A Study on Selective Transfer and Reflow Process of Micro-LED using Micro Stamp

마이크로 스탬프를 이용한 Micro-LED 개별 전사 및리플로우 공정에 관한 연구

Abstract

Micro-light emitting diode (micro-LED) displays offer numerous advantages such as high brightness, fast response, and low power consumption. Hence, they are spotlighted as the next-generation display. However, defective LEDs may be created due to non-uniform contact loads or LED alignment errors. Therefore, a repair process involving the replacement of defective LEDs with favorable ones is necessitated. The general repair process involves the removal of defective micro-LEDs, interconnection material transfer, as well as new micro-LED transfer and bonding. However, micro-LEDs are difficult to repair since their size decreases to a few tens of micron in width and less than 10 ㎛ in thickness. The conventional nozzle-type dispenser for fluxes and the conventional vacuum chuck for LEDs are not applicable to the micro-LED repair process. In this study, transfer conditions are determined using a micro stamp for repairing micro-LEDs. Results show that the aging time should be set to within 60 min, based on measuring the aging time of the flux. Additionally, the micro-LEDs are subjected to a compression test, and the result shows that they should be transferred under 18.4 MPa. Finally, the I-V curves of micro-LEDs processed by the laser and hot plate reflows are measured to compare the electrical properties of the micro-LEDs based on the reflow methods. It was confirmed that the micro-LEDs processed by the laser reflow show similar electrical performance with that processed by the hot plate reflow. The results can provide guidance for the repair of micro-LEDs using micro stamps.

1. 서론

전사공정이란 모재 기판에서 타겟 기판으로 소자 등을 옮기는 과정으로써 모재 기판에서 소자를 떼어내는 피킹(picking)과 떼어낸 소자를 타겟 기판으로 내려놓는 플레이싱(placing)공정으로 나뉜다[1]. 최근 고성능 소자 및 소재의 전사 연구에서 스탬프 및 전사 필름과 소자 및 소재 계면에서 발생하는 문제들을 접촉역학 관점에서 해결하려는 시도가 늘고 있다. 점탄성 소재의 속도 의존적 점착력 제어를 이용하여 전사하는 방법이 시도되었으며 [2], 접촉압력 및 점착 불안정성을 제거하여 소재의 손상을 완화시키는 연구가 진행되었다[3]. 이때 사용되는 소자는 마이크로 LED, 태양전지 등이 있고, 소재로는 2차원 나노물질인 그래핀, MoS2가 될 수 있다. 차세대 디스플레이로 주목받고 있는 마이크로 LED(Light Emitting Diode) 디스플레이는 화소를 구성하는 발광소자인 LED 의 크기가 100 μm 이하이고 두께가 10 μm 수준의 LED 로 제작된 디스플레이다. 이는 기존 Liquid Crystal Display(LCD), Organic Light Emitting Diodes(OLED) 디스플레이에 비해 광 효율이 높아 낮은 소비전력을 요구하는 스마트워치를 비롯한 웨어러블 디바이스에 유리하고, 자발광으로 인한 높은 해상도와 색재현성, 빠른 응답속도로 인해 Augmented Reality(AR)/Virtual Reality (VR) 기기의 디스플레이로 활용이 가능하다. 마지막으로 소자수명이 뛰어나고, 작동가능한 온도 범위가 넓어 미래 차량용 디스플레이로도 각광받고 있다[4-5]. 하지만 제조 공정에서의 수율 및 가격 문제로 인해 아직 상용화 되지 않았는데, Fig. 1은 마이크로 LED의 제조 공정을 보여준다. 마이크로 LED 디스플레이는 주로 에피 성장 단계에서 에피 소재를 사파이어 기판위에 Metal Organic Chemical Vapor Deposition(MOCVD)방법을 이용해 성장시킨 뒤, 칩 제조단계에서 mesa공정이라 불리는 식각공정을 거쳐 칩 형태로 제작하고, 이를 분리하여 전사필름으로 재배열시킨다. 이후 접속소재(Interconnection materials;IM)가 전사된 타겟 기판 위로 마이크로 LED 의 대량 전사를 진행한 뒤, 열을 가해 접합(interconnec- tion)을 시킨 다음, 광 발광(Photoluminescence;PL)검사 또는 전계 발광 (Electroluminescence;EL)검사 등의 불량검사를 거쳐 디스플레이가 완성된다[6,7]. 이때 에피 소재 성장단계에서 사파이어와 GaN 사이의 결정격자 간의 부정합에 의한 결함 및 각기 다른 열팽창율의 차이에 의해 결함이 발생할 수 있고[8,9], 대량 전사 시 정렬 오차 및 하중 오차로 인해 불량 LED가 발생할 수 있다 [10]. 따라서 불량 LED를 선택적으로 제거하고 기존의 위치에 새로운 LED를 전사하여 수율을 높이는 리페어공정이 필요하다[11]. 이를 해결하기 위해 여러 연구들이 수행되었는데, 일반적인 마이크로 리페어 공정 순서는 다음과 같다. 먼저 불량 소자를 판별한 후에 불량소자만 선택적으로 제거하고 불량소자가 제거된 자리에 접속소재를 전사한 뒤 새로운 마이크로 LED를 전사하고 마지막으로 열과 압력을 가해 접합시킨다. 이때, 수십 마이크로 사이즈로 접속소재와 마이크로 LED를 개별 전사해야 하기 때문에 기존 LED 디스플레이 제조공정 중접속 소재를 토출하는 노즐을 이용하기 까다롭고, LED를 전사하는 진공 척을 이용하기 어렵다[12]. 따라서 새로운 방법으로 접속소재 및 마이크로 LED를 전사하는 기술이 요구된다.

