一篇講全Micro LED巨量轉移技術(shù)

　　行業(yè)背景

　　從性能指標來(lái)看， Micro LED 在亮度、分辨率、對比度上均顯著(zhù)優(yōu)于 OLED 和 LCD。功耗方面，以智能手機為例，LCD 屏幕耗電量約占手機的 50%。在相同畫(huà)面、相同亮度下，Micro LED 的功耗只有 LCD 的 10%、OLED 的 50%。壽命方面，Micro LED 約是 OLED 的 3 倍、LCD 的 1.5 倍。在消費升級和碳中和背景下，Micro LED 憑借顯著(zhù)優(yōu)勢，有望逐步取代 OLED 等顯示技術(shù)成為下一代顯示的主流技術(shù)。

　　巨量轉移技術(shù)是已被證明能夠克服組裝Micro LED 芯片極端要求的有前途的解決方案，包括激光剝離技術(shù)、接觸式 μTP 技術(shù)、激光非接觸式 μTP 技術(shù)和自流體組裝技術(shù)等。

　　基本概念

　　Micro LED 芯片的組裝通常包括幾個(gè)關(guān)鍵工藝步驟，包括從供體/生長(cháng)基板釋放大塊 Micro LED 芯片(即外延剝離工藝)、調整間距尺寸，最后將它們對準并移動(dòng)到背板/接收基板(即取放過(guò)程)。

　　基板分離：以某種作用力將晶片與源基板批量整體式分離;

　　晶片取放：通過(guò)轉移裝置將分離后的Micro LED晶片高精度選擇性地從源基板上拾取并轉移放置在目標顯示基板的特定位置上。

　　襯底剝離

　　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(Bowing)。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。

　　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。藍寶石襯底目前是 Micro LED 的主流襯底材料，但藍寶石襯底不導電且散熱差會(huì )影響 Micro LED 器件的發(fā)光效率，且脆性藍寶石不利于 Micro LED 在柔性顯示方向的運用，所以要生產(chǎn)高分辨率、高亮度、高對比度、微尺寸的 Micro LED 芯片，剝離藍寶石襯底是必要環(huán)節。

　　基板分離制程(a)機械剝離技術(shù);(b)化學(xué)剝離技術(shù);(c)激光剝離技術(shù)

　　芯片轉移

　　傳統的LED采用Pick&Place 真空吸取的方式，由于真空管在物理極限下只能做到大約80μm，而Micro LED的尺寸基本小于50μm，且當前的轉移設備的精密度是±34μm (Multi-chipper Transfer)，覆晶固晶機(Flip Chip Bonder)的精密度是±1.5μm (每次移轉為單一晶片)，一次只能轉移數顆器件，既效率低下又很難進(jìn)行高精度及小尺寸器件的轉移，因此無(wú)法用于Micro LED的量產(chǎn)過(guò)程中。

　　常規Pick&Place過(guò)程

　　隨著(zhù)相關(guān)技術(shù)的持續進(jìn)展，廠(chǎng)商已經(jīng)能夠制造出尺寸小于 100μm 但仍帶有藍寶石襯底的 Mini LED 芯片。在完成微米級 Micro LED 晶粒制作后，要把數百萬(wàn)甚至數千萬(wàn)顆微米級的 LED 晶粒正確且有效率地移動(dòng)到電路基板上的過(guò)程稱(chēng)之為“巨量轉移”。

　　整個(gè)制程對轉移過(guò)程要求極高，良率需達 99.9999%，精度需控制在正負 0.5μm 內。以 4K 電視為例，4K 通常指 4096 x 2160 分辨率，假設每像素點(diǎn)為三個(gè) R/G/B 晶粒，制作一臺 4K 電視需要轉移的晶粒高達 2600 萬(wàn)顆，即使每次轉移 1 萬(wàn)顆，也需要重復 2400 次。傳統的機械轉移設備速度最高在數十顆/秒，無(wú)法滿(mǎn)足 Micro LED 量產(chǎn)化的需求。

　　為了實(shí)現全彩色Micro LED顯示器，轉移技術(shù)可分為兩類(lèi)：

　　第一種策略分別是 RGB Micro LED 芯片的選擇性批量轉移。在外延剝離工藝中，不同顏色的 Micro LED 芯片與其生長(cháng)基板分離。接下來(lái)，在拾放過(guò)程中，使用轉移介質(zhì)從不同的生長(cháng)基板拾取 RGB Micro LED 芯片，然后是放置 RGB Micro LED 芯片到目標接收器基板。

