巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)是當(dāng)前Mini/Micro LED廠商最值得研究的課題之一。目的是為了打破傳統(tǒng)封裝和芯片轉(zhuǎn)移技術(shù)的天花板，通過高精度的設(shè)備把巨量的微米級LED芯片正確且高效地移動到目標(biāo)基板及PCB板上，最終實(shí)現(xiàn)Mini/Micro LED的量產(chǎn)需求。
此前曾報(bào)道，大族激光自主研發(fā)生產(chǎn)的國產(chǎn)首臺量產(chǎn)Micro-LED巨量轉(zhuǎn)移設(shè)備已經(jīng)進(jìn)駐辰顯光電，目前該設(shè)備正在驗(yàn)證過程中，若驗(yàn)證通過，實(shí)現(xiàn)交付，無疑將是我國國產(chǎn)激光裝備的一次重大突破。
那么，讓人著迷又抓狂的Micro-LED巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)到底是怎么一回事？別著急，答案就在下面，我們一起來看~
微型發(fā)光二極管（Micro Light Emitting Diode，Micro-LED）是一種能將像素點(diǎn)降低至微米級別，并能在芯片上高度集成的自發(fā)光顯示技術(shù)。在超高分辨率和像素密度方面具有潛在的優(yōu)勢，但成品的單顆Micro-LED的尺寸遠(yuǎn)小于常規(guī)單顆LED，這增加了批量轉(zhuǎn)移的難度。因此真正產(chǎn)業(yè)化，巨量轉(zhuǎn)移是必須解決的技術(shù)難點(diǎn)。
巨量轉(zhuǎn)移過程中存在的主要技術(shù)難點(diǎn)可分為：轉(zhuǎn)移數(shù)量、轉(zhuǎn)移速度、轉(zhuǎn)移精度、轉(zhuǎn)移良率和轉(zhuǎn)移成本。在轉(zhuǎn)移數(shù)量和速度方面，由于具有較高的像素密度，相對于其他顯示設(shè)備，MicroLED顯示設(shè)備所需組件數(shù)量和轉(zhuǎn)移速度需要大幅提高。
在轉(zhuǎn)移精度方面，必須將單色MicroLED從生長基板上取下，并和其他兩種顏色的Micro-LED進(jìn)行組裝以形成RGB像素，且轉(zhuǎn)移過程對位精度要控制在±1.5 μm以內(nèi)。在轉(zhuǎn)移良率方面，為了保證Micro-LED顯示設(shè)備的質(zhì)量，業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)是在全高清顯示屏（1920×1080像素）中的無效像素的數(shù)量應(yīng)控制在3個(gè)以內(nèi)，換算成良率為99.9999%[1]。
在轉(zhuǎn)移成本方面，根據(jù)估算表明，對于5.8英寸2K分辨率的智能手機(jī)（LED 器件尺寸約為10 μm）和55英寸4K分辨率的電視（LED 器件尺寸約為 20 μm）這樣的Micro-LED顯示設(shè)備，巨量轉(zhuǎn)移成本將占總成本的20%[2]。由此可見，實(shí)現(xiàn)低成本巨量轉(zhuǎn)移對于Micro-LED顯示設(shè)備的價(jià)格降低至合理范圍至關(guān)重要。
01 Micro-LED結(jié)構(gòu)與原理
Micro-LED是一種將電能轉(zhuǎn)化為光能的電致發(fā)光器件，可以通過巨量轉(zhuǎn)移批量地轉(zhuǎn)移到驅(qū)動電路基板上，驅(qū)動電路基板可以為硬性或柔性襯底。然后利用物理氣相沉積等方法在其上制備保護(hù)層和外接電極，最后進(jìn)行封裝。其中LED是由II-VI和III-V族化合物，如GaAs( 砷化鎵 )、GaP ( 磷化鎵 )、GaAsP( 磷砷化鎵 )、GaN( 氮化鎵 ) 等半導(dǎo)體制成的，其核心結(jié)構(gòu)是由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體材料形成的pn結(jié)組成的。
當(dāng)對LED施加正向電壓時(shí)，通過電極從n型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體經(jīng)過分別向空間電荷區(qū)注入電子和空穴，并在結(jié)區(qū)復(fù)合發(fā)光。Micro-LED顯示技術(shù)就是在LED的基礎(chǔ)上進(jìn)行微縮化與矩陣化，其單個(gè)發(fā)光單元尺寸在50 μm以下，且較高密度地集成在芯片上。
