Mini_Micro LED巨量转移关键技术与装备研究现状.pdf

第 43 卷第 5 期2023 年 10 月振动、测试与诊断Vol.43 No.5Oct.2023Journal of Vibration，Measurement&DiagnosisMini/Micro LED 巨量转移关键技术与装备研究现状汤晖1，廖智燊1，魏玉章1，林志杭1，董志强2，张晓辉3，4（1.广东工业大学机电工程学院 广州，510006）（2.广州纳动半导体设备有限公司 广州，510006）（3.华南理工大学材料科学与工程学院 广州，510006）（4.季华实验室 佛山，528255）摘要 微型半导体发光二极管显示技术（mini/micro light emitting diode，简称 Mini/Micro LED）是一种基于微型LED 芯片的自发光显示技术，相较于液晶显示技术（liquid crystal display，简称 LCD）和有机发光二极管显示技术（organic lightemitting diode，简称 OLED），具有显著性能优势，被视为次世代显示技术的发展趋势。由于巨量转移技术与装备的限制，Mini/Micro LED 显示设备尚未实现大规模量产。针对此问题，首先，根据现有 Mini/Micro LED 巨量转移工艺方法的不同工作原理，总结了 3种主要工艺方法，即接触式微转印技术、非接触式激光转移技术和自组装转移技术；其次，调研了现有 Mini/Micro LED 巨量转移工艺方法中涉及到的技术与装备，归纳了其中的通用关键技术，即高速高精对位和视觉检测；然后，针对上述关键技术挑战，围绕 Mini/Micro LED 新型显示装备若干关键技术与典型设备集成开发介绍了笔者的前期研究工作；最后，讨论了实现 Mini/Micro LED 大规模量产中存在的问题及发展方向。关键词 微型半导体发光二极管显示技术；巨量转移；显示半导体装备；高速高精对位；振动抑制中图分类号 TH69引 言5G+8K 大数据时代下，Mini/Micro LED 等新型显示技术因具备亮度、对比度、色彩范围、功耗及寿命等方面显著优势，被视为次世代显示技术的发展 趋 势13。随 着 Mini/Micro LED 芯 片 不 断 微 缩（芯片尺寸50 m，像素 Pitch2.5 m），对转移装备 要 求 不 断 提 高（精 度 0.25 m，芯 片 数 1亿颗/屏，效率1 000万颗/h，良率99.999 9%），传统转移方式难以满足 Mini/Micro LED 封装制造的苛刻需求，因此芯片规模化转移与集群封装技术（巨量转移）被列入了中国机械工程学会 20212022年度“前沿科学问题和工程技术难题”之一，已成为该领域的国际竞争制高点。我国虽是显示制造大国（产值超过万亿，产能占全球 70%以上），但距“显示强国”仍有较大差距，关键材料和核心装备仍依赖进口，我国新型显示制造产业面临卡脖子局面，对材料和设备的国产化需求迫在眉睫45。Mini/Micro LED 显示设备的生产过程主要分为以下部分：制作微型 LED 芯片；巨量转移封装 与 检 测 修 复；组 装 显 示 设 备。目 前 的 微 型LED 芯片制造技术可实现在 6 英寸（15.24 cm）晶圆上生长出约 1.5 亿颗微米级 LED 芯片，芯片间距小于 10 m。随着芯片制造工艺与装备的不断发展，芯片间距缩小至 5 m，数量突破 6 亿颗67。因此，巨量转移封装需要高效地将大量的芯片精准转移到电路基板上，然而目前封装技术效率较低。例如，韩国三星制作 75 英寸（190.5 cm）的 Micro LED显示面板时，运用单头转移技术将 2 400 万余颗微型 LED 芯片从晶圆上转移到基板上封装，需要耗时高达 57 天8。巨量转移封装的效率良率保障机制是 Mini/Micro LED 显示技术走向批量化生产的关键瓶颈。Mini/Micro LED 巨量转移封装主要涉及到以下核心技术：巨量转移工艺、微纳平台对位技术以及视觉检测技术。巨量转移是将芯片从源基板转移到目标基板上，不同的工艺方法不仅在工作原理上有区别，转移速率也有很大不同。微纳平台对位技术是将源基板和目标基板进行精确对位，从而实现芯片精准转移到指定微型凹槽中。视觉检测技术是利用机器视觉实时精准检测芯片对位和芯片缺陷，并利用视觉伺服驱动运动平台和转移装置实现芯片精DOI:10.16450/ki.issn.10046801.2023.05.001 国家自然科学基金面上资助项目（51975132）；广东省国际科技合作资助项目（2022A0505050078）；国家自然科学基金委员会区域创新发展联合基金重大集成资助项目（U20A6004）收稿日期：20230706；修回日期：20230916专家论坛振 动、测试与诊断第 43 卷 准对位和修复缺陷芯片。