Micro LED及核心工艺介绍

　　1、microLED简介

　　microLED，简单来说，就是在一颗芯片上集成高密度微小尺寸(<100μm)的LED阵列。

　　相比于已经大规模量产的LCD和OLED技术，microLED几乎在各个技术维度上都有着碾压般的性能优势：长寿命，高对比度，高分辨率，响应速度快，更广的视角，丰富的色彩，超高的亮度和更低的功耗。microLED促使显示屏向轻薄化、低功耗、高亮度方向发展。

　　2、microLED使用场景（市场潜力巨大）：

　　3、microLED主要产业链：（这部分内容将在下个专题中重点阐述）

　　4、microLED核心工艺——巨量转移技术

　　与OLED显示技术不同，无机LED无法在玻璃或其他大尺寸衬底进行大面积的制作，因此需要在半导体衬底上进行制作，然后再转移到驱动背板上。当前LED所采用的衬底一般为蓝宝石，但蓝宝石与外延层之间的晶格和热膨胀系数不匹配，当尺寸增大时会因为应力而造成弯曲。而且蓝宝石衬底与目前大规模集成电路芯片不兼容，因此也有采用硅作为外延衬底的方案，但无论哪种衬底形式，LED在制作成应用成品时都或多或少需要进行转移动作。传统转移方式一次只能转移数颗器件，而对于一块常见的显示屏而言，往往需要完成数百万甚至更多微器件的转移，因此这种转移方式对实际量产而言是不现实的技术路线。要完成microLED现实屏的制作，必须采用巨量转移技术，即一次能够转移大量的器件到驱动基板上，在保持巨量转移的基础上，还必须同时保证转移的精度，良率及工艺的可靠性等。

　　目前microLED巨量转移技术有好几种并行技术流派，根据转移过程中的作用力或具体的转移方式，大致可以分为：范德华力转移技术、磁场力转移技术、静电力转移技术、自对准滚轮转印技术、自组装转移技术及激光转移技术。

　　1)、范德华力拾取转移技术：

　　范德华力拾取转移技术，又称微转移印刷(μTP)技术，其技术的关键是采用高聚物印章的力学特性来完成巨量转移中界面的粘性力调控挑战，如图所示，其流程可分为拾取和放置两个过程：拾取过程主要依靠弹性图章与待转移器件之间的范德华力从施主基体上剥离;放置过程是利用印章将microLED功能器件(或无机薄膜)印制到受主基体上。在这两个过程中，解决界面粘附主要涉及印章/microLED和microLED/基体两个界面之间的断裂形成“竞争断裂”机制。在拾取过程中，印章/microLED界面的黏附作用应该大于元件/赠体基底界面的黏附作用，从而实现将元件薄膜从赠底基底上剥离，放置过程中，microLED元件/印章界面的黏附应该小于microLED/柔性受体界面的黏附，实现将microLED器件转移到柔性受体。然而，从源基板上依靠范德华力直接拾取microLED很难突破生长层的束缚的，通常需要对源基板做处理，用氢氧化钾(KOH)或氢氧化四甲铵的湿法化学蚀刻去除Si与Si的平面，将每个器件连接到这些区域中的硅从而在不腐蚀硅晶片深度的情况下对器件进行了底切，硅的浮雕结构保留在器件之间的正交方向上，此时microLED结构中的GaN形成了小支撑结构(即锚)，整个μLED通过两个锚结构悬浮连接在基板上，此时可以使用图章转印方式以非破坏性，高速和并行操作将其移离源基板。

　　2)、磁场力转移技术：

　　磁场力转移技术是在微转移印刷(μTP)工艺的基础上，基于生物材料工程技术制造印章使用微结构控制材料表面的特征，使用磁流变弹性体，根据磁场控制机械性能实现转移工作。具体转移流程如图所示，为了将microLED与生长基板分离，microLED与弹性印章之间的接触界面处的粘合力(SDF)必须大于在基板与microLED之间的接触界面处的粘合力(MDF);要将从源基板上拾取的microLED转移到目标基板，粘合力(SDF)必须大于在microLED和印章之间的接触界面处产生的粘合力(TDF)，这一流程与前述微转移印刷技术一致，但不同点在于这项研究提出了一种磁流变弹性体(MRE)，是用光刻工艺制备表面仿生微结构并添加羰基铁(CI)粉末的一种弹性印章，弹性印章引入柱形微结构以调节界面粘性力，而脱附力则随着外加磁场和CI颗粒含量的不同而变化，施加的磁场强度越大，CI粒子之间的间隙越小，由于当CI颗粒分散在硅基质中时两种材料之间的界面结合强度降低，因此机械性能降低。此外CI粒径越小，MR效应越小，这是因为颗粒之间的拉力弱。当CI颗粒的含量降低时，相互吸引的颗粒数量减少，这导致MR效应降低和硬度降低。通过调节CI粒子的比列和外加磁场的大小，粘附力变化如图所示。