Micro-LED芯片可分為正裝結(jié)構(gòu)、倒裝結(jié)構(gòu)、垂直結(jié)構(gòu)等三種主要的結(jié)構(gòu)。為進(jìn)一步提高性能，還可加入量子點(diǎn)、光柵、熒光陶瓷、光子晶體、分布式布拉格反射鏡等附加結(jié)構(gòu)。
02 Micro-LED技術(shù)
近年來，Micro-LED已成為顯示行業(yè)熱點(diǎn)研究領(lǐng)域之一。盡管該領(lǐng)域具有巨大的潛力，但Micro-LED顯示想要商業(yè)化還面臨著諸多挑戰(zhàn)，如 : (1) 由于制造工藝復(fù)雜，成本高 ; (2) 不同驅(qū)動電流下的波長漂移率和外量子效率變化，增加了尋址困難 ; (3) 隨著芯片尺寸的減小，效率降低。Micro-LED的顯示技術(shù)鏈可分為芯片端技術(shù)、共性技術(shù)、裝備技術(shù)以及顯示端技術(shù)四大類，如圖1所示。
圖1 Micro LED顯示技術(shù)鏈?zhǔn)疽鈭D
03 Micro-LED巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)
Micro-LED巨量轉(zhuǎn)移是走向量產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)為下一階段RGB像素全彩化做準(zhǔn)備，其旨在將原始襯底上數(shù)量巨大的Micro-LED器件快速精確地轉(zhuǎn)移到目標(biāo)襯底表面，使MicroLED器件與其驅(qū)動集成電路系統(tǒng)之間形成良好的機(jī)械固定和電氣連接。
為了解決巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)的種種技術(shù)難題，許多研究機(jī)構(gòu)提出了各種不同的巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)解決方案，目前正在開發(fā)的Micro-LED巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)主要涉及粘彈體印章、激光剝離、滾軸轉(zhuǎn)印、靜電、電磁、流體自組和化學(xué)剝離等。雖然它們各具特色，但是仍不能同時(shí)滿足巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)對于轉(zhuǎn)移數(shù)量、轉(zhuǎn)移速度、轉(zhuǎn)移精度、轉(zhuǎn)移良率和轉(zhuǎn)移成本的要求。
粘彈體印章轉(zhuǎn)移技術(shù)
粘彈體印章微轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)最早是2004年由Rogers實(shí)驗(yàn)小組構(gòu)想的[3]，其關(guān)鍵技術(shù)是采用具有一定粘彈柱狀高分子聚合物印章來調(diào)控與目標(biāo)襯底的粘性力，制備該粘彈體印章普遍是使用聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）制成的。當(dāng)Micro-LED顯示器件與粘彈體印章充分接觸時(shí)，二者表面將產(chǎn)生范德華力作用從而形成印章對器件的粘附。
如圖2所示，此種轉(zhuǎn)移技術(shù)主要分為拾取和放置兩個(gè)步驟：拾取過程主要依靠粘彈體印章與原始襯底之間的范德華力將Micro-LED顯示器件從原始襯底上剝離；放置過程是利用粘彈體印章將Micro-LED顯示器件印制到目標(biāo)襯底上。在這兩個(gè)過程中，解決界面的粘附性問題主要涉及粘彈體印章與Micro-LED器件和Micro-LED器件與襯底兩個(gè)界面之間的關(guān)系。
圖2 粘彈體印章轉(zhuǎn)移技術(shù)示意圖
X-Celeprint公司率先開發(fā)了一種可用Micro-LED大規(guī)模轉(zhuǎn)移的粘彈體印章轉(zhuǎn)移技術(shù)。該方法使用柔軟的PDMS印章通過范德華力作用拾取和放置Micro-LED顯示器件，由于粘附作用對速率十分敏感，當(dāng)印章快速抬起時(shí)，Micro-LED顯示器件可以從原始襯底被拾取并粘附在PDMS印章上。當(dāng)印章緩慢抬起時(shí)，Micro-LED顯示器件可以被粘附至目標(biāo)襯底表面指定位置并與PDMS印章分離。
