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마이크로LED – 디스플레이 생산용 레이저 공정
개요
고에너지 자외선 레이저 빔은 디스플레이 제조, 특히 레이저 리프트 오프(LLO) 및 레이저 유도 순방향 전송(LIFT) 및 픽셀 복구를 위한 UV 전송 프로세스를 가능하게 합니다. 이 문서는 UVtransfer가 다이 치수가 계속 축소됨에 따라 이러한 대량 전달 및 배치 생산 단계가 미래에도 보장되도록 보장하는 방법을 포함한 업데이트를 제공합니다. 또한 이 프로세스는 예상되는 현실적인 다이 수율을 수용하기 위해 다양한 수리 계획과 호환된다는 이점을 제공합니다.
MicroLED – 잠재력과 과제
마이크로LED(μLED)는 미래 디스플레이에 대한 엄청난 잠재력을 지닌 흥미로운 신흥 장치 유형을 나타냅니다. 일반적으로 질화갈륨(GaN)을 기반으로 하는 이러한 장치는 현재 20~50μm 범위의 크기를 갖고 있으며, 10μm 이하로 줄어들 것으로 예상됩니다. 사파이어 웨이퍼 성장 기판에 기존 GaN 제조 기술을 사용하면 μLED를 몇 미크론의 거리 폭으로 매우 높은 밀도로 생성할 수 있습니다.
미크론 크기, 높은 밝기 및 높은 제조 밀도의 조합은 현재 OLED 및 LCD 기술로 가능해진 것 이상으로 디스플레이 시장을 확장할 수 있습니다. 예를 들어 μLED는 AR/VR 애플리케이션을 위한 소형(예: <1“) 고화질 디스플레이를 만드는 데 사용할 수 있습니다. 그리고 크기 스펙트럼의 반대편에서는 실내 및 실외 사용을 위한 매우 큰 디스플레이를 지원합니다.
이러한 대형 디스플레이는 μLED에서 경제적으로 제조될 수 있습니다. 왜냐하면 다이 크기가 줄어들면서 주어진 크기의 웨이퍼에서 성장되는 다이의 수가 크게 증가하기 때문입니다. 결과적으로 픽셀 피치가 다이 치수보다 훨씬 큰 대형 디스플레이의 경우 주요 디스플레이 비용 동인은 총 픽셀 수가 됩니다. 이는 총 디스플레이 면적에 따라 비용이 증가하는 OLED 및 기타 기술과 대조됩니다.
그러나 μLED가 널리 보급되기 전에 극복해야 할 몇 가지 기술적 과제가 있습니다. 한 가지 주요 장애물은 사파이어 성장 웨이퍼에서 다이를 분리하는 프로세스를 개발하는 것입니다. 또 다른 하나는 이를 미크론 수준의 정밀도와 신뢰성으로 디스플레이 기판에 전사하는 공정입니다. 그리고 이러한 프로세스는 결함이 있는 다이의 불가피한 문제를 해결하기 위해 수리/교체 계획과 호환되어야 합니다. 동시에 LED 산업이 현재 전체 비용을 최대 20배 절감하는 것을 목표로 하기 때문에 자동화와 호환되어야 하며 높은 처리량을 제공해야 합니다. 더욱이, 점점 더 작아지는 다이의 지속적인 궤적에 대한 기대는 각각의 연속적인 크기 감소를 위해 자본 집약적인 재구축이 필요 없이 이러한 소형화 추세를 수용하는 공정을 선호하게 될 것입니다.
"...더 작은 다이의 연속적인 궤적은 이러한 소형화 추세를 수용하는 프로세스를 선호할 것입니다."
그림 1:대형 직시형 MicroLED 디스플레이의 그림.
레이저 가공 컨텍스트
나노초 펄스 지속 시간을 갖는 고에너지 자외선 레이저 펄스를 기반으로 한 레이저 가공은 이러한 과제를 해결할 수 있는 고유한 이점 조합을 제공합니다. 단파장 UV 광은 재료 깊숙히 침투하지 않고 경계면과 표면에서 재료의 얇은 층을 직접 제거할 수 있습니다. 짧은 펄스 폭과 결합된 이 저온 광 제거 공정은 열충격 유발과 기본 재료 손상을 방지합니다. 그리고 큰 펄스 에너지는 다음과 같은 고유한 기능을 제공합니다.멀티플렉스빔을 사용하여 포토마스크를 투영할 수 있으므로 각 펄스로 수백, 심지어 수천 개의 다이를 처리할 수 있기 때문에 프로세스 이점이 있습니다. 이것이 바로 이러한 유형의 레이저가 OLED 및 고성능 LCD 디스플레이 모두를 위한 TFT 실리콘 백플레인을 생성하기 위한 대량 생산 도구로서 디스플레이 업계에서 확고히 자리잡은 이유입니다. 이 기능은 의심할 여지 없이 차세대 μLED 디스플레이에서도 계속될 것입니다.
