近日，華南理工大學(xué)李宗濤和李家聲領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)在國際期刊《Journal of Physics D: Applied Physics》2024年第4期發(fā)表了題為“Challenges of high-yield manufacture in micro-light-emitting diodes displays: chip fabrication, mass transfer, and detection”的綜述文章，系統(tǒng)得總結(jié)了近些年來制造高良率Micro LED顯示屏中的前沿技術(shù)與挑戰(zhàn)。
內(nèi)容簡(jiǎn)介
Micro LED芯片往往以陣列的形式制造，首先選擇合適的材料作為襯底，在襯底上外延生長(zhǎng)出芯片的各層結(jié)構(gòu)，再利用刻蝕工藝將外延晶片上的LED結(jié)構(gòu)切割成Micro LED芯片陣列。為了滿足Micro LED顯示器的高良率要求，制造出來的Micro LED芯片往往需要很高的品質(zhì)，甚至需要實(shí)現(xiàn)接近零的缺陷水平。
在芯片制造這一環(huán)節(jié)，獲得完美良率的技術(shù)挑戰(zhàn)包括提升外延晶圓品質(zhì)、減少外延晶圓缺陷、避免刻蝕引起的側(cè)壁缺陷等。這些影響芯片良率，造成芯片缺陷的因素都來自于外延生長(zhǎng)、刻蝕等工藝，往往通過完善這些工藝得以提高芯片的品質(zhì)。
巨量轉(zhuǎn)移是Micro LED應(yīng)用于顯示的關(guān)鍵一步，也是目前Micro LED顯示器產(chǎn)業(yè)化過程中遇到的一個(gè)技術(shù)難題。巨量轉(zhuǎn)移是指將Micro LED芯片與源基板分離并批量拾取，然后單獨(dú)或成組轉(zhuǎn)移到顯示基板對(duì)應(yīng)的像素電極上。由于工業(yè)化生產(chǎn)要求巨量轉(zhuǎn)移良率不低于99.9999%，芯片轉(zhuǎn)移誤差不超過±1.5μm，轉(zhuǎn)移效率大于50~100M/h，傳統(tǒng)的芯片轉(zhuǎn)移、封裝等技術(shù)手段無法達(dá)到工業(yè)需求，巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)已經(jīng)成為制約Micro LED顯示量產(chǎn)的技術(shù)瓶頸。
為了應(yīng)對(duì)Micro LED顯示器制造中的巨量轉(zhuǎn)移挑戰(zhàn)，目前已經(jīng)發(fā)展了精準(zhǔn)拾取轉(zhuǎn)移技術(shù)、自對(duì)準(zhǔn)滾輪轉(zhuǎn)印技術(shù)、自組裝轉(zhuǎn)移技術(shù)、激光輔助轉(zhuǎn)移技術(shù)等多種巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)。巨量轉(zhuǎn)移的核心過程有兩個(gè)，一個(gè)是將芯片從襯底上剝離，另一個(gè)是將芯片連接到顯示基板上。在將Micro LED芯片從襯底上剝離下來的過程中，由于剝離力的作用，芯片表面可能會(huì)出現(xiàn)裂紋、劃痕等損傷，從而影響芯片的品質(zhì)和壽命。
在將Micro LED芯片轉(zhuǎn)移到目標(biāo)基板上的過程中，由于自組裝技術(shù)的限制，芯片可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)位、損傷等缺陷，從而影響最終的顯示良率。無論運(yùn)用哪種巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)，主要目的都是提高這兩個(gè)過程的效率和良率。
使用MOCVD技術(shù)在襯底上通過材料沉積進(jìn)行Micro LED結(jié)構(gòu)外延和刻蝕處理，而后將Micro LED芯片巨量轉(zhuǎn)移到顯示器背板上并完成Micro LED與集成器件的連接，這是制作Micro LED顯示器的核心步驟。就算在制作過程中每個(gè)步驟全都采用高良率的工藝，但是由于Micro LED用于顯示時(shí)芯片數(shù)目有數(shù)百萬甚至上千萬顆，缺陷像素的出現(xiàn)是不可避免的。
對(duì)于工業(yè)應(yīng)用，顯示器上的任何缺陷都是不可容忍的，所以對(duì)于最終的Micro LED顯示良率，除了需要在長(zhǎng)制造鏈中的每個(gè)步驟都選擇低缺陷工藝外，還需要在生產(chǎn)過程中及時(shí)檢測(cè)出顯示芯片中的壞點(diǎn)并進(jìn)行修復(fù)才能保證。理想的檢測(cè)方法應(yīng)在降低成本、提高效率的同時(shí)避免對(duì)LED功能造成任何干擾和損壞。
對(duì)于傳統(tǒng)的LED，檢測(cè)過程是容易的，因?yàn)榇蟪叽鏛ED允許用探針連接，甚至可以用肉眼發(fā)現(xiàn)壞像素，并用機(jī)械去除方法或芯片鍵合器代替。隨著LED的尺寸下降到微米級(jí)，探針尺寸可能會(huì)大大超過被檢測(cè)的LED，并導(dǎo)致檢測(cè)困難。同時(shí)，LED尺寸的減小要求電路、傳感器等連接也應(yīng)相應(yīng)地小型化。為此，用傳統(tǒng)方法檢測(cè)和修復(fù)大量Micro LED芯片是很難實(shí)現(xiàn)的，人們迫切需要新的檢測(cè)和修復(fù)技術(shù)。