微纳平台对位技术和视觉检测技术需要协同配合，从而提高巨量转移的速度和精度。在不同的巨量转移工艺中，绝大部分都需要利用微纳平台对位技术与视觉检测技术911。因此，笔者将微纳平台对位技术与视觉检测技术归纳为 Mini/Micro LED 巨量转移的通用关键技术并进行重点研究。1 巨量转移工艺及装备概述根据不同的工作原理，主要有 3 种 Mini/Micro LED 巨量转移工艺方法：接触式微转印技术（micro transfer printing，简称 TP）、非接触式激光转移技术（laser mass transfer，简称 LMT）和自组装转移技术（selfassembly transfer，简称 SAT）。1.1接触式微转印技术接触式微转印技术是通过物理接触的方式，将微型 LED 芯片从源基板转移到目标基板上，其工作原理如图 1 所示。根据与芯片接触原理的不同，接触微转印技术可分为 4种：静电力吸附转移、范德华力粘附转移、电磁力吸附转移和机械式转移。1.1.1静电力吸附转移静电力吸附转移基于异种电荷互吸原理，分别对转移头阵列与芯片阵列选择性地施加异性电荷，通过改变电荷大小实现抓取与释放1213。静电转移工艺最先是由 LuxVue公司于 2012年提出并一直主导研究，该公司研发了一整套静电力吸附转移系统14，如图 2 所示。静电转移工艺是一种可选择性的阵列化芯片转移工艺，转移效率达到了 12 kk/h。但是，该工艺存在以下关键技术难点：为保证静电吸附力的均匀性和避免无效抓取，该工艺对 LED 芯片衬底的平整度要求较高；在转移过程中，静电转移头阵列LED 芯片阵列、LED 芯片阵列目标基板阵列需要保证空间内的多维高精对位；电极转移头电压需要精准控制，过大会损坏芯片，过小则无法提供足够的静电力。1.1.2范德华力粘附转移范德华力粘附转移工艺是基于分子间作用力的工艺，通常是利用聚二甲基硅氧烷（Poly dimethylsiloxane，简称 PDMS）与微型 LED芯片材料的粘附关系来实现芯片的拾取与释放，实现方式主要有印章式转移与滚轴式转印。印章式巨量转移方案与装备如图 3 所示，其中PDMS 印 章 头 的 结 构 是 独 特 的 核 心 关 键 技 术。图 3（a）为美国 XCeleprint 公司设计的模制柱型印章头15，增加了拾取芯片的数量，提高了芯片的转移效率；图 3（b）为美国贝克曼研究所设计的带有金字塔状微尖的印章头16，能更好地控制印章/芯片界面的粘附力，转移率达 1 kk/h；图 3（c）为美国X Display 公司的印章式转移设备17。印章式转移技术是一种无选择性的阵列转移方法，该工艺的关键技术难点有：PDMS 材料的制作与印章头的优化；印章头、芯片阵列与目标基板的空间精准对位。滚轴式转印方案与设备如图 4 所示18，该技术是把印章集成在滚轮上，利用印章头把 LED 芯片从源基板中拾取，并滚动压印到目标基板。图 4（a）为图 1接触式微转印工作原理Fig.1Principle of TP图 2LuxVue公司静电力吸附转移系统Fig.2Electrostatic transfer system of LuxVue图 3印章式巨量转移方案与装备Fig.3Stamp transfer scheme and equipment840第 5 期汤 晖，等：Mini/Micro LED巨量转移关键技术与装备研究现状韩国机械与材料研究所（KIMM）基于这个原理设计的滚轴式转印系统1920；图 4（b）为美国密歇根大学与德国 Temicon 公司设计的基于双滚轴、传送带、UV 光源和机电系统协同配合的大面积纳米压印光刻转移系统2122，可实现柔性基底的大尺寸屏幕生产，转移速率可达 3.636 kk/h。该工艺的关键技术难点是多系统的协同控制，以及其制备的柔性显示器允许的最大机械拉伸变形只能达到 40%。1.1.3电磁力吸附转移电磁力吸附转移是一种通过控制磁性微机电系统阵列选择性地吸取和放置 LED 芯片的工艺。这种工艺中电压电流没有直接作用在 LED 芯片上，避免了对 LED 的电学损坏23，其中的关键技术难点是：较高的磁性材料的均匀性要求；电磁编程模块的设计。