BOWER等研究了PDMS彈性印章轉(zhuǎn)移技術(shù)，使用粘彈體印章將Micro-LED顯示器件從原始襯底轉(zhuǎn)移到目標(biāo)襯底。實(shí)驗(yàn)證明，75 μm × 90 μm芯片的晶圓級印章轉(zhuǎn)移能夠使一個(gè)印章每次可轉(zhuǎn)移8萬多顆Micro-LED，良率達(dá)99.95%，12.8 μm × 12.8 mm和25.6 μm × 25.6 mm的粘彈體印章轉(zhuǎn)移70 μm × 35 μm的Micro-LED芯片，良率達(dá)到99.99%[4]。
激光剝離轉(zhuǎn)移技術(shù)
激光剝離轉(zhuǎn)移技術(shù)是一種可以大規(guī)模轉(zhuǎn)移Micro-LED器件的工藝，它利用激光束誘導(dǎo)Micro-LED顯示器件與其原始襯底分離，然后將它們轉(zhuǎn)移到目標(biāo)襯底上。其中激光誘導(dǎo)正向轉(zhuǎn)移工藝30年前就被Bohandy等人提出，如圖3所示。
圖3 激光誘導(dǎo)前向轉(zhuǎn)移過程示意圖
Delaporte等人在激光輔助轉(zhuǎn)移MicroLED顯示器件陣列的過程中，使用激光束誘導(dǎo) Micro-LED器件從其原始襯底分離，然后轉(zhuǎn)移至目標(biāo)襯底表面[5]。激光束的照射導(dǎo)致在生長襯底和Micro-LED器件之間的界面處產(chǎn)生光與物質(zhì)相互作用，使器件與襯底徹底分離，同時(shí)還會產(chǎn)生局部機(jī)械力將已經(jīng)脫落的器件推向目標(biāo)襯底。
這種界面相互作用與從藍(lán)寶石襯底上進(jìn)行GaN基LED激光剝離工藝中所產(chǎn)生的相互作用相同，激光在襯底/外延界面上燒蝕u-GaN層，并將其分解為氮?dú)夂鸵簯B(tài)Ga金屬。UNIQARTA公司研發(fā)的大規(guī)模并行激光傳輸技術(shù)（Massively Parallel Laser-enabled Transfer，MPLET）適用于各種尺寸和材料，有良好的缺陷檢測能力和高速檢測單顆或多顆Micro-LED顯示器件的能力。
此外，研究人員研發(fā)了激光驅(qū)動的非接觸式微轉(zhuǎn)移印花技術(shù)，利用激光誘導(dǎo)加熱，在彈性印章和硬質(zhì)微/納米材料之間的界面處開始分離，對于發(fā)展先進(jìn)的工程系統(tǒng)，例如可伸縮和曲線電子學(xué)，是非常有價(jià)值的，但卻不適用的小尺寸硅芯片。
滾軸轉(zhuǎn)移技術(shù)
滾軸轉(zhuǎn)移技術(shù)又稱卷到卷或卷到面板印刷技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)低成本、高通量和高效率的印刷Micro-LED顯示器件在柔性襯底或剛性襯底上。2017年7月24日韓國機(jī)械與材料研究所KIMM的Nano Applied Mechanics團(tuán)隊(duì)對外提出了自對準(zhǔn)滾印轉(zhuǎn)移技術(shù) [6]。該技術(shù)可用于厚度小于10 μm、尺寸小于100 μm的MicroLED顯示器件的轉(zhuǎn)移，其轉(zhuǎn)移速率達(dá)到每秒1萬個(gè)器件，可以滿足柔性、可拉伸和便攜式顯示設(shè)備的制成。
如圖4所示，整個(gè)轉(zhuǎn)移過程包括三個(gè)輥轉(zhuǎn)移步驟：第一步是通過涂覆一次性轉(zhuǎn)移膜的壓印輥將控制的薄膜晶體管（Thin Film Transistor，TFT）陣列拾起并放置到臨時(shí)襯底表面；第二步將Micro-LED顯示器件從其原始襯底剝離并轉(zhuǎn)移至臨時(shí)襯底上，同時(shí)通過共晶鍵合的方式將Micro-LED顯示器件與TFT鍵合在一起；第三步將完成鍵合的Micro-LED顯示器件與TFT陣列滾動轉(zhuǎn)移到目標(biāo)襯底，以形成有源矩陣Micro-LED顯示器。
圖4 滾軸轉(zhuǎn)移技術(shù)示意圖
電磁力轉(zhuǎn)移技術(shù)