　　第二種策略是單色 Blue/UV Micro LED 芯片的選擇性批量轉移，然后集成顏色轉換，例如噴墨打印量子點(diǎn) (QD ) 或發(fā)光聚合物. 值得注意的是，僅對于某些具有極高分辨率的特殊顯示器(例如 AR ) ，整個(gè)藍光Micro LED芯片可以在外延剝離過(guò)程后立即直接轉移(稱(chēng)為“單片轉移”)，無(wú)需改變相鄰 Micro LED 芯片之間的原始距離。然而，顏色轉換技術(shù)仍然存在一些技術(shù)問(wèn)題，如散熱困難、顏色轉換效率低和熱穩定性等。因此，直到現在，轉移過(guò)程仍然是必不可少的步驟。

　　a圖為RGB microLED選擇性批量轉移 b圖為單色 Blue/UV microLED 的選擇性批量轉移

　　從本質(zhì)上講，轉移技術(shù)從根本上依賴(lài)于對某些關(guān)鍵界面(即 Micro LED/生長(cháng)基板、傳輸介質(zhì)/Micro LED 和 Micro LED/接收器)處界面粘附的高效、可靠和并行控制。

　　首先，外延剝離工藝決定了Micro LED/生長(cháng)襯底的界面粘附狀態(tài)。對于 Micro LED 的制造，必須在生長(cháng)基板(藍寶石)上引入緩沖/犧牲層，以減少晶格/熱失配的影響。GaN 緩沖層通過(guò)強 sp3 型共價(jià)鍵(即化學(xué)相互作用，~1000 kJ mol -1). 這種強粘附力使得僅通過(guò)物理刺激來(lái)調節界面粘附力變得非常困難。因此，需要高能工藝(例如激光或化學(xué)蝕刻。由于物理(例如激光誘導的加熱和熔化，以及沖擊和化學(xué)(犧牲層的分解過(guò)程之間的復雜耦合，轉移技術(shù)首先面臨一個(gè)嚴峻的挑戰，即如何選擇性和精確地控制外延剝離過(guò)程。多種因素，例如切屑厚度、結構、尺寸、剝離界面注入能量(激光或刻蝕劑)的方式，影響最終的界面粘附狀態(tài)，以及剝離芯片的質(zhì)量。通常，外延剝離工藝只能直接制備有限范圍的 Micro LED 顯示器，而對于具有可變像素排列的大面積顯示器，則需要額外的取放工藝。

　　相比之下，物理粘附力(例如范德華力、流體張力、靜電力)在拾放過(guò)程中起著(zhù)至關(guān)重要的作用。傳輸介質(zhì)以高度并行、高效和準確的方式將粘附力從強狀態(tài)切換到弱狀態(tài)的能力是決定轉移技術(shù)能力的主要因素。在拾取步驟中，傳輸介質(zhì)/Micro LED 界面的粘附強度必須強于 Micro LED/供體的粘附強度，從而使 Micro LED 芯片能夠從供體基板上成功剝離。在放置/吸附步驟中，低界面粘附強度有利于將 Micro LED 轉移到接收基板。與化學(xué)粘附相比，一些物理粘附可以提供低得多且可變的粘附強度. 對于典型的可逆粘合劑系統，界面分離的臨界力Fc被發(fā)現為：

　　其中Gcrit (臨界能量釋放率)是由構成界面的材料設定的屬性，A是粘合的表面積, C是系統合規性。這種關(guān)系表明界面的物理粘附力受三個(gè)關(guān)鍵參數的控制，這三個(gè)參數取決于界面的幾何形狀和材料特性. 因此，如何通過(guò)外部刺激調節上述三個(gè)關(guān)鍵參數，實(shí)現可逆粘合，以及如何快速、準確、選擇性、大量地施加外部刺激，是傳質(zhì)技術(shù)的重點(diǎn)和核心難點(diǎn)。

　　發(fā)展簡(jiǎn)史

　　基于實(shí)現界面粘附批量控制的不同策略，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一系列轉移技術(shù)。作為轉移的先決條件，外延剝離技術(shù)于 1978 年首次發(fā)展，通過(guò)高頻選擇性蝕刻具有 AlAs 犧牲層的 LED，即化學(xué)剝離(CLO)技術(shù)。不久之后，1997年開(kāi)發(fā)了范德華力外延剝離 ( VWDE ) 技術(shù)和激光剝離 (LLO) 技術(shù). 與 CLO 技術(shù)不同，VWDE 技術(shù)使用二維材料的緩沖層，通過(guò)用范德華力代替化學(xué)粘附力來(lái)顯著(zhù)降低界面粘附力。為了提高剝離效率和質(zhì)量，引入了激光以實(shí)現犧牲 GaN 層的分解。后來(lái)，LLO成為主流。同時(shí)，選擇性剝離Micro LED芯片的技術(shù)提供了一種更簡(jiǎn)單的解決方案來(lái)適應特定的像素排列密度。因此，最近開(kāi)發(fā)了選擇性剝離技術(shù)。

