Micro LED及核心工藝介紹

　　1、microLED簡(jiǎn)介

　　microLED，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是在一顆芯片上集成高密度微小尺寸(<100μm)的LED陣列。

　　相比于已經(jīng)大規模量產(chǎn)的LCD和OLED技術(shù)，microLED幾乎在各個(gè)技術(shù)維度上都有著(zhù)碾壓般的性能優(yōu)勢：長(cháng)壽命，高對比度，高分辨率，響應速度快，更廣的視角，豐富的色彩，超高的亮度和更低的功耗。microLED促使顯示屏向輕薄化、低功耗、高亮度方向發(fā)展。

　　2、microLED使用場(chǎng)景（市場(chǎng)潛力巨大）：

　　3、microLED主要產(chǎn)業(yè)鏈：（這部分內容將在下個(gè)專(zhuān)題中重點(diǎn)闡述）

　　4、microLED核心工藝——巨量轉移技術(shù)

　　與OLED顯示技術(shù)不同，無(wú)機LED無(wú)法在玻璃或其他大尺寸襯底進(jìn)行大面積的制作，因此需要在半導體襯底上進(jìn)行制作，然后再轉移到驅動(dòng)背板上。當前LED所采用的襯底一般為藍寶石，但藍寶石與外延層之間的晶格和熱膨脹系數不匹配，當尺寸增大時(shí)會(huì )因為應力而造成彎曲。而且藍寶石襯底與目前大規模集成電路芯片不兼容，因此也有采用硅作為外延襯底的方案，但無(wú)論哪種襯底形式，LED在制作成應用成品時(shí)都或多或少需要進(jìn)行轉移動(dòng)作。傳統轉移方式一次只能轉移數顆器件，而對于一塊常見(jiàn)的顯示屏而言，往往需要完成數百萬(wàn)甚至更多微器件的轉移，因此這種轉移方式對實(shí)際量產(chǎn)而言是不現實(shí)的技術(shù)路線(xiàn)。要完成microLED現實(shí)屏的制作，必須采用巨量轉移技術(shù)，即一次能夠轉移大量的器件到驅動(dòng)基板上，在保持巨量轉移的基礎上，還必須同時(shí)保證轉移的精度，良率及工藝的可靠性等。

　　目前microLED巨量轉移技術(shù)有好幾種并行技術(shù)流派，根據轉移過(guò)程中的作用力或具體的轉移方式，大致可以分為：范德華力轉移技術(shù)、磁場(chǎng)力轉移技術(shù)、靜電力轉移技術(shù)、自對準滾輪轉印技術(shù)、自組裝轉移技術(shù)及激光轉移技術(shù)。

　　1)、范德華力拾取轉移技術(shù)：

　　范德華力拾取轉移技術(shù)，又稱(chēng)微轉移印刷(μTP)技術(shù)，其技術(shù)的關(guān)鍵是采用高聚物印章的力學(xué)特性來(lái)完成巨量轉移中界面的粘性力調控挑戰，如圖所示，其流程可分為拾取和放置兩個(gè)過(guò)程：拾取過(guò)程主要依靠彈性圖章與待轉移器件之間的范德華力從施主基體上剝離;放置過(guò)程是利用印章將microLED功能器件(或無(wú)機薄膜)印制到受主基體上。在這兩個(gè)過(guò)程中，解決界面粘附主要涉及印章/microLED和microLED/基體兩個(gè)界面之間的斷裂形成“競爭斷裂”機制。在拾取過(guò)程中，印章/microLED界面的黏附作用應該大于元件/贈體基底界面的黏附作用，從而實(shí)現將元件薄膜從贈底基底上剝離，放置過(guò)程中，microLED元件/印章界面的黏附應該小于microLED/柔性受體界面的黏附，實(shí)現將microLED器件轉移到柔性受體。然而，從源基板上依靠范德華力直接拾取microLED很難突破生長(cháng)層的束縛的，通常需要對源基板做處理，用氫氧化鉀(KOH)或氫氧化四甲銨的濕法化學(xué)蝕刻去除Si與Si的平面，將每個(gè)器件連接到這些區域中的硅從而在不腐蝕硅晶片深度的情況下對器件進(jìn)行了底切，硅的浮雕結構保留在器件之間的正交方向上，此時(shí)microLED結構中的GaN形成了小支撐結構(即錨)，整個(gè)μLED通過(guò)兩個(gè)錨結構懸浮連接在基板上，此時(shí)可以使用圖章轉印方式以非破壞性，高速和并行操作將其移離源基板。