最后，指出了制造高良率Micro LED顯示屏的技術(shù)方向。提高M(jìn)icro LED芯片制造的制造良率需要精確控制外延片外延生長(zhǎng)過程中的轉(zhuǎn)速、溫度和氣體流速等參數(shù)。在芯片制造過程中，這種控制仍然是制造滿足生產(chǎn)良率要求的高質(zhì)量Micro LED芯片的關(guān)鍵研究重點(diǎn)。在避免側(cè)壁缺陷方面，使用納米粒子和圖案模板直接生長(zhǎng)微型led芯片結(jié)構(gòu)顯示出前景，值得進(jìn)一步研究。
此外，QMAT襯底技術(shù)與LLO技術(shù)相結(jié)合，在后續(xù)階段具有提高轉(zhuǎn)移良率的潛力。在芯片轉(zhuǎn)移過程中，LLO技術(shù)是一種非常有前途的高收率芯片剝離方法。在LLO剝離工藝中，激光參數(shù)與界面粘附之間的調(diào)節(jié)機(jī)制有待進(jìn)一步探索。微管技術(shù)非常適合TFT工藝，證明適合在TFT背板上連接剝離的Micro LED芯片。
對(duì)于小型Micro LED顯示產(chǎn)品，可以考慮采用單片集成技術(shù)替代傳質(zhì)過程。在芯片檢測(cè)過程中，一種有效的方案是采用AOI檢測(cè)技術(shù)來識(shí)別具有外觀缺陷和EL照射亮度異常的Micro LED芯片。該方案能夠高效、準(zhǔn)確地檢測(cè)大量Micro LED芯片。芯片修復(fù)工作在很大程度上依賴于芯片轉(zhuǎn)移技術(shù)，這為更換缺陷芯片提供了方便的解決方案。
芯片制造、傳質(zhì)和檢測(cè)這三個(gè)工藝步驟是相互關(guān)聯(lián)和相互依賴的，需要它們之間的合作來確保Micro LED顯示屏的良率。
圖1 Micro LED芯片制造、芯片轉(zhuǎn)移和芯片檢測(cè)環(huán)節(jié)的基本工藝，以及常用技術(shù)②③④⑤⑥⑦⑧⑨Binhai Yu et al 2024 J. Phys. D: Appl. Phys. 57 463001（引用文獻(xiàn)：①Templier F et al 2019 SID Symposium Digest of Technical 50 164–6 ②Park J-B et al 2019 Sci. Rep. 9 11551 ③Chang C-Y et al 2011 J. Intell. Manuf. 22 953–64 ④Cok R S et al 2017 J. Soc. Inf. Disp. 25 589–609 ⑤Zhu G et al 2022 Sci. China Mater. 65 2128–53）
圖2 Micro LED芯片制造中外延生長(zhǎng)出的高質(zhì)量LED結(jié)構(gòu)（引用文獻(xiàn)：①Boyd A R et al 2019 SID Symposium Digest of Technical Papers 50 342–5 ②Barrigón E et al 2019 Chem. Rev. 119 9170–220）
圖3 Micro LED芯片制造中的刻蝕技術(shù)與納米線生長(zhǎng)技術(shù)（引用文獻(xiàn)：①Yang Y et al 2009 J. V ac. Sci. Technol. B 27 2337–41 ②Ra Y-H et al 2017 Adv. Funct. Mater. 27 1702364 ③Behrman K et al 2022 Nature Electronics 5 564-73 ④Chung K et al 2016 Adv. Mater. 28 7688-94）
圖4 Micro LED芯片制造中的襯底技術(shù)（引用文獻(xiàn)：①Henley F J 2018 SID Symposium Digest of Technical Papers 49 86-9 ②Lee D et al 2019 SID Symposium Digest of Technical Papers 50 236-9）
圖5 Micro LED芯片激光巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)（引用文獻(xiàn)：①Chen F et al 2022 Int. J. Extrem. Manuf. 4 042005 ②Park J et al 2016 Appl. Surf. Sci. 384 353-9 ③Tavernier P R et al 2001 J. Appl. Phys. 89 1527-36 ④Delmdahl R et al 2012 PSS A 209 2653-8 ⑤Wang M Q et al 2012 Int. J. Solids. Struct. 49 1701-11）
圖6 微管技術(shù)與單片集成技術(shù)（引用文獻(xiàn)：①Templier F et al 2019 SID Symposium Digest of Technical Papers 50 164-6 ②Liu Y et al 2018 SID Symposium Digest of Technical Papers 49 660-4）
圖7 Micro LED芯片檢測(cè)技術(shù)（引用文獻(xiàn)：①Park J-B et al 2019 Scientific Reports 9 11551 ②Zhu G et al 2022 Sci. China Mater. 65 2128-53 ③Chang C-Y et al 2011 J. Intell. Manuf. 22 953-64）
圖8 Micro LED芯片修復(fù)技術(shù)（引用文獻(xiàn)：①Cok R S et al 2017 J. Soc. Inf. Display 25 589-609 ②Zhu G et al 2022 Sci. China Mater. 65 2128-53）
來源：華南理工大學(xué)
