MicroLEDs从实验室到工厂

每一个颠覆性技术都有其“啊哈”——的时候每个人都从工程师到投资者意识到,是的,这技术是真正的交易,它不会被取消在研发楼。

对许多人来说,这是三星最近宣布的110英寸电视microLED不可逆转地在地图上把microLEDs。电视的价格是155000美元,但与大多数主流消费电子产品,规模经济将大幅减少。

“这暗示microLED电视来了,但还需要大量的工程进展和颠覆性技术首次降低成本为主流采用20到30 x,”Eric Virey说博士,资深行业分析师Yole开发署。第一批商业化microLED显示将在增强现实/虚拟现实或混合现实应用平视显示或眼镜。

图1:结合CP显示IntelliPix司机/底板架构与全球铸造厂的社22纳米绝缘体(SOI)过程平台,1:1全彩色AR /集中先生2.5像素一样小µm microLED或LCoS技术。来源:CP显示

MicroLEDs有出色表现属性。提供更高的像素密度,降低功耗,更快的响应时间(纳秒),和更广泛的视角比LED背光液晶显示器(lcd)或有机LED (OLED)显示。重要的是,他们提供了一个数量级的亮度高于OLED显示器或液晶在阳光直射的情况下,为手持设备是至关重要的,以及在显示的关键驱动因素。

最终产品分为三类:

• 大电视,没有显示标志,电影;
• 中型显示为平板电脑,汽车头灯、智能手机和手表,
• 集中为AR / VR /先生(图1)的应用程序。

MicroLEDs只是——微观的版本我们今天使用的led。MicroLEDs(< 50µm设计规则),miniLEDs(> 50µm < 1毫米)和发光二极管(> 1毫米)都以同样的方式工作。目前应用于适当的电压时,电子和空穴重组活跃地区的设备(量子井),并释放光子。光的亮度是一个函数的应用,但发出的颜色(波长)是由能量水平的差异传导和价带的半导体材料,AlInGaP用于红色发光二极管和InGaN用于绿色和蓝色发光二极管。

发光二极管直接发射除非光线转换使用磷颗粒或量子点。例如,白光使用蓝色发光二极管和一个黄色的磷涂层使我们看到的白色的灯泡,路灯,汽车头灯,等。今天大多数led制造蓝宝石100毫米和150毫米晶圆,虽然InGaN-on-silicon受到了人们的欢迎,尤其是在大型硅晶圆代工厂。历史上,led灯组装在一个表面装配技术(SMT)包线保税和封装用环氧树脂或硅胶。microLEDs的关键区别是它们用于裸模形式而不是包。这种差异,以及更严格的设计规则,使制造microLEDs非常高昂。

收益和转让技术
随着行业转型从今天的miniLEDs microLEDs铸造厂和晶圆厂必须加强他们的游戏。

“实现的性能和成本点microLEDs需要范式转向一个半导体制造的心态,”约翰·罗宾逊说高级首席科学家心理契约。

罗宾逊指出需要极高microLED收益率比传统发光二极管,包括高驱动器集成电路和底板组装产量,需要端到端的fab-wide缺陷管理策略。除了在线产出管理改进,microLEDs目前没有一个适于生产的过程迅速转移microLEDs从晶片插入器或晶片底板。这个过程,全面替代拾起并定位工具,目前限幅microLEDs的工艺性。

图2:达到接近零容忍坏像素,使晶圆厂正在加紧内联计量,自动光学检查和测试协议。来源:解放军的

从晶圆处理,Srinivasa班纳,MicroLED研发副总裁Lumileds说,除了减少defectivity,直接有助于产量,MicroLED晶圆厂必须保持非常紧密的波长一致性控制epi的晶片和整个小组完成。

在测试方面,班纳还说,虽然许多解决方案做photoluminescence-based (PL-based)测试,衡量光的光谱特性,包括所需的波长,在epi和处理晶片的水平,wafer-level测试electroluminance (EL)是急需的。“最终证明是LED灯是否正常。我们希望能够先天的mark坏microLEDs或光线不足的发射,并有选择地选择known-good-die转移到底板。“代替圆片规模EL测试,测试结构提供数据,“但是这只给了我们一个去/不去回应,”他说。

其他问题是典型的早期技术。”的最大挑战之一是缺乏标准的制造流程和正采取各种各样的方法。这导致缺乏规模为大批量生产,驱动设备开发”战略营销的董事总经理大卫·海恩斯说林的研究。“在短期内,我们期望看到增加小的商业化,高亮度microLED显示在AR / VR和其他消费产品,如智能手表,以及microLED光引擎汽车显示器和大面积投影。”