　　Micro LED顯示器和轉移技術(shù)發(fā)展的簡(jiǎn)要年表

　　一般來(lái)說(shuō)，取放技術(shù)可以根據轉移介質(zhì)和接收基板的相對位置分為三種類(lèi)型。

　　接觸式μTP 技術(shù)需要Micro LED芯片在特殊印章的幫助下直接與接收基板接觸，該技術(shù)首先由羅杰斯等人引入。2013年，LuxVue提出了一種新的靜電力接觸μTP設計理念。典型的接觸式 μTP 技術(shù)可以達到很高的轉移率 (>99.99%)。然而，低傳輸速率是一個(gè)瓶頸。

　　激光非接觸式μTP 技術(shù)，它引入激光，通過(guò) 2012年引入的界面熱失配或氣泡噴射將所選芯片與印模分離。具體來(lái)說(shuō)，這些技術(shù)需要印模和接收基板之間有一定的距離。激光非接觸式μTP 技術(shù)可以實(shí)現高傳輸率，然而，成功率卻令人無(wú)法接受(90%)。

　　自組裝技術(shù)利用流體(例如 2008 年的流體自組裝) 作為傳輸介質(zhì)，并產(chǎn)生引力、疏水或親水力，以識別和定位具有特定尺寸的 Micro LED 芯片。自組裝技術(shù)也可以實(shí)現高傳輸率(99.9% )，然而，對 Micro LED 芯片和接收器面板有特殊要求。

　　轉移技術(shù)的不斷進(jìn)步顯著(zhù)提升了Micro LED顯示器的顯示質(zhì)量和集成規模。Micro LED顯示器的發(fā)展大致可分為三個(gè)階段：?jiǎn)紊⑿惋@示器的集成、低PPI的大面積顯示器的高成本集成、任意尺寸的高成本顯示器的集成PPI(未來(lái))。

　　Micro LED顯示器最早由Jiang課題組于2000年發(fā)明，此時(shí)的轉移技術(shù)只能集成少量的Micro LED陣列，形成無(wú)源矩陣(PM)微型顯示器。第一個(gè) 10 × 10 分辨率的 PM Micro LED 顯示器于 2001 年問(wèn)世, 2002 年 32 × 32 , 2003 年 64 × 64, 2004 年 128 × 96 的陣列，隨后報道了更多的元素。2008年，Rogers課題組首先利用μTP技術(shù)實(shí)現了16 × 16的Micro LED顯示器，為制備大面積顯示器奠定了基礎。2012 年，第一款配備 600 萬(wàn)個(gè) Micro LED 的大面積顯示器(55 英寸 LCD)上市，采用拾放技術(shù)制造。2014 年，通過(guò)接觸μTP 制造了具有 1700 PPI 分辨率的全彩色 Micro LED 顯示器. 為了獲得更好的分辨率和亮度，引入了有源矩陣 ( AM ) 驅動(dòng)技術(shù)。2019 年，通過(guò)接觸式μTP 結合 CLO 展示了 3.3 英寸全彩 AM Micro LED 顯示器(324 μ m × 324 μ m 像素尺寸) 。索尼于 2019 年推出了尺寸為 21 m × 5.5 m的最新大型 Micro LED 顯示器 (～16 K) 。近年來(lái)，新型 Micro LED 顯示器產(chǎn)品的不斷增加依賴(lài)于轉移技術(shù)的進(jìn)步。然而，到目前為止，制造成本的高昂價(jià)格阻礙了Micro LED顯示器的普及。

　　人們不斷追求更具成本效益(依靠極高的效率、良率和準確性)的轉移技術(shù)成為Micro LED顯示器普及的關(guān)鍵點(diǎn)。為了便于更好地理解不同的轉移技術(shù)，下表總結了所有涵蓋技術(shù)的特性、傳輸產(chǎn)量、可用效率、可調節界面粘附的機制以及局限性。

　　技術(shù)難點(diǎn)

　　巨量轉移技術(shù)是 Micro LED 量產(chǎn)化應用的關(guān)鍵一步，目前還存在許多問(wèn)題。

　　Micro LED 芯片需要進(jìn)行多次轉移(至少需要從藍寶石襯底→臨時(shí)襯底→新襯底)，且每次轉移芯片量非常大，對轉移工藝的穩定性和精確度要求非常高。