　　2)、磁場(chǎng)力轉移技術(shù)：

　　磁場(chǎng)力轉移技術(shù)是在微轉移印刷(μTP)工藝的基礎上，基于生物材料工程技術(shù)制造印章使用微結構控制材料表面的特征，使用磁流變彈性體，根據磁場(chǎng)控制機械性能實(shí)現轉移工作。具體轉移流程如圖所示，為了將microLED與生長(cháng)基板分離，microLED與彈性印章之間的接觸界面處的粘合力(SDF)必須大于在基板與microLED之間的接觸界面處的粘合力(MDF);要將從源基板上拾取的microLED轉移到目標基板，粘合力(SDF)必須大于在microLED和印章之間的接觸界面處產(chǎn)生的粘合力(TDF)，這一流程與前述微轉移印刷技術(shù)一致，但不同點(diǎn)在于這項研究提出了一種磁流變彈性體(MRE)，是用光刻工藝制備表面仿生微結構并添加羰基鐵(CI)粉末的一種彈性印章，彈性印章引入柱形微結構以調節界面粘性力，而脫附力則隨著(zhù)外加磁場(chǎng)和CI顆粒含量的不同而變化，施加的磁場(chǎng)強度越大，CI粒子之間的間隙越小，由于當CI顆粒分散在硅基質(zhì)中時(shí)兩種材料之間的界面結合強度降低，因此機械性能降低。此外CI粒徑越小，MR效應越小，這是因為顆粒之間的拉力弱。當CI顆粒的含量降低時(shí)，相互吸引的顆粒數量減少，這導致MR效應降低和硬度降低。通過(guò)調節CI粒子的比列和外加磁場(chǎng)的大小，粘附力變化如圖所示。

　　3)、靜電力轉移技術(shù)：

　　靜電力轉移技術(shù)是通過(guò)對轉移頭通電產(chǎn)生的靜電引力或斥力作為拾取和放置微器件的方法。轉移裝置如圖所示，單個(gè)轉移頭由帶有可獨立通電的單電極或雙電極凸臺構成，并在基板上形成與μLED節距成整數倍相匹配的陣列，μLED陣列從源基板上通過(guò)剝離方式釋放并固定在帶有粘合層的基板上，其實(shí)現轉移的過(guò)程如圖所示，首先將轉移頭陣列移動(dòng)至μLED陣列上方，對準后與μLED上表面接觸;然后選擇性地施加電壓在轉移頭地電極上，對相應位置的μLED產(chǎn)生抓取力，同時(shí)轉移頭在電壓作用下自身加熱至高于粘合層液相線(xiàn)的溫度，μLED與基板間的粘附力被減弱，轉移頭拾取μLED及粘附層的一部分移動(dòng)至接收基板的目標位置上方，對準后斷開(kāi)電壓，粘結層與接收基板冷卻固結后移走轉移頭實(shí)現放置。