1.1.4机械式转移机械式转移工艺也称为机械刺晶，是一种新型板上芯片（chip on board，简称 COB）倒装转移工艺，其原理如图 5所示，将 LED 芯片顶针基板精准对齐，顶针直接从蓝膜背面将芯片刺向基板完成转移。机械式转移设备如图 6所示，其中：图 6（a）为美国 Rohinni结合刺晶转移工艺与阵列转移技术开发的 一 套 Mini LED 芯 片 转 移 系 统，其 转 移 效 率 为0.36 kk/h 24；图 6（b）为普莱信开发的 Mini LED 刺晶转移设备，其转移效率为 0.18 kk/h25。机械刺晶转移有效地简化了真空吸附转移工艺的流程，大幅度提升了转移效率。该工艺存在 3 项技术难点：转移过程中运动平台与刺晶头的高频运动容易引起非线性振动，限制转移的效率与良率；该工艺的芯片载体是蓝膜，降低膜的延展性与可塑性对转移芯片的影响是提升机械刺晶转移速率与良率的关键。1.2非接触式激光转移技术激光巨量转移工艺如图 7 所示，是一种利用高能激光照射透明基板和芯片间的响应层材料，使之发生光化学反应并让芯片剥离掉落的工艺2627。根据剥落方式可以分为直接剥离式和间接剥离式。直接剥离式激光巨量转移是指使用激光直接照射并烧蚀掉芯片上方的响应层材料，让芯片自由落体到目标基板上。间接剥离式巨量转移是指通过高能激光诱导响应层产生凸起，在机械力作用下剥离并掉落到基板上。激光式的巨量转移工艺不受机械转移头图 5刺晶倒装 COB转移技术Fig.5Pinejector transfer technique of COB图 6机械式转移设备Fig.6Mechanical transfer equipment图 7激光巨量转移工艺Fig.7Laser mass transfer technology图 4滚轴式转印方案与设备Fig.4Roller transfer schemes and equipment841振 动、测试与诊断第 43 卷 的物理性质影响，有更高的转移效率、良率以及可选择性。激 光 巨 量 转 移 装 备 如 图 8 所 示，其 中 德 国3DMicromac推出了直接激光剥离巨量转移设备，可以实现转移效率达到 130 kk/h28。日本川崎公司（K&S）、东丽工程株式会社（TORAY）以及我国大族半导体公司推出了响应层光化学反应产生气泡的间接式激光巨量转移装备，转移精度1.5 m，转移效率为 25100 kk/h2931；美国 Coherent公司推出了光化学反应产生局部凸起的应力辅助间接式激光巨量转移装备，转移效率20 kg5254。3.4高速多维柔顺微纳操作技术面向大尺寸高清显示面板 Mini LED 芯片巨量转移封装，针对高密度细间距芯片刺晶速度、精度与质量难以同时保证的问题，笔者提出了一种基于柔性铰链的多维柔顺飞行刺晶系统如图 19所示，自主研发了先进的高速多维柔顺微纳操作技术与装备5558。提出的柔性飞行刺晶新方法，解决了阵列化芯片高速、高加速转移过程软着陆柔顺精准互连的难题，微纳刺晶频率30 Hz。3.5大行程压电电机及纳米驱动控制面向晶圆制造和高端制造装备超精密运动驱动部件，针对大行程、高精度与大载荷难以同时保证的问题，笔者设计了一种新型无回退线性纳米压电电机如图 20所示，并开发了一种非对称的纳米电机优化控制算法。该纳米电机具有纳米级分辨率、厘米级运动行程以及无回退、线性运动生成特性，极限分辨率可达 1 nm5961。3.6热畸变自消除柔性连接技术面向 Mini/Micro LED 固晶、焊接等热加工过图 18多自由度微纳调平纠偏对位系统Fig.18Multreedom micro/nanopositioning system for in-plane error compensation图 16自稳定纳米云台Fig.16Selfstabilizing nanostage图 17“像素亚像素”自适应切换视觉算法Fig.17Pixels and subpixels to visual adaptive and switching algorithm图 20无回退线性纳米压电电机Fig.20Flexure piezomotor with minimized backward and nonlinear motion effect图 19多维柔顺飞行刺晶系统Fig.19MultiDOF compliant flying eject pin equipment845振 动、测试与诊断第 43 卷 程，为满足加工器件在不同的环境热场中稳定运行的需求，笔者基于无摩擦、运动学约束和匹配的热膨胀系数设计原理，提出了一种可减小热误差影响的柔性连接技术，能够实现 60%以上的热误差消除。