　　對于 R/G/B 全彩顯示而言，由于每一種工藝只能生產(chǎn)一種顏色的芯片，故需要將紅/ 綠/藍芯片分別進(jìn)行轉移，需要非常精準的工藝進(jìn)行芯片的定位，極大的增加了轉移的工藝難度。

　　Micro LED 的厚度僅為幾微米，將其精確地放置在目標襯底上的難度非常高，芯片尺寸及間距都很小，要將芯片連上電路也是一個(gè)挑戰。

　　此外，由于 Micro LED 尺寸極小，傳統測試設備難以使用，如何在百萬(wàn)級甚至千萬(wàn)級的芯片中對壞點(diǎn)進(jìn)行檢測修復是一大挑戰，同樣通過(guò)檢測技術(shù)挑出缺陷晶粒后，如何替換壞點(diǎn)也是一項不可或缺的技術(shù)。

　　不同尺寸的技術(shù)要求

　　當P1.0以上間距LED顯示屏，迭代向Mini/Micro級別的LED晶體顆粒的時(shí)候，依然可以采用傳統的RGB三元色燈珠封裝方式。即完全傳統的做法依然有效。但是，如果采用一定的巨量轉移工藝，如LED顆粒的提取、轉移、固定技術(shù)，無(wú)論是RGB三原色燈珠，還是四合一的更大規模燈珠板，其效率都會(huì )提升。

　　同時(shí)，與標準的巨量轉移不同，如果目標是三原色燈珠、或者四合一燈珠板，其對于“巨量轉移后端的修復設備與技術(shù)”的需求就會(huì )很低——一個(gè)基礎產(chǎn)品只集成三個(gè)、或者十余個(gè)LED晶體，出現不合格情況“報廢”是最簡(jiǎn)單的操作，當然也可以進(jìn)行修復處理(何種選擇主要看經(jīng)濟性)。這方面典型的應用是國星光電的多合一燈珠。

　　當然，在P0.5-p2.0間距的LED顯示大屏上，巨量轉移技術(shù)的應用可以是完整體。如直接制備10*10厘米的CELL單元，其上集成數萬(wàn)，甚至數十萬(wàn)個(gè)LED晶體顆粒。這時(shí)候在后端的檢測和修復工藝，就成了必須的環(huán)節。尤其是在巨量轉移缺陷率在十萬(wàn)分之一到百萬(wàn)分之一水平上時(shí)，CELL單元需要修復的概率很高。不過(guò)在LED大屏上采用完整的巨量轉移技術(shù)流程，意味著(zhù)對既有的表貼為核心的終端制程的顛覆與替代。其市場(chǎng)推廣難度不僅是技術(shù)上的、也包括投資端和產(chǎn)業(yè)鏈利益重新分配方面的。

　　但是，如果Micro LED顯示應用在穿戴設備上，其要求可能是1-2英寸的基板上，轉移百萬(wàn)顆單位的燈珠。這時(shí)候，對巨量轉移的效率、準確度和缺陷率、檢測和修復技術(shù)的要求，就是另一個(gè)數量級的問(wèn)題。即應用于越小尺寸的Micro LED顯示產(chǎn)品，其對巨量轉移的“規模和精度”要求也就越高。

　　然而，在大尺寸顯示上，巨量轉移技術(shù)也有獨特的難度：即從硅基板等上提取LED顆粒之后，顆粒間距擴張尺寸，在大尺寸顯示上會(huì )更大。比較而言，如果Micro LED應用于XR等近眼顯示，則幾乎沒(méi)有晶體顆粒間距擴張問(wèn)題——甚至Micro LED微型近眼顯示，可以采用非巨量轉移，而是驅動(dòng)結構和發(fā)光結構在同一塊硅基晶圓上分層制造的技術(shù)實(shí)現。

　　因為顯示目標產(chǎn)品的顯示尺寸、像素密度和間距的不同，對巨量轉移技術(shù)及其配套技術(shù)的要求也會(huì )截然不同。——差異巨大的巨量轉移在不同目標市場(chǎng)的需求，也就是技術(shù)難度的不同。后者導致在越是像素密度低的、越是大尺寸LED顯示產(chǎn)品上，巨量轉移現階段的技術(shù)成熟度，可商用性就越強。

　　技術(shù)路線(xiàn)

　　巨量轉移主要包括精準抓取、選擇性釋放、自組裝、轉印等動(dòng)作。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，靜電力，磁力，激光轉印，流體自組裝和卷對卷轉印幾種路線(xiàn)。不同的路線(xiàn)也有重合的部分。