Fig. 1. Manufacturing process of micro-LED display[Micro-Light Emitting Diode : Fabrication and Devices, 2022].

이와 관련하여 선택적인 마이크로 LED 전사방법 및 리페어 연구들이 보고되고 있다. 리페어 연구들이 보고되고 있다. 2016년 X-celeprint 사에서 여분 회로(redundancy circuit) 기술을 제안했다 [13,14]. 이 기술은 회로를 설계할 때 여유회로를 설계한뒤 동일 픽셀에 대해 2개의 LED를 전사하여 불량이 발생할 경우, 여분회로의 LED가 작동하게 되는 방식이다. 본 방법을 이용하면 불량이 발생할 확률이 줄어들지만LED를 이중으로 사용하게 되어 생산비용이 증가하게 된다. 다음으로 한국광기술원에서 2021년에 제안한 진공척을 이용한 방법이다[15]. 진공척을 이용해 LED를 피킹한 뒤, 접속물질을 묻히고 타겟 기판에 전사하며 리플로우를 하는 방식이다. 진공척의 강한 점착력을 이용해 기존 공정대비 접속소재 전사를 하지 않아 시간을 단축할 수 있지만, 진공척의 홀 사이즈로 인해 100 μm 이하의 마이크로 LED의 피킹에 대해서는 사용하기 어렵다는 단점이 있다. 따라서 낮은 생산비용으로 50 µm 사이즈 이하의 LED에도 대응 가능한 선택적인 전사 방법이 필요하다.

본 연구에서는 낮은 생산비용으로 50 µm 이하 LED 에 대응가능한 마이크로 LED용 리페어 공정을 설계하기 위해 마이크로 스탬프를 이용한 접속소재 및 마이크로 LED의 선택적 전사방법에 관해 연구하였다. 또한 일반적인 핫플레이트를 이용한 리플로우 방법과 레이저를 이용한 리플로우 방법을 비교하여 리페어 공정에 적합한 리플로우 조건을 제시하였다. 이를 통해 마이크로 스탬프를 이용한 접속소재 및 마이크로 LED의 선택적 전사공정, 레이저를 이용한 선택적 리플로우 공정에 중요한 가이드를 제공하고자 한다.

