构，其中，透明导电层15施加到透明吸收光基板16的表面，电荷的产生层14施加到透明导电层15上。电荷的产生层14能够吸收光并产生电子-空穴对。电荷的转移层13施加到透明吸收光基板16顶部的电荷的产生层14上，用于传输产生的电荷。电荷的产生层14和电荷转移层13可以结合到聚合物粘合剂中，用于施加到透明吸收光基板16上。
如图5所示，为转移头的批量充电。其中，选择电荷21的极性以适合电荷的产生材料14，其可以带正电荷或负电荷。将转移头暴露于高均匀性光束阵列17的照射下，选择性地擦除转移头的非台面部分的电荷，采用具有不透明区域18的光学掩模19来覆盖台面20并屏蔽台面20，防止其电荷21耗散。
如图6所示，Micro-LED芯片从源基板转移至转移头。其中，源基板22承载释放蚀刻的Micro-LED芯片25，其通过锚24悬挂在间隙23上方。每个管芯都涂有电介质材料，例如SU-S光致抗蚀剂。衬底22的电荷21与转移头的电荷26相反。将Micro-LED芯片25从源基板22转移至转移头，此时，转移头的带电台面20与Micro-LED芯片25的距离适当接近（通常为微米量级），转移头与Micro-LED芯片25接触。电荷转移层13和Micro-LED芯片25之间的间隔以及电荷21、26的数量使得根据库仑定律，转移头的台面20和Micro-LED芯片25之间的静电力足以断裂。将Micro-LED芯片25连接到源基板22的锚24，并将Micro-LED芯片25转移到台面20的顶部。
如图7所示，Micro-LED芯片25被转移到转移头台面20的顶部。
如图8所示，定位转移头的台面20，使其顶部的Micro-LED芯片25可与目标基板27的互连28进行物理接触并粘合至目标基板27。Micro-LED芯片25可以包括其他微电子组件，包括但不限于电阻器、电容器、电感器、二极管、晶体管和集成电路。一旦目标基板27的互连28进行物理接触并粘合至目标基板27，Micro-LED芯片25与目标基板27之间的粘合力会很高，转移头会与目标基板27分离。电荷21、26可能有一些自然消散，但电荷的产生层14和电荷转移层13选择的材料可以使得电荷保持足够长的时间，以实现Micro-LED芯片25从源基板22向目标基板27的转移。
如图9所示，目标基板27安装有Micro-LED芯片，Micro-LED芯片25附着到其上，并且电连接到其上的互连28。
Claims (5)
1.一种利用微轴锥镜产生的阵列光场作为光源的Micro-LED巨量转移系统，其特征在于利用微轴锥镜产生的阵列光场作为光源的Micro-LED巨量转移系统包括其实现过程包括以下步骤：
步骤一：设计一种n×n微轴锥镜阵列器件，该结构可以将入射的高斯光转换为n×n束贝塞尔光束，与高斯光片相比，利用贝塞尔光片照明的光片荧光显微镜的工作距离更长、半宽更小、光毒性更小且分辨率更高；
步骤二：利用连续激光器作为激发光源，经空间滤波器扩束准直后，通过偏振镜过滤高斯光束，在微轴锥镜阵列的作用下产生贝塞尔光束阵列，经凸透镜组调整光束直径后，利用分光镜将激发光源和照明光源分别通过光学显微物镜辐射到转移头；
步骤三：设计转移头，转移头由透明吸收光基板、透明导电层、电荷的产生层、电荷的转移层等结构组成，利用步骤二产生的贝塞尔光束阵列作为巨量转移的光源；
步骤四：将转移头暴露于贝塞尔光束阵列下照射，使照射的转移头带电；将Micro-LED芯片从源基板转移至转移头的顶部；
步骤五：将转移头上升，使其顶部的Micro-LED芯片与目标基板进行物理接触并粘合至目标基板。
2.根据权利要求1所述的微轴锥镜阵列由排列紧凑小正方形的微轴锥镜组成。
3.根据权利要求1所述的利用微轴锥镜产生的阵列光场作为光源的Micro-LED巨量转移系统，其特征在于，所述的微轴锥镜可以将入射的高斯光转换为n×n束贝塞尔光束。
4.根据权利要求1所述的利用微轴锥镜产生的阵列光场作为光源的Micro-LED巨量转移系统，其特征在于，所述转移头的电荷的转移层是可以进行光电转化的材料，且保持电荷的时间足够长，以实现Micro-LED器件从源基板向目标基板的转移。采用光照的方式，使照射的部位吸收光并产生电子-空穴对，从而可以对Micro-LED器件进行转移。
5.根据权利要求1所述的利用微轴锥镜产生的阵列光场作为光源的Micro-LED巨量转移系统，其特征在于，所述的Micro-LED芯片可以包括其他微电子组件，包括但不限于电阻器、电容器、电感器、二极管、晶体管和集成电路。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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