현재 레이저 가공은 μLED 디스플레이 생산에 여러 가지 기회를 제공합니다.
- 사파이어 성장 웨이퍼에서 완성된 μLED를 분리하기 위한 레이저 리프트 오프(LLO)
- μLED를 기증자에서 기판으로 이동하기 위한 레이저 유도 순방향 전송(LIFT)
- 수율 문제 및 결함률을 해결하기 위한 μLED의 레이저 수리
- LTPS-TFT 백플레인을 제작하기 위한 엑시머 레이저 어닐링(ELA)
- 다양한 집합 수준의 레이저 절단
다음은 일부 분야의 최근 주요 발전 사항입니다.
레이저 이륙(LLO) 업데이트
사파이어 성장 웨이퍼에서 완성된 μLED를 분리하기 위한 레이저 리프트 오프(LLO)는 이전에 설명되었습니다.마이크로 LED의 레이저 가공. 따라서 여기서는 현재 개발 도구의 일부인 최신 자동 정렬 기능을 포함하여 파란색 및 녹색 다이에 대한 LLO의 주요 이점을 간략하게 검토합니다.
대량 GaN μLED는 일반적으로 최적의 성장 기판인 사파이어 위에 제조됩니다. 그러나 수직 LED 작동을 위한 두 번째 접점을 생성하려면 얇은 LED를 사파이어에서 분리해야 합니다. 또한 사파이어는 μLED 다이 두께의 50~100배로 다운스트림 처리에 비현실적으로 부피가 큽니다. 이로 인해 사파이어 기판에서 고밀도 μLED를 이동하여 임시 캐리어로 옮겨야 할 필요성이 생깁니다.
그림 2:사파이어 웨이퍼에서 GaN 필름을 박리하기 위한 LLO 공정의 개략도.
μLED의 LLO를 위해 바카라 카지노는 UV 전사 공정을 개발했습니다. LLO 공정은 후면(투명 사파이어를 통해)에서 다이를 조사하여 작동합니다. 이는 미세한 GaN 층을 제거하여 다이를 방출하는 소량의 팽창하는 질소 가스를 생성합니다. UV 전사 공정의 파장(248nm)은 AlN을 포함한 다른 재료 변형으로 성장한 μLED에도 사용할 수 있습니다.
UVtransfer 프로세스에서 UV 레이저 빔은 포토마스크를 통해 사파이어 웨이퍼에 투사되기 전에 "중산모" 강도 프로파일을 가진 직사각형 빔으로 재형성됩니다. 이러한 균일한 강도는 프로세스 필드 내의 모든 지점에 동일한 힘이 적용되도록 보장합니다. 광학 장치는 각각의 고에너지 펄스로 넓은 면적의 다이가 들어올려지도록 구성됩니다. 이러한 멀티플렉스 장점은 고에너지, UV 엑시머 레이저 펄스를 기반으로 한 UV 전송 프로세스를 사용하는 LLO의 고유한 특징이며 대량 생산에서 비용 절감을 지원하는 중요한 원동력이 될 것입니다. (UVblade라고 하는 바카라 카지노의 유사한 시스템이 현재 플렉스 OLED용 LLO에 널리 사용됩니다.)
엑시머 기반 LLO 시스템은 이미 여러 μLED 파일럿 제품 라인에서 작동되고 있습니다. 투영된(마스킹된) 빔에 대한 웨이퍼의 초기 움직임은 변환 단계의 인코더에 의해서만 제어되었습니다. "온다이 처리"는 최근 발전된 기술이며 이제 정렬 정밀도를 더욱 향상시켜 더 작은 다이와 더 좁은 거리를 가능하게 하는 UVtransfer 프로세스의 핵심입니다.