2. 연구방법 및 내용

2-1. 샘플 준비

본 연구에서는 가로 세로 길이 40 µm × 35 µm 사이즈 의 두께 약 12 µm의 마이크로 LED를 사용하였으며, LED 의 전극부에는 접합을 용이하게 하기 위해 SAC305 솔더 코팅을 하였다. 실험에 사용된 기판의 전극 간격은 약 6 µm이고, 두께는 약 1.2 µm으로 제작되었고, 유리기판 위에 Au가 사용되었다.

2-1-1. 마이크로 스탬프 제작

접속소재와 마이크로 LED를 전사하기 위해 SU-8을 사용하여 마이크로 스탬프를 제작하였고, 제작 방법은 Fig. 2(a)와 같다. 먼저 쿼츠 기판 위에 SU-8을 500 rpm 5 s, 1000 rpm 30 s 조건으로 스핀코팅 한 다음, 마이크로 패턴이 새겨진 필름마스크에 대고 365 nm 파장에서 25.5 mW/cm² 조건으로 10초간 노광을 하였다. 그 후, 현상액에 20분 간 담궈 마이크로 스탬프를 제작하였다 Fig. 2(b), (c)는 마이크로 스탬프의 사이즈 및 높이 이미지를 보여준다. 마이크로 스탬프의 사이즈는 마이크로 LED 전사에 적합한 50 µm × 30 µm, 두께 100 µm로 제작되었다.

Fig. 2. (a) Schematic of micro stamp fabrication process, stamp images of (b) top view and (c) side view.

2-2. 접속소재 전사

본 실험에서 사용하는 마이크로 LED의 전극면에는 솔더가 코팅되어 있다. 따라서 마이크로 LED 전극의 솔더 층과 회로 기판의 전극 금속을 접합하기 위해 일반적으로 사용되는 플럭스를 접속소재로 사용하였다. 이때 마이크로 점착시험기를 사용하여 동일한 접촉 하중 내에서 플럭스의 에이징 시간에 따른 전사경향을 확인하였다.

Fig. 3(a)는 플럭스 전사실험의 모식도이다. 플라즈마 표면처리한 웨이퍼 위에 플럭스를 1 mL 주사기로 한 방울 떨어뜨린 뒤 5분, 30분, 60분, 90분이 지난 후, 마이크로 스탬프를 사용해 전극기판에 플럭스를 전사하였다. 마이크로 스탬프와 플럭스가 접촉할 때 5 mN의 접촉하중으로 접촉한 후 5초가 지난 후에 3 µm/s의 속도로 분리하면서 플럭스를 전사하였다.

Fig. 3. Schematic of (a) interconnection materials transfer test, (b) micro-LED loading test, (d) laser reflow test.

2-3. 마이크로 LED 전사

마이크로 스탬프를 이용하여 마이크로 LED를 전사할 때, 접촉하중이 마이크로 LED 전사에 미치는 영향을 알아보기 위해 마이크로 LED가 전사되는 동일한 조건에서 압축 시험을 진행하였다. Fig. 3(b)는 마이크로 LED 압축 시험의 모식도이다.

Table 1. IM transfer test conditions.

마이크로 점착시험기를 이용하여 플럭스가 전사된 전극 위를 마이크로 LED를 피킹한 상태의 마이크로 스탬프로 접촉하중이 500 mN 될 때까지 하중을 인가하였다. 이때 마이크로 LED의 압축 속도를 3 µm/s로 설정하였으며, 플럭스의 에이징 시간은 5분으로 설정하였다. 압축시험 중에 발생한 마이크로 LED의 슬립(Slip) 및 파손현상을 고속 Charge Coupled Device(CCD) 카메라를 이용하여 관찰 및 녹화하였다.