　　工程應用中主要采用的技術(shù)包括靜電力吸附轉移、流體裝配轉移、彈性印模轉移、激光選擇性釋放轉移等。

　　靜電吸附

　　利用靜電力來(lái)控制內外電極電壓差，實(shí)現對晶粒的吸附和轉移。靜電力采用具有雙級結構的轉移頭，轉移頭被介電層對半分離呈一對 Si 電極。拾取晶粒階段，在吸附轉移頭和芯片上產(chǎn)生不同電荷，利用異性相吸的原理將晶粒吸附拾取。當需要把 LED 放到既定位置時(shí)，通過(guò)調節電極電壓差，同性電荷相斥，把晶粒放到既定位置完成轉移。在轉移過(guò)程中要求被吸取的微型晶粒襯底平整度必須精確控制，以免造成無(wú)效的抓取動(dòng)作，降低良率。

　　在靜電轉移過(guò)程中，靜電轉移頭陣列平面需跟Micro LED陣列平面對準，再進(jìn)行拾取及轉移，因此，在制造上，每一Micro LED的位置以及高度必須精確控制，任一Micro LED位置的偏移、高度的差異或是污染，都有可能導致整個(gè)Micro LED陣列轉移的失敗，造成良率的降低以及成本的增加。因此，研發(fā)具有robust的發(fā)明，使得靜電轉移具備強健的免疫力以抵御制程的變異，是靜電轉移技術(shù)最大之困難與挑戰。

　　特點(diǎn)：靜電易損壞芯片;芯片制造要求高。

　　探頭用常規微電子加工的方式制得，因此可以用微電路將這些探頭進(jìn)行連接，這樣可以快速施加不同的電壓信號，去分別決定哪些需要轉移，哪些不需要，這樣就可以進(jìn)行篩選，避免將壞的Micro LED也一并轉移過(guò)去。

　　兩種類(lèi)型的靜電載臺都可以通過(guò)對電極施加電場(chǎng)而產(chǎn)生靜電吸附：

　　J-R(Johnsen-Rahbek)靜電載臺，與物體接觸的表面是金屬

　　庫侖力(Coulombic)靜電載臺，與物體接觸的表面為絕緣體

　　加拿大的名叫Cooledge的公司也采用了靜電力巨量轉移的技術(shù)，但是他們的方法和LuxVue又很不一樣。Cooledge的靜電轉移頭并沒(méi)有額外的電路。

　　在靜電頭中存在著(zhù)一層可以吸收光而產(chǎn)生電荷的材料，而采用光照的方式，使照射的部位產(chǎn)生靜電，從而可以對Micro LED器件進(jìn)行轉移。要實(shí)現選擇性的選取，則需要配合著(zhù)光罩的使用。

　　流體自組裝

　　利用刷桶在襯底上滾動(dòng)，使得 LED 置于液體懸浮液中，通過(guò)流體力和重力作用， Micro LED 芯片顆粒捕獲并放置到襯底上的對應井中。流體組裝技術(shù)僅需在 Micro LED 芯片上做特殊設計， 芯片即可精準對位。流體組裝技術(shù)僅需在 Micro LED 芯片上做特殊設計，芯片即可精準對位。

　　特點(diǎn)：選擇性差;技術(shù)難度高。

　　流體自組裝派是利用流體的驅動(dòng)，通過(guò)磁力、機械力或毛細作用力等方式，使Micro LED器件在流體中自動(dòng)裝配到設計的指定區域。根據目前的調查，不少廠(chǎng)商都有在流體自組裝巨量轉移的報道，包括Self Array，Elux，Nth Degree, 三星，夏普等等。

　　Self Array采用的流體自組裝技術(shù)中：Micro LED器件上沉積一層熱解石墨，然后被放置在磁性震動(dòng)平臺上，在平臺上根據設計的磁性陣列快速完成定位，然后就可以將這些器件巨量轉移到驅動(dòng)基板上。

　　eLux也提出流體自組裝巨量轉移技術(shù)方案。2021 年 4 月 19 日，eLux在官方網(wǎng)站上宣布通過(guò)流體組裝技術(shù)已生產(chǎn)出 12.3 英寸 Micro LED 顯示器，自然產(chǎn)率為 99.987%。顯示器由 581,400 個(gè) GaN Micro LED 在 10 分鐘內組裝而成， 組裝速度為每小時(shí) 310 萬(wàn)顆，即 3.1KK/時(shí)。其中有 34 個(gè)失效顆粒，33 個(gè)可用激光修復， 修復缺陷率接近百萬(wàn)分之一。