海恩斯指出,然而,大面积的商业化的时间表显示在TFT小组”将取决于行业发展的速度传质技术,可以实现高精度和非凡的可靠性。“事实上,苹果最新的iPad,它使用白色miniLEDs背光,需要10000年排放的准确位置,这听起来相当具有挑战性。定位2500万年红、绿、蓝亚像素在78英寸TFT面板4 k电视,宽容的只有10无机能的像素,将需要一个非常健壮的、高度准确的传输方法。

不同的路径,RGB
传质和性能问题的难度microLEDs规模使得公司追求不同的路径获得红、绿、蓝光在同一面板。也有红色驱动电压之间的差异(1.7 V阈值电压),绿色(Vt 2.2 V)和蓝色(Vt = 3.3 V),这使驱动电路的设计。这一切可以简化制造只有蓝色microLED晶圆和添加磷或量子点颜色转换器使红色和绿色。

班纳说不过,Lumileds down-converting,有权衡。通常,一些蓝色出血通过转换器,和任何下变频降低亮度。半导体纳米晶体量子点是可以产生单色红、绿和蓝光,因此有可能被用在未来microLEDs。然而,今天的量子点层形式用于提高led背光液晶显示器的亮度和颜色范围。

MicroLED流程流
前端microLED过程开始的epi堆栈增长通过汽相外延晶片在有机化学汽相淀积(金属)的工具。晶片然后自动检查缺陷及光致发光(PL),或测量光谱性质。

接下来,光刻模式定义了N和P接触垫,紧随其后的是透明的氧化铟锡(ITO)沉积,而利差目前在设备的表面。反应离子刻蚀(RIE)然后暴露接触垫。晶片翻到一个灵活的电影,激光发射消除了衬底,紧随其后的是再次翻转,测量PL和EL和创建一个known-good-die地图。接下来,成百上千的microLEDs通过邮票转移过程中,激光过程,或其他手段(探索),连着一个单独生产TFT或CMOS底板,包含匹配的电触点和控制电路的芯片。

SMT焊接过程,使用焊料沉积和回流,债券底板的芯片,紧随其后的是苍老师,PL和EL测试一次。如果找到缺陷芯片,激光可以用来移除和替换坏的死(称为修复),紧随其后的是最后的测试显示包括致发光、光致发光。

MicroLEDs需要100级洁净室(少于100个粒子每发生≥0.5µm),一个开关在蓝宝石200 mm晶圆加工,扩展外延过程(金属)到200毫米,从掩模对准器升级到线上晶片步进模式,和单晶片200毫米RIE工具,电镀、晶片剥离,或许晶片清洗。最重要的是,这些工具必须使用严格的过程控制使用SPC和新的人工智能程序。

“最终产品真正驱动规格波长,膜厚度,泄漏电流,和同质性,“Ajit Pananjpe说,在Veeco首席技术官。他指出,许多被宣布的新产品需要波长变化在2纳米的范围内。“现在,我们正在接近会议波长统一规范,这是不可能兼容性microLEDs。”

优化wafer-level过程将持续改善的关键microLED内部量子效率等性能指标(以),这是有效的电子设备转换成亮度/孔组合,和外部量子效率(EQE),这是有效的电子设备将通过LED亮度。直到几年前,情商的红、绿、蓝microLEDs个位数的范围。然而,材料和设备工程改善了EQE两位数的范围为蓝色,绿色和红色AlInGaP microLEDs,需要进一步改进。

Wafer-level加工led经常以和EQE目标持续改进。例如,林正在开发超低损害GaN腐蚀过程,GaN构建流程和post-etch侧壁损伤修复和钝化提高设备性能。

“我们结合低功耗,稳态等离子体蚀刻与原子层沉积在同一个模块。这些过程结合高吞吐量的能力显著降低等离子体损伤氮化镓表面上看,“林的海恩斯说。“在沉积方面,我们有低氢氮化硅钝化的解决方案,为了支持兼容互补金属氧化物半导体厂、我们正在开发单晶片清洁解决方案能够管理镓对脆弱的晶圆污染。”

MiniLED学习
MiniLEDs今天在批量生产应用程序在平板背光和键盘背光。快速组装,Rohinni bond-head,大大提高了拾起并定位,定位目标底物更容易转移衬底和集成3 d测量定位的反馈。一直在商业化过程从K&S Pixalux接合器。这里,miniLED翻转到灵活的胶膜和底物被移除。这部电影又放在翻面,但在靠近目标底物。bond-head利用高速销致动器传输吞吐量100芯片的芯片/秒。