2-4. 마이크로 LED 리플로우

전사된 마이크로LED를 기판 전극에 전기적으로 연결하기 위해서는 리플로우 공정을 수행해야 하며, 본 연구에서는 개별 마이크로 LED를 리플로우하기 위해 레이저 리플로우 공정을 수행하였다. Fig. 3(c)는 레이저 리플로우 실험에서 광학계의 모식도를 보여준다. 전극 위에 플럭스와 마이크로 LED를 전사한 샘플에 980 nm 파장의 다이오드 레이저를 조사하였다. 이때 사용된 레이저 출력은 9 W이며, 레이저 조사 시간을 2초와 3초로 다르게 설정하였다. 레이저 리플로우 샘플 1번부터 4번까지는 3초, 5번과 6번은 2초 동안 레이저를 조사하였다. 이후 리플로우 방법에 따른 마이크로 LED의 전기적 특성을 비교하기 위해 리플로우 공정 후 마이크로 LED의 I-V 커브를 측정하였다. 또한 레이저 리플로우 공정 조건이 잘 확립되었는지 확인하기 위해 기존에 주로 사용되었던 핫플레이트 리플로우 공정으로 제작된 마이크로 LED 샘플과 비교하였다.

Table 2. Micro-LED loading test conditions.

Table 3. Laser reflow test conditions.

핫플레이트 리플로우의 경우, 전극 위에 플럭스와 마이크로 LED를 전사한 샘플을 핫플레이트 위에 약 220˚C로 10초간 리플로우를 진행하였다. 이때의 샘플 1번부터 4번까지는 모든 조건이 동일하다.

3. 결과 및 고찰

3-1. 에이징 시간에 따른 접속소재의 전사경향

리페어 공정에서 접속소재로 사용되는 플럭스는 스크린 프린팅 방식으로 임시 기판에 도포된다. 수십 마이크로미터 두께로 도포된 플럭스는 시간이 지남에 따라 솔벤트가 휘발되어 점도가 증가하게 되며, 이는 플럭스의 전사 경향에 영향을 미친다. 따라서 플럭스 도포 후, 에이징 시간에 따라 마이크로 스탬프로 전사경향을 조사하였다. Fig. 4(a)는 마이크로 스탬프로 플럭스와 피킹한 뒤, 분리시켰을 때, 현미경을 통해 위에서 본 이미지다. 현미경의 초점이 플럭스가 코팅된 웨이퍼에 맞춰져 있기 때문에 스탬프가 검고 동그란 형태로 보인다. 또한 흰색 점선으로 표기된 영역은 마이크로 스탬프가 플럭스와 접촉했다가 분리된 영역이며 에이징 시간에 따라 면적이 넓어지는 것을 확인할 수 있다. 이는 플럭스를 구성하는 성분 준 하나인 솔벤트가 시간이 지남에 따라 휘발하기 때문에 플럭스가 경화되면서 플럭스가 스탬프와 접촉한 면적이 점점 커지게 된다. 따라서 접촉된 면적이 스탬프 의 사이즈와 거의 동일하게 된다.

Fig. 4. Images of interconnection materials transfer test. Top view of (a) flux picking, (b) electrode after placing.

Fig. 4(b)는 플럭스가 전사된 전극기판의 이미지이다. 에이징 시간이 5분, 30분, 60분일 경우에는 일정한 형상으로 플럭스가 전사되어 있는 반면, 90분의 경우에는 플럭스가 너무 경화되어 기판에 전사되지 않았고, 마이크 로스탬프 표면에 남아 있게 된다. 따라서 리페어 공정에서 접속소재로 사용되는 플럭스의 경우, 도포 후 60분 이내에 기판에 전사해야 함을 알 수 있었다.