"온다이 처리"는 또한 레이저 라인 가장자리에 있는 다이를 부분적으로 조명할 가능성을 제거합니다. 이 경우 변환 단계의 인코더는 대략적인 정렬을 계속 모니터링합니다. 그러나 미세한 정렬은 다이의 체커보드 패턴을 사용하여 빔을 기준으로 웨이퍼를 정렬하는 폐쇄 루프 스마트 비전 시스템을 통해 구현됩니다. 이는 레이저 필드의 가장자리가 항상 거리 중앙과 일치하고 결코 다이를 가로지르지 않도록 보장합니다.
그림 3:UVtransfer 프로세스에서 다이 내 처리 기능은 레이저 필드의 가장자리가 항상 거리 중앙과 일치하도록 보장합니다.
레이저 유도 순방향 전송(LIFT)
UVtransfer 공정은 또한 LIFT(Laser Induced Forward Transfer) 원리를 사용하여 선택된 다이의 질량 전달 및 배치에 완벽하게 적합합니다. 여기서 중요한 과제는 피치의 극적인 차이입니다. 웨이퍼와 이송 캐리어 위에 다이는 현재 약 1000dpi의 피치로 촘촘하게 포장되어 있습니다. 그러나 크기와 해상도에 따라 디스플레이의 피치는 50-100dpi에 불과할 수 있습니다. 또한 각 픽셀 위치에 빨간색, 파란색, 녹색 주사위를 배치하여 다이를 인터리브해야 합니다.
기존의 비레이저 전송 방법은 필요한 해상도에서 필요한 처리량을 제공할 수 없습니다. 예를 들어 기계적 픽 앤 플레이스 방법은 속도와 배치 정확성이 제한되어 현재 기술 궤도를 지원할 수 없습니다. 반면, 플립칩 본더는 고정밀 배치(예: ±1.5μm)가 가능하지만 한 번에 하나의 다이만 처리할 수 있습니다. 반면에 UVtransfer는 단일 레이저 샷으로 수천 개의 다이를 이동하고 배치하여 높은(±1.5μm) 정확도와 대규모 멀티플렉스 처리량을 모두 제공할 수 있습니다.
그림 4이 방법이 어떻게 작동하는지 개략적으로 보여줍니다. LLO는 동적 릴리스 레이어를 통해 다이를 임시 캐리어에 부착한 채로 둡니다. 자외선을 강하게 흡수하는 양성 접착제입니다. 임시 캐리어와 다이는 일반적으로 이미 TFT 백플레인으로 패턴화되고 접착층이나 패드로 덮인 유리 또는 플렉스 패널인 최종 캐리어와 거의 접촉하여 배치됩니다. UV 광선은 캐리어 뒷면에서 나옵니다. 사실상 모든 레이저 에너지는 동적 방출층에 의해 흡수되어 기화됩니다. 팽창하는 증기압으로 인한 충격력은 이상적으로는 다이에 잔류물 없이 다이를 캐리어에서 최종 기판으로 추진합니다.
그림 4:UVtransfer는 디스플레이에 올바른 피치를 생성하기 위해 마스크와 함께 단계 및 스캔 프로세스를 사용합니다.
인접한 다이의 전체 영역을 동시에 처리하는 LLO 공정과 달리 트랜스퍼 공정은 다이의 피치가 원본 웨이퍼의 긴밀한 분리에서 최종 디스플레이의 픽셀 피치로 변경되는 단계입니다. 이는 예를 들어 5번째 다이마다 또는 10번째 다이마다만 조사하는 패턴을 가진 포토마스크를 사용하여 수행됩니다. 디스플레이의 다음 영역이 다이를 채우기 위한 위치로 변환되면 마스크는 임시 캐리어를 기준으로 웨이퍼 피치의 한 단위를 이동하도록 인덱싱되어 완전히 새로운 다이 어레이를 전송할 수 있습니다.
LLO와 전사의 또 다른 차이점은 후자가 접착제 제거를 포함하며 III-V 반도체보다 5-20X 더 낮은 레이저 플루언스를 필요로 한다는 것입니다. 이러한 높은 효율성은 적당한 레이저 출력만으로 높은 처리량을 달성할 수 있음을 의미합니다.
UVtransfer 프로세스의 다른 여러 기능이 구현의 핵심입니다. 예를 들어, 캐리어 장착 다이와 TFT 기판 사이의 간격이 0에 가깝더라도 정확한 배치와 손상 없이 모든 다이의 성공적인 전송을 달성하려면 충격력을 관리하고 제어해야 합니다. 특히, 전송 프로세스 창을 손상시키지 않으려면 힘의 크기와 힘의 방향이 전체 디스플레이에 걸쳐 최적화되고 일관되어야 합니다.