CyberOptics”SQ3000多功能3 d计量工具集成了Rohinni的传输方法,确保校准过程的准确性和可重复性。计量系统的专有Multi-Reflection抑制(夫人)传感器技术使用相移轮廓测定法,收集数据从一个光学投影仪和多个摄像头对3 d测量。系统的算法基于反射抑制测量扭曲允许几秒钟的高精度速度过程。

“鉴于miniLED的相似性和SMT焊接位置,毫无疑问,采用工具,如我们将适于生产的结果,“Subodh Kulkarni的总裁兼首席执行官CyberOptics。”miniLED位置,系统跟踪偏离预期的数字签名在x, y和z方向并快速信号有问题,”他补充道。

Rohinni的工具可以用于任何组装工具,是平台无关的,根据Rohinni CTO贾斯汀比。“我们认为自己真的是一种系统集成商,将特定产品的技术解决方案,在这种情况下miniLEDs,工具制造商和最终使用谁能最好地利用它,”他说。

传质组装
MicroLED质量传递选项包括胶粘邮票转让、激光辅助转让、静电转移,roll-based转移,和液体自组装。尽管许多技术工作(参见图3),转移率为99.9999% (6 9 s或1 ppm),需要体积制造。今天“转移技术是绿地。制造商不能转移microLEDs死了,即使修复策略存在,他们太费力而昂贵的用于卷制造、“Veeco的Pananjpe说。

图3:各种各样的方法被探索影响传质同时成千上万的microLEDs。来源:“从实验室到工厂:挑战和要求大容量MicroLED设备,Yole开发署、显示一周,2021年5月

也许最成熟的传输选项,根据Yole开发署Virey,使用聚合物邮票将成千上万的led灯,如X-Celeprint微转移印花的过程。每个邮票都是定制编造射出成型聚二甲基硅氧烷(PDMS),由玻璃支持(刚性),一个平滑的PDMS层和PDMS“帖子”lithography-defined和蚀刻高精度的位置。一种胶油墨抓住microLEDs数组,印刷使用激光或其他方式执行。

X显示有限公司,显示公司X-Celeprint姐姐,最近交付300 mm晶圆传输工具,它许可microLED制造它的许多技术。邮票转移过程被证明是可靠的,scale-able和高吞吐量的能力,但需要进一步的流程优化来实现六9 s收益率。

激光辅助传质提供3 d-micromac AG)和连贯。激光发射是通过去除氮化镓的微观层,形成一个扩大的氮气层,使发射。激光辅助发射通常用于去除加工microLED的蓝宝石衬底晶片。在微型装置或小字段大小,可以用于多个高能激光脉冲传输组microLEDs高精度(±1.5µm)。而以良好的选择性和可靠性,采用激光辅助传输方法目前仅限于小范围和要求进一步发展速度的吞吐量。

ELux显示开创了一种新型射流自组装过程(见图4),它使用主动矩阵基板从传统液晶工厂。使用基质与井仅略大于microLEDs,液体包含预先测试过microLEDs应用于表面,和振荡运动鼓励led定居的井在一个高度准确的校服的时候。液体射流组装随机microLEDs,防止epi晶片不均匀性引起的马赛克图案。

图4:射流组装工具从518400年eLux显示位置microLEDs(40µm大小)12.3英寸的显示屏上15分钟左右。一些33 microLEDs需要修复。

microLEDs捏造与传统的蓝色LED晶片为倒装芯片与阳极和阴极电极表面同心圆排列。在组装之前,microLEDs测试使用microPL映射为做空死或低EQE设备和光学检查过程缺陷或污染。ELux的优势,相对于确定性系统利用激光或其他方法,是流体组装设计只有known-good-die收获。因此,缺陷不输入显示器的制造过程。

结论
MicroLED极有前途的新一代平板显示技术,因为它优于OLED显示器和液晶显示器的效率和响应时间,同时提供更大的亮度,特别是电子产品的关键特性在阳光照射的条件下使用。降低成本和产量达到批量生产所需的水平是特别具有挑战性的,尤其是在质量传递工具的情况下,从零开始。

晶圆厂领导一定会像大容量硅晶圆厂、端到端收益管理和更先进的过程控制。在晶圆级,测试electroluminance除了photoluminance制造近乎完美的显示是必要的。

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