　　在這個(gè)技術(shù)方案中，eLux對Micro LED的形狀有特殊的設計，這樣可以保證在自組裝的過(guò)程中正面朝上。eLux的技術(shù)在轉移時(shí)：首先目標基板放置在液體中，然后將大量的Micro LED器件也放入并置于目標基板上方，然后通過(guò)振動(dòng)，通過(guò)流體和重力的共同作用，使Micro LED器件定位到指定的位置。

　　關(guān)于流體自組裝轉移，還有包括在轉移過(guò)程中利用機械力進(jìn)行組裝，焊接組裝，疏水性組裝，電泳組裝等等。

　　與最常見(jiàn)的取放及激光轉移方案相比，流體組裝技術(shù)耗材使用較少、成本較低，在轉移設備和轉移過(guò)程中，流體組裝設備不需要精密的對位控制，因此成本相對低廉。采用流體自組裝雖然具有一些優(yōu)點(diǎn)，但目前看起來(lái)還有一些難點(diǎn)需要克服：比如難以進(jìn)行三色器件的轉移，自組裝的效率等等。

　　彈性印模

　　使用彈性印模，結合高精度運動(dòng)控制打印頭，利用范德華力，通過(guò)改變打印頭的速度，讓 LED 粘附在轉移頭上，或打印到目標襯底片的預定位置上。先處理 Micro LED 芯片襯底，使其只通過(guò)錨點(diǎn)和斷裂鏈固定在基底上，然后利用聚二甲基硅氧烷作為轉移膜材料制作彈性印模。彈性印模與芯片通過(guò)范德華力結合，斷裂鏈發(fā)生斷裂，所有芯片按原來(lái)的陣列排布被轉移到彈性體上面，通過(guò)調整印與芯片之間的黏著(zhù)性，完成釋放動(dòng)作。要求精準控制各個(gè)階段粘力大小，且印模必須表面度極為平坦，才不影響轉移的良率和精度。

　　特點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單;選擇性好;作用力調控困難;印模表面需極為平坦。

　　2021 年 1 月，美國 X Display Company 在官網(wǎng)宣布 2020 年底在美國安裝全球首個(gè)基于彈性印模轉移技術(shù)的巨量轉移設備，并將在 2021 年供應更多巨量轉移工具。XDC 是由巨量轉移技術(shù)廠(chǎng)商 X-Celeprint 在 2019 年分拆出來(lái)的公司，擁有 Micro LED 巨量轉移技術(shù)的 IP 和制造能力。

　　X-Celeprint的Elastomer Stamp技術(shù)，也屬于pick&place陣營(yíng)的范德華力派。采用高精度控制的打印頭，進(jìn)行彈性印模，利用范德華力讓LED黏附在轉移頭上，然后放置到目標襯底片上去。目前采用的彈性體(Elastomer)一般是PDMS。

　　這兩家的核心技術(shù)也被稱(chēng)為μTP技術(shù)，即微轉印(Micro-Transfer Printing)技術(shù)。

　　在往目標基板上轉移的過(guò)程中，目標基板本身也需要和器件有一定的作用力，這個(gè)作用力需要大于彈性印章與器件在轉移過(guò)程中的作用力。要實(shí)現這一點(diǎn)，可以通過(guò)某種方式增加目標基板表面的吸附力，比如應用一層具有黏附力的材料，或者利用bonding材料的毛細作用等等，如涂上了一層DVS-BCB材料。

　　目前在業(yè)界也有采用另外一種方法--LLO轉移外延層--來(lái)進(jìn)行轉印，這種方法可以免于在器件制造的時(shí)候對器件結構進(jìn)行弱化。

　　首先采用LLO(Laser Lift-Off)將外延層整體轉移到一個(gè)中間基板，然后在中間基板上進(jìn)行器件制作，制作好的器件通過(guò)PDMS彈性印章轉移到目標基板上。

　　因為中間基板和器件之間的作用力可以通過(guò)一定的方式設計得較弱，因此可以通過(guò)彈性印章直接進(jìn)轉移。這種方案首先采用了激光剝離制程，這個(gè)制程目前在平板或半導體產(chǎn)業(yè)中較為常見(jiàn)。而整體工藝步驟也更加簡(jiǎn)單，可能在工業(yè)界是一個(gè)比較關(guān)注的方法。

