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Während Displays auf Basis von organischen Leuchtdioden (OLED) weltweit immer höhere Marktanteile erobern, kündigt sich mit MikroLED-Displays bereits eine neue marktverändernde Innovation an. Wie schnell sie sich durchsetzen, hängt vor allem von laserbasierten Fertigungsverfahren ab.

Ihre Pixel bestehen jeweils aus einer roten, einer grünen und einer blauen LED von wenigen Mikrometern (µm) Kantenlänge. Je nach Größe des Displays müssen also hunderttausende bis hunderte Millionen winziger LEDs mit höchster Präzision in RGB-Dreiergruppen auf einer Backplane angeordnet werden. Aktuell sind diese anorganischen Leuchtdioden rund 50 x 50 µm groß; die Branche strebt 5 x 5 µm kleine LEDs an. Spätestens hier wird klar, dass für die effiziente Fertigung, Qualitätsüberwachung und auch für Fehlerkorrekturen und Reparaturen allein das Werkzeug Licht infrage kommt: µLED-Displays sind eine photonische Technologie, die auf einer photonischen Fertigungskette basieren. Der Aufwand lohnt sich. Denn sowohl in Sachen Helligkeit und Bildauflösung als auch in ihrer Langlebigkeit und Energieeffizienz setzt die neue Display-Technologie neue Maßstäbe. Ob Smartwatches, Mikrodisplays in Brillen für Augmented, Mixed oder Virtual Reality-Anwendungen, ob Smartphones, Tablets, TV-Geräte oder Großbildschirme im öffentlichen Raum – µLED-Displays gelten als Zukunftsversprechen mit signifikanten Vorteilen gegenüber etablierten Technologien und enormem Marktpotenzial.

Photonische Fertigungskette

Damit sich die junge Display-Technologie tatsächlich gegenüber massenhaft gefertigten und ausgereiften LCD-, LED- und OLED-Displays durchsetzen kann, kommt es auf die Effizienz der Fertigungsprozesse an. Zunächst werden die roten, grünen und blauen LED-Winzlinge auf jeweils getrennten Substraten gezüchtet. Von diesen Wafern müssen sie dann separiert, gelöst und auf die gläserne Display-Backplane übertragen werden. Hierbei gilt es, sie Pixel für Pixel als RGB-Dreiergruppen anzuordnen und jeweils sub-µm-genau auszurichten. Es geht wohlgemerkt um hunderttausende bis Hunderte von Millionen µLEDs pro Bildschirm. Um hier die nötige Effizienz zu gewährleisten, muss die Übertragung der Leuchtdioden von ihren Zuchtwafern zur Backplane parallelisiert erfolgen.

Genau hier kommt eine laserbasierte Fertigungslösung von Coherent für den parallelisierten Massentransfer ins Spiel. Kern ist ein LIFT-(Laser Induced Forward Transfer)-Prozess: Pulse eines UV-Excimerlasers treffen auf eine Galliumnitrid-(GaN)-Schicht auf der Rückseite der LEDs und verdampfen diese. So werden die Dioden-Winzlinge nicht nur von ihrem Substrat gelöst, sondern die Energie des Laserpulses und der entstehende Dampfdruck reichen auch für deren Transfer auf die in direkter Nähe positionierte Display-Backplane. Dort werden sie gebondet – also fixiert und elektrisch verbunden.

Flat-top-Laserstrahl gewährleistet präzisen Transfer

Der Transferprozess ist heikel. Denn geraten die LEDs dabei ins Trudeln, dann misslingt die erforderliche sub-µm-genaue Ausrichtung der RGB-Dreiergruppen und kommt es zu Pixel-Fehlern. Das laserbasierte Fertigungssystem von Coherent ist zwar in der Lage, Korrekturen und Reparaturen vorzunehmen, doch natürlich geht es zunächst darum, die LEDs möglichst präzise in Reih und Glied auszurichten. Welche Substrate, µLED-Größen und -Abstände im jeweiligen Produktionsprozess verwendet werden, ist für das System weniger entscheidend. Die Zuverlässigkeit und Effizienz hängen in erster Linie vom LIFT-Prozess selbst ab. Dieser muss in Display-Fabriken robust, schnell und zuverlässig sein, und die roten, grünen und blauen µLEDs auch dann präzise positionieren und ausrichten, wenn die Abstände zwischen den Zuchtwafern und Backplane größer sind als unter Idealbedingungen im Labor. Als ideal gelten unter 50 µm Abstand zwischen Träger- und Zielsubstrat. Doch in Versuchen konnten die Coherent-Entwickler nachweisen, dass es mit ihrem UVtransfer System auch bei 80 µm Abstand möglich ist, selbst 5 x 5 µm kleine LEDs sub-µm-genau auszurichten.