電磁力轉(zhuǎn)移技術(shù)是通過改變電磁轉(zhuǎn)移頭和Micro-LED顯示器件上鐵磁層之間的磁引力來捕獲和釋放Micro-LED顯示器件。這個(gè)過程包括用電磁轉(zhuǎn)移頭將Micro-LED從 原始襯底上剝離出來，施加電信號產(chǎn)生磁性吸引，然后將Micro-LED顯示轉(zhuǎn)移到目標(biāo)襯底上。每個(gè)Micro-LED顯示器件單獨(dú)的被磁性吸引控制，使選擇性和大規(guī)模的 Micro-LED傳輸不需要任何壓縮過程。Yu等人提出了一種基于磁力控制的轉(zhuǎn)移技術(shù)，其設(shè)計(jì)了一種具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的電磁輔助轉(zhuǎn)移印章[7]，如圖5所示。
圖5 電磁輔助轉(zhuǎn)移印章示意圖
該電磁印章中含有一個(gè)填滿不可壓縮液體的腔室，位于可壓縮氣體腔室的頂部，液體腔室的頂部為磁響應(yīng)薄膜材料，其可以由外部磁場致動而產(chǎn)生形變。外加磁場時(shí)，磁響應(yīng)薄膜的形變可以通過不可壓縮液體傳導(dǎo)至底部氣體腔室，引起氣體壓力變化，從而有效調(diào)節(jié)電磁印章與待轉(zhuǎn)移存底接觸界面的粘附力。
Linghu C等人受到蚜蟲啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一種可快速調(diào)節(jié)粘附力的磁驅(qū)動印章系統(tǒng)，其使用表面包覆有薄膜的磁性材料填滿儲液槽，通過磁場控制磁性材料以使印章底部發(fā)生變形，從而到達(dá)快速調(diào)節(jié)粘附力的效果。不過該磁控轉(zhuǎn)移印章體積過于龐大，尚不能應(yīng)用于Micro-LED顯示器件的轉(zhuǎn)移。
靜電力轉(zhuǎn)移技術(shù)
2012年，蘋果公司旗下的LuxVue公司提出了一種根據(jù)靜電原理運(yùn)行的轉(zhuǎn)移技術(shù)，并成功地利用異性電荷的吸引力的方式吸引MicroLED顯示器件。這種方法的工作原理見圖6。通過向一種包含單極或雙極電極結(jié)構(gòu)的靜電印章施加電壓，該靜電印章通過帶電吸附力從原襯底拾取該Micro-LED顯示器件陣列。然后將目標(biāo)襯底與Micro-LED顯示器件陣列接觸，去除靜電印章的控制電壓，從而將Micro-LED顯示器件陣列釋放到目標(biāo)襯底上。
圖6 靜電力轉(zhuǎn)移技術(shù)示意圖
靜電轉(zhuǎn)移技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以選擇性地轉(zhuǎn)移單個(gè)元件或部分元件，并且靜電印章的間距與原始襯底上Micro-LED顯示器件的間距不必相同，因此轉(zhuǎn)移非常靈活。然而，在靜電感應(yīng)過程中施加到靜電印章上的電壓很可能會導(dǎo)致 LED 被擊穿，從而損壞Micro-LED顯示器件。
PARC開發(fā)了一種確定性的、定向的、并行的MicroLED靜電組裝和轉(zhuǎn)移工藝[8]�？梢陨蓜討B(tài)電場模式主動控制單個(gè)芯片的運(yùn)動，將它們排列成確定性的模式，然后轉(zhuǎn)移到目標(biāo)襯底上，通過投影儀進(jìn)行尋址，以實(shí)現(xiàn)陣列的有源矩陣尋址。也可以使用帶有互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體CMOS或大面積薄膜晶體管背板TFT的全電子有源矩陣尋址，實(shí)現(xiàn)了自動并行組裝、微米級配準(zhǔn)及異構(gòu)集成等功能。
流體自組裝轉(zhuǎn)移技術(shù)
流體自組裝 (Fluidically Selfassembled，F(xiàn)SA) 技術(shù)通過重力和毛細(xì)管力來驅(qū)動和捕獲驅(qū)動集成電路陣列表面上的MicroLED顯示器件。從而實(shí)現(xiàn)Micro-LED的大規(guī)模轉(zhuǎn)移。以富士康旗下的elux公司提出的FSA為代表，其轉(zhuǎn)移技術(shù)是將大量Micro-LED顯示器件放置于轉(zhuǎn)移系統(tǒng)中，以流體力或磁力轉(zhuǎn)移作用力使得芯片以一定的速度快速移動，以動態(tài)注入速率穿過目標(biāo)襯底，然后懸浮液體將MicroLED顯示器件捕獲在孔中，同時(shí)液體還被作為介質(zhì)以實(shí)現(xiàn)器件和襯底之間電氣和機(jī)械連接，并自行完成與襯底相應(yīng)組裝位置的對位組裝。