3-2. 하중에 따른 마이크로 LED의 변화

접속소재인 플럭스가 전사된 기판 위에 마이크로 LED 를 전사할 때 전사하중이 증가함에 따라 슬립이 발생하여 마이크로 LED와 회로기판 사이의 정렬이 틀어지거나, 하중이 너무 클 경우 마이크로 LED에 크랙이 발생하며 손상되기도 한다. 이러한 문제를 피하면서도 마이크로 LED가 접속소재 위에 잘 전사되는 하중 조건을 찾는 것이 필요하다. Fig. 5(a)는 마이크로 LED의 전사공정을 모사하여 위에서부터 차례대로 마이크로 스탬프, 마이크로 LED, 플럭스, 전극 순으로 접촉시켰을 때 가해진 하중에 따른 접촉면의 이미지를 보여준다. 흰색 점선 테두리는 마이크로 스탬프를 나타내고, 스탬프의 중앙에는 마이크로 LED 가 위치해 있다. 각 이미지의 상단에는 샘플에 가해진 접촉 하중이 표기되어 있다. 접촉 하중이 5 mN부터 35 mN 까지는 이미지에서의 변화가 없지만, 35 mN부터 233 mN 까지는 접촉 하중이 증가함에 따라 마이크로 LED와 플럭스의 계면에서 슬립이 발생하여 마이크로 LED와 회로기판의 전극 사이에 정렬오차가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 또한 접촉 하중이 245 mN에 도달하였을 때, 마이크로 LED에 크랙이 발생하며 파손되는 것을 확인하였다.

Fig. 5(b)는 하중 테스트 시의 하중-시간 그래프를 나타낸다. 슬립이 발생하지 않은 약 35 mN까지를 플레이싱 구간으로 설정하였다. 또한 접촉하중이 35 mN에서 마이크로 LED에 크랙이 발생하는 하중인 245 mN까지를 슬립 영역으로 설정하였다. 접촉하중이 약 245 mN 이상이 되면 마이크로 LED에 크랙이 발생하며 파손된다. 이때 LED에 인가되었던 하중이 크랙 발생으로 인해 약간 감소하는 것을 하중-시간 그래프에서 확인할 수 있었다 Fig. 5(c)는 여러 샘플에 대한 압축실험을 통해 마이크로 LED의 슬립과 파손이 발생하는 접촉 하중의 및 접촉 압력에 대해 정리된 그래프이다.

Fig. 5. Images of loading test. (a) top view images, (b) loading test graph, (c) average contact load.

샘플들에 대해 위 과정을 3회 반복하여 평균적으로 접촉 하중이 약 25.7 mN 일 때 슬립이 시작되고, 약 251 mN 일 때 마이크로 LED에 파손이 발생하는 것을 확인하였다. 또한 추후에 사이즈가 다른 LED들과 비교하기 위해 슬립 및 파손이 발생될 때의 접촉 하중을 마이크로 LED 의 접촉 면적으로 나누어 접촉압력을 계산하였다. 접촉압력이 18.4 MPa 이상일 때 슬립이 발생하기 시작하며, 접촉압력이 179 MPa에 다다르면 마이크로 LED에 파손이 발생하여 손상되는 것을 확인하였다. 이로부터 정렬오차를 최소화하기 위해서는 접촉압력을 18.4 MPa 이하로 유지하여 마이크로 LED를 전사해야 함을 알 수 있었다.

3-3. 리플로우 방법에 따른 I-V 특성의 차이

기존에 사용하던 핫플레이트 리플로우 방법은 솔더보다 높은 온도로 열을 인가하기 때문에 신뢰성이 좋지만 기판 전면적에 열이 가해져서 선택적으로 열을 인가할 수 없는 방법이다. 반면 레이저 리플로우 방법은 선택적으로 열을 인가해줄 수 있어 리페어 공정에 적합한 리플로우 방법이다.