가공 분야에서 다이의 매우 균일하고 일관적인 이송을 위해서는 다양한 응용 분야에서 널리 사용되는 바카라 카지노의 핵심 역량인 매우 균일한 레이저 조사가 필요합니다. 이는 매우 균일한 2D 필드를 생성한 다음 애플리케이션에 맞게 광학적으로 높은 종횡비의 정사각형 또는 직사각형으로 재구성됩니다. 예를 들어 6" 웨이퍼를 이송하는 경우 웨이퍼에서 사용 가능한 필드는 약 100mm x 100mm입니다. 그림 4에 개략적으로 설명된 것처럼 로컬(단일 다이) 규모에서 강도 균일성을 갖는다는 것은 다이가 전체 영역에 걸쳐 동일하게 밀리는 것을 의미합니다. 따라서 힘은 항상 수직이며 가우스 또는 경사 강도 프로파일을 가진 빔에 의해 유발되는 측면 이동이 없습니다. 너비) 스케일도 마찬가지로 중요합니다. 이는 각 다이가 동일한 힘 크기로 밀릴 수 있도록 보장하기 때문입니다.
그림 5:크기 조정이 아닌 정확한 배치를 위해서는 매우 균일한 "평평한 상단" 빔 프로필이 필수적입니다.
중요한 점은 UVtransfer 프로세스가 현재 시험 생산 중인 것보다 훨씬 더 작은 다이(<5 마이크론)와 더 좁은 거리를 쉽게 지원할 수 있다는 것입니다. 실제로 미래의 미크론 규모 분해능은 UV 파장이 짧기 때문에 달성 가능합니다. 더 작은 다이에 필요한 것은 다른 프로젝션 마스크뿐입니다.
불량 다이 수리/교체
μLED 기반 디스플레이의 시장 성공을 위해서는 생산 비용의 대폭적인 절감과 100% 수율을 향한 끊임없는 노력이 필요합니다. 그렇지 않으면 잠재적으로 수억 개의 픽셀을 가진 디스플레이가 실용적이지 않습니다. 그러나 문제가 발생하는 것은 불가피하므로 제조업체는 수리/교체 계획과 호환되는 생산 기술 플랫폼만 채택할 수 있습니다. LLO와 전사 모두에 적용되는 바카라 카지노의 UVtransfer는 이미 조사 중인 대체 개념과 호환됩니다.
이 프로세스의 첫 번째 단계는 웨이퍼에서 불량 다이를 찾아서 제거하는 것입니다. 그러나 이로 인해 임시 캐리어에 누락된 지점(제거된 다이가 차지했을)이 남게 됩니다. 따라서 이러한 빈 부분은 최종 기판에서 다시 채워져야 합니다.
실패한 다이는 LLO 이전에 웨이퍼에서 제거될 수 있으며, 프로세스를 선택한 영역에만 단일 다이까지 적용하여 제거할 수 있습니다. 그런 다음 각 웨이퍼에서 제거된 다이의 맵이 앞으로 전송되어 기판에서 누락된 다이의 맵으로 변환됩니다. 유사한 순방향 UV전이 프로세스를 통해 질량 전달 후 개별적으로 삽입할 수 있지만 이번에는 정의된 단일 자외선 빔을 사용합니다. 레이저 출력은 레이저가 III-V 재료 또는 희생 접착제를 제거하는지에 따라 결정됩니다.
요약
마이크로LED는 크기 스펙트럼의 양쪽 끝에서 디스플레이의 성능과 애플리케이션을 확장할 수 있는 흥미로운 개발 기술을 나타냅니다. 높은 처리량을 생산이 현실화하기 전에 극복해야 할 수많은 장애물이 있다는 사실은 누구도 의심하지 않습니다. 그러나 UV 레이저 빔을 사용하는 두 가지 고도로 다중화된 프로세스는 파일럿 플랜트 수준에서 그 기능을 입증하고 있습니다. 더 중요한 것은, UVtransfer는 비용이 많이 드는 재투자나 어느 시점에서든 프로세스를 교체할 필요 없이 소형화 로드맵을 따라 순조롭게 앞으로 나아갈 수 있도록 완전히 크기 확장이 가능하다는 것입니다. 고객 프로세스가 개발되면 시연된 솔루션은 고에너지 UV 레이저 확장성으로 인해 생산 라인으로 쉽게 이전될 수 있지만 현재와 미래의 요구 사항의 정밀도는 유지됩니다.