　　3)、静电力转移技术：

　　静电力转移技术是通过对转移头通电产生的静电引力或斥力作为拾取和放置微器件的方法。转移装置如图所示，单个转移头由带有可独立通电的单电极或双电极凸台构成，并在基板上形成与μLED节距成整数倍相匹配的阵列，μLED阵列从源基板上通过剥离方式释放并固定在带有粘合层的基板上，其实现转移的过程如图所示，首先将转移头阵列移动至μLED阵列上方，对准后与μLED上表面接触;然后选择性地施加电压在转移头地电极上，对相应位置的μLED产生抓取力，同时转移头在电压作用下自身加热至高于粘合层液相线的温度，μLED与基板间的粘附力被减弱，转移头拾取μLED及粘附层的一部分移动至接收基板的目标位置上方，对准后断开电压，粘结层与接收基板冷却固结后移走转移头实现放置。

　　4)、自对准滚轮转印技术：

　　韩国机械与材料研究所( KIMM)提出了自对准滚印转移技术，该技术使用弯曲的PDMS压模实现转移，并通过计算机界面控制的卷转移系统进行系统带有PDMS印章的滚轮与待转移器件接触，并提供实时反馈，microLED可以通过两个安装的显微镜与接收器基板精确对准，然后转移到接收器基板。具体转移过程如图所示，带有PDMS压模的辊在供体基板上的microLED上移动。通过优化施主基板和辊之间的夹紧力，可以将微型LED准确地转移到PDMS压模上。之后，滚轴系统将微型LED转移到接收器基板上TFT的相应位置，通过使用安装在卷对卷转移机上的两个显微镜，可以将TFT和微型LED精确对准。因此，微型LED中放入接收器衬底上。在滚轮转印过程中，压模与切屑之间的界面粘附力不仅取决于压模的速度，还取决于压模的半径。为了进一步扩大滚轮转印附着力控制，引入了成角度的立柱以通过缩回方向控制转移，但是必须严格控制模具与水平输送板之间的压力以防止损坏μLED。此外，由于这种技术的大规模转移，通常有必要设计一种具有微柱结构的阵列压模，以适应不同的接收基板。由于范德华力，相邻的微柱会彼此自接触，这有一定的局限性。

　　5)、自组装转移技术：

　　精准拾取技术虽然选择性相对好且产率高，但由于转移头的尺寸限制，传递速度大大降低。相比而言，自组装技术可以提供很高的转移速率，该技术是以elux公司提出的流体自组装为代表，其转移原理是将大量微LED元件放置于转移系统中，以流体力或磁力转移作用力使得芯片以一定的速度快速移动，以动态注入速率穿过接收器基板，然后悬浮液将微LED捕获在孔中，自行完成与基板相应组装位置的对位组装方式，然后在退火后将其电连接到相应孔的电接口。

　　6)、激光转移技术：

　　激光无接触转移技术是以激光为驱动实现无接触选择性加工，并以图案化方式实现microLED阵列化和批量化的转移。Uniqarta的激光使能高级放置(LEAP)是一种非接触式方法，通过这种方法，激光可以将芯片从载体转移到基板上，并具有高精度和高产量。多个模具通过单个扫描激光同时传送，从而最大限度地减少了对机械运动的需求。这使每小时的贴装速度超过1亿个单位，比任何其他裸片贴装技术都要高几个数量级。QMAT开发的巨量转移技术是束寻址释放(BAR)，利用激光束将大量microLED从源基板快速转移到目标基板。原理图如图所示,激光透过透明基板作用在激光释放层，通过光热作用使的芯片与原基板分离达到转移的目的，在进行转移前，由用户电脑将前一步所检测得到的芯片好坏文件进行处理并记忆，在进行转移时遇到坏点激光则绕过，可以避免将坏点转移到基板上，提高了良率。Optovate公司的选择性激光剥离(p-LLO)工艺使用准分子激光器在蓝宝石晶片的生长界面处照亮稀疏分离的裸片大小的氮化镓区域。紫外线照射会产生镓金属和氮气，这些气体可控制地将微型LED烧蚀到接收器工具或基板上。这种选择性阵列转移工艺使microLED制造商能够应对GaN晶圆上的变化，包括生长缺陷，颜色和正向电压。此外，p-LLO的选择性光学寻址功能使晶圆上的预转移特性数据能够编码为microLED提取图案，并用于播种和回填microLED背板，从而优化了总产量。