Ein Schlüssel dazu ist die stempelartige, flächige Strahlform, mit der die Pulse des Excimer-Lasers auf die Rückseite der µLEDs treffen. Das gleichmäßige Flat-top-Profil gewährleistet, dass die Dioden senkrecht und ohne zu trudeln auf das Zielsubstrat übertragen werden. Ein spitzer oder schräger Einfall des Laserstrahls würde in Richtungsänderungen resultieren und der präzisen Anordnung und Ausrichtung der aktiven Leucht-Chips im Wege stehen. Neben der Flat-top-Strahlform dient zudem auch die kurze Wellenlänge der UV-Pulse der Präzision im LIFT-Prozess.

Parallelisierung im Sinne schneller Transferprozesse

Bleibt die Frage, wie es gelingt, den Transfer für die Massenfertigung von µLED-Displays zu parallelisieren – und wie sich vereinzelt auftretende Pixel-Fehler korrigieren oder reparieren lassen. Beide Anforderungen haben die Entwickler in dem UVtransfer System adressiert. Um die winzigen roten, grünen und blauen LEDs mit hohen Taktraten von den Saphirsubstraten zu lösen, auf denen sie mit der erwähnten GaN-Zwischenschicht wachsen – und sie per LIFT auf ihr Zielsubstrat zu übertragen, setzen sie auf hochenergetische ultraviolette Laserpulse mit Nanosekunden-Pulsdauer. Dieser Ansatz hat sich bewährt, um thermische Belastungen beim Laser-Lift-Off-(LLO) empfindlicher Funktionsschichten zu minimieren. Die Energie des Lasers dringt wegen der kurzen Pulsdauer nicht tief ins Material ein – was in diesem Fall das selektive Verdampfen der GaN-Schicht gewährleistet. Zugleich ist die hohe Pulsenergie der Schlüssel zur Parallelisierung, weil der Laserstrahl durch Multiplexing in hunderte oder sogar tausende Einzelstrahlen gesplittet werden. Diese werden durch entsprechende Fotomasken auf die µLEDs gelenkt, so dass jeder Puls hunderte oder sogar tausende Leuchtdioden vom Saphirsubstrat löst und zielgenau auf ihre jeweils vorgesehenen Positionen wahlweise auf einem Zwischen- oder direkt auf dem Zielsubstrat transferiert. Die Muster dieser Fotomasken gewährleisten, dass nach und nach alle µDioden zu ihren RGB-Dreiergruppe gelangen. Ein geschlossener Regelkreis sorgt dafür, dass die Strahlen die µLEDs stets flächig treffen.

Automatisierte Korrektur

Kommt es dennoch zu Fehlern, etwa weil einzelne µLEDs defekt sind oder sich nicht lösen, dann dient das Coherent-System auch zur Reparatur. Angesichts einiger hundert Millionen LEDs bei großen Displays ist die Fehlerwahrscheinlichkeit so hoch, dass auch die Reparatur auf automatisierten Lösungen basiert. Diese sind in der Lage, Fehlstellen zu lokalisieren, die betroffenen µLEDs im LLO-Verfahren zu entfernen und die entstehenden Leerstellen durch neue Mikrodioden zu ersetzen. Das System speichert dafür beim Entfernen die Koordinaten aller Leerstellen, generiert daraus eine Karte und ersetzt fehlende Dioden im LIFT-Verfahren, das beim selektiven Reparaturprozess einen einzelnen, nicht weiter gesplitteten UV-Strahl nutzt.

Um sich den Beitrag von Lasern zur Herstellung von µLED-Displays zu vergegenwärtigen, bietet sich das folgende Video an.