柔性连接作为刚性连接的有效补充，为 MicroLED巨量转移装备精度和稳定性的提升开辟了一条新的路径62。所开发的热畸变自消除柔性连接系统如图 21所示。3.7全自动接近式光刻机光刻过程中，掩膜版与晶圆之间的间隙值和整面平行度是决定光刻精度和光刻精度均匀性的关键因素。为实现掩膜版与晶圆之间的精准对位，保证掩膜版与晶圆之间的近零间隙快速在线运动设定、整面调平以及位置实时反馈，笔者针对性地开发了基于机器视觉的掩膜版晶圆的近零间隙测量方法，突破掩膜版晶圆空间多自由度实现调平纠偏对位的难题，实现了精准对位、间隙快速在线运动设定以及整面调平。定位精度达 100 nm，间隙 0100 m可调，调平精度20 kg。全自动接近式光刻系统如图 22所示。4 讨论与展望当前，Mini LED 显示设备已经实现小规模生产，多数为单种类芯片的背光板产品，而 Micro LED显示屏目前只处于样品制造阶段。为实现 Mini/Micro LED 显示设备的批量化生产，未来相关工艺和技术的发展方向如下：1）激光巨量转移工艺的效率高且容易实现，是未来 Mini/Micro LED 巨量转移的主流工艺。不同的巨量转移工艺有不同的效率上限，摆臂单颗转移、针刺式转移主要用于实现 Mini LED的转移封装，速率分别为 16 k/h 和 50100 k/h。激光巨量转移技术、自组装技术以及微转印技术能够实现 Micro LED 巨 量 转 移，其 中 激 光 巨 量 转 移 速 率 可 达300 kk/h，微转印技术可达 12 kk/h，自组装技术可达 5 kk/h。但是，激光巨量转移在高能高功率的激光器、低成本高性能的粘附层材料、芯片载体与目标基板的精准对位、运动系统与激光系统的协同操作等领域需要深入研究。2）微纳对位平台的对位精度、速度和稳定性需要同步提升。微纳对位平台包括 xy 运动平台与空间调平纠偏装置。由于气浮平台具有无摩擦、纳米级 精 度 以 及 抗 电 磁 干 扰 等 特 性，比 较 适 合MicroLED 巨量转移的 xy 运动平台。由于 Mini/MicroLED 芯片的巨量转移对空间平行度的要求很高，目标基板与芯片载体之间的平行度精度是确保巨量转移精度的重要步骤，加快平行度的调整速率也能直接加快巨量转移实际效率。除了提高各个平台的对位精度，平台间跨尺度协同控制也非常关键。3）视觉检测精度和速度需进一步提高。视觉检测技术包括缺陷识别检测技术、视觉伺服驱动技术及近零间隙的检测技术。巨量转移中，由于转移工艺复杂，转移过程精度要求严格，高速高精的非接触视觉检测技术将迎来广泛需求。5 结束语笔者调研了当前主流 Mini/Micro LED 巨量转移工艺和装备，分析了各个工艺的优点以及存在的技术难点。从主流工艺中总结了 Mini/Micro LED巨量转移的共性关键技术，即微纳平台对位技术与视觉检测技术，围绕 Mini/Micro LED 巨量转移开展了一系列工作，开发了系列关键技术，研制了原型样机，并讨论与展望了未来 Mini/Micro LED 巨量转移技术与装备的发展方向。相关创新成果得到了转化应用，与 Mini/Micro LED 巨量转移行业龙头企业合作，开发了新一代产品设备。参考文献1WU T Z，SHER C W，LIN Y，et al.MiniLED and MicroLED：promising candidates for the next generation display technologyJ.Applied Sciences，2018，图 21热畸变自消除柔性连接系统Fig.21Flexible connection system with thermal distortion selfelimination function图 22全自动接近式光刻系统Fig.22Automatic proximity lithography system846第 5 期汤 晖，等：Mini/Micro LED巨量转移关键技术与装备研究现状8（9）：1557.2HUANG Y G，HSIANG E L，DENG M Y，et al.MiniLED，MicroLED and OLED displays：present status and future perspectives J.Light：Science&Applications，2020，9：105.3LEE J H，CHEN C H，LEE P H，et 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