據(jù)報(bào)道，每小時(shí)可以實(shí)現(xiàn)超過5000萬個(gè)設(shè)備的填充( 傳輸 ) 速率。Yeh等人通過流體自組裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從生長晶片到硅襯底的梯形砷化鎵基板的轉(zhuǎn)移，其過程如圖7所示。
圖7 流體自組裝轉(zhuǎn)移技術(shù)示意圖
Cho等采用流體自組裝方式，將圓形芯片、表面具有低熔點(diǎn)合金涂層的襯底和自組裝溶液放在一起，加熱并振蕩，Micro-LED顯示器件在流動時(shí)被低熔點(diǎn)合金捕獲并與襯底形成電氣連接，在1分鐘內(nèi)將1.9萬多塊藍(lán)色Micro-LED組裝在襯底上，成功率達(dá)到99.9%[9]。
化學(xué)剝離轉(zhuǎn)移技術(shù)
化學(xué)剝離是指通過選擇性蝕刻工藝將LED從藍(lán)寶石基板上分離。Chan等介紹了一種納米級LED的化學(xué)剝離方法，結(jié)合膠體光刻和光電化學(xué)刻蝕，具有通過金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積外延生長的活性和犧牲多量子阱層，并釋放到溶液中蝕刻犧牲MQW層[10]。優(yōu)化蝕刻條件以最大限度地減少咬邊粗糙度，從而限制對有源MQW層的損壞�？蓪ED與襯底有效分離。
總而言之，相比于激光剝離轉(zhuǎn)移技術(shù)，化學(xué)剝離轉(zhuǎn)移技術(shù)不需要使用高功率深紫外激光器，成本更低，制程時(shí)間更短，可用于柔性器件的巨量轉(zhuǎn)移。
04 結(jié)論
本文介紹了Micro-LED顯示技術(shù)，對Micro-LED的基本結(jié)構(gòu)和原理、重點(diǎn)技術(shù)鏈進(jìn)行了論述，對巨量轉(zhuǎn)移熱門技術(shù)方案做出了分析。作為產(chǎn)業(yè)鏈的新興環(huán)節(jié)，巨量轉(zhuǎn)移被視為影響良率以及產(chǎn)能釋放的核心因素，也是各大廠商聚焦攻堅(jiān)的地區(qū)。
盡管存在瓶頸，Micro-LED顯示技術(shù)的開發(fā)者們在其巨大市場潛力激勵(lì)下，仍然對Micro-LED顯示器的潛力相當(dāng)樂觀。預(yù)計(jì)在不久的未來，如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)、裸眼3D投影、智能頭戴式設(shè)備、智能手表等MicroLED相關(guān)產(chǎn)業(yè)的商品轉(zhuǎn)化將成為現(xiàn)實(shí)。
隨著工藝技術(shù)越來越成熟，LED尺寸將越做越小，可以預(yù)見的是LED器件必然會達(dá)到納米級別。若真的研制成功，世界范圍的顯示產(chǎn)業(yè)將迎來一場巨大的變革。而現(xiàn)階段世界各國對于微型LED顯示的研究時(shí)間都很短，我們可以在這個(gè)難得契機(jī)中抓緊時(shí)間，快速發(fā)展，將有極大可能在未來的顯示領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)反超。
作者簡介
陳榮，中國福建光電信息科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，工程師；研究方向：Micro-LED 顯示技術(shù)。
王堃，福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，博士研究生；研究方向：納米發(fā)光顯示技術(shù)。
余永燊，中國福建光電信息科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，工程師。研究方向：納米發(fā)光顯示技術(shù)。
吳朝興，福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，教授；研究方向：納米發(fā)光顯示技術(shù)。
嚴(yán)群，福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，教授；研究方向：Micro-LED 顯示技術(shù)。
孫捷，福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，教授；研究方向：Micro-LED 顯示技術(shù)。
周雄圖，福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，教授；研究方向：信息顯示技術(shù)。