　　4)、自對準滾輪轉印技術(shù)：

　　韓國機械與材料研究所( KIMM)提出了自對準滾印轉移技術(shù)，該技術(shù)使用彎曲的PDMS壓模實(shí)現轉移，并通過(guò)計算機界面控制的卷轉移系統進(jìn)行系統帶有PDMS印章的滾輪與待轉移器件接觸，并提供實(shí)時(shí)反饋，microLED可以通過(guò)兩個(gè)安裝的顯微鏡與接收器基板精確對準，然后轉移到接收器基板。具體轉移過(guò)程如圖所示，帶有PDMS壓模的輥在供體基板上的microLED上移動(dòng)。通過(guò)優(yōu)化施主基板和輥之間的夾緊力，可以將微型LED準確地轉移到PDMS壓模上。之后，滾軸系統將微型LED轉移到接收器基板上TFT的相應位置，通過(guò)使用安裝在卷對卷轉移機上的兩個(gè)顯微鏡，可以將TFT和微型LED精確對準。因此，微型LED中放入接收器襯底上。在滾輪轉印過(guò)程中，壓模與切屑之間的界面粘附力不僅取決于壓模的速度，還取決于壓模的半徑。為了進(jìn)一步擴大滾輪轉印附著(zhù)力控制，引入了成角度的立柱以通過(guò)縮回方向控制轉移，但是必須嚴格控制模具與水平輸送板之間的壓力以防止損壞μLED。此外，由于這種技術(shù)的大規模轉移，通常有必要設計一種具有微柱結構的陣列壓模，以適應不同的接收基板。由于范德華力，相鄰的微柱會(huì )彼此自接觸，這有一定的局限性。

　　5)、自組裝轉移技術(shù)：

　　精準拾取技術(shù)雖然選擇性相對好且產(chǎn)率高，但由于轉移頭的尺寸限制，傳遞速度大大降低。相比而言，自組裝技術(shù)可以提供很高的轉移速率，該技術(shù)是以elux公司提出的流體自組裝為代表，其轉移原理是將大量微LED元件放置于轉移系統中，以流體力或磁力轉移作用力使得芯片以一定的速度快速移動(dòng)，以動(dòng)態(tài)注入速率穿過(guò)接收器基板，然后懸浮液將微LED捕獲在孔中，自行完成與基板相應組裝位置的對位組裝方式，然后在退火后將其電連接到相應孔的電接口。

　　6)、激光轉移技術(shù)：

　　激光無(wú)接觸轉移技術(shù)是以激光為驅動(dòng)實(shí)現無(wú)接觸選擇性加工，并以圖案化方式實(shí)現microLED陣列化和批量化的轉移。Uniqarta的激光使能高級放置(LEAP)是一種非接觸式方法，通過(guò)這種方法，激光可以將芯片從載體轉移到基板上，并具有高精度和高產(chǎn)量。多個(gè)模具通過(guò)單個(gè)掃描激光同時(shí)傳送，從而最大限度地減少了對機械運動(dòng)的需求。這使每小時(shí)的貼裝速度超過(guò)1億個(gè)單位，比任何其他裸片貼裝技術(shù)都要高幾個(gè)數量級。QMAT開(kāi)發(fā)的巨量轉移技術(shù)是束尋址釋放(BAR)，利用激光束將大量microLED從源基板快速轉移到目標基板。原理圖如圖所示,激光透過(guò)透明基板作用在激光釋放層，通過(guò)光熱作用使的芯片與原基板分離達到轉移的目的，在進(jìn)行轉移前，由用戶(hù)電腦將前一步所檢測得到的芯片好壞文件進(jìn)行處理并記憶，在進(jìn)行轉移時(shí)遇到壞點(diǎn)激光則繞過(guò)，可以避免將壞點(diǎn)轉移到基板上，提高了良率。Optovate公司的選擇性激光剝離(p-LLO)工藝使用準分子激光器在藍寶石晶片的生長(cháng)界面處照亮稀疏分離的裸片大小的氮化鎵區域。紫外線(xiàn)照射會(huì )產(chǎn)生鎵金屬和氮氣，這些氣體可控制地將微型LED燒蝕到接收器工具或基板上。這種選擇性陣列轉移工藝使microLED制造商能夠應對GaN晶圓上的變化，包括生長(cháng)缺陷，顏色和正向電壓。此外，p-LLO的選擇性光學(xué)尋址功能使晶圓上的預轉移特性數據能夠編碼為microLED提取圖案，并用于播種和回填microLED背板，從而優(yōu)化了總產(chǎn)量。