　　激光轉移

　　選擇性釋放轉移技術(shù)跳過(guò)拾取和釋放的環(huán)節，直接從原有的襯底上將 LED 進(jìn)行轉移。目前實(shí)現方式通常是通過(guò)高能量脈沖激光透過(guò)鍍有材料薄膜的基底，聚焦到基底與材料薄膜的交界面上，使薄膜被加熱至熔融狀態(tài)，基底上的芯片即可轉移沉積到與之平行放置的受體上。主要原理是利用激光器產(chǎn)生的激光與物質(zhì)的相互作用，其中紫外(UV)波長(cháng)的光子在被物質(zhì)吸收時(shí)會(huì )引起電子激發(fā)，產(chǎn)生燒蝕分解，從而產(chǎn)生沖擊力;紅外(IR)波長(cháng)的光子被物質(zhì)吸收后導致電子振動(dòng)和旋轉激發(fā)，然后發(fā)生熱分解，從而產(chǎn)生驅動(dòng)力。該轉移技術(shù)需要精準控制激光的功率和分辨率，才能不影響芯片性能并達到產(chǎn)品良率。

　　特點(diǎn)：響應快速;高度可選擇性;需要精準控制激光參數。

　　激光選擇性釋放轉移為效率最高的巨量轉移技術(shù)，預計未來(lái)激光選擇性釋放轉移技術(shù)將成為 LED 芯片巨量轉移的主流技術(shù)。

　　德國激光微加工系統廠(chǎng)商 3D-Micromac 推出新型 Micro CETI 巨量轉移平臺，支持小于 2μm 精度，每小時(shí)顆轉移 1.3 億顆 Micro LED 芯片，即效率為 130KK/小時(shí)，而機械轉移受限于拾取/放置的速度和精度。

　　2021 年 3 月 17 日慕尼黑上海光博會(huì )期間，Coherent 相干公司推出基于激光 LIFT 轉移技術(shù) 的 Micro LED 巨量轉移解決方案，據公司公布轉移速度高達每秒數萬(wàn)顆，即數十KK/小時(shí)， 并可實(shí)現 2μm 間距的高精準加工。

　　激光剝離(Laser Lift-Off, LLO)可以將MicroLED器件從藍寶石外延片上剝離下來(lái)，轉移到一個(gè)載板基板上，供后續巨量轉移。

　　LLO過(guò)程

　　激光誘導向前轉移技術(shù)(Laser Induced Forward Transfer, LIFT)用于巨量轉移的過(guò)程中，將Micro LED轉移到背板基板上。

　　對于Micro LED的整體的過(guò)程，激光所用到的LLO和LIFT可以用下圖來(lái)表示：

　　MicroLED制造過(guò)程中的LLO和LIFT

　　Coherent采用了248nm的激光來(lái)轉移GaN Micro LED，激光束通過(guò)一個(gè)Mask和投影鏡頭，可以實(shí)現1000個(gè)die的同時(shí)轉移。

　　另外一家美國的公司QMAT也提出激光轉移的技術(shù)方案，他們所采用的巨量轉移設備稱(chēng)為Zero-ppm BAR Mass-Transfer Tool。所謂Zero-ppm即為零缺陷的轉移，而B(niǎo)AR為Beam-Addressed Release的縮寫(xiě)，即激光束尋址釋放，可以實(shí)現精確的選擇性轉移。在巨量轉移前，源基板上的MicroLED器件需要經(jīng)過(guò)測試，并將測試結果作為KGD File保存在計算機中(KGD即為Known Good Die)。

　　在后續轉移的過(guò)程中，通過(guò)讀取KGD文件中缺陷的位置信息，可以通過(guò)激光精確地進(jìn)行選擇性轉移，從而使有缺陷的器件不會(huì )被轉移到目標基板上。

　　他們的方案關(guān)鍵點(diǎn)在于：采用薄膜轉移的方式，可以得到高質(zhì)量的GaN薄膜，這樣可以提升Micro LED器件的效率。

　　薄膜轉移

　　減少了2倍MOCVD的時(shí)間，使得成本大大降低?？梢栽诰蘖哭D移前進(jìn)行電學(xué)測試篩選，得到KGD的信息。

　　集成功能測試層

　　EPI基底就是轉移基底，采用激光可以實(shí)現選擇性轉移位于基底和EPI GaN之間的功能層，在LLO過(guò)程中作為釋放層，可以避免GaN的損傷。

　　Uniqarta是一家英國公司，采用LEAP(Laser-Enabled Advanced Placement)技術(shù)。通過(guò)激光束對源基底的快速掃描，讓其直接脫離源基板而集成到目標基板上。與QMAT的方案的轉移過(guò)程有相似之處，即都能夠實(shí)現選擇性轉移。