I-V 커브는 LED의 전기적 특성을 평가하는 방법으로, 인가전압 대비 전류 변화를 측정하여 저항을 알 수 있다. 마이크로 LED가 전극기판에 정상적으로 접합이 잘 이루어지면 접촉저항이 크게 낮아져 접합 전의 마이크로LED의 전기적 특성이 유사하게 측정된다. 본 연구에서 사용한 마이크로 LED는 350 µA에서 약 2.6 V의 전압을 가진다. 본 연구에서는 레이저 리플로우와 기존 핫플레이트 리플로우 방식으로 제작된 샘플들의 I-V 커브를 측정하여 비교하였다. Fig. 6(a)는 핫플레이트 리플로우 샘플들의 I-V 커브이다. 접속소재를 이용하여 마이크로 LED의 전극과 회로기판이 정상적으로 접합이 이뤄지면 저항은 소폭 상승하게 된다. 핫플레이트 리플로우 공정으로 제작된 마이크로 LED의 경우, 350 µA에서 평균적으로 2.685 V가 측정되었다. Fig. 6(b)는 레이저 리플로우 샘플들의 I-V 커브이다. 레이저 조사시간 2초와 3초로 나뉘어 조건별로 샘플들이 그룹화 되었고, 레이저 조 사시간이 3초일 때 핫플레이트 리플로우와 비슷한 약 2.683 V가 측정되었다. 레이저 조사시간이 2초 일 때는 3초에 비해 구동전압이 약간 높은 약 2.72 V가 측정되었다. 레이저 조사시간이 3초인 경우, 기존 핫플레이트 리플로우 결과와 유사한 I-V 특성을 보여주어 전기적으로 연결이 잘 되었다고 판단하였다.

Fig. 6. I-V curve of Micro-LEDs prepared by 2.4 V to 2.8 V (a) hotplate reflow and (b) laser reflow.

4. 결론

본 연구에서는 마이크로 LED 패널 제작 시 반드시 필요한 리페어 공정의 공정 스텝별 시험조건에 대해 조사하였다. 마이크로 스탬프를 이용한 접속소재 및 마이크로 LED의 선택적 전사와 리플로우를 구현하기 위한 실 험적 연구를 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.

플럭스의 에이징 시간에 따른 전사경향을 분석한 결과, 플럭스를 도포한 뒤, 60 분 이 내에 마이크 로 스탬 프 를 이용하여 회로기판의 전극에 전사해야 한다.

마이크로 스탬프를 이용하여 마이크로 LED를 전사할 때 접촉압력이 18.4 MPa이상이 되면 슬립이 발생하여 정렬이 틀어질 수 있으며, 접촉압력이 179 MPa에 다다르면 LED가 파괴될 수 있다. 따라서 마이크로 LED를 접속소재 위에 정렬오차 없이 전사하기 위해서는 접촉하중이 18.4 MPa 이하의 조건에서 전사해야 한다.

레이저 리플로우와 핫플레이트 리플로우 공정으로 각각 제작된 샘플들의 전기적 특성을 평가한 결과, 개별 마이크로 LED 리플로우를 위한 레이저 리플로우 방법을 사용한 경우에도 기존 핫플레이트 리플로우와 유사한 전기적 특성을 얻을 수 있음을 확인하였다.

본 연구의 결과는 마이크로 LED 리페어를 위한 마이크로 스탬프 방식의 접속소재/마이크로 LED의 선택적 전사 및 리플로우 공정 개발을 위한 유용한 결과가 될 것으로 기대된다. 추가적으로 전사 공정에서의 마이크로 LED에 슬립이 일어나지 않는 하중조건에서 일정한 하중이 가해질 수 있도록 하는 기술이 요구되고 있다. 최근에는 스탬프 및 전사 필름에 폴리머 폼 등을 적용하여 일정 하중을 유지시키는 방법들이 연구되고 있는데, 위 방법을 잘 활용한다면 기존 하중 제어 부분을 변위 제어로 바꾸어 리페어 속도를 증가시키는 등 부가적인 이점도 얻을 수 있을 것으로 판단된다.