　　在Uniqarta的設備中，首先將激光束分束，然后在X-Y平面上掃描，達到選擇性轉移的目的。

　　LEAP轉移

　　不過(guò)在轉移的時(shí)候，Uniqarta采用了一個(gè)釋放層，稱(chēng)為Blistering轉移，而不是QMAT的ablative轉移。釋放層吸收激光的能量，而將其上的MicroLED彈射出去，轉移到目標基板上。采用這個(gè)技術(shù)，Micro LED背面不會(huì )吸收激光的能量，從而減少激光對其的損傷。

　　Blistering示意

　　國內中麒光電自主研發(fā)的巨量轉移技術(shù)已實(shí)現超過(guò)250萬(wàn)顆芯片/小時(shí)，是傳統工藝的30倍以上。

　　實(shí)現轉移排晶UPH≥2.5KK/小時(shí)

　　精度可達5μm

　　良率高達99.99%

　　在線(xiàn)點(diǎn)測及修復后良率達100%

　　3D-Micromac認為激光轉移方式效率最高，是其它幾種巨量轉移技術(shù)效率的數倍。

　　設備方面分為已經(jīng)有Micro LED激光轉移業(yè)務(wù)的，和有激光轉移技術(shù)儲備，有可能切入的：

　　德龍激光：公司針對藍寶石襯底的MicroLED晶圓巨量轉移工藝需求，開(kāi)發(fā)出了激光剝離設備，已經(jīng)有客戶(hù)：已經(jīng)有客戶(hù)華燦光電、深康佳。

　　大族激光:Micro LED巨量轉移設備正在驗證過(guò)程中。

　　易天古份：聲稱(chēng)自己做到99.9999%

　　博眾精工：在研。針對晶圓級異質(zhì)芯片封裝、3D封裝、TSV、MicroLED的巨量轉移，以及面版級的封裝工級的封裝工藝，其制程基版(晶圓)與載版須進(jìn)行1次或多次的暫時(shí)貼合

　　聯(lián)得裝備在研

　　賽伍技術(shù)(耗材-巨量轉移膜唯一一個(gè)有做)應用于Mini LED工藝制程的RBG切割、針刺減粘膜和巨量轉移膜等

　　巨量轉移加工、產(chǎn)線(xiàn)：

　　深康佳：公司在自主開(kāi)發(fā)的“混合式巨量轉移技術(shù)”上有所突破，轉移良率達到99.9%，試產(chǎn)階段效果較好。

　　維信諾：公司參股公司成都辰顯同期建成大陸首條從驅動(dòng)背版、巨量轉移到模組全覆蓋的Micro LED中試線(xiàn)，良率達到99.95%。

　　鴻利智匯：內部的巨量轉移良品率為99.99%

　　利亞德：6月份，利亞德“黑鉆”系列Micro LED新品發(fā)布，表示其巨量轉移良率大幅提升，PCB基巨量良率已提升至99.995%，半導體級轉移良率邁向99.999%，轉移效率1000-1500顆/秒。

　　深天馬:擬攜國貿產(chǎn)業(yè)等建設一條從巨量轉移到顯示模組的全制程Micro LED試驗線(xiàn)。

　　華燦光電：巨量轉移技術(shù)與設備廠(chǎng)商以及下游戰略客戶(hù)聯(lián)合開(kāi)發(fā)，進(jìn)展順利。

　　滾軸轉印

　　利用帶有計算機接口的滾輪系統，反饋模塊包含兩個(gè)負載傳感器和兩個(gè) Z 軸執行器，滾輪系統通過(guò)兩個(gè)顯微鏡保持精確對準，通過(guò)反饋模塊精準控制，將 Micro LED 轉印至接收襯底上。

　　KIMM公司的轉印技術(shù)技術(shù)，轉印技術(shù)通過(guò)滾輪將TFT與LED轉移到玻璃基底上面。對于這種技術(shù)，技術(shù)難度看起來(lái)非常大，特別是在于如果保證生產(chǎn)良率上面。

　　韓國的KIMM開(kāi)發(fā)了卷對卷打印的巨量轉移技術(shù)：首先通過(guò)滾輪將源基板上的Micro LED器件轉移到滾輪上，然后再將滾輪上的器件轉移到目標基板上。

　　要通過(guò)滾輪對Micro LED進(jìn)行拾取，在滾輪上面也需要一層PDMS材料作為印章，但如何實(shí)現選擇性拾取，或源基板上微器件的間隔拾取，仍然是需要討論的地方。

　　參考資料：

　　20220726-西部證券-德龍激光-688170-首次覆蓋：國產(chǎn)激光精密加工先驅?zhuān)黄萍す饩蘖哭D移技術(shù)

　　20210925-安信證券-電子元器件行業(yè)：Micro LED巨量轉移技術(shù)持續進(jìn)展，Mini LED應用方興未艾